KR101916793B1 - 배터리 밸런싱 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 밸런싱 장치에 대한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서, 직렬 연결된 밸런싱 저항 및 밸런싱 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 병렬로 연결되어 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 복수의 밸런싱 회로; 서로 직렬 연결되어 상기 복수의 배터리 셀의 평균전압을 순차적으로 누적한 누적 평균 전압을 각각 출력하는 복수의 분배 저항; 상기 복수의 배터리 셀 각각에서 출력하는 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 순차적으로 누적한 누적 셀 전압 및 상기 복수의 분배 저항 각각에서 출력하는 상기 누적 평균 전압을 입력받고, 상기 누적 셀 전압과 상기 누적 평균 전압을 비교하여 비교 신호를 각각 출력하는 복수의 비교기; 및 상기 복수의 비교기에서 각각 출력하는 상기 비교 신호를 입력받아 상기 비교 신호를 반전시킨 제어 신호를 상기 복수의 밸런싱 회로로 각각 출력하여 상기 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 복수의 로직 회로를 포함한다.

Description

배터리 밸런싱 장치{APPARATUS FOR BLANCING BATTERY}
본 발명은 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리의 전압을 밸런싱하는 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리의 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 기술에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV; Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작되었다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다.
HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐만 아니라, 각 전지 셀을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 필요로 한다.
한편, 배터리를 충전하는 과정 중 배터리의 복수의 셀 중에 어느 하나라도 임계치에 도달하게 되면 다른 셀들의 충전 상태와는 상관없이 충전을 중단하게 된다. 이러한 상황을 방지하기 위해 셀 밸런싱 기능을 통해 특정 배터리 셀을 방전시켜야 하는 것이 요구된다.
그러나, 배터리 셀간의 전압 밸런싱을 위해서는 배터리 셀들의 전압을 측정하는 것이 선행되어야 한다. 따라서, 배터리 셀들의 전압을 측정하기 위해서는 센싱 IC와 같은 정밀한 소자가 필요하게 된다. 이 경우, 배터리 밸런싱 속도가 늦어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 종래 배터리 밸런싱 장치는 배터리 셀들 중 복수의 배터리 셀이 임계치에 도달한 경우, 임계치에 도달한 모든 배터리 셀의 전압을 동시에 방전시켜 배터리 관리 시스템의 온도가 급격히 상승하는 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라, 차량 화재 또는 폭발과 같은 안전사고 위험이 있다.
미국 특허공개공보 제2014-0070772호
본 발명은 배터리 셀의 전압을 측정하는 별도의 소자 없이 자동으로 배터리 셀간 전압 밸런싱을 수행하는 배터리 밸런싱 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서, 직렬 연결된 밸런싱 저항 및 밸런싱 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 병렬로 연결되어 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 복수의 밸런싱 회로; 서로 직렬 연결되어 상기 복수의 배터리 셀의 평균전압을 순차적으로 누적한 누적 평균 전압을 각각 출력하는 복수의 분배 저항; 상기 복수의 배터리 셀 각각에서 출력하는 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 순차적으로 누적한 누적 셀 전압 및 상기 복수의 분배 저항 각각에서 출력하는 상기 누적 평균 전압을 입력받고, 상기 누적 셀 전압과 상기 누적 평균 전압을 비교하여 비교 신호를 각각 출력하는 복수의 비교기; 및 상기 복수의 비교기에서 각각 출력하는 상기 비교 신호를 입력받아 상기 비교 신호를 반전시킨 제어 신호를 상기 복수의 밸런싱 회로로 각각 출력하여 상기 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 복수의 로직 회로를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 분배 저항 각각의 저항값은 서로 동일한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 비교기 각각은 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 큰 경우, 상기 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 비교기 각각은 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 작은 경우, 상기 밸런싱 스위치를 오프 시키는 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 비교기는 상기 복수의 배터리 셀이 N개인 경우, N-1개인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 