KR20160041494A - 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 방법 - Google Patents

엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 직렬 접속된 하나 이상의 배터리 셀, 공진 동작을 수행하는 공진 모듈 및 상기 공진 모듈 내에 저장된 전하를 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달할 수 있도록 제공되는 스위치부를 포함하는 구동부; 및 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각의 전압 상태에 따라 상기 공진 모듈의 공진 주기를 측정하고, 상기 측정된 공진 주기에 따라 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어함으로써 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 방법{System and method for balancing a battery cell using LC resonance}
본 발명은 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, LC 공진을 이용하여 하나 이상의 배터리 셀 간의 전하를 전달하여 에너지 균형을 맞추고, 또한 구동 파형 생성시 LC 공진 주기를 측정하여 인덕터나 캐패시터에 편차가 있더라도 에너지 균형을 맞추며 특히 영전압 스위칭 동작을 수행함으로써 회로의 전력 손실을 최소화할 수 있는 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전지(배터리 셀)의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리 셀에 손상이 가해지게 된다. 특히, 하이브리드 전기자동차 혹은 노트북 컴퓨터 등은 비교적 대용량의 전원공급이 요구되므로 배터리 셀을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 경우, 배터리 셀을 직렬로 접속한 배터리 모듈(배터리 팩)을 사용하여야 한다. 그런데, 이와 같은 배터리 모듈을 사용하는 경우 각 배터리 셀의 성능 편차에 의하여 전압의 불균형이 발생될 수 있다.
또한, 배터리 모듈 충전 시 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리 셀이 다른 배터리 셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더이상 배터리 모듈을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리 셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리 모듈의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다.
한편, 배터리 모듈 방전 시에는 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리 셀이 다른 배터리 셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더이상 배터리 모듈을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리 모듈의 사용시간이 단축된다.
또한, 리튬이온 배터리 팩을 이용하는 차량 모터 등의 부하에서는 요구되는 전압이 높기 때문에(~ 400V), 높은 전압을 얻기 위해서는 다수의 배터리 셀(90 내지 100 개)을 직렬로 연결하여야 하며, 이때 다수의 배터리 셀의 생산 편차, 동작 온도 편차 등은 모두 차이가 있기 때문에, 각 셀 간의 전압의 불균형이 발생할 수 있으며, 그에 따라 가용 용량 및 파워가 감소하고, 배터리 셀의 노화가 가속된다는 문제점을 가진다.
일본공개특허 2013-233028호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, LC 공진을 이용하여 하나 이상의 배터리 셀 간의 전하를 전달하여 에너지 균형을 맞추고, 또한 구동 파형 생성시 LC 공진 주기를 측정하여 인덕터나 캐패시터에 편차가 있더라도 에너지 균형을 맞추며 특히 영전압 스위칭 동작을 수행함으로써 회로의 전력 손실을 최소화할 수 있는 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템은 직렬 접속된 하나 이상의 배터리 셀, 공진 동작을 수행하는 공진 모듈 및 상기 공진 모듈 내에 저장된 전하를 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달할 수 있도록 제공되는 스위치부를 포함하는 구동부; 및 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각의 전압 상태에 따라 상기 공진 모듈의 공진 주기를 측정하고, 상기 측정된 공진 주기에 따라 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어함으로써 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 제어부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치부는 상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 각기 접속된 하나 이상의 스위치를 구비하는 제1 스위치; 및 상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제2 공통 노드 사이에 각기 접속된 하나 이상의 스위치를 구비하는 제2 스위치; 및 상기 제1 및 제2 공통노드 사이에 연결 및 접속되는 전환 스위치;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 스위치, 제2 스위치 및 전환 스위치는 단접점(Single Pole Single Throw; SPST) 스위치로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 스위치, 제2 스위치 및 전환 스위치는 각각 한 쌍의 모스펫(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 공진 모듈 내의 캐패시터가 방전 모드인 상태에서 상기 캐패시터 내에 잔류 전하가 존재하는 경우, 상기 전환 스위치를 온 시켜 엘씨 공진 회로를 형성 및 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 공진 모듈의 반(half) 주기에 해당하는 시점에 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어하는 영전류 스위칭(Zero Current Switching) 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치는 별도의 부트 스트랩(boot strap) 회로에 의하여 생성되는 구동 전압을 인가 받으며, 상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치를 제외한 나머지 스위치는 인접한 배터리 셀로부터 구동 전압을 인가 받을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 공진 모듈 내에 포함된 공진 캐패시터의 전압 파형 피크로부터 공진 주기를 검출하는 피크 검출부; 상기 전압 측정부 및 피크 검출부로부터 전압 측정 결과 및 공진 주기 검출 결과를 수신한 후, 소스 모듈(source module) 및 싱크 모듈(sink module) 해당 여부를 판단하는 중앙 제어부; 및 상기 판단된 해당 여부에 따라 상기 스위치부를 온 또는 오프 시키기 위한 신호를 생성 및 상기 구동부에 출력하는 스위치 신호 생성부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 한 쌍의 배터리 셀에서 다른 한 쌍의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 듀얼 전하 전달 모드; 및 하나의 배터리 셀에서 다른 하나의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 싱글 전하 전달 모드;를 기반으로 하여 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 듀얼 전하 전달 모드는 상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시키며, 또한 상기 제어부에서 제2 소스 셀과 상기 공진 모듈을 연결시켜 상기 공진 모듈을 음방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제2 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시킴으로써, 상기 공진 모듈 전압값이 상기 배터리 셀 전압값에 수렴되는 것을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 싱글 전하 전달 모드는 상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시킨 후 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시키거나, 또는 상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전키고 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시킨 