KR101827961B1 - Balancing circuit for hybrid battery pack using flyback transformer - Google Patents

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강봉구
이상원
이경민
최윤걸
조민기
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a technique for implementing the balancing of a battery pack and a supercapacitor pack using an integrated balancing circuit. To this end, the present invention provides an integrated balancing circuit which has a structure where a battery pack and a supercapacitor pack share the primary wire of a flyback transformer, and each cell of the battery pack and each cell of the supercapacitor pack are multi-wound through the secondary wire of the flyback transformer. Even when the charger of the battery pack and the charger of the supercapacitor pack are used independently, it is possible to transfer electrical energy between the charger of the battery pack and the supercapacitor pack, and to use the electrical energy of an opponent pack as balancing electrical energy.

Description

플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로{BALANCING CIRCUIT FOR HYBRID BATTERY PACK USING FLYBACK TRANSFORMER}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a balancing circuit for a hybrid battery pack using a flyback transformer,

본 발명은 하나의 밸런싱 회로를 이용하여 배터리팩과 슈퍼커패시터 팩의 밸런싱을 구현하는 기술에 관한 것으로, 특히 플라이백 컨버터의 트랜스 포머의 일차단 권선을 배터리팩과 슈퍼커패시터 팩이 공유하여 상호간에 밸런싱에너지와 팩의 에너지를 전달 할 수 있도록 한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique of balancing a battery pack and a supercapacitor pack using one balancing circuit, and more particularly, to a method of balancing a battery pack and a supercapacitor pack, And a balancing circuit of a hybrid battery pack capable of transferring energy and energy of a pack.

일반적으로, 전지(배터리셀)의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리셀에 영구적인 손상이 가해지게 된다. 하이브리드 전기자동차나 노트북 컴퓨터 등은 비교적 대용량의 전원공급이 요구되므로 배터리셀을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 경우, 배터리셀을 직렬로 연결한 배터리 모듈을 사용하게 된다. 그런데, 이와 같은 경우 각 배터리셀의 성능 편차에 의하여 전압의 불균형이 발생될 수 있다. Generally, there is a risk of explosion if the voltage across the battery (battery cell) exceeds a certain value, and if it falls below a certain value, the battery cell is permanently damaged. A hybrid electric vehicle or a notebook computer requires a relatively large power supply. Therefore, when a battery cell is used to supply power, a battery module in which battery cells are connected in series is used. However, in such a case, a voltage imbalance may occur due to the performance variation of each battery cell.

예를 들어, 배터리 모듈 충전시 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 모듈을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리 모듈의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다. 한편, 배터리 모듈 방전 시에는 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 모듈을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리 모듈의 사용시간이 단축된다. For example, when one battery cell in the battery module reaches the upper limit voltage before charging the battery module, the battery module can no longer be charged, so that the other battery cells are not fully charged The charging must be terminated. In such a case, the charging capacity of the battery module does not reach the rated charging capacity. On the other hand, when the battery module discharges, when one battery cell in the battery module reaches a lower limit voltage than other battery cells, the battery module can no longer be used, shortening the use time of the battery module.

상기와 같이 배터리셀의 충전 또는 방전 시 보다 높은 전기 에너지를 갖는 배터리셀의 전기 에너지를 보다 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀로 공급해 줌으로써 배터리 모듈의 사용시간을 향상시킬 수 있는데, 이와 같은 동작을 배터리셀 밸런싱이라고 부른다.As described above, when the battery cell is charged or discharged, the electric energy of the battery cell having higher electric energy is supplied to the battery cell having lower electric energy, thereby improving the use time of the battery module. It is called balancing.

도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(11)과, 직렬연결된 저항(R11-R14) 및, 상기 배터리셀(CELL1-CELL4)의 임의의 단자를 상기 저항(R11-R14)의 대응 단자 각각에 선택적으로 연결하는 스위치(SW11-SW15)를 포함한다. FIG. 1 is a battery cell balancing circuit diagram using a conventional parallel resistor. As shown in FIG. 1, the battery cell balancing circuit includes a battery module 11 having battery cells CELL1-CELL4 connected in series, resistors R11- And switches SW11-SW15 for selectively connecting arbitrary terminals of the battery cells CELL1-CELL4 to corresponding terminals of the resistors R11-R14, respectively.

도 1을 참조하면, 배터리 모듈(11) 충전 시 상기 배터리 모듈(11) 내의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀의 충전전압이 다른 배터리셀들의 충전전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달하는 경우 스위치(SW11-SW15) 중에서 해당 스위치를 턴온시켜 상기 저항(R11-R14) 중에서 해당 저항을 통해 충전전압이 방전되도록 한다. 1, when the battery module 11 is charged, the charging voltage of any battery cell among the battery cells CELL1-CELL4 in the battery module 11 reaches the upper limit voltage in comparison with the charging voltage of the other battery cells The corresponding switch among the switches SW11 to SW15 is turned on so that the charging voltage is discharged through the resistor among the resistors R11 to R14.

예를 들어, 두 번째의 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 다른 배터리셀(CELL1, CELL3, CELL4)의 충전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달한 경우, 스위치(SW12),(SW13)를 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 저항(R12)을 통해 방전되어 배터리셀 밸런싱이 이루어진다. For example, when the charging voltage of the second battery cell CELL2 reaches the upper limit voltage first of all compared with the charging voltage of the other battery cells CELL1, CELL3, CELL4, the switches SW12, SW13 are turned on . Accordingly, the charging voltage of the battery cell CELL2 is discharged through the resistor R12 to balance battery cells.

그러나, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로를 이용하는 경우 저항을 통해 전력이 소모되므로 그만큼 효율이 저하되고, 배터리 모듈 사용 중에 상한전압을 전압이 낮은 배터리셀에 공급할 수 없어 효율이 저하된다. However, when such a battery cell balancing circuit is used, the efficiency is lowered because power is consumed through the resistor, and the efficiency is lowered because the upper limit voltage can not be supplied to the battery cell having low voltage during use of the battery module.

도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(21)과, 직렬연결된 커패시터(C21-C23)와, 커패시터(C21-C23)의 양측 단자를 배터리셀(CELL1),(CELL2), (CELL3)의 양측 단자 또는 배터리셀(CELL2),(CELL3),(CELL4)의 양측 단자에 선택적으로 연결하는 스위치(SW21-SW24)를 포함한다. FIG. 2 is a battery cell balancing circuit diagram using a conventional capacitor. As shown in FIG. 2, the battery cell balancing circuit includes a battery module 21 having battery cells CELL1 to CELL4 connected in series, capacitors C21 to C23 connected in series, A switch (not shown) for selectively connecting both terminals of the capacitors C21 to C23 to both terminals of the battery cells CELL1, CELL2 and CELL3 or both terminals of the battery cells CELL2, CELL3 and CELL4 SW21 to SW24).

도 2를 참조하면, 상기 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는 2가지의 연결 상태를 갖는다. 제1 연결 상태에서는 도 2에서와 같이 커패시터(C21-C23)의 양측 단자가 스위치(SW21-SW24)에 의하여 배터리셀(CELL1),(CELL2),(CELL3)의 양측 단자에 각기 연결된다. 제2 연결 상태에서는 커패시터(C21-C23)의 양측 단자가 상기 스위치(SW21-SW24)에 의하여 배터리셀(CELL2),(CELL3),(CELL4)의 양측 단자에 각기 연결된다. Referring to FIG. 2, the battery cell balancing circuit using the capacitor has two connection states. In the first connection state, both terminals of the capacitors C21 to C23 are connected to both terminals of the battery cells CELL1, CELL2 and CELL3 by the switches SW21 to SW24 as shown in Fig. In the second connection state, both terminals of the capacitors C21 to C23 are connected to the respective terminals of the battery cells CELL2, CELL3 and CELL4 by the switches SW21 to SW24.

