KR20140038746A - 밸런싱 방법 및 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

배터리 시스템은 직렬로 연결된 복수의 셀들 및 상기 셀들의 전압에 기초하여 상기 셀들의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로를 포함하는 복수의 모듈들; 및 상기 모듈들의 전압에 기초하여 상기 모듈들의 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱 회로를 포함한다.

Description

밸런싱 방법 및 배터리 시스템{Balancing method and battery system}
배터리에 포함된 셀들의 밸런싱을 수행하는 밸런싱 방법 및 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리는 높은 전압 및 큰 용량을 가지기 위해서 다수의 단일 셀(cell)들이 직렬 연결된 스택(stack)들을 병렬로 연결하여 구성된다. 이상적인 경우 셀들은 동일한 특성을 가져야 하나, 제조시 기술적, 경제적 제약으로 인하여 셀간 편차(용량, 임피던스 등의 차이)가 발생한다. 이러한 편차는 셀의 온도 차이 및 충전 또는 방전 횟수가 많아지면 증가한다. 셀간 편차로 인하여, 충전 또는 방전 시 용량이 작은 셀은 과충전 또는 과방전되기 때문에, 셀들의 전압을 동일하게 맞추는 밸런싱이 요구된다.
셀들 사이의 전압의 차이를 줄이기 위한 밸런싱 방법 및 배터리 시스템을 제공하는 데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템은 직렬로 연결된 복수의 셀들 및 상기 셀들의 전압에 기초하여 상기 셀들의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로를 포함하는 복수의 모듈들 및 상기 모듈들의 전압에 기초하여 상기 모듈들의 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱 회로를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 밸런싱 방법은 직렬로 연결된 복수의 셀들을 소정의 수로 나누어 포함하는 복수의 모듈들의 전압에 기초로 밸런싱을 수행할 모듈들을 선택하는 단계; 상기 선택된 모듈들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하여 상기 선택된 모듈들의 밸런싱을 수행하는 단계; 상기 모듈에 포함된 셀들의 전압에 기초하여 밸런싱을 수행할 셀들을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 셀들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하여 상기 선택된 셀들의 밸런싱을 수행하는 단계를 포함한다.
모듈들 간의 밸런싱과 모듈에 포함된 셀들 간의 밸런싱을 동시에 수행하여 밸런싱 효율을 높일 수 있다.
셀들간의 밸런싱은 회로의 크기가 작고 제어가 쉬우며 가격이 싼 벅-부스터 컨버터로 구현되며 모듈간 밸런싱은 다중 권선 변압기를 통해서 인접하지 않은 모듈간 에너지를 전달할 수 있다. 따라서 본 발명은 벅-부스터 회로의 장점과 다중 권선 변압기를 사용한 회로의 장점을 동시에 가지고 있으므로 많은 수의 셀들이 직렬 연결되어 있는 대용량 배터리의 셀 밸런싱을 위한 종래의 방법들과 비교 했을 때, 저 가격, 고 효율, 작은 부피의 회로로 구현 할 수 있으며 제어 및 설계 또한 쉬워진다.
다중 권선 변압기를 이용하여 인접하지 않은 모듈들 또는 셀들의 밸런싱을 수행할 수 있다.
다중 권선 변압기를 통하여 모듈들 또는 셀들 사이에 직접 에너지를 전달함으로써 에너지 손실을 줄일 있다.
양방향 스위치가 갖는 커패시턴스 및 다중 권선 변압기가 갖는 인덕턴스를 조절하여, 양방향 스위치의 온-오프(on-off)시 발생하는 에너지의 손실을 줄일 수 있다.
다중 권선 변압기의 권선수를 조절하여 양방향 스위치의 양단에 과전압이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 배터리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 모듈의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 배터리 시스템의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 8은 도 4에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 4에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10 내지 13은 도 1에 도시된 배터리 시스템의 일 실시예들을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 1에 도시된 배터리 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 배터리 시스템(100)을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 모듈 밸런싱 회로(110) 및 복수의 모듈(120)들을 포함한다. 복수의 셀들은 에너지를 저장하며, 셀들은 충전하여 재사용이 가능하다. 충전 또는 방전시에 배터리 시스템(100)에 포함된 복수의 셀들 사이에 전압 차이가 발생할 수 있으며, 모듈(110)들 사이에 전압 차가 발생할 수도 있다.
모듈 밸런싱 회로(110)는 배터리 시스템(100)에 포함된 모듈(120)들과 연결된다. 이때, 모듈(120)들은 직렬로 연결된다.
모듈 밸런싱 회로(110)는 배터리 시스템(100)에 포함된 복수의 모듈(120)들의 밸런싱을 수행한다. 모듈 밸런싱 회로(110)는 모듈(120)들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 밸런싱을 수행할 모듈(120)들을 선택한다. 모듈 밸런싱 회로(110)는 스위치의 온-오프를 제어하여 선택된 모듈(120)들의 밸런싱을 수행한다.
