KR101499580B1

KR101499580B1 - 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치

Info

Publication number: KR101499580B1
Application number: KR20130157029A
Authority: KR
Inventors: 김시경; 최철형; 김서우
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-03-09

Abstract

본 발명은 배터리를 구성하는 셀 끼리 에너지를 분배하므로 패시브 균등제어방식에 비해 에너지 손실이 매우 적고, 하프 트랜스포머를 이용하므로 트랜스포머의 부피와 무게를 크게 줄여 배터리 관리 시스템용 균등제어장치의 경박단소화를 추구할 수 있으며, 배터리를 구성하는 전체 셀에 대한 스위칭 제어가 간단하여 기기 신뢰성이 높은 배터리 관리 시스템용 균등제어장치를 제안한다.

Description

하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치{Balencing controller for battery management systme using half transformer}

본 발명은 균등 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1차 측에만 권선이 권취된 하프 트랜스포머의 탭에 배터리를 구성하는 각 셀을 연결하고, 각 셀 중 최대전압 셀이 1차 측에 유도전류를 흘려 타 셀을 충전하도록 함으로써 에너지 낭비가 적고, 트랜스포머를 경박단소하게 형성하며, 간단한 스위칭 제어를 통해 신뢰성을 향상시키는 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 배터리 팩은 셀 단위 배터리의 전압을 직결하여 고전압을 형성한 배터리로서, 에너지 저장 시스템(ESS), 무정전 전원 공급장치(UPS), 전기자동차용 배터리 및 휴대용 전동 공구 배터리 등으로 이용되고 있다.

이러한 배터리 팩은 충전 및 방전 가능한 2차 전지 셀(Cell)을 직렬로 연결하여 출력 전압을 증가시키거나, 병렬로 연결하여 전류 공급량을 증가시키거나, 또는 직병렬로 연결하여 장비에서 요구하는 전압과 전류를 충족하도록 구성된다.

여기서, 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 때, 배터리 팩을 구성하는 각 셀들 사이에 전압 불평형 상태가 발생할 수 있다.

셀을 충전 시, 음극에 연결되는 셀이 먼저 충전되고, 이웃한 타 셀이 충전되면서, 먼저 충전된 셀이 과충전 상태가 되는 반면, 이웃한 타 셀은 저 충전상태가 되기도 하며, 각 셀의 특성에 따라 충전상태에 차이가 발생하기도 한다.

이러한 차이에 따라, 직렬 연결된 셀들 중 저 방전을 일으켜 전체 배터리 팩의 출력 전압을 떨어뜨리거나 과방전된 셀의 출력 전압이 급격히 감소하여 전체 배터리 팩의 출력 전압을 떨어뜨릴 수 있으며, 배터리 팩을 구성하는 셀의 과충전과 과방전은 전체 배터리 팩에 요구되는 기대 수명을 단축하거나 배터리 팩의 전력 공급 지속 시간을 단축시킬 수 있다.

이러한 문제에 대한 셀 제어방법으로서, 크게 커패시터 베이스 방식, 다중 권선 변압기 방식이 제안된 바 있다.

커패시터 베이스 방식은 커패시터를 셀과 연결하고, 셀의 전압이 높을 경우, 셀의 전압에 의해 충전된 후, 낮은 전압의 셀로 인가함으로써, 셀 사이의 균등화를 이루는 제어방법에 해당한다. 커패시터 베이스 방식은 동작 원리가 간단한 대신, 전압이 높은 셀의 전압으로 커패시터를 충전한 후, 전압이 낮은 셀과 커패시터 사이에 전류패스를 형성하여야 하므로, 충전된 커패시터와 저전압의 셀을 연결하기 위해 다량의 스위칭 소자가 필요하고, 각 스위칭 소자에 대한 타이밍 제어 및 스위칭 제어가 요구된다. 즉, 커패시터 베이스 방식은 동작 원리가 간단한데 비하여, 컨트롤러의 스위칭 제어가 복잡해지며, 이는 전체 시스템의 신뢰성을 저하시킬 우려가 있다. 또한, 완충된 커패시터를 저 전압의 셀에 연결하여 충전하므로, 균등제어를 완료하는데 소요되는 시간이 길고, 대용량 커패시터의 경우, 전해 커패시터인 경우가 많아, 전체적인 장치의 부피가 증가함은 물론 커패시터의 특성과 수명이 저하될 우려도 크다.

