KR102143186B1 - Cell balancing circuit - Google Patents

Cell balancing circuit Download PDF

Info

Publication number
KR102143186B1
KR102143186B1 KR1020190044438A KR20190044438A KR102143186B1 KR 102143186 B1 KR102143186 B1 KR 102143186B1 KR 1020190044438 A KR1020190044438 A KR 1020190044438A KR 20190044438 A KR20190044438 A KR 20190044438A KR 102143186 B1 KR102143186 B1 KR 102143186B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
balancing
switch
cell
voltage
supercapacitor
Prior art date
Application number
KR1020190044438A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
최중호
윤범수
정태경
김진현
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
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 서울시립대학교 산학협력단 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020190044438A priority Critical patent/KR102143186B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102143186B1 publication Critical patent/KR102143186B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The present invention relates to a cell balancing circuit which controls four switches constituting a direct current (DC)-DC buck-boost converter and one additional balancing operation exclusive switch to control voltage charged in each cell to remain the same.

Description

셀 밸런싱 회로{CELL BALANCING CIRCUIT}Cell balancing circuit {CELL BALANCING CIRCUIT}

본 발명은 셀 밸런싱 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a cell balancing circuit.

슈퍼커패시터는 기존의 커패시터보다 훨씬 큰 정전 용량을 가지고 있는 소자이다. 높은 충/방전 사이클로 인해 수명이 길며, 순간적으로 많은 전류를 공급해줄 수 있다는 장점 때문에 최근 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 전망되고 있다. 하지만 소자 자체의 한계로 인해 한 셀에 최대로 충전할 수 있는 전압은 약 2.5V이며 그 이상의 전압을 충전하기 위해서는 여러 개의 셀을 직렬 연결을 해서 사용해야 한다. Supercapacitors are devices that have a much larger capacitance than conventional capacitors. It has a long life due to a high charge/discharge cycle and is expected to be a next-generation energy storage device that can replace batteries in recent years because of the advantage that it can supply a large amount of current instantly. However, due to the limitations of the device itself, the maximum voltage that can be charged to one cell is about 2.5V, and in order to charge a voltage higher than that, several cells must be connected in series.

직렬 연결된 슈퍼커패시터는 소자 내부의 누설 저항과 정전 용량의 불일치(mismatch)로 인해 동일 용량을 가진 동일한 슈퍼커패시터를 직렬로 연결해도 각 슈퍼커패시터 셀에 충전된 전압은 달라지게 된다. 이 경우 과충전된 슈퍼커패시터 셀은 손상을 입어 동작하지 않거나, 수명이 짧아져 슈퍼커패시터 셀의 교체 주기가 짧아지게 된다. 이를 방지하기 위해서, 각 슈퍼커패시터 셀이 동일한 전압으로 충전될 수 있도록 셀 밸런싱 회로가 필요하다. In a series-connected supercapacitor, even if the same supercapacitor with the same capacity is connected in series due to a mismatch between leakage resistance and capacitance inside the device, the voltage charged in each supercapacitor cell is different. In this case, the overcharged supercapacitor cell is damaged and does not operate, or the lifespan is shortened, so that the replacement cycle of the supercapacitor cell is shortened. To prevent this, a cell balancing circuit is required so that each supercapacitor cell can be charged with the same voltage.

일반적으로 사용되는 슈퍼커패시터 셀 밸런싱 회로의 구조는 도 1 및 도 2와 같다. The structure of a commonly used supercapacitor cell balancing circuit is shown in FIGS. 1 and 2.

도 1은 밸런싱 저항을 사용한 슈퍼커패시터 셀 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다. 1 is a diagram showing a supercapacitor cell balancing circuit using a balancing resistor.

도 1에 도시된 바와 같이, 같은 저항 값을 가진 저항(R)을 슈퍼커패시터 셀(CAP1, CAP2) 양단에 병렬로 연결함으로써 슈퍼커패시터 셀 각각의 양단 전압을 동일하게 유지할 수 있다. 구현이 간편하지만 지속적으로 저항(R)을 통해 누설 전류가 흐르기 때문에 슈퍼커패시터 셀에 저장된 에너지가 감소하여, 에너지 효율이 감소하는 문제가 있다. As shown in FIG. 1, by connecting a resistor R having the same resistance value to both ends of the supercapacitor cells CAP1 and CAP2 in parallel, it is possible to maintain the same voltage at both ends of the supercapacitor cells. Although it is simple to implement, there is a problem in that the energy stored in the supercapacitor cell decreases because a leakage current continuously flows through the resistor R, thereby reducing energy efficiency.

도 2는 연산 증폭기(op-amp)를 이용한 슈퍼커패시터 셀 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다. 2 is a diagram showing a supercapacitor cell balancing circuit using an operational amplifier (op-amp).

도 2에 도시된 바와 같이, 같은 저항 값을 가진 2개의 저항(R)을 이용해 충전 전압의 1/2 전압을 생성한 뒤, 버퍼(buffer)로 구성된 연산 증폭기를 이용하여 각 슈퍼커패시터 셀(CAP1, CAP2)에 충전된 전압이 동일하도록 조절할 수 있다. 이 경우 연산 증폭기에서 지속적으로 전류를 소모하게 되고, 빠른 밸런싱 동작을 위해서는 연산 증폭기에서 흐르는 전류의 양 역시 증가시켜야 하기 때문에, 도 1A에서 설명한 저항을 사용한 방법과 마찬가지로 에너지 효율이 감소되고 저장 성능이 저하되는 문제점이 있다.As shown in FIG. 2, after generating a voltage of 1/2 of the charging voltage using two resistors R having the same resistance value, each supercapacitor cell CAP1 is generated using an operational amplifier composed of a buffer. , CAP2) can be adjusted so that the charged voltage is the same. In this case, since the operational amplifier continuously consumes current, and the amount of current flowing in the operational amplifier must be increased for fast balancing operation, energy efficiency decreases and storage performance decreases as in the method using the resistor described in FIG. 1A. There is a problem.

에너지 효율을 개선하고, 소비 전력 및 회로 면적을 감소시킬 수 있는 셀 밸런싱 회로를 제공하고자 한다.It is intended to provide a cell balancing circuit capable of improving energy efficiency and reducing power consumption and circuit area.