그런데, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로는 커패시터와 배터리셀 간에 하드 스위칭 동작이 발생하여 효율이 낮은 문제점이 있다. 배터리 모듈 내의 배터리셀들 간의 용량이 서로 동일한 것이 바람직하지만, 여러 가지 이유로 인하여 배터리셀들 간의 용량이 다르게 된다. 이와 같은 경우 어느 배터리셀의 충전 전압이 다른 배터리셀의 충전전압에 비하여 낮더라도 더 큰 용량을 갖을 수 있다. 이와 같은 경우 전압이 낮은 배터리셀의 전압을 전압이 높은 배터리셀에 전달할 필요가 있는데, 이와 같은 종래의 배터리셀 밸런싱 회로에서는 그와 같은 전압 전달 기능을 수행할 수 없는 결함이 있다.However, such a battery cell balancing circuit has a problem that a hard switching operation occurs between a capacitor and a battery cell, resulting in low efficiency. Although it is preferable that the capacity of the battery cells in the battery module is equal to each other, the capacities of the battery cells are different due to various reasons. In this case, even if the charging voltage of any one of the battery cells is lower than the charging voltage of the other battery cells, a larger capacity can be obtained. In this case, it is necessary to transfer the voltage of the low-voltage battery cell to the high-voltage battery cell. In such a conventional battery cell balancing circuit, such a voltage transfer function can not be performed.

도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(31), 플라이백 컨버터(32) 및 상기 플라이백 컨버터(32)의 복수 개의 2차 코일 각각을 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 양측 단자에 선택적으로 연결하는 스위치(SW31-SW34) 및 상기 플라이백 컨버터(32)의 1차 코일 양단을 상기 배터리셀(31)의 양단에 선택적으로 연결하는 스위치(SW35)를 포함한다. FIG. 3 is a battery cell balancing circuit diagram using a flyback structure according to the related art. As shown in FIG. 3, the battery cell 31 includes a battery module 31, a flyback converter 32, Switches SW31 to SW34 for selectively connecting each of a plurality of secondary coils of the back-converter 32 to both terminals of each of the battery cells CELL1 to CELL4, and switches SW31 to SW34 for connecting both ends of the primary coil of the flyback converter 32 And a switch SW35 for selectively connecting both ends of the battery cell 31 to each other.

도 3의 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS(Switch Mode Power Supply) 중 하나인 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로로서 스위치(SW31-SW34)를 이용하여 배터리 모듈(31) 내의 직렬연결된 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각에 전기 에너지 전달이 가능하고, 배터리 모듈(31)의 양측 종단 단자의 사이에 전기 에너지 전달이 가능한 구조를 갖는다. The battery cell balancing circuit of FIG. 3 is a battery cell balancing circuit using a flyback structure, which is one of SMPS (Switch Mode Power Supply), and uses the switches SW31 to SW34 to connect the battery cells CELL1- CELL4 of the battery module 31 and capable of transferring electric energy between the terminal ends of both sides of the battery module 31. [

이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS의 형태를 가지므로 효율이 우수한 장점이 있지만, 배터리 모듈에 구비되는 배터리셀의 개수가 증가될수록 플라이백 컨버터에 사용되는 마그네틱 코어의 크기가 커지는 단점이 있고, 그에 따라 배터리셀 밸런싱 회로의 가격이 상승되는 문제점이 있다. However, as the number of battery cells provided in the battery module increases, the size of the magnetic core used in the flyback converter increases. Accordingly, there is a disadvantage in that the battery cell balancing circuit The cost of the battery cell balancing circuit is increased.

도 4는 일반적인 슈퍼커패시터(super capacitor)와 리튬이온 배터리셀(Li-ion Battery Cell)의 사양(specification)을 비교한 표이다. 슈퍼커패시터는 리튬이온 배터리셀에 비하여 에너지 저장능력(Energy Density[Wh.kg])이 떨어지지만 순간적으로 충전 혹은 방전시킬 수 있는 전력(Power)에 대한 지표인 전력 밀도(Power density[W/kg])는 10배 이상 높은 것을 알 수 있다. 이 밖에도, 슈퍼커패시터는 리튬이온 배터리셀에 비하여 여러번 충방전 할 수 있는 사이클 능력, 높은 수명을 가지고 있다. 4 is a table comparing specifications of a general super capacitor and a Li-ion battery cell. The supercapacitor has a power density (W / kg), which is an indicator of the power that can be instantaneously charged or discharged although the energy storage capacity (Energy Density [Wh.kg]) is lower than that of a lithium ion battery cell. ) Is higher than 10 times. In addition, supercapacitors have a cycle capacity and lifetime that can be charged and discharged several times as compared with lithium ion battery cells.

따라서, 이와 같은 특성을 이용하여, 슈퍼커패시터와 리튬이온 배터리셀을 병렬연결하여, 리튬이온 배터리셀의 에너지 저장능력과 슈퍼커패시터의 높은 출력파워를 갖는 배터리 팩을 구현하는데, 이를 하이브리드 배터리팩이라고 한다.Accordingly, by using the above characteristics, a battery pack having an energy storage capacity of a lithium ion battery cell and a high output power of a supercapacitor is realized by connecting a supercapacitor and a lithium ion battery cell in parallel, which is called a hybrid battery pack .

도 5는 종래 기술에 의한 하이브리드 배터리 팩(Hybrid Battery Pack)이 전기자동차나 에너지 저장 장치와 같은 에너지 시스템에 적용된 것을 나타낸 것으로 이에 도시한 바와 같이, 에너지 시스템(51), 상기 에너지 시스템(51)의 디씨 링크(DC Link)인 커패시터(C)에 배터리 팩(53A)과 슈퍼커패시터 팩(53B) 별로 병렬 연결된 제1충전부(52A) 및 제2충전부(52B), 상기 배터리팩(53A)의 액티브 밸런싱을 위한 제1액티브 밸런싱 회로(53C) 및 상기 슈퍼커패시터 팩(53B)의 액티브 밸런싱을 위한 제2액티브 밸런싱 회로(53D)를 포함한다. 여기서, 미설명부호 "53E"는 배터리셀부, "53F"는 슈퍼커패시터부, "53"은 하이브리드 배터리 팩이다.FIG. 5 shows that a hybrid battery pack according to the prior art is applied to an energy system such as an electric car or an energy storage device. As shown therein, the energy system 51, the energy system 51 A first charging unit 52A and a second charging unit 52B connected in parallel to the capacitor C which is a DC link for each of the battery pack 53A and the supercapacitor pack 53B and the active balancing of the battery pack 53A, And a second active balancing circuit (53D) for active balancing of the supercapacitor pack (53B). Here, the unexplained reference numeral 53E is a battery cell portion, 53F is a super capacitor portion, and 53 is a hybrid battery pack.

도 5를 참조하면, 종래 기술에 의한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로의 하이브리드 배터리 팩(53)에서는 배터리팩(53A)과 슈퍼커패시터팩(53B) 별로 제1액티브 밸런싱 회로(53C)와 제2액티브 밸런싱 회로(53D)가 별도로 연결되어 있다. 5, in the hybrid battery pack 53 of the balancing circuit of the hybrid battery pack according to the related art, the first active balancing circuit 53C and the second active balancing circuit 53B for the battery pack 53A and the supercapacitor pack 53B, Circuit 53D are separately connected.