다중 권선 변압기(MVT) 방식의 경우에는 각 셀을 변압기의 1차 측 탭에 연결한 후, 전압이 높은 셀로 변압기의 1차 측을 스위칭하며, 저 전압의 셀이 변압기의 2차 측에 연결되어 고 전압 셀의 에너지로 충전되어 균등한 전압을 이루도록 한다. 그러나, 다중 권선 변압기(MVT) 방식은 커패시터 베이스 방식에 비해서 균등제어에 소요되는 시간은 감소하나, 배터리를 구성하는 셀의 개수에 비례하여 1차 측과 2차 측의 권선이 증가하므로 변압기의 크기가 비대해지는 단점이 있다.

다중 권선 변압기 방식으로는 한국 등록특허 10-1188944의 전하 균일장치가 제안된 바 있다. 등록특허 10-1188994는 복수의 배터리 셀의 전압을 센싱하여, 전압이 높은 셀로 트랜스포머의 1차 측 권선에 전류를 유도하고, 트랜스포머의 2차 측 권선에서 출력되는 유도전류를 저 전압의 셀에 균등 분배하는 방안을 제시하였다. 그러나, 등록특허 10-1188994의 전하 균일장치 또한 최고전압 셀을 센싱하여 해당 셀이 트랜스포머의 1차 측을 흐르도록 하므로 트랜스포머의 2차 측 권선을 필요로하고, 이에 따라 트랜스포머의 크기를 증가시킨다는 측면에서 기존의 다중 권선 변압기 방식과 크게 다를 바 없다.

다중 권선 변압기(MVT)의 비대한 크기를 감소시키기 위해, 단일 권선 변압기(SWT : Single Winding Transformer)도 제안된 바 있으나, 변압기의 부피를 감소시키는 대신, 커패시터 베이스 방식처럼 다량의 스위치가 요구되고, 스위칭 구조가 복잡해지는 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 트랜스포머를 이용하여 셀의 에너지를 균등화하되, 트랜스포머를 경박단소화하고, 셀을 균등화 시, 에너지 손실을 최소화하며, 제어를 간단하게 구현하여 기기의 신뢰성을 향상시키는 배터리 관리 시스템용 균등제어장치를 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, 복수의 셀이 어레이 연결되는 배터리에 대한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치에 있어서, 1차 측에 배터리 셀 개수만큼 탭을 형성하고, 각 탭은 상기 배터리에 연결되는 각 셀의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 각각 연결되며, 2차 측의 권선은 권취하지 않는 하프 트랜스포머(Harf transformer) 각 탭과 각 셀 사이에 스위치를 구비하고, 각 탭과 상기 각 셀 사이의 전류패스를 스위칭하는 스위칭부, 스위칭부를 제어하여 각 스위치가 동일 시점에 단락되도록 함으로써 셀들 중 최대전압 셀이 1차 측에 전류를 가하고, 타 셀들이 최대전압 셀의 방전에 의한 유도전류로 충전되도록 하여 각 셀의 전압을 균등화하는 균등화 제어부 및 각 셀의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 각각 비 반전 단자와 반전 단자가 연결되며, 어레이를 이루는 각 셀에 대한 누적 전압 차를 이용하여 각 셀의 전압 값을 판단하는 감산기에 의해 달성된다.

여기서, 최대전압 셀은 하프 트랜스포머의 1차 측에 방전 방향으로 전류가 유도되고, 타 셀은 하프 트랜스포머의 1차 측에 충전 방향으로 전류가 유도될 수 있는데, 유도전류는, 최대전압 셀 및 타 셀의 전압 차에 비례하는 그 크기가 결정될 수 있다.

균등화 제어부는 스위칭부를 구성하는 각 스위치에 펄스를 가하여 상기 스위치를 단락하며, 펄스는, 20% 내지 70%의 듀티 비(Duty Ratio)를 가질 수 있다.

이에 더하여, 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등제어장치는 각 셀의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 각각 비 반전 단자와 반전 단자가 연결되며, 어레이를 이루는 각 셀에 대한 누적 전압 차를 이용하여 각 셀의 전압 값을 판단하는 감산기를 더 포함할 수 있다.

