KR20170039477A - 배터리 스택 밸런싱 장치 - Google Patents

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성창현
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Abstract

본 발명은, 공진 회로를 이용하여 배터리 스택을 밸런싱하는 기술을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 밸런싱하는 장치로서, 각 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하는 셀 밸런싱부; 상기 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 모듈 밸런싱부; 및 상기 셀 밸런싱부 및 상기 모듈 밸런싱부를 제어하는 제어부;를 포함한다. 상기 셀 밸런싱부 및 상기 모듈 밸런싱부 중 적어도 하나는 공진회로로 구현될 수 있다.

Description

배터리 스택 밸런싱 장치{Apparatus for balancing battery stack}
본 발명은 배터리를 밸런싱하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 공진회로를 이용하여 밸런싱하는 장치에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
한편, 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 통상적으로 직렬 및/또는 병렬 구조로 연결되는 복수 개의 배터리 셀로 구성되는데, 상기 배터리 셀은 양극 집전체, 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해질 등을 포함하며, 상기 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
그리고, 배터리 팩은, 일반적으로 전력 공급 제어, 전류, 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 추정, SOH(State Of Health) 추정 등을 수행하는 BMS(Battery Management System)를 포함하여 구성된다.
한편, 배터리 팩을 구성하는 복수 개의 배터리 셀의 성능은 다양한 원인에 의해 편차가 존재할 수 있다. 그리고, 배터리 셀의 성능 편차 등에 의해 배터리 셀 간의 전압 불균형이 발생하게 된다.
이와 같은 불균형이 발생한 상태에서 배터리 팩을 사용하게 될 경우, 배터리 팩의 성능은, 성능이 저하된 배터리 셀에 의존하게 되어 배터리 팩 전체의 성능이 제한되는 문제점이 발생하게 된다. 뿐만 아니라, 성능이 저하된 배터리 셀은 성능 저하가 더욱 가속화되는 특성이 있어서, 성능이 저하된 배터리 셀을 방치하게 되면 배터리 팩의 수명도 급속히 줄어들게 되는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 배터리 셀의 양단에 저항이 선택적으로 연결되도록 하여 배터리 셀을 방전시키는 형태의 패시브 밸런싱을 수행하거나, 높은 전압을 갖는 배터리 셀의 전력을 커패시터를 매개로 하여 낮은 전압을 갖는 배터리 셀로 전달하는 액티브 밸런싱을 수행해왔다.
그러나 종래의 패시브 밸런싱 기술은 저항을 이용하여 전력을 소모시켜 밸런싱을 수행하므로, 전력을 낭비하게 되는 문제가 있고, 커패시터를 이용한 종래의 액티브 밸런싱 기술은 배터리 셀과 커패시터 사이의 전압 차이를 발생시키기 위해 스위칭 동작이 반복적으로 수행되어야 하는 등 밸런싱을 수행하는데 상당한 시간이 소요된다는 문제가 있다.
본 발명은 종래의 밸런싱 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전력을 낭비하지 않고 밸런싱을 수행하면서도, 전력 전달이 신속하게 수행될 수 있도록 하는 밸런싱 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는 다음과 같다.
(1). 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 밸런싱하는 장치로서, 각 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하는 셀 밸런싱부; 상기 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 모듈 밸런싱부; 및 상기 셀 밸런싱부 및 상기 모듈 밸런싱부를 제어하는 제어부;를 포함하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(2). (1)에 있어서, 상기 모듈 밸런싱부는, 제1커패시터 및 상기 제1커패시터와 직렬 연결된 제1인덕터를 포함하는 제1직렬공진회로; 제2인덕터 및 상기 제2인덕터와 직렬 연결되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제1극성변경스위치를 포함하고, 상기 제1커패시터에 병렬 연결되는 제1극성변경회로; 일단이 상기 배터리 스택의 저전위단, 상기 배터리 스택의 고전위단 및 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈들 사이에 각각 형성된 복수의 노드들에 각각 전기적으로 연결되고, 타단이 상기 제1직렬공진회로에 연결된 복수의 제1전달 선로들; 및 상기 복수의 제1전달 선로들 상에 각각 설치되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 복수의 제1전달 스위치들;을 포함하며, 상기 제어부는, 상기 복수의 제1전달 스위치들 및 상기 제1극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(3). (2)에 있어서, 상기 셀 밸런싱부는, 각 배터리 모듈마다 구비된 복수의 셀 밸런싱 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(4). (3)에 있어서, 상기 셀 밸런싱 유닛은, 제2커패시터 및 상기 제2커패시터와 직렬 연결된 제3인덕터를 포함하는 제2직렬공진회로; 제4인덕터 및 상기 제4인덕터와 직렬 연결되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제2극성변경스위치를 포함하고, 상기 제2커패시터에 병렬 연결되는 제2극성변경회로; 일단이 상기 배터리 모듈의 저전위단, 상기 배터리 모듈의 고전위단 및 직렬 연결된 복수의 배터리 셀들 사이에 각각 형성된 복수의 노드들에 각각 전기적으로 연결되고, 타단이 상기 제2직렬공진회로에 연결된 복수의 제2전달 선로들; 및 상기 복수의 제2전달 선로들 상에 각각 설치되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 복수의 제2전달 스위치들;을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수의 제2전달 스위치들 및 상기 제2극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(5). (4)에 있어서, 상기 복수의 제2전달 선로들을 구성하는 각 제2전달 선로의 타단은, 상기 제2직렬공진회로의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(6). (5)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 복수의 제2전달 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(7). (5)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2극성변경스위치가 턴 온되었을 때 상기 제2커패시터와 상기 제4인덕터가 형성하는 제2병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 제2극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(8). (5)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 셀의 전압의 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제2극성변경스위치 및 상기 복수의 제2전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(9). (8)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제2극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제2전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(10). (5)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 셀의 전압의 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제2극성변경스위치 및 상기 복수의 제2전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(11). (10)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제2극성변경스위치를 턴 오프시키고, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양단에 연결된 2개의 제2전달 스위치를 턴 온시키고, 상기 2개의 제2전달 스위치를 제외한 나머지 제2전달 스위치들을 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(12). (10)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성이 다르면 상기 제2극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제2전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(13). (3)에 있어서, 상기 셀 밸런싱 유닛은, 방전저항; 및 상기 방전저항에 직렬 연결된 방전스위치;를 구비한 방전회로를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 방전스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(14). (2) 내지 (13) 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 제1전달 선로들을 구성하는 각 제1전달 선로의 타단은, 상기 제1직렬공진 회로의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(15). (14)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 복수의 제1전달 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(16). (14)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1극성변경스위치가 턴 온되었을 때 상기 제1커패시터와 상기 제2인덕터가 형성하는 제1병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 제1극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(17). (14)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제1극성변경스위치 및 상기 복수의 제1전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(18). (17)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제1극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제1전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(19). (14)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제1극성변경스위치 및 상기 복수의 제1전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(20). (19)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제1극성변경스위치를 턴 오프시키고, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 연결된 2개의 제1전달 스위치를 턴 온시키고, 상기 2개의 제1전달 스위치를 제외한 나머지 제1전달 스위치들을 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(21). (19)에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 다르면 상기 제1극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제1전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
(22). (1) 내지 (21) 중 어느 하나에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함하는 배터리 팩.
(23). (1) 내지 (21) 중 어느 하나에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함하는 전기 자동차.
본 발명의 일 측면에 의하면, 직렬공진회로를 이용하여 밸런싱을 수행하되, 직렬공진회로의 반주기에 맞추어 영전압 또는 영전류 스위칭을 수행하므로, 배터리 모듈 또는 배터리 셀과 공진회로 사이의 전압 차를 극대화하여 밸런싱이 효율적이고 신속하게 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 직렬공진회로에 구비된 커패시터에 병렬 연결된 극성변경회로를 이용함으로써, 전달 선로 및 전달 스위치의 개수를 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 극성변경회로의 극성변경스위치를 턴 온시킴으로써 병렬공진회로를 형성하고, 상기 병렬공진회로의 공진을 통해 밸런싱이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는, t0시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타난 그래프이다.
