KR101649755B1

KR101649755B1 - 능동 밸런싱 제어 회로 및 이의 정보 연산 처리 방법

Info

Publication number: KR101649755B1
Application number: KR1020140132749A
Authority: KR
Inventors: 김득수; 김래영
Original assignee: 주식회사 에너닉스
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-08-23
Also published as: KR20160039787A

Abstract

본 발명은 밸런싱 제어 동작에 필요한 PWM 스위칭 신호를 생성하여 주 FET 또는 보조 FET를 효율적으로 온-오프(ON-OFF) 스위칭시킬 수 있도록 하기 위한 상세한 밸런싱 제어 회로 구성 및 이의 동작 제어 메커니즘에 관한 것이다.
본 발명은 복수의 주 FET 및 보조 FET의 스위칭에 필요한 제1 도통폭 및 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 생성하는 신호생성기, 상기 신호생성기의 PWM 제어 신호을 각각 절연하여 복수개로 각기 분배하는 복수의 제1 신호절연수단 또는 제2 신호절연수단, 및 상기 신호절연수단의 출력신호를 받아 PWM 온-오프 스위칭 신호를 각각 생성하여 상기 복수의 주 FET 및 보조 FET에 각각 공급하는 스위칭 신호 발생회로로 구성된다.
또한 본 발명의 스위칭 신호 발생회로에는 비교기, 2-입력 단자형 OR 게이트 및 2-입력 단자형 AND 게이트을 포함하는 하드웨어 구성에 의해 상기 복수의 주 FET 또는 복수의 보조 FET와 같은 전자 스위치를 각각 선택적으로 스위칭시킬 수 있도록 PWM 스위칭 신호를 생성시킬 수 있고, 또 다른 실시 예로, 복수의 제1 신호절연수단으로 부터 동기 펄스신호를 각각 받아 복수의 스위칭 신호 발생회로는 각자의 마이크로컨트롤러(MCU)에 탑재된 일련의 정보 연산 처리 과정의 프로그램 수행에 의해 복수의 주 전자 스위치 또는 보조 전자 스위치를 각각 선택적으로 온-오프 스위칭할 수 있다.

Description

능동 밸런싱 제어 회로 및 이의 정보 연산 처리 방법{ACTIVE BALANCING CONTROL CIRCUIT and INFORMATION CALCULATING PROCESSING METHOD THERE OF}

본 발명은 전기 에너지를 저장할 수 있는 수단인 에너지저장장치의 충전 불균형 상태를 균일화(밸런싱)하기 위하여 구성회로 부품 수를 최소화될 수 있는 밸런싱 제어 회로의 상세 구성 및 이의 정보 연산 처리 방법에 관한 것이다. 여기서 「배터리」는 전기 에너지를 저장할 수 있는 수단인 「에너지저장장치」와 같은 넓은 의미로 해석되어야 하고 2차 전지 및 수퍼 콘덴서를 포함한다.

최근 화석연료를 줄이고 친환경적 연료를 사용해야 하는 사회적 요구에 따라 친환경적인 자동차인 전기자동차 및 배터리 에너지저장시스템(BESS)에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 리튬이온 배터리는 저장 용량 또는 시스템 전압을 확장하기 위해서 수백 여개의 단위 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 사용하게 되는데, 이렇게 직렬로 연결된 배터리들은 전기적 또는 구조적으로 각각 특성이 다르기 때문에 사이클 충방전 사용중에 직렬 연결된 복수개의 배터리들 사이에 전하 불균일 현상이 일어날 수 있고, 이러한 불균일 현상은 배터리 전체의 수명을 감소시키고 과충전시 화재나 폭발의 위험성을 가진다.

따라서 모든 배터리(에너지저장장치) 단위 셀간의 밸런싱(전압 균일화)을 유지하고, 이의 충전전압 및 용량의 불일치 현상을 가능한 한 빨리 줄이기 위해서 능동 밸런싱(Active Balancing) 장치가 요구되는 데, 이러한 밸런싱 장치는 직렬 연결된 배터리(에너지저장장치)마다 마그네틱 소자, 캐패시터 및 전자 스위치(트랜지스터, IGBT 및 FET 소자 등의 electronic switch)를 직렬 또는 병렬 형태로 연결하여 밸런싱 장치의 회로를 구성하게 된다.

도 1은 종래의 배터리(에너지저장장치)의 밸런싱 회로의 예를 보여 주고 있다. 종래의 능동형 밸런싱 회로는 복수의 권선을 가진 변압기의 자기적 결합에 의해 높게 충전된 셀에서 낮게 충전된 셀로 전하가 이동되는 경로 및 제어 방법을 제시하고 I/O 포트가 많은 고가의 마이크로프로세서(CPU), 센싱부, 스위치 구동회로 등과 같은 회로 블럭들이 연결되어 있는 개략적인 구성만을 제시하고 있으며, 능동 밸런싱을 효과적으로 실시할 수 있는 밸런싱 제어 회로의 상세한 구성 및 이의 동작 메커니즘에 대하여는 제시하지 못하고 있다.

따라서 이와 같은 개략적인 회로 구성 조합으로는 밸런싱 회로의 실질적인 제어 회로 구현이 불가능하고, 복수의 스위치가 각각 연결되는 위치마다 각 스위치 (FET)의 기준점에 대한 전위 레벨이 각각 상이하게 되므로 각 배터리 셀 회로에 연결되는 구동회로를 서로 전기적으로 절연시켜야 하는 등 이의 구성 회로가 매우 복잡하여지고 제조 가격이 높아지는 단점을 가지고 있었다.

종래 기술의 예로써 "2007년12월20일에 국내에 공개된 특허출원번호 제10-2006-0054056호, 다중 변압기의 2차 권선을 병열로 연결한 전하 균일 장치"와 같은 종래의 능동형 밸런싱 회로는, 복수의 변압기 권선과 복수의 전자 스위치의 구성에 의해 밸런싱 전류가 전달되는 충.방전 전류 경로만을 제시하고 있다.

또한, 2011년 12월 19일자로 본 출원인에 의해 대한민국에 출원되고 2013년 08월 01일자로 등록된 "특허등록번호 제10-2010-126235호, 배터리 셀 밸런싱 및 이의 방법"의 특허는 복수의 권선을 가진 변압기를 이용하여 각 배터리 셀 또는 각 배터리 모듈 간에 불균일한 에너지가 직접 전달되어 지는 밸런싱 장치 및 이의 방법을 제시하고 있다. 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 전달(충전)되는 주 전력회로(Main Power Circuit)의 구성 및 이의 밸런싱 방법이 제시되어 있음을 알 수 있다.

그러나 전술한 바와 같이 종래의 문헌 등에서 소개되고 있는 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀을 능동적으로 균일화할 수 있는 밸런싱 회로들은, 도 1에 표시된 바와 같이, 제어 또는 보호 회로에 대하여 상세한 구현 회로나 방안을 제시하지 못하고 있고, 출력I/O 포트가 많은 고가의 마이크로프로세서, 센싱부, 스위치 구동회로 등과 같이 개략적 회로 구성만으로 구성되어 있다.

이와 같은 개략적 회로 구성을 바탕으로 공지된 기술 내용들을 추가하여 복수개 배터리 셀에 대해 공동으로 사용되는 마이크로프로세서(CPU)로부터 복수개의 배터리 셀에 대한 PWM 스위칭 제어 신호를 생성할 수 있는 밸런싱 제어 회로를 실시할 수는 있으나, 복수개의 배터리 셀에 각각 연결되는 복수의 스위치 소자(FET)는 연결되어 있는 기준점의 전위 레벨이 각각 상이하므로 각 스위치에 공급되는 게이트 신호가 전기적으로 분리되어야 하고, 이에 따라 각 스위치 구동회로마다 고가의 DC/DC 컨버터(절연된 전원)이 필요하는 등, 이와 같은 종래의 밸런싱 제어 회로 구성으로는 적절한 제어 회로의 실현가 불가하거나 구성 회로가 매우 복잡하여 제조 원가가 높아질 수 있는 단점을 가진다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 없애기 위하여 창출된 것으로서, 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀 회로마다 음극 단자를 접지로 하는 별개의 제어전원을 배치하고, 상기 제어전원으로 동작하는 비교기, AND, OR 게이트 로직 회로 또는 출력I/O 포트가 매우 적은 저가의 마이크로컨트롤러(MCU)를 채택하여 로직 레벨의 PWM 스위칭 제어신호를 생성하고 이를 직접 각 FET에 인가되게 구현됨으로써, 각 스위치의 구동회로마다 절연된 고가의 DC/DC 컨버터 전원이 불필요하고 또한 구성회로 부품 수를 최소화될 수 있는 상세한 밸런싱 제어 회로를 제공하는 데 있다.

또한, I/O 수가 적은 저가의 마이크로컨트롤러(MCU)를 채택하면서도, 배런싱 제어 과정에서 유사시의 오작동 신호에 따라 변압기 자속의 포화로 발생할 수 있는 주 스위치의 과전류 또는 단락 현상 및 이상 동작이나 부품의 고장 등으로 기인한 주 전력회로 부품의 소손을 미리 방지할 수 있는 보호 동작 기능을 별도의 하드웨어 회로를 추가하지 않고 용이하게 구현할 수 있다.

본 발명은, 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀마다 단일 철심 변압기에 상호간 동일 극성으로 형성되는 복수의 1차 권선과 복수의 전자 스위치가 각각 직렬로 배치되는 에너지저장장치의 밸런싱 제어 장치에 있어서, 복수개의 배터리 셀들이 상호 직렬 연결되어 구성되는 배터리 시스템(스트링)에 대한 밸런싱 제어 회로의 세부적 기술 구성 및 이의 작동 메커니즘을 제시하고 효율적인 밸런싱 효과를 실현할 수 있는 목적을 가진 것으로서,

상기 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀의 음극 또는 양극 단자에 일단이 각각 연결되는 복수의 1차 권선; 상기 1차 권선의 다른 일단에 드레인 단자가 각각 연결되고, 상기 배터리 셀의 다른 일단에 소스 단자가 각각 연결되는 복수의 FET; 상기 복수의 FET 스위칭을 위해 동일한 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 생성하거나, 복수의 PWM 제어 신호를 각각 동기되게 생성하는 데 필요한 동기 펄스신호를 생성하는 신호생성기; 상기 신호생성기의 출력신호를 절연하여 복수개로 각각 분배하는 복수의 신호절연수단; 및 상기 각 배터리의 음극 단자에 그라운드(-)가 각각 연결되고, 동일한 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호를 생성하여 상기 복수의 FET에 각각 인가하는 스위칭 신호 발생회로;를 포함한다.

