KR101076786B1 - 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치 및방법 - Google Patents

직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치 및방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬 연결된 배터리 스트링의 전하 균일화를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 단일한 전압센싱부 및 단일한 전하균일화부를 배터리 스트링을 구성하는 개별 배터리가 공유하며, 2단의 구조의 스위치 블록이 배터리 스트링을 구성하는 개별 배터리의 전압을 측정하기 위한 전류 이동 경로를 형성함과 동시에 배터리 스트링 중 저충전 또는 과충전된 배터리의 충전 또는 방전 경로를 형성하고, 내전압이 낮은 스위치 소자의 사용이 가능하며, 전하 균일화를 수행하기 위한 전체적인 복잡성 및 부피가 획기적으로 감소되어 그 생산 단가를 낮춤과 동시에 효율적으로 전하균일화가 수행되는 전하균일 장치 및 방법에 관한 것이다.
직렬 연결, 배터리, DC/DC 컨버터, 모듈, 스위치

Description

직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치 및 방법{Charge Equalization Apparatus for Series-Connected Battery String and Charge Equalization Method Thereof}
본 발명은 직렬 연결된 배터리 스트링의 전하 균일화를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 단일한 전압센싱부 및 단일한 전하균일화부를 배터리 스트링을 구성하는 개별 배터리가 공유하는 구성을 가짐으로써 전체적인 복잡성 및 부피를 줄이고 생산 단가를 낮춤과 동시에 효율적으로 전하균일화가 수행되는 전하균일 장치 및 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 전지를 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차와 같이 단위 배터리(셀)의 기본 전위보다 높은 전위가 필요한 경우, 다수의 단위 배터리를 직렬 연결하여 사용하는 것이 통상적이다. 그러나 통상적인 제조방법을 통해 제조된 배터리는 동일한 양극, 음극 및 전해질 물질을 이용하여 동일한 구조로 제조되었다 하더라도 직렬 연결된 배터리 각각의 충전 또는 방전(및 자가방전) 특성에 차이가 존재하게 된다.
따라서 직렬 연결된 배터리의 사용 시 단위 배터리의 전위차가 존재하게 되고, 이로 인해 직렬 연결된 단위 배터리 중 다른 배터리의 전위에 관계없이 하나의 배터리가 완전 방전되었을 경우에도 재충전이 필요하게 되며, 재충전 시에도 각각의 배터리의 전위가 서로 다름으로 인해 일정 전압에 먼저 도달한 배터리의 과충전 문제 및 몇몇 배터리의 과충전이 일어남에도 일정 전압에 아직 도달하지 못한 배터리가 존재하는 충전 효율의 문제가 존재하게 된다.
또한 충방전 횟수가 많아지게 되면 배터리를 구성하는 물질의 노화(degradation)가 발생하여 배터리의 특성이 달라지고 이러한 노화 현상은 개별 전지간의 편차를 더욱 심화시키는 역할을 하게 된다.
따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 직렬로 연결된 배터리의 전하 균일화를 얻기 위한 다양한 전하 균일 장치가 활발히 제안되고 있는 실정이다.
일 예로, 대한민국특허공개 2008-0080864는 복수의 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 센싱부에서 측정된 복수의 셀 전압에 따라 셀밸런싱이 필요한 적어도 하나의 제1 셀을 검출하고, 자동차의 운행 모드에 따라 다른 방법으로 상기 적어도 하나의 제1 셀의 셀밸런싱을 수행하며, 셀 밸런싱시 스위치 모듈에 의해 단일한 셀 밸런싱 구동부를 공유하는 시스템에 관한 것이며, 대한민국공개특허 2006-0078967는 전압 검출부의 온도 및 열화에 따른 오차를 방지하고 정확한 셀 전압을 검출하는 시스템으로, 복수의 배터리 셀; 복수의 셀 각각에 연결되는 복수의 셀릴레이; 증폭기를 포함하는 전압 검출부; 온도를 측정하는 센싱부; 및 MCU;를 포함하여 구성되어, 셀릴레이를 통해 단일한 전압 검출부가 개별 셀에 의해 공유되는 특징이 있는 시스템이며, 대한민국특허공개 2003-0096978은 복수개의 단위셀, 충전수단, 방전수단 및 직렬병렬 전환스위치를 포함하여 구성되며, 복수개의 단위셀을 각각 균등하게 방전시킨후, 방전된 단위셀을 직렬병렬 전환스위치를 이용하여 직렬로 연결시켜 충전을 수행하는 시스템에 관한 것이다. 대한민국특허공개 2007-0064244는 전지부, 전지부에 연결된 전계효과트랜지스터부, 전계효과트랜지스터부에 연결된 증폭부, 증폭부의 출력신호를 제어하는 멀티플렉서부, 전지부의 전압신호의 편차를 비교판단 하는 비교부, 비교부의 출력을 디지털 신호로 변환시키는 A/D변환부, A/D변환부에서 출력된 신호를 입력 받아 충방전조건에 해당되는 신호를 출력하는 마이컴부, 마이컴부의 신호에 따라 동작하여 배터리 균형전류를 공급하는 스위칭부 및 공지의 충방전회로를 포함하여 구성된 시스템에 관한 것이다.
또한 일본특허공개 2008-196869는 다수개의 전지로 구성된 조립전지의 전지 각각에 캐패시터를 병렬 접속하고, 캐패시터측 스위치부와 그라운드측 스위치부를 이용하여 각 캐패시터의 전압을 순차적으로 전압 검출용 소자와 연결하는 특징이 있는 시스템이며, 일본특허공개 2005-0284297은 다수개의 전지로 구성된 조립전지, 각 전지 전압을 샘플링하는 샘플링 스위치, 각 전지의 전압을 검출하는 캐패시터, 캐패시터에 충전되는 충전 전압을 전송하기 위한 트랜스퍼 스위치, 캐패시터에 충전되는 전압을 센싱하기 위해 기준 전위를 전압 검출 장치의 접지 단자에 접속하는 접지 전위 설정 스위치, 및 각 스위치를 제어하고 캐패시터의 전압을 입력받는 전압 검출 제어 수단을 포함하여 구성되는 시스템이며, 일본특허공개 1998-032936은 복수개의 단위셀, 각 단위셀의 잔존 용량 검출 수단, 각 단위셀의 충전과 방전을 행하는 충전 교체 수단 및 방전 교체 수단, 각 단위셀의 충전과 방전을 개별적으로 제어하는 제어 수단 및 각 단위셀 개별의 충전과 방전을 행하는 직류/직류 변환기를 포함하여 구성되는 시스템에 관한 것이다. 일본특허공개 2004-194410은 둘 이상의 단위셀 그룹, 제1의 셀 그룹 및 제2의 셀 그룹 각각을 흐르는 전류의 차이를 검출하는 전류차 검출 수단, 전류의 차이를 기반으로 셀 그룹의 충방전 전류를 제어하는 수단을 포함하여 구비되는 시스템에 관한 것이다.