모듈(120)은 복수의 셀들 및 셀 밸런싱 회로(130)를 포함한다. 모듈(120)은 배터리 시스템(100)에 포함된 복수의 셀들을 일정 개수로 나누어 포함한다. 하나의 모듈(110)에 포함되는 셀의 개수는 효율적인 셀의 관리를 위해 결정될 수 있다.
셀 밸런싱 회로(130)는 셀들 간의 전압 차이가 발생하는 경우, 전압 차가 발생한 셀들의 밸런싱을 수행한다. 다시 말해서, 셀 밸런싱 회로(130)는 전압 차가 발생한 셀들의 전압을 일치시킨다. 이상적인 경우, 셀들은 동일한 특성을 갖기 때문에, 충전 또는 방전시 셀들의 전압은 동일하다. 하지만, 기술적인 제약으로 인하여, 셀들의 용량 또는 임피던스 등은 서로 다를 수 있다. 이러한 셀들의 특성의 차이는 일부 셀의 과충전 또는 과방전을 야기시킨다. 따라서, 충전 또는 방전시 셀들 사이에 전압 차이가 발생하는 경우, 셀 밸런싱 회로(130)는 전압 차가 발생한 셀들의 전압을 동일하게 맞추기 위해 동작한다. 예를 들어, 셀 밸런싱 회로(130)는 높은 전압을 갖는 셀의 에너지를 낮은 전압을 갖는 셀로 전달하여, 2개 셀들의 전압을 일치시킨다. 또는, 셀 밸런싱 회로(130)는 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 소모시켜 밸런싱을 수행할 수도 있다.
셀 밸런싱 회로(130)는 셀들의 전압을 주기적으로 측정하고, 측정된 전압들을 기초로 셀들의 밸런싱을 수행한다. 예를 들어, 셀 밸런싱 회로(130)는 측정된 전압들 중 최대 전압과 최소 전압을 비교하고, 최대 전압과 최소 전압의 차이가 설정된 임계값보다 크면, 최대 전압과 최소 전압을 나타내는 셀들의 전압을 일치시킨다.
도 1에 도시된 배터리 시스템(100)은 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 시스템(100)의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 배터리 시스템(200)은 다중 권선 변압기(Multi-Winding Transformer, 220)를 이용하여 모듈(240)들의 밸런싱을 수행한다.
배터리 시스템(200)은 복수의 모듈(240)들 및 모듈 밸런싱 회로(110)를 포함한다. 모듈 밸런싱 회로(110)는 전압측정부(미도시), 양방향 스위치(210), 다중 권선 변압기(220) 및 모듈 제어부(230)를 포함한다. 배터리 시스템(200)은 도 2에 도시된 모듈(240)들의 밸런싱을 수행함과 동시에 각 모듈에 포함된 셀들의 밸런싱을 동시에 수행한다. 도 2에서는 모듈 밸런싱 회로(110)가 모듈(240)들의 밸런싱을 수행하는 일 예를 설명하며, 도 3에서는 셀 밸런싱 회로(130)가 모듈(240)마다 모듈(240)내에 포함된 셀들의 밸런싱을 수행하는 일 예를 설명한다.
배터리 시스템(200)은 모듈 밸런싱 회로(110)와 셀 밸런싱 회로(130)가 각각 모듈(240)들 및 모듈(240)에 포함된 셀들의 밸런싱을 수행하기 때문에, 짧은 시간 내에 밸런싱을 수행할 수 있고, 배터리 시스템(200)에 많은 수의 셀이 포함되더라도 셀들을 제어하는데 용이하다. 이때, 셀들의 밸런싱은 각 모듈(240)마다 독립적으로 수행된다.
양방향 스위치(210)는 모듈(240)과 다중 권선 변압기(220) 사이에 위치한다. 양방향 스위치(210)는 각각의 모듈에 연결된다. 또한, 양방향 스위치(210)는 모듈 제어부(230)에 의해 온-오프(on-off) 된다.
양방향 스위치(210)는 양쪽 방향으로 흐르는 전류의 흐름을 제어한다. 다시 말해서, 조건에 따라서 양방향 스위치(210)에 흐르는 전류는 모듈에서 다중 권선 변압기(220) 방향으로 흐르거나, 다중 권선 변압기(220)에서 모듈 방향으로 흐른다.
다중 권선 변압기(220)는 양방향 스위치(210)와 연결된다. 다중 권선 변압기(220)는 모듈(240)들 사이의 에너지를 전달한다.
다중 권선 변압기(220)는 각각의 모듈(240)에 연결된 상호 인덕터를 포함한다. 다중 권선 변압기(220)의 상호 인덕터는 서로 상관(correlate)된다. 따라서, 각각의 모듈(240)에 연결된 상호 인덕터를 통하여 모듈(240)들은 서로 에너지를 주고 받을 수 있다. 따라서, 어느 하나의 모듈에 저장된 에너지는 직접적으로 다른 모듈로 이동된다. 불필요한 회로를 거치지 않고 어느 하나의 모듈에서 다른 모듈로 에너지가 이동하기 때문에 에너지의 전달 효율이 높다. 예를 들어, 다중 권선 변압기(220)에 포함된 상호 인덕터는 동일한 권선수를 가질 수 있다.
