KR20120042967A - 하이브리드 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 시스템용 에너지 변환기에 관한 것으로, 에너지 변환기는 제1 및 제2 입력단(32-1, 32-2)과 제1 및 제2 출력단(33-1, 33-2)을 각각 구비한 복수의 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)를 포함한다. DC/DC 컨버터들 중 제1 DC/DC 컨버터(21-1, 41-1)의 제1 출력단(33-1)은 에너지 변환기의 제1 출력단(23-1, 43-1)과 연결되고, DC/DC 컨버터들 중 마지막 DC/DC 컨버터(21-n, 41-n)의 제2 출력단(33-2)은 에너지 변환기의 제2 출력단(23-2, 43-2)과 연결된다. 제1 및 제2 입력단(32-1, 32-2)은 배터리 모듈(20-1, 20-2, 20-n, 30, 40-1, 40-2, 40-n)을 연결할 수 있도록 형성된다. DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들은 출력단 측에서 직렬로 연결된다. 에너지 변환기는, 복수의 제1 다이오드로서, 이들 제1 다이오드 각각은 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들 중 일측 DC/DC 컨버터의 제1 입력단(32-1)과 연결되는 애노드와, 타측 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제2 입력단(32-2)과 연결되는 캐소드를 포함함여 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들이 입력단 측에서 직렬로 연결되게 하는 상기 복수의 제1 다이오드(22-2, 22-n, 42-2, 42-n) 뿐만 아니라, 제1 DC/DC 컨버터(21-1, 41-1)의 제1 입력단(32-1)과 연결되는 애노드와 에너지 변환기의 제1 출력단(23-1, 43-1)과 연결되는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드(22-1, 42-1)를 포함한다.

Description

하이브리드 배터리 시스템{HYBRID BATTERY SYSTEM}
본 발명은 배터리 시스템용 에너지 변환기에 관한 것이다.
풍력 발전소 및 비상 전력 시스템과 같은 고정된 분야(stationary application)나 차량에서 이용되는 배터리 시스템에 대한 수요는 증가하는 추세에 있다. 이러한 모든 적용 분야에서 신뢰성 및 고장 안전성에 대한 요건이 높다. 그 이유는 배터리 시스템에 의한 전원 공급 장치의 완전한 고장은 시스템 전체의 고장을 초래할 수 있기 때문이다. 따라서 풍력 발전소에서는 바람이 강하게 불 때 로터 블레이드를 위치 조정하고, 풍력 발전소를 손상시키거나 심지어 파손시킬 수도 있는 과도한 기계적 부하로부터 시스템을 보호하기 위해 배터리가 이용된다. 전기 자동차의 배터리가 고장 난 경우 전기 자동차는 운행하지 못할 수도 있다. 또한, 비상 전력 시스템은 예컨대 병원의 지속적인 운영을 직접 보장해야 하며, 그에 따라 그 자체는 가능한 고장이 나지 않아야 한다.
각각의 적용 분야에 대하여 요구되는 성능 및 가용 에너지를 제공하기 위해, 개별 배터리 셀들은 직렬 연결되고, 부분적으로는 추가로 병렬 연결된다. 도 1은 배터리들의 직렬 연결에 대한 개략적인 회로도를 도시하고 있다. 수많은 배터리 셀(10-1 내지 10-n)은, 예컨대, 승용차에서 전기 모터를 위해 필요한 높은 작동 전압을 개별 셀(10-1, ..., 10-n)들의 전압을 합산하여 얻기 위해 직렬로 연결된다. 높은 작동 전압은 출력단 측의 스위치(11-1 및 11-2)들에 의해 인버터와 같은 미도시된 후속하는 전력 전자 소자들에 의해 단절(decoupling)될 수 있다. 배터리의 총 출력 전류가 배터리 셀(10-1, ..., 10-n)들의 직렬 연결을 바탕으로 배터리 셀(10-1, ..., 10-n)들 모두에서 흐르고, 전하 이동(charge transfer)은 배터리 셀(10-1, ..., 10-n) 내부에서 전기 화학적 과정에 의해 이루어지기 때문에, 단 하나의 배터리 셀의 고장은 극단의 경우, 전체 시스템에 전류가 흐르지 않으며 그에 따라 전기 에너지를 더 이상 공급할 수 없는 것을 의미한다. 배터리 셀(10-1, ..., 10-n)의 임박한 고장을 적시에 검출할 수 있도록 하기 위해, 통상적으로 배터리 셀(10-1, ..., 10-n)들 각각의 두 단자와 연결되어 있거나 연결될 수 있으며 정기적이거나 선택 가능한 간격으로 각각의 배터리 셀(10-1, ..., 10-n)의 전압 및 온도와 같은 작동 파라미터와 그에 따른 배터리 셀의 충전 상태(State of Charge, SoC)를 판단하는 소위 배터리 관리 시스템(12)이 이용된다. 이는 배터리 시스템의 전기 데이터의 낮은 유연성과 동시에 높은 비용을 의미한다.
