KR20140105948A

KR20140105948A - 전압균등화회로장치

Info

Publication number: KR20140105948A
Application number: KR1020130019774A
Authority: KR
Inventors: 김성민
Original assignee: 킴스테크날리지 주식회사
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-09-03

Abstract

본 발명은 전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결되어 있는 전기에너지 저장장치에서 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화를 위한 단순하고 저렴한 수단을 제공한다.
이를 위한, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치의 전압균등화회로는,
전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결된 직렬스트링, 제어기준전압을 생성시키는 제어기준전압 생성기, 상기 제어기준전압과 전기에너지 저장 셀의 전압을 비교하기 위한 전압비교기, 상기 전압비교기에 의해 제어되어 전기에너지 저장 셀의 방전을 제어하는 스위치를 포함하며,
상기 제어기준전압 생성기는 상기 제어기준전압을 생성시키기 위해 복수개의 분배저항으로 구성되는 분배저항군을 직렬로 연결하거나, 분배저항이 직렬로 연결된 분배저항스트링에 전압강하소자를 직렬로 연결하거나, 분배저항이 직렬로 연결되는 분배저항스트링의 직렬수를 조절하거나 상기 분배저항스트링에서 최소한 1개의 저항값을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

전압균등화회로 {Voltage Equalization Circuit}

본 발명은 전기에너지 저장장치의 전압균등화회로에 관한 것으로서, 구체적으로는 직렬로 연결된 다수의 전기에너지 저장 셀을 포함하는 전기에너지 저장장치에서 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화를 수행하는 간단하고 정밀하며, 또한 저렴한 전압균등화회로에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지(Secondary Battery)나 캐패시터(Capacitor) 같은 전기에너지 저장 셀(Electric Energy Storage Cell)은 정격전압(Rated Voltage)이 수 볼트에 불과하지만 대부분의 응용분야에서는 수십 내지 수백 볼트의 전압이 요구된다.

이러한 상황에 따라 전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장 셀은 수백 개까지도 직렬로 연결되어 전기에너지 저장장치(Electric Energy Storage Device)를 구성한다.

그러나 전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장 셀이 정상적으로 동작하기 위해서는 허용된 동작전압영역 내에서 충전과 방전이 이루어져야한다. 허용된 동작전압영역을 벗어난 영역에서 전기에너지 저장 셀이 동작할 경우, 예컨대, 저전압(Under-Voltage) 또는 과전압(Over-Voltage) 상태에서 동작하는 경우에는 전기에너지 저장 셀의 수명이 급격하게 단축되거나 폭발이나 화재 같은 사고가 발생될 수 있다.

전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결되어 구성된 전기에너지 저장장치는 직렬 연결의 특성상 특정 전기에너지 저장 셀을 별도로 제어하는 것은 상당한 복잡하고 추가비용도 많이 소요되기 때문에 전기에너지 저장장치의 수명을 증대시키고 안전성을 제고하기 위해서는 기본적으로 전기에너지 저장 셀 차원에서 전기에너지 저장 셀 사이의 전압을 균등하게 유지시키는 것이 필요하다.

전기에너지 저장 셀 차원에서 직렬로 연결된 전기에너지 저장 셀 사이의 전압을 균등하게 유지시키기 위해서는 먼저 직렬로 연결되는 전기에너지 저장 셀이 동일한 특성을 지녀야 한다. 즉 제조회사, 모델, 용량, 누설전류 등이 동일해야하며 심지어는 동일한 제조일자 및 동일한 로트번호가 요구되기도 한다. 이것을 바탕으로 동일한 특성을 갖는 전기에너지 저장 셀이 직렬연결 상태에서 동작 중에 동일한 특성을 유지하고 동일한 충전상태를 지속시켜야 한다.

그러나 전기에너지 저장 셀은 제조상의 용량편차와 같은 어느 정도의 특성편차는 불가피하며 특성편차 외에도 환경적인 요인 이를테면 온도 등에 따라 특성이 변할 수 있다. 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결된 전기에너지 저장장치는 전기에너지 저장 셀의 위치에 따라 온도편차 또는 전기에너지 저장 셀 사이의 에이징 편차가 존재할 수 있으므로 초기에는 특성편차가 작더라도 전기에너지 저장장치의 사용시간이 증가함에 따라 특성편차가 증가하기 때문에 전기에너지 저장 셀 자체만으로 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화를 지속적으로 유지하는 것은 매우 어렵다.

이러한 현실적인 어려움 때문에 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화를 위한 장치들이 개발되었다.

도 1은 종래의 기술에 따른 제너 다이오드를 사용한 전압균등화 방법을 설명하기 위한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전압균등화 방법은, 제너다이오드(1-D₁, 1-D₂, 1-D₃, 1-D₄)를 각 전기에너지 저장 셀(1-C₁, 1-C₂, 1-C₃, 1-C₄)에 병렬로 연결하여 특정 전기에너지 저장 셀의 전압이 제너전압(Zener Voltage)을 초과하면 제너다이오드를 통해 해당 전기에너지 저장 셀을 방전시켜 전기에너지 저장 셀의 가장 큰 위험요소 중의 하나인 과전압을 방지하는 것이다.

제너다이오드 대신 션트 저항(Shunt Resistor)과 션트 저항에 직렬로 연결된 스위치를 사용하여 전기에너지 저장 셀의 전압이 설정전압 이상으로 상승할 경우 스위치를 ON시켜 션트 저항을 통해 전기에너지 저장 셀을 방전시키는 방법도 사용된다. 그러나 이러한 방법들은 설정전압이 충전전압에 따라 변하는 것이 아니라 고정되어 있으므로 전압균등화 효과는 크지 않으며 전압균등화 기초적인 목적 중의 하나인 과전압 방지에만 효과적이다.

도 2는 종래의 기술에 따른 패시브 전압균등화(Passive Voltage Equalization) 방법을 설명하기 위한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 패시브 전압균등화 방법은 전압균등화를 위해 많이 사용되는 방법 중의 하나로서, 직렬로 연결된 각 전기에너지 저장 셀(2-C₁, 2-C₂, 2-C₃, 2-C₄)에 동일한 저항을 갖는 패시브 저항(Passive Resistor)을 병렬로 연결한 회로 구조를 이용한다.

패시브 전압균등화 방법은 각 전기에너지 저장 셀(2-C₁, 2-C₂, 2-C₃, 2-C₄)에 병렬로 연결된 패시브 저항(R)으로 전기에너지 저장 셀의 전압에 비례하여 방전전류가 흐르기 때문에 전압이 높은 전기에너지 저장 셀은 패시브 저항으로 상대적으로 큰 방전전류가 흐르고, 전압이 상대적으로 낮은 전기에너지 저장 셀은 패시브 저항으로 상대적으로 작은 전류가 흐르게 되어 결과적으로 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화가 이루어지게 되는 것으로 간단하고 신뢰성이 높으며 비용도 매우 저렴한 방법이지만, 전압균등화 속도가 매우 느리며 패시브 저항으로 흐르는 누설전류가 상당히 크다는 단점이 있다. 즉, 패시브 전압균등화 방법은 패시브 저항의 저항 값이 작을수록 전압균등화에 효과적이지만 패시브 저항으로 흐르는 방전전류가 증가하므로 누설전류 또한 증가하게 되는 커다란 단점을 지닌다.

