KR101865442B1 - 배터리 시스템 - Google Patents

배터리 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101865442B1
KR101865442B1 KR1020147010948A KR20147010948A KR101865442B1 KR 101865442 B1 KR101865442 B1 KR 101865442B1 KR 1020147010948 A KR1020147010948 A KR 1020147010948A KR 20147010948 A KR20147010948 A KR 20147010948A KR 101865442 B1 KR101865442 B1 KR 101865442B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
cell
converter
secondary battery
voltage
Prior art date
Application number
KR1020147010948A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140082730A (ko
Inventor
히로히꼬 하야까와
Original Assignee
르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤 filed Critical 르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤
Publication of KR20140082730A publication Critical patent/KR20140082730A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101865442B1 publication Critical patent/KR101865442B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22—Balancing the charge of battery modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/24—Using the vehicle's propulsion converter for charging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/60—Monitoring or controlling charging stations
    • B60L53/66—Data transfer between charging stations and vehicles
    • B60L53/665—Methods related to measuring, billing or payment
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/91—Electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4278—Systems for data transfer from batteries, e.g. transfer of battery parameters to a controller, data transferred between battery controller and main controller
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

ECU는, 충전이 필요한 배터리 셀이 있다고 판정하면, 어드레스 정보를 전지 감시 AFE(6)로 출력한다. 전지 감시 AFE(6)는 어드레스 정보에 의해 특정된 트랜지스터 T2를 온시켜서 밸런스 회로(4)에 액티브의 ON/OFF 신호를 출력한다. 밸런스 회로(4)에는, 각 배터리 셀(2a)이 각각 접속된 DC 컨버터(30)가 설치되어 있으며, ON/OFF 신호가 입력된 DC 컨버터(30)가 동작함으로써 선택적으로 배터리 셀을 충전한다. DC 컨버터(30)는 마그네틱 앰프 방식의 포워드 컨버터를 포함하고, ON/OFF 신호가 액티브일 때, 배터리 셀의 전압이 4.2V 정도보다도 낮으면, 셀 전압이 낮은 배터리 셀을 선택적으로 충전하고, 최종적으로 셀 전압을 4.2V 정도로 유지하여, 배터리 셀(2a)로의 과충전을 방지한다.

Description

배터리 시스템{BATTERY SYSTEM}
본 발명은 2차전지 배터리의 충전 기술에 관한 것으로, 특히, 2차전지 배터리를 구성하는 2차전지 셀에 있어서의 셀 밸런스 제어에 유효한 기술에 관한 것이다.
EV(Electric Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle) 등에 이용되는 배터리는, 경량화와 손실 경감의 관점에서, 고전압화가 이루어져 있다. 이러한 종류의 배터리를 구비한 전원 시스템에는, 상기 배터리의 충방전 제어 및 감시 등을 행하는 전지 감시 AFE(Analog Front End) 등의 반도체 집적 회로 장치가 설치되어 있다.
이러한 종류의 반도체 집적 회로 장치에는, 배터리 셀의 선택적인 방전/충전 기능을 갖고, 배터리 셀 전압을 고르게 하고, 배터리 셀이 갖고 있는 방전 용량의 합계에 비하여 배터리(전체)로서 보았을 때 사용할 수 있는 전력량이 현저하게 악화하는 것을 방지하는, 소위 컨디셔닝 회로가 일반적으로 설치되어 있다.
이러한 종류의 배터리에 있어서의 셀 밸런스(각 배터리 셀 전압을 고르게 하는) 기술로서는, 인접하는 셀끼리의 전하를 벅 부스트 컨버터 등에 의해 균일화하는 것(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 컨버터를 이용하여 배터리 전체로부터 특정한 배터리 셀에 전하를 주입하는 것(예를 들어, 비특허문헌 1 참조) 및 차지 펌프의 기술을 응용한 스위치 소자와 콘덴서를 이용한 것(예를 들어, 특허문헌 2 참조) 등이 있다.
특허문헌 1은, 인접하는 2개의 셀 간의 전하를 양자의 전압이 동등하게 하는 방법이다. 금지대를 끼워 동일한 펄스폭으로 상하의 셀에 접속된 스위치를 교대로 개폐하는 이 스위치 동작에 의해, 2개의 셀의 중점에 접속된 인덕터에 한쪽 셀의 에너지가 축적되고 다른 쪽으로 옮겨진다.
2개의 셀의 전압이 회로 상수와 펄스폭으로 정해지는 일정량 이상 다른 경우에는 에너지의 흐름은 전압이 높은 셀로부터 낮은 셀로 되지만, 그 이하의 경우에는 전압이 높은 셀로부터 낮은 셀의 에너지의 흐름과 낮은 셀로부터 높은 셀로의 에너지의 흐름이 동시에 발생하고 그 비율은 양자의 셀 전압에 의한다.
이 현상에 의해, 2개의 셀 전압은 서서히 접근하고 각각의 셀 전압이 완전히 동등해진다. 이 경우에는 2개의 에너지의 흐름은 동일해지고 있다. 3개 이상의 경우에는 인접하는 2개의 셀에 대하여, 1개의 인덕터에 2개의 스위치가 필요해진다. 배터리가 N개의 셀로 구성되어 있으면 N-1개의 인덕터와 2N-2개의 스위치 소자가 필요해진다.
또한, 비특허문헌 1에 개시된 컨버터에 의한 액티브 셀 밸런스 방식은, 배터리의 고전위측 전극, 즉 직렬 접속된 배터리 셀의 플러스측 전극과 저전위측 전극 간에서 에너지를 취출하는 방식이다. 배터리 전체로부터 취출한 에너지를 배터리 셀로 충전하는 방법이다.
또한, 특허문헌 2에 있어서 개시되는 기술은, 차지 펌프와 마찬가지로 주요부품은 스위치와 콘덴서로 구성되어 있다. 일단 콘덴서에 축적된 전하를 다른 셀 등으로 옮기는 방법이다.
미국특허 제7615966호 미국특허 제5710504호
Journal of Power Electronics, Vol. 9, No. 3, May 2009, p.472
그런데, 상기한 바와 같은 배터리에 있어서의 셀 밸런스 기술에서는, 다음과 같은 문제점이 있는 것을 본 발명자가 알아내었다.
우선, 특허문헌 1의 기술에서는, 에너지의 이동이 인접 셀로 한정되어 버린다고 하는 문제가 있다. 배터리의 셀 수가, 2셀 내지 4셀인 경우에는, 실용적이지만, 대다수의 차량 탑재용 배터리 셀은, 96셀 정도의 구성으로 되어 있으며, 모든 셀이 밸런스를 이룰 때까지 시간이 너무 걸리게 된다. 또한, 높은 전압의 셀과 낮은 전압의 셀의 위치나, 그 사이의 셀의 전압에도 수렴 시간이 의존하므로, 시스템 전체의 제어가 곤란하다고 하는 문제가 있다.
또한, 상하의 셀에 접속된 모든 스위치를 동작시킬 필요가 있으므로, 인접 셀의 전압이 동일하여도 항상 에너지의 흐름(충방전)은 계속되고 있으며, 회로 동작에 따른 손실이 커져 버린다.
계속해서, 비특허문헌 1의 기술인 경우에는, 각 셀의 제어 회로가 없기 때문에, 셀의 작동 전압을 엄수하는 것이 곤란하며, 기능 안전의 관점에 있어서 문제가 발생할 우려가 있다.
또한, 특허문헌 2에 있어서의 차지 펌프에 의한 기술에서는, 차지 펌프에 이용되는 스위치의 제어가 복잡해져 버린다고 하는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 스위치의 임피던스가 효율적으로 직접 반영되므로, 상기 임피던스를 낮게 할 필요가 있다. 스위치 소자는 스위칭 횟수가 매우 많아지는 것이 예상되므로, MOSFET(Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 반도체 소자가 적당하지만, 피크 전류가 크기 때문에 스위칭 소자가 고가로 되어버린다.
본 발명의 목적은, 간단한 제어로 저비용에 의해, 효율 좋게 임의의 2차전지 셀을 충전할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 신규 특징에 대해서는, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
본원에 있어서 개시되는 발명 중, 대표적인 것의 개요를 간단히 설명하면, 다음과 같다.
전술한 목적을 달성하기 위해서, 임의의 2차 전지 셀에 충전을 행하고, 셀 밸런스 제어를 행하는 배터리 시스템을 실현한다. 이 배터리 시스템은, 복수의 2차전지 셀을 직렬로 접속하여 구성된 배터리와, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어부를 갖는다.
또한, 배터리 제어부는, 2차전지 셀을 감시하는 전지 감시부와, 상기 배터리의 셀 밸런스 제어를 행하는 셀 밸런스 회로를 갖고, 상기 셀 밸런스 회로는, 상기 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압을 강압한 제2 전원 전압이 공급되고, 상기 제2 전원 전압으로부터 임의의 주기의 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 회로와, 상기 2차전지 셀에 각각 접속되고, 상기 펄스 발생 회로가 생성한 펄스 신호에 기초하여, 상기 2차전지 셀에 충전하는 충전 전압을 생성하는 제1 DC 컨버터를 갖는다.
그리고, 전지 감시부는, 충전을 행하는 2차전지 셀을 선택하는 충전 제어 신호에 기초하여, 충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하고, 상기 2차전지 셀이 접속되어 있는 제1 DC 컨버터에 대하여 동작 제어 신호를 출력하고, 상기 제1 DC 컨버터는, 상기 동작 제어 신호에 기초하여 동작하고, 상기 2차전지 셀에 충전한다.
본원에 있어서 개시되는 발명 중, 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 이하와 같다.
(1) 배터리 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(2) 배터리 시스템의 비용을 저감할 수 있다.
(3) 배터리의 전지 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 배터리 시스템에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 2는, 도 1의 배터리 시스템에 설치된 전지 감시 AFE에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 3은, 충전 시에 있어서의 배터리 셀의 전력을 감소하는 메커니즘의 설명도이다.
도 4는, 방전(사용) 시에 있어서의 배터리 셀의 전력을 감소하는 메커니즘의 설명도이다.
도 5는, 도 1의 배터리 시스템에 설치된 밸런스 회로에 있어서의 원리를 나타내는 설명도이다.
도 6은, 도 5에 도시한 밸런스 회로에 있어서의 변형예를 나타낸 설명도이다.
도 7은, 도 6에 도시한 밸런스 회로에 있어서의 다른 변형예를 나타낸 설명도이다.
도 8은, 도 6의 밸런스 회로의 다른 변형예를 나타낸 설명도이다.
도 9는, 도 1의 배터리 시스템에 설치된 밸런스 회로의 구체적인 회로 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 10은, 도 9의 밸런스 회로에 설치된 DC 컨버터에 있어서의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 11은, 도 9의 밸런스 회로에 설치된 펄스 전압 발생 회로에 있어서의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 12는, 도 9의 밸런스 회로에 설치된 DC 강압 컨버터에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 13은, 도 9의 DC 컨버터와 도 11의 펄스 전압 발생 회로의 일부를 나타낸 개략도이다.
도 14는, 도 13에 있어서의 각 부 신호의 타이밍 차트이다.
도 15는, 본 발명의 실시 형태 2에 따른 밸런스 회로에 설치된 DC 컨버터의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 16은, 본 발명의 실시 형태 3에 따른 밸런스 회로에 설치된 DC 컨버터의 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 17은, 본 발명의 실시 형태 4에 따른 배터리 시스템의 구체적인 회로 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 18은, 본 발명의 실시 형태 5에 따른 배터리 시스템의 구체적인 회로 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 또한, 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 부재에는 원칙으로서 동일한 부호를 부여하고, 그 반복된 설명은 생략한다.
(실시 형태 1)
도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 배터리 시스템에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도, 도 2는, 도 1의 배터리 시스템에 설치된 전지 감시 AFE에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도, 도 3은, 충전 시에 있어서의 배터리 셀의 전력을 감소하는 메커니즘의 설명도, 도 4는, 방전(사용) 시에 있어서의 배터리 셀의 전력을 감소하는 메커니즘의 설명도, 도 5는, 도 1의 배터리 시스템에 설치된 밸런스 회로에 있어서의 원리를 나타내는 설명도, 도 6은, 도 5에 도시한 밸런스 회로에 있어서의 변형예를 나타낸 설명도, 도 7은, 도 6에 도시한 밸런스 회로에 있어서의 다른 변형예를 나타낸 설명도, 도 8은, 도 6의 밸런스 회로의 다른 변형예를 나타낸 설명도, 도 9는, 도 1의 배터리 시스템에 설치된 밸런스 회로의 구체적인 회로 구성의 일례를 나타내는 설명도, 도 10은, 도 9의 밸런스 회로에 설치된 DC 컨버터에 있어서의 일례를 나타내는 설명도, 도 11은, 도 9의 밸런스 회로에 설치된 펄스 전압 발생 회로에 있어서의 일례를 나타내는 설명도, 도 12는, 도 9의 밸런스 회로에 설치된 DC 강압 컨버터에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도, 도 13은, 도 9의 DC 컨버터와 도 11의 펄스 전압 발생 회로의 일부를 나타낸 개략도, 도 14는, 도 13에 있어서의 각부 신호의 타이밍 차트이다.
<실시 형태의 개요>
본 실시 형태의 개요는, 복수의 2차전지 셀(배터리 셀(2a))을 직렬로 접속하여 구성된 배터리(배터리(2))와, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어부(밸런스 회로(4), MCU(5), 전지 감시 AFE(6))를 가진 배터리 시스템(배터리 시스템(1))에 적용된다.
또한, 배터리 제어부는, 2차전지 셀을 감시하는 전지 감시부(전지 감시 AFE(6))와, 배터리의 셀 밸런스 제어를 행하는 셀 밸런스 회로(밸런스 회로(4))를 갖는다.
또한, 셀 밸런스 회로는, 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압(전원 전압 VBAT)을 강압한 제2 전원 전압(전원 전압 VCC)이 공급되고, 상기 제2 전원 전압으로부터 임의의 주기의 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 회로(펄스 전압 발생 회로(31a), 펄스 신호 발생 회로(31b)와, 2차전지 셀에 각각 접속되고, 펄스 발생 회로가 생성한 펄스 신호에 기초하여, 2차전지 셀에 충전하는 충전 전압을 생성하는 제1 DC 컨버터를 갖는다.
그리고, 전지 감시부는, 충전을 행하는 2차전지 셀을 선택하는 충전 제어 신호(어드레스 정보)에 기초하여, 충전을 행하는 2차전지 셀을 특정하고, 2차전지 셀이 접속되어 있는 제1 DC 컨버터에 대하여 동작 제어 신호(ON/OFF 신호)를 출력하고, 제1 DC 컨버터는, 전지 감시부로부터 출력되는 동작 제어 신호에 기초하여 동작함으로써 2차전지 셀을 충전한다.
이하, 상기한 개요에 기초하여, 실시 형태를 상세히 설명한다.
<배터리 시스템의 구성예>
본 실시 형태 1에 있어서, 배터리 시스템(1)은, 예를 들어 EV나 HEV 등의 자동차에 탑재되는 전원 시스템이다. 배터리 시스템(1)은 도 1에 도시한 바와 같이, 배터리(2), 전지 제어부(3) 및 밸런스 회로(4)로 구성되어 있다.
배터리(2)는 충전 가능한 2차전지이며, 예를 들어 정격 전압이 3.6V 정도의 배터리 셀(2a)을 수십 내지 100개 정도 직렬 접속한 구성을 포함한다. 전지 제어부(3)는 배터리(2)에 있어서의 과충전, 과방전 및 과전류 등의 각종 감시나 배터리 보호 등을 행하는 전지 전압 제어용 IC이며, MCU(5: Micro-Control Unit) 및 복수의 전지 감시 AFE(6)로 구성되어 있다. MCU(5)와 전지 감시 AFE(6)는, 예를 들어 개별의 반도체 칩에 형성되어 있다.
MCU(5)는, 후술하는 CAN(Controller Area Network) 등을 통하여, 배터리 셀(2a)의 감시 결과를 송신하거나, 배터리 시스템(1)의 제어 신호를 수취한다. 전지 감시 AFE(6)는, 배터리 셀 감시용 IC이며, MCU(5)로부터 출력된 명령에 기초하여, 배터리 셀의 감시 정보를 취득한다.
전지 감시 AFE(6)는, 예를 들어 하나의 전지 감시 AFE에 의해, 1개의 배터리 셀 세트(2b)에 설치된 배터리 셀(2a)의 감시 제어를 행한다. 배터리 셀 세트(2b)는, 예를 들어 6개 내지 14개 정도의 배터리 셀이 직렬 접속된 구성을 포함한다. 각각의 전지 감시 AFE(6)에 의해 취득된 배터리 셀(2a)의 감시 정보는, MCU(5)에 송신된다.
밸런스 회로(4)는 전지 감시 AFE(6)로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여, 임의의 배터리 셀(2a)을 선택적으로 충전한다. 배터리(2)에는, 정(+)측 전극 및 부(-)측 전극을 각각 갖고 있다.
배터리(2)의 전원은, EV나 HEV 등의 자동차에 탑재된 3상의 모터 M을 구동 제어하는 인버터 제어하는 모터 제어부(7)와 밸런스 회로(4)에 공급되도록 접속되어 있다. 배터리(2)는 외장형 충전기인 DC 전원(8), 혹은 주행 중의 모터 M에 따른 회생 전력에 의해 충전되고, 또한, 모터 M을 구동시킬 때에는, 정(+)측 전극 및 부(-)측 전극으로부터 에너지를 방출한다.
또한, MCU(5)는, 배터리 시스템(1)의 제어를 담당하는 ECU(9: Electric control unit)와의 통신을 행한다. 자동차에는, ECU(9) 외에, 모터 M이나, 엔진 등의 파워 트레인계, 네비게이션 시스템이나 오디오 등의 정보계, 혹은 에어컨이나 헤드라이트, 도어록 등의 보디계 등의 각종 제어를 담당하는 다양한 ECU(도시생략)가 다수 탑재되어 있다.
MCU(5)와 ECU(9)를 접속하는 통신 네트워크의 프로토콜로서, 예를 들어 전술한 CAN이 이용되고 있다. MCU(5)는, CAN 트랜시버/리시버(10)를 통해 CAN 버스 BC에 접속되어 있다. 또한, ECU(9)는, CAN 트랜시버/리시버(11)를 통해 CAN 버스 BC에 접속되어 있다. 그 밖의 ECU도 마찬가지로 CAN 트랜시버/리시버(도시생략)를 통해 CAN 버스 BC에 접속되어 있다.
CAN 버스 BC에는, CAN 프로토콜의 차동 신호가 전송된다. CAN 트랜시버/리시버(10)는 CAN 버스 BC를 통해 입력되는 차동 신호를 디지털 신호로 변환하여 MCU(5)로 출력함과 함께, MCU(5)로부터 출력되는 디지털 신호를 차동 신호로 변환하여 CAN 버스 BC로 출력한다.
MCU(5)는, SPI(12: Serial Peripheral Interface), CPU(13), CAN 인터페이스(14) 및 메모리(15) 등으로 구성되어 있다. SPI(12)는, 시리얼 통신을 행하는 인터페이스이며, 디지털 아이솔레이터 DI를 통해 전지 감시 AFE(6)와의 통신을 각각 행한다. CPU(13)는, MCU(5)의 동작 제어를 담당한다.
CAN 인터페이스(14)는 MCU(5)와 CAN 버스 BC의 인터페이스이다. 메모리(15)는, 예를 들어 RAM(Random Access Memory)이나 ROM(Read Only Memory) 등을 포함한다. RAM은, 예를 들어 CPU(13)의 워크 에리어로서 이용된다. ROM은, 예를 들어MCU(5)의 동작 프로그램 등이 저장되어 있다.
<전지 감시 AFE의 구성예>
도 2는, 전지 감시 AFE(6)에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
아날로그 멀티플렉서(16), A/D 변환기(17), SPI(18, 19), 레지스터군(20), 레벨 시프터(21, 22), 방전 제어부(23), 충전 제어 신호 출력부(23a), 및 레귤레이터(24) 등으로 구성되어 있다.
또한, 전지 감시 AFE(6)는, 외부 단자 C12 내지 C0, B12 내지 B1, D12 내지 D1, SDO, SCLK, SSO 등이 설치되어 있다. 방전 제어부(23)는 복수의 저항 R1 및 복수의 트랜지스터 T1로 구성되어 있다.
또한, 충전 제어 신호 출력부(23a)는 복수의 저항 R2 및 복수의 트랜지스터 T2로 구성되어 있다. 이들 트랜지스터 T1, T2는, 예를 들어 N채널 MOS(Metal Oxide Semiconductor)로 구성되어 있다.
외부 단자 C12 내지 C0의 각각의 사이에는, 방전 제어부(23)에 있어서의 저항 R1과 트랜지스터 T1이 각각 직렬 접속되어 있다. 또한, 외부 단자 C12 내지 C0의 각각의 사이에는, 충전 제어 신호 출력부(23a)에 있어서의 저항 R2와 트랜지스터 T2가 각각 직렬 접속되어 있다.
예를 들어, 외부 단자 C12와 외부 단자 C11의 사이에는, 직렬 접속된 저항 R1과 트랜지스터 T1 및 직렬 접속된 저항 R2와 트랜지스터 T2가 병렬로 접속된 구성으로 되어 있다. 외부 단자 C11 내지 C0에 있어서도, 마찬가지의 접속 구성으로 되어 있다.
또한, 외부 단자 D12 내지 D1에는, 저항 R1과 트랜지스터 T1의 접속부가 각각 접속되어 있으며, 외부 단자 B12 내지 B1에는, 저항 R2과 트랜지스터 T2의 접속부가 각각 접속되어 있다.
외부 단자 C12 내지 C0에는, 배터리(2)에 있어서의 배터리 셀(2a)이 각각 접속되어 있으며, 외부 단자 D12 내지 D1에는, 방전용 저항 Rr이 각각 접속되어 있다.
또한, 외부 단자 B12 내지 B1은, 밸런스 회로(4)에 접속되어 있으며, 상기 밸런스 회로(4)에 있어서의 동작 제어를 행하는 제어 신호가 밸런스 회로(4)에 각각 입력되도록 접속되어 있다.
외부 단자 SDI는, 외부로부터의 시리얼 신호가 SPI(19)에 입력되는 단자이며, 외부 단자 SCLKI는, 시리얼 신호의 동기 클록이 SPI19에 공급되는 단자이다. 외부 단자 SSI는, SPI(19)에 입력하는 셀렉트 신호가 공급되는 단자이다. 외부 단자 SDO는, SPI(18)로부터 외부로 시리얼 신호를 출력하는 단자이며, 외부 단자 SCLKO는, 시리얼 신호의 동기 클록을 SPI(18)로부터 외부로 출력하는 단자이다.
외부 단자 SSO는, SPI(19)로부터 셀렉트 신호를 출력하는 단자이다. 아날로그 멀티플렉서(16)에는, 전원 전압 VCC가 공급되도록 접속되어 있다. 전원 전압 VCC는, 후술하는 DC 강압 컨버터(32)가 생성하는 전원 전압이다.
아날로그 멀티플렉서(16)는 선택 신호에 기초하여, 임의의 배터리 셀(2a)의 전압값을 선택하고, A/D 변환기(17)로 출력한다. A/D 변환기(17)는 아날로그 멀티플렉서(16)를 통해 출력된 전압값을 A/D 변환하고, 레지스터군(20)으로 출력한다.
아날로그 멀티플렉서(16)에 입력되는 선택 신호는, ECU(9)로부터 출력되고, SPI(19), 레지스터군(20) 및 A/D 변환기(17)를 통해 아날로그 멀티플렉서(16)의 제어 단자에 입력된다.
레지스터군(20)에는, 복수의 레지스터 REG가 설치되어 있다. 레지스터군(20)은 A/D 변환기(17)가 A/D 변환한 디지털 데이터, 혹은 ECU(9)로부터 출력된 제어 데이터 등을 일시적으로 저장한다.
또한, 레지스터군(20)의 레지스터에는, 입력된 어드레스 정보로부터 배터리 셀(2a)을 특정하는 정보가 저장되어 있다. ECU(9)로부터 출력된 어드레스 정보 등에 기초하여, 임의의 배터리 셀(2a)을 특정하고, 해당하는 배터리 셀(2a)을 방전 또는 충전한다.
배터리 셀(2a)을 방전한 경우에는, ECU(9)로부터 출력된 어드레스 정보에 의해 특정된 트랜지스터 T1을 온시키고, 임의의 배터리 셀(2a)의 에너지를 외부 접속된 방전용 저항 Rr에 방전시킨다.
또한, 레지스터 REG에는, 입력된 어드레스 정보로부터, 충전하는 배터리 셀(2a)을 특정하는 충전 셀 특정 정보가 저장되어 있다. 배터리 셀(2a)을 충전하는 경우에는, ECU(9)로부터 출력된 어드레스 정보에 기초하여, 충전 셀 특정 정보를 검색하고, 그 검색 결과에 의해 특정된 트랜지스터 T2를 온시켜서, 밸런스 회로(4)로 제어 신호를 출력하고, 상기 밸런스 회로(4)에 의해 임의의 배터리 셀(2a)을 충전한다. 레귤레이터(24)는 전원 전압 VCC를 강압하여 전원 전압 VREG(예를 들어, 5.0V 정도)를 생성한다.
<배터리 시스템(1)의 동작예>
배터리 시스템(1)에 있어서의 동작예에 대하여 설명한다.
배터리 시스템(1)은 전술한 바와 같이 ECU(9)에 의해, CAN 버스 BC를 통해 제어된다. 배터리(2)를 제어하는 MCU(5)는, ECU(9)로부터의 요구를 받으면, 전지 감시 AFE(6)로 지시를 각각 출력한다. 전지 감시 AFE(6)는, SPI(18, 19)에 의해 데이지 체인 접속되어 있으며, 시리얼 신호에 의해 MCU(5)로부터의 지시가 전달된다.
또한, 전지 감시 AFE(6)에 있어서는, 배터리(2)의 각 배터리 셀(2a)에 있어서의 전압이 아날로그 멀티플렉서(16)를 통해 A/D 변환기(17)에 입력된다. A/D 변환된 전압값은, 레지스터군(20), SPI(18) 및 MCU(5)를 통해 ECU(9)에 입력되고, 상기 ECU(9)에 의해 임의의 배터리 셀(2a)의 셀 전압이 측정된다. 어느 배터리 셀(2a)에 있어서의 전압을 아날로그 멀티플렉서(16)로부터 출력할지는, 전술한 바와 같이 ECU(9)로부터 출력되는 선택 신호에 의해 결정된다.
배터리(2)의 셀 밸런스 제어에 있어서, 셀 전압이 높으면 ECU(9)가 판정한 배터리 셀이 있는 경우, ECU(9)는, 해당하는 배터리 셀을 방전시키는 어드레스 신호를 시리얼 신호에 의해 전지 감시 AFE로 출력한다.
전지 감시 AFE(6)는, ECU(9)로부터 출력된 어드레스 신호에 기초하여, 레지스터군(20)의 레지스터 REG에 저장되어 있는 정보를 검색하고, 방전하는 배터리 셀을 특정하고, 해당하는 트랜지스터 T1을 선택하는 신호를 출력한다.
레지스터 REG로부터 출력된 신호는, 레벨 시프터(21)를 통해 해당하는 트랜지스터 T1에 입력되고, 상기 트랜지스터 T1이 온함으로써, 외부 단자 Dn에 접속된 외장형 저항 Rr을 통해 배터리 셀을 선택적으로 방전한다.
또한, 배터리(2)의 셀 밸런스 제어에 있어서, 셀 전압이 낮은 배터리 셀(2a)을 ECU(9)가 검출한 경우, ECU(9)는, 밸런스 회로(4)를 동작시키도록 어드레스 정보를 출력한다.
전지 감시 AFE(6)는, ECU(9)로부터 출력된 어드레스 정보에 기초하여, 레지스터 REG에 저장되어 있는 충전 셀 특정 정보를 검색하고, 충전하는 임의의 배터리 셀(2a)을 특정하고, 특정한 배터리 셀(2a)에 해당하는 트랜지스터 T2를 선택하는 신호를 출력한다.
레지스터 REG로부터 출력된 신호는, 레벨 시프터(22)를 통해 해당하는 트랜지스터 T2에 입력된다. 그리고, 트랜지스터 T2가 온함으로써, 외부 단자 Bn을 통해 밸런스 회로(4)로 ON/OFF 신호가 출력된다. 밸런스 회로(4)는 입력된 ON/OFF 신호에 기초하여, 임의의 배터리 셀을 선택적으로 충전한다.
<셀 밸런스의 이유>
배터리 셀의 셀 전압을 고르게 하는(셀 밸런스) 이유에 대하여 설명한다.
우선, 배터리 셀에는, 사용 가능한 최대 전압과 최소 전압이 있으며, 그 사이에서 사용해야만 한다(작동 전압이라고 함).
또한, 배터리 셀의 방전 용량에는, 개체 차가 있다. 예를 들어, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 배터리 셀 CE1 내지 CE4가 직렬 접속된 배터리를 충전한다. 여기서, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 각 배터리 셀의 방전 용량이 CE3<CE4<CE1<CE2의 관계로 되어 있다고 가정하면, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 방전 용량이 작은 배터리 셀 CE3의 전압이 빠르게 상승하고, 신속하게 작동 전압 상한에 달한다. 이것을 방치한다면, 또 다른 충전은 할 수 없게 되어, 작동 전압 상한에 달한 배터리 셀 이외에는 만충전으로는 되지 않게 된다.
계속해서, 부하에 의한 방전의 경우에 대하여 설명한다. 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 배터리 셀 CE1 내지 CE4가 직렬 접속된 배터리에 있어서, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 각 배터리 셀의 방전 용량이 CE3<CE4<CE1<CE2의 관계로 되어 있다고 가정하면, 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 방전 용량이 가장 작은 배터리 셀 CE3의 셀 전압이 빠르게 저하하고, 작동 전압 하한에 달한다.
배터리(전체)로서는, 이 이상 방전할 수 없지만, 이때, 다른 배터리 셀 CE1, CE2, CE4는 아직 방전 가능한 상태를 유지하고 있게 된다.
따라서, 충전 시에 전압이 높은 배터리 셀의 전하를 방전하고, 각각의 셀 전압을 맞추면 충전은 거의 모든 배터리 셀을 만충전으로 할 수 있다. 또한, 배터리(2)의 충전 시뿐만 아니라, 배터리(2)의 사용 시(방전 시)에도, 밸런스 회로(4)를 이용하여 각 셀 전압을 고르게 함으로써, 낭비가 없는 방전이 가능해진다.
<밸런스 회로의 원리 회로예>
도 5는, 배터리 시스템(1)에 설치된 밸런스 회로(4)에 있어서의 원리를 나타내는 설명도이다.
밸런스 회로(4)는 도시한 바와 같이, 복수의 DC 컨버터(25), 스위칭 소자(26) 및 트랜스(27)로 구성된다. DC 컨버터(25)에는, 배터리 셀 세트(2b)의 배터리 셀(2a)의 정(+)측 전극과 부(-)측 전극이 각각 접속되어 있다.
트랜스(27)에 있어서의 1차 권선의 한쪽 단부에는, 배터리 셀 세트(2b)의 정(+)측 전극이 접속되어 있으며, 트랜스(27)의 1차 권선의 다른 쪽 단부에는, 스위칭 소자(26)의 한쪽 접속부가 접속되어 있다.
이 스위칭 소자(26)의 다른 쪽 접속부에는, 배터리 셀 세트(2b)의 부(-)측 전극이 접속되어 있다. 스위칭 소자(26)는 일정 주기의 펄스 신호에 기초하여, 온/오프한다.
또한, 트랜스(27)에는, 복수의 2차 권선이 설치되어 있으며, 이들 2차 권선은, 복수의 DC 컨버터(25)에 각각 접속되어 있다. DC 컨버터(25)에는, 트랜스(27)의 2차 권선으로 생성되는 유도 전압이 공급된다.
또한, DC 컨버터(25)의 출력부에는, 배터리 셀 세트(2b)에 있어서의 개개의 배터리 셀(2a)이 각각 접속되어 있다. DC 컨버터(25)는 트랜스(27)의 2차 권선으로 생성된 전압을 임의의 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 이들 DC 컨버터(25)는 전지 감시 AFE(6)로부터 출력되는 ON/OFF 신호에 기초하여 각각 동작 제어된다.
도 5에서 도시한 밸런스 회로(4)에 있어서의 동작예에 대하여 설명한다.
배터리(2) 전체로부터, 스위칭 소자(26) 및 트랜스(27)의 1차 권선에 의해, 에너지가 인출된다.
가장 간단한 동작예의 경우, 스위치는 전술한 바와 같이 일정 주기, 일정한 펄스폭으로 온/오프(스위칭)된다. 트랜스(27)의 2차 권선의 극성은, 배터리 셀(2a)에 접속된 컨버터의 형식에 의한다.
포워드형 트랜스의 경우에는, 일차 권선과 동일 극성이며, 플라이백형 트랜스의 경우에는, 역극성으로 된다. 여기에서는 설명을 간단하게 하기 위해서, 협의의 포워드형, 혹은 플라이백형에 대하여 설명하지만, 이에 한정하지 않고 각종 전원 형식이 가능하다. 예를 들어, 포워드형으로서는 푸시풀, 하프 브리지, 풀 브리지 형식 등도 포함되는 것은 당연하며, 플라이백형으로서는 RCC(링잉 초크 컨버터) 형식 등도 포함되는 것은 당연하다.
단, DC 컨버터(25)는 적어도 1개 이상의 가포화 인덕터를 갖고, 그 특성에 의해 2차 전압의 펄스폭을 제어할 수 있는, 소위 마그네틱 앰프 방식의 컨버터이다.
또한, DC 컨버터(25)의 출력 전압은, 어떤 일정 전압(대개는 배터리 셀의 작동 전압 최대값의 근방)이 되도록 제어된다. DC 컨버터(25)는 전지 감시 AFE(6)로부터 출력되는 ON/OFF 신호가 액티브로 되면 동작한다.
ON/OFF 신호에 의해 선택적으로 DC 컨버터(25)를 동작시킴으로써, 전압이 낮은 배터리 셀을 신속하게 충전하는데도 최적이다. 특히, 배터리(2)의 방전 시에 있어서, 전압 저하가 심한 배터리 셀을 집중적으로 충전함으로써, 배터리(2)의 방전 시간을 재빠르게 높일 수 있다.
또한, DC 컨버터(25)의 특성으로서, 배터리 셀의 전압과 제어되는 일정 전압의 차가 클수록 전류가 많이 흐르기 때문에, 전체 셀 선택을 하여도 각 배터리 셀의 전압차는 감소한다.
도 6은, 도 5에 도시한 밸런스 회로(4)에 있어서의 변형예를 나타낸 설명도이다.
도 5에서 도시한 밸런스 회로(4)는 1개의 트랜스(27)를 설치한 구성으로 하였지만, 이 도 6에서는, 배터리(2)에 있어서의 배터리 셀(2a)의 수와 동일한 개수의 트랜스(27a)를 설치한 구성으로 한다.
트랜스(27a)의 1차 권선의 한쪽 단부에는, 배터리(2)의 정(+)측 전극 및 스위칭 소자(26)의 한쪽 접속부가 각각 접속되어 있다. 또한, 스위칭 소자(26)의 다른 쪽 접속부와, 트랜스(27a)의 1차 권선의 다른 쪽 단부에는, 배터리(2)의 부(-)측 전극이 각각 접속되어 있다. 그 밖의 회로 구성 및 접속은, 도 5와 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
도 4에 도시한 구성의 밸런스 회로(4)의 경우, 배터리 셀 수가 수개(예를 들어, 4셀 정도)이면 문제가 없지만, EV 등에 이용되는 배터리에서는, 경량화와 손실 저감 등의 관점에서 고전압화가 이루어지고 있어, 배터리 셀 수가, 예를 들어 96개 정도로 다수로 된다.
이 경우, 도 4의 트랜스(27)에서는, 2차 권선 수가 너무 많아져서 누설 인덕턴스가 커지게 되고, 효율의 악화를 초래해버린다.
한편, 도 5에 도시한 바와 같이, 배터리 셀(2a)과 동일한 수만큼 트랜스(27a)를 설치한 구성으로 하면, 2차 권선이 1개로 되어, 매우 커플링이 우수한 트랜스가 생기고, 누설 인덕턴스 등을 대폭 작게 할 수 있다.
도 7은, 도 6에 도시한 밸런스 회로(4)에 있어서의 다른 변형예를 나타낸 설명도이다.
이 경우, 도 7에 도시한 밸런스 회로(4)는 도 6의 밸런스 회로(4)의 구성으로부터 스위칭 소자(26)를 삭제함과 함께, DC/AC 컨버터(28)를 새롭게 설치한 구성으로 되어 있다.
DC/AC 컨버터(28)는 배터리(2)의 정(+)측 전극 및 부(-)측 전극이 각각 접속되어 있으며, 상기 배터리(2)로부터 공급되는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여 출력한다.
DC/AC 컨버터(28)의 출력부에는, 트랜스(27a)의 1차 권선의 한쪽 단부가 각각 접속되어 있으며, 상기 트랜스(27a)의 1차 권선의 다른 쪽 단부에는, 배터리(2)의 부(-)측 전극이 각각 접속되어 있다. 그 밖의 회로 구성, 및 접속에 대해서는, 도 6과 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
DC/AC 컨버터(28)는 배터리(2)의 전원(DC 전압)으로부터 AC 전압을 생성한다. DC/AC 컨버터(28)는 DC 컨버터(25)에 대하여 최적의 구동 파형으로 되는 AC 전압 파형을 출력한다.
도 7에 도시한 DC/AC 컨버터는, 인버터라고도 불리며, 다양한 DC/AC 변환 기술이 있지만, 입력 전압과 서로 다른 AC 전압으로 변환하는 경우에는, 일단 DC/DC 컨버터에 의해 원하는 전압까지 강압한 후, DC/AC 변환을 하는 것이 일반적이다.
그 이유는, DC/AC 변환 전에 DC/DC 변환한 쪽이, 고효율이면서 최적의 전압/주파수로 변환할 수 있기 때문이다. 따라서, DC/AC 컨버터(28)의 전단에 DC/DC 컨버터를 설치한 구성으로 하여도 된다.
이와 같이, DC/AC 컨버터(28)를 설치함으로써, 배터리 셀(2a)에 충전하는 DC 컨버터(25)에 최적의 주파수, 펄스폭 및 전압을 공급할 수 있으므로, DC 컨버터(25)의 설계 자유도를 크게 하는 것이 가능하게 되어, 효율의 향상과 비용 저감이 가능해진다.
도 8은, 도 6의 밸런스 회로(4)의 다른 변형예를 나타낸 설명도이다.
이 경우, 도 6의 밸런스 회로(4)의 구성에, DC/DC 컨버터(29)가 새롭게 설치되어 있다. DC/DC 컨버터(29)는 배터리(2)의 정(+)측 전극 및 부(-)측 전극이 각각 접속되어 있으며, 상기 배터리(2)로부터 공급되는 DC 전압을 임의의 DC 전압으로 변환하여 출력한다.
DC/DC 컨버터(29)의 출력부에는, 트랜스(27a)의 1차 권선의 한쪽 단부가 각각 접속되어 있으며, 상기 트랜스(27a)의 1차 권선의 다른 쪽 단부에는, 배터리(2)의 부(-)측 전극이 각각 접속되어 있다. 그 밖의 회로 구성 및 접속에 대해서는, 도 6과 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
배터리(2)의 전압을 DC 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(29)는, 예를 들어 100셀 정도의 다수의 배터리 셀의 충전 공급원으로 되기 때문에, 대전력 출력으로 되어 효율의 관점에서 스위칭 전원의 필요가 있다.
입력의 전압이 높고, 출력이 대전력인 경우에는, 최적의 스위칭 주파수는, 전원에 따라 다르지만 수 10㎑ 정도인 경우가 많다. 또한, DC 컨버터(25)는 1개의 배터리 셀만큼 충전할 수 있으면 되므로 소전력이다.
또한, 동일한 회로 구성의 DC 컨버터(25)가 배터리 셀수만큼 설치되어 있으므로, 상기 DC 컨버터(25)는 소형 경량인 것이 요망된다. 따라서, 스위칭 소자(26)에 있어서의 스위칭 주파수는, 100㎑ 정도 이상인 것이 바람직하다.
이와 같이, 도 8에 도시한 밸런스 회로(4)의 구성에 있어서도, DC/DC 컨버터(29)에 의해, DC 컨버터(25)에 최적의 주파수, 펄스폭 및 전압을 공급할 수 있으므로, DC 컨버터(25)의 설계 자유도를 크게 하는 것이 가능하게 되어, 효율의 향상과 비용 저감이 가능해진다.
<배터리 시스템에 적용하는 구체적인 밸런스 회로의 예>
도 9는, 밸런스 회로(4)의 구체적인 회로 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
여기서, 배터리 시스템(1)에는, 8개의 전지 감시 AFE(6)가 설치되어 있으며, 배터리(2)의 전체 배터리 셀 수는 96개를 갖고 있는 것으로 한다. 따라서, 1개의 전지 감시 AFE(6)에 의해 12개의 배터리 셀(2a)이 감시된다.
배터리 셀 세트(2b)의 구성이 12개의 배터리 셀로 이루어지는 경우, 1개의 배터리 셀의 정격 전압이 3.6V 정도이면, 배터리 셀 세트(2b)의 전압은, 43.2V 정도로 된다.
그리고, 도 9에 있어서, 밸런스 회로(4)는 1개의 전지 감시 AFE(6)에 접속되어 있는 1개의 배터리 셀 세트(2b)를 구성하는 12개의 배터리 셀(2a) 중, 상하 3개의 배터리 셀(2a)이 접속되어 있는 부분의 구성을 나타내고 있다.
밸런스 회로(4)는 복수의 DC 컨버터(30), 펄스 전압 발생부(31) 및 DC 강압 컨버터(32)로 구성되어 있다. DC 컨버터(30)의 출력 단자 BCP에는, 각 배터리 셀(2a)의 정(+)측 전극이 각각 접속되어 있으며, DC 컨버터(30)의 출력 단자 BCN에는, 각 배터리 셀(2a)의 부(-)측 전극이 각각 접속되어 있다.
또한, DC 컨버터(30)에 설치되어 있는 제어 단자 EBL_B에는, 전지 감시 AFE(6)로부터 출력되는 ON/OFF 신호가 입력되도록 접속되어 있다. 이 ON/OFF 신호는, DC 컨버터(30)의 동작을 제어하는 제어 신호이다.
DC 컨버터(30)는 전술한 바와 같이 ON/OFF 신호에 기초하여, 동작 또는 정지한다. 펄스 전압 발생부(31)는 복수의 펄스 전압 발생 회로(31a) 및 펄스 신호 발생 회로(31b)로 구성되어 있다.
펄스 전압 발생 회로(31a)는 펄스 신호 발생 회로(31b)가 발생한 펄스 신호에 기초하여 DC 전압을 생성한다. 펄스 전압 발생 회로(31a)가 생성한 DC 전압은, 각 DC 컨버터(30)에 각각 공급된다.
DC 강압 컨버터(32)에는, 단자 VIN1을 통해 공급되는 전압 VBATT, 단자 VIN2를 통해 레귤레이터(24)가 생성한 전원 전압 VREG가 각각 공급되어 있다.
이 DC 강압 컨버터(32)는, 전압 VBATT를 강압하여 전원 전압 VCC를 생성한다. 전압 VBATT는, 1개의 전지 감시 AFE에 접속되어 있는 배터리 셀 세트(2b)로부터 공급되는 전원 전압이다.
생성된 전원 전압 VCC는, DC 강압 컨버터(32)의 단자 VOUT1 및 펄스 전압 발생 회로(31a)에 각각 설치된 단자 VIN3을 통해, 각각의 펄스 전압 발생 회로(31a)에 공급된다.
펄스 신호 발생 회로(31b)는, 예를 들어 오실레이터 등의 발진 회로를 포함하고, 임의 주기의 펄스 신호를 생성하여 펄스 전압 발생 회로(31a)의 펄스 신호 입력 단자 IN으로 출력한다.
펄스 전압 발생 회로(31a)는 펄스 신호 발생 회로(31b)가 발생한 펄스 신호에 기초하여 펄스 전압을 각각 생성하고, 출력 단자 PO3 내지 PO1로부터 생성한 펄스 전압을 DC 컨버터(30)의 입력부 PIN을 통해 각각 공급한다.
도 10은, 도 9의 밸런스 회로(4)에 설치된 DC 컨버터(30)에 있어서의 일례를 나타내는 설명도이다.
DC 컨버터(30)는 저항 R1 내지 R4, 연산 증폭기 OP1, 트랜지스터 T1, T2, 콘덴서 C1, 다이오드 D1, D2, 인덕터 L1 및 가포화 인덕터 L2로 구성되어 있다. 트랜지스터 T1은, 예를 들어 PNP형 바이폴라 트랜지스터를 포함하고, 트랜지스터 T2는, NPN형 바이폴라 트랜지스터를 포함한다.
가포화 인덕터 L2의 한쪽 단부에는, 입력 단자 PIN이 접속되어 있으며, 상기 가포화 인덕터 L2의 다른 쪽 단부에는, 다이오드 D2의 애노드 및 트랜지스터 T1의 콜렉터가 각각 접속되어 있다.
다이오드 D2의 캐소드에는, 다이오드 D1의 캐소드, 및 초크 코일인 인덕터 L1의 한쪽 단부가 각각 접속되어 있다. 인덕터 L1의 다른 쪽 접속부에는, 콘덴서 C1의 한쪽 접속부 및 출력 단자 BCP가 각각 접속되어 있다.
트랜지스터 T1의 베이스에는, 트랜지스터 T2의 콜렉터 및 저항 R4의 한쪽 접속부가 각각 접속되어 있다. 트랜지스터 T1의 이미터에는, 저항 R4의 다른 쪽 접속부, 저항 R2의 한쪽 접속부, 및 출력 단자 BCP가 각각 접속되어 있다.
저항 R2의 다른 쪽 접속부에는, 저항 R3의 한쪽 접속부가 접속되어 있으며, 이들 저항 R2, R3의 접속부에는, 연산 증폭기 OP1의 정(+)측 입력 단자 및 저항 R1의 한쪽 접속부가 각각 접속되어 있다. 이 저항 R1의 다른 쪽 접속부에는, 제어 단자 EBL_B가 접속되어 있다.
또한, 연산 증폭기 OP1의 부(-)측 입력 단자에는, 기준 전압 VREF가 입력되어 있으며, 상기 연산 증폭기 OP1의 출력 단자에는, 트랜지스터 T2의 베이스가 접속되어 있다. 그리고, 부(-)측 입력 단자에 기준 전압 VREF가 입력된 연산 증폭기 OP1 및 트랜지스터 T2에 의해 션트 레귤레이터가 구성되어 있다.
또한, 다이오드 D1의 애노드, 콘덴서 C1의 다른 쪽 접속부, 트랜지스터 T2의 이미터, 저항 R3의 다른 쪽 접속부에는, 출력 단자 BCN이 각각 접속되어 있다.
도 11은, 도 9의 밸런스 회로(4)에 설치된 펄스 전압 발생 회로(31a)에 있어서의 일례를 나타내는 설명도이다.
펄스 전압 발생 회로(31a)는 3개의 트랜스(33), N채널 MOS를 포함하는 3개의 트랜지스터 T3, 3개의 다이오드 D3 및 버퍼 B1로 구성되어 있다. 트랜스(33)의 1차 권선의 한쪽 단부 및 버퍼 B1에는, 전원 전압 VCC가 공급되도록 접속되어 있다.
또한, 트랜스(33)의 1차 권선의 다른 쪽 단부에는, 트랜지스터 T3의 한쪽 접속부 및 다이오드 D3의 캐소드가 각각 접속되어 있다. 트랜지스터 T3의 다른 쪽 접속부 및 다이오드 D3의 애노드는, 기준 전위 VSS가 각각 접속되어 있다.
버퍼 B1의 입력부에는, 펄스 신호 입력 단자 IN을 통해, 펄스 신호 발생 회로(31a)가 발생한 펄스 신호가 입력되도록 접속되어 있다. 이 버퍼 B1의 출력부에는, 트랜지스터 T3의 게이트가 각각 접속되어 있다.
트랜스(33)의 2차 권선의 한쪽 단부에는, 출력부 PO3 내지 PO1이 각각 접속되어 있으며, 트랜스(33)의 2차 권선의 다른 쪽 단부에는, 출력부 BCN3 내지 BCN1이 각각 접속되어 있다.
펄스 전압 발생 회로(31a)의 출력 단자 PO 및 출력 단자 BCN은, DC 컨버터(30)의 입력 단자 PIN 및 입력 단자 BCN과 각각 접속되어 있으며, 펄스 전압 발생 회로(31a)가 생성한 DC 전압이 DC 컨버터(30)에 공급되도록 접속되어 있다.
또한, 도 12는, 도 9의 밸런스 회로(4)에 설치된 DC 강압 컨버터(32)에 있어서의 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
DC 강압 컨버터(32)는 PWM 제어부(34), 다이오드 D6 내지 D9, 인덕터 L3, 트랜지스터 T6, 콘덴서 C2, 저항 R6, R5, 및 트랜스(35)로 구성되어 있다. 트랜지스터 T6은, 예를 들어 N채널의 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함한다.
저항 R6의 한쪽 접속부, 콘덴서 C2의 한쪽 접속부, 인덕터 L3의 한쪽 단부에는, 단자 VOUT1이 접속되어 있으며, 이 단자 VOUT1을 통해 DC 강압 컨버터(32)가 정제한 전원 전압 VCC가 출력된다.
저항 R6의 다른 쪽 접속부에는, 저항 R5의 한쪽 접속부가 접속되어 있으며, 상기 저항 R5의 다른 쪽 접속부에는, 기준 전위 VSS가 접속되어 있다. 인덕터 L3의 다른 쪽 단부에는, 다이오드 D8, D9의 캐소드가 각각 접속되어 있다.
다이오드 D8의 애노드에는, 트랜스(35)의 1차 권선의 한쪽 단부가 접속되어 있다. 트랜스(35)의 2차 권선의 한쪽 단부에는, 다이오드 D6의 캐소드가 접속되어 있으며, 트랜스(35)의 2차 권선의 중점에는, 단자 VIN1이 접속되어 있다.
이 단자 VIN1에는, 배터리 셀(2)로부터 공급되는 전원 전압 VBAT가 공급되도록 접속되어 있다. 트랜스(35)의 2차 권선의 다른 쪽 단부에는, 트랜지스터 T6의 한쪽 접속부 및 다이오드 D1의 캐소드가 각각 접속되어 있다.
트랜지스터 T6의 게이트에는, PWM 제어부(34)의 출력부가 접속되어 있으며, 트랜지스터 T6은, 상기 PWM 제어부(34)로부터 출력되는 PWM 신호 DRV에 기초하여 온/오프(스위칭) 동작을 행한다.
PWM 제어부(34)에는, 동작 전원으로서 레귤레이터(24)가 생성한 전원 전압 VREG가 단자 VIN2를 통해 공급되어 있다. PWM 제어부(34)의 제어 단자 REMOTE에는, MCU(5)로부터의 제어 신호가 입력되도록 접속되어 있으며, 이 제어 신호에 기초하여 PWM 제어부(34)는 동작을 행한다.
이 제어 단자 REMOTE를 설치함으로써, 예를 들어 MCU(5: 또는 전지 감시 AFE)로부터 동작을 정지시키는 제어 신호를 출력함으로써, 셀 밸런스(배터리 셀에의 충전)가 불필요한 경우에, DC 강압 컨버터(32)를 정지시킬 수 있으므로, 소비 전류 저감 및 방전 가능 시간을 증가시킬 수 있다.
또한, PWM 제어부(34)의 피드백 단자 FB에는, 저항 R4와 저항 R5의 접속부가 접속되어 있다. PWM 제어부(34)는 이들 저항 R4, R5에 의해 저항 분압에 의해 발생한 전압으로부터, 전원 전압 VCC의 전압 레벨이 대략 일정해지도록 PWM 신호 DRV의 듀티를 가변한다.
또한, 단자 VIN2에 공급되는 전원은, 전원 전압 VREG 이외이어도 되며, 예를 들어 배터리 셀 세트(2b)로부터 직접 공급, 트랜스(35)에 전용 권선을 구비한 자기 공급, 또는 AUX 등이라 불리는 전용의 소형 보조 전원 등에 따른 공급이어도 된다.
<밸런스 회로의 동작>
DC 강압 컨버터(32)는 도 12에 도시한 바와 같이, 포워드 컨버터를 포함한다. 제어 단자 REMOTE를 통해 MCU(5)로부터의 제어 신호가 입력되면, PWM 제어부(34)가 동작을 행하고, PWM 신호가 출력된다. PWM 신호에 기초하여, 트랜지스터 T6이 온(도통)하면, 다이오드 D8에 순방향 바이어스가 걸려, 전류가 인덕터 L3을 향하여 흐르고, 상기 인덕터 L3, 콘덴서 C2에 전기 에너지가 축적됨과 동시에 VCC에 부하 전류를 공급한다.
계속해서, 트랜지스터 T6이 오프(차단)하면, 인덕터 L3의 역기전력에 의해 다이오드 D8, D9로 환류가 발생하여, 인덕터 L3의 전류값은 감소하지만, VCC에 부하 전류를 계속하여 공급한다. 인덕터 L3의 전류값이 0으로 되기 전에, 트랜지스터 T6을 다시 온함으로써, 다시 인덕터 L3에 전류가 흐르기 시작하고, DC 강압 컨버터(32)가 동작 모드로 되어, 전원 전압 VCC를 생성한다.
DC 강압 컨버터(32)가 생성한 전원 전압 VCC는, 전술한 바와 같이, 도 11의 펄스 전압 발생 회로(31a)에 각각 공급된다. 펄스 전압 발생 회로(31a)에서는, 펄스 신호 발생 회로(31b)가 발생시킨 펄스 신호에 기초하여, 각각의 트랜지스터 T3을 온/오프(스위칭)하고, 트랜스(33)의 2차 권선측에 발생한 펄스 신호를 DC 컨버터(30)에 각각 공급한다.
도 10의 DC 컨버터(30)는 전술한 바와 같이, 트랜스(33)의 2차 권선이 가포화 인덕터 L2에 접속되어 있다. 가포화 인덕터 L2는, 어떤 값 이하의 전류에서는 코일의 인덕턴스 값이 크고, 어떤 값 이상의 전류에서는 코일의 인덕턴스가 한없이 0에 접근한다는 특성을 이용하여, 전류의 크기에 의해 코일의 인덕턴스값을 변화시킨다. 또한, 가포화 인덕터 L2 이후의 접속 구성은, 소위 마그네틱 앰프 방식의 포워드 컨버터로 되어 있다.
DC 강압 컨버터(32)는 효율을 중시하기 때문에 스위칭 주파수는, 예를 들어 40㎑ 정도가 바람직하다. 마그네틱 앰프 방식의 포워드 컨버터인 DC 컨버터(30)에 있어서의 트랜스(35)의 권선 비는, 트랜지스터 T6의 게이트 내압 등을 고려하여, 예를 들어 트랜지스터 T6의 드레인-소스 전압이 20V 정도가 되도록 설정한다.
또한, 트랜지스터 T6의 스위칭 주파수는, 트랜스(35)나 가포화 인덕터 L2의 소형화를 위해, 예를 들어 100㎑ 정도로 설정한다. 트랜스(35)의 권선 비는, 예를 들어 2:1로 하고 있기 때문에, 2차측의 파고값은 대략 10V 정도이다. 펄스폭(1차 ON 시간)은 여유를 두고 5㎲ 정도로 한다.
또한, 저항 R1 내지 R3은, 전지 감시 AFE(6)로부터 출력되는 ON/OFF 신호가 Lo 레벨(배터리 셀에 충전)인 경우에, 저항 R1 및 저항 R2의 합성 저항과 저항 R3에 의해 분압된 전압이 예를 들어, 4.2V 정도로 되도록 설정하고, 상기 ON/OFF 신호가 Hi 레벨(배터리 셀로의 충전을 정지)인 경우에는, 예를 들어 1.5V 정도가 되도록 설정한다.
<DC 컨버터의 동작>
이하, DC 컨버터(30)의 동작에 대하여, 도 13의 설명도 및 도 14의 타이밍 차트를 이용하여 설명한다.
도 13은, DC 컨버터(30)와 펄스 전압 발생 회로(31a)의 일부를 나타낸 개략도이다. 또한, 도 14에 있어서는, 상방으로부터 하방에 걸쳐서, 트랜지스터 T3의 게이트 전압 VG, 트랜스(33)의 2차 권선 간의 전압 V2nd, 저항 R2와 저항 R3의 분압 저항(이하, 전압 VINP라 함)이 기준 전압 VREF보다도 작은 경우의 다이오드 D1 간의 전압 VREC, 전압 VINP와 기준 전압 VREF가 대략 동등한 경우의 전압 VREC 및 전압 VINP가 기준 전압 VREF보다도 큰 경우의 전압 VREC를 각각 나타내고 있다.
우선, ECU(9)는, 충전이 필요한 배터리 셀이 있다고 판정하면, MCU(5)를 통해 어드레스 정보를 전지 감시 AFE(6)로 출력한다. 해당되는 전지 감시 AFE(6)에서는, 어드레스 정보에 의해 특정된 트랜지스터 T2를 온시켜서 밸런스 회로(4)로 Lo 레벨의 ON/OFF 신호를 출력하고, 상기 밸런스 회로(4)에 의해 임의의 배터리 셀을 충전시킨다.
배터리 셀의 충전의 판정은, 예를 들어 배터리 셀의 정격 전압이 3.6V인 경우, 셀 전압이 4.2V 정도 미만일 때에 충전을 행한다. 배터리 셀의 전압이 4.2V 정도 미만이면 연산 증폭기 OP1의 정(+)측 입력 단자에 입력되는 전압 VINP는, 기준 전압 VREF보다도 낮아지기 때문에, 상기 연산 증폭기 OP1의 출력은, Lo 레벨을 출력한다.
이에 의해, 트랜지스터 T2는 오프하고, 트랜스(33)에 접속되어 있는 가포화 인덕터 L2측이 부로 될 때이어도 거의 전압이 인가되지 않으므로, 가포화 인덕터 L2의 저항은, 거의 권선 저항만으로 되고, 풀 듀티로 충전을 시작한다(도 14, VINP<<VREF).
그리고, 배터리 셀로의 충전이 진행되어, 배터리 셀의 전압이 4.2V 정도가 되고, 전압 VINP가 기준 전압 VREF와 대략 동일해지면, 연산 증폭기 OP1의 출력이 Hi 레벨로 된다. 이 Hi 레벨의 신호에 의해, 트랜지스터 T2 및 트랜지스터 T1이 각각 온하고, 트랜지스터 T1을 통하여 가포화 인덕터 L2측으로 전류가 흐르도록 한다.
이에 의해, 트랜스(33)의 2차 권선이 부일 때, 가포화 인덕터 L2는 리셋되고, 다시 2차 권선 전압이 정으로 되어도 잠시 동안, 전류가 흐르지 않는다. 이로 인해, 가포화 인덕터 L2의 출력 듀티는 감소한다(도 14, VINP=VREF).
이상은 극단적인 예이기는 하지만, 이것이 마그네틱 앰프식 컨버터의 듀티 제어 원리이다.
이와 같이 하여, 전지 감시 AFE로부터 출력되는 ON/OFF 신호가 Lo 레벨일 때에 있어서는, 배터리 셀의 전압이 4.2V 정도보다도 낮으면, 셀 전압이 낮은 배터리 셀을 선택적으로 충전하고, 최종적으로는 셀 전압이 4.2V 정도로 유지된다. 이에 의해, 배터리 셀(2a)로의 과충전을 방지할 수 있다.
한편, ON/OFF 신호가 Hi 레벨인 경우에는, 연산 증폭기 OP1은, 설정 전압이1.5V(전압 VINP)이며, 배터리 셀의 최저 전압은, 통상의 사용 상태에 있어서 예를 들어, 2.0V 정도이기 때문에, 항상 Hi 레벨의 신호가 출력된다(도 14, VINP>>VREF). 따라서, 가포화 인덕터 L2를 계속해서 리셋하므로 충전이 행해지지 않는다.
이와 같이, 마그네틱 앰프 방식의 컨버터를 포함하는 DC 컨버터(30)를 이용함으로써, 전지 감시 AFE(6)로부터 출력되는 ON/OFF 신호에 의해 용이하게 충전 제어를 행하는 것이 가능해져서, 전압이 낮은 배터리 셀의 충전을 단시간에 행할 수 있다.
또한, ON/OFF 신호는, DC 레벨에서의 신호인 것, 및 DC 컨버터(30)의 스위치 제어 등을 행하지 않으므로 전지 감시 AFE로의 노이즈 발생원으로 되지 않아, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
DC 컨버터(30)가 생성하는 최대 전압은, 가포화 인덕터 L2, 연산 증폭기 OP1, 기준 전압 VREF에 의해 관리, 제어되고 있으므로, 전술한 비특허문헌 1의 컨버터에 따른 액티브 셀 밸런스 방식의 문제점인 배터리 셀의 작동압 전압의 관리도 해결하고 있다.
또한, 외부로부터는, ON/OFF 신호 이외의 입력이 없기 때문에, 외부로부터의 제어가 단순하게 되고, 또한, 능동 소자의 부가로서는 인덕터 또는 트랜스 때문에, 극단적으로 큰 돌입 전류는 없으며, 스위치 소자(트랜지스터 T1)에 온 저항이 크고 저렴한 소자를 사용할 수 있기 때문에, 밸런스 회로(4)를 저렴하게 구성할 수 있다.
또한, DC 컨버터(30)의 설정 전압이 작동 전압 최대값 부근에 설정되어 있으므로, 모든 DC 컨버터(30)가 온 상태로 된 경우에도, 각 DC 컨버터(30)는 배터리 셀이 작동 전압 최대값 근방까지 충전되면 자동으로 정지한다.
그것에 의해, 본 실시 형태 1에 따르면, 밸런스 회로(4)에 의해, 임의의 배터리 셀(2a)을 단시간에 효율적으로 충전할 수 있으므로, 배터리 셀(2a)의 방전 용량의 유효 이용율을 향상시킬 수 있다.
그것에 의해, EV나 HEV에 있어서의 항속 거리를 넓힐 수 있어, 배터리(2)의 장수명화를 실현할 수 있다.
또한, ECU(9)로부터의 지시에 의해, ON/OFF 신호만으로 밸런스 회로(4)를 동작시킬 수 있으므로, 신뢰성이 높은 액티브 방식의 밸런스 회로(4)를 저비용으로 실현할 수 있다.
(실시 형태 2)
도 15는, 본 발명의 실시 형태 2에 따른 밸런스 회로에 설치된 DC 컨버터의 일례를 나타내는 설명도이다.
본 실시 형태 2에서는, 상기 실시 형태 1의 도 10에 도시한 DC 컨버터(30)의 다른 예에 대하여 설명한다.
상기 실시 형태 1의 도 10에 도시한 DC 컨버터(30)에서는, 저항 R1 내지 R3 및 연산 증폭기 OP1이 항상 배터리 셀에 접속된 구성이므로, 상기 배터리 셀은, 항상 방전하는 상태로 되어 있다.
따라서, 본 실시 형태 2에서는, 저항 R1 내지 R3 및 연산 증폭기 OP1과 배터리 셀을 분리하고, 방전 경로를 차단하는 구성으로 하였다.
이 경우, DC 컨버터(30)는 도 15에 도시한 바와 같이, 트랜지스터 T7 내지 T10, 다이오드 D10 내지 D12가, 도 10에 도시한 DC 컨버터(30)에 새롭게 추가된 구성을 포함한다. 트랜지스터 T7 내지 T9는, 예를 들어 P 채널 MOS를 포함하고, 트랜지스터 T10은, 예를 들어 NPN형 바이폴라 트랜지스터를 포함한다.
트랜지스터 T7, T8의 한쪽 접속부에는, 출력부 BCP가 각각 접속되어 있으며, 트랜지스터 T8의 다른 쪽 접속부에는, 트랜지스터 T9의 한쪽 접속부 및 저항 R1의 한쪽 접속부가 각각 접속되어 있다.
저항 R1의 다른 쪽 접속부에는, 트랜지스터 T8, T9의 게이트 및 트랜지스터 T10의 콜렉터가 각각 접속되어 있다. 트랜지스터 T10의 베이스에는, 트랜지스터 T7의 다른 쪽 접속부가 접속되어 있으며, 상기 트랜지스터 T10의 이미터에는, 출력부 BCN이 접속되어 있다.
또한, 트랜지스터 T7 내지 T9에는, 다이오드 D10 내지 D12가 각각 접속되어 있지만, 이들은 모두 MOSFET의 내장 다이오드이다. 트랜지스터 T9의 다른 쪽 접속부에는, 인덕터 L1의 한쪽 단부, 콘덴서 C1의 한쪽 접속부, 저항 R2, R4의 한쪽 접속부 및 트랜지스터 T1의 이미터가 각각 접속되어 있다.
그 밖의 저항 R1 내지 R4, 연산 증폭기 OP1, 트랜지스터 T1, T2, 콘덴서 C1, 다이오드 D1, D2, 인덕터 L1 및 가포화 인덕터 L2의 접속 구성에 대해서는, 상기 실시 형태 1의 도 10과 마찬가지이므로, 설명은 생략한다.
도 15에 도시한 DC 컨버터(30)의 경우, Hi 레벨의 ON/OFF 신호가 입력되면, 트랜지스터 T8, T9가 오프가 되고, 저항 R1 내지 R3 및 연산 증폭기 OP1과 배터리 셀을 전기적으로 분리할 수 있으므로 배터리 셀의 방전을 없앨 수 있다.
또한, PWM 제어부(34)의 제어 단자 REMOTE에 MCU(5)로부터의 제어 신호를 입력하고, PWM 제어부(34)의 동작을 정지시킴으로써, 밸런스 회로(4)의 소비 전류를 대략 0으로 할 수 있다.
또한, 도 15에서는, ON/OFF 신호가 Lo 액티브로서, 트랜지스터 T7 내지 T10을 설치하였지만, ON/OFF 신호가 Hi 액티브이면, 트랜지스터 수를 간략화 가능하다.
그것에 의해, 본 실시 형태 2에서는, 밸런스 회로(4)가 배터리 셀로의 충전을 행하지 않은 경우에, 상기 밸런스 회로를 경유하는 배터리 셀의 방전을 대략 0으로 할 수 있으므로, 배터리 셀 수명을 연장시킬 수 있다.
(실시 형태 3)
도 16은, 본 발명의 실시 형태 3에 따른 밸런스 회로에 설치된 DC 컨버터의 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
상기 실시 형태 1에서는, DC 컨버터(30)가 마그네틱 앰프 방식의 컨버터를 포함하는 것이었지만, 본 실시 형태 3에서는, DC 컨버터(30)를 플라이백식으로 한 것에 대하여 설명한다.
DC 컨버터(30)는 도 16에 도시한 바와 같이, 도 10의 DC 컨버터(30)로부터, 인덕터 L1과 다이오드 D1이 생략된 구성으로 되어 있다. 그 밖의 회로 구성은, 도 10과 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
플라이백식은, 트랜스의 1차 권선에 유입되는 에너지와 2차 권선으로부터 출력되는 에너지가 서로 역 위상으로 된다. 그로 인해, DC 컨버터(30)에 접속되는 트랜스(33)의 극성이 반대로 접속되어 있다.
DC 컨버터(30)를 플라이백식으로 함으로써, 상기 DC 컨버터(30)의 부품을 삭감하는 것이 가능하다.
따라서, 배터리 셀의 충전이 소전력으로 완료되는 경우, 플라이백식으로 함으로써, 밸런스 회로(4)의 소면적화 및 비용의 저감을 행할 수 있다.
(실시 형태 4)
도 17은, 본 발명의 실시 형태 4에 따른 배터리 시스템의 구체적인 회로 구성의 일례를 나타내는 설명도, 도 18은, 도 17의 변형예를 나타내는 설명도이다.
<배터리 시스템의 특징>
본 실시 형태 4에서는, 배터리 시스템(1)의 구체적인 회로 구성의 일례를 도 17에 나타낸다. 기본적인 구성은, 상기 실시 형태 1의 도 1과 마찬가지이므로, 도 17에 도시한 배터리 시스템(1)의 특징적인 점만을 이하에 예를 든다.
1) PWM 제어부(34)에 공급되는 전원 전압이 자려식으로 되어 있다. 이것은, 도 17의 파선부로 나타낸 회로 구성에 의해 실현한다.
이하 간단하지만 동작을 설명한다.
CAN 버스 BC를 통해 동작 개시의 지정을 받은 MCU(5)는, I/O 포트를 통해 포토커플러 PC1을 온시킨다. 포토커플러 PC1의 출력은, 스탠바이 신호로서 전지 감시 AFE(6)의 스탠바이 단자 STBY에 저항 R20을 통해 입력되고, 이에 의해, 전지 감시 AFE(6)가 기동한다.
전지 감시 AFE(6)는, 전원 전압 VCC-2.5V 부근에 임계값을 갖고, 스탠바이 단자 STBY에 입력되는 스탠바이 신호의 전압이 임계값 전압 이상으로 되면 동작을 정지하고, 임계값 전압보다도 낮은 전압으로 동작한다.
또한, 포토커플러 PC1의 출력 전류는, 상위의 전지 감시 AFE(6)의 스탠바이 단자 STBY에 트랜지스터 T6 등을 통하여 마찬가지로 접속되어 있기 때문에, 모든 전지 감시 AFE(6)가 동시에 동작을 개시한다.
포토커플러 PC2는, PWM 제어부(34)의 리모트 입력의 절연을 담당하고 있다. 포토커플러 PC2가 오프인 경우, 포토커플러 PC2의 콜렉터 전위(출력)는 도면 중 아래에서 4번째의 배터리 셀(2a)의 정 전극에 접속되어 있으며, 그 전위로 된다.
인버터 INV1에는, Hi 레벨의 신호로 입력되기 때문에, 그 출력은 Lo 레벨로 되고, PWM 제어부(34)는 전원 공급되어도, 되지 않아도 정지 상태를 유지한다. 이때, N채널 MOS인 트랜지스터 T20은 온 상태로 되어, 동일하게 NPN 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터 T21의 게이트 전압을 내리기 때문에, 트랜지스터 T21은 오프한다.
이 때(DC 강압 컨버터(32)가 오프일 때)의 소비 전류의 주된 부분은, 스위칭용 트랜지스터 T6의 오프·리크(누설) 전류와 트랜지스터 T21의 베이스-콜렉터 간 저항과 그 전원인 4번째의 배터리 셀(2a)의 전압에 따른 전류와의 합계이다.
트랜지스터 T6의 OFF 릴 전류는 100㎁ 정도이며, 트랜지스터 T21의 베이스- 콜렉터 간 저항은, 4번째의 배터리 셀의 최저 전압을 8V, 최대 전압을 16.8V 정도로 하면, 트랜지스터 T21의 hFE(직류 전류 증폭률)는 10000, PWM 제어부(34)의 기동 전류 300㎂ 정도로 하면, 최저 작동 전압의 8V 시점에서 30㎁를 흘릴 수 있으면 되며, 16.8V일 때이어도 63㎁이다(이 경우 그 저항값은 133㏁). 여유를 두고 20㏁으로 최대 840㎁이며, 1㎂ 정도 이하로 할 수 있다.
포토커플러 PC2를 온한 경우, 포토커플러 PC2의 출력은 Lo 레벨로 되고, 인버터 INV1을 통해 PWM 제어부(34)의 제어 단자 REMOTE에 Hi 레벨의 제어 신호가 입력된다.
이에 의해, PWM 제어부(34)에 동작 가능한 전원 전압 VSTAT가 공급되면 동작가능한 상태로 된다. 이후 이 전압을 VSTAT라 한다. 이때, 트랜지스터 T20은 오프하기 때문에, 트랜지스터 T21에는 베이스 전류가 공급되어 온으로 되고, PWM 제어부(34)에 VSTAT가 공급된다. 그것에 의해, PWM 제어부(34)는 기동 상태로 되어 동작을 개시한다.
계속해서 DC 강압 컨버터(32)로부터 출력되는 전원 전압 VCC의 전압 레벨이 상승함과 동시에, 트랜스(35), 다이오드 D8을 통해, PWM 제어부(34)의 전원을 공급한다.
전원 전압 VCC의 증가에 수반하여, 제너 다이오드 ZD1과 PNP형 바이폴라 트랜지스터인 트랜지스터 T22가 ON함으로써, N채널 MOS인 트랜지스터 T23이 온한다.
그렇게 하면 트랜지스터 T21의 베이스 전류가 없어져서 상기 트랜지스터 T21이 OFF하기 때문에, 4번째의 배터리 셀로부터의 전력 공급이 정지하고(전술한 트랜지스터 T21의 베이스-콜렉터 간 저항에 따른 전류만으로 됨), 다이오드 D8을 개재한 트랜스(35)로부터의 공급만으로 된다. 이에 의해, 배터리 셀 도중에서의 쓸데없는 전류의 인출을 방지할 수 있다.
2) 도 1에 있어서도 도시한 바와 같이, 배터리 시스템(1)은 CAN 트랜시버/리시버(10)를 통해 CAN 버스 BC에 접속되고, ECU(9)에 따른 제어가 행해지고 있다.
3) 전술한 스탠바이 신호를 생성하는 회로(도면 중, 2점 쇄선으로 나타내는 회로)는 전지 감시 AFE(6)와 MCU(5)가 절연된 구성으로 되어 있다.
4) DC 강압 컨버터(32)의 제어 단자 REMOTE에 입력되는 제어 신호를 생성하는 회로(도면 중, 1점 쇄선으로 나타냄)에 있어서도, DC 강압 컨버터(32)와 MCU(5)가 절연된 구성으로 되어 있다.
5) 또한, 배터리 시스템(1)과 MCU(5)의 통신 경로가, 신호 절연을 행하는 회로인 디지털 아이솔레이터 DI를 통해 접속되어 있으며, 절연되어 있는 구성으로 되어 있다.
이들에 의해, 타 전원(예를 들어, 12V계 전원)에 의해 동작하는 MCU(5)와 배터리(2)의 전원계에 의해 동작하는 배터리 시스템(1)을 전기적으로 절연할 수 있고, 타 전원의 쇼트 등에 따른 고장 등을 방지할 수 있어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
(실시 형태 5)
도 18은, 본 발명의 실시 형태 5에 따른 배터리 시스템의 구체적인 회로 구성의 일례를 나타내는 설명도이다.
<실시 형태의 개요>
본 실시 형태의 개요는, 복수의 2차전지 셀(배터리 셀(2a))을 직렬로 접속하여 구성된 배터리(배터리(2))와, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어부(밸런스 회로(4), MCU(5), 전지 감시 AFE(6))를 갖는 배터리 시스템(배터리 시스템(1))에 적용된다.
배터리 제어부는, 2차전지 셀을 감시하는 전지 감시부(전지 감시 AFE(6))와, 배터리의 셀 밸런스 제어를 행하는 셀 밸런스 회로(밸런스 회로(4))를 갖는 것이며, 상기 셀 밸런스 회로는, 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압(전원 전압 VBAT)을 강압한 제2 전원 전압(전원 전압 VCC)이 공급되고, 제2 전원 전압으로부터 임의의 주기의 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 회로(펄스 전압 발생 회로(31a), 펄스 신호 발생 회로(31b))와, 직렬 접속된 임의의 수의 2차전지 셀에 있어서의 최 고 전위의 전극과 최저 전위의 전극 사이에 각각 접속되고, 펄스 발생 회로가 생성한 펄스 신호에 기초하여, 임의의 수의 2차전지 셀을 통합하여 충전하는 충전 전압을 생성하는 제1 DC 컨버터를 갖는다.
그리고, 전지 감시부는, 충전 제어 신호(어드레스 정보)에 기초하여, 충전을 행하는 직렬 접속된 임의의 수의 2차전지 셀을 특정하고, 임의의 수의 2차전지 셀이 접속되어 있는 제1 DC 컨버터에 대하여 동작 제어 신호(ON/OFF 신호)를 출력하고, 제1 DC 컨버터는, 동작 제어 신호에 기초하여 동작하고, 임의의 수의 2차전지 셀에 충전하는 것이다.
이하, 상기한 개요에 기초하여, 실시 형태를 상세히 설명한다.
상기 실시 형태 4의 도 17에서는, 개개의 배터리 셀을 밸런스 회로(4)에 의해 충전하는 구성으로서 나타내었지만, 예를 들어 도 18에 도시한 바와 같이, 복수의 배터리 셀을 통합하여 충전하는 구성으로 하여도 된다.
배터리 셀의 변동은 제조 변동이 주요인이지만, 수 셀 정도이면, 특성을 고르게 하는 것은 곤란하지 않다. 그 경우, 배터리 셀은 패시브 방식의 셀 밸런스를 실시하여도 그다지 손실은 커지지 않는다.
이 경우, 도 17에서의 변경점은, 이하와 같이 된다.
1) 패시브 방식의 셀 밸런스 회로는 배터리 셀마다 접속되어 있다.
2) 밸런스 회로(4)에 있어서의 DC 컨버터(30)는, 예를 들어 4개의 배터리 셀을 일괄로 하여 충전하는 구성으로 되어 있다.
또한, 도 18의 구성에서는, 4개의 배터리 셀에 충전을 행하기 위해서, 충전을 정지하는 설정 전압은, 16.8V 정도(4.2V×4)로 설정함과 함께, 트랜스(33)의 권선 비의 변경도 필요하다.
이에 의해, 밸런스 회로(4)의 회로 수를 감소시킬 수 있어, 배터리 시스템(1)의 저비용화를 실현할 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시 형태에 기초하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에만 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 EV나 HEV 등에 이용되는 배터리 시스템에 있어서의 셀 밸런스 제어의 기술에 적합하다.
1: 배터리 시스템
2: 배터리
2a: 배터리 셀
2b: 배터리 셀 세트
3: 전지 제어부
4: 밸런스 회로
5: MCU
6: 전지 감시 AFE
7: 모터 제어부
8: DC 전원
9: ECU
10: CAN 트랜시버/리시버
11: CAN 트랜시버/리시버
12: SPI
13: CPU
14: CAN 인터페이스
15: 메모리
16: 아날로그 멀티플렉서
17: A/D 변환기
18: SPI
19: SPI
20: 레지스터군
21: 레벨 시프터
22: 레벨 시프터
23: 방전 제어부
23a: 충전 제어 신호 출력부
24: 레귤레이터
25: DC 컨버터
26: 스위칭 소자
27: 트랜스
27a: 트랜스
28: DC/AC 컨버터
29: DC/DC 컨버터
30: DC 컨버터
31: 펄스 전압 발생부
31a: 펄스 전압 발생 회로
31b: 펄스 신호 발생 회로
32: DC 강압 컨버터
33: 트랜스
34: PWM 제어부
35: 트랜스
M: 모터
BC: CAN 버스
OP1: 연산 증폭기
C1: 콘덴서 C2
D1 내지 D3: 다이오드
D6 내지 D12: 다이오드
L1: 인덕터
L2: 가포화 인덕터
L3: 인덕터
REG: 레지스터
R1 내지 R6: 저항
R20: 저항
Rr: 저항
T1 내지 T3: 트랜지스터
T6 내지 T10: 트랜지스터
T20 내지 T23: 트랜지스터
CE1 내지 CE4: 배터리 셀
B1: 버퍼
PC1: 포토커플러
PC2: 포토커플러
INV1: 인버터
ZD1: 제너 다이오드
DI: 디지털 아이솔레이터

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 복수의 2차전지 셀을 직렬로 접속하여 구성된 배터리와, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템으로서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 2차전지 셀을 감시하는 전지 감시부와,
    상기 배터리의 셀 밸런스 제어를 행하는 셀 밸런스 회로를 갖고,
    상기 셀 밸런스 회로는,
    상기 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압을 강압한 제2 전원 전압이 공급되고, 상기 제2 전원 전압으로부터 임의의 주기의 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 회로와,
    상기 2차전지 셀에 각각 접속되고, 상기 펄스 발생 회로가 생성한 펄스 신호에 기초하여, 상기 2차전지 셀에 충전하는 충전 전압을 생성하는 제1 DC 컨버터를 갖고,
    상기 전지 감시부는,
    충전을 행하는 2차전지 셀을 선택하는 충전 제어 신호에 기초하여, 충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하고, 상기 2차전지 셀이 접속되어 있는 제1 DC 컨버터에 대하여 동작 제어 신호를 출력하고,
    상기 제1 DC 컨버터는,
    가포화 인덕터를 갖고, 상기 가포화 인덕터에 의해 스위칭용 트랜지스터의 동작 제어를 행함으로써, 상기 2차전지 셀을 충전하는 전압을 생성하는 마그네틱 앰프식의 포워드 컨버터를 포함하고, 상기 동작 제어 신호에 기초하여 동작하고, 상기 2차전지 셀에 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 복수의 2차전지 셀을 직렬로 접속하여 구성된 배터리와, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템으로서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 2차전지 셀을 감시하는 전지 감시부와,
    상기 배터리의 셀 밸런스 제어를 행하는 셀 밸런스 회로를 갖고,
    상기 셀 밸런스 회로는,
    상기 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압을 강압한 제2 전원 전압이 공급되고, 상기 제2 전원 전압으로부터 임의의 주기의 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 회로와,
    상기 2차전지 셀에 각각 접속되고, 상기 펄스 발생 회로가 생성한 펄스 신호에 기초하여, 상기 2차전지 셀에 충전하는 충전 전압을 생성하는 제1 DC 컨버터를 갖고,
    상기 전지 감시부는,
    충전을 행하는 2차전지 셀을 선택하는 충전 제어 신호에 기초하여, 충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하고, 상기 2차전지 셀이 접속되어 있는 제1 DC 컨버터에 대하여 동작 제어 신호를 출력하고,
    상기 제1 DC 컨버터는,
    가포화 인덕터를 갖고, 상기 가포화 인덕터에 의해 스위칭용 트랜지스터의 동작 제어를 행함으로써, 상기 2차전지 셀을 충전하는 전압을 생성하는 마그네틱 앰프식의 플라이백 컨버터를 포함하고, 상기 동작 제어 신호에 기초하여 동작하고, 상기 2차전지 셀에 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 펄스 발생 회로는,
    스위칭 신호에 기초하여, 스위칭을 행하는 스위칭 소자와,
    1차 권선측에 접속된 상기 스위칭 소자의 온/오프 동작에 수반하여, 2차 권선측에 에너지를 전달하고, 상기 펄스 신호를 발생시키는 트랜스를 갖고,
    상기 트랜스는,
    상기 제1 DC 컨버터와 동일한 수의 2차 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    또한, 상기 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압을 강압하고, 상기 펄스 발생 회로에 공급하는 제2 전원 전압을 생성하는 제2 컨버터를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 전지 감시부는,
    충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하는 충전 셀 특정 정보를 저장하는 특정 정보 저장부를 갖고,
    상기 전지 감시부는,
    상기 충전 제어 신호에 기초하여, 상기 특정 정보 저장부에 저장된 충전 셀 특정 정보를 검색하고, 충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하여 상기 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은,
    통신 버스를 통해 상기 배터리 제어부와 접속되고,
    상기 전지 감시부에 입력되는 상기 충전 제어 신호는,
    상기 통신 버스를 통해 상기 배터리 제어부로부터 출력되는 신호인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 통신 버스의 통신 프로토콜 인터페이스는,
    CAN인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 삭제
  10. 복수의 2차전지 셀을 직렬로 접속하여 구성된 배터리와, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템으로서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 2차전지 셀을 감시하는 전지 감시부와,
    상기 배터리의 셀 밸런스 제어를 행하는 셀 밸런스 회로를 갖고,
    상기 셀 밸런스 회로는,
    상기 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압을 강압한 제2 전원 전압이 공급되고, 상기 제2 전원 전압으로부터 임의의 주기의 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 회로와,
    직렬 접속된 임의의 수의 상기 2차전지 셀에 있어서의 최고 전위의 전극과 최저 전위의 전극 사이에 각각 접속되고, 상기 펄스 발생 회로가 생성한 펄스 신호에 기초하여, 임의의 수의 상기 2차전지 셀을 통합하여 충전하는 충전 전압을 생성하는 제1 DC 컨버터를 갖고,
    상기 전지 감시부는,
    충전을 행하는 임의의 수의 상기 2차전지 셀을 선택하는 충전 제어 신호에 기초하여, 충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하고, 임의의 수의 상기 2차전지 셀이 접속되어 있는 제1 DC 컨버터에 대하여 동작 제어 신호를 출력하고,
    상기 제1 DC 컨버터는,
    가포화 인덕터를 갖고, 상기 가포화 인덕터에 의해 스위칭용 트랜지스터의 동작 제어를 행함으로써, 상기 2차전지 셀을 충전하는 전압을 생성하는 마그네틱 앰프식의 포워드 컨버터를 포함하고, 상기 동작 제어 신호에 기초하여 동작하고, 임의의 수의 상기 2차전지 셀에 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 복수의 2차전지 셀을 직렬로 접속하여 구성된 배터리와, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템으로서,
    상기 배터리 제어부는,
    상기 2차전지 셀을 감시하는 전지 감시부와,
    상기 배터리의 셀 밸런스 제어를 행하는 셀 밸런스 회로를 갖고,
    상기 셀 밸런스 회로는,
    상기 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압을 강압한 제2 전원 전압이 공급되고, 상기 제2 전원 전압으로부터 임의의 주기의 펄스 신호를 생성하는 펄스 발생 회로와,
    직렬 접속된 임의의 수의 상기 2차전지 셀에 있어서의 최고 전위의 전극과 최저 전위의 전극 사이에 각각 접속되고, 상기 펄스 발생 회로가 생성한 펄스 신호에 기초하여, 임의의 수의 상기 2차전지 셀을 통합하여 충전하는 충전 전압을 생성하는 제1 DC 컨버터를 갖고,
    상기 전지 감시부는,
    충전을 행하는 임의의 수의 상기 2차전지 셀을 선택하는 충전 제어 신호에 기초하여, 충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하고, 임의의 수의 상기 2차전지 셀이 접속되어 있는 제1 DC 컨버터에 대하여 동작 제어 신호를 출력하고,
    상기 제1 DC 컨버터는,
    가포화 인덕터를 갖고, 상기 가포화 인덕터에 의해 스위칭용 트랜지스터의 동작 제어를 행함으로써, 상기 2차전지 셀을 충전하는 전압을 생성하는 마그네틱 앰프식의 플라이백 컨버터를 포함하고, 상기 동작 제어 신호에 기초하여 동작하고, 임의의 수의 상기 2차전지 셀에 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 펄스 발생 회로는,
    스위칭 신호에 기초하여, 스위칭을 행하는 스위칭 소자와,
    1차 권선측에 접속된 상기 스위칭 소자의 온/오프 동작에 수반하여, 2차 권선측에 에너지를 전달하고, 상기 펄스 신호를 발생시키는 트랜스를 갖고,
    상기 트랜스는,
    상기 제1 DC 컨버터와 동일한 수의 2차 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    또한, 상기 배터리로부터 공급되는 제1 전원 전압을 강압하고, 상기 펄스 발생 회로에 공급하는 제2 전원 전압을 생성하는 제2 컨버터를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전지 감시부는,
    충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하는 충전 셀 특정 정보를 저장하는 특정 정보 저장부를 갖고,
    상기 전지 감시부는,
    상기 충전 제어 신호에 기초하여, 상기 특정 정보 저장부에 저장된 충전 셀 특정 정보를 검색하고, 충전을 행하는 상기 2차전지 셀을 특정하여 상기 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은,
    통신 버스를 통해 상기 배터리 제어부와 접속되고,
    상기 전지 감시부에 입력되는 상기 충전 제어 신호는,
    상기 통신 버스를 통해 상기 배터리 제어부로부터 출력되는 신호인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 통신 버스의 통신 프로토콜 인터페이스는,
    CAN인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
KR1020147010948A 2011-10-28 2011-10-28 배터리 시스템 KR101865442B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2011/074951 WO2013061461A1 (ja) 2011-10-28 2011-10-28 バッテリシステム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140082730A KR20140082730A (ko) 2014-07-02
KR101865442B1 true KR101865442B1 (ko) 2018-06-07

Family

ID=48167324

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147010948A KR101865442B1 (ko) 2011-10-28 2011-10-28 배터리 시스템

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9478995B2 (ko)
EP (1) EP2773014B1 (ko)
JP (1) JP5730401B2 (ko)
KR (1) KR101865442B1 (ko)
CN (1) CN103891094B (ko)
WO (1) WO2013061461A1 (ko)

Families Citing this family (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012144674A1 (ko) * 2011-04-22 2012-10-26 Sk 이노베이션 주식회사 착탈 가능한 배터리 모듈, 이를 이용한 배터리 스트링을 위한 전하 균일 방법 및 장치
US20140340023A1 (en) * 2013-05-17 2014-11-20 Ying-Haw Shu Hybrid battery balancing system
RU2546978C2 (ru) * 2013-06-27 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "ЭнСол Технологии" Аккумуляторная батарея и система управления аккумуляторной батареей
DE102013112923A1 (de) * 2013-11-22 2015-05-28 H-Tech Ag Batteriemanagementsystem zur Steuerung einer Energiespeicheranordnung und Verfahren zum Laden und Entladen einer Energiespeicheranordnung
JP6264162B2 (ja) 2014-04-04 2018-01-24 株式会社村田製作所 充電装置および充電制御方法、並びに、蓄電装置、電力貯蔵装置、電力システムおよび電動車両
CN103904755B (zh) * 2014-04-23 2016-04-06 武汉市欧力普能源与自动化技术有限公司 单向模块化大功率电池均衡用dc/dc变换器电路
CN103904754A (zh) * 2014-04-23 2014-07-02 武汉市欧力普能源与自动化技术有限公司 双向模块化大功率电池均衡用dc/dc变换器电路
WO2016114116A1 (ja) * 2015-01-16 2016-07-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 蓄電池制御システム
JP2018038097A (ja) * 2015-01-16 2018-03-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 蓄電池制御システム
TW201630299A (zh) * 2015-02-13 2016-08-16 廖人立 車用快速充電控制裝置
JP6481199B2 (ja) * 2015-02-16 2019-03-13 ソニー株式会社 電力制御装置、電力制御方法及び電力制御システム
NZ732362A (en) * 2015-02-18 2019-04-26 Kitty Hawk Corp Electric vehicle power distribution system
US20170057372A1 (en) * 2015-08-25 2017-03-02 Ford Global Technologies, Llc Electric or hybrid vehicle battery pack voltage measurement
FR3042282B1 (fr) * 2015-10-12 2018-11-16 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Systeme electronique de controle d'une batterie electrique
CN105216646B (zh) * 2015-10-28 2017-10-20 北京新能源汽车股份有限公司 电动汽车的电池包均衡系统和均衡方法
DE102016115807A1 (de) * 2016-08-25 2018-03-01 HELLA GmbH & Co. KGaA Adapter für ein Batteriemanagementsystem und Batteriemanagementsystem
US10989187B2 (en) 2016-11-17 2021-04-27 Hangzhou Sanhua Research Institute Co., Ltd. Control system and control method
CN108073102B (zh) * 2016-11-17 2021-04-06 浙江三花智能控制股份有限公司 通信系统的通信方法以及通信控制系统
EP3571753B1 (en) * 2017-01-23 2024-04-24 Rafael Advanced Defense Systems Ltd. System for balancing a series of cells
US10227067B2 (en) * 2017-03-30 2019-03-12 Ford Global Technologies, Llc HEV battery management for generating off-board power
JP6928347B2 (ja) * 2017-08-02 2021-09-01 ＮＥｘＴ−ｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ株式会社 管理装置、蓄電装置、蓄電システム、及び、電気機器
GB2565838B (en) * 2017-08-25 2020-12-23 Ge Aviat Systems Ltd Battery pack balancing system
KR102331840B1 (ko) 2017-09-15 2021-12-01 주식회사 엘지에너지솔루션 통신 단 절연 기능을 포함하는 배터리 팩
JP6886903B2 (ja) * 2017-09-15 2021-06-16 ラピスセミコンダクタ株式会社 電池監視装置及び電池監視システム
CN108615954B (zh) * 2018-04-26 2020-09-15 常州信息职业技术学院 一种提高新能源电动汽车电池输出效率的方法
CN108674217B (zh) * 2018-04-26 2021-03-02 若瑞(上海)文化科技有限公司 一种新能源汽车的电池优化控制系统
CN108482166B (zh) * 2018-04-26 2021-07-27 常州信息职业技术学院 一种提高新能源汽车续航里程的控制系统
CN108649284A (zh) * 2018-04-26 2018-10-12 江苏工程职业技术学院 一种新能源汽车的电池组稳压控制系统
CN108539818A (zh) * 2018-04-26 2018-09-14 江苏工程职业技术学院 一种新能源汽车的均衡输出控制装置
WO2020045418A1 (ja) * 2018-08-29 2020-03-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 セル監視回路、及び、管理システム
US20210242690A1 (en) * 2018-08-31 2021-08-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and operating method of semiconductor device
WO2020049909A1 (ja) * 2018-09-06 2020-03-12 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 エネルギー移動回路、及び蓄電システム
CN109950947A (zh) * 2019-02-15 2019-06-28 南京航空航天大学 基于stm32的电池管理系统
CN110380493B (zh) * 2019-08-29 2024-07-05 西南交通大学 一种串联锂电池均压电路
CN110635184B (zh) * 2019-10-11 2022-09-09 联方云天科技(珠海)有限公司 一种具有多层管理体系和结构的模块化电池系统
CN114787639A (zh) * 2019-12-06 2022-07-22 张超迥 用于使电池并联且串联地化成和测试的系统
US11710975B2 (en) * 2020-07-30 2023-07-25 Denso International America, Inc. Battery charging systems and methods
US11646581B2 (en) * 2021-03-03 2023-05-09 Semiconductor Components Industries, Llc Power adapters with multiple charging ports
CN113394855B (zh) * 2021-07-22 2023-07-18 傲普(上海)新能源有限公司 一种集中式功率可调bms被动均衡电路
TWI801950B (zh) * 2021-07-30 2023-05-11 光陽工業股份有限公司 鋰電池的電池管理系統
CN113708466B (zh) * 2021-10-25 2022-03-11 广东希荻微电子股份有限公司 一种电池充放电电路和终端设备
WO2023096421A1 (ko) * 2021-11-26 2023-06-01 삼성전자 주식회사 병렬 연결된 복수 개의 배터리 셀들의 전류비 제어 방법 및 그 제어 시스템
CN114356807B (zh) * 2021-12-31 2023-12-01 银芯微(江苏)科技有限公司 用于电池管理系统的控制芯片及数据传输方法
US20240332988A1 (en) * 2023-03-27 2024-10-03 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery pack
CN117856401B (zh) * 2024-01-09 2024-08-23 中南大学 一种基于电能无线回馈的电池均衡控制系统及其控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011072153A (ja) * 2009-09-28 2011-04-07 Sanyo Electric Co Ltd 車両用電源装置及びこれを備える車両並びに車両用電源装置の容量均等化方法
KR20110109801A (ko) * 2010-03-29 2011-10-06 산요덴키가부시키가이샤 전원 장치 및 이 전원 장치를 구비하는 차량

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69328125T2 (de) * 1992-09-24 2000-10-12 Toshiba Kawasaki Kk Dämpferschaltung, schaltnetzteil sowie dafür benutzter sättigbarer induktor
US5710504A (en) 1996-05-20 1998-01-20 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Switched capacitor system for automatic battery equalization
US7615966B2 (en) 2001-05-25 2009-11-10 Texas Instruments Northern Virginia Incorporated Method and apparatus for managing energy in plural energy storage units
KR101188944B1 (ko) * 2006-06-15 2012-10-08 한국과학기술원 다중 변압기의 2차 권선을 병렬로 연결한 전하 균일 장치
KR101081255B1 (ko) * 2007-02-09 2011-11-08 한국과학기술원 전하 균일 장치
US9136716B2 (en) * 2007-10-15 2015-09-15 Black & Decker Inc. Bottom based balancing in lithium ion system
KR101164629B1 (ko) * 2007-10-16 2012-07-11 한국과학기술원 직렬 연결 배터리 스트링을 위한 2단 전하 균일 방법 및장치
US7965061B2 (en) * 2008-02-01 2011-06-21 O2Micro, Inc. Conversion systems with balanced cell currents

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011072153A (ja) * 2009-09-28 2011-04-07 Sanyo Electric Co Ltd 車両用電源装置及びこれを備える車両並びに車両用電源装置の容量均等化方法
KR20110109801A (ko) * 2010-03-29 2011-10-06 산요덴키가부시키가이샤 전원 장치 및 이 전원 장치를 구비하는 차량

Also Published As

Publication number Publication date
US9478995B2 (en) 2016-10-25
US20140266051A1 (en) 2014-09-18
WO2013061461A1 (ja) 2013-05-02
KR20140082730A (ko) 2014-07-02
JP5730401B2 (ja) 2015-06-10
EP2773014B1 (en) 2018-01-03
EP2773014A1 (en) 2014-09-03
CN103891094A (zh) 2014-06-25
JPWO2013061461A1 (ja) 2015-04-02
CN103891094B (zh) 2016-10-12
EP2773014A4 (en) 2015-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101865442B1 (ko) 배터리 시스템
US8981712B2 (en) Converter and submodule of a converter for charging or discharging an energy store
KR101188944B1 (ko) 다중 변압기의 2차 권선을 병렬로 연결한 전하 균일 장치
CN110326183B (zh) 充电装置以及车载电源装置
US7800346B2 (en) Device and method for equalizing charges of series-connected energy stores
CN101821920B (zh) 用于串联电池组的两级式充电均衡方法和装置
CN110289669B (zh) 对智能电池的交流充电
US9499060B2 (en) Power conversion device
US20130002203A1 (en) Cell balancing device
US9331515B2 (en) System for charging an energy store, and method for operating the charging system
US9997931B2 (en) Device for balancing the charge of the elements of a power battery
KR20130001234A (ko) 배터리용 충전 균일화 시스템
US10615612B2 (en) Battery apparatus and cell balancing circuits
JP6944058B2 (ja) Ｄｃ／ｄｃコンバータを備える車両充電器
KR102131948B1 (ko) 용량 가변형 파워뱅크 시스템
US20170203658A1 (en) Charging control system for electric vehicle
JP6953634B2 (ja) Ｄｃ／ｄｃコンバータを備える車両充電器
CN221487406U (zh) 充电系统及车辆
US20180019600A1 (en) Voltage balance correction circuit
CN216794695U (zh) 一种充电电路、充电器和充电系统
KR101525941B1 (ko) 배터리 충전 회로
CN220535425U (zh) 充电控制系统及车辆
CN220314744U (zh) 充电控制系统及车辆
CN220615506U (zh) 充电控制系统及车辆
KR102464445B1 (ko) 회로 구동의 안정성이 개선된 배터리 충전 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right