모듈 제어부(230)는 모듈(240)들의 전압을 기초로 밸런싱을 수행할 모듈(240)들을 선택하고, 선택된 모듈들에 연결된 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어한다. 예를 들어, 밸런싱이 필요한 모듈(240)들은 전압차가 가장 큰 2개의 모듈(240)들일 수 있다. 다시 말해서, 모듈 제어부(230)는 측정된 모듈들의 전압 중에 가장 높은 전압을 갖는 모듈(240)과 가장 낮은 전압을 갖는 모듈(240)을 선택할 수 있다. 모듈 제어부(230)는 선택된 모듈(240)들의 양방향 스위치(210)를 한 주기 동안 제어한다.
모듈 제어부(230)는 미리 설정된 우선순위에 기초하여 밸런싱을 수행할 모듈(240)들을 선택한다. 상기와 같이, 모듈 제어부(230)가 가장 높은 전압을 갖는 모듈(240)과 가장 낮은 전압을 갖는 모듈(240)을 선택하는 것도 미리 설정된 우선순위의 일 예이다. 다시 말해서, 모듈 제어부(230)는 측정된 전압을 기초로 어느 모듈(240)들을 선택하여 밸런싱을 수행할 것인지 미리 설정하고, 설정된 우선순위에 따라 모듈(240)들을 선택한다.
예를 들어, 동일한 전압을 나타내는 모듈(240)이 2 이상인 경우, 모듈 제어부(230)는 모듈(240)들이 연결된 순서에 기초하여 모듈(240)들을 선택할 수 있다. 즉, 모듈 제어부(230)는 모듈(240)들을 연결된 순서에 따라 번호를 부여하고, 부여된 번호가 낮은 모듈을 우선적으로 선택할 수 있다. 예를 들어, 3번 모듈과 4번 모듈이 가장 높은 전압을 나타내고, 7번 모듈이 가장 낮은 전압을 나타내면, 모듈 제어부(230)는 3번 모듈과 4번 모듈 중에서 7번 모듈과 밸런싱을 수행할 모듈을 선택해야 한다. 이때, 낮은 번호를 갖는 모듈이 우선순위를 갖는다면, 모듈 제어부(230)는 3번 모듈과 7번 모듈을 선택하고, 3번 모듈과 7번 모듈에 연결된 스위치를 제어한다.
모듈 제어부(230)는 모듈들의 전압 차가 미리 설정된 임계값 이상인 모듈들을 선택할 수 있다.
모듈 제어부(230)는 컴퓨터의 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 모듈 제어부(230)는 연산 또는 알고리즘 등의 처리가 가능한 하드웨어 내에 구현된 프로그램일 수 있다.
전압측정부(미도시)는 모듈(240)들 및 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 모듈 밸런싱 회로(110) 및 셀 밸런싱 회로(130)로 출력한다.
도 3은 도 2에 도시된 모듈(240)의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 배터리 시스템(200)은 양방향 벅-부스트 변환기(Bidirectional Buck-boost Converter)를 이용하여 모듈(240)에 포함된 셀들(셀1 내지 셀N)의 밸런싱을 수행한다.
모듈(240)은 셀 밸런싱 회로(130) 및 셀들(1 내지 N)을 포함한다. 셀 밸런싱 회로(130)는 전압측정부(미도시), 셀 제어부(미도시), 스위치들 및 에너지 저장소자들을 포함한다.
전압측정부는 셀1 내지 셀N의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 셀 제어부로 출력한다.
셀 제어부는 전압측정부 및 셀들(1 내지 N)에 연결된 모든 스위치들과 연결된다. 셀 제어부는 전압측정부로부터 셀1 내지 셀 N의 전압을 수신한다. 셀 제어부는 모든 스위치들의 온-오프를 제어할 수 있다.
셀 제어부는 셀1 내지 셀N의 전압을 기초로 셀1 내지 셀 N의 밸런싱을 수행한다. 셀 제어부는 전압측정부로부터 입력된 셀1 내지 셀N의 전압을 기초로 다른 전압을 갖고 인접한 2개의 셀들을 선택하고, 선택된 셀들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어한다. 셀 제어부는 2개의 셀들의 전압 차가 미리 설정된 임계값 이상인 셀들을 선택할 수 있다.
셀 제어부가 셀1 및 셀2의 밸런싱을 수행하는 것을 예를 들어 설명한다. 셀 제어부는 선택된 셀1 및 셀2 중에서 높은 전압을 갖는 셀1에 연결된 스위치(241)를 온(ON) 시킨다. 셀1에 연결된 스위치(241)가 온(ON) 되면, 셀1에 저장된 에너지는 스위치(241)를 통하여 에너지 저장소자(243)로 전달된다. 이후에, 셀 제어부는 스위치(241)를 오프(OFF) 시키고, 스위치(242)를 온(ON) 시킨다. 스위치(242)가 온(ON) 되면, 에너지 저장소자(243)에 저장된 에너지는 셀2에 전달된다. 따라서, 셀 제어부는 한 주기 동안 인접한 셀들(셀1 및 셀2)의 스위치를 제어하여 인접한 셀들의 밸런싱을 수행한다.