다수의 배터리 셀의 직렬 연결로 인한 추가 단점은 하기와 같다.
1. 배터리로 작동될 장치의 상이한 작동 상태들에 대하여, 공급할 작동 전압, 최대 전류 및 저장된 에너지에 대해, 개별 요건들의 충족을 위해 실제로 필요한 것보다 더욱 많은 개수의 배터리 셀이 결합 될 때에만 전체 요건을 만족하게 된다. 이는 특히 전기 자동차의 경우 문제가 되는 배터리 시스템의 무게 및 부피와 그 가격을 상승시킨다.
2. 배터리의 조립, 다시 말해 개별 셀들의 상호 간 연결은 직렬 연결에 의한 개별 배터리 셀들의 전압 합산으로 인해 최대 1000V의 높은 전압 조건에서 이루어지며, 그로 인해 배터리, 개별 셀들 또는 모듈들의 교환은 지역 정비소에서는 실시할 수 없으며, 정치형 분야의 경우에서는 특수 공구로 특히 숙련된 전문가에 의해서만 실시하게 할 수 있다. 이는 오류가 있을 시에 배터리 시스템의 정비를 위해 높은 물류 비용을 발생시킨다.
3. 배터리 시스템을 절연하기 위해, 다시 말해 배터리를 실제 부하 장치로부터 분리하기 위해, 회로 차단기(11-1 및 11-2)들이 제공되어야 하는데, 이들 회로 차단기는 일반적으로 접촉기(contactor)로서 형성되고, 예상되는 높은 전류 및 전압에 대하여 매우 고가이다.
본 발명의 제1 관점은 배터리 시스템용 에너지 변환기(energy transformer)에 관한 것으로서, 에너지 변환기는 제1 및 제2 입력단(input)과 제1 및 제2 출력단(output)을 각각 구비한 복수의 DC/DC 컨버터를 포함한다. DC/DC 컨버터들 중 제1 DC/DC 컨버터의 제1 출력단은 에너지 변환기의 제1 출력단과 연결되고, DC/DC 컨버터들 중 마지막 DC/DC 컨버터의 제2 출력단은 에너지 변환기의 제2 출력단과 연결된다. DC/DC 컨버터의 제1 및 제2 입력단은 배터리 모듈을 연결할 수 있도록 형성된다. DC/DC 컨버터들은 출력단 측에서 직렬로 연결된다. 본 발명에 따른 에너지 변환기는, 복수의 제1 다이오드로서, 이들 제1 다이오드 각각은 DC/DC 컨버터들 중 일측 DC/DC 컨버터의 제1 입력단과 연결되는 애노드(anode)와 타측 DC/DC 컨버터의 제2 입력단과 연결되는 캐소드(cathode)를 포함하여 DC/DC 컨버터들이 입력단 측에서 직렬로 연결되게 하는 상기 복수의 제1 다이오드뿐 아니라, 제1 DC/DC 컨버터의 제1 입력단과 연결되는 애노드와 에너지 변환기의 제1 출력단과 연결되는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드를 포함하고 있다.
