KR20150090436A - 전압 균등화 회로 - Google Patents

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Abstract

전압 균등화 회로가 개시된다. 이 회로는 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링과, 전압 균등화 기준전압을 생성시키는 기준전압 생성기와, 상기 기준전압이 입력되어 전압 균등화 목표전압을 생성하는 목표전압 생성기 및 상기 목표전압이 입력되고 상기 직렬스트링의 전기에너지 저장셀에 연결되어 전기에너지 저장셀의 전압을 균등화시키는 전압제어기를 포함한다. 여기서, 상기 목표전압 생성기는 상기 직렬스트링의 대상 전기에너지 저장셀의 음극단자 전압에 상기 기준전압을 가산하거나 대상 전기에너지 저장셀의 양극단자 전압으로부터 상기 기준전압을 감산하여 상기 목표전압을 생성한다.

Description

전압 균등화 회로{VOLTAGE EQUALIZATION CIRCUIT}
본 발명은 전기에너지 저장장치의 전압 균등화 회로에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결되어 구성된 전기에너지 저장장치에서 전기에너지 저장셀 사이의 전압 균등화를 수행하는 전압 균등화 회로에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(Secondary Battery)나 캐패시터(Capacitor) 같은 전기에너지 저장셀(Electric Energy Storage Cell)은 정격전압(Rated Voltage)이 수 볼트에 불과하지만 대부분의 응용분야에서는 수십 내지 수백 볼트의 전압이 요구된다. 이러한 이유에서, 최근의 전기에너지 저장장치(Electric Energy Storage Device)는 수백 개의 전기에너지 저장셀을 직렬로 연결된 구조로 제조되고 있다.
전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장셀이 정상적으로 동작하기 위해서는 허용된 동작전압영역 내에서 충전과 방전이 이루어져야 한다. 허용된 동작전압영역을 벗어난 영역에서 전기에너지 저장셀이 동작하는 경우, 예컨대, 저전압(Under-Voltage) 또는 과전압(Over-Voltage) 상태에서 동작하는 경우에는 전기에너지 저장셀의 수명이 급격하게 단축되거나 폭발이나 화재 같은 사고 발생 위험이 있다.
전기에너지 저장장치의 수명을 증대시키고 안전성을 제고하기 위해서는 기본적으로 전기에너지 저장셀 차원에서 전기에너지 저장셀 사이의 전압을 균등하게 유지시키는 것이 필요하다.
전기에너지 저장셀 차원에서 직렬로 연결된 전기에너지 저장셀 사이의 전압을 균등하게 유지시키기 위해서는 먼저 직렬로 연결되는 전기에너지 저장셀이 동일한 특성을 지녀야 한다. 즉 제조회사, 모델, 용량, 누설전류 등이 동일해야 하며, 심지어는 동일한 제조일자 및 동일한 로트 번호(lot number)까지도 요구된다. 이러한 조건에서 동일한 특성을 갖는 전기에너지 저장셀들은 직렬 연결된 상태에서 동작 중에 동일한 특성을 유지하고 동일한 충전상태를 유지해야 한다.
그러나 전기에너지 저장셀은 제조상의 용량편차와 같은 어느 정도의 특성 편차는 불가피하다. 이러한 특성편차 외에도 환경적인 요인 예컨대, 온도편차와 같은 요인 등에 따라 특성이 변할 수 있다. 이와 같이, 직렬 연결된 다수의 전기에너지 저장셀들로 이루어진 전기에너지 저장장치는 전기에너지 저장셀의 위치에 따라 온도편차 또는 전기에너지 저장셀 사이의 에이징(aging) 편차가 존재할 수 있으므로 초기에는 특성편차가 작더라도 전기에너지 저장장치의 사용시간이 증가함에 따라 특성편차가 증가한다. 이러한 이유로, 전기에너지 저장셀 자체만으로 전기에너지 저장셀 사이의 전압 균등화를 지속적으로 유지하는 것은 매우 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 전기에너지 저장셀 사이의 전압 균등화를 위한 다양한 장치들이 개발된 바 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 전압분배기와 오피앰프를 사용한 전압 균등화 장치의 회로도로서, 미국등록특허 5,773,159에 개시된 회로도이다.
