KR101593685B1 - 양방향 능동 밸런싱 제어 장치 및 이의 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 에너지 저장 장치 셀에 대한 양방향 능동 밸런싱 제어 방법 및 이의 장치에 관한 것으로서 단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 권선되는 복수의 1차 권선, 복수의 주 스위치 및 복수의 보조 스위치를 가지는 에너지 저장 장치의 밸런싱 제어 방법에 있어서, 상기 주 스위치에 PWM 신호가 인가되어 주 스위치가 도통되고, 낮은 전압의 배터리에 연결된 보조 스위치가 온(도통)되면 이에 연결된 인덕터에 자기에너지가 저장되고, 상기 보조 스위치가 OFF(폐쇄)되는 소정의 기간 동안에 상기 저장된 자화 에너지가 방출되면서 부족 충전된 배터리 셀이 충전되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치는, 복수의 1차 권선과 주 스위치의 공통 연결점에 일단이 각각 연결되는 복수의 인덕터; 상기 1차 권선의 다른 일단에 연결되고 상기 인덕터의 다른 일단에 직렬로 각각 연결되는 복수의 보조 스위치; 및 상기 인덕터와 보조 스위치의 공동 연결점과 상기 주 스위치의 다른 일단의 사이에 각각 연결되는 복수의 다이오드를 포함하여 구성된다.

Description

양방향 능동 밸런싱 제어 장치 및 이의 방법{BI-DIRECTIONAL ACTIVE BALANCING CONTROL APPARATUS and METHOD THERE OF}

최근 화석연료를 줄이고 친환경적 연료를 사용해야 하는 사회적 요구에 따라 플러그인 전기자동차(PHEV) 및 하이브리드 자동차(HEV)에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 이러한 응용 분야에서 리튬이온 2차 전지는 타 2차 전지에 대비하여 높은 에너지 밀도, 고율방전 특성을 가지며 자기 방전율이 낮고 또한 단위 셀 전압이 높은 장점을 가지고 있는 등 가격대비 경제성이 높아짐에 따라 널리 사용되어 가는 추세이다.

이와 같은 2차 전지는 각 셀간 특성 인자의 차이로 인해 충전, 대기 또는 방전 중에 셀 전압이 쉽게 불균형 상태가 될 수 있고 이로 인해 배터리 셀의 노화가 촉진됨은 물론 배터리(에너지 저장 장치) 시스템의 SOC 용량 감소 등 수명이 단축되게 되는 단점을 가지며, 특히 리튬계열의 2차 전지의 경우에는 이러한 불균형이 심화되면 일부 셀이 과충전 또는 과방전 상태로 되어 파괴되거나 급기야는 폭발할 수 있는 위험적 요인을 가지고 있다.

따라서 모든 배터리(에너지 저장 장치) 단위 셀간의 밸런싱(전압 균일화)을 유지하고, 이의 충전전압 및 용량의 불일치 현상을 가능한 한 빨리 줄이기 위해서 양방향 능동 밸런싱(Active Balancing) 장치가 요구된다.

도1은 종래의 배터리(에너지 저장 장치)의 밸런싱 회로들을 대별하여 보여 주고 있다. 이러한 회로들은 각각 다양한 특성과 기술적 차이를 가지고 있으며, 각각의 특성에 따라 크게 수동형과 능동형으로 대별할 수 있다. 수동형 셀 밸런싱 회로는 과충전 상태인 배터리의 과잉 충전된 전하들을 열로 변환하여 배터리 셀들의 전압을 균일화시킬 수 있도록 한 방법으로써, 이는 열 방출량의 한계로 인해 배터리의 용량 및 직렬 연결 개수와 비례하여 균일화에 많은 시간이 소요되는 사용상 단점이 있다. 반면에 능동형 밸런싱 회로의 경우는 높게 충전된 셀에서 낮게 충전된 셀로 전하가 이동되는 균일화 방식으로 현재는 가격이 높다는 기술적 장벽을 가지고 있으나, 동시에 여러 개의 셀들간에 빨리 균일화를 이룰 수 있으므로 대용량의 수많은 배터리가 직렬 연결된 시스템인 경우에는 유리한 방법이라 할 수 있다.

능동형 밸런싱 방식으로, 2010년 05월 24일 자로 대한민국에 출원되고 2010년 12월 01일자로 공개된 "공개특허공보 제10-2010-126235호, 전지 밸런싱 및 충전 장치 및 방법" 의 특허는 권수 N1을 가진 입력측 권선2a(1차 권선에 해당)와 권수 N2을 가진 3개의 출력권선인 권선2b~2d(2차 권선에 해당)가 철심에 상호간 자기적으로 결합되어, 임의의 입력단 충전기(직류전원)에 의해 2차 전지 B1~B3의 단자전압 VB1,VB2,VB3를 균일하게 충전 가능할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고 있다.

또한, 2012년 06월 15일 자로 대한민국에 출원된 "특허출원번호 제10-2012

-0064126호, 적층가능한 양방향 다중 전지 배터리 밸런서" 의 특허는, 서브-스택 내의 각 전지에 대하여 독립적인 양방향 밸런서를 포함하는 각각의 서브-스택에 대한 밸런싱 모듈; 및 데이지 체인형 적층가능한 인터페이스;를 구비하고 있다. 밸런싱 시스템은 각 서브-스택 내의 각 전지의 충전 상태(SOC)를 감지하고 또한 서브-스택의 평균 SOC가 결정되어 양호한 전지에 대한 배터리의 방전 동안에 추가 충전된 전하가 제거되면서 해당하는 서브-스택으로부터 제공되고 부족 충전된 불량 전지에 대하여 전하가 제공된다. 또한 동일한 직렬 제어를 유지하면서 단일 통신 포트(SPI 통신)를 사용하여 무제한적인 개수의 스택이 직렬로 적층될 수 있게 되어 있다.

또한, 2011년 12월 19일 자로 본 출원이 대한민국에 출원하여 2013년 08월 01일 자로 등록된 "특허등록번호 제10-2010-126235호, 배터리 셀 밸런싱 및 이의 방법"의 특허는 복수의 권선을 가진 변압기를 이용하여 각 배터리 셀 또는 각 배터리 모듈간에 불균일한 에너지가 직접 전달되어 밸런싱되는 장치 및 이의 방법의 예이다. 이를 구체적으로 살펴 보면, 과충전되어 있거나 높게 충전된 배터리 셀의 에너지(전하)가 방전되고, 배터리 셀에 각각 연결된 복수의 1차 권선이 배치된 변압기의 자기적 결합에 의해 부족 충전된 배터리 셀로 에너지가 직접 전달되어 충전전류가 흐르게 되고, 밸런싱 제어과정에서 자화전류에 의해 발생될 수 있는 잉여 에너지는 일시 저장하거나 배터리 스트링(팩)측으로 동시에 회수되고, 이때 셀 전압의 불균형이 심한 배터리 셀에는 상대적으로 많은 충전 전류가 흐르게 되어 모든 배터리 셀들을 빨리 균일화될 수 있는 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법을 제공하고 있으며 이의 기술적 효과 역시 비교적 높은 것으로 알려져 있다.

그러나, 종래의 문헌 등에서 소개되고 있은 복수개의 배터리 셀을 능동적으로 균일화할 수 있는 장치 또는 그 제어 방법은, ₁₎ 각각의 배터리 셀마다 외부의 직류전원을 사용한 충전장치를 배치하여 직접 배터리 셀을 균등 충전하는 것이거나, 각 배터리 셀간에 에너지가 직접 효율적으로 전달되지 못하는 것으로 이의 밸런싱 효과가 떨어지게 되고, 또한 "특허출원번호 제10-2012-0064126호, 적층가능한 양방향 다중 전지 배터리 밸런서" 의 특허는 SPI 통신을 통해 각 배터리의 SOC 정보를 받아야 하는 등 제어회로 구성이 매우 복잡해 지는 단점을 가지고 있다.