에너지 시스템(51)의 파워를 제1충전부(52A)를 이용하여 배터리 팩(53A)에 방전시키거나, 배터리 팩(53A)의 파워를 제1충전부(52A)를 이용하여 에너지 시스템(51)에 충전시킨다. 그런데, 에너지 시스템(51)의 파워를 순간적으로 방전시키는 경우 배터리 팩(53A)은 단독으로 이를 감당하지 못하므로 에너지 시스템(51)에서 요구된 충방전전류를 공급하지 못하거나 수명이 단축될 수 있다.The power of the energy system 51 is discharged to the battery pack 53A by using the first charging section 52A or the power of the battery pack 53A is supplied to the energy system 51 by using the first charging section 52A Charge. However, when the power of the energy system 51 is instantaneously discharged, the battery pack 53A alone can not cope with it, so that the charging / discharging current requested by the energy system 51 can not be supplied or the lifetime can be shortened .

이를 감안하여, 슈퍼커패시터 팩(53B)을 제2충전부(52B)를 통해 디씨 링크인 커패시터(C)에 병렬 연결하고 제2액티브 밸런싱 회로(53F)에 의해 슈퍼커패시터 팩(53B)에 대한 밸런싱이 이루어져 에너지 시스템(51)에서 요구된 순간적인 파워 공급이 가능하도록 하고 있다.In consideration of this, the supercapacitor pack 53B is connected in parallel to the capacitor C, which is a DC link, through the second charging portion 52B, and the second active balancing circuit 53F balances the supercapacitor pack 53B So that the instantaneous power supply required by the energy system 51 is enabled.

그러나, 이와 같은 종래 기술의 하이브리드 배터리팩의 밸런싱회로는 배터리팩과 슈퍼커패시터 팩 별로 각기 밸런싱 회로를 필요로 하므로 그에 따라 제품의 사이즈가 커지고 가격이 상승되는 문제점이 있다. However, such a conventional balancing circuit for a hybrid battery pack requires a balancing circuit for each of the battery pack and the supercapacitor pack, thereby increasing the size and cost of the product.

또한, 하이브리드 배터리 팩의 에너지 저장 비율을 최적화 하기 위하여 에너지 시스템의 입출력 요구가 없을 때 반드시 충전기를 통해 전기에너지를 교환하여야 하는 번거로움이 있고, 경우에 따라 전기에너지를 교환하지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.In addition, in order to optimize the energy storage ratio of the hybrid battery pack, there is a problem that the energy needs to be exchanged through the charger when there is no input / output requirement of the energy system. In such a case, have.

예를 들어, 슈퍼커패시터 팩에 전기에너지가 과도하게 충전되어 있는 경우, 에너지 시스템은 제2충전부를 통해 순간적으로 입력되는 충전 전류를 감당하지 못할 수 있다. 이를 감안하여, 슈퍼커패시터 팩에 과도하게 충전된 전기에너지를 사전에 제2충전부 및 제1충전부를 통해 배터리 팩에 옮겨 놓아야 한다. For example, if the supercapacitor pack is overcharged with electrical energy, the energy system may not be able to handle the charging current momentarily input through the second charger. In view of this, the excessively charged electric energy in the supercapacitor pack must be transferred to the battery pack through the second charger unit and the first charger unit in advance.

그런데, 에너지 시스템의 요구에 의해 계속적으로 제1충전부가 사용중인 경우 상기와 같이 슈퍼커패시터 팩에 과도하게 충전된 전기에너지를 제1충전부를 통해 배터리 팩에 옮겨 놓을 수 없는 문제점이 발생된다. However, when the first charging unit is continuously used due to the demand of the energy system, there is a problem that electric energy excessively charged in the supercapacitor pack can not be transferred to the battery pack through the first charging unit.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리 팩과 슈퍼커패시터 팩이 플라이백 트랜스포머의 일차 권선을 공유하고, 배터리 팩의 각 셀과 슈퍼커패시터 팩의 각 셀들이 플라이백 트랜스포머의 이차 권선들을 통해 멀티 와인딩되는 구조를 갖는 통합된 밸런싱 회로를 구현함으로써, 배터리 팩의 충전기와 슈퍼커패시터 팩의 충전기가 각각 독립적으로 사용중인 경우에도 배터리 팩의 충전기와 슈퍼커패시터 팩 간의 전기 에너지 전달이 가능하고 상대 팩의 전기 에너지를 밸런싱 전기 에너지로 사용하는 것이 가능하도록 하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a structure in which a battery pack and a supercapacitor pack share a primary winding of a flyback transformer and that each cell of a battery pack and each cell of a supercapacitor pack are multiwound through secondary windings of a flyback transformer It is possible to transfer electric energy between the charger of the battery pack and the supercapacitor pack even when the charger of the battery pack and the charger of the supercapacitor pack are independently used, So that it can be used as electric energy.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로는, 직렬 연결된 복수 개의 배터리셀을 구비한 배터리팩; 직렬 연결된 복수 개의 슈퍼커패시터 셀을 구비한 슈퍼커패시터 팩; 일차권선, 복수 개의 이차 권선을 구비한 제1 이차권선부 및 또 다른 복수 개의 이차 권선을 구비한 제2 이차권선부를 포함하는 플라이백 트랜스포머; 상기 복수 개의 배터리셀과 상기 제1 이차 권선부의 이차권선들과의 연결을 각기 단속하는 복수 개의 스위치를 구비한 제1스위치부; 상기 슈퍼커패시터 셀과 상기 제2 이차권선부의 이차권선들과의 연결을 각기 단속하는 또 다른 복수 개의 스위치를 구비한 제2스위치부; 및 상기 배터리팩을 상기 일차권선에 연결하거나 상기 슈퍼커패시터 팩을 상기 일차권선에 연결하는 제3스위치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a balancing circuit for a hybrid battery pack using a flyback transformer, comprising: a battery pack having a plurality of battery cells connected in series; A supercapacitor pack having a plurality of super-capacitor cells connected in series; A flyback transformer including a first secondary winding, a first secondary winding portion having a plurality of secondary windings, and a second secondary winding portion having another plurality of secondary windings; A first switch unit having a plurality of switches for interrupting connection between the plurality of battery cells and the secondary windings of the first secondary winding unit; A second switch part having another plurality of switches for interrupting connection between the supercapacitor cell and the secondary windings of the second secondary winding part; And a third switch unit connecting the battery pack to the primary winding or connecting the supercapacitor pack to the primary winding.

본 발명은 배터리팩과 슈퍼커패시터 팩이 플라이백 트랜스포머의 일차 권선을 공유하고, 배터리 팩의 각 셀과 슈퍼커패시터 팩의 각 셀들이 플라이백 트랜스포머의 이차 권선들을 통해 멀티 와인딩되는 구조를 갖는 통합된 밸런싱 회로를 구현함으로써, 배터리 팩의 충전기와 슈퍼커패시터 팩의 충전기가 각각 독립적으로 사용중인 경우에도 배터리 팩의 충전기와 슈퍼커패시터 팩 간의 전기 에너지 전달이 가능하고 상대 팩의 전기 에너지를 밸런싱 전기 에너지로 사용하는 것이 가능하여 하나의 액티브 밸런싱회로로 슈퍼커패시터 팩과 배터리팩의 밸런싱을 구현할 수 있는 효과가 있다. The present invention is characterized in that the battery pack and the supercapacitor pack share the primary winding of the flyback transformer and that the respective cells of the battery pack and each cell of the supercapacitor pack are multi-wound through the secondary windings of the flyback transformer. It is possible to transfer electric energy between the charger of the battery pack and the supercapacitor pack and to use the electric energy of the opposing pack as the balancing electrical energy even when the charger of the battery pack and the charger of the super capacitor pack are used independently It is possible to realize balancing of the supercapacitor pack and the battery pack by one active balancing circuit.