도 1을 참조하면, 이 미국등록특허 5,773,159에 개시된 전압 균등화 장치의 전압 균등화 방법은 오피앰프(OA1, ...OAn -1)를 전압팔로워로 사용할 때 입력전압과 출력전압이 같다는 점을 이용한 것이다. 즉, 저항값이 동일한 저항들(R1, R2, ..., RN)을 전기에너지 저장셀의 직렬 수만큼 직렬로 연결하여 전압분배기를 구성할 때 각 저항 양단에 인가되는 전압은 평균전압이고 저항을 연결하는 노드(Y1,..., Yn -1)의 전압은 평균전압의 정수배가 된다. 전압 균등화의 목표는 각 전기에너지 저장셀의 전압이 평균값이므로 전압분배기의 노드전압을 오피앰프에 입력시키고 오피앰프 출력을 동일한 순번의 전기에너지 저장셀 노드에 연결하여 전압을 균등화시키는 방법이다. 그러나 이러한 방법은 직렬수가 작을 경우에는 비교적 원활하게 동작하지만 직렬수가 증가하면 원활한 동작이 어렵다. 예를 들어 6개의 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결되고 양단에 12V가 인가된 경우 6개의 저항으로 저항분배기를 구성하면 1번 노드전압은 2V, 2번 노드전압은 4V, 3번 노드전압은 6V, 4번 노드전압은 8V, 5번 노드전압은 10V이다. 만약 1번 전기에너지 저장셀의 전압이 2.5V이고 6번 전기에너지 저장셀의 전압이 1.5V이고 나머지 전기에너지 저장셀은 평균전압인 2V인 경우, 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결된 스트링의 1번 노드전압은 2.5V, 2번 노드전압은 4.5V, 3번 노드전압은 6.5V, 4번 노드전압은 8.5V, 5번 노드전압은 10.5V이다. 1번 오피앰프의 입력은 전압분배기 1번 노드 전압인 2V이므로 1번 오피앰프 출력은 2V이며 1번 오피앰프 출력이 전압이 2.5V인 전기에너지 저장셀 1번 노드에 연결되므로 1번 전기에너지 저장셀은 1번 오피앰프를 통해 방전된다. 한편 2번 오피앰프의 경우 대응되는 입력전압은 2번 노드전압 4V이며 따라서 2번 오피앰프의 출력전압은 4V이고 출력은 노드전압이 4.5V인 전기에너지 저장셀의 2번 노드에 연결된다. 따라서 2번 전기에너지 저장셀도 2번 오피앰프를 통해 방전된다. 그러나 2번 전기에너지 저장셀의 전압은 평균전압이므로 2번 전기에너지 저장셀은 정상적으로 전압 균등화가 이루어진 셀이지만 과전압으로 오인하여 전기에너지 저장셀을 방전시키는 문제가 발생된다. 이러한 점은 3번, 4번, 5번 전기에너지 저장셀에서도 발생하게 된다. 이러한 점이 노드전압을 비교하는 방법이 갖는 문제점이다. 즉, 노드전압 만으로는 충전전압을 명확하게 알 수 없으므로 정확한 동작을 기대하기 어렵다. 직렬수가 증가할수록 정확한 동작이 어렵다.
도 2는 종래의 기술에 따른 다른 형태의 전압 균등화 장치의 회로도로서, 미국등록특허 7,342,768에 개시된 회로도이다.