또한 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀마다 단일 철심 변압기에 상호간 동일 극성으로 형성되는 복수의 1차 권선과 복수의 전자 스위치가 각각 직렬로 배치되고, 상기 복수의 1차 권선의 양단에 또 다른 전자 스위치 및 인덕터가 직렬 형태로 각각 더 배치되는 에너지저장장치의 밸런싱 제어 회로에 있어서,

상기 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀의 음극 단자에 소스 단자가 각각 연결되고 드레인 단자는 상기 1차 권선의 일측 단자에 각각 연결되는 복수의 N 채널형 FET; 상기 배터리의 양극 단자에 소스 단자가 각각 연결되고 드레인 단자는 상기 인덕터를 통해 상기 N 채널형 FET의 드레인 단자에 각각 연결되는 복수의 P 채널형 FET; 및 상기 복수의 배터리의 음극 단자에 제어전원의 그라운드(-)가 각각 연결되고, 상기 N 채널형 FET에 제1 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하고 P 채널형 FET에 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하는 스위칭 신호 발생회로;를 포함한다.

또한, 상기 복수개의 배터리의 양극 단자에 소스 단자가 연결되고 드레인 단자는 상기 1차 권선의 일측 단자에 각각 연결되는 복수의 P 채널형 FET; 상기 배터리 셀의 음극 단자에 소스 단자가 연결되고, 드레인 단자가 상기 인덕터를 통해 상기 P 채널형 FET의 드레인 단자에 각각 연결되는 복수의 N 채널형 FET; 및 상기 복수의 배터리 셀의 음극 단자에 제어전원의 그라운드(-)가 각각 연결되고, 상기 P 채널형 FET에 제1 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하고 N 채널형 FET의 게이트에 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하는 스위칭 신호 발생회로;를 포함한다.

또한 상기에서 제어전원으로 최하단의 배터리 셀 전압을 직접 사용할 수 있으나, 복수의 배터리의 음극에 그라운드 단자가 연결되고 상기 배터리 셀 전압을 각각 입력받아 상기 복수의 FET의 구동전압을 각각 제공하거나 제어회로에 제어전압을 각각 공급하는 복수의 정전압 조절수단을 더 포함할 수 있다.

또한 상기에서 복수의 FET의 스위칭에 필요한 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 생성하거나, 상기 스위칭 신호 발생회로에서 복수의 PWM 스위칭 신호가 서로 동기되게 하는 데 필요한 동기 펄스신호를 생성하는 신호생성기; 및 상기 신호생성기의 출력신호를 절연하여 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로 측으로 각각 분배하는 복수의 신호절연수단; 을 더 포함한다.

또한 상기에서 스위칭 신호 발생회로는, 상기 배터리 셀 전압과 1차 권선 전압을 비교하는 비교기; 상기 N 채널형 FET 소자에 PWM 스위칭 신호를 제공하는 AND 게이트; 및 상기 P 채널형 FET 소자에 PWM 스위칭 신호를 제공하는 OR 게이트 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

또한 상기에서 복수의 신호절연수단은, 입력단과 출력단이 각각 분리되는 광절연기, 자기결합 또는 정전용량결합식의 디지털 분리기, 또는 이와 유사한 기능을 제공하는 직접 회로 소자 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 입력단은 서로 직렬 또는 병렬로 구성되어 각각 연결되고 출력단은 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로에 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 각각의 정전압 조절수단은, ATT3100 상용 모델과 같은 충전 펌프(Charge Pump) 방식의 집적회로; 선형 전압조절 방식의 집적회로; 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식의 집적회로; 또는 여타의 방식에 의하여 이에 상응하는 전압 조절 기능을 제공하는 집적 회로;중 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로는, 복수의 마이크로컨트롤러(MCU)를 각각 포함하여 구성되고, 상기 복수의 마이크로컨트롤러는 배터리 셀의 전압(V_Bn)과 1차 권선의 유기전압(V_Wn)을 각각 비교하는 비교기 기능, AND 게이트의 기능 또는 OR 게이트의 기능 중 적어도 하나를 일련의 정보 연산 처리 과정의 프로그램 수행으로 각각 처리하는 것을 특징으로 한다.

한편, 단일 철심의 변압기에 형성된 복수의 1차 권선과 각각 직렬로 연결되는 복수의 전자 스위치를 포함하는 밸런싱 제어 회로의 정보 연산 처리 과정에 있어서,

상기 복수의 전자 스위치에게 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 복수의 PWM 스위칭 신호를 각각 출력하는 스위칭 신호 발생회로; 및 상기 복수의 PWM 스위칭 신호들을 서로 동기되게 생성하도록 동기 펄스신호를 출력하는 신호생성기를 포함하여 구성되는 데,

상기 스위칭 신호 발생회로는 일련의 정보 처리 과정의 프로그램 수행을 위한 마이크로컨트롤러(Micro Controller)를 각각 포함되어 구성되고, 상기 마이크로컨트롤러는 비교 과정, AND 연산 과정 또는 OR 연산 과정 중 적어도 하나를 포함하는 일련의 정보 처리 과정에 의한 프로그램을 각각 수행하고, 상기 처리 과정의 프로그램 수행에 의해 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호 중 어느 하나가 선택되어 각각 출력되는 정보 연산 처리 과정을 포함한다.

또한, 상기에서 각각의 마이크로컨트롤러(Micro Controller)에 의한 일련의 정보 연산 처리 과정의 프로그램은, 상기 복수의 전자 스위치가 도통되는 구간 동안 상기 복수의 배터리 셀의 전압(V_Bn)과 상기 복수의 1차 권선의 유기전압(V_Wn)의 차이 전압(V_Bn-V_Wn)을 계산하는 과정을 더 포함하고, 상기 프로그램의 수행으로 일련의 정보 처리 계산 결과인 차이 전압(V_Bn-V_Wn)이 미리 정해진 제1 기준치 이상이면 제1 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 각각 출력되는 반면, 미리 정해진 제1 기준치 이하이면 제2 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 각각 출력되는 정보 연산 처리 과정을 더 포함한다.

또한 상기에서 복수의 마이크로컨트롤러(Micro Controller)에 의해 처리되는 일련의 정보 처리 과정은 상기 복수의 전자 스위치가 도통(ON)되는 구간 동안 상기 복수의 전자 스위치의 드레인 단자 전압과 소스 단자 전압의 차이 전압을 계산하는 과정을 포함하는 프로그램 수행을 더 포함하고, 상기 처리 과정의 프로그램 수행을 통해 상기 전자 스위치의 드레인과 소스 단자간 전압 신호가 전자 스위치의 도통(ON) 구간 동안에 미리 정해진 제2 기준치 이상이면, 상기 PWM 스위칭 신호의 생성을 정지하는 것을 특징으로 하는 정보 연산 처리 과정을 더 포함한다.

상기에서 단일 철심의 변압기의 2차측 리셋 권선과 직렬로 연결된 전류센서가 배치되는 데, 신호생성기는 일련의 정보 처리 과정의 프로그램을 수행하기 위한 또 다른 제2 마이크로컨트롤러(MCU2)를 포함하여 구성되고, 상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 전류센서에 의한 센싱 전류를 계산하는 정보 처리 과정을 포함한 프로그램을 수행하고, 상기 일련의 정보 처리 계산 과정의 프로그램 수행에 의해, 센싱 전류가 미리 정해진 제3 기준치 이상이면 상기 신호생성기의 출력이 정지되는 특징으로 하는 정보 연산 처리 과정을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 최상단에 위치한 배터리 셀의 양극 단자의 전압이 분압되어 상기 신호생성기의 제2 마이크로컨트롤러에 입력되는 데, 상기 제2 마이크로컨트롤러는 복수의 배터리 셀의 총 합계 전압을 계산하는 일련의 정보 연산 처리 과정의 프로그램을 수행하고, 상기 프로그램 수행에 의해, 일련의 정보 처리 계산 결과인 상기 총 합계 전압이 미리 정해진 제4 기준치 이하이거나 또는 미리 정해진 제5 기준치 이상이면 신호생성기의 출력이 정지되는 정보 연산 처리 과정을 특징으로 할 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 제어 회로는, 복수개의 배터리 셀 모듈마다 그라운드(-)가 해당 배터리 셀의 음극과 동일한 각자의 제어전원을 각각 배치하고, 로직 게이트나 출력I/O 포트가 매우 적은 저가의 마이크로컨트롤러(MCU)를 채택하여 로직 레벨의 PWM 구동 신호를 생성하고, 이 신호를 복수의 FET 게이트에 각각 인가되게 구현함으로써, 1) 각 스위치 구동회로마다 서로 절연되는 고가의 DC/DC 컨버터 전원이 불필요하고, 2) 구성회로 부품의 수를 최소화될 수 있어 저가격화 가능한 밸런싱 제어 회로를 제공하는 데 있다.

또한 출력I/O 포트가 매우 적은 저가의 마이크로컨트롤러(MCU)를 채택함에도, 밸런싱 제어 기능의 구현은 물론이고 제어 동작시에 필수적으로 필요한 각종 제어 보호 기능을 효과적으로 실현할 수 있는 특징을 가지게 된다.

도 1은 종래의 에너지저장장치의 밸런싱 제어 회로.
도 2는 본 발명의 주 FET를 가진 밸런싱 제어 회로.
도 3은 본 발명의 주 FET를 가진 밸런싱 제어 회로의 다른 실시 예.
도 4는 본 발명의 주 FET 및 보조 FET를 가진 밸런싱 제어 회로.
도 5는 본 발명의 주 FET 및 보조 FET를 가진 밸런싱 제어 회로의 또 다른 일 실시 예.
도 6는 본 발명의 신호절연수단이 구체적으로 도시된 밸런싱 제어 회로의 실시 예.
도 7은 본 발명의 구체적인 일 실시 예로 마이크로컨트롤러(MCU)의 입.출력신호가 도시된 세부 회로 연결도.

이하, 본 발명과 관련된 밸런싱 제어 회로에 대하여 상세하게 설명한다. 여기서 「배터리」라는 표현은 이것이 사용되어 진 전후의 문맥에 따라 배터리 시스템(스트링), 배터리 단위구룹 또는 이의 모듈, 또는 배터리 단위 셀을 의미하는 것으로 적절하게 해석될 수 있다. 또한 여기서 「배터리」는 전기 에너지를 저장할 수 있는 수단인 「에너지저장장치」와 같은 넓은 의미로 해석되어야 하고 2차 전지 및 수퍼 콘덴서를 포함한다. 또한 각 개체에 대한 단수의 표현은 이것이 사용되어 진 전후의 문맥에 따라 복수 개체를 나타내는 개념으로 적절하게 해석될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예인 밸런싱 제어 회로의 구성도를 나타낸다.