셀 제어부는 인접한 셀들의 밸런싱을 수행하는 과정을 모듈(240)내의 모든 셀들(셀1 내지 셀N)에 대하여 수행함으로써, 셀1 내지 셀N이 동일한 전압을 갖도록 만든다.
셀 제어부는 컴퓨터의 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 셀 제어부는 연산 또는 알고리즘 등의 처리가 가능한 하드웨어 내에 구현된 프로그램일 수 있다.
모듈(240)에 포함된 스위치는 각 셀마다 병렬로 연결되며, 각 스위치는 인접한 셀에 연결된 스위치와 직렬로 연결된다. 또한, 인접한 셀에 연결된 스위치들의 사이와 셀들 사이에는 에너지 저장소자가 연결된다.
도 4는 도 2에 도시된 배터리 시스템(200)의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 도 4의 배터리 시스템(400)은 모듈-1 내지 모듈-8을 포함하나, 이는 일 예일뿐 모듈의 개수는 제한되지 않는다.
배터리 시스템(400)은 리셋 회로(430)를 더 포함한다. 리셋 회로(430)는 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)에 저장된 에너지를 리셋 시킨다. 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)는 모듈(1 내지 8)들 사이의 에너지를 전달하는 과정에서 일부 에너지를 저장하고, 리셋 회로(430)는 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)에 저장된 일부 에너지를 전달받는다. 리셋 회로(430)는 전달받은 에너지를 전체 모듈로 전달한다.
리셋 회로(430)는 전체 모듈들(1 내지 8)의 양단에 연결되고, 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)들과 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor, 432) 및 다이오드(diode, 431)를 포함한다. 리셋 회로(430)의 상호 인덕터(432)는 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)들과 상관되며, 반대 극성을 갖는다.
양방향 스위치(410)는 2개의 SR-NMOS(Synchronous Rectifier NMOS, 411)로 구현된다. 2개의 SR-NMOS(411)는 서로 마주보도록 배치된다. 양방향 스위치(410)는 각 모듈에 병렬로 연결된다.
도 4에 도시된 SR-NMOS(411)와 같이, SR-NMOS(411)는 빌트인 다이오드(Built-in Diode) 및 커패시턴스 성분을 포함한다. 빌트인 다이오드(Built-in Diode) 및 커패시턴스(Capacitance) 성분은 SR-NMOS(411)를 생성하는 공정 시 포함된다.
다중 권선 변압기(420)는 각 모듈에 병렬로 연결된 상호 인덕터(421)를 포함한다. 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)들은 서로 동일한 극성을 갖는다. 상호 인덕터(421)들은 서로 상관되어 있다. 다중 권선 변압기(420)는 상호 인덕터(421)들을 통하여, 어느 하나의 모듈의 에너지를 다른 모듈로 전달한다.
다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)의 양단의 전압이 증가하면 리셋 회로(430)의 상호 인덕터(432)의 양단의 전압이 증가한다. 상호 인덕터(432)의 전압이 전체 모듈들의 양단의 전압보다 크게 되면, 리셋 회로(430)에 전류가 흐른다. 리셋 회로(430)에 전류가 흐르게 되면, 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)의 양단의 전압은 더 이상 증가하지 않고 일정한 전압을 유지한다. 리셋 회로(430)의 상호 인덕터(432)는 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(421)보다 더 큰 권선수를 갖는다. 다중 권선 변압기(420) 및 리셋 회로(430)의 권선수에 따라, 양방향 스위치(410)의 양단의 피크(peak) 전압은 조절된다.
도 5 내지 도 8은 도 4에 도시된 배터리 시스템(400)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 도 5 내지 8은 선택된 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 스위치 온-오프에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에서 모듈-8이 높은 전압을 갖는 모듈이고, 모듈-1이 낮은 전압을 갖는 모듈이다. 따라서, 모듈-8의 에너지가 모듈-1으로 전달된다.
도 5는 2개의 셀들(모듈-1 및 모듈-8)의 양방향 스위치(410)들이 온 상태인 경우를 설명하기 위한 도면이다. 모듈 제어부(미도시)에 의해 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 양방향 스위치(410)들이 닫히면, 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)은 도 5와 같이 회로를 구성하게 된다. 높은 전압을 갖는 모듈-8로부터 상호 인덕턴스(Mutual Inductance, Lm) 및 모듈-1로 전류가 흐른다. 모듈-8은 방전(discharging)되고, 모듈-1은 충전(Charging)되고 상호 인덕턴스(Lm)은 에너지를 저장한다. 따라서, 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 전압 차는 줄어들어 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)은 동일한 전압을 갖게 된다. 이때, 모듈-8의 에너지의 대부분이 모듈-1으로 전달되기 위하여, 상호 인덕터(Lm)의 임피던스(Impedance)는 모듈의 임피던스보다 크도록 설계된다.