따라서 전원을 차단한 상태에서 방치하면 패시브 저항에 의해 전기에너지 저장 셀이 0V까지 완전방전이 이루어진다. 대부분의 캐패시터에서는 완전방전이 커다란 문제를 야기하지는 않지만 이차전지에서는 과방전에 이르게 되는 상당히 위험한 상황이다.

패시브 전압균등화 방법은 패시브 저항으로 흐르는 전류차에 의해 전압균등화가 이루어지므로 직렬로 연결된 전기에너지 저장 셀에서 특정 전기에너지 저장 셀의 누설전류가 증가하면 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화 정밀도가 악화된다.

따라서 종래의 패시브 전압균등화 방법은 간단하고 저렴한 방법이지만 전압균등화 속도가 느리고 전압균등화 효과가 제한적이며 누설전류 증가, 자가방전 증가, 완전방전과 같은 특성으로 인하여 제한적으로 사용될 수 밖에 없다.

도 3은 종래의 기술에 따른 또 다른 전압균등화 회로이다.

도 3은 4개의 전기에너지 저장 셀(3-C₁, 3-C₂, 3-C₃, 3-C₄)이 직렬로 연결된 직렬스트링(3-CS)과 동일한 저항 값을 갖는 4개의 저항이 직렬로 연결된 분배저항스트링(3-DRGS)가 병렬로 연결되며 직렬스트링(3-CS)의 3개의 노드(3-CN₁, 3-CN₂, 3-CN₃)와 분배저항스트링(3-DRGS)의 3개의 노드(3-RN₁, 3-RN₂, 3-RN₃)의 전압을 각각 비교하는 3개의 비교기(3-COM₁, 3-COM₂, 3-COM₃), 3개의 전기에너지 저장 셀(3-C₁, 3-C₂, 3-C₃)각각에 병렬로 연결되는 방전저항(3-R_D1, 3-R_D2, 3-R_D3)과 각 방전저항에 직렬로 연결되는 3개의 스위치(3-S₁, 3-S₂, 3-S₃)로 구성된다.

도 3에 도시된 종래 기술에 따른 전압균등화 회로는 직렬스트링(3-CS)과 분배저항스트링(3-DRGS)의 노드 전압을 비교하여 직렬스트링(3-CS)의 노드 전압이 분배저항스트링(3-DRGS)의 노드 전압보다 높으면 해당 전기에너지 저장 셀에 연결된 스위치를 제어하여 해당 전기에너지 저장 셀을 방전시킨다. 결국 평균전압보다 전압이 높은 전기에너지 저장 셀이 방전되어 전압균등화가 유지된다. 이와 같은 방법은 분배저항 양단의 전압과 전기에너지 저장 셀의 양단전압을 비교하여, 즉 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압보다 높으면 방전시켜 전압균등화를 유지시키는 것과 동일한 방법이다.

도 3과 같은 전압균등화 회로에서는 사용되는 부품들의 옵셋(offset), 공차 등에 의해 전압오차가 발생된다. 일반적으로 정밀급의 저항오차가 1%, 비교기나 오피앰프의 입력단 옵셋은 대략 5mV 정도이다. 만약 도 3의 직렬스트링(3-CS)에 10V의 전압이 인가되면 평균전압은 2.5V이므로 저항의 정밀도에 의한 전압오차는 25mV이고, 전압정밀도는 대략 30mV가 된다. 따라서 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압보다 전압정밀도에 해당되는 30mV 이상 증가하지 않도록 할 수 있다. 즉 과전압에 대해서는 효과적인 전압균등화를 달성할 수 있다.

그러나 도 3과 같은 전압균등화회로는 전기에너지 저장 셀에서 저전압이 발생할 경우 전압균등화능력은 크게 저하된다. 예를 들어 100개의 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결된 경우 특정 전기에너지 저장 셀의 누설전류 증가에 의해 해당 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압보다 300mV 감소하는 경우, 나머지 99개의 전기에너지 저장 셀은 각각 약 3mV 만큼 전압이 증가한다. 저전압을 방지하기 위해서는 특정 전기에너지 저장 셀의 저전압에 의해 전압이 상승한 나머지 전기에너지 저장 셀들의 방전이 이루어져야 하지만 전압정밀도가 30mV인 회로에서 3mV의 전압상승은 오차범위 내에 해당되므로 정상적인 동작을 기대하기 어렵다. 직렬스트링(3-CS)의 노드전압에서 전압증가분이 누적되어 전압정밀도를 초과하는 노드에서는 전압균등화 동작이 일어나지만 여전히 전압증가분 누적량이 전압정밀도보다 작은 노드에서는 전압균등화 동작을 기대하기 어렵다. 따라서 도 3과 같은 전압균등화 회로는 직렬스트링에서 과전압이 발생하는 경우에는 매우 효과적이지만 저전압이 발생하는 경우에는 효과적인 동작을 기대하기 어렵다.

도 1에서 언급한 제너다이오드를 사용하는 방법이나 션트저항을 사용하는 방법은 전기에너지 저장 셀을 방전시키는 방전동작전압이 고정되어 있다.

따라서 전기에너지 저장 셀의 평균전압이 정격전압보다 낮은 영역에서 동작하는 경우, 도 1에서 언급한 전압균등화회로로는 전압편차를 좁히기 어렵다.

반면에 도 3에 도시된 전압균등화 회로는 전기에너지 저장 셀의 평균전압을 이용하여 전압균등화가 수행되므로 전압균등화 정밀도는 도 1의 전압균등화회로에 비해 우수하다.

도 3의 방법은 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압을 초과할 경우 방전저항을 통해 방전시켜 전압균등화를 유지하는 방법으로써 특정 전기에너지 저장 셀의 작은 용량 또는 작은 누설전류에 의해 전압이 높아지거나 충전상태가 높을 때와 같이 특정 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압보다 높을 때에는 방전저항을 통한 방전으로 효과적으로 전압균등화를 유지할 수 있지만 특정 전기에너지 저장 셀이 누설전류 증가 등의 원인에 의해 특정 전기에너지 저장 셀의 전압이 강하하게 되면 전압균등화를 위해서는 특정 전기에너지 저장 셀을 충전시켜야 하지만 전압균등화 수단이 방전저항을 통한 방전이므로 전압균등화 동작이 어려워진다.

