KR102176586B1 - 배터리에 포함된 셀들의 밸런싱을 수행하는 밸런싱 장치 및 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

모듈(module)에 포함된 직렬 연결된 복수의 셀(cell)들의 밸런싱(balancing)을 수행하는 장치는 상기 모듈에 포함된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 1 셀과 밸런싱부를 접속시키는 제 1 스위칭부; 상기 모듈에 포함된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 2 셀과 상기 밸런싱부를 접속시키는 제 2 스위칭부; 상기 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 이용하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부의 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되어, 상기 제어부에 의하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;를 포함한다.

Description

배터리에 포함된 셀들의 밸런싱을 수행하는 밸런싱 장치 및 배터리 모듈{Balancing apparatus for balancing cells included in battery, and battery module}
배터리에 포함된 셀들의 밸런싱을 수행하는 밸런싱 장치 및 배터리 모듈에 관한다.
배터리는 높은 전압 및 큰 용량을 가지기 위해서 다수의 단일 셀(cell)들이 직렬 연결된 스택(stack)들을 병렬로 연결하여 구성된다. 이상적인 경우 셀들은 동일한 특성을 가져야 하나, 제조시 기술적, 경제적 제약으로 인하여 셀간 편차(용량, 임피던스 등의 차이)가 발생한다. 이러한 편차는 셀의 온도 차이 및 충전 또는 방전 횟수가 많아지면 증가한다. 상기 셀간 편차로 인하여 충전 또는 방전 시 용량이 작은 셀은 과충전 또는 과방전되기 때문에, 셀의 수명이 단축될 가능성이 있다. 또한, 셀들이 직렬 연결되어 있는 스택들의 조합으로 구성되는 배터리의 수명은 상기 용량이 작은 셀에 의하여 결정되므로, 동일한 이유로 배터리의 수명이 단축될 가능성이 있다. 따라서. 셀들의 전압을 동일하게 맞추는 밸런싱이 요구된다.
셀들 간의 밸런싱을 수행하는 방법의 일 예로서 다중 권선 변압기를 이용하여 모듈(module)과 셀 사이에 에너지를 전달하는 방법을 들 수 있다. 이 방법에 따라 높은 전압을 갖는 셀에서 낮은 전압을 갖는 셀로 에너지를 전달하는 경우, 높은 전압을 갖는 셀에서 밸런싱 회로를 거쳐 모듈로 에너지가 전달되고, 다시 모듈에서 밸런싱 회로를 거쳐 낮은 전압을 갖는 셀로 에너지가 전달되는 과정을 거친다. 즉, 높은 전압을 갖는 셀에서 낮은 전압을 갖는 셀로 에너지를 전달할 때 밸런싱 회로를 두 번 거치게 되며, 그로 인하여 불필요한 에너지 소모가 발생할 수 있다. 또한, 변압기는 하나의 코어(core)와 보빈(bobbin)에 셀 수와 동일한 수의 권선이 감겨야 하기 때문에, 셀의 수가 많을수록 변압기의 설계가 어려울 뿐만 아니라 밸런싱 회로의 부피가 커지게 된다.
셀들 사이의 전압의 차이를 줄이기 위한 밸런싱 장치, 밸런싱 방법 및 배터리 모듈을 제공하는 데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 밸런싱 장치는 상기 모듈에 포함된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 1 셀과 밸런싱부를 접속시키는 제 1 스위칭부; 상기 모듈에 포함된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 2 셀과 상기 밸런싱부를 접속시키는 제 2 스위칭부; 상기 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 이용하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부의 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되어, 상기 제어부에 의하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 밸런싱 장치는 상기 복수의 셀들을 나누어 병렬적으로 밸런싱을 수행하는 밸런싱 세트(set)들을 2 이상 포함하고, 상기 밸런싱 세트들 각각은 상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 1 셀과 밸런싱부를 접속시키는 제 1 스위칭부; 상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 2 셀과 상기 밸런싱부를 접속시키는 제 2 스위칭부; 상기 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 이용하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부의 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되어, 상기 제어부에 의하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈은 직렬로 연결된 복수의 셀(cell)들; 및 상기 셀들 중 임의로 2개의 셀들을 선택하여, 상기 선택된 셀들을 밸런싱(balancing)하는 밸런싱 장치를 포함하고, 상기 밸런싱 장치는, 상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 1 셀과 밸런싱부를 접속시키는 제 1 스위칭부; 상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 2 셀과 상기 밸런싱부를 접속시키는 제 2 스위칭부; 상기 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 이용하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부의 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되어, 상기 제어부에 의하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;를 포함한다.
상술한 바에 따르면, 셀 밸런싱을 수행할 때 모듈을 거치지 않고 높은 전압을 갖는 셀에서 낮은 전압을 갖는 셀로 직접 에너지가 전달되므로, 에너지 전달 효율이 높다. 또한, 스위치의 소프트 스위칭(soft-switching)이 가능하므로, 밸런싱 장치를 구성하는 회로 자체의 효율이 높다. 또한, 동일 모듈 내에 병렬 구성된 다수의 컨버터들이 동시에 동작하므로, 밸런싱을 수행하는 속도가 빠르다. 또한, 셀의 개수와 관계없이 3개의 권선을 갖는 포워드(forward) 변압기를 이용하므로, 변압기의 설계가 쉽고 밸런싱 장치를 구성하는 회로의 부피가 감소한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치()의 다른 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들에 연결된 양방향 스위치들이 온 상태인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들의 양방향 스위치가 열린 경우를 도시한 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들의 양방향 스위치가 열린 경우, 다중 권선 변압기의 상호 인덕턴스(Lm)에 저장된 에너지를 리셋시키는 과정을 도시한 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들의 양방향 스위치가 열린 경우, 리셋 회로에 더 이상 전류가 흐르지 않는 경우를 도시한 회로도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 7 내지 도 10에 도시된 포워드 컨버터의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 하기 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하지 않는다. 또한, 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템(100)의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 모듈 밸런싱 회로(110) 및 복수의 모듈(120)들을 포함한다. 복수의 셀들은 에너지를 저장하며, 셀들은 충전하여 재사용이 가능하다. 충전 또는 방전시에 배터리 시스템(100)에 포함된 복수의 셀들 사이에 전압 차이가 발생할 수 있으며, 모듈(110)들 사이에 전압 차가 발생할 수도 있다.