도 4는, t0로부터 제1직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 오프시키고, 제3배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은, t0로부터 제1직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 오프시키고, 제1극성변경스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은, t1으로부터 제1병렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1극성변경스위치를 턴 오프시키고, 제2배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 10은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 12는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 13은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 14는, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 15는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 16은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 17은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 나타낸 도면이다.
도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 유닛을 나타낸 도면이다.
도 19는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 밸런싱 유닛을 나타낸 도면이다.
도 20은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 21은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다.
도 22는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "제어부"와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 스택(10)은 복수의 배터리 모듈(20)을 포함한다. 상기 배터리 스택(10)은, 복수의 배터리 모듈(20)의 집합체이다. 여기서, 배터리 모듈(20)들은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 배터리 모듈(20)의 개수는 3개 인 것으로 도시되어 있으나, 배터리 모듈(20)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 배터리 모듈(20)은, 배터리 셀을 포함한다. 상기 배터리 모듈(20)은, 단위 배터리 셀(30) 또는 2 이상의 배터리 셀(30)의 집합체이다. 이때, 배터리 셀(30)들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 직렬 및 병렬로 연결될 수도 있다. 도 1의 실시예에서, 배터리 모듈(20)은, 2개의 배터리 셀(30)이 직렬 연결되어 있으나, 배터리 셀(30)의 개수 및 연결관계가 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 제1직렬공진회로(110), 제1극성변경회로(120), 복수의 제1전달 선로들(131, 132, 133, 134), 복수의 제1전달 스위치들 (141, 142, 143, 144) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 제1직렬공진회로(110)는, 커패시터와 인덕터가 직렬 연결되어 형성될 수 있다. 본 명세서에서, 제1직렬공진회로(110)에 포함된 커패시터는 제1커패시터(111)라고 지칭되고, 상기 제1직렬공진회로(110)에 포함된 인덕터는 제1인덕터(112)라고 지칭된다. 상기 제1커패시터(111)의 커패시턴스와 상기 제1인덕터(112)의 인덕턴스는 충전될 전력 및 공진주기 등을 고려하여 적절한 값으로 선택될 수 있다.
상기 제1극성변경회로(120)는 상기 제1커패시터(111)에 병렬연결될 수 있다. 상기 제1극성변경회로(120)는 인덕터와 스위치를 포함한다. 본 명세서에서, 제1극성변경회로(120)에 포함된 인덕터는 제2인덕터(121)라고 지칭되며, 제1극성변경회로(120)에 포함된 스위치는 제1극성변경스위치(122)라고 지칭된다. 상기 제1극성변경스위치(122)는 후술할 제어부의 제어신호에 따라 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 상기 제1극성변경스위치(122)는 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1극성변경스위치(122)는 MOSFET으로 구현될 수 있다. 상기 제1극성변경스위치(122)는 제2인덕터(121)와 직렬 연결될 수 있다. 상기 제1극성변경스위치(122)가 턴 온될 경우, 제2인덕터(121)는 제1커패시터(111)와 병렬 연결된다. 즉, 상기 제1극성변경스위치(122)가 턴 온될 경우, 제2인덕터(121)와 제1커패시터(111)는 병렬공진회로를 형성할 수 있다. 여기서, 제2인덕터(121)와 제1커패시터(111)가 형성한 병렬공진회로는 제1병렬공진회로라고 지칭될 수 있다. 한편, 이와 달리 제1극성변경스위치(122)가 턴 오프될 경우, 제2인덕터(121)와 제1커패시터(111)의 병렬 연결은 해제된다. 그리고, 상기 제1커패시터(111)의 커패시턴스와 상기 제2인덕터(121)의 인덕턴스는 공진주기 등을 고려하여 적절한 값으로 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2인덕터(121)의 인덕턴스는, 상기 제1병렬공진회로의 공진주기를 상기 제1직렬공진회로(110)의 공진주기보다 짧게 할 수 있도록 제1인덕터(112)의 인덕턴스보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
상기 복수의 제1전달 선로들(131, 132, 133, 134)은, 배터리 스택(10)에 형성된 복수의 노드(N1, N2, N3, N4)들과 제1직렬공진회로(110)를 전기적으로 연결한다. 여기서, 배터리 스택(10)에 형성된 복수의 노드들(N1, N2, N3, N4)은, 배터리 스택(10)의 양단에 각각 형성된 2개의 노드(N1, N4)와, 배터리 모듈(20)들 사이에 각각 형성된 노드들(N2, N3)을 의미한다. 다시 말해, 배터리 스택(10)에 형성된 복수의 노드들(N1, N2, N3, N4)은 배터리 스택(10)의 저전위단에 형성된 노드(N1), 배터리 스택(10)의 고전위단에 형성된 노드(N4) 및 인접한 2개의 배터리 모듈(20)들 사이에 각각 형성된 노드들(N2, N3)을 의미한다. 상기 복수의 제1전달 선로들(131, 132, 133, 134)의 일단은, 이러한 복수의 노드들(N1, N2, N3, N4)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 상기 복수의 제1전달 선로들(131, 132, 133, 134)의 타단은 제1직렬공진회로(110)에 전기적으로 연결된다. 다시 말해, 어느 하나의 제1전달 선로의 일단은 배터리 스택(10)에 형성된 어느 하나의 노드에 연결되고, 상기 어느 하나의 제1전달 선로의 타단은 제1직렬공진회로(110)에 연결된다.
이때, 각 제1전달 선로들의 타단은, 제1직렬공진회로(110)의 일단에 연결되거나, 상기 제1직렬공진회로(110)의 타단에 연결된다. 따라서, 어느 하나의 배터리 모듈(20)은, 상기 어느 하나의 배터리 모듈(20)의 양단에 각각 연결된 제1전달 선로에 의해 제1직렬공진회로(110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 복수의 제1전달 선로들(131, 132, 133, 134)을 구성하는 각 제1전달 선로의 타단은, 제1직렬공진회로(110)의 일단 및 타단에 교호적으로 연결될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 노드들에 연결된 각 제1전달 선로의 타단은 제1직렬공진회로(110)의 일단 또는 타단에 연결되되, 고전위 노드에서 저전위 노드 방향 또는 저전위 노드에서 고전위 노드 방향을 따라 제1직렬공진회로(110)의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결될 수 있다.
그리고, 각 제1전달 선로(131, 132, 133, 134) 상에는 적어도 하나의 스위치가 설치될 수 있다. 본 명세서에서, 각 제1전달 선로(131, 132, 133, 134) 상에 설치된 스위치는 제1전달 스위치(141, 142, 143, 144)라고 지칭된다.
즉, 상기 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)은, 상기 복수의 제1전달 선로들(131, 132, 133, 134) 상에 설치될 수 있다. 제1전달 스위치(141, 142, 143, 144)는, 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있으며, 일 실시예에 따르면 상기 제1전달 스위치(141, 142, 143, 144)는 MOSFET으로 구현될 수 있다. 상기 제1전달 스위치(141, 142, 143, 144)는 후술할 제어부의 제어신호에 따라 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 상기 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)은, 선택적으로 턴 온 및 턴 오프되어 적어도 2개의 제1전달 선로를 통해 적어도 하나의 배터리 모듈(20)과 제1직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 한다.
상기 제어부(미도시)는, 제1극성변경스위치(122) 및 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 제어할 수 있다. 상기 제어부는 제1극성변경스위치(122) 및 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)과 통신 연결되어 제어신호를 전달하여 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1극성변경스위치(122) 및 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)은 MOSFET으로 구현되고, 상기 제어부는 상기 MOSFET의 게이트 단자에 선택적으로 전압을 인가하여 스위치를 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배터리 스택 밸런싱 장치는, 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있으며, 상기 전압 측정부는 전압 센서 등으로 구현될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 배터리 스택 밸런싱 장치는, 측정된 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈의 전압을 이용하여 밸런싱의 타켓이 되는 전압을 연산하거나, 그 밖에 밸런싱에 필요한 연산을 수행하는 연산부를 더 포함할 수 있다. 상기 연산부는 마이크로프로세서 등과 같은 연산수단으로 구현될 수 있고, 상기 연산부는, 제어부와 통합된 형태로 구현될 수도 있다.