또 다른 전압균등화 방법으로 전압이 높은 전기에너지 저장 셀로 부터 전압이 낮은 전기에너지 저장 셀로 전기에너지를 이동시켜 전압균등화 과정에서의 에너지 손실이 매우 작은 전압균등화 방법도 있으나 구조가 복잡하고 값이 비싸다.

전술한 바와 같이 직렬로 연결된 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화를 위해서는 특정 전기에너지 저장 셀을 충전 또는 방전시켜야 한다. 전기에너지 저장 셀을 방전시키는 것은 전기에너지 저장 셀에 저항을 병렬로 연결하고 저항에 스위치를 직렬로 연결하여 스위치 조작으로 전기에너지 손실이 발생하더라도 손쉽게 전기에너지 저장 셀을 방전시킬 수 있지만 직렬로 연결된 전기에너지 저장 셀 중에서 특정 전기에너지 저장 셀만을 충전시키는 것은 상당히 복잡하고 추가적인 비용이 발생된다.

또한 패시브 전압균등화법은 간단하고 저렴하지만 전압균등화 속도가 느리고 전압균등화 정밀도가 떨어진다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전압균등화 정밀도 및 전압균등화 속도를 향상시키고, 또한 단순하고 저렴한 전압균등화 회로를 제공하는 것이다.

전술한 과제를 해결하기 위하여, 이차전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결되어 있는 직렬스트링으로 구성된 전기에너지 저장장치에서, 본 발명의 일 면에 따른 전압균등화 회로는,

복수개의 분배저항으로 구성된 분배저항군이 직렬로 연결된 분배저항군스트링을 포함하고 제어기준전압을 생성하는 제어기준전압 발생기, 상기 제어기준전압과 상기 전기에너지 저장 셀의 전압을 비교하는 전압비교기, 상기 전압비교기에 의해 제어되고 상기 전기에너지 저장 셀의 방전을 제어하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 전압균등화회로는 분배저항이 직렬로 연결된 분배저항스트링에 직렬로 연결된 전압강하소자를 포함하여 제어기준전압을 생성하는 제어기준전압 발생기, 상기 제어기준전압과 상기 전기에너지 저장 셀의 전압을 비교하는 전압비교기, 상기 전압비교기에 의해 제어되고 상기 전기에너지 저장 셀의 방전을 제어하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 전압균등화회로는 분배저항이 직렬로 연결된 분배저항스트링을 포함하고 상기 분배저항스트링의 직렬수를 조절하거나 분배저항 중에서 최소한 한 개의 저항값을 조절하여 제어기준전압을 생성하는 제어기준전압 발생기, 상기 제어기준전압과 상기 전기에너지 저장 셀의 전압을 비교하는 전압비교기, 상기 전압비교기에 의해 제어되고 상기 전기에너지 저장 셀의 방전을 제어하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 전압균등화회로는 분배저항이 직렬로 연결된 분배저항스트링을 포함하고 분배저항스트링의 노드와 노드사이에 병렬로 연결된 보조저항을 포함하는 제어기준전압을 생성하는 제어기준전압 발생기, 상기 제어기준전압과 상기 전기에너지 저장 셀의 전압을 비교하는 전압비교기, 상기 전압비교기에 의해 제어되고 상기 전기에너지 저장 셀의 방전을 제어하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전압균등화회로는, 단순한 구조로 신속한 전압균등화와 우수한 전압균등화 정밀도를 저렴하게 구성할 수 있는 장점을 지닌다.

본 발명은, 특히 전기에너지 저장 셀 중에서 상대적으로 큰 누설전류를 갖는 전기에너지 저장 셀이 존재하는 경우의 전압균등화에 효과적이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 제너 다이오드를 사용한 전압균등화 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 패시브 전압균등화(Passive Voltage Equalization) 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 또 다른 전압균등화 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 실리콘 다이오드가 직렬로 연결된 패시브 저항의 전압에 대한 전류 그래프이다.
도 7은 패시브 전압균등화 개시전압에 따른 누설전류변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분배저항 스트링의 회로도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 정밀도를 향상시킨 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분배저항 스트링 회로도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압균등화 회로(400)는 직렬스트링부(410), 분배저항군 스트링부(420), 전압 비교부(430), 방전 저항부(440), 스위치부(450)를 포함한다.

직렬 스트링부(410)는 4개의 전기에너지 저장 셀(4-C₁, 4-C₂, 4-C₃, 4-C₄)이 직렬로 연결되어 형성된 것으로서, 4개의 전기이중층 캐패시터가 직렬로 연결되어 직렬 스트링을 구성한다.

분배저항군 스트링부(420)는 2개의 분배저항(4-R_1-1, 4-R_1-2, ~ 4-R_4-1, 4-R_4-2)으로 구성된 분배저항군(4-R_G1, 4-R_G2, 4-R_G3, 4-R_G4) 4개가 직렬로 연결되어 형성된다.

상기 직렬 스트링부(410)와 상기 분배저항군 스티링부(420)는 병렬로 연결되어 제어 기준전압을 발생시킨다.

전압 비교부(430)는 직렬스트링부(410)의 노드전압과 분배저항군 스트링부(420)의 분배저항(4-R_1-1, 4-R_1-2, ~ 4-R_4-1, 4-R_4-2) 사이의 노드전압을 비교하기 위한 4개의 전압비교기(4-COM₁, 4-COM₂, 4-COM₃, 4-COM₄)를 포함한다.

방전 저항부(440)는 전기에너지 저장 셀(4-C₁, 4-C₂, 4-C₃, 4-C₄)을 각각 방전시키기 위해 각각의 전기에너지 저장 셀과 병렬로 연결된 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)을 포함한다.

스위치부(450)는 각 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)에 직렬로 연결되고 각 전압비교기(4-COM₁, 4-COM₂, 4-COM₃, 4-COM₄)에 의해 제어되는 다수의 스위치 (4-S₁, 4-S₂, 4-S₃, 4-S₄)로 구성된다.

스위치부(450)는 각 스위치(4-S₁, 4-S₂, 4-S₃, 4-S₄) 온/오프 동작을 통해 각 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)에 흐르는 전류를 차단시켜 전기에너지 저장 셀(4-C₁, 4-C₂, 4-C₃, 4-C₄)의 방전을 각각 제어한다.

도 4에서는 각 전기에너지 저장 셀(4-C₁, 4-C₂, 4-C₃, 4-C₄)에 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)이 병렬로 연결된 것으로 도시되었지만, 다른 실시예로서 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)을 생략하고 스위치(4-S₁, 4-S₂, 4-S₃, 4-S₄)의 내부저항으로 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)을 대치하는 것도 가능하다.

도 4의 실시예에서 제어 기준전압은 다음과 같이 생성된다.