하프 트랜스포머에 형성되는 탭은 셀의 수에 비례하는 개수가 마련되는 것이 바람직하며, 하프 트랜스포머에 권취되는 코일로서, 코일의 일 측과 타 측은 각각 상기 셀 중 어느 하나의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 연결되도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 셀 끼리 에너지를 분배하므로 패시브 균등제어방식에 비해 에너지 손실이 매우 적고, 하프 트랜스포머를 이용하므로 트랜스포머의 부피와 무게를 크게 줄여 배터리 관리 시스템용 균등제어장치의 경박단소화를 추구할 수 있으며, 배터리를 구성하는 전체 셀에 대한 스위칭 제어가 매우 간단하므로 배터리 관리 시스템용 균등제어장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치의 블록개념도를 도시한다.
도 2는 배터리 셀을 제어하는 방법에 대한 개념도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 탭의 전압 파형에 대한 참조도면을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등제어장치를 종래의 커패시터 베이스 방식 및 다중 권선 변압기 방식과 비교 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.

본 명세서에서 언급되는 셀(Cell)은 복수 개가 직렬 또는 직병렬 연결되어 2차 전지를 구성하며, 2차 전지의 출력 전압을 증가시키기 위해, 직렬 연결되는 배터리의 구성 단위를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 배터리는 복수의 셀이 직렬 어레이 연결되어 고압을 출력하는 배터리 셀 연결체를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 하프 트랜스포머는 페라이트(Ferrite), 철 및 기타 자성체를 코어(Core)로 하여 1차 측 권선만이 권취되는 형태의 트랜스포머를 의미할 수 있다.

본 명세서에서 언급되는 "균등화"는 배터리를 구성하는 각 셀들의 출력 전압에 대한 "균등화"를 의미할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 언급되는 균등 제어는 각 셀에 대한 전압 균등화를 위한 제어를 의미할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등 제어장치의 블록개념도를 도시하고, 도 2는 배터리 셀을 제어하는 방법에 대한 개념도를 도시한다.

도 1과 도 2를 함게 참조하면 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등제어장치는 하프 트랜스포머(110), 스위칭부(120), 셀(130a ∼ 130n), 감산기(140b ∼140n) 및 균등화 제어부(150)를 포함하여 구성되며, 균등화 제어부(150)에는 AD 변환기(150a ∼ 150n)가 더 포함될 수 있다.

본 실시예에서 하프 트랜스포머(110)는 1차 권선만 존재하고, 1차 권선에 의한 유도전류를 획득하기 위한 2차 권선이 없는 형태의 트랜스포머를 지칭한다. 하프 트랜스포머(110)는 배터리를 구성하는 셀(130a ∼ 130n)의 개수에 따라 탭(L1 ∼ Ln)을 구비할 수 있다. 예컨대, 배터리를 구성하는 셀의 개수가 10개라고 가정하면, 하프 트랜스포머(110)는 10개의 탭을 구비할 수 있다.

탭(L1 ∼ Ln)은 하프 트랜스포머(110)에 내장되는 코어(페라이트 코어 또는 철심 코어 및 기타 자성체)를 중심으로 에나멜선(또는 절연선)이 권취되어 형성되므로, 하프 트랜스포머(110)의 일 측에는 전류가 들어가서 나오는 한 쌍의 단자(예컨대 참조부호 T1, T2)가 마련될 수 있다.

도 1에서 탭(L1)의 단자(T1, T2)는 셀(130a)의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 각각 연결되어 셀(130a)과 폐 루프(Cosed Loop)를 형성하는데, 단자(T2)와 셀(130a)의 양(+) 단자 사이에는 스위치(120a)가 마련되어 탭(L1)과 셀(130a) 사이의 전류패스를 단락 또는 차단하도록 구성된다.

만일, 스위치(120a)가 단락되어 탭(L1)과 셀(130a) 사이의 전류패스가 형성되면, 셀(130a)의 전류는 탭(L1)으로 유도되며, 탭(L1)을 통해 하프 트랜스포머(110)에 유도전류를 전달할 수 있다.