이하, 도 2 등을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 이용하여 배터리 모듈 사이의 밸런싱 동작을 설명하도록 한다.
설명의 편의를 위해, 3개의 배터리 모듈(20)을 각각 제1배터리 모듈(21), 제2배터리 모듈(22), 제3배터리 모듈(23)이라고 명명하도록 한다. 그리고, 도면에 도시된 바와 같이, 3개의 배터리 모듈의 전압은 각각 V1, V2 및 V3로 표시되며, V1, V2 및 V3는 모두 양의 값을 가진다. 그리고, 도면에 도시된 바와 같이, 제1커패시터(111)의 전압은 Vc로 표시된다. 제1커패시터(111)의 전압인 Vc는 V1, V2, V3와 달리 음의 값을 가질 수도 있다. 또한, V1, V2, V3 및 Vc는 시간에 따라 변화하는 값이다.
먼저, 제1배터리 모듈(21)에 저장된 전력을 제1직렬공진회로(110)로 전달하는 과정에 대해 설명한다.
도 2는, t0시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다. 다시 말해, 도 3은 t0시점에서 제어부에 의해 형성된 회로에서의 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프라고 할 수 있다.
먼저, 도 2를 참조하면, 상기 제어부(미도시)는, 제1배터리 모듈(21)에 저장된 전력을 제1직렬공진회로(110)로 전달하기 위해, t0 시점에 제1배터리 모듈(21)에 인접한 제1전달 스위치들(141, 142)을 턴 온시키고, 나머지 제1전달 스위치들(143, 144)을 턴 오프시키며, 제1극성변경스위치(122)를 턴 오프시킨다. 다시 말해, 제어부는, 제1배터리 모듈(21)의 양단에 연결된 2개의 제1전달 스위치(141, 142)를 턴 온시키고, 상기 2개의 제1전달 스위치(141, 142)를 제외한 나머지 제1전달 스위치들(143,144)을 턴 오프시키며, 제1극성변경스위치(122)를 턴 오프시킨다.
그 결과, 도 2에 도시된 바와 같은 회로가 구성되어, 제1배터리 모듈(21), 제1전달 선로(132), 제1직렬공진회로(110), 제1전달 선로(131)에 의한 폐경로가 형성된다. 제1배터리 모듈(21)에 저장된 전력은 LC직렬공진에 의해 제1직렬공진회로(110)로 전달된다. 도 2에 도시된 회로가 형성된 임의의 시점인 t0에서 커패시터와 인덕터에 초기에너지가 저장되어 있지 않은 것으로 가정하면, t0 이후의 제1커패시터(111)의 전압은 도 3과 같은 그래프로 표현된다. 즉, 커패시터, 인덕터 및 전압소스가 직렬연결된 직렬공진회로에서 커패시터의 전압은 공진주기에 따라 도 3과 같이 진동한다. 이때, 제1커패시터(111)에 충전되는 전압은 제1직렬공진회로(110)의 반주기에 맞추어 최대값을 갖는다. 다시 말해, t0+Ts/2, t0+Ts+Ts/2, t0+2*Ts+Ts/2, t0+3*Ts+Ts/2, ... 인 시점에서 제1커패시터(111)에 충전되는 전압은, 전압소스인 제1배터리 모듈(21)의 초기 전압(V1i)의 2배가 되는 값(2*V1i))으로서 최대값을 갖는다. 한편, 제1배터리 모듈(21)의 초기전압(V1i)은 t0시점에 제1배터리 모듈(21)의 전압인 V1(t0)라고 할 수 있다.
제어부는, 제1직렬공진회로(110)의 공진주기의 절반에 맞추어 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭이 되도록 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144) 및 제1극성변경스위치(122)를 제어하는 것이 좋다. 바람직하게는, 제어부는, 충전이 시작된 시점(t0)으로부터 가장 빠른 시점인 반주기가 경과된 시점(t0+Ts/2)에 스위칭을 변경하도록 스위치들을 제어하여 영전압 스위칭을 수행할 수 있다.
다음으로, 제1직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21)로부터 전달받은 전력을 제3배터리 모듈(23)로 전달하는 과정에 대해 설명한다.
도 4는, t0로부터 제1직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 오프시키고, 제3배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다. 다시 말해, 도 4는, 도 2의 회로도가 형성된 후 제1직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점에 제어부가 영전압 스위칭을 수행한 모습을 나타낸 도면이고, 도 5는, 제어부의 스위칭 제어에 따라 변화된 회로에서 제1커패시터(111)의 전압을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프라고 할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 충전이 종료된 시점(t0+Ts/2)에 제1직렬공진회로(110)의 제1커패시터(111)에는 제1배터리 모듈(21)의 전압의 2배가 되는 전압(2*V1i)이 충전되어 있다. 한편, 상기 제1직렬공진회로(110)와 연결되어 전력을 공급받을 제3배터리 모듈(23)의 전압 극성과 상기 제1커패시터(111)의 전압 극성은 동일하다. 보다 구체적으로는, 제1직렬공진회로(110)가 제3배터리 모듈(23)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성은 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 동일하다. 즉, 제1직렬공진회로(110)가 제3배터리 모듈(23)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제3배터리 모듈(23)의 고전위단과 제1커패시터(111)의 고전위단이 서로 연결되고, 제3배터리 모듈(23)의 저전위단과 제1커패시터(111)의 저전위단이 서로 연결된다(도 1 등 참조).
직렬공진회로(110)로부터 전력을 공급받을 제3배터리 모듈(23)의 전압 극성과 제1커패시터(111)의 전압 극성이 동일하고, 제1커패시터(111)에 충전된 전압의 크기가 제3배터리 모듈(23)의 전압의 크기의 대략 2배이기 때문에, 제1직렬공진회로(110)가 제3배터리 모듈(23)과 그대로 연결되어도 제1직렬공진회로(110)로부터 제3배터리 모듈(23)로의 전력전달이 자연스럽게 이루어질 수 있다.
따라서, 제어부는, 제1커패시터(111)에 충전된 전압극성을 변경하지 않고, 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 제3배터리 모듈(23)로 공급하도록 제어한다. 즉, 제어부는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제3배터리 모듈(23)의 양단에 연결된 2개의 제1전달 스위치(143, 144)를 턴 온시키고, 상기 2개의 제1전달 스위치(143, 144)를 제외한 나머지 제1전달 스위치들(141, 142)을 턴 오프시키며, 제1극성변경스위치(122)를 턴 오프시키도록 제어한다.
그 결과, 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력은 제3배터리 모듈(23)로 전달될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, t0+Ts/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은, 제1배터리 모듈(21)의 초기전압(V1i)의 2배로서, 2*V1i이다. 그리고, 2*Vli는 t0+Ts/2 시점에 형성된 회로(도 4)에서 제1커패시터(111)의 초기 전압값이 된다. 따라서, 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제3배터리 모듈(23)로 전달되는 과정에서 제1커패시터(111)의 전압은 도 5와 같이 변화한다. 도 5의 t0+Ts/2 부터 t0+Ts 까지의 구간 동안에 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제3배터리 모듈(23)로 전달된다.
이와 별개로, 제1직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21)로부터 전달받은 전력을 제2배터리 모듈(22)로 전달하는 과정에 대해 설명한다.
