KR20120096396A - 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수개의 배터리 셀에 대한 밸런싱 제어 방법 및 이의 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리 스트링을 밸런싱 제어하는 데 있어서 배터리 스트링을 구성하는 평균치 이상으로 충전된 복수개의 배터리 셀의 전압을 변환하여 부족 충전된 배터리 셀측으로 에너지(전하)가 직접 전달되게 제어하고 또한 상기 전력을 변환하는 과정에서 얻어지는 잉여에너지를 인접된 배터리 단위구룹 스트링에 전달하거나 배터리팩으로 다시 회수하여 각 배터리 셀이 조기에 밸런싱되게 하는 배터리 셀 밸런싱 제어 방법 및 이의 장치에 관한 것이다.
배터리 셀 밸런싱 제어장치는, 배터리 셀의 전압을 PWM 초핑(Chopping)하고 제 1방향 또는 제2방향의 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 스위치 회로; 상기 스위치 회로의 출력단에 배치되고, 단일 철심의 변압기에 형성되고 동일 극성으로 권선의 상호간에 자기적 누설이 균일하도록 권선되는 복수의 1차 권선; 상기 스위치 회로와 상기 1차 권선 사이에 직렬 형태로 배치되고 배터리 전류를 제한하는 복수의 전류제한수단;을 포함하여 구성된다.
상기 밸런싱 제어방법은, 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리를 밸런싱 제어하는 데 있어서, 상기 복수의 배터리 셀에 각각 구비된 복수의 스위치 회로에 동일한 PWM 제어신호를 인가하는 단계; 평균전압 이상으로 충전된 배터리 셀들이 방전되는 단계; 및 변압기의 자기 결합을 통해 상기 방전 에너지가 부족 충전된 배터리 셀측으로 직접 전달되거나 인접된 단위구룹 스트링으로 전달되는 단계;를 포함한다.

Description

배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법{BATTERY BALANCING CONTROL APPARATUS and METHOD THEREOF}
하이브리드자동차(HEV), 전기자동차(PEV) 또는 골프-카트와 같은 전기차의 주행속도 및 최대 주행거리를 증대시키기 위해 리튬이온, 리튬폴리머와 같은 전기 집적도(power density)가 높은 리튬계열의 배터리가 빠르게 보급되고 있다.
이와 같은 2차 배터리(전지)는 특성 인자의 차이로 인해 충전, 대기 또는 방전 중에 셀 전압이 쉽게 불균형 상태가 되어 이로 인해 배터리 셀의 노화가 촉진됨은 물론 배터리팩의 SOC 용량 감소 등 수명이 단축되게 되고, 특히 리튬계열의 배터리의 경우에는 일부 셀의 과전압 상태로 인해 결국 셀이 파괴되거나 폭발하는 경우가 발생할 수 있다.
따라서 모든 배터리 셀의 밸런싱(균형화)을 유지하고 셀 충전 및 용량 불일치의 영향을 줄이기 위해서 배터리 능동 밸런싱(Cell Active Balancing) 기능이 요구된다.
산업현장에서는 대용량화를 목적으로 복수개의 배터리 셀을 직렬 연결하여 사용하고 있으며, 이와 같이 직렬 연결된 배터리시스템(팩)을 충전하고자 할 경우 각 배터리 셀의 충전전압이 균일화될 수 있도록 각 배터리 셀마다 개별 충전장치를 연결하여 개별 특성에 맞춰 충전시키는 것이 현실적으로 매우 어려운 실정이기 때문에 배터리시스텀(팩) 종단의 양극(+) 및 음극(-) 두 단자 간에 충전장치의 출력을 연결하여 복수개의 배터리 셀을 일괄적으로 충전하는 일괄충전 방식이 현실적으로 널리 이용되고 있다.
그러나 상기 일괄충전 방식에서는 각 배터리 셀간의 용량 차이나 내부 저항 차이 등의 특성을 제대로 고려되지 못하고 일괄적으로 충전전류가 공급되기 때문에 충.방전중에 과충전되는 배터리 셀이나 부족 충전된 배터리 셀이 나타나게 되는 등의 취약점을 가지게 된다.
한편, 배터리시스템(스트링)의 대용량화 및 높은 전압을 얻기 위한 목적으로 복수개의 배터리 셀을 직.병렬로 연결하여 구성되는 배터리시스템(소형의 경우에는 "팩" 또는 "스택"으로 불러지고 있다.)은, 충.방전 사이클이 증가되면서 각 배터리 셀이 가지는 특성 인자의 불균형 상태가 심화되고 이에 따라 배터리 셀 전압도 불균형한 상태가 된다.
이와 같이 충전, 방전 또는 대기상태에서 셀 전압이 불균형 상태가 되면, 배터리팩의 용량 감소는 물론 수명이 단축되고 특히 리튬계열의 배터리는 셀 성능이 저하되어 결국 파괴되는 결과를 초래할 만큼 과전압에 민감하다.
더구나 전술한 바와 같은 배터리 셀간의 충전 전압 또는 용량 불균형 현상은, 방전 심도(Depth Of Discharge, DOD)가 높을 경우 더욱 심화되어 결국 일부 배터리 셀을 과충전시키게 되고 배터리팩의 수명 단축 등 악영향을 끼치게 되며 리튬계열 배터리의 경우에는 셀이 파괴되거나 폭발과 같은 위험한 상황에 직면하게 되는 것이다.
종래에는 배터리시스템(스트링)의 일괄 충전, 대기 또는 방전중에 배터리 셀간의 충전 또는 전압 불균형을 줄이기 위한 셀 밸런싱 제어장치로서, 복수개로 직렬 연결된 배터리 셀을 2개씩 구룹화하여 각 구룹마다 능동방식의 개별 셀 균등 제어장치(Individual Cell Equalizer,ICE)를 배치하고 또 구룹화된 배터리 셀 사이마다 상기 개별 셀 균등 제어장치(ICE)를 추가적으로 배치하는 등, 커패시터 또는 인덕터에 의한 전하 교환(Shuttling) 방식이나 절연 변압기에 의한 충전 교환 방식을 사용하였다.
즉, 도 1에 도시한 바와 같이 각 배터리 셀 구룹마다 배치된 개별 셀 균등 제어장치(ICE1, ICE3, ICE5,...)를 동작시켜 2개의 인접된 배터리 셀(VB1 와 VB2, VB3 와 VB4,.... )을 1차적으로 균일화시키고 이어서 이들의 중간 셀(VB2 과 VB3, VB4 과 VB5,....)마다 배치된 개별 셀 균등 제어장치(ICE2, ICE4, ICE6, ...)를 순차적으로 동작시켜 서로 인접 셀을 통해 배터리팩 전체의 셀들을 상호간 균일화시키는 밸런싱 제어방법을 사용하였다.
종래와 같이 전하 교환(Shuttling) 또는 충전 교환 방식을 사용하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치의 경우에는, 과충전된 방전 대상 배터리 셀의 에너지(전하)가 서로 직렬 연결된 각 배터리 셀들을 순차적으로 통과하여 부족 충전된 배터리 셀로 전달되어야 하기 때문에 밸런싱 성과가 빠르지 못하고 배터리 셀 수가 증가하면 에너지(전하) 전달의 효율이 급격히 감소하게 되며, 또한 배터리팩을 구성하는 대다수 셀들이 과충된 셀인 경우에는 더욱 효과적이지 못하는 단점이 있었다.
또한, 종래에는 변압기의 1차 권선이 복수개로 구성되어 복수개의 배터리 셀에 각각 연결되고 상기 변압기의 1차 권선들과 극성이 반대로 권선되는 2차 권선이 정류다이오드와 직렬로 연결되는 특징을 가진 FlyBack 컨버터의 동작원리를 이용한 배터리 셀 밸런싱 회로를 사용하였다.
이의 제어동작 특징은, 우선 특정 배터리 셀의 전압을 측정하여 미리 정한 전압보다 높게 되면 상기 특정 배터리 셀을 선택하고, 이에 연결된 해당 스위치를 구동시켜 높은 전압의 배터리 셀이 방전되게 된다. 상기 방전 전류는 변압기의 자화 인덕터에 자화 전류를 흐르게 하고 방전된 전하는 자화 에너지로 되어 있다가 2차 권선측으로 전달되어 상대적으로 적게 충전된(충전 전압이 낮은 셀) 배터리 셀(B1~BN)로 더 많은 양의 전하가 흐르게 되어 부족 충전된 배터리가 빠르게 충전되고 배터리 셀의 밸런싱(균등화)제어 동작이 이루어 진다.
그러나, 상기와 같은 종래의 밸런싱 제어장치는 방전된 배터리의 에너지가 변압기의 자화 인덕터에 의해 대부분 자화에너지로 변환되어 2차 권선측으로 전달되므로, 같은 단위구룹내에 있는 배터리 셀간에 밸런싱이 이루어 질 수 없으며 또한 방전 에너지를 자화에너지로 변환하므로 밸런싱 제어장치의 대용량화가 어렵고 자속을 리셋시키는 수단이 꼭 필요하였다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 없애기 위하여 창출된 것으로서, 배터리팩(100)이 일괄 충전, 방전 또는 사용 대기중에 배터리 셀 간에 충전 용량의 불균형 또는 셀 전압의 불균형이 발생되면, 상기 과충전되어 있거나 높게 충전된 배터리 셀의 에너지(전하)가 방전되고, 배터리 셀에 각각 연결된 복수의 1차 권선이 배치된 고주파 변압기의 자기적 결합(자기적 누설이 균일하게 최적화되도록)에 의해 부족 충전된 배터리 셀로 에너지가 직접 전달되어 충전전류가 흐르게 되고, 이때 셀 전압의 불균형이 심한 배터리 셀에는 상대적으로 많은 충전 전류가 흐르게 되어 모든 배터리 셀들을 단시간에 균일화될 수 있는 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 밸런싱 제어과정에서 저장된 잉여에너지(전력)를 에너지 저장수단에 일시 저장하거나 배터리 스트링(팩)측으로 동시에 회수되게 하여 밸런싱 동작시에 변환효율을 높일 수 있으며 이의 회로를 간략화할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법은 복수개의 배터리 셀들이 상호 직렬 연결되어 구성되는 배터리시스템(팩)의 각 배터리 셀들을 밸런싱 제어 관리하는 목적을 가지는 것으로서,
배터리 스트링를 구성하는 복수개의 배터리 셀에 각각 배치되고 상기 배터리 셀 전압을 PWM 초핑(Chopping)하여 밸런싱 제어하기 위한 복수개 스위치 회로의 PWM 제어방법에 있어서, 상기 PWM 제어방법은, 동일한 PWM 펄스가 상기 복수개의 스위치 회로에 동시에 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수개의 스위치 회로에 인가되는 PWM 펄스는, 이의 시비율(도통 펄스폭)이 모두 동일한 것을 포함한다.
또한, 상기 배터리 스트링은 복수의 단위구룹 스트링으로 구성되는 데, 상기 단위구룹 스트링에 배치된 각 스위치 회로에 인가하는 PWM 펄스는, 이의 시비율이 각 배터리 단위구룹 스트링의 출력 전압에 비례하여 각각 선정되는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리를 밸런싱 제어하는 데 있어서, 상기 복수의 배터리 셀에 각각 구비된 복수의 스위치 회로에 동일한 PWM 제어신호를 인가하는 단계(S203); 평균전압 이상으로 충전된 배터리 셀들이 방전되는 단계(S204); 및 변압기의 자기 결합을 통해 상기 방전 에너지가 부족 충전된 배터리 측으로 직접 전달되는 단계 (S205);를 포함한다.
또한, 상기 S203 단계이전에 배터리팩의 각 배터리 셀 전압을 측정하는 단계(S201); 상기 측정결과에 의해 각 배터리 셀들의 충전 용량의 불균형 또는 셀 전압의 불균형이 있는 지 여부를 판단하는 단계(S202);를 더 포함할 수 있다.
상기 충전 용량의 불균형 또는 셀 전압의 불균형이 있는 지 여부를 판단하는 단계(S202 )는, 배터리 셀 전압을 측정하고 평균전압을 기준하여 소정치 이상으로 높거나 낮게 충전된 셀의 유무를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 각 배터리 단위구룹 스트링의 출력전압을 측정하여 이의 전체 출력전압 편차가 큰 경우에는, 시비율이 각각 상이한 PWM 제어신호를 인가시키는 단계(S207); 및 높게 충전된 배터리 단위구룹 스트링으로 부터 충전 전압이 낮은 단위구룹 스트링측으로 에너지가 전달되는 단계(S208);을 더 포함할 수 있다.
또한, 배터리팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀(E1, E2....En)이 모두 과충전되었거나 소정의 설정 기준치 이상 전압으로 충전된 경우에는, 상기 모든 배터리 셀에 연결된 스위치 회로에 PWM 제어신호를 인가시키는 단계(S301); 상기 인가된 PWM 제어신호에 의해 모든 배터리 셀의 에너지가 방전을 개시하는 단계(S302); 및 상기 방전된 에너지가 고주파 변압기의 자기 에너지로 변환되어 2차 권선(34)으로 전달되어 저장되는 단계(S303);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 자기 결합에 의해 전달된 에너지의 일부가 자화 전류에 복귀에 따라 에너지 저장수단(33)으로 환류되는 단계(S401); 상기 환류된 잉여에너지가 배터리팩이나 일부 배터리 단위구룹 스트링으로 다시 회수되는 단계(S402);를 더 포함할 수 있다.
또한 각 배터리 셀들이 모두 균등화되면, 상기 PWM제어신호가 인가되더라도 각 배터리 셀이나 단위구룹 스트링간에 에너지 전달(수수) 제어동작이 자동적으로 중지되는 단계(S501)를 더 포함할 수 있다.
한편, 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리 스트링을 밸런싱 제어하는 데 있어서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 제어장치는, 상기 배터리 셀의 전압을 PWM 초핑(Chopping)하고 제 1방향 또는 제2방향의 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 스위치 회로; 상기 스위치 회로의 출력단에 배치되고 단일 철심의 변압기에 형성되고 동일 극성으로 상호간 자기적 누설이 균일하도록 권선되는 복수의 1차 권선; 및 상기 1차 권선과 상기 스위치 회로 사이에 직렬 형태로 배치되고 배터리 전류를 제한하는 복수의 전류제한수단;을 포함한다.