하프 트랜스포머(110)로 유도된 유도전류는 타 탭(L2 ∼ Ln)으로 유도되어 타 탭(L2 ∼ Ln)과 연결되는 타 셀(130b ∼ 130n 중 적어도 하나)로 전달된다. 이에 따라, 하프 트랜스포머(110)는 별도의 2차 측 권선을 구비하지 않고도 셀(130a ∼ 130n) 사이의 에너지 전달이 가능하며, 2차 측 권선을 형성하지 않음에 따라 경박단소하게 형성할 수 있다.

한편, 하프 트랜스포머(110)에 형성되는 각 탭(L1 ∼ Ln)은 상호 독립적으로 형성된다. 도 1에서 각 탭(L1 ∼ Ln)은 에나멜선 또는 절연선을 이용하여 하프 트랜스포머(110)의 코어를 권취하는 형태로 형성되는데, 통상의 탭이 하나의 에나멜선으로 코어를 권취한 후, 중간 중간에 탭을 형성하는데 비하여 실시예에 따른 탭이 상호 연결되지 않는 독립적인 구조임을 알 수 있다. 이러한 탭(L1 ∼ Ln) 구조는 셀(130a)이 탭(L1)에 전류를 가할 때, 나머지 셀(130b ∼ 130n)은 셀(130a)에 의한 유도전류를 획득하기 위한 구조이며, 이를 위해, 각 셀(130a ∼ 130n)은 동일한 시점에 탭(L1 ∼ Ln)과 전류패스를 형성하여야 한다. 이에 따라, 균등화 제어부(150)는 스위치(120a ∼ 120n)가 동일 시점에 단락되도록 제어하여 각 셀(130a ∼ 130n)이 동일한 시점에 각각의 탭(L1 ∼ Ln)과 전류패스를 형성하도록 한다. 예컨대, 탭(L1)은 셀(130a)과 전류패스를 형성하고, 탭(L2)은 셀(130b)와 전류패스를 형성하며, 탭(L3)은 셀(130c)와 전류패스를 형성할 수 있다.

동일 시점에 각 셀(130a ∼ 130n)이 대응하는 탭(L1 ∼ Ln)과 전류패스를 형성하면, 각 셀(130a ∼ 130n)은 하프 트랜스포머(110)로 전류를 가하려 하는데, 각 셀(130a ∼ 130n) 중 전압이 최대인 최대전압 셀(예컨대 참조부호 130a)이 하프 트랜스포머(110)로 전류를 가하게 되고, 나머지 셀(에컨대 참조부호 130b ∼ 130n)은 하프 트랜스포머(110)로부터 유도전류를 수신하여 충전하게 된다. 이에 따라, 최대전압 셀(130a)은 하프 트랜스포머(110)를 향해 전류를 방전하는 방향으로 전류가 유도되고, 나머지 셀(130b ∼ 130n)은 하프 트랜스포머(110)로부터 전류를 받아 충전하는 방향으로 전류가 유도된다. 충전하는 방향과 방전하는 방향은 상호 반대 방향일 수 있다.

각 탭(L1 ∼ Ln)은 각각 셀(130a ∼ 130n)과 직렬 연결된다. 탭(L1)의 단자(T1)는 셀(130a)의 음(-) 단자와 연결되고, 탭(L1)의 단자(T2)는 스위치(120a)를 통해 셀(130a)의 양(+) 단자와 연결된다. 스위치(120a)가 단락될 때, 탭(L1)의 단자(T2)와 셀(130a)의 양(+) 단자가 연결되어 셀(130a)과 탭(L1)이 전류패스를 형성할 수 있고, 이 상태에서 셀(130a)이 하프 트랜스포머(110)로 유도전류를 전달할 수 있다. 마찬가지의 방법으로, 탭(L2)과 셀(130b) 및 탭(L3)과 셀(130c)이 각각 스위치(120b) 및 스위치(120c)와 연결된다.

스위치(120b ∼ 120n)와 셀(130b ∼ 130n)의 양(+) 단자가 연결되는 노드는 감산기(140b ∼ 140n)의 비 반전 단자로 연결되고, 셀(130b ∼ 130n)의 음(-) 단자와 탭(L1 ∼ Ln)이 공동으로 연결되는 노드는 감산기(140b ∼ 140n)의 반전 단자로 연결되어 균등화 제어부(150)로 각 셀(130b ∼ 130n)의 전압 값을 제공할 수 있다.

