KR20140014226A - 배터리용 충전 밸런싱 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직렬로 연결된 적어도 2개의 축전지 스테이지(11)를 포함하고, 축전지 스테이지(11)는 적어도 하나의 축전지(9)를 포함하는, 전력 배터리(1)를 위한 충전 밸런싱 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 한편으로는 미리 한정된 개수의 연관된 축전지 스테이지(11)에, 및 다른 한편으로는 자동차 차량의 전기 보조 장치에 전력을 공급하는 저전압 전력 시스템에 각각 병렬로 연결되게 구성된 복수의 절연된 컨버터(7); 및 미리 한정된 개수의 연관된 축전지 스테이지를 유사한 충전 또는 방전 레벨로 가져가는 방식으로 적어도 하나의 컨버터(7)를 제어하고, 전력을 상기 보조 장치에 공급하기 위하여 전력 배터리(1)로부터 상기 컨버터(7)를 통해 상기 저전압 공급 시스템으로 에너지의 전달을 제어하도록 구성된 상기 컨버터(7)용 제어 유닛(14)을 포함한다.
Description
본 발명은 배터리(battery)용 충전 밸런싱 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 특히 전기 및 하이브리드 전송 분야 및 탑재 시스템 분야에 사용될 수 있는 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 보다 상세하게는 저질량으로 고에너지를 저장하는 가능성이 있는 것으로 인해 이들 종류의 응용에 적응된 리튬-이온(Li-이온) 유형의 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 또한 슈퍼-커패시터에 적용가능하다.
전기화학 축전지(accumulator)는 수 볼트 정도의 공칭 전압(nominal voltage)을 구비하는데, 보다 정확하게는, 철 인산염을 포함하는 Li-이온 배터리에 대해서는 3.3V 및 코발트 산화물에 기초한 Li-이온 기술에 대해서는 4.2V를 구비한다.
이 전압이 전력 공급받을 시스템의 수요(demand)에 비해 너무 낮으면, 여러 축전지들이 직렬로 배치된다.
또한 직렬로 연결된 각 축전지와 병렬로 하나 이상의 축전지를 배치하면 이용가능한 용량을 증가시키고 더 높은 전류 및 전력을 공급하는 것이 가능하다. 따라서 병렬로 연관된 축전지는 스테이지(stage)를 형성한다. 스테이지는 최소 하나의 축전지로 구성된다. 스테이지는 원하는 전압 레벨에 도달하기 위해 직렬로 배열된다.
축전지를 연관시킨 것은 축전지의 배터리라고 언급된다.
축전지를 충전하거나 방전하면 그 단자(terminal) 양단에 걸친 전압을 각각 증가시키거나 감소시킨다. 축전지는 충전 또는 방전이 전기화학 공정에 의해 한정된 전압 레벨에 도달했을 때 충전 또는 방전된 것으로 고려된다.
여러 축전지 스테이지를 사용하는 회로에서, 스테이지를 통과하여 흐르는 전류는 동일하다.
그리하여 스테이지의 충전 또는 방전 레벨은 축전지의 내재된 특성(intrinsic characteristics), 즉 전해액 또는 이 전해액과 전극 사이의 접점의 내재된 용량 및 원치 않는 내부의 직렬 및 병렬 저항에 의존한다. 스테이지 사이에는 제조상의 불일치(disparity) 및 축전지의 노화(aging)의 불일치로 인해 전압 차가 있을 수 있다.
Li-이온 기술을 사용하는 축전지에서, 임계 전압이라고 언급되는 너무 높거나 너무 낮은 전압은 축전지를 손상시키거나 파괴시킬 수 있다.
예를 들어, 코발트 산화물을 포함하는 Li-이온 축전지를 과충전하면 열 발산을 초래하고 이것은 화재를 유발할 수 있다. 인산염-기반 Li-이온 축전지에서, 과충전은 그 수명을 감소시키거나 축전지를 손상시킬 수 있는 전해액의 분해를 초래한다.
예를 들어, 음 전극이 구리로 만들어진 경우 2V 미만의 전압으로 너무 과도하게 방전되면 다른 현상들 중에서 특히 음 전극의 전류 콜렉터(current collector)를 산화시키고 그리하여 축전지의 성능을 감소시키게 한다.
그 결과, 안전성과 신뢰성 때문에 충전 및 방전될 때 축전지의 각 스테이지의 단자 양단에 걸친 전압을 모니터링하는 것이 필요하다. 이 정보는 제어 회로로 전달되고 이에 의해 스테이지가 그 임계 전압에 도달하였을 때 배터리의 충전 또는 방전을 중지시킬 수 있다.
그러나, 직렬로 배치된 축전지의 여러 스테이지 내 배터리에서, 가장 많이 충전된 스테이지가 그 임계 전압에 도달할 때 충전이 중지되면, 다른 스테이지는 완전히 충전되지 않았을 수 있다. 역으로, 가장 많이 방전된 스테이지가 그 임계 전압에 도달할 때 방전이 중지되면, 다른 스테이지는 완전히 방전되지 않았을 수 있다. 이에 따라 축전지의 각 스테이지의 충전은 충분히 사용되지 않게 될 수 있고 이는 자율을 속박하는 문제와 함께 전송 및 탑재 유형의 응용에 있어 주요 문제를 나타낸다.
알려진 해법에 따라, 충전 밸런싱 시스템, 예를 들어 에너지 발산 시스템으로 알려진 것, 또는 에너지 전달 시스템으로 알려진 것은 직렬로 연결된 축전지의 스테이지를 동일한 충전 및/또는 방전 상태로 가져가는 것에 의해 배터리의 충전, 및 그리하여 그 자율성을 최적화하도록 설계된다.
에너지 발산성 충전 밸런싱 시스템에서, 스테이지의 단자 양단에 걸친 전압은 임계 전압에 도달한 하나 이상의 스테이지의 충전 전류를 전환(divert)하여 에너지를 저항으로 발산하는 것에 의해 균일하게(uniform) 만들어진다. 일 변형예로서, 스테이지의 단자 양단에 걸친 전압은 임계 전압에 도달한 하나 이상의 스테이지를 방전시키는 것에 의해 균일하게 만들어진다.
그러나, 에너지 발산을 사용하는 이러한 충전 밸런싱 시스템은 배터리를 충전하는데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 소비하는 주요 단점을 구비한다. 그 이유는 여러 축전지가 방전되어야 하거나 충전 전류가 여러 축전지로부터 약간 덜 충전된 마지막 축전지(들)로 전환되어 그 충전을 완료하여야 하기 때문이다. 발산된 에너지는 완료될 필요가 있는 충전 또는 충전들의 에너지보다 훨씬 더 많을 수 있다.
추가적으로, 이 초과 에너지는 열로서 발산되어, 전송 및 탑재 유형의 응용에 집적하는 것을 제한하는 것과 호환되지 않는다는 점, 및 온도가 증가할 때 축전지의 수명이 크게 감소된다는 점을 야기한다.
에너지 전달을 사용하는 충전 밸런싱 시스템은, 다른 한편으로는, 축전지의 배터리 또는 보조 에너지 공급 시스템 및 축전지의 스테이지 사이에 에너지를 교환한다.
에너지 전달은 배터리로부터 스테이지로 또는 스테이지로부터 배터리로 단방향으로 일어나거나, 또는 배터리로부터 스테이지로 및 스테이지로부터 배터리로 또는 스테이지로부터 인접한 스테이지로 양방향으로 일어날 수 있다.
충전 밸런싱 시스템에서 스테이지로부터 인접한 스테이지로 양방향으로 전달하는 것에서, 에너지는 밸런싱될 축전지들 사이의 거리와 실질적으로 같은 다수의 디바이스를 통과한다. 그 결과 이들 디바이스에 2개의 주요 단점, 즉 배터리를 밸런싱하는데 긴 시간이 필요하다는 점 및 요청된 디바이스에서 손실이 축적된 것으로 인해 에너지 전달 효율이 낮다는 점이 야기된다.