후 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법은 하나 이상의 배터리 셀을 직렬 접속 시키고, 또한 공진 동작을 수행하는 공진 모듈 및 스위치부를 연결하는 단계; 상기 접속된 하나 이상의 배터리 셀 각각의 전압 상태를 측정하고, 상기 전압 상태에 따라 상기 공진 모듈의 공진 주기를 측정하는 단계; 및 상기 연결된 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어함으로써 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결하는 단계는 상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 하나 이상의 제1 스위치를 각각 접속시키는 단계; 상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제2 공통 노드 사이에 하나 이상의 제2 스위치부를 각각 접속시키는 단계; 및 상기 제1 및 제2 공통노드 사이에 전환 스위치를 접속시키는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결하는 단계는 상기 제1 스위치, 제2 스위치 및 전환 스위치를 각각 한 쌍의 모스펫(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 구성되도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전달하는 단계는 상기 공진 모듈 내의 캐패시터가 방전 모드인 상태에서 상기 캐패시터 내에 잔류 전하가 존재하는 경우, 상기 전환 스위치를 온 시켜 엘씨 공진 회로를 형성시키고 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시키는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전달하는 단계는 상기 공진 모듈의 반(half) 주기에 해당하는 시점에 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어하는 영전류 스위칭(Zero Current Switching) 동작이 수행되도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결하는 단계는 상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치를 별도의 부트 스트랩(boot strap) 회로에 연결하여 상기 부트 스트랩 회로에 의하여 생성되는 구동 전압이 인가되도록 하는 단계; 및 상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치를 제외한 나머지 스위치와 인접한 배터리 셀을 서로 연결하여 상기 인접한 배터리 셀로부터 구동 전압이 인가되도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전달하는 단계는 상기 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계; 상기 공진 모듈 내에 포함된 공진 캐패시터의 전압 파형 피크로부터 공진 주기를 검출하는 단계; 상기 전압 측정부 및 피크 검출부로부터 전압 측정 결과 및 공진 주기 검출 결과를 수신한 후, 소스 모듈(source module) 및 싱크 모듈(sink module) 해당 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단된 해당 여부에 따라 상기 스위치부를 온 또는 오프 시키기 위한 신호를 생성 및 상기 구동부에 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전달하는 단계는 한 쌍의 배터리 셀에서 다른 한 쌍의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 듀얼 전하 전달 모드 및 하나의 배터리 셀에서 다른 하나의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 싱글 전하 전달 모드를 기반으로 하여 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전달하는 단계는 상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시키는 단계; 및 상기 제어부에서 제2 소스 셀과 상기 공진 모듈을 연결시켜 상기 공진 모듈을 음방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제2 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시킴으로써, 상기 공진 모듈 전압값이 상기 배터리 셀 전압값에 수렴되는 것을 방지하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전달하는 단계는 상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시킨 후 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시키는 단계; 및 상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전키고 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시킨 후 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은, LC 공진 모듈에서 생성되는 파형의 공진 주기를 측정함으로써 인덕터나 캐패시터에 편차가 있더라도 스위치를 해당 공진 주기에 맞춰 제어할 수 있기 때문에 전하를 균등하게 전달하여 에너지 균형을 맞출 수 있는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 영전압 스위칭 동작을 수행함으로써 스위치의 발열을 최소화화여 소자의 발열을 줄이고 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 배터리 셀 간의 에너지 교환이 가능하도록 함으로써 하드 스위칭에 의한 손실이 최소화되고 또한 높은 에너지를 가지는 배터리 셀에서 낮은 에너지를 가지는 배터리 셀로 에너지를 전달할 수 있어 결과적으로 배터리 성능이 향상되는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 구동부(110)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 스위치부(113)가 구동 전압을 인가 받는 상태를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 공진 모듈(112)의 전압값이 배터리 셀(111)의 전압값에 수렴되는 상태를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(120)에서 공진 모듈(112)의 공진 주기를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 양방향 충전 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 양방향 방전 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 음방향 충전 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 음방향 방전 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 모듈(112)의 듀얼 전하 전달 모드에서의 동작 파형을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 싱글 전하 전달모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 모듈(112)이 도 15 내지 도 17에 도시된 싱글 전하 전달 모드에서 동작되는 동작 파형을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 싱글 전하 전달 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 모듈(112)이 도 19 내지 도 21에 도시된 싱글 전하 전달 모드에서 동작되는 동작 파형을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 구동부(110)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 도면이며, 도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 스위치부(113)가 구동 전압을 인가 받는 상태를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)은 구동부(110) 및 제어부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 구동부(110)는 직렬로 접속된 하나 이상의 배터리 셀(111), 공진 동작을 수행하는 공진 모듈(112) 및 상기 공진 모듈 내에 저장된 전하를 하나 이상의 배터리 셀(111) 각각에 전달할 수 있도록 제공되는 스위치부(113)를 포함하여 구성될 수 있으며, 추가적으로 저항부(118)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 셀(111)은 배터리 모듈 내에서 한개 내지 복수 개로 직렬 연결될 수 있으며, 복수 개의 배터리 셀(111)이 직렬 연결되어 고압의 배터리 팩이 구성될 수 있다.