본 발명은, 배터리 모듈들이 제1 다이오드를 통해 직렬로 연결되고 직렬로 연결된 배터리 모듈들은 제2 다이오드를 통해 DC/DC 컨버터들에 대해 병렬로 연결된다는 장점이 있다. 그렇게 함으로써 대부분의 작동 상황에 충분히 낮은 전력 소모(power drain)에 적합하게 DC/DC 컨버터를 치수화할 수 있으며, 그럼으로써 DC/DC 컨버터는 더욱 가볍고 더욱 저렴해진다. 만일 높은 전력이 소모된다면, 직렬로 연결된 DC/DC 컨버터들에 의해 생성되는 출력 전압이 감소하여 직렬로 연결된 배터리 모듈들의 전압 미만으로 강하한다. 그러면 배터리 모듈들은 제2 다이오드를 통해 연결되고 출력 전압을 다시 안정화시킨다. 따라서 본 발명은 상이한 작동 상태에 따라 공급할 전력에 관한 상이한 요건 간의 양호한 절충을 가능하게 한다. 그 외에도 각 작동 상황에 따른 적합한 총 전압의 선택도, 충분히 낮은 전력 소모를 전제로 하는 조건 하에서, DC/DC 컨버터들의 적절한 제어에 의해 가능하다. 또한, 전력 소모가 낮은 경우에도, 출력 전압은 일차 측에 연결된 배터리 셀의 개수에 종속되지 않는다. 그럼으로써 배터리 시스템의 레이아웃은 각각의 적용 분야에서 요구되는 총 전압과는 무관하게 에너지 및 전력 기준에 따라서만 이루어진다. 이런 장치 구조의 추가 장점은, 고가의 접촉기(11-1 및 11-2)가 생략될 수 있다는 점에 있는데, 그 이유는 배터리 출력단에서 고전압이 DC/DC 컨버터들의 비활성화에 의해 간단히 차단될 수 있기 때문이다.
에너지 변환기는 복수의 제1 차단 스위치(disconnecting switch)를 포함할 수 있으며, 이들 제1 차단 스위치 중 각각의 제1 차단 스위치를 통해서는 배터리 모듈들이 DC/DC 컨버터들과 연결될 수 있다. 제1 차단 스위치들은 각각의 DC/DC 컨버터로부터 배터리 모듈을 분리하고, 그에 따라 DC/DC 컨버터를 절연할 수 있게 한다. 그럼으로써 배터리 모듈이 DC/DC 컨버터의 개폐 상태에 따라 단락되는 점이 방지된다. 바람직하게는 제1 차단 스위치들은 릴레이로서 형성된다.
에너지 변환기는 제1 차단 스위치에 추가로 복수의 제2 차단 스위치를 포함할 수 있으며, 이들 제2 차단 스위치 각각은 제1 다이오드 또는 제2 다이오드와 직렬로 연결된다. 제2 차단 스위치들은, 각각의 DC/DC 컨버터의 제1 입력단으로부터 각각의 DC/DC 컨버터의 제1 출력단을 분리하거나, 마지막 DC/DC 컨버터를 제외한 각각의 DC/DC 컨버터의 제2 입력단을 DC/DC 컨버터의 제2 출력단으로부터 분리할 수 있도록 형성된다. 제2 차단 스위치는 바람직하게는 급속 스위치로서 형성되며, 제1 차단 스위치가 개폐되지 않거나 너무 느리게 개폐되는 경우 배터리 모듈들의 분리를 보장한다. 이는, 특히, 제1 차단 스위치가 상대적으로 느리게 개폐되는 릴레이로서 형성될 때 바람직하다.
DC/DC 컨버터들은, 특히 바람직하게는, 양방향성 비절연식 DC/DC 컨버터로서, 예컨대, 승압형(step-up)/강압형(step-down) 컨버터로서 또는 강압-승압형(buck-boost) 컨버터로서 형성된다.
에너지 변환기의 바람직한 실시 예에서, DC/DC 컨버터들은 각각 코일과, 제1 내지 제4 스위치와, 이 제1 내지 제4 스위치를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하며, 제1 스위치는 코일의 제1 단자와 제1 입력단 사이에 연결되고, 제2 스위치는 코일의 제1 단자와 제2 입력단 사이에 연결되고, 제3 스위치는 코일의 제2 단자와 제2 입력단 사이에 연결되며, 제4 스위치는 코일의 제2 단자와 제1 출력단 사이에 연결된다. 이와 같은 강압-승압형 컨버터의 형식은 회로 기술 측면에서 복잡성이 낮고 생성할 출력 전압의 간단한 제어를 허용한다.