이때, 셀(130a)과 균등화 제어부(150) 사이에는 별도의 감산기가 요구되지 않는다. 이는, 실시예에 따른 균등화 제어부(150)가 각 셀의 누적 전압 차를 이용하여 각 셀(130a ∼ 130n)의 전압 값을 측정하는데 따른 것이다.

예컨대, 노드(N1)의 전압은 셀(130a)의 전압에 대응하는데, 노드(N1)의 전압은 셀(130a) 하나에 대한 전압만이 검출되므로 별도의 감산기가 요구되지 않는다. 반면, 노드(N2)의 전압은, 셀(130a)과 셀(130b)의 전압이 합산된 누적 전압이므로, 셀(130b)의 전압을 판단하기 위해서는 셀(130a)과 셀(130b)의 누적 전압(노드 N2의 전압)에서 셀(130a)의 전압을 차감할 필요가 있다.

이에 따라, 감산기(140b)의 비 반전 단자로는 노드(N2)의 전압이 인가되고, 감산기(140b)의 반전 단자로는 노드(N1)의 전압이 인가되며, 감산기(140b)는 비 반전 단자로 인가된 노드 (N2) 전압에서, 반전 단자로 인가된 노드(N1) 전압을 차감하여 셀(130b)의 전압 값을 산출할 수 있다. 셀(130c ∼ 130n)의 전압도 셀(130b)에 대해 전압 값을 산출하는 방법과 동일한 방법에 의해 산출될 수 있다. 이에 따라, 감산기는 셀(130a ∼ 130n)의 개수 대비 하나가 적게 설정되며, 이를 수식으로 표현하면, 셀 개수가 N개 일 때, 감산기(140b ∼ 140n)의 수는 N-1개가 된다.

셀(130a ∼ 130n)의 전압은 감산기(140b ∼ 140n)를 통해 균등화 제어부(150)로 제공되며, 균등화 제어부(150)는 각 셀(130a ∼ 130n)의 전압을 메모리에 저장하여 각 배터리를 셀 단위로 모니터링 할 수 있다. 이러한 모니터링에 의해 각 배터리는 각 셀 단위로 특성이 파악될 수 있다. 예컨대, 배터리를 구성하는 각 셀의 전압 특성을 파악할 수 있으며, 이러한 전압 특성을 이용하여 각 배터리의 예상수명과 에너지 효율등을 파악할 수도 있다. 다만 한정하지는 않는다.

각 셀(130a ∼ 130n)과 탭(L1 ∼ Ln)의 전류패스를 형성하는 스위칭부(120)는 복수의 스위치(120a ∼ 120n)로 구성되며, 각 스위치(120a ∼ 120n)는 균등화 제어부(150)에 의해 동일한 시점에 펄스 제어되어 단락되거나 차단된다.

도 2에서, 각 스위치(120a ∼ 120c)는 동일한 파형의 펄스에 의해 동일 시점에 단락됨을 볼 수 있는데, 이는 하프 트랜스포머(110)의 1차 측 권선만이 존재하고, 하프 트랜스포머(110)의 1차 측 권선으로 형성되는 탭(l1 ∼ l3)끼리 에너지를 전달하는데 따른다. 각 스위치(120c ∼ 120n)에 인가되는 펄스는 셀(130a ∼ 130c)의 충방전 특성에 따라 듀티비가 결정될 수 있으며, 듀티비는 20% 내지 70&의 범위를 가질 수 있고, 실험에 의해 고정될 수도 있다. 다만 한정하지는 않는다.

균등화 제어부(150)는 감산기(140b ∼ 140n)를 통해 각 셀(130b ∼ 130n)의 전압을 획득하고(셀(130a)의 경우에는 직접 획득한다), 획득된 전압이 균등하지 않을 경우, 스위칭부(120)에 펄스를 인가하여 스위칭부(120)를 구성하는 각 스위치(120a ∼ 120n)를 단락시키며, 스위치(120a ∼ 120n)를 단락시켜, 최대전압 셀(130a ∼ 130n 중 어느 하나)이 하프 트랜스포머(110)로 유도전류를 전달하도록 제어한다. 각 셀(130a ∼ 130n)의 전압 중 최대 전압을 갖는 셀이 보이지 않을 때까지 이러한 과정은 수차례 걸쳐 반복될 수 있다. 이때, 균등화 제어부(150)는 각 셀(130a ∼ 130n)의 전압이 완전히 균등화될 때까지 반복하거나 또는 각 셀(130a ∼ 130n)의 전압 중 최대 전압과 최저 전압의 차이가 오차범위(예컨대 0.01v)가 될때까지 반복할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 탭의 전압 파형에 대한 참조도면을 도시한다.