공진 모듈(112)은 직렬로 연결된 인덕터(Ls) 및 캐패시터(Cs)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 공진 모듈(112)은 종래의 공지된 기술을 이용하기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
스위치부(113)는 상술한 공진 모듈 내에 저장된 전하를 하나 이상의 배터리 셀(111) 각각에 전달하거나 혹은 전하량이 상대적으로 높은 배터리 셀로부터 전하를 회수 및 전하량이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 공급할 수 있는 공급 경로를 형성하는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 구동부(110)는 제1 및 제2 공통노드(114a, 114b)를 통해 하나 이상의 배터리 셀(111) 및 공진 모듈(112)이 서로 연결될 수 있는데, 보다 구체적으로 제1 공통노드(114a)는 공진 모듈(112)의 캐패시터(Cs)와 인접한 위치를 시작으로 직렬 연결된 배터리 셀(111) 중에서 최후단에 위치한 배터리 셀(111)의 일측 단자와 연결될 수 있다. 또한, 제2 공통노드(114b)는 공진 모듈(112)의 인덕터(Ls)와 인접한 위치를 시작으로 직렬 연결된 배터리 셀(111) 중에서 최후단에 위치한 배터리 셀(111)의 타측 단자와 연결될 수 있다.
도 2를 통해 보다 구체적으로 살펴보면, 직렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀(111)의 최전단의 배터리 셀(111)을 M1이라 하고 최후단의 배터리 셀을 Mn이라 가정하자.
제1 공통노드(114a)와 M1 일측 단자는 SW1를 통해 서로 연결되고, 제1 공통노드(114a)와 M3 일측 단자는 SW3를 통해 서로 연결되며, 제1 공통노드(114a)와 M5 일측 단자는 SW5를 통해 서로 연결되는 것을 알 수 있다.
즉, 제1 공통노드(114a)와 M1, M3, M5 등과 같은 홀수 배터리 셀의 일측 단자는 각각 SW1 , SW3 , SW5 등과 같은 홀수 스위치와 서로 연결될 수 있고, 특히 마지막 배터리 셀(Mn)은 제1 공통노드(114a)와 타측 단자가 서로 연결될 수 있으며, 이때의 스위치는 SWn +1 일 수 있다.
또한, 제2 공통노드(114b)와 M2 타측 단자는 SW2를 통해 서로 연결되고, 제2 공통노드(114b)와 M4 타측 단자는 SW4를 통해 서로 연결될 수 있다.
즉, 제2 공통노드(114b)와 M2, M4, M6 등과 같은 짝수 배터리 셀 및 M일측 단자는 SW2 , SW4 , SW6 등과 같은 짝수 스위치와 서로 연결될 수 있고, 특히 마지막 배터리 셀(Mn)은 제2 공통 노드(114b)와 일측 단자가 서로 연결될 수 있으며, 이때의 스위치는 SWn 일 수 있다.
일 실시예에서, 구동부(110)에 포함된 스위치부(113)는 단접점(Single Pole Single Throw; SPST) 스위치에 해당할 수 있다.
또한, 이러한 스위치부(113)는 각각 한 쌍의 모스펫(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; MOSFET)로 구성될 수 있다.
이러한 구동부(110) 내에 포함된 스위치부(113)가 구동되기 위해서는 구동 전압을 인가 받아야 하는데, 이는 후술되는 도 3 및 도 4를 통해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
저항부(118)는 배터리 셀(111) 및 스위치부(113) 사이에 각각 제공되며, 스위치부(113)의 파손, 파괴에 의해 회로에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 퓨즈(fuse)역할을 수행할 수 있다.
도 3 및 도 4를 살펴보면, 제1 공통노드(114a)의 최후단에 위치한 스위치(SWn +1) 및 전환 스위치(113a)를 제외한 나머지 스위치들은 MOSFET 구동을 위한 10 내지 15v의 게이트 구동 전압을 인가 받기 위해, 인접한 배터리 셀 모듈에서 해당 구동 전압을 인가 받게 된다.