또한 ₂₎ "특허등록번호 제10-2010-126235호, 배터리 셀 밸런싱 및 이의 방법"와 같은 종래의 능동형 밸런싱 회로는, 이의 구성회로는 간단하나 복수의 권선을 가진 변압기의 자기적 결합에 의해 배터리들의 평균전압에 가까운 크기로 유기되는 해당 권선의 출력전압만으로 밸런싱 전류를 전달할 수 있기 때문에 각 권선의 출력전압과 배터리들의 전압 차이가 크지 않는 초기에도 밸런싱 전류의 크기가 거의 적게 되는 단점을 가지게 된다. 또한 각 권선의 출력 전압은 변압기의 임피던스 전압 강하 때문에 점차 저하되고, 이에 배터리 셀들이 점차 균일화됨에 따라 각 권선에 유기된 전압과 이에 연결된 배터리 전압의 차이가 주 스위치의 도통저항(Ron) 및 배터리 내부저항에 의한 전압 강하값에 근접하게 되면, 결국 충전전류가 크게 감소되게 되어 균일화 속도가 매우 저하되는 단점을 가진다.

또한 주 스위치 내부 저항에 의한 전압 강하 값이 균일화 속도를 크게 감소시키기 때문에 이러한 단점을 줄이기 위해서는 매우 낮은 도통저항(Ron)을 갖는 비싼 모델의 스위칭 소자를 선정해야 한다는 단점이 있다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 없애기 위하여 창출된 것으로서, 비교적 큰 도통저항(Ron)을 갖는 스위칭소자를 사용하더라도 매우 빠른 균일화 속도를 확보할 수 있고, 변압기 권선의 임피던스 전압 강하의 영향을 거의 받지 않고 변압기 권선에 유기된 전압과 배터리(에너지 저장 장치) 셀의 전압 차이가 매우 좁혀지게 될 때까지 밸런싱 전류가 크게 흐를 수 있게 되어 매우 빠른 밸런싱 속도를 갖는 새로운 방식의 전하 균일 장치(밸런싱 회로) 및 이의 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 상기 밸런싱 제어과정에서 변압기의 자화전류에 의해 저장된 잉여 전력은 변압기 자속이 리셋되면서 배터리 스트링(팩) 또는 미리 선정된 배터리 단위구룹 측으로 회수되게 되어 밸런싱 동작의 제어 변환 효율을 높이는 데 있다.

또한, 배런싱 방법에 있어서 배터리(에너지 저장 장치) 셀의 전압이나 SOC 정보를 통신포트 등을 통해 얻어야 할 필요가 없으므로 하드웨어 구현이 매우 간단하다.

본 발명은, 복수개의 배터리(에너지 저장 장치) 셀들이 상호 직렬 연결되어 구성되는 배터리 시스템(팩)의 각 배터리(에너지 저장 장치) 셀들을 밸런싱 제어할 수 있는 목적을 가지는 것으로서,

단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 권선되는 복수의 권선 및 복수의 주 스위치가 에너지 저장장치 단위 셀마다 배치되는 능동형 양방향 밸런싱 제어장치에 있어서, 상기 변압기 권선과 상기 주 스위치의 공통 연결점에 일단이 각각 연결되는 인덕터들; 상기 변압기 권선의 다른 일단에 연결되고 상기 인덕터의 다른 일단에 직렬로 각각 연결되는 보조 스위치들; 및 상기 인덕터와 보조 스위치의 공동 연결점과 상기 주 스위치의 다른 일단의 사이에 연결되는 다이오드들;을 포함한다.

상기 단일 철심 변압기는 2개의 1차 권선을 구비하고, 상기 2개의 1차 권선 중 임의의 1차 권선이, 상위 또는 하위의 배터리 셀과 연결되는 단일 철심 변압기들 내에 각각 구비된 임의의 1차 권선들과 서로 병렬로 연결되는 것을 더 포함한다.

또한, 상기 단일 철심의 변압기는, 복수의 1차 권선과 플라이 백(Fly-Back) 형태로 권선되는 2차 권선; 및 상기 2차 권선과 직렬로 배터리의 양극을 지향하여 연결되는 리셋 다이오드를 더 포함한다.

또한, 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 단위구룹마다 상기 복수의 1차 권선 및 2차 권선을 구비한 양방향 능동 배런싱 장치가 구비되고, 상기 2차 권선의 출력은 미리 선정된 이웃의 상위 또는 하위 배터리 스트링 또는 단위구룹 스트링으로 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 권선되는 복수의 1차 권선, 복수의 주 스위치 및 복수의 보조 스위치를 포함하는 밸런싱 제어 장치에 있어서, 상기 주 스위치 및 보조 스위치에 인가되는 PWM 제어 신호 발생 회로는, 온 듀티 폭 발생수단; 비교기; 익스쿠르시브OR (XOR) 게이트; 및 앤드 (AND) 게이트를 포함한다.

또한, 단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 권선되는 복수의 1차 권선, 복수의 주 스위치 및 복수의 보조 스위치를 포함하는 에너지 저장장치 밸런싱 제어 방법에 있어서, 상기 주 스위치에 PWM 신호가 인가되어 주 스위치가 도통되고, 낮은 전압의 배터리에 연결된 보조 스위치가 온(도통)되면 이에 연결된 인덕터에 자화에너지가 저장되고, 상기 보조 스위치가 OFF(폐쇄)되는 소정의 기간 동안에 저장된 자기에너지가 방출되면서 부족 충전된 배터리 셀이 충전되는 것을 포함한다.

또한 상기 주 스위치 또는 보조 스위치에 인가되는 PWM 신호중 적어도 하나는 도통 폭이 동일한 것을 더 포함한다.

또한 상기 주 스위치 또는 보조 스위치에 인가되는 PWM 신호중 적어도 하나는 도통 폭이 미리 선정되는 것을 더 더 포함한다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 능동 밸런싱 제어 장치 및 이의 방법은, 과충전되거나 평균보다 높게 충전된 배터리 셀의 에너지(전압)를 방전시켜 변압기의 자기적 상호 유도 작용에 의해 복수의 권선에 전압을 유기하여 보조 스위칭 회로를 통해 상기 유기 전압을 승압하고 상기 승압된 전압을 부족 충전된 배터리 셀에 공급되게 함으로써, 권선 누설 임피던스 또는 스위치 도통 저항 크기의 영향을 거의 받지 않고 변압기 권선에 유기된 전압과 배터리 셀의 전압 차이가 매우 근소하게 될 때까지 밸런싱 전류가 흐를 수 있게 되어 수많은 배터리 셀을 종래 여타의 밸런싱 회로보다 더욱 빠른 시간내에 균일화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 스위칭 변환 과정에서 발생되는 변압기 자화전류의 크기를 본 발명의 기술적 과제해결의 특성 요소에 부합하게 적절하게 선정할 수 있게 될 수 있고 또한 이때 남게 되는 자화 에너지(Magnetizing Energy)를 배터리 스트링이나 단위구룹 스트링으로 직접 회수(환류)되게 할 수 있으므로, 배터리 셀의 밸런싱 제어 동작 시에 발생될 수 있는 변환 손실을 최소화할 수 있으며, 상기 자화 에너지를 환류시키는 방법을 통해 과충전 또는 부족 충전된 배터리 단위 모듈 스트링에 대해 상호간 균일화(밸런싱)가 이루어 질 수 있다.

또한, 변압기의 각 1차 및 2차 권선비를 적정하게 선정함으로써, PWM 스위칭 과정에서 자속이 원할하게 리셋되고 주 스위치의 온 두티(On Duty)를 50% 이상으로 제어할 수 있게 되고 충.방전 전류 리플를 감소시킬 수 있으며 스위칭 소자의 순시전류 내량을 줄일 수 있는 특징이 있다.

도 1은 종래의 에너지 저장 장치의 밸런싱 회로들을 분류하여 나타내는 표.
도 2는 본 발명의 주회로 토폴로지가 도시된 양방향 능동 밸런싱 제어 회로의 대표도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예인 양방향 능동 밸런싱 장치의 회로도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로, 도 2 또는 도 3에 도시된 실시 예를 변형하여 한정된 복수의 1차 권선이 균일화되게 배치된 양방향 능동 밸런싱 장치의 회로도.
도 5는 본 발명의 각 주 스위치 및 보조 스위치에 인가되는 제어 신호를 생성하기 위한 제어신호 발생 회로.
도 6는 본 발명의 밸런싱 제어 동작 과정을 개략적으로 나타 내는 각 부의 동작 파형도.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 양방향 능동형 밸런싱 장치의 리셋 회로 출력이 상위 또는 하위의 배터리 단위구룹 스트링에 각각 연결되는 회로도.