단방향 전달에서, 알려진 해법에 따르면, 배터리의 충전 종료는 마지막 스테이지가 임계 전압에 도달하는 것에 의해 결정된다. 배터리의 충전 완료를 위해, 에너지는 하나 이상의 스테이지(들)로부터 인출(taken)되고 이 에너지는 모든 스테이지로 리턴된다. 축전지의 하나 이상의 스테이지(들)가 약간 덜 충전된 경우, 에너지는 에너지를 요구하는 스테이지로 우선적으로 전달되지 않고, 에너지가 인출된 스테이지 또는 스테이지들로 전달된다. 그리하여 충전 밸런싱은 스테이지를 너무 높은 전압으로 충전하는 것을 피하기 위하여 충전 종료시에 모든 스테이지로부터 에너지를 인출할 것을 요구한다. 그리하여 충전 밸런싱은 동작하는 컨버터(converter)의 개수가 많은 것으로 인해 높은 손실 레벨로 일어난다. 더욱이, 이미 완전히 충전된 축전지는 사용하지 않는 축전지를 통해 흐르는 AC 또는 DC 전류의 성분(component)을 구비한다.
그리하여 본 발명의 목적은 이 기술 분야의 상기 단점을 나타내지 않는 개선된 충전 밸런싱 시스템을 제공하는 것이다.
이 목적을 위하여, 본 발명의 주제는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 축전지 스테이지를 포함하고, 축전지 스테이지는 적어도 하나의 축전지를 포함하는, 전력 배터리를 위한 충전 밸런싱 시스템으로서, 상기 시스템은,
- 한편으로는, 미리 한정된 개수의 연관된 축전지 스테이지에, 및 다른 한편으로는, 자동차 차량의 전기 보조 장치를 위한 저전압 전력 공급 시스템에 각각 병렬로 연결되게 구성된 복수의 절연된 컨버터, 및
- 상기 미리 한정된 개수의 연관된 축전지 스테이지를 유사한 충전 또는 방전 레벨로 가져가는 방식으로 적어도 하나의 컨버터를 제어하고, 상기 보조 장치에 전력을 공급하는 방식으로 전력 배터리로부터 상기 컨버터를 통해 상기 저전압 공급 시스템으로 에너지의 전달을 제어하도록 구성된 상기 컨버터용 제어 유닛
을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템에 있다.
상기 시스템은 나아가 이하의 특징 중 하나 이상의 특징을 개별적으로 또는 조합으로 포함한다:
- 각 축전지 스테이지에서, 상기 시스템은 연관된 절연된 컨버터를 포함한다,
- 상기 컨버터는 양방향이다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 전력 배터리는, 직렬로 연결된 미리 한정된 개수의 모듈을 포함하고, 모듈은 적어도 2개의 축전지 스테이지를 포함하고, 축전지 스테이지는 적어도 하나의 축전지를 포함하며, 상기 시스템은,
- 한편으로는, 미리 한정된 개수의 연관된 축전지 스테이지에, 및 다른 한편으로는, 자동차 차량의 전기 보조 장치를 위한 저전압 전력 공급 시스템에 각각 병렬로 연결되게 구성된 복수의 절연된 컨버터로서, 한편으로는 모듈의 단자 양단에 걸쳐 및 저전압 공급 시스템에 각각 연결된 복수의 제 1 단방향 컨버터, 및 한편으로는 저전압 공급 시스템에 및 다른 한편으로는 상기 모듈의 축전지 스테이지의 단자에 걸쳐 각각 연결된 복수의 제 2 단방향 컨버터를 포함하는, 복수의 절연된 컨버터, 및
- 상기 미리 한정된 개수의 연관된 모듈을 유사한 충전 또는 방전 레벨로 가져가는 방식으로 적어도 제 1 컨버터를 제어하고, 전력 배터리로부터 상기 제 1 컨버터를 통해 상기 저전압 공급 시스템으로 에너지의 전달을 제어하고, 모듈의 상기 연관된 축전지 스테이지를 유사한 충전 또는 방전 레벨로 가져가는 방식으로 적어도 제 2 컨버터를 제어하도록 구성된 상기 컨버터용 제어 유닛을 포함한다.
상기 시스템은 나아가 이하 특징 중 하나 이상의 특징을 개별적으로 또는 조합으로 포함한다:
- 상기 컨버터용 제어 유닛은 제 1 방향으로 전력 배터리로부터 상기 제 1 컨버터를 통해 상기 저전압 공급 시스템으로 에너지의 전달을 제어하고, 제 2 방향으로 상기 저전압 공급 시스템으로부터 적어도 상기 제 2 컨버터를 통해 전력 배터리로 에너지의 전달을 제어하도록 구성된다,
- 상기 시스템은 하나의 모듈로부터 상기 제 1 및 제 2 컨버터를 통해 상기 모듈의 상기 스테이지로 에너지를 전달하도록 구성된다,
- 제어 유닛은 제 1 방향으로 하나의 모듈로부터 에너지를 전달하기 위해 적어도 제 1 컨버터를 제어하고, 충전될 상기 모듈의 적어도 하나의 스테이지를 한정하도록 구성되고, 상기 제 1 컨버터로 전달된 상기 모듈의 에너지를 상기 제 2 컨버터를 통해 상기 모듈의 충전될 상기 스테이지로 전달하는 방식으로 제 2 방향으로 에너지를 전달하기 위해 충전될 스테이지와 병렬로 제 2 컨버터를 제어하도록 구성된다,
- 상기 시스템은 제 1 모듈로부터 상기 제 1 및 제 2 컨버터를 통해 제 2 모듈로 에너지를 전달하도록 구성된다,
- 제어 유닛은 제 1 방향으로 제 1 모듈로부터 상기 제 1 컨버터로 에너지를 전달하기 위해 제 1 컨버터를 제어하고, 충전될 적어도 제 2 모듈을 한정하고, 상기 제 1 컨버터로 전달된 상기 모듈의 에너지를 상기 제 2 컨버터를 통해 상기 제 2 모듈로 전달하는 방식으로 제 2 방향으로 에너지를 전달하기 위해 상기 제 2 모듈과 연관된 적어도 제 2 컨버터를 제어하도록 구성된다,
- 제 2 컨버터는 상기 연관된 축전지 스테이지를 충전하는 방식으로 축전지 스테이지와 각각 연관된 및 병렬로 연결된 복수의 충전 디바이스를 포함한다,
- 상기 시스템은 상기 컨버터 및 전력 배터리 사이에 복수의 퓨즈(fuse)를 포함하는 단락의 경우를 위한 보호 수단을 포함한다,
- 상기 시스템은 전력 배터리 측에서 상기 충전 디바이스의 출력에 복수의 퓨즈를 포함한다,
- 상기 시스템은 저전압 공급 시스템 측에서 상기 컨버터와 각각 직렬로 연결된 복수의 다이오드를 포함한다,
- 상기 시스템은 저전압 공급 시스템 측에서 상기 컨버터와 각각 직렬로 연결된 복수의 양방향 스위치를 포함한다,
- 상기 양방향 스위치는 반대로 구성된 2개의 트랜지스터를 각각 포함한다,
- 상기 시스템은 상기 컨버터의 출력에서 상기 제 1 컨버터와 각각 직렬로 연결된 복수의 제 1 단방향 스위치, 및 상기 제 2 컨버터의 입력에서 상기 제 2 컨버터와 각각 직렬로 연결된 복수의 제 2 단방향 스위치를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 잇점은 첨부 도면과 함께 예시적인 비제한적인 예로 제시된 이하 상세한 설명을 판독할 때 보다 명백해질 것이다.