그러나, 상기 종래의 전하 균일 장치들은 직렬 연결된 배터리 각각에 전하 균일화 장치 또는 전압 센싱 장치가 구비되어 개별 배터리의 충전 또는 방전을 수행하여, 전체적인 장치의 복잡성 및 부피가 증가하고 생산성이 저하되며 제조원가가 상승시하는 요인으로 작용하였으며, 각 부품의 제어 또는 전류 이동경로를 형성하기 위한 소자들이 높은 전압 스트레스를 견뎌 내야 하는 문제점들이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 직렬 연결된 배터리 스트링의 전하 균일화를 수행하는 전하균일 장치의 복잡성 및 부피를 줄이고 생산 단가를 낮춤과 동시에 효율적인 전하균일이 가능한 전하 균일 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 균일화 및 동작의 제어를 위해 사용되는 소자들의 전압 스트레스를 낮추어 내전압이 낮은 소자들을 사용할 수 있는 전하균일 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치는 다수개의 배터리가 직렬 연결된 배터리 모듈; M(M≥2인 자연수) 상기 배터리 모듈이 직렬 연결된 배터리 스트링; 상기 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리의 전압을 센싱하는 단일한 전압센싱부; 상기 전압센싱부와 병렬 연결되며, 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리를 충전 또는 방전시키는 단일한 전하균일화부; 상기 배터리 모듈별로 구비되며 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 각각에 병렬 전류 이동 경로를 형성하는 양방향 스위치 블록; 상기 양방향 스위치 블록과 상기 전압센싱부 및 전하균일화부 사이에 전류 이동 경로를 형성시키는 모듈 스위치부; 및 상기 전압 센싱부에서 측정된 전압값을 입력받아 배터리의 충전 또는 방전을 판단하고, 상기 양방향 스위치 블록 및 상기 모듈 스위치부를 제어하는 마이크로프로세서;를 포 함하며, 상기 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리는 상기 양방향 스위치 블록 및 상기 모듈 스위치부에 의해 상기 전압센싱부 및 상기 전하균일화부를 공유하는 특징이 있다.
k(k≥2인 자연수)개의 배터리로 구성된 상기 배터리 모듈의 해당 양방향 스위치 블록은 2k개의 양방향 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 스위치를 포함하며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 일 배터리를 기준으로 상기 양방향 MOSFET 스위치가 상기 일 배터리의 양극과 음극 양단에 각각 연결되어 상기 병렬 전류 이동 경로가 형성되는 특징이 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 스위치 블록은 배터리 모듈별로 구비되므로, M(M≥2인 자연수) 배터리 모듈이 직렬 연결된 배터리 스트링의 경우 M개의 양방향 스위치 블록으로 구성되며, 상기 배터리 모듈의 해당 양방향 스위치 블록은 일 배터리 모듈에 대응되는 일 양방향 스위치 블록을 의미하며, 상세하게는 일 배터리 모듈을 구성하는 배터리 각각에 병렬 전류이동 경로를 형성하는 일 양방향 스위치 블록을 의미한다.
상기 모듈 스위치부는 M개의 스위치 페어(pair)를 포함하고 상기 M개의 스위치 페어중 제1 스위치 페어는 일 양방향 스위치 블록과 연결되는 제1-1스위치 및 제1-2스위치를 포함하며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 중 최하단 또는 최상단 배터리를 기준으로 상기 양방향 스위치 블록을 구성하는 홀수 번째 양방향 MOSFET 스위치의 일측이 병렬 연결되어 상기 제1-1스위치와 연결되며, 짝수 번째 양방향 MOSFET 스위치의 일측이 병렬 연결되어 상기 제1-2스위치와 연결되는 특징 이 있다.
본 발명에 따른 장치는 M(M≥2인 자연수) 배터리 모듈이 직렬 연결된 배터리 스트링의 경우 배터리 모듈별로 구비되는 M개의 양방향 스위치 블록, M개의 상기 스위치 페어를 포함하는 모듈 스위치부를 포함하며, 상기 모듈 스위치부를 구성하는 스위치 페어는 모듈 별로 일 모듈에 해당하는 일 양방향 스위치 블록과 단일한 전압센싱부 및 전하균일화부를 연결하는 특징이 있다.
상기 모듈 스위치부에 포함되는 상기 M개의 스위치 페어는 각각 상기 전압센싱부와 병렬 연결되는 특징이 있다.
상세하게, 상기 양방향 스위치 블록은 다수개의 양방향 MOSFET 스위치를 포함하며, 상기 양방향 MOSFET 스위치를 구성하는 MOSFET의 턴온시 가해지는 Vgs는 상기 배터리 스트링의 일부분인 둘 이상의 직렬 연결된 배터리의 전위인 특징이 있으며, 상기 양방향 MOSFET 스위치를 구성하는 MOSFET의 게이트에 전자식 릴레이가 구비된 특징이 있다.
상기 전자식 릴레이는 발광다이오드 및 수광소자를 포함하며, 상기 발광다이오드는 양방향 스위치 블록을 제어하기 위한 마이크로프로세서의 제어신호에 의해 발광하는 특징이 있다.
상기 전압센싱부는 캐패시터, 상기 캐패시터의 전위를 입력으로 가지며 출력값을 상기 마이크로프로세서에 제공하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 상기 아날로그-디지털 컨버터 입력단에 구비되며 상기 마이크로프로세서에 의해 제어되는 스위치를 포함하는 특징을 갖는다.
보다 상세하게, 상기 아날로그-디지털 컨버터 입력단에 구비되는 스위치는 상기 아날로그-디지털 컨버터의 입력과 상기 캐패시터 사이에 구비되어, 상기 마이크로프로세서에 의해 제어되어 상기 캐패시터의 전위가 상기 아날로그-디지털 컨버터에 입력되도록 하며, 상기 아날로그-디지털 컨버터 입력단에 구비되는 스위치는 고속 릴레이(high-speed relay)인 특징이 있다.
상기 전하균일화부는 전계효과트랜지스터(FET; Field Effect Transistor), 쌍극자트랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor), 릴레이(relay) 및 다이오드를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 능동소자; 및 인덕터, 변압기 및 캐패시터를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 수동소자;를 포함하여 구성된 방전회로, 충전회로 또는 충·방전회로인 특징이 있다.
상기 전하균일화부는 DC/DC 컨버터를 포함하며, 상기 DC/DC 컨버터는 충전형 DC/DC 컨버터, 방전형 DC/DC 컨버터 또는 충·방전형 DC/DC 컨버터를 포함하는 특징이 있다.