중 제N 배터리 셀이 최상위 배터리 셀인 경우, 상기 제N 배터리 셀은 상기 복수의 밸런싱 회로로 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 로직 회로는 상기 복수의 배터리 셀이 N개인 경우, N-1개인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀이 최하위 배터리 셀인 경우, 상기 제1 배터리 셀과 연결된 비교기에서 출력한 비교 신호는 상기 복수의 밸런싱 회로로 직접 입력되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀은 적어도 4개 이상의 직렬 연결된 제1 배터리 셀, 제2 배터리 셀, 제N-1 배터리 셀 및 제N 배터리 셀을 포함하고, 상기 복수의 밸런싱 회로는 상기 제1 배터리 셀과 병렬로 연결된 제1 밸런싱 회로, 상기 제2 배터리 셀과 병렬로 연결된 제2 밸런싱 회로, 상기 제N-1 배터리 셀과 병렬로 연결된 제N-1 밸런싱 회로 및 상기 제N 배터리 셀과 병렬로 연결된 제N 밸런싱 회로를 포함하고, 상기 복수의 분배 저항은 직렬 연결된 제1 분배 저항, 제2 분배 저항, 제N-1 분배 저항 및 제N 분배 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 비교기는 상기 제1 배터리 셀에서 출력하는 제1 누적 셀 전압 및 상기 제1 분배 저항에서 출력하는 제1 누적 평균 전압을 입력받아 제1 비교 신호를 출력하는 제1 비교기, 상기 제2 배터리 셀에서 출력하는 제2 누적 셀 전압 및 상기 제2 분배 저항에서 출력하는 제2 누적 평균 전압을 입력받아 제2 비교 신호를 출력하는 제2 비교기 및 상기 제N-1 배터리 셀에서 출력하는 제N-1 누적 셀 전압 및 상기 제N-1 분배 저항에서 출력하는 제N-1 누적 평균 전압을 입력받아 제N-1 비교 신호를 출력하는 제N-1 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 로직 회로는 상기 제1 비교 신호 및 상기 제2 비교 신호를 입력받아 상기 제2 비교 신호를 반전시킨 제1 제어 신호를 상기 제2 밸런싱 회로로 출력하여 상기 제2 밸런싱 회로에 포함된 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 제1 로직 회로, 제N-2 비교 신호 및 상기 제N-1 비교 신호를 입력받아 상기 제N-1 비교 신호를 반전시킨 제N-1 제어 신호를 상기 제N-1 밸런싱 회로로 출력하여 상기 제N-1 밸런싱 회로에 포함된 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 제N-2 로직 회로 및 제N-1 비교 신호를 입력받아 상기 제N-1 비교 신호를 반전시킨 제N-1 제어 신호를 상기 제N 밸런싱 회로로 출력하여 상기 제N 밸런싱 회로에 포함된 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 제N-1 로직 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제N 배터리 셀이 최상위 배터리 셀인 경우, 상기 제N 배터리 셀은 제N 밸런싱 회로로 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제1 배터리 셀이 최하위 배터리 셀인 경우, 상기 제1 비교기에서 출력한 상기 제1 비교 신호는 상기 제1 밸런싱 회로로 직접 입력되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 누적 셀 전압은 상기 제1 배터리 셀 전압으로 산출되고, 상기 제2 누적 셀 전압은 상기 제1 배터리 셀 전압과 상기 제2 배터리 셀 전압을 더하여 산출되며, 상기 제N-1 누적 셀 전압은 상기 제1 배터리 셀 내지 상기 제N-1 배터리 셀 전압을 모두 더하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 누적 평균 전압은 상기 제1 배터리 셀 내지 상기 제N 배터리 셀의 평균 전압으로 산출되고, 상기 제2 누적 평균 전압은 상기 평균 전압을 2번 누적하여 산출되며, 상기 제N-1 누적 평균 전압은 상기 평균 전압을 N-1번 누적하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 로직 회로는 상기 제1 비교 신호를 반전시키는 인버터 및 상기 인버터를 통해 반전시킨 상기 제1 비교 신호와 상기 제2 비교 신호를 입력받아 논리곱하는 논리곱 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제N-2 로직 회로는 상기 제N-2 비교 신호를 반전시키는 인버터 및 상기 인버터를 통해 반전시킨 상기 제N-2 비교 신호와 상기 제N-1 비교 신호를 입력받아 논리곱하는 논리곱 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제N-1 로직 회로는 상기 제N-1 비교 신호를 반전시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배터리 셀의 전압을 누적한 누적 셀 전압과 복수의 배터리 셀의 전압을 평균하여 누적한 누적 평균 전압을 비교하여 자동으로 복수의 배터리 셀의 전압 밸런싱을 수행하는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명은 복수의 배터리 셀의 전압을 정밀하게 측정하는 센싱 IC 등의 소자가 없이도 배터리 밸런싱을 수행하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복수의 로직 회로를 추가하여 복수의 배터리 셀 중 특정 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 경우, 상기 특정 배터리 셀 이외의 배터리 셀의 밸런싱을 금지하는 효과가 있다.
