KR101816823B1 - 배터리 전하 균일 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로는, 배터리 셀의 충방전 밸런싱을 위한 배터리 전하 균일 회로에 있어서, 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비에 따라 입력 전압을 소정의 크기로 변압하여 출력하는 트랜스포머로 구현되는 변압부와, 상기 변압부로부터 출력되는 전압 신호를 정류하여 직류 신호로 출력하여 상기 배터리 셀을 충방전하는 출력부와, 상기 변압부의 1차측 코일에 연결되어 스위칭 신호에 따라 1차측 전원의 개폐를 제어하는 제1 스위칭부와, 상기 변압부에서 상기 출력부로 출력하는 전압 신호를 검출하여 그에 따라 상기 제1 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어부가 포함되어 구성된 DC/DC 컨버터; 드레인이 상기 1차측 코일에 연결되고 소스가 접지에 연결되는 트랜지스터로 구현되는 셀 선택 스위치; 상기 2차측 코일에 연결되는 출력 라인 상에 소스 및 드레인이 연결되는 트랜지스터로 구현되는 제2 스위칭부가 포함되어 구성된 동기 정류기;를 포함한다.

Description

배터리 전하 균일 회로{BATTERY CELL BALANCING CIRCUIT}

본 발명은 배터리 전하 균일 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 출력 컨버터의 전류 불균형을 이용한 배터리 전하 균일 회로이다.

최근, 전자 및 전기 기기 등에서 소비자가 요구하는 기능이 증가하고, 이러한 다기능을 구현하기 위해 더욱 더 디지털화되는 추세에 있으며, 또한, 다양한 소비자의 요구에 알맞은 적절한 서비스를 위해서는 각 제품에 소형이면서 고효율의 전원 공급 장치가 절실히 요구되고 있다.

한편, 전원 장치 중에서 제조 가격이 저렴하면서 전원 장치의 기본 회로 방식으로 플라이백형 전원 장치가 널리 사용되고 있는데, 이는 부품 구성 수가 적어 제조 가격이 저렴하면서 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

그런데, 최근의 전자 기기 등에서 요구하는 전원의 전압이 낮아지고 전류가 커지면서 기존 플라이백 컨버터에서 사용하는 다이오드 정류 방식은 더 이상 고객이 요구하는 소형, 박형 및 고효율의 조건을 만족시킬 수가 없다. 또한, 통상의 다이오드 정류 방식은 출력 전류에 비례하여 큰 손실이 발생하기 때문에 대전류에서는 과도한 전력 손실이 발생하는 단점이 존재한다.

이에 따라, 도통 손실이 적은 MOS 트랜지스터와 같은 반도체 스위치 등을 사용하는 동기 정류기(synchronous rectifier) 방식이 다이오드 정류기를 대체하는 방식으로 제안되어 왔다.

도 1은 종래의 플라이백 컨버터의 회로도이고, 도 2는 도 1의 회로의 주요 파형도이다.

도 1 및 도 2에서, AC 입력 전압(Vin)이 정류기(11)에서 정류되어 트랜스포머(TF)로 제공되고, 이때, 메인 스위치 구동 회로(12)는 메인 스위치(MS)를 스위칭시키고, 이에 따라 도 2에 도시한 바와 같이 메인 스위치(MS)는 온/오프 스위칭을 반복하게 된다.

상기 메인 스위치(MS)의 온/오프 동작에 따라, 상기 메인 스위치(MS)의 드레인-소스간 전압(Vds1)은 도 2에 도시한 바와 같이 변한다.

즉, 상기 메인 스위치(MS)가 온되면, 상기 메인 스위치(MS)를 통해 상기 트랜스포머(TF)의 1차 코일(L1)에 1차 전류(I1)가 도 2와 같이 흐르고, 이와 동시에 동기 정류기(SR)는 동기 정류기 구동 회로(14)에 의해 오프된다. 또한, 상기 메인 스위치(MS)가 오프되면, 이와 동시에 동기 정류기(SR)는 동기 정류기 구동 회로(14)에 의해 온되어, 상기 트랜스포머(TF)의 1차 코일(L1)의 에너지가 2차 코일(L21)로 유기되어 2차 전류(I2)가 도 2와 같이 흐르게 된다.