발명의 한 특징에 따른, 입력단과 출력단 사이에연결되어 있는 제1 스위치, 인덕터, 및 제2 스위치, 상기 제1 스위치와 상기 인덕터가 연결되는 제1 노드와 그라운드 사이에 연결되어 있는 제3 스위치, 상기 인덕터와 상기 제2 스위치가 연결되는 제2 노드와 그라운드 사이에 연결되어 있는 제4 스위치, 상기 제1 노드와 제1 슈퍼커패시터 셀 및 제2 슈퍼커패시터 셀이 연결되는 제3 노드 사이에 연결되어 있는 제5 스위치, 상기 제3 노드의 전압인감지 전압을 제1 기준 전압 및 제2 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라 밸런싱동작이 필요하지 판단하는 밸런싱로직부, 및 상기 밸런싱 로직부의 판단 결과 제1 밸런싱 상황이면, 먼저 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온 하고, 상기 밸런싱 로직부의 판단 결과 제2 밸런싱 상황이면, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀을 방전한후, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온 하는 스위치 제어 회로를 포함하고, 상기 제1 밸런싱 상황은 상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 전압이상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 전압보다 높고, 상기 제2 밸런싱 상황은 상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 전압이 상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 전압보다 높을 수 있다. According to one aspect of the invention, a first switch, an inductor, and a second switch connected between an input terminal and an output terminal, a third switch connected between a first node and a ground to which the first switch and the inductor are connected, A fourth switch connected between a ground and a second node to which the inductor and the second switch are connected, and a third node to which the first node and the first supercapacitor cell and the second supercapacitor cell are connected, A balancing logic unit that compares the voltage sensed voltage of the fifth switch and the third node with a first reference voltage and a second reference voltage, and determines whether a balancing operation is required according to the comparison result, and a determination result of the balancing logic unit In the first balancing situation, the second switch and the third switch are first turned on, and if the determination result of the balancing logic unit is a second balancing situation, the second supercapacitor cell is discharged, and then the second switch and the third switch are turned on. And a switch control circuit for turning on a third switch, wherein the first balancing condition is that the voltage of the first supercapacitor cell is higher than the voltage of the second supercapacitor cell, and the second balancing condition is the second supercapacitor The voltage of the cell may be higher than the voltage of the first supercapacitor cell.

상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온 기간 동안, 상기 제1 슈퍼커패시터 셀 및 상기 제2 슈퍼커패시터 셀이 방전할 수 있다.In the first balancing situation, during the ON period of the second switch and the third switch, the first supercapacitor cell and the second supercapacitor cell may discharge.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온 기간 종료 후, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치를 턴 온 할 수 있다. The switch control circuit may turn on the fourth switch and the fifth switch after an on period of the second switch and the third switch ends in the first balancing situation.

상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치의 온 기간 동안, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀이 충전될수 있다.In the first balancing situation, the second supercapacitor cell may be charged during the ON period of the fourth switch and the fifth switch.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 제2 밸런싱 상황에서, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀을 방전할 때, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치를 턴 온 할 수 있다. The switch control circuit may turn on the fourth switch and the fifth switch when discharging the second supercapacitor cell in the second balancing situation.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 제2 밸런싱 상황에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온 기간 동안, 상기 제1 슈퍼커패시터 셀 및 상기 제2 슈퍼커패시터 셀이 충전될 수 있다.The switch control circuit may charge the first supercapacitor cell and the second supercapacitor cell during the ON period of the second switch and the third switch in the second balancing situation.

상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 감지 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기, 및 상기 감지 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기를 더 포함하고, 상기 밸런싱 로직부는, 상기 제1 비교기 및 상기 제2 비교기의 출력에 따라 밸런싱동작이 필요하지 판단할 수 있다. The cell balancing circuit further includes a first comparator for comparing the sense voltage and a first reference voltage, and a second comparator for comparing the sense voltage and a second reference voltage, and the balancing logic unit includes the first comparator And it may be determined that a balancing operation is required according to the output of the second comparator.

상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 일단이 상기 출력단에 연결되어 있고, 상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 타단 및 상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 일단이상기 제3 노드에 연결되어 있으며, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 타단이 그라운드에 연결되어 있고, 상기 제1 기준 전압이 상기 제2 기준 전압 보다 높을 수 있다.One end of the first supercapacitor cell is connected to the output terminal, the other end of the first supercapacitor cell and one end of the second supercapacitor cell are connected to the third node, and the other end of the second supercapacitor cell It is connected to this ground, and the first reference voltage may be higher than the second reference voltage.

상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 감지 전압이 상기 제1 기준 전압 보다 높을 때, 상기 밸런싱 로직부는 상기 제2 밸런싱 상황으로 판단하고, 상기 감지 전압이 상기 제2 기준 전압 보다 낮을 때, 상기 밸런싱 로직부는 상기 제1 밸런싱 상황으로 판단할 수 있다. The cell balancing circuit, when the sense voltage is higher than the first reference voltage, the balancing logic unit determines the second balancing condition, and when the sense voltage is lower than the second reference voltage, the balancing logic unit It can be determined as the first balancing situation.

상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 인덕터에 흐르는전류를 감지하기 위한 전류 샘플링부, 상기 제1 노드와 상기 전류 샘플링부 사이에 연결되어 있는 제1 샘플링 스위치, 및 상기 제2 노드와 상기 전류 샘플링부 사이에 연결되어 있는 제2 샘플링 스위치를 더 포함할수 있다. The cell balancing circuit includes a current sampling unit for sensing a current flowing through the inductor, a first sampling switch connected between the first node and the current sampling unit, and between the second node and the current sampling unit. It may further include a second sampling switch connected.

상기 스위치 제어 회로는, 상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제2 샘플링 스위치를 턴 온 하고, 상기 제1 샘플링 스위치를 턴 오프 하며, 상기 제2 밸런싱상황에서, 상기 제1 샘플링스위치를 턴 온 하고, 상기 제2 샘플링 스위치를 턴 오프 할 수 있다. The switch control circuit, in the first balancing situation, turns on the second sampling switch, turns off the first sampling switch, in the second balancing situation, turns on the first sampling switch, The second sampling switch may be turned off.

에너지 효율을 개선하고, 소비 전력 및 회로 면적을 감소시킬 수 있는 셀 밸런싱 회로를 제공한다.It provides a cell balancing circuit capable of improving energy efficiency and reducing power consumption and circuit area.

도 1은 밸런싱 저항을 사용한 슈퍼커패시터 셀 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 연산 증폭기(op-amp)를 이용한 슈퍼커패시터 셀 밸런싱 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로를 나타낸 회로도이다.
도 4A 및 도 4B는 제1 밸런싱 상황에서 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 밸런싱 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5A 및 도 5B는 제2 밸런싱 상황에서 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 밸런싱 동작을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram showing a supercapacitor cell balancing circuit using a balancing resistor.
2 is a diagram showing a supercapacitor cell balancing circuit using an operational amplifier (op-amp).
3 is a circuit diagram showing a cell balancing circuit according to an embodiment.
4A and 4B are diagrams for describing a balancing operation of a cell balancing circuit according to an exemplary embodiment in a first balancing situation.
5A and 5B are diagrams for describing a balancing operation of a cell balancing circuit according to an exemplary embodiment in a second balancing situation.

본 발명은 전력 공급 장치 및 전력 공급 장치에 포함된 슈퍼커패시터 셀들 간의 밸런싱을 제어 및 구현할 수 있는 셀 밸런싱 회로에 관한 것이다. 종래 셀 밸런싱 회로들의 지속적인 전력 소모로 인한 충전에 사용되는 DC-DC 컨버터의 효율 감소 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 셀 밸선힝 회로는 스위치 제어 방식의 셀 밸런싱 회로로 구현될 수 있고, 구체적으로, 전력 공급 장치에 포함된 DC-DC 벅-부스트 컨버터(DC-DC buck-boost converter)를 이용하여 셀 밸런싱 동작이 수행될 수 있다. 구체적으로, 셀 밸런싱 회로는 DC-DC 벅-부스트 컨버터를 구성하는 4개의 스위치와 하나의 추가적인 밸런싱 동작 전용 스위치를 제어하여 각 셀에 충전된 전압을 동일하게 유지시킬 수 있다. The present invention relates to a power supply device and a cell balancing circuit capable of controlling and implementing balancing between supercapacitor cells included in the power supply device. In order to solve the problem of reducing the efficiency of the DC-DC converter used for charging due to continuous power consumption of the conventional cell balancing circuits, the cell balancing circuit of the present invention may be implemented as a cell balancing circuit of a switch control method, and specifically , Cell balancing operation may be performed using a DC-DC buck-boost converter included in the power supply device. Specifically, the cell balancing circuit can maintain the same voltage charged in each cell by controlling four switches constituting the DC-DC buck-boost converter and one additional switch dedicated for balancing operation.