본 발명은 통합된 하나의 액티브 밸런싱회로를 사용하여 배터리팩과 슈퍼커패시터 팩 간의 밸런싱을 수행하므로 제품의 가격 경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.The present invention balances the battery pack and the supercapacitor pack using one integrated active balancing circuit, thereby enhancing the cost competitiveness of the product.

본 발명은 통합된 하나의 액티브 밸런싱회로를 사용하여 배터리팩과 슈퍼커패시터 간의 밸런싱을 수행하므로 충전기를 통하지 않고 트랜스포머의 와인딩을 통해 각 팩별로 전체 전기에너지 교환이 가능한 이점이 있다.Since the balancing between the battery pack and the supercapacitor is performed using one integrated active balancing circuit integrated, all the electric energy can be exchanged for each pack through the winding of the transformer without passing through the charger.

도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 4는 일반적인 슈퍼커패시터와 리튬이온 배터리셀의 사양을 비교한 표이다.
도 5는 종래 기술에 의한 하이브리드 배터리 팩이 에너지 시스템에 적용된 것을 나타낸 블록도이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 의한 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로도이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 배터리팩과 슈퍼커패시터 팩이 통합된 하나의 액티브 밸런싱회로에 의해 액티브 밸런싱되는 구조를 나타낸 것이다.
도 7a 및 도 7b는 제1 밸런싱모드의 밸런싱 동작예를 나타낸 회로도이다.
도 8은 제1 밸런싱모드에서 배터리셀에 전달되는 밸런싱 전기에너지를 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 제2 밸런싱모드의 밸런싱 동작예를 나타낸 회로도이다.
도 10은 제2 밸런싱모드에서 배터리팩의 배터리셀에 전달되는 밸런싱 전기에너지를 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 제3 밸런싱모드의 밸런싱 동작예를 나타낸 회로도이다.
도 12는 제3 밸런싱모드에서 배터리팩에 전달되는 밸런싱 전기에너지를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a battery cell balancing circuit diagram using a conventional parallel resistor.
2 is a battery cell balancing circuit diagram using a capacitor according to the related art.
3 is a battery cell balancing circuit diagram using a flyback structure according to the prior art.
4 is a table comparing specifications of a general super capacitor and a lithium ion battery cell.
5 is a block diagram showing a conventional hybrid battery pack applied to an energy system.
6A is a balancing circuit diagram of a hybrid battery pack using a flyback transformer according to an embodiment of the present invention.
6B illustrates a structure in which a battery pack and a supercapacitor pack are actively balanced by one active balancing circuit integrated with the embodiment of the present invention.
7A and 7B are circuit diagrams showing an example of a balancing operation of the first balancing mode.
8 is a graph showing balancing electrical energy delivered to the battery cell in the first balancing mode.
9A and 9B are circuit diagrams showing an example of a balancing operation of the second balancing mode.
10 is a graph showing balancing electrical energy delivered to a battery cell of a battery pack in a second balancing mode.
11A and 11B are circuit diagrams illustrating an example of a balancing operation in the third balancing mode.
12 is a graph showing balancing electrical energy delivered to the battery pack in the third balancing mode.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6a는 본 발명의 실시예에 의한 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 밸런싱회로(60)는 직렬 연결된 배터리셀(Li-ion Battery Cell)(B1-B4)을 구비한 배터리팩(Li-ion Battery Pack)(61), 직렬 연결된 슈퍼커패시터 셀(Super Capacitor Cell)(C1-C4)을 구비한 슈퍼커패시터 팩(Super Capacitor Pack)(62), 일차권선(63A), 복수 개의 이차 권선(L21-L24)을 구비한 제1 이차권선부(63B) 및 또 다른 복수 개의 이차 권선(L25-L28)을 구비한 제2 이차권선부(63C)를 포함하는 플라이백 트랜스포머(63), 상기 배터리셀(B1-B4)과 상기 이차 권선(L21-L24)의 연결을 각기 단속하는 복수 개의 스위치(SW1-SW4)를 구비한 제1스위치부(64), 상기 슈퍼커패시터 셀(C1-C4)과 상기 이차 권선(L25-L28)의 연결을 각기 단속하는 또 다른 복수 개의 스위치(SW5-SW8)를 구비한 제2스위치부(65) 및 상기 배터리팩(61)을 상기 일차권선(63A)에 연결하는 스위치(Q9) 및 상기 슈퍼커패시터 팩(62)을 상기 일차권선(63A)에 연결하는 스위치(Q10)를 구비한 제3스위치부(66)를 포함한다. 상기 배터리팩(61)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며, 리튬이온 배터리팩으로 구현될 수 있다. 6A is a balancing circuit diagram of a hybrid battery pack using a flyback transformer according to an embodiment of the present invention. The balancing circuit 60 includes a Li-ion battery cell (B1-B4) A super capacitor pack 62 having a Li-ion battery pack 61 having a capacitor C1 and a super capacitor cell C1-C4 connected in series, a primary winding 63A A first secondary winding portion 63B having a plurality of secondary windings L21 to L24 and a second secondary winding portion 63C having another plurality of secondary windings L25 to L28, A first switch unit 64 having a plurality of switches SW1 to SW4 for interrupting connection between the battery cells B1 to B4 and the secondary windings L21 to L24, And another plurality of switches SW5 to SW8 for interrupting the connection between the cells C1 to C4 and the secondary windings L25 to L28, A switch Q9 for connecting the second switch unit 65 and the battery pack 61 to the primary winding 63A and a switch Q10 for connecting the supercapacitor pack 62 to the primary winding 63A, And a third switch unit 66 having a first switch unit 66a and a second switch unit 66b. The type of the battery pack 61 is not particularly limited and may be implemented by a lithium ion battery pack.

상기 스위치(SW1)는 상기 배터리셀(B1)의 정극성 단자와 상기 이차 권선(L21)의 일측 탭 사이에 연결되고, 상기 스위치(SW2)는 상기 배터리셀(B2)의 정극성 단자와 상기 이차 권선(L22)의 일측 탭 사이에 연결되고, 상기 스위치(SW3)는 상기 배터리셀(B3)의 정극성 단자와 상기 이차 권선(L23)의 일측 탭 사이에 연결되고, 상기 스위치(SW4)는 상기 배터리셀(B4)의 정극성 단자와 상기 이차 권선(L24)의 일측 탭 사이에 연결된다.The switch SW1 is connected between the positive terminal of the battery cell B1 and one side of the secondary winding L21 and the switch SW2 is connected between the positive terminal of the battery cell B2 and the positive terminal of the secondary winding L21, And the switch SW3 is connected between a positive terminal of the battery cell B3 and one of the taps of the secondary winding L23 and the switch SW4 is connected between the positive terminal of the battery cell B3 and one of the taps of the secondary winding L23, And is connected between the positive terminal of the battery cell B4 and one side of the secondary winding L24.

상기 스위치(SW5)는 상기 슈퍼커패시터 셀(C1)의 일측 단자와 상기 이차 권선(L25)의 일측 탭 사이에 연결되고, 상기 스위치(SW6)는 상기 슈퍼커패시터 셀(C2)의 일측 단자와 상기 이차 권선(L26)의 일측 탭 사이에 연결되고, 상기 스위치(SW7)는 상기 슈퍼커패시터 셀(C3)의 일측 단자와 상기 이차 권선(L27)의 일측 탭 사이에 연결되고, 상기 스위치(SW8)는 상기 슈퍼커패시터 셀(C4)의 일측 단자와 상기 이차 권선(L28)의 일측 탭 사이에 연결된다.The switch SW5 is connected between one terminal of the supercapacitor cell C1 and one tap of the secondary winding L25 and the switch SW6 is connected between one terminal of the supercapacitor cell C1 and one terminal of the secondary winding L25, And the switch SW7 is connected between one terminal of the supercapacitor cell C3 and one tap of the secondary winding L27 and the switch SW8 is connected between one terminal of the secondary winding L26 and the switch SW8, And is connected between one terminal of the supercapacitor C4 and one tap of the secondary winding L28.

