KR101485665B1 - 셀 밸런싱 회로 및 이를 이용한 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

셀 밸런싱 회로 및 이를 이용한 셀 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 회로는, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들 및 상기 배터리 셀들의 전체 전압을 인가 받고, 상기 배터리 셀들 중 기준값보다 낮은 전압을 갖는 하나의 배터리 셀로 제 1충전 전압을 출력하는 절연 전원부가 포함되어 구성된다.

Description

셀 밸런싱 회로 및 이를 이용한 셀 밸런싱 방법{cell balancing circuit and balancing method thereof}
본 발명은 액티브 방식의 셀 밸런싱 회로 및 이를 이용한 셀 밸런싱 방법에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차 전지(rechargeable battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadimium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다. 이러한 이차 전지는 일반적으로 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다.
배터리 팩은 크게 배터리 셀과, 충방전 회로를 포함하는 주변회로를 포함하여 이루어지며, 이 주변회로는 일반적으로 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 상기 배터리 셀과 결합된다. 배터리 팩의 외부 단자를 통해 외부 전원이 연결되면, 외부 단자와 충방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리 셀이 충전되며, 외부 단자를 통해 부하(load)가 연결되면, 배터리 셀의 전원이 충방전 회로와 외부 단자를 통해 부하에 공급되는 동작이 일어난다. 이때, 충방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충방전을 제어한다. 일반적으로 배터리 셀은 부하의 소모 용량에 맞도록 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 사용한다.
본 발명의 실시예는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 전체 전압을 인가 받는 절연(isolation) 전원부가 구비되고, 상기 절연 전원부를 통해 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀에 충전 전압을 인가함으로써, 배터리 용량을 100% 사용 가능한 셀 밸런싱 회로 및 셀 밸런싱 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 회로는, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들 및 상기 배터리 셀들의 전체 전압을 인가 받고, 상기 배터리 셀들 중 기준값보다 낮은 전압을 갖는 하나의 배터리 셀로 제 1충전 전압을 출력하는 절연 전원부가 포함된다.
또한, 상기 각 배터리 셀들의 (+), (-) 단자에 각각 연결된 한 쌍의 스위치들이 포함되며, 상기 각 배터리 셀에 접속되는 한 쌍의 스위치들은 서로 독립적으로 턴 온되고, 상기 턴 온된 한 쌍의 스위치를 통해 상기 절연 전원부의 제 1충전 전압이 상기 배터리 셀로 인가된다.
또한, 상기 각 배터리 셀에 접속되는 한 쌍의 스위치들은 각 배터리 셀 별로 분리되어 구성된다.
또한, 상기 배터리 셀들 전체에 대응되는 하나의 (+) 단자(B+) 및 하나의 (-) 단자(B-)가 구비되며, 상기 절연 전원부는 상기 하나의 (+) 단자 및 (-) 단자에 연결되는 입력단 및 상기 한 쌍의 스위치들과 연결되는 출력단을 포함한다.
또한, 상기 배터리 셀들 전체에 대응되는 (+), (-) 단자 중 하나와, 상기 절연 전원부의 입력단 사이에 제어 스위치가 더 구비된다.
또한, 상기 절연 전원부의 출력단과 상기 한 쌍의 스위치들 사이에 전기적으로 연결되는 충전기가 더 구비되며, 상기 충전기는 상기 절연 전원부로부터 제 1충전 전압을 인가받아 이를 제 2충전 전압으로 변환한다.
또한, 상기 제 1충전 전압은 제 2충전 전압보다 크다.
또한, 상기 배터리 셀들 전체에 대응되는 (-) 단자(B-)에 전기적으로 접속되는 제 1접지전원(GND1)과; 상기 제 1접지전원과 상이하며, 상기 절연 전원부의 출력단에 전기적으로 접속되는 제 2접지전원이 포함된다.
또한, 상기 절연 전원부는 코일 방식 변압기를 포함하며, 상기 변압기의 권선비를 조절하여 입력된 전체 전압을 제 1충전 전압으로 변환한다.
