KR20080074582A - 전하 균일 장치 - Google Patents

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KR20080074582A
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Abstract

본 발명은 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있고, 직렬 연결된 배터리의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있으며, 현재 충전되는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 전하 균일 장치에 관한 것이다.
충방전 제어 스위치, 전하 균일, 재분배 스위치

Description

전하 균일 장치{Charge Equalization Apparatus}
도 1은 종래 기술에 따른 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 전압 검출 및 구동신호 생성부를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 전하 균일 장치에서 배터리의 전하를 균일하게 하기 위한 폐 루프를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 전하 균일 장치에서 배터리의 전하를 균일하게 하기 위한 폐 루프를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 전하 균일 장치에서 배터리의 전하를 균일하게 하기 위한 폐 루프를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10, 100 : 전압 검출 및 구동신호 생성부
102 : 센싱부 104 : 마이크로 프로세서
106 : 스위치 구동회로부
본 발명은 배터리 전하 균일 장치에 관한 것으로, 특히 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있고, 직렬 연결된 배터리의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있으며, 현재 충전되는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 전하 균일 장치에 관한 것이다.
많은 시스템(system)은 직렬로 연결되는 복수의 각각의 배터리 셀(battery cell)을 포함하는 배터리 팩(battery pack) 또는 배터리 어레이(battery array)로서 구성되는 배터리(battery)를 이용하고 있다.
이러한 배터리 셀은 정격 충전 범위보다 현저하게 높게 충전되거나 또는 정격 충전 범위보다 낮게 방전되는 경우 위험할 수 있다.
이러한 배터리 셀의 충전 상태의 불균형은 여러 가지 원인으로부터 발생 되며, 제조중에 또는 배터리의 충전 또는 방전 중 발생 된다. 리튬 이온 셀의 경우에 공장에서 셀의 제조는 배터리 어레이의 셀간의 용량의 차이를 최소화하도록 엄밀하게 제어된다. 그렇지만, 셀의 불평형 또는 불일치는 애초 공장에서 제조 후에 일치 하고 있던 상태와 관계없이 여러 가지 다른 요인에 의해 발생 된다.
셀의 불평형에 영향을 미치는 요인들은 예를 든다면, 각각의 셀의 화학반응, 셀의 임피던스, 자기 방전의 속도, 용량의 감소, 동작 온도의 변동과 각각의 셀 사이의 다른 변동이 포함된다.
셀의 온도의 불일치는 셀 불일치의 중요한 요인이다. 예를 들면, 배터리 셀에는 "자가 방전(self discharge)"이 있는데 이것은 배터리 온도의 함수이며, 온도가 높은 배터리가 온도가 낮은 배터리보다 전형적으로 보다 큰 자기 방전율을 나타낸다. 그 결과, 온도가 높은 배터리는 온도가 낮은 배터리보다 시간에 걸쳐 낮은 충전 상태를 나타낸다.
배터리의 셀의 충전 상태에 있어서 불균형은 심각한 문제이다. 예를 들면 전기 차량에 있어서 전형적으로 발생할 수 있는 것으로 배터리의 에너지 공급 능력은 가장 낮은 충전 상태에 있는 배터리 셀에 의하여 제한된다.
이 배터리 셀이 소모된다면, 다른 배터리 셀은 에너지 공급을 계속할 수 있는 능력을 상실한다. 이것은, 다른 배터리 셀이 아직 전력을 공급할 수 있는 능력이 있다고 해도 마찬가지이다. 따라서, 배터리 셀의 충전 상태의 불균형은 배터리의 전력 공급 능력을 감소시킨다.
물론, 위에서 설명한 것은 하나 또는 그 이상의 배터리 셀이 소모된 경우에 전혀 다른 배터리 셀에 의한 전력 공급이 불가능 하다는 말은 아니다. 다만, 직렬 연결의 경우 하나 또는 그 이상의 배터리 셀이 완전히 방전해 버려도, 나머지 배터리 셀에 아직 전하가 남아 있다면 그래도 사용은 계속할 수 있지만, 그렇게 된다면 방전이 완료된 배터리 셀에 반전 극성의 전압이 생기고, 그 결과 그 배터리 셀이 과열되거나 가스가 발생하여 폭발해 버릴 위험성이 있기 때문에 전력 공급 능력을 상실한다는 의미이다.
배터리 셀의 충전 상태의 불균형을 바로잡는 여러 가지 방법이 제안되어 있으며 그 중 한 가지 방법이 도 1에 도시되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 중앙 집중형 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 중앙 집중형 전하 균일 장치는 변압기(T), N개의 반도체 스위칭 소자(D1 내지 Dn), 제어 스위치(SW) 및 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)를 포함한다.
변압기(T)는 1개의 1차 권선과 N개의 2차 권선을 갖고, N개의 2차 권선이 하나의 공통 코어에 묶여 있으며, 1차 권선과 2차 권선은 서로 다른 극성을 갖는다. 다시 말해, 1차 권선의 도트(dot)와 2차 권선의 도트는 서로 다른 곳에 위치한다. 이러한, 변압기(T)의 2차 권선은 모두 동일한 권선 수를 갖고, 1차 권선과 2차 권선의 권선비는 N1:N2이다.
반도체 스위칭 소자(D1 내지 Dn)는 2차 권선의 일단과 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+) 사이에 연결되어 2차 권선에서 배터리(B1 내지 Bn)로 공급되는 에너지를 정류한다.
제어 스위치(SW)는 1차 권선에 직렬로 연결되어 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)로부터 공급되는 구동신호에 따라 폐 회로를 형성한다.
전압 검출 및 구동신호 생성부(10)는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 각각 의 전압을 검출하고, 검출된 전압을 기준 전압과 비교하여 기준전압보다 큰 전압이 충전 즉, 과충전된 배터리의 전압을 방전시키기 위한 구동신호를 생성한다.
이러한, 종래의 중앙 집중형 전하 균일 장치의 전하 균일 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)가 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다.
이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1내지 Bn) 중 어느 하나의 배터리에서 검출된 전압이 기준전압보다 높을 경우 제어 스위치(SW)를 켠다.
이에 따라, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 에너지가 변압기(T)의 1차 권선에 자기 에너지로 변환되어 저장된다.
이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)는 제어 스위치(SW)를 끄면, 변압기(T)의 1차 권선에 저장된 자기 에너지는 전하로 변환되어 2차 권선과 반도체 스위칭 소자(D1 내지 Dn)를 통해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 충전된다.
이때, 제어 스위치(SW)가 꺼진 동안 변압기(T)의 공통 코어에 묶인 2차 권선을 통해 상대적으로 전위가 낮은 배터리로 더욱더 많은 전하가 이동함으로써 전하 균일이 이루어진다.
그러나, 이와 같은 종래의 중앙 집중형 전하 균일 장치는 하나의 공통 코어에 배터리 수만큼의 2차 권선이 묶여 있기 때문에 직렬 연결된 배터리의 수가 증가 하게 되면 증가 된 배터리 수만큼 2차 권선을 하나의 공통 코어에 묶어야 하기 때문에 변압기(T)의 2차 권선 제작이 어려워질 뿐만 아니라 변압기(T)의 2차 권선에 대한 1차 권선의 권수 비가 직렬 연결된 배터리 수만큼 증가하기 때문에 배터리 수가 증가할수록 1차 권선 제작이 어려워지는 문제가 있다.
또한, 종래의 중앙 집중형 전하 균일 장치는 하나의 공통 코어에 배터리 수만큼의 2차 권선이 묶여 있기 때문에 직렬 연결된 배터리의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 각각 제어할 수 없을 뿐만 아니라 현재 충전되는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 없는 문제가 있다.
이에 따라, 직렬 연결된 배터리의 전압 균일 시 일부 배터리에서 과충전 및 과방전이 발생 될 수 있는 문제가 발생 된다.