바람직하게 상기 DC/DC 컨버터의 1차 권선 또는 2차 권선은 상기 배터리 스트링의 전체 전위와 연결되며, 충전시, 배터리의 충전이 배터리 스트링의 전체 전위에 기인한 것이며, 방전시, 배터리에서 방전된 전위가 배터리 스트링의 전체 전위에 기여하는 특징이 있다.
상기 전하균일화부에 구비되는 상기 DC/DC 컨버터의 1차 권선 및 2차 권선의 각 단에 DC/DC 컨버터의 동작(on/off)을 제어하는 스위치가 구비된 특징이 있으며, 상기 1차 권선 및 2차 권선의 각 단에 구비된 스위치를 제어하여 단일한 상기 DC/DC 컨버터에 의해 배터리의 충전 또는 방전이 선택적으로 수행되는 특징이 있다.
상기 DC/DC 컨버터에 구비된 스위치는 상기 마이크로프로세서에서 생성된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 제어되는 특징이 있다.
상술한 지능제어 전하균일 장치를 이용한 본 발명에 따른 전하균일 방법은 a) 마이크로프로세서에서 모듈 스위치부 및 양방향 스위치 블록을 제어하고 전압센싱부를 이용하여 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 단계; b) 마이크로프로세서에서 상기 측정된 배터리의 전압의 평균값을 기준으로 저충전 또는 고충전된 배터리인 밸런싱 배터리를 선택하는 단계; c) 마이크로프로세서에서 상기 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부를 제어하여 상기 밸런싱 배터리와 전하균일화부를 연결하는 단계; 및 d) 마이크로프로세서에서 상기 전하균일화부를 동작시켜 상기 밸런싱 배터리를 충전 또는 방전하는 단계;를 포함하는 특징이 있다.
상세하게, 상기 c) 및 d) 단계는 c1) 상기 양방향 스위치 블록을 제어하여 상기 밸런싱 배터리에 병렬 전류 이동 경로를 형성하는 단계; c2) 상기 모듈 스위치부를 제어하여 상기 밸런생 배터리에 형성된 병렬 전류 이동 경로와 상기 전하균일화부간 전류 이동 경로를 형성하는 단계; d1) 상기 마이크로프로세서에서 상기 전하균일화부에 구비되며 배터리스트링 전체 전압을 입력 또는 출력으로 갖는 DC/DC 컨버터의 1차 권선 단부 및 2차 권선 단부 각각에 구비된 스위치를 제어하여 상기 밸런싱 배터리를 충전 또는 방전하는 단계;를 포함하여 수행되는 특징이 있다.
본 발명의 전하균일 장치 및 방법은 전체 배터리를 모듈로 나누고, 배터리 모듈별로 일 모듈을 구성하는 각 배터리에 병렬 전류 이동경로를 형성하는 양방향 스위치 블록이 구비되고, 상기 양방향 스위치 블록 뒷단에 개별 배터리 모듈과 전압센싱부 및 전하균일화부간 전류 이동 경로를 형성하는 모듈 스위치부가 구비되는 2단의 스위치 구성을 통해 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리가 전압센싱부 및 전하균일화부를 공유하는 특징에 의해 전하 균일화를 위해 구비되는 구성 요소가 획기적으로 감소하여 전하균일 장치의 복잡성 및 부피를 감소시키고, 그 생산 단가를 낮추는 효과가 있으며, 배터리 모듈별로 구비되는 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부의 2단 스위치 구성을 통해 전류이동경로를 형성하기 위해 구비되는 스위치들의 전압 스트레스를 획기적으로 감소시켜 내전압이 낮은 저전압 스위치 소자의 사용이 가능하며, 배터리 모듈별로 회로가 분리되어 있기 때문에 회로 구연이 쉽고 회로의 손상에 대한 효율적 대처가 가능하며, 설계 유연성이 높은 장점이 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 전하균일 장치 및 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸 쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치의 구성의 일 예를 도시한 것으로, 다수개의 배터리가 직렬 연결된 배터리 스트링(110, B1,1 내지 BM,k)은 둘 이상의 배터리가 직렬 연결된 다수개의 배터리 모듈(111, 112, 113)로 나눠진다. 도 1에 도시된 배터리 스트링은 총 M(M≥2)개의 배터리 모듈(111, 112, 113)로 구성된 경우이며, 각 배터리 모듈(111, 112, 113)을 구성하는 직렬 연결된 배터리 수가 k(k≥2)개인 경우를 도시한 것이다. 도 1에서 배터리 스트링을 구성하는 일 배터리는 상기 일 배터리가 i(i≥1인 자연수)번째 모듈에 속하고, i번째 모듈의 최상단 배터리를 기준으로 j(j≥1인 자연수)번째 위치하는 경우 Bi,j의 기호를 이용하여 표기하였으며, 도 1에서 각 배터리 모듈(111, 112, 113)을 구성하는 배터리의 수가 k개(B1,k, B2,k, BM,k)로 모두 동일한 경우를 도시하였으나, 배터리 모듈별로 각 모듈을 구성하는 배터리의 수가 상이해도 무방하다.
각 배터리 모듈(111, 112, 113)에는 배터리 모듈별로 양방향 스위치 블록(121, 122, 123)이 구비된다. 상기 양방향 스위치 블록(121)은 해당 배터리 모 듈(111)을 구성하는 각 배터리(B1,1 내지 B1,k)에 병렬 전류 이동경로를 형성하며, 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 뒷단에 구비되는 모듈 스위치부(130)는 각 배터리 모듈(111, 112, 113)의 해당 양방향 스위치 블록(121, 122, 123)에 선택적으로 전류 이동 경로를 제공하며, 상기 배터리 스트링(110)을 구성하는 일 배터리(일 예로, B2,2)는 상기 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부에 의해 단일한 전압센싱부(140) 및 단일한 전하균일화부(150)와 연결된다.
상기 단일한 전압센싱부(140)는 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 및 모듈 스위치부(130)에 의해 전류 이동 경로가 형성된 배터리의 전압을 측정하여 마이크로프로세서(160)에 제공하며, 상기 단일한 전하균일화부(150)는 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 및 모듈 스위치부(130)에 의해 전류 이동 경로가 형성된 배터리를 충전 또는 방전시키며, 상기 전압센싱부(140)와 상기 전하균일화부(150)가 병렬 연결되어 있는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 상기 배터리 스트링(110)을 구성하는 모든 배터리는 단일한 전압센싱부(140) 및 단일한 전하균일화부(150)를 공유하며, 배터리 스트링(110)을 구성하는 일 배터리와 상기 단일한 전압센싱부(140) 및 단일한 전하균일화부(150)간에는 상기 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부에 의해 선택적으로 전류 이동 경로가 형성되게 된다.
