KR20150115281A - 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 직류전압을 충전 또는 방전시킬 경우에 복수 개의 충전 셀에 각기 저장되어 있는 충방전 전압이 균일하게 되도록 보조 충전 및 방전을 제어하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 셀 밸런싱 장치는 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨을 검출하는 충전전압 검출부; 상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨에 따라 보조 충전 또는 보조 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀을 선택하기 위한 어드레스 신호와 충전 또는 방전용 PWM 구동신호를 발생하는 제어부; 상기 어드레스 신호에 따라 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 충전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 충전용 PWM 구동신호를 인가하는 충전 선택부; 상기 어드레스 신호에 따라 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 방전용 PWM 구동신호를 인가하는 방전 선택부; 및 상기 복수 개의 충전 셀 각각에 대응하여 구비되며, 충전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 직류전류를 충전하고, 방전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 충전된 직류전류를 방전하는 복수 개의 충전/방전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 셀 밸런싱 장치는 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨을 검출하는 충전전압 검출부; 상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨에 따라 보조 충전 또는 보조 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀을 선택하기 위한 어드레스 신호와 충전 또는 방전용 PWM 구동신호를 발생하는 제어부; 상기 어드레스 신호에 따라 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 충전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 충전용 PWM 구동신호를 인가하는 충전 선택부; 상기 어드레스 신호에 따라 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 방전용 PWM 구동신호를 인가하는 방전 선택부; 및 상기 복수 개의 충전 셀 각각에 대응하여 구비되며, 충전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 직류전류를 충전하고, 방전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 충전된 직류전류를 방전하는 복수 개의 충전/방전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀을 충전 또는 방전시킬 경우에 충전 셀에 각기 저장되어 있는 충방전 전압이 균일하게 되도록 보조 충전 및 방전을 제어하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
송전선의 설치가 용이하지 않은 고속도로, 해안도로, 산악도로 등에는 독립형 솔라셀 모듈을 이용한 가로등이 많이 사용되고 있다. 솔라셀 모듈은 다수의 단위 솔라셀을 구비하고, 광전변환에 의해 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 리튬-이온 전지 등과 같이 직류전압을 충전하는 다수의 충전 셀을 메인 배터리로 사용하고 있다.
리튬-이온 전지 등과 같이 직류전압을 충전하는 충전 셀을 동력원으로 사용하는 솔라셀 가로등, 전동 공구, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차와 같이 단위 충전 셀의 기본 전압보다 높은 전압을 필요할 경우에 복수 개의 단위 충전 셀을 직렬로 연결하여 사용하는 것이 통상적이다.
그러나, 복수 개의 충전 셀들은 동일한 양극, 음극 및 전해질 물질을 이용하여 동일한 크기나 거리 농도로 제조하였다 하더라도 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀들 각각의 충전, 방전 및 자가방전의 특성에는 차이가 존재하게 된다.
이러한 배터리들은 경년 변화로 인한 노후시간의 차이, 온도의 차이로 인한 동작 환경에 의한 차이 등 여러 요인으로, 각 셀마다 전기적 특성의 편차로 인하여 배터리의 내부 전압의 셀마다 차이가 발생할 수 있다.
따라서, 복수 개의 충전 셀을 직렬 연결하여 충전할 경우에 단위 충전 셀들 각각에 충전된 직류전압의 사이에는 약간의 전압 차가 존재하게 되고, 이로 인하여 직렬 연결된 복수 개의 단위 충전 셀들 중에서 어느 하나의 충전 셀의 충전전압이 먼저 충전되었을 경우에 다른 충전 셀들의 충전전압에 관계없이 충전을 멈추어야 한다.
이에 따라 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 직렬로 연결되는 복수 개의 충전 셀들에 동일한 레벨의 직류전압이 충전 및 방전되도록 제어하기 위한 여러 가지의 충전 및 방전 제어장치들이 활발하게 제안되고 있다.
예를 들면, 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0096978호에서는 복수 개의 단위 충전 셀, 충전수단, 방전수단 및 직렬병렬 전환스위치를 포함하여 구성되며, 복수개의 단위 충전 셀들의 충전전압을 각각 균등하게 방전시킨 후, 방전된 단위 충전 셀을 직렬로 연결시켜 충전을 수행하는 시스템을 제안하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0064244호에는 다수의 셀을 구비하는 전지 팩에 있어서, 직렬 연결된 다수의 셀로 구성되는 셀 그룹; 상기 다수의 셀 각각의 전압을 센싱하여 전체 전압으로 출력하는 전압검출회로; 상기 셀 그룹과 출력단자 간을 연결 또는 해제하는 스위칭부; 및 하나 이상의 슬레이브 전지 팩의 전체 전압 및 상기 전압검출회로로부터의 전체 전압을 제공받아 목표 전압을 산출하고, 산출된 목표 전압을 각각의 슬레이브 전지 팩으로 전송하며, 상기 산출된 목표 전압과 자신의 전체 전압을 비교하여 그 비교 결과에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩을 제안하고 있다.
더욱이, 일본공개특허공보 제1998-032936호에서는 복수 개의 충전 셀, 복수 개의 충전 셀들 각각의 잔존 용량을 검출하는 검출수단, 각각의 충전 셀의 충전과 방전을 행하는 충전 교체 수단 및 방전 교체 수단, 각각의 충전 셀의 충전과 방전을 개별적으로 제어하는 제어 수단 및 각각의 충전 셀에 개별적으로 충전과 방전을 행하는 직류/직류 변환기를 포함하여 구성되는 시스템이 제안된 바 있으며, 일본공개특허공보 제2004-194410호에서는 둘 이상의 충전 셀 그룹, 제1의 셀 그룹 및 제2의 셀 그룹 각각을 흐르는 전류의 차이를 검출하는 전류차 검출 수단, 전류의 차이를 기반으로 셀 그룹의 충방전 전류를 제어하는 수단을 포함하여 구비되는 시스템이 제안된 바 있다.
또한, 미국공개특허공보 제2007-0145946호에서는 복수 개의 충전 셀, DC-DC 컨버터를 포함하는 전하균등화회로, 전압 상태를 모니터링하여 개별 충전 셀의 전압을 제어하는 제어회로를 포함하여 구성되는 시스템이 제안된 바 있다.