따라서, 본 발명은 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있는 전하 균일 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 직렬 연결된 배터리의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있는 전하 균일 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
마지막으로, 본 발명은 현재 충전되는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 전하 균일 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리와 각각 병렬로 연결되어 상기 N개의 배터리 중 과충전된 배터리로부터 방전된 에너지를 저장하고 저장된 에너지로 상기 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시키는 N개의 변압기; 상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하기 위해 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선 일단과 상기 배터리 중 첫 번째 배터리의 양극 사이에 각각 연결된 N개의 충방전 제어 스위칭부; 상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하기 위해 상기 N개의 변압기 1차 권선 타단의 공통단자와 접지 사이에 연결된 재분배 스위치; 상기 N개의 변압기 각각의 2차 권선 일단과 상기 배터리의 양극 사이에 각각 연결된 N개의 제 1 반도체 스위칭 소자; 및 상기 직렬 연결된 N개의 배터리 각각의 전압을 검출하고 검출된 전압에 따라 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하여 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치의 구동을 제어하는 전압 검출 및 구동신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 1개의 1차 권선과 2개의 2차 권선을 구비하고, 과충전된 배터리로부터 방전된 에너지를 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리에 충전시키기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리와 각각 병렬로 연결된 N개의 변압기; 상기 직렬 연결된 N개의 배터리와 병렬 연결된 제 1 전하 충전 장치 및 제 2 전하 충전 장치; 상기 직렬 연결된 N개의 배터리와 병렬로 연결되어 상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하는 제 1 재분배 스위치 및 제 2 재분배 스위치; 상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하기 위해 상기 제 1 재분배 스위치 및 제 2 재분배 스위치의 공통단과 상기 변압기의 1차 권선 일단 사이에 각각 연결된 N개의 충방전 제어 스위칭부; 상기 N개의 변압기의 제 1 2차 권선과 상기 배터리의 양극에 각각 연결된 N개의 제 1 반도체 스위칭 소자; 및 상기 N개의 변압기의 제 2 2차 권선과 상기 배터리의 양극에 각각 연결된 N개의 제 2 반도체 스위칭 소자; 및 상기 직렬 연결된 N개의 배터리 각각의 전압을 검출하고 검출된 전압에 따라 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하여 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치의 구동을 제어하는 전압 검출 및 구동신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결된 N개의 변압기(T1 내지 Tn), N개의 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선의 일단과 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 첫 번째 배터리(B1)의 양극(+) 사이에 각각 직렬로 연결된 N개의 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 N개의 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n), N개의 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선의 일단과 배터리(B1 내지 Bn)의 양극 사이에 각각 직렬로 연결된 N개의 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n), 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 타단의 공통단자와 접지(GND) 사이에 연결된 재분배 스위치(CSW) 및 배터리(B1 내지 Bn)의 전압을 검출하고 검출된 값을 이용하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)의 동작을 제어하는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)를 포함한다.
변압기(T1 내지 Tn) 각각은 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 기준전압보다 높은 전압을 갖는 배터리 즉, 과충전된 배터리의 전압을 기준전압으로 낮추고, 기준전압보다 낮은 전압을 갖는 배터리 즉, 과방전된 배터리의 전압을 기준전압으로 높이기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결된다.
이러한, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 일단(도트가 형성되어 있는 단자)은 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)를 통해 직렬 연결된 배터리 중 첫 번째 배터리(B1)의 양극(+)에 공통으로 연결되고, 1차 권선의 타단(도트가 형성되어 있지 않은 단자)은 재분배 스위치(CSW)의 일단에 공통으로 연결된다.
또한, 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 일단(도트가 형성되어 있지 않은 단자)은 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)를 통해 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+)에 연결되고, 2차 권선의 타단(도트가 형성되어 있는 단자)은 배터리(B1 내지 Bn)의 음극(-)에 각각 연결된다.
이때, 변압기(T1 내지 Tn)는 1차 권선과 2차 권선의 극성이 서로 반대인즉, 1차 권선에 형성된 도트(Dot)와 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 다른 플라이백(Flyback) 형태로 구성되고, 변압기(T1 내지 Tn) 각각의 1차 권선과 2차 권선의 권선비는 N1:N2이다. 이때, N1은 N2보다 큰 값을 갖는다.
여기서, 변압기(T1 내지 Tn)는 1차 권선과 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 다른 플라이 백 형태가 사용되었으나, 1차 권선과 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 동일한즉, 극성이 동일한 포워드(Forward) 형태가 사용될 수도 있다.
충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 각각은 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+)과 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)의 애노드 사이에 연결되어 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 하이(HIGH) 상태의 제 1 구동신호에 의해 켜져 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 과충전된 배터리로부터 방전되는 에너지를 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 공급하고, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 로우(LOW) 상태의 제 2 구동신호에 의해 꺼져 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에는 전류가 흐르지 않도록 차단한다.
이를 위해, 과충전된 배터리와 병렬 연결된 충방전 제어 스위치는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급받고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 충방전 제어 스위치는 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급받는다.
이에 따라, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에는 전류가 흐르는 반면, 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1 차 권선에는 충방전 제어 스위치에 의해 차단되므로 전류가 흐르지 않게 된다.
이러한, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 중 과방전된 배터리의 검출된 전압 값에 따라 서로 다른 타이밍으로 온/오프 된다.
다시 말해, 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 중 첫 번째 배터리(B1)와 세 번째 배터리(B3)가 과방전되어 있을 경우 두 배터리 중 더 작은 전압 값을 갖는 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 더 많은 에너지가 공급되도록 동작하게 된다.
즉, 두 배터리 중 더 작은 전압 값을 갖는 배터리는 더 오랜 시간 동안 충전되도록 더 긴 하이 상태의 구동신호가 공급되고, 상대적으로 더 높은 전압 값을 갖는 배터리는 더 짧은 시간 동안 충전되도록 더 짧은 시간을 갖는 하이 상태의 구동신호를 공급한다. 이로 인해, 과방전된 두 배터리가 기준전압으로 균일해지게 된다.
이를 위해, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 서로 다른 타이밍 또는 동일한 타이밍을 갖는 제 1 구동신호 및 제 2 구동신호를 공급받는다.
이러한, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 N타입 MOSFET로 구성되었으나, 이에 한정되지 않고 P타입 MOSFET, BJT, 다이오드, 릴레이 등의 스위치 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 변압기(T1 내지 Tn) 1차 권선의 일단과 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 사이에 연결되어 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터의 에너지가 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급되도록 동작한다.
또한, 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로부터의 전하가 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급될 때 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 저장된 에너지가 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로 공급되는 것을 방지한다.
이러한, 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 사이에 연결되어 있으나 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 중 첫 번째 배터리(B1)의 양극(+)과 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 사이에 연결될 수도 있다.
다시 말해, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)의 위치가 바뀔 수도 있다.
여기서, 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 다이오드로 구성되어 있으나, MOSFET, BJT, 릴레이 등의 스위칭 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이와 같은, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)를 충전 또는 방전시킬 때 충방전 경로를 형성하고, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선으로부터 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로 전하가 공급되는 것을 방지하기 때문에 충방전 제어 스위칭부로 명명할 수 있다.
이때, 충방전 제어 스위칭부는 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)에 의해 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선으로부터의 전하가 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로 공급되는 것을 방지하기 때문에 단방향으로만 동작한다.
그러나, 충방전 제어 스위칭부의 충방전 제어 스위치와 제 1 반도체 스위칭 소자가 동일한 타입의 MOSFET로 구성되고, 내부 다이오드가 서로 반대 방향으로 배치될 경우 양방향으로 동작할 수 있다. 이때, 충방전 제어 스위치 및 제 1 반도체 스위칭 소자의 게이트에는 동일한 구동신호가 공급되어야 한다. 이에 대한 자세한 설명은 도 9에 도시된 본 발명의 또 다른 실시 예에서 설명하기로 한다.
제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)는 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 일단과 배터리(B1 내지 Bn)의 양극 사이에 연결되어 2차 권선으로부터의 에너지가 배터리(B1 내지 Bn)에 공급되도록 동작한다.