도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 배터리팩(61)과 슈퍼커패시터 팩(62)이 통합된 하나의 액티브 밸런싱회로(60A)에 의해 액티브 밸런싱되는 구조를 나타낸 것이다. 여기서, 액티브 밸런싱회로(60A)는 상기 도 6A에서 플라이백 트랜스포머(63), 제1스위치부(64), 제2스위치부(65) 및 제3스위치부(66)를 포함한다.6B shows a structure in which the battery pack 61 and the supercapacitor pack 62 are actively balanced by one active balancing circuit 60A integrated according to the embodiment of the present invention. 6A, the active balancing circuit 60A includes the flyback transformer 63, the first switch portion 64, the second switch portion 65, and the third switch portion 66 in FIG. 6A.

밸런싱회로(60)는 제1 내지 제3 밸런싱모드로 동작하고, 이들은 각각 제1 서브모드와 제2 서브모드로 동작한다. 제1 밸런싱모드는 배터리팩(61)에서 내부적으로 배터리셀(B1-B4)을 대상으로 밸런싱 동작하고, 슈퍼커패시터 팩(62)에서 내부적으로 슈퍼커패시터셀(C1-C4)을 대상으로 밸런싱 동작하는 모드이다. 제2 밸런싱모드는 배터리팩(61)에서 밸런싱을 위한 전기에너지를 슈퍼커패시터 셀(C1-C4)에 전달하거나, 슈퍼커패시터 팩(62)에서 밸런싱을 위한 전기에너지를 배터리셀(B1-B4)에 전달하는 모드이다. 제3 밸런싱모드는 배터리팩(61)에서 밸런싱을 위해 전달된 전기에너지를 내부의 슈퍼커패시터 셀(C1-C4)에 분배하거나, 슈퍼커패시터 팩(62)에서 밸런싱을 위해 전달된 전기에너지를 내부의 배터리 셀 (B1-B4)에 분배하는 모드이다. The balancing circuit 60 operates in the first through third balancing modes, which operate in the first sub-mode and the second sub-mode, respectively. The first balancing mode balances the battery cells B1-B4 internally in the battery pack 61 and balances the supercapacitor cells C1-C4 internally in the supercapacitor pack 62 Mode. A second balancing mode, the electrical energy for balancing transmit electrical energy for balancing the battery pack 61 to the super-capacitor cell (C1-C4), or super capacitor pack 62 to the battery cell (B1-B4) a passing mode. The third balancing mode is a mode in which the electric energy transferred for balancing in the battery pack 61 is distributed to the inner super-capacitor cells C1-C4 or the electric energy transferred for balance in the super- To the battery cells B1-B4.

상기 배터리셀(B1-B4)의 종류는 특별하게 한정되지 않으며, 리튬이온 배터리셀로 구현될 수 있다. The types of the battery cells B1-B4 are not particularly limited, and may be implemented as a lithium ion battery cell.

도 7a 및 도 7b는 상기 제1 밸런싱모드의 밸런싱 동작예로써 배터리팩(61)에서 내부적으로 배터리셀(B1-B4)을 대상으로 밸런싱 동작을 수행하는 것을 나타낸 회로도이고, 도 8은 상기 제1 밸런싱모드에서 배터리셀(B1-B4)에 전달되는 밸런싱 전기에너지를 나타낸 그래프로서 이들을 참조하여 제1 밸런싱모드를 설명하면 다음과 같다. 7A and 7B are circuit diagrams illustrating balancing operation of the battery packs B1 to B4 in the battery pack 61 as an example of the balancing operation of the first balancing mode, The first balancing mode will be described with reference to the graphs showing the balancing electric energy transmitted to the battery cells (B1-B4) in the balancing mode.

제1 밸런싱모드의 제1서브모드(SUB-Mode 1)에서 제3스위치부(66)의 스위치(Q9)가 턴온되고, 밸런싱회로(60)의 나머지 스위치들은 모두 턴오프된다. 이에 따라, 도 7a와 같이 배터리팩(61), 플라이백 트랜스포머(63)의 일차권선(63A) 및 스위치(Q9)에 의해 하나의 폐루프가 형성된다. 이로 인하여, 배터리팩(61)의 전기에너지가 상기 일차권선(63A)에 회수된다. The switch Q9 of the third switch portion 66 is turned on in the first sub mode (SUB-Mode 1) of the first balancing mode, and all the remaining switches of the balancing circuit 60 are turned off. Thereby, as shown in Fig. 7A, one closed loop is formed by the battery pack 61, the primary winding 63A of the flyback transformer 63, and the switch Q9. As a result, the electric energy of the battery pack 61 is recovered to the primary winding 63A.

이후, 제1 밸런싱모드의 제2서브모드(SUB-Mode 2)에서 제1스위치부(64)의 스위치(SW1-SW4)가 각기 턴온되고, 밸런싱회로(60)의 나머지 스위치들은 모두 턴오프된다. 이에 따라, 도 7b와 같이 배터리셀(B1-B4)이 상기 스위치(SW1-SW4) 중에서 해당 스위치를 통해 제1 이차권선부(63B)의 이차 권선(L21-L24) 중에서 해당 권선에 각기 와인딩된다. 이로 인하여, 상기 일차권선(63A)에 회수된 전기에너지가 상기 이차 권선(L21-L24) 중에서 해당 권선을 통해 상기 배터리셀(B1-B4)에 각기 분배된다.Subsequently, the switches SW1-SW4 of the first switch portion 64 are turned on in the second sub mode (SUB-Mode 2) of the first balancing mode, and all the remaining switches of the balancing circuit 60 are turned off . 7B, the battery cells B1 to B4 are respectively wound on the respective windings of the secondary windings L21 to L24 of the first secondary winding portion 63B through the corresponding switches of the switches SW1 to SW4 . Accordingly, the electric energy recovered in the primary winding 63A is distributed to the battery cells B1-B4 through the respective windings of the secondary windings L21-L24.

상기 제1서브모드(SUB-Mode 1)에서 플라이백 트랜스포머(63)의 내부 인덕턴스(Lm)의 전류 기울기(△iLm)는 다음의 [수학식 1]과 같으며, 선형적으로 증가된다.The current slope? I Lm of the internal inductance L m of the flyback transformer 63 in the first sub-mode (SUB-Mode 1) is as shown in the following Equation 1 and is linearly increased .

Figure 112017020418210-pat00001
Figure 112017020418210-pat00001

여기서, Vpack은 배터리팩(61)의 전압, D는 듀티비, TS는 스위칭 주파수이다.Here, V pack is the voltage of the battery pack 61, D is the duty ratio, and T S is the switching frequency.

상기 제2서브모드(SUB-Mode 2)에서 플라이백 트랜스포머(63)의 내부 인덕턴스(Lm)의 전류 기울기(△iLm)는 다음의 [수학식 2]와 같으며, 선형적으로 증가된다.The current slope? I Lm of the internal inductance L m of the flyback transformer 63 in the second sub mode (SUB-Mode 2) is equal to the following formula (2) and linearly increased .

Figure 112017020418210-pat00002
Figure 112017020418210-pat00002

여기서, N은 플라이백 트랜스포머(63)의 와인딩 비, Vcell은 각 배터리셀(B1-B4)의 전압니다.Here, N is the winding ratio of the flyback transformer 63, and V cell is the voltage of each battery cell (B1-B4).

