KR101210951B1 - 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존의 에너지 저장장치 모듈이 여러개의 스위치를 능동적으로 제어하여야 하기 때문에 회로가 복잡해지고, 별도의 외부보조전원이 구성되어 전원을 공급받아야 구동되므로, 전력소비가 많이 발생되는 문제점이 있고, 스위칭 소자가 과부하로 인해 오작동을 일으키는 문제점을 개선하고자, 제1 에너지 저장장치 셀(110), 제1 다이오드(120), 제1 플라이백 트랜스포머(130), 제1 스위칭 소자(140), 발진부(150), 제1 게이트 회로부(160)로 이루어진 제1 셀 밸런싱 모듈(100)과;, 제2 에너지 저장장치 셀(210), 제2 다이오드(220), 제2 플라이백 트랜스포머(230), 제2 스위칭 소자(240), 제2 게이트 회로부(250), 셀전압감지부(260), 셀밸런싱 MCU(270)로 이루어지 제2 셀 밸런싱 모듈(200);이 구성됨으로서, 회로가 간단하고, 별도의 외부보조전원없이 커패시터의 자체 충전에너지를 이용한 발진회로를 통해 셀전압을 균등화시킬 수 있어, 전력소비를 줄일 수 있으며, 플라이백 트랜스포머의 1차 권선 일측에 스너버 회로모듈이 구성되어 제1 플라이백 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의한 스위치 소자의 과전압 상승을 억제시킬 수 있어, 스위칭 소자의 오작동을 줄일 수 있고, 무엇보다 기존에 비해 셀전압 균등화를 70% 향상시킨 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈{CELL BALANCING CIRCUIT FOR ENERGY STORAGE MODULE}
본 발명은 슈퍼커패시터 등의 에너지 저장매체를 직렬로 구성할 때 셀간의 용량편차나 등가저항의 편차로 인해 발생하는 충전전압 불균형 문제를 해결하기 위한 회로구성방법에 관한 것이다.
충전된 슈퍼커패시터의 자연상태에서 전압강하는 누설전류와 전하 재분배라는 서로 다른 과정을 통해 발생하게 된다.
전하재분배는 전극으로의 전하의 접근성이 용이한 낮은 접근시정수를 갖는 영역으로부터 전하의 접근성이 어려운 높은 시정수를 갖는 영역으로 전하가 이동하기 때문에 발생한다.
전하재분배과정에서 슈퍼커패시터단자를 기준으로 전압이 상승하게 되므로 누설전류와는 반대의 개념이다.
전하의 이동이 느린 영역에서는 전하가 늦게 도달하기 때문에 슈퍼커패시터의 급속 충방전후 전압은 약간 감소하거나 상승하게 된다.
누설전류는 이온성 전하의 확산과정 혹은 분리막에서의 전자의 부분방전에 기인하는 것으로 볼 수 있다.
자가방전의 크기는 슈퍼커패시터에 일정전압을 유지하기 위해 단자에 입력되는 마이크로 암페어 단위의 전류를 측정하던가 혹은 시간에 따른 커패시터 단자의 전압변화를 기록함으로써 측정할 수 있다.
위와 같은 현상에 기인한 현상은 슈퍼커패시터의 모듈화 과정에서 셀 전압의 불균일한 결과를 초래하며 이는 대용량 모듈 구현에 있어 커다란 장애요소로 작용한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 셀전압의 균등화를 구성하는 방법으로 수동적 균등화 방법이 있다.
이것은 슈퍼커패시터의 자가 방전전류의 약 10배에 해당하는 전류를 각각의 셀 외부로 흘려줌으로써 셀전압을 균등화할 수 있는 방법이다.
하지만 셀 손실로 작용하여 셀을 방전시킴으로써 에너지 저장장치로써 역할이 줄어들게 되는 문제점이 있었다.
또 다른 방법으로 능동적으로 셀전압을 균일화하는 다양한 방법이 제시되어 있다.
대한민국등록특허 10-0995816(등록일자 2010년 11월 16일)에서는 단위셀 각각의 전압을 감지하여 충전량을 초과하는 전류에 대해 해당 단위셀로 흐르는 전류를 바이패스 시킴으로써 단위셀의 충전을 방지하여 셀간 균등전압을 유지하는 방법을 개시된 바 있었다.