직렬로 연결된 복수개의 배터리 셀(배터리 스트링)의 각 양극과 음극 사이에 복수의 주 FET 및 상호 자기적 결합을 통해 전압이 유기되는 복수의 1차 권선이 직렬로 각각 연결되어 배치되는 밸런싱 회로에 있어서, 이에 대한 밸런싱 동작 원리 및 과정에 대해서는 이미 잘 알려져 있으므로 구체적인 설명을 생략하고, 본 발명이 가지는 밸랜싱 제어 회로의 세부 구성, 이의 기술적 요소 및 동작 메커니즘에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

미리 선정된 듀티폭을 가진 PWM 스위칭 제어신호에 의해 주 FET가 온-오프 스위칭되면 과충전되었거나 평균치보다 높은 배터리 셀이 방전되어 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀들이 밸런싱되는 데, 여기서 복수의 주 FET의 드레인 단자는 상기 복수의 1차 권선의 일단에 각각 연결되고, 상기 1차 권선의 다른 일단은 배터리 셀의 출력 단자에 각각 연결된다. 또한 상기 주 FET의 소스 단자는 상기 1차 권선이 연결되지 않는 배터리 셀의 또 다른 단자에 각각 연결되어 있다.

더욱 상세하게는, 상기 복수의 FET를 N 채널형으로 구성할 경우에는 소스 단자가 배터리의 음극 단자에 연결되고, 복수의 FET를 P 채널형으로 구성할 경우에는 소스 단자가 배터리의 양극 단자에 연결되어 진다.

도 2에 도시된 밸런싱 제어 회로는, 상기 복수개의 배터리 셀을 밸런싱하는 데 필요한 PWM 제어 신호를 각각 제공하여 주 FET(FET1, FET2, FETn)가 PWM 온-오프 스위칭 제어될 수 있도록 아래와 같은 구성 요소 및 동작 메커니즘을 포함한다.

즉, 본 발명의 밸런싱 제어 회로는 상기 복수의 FET에 필요한 동일한 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 직접 생성하거나, 상기 각 PWM 제어 신호가 동기되는 데 필요한 동기 펄스신호를 생성하는 신호생성기(100), 상기 신호생성기의 출력 신호를 절연하여 복수개로 각각 분배하는 복수의 신호절연수단(104-1, 104-2,..., 104-n), 및 상기 복수개의 각 배터리 셀의 음극에 그라운드 단자가 연결되고, 상기 신호절연수단의 출력신호로부터 동일한 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호를 생성하여 상기 복수의 FET에 각각 공급(드라이브)하는 복수의 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401-2,.... 401-n)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로(104-1, 104-2,..., 104-n)의 제어전원으로 배터리 셀(VB1, VB2,...., VBn)의 전압을 각각 직접 사용할 수 있으나, 상기 배터리 셀 전압을 각각 입력받아 생성되는 복수의 정전압 조절수단(404-1, 404-2,.., 404-n)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 정전압 조절수단(404-1, 404-2,..., 404-n)은, 상기 배터리 셀(VB1, VB2,..., VBn)의 전압을 각각 입력받아 정전압으로 승압하고 상기 복수의 주 FET 구동에 필요한 드라이브 전력 및 밸런싱 제어회로가 동작하는 데 필요한 복수의 제어전압(VC_B1, VC_B2,.., VC_Bn)을 각각 생성하고, 복수의 각 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401-2,..., 401-n)의 동작에 필요한 제어전원을 각각 공급할 수 있다. 상기 각각의 정전압 조절수단(404-1, 404-2,..., 404-n)의 그라운드 단자(GRD_B1, GRD_B2,..., GRD_Bn)에는 각 배터리 셀의 음극 단자가 연결된다.

또한, 상기 복수의 정전압 조절수단의 출력 제어전압은 상기 스위칭 신호 발생회로의 로직 레벨인 +5V인 것이 바람직하다.

또한 상기 정전압 조절수단은, ATT3100 상용 모델과 같은 충전 펌프(Charge Pump) 방식의 집적회로; 선형 전압조절 방식의 집적회로; 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식의 집적회로; 또는 여타의 방식에 의하여 이에 상응하는 전압 조절 기능을 제공하는 집적 회로;중 어느 하나를 포함하여 구성되는 것이 매우 바람직하다.

신호생성기(100)는, 배터리 팩의 양단자 전압으로부터 얻어지는 별도 독립된 전원공급기의 제어전원으로 동작될 수 있고, 또한 다른 실시 예로 배터리 중 최하단에 속한 배터리 셀(VBn)의 양극 및 음극 단자(GRD_Bn)에 연결되게 구성하여 상기 최하단의 배터리 셀(VBn) 전압을 직접 사용하거나, 상기 배터리 셀(VBn)에 속한 상기 정전압 조절수단(404-n)의 출력(VC-Bn)을 받아 동작될 수 있다.

상기 신호생성기(100)는 상기 복수의 주 FET의 스위칭 구동에 필요한 소정의 듀티폭을 가진 PWM 제어 신호를 생성하거나, 상기 각 PWM 제어 신호를 동기시키는 데 필요한 동기 펄스신호를 생성하는 역할을 하며, 설계자의 결정에 의해 I/O포트가 적은 경제적 가격의 마이크로컨트롤러(MCU)를 포함하여 구성할 수 있다.

복수의 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n)은, 상기 신호생성기(100)의 출력(신호)을 각각 절연하고 복수개로 분배하는 역할을 한다.

또한, 상기 복수의 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n)은, 자기결합이나 정전용량결합식의 디지털 분리기(Digial isolator), 광절연기(Photo Isolator), 또는 이와 유사한 기능을 제공하는 직접회로 소자 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 광절연기(Photo Isolator)는 입력측의 광다이오드 및 출력측의 광트랜지스터를 가진 직접회로를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 복수의 광다이오드가 서로 병렬 또는 직렬 형태로 연결될 수 있고, 상기 신호생성기(100)에서 만들어진 구형파 펄스 형상의 신호가 지연되거나 변형되지 않도록 반응속도가 가급적 빠른 것이 유리하다.

상기 복수의 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401-2,..., 401-n)는, 상기 복수개의 배터리 셀의 음극에 그라운드(-)가 각각 연결되고, 복수의 배터리 셀(VB1, VB2,..., VBn)의 전압 출력에 각각 연결되게 하여 해당 배터리 셀 전압을 직접 사용할 수 있으나, 상기 정전압 조절수단에서 생성된 제어전압(VC_B1, VC_B2,..., VC_Bn)으로 동작되는 것이 매우 바람직하다.

상기 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401-2,..., 401-n)는, 상기 신호절연수단(101-1, 101-2,.... 101-n)을 통해 분배되는 PWM 제어 신호로 부터 상기 복수의 주 FET(FET1, FET2,.... FETn)을 각각 온-오프 스위칭시킬 수 있는 PWM 스위칭 신호를 생성시키는 역할을 한다.

또한, 상기 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401-2,..., 401-n)는 출력단이 게이트 또는 버퍼로 구성될 수 있고, 상기 PWM 스위칭 신호는 로직 레벨의 드라이브 신호로써 주 FET(FET1, FET2, FETn)를 효율이 높게 온-오프(ON-OFF) 스위칭시킬 수 있게 된다.

상기 신호생성기(100)에서 상기 복수의 주 FET의 스위칭 구동에 필요한 소정의 듀티폭을 가진 PWM 제어 신호를 생성할 경우에는, 상기 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401-2,..., 401-n)는 상기 PWM 제어 신호를 전류 증폭하거나 버퍼링하는 기능만을 가질 수 있으면 바람직할 것이다.

한편, 상기 신호생성기(100)의 기능을 간략화하기 위한 또 다른 실시 예로, 상기 신호생성기(100)가 소정의 온 듀티폭을 가진 PWM 제어 신호를 직접 생성(출력)하지 않을 경우에는, 상기 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401- 2,..., 401-n)는 소정의 듀티폭을 가진 PWM 제어 신호를 직접 생성할 수 있는 기술 요소 또는 기능을 더 포함하여 회로가 구성되어야 할 것이다.

현실적으로는, 상기 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401- 2,..., 401-n)는, 수개의 I/O포트를 가진 경제적 가격의 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용함으로써 요구되는 소정의 듀티폭을 형성할 수 있게 되고, 상기 신호생성기(100)로 부터 동기 펄스신호를 받아 상기 각 PWM 제어 신호들이 서로 동기될 수 있도록 용이하게 구성할 수 있으며, 더불어 상기 마이크로컨트롤러(MCU)에서 밸런싱 회로의 보호 동작 제어에 필요한 추가적 기능을 수행할 수 있도록 구현될 수 있다.

또한 다른 실시 예로, 도 2에서 우측 상부에 타원으로 도시된 바와 같이, 상기 복수의 FET가 P 채널형으로 선택되어 상기 P 채널형 FET의 소스 단자가 배터리의 양극에 연결되고 드레인 단자가 상기 1차 권선의 일단에 연결되는 구성의 경우에는, 상기 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401-2,..., 401-n)의 출력이 Low 신호가 될 때 상기 P 채널형 FET가 각각 도통되는 형태의 부논리 동작 메커니즘을 갖도록 구현되어야 하고, 이와 같이 구성하여 상기 P 채널형 FET의 동작 특성 및 회로 연결 구성에 맞게 온-오프 스위칭 제어될 수 있을 것이다.

도 3은 또 다른 실시 예로, 도 2의 밸런싱 제어 회로에서 각 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n)이 직렬로 연결되어 지는 구체적인 예를 보여 주며 신호절연수단을 제외한 이외의 회로 구성 및 동작 메커니즘은 도 2와 동일하다.

복수의 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n)은, 자기결합 또는 정전용량 결합식의 디지털 분리기(Digital isolator), 광절연기(Photo Isolator) 또는 이와 유사한 기능을 제공하는 직접회로 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

또한 여기서 상기 복수의 광절연기(Photo Isolator)는, 입력측에 광다이오드와 출력측에 광트랜지스터를 가진 직접회로인 것이 바람직하며, 상기 각 광다이오드들이 저항(501)을 통해 순방향으로 전류가 흐르도록 서로 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.

또한 상기 저항(501)은 순방향 전류가 적정하게 흐르도록 제한하는 역할을 하게 되며 직렬 연결된 배터리 셀의 개수에 따라 적정한 전류가 흐르도록 선정될 수 있다. 또한 상기 저항(501)은 상기 각 광다이오드의 중간이나 최하단에 직렬 형태로 삽입하여도 이들의 기술적 효과는 동일하다.

여기서 신호절연수단(101-1, 101- 2,.... 101-n)의 출력 측 광트랜지스터가 콜렉터 개방형(Collector Open)인 경우에는, 콜렉터(Collector) 단자를 상기 저항(502-1, 502-2,.., 502-n)을 통해 제어전원의 출력에 각각 연결시켜 상기 신호절연수단의 출력신호가 스위칭 신호 발생회로(401-1, 401- 2,.... 401-n)에 각각 입력되게 구성할 수 있다.

