KR101574114B1 - 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로 - Google Patents

제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬공진을 채용한 배터리셀 모듈에서 공진 주기를 감지하여 배터리셀 모듈에 연결된 스위치들을 대상으로 제로 커런트 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 구현하는 기술에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 배터리셀 모듈부, 직렬공진회로부를 구비한 배터리셀 밸런싱 회로에서, 상기 직렬공진회로부의 인덕터에 흐르는 전류량을 근거로 상기 직렬공진회로의 공진 주기를 판단한 후 상기 판단된 공진 주기에 동기하여 상기 직렬공진회로부의 스위치들이 스위칭 동작하도록 원래의 스위칭제어신호를 보정하여 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호를 출력하는 제로커런트 스위칭 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로{BATTERY CELL BALLANCING CIRCUIT WHICH IS ZERO CURRENT SWITCHING}
본 발명은 멀티 배터리셀을 구비한 배터리셀 모듈의 밸런싱 기술에 관한 것으로, 특히 직렬공진을 채용한 배터리셀 모듈에서 공진 주기를 감지하여 배터리셀 모듈에 연결된 스위치들을 대상으로 제로 커런트 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 구현할 수 있도록 한 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리셀의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리셀에 영구적인 손상이 가해지게 된다. 하이브리드 전기자동차나 노트북 컴퓨터 등은 비교적 대용량의 전원공급이 요구되므로 배터리셀을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 경우, 여러 개의 배터리셀을 직렬로 연결한 배터리셀 모듈(배터리 팩)을 사용한다. 그런데, 이와 같은 배터리셀 모듈을 사용하는 경우 각 배터리셀의 성능 편차에 의하여 전압의 불균형이 발생될 수 있다.
배터리셀 모듈 충전 시 배터리셀 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리셀 모듈을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리셀 모듈의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다.
한편, 배터리셀 모듈 방전 시에는 배터리셀 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리셀 모듈을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리셀 모듈의 사용시간이 단축된다.
이와 같이 배터리셀 모듈의 충전 또는 방전 시 보다 높은 전기 에너지를 갖는 배터리셀의 전기 에너지를 보다 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀로 공급해 줌으로써 배터리셀 모듈의 사용시간을 향상시킬 수 있는데, 이와 같은 동작을 배터리셀 밸런싱이라고 부른다.
도 1은 종래 기술에 의한 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 배터리셀 모듈부(110) 및 직렬공진회로부(120)를 포함한다.
배터리셀 모듈부(110)는 배터리셀 모듈(111), 제1스위치부(112A) 및 제2스위치부(112B)를 구비하고, 직렬공진회로부(120)는 직렬공진회로(121) 및 제3스위치부(122)를 구비한다.
배터리셀 모듈(111)은 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하고, 직렬공진회로(121)는 직렬연결된 인덕터(Ls) 및 커패시터(Cs)를 구비한다.
제1스위치부(112A)는 배터리셀 모듈(111)을 대상으로 전기에너지의 회수 및 공급 경로를 형성하기 위한 것으로, 상기 배터리셀(CELL1-CELL4)의 각 단자에 일측 단자가 각기 연결되고 타측 단자가 제1공통노드(N1)에 공통연결된 스위치(SW1-SW5)를 구비한다.
제2스위치부(112B)는 상기 배터리셀 모듈(111)을 대상으로 전기에너지의 회수 및 공급 경로를 형성하기 위한 것으로, 상기 배터리셀(CELL1-CELL4)의 각 단자에 일측 단자가 각기 연결되고 타측 단자가 제2공통노드(N2)에 공통연결된 스위치(SW6-SW10)를 구비한다.
제3스위치부(122)는 전기에너지 회수모드에서 상기 직렬공진회로(121)의 일측 종단 단자를 상기 제1공통노드(N1)에 연결하는 스위치(SW11) 및 상기 직렬공진회로(121)의 타측 종단 단자를 상기 제2 공통노드(N2)에 연결하는 스위치(SW12), 전기에너지공급모드에서 상기 직렬공진회로(121)의 타측 종단 단자를 상기 제1 공통노드(N1)에 연결하는 스위치(SW13) 및 상기 직렬공진회로(121)의 일측 종단 단자를 상기 제2공통노드(N2)에 연결하는 스위치(SW14)를 구비한다.
배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀에 충전된 전기 에너지는 제1 스위치부(112A), 제2스위치부(112B) 및 제3스위치부(122)를 통해 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 후 상기 스위치부들을 통해 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀에 충전된다.
도 2a는 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀로서 배터리셀(CELL3)에 다른 배터리셀보다 상대적으로 높게 충전된 전기에너지를 회수하여 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전하는 예를 나타낸 것이다.