또한, 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)는 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선으로부터의 에너지가 배터리(B1 내지 Bn)에 공급될 때 배터리(B1 내지 Bn)로부터의 전하가 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선에 공급되는 것을 방지한다.
이러한, 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)는 다이오드로 구성되었으나, MOSFET, BJT, 릴레이 등의 스위칭 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
재분배 스위치(CSW)는 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 타단의 공통 단자와 접지(GND) 사이에 연결되어 과충전된 배터리로부터 방전되는 에너지가 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 공급되도록 폐루프(Closed loop)를 형성하고, 과충전되지 않은 변압기의 1차 권선에 공급된 에너지 를 2차 권선에 전달하는 역할을 한다.
다시 말해, 재분배 스위치(CSW)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 하이 상태의 제 3 구동신호에 의해 켜져 직렬 연결된 배터리로부터 방전되는 에너지가 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 공급되도록 폐 루프를 형성한다. 또한, 재분배 스위치(CSW)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 로우 상태의 제 4 구동신호에 의해 꺼져 과충전되지 않은 변압기의 1차 권선에 저장된 에너지를 2차 권선으로 전달시킨다.
이를 위해, 재분배 스위치(CSW)는 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 동시에 온/오프 되거나 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)가 온/오프 된 후 온/오프 된다.
이러한, 재분배 스위치(CSW)는 N타입 MOSFET로 구성되었으나, 이에 한정되지 않고 P타입 MOSFET, BJT, 다이오드, 릴레이 등의 스위치 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출하고 검출된 전압을 기준전압과 비교하여 검출된 전압이 기준전압보다 클 경우 기준전압보다 큰 전압이 충전 즉, 과충전된 배터리를 방전시키고 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시키기 위해 하이 상태의 제 1 구동신호 및 제 3 구동신호와 로우 상태의 제 2 구동신호 및 제 4 구동신호를 생성하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 공급한다. 여기서, 기준전압은 배터리(B1 내지 Bn)로부터 검출된 전압의 평균전압을 의미한다.
이러한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 과충전된 배터리와 직렬 연결된 충방전 제어 스위치에는 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급하고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 충방전 제어 스위치에는 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급한다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 배터리로부터 에너지를 방전시킬 경우 하이 상태의 제 3 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급하고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시킬 경우 로우 상태의 제 4 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급한다.
여기서, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 거의 모든 충방전 제어 스위치가 켜진 시점 혹은 배터리의 전하 균일이 거의 완료되는 시점에서 임의의 소수 배터리로만 전하가 충전될 때 좁은 시비율의 PWM(Pulse Width Modulation)으로 형성된 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급한다. 이는 현재 충전되고 있는 배터리로 전류가 과도하게 흐르는 것을 막기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리에서 처음부터 적은 양의 전하를 방전시키기 위함이다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 온/오프 되는 타이밍이 동일하거나 서로 다른 제 1 구동신호 및 제 2 구동신호를 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 공급한다.
이에 따라, 과방전된 배터리 중 상대적으로 낮은 전압을 갖는 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 많은 에너지가 공급되고, 상대적으로 높은 전압을 갖는 배터리와 연결된 변압기의 1차 권선에 적은 에너지가 공급된다.
이러한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 제 1 구동신호, 제 2 구동신호, 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 동시에 공급하거나 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 제 1 구동신호 또는 제 2 구동신호를 공급한 후 재분배 스위치(CSW)에 제 3 구동신호 또는 제 4 구동신호를 공급한다.
이를 위해, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 센싱부(102), 마이크로 프로세서(104), 스위치 구동 회로부(106)를 포함한다.
센싱부(102)는 각각의 배터리(B1 내지 Bn)에 연결되어 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다.
마이크로 프로세서(104)는 센싱부(102)에 의해 검출된 배터리(B1 내지 Bn)의 평균전압을 기준전압으로 설정하여 기준전압과 센싱부(102)에 의해 검출된 전압이 기준전압보다 높거나 높아질 우려가 있다고 판단될 경우 배터리를 충/방전시키기 위한 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)의 온/오프 시간을 설정한다.
스위치 구동회로부(106)는 마이크로 프로세서(104)로부터 입력되는 신호에 따라 제 1 구동신호, 제 2 구동신호, 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 생성하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 각각 공급한다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 수에 관계없이 용량이 작은 변압기를 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결함으로써 우수한 전하 균일 특성을 유지하는 동시에 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 직렬 연결된 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)로 인해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 배터리의 전하 균일이 거의 완료되는 시점 또는 거의 모든 충방전 제어 스위치가 켜진 시점에서 임의의 소수 배터리로 과전류가 흐를 경우 재분배 스위치(CSW)에 인가되는 구동신호의 PWM 시비율을 제어함으로써 현재 충전되고 있는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 이용하여 직렬 연결된 배터리의 전압을 균일하게 하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 전기적 충전 장치 또는 전기적 부하가 연결되어 있지 않은 상태에서 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전하 균일을 수행하는 것을 원칙으로 하나 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선과 재분배 스위치(CSW)가 우회회로(bypass circuit)로 작용할 만큼 전류 수용 용량이 크거나 충전되는 전류나 방전되는 전류의 크기가 작은 경우에는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 전기적 충전 장치 또는 전기적 부하가 걸려있더라도 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전하를 균일하게 할 수 있다.
먼저, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다.
이때, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 일부 배터리에서 기준전압보다 높거나 높아질 우려가 있다고 판단될 경우 과충전된 배터리 또는 과충전되려는 배터리는 방전시키고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리 즉, 과방전된 배터리는 충전시키기 위해 과충전된 배터리와 병렬로 연결되는 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결된 충방전 제어 스위치에 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급하고, 과방전된 배터리와 병렬 연결되어 있는 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결된 충방전 제어 스위치에 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급한다.
이에 따라, 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결되어 있는 충방전 제어 스위치는 꺼지고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결되어 있는 충방전 제어 스위치는 켜지게 된다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 하이 상태의 제 3 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급하여 재분배 스위치(CSW)를 켠다.
이때, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 충방전 제어 스위치와 재분배 스위치에 제 1 구동신호, 제 2 구동신호 및 제 3 구동신호를 동시에 공급하여 충방전 제어 스위치와 재분배 스위치를 동시에 동작시키거나 충방전 제어 스위치에 제 1 구동신호 및 제 2 구동신호를 공급하여 충방전 제어 스위치를 구동시킨 후 재분 배 스위치를 구동시킨다.
이로 인해, 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 전하가 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리 즉, 과방전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 자기 에너지로 변환되어 저장된다.
예를 들면, 첫 번째 배터리(B1)와 N번째 배터리(Bn)를 제외한 나머지 배터리가 과충전되어 있을 경우 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 제 1 충방전 제어 스위치(SW1) 및 제 N 충방전 제어 스위치(SW)에 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급하고, 나머지 충방전 제어 스위치(SW2 내지 SWn-1)에는 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급한다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 하이 상태의 제 3 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급한다.
이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 변압기(T1) 및 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선에는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 전하가 자기 에너지로 변환되어 저장되고, 제 1 변압기(T1) 및 제 N 변압기(Tn)를 제외한 나머지 변압기(T2 내지 Tn-1)에는 에너지가 충전되지 않게 된다.
즉, 제 2 스위치(SW2) 내지 제 N-1 스위치(SWn-1)는 직렬 연결된 베터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 전하가 제 2 변압기(T2) 내지 제 N-1 변압기(Tn-1)의 1차 권선에 저장되지 않도록 개방회로(open circuit)를 형성한다.
이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 로우 상태의 제 4 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급하여 재분배 스위치(CSW)를 끈다.
이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이 역기전력이 발생 되어 첫 번째 배터리(B1) 및 N번째 배터리(Bn)와 병렬 연결된 변압기(T1, Tn)의 1차 권선에 저장된 에너지는 2차 권선으로 전달되어 전하로 변환되고, 2차 권선에 직렬 연결된 제 2 반도체 스위칭 소자(D21, D2n)를 통해 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리로 공급된다. 이로 인해, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리는 제 2 반도체 스위칭 소자(D21, D2n)를 통해 공급된 전하를 충전하게 된다.