도 6은, t0로부터 제1직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 제1전달 스위치를 턴 오프시키고, 제1극성변경스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 7은, 시간에 대한 제1커패시터(111)의 전압을 나타낸 그래프이다. 다시 말해, 도 6은, 도 2의 회로도가 형성된 후 제1직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점에 제어부가 영전압 스위칭을 수행한 모습을 나타낸 도면이고, 도 7은, 제어부의 스위칭 제어에 따라 변화된 회로에서 제1커패시터의 전압을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프라고 할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 충전이 종료된 시점(t0+Ts/2)에 제1직렬공진회로(110)의 제1커패시터(111)에는 제1배터리 모듈(21)의 초기전압의 2배가 되는 전압(2*Vli)이 충전되어 있다. 한편, 상기 제1직렬공진회로(110)와 연결되어 전력을 공급받을 제2배터리 모듈(22)의 전압 극성과 상기 제1커패시터(111)의 전압 극성은 현재 다르다. 보다 구체적으로는, 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성은 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 다르다. 즉, 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 고전위단은 제1커패시터(111)의 저전위단과 연결되고, 제2배터리 모듈(22)의 저전위단과 제1커패시터(111)의 고전위단과 연결된다(도 1 등 참조). 제1커패시터(111)의 전압 극성과 제2배터리 모듈(22)의 전압 극성이 다른 이유는, 복수의 제1전달 선로들(131, 132, 133, 134)이 교호적으로 제1직렬공진회로(110)에 연결되어 있기 때문이다.
제1직렬공진회로(110)로부터 전력을 공급받을 제2배터리 모듈(22)의 전압 극성과 제1커패시터(111)의 전압 극성이 다르기 때문에, 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 그대로 연결될 경우, 전력의 전달은 밸런싱 의도와 다르게 제2배터리 모듈(22)로부터 제1직렬공진회로(110)로 수행될 수 있다. 따라서, 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 제2배터리 모듈(22)로 전달하기 위해서는, 제1커패시터(111)에 충전된 전압의 극성을 변경할 필요가 있다.
따라서, 제어부는, 제1직렬공진회로(110)를 제2배터리 모듈(22)과 곧바로 연결하는 대신에, 제1극성변경회로(120)를 통해 제1커패시터(111)에 충전된 전압의 극성을 변경한 다음 제1직렬공진회로(110)와 제2배터리 모듈(22)이 연결되도록 제어한다.
즉, 제어부는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시키도록 제어한다. 즉, 제어부는, 충전이 종료된 시점(t0+Ts/2)에 제1극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시켜 제1커패시터(111)와 제1극성변경회로(120)의 제2인덕터(121)에 의한 공진회로를 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, t0+Ts/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은, 제1배터리 모듈(21)의 초기전압(V1i)의 2배로서, 2*V1i이다. 그리고, 2*Vli는 t0+Ts/2 시점에 형성된 회로(도 6)에서 제1커패시터(111)의 초기 전압값이 된다. 즉, 제1커패시터(111)와 제2인덕터(121)에 의해 형성되는 제1병렬공진회로가 형성된 시점에 제1커패시터(111)에 저장된 전압은 2*Vli이고, 이는 도 6에 도시되어 있다.
한편, 제1커패시터(111)와 제2인덕터(121)에 의해 형성된 제1병렬공진회로는, 병렬공진회로의 공진주기에 따라 진동을 반복한다. 상기 제1병렬공진회로에는 배터리 모듈과 같은 전력소스가 연결되어 있지 않으므로, 제1커패시터(111)의 전압은 도 7과 같이 시간의 흐름에 따라 극성이 변경된다. 즉, 제1커패시터(111)의 전압의 극성은, 반주기가 경과할 때마다 변경된다.
제1커패시터(111)의 전압의 극성은, 제1병렬공진회로가 형성된 시점(t1=t0+Ts/2)의 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 비교할 때, 제1병렬공진회로의 반주기에 맞추어 반대 극성을 가진다. 다시 말해, t1+Tp/2, t1+Tp+Tp/2, t1+2*Tp+Tp/2, t1+3*Tp+Tp/2, ... 인 시점에서 제1커패시터(111)의 전압의 극성은, 제1병렬공진회로가 형성된 시점의 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 반대극성을 가진다. 따라서, 제어부는, 제1병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭이 되도록 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144) 및 제1극성변경스위치(122)를 제어하는 것이 좋다. 바람직하게는, 제어부는, 제1병렬공진회로가 형성된 시점(t1)으로부터 가장 빠른 시점인 반주기가 경과된 시점(t1+Tp/2)에 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 제2배터리 모듈(22)로 전달할 수 있도록 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144) 및 제1극성변경스위치(122)를 제어하여 영전압 스위칭을 수행할 수 있다.
즉, 제어부는, 제1병렬공진회로가 형성된 시점(t1)으로부터 병렬공진주기의 반주기가 경과된 시점(t1+Tp/2)에, 도 8과 같이, 제1극성변경스위치(122)를 턴 오프시키고, 제2배터리 모듈(22)의 양단에 연결된 2개의 제1전달 스위치(142, 143)를 턴 온시키고, 상기 2개의 제1전달 스위치(142, 143)를 제외한 나머지 제1전달 스위치들(141, 144)을 턴 오프시키도록 제어하여 제1커패시터(111)의 극성이 변경된 상태에서 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결되도록 한다. 한편, 제1커패시터(111)의 전압의 극성은 변경되어, t1+Tp/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은 -2*V1i가 된다. 그리고, -2*Vli는 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결된 시점에서 제1커패시터(111)에 충전된 전압값이다.
한편, 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 변경되었으므로, 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력은 제2배터리 모듈(22)로 전달될 수 있다. 즉, 제1직렬공진회로(110)는 제2배터리 모듈(22)을 충전할 수 있다. 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제2배터리 모듈(22)로 전달되는 과정에서의 제1커패시터(111)의 전압의 변화는 도 9에 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 9의 t1+Tp/2 부터 t1+Tp/2+Ts/2 까지의 구간 동안에 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제2배터리 모듈(22)로 전달된다.
이하, 밸런싱을 수행하는 과정에서 제1커패시터(111)에 남아 있는 전하에 의해 제1커패시터(111)에 대한 충전이 효율적으로 이루어지지 않는 문제점을 해결하는 동작에 대해 설명하도록 한다.
다시 도 5 및 도 9를 참조하면, 도 5의 t0+Ts시점에 제1커패시터(111)의 전압은 0이 아니고, 도 9의 t1+Tp/2+Ts/2시점에서 제1커패시터(111)의 전압도 0이 아닌 것을 확인할 수 있다. 이는 제1직렬공진회로(110)로부터 배터리 모듈로 전력이 전달되는 과정에서 제1커패시터(111)에 일부의 전하가 남기 때문이다. 이와 같이, 제1커패시터(111)에 전하가 남아있게 되면, 제1커패시터(111)에 충전 전압이 존재하므로, 배터리 모듈로부터 제1커패시터(111)로의 전력 전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.
먼저, 도 5의 t0+Ts시점 이후에 대해 설명하도록 한다.
t0+Ts 시점에 제1커패시터(111)의 전압은 Va이다. 도 5에서 알 수 있듯이, Va는 0보다 큰 값이다. 이와 같은 상태에서, 밸런싱을 수행하기 위해 제1직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 잔존한 전하에 의해 전력전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 왜냐하면, 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문이다. 보다 구체적으로는, 제1직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문에, 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)로부터 제1직렬공진회로(110)로의 전력 전달이 원활하게 수행되지 않을 수 있다. 다시 말해, 제1커패시터(111)에 충전된 전압이, 제1커패시터(111)와 동일한 극성을 갖는 배터리 모듈로부터의 전력전달을 방해할 수 있다. 이러한 경우, 제어부는 배터리 모듈로부터 제1직렬공진회로(110)로의 전력전달이 원활하게 수행될 수 있도록 하기 위해 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 변경되도록 스위치들을 제어한다.