본 발명의 실시 예에 따르면, 전력 공급 장치는 셀 밸런싱이 필요하지 않을 때, 정상적으로 DC-DC 벅-부스트 컨버터를 통해 입력 전압을 출력 전압으로 변환하여 공급한다. 슈퍼커패시터 셀들 간의 밸런싱이 필요할 때, DC-DC 벅-부스트 컨버터와 밸런싱 전용 스위치는 셀 밸런싱 동작을 수행한다. 이하, 설명의 편의를 위해서 전력 공급 장치와 셀 밸런싱 회로를 통칭하여 셀 밸런싱 회로라 한다. According to an embodiment of the present invention, when cell balancing is not required, the power supply device converts an input voltage into an output voltage through a DC-DC buck-boost converter and supplies it. When balancing between supercapacitor cells is required, a DC-DC buck-boost converter and a balancing switch perform a cell balancing operation. Hereinafter, for convenience of description, the power supply device and the cell balancing circuit are collectively referred to as a cell balancing circuit.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 일 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, an embodiment of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the exemplary embodiment described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

아울러, 아래 설명에서 구성과 구성간의 연결은 전기적인 연결로서, 직접적인 연결뿐만 아니라, 구체적으로 도시 및 기재되어 있지 않으나 다른 구성이 추가적으로 연결될 수 있음을 배제하지 않는다. In addition, in the following description, the connection between the configuration and the configuration is an electrical connection, and not only a direct connection, but also does not exclude that other configurations may be additionally connected, although not specifically shown and described.

도 3은 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로를 나타낸 회로도이다.3 is a circuit diagram showing a cell balancing circuit according to an embodiment.

도 3에 도시된 바와 같이, 셀 밸런싱 회로(1)는 직렬 연결된 두 개의 슈퍼커패시터 셀(2, 3)에 연결되어 있다. 셀 밸런싱 회로(1)는 DC-DC 벅-부스트 컨버터(DC-DC buck-boost converter)를 포함하고, DC-DC 벅-부스트 컨버터는 4 개의 스위치(S1-S4) 및 인덕터(10)를 포함한다. 셀 밸런싱 회로(1)는 밸런싱 동작 전용 스위치로서 스위치(S5) 및 전류 샘플링을 위한 두 개의 샘플링 스위치(21, 22)를 더 포함한다. As shown in Fig. 3, the cell balancing circuit 1 is connected to two supercapacitor cells 2 and 3 connected in series. The cell balancing circuit (1) includes a DC-DC buck-boost converter, and the DC-DC buck-boost converter includes four switches (S1-S4) and an inductor (10). do. The cell balancing circuit 1 further includes a switch S5 and two sampling switches 21 and 22 for current sampling as a switch dedicated to the balancing operation.

전류 샘플링부(20)는 샘플링 스위치(21, 22) 중 턴 온 된 하나를 통해 그라운드로 흐르는 전류를 샘플링하여 전류를 감지하고, 감지된 전류의 크기를 지시하는 신호(이하, 전류 감지 신호)(ISE)를 생성하여 스위치 제어 회로(30)에 출력할 수 있다. The current sampling unit 20 senses the current by sampling the current flowing to the ground through one of the sampling switches 21 and 22 turned on, and a signal indicating the magnitude of the sensed current (hereinafter, a current detection signal) ( ISE) can be generated and output to the switch control circuit 30.

셀 밸런싱 회로(1)는 밸런싱이 필요한지를 판단하기 위해서 두 개의 비교기(50, 60), 및 밸런싱 로직부(40)를 포함한다.The cell balancing circuit 1 includes two comparators 50 and 60 and a balancing logic unit 40 to determine whether balancing is necessary.

비교기(50)는 두 개의 슈퍼커패시터(2, 3) 셀 간의 노드(N4)의 감지 전압(VCM)을 상한 기준 전압(VR1)과 비교하고, 비교한 결과에 따라 제1 비교 신호(BS1)를 생성한다. 비교기(60)는 감지 전압(VCM)을 하한 기준 전압(VR2)과 비교하고, 비교한 결과에 따라 제2 비교 신호(BS2)를 생성한다. 상한 기준 전압(VR1)은 출력 전압(VOUT)의 1/2에 소정의 마진(a)을 더한 값일 수 있고, 하한 기준 전압(VR2)은 출력 전압(VOUT)의 1/2에 소정의 마진(a)을 뺀 값일 수 있다. The comparator 50 compares the detection voltage VCM of the node N4 between the cells of the two supercapacitors 2 and 3 with the upper limit reference voltage VR1, and compares the first comparison signal BS1 according to the comparison result. Generate. The comparator 60 compares the sense voltage VCM with the lower limit reference voltage VR2, and generates a second comparison signal BS2 according to the comparison result. The upper limit reference voltage VR1 may be a value obtained by adding a predetermined margin a to 1/2 of the output voltage VOUT, and the lower limit reference voltage VR2 is equal to 1/2 of the output voltage VOUT. It may be the value minus a).

구체적으로, 감지 전압(VCM)이 하한 기준 전압(VR2) 보다 낮을 때, 제2 비교 신호(BS2)가 로우 레벨로 하강하고, 밸런싱 로직부(40)는 로우 레벨의 제2 비교 신호(BS2)에 따라 슈퍼커패시터 셀(2)의 전압이 슈퍼커패시터 셀(3)의 전압보다 높아 밸런싱이 필요한 제1 밸런싱 상황으로 판단한다. 감지 전압(VCM)이 상한 기준 전압(VR1) 보다 높을 때, 제1 비교 신호(BS1)가 로우 레벨로 하강하고, 밸런싱 로직부(40)는 로우 레벨의 제1 비교 신호(BS1)에 따라 슈퍼커패시터 셀(3)의 전압이 슈퍼커패시터 셀(2)의 전압보다 높아 밸런싱이 필요한 제2 밸런싱 상황으로 판단한다.Specifically, when the sensing voltage VCM is lower than the lower limit reference voltage VR2, the second comparison signal BS2 falls to a low level, and the balancing logic unit 40 is the low level second comparison signal BS2. Accordingly, it is determined that the voltage of the supercapacitor cell 2 is higher than the voltage of the supercapacitor cell 3 and thus a first balancing situation that requires balancing. When the sensing voltage VCM is higher than the upper limit reference voltage VR1, the first comparison signal BS1 falls to a low level, and the balancing logic unit 40 is superimposed according to the low level first comparison signal BS1. Since the voltage of the capacitor cell 3 is higher than the voltage of the supercapacitor cell 2, it is determined as a second balancing situation requiring balancing.