모듈 밸런싱 회로(110)는 배터리 시스템(100)에 포함된 모듈(120)들과 연결된다. 이때, 모듈(120)들은 직렬로 연결된다. 모듈 밸런싱 회로(110)는 배터리 시스템(100)에 포함된 복수의 모듈(120)들의 밸런싱을 수행한다. 모듈 밸런싱 회로(110)는 모듈(120)들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 밸런싱을 수행할 모듈(120)들을 선택한다. 모듈 밸런싱 회로(110)는 스위치를 턴 온-오프(turn on-off)하여 선택된 모듈(120)들의 밸런싱을 수행한다. 예를 들어, 모듈 밸런싱 회로(110)는 후술할 셀 밸런싱 회로(130)와 동일한 방법으로 동작할 수 있다. 구체적으로, 셀 밸런싱 회로(130)가 두 개의 셀들 사이의 밸런싱을 수행하는 것과 동일한 방법으로, 모듈 밸런싱 회로(110)는 두 개의 모듈들 사이의 밸런싱을 수행할 수 있다. 따라서, 후술할 셀 밸런싱 회로(130)의 구체적인 동작 내용은 모듈 밸런싱 회로(110)에도 동일하게 적용될 수 있다.
모듈(120)은 복수의 셀들 및 셀 밸런싱 회로(130)를 포함한다. 모듈(120)은 배터리 시스템(100)에 포함된 복수의 셀들을 일정 개수로 나누어 포함한다. 하나의 모듈(110)에 포함되는 셀의 개수는 효율적인 셀의 관리를 위해 결정될 수 있다.
셀 밸런싱 회로(130)는 셀들 간의 전압 차이가 발생하는 경우, 전압 차가 발생한 셀들의 밸런싱을 수행한다. 다시 말해서, 셀 밸런싱 회로(130)는 전압 차가 발생한 셀들의 전압을 일치시킨다. 이상적인 경우, 셀들은 동일한 특성을 갖기 때문에, 충전 또는 방전시 셀들의 전압은 동일하다. 하지만, 기술적인 제약으로 인하여, 셀들의 용량 또는 임피던스 등은 서로 다를 수 있다. 이러한 셀들의 특성의 차이는 일부 셀의 과충전 또는 과방전을 야기시킨다. 따라서, 충전 또는 방전시 셀들 사이에 전압 차이가 발생하는 경우, 셀 밸런싱 회로(130)는 전압 차가 발생한 셀들의 전압을 동일하게 맞추기 위해 동작한다. 예를 들어, 셀 밸런싱 회로(130)는 높은 전압을 갖는 셀의 에너지를 낮은 전압을 갖는 셀로 전달하여, 2개 셀들의 전압을 일치시킨다. 또는, 셀 밸런싱 회로(130)는 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 소모시켜 밸런싱을 수행할 수도 있다.
셀 밸런싱 회로(130)는 셀들의 전압을 주기적으로 측정하고, 측정된 전압들을 기초로 셀들의 밸런싱을 수행한다. 예를 들어, 셀 밸런싱 회로(130)는 측정된 전압들 중 최대 전압과 최소 전압을 비교하고, 최대 전압과 최소 전압의 차이가 설정된 임계값보다 크면, 최대 전압과 최소 전압을 나타내는 셀들의 전압을 일치시킨다.
도 1에 도시된 배터리 시스템(100)은 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈(120)의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 모듈(module)(120)은 직렬 연결된 복수의 셀(121)들 및 셀 밸런싱 회로를 포함한다. 여기에서 셀 밸런싱 회로는 스위칭부(122), 제어부(124) 및 밸런싱부(123)를 포함한다. 밸런싱부(123)는 하나 이상의 포워드 컨버터들을 포함하며, 포워드 컨버터는 양방향 스위치(125a 또는 125b), 다중 권선 변압기(126) 및 리셋 회로(127)로 구성된다. 이하에서, 셀 밸런싱 회로와 셀 밸런싱 장치는 동일한 의미로 사용된다.
제어부(124)는 하나 또는 복수 개의 프로세서에 해당할 수 있다. 프로세서는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수도 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 이 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 다른 형태의 하드웨어로 구현될 수도 있음을 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
스위칭부(122)는 제 1 스위칭부와 제 2 스위칭부로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 파선으로 도시된 셀 선택 스위치(122a)들의 조합이 제 1 스위칭부를 구성할 수 있고, 굵은 실선으로 도시된 셀 선택 스위치(122b)들의 조합이 제 2 스위칭부를 구성할 수 있다.
제 1 스위칭부는 모듈(120)에 포함된 셀(121)들 각각과 연결된 셀 선택 스위치(122a)들을 포함하고, 제 1 셀과 밸런싱부(123)를 접속시킬 수 있다. 또한, 제 2 스위칭부는 모듈(120)에 포함된 셀(121)들 각각과 연결된 셀 선택 스위치(122b)들을 포함하고, 제 2 셀과 밸런싱부(123)를 접속시킬 수 있다. 여기에서, 제 1 셀은 밸런싱이 수행될 2개의 셀들 중에서 높은 전압을 갖는 셀을 의미하고, 제 2 셀은 밸런싱이 수행될 2개의 셀들 중에서 낮은 전압을 갖는 셀을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부에 포함된 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)들의 일방은 모듈(120) 내의 각 셀(121)들에 각각 연결되고, 타방은 밸런싱부(123)에 연결될 수 있다. 또한, 제어부(124)의 제어 신호에 따라 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)들이 개별적으로 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off)됨으로써, 각각의 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)들에 연결된 셀(121)들과 밸런싱부(123) 사이의 전류의 흐름이 제어된다.
제어부(124)는 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 이용하여 선택된 제 1 셀과 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부(123)의 동작을 제어한다.