상기 전압센싱부(140)는 캐패시터를 포함하여 구성된 것이 바람직하며, 상기 전하균일화부(150)는 전계효과트랜지스터(FET; Field Effect Transistor), 쌍극자 트랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor), 릴레이(relay) 및 다이오드를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 능동소자; 및 인덕터, 변압기 및 캐패시터를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 수동소자;를 포함하여 구성된 방전회로, 충전회로 또는 충·방전회로이거나, DC/DC 컨버터, 바람직하게 1차 권선 및 2차 권선의 각 단에 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하는 스위치가 구비된 DC/DC 컨버터를 포함하여 구성된 방전회로, 충전회로 또는 충·방전회로이다.
또한, 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 및 상기 모듈 스위치부(130)는 배터리 스트링(110)을 구성하는 개별 배터리의 전압을 측정하기 위한 전류 이동 경로를 형성함과 동시에, 배터리 스트링(110)중 저충전 또는 과충전된 배터리의 충전 또는 방전 경로를 형성하는 특징이 있다.
따라서, 상기 배터리 스트링(110)을 구성하는 모든 배터리는 단일한 전압센싱부(140) 및 단일한 전하균일화부(150)를 공유하며, 상기 전압센싱부(140) 및 전하균일화부(150)는 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 및 모듈 스위치부(130)를 공유하는 특징이 있다.
도 1의 점선화살표는 제어 신호를 도시한 것으로, 상기 마이크로프로세서(160)는 전압센싱부(140)에서 측정된 전압값을 입력받아 배터리의 충전 또는 방전을 판단하고, 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 및 상기 모듈 스위치부(130)를 제어한다.
상세하게, 상기 마이크로프로세서(160)는 상기 전압센싱부(140)에서 측정된 전압을 입력받아, 배터리 스트링(110)의 평균 전압을 산출하여, 상기 배터리 스트 링(110)의 평균 전압을 기준으로 충전 또는 방전 대상 배터리인 밸런싱 배터리를 결정하여, 상기 밸런싱 배터리와 상기 전하균일화부(150)간 전류 이동 경로가 형성되도록 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부(130)를 제어한다. 상세하게는 밸런싱 배터리가 속한 배터리 모듈의 해당 양방향 스위치 블록을 제어하여 밸런싱 배터리에 병렬 전류 이동 경로를 형성하고, 모듈 스위치부(130)를 제어하여 밸런싱 배터리가 속한 배터리 모듈의 해당 양방향 스위치 블록과 전하 균일화부(150)간 전류 이동 경로를 형성한다.
이때, 마이크로프로세서(160)는 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 및 상기 모듈 스위치부(130)를 제어하여 배터리 스트링(110)을 구성하는 모든 배터리의 전압을 순차적으로 입력받아 배터리 스트링(110)의 평균 전압을 산출하며, 상기 배터리 스트링(110)의 평균 전압을 기준으로 하나 이상의 밸런싱 배터리를 결정할 수 있다. 상기 마이크로프로세서(160)는 과충전되어 방전이 필요한 방전대상 밸런싱 배터리의 리스트, 저충전되어 충전이 필요한 충전대상 밸런싱 배터리의 리스트, 또는 충전대상 밸런싱 리스트 및 방전대상 밸런싱 리스트를 산출하여, 배터리 스트링(110)을 구성하는 모든 배터리의 전압을 순차적으로 측정하는 단계 이후, 상기 밸런싱 배터리의 리스트에 따라 상기 양방향 스위치 블록(121, 122, 123) 및 상기 모듈 스위치부(130)를 제어하고 상기 전하균일화부(150)를 이용하여 한번 이상(밸런싱 배터리의 리스트에 속하는 배터리의 수)의 충전 또는 방전이 수행될 수 있다.
더 나아가, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 마이크로프로세서(160)는 상기 전하균일화부(150)의 동작(on/off)을 제어하며, 상기 전압센싱부(140)의 센싱 동작을 제어한다.
상기 전압센싱부(140)는 캐패시터(capacitor, 141) 및 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 142)를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 캐패시터(141)에 의해 배터리 스트링(110)을 구성하는 개별 배터리의 전압이 측정되며, 아날로그 값인 상기 캐패시터(141)의 전압을 디지털 값으로 변환시키는 상기 아날로그-디지털 컨버터(142)를 이용하여 디지털 값으로 변환된 개별 배터리의 전압을 상기 마이크로프로세서(160)에 제공(입력)한다.
도 1의 메인 유니트(main unit)는 상기 전압센싱부(140), 상기 전하균일화부(150) 및 마이크로프로세서(160)를 포함하며, 바람직하게 도 2에 도시한 바와 같이 상기 전압센싱부는 캐패시터(capacitor, 141) 및 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 142)를 포함하며, 상기 전하균일화부(150)는 배터리의 충전, 방전 또는 충·방전을 수행하는 DC/DC 컨버터(151)를 포함한다.
상기 DC/DC 컨버터(151)의 제1권선 또는 제2권선이 배터리 스트링(110) 전체 전압과 연결된 특징이 있다.
도 1을 기반으로 상술한 상기 전압센싱부(140)와 상기 전하균일화부(150)의 병렬 연결은 상기 DC/DC 컨버터(151)의 두 권선(제1권선 및 제2권선) 중 배터리 스트링(110) 전체 전압과 연결되지 않은 일 권선이 상기 전압센싱부(140)에 구비된 캐패시터(141)와 병렬 연결된 구조인 것이 바람직하다.
도 1에 도시한 바와 같이 상기 모듈 스위치부(130)는 다수개의 스위치 페어(switch pair, 131, 132, 133, 한 쌍의 스위치)를 포함하며, 일 배터리 모듈(일 예로 112)의 해당 양방향 스위치 블록(일 예로 122)과 상기 전압센싱부(140) 및 상기 전하균일화부(150)간의 전류 이동 경로 형성 여부는 일 스위치 페어(일 예로 132)에 의해 제어된다. 따라서, 배터리 스트링(110)이 M개의 배터리 모듈로 나눠진 경우 상기 모듈 스위치부(130)는 M개의 스위치 페어(131, 132, 133)를 포함하고, 각 스위치 페어(131, 132, 133)는 배터리 모듈별 해당 양방향 스위치 블록에 전류 이동 경로를 제공한다.
상술한 바와 같이, 모듈 스위치부(130)는 배터리 모듈 별로 전류 이동 경로를 형성하고, 양방향 스위치 블록은 해당 배터리 모듈을 구성하는 개별 배터리에 병렬 전류 이동 경로를 형성하게 된다. 도 1에 도시한 바와 같이, M 번째 배터리 모듈(113)은 M번째 양방향 스위치 블록(123)과 연결되며, M번째 양방향 스위치 블록은 모듈 스위치부의 M번째 스위치 페어(133)와 연결되어, 배터리 모듈을 기준으로 해당 양방향 스위치 블록 및 해당 스위치 페어로 구성된 다수개의 모듈(도 1의 module 1, module 2, module M)로 구성된 구조를 갖게 된다.