도 3을 참조하면, 그래프 최 상단에 위치하는 PWM은 균등화 제어부(150)에서 스위칭부(120)를 구성하는 각 스위치(120a ∼ 120n)로 인가되는 펄스 파형을 도시하고, 두 번째 그래프의 "IL1"은 각 스위치(120a ∼120n)가 단락될 때, 각 셀(130a ∼ 130n)이 하프 트랜스포머(110)로 유도전류를 전달할 때의 전류 파형을 도시한다. 물론, 각 셀(130a ∼ 130n) 중 최대전압을 갖는 최대전압 셀 만이 "IL1"의 파형에 따라 하프 트랜스포머(110)에 유도전류를 전달할 수 있다. 이때, 그래프의 상단 방향은 셀(130a ∼ 130n)의 전압이 방전되는 방향을 나타내고, 하단 방향은 셀(130a ∼ 130n)의 전압이 충전되는 방향을 나타낼 수 있다.

세 번재, 그래프의 "IL2-1"은 최대전압 셀을 제외한 나머지 셀(130a ∼ 130n 중 어느 하나를 제외한 나머지)로 인가되는 유도전류의 형태를 나타내며, 네 번째 그래프의 "IL2-2"는 충전되는 셀(130a ∼ 130n 중 어느 하나를 제외한 나머지)에 인가되는 충전 전류의 파형을 나타낸다. 도시된 것과 같이, 전류의 방전 방향과 충전 방향은 역방향으로, 각 그래프의 X 축의 하단은 방전 방향을 의미하고 있다.

다섯 번째 그래프의 "V1"과 "V2"는 각각 방전 셀의 전압 파형과 충전 셀의 전압 파형을 도시한 것으로서, 방전 셀의 전압(V1)은 시간의 흐름에 따라 낮아지는 반면, 충전 셀의 전압은 시간의 흐름에 따라 높아지면서, 두 셀의 전압 편차가 감소하는 것을 볼 수 있다.

이러한 셀 균등화는 복잡한 스위칭 과정이 요구되지 않는 점이 보이는데, 첫 째로, 균등화 제어부(150)는 동일 시점에 모든 스위치(120a ∼ 120n)를 동시에 단락 시키거나 차단하는 단순한 스위칭 동작을 구현하되 다만, 최적의 충방전을 위해 펄스의 듀티 비(Duty ratio)만을 설정하며,

셀(130a ∼ 130n)은 최대전압 셀만이 하프 트랜스포머(110)로 유도전류를 전달하고, 나머지 셀(130a ∼ 130n 중 어느 하나를 제외한 나머지)은 독립적으로 형성되는 탭을 통해 유도전류에 의해 충전되므로, 각 셀(130a ∼ 130n)별로 전압을 측정 후, 전류를 분배하는 스위칭 로직이 요구되지 않는다는 것이다.

이러한 장점에 더하여, 하프 트랜스포머(110)는 크기가 작고 가벼운 경박단소화를 구현하여 전체 배터리 관리 시스템용 균등제어장치의 크기와 단가를 감소시킴은 물론, 간단한 구조에 의한 장점, 예컨대, 기기의 신뢰성 향상을 도모할 수 있는 것이다.

또한, 배터리 충방전을 위한 대용량의 전해 커패시터와 같은 부품이 요구되지 않으므로 기기의 신뢰성은 더욱 향상될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템용 균등제어장치를 종래의 커패시터 베이스 방식 및 다중 권선 변압기 방식과 비교 설명하기 위한 참조도면을 도시한다.

