KR101641626B1 - 배터리 시스템의 에너지 전달을 위한 스위칭 레귤레이터의 직렬 회로 - Google Patents

배터리 시스템의 에너지 전달을 위한 스위칭 레귤레이터의 직렬 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 시스템용 에너지 전달 장치에 관한 것으로서, 에너지 전달 장치는 각각 2개의 입력단과 2개의 출력단을 구비하는 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터를 포함한다. 입력단들은 배터리 모듈을 연결하도록 형성되고 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터는 출력 측에서 직렬 연결된다. 에너지 전달 장치는 하나 이상의 제1의 2차 DC/DC 컨버터를 포함하되, 이 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 제2의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들과 연결되는 2개의 입력단과, 제1의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들과 연결되는 제1 출력단을 포함한다.

Description

배터리 시스템의 에너지 전달을 위한 스위칭 레귤레이터의 직렬 회로{Series connection of switching regulators for energy transfer in battery systems}
본 발명은 배터리 시스템의 에너지 전달을 위한 스위칭 레귤레이터의 직렬 회로에 관한 것이다.
풍력 발전 시스템 및 비상 전력 시스템과 같은 고정된 분야(stationary application)나 혹은 자동차에 이용되는 배터리 시스템에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 모든 적용 분야들은 신뢰성 및 고장에 대비한 안전성에 대해 높은 요건을 제시한다. 배터리 시스템에 의해 전압 공급 장치 전체가 고장 나면 이는 시스템 전체의 고장을 초래할 수 있기 때문이다. 따라서 풍력 발전 시스템에는 바람이 강할 시에 로터 블레이드를 조절하고 풍력 발전 시스템을 손상시키거나 심지어 파손할 수 있는 과도한 기계적 부하로부터 시스템을 보호하기 위해 배터리가 이용된다. 전기 자동차의 배터리가 고장 난 경우에는 자동차의 운행이 불가능해 질 수도 있다. 비상 전력 시스템도 예컨대 병원이 중단되지 않고 운영되도록 보장해야 하며 따라서 비상 전력 시스템 자체가 고장이 나서는 안 된다.
각각의 적용 분야에 대해 요구되는 성능과 에너지를 제공하기 위해 개별 배터리 셀들은 직렬 연결되고 추가로 부분적으로는 병렬 연결된다. 도 1은 배터리 직렬 연결을 위한 회로도를 도시한다. 예컨대 자동차에서 전기 모터에 필요한 높은 작동 전압을 개별 셀들(10-1,...,10-n)의 전압을 합하여 얻기 위해 다수의 배터리 셀들(10-1 내지 10-n)이 직렬 연결된다. 높은 작동 전압은 출력 측 스위치(11-1 및 11-2)를 통해 인버터와 같은 미도시된 전력 전자 소자들로부터 차단될 수 있다. 배터리 셀들(10-1,...,10-n)의 직렬 연결을 바탕으로 배터리들의 출력 전류 전체가 배터리 셀들(10-1,...,10-n) 각각에 흐르고, 전기 화학적 프로세스를 통해 전하 이동이 배터리 셀들(10-1,...10-n) 내부에서 발생하기 때문에, 극단적인 경우 하나의 배터리 셀의 고장으로 인해 전체 시스템이 전류 및 그와 더불어 전기 에너지를 더 이상 공급하지 못함을 의미한다. 배터리 셀들(10-1,...10-n)의 임박한 고장을 적시에 인지할 수 있기 위하여 보통 이른바 배터리 모니터링 시스템(12)이 이용되며, 이 배터리 모니터링 시스템은 배터리 셀들(10-1,...10-n) 각각의 양쪽 전극과 연결되거나 연결될 수 있고 규칙적으로 혹은 선택 가능한 간격을 두고 배터리 셀들(10-1,...10-n) 각각의 전압 및 온도와 같은 작동 변수와 그에 따른 배터리 셀들의 충전 상태(State of Charge, SoC)를 확인한다. 이는 배터리 시스템의 전기적 작동 데이터의 유연성은 낮으면서 동시에 에너지 소모는 높음을 의미한다.
다수의 배터리 셀들을 직렬 연결하는 것의 또 다른 단점들은 다음과 같다.