도 10은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이고, 도 11은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이며, 도 12는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
제어부는, t0+Ts 시점에, 도 10과 같이, 제1극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시키도록 제어한다. T0+Ts시점에 제1커패시터(111)의 전압은 도 10에 도시된 바와 같이, Va이므로, 제어부는, t0+Ts+Tp/2 시점까지 이러한 스위칭 상태를 유지하여 t0+Ts+Tp/2 시점에 제1커패시터(111)의 전압이 -Va가 되도록 제어한다. 즉, 제어부는, 제1커패시터(111)의 전압이 Va에서 -Va가 되도록 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경한다. 그리고, 제어부는, t0+Ts+Tp/2 시점에 제1직렬공진회로(110)와 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)이 연결되도록 제1극성변경스위치(122) 및 제1전달 스위치를 제어한다. 예를 들어, 제3배터리 모듈(23)에 저장된 전력을 제1직렬공진회로(110) 전달하고자 할 경우, 제어부는, 도 11과 같이, t0+Ts+Tp/2 시점에, 제3배터리 모듈(23)의 양단에 연결된 2개의 제1전달 스위치(143, 144)를 턴 온시키고, 상기 2개의 제1전달 스위치(143, 144)를 제외한 나머지 제1전달 스위치들(141, 142)을 턴 오프시키며, 제1극성변경스위치(122)를 턴 오프시키도록 제어한다. 도 11에 도시된 바와 같이, t0+Tp+Tp/2시점에, 제1커패시터(111)의 전압은 -Va로 극성이 변경된 상태이므로, t0+Tp+Tp/2 이후에 제1직렬공진회로(110)로부터 제3배터리 모듈(23)로의 전력 전달이 수행될 수 있다. 이러한 과정, 즉, 제1커패시터(111)의 극성을 변경하는 과정과, 제3배터리 모듈(23)로부터 전력을 전달받는 과정 동안의 제1커패시터(111)의 전압의 변화는 도 12의 t0+Ts이후 구간에 나타나 있다.
한편, 밸런싱을 수행하기 위해 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 전하가 잔존해 있어도 제2배터리 모듈(22)과의 전력 전달은 원활하게 이루어질 수 있다. 왜냐하면, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 다르기 때문이다. 보다 구체적으로는, 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성은 다르기 때문에, 제2배터리 모듈(22)로부터 제1직렬공진회로(110)로의 전력 전달은 원활하게 수행될 수 있다. 다시 말해, 제1커패시터(111)의 전압의 극성과, 제1커패시터(111)로 전력을 전달하고자 하는 배터리 모듈의 전압의 극성이 다를 경우에는 제1커패시터(111)에 충전된 전압이 배터리 모듈로부터의 전력 전달을 방해하지 않는다. 이러한 경우, 제어부는 제1커패시터(111)의 극성을 변경시키지 않고, 제1직렬공진회로(110)와 제2배터리 모듈(22)이 곧바로 연결되도록 스위치들을 제어한다.
다음으로, 도 9의 t0+Tp/2+Ts/2시점 이후에 대해 설명하도록 한다.
t0+Tp/2+Ts/2 시점에 제1커패시터(111)의 전압은 -Vb이다. 도 5에서 알 수 있듯이, -Vb는 0보다 작은 값이다. 이와 같은 상태에서, 밸런싱을 수행하기 위해 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 잔존한 전하에 의해 전력전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 왜냐하면, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문이다. 보다 구체적으로는, 제1직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문에, 제2배터리 모듈(22)로부터 제1직렬공진회로(110)로의 전력 전달이 원활하게 수행되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 제어부는 배터리 모듈로부터 제1직렬공진회로(110)로의 전력전달이 원활하게 수행될 수 있도록 하기 위해 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 변경되도록 스위치들을 제어한다.
도 13은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이고, 도 14는, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이며, 도 15는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
제어부는, t0+Tp/2+Ts/2 시점에, 도 13과 같이, 제1극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시키도록 제어한다. t0+Tp/2+Ts/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은 도 13에 도시된 바와 같이, -Vb이므로 제어부는, t0+Tp/2+Ts/2+Tp/2(=t0+Tp+Ts/2) 시점까지 이러한 스위칭 상태를 유지하여 t0+Tp+Ts/2 시점에 제1커패시터(111)의 전압이 Vb가 되도록 한다. 즉, 제어부는, 제1커패시터(111)의 전압이 -Vb에서 Vb가 되도록 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경한다. 그리고, 제어부는, t0+Tp+Ts/2 시점에 제1직렬공진회로(110)와 제2배터리 모듈(22)이 연결되도록 제1극성변경스위치(122) 및 제1전달 스위치를 제어한다. 즉, 제어부는, 도 14와 같이, t0+Tp+Ts/2 시점에, 제2배터리 모듈(22)의 양단에 연결된 2개의 제1전달 스위치(142, 143)를 턴 온시키고, 상기 2개의 제1전달 스위치(142, 143)를 제외한 나머지 제1전달 스위치들(141, 144)을 턴 오프시키며, 제1극성변경스위치(122)를 턴 오프시키도록 제어한다. 도 14에 도시된 바와 같이, t0+Tp+Ts/2시점에, 제1커패시터(111)의 전압은 Vb로 극성이 변경된 상태이므로, t0+Tp+Tp/2 이후에 제1직렬공진회로(110)로부터 제2배터리 모듈(22)로의 전력 전달이 수행될 수 있다. 이러한 과정, 즉, 제1커패시터(111)의 극성을 변경하는 과정과, 제2배터리 모듈(22)로부터 전력을 전달받는 과정 동안의 제1커패시터(111)의 전압의 변화는 도 15의 t0+Tp/2+Ts/2이후 구간에 나타나 있다.
한편, 밸런싱을 수행하기 위해 제1직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 전하가 잔존해 있어도 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과의 전력 전달은 원활하게 이루어질 수 있다. 왜냐하면, 제1배터리 모듈(21) 및 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성은 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 다르기 때문이다. 보다 구체적으로는, 제1직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 각각 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제1배터리 모듈(21)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성은 다르고, 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성과 제1커패서터의 전압의 극성은 다르기 때문에, 제1커패시터(111)의 극성을 변경하지 않더라도 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)로부터 제1직렬공진회로(110)로의 전력 전달은 원활하게 수행될 수 있다. 이러한 경우, 제어부는 제1커패시터(111)의 극성을 변경시키지 않고, 제1직렬공진회로(110)와 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)이 곧바로 연결되도록 스위치들을 제어한다.
한편, 전술한 설명에서, 3개의 배터리 모듈을 사용한 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는 배터리 모듈의 개수에 제한을 받지 않는다. 즉, 배터리 모듈의 개수가 증가하더라도, 전술한 설명이 그대로 적용될 수 있다. 통상의 기술자는, 배터리 모듈의 개수가 증가하는 경우에도 본 명세서에 개시된 내용을 바탕으로 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 쉽게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 전술한 설명에서, 제1직렬공진회로(110)와 배터리 모듈과의 전력 전달은 1개의 배터리 모듈을 이용한 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는 이에 한정되지 않는다. 즉, 전술한 예에서, 인접한 홀수개의 배터리 모듈들과 제1직렬공진회로(110)와의 전기적 연결에 의해 제1직렬공진회로(110)로의 전력전달 또는 제1직렬공진회로(110)로부터의 전력전달이 수행될 수도 있음은 물론이다. 예를 들어, 배터리 스택(10)이 제1배터리 모듈 내지 제7배터리 모듈로 구성된 7개의 배터리 모듈을 포함하고 있다고 가정할 때, 제어부는, 제1배터리 모듈, 제2배터리 모듈 및 제3배터리 모듈과 제1직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 제어하여 제1배터리 모듈, 제2배터리 모듈 및 제3배터리 모듈에 저장된 전력을 제1직렬공진회로(110)로 전달하도록 할 수 있다. 그리고, 제어부는, 제4배터리 모듈, 제5배터리 모듈 및 제6배터리 모듈과 제1직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 제어하여 제4배터리 모듈, 제5배터리 모듈 및 제6배터리 모듈로 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 전달하도록 할 수 있다. 이와 달리, 제어부는, 제5배터리 모듈, 제6배터리 모듈 및 제7배터리 모듈과 제1직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 제어하여 제5배터리 모듈, 제6배터리 모듈 및 제7배터리 모듈로 제1직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 전달하도록 할 수도 있으며, 제1직렬공진회로(110)가 다른 인접한 3개의 배터리 모듈로 전력을 전달하도록 할 수도 있음은 물론이다. 그리고, 제어부는, 배터리 모듈들과 제1직렬공진회로(110) 사이의 전력전달과정에서, 필요에 따라 제1극성변경회로(120)를 이용하여 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경할 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 도 1 등에 도시된 배터리 스택 밸런싱 장치(100)와 비교할 때, 제1커패시터(111)에 병렬 연결된 소모회로(160)를 더 포함하고 있다는 점에 차이가 있을 뿐이다. 따라서, 상술한 설명들은 모순되지 않는 범위에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 설명하는데 그대로 적용될 수 있다. 그러므로, 동일한 구성요소에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 소모회로(160)는, 저항과 상기 저항에 직렬 연결된 스위치를 포함한다. 본 명세서에서, 상기 저항(161)은 소모저항(161)이라 지칭되며, 상기 저항에 직렬 연결된 스위치(162)는 소모스위치(162)라고 지칭된다. 상기 소모스위치(162)는 제어부(미도시)의 제어신호에 따라 턴 온되거나 턴 오프될 수 있으며, 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 상기 소모회로(160)는, 밸런싱을 수행하는 과정에서 제1커패시터(111)에 남아 있는 전하에 의해 제1커패시터(111)에 대한 충전이 효율적으로 이루어지지 않는 문제점을 해결하기 위한 다른 수단의 하나이다.