구체적으로, 제어부(124)는 모듈(120)에 포함된 셀(121)들 각각의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 밸런싱이 필요한 셀(121)들을 선택한다. 예를 들어, 밸런싱이 필요한 셀(121)들은 전압차가 가장 큰 2개의 셀(121)들 일 수 있다. 다시 말해서, 제어부(124)는 측정된 셀(121)들의 전압 중에 가장 높은 전압을 갖는 셀인 제 1 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀인 제 2 셀을 선택할 수 있다. 제어부(124)는 선택된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)를 턴 온 또는 턴 오프 할 수 있다. 제어부(124)는 선택된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)를 한 주기 동안 제어한다.
셀 밸런싱 과정이 시작되는 경우, 제어부(124)는 밸런싱이 수행될 셀(121)들(즉, 제 1 셀 및 제 2 셀) 각각에 연결된 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)들을 턴 온(turn on)한 후에 밸런싱부(123)(구체적으로, 포워드 컨버터)에 포함된 양방향 스위치(125a 또는 125b)들을 반복적으로 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off)한다. 또한, 셀 밸런싱 과정이 종료되는 경우, 제어부(124)는 양방향 스위치(125a 또는 125b)들을 턴 오프(turn off)한 후에 밸런싱이 수행된 셀(121)들(즉, 제 1 셀 및 제 2 셀) 각각에 연결된 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)들을 턴 오프(turn off)한다.
제어부(124)는 미리 설정된 우선순위에 기초하여 밸런싱을 수행할 셀(121)들을 선택할 수 있다. 상기와 같이 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀을 선택하는 것도 설정된 우선순위의 일 예이다. 다시 말해서, 제어부(124)는 측정된 전압을 기초로 어느 셀(121)들을 선택하여 밸런싱을 수행할 것인지 미리 선택하고, 설정된 우선순위에 따라 셀(121)들을 선택할 수 있다.
밸런싱부(123)는 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부에 연결되어, 제어부(124)에 의하여 선택된 제 1 셀과 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행을 수행한다. 예를 들어, 제어부(124)에 포함된 포워드 컨버터는 양방향 스위치(125a 또는 125b)에 포함된 커패시턴스와 다중 권선 변압기(126)에 포함된 인덕턴스 사이에 공진이 형성되도록 설계될 수 있다.
이하, 밸런싱부(123)에 포함된 포워드 컨버터를 구성하는 양방향 스위치(125a 또는 125b), 다중 권선 변압기(126) 및 리셋 회로(127)에 대해서 설명한다.
양방향 스위치(125a 또는 125b)는 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부에 각각 연결되어, 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부와 다중 권선 변압기(126) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 예를 들어, 2개의 양방향 스위치들(125a 및 125b) 중 하나(125a)는 제 1 스위칭부와 연결되고, 나머지 하나(125b)는 제 2 스위칭부와 연결되어, 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부와 다중 권선 변압기(126) 사이의 전류의 흐름을 제어할 수 있다.
조건에 따라 양방향 스위치(125a 또는 125b)에 흐르는 전류는 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)에 연결된 셀(121)(예를 들어, 제 1 셀 또는 제 2 셀)에서 다중 권선 변압기(126) 방향으로 흐르거나, 다중 권선 변압기(126)에서 셀 선택 스위치(122a 또는 122b)에 연결된 셀(121) 방향으로 흐를 수 있다. 양방향 스위치(125a 또는 125b)는 2개의 Synchronous Rectifier NMOSs를 포함하여 설계될 수 있다.
다중 권선 변압기(126)는 양방향 스위치(125a 또는 125b)들과 연결되어, 제 1 셀 및 제 2 셀 사이의 에너지를 전달한다. 구체적으로, 다중 권선 변압기(126)의 상호 인덕터는 양방향 스위치(125a 또는 125b)들에 연결되고, 서로 상관(correlate)된다. 따라서, 양방향 스위치(125a 또는 125b)들에 연결된 상호 인덕터를 통하여 제 1 셀 및 제 2 셀은 서로 에너지를 주고 받을 수 있다. 예를 들어, 다중 권선 변압기(126)는 서로 동일한 권선수를 갖는 2 개의 상호 인덕터를 포함할 수 있다.
제 1 셀로부터 제 2 셀로의 에너지 이동은 다중 권선 변압기(126)를 통하여 이루어진다. 따라서, 불필요한 회로를 거치지 않고 어느 하나의 셀에 저장된 에너지는 직접적으로 다른 셀로 이동되므로, 에너지의 전달 효율이 높다.
즉, 셀 밸런싱 장치는 양방향 스위치(125a 또는 125b) 및 다중 권선 변압기(126)를 이용하여, 제 1 셀에 저장된 에너지를 제 2 셀로 직접 전달하거나, 셀(121)로부터 직접 에너지를 전달받을 수 있다.
리셋 회로(127)는 모듈의 양단에 연결되고, 다중 권선 변압기(126)들과 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor) 및 다이오드를 포함한다. 구체적으로, 리셋 회로(127)는 다중 권선 변압기(126)의 상호 인덕터에 저장된 에너지를 리셋시킨다. 다중 권선 변압기(126)의 상호 인덕터는 셀들 사이의 에너지를 전달하는 과정에서 일부 에너지를 저장하고, 리셋 회로(127)는 다중 권선 변압기(126)의 상호 인덕터에 저장된 일부 에너지를 전달받는다. 리셋 회로(127)는 전달받은 에너지를 모듈(120)로 전달한다.
밸런싱부(123)에 포함된 포워드 컨버터의 구체적인 동작 내용은 도 7 내지 도 11을 참조하여 후술한다.
한편, 모듈(120)에 포함된 셀(121)들의 개수는 N라고 가정하면, 밸런싱부(123)는 1개 이상이며 N개 이하의 포워드 컨버터들을 포함할 수 있다. 즉, 셀 밸런싱 회로는 모듈(120)에 포함된 셀(121)들의 개수에 관계없이, 셀(121)들의 개수보다 적은 개수의 포워드 컨버터들을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 셀 밸런싱 회로에 포함된 셀 선택 스위치들()을 이용하여 밸런싱을 수행할 제 1 셀 및 제 2 셀을 선택할 수 있으므로, 셀(121)들의 개수에 관계없이 셀 밸런싱이 가능하다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 일 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 모듈(310)에 포함된 직렬 연결된 복수의 셀들을 나누어 병렬적으로 밸런싱을 수행하는 밸런싱 세트(set)(320)들이 도시되어 있다. 각각의 밸런싱 세트(320)들에는 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부(도 3의 cell selector switch), 제어부 및 밸런싱부(도 3의 forward converter)가 포함된다. 여기에서 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부, 제어부 및 밸런싱부의 동작 내용은 도 2를 참조하여 설명한 바와 같다.