분배저항군 스트링부(420)에서 분배저항군(4-R_G1, 4-R_G2, 4-R_G3, 4-R_G4)을 형성하는 분배저항 중에서, 제1 분배저항(4-R_1-1, 4-R_2-1, 4-R_3-1, 4-R_4-1)은 각각 동일한 저항값(Ro)을 가지고, 제2 분배저항(4-R_1-2, 4-R_2-2, 4-R_3-2, 4-R_4-2)도 각각 동일한 저항값(r)을 가진다고 가정하자.

그러므로 분배저항군(4-R_G1, 4-R_G2, 4-R_G3, 4-R_G4)은 각각 동일한 저항값 (Ro+r)을 가지고, 각 분배저항군에서 발생되는 전압강하량(V_RG)은 동일하다. 예컨대, 직렬스트링부(410)에 10V의 전압이 인가된다면, 각 분배저항군(4-R_G1, 4-R_G2, 4-R_G3, 4-R_G4)에는 2.5V가 인가되고 분배저항군 스트링부(420)의 각 분배저항군 사이의 노드전압은 각각 2.5V, 5.0V, 7.5V가 될 것이다.

만약, 직렬스트링부(410)의 전압균등화가 완벽할 경우 각 전기에너지 저장 셀(4-C₁, 4-C₂, 4-C₃, 4-C₄)의 충전전압은 모두 2.5V이고, 따라서 직렬스트링부(410)의 노드(4-CN₁, 4-CN₂, 4-CN₃)에서의 전압은 각각 2.5V, 5.0V, 7.5V이다.

도 3을 참조하여 전술한 종래의 기술에 따른 전압균등화 회로의 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 전압균등화 회로는 도 4에서와 같이 분배저항군(4-R_G1, 4-R_G2, 4-R_G3, 4-R_G4)을 구성하는 분배저항(4-R₁ _-1, 4-R₂ _-1, 4-R₃ _-1, 4-R₄ _-1)과 분배저항(4-R₁ _-2, 4-R₂ _-2, 4-R₃ _-2, 4-R₄ _-2)의 비를 조절하여 제어기준 전압을 생성한다.

예를 들어, 제1 분배저항(4-R₁ _-1, 4-R₂ _-1, 4-R₃ _-1, 4-R₄ _-1)의 저항값이 99 Ohm이고 제2 분배저항(4-R₁ _-2, 4-R_2-2, 4-R₃ _-2, 4-R₄ _-2)의 저항값이 1 Ohm이면, 제1 분배저항(4-R₁ _-1, 4-R₂ _-1, 4-R₃ _-1, 4-R₄ _-1)의 양단에는 각각의 분배저항군(4-R_G1, 4-R_G2, 4-R_G3, 4-R_G4) 양단에 인가되는 전압의 99%인 2.475V가 인가된다. 그리고 분배저항군 스트링부(420)의 노드(4-RN₁ _-1, 4-RN₂ _-1, 4-RN₃ _-1, 4-RN₄ _-1)에는 각각 2.475V, 4.975V, 7.475V, 7.525V가 인가된다. 즉 전기에너지 저장 셀의 평균전압보다 1%(25mV) 만큼 작은 전압이 인가된다.

4번째 분배저항군(4-R_G4)에서 분배저항(4-RN₄ _-1, 4-RN₄ _-2)의 순서가 바뀐 것은 4번째 전기에너지 저장 셀(4-C₄)의 전압을 비교하기 위한 것으로 4번째 전압비교기(4-COM₄)의 입력단의 순서도 바뀌게 된다. 본 발명에서는 분배저항군 스트링부(420)의 노드(4-RN₁ _-1, 4-RN₂ _-1, 4-RN₃ _-1, 4-RN₄ _-1)의 전압이 제어 기준전압으로 사용된다.

전압비교기(4-COM₁, 4-COM₂, 4-COM₃, 4-COM₄)는 직렬스트링부(410)의 노드(4-CN₁, 4-CN₂, 4-CN₃, 4-CN₃)전압과 분배저항군 스트링부(420)의 노드(4-RN₁ _-1, 4-RN₂ _-1, 4-RN₃ _-1, 4-RN₄ _-1)전압을 각각 비교하고, 다수의 스위치(4-S₁, 4-S₂, 4-S₃, 4-S₄) 중에서 직렬스트링부(410)의 노드전압이 분배저항군 스트링부(420)의 노드전압 보다 큰 노드에 해당되는 스위치가 온(On)되도록 동작을 제어하여 방전저항과 연결된 회로가 통전되도록 한다.

따라서 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압의 0.99배보다 크면 해당 방전저항을 통해 해당 전기에너지 저장 셀이 방전되도록 해당 스위치가 온(On)된다.

만약 전기에너지 저장 셀 자체의 누설전류 등에 의해 특정 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압의 0.99배보다 작으면 해당 전기에너지 저장 셀의 방전저항을 통한 방전이 차단되므로 해당 셀은 충전되기 시작한다.

이러한 전압균등화 동작에 의해 직렬스트링부(410)의 전압균등화가 이루어지면 직렬스트링부(410)를 구성하는 모든 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압의 0.99배 보다 크게 되므로, 이때 직렬스트링부(410)의 모든 전기에너지 저장 셀은 각 저장 셀과 병렬로 연결된 방전저항을 통해 방전된다.

따라서 방전 전류값을 일정하게 유지시켜 전압균등화를 보다 더 원활하게 유지시키려면 모든 방전저항에 저항값이 동일한 저항을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 동작에 의해 설령 전압균등화 회로의 전압 정밀도가 30mV이더라도 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압보다 55mV[=25mV(1%)+30mV]이하로 강하하는 것을 방지할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 전압균등화 회로가 전술한 종래의 도 3과 같은 방법에 비해 저전압 방지효과가 현저함을 나타낸다.

도 3을 참조하여 전술한 종래의 전압 균등화 방법은 과전압을 방지하기 위해 전압이 높은 전기에너지 저장 셀을 방전시키고 전압균등화가 이루어지면 모든 전기에너지 저장 셀의 방전을 차단시키는 것을 특징으로 하는 반면, 도 4를 참조하여 설명한 본 발명에 따른 전압균등화 방법은 저전압을 방지하기 위해 평균전압 보다 약간 낮은 제어 기준전압을 설정하여 전압균등화가 이루어진 상태에서는 모든 전기에너지 저장 셀을 방전시키고, 전압균등화가 이루어지지 않은 상태에서는 해당 전기에너지 저장 셀의 방전을 차단시키는 것을 특징으로 한다.

종래의 방법은 전압균등화를 위해 전기에너지 저장 셀을 방전시키지만 본 발명에 따른 방법은 전압균등화를 위해 전기에너지 저장 셀의 방전을 차단시킨다.