이하, 본 발명과 관련된 양방향 능동 밸런싱 제어 장치 및 이의 방법에 대하여 상세하게 설명한다. 여기서 「배터리」라는 표현은 이것이 사용되어 진 전후의 문맥에 따라 배터리 시스템, 배터리 단위구룹 시스템 또는 이의 모듈, 또는 배터리 단위 셀을 의미하는 것으로 적절하게 해석될 수 있다. 또한 여기서 「배터리」는 전기 에너지를 저장할 수 있는 수단인 「에너지 저장 장치」와 같은 넓은 의미로 해석되어야 하고 2차 전지 및 수퍼 콘덴서를 포함한다.

도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시 예로, 주회로 토폴로지가 도시된 배터리 밸런싱 제어 장치의 대표적인 회로를 표시한다.

도 2에 도시된 양방향 능동 밸런싱 제어 장치는, 복수개의 배터리 셀 (V_B1~V_Bn)들이 상호 직렬 연결되는 배터리 스트링 또는 단위구룹 스트링의 각 배터리 셀들을 균일하게 충전할 수 있게 설계된 것으로, 복수개의 배터리 셀의 양극과 음극사이에 각각 배치되고 양방향의 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 주 스위치(Main Switch, S_m1, S_m2,...S_mn); 및 높게 충전된 배터리 셀의 에너지를 입력받아 상호 자기적 결합을 통해 전압이 유기되는 복수의 1차 권선(21-1, 21-2, .. 21-n)을 포함하는 데, 상기 1차 권선의 일점과 주 스위치(S_m1, S_m2,...S_mn)의 공통 연결점에 일단이 각각 연결되는 인덕터(La1, La2,... Lan); 상기 1차 권선의 다른 일단에 연결되고 상기 인덕터의 다른 일단 사이에 직렬로 각각 연결되는 보조 스위치(Auxiliary Switch, S_s1, S_s2,...S_sn); 및 상기 인덕터(La1, La2,... Lan)와 보조 스위치치(S_s1, S_s2,...S_sn)의 공동 연결점과 상기 보조 스위치의 다른 일단에 배터리 양극 쪽을 지향하여 각각 연결되는 다이오드(D1, D2,...Dn, 13-1, 13-2,...)를 포함하여 구성된다.

상기 주 스위치(S_m1, S_m2,...S_mn)는, 과충전되었거나 평균치보다 높은 배터리 셀이 방전(제 1방향)되고 상기 방전된 에너지가 상호 자기 결합된 복수개의 1차 권선에 전압을 유기하고 상기 유기 전압에 의해 부족 충전된 배터리 셀이 충전(제 2방향)될 수 있는 양 방향의 전류흐름 통로를 제공한다.

상기 보조 스위치(S_s1, S_s2,...S_sn), 인덕터(La1, La2,..,Lan) 및 상기 보조 스위치의 일단에 연결되는 다이오드(D1,D2,...,Dn, 13-1, 13-2,...)를 포함하여 구성되는 회로 구성에 의해 상기 1차 권선에 유기되는 전압이 승압되게 되는 데 이하 설명에서는 이와 관련되는 회로를 보조 스위칭 회로라고 한다.

상기 보조 스위칭 회로는 높은 배터리 셀 전압이 방전됨에 의해 1차 권선에 유기되는 전압을 승압하여 높게 충전되어 있는 배터리의 방전 에너지를 부족 충전된 배터리측으로 효과적으로 전달되게 하는 역할을 한다.

복수의 주 스위치(S_m1, S_m2,..., S_mn)에 도통 신호가 인가되면 과충전되었거나 평균보다 높게 충전된 배터리 셀에 연결된 주 스위치가 PWM 초핑(Chopping)되어 도통되고 상기 높게 충전된 에너지가 변압기의 1차 권선을 통해 방전되고, 변압기의 상호 자기 유도 작용에 의해 상기 복수의 1차 권선(21-1, 21-2,...)마다 전압이 유기된다. 이때, 상기 유기 전압에 의해 부족 충전된 배터리에 연결된 보조 스위치가 도통되고 상기 도통된 보조 스위치에 연결된 인덕터의 전류가 상승되면서 에너지가 일시 저장되고 상기 보조 스위치가 오프되는 다음 순간에 방출되면서 부족 충전된 배터리 셀에 연결된 1차 권선의 유기 전압에 더해져서 승압된다.

이렇게 승압된 전압은, 상기 변압기 권선의 출력 전압과 배터리 셀의 전압 차이가 매우 좁혀지게 될 때까지 상기 다이오드(13-1, 13-2,...)를 통해 배터리 양극 쪽을 지향하는 전류흐름 통로가 형성되고 부족 충전된 배터리 셀을 효과적으로 충전할 수 있게 하는 역할을 한다. 따라서 상기 유기 전압의 승압으로 권선의 임피던스 전압 강하, 보조 스위치의 순방향 전압 강하 및 배터리의 내부 저항의 영향을 받지 않고 충전 전류가 흐를 수 있게 된다.

여기서, 상기 복수의 1차 권선(21-1, 21-2, .. 21-n)을 가진 변압기는, 1차 권선(배터리와 연결된 권선)들의 권선비가 1:1:....:1로 동일하게 설계되고 각각의 1차 권선에 동일한 전압이 유기되게 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 복수의 1차 권선(21-1, 21-2, .. 21-n)의 누설 인덕턴스가 모두 동일하도록 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보조 스위치(S_s1, S_s2,...S_sn)에 바디 다이오드가 역병렬로 연결된 형상인 경우이면, 상기 바디 다이오드를 통해 흐르는 전류를 차단하기 위한 역저지 다이오드(Dr1, Dr2,..., Drn)을 상기 보조 스위치(S_s1, S_s2,...S_sn)와 직렬 연결 형태로 더 포함하는 것이 바람직하다.

각각의 주 스위치 및 보조 스위치는 FET, IGBT 또는 BJT 등과 같이 고속 스위칭이 가능한 반도체 스위치 소자일 수 있고, 현실적으로는 MOSFET인 것이 더욱 바람직하다.

또한 각각의 주 스위치는 동일한 특성을 가진 모델로 선정되는 것이 바람직하고 각각의 주 스위치 턴-온 저항값(Ron)이 가급적 작고 서로 동일한 것이 바람직하다.

또한 각각의 보조 스위치는 동일한 특성을 가진 모델로 선정되는 것이 바람직하고 각각의 보조 스위치 턴-온 저항값(Ron)이 서로 동일한 것이 바람직하다.

주 스위치에 PWM(pulse width modulation) 신호가 인가되고 높게 충전된 배터리 셀에 연결된 주 스위치가 도통되어 방전이 시작되면, 상기 변압기의 각 1차 권선(21-1, 21-2,...)에는 시간 t 도메인에 따라 식(1)으로 표시되는 전압이 유기된다. 상기 유기된 전압은 변압기의 누설 인덕턴스가 자화 인덕턴스에 비해 매우 작게 설계된다면, 배터리(11-1, 11-2,...)들의 평균 전압에 매우 근사한 값이 될 것이다.

식 (1)

여기서 V_Bn은 배터리 셀 전압, N 은 배터리 셀 개수를 나타낸다.

또한, 배터리(11-1, 11-2,...,11-n)들의 평균 전압보다 낮은 전압의 배터리 셀에 연결된 보조 스위치가 도통되면, 해당 인덕터를 통해 흐르는 전류가 증가되고 이때 각 권선의 출력전압(Vw_-n)은 전류가 증가됨에 따라 식 (2)을 근거로 하여 점차 감소되기 시작한다.

식 (2)

도 3은 본 발명의 다른 실시예로, 복수 1차 권선을 가진 단일 철심 변압기 의 상기 1차 권선들과 반대 극성으로 권선되며 변압기의 자화전류에 의해 생성되는 자속을 리셋하기 위한 2차 권선(22); 상기 자속 리셋 기간 동안에 환류전류가 흐르도록 통전통로를 제공하는 리셋 다이오드(D_Rt);를 더 포함하는 것이 바람직하다.