따라서, 배터리 스트링(110)을 구성하는 배터리 수가 변하더라도 모듈(module 1, module 2, module M)의 추가 또는 제거를 통해 용이하게 장치의 변환 및 확장이 가능하며, 배터리 모듈별로 회로가 분리되어 있기 때문에 회로 구연이 쉽고 소자의 열화등이 야기하는 회로 손상에 대한 효율적 대처가 가능하며, 설계 유연성이 높은 장점이 있다.
배터리 스트링을 구성하는 개별 배터리가 단일한 전압센싱부(140) 및 단일한 전하균일화부(150)를 공유하기 위해, 모듈 스위치부(130)에 포함된 상기 M개의 스 위치 페어(131, 132, 133)는 각각 상기 전압센싱부(140)와 병렬 연결된 것이 바람직하다.
보다 상세하게, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 모듈 스위치부(130)에 포함된 상기 M개의 스위치 페어(131 ~ 136)는 상기 전압센싱부(140)에 포함된 캐패시터(141)와 병렬 연결된 것이 바람직하다.
도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이 배터리 모듈이 k(k≥2인 자연수)개의 배터리로 구성된 상기 배터리 모듈의 해당 양방향 스위치 블록은 2k개의 양방향 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 스위치를 포함하며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 일 배터리를 기준으로 상기 양방향 MOSFET 스위치가 상기 일 배터리의 양극과 음극 양단에 각각 연결되어 상기 병렬 전류 이동 경로가 형성되는 특징이 있다.
도 2를 기반으로 상기 모듈 스위치부(130)와 상기 양방향 스위치 블록의 연결을 상술한다. 일 배터리 모듈은 일 양방향 스위치 블록과 연결되며, 일 양방향 스위치 블록은 모듈 스위치부(130)를 구성하는 일 스위치 페어와 연결되는데, 바람직하게, 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 중 최하단 또는 최상단 배터리를 기준으로 상기 양방향 스위치 블록을 구성하는 홀수 번째 양방향 MOSFET 스위치의 일측이 병렬 연결되어 상기 스위치 페어중 한 스위치와 연결되며, 짝수 번째 양방향 MOSFET 스위치의 일측이 병렬 연결되어 동일 스위치 페어중 다른 한 스위치와 연결된다.
상세하게, 상기 양방향 스위치 블록을 구성하는 양방향 MOSFET 스위치는 한 측이 인접하여 직렬 연결된 배터리 간의 노드(node)와 연결되며 다른 한 측이 스위치 페어중 한 스위치와 연결되는데, 동일 양방향 스위치 블록에 속하며 서로 인접하지 않는 양방향 MOSFET 스위치들끼리 병렬 연결되어 스위치 페어중 한 스위치 또는 다른 한 스위치와 연결되게 된다. 상기 스위치 페어는 양방향 MOSFET 스위치, 단방향 MOSFET 스위치 또는 릴레이(relay)이다.
또한, 도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같이 상기 아날로그-디지털 컨버터(142)는 마이크로프로세서와 일체형으로 구비될 수 있으며, 상기 전압센싱부(140)는 캐패시터(141)와 함께 출력전압센싱부(141')를 더 포함하여 구성되어, 상기 출력전압센싱부(141')는 상기 캐패시터(141)에 측정된 개별 배터리의 전압을 부하효과 없이 읽어 들여 상기 아날로그-디지털 컨버터(142)의 입력에 제공한다.
도 3은 M번째 배터리 모듈의 2번째 배터리의 전압 측정 또는 전하 균일화의 예를 도시한 것으로, 인식의 용이함을 위해 배터리 모듈을 구성하는 배터리의 각 단에 구비되는 양방향 MOSFET 스위치 및 모듈 스위치 전체가 아닌 M번째 배터리 모듈의 2번째 배터리(BM,2)의 전류 이동 경로를 형성하기 위해 제어되는(스위치가 low impedance 상태로 제어되는) 양방향 MOSFET 스위치 및 스위치 페어만을 도시하였다.
도 3에 도시한 바와 같이 상기 양방향 MOSFET 스위치(S2, S3)는 저전압 양방향 MOSFET 스위치인 것이 바람직하며, 마이크로프로세서(160)의 ON, OFF 신호에 받아 동작을 이루게 되므로, 양방향 MOSFET 스위치(S2, S3)의 입력(MOSFET의 게이트) 에 ON, OFF 신호를 만들어 줄 수 있는 릴레이, 바람직하게는 전자식 릴레이가 연결 되어 있는 것이 바람직하다.
상기 전자식 릴레이는 무접점 릴레이(Solid state relay) 또는 옵토커플러(Optocoupler)이며, 바람직하게는 도 3에 도시한 바와 같이 발광다이오드(r2)와 수광소자(r1)를 포함하여 구성된다. 상기 수광소자(r1)는 BJT(Bipolar Junction Transistor)인 것이 바람직하다. 상기 BJT(r1)는 상기 발광다이오드(r2)의 광을 수광하여 낮은 임피던스 상태(턴온 상태)가 되어 상기 배터리 스트링의 일부분인 둘 이상의 직렬 연결된 배터리의 전위가 상기 양방향 MOSFET 스위치를 구성하는 MOSFET의 게이트(gate)에 인가되게 된다.
상세하게는 도 3의 점선 화살표로 도시한 바와 같이 상기 발광다이오드(r2)는 양방향 스위치 블록을 제어하기 위한 마이크로프로세서(160)의 제어신호에 의해 발광하게 되고, 상기 발광다이오드(r2)의 발광에 의해 BJT(r1)가 턴온되어 양방향 MOSFET 스위치를 구성하는 MOSFET의 게이트에 턴온 전압이 가해지게 된다. 이때, 도 3에 도시한 바와 같이 양방향 MOSFET 스위치를 구성하는 MOSFET을 턴온시키는 Vgs(Vgs는 MOSFET의 소스전압을 기준으로 한 게이트 전압이다)는 배터리 스트링의 일부분인 둘 이상의 직렬 연결된 배터리의 전위로, 도 3의 경우 3개의 배터리가 직렬 연결된 전위가 MOSFET을 턴온시 인가되는 Vgs가 된다.
상술한 바와 같이 양방향 스위치 블록을 구성하는 각각의 양방향 MOSFET 스위치를 구동시키는 전원으로 배터리 모듈의 일부 전압이 사용되는 것이다. 양방향 스위치 블록을 구성하는 양방향 MOSFET 스위치는 도 3과 같이 배터리 스트링 전압 의 일부를 전원 장치로 사용하고, 게이트에 전자식 릴레이가 구비되어 신뢰도가 높은 ON, OFF 스위치 동작을 하는 특징이 있다.