그러나, 상기한 종래의 기술들은 전압 센서로 복수 개의 충전 셀들의 충전전압을 읽어 들이기 위한 스위치 모듈과, 복수 개의 충전 셀에 직류전압을 충방전하는 전하균일장치를 제어하기 위한 스위치 모듈이 별도로 분리되어 있으므로 부피가 크고, 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀들 전체를 스위치 모듈로 제어함에 따라 스위치 모듈의 전압 스트레스가 큰 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 각기 저장되어 있는 충방전 전압이 균일하게 되도록 보조 충전 및 방전을 제어하는 간단한 구성의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 각 충전 셀마다 전압 출력부와 충전/방전부를 구비하고, 각 충전 셀 중에서 최고전압이 충전된 충전 셀과 최저전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 해당 충전 셀을 선택하여 보조 충전 또는 방전 제어가 간단하게 이루어질 수 있는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 충전 셀마다 충전된 직류전압의 레벨을 알 수 있고, 각각의 충전 셀에 대응하여 충전/방전부가 구비됨에 따라 충전 중 또는 방전 중에도 셀 밸런싱을 실시할 수 있기 때문에 충전 셀의 균등 충전 및 방전이 가능하여 충전 셀의 수명을 연장할 수 있는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다수의 충전 셀 중 적어도 하나의 충전 셀에 대한 보조 충전과 방전이 동시에 이루어질 수 있는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 충전/방전부를 플라이백 트랜스포머와 한쌍의 스위칭 소자를 사용하여 양방향으로 전력을 전달할 수 있는 충전 및 방전용 플라이백 컨버터(flyback converter)를 구성함에 따라 별도의 전류감지회로 없이 전류 제어가 가능하여 회로 구성과 제어가 간단하게 이루어질 수 있는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 각각의 충전 셀마다 충전/방전부를 플라이백 트랜스포머와 제1 및 제2 스위칭 소자를 사용하여 충전 및 방전용 플라이백 컨버터를 구성하고, 제1 및 제2 스위칭 소자에 인가되는 충전 및 방전용 PWM 구동신호를 제어함에 따라 플라이백 컨버터의 1차 및 2차 측에 대한 전류를 정밀하게 제어할 수 있는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 상기에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않고, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치는, 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨을 검출하는 충전전압 검출부; 상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨에 따라 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 보조 충전 또는 보조 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀을 선택하기 위한 어드레스 신호와 충전 또는 방전용 PWM 구동신호를 발생하는 제어부; 상기 제어부가 발생하는 어드레스 신호에 따라 디코딩되어 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 충전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 충전용 PWM 구동신호를 인가하는 충전 선택부; 상기 제어부가 발생하는 어드레스 신호에 따라 디코딩되어 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 방전용 PWM 구동신호를 인가하는 방전 선택부; 및 상기 복수 개의 충전 셀 각각에 대응하여 구비되며, 상기 충전 선택부에 의해 선택되어 상기 충전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 직류전류를 충전하고, 상기 방전 선택부에 의해 선택되어 상기 방전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 충전된 직류전류를 방전하는 복수 개의 충전/방전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전전압 검출부는, 상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압을 출력하는 복수 개의 전압 출력부; 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 복수 개의 전압 출력부가 출력하는 직류전압을 상기 제어부로 선택적으로 출력하는 멀티플렉서;를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 복수 개의 전압 출력부 각각은, 상기 복수 개의 충전 셀에 각각 충전된 직류전압을 연산증폭하는 연산증폭기; 및 상기 연산증폭기의 출력전압에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 로우패스필터;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 멀티플렉서를 제어하여 상기 복수 개의 전압 출력부의 출력전압을 순차적으로 입력하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 충전 선택부는 상기 제어부가 출력하는 어드레스 신호를 디코딩하여 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전력을 충전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하며 상기 충전용 PWM 구동신호를 선택된 충전/방전부에 전달할 수 있다. 상기 방전 선택부는 상기 제어부가 출력하는 어드레스 신호를 디코딩하여 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전력을 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하며 상기 방전용 PWM 구동신호를 선택된 충전/방전부에 전달할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 충전/방전부 각각은 양방향 DC/DC 컨버터로 구성될 수 있으며, 상기 양방향 DC/DC 컨버터는 자기코어에 일차코일과 이차코일이 권선된 트랜스포머를 포함하는 대칭형 플라이백 컨버터(flyback converter)를 이용하여 구성될 수 있다. 이 경우, 충전시에는 상기 일차코일과 이차코일의 권선비와 충전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 감압이 이루어지는 벅 컨버터로 동작이 이루어지고, 방전시에는 상기 이차코일과 일차코일의 권선비와 방전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 승압이 이루어지는 벅 컨버터로 동작이 이루어진다.
상기 복수 개의 충전/방전부 각각은 자기코어의 1차측 및 2차측에 각각 일차코일과 이차코일이 권선되며 일차코일의 일측에 직류 입력전압이 인가되고 이차코일의 일측에 충전 셀이 연결된 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 1차측에 접속되어 충전용 PWM 구동신호에 따라 상기 직류 입력전압을 스위칭하는 제1스위칭 소자; 상기 트랜스포머의 2차측에 접속되어 방전용 PWM 구동신호에 따라 상기 충전 셀에 충전된 직류전압을 스위칭하는 제2스위칭 소자; 상기 제2스위칭 소자에 병렬 접속되어 제1스위칭 소자가 턴-온될 때 트랜스포머의 2차측으로 전류가 흐르는 것을 차단하며, 제1스위칭 소자가 턴-오프될 때 트랜스포머의 2차측으로 전류가 흐르도록 도통되는 제1다이오드; 및 상기 제1스위칭 소자에 병렬 접속되어 제2스위칭 소자가 턴-온될 때 트랜스포머의 1차측으로 전류가 흐르는 것을 차단하며, 제2스위칭 소자가 턴-오프될 때 트랜스포머의 1차측으로 전류가 흐르도록 도통되는 제2다이오드;를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치는 상기 트랜스포머의 1차측과 함께 충전 셀로부터 방전되는 전류에 포함된 리플을 제거하는 LC 필터를 구성하는 제1커패시터; 및 상기 트랜스포머의 2차측과 함께 충전 셀에 충전되는 전류에 포함된 리플을 제거하는 LC 필터를 구성하는 제2커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압 중에서 최고 직류전압이 충전된 충전 셀과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 보조 충전 또는 보조 방전 제어를 실행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는; 상기 복수 개의 충전 셀에 충전된 평균 직류전압과 최고 직류전압이 충전된 충전 셀 또는 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 충전 또는 최고 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 방전 제어를 실행하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 제어부는; 미리 설정된 충전 셀의 표준 충전전압과 최고 직류전압이 충전된 충전 셀 또는 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 충전 또는 최고 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 방전 제어를 실행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 직류전압을 충전 또는 방전시킬 경우에 복수 개의 충전 셀 각각에 저장되어 있는 충전전압이 균일하게 되도록 보조 충전 및 방전을 제어하는 충전 셀의 셀 밸런싱 방법은 상기 복수 개의 충전 셀 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨을 검출하는 단계; 상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨에 따라 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 보조 충전 또는 보조 방전 여부를 결정하는 단계; 상기 보조 충전 또는 보조 방전시키기 위한 충전 셀을 선택하기 위한 어드레스 신호와 충전 또는 방전용 PWM 구동신호를 발생하는 단계; 및 상기 셀 선택용 어드레스 신호에 따라 선택된 충전/방전부에 충전용 또는 방전용 PWM 구동신호를 인가하여 전압 입출력단자로 입력되는 직류전류를 최저 전압이 충전된 충전 셀에 충전시키거나, 최고 전압이 충전된 충전 셀로부터 전압 입출력단자로 직류전류를 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 충전/방전부는 자기코어에 일차코일과 이차코일이 권선된 트랜스포머를 포함하는 대칭형 플라이백 컨버터(flyback converter)를 이용하여 구성되며, 충전시에는 상기 일차코일과 이차코일의 권선비와 충전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 감압이 이루어지고, 방전시에는 상기 이차코일과 일차코일의 권선비와 방전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 승압이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 충전 구동명령이 발생할 경우에 최고 직류전압이 충전된 충전 셀과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단하고, 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 충전 구동 펄스신호를 발생하여 최저 직류전압이 충전된 충전 셀에 직류전류를 충전시킨다.
