KR102303042B1

KR102303042B1 - 배터리 관리 시스템

Info

Publication number: KR102303042B1
Application number: KR1020170096934A
Authority: KR
Inventors: 김명호; 백주원; 강대욱; 오창열; 배정효; 이상중
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2021-09-17
Also published as: KR20190013026A; WO2019027094A1

Abstract

본 발명은 각 배터리 셀들 간의 에너지 밸런스를 제어하기 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 배터리 셀 간의 에너지 전달 효율을 향상시키는 효과가 있고, 이를 위하여 소스 배터리 셀, 타겟 배터리 셀, 미들 배터리 셀 및 상기 소스 스위치가 턴-온을 유지하는 제1 구간과 상기 타겟 스위치가 턴-온을 유지하는 제2 구간의 가운데인 제3 구간 중 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 상기 미들 스위치의 턴-온을 유지시키는 상기 미들 제어 신호와 상기 소스 제어 신호 및 상기 타겟 제어 신호를 제공하는 제어 회로; 를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}

본 발명은 배터리 관리 시스템에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 각 배터리 셀들 간의 에너지 밸런스를 제어하기 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

최근 전기 자동차나 스마트 그리드(Smart grid), 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)와 같이 전기 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 기술들이 개발되고 있다. 특히, 신재생 에너지의 보급과 함께 스마트 그리드의 핵심으로 전력의 저장 및 품질, 그리고 에너지 사용의 효율을 극대화 시킬 수 있는 에너지 저장 시스템에 대한 관심도 증가하고 있다. 에너지 저장 시스템은 다수의 배터리 셀을 가지는 대용량 배터리 모듈을 포함할 수 있고, 남는 전력(남는 에너지)을 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전력계통에 저장하는 기술로서 전력의 품질과 효율성을 최적화할 수 있는 시스템을 말한다.

상기 배터리 모듈을 보다 효율적이고 안정적으로 관리하는 장치가 배터리 관리 시스템이다. 배터리 관리 시스템은 다수개의 배터리 셀들에 연결되어 각 배터리 셀의 전압 값을 A/D 컨버터(analog to digital converter)를 통해 읽어 들인 후 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.

다수개의 배터리들을 연결하여 하나의 배터리 모듈로 사용할 경우, 배터리 모듈을 이루는 배터리들의 지닌 화학적 차이, 물성적 차이, 또는 사용기간의 차이 등으로 인해 각 배터리 간에 전압차가 발생될 수 있다. 상기 배터리 간의 전압차로 인해 배터리 모듈의 수명이 단축될 수 있으므로, 최종적으로는 단셀(단일 배터리 셀) 1개의 전압강하와 같은 성능저하 때문에 패키지화된 배터리 모듈 전체가 새로운 배터리 모듈로 교체되어야 하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기 자동차 등에 사용되는 대용량 배터리의 충전 또는 방전 시, 각 배터리 셀의 전압을 동일하게 유지할 수 있도록 하는 배터리 관리 시스템에 의한 셀 밸런싱(cell balancing) 과정이 필요할 수 있다.

배터리 간의 밸런싱으로서 수동 밸런싱(Passive balancing) 방법과 능동 밸런싱(Active balancing) 방법이 제시될 수 있다.

수동 밸런싱 방법은 다른 배터리에 비해 많은 에너지를 가진 배터리의 초과분을 저항 등을 통해 제거함으로써 이루어질 수 있다. 그러나 초과 분의 에너지를 제거하는 과정에서 생기는 발열로 인하여 배터리 모듈 내에 다른 문제를 일으킬 수 있고, 밸런싱 과정에서 에너지 소모가 심하다는 문제점이 있다.

반면, 능동 밸런싱 방법은 다른 배터리에 비해 많은 에너지를 가진 배터리의 에너지를 적은 에너지를 가진 배터리에 전달함으로써 이루어질 수 있다. 능동 밸런싱 방법은 배터리 셀에 스위치를 배치하고, 각 스위치의 제어를 통해 이루어질 수 있어서, 수동 밸런싱 방법에 비해 낭비되는 에너지가 적은 장점이 있다.

하지만 기존의 방식은 회로의 복잡도와 관계없이 에너지를 방전하기 위한 소스 배터리 셀로부터 상기 에너지를 이용해 충전되기 위한 타겟 배터리 셀로 능동 밸런싱 방법을 통해 에너지를 전달함에 있어서, 전달 방법이나 누설 인덕턴스에 따라 전달되는 과정에서 에너지가 타겟 배터리 셀이 아닌 다른 배터리 셀로 전달되어 에너지 전달의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서, 배터리 셀 간의 에너지 밸런싱을 위한 에너지 전달 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리 관리 시스템이 포함하는 권선들이 연결된 코어의 개수를 늘림으로써 배터리 관리 시스템의 구성을 유동성을 향상시키고 필요에 따라 배치를 변경할 수 있도록 하여 생산을 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 소스 배터리와 소스 제어 신호에 대응하여 상기 소스 배터리의 방전을 제어하기 위한 소스 스위치를 포함하는 소스 배터리 셀; 타겟 배터리와 타겟 제어 신호에 대응하여 상기 타겟 배터리의 충전을 제어하기 위한 타겟 스위치를 포함하는 타겟 배터리 셀; 미들 배터리와 미들 제어 신호에 대응하여 상기 미들 배터리를 제어하기 위한 미들 스위치를 포함하는 미들 배터리 셀; 및 상기 소스 스위치가 턴-온을 유지하는 제1 구간과 상기 타겟 스위치가 턴-온을 유지하는 제2 구간의 가운데인 제3 구간 중 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 상기 미들 스위치의 턴-온을 유지시키는 상기 미들 제어 신호와 상기 소스 제어 신호 및 상기 타겟 제어 신호를 제공하는 제어 회로; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 하나 이상의 배터리 유닛들을 포함하는 배터리 유닛부; 및 상기 복수의 배터리 유닛들 간의 에너지 밸런싱을 수행하는 배터리 유닛 제어 회로; 를 포함하고, 상기 복수의 배터리 유닛 중 적어도 하나 이상은 소스 배터리와 소스 제어 신호에 대응하여 상기 소스 배터리의 방전을 제어하기 위한 소스 스위치를 포함하는 소스 배터리 셀; 타겟 배터리와 타겟 제어 신호에 대응하여 상기 타겟 배터리의 충전을 제어하기 위한 타겟 스위치를 포함하는 타겟 배터리 셀; 미들 배터리와 미들 제어 신호에 대응하여 상기 미들 배터리를 제어하기 위한 미들 스위치를 포함하는 미들 배터리 셀; 및 상기 소스 스위치가 턴-온을 유지하는 제1 구간과 상기 타겟 스위치가 턴-온을 유지하는 제2 구간의 가운데인 제3 구간 중 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 상기 미들 스위치의 턴-온을 유지시키는 상기 미들 제어 신호와 상기 소스 제어 신호 및 상기 타겟 제어 신호를 제공하는 배터리 셀 제어 회로; 를 포함할 수 있다.