다시 도 5 및 도 9를 참조하면, 도 5의 t0+Ts시점에 제1커패시터(111)의 전압은 0이 아니고, 도 9의 t1+Tp/2+Ts/2시점에서 제1커패시터(111)의 전압도 0이 아닌 것을 확인할 수 있다. 이는 제1직렬공진회로(110)로부터 배터리 모듈로 전력이 전달되는 과정에서 제1커패시터(111)에 일부의 전하가 남기 때문이라는 점은 전술한 바와 같다. 이와 같이, 제1커패시터(111)에 전하가 남아있게 되면, 제1커패시터(111)에 전압차가 존재하므로, 배터리 모듈로부터 제1커패시터(111)로의 전력 전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 소모회로(160)를 이용하여 제1커패시터(111)에 잔존한 전하를 모두 소모시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부는, 배터리 모듈로부터 제1직렬공진회로(110)로 전력을 전달하기에 앞서, 소모스위치(162)를 턴 온시키고, 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시켜 제1커패시터(111)에 잔존한 전하를 모두 소모시킨다. 이때, 제1극성변경스위치(122)는 턴 온되어도 되고, 턴 오프되어도 되나, 바람직하게는, 제1극성변경스위치(122)는 턴오프되는 것이 좋다. 그리고, 제어부는, 기준시간이 경과할 때까지 소모스위치(162)가 턴 온되고, 제1전달 스위치들(141, 142, 143, 144)이 모두 턴 오프된 상태를 유지한다. 이때, 기준시간은, 제1커패시터(111)에 잔존한 전하가 모두 소모되었다고 볼 수 있을 정도의 시간으로 설정될 수 있다.
도 17은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는, 셀 밸런싱부(300), 모듈 밸런싱부(200) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 상기 셀 밸런싱부(300)는, 각 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하고, 상기 모듈 밸런싱부(200)는, 상기 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하며, 상기 제어부는 셀 밸런싱부(300)와 모듈 밸런싱부(200)를 제어하여 배터리 스택이 밸런싱되도록 한다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는, 배터리 모듈 간의 밸런싱 뿐만 아니라, 배터리 셀 간의 밸런싱을 수행할 수 있다. 그리고, 배터리 모듈 밸런싱 및 배터리 셀 밸런싱 중 적어도 하나는, 전술한 방식(공진회로를 이용하는 방식)에 의해 수행될 수 있다. 다시 말해, 공진회로를 이용한 밸런싱은, 배터리 모듈 간의 밸런싱을 수행하는데에도 적용될 수 있으며, 배터리 셀 간의 밸런싱을 수행하는데에도 적용될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 모듈 밸런싱부(200)는, 제1직렬공진회로; 제1극성변경회로; 복수의 제1전달 선로들; 및 복수의 제1전달 스위치들;을 포함할 수 있다. 여기서, 제1직렬공진회로, 제1극성변경회로, 복수의 제1전달 선로들 및 복수의 제1전달 스위치들의 구성 및 동작에 대해서는, 도 1 내지 도 16 등을 통해 설명한 내용이 그대로 적용될 수 있으므로, 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
다른 측면에 따르면, 상기 셀 밸런싱부(300)는, 복수의 셀 밸런싱 유닛(400)을 포함하여, 각 배터리 모듈 내에서 배터리 셀 간의 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 유닛을 나타낸 도면이다. 도 18을 참조하면, 셀 밸런싱 유닛(400)은, 제2직렬공진회로(410); 제2극성변경회로(420); 복수의 제2전달 선로들(431, 432, 433, 434); 및 복수의 제2전달 스위치들(441, 442, 443, 444);을 포함한다.
상기 제2직렬공진회로(410)는, 커패시터와 인덕터가 직렬 연결되어 형성될 수 있다. 본 명세서에서, 제2직렬공진회로(410)에 포함된 커패시터는 제2커패시터(411)라고 지칭되고, 상기 제2직렬공진회로(410)에 포함된 인덕터는 제3인덕터(412)라고 지칭된다. 상기 제2커패시터(411)의 커패시턴스와 상기 제3인덕터(412)의 인덕턴스는 충전될 전력 및 공진주기 등을 고려하여 적절한 값으로 선택될 수 있다.
상기 제2극성변경회로(420)는 상기 제2커패시터(411)에 병렬연결될 수 있다. 상기 제2극성변경회로(420)는 인덕터와 스위치를 포함한다. 본 명세서에서, 제2극성변경회로(420)에 포함된 인덕터는 제4인덕터(421)라고 지칭되며, 제2극성변경회로(420)에 포함된 스위치는 제2극성변경스위치(422)라고 지칭된다. 상기 제2극성변경스위치(422)는 전술한 제어부의 제어신호에 따라 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 상기 제2극성변경스위치(422)는 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 상기 제2극성변경스위치(422)는 제4인덕터(421)와 직렬 연결될 수 있다. 상기 제2극성변경스위치(422)가 턴 온될 경우, 제4인덕터(421)는 제2커패시터(411)와 병렬 연결된다. 즉, 상기 제2극성변경스위치(422)가 턴 온될 경우, 제4인덕터(421)와 제2커패시터(411)는 병렬공진회로를 형성할 수 있다. 여기서, 제4인덕터(421)와 제2커패시터(411)가 형성한 병렬공진회로는 제2병렬공진회로라고 지칭될 수 있다. 한편, 이와 달리 제2극성변경스위치(422)가 턴 오프될 경우, 제4인덕터(421)와 제2커패시터(411)의 병렬 연결은 해제된다. 그리고, 상기 제2커패시터(411)의 커패시턴스와 상기 제4인덕터(421)의 인덕턴스는 공진주기 등을 고려하여 적절한 값으로 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제4인덕터(421)의 인덕턴스는, 상기 제2병렬공진회로의 공진주기를 상기 제2직렬공진회로(410)의 공진주기보다 짧게 할 수 있도록 제3인덕터(412)의 인덕턴스보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
상기 복수의 제2전달 선로들(431, 432, 433, 434)은, 배터리 모듈에 형성된 복수의 노드(M1, M2, M3, M4)들과 제2직렬공진회로(410)를 전기적으로 연결한다. 여기서, 배터리 모듈에 형성된 복수의 노드들(M1, M2, M3, M4)은, 배터리 모듈의 양단에 각각 형성된 2개의 노드(M1, M4)와, 배터리 셀들 사이에 각각 형성된 노드들(M2, M3)을 의미한다. 다시 말해, 배터리 모듈에 형성된 복수의 노드들(M1, M2, M3, M4)은 배터리 모듈의 저전위단에 형성된 노드(M1), 배터리 모듈의 고전위단에 형성된 노드(M4) 및 인접한 2개의 배터리 셀들 사이에 각각 형성된 노드들(M2, M3)을 의미한다. 상기 복수의 제2전달 선로들(431, 432, 433, 434)의 일단은, 이러한 복수의 노드들(M1, M2, M3, M4)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 상기 복수의 제2전달 선로들(431, 432, 433, 434)의 타단은 제2직렬공진회로(410)에 전기적으로 연결된다. 다시 말해, 어느 하나의 제2전달 선로의 일단은 배터리 모듈에 형성된 어느 하나의 노드에 연결되고, 상기 어느 하나의 제2전달 선로의 타단은 제2직렬공진회로(410)에 연결된다.