복수의 배터리 셀들이 직렬 연결되어 배터리 스트링 또는 배터리 단위구룹 스트링이 형성되고 배터리 스트링은 복수개의 단위구룹 스트링이 직렬 연결되어 구성될 수 있는 데, 이러한 배터리 시스템에서 상기 2차 권선(22)과 연결되는 리셋 다이오드(D_Rt)의 출력은 미리 선정된 배터리 스트링이나 배터리 단위구룹의 양극(+) 단자에 연결되고, 2차 권선(22)의 다른 출력 단자는 상기 배터리 스트링이나 배터리 단위구룹의 음극(-) 단자에 연결되게 구성할 수 있다. 상기 자속의 리셋 기간 동안에 2차 권선(22)에 흐르는 환류전류는 미리 선정되어 연결되는 배터리 스트링 또는 배터리 단위구룹의 배터리들을 충전시킨다.

이때 상기 2차 권선의 전압은 상기 환류전류가 흐르는 배터리 스트링 또는 단위구룹 스트링의 전압에 의해 클램핑되고 이때 1차 권선에는 배터리가 방전될 때와 반대 방향으로 전압이 유기되어 자속이 리셋될 수 있게 된다.

한편, 변압기의 자화전류는 1차 권선의 권선수 또는 철심의 자성 특성에 따라 결정될 수 있는 데, 제어 동작 기간중에 이에 저장된 자화전류가 크지 아니할 경우에는 스너버와 같은 스너버(Snuber)와 같은 클랭핑 수단이나 바이패스 수단을 연결하여 자화 에너지를 열로 흡수할 수 있다.

상기 클랭핑 또는 바이패스 수단은 R-C-D를 포함하거나 이와 달리 구성된 서지 흡수 회로, 제너다이오드, 또는 TVS 다이오드 중 적어도 하나를 포함하여 구성할 수 있다.

도 4는, 복수의 많은 1차 권선을 가진 단일 철심의 변압기를 누설 인덕턴스가 극소화되고 상호 대칭적으로 균일하도록 제조하기가 어렵거나 이로 인한 요인으로 상기 변압기의 제조 원가가 상승될 경우를 고려하여, 한정된 수량의 1차 권선들을 가지는 단일 철심 구조의 변압기로써 도 2 또는 도 3에 도시된 실시예에서 제시된 기술적 효과를 대등하게 얻을 수 있는 본 발명의 또 다른 실시 예를 보여 준다.

즉, 도 4의 실시예는 복수의 1차 권선을 한정된 수로 설계하여 1차 권선의 누설 인덕턴스가 최소하되면서 대칭적으로 균일화될 수 있도록 도 2 또는 도 3의 실시 예를 변형한 것이며, 각 배터리와 연결되는 복수의 1차 권선은 2개로 한정되고 상기 2개의 1차 권선중 임의의 1차 권선(23-1)이 다른 변압기의 임의의 1개 권선들과 서로 병렬로 연결된다.

배터리 셀(11-1)이 높게 충전된 경우를 가정하여 설명하면, 상기 배터리 셀(11-1)에 연결된 제 1변압기의 1차 권선(21-1)의 배터리 셀(11-1)이 방전되면, 상기 제 1변압기의 제 2권선(23-1)에는 평균 전압(V'_P1)이 유기되어 전류가 ①방향으로 흐르게 되고 낮게 충전된 제 2 배터리(11-2)... 또는 제 N 배터리에 연결된 제 2, 또는 제 3,... 변압기의 제 2권선(23-2,...23-N)에는 상기 유기된 전압에 의해 ②방향으로 흐르게 되고, 따라서 부족 충전된 배터리와 각각 연결된 1차 권선(21-2, 21-3,....)에는 도 2 또는 도 3에서와 같이 전압이 유기되어 ③방향으로 전류가 흐르게 되고 상기 낮게 충전된 배터리 셀이 충전될 수 있게 되는 것이다. 이러한 1차 권선(21-1)과 제 2권선(21-2, 21-3,....) 사이의 작용은, 마치 복수개의 1차 권선들간에 자기적 결합 결합에 의해 배터리 셀의 평균 전압이 유기되는 것과 유사하게 작용한다.

도 4에서는 1차 권선이 2개로 한정 도시되어 설명하고 있으나, 현실적으로 상호 1차 권선간의 전기적 특성을 균일화하고 제조상의 어려움을 줄이기 위하여 2개 내지 6개 정도로 한정하여 권선을 배치할 수 있다. 다만 변압기 구조를 크게 단순화시킬 수 있다는 측면에서는 2개인 경우가 매우 바람직하다.

또한, 도 4에 도시된 실시 예에서 복수개의 변압기 2차 권선(22-1, 22-2, 22-3,...) 및 리셋 다이오드(D_Rt)들이, 도 3의 실시 예와 같이 변압기 자화전류의 리셋을 목적으로 필요시에 배치되는 것이 바람직할 것이다. 즉, 상기 2차 권선(22-1, 22-2, 22-3,...)들은 자화전류의 환류에 의해 자속을 리셋시키는 기능을 하기 위해 부수적으로 배치되는 것이므로, 도 4의 각 변압기에는 자화전류가 미세하여 이를 공지의 방법이나 수단을 통해 자속 리셋이 가능하다면, 2차 권선(22-1, 22-2,...) 또는 리셋 다이오드들은 배치될 필요가 없을 것이다.

도 5는 각 주 스위치 및 보조 스위치에 인가되는 PWM 제어 신호를 생성할 수 있도록 설계된 제어신호 발생 회로의 일 실시 예를 개략적으로 나타내고 있다.

상기 제어신호 발생 회로는, 온 듀티 폭 발생수단(37), 비교기(슈미트 트리거, 30-1, 30-2,...30-n), 익스쿠르시브OR (XOR) 게이트(32-1, 32-2,...32-n), 및 앤드 (AND) 게이트(33-1, 33-2,...,33-n)를 포함하여 구성될 수 있고, 펄스 발생회로(36)를 더 포함할 수 있다.

상기 펄스 발생회로(36)은 PWM 제어 신호 생성에 필요한 기본 동기 펄스를 발생하고, 상기 온 듀티 폭 발생수단(37)은 상기 기본 동기 펄스를 분주하여 주 스위치(S_m1, S_m2, ..., S_mn)의 도통 폭을 결정하는 주 스위치 펄스 폭 및 보조 스위치(S_s1, S_s2,..., S_sn)의 도통 폭을 결정하는 보조 스위치 펄스 폭을 가지는 PWM 신호를 발생시킬 수 있다. 설계자의 판단에 따라 이점이 있으면 상기 펄스 발생회로(36) 및 온 듀티 폭 발생수단(37)은 간단한 CPU 회로로 구성될 수 있다.

각각의 주 스위치(S_m1, S_m2, ..., S_mn)의 입력신호 단자(예로, FET 또는 IGBT인 경우 게이트 단자에 해당)에는, 익스쿠르시브OR(XOR) 게이트(32-1, 32-2,..) 및 드라이브 회로를 통해 주 스위치의 도통 폭을 결정하는 PWM 신호가 각각 연결된다.

또한 각각의 보조 스위치(S_s1, S_s2,..., S_sn)의 입력신호 단자에는, 앤드(AND)게이트((33-1, 33-2,..) 및 드라이브 회로를 통해 보조 스위치의 도통 폭을 결정하는 PWM 신호가 연결된다.

상기 익스쿠르시브 OR(XOR) 게이트(32-1, 32-2,..)는, 부족 충전 상태인 배터리 쪽의 보조 스위치가 도통되어 있는 해당 회로의 주 스위치를 턴-오프 시키는 역할을 수행한다.

본 발명의 실시 예에서는, 이와 같은 익스쿠르시브OR(XOR) 게이트를 이용한 간단한 하드웨에 구현에 의하여 높게 충전 상태인 배터리에는 방전 동작이 발생되게 되고 부족 충전된 상태인 배터리는 충전 동작이 되도록, 주 스위치 및 보조 스위치 중 어느 하나만이 선택적으로 제어될 수 있음을 보여 준다.

이의 동작 과정을 상세하게 설명한다.