이를 간단하게 살펴보면, 배터리 셀 각각의 전압은 배터리 셀의 충방전 상태에 따라 급변할 수 있기 때문에 다이오드 및 캐패시터를 이용하여 안정적인 전원을 만들고, MOSFET 구동에 적합한 수준의 전압 형성을 위하여 레귤레이터(regulator, 115)를 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 구동부(110)는 후술되는 제어부(120)에서 전송되는 제어 신호를 하이 사이드 게이트 드라이버(High side gate driver, 116)에 전달하게 되고, 하이 사이드 드라이버(116)에서는 해당 제어 신호에 맞게 MOSFET을 제어하게 된다.
반면에 도 4를 살펴보면, 제1 공통노드(114a)의 최후단에 위치한 스위치(SWn +1) 및 전환 스위치(113a)는 별도의 부트 스트랩(boot strap) 회로(117)에 의하여 생성되는 구동 전압을 인가받아 구동될 수 있는데, 여기에서 부트 스트랩 회로(117)는 캐패시터(CB) 및 다이오드(DB)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, Cs에 전하가 충전되는 경우, Cb에도 전가가 함께 충전되며, Cb에 충전된 전하는 제1 공통노드(114a)의 최후단에 위치한 스위치(SWn +1) 및 전환 스위치(113a)에 전달될 수 있다.
한편, 전환 스위치(113a)는 충전 전환 스위치(Charge Inversion Switch)를 의미할 수 있으며, 특히 공진 모듈(112)의 캐패시터의 전압 극성을 반전시키는 역할을 수행할 수 있는데, 이는 도 5 내지 도 7을 통해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6을 살펴보면, 공진 모듈(112)의 캐패시터(Cs)가 비어있는 상태에서 스위치부(113)를 온 시켜 소스 셀(하나 이상의 배터리 셀(111) 각각의 전하 균등화 과정에 있어 전하를 잃는 배터리 셀)에 공진 모듈(112)을 연결시키는 경우, 전류는 소스 셀에서 공진 모듈(112)의 캐패시터로 흐르면서 캐패시터의 전압은 소스 셀의 2배까지 상승할 수 있다(이때의 공진 모듈(112)은 충전 모드에 해당함). 이렇게 캐패시터가 최대로 충전된 상태에서 스위치부(113)를 싱크 셀(하나 이상의 배터리 셀(111) 각각의 전하 균등화 과정에 있어 전하를 얻는 배터리 셀)에 연결시키는 경우, 캐패시터의 전압은 0으로 감소하게 된다(이때의 공진 모듈(112)은 방전 모드에 해당함).
이러한 충전 모드 및 방전 모드를 반복 수행함으로써 소스 셀에서 싱크 셀로 전하가 전달되게 된다.
한편, 이때 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100) 내에 존재하는 저항 성분으로 인하여 캐피시터의 전압은 완전한 0이 되지 못하고 잔류 전하가 남게 되는데, 이러한 상태에서 충전 모드 및 방전 모드를 반복 수행하는 경우 캐패시터의 잔류 전하에 의한 전압값이 배터리 셀(111)에 수렴함으로써 결과적으로 스위치부(113)가 정상적으로 동작할 수 없게 된다. 이러한 동작을 도 7을 통해 살펴보면 다음과 같다.
도 7은 본 공진 모듈(112)의 전압값이 배터리 셀(111)의 전압값에 수렴되는 상태를 도시한 도면이다.
도 7을 살펴보면, 공진 모듈(112)에서 충전 모드 및 방전 모드를 반복함에 있어서, 공진 모듈(112)의 전압값(VCs)가 점점 배터리 셀(111) 전압값과 동일한 양상을 보이도록 수렴하는 것을 볼 수 있는데, 이는 공진 전류가 제대로 흐르지 못해 배터리 셀 밸런싱이 제대로 이루어지지 않음을 의미할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전환 스위치(113a)는 공진 모듈(112)의 캐패시터가 방전 모드에 해당하면서 캐패시터에 일정량 이상의 잔류 전하가 존재하여 + 전압이 존재하는 경우, 후술되는 제어부(120)의 제어에 의하여 온으로 동작되게 된다. 그에 따라, 엘씨 공진 회로가 형성됨으로써 캐패시터의 전압 극성이 +에서 -로 변경되게 되고, 이러한 상태에서 충전을 하는 경우 캐패시터의 전압값이 배터리 셀(111)의 전압값에 수렴되는 것이 방지될 수 있다.