이와 같은 과정은 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 전압이 균일해 질 때까지 반복된다. 이를 위해, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 전압을 계속 검출하여 제 1 구동신호 및 제 2 구동신호를 생성한 후 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 공급 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결된 N개의 변압기(T1 내지 Tn), N개의 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 일단에 각각 직렬로 연결된 N개의 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn), 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 사이에 직렬 연결된 N개의 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n), N개의 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 일단과 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+) 사이에 각각 직렬로 연결된 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n) 및 인덕터(L1 내지 Ln), 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 타단 및 배터리(B1 내지 Bn) 음극의 공통단자와 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n) 및 인덕터(L1 내지 Ln)의 공통단자 사이에 접속된 제 3 반도체 스위칭 소자(D31 내지 D3n), 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 타단과 접지(GND) 사이에 연결된 재분배 스위치(CSW) 및 배터리(B1 내지 Bn)의 전압을 검출하고 검출된 값을 이용하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)의 동작을 제어하는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)를 포함한다.
변압기(T1 내지 Tn) 각각은 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 기준전압보다 높은 전압을 갖는 배터리 즉, 과충전된 배터리의 전압을 기준전압으로 낮추고, 기준전압보다 낮은 전압을 갖는 배터리 즉, 과방전된 배터리의 전압을 기준전압으로 높이기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결된다.
이러한, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 일단(도트가 형성되어 있는 단자)은 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)를 통해 직렬 연결된 배터리 중 첫 번째 배터리(B1)의 양극(+)에 공통으로 연결되고, 1차 권선의 타단(도트가 형성되어 있지 않은 단자)은 재분배 스위치(CSW)의 일단에 공통으로 연결된다.
또한, 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 일단(도트가 형성되어 있는 단자)은 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n) 및 인덕터(L1 내지 Ln)를 통해 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+)에 연결되고, 2차 권선의 타단(도트가 형성되어 있지 않은 단 자)은 배터리(B1 내지 Bn)의 음극(-)에 각각 연결된다.
이때, 변압기(T1 내지 Tn)는 1차 권선과 2차 권선의 극성이 서로 동일한 즉, 1차 권선에 형성된 도트(Dot)와 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 동일한 포워드 형태로 구성되었다. 이러한, 변압기(T1 내지 Tn) 각각의 1차 권선과 2차 권선의 권선비는 N1:N2이다. 이때, N1은 N2보다 큰 값을 갖는다.
충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 각각은 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+)과 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)의 애노드 사이에 연결되어 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 하이(HIGH) 상태의 제 1 구동신호에 의해 켜져 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 에너지를 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 공급하고, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 로우(LOW) 상태의 제 2 구동신호에 의해 꺼져 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에는 전류가 흐르지 않도록 차단한다.
이를 위해, 과충전된 배터리와 병렬 연결된 충방전 제어 스위치는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급받고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 충방전 제어 스위치는 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급받는다.
이에 따라, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에는 전류가 흐르는 반면, 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에는 충방전 제어 스위치에 의해 차단되므로 전류가 흐르지 않게 된다.
이러한, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 중 과방전된 배터리의 전압의 검출된 전압 값에 따라 서로 다른 타이밍으로 온/오프 된다.
다시 말해, 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 중 첫 번째 배터리(B1)와 세 번째 배터리(B3)가 과방전되어 있을 경우 두 배터리 중 더 작은 전압 값을 갖는 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 더 많은 에너지가 공급되도록 동작하게 된다.
즉, 두 배터리 중 더 작은 전압 값을 갖는 배터리는 더 오랜 시간 동안 충전되도록 더 긴 하이 상태의 구동신호가 공급되고, 상대적으로 더 높은 전압 값을 갖는 배터리는 더 짧은 시간 동안 충전되도록 더 짧은 시간을 갖는 하이 상태의 구동신호를 공급한다. 이로 인해, 과방전된 두 배터리가 기준전압으로 균일해지게 된다.
이를 위해, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 서로 다른 타이밍 또는 동일한 타이밍을 갖는 제 1 구동신호 및 제 2 구동신호를 공급받는다.
이러한, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 N타입 MOSFET로 구성되었으나, 이에 한정되지 않고 P타입 MOSFET, BJT, 다이오드, 릴레이 등의 스위치 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 변압기(T1 내지 Tn) 1차 권선의 일단과 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 사이에 연결되어 직렬 연결된 N개의 배 터리(B1 내지 Bn)로부터의 에너지가 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급되도록 동작한다.
또한, 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로부터의 전하가 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급될 때 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 저장된 에너지가 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로 공급되는 것을 방지한다.
이러한, 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 사이에 연결되어 있으나 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 중 첫 번째 배터리(B1)의 양극(+)과 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 사이에 연결될 수도 있다.
다시 말해, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)의 위치가 바뀔 수도 있다.
여기서, 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 다이오드로 구성되어 있으나, MOSFET, BJT, 릴레이 등의 스위칭 소자 중 어느 하나의 소자가 사용될 수 있다.
이와 같은, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)를 충전 또는 방전시킬 때 충방전 경로를 형성하고, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선으로부터 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로 전하가 공급되는 것을 방지하기 때문에 충방전 제어 스위칭부로 명명할 수 있다.
이때, 충방전 제어 스위칭부는 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)에 의해 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선으로부터의 전하가 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로 공급되는 것을 방지하기 때문에 단방향으로만 동작한다.
그러나, 충방전 제어 스위칭부의 충방전 제어 스위치와 제 1 반도체 스위칭 소자가 동일한 타입의 MOSFET로 구성되고, 내부 다이오드가 서로 반대 방향으로 배치될 경우 양방향으로 동작할 수 있다. 이때, 충방전 제어 스위치 및 제 1 반도체 스위칭 소자의 게이트에는 동일한 구동신호가 공급되어야 한다. 이에 대한 자세한 설명은 도 9에 도시된 본 발명의 또 다른 실시 예에서 설명하기로 한다.
제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)는 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 일단과 인덕터(L1 내지 Ln) 사이에 연결되어 2차 권선으로부터의 에너지가 인덕터(L1 내지 Ln)를 통해 배터리(B1 내지 Bn)에 공급되도록 동작한다.
또한, 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)는 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선으로부터의 에너지가 배터리(B1 내지 Bn)에 공급될 때 배터리(B1 내지 Bn)로부터의 전하가 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선에 공급되는 것을 방지한다.
이러한, 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)는 다이오드로 구성되었으나, MOSFET, BJT, 릴레이 등의 스위칭 소자 중 어느 하나의 소자가 사용될 수 있다.
인덕터(L1 내지 Ln)는 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)의 캐소드와 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+) 사이에 연결되어 재분배 스위치(CSW)가 켜질 때 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선에서 공급되는 에너지를 저장하고, 재분배 스위 치(CSW)가 꺼질 때 저장된 에너지를 배터리(B1 내지 Bn)로 공급한다.
제 3 반도체 스위칭 소자(D31 내지 D3n)는 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 타단 및 배터리(B1 내지 Bn)의 음극(-)의 공통단자와 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)의 캐소드 및 인덕터(L1 내지 Ln)의 공통단자 사이에 연결되어 인덕터(L1 내지 Ln)에 저장된 에너지가 배터리(B1 내지 Bn)에 공급되도록 폐 루프(closed loop)를 형성한다.
이러한, 제 3 반도체 스위칭 소자(D31 내지 D3n)는 다이오드로 구성되었으나, MOSFET, BJT, 릴레이 등의 스위칭 소자 중 어느 하나의 소자가 사용될 수 있다.
재분배 스위치(CSW)는 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 타단의 공통 단자와 접지(GND) 사이에 연결되어 직렬 연결된 배터리로부터 방전되는 에너지가 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 공급되도록 폐 루프를 형성하고, 과충전되지 않은 변압기의 1차 권선에 공급된 에너지를 2차 권선에 전달하는 역할을 한다.