각각의 밸런싱 세트들은 모듈(310)에 포함된 직렬 연결된 복수의 셀들을 나누어 밸런싱을 수행한다. 예를 들어, 모듈(310) 내에 100개의 셀들과 N 개의 밸런싱 세트(320)들이 포함된다고 가정하면, 각각의 밸런싱 세트(320)들은 100/N 개의 셀들을 담당하여 밸런싱을 수행한다. 또한, 각각의 밸런싱 세트들은 서로 병렬로 연결되어 하나의 밸런싱 장치를 구성할 수 있고, 각각의 밸런싱 세트들은 동시에 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 이와 같이 복수 개의 밸런싱 세트(320)들이 동시에 셀 밸런싱을 수행함으로써, 밸런싱 속도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 일 예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 모듈(410)에 포함된 셀(C1 내지 C6)들은 모두 6개이고, 밸런싱 세트들(420 및 430)은 총 2개인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 이하, 도 4에 도시된 2개의 밸런싱 세트들(420 및 430) 중 하나(420)를 참조하여, 밸런싱 회로의 동작을 설명한다.
C1 내지 C3 셀들의 셀 밸런싱을 위하여, 밸런싱 세트(420)에는 S11 _ HT, S12 _ HB, … S13 _ HT, S13 _ HB의 셀 선택 스위치들을 포함하는 제 1 스위칭부, S11 _ LT, S12 _ LB, … S13 _ LT, S13_LB의 셀 선택 스위치들을 포함하는 제 2 스위칭부, 1 개의 포워드 컨버터(FC1)를 포함하는 밸런싱부 및 상기 구성들을 제어하는 제어부(도 1의 124)가 포함된다. 여기에서, 포워드 컨버터(FC1)는 2 개의 상호 인덕터들을 포함하는 다중 권선 변압기, 2 개의 양방향 스위치(FC1 _H, FC1 _L) 및 다중 권선 변압기와 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor) 및 1 개의 다이오드를 포함하는 리셋 회로로 구성된다.
포워드 컨버터(FC1)는 양방향 스위치(FC1 _H, FC1 _L)들에 포함된 커패시턴스와 다중 권선 변압기에 포함된 인덕턴스 사이에 공진이 형성되도록 설계된다. 또한, 양방향 스위치(FC1 _H, FC1 _L)들 각각은 2개의 SR-NMOS(Synchronous Rectifier NMOS)가 서로 마주보도록 배치된다. 여기에서 SR-NMOS는 빌트인 다이오드(Built-in Diode) 및 커패시턴스 성분을 포함한다.
다중 권선 변압기는 2개의 상호 인덕터들을 포함하고, 상호 인덕터들은 서로 동일한 극성을 갖는다. 상호 인덕터들은 서로 상관되어 있으며, 셀의 에너지를 전달한다.
리셋 회로는 전체 셀들(C1 내지 C3)의 양단에 연결되고, 다중 권선 변압기의 상호 인덕터들과 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor) 및 다이오드(diode)를 포함한다. 리셋 회로의 상호 인덕터는 다중 권선 변압기의 상호 인덕터들과 상관되며, 반대 극성을 갖는다.
다중 권선 변압기의 상호 인덕터의 양단의 전압이 증가하면 리셋 회로의 상호 인덕터의 양단의 전압이 증가한다. 상호 인덕터의 전압이 전체 셀들(C1 내지 C3)의 양단의 전압보다 크게 되면, 리셋 회로에 전류가 흐른다. 리셋 회로에 전류가 흐르게 되면, 다중 권선 변압기의 상호 인덕터의 양단의 전압은 더 이상 증가하지 않고 일정한 전압을 유지한다. 리셋 회로의 상호 인덕터는 다중 권선 변압기의 권선수보다 더 큰 권선수를 갖는다. 다중 권선 변압기 및 리셋 회로의 권선수를 조절하여, 양방향 스위치(FC1 _H 또는 FC1 _L)의 양단의 피크(peak) 전압을 조절할 수 있다.
제어부(도 1의 124)는 전체 셀들(C1 내지 C3) 각각의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 비교한다. 그리고 제어부(도 1의 124)는 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀을 포워드 컨버터(FC1) 회로와 연결하기 위하여 셀 선택 스위치를 턴 온(turn on)한다.
예를 들어, C1 셀이 가장 높은 전압, C3 셀이 가장 낮은 전압을 갖는다고 가정하면, 제어부(도 1의 124)는 C1에 연결된 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12 _ HB)과 C3에 연결된 셀 선택 스위치들(S13 _ LT, S13 _ LB)을 턴 온하고, C2에 연결된 셀 선택 스위치는 오프시킨다. 이때, 포워드 컨버터(FC1)에 포함된 양방향 스위치(FC1 _H 또는 FC1 _L)는 오프된 상태를 유지하여, 밸런싱 전류가 흐르지 않기 때문에 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12_HB, … S13 _ LT, S13 _ LB)에 의한 전력 소모는 발생하지 않는다. 그 후, 제어부(도 1의 124)는 양방향 스위치(FC1 _H 또는 FC1 _L)에 PWM 신호(즉, 반복적으로 턴 온 및 턴 오프를 하는 신호)를 전송하여, 셀 밸런싱이 수행된다. 여기에서 포워드 컨버터(FC1)가 동작하는 구체적인 내용은 도 7 내지 도 11을 참조하여 후술한다.
셀 밸런싱 과정이 완료되면, 제어부(도 1의 124)는 포워드 컨버터(FC1)에 포함된 양방향 스위치(FC1 _H 또는 FC1 _L)를 턴 오프하고, 전류가 흐르지 않음을 확인한다. 그 후, 제어부(도 1의 124)는 C1에 연결된 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12 _ HB)과 C3에 연결된 셀 선택 스위치들(S13 _ LT, S13 _ LB)을 턴 오프한다. 이에 따라, 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12_HB, … S13 _ LT, S13 _ LB)에 의한 전력 소모는 발생하지 않는다.