- 도 1은 전력 배터리 및 보조 전기 시스템 사이에 에너지 전달을 사용하여 전력 배터리용 충전 밸런싱 시스템의 하나의 실시예를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 2는 축전지 스테이지의 4개의 모듈 및 도 1에서 충전 밸런싱 시스템을 포함하는 전력 배터리의 일례를 도시하는 도면;
- 도 3은 전력 배터리의 모듈의 단자 양단에 걸쳐 양방향 컨버터를 구비하는 전력 배터리용 충전 밸런싱 시스템 및 전력 배터리의 일부를 도시하는 도면;
- 도 4는 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 양방향 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 5a는 도 4에서 보호 디바이스의 스위치의 일 변형 실시예를 도시하는 도면;
- 도 5b는 도 4에서 보호 디바이스의 스위치의 또 다른 변형 실시예를 도시하는 도면;
- 도 6은 모듈간 충전 밸런싱을 한정하기 위하여 모듈의 전압 레벨의 분류를 도시하는 예시적인 개략 테이블을 도시하는 도면;
- 도 7a는 축전지 스테이지의 적어도 하나의 모듈을 포함하는 전력 배터리, 전력 배터리 및 보조 배터리를 위한 충전 밸런싱 시스템을 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 7b는 하나의 예시적인 실시예에 따라 배터리 모듈의 단자 양단에 걸쳐 2개의 단방향 컨버터를 포함하는 충전 밸런싱 시스템을 구비하는 도 7a의 배터리를 도시하는 도면;
- 도 8은 배터리의 하나의 스테이지의 단자 양단에 충전 디바이스의 하나의 예시적인 실시예를 구비하는 배터리의 모듈의 단자 양단에 걸쳐 2개의 단방향 컨버터를 구비하는 전력 배터리용 충전 밸런싱 시스템의 하나의 예시적인 실시예의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 9는 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 제 1 및 제 2 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 10은 일 변형 실시예에 따라 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 제 1 및 제 2 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 11은 또 다른 변형 실시예에 따라 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 제 1 및 제 2 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면.
- 도 1은 전력 배터리 및 보조 전기 시스템 사이에 에너지 전달을 사용하여 전력 배터리용 충전 밸런싱 시스템의 하나의 실시예를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 2는 축전지 스테이지의 4개의 모듈 및 도 1에서 충전 밸런싱 시스템을 포함하는 전력 배터리의 일례를 도시하는 도면;
- 도 3은 전력 배터리의 모듈의 단자 양단에 걸쳐 양방향 컨버터를 구비하는 전력 배터리용 충전 밸런싱 시스템 및 전력 배터리의 일부를 도시하는 도면;
- 도 4는 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 양방향 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 5a는 도 4에서 보호 디바이스의 스위치의 일 변형 실시예를 도시하는 도면;
- 도 5b는 도 4에서 보호 디바이스의 스위치의 또 다른 변형 실시예를 도시하는 도면;
- 도 6은 모듈간 충전 밸런싱을 한정하기 위하여 모듈의 전압 레벨의 분류를 도시하는 예시적인 개략 테이블을 도시하는 도면;
- 도 7a는 축전지 스테이지의 적어도 하나의 모듈을 포함하는 전력 배터리, 전력 배터리 및 보조 배터리를 위한 충전 밸런싱 시스템을 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 7b는 하나의 예시적인 실시예에 따라 배터리 모듈의 단자 양단에 걸쳐 2개의 단방향 컨버터를 포함하는 충전 밸런싱 시스템을 구비하는 도 7a의 배터리를 도시하는 도면;
- 도 8은 배터리의 하나의 스테이지의 단자 양단에 충전 디바이스의 하나의 예시적인 실시예를 구비하는 배터리의 모듈의 단자 양단에 걸쳐 2개의 단방향 컨버터를 구비하는 전력 배터리용 충전 밸런싱 시스템의 하나의 예시적인 실시예의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 9는 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 제 1 및 제 2 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 10은 일 변형 실시예에 따라 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 제 1 및 제 2 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면;
- 도 11은 또 다른 변형 실시예에 따라 단락의 경우를 위한 보호 디바이스와 함께 제 1 및 제 2 컨버터의 일부를 개략적으로 도시하는 도면.
첨부 도면 및 이하 상세한 설명에서, 실질적으로 동일한 요소는 동일한 참조 부호를 구비한다.
도 1 내지 도 6은 제 1 실시예를 개략적으로 도시하고, 도 7 내지 도 11은 본 발명에 따른 제 2 실시예를 개략적으로 도시한다.
제 1 실시예의 요소와 실질적으로 동일한 제 2 실시예의 설명된 요소는 100이 추가된 제 1 실시예의 요소와 동일한 참조 부호를 구비한다.
제 1 실시예
제 1 실시예는 예시된 도 1을 참조하여 설명된다:
- 예를 들어 하이브리드 또는 전기 차량의 모터에 전력을 공급하기 위해 차량의 섀시로부터 절연된(isolated) 예를 들어 48V 내지 750V 사이의 범위인 고전압을 구비하는 전력 배터리(1),
- 차량에서 예를 들어 보조 장치(A1 내지 An)에 전력을 공급하기 위해 예를 들어 12V의 전압을 가지는 전력 배터리(1)의 전압 미만의 전압을 구비하는 보조 배터리(3), 및
- 전력 배터리(1)에 의해 보조 배터리(3)에 전력을 공급하기 위하여 2개의 배터리(1 및 3) 사이에 병렬로 연결된 복수의 컨버터(7)를 포함하는 전력 배터리(1)용 충전 밸런싱 시스템(5). 각 컨버터(7)는 보조 장치(A1 내지 An)의 안전성을 보장하기 위하여 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 구비하도록 구성된다.
컨버터(7)는 개략적으로 도시된다.
전력 배터리(1)는 하나 이상의 축전지(들)(9)의 배터리이다. 이 배터리(1)는 직렬로 연결된 여러 축전지(9)를 포함할 수 있다.
이 배터리(1)는 또한 축전지 스테이지(11)를 형성하는 방식으로 직렬로 연결된 축전지(9)와 병렬로 배치된 하나 이상의 추가적인 축전지를 포함할 수 있다. 각 스테이지(11)는 그리하여 하나의 축전지(9) 또는 병렬로 연결된 여러 축전지(9)를 포함할 수 있다.
이 배터리(1)는 직렬로 연결된 여러 모듈(13)을 포함할 수 있고, 각 모듈(13)은 미리 한정된 개수의 축전지 스테이지(11)를 포함할 수 있다.
예시적인 예로서, 325V의 전압과 60Ah의 용량을 구비하는 19.6kWh 배터리가 제공될 수 있다. 이 배터리(1)는 예를 들어 8개의 모듈(13)을 포함하고, 각 모듈(13)은 12개의 축전지 스테이지(11)를 포함한다. 각 모듈(13)은 그리하여 40.6V의 전압을 구비한다.
모듈(13)이 이렇게 직렬로 연관된 것으로 인해, 결함있는(defective) 모듈(13)이 용이하게 대체될 수 있다.
추가적으로, 미도시된 일 변형예에 따라, 각 모듈(13)은 또 다른 모듈(13)과 병렬로 연결될 수 있다.
컨버터(7)는 축전지(9)의 단자 양단에, 또는 축전지 스테이지(11)의 단자 양단에, 또는 대안적으로 축전지 스테이지의 모듈(13)의 단자 양단에 연결될 수 있다.
복수의 컨버터(7)는 배터리의 단자 양단에 연결된, 종래 기술로부터 알려진 단일 DC/DC 컨버터를 대체한다.
이 컨버터(7)는 추가적으로 전력 배터리를 위한 충전 밸런싱 기능을 제공한다.
충전 밸런싱 시스템(5)을 위한 컨버터(7)의 전력 처리 능력은 전력 배터리(1)로부터 보조 배터리(3)로 에너지를 전달하도록 설계된다.
예를 들어, 12개의 축전지 스테이지(11)를 각각 구비하는 8개의 모듈(13)을 구비하는 전술된 바와 같은 배터리(1)에서, 8개의 컨버터(7)는 8개의 모듈(13)의 단자 양단에 40.6V/12V의 전압을 구비할 수 있다. 컨버터(7)는 그리하여 40.6V의 전압을 구비하는 모듈(13)로부터 저전압 12V 공급 시스템으로 에너지를 전달하도록 설계된다.
더욱이, 복수의 컨버터(7)는 종래 기술의 단일 컨버터와 비교해서 더 낮은 전력 컨버터이다. 사실, 예를 들어 저전압 공급 시스템에서 1kW의 총 전력에서, 각 컨버터(7)는 125W이다.
따라서, 충전 밸런싱 시스템(5)에 대해 단 하나의 전자부품 세트가 있다면, 전력 배터리(1)의 축전지(9)로부터 나오는 에너지는 보조 배터리(3)로 전달되고, 이것은 보조 전기 시스템으로 전달되는 에너지이고, 이 에너지는 전력 배터리(1)의 축전지(9)를 밸런싱하는데 사용되고 또한 전력을 저전압 공급 시스템으로 공급하는데 사용된다.