도 2를 참조하면, 미국등록특허 7,342,768에 개시된 전압 균등화 장치의 전압 균등화 방법은 도 1과 같이 저항을 이용한 전압분배기와 오피앰프의 전압팔로워 기능을 이용한 것이지만 2직렬씩 중첩시켜 다중 전압 균등화 모듈로 구성한 것이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 미국등록특허 7,342,768에 개시된 전압 균등화 장치는 다중 전압 균등화 모듈(204a ~ 204e)에 결합된 다수의 커패시터(202)로 구성된다. 커패시터(202)는 커넥션(205a, 205b)를 통하여 전원 그리고/또는 부하에 연결될 수 있다. 다중 전압 균등화 모듈(204a ~ 204e)은 서로 협력 관계를 형성하도록 도 2에 나타난 바와 같이 2직렬씩 중첩 토폴로지의 배치구조로 설계된다. 이러한 미국등록특허 7,342,768에 개시된 종래의 전압 균등화 장치는 2직렬을 사용함에 따라 도 1과 같은 전기에너지 저장셀의 상태를 오인하는 문제점은 없다. 그러나, 전압 균등화가 인접셀을 통해 순차적으로 전파되어야 하므로 직렬수가 많은 경우 전압 균등화 속도가 느리고 전압 균등화 정밀도 측면에서도 단점을 지닌다. 예를 들어 10개의 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결된 직렬스트링에 40V가 인가된 경우 1번 전기에너지 저장셀의 전압이 4.9V이고 나머지 9개 전기에너지 저장셀의 전압이 3.9V인 경우 평균전압은 4.0V이지만 전압이 4.9V인 전기에너지 저장셀이 위치한 유닛을 제외한 다른 유닛에서는 2개의 전기에너지 저장셀의 전압이 동일하므로 전압 균등화 동작이 없다. 전압이 4.9V인 전기에너지 저장셀의 에너지가 인접셀로 전파되어 비로소 각 모듈의 전기에너지 저장셀 사이의 전압차가 발생된 이후에 전압 균등화가 시작된다. 따라서 전압 균등화 속도 또한 느리다.
이와 같이, 전압분배기와 오피앰프를 사용하는 종래의 전압 균등화 방법은 구조적인 단순함에 따라 많은 변형된 형태가 개발되고 있지만 위에서 언급한 문제점들은 여전하다.
전술한 문제점을 해결하기 위한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전압 균등화 회로의 전압 균등화 정밀도와 속도를 향상시키고 또한 단순하고 저렴한 전압 균등화 회로를 제공하는 것이다.
이차전지나 캐패시터 같은 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결되어 있는 직렬스트링으로 구성된 전기에너지 저장장치에서 전술한 과제를 해결하기 위하여,
본 발명에 따른 전기에너지 저장장치의 전압 균등화 회로는, 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링; 전압 균등화 기준전압을 생성시키는 기준전압 생성기 상기 기준전압이 입력되어 전압 균등화 목표전압을 생성하는 목표전압 생성기; 및 상기 목표전압이 입력되고 상기 직렬스트링의 전기에너지 저장셀에 연결되어 전기에너지 저장셀의 전압을 균등화시키는 전압제어기를 포함하며, 상기 목표전압 생성기는, 상기 직렬스트링의 대상 전기에너지 저장셀의 음극단자 전압에 상기 기준전압을 가산하거나 대상 전기에너지 저장셀의 양극단자 전압으로부터 상기 기준전압을 감산하여 상기 목표전압을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전압 균등화 회로는, 단순한 구조로 신속한 전압 균등화와 우수한 전압 균등화 정밀도를 저렴하게 구성할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 전압 균등화 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 다른 전압 균등화 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 균등화 회로의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로의 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 균등화 회로의 회로도로서, 도 3에서는, 이차전지나 울트라 캐패시터와 같은 4개의 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)이 직렬로 연결된 회로도가 예시된다. 이는 설명의 이해를 돕기 위해, 회로 구성을 간략화한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 균등화 회로에 포함되는 아래의 목표 전압 생성기 및 전압 제어기는 각각 3개로 구성된 것으로 가정한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 균등화 회로는 전압 균등화 목표전압을 생성하는 3개의 제1 내지 제3 전압 균등화 목표전압 생성기(OP1V, OP2V, OP3V), 상기 전압 균등화 목표전압의 입력에 따라 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)의 전압 균등화를 수행하는 3개의 제1 내지 제3 전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)를 포함한다.