도 2a를 참조하면, 제1 스위치부(112A)의 스위치(SW1-SW5) 중에서 스위치(SW3)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 이때, 제2 스위치부(112B)의 스위치(SW6-SW10) 중에서 스위치(SW9)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 그리고 제3 스위치부(122)의 스위치(SW11-SW14) 중에서 스위치(SW11) 및 스위치(SW12)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL3)의 일측 단자가 상기 스위치(SW3) 및 스위치(SW11)를 통해 직렬공진회로(21)의 일측 단자인 제3 공통노드(N3)에 연결되고, 상기 직렬공진회로(121)의 타측 단자인 제4 공통노드(N4)가 상기 스위치(SW12)를 통해 제2 공통노드(N2)에 연결된다.
이에 따라, 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 충전에너지가 상기 스위치(SW3) 및 스위치(SW11)를 통해 회수되어 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)에 충전된다. 여기서, 상기 배터리셀(CELL3)의 용량은 상기 커패시터(Cs)의 용량에 비하여 아주 크기 때문에 상기 직렬공진회로(121)가 공진할 경우 상기 배터리셀(CELL3)의 충전 전압이 미세하게 하강된다. 이때, 상기 커패시터(Cs)의 충전전압이 사인(sine) 함수의 형태로 상승된다. 이와 같이, 상기 커패시터(Cs)의 충전전압이 완만하게 상승되므로 하드스위칭 손실이 거의 발생되지 않는다.
도 2b는 상기와 같은 과정을 통해 상기 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 전기에너지를 상기 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 상대적으로 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀(CELL1)에 공급하는 예를 나타낸 것이다.
도 2b를 참조하면, 제1 스위치부(112A)의 스위치(SW1-SW5) 중에서 스위치(SW2)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 이때, 제2 스위치부(112B)의 스위치(SW6-SW10) 중에서 스위치(SW6)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 그리고, 제3 스위치부(122)의 스위치(SW11-SW14) 중에서 스위치(SW13) 및 스위치(SW14)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 직렬공진회로(121)의 일측 단자인 제3 공통노드(N3)가 상기 스위치(SW14) 및 스위치(SW16)를 통해 상기 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1)의 일측 단자에 연결되고, 상기 직렬공진회로(121)의 타측 단자인 제4 공통노드(N4)가 상기 스위치(SW13)를 통해 제1 공통노드(N1)에 연결된다.
이에 따라, 상기 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 전기에너지가 스위치(SW14) 및 스위치(SW6)를 통해 상기 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1)에 공급된다. 이때, 상기 커패시터(Cs)의 충전전압이 사인(sine) 함수의 형태로 하강된다.
상기 도 2a 및 도 2b에서와 같이 상대적으로 높은 전기에너지가 충전된 배터리셀의 전기에너지를 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)에 회수하여 일시적으로 충전하거나, 상기 충전된 전기에너지를 상대적으로 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀에 공급할 때 전달되는 전력량은 상기 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)와 인덕터(Ls)의 값에 의해 결정된다. 예를 들어, 상기 커패시터(Cs)의 값이 클수록 인덕터(Ls)의 값이 작을수록 전달되는 전력량이 많기 때문에 빠르게 밸런싱이 이루어지지만 공진 전류량이 많아짐에 따라 그만큼 손실량도 많아지게 되므로 상기 커패시터(Cs) 및 인덕터(Ls)의 값을 적절하게 설정되어야 한다.
예를 들어, 상기 인덕터(Ls)의 값을 500uH로 설정하고, 커패시터(Cs)의 값을 120μF로 설정할 경우 공진을 통해 전달되는 전력량은 실험을 통해 0.5W 정도가 된다. 상기 배터리셀(CELL3)과 배터리셀(CELL1) 간의 밸런싱이 이루어질 때까지 상기 도 2a와 도 2b의 셀 밸런싱 동작을 필요한 만큼 반복적으로 수행하여 상기 배터리셀(CELL3)의 충전 에너지가 배터리셀(CELL1)에 공급된다.
이를 위해 상기 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 가장 높은 전기에너지를 충전한 배터리셀과 가장 낮은 전기에너지를 충전한 배터리셀을 판별하여 상기와 같은 일련의 밸런싱 기능을 수행하는 밸런싱 알고리즘이 사용될 수 있다.