도 4의 실시예에서는 전압균등화가 달성되었을 경우, 모든 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)을 통해 전류가 흐르게 되지만, 다른 실시예로서 논리회로 같은 간단한 제어회로를 사용하여 모든 방전저항(4-R_D1, 4-R_D2, 4-R_D3, 4-R_D4)에 흐르는 전류를 차단할 수도 있다. 이를 통하여 전압균등화가 달성되었을 경우 유지단계에서 불필요한 전류소모를 방지할 수 있다.

또한, 도 4의 전압비교기(4-COM₁, 4-COM₂, 4-COM₃, 4-COM₄)에 히스테리시스 회로를 사용함으로써 특정 전기에너지 저장 셀이 제어 기준전압을 벗어나면 전압균등화 동작이 개시되지만, 제어 기준전압이 아닌 평균전압으로 복귀한 후 전압균등화를 위한 동작을 종료하도록 함으로써 보다 효과적으로 전압균등화 동작을 달성할 수 있다.

본 발명에 따른 도 4와 같은 구성은 구성요소가 간단하고 따라서 전압균등화회로의 전압 정밀도를 향상시키는 것이 용이하다.

한편, 전기에너지 저장 셀의 전압과 제어 기준전압을 비교하는 방법에는 도 4와 같이 직렬스트링부(410)의 노드전압과 분배저항군 스트링부(420)의 노드전압을 비교하는 방법과는 달리, 전기에너지 저장 셀의 양단전압과 제어 기준전압을 비교하는 방법이 있을 수 있다.

만약 전기에너지 저장 셀의 양단전압과 제어 기준전압을 비교하는 방법을 사용하려면, 제어 기준전압을 생성하고 차동증폭기 같은 소자를 사용하여 전기에너지 저장 셀의 양단전압을 검출하여 이를 다시 비교기를 통해 비교하는 과정을 거쳐야 하므로 그 절차가 복잡하고 비싸지며 또한 부품 수 증가에 의한 오차 누적으로 정밀도 또한 하락하게 된다. 따라서 도 4와 같이 노드전압을 비교하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 따른 전압균등화 회로는 과전압 방지에도 효과적이다. 도 3과 같은 종래 기술에 따른 전압균등화 회로는 평균전압을 기준전압으로 하여 동작하므로 전압균등화가 이루어졌음에도 불구하고 노이즈나 전압오차에 의해 지속적으로 방전저항에 직렬로 연결된 스위치가 ON/OFF되어 방전저항에 의한 누설전류를 발생시킨다.

전압균등화 정밀도를 향상시키려면 전압균등화 회로의 전압 정밀도를 향상시켜야 하는데, 이를 위한 구성을 추가하는데 비용은 상승하지만 그 효과는 그다지 크지 않다.

전압균등화 정밀도를 향상시키기 위해서는 전압균등화 회로의 전압균등화 동작 전압영역을 설정하여 전압균등화를 행하는 것이 보다 효과적이다. 따라서 평균전압보다 약간 높은 전압을 제어 기준전압으로 설정하여 전압균등화 동작을 행하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다. 도 5에 개시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로는 4개의 전기에너지 저장 셀(5-C₁, 5-C₂, 5-C₃, 5-C₄)이 직렬로 연결되어 직렬스트링(5-CS)을 형성하며, 복수개의 분배저항(5-R₁ _-1, 5-R₁ _-2, ~ 5-R₄ _-1, 5-R_4-2)에 의해 구성된 분배저항군(5-R_G1, 5-R_G2, 5-R_G3, 5-R_G4) 4개가 직렬로 연결되어 분배저항군 스트링(5-DRGS)을 형성한다.

상기 직렬스트링(5-CS)과 분배저항군 스트링(5-DRGS)은 병렬로 연결되어 상기 전기에너지 저장 셀(5-C₁, 5-C₂, 5-C₃, 5-C₄)의 전압 균등화를 위한 제어 기준전압을 발생시킨다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로는 직렬스트링(5-CS)의 노드전압과 분배저항군 스트링(5-DRGS)의 분배저항(4-R₁ _-1, 4-R₁ _-2, ~ 4-R₄ _-1, 4-R₄ _-2) 사이의 노드전압을 비교하는 전압비교기(5-COM₁, 5-COM₂, 5-COM₃, 5-COM₄)와, 전기에너지 저장 셀(5-C₁, 5-C₂, 5-C₃, 5-C₄)을 각각 방전시키기 위한 방전저항(5-R_D1, 5-R_D2, 5-R_D3, 5-R_D4)과, 각 방전저항(5-R_D1, 5-R_D2, 5-R_D3, 5-R_D4)에 직렬로 연결되고 각 전압비교기(5-COM₁, 5-COM₂, 5-COM₃, 5-COM₄)에 의해 제어되어 전기에너지 저장 셀(5-C₁, 5-C₂, 5-C₃, 5-C₄)의 방전을 각각 제어하는 스위치(5-S₁, 5-S₂, 5-S₃, 5-S₄)를 더 포함한다.

한편, 방전저항(5-R_D1, 5-R_D2, 5-R_D3, 5-R_D4)을 생략하고 스위치(5-S₁, 5-S₂, 5-S₃, 5-S₄)의 내부저항으로 방전저항을 대치하는 것도 가능하다.

도 5의 실시예에서 제어 기준전압은 다음과 같이 생성된다.

분배저항군 스트링(5-DRGS)을 형성하는 4개의 분배저항군(5-R_G1, 5-R_G2, 5-R_G3, 5-R_G4)중에서 3개의 분배저항군(5-R_G1, 5-R_G2, 5-R_G4)은 각각 2개의 분배저항(5-R₁ _-1, 5-R₁ _-2, 5-R₂ _-1, 5-R₂ _-2, 5-R₄ _-1, 5-R₄ _-2)으로 구성되며, 이중 제1 분배저항(5-R₁ _-1, 5-R₂ _-1, 5-R₄ _-1)의 저항 값은 "r", 제2 분배저항(5-R₁ _-2, 5-R_2-2, 5-R₄ _-2)의 저항 값은 "Ro-r"이다.

3번째 분배저항군(5-R_G3)은 3개의 분배저항(5-R₃ _-1, 5-R₃ _-2, 5-R₃ _-3)으로 구성되며, 2개의 분배저항(5-R_3-1, 5-R₃ _-3)의 저항 값은 "r", 나머지 분배저항(5-R₃ _-2)의 저항 값은 “Ro-2*r"이다. 따라서 모든 분배저항군(5-R_G1, 5-R_G2, 5-R_G3, 5-R_G4)의 저항값은 Ro로 동일하다.

만약 직렬스트링(5-CS)에 10V의 전압이 인가되면 분배저항군 스트링(5-DRGS)의 분배저항군 사이의 노드전압은 각각 2.5V, 5.0V, 7.5V이다. 분배저항군 스트링(5-DRGS)에서 노드(5-RN₂ _-1, 5-RN₃ _-1, 5-RN_4-1)의 전압은 각각 2.5(1+r/Ro)V, [2.5+2.5(1+r/Ro)]V, [5.0+2.5(1+r/Ro)]V이고, 노드(5-RN₃ _-2)의 전압은 [5.0+2.5(1-r/Ro)]V 이다.