본 발명은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서, 배터리 셀 간의 에너지 전달 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 배터리 관리 시스템이 포함하는 권선들이 연결된 코어의 개수를 늘림으로써 배터리 관리 시스템의 구성을 유동성을 향상시키고 필요에 따라 배치를 변경할 수 있도록 하여 생산을 용이하게 할 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 도시하는 회로도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 중 일부의 배터리 셀과 해당 배터리 셀을 제어하기 위한 제어 회로를 보다 상세하게 나타낸 회로도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 동작하는 방법을 도시하는 회로도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 도 3 내지 도 5의 실시예에 따라 동작하는 배터리 관리 시스템의 전류 변화를 나타내기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 동작하는 방법을 도시하는 회로도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 도 8 내지 도 10의 실시예에 따라 동작하는 배터리 관리 시스템의 전류 변화를 나타내기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 도 2의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 권선들이 복수의 코어에 연결되는 것을 나타내기 위한 회로도이다.
도 15 및 도 16는 도 2의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 권선들이 복수의 코어에 연결되는 것을 나타내기 위한 다른 회로도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 도시하는 블록도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.

이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템을 예시한 실시 형태들이 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 도시하는 회로도이다.

도 1을 참조하면, 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 셀과 각각의 배터리 셀을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 회로(300)를 포함할 수 있다.

보다 상세하게, 배터리 관리 시스템은 연속하여 직렬 연결되는 배터리 스트링(100)과 배터리 스트링(100)을 구성하는 각각의 배터리들 간의 밸런싱을 위한 밸런싱 회로(200) 및 밸런싱 회로(200)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 회로(300)를 포함할 수 있다.

밸런싱 회로(200)는 배터리 스트링(100)을 구성하는 배터리들을 제어하기 위하여 각각의 배터리들에 대응되는 스위치들을 포함할 수 있다. 여기서 배터리 셀은 하나의 배터리와 해당 배터리에 직접 연결된 스위치를 포함하는 단위로 이해될 수 있다. 밸런싱 회로(200)는 각각의 배터리 셀들간 에너지의 전달을 위해 배치된 권선들과 각 권선들에 연결된 코어를 포함할 수 있다.

제어 회로(300)는 배터리 스트링(100)을 구성하는 배터리들의 다양한 상태를 측정 또는 감지하여, 배터리 모듈의 온도, 배터리 모듈의 주변온도, 배터리 모듈의 전압, 및 배터리 모듈의 방전(또는 충전) 전류(또는 배터리 모듈의 정격 용량(Ah)에 C-rate(current rate)를 곱한 값) 등에 따라 배터리 보호를 위한 제어를 할 수 있고 기기의 운전자(operator)에게 배터리 상태를 알려주고, 배터리 모듈을 적정상태로 관리하는 기능을 가질 수 있다.

제어 회로(300)는 각 배터리 셀의 전압과 전류와 온도를 측정하여 셀의 셀 밸런싱(cell balancing)과 SOC(State of Charge, 잔존 전하량)를 산정하고 에너지 저장 시스템(ESS)의 안전, 충전, 또는 방전을 제어할 수 있다.

이를 위해, 제어 회로(300)는 각 배터리 셀의 개방 전압(Open Circuit Voltage)을 측정하는 측정부와 상기 측정부의 측정 결과에 따라, 배터리 셀 간의 에너지 밸런싱을 위해 기준 전압 보다 높은 개방 전압을 가지는 배터리 셀을 소스 배터리 셀로 판단하고 상기 기준 전압 보다 낮은 개방 전압을 가지는 배터리 셀을 타겟 배터리 셀로 판단하여 소스 배터리 셀에서 타겟 배터리 셀로 에너지가 전달되도록 제어 신호를 제공하는 제어부를 포함할 수 있다.

여기서 기준 전압은 배터리 관리 시스템의 설계자나 밸런싱 방법에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 소스 배터리는 제어 회로(300)의 판단에 따라 에너지를 공급하는 배터리를 의미하고 타겟 배터리는 제어 회로(300)의 판단에 따라 소스 배터리로부터 상기 에너지를 공급받는 배터리를 의미할 수 있다. 그리고, 하기할 미들 배터리는 소스 배터리의 방전에 관련된 제1 구간과 타겟 배터리의 충전에 관련된 제2 구간 사이의 제3 구간 중 적어도 일부를 포함하여 턴-온 되는 미들 스위치에 의해 제어되는 배터리일 수 있다.

소스 배터리 및 상기 소스 배터리를 제어하기 위한 소스 스위치를 포함하는 배터리 셀을 소스 배터리 셀로 지칭할 수 있다. 또한, 타겟 배터리 및 상기 타겟 배터리를 제어하기 위한 타겟 스위치를 포함하는 배터리 셀을 타겟 배터리 셀로 지칭할 수 있다. 이 외에 미들 배터리 및 미들 배터리를 제어하기 위한 미들 스위치를 포함하는 배터리 셀을 미들 배터리 셀로 지칭할 수 있다.

소스 배터리와 타겟 배터리, 미들 배터리는 배터리 스트링(100)의 다양한 배터리를 가리킬 수 있으므로, 이하 제1 내지 제4 배터리 등으로 표현하여 설명하기로 한다. 또한, 소스 스위치, 타겟 스위치, 미들 스위치도 이하 제1 내지 제4 스위치 등으로 표현하여 설명될 수 있으며, 이를 포함하는 소스 배터리 셀, 타겟 배터리 셀, 미들 배터리 셀 역시 제1 내지 제4 배터리 셀 등으로 표현하여 설명될 수 있다.

도 2는 도 1의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 중 일부의 배터리 셀과 해당 배터리 셀을 제어하기 위한 제어 회로(300)를 보다 상세하게 나타낸 회로도이다.

도 2를 참조하면, 배터리 관리 시스템은 배터리 스트링(100)과 밸런싱 회로(200) 및 제어 회로(300)를 포함할 수 있다.

도 2는 배터리 관리 시스템 중 일부의 배터리 셀을 예시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 하나의 배터리와 해당 배터리에 병렬 연결된 스위치 및 배터리와 스위치에 연결된 권선을 포함하여 하나의 배터리 셀을 구성하는 것을 알 수 있다.

배터리 관리 시스템은 같은 권선을 공유하도록 짝지어지는 2개의 배터리 셀을 하나의 단위라 할 때, 상기 배터리 셀 단위가 연속되어 배치되는 배터리 스트링(100)과 밸런싱 회로(200)를 포함하고, 각각의 배터리 셀을 제어하기 위한 제어 신호를 제공하는 제어 회로(300)를 포함하는 것을 알 수 있다.