또한, 양방향 스위치(410)는 2개의 SR-NMOS(411)들을 사용하여 구현되므로, 양방향 스위치(410)가 온 상태 시, 빌트인 다이오드를 거치지 않고, SR-NMOS(411)의 스위치 온 상태의 저항만을 거쳐 전류가 흐르게 되므로, 컨덕션 손실(Conduction Loss) 및 빌트인 다이오드로 인한 전압 강하가 줄어든다.
도 6 내지 8은 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 양방향 스위치(410)가 오프 상태인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 양방향 스위치(410)가 온 상태에서 오프 상태로 전환 된 경우 등가회로이다. 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 양방향 스위치(410)가 오프 시, SR-NMOS(411)의 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕터(Lm) 사이에 공진회로가 형성된다. 따라서, 양방향 스위치(410)의 양단의 전압은 급격하게 증가하지 않고, 사인파(sine wave) 형태로 서서히 증가한다. 이때, 상호 인덕터(Lm)에 일부 에너지가 저장되며, 양방향 스위치(410)에 흐르는 전류는 점차 감소하여 0(zero)가 되며, 양방향 스위치(410)의 전압은 0(zero)에서 점차 증가한다(zero voltage switching turn off).
도 7은 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 양방향 스위치(11)가 열린 경우, 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(Lm)에 저장된 에너지를 리셋시키는 과정을 나타낸다. 상호 인덕터(Lm)에 저장되는 에너지가 증가하면서 상호 인덕터(Lm)의 전압이 증가한다. 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(Lm)의 전압이 증가하면, 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(Lm)와 상관되어 있는 리셋 회로(430)의 상호 인덕터(432)의 전압도 증가한다. 리셋 회로(430)의 상호 인덕터(432)의 전압도 증가하여 상호 인덕터(432)의 전압이 전체 모듈의 양단의 전압(즉, 직렬로 연결된 전체 모듈들의 양단의 전압)보다 크게 되면 다이오드(431)를 통하여 리셋 회로(430)에 전류가 흐르게 된다. 따라서, 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(Lm)의 전압은 더 이상 증가하지 않으며, 양방향 스위치(410)의 전압도 증가하지 않고, 양방향 스위치(410)는 피크(peak) 전압을 가지게 된다. 이때, 리셋 회로(430)의 상호 인덕터(432)의 극성은 다중 권선 변압기(420)의 상호 인덕터(Lm)의 극성과 반대이다.
도 8은 2개의 모듈들(모듈-1 및 모듈-8)의 양방향 스위치(410)가 오프된 경우, 리셋 회로(430)에 더 이상 전류가 흐르지 않는 경우를 나타낸다. 리셋 회로(430)에 더 이상 전류가 흐르지 않으면, SR-NMOS(411)의 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm) 사이에 공진회로가 형성된다. 따라서, 양방향 스위치(410)의 양단의 전압은 서서히 감소하여, 양방향 스위치(410)가 다시 온 되는 순간 이전에 양방향 스위치(410)의 양단의 전압을 0(zero)이 되도록 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm)의 값은 공정시 조절된다.(zero voltage switching turn on).
도 9는 도 4에 도시된 배터리 시스템(400)의 동작을 설명하기 위한 그래프이다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 4에서 설명된 배터리 시스템(400)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 9에서도 적용된다.
동작모드-1은 도 5에서의 배터리 시스템(400)의 동작을 나타내며, 동작모드-2는 도 6, 동작모드-3은 도 7, 동작모드-4는 도 8에서의 배터리 시스템(400)의 동작을 나타낸다.
동작모드-1은 양방향 스위치(410)가 닫힌 상태일 때, 배터리 시스템(400)의 동작을 나타낸다. 동작모드-1을 살펴보면, 스위치 전류(91)는 0(zero)에서 증가하여 일정한 값을 유지하며, 스위치 전압(92)은 양방향 스위치(410)가 닫힌 상태이므로 0(zero)을 유지한다. 다중 권선 변압기(420)에 흐르는 전류(93)는 일정하게 증가하며, 리셋 회로(430)에 흐르는 전류(94)는 없다. 스위치 전류(91)는 양방향 스위치(410)가 오프 되기 전에 감소하여 0(zero)이 된다. 스위치 전류(91)는 각 모듈에 연결된 양방향 스위치(410)에 흐르는 전류를 나타낸다.
동작모드-2는 양방향 스위치(410)가 열린 직후의 배터리 시스템(400)의 동작을 나타낸다. 동작모드-2를 살펴보면, 스위치 전류(91)는 양방향 스위치(410)가 오프 되기 전에 0(zero)이 되어 양방향 스위치(410)가 오프 상태에서 0(zero)상태를 유지한다. 스위치 전압(92)은 양방향 스위치(410)가 오프 되면 증가하고, 일정 전압에서 피크(peak) 전압을 갖는다. 다중 권선 변압기(420)에 흐르는 전류(93)는 증가하며, 리셋 회로(430)에 흐르는 전류(94)는 0(zero)상태를 유지한다.