본 실시예에서는 분배저항군 스트링(5-DRGS)의 노드전압(5-RN₂ _-1, 5-RN₃ _-1, 5-RN₄ _-1, 5-RN₃ _-2)이 제어 기준전압으로 사용된다. 분배저항군 스트링(5-DRGS)의 노드 전압(5-RN₂ _-1, 5-RN₃ _-1, 5-RN₄ _-1, 5-RN₃ _-2)과 직렬스트링(5-CS)의 노드 전압(5-CN₁, 5-CN₂, 5-CN₃, 5-CN)을 각각 비교하여 각 스위치(5-S₁, 5-S₂, 5-S₃, 5-S₄)를 제어함으로써 실제적으로 특정 전기에너지 저장 셀의 전압이 평균전압보다 평균전압의 r/Ro배 만큼 증가하면 해당 방전저항을 통해 해당 전기에너지 저장 셀을 방전시킴으로써 직렬스트링(5-CS)의 전압을 균등화시킨다.

한편 도 4와 같은 실시예를 변형하면 보다 발전된 형태의 전압균등화 회로를 구현할 수 있다. 도 2와 같은 패시브 전압균등화법은 전술한 바와 같이 매우 싸고 간단하지만 전압균등화 속도가 느리고 정밀도 또한 낮으며 자가 방전량이 큰 단점을 갖는다. 그럼에도 불구하고 싸고 간단한 구조 때문에 많이 사용되고 있다.

패시브 전압균등화법은 패시브 저항에 흐르는 전류는 인가되는 전압에 비례하는 오옴의 법칙을 이용한 것으로 전기에너지 저장 셀의 누설전류와 패시브 저항을 통해 흐르는 전류의 합이 동일한 전압이 계속 유지된다. 즉 전기에너지 저장 셀들 사이의 상대적인 누설전류차이(ΔIc) 만큼 패시브 저항(Rp)을 통해 흐르는 전류가 가감되도록 전기에너지 저장 셀의 전압(ΔIc x Rp)이 변한다. 따라서 저항값이 작은 패시브 저항을 사용할수록 누설전류 편차에 의한 전압변화가 작아지므로 전압균등화 정밀도는 증가하지만 누설전류가 증가하는 단점도 커진다. 패시브 저항에 다이오드 같은 소자를 직렬로 연결하면 패시브 전압균등화법의 단점중의 하나인 누설전류를 감소시킬 수 있다.

도 6은 실리콘 다이오드가 직렬로 연결된 패시브 저항의 전압에 대한 전류 그래프이다. 패시브 저항에 다이오드를 직렬로 연결하면 패시브 저항에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있다. 그러나 기울기는 동일하므로 전기에너지 저장 셀의 누설전류 편차에 의한 전압편차는 동일하다.

패시브 저항에 다이오드를 직렬로 연결하는 전압균등화 방법은 전기에너지 저장 셀의 전압이 다이오드 문턱전압(예컨대, 0.6V(도 6참조))보다 낮으면 패시브 저항을 통해 전류가 흐르지 않으므로 다이오드의 문턱전압이 패시브 전압균등화 개시전압이 된다.

따라서 도 7에 도시된 바와 같이, 패시브 전압균등화 개시전압이 높을수록 전압균등화 정밀도를 유지하면서 패시브 저항을 통해 흐르는 누설전류를 감소시키거나 더 작은 패시브 저항을 사용하여 전압균등화 정밀도를 향상시킬 수 있다.

그러나 전기에너지 저장 셀의 전압은 충전상태에 따라 변하고 패시브 전압균등화 개시전압을 증가시키면 패시브 전압균등화 개시전압이 전기에너지 저장 셀의 전압보다 큰 경우도 발생하기 때문에 패시브 전압균등화 개시전압을 증가시키는 것에는 많은 제약이 따른다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다.

도 8에 개시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로는 4개의 전기에너지 저장 셀(8-C₁, 8-C₂, 8-C₃, 8-C₄)이 직렬로 연결되어 형성된 직렬스트링(8-CS)과, 각 2개의 분배저항(8-R₁ _-1, 8-R_1-2, ~ 8-R₄ _-1, 8-R₄ _-2)에 의해 구성된 분배저항군(8-R_G1, 8-R_G2, 8-R_G3, 8-R_G4) 4개가 직렬로 연결되어 형성된 분배저항군 스트링(8-DRGS)을 포함한다.

상기 직렬스트링(8-CS)과 분배저항군 스트링(8-DRGS)은 병렬로 연결되어 상기 전기에너지 저장 셀(8-C₁, 8-C₂, 8-C₃, 8-C₄)의 전압 균등화를 위한 제어 기준전압을 발생시킨다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압균등화 회로는 분배저항군 스트링(8-DRGS)의 분배저항(4-R₁ _-1, 4-R₁ _-2, ~ 4-R₄ _-1, 4-R₄ _-2) 사이의 노드전압을 출력하는 4개의 전압균등화 제어 기준전압 출력기(8-VO₁, 8-VO₂, 8-VO₃, 8-VO₄)와, 각 2개의 방전저항(8-R_D1 _-1, 8-R_D1 _-2, ~ 8-R_D4 _-1, 8-R_D4 _-2)이 직렬로 연결되고 각 전기에너지 저장 셀(8-C₁, 8-C₂, 8-C₃, 8-C₄)에 각각 병렬로 연결된 4개의 방전저항군(8-R_DG1, 8-R_DG2, 8-R_DG3, 8-R_DG4)을 더 포함하며, 각 제어 기준전압 출력기(8-VO₁, 8-VO₂, 8-VO₃, 8-VO₄)의 출력단은 각 방전저항군(8-R_DG1, 8-R_DG2, 8-R_DG3, 8-R_DG4)의 방전저항 사이에 연결된다.

분배저항군(8-R_G1, 8-R_G2, 8-R_G3, 8-R_G4)을 구성하는 제1 분배저항(8-R₁ _-1, 8-R₂ _-1, 8-R₃ _-1, 8-R₄ _-1)의 저항 값은 “Ro”, 제2 분배저항(8-R₁ _-2, 8-R₂ _-2, 8-R₃ _-2, 8-R₄ _-2)의 저항 값은 “r”이다. 따라서 모든 분배저항군(8-R_G1, 8-R_G2, 8-R_G3, 8-R_G4)의 저항 값은 “Ro+r”로 동일하며, 모든 분배저항군(8-R_G1, 8-R_G2, 8-R_G3, 8-R_G4) 양단에는 동일한 전압이 인가된다.