다시 말해, 재분배 스위치(CSW)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 하이 상태의 제 3 구동신호에 의해 켜져 과충전된 배터리로부터 방전되는 에너지가 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 공급되도록 폐 루프를 형성한다.
이때, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급된 에너지는 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선으로 전달된다. 다시 말해, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선과 2차 권선의 도트가 동일한 곳에 형성되어 있기 때문에 재분배 스위치(CSW)가 켜질 때 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급된 에너지는 곧바로 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선으로 전달되게 된다.
이에 따라, 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선에 전달된 에너지는 제 3 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n) 및 인덕터(L1 내지 Ln)를 통해 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리 즉, 과방전된 배터리에 공급된다. 이로 인해, 과방전된 배터리가 충전되게 된다.
또한, 재분배 스위치(CSW)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 로우 상태의 제 4 구동신호에 의해 꺼져 인덕터(L1 내지 Ln)에 역기전력을 발생시켜 인덕터(L1 내지 Ln)에 저장된 에너지를 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리에 충전시키게 된다.
이러한, 재분배 스위치(CSW)는 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)와 동시에 온/오프 되거나 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)가 온/오프 된 후 온/오프 된다.
그리고, 재분배 스위치(CSW)는 N타입 MOSFET로 구성되었으나, 이에 한정되지 않고 P타입 MOSFET, BJT, 다이오드, 릴레이 등의 스위치 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출하고 검출된 전압을 기준전압과 비교하여 과충전된 배터리를 방전시키고 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시키기 위해 하이 상태의 제 1 구동신호 및 제 3 구동신호와 로우 상태의 제 2 구동신호 및 제 4 구 동신호를 생성하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 공급한다. 여기서, 기준전압은 배터리(B1 내지 Bn)로부터 검출된 전압의 평균전압을 의미한다.
이러한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결되어 있는 충방전 제어 스위치에는 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급하고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결되어 있는 충방전 제어 스위치에는 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급한다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 과충전된 배터리로부터 에너지를 방전시킬 경우 하이 상태의 제 3 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급하고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시킬 경우 로우 상태의 제 4 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급한다.
여기서, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 거의 모든 충방전 제어 스위치가 켜진 시점 혹은 배터리의 전하 균일이 거의 완료되는 시점에서 임의의 소수 배터리로만 전하가 충전될 때 좁은 시비율의 PWM(Pulse Width Modulation)으로 형성된 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급한다. 이는 현재 충전되고 있는 배터리로 전류가 과도하게 흐르는 것을 막기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리에서 처음부터 적은 양의 전하를 방전시키기 위함이다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 온/오프 되는 타이밍이 동일하거나 서로 다른 제 1 구동신호 및 제 2 구동신호를 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 공급한다.
이에 따라, 과방전된 배터리 중 상대적으로 낮은 전압을 갖는 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 많은 에너지가 공급되고, 상대적으로 높은 전압을 갖는 배터리와 연결된 변압기의 1차 권선에 적은 에너지가 공급된다.
이러한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 제 1 구동신호, 제 2 구동신호, 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 동시에 공급하거나 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 제 1 구동신호 또는 제 2 구동신호를 공급한 후 재분배 스위치(CSW)에 제 3 구동신호 또는 제 4 구동신호를 공급한다.
이를 위해, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 센싱부(102), 마이크로 프로세서(104), 스위치 구동 회로부(106)를 포함한다.
센싱부(102)는 각각의 배터리(B1 내지 Bn)에 연결되어 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다.
마이크로 프로세서(104)는 센싱부(102)에 의해 검출된 배터리(B1 내지 Bn)의 평균전압을 기준전압으로 설정하여 기준전압과 센싱부(102)에 의해 검출된 전압이 기준전압보다 높거나 높아질 우려가 있다고 판단될 경우 배터리를 충/방전시키기 위한 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)의 온/오프 시간을 설정한다.
스위치 구동회로부(106)는 마이크로 프로세서(104)로부터 입력되는 신호에 따라 제 1 구동신호, 제 2 구동신호, 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 생성하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 각각 공급한다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 수에 관계없이 용량이 작은 변압기를 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결함으로써 우수한 전하 균일 특성을 유지하는 동시에 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 직렬 연결된 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)로 인해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 배터리의 전하 균일이 거의 완료되는 시점 또는 거의 모든 충방전 제어 스위치가 켜진 시점에서 임의의 소수 배터리로 과전류가 흐를 경우 재분배 스위치(CSW)에 인가되는 구동신호의 PWM 시비율을 제어함으로써 현재 충전되고 있는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 이용하여 직렬 연결된 배터리의 전압을 균일하게 하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
여기서, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 전기적 충전 장치 또는 전기적 부하가 연결되어 있지 않은 상태에서 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전하 균일을 수행하는 것을 원칙으로 하나 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선과 재분배 스위치(CSW)가 우회회로로 작용할 만큼 전류 수용 용량이 크거나 충전되는 전류나 방전되는 전류의 크기가 작은 경우에는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 전기적 충전 장치 또는 전기적 부하가 걸려있더라도 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전하를 균일하게 할 수 있다.
먼저, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다.
이때, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 일부 배터리에서 기준전압보다 높거나 높아질 우려가 있다고 판단될 경우 과충전된 배터리 또는 과충전되려는 배터리는 방전시키고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리 즉, 과방전된 배터리는 충전시키기 위해 과충전된 배터리와 병렬로 연결되는 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결된 충방전 제어 스위치에 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급하고, 과방전된 배터리와 병렬 연결되어 있는 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결된 충방전 제어 스위치에 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급한다.
이에 따라, 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결되어 있는 충방전 제어 스위치는 꺼지고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 직렬로 연결되어 있는 충방전 제어 스위치는 켜지게 된다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 하이 상태의 제 3 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급하여 재분배 스위치(CSW)를 켠다.
이때, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 충방전 제어 스위치와 재분배 스위치에 제 1 구동신호, 제 2 구동신호 및 제 3 구동신호를 동시에 공급하여 충방전 제어 스위치와 재분배 스위치를 동시에 동작시키거나 충방전 제어 스위치에 제 1 구동신호 및 제 2 구동신호를 공급하여 충방전 제어 스위치를 구동시킨 후 재분배 스위치(CSW)에 제 3 구동신호를 공급하여 재분배 스위치(CSW)를 구동시킨다.
이로 인해, 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 전하가 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리 즉, 과방전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 자기 에너지로 변환되어 저장된다.
예를 들면, 첫 번째 배터리(B1)와 N번째 배터리(Bn)를 제외한 나머지 배터리가 과충전되어 있을 경우 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 제 1 충방전 제어 스위치(SW1) 및 제 N 충방전 제어 스위치(SW)에 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급하고, 나머지 충방전 제어 스위치(SW2 내지 SWn-1)에는 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급한다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 하이 상태의 제 3 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급한다.
이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이 제 1 변압기(T1) 및 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선에는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 전하가 자기 에너지로 변환되어 저장되고, 제 1 변압기(T1) 및 제 N 변압기(Tn)를 제외한 나머지 변압기(T2 내지 Tn-1)에는 에너지가 충전되지 않게 된다.
즉, 제 2 스위치(SW2) 내지 제 N-1 스위치(SWn-1)는 직렬 연결된 베터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 전하가 제 2 변압기(T2) 내지 제 N-1 변압기(Tn-1)의 1차 권선에 저장되지 않도록 개방회로를 형성한다.
이때, 첫 번째 배터리(B1) 및 N 번째 배터리(Bn)와 병렬 연결된 제 1 변압기(T1) 및 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선에 저장된 에너지는 2차 권선으로 전달되고, 2차 권선에 전달된 에너지는 전하로 변환되어 제 2 반도체 스위칭 소자(D21, D2n) 및 인덕터(L1, Ln)를 통해 첫 번째 배터리(B1) 및 N 번째 배터리(Bn)에 충전된다. 또한, 제 1 변압기(T1) 및 제 N 변압기(Tn)의 2차 권선을 통해 공급된 전하는 인덕터(L1, Ln)에 자기 에너지로 변환되어 저장된다.