동작모드-3은 리셋 회로(430)의 상호 인덕터(432)의 전압이 전체 모듈들의 양단의 전압보다 큰 경우에 배터리 시스템(400)의 동작을 나타낸다. 동작모드-3을 살펴보면, 스위치 전류(91)는 0(zero)상태를 유지하며, 스위치 전압(92)은 피크(peak) 전압을 유지한다. 다중 권선 변압기(420)에 흐르는 전류(93)는 리셋 회로(430)에 전류가 흐르기 시작하면 0(zero)상태를 유지하며, 리셋 회로(430)에 흐르는 전류(94)는 증가 후 점차 감소한다. 스위치 전압(92)은 각 모듈에 연결된 양방향 스위치(410)의 양단의 전압을 나타낸다.
동작모드-4는 리셋 회로(430)에 더 이상 전류가 흐르지 않는 경우에 배터리 시스템(400)의 동작을 나타낸다. 동작모드-4를 살펴보면, 스위치 전류(91)는 0(zero)상태를 유지하며, 스위치 전압(92)은 점차 감소하여 양방향 스위치(410)가 다시 닫히기 전에 0(zero)상태가 된다(zero voltage zero current switching turn on). 다중 권선 변압기(420)에 흐르는 전류(93)는 동작모드-1과 반대방향으로 전류가 흐르며 양방향 스위치(410)가 다시 닫히기 전에 0(zero)상태가 된다. 리셋 회로(430)에 흐르는 전류(94)는 0(zero)상태를 유지한다.
배터리 시스템(400)은 일정한 주기마다 모듈들의 전압을 측정하고, 일정 시간 동안 선택된 모듈들의 스위치를 열고 닫는다. 따라서, 도 6과 같이 동작하기 위하여, 배터리 시스템(400)은 스위치를 열고 닫는 시간에 기초하여 설계된다. 보다 상세히 설명하면, 배터리 시스템(400)에 포함되는 출력 커패시터 및 상호 인덕터는 전압을 측정하는 주기 및 선택된 모듈의 스위치가 닫혀 있는 시간을 고려하여 설계된다.
도 10 내지 13은 도 1에 도시된 배터리 시스템(100)의 일 실시예들을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 도 10의 배터리 시스템(600)은 모듈들의 밸런싱을 수행하는 방법으로 다중 권선 변압기(620) 및 리셋 회로(630)를 이용하고, 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법으로 양방향 벅-부스트 변환기를 이용한다. 배터리 시스템(600)은 모듈들 및 셀들의 밸런싱을 동시에 수행한다. 다중 권선 변압기(620) 및 리셋 회로(630)를 이용하여 모듈들의 밸런싱을 수행하는 방법은 도 4 내지 도 9에서 상세히 설명하였고, 양방향 벅-부스트 변환기를 이용하여 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법은 도 3에서 상세히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 도 11은 도 1에 도시된 배터리 시스템(100)의 또 다른 일 실시예이다. 도 11의 배터리 시스템(700)은 모듈들의 밸런싱을 수행하는 방법으로 다중 권선 양방향 플라이백 변압기(Multi-Winding Bidirectional Flyback Converter, 710)를 이용하고, 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법으로 양방향 벅-부스트 변환기를 이용한다. 양방향 벅-부스트 변환기를 이용하여 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법은 도 3에서 상세히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
다중 권선 양방향 플라이백 변압기(710)는 각 모듈에 병렬로 연결된 스위치(711)와 상호 인덕터(712) 및 전체 모듈에 병렬로 연결된 상호 인덕터(713) 및 스위치(714)를 포함한다. 각 모듈에 연결된 상호 인덕터(712)들은 서로 동일한 극성을 갖는다. 각 모듈에 연결된 상호 인덕터(712)들과 전체 모듈에 연결된 상호 인덕터(713)는 반대 극성을 갖는다.
도 11에는 도시되지 않았지만, 배터리 시스템(700)은 각 모듈 및 각 셀의 전압을 측정하는 전압측정부 및 측정된 전압에 기초하여 각 스위치를 제어하는 제어부도 포함된다.
배터리 시스템(700)의 동작을 제어하는 방법으로, 배터리의 충전, 방전 등의 상태에서 동일하게 스위치를 제어하는 제어방법-1과 충전 방전 등의 상태에 따라 스위치를 다르게 제어하는 제어방법-2가 있다.
<제어방법-1>
1. 제어부는 가장 높은 전압을 갖는 모듈을 선택하여 모듈에 연결된 스위치를 온 시키고, 나머지 모듈들에 연결된 스위치 및 전체 모듈에 연결된 스위치를 오프 시킨다. 이때, 가장 높은 전압을 갖는 모듈에서 가장 높은 전압을 갖는 모듈에 연결된 상호 인덕터로 에너지가 전달된다.
2. 제어부가 가장 높은 전압을 갖는 모듈의 스위치를 오프 시키고, 전체 모듈에 연결된 스위치를 온 시키면, 상호 인덕터에 저장된 에너지가 전체 모듈로 전달된다.