한편, 이러한 전환 스위치(113a)의 동작은 후술되는 도 15 내지 도 21에서 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
다음으로, 제어부(120)는 전압 측정부(121), 피크 검출부(122), 중앙 제어부(123) 및 스위치 신호 생성부(124)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 전압 측정부(121)는 하나 이상의 배터리 셀(111) 각각의 전압을 측정하고, 측정 결과를 후술되는 중앙 제어부(123)에 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
피크 검출부(122)는 공진 모듈(112) 내에 포함된 공진 캐패시터(Cs) 전압 파형의 피크로부터 공진 주기를 검출하고, 검출된 공진 주기를 중앙 제어부(123)에 입력하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 도 8 및 도 9를 통해 살펴보면 다음과 같다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(120)에서 공진 모듈(112)의 공진 주기를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9를 살펴보면, 복수의 스위치 중에서 임의의 스위치(SW)를 온 시킴으로써 하나 이상의 배터리 셀(111) 및 공진 모듈(112)을 서로 공진시킨 경우 공진 캐패시터(Cs)의 전압 파형(VCs) 및 공진 인덕터(Ls)의 전류 파형(ILs)을 살펴볼 수 가 있는데, 피크 검출부(122)는 공진 캐패시터(Cs)의 전압 파형(VCs)의 피크(peak)가 나타내는 시간(tpeak1, tpeak2, tpeak3 등)을 측정함으로써 공진 주기 T를 측정하고, 이러한 측정횟수를 반복함으로써 측정 오차를 줄일 수 있다.
따라서, 이러한 반복 측정을 통해 하나 이상의 배터리 셀(111) 각각의 공정 편차나 온도 변화 등의 변화에 따라 공진 모듈(112)의 Cs 및 Ls 값이 변화되더라도 영전압 스위칭 동작을 이상없이 수행할 수 있다.
중앙 제어부(123)는 상술한 전압 측정부(121) 및 피크 검출부(122)로부터 전압 측정 결과 및 공진 주기 검출 결과를 주기적으로 수신한 후, 배터리 셀(111)이 소스 셀(source cell) 인지 혹은 싱크 셀(sink cell)인지 여부를 판단하는 역할 및 판단 결과를 후술되는 스위치 신호 생성부(124)에 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
스위치 신호 생성부(124)는 상술한 중앙 제어부(123)로부터 전달되는 판단 결과를 기반으로 하여 공진 모듈(112)의 공진 주기에 맞춰 스위치부(113)의 각 스위치들을 제어할 수 있는 제어 신호를 구동부(110)에 출력하는 역할을 수행할 수 있다.
이러한 과정을 순서대로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 전압 측정부(121)에서 배터리 셀(111)의 전압을 측정하여 측정 결과를 중앙 제어부(123)로 지속적으로 전달하면 중앙 제어부(123)는 이러한 측정 결과를 바탕으로 해당 배터리 셀(111) 소스 모듈인지 싱크 모듈인지를 판단하게 된다.
다음으로, 피크 검출부(122)는 스위치 신호 생성부(124)를 통해 임의의 배터리 셀(111)을 공진 모듈(112)에 연결시켜 함께 공진 시킴으로써 공진 모듈(112)의 Cs 전압의 피크를 검출하여 공진 주기를 측정하게 되고, 측정된 공진 주기를 중앙 제어부(123)에 전달하게 된다.
다음으로, 중앙 제어부(123)에서는 해당 배터리 셀(111)이 소스 모듈인지 싱크 모듈인지 판단한 결과와 함께, 측정된 공진 주기 결과를 스위치 신호 생성부(124)에 전달하게 되고, 스위치 신호 생성부(124)는 전달받은 정보들을 기반으로 구동부(110)의 스위치부(113)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성 및 구동부(110)에 전달하여 전하 균등화 과정이 수행되도록 한다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 공진 모듈(112) 공진 주기 중에서 반(half) 주기에 해당하는 시점에 스위치부(113)의 온 오프 동작을 제어하는 영전류 스위칭(Zero Current Switching) 동작을 수행할 수 있는데, 이러한 동작을 통해 스위치부(113)의 스위칭 동작 시 발생되는 발열을 최소화 함으로써 스위치 소자의 발열을 줄이고 수명을 극대화할 수 있게 된다.
다음은 도 10 내지 도 14를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 동작을 살펴보기로 하고, 또한 도 15 내지 도 21을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(110)의 싱글 전하 전달 모드의 동작을 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 제어부(120)는 싱글 전하 전달 모드 및 듀얼 전하 전달 모드를 기반으로 하여 공진 모듈(112) 내에 충전된 전하를 각각의 배터리 셀(111)에 전달할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 양방향 충전 단계를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 양방향 방전 단계를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 음방향 충전 단계를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 듀얼 전하 전달 모드의 음방향 방전 단계를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 14 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 모듈(112)의 동작 파형을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 전하 전달 방식 중에서 싱글 전하 전달모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 모듈(112)이 도 15 내지 도 17에 도시된 싱글 전하 전달 모드에서 동작되는 동작 파형을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 19 내지 도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)의 싱글 전하 전달 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 모듈(112)이 도 19 내지 도 21에 도시된 싱글 전하 전달 모드에서 동작되는 동작 파형을 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저 도 10 내지 도 13을 살펴보면, 도 10은 배터리 B4에서 배터리 B2로, 배터리 B3에서 배터리 B1으로 전하를 전달하기 위한 스위칭 상태를 나타낸다.
