KR20180079651A - 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치 및 이의 방법 - Google Patents

플라이백 능동형 밸런싱 제어장치 및 이의 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 스트링을 구성하는 복수개의 배터리 셀의 전압을 PWM스위칭하여 자화 에너지를 저장하고, 자화 에너지를 환류시키면서 2차 권선에 유기된 전압의 극성이 미리 설계된 것과 동일한 지를 판단하여 구동회로를 활성화시켜 각 배터리 셀에 연결된 MOSFET가 순방향으로 도통되는 전류흐름 통로를 통해 평균보다 높게 충전된 배터리 셀의 에너지(전압)가 방전되고 또한 동기정류기로 작동되는 회로의 전류흐름 통로를 통해 부족 충전된 배터리 셀로 충전량에 반비례하여 충전전류의 크기를 적절하게 분배함으로써 복수개의 배터리 셀을 신속하게 균일화시킬 수 있다.
또한 복수개의 배터리 회로마다 반전 및 비반전 입력측이 상기 2차 권선의 양단에 각각 연결되는 비교기를 포함하여 간단히 구성된 구동회로를 배치하고 상기 복수의 2차 권선에 유기된 전압의 극성을 판단하여 용이하게 상기 복수의 동기정류기 회로를 구동시킬 수 있는 특징이 있다.