또한, 본 발명에서는 방전 명령신호가 발생할 경우에 최고 직류전압이 충전된 충전 셀과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단하고, 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 방전 구동 펄스신호를 발생하여 최고 직류전압이 충전된 충전 셀의 직류전류를 방전시킨다.
그 결과, 본 발명에서는 복수 개의 충전 셀에 충전되어 있는 직류전압의 전압 차를 미리 설정된 허용 편차전압 미만으로 조절할 수 있고, 이로 인하여 충전된 직류전압의 전압차에 따른 충전 셀의 노화를 최소화할 수 있다.
본 발명에서는 각 충전 셀마다 전압 출력부와 충전/방전부를 구비하고, 각 충전 셀 중에서 최고전압이 충전된 충전 셀과 최저전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 해당 충전 셀을 선택하여 보조 충전 또는 방전 제어가 간단하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 각 충전 셀마다 충전된 직류전압의 레벨을 알 수 있고, 각각의 충전 셀에 대응하여 충전/방전부가 구비됨에 따라 충전 중 또는 방전 중에도 셀 밸런싱을 실시할 수 있기 때문에 충전 셀의 균등 충전 및 방전이 가능하여 충전 셀의 수명을 연장할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 다수의 충전 셀 중 적어도 하나의 충전 셀에 대한 보조 충전 또는 보조 방전만 이루어지거나, 적어도 하나의 충전 셀에 대한 보조 충전과 방전이 동시에 이루어지는 다양한 방식의 셀 밸런싱이 이루어질 수 있다.
본 발명에서는 충전/방전부를 플라이백 트랜스포머와 한쌍의 스위칭 소자를 사용하여 양방향으로 전력을 전달할 수 있는 충전 및 방전용 플라이백 컨버터(flyback converter)를 구성함에 따라 별도의 전류감지회로 없이 전류 제어가 가능하여 회로 구성과 제어가 간단하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 각각의 충전 셀마다 충전/방전부를 플라이백 트랜스포머와 제1 및 제2 스위칭 소자를 사용하여 충전 및 방전용 플라이백 컨버터를 구성하고, 제1 및 제2 스위칭 소자에 인가되는 충전 및 방전용 PWM 구동신호를 제어함에 따라 플라이백 컨버터의 1차 및 2차 측에 대한 전류를 정밀하게 제어할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하며, 일부 도면에서 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
도 1은 본 발명에 따른 충전 셀의 셀 밸런싱 장치를 나타내는 개략 블록도,
도 2는 본 발명의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치에서 복수 개의 충전 셀에 직류전압을 충전시킬 경우에 제어부의 동작을 보인 신호흐름도,
도 3은 본 발명의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치에서 복수 개의 충전 셀로부터 직류전압을 방전시킬 경우에 제어부의 동작을 보인 신호흐름도,
도 4는 도 1의 충전전압 검출부의 상세 블록도,
도 5는 도 4의 전압 출력부의 상세 회로도,
도 6은 도 1의 충전/방전부의 상세 회로도이다.
도 1은 본 발명에 따른 충전 셀의 셀 밸런싱 장치를 나타내는 개략 블록도,
도 2는 본 발명의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치에서 복수 개의 충전 셀에 직류전압을 충전시킬 경우에 제어부의 동작을 보인 신호흐름도,
도 3은 본 발명의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치에서 복수 개의 충전 셀로부터 직류전압을 방전시킬 경우에 제어부의 동작을 보인 신호흐름도,
도 4는 도 1의 충전전압 검출부의 상세 블록도,
도 5는 도 4의 전압 출력부의 상세 회로도,
도 6은 도 1의 충전/방전부의 상세 회로도이다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
도 1은 본 발명에 따른 충전 셀의 셀 밸런싱 장치를 나타내는 개략 블록도이다. 도 1에서, 부호 100(100-1, 100-2, …, 100-N)은 복수 개의 충전 셀이다. 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각은, 예를 들면 재충전이 가능한 리튬-이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리 등으로서 상호간에 직렬 연결되어 직류전원 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 입력되는 직류전류가 충전되고, 충전된 직류전압은 방전되어 상기 직류전원 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 출력된다.
본 발명에서 복수 개의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N)은 각각 예를 들어, 4V로 충전이 이루어지고, 상기 직류전원 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 출력되는 전압은 16V로 설정된다.
부호 110은 충전전압 검출부이다. 상기 충전전압 검출부(110)는 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전된 직류전압의 레벨을 검출한다.
부호 120은 제어부이다. 상기 제어부(120)는 시스템 본체로부터 충전 명령신호가 인가될 경우에 상기 충전전압 검출부(110)를 제어하여 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨을 판단하고, 판단한 직류전압의 레벨에 따라 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 직류전압이 충전되는 것을 제어하여, 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 동일한 레벨의 직류전압이 충전되도록 한다.
또한, 상기 제어부(120)는 시스템 본체로부터 방전 명령신호가 인가될 경우에 상기 충전전압 검출부(110)를 제어하여 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨을 판단하고, 판단한 직류전압의 레벨에 따라 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각이 직류전압을 방전하는 것을 제어하여, 상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 동일한 레벨의 직류전압이 충전되어 있도록 한다.
부호 130은 충전 선택부이다. 상기 충전 선택부(130)는 디코더로서, 상기 제어부(120)가 출력하는 어드레스 신호를 디코딩하여 복수 개의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N) 각각에 대응하여 상호 연결된 복수 개의 충전/방전부(150-1, 150-2, …, 150-N) 중 하나를 선택하고, 제어부(120)가 출력하는 펄스 형태의 충전용 PWM 구동신호를 선택된 충전/방전부(150-1, 150-2, …, 150-N)에 전달한다.
부호 140은 방전 선택부이다. 상기 방전 선택부(140)는 디코더로서, 상기 제어부(120)가 출력하는 어드레스 신호를 디코딩하여 복수 개의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N) 각각에 대응하여 상호 연결된 복수 개의 충전/방전부(150-1, 150-2, …, 150-N) 중 하나를 선택하고, 제어부(120)가 출력하는 펄스 형태의 방전용 PWM 구동신호를 선택된 충전/방전부(150-1, 150-2, …, 150-N)에 전달한다.
부호 150(150-1, 150-2, …, 150-N)은 복수 개의 충전/방전부이다. 상기 복수 개의 충전/방전부(150) 각각은, 상기 충전 선택부(130)의 선택에 따라 지정되며 제어부(120)로부터 펄스 형태의 충전용 PWM 구동신호가 인가됨에 따라 PWM 방식으로 전압 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 입력되는 직류전압을 제어하여 상기 복수 개의 충전 셀(100)에 충전시키고, 상기 방전 선택부(140)의 선택에 따라 지정되며 제어부(120)로부터 펄스 형태의 방전용 PWM 구동신호가 인가됨에 따라 상기 복수 개의 충전 셀(100)에 충전되어 있는 직류전압을 방전시켜 상기 직류전원 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 출력한다.