온 듀티 폭 발생수단(37)에서 주 스위치의 도통 폭을 결정하는 펄스 폭을 가진 PWM펄스가 발생되고 모든 주 스위치의 입력신호 단자에 상기 PWM 펄스가 인가되면, 평균보다 높게 충전된 배터리의 주 스위치가 도통되어 대칭적으로 설계된 복수 권선 변압기의 모든 1차 권선에는 상기 식(1)과 같이 모든 배터리 셀 전압의 평균에 매우 근사한 값이 유기된다.

1차 권선에 유기된 전압은 상기 비교기(30-1, 30-2,...30-n)의 비반전입력 단자에 각각 입력되고, 상기 비교기는 비반전입력 단자에 입력되는 상기 1차 권선의 출력전압과 반전입력 단자에 입력되는 배터리 셀들의 전압(V_B1, V_B2,...)을 서로 각각 비교하여, 평균보다 낮게 충전된 상태의 배터리에 연결되는 비교기의 출력은 "HIGH"가 되고, 따라서 해당 앤드(AND) 게이트(33-1, 33-2,..) 출력이 선택적으로 "HIGH"가 되어 상기 낮게 충전된 배터리에 연결된 보조 스위치가 동작될 수 있게 된다.

즉, 앤드(AND) 게이트(33-1, 33-2,..)의 입력단자에는 온 듀티 폭 발생수단(37)으로 부터 발생된 펄스 폭 신호 및 비교기의 출력이 입력되고, 따라서 상기 비교기의 출력이 "HIGH" 될 때에 한해 상기 앤드(AND)게이트 출력에 연결되는 보조 스위치가 도통될 수 있게 된다.

주 스위치가 도통되면, 해당 배터리 셀이 방전되면서 평균보다 낮은 전압 배터리 셀에 연결된 보조 스위치가 도통되고, 해당 인덕터를 통해 흐르는 전류가 증가되고, 전류가 증가됨에 따라 해당 1차 권선의 출력전압(Vw)은 감소되기 시작한다. 이때 상기 비교기(슈미트 트리거, 30-1, 30-2,...) 회로는, 상기 1차 권선의 출력전압(Vw)이 감소되더라도 일단 도통된 보조 스위치가 안정되게 동작할 수 있도록 상기 비교기의 출력 신호를 적분 또는 지연하거나 히스테리시스 동작 특성을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 예로, 상기 비교기(30-1, 30-2, ...., 30-n)에는 히스테리시스 동작 특성을 가지도록 다이오드(31), 저항(34) 및 저항(35)이 포함되어 연결될 수 있다. 이때 배터리 셀 전압(V_B1)이 반전입력 단자에 각각 연결되고 1차 권선의 출력전압(V_W)이 비반전입력 단자에 연결되며, 비교기 출력(Vout)이 상기 다이오드(31) 및 저항(34)를 통해 비반전 단자로 정궤환되게 연결하는 것이 바람직하다.

상기 히스테리시스 특성은 변압기 1차 권선의 출력 전압이 노이즈의 영향으로 불안정하거나 급격한 전압 변화를 가질 때 상기 히스테리시스 동작 특성의 기여로 주 스위치 또는/및 보조 스위치의 PWM 스위칭 제어 동작이 불안정해지는 것을 막는 역할을 수행한다.

상기 비교기(30-1, 30-2, ...., 30-n)의 히스테리시스 특성에 대해 구체적으로 설명하면, 주 스위치가 스위칭(ON)되면 부족 충전된 배터리 회로에 연결된 비교기의 출력단자에는 전압이 'HIGH' 로 발생하게 된다. 상기 'HIGH' 출력 전압은 다시 비반전입력 단자측으로 저항(34) 및 저항(35)을 통해 궤환되어 비교기의 비반전입력 단자는 분압된 정궤환 전압만큼 상승되게 된다. 따라서 보조 스위치의 턴-온 조건인 상측 트리거 점보다 턴-오프 조건인 하측 트리거 점을 낮게 설계하면, 상기 비교기(30-1, 30-2,...., 30-n)는 히스테리시스 동작 특성을 가지게 될 수 있다.

보조 스위치의 턴-온이 개시되지 못한 조건(비교기 출력이 'LOW' 인 조건)에서는 다이오드(31)이 블록킹되고 비교기 출력이 궤환되지 못하므로, 이때 비교기 출력이 'HIGH'로 될 수 있는 상측 트리거 조건은 식 (3)로 표시될 수 있으며 식 (3)을 만족할 때 보조 스위치는 턴-온 되게 된다.

식 (3)

또한 보조 스위치가 턴-온되어 있는 상태에서 다시 턴-오프될 수 있는 하측 트리거 조건은 식 (4)로 표시될 수 있다. 상기 식 (4)에서

항이양이 되므로 비교기 출력이 다시 'LOW' 로 될 수 있는 하측 트리거 레벨 조건은 배터리 셀전압(V_Bn)보다 낮아지고 따라서 히스테리시스 특성을 가지게 된다.

식 (4)

전술한 내용에서는 비교기(30-1, 30-2,...30-n), 익스쿠르시브OR(XOR) 게이트 및 앤드(AND) 게이트(33-1, 33-2,..) 등의 동작 로직을 양의 논리를 가지고 설명하고 있지만. 이를 부의 논리를 가지고 간단하게 회로 구성이 가능하다는 것은 이미 잘 알려져 있다.

도 6는 본 발명의 배런싱 제어 과정을 나타내는 각 주요 회로부의 기본적인 동작 파형을 모드별로 도시하고 있다.

여기서 본 발명의 일 실시 예로 제시된 보조 스위칭 회로에 대해 하드웨어적으로 간단한 변형을 가하거나 각 주 스위치 또는 보조 스위치의 온듀티 신호를 달리하게 되면, 도 6의 기본적인 파형과 다소 상이한 것(예로, 모드 3의 삭제)이 얻어 질 수 있다.

이하 제어 동작 설명이 간략화될 수 있도록, 예로써 2개의 배터리 셀을 대상으로 하되, 1번 배터리 셀(11-1)의 전압(V_B1)이 2번 배터리 셀(11-2)의 전압(V_B2)보다 높게 충전되어 있는 경우를 가정한다. 배런싱 동작이 진행되어지는 제어 과정을 아래 4단계 모드로 나누어 이를 상세히 설명한다.

(A) 모드 1 (t0~t1) : 모드 1은 주 스위치(S_m1) 및 보조 스위치(S_s2)가 도통(턴-온)되면서 시작된다.

주 스위치(S_m1, S_m2)에 PWM 신호가 인가되면 높게 충전된 배터리에 연결된 주 스위치(S_m1)가 도통되어 진다. 이에 1차 권선의 유기전압은, 변압기 권선비가 1:1:...:1 일 경우, 각각의 권선에는 배터리들의 평균 전압에 근사한 전압이 각각 동일하게 유기될 것이다. 이때, 변압기 각각의 1차 권선에 유기되는 전압은 위에서 설명한 식 (1)과 같다. 식 (1)을 살펴보면, 복수의 1차 권선에 유기되는 전압은, 변압기의 자화 인덕턴스가 권선의 누설 인덕턴스에 비해 클수록, 모든 배터리 셀 전압의 평균값에 매우 근사하게 됨을 알 수 있다.

상기 1차 권선에 유기된 전압은 비교기(30-1, 30-2)의 비반전입력 단자에 각각 입력되고, 상기 비교기는 상기 권선의 출력전압(V_W-1, V_W-2)과 반전단자에 각각 입력되는 배터리 셀들의 전압(V_B1, V_B2)을 서로 비교하여 배터리 셀 전압이 권선의 출력전압보다 낮은 2번 비교기(30-2)의 출력에 연결된 보조 스위치(S_s2)에 한해 선택적으로 턴-온 시킬 수 있게 된다.

즉, 1번 주 스위치(S_m1)의 도통 초기에 1차 권선에 유기되는 권선 출력 전압값은 높게 충전 상태인 배터리 전압(V_B1)보다는 작고 낮게 충전된 배터리의 전압(V_B2)보다는 크기 때문에, 상기 2번 비교기(30-2)의 출력은 "HIGH"가 되고 따라서 각 배터리들의 평균보다 낮은 값을 갖는 2번 배터리(11-2)쪽의 2번 보조 스위치(S_s2)는 선택되어 턴-온 된다.