이에 따라, 배터리 관리 시스템에 온도가 급격히 상승하는 것을 방지하여, 차량 화재 또는 폭발 등의 안전 사고 위험을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 일 구성인 로직 회로의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치에서 배터리 밸런싱을 수행하는 과정을 설명하는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 구성도이다.
이때, 도 1에서는 7개의 배터리 셀이 직렬 연결된 것으로 도시하였다. 그러나, 배터리 셀의 개수는 도 1에 도시한 배터리 셀의 개수보다 많거나 적을 수 있으며, 도 1에 도시된 배터리 셀의 개수로 한정되지 않는다. 또한, 배터리 셀의 개수에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 각 구성들의 개수가 바뀔 수 있다.
다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 배터리 셀의 개수 및 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 각 구성들의 개수는 도 1에 도시된 개수로 전제하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치는 복수의 밸런싱 회로(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7), 복수의 분배 저항(Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg), 복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6) 및 복수의 로직 회로(L1,L2,L3,L4,L5,L6)를 포함한다.
복수의 밸런싱 회로(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)간의 전압을 밸런싱한다. 복수의 분배 저항(Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg)은 누적 평균 전압을 각각 출력한다. 복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6)는 누적 셀 전압과 상기 누적 평균 전압을 비교하여 비교 신호를 각각 출력한다. 복수의 로직 회로(L1,L2,L3,L4,L5,L6)는 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 온 또는 오프시킨다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다.
복수의 밸런싱 회로(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)는 직렬 연결된 밸런싱 저항(R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7) 및 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 각각 포함한다. 예를 들어, 제1 밸런싱 회로(B1)는 직렬 연결된 제1 밸런싱 저항(R1) 및 제1 밸런싱 스위치(SW1)를 포함하고, 나머지 밸런싱 회로도 각각 밸런싱 저항 및 밸런싱 스위치를 포함한다.
복수의 밸런싱 회로(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7) 각각에 병렬로 연결된다. 예를 들어, 제1 밸런싱 회로(B1)는 제1 배터리 셀(C1)에 병렬로 연결되고, 나머지 밸런싱 회로도 각각 나머지 배터리 셀에 병렬로 연결된다.
복수의 밸런싱 회로(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)간의 전압을 밸런싱한다. 예를 들어, 제1 배터리 셀(C1)의 전압이 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)의 평균 전압보다 큰 경우, 제1 밸런싱 회로(B1)는 제1 밸런싱 스위치(SW1)를 온시켜 제1 밸런싱 라인(BL1) 및 제2 밸런싱 라인(BL2)을 연결하는 패스(path)를 통해 제1 배터리 셀(C1)의 전압을 방전시킨다. 이에 따라, 제1 배터리 셀(C1)의 전압이 감소하여 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)간의 전압 밸런싱이 이루어진다.
한편, 도 1에서는 설명의 편의를 위해 제1 밸런싱 라인(BL1) 및 제2 밸런싱 라인(BL2)만 도시하였으나, 본 발명의 배터리 밸런싱 장치에는 배터리 밸런싱 장치의 특성상 나머지 배터리 셀과 연결된 제3 밸런싱 라인 내지 제7 밸런싱 라인도 포함한다.
복수의 분배 저항(Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg) 각각은 서로 직렬 연결된다. 구체적으로, 제1 분배 저항(Ra)을 최하위 분배 저항, 제7 분배 저항(Rg)을 최상위 분배 저항으로 할 때, 제1 분배 저항(Ra) 내지 제7 분배 저항(Rg)이 순차적으로 직렬 연결된다.
이때, 서로 직렬 연결된 복수의 분배 저항(Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg) 전체는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7) 전체와 병렬 연결된다. 구체적으로, 제1 분배 저항(Ra)의 일단은 제1 배터리 셀(C1)의 음극(-)에 연결되고, 제1 분배 저항(Ra)의 타단은 제2 분배 저항(Rb)의 일단에 연결된다. 또한, 제7 분배 저항(Rg)의 일단은 제6 분배 저항(Rf)의 타단에 연결되고, 제7 분배 저항(Rg)의 타단은 제7 배터리 셀(C7)의 양극(+)에 연결된다.