각 전압 균등화 목표전압 생성기(OP1V, OP2V, OP3V)의 양(+)의 입력단으로 입력되는 기준전압(Vref)은 각 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)의 전압 균등화 동작을 위한 전압이다. 상기 기준전압(Vref)은 직렬로 연결된 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)의 평균전압일 수 있다. 경우에 따라 평균전압을 가공한 전압일수도 있다. 여기서, 상기 기준전압(Vref)이 평균전압인 경우, 상기 기준전압(Vref)은 저항값이 동일한 저항을 직렬로 연결한 전압분배기나 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결된 전체 전압을 직렬수로 나누는 차동 증폭기와 같은 수단을 이용하여 생성할 수 있다. 본 실시 예에서는, 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)의 평균전압을 기준전압으로 가정한다.
각 전압 균등화 목표전압 생성기(OP1V, OP2V, OP3V)는 게인(gain)이 1인 오피 앰프를 사용한 더하기 회로(Summing Amplifier)를 사용하여 구현될 수 있다. 전압 균등화 목표전압은 전압 균등화 대상인 각 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)의 음극전압(VC1, VC2, VC3)에 기준전압(Vref)을 더한 값으로 생성된다. 예컨대, 제1 전압 균등화 목표전압 생성기(OP1V)는 전기에너지 저장셀(C1)의 음극 전압(VC1)과 기준전압(Vref) 더한 목표전압(VC1+Vref)을 생성하고, 제2 전압 균등화 목표전압 생성기(OP2V)는 전기에너지 저장셀(C2)의 음극 전압(VC2)과 기준전압(Vref) 더한 목표전압(VC2+Vref)을 생성한다. 마찬가지로, 제3 전압 균등화 목표전압 생성기(OP3V)는 목표전압(VC3+Vref)을 생성한다. 물론 전압 균등화 대상인 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)의 양극전압으로부터 기준전압을 뺀 값으로 전압 균등화 목표전압이 생성될 수도 있다. 이 경우에는 차동 증폭 회로가 사용된다.
상기와 같이 전압 균등화 목표전압을 생성하면, 전기에너지 저장셀(C1, C2, C3, C4)의 충전전압이 아닌 전기에너지 저장셀의 직렬스트링의 노드전압에 대해 전압 균등화를 수행할 수 있기 때문에, 전압제어를 위해 오피앰프와 같은 간단한 전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)를 사용할 수 있다.
전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)는 오피앰프의 전압팔로워(Voltage Follower)로서 기능하며, 각 전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)의 출력단을 음(-)의 입력단으로 피드백시키는 피드백 저항(Rf), 각 전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)의 출력에 연결된 로드저항(RL)은 필요에 따라 생략할 수도 있다. 도 3에서 각 전압제어기(OP1P, OP2P, OP3P)의 피드백 구성은 전기에너지 저장셀 직렬스트링의 각 노드가 전압제어기(OP1P, OP2P, OP3P)의 음(-)의 입력단에 연결된 형태이지만, 경우에 따라 오피앰프 출력단과 로드저항(RL)사이에 형성되는 노드가 전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)의 음(-)의 입력단에 연결된 형태일 수도 있다.
도 1과 같은 종래의 기술에 따른 전압 균등화 방법의 경우, 전압 균등화 목표전압인 전압분배기의 노드 전압과 대상 전기에너지 저장셀의 충전상태뿐만 아니라 노드전압보다 낮은 쪽의 모든 전기에너지 저장셀의 충전상태가 축적된 전기에너지 저장셀 직렬스트링 노드전압을 통해 대상 전기에너지 저장셀의 충전상태를 비교하여 동작하기 때문에 대상 전기에너지 저장셀의 충전상태를 정확하게 파악하기 어렵다.
이에 반해, 본 발명에서는 대상 전기에너지 저장셀의 음극(또는 양극 전압)에 기준전압을 가산(양극전압의 경우에는 감산)하여 전압 균등화 목표전압을 생성함으로써 전압 균등화 목표전압에서 대상 전기에너지 저장셀의 충전상태 이외의 다른 전기에너지 저장셀의 충전상태 영향을 배제시킬 수 있다. 이렇게 함으로써, 대상 전기에너지 저장셀의 충전상태를 정확하게 측정하여 충전상태에 따라 충전 또는 방전을 통해 정확한 전압 균등화를 이룰 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 균등화 방법은 직렬로 연결된 전기에너지 저장셀 전체에서 동시다발적으로 진행되기 때문에 도 2의 종래의 기술에 따른 순차적인 진행보다 전압 균등화가 신속하게 이루어진다. 따라서 직렬수가 증가하더라도 간단한 방법으로 종래의 기술보다 정확하고 신속하게 전압 균등화 이룰 수 있다.