또한, 대한민국등록특허 10-0726511 (등록일자 2007년 06월 01일)에서는 단위셀 전압을 피드백하여 전압이 높은 특정셀의 에너지를 트랜스를 이용하여 전압이 낮은 특정셀 혹은 셀군으로 보내는 방법으로 셀전압 균등화를 위한 기술로써 개시된 바 있었다.
그러나, 상기 등록특허에서 개시된 기술들은 여러개의 스위치를 능동적으로 제어하여야 하기 때문에 회로가 복잡해지고, 별도의 외부보조전원이 구성되어 전원을 공급받아야 구동되므로, 전력소비가 많이 발생되는 문제점이 있었다.
또한, 플라이백 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의한 스위치 소자의 과전압 상승을 억제시키는 장치가 없어, 스위칭 소자가 과부하로 인해 오작동을 일으키는 문제점이 있었다.
대한민국등록특허 10-0995816(등록일자 2010년 11월 16일) 대한민국등록특허 10-0726511 (등록일자 2007년 06월 01일)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 회로가 간단하고, 별도의 외부보조전원없이 커패시터의 자체 충전에너지를 이용한 발진회로를 통해 셀전압을 균등화시킬 수 있어, 전력소비를 줄일 수 있으며, 플라이백 트랜스포머의 1차 권선 일측에 스너버 회로모듈이 구성되어 제1 플라이백 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의한 스위치 소자의 과전압 상승을 억제시킬 수 있어, 스위칭 소자의 오작동을 줄일 수 있고, 무엇보다 기존에 비해 셀전압 균등화를 향상시킨 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈은
기준 전압 이상의 충전상태를 유지하는 상황에서 제어를 위한 별도의 외부 보조전원을 사용하지 않으면서, 에너지 저장장치 셀의 자체 충전에너지를 이용한 발진회로를 통해 셀전압을 균등화시키는 제1 셀 밸런싱 모듈(100)과,
에너지 저장장치 셀 사이의 불균일한 셀전압값을 읽어들여, 읽어들인 각각의 셀전압값이 기준범위를 넘어설 경우, 스위치를 제어하기 위한 게이트 신호를 직접 발생시켜 능동적으로 셀전압을 균등화시키는 제2 셀 밸런싱 모듈(200)로 나뉘어 독립적으로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명드린 바와 같이, 본 발명에서는 단순한 회로구성만으로 셀전압균등화를 실현할 수 있고, 수요에 따른 증가추세에 있는 저장장치의 모듈 구성이 매우 용이하게 되며 이는 단위셀을 직렬연결하여 모듈로 구성되는 모든 분야에 적용 가능한 효과가 있다.
또한, 별도의 외부보조전원없이 커패시터의 자체 충전에너지를 이용한 발진회로를 통해 셀전압을 균등화시킬 수 있어, 전력소비를 줄일 수 있으며, 제1 플라이백 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의한 스위치 소자의 과전압 상승을 억제시킬 수 있어, 스위칭 소자의 오작동을 줄일 수 있고, 무엇보다 기존에 비해 셀전압 균등화를 70% 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈 중 제1 셀 밸런싱 모듈(100)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈 중 제2 셀 밸런싱 모듈(200)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 제1 플라이백트랜스포머의 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 5는 본 발명에 따른 셀 전압 균등화를 극대화하고 제1,2다이오드의 순방향 전압강하의 편차를 보완하기 위해 PCB 기판상에 제1,2다이오드를 직렬로 나열한 후, 실리콘과 같은 몰드재료로 몰딩하여 온도를 동일하도록 유지함으로써 다이오드 순방향 전압강하 편차를 감소시키는 것을 도시한 일실시예도.