배터리 셀들의 전압을 밸런싱하기 위해서 제어 회로(300)는 배터리의 전압이 높은 배터리 셀로부터 배터리 전압이 낮은 배터리 셀로 전류를 전달할 수 있다.

도 2는 배터리 관리 시스템을 구성하는 복수의 배터리 셀 중 임의의 4개 배터리 셀(CELL1 내지 CELL4)을 예시하여 표현하였다.

도 2를 참조하면, 제1 배터리 셀(CELL1)과 제2 배터리 셀(CELL2)은 제1 권선(L1)을 공유하도록 인접 배치되었고, 제3 배터리 셀(CELL3)과 제4 배터리 셀(CELL4)은 제2 권선(L2)을 공유하도록 인접 배치된 것을 알 수 있다. 제2 배터리 셀(CELL2)과 제3 배터리 셀(CELL3)은 인접하여 배치될 수 도 있고, 그 사이에 하나 이상의 다른 배터리 셀 단위가 포함되도록 배치될 수 도 있다.

보다 상세하게, 배터리 관리 시스템의 배터리 스트링(100)은 복수의 배터리들(C1, C2, C3, C4)을 포함할 수 있고, 해당 배터리들 간의 에너지 밸런싱을 위한 밸런싱 회로(200)는 스위치와 권선들(L1, S1, S2, L2, S3, S4)을 포함할 수 있다.

도 2에서 제1 배터리 셀(CELL1)은 제1 배터리(C1), 제1 스위치(S1) 및 제1 권선(L1)을 포함할 수 있고, 제2 배터리 셀(CELL2)은 제2 배터리(C2), 제2 스위치(S2) 및 제1 권선(L1)을 포함할 수 있다.

제1 배터리 셀(CELL1)과 제2 배터리 셀(CELL2)은 서로 인접하여 배치될 수 있다. 제1 배터리(C1)와 제2 배터리(C2)는 각각 서로 극성이 반대되는 포지티브 극과 네가티브 극을 가질 수 있다.

제1 배터리 셀(CELL1)과 제2 배터리 셀(CELL2)은 제1 권선(L1)을 공유할 수 있다. 즉, 제1 권선(L1)의 일단은 제1 배터리(C1)와 제2 배터리(C2)에 모두 연결되고, 제1 권선(L1)의 타단은 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)에 모두 연결될 수 있다.

상기한 것처럼, 제1 배터리 셀(CELL1)과 제2 배터리 셀(CELL2)은 공유하는 제1 권선(L1)의 일단에 연결된 배터리의 극성만 다르고 다른 구성은 동일할 수 있다.

또한, 상기한 것처럼 2개의 배터리 셀이 인접한 배터리 셀 단위가 연속 배치되므로 배터리 관리 시스템에 포함되는 배터리 셀들은 짝수로 구성될 수 있다.

도 2의 제3 배터리 셀(CELL3)은 상기한 제1 배터리 셀(CELL1)과 동일하게 제3 배터리(C3), 제3 스위치(S3) 및 제2 권선(L2)을 포함할 수 있고, 제4 배터리 셀(CELL4)도 상기한 제2 배터리 셀(CELL2)과 동일하게 제4 배터리(C4), 제4 스위치(S4)를 포함하고, 상기 제3 배터리 셀(CELL3)과 공유하는 제2 권선(L2)을 포함할 수 있다.

배터리 관리 시스템에 포함되는 배터리 셀들의 수는 설계자의 의도나 해당 배터리 관리 시스템을 필요로 하는 시스템에서 요구하는 전압의 크기에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

이하 제1 배터리 셀(CELL1)과 제2 배터리 셀(CELL2)은 제1 권선(L1)을 공유하고 서로 인접한 배터리 관리 시스템 내의 임의의 두 배터리 셀로서 이해될 수 있고, 제3 배터리 셀(CELL3)과 제4 배터리 셀(CELL4)은 제2 권선(L2)을 공유하고 인접한 배터리 관리 시스템 내의 임의의 두 배터리 셀로서 이해될 수 있다.

상기한 배터리 셀들의 구성을 좀더 상세히 보면 다음과 같다.

제1 내지 제4 배터리(C1 내지 C4)는 배터리 스트링(100)을 구성하는 배터리들 중 임의의 배터리들일 수 있고, 이 중 제1 배터리(C1)와 제2 배터리(C2)는 서로 직접 연결되고, 제3 배터리(C3)와 제4 배터리(C4)는 서로 직접 연결될 수 있다.

제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4)는 각각에 대응되는 배터리 셀(CELL1 내지 CELL4)에 포함된 배터리(C1 내지 C4)의 충전 또는 방전을 제어하기 위한 스위치이다. 제1 내지 제4 스위치(S1 내지 S4)는 전류의 흐름을 스위칭하기 위한 다양한 스위치로서 BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등이 예시될 수 있다.

제1 스위치(S1)는 제어 회로(300)에서 제공되는 제1 제어 신호(CON1)에 대응하여 턴-온 또는 턴-오프 될 수 있고, 제2 스위치(S2)는 제어 회로(300)에서 제공되는 제2 제어 신호(CON2)에 대응하여 턴-온 또는 턴-오프 될 수 있고, 제3 스위치(S3)는 제어 회로(300)에서 제공되는 제3 제어 신호(CON3)에 대응하여 턴-온 또는 턴-오프 될 수 있고, 제4 스위치(S4)는 제어 회로(300)에서 제공되는 제4 제어 신호(CON4)에 대응하여 턴-온 또는 턴-오프 될 수 있다.

제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)은 하나의 코어 또는 서로 다른 코어에 연결되어 에너지의 전달을 수행할 수 있다. 본 발명은 배터리 셀 간의 에너지 전달을 위한 두 가지 실시예에 따른 방식을 제안한다. 벅 부스트(Buck boost) 방식의 에너지 전달은 같은 권선을 공유하는 배터리 셀 간에 에너지를 전달할 때 사용될 수 있고, 플라이 백(Fly back) 방식의 에너지 전달은 다른 권선에 연결된 배터리 셀 간에 에너지를 전달할 때 사용될 수 있다.