여기서, 특히 바람직하게는, 각각의 컨트롤러는 제1 제어 신호를 위한 제1 제어 입력단을 포함하며, 제1 제어 신호를 수신하여 제3 스위치 및 제4 스위치를 닫아 DC/DC 컨버터의 제2 출력단과 DC/DC 컨버터의 제1 출력단을 전기적으로 연결하고, 제1 스위치를 개방하여 DC/DC 컨버터의 제1 입력단을 분리할 수 있도록 형성된다. 이와 같은 실시 예는, 작동 중에, 예컨대 입력단 측에 연결된 배터리 모듈의 배터리 셀에 결함이 있는 것으로 인해, DC/DC 컨버터를 선택적으로 비활성화하는 것을 허용한다. 제3 스위치를 닫음으로써, 고장이 난 DC/DC 컨버터의 제1 및 제2 출력단은 서로 통전되며, 그럼으로써 또한 장치 구조 전체에 출력 전류가 흐를 수 있게 된다. 코일을 통해 배터리 모듈을 단락시키지 않도록 하기 위해, 제1 스위치를 개방하는 것을 통해 배터리 모듈은 동시에 분리된다. 따라서 이와 같은 실시 예는 하나 이상의 배터리 셀의 고장에도 장치의 추가 작동을 허용한다. 그 외에, 경우에 따라 지속적인 작동 모드에서 총 전압의 생성을 중단할 필요도 없이 배터리 모듈의 교환도 가능하다.
마지막에 언급한 두 실시 예의 개선 예에서 DC/DC 컨버터들 각각은 제2 제어 신호를 위한 제2 제어 입력단을 포함하며, 제2 제어 신호를 수신하여 DC/DC 컨버터의 제1 출력단과 제2 출력단 사이에서 전압을 상승시킬 수 있도록 형성된다. 그럼으로써 앞서 기재한 하나의 DC/DC 컨버터의 비활성화에 의한 총 전압의 강하를 방지할 수 있으며, 그럼으로써 또한 적어도 거의 변화 없는 총 전압이 감소된 개수의 DC/DC 컨버터에 의해서도 공급되게 된다. 또한, DC/DC 컨버터의 개수가 동일한 조건에서 총 전압을 상승시키고 그에 따라 또 다른 작동 상황에 적합하게 상기 총 전압을 조정할 수도 있다.
본 발명의 제2 관점은 본 발명의 제1 관점에 따른 에너지 변환기와, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다. 배터리 모듈들은 각각 하나 이상의 배터리 셀을 구비한다. 배터리 모듈의 배터리 단자들은 에너지 변환기의 DC/DC 컨버터의 제1 및 제2 입력단 중 대응하는 입력단과 분리 가능하게 연결된다.
본 발명의 제3 관점은 본 발명의 제1 관점에 따른 에너지 변환기를 장착한 자동차에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 앞서 언급한 선행기술의 단점을 극복할 수 있는 장치를 제공하는 것에 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환기에 의하면 대부분의 작동 상황에 충분히 낮은 전력 소모(power drain)에 적합하게 DC/DC 컨버터를 치수화할 수 있으며, 그럼으로써 DC/DC 컨버터는 더욱 가볍고 더욱 저렴해진다.
본 발명은 다음에서 실시 예들의 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 선행기술에 따른 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예를 도시한 회로도이다.