상기 2번 비교기(30-2)의 출력이 "HIGH"가 됨에 따라, 2번 보조 스위치(S_s2)가 턴-온 되면서 즉시 익스쿠르시브OR(XOR) 게이트(32-2)의 출력신호는 "LOW"가 되어 부족 충전 상태인 2번 배터리쪽의 주 스위치(S_m2)를 추가적으로 턴-오프되게 되는 데, 그 결과 높게 충전 상태인 배터리에서만 방전되고 복수 권선 변압기의 2번 권선에 유기된 전압(V_P2)에 의해 인덕터(La2)에 전류가 흐르게 된다.

1번 배터리 셀(11-1)의 방전전류는 복수 권선 변압기의 자화전류, 2번 배터리의 충전전류 및 인덕터(La2)에 흐르는 전류의 합과 같으며, 이때 2번 1차 권선(21-2)에 유기된 출력전압(V_W-2)은 인덕터(La2)에 인가되고 인덕터(La2)에 흐르는 전류는 점차 증가하게 되며 이 구간 동안 인덕터에 전하가 충전되기 시작한다.

이때 식 (5)가 성립된다.

식 (5)

여기서, Lk2은 2번 1차 권선의 누설 인덕터값, La2 는 인덕터, iLa2 는 인덕터의 전류, Ron2는 2번 보조 스위치 및 역저지 다이오드 도통저항의 합을 표시하고, 이때 2번 1차 권선의 저항성분은 상대적으로 적으므로 무시한다.

또한, 2번 배터리 셀의 전압(V_B2)이 1번 배터리 셀 전압(V_B1)보다 크게 낮을 경우에는, 상기 인덕터(La2)에 전류가 흐르면서 동시에 2번 주 스위치(S_m2)의 바디 다이오드를 통해 2번 배터리 셀로 충전전류가 흐를 수 있는 전류 흐름 통로가 형성되게 된다.

따라서 2번 권선의 유기전압에서 권선 임피던스 전압 강하를 뺀(마이너스) 후의 2번 권선 출력전압(Vw-2)이 2번 배터리 전압(V_B2)과 2번 주 스위치(S_m2)에 생성된 바디 다이오드의 도통전압의 합보다 낮아질 때까지 2번 배터리 셀(11-2)에는 충전전류가 흐를 수 있게 된다. 이때 인덕터(La2)에 흐르는 전류가 증가됨에 따라 2번 권선의 누설 인덕터(또는 임피던스)에 의한 강하 전압값이 증가되기 때문에 2번 권선의 출력 전압은 점차 감소되고 이에 2번 배터리(11-2)의 충전전류는 감소되고 조기에 0에 도달된다.

본 발명의 또 다른 실시 예로써, 모드 1에서 2번 주 스위치(S_m2)에 온 도통 신호가 1번 주 스위치(S_m1)와 같이 입력될 경우에는, 2번 배터리 셀에 흐르는 충전전류가 0에 도달된 후 다시 반대 방향으로 2번 배터리 셀이 방전되면서 2번 인덕터(La2)측으로 전류를 공급할 수 있게 된다.

(B) 모드 2 (t1~ t2) : 2번 권선의 출력전압(Vw-2)이 감소되면서 2번 보조 인덕터에 전류가 충분히 증가하여 미리 설정된 2번 보조 스위치(S_s2)의 턴 오프 조건을 만족하게 되면, 모드 2가 시작된다.

2번 보조 스위치(S_s2)가 턴 오프 되면, 2번 인덕터(2번 권선의 누설 인덕터 성분을 포함한다.)에 충전(저장)된 자화 에너지(Magnetizing Energy)에 의해 다이오드(D₂)가 도통되고 이에 따라 2번 인덕터에 저장된 자화 에너지가 환류(Free-Wheeling)되면서 부족 충전된 2번 배터리(11-2)가 충전되게 된다.

이때, 부족 충전된 2번 배터리(11-2)에 연결된 비교기(30-2) 출력은, 전술한 바있는 히스테리시스 기능 또는 출력 신호 적분(지연) 기능에 의해 상기 2번 배터리(11-2)가 다소 충전되더라도, 모드 2의 구간에서는 지속적으로 "HIGH"를 유지 할 수 있게 된다.

이러한 2번 배터리의 충전은 상기 상기 인덕터(La2)에 충전(저장)된 전류가 0으로 환류될 때까지 계속되게 되며, 상기 인덕터(La2)에 축적된 모든 자화 에너지가 부족 충전 상태인 2번 배터리(11-2)로 모두 전달되어 전류가 0으로 수렴하면 모드 2는 종료된다.

모드 2기간중 상기 인덕터(La2)에 유기되어 클램핑되어지는 전압은, 2번 배터리 전압(V_B2)와 2번 권선의 출력전압(Vw-2)의 차, 다이오드(D2)의 순전압 강하 및 2번 배터리 내부저항(R_B2)에 의한 전압 강하의 합과 같게 된다.

(C) 모드 3 (t2~t3) : 인덕터에 저장된 자화 에너지가 환류(Free-Wheeling)되어 0 에 도달된 후부터 1번 주 스위치(S_m1)이 턴-오프되는 기간까지를 말한다.

이 구간에는 1번 배터리 셀(V_B1)이 방전되면서 계속적으로 상기 변압기에 자화전류(ILm)을 공급하고, 동시에 2번 권선의 출력전압 (2번 권선의 유기전압(V_P2) - 2번 권선의 임피던스 강하 전압)이 배터리2 전압(V_B2)보다 크게 되면 배터리2는 충전되게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예로, 인덕터(La2)에 저장된 자화 에너지의 환류가 종료되는 싯점과 동일한 싯점에 모드 3 구간의 t3 시간이 끝나게 하여 모드 3구간이 매우 짧게 유지되게 할 수 있다. 이와 같이 모드 3 구간이 가능한 한 짧게 유지되면, 결과적으로 배런싱에 소요되는 시간을 보다 빠르게 할 수 있어 매우 바람직할 것이나, 환류전류(I_Rt)의 센싱회로 등이 추가로 필요하여 회로가 복잡해 질 수 있다.

(D) 모드 4 (t3~t4) : 모든 1번 주 스위치(S_m1)가 턴-오프되는 싯점부터 변압기의 자화 전류가 0으로 완전히 수렴하여 자속이 리셋되는 기간에 해당한다. 1번 주 스위치(S_m1)가 턴-오프되면 복수 권선 변압기의 자화전류에 의해 저장된 자화 에너지(Magnetizing Energy)는 리셋 다이오드(D_Rt)를 통해 모드 4가 종료되는 싯점까지 미리 지정된 배터리 스트링 또는 배터리 단위구룹 스트링 측으로 환류(Free-Wheeling)되고 상기 변압기의 자속이 리셋된다.

이 구간 동안 자화 인덕터에 유기되는 전압 및 자화 인덕터 전류는 식 (6)와 같이 나타낼 수 있고, 2차 권선은 출력에 연결되는 배터리 스트링 전압에 의해 클램핑된다.

식 (6)

여기서, i_Lm, V_Lm 은 2차 권선측으로 환산된 자화전류 및 자화전압이다.

또한 상기 리셋 다이오드(D_Rt)를 통해 흐르는 리셋 전류, 자화전류, 1번 배터리 전류 및 2번 배터리 전류는, 1차 권선 및 2차 권선수가 N1, N2 일 경우에 식 (7)과 같이 표시할 수 있다.

식 (7)

변압기의 자화전류에 의한 충전 전하까지 모두 방전되어 리셋 다이오드(D_Rt)가 오프되게 되면, 모드4 구간이 종료되고 배런싱 회로에는 전류가 흐르지 않게 된다. 이후 다음 PWM 스위칭 기간에 상기 모드1에서 모드4 까지가 다시 반복되게 된다.

상기 도 6에서는 N2/N1=1로 1차 및 2차의 권선수가 동일한 경우일 때의 동작 파형을 도시하였으나, 모드 4 (t3~t4)의 기간은 상기 변압기 권선비(N2/N1)가 클 수록(즉, 1차와 2차 권선비를 1:N(여기서 N은 1보다 큰 양수)으로 표시하면, N이 클수록), 이에 비례하여 도 6에 도시된 소요 기간보다 길어지게 되며 주 스위치의 PWM 온 듀티 비율은 상대적으로 감소되고 배런싱에 소요되는 시간이 길어지게 된다. 따라서 1차 권선측에 연결된 회로의 역전압 내량 크기를 고려하여 모드 4 (t3~t4)의 소요 기간을 최적화하는 것이 바람직하다.