한편, 본 발명의 도 3에서는 상기 신호생성기(100)의 출력단은 저항(501)을 거쳐 최상단의 신호절연수단(101-1)의 광다이오드 양극에 연결되고, 광다이오드 음극은 중간에 배치된 신호절연수단(101-2,....)의 광다이오드 양극에 직렬로 각각 연결되고, 이어서 최하단의 배터리 셀(VBn)에 배치된 신호절연수단(101-n)의 광다이오드 음극은 상기 신호생성기(100)의 그라운드 단자에 연결되게 도시되어 있으나, 또 다른 실시 예로 입력측 광다이오드를 병렬 연결 형태로 용이하게 변형이 가능하다.

이와 같은 신호 연결 구조를 통해, 최상단 배터리 셀(VB1)의 스위칭 신호 발생회로(401-1) 출력은 주 FET(FET1)을 스위칭하는 데 필요한 로직(논리) 레벨의 구동(드라이브) 신호를 생성할 수 있고 주 FET(FET1)의 게이트에 공급되며, 다음 배터리 셀의 스위칭 신호 발생회로(401-2,..., 401-n) 출력은 해당 주 FET(FET2,.., FETn)의 게이트에 각각 공급되게 구성되는 것이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예로, 도 2 내지 도 3에 표시된 주FET 이외에 보조 FET를 더 가진 밸런싱 회로에 대한 제어 회로 구성을 나타낸다.

도 4는 밸런싱 제어 효과를 더 상승시킬 목적으로 주 FET(11)를 포함하되, 추가적으로 상기 복수의 1차 권선(21-1, 21-2,..., 21-n)의 양단에 보조 FET(12) 및 인덕터(14)가 직렬 형태로 연결되게 더 배치되는 배터리의 밸런싱 회로에 있어서, 밸런싱 제어 동작에 필요한 PWM 스위칭 신호를 생성하여 N 채널형인 주 FET(11) 또는 P 채널형인 보조 FET(12)를 효율적으로 온-오프(ON-OFF) 스위칭시킬 수 있는 밸런싱 제어 동작 메커니즘 및 이의 상세한 제어 회로 구성을 보여준다.

즉, 도 4 실시 예는 상기 복수의 주 FET(11) 및 보조 FET(12)의 스위칭 제어에 필요한 제1 도통폭 및 제2 도통폭을 가진 2종의 PWM 제어 신호를 생성하는 신호생성기(100), 상기 신호생성기의 출력인 PWM 제어 신호들을 각각 절연하여 복수개로 분배하는 복수의 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 및 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,..., 102-n), 및 상기 복수의 배터리 셀의 음극 단자에 제어전원의 그라운드(-)가 각각 연결되고, 상기 신호절연수단의 출력신호를 받아 제1 도통폭 및 제2 도통폭을 가진 PWM 온-오프 스위칭 신호를 각각 생성하여 상기 복수의 주 FET(11) 및 보조 FET(12)에 공급하는 스위칭 신호 발생회로(402-1, 402-2,..., 402-n)로 구성되어 있다.

또한 상기 각 배터리의 음극 단자에 그라운드 단자가 각각 연결되고, 상기 배터리 셀 전압을 입력받아 상기 복수의 FET에 구동전압을 각각 제공하거나 제어전압을 각각 공급하는 복수의 정전압 조절수단(404-1, 404-2,.., 404-n)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

도 2 내지 도 3에서와 같이, 신호생성기(100)는 배터리 스트링의 양단 전압으로 부터 생성되는 별도의 독립 제어전원으로 동작될 수 있으며, 이와 달리 배터리 스트링 중 최하단에 속한 배터리 셀(VBn)의 양극 및 음극 단자에 연결되게 구성하여 상기 배터리 셀(VBn) 전압으로 동작되거나, 최하단의 배터리 셀(VBn)에 속한 정전압 조절수단(404-n)의 출력을 받아 동작될 수 있다.

또한, 상기 신호생성기(100)는 상기 복수의 주 FET(11) 및 보조 FET(12)의 스위칭 구동에 필요한 소정의 제1 도통폭 및 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호 2종을 생성하는 역할을 하며, I/O포트가 적은 경제적 가격의 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하여 이를 구현하는 것이 현실적으로 바람직할 수 있다.

복수의 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,.... 101-n) 및 복수의 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,... 102-n)은, 상기 신호생성기(100)의 출력(신호)을 절연하여 복수개로 각각 분배하는 역할을 한다.

상기 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n, 102-1, 102-2,..., 102-n)은, 광절연기(Photo Isolator)이거나, 자기결합식 또는 정전용량결합식의 디지털 분리기(Digital isolator), 또는 이와 유사한 기능을 제공하는 직접회로 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

또한 상기 광절연기(Photo Isolator)는 입력측의 광다이오드 및 출력측의 광트랜지스터를 가진 직접회로를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 신호생성기(100)에서 만들어진 구형파 또는 펄스 형상의 신호가 지연되거나 변형되지 않도록 반응속도가 빠른 것이 유리하다.

또한 도 4의 일 실시 예에서는 상기 신호생성기(100)의 입력단이 병렬 형태로 연결되어 상기 신호생성기(100)의 신호가 분배되는 회로 연결 구조를 보여주고 있으며, 이와 같이 병렬 형태로 연결되는 구성은 광절연기, 자기결합식 또는 정전용량결합식의 디지털 분리기(Digital isolator)에 대하여 적용될 수 있다.

한편, 상기 신호생성기(100)가 광절연기(Photo Isolator)를 포함하여 구성된 경우에는, 도 3에서 설명한 바와 같이, 상기 광절연기(Photo Isolator)의 입력측 다이오드가 서로 직렬 형태로 연결되는 것이 바람직하다.

상기 복수의 정전압 조절수단(404-1, 404-2,..., 404-n)은, 상기 배터리 셀 전압을 각각 입력받아 정전압으로 승압하여 상기 복수의 주 FET(11) 및/또는보조 FET(12)의 구동에 필요한 전력 및/또는 밸런싱 제어회로가 동작하는 데 필요한 제어전압(VC_B1, VC_B2,.., VC_Bn)을 생성한다. 상기 각 정전압 조절수단(404-1, 404-2,..., 404-n)의 그라운드(-) 단자는 도 2 내지 도 3과 같이 각 배터리 셀의 음극(GRD_B1, GRD_B2,..., GRD_Bn)에 각각 연결되게 구성하는 것이 바람직하다.

또한 도 2 내지 도 3에서와 같이 상기 복수의 정전압 조절수단의 각 출력전압은 상기 스위칭 신호 발생회로의 로직 레벨인 +5V인 것이 바람직하고 상용 소자인 T3100와 같은 충전 펌프 집적 회로 또는 이와 유사한 집적 회로로 구성하는 것이 제조 가격을 절감할 수 있으므로 매우 바람직할 것이다.

또한, 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,..., 403-n)는, 도 2 또는 도 3의 실시 예에서 같이, 상기 복수의 배터리 셀(VB1, VB2,..., VBn)에 속한 정전압 조절수단(404-1, 404-2,..., 404-n)에서 생성된 제어전압(VC_B1, VC_B2, ...., VC_Bn)의 출력을 받아 각각 동작되는 것이 밸런싱 성능 개선을 위해 바람직할 것이나, 설계자의 경제성 판단에 따라 상기 복수의 배터리 셀(VB1, VB2,..., VBn)의 전압을 직접 사용할 수도 있다.

상기 스위칭 신호 발생회로(402-1, 401-2,...., 402-n)는, 상기 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 및 복수의 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,..., 102-n)을 통해 각각 분배되는 2종의 PWM 제어 신호를 각각 전달받아 상기 복수의 주 FET(11) 또는 복수의 보조 FET(12)를 선택적으로 스위칭(온-오프 도통)시킬 수 있도록 로직 레벨의 PWM 스위칭 신호를 각각 생성시키는 역할을 한다.

상기 복수의 스위칭 신호 발생회로(402-1, 401-2,..., 402-n)의 각 구성 및 동작 메커니즘은 서로 동일하므로, 이하에서는 최상단 배터리 셀(VB1)에 연결된 스위칭 신호 발생회로(402-1)를 기준으로 예를 들어 상세히 설명키로 한다.

상기 스위칭 신호 발생회로(402-1)는, 비교기(203-1, Comparator), OR 게이트(205-1) 및 AND 게이트(204-1)를 포함하여 구성되고, 상기 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀의 음극에 그라운드 단자가 각각 연결된다.

제1 신호절연수단(101-1)에서 상기 주 FET(11)의 스위칭 구동에 필요한 소정의 제1 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 출력된다. 상기 비교기(203-1)는 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선(21-n)의 유기전압(VWn)을 비교하여 이들의 차이 전압(VBn-VWn)이 영(0) 이상인 경우에는 High 신호를 출력한다. 상기 제1 도통폭을 가진 PWM 제어 신호는 상기 비교기(203-1)의 출력과 함께 2-입력 단자형 AND 게이트(2-input AND gate, 204-1)에 입력된다. 따라서 상기 비교기(203-1)의 출력이 High 신호일 때 제1 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 주 FET(11)의 게이트에 High 상태로 인가되고 상기 제1 도통폭을 가진 정논리 형태의 PWM 제어 신호에 따라 주 FET(11)는 온-오프 스위칭되게 된다. 즉, 주 FET(11)가 N 채널형 이므로 PWM 제어 신호가 정논리 형태인 High 신호일 때, 주 FET(11)이 도통(ON)되는 것이다,

또한 제2 신호절연수단(102-1)에서 상기 부 FET의 스위칭 구동에 필요한 소정의 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 출력된다. 상기 비교기(203-1)는 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선(21-n)의 유기전압(VWn)을 비교하여 이들의 차이 전압(VBn-VWn)이 영(0)보다 적을 경우에 Low 신호를 출력한다. 상기 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호는 NOT 게이트(206-1)을 거쳐 반전되어 상기 비교기(203-1)의 출력과 함께 2-입력 단자형 OR 게이트(205-1)에 입력된다. 따라서 상기 비교기(203-1)의 출력이 Low 신호일 때 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 보조 FET(12)의 게이트에 Low 신호로 인가되고, 보조 FET(12)는 P 채낼형이므로 게이트 신호가 Low가 되면 도통되게 된다. 즉, 상기 제2 도통폭을 가진 부논리 형태의 PWM 제어 신호에 따라 보조 FET(12)는 온-오프 스위칭될 수 있게 되는 것이다.

한편 제2 신호절연수단(102-1)에서 제2 도통폭의 PWM 제어 신호가 부논리 신호 상태로 출력된다면, 상기 NOT 게이트(206-1)를 배치하지 않아도 될 것이므로 회로 구성이 간단하여 질 수 있다.

도 5은 본 발명의 다른 실시 예로, 도 4 에 표시된 주 FET와 보조 FET가 대칭으로 서로 연결이 바뀌어 구성된 에너지저장장치의 밸런싱 제어 회로를 나타낸다.

도 5는, 주 FET(31)을 포함하되 밸런싱 제어 기능을 더 상승시킬 목적으로 상기 복수의 1차 권선(21-1, 21-2,..., 21-n)의 양단에 추가적으로 보조 FET(32) 및 인덕터(14)가 직렬 형태로, 도 4와 비교할 때, FET(31) 와 보조 FET(32)의 위치가 서로 반대 위치로 배치되는 에너지저장장치의 밸런싱 회로에 있어서, 이의 밸런싱 제어 동작에 필요한 PWM 스위칭 신호를 생성하고 주 FET(31) 및 보조 FET(32)를 효율적으로 온-오프(ON-OFF) 스위칭시킬 수 있는 동작 제어 메커니즘 및 이의 상세한 회로 구성을 보여준다.

즉, 도 5의 실시 예는 상기 복수의 P 채널형인 주 FET(31) 및 N 채널형인 보조 FET(32)의 스위칭 제어에 필요한 제1 도통폭 및 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 각각 생성하는 신호생성기(100), 상기 신호생성기의 출력인 PWM 제어 신호을 각각 절연하여 복수개로 분배하는 복수의 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 및 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,..., 102-n), 및 상기 각 배터리의 음극에 그라운드 단자가 각각 연결되고, 상기 신호절연수단의 출력으로부터 2종의 도통폭을 가진 PWM 온-오프 구동 신호를 생성하여 상기 복수의 주 FET(31) 또는 보조 FET(32)에 각각 공급하는 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,..., 403-n)로 구성되어 있다.

또한, 상기 각 배터리의 음극 단자에 그라운드(-)가 각각 연결되고, 상기 배터리 셀 전압을 입력받아 정전압으로 승압하여 상기 복수의 FET에 구동전압을 각각 제공하거나 제어 회로에 제어전원을 각각 공급하는 복수의 정전압 조절수단(404-1, 404-2,..., 404-n)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서 신호생성기(100) 및 복수의 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,..., 403-n)의 구성, 이들의 제어전원 회로 구성 및 이들의 역할 또는 동작 메커니즘은 도 4와 매우 유사하다.

신호생성기(100)는, 도 2 내지 도 4에서와 같이, 배터리 단위구룹 이나 스트링의 양단 전압으로 부터 얻어지는 별도의 독립된 전원으로 동작될 수 있으며, 또한 최하단에 속한 배터리 셀(VBn)의 전원을 직접 사용하거나 이와 달리 상기 최하단의 배터리 셀(VBn)에 속한 정전압 조절수단(404-n)의 출력 제어전원으로 동작될 수 있다.

상기 복수의 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,..., 403-n)의 그라운드(-)는 각 배터리 셀의 음극 단자(GRD_B1, GRD_B2,..., GRD_Bn)와 각각 연결된다.

또한 복수의 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 및 복수의 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,..., 102-n)은, 상기 신호생성기(100)의 출력(신호)을 각각 절연하여 복수개로 분배하는 역할을 한다. 다만 도 4에서는 각각의 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n, 또는 102-1, 102-2,..., 102-n)이 병렬 형태로 연결되어 있으나, 도 5의 실시 예에서는 직렬로 연결되어 지는 것이 상이하다.

복수의 신호절연수단(101-1, 101- 2,..., 101-n)은 자기결합식 또는 정전용량 결합식의 디지털 분리기 또는 광절연기(Photo Isolator) 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고 이때 이들의 입력단이 서로 병렬 형태로 연결될 수 있으나, 도 3에서 설명한 바와 같이 상기 신호생성기(100)가 광절연기(Photo Isolator)로 구성된 경우에는 상기 광절연기(Photo Isolator)의 입력측 다이오드들을 서로 직렬 형태로 연결하는 것이 매우 바람직하다.

도5 에 구체적으로 도시되어 있지 않으나, 도 3에서 이미 설명한 바와 같이 각각의 광다이오드가 저항(501)을 통해 신호 전류가 흐르도록 직렬 연결되고 최하단 신호절연수단(101-n)의 광다이오드 음극은 상기 신호생성기(100)의 그라운드 단자에 연결되어 질 수 있다. 또한 저항(501)은 상기 신호생성기(100)의 출력전류가 순방향으로 적정하게 흐르도록 제한하는 역할을 하게 되며, 상기 각 광다이오드가 직렬로 연결되어지는 연결 라인의 임의 중간이나 끝에 삽입될 수 있고 저항(501)의 규격은 직렬 연결된 배터리 셀의 수량에 맞추어 적정한 전류가 흐르도록 선정될 수 있다.

또한, 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 또는 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,.... 102-n)의 출력 측 광트랜지스터가 콜렉터 개방형(Collector Open)인 경우에는, 도 3의 실시 예에서 설명한 바와 같이, 콜렉터(Collector) 단자를 저항을 통해 제어전원의 +측에 연결하여 상기 신호생성기(100)의 출력신호가 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,.... 403-n)에 입력되게 구성할 수 있다.

이와 같은 신호 연결을 통해 상기 신호생성기(100)의 출력신호는 최상단 배터리 셀의 스위칭 신호 발생회로(403-1)에 전달되어 주 FET(31) 또는 보조 FET(32)을 스위칭하는 데 필요한 로직 레벨의 FET 구동 신호가 생성되고 해당 게이트에 연결되며, 동시에 다음 하단 배터리 셀의 스위칭 신호 발생회로(403-2,.... 403-n)에 전달되고 해당 FET의 게이트에 각각 연결되게 구성된다.

상기 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,.... 403-n)는, 상기 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 및 복수의 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,..., 102-n)을 통해 각각 분배되는 2종의 PWM 제어 신호를 전달받아 상기 복수의 주 FET(31) 또는 복수의 보조 FET(32)를 각각 선택적으로 스위칭 도통시킬 수 있도록 로직 레벨의 PWM 스위칭 신호를 생성시키는 역할을 한다.

또한 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,..., 403-n)는, 설계자의 판단에 따라, 복수의 배터리 셀(VB1, VB2,...VBn)의 전압을 각각 직접 사용할 수 있으나, 도 2 내지 도 4의 실시 예에서와 같이 상기 복수의 배터리 셀(VB1, VB2,...)에 속한 정전압 조절수단(404-1, 404-2,..., 404-n)의 출력을 받아 동작되는 것이 특성 개선을 위해 바람직하다.

또한 도 2 내지 도 4에서와 같이 상기 복수의 정전압 조절수단(404-1, 404-2,,.., 404-n)의 각 출력전압은 상기 스위칭 신호 발생회로의 로직 레벨인 +5V가 바람직하고 충전 펌프 집적 회로의 상용 소자인 ATT3100, 또는 이와 유사한 기능의 집적 회로를 포함하여 구성하는 것이 제조 원가의 절감에 매우 유리할 것이다.

상기 복수의 스위칭 신호 발생회로(403-1, 403-2,..., 403-n)의 구성은 서로 매우 유사한 것이므로, 이하에서는 배터리 셀(VB1)에 연결된 스위칭 신호 발생회로(403-1)를 기준으로 예를 들어 설명키로 한다.

상기 스위칭 신호 발생회로(403-1)는 비교기(303-1, Comparator), AND 게이트(304-1) 및 OR 게이트(305-1)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 신호절연수단(101-1)에서 상기 주 FET(31)의 스위칭 구동에 필요한 소정의 제1 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 출력되고 상기 제1 신호절연수단(101-1)의 출력은 NOT 게이트(306-1)을 거쳐 반전된다. 상기 비교기(303-1)는 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선(21-n)의 유기전압(VWn)을 비교하여 상기 배터리 셀 전압(VBn)이 상기 1차 권선(21-n)의 유기전압(VWn)의 이상인 경우에는 Low 신호를 출력한다. 상기 비교기(303-1)의 출력 및 상기 NOT 게이트(306-1)의 출력은 2-입력 단자형 OR 게이트(2-input OR gate, 305-1)에 입력된다. 따라서 상기 비교기(303-1)의 출력이 Low 일 때 제1 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 주 FET(31)의 게이트에 도통(ON) 신호로 전달되고, 상기 주 FET(31)는 P 채널형이므로 상기 제1 도통폭의 2-입력 OR 게이트의 출력이 Low가 되는 부논리 형태의 PWM 제어 신호에 따라 주 FET(31)는 온-오프 스위칭될 수 있다.

제2 신호절연수단(102-1)에서 상기 보조 FET(32)의 스위칭 구동에 필요한 소정의 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 출력된다. 상기 비교기(303-1)는 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선(21-n)의 유기전압(VWn)을 비교하여 상기 배터리 셀 전압(VBn)이 상기 1차 권선(21-n)의 유기전압(VWn)보다 작은 경우에는 High 신호를 출력한다. 상기 비교기(303-1)의 출력은 상기 제2 신호절연수단(102-1)의 출력과 함께 2-입력 단자형 AND 게이트(304-1)에 입력된다. 따라서 상기 비교기(303-1)의 출력이 High 신호일 때 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 보조 FET(32)의 게이트에 High인 도통신호로 인가되고, 상기 제2 도통폭을 가진 정논리 형태의 PWM 제어 신호에 의해 N 채널형인 보조 FET(32)가 온-오프 스위칭되는 것이다.

여기서 제1 신호절연수단(101-1)에서 생성되는 제1 도통폭의 PWM 제어 신호가 부논리 신호 형태로 출력되면, 상기 NOT 게이트(306-1)를 포함하지 않아도 될 것으므로 회로 구성에 있어 간단하게 될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예로, 도 2 내지 도 5 에서 설명한 신호절연수단의 연결을 구체적으로 나타내고 또한 상기 각 스위칭 신호 발생회로(401-1,.., 402-1,..., 403-1,.. )가 복수의 마이크로컨트롤러(MCU)로써 각각 구성될 수 있음을 보여 준다.

제1 신호절연 수단(101-1, 101-2,..., 101-n)의 직렬 연결에 대한 기술적 구성은 도 3 및 도 5의 실시 예에서 이미 구체적으로 설명한 바와 같다. 여기서 또 다른 제2 신호절연수단(102-1,...)은, 도 4 또는 도 5에서와 같이 제2 도통폭의 PWM 제어 신호를 제2 신호절연수단(102-1,...)로부터 전달받기 위해 필요한 경우에 한하여 배치된다.

도 4 내지 도 5의 실시 예에서는, 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 및 제2 신호절연수단(102-1, 102-2,..., 102-n)에서 상기 주 FET 및 보조 FET의 스위칭 구동에 필요한 제1 내지 제2의 도통폭을 가진 2종의 신호가 전달되고, 이와 같은 도통폭을 가진 신호를 이용하여 상기 비교기(203-1,.., 또는 303-1,...), 2-입력 단자형 OR 게이트(205-1,.., 또는 305-1,...) 및 2-입력 단자형 AND 게이트(204-1,... 또는 304-1)을 포함하는 하드웨어적 구성에 의해, 각 배터리 셀의 불균형 충전 상태의 판단 결과(상기 비교기의 기능)에 따라 상기 복수의 주 FET(11 또는 31) 또는 복수의 보조 FET(12 또는 32)를 선택적으로 온-오프(ON-Off) 스위칭시키는 데 필요한 PWM 스위칭 신호가 각각 생성되는 반면,

본 발명의 또 다른 실시 예인 도 6에서는, 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀마다 각각 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n) 및 소정의 정보 연산 처리 과정에 의한 프로그램을 수행하기 위해 마이크로컨트롤러(MCU, 601-1, 601-2,...,601-n)가 각각 배치되고, 상기 복수의 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,.., 601-n)가 상기 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n)으로 부터 동기 펄스신호를 받아, 일련의 정보 처리 과정의 프로그램 수행에 의해 도 4 내지 도 5에서의 비교기, AND 게이트 및/또는 OR 게이트에 의해 실시될 수 있는 각종 기능들을 각각 구현시키게 된다.

즉, 상기 복수의 마이크로컨트롤러(MCU, 601-1, 601-2,...,601-n)는, 각 배터리 셀의 불균형(충전 상태) 정도의 판단에 대한 정보 처리 과정인 비교 과정; AND 연산 과정; 또는 OR 연산 과정의 일련의 정보 연산 처리 과정;을 포함하는 프로그램 수행을 통해 복수의 주 FET 또는 보조 FET가 각각 선택적으로 온-오프 스위칭될 수 있도록 로직 레벨의 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 2종의 PWM 스위칭 신호를 발생시켜 각각의 FET 게이트에 인가(드라이브)되게 한다.

신호생성기(100)에서는, 상기 복수의 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,..., 601-n)가 소정의 정보 처리 과정을 통해 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가지는 PWM 스위칭 신호를 각각 동기되게 생성할 수 있도록 동기 펄스신호를 생성한다.

복수의 제1 신호절연수단(101-1, 101-2,..., 101-n)에서는 상기 동기 펄스신호를 상기 복수의 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,..., 601-n)에게 각각 분배한다.

상기 동기 펄스신호가 상기 각 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,..., 601-n)의 인터럽트 단자에 입력되면, 상기 복수의 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,..., 601-n)는 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가지는 각 PWM 스위칭 신호가 서로 시간적으로 동기되어 생성될 수 있도록 소정의 정보 연산 처리 과정의 프로그램 단계를 각각 수행하게 된다.

현재 상용화되어 있는 마이크로컨트롤러(MCU)는 1.8V~5.5V 전압 범위에서 원할하게 동작될 수 있는 모델이 많으므로, 설계자의 판단에 따라 상기 복수의 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,..., 601-n)는 굳이 별도의 전원을 사용치 않고 밸런싱 대상의 배터리 셀(VB1, VB2,..., VBn)을 직접 마이크로컨트롤러(MCU) 전원으로 각각 사용하여 마이크로컨트롤러(MCU)를 구동시키는 것이 바람직할 수도 있다. 근래 I/O 포트가 비교적 적은 경제적인 가격의 마이크로컨트롤러(MCU) 상용 소자들이 많이 출시되어 있으므로 이의 설계가 매우 용이하다.

한편, 도 6의 실시 예에서도 상기 복수의 주 FET 또는 보조 FET의 게이트 구동에 +5V 로직 레벨의 전원을 사용하여야 상기 FET의 효율적인 스위칭이 가능하다면, 도 2 내지 도 5에 제시된 바와 같이 정전압 조절수단(404-1, 404-2,.., 404-n)을 더 포함하는 것이 바람직할 것이다.

도 7은, 본 발명의 다른 일실시 예로, 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로가 마이크로컨트롤러(MCU, 601-1, 601-2,..., 601-n)를 포함하여 구성되고, 상기 마이크로컨트롤러(MCU)가 일련의 정보 연산 처리 과정의 프로그램을 수행할 수 있도록 이에 필요한 각 신호들이 구체적으로 연결되어 도시된 예이다.

상기 복수의 마이크로컨트롤러의 각 I/O 포트에 연산 처리될 각 신호들이 입력되고 PWM 스위칭 신호가 각기 출력되어 지는 세부 회로 연결 구성이 복수개의 배터리 셀에 대해 모두 동일하기 때문에, 이하 최하단의 배터리 셀(VBn)을 기준으로 하여 설명하기로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예로써, 주 FET가 P 채널형로 선정되는 회로 구성(도 5에 해당)의 경우를 도 7과 비교하면, 이는 도 7에서 주 스위치 와 보조 스위치 회로에 대한 연결이 서로 바뀌어 구성된 것에 해당되므로, 양자의 연결 위치를 맞바꾸고 동시에 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 PWM1 포트 출력이 주 전자 스위치의 게이트에, PWM2 포트 출력이 보조 전자 스위치의 게이트에 연결되게 각각 변경함으로써, 도 7의 회로를 적용할 수 있다.

또한, 도 2 내지 도 5의 실시 예의 밸런싱 제어 회로에서 복수의 주 FET 또는 보조 FET를 PWM 스위칭 소자인 전자 스위치로 대치한 여타의 경우에도, 아래에 설명하는 일련의 정보 연산 비교 처리 과정을 그대로 적용할 수 있다.

도 7에서 마이크로컨트롤러(601-n)의 +전원 단자(VCC)가 정전압 조절수단의 출력(VC_Bn)에 연결되어 있으나, 도 6에서 이미 설명한 바와 같이, 설계자의 판단에 따라 채택할 마이크로컨트롤러(MCU)의 클럭 속도를 고려하여 배터리 셀 (VBn) 전압을 이의 제어전원으로 직접 사용할 수도 있다.

상기 제1 신호절연수단(101-n)에서 출력되는 동기 펄스신호는 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 인터럽트 단자에 입력된다.

또한, 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선(21-n)의 유기전압(VWn)을 서로 비교하기 위해 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선의 유기전압(VWn)의 차이 전압(VBn-VWn)이 저항(707)을 거쳐 상기 마이크로컨트롤러(MCU, 601-n)의 ADC 입력단자(ADC1)에 입력된다. 여기서 다이오드(D5)의 양극이 상기 ADC 입력단자(ADC1)에 연결되고 이의 음극이 제어전원(VC_Bn)에 연결되어 있으므로 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호는 제어전원(VC_Bn)과 같게 클램핑되고 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 입력단자는 과전압이 유입되지 않게 보호된다.

또한, 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 출력포트인 PWM1 단자에서는 제1 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 생성되어 게이트 저항(705)을 거쳐 주 전자 스위치의 게이트에 인가될 수 있게 연결되고, PWM2 단자에서는 제2 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 생성되어 게이트 저항(706)을 거쳐 보조 전자 스위치의 게이트에 인가될 수 있게 연결된다.

상기 ADC 입력포트(ADC1)에 입력되는 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선의 유기전압(VWn)의 차이 전압(VBn-VWn) 신호는 상기 마이크로컨트롤러(601-n) 내부의 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에서 디지털값으로 변환되고, 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호가 주 전자 스위치가 도통되는 기간 동안에 미리 정해진 제1 기준치 이상이 되면, 다음 PWM 주기 동안에 제1 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 PWM1 포트로 출력(도 4에서 AND 게이트의 동작 기능에 해당됨)되도록 선택된다. 이때 PWM1 포트에서 신호가 출력되는 기간에는 PWM2 포트에는 출력이 동시에 나가지 못하도록 서로 인터록킹되는 것이 바람직하다.

또한 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호의 디지탈값이 상기 주 전자 스위치가 도통되는 기간 동안에 미리 정해진 제1 기준치 이하가 되면, 다음 PWM 주기 동안에 제2 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 PWM2 포트로 출력(도 4에서 OR 게이트의 동작 기능에 해당)되어 보조 전자 스위치가 온-오프 스위칭(도통)되게 선택되고, 이때 PWM1 포트에는 출력이 동시에 나가지 못하도록 PWM2 출력과 서로 인터록킹되는 것이 바람직하다.

또한, 상기에서 PWM1 포트 또는 PWM1 포트의 PWM 스위칭 신호 출력이 단시간 동안에 반복 진동(Chattering)되지 않도록, 마이크로컨트롤러(601-n)의 해당 포트에서 PWM 스위칭 신호가 일단 선택되어 출력되면, 이의 출력 상태가 다소 지속되게 다음 수차례의 PWM 주기 동안까지 연장하는 것이 바람직할 수 있다.

이와 같은 밸런싱 제어에 필요한 일련의 기능 실현 및 제어 동작 처리는 상기 복수의 마이크로컨트롤러(601-n)에 각각 탑재된 일련의 정보 처리 계산 과정의 프로그램 수행을 통해 각각 이루어진다.

상기 정보 처리 계산 과정은, 소정의 제1 도통폭 및 제2 도통폭을 가지는 구형파 신호를 각각 만드는 과정; 상기 복수의 배터리 셀의 전압(V_Bn)과 상기 복수의 1차 권선의 유기전압(V_Wn)의 차이 전압(V_Bn-V_Wn)을 계산하는 과정; 상기 차이 전압(V_Bn-V_Wn)이 미리 정해진 제1 기준치와 비교 처리하는 과정; 비교된 결과가 제1 기준치 이상이면 제1 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 선택되고 주 전자 스위치로 출력되는 과정 또는 미리 정해진 제1 기준치 이하이면 제2 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 선택되고 보조 전자 스위치로 출력되게 처리하는 과정; 및 상기 PWM 스위칭 신호가 일단 선택된 후 이 신호가 지속되도록 지연 처리하는 과정 중 적어도 하나를 포함하게 된다.

여기서 상기 차이 전압(VBn-VWn)과 제1 기준치를 비교하는 일련의 비교 연산 처리 과정은 도 4 및 도 5에서 비교기(203-1,... 또는 303-1,...)의 하드웨어 동작 기능에 해당된다.

또한, 여기서 미리 정해진 제1 기준치는 주 전자 스위치(11)의 도통 저항(Ron)값에 변압기의 자화전류 최대치를 곱한 값으로 선정되는 것이 밸런싱 제어 효과를 높이는 데 바람직할 수 있다.

또한, 복수의 각 배터리 셀이 거의 균등화되어 지는 시점에서는, 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호 내에 혼합될 수 있는 노이즈 잡음에 의해 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 PWM1 또는 PWM2 포트로 부터 출력되는 PWM 스위칭 신호가 반복적으로 교체(Chattering)되는 식으로 출력될 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호와 제1 기준치를 비교하고 PWM 스위칭 신호를 PWM1 또는 PWM2 포트로 출력하는 일련의 비교 연산 처리 과정에서 히스테리시스(hysteresis) 특성을 가지도록 처리하는 것이 더 필요할 것이다.

또한 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호에는 노이즈가 포함되어 있을 수 있으므로, 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호를 얻는 연산 처리 과정 또는 제1 기준치를 비교하는 비교 처리 과정의 전후에서 노이즈 필터링 알고리즘의 연산 처리 과정을 더 포함하는 것이 매우 바람직할 것이다.

이와 같은 일련의 정보 연산 비교 처리의 프로그램 과정은, 복수개의 배터리 셀에 연결된 복수의 주 전자 스위치(11) 또는 보조 전자 스위치(12)에 인가되는 PWM 스위칭 신호가 오류없이 선택되어 생성될 수 있게 하여 밸런싱 효과를 극대화하는 데 기여할 수 있다.

또한, 도 5의 실시 예에서와 같이 주 전자 스위치가 P 채널형 FET 인 경우 에는, 1차 권선(21-n)의 일단이 접지 단자에 공통 연결되어 있으므로, 상기 마이크로컨트롤러(601-n)의 또 다른 ADC 포트에서 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선의 유기전압(VWn)을 각각 입력받을 수 있게 배치할 수 있으며, 상기 배터리 셀 전압 (VBn)과 1차 권선의 유기전압(VWn)을 상기 마이크로컨트롤러(601-n)에서 각각 입력받아 상기 배터리 셀 전압(VBn)과 1차 권선의 유기전압(VWn)에 대한 신호의 크기를 서로 비교하는 일련의 정보 연산 비교 처리 과정을 프로그램적으로 처리할 수 있고, 이렇게 함으로써 도 5에서의 비교기(303-1, 303-2,....)의 기능을 구현할 수 있다.

한편, 상기 복수의 전자 스위치의 양단자(FET인 경우 양단자는 드레인과 소스단자에 해당됨)사이의 전압 신호가 복수의 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,..., 601-n)의 입력 ADC 포트에 각각 입력되게 배치하는 것이 매우 바람직하다.

도 4 또는 도 6의 실시 예에서는 전자 스위치인 상기 주 FET의 소스 단자가 그라운드 단자(GRD_B1, GRD_B2,..., GRD_Bn)에 각각 연결되므로, 상기 주 FET의 드레인과 소스 단자 사이의 전압 신호는 상기 ADC 입력단자(ADC1)에 입력되는 신호에 해당된다. 상기 입력신호가 주 FET의 도통(ON) 구간 동안에 미리 정해진 소정의 제2 기준치 이상이면, 상기 복수의 마이크로컨트롤러(601-1, 601-2,...,601-n)는 이에 관련된 일련의 정보 연산 비교 처리 과정을 통해 상기 PWM 스위칭 신호의 생성을 정지시키도록 하여 상기 전자 스위치의 소손을 미리 방지 보호할 수 있다.

도 7의 회로 구성에서는 전술한 바 같이, 상기 ADC 입력단자(ADC1)에 입력되는 차이 전압(VBn-VWn) 신호가 주 전자 스위치의 양단자의 전압 신호에 해당되게 되므로, 상기 차이 전압(VBn-VWn) 신호의 비교 처리 과정을 수행시에 제2 기준치와 제1 기준치와의 레벨을 서로 다르게 설정하여 처리함으로써 상기 전자 스위치의 소손 보호 동작을 실현할 수 있다.

한편, 도 7의 실시 예에서 변압기의 2차 측에 리셋 권선(22)이 배치되고 상기 리셋 권선(22)의 일단이 최하단 배터리 셀(VBn)의 음극 단자(GRD-Bn)에 연결되는 데, 변압기 자속의 리셋 전류를 센싱할 수 있도록 상기 2차 권선의 출력 회로와 배터리 셀의 라인 중간에 전류센서(23)가 배치되어 진다.

상기 변압기 자속의 리셋 전류는, 상기 변압기의 1차-2차 권선비로 환산된 복수의 1차 권선에 흐르는 전류의 합들과 동일하며, 주 전자 스위치가 도통되는 구간 동안에 직선적으로 상승되고, 정상적인 동작 상태에서 벗어나게 되면 미리 정해진 제3 기준치 이상으로 상승될 수 있다.

이러한 경우의 보호 동작을 구현하기 위해, 상기 신호생성기(100)는 일련의 정보 연산 처리 과정의 프로그램을 수행하기 위한 또 다른 제2 마이크로컨트롤러(MCU2)를 포함하여 구성될 수 있고, 또한 2차측 리셋 권선과 직렬로 연결된 전류센서(23)가 배치될 수 있다. 또한 상기 제2 마이크로컨트롤러(MCU2)의 ADC 포트(ADC5)에 상기 전류센서(23)의 전류 센싱 신호가 입력되게 구성된다.

여기서 상기 제2 마이크로컨트롤러(MCU2)는 전류센서(23)에 의한 센싱 전류를 계산하는 정보 연산 처리 과정을 포함한 프로그램을 수행하고, 상기 과정의 프로그램 수행에 의해, 센싱 전류가 미리 정해진 제3 기준치 이상이면 상기 신호생성기(100)의 출력이 정지되게 처리함으로써, 배런싱 제어회로의 이상 동작시 이의 전력 회로(Power Circuit)를 오동작으로 부터 미리 보호할 수 있다.

또한, 상기 복수개 배터리 셀의 총 합계 전압인 최상단 배터리 셀(VB1)의 양극전압을 저항(708) 및 저항(709)을 통해 분압한 후, 상기 분압된 신호를 상기 제2 마이크로컨트롤러에 입력케 구성한다.

이와 같이 상기 최상단에 위치한 배터리 셀의 양극 단자의 전압이 분압되어 상기 제2 마이크로컨트롤러(MCU2)의 또 다른 ADC 포트(ADC6)로 입력되는 데, 상기 제2 마이크로컨트롤러(MCU2)는 복수의 배터리 셀의 총 합계 전압을 계산하는 일련의 정보 처리 과정을 포함한 프로그램을 수행하고, 일련의 정보 처리 계산 과정의 프로그램 수행에 의해 상기 총 합계 전압이 미리 정해진 제4 기준치 이하이거나 또는 미리 정해진 제5 기준치 이상이면 상기 신호생성기(100)의 출력신호 생성이 정지되도록 제어 처리할 수 있다.

여기서 알 수 있는 바와 같이, 상기 신호생성기(100) 또는 복수 스위칭 신호 발생회로를 I/O 포트가 비교적 적은 경제적인 가격의 마이크로컨트롤러를 포함하여 구성할 수 있으며, 마이크로컨트롤러(MCU)의 프로그램 수행에 의해 주 전자 스위치 또는 보조 전자 스위치와 같은 2종의 전자 스위치를 용이하게 선택적으로 스위칭 구동시킬 수 있음은 물론, 본 발명의 실시 예에서 설명한 기능 이외에도 기타 여러 가지의 회로 보호 동작 제어를 구현할 수 있는 것이다.

지금까지 이해를 쉽게 하기 위한 방안으로 설명의 편의상, 배터리 밸런싱 회로의 주스위치 또는 보조 스위치를 모두 FET로 통칭하여 본 발명의 기술적 사상을 설명하였지만, 전계 효과를 이용한 트랜지스터와 같이 입력 단자(예로 게이트)의 동적 캐패시터 용량이 작고 로직 레벨의 구동 신호에 의해서 효과적으로 PWM 스위칭이 가능할 수 있는 여타의 전자 스위치에 대해서도 본 발명의 기본적 기술사상을 그대로 적용할 수 있다.

한편, 도 2 내지 도 7에서 상기 신호생성기(100)는 외부와의 직렬통신이나 로직 레벨의 디지털 신호를 통해 외부로부터 지령 신호를 받아 동기 펄스신호 또는 소정의 도통폭을 가지는 PWM 제어 신호를 발생케 하거나 정지시킬 수 있으며, 이때 외부로부터의 지령 신호는 UART, SPI 또는 I2C와 같은 직렬통신에 의한 것이거나 로직 레벨의 디지털 신호일 수 있다.

본 발명의 산업적 이용 효과를 높이기 위해서, 본 발명의 일 실시 예로 제시된 이와 같은 상기 구체적 밸런싱 제어 회로 구성이나 프로그램 수행 단계에 한정하지 않고, 본 발명에서 제시된 기술적 핵심 개념을 다소 변형하여 사용될 수 있음은 물론이다.

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.

100 신호생성기.
101-1, 101- 2,.... 101-n 제1 신호절연수단.
102-1, 102-2,..., 102-n 제2 신호절연수단.
401-1,.. 401-n, 402-1,... 402-n, 403-1,... 403-n 스위칭 신호 발생회로
404-1, 404- 2,.... 404-n 정전압 조절수단.
VB1, VB2,... 배터리 셀,
FET1, FET2,.. FETn, 11, 31 주 FET, 12, 32 보조 FET.
203-1, 203-2,..., 303-1, 303-2,.... 비교기.
205-1,.. 305-1,.. 2-입력 단자형 OR 게이트.
204-1, 204-2,..., 304-1, 304-2,.... AND 게이트.
601-1, 601-2,...,601-n 마이크로컨트롤러(MCU).
21-1, 21-2,....21-n 1차 권선
22 리셋 권선, 23 전류센서.