벅 부스트 방식으로 에너지를 전달하고자 하는 경우, 제1 배터리(C1)의 에너지를 제1 권선(L1)을 통해 제2 배터리(C2)로 전달하거나 제2 배터리(C2)의 에너지를 제1 권선(L1)을 통해 제1 배터리(C1)로 전달할 수 있다. 또한, 제3 배터리(C3)의 에너지를 제2 권선(L2)을 통해 제4 배터리(C4)로 전달하거나 제4 배터리(C4)의 에너지를 제2 권선(L2)을 통해 제3 배터리(C3)로 전달할 수도 있다. 본 발명은 벅 부스트 방식으로 에너지를 전달하는 경우, 제1 배터리(C1)에서 제2 배터리(C2)로 제1 권선(L1)을 통해 에너지를 전달하는 것을 예시하여 설명하기로 한다.

플라이 백 방식으로 에너지를 전달하고자 하는 경우, 제1 배터리(C1)의 에너지를 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)을 통해 제4 배터리(C4)로 전달하거나 제2 배터리(C2)의 에너지를 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)을 통해 제3 배터리(C3)로 전달할 수 있다. 또한, 제3 배터리(C3)의 에너지를 제2 권선(L2)과 제1 권선(L1)을 통해 제2 배터리(C2)로 전달하거나 제4 배터리(C4)의 에너지를 제2 권선(L2)과 제1 권선(L1)을 통해 제1 배터리(C1)로 전달할 수 있다. 본 발명은 플라이 백 방식으로 에너지를 전달하는 경우, 제1 배터리(C1)에서 제4 배터리(C4)로 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L2)을 통해 에너지를 전달하는 것을 예시하여 설명하기로 한다.

제1 배터리 셀(CELL1)과 제2 배터리 셀(CELL2)이 공유하는 제1 권선(L1)은 같은 코어 내의 권선들과 자속을 공유하는 자화 인덕턴스(Magnetizing Inductance)와 제1 권선(L1)의 자속에 영향을 받는 누설 인덕턴스(Leakage Inductance)가 발생할 수 있다. Lm은 제1 권선(L1) 및 제1 권선(L1)과 코어를 공유하는 권선들의 자화 인덕턴스를 의미하고, Lleak1는 제1 권선(L1)의 누설 인덕턴스를 의미할 수 있다. 여기서 누설 인덕턴스는 방전된 에너지가 충전 대상 셀로 얼마나 전달되는 지를 나타내는 비율에 대한 값을 의미할 수 있다. 또한, 제2 권선(L2)도 자화 인덕턴스(Lm)와 누설 인덕턴스(Lleak2)로 나누어 모델링될 수 있다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 동작하는 방법을 도시하는 회로도이다.

도 3 내지 도 5는 배터리 관리 시스템이 상기한 예시 중 벅 부스트 방식으로 배터리 셀 간에 에너지를 전달하도록 동작되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 3 내지 도 5에서 예시된 회로도는 설명의 편의를 위해 4개의 배터리 셀(CELL1 내지 CELL4)을 포함하는 배터리 관리 시스템을 예시하기로 한다.

벅 부스트 방식은 같은 권선을 공유하는 인접한 배터리 셀 간의 에너지를 전달할 때 사용될 수 있다. 도 3 내지 도 5는 제1 배터리 셀(CELL1)에서 제2 배터리 셀(CELL2)로 에너지를 전달하는 것을 예시한다. 벅 부스트 방식의 에너지 전달을 통해 배터리 관리 시스템 내 배터리 중 어떠한 배터리 셀이라도 같은 권선을 공유하는 배터리 셀로 에너지를 전달할 수 있는 효과가 있다.

도 3을 참조하면, 제1 스위치(S1)가 제1 제어 신호(CON1)에 대응하여 턴-온 되는 것을 알 수 있다. 제1 스위치(S1)가 턴-온 되면 제1 배터리(C1)의 에너지가 제1 권선(L1)에 충전될 수 있다. 이 때, 제1 스위치(S1)가 제1 제어 신호(CON1)에 대응하여 턴-온을 유지하는 구간을 제1 구간이라 정의할 수 있다. 제1 권선(L1)에 제1 배터리(C1)의 에너지가 충전되는 시간이나 충전되는 전류의 양은 배터리들의 전압이나 권선들의 인덕턴스 및 권선과 코어의 권선비 등 다양한 요소를 고려하여 설정될 수 있다. 이후, 충전이 완료되면 제1 스위치(S1)가 제1 제어 신호(CON1)에 대응하여 턴-오프 될 수 있다.

도 4를 참조하면, 제4 스위치(S4)가 제4 제어 신호(CON4)에 대응하여 턴-온 되는 것을 알 수 있다. 제4 스위치(S4)가 턴-온 되면 제4 배터리(C4)에 저장된 에너지가 일부 방전되면서 제2 권선(L2)에 제4 배터리(C4)에 의한 전압이 인가된다. 제4 스위치(S4)는 이후 제2 스위치(S2)가 턴-온 되기 전에 제4 제어 신호(CON4)에 대응하여 다시 턴-오프 될 수 있다.

도 5를 참조하면, 제2 스위치(S2)가 제2 제어 신호(CON2)에 대응하여 턴-온 되는 것을 알 수 있다. 제2 스위치(S2)가 턴-온 되면 제1 배터리(C1)로부터 제1 권선(L1)에 충전된 에너지가 다시 제2 배터리(C2)로 흘러 들어갈 수 있다. 이 때, 제2 스위치(S2)가 제2 제어 신호(CON2)에 대응하여 턴-온을 유지하는 구간을 제2 구간이라 정의할 수 있다. 그리고 상기한 제1 구간과 제2 구간의 사이의 구간을 제3 구간이라 정의할 수 있다. 즉, 제3 구간은 제1 스위치(S1)가 턴-온을 유지하고 나서 턴-오프 된 후로부터 제2 스위치(S2)가 턴-온 되기 전까지의 구간을 의미할 수 있다.

도 3 내지 도 5의 과정에 따른 실시예에서 제4 스위치(S4)는 제4 제어 신호(CON4)에 대응하여 제3 구간의 적어도 일부를 포함하도록 턴-온을 유지할 수 있다.

상기한 도 3 내지 도 5의 과정을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 벅 부스트 방식으로 배터리 셀간의 밸런싱이 이루어지는 것을 설명하면 다음과 같다.

제1 배터리 셀(CELL1)에서 제2 배터리 셀(CELL2)로 에너지를 전달할 때, 제1 스위치(S1)가 턴-오프 된 후, 제2 스위치(S2)를 턴-온 시키며 에너지를 전달하게 되면, 제1 스위치(S1)의 턴-오프와 제2 스위치(S2)의 턴-온 사이에 데드 타임(Dead time)이 발생할 수 있다. 하나의 권선을 공유하는 배터리 셀 간에 에너지를 전달함에 있어서, 제1 권선(L1)의 누설 인덕턴스(Lleak1)가 작은 경우, 상기한 것과 같은 데드 타임에서 에너지를 전달받고자 하는 인접한 셀이 아닌 다른 셀에 연결된 권선을 통해 일부 에너지가 전달될 수 있다. 그리고 이러한 방식으로 누설되는 에너지는 벅 부스트 방식의 에너지 전달에 있어서 효율을 낮추는 문제점을 야기할 수 있다.