밸런싱 로직부(40)는 제1 밸런싱 상황일 경우, 이를 지시하는 제1 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)를 생성하고, 제2 밸런싱 상황일 경우, 이를 지시하는 제2 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 높은 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)는 제1 밸런싱 상황(2의 전압 > 3의 전압)을 지시하고, 상대적으로 낮은 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)는 제2 밸런싱 상황(3의 전압 > 2의 전압)을 지시할 수 있다. 아울러, 밸런싱 로직부(40)는 밸런싱이 필요하지 않은 상황 즉, 감지 전압(VCM)이 상한 기준 전압(VR1)과 하한 기준 전압(VR2) 사이에 있을 때(BS1 및 BS2 모두 하이 레벨), 제1 레벨 및 제2 레벨과 다른 제3 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)를 생성할 수 있다. 그러나 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 적어도 두 개의 밸런싱 제어 신호를 이용하여 각 밸런싱 상황에 따라 다른 밸런싱 제어 신호가 트리거 될 수 있다. In the case of the first balancing situation, the balancing logic unit 40 generates a balancing control signal BCS of the first level indicating this, and in the case of the second balancing situation, the balancing control signal BCS of the second level indicating this. ) Can be created. For example, a balancing control signal BCS of a relatively high level indicates a first balancing situation (voltage of 2> a voltage of 3), and a balancing control signal BCS of a relatively low level indicates a second balancing situation ( Voltage of 3> voltage of 2) can be indicated. In addition, when balancing is not required, that is, when the sensing voltage VCM is between the upper limit reference voltage VR1 and the lower limit reference voltage VR2 (both BS1 and BS2 are at high levels), the A balancing control signal BCS of a third level different from the first level and the second level may be generated. However, the invention is not limited thereto, and different balancing control signals may be triggered according to each balancing situation using at least two balancing control signals.

스위치 제어 회로(30)는 제1 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)가 수신되면, 슈퍼커패시터 셀(2)을 방전하고 슈퍼커패시터 셀(3)을 충전하는 밸런싱 동작을 제어하고, 제2 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)가 수신되면, 슈퍼커패시터 셀(3)을 방전하고 슈퍼커패시터 셀(2)을 충전하는 밸런싱 동작을 제어한다. 스위치 제어 회로(30)의 밸런싱 동작 제어에 대해서는 도 4A, 도 4B, 도 5A, 및 도 5B를 참조하여 후술한다.When the first level of the balancing control signal BCS is received, the switch control circuit 30 controls a balancing operation of discharging the supercapacitor cell 2 and charging the supercapacitor cell 3, and balancing the second level. When the control signal BCS is received, a balancing operation of discharging the supercapacitor cell 3 and charging the supercapacitor cell 2 is controlled. The balancing operation control of the switch control circuit 30 will be described later with reference to FIGS. 4A, 4B, 5A, and 5B.

스위치 제어 회로(30)는 출력 전압(VOUT)에 대응하는 피드백 전압을 입력받아, 출력 전압(VOUT)을 레귤레이트(regulate)하기 위해 스위치(S1-S4)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 출력 전압(VOUT)을 제어하는 동작은 일반적인 전력 공급 장치에 적용되는 전력 제어 동작으로 상세한 설명은 생략한다. The switch control circuit 30 may receive a feedback voltage corresponding to the output voltage VOUT and control the switching operation of the switches S1-S4 to regulate the output voltage VOUT. The operation of controlling the output voltage VOUT is a power control operation applied to a general power supply device, and a detailed description thereof will be omitted.

이하, 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로(1)의 구성 및 그 연결 관계를 설명한다.Hereinafter, a configuration of the cell balancing circuit 1 according to an embodiment and a connection relationship thereof will be described with reference to FIG. 3.

도 3에 도시된 바와 같이, 스위치(S1)의 양단은 입력단(N0) 및 노드(N1) 사이에 연결되어 있고, 스위치(S1)의 게이트에는 게이트 전압(VG1)이 공급된다. 스위치(S2)의 양단은 노드(N1)와 그라운드 사이에 연결되어 있고, 스위치(S2)의 게이트에는 게이트 전압(VG2)이 공급된다. 스위치(S3)의 양단은 노드(N2)와 그라운드 사이에 연결되어 있고, 스위치(S3)의 게이트에는 게이트 전압(VG3)이 공급된다. 스위치(S4)의 양단은 노드(N2)와 출력단(N3) 사이에 연결되어 있고, 스위치(S4)의 게이트에는 게이트 전압(VG4)이 공급된다. 스위치(S5)의 양단은 노드(N1)와 노드(N4) 사이에 연결되어 있고, 스위치(S5)의 게이트에는 게이트 전압(VG5)이 공급된다. As shown in FIG. 3, both ends of the switch S1 are connected between the input terminal N0 and the node N1, and a gate voltage VG1 is supplied to the gate of the switch S1. Both ends of the switch S2 are connected between the node N1 and the ground, and the gate voltage VG2 is supplied to the gate of the switch S2. Both ends of the switch S3 are connected between the node N2 and the ground, and the gate voltage VG3 is supplied to the gate of the switch S3. Both ends of the switch S4 are connected between the node N2 and the output terminal N3, and a gate voltage VG4 is supplied to the gate of the switch S4. Both ends of the switch S5 are connected between the node N1 and the node N4, and a gate voltage VG5 is supplied to the gate of the switch S5.

스위치(S1, S4, S5)는 P 채널 타입의 트랜지스터이므로, 게이트 전압(VG1, VG4, VG5)의 온 레벨은 로우 레벨이고, 오프 레벨은 하이 레벨이다. 스위치(S2, S3)는 N 채널 타입의 트랜지스터이므로, 게이트 전압(VG2, VG3)의 온 레벨은 하이 레벨이고, 오프 레벨은 로우 레벨이다. Since the switches S1, S4, and S5 are P-channel type transistors, the on level of the gate voltages VG1, VG4, and VG5 is a low level, and the off level is a high level. Since the switches S2 and S3 are N-channel type transistors, the on level of the gate voltages VG2 and VG3 is a high level, and the off level is a low level.

인덕터(10)는 노드(N1) 및 노드(N2) 사이에 연결되어 있다. 샘플링 스위치(21)는 노드(N1)와 전류 샘플링부(20) 사이에 연결되어 있고, 샘플링 스위치(21)는 샘플링 신호(SS1)에 의해 스위칭 동작한다. 샘플링 스위치(22)는 노드(N2)와 전류 샘플링부(20) 사이에 연결되어 있고, 샘플링 스위치(22)는 샘플링 신호(SS2)에 의해 스위칭 동작한다.The inductor 10 is connected between the node N1 and the node N2. The sampling switch 21 is connected between the node N1 and the current sampling unit 20, and the sampling switch 21 is switched by the sampling signal SS1. The sampling switch 22 is connected between the node N2 and the current sampling unit 20, and the sampling switch 22 is switched by the sampling signal SS2.