부호 L은 인덕터이다. 상기 인덕터(L)는 상기 복수 개의 충전/방전부(150)들과 상기 전압 입출력단자(IN/OUT1)의 사이에 구비되어 상기 복수 개의 충전 셀(100)에 충전 및 방전되는 직류전압을 안정화시키며 충전/방전부(150)로부터 발생되는 펄스 노이즈가 전압 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 누출되는 것을 방지한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 충전 셀의 셀 밸런싱 장치를 도 2 및 도 3을 참고하여 충전 및 방전시의 충전 셀에 대한 밸런싱 동작을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이 제어부(120)는 외부에서 보조 충전명령신호가 입력되는지의 여부를 판단한다(S200).
외부에서 보조 충전명령신호가 입력될 경우에 상기 제어부(120)는 충전전압 검출부(110)를 제어하여 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨을 검출한다(S202).
여기서, 상기 제어부(120)가 상기 충전전압 검출부(110)를 제어하여 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨을 검출하는 동작은 도 4 및 도 5에서 보다 상세히 설명한다.
상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전되어 있는 직류전압의 충전전압이 모두 검출되면, 상기 제어부(120)는 최고의 직류전압이 충전된 충전 셀(100)과 최저의 직류전압이 충전된 충전 셀(100)을 설정하고(S204), 설정한 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100)에 충전된 직류전압의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단한다(S206).
여기서, 충전 셀(100-1)에 최고 직류전압이 충전되어 있고, 충전 셀(100-2)에 최저 직류전압이 충전되어 있다고 가정한다. 그러면, 상기 제어부(120)는 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100-1)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100-2)을 각각 설정하고, 충전 셀(100-1)에 충전된 직류전압에서 충전 셀(100-2)에 충전된 직류전압을 감산하여 전압 차를 계산하며, 계산한 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단한다.
상기 전압 차가 허용 편차전압 이상일 경우에 상기 제어부(120)는 최저 전압이 충전된 충전 셀(100-2)에 직류전류를 충전시키기 위한 충전제어신호, 즉 셀 선택용 어드레스 신호와 충전용 PWM 구동신호를 발생한다(S208).
상기 제어부(120)가 발생한 셀 선택용 어드레스 신호와 충전용 PWM 구동신호는 충전 선택부(130)에서 디코딩되어 충전/방전부(150-2)가 선택되며 펄스 형태의 충전용 PWM 구동신호가 상기 충전/방전부(150-2)로 출력되는 것으로, 상기 충전/방전부(150-2)는 상기 충전용 PWM 구동신호에 따라 동작하여 직류전원 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 입력되는 직류전류를 충전 셀(100-2)에 충전시킨다.
여기서, 충전/방전부(150)가 충전용 PWM 구동신호에 따라 충전 셀(100-2)에 직류전류를 충전시키는 동작은 도 6에서 보다 상세히 설명한다.
그리고 상기 제어부(120)는, 상기 단계(S202)로 복귀하여 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전된 직류전압의 레벨을 검출하고, 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100)을 설정하며, 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100)의 전압차가 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단하며, 전압차가 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100)에 직류전류를 충전하는 동작을 반복 수행한다.
그리고, 상기 단계(S206)에서 전압차가 허용 편차전압 이상이 아닐 경우에 상기 제어부(120)는 충전제어신호의 출력을 정지하고, 복수 개의 충전 셀(100)의 충전 밸런싱 동작을 종료한다.
한편, 상기 단계(S200)에서 보조 충전명령신호가 입력되지 않을 경우에 상기 제어부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 외부에서 보조 방전명령신호가 입력되는지의 여부를 판단한다(S212).
외부에서 보조 방전명령신호가 입력될 경우에 상기 제어부(120)는 충전전압 검출부(110)를 제어하여 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨을 검출한다(S214).
상기 복수 개의 충전 셀(100) 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨이 모두 검출되면, 상기 제어부(120)는 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100)을 설정하고(S216), 설정한 두 충전 셀(100)에 충전된 직류전압의 전압차가 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단한다(S218).
예를 들면, 충전 셀(100-1)에 가장 높은 전압이 충전되어 있고, 충전 셀(100-2)에 가장 낮은 전압이 충전되어 있다고 가정할 경우에 상기 제어부(120)는 상기 충전 셀(100-1,100-2)을 각각 설정하고, 충전 셀(100-1)에 충전된 직류전압에서 충전 셀(100-2)에 충전된 직류전압을 감산하여 전압차를 계산하며, 계산한 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단한다.
상기 전압 차가 허용 편차전압 이상일 경우에 상기 제어부(120)는 최고 전압이 충전된 충전 셀(100-1)의 직류전류를 방전시키기 위한 방전제어신호, 즉 셀 선택용 어드레스 신호와 방전용 PWM 구동신호를 발생한다(S220).
상기 제어부(120)가 발생한 셀 선택용 어드레스 신호와 방전용 PWM 구동신호는 방전 선택부(140)에서 디코딩되어 충전/방전부(150-1)가 선택되며 펄스 형태의 방전용 PWM 구동신호가 상기 충전/방전부(150-1)로 출력되는 것으로, 상기 충전/방전부(150-1)는 상기 방전용 PWM 구동신호에 따라 동작하여 충전 셀(100-1)에 충전되어 있는 직류전류를 전압 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)를 통하여 방전시킨다.
여기서, 충전/방전부(150)가 방전용 PWM 구동신호에 따라 충전 셀(100-1)에 충전된 직류전류를 방전시키는 동작은 도 6에서 보다 상세히 설명한다.
이와 같은 상태에서 상기 제어부(120)는 상기 단계(S214)로 복귀하여 복수 개의 충전 셀(100)의 충전전압을 검출하고, 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100)을 설정하여 전압차가 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단하며, 전압차가 허용 편차전압 이상일 경우에 최고 전압 충전 셀(100)로부터 직류전류를 방전하는 동작을 반복 수행한다.
그리고 상기 단계(S218)에서 전압차가 허용 편차전압 이상이 아닐 경우에 상기 제어부(120)는 방전제어신호의 출력을 정지하고, 복수 개의 충전 셀(100)의 방전 밸런싱 동작을 종료한다.
한편, 상기 도 2에 도시된 충전시의 충전 셀에 대한 밸런싱 동작, 즉 보조 충전을 설명하면서, 최저 직류전압이 충전된 하나의 충전 셀에 대하여 보조 충전이 이루어지는 것으로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 전압차가 허용 편차전압 이상인 2번째 및 3번째로 낮은 직류전압이 충전된 충전 셀에 대하여 동시에 또는 순차적으로 보조 충전이 이루어지도록 설정하는 것도 가능하다. 이러한 적어도 하나의 낮은 직류전압이 충전된 충전 셀에 대하여 동시에 보조 충전이 이루어진다면, 전체 충전 셀에 대한 밸런싱 동작이 더욱 빠르게 완료될 수 있게 된다.