3. 제어부가 전체 모듈에 연결된 스위치를 온 시키고 모듈 스위치를 오프 시키면, 전체 모듈의 에너지가 전체 모듈에 연결된 상호 인덕터로 전달된다.
4. 제어부가 전체 모듈에 연결된 스위치를 오프 시키고, 가장 낮은 전압을 갖는 모듈의 스위치를 온 시키면, 전체 모듈에 연결된 상호 인덕터에 저장된 에너지가 가장 낮은 전압을 갖는 모듈로 전달된다.
<제어방법-2>
1. 배터리가 정상상태에서 제어부는 제어방법-1과 동일한 동작을 수행한다.
2. 배터리가 충전상태에서 제어부는 가장 높은 전압을 갖는 모듈에 대하여 제어방법-1의 1, 2 과정을 수행한다.
3. 배터리가 방전상태에서 제어부는 가장 낮은 전압을 갖는 모듈에 대하여 제어방법-1의 3, 4 과정을 수행한다.
도 12를 참조하면, 도 12는 도 1에 도시된 배터리 시스템(100)의 또 다른 일 실시예이다. 배터리 시스템(800)은 모듈의 밸런싱을 수행하는 방법으로 다중 권선 플라이백 변압기(Multi-Winding Flyback Converter, 810)를 이용하고, 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법으로 양방향 벅-부스트 변환기를 이용한다. 양방향 벅-부스트 변환기를 이용하여 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법은 도 3에서 상세히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
다중 권선 플라이백 변압기(810)는 각 모듈에 병렬로 연결된 다이오드(811)와 상호 인덕터(812) 및 전체 모듈에 병렬로 연결된 상호 인덕터(813) 및 스위치(814)를 포함한다. 각 모듈에 연결된 상호 인덕터(812)들은 서로 동일한 극성을 갖는다. 각 모듈에 연결된 상호 인덕터(812)들과 전체 모듈에 연결된 상호 인덕터(813)는 반대 극성을 갖는다.
도 12에는 도시되지 않았지만, 배터리 시스템(800)은 각 모듈 및 각 셀의 전압을 측정하는 전압측정부 및 측정된 전압에 기초하여 스위치를 제어하는 제어부도 포함된다.
도 12의 배터리 시스템(800)의 동작을 설명하면, 제어부가 스위치(814)를 온 시키면, 상호 인덕터(813)으로 에너지가 전달된다. 제어부가 스위치(814)를 오프 시키면, 상호 인덕터(813)에 저장된 에너지는 각 모듈에 연결된 상호 인덕터(812)를 통하여 각 모듈로 전달되는데, 이때, 낮은 전압을 갖는 모듈일수록 많은 에너지가 전달된다.
도 13을 참조하면, 도 13은 도 1에 도시된 배터리 시스템(100)의 또 다른 일 실시예이다. 배터리 시스템(900)은 모듈의 밸런싱을 수행하는 방법으로 다중 권선 포워드 변압기(Multi-Winding Forward Converter, 910) 및 리셋 회로(920)를 이용하고, 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법으로 양방향 벅-부스트 변환기를 이용한다. 양방향 벅-부스트 변환기를 이용하여 셀들의 밸런싱을 수행하는 방법은 도 3에서 상세히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
다중 권선 포워드 변압기(910)는 각 모듈에 병렬로 연결된 스위치(912)와 상호 인덕터(911)을 포함한다. 스위치(912)는 빌트인 다이오드를 포함한다.
리셋 회로(920)는 전체 모듈에 병렬로 연결된 상호 인덕터(922) 및 다이오드(921)를 포함한다. 각 모듈에 연결된 상호 인덕터(911)들은 서로 동일한 극성을 갖는다. 각 모듈에 연결된 상호 인덕터(911)들과 전체 모듈에 연결된 상호 인덕터(922)는 반대 극성을 갖는다.
도 13에는 도시되지 않았지만, 배터리 시스템(900)은 각 모듈 및 각 셀의 전압을 측정하는 전압측정부 및 측정된 전압에 기초하여 스위치들을 제어하는 제어부도 포함된다.
도 13의 배터리 시스템(900)의 동작을 설명하면, 제어부가 가장 높은 전압을 갖는 모듈의 스위치를 온 시키고 나머지 모듈들의 스위치들을 오프 시키면, 가장 높은 전압을 갖는 모듈에서 나머지 모듈들로 나머지 모듈들의 스위치의 빌트인-다이오드를 통하여 에너지가 전달된다. 제어부가 가장 높은 전압을 갖는 모듈의 스위치를 오프 시키면, 모듈들의 상호 인덕터(911)에 저장된 에너지는 전체 모듈에 연결된 상호 인덕터(922)를 통하여 전체 모듈로 전달된다. 즉, 리셋 회로(920)에 전류가 흐른다.
도 14는 도 1에 도시된 배터리 시스템(100)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 배터리 시스템(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 14의 실시예에도 적용된다.