상기 전하균일화부(150)는 배터리 스트링(110) 전체 전압을 입력으로 가지며, 출력이 캐패시터(141)와 연결된 DC-DC 컨버터(150)를 포함하며, 상기 DC-DC 컨버터(150)의 1차 권선 및 2차 권선 각 단에는 스위치(Sconv1, Sconv2)가 구비된 것이 바람직하다.
본 발명의 지능제어 전하균일 장치는 PWM(Pulse width modulation) 신호를 생성하는 PWM 전용 제어칩을 더 포함할 수 있으며, 상기 스위치(Sconv1, Sconv2)는 각 DC-DC 컨버터(150)의 동작(on/off)을 담당하는 부분으로 상기 마이크로프로세서(160) 또는 PWM(Pulse width modulation) 전용 제어칩(미도시)에서 생성된 PWM 신호를 입력 받아 제어되는 것이 바람직하다. 이때, 마이크로프로세서(160)에서 생성된 PWM 신호를 사용할 경우, 마이크로프로세서에서 생성된 PWM 신호의 전류 용량이 제한적이기 때문에 파워 스위치 구동에 제약이 따르므로, 추가 회로를 더 구비하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 DC-DC 컨버터(150)에 구비되는 스위치(Sconv1, Sconv2)는 MOSFET 소자 및 MOSFET 소자가 턴 오프(high impedance)된 상태에서 전류 이동 경로(MOSFET 턴 온 전류와 반대 방향)를 제공하는 다이오드를 포함한다.
과충전 또는 저충전된 밸런싱 배터리의 방전 또는 충전을 도 3을 기반으로 상술한다. 도 3과 같이 마이크로프로세서(160)가 양방향 MOSFET 스위치(S2, S3)를 턴온(low impedance)시켜 밸런싱 배터리(도 3의 BM,2)에 병렬 전류 이동 경로를 형성시킨 후, 모듈 스위치부를 제어하여 밸런싱 배터리가 속한 배터리 모듈의 해당 스위치 페어를 턴온 시키면 밸런싱 배터리(BM,2)와 DC-DC 컨버터(150)간 전류 이동 경로가 형성되게 된다.
마이크로프로세서에 의해 전류 이동 경로가 형성된 후, 밸런싱 배터리가 저충전된 경우에는 DC-DC 컨버터(151)에 구비된 스위치(Sconv1)가 켜져 DC-DC 컨버터(150) 변압기의 1차 권선에는 전체 배터리 스트링의 전압에 의해 전류가 유도되고 그 결과 변압기에 같은 양의 자기 에너지가 저장된다. 이후, DC-DC 컨버터(150)의 스위치(Sconv1)가 꺼지면 변압기에 저장된 자기 에너지는 2차 권선과 스위치(Sconv2)에 구비된 다이오드를 통해 밸런싱 배터리로 에너지를 이동하게 된다.
반대로 밸런싱 배터리가 과충전되어 방전하고자 하는 경우, DC-DC 컨버터(151)의 1차 권선 스위치(Sconv1) 대신 2차 권선 스위치(Sconv2)가 켜지면서 변압기의 2차 권선에서 저장된 에너지가 1차 권선으로 에너지를 넘기게 되어 밸런싱 배터리의 과충전된 에너지가 전체 배터리 스트링 전위로 기여하게 되는 에너지 방전 회로가 형성 되게 된다.
상기 DC-DC 컨버터(151)는 고정된 듀티비(duty ratio)를 가지는 스위치(Sconv1, Sconv2) 동작에 의해 동작하고 두 스위치(Sconv1, Sconv2)가 동시에 켜지는 일이 없게 동작한다. 전하균일화부(150)에 구비되는 DC-DC 컨버터는 도 3과 같이 플라이백 타입(flyback type) DC-DC 컨버터 일 수 있으며, 다른 타입의 DC/DC 컨버터가 사용되어도 무방하다.
도 4는 배터리 스트링(110)을 구성하는 개별 배터리의 전압을 측정하는 예를 도시한 것으로, 상기 전압센싱부(140)는 캐패시터(141), 상기 캐패시터(141)의 전위를 입력으로 가지며 출력값을 상기 마이크로프로세서(160)에 제공하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 142), 상기 아날로그-디지털 컨버터(142) 입력단에 구비되며 상기 마이크로프로세서(160)에 의해 제어되는 스위치(센싱 스위치, Sadc)를 포함한다. 상기 센싱 스위치(Sadc)는 고속 릴레이(high speed relay)인 것이 바람직하다.
도 4의 전류경로1, 전류경로2로 도시한 바와 같이 전압센싱부(140)를 구성하는 캐패시터(141)를 기준으로 전압 측정 대상인 일 배터리(도 4의 Bn)와 전류 이동 경로를 형성하는 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부(스위치 페어)와 캐피시터(141)와 아날로그-디지털 컨버터 입력 사이 전류 이동 경로를 형성하는 센싱 스위치(Sadc)를 교번으로 사용하여 배터리측 스위치(양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부)와 아날로그-디지털 컨버터(142)측 스위치(센싱 스위치, Sadc) 사이에 위치하고 있는 캐패시터(141)에 전압을 샘플링(sampling)하는 방법을 사용하여 해당하는 배터리의 전압 정보를 얻을 수 있다. 이러한 배터리 전압 센싱의 동작은 배터리 스트링의 최상위 배터리 또는 최하위 배터리부터 순차적으로 동작하게 된다.
바람직하게, 상기 마이크로프로세서(160)는 센싱 스위치(Sadc), 양방향 스위 치 블록(스위치 소자의 임피던스를 제어하는 게이트에 구비된 전자식 릴레이 또는 옵토 커플러를 포함함) 및 모듈 스위치부를 제어하여 순차적으로 배터리 스트링을 구성하는 모든 배터리의 전압을 측정하며, 측정된 배터리 전압을 이용하여 평균 배터리 스트링 전압을 산출하고, 이를 기반으로 밸런싱 배터리 리스트를 산출하며, 양방향 스위치 블록(스위치 소자의 임피던스를 제어하는 게이트에 구비된 전자식 릴레이 또는 옵토 커플러를 포함함), 모듈 스위치부 및 DC-DC 컨버터에 구비된 스위치(Sconv1, Sconv2)를 제어하여 밸런싱 배터리의 충전 또는 방전을 수행한다.
이때, 캐패시터를 이용한 배터리의 전압 센싱과 전하 균일을 위한 DC-DC 컨버터의 동작은 시간 분할(time division)을 통해 이루어진다.