이때, 각 제2전달 선로들의 타단은, 제2직렬공진회로(410)의 일단에 연결되거나, 상기 제2직렬공진회로(410)의 타단에 연결된다. 따라서, 어느 하나의 배터리 셀은, 상기 어느 하나의 배터리 셀의 양단에 각각 연결된 제2전달 선로에 의해 제2직렬공진회로(410)와 전기적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 복수의 제2전달 선로들(431, 432, 433, 434)을 구성하는 각 제2전달 선로의 타단은, 제2직렬공진회로(410)의 일단 및 타단에 교호적으로 연결될 수 있다. 즉, 도 18에 도시된 바와 같이, 복수의 노드들에 연결된 각 제2전달 선로의 타단은 제2직렬공진회로(410)의 일단 또는 타단에 연결되되, 고전위 노드에서 저전위 노드 방향 또는 저전위 노드에서 고전위 노드 방향을 따라 제2직렬공진회로(410)의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결될 수 있다.
그리고, 각 제2전달 선로(431, 432, 433, 434) 상에는 적어도 하나의 스위치가 설치될 수 있다. 본 명세서에서, 각 제2전달 선로(431, 432, 433, 434) 상에 설치된 스위치는 제2전달 스위치(441, 442, 443, 444)라고 지칭된다.
즉, 상기 복수의 제2전달 스위치들(441, 442, 443, 444)은, 상기 복수의 제2전달 선로들(431, 432, 433, 434) 상에 설치될 수 있다. 제2전달 스위치(441, 442, 443, 444)는, 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 상기 제2전달 스위치(441, 442, 443, 444)는 전술한 제어부의 제어신호에 따라 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 상기 복수의 제2전달 스위치들(441, 442, 443, 444)은, 선택적으로 턴 온 및 턴 오프되어 적어도 2개의 제2전달 선로를 통해 적어도 하나의 배터리 셀과 제2직렬공진회로(410)가 전기적으로 연결되도록 한다.
상기 제어부(미도시)는, 제2극성변경스위치(422) 및 복수의 제2전달 스위치들(441, 442, 443, 444)을 제어할 수 있다. 상기 제어부는 제2극성변경스위치(422) 및 복수의 제2전달 스위치들(441, 442, 443, 444)과 통신 연결되어 제어신호를 전달하여 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제2극성변경스위치(422) 및 복수의 제2전달 스위치들(441, 442, 443, 444)은 MOSFET으로 구현되고, 상기 제어부는 상기 MOSFET의 게이트 단자에 선택적으로 전압을 인가하여 스위치를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2직렬공진회로(410), 제2극성변경회로(420), 제2전달 선로들(431, 432, 433, 434) 및 제2전달 스위치들(441, 442, 443, 444)은, 각각 제1직렬공진회로, 제1극성변경회로, 제1전달 선로들 및 제1전달 스위치들과 실질적으로 동일한 구성요소라고 할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치에 있어서, 모듈 밸런싱부(200)와 셀 밸런싱 유닛(400)은, 모듈 들을 밸런싱하는지, 셀 들을 밸런싱하는지에 차이가 있을 뿐, 실질적인 동작에 있어서는 차이가 없다.
따라서, 도 2 내지 도 16 등을 통해 설명한 내용은 셀 밸런싱 유닛(400)에도 유추 적용될 수 있으므로, 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는 공진회로의 사용여부에 따라 다음과 같은 3가지 방식으로 구분될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는, 모듈 밸런싱부(200) 및 셀 밸런싱부(300)가 공진회로로 구현되는지 여부에 따라 3가지 방식으로 구분할 수 있다.
배터리 모듈 간 밸런싱 배터리 셀 간 밸런싱
제1방식 사용 미사용
제2방식 미사용 사용
제3방식 사용 사용
상기 표 1의 제1방식은, 배터리 모듈 간 밸런싱에 있어서는, 공진회로를 사용하지만, 배터리 셀 간 밸런싱에 있어서는, 공진회로를 사용하지 않는다. 그리고, 상기 표 1의 제2방식은, 배터리 셀 간 밸런싱에 있어서는, 공진회로를 사용하지만, 배터리 모듈 간 밸런싱에 있어서는, 공진회로를 사용하지 않는다. 제1방식에서의 배터리 셀 간 밸런싱과 제2방식에서의 배터리 모듈 간 밸런싱은 알려진 다른 방식, 예컨대, 패시브 밸런싱 방식에 의해 수행될 수 있다.
도 19는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 밸런싱 유닛을 나타낸 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 밸런싱 유닛(400)은, 방전회로(500)로 구현될 수 있다. 셀 밸런싱부(300)는, 방전회로(500)를 복수개 포함하며, 상기 방전회로(500)는 각 배터리 셀마다 연결될 수 있다. 상기 방전회로(500)는, 방전저항(501) 및 상기 방전저항(501)에 직렬 연결된 방전 스위치(502)를 구비할 수 있다. 제어부는, 상기 방전 스위치(502)를 제어하여 방전회로(500)에 연결된 배터리 셀을 방전시켜 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀간의 밸런싱을 수행할 수 있다.
이하, 전술한 배터리 스택 밸런싱 장치를 이용하여 배터리 모듈 간의 밸런싱 및 배터리 셀 간의 밸런싱을 통해 배터리 스택을 밸런싱하는 방법을 설명하도록 한다.
도 20은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법은, 배터리 셀 간 밸런싱을 수행한 다음, 배터리 모듈 간 밸런싱을 수행하는 방법이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법은, 다음과 같은 과정을 통해 수행될 수 있다.
먼저, 상기 방법은, 모듈 밸런싱부(200), 셀 밸런싱부(300) 및 제어부를 포함하는 배터리 스택 밸런싱 장치를 준비한다(S10).
이어서, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 셀들의 전압을 측정한다(S11).
다음으로, 상기 방법은, 측정된 배터리 셀들의 전압을 이용하여 각 배터리 모듈 별로 배터리 셀의 균등화 전압을 계산한다. 즉, 상기 방법은, 각 배터리 모듈 별로 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀 들간의 균등화가 이루어지도록 하는 배터리 셀 별 타겟 전압을 계산한다(S12).
그 다음으로, 상기 방법은, 셀 밸런싱부(300)를 이용하여 각 배터리 모듈의 배터리 셀 간의 밸런싱을 수행한다(S13).
선택적으로, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 셀들의 전압을 다시 측정할 수 있다(S14).
그 다음으로, 상기 방법은, 측정된 배터리 셀들의 전압을 이용하여 배터리 모듈의 균등화 전압을 계산한다. 즉, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 모듈간의 균등화가 이루어지도록 하는 배터리 모듈 별 타켓 전압을 계산한다 (S15).
그 다음으로, 상기 방법은, 모듈 밸런싱부(200)를 이용하여 배터리 모듈 간의 밸런싱을 수행한다(S16).
선택적으로, 상기 방법은, S16 단계 이후, 배터리 스택에 포함된 배터리 셀들의 전압을 다시 측정하는 단계와(S17), 상기 S17단계 이후, 각 배터리 모듈 별로 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀별 타겟 전압을 다시 계산하는 단계와(S18), 상기 S18 단계 이후, 셀 밸런싱부(300)를 이용하여 각 배터리 모듈의 배터리 셀 간의 밸런싱을 다시 수행하는 단계(S19)를 더 포함할 수 있다.
도 21은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법은, 배터리 모듈 간 밸런싱을 수행한 다음, 배터리 셀 간 밸런싱을 수행하는 방법이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법은, 다음과 같은 과정을 통해 수행될 수 있다.