한편, 도 3에의 실시 예는 전기에너지 저장셀의 전압 균등화를 수행하는 전압 제어기가 오피앰프로 구현된 예를 기술한 것이다. 이 경우, 오피앰프를 사용하여 충전 및 방전을 행할 수 있는 전류는 작을 수 있기 때문에 전기에너지 저장셀의 용량이 큰 경우 전압 균등화 속도가 저하될 수 있다. 그리고 도 3과 같이 목표전압 생성기(OP1V~OP3V)와 전압 제어기(OP1P~OP3P)로 오피앰프를 사용하는 경우, 일반적인 오피앰프의 출력전압이 오피앰프 입력전원 전압보다 1~2V 정도 낮은 점을 감안하여 전압이 높은 쪽에 위치하는 오피앰프로는 출력전압을 오피앰프 입력전원 전압까지 증가시킬 수 있는 레일-투-레일(Rail to Rail) 방식의 오피앰프를 사용하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로는 도 3에 도시된 각 전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)의 출력단에 전류 증폭기(40)를 구성하여 인가할 수 있는 전류를 증가시키는 회로 구성을 갖는다. 도 4에서는 도면의 간략화를 위해, 도 3에 도시된 제3 전압 제어기(OP3P)의 출력단에 연결된 전류 증폭기(40)만이 도시된다. 이 전류 증폭기(40)는 도 4에 도시된 바와 같이, Vcc와 접지 사이에 직렬 연결된 2개의 트랜지스터(Q1, Q2)와 제3 전압 제어기(OP3P)의 출력단을 상기 2개의 트랜지스터(Q1, Q2)의 입력단(베이스 단자)에 각각 연결하는 2개의 저항(R1, R2)를 포함한다. 이 전류 증폭기(40)의 출력 노드(42)는 전기에너지 저장셀(C3)과 전기에너지 저장셀(C4)을 직렬 연결하는 직렬 스트링 노드(44)에 연결된다. 제3 전압 제어기(OP3P)의 음(-)의 입력단은 전류 증폭기(40)의 출력 노드(42 또는 44)에 연결되어 피드백 라인을 구성한다. 이와 같이, 각 전압 제어기(OP1P, OP2P, OP3P)의 출력단에 전류 증폭기(40)를 구성함으로써, 인가할 수 있는 전류를 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로의 회로도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로는 도 4의 다른 실시 예와는 다르게 전압제어기(OPnP)의 출력단에 하나의 트랜지스터(Tn)를 구성하여 전압 균등화를 수행한다. 구체적으로, 본 발명의 또 다른 실시 예는, 전압 제어기(OPnP)의 출력단이 트랜지스터(Tn) 베이스와 연결되고, 트랜지스터(Tn)의 에미터와 전기에너지 저장셀(Cn)의 양극단자가 로드저항(RL)에 의해 전기적으로 연결되고, 트랜지스터(Tn)의 에미터가 전압 제어기(OPnP)의 음(-)의 입력단에 연결되는 피드백 라인을 포함한다. 그리고 전압 균등화 목표전압 생성기(OPnV)의 입력인 기준전압(Vref)을 평균전압에서 dV 만큼 작게 설정하면 전압 균등화가 이루어진 후에도 로드저항(RL)양단에는 dV만큼의 전압 차가 발생되고 이에 상응하는 전류가 흐른다. 만약 전기에너지 저장셀의 전압이 Vref-dV 보다 작아지면 전압제어기(OPnP)를 통한 방전이 정지된다.
다시, 도 5를 참조하면, 전기에너지 저장셀(Cn)의 전압이 높을수록 로드저항(RL)양단의 전압차는 증가하고 전류가 증가한다. 마치 저항을 전기에너지 저장셀 양단에 연결한 패시브 방법과 같이 전압 균등화 동작을 하게 된다.