본 발명에서 설명되는 셀은 "에너지 저장장치 셀"의 약어로서, 에너지를 저장시키는 캐패시터를 말한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈의 구성요소를 도시한 블럭도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈 중 제1 셀 밸런싱 모듈(100)의 구성요소를 도시한 회로도에 관한 것이며, 도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈 중 제2 셀 밸런싱 모듈(200)의 구성요소를 도시한 회로도에 관한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 제1 플라이백트랜스포머의 구성요소를 도시한 분해사시도에 관한 것이며, 도 5는 본 발명에 따른 셀 전압 균등화를 극대화하고 제1,2다이오드의 순방향 전압강하의 편차를 보완하기 위해 PCB 기판상에 제1,2다이오드를 직렬로 나열한 후, 실리콘과 같은 몰드재료로 몰딩하여 온도를 동일하도록 유지함으로써 다이오드 순방향 전압강하 편차를 감소시키는 것을 도시한 일실시예도에 관한 것으로, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈(1)은 제1 셀 밸런싱 모듈(100)과 제2 셀 밸런싱 모듈(200)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 제1 셀 밸런싱 모듈(100)에 관해 설명한다.
상기 제1 셀 밸런싱 모듈(100)은 기준 전압 이상의 충전상태를 유지하는 상황에서 제어를 위한 별도의 외부 보조전원을 사용하지 않으면서, 에너지 저장장치 셀의 자체 충전에너지를 이용한 발진회로를 통해 셀전압을 균등화시키는 역할을 한다.
이는 제1 에너지 저장장치 셀(110), 제1 다이오드(120), 제1 플라이백 트랜스포머(130), 제1 스위칭 소자(140), 발진부(150), 제1 게이트 회로부(160)로 구성된다.
상기 제1 에너지 저장장치 셀(110)은 캐패시터로 이루어져, PCB 기판상에 직렬로 연결되어 전기에너지를 충전시키는 역할을 한다.
이는 슈퍼커패시터, 울트라 커패시터, 전해커패시터, 하이브리드 전기 이중충커패시터 중 어느 하나가 선택된 캐패시터로 구성된다.
상기 캐패시터는 (Capacitor)는 유전체(dielectric)라 불리는 절연물질로 분리된 두개의 평행한 도체판 A,B로 구성된 전기적인 소자이다.
캐패시터의 두 도체판은 중성상태에서 자유전자를 가진다. 캐패시터가 저항을 통해 전압원에 연결되면 전자(음전하)들이 도체판 A에서 제거되고 같은 수의 전자들이 도체판 B에 모인다.
이때, 도체판 A가 전자를 잃고 도체판 B가 전자를 얻으면 도체판 A는 도체판 B에 대해 양전하를 띠게 된다.
이러한 대전과정중에 전자들은 단지 연결도선과 전원을 통해서만 흐른다. 캐패시터의 유전체는 절연체이므로 전자가 통과할 수 없다.
이어서, 캐패시터에 형성된 전압이 전원전압과 같아질때 전자의 이동이 멈추게 된다.
캐패시터가 전원으로부터 분리되면 캐패시터는 오랜 시간동안 저장된 전하가 남아 있고, 전압이 유지된다.
이때 충전된 캐패시터는 일시적인 전지처럼 동작되기 때문에 에너지 저장장치 셀이라 칭한다.
상기 제1 다이오드(120)는 제1 에너지 저장장치 셀과 이웃하는 또 다른 제1 에너지 저장장치 셀이 연결된 접속점에 애노드로 접속되고, 제1 플라이백 트랜스포머의 2차권선 일측과 연결되어, 정방향으로 흐르는 전류는 통과시키고 역방향으로 흐르는 전류를 차단시키도록 제1 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성된다.
여기서, 제1 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성된다는 것은 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 에너지 저장장치 셀의 개수가 6개이면, 제1 다이오드 또한 6개로 형성되는 것을 말한다.
본 발명에서는 제1 다이오드(120)가 제1 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성되어 정방향으로 흐르는 전류는 제1 에너지 저장장치 셀로 통과시키고, 역방향으로 흐르는 전류를 차단시킴으로서 셀전압 균등화를 향상시킬 수가 있다.