상기 제1 밸런싱모드의 제2서브모드(SUB-Mode 2)에서 배터리셀(B1-B4)의 전압 레벨에 따라 상기 일차권선(63A)으로부터 상기 배터리셀(B1-B4)에 전달되는 전류의 양이 다르게 된다. 즉, 배터리셀(B1-B4)에서 높은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀은 상기 내부 인덕턴스(Lm)의 전기 에너지가 선형적으로 감소할 때 더 높은 기울기를 갖는다. 따라서, 상기 높은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀의 전류는 상대적으로 빨리 감소된다. 반대로, 배터리셀(B1-B4)에서 낮은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀은 상기 내부 인덕턴스(Lm)의 전기 에너지가 선형적으로 감소할 때 더 낮은 기울기를 갖는다. 따라서, 상기 낮은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀의 전류는 상대적으로 느리게 감소된다.The amount of current transferred from the primary winding 63A to the battery cells B1-B4 in accordance with the voltage level of the battery cells B1-B4 in the second sub mode (SUB-Mode 2) of the first balancing mode. . That is, the battery cell in which a high level voltage is stored in the battery cells B1-B4 has a higher slope when the electric energy of the internal inductance L m linearly decreases. Therefore, the current of the battery cell in which the high level voltage is stored is reduced relatively quickly. Conversely, a battery cell in which a low level voltage is stored in the battery cells B1-B4 has a lower slope when the electrical energy of the internal inductance L m linearly decreases. Therefore, the current of the battery cell in which the low level voltage is stored is reduced relatively slowly.

이에 따라, 전압 레벨이 낮은 배터리셀이 전압 레벨이 높은 배터리셀에 비하여 상기 일차권선(63A)으로부터 더 많은 전기 에너지를 전달받기 때문에 시간이 지날수록 밸런싱이 맞추어진다. 이와 같은 배터리셀(B1-B4)의 전압 변화가 도 8에 나타나 있다. 도 8과 같은 전압 변화는 슈퍼커패시터 팩(62)의 내부에서 슈퍼커패시터 셀(C1-C4)을 대상으로 밸런싱 동작을 수행할 때에도 동일하게 나타난다.Accordingly, as the battery cell having a low voltage level receives more electric energy from the primary winding 63A as compared with the battery cell having a high voltage level, balancing is performed over time. The change in the voltage of the battery cells B1 to B4 is shown in Fig. The same voltage change as shown in FIG. 8 is obtained when the balancing operation is performed on the supercapacitor cells (C1-C4) within the super capacitor pack (62).

도 9a 및 도 9b는 상기 제2 밸런싱모드의 밸런싱 동작예로써 밸런싱을 위한 전기에너지를 슈퍼커패시터 팩(62)으로부터 배터리팩(61)의 배터리셀(B1-B4)에 전달하는 동작을 나타낸 것이고, 도 10은 제2 밸런싱모드에서 배터리팩(61)의 배터리셀(B1-B4)에 전달되는 밸런싱 전기에너지를 나타낸 그래프로서 이들을 참조하여 제2 밸런싱모드를 설명하면 다음과 같다. Figures 9a and 9b will illustrating an operation for transmitting the battery cell (B1-B4) of the battery pack 61, the electric energy for the balance from the super-capacitor pack 62, for example balancing operation of said second balancing mode, FIG. 10 is a graph showing balancing electrical energy transmitted to the battery cells B1-B4 of the battery pack 61 in the second balancing mode. Referring to these, the second balancing mode will be described as follows.

제2 밸런싱모드의 제1서브모드에서 제3스위치부(66)의 스위치(Q10)가 턴온되고, 밸런싱회로(60)의 나머지 스위치들은 모두 턴오프된다. 이에 따라, 도 9a와 같이 슈퍼커패시터 팩(62), 플라이백 트랜스포머(63)의 일차권선(63A) 및 상기 스위치(Q10)를 통해 하나의 폐루프가 형성된다. 이로 인하여, 슈퍼커패시터 팩(62)의 전체 전기에너지가 상기 일차권선(63A)에 회수된다. In the first sub mode of the second balancing mode, the switch Q10 of the third switch portion 66 is turned on and all the remaining switches of the balancing circuit 60 are turned off. Thus, one closed loop is formed through the supercapacitor pack 62, the primary winding 63A of the flyback transformer 63, and the switch Q10 as shown in Fig. 9A. As a result, the total electric energy of the supercapacitor pack 62 is recovered to the primary winding 63A.

이후, 제2 밸런싱모드의 제2서브모드에서 제1스위치부(64)의 스위치(SW1-SW4)가 각기 턴온되고, 밸런싱회로(60)의 나머지 스위치들은 모두 턴오프된다. 이에 따라, 도 9b와 같이 배터리팩(61)의 배터리셀(B1-B4)이 상기 스위치(SW1-SW4) 중에서 해당 스위치를 통해 제1 이차권선부(63B)의 이차 권선(L21-L24) 중에서 해당 권선에 각기 와인딩된다. 이로 인하여, 상기 일차권선(63A)에 회수된 전기에너지가 상기 이차 권선(L21-L24) 중에서 해당 권선을 통해 상기 배터리셀(B1-B4)에 각기 전달된다.Thereafter, in the second sub mode of the second balancing mode, the switches SW1-SW4 of the first switch portion 64 are turned on and the remaining switches of the balancing circuit 60 are all turned off. 9B, the battery cells B1-B4 of the battery pack 61 are disconnected from the secondary windings L21-L24 of the first secondary winding portion 63B through corresponding switches among the switches SW1-SW4 Each winding is wound on the corresponding winding. Accordingly, the electric energy recovered in the primary winding 63A is transmitted to the battery cells B1-B4 through the respective windings of the secondary windings L21-L24.

상기 제2 밸런싱모드의 제2서브모드에서 배터리셀(B1-B4)의 전압 레벨에 따라 상기 일차권선(63A)으로부터 상기 배터리셀(B1-B4)에 전달되는 전류의 양이 다르게 된다. 즉, 배터리셀(B1-B4)에서 높은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀은 상기 내부 인덕턴스(Lm)의 전기 에너지가 선형적으로 감소할 때 더 높은 기울기를 갖는다. 따라서, 상기 높은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀의 전류는 상대적으로 빨리 감소된다. 반대로, 배터리셀(B1-B4)에서 낮은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀은 상기 내부 인덕턴스(Lm)의 전기 에너지가 선형적으로 감소할 때 더 낮은 기울기를 갖는다. 따라서, 상기 낮은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀의 전류는 상대적으로 느리게 감소된다.The amount of current transferred from the primary winding 63A to the battery cells B1-B4 varies depending on the voltage level of the battery cells B1-B4 in the second sub mode of the second balancing mode. That is, the battery cell in which the high level voltage is stored in the battery cells B1-B4 has a higher slope when the electric energy of the internal inductance L m linearly decreases. Therefore, the current of the battery cell in which the high level voltage is stored is reduced relatively quickly. Conversely, a battery cell in which a low level voltage is stored in the battery cells B1-B4 has a lower slope when the electric energy of the internal inductance L m linearly decreases. Therefore, the current of the battery cell in which the low level voltage is stored is reduced relatively slowly.

이에 따라, 전압 레벨이 낮은 배터리셀이 전압 레벨이 높은 배터리셀에 비하여 상기 일차권선(63A)으로부터 더 많은 전기 에너지를 전달받기 때문에 시간이 지날수록 밸런싱이 맞추어진다. 이와 같은 배터리셀(B1-B4)의 전압 변화가 도 10에 나타나 있다. 도 10과 같은 전압 변화는 슈퍼커패시터 팩(62)의 내부에서 슈퍼커패시터 셀(C1-C4)을 대상으로 밸런싱 동작을 수행할 때에도 동일하게 나타난다.Accordingly, as the battery cell having a low voltage level receives more electric energy from the primary winding 63A as compared with the battery cell having a high voltage level, balancing is performed over time. The change in the voltage of the battery cells B1 to B4 is shown in Fig. The same voltage change as shown in FIG. 10 is obtained when the balancing operation is performed on the supercapacitor cells (C1-C4) in the supercapacitor pack (62).

도 11a 및 도 11b는 상기 제3 밸런싱모드의 밸런싱 동작예로써 밸런싱을 위한 전기에너지를 슈퍼커패시터 팩(62)으로부터 배터리팩(61)에 전달받아 내부의 배터리셀(B1-B4)에 분배하는 동작을 나타낸 것이고, 도 12는 상기 제3 밸런싱모드에서 배터리팩(61)에 전달되는 밸런싱 전기에너지를 나타낸 그래프로서 이들을 참조하여 제3 밸런싱모드를 설명하면 다음과 같다. 11A and 11B illustrate an example of the balancing operation of the third balancing mode in which electric energy for balancing is transferred from the supercapacitor pack 62 to the battery pack 61 and distributed to the battery cells B1- And FIG. 12 is a graph showing balancing electrical energy transmitted to the battery pack 61 in the third balancing mode. Referring to these, the third balancing mode will be described as follows.

제3 밸런싱모드는 상기 제2 밸런싱모드가 종료된 후 일차권선(63A)에 회수된 전기에너지가 배터리팩(61)에 전달되고 있는 상태에서, 계속해서 그 전기 에너지를 배터리셀(B1-B4)에 분배하는 모드이다.In the third balancing mode, the electric energy recovered to the primary winding 63A after the completion of the second balancing mode is continuously transmitted to the battery pack 61, and the electric energy is continuously supplied to the battery cells B1-B4. .

제3 밸런싱모드의 제1서브모드에서 제3스위치부(66)의 스위치(Q10)가 턴온되고, 밸런싱회로(60)의 나머지 스위치들은 모두 턴오프된다. 이에 따라, 도 11a와 같이 슈퍼커패시터 팩(62), 플라이백 트랜스포머(63)의 일차권선(63A) 및 상기 스위치(Q10)를 통해 하나의 폐루프가 형성된다. 이로 인하여, 슈퍼커패시터 팩(62)의 전기에너지가 상기 일차권선(63A)에 회수된다. In the first sub mode of the third balancing mode, the switch Q10 of the third switch portion 66 is turned on and all the remaining switches of the balancing circuit 60 are turned off. Accordingly, one closed loop is formed through the supercapacitor pack 62, the primary winding 63A of the flyback transformer 63, and the switch Q10 as shown in Fig. 11A. As a result, the electric energy of the supercapacitor pack 62 is recovered to the primary winding 63A.

이후, 제3 밸런싱모드의 제2서브모드에서 제1스위치부(64)의 스위치(SW1-SW4)가 턴온된다. 이에 따라, 도 11b와 같이 배터리팩(61)의 배터리셀(B1-B4)이 상기 스위치(SW1-SW4) 중에서 해당 스위치를 통해 제1 이차권선부(63B)의 이차 권선(L21-L24) 중에서 해당 권선에 각기 와인딩된다. 이로 인하여, 상기 일차권선(63A)에 회수된 전기에너지가 상기 이차 권선(L21-L24) 중에서 해당 권선을 통해 상기 배터리셀(B1-B4)에 각기 분배된다.Then, the switches SW1 to SW4 of the first switch unit 64 are turned on in the second sub mode of the third balancing mode. Thus, as shown in FIG. 11B, the battery cells B1-B4 of the battery pack 61 are disconnected from the secondary windings L21-L24 of the first secondary winding portion 63B through the switches SW1- Each winding is wound on the corresponding winding. Accordingly, the electric energy recovered in the primary winding 63A is distributed to the battery cells B1-B4 through the respective windings of the secondary windings L21-L24.

상기 제3 밸런싱모드의 제2서브모드에서 배터리셀(B1-B4)의 전압 레벨에 따라 상기 일차권선(63A)으로부터 상기 배터리셀(B1-B4)에 전달되는 전류의 양이 다르게 된다. 즉, 배터리셀(B1-B4)에서 높은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀은 상기 내부 인덕턴스(Lm)의 전기 에너지가 선형적으로 감소할 때 더 높은 기울기를 갖는다. 따라서, 상기 높은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀의 전류는 상대적으로 빨리 감소된다. 반대로, 배터리셀(B1-B4)에서 낮은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀은 상기 내부 인덕턴스(Lm)의 전기 에너지가 선형적으로 감소할 때 더 낮은 기울기를 갖는다. 따라서, 상기 낮은 레벨의 전압이 저장된 배터리셀의 전류는 상대적으로 느리게 감소된다.The amount of current transferred from the primary winding 63A to the battery cells B1-B4 varies depending on the voltage level of the battery cells B1-B4 in the second sub mode of the third balancing mode. That is, the battery cell in which the high level voltage is stored in the battery cells B1-B4 has a higher slope when the electric energy of the internal inductance L m linearly decreases. Therefore, the current of the battery cell in which the high level voltage is stored is reduced relatively quickly. Conversely, a battery cell in which a low level voltage is stored in the battery cells B1-B4 has a lower slope when the electric energy of the internal inductance L m linearly decreases. Therefore, the current of the battery cell in which the low level voltage is stored is reduced relatively slowly.

이에 따라, 전압 레벨이 낮은 배터리셀이 전압 레벨이 높은 배터리셀에 비하여 상기 일차권선(63A)으로부터 더 많은 전기 에너지를 전달받기 때문에 시간이 지날수록 밸런싱이 맞추어진다. 이와 같은 배터리셀(B1-B4)의 전압 변화가 도 12에 나타나 있다. Accordingly, as the battery cell having a low voltage level receives more electric energy from the primary winding 63A as compared with the battery cell having a high voltage level, balancing is performed over time. The change in the voltage of the battery cells B1 to B4 is shown in Fig.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, it should be understood that the scope of the present invention is not limited thereto. These embodiments are also within the scope of the present invention.

60 : 밸런싱 회로 61 : 배터리 팩
62 : 슈퍼커패시터 팩 63 : 플라이백 트랜스포머
63A : 일차권선 63B : 제1 이차권선부
63C : 제2 이차권선부 64 : 제1스위치부
65 : 제2스위치부 66 : 제3스위치부60: Balancing circuit 61: Battery pack
62: Super Capacitor Pack 63: Flyback Transformer
63A: Primary winding 63B: First secondary winding part
63C: second secondary winding section 64: first switch section
65: second switch part 66: third switch part

Claims (11)