상기한 도 3 내지 도 5의 예시에 있어서, 에너지를 전달하고자 제1 배터리 셀(CELL1)의 제1 스위치(S1)가 턴-온을 유지하는 구간을 제1 구간으로 정의하고, 제2 배터리 셀(CELL2)의 제2 스위치(S2)가 턴-온을 유지하는 구간을 제2 구간으로 정의하고, 상기 제1 구간과 제2 구간의 사이의 구간을 제3 구간으로 정의할 수 있다.

제어 회로(300)는 상기 제3 구간의 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 제4 스위치(S4)의 턴-온이 유지되도록 할 수 있다. 보다 바람직하게 제어 회로(300)는 제4 스위치(S4)가 제4 제어 신호(CON4)에 대응하여 제3 구간 내에서 턴-온을 유지하도록 할 수 있다. 하지만, 상기한 실시예는 제4 스위치(S4)가 제3 구간 내에서 턴-온을 유지하는 것뿐 아니라, 스위치 구동의 특성상 제4 스위치(S4)의 턴-온이 제1 구간 또는 제2 구간과 일부 중첩 되는 경우도 포함하는 것을 예시할 수 있다. 예를 들어, 제4 스위치(S4)는 제1 구간이 종료되기 전에 턴-온 되어 제3 구간의 내에서 턴-오프될 수 도 있고, 제3 구간 내에서 턴-온 되어 제2 구간이 시작된 후 턴-오프될 수 도 있으며, 제1 구간의 종료되기 전에 턴-온되고 제2 구간이 시작된 후 턴-오프될 수 도 있다.

여기서 제4 스위치(S4)를 포함하는 제4 배터리 셀(CELL4)은 제1 권선(L1)이 아닌 다른 권선(L2)을 포함하는 배터리 셀 중 에너지를 전달 받을 배터리 셀(CELL2)과 권선 대비 같은 위치에 배치된 배터리 셀 일 수 있다. 여기서 권선 대비 위치란 해당 배터리 셀이 포함하는 권선에 연결되는 배터리의 극성에 따라 정의될 수 있다. 도 3 내지 도 5를 예시하여 권선 대비 위치를 설명하자면, 제1 배터리 셀(CELL1)과 제3 배터리 셀(CELL3)은 각각의 배터리 셀에 포함된 권선과 연결되는 배터리의 극성이 네가티브 극성으로 같으므로 서로 권선 대비 같은 위치에 배치된 배터리 셀로 이해될 수 있다. 또한, 제2 배터리 셀(CELL2)과 제4 배터리 셀(CELL4)이 각각의 배터리 셀에 포함된 권선과 연결되는 배터리의 극성이 포지티브 극성으로 같으므로 권선 대비 같은 위치에 배치된 배터리 셀로 이해될 수 있다.

상기한 것처럼, 제3 구간의 적어도 일부를 포함하도록 제4 배터리 셀(CELL4)의 제4 스위치(S4)를 턴-온 시킴으로써 제2 권선(L2)에 제4 배터리(C4)에 의한 전압이 인가되고, 제2 권선(L2)에 인가된 전압으로 인해 제1 권선(L1)에서 제2 권선(L2)으로 에너지가 누설되는 것을 완화할 수 있다.

도 3 내지 도 5에서 설명된 벅 부스트 형식의 에너지 전달은 제1 배터리 셀(CELL1)에서 제2 배터리 셀(CELL2)로 에너지가 전달되는 것을 예시하였으나, 상기한 벅 부스트 형식의 에너지 전달은 제2 배터리 셀(CELL2)에서 제1 배터리 셀(CELL1)로 에너지를 전달하거나 제3 배터리 셀(CELL3)에서 제4 배터리 셀(CELL4)로 에너지를 전달하거나 제4 배터리 셀(CELL4)에서 제3 배터리 셀(CELL3)로 에너지를 전달하는 등, 같은 권선을 공유하는 인접한 배터리 셀 간의 에너지 전달에서도 상기한 것과 같은 방식으로 사용될 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 도 3 내지 도 5의 실시예에 따라 동작하는 배터리 관리 시스템의 전류 변화를 나타내기 위한 도면이다.

도 6은 상기한 벅 부스트 방식으로 에너지를 전달할 때, 상기한 도 3 내지 도 5에서 에너지를 전달하고자 하는 배터리 셀(CELL1)에서 에너지를 받고자 하는 배터리 셀(CELL2)의 사이에 제4 스위치(S4)의 작동이 이루어지지 않는 경우의 전류 변화량을 예시한 것이고, 도 7은 도 3 내지 도 5에서 에너지를 전달하고자 하는 배터리 셀(CELL1)에서 에너지를 받고자 하는 배터리 셀(CELL2)의 사이에 제4 스위치(S4)의 작동이 이루어진 경우의 전류 변화량을 예시한 것이다.

도 6과 도 7에서 S1은 제1 스위치(S1)가 턴-온을 유지하는 제1 구간(t0~t1)으로 이해될 수 있고, S2는 제2 스위치(S2)가 턴-온을 유지하고 제2 구간(t2~t3)으로 이해될 수 있다.

도 6에서 제4 스위치(S4)가 동작하지 않는 경우, 제1 권선(L1)에 충전되는 전류(i1)의 양이 제1 구간(t0~t1) 동안 늘어나다가 제1 구간이 종료되고 제2 구간(t2~t3) 전의 데드 타임 동안 제1 권선(L1)에서 유출되는 전류로 인하여 제2 권선(L2)에 일시적으로 충전되는 전류(i2) 가 늘어나는 것을 알 수 있다. 제2 권선(L2)에 충전되는 전류(i2)는 제2 구간(t2~t3) 동안 줄어들다가 t3에 이르러서야 사라지는 것을 알 수 있다. 상기한 것 과 같이 벅 부스트 형식의 에너지 전달에 있어서 다른 권선(L2)으로 유출되는 에너지로 인하여 배터리 셀 간의 밸런싱 효율이 저하되는 문제점이 있다.

반면 도 7을 참조하면, 제1 구간(t0~t1)과 제2 구간(t2~t3)의 사이의 제3 구간(t1~t2)에서 제4 스위치(S4)의 턴-온을 유지함으로써 제2 권선(L2)으로 유출되는 에너지가 제거될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 제1 배터리 셀(CELL1)의 에너지가 온전히 제2 배터리 셀(CELL2)로 전달될 수 있게 된다. 도 7에서는 제4 스위치(S4)가 제3 구간(t1~t2)의 시작에 대응하여 턴-온되고, 제3 구간(t1~t2)의 종료에 대응하여 턴-오프 되는 것을 예시하여 표현하였으나, 제4 스위치(S4)의 턴-온은 이에 한정되지 않고, 제3 구간(t1~t2) 중 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 유지될 수 있다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템이 동작하는 방법을 도시하는 회로도이다.