이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 로우 상태의 제 4 구동신호를 재분배 스위치(CSW)에 공급하여 재분배 스위치(CSW)를 끈다.
이에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이 역기전력이 발생 되어 인덕터(L1, Ln)에 저장된 에너지는 전하로 변환되어 첫 번째 배터리(B1) 및 N번째 배터리(Bn)에 충전된다.
이와 같은 과정은 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 전압이 균일해 질 때까지 반복된다. 이를 위해, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 전압을 계속 검출하여 제 1 구동신호, 제 2 구동신호, 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 생성한 후 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW)에 공급한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결된 N개의 변압기(T1 내지 Tn), 전하 충전 장치(C1, C2) 및 재분배 스위치(CSW1, CSW2), N개의 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 일단과 재분배 스위치(CSW1, CSW2)의 공통단자 사이에 직렬로 각각 연결된 N개의 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn), 변압기(T1 내지 Tn)의 제 1 2차 권선의 일단과 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+) 사이에 직렬 연결된 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n), 변압기(T1 내지 Tn)의 제 2 2차 권선의 타단과 배터리(B1 내지 Bn)의 양극 사이에 직렬 접속된 제 2 반도체 스위칭 소자(D12 내지 D2n) 및 배터리(B1 내지 Bn)의 전압을 검출하고 검출된 값을 이용하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW1, CSW2)의 동작을 제어하는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)를 포함한다.
N개의 변압기(T1 내지 Tn) 각각은 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 기준전압보다 높은 전압을 갖는 배터리 즉, 과충전된 배터리의 전압을 기준전압으로 낮추고, 기준전압보다 낮은 전압을 갖는 배터리 즉, 과방전된 배터리의 전압을 기준전압으로 높이기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결된다.
이러한, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 일단(도트가 형성되어 있는 단자)은 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 각각 연결되고, 타단(도트가 형성되어 있지 않은 단자)은 공통으로 연결되어 제 1 전하 충전 장치(C1)와 제 2 전하 충전 장치(C2) 사이의 공통 단자에 각각 연결된다.
또한, 변압기(T1 내지 Tn)의 제 1 2차 권선 일단(도트가 형성되어 있는 단 자)은 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)의 애노드에 각각 연결되고, 타단(도트가 형성되어 있지 않은 단자)은 배터리(B1 내지 Bn)의 음극(-)에 각각 연결되며, 제 2 2차 권선 일단(도트가 형성되어 있는 단자)은 배터리(B1 내지 Bn)의 음극에 각각 연결되고, 제 2 2차 권선 타단(도트가 형성되어 있지 않은 단자)은 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)의 애노드에 각각 연결된다.
다시 말해, 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선 일단은 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 제 1 재분배 스위치(CSW1)를 통해 배터리(B1 내지 Bn)의 양극에 연결되고, 타단은 공통으로 연결되어 제 2 전하 충전 장치(C2)를 통해 접지(GND)에 연결된다.
또한, 변압기(T1 내지 Tn)의 제 1 2차 권선 일단은 제 1 반도체 스위칭 소자(D11 내지 D1n)를 통해 배터리(B1 내지 Bn)의 양극에 각각 연결되고, 제 1 2차 권선의 타단과 제 2 2차 권선 일단은 공통으로 연결되어 배터리(B1 내지 Bn)의 음극에 각각 연결되며, 제 2 2차 권선 타단(도트가 형성되어 있지 않은 단자)은 제 2 반도체 스위칭 소자(D21 내지 D2n)를 통해 배터리(B1 내지 Bn)의 양극에 각각 연결된다.
이러한, 변압기(T1 내지 Tn)는 1차 권선과 제 1 2차 권선 및 제 2 2차 권선의 극성이 동일 즉, 1차 권선에 형성된 도트와 제 1 2차 권선에 형성된 도트 및 제 2 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 동일하고, 2차 권선이 2개로 나누어진 하프 브리지 형태(Half Bridge Converter)로 이루어진다.
이때, 변압기(T1 내지 Tn) 각각의 1차 권선과 2차 권선의 권선비는 N1:N2이 고, 제 1 2차 권선과 제 2 2차 권선은 동일한 권선비를 갖는다. 여기서, N1은 N2보다 큰 값을 갖는다.
제 1 전하 충전 장치(C1)와 제 2 전하 충전 장치(C2)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 및 변압기(T1 내지 Tn)와 병렬로 연결되고, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 전하를 저장한다.
즉, 제 1 전하 충전 장치(C1) 및 제 2 전하 충전 장치(C2)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 첫 번째 배터리(B1)의 양극과 접지(GND) 사이에 직렬로 연결되어 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 전하를 저장한다.
이러한, 제 1 전하 충전 장치(C1) 및 제 2 전하 충전 장치(C2)는 커패시터로 구성되었으나, 커패시터나 배터리 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 또한, 제 1 전하 충전 장치(C1)와 제 2 전하 충전 장치(C2)는 동일한 용량을 갖는다.
제 1 재분배 스위치(CSW1) 및 제 2 재분배 스위치(CSW2)는 전하 충전 장치(C1, C2)와 변압기(T1 내지 Tn) 사이에 전하 충전 장치(C1, C2) 및 변압기(T1 내지 Tn)와 병렬로 연결되어 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 하이 상태의 제 1 구동신호에 따라 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 기준전압보다 높은 전압을 갖는 배터리 즉, 과충전된 배터리를 방전시키고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리 즉, 기준전압과 동일하거나 기준전압보다 낮은 전압을 갖는 배터리를 충전시키기 위한 폐 루프를 형성한다.
이를 위해, 제 1 재분배 스위치(CSW1) 및 제 2 재분배 스위치(CSW2)는 과충 전된 배터리를 방전시키고 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시킬 때 제 1 재분배 스위치(CSW1)가 켜지면 제 2 재분배 스위치(CSW2)는 꺼지고, 제 1 재분배 스위치(CSW1)가 꺼지면 제 2 재분배 스위치(CSW2)는 켜진다.
이러한, 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 2 재분배 스위치(CSW2)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 첫 번째 배터리(B1)의 양극과 접지(GND) 사이에 직렬로 연결되고, 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 2 재분배 스위치(CSW2) 사이의 공통단은 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)의 일단에 연결된다.
여기서, 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 2 재분배 스위치(CSW2)는 N타입 MOSFET로 구성되었으나, P타입 MOSFET, BJT, 다이오드, 릴레이 등의 스위치 소장 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 양방향 스위치로서 N타입의 MOSFET로 구성되고, 내부 다이오드는 서로 반대 방향으로 배치되며, 게이트 단자는 공통으로 연결된다. 이때, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 2 재분배 스위치(CSW2)의 공통단과 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선의 일단 사이에 연결된다.
이러한, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 하이 상태의 제 3 구동신호가 공급될 때 켜진다. 이에 따라, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 전하는 양방향 스위치를 통해 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급된다.
또한, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 전압 검출 및 구동신호 생성 부(100)로부터 로우 상태의 제 4 구동신호가 공급될 때 켜진다. 이에 따라, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선으로의 전하 공급이 이루어지지 않는다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
이상 설명한 바와 같이 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 구동신호 상태(하이 또는 로우)에 상관없이 항상 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전압을 균일하게 할 수 있도록 양방향으로 동작한다.
여기서, 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)는 NMOSFET로 구성되었으나, 이에 한정되지 않고, PMOSFET, BJT, 릴레이 중 어느 하나의 소자로 구성될 수도 있다.