복수의 분배 저항(Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg)은 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)의 평균전압을 순차적으로 누적한 누적 평균 전압을 각각 출력한다. 이때, 복수의 분배 저항(Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg) 각각의 저항값은 서로 동일하다. 따라서, 복수의 분배 저항(Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg) 각각에서 출력하는 누적 평균 전압은 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)의 평균전압의 배수가 된다.
예를 들어, 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)의 평균전압이 4.1V인 경우, 제1 분배 저항(Ra)은 4.1V의 누적 평균 전압을 출력하고, 제2 분배 저항(Rb)는 8.2V의 누적 평균 전압을 출력한다. 즉, 제N 분배 저항은 4.1×N V의 누적 평균 전압을 출력한다.
복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7)의 전압을 순차적으로 누적한 누적 셀 전압과 상기 누적 평균 전압을 입력받는다.
예를 들어, 제1 배터리 셀(C1)의 전압이 4.7 V이고, 제2 배터리 셀(C2) 내지 제7 배터리 셀(C7)의 전압이 모두 4 V인 경우, 제1 비교기(OP1)는 제1 배터리 셀(C1)로부터 4.7 V의 누적 셀 전압을 입력받고, 제2 비교기(OP2)는 제2 배터리 셀(C2)로부터 8.7 V의 누적 셀 전압을 입력받고, 제3 비교기(OP3)는 제3 배터리 셀(C3)로부터 12.7 V의 누적 셀 전압을 입력받고, 제4 비교기(OP4)는 제4 배터리 셀(C4)로부터 16.7 V의 누적 셀 전압을 입력받고, 제5 비교기(OP5)는 제5 배터리 셀(C5)로부터 20.7 V의 누적 셀 전압을 입력받으며, 제6 비교기(OP6)는 제6 배터리 셀(C6)로부터 24.7 V의 누적 셀 전압을 입력받는다.
또한, 제1 비교기(OP1)는 제1 분배 저항(Ra)으로부터 4.1 V의 누적 평균 전압을 입력받고, 제2 비교기(OP2)는 제2 분배 저항(Rb)으로부터 8.2 V의 누적 평균 전압을 입력받고, 제3 비교기(OP3)는 제3 분배 저항(Rc)으로부터 12.3 V의 누적 평균 전압을 입력받고, 제4 비교기(OP4)는 제4 분배 저항(Rd)으로부터 16.4 V의 누적 평균 전압을 입력받고, 제5 비교기(OP5)는 제5 분배 저항(Re)으로부터 20.5 V의 누적 평균 전압을 입력받으며, 제6 비교기(OP6)는 제6 분배 저항(Rf)으로부터 24.6 V의 누적 평균 전압을 입력받는다.
한편, 제7 배터리 셀(C7)에서 출력되는 누적 셀 전압과 제7 분배 저항(Rg)에서 출력되는 누적 평균 전압은 동일한 값이므로, 이를 비교하는 비교기는 불필요하다. 따라서, 제7 배터리 셀(C7)은 제7 밸런싱 회로(B7)로 직접 연결된다.
복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6)는 상기 누적 셀 전압과 상기 누적 평균 전압을 비교하여 비교 신호를 각각 출력한다. 구체적으로, 복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6) 각각은 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 큰 경우, 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 온 시키는 신호를 출력한다. 그러나, 복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6) 각각은 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 작은 경우, 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 오프 시키는 신호를 출력한다.
예를 들어, 제1 비교기(OP1)가 제1 배터리 셀(C1)로부터 4.7 V의 누적 셀 전압을 입력받고, 제1 분배 저항(Ra)으로부터 4.1 V의 누적 평균 전압을 입력받은 경우, 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 크므로, 제1 비교기(OP1)는 제1 밸런싱 스위치(SW1)를 온 시키는 신호를 출력한다.
그러나, 제1 비교기(OP1)가 제1 배터리 셀(C1)로부터 4 V의 누적 셀 전압을 입력받고, 제1 분배 저항(Ra)으로부터 4.1 V의 누적 평균 전압을 입력받은 경우, 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 작으므로, 제1 비교기(OP1)는 제1 밸런싱 스위치(SW1)를 오프 시키는 신호를 출력한다.