또한, 보조 방전시에 본 발명은 전압차가 허용 편차전압 이상인 2번째 및 3번째로 높은 직류전압이 충전된 충전 셀에 대하여 동시에 또는 순차적으로 보조 방전이 이루어지도록 설정하는 것도 가능하다. 이러한 적어도 하나의 높은 직류전압이 충전된 충전 셀에 대하여 동시에 보조 방전이 이루어진다면, 전체 충전 셀에 대한 밸런싱 동작이 더욱 빠르게 완료될 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에서는 상기한 요건을 만족하는 경우 보조 충전과 동시에 보조 방전이 동시에 이루어지는 것도 가능하다.
한편, 상기 실시예 설명에서는 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100-1)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100-2)을 설정하여 전압차가 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단하며, 전압차가 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀(100-2)에 직류전류를 충전하고, 최고 전압이 충전된 충전 셀(100-1)로부터 직류전류를 방전하는 동작을 수행하는 방식으로 충전전압의 균일화를 이루는 것을 제시하였다.
그러나, 본 발명은 모든 충전 셀의 충전전압 평균치를 구하고, 최고 직류전압이 충전된 충전 셀(100-1)과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀(100-2)을 설정한 후, 평균 충전전압과 최저 직류전압 또는 최고 직류전압 사이의 전압차가 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단하고, 전압차가 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀(100-2)에 직류전류를 충전하고, 최고 전압이 충전된 충전 셀(100-1)에 직류전류를 방전하는 동작을 수행하는 방식으로 충전전압의 균일화를 이루는 것도 가능하다.
또한, 본 발명은 평균 충전전압 대신에 충전 셀의 표준 충전전압을 미리 설정하고, 표준 충전전압과 최저 직류전압 또는 최고 직류전압 사이의 전압차가 허용 편차전압 이상인지의 여부를 판단하고, 전압차가 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀(100-2)에 직류전류를 충전하고, 최고 전압이 충전된 충전 셀(100-1)에 직류전류를 방전하는 동작을 수행하는 방식으로 충전전압의 균일화를 이루는 것도 가능하다.
도 4는 도 1의 충전전압 검출부의 상세 블록도이다. 도 4를 참조하면, 충전전압 검출부(110)는 복수 개의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N)에 충전된 전압을 각기 출력하는 복수 개의 전압 출력부(112-1, 112-2, …, 112-N)와, 상기 복수 개의 전압 출력부(112-1, 112-2, …, 112-N)의 출력전압을 상기 제어부(120)의 제어에 따라 하나씩 선택하여 상기 제어부(120)로 출력하는 멀티플렉서(114)를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 전압 출력부(112-1, 112-2, …, 112-N) 각각은 도 5에 도시된 바와 같이 연산증폭이 이루어지도록 연산증폭기(OP)에 접속된다.
즉, 연산증폭기(OP)의 비반전 입력단자(+)에 충전 셀(100)의 플러스 단자가 직렬접속된 저항(R1)과 병렬접속된 접지저항(R2)을 통하여 연결되고, 연산증폭기(OP)의 반전 입력단자(-)에 상기 충전 셀(100)의 마이너스 단자가 직렬접속된 저항(R3)을 통하여 연결되고, 반전 입력단자(-)와 연산 증폭기(OP)의 출력단자 사이에는 저항(R4)이 연결되어 있다.
또한, 상기 연산 증폭기(OP)의 출력단자에는 출력에 포함된 고주파 성분을 제거하도록 저항(R5)과 접지 커패시터(C1)로 이루어진 로우패스필터(LPF)를 통하여 상기 멀티플렉서(114)의 입력단자에 접속된다.
이와 같이 구성된 충전전압 검출부(110)는 복수 개의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N)에 각각 충전된 직류전압이 복수 개의 전압 출력부(112-1, 112-2, …, 112-N)의 연산증폭기(OP)에 각기 입력되어 연산 증폭되고, 연산증폭기(OP)에서 연산 증폭된 전압은 저항(R5)과 접지 커패시터(C1)로 이루어진 로우패스필터(LPF)를 통하여 고주파 성분은 제거되고 멀티플렉서(114)로 입력된다.
이와 같은 상태에서 상기 제어부(120)는 제어신호를 발생하여 멀티플렉서(114)로 입력되는 것으로서 상기 멀티플렉서(114)는 상기 제어부(120)의 제어신호에 따라 상기 복수 개의 전압 출력부(112-1, 112-2, …, 112-N)의 출력전압을 순차적으로 선택하여 출력한다.
상기 멀티플렉서(114)가 출력하는 전압은 상기 제어부(120)로 입력되는 것으로서 상기 제어부(120)는 상기 멀티플렉서(114)를 통해, 상기 복수 개의 전압 출력부(112-1, 112-2, …, 112-N)의 출력전압을 순차적으로 입력하여 상기 복수 개의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N) 각각에 충전된 직류전압의 레벨을 순차적으로 검출한다.
도 6은 도 1에 도시된 충전/방전부의 상세 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 충전/방전부(150)는 서로 대칭 구조를 가지는 양방향 DC/DC 컨버터로 구성되어 있다.
상기 양방향 DC/DC 컨버터는 자기코어에 권선비(변압비)가 N1:N2인 일차코일(T1)과 이차코일(T2)이 권선된 트랜스포머(TA)를 포함하는 대칭형 플라이백 컨버터(flyback converter)를 이용하여 구성되며, 충전시에는 일차코일(T1)과 이차코일(T2)의 권선비(N1/N2)와 충전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 감압이 이루어지는 벅 컨버터로 동작이 이루어지고, 방전시에는 이차코일(T2)과 일차코일(T1)의 권선비(N2/N1)와 방전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 승압이 이루어지는 벅 컨버터로 동작이 이루어진다.
이 경우, 상기 트랜스포머(TA)가 충전을 위해 감압용 플라이백 컨버터에 사용될 때 일차코일(T1)과 병렬로 접속된 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)와 이상 변압기의 등가회로로 표현될 수 있다. 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)는 변압기의 이차를 개방한 상태에서 1차측에서 측정한 L값으로 정의된다. 전압의 크기는 권선비에 따르고, 전압의 극성은 도트(ㅇ)가 있는 단자가 같은 극성을 가지며, 전류의 크기는 권선비의 역수, 전류의 방향은 한쪽이 도트로 들어오면 반대쪽은 도트에서 나가는 방향을 취한다.
이를 위해 양방향 DC/DC 컨버터는 외부로부터 전압 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)를 통하여 인가된 직류 입력전압(Vin)이 펄스 노이즈 제거용 인덕터(L)를 통하여 트랜스포머(TA)의 일차코일(T1)의 일측단자에 접속되고, 상기 트랜스포머(TA)의 일차코일(T1)의 타측단자와 접지 사이에 충전 선택부(130)를 통하여 제어부(120)로부터 발생된 충전용 PWM 구동신호에 따라 스위칭되는 제1스위칭 소자(FET11)가 접속되어 있고, 상기 인덕터(L) 및 상기 트랜스포머(TA)의 일차코일(T1)의 일측단자의 접속점과 접지 사이에는 제1커패시터(C11)가 접속됨과 아울러 상기 제1스위칭 소자(FET11)의 소스와 드레인 단자 사이에는 제1다이오드(D11)가 병렬 접속되어 있다.