전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출하고 검출된 전압을 기준전압과 비교하여 검출된 전압이 기준전압보다 클 경우 기준전압보다 큰 전압이 충전 즉, 과충전된 배터리를 방전시키고 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시키기 위해 하이 상태의 제 1 구동신호 및 제 3 구동신호와 로우 상태의 제 2 구동신호 및 제 4 구동신호를 생성하여 재분배 스위치(CSW1, CSW2)와 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 공급한다. 여기서, 기준전압은 배터리(B1 내지 Bn)로부터 검출된 전압의 평균전압을 의미한다.
이러한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 과충전된 배터리로부터 에너지를 방전시키고, 과방전된 배터리에 에너지를 저장하기 위해 배터리(B1 내지 Bn)와 병렬 연결된 제 1 재분배 스위치(CSW1) 및 제 2 재분배 스위치(CSW2)에 하이 상태의 제 1 구동신호와 로우 상태의 제 2 구동신호를 교번적으로 공급한다.
이때, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 로우 상태의 제 2 구동신호가 제 1 재분배 스위치(CSW1) 및 제 2 재분배 스위치(CSW2)에 공급될 경우 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전하를 균일하게 하는 작업은 진행되지 않는다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 하이 상태의 제 1 구동신호가 제 1 재분배 스위치(CSW1) 및 제 2 재분배 스위치(CSW2) 중 어느 하나에 공급되고, 하이 상태의 제 3 구동신호와 로우 상태의 제 4 구동신호 중 어느 하나의 신호가 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 공급되면 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 중 과충전된 배터리를 기준전압까지 방전을 계속하고, 과방전된 배터리는 기준전압까지 전하를 계속 충전하게 된다.
이에 따라, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 전체의 전압을 균일하게 한다.
여기서, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 거의 모든 충방전 제어 스위치가 켜진 시점 혹은 배터리의 전하 균일이 거의 완료되는 시점에서 임의의 소수 배터리로만 전하가 충전될 때 좁은 시비율의 PWM(Pulse Width Modulation)으로 형성된 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 제 1 재분배 스위치(CSW1) 및 제 2 재분배 스위치(CSW2)에 번갈아 공급한다. 이는 현재 충전되고 있는 배터리로 전류가 과도하게 흐르는 것을 막기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리에서 처음부터 적은 양의 전하를 방전시키기 위함이다.
이러한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 센싱부(102), 마이크로 프로세서(104), 스위치 구동 회로부(106)를 포함한다.
센싱부(102)는 각각의 배터리(B1 내지 Bn)에 연결되어 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다.
마이크로 프로세서(104)는 센싱부(102)에 의해 검출된 배터리(B1 내지 Bn)의 평균전압을 기준전압으로 설정하여 기준전압과 센싱부(102)에 의해 검출된 전압이 기준전압보다 높거나 높아질 우려가 있다고 판단될 경우 배터리를 충/방전시키기 위한 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW1, CSW2)의 온/오프 시간을 설정한다.
스위치 구동회로부(106)는 마이크로 프로세서(104)로부터 입력되는 신호에 따라 제 1 구동신호, 제 2 구동신호, 제 3 구동신호 및 제 4 구동신호를 생성하여 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn) 및 재분배 스위치(CSW1, CSW2)에 각각 공급한다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 수에 관계없이 용량이 작은 변압기를 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 병렬로 연결함으로써 우수한 전하 균일 특성을 유지하는 동시에 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)와 병렬로 연결된 재분배 스위치(CSW1, CSW2)로 인해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전 하의 흐름을 제어할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 배터리의 전하 균일이 거의 완료되는 시점 또는 거의 모든 충방전 제어 스위치가 켜진 시점에서 임의의 소수 배터리로 과전류가 흐를 경우 재분배 스위치(CSW1, CSW2)에 인가되는 구동신호의 PWM 시비율을 제어함으로써 현재 충전되고 있는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치를 이용하여 직렬 연결된 배터리의 전압을 균일하게 하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
여기서, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전하 균일 장치는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 전기적 충전 장치 또는 전기적 부하가 연결되어 있지 않은 상태에서 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전하 균일을 수행하는 것을 원칙으로 하나 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선과 재분배 스위치(CSW)가 우회회로로 작용할 만큼 전류 수용 용량이 크거나 충전되는 전류나 방전되는 전류의 크기가 작은 경우에는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)에 전기적 충전 장치 또는 전기적 부하가 걸려있더라도 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)의 전하를 균일하게 할 수 있다.
먼저, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다.
이때, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배너리(B1 내지 Bn)와 병렬 연결된 제 1 재분배 스위치(CSW1) 및 제 2 재분배 스위치(CSW2)에 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급하여 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 2 재분배 스위치(CSW2)를 오프시킨다.
이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 중 일부 배터리에서 기준전압보다 높거나 높아질 우려가 있다고 판단될 경우 과충전된 배터리 또는 과충전되려는 배터리는 방전시키고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시키기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)와 병렬 연결된 제 1 재분배 스위치(CSW1)에 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급하고, 제 2 재분배 스위치(CSW2)에 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급한다.
또한, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 과충전된 배터리와 병렬로 연결되는 변압기의 1차 권선의 일단에 연결된 충방전 제어 스위치에 로우 상태의 제 4 구동신호를 공급하고, 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬로 연결되는 변압기의 1차 권선 일단에 연결된 충방전 제어 스위치에 하이 상태의 제 3 구동신호를 공급한다.
이로 인해, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 전하는 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 자기 에너지로 변환되어 저장되고, 1차 권선에 저장된 자기 에너지는 제 1 2차 권선에 전달되며, 제 1 2차 권선에 전달된 자기 에너지가 전하로 변환되어 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리에 공급된다.
다시 말해, 도 10에 도시된 바와 같이 첫 번째 배터리(B1)와 N번째 배터리(Bn)를 제외한 나머지 배터리가 과충전되어 있을 경우 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)로부터 공급되는 하이 상태의 제 1 구동신호 및 제 3 구동신호와 로우 상 태의 제 2 구동신호 및 제 4 구동신호에 의해 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 1 충방전 제어 스위치(SW1) 및 제 N 충방전 제어 스위치(SWn)는 켜지고, 제 2 재분배 스위치(CSW2)와 제 2 충방전 제어 스위치(SW2) 내지 제 N-1 충방전 제어 스위치(SWn-1)는 꺼진다.
이에 따라, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 전하는 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 1 충방전 제어 스위치(SW1)를 통해 제 1 변압기(T1)의 1차 권선에 공급되고, 제 1 재분배 스위치(CSW1)와 제 N 충방전 제어 스위치(SWn)를 통해 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선에 공급된다.
이때, 제 1 변압기(T1) 및 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선에 공급된 전하는 각각의 제 1 2차 권선으로 전달되며, 첫 번째 배터리(B1) 및 n 번째 배터리(Bn)에 공급 된다.
또한, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 전하는 제 2 전하 충전 장치(C2)에 저장된다.
이로 인해, 첫 번째 배터리(B1)와 N 번째 배터리(Bn)는 과충전된 배터리로부터 공급되는 전하를 충전하게 되고, 첫 번째 배터리(B1)와 N 번째 배터리(Bn)를 제외한 나머지 배터리들은 전하를 방전시키면서 그 내부 전압이 낮아지게 된다.
이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)가 제 1 재분배 스위치(CSW1)에 로우 상태의 제 2 구동신호를 공급하고, 제 2 분배 스위치(CSW2)에 하이 상태의 제 1 구동신호를 공급한다.
이로 인해, 제 1 재분배 스위치(CSW1)는 꺼지고, 제 2 재분배 스위치(CSW2) 는 켜진다.
이에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이 제 1 충방전 제어 스위치(SW1)와 제 N 충방전 제어 스위치(SWn)는 제 2 재분배 스위치(CSW2)와 함께 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 방전되는 전하가 제 1 변압기(T1)의 1차 권선과 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선에 공급되도록 폐 루프를 형성한다.
이때, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터의 전하가 제 1 변압기(T1)의 1차 권선과 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선의 타단에 공급되기 때문에 제 1 변압기(T1)의 1차 권선과 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선에는 음(-)의 방향으로 전류가 흐른다.