또한, 상기 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 판단하고, 상기 판단된 배터리 셀의 (+), (-) 단자에 연결된 한 쌍의 스위치들의 턴 온 및 그 이외의 스위치들의 턴 오프 동작을 제어하는 제어부가 포함된다.
또한, 상기 제어부는 상기 각 배터리 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압과 기 설정된 상기 기준값과 비교한다.
또한, 상기 제어부는 상기 한 쌍의 스위치를 구성하는 2개의 스위치들을 동시에 턴 온/오프 제어한다.
또한, 상기 제어부는 상기 한 쌍의 스위치들을 각각 독립적으로 제어한다.
또한, 상기 제어부는 상기 절연 전원부로 인에이블 신호를 제공하며, 상기 절연 전원부는 상기 인에이블 신호를 인가받는 기간만 제 1충전 전압을 출력한다.
또한, 상기 절연 전원부는 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 기준값에 대응되는 전압으로 충전될 때까지 제 1충전 전압을 출력한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의한 셀 밸런싱 회로는, 배터리 팩에 구비된 복수의 배터리 셀들의 (+), (-) 단자에 각각 연결되며, 상기 각 배터리 셀에 접속되어 서로 독립적으로 턴 온되는 한 쌍의 스위치들과, 상기 배터리 셀들의 전체 전압을 인가 받고, 상기 배터리 셀들 중 기준값보다 낮은 전압을 갖는 하나의 배터리 셀로 상기 턴 온된 한 쌍의 스위치를 통해 제 1충전 전압을 출력하는 절연 전원부가 포함된다.
또한, 상기 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 판단하고, 상기 판단된 배터리 셀의 (+), (-) 단자에 연결된 한 쌍의 스위치들의 턴 온 및 그 이외의 스위치들의 턴 오프 동작을 제어하는 제어부가 포함된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 방법은, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들의 전체 전압을 수신하는 단계와; 상기 수신한 전체 전압을 제 1충전 전압으로 변환하는 단계와; 상기 배터리 셀들 중 기준값보다 낮은 전압을 갖는 하나의 배터리 셀로 상기 제 1충전 전압을 제공하는 단계를 포함한다.
또한, 각 배터리 셀들의 전압을 측정하는 단계와; 상기 측정된 각 배터리 셀의 전압을 기 설정된 기준값과 비교하는 단계와; 상기 비교에 근거하여 충전이 필요한 배터리 셀을 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 각 배터리 셀들의 전압을 측정하는 것은, 상기 각 배터리 셀에 접속되어 서로 독립적으로 턴 온되는 한 쌍의 스위치들이 순차적으로 턴 온되는 기간에 수행된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 전체 전압을 인가 받는 절연(isolation) 전원부가 구비되고, 상기 절연 전원부를 통해 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀에 충전 전압을 인가함으로써, 셀 밸런싱을 복수 배터리 셀의 전체 전압을 이용하여 구현하고, 강제 방전에 의한 열 소비가 없으므로 배터리 용량을 100% 사용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 회로를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 절연 전압부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 방법을 나타내는 순서도이다.
일반적으로 배터리 팩을 이루는 각각의 배터리 셀은 제조 공정상의 여러 가지 이유로 인해 용량 편차가 존재한다. 따라서 배터리 팩은 충방전 사이클 중에 각 배터리 셀의 충방전 전압에 편차가 발생한다. 이에 따라 배터리 팩은 충전 중에 특정 배터리 셀이 과충전될 수 있고, 또한 방전 중에 특정 배터리 셀이 과방전될 수 있다. 이와 같이 배터리 팩 중에서 특정 배터리 셀의 과충전이나 과방전은 배터리 팩의 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리 팩을 열화(degrade)시키고 수명을 단축시킨다. 따라서 일반적으로 배터리 모니터링 유닛은 직렬 연결된 다수의 배터리 셀의 전압 차이를 최소화하기 위한 밸런싱 회로를 갖는다.
즉, 배터리 모니터링 유닛은 각 배터리 셀의 전압을 센싱하고, 각 배터리 셀의 전압 차이가 기준값 이상으로 차이가 날 경우, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 강제로 방전시켜, 모든 배터리 셀의 전압이 동일해지도록 하는 셀 밸런싱을 수행한다.