도 10을 살펴보면, 첫번째 단계인 양방향 충전(Positive collect)(t0 ~ t1) 단계는 스위치4 및 스위치5를 온 시켜 배터리 B4를 공진 모듈의 Ls 및 Cs와 연결시키는 것을 의미하며, 이때 전류는 B4에서 공진 모듈 쪽으로 흐르게 되고, Cs는 + 방향으로 충전되며 이때 B4 전압의 2개까지 충전될 수 있다.
도 11을 살펴보면, 두번째 단계인 양방향 방전(Positive release)(t1 ~ t2)단계는 스위치2 및 스위치3을 온 시켜 배터리 B2를 공진 모듈의 Ls 및 Cs와 연결시키는 것을 의미하며, 이때 전류는 Cs에서 B2 방향으로 흐르게 되고 이때 Cs의 전류는 0에 가까워지도록 방전된다.
도 12를 살펴보면, 세번째 단계인 음방향 충전(Negative collect)(t2 ~ t3)단계는 스위치3 및 스위치4를 온 시켜 배터리 B3을 공진 모듈의 Ls 및 Cs와 연결시키는 것을 의미하며, 이때 전류는 B3에서 공진 모듈 쪽으로 흐르게 되고 Cs는 - 방향으로 충전된다.
도 13을 살펴보면, 네번째 단계인 음방향 방전(Negative release)(t3 ~ t4)단계는 스위치1 및 스위치2를 온 시켜 배터리 B1을 공진 모듈의 Ls 및 Cs와 연결시키는 것을 의미하며, 이때 전류는 Cs에서 B1 방향으로 흐르게 되고 그에 따라 Cs는 방전되게 된다.
이러한 네가지 단계를 가지는 듀얼 전하 전달 모드를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템(100)은 각 배터리 셀 간의 전하값이 균형화 될 때까지 반복해서 수행될 수 있으며, 특히 듀얼 전하 전달 모드는 두 개의 배터리 셀(111)(각각 하나의 홀수 배터리 셀 및 짝수 배터리 셀)에서 다른 두 개의 배터리 셀(111)(각각 하나의 홀수 배터리 셀 및 짝수 배터리 셀)로 전하를 전달할 수 있다.
또한, 이때 각 단계의 유지 시간은 공진 모듈의 반 주기에 맞추어 수행되며, Cs 전압의 균형을 맞추기 위하여 + 방향 및 - 방향으로 한번씩 반복해서 충전이 반복되는 점을 유의한다.
도 14를 살펴보면, 양방향 충전 단계에서는 공진 모듈(112)의 캐패시터 전압(VCs)이 양의 방향으로 상승을 나타내고 양방향 방전 단계에서는 음의 방향으로 하강을 나타낸다.
반대로, 음방향 충전 단계에서는 음의 방향으로 하강을 나타내고 음방향 방전 단계에서는 양의 방향으로 상승을 나타낸다.
또한, 양방향 충전 단계에서는 인덕터 전류(ILs)가 t0를 시작으로 하여 양의 방향으로 상승하였다가 t1에서 다시 음의 방향으로 하강을 나타내고, 다시 양방향 방전 단계에서는 인덕터 전류가 음의 방향으로 하강하였다가 양의 방향으로 상승을 나타낸다.
반대로, 음방향 충전단계에서의 인덕터 전류는 양방향 방전 단계에서와 동일한 양상을 나타내고 또한 음방향 방전 단계에서의 인덕터 전류는 양방향 충전 단계에서와 동일한 양상을 보인다.
도 15 내지 17을 살펴보면, 도 15 내지 17은 B2의 전하를 B4에 전달하기 위한 과정을 나타낸다.
먼저, 도 15를 살펴보면 SW2 및 SW3를 온 시키고, 나머지 스위치들은 모두 오프 시킴으로써 B2의 전하를 이용하여 공진 모듈(112)의 캐패시터(Cs)를 충전하게 된다.
그 다음, 도 16을 살펴보면 S1 내지 S3을 오프 시키고, 나머지 스위치들은 모두 온 시킴으로써 캐패시터 내에 충전된 전하가 B4에 전달됨으로써 캐패시터는 방전되게 된다.
도 17을 살펴보면 캐패시터는 저항에 의하여 완전히 방전이 되지 못하고 내부에 잔류 전하가 남게 되는데, 이러한 잔류 전하에 의하여 캐패시터의 전압값이 배터리 셀(111)의 전압값에 수렴되는 것을 방지하기 위하여 전환 스위치(113a)가 작동되면서 엘씨 공진 회로가 형성되고, 그에 따라 캐패시터 전압 극성이 반전되면서 결과적으로 캐패시터의 전압값이 배터리 셀(111)의 전압값에 수렴되는 것이 방지될 수 있다.