상술한 바와 동일한 방법으로, 모듈(410)에 포함된 나머지 밸런싱 세트(430)도 셀 밸런싱을 수행한다. 이렇게 각 밸런싱 세트(420 또는 430)마다 동시에 셀 밸런싱을 수행함으로써, 불필요한 에너지의 소모 없이 밸런싱 속도를 향상시킬 수 있다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 다른 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 하나의 모듈(510) 내에 밸런싱부(도 2의 123)에 포함된 복수 개의 포워드 컨버터들이 도시되어 있다. 예를 들어, 포워드 컨버터들의 개수가 N 개라고 가정하면, 각각의 포워드 컨버터들은 서로 병렬로 연결되어 있고, 모듈(510)에 포함된 셀들의 전압 순서에 따라 셀 밸런싱을 수행한다.
예를 들어, 제 1 포워드 컨버터는 모듈(510)에서 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀 사이의 밸런싱을 수행하고, 제 K 포워드 컨버터는 모듈(510)에서 K번째로 높은 전압을 갖는 셀과 K번째로 낮은 전압을 갖는 셀 사이의 밸런싱을 수행할 수 있다. 여기에서, N은 2 이상이며 모듈(510)에 포함된 셀들의 개수 이하의 정수이고, K는 2 이상이며 N 이하의 정수를 의미한다. 이와 같이, 복수의 포워드 컨버터들이 셀들의 전압 순서에 따라 동시에 셀 밸런싱을 수행함으로써, 밸런싱 회로의 효율을 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 다른 예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 모듈(610)에 포함된 셀(C1 내지 C6)들은 모두 6개이고, 포워드 컨버터들(FC1, FC2)은 총 2개인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 여기에서, 각 셀들에 연결된 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12 _ HB, … S16 _ LB, S26_ LB)과 포워드 컨버터들(FC1, FC2)의 구성 및 연결된 위치는 도 4를 참조하여 상술한 바와 같다.
제어부(도 1의 124)는 전체 셀들(C1 내지 C6) 각각의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 비교한다. 그리고 제어부(도 1의 124)는 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀을 포워드 컨버터(FC1) 회로와 연결하고, 두 번째 높은 전압을 갖는 셀과 두 번째 낮은 전압을 갖는 셀을 포워드 컨버터(FC2) 회로와 연결하기 위하여 셀 선택 스위치를 턴 온(turn on)한다.
예를 들어, C1 셀이 가장 높은 전압, C4 셀이 두 번째 높은 전압, C6 셀이 가장 낮은 전압, C3 셀이 두 번째 낮은 전압을 갖는다고 가정하면, 제어부(도 1의 124)는 C1에 연결된 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12 _ HB), C4에 연결된 셀 선택 스위치들(S24 _ HT, S24 _ HB), C6에 연결된 셀 선택 스위치들(S16 _ LT, S16 _ LB), 및 C3에 연결된 셀 선택 스위치들(S23 _ LT, S23 _ LB)을 턴 온하고, 나머지 셀들(C2, C5)에 연결된 셀 선택 스위치들은 오프시킨다. 이때, 포워드 컨버터들(FC1, FC2)에 포함된 양방향 스위치들(FC1 _H, FC1 _L, FC2 _H, FC2 _L)은 오프된 상태를 유지하여, 밸런싱 전류가 흐르지 않기 때문에 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12 _ HB, … S16 _ LB, S26_ LB)에 의한 전력 소모는 발생하지 않는다. 그 후, 제어부(도 1의 124)는 양방향 스위치들(FC1 _H, FC1 _L, FC2 _H, FC2 _L)에 PWM 신호(즉, 반복적으로 턴 온 및 턴 오프를 하는 신호)를 전송하여, 셀 밸런싱이 수행된다. 여기에서 포워드 컨버터(FC1 또는 FC2)가 동작하는 구체적인 내용은 도 7 내지 도 11을 참조하여 후술한다.
셀 밸런싱 과정이 완료되면, 제어부(도 1의 124)는 포워드 컨버터들(FC1, FC2)에 포함된 양방향 스위치들(FC1_H, FC1_L, FC2 _H, FC2 _L)를 턴 오프하고, 전류가 흐르지 않음을 확인한다. 그 후, 제어부(도 1의 124)는 C1에 연결된 셀 선택 스위치들(S11_HT, S12_HB), C4에 연결된 셀 선택 스위치들(S24 _ HT, S24 _ HB), C6에 연결된 셀 선택 스위치들(S16 _ LT, S16 _ LB), 및 C3에 연결된 셀 선택 스위치들(S23 _ LT, S23 _ LB)을 턴 오프한다. 이에 따라, 셀 선택 스위치들(S11 _ HT, S12 _ HB, … S16 _ LB, S26_ LB)에 의한 전력 소모는 발생하지 않는다.
상술한 바와 같이, 복수의 포워드 컨버터들(FC1, FC2)이 셀들의 전압 순서에 따라 동시에 셀 밸런싱을 수행함으로써, 불필요한 에너지의 소모 없이 밸런싱 회로의 효율을 높일 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 포워드 컨버터의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
구체적으로, 도 7 내지 도 10은 제어부(도 1의 124)에 의하여 선택된 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)에 연결된 양방향 스위치(도 7의 710)들의 온-오프에 따른 포워드 컨버터의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 7 내지 도 10에 도시되지는 않았으나, Cell-1 및 Cell-8은 각각의 셀들에 연결된 셀 선택 스위치(도 1의 122a 또는 122b)들이 턴 온 되어 있음을 가정한다. 즉, 도 7 내지 도 10은 Cell-1 및 Cell-8 각각에 연결된 셀 선택 스위치(도 1의 122a 또는 122b)들이 턴 온 되고, 턴 온 된 셀 선택 스위치(도 1의 122a 또는 122b)들에 연결된 양방향 스위치(도 7의 710)들의 온-오프에 따른 포워드 컨버터의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 따라서, 이하에서 서술된 "2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)에 연결된 양방향 스위치들"은 "2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8) 각각에 연결된 셀 선택 스위치들과 연결된 양방향 스위치들"과 동일한 의미이다.