그러나, 이와 같은 종래의 패시브(passive) 방식 셀 밸런싱은 상기 강제 방전 시 저항에서 일정 전력을 소모하므로 배터리 용량을 100% 사용하지 못하고 열로 소비되는 단점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기 단점을 극복할 수 있는 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 회로를 나타내는 회로도이고, 도 2는 도 1에 도시된 절연 전압부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 회로(100)는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들(B1, B2, B3)과, 상기 각 배터리 셀들의 (+), (-) 단자에 각각 연결된 한 쌍의 스위치들(SW1-1, SW1-2, SW2-1, SW2-2, SW3-1, SW3-2)을 포함한다.
또한, 상기 셀 밸런싱 회로(100)는 상기 배터리 셀들의 전체 전압을 입력단(A)을 통해 인가 받고, 출력단(B)이 상기 한 쌍의 스위치들과 연결된 절연 전원부(Isolation Power)(110)와; 상기 한 쌍의 스위치들의 턴 온/오프 및 상기 절연 전원부(110)의 동작을 제어하는 제어부(Controller)(120)를 포함한다.
단, 도 1에 도시된 실시예에서는 3개의 직렬로 연결된 배터리 셀들(B1, B2, B3) 및 상기 배터리 셀들과 각각 접속되는 3쌍의 스위치들(SW1-1, SW1-2, SW2-1, SW2-2, SW3-1, SW3-2)이 도시되어 있으나, 상기 배터리 셀들의 숫자 등이 반드시 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예의 경우 상기 각 배터리 셀에 연결되는 스위치들은 한 쌍으로 구현되는 것으로, 도 1에 도시된 실시예를 참조하면 제 1배터리 셀(B1)의 (+)단자에는 제 1-1스위치(SW1-1)가 연결되고, 제 1배터리 셀(B1)의 (-)단자에는 제 1-2스위치(SW1-2)가 연결된다.
이와 마찬가지로 제 2배터리 셀(B2)의 (+)단자에는 제 2-1스위치(SW2-1)가 연결되고, 제 2배터리 셀(B2)의 (-)단자에는 제 2-2스위치(SW2-2)가 연결되며, 제 3배터리 셀(B3)의 (+)단자에는 제 3-1스위치(SW3-1)가 연결되고, 제 3배터리 셀(B3)의 (-)단자에는 제 3-2스위치(SW3-2)가 연결된다.
이 때, 상기 스위치들은 릴레이(Relay), 포토모스 릴레이(Photo MOS Relay), 포토 커플러(Photo coupler) 등으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 제 1 내지 3 배터리 셀(B1 ~ B3)은 직렬로 연결되어 있으므로, 도 1을 참조하면, 제 1배터리 셀(B1)과 제 2배터리 셀(B2)이 접속된 부분에 연결된 제 1-2스위치(SW1-2)와 제 2-1스위치(SW2-1)는 서로 동일한 노드에 접속된다.
이와 마찬가지로 상기 제 2배터리 셀(B2)과 제 3배터리 셀(B3)이 접속된 부분에 연결된 제 2-2스위치(SW2-2)와 제 3-1스위치(SW3-1) 역시 서로 동일한 노드에 접속된다.
본 발명의 실시예의 경우 상기 각 배터리 셀에 접속되는 한 쌍의 스위치들은 서로 독립적으로 동작하므로, 상기 동일한 노드에 접속되더라도 대응되는 배터리 셀 별로 분리되어 구비되어야 한다.
즉, 제 1배터리 셀(B1)에 대응되는 한 쌍의 스위치들인 제 1-1스위치(SW1-1)와 제 1-2스위치(SW1-2)는 동시에 턴 온/오프가 제어되는 것으로서, 상기 스위치들(SW1-1, SW1-2)이 턴 온됨을 통해 제 1배터리 셀(B1)의 전압값을 센싱하거나 또는 상기 절연 전원부의 출력단과 연결되어 상기 제 1배터리셀(B1)에 충전 전압을 제공하는 역할을 수행할 수 있는 것이다.