본 실시예에서 제어 기준전압 출력기(8-VO₁, 8-VO₂, 8-VO₃, 8-VO₄)는 오피앰프(Op Amp)를 사용한 전압 팔로워(Voltage Follower)로서 입력전압 및 출력전압은 각 분배저항군(8-R_G1, 8-R_G2, 8-R_G3, 8-R_G4)의 분배저항 사이의 노드전압이다.

따라서 직렬스트링(8-CS)의 전압균등화가 이루어졌을 때 각 방전저항군(8-R_DG1, 8-R_DG2, 8-R_DG3, 8-R_DG4)의 방전저항(8-R_D1 _-2, 8-R_D2 _-2,8-R_D3 _-2, 8-R_D4 _-2)사이의 노드에는 평균전압(각 전기에너지 저장 셀 양단에 걸리는 전압)의 “r/(Ro+r)"배의 전압이 인가된다. 도 7의 패시브 전압균등화 개시전압이 직렬스트링(8-CS)의 충전전압에 따라 변하게 되며, 도 8의 각 제어기준전압출력기(8-VO₁, 8-VO₂, 8-VO₃, 8-VO₄)의 출력전압이 도 7의 패시브 전압균등화 개시전압이 되기 때문에 패시브 전압균등화 개시전압은 직렬스트링(8-CS)의 평균전압보다 평균전압의 “r/(Ro+r)"배만큼 작게 유지된다. 본 발명에 따른 도 8과 같은 실시예는 작은 저항값을 갖는 패시브 저항을 사용하여 전압균등화 정밀도를 향상시키면서 패시브 저항에 의한 자가방전을 감소시킬 수 있다. 만약 특정 전기에너지 저장 셀의 전압이 패시브 전압균등화 개시전압보다 작아지면 해당 셀의 전기에너지 저장 셀의 전압은 제어기준전압출력기의 출력전압보다 낮아지게 되므로 제어기준전압출력기에 의해 충전이 시작되어 보다 신속하게 패시브 전압균등화 개시전압으로 다시 진입하게 되며 패시브 전압균등화에 의해 전압균등화가 이루어진다.

만약 직렬스트링(8-CS)의 평균전압이 2.5V이고 방전저항이 50 Ohm, 패시브 전압균등화 개시전압이 평균전압의 99%인 2.475V로 설계된 경우와 50 Ohm의 저항을 패시브 저항으로 사용한 기존의 패시브 전압균등화법과 비교하면 전압균등화 정밀도는 동일하지만 자가방전량을 99% 감소시킬 수 있다. 만약 방전저항이 0.5 Ohm이면 을 기존의 패시브 전압균등화법과 자가방전량은 같지만 전압균등화 정밀도는 100배 향상된다.

도 8에서는 전압균등화 개시전압생성기 역할을 하는 전압균등화 제어 기준전압 출력기로 오피앰프를 사용하였지만 출력전압 가변형 전압레퍼런스(Voltage Reference)에 CPU, 또는 전압분배기 등을 사용함으로써 출력전압을 가변시켜 사용할 수도 있다. 또한 직렬스트링의 전압이 일정한 경우 전압균등화 제어 기준전압 출력기의 출력전압을 고정시킬 수도 있다.

전술한 실시예들에 일정전압 이하에서 전압균등화 동작을 정지시키는 기능을 추가할 수 있다. 예를 들어 비교기나 오피앰프의 전원단에 스위치를 연결하여 일정전압 이하에서 스위치를 차단시킴으로써 전압균등화 동작을 정지시킬 수 있다. 이러한 기능은 이차전지와 같이 과방전을 방지해야하는 경우에 효과적이다.

전술한 설명에서는 분배저항군의 분배저항비로 전압균등화 제어기준전압을 생성하였지만 분배저항 스트링의 직렬수를 조절하여 제어기준전압을 조절하는 것도 가능하다.

도 9는 본 발명에 따른 분배저항 스트링의 회로도이다. 도 9에 개시된 본 발명에 따른 실시예는 동일한 저항값을 갖는 분배저항의 직렬수가 전기에너지 저장 셀의 직렬수보다 많거나 작은 것을 특징으로 한다. 예를 들어 100개의 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결된 경우 분배저항의 직렬수가 전기에너지 저장 셀의 직렬수보다 1개가 많으면 분배저항의 양단에는 평균전압(각 전기에너지 저장 셀 양단에 걸리는 전압)보다 약 1%가 작은 전압이 인가되고 전기에너지 저장 셀의 직렬수보다 1개 작으면 분배저항 양단에는 평균전압보다 약 1%가 큰 전압이 인가된다.

이와 같은 방법으로 제어 기준전압을 손쉽게 생성할 수 있다. 이와 같은 방법을 약간 개량하여 분배저항의 직렬수를 전기에너지 저장 셀의 직렬수와 일치시키되, 최소한 1개의 저항이 나머지와 다른 저항 값을 갖도록 함으로써 분배저항 양단에 인가되는 전압을 조절하여 제어 기준전압을 손쉽게 생성할 수 있다.

전술한 바와 같이 분배저항군 스트링의 노드 전압과 직렬스트링의 노드 전압을 비교하거나 분배저항군 스트링의 노드전압을 입력전압으로 사용하는 경우, 분배저항군에 정밀도가 높은 저항을 사용하더라도 저항의 오차누적에 의해 분배저항군 스트링의 노드 전압이 부정확해질 수 있다. 예를 들어 100개의 분배저항군이 직렬로 연결되는 분배저항군 직렬스트링에 정밀도가 0.1%인 저항을 사용하는 경우 분배저항 양단에 인가되는 전압은 0.1%의 정밀도가 유지되지만 분배저항군의 노드 전압은 오차가 누적될 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 정밀도를 향상시킨 전압균등화 회로를 설명하기 위한 회로도이다. 도 10에 개시된 본 발명에 따른 실시예는 분배저항 스트링(10-DGRS)의 노드에 분배저항군(10-R_G1, 10-R_G2, ~ 10-R_Gn _-1, 10-R_Gn)에 사용된 저항보다 정밀도가 높은 보조저항(10-R_GS1, 10-R_GS2, ...)을 병렬로 연결한 것이다.

이때 보조저항(10-R_GS1, 10-R_GS2, ...)은 보조저항(10-R_GS1, 10-R_GS2, ...)이 병렬 연결된 분배저항(10-R_G1, 10-R_G2, ~ 10-R_Gn _-1, 10-R_Gn)의 노드 사이의 저항의 합산 저항 값보다 저항 값이 작은 것을 선정하는 것이 바람직하다.