상기 제1 플라이백 트랜스포머(130)는 제1 스위칭 소자의 턴온프신호에 따라 사용전원을 인가받는 1차권선과, 1차권선으로부터 인가받은 사용전원을 고전압으로 유도하기 위한 2차권선으로 이루어져서, 2차권선에 저장된 전기에너지를 제1 다이오드를 통해 제1 에너지 저장장치 셀로 인가시키도록 제1 에너지 저장장치 셀의 개수만큼 1:1로 동일한 권선수로 형성되어, 2차권선에 복수개로 연결된 제1 에너지 저장장치 셀의 셀전압을 균등화시키는 역할을 한다.
이는 수평출력회로에서 출력되는 펄스전압을 수십배로 배가하여 직류고전압을 발생시키는 장치이다.
상기 제1 플라이백 트랜스포머(130)는 도 4에서 도시한 바와 같이, 1차권선을 형성하도록 저압용 코일이 보빈본체(131a) 감겨지는 저압보빈(131)과, 이를 내부중앙공에 끼워 중첩배치하고, 2차권선을 형성하도록 고압용 코일(132b)이 보빈본체(132a)에 다층으로 감겨지는 고압보빈(132)과, 상기 고압보빈의 고압출력단과 전기적으로 연결되고, 브리더저항(133a)이 내부수용되어 전압을 가변시켜주도록 복수개의 노브를 갖는 포커스부 (133)가 구성된다.
그리고, 상기 고압보빈(132)의 코일과 직렬로 연결되는 복수개의 제1,2다이오드(120,220)가 연결되어 구성된다.
상기 제1 스위칭 소자(140)는 제1 플라이백 트랜스 포머의 1차권선 일측에 연결되어, 제1 게이트 회로부로부터 턴온?오프 스위칭 신호를 수신받아 제1 플라이백 트랜스 포머의 1차권선으로 인가되는 사용전원을 턴?오프 스위칭시키는 역할을 한다.
이는 트랜지스터(Transistor)와 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS field-effect transistor) 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 발진부(150)는 제1 플라이백트랜스포머의 1차권선에 감지된 전류를 인가받고, 제1 에너지 저장장치 셀의 자체 충전에너지를 인가받아 게이트회로부로 스위칭 펄스신호를 발생시키는 역할을 한다.
이는 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동소자와 트랜지스터의 조합으로 수동회로로 구성되거나 또는, 슈미트 트리거, 인버터게이트, 마이크로 프로세서 등을 사용하여 능동회로로 구성된다.
상기 발진부(150)는 모듈 전체 전압범위의 일부분에서만 발진을 개시하도록 구성된다. 이는 불필요한 에너지 소모를 막는데 도움이 된다.
또한 발진개신신호를 외부로부터 강제로 받아서 개시하도록 하는 방안도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.
그리고, 발진부에서는 제1 플라이백트랜스포머의 1차권선에 감지된 전류를 인가받아 과전류가 유입되어 기준전류 이상이 되면, 스위칭 펄스신호를 멈추도록 구성되어, 과전류가 유입되는 것을 방지할 수가 있다.
상기 제1 게이트 회로부(160)는 발진부와 제1 스위칭 소자 사이에 위치되어, 제1 스위칭 소자의 베이스 단자로 턴온?오프 스위칭 신호를 발생시키는 역할을 한다.
이는 여러 개의 입력을 갖고, 그 단자에 들어오는 신호의 유무나 상관 관계에 따라, 출력신호를 내보내거나 내보내지 않는 회로로서, 논리곱(AND)?논리합(OR)?역논리곱(NAND)?역논리합(NOR)의 게이트 회로 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 셀 밸런싱 모듈(200)에 관해 설명한다.
상기 제2 셀 밸런싱 모듈(200)은 에너지 저장장치 셀 사이의 불균일한 셀전압값을 읽어들여, 읽어들인 각각의 셀전압값이 기준범위를 넘어설 경우, 스위치를 제어하기 위한 게이트 신호를 직접 발생시켜 능동적으로 셀전압을 균등화시키는 역할을 한다.
이는 제2 에너지 저장장치 셀(210), 제2 다이오드(220), 제2 플라이백 트랜스포머(230), 제2 스위칭 소자(240), 제2 게이트 회로부(250), 셀전압감지부(260), 셀밸런싱 MCU(270)로 구성된다.
상기 제2 에너지 저장장치 셀(210)은 캐패시터로 이루어져, PCB 기판상에 직렬로 연결되어 전기에너지를 충전시키는 역할을 한다.