밸런싱 기능에 추가하여, 충전 밸런싱 시스템(5)은 보조 12 볼트를 차량으로 공급하는 역할을 수행한다.
나아가, 복수의 컨버터(7)의 존재로 인해, 12V 배터리는 제거될 수 있다. 사실, 컨버터(7)의 리던던시(redundancy)는 컨버터(7)의 이용가능성을 보장한다.
따라서, 컨버터(7)가 고장난 경우에도, 다른 동작 컨버터(7)는 전력을 저전압 시스템으로 공급하는 것을 보장할 수 있다.
일 변형 실시예에 따라, 컨버터(7)가 사용될 수 있는데 이는 보조 장치의 전류 수요에 따라 온/오프 모드(ON/OFF mode)에서 제어된다.
따라서, 충전 밸런싱은 가장 많은 에너지를 구비하는, 보다 정확하게는 다른 모듈(13)보다 더 높은 전압을 구비하는 모듈(들)(13)의 단자 양단에 컨버터(들)(7)를 턴온하는 것에 의해 구현될 수 있다. 컨버터(들)(7)의 인에이블(enabling)은 12V의 저전압 공급 시스템으로 에너지를 전달하는 것에 의해 가장 많은 충전을 구비하는 모듈(들)이 부분적으로 방전될 수 있게 한다.
예를 들어 플라이백(flyback) 컨버터와 같은 다른 컨버터(7)를 사용하는 것이 물론 고려될 수 있다.
나아가, 모듈(13)이 예를 들어 하나 이상의 모듈(13)의 대체 이후와 같이 모두 동일한 노화 상태를 나타내지 않는 경우에, 새로운 모듈(들)(13)을 사용하는 것이 더 오래된 모듈(13)을 사용하는 것에 비해 선호될 수 있다.
모듈간 충전 밸런싱(13)의 원리를 예시하기 위하여, 각 전압(V1, V2, V3, V4)을 구비하고 컨버터(71, 72, 73, 74)와 각각 연관된 4개의 모듈(131 내지 134)을 도시하는 도 2를 참조한다.
예를 들어, 다음 상황이 고려된다:
- 제 1 모듈(131)은 2.6V의 전압(V1)을 구비하고,
- 제 2 모듈(132)은 3.3V의 전압(V2)을 구비하고,
- 제 3 모듈(133)은 3.4V의 전압(V3)을 구비하고,
- 제 4 모듈(134)은 2.8V의 전압(V4)을 구비한다.
제 2 및 제 3 모듈(132 및 133)은 각각 3.3V 및 3.4V의 전압을 구비하고, 그리하여 가장 많은 충전을 구비한다. 가장 많은 충전을 구비하는 제 2 및 제 3 모듈(132 및 133)과 각각 연관된 컨버터(72 및 73)는 이를 부분적으로 방전하기 위하여 턴온된다.
모듈(13)로부터 충전 밸런싱 에너지는 그리하여 화살표(F1)에 의하여 도시된 바와 같이 제 1 방향으로 컨버터(7)를 통해 저전압 12V 공급 시스템으로 전달되고, 이 에너지는 전력이 차량의 보조 장치(A1 내지 An)로 공급되게 한다.
추가적으로, 이 방전 동안, 저전압 공급 시스템 상에서 전력 소비량이 불충분하면, 예를 들어 차량이 정지되므로, 히터 또는 에어컨 시스템과 같은, 12V 공급시 전력 소비를 증가시키기 위하여 추가적인 전력 소비 시스템이 턴온될 수 있다.
이 상세한 설명은 여기서 모듈(13)들 사이에 충전 밸런싱을 위해 제시된다. 물론, 충전 밸런싱은 축전지 스테이지(11)의 단자 양단에 각각 연결된 복수의 컨버터(7)에 의하여 축전지 스테이지(11) 사이에 유사한 방식으로 구현될 수 있다.
충전 밸런싱 시스템(5)은 각 스테이지(11) 또는 모듈(13)의 전압을 측정하고, 전압 정보를 제어 유닛(14)으로 전달하기 위해 전압 측정 디바이스(12)를 추가적으로 포함할 수 있다(도 3 참조).
이 전압 정보를 사용하여, 이 제어 유닛(14)은 스테이지(11) 또는 모듈(13)이 방전될 필요가 있는지 여부를 결정하고 그 결과 에너지를 저전압 공급 시스템으로 전달하는 것에 의해 모듈(13)을 밸런싱하기 위하여 병렬로 컨버터(7)의 인에이블을 제어할 수 있다.
이 목적을 위해, 제어 유닛(14)은,
- 전압 정보를 수신하고,
- 전압 정보를 분석하고,
- 방전될 하나 이상의 스테이지(11)를 결정하고,
- 결정된 상기 스테이지(11)와 병렬로 하나 이상의 컨버터(7)를 제어하기 위한 적어도 하나의 처리 수단을 포함한다.
양방향 충전 밸런싱 시스템
나아가, 충전 밸런싱 시스템(5)은 양방향일 수 있다.
에너지는 양 방향으로 전송되는데(도 3 참조), 다시 말해:
- 화살표(F1)로 도시된 바와 같이 제 1 방향으로 전력을 보조 장치(A1 내지 An)로 공급하기 위해 전력 배터리(1)로부터 저전압 공급 시스템으로 전송되고,
- 화살표(F2)로 도시된 바와 같이 제 2 방향으로 보조 장치 공급 시스템으로부터 전력 배터리(1)로 전송된다.
충전 밸런싱은 그리하여 축전지 스테이지(11)를 방전시 또는 충전시 구현될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이 목적을 위하여, 제 1 실시예에 따라, 전류가 양방향으로 흐르는 단일 컨버터(7)가 제공될 수 있고 이 컨버터는 한편으로는 저전압 시스템으로 전력을 공급하기 위해 충전 밸런싱 에너지를 사용하여 가장 많이 충전된 모듈(13)이 방전되게 하고, 다른 한편으로는, 모듈(13)의 스테이지(11)가 저전압 공급 시스템으로부터 충전되게 한다.
모듈(13)의 스테이지(11)는 따라서 외부 전력 공급을 필요로 함이 없이 밸런싱될 수 있다.
추가적으로, 이 해법으로, 충전 밸런싱은 심지어 저전압 12V 공급 시스템에 전력 소비 없이 구현될 수 있다. 이것은 제 1 방향(F1)으로 방전된 충전 밸런싱 에너지가 제 2 방향(F2)으로 축전지 스테이지(11)로 되송신될 수 있기 때문이다.
보조 배터리(3)는 특히 에너지 저장 버퍼로서의 기능을 상실하였기 때문에 제거될 수 있다.
자기 자신의 충전 밸런싱을 위해 자율적인 모듈이 획득된다.
이 충전 밸런싱은 전력 배터리(1)의 충전 동안 또는 충전 후에, 그러나 또한 전력 배터리(1)의 방전 동안 또는 방전 후에, 여러 스테이지(11)의 충전 레벨의 불일치(disparities)가 제거될 수 있게 한다.
나아가, 도 4에 도시된 바와 같이, 단락을 보호하는 디바이스(15)가 제공될 수 있다.
이를 위하여, 보호 디바이스(15)는,
- 전력 배터리(1) 측에서 도시된 예에서 예를 들어 컨버터(7)의 양(+) 단자에 있는 컨버터(7)의 입력에 배치된 퓨즈(17), 및
- 저전압 공급 시스템 측에 도시된 예에서 예를 들어 컨버터(7)의 양(+) 단자에 있는 컨버터(7)의 출력에 있는 스위치(19)를 포함한다.
퓨즈(17)는 단락의 경우에 컨버터(7)가 절연될 수 있게 하고 스위치(19)는 컨버터(7)가 계속 동작할 수 있게 한다. 퓨즈 및 스위치는 컨버터의 + 극 또는 -극에 배치될 수 있다.
도시된 예에 따라, 스위치(19)는 전압 및 전류가 양방향이다.
이 스위치(19)는 예를 들어, 반대로 구성된 2개의 MOS 트랜지스터, 즉 N-유형인 제 1 MOS 트랜지스터 및 P-유형인 제 2 MOS 트랜지스터를 포함한다.