이렇게 전압에 따라 방전전류가 변하는 점을 이용하면 전기에너지 저장셀을 충전시키지 않고도 전압 균등화를 수행할 수 있다. 도 3과 같은 전압 균등화 회로에서 전압 균등화 동작에 의해 전기에너지 저장셀(Cn)이 충전되면 전기에너지 저장셀(Cn)만 충전되는 것이 아니라 전기에너지 저장셀(Cn)보다 전압이 낮은 쪽에 위치하는 모든 전기에너지 저장셀이 충전된다. 효과적인 전압 균등화를 위해서는 특정 전기에너지 저장셀만을 충전 또는 방전시킬 수 있어야 하지만 충전동작에서는 이러한 점이 간단하지 않다. 반면에 방전동작은 특정 전기에너지 저장셀만을 방전시키는 것이 비교적 용이하다. 도 5의 실시 예는 이러한 점을 이용하여 방전기능으로만 전압 균등화 동작을 수행함으로써 보다 정확하게 전압 균등화 동작을 수행할 수 있다.
패시브 방법의 경우, 저항이 작을수록 전압 균등화 효과가 크지만 저항이 작을수록 누설전류가 증가하지만 도 5의 경우 전기에너지 저장셀(Cn)의 전압이 평균전압보다 dV 만큼 작아지면 방전동작을 멈추게 된다. 따라서 작은 저항을 사용하더라도 누설전류가 크게 증가하지 않는다. 예를 들어 전압이 2.5V인 전기에너지 저장셀에 저항값이 50 Ohm인 저항을 병렬로 연결하면 저항을 통해 흐르는 전류는 50mA이다. 그러나 도 5에서 평균전압이 2.5V이고 dV가 0.05V인 경우 로드저항(RL)값이 50 Ohm이면 로드저항(RL)을 통해 흐르는 전류는 1mA에 불과하다. 로드저항(RL)값이 1 Ohm인 경우에 로드저항(RL)을 통해 흐르는 전류가 50mA이다. 도 5는 패시브 방법처럼 동작하지만 패시브 방법에 비해 전압 균등화 속도가 매우 빠르며 전압 균등화 정밀도 또한 높으며 저항을 통한 누설전류도 매우 작다.
도 5와 같은 방법은, 전기에너지 저장셀(Cn)에 로드저항(RL)이 병렬로 연결되고 전압제어기(OPnP)가 로드저항(RL)에 직렬로 연결된 형태이고 전압균등화 동작을 중지시키는 하한전압을 갖는 패시브 전압균등화방법이며 하한전압은 평균전압과 같은 기준전압에 의해 조절된다.
한편 도 3과 같은 전압 등화 회로는 전압이 가장 높은 쪽에 위치하는 전기에너지 저장셀에 대한 전압균등화가 어렵다. 이후 설명을 용이하게 하기 위해 도 3이 4개의 전기에너지 저장셀로 구성되고 4번 전기에너지 저장셀(C4)의 전압이 가장 높으며 4번 전기에너지 저장셀을 제외한 나머지 3개의 전기에너지 저장셀에 전압제어기(OPnP)가 연결된 경우를 설명하기로 하겠다.
도 3과 같은 경우 이론적으로는, 4번 전기에너지 저장셀을 제외한 나머지 전기에너지 저장셀이 전압균등화에 도달하며 4번 전기에너지 저장셀도 자연스럽게 전압균등화에 도달된다. 그러나 실제로는 오피앰프의 옵셋이나 저항편차 등에 의해 4번 전기에너지 저장셀을 제외한 나머지 저장셀의 전압은 계산에 따른 이론값과 약간 편차를 갖게 되며 이러한 값들이 누적될 경우 4번 전기에너지 저장셀의 전압은 목표치로부터 크게 벗어나게 된다. 4번 전기에너지 저장셀에는 전압제어기가 연결되지 않았기 때문에 이를 바로 잡기도 어렵다. 4번 전기에너지 저장셀의 양극전압은 고정된 값을 갖기 때문에 4번 전기에너지 저장셀에 전압제어기를 연결하기 위해서는 4번 전기에너지 저장셀의 양극전압에서 기준전압을 빼서 목표전압을 생성하고 전압제어기를 4번 전기에너지 저장셀의 음극에 연결할 수 있다. 그러나 이 경우 3번 전기에너지 저장셀의 전압제어기와 4번 전기에너지 저장셀의 전압제어기가 같은 지점에 연결되며 옵셋이나 저항오차 등에 의해 2개의 전압제어기의 전압이 서로 달라 정확하고 원할한 동작을 기대하기 어렵다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전압 균등화 회로를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기준전압을 조절하는 제어기의 구성을 보여주는 도면이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 제어기에 의해 조절된 기준전압을 이용한 전압 균등화 회로의 회로도이다.