도 18을 살펴보면, 충전 단계에서는 공진 모듈(112)의 캐패시터 전압(VCs)이 양의 방향으로 상승을 나타내고 방전 단계에서는 음의 방향으로 하강을 나타낸다.
또한, 전환(Inversion) 단계에서는 캐패시터 전압이 양의 값에서 음의 값으로 전환되는 것을 볼 수 있고, 이때의 인덕터 전류(ILs)는 제로에서 음의 방향으로 하강하였다가 다시 제로로 전환됨을 알 수 있다.
결국, 이러한 전환 스위치(113a)의 동작에 의하여 캐패시터 전압값이 배터리 셀(111) 전압값에 수렴되지 않으면서도 공진 모듈(112) 및 배터리 셀(111) 간의 배터리 셀 밸런싱은 유지됨을 알 수 있다.
도 19 내지 도 21을 살펴보면, 도 19 내지 도 21은 B4의 전하를 B1에 전달하기 위한 과정을 나타낸다.
먼저, 도 19를 살펴보면 SW4 및 SW5를 온 시키고, 나머지 스위치들은 모두 오프 시킴으로써 B4의 전하를 이용하여 공진 모듈(112)의 캐패시터를 충전하게 된다.
그 다음, 도 20을 살펴보면 캐패시터는 양방향 충전이 아닌 음방향 충전에 해당하기 때문에 전환 스위치(113a)가 작동되면서 엘씨 공진 회로가 형성되어 캐패시터의 전압의 극성을 반전시키게 된다.
그 다음, 도 21을 살펴보면 이렇게 전환 스위치(113a)에 의하여 반전된 전압에 의하여 캐패시터 내에 충전된 전하는 다시 SW1 및 SW2가 온 됨으로써 B1에 전달되게 된다.
도 22를 살펴보면, 충전 단계에서는 공진 모듈(112)의 캐패시터 전압(VCs)이 양의 방향으로 상승을 나타내고 전환(Inversion) 단계에서는 캐패시터 전압이 양의 값에서 음의 값으로 전환되는 것을 볼 수 있고, 이때의 인덕터 전류(ILs)는 제로에서 음의 방향으로 하강하였다가 다시 제로로 전환됨을 알 수 있다. 또한, 방전 단계에서는 캐패시터 전압이 다시 상승하고 이때의 인덕터 전류는 제로에서 양의 방향으로 상승하였다가 다시 제로로 전됨을 알 수 있다.
결국, 이러한 전환 스위치(113a)의 동작에 의하여 캐패시터 전압값이 배터리 셀(111) 전압값에 수렴되지 않으면서도 공진 모듈(112) 및 배터리 셀(111) 간의 배터리 셀 밸런싱은 유지됨을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템
110 : 구동부
111 : 배터리 셀 112 : 공진 모듈
113 : 스위치부 113a : 전환 스위치
114a : 제1 공통노드 114b : 제2 공통노드
115 : 레귤레이터 116 : 하이 사이드 드라이버
117 : 부트 스트랩 회로
120 : 제어부
121 : 전압 측정부 122 : 피크 검출부
123 : 중앙 제어부 124 : 스위치 신호 생성부

Claims (21)

  1. 직렬 접속된 하나 이상의 배터리 셀, 공진 동작을 수행하는 공진 모듈 및 상기 공진 모듈 내에 저장된 전하를 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달할 수 있도록 제공되는 스위치부를 포함하는 구동부; 및
    상기 하나 이상의 배터리 셀 각각의 전압 상태에 따라 상기 공진 모듈의 공진 주기를 측정하고, 상기 측정된 공진 주기에 따라 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어함으로써 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 상기 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 각기 접속된 하나 이상의 스위치를 구비하는 제1 스위치; 및
    상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제2 공통 노드 사이에 각기 접속된 하나 이상의 스위치를 구비하는 제2 스위치; 및
    상기 제1 및 제2 공통노드 사이에 연결 및 접속되는 전환 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치, 제2 스위치 및 전환 스위치는 단접점(Single Pole Single Throw; SPST) 스위치로 구성 가능한 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치, 제2 스위치 및 전환 스위치는 각각 한 쌍의 모스펫(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 구성 가능한 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 공진 모듈 내의 캐패시터가 방전 모드인 상태에서 상기 캐패시터 내에 잔류 전하가 존재하는 경우, 상기 전환 스위치를 온 시켜 엘씨 공진 회로를 형성 및 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시키는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 공진 모듈의 반(half) 주기에 해당하는 시점에 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어하는 영전류 스위칭(Zero Current Switching) 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치는 별도의 부트 스트랩(boot strap) 회로에 의하여 생성되는 구동 전압을 인가 받으며,
    상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치를 제외한 나머지 스위치는 인접한 배터리 셀로부터 구동 전압을 인가 받는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 공진 모듈 내에 포함된 공진 캐패시터의 전압 파형 피크로부터 공진 주기를 검출하는 피크 검출부;
    상기 전압 측정부 및 피크 검출부로부터 전압 측정 결과 및 공진 주기 검출 결과를 수신한 후, 소스 셀(source cell) 및 싱크 셀(sink cell) 해당 여부를 판단하는 중앙 제어부; 및
    상기 판단된 해당 여부에 따라 상기 스위치부를 온 또는 오프 시키기 위한 신호를 생성 및 상기 구동부에 출력하는 스위치 신호 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    한 쌍의 배터리 셀에서 다른 한 쌍의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 듀얼 전하 전달 모드; 및 하나의 배터리 셀에서 다른 하나의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 싱글 전하 전달 모드;를 기반으로 하여 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 듀얼 전하 전달 모드는,
    상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시키며, 또한
    상기 제어부에서 제2 소스 셀과 상기 공진 모듈을 연결시켜 상기 공진 모듈을 음방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제2 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시킴으로써, 상기 공진 모듈 전압값이 상기 배터리 셀 전압값에 수렴되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 싱글 전하 전달 모드는,
    상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시킨 후 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시키거나, 또는
    상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전키고 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시킨 후 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시키는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 시스템.