1. 배터리로 구동되어야 하는 장치들의 다양한 작동 상태에 대해 공급되어야 할 작동 전압, 최대 전류 및 저장되는 에너지에 대한 여러 조건들이 제기되며 이러한 조건들은 개별적인 요건들을 충족하기 위해 실질적으로 필요한 것보다 더 많은 수의 배터리 셀들이 연결될 때에야 비로소 충족된다. 이는 비용을 증가시키고 특히 전기 자동차의 경우 문제가 되는 배터리 시스템의 무게와 부피를 증가시키게 된다.
2. 배터리의 조립, 즉 개별 셀들의 연결은 직렬 연결에 의한 개별 배터리 셀들의 전압 합산으로 인해 1000V에까지 이르는 높은 전압에서 이루어지므로, 배터리, 개별 셀들 혹은 모듈의 교체는 지역 정비점에서 이루어질 수 없고 혹은 고정된 분야의 경우에는 특수 공구를 이용하여 특별히 훈련받은 인력에 의해서만 실시될 수 있다. 이로 인해 고장 시 배터리 시스템의 정비를 위해 높은 물류 비용이 발생한다.
3. 배터리 시스템을 무전압 상태로 전환하기 위하여, 즉 배터리를 실질적인 부하로부터 분리하기 위해서는 회로 차단기(11-1 및 11-2)가 제공되어야 한다. 회로 차단기는 전형적으로 콘택터(contactor)로서 형성되고 예상되는 높은 전류 및 전압에 대처해야 하므로 비용 면에서 매우 비싸다.
본 발명은 위에서 언급된 선행 기술의 단점을 극복할 수 있는 장치를 개시하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 관점은 배터리 시스템에 대한 에너지 전달 장치에 관한 것으로서, 에너지 전달 장치는 각각 2개의 입력단과 2개의 출력단을 구비하는 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터를 포함하며, 이때, 입력단들은 배터리 모듈을 연결하도록 형성되고 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터는 출력 측에서 직렬 연결된다. 본 발명에 따른 에너지 전달 장치는 하나 이상의 제1의 2차 DC/DC 컨버터를 포함하되, 이 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 제2의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들과 연결되는 2개의 입력단과, 제1의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들과 연결되는 제1 출력단을 포함한다.
본 발명의 장점은 출력 측에서 직렬 연결되는 1차 DC/DC 컨버터가 배터리 모듈의 전압 및 그와 더불어 충전 상태와 상관없이 선택 가능한 출력 전압을 생성하며, 이때, 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터에 연결된 배터리 모듈은 다양한 크기로 부하를 받을 수 있다는 점이다. 이는 제1의 2차 DC/DC 컨버터를 통해 가능해지되, 이러한 제1의 2차 DC/DC 컨버터의 입력단들은 제2의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들과 연결되고, 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 자신의 활성화 시에 제2의 1차 DC/DC 컨버터로부터 에너지를 추출하고 이 에너지를 제1의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단과 연결되는 제1 출력단을 통해 전달한다. 그렇게 함으로써 제1의 1차 DC/DC 컨버터와 이 컨버터에 입력 측에서 연결되는 배터리 모듈에서는 부하가 경감된다. 본 발명은 이러한 방식으로 예컨대 각각의 배터리 모듈의 충전 상태가 가능한 동일해야 하는 이른바 부하 밸런싱(Load-Balancing)을 허용하고, 그럼으로써 다른 배터리 셀들이 아직 에너지를 제공할 수 있음에도 불구하고 임계값 이하로 배터리 셀이 방전되는 일이 없다.
또한 DC/DC 컨버터의 이용을 통해 각 작동 상태 따라 적합한 총 전압을 선택하는 것이 가능하며, 이는 각각의 DC/DC 컨버터의 출력 전압이 공지된 방식에 따라 조절될 수 있기 때문이다. 또한 출력 전압은 1차 측에서 연결되는 배터리 셀들의 개수에 좌우되지 않는다. 그렇게 함으로써 배터리 시스템의 설계는 각각의 적용 분야에 요구되는 총 전압과 상관없이 순전히 에너지 및 출력을 기준으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 추가의 장점은 값비싼 콘택터(11-1 및 11-2)가 생략될 수 있다는 점에 있으며, 이는 배터리 출력단에서의 고전압이 DC/DC 컨버터를 분리함으로써 용이한 방식으로 차단될 수 있기 때문이다.