도 8 내지 도 10은 배터리 관리 시스템이 상기한 예시 중 플라이 백 방식으로 배터리 셀 간에 에너지를 전달하도록 동작되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 8 내지 도 10에서 예시된 회로도는 설명의 편의를 위해 4개의 배터리 셀(CELL1 내지 CELL4)을 포함하는 배터리 관리 시스템을 예시하기로 한다.

플라이 백 방식은 서로 연결된 권선이 다르고 권선 대비 위치가 다른 배터리 셀 간의 에너지를 전달할 때 사용될 수 있다. 도 8 내지 도 10은 제1 배터리 셀(CELL1)에서 제4 배터리 셀(CELL4)로 에너지를 전달하는 것을 예시한다. 플라이 백 방식의 에너지 전달을 통해 배터리 관리 시스템 내 배터리 중 어떠한 배터리 셀이라도 연결된 권선이 다르고 권선 대비 위치가 다른 배터리 셀로 에너지를 전달할 수 있는 효과가 있다.

도 8을 참조하면, 제1 스위치(S1)가 제1 제어 신호(CON1)에 대응하여 턴-온 되는 것을 알 수 있다. 제1 스위치(S1)가 턴-온 되면 제1 배터리(C1)의 에너지가 제1 권선(L1)에 충전될 수 있다. 제1 권선(L1)에 제1 배터리(C1)의 에너지가 충전되는 시간이나 충전되는 전류의 양은 배터리들의 전압이나 권선들의 인덕턴스 및 권선과 코어의 권선비 등 다양한 요소를 고려하여 설정될 수 있다. 이후, 충전이 완료되면 제1 스위치(S1)가 제1 제어 신호(CON1)에 대응하여 턴-오프 될 수 있다.

도 9를 참조하면, 제3 스위치(S3)가 제3 제어 신호(CON3)에 대응하여 턴-온 되는 것을 알 수 있다. 제3 스위치(S3)가 턴-온 되면 제3 배터리(C3)에 저장된 에너지가 일부 방전되면서 누설 인덕턴스(Lleak1)에 제3 배터리(C3)의 전압이 역방향으로 인가된다. 제3 스위치(S3)는 이후 제4 스위치(S4)가 턴-온 되기 전에 제3 제어 신호(CON3)에 대응하여 다시 턴-오프 될 수 있다.

도 10을 참조하면, 제4 스위치(S4)가 제4 제어 신호(CON4)에 대응하여 턴-온 되는 것을 알 수 있다. 제4 스위치(S4)가 턴-온 되면 제1 배터리(C1)로부터 제1 권선(L1)에 충전된 에너지가 제2 권선(L2)를 통해 제4 배터리(C4)로 흘러 들어갈 수 있다.

상기한 도 8 내지 도 10의 과정을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 플라이 백 방식으로 배터리 셀간의 밸런싱이 이루어지는 것을 설명하면 다음과 같다.

서로 다른 권선에 연결된 배터리 셀 간에 에너지를 전달함에 있어서, 제1 권선(L1)의 누설 인덕턴스(Lleak1)가 큰 경우, 에너지를 전달받고자 하는 셀이 아닌 권선을 공유하는 인접한 셀에 일부 에너지가 전달될 수 있다. 그리고 이러한 방식으로 누설되는 에너지는 플라이 백 방식의 에너지 전달에 있어서 효율을 낮추는 문제점을 야기할 수 있다.

상기한 도 8 내지 도 10의 예시에 있어서, 상기한 도3 내지 도 5의 실시예와 달리, 에너지를 전달하고자 제1 배터리 셀(CELL1)의 제1 스위치(S1)가 턴-온을 유지하는 구간을 제1 구간으로 정의하고, 제4 배터리 셀(CELL4)의 제4 스위치(S4)가 턴-온을 유지하는 구간을 제2 구간으로 정의하고, 상기 제1 구간과 제2 구간의 사이의 구간을 제3 구간으로 정의할 수 있다.

제어 회로(300)는 상기 제3 구간의 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 제3 스위치(S3)의 턴-온이 유지되도록 할 수 있다. 보다 바람직하게 제어 회로(300)는 제3 스위치(S3)가 제3 제어 신호(CON3)에 대응하여 제3 구간 내에서 턴-온을 유지하도록 할 수 있다. 하지만, 상기한 실시예는 제3 스위치(S3)가 제3 구간 내에서 턴-온을 유지하는 것뿐 아니라, 스위치 구동의 특성상 제3 스위치(S3)의 턴-온이 제1 구간 또는 제2 구간과 일부 중첩 되는 경우도 포함하는 것을 예시할 수 있다. 예를 들어, 제3 스위치(S3)는 제1 구간이 종료되기 전에 턴-온 되어 제3 구간의 내에서 턴-오프될 수 도 있고, 제3 구간 내에서 턴-온 되어 제2 구간이 시작된 후 턴-오프될 수 도 있으며, 제1 구간의 종료되기 전에 턴-온되고 제2 구간이 시작된 후 턴-오프될 수 도 있다.

여기서 제3 스위치(S3)를 포함하는 제3 배터리 셀(CELL3)은 제1 권선(L1)이 아닌 다른 권선(L2)을 포함하는 배터리 셀 중 에너지를 전달 받을 배터리 셀(CELL4)과 같은 권선을 공유하고, 에너지를 전달 받을 배터리 셀(CELL4)과 인접한 배터리 셀로서, 제1 배터리 셀(CELL1)과 권선 대비 같은 위치의 배터리 셀 일 수 있다.

상기한 것처럼, 제3 구간의 적어도 일부를 포함하도록 제3 배터리 셀(CELL3)의 제3 스위치(S3)를 턴-온 시킴으로써 제1 권선(L1)에서 발생하는 누설 인덕턴스(Lleak1)에 역방향의 전압이 인가되고, 누설 인덕턴스(Lleak1)로 인해 제1 권선(L1)을 통해 제2 배터리 셀(CELL2)로 에너지가 누설되는 것을 완화할 수 있다.