도 3은 강압-승압형 컨버터로 형성된 DC/DC 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예를 도시하고 있다. 복수의 DC/DC 컨버터(21-2, 21-2 내지 21-n)는 입력단 측에서 복수의 제1 다이오드(22-2 내지 22-n)를 통해 직렬로 연결된다. 그 외에도 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n) 각각은 입력단 측에서 배터리 모듈(20-1, 20-2, ..., 20-n)과 연결되며, 이들 배터리 모듈 각각은 직렬로 연결되는 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 도 2에서 알 수 있듯이, DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들의 출력단들은 직렬로 연결되며, 그럼으로써 장치 구조의 출력단(23-1 및 23-2)들 사이의 총 전압은 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들에 의해 생성되는 개별 전압의 합으로서 제공된다. DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들은 공지된 방식으로 구성되고 각각의 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)의 제1 및 제2 출력단에 인가되는 출력 전압의 조정과, DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들의 비활성화를 허용하며, DC/DC 변환은 더 이상 발생하지 않게 된다. 그럼으로써 출력단(23-1 및 23-2)들에서의 총 전압은 각각의 작동 상황에 적합하게 유연하게 조정될 수 있으며, 이는 본 발명의 장점을 나타낸다. DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들의 내부에 표시된 점선들은 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들의 각각의 입력단과 출력단 사이에서 가능한 전기 전도성 연결을 의미한다. 배터리 모듈(20-1, 20-2, ..., 20-n)들은 제1 다이오드(22-2, ..., 22-n) 및 제1 차단 스위치(24-1, 24-2, ..., 24-n)를 통해 직렬로 연결되고 제2 다이오드(22-1)를 통해서는 제1 DC/DC 컨버터(21-1)의 제1 출력단과 병렬로 연결된다. 그럼으로써 배터리 모듈들로 서로 연결되어 구성된 배터리는 직렬로 연결된 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들에 대해 병렬로 이용된다. 이런 점은 상대적으로 낮은 전력 소모를 위한 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)를 설계할 수 있게 하며, 그럼으로써 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들은 보다 소형화 및 경량화되고 그 가격도 더욱 저렴해진다. 통상적으로 보다 높은 전력을 가용하게 해야 하는 매우 드물게만 발생하는 작동 상태의 경우, 기재된 바와 같이 병렬로 연결된 배터리는 직접적으로 전력 원으로서 이용될 수 있다. 상기와 같이 더욱 높은 전력이 소모된다면, 출력단(23-1 및 23-2)들 사이에서 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들에 의해 생성된 전압은, 제2 다이오드(22-1)가 순방향 전압(forward voltage)으로 편극될 때까지 감소하게 된다. 그런 다음 제2 다이오드(22-1)가 통전되고 배터리는 출력단(23-1 및 23-2)들 사이의 전압을 안정화시킨다. 따라서 본 발명은 최대 가용한 높은 출력 전압과, 이용되는 배터리 셀의 개수와 무관한 출력 전압의 가변 생성의 장점을 조합하되, 비교적 낮은 회로 요건으로 작동이 이루어질 수 있다. 제1 차단 스위치(24-1, 24-2, ..., 24-n)들은, 각각의 배터리 모듈(20-1, 20-2, ..., 20-n)을 해당하는 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)로부터 분리하여 이 DC/DC 컨버터를 절연하는 것을 허용한다. 이는 특히 배터리 모듈(20-1, 20-2, ..., 20-n)에 결함이 있을 경우에 유용하다. 이런 경우 추가로 장치 구조 전체의 추가 기능이 보장되도록 해당하는 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)는 비활성화되고, 이 DC/DC 컨버터의 출력단들은 단락된다. 또한, 추가 또는 대체 실시 예로서, 대응하는 바이패스 회로가 DC/DC 컨버터의 입력단 측에 구비되는 것도 가능하지만, 그러나 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, ..., 21-n)들이 제2 입력단과 제2 출력단 간의 전도성 연결부를 포함하고 있다면 상기 바이패스 회로는 생략할 수 있다.
도 3은 강압-승압형 컨버터로서 형성되는 공지된 DC/DC 컨버터(31)의 회로도를 도시하고 있다. 제1 입력단(32-1)과 제2 입력단(32-2) 사이에는 하나 이상의 배터리 셀(30-1 내지 30-n)을 포함하는 배터리 모듈(30)이 분리 가능하게 연결될 수 있다. DC/DC 컨버터(31)는 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)와 코일(L1)을 구비한다. DC/DC 컨버터는 제1 및 제2 출력단(33-1, 33-2)을 포함하고, 이 두 출력단(33-1, 33-2) 사이에서 직류 전압을 생성할 수 있도록 형성되되, 직류 전압의 값은 공지된 방식에 따라 배터리 모듈(30)의 직류 전압과 무관하게 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)의 개폐 주기의 선택을 통해 조정될 수 있다. 가장 간단한 경우에 강압-승압형 컨버터는 2가지 상태에서 교대로 작동된다. 충전 상태에서 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 폐쇄되며(다시 말해 전도성 상태로 전환되며), 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 개방된다(다시 말해 비전도성 상태로 전환된다). 그 결과 배터리 모듈(30)로부터는 코일(L1)에서 자장(magnetic field)을 구성하는 전류가 코일(L1)을 통해 흐르게 된다. 그런 다음 방전 과정에서 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)는 개방되고 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)가 폐쇄된다. 그럼으로써 배터리(30)는 코일(L1)로부터 분리되고 코일의 입력단은 배터리 모듈(30)의 음극 단자와 연결되고 코일의 출력단은 제1 출력단(33-1)과 연결된다. 코일(L1)은 코일 자신을 관류하는 전류의 변화를 방지하기 때문에, 코일은 자체의 자장으로부터 출력 전류를 공급하고 이때 자장을 소산시킨다. 만일 이런 과정이 빠르게 반복되면, 출력단(33-1, 33-2)들 사이에서는 직류 전압이 조정되되, 이 직류 전압의 값은 특히 반복의 빈도수에 따라 결정된다.