도 6b의 실시예는 도 3의 실시 예에서 3번째 전기에너지 저장셀(C3)의 양극전압(V+C3)이 전체전압(V+C4)에서 평균전압((V+C4 - V-C1)/4)을 뺀 전압과 같아지도록 기준전압을 조절하는 도 6a와 같은 제어기(Controller)를 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 앞서 기술된 실시 예에서 목표 전압 생성기 및 전압 제어기에 존재하는 옵셋이나 저항오차 등에 의한 오차를 기준전압(Vref) 값을 약간 조절함으로써 상쇄시키는 것이다. 이렇게 함으로써 4번째 전기에너지 저장셀(C4)에 전압오차가 누적되는 것을 방지할 수 있다.
도 6을 통해 전압이 가장 높은 쪽에 위치한 전기에너지 저장셀에 전압제어기가 설치되지 않은 경우를 예시한 것으로 전압이 가장 낮은 곳이나 중간 부분에 전압제어기가 설치되지 않은 경우에도 동일한 방법으로 전압오차가 누적되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 방법은 4번째 전기에너지 저장셀(C4)의 음극에 전압제어기를 연결하는 경우에도 3번째 전기에너지 저장셀(C3)의 전압제어기 전압과 4번째 전기에너지 저장셀(C4)의 전압 제어기 전압 사이의 편차를 줄일 수 있어 보다 효과적이다.
전술한 바와 같은 본 발명은 전기에너지 저장셀이 직렬로 연결된 전기에너지 저장장치에서 전기에너지 저장셀 사이의 전압 균등화 방법을 제공하는 것으로, 전기에너지 저장셀로 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 (8)

  1. 전기에너지 저장장치의 전압 균등화 회로에 있어서,
    전기에너지 저장셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링;
    전압 균등화 기준전압을 생성시키는 기준전압 생성기;
    상기 기준전압이 입력되어 전압 균등화 목표전압을 생성하는 목표전압 생성기; 및
    상기 목표전압이 입력되고 상기 직렬스트링의 전기에너지 저장셀에 연결되어 전기에너지 저장셀의 전압을 균등화시키는 전압제어기를 포함하며,
    상기 목표전압 생성기는,
    상기 직렬스트링의 대상 전기에너지 저장셀의 음극단자 전압에 상기 기준전압을 가산하거나 대상 전기에너지 저장셀의 양극단자 전압으로부터 상기 기준전압을 감산하여 상기 목표전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 제어기는 오피앰프를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표전압 생성기는 오피앰프를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 직렬스트링의 전기에너지 저장셀에 방전저항이 병렬로 연결되고 상기 방전저항에 상기 전압 제어기가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 오피앰프 출력단에 전류를 증폭시키는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
  6. 제 2 항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 오피앰프는 레일-투-레일(Rail to Rail) 방식의 오피앰프를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준전압을 조절할 수 있는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
  8. 전기에너지 저장장치의 전압 균등화 회로에 있어서,
    전기에너지 저장셀이 직렬로 연결되어 구성되는 직렬스트링;
    상기 직렬스트링의 전기에너지 저장셀에 병렬로 연결되는 방전저항;
    전압 균등화 기준전압을 생성시키는 기준전압 생성기; 및
    상기 기준전압이 입력되어 상기 직렬스트링의 전기에너지 저장셀의 전압을 균등화시키는 전압제어기;를 포함하며,
    상기 방전저항과 상기 전압제어기는 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.
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