여기서 알 수 있는 바와 같이, 1번 권선과 2번 권선은 이상적인 변압기와 같이 자기적 결합이 완벽하여 누설 인덕터값이 최소화되는 것이 바람직하다.

또한, 1차 권선(21-1)과 리셋 권선(22)의 관계는 플라이백 회로의 DCM 동작과 유사하다 할 수 있을 것이다.

또한, 2번 보조 스위치, 다이오드 D2(13-2), 2번 배터리 및 2번 인덕터(12-2) 사이의 동작 형태는 2번 권선의 전압(V_P2)을 입력전원으로 가진 Boost 컨버터 회로의 동작과 유사할 수 있을 것이다. 따라서 높게 충전된 배터리 방전 전류량 또는 낮게 충전된 배터리의 충전 전류량을 최적화 할 수 있도록 보조 스위칭 회로의 인덕터 값을 선정하는 것이 바람직하다.

또한 보조 스위칭 회로의 에너지 방출시에 인덕터의 전압이 배터리의 내부 저항 및 주 스위치의 도통 저항에 의한 전압 강하치에 대응되는 크기의 수준을 가지도록 회로 소자의 정수 및 동작 모드를 적절하게 결정하면, 적정한 크기의 충전전류가 흐를 수 있게 되므로 보조 스위칭 회로의 전류 용량이 최소화되더라도 배런싱 효과는 최적화될 수 있을 것이다.

한편, 지금까지는 본 발명의 실시 예가 복수개의 배터리 셀로 구성된 단일 배터리 스트링에 적용되는 것으로 배랜싱 회로 및 이의 동작 과정을 설명하였지만, 단일 철심의 변압기에는 복수의 1차 권선들을 대칭적으로 무한히 많게 배치할 수 없고 대체적으로 4~6개 정도의 1차 권선을 가지도록 만드는 것이 효과적일 수 있다. 그런데 현실적으로는 수십개 이상의 셀이 직렬 연결되어 있는 경우가 많으므로 도 3에 도시된 양방향 능동형 배런싱 제어 장치 및 방법의 개념을 확장하여 무한한 개수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 스트링에 대해서 매우 용이하게 적용할 수 있는 또 다른 실시 예를 제시한다.

도 7은 무한한 개수의 배터리 셀을 가진 배터리 스트링에 대해서 적용 가능한 본 발명의 또 다른 일 실시 예이다. 여기서 상기 배터리 스트링은 복수개의 단위구룹으로 나누어 진다.

도 3의 실시 예와 같은 복수의 1차 권선(21-1, 21-2,...) 및 리셋 권선(22)을 가지는 복수개의 양방향 능동 밸런싱 장치가 복수개의 배터리 단위구룹 스트링(110-1, 110-2,...110-m)마다 배치되고, 상기 복수개 변압기들의 각 2차 권선(22-1, 22-2, ..22-m)출력은 이에 각각 직렬로 연결되는 리셋 다이오드(D_Rt)들을 통해 상기 1차 권선들이 각각 연결되는 배터리 셀들이 속한 배터리 단위구룹 스트링이나 이웃의 상. 하위 단위구룹 스트링들과 상호간에 에너지가 수수될 수 있게 연결된다.

상기 복수의 2차 권선은 높게 충전된 배터리 셀이 방전될 시에 발생되는 자화전류의 환류에 의해 이웃의 배터리 단위구룹 스트링측에 배런싱 전류가 흐를 수 있게 되고 상기 이웃의 배터리 단위구룹 스트링의 배터리 셀 상호 간에 과충전된 에너지가 전달될 수 있게 된다.

더욱 자세하게는 도 7의 실시 예는, 도 3에 제시된 복수의 양방향 능동 밸런싱 장치들이 배터리 스트링의 복수개 단위구룹 스트링마다 각각 배치되는 데, 상기 m 번째 변압기를 가진 m 번 밸런싱 장치(110-m)의 2차 권선의 리셋 다이오드 출력은 (m+1)번째 단위구룹 스트링의 중간에 연결된 배터리 셀에 연결되고, m+1 번 밸런싱 장치(110-(m+1))의 2차 리셋 권선의 다이오드 출력은 (m+2)번째 단위구룹 스트링의 중간 배터리 셀에 연결된다. 또한 상기 2차 권선의 다른 출력 단자는 자기 배터리 단위구룹 스트링의 중간 배터리 셀 단자에 연결되게 구성된다.

이렇게 연결되면 서로 연결된 m 번째 또는 (m+1)번째 단위구룹 스트링으로 상호간의 전하가 전달(수수)될 수 있게 되어 해당 밸런싱 장치가 연결되는 배터리 단위구룹의 배터리 셀 전압이 높거나 낮은 경우에도 다른 배터리 단위구룹과 서로 균일화 될 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 여러 형태의 실시 예에 대해 설명하였다. 다만 본 발명의 실시 예의 기술적 효과를 효과적으로 얻기 위해서는 본 발명의 도 2의 실시 예에서는 자화전류가 최소화되는 것이 바람직하고, 도 3 또는 도 7의 실시 예에서는 자화전류가 최적의 수준이상인 것이 바람직하다는 것을 유념할 필요가 있을 것이다.

그러면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 밸런싱 제어 방법을 단계별로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 복수의 주 스위치에 미리 선정된 동일한 도통 폭을 가진 PWM 신호를 인가하고(S201), 평균전압 이상으로 충전된 배터리 셀들이 방전한다.(S202). 여기서 상기 주 스위치의 PWM 신호는 도통 폭이 모두 동일한 것이 회로 구성상 바람직하다.

동시에 복수에 보조 스위치에 인가될 PWM 신호를 미리 선정된 도통 폭을 가지도록 생성한다.(S203). 여기서 상기 보조 스위치의 PWM 신호는 도통 폭이 모두 동일한 것이 회로 구성상 바람직하다.

이때 평균전압 이상으로 높게 충전된 배터리에 연결된 주 스위치가 도통되고, 복수의 1차 권선에 배터리의 평균전압이 유기된다.(S204).

부족 충전된 배터리에 연결된 보조 스위치가 도통되고, 상기 1차 권선의 유기 전압에 의해 인덕터에 자화 에너지가 충전(저장)이 시작된다.(S205).

상기 보조 스위치의 PWM 신호가 정지(턴-오프)되고(S206), 이후 상기 인덕터에 저장된 자화 에너지가 방출되면서 부족 충전된 배터리가 충전되고, 자화 에너지(인덕터 전류)는 점차 감소되어 0으로 수렴된다.(S207).

복수의 주 스위치에 인가되는 PWM 신호가 정지(턴-오프)되면(S208), 변압기 자화전류가 0으로 수렴되고 변압기의 자속이 리셋된다.(S209).

상기 단계 S208 내지 S209 단계 수행 중, 해당 배터리 스트링 또는 이웃의 배터리 단위구룹 스트링으로 자화전류가 환류되고, 상기 환류되는 자화전류에 의한 방출 에너지가 배터리 스트링(팩)이나 이웃의 배터리 단위그룹 스트링으로 회수되는 것이 바람직하다.

부족 충전된 배터리 측으로 높게 충전된 배터리의 에너지가 직접 전달되거나 환류전류에 의해 자기의 배터리 스트링이나 인접된 배터리 단위구룹으로 전달되어 모든 복수의 배터리 셀 전압이 균일화될 때까지 상기 단계 S201 내지/또는 S209 단계를 반복한다.(S210).

또한, 상기 단계 S201 또는 S203 이전에 각 배터리 셀 전압을 측정하고(S301), 상기 측정결과에 의해 각 배터리 셀들의 충전 용량 또는 셀 전압 불균형이 있는 지 여부를 판단하고(S302), 이를 토대로 상기 복수의 주 스위치에 최적으로 미리 설정된 도통 폭을 가지는 PWM 신호를 인가하는 것이 바람직하다.