이는 슈퍼커패시터, 울트라 커패시터, 전해커패시터, 하이브리드 전기 이중충커패시터 중 어느 하나가 선택된 캐패시터로 구성된다.
상기 제2 다이오드(220)는 제2 에너지 저장장치 셀과 이웃하는 또 다른 제2 에너지 저장장치 셀이 연결된 접속점에 애노드로 접속되고, 제2 플라이백 트랜스포머의 2차권선 일측과 연결되어, 정방향으로 흐르는 전류는 통과시키고 역방향으로 흐르는 전류를 차단시키도록 제2 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성된다.
여기서, 제2 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성된다는 것은 도 3에 도시한 바와 같이, 제2 에너지 저장장치 셀의 개수가 6개이면, 제2 다이오드 또한 6개로 형성되는 것을 말한다.
본 발명에서는 제2 다이오드(220)가 제2 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성되어 정방향으로 흐르는 전류는 제2 에너지 저장장치 셀로 통과시키고, 역방향으로 흐르는 전류를 차단시킴으로서 셀전압 균등화를 향상시킬 수가 있다.
상기 제2 플라이백 트랜스포머(230)는 제2 스위칭 소자의 턴온프신호에 따라 사용전원을 인가받는 1차권선과, 1차권선으로부터 인가받은 사용전원을 고전압으로 유도하기 위한 2차권선으로 이루어져서, 2차권선에 저장된 전기에너지를 제2 다이오드를 통해 제2 에너지 저장장치 셀로 인가시키도록 제2 에너지 저장장치 셀의 개수만큼 1:1로 동일한 권선수로 형성되어, 2차권선에 복수개로 연결된 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압을 균등화시키는 역할을 한다.
이는 수평출력회로에서 출력되는 펄스전압을 수십배로 배가하여 직류고전압을 발생시키는 장치이다.
상기 제1 플라이백 트랜스포머(130)와 동일하게 구성된다.
상기 제2 스위칭 소자(240)는 제2 플라이백 트랜스 포머의 1차권선 일측에 연결되어, 제2 게이트 회로부로부터 턴온?오프 스위칭 신호를 수신받아 제2 플라이백 트랜스 포머의 1차권선으로 인가되는 사용전원을 턴?오프 스위칭시키는 역할을 한다.
이는 트랜지스터(Transistor)와 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS field-effect transistor) 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 제2 게이트 회로부(250)는 셀밸런싱 MCU로부터 게이트 구동신호를 인가받아 제2 스위칭 소자의 베이스 단자로 턴온?오프 스위칭 신호를 발생시키는 역할을 한다.
이는 여러 개의 입력을 갖고, 그 단자에 들어오는 신호의 유무나 상관 관계에 따라, 출력신호를 내보내거나 내보내지 않는 회로로서, 논리곱(AND)?논리합(OR)?역논리곱(NAND)?역논리합(NOR)의 게이트 회로 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 셀전압감지부(260)는 제2 에너지 저장장치 셀의 입력측과 출력측 사이에 연결되어 입력전압과 출력전압을 비교한 셀전압값을 증폭시켜 셀밸런싱 MCU의 입력단자로 전달시키는 역할을 한다.
이는 연산증폭기로 구성된다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 첫번째 제2 에너지 저장장치 셀과 연결된 제1 셀전압감지부와, 두번째 제2 에너지 저장장치 셀과 연결된 제2 셀전압감지부와, 세번째 제2 에너지 저장장치 셀과 연결된 제3 셀전압감지부와, 네번째 제2 에너지 저장장치 셀과 연결된 제4 셀전압감지부와, 다섯번째 제2 에너지 저장장치 셀과 연결된 제5 셀전압감지부와, 여섯번째 제2 에너지 저장장치 셀과 연결된 제6 셀전압감지부로 구성된다.