이러한 스위치(19)의 변형예는 도 5a 및 도 5b에 도시되고; 도 5a는 반대로 구성된 2개의 N-유형 트랜지스터를 구비하는 제 1 변형예를 도시하고, 도 5b는 반대로 구성된 2개의 P-유형 트랜지스터를 구비하는 제 2 변형예를 도시한다.
다시 도 4를 참조하면, 스위치(19)는 컨버터(7)의 출력에 배열된다. 스위치(19)는 컨버터(7)의 양(+) 단자 또는 음(-) 단자에 배열될 수 있다.
스위치(19)에 대한 하나의 대안에 따라, 다이오드(19')는 컨버터의 양(+) 단자에 또는 음(-) 단자(7)에 있는 컨버터(7)의 출력에 제공될 수 있다.
양방향 컨버터(7)의 이용가능성은 이에 따라 보호 디바이스(15)에 의하여 하나 이상의 컨버터(7)가 고장난 경우에 공차(tolerance)를 증가시키는 것에 의해 보조 배터리(3)를 제거할 수 있기 위하여 증가될 수 있다.
사실, 복수의 컨버터(7) 및 보호 디바이스(15)의 리던던시 때문에, 컨버터(7)에 결함이 있는 경우에도, 상기 충전 밸런싱 시스템이 다른 컨버터(7)를 단락시키는 것이 회피되어 전력이 저전압 12V 시스템에 계속 공급될 수 있게 한다.
양방향 충전 밸런싱 시스템의 동작
· 전력 배터리의 충전 단계
이제 모든 스테이지(11)를 공칭 전압 레벨로 가져가는 방식으로 전력 배터리(1)를 충전하는 경우에 전압 레벨을 밸런싱하는 양방향 밸런싱 시스템(5)의 동작의 일례가 설명된다.
모듈(13)의 스테이지(11)들 사이 및 모듈(13)들 사이를 모두 밸런싱하는 것은 배터리(1)의 충전과 동시에 구현될 수 있다.
모듈(13)의 스테이지(11)들 사이를 밸런싱하기 위하여, 에너지는 모듈(13)로부터 (전류의 제 1 흐름 방향(F1)으로) 인출되고 나서 (전류의 제 2 흐름 방향(F2)으로) 최소 충전을 가지는 스테이지(11) 쪽으로 재분배된다.
충전될 하나 이상의 스테이지를 한정하기 위하여, 임계값이 한정될 수 있고, 스테이지(11)의 전압 레벨이 이 임계값보다 더 낮아질 때, 에너지는 이 스테이지(11) 쪽으로 재분배된다. 예를 들어, 모듈(13)의 스테이지(11)의 전압 레벨의 평균에 대응하는 평균 임계값이 한정될 수 있다.
따라서, 스테이지(11)가 모듈(13)의 스테이지(11)의 충전 레벨의 평균보다 더 낮은 전압을 구비할 때, 모듈(13)로부터 인출된 에너지는 이 스테이지(11)로 분배된다.
이 측정을 수행하기 위하여, 전압 측정 디바이스(12)는 각 스테이지(11)의 전압을 측정할 수 있고 전압 정보를 제어 유닛(14)으로 전달할 수 있다.
이 전압 정보를 사용하여, 이 제어 유닛(14)은 예를 들어 모듈(13) 내 충전 레벨의 평균과 비교하는 것에 의해 스테이지(11)가 충전될 필요가 있는지 여부를 결정하고, 그 결과 결정된 스테이지 또는 스테이지(11)들을 충전하기 위해 병렬로 컨버터(7)의 인에이블을 제어할 수 있다.
나아가, 모듈(13)들 사이에 충전 밸런싱에 대하여, 전압 측정 디바이스(12)는 각 모듈(13)의 전압을 측정하고 전압 정보를 제어 유닛(14)으로 전달하도록 구성될 수 있고, 제어 유닛(14)은 이 전압 정보에 기초하여 어느 모듈(13)로부터 에너지가 추출될 수 있는지 그리고 어느 모듈(13)로 에너지가 재유입될 수 있는지를 결정할 수 있다.
측정 디바이스(12)는 규칙적인 간격으로 이들 측정을 수행할 수 있다.
제어 유닛(14)은 각 모듈(13)의 전압 레벨을 분석하고 예를 들어 증가하는 순서 또는 감소하는 순서로 이들을 분류하기 위한 적어도 하나의 처리 수단을 포함할 수 있다. 가장 많은 충전을 구비하는 모듈(13)은 가장 많이 방전된 모듈(13)을 재충전하는데 사용된다.
충전 밸런싱의 일례는 가장 많은 충전을 구비하는 모듈(13)로부터 에너지를 인출해서 이를 가장 많이 방전된 모듈(13)로 전달하고 두 번째로 많이 충전된 모듈로부터 에너지를 인출해서 이를 두 번째로 많은 방전된 모듈로 전달하는 등 이와 같은 방식으로 계속 전달될 수 있다.
이 원리를 예시하기 위하여, 각 전압(V1, V2, V3, V4)을 구비하고 컨버터(71, 72, 73, 74)와 각각 연관된 4개의 모듈(131 내지 134)을 도시하는 도 2에 도시된 예를 참조한다.
예를 들어, 다음 상황이 채용된다:
- 제 1 모듈(131)은 2.6V의 전압(V1)을 구비하고,
- 제 2 모듈(132)은 3.3V의 전압(V2)을 구비하고,
- 제 3 모듈(133)은 3.4V의 전압(V3)을 구비하고,
- 제 4 모듈(134)은 2.8V의 전압(V4)을 구비한다.
이 정보는 전압 레벨이 증가하는 순서(V1, V4, V2, V3)로 분류되도록 도 6에 있는 테이블에 의해 개략적으로 예시된 바와 같이 분류될 수 있다.
제어 유닛(14)은 화살표(A 및 B)로 각각 도시된 바와 같이 가장 많은 충전을 구비하는 모듈(133)로부터 인출된 에너지를 사용하여 최소 충전을 구비하는 제 1 모듈(131)의 충전을 제어할 수 있고, 제 2 모듈(132)을 사용하여 모듈(134)의 충전을 제어할 수 있다.
제어 유닛(14)은 모듈들 사이의 전압 차가 미리 결정된 값 미만일 때에는 더 많이 충전된 모듈(13)로부터 덜 충전된 모듈(13)로 에너지의 전달을 중지하도록 구성될 수 있다.
· 배터리의 방전 단계
이제 전력 배터리(1)를 방전한 후 양방향 충전 밸런싱 시스템(5)의 동작의 일례가 설명된다.
모듈(13)의 스테이지(11)들 사이 및 모듈(13)들 사이의 충전 밸런싱은 또한 배터리(1)의 방전과 동시에 구현될 수 있다.
가장 많은 충전을 구비하는 모듈(13)이 예를 들어 배터리를 포함하는 차량이 구동되고 있을 때 저전압 12V 공급 시스템으로 전력을 공급하기 위해 제일 먼저 사용된다. 방전이 종료시에, 전압 레벨은 각 모듈(13)에 대해 방전 종료시에 허가된 최소 전압에 근접할 수 있다.
이 방전 동안, 12V 공급 시스템 상에서 전력 소비량이 불충분하다면, 차량의 히터 또는 에어콘과 같은, 12V 시스템에서 소비량을 증가시키기 위하여 추가적인 소비 시스템이 턴온될 수 있다.
역으로, 전력 소비량이 너무 높으면, 보조 장치의 동작이 제한될 수 있다.
예를 들어, 차량이 아이들링(idling)할 때, 충전 밸런싱은 모듈로부터 최소 충전된 스테이지로 인출된 에너지를 재유입하는 것에 의해 일어난다.
충전 밸런싱은 또한 에너지가 모듈(13)로부터 인출된다는 간단한 사실로부터 일어날 수 있다.
제 2 실시예
2개의 단방향 컨버터를 구비하는 충전 밸런싱 시스템
도 7a를 참조하여, 설명된 제 2 실시예는 양방향 충전 밸런싱 시스템(105)이 각 모듈(113)에 대해 제 1 단방향 컨버터(107) 및 제 2 단방향 컨버터(121)를 포함한다는 점에서 제 1 실시예와는 다르다.