한편, 배터리 단위구룹 스트링의 모든 배터리 셀들이 모두 미리 선정된 소정값 이상으로 높다고 판단되는 경우에는, 상기 주 스위치에 PWM 신호를 인가하는 단계(S201)가 수행되어 모든 주 스위치가 도통되고, 과충전된 모든 배터리 셀의 에너지가 방전된다.(S401), 이때 상기 방전된 에너지는 자화 에너지(전류)의 환류에 의해 이웃의 배터리 단위구룹으로 전부 전달된다.(S402).

본 발명의 산업적 이용 효과를 높이기 위해서, 다양한 형태의 승압형 컨버터를 채택한 밸런싱 장치에서도 상기 보조 스위칭 회로의 기능의 기술적 효과를 달성할 수 있도록, 본 발명의 일 실시 예로 제시된 이와 같은 상기 구체적 밸런싱 제어 단계에 한정하지 않고, 본 발명의 기본적인 제어 방법을 다소 변형하여 사용될 수 있음은 물론이다.

한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 또한 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 청구범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

11-1, 11-2,..,11-n. 배터리 셀, 110_m, 110_(m+1),...배터리 단위구룹.
S_m1, S_m2, ..., S_mn. 주 스위치
S_s1, S_s2,..., S_sn. 보조 스위치
21-1, 21-2, .. 21-n. 1차 권선, 22-1, 22-2, ..22-m. 2차 권선.
23-2,...23-N. 제 2권선,
12-1, 12-2,....,12-n (La1, La2,...) 인덕터, D_Rt. 리셋 다이오드
Dr1, Dr2, .... , Drn, 역저지 다이오드
13-1, 13-2,...(D1,D2,...,Dn). 다이오드
36. 펄스 발생회로. 37. 온 듀티 폭 발생수단.
30-1, 30-2,... 30-n. 비교기 31. 다이오드.
34, 35. 저항
32-1, 32-2,....,32-n. 익스쿠르시브 OR(XOR) 게이트
33-1, 33-2,....,33-n. 앤드(AND) 게이트.

Claims (12)

1. 단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 권선되는 복수의 1차 권선이 복수개의 배터리 셀마다 각각 배치되는 에너지 저장 장치의 밸런싱 제어 장치에 있어서,
   상기 복수개의 배터리 셀 양극과 음극 사이에 상기 1차 권선과 직렬 형태로 각각 연결되는 복수의 주 스위치;
   상기 1차 권선과 상기 주 스위치의 공통 연결점에 일단이 각각 연결되는 복수의 인덕터;
   상기 1차 권선의 다른 일단과 상기 인덕터의 다른 일단 사이에 상기 인덕터와 직렬 형태로 각각 연결되는 복수의 보조 스위치; 및
   상기 인덕터와 보조 스위치와의 공동 연결점과 상기 주 스위치의 다른 일단의 사이에 상기 배터리 셀의 양극을 지향하도록 각각 연결되는 복수의 다이오드; 를 포함하는 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 단일 철심 변압기는 적어도 2개의 1차 권선을 각각 구비하고, 상기 2개의 1차 권선 중 임의의 1차 권선이, 상위 또는 하위의 배터리 셀과 연결되는 단일 철심 변압기의 1차 권선중 어느 하나와 서로 병렬로 각각 연결되는 것인 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 보조 스위치는, 이와 직렬로 연결되는 역저지 다이오드를 더 포함하는 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 단일 철심의 변압기는,
   복수의 1차 권선과 플라이 백(Fly-Back) 형태로 권선되는 2차 권선; 및
   상기 2차 권선과 직렬로 배터리의 양극을 지향하여 연결되는 리셋 다이오드를 더 포함하는 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 복수개의 배터리 셀은, 복수의 배터리 단위구룹으로 나뉘어 서로 직렬 형태로 연결되고 상기 복수의 배터리 단위구룹마다 상기 복수의 1차 권선 및 2차 권선을 구비한 양방향 능동 배런싱 제어 장치가 구비되는 데,
   상기 2차 권선의 출력은 인접된 상위 또는 하위의 배터리 단위구룹 스트링 의 출력단에 각각 연결되는 것인 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 1차 권선과 2차 권선의 각 권선비는 모두 동일하거나, 1 : N (여기서 N은 1보다 큰 양수)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 복수개의 배터리 셀은, 복수의 배터리 단위구룹으로 나뉘어 서로 직렬 형태로 연결되고 상기 복수의 배터리 단위구룹마다 상기 복수의 1차 권선 및 2차 권선을 구비한 양방향 능동 배런싱 제어 장치가 구비되는 데,
   상기 2차 권선의 리셋 다이오드 출력은 자기가 속하는 배터리 단위구룹보다 1단계 위의 상위 단위구룹 스트링의 중간에 배치된 배터리 셀에 각각 연결되고, 상기 2차 권선의 다른 출력 단자는 자기가 속하는 배터리 단위구룹 스트링의 중간에 배치된 배터리 셀에 각각 연결되는 것인 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 주 스위치 및 보조 스위치에 인가되는 PWM(pulse width modulation) 제어 신호 발생 회로는,
   온 듀티 폭 발생수단; 비교기; 익스쿠르시브OR (XOR) 게이트; 및 앤드 (AND) 게이트 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 것인 에너지 저장 장치의 양방향 능동 밸런싱 제어 장치.
   
9. 단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 권선되는 복수의 1차 권선, 복수의 주 스위치 및 복수의 보조 스위치를 포함하는 밸런싱 제어 방법에 있어서,
   상기 주 스위치에 PWM(pulse width modulation) 신호가 인가되어 주 스위치가 도통되는 단계; 평균보다 낮은 전압의 배터리에 연결된 보조 스위치가 온(도통)되고 상기 보조 스위치와 직렬 형태로 연결된 인덕터에 자기에너지가 저장되는 단계; 상기 보조 스위치가 턴-오프(폐쇄)되는 단계; 및 상기 인덕터에 저장된 자화 에너지가 방출되면서 평균보다 낮게 충전된 배터리 셀이 충전되는 단계를 포함하는 양방향 능동 밸런싱 제어 방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 주 스위치 또는 보조 스위치에 인가되는 PWM(pulse width modulation) 신호중 적어도 하나는 도통 폭이 동일한 것인 양방향 능동 밸런싱 제어 방법.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 평균보다 낮게 충전된 배터리에 배치된 보조 스위치가 온(도통)되는 단계와 동시에 동일 배터리에 배치된 주 스위치가 턴-오프(폐쇄)되는 단계; 및 상기 인덕터에 저장된 자화에너지가 방출되는 단계 이후에 모든 주 스위치가 턴-오프(폐쇄)되는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는 양방향 능동 밸런싱 제어 방법.
    
12. 단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 권선되는 복수의 1차 권선, 복수의 주 스위치 및 복수의 보조 스위치를 포함하는 밸런싱 제어 회로의 복수개의 배터리의 밸런싱 제어 방법에 있어서,
    복수개의 배터리에 각각 연결된 주 스위치가 도통되어 상기 단일 철심의 변압기가 자화되고, 상기 복수의 1차 권선에는 각 배터리의 평균전압이 유기되고, 상기 복수개 배터리의 평균전압보다 낮게 충전된 배터리에 배치된 보조 스위치가 선택적으로 턴-온되고 동시에 동일 배터리의 주 스위치는 턴-오프되어 인덕터에 흐르는 전류가 증가되고 자화 에너지가 저장되는 모드 1 (t0~t1) ;
    상기 보조 스위치가 턴 오프 되면, 인덕터에 저장된 자화 에너지가 환류되면서 부족 충전된 배터리가 충전되는 모드 2 (t1~ t2) ;
    상기 인덕터의 자화 에너지가 영(0)에 근접되고 평균전압보다 높게 충전된 배터리에 배치된 주 스위치가 턴-오프되는 모드 3 (t2~t3) ; 및
    상기 주 스위치가 턴-오프되는 싯점부터 상기 변압기의 자화 전류가 0으로 완전히 수렴되고 자속이 리셋되는 모드 4 (t3~t4); 중,
    모드 1 (t0~t1) 및 모드 2 (t1~ t2)를 포함하고, 상기 모드 3 (t2~t3) 및 모드 4 (t3~t4) 중 적어도 하나를 더 포함하는 양방향 능동 밸런싱 제어 방법.

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