상기 셀밸런싱 MCU(270)는 셀전압감지부로부터 감지된 셀전압값을 입력받아, 읽어들인 각각의 셀전압값이 기준범위를 넘어설 경우, 스위치를 제어하기 위한 게이트 신호를 직접 발생시켜 능동적으로 셀전압을 균등화시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 입력단자 A0에 제1 셀전압감지부로부터 첫번째 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압값을 입력받고, 입력단자 A1에 제2 셀전압감지부로부터 두번째 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압값을 입력받으며, 입력단자 A2에 제3 셀전압감지부로부터 세번째 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압값을 입력받고, 입력단자 A3에 제4 셀전압감지부로부터 네번째 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압값을 입력받으며, 입력단자 A4에 제5 셀전압감지부로부터 다섯번째 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압값을 입력받고, 입력단자 A5에 제6 셀전압감지부로부터 여섯번째 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압값을 입력받아, 셀전압값이 기준범위를 넘어설 경우, 스위치를 제어하기 위한 게이트 신호를 게이트신호 출력단자로 직접 출력시켜 능동적으로 셀전압을 균등화시키도록 제어하도록 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
[제1 셀 밸런싱 모듈(100)의 동작]
제1 에너지 저장장치 셀(110), 제1 다이오드(120), 제1 플라이백 트랜스포머(130), 제1 스위칭 소자(140), 발진부(150), 제1 게이트 회로부(160)
도 2에 도시한 바와 같이, 발진부(150)에 의해 발생된 발진신호를 제1 게이트회로(160)을 거쳐 제1 스위치 소자(140)에 인가된다.
제1 스위치소자(140)가 턴온 되면, 제1 에너지 저장장치 셀(110)에 저장된 전압에 의해 전류는 제1 플라이백트랜스포머(130)의 1차권선을 통해 흐르게 되며 에너지는 자속의 형태로 제1 플라이백 트랜스포머(130)에 저장된다.
이때 제1 다이오드(120)는 역방향으로 바이어스되어 제1 플라이백트랜스포머(130)의 2차권선쪽으로 흐르는 전류는 없게 된다.
제1 스위치 소자(140)가 턴오프 되면 제1 플라이백트랜스포머(130)에 저장된 에너지는 제1 다이오드(120)을 통해 제1 에너지 저장장치 셀(110)에 인가된다.
이때 각각의 제1 에너지 저장장치 셀(110)에 대응하는 제1 플라이백트랜스포머(130)의 2차권선의 권선수가 동일하도록 하면, 전기에너지가 저장되는 제1 에너지 저장장치 셀(110) 중 전압이 가장 낮은 제1 에너지 저장장치 셀(110)에 가장 많은 에너지가 공급되게 된다.
여기서, 전압이 가장 낮은 셀(110)에 가장 많은 에너지가 공급되게 되는 원리에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
즉, 제1 플라이백 트랜스포머 코어자속(권선 쇄교자속성분)은 권선에 흐르는 전류에 비례하며, 권선에 나타나는 전압의 크기와 방향은 위의 자속의 미분치에 비례하게 된다.
한편, 2차권선은 권선수가 동일하고 동일 코어에 권선되어 있으므로 코어자속을 공유하게 됨에 따라 출력전압의 순시값도 항상 일치된다.
이러한 각각의 셀 전압이 동일하다면 각각의 다이오드는 동시에 순방향으로 바이어스되어 도통되며 동일한 에너지가 제1 에너지 저장장치 셀에 저장된다.
만약 셀전압이 균일하지 못한 상황이 되면, 2차권선의 전압이 동일하기 때문에 가장 낮은 제1 에너지 저장장치 셀에 연결되어있는 제1 다이오드만이 순방향으로 바이어스되어 도통이 가능하고 나머지 제1 에너지 저장장치 셀에 연결된 제1 다이오드들은 역방향으로 바이어스되어 도통하지 못하게 된다.
도통된 제1 다이오드에 연결된 셀의 전압은 흐르는 전류의 적분치에 비례하여 증가하게 된다.
결과적으로 제1 스위치 소자가 턴-온시에 제1 플라이백 트랜스포머에 저장된 에너지는 가장 낮은 전압을 유지하는 제1 에너지 저장장치 셀로 이동하게 되는 것이다.
위와 같은 동작을 반복함에 따라 가장 낮은 셀의 전압이 상승하게 되며 직렬 연결된 각각의 셀전압을 동일하게 하는 것이 가능해진다.