  12. 하나 이상의 배터리 셀을 직렬 접속 시키고, 또한 공진 동작을 수행하는 공진 모듈 및 스위치부를 연결하는 단계;
    상기 접속된 하나 이상의 배터리 셀 각각의 전압 상태를 측정하고, 상기 전압 상태에 따라 상기 공진 모듈의 공진 주기를 측정하는 단계; 및
    상기 연결된 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어함으로써 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연결하는 단계는,
    상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 하나 이상의 제1 스위치를 각각 접속시키는 단계;
    상기 하나 이상의 배터리 셀의 각 단자와 제2 공통 노드 사이에 하나 이상의 제2 스위치부를 각각 접속시키는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 공통노드 사이에 전환 스위치를 접속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 연결하는 단계는,
    상기 제1 스위치, 제2 스위치 및 전환 스위치를 각각 한 쌍의 모스펫(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)으로 구성되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 공진 모듈 내의 캐패시터가 방전 모드인 상태에서 상기 캐패시터 내에 잔류 전하가 존재하는 경우, 상기 전환 스위치를 온 시켜 엘씨 공진 회로를 형성시키고 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 공진 모듈의 반(half) 주기에 해당하는 시점에 상기 스위치부의 온 오프 동작을 제어하는 영전류 스위칭(Zero Current Switching) 동작이 수행되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 연결하는 단계는,
    상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치를 별도의 부트 스트랩(boot strap) 회로에 연결하여 상기 부트 스트랩 회로에 의하여 생성되는 구동 전압이 인가되도록 하는 단계; 및
    상기 제1 공통노드 최후단에 위치한 제1 스위치 및 상기 전환 스위치를 제외한 나머지 스위치와 인접한 배터리 셀을 서로 연결하여 상기 인접한 배터리 셀로부터 구동 전압이 인가되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 하나 이상의 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 공진 모듈 내에 포함된 공진 캐패시터의 전압 파형 피크로부터 공진 주기를 검출하는 단계;
    상기 전압 측정부 및 피크 검출부로부터 전압 측정 결과 및 공진 주기 검출 결과를 수신한 후, 소스 모듈(source module) 및 싱크 모듈(sink module) 해당 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단된 해당 여부에 따라 상기 스위치부를 온 또는 오프 시키기 위한 신호를 생성 및 상기 구동부에 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    한 쌍의 배터리 셀에서 다른 한 쌍의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 듀얼 전하 전달 모드 및 하나의 배터리 셀에서 다른 하나의 배터리 셀로 전하가 전달되도록 하는 싱글 전하 전달 모드를 기반으로 하여 상기 공진 모듈 내에 충전된 전하를 하나 이상의 배터리 셀 각각에 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시키는 단계; 및
    상기 제어부에서 제2 소스 셀과 상기 공진 모듈을 연결시켜 상기 공진 모듈을 음방향으로 충전시키고 상기 공진 모듈과 제2 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 양방향으로 방전시킴으로써, 상기 공진 모듈 전압값이 상기 배터리 셀 전압값에 수렴되는 것을 방지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전시키고 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시킨 후 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시키는 단계; 및
    상기 제어부에서 제1 소스 셀 및 상기 공진 모듈을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 충전키고 상기 전환 스위치를 온 시켜 상기 공진 모듈의 전압 극성을 반전시킨 후 상기 공진 모듈과 제1 싱크 셀을 서로 연결시켜 상기 공진 모듈을 방전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    엘씨 공진을 이용한 배터리 셀 밸런싱 방법.
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