출력단(N3)와 그라운드 사이에 슈퍼커패시터 셀(2, 3)이 직렬 연결되어 있고, 두 슈퍼커패시터 셀(2, 3)이 연결되는 노드(N4)는 비교기(50)의 반전 단자(-) 및 비교기(60)의 비반전 단자(+)에 연결되어 있다.The supercapacitor cells 2 and 3 are connected in series between the output terminal N3 and the ground, and the node N4 to which the two supercapacitor cells 2 and 3 are connected is the inverting terminal (-) of the comparator 50 and It is connected to the non-inverting terminal (+) of the comparator 60.

이하, 도 4A 및 도 4B를 참조하여, 제1 밸런싱 상황일 때의 셀 밸런싱 회로(1)의 동작을 설명한다. Hereinafter, the operation of the cell balancing circuit 1 in the first balancing situation will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.

도 4A 및 도 4B는 제1 밸런싱 상황에서 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 밸런싱 동작을 설명하기 위한 도면이다.4A and 4B are diagrams for describing a balancing operation of a cell balancing circuit according to an exemplary embodiment in a first balancing situation.

도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 제1 밸런싱 상황에서의 밸런싱 동작은 스위치(S1)의 오프 상태에서 나머지 스위치(S2-S5)의 스위칭 동작에 따라 수행될 수 있다. .As shown in FIGS. 4A and 4B, the balancing operation in the first balancing situation according to an embodiment may be performed according to the switching operation of the other switches S2-S5 in the off state of the switch S1. .

먼저, 밸런싱 로직부(40)에 의해 제1 밸런싱 상황이 감지된 후, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(S1)를 턴오프 한다. 먼저, 도 4A에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(S2, S4)를 턴 온하고, 스위치(S3, S5)는 턴 오프한다. 이 때, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(22)를 턴 온하고, 스위치(21)를 턴 오프하여, 전류 샘플링부(20)가 노드(N2)에 연결되어 전류(IL)를 감지할 수 있도록 한다. 스위치(S1)는 셀 밸런싱 동작 동안 턴 오프 상태이므로, 이하, 인덕터(10)에 흐르는 전류(IL)에서 부하에 공급되는 전류(부하 전류)는 포함하지 않는 것으로 가정한다.First, after the first balancing condition is detected by the balancing logic unit 40, the switch control circuit 30 turns off the switch S1. First, as shown in Fig. 4A, the switch control circuit 30 turns on the switches S2 and S4, and turns off the switches S3 and S5. At this time, the switch control circuit 30 turns on the switch 22 and turns off the switch 21, so that the current sampling unit 20 is connected to the node N2 to sense the current IL. To be. Since the switch S1 is turned off during the cell balancing operation, it is assumed that the current (load current) supplied to the load from the current IL flowing through the inductor 10 is not included.

부하 전류를 생략하면, 온 상태인 스위치(S2, S4) 및 슈퍼커패시터 셀(2, 3)에 전류(IL)가 흐른다. 도 4A에 도시된 스위치(S2, S4)의 온 기간은 스위칭 주파수의 주기(T)와 온-듀티비(D)의 곱인 D*T이다. 구체적으로, 'T'는 밸런싱 동작에서의 스위치(S2-S5)의 스위칭 주파수의 주기이고, D는 스위치(S2, S4)의 온 기간을 스위칭 주파수의 주기(T)로 나눈 온-듀티비이다. 스위치(S2, S4)의 온 기간 동안, 슈퍼커패시터 셀(2, 3) 각각의 전압 변화는 아래 수학식 1 및 2와 같다.If the load current is omitted, the current IL flows through the on-state switches S2 and S4 and the supercapacitor cells 2 and 3. The on-period of the switches S2 and S4 shown in FIG. 4A is D*T, which is the product of the period (T) of the switching frequency and the on-duty ratio (D). Specifically,'T' is the period of the switching frequency of the switches S2-S5 in the balancing operation, and D is the on-duty ratio obtained by dividing the ON period of the switches S2 and S4 by the period T of the switching frequency. . During the ON period of the switches S2 and S4, the voltage change of each of the supercapacitor cells 2 and 3 is as shown in Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

△VC1 = -(IL/C1)*D*T△VC1 = -(IL/C1)*D*T

[수학식 2][Equation 2]

△VC1 = -(IL/C2)*D*T△VC1 = -(IL/C2)*D*T

수학식 1 및 2에서 C1 및 C2 각각은 슈퍼커패시터 셀(2, 3) 각각의 용량을 의미한다. In Equations 1 and 2, each of C1 and C2 denotes a capacity of each of the supercapacitor cells 2 and 3.

이어서, 도 4B에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(S3, S5)를 턴 온하고, 스위치(S2, S4)는 턴 오프 한다. Subsequently, as shown in FIG. 4B, the switch control circuit 30 turns on the switches S3 and S5, and turns off the switches S2 and S4.

스위치(S3, S5)는 (1-D)T의 시간 동안 온 상태이고, 이 기간 동안 부하 전류 부분을 생략하면 슈퍼커패시터 셀(2)에서는 전류가 흐르지 않고, 전류(IL)는 스위치(S3, S5)를 통해 슈퍼커패시터 셀(3)로 흐르고, 전류(IL)에 의해 슈퍼커패시터 셀(3)에 전하가 충전된다. 스위치(S3, S5)의 온 기간((1-D)T) 동안, 슈퍼커패시터 셀(2, 3) 각각의 전압 변화는 아래 수학식 3 및 4와 같다.The switches S3 and S5 are in the ON state for a period of (1-D)T, and if the load current part is omitted during this period, no current flows in the supercapacitor cell 2, and the current IL is the switch S3, It flows to the supercapacitor cell 3 through S5), and charges are charged in the supercapacitor cell 3 by the current IL. During the ON period ((1-D)T) of the switches S3 and S5, the voltage change of each of the supercapacitor cells 2 and 3 is as shown in Equations 3 and 4 below.

[수학식 3][Equation 3]

△VC1 = 0△VC1 = 0

[수학식 4][Equation 4]

△VC2 = (IL/C2)*(1-D)*T△VC2 = (IL/C2)*(1-D)*T

도 4A 및 도 4B에 도시된 동작이 반복되어, 밸런싱 동작이 시작되기 전에는 슈퍼커패시터 셀(2)의 전압(VC1)이 슈퍼커패시터 셀(3)의 전압(VC2) 보다 높았으나, 밸런싱을 위한 스위치(S2-S5)의 스위칭 주파수의 한 주기가 지날 때 마다 슈퍼커패시터 셀(2)의 전압(VC1)에 수학식 1의 △VC1(= -(IL/C1)*D*T)이 더해지고, 슈퍼커패시터 셀(3)의 전압(VC2)에 수학식 2 및 4의 △VC2의 합(=(IL/C2)*(1-2D)*T)이 더해진다. D 값은0.5 보다 작은 값으로 제어될 수 있다.4A and 4B are repeated, and before the balancing operation starts, the voltage VC1 of the supercapacitor cell 2 was higher than the voltage VC2 of the supercapacitor cell 3, but the switch for balancing Whenever one period of the switching frequency of (S2-S5) passes, ΔVC1 (= -(IL/C1)*D*T) of Equation 1 is added to the voltage VC1 of the supercapacitor cell 2, The sum of ΔVC2 in Equations 2 and 4 (=(IL/C2)*(1-2D)*T) is added to the voltage VC2 of the supercapacitor cell 3. The D value can be controlled to a value less than 0.5.