이러한 원리로 셀전압의 균등화를 실현할 수 있다.
한편, 제1 플라이백 트랜스포머의 1차 권선 일측에는 스너버 회로모듈이 구성됨으로서, 스위치 소자가 턴오프되는 순간 제1 플라이백 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의한 스위치 소자의 과전압 상승을 억제시킨다.
그리고, 본 발명에서는 효과적인 셀전압균등화를 구현하기 위해서는 제1 플라이백 트랜스포머의 각 권선(1차권선 및 2차권선)간의 결합계수를 증가시키고 누설인덕턴스를 감소시켜야 하는데, 제1 플라이백 트랜스포머의 권선(1차권선 및 2차권선)을 밀착하도록 샌드위치 권선방법을 적용한다.
[제2 셀 밸런싱 모듈(200)의 동작]
도 3에 도시한 바와 같이, 피드백된 각각의 셀전압은 셀밸런싱 MCU의 아날로그/디지털 변환단자에 입력되어 셀밸런싱 MCU에 의해 셀전압의 불균일한 정보를 읽어 올 수 있다.
이렇게 읽어들인 각각의 셀전압의 불균등이 기준전압 범위를 넘어설 경우 셀밸런싱 MCU는 제2 스위치 소자를 제어하기 위한 게이트 신호를 직접 발생하도록 함으로써 보다 능동적으로 셀전압 균등화를 실현할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 전압 균등화를 극대화하고 제1,2다이오드의 순방향 전압강하의 편차를 보완하기 위해 PCB 기판상에 제1,2다이오드를 직렬로 나열한 후, 실리콘과 같은 몰드재료로 몰딩하여 온도를 동일하도록 유지함으로써 다이오드 순방향 전압강하 편차를 감소시킬 수 있다.
에너지저장장치의 대형화 추세에 비추어, 셀전압 균등회로는 필수적인 요소이며, 본 발명에서는 셀균등화를 위한 효율적이고 구체적인 방법을 제공하고 있다.
따라서, 에너지저장장치의 모듈을 직렬로 구성하는 장치에 응용가능성은 매우 높다고 볼 수 있다.
100 : 제1 셀 밸런싱 모듈 110 : 제1 에너지 저장장치 셀
120 : 제1 다이오드 130 : 제1 플라이백 트랜스포머
140 : 제1 스위칭 소자 150 : 발진부
160 : 제1 게이트 회로부 200 : 제2 셀 밸런싱 모듈

Claims (5)

  1. 기준 전압 이상의 충전상태를 유지하는 상황에서 제어를 위한 별도의 외부 보조전원을 사용하지 않으면서, 에너지 저장장치 셀의 자체 충전에너지를 이용한 발진회로를 통해 셀전압을 균등화시키는 제1 셀 밸런싱 모듈(100)과,
    에너지 저장장치 셀 사이의 불균일한 셀전압값을 읽어들여, 읽어들인 각각의 셀전압값이 기준범위를 넘어설 경우, 스위치를 제어하기 위한 게이트 신호를 직접 발생시켜 능동적으로 셀전압을 균등화시키는 제2 셀 밸런싱 모듈(200)로 나뉘어 독립적으로 구성되는 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈에 있어서,
    상기 제1 셀 밸런싱 모듈(100)은
    캐패시터로 이루어져, PCB 기판상에 직렬로 연결되어 전기에너지를 충전시키는 제1 에너지 저장장치 셀(110)과,
    제1 에너지 저장장치 셀과 이웃하는 또 다른 제1 에너지 저장장치 셀이 연결된 접속점에 애노드로 접속되고, 제1 플라이백 트랜스포머의 2차권선 일측과 연결되어, 정방향으로 흐르는 전류는 통과시키고 역방향으로 흐르는 전류를 차단시키도록 제1 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성되는 제1 다이오드(120)와,
    제1 스위칭 소자의 턴온프신호에 따라 사용전원을 인가받는 1차권선과, 1차권선으로부터 인가받은 사용전원을 고전압으로 유도하기 위한 2차권선으로 이루어져서, 2차권선에 저장된 전기에너지를 제1 다이오드를 통해 제1 에너지 저장장치 셀로 인가시키도록 제1 에너지 저장장치 셀의 개수만큼 1:1로 동일한 권선수로 형성되어, 2차권선에 복수개로 연결된 제1 에너지 저장장치 셀의 셀전압을 균등화시키는 제1 플라이백 트랜스포머(130)와;