여기서, Vds1은 메인 스위치(MS) 양단에 걸리는 전압이고, Vds2는 동기 정류기(SR) 양단에 걸리는 전압이다.

상기 동기 정류기(SR)의 온/오프에 따라, 상기 동기 정류기(SR)의 드레인-소스간 전압(Vds2)은 도 2에 도시한 바와 같이 변한다. 여기서, 상기 동기 정류기 구동 회로(14)는 상기 트랜스포머(TF)의 2차 코일(L21)에 연결된 보조 코일(L22)로부터 구동 전압을 공급받는다.

이러한 동작 과정을 통해서, 상기 트랜스포머(TF)의 2차 코일(L21)의 전압이 출력 커패시터(Co)를 통해 출력 전압(Vout)으로 공급된다.

상기 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 동기 정류기(SR)의 구동 회로(14)는 메인 스위치 구동 회로(12)와 동기되어 온/오프 동작되고, 이에 따라 MOS 트랜지스터인 동기 정류기(SR)는 정류기로 동작한다.

한국 특허 공개 2007-0111587

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 적은 수의 전력 소자를 사용한 대용량 배터리용 전하 균일 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로는, 배터리 셀의 충방전 밸런싱을 위한 배터리 전하 균일 회로에 있어서, 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비에 따라 입력 전압을 소정의 크기로 변압하여 출력하는 트랜스포머로 구현되는 변압부와, 상기 변압부로부터 출력되는 전압 신호를 정류하여 직류 신호로 출력하여 상기 배터리 셀을 충방전하는 출력부와, 상기 변압부의 1차측 코일에 연결되어 스위칭 신호에 따라 1차측 전원의 개폐를 제어하는 제1 스위칭부와, 상기 변압부에서 상기 출력부로 출력하는 전압 신호를 검출하여 그에 따라 상기 제1 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어부가 포함되어 구성된 DC/DC 컨버터; 드레인이 상기 1차측 코일에 연결되고 소스가 접지에 연결되는 트랜지스터로 구현되는 셀 선택 스위치; 상기 2차측 코일에 연결되는 출력 라인 상에 소스 및 드레인이 연결되는 트랜지스터로 구현되는 제2 스위칭부가 포함되어 구성된 동기 정류기;를 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로에서 상기 셀 선택 스위치는 상기 출력 라인과 상기 제2 스위칭부에 포함되어 있는 상기 트랜지스터의 게이트를 연결하는 스위칭 작용을 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로에서 상기 DC/DC 컨버터는 플라이백 컨버터를 포함하는 다중 출력 컨버터로 구현되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로에서 상기 배터리 셀들로 구성되는 배터리 팩을 다수 개 배열하여 연결하는 경우, 상기 배터리 전하 균일 회로는 상기 변압부에 포함되어 있는 상기 트랜스포머를 상기 1차측 코일간에 병렬로 연결하고 상기 셀 선택 스위치를 하나로 통합하여 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로에 따르면, 배터리 팩 내 셀 밸런싱을 위해 각 배터리 셀마다 필요한 전력 반도체 수를 최소화시킬 수 있어서 효율 상승 및 가격 절감 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 플라이백 컨버터의 구성도.
도 2는 도 1의 회로의 주요 파형도.
도 3은 개별 셀 제어 방식을 가지는 배터리 셀 밸런싱 회로의 일예.
도 4는 셀 선택 제어 방식을 가지는 배터리 셀 밸런싱 회로의 일예.
도 5는 셀 선택 제어 방식을 가지는 배터리 셀 밸런싱 회로의 다른 예.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로의 구조을 개략적으로 도시한 구성도.
도 7은 도 6의 회로의 변압부 2차측 등가 회로를 도시한 도면.
도 8은 도 7의 선택된 셀과 선택되지 않은 셀의 배터리 실효 전압을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전체적인 회로의 주요 파형도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로를 이용한 셀 밸런싱 실험의 전류 파형을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로를 이용한 셀 밸런싱 실험 결과를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 동기 정류기 회로의 일예.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 동기 정류기 회로의 다른 예.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 동기 정류기 회로의 또 다른 예.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

충전을 통하여 에너지 저장이 가능하고 방전을 통하여 저장된 에너지를 사용이 가능한 배터리가 여러 분야에서 많이 사용되고 있다. 이러한 배터리 전압은 화학적이나 구조적인 문제로 배터리 한 개의 전압이 제한되기 때문에 높은 전압과 전력을 요구하는 응용 분야에서는 이러한 배터리를 직렬로 쌓아서 사용하고 있다. 하지만 이러한 직렬로 연결된 배터리가 여러 번 충/방전 동작을 수행하게 되면 각각의 배터리 특성 및 주변 환경이 다르기 때문에 각 배터리간의 전압 불균형 혹은 잔류 전하량(SOC) 불균형이 일어나게 된다.