한편, 특정 비교기에서 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 출력하는 경우, 상기 특정 비교기의 상위 비교기도 모두 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 출력하게 된다. 예를 들어, 제1 배터리 셀(C1)의 전압이 4.7 V이고, 제2 배터리 셀(C2) 내지 제7 배터리 셀(C7)의 전압이 모두 4 V인 경우, 제1 비교기(OP1) 내지 제6 비교기(OP6)는 모두 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 온 시키는 신호를 출력한다.
이와 같은 상황을 방치하면 배터리 관리 시스템의 급격한 온도 상승으로 차량 화재 또는 폭발 등의 안전사고가 발생할 위험이 있다. 따라서, 특정 배터리 셀의 밸런싱 수행시 나머지 배터리 셀의 밸런싱은 금지시켜야할 필요성이 있다.
복수의 로직 회로(L1,L2,L3,L4,L5,L6)는 복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6)에서 각각 출력하는 상기 비교 신호를 입력받아 상기 비교 신호를 반전시킨 제어 신호를 복수의 밸런싱 회로(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)로 각각 출력하여 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 온 또는 오프시킨다.
구체적으로, 제1 로직 회로(L1)는 제1 비교기(OP1)에서 출력하는 제1 비교 신호 및 제2 비교기(OP2)에서 출력하는 제2 비교 신호를 입력받아 상기 제2 비교 신호를 반전시킨 제1 제어 신호를 제2 밸런싱 회로(B2)로 출력하여 제2 밸런싱 스위치(SW2)를 온 또는 오프시킨다.
제2 로직 회로(L2)는 제2 비교기(OP2)에서 출력하는 제2 비교 신호 및 제3 비교기(OP3)에서 출력하는 제3 비교 신호를 입력받아 상기 제3 비교 신호를 반전시킨 제2 제어 신호를 제3 밸런싱 회로(B3)로 출력하여 제3 밸런싱 스위치(SW3)를 온 또는 오프시킨다.
제3 로직 회로(L3)는 제3 비교기(OP3)에서 출력하는 제3 비교 신호 및 제4 비교기(OP4)에서 출력하는 제4 비교 신호를 입력받아 상기 제4 비교 신호를 반전시킨 제3 제어 신호를 제4 밸런싱 회로(B4)로 출력하여 제4 밸런싱 스위치(SW4)를 온 또는 오프시킨다.
제4 로직 회로(L4)는 제4 비교기(OP4)에서 출력하는 제4 비교 신호 및 제5 비교기(OP5)에서 출력하는 제5 비교 신호를 입력받아 상기 제5 비교 신호를 반전시킨 제4 제어 신호를 제5 밸런싱 회로(B5)로 출력하여 제5 밸런싱 스위치(SW5)를 온 또는 오프시킨다.
제5 로직 회로(L5)는 제5 비교기(OP5)에서 출력하는 제5 비교 신호 및 제6 비교기(OP6)에서 출력하는 제6 비교 신호를 입력받아 상기 제6 비교 신호를 반전시킨 제5 제어 신호를 제6 밸런싱 회로(B6)로 출력하여 제6 밸런싱 스위치(SW6)를 온 또는 오프시킨다.
다만, 제6 로직 회로(L6)는 제6 비교기(OP6)에서 출력하는 제6 비교 신호를 입력받아 상기 제6 비교 신호를 반전시킨 제6 제어 신호를 제7 밸런싱 회로(B7)로 출력하여 제7 밸런싱 스위치(SW7)를 온 또는 오프시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치의 일 구성인 로직 회로의 구성도이다.
도 2는 복수의 로직 회로(L1,L2,L3,L4,L5,L6) 중 제1 로직 회로(L1)의 구성을 예를 들어 도시하였다. 즉, 제1 로직 회로(L1)는 상기 제1 비교 신호를 반전시키는 제1 인버터(L11) 및 제1 인버터(L11)를 통해 반전시킨 상기 제1 비교 신호와 상기 제2 비교 신호를 입력받아 논리곱하는 논리곱 게이트(L12)를 포함한다.
따라서, 제1 로직 회로(L1)의 출력은 상기 제1 비교 신호의 입력과 무관하게 상기 제2 비교 신호에서 논리 1 신호가 입력된 경우에만, 논리 1 신호를 출력한다. 이때, 논리 1 신호는 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 온시키는 신호를 의미한다.(한편, 논리 0 신호는 밸런싱 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7)를 오프시키는 신호를 의미한다.)