또한, 상기 단일 철심의 변압기에 상기 1차 권선들과 반대 극성으로 권선되는 2차 권선; 상기 2차 권선과 병렬 형태로 출력측에 배치되는 에너지 저장수단; 및 변압기 자속의 복귀(리셋)에 따라 발생되는 환류전류의 흐름 통로를 제공하는 제 2 스위치 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 에너지 저장수단은, 커패시터 또는 수퍼 커패시터와 같이 직류 전력을 저장할 수 있는 수단 중 적어도 어느 하나를 포함하거나, 상기 배터리 스트링 또는 상기 배터리 단위구룹 스트링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 변압기, 스위치 회로 및 전류제한수단을 포함하여 구성되는 배터리 셀 밸런싱 제어모듈은 복수개로 구성되고 상기 배터리 스트링의 단위구룹마다 각각 배치되는 것을 포함한다.
또한, 상기 단일 철심 구조의 변압기는 복수개로 구성되고, 상기 복수개의 변압기 각 2차 권선의 출력은, 상기 2차 권선에 직렬로 연결되는 복수의 제 2스위치 회로를 통해 복수의 배터리 단위구룹 스트링들과 각각 연결되는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개 변압기의 각 2차 권선 출력은 상기 1차 권선들이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 다음 하위 구룹에 순차적으로 연결되고, 최하단에 배치된 변압기의 각 2차 권선의 출력은, 최상단의 단위구룹 스트링에 연결된 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 변압기가 상기 배터리 스트링의 복수개 단위구룹마다 각각 배치되는 데, 상기 제 m 번째 변압기의 2차 권선 출력은 제 (m+1)번째 단위구룹 스트링에 연결되고, 상기 제 (m+1)번째 변압기의 2차 권선 출력은 제 m 번째 단위구룹 스트링과 서로 교호하여 연결되는 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 변압기가 상기 배터리 스트링의 N개 단위구룹마다 각각 배치되는 데, 상기 변압기의 복수의 1차 권선들 중 임의의 권선 출력이 상기 또 다른 변압기의 1차 권선중 임의의 권선과 연결되고, 또한 상기 권선들의 출력은 제 2스위치 회로를 통해 에너지 저장수단에 연결되는 것이 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개 변압기의 1차 권선중 임의의 권선이 또 다른 제 3의 변압기의 제 1권선에 연결되고, 상기 제 3의 변압기의 또 다른 제 1권선은 다른 배터리 셀 제어모듈에 배치된 변압기의 1차 권선중 임의의 권선에 연결될 수 있으며, 또한 상기 복수개 변압기의 제 2차 권선은 제 2스위치 회로를 통해 에너지 저장수단에 연결되는 것이 더 바람직할 수 있다.
또한, 상기 전류제한수단은 상기 1차 권선들 상호간에 자속이 누설되어 얻어지는 누설 인덕터 성분인 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 스위치 회로는 MOSFET 소자를 포함하여 구성될 수 있고 이때 상기 전류제한수단은 상기 MOSFET 소자의 도통(Ron)저항 성분인 것을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 자기 결합을 통해 전달된 에너지는 고주파 변압기 내의 자화전류에 의해 생성된 잉여에너지이고, 자속이 리셋될 수 있도록 상기 자화 전류가 환류되는 기간에 잉여에너지를 회수하는 에너지 저장수단(33)를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 에너지 저장수단(33)은, 배터리 셀 또는 배터리 단위구룹 스트링이거나, 커패시터 또는 수퍼 커패시터와 같이 직류 전력을 저장할 수 있는 수단 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 상기 제 2스위치 회로(35)는 자속 리셋 기간 동안에 환류 전류가 흐르도록 통로를 제공하는 능동스위치 또는 다이오드 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제 2차(리셋) 권선은, 상기 제 2스위치 회로(35) 및 상기 에너지 저장수단을 통해 임의의 배터리 스트링의 양극(+) 및 음극(-) 단자 간에 연결되는 것이 더 바람직하다.
또한, 회수 통로수단(32)은 다이오드와 같은 정류 소자이거나 이들로 구성된 장치일 수 있으며 상기 복수개의 셀들이 일괄로 충전되는 배터리팩 또는 상기 배터리팩의 임의의 중간 직렬 연결조(배터리 스트링)의 양극 또는 음극회로 측의 적어도 어느 1개소 이상에 구비되고, 상기 에너지 저장수단(33) 또는 상기 커패시터(Co)의 전압이 상승되면 상기 배터리팩 측으로 전류가 흐르도록 전류통로가 형성되게 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 제어회로는, 배터리 셀의 충전 전압을 측정하는 셀 전압 측정수단, 상기 측정 결과에 따라 충전 용량의 불균형 또는 셀 전압의 불균형이 있는 지 여부를 판단하는 셀 상태 판단수단, 복수 개의 셀 또는 단위구룹 배터리 스트링에 인가되는 PWM 제어신호를 생성하는 PWM 신호발생수단을 포함한다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 제어 방법 및 이의 장치는, 과충전되거나 평균보다 높게 충전된 배터리 셀의 에너지(전압)를 방전시켜 고주파 변압기의 권선들의 상호간 자기적 결합을 통해 부족 충전된 배터리 셀로 부족 충전량을 고려하여 충전전류를 분배하여 이를 직접 공급함으로써 복수개의 배터리 셀을 신속하게 균일화시킬 수 있으며, 충전. 대기 또는 방전과정에서도 각 배터리 셀의 충전 전압을 균등하게 충전되게 하거나 균일하게 유지시킬 수 있다.
동시에 상기 스위칭 변환 과정에서 발생되는 잉여에너지를 배터리 단위구룹 스트링으로 직접 전달하거나 배터리 스트링(팩)측으로 다시 회수하거나 할 수 있으므로 배터리팩의 균등 충전 또는 셀 밸런싱 제어시에 발생될 수 있는 변환손실을 최소화할 수 있다.
또한, 충전중 대다수 배터리 셀이 과충전되는 경우에도 배터리팩의 충전 잉여에너지를 방전시켜 전원(충전기)측으로 다시 회수시킴으로써 과충전된 배터리 셀을 보호할 수 있다.
또한, 포워드 또는 플라이백 컨버터 방식의 실시 예에 있어서도 상기 PWM 스위칭 변환 과정에서 자속이 원할하게 리셋되고 온 두티(On Duty)를 50% 이상으로 제어할 수 있으므로 충.방전 전류 리플를 감소시킬 수 있으며 스위칭소자의 순시전류 내량을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 개별 균등 제어장치를 배치한 배터리 밸런싱 회로의 블록도.
도 2는 본 발명의 배터리 셀 밸런싱 제어장치 회로가 도시된 대표도.
도 3은 자기 결합된 상태을 보여주는 고주파 변압기의 코어 및 각 권선의 결합도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로 배터리 셀 밸런싱 제어장치 회로가 구체적으로 도시된 도면.
도 5는 본 발명의 동작 과정을 개략적으로 나타 내는 주회로 각 부의 PWM 동작 파형도.
도 6은 본 발명의 배터리 셀 밸런싱 제어장치가 복수개로 배터리 스트링 단위구룹마다 상호 교호하여 배치되는 또 다른 일 실시예.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예로 배터리 셀 밸런싱 제어모듈의 출력이 하위의 배터리 단위구룹 스트링에 연결되는 구성도.
도 8은 높게 충전된 배터리 단위구룹 스트링의 셀 방전 에너지가 인접된 단위구룹의 배터리 셀로 전달되는 과정의 동작 제어 파형.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예로써, 배터리 단위구룹 스트링에 배치되는 복수개의 제 1차 권선 중 임의의 권선이 다음 하위 단위구룹에 배치되는 임의의 제 1차 권선에 연결되는 구성도.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예로 복수개의 변압기 제 1차 권선 중 임의의 권선 출력이 또 다른 제 3변압기의 제 1차 권선에 연결되는 구성도.
도 11은 본 발명의 도 10의 실시예를 변형 또는 확장한 또 다른 일 실시예.
도 12는 본 발명의 도 9의 실시예를 변형 또는 확장한 또 다른 일 실시예.
도 13은 본 발명의 배터리 셀 밸런싱 제어 방법 및 이의 동작 연결관계가 도시된 대표도.
도 14는 본 발명의 배터리 셀 밸런싱 제어장치의 주 회로도 및 제어회로 블록도.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예인 배터리 셀 밸런싱 제어장치의 주회로도 및 제어회로 블록도.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예로써 리셋 권선을 복수화 병렬 연결한 주회로도.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예로써 고전류 밸런싱이 가능한 주 회로도
도 18은 본 발명의 구체적인 셀 밸런싱 제어 방법을 나타내는 단계별 차트.
이하, 본 발명과 관련된 배터리 셀 밸런싱 제어 방법 및 이의 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시 예로, 기능 블록별로 도시된 배터리 셀 밸런싱 제어장치의 대표도이다.
도 2에 도시된 배터리 셀 밸런싱 제어장치는, 복수개의 배터리 셀(E1~En)들이 상호 직렬 연결되는 배터리 스트링(100) 또는 단위구룹 스트링의 각 배터리 셀들을 균일하게 충전할 수 있게 설계된 것으로, 복수개의 배터리 셀의 양극과 음극사이에 각각 배치되고 방전 대상의 배터리 셀의 전압을 PWM 쵸핑(Chopping)하여 제 1방향 또는 제2방향의 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 스위치 회로(20-1, 20-2, ...20-n); 상기 배터리 셀의 에너지를 입력받아 전자기학적 원리 (Electro magnetic principle)에 의한 자기적 결합을 통해 복수의 1차 권선간에 에너지를 유도하여 전달할 수 있도록 상호간 자기적 누설이 균일하게 권선되는 복수의 1차 권선(211, 212, .. 21n); 및 상기 1차 권선과 상기 스위치 회로 사이에 직렬 형태로 배치되고 배터리의 전류를 제한하는 복수의 전류제한수단을 포함하여 구성된다.
상기 스위치 회로(20-1, 20-2, ... ..20-n)는 스위칭 소자의 개폐에 의해 과충전되었거나 평균치보다 높은 배터리 셀 전압을 PWM 초핑(Chopping)하여 충전된 에너지를 방전되게 하며, 이때 상기 방전된 에너지(전하)는 상호 자기 결합된 복수개의 1차 권선들에 전압을 유기하고, 상기 유기 전압에 의해 부족 충전된 배터리 셀로 상기 방전 에너지가 전달될 수 있도록 전류흐름 통로를 제공한다.
여기서 상기 방전에 의한 상호간 에너지 전달 효율을 좋게 하기 위해 상기 복수의 1차 권선들은 상호간에 자기적 누설이 최소화되도록 권선되는 것이 바람직하다.
특히, 연속전류 도통모드(CCM)에서 동작시에 자속의 포화를 방지하기 위하여, 상기 단일 철심의 변압기에 상기 1차 권선들과 반대 극성으로 권선되며 자화전류에 의해 생성되는 고주파 변압기의 자속을 리셋하기 위한 2차 권선(34); 상기 자속 리셋 기간 동안에 환류 전류가 흐르도록 통전 통로를 제공하는 제 2스위치 회로(35); 및 상기 2차 권선과 병렬 형태로 출력측에 배치되고 리셋 기간 동안 자속 리셋에 필요한 자화전류가 흐르는 에너지 저장수단(33);를 더 배치하는 것이 바람직할 것이다.
상기 에너지 저장수단(33)은, 배터리 또는 배터리 단위구룹 스트링이거나 커패시터 또는 수퍼 커패시터와 같이 직류 전력을 저장할 수 있는 수단 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성할 수 있다.
이하 설명에서는 배터리 셀이 방전되는 통로를 따라 전류가 흐르는 방향을 제 1방향으로 지칭하고 상기 방전된 에너지(전하)에 의해 부족 충전된 배터리 셀로 충전전류가 흐르는 방향(제 1방향과 반대쪽)을 제 2방향으로 기재한다.
더욱 자세하게 설명하면, 상기 스위치 회로(20-1, 20-2,...20-n)의 출력단에는 고주파 변압기의 전자기학적 원리(Electromagnetic Principle)에 의한 자기 결합에 의해 상호 권선간에 에너지가 전달될 수 있도록 설계된 1차 권선(211, 212,... 21n)들이 각각 연결되고, 상기 1차 권선들은 상호 자기적 누설량 또는 전자기적 특성이 균일하고 동일극성(가극성)을 가지므로 2조 이상 복수의 배터리 셀 전압이 복수 동시(병렬)운전 형태로 초핑되도록 동작될 수 있으며, 방전된 에너지(전하)는 이러한 1차 권선(211, 212, ... 21n)들의 자기적 결합에 의하여 부족 충전된 배터리 셀 측으로 직접 전달될 수 있다.
또한, 상기 1차 권선(211, 212,... 21n)의 상호간에 배터리의 충.방전에 의한 에너지가 효율적으로 전달(수수)되기 위해서는 자화전류가 매우 적어야 할 것이므로, 상기 고주파 변압기 자로를 구성하는 코어의 투자율이 높아야 하고 또한 변압기 코어의 자로 내에 에어갭이 거의 없어야 할 것이다.
또한, 상기 차 권선 및 2차 권선(34)을 가지는 상기 고주파 변압기의 전자기적 유도작용에 따라 발생하는 자화전류는, 상기 2차 권선(34)을 통해 환류되고 상기 스위치 회로가 폐쇄(off)되는 구간에 변압기의 자속이 리셋되면서 동시에 잉여 에너지는 에너지저장수단(33) 또는 콘덴서(31)에 일시 저장되거나 소정의 배터리 스트링이나 배터리 셀로 회수될 수 있다.
또한 상호 에너지 전달 효율을 개선하기 위해 상기 각 1차 권선들 상호간에 자기적 결합을 높여 자기적 누설이 최소화되고 균일화되게 설계하는 것이 바람직하며, 이때 상기 1차 권선들 상호간에 자기적 누설량이 적어지면 상기 스위치 회로(20-1, 20-2, ... ..20-n)의 스위칭 소자가 개폐에 의해 배터리 셀의 전압이 PWM 초핑(Chopping)이 개시되는 싯점에서 순간적으로 충.방전전류가 급격히 증가할 수 있게 되므로, 상기 배터리 충.방전전류가 급격하게 상승되는 것을 제한하는 역할을 하도록 상기 1차 권선과 직렬로 복수개의 전류제한수단을 각각 배치할 수 있다.
또한, 상기 1차 권선들을 변압기 자로에 적절히 균일하게 배치하여 상호간에 자속이 누설되어 생성되는 직렬 누설인덕터 성분을 최적으로 설계할 수 있으며, 이렇게 함으로써 상기 누설인덕터 성분이 상기 전류제한수단의 기능을 대행할 수 있도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 복수의 스위치 회로는 MOSFET 소자를 포함하여 구성될 수 있고, 이때 상기 MOSFET 소자의 도통(Ron)저항이 상기 전류제한수단의 기능으로써 배터리 방전전류의 급격한 상승을 제한시키는 역할을 하게 하는 것이 매우 바람직할 것이다.
일반적으로 본 발명의 셀 밸런싱 제어모듈들은, 배터리 셀을 기준하여 배터리 상호간에 전달 에너지(전하)량이 비교적 적은 경우(약 30W 이하)에는 상기 1차 권선(211, 212,...21n)에 직렬형태로 배터리 셀의 음극을 지향하여 연결되는 1개의 스위칭소자와 상기 스위칭소자와 역병렬 형태로 연결되는 다이오드를 가진 절연형 포워드(Forward)컨버터 또는 프라이백(Flyback)컨버터와 같은 회로로 구성되는 것이 매우 경제적이 될 수 있으나, 배터리 셀 방전에 의한 전달 에너지(전하)량이 더 크게 필요한 경우나 또는 설계자의 판단에 따라 추가적인 기술적 효과가 기대될 경우에는, 다수의 스위칭 소자와 이에 역병렬 형태로 각각 환류 다이오드가 연결되어 구성되는 다상 형태의 브릿지 인버터(full-bridge)방식이나 배터리 2셀마다 2조의 스위치 및 1개의 공통 권선을 가진 절연형 DC/DC 컨버터 회로가 더욱 바람직할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 배터리 셀에 각각 연결된 고주파 변압기의 각 권선들은, 통상의 절연형 포워드(Forward) 컨버터, 프라이백(Fly back) 컨버터 또는 브릿지형 인버터 방식의 DC/DC 컨버터에 있어서의 1차측 권선과 유사한 역할를 하도록 배치하거나 배터리 2셀 단위로 연결된 공동점에 권선 중앙탭을 가진 절연형 컨버터의 1차측 권선과 같이 배치하여 변압기의 자기 결합에 의해 배터리 셀 간에 서로 직접적인 에너지의 수수가 가능하도록 할 수 있다.
또한, 이하 본 발명의 구체적 실시 예들과 같이, 상기 스위치 회로(20-1, 20-2, ... ..20-n)는, 상기 1차 권선 (211, 212,... 21n)에 직렬형태로 배터리 셀의 음극을 지향하여 스위칭소자(Sp1,Sp2,...Spn)가 연결되고 상기 스위칭소자와 역병렬 형태로 환류 다이오드(Df1,Df2,...Dfn)가 연결되게 간단히 구성하는 것이 더 바람직할 수 있다.
한편, 셀 전압 측정수단(101)은 공지의 전압센서 또는 절연회로를 포함하여 구성되며 복수개의 배터리 셀(E1~En)에 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 측정한다. 상기 측정된 전압값들의 정보는 셀 상태 판단수단(106)으로 보내 지고, 배터리 셀의 측정 데이터의 송출 및 이력 정보관리를 용이하게 하기 위해 디지털값으로 변환되는 것이 바람직하다. 이때 측정 시간정보와 함께 측정된 전압값들의 정보를 변환하여 배터리 관리시스템 내에 저장하거나 외부로 전송하는 것이 배터리팩의 이력 관리 및 제어를 위해 유익할 수 있다.
상기 셀 상태 판단수단(106)은 상기 측정된 전압정보에 의하여 각 배터리 셀들의 충전용량의 불균형 또는 셀 전압의 불균형이 있는 지의 여부를 파악하여 이 정보를 PWM 신호발생수단(103) 또는 드라이빙신호 발생회로(104)에 보내게 된다.
여기서, 상기 셀 전압 측정수단(101) 또는 셀 상태 판단수단(106)은 특별히 구비되지 않아도 되는 요소이며, 밸런싱 제어장치의 전력소모를 줄이기 위한 목적으로 밸런싱 제어동작이 필요한 때에만 상기 PWM 제어신호를 발생시키는 데 필요한 부수적 요소이다. 배터리 밸런싱 제어장치가 아이들(idle) 모드로 대기하는 동안에는 상기 셀 전압 측정수단(101) 또는 셀 상태 판단수단(106)이 작동치 않게 된다.
한편, 상기 PWM 신호발생수단(103)에서는 각 배터리 셀마다 구비된 스위치 회로(20-1, -2, -3....)에 공급할 PWM 제어신호를 발생시키고, 상기 드라이빙신호 발생회로(104)에서는 상기 PWM 제어신호를 증폭하거나 절연하여 모든 배터리 셀에 연결된 상기 스위치 회로에 공급되게 한다.
또한, 상기 복수의 스위치 회로(20-1, -2, -n)는, 하나의 PWM 신호발생수단(103)에서 발생된 공통된 제어신호에 의해 구동되는 것이 바람직하나, 제어 방식에 따라서는 배터리 단위구룹 스트링마다 구비되는 각자의 PWM 신호발생수단(103)에서 생성된 PWM 제어신호에 의해 구동될 수 있다.
또한, 제어회로를 간단히 하기 위한 목적으로, 한가지의 PWM 제어신호를 발생시켜 상기 모든 스위치 회로(20-1, -2, -3....)에 항상 공급되게 할 수 있으며, 제어장치의 전력소모를 줄이기 위해서 셀 상태 판단수단(106)으로부터 받은 결과를 기초로 하여 방전이 필요한 배터리 셀이 있다고 판단될 경우에 한해, 상기 PWM 신호발생수단(103)에서 PWM 제어신호를 생성하여 모든 스위치 회로에 공통으로 공급하거나, 각 배터리 단위구룹 스트링 또는 각 배터리 셀 별로 시비율((도통 펄스폭)이 상이한 PWM 제어신호의 생성하여 이를 공급할 수 있다.
도 3은 상기 고주파 변압기 코어에 각 권선들이 전자기학적 원리 (Electromagnetic principle)에 의해 자기 결합(Coupling)되어 각 권선 상호간의 에너지가 효율적으로 전달될 수 있도록 배치된 권선들의 모양을 보여주고 있다. 도 3은 이해를 쉽게 할 목적으로 원형 코어로 도시되어 있으나, 본 발명의 기술사상은 EE 형상이나 EI 형상등 현존하는 어떤 형상의 코어에도 적용이 가능하다.
또한, 도 3은 본 발명의 실시예들에서 적용된 바와 같이, 복수개의 1차 권선을 가진 고주파 변압기에 있어서 상기 고주파 변압기의 임의의 1차 권선(211)에 흐르는 자화전류에 의해 변압기의 원형 코어의 자로를 따라 자속이 발생되고 상기 1차 권선(211, 212 ,... 21n)들을 상기 자속이 모두 쇄교함으로써 이에 모든 1차 권선(211, 212 ,... 21n)들은 상호간 자기 결합을 완벽하게 이룰 수 있게 되며, 이에 따라 상기 1차 권선에 유도된 전압에 의해 동일 단위구룹 스트링의 배터리 셀간에 상호 밸런싱 제어가 이루어 질 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서 제시된 기술사상은, 각 고주파 변압기의 자화 인덕턴스가 각 배터리의 셀 밸런싱 제어모듈간 또는 각 배터리 단위구룹 스트링간의 전압 균등화에 핵심적인 역할을 하게 되는 것이며, 따라서 상기 1차 권선 상호간 자기적 누설이 균일화되고 상기 자화 인덕턴스의 크기가 적정하게 설계되어야 본 발명의 2가지 기술적 효과 (즉, 각 배터리 셀간 또는 각 단위구룹 스트링간의 밸런싱 제어 효능)를 더욱 상승시킬 수 있을 것이다.
또한, 상기 고주파 변압기의 1차 권선을 포함한 모든 권선들은 상기 자기적 결합에 의한 에너지 전달 효율을 높일 수 있도록 자기 누설량이 최소화되게 설계하는 것이 매우 바람직하나, 1차 권선들 상호간에 적정량의 직렬 누설 인덕턴스 성분이 형성되게 설계함으로써 상기 전류제한수단의 기능을 대신하게 할 수 있다.
앞에서 설명된 바와 같이, 배터리팩을 구성하는 각 셀들은 각 특성차이로 인해 이의 충전 전압이 균일화되지 못하는 것이 일반적 예이다. 즉, 상기 배터리팩을 구성하는 배터리 셀은 과충전 또는 부족 충전된 배터리 셀이 동시에 복수개가 존재할 수 있고 과충전 또는 부족 충전된 배터리 셀들이 서로 혼재할 수도 있으며 모두 과충전된 셀이거나 부족충전된 셀일 수도 있다. 또한 상기 배터리팩을 구성하는 셀들의 조합 구성은 셀 전압 크기나 특성에 있어 아무런 조건이나 제약을 받을 필요가 없다.
이하 설명에서는 배터리 셀 전압이 예로써 E1> E2 >E3 >E4 인 조건에서 배터리 E1 및 배터리 E2 는 각 배터리 셀의 평균전압보다 높고 배터리 E3 및 배터리 E4 가 평균전압보다 낮은 경우에 있어서, 상기 스위치 회로가 충분히 작은 도통 저항 (Rdson)을 가진 MOSFET 를 포함하여 구성되는 일 실시예를 통해, 본 발명의 기술적 사상이 가지는 효과와 각 배터리 셀 전압이 균등화(밸런싱)되어지는 과정을 살펴 본다.
또한, 설명의 용이성을 위해, 상기 고조파 변압기는 복수 권선 사이에 각 권선비가 동일하고 자화전류가 무시할 정도로 적은 이상적인 변압기로 가정한다. 이와 같이 상기 자화전류가 매우 적은 경우에는 자속 리셋을 위해 필요한 2차 권선은 배치될 필요가 없을 것이다.
먼저 PWM 신호발생수단(103)에서는 상기 배터리 셀(E1~ E4)에 적합한 PWM 제어신호를 발생시키고, 드라이빙신호 발생회로(104)에서는 상기 PWM 제어신호를 증폭 또는 절연한 후 각 MOSFET에 인가하여 이를 도통시킴으로써 배터리 셀의 밸런싱이 이루어지는 과정이 이루어지게 된다.
이때, 배터리 셀(E1~ E4) 전압의 크기에 상관없이 모든 MOSFET에 동일한 시비율(도통 펄스폭, 또는 Duty Cycle)를 가진 PWM 제어신호를 인가하도록 한다. 즉, 상기 각 배터리 셀(E1 내지 E4)들은 동일 배터리 스트링에 모두 배치되어 있고 또한 이들 상호간에 충.방전 에너지가 직접 수수(전달)되어야 하므로, 평균전압보다 낮은 상기 배터리 E3 및 E4의 스위치 회로에도 동일한 시비율의 PWM 제어신호가 공급되게 함이 바람직할 것이며, 이렇게 구현함으로써 기술적 상승효과를 더욱 높일 수 있으며 이에 필요한 회로를 경제적으로 얻을 수 있다.
또한, 배터리 밸런싱 제어장치의 아이들(idle)운전 상태와 같이, 전력소모를 줄이기 위하여는, 셀 전압 측정수단(101)은 상기 배터리 셀의 전압을 측정하고 셀 상태 판단수단(106)은 상기 측정된 전압 정보에 의하여 이들의 평균전압을 기준하여 소정치 이상으로 높거나 낮게 충전된 배터리가 있다고 판단될 경우에 한하여 PWM 제어신호를 발생케 하는 것이 바람직할 것이다.
상기 PWM 제어신호가 공급되어 해당 MOSFET가 도통되면, 전류제한수단에는 배터리 셀 (E1~ E4) 전압과 고주파 변압기의 권선에 의해 유기된 전압의 차이 해당하는 전압이 인가된다. 이때 복수의 1차 권선(211, 212, 213, 214,....)은 상기 고주파 변압기 코어가 단일로 구성되어 있으므로 동일한 크기의 자속이 모두 쇄교하게 되고, 상호간 자기 결합에 따라 쇄교되는 동일 크기의 자속은 복수의 1차 권선(211, 212, 213, 214,....)에 전자기학적 원리의 패러데이 법칙(Faraday‘s Law)과 암페르 법칙(Ampere's Law)에 의해 각 배터리 셀(E1~ E4)의 평균전압의 크기를 가지는 전압을 유기하게 된다.
이때 배터리 셀 E1 및 배터리 셀 E2의 전압은 변압기 1차 권선에 유기되는 전압의 크기(평균전압)보다 크기 때문에 직렬로 연결된 전류제한수단에는 양(+)의 크기를 가지는 전압이 생성되고 과충전된 배터리 셀의 에너지를 방전시키기 위한 방전 전류가 스위칭 소자인 MOSFET를 통해 흐르기 시작한다. 반대로 변압기 1차 권선에 유기되는 전압의 크기(평균전압)보다 낮은 전압을 가진 배터리 셀 E3 및 배터리 셀 E4에 연결된 전류제한수단에는 음(-)의 크기를 가지는 전압이 생성되어 부족충전된 배터리 셀의 에너지를 충전시키기 위한 충전 전류가 흐르게 되는 것이다.
또한, 모든 MOSFET 소자에 동일한 시비율을 가지는 PWM 신호가 인가되므로 배터리 셀 E3 및 E4의 MOSFET은 드레인-소스 사이에 형성된 채널을 통해 충전 전류가 흐르는 동기 정류기(Synchronous Rectification)로 동작하게 된다. 상기 MOSFET가 동기 정류기로 동작하게 되면 이때의 MOSFET 양단 전압 강하는 상기 MOSFET의 도통 저항에 의해 결정되고, 이때 충분히 작은 도통 저항을 가진 MOSFET을 사용하는 경우 다이오드에 충전 전류가 흐르는 순전압 강하(약 0.7V)치에 비해 매우 낮은 전압 강하치를 가지게 되는 것이다.
위와 같이 모든 MOSFET을 도통시키기 위한 공통의 PWM 신호를 동시에 사용함으로써 배터리 셀 E3 및 E4에 연결된 MOSFET는 동기 정류기로 동작되고 드레인-소스 사이에 형성된 채널을 통해 충전 전류가 흐르게 되고 이때 상기 채널사이의 전압 강하치는 다이오드의 순방향 전압 강하치(약 0.7V) 보다 훨씬 적게 되므로, 다이오드의 순방향 도통 통로를 흐르는 경우보다 배터리 셀간 제어전압 편차를 극소화할 수 있고, 따라서 상호 배터리 셀간에 보다 정밀한 밸런싱 제어 동작이 가능하게 되는 것이다.
상기의 서술한 동작 원리를 수식에 의해 도시하기 위하여 배터리 셀(E1~E4)의 단자전압을 VE1~VE4라 하고, 배터리 셀(E1~E4)에 흐르는 전류를 IE1~IE4 라 하고, 상기 변압기 권선 유기전압을 VT1~VT4, 상기 전류제한수단에 생성된 전압을 VZ1~VZ4, 전류제한수단의 임피던스를 Z이라 하면, 스위칭소자에 도통에 의해 구성된 페회로에 키르히호프 전압법칙 (Kirchhoff's Voltage Law)을 적용하면 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00001
(1)
Figure pat00002
(2)
Figure pat00003
(3)
Figure pat00004
(4)
단일 코어로 구성된 복수의 권선을 가지는 고주파 변압기는 동일 크기의 자속이 쇄교되므로 패러데이 법칙(Faraday's Law)에 의하여 변압기 권선 유기전압은 모두 같고 이를 VT라 하면, 이는 식 (5)와 같다.
Figure pat00005
(5)
또한, 유사하게 상기 고주파 변압기에 암페르의 법칙(Ampare's Law)을 적용하면, 식 (6)이 성립된다.
Figure pat00006
(6)
상기의 식들로부터 변압기에 권선에 유기되는 전압은 셀 전압의 평균전압(VAVG)과 같게 되고, 식 (7)의 결과를 얻을 수 있다.
Figure pat00007
(7)
이에 따른 최종적인 배터리 셀(E1~E4)의 전류 (IE1~IE4)의 크기 및 전류 방향은 식 (8) 내지 식 (11)에 표시된 바와 같다.
Figure pat00008
(8)
Figure pat00009
(9)
Figure pat00010
(10)
Figure pat00011
(11)
상기의 식 (1) 내지 (11)을 통해 수식적으로 보인 바와 같이, 배터리 셀 E1 및 배터리 셀 E2에는 방전 전류가 흐르게 되고, 배터리 셀 E3 및 배터리 셀 E4에는 충전 전류가 흐르게 되는 것이다.
이와 같이 고주파 변압기 코어의 단일구성에 의한 자기 결합에 의해 동일 자속이 복수 권선에 쇄교함으로써 전자기학적 원리에 따라 배터리 E1 및 배터리 E2의 에너지(전하)가 방전되고 배터리 E3 및 배터리 E4에는 충전전류가 흐르게 됨으로써, 배터리 E1 및 배터리 E2의 전압은 점차 감소되고 배터리 E3 및 배터리 E4의 전압은 점차 상승하게 되어 셀 밸런싱 동작이 이루어지는 것이다.
이때 상기 배터리 셀 E1 내지 배터리 셀 E4에 흐르는 충.방전전류는 식 (8) 내지 (11)에서 보인 바와 같이, 각 배터리 셀 전압(E1, E2, E3 또는 E4)과 고주파 변압기의 각 1차 권선에 유기된 전압인 평균전압(VAVG)과의 차와 각 배터리 셀의 내부 저항 및 스위치의 도통 저항 등을 포함한 전류제한수단의 임피던스 크기에 의하여 결정된다.
즉, "배터리 셀의 충.방전전류 =〔각 배터리 셀 전압 - 각 1차 권선의 유기된 평균전압(VAVG)〕/ 전류제한수단의 임피던스" 에 의하여 충.방전전류가 결정되어지게 되고, 배터리 셀 E1 전압은 배터리 셀 E2 전압보다 크므로 (E1 > E2), 배터리 셀 E1의 방전 전류는 배터리 셀 E2에 비해 크고, 또한 E3 > E4 이므로 배터리 셀 E4 에 흐르는 충전 전류는 배터리 셀 E3에 비해 크게 된다.
따라서 본 발명의 기술적 사상과 같이 시비율(도통 펄스폭)이 동일한 PWM 신호를 모든 스위치 회로에 인가하는 경우에도 각 배터리 셀의 충전 전압 상태에 적합한 서로 다른 크기의 충전 전류가 흐르게 되어 밸런싱 제어동작이 조기에 완료될 수 있고 제어 효율 또한 높아질 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로써, 위에서 제시한 밸런싱 제어 방법을 구현할 수 있는 배터리 셀 밸런싱 제어장치를 나타내고 있다.
도 4에 도시된 배터리 셀 밸런싱 제어장치는, 도 2에 도시된 실시예의 구성과 비교하여 보면, 복수개의 배터리 셀의 양극과 음극사이에 각각 배치되고 방전 대상의 배터리 셀의 전압을 PWM 쵸핑(Chopping)하거나 환류 전류의 통전통로를 제공하는 스위치 회로(20-1, 20-2,... 20-n)를 거쳐 복수개의 1차 권선(211,212, .. 21n)들; 및 상기 단일 철심의 변압기에 상기 1차 권선들과 반대 극성으로 권선되는 2차 권선;을 가지고 있고 상기 변압기 자속의 복귀(리셋)에 따라 발생되는 환류전류의 흐름 통로를 제공하는 제 2 스위치 회로를 더 포함하는 구성은 동일하나, 상기 2차 권선의 출력이 제 2스위치 회로를 통해 임의의 배터리 스트링 또는 임의의 단위구룹 스트링에 연결되는 점에 있어서 차이를 가진다.
특히, 플라이백(Fly back) 컨버터 회로를 채택하여 자화에너지의 방출에 의하여 축적된 에너지를 소정의 배터리 셀이나 단위구룹 스트링로 전달(수수)될 수 있도록 할 경우에는, 상기 도 2에 제시된 회로와 비교하여 자화에너지를 생성하는 데 있어 자화전류가 크게 필요되므로, 상기 자화에너지를 배출과 동시에 상기 자화전류에 의한 자속이 리셋되게 하는 2차 권선(34)을 배치하고 또한 상기 자속 리셋기간에 전류가 환류되도록 통로를 제공하는 제 2스위치 회로(35)를 추가적으로 배치하는 것이 밸런싱 효율을 높일 수 있으며 상기 스위치 회로에 유도돠는 스파이크 서지를 줄일 수 있다.
상기에서, 과충전된 배터리 셀이 1차 권선을 통하여 방전됨에 따라 생성되는 자화에너지가 상기 2차 권선이 연결된 임의의 배터리 스트링 또는 단위구룹 스트링측으로 많이 방출되게 설계하면, 상기 1차 권선 상호간의 자기결합에 의하여 배터리 셀들로 전달되고 부족된 배터리를 충전시키는 에너지량은 그만큼 감소하게 된다.
한편, 상기 제 2스위치 회로(35)는 MOSFET와 같은 능동소자나 다이오드와 같은 수동소자를 포함하여 구성할 수 있다.
도 5는 복수개의 배터리 셀중 배터리 E1 에 해당되는 전압이 가장 높게 충전되어 있고 부족 충전된 배터리 E2 전압은 배터리 E3 전압보다 높으나 평균 전압보다 낮아 두 셀다 밸런싱을 목적으로 보충 충전이 필요한 경우에 있어서, 배터리 셀 E1의 해당 스위칭 소자(Sp1)가 도통(ON)되고 폐쇄(OFF) 동작되는 PWM 제어구간의 각 주요 회로부의 개략적인 동작 파형을 나타낸다.
도 2, 도 4 및 도 6 내지 도 12의 실시예는 자화전류가 최소화되는 것이 바람직하고, 도 13 내지 도 16의 실시예는 자화전류를 다소 크게 설계할 경우에 있어서 적합한 구성이다.
도 5의 개략적인 동작 파형에서는 이하 설명이 용이하도록, 자화전류의 변화폭을 크게 도시하였으며 또한 고주파 변압기의 1차 권선들과 2차 권선(또는 리셋 권선)의 결합을 이상적인 변압기 형태로 가정하고 자화전류가 흐르는 코일 Lm 을 가상적으로 추출하여 도시하였음을 유념하여야 할 것이다.
우선 구간Ⅰ동안에 배터리 셀 E1에 연결된 스위칭소자(Sp1)에 PWM 드라이빙 신호(도4 에서 E1 PWM 신호)가 인가된다. 이때 제어회로를 간략화 하는 방안으로 모든 스위칭 소자(Sp1 또는 Sp2,... Spn)에 PWM 신호를 동시에 인가되게 하여도 무방할 것이다.
스위칭소자(Sp1)가 도통(ON)되면, 고주파 변압기 1차 권선#1(211)에는 배터리 E1과 같은 역기전력 전압(Vpri(1))이 발생되어 평행이 유지된다. 이때 상기 역기전력 전압 유도에 필요한 자화전류(iLm)가 1차 권선을 통해 흐르게 되고 상기 고주파 변압기 자로에는 자속(Φ)이 0으로 부터 발생되어 직선적으로 증가하게 되며 상기 자화전류(iLm)도 상기 자속(Φ)과 동일한 형태로 직선적으로 증가하게 된다.
상기 고주파 변압기의 1차 권선(211, 212,... 21n)들은 상호간 권선비가 같고 이상적인 변압기와 같은 결합이라고 하면, 상기 고주파 변압기의 각 1차 권선#2(212) 및 1차 권선#3(213)에는 1차 권선#1(211)의 역기전력과 동일한 기전력(전압)이 유기된다.
상기 1차 권선#2(212) 및 1차 권선#3(213)에 유기된 기전력(전압)은 배터리 E2 및 배터리 E3의 셀 전압보다 높게 되므로, 상기 스위칭 소자(Sp1 또는 Sp2,... Spn)가 MOSFET인 경우에는 상기 MOSFET가 동기 정류기(Synchronous Rectification)로 동작 도통되어 배터리 E2 및 배터리 E3 에는 제 2방향으로 충전전류가 공급되고 상기 충전전류는 배터리 셀 E1 전압이 방전됨에 따라 점차적으로 감소될 수 있다. 만약 상기 스위칭 소자가 MOSFET가 아닌 경우와 같이 동기 정류기로 작동되지 않을 때에는, 상기 스위칭 소자와 역병렬로 배치된 다이오드(Df1, Df2, Df3,...)를 통해 제 2방향으로 충전전류가 공급될 수 있다.
여기서 상기 배터리 셀 E2 또는 배터리 셀 E3 에 흐르는 충전전류는 각 배터리 셀의 전압(E2 또는 E3)과 고주파 변압기의 각 1차 권선#2 (212) 또는 1차 권선#3(213)에 유기된 역기전력 전압(Ipri(1))과의 차와 각 배터리 셀의 내부 저항, 스위칭소자의 도통 저항 및 전류제한수단을 포함한 밸런싱 회로의 임피던스 크기에 의하여 결정되므로, 상호 권선간의 에너지(전하) 전달에 의해 배터리 셀 E3 에 흐르는 충전전류는 배터리 셀 E2에 비해 크다는 것을 쉽게 알 수 있다.
동시에 1차 권선#1(211)에는 변압기 작용에 의해 1차 권선#2(212) 및 1차 권선#3(213)에 흐르는 전류의 합에 해당되는 전류(Ipri(3))가 흐르게 되고 배터리 셀 E1 전압이 방전됨에 따라 점차 다소 감소가 둔화되는 형태의 방전전류가 흐르게 되며 결과적으로 배터리 셀 E1의 방전전류(Ip1)는 상기 1차 권선#2(212) 및 1차 권선#3(213)에 흐르는 전류의 합(Ipri(1))과 상기 자화전류(iLm)와의 총합에 해당되어 고주파 변압기 특성에 따라 다소 다르나 거의 직선적으로 상승하게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명의 기술사상에 기초하면, 상기 1차 권선을 통해 흐르는 자화전류(iLm)를 최소화시키는 것이 동일한 밸런싱 제어모듈에 배치된 배터리 셀들을 조기에 균등화시키는 데 기여할 수 있으며, 이때 상기 자화전류(iLm)가 거의 무시할 정도로 적게 되면 상기 배터리 셀 E1의 방전전류(Ip1)는 상기 1차 권선#2(212) 및 1차 권선#3(213)에 흐르는 전류의 합(Ipri(1))과 같음을 알 수 있다.
이어 상기 스위칭소자(Sp1)의 도통이 폐쇄(Off)되어 구간Ⅱ가 도래되면, 상기 스위칭소자(Sp1)가 도통되는 기간동안(구간Ⅰ)에 흐르던 방전전류는 커트업 (Cut-Off)되고, 고주파 변압기의 1차 권선 #1에 흐르던 자화전류(iLm)는 고주파 변압기 자로를 흐르는 자속(Φ)이 원상으로 리셋되는 싯점까지 직선적으로 감소되어 영(0)에 도달된다.
도 5에서 스위칭소자(Sp1)이 도통되는 기간(구간 Ⅰ)동안의 1차 권선#1(21)에 유기되는 전압의 시간 적산량과 스위칭소자(Sp1)의 도통이 폐쇄(Off)되는 기간(구간 Ⅱ)동안의 1차 권선#1(21)에 걸리는 리셋 전압의 시간 적산량이 동일하게 되는 시점에서 상기 자화전류(iLm)는 0 에 도달된다.
여기에서 고주파성분 코어에 권선이 감아진 형상의 실지 고주파 변압기의 경우에는 사실적으로 1차측에 해당되는 권선에 자화전류성분이 따로 분리되어 흐를 수 없다는 것을 상기해야 될 것이다.
결과적으로 상기 자화전류(iLm)는, 배터리 셀 E1 이 방전전류를 공급되는 기간(구간 Ⅰ)동안에는 자기 결합된 1차 권선측 타 권선에 전압을 유도하여 동일 단위구룹의 배터리 셀로 에너지를 전달하여 충전전류가 흐를 수 있게 하고, 또한 상기 기간(구간 Ⅰ)동안에 자화에너지를 변압기의 내부 회로(자화 인덕터)에 저장하였다가 구간 Ⅱ 동안에 배터리 스트링 또는 근접된 바로 상.하위 배터리 단위구룹 스트링이나 셀로 방출하게 되는 것이다.
이와 같이, 상기 스위칭소자(Sp1)의 도통이 폐쇄(Off)되는 구간Ⅱ 부터 상기 리셋 권선(30)에는 상기 자화전류(iLm)와 같은 환류 전류(Free wheeling Current)가 다이오드((D2)를 통해 흐르게 되고 상기 환류 전류는 커패시터(Co)를 순시적으로 충전시키면서 자속이 리셋되고 과충전된 배터리 셀의 방전 과정에서 얻어지는 잉여에너지가 저장된다.
상기 자화전류(iLm)에 의한 에너지 저장량은 상기 구간 Ⅰ동안의 자화전류 (iLm)의 시간 적산량에 비례하며, 또한 자화전류는 변압기 자로의 투자율에 의해 크기가 결정되므로, 이웃 단위구룹의 배터리 셀로 수수되는 에너지량을 감안하여 고주파 변압기 코어의 재질 및 자로의 특성을 바람직하게 설계해야 할 것이다.
이상에서 살펴 본 도 5의 동작 파형은, 본 발명의 기술요지를 쉽게 설명할 수 있도록 불연속도통모드(DCM) 상태로 PWM 제어가 이루어진 경우에 있어서의 각부 파형이다. 현실적으로는 스위칭소자의 전류부담을 최소화할 수 있도록 연속도통모드(CCM)로 동작할 수 있게 제어회로나 소자를 설계하는 것이 합리적이며 양자는 배터리 셀 밸런싱의 효과 측면에서 거의 동일하다.
한편, 배터리팩을 구성하는 복수개의 배터리 셀(E1, E2,... En)이 모두 과충전되었거나 소정의 기준치 이상 전압으로 충전된 경우에는, 상기 모든 배터리 셀에 구비된 스위칭 소자(Sp1, Sp2,.... Spn)에 공동된 PWM 제어 신호를 동시에 인가시키고 매 구간 Ⅰ에서 모든 배터리 셀이 동시에 방전을 개시하여 충전전압이 감소되고 동시에 자화전류(iLm)에 의한 에너지가 저장되게 된다. 이와 같이 저장된 에너지는 매 구간 Ⅱ 에서 방출되게 되고 상기 제 2차(리셋)권선(30)에는 상기 자화전류(iLm)에 의한 환류 전류(Free wheeling Current)가 제 2스위치 회로를 통해 흐르게 되는 동작이 반복되고 상기 환류 전류는 에너지 저장수단(33) 또는 커패시터(Co)를 충전시커 일시 저장되거나 배터리 단위구룹 스트링으로 잉여전력이 회수된다.
도 6 내지 도 12는, 도 4의 기술사상을 보다 구체화하거나 확장한 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 셀 밸런싱 모듈이 복수인 배터리 스트링 단위구룹마다 각각 배치되는 밸런싱 제어장치의 연결 구조를 나타내고 있다.
이하 설명에서 "배터리 셀 밸런싱 모듈" 이라 함은, 단일 철심의 변압기, 스위치 회로 및 전류제한수단을 포함하는 구성을 지칭하거나, 경우에 따라서는 2차 권선 또는 제 2 스위치 회로를 추가적으로 포함하는 구성을 뜻할 수 있다.
도 6은 상기 복수개의 1차 권선들을 가지는 단일 철심 구조의 변압기가 복수개로 배치되고, 상기 복수개 변압기들의 각 2차 권선(34-1, -2, ..-n) 출력은, 상기 2차 권선들과 각각 직렬로 연결되는 제 2 스위치 회로를 통해, 상기 1차 권선들이 연결되어 있는 배터리 단위구룹 스트링이나 상. 하위 이웃에 있는 단위구룹 스트링들과 상호간에 에너지가 수수될 수 있게 연결되는 구성을 보여 주고 있다.
상기 2차 권선들은 배터리 셀의 방전시에 자화전류에 의해 생성되는 에너지에 의해 이웃의 배터리 단위구룹 스트링에는 환류 전류가 흐르게 되고 상기 이웃의 배터리 단위구룹 스트링의 배터리 셀 상호간에 에너지가 수수된다.
더욱 자세하게는 도 6의 실시예는, 복수의 변압기를 가진 셀 밸런싱 제어모듈이 상기 배터리 스트링의 복수개 단위구룹 스트링마다 각각 배치되는 데, 상기 제 m 번째 변압기를 가진 m 번 밸런싱 제어모듈(110-m)의 제 2차 권선은 제 (m+1)번째 단위구룹 스트링에 연결되고, (m+1)번 밸런싱 제어모듈에 배치된 제 (m+1)번째 변압기의 제 2차 권선은 제 m 번째 배터리 단위구룹 스트링(100-m)과 서로 교호하여 연결되는 것을 특징으로 하고 있다. 이때 서로 교호하여 연결된 제 m 번째 또는 제 (m+1)번째 단위구룹 스트링으로 상호간의 전하가 전달(수수)될 수 있게 되는 것이다.
도 7은 도 6의 기술사상을 더욱 확장한 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 상기 밸런싱 제어모듈들이 복수개의 배터리 단위구룹 스트링에 체인형태로 상호 배치되는 밸런싱 제어장치의 연결 구조를 나타내고 있다.
<13>도 7의 상기 변압기의 각 2차 권선의 출력은 상기 1차 권선들이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 다음 하위 구룹에 순차적으로 연결되고, 최하단에 배치된 변압기의 각 2차 권선의 출력은, 최상단의 단위구룹 스트링에 연결되게 구성하는 것이 매우 바람직하다. 여기서 상호간 연결되는 순서를 상기와 반대로 바꾸게 되더라도 동일한 효과가 있음은 물론이다.
이와 같이, 단위구룹 스트링과 각 밸런싱 제어모듈이 순차적 체인형태로 연결되면 각 셀 밸런싱 제어모듈들은 하단의 다른 단위구룹 스트링의 배터리 셀과 남거나 부족된 에너지를 전력 변환과정을 통해 서로 주고 받을 수 있게 되고, 이러한 순차적 에너지 수수과정을 통해 전체 배터리 스트링의 각 배터리 셀은 균일한 상태를 유지할 수 있게 되는 등, 도 6과 비교하여 더 많은 기술적 상승효과를 얻을 수 있게 된다.
도 8은 상기의 동작원리에 따른 제 1 및 제 2 배터리 셀 밸런싱 제어모듈의 주요 파형을 도시한 것으로, S1 내지 S4는 배터리 셀 밸런싱 제어모듈내의 4개의 MOSFET에 인가되는 PWM 제어 신호를 보여주고, i1~i4는 상기 배터리 셀 E1 내지 배터리 셀 E4에 흐르는 충.방전전류을 보여주고, VD1 및VD2는 제 1 및 제 2 배터리 제어모듈의 다이오드 전압을 보여주고, VTS1과 VTS2는 제 1 및 제 2 배터리 셀 밸런싱 제어모듈의 2차권선에 유기되는 전압을 보여주고 있다.
이하 설명이 용이하도록, 임의의 배터리 단위그룹 스트링 2조에 대하여 제 1 단위구룹 스트링(M1) 및 제 2의 단위 구룹 스트링(M2)이 2개의 배터리 셀로 구성되어 있고, 제 1 및 제 2의 밸런싱 제어모듈이 제 2 또는 제 1의 단위구룹 스트링과 서로 결선되어 있는 경우를 일 실시예로 하여 설명함으로써, 각 배터리 단위구룹 스트링과 각 밸런싱 제어모듈이 순차적 체인형태로 연결된 구성인 경우에 있어서, 전체 배터리 스트링이 각 배터리 단위구룹 상호간의 에너지 전달(수수)를 통해 전압 밸런싱(균등화)이 이루어 지는 과정을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
상기 제 1 단위 구룹 스트링 M1은 배터리 셀 E1 과 E2로 구성되고 제 2 단위구룹 스트링 M2은 배터리 셀 E3 과 E4로 구성되며 각 배터리 단위구룹 스트링을 구성하는 셀 전압이 E1> E2 >E3 >E4 이고, 상기 제 1 단위 및 제 2 단위그룹 스트링의 전압은 VM1 > VM2인 조건을 가정한다.
또한 제 1 및 제2의 밸런싱 제어모듈 내의 고조파 변압기는 자화 인덕턴스를 2차 권선에 병렬로 결선된 등가모델로 모델링되고 1차 및 2차를 포함한 모든 권선사이의 권선비가 동일한 것으로 한다. 또한 제 1 권선내의 스위칭 회로는 충분히 작은 도통 저항 (Rdson)을 가진 MOSFET으로 구성하고, 2차 권선의 제 2 스위치 회로는 다이오드로 구성되는 것으로 가정한다.
상기 각 밸런싱 제어모듈에 의해 상호간 밸런싱이 이루어지는 과정을 4 단계로 나룰 수 있다.
우선 첫 번째 단계에서는; 제 1 및 제2의 밸런싱 제어모듈에 대하여 배터리 단위구룹 스트링의 전체 전압 크기에 맞춰 적합한 시비율을 가진 PWM 제어신호를 각각 발생시키고 상기 PWM 제어신호가 절연되어 모든 MOSFET에 공급되고 모든 MOSFET가 도통됨으로써 전압 밸런싱 동작이 개시된다.
이때 PWM 제어신호의 시비율(도통 펄스폭)은 각 밸런싱 제어모듈이 위치한 배터리 단위 그룹 스트링 전압의 상대적 크기에 비례하여 설정되도록 한다. 즉, 제 1 및 제 2 배터리 단위 그룹 스트링 전압이 VM1 > VM2 이므로, 제 1 밸런싱 제어모듈의 시비율(DM1)과 제 2 밸런싱 제어모듈의 시비율 크기가 VM1 > VM2 조건에 비례하여 DM1 > DM2 이 되게 각각 설정되어 인가되는 것이다.
제 1 밸런싱 제어모듈과 제 2 밸런싱 제어모듈에 각각 인가되는 상기 PWM 제어신호에 의해 모든 MOSFET(S1~S4)가 도통되면, 앞서 설명한 바와 같이 전자기학적 패러데이 법칙과 암페르 법칙에 의하여 2차 권선을 포함한 각 변압기 권선에는 제 1 단위그룹 또는 제 2 단위그룹 스트링 각각의 셀 평균전압이 유도되고, 이를 통해 제 1 밸런싱 제어모듈 또는 제 2 밸런싱 제어모듈이 연결되는 각 배터리 단위모듈 스트링내에서 배터리 셀간의 전압 밸런싱이 이루어진다.
한편, 제 1 과 제 2 밸런싱 제어모듈의 2차 권선 내의 자화 인덕턴스에도 다른 권선들과 마찬가지로 제 1 과 제2 단위그룹 스트링 각각의 셀 평균전압이 유기되고, 이에 의해 제 1과 제2 밸런싱 제어모듈의 자화 인덕턴스에 자화 전류가 각각 생성되어 선형적으로 증가하게 된다. 즉, 제 1 단위그룹 스트링의 배터리 에너지는 제 1 밸런싱 제어모듈의 자화 인덕턴스에 저장되고, 제 2 단위그룹 스트링의 배터리 에너지는 제 2 밸런싱 제어모듈의 자화 인덕턴스에 저장되게 되는 것이다.
이때, 제 2 스위치 회로의 상기 다이오드는 2차 권선이 상기 1차 권선들과 반대 극성으로 권선되어 있으므로 연결되어진 배터리 단위구룹 스트링 전압에 의해 역방향으로 블록킹(차단)되게 된다. 각 모듈내의 자화 인덕턴스에 흐르는 자화전류의 변화률은 식 (12) 및 식 (13)와 같다.
Figure pat00012
(12)
Figure pat00013
(13)
여기서, iLm1, iLm2는 각각 제 1 밸런싱 제어모듈과 제 2 밸런싱 제어모듈내의 자화 전류이고, VE1~VE4는 배터리 셀(E1~E4)의 단자전압이고, Lm1, Lm2는 각각 제 1 밸런싱 제어모듈과 제 2 밸런싱 제어모듈내의 자화 인덕턴스이고, Vavg1, Vavg2는 제 1 밸런싱 제어모듈과 제 2 밸런싱 제어모듈의 평균전압을 나타낸다.
두 번째 단계에서는; 제 2 밸런싱 제어모듈의 스위치 회로에 인가되는 상기 PWM 제어신호의 시비율(DM2)이 제 1 밸런싱 제어모듈의 시비율(DM1)보다 작게 되므로 제 2 밸런싱 제어모듈의 모든 MOSFET가 먼저 비도통되게 됨으로써 이루어진다.
MOSFET의 비도통하게 되면, 제 2 밸런싱 제어모듈내의 변압기 1차측에 흐르는 모든 전류가 단속되고, 제 2 밸랜싱 모듈의 배터리 셀간 전압 밸런싱 동작은 중지되게 된다.
한편, 제 2 밸런싱 제어모듈내의 자화 인덕턴스에 흐르고 있던 자화 전류는 연속적으로 도통되어야 하므로 2차측 권선의 다이오드를 도통시키게 된다. 여기서는 제 2 밸런싱 제어모듈이 제 1 단위구룹 스트링에 상호 결선되어 있는 구조이기 때문에 제 2 밸런싱 제어모듈의 자화전류가 제 1 배터리 단위그룹 스트링으로 흐르게 되는 것이다. 즉, 상기 첫 번째 단계에서 생성되어 제 2 밸런싱 제어모듈의 자화 인덕턴스에 저장된 제 2 배터리 단위그룹 스트링의 에너지는 본 두 번째 단계를 통해 2차 권선이 연결된 배터리 단위그룹 스트링으로 소량 전달되게 된다.
만약 본 예시와 달리, 상기 제 2 밸런싱 제어모듈의 2차 권선이 제 3 배터리 단위구룹 스트링에 순차적으로 연결되어 있다면, 상기 제 3 배터리 단위구룹 스트링의 배터리 셀들에 대하여 충전이 이루어 지게 되는 것이다.
이때, 아래 식에 나타난 바와 같이 제 2 밸런싱 제어모듈의 자화전류는 제 1 단위구룹 스트링 전압(VM1)에 의하여 선형적으로 감소하게 되어 제로(0)에 도달하게 된다.
Figure pat00014
(14)
밸런싱 제어모듈에 의해 밸런싱이 이루어지는 세 번째 단계에서는; 상기 제 2 밸런싱 제어모듈의 자화 전류가 제로(0)에 도달하게 되어 2차측 권선의 전류 흐름이 단속됨으로써 이루어진다. 전류 단속에 따라 제 2 밸런싱 제어모듈의 변압기 권선에는 영(0)전압이 유기되고, 다이오드는 제 1 단위구룹 스트링 전압(VM1)이 인가된다. 이때에도 제 1 밸런싱 제어모듈내의 모든 MOSFET는 계속 도통되어 제 1 밸런싱 제어모듈내에서 배터리 셀 상호간에 전압 밸런싱이 이루어진다.
한편, 네 번째 단계는; 상기 PWM 제어신호에 의해 제 1 밸런싱 제어모듈의 모든 MOSFET이 비도통되게 됨으로써 이루어진다. 상기 설명과 유사하게 MOSFET의 비도통하게 되면 제 1 밸랜싱 모듈의 각 배터리 셀간 전압 밸런싱은 중지되게 된다. 이때 제 1 밸런싱 제어모듈내의 자화 인덕턴스에 흐르고 있던 자화 전류는 제 2 배랜싱 제어모듈의 자화전류보다 크게 되며, 또한 연속적으로 도통(환류)되어야 하므로 2차측 권선의 다이오드를 도통시키게 되고, 제 1 밸런싱 제어모듈과의 상호 결선에 의하여 상기 두번째 단계에서 흐르는 것보다 많게 제 2 배터리 단위그룹 스트링측으로 흐르게 되는 것이다.
따라서 상기 첫 번째 단계에서 생성되어 제 1 밸런싱 제어모듈의 자화 인덕턴스에 저장된 제 1 배터리 단위그룹의 에너지가 본 네 번째 단계에서 상호 결선된 제 2 배터리 단위그룹 스트링측으로 전달되게 되는 것이다.
최종적으로 아래 식 (15)에 보인 바와 같이, 제 1 밸런싱 제어모듈의 자화 전류는 제 2 단위구룹 스트링의 전압(VM2)에 의하여 선형적으로 감소하게 되어 제로(0)에 도달하게 됨으로써 배터리 단위구룹 스트링 상호간에 전압 밸런싱이 이루어지게 되는 것이다.
Figure pat00015
(15)
이때 상기 제 1 및 제 2 밸런싱 제어모듈에 흐르는 자화전류의 최대치 iLm1,pk 와 iLm2,pk 는 식 (12)과 (13)로부터, 식 (16) 및 식 (17)과 같이 유도할 수 있다.
Figure pat00016
(16)
Figure pat00017
(17)
여기서, TS는 밸런싱 제어모듈의 스위칭 주기이다. 상기 식(16) 및 식(17)에 나타난 바와 같이 배터리 제어모듈의 자화전류의 최대치인 iLm1,pk와 iLm2,pk는 해당 단위그룹 스트링 전압과 해당 배터리 제어모듈에 인가되는 시비율에 의하여 결정된다. 다시 말해, "자화전류 크기= 단위 그룹 스트링 전압 * 배터리 셀 밸런싱 제어모듈의 시비율"로 자화전류가 결정되게 되는 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 제 1 배터리 단위그룹 스트링 전압(VM1)이 제 2 단위그룹 스트링 전압(VM2)보다 큰 VM1>VM2 조건이 되므로, 각 배터리 단위구룹 모듈에 동일한 PWM 제어신호가 인가되는 경우에도 제 1 배터리 제어모듈의 자화전류 iLm1 는 제 2 배터리 제어모듈의 자화전류 iLm2에 비하여 크게 되어, 전체 배터리 스트링(팩)에 대하여 전압 밸런싱이 이루질 수 있다.
한편 전술한 바와 같이, 각 밸런싱 제어모듈이 배치된 배터리 단위그룹 스트링의 전압 크기에 비례하여 각 배터리 셀 밸런싱 제어모듈에 대한 PWM 제어신호의 시비율(도통 펄스폭)이 DM1 > DM2이 되면, 이에 따라 제 1 배터리 제어모듈의 자화전류 iLm1 는 제 2 배터리 제어모듈의 자화전류 iLm2에 비하여 더욱 커지게 된다.
여기서 배터리 단위그룹 스트링으로부터 전달되는 에너지는 상기 자화전류의 크기에 비례하므로, 이러한 기술 사상으로 부터 단위구룹 스트링 전압이 더 높은 제 1 단위그룹 스트링으로부터 전압이 낮은 제 2 단위그룹 스트링으로 더욱 많은 에너지가 전달될 수 있게 되는 것이다.
또한, 상기의 연결구조를 확장하여, 제 2 밸런싱 제어모듈의 2차 권선의 출력이 제 3 배터리 단위그룹 스트링과 연결되게 구성되면, 상기 동작과정을 통해 제 2 배터리 단위그룹 스트링의 잉여에너지는 제 3 배터리 단위그룹 스트링측으로 전달되고 수수될 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상을 통해 보인 바와 같이, 상기 PWM 제어신호의 시비율(도통 펄스폭, 또는 Duty Cycle)이 각 밸런싱 제어모듈이 위치한 배터리 단위구룹 스트링 전압의 크기에 비례하여 서로 다른 크기를 가지도록 효과적으로 생성되면, 전체 배터리 스트링 전압 밸런싱이 동작이 조기에 완료될 수 있고 효율 또한 높아질 수 있는 것이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예로 배터리 스트링 단위구룹마다 배치되는 복수개의 변압기 1차 권선 중 임의의 권선 출력이 또 다른 변압기의 임의의 1차 권선에 연결되는 구성을 보여 준다.
여기서, 제 1구룹의 배터리 스트링 단위구룹(100-1)에 속한 소정의 배터리가 방전되면 제 1구룹 변압기(110-1)의 제 2권선(22-1b)에는 전류가 제 ①방향으로 유도되어 흐르게 되고, 따라서 제 2구룹 변압기(110-2)의 임의 1차 권선(22-2a)에는 ②방향으로 흐르게 된다. 따라서 제 2구룹 변압기(110-2)의 1차 권선에는 제 ③방향으로 전류가 흐르게 되어 상기 소정의 1차 권선에 연결된 배터리 셀이 충전될 수 있게 되어 배터리 셀 밸런싱이 이루어 지게 된다.
도 10은 본 발명의 도 9에 도시된 일 실시예를 확장하여 변형한 또 다른 일 실시예로써, 배터리 스트링 단위구룹마다 배치되는 복수 변압기의 1차 권선(311, 312,...)들 중 임의의 권선이 제 3변압기(500-1, 500-2,...)에 의해 이웃의 인접된 배터리 단위구룹 스트링과 자기적으로 결합되는 구성을 보여 준다.
제 1구룹의 배터리 단위구룹 스트링(100-1)에 속한 소정의 배터리가 방전되면 제 1구룹 변압기(110-1)의 제 2권선(22-1b)에는 유도된 전류가 제 ①방향으로 흐르게 되고, 상기 제 2권선(22-1b)과 연결되고 2개의 1차 권선을 가진 또 다른 제 3변압기(500-1)의 2개의 1차 권선간에는 상호 유도 작용에 의해 전압이 유도되어 제 2구룹 변압기(110-2)의 제 2권선(22-2a)에 제 ②방향으로 흐르게 하고, 따라서 제 2구룹 변압기(110-2)의 또 다른 제 2권선(22-2b)에는 제 ③방향으로 전류가 흐르게 되어 하위에 연결된 단위구룹 스트링(100-3, 100-4,....)에 연결된 1차 권선에 연결된 배터리 셀이 충전될 수 있게 제 ④방향으로 전하가 흐르게 되어 배터리 셀 밸런싱이 이루어 지게 된다.
도 11는 본 발명의 도 10에 도시된 일 실시예를 확장하여 변형한 또 다른 일 실시예로써, 배터리 단위구룹 스트링마다 배치되는 복수 변압기의 1차 권선들 중 임의의 권선들이 제 4변압기(600)의 복수개 1차 권선들(41-1, 41-2, 41-3,...)에 각각 연결되어 이웃의 배터리 단위구룹 스트링으로 에너지가 수수되는 결합되는 구성을 보여 준다.
도 11에서는 단위구룹 스트링의 배터리 셀로 에너지가 전달되는 기술적 사상은 도 10과 유사하나, 한개의 제 4변압기(600)로 구성되고 상기 제 4변압기의 복수개 1차 권선(41-1, 41-2, 41-3,...)들이 자기적으로 결합되어 이웃의 배터리 단위구룹 스트링 측으로 방전 에너지가 전달되는 것을 특징으로 하고 있다. 방전중인 배터리 단위구룹 스트링(100-1)내의 배터리가 연결되는 변압기의 1차 권선에는 전류가 제 ①방향으로 흐르고, 이웃의 밸런싱 제어모듈(110-2,...110-N)의 1차 권선(32-2, ...32-N)에는 제 ②방향으로 흐르게 되고 충전 전류가 제 ③방향으로 흘러 상기 방전 에너지가 이웃의 단위구룹 스트링으로 전달된다.
도 12는 본 발명의 도 9에 도시된 일 실시예를 변형한 또 다른 일 실시예로써 배터리 단위구룹 스트링마다 배치되는 복수 변압기의 제 1권선들 중 임의의 권선들이 병렬로 연결되는 구성을 보여 준다.
도 12의 구성에서도 제 1구룹의 배터리 단위구룹 스트링(100-1)에 연결된 제 1 밸런싱 제어모듈(110-1)에 속한 소정의 배터리가 방전되면, 제 1구룹의 제 2권선(32-1)에는 유도된 전류가 ①방향으로 흐르게 되고 제 2구룹 또는 제 N구룹의 제 2권선(32-2,...32-N)들에는 ②방향으로 흐르게 되고 따라서 제 2구룹 또는 제 N구룹(32-2,...32-N)의 1차 권선에는 ③방향으로 전류가 흐르게 되어 상기 소정의 1차 권선에 연결된 배터리 셀이 충전될 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 도 9 내지 도 12에 도시된 일 실시예에서 복수의 변압기의 2차권선(34-1, 34-2,34-3,...) 및 에너지 저장수단(33)들이, 도 2의 실시예에서 기술한 바와 같이, 필요시에 배치되는 것이 바람직할 것이며 이는 자화전류의 환류에 의해 자속을 리셋시키는 기능을 하기 위해 부수적으로 배치되는 것이다. 즉, 도 10에서의 제 3 변압기 2차 권선(42) 또는 에너지 저장수단(33)은 필히 배치될 필요가 없고 다만 복수개의 변압기의 2차 권선(34-1, 34-2,34-3,...) 또는 에너지 저장수단(33)을 대신할 수 있으며, 도 9 또는 도 11 또는 도 12에 있어서도 이의 경우와 유사하다 할 수 있을 것이다.
한편, 상기 1차 권선(211, 212,... 21n)들은 이론적으로는 수십개 이상에 해당하는 권선을 1개의 코어내에 권선하는 것이 가능할 것이나, 현실적으로는 상호 권선간의 전기적 특성을 균일화하고 제조상의 어려움을 줄이기 위하여 1개의 변압기 코어에 4셀, 6셀, 또는 8셀 단위로 권선을 배치하는 하는 것이 매우 바람직할 것이다.
일반적으로 스위칭소자, 다이오드 또는 권선의 연결 방향을 설명할 때 지향한다는 표현을 사용하고 있는데, 이는 방향성을 갖는 스위칭소자나 다이오드나 권선의 배치상태를 나타내기 위함이다. 예를 들어 '배터리 음극을 지향'의 의미는 배터리 음극 쪽으로 전류가 흐르도록 배치되는 것을 나타낸다.
스위칭소자의 + 단자는 FET 드레인(DRAIN) 단자이거나 IGBT 콜렉타 (COLLECTOR)단자와 같이 배터리 셀로 부터 전류가 흘러들어 가는 단자이며 - 단자는 전류흐름이 끝나는 단자로 이해될 수 있을 것이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예로 배터리 셀 밸런싱 제어 방법 및 동작 수단의 연결관계를 도시한 블럭 계통도를 표시한다.
셀 전압 측정수단(101)은 공지의 전압센서 또는 절연회로를 포함하여 구성되며 복수개의 배터리 셀(E1~En)에 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 측정한다. 여기서 측정된 전압값들의 정보는 셀 관리선택수단(102)에 보내지고 상기 배터리 셀의 이력 정보관리를 용이하게 하기 위해 디지털값으로 변환되는 것이 바람직하다.
상기 셀 관리선택수단(102)은 상기 측정된 전압정보에 의하여 상기 배터리 셀들의 평균전압보다 높게 충전되(었)거나 과충전된 셀들을 파악하여 이 정보를 PWM 신호발생수단(103) 또는 드라이빙신호 발생회로(104)에 보내게 된다.
이때, 설계자의 판단에 따라, 방전되어야 할 대상의 셀의 정보를 배터리 셀 관리선택수단으로 부터 직접 받은 결과를 기초로 하여 상기 드라이빙신호 발생회로(104)에서 방전대상의 배터리 셀에 인가할 PWM 스위칭신호의 공급 여부를 논리회로를 통해 결정할 수 있다.
도 13에 도시된 배터리 셀 밸런싱 제어장치는, 복수개의 배터리 셀의 양극과 음극사이에 각각 배치되고 방전 대상의 배터리 셀의 전압을 PWM 쵸핑(Chopping)하거나 환류 전류의 통전통로를 제공하는 스위치 회로(20-1, 20-2, ... ..20-n); 상기 배터리 셀의 에너지를 입력받아 전자기학적 원리(Electromagnetic principle)에 의한 자기 결합을 통해 복수의 권선간에 에너지를 전달하기 위한 고주파 변압기 및 이의 1차 권선(211, 212, .. 21n)들로 구성된다.
스위치 회로(20-1, 20-2,...20-n)의 출력단에는 전자기학적 원리 (Electro-magnetic principle)에 의한 자기 결합에 의해 상호 권선간에 에너지가 전달될 수 있도록 설계된 고주파 변압기의 1차 권선(211, 212,... 21n)들이 각각 연결되고 또한 각 1차 권선들은 상호 전기적 특성이 균일하며 동일한 극성(가극성)을 가지므로, 2조 이상의 배터리 셀의 전압이 병렬운전 형태로 초핑되는 구조로 동작될 수 있으며 방전된 에너지(전하)는 부족 충전되어 있는 배터리 셀측으로 전달될 수 있다. 이때 1차 권선 상호간에 상호간 자속의 누설로 인해 각각 형성되는 누설 인덕턴스 및 스위치 회로의 도통 저항에 의해 충.방전전류의 크기를 제한할 수 있다.
또한 상기 고주파 변압기의 1차 권선외에 추가적으로 리셋 권선(30)이 배치될 수 있으며, 상기 에너지 변환 전달과정에서 발생하는 잉여에너지는 상기 리셋 권선(30)을 통해 회수되고 자속이 리셋되면서 동시에 에너지 저장수단(31)에 일시 저장된다.
또한, 회수 통로수단(32)은 배터리팩으로 부터 에너지 저장수단(31)으로 역전류가 흐르지 못하도록 브록킹하며 상기에서 저장된 잉여에너지가 배터리팩 측으로 다시 회수될 수 있도록 한다.
또한, 상기 회수 통로수단(32)은 상기 복수개의 셀들이 일괄로 충전되는 배터리팩 또는 상기 배터리팩의 임의의 직렬 연결조(배터리 스트링)의 양극 또는 음극회로 측의 적어도 어느 1개소 이상에 구비될 수 있고 해당 배터리팩 측으로 전류가 흐르도록 전류통로가 형성되게 배치될 수 있다.
한편, 도 14는 도 13에 제시된 본 발명의 구체적인 일실시 예로써, 방전된 전달 에너지(전하)량이 배터리 셀을 기준하여 비교적 적은(일반적으로 약 30W 이하) 경우에 적합한 것으로써, 상기 1차 권선(211, 212,...21n)에 직렬형태로 배터리 셀의 음극을 지향하여 스위칭소자(Sp1,Sp2,...Spn)가 연결되고 상기 스위칭소자와 역병렬 형태로 환류 다이오드(Df1,Df2,...Dfn)가 연결되어 상기 스위치 회로(20- 1, 20-2, ... ..20-n)가 구성된다.
또한, 본 발명의 구체적 일 실시 예로써 도 14 내지 도 17에서 상기 스위치 회로(20-1, 20-2, ... ..20-n)를 더욱 구체적으로는 살펴보면, 복수개의 배터리 셀(E1, E2.....En)의 양극(+ )단자는 고주파 변압기 1차 권선(211, 212,... 21n)의 시작점에 연결되고 1차 권선의 다른 한 쪽(권선이 끝나는 점)은 스위칭소자(Sp1, Sp2,..... Spn)의 + 단자에 배터리 음극을 지향하는 방향으로 연결되어 있다.
또한, 상기 스위치 회로(20-1, 20-2, ... ..20-n)가 절연형 포워드 (Forward)컨버터 또는 플라이백(Fly back)컨버터 회로 형태로 설계된 경우에는, 각 1차 권선에 흐르는 자화전류에 의해 생성되는 고주파 변압기의 자속을 리셋하기 위한 리셋 권선(30), 및 상기 자속 리셋 기간 동안에 환류 전류가 흐르도록 통전 통로를 제공하는 다이오드((D2)를 필수적으로 배치하는 것이 밸런싱 동작시 에너지 변환 효율을 높일 수 있다.
상기 고주파 변압기의 리셋 권선(30)은, 자로에 형성된 자속이 리셋되는 구간동안 상기 리셋 권선(30)에 가해지는 전압이 배터리팩의 전압으로 제한(클램핑)될 수 있도록 상기 다이오드((D2)를 통해 상기 배터리팩의 양극(+) 및 음극(-)단자 사이에 각각 배치될 수 있다.
또한 상기 변환과정에서 상기 다이오드((D2)를 통해 흐르는 환류 전류에 의한 잉여에너지가 회수되고 저장될 수 있도록 상기 다이오드((D2)를 사이에 두고 상기 리셋 권선(30)과 병렬형태로 커패시터(Co)가 배치될수 있으며, 상기 커패시터(Co)는 전해 커패시터 또는 수퍼 커패시터와 같이 직류전력을 저장할 수 있는 소자나 장치중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 커패시터(Co) 양단은 배터리팩 종단의 양극(+) 및 음극(-)단자 측에 연결되게 구성되고 상기 커패시터(Co)에 저장된 충전 전압이 배터리팩보다 전압이 높아지면 환류시에 저장된 잉여에너지가 배터리팩 측으로 회수될 수 있도록 하는 회수 통로수단(32)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 회수 통로수단(32)은 상기 복수개의 셀들이 일괄로 충전되는 배터리팩 또는 상기 배터리팩의 임의의 중간 직렬 연결조(스트링)의 양극 또는 음극회로 측의 적어도 어느 1개소 이상에 구비될 수 있다.
이때, 상기 회수 통로수단은 다이오드와 같은 정류소자이거나 이들로 구성된 장치일 수 있으며, 상기 정류소자 외에 상기 PWM 스위치 회로가 연속동작모드(Contineous Conduction Mode, CCM)로 작동하기 위해 필요한 관련 회로나 소자를 추가적으로 부가시킬 수 있다.
또한 상기 복수개의 배터리 셀에 각각 구비되어 배터리 셀의 음극을 지향하여 연결되는 복수개의 고주파 변압기 1차 권선(21,22, ~2n)들은 통상의 절연형 포워드(Forward)컨버터 또는 플라이백(Fly back)컨버터에 있어서의 1차 또는 2차측 권선과 유사한 역할을 하도록 구성하거나, 도 15 또는 도 16에 도시된 바와 같이 배터리 2셀 단위씩 직렬 연결된 + - 공동 연결점에 이들 권선의 중앙 탭을 가지는 1차 권선과 같은 형태로 구성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예인 배터리 셀 밸런싱 제어장치의 주회로를 표시한 것으로, 고주파 변압기의 권선을 비교적 용이하게 실현할 수 있도록 설계 변형된 주회로 블록도이다. 인접된 2개의 배터리 셀을 구룹화하고 구룹화된 상.하 배터리 셀의 + - 단자 공동 연결점에 1차 권선의 중간점으로 부터 인출되어진 탭이 연결되고 상기 1차 권선의 양 끝에는 양방향 스위칭소자가 연결되어 주 제어회로가 구성되어 진다. 전술한 도 14에 도시된 회로와 비교해 보면 변압기 1차 권선 및 이에 연결된 스위칭소자의 연결 구조 이외에는 서로 동일함을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예로써 리셋 권선을 복수화하여 병렬 연결한 상태를 보여 주고 있다.
상기 리셋 권선을 복수화한 방식은, 인접된 배터리 셀을 비교적 적은 수량 단위(예로 2, 4, 6 셀 단위)로 구룹화하고 구룹화된 단위 배터리 스트링마다 고주파 변압기를 단위별로 배치함으로써 비교적 고주파 변압기를 소형화할 수 있다는 장점을 가지며 전술한 도 14 또는 도 15에 도시된 회로와 비교해 보면 리셋 권선(30-1, 30-2,....)의 병렬 연결된 구조 이외에는 서로 동일함을 알 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예로써 인접한 셀을 구룹화 한 배터리 밸런싱 회로의 블록도를 보여 주고 있다.
상기 배터리 밸랜싱 회로 방식은, 인접된 2개의 배터리 셀(E1과 E2, E(n-1)과 E(n))를 구룹화하고 구룹화된 상.하 배터리 2개 셀의 + - 단자 공동 연결점에 1차 권선의 한 쪽을 연결하고 또 2개의 스위칭소자가 직렬 연결되어 구성된 암(Arm)의 공통 연결점에 상기 1차 권선의 다른 한쪽을 연결하여 구성할 수 있다. 또한 여기서 중간탭 가진 리셋 권선(30)을 설치하고, 리셋 권선의 후단에 2개의 스위칭 소자를 배치하고, 각각의 스위칭 소자에 다이오드의 양극(+)이 결선되도록 직렬 삽입하고, 각각의 스위칭 소자를 PWM 신호에 의해 구동함으로써 잉여에너지를 효율적으로 회수하는 것이 바람직할 수 있다.
배터리 E1의 양단에는 스위칭소자(Sp1)과 고주파 변압기의 1차 권선(211) 이 직렬형태로 연결되어 있으므로 상기 스위칭소자(Sp1)이 도통되면 배터리 E1의 방전이 개시되고, 또한 자기 결합된 상기 1차 권선(21n)에는 배터리 셀 E1 전압과 같은 역기전력이 발생하게 되며 이때 상기 1차 권선(21n)의 역기전력은 배터리 셀 E(n-1)을 충전시키게 된다. 반대로 스위칭소자(Sp2)이 도통되면 배터리 E2 의 방전이 개시되고 상기 자기 결합된 1차 권선(21n)에 발생되는 역기전력은 배터리 셀 E(n)을 충전시킬 수 있게 된다. 여기서 회로 동작을 효과적으로 시키기 위해서 상기 1차 권선(211, 21n)과 직렬로 인덕터(Ls1, Ls(n-1))을 추가로 삽입할 수 있다.
도 13, 도 14 내지 도 16 에서와 같이 배터리 셀의 충전 전압을 측정하는 셀 전압측정수단(101), 및 상기 셀 전압측정수단에 의해 높게 과충전 셀이나 평균보다 높게 충전된 배터리 셀을 인지하여 선택하는 셀 관리선택수단(102) 및 PWM 신호발생수단(103)을 배터리팩 별로 배치하고 드라이빙신호 발생회로에서 선택된 배터리셀에 연결된 스위칭소자(Sp1 또는 Sp2,... Spn)에만 PWM 신호가 인가되게 논리적으로 제어할 수 있으나, 회로의 복잡성 등을 고려하여 상기 수단 및 회로 기능을 수행할 수 있는 등가 수단들을 각 배터리 셀마다 PWM 신호발생수단(103) 내에 각각 구비하여 동일한 기능을 구현할 수 있다.
또한 과충전된 배터리 셀이 방전 제어될 때 이의 방전전류 크기를 제한할 수 있도록 방전전류를 측정하기 위한 전류측정수단((105)을 더 배치함이 바람직하다.
이와 같이 상기 등가 수단들을 각 배터리 셀마다 구비하여 각 셀마다 구비되는 PWM 신호발생수단에 의해 자신의 스위칭소자만 구동되게 설계하거나, 경제성 및 여타의 설계조건을 고려하여 셀 관리선택수단의 선택 지령을 받아 선택되는 배터리 셀만이 구동하도록 하는 방안이 더욱 바람직할 수 있다.
또한, 배터리 셀의 전류용량(Ah)이 커서 셀 밸런싱 동작시에 대상 제어 셀의 충.방전전류가 크게 요구될 경우에는, 본 발명의 구체적 실시 예로써 이미 제시된 본 발명의 기술적 해결방안 또는 기술 사상을 다상 입력 인버터 방식의 DC/DC 컨버터 회로에 적용하여 자기 결합에 의한 충.방전 전류 에너지 수수가 가능토록 변압기를 포함한 스위치 회로의 토폴로지(Topology)을 개량한다면 밸런싱 제어모듈의 대용량화가 매우 용이할 것이다.
이와 같이 산업적 이용효과를 높이기 위해서는 본 발명이 제시된 실시예들에 한정되지 않고 다양한 형태의 DC/DC 컨버터가 본 발명의 밸런싱 제어장치로써 사용될 수 있음은 물론이다.
그러면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 셀 밸런싱 제어 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 배터리 셀에 구비된 제어변환회로의 복수의 스위치 회로에 동일한 시비율을 가진 PWM 제어신호를 인가하고(S203), 평균전압 이상으로 충전된 배터리 셀들을 방전시킨다.(S204). 이때 상기 방전 에너지가 복수개의 권선들을 구비한 고주파 변압기의 1차 권선들의 자기 결합을 통해 부족 충전된 배터리 측으로 에너지가 직접 전달되거나 인접된 배터리 단위구룹 스트링으로 전달되고(S205), 상기 배터리팩의 모든 복수개 셀 전압이 균일화될 때까지 상기 방전된 에너지를 부족 충전된 셀로 전달하는 에너지 변환제어가 지속된다.(S206)
또한, 상기 단계 S203 이전에 배터리 단위구룹 스트링 전압 및 각 배터리 셀 전압을 측정하고(S201), 상기 측정결과에 의해 각 배터리 셀들의 충전 용량 불균형 또는 셀 전압 불균형이 있는 지 여부를 판단하여(S202), 모든 배터리 셀에 동일한 시비율을 가지는 PWM 제어신호를 인가하는 것이 바람직하다. 이때 배터리 셀의 측정값이 디지털값으로 변환되는 것이 바람직하다.
상기 충전용량의 불균형 또는 셀 전압의 불균형에 대한 판단은, 각 배터리 셀 전압을 측정하고 이들의 평균전압을 기준하여 소정치 이상으로 높거나 낮게 충전된 배터리 셀이 있는 지의 여부를 판단하는 과정을 통해 이루어 지는 것이 바람직하다.
만약, 상기 단계 S201 또는 S202에서 각 배터리 단위구룹 스트링의 출력전압을 측정하여 상기 배터리 단위구룹 스트링간의 전압 불균형이 소정의 기준치보다 큰 경우에는, 각 단위구룹 스트링의 출력전압에 비례하여 선정된 각각 상이한 시비율의 PWM 제어신호를 각 셀 밸런싱 제어모듈의 스위치 회로에 인가한다.(S207), 이렇게 되면 높게 충전된 배터리 단위구룹 스트링으로 부터 충전 전압이 낮은 인접된 단위구룹 스트링으로 에너지가 전달되게 된다.(S208).
한편, 배터리 스트링을 구성하는 복수개의 배터리 셀 중 대부분의 셀이 과충전되었거나 소정의 설정 기준치 이상으로 충전된 경우에는, 상기 모든 배터리 셀에 연결된 스위치 회로에 동일한 PWM 제어신호를 인가시킨다.(S301).
상기 인가된 PWM 제어신호에 의해 모든 배터리 셀의 에너지가 방전을 개시한다.(S302), 이때 상기 방전된 에너지가 고주파 변압기의 자화 에너지(전류)에 의해 제 2 권선(34)측으로 전달(저장)된다.(S303).
상기 S303 단계 수행중 또는 직후에, 상기 전달(저장)된 에너지가 방출됨에 따라 잉여에너지가 다시 배터리 스트링(팩)이나 이웃의 배터리 단위그룹 스트링으로 회수되는 것(S304)이 더 바람직할 수 있다.
또한, 상기 전자기학적 원리(Electromagnetic principle)에 의한 자기 결합에 의해 전달된 에너지의 일부가 자화 전류의 복귀에 따라 에너지 저장수단(33)으로 환류되거나 커패시터(Co)에 충전되고(S401), 상기 환류되었거나 충전된 잉여에너지가 배터리팩이나 일부 배터리 스트링으로 다시 회수되는 단계(S402)를 더 수행하는 것이 바람직할 수 있다.
또한 각 배터리 셀들이 모두 균등화되면, 상기 PWM제어신호가 인가되더라도 각 배터리 셀이나 단위구룹 스트링간에 에너지 전달(수수) 제어동작이 자동적으로 중지된다.(S501).
한편, 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리 스트링를 구성하는 복수의 배터리 셀에 배치되고 상기 배터리 셀의 전압을 PWM 초핑(Chopping)하여 제 1방향 또는 제 2방향의 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 스위치 회로의 PWM 제어방법에 있어서, 상기 PWM 제어방법은 공통의 PWM 펄스를 상기 복수개의 스위치 회로에 동시에 인가하는 것이 기본적으로 바람직하다.
또한, 상기 복수개의 스위치 회로는 도통 저항(Ron)이 충분히 적은 MOSFET 소자이고, 상기 MOSFET 소자는 상기 PWM 제어신호에 의해 제 2방향의 전류가 흐를 때에 동기 정류기로 작동되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 복수개의 스위치 회로에 인가되는 PWM 펄스는, 시비율(도통 펄스폭)이 모두 동일한 것일 수 있다.
또한, 상기 단위구룹 스트링에 배치된 각 스위치 회로에 인가하는 PWM 펄스는, 이의 시비율(도통 펄스폭)이 각 단위구룹 스트링의 전압에 따라 각각 선정되는 것이 더 바람직할 수 있다.
또한, 상기 PWM 펄스는, 밸런싱 제어장치의 동작 대기상태를 제외하고는 항상 스위치 회로에 인가되어도 무방할 것이다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 또한 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 청구범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 기술적 해결 과제는 각종 충전용 배터리에 적용 가능하다.
본 발명에 의하면 직렬 연결되어 있는 배터리 시스템의 어떠한 충전.방전 조건에서도 각 권선들의 자기적 결합에 의해 각 배터리 셀간에 에너지가 직접 수수되고 높은 전압의 셀로 부터 낮은 전압의 셀로 에너지가 전달되어 각 배터리 셀들이 균일하게 충전되고 여타의 어떠한 방안보다 신속히 밸런싱될 수 있는 효과를 가질 수 있으므로 일괄 충전중이나 방전 또는 대기중에도 과충전이나 부족충전 현상없이 배터리 셀들이 항상 균일한 조건을 유지할 수 있게 된다.
특히 본 발명의 기술적 사상를 이용하면 능동 방식에 의한 대 전류의 셀 밸런싱이 가능하므로, 대용량의 리튬계열의 배터리 스트링(스택)과 같은 여타의 2차 배터리시스템에 대하여 안전하게 균등충전 또는 급속충전이 가능하다.
따라서 리튬계열의 배터리팩이 필요한 전기차나 직류 전력 저장 장치의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있으며 이에 스마트 그리드용 비상용 에너지 저장장치 배터리팩 및 전기자동차의 조기 실용화 보급에 기여할 수 있다.
100. 배터리 스트링(팩) E1, E2, E3,... 배터리 셀
110-1, 1110-2,... 배터리 단위구룹 스트링
101. 셀 전압 측정수단 102. 배터리 셀 관리선택수단
103. PWM 신호 발생수단 104. 드라이빙 신호 발생회로
105. 전류측정 수단 106. 전류측정 수단
20-1,20-2,....20-n. 스위치 회로 211, 212,... 21n. 변압기 1차 권선
22-1a, 22-1b, 22-2a,22-2b,.. 제 2권선
311,312,..31n. 전류제한수단 34. 34-1,... 변압기 2차 권선
30, 30-1, 30-2. 리셋 권선 35. 제 2스위치회로
31. 31-1, 31-2. 커패시터(Co) 32. 회수 통로수단 33. 에너지 저장수단.
Sp1, Sp2, SP3... 스위칭소자 Df1, Df2, Df3... 환류 다이오드
D2, D2-1, D2-2. 다이오드

Claims (23)

  1. 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리 스트링을 밸런싱 제어하는 데 있어서,
    상기 배터리 셀의 전압을 PWM 초핑(Chopping)하고 제 1방향 또는 제2방향의 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 스위치 회로;
    상기 스위치 회로의 출력단에 배치되고, 단일 철심의 변압기에 형성되고 상호간 동일 극성으로 자기적 누설이 균일하도록 권선되는 복수의 1차 권선; 및
    상기 스위치 회로와 상기 1차 권선 사이에 직렬 형태로 배치되고 배터리 전류를 제한하는 복수의 전류제한수단; 을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단일 철심의 변압기에 상기 1차 권선들과 반대 극성으로 권선되는 2차 권선;
    상기 2차 권선과 병렬 형태로 배치되고 자화 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치; 및
    상기 변압기 자속의 복귀(리셋)에 따라 발생되는 환류전류의 흐름 통로를 제공하는 제 2 스위치 회로를 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 에너지 저장수단(33)은,
    커패시터 또는 수퍼 커패시터와 같이 직류 전력을 저장할 수 있는 수단 중 적어도 어느 하나를 포함하거나, 상기 배터리 스트링 또는 상기 배터리 스트링의 단위구룹을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 배터리 스트링은 복수개의 배터리 단위구룹 스트링들이 직렬로 연결되어 구성되는 데,
    상기 단일 철심의 변압기, 스위치 회로 및 전류제한수단을 포함하여 구성되는 셀 밸런싱 제어모듈이 상기 배터리 단위구룹 스트링마다 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단일 철심 구조의 변압기는 복수개로 구성되고, 상기 복수 변압기의 각 2차 권선의 출력은, 상기 2차 권선에 직렬로 연결되는 복수의 제 2 스위치 회로를 통해 복수의 배터리 단위구룹 스트링들과 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    복수의 배터리 셀 밸런싱 제어모듈이 상기 배터리 스트링의 복수의 단위구룹마다 각각 배치되는 데, 상기 제 m 번째 변압기의 2차 권선 출력은 제 (m+1)번째 단위구룹 스트링에 연결되고, 상기 제 (m+1)번째 변압기의 2차 권선 출력은 제 m 번째 단위구룹 스트링과 서로 교호하여 연결되는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 변압기의 각 2차 권선의 출력은 상기 1차 권선들이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 다음 하위 단위구룹에 각각 순차적으로 연결되고, 최하단에 배치된 변압기의 2차 권선 출력은 최상단의 단위구룹 스트링에 연결되는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 변압기가 상기 배터리 스트링의 복수개의 단위구룹마다 각각 배치되는 데, 상기 변압기의 1차 권선들 중 임의의 권선이 하부 또는 상부 단위구룹 스트링에 배치된 또 다른 변압기의 1차 권선 중 임의의 권선과 연결되는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 변압기가 상기 배터리 스트링의 복수개의 단위구룹마다 각각 배치되는 데, 상기 변압기의 1차 권선들 중 임의의 권선이 나머지 모든 변압기의 1차 권선들 중 임의의 권선들과 서로 병렬로 연결되는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  10. 제 5항에 있어서,
    제 3의 변압기는 2개의 제 1권선이 배치되는 데, 상기 변압기의 1차 권선중 임의의 권선이 상기 제 3의 변압기의 제 1권선과 연결되고, 상기 제 3의 변압기의 또 다른 제 1권선은 다른 배터리 셀 밸런싱 제어모듈에 배치된 변압기의 1차 권선중 임의의 권선에 연결되는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전류제한수단은 상기 1차 권선들 상호간에 자속이 누설되어 발생되는 누설 인덕터 성분인 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 스위치 회로는 MOSFET 소자를 포함하여 구성되는 데, 상기 전류제한수단은 상기 MOSFET 소자의 도통(Ron) 저항을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
  13. 배터리 스트링를 구성하는 복수개의 배터리 셀에 각각 배치되고 상기 배터리 셀들을 밸런싱 제어하기 위한 복수개 스위치 회로의 PWM 제어방법에 있어서,
    상기 PWM 제어방법은, 동일한 PWM 펄스가 상기 복수개의 스위치 회로에 인가되는 것인 배터리 셀 밸런싱 제어방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 PWM 펄스는, 시비율이 모두 동일한 것인 배터리 셀 밸런싱 제어방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 배터리 스트링은 복수의 단위구룹 스트링으로 구성되는 데,
    상기 단위구룹 스트링에 배치된 각 스위치 회로에 인가하는 PWM 펄스는,
    시비율이 각 단위구룹 스트링의 전압에 비례하여 각각 선정되는 배터리 셀 밸런싱 제어방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 복수개의 스위치 회로는 도통 저항(Ron)이 충분히 적은 MOSFET 소자이고, 상기 MOSFET 소자는 상기 PWM 제어신호에 의해 동기 정류기로 작동되는 것인 배터리 셀 밸런싱 제어방법.
  17. 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리를 밸런싱 제어하는 데 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀에 각각 구비된 복수의 스위치 회로에 동일한 PWM 제어신호를 인가하는 단계(S203); 평균전압 이상으로 충전된 배터리 셀들이 방전되는 단계(S204); 및 변압기의 자기 결합을 통해 상기 방전 에너지가 부족 충전된 배터리 측으로 직접 전달되는 단계(S205);를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 단계 S203 이전에 배터리 스트링의 배터리 셀 전압을 측정하는 단계 (S201); 상기 측정결과에 의해 각 배터리 셀들의 충전 용량 불균형 또는 셀 전압 불균형이 있는 지 여부를 판단하는 단계(202);를 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    배터리 스트링을 구성하는 대부분의 배터리 셀이 소정의 기준치 이상 전압으로 충전된 경우, 상기 모든 스위치 회로에 동일한 PWM 제어신호를 인가시키는 단계(S301).
    상기 인가된 PWM 제어신호에 의해 모든 배터리 셀의 에너지가 방전을 개시하는 단계(S302); 및 상기 방전된 에너지가 변압기의 자화 에너지(전류)에 의해 제 2 권선(34)측으로 전달(저장)되는 단계(S303);를 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 단계 S303 수행중 또는 직후에, 상기 전달(저장)된 잉여에너지가 다시 배터리 스트링이나 이웃의 배터리 단위그룹 스트링으로 회수되는 단계(S304)를 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어 방법.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 충전 용량 불균형 또는 셀 전압 불균형이 있는 지 여부를 판단하는 단계(202)는,
    각 배터리 셀 전압의 평균전압을 기준하여 소정치 이상으로 높거나 낮게 충전된 배터리 셀이 있는 지를 판단하는 것을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어 방법.
  22. 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리 스트링을 밸런싱 제어하는 데 있어서,
    상기 배터리 스트링은 복수개의 배터리 단위그룹 스트링으로 구성되는 데, 상기 모든 배터리 단위구룹 스트링의 출력전압을 측정하여 이의 전압 불균형이 기준치보다 큰 경우, 상기 배터리 단위구룹 스트링에 연결된 배터리 셀 밸런싱 제어모듈마다 상이한 시비율를 각자 가지는 PWM 제어신호를 인가하는 단계(S207); 및 낮게 충전된 단위구룹 스트링 및 배터리 셀로 에너지가 전달되는 단계(S208);를 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어 방법.
  23. 복수개의 배터리 셀들이 연결되는 배터리 스트링을 밸런싱 제어하는 데 있어서,
    복수개의 배터리 셀의 양극과 음극사이에 각각 배치되고 방전 대상의 배터리 셀의 전압을 PWM 쵸핑(Chopping)하거나 환류 전류의 통전통로를 제공하는 스위치 회로;
    방전 대상 배터리 셀의 에너지를 받아 전자기학적 자기 결합을 통해 충전 대상의 배터리 셀로 에너지를 직접 전달하기 위한 복수개의 1차 권선을 가진 고주파 변압기;
    상기 고주파 변압기의 2차측에 배치되고, 에너지 전달과정에서 발생하는 리셋 자속의 환류 전류가 흐르는 리셋 권선;
    상기 환류 전류에 의한 에너지가 일시 저장되는 에너지 저장수단; 및
    상기 배터리 스트링으로 부터 역전류가 흐르지 못하도록 브록킹하며 상기에서 저장된 에너지가 배터리팩 측으로 다시 회수될 수 있도록 전류 통로를 제공하는 회수 통로수단;을 포함하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치.
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