상술한 전하 균일 장치를 이용한 본 발명에 따른 전하 균일 방법을 상술한다. 본 발명에 따른 전하 균일 방법에 사용되는 마이크로프로세서, 모듈스위치부, 양방향 스위치 블록, 전압센싱부, 전하균일화부, 전하균일화부에 구비되는 DC/DC 컨버터, 상기 DC/DC 컨버터에 구비되는 스위치, 밸런싱 배터리, 배터리의 전압 센싱, 배런싱 배터리의 충전 또는 방전은 본 발명에 따른 전하 균일 장치에서 상술한 바와 유사하다.
본 발명에 따른 전하 균일 방법은 a) 마이크로프로세서에서 모듈 스위치부 및 양방향 스위치 블록을 제어하고 전압센싱부를 이용하여 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 단계; b) 마이크로프로세서에서 상기 측정된 배터리의 전압의 평균값을 기준으로 저충전 또는 고충전된 배터리인 밸런싱 배터리를 선택하는 단계; c) 마이크로프로세서에서 상기 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부를 제어하여 상기 밸런싱 배터리와 전하균일화부를 연결하는 단계; 및 d) 마이크로프로세서에서 상기 전하균일화부를 동작시켜 상기 밸런싱 배터리를 충전 또는 방전하는 단계;를 포함하여 수행된다.
상세하게, 상기 c) 및 d) 단계는 c1) 상기 양방향 스위치 블록을 제어하여 상기 밸런싱 배터리에 병렬 전류 이동 경로를 형성하는 단계; c2) 상기 모듈 스위치부를 제어하여 상기 밸런생 배터리에 형성된 병렬 전류 이동 경로와 상기 전하균일화부간 전류 이동 경로를 형성하는 단계; d1) 상기 마이크로프로세서에서 상기 전하균일화부에 구비되며 배터리 스트링 전체 전압을 입력 또는 출력으로 갖는 DC/DC 컨버터의 1차 권선 단부 및 2차 권선 단부 각각에 구비된 스위치를 제어하여 상기 밸런싱 배터리를 충전 또는 방전하는 단계;를 포함한다.
상기 b) 단계의 밸런싱 배터리는 하나 이상의 과충전 배터리, 하나 이상의 저충전 배터리일 수 있으며, 밸런싱 배터리가 다수개인 경우, 밸런싱 배터리 별로 c) 및 d) 단계가 반복하여 수행된다.
상기 d) 단계가 수행된 후, 배터리 스트링을 구성하는 개별 배터리의 전압을 측정하는 상기 a) 단계가 재 수행될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 전하 균일 방법의 c) 및 d) 단계는 직렬 연결된 배터리 스트링에 전기적 충전 장치나 전기적 부하가 연결되어 있지 않은 상황에서 배터리 스트링을 구성하는 각각의 배터리 전위가 서로 다를 경우 수행되는 것이 바람직하다. 그러나 전기적 충전 장치나 전기적 부하가 연결되어 있다 하더라도, 전체 배터리 전압과 연결된 DC/DC 컨버터의 권선과 DC/DC 컨버터에 구비된 스위치가 우회 회로(bypass circuit)로 작용할 만큼 전류 수용 용량이 크거나 혹은 충전되는 전류나 방전되는 전류의 크기가 작은 경우에는 전기적 충전 장치나 전기적 부하가 연결된 상황에서도 수행될 수 있다.
a) 단계 이후, b), c) 및 d) 단계의 수행 여부는 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리의 전위가 서로 다를 경우 수행되는데, a) 단계에서 마이크로프로세서에 입력된 배터리 전압의 값을 바탕으로 미리 프로그래밍된 알고리즘을 수행하여 결정된다.
상세하게, a) 단계에서 배터리 스트링을 구성하는 모든 배터리의 전압이 순차적으로 센싱되어 마이크로프로세서에 입력되는데, 이렇게 배터리 순서대로 센싱된 전압 값은 마이크로프로세서에서 저장 된다. 이후 배터리 스트링의 평균 전압을 기준으로 일정 기준값을 초과 하는 배터리들이 방전 대상 밸런싱 배터리로 결정되며 일정 기준값을 미달하는 배터리들이 충전 대상 밸런싱 배터리로 결정되어 밸런싱 배터리 리스트가 생성되게 된다. 이러한 밸런싱 배터리 리스트에 의해 충전 또는 방전을 해야하는 배터리가 정해지고 순차적으로 밸런싱 배터리의 충전 또는 방전이 수행된다.
도 4의 장치를 기반으로 상술한 바와 유사하게, a) 단계의 상기 배터리 스트링을 구성하는 개별 배터리의 전압 센싱은 마이크로프로세서에 의해 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부에 의한 전류 이동 경로와 아날로그-디지털 컨버터 입력 사이에 구비되는 센싱 스위치에 의한 전류 이동 경로가 교번되어 형성되도록 제어하 여 배터리측 스위치(양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부)와 아날로그-디지털 컨버터측 스위치(센싱 스위치, Sadc) 사이에 위치하고 있는 캐패시터(141)에 전압을 샘플링(sampling)하는 방법을 사용한다.
도 3을 기반으로 상술한 바와 유사하게, b) 단계에서 생성된 밸런싱 배터리(또는 밸런싱 배터리 리스트)의 충전 또는 방전은 c) 단계에서 마이크로프로세서가 양방향 스위치 블록을 제어하여 밸런싱 배터리에 병렬 전류 이동 경로를 형성시킨 후, 모듈 스위치부를 제어하여 밸런싱 배터리가 속한 배터리 모듈의 해당 스위치 페어를 턴온시켜 밸런싱 배터리와 DC-DC 컨버터간 전류 이동 경로를 형성한다.
c) 단계에서 마이크로프로세서에 의해 전류 이동 경로가 형성된 후, 마이크로프로세서에 의해 DC-DC 컨버터의 1차 및 2차 권선 각 단에 구비된 스위치가 제어되어 밸런싱 배터리의 충전 또는 방전이 수행된다.