도 8 내지 도 10에서 설명된 플라이 백 방식의 에너지 전달은 제1 배터리 셀(CELL1)에서 제4 배터리 셀(CELL4)로 에너지가 전달되는 것을 예시하였으나, 상기한 플라이 백 부스트 형식의 에너지 전달은 제2 배터리 셀(CELL2)에서 제3 배터리 셀(CELL3)로 에너지를 전달하거나 제3 배터리 셀(CELL3)에서 제2 배터리 셀(CELL2)로 에너지를 전달하거나 제4 배터리 셀(CELL4)에서 제1 배터리 셀(CELL1)로 에너지를 전달하는 등, 다른 권선에 연결되고, 권선 대비 다른 위치에 배치된 배터리 셀 간의 에너지 전달에서도 상기한 것과 같은 방식으로 사용될 수 있다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 도 8 내지 도 10의 실시예에 따라 동작하는 배터리 관리 시스템의 전류 변화를 나타내기 위한 도면이다.

도 11은 상기한 플라이 백 방식으로 에너지를 전달할 때, 상기한 도 8 내지 도 10에서 에너지를 전달하고자 하는 배터리 셀(CELL1)에서 에너지를 받고자 하는 배터리 셀(CELL4)의 사이에 제3 스위치(S3)의 작동이 이루어지지 않는 경우의 전류 변화량을 예시한 것이고, 도 12는 도 8 내지 도 10에서 에너지를 전달하고자 하는 배터리 셀(CELL1)에서 에너지를 받고자 하는 배터리 셀(CELL4)의 사이에 제3 스위치(S3)의 작동이 이루어진 경우의 전류 변화량을 예시한 것이다.

도 11과 도 12에서 S1은 제1 스위치(S1)가 턴-온을 유지하고 있는 제1 구간으로 이해될 수 있고, S4는 제4 스위치(S4)가 턴-온을 유지하는 제2 구간(t2~t3)으로 이해될 수 있다.

도 11에서 제3 스위치(S3)가 동작하지 않는 경우, 제1 권선(L1)에 충전되는 전류(i1)의 양이 제1 구간(t0~t1)동안 늘어나다가 제1 구간이 종료되고 제2 구간(t2~t4) 전의 구간(t1~t2) 동안 제1 권선(L1)에 흐르는 전류가 비교적 느리게 줄어들고, 제2 권선(L2)에 충전되는 전류(i2)도 이에 대응하여 비교적 느리게 늘어나는 것을 알 수 있다. 제2 권선(L2)에 충전되는 전류(i2)는 제2 구간(t2~t4) 동안 증가하는 속도가 조금씩 빨라지고, 제1 권선(L1)에 흐르는 전류는 감소하는 기울기가 커지다가 t3에 이르러서야 그 양이 0이 되는 것을 알 수 있다. 상기한 것 과 같이 플라이 백 방식의 에너지 전달에 있어서 누설 인덕턴스(Lleak1)에 의해 인접한 배터리 셀(CELL2)로 유출되는 에너지로 인하여 배터리 셀 간의 밸런싱 효율이 저하되는 문제점이 있다.

반면 도 12를 참조하면, 제1 구간(t0~t1)과 제2 구간(t2~t3)의 사이의 제3 구간(t1~t2)에서 제3 스위치(S3)의 턴-온을 유지함으로써 제1 권선(L1)을 공유하는 인접한 배터리 셀(CELL2)로 유출되는 에너지가 빠르게 줄어드는 것을 알 수 있다. 따라서 제1 배터리 셀(CELL1)의 에너지가 상대적으로 많이 제4 배터리 셀(CELL4)로 전달될 수 있게 된다. 도 12에서는 제3 스위치(S3)가 제3 구간(t1~t2)의 시작에 대응하여 턴-온되고, 제3 구간(t1~t2)의 종료에 대응하여 턴-오프 되는 것을 예시하여 표현하였으나, 제3 스위치(S3)가 턴-온을 유지하는 구간은 이에 한정되지 않고, 제3 구간(t1~t2) 중 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 턴-온이 유지될 수 있다

도 13 내지 도 14는 도 1의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 권선들이 복수의 코어에 연결되는 것을 나타내기 위한 회로도이다.

도 13과 도 14를 참조하면, 밸런싱 회로(200)의 권선들은 도 1과 같이 하나의 코어에 모든 권선들이 연결된 것이 아닌 복수의 코어에 연결되도록 배치될 수 있다. 도 13 및 도 14는 밸런싱 회로(200)의 권선과 코어를 포함하는 변압기들이 2권선 변압기로 구성되는 것을 예시한다.

보다 상세하게, 도 13에서 배터리(C1, C2)에 연결된 권선(L11)은 도 14의 권선(L12)과 같은 코어를 공유하는 2권선 변압기의 권선일 수 있고, 도 13에서 배터리(C3, C4)에 연결된 권선(L21)은 도 14의 권선(L22)과 같은 코어를 공유하는 2권선 변압기일 수 있다. 이러한 식으로, 도 13에서 각 배터리(C1, C2 내지 C2n-1, C2n)에 연결된 각 권선들(L11, L21 내지 Ln1)은 도 14의 권선들(L12, L22 내지 Ln2)와 각각 코어를 공유하는 2권선 변압기일 수 있다. 도 14의 권선들(L12, L22 내지 Ln2)은 서로 병렬 연결됨으로써 변압기 간의 에너지 전달을 수행할 수 있다.

도 15 내지 도 16은 도 1의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 권선들이 복수의 코어에 연결되는 것을 나타내기 위한 다른 회로도이다.

도 15와 도 16을 참조하면, 밸런싱 회로(200)의 권선들은 도 1과 같이 하나의 코어에 모든 권선들이 연결된 것이 아닌 복수의 코어에 연결되도록 배치될 수 있다. 도 15 및 도 16은 밸런싱 회로(200)의 권선과 코어를 포함하는 변압기들이 3권선 변압기로 구성되는 것을 예시한다.

보다 상세하게, 도 15에서 배터리(C1 내지 C4)에 연결된 권선(L11)과 권선(L12)은 도 16의 권선(L13)과 같은 코어를 공유하는 3권선 변압기의 권선일 수 있다. 이러한 식으로, 도 15에서 각 배터리(C1, C2, C3, C4 내지 C4n-3, C4n-2, C4n-1, C4n)에 연결된 각 권선들(L11, L12 내지 Ln1, Ln2)은 도 16의 권선들(L13 내지 Ln3)과 각각 코어를 공유하는 3권선 변압기일 수 있다.

도 16의 권선들(L13 내지 Ln3)은 서로 병렬 연결됨으로써 변압기 간의 에너지 전달을 수행할 수 있다.

도 13 내지 도 16에서와 같이 밸런싱 회로(200)의 권선들은 하나 또는 그 이상의 코어에 연결될 수 있다. 이를 통해 배터리 관리 시스템의 구성을 유동성을 향상시키고 필요에 따라 배치를 변경할 수 있도록 하여 배터리 관리 시스템의 생산을 용이하게 할 수 있다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 도시하는 블록도이다. 도 17에 있어서, 앞서 설명된 내용과 중복되는 내용에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 17을 참조하면, 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 유닛들(11, 12, 13, 14)를 포함하는 배터리 유닛부(10)와 배터리 유닛들 간의 에너지 밸런싱을 수행하는 배터리 유닛 제어 회로(20)를 포함할 수 있다.