제 1 변압기(T1)의 1차 권선과 제 N 변압기(Tn)의 1차 권선으로 흘러들어가는 전류는 제 1 변압기(T1)의 제 2 2차 권선과 제 N 변압기(Tn)의 제 2 2차 권선에 흘러 나와 제 2 반도체 스위칭 소자(D21, D2n)를 통해 첫 번째 배터리(B1)와 N 번째 배터리(Bn)에 공급된다.
이로 인해, 첫 번째 배터리(B1)와 N 번째 배터리(Bn)는 과충전된 배터리로부터 공급되는 전하를 충전하게 되고, 첫 번째 배터리(B1)와 N 번째 배터리(Bn)를 제외한 나머지 배터리들은 전하를 방전시키면서 그 내부 전압이 낮아지게 된다.
이와 같은 과정은 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 전압이 균일해질 때까지 반복된다. 이를 위해, 전압 검출 및 구동신호 생성부(100)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)의 전압을 계속 검출하여 하이 상태의 제 1 구동신호 및 제 3 구동신호와 로우 상태의 제 2 구동신호 및 제 4 구동신호를 생성한 후 제 1 재분배 스위치(CSW1), 제 2 재분배 스위치(CSW2) 및 충방전 제어 스위치(SW1 내지 SWn)에 공급한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 직렬 연결된 배터리의 수에 관계없이 용량이 작은 변압기를 직렬 연결된 배터리에 각각 병렬로 연결함으로써 우수한 전하 균일 특성을 유지하는 동시에 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 변압기의 1차 권선에 직렬 연결된 충방전 제어 스위치로 인해 직렬 연결된 배터리의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있다.
그리고, 본 발명은 직렬 연결된 N개의 배터리와 병렬로 연결된 재분배 스위치로 인해 직렬 연결된 N개의 배터리 각각의 충전 상태에 따라 배터리로 유입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 배터리의 전하 균일이 거의 완료되는 시점 또는 거의 모든 충방전 제어 스위치가 켜진 시점에서 임의의 소수 배터리로 과전류가 흐를 경우 재분배 스위치에 인가되는 구동신호의 PWM 시비율을 제어함으로써 현재 충전되고 있는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

Claims (21)

  1. 직렬 연결된 N개의 배터리와 각각 병렬로 연결되어 상기 N개의 배터리 중 과충전된 배터리로부터 방전된 에너지를 저장하고 저장된 에너지로 상기 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리를 충전시키는 N개의 변압기;
    상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하기 위해 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선 일단과 상기 배터리 중 첫 번째 배터리의 양극 사이에 각각 연결된 N개의 충방전 제어 스위칭부;
    상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하기 위해 상기 N개의 변압기 1차 권선 타단의 공통단자와 접지 사이에 연결된 재분배 스위치;
    상기 N개의 변압기 각각의 2차 권선 일단과 상기 배터리의 양극 사이에 각각 연결된 N개의 제 1 반도체 스위칭 소자; 및
    상기 직렬 연결된 N개의 배터리 각각의 전압을 검출하고 검출된 전압에 따라 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하여 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치의 구동을 제어하는 전압 검출 및 구동신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선 및 2차 권선의 권선비는 N1:N2인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 N1은 상기 N2보다 큰 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 N개의 제 1 반도체 스위칭 소자와 상기 N개의 배터리 양극 사이에 각각 연결된 N개의 인덕터; 및
    상기 N개의 배터리 음극과 상기 제 1 반도체 스위칭 소자 및 상기 인덕터의 공통단 사이에 연결된 제 2 반도체 스위칭 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 충방전 제어 스위칭부는 상기 과충전된 배터리와 병렬 연결된 변압기의 1차 권선에 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하가 공급되는 것을 방지하고, 상기 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리에 상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하가 공급되도록 구동되는 충방전 제어 스위치; 및
    상기 변압기의 1차 권선으로부터의 전하가 상기 직렬 연결된 N개의 배터리로 공급되는 것을 방지하는 제 3 반도체 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 반도체 스위칭 소자는 상기 충방전 제어 스위치와 상기 변압기의 1차 권선의 일단 사이에 연결되거나 상기 직렬 연결된 N개의 배터리 중 첫 번째 배터리의 양극과 상기 충방전 제어 스위치 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 변압기는 1차 권선에 형성된 도트의 위치와 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 다른 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 변압기는 1차 권선에 형성된 도트의 위치와 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 동일한 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 스위칭 소자, 제 2 반도체 스위칭 소자 및 제 3 반도체 스위칭 소자는 MOSFET, BJT, 릴레이, 다이오드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 스위칭 소자, 제 2 반도체 스위칭 소자 및 제 3 반도체 스위칭 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 충방전 제어 스위치 및 재분배 스위치는 MOSFET, BJT, 릴레이 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 충방전 제어 스위치 및 재분배 스위치는 N타입 MOSFET인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 검출 및 구동신호 생성부는 N개의 배터리 전압을 검출하는 센싱부;
    상기 센싱부로부터 검출된 전압에 따라 상기 충방전 제어 스위치 및 재분배 스위치의 온/오프 시간을 설정하는 마이크로 프로세서; 및
    상기 마이크로 프로세서로부터 입력되는 신호에 따라 상기 충방전 제어 스위치 및 재분배 스위치를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하는 스위치 구동회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  14. 1개의 1차 권선과 2개의 2차 권선을 구비하고, 과충전된 배터리로부터 방전된 에너지를 과충전된 배터리를 제외한 나머지 배터리에 충전시키기 위해 직렬 연결된 N개의 배터리와 각각 병렬로 연결된 N개의 변압기;
    상기 직렬 연결된 N개의 배터리와 병렬 연결된 제 1 전하 충전 장치 및 제 2 전하 충전 장치;
    상기 직렬 연결된 N개의 배터리와 병렬로 연결되어 상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하는 제 1 재분배 스위치 및 제 2 재분배 스위치;
    상기 직렬 연결된 N개의 배터리로부터의 전하를 상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선에 공급하기 위해 상기 제 1 재분배 스위치 및 제 2 재분배 스위치의 공통단과 상기 변압기의 1차 권선 일단 사이에 각각 연결된 N개의 충방전 제어 스위칭부;
    상기 N개의 변압기의 제 1 2차 권선과 상기 배터리의 양극에 각각 연결된 N개의 제 1 반도체 스위칭 소자; 및
    상기 N개의 변압기의 제 2 2차 권선과 상기 배터리의 양극에 각각 연결된 N개의 제 2 반도체 스위칭 소자; 및
    상기 직렬 연결된 N개의 배터리 각각의 전압을 검출하고 검출된 전압에 따라 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하여 상기 충방전 제어 스위칭부 및 재분배 스위치의 구동을 제어하는 전압 검출 및 구동신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 N개의 변압기 각각의 1차 권선과 2차 권선의 권선비는 N1:N2이고, 제 1 2차 권선과 제 2 2차 권선의 권선비는 동일한 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 N1은 상기 N2보다 큰 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 변압기의 1차 권선에 형성된 도트의 위치와 상기 제 1 2차 권선 및 제 2 2차 권선에 형성된 도트의 위치가 동일한 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 스위칭 소자 및 제 2 반도체 스위칭 소자는 MOSFET, BJT, 릴레이, 다이오드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 스위칭 소자 및 제 2 반도체 스위칭 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 재분배 스위치는 MOSFET, BJT, 릴레이 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 전압 검출 및 구동신호 생성부는 N개의 배터리 전압을 검출하는 센싱부;
    상기 센싱부로부터 검출된 전압에 따라 상기 충방전 제어 스위치 및 재분배 스위치의 온/오프 시간을 설정하는 마이크로 프로세서; 및
    상기 마이크로 프로세서로부터 입력되는 신호에 따라 상기 충방전 제어 스위치 및 재분배 스위치를 구동시키기 위한 구동신호를 생성하는 스위치 구동회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 균일 장치.
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