상기 설명에서는 상기 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 가장 높은 전기에너지를 충전한 하나의 배터리셀과 가장 낮은 전기에너지를 충전한 하나의 배터리셀을 대상으로 밸런싱 기능을 수행하는 것을 설명하였으나, n개의 배터리셀을 대상으로 상기와 같은 과정을 통해 밸런싱 기능이 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 스위치(SW10)와 스위치(SW1)를 턴온시키고, 상기 스위치(SW11) 및 스위치(SW12)를 턴온시키면 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1-CELL4)로부터 충전된 전기에너지가 상기 직렬공진회로(21)의 커패시터(Cs)에 회수된다. 다른 예로써, 스위치(SW6)와 스위치(SW5)를 턴온시키고, 스위치(SW13) 및 스위치(SW14)를 턴온시키면 상기 직렬공진회로(121)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 전기에너지가 배터리셀 모듈(111)의 배터리셀(CELL1-CELL4)에 공급된다.
도 3은 또 다른 종래 기술에 의한 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서, 도 1과 비교할 때 제1 스위치부(312A) 및 제2 스위치부(312B)의 양방향으로 전류를 인가할 수 있도록 구성하여 스위치 경로의 개수를 절반으로 줄인 것이 다른 점이다.
즉, 도 1의 경우 배터리셀 모듈부(110)의 배터리셀(CELL1-CELL4)과 제1 공통노드(N1) 및 제2 공통노드(N2)간에 각각 5개의 스위치 경로가 존재하여 모두 10개의 스위치 경로가 존재한다. 이에 비하여, 도 3의 경우 배터리셀 모듈부(310)의 배터리셀(CELL1-CELL4)과 제1 공통노드(N1) 간에 연결된 제1스위치부(312A)에 3개의 스위치 경로가 존재하고, 상기 배터리셀 모듈부(310)의 배터리셀(CELL1-CELL4)과 제2 공통노드(N2) 간에 연결된 제2스위치부(312B)에 2개의 스위치 경로가 존재하여 총 5개의 스위치 경로가 존재하며, 이들을 통해 배터리셀 밸런싱이 이루어진다.
예를 들어, 배터리셀(CELL3)의 전기 에너지 회수 경로는 도 4a와 같이, 상기 배터리셀(CELL3)의 일측단자, 스위치(SW2), 제1 공통노드(N1), 스위치(SW6), 직렬공진회로(321), 스위치(SW7), 제2 공통노드(N2), 스위치(SW5) 및 상기 배터리셀(CELL3)의 타측단자로 형성된다.
다른 예로써, 상기 커패시터(Cs)에 회수되어 저장된 전기에너지를 상기 배터리셀(CELL4)에 공급하기 위한 경로는 도 4b와 같이, 상기 배터리셀(CELL4)의 타측단자, 스위치(SW3), 제1 공통노드(N1), 스위치(SW8), 직렬공진회로(321), 스위치(SW9), 제2 공통노드(N2), 스위치(SW5) 및 상기 배터리셀(CELL4)의 일측단자로 형성된다.
그런데, 종래 기술에 의한 배터리셀 밸런싱 회로에 있어서는 직렬공진회로의 구성소자인 인덕터 또는 커패시터의 노화(Aging)나 온도 등의 환경변화에 의하여, 스위치 소자의 스위칭 동작이 제로 커런트에서 이루어지지 못하고, 공진 주기에서 벗어나서 이루어지는 경우가 발생되는데, 도 5는 그 예를 나타낸 것이다.
예를 들어, 도 3의 제3스위치부(322)의 스위치(SW6-SW9) 중에서 스위치(SW9),(SW8)의 스위칭 주기가 도 5의 (a),(b)와 같이 직렬공진회로(321)의 공진주기 즉, 도 5의 (c)와 같이 인덕터(Ls)의 전류(IL)가 제로 이상인 구간 보다 긴 경우, 인덕터(Ls)의 전류(IL)가 공진주기의 반대 방향으로 흐르게 된다. 이로 인하여, 스위칭 동작이 완료되는 시점에서 제로 커런트 스위칭(Zero Current Switching)을 할 수 없게 된다.