또한, 도 7 내지 도 10에서, Cell-8이 높은 전압을 갖는 셀이고 Cell-1이 낮은 전압을 갖는 셀로 가정한다. 따라서, Cell-8의 에너지가 Cell-1으로 전달된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)에 연결된 양방향 스위치(710)들이 온 상태인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
제어부(도 1의 124)에 의해 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)에 연결된 양방향 스위치(710)들이 닫히면, 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)은 도 7에 도시된 바와 같은 회로를 구성하게 된다. 구체적으로, 높은 전압을 갖는 Cell-8로부터 상호 인덕턴스(Mutual Inductance, Lm) 및 Cell-1로 전류가 흐른다. 따라서, Cell-8은 방전(discharging)되고, Cell-1은 충전(Charging)되며, 상호 인덕턴스(Lm)은 에너지를 저장한다. 따라서, 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 전압차는 줄어들어 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)은 동일한 전압을 갖게 된다. 이때, Cell-8의 에너지의 대부분이 Cell-1으로 전달되게 하기 위하여, 상호 인덕턴스(Lm)의 임피던스(Impedance)는 셀의 임피던스보다 크도록 설계된다.
또한, 양방향 스위치(710)들은 2개의 SR-NMOS(720)들을 사용하여 구현되므로, 양방향 스위치(710)들이 온 상태 시, 빌트인 다이오드를 거치지 않고, SR-NMOS(720)의 스위치 온 상태의 저항만을 거쳐 전류가 흐르게 되므로, 컨덕션 손실(Conduction Loss) 및 빌트인 다이오드로 인한 전압 강하가 줄어든다.
도 8 내지 도 10은 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(도 8의 810)가 오프 상태인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(810)가 열린 경우를 도시한 회로도이다.
2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(810)가 오프 시, SR-NMOS(820)의 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm) 사이에 공진회로가 형성된다. 따라서, 양방향 스위치(810)의 양단의 전압은 급격하게 증가하지 않고, 사인파(sine wave) 형태로 서서히 증가한다. 이때, 상호 인덕턴스(Lm)에 일부 에너지가 저장되며, 양방향 스위치(810)에 흐르는 전류는 점차 감소하여 0(zero)가 되며, 양방향 스위치(810)의 전압은 0(zero)에서 점차 증가한다(zero voltage switching turn off).
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치가 열린 경우, 다중 권선 변압기(910)의 상호 인덕턴스(Lm)에 저장된 에너지를 리셋시키는 과정을 도시한 회로도이다.
도 9를 참조하면, 설명의 편의상 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)에 연결된 양방향 스위치(도 8의 810)들을 도시하지 않았음을 알 수 있다.
상호 인덕턴스(Lm)에 저장되는 에너지가 증가하면서 상호 인덕턴스(Lm)의 전압이 증가한다. 다중 권선 변압기(910)의 상호 인덕턴스(Lm)의 전압이 증가하면, 다중 권선 변압기(910)의 상호 인덕턴스(Lm)와 상관되어 있는 리셋 회로(920)의 상호 인덕턴스의 전압도 증가한다. 리셋 회로(920)의 상호 인덕턴스의 전압이 증가하여 모듈(120)의 양단의 전압(즉, 직렬로 연결된 전체 셀들의 양단의 전압)보다 크게 되면 다이오드(921)를 통하여 리셋 회로(920)에 전류가 흐르게 된다. 따라서, 다중 권선 변압기(910)의 상호 인덕턴스(Lm)의 전압은 더 이상 증가하지 않으며, 양방향 스위치(도 8의 810)의 전압도 증가하지 않고, 양방향 스위치(도 8의 810)는 피크(peak) 전압을 가지게 된다. 이때, 리셋 회로(920)의 상호 인덕턴스의 극성은 다중 권선 변압기(910)의 상호 인덕턴스(Lm)의 극성과 반대이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(1010)가 열린 경우, 리셋 회로(도 9의 920)에 더 이상 전류가 흐르지 않는 경우를 도시한 회로도이다.
리셋 회로(도 9의 920)에 더 이상 전류가 흐르지 않으면, SR-NMOS(1020)의 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm) 사이에 공진회로가 형성된다. 따라서, 양방향 스위치(1010)의 전압은 서서히 감소하여, 양방향 스위치(1010)가 다시 온 되는 순간 이전에 양방향 스위치(1010)의 전압을 0(zero)이 되도록 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm)의 값을 조절한다(zero voltage switching turn on).
도 11은 도 7 내지 도 10에 도시된 포워드 컨버터의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 7 내지 도 10에서 설명된 포워드 컨버터에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 11에서도 적용된다. 동작모드-1은 도 7에서의 포워드 컨버터의 동작을 나타내며, 동작모드-2는 도 8, 동작모드-3은 도 9, 동작모드-4는 도 10에서의 포워드 컨버터의 동작을 나타낸다.
동작모드-1은 양방향 스위치(도 7의 710)가 닫힌 상태일 때, 포워드 컨버터의 동작을 나타낸다. 동작모드-1을 살펴보면, 스위치 전류(61)는 0(zero)에서 증가하여 일정한 값을 유지하며, 스위치 전압(62)은 양방향 스위치(도 7의 710)가 닫힌 상태이므로 0(zero)을 유지한다. 다중 권선 변압기(도 9의 910)에 흐르는 전류(63)는 일정하게 증가하며, 리셋 회로(도 9의 920)에 흐르는 전류(64)는 없다. 스위치 전류(61)는 양방향 스위치(도 7의 710)가 오프 되기 전에 감소하여 0(zero)이 된다. 스위치 전류(61)는 양방향 스위치(도 7의 710)에 흐르는 전류를 나타낸다.