예를 들어 등가저항이 10 kOhm인 분배저항 100개가 직렬로 연결된 분배저항스트링에 정밀도가 0.1%인 저항을 사용하고 매 10직렬마다 저항이 1 kOhm이고 정밀도가 0.01%인 보조저항을 병렬로 연결하면 각 노드의 전압정밀도를 0.01%로 유지할 수 있어 고가의 정밀저항의 숫자를 절감시킬 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 실시예들은 제어기준전압이 분배저항의 저항비에 의해 평균전압의 백분율로 생성되지만 제어기준전압이 평균전압과 일정한 값의 차이를 유지하도록 하는 것도 가능하다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분배저항 스트링 회로도이다. 도 11에 개시된 본 발명에 따른 실시예서는 실리콘 다이오드(11-D₁)에 저항 값이 동일한 10개의 분배저항(11-R₁, 11-R₂, ~, 11-R₁₀)이 직렬로 연결된다. 만약 분배저항 스트링(11-RDS)에 25V의 전압이 인가되면 실리콘 다이오드(11-D₁)에 인가되는 0.6V를 제외한 24.4V가 10개의 분배저항(11-R₁, 11-R₂, ~, 11-R₁₀)에 인가되어 각 분배저항(11-R₁, 11-R₂, ~, 11-R₁₀)의 양단에는 2.44V의 전압이 인가된다. 따라서 각 분배저항(11-R₁, 11-R₂, ~, 11-R₁₀)의 양단에는 항상 평균전압보다 0.06V 작은 전압이 인가된다.

이와 같은 방법으로 제어 기준전압이 평균전압과 일정한 전압차를 갖도록 분배저항 스트링을 구성할 수 있다. 도 11의 실시예에서는 분배저항스트링(11-RDS)에 다이오드를 사용하였지만 전압레퍼런스(Voltage Reference)와 같은 소자들도 사용될 수 있다. 전압레퍼런스는 출력전압을 손쉽게 조절할 수 있고 출력전압이 온도에 관계없이 일정하여 보다 효과적으로 전압균등화 제어기준전압을 조절할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명은 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결된 전기에너지 저장장치에서 전기에너지 저장 셀 사이의 전압균등화 방법을 제공하는 것으로, 전기에너지 저장 셀로 전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)와 같은 울트라캐패시터(Ultracapacitor) 뿐만 아니라 납축전지(Lead Acid Battery), 니켈수소전지(NiMH Battery), 니켈카드뮴전지(NiCd Battery), 리튬이온전지(Lithium Ion Battery), 알루미늄 전해캐패시터(Aluminum Electrolytic Capacitor) 등이 사용될 수 있다.

이상, 본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 자명하다. 따라서 본 발명의 보호 범위는, 전술한 실시예에 국한되서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의한 범위 및 그와 균등한 범위를 포함하여 정하여져야 할 것이다.

Claims

다수의 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링; 및
복수개의 분배저항으로 구성된 다수의 분배저항군이 직렬로 연결된 분배저항군 스트링을 포함하되,
상기 직렬스트링과 상기 분배저항군 스트링은 병렬로 연결되어 상기 다수의 전기에너지 저장 셀의 전압 균등화를 위한 제어 기준전압을 생성하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화 회로.
제1 항에 있어서,
상기 직렬스트링의 노드전압과 상기 분배저항 사이의 노드전압을 비교하는 다수의 비교기; 및
상기 비교기에 의해 제어되고 상기 전기에너지 저장 셀의 방전을 제어하는 다수의 스위치;를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화 회로.
제2 항에 있어서, 상기 비교기는,
상기 직렬스트링의 노드전압 중 특정 노드전압이 상기 특정 노드전압에 대응되는 해당 분배저항 사이의 노드전압보다 낮으면, 상기 다수의 스위치 중 해당 스위치를 차단하여 해당 전기에너지 저장 셀의 방전을 차단하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화 회로.
제3 항에 있어서,
상기 직렬스트링의 모든 노드전압이 상기 해당 분배저항 사이의 노드전압보다 높으면 상기 모든 전기에너지 저장 셀의 방전을 차단하도록 상기 스위치를 제어하는 제어회로를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제2 항에 있어서,
상기 직렬스트링의 전압이 설정된 전압 이하로 하강하면 전압균등화 회로의 동작을 정지시키는 기능을 갖는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제2 항에 있어서, 상기 비교기는,
히스테리시스 회로를 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제1 항에 있어서,
상기 분배저항군 스트링의 노드에 병렬로 연결되는 보조저항을 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제7 항에 있어서,
상기 보조저항의 저항 값은 상기 보조저항이 병렬로 연결되는 상기 분배저항군 스트링의 노드 사이 저항들의 합산저항 값보다 작은 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제2 항에 있어서, 상기 비교기는,
상기 직렬스트링의 노드전압 중 특정 노드전압이 상기 특정 노드전압에 대응되는 해당 분배저항 사이의 노드전압보다 높으면, 상기 다수의 스위치 중 해당 스위치를 통전하여 해당 전기에너지 저장 셀을 방전시키는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제1 항에 있어서,
상기 분배저항 사이의 노드전압을 출력하는 제어 기준전압 출력기; 및
상기 제어 기준전압 출력기의 출력단과 상기 직렬스트링의 노드를 연결하는 저항;을 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
다수의 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링; 및
복수개의 분배저항이 직렬로 연결된 분배저항 스트링과 상기 분배저항 스트링에 직렬로 연결된 전압강하소자로 구성된 제어 기준전압 생성기를 포함하되,
상기 직렬스트링과 상기 제어 기준전압 생성기는 병렬로 연결되어, 상기 다수의 전기에너지 저장 셀의 전압 균등화를 위한 제어 기준전압을 생성하고, 상기 제어 기준전압은 상기 전압강하소자에 의해 조절되는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제11 항에 있어서, 상기 전압강하소자는,
다이오드인 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제11 항에 있어서, 상기 전압강하소자는,
전압레퍼런스인 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
다수의 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링; 및
복수개의 분배저항이 직렬로 연결된 분배저항 스트링을 포함하되,
상기 직렬스트링과 상기 분배저항 스트링은 병렬로 연결되어, 상기 다수의 전기에너지 저장 셀의 전압 균등화를 위한 제어 기준전압을 생성하고,
상기 제어 기준전압은 상기 분배저항 스트링의 직렬수 또는 상기 분배저항 스트링을 구성하는 다수의 분배저항 중 적어도 1개의 분배저항의 저항 값에 기초하여 변경되는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
다수의 전기에너지 저장 셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링; 및
복수개의 분배저항이 직렬로 연결된 분배저항 스트링이 병렬로 연결되어,
상기 직렬스트링의 전압에 의해 조절되는 전압균등화 개시전압을 생성하는 다수의 전압균등화 개시전압 발생기를 포함하되,
상기 각 전압균등화 개시전압 발생기와 상기 직렬스트링의 노드를 연결하는 저항을 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제15 항에 있어서, 상기 전압균등화 개시전압발생기는,
오피앰프를 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.
제15 항에 있어서, 상기 전압균등화 개시전압발생기는,
전압레퍼런스를 포함하는 것
을 특징으로 하는 전압균등화회로.