도 2에서는 복수의 로직 회로(L1,L2,L3,L4,L5,L6) 중 제1 로직 회로(L1)의 구성을 예를 들어 도시하였으나, 제2 로직 회로(L2) 내지 제5 로직 회로(L5)의 경우도 마찬가지로 적용된다. 다만, 제6 로직 회로(L6)는 상기 제6 비교 신호를 반전시키는 인버터만 포함한다.
이와 같이 복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6)의 출력을 복수의 로직 회로(L1,L2,L3,L4,L5,L6)를 거쳐 복수의 밸런싱 회로(B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7)에 입력하여, 상술한 바와 같은 복수의 비교기(OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6) 중 특정 비교기에서 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 출력하는 경우, 상기 특정 비교기의 상위 비교기도 모두 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 출력하는 문제를 방지할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치에서 배터리 밸런싱을 수행하는 과정을 설명하는 설명도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 밸런싱 장치에서 배터리 밸런싱을 수행하는 과정을 종합적으로 확인할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 배터리 셀(C1)의 전압이 4.7 V이고, 제2 배터리 셀(C2) 내지 제7 배터리 셀(C7)의 전압이 모두 4 V인 경우, 제1 비교기(OP1)는 4.7 V의 누적 셀 전압 및 4.1 V의 누적 평균 전압을 입력받아 제1 밸런싱 스위치(SW1)를 온 시키는 신호를 출력하고, 이에 따라, 제1 밸런싱 스위치(SW1)는 온되는 것을 확인할 수 있다.
이 경우, 제1 배터리 셀(C1)의 전압 밸런싱이 수행되는 경우이므로, 제2 배터리 셀(C2) 내지 제7 배터리 셀(C7)의 전압 밸런싱은 금지되어야 한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 비교기(OP2) 내지 제6 비교기(OP6) 각각에서 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 출력하나 복수의 로직 회로(L1,L2,L3,L4,L5,L6)를 거치므로, 제2 밸런싱 스위치(SW2) 내지 제7 밸런싱 스위치(SW7)는 오프 상태를 유지하게 되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7 : 배터리 셀
B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7 : 밸런싱 회로
Ra,Rb,Rc,Rd,Re,Rf,Rg : 분배 저항
OP1,OP2,OP3,OP4,OP5,OP6 : 비교기
L1,L2,L3,L4,L5,L6 : 로직 회로

Claims (18)

  1. 직렬 연결된 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 배터리 밸런싱 장치에 있어서:
    직렬 연결된 밸런싱 저항 및 밸런싱 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 병렬로 연결되어 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 복수의 밸런싱 회로;
    서로 직렬 연결되어 상기 복수의 배터리 셀의 평균전압을 순차적으로 누적한 누적 평균 전압을 각각 출력하는 복수의 분배 저항;
    상기 복수의 배터리 셀 각각에서 출력하는 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 순차적으로 누적한 누적 셀 전압 및 상기 복수의 분배 저항 각각에서 출력하는 상기 누적 평균 전압을 입력받고, 상기 누적 셀 전압과 상기 누적 평균 전압을 비교하여 비교 신호를 각각 출력하는 복수의 비교기; 및
    상기 복수의 비교기에서 각각 출력하는 상기 비교 신호를 입력받아 상기 비교 신호를 반전시킨 제어 신호를 상기 복수의 밸런싱 회로로 각각 출력하여 상기 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 복수의 로직 회로를 포함하고,
    상기 복수의 로직 회로의 각각은,
    상기 복수의 비교기 중에서 어느 하나로부터 출력된 비교 신호를 반전하는 인버터; 및 상기 인버터의 출력과 상기 복수의 비교기 중에서 다른 하나로부터 출력된 비교 신호를 논리곱하는 논리곱 게이트를 포함하는 배터리 밸런싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 분배 저항 각각의 저항값은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 비교기 각각은 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 큰 경우, 상기 밸런싱 스위치를 온 시키는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 비교기 각각은 상기 누적 셀 전압이 상기 누적 평균 전압보다 작은 경우, 상기 밸런싱 스위치를 오프 시키는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 