먼저, 상기 방법은, 모듈 밸런싱부(200), 셀 밸런싱부(300) 및 제어부를 포함하는 배터리 스택 밸런싱 장치를 준비한다(S20).
이어서, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 셀들의 전압을 측정한다(S21).
다음으로, 상기 방법은, 측정된 배터리 셀들의 전압을 이용하여 배터리 모듈의 균등화 전압을 계산한다. 즉, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 모듈간의 균등화가 이루어지도록 하는 배터리 모듈 별 타켓 전압을 계산한다 (S22).
그 다음으로, 상기 방법은, 모듈 밸런싱부(200)를 이용하여 배터리 모듈 간의 밸런싱을 수행한다(S23).
선택적으로, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 셀들의 전압을 다시 측정할 수 있다(S24).
그 다음으로, 상기 방법은, 측정된 배터리 셀들의 전압을 이용하여 각 배터리 모듈 별로 배터리 셀의 균등화 전압을 계산한다. 즉, 상기 방법은, 각 배터리 모듈 별로 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀 들간의 균등화가 이루어지도록 하는 배터리 셀 별 타겟 전압을 계산한다(S25).
그 다음으로, 상기 방법은, 셀 밸런싱부(300)를 이용하여 각 배터리 모듈의 배터리 셀 간의 밸런싱을 수행한다(S26).
도 22는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법을 나타낸 순서도이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법은, 배터리 모듈 간 밸런싱과 배터리 셀 간 밸런싱을 동시에 수행하는 방법이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 방법은, 다음과 같은 과정을 통해 수행될 수 있다.
먼저, 상기 방법은, 모듈 밸런싱부(200), 셀 밸런싱부(300) 및 제어부를 포함하는 배터리 스택 밸런싱 장치를 준비한다(S30).
이어서, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 셀들의 전압을 측정한다(S31).
다음으로, 상기 방법은, 측정된 배터리 셀들의 전압을 이용하여 배터리 모듈 및 배터리 셀의 균등화 전압을 계산한다. 즉, 상기 방법은, 배터리 스택에 포함된 배터리 모듈간의 균등화 및 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀간의 균등화가 동시에 이루어지도록 하는 배터리 셀 별 타켓 전압을 계산한다(S32).
그 다음으로, 상기 방법은, 모듈 밸런싱부(200) 및 셀 밸런싱부(300)를 이용하여 배터리 모듈 및 배터리 셀 간의 밸런싱을 수행한다(S33).
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 배터리 팩에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 포함할 수 있다. 일 예로, 배터리 팩은 배터리 관리 장치를 포함할 수 있는데, 상기 배터리 관리 장치는, 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 일 구성요소로 포함할 수 있다.
배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 자동차에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 상술한 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 포함할 수 있다. 일 예로, 자동차는 배터리 팩을 포함할 수 있고, 배터리 팩에 배터리 스택 밸런싱 장치(100)가 구비될 수 있다. 다른 예로, 자동차는, 차량제어장치를 포함할 수 있는데, 차량제어장치에 배터리 스택 밸런싱 장치(100)가 구비될 수도 있다. 한편, 여기서, 자동차는, 전기 에너지를 동력원으로 하는 운송 수단인 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 뿐만 아니라 전기 에너지로부터 전력을 공급받는 전장품을 구비한 자동차를 포함한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절한 부결합(subcombination)에서 구현될 수 있다.
10: 배터리 스택
20, 21, 22, 23: 배터리 모듈
30, 31, 32, 33: 배터리 셀
100: 배터리 스택 밸런싱 장치
110: 제1직렬공진회로 111: 제1커패시터
112: 제1인덕터 120: 제1극성변경회로
121: 제2인덕터 122: 제1극성변경스위치
131, 132, 133, 134: 제1전달 선로
141, 142, 143, 144: 제1전달 스위치
160: 소모회로 161: 소모저항 162: 소모스위치
200: 모듈 밸런싱부 300: 셀 밸런싱부
400: 셀 밸런싱 유닛 410: 제2직렬공진회로
411: 제2커패시터 412: 제3인덕터
420: 제2극성변경회로 421: 제4인덕터
422: 제2극성변경스위치
431, 432, 433, 434: 제2전달 선로
441, 442, 443, 444: 제2전달 스위치
500: 방전회로 501: 방전저항 502: 방전스위치

Claims (22)

  1. 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 밸런싱하는 장치에 있어서,
    각 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀을 밸런싱하는 셀 밸런싱부;
    상기 복수의 배터리 모듈을 밸런싱하는 모듈 밸런싱부; 및
    상기 셀 밸런싱부 및 상기 모듈 밸런싱부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 모듈 밸런싱부는,
    제1커패시터 및 상기 제1커패시터와 직렬 연결된 제1인덕터를 포함하는 제1직렬공진회로;
    제2인덕터 및 상기 제2인덕터와 직렬 연결되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제1극성변경스위치를 포함하고, 상기 제1커패시터에 병렬 연결되는 제1극성변경회로;
    일단이 상기 배터리 스택의 저전위단, 상기 배터리 스택의 고전위단 및 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈들 사이에 각각 형성된 복수의 노드들에 각각 전기적으로 연결되고, 타단이 상기 제1직렬공진회로에 연결된 복수의 제1전달 선로들; 및
    상기 복수의 제1전달 선로들 상에 각각 설치되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 복수의 제1전달 스위치들;을 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 복수의 제1전달 스위치들 및 상기 제1극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱부는, 각 배터리 모듈마다 구비된 복수의 셀 밸런싱 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 유닛은,
    제2커패시터 및 상기 제2커패시터와 직렬 연결된 제3인덕터를 포함하는 제2직렬공진회로;
    제4인덕터 및 상기 제4인덕터와 직렬 연결되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제2극성변경스위치를 포함하고, 상기 제2커패시터에 병렬 연결되는 제2극성변경회로;
    일단이 상기 배터리 모듈의 저전위단, 상기 배터리 모듈의 고전위단 및 직렬 연결된 복수의 배터리 셀들 사이에 각각 형성된 복수의 노드들에 각각 전기적으로 연결되고, 타단이 상기 제2직렬공진회로에 연결된 복수의 제2전달 선로들; 및
    상기 복수의 제2전달 선로들 상에 각각 설치되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 복수의 제2전달 스위치들;을 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 복수의 제2전달 스위치들 및 상기 제2극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제2전달 선로들을 구성하는 각 제2전달 선로의 타단은, 상기 제2직렬공진회로의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 복수의 제2전달 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2극성변경스위치가 턴 온되었을 때 상기 제2커패시터와 상기 제4인덕터가 형성하는 제2병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 제2극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 셀의 전압의 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제2극성변경스위치 및 상기 복수의 제2전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제2극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제2전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 셀의 전압의 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제2극성변경스위치 및 상기 복수의 제2전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제2극성변경스위치를 턴 오프시키고, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양단에 연결된 2개의 제2전달 스위치를 턴 온시키고, 상기 2개의 제2전달 스위치를 제외한 나머지 제2전달 스위치들을 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 셀의 전압 극성과 상기 제2커패시터에 충전된 전압의 극성이 다르면 상기 제2극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제2전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 유닛은, 방전저항; 및 상기 방전저항에 직렬 연결된 방전스위치;를 구비한 방전회로를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 방전스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1전달 선로들을 구성하는 각 제1전달 선로의 타단은, 상기 제1직렬공진 회로의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 복수의 제1전달 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1극성변경스위치가 턴 온되었을 때 상기 제1커패시터와 상기 제2인덕터가 형성하는 제1병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 제1극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제1극성변경스위치 및 상기 복수의 제1전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제1극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제1전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 제1극성변경스위치 및 상기 복수의 제1전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 제1극성변경스위치를 턴 오프시키고, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 연결된 2개의 제1전달 스위치를 턴 온시키고, 상기 2개의 제1전달 스위치를 제외한 나머지 제1전달 스위치들을 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 다르면 상기 제1극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 제1전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함하는 배터리 팩.
  22. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함하는 전기 자동차.
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