동작모드-2는 양방향 스위치(도 8의 810)가 열린 직후의 포워드 컨버터의 동작을 나타낸다. 동작모드-2를 살펴보면, 스위치 전류(61)는 양방향 스위치(도 8의 810)가 오프 되기 전에 0(zero)이 되어 양방향 스위치(도 8의 810)가 오프 상태에서 0(zero)상태를 유지한다. 스위치 전압(62)은 양방향 스위치(도 8의 810)가 오프 되면 증가하고, 일정 전압에서 피크(peak) 전압을 갖는다. 다중 권선 변압기(도 9의 910)에 흐르는 전류(63)는 증가하며, 리셋 회로(도 9의 920)에 흐르는 전류(64)는 0(zero)상태를 유지한다.
동작모드-3은 리셋 회로(도 9의 920)의 상호 인덕턴스의 전압이 모듈(도 1의 120)의 양단의 전압보다 큰 경우에 포워드 컨버터의 동작을 나타낸다. 동작모드-3을 살펴보면, 스위치 전류(61)는 0(zero)상태를 유지하며, 스위치 전압(62)은 피크(peak) 전압을 유지한다. 다중 권선 변압기(도 9의 910)에 흐르는 전류(63)는 리셋 회로(도 9의 920)에 전류가 흐르기 시작하면 0(zero)상태를 유지하며, 리셋 회로(도 9의 920)에 흐르는 전류(64)는 증가 후 점차 감소한다.
동작모드-4는 리셋 회로(도 9의 920)에 더 이상 전류가 흐르지 않는 경우에 포워드 컨버터의 동작을 나타낸다. 동작모드-4를 살펴보면, 스위치 전류(61)는 0(zero)상태를 유지하며, 스위치 전압(62)은 점차 감소하여 양방향 스위치(도 10의 1010)가 다시 닫히기 전에 0(zero)상태가 된다(zero voltage zero current switching turn on). 다중 권선 변압기(도 9의 910)에 흐르는 전류(63)는 동작모드-1과 반대방향으로 전류가 흐르며 양방향 스위치(도 10의 1010)가 다시 닫히기 전에 0(zero)상태가 된다. 리셋 회로(도 9의 920)에 흐르는 전류(64)는 0(zero)상태를 유지한다.
셀 밸런싱 장치는 일정한 주기마다 셀들의 전압을 측정하고, 일정 시간 동안 선택된 셀들의 스위치를 닫는다. 따라서, 도 11과 같이 동작하기 위하여, 셀 밸런싱 장치는 양방향 스위치(도 2의 125a 또는 125b)를 열고 닫는 시간에 기초하여 설계된다. 보다 상세히 설명하면, 밸런싱 장치에 포함되는 출력 커패시터 및 상호 인덕터는 전압을 측정하는 주기 및 선택된 셀의 스위치가 닫혀 있는 시간을 고려하여 설계된다.
상기된 바에 따르면, 셀 밸런싱 장치가 셀 밸런싱을 수행할 때 모듈을 거치지 않고 높은 전압을 갖는 셀에서 낮은 전압을 갖는 셀로 직접 에너지가 전달되므로, 에너지 전달 효율이 높다. 또한, 스위치의 소프트 스위칭(soft-switching)이 가능하므로, 밸런싱 장치를 구성하는 회로 자체의 효율이 높다. 또한, 동일 모듈 내에 병렬 구성된 다수의 컨버터들이 동시에 동작하므로, 밸런싱을 수행하는 속도가 빠르다. 또한, 셀의 개수와 관계없이 3개의 권선을 갖는 포워드(forward) 변압기를 이용하므로, 변압기의 설계가 쉽고 밸런싱 장치를 구성하는 회로의 부피가 감소한다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 배터리 시스템
110: 모듈 밸런싱 회로
120: 모듈
130: 셀 밸런싱 회로

Claims (19)

  1. 모듈(module)에 포함된 직렬 연결된 복수의 셀(cell)들의 밸런싱(balancing)을 수행하는 장치에 있어서,
    상기 모듈에 포함된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 1 셀과 밸런싱부를 접속시키는 제 1 스위칭부;
    상기 모듈에 포함된 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 2 셀과 상기 밸런싱부를 접속시키는 제 2 스위칭부;
    상기 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 이용하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부의 동작을 제어하는 제어부; 및
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되어, 상기 제어부에 의하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;를 포함하고,
    상기 밸런싱부는, 상기 제 1 스위칭부, 상기 제 2 스위칭부 및 다중 권선 변압기들 사이에 흐르는 전류를 제어하도록 구성된 양방향 스위치들(bidirectional switches)을 포함하는 적어도 하나의 포워드 컨버터(forward converter)를 포함하고,
    상기 양방향 스위치들 중 하나에 포함된 커패시터 및 상기 다중 권선 변압기들 중 하나에 포함된 인덕터는, 상기 양방향 스위치들 중 하나의 턴 온-오프(turn on-off) 시에 상기 양방향 스위치들 중 하나의 양단의 전압 또는 상기 양방향 스위치들 중 하나에 흐르는 전류가 최소값을 갖도록 설계되는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모듈에 포함된 상기 셀들의 개수는 N이고, 상기 밸런싱부는 1개 이상이며 N개 이하의 상기 포워드 컨버터(forward converter)들을 포함하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 양방향 스위치들은 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되고,
    상기 포워드 컨버터는
    상기 양방향 스위치들에 연결되어 상기 제 1 셀 및 상기 제 2 셀 간에 에너지를 전달하는 상기 다중 권선 변압기들; 및
    상기 모듈의 양단에 연결되고, 상기 다중 권선 변압기들과 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor) 및 다이오드를 포함하는 리셋 회로;를 포함하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 권선 변압기들은 서로 동일한 권선수를 갖는 2 개의 상호 인덕터들을 포함하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 포워드 컨버터는 상기 양방향 스위치에 포함된 커패시터와 상기 다중 권선 변압기에 포함된 인덕터 사이에 공진이 형성되도록 설계되는 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 셀 및 상기 제 2 셀은 각각 상기 모듈에 포함될 셀들 중에서 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀인 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 셀 및 제 2 셀 각각에 연결된 상기 셀 선택 스위치들을 턴 온(turn on)한 후에 상기 밸런싱부에 포함된 양방향 스위치들을 반복적으로 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off) 함으로써 상기 밸런싱이 수행되고,
    상기 양방향 스위치들을 턴 오프(turn off)한 후에 상기 제 1 셀 및 제 2 셀 각각에 연결된 상기 셀 선택 스위치들을 턴 오프(turn off) 함으로써 상기 밸런싱이 종료되도록 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 상기 밸런싱부를 제어하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸런싱부가 M 개의 포워드 컨버터들을 포함하는 경우에 상기 포워드 컨버터들은 서로 병렬 연결되고,
    제 1 포워드 컨버터는 상기 모듈에서 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀 사이의 밸런싱을 수행하고, 제 K 포워드 컨버터는 상기 모듈에서 K번째로 높은 전압을 갖는 셀과 K번째로 낮은 전압을 갖는 셀 사이의 밸런싱을 수행하고,
    상기 M은 2 이상이며 상기 모듈에 포함된 셀들의 개수 이하의 정수이고, 상기 K는 2 이상이며 상기 M 이하의 정수인 장치.