비교기는 상기 복수의 배터리 셀이 N개인 경우, N-1개인 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 중 제N 배터리 셀이 최상위 배터리 셀인 경우, 상기 제N 배터리 셀은 상기 복수의 밸런싱 회로로 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 로직 회로는 상기 복수의 배터리 셀이 N개인 경우, N-1개인 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀이 최하위 배터리 셀인 경우, 상기 제1 배터리 셀과 연결된 비교기에서 출력한 비교 신호는 상기 복수의 밸런싱 회로로 직접 입력되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀은 적어도 4개 이상의 직렬 연결된 제1 배터리 셀, 제2 배터리 셀, 제N-1 배터리 셀 및 제N 배터리 셀을 포함하고,
    상기 복수의 밸런싱 회로는 상기 제1 배터리 셀과 병렬로 연결된 제1 밸런싱 회로, 상기 제2 배터리 셀과 병렬로 연결된 제2 밸런싱 회로, 상기 제N-1 배터리 셀과 병렬로 연결된 제N-1 밸런싱 회로 및 상기 제N 배터리 셀과 병렬로 연결된 제N 밸런싱 회로를 포함하고,
    상기 복수의 분배 저항은 직렬 연결된 제1 분배 저항, 제2 분배 저항, 제N-1 분배 저항 및 제N 분배 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 복수의 비교기는 상기 제1 배터리 셀에서 출력하는 제1 누적 셀 전압 및 상기 제1 분배 저항에서 출력하는 제1 누적 평균 전압을 입력받아 제1 비교 신호를 출력하는 제1 비교기, 상기 제2 배터리 셀에서 출력하는 제2 누적 셀 전압 및 상기 제2 분배 저항에서 출력하는 제2 누적 평균 전압을 입력받아 제2 비교 신호를 출력하는 제2 비교기 및 상기 제N-1 배터리 셀에서 출력하는 제N-1 누적 셀 전압 및 상기 제N-1 분배 저항에서 출력하는 제N-1 누적 평균 전압을 입력받아 제N-1 비교 신호를 출력하는 제N-1 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 로직 회로는 상기 제1 비교 신호 및 상기 제2 비교 신호를 입력받아 상기 제2 비교 신호를 반전시킨 제1 제어 신호를 상기 제2 밸런싱 회로로 출력하여 상기 제2 밸런싱 회로에 포함된 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 제1 로직 회로, 제N-2 비교 신호 및 상기 제N-1 비교 신호를 입력받아 상기 제N-1 비교 신호를 반전시킨 제N-1 제어 신호를 상기 제N-1 밸런싱 회로로 출력하여 상기 제N-1 밸런싱 회로에 포함된 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 제N-2 로직 회로 및 제N-1 비교 신호를 입력받아 상기 제N-1 비교 신호를 반전시킨 제N-1 제어 신호를 상기 제N 밸런싱 회로로 출력하여 상기 제N 밸런싱 회로에 포함된 밸런싱 스위치를 온 또는 오프시키는 제N-1 로직 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제N 배터리 셀이 최상위 배터리 셀인 경우,
    상기 제N 배터리 셀은 제N 밸런싱 회로로 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 중 상기 제1 배터리 셀이 최하위 배터리 셀인 경우, 상기 제1 비교기에서 출력한 상기 제1 비교 신호는 상기 제1 밸런싱 회로로 직접 입력되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 누적 셀 전압은 상기 제1 배터리 셀 전압으로 산출되고,
    상기 제2 누적 셀 전압은 상기 제1 배터리 셀 전압과 상기 제2 배터리 셀 전압을 더하여 산출되며,
    상기 제N-1 누적 셀 전압은 상기 제1 배터리 셀 내지 상기 제N-1 배터리 셀 전압을 모두 더하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 누적 평균 전압은 상기 제1 배터리 셀 내지 상기 제N 배터리 셀의 평균 전압으로 산출되고,
    상기 제2 누적 평균 전압은 상기 평균 전압을 2번 누적하여 산출되며,
    상기 제N-1 누적 평균 전압은 상기 평균 전압을 N-1번 누적하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 로직 회로는 상기 제1 비교 신호를 반전시키는 인버터 및 상기 인버터를 통해 반전시킨 상기 제1 비교 신호와 상기 제2 비교 신호를 입력받아 논리곱하는 논리곱 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 제N-2 로직 회로는 상기 제N-2 비교 신호를 반전시키는 인버터 및 상기 인버터를 통해 반전시킨 상기 제N-2 비교 신호와 상기 제N-1 비교 신호를 입력받아 논리곱하는 논리곱 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 제N-1 로직 회로는 상기 제N-1 비교 신호를 반전시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 밸런싱 장치.
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