즉, 스위치(S2-S5)의 스위칭 주파수의 한 주기에서, 전압(VC1)의 전압 변화량은 음의 값(=-(IL/C1)*D*T)이므로, 전압(VC1)은 감소하고, 전압(VC2)의 전압 변화량은 양의 값(=(IL/C2)*(1-2D)*T)으로, 전압(VC2)는 증가한다. 따라서, 밸런싱 스위칭 동작이 반복됨에 따라 전압(VC1)과 전압(VC2)의 차이는 점점 줄어들게 된다. That is, in one period of the switching frequency of the switches S2-S5, since the voltage change amount of the voltage VC1 is a negative value (=-(IL/C1)*D*T), the voltage VC1 decreases, The voltage change amount of the voltage VC2 is a positive value (=(IL/C2)*(1-2D)*T), and the voltage VC2 increases. Accordingly, as the balancing switching operation is repeated, the difference between the voltage VC1 and the voltage VC2 gradually decreases.

결과적으로 전압(VCM)이 상한 기준 전압(VR1) 및 하한 기준 전압(VR2) 사이의 범위에 들어오게 되고, 비교기(50, 60) 각각의 출력인 제1 및 제2 비교 신호(BC1, BC2)가 모두 하이 레벨이 된다. 그러면, 밸런싱 로직부(40)는 제3 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)를 스위CL 제어 회로(30)에 출력하고, 스위치 제어 회로(30)는 밸런싱 동작을 멈추고, 출력 전압(VOUT)의 레귤레이션을 위한 벅-부스트 동작을 제어한다. As a result, the voltage VCM comes into the range between the upper limit reference voltage VR1 and the lower limit reference voltage VR2, and the first and second comparison signals BC1 and BC2, which are outputs of the comparators 50 and 60, respectively. Are all high level. Then, the balancing logic unit 40 outputs the third level balancing control signal BCS to the switch CL control circuit 30, the switch control circuit 30 stops the balancing operation, and regulates the output voltage VOUT. Controls the buck-boost operation for

도 5A 및 도 5B는 제2 밸런싱 상황에서 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 밸런싱 동작을 설명하기 위한 도면이다.5A and 5B are diagrams for describing a balancing operation of a cell balancing circuit according to an exemplary embodiment in a second balancing situation.

도 5A 및 도 5B에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 제2 밸런싱 상황에서의 밸런싱 동작은 스위치(S1)의 오프 상태에서 나머지 스위치(S2-S5)의 스위칭 동작에 따라 수행될 수 있다. .As shown in FIGS. 5A and 5B, the balancing operation in the second balancing situation according to an embodiment may be performed according to the switching operation of the other switches S2-S5 in the off state of the switch S1. .

먼저, 밸런싱 로직부(40)에 의해 제2 밸런싱 상황이 감지된 후, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(S1)를 턴오프 한다. 먼저, 도 5A에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(S3, S5)를 턴 온하고, 스위치(S2, S4)는 턴 오프한다. 이 때, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(21)를 턴 온 하고, 스위치(22)를 턴 오프 하여, 전류 샘플링부(20)가 노드(N1)에 연결되어 전류(IL)를 감지할 수 있도록 한다.First, after the second balancing condition is sensed by the balancing logic unit 40, the switch control circuit 30 turns off the switch S1. First, as shown in Fig. 5A, the switch control circuit 30 turns on the switches S3 and S5, and turns off the switches S2 and S4. At this time, the switch control circuit 30 turns on the switch 21 and turns off the switch 22, so that the current sampling unit 20 is connected to the node N1 to detect the current IL. To be.

부하 전류 부분을 생략하면, 슈퍼커패시터 셀(2)에서는 전류가 흐르지 않으며 전류(IL)가 슈퍼커패시터 셀(3)로부터 스위치(S3, S5)를 통해 흘러, 슈퍼커패시터 셀(3)이 방전된다. 도 5A에 도시된 스위치(S3, S5)의 온 기간은 스위칭 주파수의 주기(T)와 온-듀티비(D)의 곱인 D*T이다. 구체적으로, 'T'는 밸런싱 동작에서의 스위치(S2-S5)의 스위칭 주파수의 주기이고, D는 스위치(S3, S5)의 온 기간을 스위칭 주파수의 주기(T)로 나눈 온-듀티비이다. 스위치(S3, S5)의 온 기간 동안, 슈퍼커패시터 셀(2, 3) 각각의 전압 변화는 아래 수학식 5 및 6과 같다.If the load current part is omitted, current does not flow in the supercapacitor cell 2, and the current IL flows from the supercapacitor cell 3 through the switches S3 and S5, and the supercapacitor cell 3 is discharged. The on-period of the switches S3 and S5 shown in FIG. 5A is D*T, which is the product of the period T of the switching frequency and the on-duty ratio D. Specifically,'T' is the period of the switching frequency of the switches S2-S5 in the balancing operation, and D is the on-duty ratio obtained by dividing the ON period of the switches S3 and S5 by the period T of the switching frequency. . During the ON period of the switches S3 and S5, the voltage change of each of the supercapacitor cells 2 and 3 is as shown in Equations 5 and 6 below.

[수학식 5][Equation 5]

△VC1 = 0△VC1 = 0

[수학식 6][Equation 6]

△VC2 = -(IL/C2)*D*T△VC2 = -(IL/C2)*D*T

수학식 6에서 C2는 슈퍼커패시터 셀(3)의 용량을 의미한다. In Equation 6, C2 denotes the capacity of the supercapacitor cell 3.

이어서, 도 5B에 도시된 바와 같이, 스위치 제어 회로(30)는 스위치(S2, S4)를 턴 온하고, 스위치(S3, S5)는 턴 오프한다. Subsequently, as shown in Fig. 5B, the switch control circuit 30 turns on the switches S2 and S4, and turns off the switches S3 and S5.

스위치(S2, S4)는 (1-D)*T의 시간 동안 온 상태이고, 이 기간 동안 부하 전류 부분을 생략하면 전류(IL)가 스위치(S2, S4)를 통해 슈퍼커패시터 셀(2, 3)로 흘러, 슈퍼커패시터(2, 3)가 충전된다. 스위치(S2, S4)의 온 기간 동안, 슈퍼커패시터 셀(2, 3) 각각의 전압 변화는 아래 수학식 7 및 8과 같다.The switches (S2, S4) are on for a period of (1-D) * T, and if the load current part is omitted during this period, the current (IL) is transferred to the supercapacitor cells (2, 3) through the switches (S2, S4) ), and the supercapacitors 2 and 3 are charged. During the ON period of the switches S2 and S4, the voltage change of each of the supercapacitor cells 2 and 3 is as shown in Equations 7 and 8 below.