컨버터(107) 및 컨버터(121)는 도 7a에 개략적으로 도시된다.
제 1 컨버터(107)는 모듈(113)의 단자 양단에 연결된다.
도 7b를 참조하면, 제 2 컨버터(121)는 축전지 스테이지(111)와 각각 연관된 미리 한정된 개수의 충전 디바이스(123)를 포함한다. 충전 디바이스(123)는 그리하여 병렬로 연결된다.
충전 디바이스(123)는 도 7b에 개략적으로 도시된다.
따라서, 제 1 컨버터(107)에 의하여 화살표(F1)로 나타낸 제 1 방향으로 전력 배터리(101)로부터 저전압 공급 시스템으로 모듈(113)들 사이의 충전 밸런싱, 및 제 2 컨버터(121)의 충전 디바이스(123)에 의하여 화살표(F2)로 나타낸 제 2 방향으로 저전압 공급 시스템으로부터 전력 배터리(101)로 모듈(113)의 축전지 스테이지(111)들 사이의 충전 밸런싱을 모두 구현하는 것이 가능하다.
따라서, 컨버터(107 및 121)는 동일한 자리수(orders of magnitude)의 전력을 전달하지 않는다. 각 단방향 컨버터(107, 121)는 각 컨버터에 특정된 전력 요구사항에 응답하도록 조절된다.
사실, 제 1 컨버터(107)는 보조 전기 시스템에 전력을 공급하고 모듈(113)을 밸런싱하고; 수 백 와트의 전력이 이 기능을 제공하는데 필요하다.
제 2 컨버터(121)는 모듈(113) 내 스테이지(111)를 밸런싱하고; 수 십 와트의 전력이 이 기능을 제공하는데 요구된다.
이들 자리수의 전력들 사이의 비율은 약 10이다.
더욱이, 이들 2개의 기능이 동시에 제공될 수 있어야 한다.
상이한 자리수의 전력을 전달할 수 있고, 동시에 사용될 수 있는 이들 2개의 컨버터(107 및 121)를 사용하는 것은 하나의 양방향 컨버터를 사용하는 것보다 선호된다.
충전 디바이스(123)의 하나의 예시적인 실시예는 도 8에 개략적으로 도시된다.
이 예시적인 실시예에 따라, 충전 디바이스(123)는 한편으로는 축전지 스테이지(111)의 음극(negative pole)(N으로 지칭) 및 양극(P로 지칭)에 연결되고 다른 한편으로는 전압 생성기(125)의 양극(v+으로 지칭) 및 음극(v-으로 지칭)에 연결된다.
전압 생성기(125)는 단 하나의 유닛일 수 있고 충전 디바이스(123) 전부에 연결된다.
충전 디바이스(123)마다 하나의 전압 생성기(125)가 또한 제공되거나 또는 여러 충전 디바이스(123)에 대해 하나의 전압 생성기(125)가 제공될 수 있다.
전압 생성기(125)는 양, 음 또는 양 및 음 극성(polarity)의 전압 펄스 및 가변적일 수 있는 형태, 예를 들어 구형파(square wave) 또는 사인파(sinusoidal wave)를 충전 디바이스(123)에 공급한다.
전압 생성기(125)는 제어 디바이스(미도시)에 의해 제어된다.
전압 생성기(125)는 모듈(13)의 단자 양단에 또는 배터리(101)의 단자 양단에 또는, 대안적으로, 보조 배터리(103)의 단자 양단에 연결될 수 있다.
이 전압 생성기(125)는 예를 들어 변압기(T) 및 인버터(O)를 포함한다.
인버터(O)는 예를 들어 온/오프 모드에서 제어된다.
도시된 예에 따라, 변압기(T)는 1차 권선 및 2차 권선을 구비한다.
일 변형예로서, 변압기는 예를 들어 모듈(13)에 각각 연결된 하나의 1차 권선 및 여러 개의 2차 권선을 구비할 수 있다.
나아가, 전압 생성기(125)는 양극(v+) 및 음극(v-)를 구비한다
예를 들어, 충전 디바이스(123)는,
- 제 1 단부(La) 및 제 2 단부(Lb)를 구비하는 인덕터(L),
- 인덕터(L)의 제 1 단부(La)에 연결된 하나의 단부 및 전압 생성기(125)의 음극(v-)에 연결된 다른 단부를 구비하는 제 1 커패시터(C1),
- 전압 생성기(125)의 양극(v+)에 연결된 제 2 커패시터(C2),
- 연관된 스테이지(11)의 극(N) 및 제 1 커패시터(C1)의 제 2 단부에 각각 연결된 애노드 및 캐소드를 구비하는 제 1 다이오드(D1),
- 연관된 스테이지(11)의 극(N) 및 제 2 커패시터(C2)의 제 2 단부에 각각 연결된 애노드 및 캐소드를 구비하는 제 2 다이오드(D2),
- 캐소드에 의하여 인덕터(L)의 제 1 단부(La)에 및 애노드에 의하여 제 1 다이오드(D1)의 캐소드에 연결된 제 3 다이오드(D3),
- 캐소드에 의하여 인덕터(L)의 제 1 단부(La)에 및 애노드에 의하여 제 2 다이오드(D2)의 캐소드에 연결된 제 4 다이오드(D4),
- 캐소드에 의하여 인덕터(L)의 제 1 단부(La)에 및 애노드에 의하여 연관된 스테이지(11)의 음극(N)에 연결된 제 5 다이오드(D5),
- 한편으로는 제 2 다이오드(D2)의 애노드에 및 다른 한편으로는 연관된 스테이지의 음극(N)에 연결된 스위치(SW), 예를 들어 MOSFET 트랜지스터를 포함한다.
전압 생성기(125)를 제어하기 위한 디바이스는 또한 스위치(SW)가 개폐될 수 있게 한다.
물론, 충전 디바이스(123)를 위한 다른 유형이 고려될 수도 있다.
추가적으로, 제 1 실시예와 유사한 방식으로, 단락시에 보호하기 위한 디바이스(121)가 또한 제공될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 이 목적을 위하여, 보호 디바이스(115)는,
- 예를 들어 제 1 컨버터(107)의 양(+) 단자에 있는 제 1 컨버터(107)의 입력에 배치된 퓨즈(117), 및
- 예를 들어 제 1 컨버터(107)의 양(+) 단자에 있는 제 1 컨버터(107)의 출력에 있는 스위치(119)를 포함할 수 있다.
퓨즈(117) 및 스위치(119)는 전술된 퓨즈(17) 및 스위치(19)와 유사하고, 유사하게 + 극 또는 -극에 배치될 수 있다.
퓨즈(117)는 또한 모듈(113)의 각 스테이지(111)의 밸런싱 라인에 있는 제 2 컨버터(121)의 출력에 배치될 수 있다.
"입력" 및 "출력"이라는 용어는 여기서 전류의 흐름 방향에 대해 한정된다. 설명된 예에 따라, 제 2 컨버터(121)의 입력은 그리하여 저전압 12V 공급 시스템 측에 위치되고 출력은 모듈(13)의 스테이지(111) 측에 위치된다.
스위치(119)에 대한 하나의 대안에 따라, 다이오드(119')는 컨버터(7)의 양(+) 단자에 또는 컨버터(7)의 음(-) 단자에 있는 제 1 컨버터(107)의 출력에 제공될 수 있다(도 10).
도 11에 도시된 또 다른 변형예에 따라, 보호 디바이스(115)는, 스위치(119)에 대한 대안으로서,
- 제 1 컨버터(107)의 출력에 제 1 단방향 스위치(127), 및
- 제 2 컨버터(121)의 입력에 제 2 단방향 스위치(129)를 포함할 수 있다.
이들 2개의 스위치(127, 129)는 그리하여 저전압 12V 공급 시스템 측에 있다.
예를 들어, 제 1 스위치(127)는 제 1 컨버터(107)의 출력에 있는 양(+) 단자에 배치된다.
예를 들어, 제 2 스위치(129)는 제 2 컨버터(121)의 입력에 있는 음(-) 단자에 배치된다.
이들 스위치(127, 129)는 P 유형 또는 N 유형의 MOS 트랜지스터일 수 있다.