배터리 유닛부(10)는 하나 이상의 배터리 유닛을 포함할 수 있고, 배터리 유닛부(10)에 포함되는 배터리 유닛은 도 17과 같이 4개에 한정되지 않고 적어도 하나 이상일 수 있다. 배터리 유닛부(10)에 포함되는 배터리 유닛들(11, 12, 13, 14) 중 적어도 하나 이상은 앞서 설명한 도 1과 같이 소스 배터리 셀, 타겟 배터리 셀, 미들 배터리 셀 및 제어 회로를 포함할 수 있다.

도 17에 따른 배터리 관리 시스템에서 배터리 유닛부(10)에 포함되는 배터리 유닛들(11, 12, 13, 14)은 서로 직렬 연결되어 전력 공급 장치에 배치될 수 있고, 서로 동일한 규격으로 제작되는 배터리일 수 있다. 배터리 유닛들(11, 12, 13, 14)은 도 1에서 설명된 배터리 관리 시스템을 포함하여 구성될 수 있다.

배터리 유닛 제어 회로(20)는 배터리 유닛들 간의 에너지 밸런싱을 수행하고, 여기서 에너지 밸런싱은 각 배터리 유닛의 개방 전압을 측정하고, 개방 전압이 높은 배터리 유닛에서 개방 전압이 낮은 배터리 유닛으로 에너지를 전달하는 능동 밸런싱 방법이 사용될 수 있다. 배터리 유닛 제어 회로(20)는 도 1의 제어 회로(200)와 같은 방식으로 각 배터리 유닛들의 에너지 밸런싱을 수행할 수 있고, 이를 위해 배터리 유닛 제어 회로(20)는 배터리 유닛들을 제어 하기 위한 제어 신호를 제공할 수 있다. 또한, 배터리 유닛부(10)의 배터리 유닛들은 도 1의 배터리 셀들(CELL1 내지 CELL4)과 같은 방식으로 서로 연결될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 배터리 스트링 200: 밸런싱 회로
300: 제어 회로

Claims

소스 배터리와 소스 제어 신호에 대응하여 상기 소스 배터리의 방전을 제어하기 위한 소스 스위치를 포함하는 소스 배터리 셀;
타겟 배터리와 타겟 제어 신호에 대응하여 상기 타겟 배터리의 충전을 제어하기 위한 타겟 스위치를 포함하는 타겟 배터리 셀;
미들 배터리와 미들 제어 신호에 대응하여 상기 미들 배터리를 제어하기 위한 미들 스위치를 포함하는 미들 배터리 셀; 및
상기 소스 스위치가 턴-온을 유지하는 제1 구간과 상기 타겟 스위치가 턴-온을 유지하는 제2 구간의 가운데인 제3 구간 중 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 상기 미들 스위치의 턴-온을 유지시키는 상기 미들 제어 신호와 상기 소스 제어 신호 및 상기 타겟 제어 신호를 제공하는 제어 회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 소스 배터리 셀과 상기 타겟 배터리 셀은 제1 권선을 포함하고,
상기 소스 배터리와 상기 타겟 배터리는 직렬 연결되고,
상기 미들 배터리 셀은 상기 미들 배터리의 제1 극과 연결되고 상기 제1 권선과 코어를 공유하는 제2 권선을 포함하는 배터리 관리 시스템.
제2 항에 있어서, 상기 소스 배터리 셀과 상기 타겟 배터리 셀은 상기 타겟 배터리의 제1 극과 상기 소스 배터리의 제2 극에 일단이 연결되는 상기 제1 권선을 서로 공유하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 소스 배터리 셀은 상기 소스 배터리의 제1 극과 연결되는 제1 권선을 포함하고,
상기 타겟 배터리와 상기 미들 배터리는 직렬 연결되고,
상기 타겟 배터리 셀과 상기 미들 배터리 셀은 상기 제1 권선과 코어를 공유하는 제2 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제4 항에 있어서, 상기 타겟 배터리 셀과 상기 미들 배터리 셀은 상기 타겟 배터리의 제2 극과 상기 미들 배터리의 제1 극에 일단이 연결되는 상기 제2 권선을 서로 공유하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제2 항 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 권선과 상기 제2 권선은 서로 다른 코어에 연결되고, 상기 서로 다른 코어는 각각에 연결된 다른 권선들을 통해 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는
상기 제3 구간 내에서 상기 미들 스위치가 턴-온을 유지하도록 상기 미들 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 소스 배터리와 상기 타겟 배터리와 상기 미들 배터리는
직렬 연결되는 하나의 배터리 스트링에 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는
상기 제2 구간이 시작되기 전에 상기 미들 스위치가 턴-오프 되도록 상기 미들 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는
상기 제1 구간이 종료된 후 상기 미들 스위치가 턴-온 되도록 상기 미들 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는
배터리의 개방 전압을 측정하는 측정부; 와
상기 측정부의 측정 결과에 따라, 기준 전압 보다 높은 개방 전압을 가지는 배터리를 소스 배터리로 판단하고 상기 기준 전압 보다 낮은 개방 전압을 가지는 배터리를 타겟 배터리로 판단하고 제어 신호들을 제공하는 제어부; 를 포함하는 배터리 관리 시스템.
하나 이상의 배터리 유닛들을 포함하는 배터리 유닛부; 및
상기 복수의 배터리 유닛들 간의 에너지 밸런싱을 수행하는 배터리 유닛 제어 회로; 를 포함하고,
상기 복수의 배터리 유닛 중 적어도 하나 이상은
소스 배터리와 소스 제어 신호에 대응하여 상기 소스 배터리의 방전을 제어하기 위한 소스 스위치를 포함하는 소스 배터리 셀;
타겟 배터리와 타겟 제어 신호에 대응하여 상기 타겟 배터리의 충전을 제어하기 위한 타겟 스위치를 포함하는 타겟 배터리 셀;
미들 배터리와 미들 제어 신호에 대응하여 상기 미들 배터리를 제어하기 위한 미들 스위치를 포함하는 미들 배터리 셀; 및
상기 소스 스위치가 턴-온을 유지하는 제1 구간과 상기 타겟 스위치가 턴-온을 유지하는 제2 구간의 가운데인 제3 구간 중 적어도 일부를 포함하는 구간 동안 상기 미들 스위치의 턴-온을 유지시키는 상기 미들 제어 신호와 상기 소스 제어 신호 및 상기 타겟 제어 신호를 제공하는 배터리 셀 제어 회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.