[수학식 7][Equation 7]

△VC1 = (IL/C1)*(1-D)*T△VC1 = (IL/C1)*(1-D)*T

[수학식 8][Equation 8]

△VC2 = (IL/C2)*(1-D)*T△VC2 = (IL/C2)*(1-D)*T

도 5A 및 도 5B에 도시된 동작이 반복되어, 밸런싱 동작이 시작되기 전에는 전압(VC1)이 전압(VC2) 보다 낮았으나, 밸런싱을 위한 스위치(S2-S5)의 스위칭 주파수의 한 주기가 지날 때 마다 슈퍼커패시터 셀(2)의 전압(VC1)에 △VC1 = (IL/C1)*(1-D)*T이 더해지고, 슈퍼커패시터 셀(2)의 전압(VC2)에 수학식 6 및 8의 △VC2의 합(=(IL/C2)*(1-2D)*T)이 더해진다.When the operation shown in FIGS. 5A and 5B is repeated and the voltage VC1 is lower than the voltage VC2 before the balancing operation starts, but one cycle of the switching frequency of the switches S2-S5 for balancing passes Each time, ΔVC1 = (IL/C1)*(1-D)*T is added to the voltage VC1 of the supercapacitor cell 2, and Equations 6 and 8 are added to the voltage VC2 of the supercapacitor cell 2 The sum of ΔVC2 of (=(IL/C2)*(1-2D)*T) is added.

즉, 스위치(S2-S5)의 스위칭 주파수의 한 주기에서, 전압(VC2)의 전압 변화량은 음의 값(=(IL/C2)*(1-2D)*T)이므로, 전압(VC2)은 감소하고, 전압(VC1)의 전압 변화량은 양의 값(= (IL/C1)*(1-D)*T)으로, 전압(VC1)은 증가한다. 따라서, 밸런싱 스위칭 동작이 반복됨에 따라 전압(VC1)과 전압(VC2)의 차이는 점점 줄어들게 된다. 이 때, D 값은 0.5 보다 큰 값으로 제어될 수 있다.That is, in one period of the switching frequency of the switches S2-S5, the voltage change amount of the voltage VC2 is a negative value (=(IL/C2)*(1-2D)*T), so the voltage VC2 is Decreases, and the voltage change amount of the voltage VC1 becomes a positive value (= (IL/C1)*(1-D)*T), and the voltage VC1 increases. Accordingly, as the balancing switching operation is repeated, the difference between the voltage VC1 and the voltage VC2 gradually decreases. In this case, the D value may be controlled to a value greater than 0.5.

결과적으로 감지 전압(VCM)이 상한 기준 전압(VR1) 및 하한 기준 전압(VR2) 사이의 범위에 들어오게 되고, 비교기(50, 60) 각각의 출력인 제1 및 제2 비교 신호(BC1, BC2)가 모두 하이 레벨이 된다. 그러면, 밸런싱 로직부(40)는 제3 레벨의 밸런싱 제어 신호(BCS)를 스위CL 제어 회로(30)에 출력하고, 스위치 제어 회로(30)는 밸런싱 동작을 멈추고, 출력 전압(VOUT)의 레귤레이션을 위한 벅-부스트 동작을 제어한다. As a result, the sensing voltage VCM comes into the range between the upper limit reference voltage VR1 and the lower limit reference voltage VR2, and the first and second comparison signals BC1 and BC2, which are outputs of the comparators 50 and 60, respectively. ) Are all high level. Then, the balancing logic unit 40 outputs the third level balancing control signal BCS to the switch CL control circuit 30, the switch control circuit 30 stops the balancing operation, and regulates the output voltage VOUT. Controls the buck-boost operation for

본 발명은 밸런싱 동작을 위해서 스위치(S2-S4)를 사용함으로써, 하나의 전류 샘플링부만 필요하다. 그러면, 전류 샘플링부에서 발생하는 소모 전력과 면적을 최소화할 수 있다. In the present invention, by using the switches S2-S4 for the balancing operation, only one current sampling unit is required. Then, it is possible to minimize the power consumption and area generated by the current sampling unit.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although an embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of rights of

1: 셀 밸런싱 회로
2, 3: 슈퍼커패시터 셀
10: 인덕터
20: 전류 샘플링부
30: 스위치 제어 회로
40: 밸런싱 로직부
50, 60: 비교기
1: cell balancing circuit
2, 3: supercapacitor cell
10: inductor
20: current sampling unit
30: switch control circuit
40: balancing logic unit
50, 60: comparator

Claims (11)