또한, 제 2배터리 셀(B2)에 대응되는 스위치들인 제 2-1스위치(SW2-1)와 제 2-2스위치(SW2-2) 및 제 3배터리 셀(B3)에 대응되는 스위치들인 제 3-1스위치(SW3-1)와 제 3-2스위치(SW3-2)들로 상기 스위치들(SW1-1, SW1-2)들과 동일한 동작을 수행한다.
이러한 실시예의 경우 상기 제어부(120)가 상기 스위치들(SW1-1, SW1-2; SW2-1, SW2-2; SW3-1, SW3-2)을 각각 개별적으로 제어함으로써, 상기 한 쌍의 스위치들과 대응되는 각 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압값을 근거로 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀이 있는 경우 상기 배터리 셀에 충전 전압이 인가되도록 상기 배터리 셀과 연결된 한 쌍의 스위치가 턴 온되어 상기 절연 전원부(110)와 연결된다.
상기 기준값은 상기 제어부(120) 또는 별도의 메모리(미도시)에 저장될 수 있으며, 이는 배터리 용량, 배터리 유형(type), 배터리들의 개수, 배터리 셀에 전원을 제공하는 외부 기구(external device)의 유형 등과 같은 인자들(factors)에 근거하여 수정될(modified) 수 있다.
여기서, 각 배터리 셀의 전압을 측정하는 것은 전압 측정 기간 동안 상기 각 배터리 셀에 연결된 한 쌍의 스위치들이 순차적으로 턴 온됨을 통해 구현될 수 있다.
또한, 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 전압을 수신하여 기 설정된 기준값과 비교하며, 특정 배터리 셀의 전압이 기준값보다 낮은 경우 상기 제어부(120)는 상기 전압 측정 기간 동안 배터리 셀에 충전 전압을 인가하는 셀 밸런싱 동작을 수행한다. 또는 상기 제어부(120)는 각 배터리 셀의 전압을 측정하고, 측정된 전압과 상기 기 설정된 기준값을 비교하여 셀 밸런싱 동작을 수행할 수도 있다.
일 예로 제 1배터리 셀(B1)의 전압이 기준값보다 낮은 경우에는 상기 제 1-1스위치(SW1-1) 및 제 1-2스위치(SW1-2)가 턴 온되어 상기 제 1배터리 셀(B1)의 (+), (-)단자가 절연 전원부(110)의 출력단(도 1의 B)과 연결되고, 이를 통해 상기 제 1배터리 셀은 상기 절연 전원부(110)에서 출력되는 충전 전압(제 1충전 전압)이 인가된다.
단, 상기 제 1배터리 셀(B1)에 대한 충전 밸런싱 동작이 수행되는 동안에는 나머지 배터리 셀들(B1, B2)에 상기 충전 전압이 전달되지 않도록 제 2, 3배터리 셀들과 연결된 스위치들은 모두 턴 오프된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 동작은 상기 직렬로 연결된 배터리 셀들 전체 전압을 인가받는 절연(isolation) 전원부(110)가 구비되고, 상기 절연 전원부(110)를 통해 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀에 충전 전압을 인가함으로써, 상기 셀 밸런싱을 복수 배터리 셀의 전체(total) 전압(또는 누적(cumulative) 전압)을 이용하여 구현하고, 강제 방전에 의한 열 소비가 없으므로 배터리 용량을 100% 사용할 수 있게 되는 것이다.
이 때, 상기 셀 밸런싱 동작은 상기 제어부(120)로부터의 인에이블 신호(Enable)가 상기 절연 전원부(110)에 인가됨에 의해 수행될 수 있다. 즉, 셀 밸런싱 동작이 수행될 때만 상기 절연 전원부(110)가 동작됨을 통해 소비전력을 최소화할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 전체 배터리 셀들의 (+) 단자(B+)와 상기 절연 전원부의 입력단(도 1의 A) 측 (+) 단자 사이에 제어 스위치(CS)가 추가로 더 구비될 수 있으며, 상기 셀 밸런싱 동작이 수행되지 않는 경우에는 상기 제어 스위치(CS)를 턴 오프시켜 상기 배터리 셀들과 절연 전원부(110)의 연결을 끊어줄 수 있으며, 이를 통해 소비 전력을 더 줄일 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱은 배터리 셀들의 전체 전압을 이용하여 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 충전시킴을 특징으로 한다.
즉, 상기 절연 전원부(110)는 상기 낮은 전압을 갖는 배터리 셀이 기준값에 대응되는 전압으로 충전될 때까지 또는 적어도 다른 배터리 셀들 중 하나의 전압과 실질적으로 동일할 때까지 충전 전압(charging voltage)(제 1충전 전압)을 출력한다. 이 때, 상기 제어부(120)는 상기 절연 전원부(110)가 충전 전압을 출력하는 기간 동안 절연 전원부(110)을 제어한다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 절연 전원부(110)는 입력단(A)으로 상기 배터리 셀의 전체 전압을 인가 받으며, 내부에 구비된 유도 기전력을 이용한 코일 방식 변압기(112)의 권선비를 조절하거나, 또는 전원제어부(Power Controller)(114)를 통해 스위칭 타임을 제어함으로써, 상기 입력된 전체 전압을 소정의 전압으로 변환하고 상기 변환된 소정의 전압을 상기 출력단(B)과 연결된 해당 배터리 셀에 제공한다.
여기서, 상기 전원제어부(114)는 복수의 스위치들(일 예로 풀 브릿지(full bridge) 타입의 스위치들)을 포함하여, 상기 입력단(A)으로 인가되는 배터리 셀의 전체 전압을 AC 전압으로 변환하고 이를 변압기(112)로 제공하는 역할을 수행할 수 있다.
이 때, 입력단(A) 및 출력단(B)에 각각 형성된 캐패시터(116)는 안정화 캐패시터의 역할을 수행하며, 출력단(B)에 구비된 다이오드(118)는 출력단으로부터의 역 전류를 방지하는 역할을 수행한다.
또한, 본 발명의 실시예의 경우 상기 절연 전원부(110)와 상기 한 쌍의 스위치들 사이에 별도의 충전기(charger)(130)를 추가로 구비할 수 있다.
상기 충전기(130)는 DC/DC 컨버터로 구현될 수 있는 것으로서, 상기 절연 전원부(110)에서 출력된 전압(제 1충전 전압)을 입력(Vin) 받아 이를 충전이 필요한 배터리 셀에 적합한 전압(제 2충전 전압)으로 변환하여 출력(Vout)하는 역할을 수행한다.
일 예로 상기 배터리 셀들의 전체 전압이 30V이면 상기 절연 전원부(110)는 상기 30V를 입력 받고, 5V를 출력할 수 있으며, 상기 절연 전원부(110)에서 출력되는 전압(제 1충전 전압)은 상기 충전기의 입력 전압(Vin)으로 인가된다. 단, 상기 절연 전원부(110)의 출력 전압(제 1충전 전압)은 상기 충전기의 사양에 따라 달라질 수 있다.
또한, 특정 배터리 셀을 충전할 때 사용되는 상기 충전기(Charger)(130)의 출력전압(Vout)(제 2충전 전압)은 일 예로 4.2V로 사용할 수 있으며, 이는 밸런싱 동작 방법에 따라 상기 4.2V보다 낮은 전압으로도 가능하다. 예를 들면 밸런싱 동작이 3.5V를 기준값으로 배터리 셀들의 전압값을 비교하는 경우라면 상기 충전 전압으로서의 충전기 출력전압은 3.5V로 설정할 수 있다. 이 때, 상기 충전기의 출력 전압(제 2충전 전압)이 항상 고정된 레벨로 출력되는 것은 아니다.
단, 상기 절연 전원부(110)의 출력 전압(제 1충전 전압)은 상기 충전기(Charger)(130)의 출력전압)(제 2충전 전압)보다 크다.
또한, 상기 절연 전원부(110)는 상기 배터리 셀들로부터 전체 전압을 인가 받으나, 분리된 전원으로서 특정 배터리 셀에 충전 전압을 제공하는 역할을 수행하기 위하여 상기 배터리 셀들과는 다른 접지전원을 사용하여야 한다.
이에 상기 전체 배터리 셀의 (-)단자(B-)에 접속되는 제 1접지전원(GND1)과 상기 절연 전원부의 출력단 측 (-)단자에 접속되는 제 2접지전원(GND2)는 서로 물리적으로 분리되어 서로 결선되지 않는 구조이다.
이와 같이 서로 다른 접지전원을 사용하는 것은 밸런싱 동작시 배터리 셀이 쇼트(short)되는 상황을 방지하기 위함이다.
일 예로 상기 제 1접지전원(GND1) 및 제 2접지전원(GND2)이 동일한 결선으로 연결된 동일 접지전원으로 사용한다면, 제 1배터리 셀(B1)의 밸런싱 동작 시에 상기 제 1배터리 셀(B1)의 (-)단자에 인가되는 접지전원(GND2)과 동일 노드에 접속된 제 2배터리 셀의 (+)단자와, 제 3배터리 셀(B3)의 (-)단자에 인가되는 접지전원(GND1)이 동일하여 서로 쇼트되어 배터리 셀이 폭발될 수 있는 위험이 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 셀 밸런싱 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들(B1, B2, B3)의 (+), (-) 단자에 각각 연결된 한 쌍의 스위치들(SW1-1, SW1-2, SW2-1, SW2-2, SW3-1, SW3-2)이 순차적으로 턴 온되어 각 배터리 셀들의 전압값을 센싱한다(ST 300).
이 때, 상기 각 배터리 셀에 접속되는 한 쌍의 스위치들은 서로 독립적으로 동작하는 것으로서, 상기 제 1배터리 셀(B1)에 대응되는 스위치들인 제 1-1스위치(SW1-1)와 제 1-2스위치(SW1-2)는 동시에 턴 온/오프가 제어되며, 상기 한 쌍의 스위치들(SW1-1, SW1-2)이 턴 온됨을 통해 제 1배터리 셀(B1)의 전압값을 센싱할 수 있게 된다.
또한, 제 2배터리 셀(B2)에 대응되는 스위치들인 제 2-1스위치(SW2-1)와 제 2-2스위치(SW2-2) 및 제 3배터리 셀(B3)에 대응되는 스위치들인 제 3-1스위치(SW3-1)와 제 3-2스위치(SW3-2)들로 위와 동일한 동작을 수행한다.
즉, 상기 제어부(120)가 전압 측정 기간 동안 상기 한 쌍의 스위치들(SW1-1, SW1-2; SW2-1, SW2-2; SW3-1, SW3-2)을 각각 순차적으로 턴 온 시킴으로써, 상기 한 쌍의 스위치들과 대응되는 각 배터리 셀(B1, B2, B3)의 전압을 측정할 수 있는 것이다.
다음으로 상기 측정된 각 배터리 셀의 전압은 상기 제어부에 전달되어 기 설정된 기준값과 비교되고, 특정 배터리 셀의 전압이 기준값보다 낮은 경우에는 상기 배터리 셀에 충전 전압이 인가되는 셀 밸런싱 동작이 수행된다(ST 310).
일 예로 제 1배터리 셀(B1)의 전압이 기준값보다 낮은 경우에는 상기 제 1-1스위치(SW1-1) 및 제 1-2스위치(SW1-2)가 턴 온되어 상기 제 1배터리 셀(B1)의 (+), (-)단자가 절연 전원부의 출력단과 연결되고, 이를 통해 상기 제 1배터리 셀은 상기 절연 전원부에서 출력되는 충전 전압이 인가된다.
단, 상기 제 1배터리 셀(B1)에 대한 충전 밸런싱 동작이 수행되는 동안에는 나머지 배터리 셀들(B1, B2)에 상기 충전 전압이 전달되지 않도록 제 2, 3배터리 셀들과 연결된 스위치들은 모두 턴 오프된다.
상기 셀 밸런싱 동작은 배터리 셀들의 전체 전압을 이용하여 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 충전시켜 구현된다(ST 320).
즉, 직렬로 연결된 배터리 셀들 전체 전압을 인가받는 절연(isolation) 전원부(110)가 상기 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀에 충전 전압을 인가하여 구현되는 것이다.