에너지 전달 장치는 바람직하게는 제1의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들과 연결되는 2개의 입력단들을 포함하는 제2의 2차 DC/DC 컨버터를 지닌다. 이때 제2의 2차 DC/DC 컨버터는 제2의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들 가운데 하나와 연결되는 제1 출력단을 지닌다. 제2의 2차 DC/DC 컨버터는 제1의 1차 DC/DC 컨버터로부터 에너지를 추출하여 이 에너지를 제2의 1차 DC/DC 컨버터로 전달하도록 형성된다.
그렇게 함으로써 제2의 1차 DC/DC 컨버터로부터 제1의 1차 DC/DC 컨버터로의 에너지 전달을 통해서 균형이 만들어질 수 있을 뿐만 아니라 반대로 제1의 1차 DC/DC 컨버터로부터 제2의 1차 DC/DC 컨버터로도 에너지가 전달되어 균형이 만들어질 수도 있다. 물론 더욱 많은 수의 1차 DC/DC 컨버터들이 직렬 연결될 수 있으며, 이때 각각의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단에는 2차 DC/DC 컨버터가 연결된다.
특히 바람직하게 에너지 전달 장치는 배터리 모듈의 연결을 위해 형성되는 2개의 입력단과 2개의 출력단을 구비하는 제3의 1차 DC/DC 컨버터를 포함한다. 제3의 1차 DC/DC 컨버터는 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터와 출력 측에서 직렬 연결되되, 제2의 1차 DC/DC 컨버터가 직접 제1 및 제3의 1차 DC/DC 컨버터와 연결되도록, 즉 제2의 1차 DC/DC 컨버터가 직렬 연결에서 중앙에 배치되도록 직렬 연결된다. 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 제3의 1차 DC/DC 컨버터의 출력단과 연결되는 제2 출력단을 갖는다. 따라서 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 제2의 1차 DC/DC 컨버터로부터 에너지를 추출할 수 있고, 이 에너지를 선택적으로 제1의 1차 DC/DC 컨버터의 제1 출력단을 통해 또는 제3의 1차 DC/DC 컨버터의 제2 출력단을 통해 전달할 수 있다. 더욱 많은 개수의 1차 DC/DC 컨버터의 직렬 연결 시에는 상응하는 개수의 2차 DC/DC 컨버터가 제공될 수 있고, 이들 2차 DC/DC 컨버터는 각각 양측으로 인접하는 1차 DC/DC 컨버터로 에너지를 전달할 수 있다. 이렇게 함으로써 에너지 분배 및 그와 더불어 다양한 배터리 모듈의 부하와 관련하여 더욱 높은 유연성이 달성된다. 만일 예컨대 연계된 2차 DC/DC 컨버터에 의해 1차 DC/DC 컨버터로부터 에너지가 추출되어 인접한 1차 DC/DC 컨버터로 전달되면 인접한 1차 DC/DC 컨버터와 연결된 2차 DC/DC 컨버터는 이러한 에너지를 직접 바로 다음에 오는 1차 DC/DC 컨버터로 계속 전달할 수 있다. 바람직하게는 최상부 및 최하부 1차 DC/DC 컨버터도 직렬 연결로 (예컨대 제1 및 제3의 1차 DC/DC 컨버터가 제1, 제2, 그리고 제3의 1차 DC/DC 컨버터에) 2차 DC/DC 컨버터에 연결된다. 그러나 이 2차 DC/DC 컨버터는 제1 혹은 제2 출력단만 지니며, 이는 최상부 및 최하부 1차 DC/DC 컨버터는 인접하는 하나의 1차 DC/DC 컨버터만을 구비하기 때문이다.
회로상으로 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 제2의 1차 DC/DC 컨버터로부터 에너지를 추출하여 이 에너지를 배터리 모듈의 방전에 대해서는 에너지 전달 장치의 방전 모드로 제1의 1차 DC/DC 컨버터에, 그리고 배터리 모듈의 충전에 대해서는 에너지 전달 장치의 충전 모드로 제3의 1차 DC/DC 컨버터에 전달하도록 형성될 수 있다. 그렇게 함으로써 제2의 1차 DC/DC 컨버터로부터 추출된 에너지가 제1의 2차 DC/DC 컨버터의 어느 출력단을 통해 전달되어야 할지는 에너지 전달 장치의 작동 모드를 통해 선택된다. 만일 배터리 모듈에 의해 에너지가 추출되고 예컨대 그에 상응하는 에너지 전달 장치가 장착된 자동차가 가속하면 에너지는 제1의 1차 DC/DC 컨버터로 전달되고, 자동차가 제동하고 제동 에너지가 발전기를 통해 배터리 모듈로 복귀되면 에너지는 제3의 1차 DC/DC 컨버터로 전달된다.
바람직하게 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 코일, 제1 스위치 그리고 제1 다이오드를 지닌다. 코일과 제1 스위치는 제1의 2차 DC/DC 컨버터의 입력단들 사이에 직렬 연결되고, 다이오드는 코일과 제1 스위치 사이의 연결점과 제1의 2차 DC/DC 컨버터의 제1 출력단 사이에 연결된다.
제1 및 제2 출력단을 구비한 제1의 2차 DC/DC 컨버터의 바람직한 변형 예로 제1의 2차 DC/DC 컨버터는 제2 스위치와 제2 다이오드도 포함하며, 이때, 제2 스위치는 제1 스위치 및 코일과 직렬로 연결되되 제1의 2차 DC/DC 컨버터의 입력단들 사이에 직렬로 연결되고, 코일은 제1 및 제2 스위치 사이에 연결된다. 제2 다이오드는 코일과 제2 스위치 사이의 연결점과 제1의 2차 DC/DC 컨버터의 제2 출력단 사이에 연결된다.
각각의 1차 DC/DC 컨버터는 제어 신호에 대한 제어 입력단을 구비할 수 있고, 제어 신호의 수신으로 1차 DC/DC 컨버터의 출력단들이 상호 전기적으로 연결되거나 1차 DC/DC 컨버터의 입력단들 가운데 하나 이상의 입력단이 전기적으로 분리되도록 형성될 수 있다. 이러한 실시 예를 통해 예컨대 입력 측으로 연결되는 배터리 모듈의 배터리 셀에 결함이 있을 시에 1차 DC/DC 컨버터를 작동 중에 선택적으로 차단할 수 있다. 그러나 1차 DC/DC 컨버터의 출력 측들의 연결을 통해 시스템 전체에는 여전히 출력 전류가 흐를 수 있다. 또한 배터리 모듈이 계속적으로 부하를 받지 않도록 배터리 모듈이 분리된다. 따라서 이러한 실시 예를 통해 하나 또는 다수의 배터리 셀의 고장에도 불구하고 장치의 계속적인 작동이 가능하다. 또한 경우에 따라 전체 전압 생산을 중단하는 일 없이 작동 중에 배터리 모듈의 교체가 가능하다.
본 발명의 제2 관점은 본 발명의 제1 관점에 따른 에너지 전달 장치 및 다수의 배터리 모듈을 지닌 배터리 시스템을 개시하는 것이다. 배터리 모듈은 각각 하나 이상의 배터리 셀들을 지닌다. 배터리 모듈의 배터리 전극은 에너지 전달 장치의 DC/DC 컨버터의 제1 및 제2 입력단들 가운데 상응하는 입력단과 분리 가능하게 연결된다.
본 발명의 제3 관점은 본 발명의 제1 관점에 따르는 에너지 전달 장치를 구비한 자동차에 관한 것이다.
상기와 같은 구성에 의하여 더욱 효율적으로 배터리 모듈을 제어하는 배터리 시스템을 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 이하에서 실시 예들의 도면을 이용하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 모니터링 시스템을 구비하는 배터리를 도시하는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예의 제1 변형 예를 도시하는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 제2 변형 예를 도시하는 회로도이다.
제 4는 본 발명의 제2 실시 예를 도시하는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제3의 실시 예를 상세하게 도시하는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예의 제1 변형 예를 도시한다.
각각 다수의 배터리 셀들(21-1 내지 21-n 혹은 22-1 내지 22-n)을 지닌 2개의 배터리 모듈 (20-1 및 20-2)은 각각 1차 DC/DC 컨버터(24-1 혹은 24-2)의 입력단들과 연결된다. 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2)는 공지된 방식으로 형성될 수 있고 배터리 모듈(20-1, 20-2)의 전압과 상관없이 그러한 전압보다 더욱 큰 출력 전압을 생성할 수 있다. 이때 바람직하게 1차 DC/DC 컨버터는 출력 전압을 정확하게 제어할 수 있기 위해 내부의 피드백을 지닌다. 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2)의 출력단들은 각각 버퍼 콘덴서(25-1 혹은 25-2)와 연결되고, 이들 버퍼 콘덴서들은 각각의 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2)의 출력 전압을 고르게 하고 단시간 축전지로서 작용한다. 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2)는 출력 측에서 직렬 연결되되, 이때 최상부 1차 DC/DC 컨버터(24-1)는 어셈블리의 양극 출력단과, 최하부 1차 DC/DC 컨버터(24-2)는 어셈블리의 음극 출력단과 연결된다. 도시된 제1 실시 예의 제1 변형 예는 2차 DC/DC 컨버터(26-1)를 포함하며, 그 입력단들은 1차 DC/DC 컨버터(24-2)의 출력단들 및 그에 따라 버퍼 콘덴서(25-2)의 단자 2개와 연결된다. 2차 DC/DC 컨버터(26-1)는, 자신의 활성화 시에 1차 DC/DC 컨버터(24-2)로부터 에너지를 추출하여 이를 제1 출력단을 통해 1차 DC/DC 컨버터(24-1)의 출력단으로 전달하고, 그럼으로써 1차 DC/DC 컨버터(24-1)에 부하가 경감되도록 형성된다. 그로 인해 1차 DC/DC 컨버터(24-1)는 출력 전압을 안정적으로 유지하기 위해 입력 측으로 연결되는 배터리 모듈(20-1)로부터 보다 적은 에너지를 추출해야 한다. 그렇게 함으로써 2차 DC/DC 컨버터(26-1)의 활성화 시에 배터리 모듈(20-1)의 부하가 경감되고 배터리 모듈(20-2)은 더욱 강하게 부하를 받게 되며, 이는 배터리 모듈의 다양한 충전 상태들을 평균화하기 위해 이용될 수 있는 것이다. 또한 1차 DC/DC 컨버터(24-1)를 단시간 차단하고 그 기능이 2차 DC/DC 컨버터(26-1)에 의해 대체되는 것이 원칙적으로 가능하다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 제2 변형 예를 도시한다.
제1 실시 예의 제2 변형 예는 대체적으로 제1 변형 예와 일치하고, 그럼으로써 거기서 언급된 바가 제2 변형 예에도 상응하게 적용된다. 제1 변형 예와 실질적으로 다른 한가지 점은 2차 DC/DC 컨버터(36-1)는 입력 측으로 최하부 1차 DC/DC 컨버터(34-2)와 연결되는 것이 아니라 최상부 1차 DC/DC 컨버터(34-1)과 연결된다는 점에 있다. 또한 2차 DC/DC 컨버터는 제1 출력단을 구비하지 않고 제2 출력단만 구비하며, 이 제2 출력단은 1차 DC/DC 컨버터(34-2)의 출력단과 연결된다. 제2 변형 예를 통해 제1의 1차 DC/DC 컨버터(34-1)로부터 제2의 1차 DC/DC 컨버터(34-2)로 에너지를 전달하는 것이 가능하며, 그럼으로써 제1 실시 예의 제2 변형 예에서 제2의 1차 DC/DC 컨버터(34-2)는 부하가 경감되고 제1의 1차 DC/DC 컨버터(34-1)는 더욱 강하게 부하를 받게 된다. 물론 제1 실시 예의 제1 변형 예와 제2 변형 예의 조합도 가능하며, 그럼으로써 2개의 2차 DC/DC 컨버터가 이용될 수 있고 선택적으로 각각의 1차 DC/DC 컨버터들 상호 간에 에너지가 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예를 도시한다. 도시된 실시 예는 3개의 1차 DC/DC 컨버터(44-1 내지 44-3)를 구비하며, 이 컨버터들은 입력 측에서 각각 배터리 모듈(40-1 내지 40-3)과 연결된다. 배터리 모듈(40-1 내지 40-3) 각각은 하나 혹은 다수의 배터리 셀들 (41-1 내지 41-n, 42-1 내지 42-n, 43-1 내지 43-n)을 구비한다. 1차 DC/DC 컨버터(44-1 내지 44-3)의 출력단들은 각각 버퍼 콘덴서(45-1 내지 45-3)와 결합 및 직렬 연결된다. 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1)는 입력 측에서 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2)의 출력단들과 연결되고 자신의 활성화 시에 이 제2의 1차 DC/DC 컨버터로부터 에너지를 추출한다. 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1)는 2개의 출력단들을 지니며, 이들 출력단들 가운데 하나는 상부의 인접하는 1차 DC/DC 컨버터(44-1)의 출력단과, 다른 하나는 하부의 인접하는 1차 DC/DC 컨버터(44-3)의 출력단과 연결된다. 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1)의 적절한 제어를 통해 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2)로부터 추출된 에너지는 상부의 1차 DC/DC 컨버터(44-1) 또는 하부의 1차 DC/DC 컨버터(44-3)에 공급될 수 있다. 또한 교호적으로 하부 및 상부의 1차 DC/DC 컨버터(44-1 혹은 44-3)에 에너지가 공급될 수 있고, 그럼으로써 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2)로부터 인접한 2개의 1차 DC/DC 컨버터(44-1 및 44-3)에 에너지가 평균적으로 공급될 수 있다.
장치의 유연성을 증대시키기 위해 추가의 2차 DC/DC 컨버터(46-2 및 46-3)가 제공될 수 있으며(점선으로 도시), 이들 컨버터들의 입력단들은 상부의 1차 DC/DC 컨버터(44-1) 혹은 하부의 1차 DC/DC 컨버터(44-3)의 출력단들과 연결된다. 이들 2개의 1차 DC/DC 컨버터(44-1 및 44-3)는 각각 인접한 하나의 1차 DC/DC 컨버터만을 지니므로, 2차 DC/DC 컨버터(46-2 및 46-3)는 제1 또는 제2 출력단만을 구비하는 것으로 충분하며, 그럼으로써 제1의 1차 DC/DC 컨버터(44-1)로부터 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2)로, 혹은 제3의 1차 DC/DC 컨버터(44-3)로부터 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2)로 에너지를 전달하는 것이 가능하다. 이러한 배치 구조를 통해 1차 DC/DC 컨버터들(44-1 내지 44-3) 각각으로부터 임의의 다른 1차 DC/DC 컨버터들(44-1 내지 44-3) 각각으로 에너지가 전달될 수 있고, 경우에 따라 중간 기착지를 통해, 예컨대 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2)로부터 제3의 1차 DC/DC 컨버터(44-3)로 에너지가 전달되는 것과 동시에 제1의 1차 DC/DC 컨버터(44-1)로부터 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2)로의 에너지 전달이 가능하다. 물론 도시된 구조를 더 많은 개수의 1차 및 2차 DC/DC 컨버터로 연장하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예의 상세한 회로도를 도시하며, 본 도에서는 모두 다섯 개의 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)가 출력 측에서 직렬 연결된다. 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)는 간단한 승감압형 컨버터(buck-boost converter)로서 스위치(S2, S3), 코일(L1) 및 다이오드(D3)를 포함하여 형성된다. 그러나 공지된 수많은 다른 DC/DC 컨버터 구조도 생각할 수 있다. 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)는 각각 추가의 스위치(S1)를 지니며, 이 스위치는 각각 입력 측으로 연결되는 배터리 모듈(50-1 내지 50-5)을 전기적으로 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)로부터 분리하고 그럼으로써 비활성화하기 위해 형성된다. 동시에 스위치들(S2 및S3)은 접속될 수 있고, 그럼으로써 각각의 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)의 출력단들은 전기적으로 연결되고, 따라서 각각의 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)는 나머지 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)의 기능을 방해하는 일 없이 중성화 및 비활성화된다. 추가 실시 예에서는 1차 DC/DC 컨버터들(54-1 내지 54-5) 가운데 하나의 고장에도 불구하고 전체 어셈블리의 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해 하나 또는 다수의 나머지 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)의 출력 전압을 높이는 것이 가능하다.
1차 DC/DC 컨버터 (54-1 내지 54-5) 각각은 각각의 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)의 출력 전압을 안정화하기 위해 앞서 도시된 바와 같이 출력 측에서 버퍼 콘덴서(C1 내지 C5)와 연결된다. 또한 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5) 각각에는 각각 2차 DC/DC 컨버터(56-1 내지 56-5)가 연계된다. 또한 최상부 혹은 최하부 2차 DC/DC 컨버터(56-1 혹은 56-5)는 인접한 하나의 1차 DC/DC 컨버터(54-2 혹은 54-4)로만 에너지가 전달되기 때문에 각각 제1 혹은 제2 출력단만을 지닌다. 이와 반대로 중앙의 2차 DC/DC 컨버터(56-2 내지 56-4)는 각각 제1 및 제2 출력단을 지니며, 그럼으로써 각각 상부 및 하부의 인접하는 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)로 에너지가 전달될 수 있다. 2차 DC/DC 컨버터(56-1 내지 56-5)는 각각 코일(L2)과 스위치(S4 혹은 S5)를 지니되 이 스위치는 2차 DC/DC 컨버터(56-1 내지 56-5)의 입력단들 사이에서 상기 코일과 직렬 연결된다. 중앙의 DC/DC 컨버터들(56-2 내지 56-4)은 추가로 다른 스위치를 지니며, 이 스위치는 제1 스위치 및 코일(L2)과 직렬 연결되되, 코일(L2)이 각각 반대 방향의 단부에서 스위치(S4 및 S5)와 연결되도록 직렬 연결된다. 2차 DC/DC 컨버터(56-1 내지 56-5)의 제1 및 제2 출력단은 다이오드 (D1 혹은 D2)를 통해 각각 코일(L2)과 제1 스위치(S4) 혹은 제2 스위치(S5) 사이에 할당되는 연결점으로부터 각각 상부 또는 하부의 인접하는 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-5)의 출력단으로 이어진다.
다이오드들(D1 및 D2)은 다음과 같이 연결되되, 즉 전체 어셈블리로부터 에너지 추출 시에, 예컨대 전체 어셈블리가 장착된 자동차의 가속 시에는 에너지가 제1 출력단과 제1 다이오드(D1)를 통해 각각 상부의 인접하는 1차 DC/DC 컨버터(54-1 내지 54-4)로 전달될 수 있고, 에너지가 배터리 모듈(50-1 내지 50-5)로 복귀 또는 공급될 시에, 예컨대 전체 어셈블리가 장착된 자동차의 제동 및 정적 충전 시에는 제2 출력단 및 제2 다이오드(D2)를 통해 각각 하부의 인접하는 1차 DC/DC 컨버터(54-2 내지 54-5)로 전달될 수 있도록 연결된다.

Claims (10)

  1. 배터리 시스템용 에너지 전달 장치에 있어서,
    상기 에너지 전달 장치는 각각 2개의 입력단들과 2개의 출력단들을 구비하는 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터(24, 34, 44, 54)를 포함하고, 상기 입력단들은 배터리 모듈(20, 30, 40, 50)을 연결하도록 형성되고, 상기 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터(24, 34, 44, 54)는 출력 측에서 직렬 연결되는 에너지 전달 장치로서,
    상기 제2의 1차 DC/DC 컨버터(24-2, 34-1, 44-2, 54-2)의 출력단들과 연결되는 2개의 입력단들과, 상기 제1의 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 34-2, 44-1, 54-1)의 출력단들 중 어느 하나와 연결되는 제1 출력단을 구비하는 하나 이상의 제1의 2차 DC/DC 컨버터(26-1, 36-1, 46-1, 56-1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2의 1차 DC/DC 컨버터(24-2, 34-1, 44-2, 54-2)로부터 에너지를 추출하고 상기 추출한 에너지를 상기 제1의 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 34-2, 44-2, 54-2)로 전달하도록 상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(26-1, 36-1, 46-1, 56-1)가 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1의 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 34-2, 44-1, 44-3, 54-1,54-5)의 출력단들과 연결되는 2개의 입력단들과, 상기 제2의 1차 DC/DC 컨버터(24-2, 34-1, 44-2, 54-2,54-4)의 출력단들 중 어느 하나와 연결되는 제1 출력단을 구비하는 제2의 2차 DC/DC 컨버터(26-1, 36-1 , 46-2, 46-3, 56-1 ,..., 56-5)를 포함하고, 상기 제2의 2차 DC/DC 컨버터(26-1, 36-1 , 46-2, 46-3, 56-1 ,..., 56-5)는 상기 제1의 1차 DC/DC 컨버터(24-1 , 34-2, 44-1 , 44- 3, 54-2,..., 54-4)로부터 에너지를 추출하고 상기 추출한 에너지를 상기 제2의 1차 DC/DC 컨버터(24-2, 34-1, 44-2, 54-1 ,..., 54-5)로 전달하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    배터리 모듈(40-3, 50-3)의 연결을 위해 형성되는 2개의 입력단과 2개의 출력단을 구비하는 제3의 1차 DC/DC 컨버터(44-3, 54-3)를 포함하고, 상기 제3의 1차 DC/DC 컨버터(44-3, 54-3)는 제1 및 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-1, 44-2; 54-1, 54-2)와 출력 측에서 직렬 연결되되, 상기 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2, 54-2)가 직접 상기 제1 및 제3의 1차 DC/DC 컨버터(44-1, 44-3. 54-1, 54-3)와 연결되도록 직렬 연결되고, 상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1, 56-2)는 상기 제3의 1차 DC/DC 컨버터(44-3, 54-3)의 출력단과 연결되는 제2 출력단을 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1, 56-2)는, 상기 제2의 1차 DC/DC 컨버터(44-2, 54-2)로부터 에너지를 추출하고 상기 추출한 에너지를, 배터리 모듈(40-1,..., 40-3, 50-1 ,..., 50-5)의 방전에 대해서는 에너지 전달 장치의 방전 모드로 상기 제1의 1차 DC/DC 컨버터(44-1, 54-1)로 전달하고, 배터리 모듈(40-1,..., 40-3, 50-1,..., 50-5)의 충전에 대해서는 에너지 전달 장치의 충전 모드로 상기 제3의 1차 DC/DC 컨버터(44-3, 54-3)로 전달하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(26-1, 36-1, 46-1,..., 46-3, 56-1,..., 56-5)는 코일(L2), 제1 스위치(S4, S5), 및 제1 다이오드(D1, D2)를 구비하고, 상기 코일(L2)과 상기 제1 스위치(S4, S5)는 상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(26-1, 36-1, 46-1,..., 46-3, 56-1 ,..., 56-5)의 입력단들 사이에서 직렬 연결되고 상기 제1 다이오드(D1, D2)는 코일(L2)과 제1 스위치(S4, S5) 사이의 연결점과 상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(26-1, 36-1, 46-1,..., 46-3, 56-1,..., 56-5)의 상기 제1 출력단 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1, 56-2,..., 56-4)는 또한 제2 스위치(S4)와 제2 다이오드(D2)를 구비하고, 상기 제2 스위치(S4)는 상기 제1 스위치(S5) 및 상기 코일(L2)과 직렬 연결되되, 상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1, 56-2,..., 56-4)의 입력단들 사이에 직렬 연결되고, 상기 코일(L2)은 상기 제1 및 제2 스위치(S5, S4) 사이에 연결되며, 상기 제2 다이오드(D2)는 코일(L2)과 제2 스위치(S4) 사이의 연결점과 상기 제1의 2차 DC/DC 컨버터(46-1, 56-2,..., 56-4)의 상기 제2 출력단 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2, 34-1, 34-2, 44-1,..., 44-3, 54-1,..., 54-5)는 제어 신호를 위한 제어 입력단을 지니고, 제어 신호의 수신으로 상기 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2, 34-1, 34-2, 44-1,..., 44-3, 54-1,..., 54-5)의 출력단들이 상호 전기적으로 연결되고 상기 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2, 34-1, 34-2, 44-1,..., 44-3, 54-1,..., 54-5)의 입력단들 가운데 하나 이상이 전기적으로 분리되도록 상기 각각의 1차 DC/DC 컨버터(24-1, 24-2, 34-1 , 34-2, 44-1,..., 44-3, 54-1,..., 54-5)가 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 전달 장치.
  9. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 에너지 전달 장치와 다수의 배터리 모듈(20-1, 20-2, 30-1, 30-2, 40-1,..., 40-3, 50-1,..., 50-5)을 포함하는 배터리 시스템으로서, 상기 배터리 모듈은 각각 하나 이상의 배터리 셀(21-1,..., 21-n, 22-1,..., 22-n, 31-1,..., 31-n, 32-1,..., 32-n, 41-1,..., 41-n, 42-1,..., 42-n, 43-1,..., 43-n)을 지니고, 이 배터리 셀들의 배터리 전극은 상기 에너지 전달 장치의 상기 1차 DC/DC 컨버터들(24-1, 24-2, 34-1, 34-2, 44-1,..., 44-3, 54-1,..., 54-5) 가운데 하나의 컨버터의 입력단들과 풀릴 수 있게 연결되는 배터리 시스템.
  10. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 에너지 전달 장치를 포함하는 자동차.
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