스위치(S1 내지 S4)들의 초핑(chopping) 동작을 작동 상황에 적합하게 조정하는 컨트롤러는 도시되어 있지 않다. 또한, 통상적으로 출력단(33-1, 33-2)들에 인가되는 출력 전압을 결정하는 피드백이 제공되어 스위치(S1 내지 S4)들의 초핑의 조정을 위해 이용됨으로써 가능한 안정적인 출력 전압이 생성된다. 출력 전압의 보다 나은 평활화를 위해, 출력단(33-1, 33-2)들 사이에는 버퍼 커패시터가 제공될 수 있다. 본 발명의 범주에서 DC/DC 컨버터들의 상기 특성은 각각의 작동 상황에 따라 목표하는 본 발명의 장치 구조의 총 전압의 조정을 허용하거나 하나 또는 모든 DC/DC 컨버터의 비활성화를 허용한다. 특히 바람직하게는 스위치(S3 및 S4)들이 폐쇄되고 스위치(S1 및 S2)들은 개방되면서 DC/DC 컨버터(31)가 비활성화될 수 있다.
도 4는 제1 실시 예와 유사하게 구성되고 그에 상응하게 기능하는 본 발명의 제2 실시 예를 도시하고 있다. 단 한가지 차이점으로서는 제2 차단 스위치(45-1, 45-2, 45-3)들이 추가되며, 이들 제2 차단 스위치는 배터리 모듈(40-1, 40-2, ..., 40-n)의 결함으로 인해 DC/DC 컨버터(41-1, 41-2, ..., 41-n)를 앞서 기재한 바와 같이 비활성화하는 경우를 위해 DC/DC 컨버터(41-1, 41-2, ..., 41-n)들 내부에 점선으로 도시되는, DC/DC 컨버터(41-1, 41-2, ..., 41-n)들의 제2 입력단들과 제2 출력단들 사이의 연결부를 차단해야 한다. 여기서 제2 차단 스위치들은 바람직하게는 예컨대 파워 트랜지스터와 같은 급속 스위치로서 설계되며, 바람직하게는 비교적 저속인 릴레이로서 형성되는 제1 차단 스위치(44-1, 44-2, ..., 44-n)들 중 일측의 제1 차단 스위치가 개방되지 않거나 신속하게 충분히 개방되지 않으면 배터리 모듈(40-1, 40-2, ..., 40-n)들을 분리할 수 있다. 제2 차단 스위치는 마지막 DC/DC 컨버터(41-n)에서는 필요로 하지 않는다.