이 때, 상기 셀 밸런싱 동작은 상기 제어부(120)로부터의 인에이블 신호가 상기 절연 전원부(110)에 인가됨에 의해 수행될 수 있다. 즉, 셀 밸런싱 동작이 수행될 때만 상기 절연 전원부(110)가 동작됨을 통해 소비전력을 최소화할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 전체 전압을 인가 받는 절연(isolation) 전원부가 구비되고, 상기 절연 전원부를 통해 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀에 충전 전압을 인가함으로써, 셀 밸런싱을 복수 배터리 셀의 전체 전압을 이용하여 구현하고, 강제 방전에 의한 열 소비가 없으므로 배터리 용량을 100% 사용할 수 있게 된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
100: 셀 밸런싱 회로 110: 절연 전원부
120: 제어부 130: 충전기

Claims (20)

  1. 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들;
    상기 배터리 셀들의 전체 전압을 인가 받고, 상기 배터리 셀들 중 기준값보다 낮은 전압을 갖는 하나의 배터리 셀로 제 1충전 전압을 출력하는 절연 전원부가 포함되며,
    상기 각 배터리 셀들의 (+), (-) 단자에 각각 연결된 한 쌍의 스위치들이 포함되며, 상기 각 배터리 셀에 접속되는 한 쌍의 스위치들은 서로 독립적으로 턴 온되고, 상기 턴 온된 한 쌍의 스위치를 통해 상기 절연 전원부의 제 1충전 전압이 상기 배터리 셀로 인가되며,
    상기 배터리 셀들 전체에 대응되는 하나의 (+) 단자(B+) 및 하나의 (-) 단자(B-)가 구비되며, 상기 절연 전원부는 상기 하나의 (+) 단자 및 (-) 단자에 연결되는 입력단 및 상기 한 쌍의 스위치들과 연결되는 출력단을 포함하며,
    상기 배터리 셀들 전체에 대응되는 (-) 단자(B-)에 전기적으로 접속되는 제 1접지전원(GND1)과; 상기 제 1접지전원과 물리적으로 분리되며, 상기 배터리 셀들 각각의 (-) 단자에 전기적으로 접속되는 제 2접지전원(GND2)이 포함되는 셀 밸런싱 회로.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 각 배터리 셀에 접속되는 한 쌍의 스위치들은 각 배터리 셀 별로 분리되어 구성되는 셀 밸런싱 회로.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들 전체에 대응되는 (+), (-) 단자 중 하나와, 상기 절연 전원부의 입력단 사이에 제어 스위치가 더 구비되는 셀 밸런싱 회로.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 전원부의 출력단과 상기 한 쌍의 스위치들 사이에 전기적으로 연결되는 충전기가 더 구비되며, 상기 충전기는 상기 절연 전원부로부터 제 1충전 전압을 인가받아 이를 제 2충전 전압으로 변환하는 셀 밸런싱 회로.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1충전 전압은 제 2충전 전압보다 큰 셀 밸런싱 회로.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 전원부는 코일 방식 변압기를 포함하며, 상기 변압기의 권선비를 조절하여 입력된 전체 전압을 제 1충전 전압으로 변환하는 셀 밸런싱 회로.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 기준값보다 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 판단하고, 상기 판단된 배터리 셀의 (+), (-) 단자에 연결된 한 쌍의 스위치들의 턴 온 및 그 이외의 스위치들의 턴 오프 동작을 제어하는 제어부가 포함되는 셀 밸런싱 회로.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 각 배터리 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압과 기 설정된 상기 기준값과 비교하는 셀 밸런싱 회로.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 한 쌍의 스위치를 구성하는 2개의 스위치들을 동시에 턴 온/오프 제어하는 셀 밸런싱 회로.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 한 쌍의 스위치들을 각각 독립적으로 제어하는 셀 밸런싱 회로.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 절연 전원부로 인에이블 신호를 제공하며, 상기 절연 전원부는 상기 인에이블 신호를 인가받는 기간만 제 1충전 전압을 출력하는 셀 밸런싱 회로.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 전원부는 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 기준값에 대응되는 전압으로 충전될 때까지 제 1충전 전압을 출력하는 셀 밸런싱 회로.
  16. 삭제
  17. 삭제
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  19. 삭제
  20. 삭제
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