    제1 플라이백 트랜스 포머의 1차권선 일측에 연결되어, 제1 게이트 회로부로부터 턴온?오프 스위칭 신호를 수신받아 제1 플라이백 트랜스 포머의 1차권선으로 인가되는 사용전원을 턴?오프 스위칭시키는 제1 스위칭 소자(140)와;
    제1 플라이백트랜스포머의 1차권선에 감지된 전류를 인가받고, 제1 에너지 저장장치 셀의 자체 충전에너지를 인가받아 게이트회로부로 스위칭 펄스신호를 발생시키는 발진부(150)와,
    발진부와 제1 스위칭 소자 사이에 위치되어, 제1 스위칭 소자의 베이스 단자로 턴온?오프 스위칭 신호를 발생시키는 제1 게이트 회로부(160)로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 셀 밸런싱 모듈(200)은
    캐패시터로 이루어져, PCB 기판상에 직렬로 연결되어 전기에너지를 충전시키는 제2 에너지 저장장치 셀(210)과,
    제2 에너지 저장장치 셀과 이웃하는 또 다른 제2 에너지 저장장치 셀이 연결된 접속점에 애노드로 접속되고, 제2 플라이백 트랜스포머의 2차권선 일측과 연결되어, 정방향으로 흐르는 전류는 통과시키고 역방향으로 흐르는 전류를 차단시키도록 제2 에너지 저장장치 셀의 개수 만큼 1:1로 형성되는 제2 다이오드(220)와,
    제2 스위칭 소자의 턴온프신호에 따라 사용전원을 인가받는 1차권선과, 1차권선으로부터 인가받은 사용전원을 고전압으로 유도하기 위한 2차권선으로 이루어져서, 2차권선에 저장된 전기에너지를 제2 다이오드를 통해 제2 에너지 저장장치 셀로 인가시키도록 제2 에너지 저장장치 셀의 개수만큼 1:1로 동일한 권선수로 형성되어, 2차권선에 복수개로 연결된 제2 에너지 저장장치 셀의 셀전압을 균등화시키는 제2 플라이백 트랜스포머(230)와;
    제2 플라이백 트랜스 포머의 1차권선 일측에 연결되어, 제2 게이트 회로부로부터 턴온?오프 스위칭 신호를 수신받아 제2 플라이백 트랜스 포머의 1차권선으로 인가되는 사용전원을 턴?오프 스위칭시키는 제2 스위칭 소자(240)와;
    셀밸런싱 MCU로부터 게이트 구동신호를 인가받아 제2 스위칭 소자의 베이스 단자로 턴온?오프 스위칭 신호를 발생시키는 제2 게이트 회로부(250)과,
    제2 에너지 저장장치 셀의 입력측과 출력측 사이에 연결되어 입력전압과 출력전압을 비교한 셀전압값을 증폭시켜 셀밸런싱 MCU의 입력단자로 전달시키는 셀전압감지부(260)와,
    셀전압감지부로부터 감지된 셀전압값을 입력받아, 읽어들인 각각의 셀전압값이 기준범위를 넘어설 경우, 스위치를 제어하기 위한 게이트 신호를 직접 발생시켜 능동적으로 셀전압을 균등화시키도록 제어하는 셀밸런싱 MCU(270)로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 플라이백 트랜스포머와 제2 플라이백 트랜스포머는
    1차 권선 일측에 위치되어, 스위치 소자가 턴오프되는 순간 제1 플라이백 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의한 스위치 소자의 과전압 상승을 억제시키는 스너버 회로모듈이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자(140)와 제2 스위칭 소자(240)는
    트랜지스터(Transistor)와 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS field-effect transistor) 중 어느 하나가 선택되어 구성되는 특징으로 하는 에너지 저장 장치 셀의 셀 밸런싱 모듈.
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