일반적으로 배터리의 전압이 높아질 경우 불이나 폭발의 위험 때문에 과전압 제한을 두고, 배터리 전압이 너무 낮아질 경우에는 그 배터리 특성을 잃게 되기 때문에 저전압 제한을 두어 사용한다. 따라서 불균형된 배터리를 충전할 때, 일부 배터리가 과충전되어 있으면 과전압 제한에 의해서 나머지 배터리는 충분히 충전이 되지 않는 상태에서 배터리 충전이 중단되게 된다. 반대로 일부 배터리가 과방전되어 있으면 나머지 배터리에 아직 쓸 수 있는 에너지가 있지만 자동으로 배터리 사용이 제한된다.

즉, 불균형된 배터리를 충/방전하게 되면 배터리를 사용할 수 있는 범위가 줄어들고 충/방전 주기가 더욱 짧아지게 되어 배터리 수명이 줄어들게 된다. 따라서 배터리 셀 밸런싱이 필요하다.

현재 배터리의 용량이 점점 더 커지고 있기 때문에 일정한 시간 안에 셀 밸런싱을 완료하기 위해서는 밸런싱 전류가 더욱 커져야 한다. 하지만 기존의 전하 균일 장치는 다수의 전력 반도체 스위치 및 다이오드 소자를 쓰고 있기 때문에 효율이 나빠지고 보다 높은 전류를 흘릴 수 있는 소자를 써야 하기 때문에 가격 상승이 불가피하다. 따라서 본 발명은 적은 수의 전력 반도체 소자를 사용하는 배터리 셀 밸런싱 회로의 개발을 목적으로 한다.

배터리 셀 밸런싱 회로는 구조적으로 크게 개별 셀 제어 방식과 셀 선택 제어 방식의 두 가지 형태로 나뉜다.

먼저 개별 셀 제어 방식은 도 3과 같이 각 셀마다 독립적으로 DC/DC 컨버터를 가지고 에너지 변환을 통하여 각 셀의 상태를 같게 만들어 주는 방식이다. 이 방식은 좋은 효율과 뛰어나 성능을 보이나 각 셀마다 독립된 DC/DC 컨버터와 컨트롤러가 필요하기 때문에 가격이나 부피적인 측면에서 매우 불리하다. 가격과 부피를 줄이기 위해서 도 4와 도 5와 같은 셀 선택 제어 방식을 사용할 수 있다.

셀 선택 제어 방식은 하나의 트랜스포머를 공유하고 각 셀을 선택할 수 있는 스위치 블록을 추가하여 각 셀을 선택하는 방식이다. 이러한 셀 선택 스위치는 선택된 셀에는 전류의 경로를 제공하고 선택되지 않은 셀에는 전류를 막아줌으로써 각 셀로 들어가는 전류를 조절하여 각 셀간의 평형을 이루도록 하는 방식이다. 하지만 이러한 전하 균일 장치는 다수의 전력 반도체 소자를 사용하고 있기 때문에 실제 전하 균일 전류가 증가할 경우에 효율 감소 및 소자 가격 상승은 불가피하다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 배터리 전하 균일 회로는 DC/DC 컨버터(110), 셀 선택 스위치(130), 동기 정류기(150)를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로는 기존의 다중 출력 컨버터의 구조를 기반으로 각 셀마다 필요한 다이오드를 셀 선택 스위치(130)에 있는 기생 바디 다이오드와 결합한 형태이다. 따라서 셀 선택 스위치(130)는 밸런싱이 필요한 셀을 선택하는 기능과 파워 전달을 하는 기능을 동시에 수행하게 된다.