1100단계에서, 모듈 밸런싱 회로(110)는 직렬로 연결된 복수의 셀들을 소정의 수로 나누어 포함하는 복수의 모듈들의 전압에 기초로 밸런싱을 수행할 모듈들을 선택한다.
1200단계에서, 모듈 밸런싱 회로(110)는 선택된 모듈들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하여 선택된 모듈들의 밸런싱을 수행한다.
1300단계에서, 셀 밸런싱 회로(130)는 모듈에 포함된 셀들의 전압에 기초하여 밸런싱을 수행할 셀들을 선택한다.
1400단계에서, 셀 밸런싱 회로(130)는 선택된 셀들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하여 선택된 셀들의 밸런싱을 수행한다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시 예에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
배터리 시스템은 직렬로 연결된 다수의 셀들로 구성되는 배터리에서 셀들의 밸런싱을 수행하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 시스템은 전기 자동차(Electric Vehicle), 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle), 전기 바이크(Electric Bike), 무정전 전원 장치(Uninterruptible Power Supply) 또는 휴대 기기(Portable application) 등에 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 배터리 시스템
110: 모듈 밸런싱 회로
120: 모듈
130: 셀 밸런싱 회로

Claims (16)

  1. 직렬로 연결된 복수의 셀들 및 상기 셀들의 전압에 기초하여 상기 셀들의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로를 포함하는 복수의 모듈들;
    상기 모듈들의 전압에 기초하여 상기 모듈들의 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱 회로를 포함하는 배터리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는 벅-부스터 회로를 포함하고,
    상기 모듈 밸런싱 회로는 다중권선 변압기를 포함하는 배터리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 밸런싱 회로는,
    상기 모듈들 각각에 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치;
    상기 모듈들의 전압을 기초로 모듈들을 선택하고, 상기 선택된 모듈들에 연결된 상기 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어하는 모듈 제어부; 및
    상기 양방향 스위치와 연결되고, 스위치가 온 상태인 모듈들 사이의 에너지를 전달하는 다중 권선 변압기를 포함하는 배터리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 모듈 밸런싱 회로는,
    직렬로 연결된 상기 모듈들 전체의 양단에 연결되고, 다이오드 및 상기 다중 권선 변압기의 인덕터와 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor)를 포함하는 리셋 회로를 더 포함하는 배터리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 리셋 회로에 포함된 상호 인덕터의 임피던스는 상기 모듈의 임피던스보다 크고, 상기 리셋 회로에 포함된 상호 인덕터의 권선수는 상기 다중 권선 변압기에 포함된 상호 인덕터의 권선 수보다 큰 배터리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 권선 변압기는 상기 모듈들마다 동일한 권선수를 갖는 상호 인덕터를 포함하는 배터리 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 모듈 제어부는 상기 선택된 모듈들로 가장 높은 전압을 갖는 모듈과 가장 낮은 전압을 갖는 모듈을 선택하는 배터리 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 모듈 제어부는 미리 설정된 우선순위에 기초하여, 밸런싱을 수행할 모듈들을 선택하는 배터리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 모듈 제어부는 동일한 전압을 나타내는 모듈이 2 이상인 경우, 상기 모듈들이 연결된 순서에 기초하여 셀을 선택하는 배터리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는 인접한 2개의 셀들마다 상기 인접한 2개의 셀들의 양 끝단에 병렬로 연결되는 2개의 스위치들 및 상기 인접한 2개의 셀들의 사이와 상기 2개의 스위치들의 사이에 연결되는 에너지 저장소자를 포함하는 배터리 시스템.
  11. 직렬로 연결된 복수의 셀들을 소정의 수로 나누어 포함하는 복수의 모듈들의 전압에 기초로 밸런싱을 수행할 모듈들을 선택하는 단계;
    상기 선택된 모듈들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하여 상기 선택된 모듈들의 밸런싱을 수행하는 단계;
    상기 모듈에 포함된 셀들의 전압에 기초하여 밸런싱을 수행할 셀들을 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 셀들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하여 상기 선택된 셀들의 밸런싱을 수행하는 단계를 포함하는 배터리 시스템의 밸런싱 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 모듈들을 선택하는 단계는,
    상기 모듈들 중에서 상기 측정된 모듈들의 전압에 기초하여 밸런싱을 수행할 2개의 모듈을 선택하는 단계를 포함하는 밸런싱 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 모듈들을 선택하는 단계는,
    미리 설정된 우선 순위에 기초하여, 밸런싱을 수행하는 모듈들을 선택하는 밸런싱 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 모듈들을 선택하는 단계는,
    상기 모듈들의 전압 중 동일한 전압을 나타내는 모듈이 2 이상인 경우, 상기 모듈들이 연결된 순서에 기초하여 모듈을 선택하는 밸런싱 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 셀들을 선택하는 단계는,
    상기 측정된 셀들의 전압에 기초하여 밸런싱을 수행할 2개의 인접한 셀들을 선택하는 단계를 포함하는 밸런싱 방법.
  16. 제 11 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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