입력단과 출력단사이에 연결되어 있는 제1 스위치, 인덕터, 및 제2 스위치,
상기 제1 스위치와 상기 인덕터가 연결되는 제1 노드와 그라운드 사이에 연결되어 있는 제3 스위치,
상기 인덕터와 상기 제2 스위치가 연결되는 제2 노드와 그라운드 사이에 연결되어 있는 제4 스위치,
상기 제1 노드와 제1 슈퍼커패시터 셀 및 제2 슈퍼커패시터 셀이 연결되는 제3 노드 사이에연결되어 있는 제5 스위치,
상기 제3 노드의 전압인 감지 전압을 제1 기준 전압 및 제2 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라 밸런싱동작이 필요한지 판단하는 밸런싱로직부, 및
상기 밸런싱 로직부의 판단 결과 제1 밸런싱 상황이면, 먼저 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온 하고, 상기 밸런싱 로직부의 판단 결과 제2 밸런싱 상황이면, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀을 방전한후, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 턴 온 하는 스위치 제어 회로를 포함하고,
상기 제1 밸런싱 상황은 상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 전압이 상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 전압보다 높고, 상기 제2 밸런싱 상황은 상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 전압이 상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 전압보다 높은,
셀 밸런싱 회로.
A first switch, an inductor, and a second switch connected between the input terminal and the output terminal,
A third switch connected between a ground and a first node to which the first switch and the inductor are connected,
A fourth switch connected between a ground and a second node to which the inductor and the second switch are connected,
A fifth switch connected between the first node and a third node to which the first supercapacitor cell and the second supercapacitor cell are connected,
A balancing logic unit that compares the sense voltage, which is the voltage of the third node, with a first reference voltage and a second reference voltage, and determines whether a balancing operation is necessary according to the comparison result, and
If the determination result of the balancing logic unit is in a first balancing situation, first turn on the second switch and the third switch, and if the determination result of the balancing logic unit is a second balancing situation, after discharging the second supercapacitor cell, And a switch control circuit for turning on the second switch and the third switch,
In the first balancing situation, the voltage of the first supercapacitor cell is higher than the voltage of the second supercapacitor cell, and in the second balancing situation, the voltage of the second supercapacitor cell is higher than the voltage of the first supercapacitor cell. High,
Cell balancing circuit.
제1항에 있어서,
상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온 기간 동안, 상기 제1 슈퍼커패시터 셀 및 상기 제2 슈퍼커패시터 셀이 방전하는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 1,
In the first balancing situation, during the ON period of the second switch and the third switch, the first supercapacitor cell and the second supercapacitor cell discharge,
Cell balancing circuit.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어 회로는,
상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온 기간 종료 후,
상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치를 턴 온 하는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 1,
The switch control circuit,
In the first balancing situation, after the on period of the second switch and the third switch ends,
Turning on the fourth switch and the fifth switch,
Cell balancing circuit.
제3항에 있어서,
상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치의 온 기간 동안, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀이 충전되는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 3,
In the first balancing situation, during the ON period of the fourth switch and the fifth switch, the second supercapacitor cell is charged,
Cell balancing circuit.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어 회로는,
상기 제2 밸런싱 상황에서, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀을 방전할때,
상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치를 턴 온 하는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 1,
The switch control circuit,
In the second balancing situation, when discharging the second supercapacitor cell,
Turning on the fourth switch and the fifth switch,
Cell balancing circuit.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어 회로는,
상기 제2 밸런싱 상황에서, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온 기간 동안,
상기 제1 슈퍼커패시터 셀 및 상기 제2 슈퍼커패시터 셀이 충전되는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 1,
The switch control circuit,
In the second balancing situation, during the ON period of the second switch and the third switch,
The first supercapacitor cell and the second supercapacitor cell are charged,
Cell balancing circuit.
제1항에 있어서,
상기 감지 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기, 및
상기 감지 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제2 비교기를 더 포함하고,
상기 밸런싱 로직부는,
상기 제1 비교기 및 상기 제2 비교기의 출력에 따라 밸런싱동작이 필요한지 판단하는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 1,
A first comparator for comparing the sensed voltage and a first reference voltage, and
Further comprising a second comparator for comparing the sense voltage and a second reference voltage,
The balancing logic unit,
Determining whether a balancing operation is required according to the outputs of the first comparator and the second comparator,
Cell balancing circuit.
제7항에 있어서,
상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 일단이 상기 출력단에 연결되어 있고, 상기 제1 슈퍼커패시터 셀의 타단 및 상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 일단이 상기 제3 노드에 연결되어 있으며, 상기 제2 슈퍼커패시터 셀의 타단이 그라운드에 연결되어 있고, 상기 제1 기준 전압이 상기 제2 기준 전압 보다 높은,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 7,
One end of the first supercapacitor cell is connected to the output terminal, the other end of the first supercapacitor cell and one end of the second supercapacitor cell are connected to the third node, and the second supercapacitor cell The other end is connected to the ground, and the first reference voltage is higher than the second reference voltage,
Cell balancing circuit.
제8항에 있어서,
상기 감지 전압이 상기 제1 기준 전압 보다 높을 때, 상기 밸런싱 로직부는 상기 제2 밸런싱 상황으로 판단하고,
상기 감지 전압이 상기 제2 기준 전압 보다 낮을 때, 상기 밸런싱 로직부는 상기 제1 밸런싱 상황으로 판단하는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 8,
When the sense voltage is higher than the first reference voltage, the balancing logic unit determines that the second balancing condition is
When the sense voltage is lower than the second reference voltage, the balancing logic unit determines that the first balancing situation,
Cell balancing circuit.
제1항에 있어서,
상기 인덕터에 흐르는 전류를 감지하기 위한 전류 샘플링부,
상기 제1 노드와 상기 전류 샘플링부 사이에 연결되어 있는 제1 샘플링 스위치, 및
상기 제2 노드와 상기 전류 샘플링부 사이에 연결되어 있는 제2 샘플링 스위치를 더 포함하는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 1,
A current sampling unit for sensing a current flowing through the inductor,
A first sampling switch connected between the first node and the current sampling unit, and
Further comprising a second sampling switch connected between the second node and the current sampling unit,
Cell balancing circuit.
제10항에 있어서,
상기 스위치 제어 회로는,
상기 제1 밸런싱 상황에서, 상기 제2 샘플링 스위치를 턴 온 하고, 상기 제1 샘플링 스위치를 턴 오프 하며,
상기 제2 밸런싱 상황에서, 상기 제1 샘플링 스위치를 턴 온 하고, 상기 제2 샘플링 스위치를 턴 오프 하는,
셀 밸런싱 회로.
The method of claim 10,
The switch control circuit,
In the first balancing situation, turning on the second sampling switch, turning off the first sampling switch,
In the second balancing situation, turning on the first sampling switch and turning off the second sampling switch,
Cell balancing circuit.
KR1020190044438A 2019-04-16 2019-04-16 Cell balancing circuit KR102143186B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190044438A KR102143186B1 (en) 2019-04-16 2019-04-16 Cell balancing circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190044438A KR102143186B1 (en) 2019-04-16 2019-04-16 Cell balancing circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102143186B1 true KR102143186B1 (en) 2020-08-10

Family

ID=72049176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190044438A KR102143186B1 (en) 2019-04-16 2019-04-16 Cell balancing circuit

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102143186B1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140015004A (en) * 2012-07-27 2014-02-06 비나텍주식회사 Battery management device and method
KR20140055011A (en) * 2012-10-30 2014-05-09 비나텍주식회사 Capacitor charge and discharge management device and method thereof
JP2016152649A (en) * 2015-02-16 2016-08-22 ソニー株式会社 Power controller, power control method and power control system
KR101748355B1 (en) * 2015-12-28 2017-06-19 대림대학교산학협력단 Charging/discharging device having function of balancing super capacitor and control method thereof
KR101936230B1 (en) * 2017-09-27 2019-01-08 국민대학교 산학협력단 Isolated dc to dc converter

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140015004A (en) * 2012-07-27 2014-02-06 비나텍주식회사 Battery management device and method
KR20140055011A (en) * 2012-10-30 2014-05-09 비나텍주식회사 Capacitor charge and discharge management device and method thereof
JP2016152649A (en) * 2015-02-16 2016-08-22 ソニー株式会社 Power controller, power control method and power control system
KR101748355B1 (en) * 2015-12-28 2017-06-19 대림대학교산학협력단 Charging/discharging device having function of balancing super capacitor and control method thereof
KR101936230B1 (en) * 2017-09-27 2019-01-08 국민대학교 산학협력단 Isolated dc to dc converter

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9318910B2 (en) Cell balancing circuit and cell balancing method using the same
US11303137B2 (en) Systems and methods for controlling battery current
JP5738361B2 (en) Power control method
US9287782B2 (en) High efficiency bi-directional DC converter and control method thereof
US7045990B2 (en) Portable device having a charging circuit and semiconductor device for use in the charging circuit of the same
US7705567B2 (en) Capacitor power source and charging/discharging control apparatus therefor
JP6779317B2 (en) Electrical equipment
US11043900B2 (en) DC-DC converter, power supply system comprising DC-DC converter and method for controlling a DC-DC converter
KR101171431B1 (en) Power system with temperature compensation control
KR20030089445A (en) Apparatus for connecting secondary battery cells in series and method for controlling secondary battery cells connected in series
US20130271092A1 (en) Ultra-Capacitor Based Energy Storage for Appliances
US10027135B2 (en) Apparatus for balancing battery power
KR20080025322A (en) Power supply system and method for controlling output voltage
US20120106013A1 (en) Current sense circuit and battery over-current protection controller
US20200161968A1 (en) Charge pump
KR101909104B1 (en) Energy storage apparatus balancing conditon of battery pack
JP6860639B2 (en) A tuning device that balances the battery set and an automatic battery balancing system that uses it.
US20230035838A1 (en) Single-phase and three-phase compatible ac-dc conversion circuit and method of detecting input current thereof
KR102143186B1 (en) Cell balancing circuit
KR20170002135A (en) Battery management system
KR101564004B1 (en) AC-DC converter
JP6214577B2 (en) Power supply system for float charging with balance function
JP2005176430A (en) Power control system and electronic apparatus using the power control system
KR101574114B1 (en) Battery cell ballancing circuit which is zero current switching
US11936223B2 (en) Battery polarity determination circuit, charger, and electronic device

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant