KR20140012786A

KR20140012786A - 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로

Info

Publication number: KR20140012786A
Application number: KR1020120079737A
Authority: KR
Inventors: 김래영; 김득수
Original assignee: 김래영; 김득수
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-02-04

Abstract

본 발명은, 복수개의 배터리를 신속하게 균일화시킬 수 있도록 제어대상의 배터리에 연결된 복수개의 밸런싱 스위치에 공급할 수 있는 공통된 PWM 제어신호를 PWM 신호 발생회로에서 배터리 모듈별로 적절하게 생성하고, 복수개의 2차 권선을 가지는 펄스 변압기 및 수개의 수동소자만으로 구성되는 간단한 회로 구현을 통해 상기 PWM 제어신호를 배분하고 회로적으로 절연되게 하여 복수개의 밸런싱 회로를 PWM 제어하는 데 적합한 PWM 구동 신호를 얻을 수 있게 한다.
또한, 상기 PWM 신호 발생회로의 전단에 구성되는 기동/정지회로는, 대기전력을 최소화하기 위해 제어대상 배터리 모듈출력에 연결된 기동 저항(Ri)을 통해 인입되는 시동(Start-Up)전류 크기를 설정하여 설정된 값이 소정치에 도달되면 관련회로를 활성화 또는 록아우트시킬 수 있게 하는 것이다.

Description

배터리 밸런싱 제어신호 발생회로{BATTERY BALANCING CONTROL SIGNAL GENERATION CIRCUIT}

2차 배터리(전지)는 충전, 대기 또는 방전 중에 전압이 불균형 상태가 될 수 있고 이로 인해 배터리의 노화가 촉진됨은 물론 배터리팩의 SOC 용량 감소 등 수명이 단축되기 때문에, 배터리 셀 또는 모듈의 밸런싱(균형화)을 유지하고 충전전압 및 용량 불일치의 영향을 줄이기 위해서 배터리 능동 밸런싱(Battery Active Balancing) 제어가 요구된다.

본 발명은, 고주파 변압기의 복수개 권선에 각각 연결되는 복수의 밸런싱 스위치를 PWM 제어하여 복수개의 배터리 셀 또는 모듈을 신속하게 균일화시킬 수 있는 배터리 능동 밸런싱(Battery Active Balancing) 회로에 있어서, 상기 복수개의 밸런싱 스위치에 PWM 제어신호를 안정되게 인가시키는 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로에 관한 것이다.

대용량화를 목적으로 복수개의 배터리 셀을 직렬 연결된 배터리 시스템(팩)을 일시에 충전하고자 할 경우, 현실적으로 충전 가능한 방안 중의 하나로 배터리 시스템(팩) 종단의 양극(+) 및 음극(-) 두 단자 간에 충전장치의 출력을 연결하여 복수개의 직렬 연결된 배터리 셀을 일괄적으로 충전하는 일괄충전 방식을 사용하게 되며, 이와 같은 일괄충전 방식에서는 각 배터리 셀간의 용량 차이나 내부 저항 차이 등의 특성차이를 제대로 고려하지 못하고 충전전류가 일괄로 공급될 수 밖에 없기 때문에, 충.방전중에 배터리팩을 구성하는 각 셀이나 모듈들을 상호간 균일화시킬 수 있는 밸런싱(Balancing) 제어방법이 채택되고 있다.

한편, 노트북 등 모바일용에 사용되는 수천 mAh 의 비교적 소용량의 배터리에는 과충전을 방지하기 위해 수동 밸런싱 제어방법을 사용하고 있으며 수동 밸랜싱 제어방식은 회로가 매우 간단하여 비교적 저가로 만들 수 있다.

그러나, 상기 수동 밸랜싱 제어방식은 높게 충전된 배터리 셀의 전압을 저항을 통해 열로 방출시키는 데, 이때 열발생에 의한 손실을 처리할 수 있는 대안이 없으므로 대용량 배터리의 밸런싱 방법으로는 적합치 아니하고, 고가의 제조비용이 필요로 하는 능동 밸런싱 방식이 점차 실용화되어 채택되고 있다. 이러한 능동 밸런싱 방식은 배터리 셀마다 개별로 밸런싱 동작을 위한 밸런싱 스위치 및 이의 PWM구동 회로가 필요하게 되므로 이의 제어회로가 매우 복잡하여 지게 된다.

전술한 바와 같이 배터리 능동 밸런싱 회로를 구현하는 데 있어서는, 배터리 셀마다 배치된 복수개의 밸런싱 스위치를 PWM 제어해야 하므로 이에 필요한 제어신호 발생회로의 구성이 매우 복잡하고 이의 원가가 높아지는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 배터리 능동 밸런싱 회로에 있어서, 배터리의 사용 대기 또는 충전.방전과정에서 밸런싱(Balancing) 회로가 필요할 때에만 작동되게 하여 대기전력을 최소화시켜 배터리의 방전을 극소화시키고, PWM 신호 발생회로에서 동일한 PWM 신호를 발생시켜 복수개의 2차 권선을 가진 펄스 변압기를 통해 PWM 제어신호를 절연하고 복수개의 신호로 배분하여, 이와 같이 생성된 PWM 제어신호를 복수개의 밸런싱 스위치에 각각 인가될 수 있게 하는 데 필요한 경제적이고 안정적인 PWM 제어신호 발생회로를 제공함에 있다.

단일 철심의 변압기에 형성되는 복수개의 권선 및 상기 권선에 각각 직렬로 연결되는 복수개의 밸런싱 스위치로 구성되고 상기 복수개의 권선에 연결된 복수개의 배터리 셀 또는 모듈을 밸런싱 제어하는 데 있어서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로는, 배터리 모듈의 전압 출력을 받아 공통된 PWM 제어신호를 생성하는 PWM 신호 발생회로;

상기 PWM 제어신호에 의해 여자 스위치(Exciting Switch)가 온 오프(도통, 폐쇄)되어 펄스 변압기의 여자전류에 대한 전류 흐름 통로를 제공하는 드라이브 회로; 및

상기 펄스 변압기의 복수개 2차 권선을 통해 상기 PWM 제어신호가 복수개로 배분되고 서로 절연되어, 상기 복수개의 밸런싱 스위치에 각각 공급되는 신호 분배 및 절연 회로를 포함한다.

바람직하게는, 상기 밸런싱 제어대상의 배터리 단위모듈의 출력 전압의 크기에 따라 관련 제어회로를 활성화 또는 록아우트시키는 기동/정지회로를 더 포함한다.

또한, 상기 기동/정지회로는, 기동 저항(Ri)을 통해 인입되는 시동 (Start-Up)전류치에 의해 제어대상의 배터리 단위 모듈의 제 1전압 설정치(리튬전지의 경우 일반적으로 3.0V로 설정)에서 기동되고, 상기 제 1전압 설정치보다 낮은 점인 제 2전압 설정치에서 이의 가동이 록아우트(Lock-Out)될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기동/정지회로에 인입되는 시동(Start-Up) 전류치를 기동 저항(Ri)을 통해 조절하여 상기 제 1전압 설정치 또는 제 2전압 설정치의 크기를 설정할 수 있다.

또한, 상기 복수개의 밸런싱 스위치는 MOSFET 소자인 것이 매우 바람직하고, 이때 상기 신호 분배 및 절연 회로는, 상기 PWM 신호 발생회로의 출력측에 1차 측이 연결되고 복수개의 2차 권선 출력이 상기 복수개 MOSFET 소자의 게이트에 연결되는 펄스 변압기를 포함한다.

또한, 상기 PWM 신호 발생회로는 소정의 드라이브 회로를 통해 전류 증폭되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신호 분배 및 절연 회로는 상기 PWM 제어신호에 의해 온 오프 도통되는 여자 스위치에 1차 권선의 한 단자가 연결되고 복수개의 2차 권선 출력이 복수개의 밸런싱 스위치(20-1,-2,..)의 제어단자에 각각 연결되는 펄스 변압기; 및 상기 2차 권선 및 상기 복수개 밸런싱 스위치(20-1,-2,...)의 제어단자 사이에 직렬로 연결되는 게이트 온 저항을 포함하여 구성되며, 상기 제어단자 입력단과 병렬로 연결되는 전압클램프 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 전압클램프 수단은 정전압소자나 제너다이오드 2개를 서로 마주 보게 역방향 직렬형태로 연결하여 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신호 분배 및 절연 회로에는 펄스 변압기의 복수개 2차 권선 출력측에 각각 게이트 오프 저항 및 이와 병렬로 다이오드를 더 배치하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 펄스 변압기는, 복수개의 2차 권선 상호 간에 자기적 누설이 균일하거나 최소가 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 상기 펄스 변압기는, 자화 인덕턴스가 크도록 설계되고 여자에 필요한 자화전류가 최소화되도록 설계하는 것이 에너지전달 측면에서 효율이 좋을 것이다.

또한, 상기 PWM 신호 발생회로 또는 기동/정지회로 중 적어도 하나는 UC1842/3/4, UC2842/3/4 또는 UC3842/3/4 와 유사한 상용소자로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로는 복수개의 배터리를 신속하게 균일화시킬 수 있도록 배터리 모듈별로 동일한 PWM 제어펄스를 생성하여 제어대상의 배터리에 연결된 복수개의 밸런싱 스위치에 공급할 수 있으며, 복수개의 2차 권선을 가지는 펄스 변압기 및 수개의 수동소자로 구현되는 회로를 통해 PWM 제어신호를 배분하고 회로적으로 절연되게 하여 복수개의 밸런싱 스위치에 최적의 PWM 구동신호를 얻을 수 있게 함과 동시에, 배터리 능동 밸런싱 제어회로의 제조원가를 크게 줄일 수 있다.

또한 사용대기 또는 충전.방전과정에서도 제어대상의 배터리 모듈의 전압을 체크하여 밸런싱이 필요한 전압구간에서만 관련 제어회로가 활성화되어 배터리 밸런싱 제어 동작단계에서 소모(낭비)될 수 있은 대기(Idle)전력을 극소화할 수 있게 제어됨으로써, 특히 배터리팩의 충.방전대기 또는 보관상태에서 배터리가 조기에 방전되는 위험을 제거할 수 있다.

또한, 플라이백 컨버터 방식을 사용하는 밸런싱 제어 회로에 있어서 연속전류모드(CCM) 제어에 적용가능하도록 PWM 제어신호의 온 두티(On Duty) 폭을 50% 이상으로 생성할 수 있으므로, 밸런싱 전류를 최대화할 수 있고 밸런싱에 소요되는 시간을 줄여 밸런싱 효과를 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기능별 블럭 연결도.
도 2는 본 발명의 상세 실시 예.
도 3은 본 발명의 신호 분배 및 절연 회로의 상세도.
도 4는 본 발명의 상세 실시 예인 주회로 각 부의 PWM 동작 파형도.
도 5는 본 발명의 또 다른 상세 실시 예인 주회로 각 부의 PWM 동작 파형도.
도 6은 본 발명의 또 다른 상세 실시 예인 상용소자를 채택한 회로 상세도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 기재에서 「배터리」의 의미는, 수퍼 콘덴서나 2차 전지와 같이 전하를 축전할 수 있는 수단이나 장치로써, 배터리 스트링(팩)을 구성하는 「단위 셀」 또는 수개의 단위 셀로 구성된 「배터리 모듈」를 포함하는 것이며, 각 문맥의 해석에 따라 이들 중 어느 하나를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로의 연결 구조를 나타내는 기능별 블럭도이다.

도 1에서 보인 바와 같이, 본 발명의 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로는, 복수개의 배터리가 직렬 연결된 배터리 모듈(팩)(10), 상기 배터리 모듈(팩)(10)을 구성하는 배터리(셀)에 각각 연결되는 복수개의 밸런싱 스위치 #1~#n (20-1, -2, ...), 및 복수개의 권선이 상기 복수개의 밸런싱 스위치 #1~#n (20-1, -2,...)와 연결되는 고주파 변압기(301)를 포함하는 능동 밸런싱 회로에 있어서, 제어대상 배터리 모듈의 전압을 감지하여 관련 제어회로를 활성화(activation) 또는 록아우트(Lock-out)시키는 기동/정지회로(101); 배터리 모듈에 적합한 PWM 제어신호를 발생시키는 PWM 신호 발생회로(102); 상기 PWM 제어신호를 소정의 전력 레벨을 가지도록 증폭하고 펄스 변압기를 여자시키는 드라이브 회로(103), 및 상기 펄스 변압기를 통해 PWM 제어신호를 분배하고 절연하여 상기 복수개의 밸런싱 스위치 #1~#n, (20-1, 20-2, ...)에 각각 PWM 제어신호를 인가하는 신호 분배 및 절연 회로(104)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 상세한 실시 예를 보이고 있다. 이를 살펴 보면,

우선 밸런싱 대상 배터리 모듈(EDC, 10)의 출력단자에 연결된 기동 저항(Ri)을 통해 시동(Start-Up) 전류가 상기 기동/정지회로(101)에 인입된다.

상기 기동/정지회로(101)는, 상기 기동 저항(Ri)을 통해 인입되는 시동 전류가 소정값 수준에 도달되면 나머지 구성회로에 활성화 또는 록아우트(Lock-Out) ON/OFF 신호를 발생하는 레벨 비교기(Level Comparator), 및 상기 기동/정지회로(101)의 시동(Start-Up)전류 크기에 따라 활성화 또는 록아우트(Lock-Out)될 수 있는 전압 레벨을 비교 결정할 수 있도록 상기 레벨 비교기의 반전 입력 단자에 기준전압을 제공하는 정전압회로를 포함하며, 상기 레벨 비교기(Level Comparator)는 고입력 임피던스 특성을 가진 소자로써 대기시 전력소모가 적도록 회로를 구성하는 것이 바람직하다.

상기 배터리 모듈(EDC, 10)의 충전 전압이 상승되어 전류 경로저항(Ri)를 통해 기동/정지회로(101)에 인입되는 시동(Start-Up) 전류치가 소정값 이상으로 증가되면, 상기 레벨 비교기(Level comparator)의 비반전 입력에는 활성화 지령에 필요한 레벨신호가 입력되고, 상기 입력된 활성화 레벨신호가 상기 정전압회로의 기준전압보다 크면 온(ON) 활성화 신호가 제공되어 나머지 구성회로를 가동되게 활성화되게 하는 것이다.

전술한 바 있는 상기 기동/정지회로(101)의 구성은, 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 설명하기 위한 일실시 예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 기초로 하여 필요한 조건에서 나머지 구성회로를 활성화 또는 록아우트시킬 수 있도록 공지된 소자나 회로를 채택하여 이를 구성하거나 등가적으로 변형이 가능하다.

또한, 상기 기동/정지회로(101)는 기동 저항(Ri)의 크기에 의해 제 1전압 설정치에서 기동되고 제 1전압 설정치보다 낮은 점인 제 2전압 설정치에서 가동이 록아우트(Lock-Out)될 수 있게 히스테리 특성을 가지도록 설계하는 것이 매우 바람직할 것이다.

예를 들면, 리튬이온 전지인 경우에는 전지 정격전압(3.6V)을 제 1전압 설정치로 설정하고, 방전심도(DOD)가 80% ~ 90% 일 때의 방전 종지전압을 제 2전압 설정치로 설계함으로써 사용 대기중에 밸런싱 제어회로에 의한 대기전력을 최적으로 줄일 수 있고, 배랜싱이 필요한 충전전압 조건에서만 밸런싱 회로가 가동케 함으로써 자기방전에 의하여 배터리가 과방전되는 위험상태를 예방할 수 있다.

기동/정지회로(101)에서 PWM 신호 발생회로(102) 측으로 활성화 기동신호가 인가되면, PWM 신호 발생회로(102)는 소정의 온 듀티 폭(비율)으로 조절된 PWM 신호를 생성할 수 있게 된다.

이때 PWM 온 듀티(ON-Duty) 폭은 배런싱 전류를 증가시키기 위해 90% 이상의 온 듀티(ON-Duty) 비율 수준까지 확대할 수 있게 설계하는 것이 바람직할 수 있다.

이와 같이 PWM 온 듀티(ON-Duty) 폭을 크게 생성하고자 할 경우에는, 신호 분배 및 절연 회로(104)에 배치되는 펄스 변압기(201)의 자속을 업 듀티(OFF-Duty) 기간(리셋시간) 동안에 이미 형성된 레벨로 부터 자속을 리셋시킬 수 있어야 하고, 상기 오프 듀티(OFF-Duty) 기간이 온 듀티(ON-Duty)보다 짧기 때문에, 오프 듀티(OFF-Duty) 기간 동안의 상기 펄스 변압기(201)의 권선에는 온 듀티(ON-Duty) 기간에 형성된 전압보다 약 9배 정도의 큰 역(-)전압이 형성되어야 할 것이다.

신호 드라이브 회로(103)는 상기 펄스 변압기(201)의 1차 권선과 상기 1차 권선의 시작점(예로, 권시) 일단에 직렬로 연결된 여자 스위치(110) 및 상기 여자 스위치(110)의 입력단 회로를 포함하여 구성되고, 상기 여자 스위치(110)의 PWM 스위칭 동작에 의해 펄스 변압기(201)의 1차 권선에 PWM 제어신호 파형이 유기된다.

상기 여자 스위치(110)는 일반적으로 수백 kHz까지 고속 스위칭이 가능한 FET 소자인 것이 바람직하나 고속 스위칭 특성을 가지는 바이폴라(Bi-Polar) 트랜지스터 소자일 수 있다.

도 3은 본 발명의 신호 분배 및 절연 회로의 상세도를 나타낸다.

PWM 신호 발생회로(102)에서 생성된 PWM 신호는, 1개의 1차 권선과 복수개의 2차 권선을 가지는 펄스 변압기(201)를 통해 복수개의 신호로 분배되면서 상호간 절연되게 된다.

상기 펄스 변압기(201)에 있어서, 복수개의 2차 권선들은 동일한 극성(동일 권선 방향)으로 권선되며, 상호간 자기적 누설이 균일화되고 최소화되도록 설계하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 상기 펄스 변압기는, 자화 인덕턴스가 크도록 설계되고 여자에 필요한 자화전류가 최소화되는 것이 상기 여자 스위치(110)에 흐르는 자화전류의 크기를 줄여 스위칭 손실을 감소시킬 수 있고 에너지 전달 효율을 개선할 수 있을 것이다.

또한, 상기 각 2차 권선의 시작점 일단과 각 밸런싱 스위치 #1~#n,(20-1, 20-2, ...)의 제어단자(FET인 경우 게이트, 트랜지스터인 경우 베이스) 사이에는 게이트 온 저항(R1)이 직렬로 연결된다. 상기 게이트 온 저항(R1)는 상기 펄스 변압기의 1차 또는 2차 권선의 코일 저항 성분으로 대치될 수 있다.

또한, 상기 2차 권선의 일단(예로 권시 단자)에 연결된 게이트 온 저항(R1)의 또 다른 일단과 상기 2차 권선의 또 다른 일단(권종 단자)사이에 전압클램프 수단(Z1, Z2)이 병렬 형태로 연결되어 각 밸런싱 스위치(20-1, -2, ...)의 제어단자(게이트 또는 베이스)에 인가되는 PWM 드라이브 신호 전압의 최대 사용 정격 이하의 크기로 제한할 수 있게 된다.

상기 전압클램프 수단(Z1, Z2)은, 게이트나 베이스 단자에 입력되는 전압을 양방향으로 클램핑하여 이를 보호하는 기능을 가지며, 정전압소자 또는 제너다이오드 2개를 서로 같은 극성끼리 마주 보도록 역방향 직렬로 연결하여 구성하는 것이 바람직하다.

또한 상기 전압클램프 수단(Z1, Z2)과 병렬로 바이패스용 저항을 추가로 연결하는 것이 바람직할 수 있다.

또한 상기 펄스 변압기(201)의 온(ON) 듀티 기간에 형성된 자속을 오프 듀티 (Off-duty) 기간에 빨리 리셋시키고 자화전류내에 포함될 수 있는 직류성분을 감소시키기 위해서, 상기 게이트 온 저항(R1)과 직렬로 게이트 오프 저항(R2)을 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 이때 게이트 오프 저항(R2)의 양단에는 병렬로 다이오드(D2)가 연결되는 데, 상기 다이오드(D2)의 음극이 밸런싱 스위치(20-1, -2, ...)의 제어단자 방향을 향하도록 연결되게 함으로써 게이트(또는 베이스)에 인가되는 PWM 드라이브 신호의 기립시간(Rise Time)을 상기 게이트 오프 저항(R2)가 없는 경우와 동일한 수준으로 유지시킬 수 있다.

이와 같이 온 듀티 기간에서 상기 PWM 신호발생 회로를 통해 생성된 PWM 제어신호는, 펄스 변압기(201)를 통해 적절하게 분배되고 전기적으로 절연되어 게이트 온 저항(R1)을 거쳐 PWM 온(ON)제어 파형 신호가 FET의 게이트에 도달된다. 추가적으로 게이트 오프 저항(R2)과 이와 병렬로 다이오드(D2)가 배치된 경우에는, 상기 PWM 제어신호는 상기 게이트 온 저항(R1)과 다이오드(D2)를 거쳐 FET의 게이트에 도달되게 되는 것이다.

한편, 상기 게이트 온 저항(R1)과 게이트 오프 저항(R2)의 연결 구조는 여러 가지의 형태로 변형이 가능하다. 예를 들면, 다이오드(D2)와 저항(R2)가 직렬로 연결된 불럭 양단에 병렬로 또 다른 저항(R1)를 서로 연결하면, 게이트 온 시에는 저항(R2)과 또 다른 저항(R1)의 병렬 합성 저항값에 의해 작용되고 게이트 오프(Off) 시에는 상기 다오드((D2)가 블럭킹되어 저항(R1)만 작용하게 되어 전술한 기술적 효과를 얻을 수 있을 것이다.

도 4는 상기의 동작원리에 따른 본 발명의 일실시 예인 배터리 밸런싱 제어 신호 발생회로의 각부 주요 파형을 도시한 것으로, 스위칭 주파수가 20khz, 온 듀티(ON-Duty) 비율이 80%인 경우의 펄스 변압기(201)의 제 1차 및 2차 권선의 전압. 전류, 스위칭소자인 FET의 게이트 제어단자에 인가되는 전압 및 전류 파형에 대해 시뮬레이션으로 분석한 결과를 보여주고 있다.

이하에서 설명이 용이하도록, 펄스 변압기의 2차 권선이 2개로 구성되는 신호 분배 및 절연 회로를 일실시 예로 도시하여 설명하고 있으나, 3개 이상 복수개의 2차 권선을 가진 펄스 변압기(201)로 구성되는 신호 분배 및 절연 회로(104)에서도 복수개의 PWM 제어신호가 분배되고 생성되는 과정 및 원리가 매우 유사하다는 것을 이 분야의 통상의 종사자들은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 배터리 스트링(팩)이 수개의 단위 셀들을 가지는 복수개의 배터리 모듈로 구성되는 경우에 있어서도, 전술한 바 있는 본 발명의 기술적 사상을 그대로 이용하여, 상기 복수개의 배터리 모듈에 연결된 밸런싱 스위치(20-1, -2, ...)에 적절하게 인가될 수 있는 PWM 제어신호를 생성할 수 있을 것이다.

도 4 에 대해서 구체적으로 설명한다. 우선 온 듀티 기간 동안에 PWM 신호발생 회로(102)에서 생성된 PWM 제어신호가 소정의 전압 크기의 구형파 형상으로 드라이브회로(103)의 여자 스위치(110) 제어단자(게이트나 베이스)에 인가된다.

이와 같이 여자 스위치(110)가 온 듀티 기간 동안 도통되면, 펄스 변압기 (201)의 1차 권선에는 역기전력이 유기되고 이에 상응된 자속(IM)을 형성하는 데 필요한 자화전류(IM)가 1차 권선을 통해 흐르게 된다. 상기 역기전력은 온 듀티 기간 동안 드라이브 회로(103)의 입력 회로전압과 같아야 하므로, 상기 자화전류(IM)는 펄스 변압기(201)의 자로에 형성되는 자속이 포화되지 않는 수준까지는 직선적으로 점점 상승하게 된다.

이후 오프(off) 구간이 도래되어 여자 스위치(110)가 폐쇄되면, 펄스 변압기(201) 자로에 형성된 자속이 원래의 레벨 수준까지 리셋되어야 하기 때문에 상기 자화전류(IM)는 상기 자속이 리셋되도록 감소되기 시작한다. 이때 상기 여자 스위치(110)가 폐쇄되어 있으므로 상기 자속을 리셋시킬 수 있는 자화전류(IM)는 1차 권선을 통해 흐를 수 없게 되고, 밸런싱 스위치(20-1, -2, -3, ...)의 제어단자(게이트 또는 베이스) 채널 또는 전압클램프 수단(Z1 및 Z2) 및 게이트 온 저항(R1)을 통하여 2차 권선 측으로 전류 흐름 통로가 형성되고, 상기 자화전류(IM)에 상응되는 리셋전류가 2차 권선을 통해 흐르게 된다.

오프(off) 구간 동안에 상기 2차 권선에 흐르는 2차 권선 전류(In21 또는 In22) 크기는, 밸런싱 스위치(20-1, -2, ...)의 제어단자(FET인 경우 게이트) 채널 또는 전압클램프 수단(Z1 및 Z2)을 통해 흐르는 게이트 역전류 및 1차 권선에 흐르던 상기 자화전류(IM)를 1-2차 권선비로 환산하여 산출된 리셋전류의 합이 되고, 따라서 도 4에서 표시된 바와 같이 점점 감소하는 형상을 가지고 흐르게 된다.

이때 오프(off) 구간 동안 1차 및 2차 권선에는 상기 리셋전류 흐름에 의해 역전압이 걸리게 되는 데, 상기 역전압에 대한 오프(off) 구간 동안의 전압 적산량은 온(On) 구간 동안에 유기된 회로전압의 누적 적산량에 해당되는 면적 크기와 같아질 때까지 상기 역전압이 감소하는 모양으로 형성되고, 밸런싱 스위치(20-1, -02, ...)의 제어단자 (FET인 경우 게이트) 채널에는 상기 역전압이 전압클램프 수단(Z1, Z2)에 의해 클램핑되어 걸리게 된다.

또한 도 4에서 1차 권선에 나타나는 전압을 VP1, 2차 권선에 나타나는 전압을 각각 Vn21 또는 Vn22 로 도시하고 있는 데, 이를 살피면 상기 1차 권선 전압(VP1)과 2차 권선 전압(Vn21, Vn22)의 크기는 1차-2차 권선비에 의해 결정되게 되고, 밸런싱 스위치(20-1, -2, ...) 제어단자(FET인 경우 게이트)에 인가되는 게이트 전압 파형(Vgate1, Vgate1)은 상기 2차 권선에 유기되는 전압(Vn21 또는 Vn22)이 전압클램프 수단(Z1, Z2)에 의해 제한(클램핑)되어 상기 제어단자(FET인 경우 게이트) 채널에 적정한 크기로 공급될 수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 리셋전류가 오프(off) 기간이 종료되는 싯점까지 영(0)으로 떨어 지지 못하면, 여자 스위치(110)가 다시 온(ON)될 시에 펄스 변압기(201)의 1차 권선의 전류(IP1)에는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 오프(off) 종료 싯점에서와 같은 크기의 리셋전류가 연속하여 흘러야 되므로 상기 여자 스위치(110)에는 직류 성분을 가진 전류가 흐르게 되는 것이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 상세 실시 예로, 추가적으로 게이트 오프 저항(R2)과 이와 병렬로 다이오드(D2)가 배치된 경우에 있어서의 주회로 각 부의 또 다른 PWM 동작 파형을 도 4 에 상응되게 도시하고 있다.

각 부의 파형을 도 4와 비교하여 볼 때, 오프(off) 구간이 도래되면 펄스 변압기(201) 자로에 형성된 자속이 원래 레벨수준으로 리셋되어야 되기 때문에 자화전류(IM)는 자속이 리셋되도록 감소되기 시작하는 데, 이때 밸런싱 스위치(20-1, -2, ...)의 제어단자(FET인 경우 게이트) 채널 또는 전압클램프 수단(Z1 및 Z2), 게이트 온 저항(R1) 및 오프 저항(R2)을 통하여 상기 자화전류에 해당되는 리셋전류가 2차 권선을 통해 흐르게 되고, 자화전류에 의한 리셋전류가 도 4의 경우보다 매우 급격히 감소하는 형상을 가지게 된다.

이를 구체적으로 살펴보면 도 4에서는 리셋전류가 최고치의 약 75% 레벨까지 감소하는 것으로 보이나, 도 5의 경우에는 오프 저항(R2)이 추가로 삽입됨으로 인해 오프(off) 구간이 종료되는 싯점에 거의 영(0) 레벨까지 감소될 수 있게 된다.

상기 오프 저항(R2)을 추가함으로써 상기 리셋 전류가 급격히 감소되고 이에 따라 여자 스위치(110)이 다시 온(ON) 될 시에 상기 여자 스위치(110)에 흐르는 직류성분 전류를 감소시킬 수 있으나, 상기 오프 저항(R2)이 크게 되면 오프(off) 구간에서 여자 스위치(110)에 걸리는 역전압이 증가되게 되고, 밸런싱 스위치(20-1, -2, ...)의 제어단자(FET인 경우 게이트)에 인가되는 게이트 파형(Vgate1, Vgate2)은 오프 저항(R2)의 시정수(time constant) 만큼 하강시간(fall Time, tff)이 지연될 수 있게 되므로, 상기 오프 저항(R2)을 적정치로 선정하는 것이 바람직할 것이다.

도 6은 상기 기동/정지회로 또는 PWM 신호 발생회로 중 적어도 하나가 UC1842/3/4, UC2842/3/4 또는 UC3842/3/4 등과 같은 상용소자를 사용하여 구현된 본 발명의 일실시 예를 보이고 있다.

도 6에서 저항 Rs 는 전술한 바 있는 기동/정지회로의 기동 저항(Ri)에 해당되며, 따라서 저항 Rs의 크기에 의해 시동(Start-Up)되는 제 1전압 설정치가 결정되고 제 1전압 설정치보다 낮은 점인 제 2전압 설정치에서 가동이 정지되도록, 상기 기동/정지회로는 히스테리 특성을 가지게 되며, 상기 제 1전압 설정치 또는 제 2전압 설정치가 상기 상용소자의 모델명에 따라 다소 다르게 설계되어 있다.

상기 상용소자의 핀 6번에서 PWM 제어신호가 출력되고, 이의 온 듀티 펄스 폭은 핀 2번에 입력되는 전압에 의해 조절이 가능하다. 핀 8번에서 5V의 기준전압(Vref)이 나오므로 이를 분압하여 얻은 전압 신호를 핀 2번에 연결하면 PWM 제어신호의 온 듀티 펄스 폭을 용이하게 조절할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예들에 관련하여 설명하고 도시하였지만, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 상기 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 이용하여 본 발명에 대해 다수의 변경 또는 수정이 가능하다는 것을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경과 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10 ; 배터리 모듈(팩), 20-1, 20-2, .. ; 밸런싱 스위치 #1~#n,
101 ; 기동/정지회로, 102 ; PWM 신호 발생회로,
103 ; 드라이브 회로, 104 ; 신호 분배 및 절연 회로,
301 ; 고주파 변압기, Ri ; 기동 저항,
110, 201 ; 드라이브 회로의 여자 스위치, 펄스 변압기.
Z1, Z2 ; 전압클램프 수단,
R1 ; 게이트 온 저항, R2 ;게이트 오프 저항,
VP1 ; 펄스 변압기 1차 권선 전압, IM ; 자화전류,
Vn21, Vn22 ; 2차 권선 전압, Vgate1, Vgate1 ; 게이트 전압.

Claims

단일 철심의 변압기에 형성되는 복수의 권선 및 상기 권선에 직렬로 연결되는 복수개의 밸런싱 스위치로 구성되어 복수개의 배터리를 밸런싱 제어하는 데 있어서,
제어대상 배터리 모듈의 출력을 받아 공통된 PWM 제어신호를 생성하는 PWM 신호 발생회로;
상기 PWM 제어신호에 의해 스위치가 온 오프(ON-OFF)되어 펄스 변압기의 여자전류 흐름 통로를 제공하는 드라이브 회로; 및
상기 펄스 변압기의 복수개 2차 권선을 통해 상기 PWM 제어신호가 복수개로 배분되고 서로 절연되어, 상기 복수개의 밸런싱 스위치에 각각 공급되는 신호 분배 및 절연 회로를 포함하는 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.
제 1항에 있어서,
상기 제어대상 배터리 모듈의 출력전압 크기에 따라 관련회로를 활성화 또는 록아우트시키는 기동/정지회로를 더 포함하는 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.
제 2항에 있어서,
상기 기동/정지회로는, 기동 저항(Ri)을 통해 인입되는 시동(Start-Up)전류치에 의해 관련회로가 제 1전압 설정치에서 기동되고 상기 제 1전압 설정치보다 낮은 점인 제 2전압 설정치에서 가동이 록아우트(Lock-Out)되는 것인 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.
제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
상기 신호 분배 및 절연 회로는,
복수개의 2차 권선 출력이 복수개 밸런싱 스위치의 제어단자에 연결되는 펄스 변압기;
상기 펄스 변압기의 2차 권선 및 상기 복수개 밸런싱 스위치의 제어단자 사이에 직렬로 연결되는 게이트 온 저항; 및
상기 제어단자 입력단에 병렬 형태로 연결되는 전압클램프 수단을 더 포함하는 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.
제 4 항에 있어서,
상기 전압클램프 수단는 정전압소자나 제너다이오드 2개를 역방향 직렬형태로 서로 마주 보게 연결하는 것인 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.
제 4 항에 있어서,
상기 신호 분배 및 절연 회로는,
상기 펄스 변압기의 2차 권선 출력측에 게이트 오프 저항 및 이와 병렬로 연결되는 다이오드를 더 포함하는 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 펄스 변압기는, 복수개의 2차 권선 상호간에 자기적 누설이 균일하거나최소가 되도록 구성되는 것인 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 PWM 신호 발생회로 또는 기동/정지회로 중 적어도 하나는 UC1842/3/4, UC2842/3/4 또는 UC3842/3/4 와 유사한 상용소자로 구성되는 배터리 밸런싱 제어신호 발생회로.