또한, 상기 트랜스포머(TA)의 이차측에는 이차코일(T2)의 일측단자에 서로 병렬 접속된 충전 셀(100)과 제2커패시터(C12)가 부하로서 접속되고, 이차코일(T2)의 타측단자에 방전 선택부(140)를 통하여 제어부(120)로부터 발생된 방전용 PWM 구동신호에 따라 스위칭되는 제2스위칭 소자(FET12)가 접속되고, 상기 제2스위칭 소자(FET12)의 소스와 드레인 단자 사이에 제2다이오드(D12)가 병렬 접속되어 있다.
이 경우, 충전시에 DC/DC 감압 변환이 이루어지는 충전용 플라이백 컨버터(flyback converter)는 제1스위칭 소자(FET11), 트랜스포머(TA), 제2다이오드(D12) 및 제2커패시터(C12)로 구성되고, 벅 컨버터에 요구되는 인덕터는 트랜스포머(TA)의 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)로 대체되며, 트랜스포머(TA)의 2차측과 제2커패시터(C12)는 충전 셀(100)에 충전되는 전류에 포함된 리플(고주파 성분)을 제거하는 LC 필터로서 작용을 하며, 급격한 전압 변동을 억제한다.
또한, 제2다이오드(D12)는 제1스위칭 소자(FET11)가 턴-온될 때 이상 변압기의 이차측 전압은 도트대로 극성이 전달되므로 제2다이오드(D12)에 역전압이 인가되어 이차측으로 전류가 흐르지 못하게 하며, 제1스위칭 소자(FET11)가 턴-오프될 때 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)에 저장된 에너지에 의해 역기전력이 발생되어, 트랜스포머(TA)의 2차측에 유도된 역기전력에 의해 도통되어 2차측에 전류가 흐르도록 하는 역할을 한다.
또한, 방전시에 DC/DC 승압 변환이 이루어지는 방전용 플라이백 컨버터(flyback converter)는 제2스위칭 소자(FET12), 트랜스포머(TA), 제1다이오드(D11) 및 제1커패시터(C11)로 구성되고, 벅 컨버터에 요구되는 인덕터는 트랜스포머(TA)의 2차측 자화 인덕턴스(Lm2)로 대체되며, 트랜스포머(TA)의 1차측과 제1커패시터(C11)는 충전 셀(100)로부터 방전되는 전류에 포함된 리플(고주파 성분)을 제거하는 LC 필터로서 작용을 하며, 급격한 전압 변동을 억제한다.
이 경우, 제1다이오드(D11)는 제2다이오드(D12)와 유사하게 제2스위칭 소자(FET12)가 턴-온될 때 트랜스포머(TA)의 1차측에 유도된 역전압에 의해 역바이어스되어 1차측에 전류가 흐르는 것을 저지하고, 트랜스포머(TA)의 2차측에 전류가 흘러 2차측 자화 인덕턴스(Lm2)에 의해 에너지가 저장되도록 하며, 제2스위칭 소자(FET12)가 턴-오프될 때 2차측 자화 인덕턴스(Lm2)에 저장된 에너지에 의해 역기전력이 발생되어, 트랜스포머(TA)의 2차측에 유도된 역기전력에 의해 도통되어 1차측에 전류가 흐르도록 하는 역할을 한다.
상기 충전 및 방전용 플라이백 컨버터(flyback converter)는 트랜스포머(TA)에 의해 1차측과 2차측 사이에 절연이 이루어짐에 따라, 복수 개의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N)로 이루어지는 직류전원부와 직류전원 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)에 연결되어 직류전원을 공급받는 시스템 또는 부하 사이에도 절연이 이루어진다.
본 발명에서 제1스위칭 소자(FET11)와 제2스위칭 소자(FET12)는 예를 들어, MOSFET로 구성될 수 있다.
양방향 DC/DC 컨버터는 충전시에 DC/DC 감압 변환이 이루어지는 충전용 플라이백 컨버터로 동작할 때, 충전용 플라이백 컨버터의 출력전압(Vo)은 하기 수학식 1로 결정된다.
[수학식 1]
Vo=(N1/N2)(D/1-D)Vin
여기서, Vin은 입력전압이고, D는 제1스위칭 소자(FET11)의 턴-온/오프에 따른 듀티비(Duty ratio)이고, N1/N2는 트랜스포머(TA)의 권선비이다.
따라서, 충전시에는 제1스위칭 소자(FET11)에 인가되는 펄스폭변조(PWM) 신호에서 전체시간 대 On 시간의 비율, 즉 듀티비(duty rate)(D)가 클수록 출력전압(Vo)은 증가하며, 트랜스포머(TA)의 일차코일과 이차코일의 권선비(N1/N2)에 따라 출력전압(Vo)이 결정된다.
또한, 상기와 반대로 방전시에는 제2스위칭 소자(FET12)에 인가되는 펄스폭변조(PWM) 신호에서 듀티비(D)와 트랜스포머(TA)의 이차코일과 일차코일의 권선비(N2/N1)에 따라 직류전원 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 출력되는 출력전압이 결정된다.
본 발명에서 복수 개의 충전 셀(100)은 각각 예를 들어, 4V로 충전이 이루어지고, 상기 전압 입출력단자(IN/OUT1)(IN/OUT2)로 출력되는 전압은 16V로 설정된다. 이를 위해 본 발명에서는 충전 셀(100)에 충전이 이루어질 때 플라이백 컨버터는 감압용 벅 컨버터로 작용하여 16V에서 4V로 감압이 이루어지고, 충전 셀(100)로부터 방전이 이루어질 때 플라이백 컨버터는 승압용 벅 컨버터로 작용하여 4V에서 16V로 승압이 이루어진다.
따라서, 상기 플라이백 컨버터의 출력 특성은 상기 트랜스포머(TA)의 권선비에 영향을 받는 비 절연된 벅 부스트(Buck-boost) 컨버터의 출력 특성과 동일하다.
이와 같이 구성된 본 발명의 충전/방전부(150)에 대하여 충전 및 방전 동작을 설명한다.
먼저, 충전 셀(100)에 직류전압을 충전시킬 경우에 충전 선택부(130)를 통하여 최저전압 충전 셀(100-2)과 이에 대응하는 충전/방전부(150-2)가 선택되며, 제어부(120)로부터 펄스 형태의 충전용 PWM 구동신호가 제1스위칭 소자(FET11)의 게이트에 인가된다.