  10. 모듈(module)에 포함된 직렬 연결된 복수의 셀(cell)들의 밸런싱(balancing)을 수행하는 장치에 있어서,
    상기 장치는 상기 복수의 셀들을 나누어 병렬적으로 밸런싱을 수행하는 밸런싱 세트(set)들을 2 이상 포함하고,
    상기 밸런싱 세트들 각각은
    상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 1 셀과 밸런싱부를 접속시키는 제 1 스위칭부;
    상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 2 셀과 상기 밸런싱부를 접속시키는 제 2 스위칭부;
    상기 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 이용하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부의 동작을 제어하는 제어부; 및
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되어, 상기 제어부에 의하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;를 포함하고,
    상기 밸런싱부는, 상기 제 1 스위칭부, 상기 제 2 스위칭부 및 다중 권선 변압기들 사이에 흐르는 전류를 제어하도록 구성된 양방향 스위치들(bidirectional switches)을 포함하는 적어도 하나의 포워드 컨버터(forward converter)를 포함하고,
    상기 양방향 스위치들 중 하나에 포함된 커패시터 및 상기 다중 권선 변압기들 중 하나에 포함된 인덕터는, 상기 양방향 스위치들 중 하나의 턴 온-오프(turn on-off) 시에 상기 양방향 스위치들 중 하나의 양단의 전압 또는 상기 양방향 스위치들 중 하나에 흐르는 전류가 최소값을 갖도록 설계되는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸런싱 세트들 각각에 연결된 상기 셀들의 개수는 N이고, 상기 밸런싱부는 1개 이상이며 N 개 이하의 상기 포워드 컨버터(forward converter)들을 포함하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 양방향 스위치들은 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되고,
    상기 포워드 컨버터는
    상기 양방향 스위치들 각각에 연결되어 상기 제 1 셀 및 상기 제 2 셀 간에 에너지를 전달하는 상기 다중 권선 변압기들; 및
    상기 모듈의 양단에 연결되고, 상기 다중 권선 변압기들과 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor) 및 다이오드를 포함하는 리셋 회로;를 포함하는 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 다중 권선 변압기들은 서로 동일한 권선수를 갖는 2 개의 상호 인덕터들을 포함하는 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 포워드 컨버터는 상기 양방향 스위치에 포함된 커패시터와 상기 다중 권선 변압기에 포함된 인덕터 사이에 공진이 형성되도록 설계되는 장치.
  15. 삭제
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 턴 온(turn on)된 셀 선택 스위치들과 연결된 셀들은 상기 모듈에서 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀인 장치.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 셀 및 제 2 셀 각각에 연결된 상기 셀 선택 스위치들을 턴 온(turn on)한 후에 상기 밸런싱부에 포함된 양방향 스위치들을 반복적으로 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off) 함으로써 상기 밸런싱이 수행되고,
    상기 양방향 스위치들을 턴 오프(turn off)한 후에 상기 제 1 셀 및 제 2 셀 각각에 연결된 상기 셀 선택 스위치들을 턴 오프(turn off) 함으로써 상기 밸런싱이 종료되도록 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 상기 밸런싱부를 제어하는 장치.
  18. 직렬로 연결된 복수의 셀(cell)들; 및
    상기 셀들 중 임의로 2개의 셀들을 선택하여, 상기 선택된 셀들을 밸런싱(balancing)하는 밸런싱 장치를 포함하고,
    상기 밸런싱 장치는,
    상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 1 셀과 밸런싱부를 접속시키는 제 1 스위칭부;
    상기 셀들 각각에 연결된 셀 선택 스위치들을 포함하고, 상기 밸런싱이 수행될 제 2 셀과 상기 밸런싱부를 접속시키는 제 2 스위칭부;
    상기 셀들의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압을 이용하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀에 대한 정보를 기초로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부와 밸런싱부의 동작을 제어하는 제어부; 및
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 연결되어, 상기 제어부에 의하여 선택된 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 밸런싱을 수행하는 밸런싱부;를 포함하고,
    상기 밸런싱부는, 상기 제 1 스위칭부, 상기 제 2 스위칭부 및 다중 권선 변압기들 사이에 흐르는 전류를 제어하도록 구성된 양방향 스위치들(bidirectional switches)을 포함하는 적어도 하나의 포워드 컨버터(forward converter)를 포함하고,
    상기 양방향 스위치들 중 하나에 포함된 커패시터 및 상기 다중 권선 변압기들 중 하나에 포함된 인덕터는, 상기 양방향 스위치들 중 하나의 턴 온-오프(turn on-off) 시에 상기 양방향 스위치들 중 하나의 양단의 전압 또는 상기 양방향 스위치들 중 하나에 흐르는 전류가 최소값을 갖도록 설계되는 배터리 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 밸런싱부가 M 개의 포워드 컨버터들을 포함하는 경우에 상기 포워드 컨버터들은 서로 병렬 연결되고,
    제 1 포워드 컨버터는 상기 모듈에서 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀 사이의 밸런싱을 수행하고, 제 K 포워드 컨버터는 상기 모듈에서 K번째로 높은 전압을 갖는 셀과 K번째로 낮은 전압을 갖는 셀 사이의 밸런싱을 수행하고,
    상기 M은 2 이상이며 상기 모듈에 포함된 셀들의 개수 이하의 정수이고, 상기 K는 2 이상이며 상기 M 이하의 정수인 모듈.
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