Claims

복수개의 배터리 셀이 서로 직렬 연결되고, 단일 철심 변압기에 형성되는 복수의 1차 권선과 복수의 FET가 서로 각각 직렬 연결되고, 서로 직렬로 연결된 상기 복수의 1차 권선과 FET가 상기 복수개의 배터리 셀에 각각 병렬 연결되는 에너지저장장치의 밸런싱 제어 회로에 있어서,
상기 복수개의 배터리 셀의 음극 또는 양극 단자에 일단이 각각 연결되는 복수의 1차 권선;
상기 복수의 1차 권선의 다른 일단에 드레인 단자가 각각 연결되고, 소스 단자는 상기 배터리 셀의 또 다른 단자에 각각 연결되는 복수의 FET;
상기 복수의 FET 구동을 위해 동일한 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 출력하거나, 복수의 PWM 제어 신호를 서로 동기시키는 데 필요한 동기 펄스신호를 출력하는 신호생성기;
상기 신호생성기의 출력신호을 절연하여 복수개로 각각 분배하는 복수의 신호절연수단; 및
상기 복수의 FET에 동일한 도통폭을 가진 로직 레벨의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하는 복수의 스위칭 신호 발생회로;를 포함하고,
상기 스위칭 신호 발생회로의 그라운드(-)는 상기 복수개의 배터리 셀의 음극에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
복수개의 배터리 셀이 서로 직렬 연결되고, 단일 철심 변압기에 형성되는 복수의 1차 권선과 복수의 N 채널형 FET가 서로 각각 직렬 연결되고, 서로 직렬로 연결된 상기 1차 권선과 N 채널형 FET가 상기 복수개의 배터리 셀에 각각 병렬 연결되고, 상기 복수의 1차 권선의 양단에 P 채널형 FET 및 인덕터가 직렬 형태로 각각 배치되는 에너지저장장치의 밸런싱 제어 회로에 있어서,
상기 복수개의 배터리 셀 음극 단자에 소스 단자가 각각 연결되고, 드레인 단자는 상기 1차 권선의 일측 단자에 각각 연결되는 복수의 N 채널형 FET;
상기 복수개의 배터리 셀 양극 단자에 소스 단자가 각각 연결되고, 드레인 단자는 상기 인덕터를 거쳐 상기 N 채널형 FET의 드레인 단자에 각각 연결되는 복수의 P 채널형 FET; 및
상기 복수의 N 채널형 FET에 제1 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하고 상기 복수의 P 채널형 FET에 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하는 복수의 스위칭 신호 발생회로;를 포함하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
복수개의 배터리 셀이 서로 직렬 연결되고, 단일 철심 변압기에 형성되는 복수의 1차 권선과 복수의 P 채널형 FET가 서로 각각 직렬 연결되고, 서로 직렬로 연결된 상기 1차 권선과 P 채널형 FET가 상기 복수개의 배터리 셀에 각각 병렬 연결되고, 상기 복수의 1차 권선의 양단에 N 채널형 FET 및 인덕터가 직렬 형태로 각각 배치되는 에너지저장장치의 밸런싱 제어 회로에 있어서,
상기 복수개의 배터리 셀 양극 단자에 소스 단자가 각각 연결되고, 드레인 단자는 상기 1차 권선의 일측 단자에 각각 연결되는 복수의 P 채널형 FET;
상기 복수개의 배터리 셀 음극 단자에 소스 단자가 각각 연결되고, 드레인 단자는 상기 인덕터를 거쳐 상기 P 채널형 FET의 드레인 단자에 각각 연결되는 복수의 N 채널형 FET; 및
상기 복수의 P 채널형 FET에 제1 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하고 상기 복수의 N 채널형 FET에 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 각각 공급하는 복수의 스위칭 신호 발생회로;를 포함하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
제 2항에 있어서,
상기 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 출력하거나, 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로가 제1 도통폭의 PWM 스위칭 신호 또는 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호들을 서로 동기되게 생성하도록 동기 펄스신호를 출력하는 신호생성기; 및
상기 신호생성기의 출력신호를 절연하여 복수개로 각각 분배하는 복수의 신호절연수단;을 더 포함하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
제 3항에 있어서,
상기 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호를 출력하거나, 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로가 제1 도통폭의 PWM 스위칭 신호 또는 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호들을 서로 동기되게 생성하도록 동기 펄스신호를 출력하는 신호생성기; 및
상기 신호생성기의 출력신호를 절연하여 복수개로 각각 분배하는 복수의 신호절연수단;을 더 포함하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 각각의 스위칭 신호 발생회로는,
상기 배터리 셀 전압과 1차 권선 전압을 비교하는 비교기;
상기 N 채널형 FET에 PWM 스위칭 신호를 제공하는 AND 게이트; 및 상기 P 채널형 FET에 PWM 스위칭 신호를 제공하는 OR 게이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인 배터리 밸런싱 제어 회로.
제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 복수의 배터리 셀의 음극 단자에 그라운드(-)가 각각 연결되고, 상기 복수개의 배터리 셀 전압을 각각 입력받아 상기 복수의 FET에 구동전압을 각각 제공하거나 복수의 스위칭 신호 발생회로에 전원을 각각 공급하는 복수의 정전압 조절수단을 더 포함하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
제 7항에 있어서,
상기 복수의 정전압 조절수단은,
ATT 3100 모델과 같은 충전 펌프(Charge Pump) 방식의 집적회로;
선형 전압조절 방식의 집적회로;
펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식의 집적회로; 및
이에 상응하는 전압 조절 기능을 제공하는 집적 회로;중 어느 하나를 포함하여 각각 구성되는 것인 배터리 밸런싱 제어 회로.
제 1항 또는 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 복수의 신호절연수단은,
입력단에 광다이오드 및 출력단에 광트랜지스터를 각각 가지는 광절연기, 입력단과 출력단이 자기결합 또는 정전용량결합식으로 분리되는 디지털 분리기 및 이와 유사한 기능을 제공하는 직접 회로 소자 중 어느 하나를 포함하여 구성되고,
상기 입력단은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되고, 출력단은 각각 분리되어 상기 복수의 스위칭 신호 발생회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
제 1항 또는 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 신호생성기는, 일련의 정보 처리 과정의 프로그램을 수행하기 위한 제2 마이크로컨트롤러를 포함하여 구성되고,
상기 제2 마이크로컨트롤러의 정보 처리 과정의 프로그램 수행을 통해 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 PWM 제어 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
제 1항 또는 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 복수의 스위칭 신호 발생회로는 복수의 마이크로컨트롤러(MCU)를 각각 포함하여 구성되고,
상기 복수의 마이크로컨트롤러는, 배터리 셀의 전압(V_Bn)과 1차 권선의 유기전압(V_Wn)을 비교하는 비교기 기능, AND 게이트의 기능 또는 OR 게이트의 기능 중 적어도 하나를 일련의 정보 연산 처리 과정의 프로그램 수행으로 각각 처리하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 제어 회로.
서로 직렬 연결된 복수개의 배터리 셀마다 병렬 형태로, 단일 철심 변압기에 형성되는 복수의 1차 권선과 각각 직렬 연결되는 복수의 주 전자 스위치; 상기 1차 권선과 병렬 형태로, 인덕터와 각각 직렬 연결되는 복수의 보조 전자 스위치; 및 상기 복수의 주 전자 스위치 또는 보조 전자 스위치에 제1 도통폭 또는 제2 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호를 각각 출력하는 복수의 스위칭 신호 발생회로; 를 포함하는 에너지저장장치 밸런싱 제어 회로의 정보 연산 처리 방법에 있어서,
상기 복수의 스위칭 신호 발생회로는 밸런싱 제어에 필요한 일련의 정보 처리 과정의 프로그램을 각각 수행하는 복수의 마이크로컨트롤러를 포함하여 구성되는 데,
상기 일련의 정보 처리 과정은,
미리 정한 제1 도통폭 및 제2 도통폭을 가지는 서로 동기된 구형파 신호를 각각 만드는 과정;
상기 주 전자 스위치가 도통(ON)되는 구간에 상기 복수개의 배터리 셀의 전압(V_Bn)과 상기 복수의 1차 권선의 유기전압(V_Wn)에 대한 차이 전압(V_Bn-V_Wn)을 각각 계산하는 과정;
상기 차이 전압(V_Bn-V_Wn)이 미리 정해진 제1 기준치 이상에 해당되는 1차 권선과 서로 연결된 주 전자 스위치에는 제1 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 출력되고, 상기 차이 전압(V_Bn-V_Wn)이 미리 정해진 제1 기준치 이하에 해당되는 또 다른 1차 권선과 서로 연결된 보조 전자 스위치에는 제2 도통폭을 가진 PWM 스위칭 신호가 출력되는 과정; 을 포함하는 에너지저장장치 밸런싱 제어 회로의 정보 연산 처리 방법.
제 12항에 있어서,
상기 복수의 마이크로컨트롤러의 인터럽트 단자에 동기 펄스신호가 각각 입력되면,
상기 제1 도통폭 또는 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호를 서로 동기되도록 생성하는 정보 처리 과정의 프로그램을 각각 수행하는 과정; 및
상기 스위칭 신호 발생회로의 출력 포트에 상기 제1 도통폭 또는 제2 도통폭의 PWM 스위칭 신호 중 어느 하나가 일단 출력되면, 미리 정한 PWM 주기 동안 지속되도록 하는 정보 처리 과정의 프로그램을 각각 수행하는 과정; 중 적어도 하나를 더 포함하는 에너지저장장치 밸런싱 제어 회로의 정보 연산 처리 방법.
제 12항에 있어서,
상기 마이크로컨트롤러는,
상기 전자 스위치가 도통(ON)되는 구간 동안에 상기 전자 스위치의 양단자(FET인 경우 드레인과 소스) 사이의 차이 전압을 계산하는 정보 처리 과정의 프로그램을 각각 수행하고,
상기 차이 전압이 미리 정해진 제2 기준치 이상이면 상기 모든 PWM 스위칭 신호의 출력이 각각 정지되는 정보 처리 과정의 프로그램을 수행하는 것을 포함하는 에너지저장장치 밸런싱 제어 회로의 정보 연산 처리 방법.
삭제
단일 철심 변압기에 형성되는 복수의 1차 권선과 복수의 전자 스위치가 서로 직렬로 각각 연결되고, 상기 직렬로 연결된 상기 1차 권선과 전자 스위치가 복수개의 배터리 셀에 각각 병렬 연결되고, 상기 단일 철심 변압기의 2차 측에 형성된 리셋 권선; 및 상기 전자 스위치에 상기 배터리 셀 밸런싱에 필요한 각종 신호를 각각 공급하는 복수의 신호생성기를 포함하는 에너지저장장치 밸런싱 제어 회로의 정보 연산 처리 방법에 있어서,
상기 신호생성기에 배치된 제2 마이크로컨트롤러는,
상기 리셋 권선에 배치된 전류 센서의 센싱 전류를 계산하는 정보 처리 과정의 프로그램을 수행하고, 상기 센싱 전류가 미리 정해진 제3 기준치 이상이면 상기 신호생성기의 출력을 정지하는 단계; 및
서로 직렬 연결된 복수개 배터리 셀의 총 합계 전압을 계산하는 정보 처리 과정의 프로그램을 수행하고, 상기 총 합계 전압이 미리 정해진 제4 기준치 이하이거나 미리 정해진 제5 기준치 이상이면 상기 신호생성기의 출력신호 생성이 정지되는 단계; 중 적어도 하나를 포함하는 에너지저장장치 밸런싱 제어 회로의 정보 연산 처리 방법.