이와 같이 종래의 배터리셀 밸런싱 회로에 있어서는 직렬공진회로의 구성소자인 인덕터 또는 커패시터의 노화(Aging)나 온도 등의 환경변화에 의해 스위치 소자의 스위칭 동작이 제로 커런트에서 이루어지지 않고 직렬공진회로의 공진 주기에서 벗어나서 이루어지는 경우가 발생되고, 이에 의해 스위칭 손실이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 직렬공진을 채용하여 배터리셀 밸런싱을 수행하는 배터리셀 모듈에서 직렬공진회로의 공진 주기를 감지하고, 그 감지 결과를 근거로 배터리셀에 연결된 스위치들을 대상으로 제로 커런트 스위칭(ZCS: Zero Current Switching)을 구현할 수 있도록 하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로는, 복수의 배터리셀들이 직렬연결된 배터리셀 모듈 및, 상기 복수의 배터리셀들 중에서 상대적으로 높은 전기에너지가 저장된 배터리셀로부터 전기에너지를 회수하거나 이미 회수된 전기에너지를 상대적으로 낮은 전기에너지가 저장된 배터리셀에 공급하기 위한 제1스위치부 및 제2스위치부를 구비한 배터리셀 모듈부; 직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 상기 전기에너지에 대한 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로 및, 상기 제1스위치부 및 제2스위치부와 연계적으로 스위칭되어 상기 배터리셀 모듈부로부터 회수되는 전기에너지가 상기 커패시터에 저장되게 하거나 상기 커패시터에 저장된 전기에너지가 상기 배터리셀 모듈부에 전달되도록 하는 제3스위치부를 구비한 직렬공진회로부; 및 상기 인덕터에 흐르는 전류량을 근거로 상기 직렬공진회로의 공진 주기를 판단한 후 상기 판단된 공진 주기에 동기하여 상기 제3스위치부의 스위치들이 스위칭 동작하도록 원래의 스위칭제어신호를 보정하여 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호를 출력하는 제로커런트 스위칭 제어부;를 포함한다.
본 발명은 직렬공진을 채용하여 배터리셀 밸런싱을 수행하는 배터리셀 모듈에서 직렬공진회로의 공진 주기를 감지하고, 그 감지된 결과를 근거로 배터리셀에 연결된 스위치들을 대상으로 제로 커런트 스위칭을 구현함으로써, 스위치 소자의 스위칭 동작이 직렬공진회로의 공진 주기 내에서 이루어져 스위칭 손실이 방지되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 2a는 도 1에 대한 전기에너지 회로 경로를 나타낸 나타낸 회로도이다.
도 2b는 도 1에 대한 전기에너지 공급 경로를 나타낸 회로도이다.
도 3은 또 다른 종래 기술에 의한 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 4a는 도 3에 대한 전기에너지 회수 경로를 나타낸 회로도이다.
도 4b는 도 3에 대한 전기에너지 공급 경로를 나타낸 회로도이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 종래기술에 의해 공진 주기에서 벗어나 스위칭되는 것을 나타낸 파형도이다.
도 6은 본 발명에 의한 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로의 블록도이다.
도 7은 도 6에서 상기 제1스위치부 내지 제3스위치부의 스위치가 MOSFET로 구현된 예를 나타낸 회로도이다.
도 8은 도 7에서 제로커런트 스위칭 제어부의 구현예를 보인 상세 블록도이다.
도 9는 도 8의 상세 회로도이다.
도 10의 (a) 내지 (g)는 종래기술에 의한 스위칭 제어신호의 파형도 및 도 9에서 각부의 파형도를 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이 배터리셀 밸런싱 회로(600)는, 배터리셀 모듈부(610), 직렬공진회로부(620) 및 제로커런트 스위칭 제어부(630)를 포함한다.
배터리셀 모듈부(610)는 도 1의 배터리셀 모듈부(110) 및 도 3의 배터리셀 모듈부(310)에 해당되는 것으로, 도 1 및 도 3에서와 같이 직렬 연결된 복수 개의 배터리셀을 구비한 배터리셀 모듈과 상기 배터리셀 모듈을 대상으로 전기에너지의 회수 및 공급 경로를 형성하기 위한 제1스위치부 및 제2스위치부를 구비한다.
직렬공진회로부(620)는 직렬연결된 인덕터(Ls) 및 커패시터(Cs)를 구비한 직렬공진회로(621) 및 상기 제1스위치부 및 제2스위치부와 연계동작하여 상기 배터리셀 모듈을 대상으로 전기에너지의 회수 및 공급 경로를 형성하기 위한 제3스위치부(622)를 포함한다.
제3스위치부(622)는 상기 배터리셀 모듈에 대한 전기에너지 회수모드에서 상기 직렬공진회로(621)의 일측 종단 단자를 상기 제1스위치부의 공통노드인 제1공통노드(N1)에 연결하는 스위치(SW11) 및 상기 직렬공진회로(621)의 타측 종단 단자를 상기 제2스위치부의 공통노드인 제2 공통노드(N2)에 연결하는 스위치(SW12), 전기에너지공급모드에서 상기 직렬공진회로(621)의 타측 종단 단자를 상기 제1 공통노드(N1)에 연결하는 스위치(SW13) 및 상기 직렬공진회로(621)의 일측 종단 단자를 상기 제2공통노드(N2)에 연결하는 스위치(SW14)를 구비한다.
도 6에서 상기 제1스위치부, 제2스위부 및 제3스위치부(622)에 구비된 스위치의 종류는 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 6의 제3스위치부(622)에서와 같은 SPST(Single Pole Single Throw)로 구현하거나, MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 전력 스위치로 구현될 수 있다. 그리고, 상기 배터리셀 모듈의 배터리셀 수가 추가되는 경우, 그 추가되는 개수에 대응하여 상기 제1 스위치부 및 제2 스위치부의 스위치 개수가 추가될 수 있다.
도 7은 상기 제1스위치부 내지 제3스위치부의 각 스위치가 두 개의 MOSFET와 다이오드로 구현된 예를 나타낸 것으로, 이에 도시한 바와 같이 직렬 연결된 모스트랜지스터(M1),(M2), 상기 모스트랜지스터(M1)의 전류 흐름과 역방향으로 상기 모스트랜지스터(M1)에 병렬연결된 다이오드(D1) 및 상기 모스트랜지스터(M2)의 전류 흐름과 역방향으로 상기 모스트랜지스터(M2)에 병렬연결된 다이오드(D2)를 구비한다.
제로커런트 스위칭 제어부(630)는 직렬공진회로(621)의 인덕터(Ls)에 흐르는 전류를 감지하고, 상기 감지된 전류를 근거로 상기 직렬공진회로(621)의 공진 주기를 판단한 후, 상기 판단된 공진 주기에 동기하여 상기 스위치(SW11-SW14)의 스위칭 동작이 이루어지도록 제어부(도면에 미표시)로부터 공급되는 스위칭제어신호(CTL11-CTL14)를 보정하여 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL11'-CTL14')를 출력하는데, 상기 제로커런트 스위칭 제어부(630)의 동작에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 8은 상기 제로커런트 스위칭 제어부(630)의 구현예를 보인 상세 블록도로서 이에 도시한 바와 같이 미분기(631), 정류기(632), 비교기(633) 및 멀티플렉서(634A),(634B)를 구비한다.
도 9는 상기 도 8에 도시된 미분기(631), 정류기(632), 비교기(633) 및 멀티플렉서(634A),(634B)의 구현예를 보인 상세 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 미분기(631)는 직렬공진회로(621)의 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)의 공통접속점에 일측 단자가 연결된 커패시터(C1), 반전입력단자가 상기 커패시터(C1)의 타측 단자에 연결되고 비반전입력단자가 접지단자에 연결된 연산증폭기(OP1) 및 상기 연산증폭기(OP1)의 반전입력단자와 출력단자의 사이에 연결된 저항(R1)을 구비한다.
정류기(632)는 상기 연산증폭기(OP1)의 출력단자에 일측 단자가 연결된 저항(R2), 반전입력단자가 상기 저항(R2)의 타측 단자에 연결되고 비반전입력단자가 접지단자에 연결된 연산증폭기(OP2), 상기 연산증폭기(OP1)의 출력단자에 일측 단자가 연결된 저항(R3), 반전입력단자가 상기 저항(R3)의 타측 단자에 연결되고 비반전입력단자가 접지단자에 연결된 연산증폭기(OP3), 상기 연산증폭기(OP3)의 출력단자와 상기 연산증폭기(OP2)의 출력단자의 사이에 직렬연결된 저항(R4),(R5) 및 다이오드(D1), 상기 연산증폭기(OP2)의 출력단자에 애노드가 연결되고 상기 연산증폭기(OP2)의 반전입력단자에 캐소우드가 연결된 다이오드(D2) 및 상기 연산증폭기(OP2)의 반전입력단자와 상기 저항(R4),(R5)의 연결점 사이에 연결된 저항(R6)을 구비한다.
비교기(633)는 비반전입력단자가 상기 연산증폭기(OP3)의 출력단자에 연결되고, 반전입력단자가 기준전압단자(Vref)에 연결된 구조를 갖는다.
멀티플렉서(634A)는 제1입력단자(IN1)에 스위칭제어신호(CTL11,CTL12)가 공급되고, 선택제어단자(SEL)에 상기 스위칭제어신호(CTL11,CTL12)가 제1지연부(DL1)를 통해 공급되며, 제2입력단자(IN2)에 상기 비교기(633)의 비교출력전압(Vcomp)이 공급되며, 출력단자(OUT)에 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL11',CTL12')가 출력된다.
멀티플렉서(634B)는 제1입력단자(IN1)에 상기 스위칭제어신호(CTL113,CTL14)가 공급되고, 선택제어단자(SEL)에 상기 스위칭제어신호(CTL13,CTL14)가 제2지연부(DL2)를 통해 공급되며, 제2입력단자(IN2)에 상기 비교기(633)의 비교출력전압(Vcomp)이 공급되며, 출력단자(OUT)에 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL13',CTL14')가 출력된다.
도 10은 종래기술에 의한 스위칭 제어신호의 파형도 및 도 9에서 각부의 파형도를 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 미분기(631)는 상기 직렬공진회로(621)의 인덕터(Ls)에 흐르는 전류를 감지하기 위해 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)의 공통접속점의 전압(Vc)을 미분하여 도 10의 (c)와 같이 전류 파형과 동일한 모양을 갖는 미분전압(V_diff)을 출력한다.
정류기(632)는 상기 미분전압(V_diff)을 정류하여 도 10의 (d)와 같은 모양을 갖는 정류전압(V_diff_rect)을 출력한다. 이와 같이 정류기(632)를 통해 상기 미분전압(V_diff)을 정류하여 정류전압(V_diff_rect)을 출력하는 이유는 상기 인덕터(Ls)에 흐르는 전류가 양극성의 전류이거나 음극성의 전류인 것에 관계없이 양의 값에서 비교할 수 있도록 하기 위함이다.
비교기(633)는 상기 정류기(632)로부터 반전입력단자에 공급되는 상기 정류전압(V_diff_rect)을 반전입력단자에 공급되는 접지전압과 비교하여 도 10의 (e)와 같은 비교출력전압(Vcomp)을 출력한다.
멀티플렉서(634A)의 제1입력단자(IN1)에 스위칭제어신호(CTL11,CTL12)가 직접 공급되고, 선택제어단자(SEL)에는 상기스위칭제어신호(CTL11,CTL12)가 제1지연부(DL1)를 통해 소정 시간 지연되어 공급되며, 제2입력단자(IN2)에는 상기 비교기(633)의 비교출력전압(Vcomp)이 공급된다. 따라서, 상기 멀티플렉서(634A)는 도 10의 (e)의 t0 바로 이전에서와 같이 상기 스위칭제어신호(CTL11,CTL12)가 '로우'로 공급될 때 상기 '로우'를 선택하게 되므로 출력단자(OUT)에 '로우'레벨의 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL11',CTL12')를 출력한다. 이에 따라, 상기 스위치(SW11),(SW12)가 턴오프 상태로 유지되어 상기 인덕터(Ls)에 전류가 흐르지 않게 된다.
이후, 상기 스위칭제어신호(CTL11,CTL12)가 도 10의 (e)의 t0 시점에서와 같이 '하이'로 천이되는 순간 상기 인덕터(Ls)에 전류가 흐르게 되고, 이때 상기와 같은 일련의 처리과정을 통해 상기 비교기(633)에서 비교출력전압(Vcomp)이 '하이'로 출력되기 시작한다.
이에 따라, 멀티플렉서(634A)는 선택제어단자(SEL)에 '하이'로 공급되는 상기 스위칭제어신호(CTL11,CTL12)를 근거로 제2입력단자(IN2)에 공급되는 상기 '하이'의 비교출력전압(Vcomp)을 선택하여 '하이'레벨의 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL11',CTL12') 로 출력하기 시작한다. 이에 따라, 도 10의 (f)의 t0 - t1 구간에서 상기 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL11',CTL12')가 '하이'로 출력된다. 이로 인하여 배터리셀 모듈부(610)의 해당 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지가 상기 t0 - t1 구간동안 스위치(SW11)를 통해 커패시터(Cs)에 충전된다.
이후, 상기 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)의 공통접속점으로부터 제로 커런트가 검출되는 순간 상기와 같은 일련의 처리과정을 통해 상기 비교기(633)에서 출력되는 비교출력전압(Vcomp)이 도 10의 (e)의 t1 시점에서서와 같이 '로우'로 천이된다. 이로 인하여, 상기 멀티플렉서(634A)로부터 상기 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL11',CTL12')가 '로우'로 출력되어 상기 스위치(SW11),(SW12)가 턴오프되므로 상기 전기에너지 충전동작이 이루어지지 않는다.
멀티플렉서(634B)는 t1 - t2 구간에서 제2지연부(DL2)를 통해 선택제어단자(SEL)에 '로우'레벨로 공급되는 스위칭제어신호(CTL13,CTL14)를 근거로 제1입력단자(IN1)에 공급되는 상기 '로우' 레벨의 스위칭제어신호(CTL13,CTL14)를 선택하여 '로우'레벨의 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL13',CTL14')를 출력한다. 이에 따라, 상기 t1 - t2 구간에서 스위치(SW13),(SW14)가 턴오프 상태로 유지된다.
이후, 도 10의 (f)의 t2 시점에서와 같이 상기 스위칭제어신호(CTL13,CTL14)가 '하이'로 천이되는 순간 상기 인덕터(Ls)에 전류가 흐르게 되고, 이때 상기와 같은 일련의 처리과정을 통해 상기 비교기(633)에서 비교출력전압(Vcomp)이 '하이'로 출력되기 시작한다.
이에 따라, 멀티플렉서(634B)는 선택제어단자(SEL)에 공급되는'하이'레벨의 스위칭제어신호(CTL13,CTL14)를 근거로 제2입력단자(IN2)에 공급되는 상기 '하이'의 비교출력전압(Vcomp)을 선택하여 도 10의 (g)의 t2 - t3 구간에서와 같이 상기 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL13',CTL14')를 '하이'로 출력한다. 이로 인하여, 상기 커패시터(Cs)에 충전된 전기에너지가 t2 - t3 구간 동안 스위치(SW14)를 통해 배터리셀 모듈부(610)의 해당 배터리셀에 공급된다.
이후, 상기 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)의 공통접속점으로부터 제로 커런트가 검출되는 순간 상기와 같은 일련의 처리과정을 통해 상기 비교기(633)에서 출력되는 비교출력전압(Vcomp)이 도 10의 (e)의 t3 시점에서와 같이 '로우'로 천이된다. 이로 인하여, 상기 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL13',CTL14')가 '로우'로 출력되어 상기 스위치(SW13),(SW14)가 턴오프된다.
이후에도 상기 멀티플렉서(634A)와 멀티플렉서(634B)를 통해 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL11',CTL12')와 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CTL13', CTL14')를 상기 설명에서와 같이 교번되게 출력하여 제로 커런트 스위칭이 가능하게 된다.
종래 기술에 의한 배터리셀 밸런싱의 경우 도 10의 (a),(b)에서와 같이 원래의 공진주기보다 더 긴 스위칭제어신호(CLT11,CLT12),(CLT13,CLT14)가 공급되는 경우, 이에 의해 제로 커런트 구간(t1-t2),(t3-t4),(t5-t6),(t7 -t8)에서 스위칭동작이 이루어지므로 제로 커런트 스위칭이 불가능하게 된다.
이에 비하여, 본 발명의 경우 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)의 노화(aging)나 온도변화 등에 의해 원래의 공진주기보다 더 긴 스위칭제어신호(CLT11,CLT12), (CLT13,CLT14)가 공급되는 경우, 상기 설명에서와 같이 변화된 공진주기를 정확하게 감지하여 도 10의 (f),(g)와 같이 보정된 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CLT11',CLT12'),(CLT13', CLT14')를 생성하여 출력하므로 공진 주기가 변화되더라도 제로 커런트 스위칭이 가능하게 된다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 이에 도시한 바와 같이 인덕터(Ls)에 흐르는 전류량이 제로가 되는 것을 검출하여 그에 따른 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호(CLT13',CLT14')가 출력되고, 이에 의해 제로 커런트 스위칭이 구현되는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 'Vc'는 인덕터(Ls)와 커패시터(Cs)의 공통접속점의 전압을 의미하고, 'IL'은 인덕터(Ls)에 흐르는 전류량을 의미한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
600 : 배터리셀 밸런싱 회로 610 : 배터리셀 모듈부
620 : 직렬공진회로부 621 : 직렬공진회로
622 : 제3스위치부 630 : 제로커런트 스위칭 제어부
631 : 미분기 632 : 정류기
633 : 비교기 634A,634B : 멀티플렉서

Claims (10)

  1. 복수의 배터리셀들이 직렬연결된 배터리셀 모듈 및, 상기 복수의 배터리셀들 중에서 상대적으로 높은 전기에너지가 저장된 배터리셀로부터 전기에너지를 회수하거나 이미 회수된 전기에너지를 상대적으로 낮은 전기에너지가 저장된 배터리셀에 공급하기 위한 제1스위치부 및 제2스위치부를 구비한 배터리셀 모듈부;
    직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 상기 전기에너지에 대한 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로 및, 상기 제1스위치부 및 제2스위치부와 연계적으로 스위칭되어 상기 배터리셀 모듈부로부터 회수되는 전기에너지가 상기 커패시터에 저장되게 하거나 상기 커패시터에 저장된 전기에너지가 상기 배터리셀 모듈부에 전달되도록 하는 제3스위치부를 구비한 직렬공진회로부; 및
    상기 인덕터에 흐르는 전류량을 근거로 상기 직렬공진회로의 공진 주기를 판단한 후 상기 판단된 공진 주기에 동기하여 상기 제3스위치부의 스위치들이 스위칭 동작하도록 원래의 스위칭제어신호를 보정하여 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호를 출력하는 제로커런트 스위칭 제어부;를 포함하되,
    상기 제로커런트 스위칭 제어부는
    상기 인덕터와 커패시터의 공통접속점의 전압을 미분하여 그에 따른 미분전압을 출력하는 미분기;
    상기 미분전압을 정류하여 그에 따른 정류전압을 출력하는 정류기;
    상기 정류전압을 접지전압과 비교하여 그에 따른 비교출력전압을 출력하는 비교기;
    상기 원래의 스위칭 제어신호 중에서 제11 스위칭 제어신호 및 제12 스위칭 제어신호의 로직값에 따라 상기 제11 스위칭 제어신호 및 제12 스위칭 제어신호를 선택하거나 상기 비교출력전압을 선택하여 상기 제11 스위칭 제어신호가 보정된 형태의 제11 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호 및 상기 제12 스위칭 제어신호가 보정된 형태의 제12 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호로 출력하는 제1 멀티플렉서; 및
    상기 원래의 스위칭 제어신호 중에서 제13 스위칭 제어신호 및 제14 스위칭 제어신호의 로직값에 따라 상기 제13 스위칭 제어신호 및 제14 스위칭 제어신호를 선택하거나 상기 비교출력전압을 선택하여 상기 제13 스위칭 제어신호가 보정된 형태의 제13 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호 및 상기 제14 스위칭 제어신호가 보정된 형태의 제14 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호로 출력하는 제2 멀티플렉서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 스위치부의 각 스위치는 SPST(Single Pole Single Throw) 및 모스트랜지스터 중에서 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 미분기는
    상기 인덕터와 커패시터의 공통접속점에 일측 단자가 연결된 제1커패시터;
    반전입력단자가 상기 제1커패시터의 타측 단자에 연결되고 비반전입력단자가 접지단자에 연결된 제1연산증폭기; 및
    상기 제1연산증폭기의 반전입력단자와 출력단자의 사이에 연결된 제1저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정류기는
    상기 미분기의 출력단자에 일측 단자가 연결된 제2저항;
    반전입력단자가 상기 제2저항의 타측 단자에 연결되고 비반전입력단자가 접지단자에 연결된 제2연산증폭기;
    상기 미분기의 출력단자에 일측 단자가 연결된 제3저항;
    반전입력단자가 상기 제3저항의 타측 단자에 연결되고 비반전입력단자가 접지단자에 연결된 제3연산증폭기;
    상기 제3연산증폭기의 출력단자와 상기 제2연산증폭기의 출력단자의 사이에 직렬연결된 제4저항, 제5저항 및 제1다이오드;
    상기 제2연산증폭기의 출력단자에 애노드가 연결되고 상기 제2연산증폭기의 반전입력단자에 캐소우드가 연결된 제2다이오드; 및
    상기 제2연산증폭기의 반전입력단자와, 상기 제4저항 및 제5저항의 연결점 사이에 연결된 제6저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비교기는
    비반전입력단자가 상기 정류기의 출력단자에 연결되고, 반전입력단자가 접지단자에 연결된 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1멀티플렉서는
    제1입력단자에 상기 제11 스위칭 제어신호 및 상기 제12 스위칭 제어신호를 공급받고, 선택단자에는 제1지연부를 통해 상기 제11 스위칭 제어신호 및 상기 제12 스위칭 제어신호를 공급받으며, 제2입력단자에 상기 비교출력전압을 공급받고, 출력단자에 제11 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호 및 제12 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2멀티플렉서는
    제1입력단자에 상기 제13 스위칭 제어신호 및 상기 제14 스위칭 제어신호를 공급받고, 선택단자에는 제2지연부를 통해 상기 제13 스위칭 제어신호 및 상기 제14 스위칭 제어신호를 공급받으며, 제2입력단자에 상기 비교출력전압을 공급받고, 출력단자에 제13 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호 및 제14 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제11 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호 내지 제14 제로커런트스위칭용 스위칭제어신호는 상기 인덕터에 전류가 흐르지 않을 때 상기 제3스위치부의 해당 스위치들이 턴오프 상태로 유지되도록 하기 위한 로직값을 갖는 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 로직값은 '0'인 것을 특징으로 하는 제로 커런트 스위칭이 가능한 배터리셀 밸런싱 회로.
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