DC-DC 컨버터에 구비된 스위치는 1차 권선(또는 2차 권선)에 연결된 배터리 스트링의 전위(또는 밸런싱 배터리의 전위)를 자기 에너지로 저장하여 2차 권선(또는 1차 권선)에 연결된 밸런싱 배터리(또는 배터리 스트링)로 이동시키는 역할을 하여, 단일한 DC-DC 컨버터로 배터리의 충전 또는 방전이 선택적으로 수행되는 특징이 있으며, 충전되는 밸런싱 배터리의 충전 에너지가 배터리 스트링 전체의 전위에 기인하며, 방전되는 밸런싱 배터리의 방전 에너지가 배터리 스트링 전체의 전위에 기여하게 되는 특징을 갖는다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전하균일 장치의 구성을 도시한 예이며,
도 2는 본 발명에 따른 전하균일 장치의 구성을 도시한 다른 예이며,
도 3은 M번째 배터리 모듈의 k번째 배터리의 전류 이동경로를 도시한 본 발명에 따른 전하균일 장치의 구성을 도시한 또 다른 예이며,
도 4는 본 발명에 따른 전하균일 장치의 구성을 도시한 또 다른 예이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 배터리 스트링 111~116 : 배터리 모듈
121~126 : 양방향 스위치 블록 130 : 모듈 스위치부
131~136 : 스위치 페어 140 : 전압센싱부
150 : 전하균일화부 160 : 마이크로프로세서
141 : 캐패시터 141' : 출력전압센싱부
142 : 아날로그-디지털 컨버터 151 : DC/DC 컨버터

Claims (16)

  1. 다수개의 배터리가 직렬 연결된 배터리 모듈;
    M(M≥2인 자연수) 상기 배터리 모듈이 직렬 연결된 배터리 스트링;
    상기 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리의 전압을 센싱하는 단일한 전압센싱부;
    상기 전압센싱부와 병렬 연결되며, 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리를 충전 또는 방전시키는 단일한 전하균일화부;
    상기 배터리 모듈별로 구비되며 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 각각에 병렬 전류 이동 경로를 형성하는 양방향 스위치 블록;
    상기 양방향 스위치 블록과 상기 전압센싱부 및 전하균일화부 사이에 전류 이동 경로를 형성시키는 모듈 스위치부; 및
    상기 전압 센싱부에서 측정된 전압값을 입력받아 배터리의 충전 또는 방전을 판단하고, 상기 양방향 스위치 블록 및 상기 모듈 스위치부를 제어하는 마이크로프로세서;를 포함하고,
    상기 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리는 상기 양방향 스위치 블록 및 상기 모듈 스위치부에 의해 상기 전압센싱부 및 상기 전하균일화부를 공유하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    k(k≥2인 자연수)개의 배터리로 구성된 상기 배터리 모듈의 해당 양방향 스위치 블록은 2k개의 양방향 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 스위치를 포함하며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 일 배터리를 기준으로 상기 양방향 MOSFET 스위치가 상기 일 배터리의 음극 및 양극의 양 단에 각각 연결되어 상기 병렬 전류 이동 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 모듈 스위치부는 M개의 스위치 페어(pair)를 포함하고 상기 M개의 스위치 페어중 제1 스위치 페어는 일 양방향 스위치 블록과 연결되는 제1-1스위치 및 제1-2스위치를 포함하며,
    상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 중 최하단 또는 최상단 배터리를 기준으로 상기 양방향 스위치 블록을 구성하는 홀수 번째 양방향 MOSFET 스위치의 일측이 병렬 연결되어 상기 제1-1스위치와 연결되며, 짝수 번째 양방향 MOSFET 스위치의 일측이 병렬 연결되어 상기 제1-2스위치와 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 M개의 스위치 페어는 각각 상기 전압센싱부와 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 양방향 스위치 블록은 다수개의 양방향 MOSFET 스위치를 포함하며, 상기 양방향 MOSFET 스위치를 구성하는 MOSFET의 턴온시 가해지는 Vgs는 상기 배터리 스트링의 일부분인 둘 이상의 직렬 연결된 배터리의 전위인 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 양방향 MOSFET 스위치를 구성하는 MOSFET의 게이트에 전자식 릴레이가 구비된 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전자식 릴레이는 발광다이오드 및 수광소자를 포함하며, 상기 발광다이오드는 양방향 스위치 블록을 제어하기 위한 마이크로프로세서의 제어신호에 의해 발광하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전압센싱부는 캐패시터, 상기 캐패시터의 전위를 입력으로 가지며 출력 값을 상기 마이크로프로세서에 제공하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 상기 아날로그-디지털 컨버터 입력단에 구비되며 상기 마이크로프로세서에 의해 제어되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전하균일화부는 전계효과트랜지스터(FET; Field Effect Transistor), 쌍극자트랜지스터(BJT; Bipolar Junction Transistor), 릴레이(relay) 및 다이오드를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 능동소자; 및 인덕터, 변압기 및 캐패시터를 포함하는 군에서 하나 이상 선택된 수동소자;를 포함하여 구성된 방전회로, 충전회로 또는 충??방전회로인 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전하균일화부는 DC/DC 컨버터를 포함하며, 상기 DC/DC 컨버터는 충전형 DC/DC 컨버터, 방전형 DC/DC 컨버터 또는 충·방전형 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터의 1차 권선 또는 2차 권선은 상기 배터리 스트링의 전체 전위와 연결된 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터의 1차 권선 및 2차 권선의 각 단에 DC/DC 컨버터의 동작(on/off)을 제어하는 스위치가 구비된 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터에 구비된 스위치는 상기 마이크로프로세서에서 생성된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 지능제어 전하균일 장치는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 PWM 전용 제어칩을 더 포함하며, 상기 DC/DC 컨버터에 구비된 스위치는 상기 PWM 전용 제어칩의 PWM 신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 장치.
  15. 제 1항 내지 제 14항에서 선택된 어느 한 항의 지능제어 전하균일 장치를 이 용한 전하균일 방법에 있어서,
    a) 마이크로프로세서에서 모듈 스위치부 및 양방향 스위치 블록을 제어하고 전압센싱부를 이용하여 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리의 전압을 측정하는 단계;
    b) 마이크로프로세서에서 상기 측정된 배터리의 전압의 평균값을 기준으로 저충전 또는 고충전된 배터리인 밸런싱 배터리를 선택하는 단계;
    c) 마이크로프로세서에서 상기 양방향 스위치 블록 및 모듈 스위치부를 제어하여 상기 밸런싱 배터리와 전하균일화부를 연결하는 단계; 및
    d) 마이크로프로세서에서 상기 전하균일화부를 동작시켜 상기 밸런싱 배터리를 충전 또는 방전하는 단계;
    를 포함하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 c) 및 d) 단계는
    c1) 상기 양방향 스위치 블록을 제어하여 상기 밸런싱 배터리에 병렬 전류 이동 경로를 형성하는 단계;
    c2) 상기 모듈 스위치부를 제어하여 상기 밸런생 배터리에 형성된 병렬 전류 이동 경로와 상기 전하균일화부간 전류 이동 경로를 형성하는 단계; 및
    d1) 상기 마이크로프로세서에서 상기 전하균일화부에 구비되며 배터리스트링 전체 전압을 입력 또는 출력으로 갖는 DC/DC 컨버터의 1차 권선 단부 및 2차 권선 단부 각각에 구비된 스위치를 제어하여 상기 밸런싱 배터리를 충전 또는 방전하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬연결 배터리 스트링을 위한 지능제어 전하균일 방법.
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