DC/DC 컨버터(110)는 변압부(111), 출력부(113), 제1 스위칭부, 스위칭 제어부를 포함한다. DC/DC 컨버터(110)는 플라이백 컨버터를 포함하는 다중 출력 컨버터로 구현될 수 있다.

변압부(111)는 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비에 따라 입력 전압을 소정의 크기로 변압하여 출력하는 트랜스포머로 구현된다.

출력부(113)는 변압부(111)로부터 출력되는 전압 신호를 정류하여 직류 신호로 출력하여 배터리 셀을 충방전한다.

제1 스위칭부는 변압부(111)의 1차측 코일에 연결되어 스위칭 신호에 따라 1차측 전원의 개폐를 제어한다.

스위칭 제어부는 변압부(111)에서 출력부(113)로 출력하는 전압 신호를 검출하여 그에 따라 제1 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 신호를 출력한다.

셀 선택 스위치(130)는 드레인이 1차측 코일에 연결되고 소스가 접지에 연결되는 트랜지스터로 구현된다.

동기 정류기(150)에는 2차측 코일에 연결되는 출력 라인 상에 소스 및 드레인이 연결되는 트랜지스터로 구현되는 제2 스위칭부(151)가 포함된다.

셀 선택 스위치(130)는 출력 라인과 제2 스위칭부(151)에 포함되어 있는 트랜지스터의 게이트를 연결하는 스위칭 작용을 한다. 셀 선택은 셀 선택 스위치(130)를 직접적으로 온/오프하는 것이 아니라 셀 선택 스위치(130)가 동기 정류기(150) 동작을 하게 하는 회로를 온/오프하여서 선택된 셀은 동기 정류기(150) 동작을 하게 되고 선택되지 않은 셀은 동기 정류기(150) 동작을 하지 않고 스위치(130)의 바디 다이오드 동작을 하게 된다. 이러한 동기 정류기(150) 동작을 온/오프하는 스위치(151)는 전력을 전달하는 스위치가 아니기 때문에 가격이 싸고, 변압부(111) 2차측에서 각 셀마다 딱 하나만 사용되기 때문에 가격 절감 및 효율 향상을 기대할 수 있다. 아래에서 보다 자세하게 설명하겠지만, 이때 선택된 셀과 그렇지 않은 셀의 배터리 실효 전압이 달라지게 되고 이 때문에 발생되는 전류 불균형을 통하여 본 발명은 배터리의 전하 균일 동작을 구현할 수 있다.

도 7은 도 6의 회로의 변압부 2차측 등가 회로이다. 도 6에 B₁이라고 표시되어 있는 첫 번째 셀이 저충전되어서 밸런싱이 필요하다고 가정한다. 선택된 셀의 셀 선택 스위치(130)는 하나의 드레인-소스 저항(R_ds)으로 등가화할 수 있고 선택되지 않은 셀의 스위치(130)는 바디 다이오드로 동작하기 때문에 이상적인 다이오드(D_ideal)와 다이오드 정상 상태의 도통 전압(V_D)으로 등가화할 수 있다. 일반적으로 드레인-소스 저항은 매우 작기 때문에 무시 가능하며 도 8과 같이 선택된 셀과 선택되지 않은 셀의 배터리 실효 전압이 달라지게 된다. 모든 누설 인덕턴스(L_s1, L_s2, L_s3, L_sN)가 동일하다고 가정할 때, 도 8의 노드 A에서 키르히호프의 법칙(KCL)을 적용하면 수학식 1과 같이 노드 A의 전압(VLm)을 알 수 있다.

노드 A의 전압(VLm)은 각 배터리 실효 전압의 평균이기 때문에 수학식 2의 관계를 가지게 되고, 수학식 3과 수학식 4와 같이 선택된 셀과 선택되지 않은 셀의 전류의 기울기가 달라져 각 셀간의 전류 불균형이 일어나게 된다. 본 발명의 전체적인 회로의 주요 파형도는 도 9와 같다.