따라서 제 1 컨버터(107) 또는 제 2 컨버터(121) 중 어느 것이 고장나더라도 충전 밸런싱 시스템(105)의 올바른 동작이 보장된다.
충전 밸런싱 시스템의 동작
모듈(113)들 사이에 충전 밸런싱을 위한 제 1 컨버터(107)의 동작은, 예를 들어 전력 배터리(101)의 충전 단계에서 스테이지(111)로 재분배하기 위하여 또는 대안적으로 예를 들어 전력 배터리(101)의 방전 단계에서 전력을 저전압 공급 시스템으로 공급하기 위하여, 에너지가 (화살표(F1)로 나타낸 바와 같은 전류의 흐름)모듈(113)로부터 또는 더 낮은 충전을 구비하는 모듈(113) 쪽으로 인출될 때, 제 1 실시예에 설명된 컨버터(7)의 동작과 유사하다.
제 2 컨버터(121)의 동작은 다른 한편으로는 모듈(113)로부터 인출된 에너지를 스테이지(111)로 (전류의 제 2 흐름 방향(F2)으로) 분배하기 위해 제 1 실시예에 설명된 컨버터(7)의 동작과 실질적으로 유사하다.
다시 말해, 컨버터(107, 121)를 위한 제어 유닛은,
- 전력 배터리(101)로부터 제 1 컨버터(107)를 통해 저전압 공급 시스템으로 제 1 방향(F1)으로 에너지의 전달을 제어하고,
- 저전압 공급 시스템으로부터 제 2 컨버터(121)를 통해 전력 배터리(101)로 제 2 방향(F2)으로 에너지의 전달을 제어하도록 구성된다.
보다 정확하게는, 제 1 실시예와 유사한 방식으로, 모듈(113)의 스테이지(111)들 사이를 충전 밸런싱하기 위해, 에너지는 모듈(113)로부터 (전류의 제 1 흐름 방향(F1)으로) 인출되고 나서 최소 충전을 구비하는 스테이지(111) 쪽으로 (전류의 제 2 흐름 방향(F2)으로) 재분배된다.
전술된 바와 같이, 전압 정보에 기초하여, 제어 유닛은 예를 들어 모듈(113) 내 평균 충전 레벨과 비교하는 것에 의해 스테이지(111)가 충전될 필요가 있는 여부를 결정하고, 그 결과 충전될 필요가 있는 것으로 결정된 스테이지 또는 스테이지들(111)을 충전하기 위하여 병렬로 제 2 컨버터(121)의 인에이블을 제어할 수 있다.
나아가, 모듈(113)들 사이의 충전 밸런싱에 대하여, 전술된 바와 같이, 전압 정보에 기초하여, 제어 유닛(14)은 어느 모듈(113)로부터 에너지가 추출될 수 있는지 그리고 이 에너지가 어느 모듈(113)로 재유입될 수 있는지를 결정할 수 있다.
이 전압 정보를 사용하여, 이 제어 유닛은 모듈(113)이 방전될 필요가 있는지 여부를 결정하고, 그 결과 저전압 공급 시스템으로 제 1 방향(F1)으로 에너지를 전달하는 것에 의해 모듈(113)을 밸런싱하기 위하여 병렬로 제 1 컨버터(107)의 인에이블을 제어할 수 있다.
제어 유닛은 충전될 적어도 제 2 모듈(113)을 한정하고, 제 1 컨버터(107)로 전달된 모듈(113)의 에너지를 상기 제 2 컨버터(121)를 통해 제 2 모듈(113)로 전달하는 방식으로 제 2 방향(F2)으로 에너지를 전달하기 위해 제 2 모듈(113)과 연관된 적어도 제 2 컨버터(121)를 제어하도록 구성될 수 있다.
보다 정확하게는, 충전 디바이스(123)의 동작은 제어 디바이스(114')가 스테이지(111)로 에너지의 전달을 제어할 때 대응하는 스테이지(111)와 병렬로 충전 디바이스(123)의 스위치(SW)는 제어 디바이스(114')에 의해 폐쇄되는 것으로 설명된다.
전력을 충전 디바이스(123)에 공급하는 전압 생성기(125)는 또한 제어 디바이스에 의해 활성화(activated)된다.
충전 디바이스(123)가 턴온되고 전압 생성기(125)가 이미 동작되었을 때, 스위치(SW)의 폐쇄 속도는 스테이지(111)에 너무 높은 전류를 공급하는 것을 회피하기 위하여 제어될 수 있다.
스위치는 오프 상태에 있을 때 완전한 것으로 고려되고 그리하여 이 상태에 있을 때 전류가 흐르지 않는다.
주어진 도통 시간(conduction time) 동안, 양의 전압이 전압 생성기(125)의 단자들 사이에 인가된다. 에너지는 인덕터(L)에 저장된다. 인덕터(L)를 통과하는 전류는 변압기(T)의 2차 권선의 전압과 대략 같은 단자 양단에 인가된 전압으로부터 충전되는 스테이지(111)의 전압을 뺀 것에 비례하여 증가한다.
전류는 활성화된 충전 디바이스(123)와 병렬로 충전될 스테이지(111)만을 통과하여 흐른다. 충전될 스테이지(111)와 직렬인 스테이지(111)는, 스테이지(111)와 병렬인 충전 디바이스(123)의 스위치(SW)가 개방 상태에 있는 한, 충전되지 않는다.
동작시 충전 디바이스(123)의 커패시터(C1 및 C2)를 통과하는 전류는 인덕터(L)를 통과하는 전류와 같다. 커패시터(C1 및 C2)의 값은 인덕터(L)의 단자 양단에 걸쳐 사실상 일정한 전압을 부과하는데 필요한 전류를 전송할만큼 충분히 높다.
이 도통 시간 동안, 충전 디바이스(123)의 제 2 다이오드(D2)는 도통하고 제 1 다이오드(D1)는 비도통한다. 제 4 다이오드(D4)는 또한 비도통한다.
전류는 그리하여 전압 생성기가 에너지를 공급할 때 인덕터(L)의 단자 양단에 인가되는 전압과 대략 같은 피크 값에 도달할 때까지 인덕터(L)에 저장되고, 도통 시간의 값과 승산(multiply)되고, 인덕터(L)의 값으로 제산(divide)된다. 이 공식은 인덕터 내 전류가 충전 디바이스(123)의 각 동작 기간 전에는 제로인 것으로 고려된다.
전압 생성기(125)는 충전될 스테이지(111)의 단자 양단에 동작시 설정된 충전 디바이스(123)의 단자 양단에 걸쳐 제로 전압을 부과하거나 임의의 전압을 부과하지 않는다.
인덕터(L)를 통과하는 전류의 연속성은 전압 생성기(125)가 변압기(T)의 입력에 제로 전압을 부과하거나 임의의 전압을 부과하지 않을 때 제 5 다이오드(D5)에 의해 보장된다.
인덕터(L)를 통과하는 전류는 단자 양단에 인가된 전압에 비례하여 감소한다. 전압이 제로인 동안 시간 기간은 스테이지의 단자 양단에 걸친 전압이 최소일 때에도 인덕터의 전류가 상쇄될만큼 충분히 길도록 설계되고, 이 전압은 충전 종료시 전압에 대응한다. 예를 들어, 전압 생성기(125)는 충전 종료시 최소 전압에 대응하는 최소 시간보다 더 긴 고정 시간 기간 동안 변압기(T)의 입력에 제로 전압을 부과하거나 임의의 전압을 부과하지 않는다.
전압 생성기(125)로부터 출력 전압의 극성은 후속적으로 반전(inverted)될 수 있고, 즉 음의 전압이 전압 생성기(125)의 단자(v+ 및 v-) 사이에 인가된다.
전류는 충전되는 스테이지(111)를 통해서만 흐른다.
동작하는 충전 디바이스의 커패시터(C1 및 C2)를 통과하는 전류는 인덕터(L)를 통과하는 전류와 같다.
이 단계 동안, 제 1 다이오드(D1)는 도통하고, 제 2 다이오드(D2)는 비도통한다. 제 3 다이오드(D3)는 또한 비도통한다.