그러면, 상기 제1스위칭 소자(FET11)는 상기 펄스 형태의 충전용 PWM 구동신호에 따라 턴-온 및 턴-오프를 반복하게 되고, 상기 제1스위칭 소자(FET11)는 게이트에 인가된 PWM 구동신호에 의해 게이트 전압이 임계전압보다 커지면 제1스위칭 소자(FET11)의 양단은 도통이 되면서 전압은 제로(0)가 된다. 이 때 트랜스포머(TA)의 일차측 전압, 즉 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)의 양단전압은 입력전압(Vin)과 같아지면서 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)에는 Vin/Lm1에 비례하는 기울기를 가지고 직선으로 증가하는 전류가 흐르기 시작한다. 즉, 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)에 에너지가 저장된다. 이 경우, 이상 변압기의 이차측 전압은 도트대로 극성이 전달되므로 제2다이오드(D12)에 역전압이 인가되어 이차측으로 전류가 흐르지 못한다. 따라서, 제1스위칭 소자(FET11)로는 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)로 흐르는 자화 인덕턴스 전류(ILm)와 동일한 전류가 흐르게 된다.
그 후, 제1스위칭 소자(FET11)의 게이트에 인가된 PWM 구동신호의 게이트 전압이 제로로 되면 제1스위칭 소자(FET11)는 도통 상태에서 빠져 나오며 개방(open) 상태, 즉 전류가 흐를 수 없게 된다. 1차측 자화 인덕턴스(Lm1)에 저장된 에너지는 순간적으로 없어지지 못하므로 흐를 수 있는 다른 방향을 찾으면서 역기전력이 발생되며, 트랜스포머(TA)의 2차측에 유도된 역기전력은 제2다이오드(D12)를 도통시킨다.
따라서, 제1스위칭 소자(FET11)를 통하여 흐르는 전류는 제로(0)가 되고 제2다이오드(D12)로는 자화 인덕턴스 전류(ILm)의 권선비(N1/N2)에 비례하는 출력전류(Ids)가 흘러 충전 셀(100)에 충전이 이루어진다. 상기 출력전류(Ids)는 PWM 구동신호의 펄스 폭과 1차측에 인가되는 입력전압(Vin), 트랜스포머(TA)의 일차코일(T1)과 이차코일(T2)의 권선비(N1/N2)에 따라 전류값이 결정된다.
이 경우, 트랜스포머(TA)의 2차측과 제2커패시터(C12)는 충전 셀(100)에 충전되는 전류에 포함된 리플(고주파 성분)을 제거하는 LC 필터로서 작용을 하며, 급격한 전압 변동을 억제한다.
그 후, 제2다이오드(D12)에 흐르는 자화 인덕턴스 전류(ILm)가 제로가 되면 트랜스포머(TA)의 양단 전압은 제로가 되어 제1스위칭 소자(FET11)가 다시 도통 상태로 설정되면서 상기한 펄스 형태의 충전용 PWM 구동신호에 따라 턴-온 및 턴-오프를 반복하게 된다.
한편, 충전 셀(100)에 충전된 직류전압을 방전시킬 경우에 상기한 충전 동작과 반대로 동작이 이루어진다.
우선, 방전 선택부(140)를 통하여 최고전압 충전 셀(100-1)과 이에 대응하는 충전/방전부(150-1)가 선택되며, 제어부(120)로부터 펄스 형태의 방전용 PWM 구동신호가 제2스위칭 소자(FET12)의 게이트에 인가된다.
그러면, 상기 제2스위칭 소자(FET12)는 상기 방전용 PWM 구동신호에 따라 턴-온 및 턴-오프를 반복하게 되고, 상기 제2스위칭 소자(FET12)가 턴-온 및 턴-오프를 반복함에 따라, 충전 셀(100)에 충전된 방전전류는 트랜스포머(TA)의 이차코일(T2)을 통하여 일차코일(T1)에 유도되면서 일차코일(T1)과 이차코일(T2)의 권선비(N2/N1)에 따라 승압이 이루어진다.
상기 트랜스포머(TA)의 일차코일(T1)로 유도된 직류전압은 전압 입출력단자(IN/OUT1)로 출력된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 제1스위칭 소자(FET11) 및 제2스위칭 소자(FET12)에 인가되는 충전 및 방전용 PWM 구동신호의 펄스폭과 펄스수를 제어함에 따라 플라이백 컨버터의 2차측에 대한 전류를 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 제어부(120)에서 다수의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N) 각각에 충전된 직류전압의 레벨을 알 수 있고, 각각의 충전 셀에 대응하여 충전/방전부(150-1, 150-2, …, 150-N)가 구비됨에 따라 충전 중 또는 방전 중에도 셀 밸런싱을 실시할 수 있기 때문에 충전 셀의 균등 충전 및 방전이 가능하여 충전 셀의 수명을 연장할 수 있다.
즉, 상기 실시예 설명에서는, 다수의 충전 셀 중 적어도 하나의 충전 셀에 대한 보조 충전 또는 보조 방전이 선택적 및 개별적으로 이루어지는 것을 예시하였으나, 적어도 하나의 충전 셀에 대한 보조 충전과 보조 방전이 동시에 이루어지는 것도 가능하다.
더욱이, 본 발명에서는 다수의 충전 셀(100-1, 100-2, …, 100-N)마다 개별적인 원하는 보조 충전 및 방전이 각각 이루어질 수 있도록 트랜스포머(TA)의 일차코일(T1)과 이차코일(T2)에 각각 제1스위칭 소자(FET11) 및 제2스위칭 소자(FET12)가 결합되어 충전 및 방전용 플라이백 컨버터(flyback converter)를 구성함에 의해 별도의 전류감지회로 없이 전류 제어가 가능하여 회로 구성과 셀 밸런싱을 위한 보조 충전 및 보조 방전 제어가 간단하게 이루어질 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 제시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 솔라셀 가로등, 전동 공구, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차와 같이 리튬계 2차 전지로 이루어진 단위 충전 셀의 기본 전압보다 높은 전압을 필요로 하여 복수 개의 단위 충전 셀을 직렬로 연결하여 메인 배터리로 사용하는 각종 전기 장치에서 복수 개의 충전 셀에 직류전압을 충전 또는 방전시킬 경우에 복수 개의 충전 셀 각각에 저장되어 있는 충전전압이 균일하게 되도록 보조 충전 및 방전을 제어하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치에 적용될 수 있다.