직렬 연결된 복수 개의 배터리셀을 구비한 배터리팩;
직렬 연결된 복수 개의 슈퍼커패시터 셀을 구비한 슈퍼커패시터 팩;
일차권선, 복수 개의 이차 권선을 구비한 제1 이차권선부 및 또 다른 복수 개의 이차 권선을 구비한 제2 이차권선부를 포함하는 플라이백 트랜스포머;
상기 복수 개의 배터리셀과 상기 제1 이차권선부의 이차권선들과의 연결을 각기 단속하는 복수 개의 스위치를 구비한 제1스위치부;
상기 슈퍼커패시터 셀과 상기 제2 이차권선부의 이차권선들과의 연결을 각기 단속하는 또 다른 복수 개의 스위치를 구비한 제2스위치부; 및
상기 배터리팩을 상기 일차권선에 연결하거나 상기 슈퍼커패시터 팩을 상기 일차권선에 연결하는 제3스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
A battery pack having a plurality of battery cells connected in series;
A supercapacitor pack having a plurality of super-capacitor cells connected in series;
A flyback transformer including a first secondary winding, a first secondary winding portion having a plurality of secondary windings, and a second secondary winding portion having another plurality of secondary windings;
A first switch unit having a plurality of switches for interrupting connection between the plurality of battery cells and the secondary windings of the first secondary winding unit;
A second switch part having another plurality of switches for interrupting connection between the supercapacitor cell and the secondary windings of the second secondary winding part; And
And a third switch unit for connecting the battery pack to the primary winding or connecting the super capacitor pack to the primary winding of the hybrid battery pack using the flyback transformer.
제1항에 있어서, 상기 제1 스위치부의 복수 개의 스위치는
상기 배터리팩에 구비된 제1 배터리셀의 정극성 단자와 상기 제1 이차권선부에 구비된 제1 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제1스위치;
상기 배터리팩에 구비된 제2 배터리셀의 정극성 단자와 상기 제1 이차권선부에 구비된 제2 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제2스위치;
상기 배터리팩에 구비된 제3 배터리셀의 정극성 단자와 상기 제1 이차권선부에 구비된 제3 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제3스위치; 및
상기 배터리팩에 구비된 제4 배터리셀의 정극성 단자와 상기 제1 이차권선부에 구비된 제4 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제4스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
The apparatus of claim 1, wherein the plurality of switches of the first switch unit
A first switch connected between a positive terminal of a first battery cell provided in the battery pack and a first side of a first secondary winding of the first secondary winding;
A second switch connected between a positive terminal of a second battery cell provided in the battery pack and a first side of a second secondary winding of the first secondary winding;
A third switch connected between a positive terminal of a third battery cell provided in the battery pack and one side taps of a third secondary winding of the first secondary winding; And
And a fourth switch connected between a positive terminal of a fourth battery cell provided in the battery pack and one side taps of a fourth secondary winding provided in the first secondary winding portion. [5] The flyback transformer of claim 1, Battery pack balancing circuit.
제1항에 있어서, 상기 제2 스위치부의 또 다른 복수 개의 스위치는
상기 슈퍼커패시터 팩에 구비된 제1 슈퍼커패시터 셀의 일측 단자와 상기 제2 이차권선부에 구비된 제5 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제5스위치;
상기 슈퍼커패시터 팩에 구비된 제2 슈퍼커패시터 셀의 일측 단자와 상기 제2 이차권선부에 구비된 제6 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제6스위치;
상기 슈퍼커패시터 팩에 구비된 제3 슈퍼커패시터 셀의 일측 단자와 상기 제2 이차권선부에 구비된 제7 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제7스위치; 및
상기 슈퍼커패시터 팩에 구비된 제4 슈퍼커패시터 셀의 일측 단자와 상기 제2 이차권선부에 구비된 제8 이차권선의 일측 탭 사이에 연결된 제5스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
The apparatus according to claim 1, wherein another plurality of switches of the second switch section
A fifth switch connected between one terminal of a first supercapacitor cell provided in the supercapacitor pack and one side taps of a fifth secondary winding of the second secondary winding;
A sixth switch connected between one terminal of a second supercapacitor cell provided in the supercapacitor pack and one tap of a sixth secondary winding of the second secondary winding;
A seventh switch connected between one terminal of a third supercapacitor cell provided in the supercapacitor pack and one side taps of a seventh secondary winding of the second secondary winding; And
And a fifth switch connected between one terminal of a fourth supercapacitor cell provided in the supercapacitor pack and one taps of an eighth secondary winding of the second secondary winding section. The balancing circuit of a hybrid battery pack.
제1항에 있어서, 상기 제3 스위치부는
상기 배터리팩을 상기 일차권선에 연결하는 제9 스위치; 및
상기 슈퍼커패시터 팩을 상기 일차권선에 연결하는 제10 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
The apparatus according to claim 1, wherein the third switch unit
A ninth switch for connecting the battery pack to the primary winding; And
And a tenth switch for connecting the supercapacitor pack to the primary winding. The balancing circuit of the hybrid battery pack using the flyback transformer.
제1항에 있어서, 상기 배터리팩의 전기에너지는 상기 제3스위치부에 의해 상기 일차권선에 회수되고, 상기 일차권선에 회수된 전기에너지는 상기 제1스위치부에 의해 상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리셀에 분배되는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
2. The battery pack according to claim 1, wherein the electric energy of the battery pack is recovered to the primary winding by the third switch unit, and the electric energy recovered in the primary winding is supplied to the plurality of battery cells And the balancing circuit of the hybrid battery pack using the flyback transformer.
제1항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터 팩의 전기에너지는 상기 제3스위치부에 의해 상기 일차권선에 회수되고, 상기 일차권선에 회수된 전기에너지는 상기 제2스위치부에 의해 상기 직렬 연결된 복수 개의 슈퍼커패시터 셀에 분배되는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
2. The superconducting transformer according to claim 1, wherein the electric energy of the supercapacitor pack is recovered to the primary winding by the third switch part, and the electric energy recovered in the primary winding is supplied to the plurality of super- Wherein the balancing circuit is distributed to the capacitor cells.
제1항에 있어서, 상기 배터리팩의 전기에너지는 상기 제3스위치부에 의해 상기 일차권선에 회수되고, 상기 일차권선에 회수된 전기에너지는 상기 제1스위치부에 의해 상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리셀에 전달되는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
2. The battery pack according to claim 1, wherein the electric energy of the battery pack is recovered to the primary winding by the third switch unit, and the electric energy recovered in the primary winding is supplied to the plurality of battery cells Wherein the balancing circuit is connected to the flyback transformer.
제1항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터 팩의 전기에너지는 상기 제3스위치부에 의해 상기 일차권선에 회수되고, 상기 일차권선에 회수된 전기에너지는 상기 제2스위치부에 의해 상기 직렬 연결된 복수 개의 슈퍼커패시터 셀에 전달되는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
2. The superconducting transformer according to claim 1, wherein the electric energy of the supercapacitor pack is recovered to the primary winding by the third switch part, and the electric energy recovered in the primary winding is supplied to the plurality of super- And the charge current is transferred to the capacitor cell.
제1항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터 팩으로부터 상기 일차권선에 회수된 전기에너지가 상기 제1스위치부에 의해 상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리셀에 분배되는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.
The hybrid battery pack according to claim 1, wherein electric energy recovered from the supercapacitor pack to the primary winding is distributed to the plurality of battery cells connected in series by the first switch unit Balancing circuit.
제1항에 있어서, 상기 배터리팩으로부터 상기 일차권선에 회수된 전기에너지가 상기 제2스위치부에 의해 상기 직렬 연결된 복수 개의 슈퍼커패시터 셀에 분배되는 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.2. The hybrid battery pack according to claim 1, wherein electric energy recovered from the primary winding of the battery pack is distributed to the plurality of supercapacitor cells connected in series by the second switch unit. Balancing circuit. 제1항에 있어서, 상기 배터리셀은 리튬이온 배터리셀(Li-ion Battery Cell)인 것을 특징으로 하는 플라이백 트랜스포머를 이용한 하이브리드 배터리팩의 밸런싱 회로.2. The hybrid battery pack balancing circuit according to claim 1, wherein the battery cell is a Li-ion battery cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112952974A (en) * 2021-03-10 2021-06-11 华南理工大学 Hybrid energy storage equalization circuit based on forward and backward flyback converter and control method

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