이전의 경우에서와 같이, 에너지는 인덕터(L)에 저장된다. 인덕터(L)를 통과하는 전류는 피크 값에 도달할 때까지 그 단자 양단에 인가된 전압에 비례하여 증가한다.
이 피크 값은 전압 생성기(125)가 에너지를 공급할 때 인덕터(L)의 단자 양단에 인가된 전압과 대략 같고, 도통 시간의 값과 승산되고, 인덕터(L)의 값으로 제산된다. 이전의 경우에서와 같이, 이 공식은 충전 디바이스(123)의 각 동작 기간 전에 인덕터의 전류가 제로인 것으로 고려한다.
이 시간에, 전압 생성기(125)는 스테이지(111)의 충전 디바이스(123)의 단자들 양단에 임의의 전압을 부과하지 않는다.
인덕터(L)를 통과하는 전류의 연속성은 전압 생성기(125)가 변압기(T)의 입력에 제로 전압을 부과하거나 임의의 전압을 부과하지 않을 때 제 5 다이오드(D5)에 의해 보장된다.
인덕터(L)를 통과하는 전류는 그 단자 양단에 인가된 전압에 비례하여 감소한다. 전압이 제로인 시간은 스테이지의 단자 양단의 전압이 최소인 때에도 인덕터의 전류가 상쇄될만큼 충분히 길도록 설계되고, 이 전압은 충전 종료시의 전압에 대응한다. 예를 들어, 전압 생성기(125)는 충전 종료시의 최소 전압에 대응하는 최소 시간보다 더 긴 고정 시간 기간 동안 변압기(T)의 입력에 제로 전압을 부과하거나 임의의 전압을 부과하지 않는다.
그리하여 양방향 컨버터(7) 세트 또는 단방향 컨버터(107) 세트에서, 모듈(13, 113)들 사이에 충전 밸런싱이 효과적이고 고속으로 구현되고, 동시에, 제 2 기능이 저전압 12V 시스템에 전력을 공급하도록 수행되는 것으로 이해된다.
복수의 컨버터(7, 107)의 리던던시에 의하여, 특히 자동차 차량의 특정 중요한 기능부에 전력을 공급하는 저전압 시스템에 전력을 공급하는 것이 보장되고, 추가적으로, 보조 배터리(3, 103)가 제거될 수 있다. 차량의 보조 장치에 전력을 공급하는데 있어 우수한 레벨의 안전성 및 이용가능성이 보장된다.
나아가, 양방향 컨버터(7) 세트 또는 단방향 컨버터(121) 세트는 나아가 축전지 스테이지(11)의 충전 밸런싱을 위한 제 3 기능을 수행한다.
마지막으로, 단방향 컨버터(107) 및 컨버터(121) 세트는 상이한 자리수의 전력이 전달되게 하고 동시에 사용될 수 있다.
이 이유 때문에, 제 1 및 제 2 단방향 컨버터(107, 121)가 양방향 컨버터(7)보다 선호된다.
Claims (13)
- 직렬로 연결된 미리 한정된 개수의 모듈(113)을 포함하고, 하나의 모듈(113)은 적어도 2개의 축전지 스테이지(111)를 포함하며, 하나의 축전지 스테이지(111)는 적어도 하나의 축전지(109)를 포함하는, 전력 배터리(101)를 위한 충전 밸런싱 시스템에 있어서,
상기 시스템은,
- 한편으로는 미리 한정된 개수의 연관된 축전지 스테이지(111)에, 및 다른 한편으로는 자동차 차량의 전기 보조 장치(A1,A2,A3,An)에 전력을 공급하는 저전압 전력 시스템에 각각 병렬로 연결되게 구성된 복수의 절연된 컨버터(107, 121)로서,
· 한편으로는 하나의 모듈(113)의 단자 양단에, 및 다른 한편으로는 상기 저전압 공급 시스템에 각각 연결되는 복수의 제 1 단방향 컨버터(107), 및
· 한편으로는 상기 저전압 공급 시스템에, 및 다른 한편으로는 상기 모듈(113)의 축전지 스테이지(111)의 단자 양단에 각각 연결되는 복수의 제 2 단방향 컨버터(121)를 구비하는 복수의 절연된 컨버터(107, 121), 및
- 상기 컨버터(107, 121)용 제어 유닛(14)으로서,
· 미리 한정된 개수의 모듈(113)을 유사한 충전 또는 방전 레벨과 연관되도록 적어도 하나의 제 1 컨버터(107)를 제어하고, 상기 전력 배터리(101)로부터 상기 제 1 컨버터(107)를 통해 상기 저전압 공급 시스템으로 에너지의 전달을 제어하고,
· 하나의 모듈(113)의 상기 연관된 축전지 스테이지(111)를 유사한 충전 또는 방전 레벨로 가져가도록 적어도 하나의 제 2 컨버터(121)를 제어하도록 구성된, 제어 유닛(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 컨버터(107, 121)를 위한 제어 유닛(14)은,
- 상기 전력 배터리(101)로부터 상기 제 1 컨버터(107)를 통해 상기 저전압 공급 시스템으로 제 1 방향(F1)의 에너지의 전달을 제어하고,
- 상기 저전압 공급 시스템으로부터 적어도 상기 제 2 컨버터(121)를 통해 상기 전력 배터리(101)로 제 2 방향(F2)의 에너지의 전달을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
하나의 모듈(113)로부터 상기 제 1 및 제 2 컨버터(107, 121)를 통해 상기 모듈(113)의 적어도 하나의 스테이지로 에너지를 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제3항과 조합된 제2항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
- 하나의 모듈(113)로부터 상기 제 1 방향(F1)으로 에너지를 전달하기 위해 적어도 하나의 제 1 컨버터(107)를 제어하고,
- 충전될 상기 모듈(113)의 적어도 하나의 스테이지(111)를 한정하고,
- 상기 제 1 컨버터(107)로 전달되는 상기 모듈(113)의 에너지를 상기 제 2 컨버터(121)를 통해 상기 모듈(113)의 충전될 상기 스테이지(111)로 전달하는 방식으로 상기 제 2 방향(F2)으로 에너지를 전달하기 위하여 충전될 상기 스테이지(111)와 병렬로 상기 제 2 컨버터(121)를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
제 1 모듈(113)로부터 상기 제 1 및 제 2 컨버터(107, 121)를 통해 제 2 모듈(113)로 에너지를 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제5항과 조합된 제2항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
- 제 1 모듈(113)로부터 상기 제 1 방향(F1)으로 상기 제 1 컨버터(107)로 에너지를 전달하기 위해 제 1 컨버터(107)를 제어하고,
- 충전될 적어도 제 2 모듈(113)을 한정하고,
- 상기 제 1 컨버터(107)로 전달된 상기 모듈(113)의 에너지를 상기 제 2 컨버터(121)를 통해 상기 제 2 모듈(113)로 전달하는 방식으로 상기 제 2 방향(F2)으로 에너지를 전달하기 위해 상기 제 2 모듈(113)과 연관된 적어도 하나의 제 2 컨버터를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2 컨버터(121)는, 병렬로 구성되고 및 상기 연관된 축전지 스테이지(111)를 충전하는 방식으로 축전지 스테이지(111)와 각각 연관된 복수의 충전 디바이스(123)를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨버터(107, 121) 및 전력 배터리(1, 101) 사이에 복수의 퓨즈(17, 117)를 포함하는, 단락시 보호 수단(15, 115)을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제8항과 조합된 제7항에 있어서,
상기 전력 배터리 측(101)에서 상기 충전 디바이스(123)의 출력에 복수의 퓨즈(117)를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 저전압 공급 시스템 측에서 상기 컨버터(107)와 각각 직렬로 연결된 복수의 다이오드(119')를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 저전압 공급 시스템 측에서 상기 컨버터(107)와 각각 직렬로 연결된 복수의 양방향 스위치(19, 119)를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 양방향 스위치(19, 119)는 반대로 구성된 2개의 트랜지스터를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
- 상기 제 1 컨버터(107)의 출력에서 상기 제 1 컨버터(107)와 각각 직렬로 연결된 복수의 제 1 단방향 스위치(127), 및
- 상기 제 2 컨버터(121)의 입력에서 상기 제 2 컨버터(121)와 각각 직렬로 연결된 복수의 제 2 단방향 스위치(129)를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 시스템.
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