Claims (10)

  1. 배터리 시스템용 에너지 변환기로서,
    상기 에너지 변환기는 제1 및 제2 입력단(32-1, 32-2)과 제1 및 제2 출력단(33-1, 33-2)을 각각 구비한 복수의 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)를 포함하되, 상기 DC/DC 컨버터들 중 제1 DC/DC 컨버터(21-1, 41-1)의 제1 출력단(33-1)은 상기 에너지 변환기의 제1 출력단(23-1, 43-1)과 연결되고, 상기 DC/DC 컨버터들 중 마지막 DC/DC 컨버터(21-n, 41-n)의 제2 출력단(33-2)은 상기 에너지 변환기의 제2 출력단(23-2, 43-2)과 연결되고, 상기 제1 및 제2 입력단(32-1, 32-2)은 배터리 모듈(20-1, 20-2, 20-n, 30, 40-1, 40-2, 40-n)을 연결할 수 있도록 형성되며, 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들은 출력단 측에서 직렬로 연결되고,
    복수의 제1 다이오드로서, 상기 제1 다이오드 각각은 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들 중 일측 DC/DC 컨버터의 제1 입력단(32-1)과 연결되는 애노드와, 타측 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제2 입력단(32-2)과 연결되는 캐소드를 포함함여 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들이 입력단 측에서 직렬로 연결되게 하는 상기 복수의 제1 다이오드(22-2, 22-n, 42-2, 42-n)와,
    상기 제1 DC/DC 컨버터(21-1, 41-1)의 제1 입력단(32-1)과 연결되는 애노드와 상기 에너지 변환기의 제1 출력단(23-1, 43-1)과 연결되는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드(22-1, 42-1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 제1 차단 스위치(24-1, 24-2, 24-n, 44-1, 44-2, 44-n)를 더 포함하며, 상기 배터리 모듈(20-1, 20-2, 20-n, 30, 40-1, 40-2, 40-n)들은 상기 제1 차단 스위치(24-1, 24-2, 24-n, 44-1, 44-2, 44-n)들 중 각각의 제1 차단 스위치를 통해 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들과 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 차단 스위치(24-1, 24-2, 24-n, 44-1, 44-2, 44-n)들은 릴레이로 형성되는, 에너지 변환기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    복수의 제2 차단 스위치(45-1, 45-2, 45-3)를 더 포함하며, 상기 제2 차단 스위치 각각은 상기 제1 다이오드(22-2, 22-n, 42-2, 42-n) 및 제2 다이오드(22-1, 42-1)와 직렬로 연결되고, 각각의 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 입력단(32-1)으로부터 각각의 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 출력단(33-1)을 분리할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들은 양방향성 비절연식 DC/DC 컨버터로서, 바람직하게는 승압형/강압형(boost/buck) 컨버터, 또는 강압-승압형(buck-boost) 컨버터로 형성되는, 에너지 변환기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)들은 각각 코일(L1)과, 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)와, 상기 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하며, 상기 제1 스위치(S1)는 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 입력단(32-1)과 상기 코일(L1)의 제1 단자 사이에 연결되고, 상기 제2 스위치(S2)는 상기 코일(L1)의 제1 단자와 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제2 입력단(32-2) 사이에 연결되고, 상기 제3 스위치(S3)는 상기 코일(L1)의 제2 단자와 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제2 입력단(32-2) 사이에 연결되며, 상기 제4 스위치(S4)는 상기 코일(L1)의 제2 단자와 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 출력단(33-1) 사이에 연결되는, 에너지 변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    각각의 컨트롤러는 제1 제어 신호를 위한 제1 제어 입력단을 포함하고, 상기 제1 제어 신호를 수신하여, 상기 제3 스위치(S3) 및 상기 제4 스위치(S4)를 닫아 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제2 출력단(33-2)과 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 출력단(33-1)을 전기적으로 연결하고 상기 제1 스위치(S1)를 개방하여 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 입력단(32-1)을 분리할 수 있도록 형성되는, 에너지 변환기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    각각의 컨트롤러는 제2 제어 신호를 위한 제2 제어 입력단을 포함하고, 상기 제2 제어 신호를 수신하여, 상기 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 및 제2 출력단(33-1, 33-2) 사이의 전압을 상승시킬 수 있도록 형성되는, 에너지 변환기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 에너지 변환기와, 복수의 배터리 모듈(20-1, 20-2, 20-n, 30, 40-1, 40-2, 40-n)을 포함하며, 상기 배터리 모듈들은 각각 하나 이상의 배터리 셀(30-1, 30-2, ..., 30-n)을 구비하고 상기 배터리 모듈들의 배터리 단자들은 상기 에너지 변환기의 DC/DC 컨버터(21-1, 21-2, 21-n, 31, 41-1, 41-2, 41-n)의 제1 및 제2 입력단(32-1, 32-2) 중 대응하는 입력단과 분리 가능하게 연결되는, 배터리 시스템.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 에너지 변환기를 장착한 자동차.
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