먼저, 도 4a는 종래의 커패시터 베이스 방식에 대한 것으로, 스위치를 통해 최대전압 셀의 전류를 각 커패시터(C1, C2)에 충전해 두었다가 스위치 조작을 통해 저전압 셀로 커패시터(C1, C2)에 충전된 전류를 제공하여 충전하는 방식에 대한 참조도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 커패시터(C1, C2)는 충전되는데 많은 시간이 소요되며, 대용량으로 구현하기 위해서 전해 커패시터를 이용할 경우, 수명(예컨대 105도 환경에서 5000시간 수명)이 제한적인 단점이 있어 기기의 수명과 신뢰성을 높이는데 한계가 있다.

다음으로 도 4b는 다중 권선 변압기 방식에 대한 것으로, 도 4b를 참조하면, 셀과 탭의 연결 관계는 본 발명의 실시예(도 1 참조)의 구조와 일견 유사해 보이나, 각 셀 중 최대전압 셀의 유도전류가 트랜스포머로 유도된 후, 트랜스포머의 2차 측 권선을 통해 저전압 셀을 충전하여야 한다. 이러한 충전 방식은 트랜스포머에 연결되는 각 셀들 중 최대전압 셀 만이 트랜스포머의 2차 측에 유도전류를 전달하도록 구성하여야 하며, 이는 도시된 스위치(SW1 ∼ SW3)의 제어 방식이 본 발명과 동일할 수 없음을 의미한다. 즉, 스위치(SW1 ∼ SW3 중 어느 하나)는 최대전압 셀의 전압이 트랜스포머의 1차 측(L3)에 유도하도록 단락되어야 하며, 나머지 스위치(SW1 ∼ SW3 중 어느 하나를 제외한 나머지)는 차단 상태를 유지하여야 한다. 이를 위해, 각 스위치(SW1 ∼ SW3)는 동일 시점에 단락되지 않도록 타이밍 제어가 요구된다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

110 : 하프 트랜스포머 120 : 스위칭부
130a ∼ 130n : 셀 140a ∼ 140n : 감산기
150 : 균등화 제어부 151a ∼ 150n : AD 변환기

Claims

복수의 셀이 어레이 연결되는 배터리에 대한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치에 있어서,
1차 측에 배터리 셀 개수만큼 탭을 형성하고, 상기 각 탭은 상기 배터리에 연결되는 각 셀의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 각각 연결되며, 2차 측의 권선은 권취하지 않는 하프 트랜스포머(Harf transformer);
상기 각 탭과 상기 각 셀 사이에 스위치를 구비하고, 상기 각 탭과 상기 각 셀 사이의 전류패스를 스위칭하는 스위칭부;
상기 스위칭부를 제어하여 상기 각 스위치가 동일 시점에 단락되도록 함으로써 상기 셀들 중 최대전압 셀이 상기 1차 측에 전류를 가하고, 타 셀들이 상기 최대전압 셀의 방전에 의한 유도전류로 충전되도록 하여 상기 각 셀의 전압을 균등화하는 균등화 제어부; 및
상기 각 셀의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 각각 비 반전 단자와 반전 단자가 연결되며, 상기 어레이를 이루는 각 셀에 대한 누적 전압 차를 이용하여 상기 각 셀의 전압 값을 판단하는 감산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치.
제1항에 있어서,
상기 최대전압 셀은 상기 하프 트랜스포머의 1차 측에 방전 방향으로 전류가 유도되고,
상기 타 셀은 상기 하프 트랜스포머의 1차 측에 충전 방향으로 전류가 유도되는 것을 특징으로 하는 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치.
제1항에 있어서,
상기 유도전류는,
상기 최대전압 셀 및 상기 타 셀의 전압 차에 비례하는 것을 특징으로 하는 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치.
제1항에 있어서,
상기 균등화 제어부는,
상기 스위칭부를 구성하는 각 스위치에 펄스를 가하여 상기 스위치를 단락하며,
상기 펄스는, 20% 내지 70%의 듀티 비(Duty Ratio)를 갖는 것을 특징으로 하는 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 탭은,
상기 셀의 수에 비례하는 개수가 마련되는 것을 특징으로 하는 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치.
제6항에 있어서,
상기 탭은,
상기 하프 트랜스포머에 권취되는 코일로서,
상기 코일의 일 측과 타 측은 각각 상기 셀 중 어느 하나의 양(+) 단자와 음(-) 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 하프 트랜스포머를 이용한 배터리 관리 시스템용 균등제어장치.