본 출원인은 제안된 회로의 동작을 검증하기 위해서 실험을 실시하였다. 도 10은 제안된 회로를 적용하였을 경우 각 셀에 흐르는 전류 파형이다. 상술한 바와 같이 각 셀간의 전류 불균형이 생겨서 선택된 셀로 많은 전류가 들어감을 알 수 있다. 도 11은 제안된 회로를 일정 시간 동안 적용하였을 때의 셀 밸런싱 실험 결과이다. 실험 결과에서 볼 수 있듯이 빠른 시간 내에 셀간의 밸런싱이 이루어짐을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, DC/DC 컨버터(110)는 도 6에 도시된 플라이백 컨버터뿐 아니라 다른 모든 다중 출력 컨버터로 구현이 가능하다. 또한, 동기 정류기(150) 회로는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 동기 정류기(150) 회로는 예를 들어, 도 12와 같이 보조 트랜스포머를 이용할 수 있다. 보다 상세하게는 동기 정류기(150) 회로는 보조 트랜스포머나 기존 트랜스포머에 보조 권선을 이용하여 트랜스포머에 인가되는 전압을 이용하여 2차측의 스위치(151)가 동기 정류기(150) 동작이 되도록 한다.

또한, 동기 정류기(150) 회로는 도 13와 같이 상보 신호를 통해 직접 제어할 수 있다. 보다 상세하게는 동기 정류기(150) 회로는 1차측의 스위치(130)를 제어하는 펄스 폭 변조(PWM) 신호와 상보적인 신호를 만들어 2차측 스위치(151)가 동기 정류기(150) 동작을 하게 만드는 방식으로 구현될 수 있다.

또한, 동기 정류기(150) 회로는 동기 정류기(150) 회로가 구동할 수 있도록 스마트 드라이버를 사용할 수 있다. 이러한 경우, 동기 정류기(150) 회로는 기존의 각 토폴로지에 적용 가능한 여러 동기 정류기(150) 회로 및 제어 소자를 온/오프하는 방법으로 구현이 가능하다.

본 발명의 일실시예에 따른 배터리 전하 균일 회로는 다수의 셀을 위한 밸런싱 회로가 필요할 때 다음과 같은 방법으로 확장이 가능하다. 즉, 배터리 전하 균일 회로는 도 14와 같이 다수의 모듈별 트랜스포머(111)를 병렬 연결한 뒤 1차측 스위치(130)를 하나로 통합하면 쉽게 모듈화가 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 배터리 전하 균일 회로에 따르면, 배터리 팩 내 셀 밸런싱을 위해 각 배터리 셀마다 필요한 전력 반도체 수를 최소화시킬 수 있어서 효율 상승 및 가격 절감 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (4)

1. 배터리 셀의 충방전 밸런싱을 위한 배터리 전하 균일 회로에 있어서,
   1차측 코일과 2차측 코일의 권선비에 따라 입력 전압을 소정의 크기로 변압하여 출력하는 트랜스포머로 구현되는 변압부;
   상기 2차측 코일에 연결되는 출력 라인 상에 소스 및 드레인이 연결되는 트랜지스터로 구현되는 제2 스위칭부를 포함하여 구성되며, 상기 변압부로부터 출력되는 전압 신호를 정류하여 직류 신호로 출력하여 상기 배터리 셀을 충방전하는 출력부;
   드레인이 상기 1차측 코일에 연결되고 소스가 접지에 연결되는 트랜지스터로 구현되며, 스위칭 신호에 따라 1차측 전원의 개폐를 제어하는 제1 스위칭부; 및
   상기 변압부에서 상기 출력부로 출력하는 전압 신호를 검출하여 그에 따라 상기 제1 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 제어부;가 포함되어 구성된 DC/DC 컨버터를 포함하며,
   상기 배터리 셀들로 구성되는 배터리 팩을 다수 개 배열하여 연결하는 경우, 상기 변압부에 포함되어 있는 상기 트랜스포머를 상기 1차측 코일간에 병렬로 연결하고 상기 제1 스위칭부를 하나로 통합하여 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 전하 균일 회로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부는 상기 출력 라인과 상기 제2 스위칭부에 포함되어 있는 상기 트랜지스터의 게이트를 연결하는 스위칭 작용을 하는 것을 특징으로 하는 배터리 전하 균일 회로.
3. 제1항에 있어서,
   상기 DC/DC 컨버터는 플라이백 컨버터를 포함하는 다중 출력 컨버터로 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 전하 균일 회로.
4. 삭제

Images