100(100-1, 100-2, …, 100-N) : 충전 셀
110 : 충전전압 검출부
112(112-1, 112-2, …, 112-N) : 전압 출력부
114 : 멀티플렉서
120 : 제어부
130 : 충전 선택부
140 : 방전 선택부
150(150-1, 150-2, …, 150-N) : 충전/방전부
152 : 방전전압 정류부
154 : 충전전압 정류부
110 : 충전전압 검출부
112(112-1, 112-2, …, 112-N) : 전압 출력부
114 : 멀티플렉서
120 : 제어부
130 : 충전 선택부
140 : 방전 선택부
150(150-1, 150-2, …, 150-N) : 충전/방전부
152 : 방전전압 정류부
154 : 충전전압 정류부
Claims (14)
- 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨을 검출하는 충전전압 검출부;
상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨에 따라 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 보조 충전 또는 보조 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀을 선택하기 위한 어드레스 신호와 충전 또는 방전용 PWM 구동신호를 발생하는 제어부;
상기 제어부가 발생하는 어드레스 신호에 따라 디코딩되어 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 충전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 충전용 PWM 구동신호를 인가하는 충전 선택부;
상기 제어부가 발생하는 어드레스 신호에 따라 디코딩되어 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하여 상기 방전용 PWM 구동신호를 인가하는 방전 선택부; 및
상기 복수 개의 충전 셀 각각에 대응하여 구비되며, 상기 충전 선택부에 의해 선택되어 상기 충전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 직류전류를 충전하고, 상기 방전 선택부에 의해 선택되어 상기 방전용 PWM 구동신호가 인가될 때 선택된 충전 셀에 충전된 직류전류를 방전하는 복수 개의 충전/방전부;를 포함하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서, 상기 충전전압 검출부는,
상기 복수 개의 충전 셀 각각의 충전 직류전압을 검출하는 복수 개의 전압 출력부; 및
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 복수 개의 전압 출력부가 검출하는 직류전압을 상기 제어부로 선택적으로 출력하는 멀티플렉서;를 포함하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제2항에 있어서, 상기 복수 개의 전압 출력부 각각은,
상기 복수 개의 충전 셀에 각각 충전된 직류전압을 연산증폭하는 연산증폭기; 및
상기 연산증폭기의 출력전압에 포함된 고주파 성분을 제거하기 위한 로우패스필터;를 포함하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 멀티플렉서를 제어하여 상기 복수 개의 전압 출력부의 출력전압을 순차적으로 입력하는, 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서, 상기 충전 선택부는,
상기 제어부가 출력하는 어드레스 신호를 디코딩하여 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 충전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하며 상기 충전용 PWM 구동신호를 선택된 충전/방전부에 전달하는, 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서, 상기 방전 선택부는,
상기 제어부가 출력하는 어드레스 신호를 디코딩하여 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 직류전류를 방전시킬 적어도 하나의 충전 셀에 대응하는 충전/방전부를 선택하며 상기 방전용 PWM 구동신호를 선택된 충전/방전부에 전달하는, 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 충전/방전부 각각은 양방향 DC/DC 컨버터로 구성되는, 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제7항에 있어서,
상기 양방향 DC/DC 컨버터는 자기코어에 일차코일과 이차코일이 권선된 트랜스포머를 포함하는 대칭형 플라이백 컨버터(flyback converter)를 이용하여 구성되며,
충전시에는 상기 일차코일과 이차코일의 권선비와 충전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 감압이 이루어지는 벅 컨버터로 동작이 이루어지고, 방전시에는 상기 이차코일과 일차코일의 권선비와 방전용 PWM 구동신호의 듀티비에 따라 승압이 이루어지는 벅 컨버터로 동작이 이루어지는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 충전/방전부 각각은
자기코어의 1차측 및 2차측에 각각 일차코일과 이차코일이 권선되며 일차코일의 일측에 직류 입력전압이 인가되고 이차코일의 일측에 충전 셀이 연결된 트랜스포머;
상기 트랜스포머의 1차측에 접속되어 충전용 PWM 구동신호에 따라 상기 직류 입력전압을 스위칭하는 제1스위칭 소자;
상기 트랜스포머의 2차측에 접속되어 방전용 PWM 구동신호에 따라 상기 충전 셀에 충전된 직류전압을 스위칭하는 제2스위칭 소자;
상기 제2스위칭 소자에 병렬 접속되어 제1스위칭 소자가 턴-온될 때 트랜스포머의 2차측으로 전류가 흐르는 것을 차단하며, 제1스위칭 소자가 턴-오프될 때 트랜스포머의 2차측으로 전류가 흐르도록 도통되는 제1다이오드; 및
상기 제1스위칭 소자에 병렬 접속되어 제2스위칭 소자가 턴-온될 때 트랜스포머의 1차측으로 전류가 흐르는 것을 차단하며, 제2스위칭 소자가 턴-오프될 때 트랜스포머의 1차측으로 전류가 흐르도록 도통되는 제2다이오드;를 포함하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제9항에 있어서,
상기 트랜스포머의 1차측과 함께 충전 셀로부터 방전되는 전류에 포함된 리플을 제거하는 LC 필터를 구성하는 제1커패시터; 및
상기 트랜스포머의 2차측과 함께 충전 셀에 충전되는 전류에 포함된 리플을 제거하는 LC 필터를 구성하는 제2커패시터를 더 포함하는 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어부는;
상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압 중에서 최고 직류전압이 충전된 충전 셀과 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 충전 또는 최고 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 방전 제어를 실행하는, 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어부는;
상기 복수 개의 충전 셀에 충전된 평균 직류전압과 최고 직류전압이 충전된 충전 셀 또는 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 충전 또는 최고 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 방전 제어를 실행하는, 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어부는;
미리 설정된 충전 셀의 표준 충전전압과 최고 직류전압이 충전된 충전 셀 또는 최저 직류전압이 충전된 충전 셀의 전압 차가 미리 설정된 허용 편차전압 이상일 경우에 최저 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 충전 또는 최고 전압이 충전된 충전 셀에 대한 보조 방전 제어를 실행하는, 충전 셀의 셀 밸런싱 장치. - 직렬 연결된 복수 개의 충전 셀에 직류전압을 충전 또는 방전시킬 경우에 복수 개의 충전 셀 각각에 저장되어 있는 충전전압이 균일하게 되도록 보조 충전 및 방전을 제어하는 충전 셀의 셀 밸런싱 방법에 있어서,
상기 복수 개의 충전 셀 각각에 충전되어 있는 직류전압의 레벨을 검출하는 단계;
상기 복수 개의 충전 셀에 각기 충전된 직류전압의 레벨에 따라 상기 복수 개의 충전 셀 중에서 보조 충전 또는 보조 방전 여부를 결정하는 단계;
상기 보조 충전 또는 보조 방전시키기 위한 충전 셀을 선택하기 위한 어드레스 신호와 충전 또는 방전용 PWM 구동신호를 발생하는 단계; 및
상기 셀 선택용 어드레스 신호에 따라 선택된 충전/방전부에 충전용 또는 방전용 PWM 구동신호를 인가하여 전압 입출력단자로 입력되는 직류전류를 최저 전압이 충전된 충전 셀에 충전시키거나, 최고 전압이 충전된 충전 셀로부터 전압 입출력단자로 직류전류를 방전시키는 단계를 포함하는 충전 셀의 셀 밸런싱 방법.
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| KR1020140040036A KR20150115281A (ko) | 2014-04-03 | 2014-04-03 | 충전 셀의 셀 밸런싱 장치 및 방법 |
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| KR20180082345A (ko) * | 2017-01-10 | 2018-07-18 | 주식회사 엘지화학 | 에너지 절약 및 빠른 셀 밸런싱이 가능한 충전 제어 장치 및 방법 |
| WO2018131874A1 (ko) * | 2017-01-10 | 2018-07-19 | 주식회사 엘지화학 | 에너지 절약 및 빠른 셀 밸런싱이 가능한 충전 제어 장치 및 방법 |
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-
2014
- 2014-04-03 KR KR1020140040036A patent/KR20150115281A/ko not_active IP Right Cessation
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