Description

플라이백 능동형 밸런싱 제어장치 및 이의 방법{FLYBACK ACTIVE BALANCING CONTROL APPARATUS and METHOD THEREOF}
하이브리드자동차(HEV), 전기자동차(PEV) 또는 골프-카트와 같은 전기차의 주행속도 및 최대 주행거리를 증대시키기 위해 리튬이온, 리튬폴리머와 같은 전기 집적도(power density)가 높은 리튬계열의 배터리가 빠르게 보급되고 있다.
이와 같은 2차 배터리(전지)는 특성 인자의 차이로 인해 충전, 대기 또는 방전 중에 셀 전압이 쉽게 불균형 상태가 되어 이로 인해 배터리 셀의 노화가 촉진됨은 물론, 배터리팩의 SOC 용량 감소 등 수명이 단축되게 되고, 특히 리튬계열의 배터리 및 슈퍼콘덴서(EDLC)의 경우에는 일부 셀의 과전압 상태로 인해 결국 셀이 파괴되거나 폭발하는 경우가 발생할 수 있으므로, 복수개로 직렬 연결되어 사용되는 셀의 충전 전압 및 용량에 대한 균등화(Balancing)이 필요하다.
복수개의 배터리 셀을 직렬 연결하여 구성된 배터리 스트링(소형의 구성인 경우에는 "팩" 또는 "스택"으로 불리어 지고 있다.)를 충전하고자 할 경우 각각의 배터리 셀(단위 블록)에 대한 개별적인 충전 장치의 설치가 매우 어렵다. 따라서, 통상적으로 배터리 스트링 종단의 양극(+) 및 음극(-) 양단자 측에 충전 장치의 출력 + - 를 연결하여 복수의 배터리 셀을 일괄적으로 충전하는 일괄 충전 방식을 사용하는 것이 현실적이다.
이와 같은 일괄 충전 방식에서는 배터리 셀간의 용량 차이나 내부 저항 차이 등에 대한 고려없이 일괄적으로 충전이 이루어지기 때문에 충전과정에서 과충전 또는 부족충전되는 배터리 셀이 발생하는 등의 취약점이 존재한다.
이러한 충전중에 발생된 배터리 셀의 불균일 현상은 방전중이나 방전대기 상태에도 계속되고 방전 심도(Depth Of Discharge, DOD)가 높을 경우 더욱 심화되어 결국 과충전을 야기시키고 배터리의 수명에 악영향을 끼치게 되며, 더욱이 리튬 이온 배터리 또는 슈퍼콘덴서의 경우 폭발과 같은 위험한 상황을 초래하게 된다.
따라서 모든 배터리 셀의 밸런싱(균형화)을 유지하고 셀 충전 및 용량 불일치의 영향을 줄이기 위해서 밸런싱(Active Balancing) 제어 장치가 필요하게 되며, 또한 슈퍼콘덴서(EDLC) 복수개를 직렬로 연결하여 시스템 전압에 높여 사용할 경우에도 밸런싱(균등화, 균일화) 장치가 필수적이다.
이러한 배경에 따라 종전의 수동형 밸런싱에 비해 성능 및 효율이 높은 능동형 밸런싱에 대한 연구가 학계를 중심으로 활발하게 진행되고 있으며 또한 전력변환기술을 이용한 제조가격인하, 부피감소 및 성능향상 등의 기술적 애로 장벽을 줄일 수 있는 기술들이 다수 개발되고 있다.
2011년 10월31일 자로 대한민국에 출원되고 2013년 05월08일 자로 공개된 "공개특허번호 10-2013-0047132호, 배터리 전하 균일 회로"의 특허는, 트랜스포머로 구현되는 변압부의 1차측 코일에 연결되어 스위칭 신호에 따라 1차측 전원의 개폐를 제어는 제1 스위칭부와, 드레인이 상기 1차측 코일에 연결되고 소스가 접지에 연결되는 트랜지스터로 구현되는 셀 선택스위치; 및 2차측 코일에 연결되는 출력 라인 상에 소스와 드레인이 연결되는 트랜지스터로 구현되는 제2 스위칭부가 포함되어 구성된 동기정류기; 를 포함하여 구성되는 데, 상기 셀 선택스위치가 배터리 셀 전압의 크기에 따라 동기정류기를 동작하게 하는 회로를 선택적으로 온/오프함으로써 선택된 셀에 속한 제2 스위칭부가 동기정류기로 작동하게 되고 선택되지 않은 셀에 속한 제2 스위칭부는 바디 다이오드 동작을 하게 되어 이와 같은 작동을 통해 배터리의 전하 균일화(밸런싱) 동작을 구현할 수 있는 방안을 제시하고 있다. 도 13은 균등화가 필요한 대상의 배터리 셀을 연결하거나 충.방전 전류흐름 통로를 생성하는 데 필요한 종래의 선택스위치 회로의 구성을 도시하고 있다. 이의 구성을 살펴보면, 입력측으로 부터 수개의 제어신호를 받아 디코딩하는 디코딩 회로의 출력신호에 의해 균등화 대상의 배터리 셀을 연결할 선택스위치가 선택되고, 선택된 선택스위치를 통해 PWM 생성회로에서 출력된 반전 신호가 미리 정해진 제2 스위칭부의 게이트에 각각 전달되는 방식의 구성을 가진 것으로, 수개의 입력 제어신호, 디코딩 회로, 신호동기회로, 반전회로 및 선택스위치가 꼭 필요하게 되는 바, 이의 구성 회로가 매우 복잡하다. 또한, 본 출원인에 의해 2011년 12월 19일 자로 대한민국에 출원되고 2013년 08월 01일 자로 등록된 "특허등록번호 제 10-1294378호, 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법"의 특허는, 제 1방향 또는 제 2방향의 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 스위치 회로; 배터리 셀의 에너지를 입력받아 복수의 1차 권선간에 에너지를 유도하여 상호 간에 전달(수수)하는 복수의 1차 권선; 및 상기 1차 권선과 상기 스위치 회로 사이에 직렬 형태로 배치되고 배터리의 전류를 제한하는 복수의 전류제한수단을 포함하여 구성되는 데, 배터리 셀 간에 충전 용량의 불균형 또는 셀 전압의 불균형이 발생되면, 상기 과충전되어 있거나 높게 충전된 배터리 셀의 에너지가 방전되고, 배터리 셀에 각각 연결된 복수의 1차 권선이 배치된 고주파 변압기의 자기적 결합에 의해 부족 충전된 배터리 셀로 에너지가 직접 전달되어 충전전류가 흐르게 되고, 이때 셀 전압의 불균형이 심한 배터리 셀에는 상대적으로 많은 충전전류가 흐르게 되어 모든 배터리 셀들을 단시간에 균일화될 수 있는 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법을 제시하고 있다.
도 1은 종래의 등록특허 제 10-1294378호의 구체적인 밸런싱 제어장치의 구성도를 보여준다. 이의 구성을 살펴보면, 동일한 도통폭을 가진 PWM 제어신호를 직접 생성하거나, 상기 각 PWM 제어신호가 동기되는 데 필요한 동기 펄스신호를 생성하는 신호생성기, 상기 신호생성기의 출력신호를 절연하여 복수개로 각각 분배하는 복수의 신호절연회로, 및 상기 신호절연수단의 출력신호로부터 PWM 스위칭 신호를 생성하여 복수의 MOSFET에 각각 공급하는 복수의 스위칭 신호발생회로를 포함하고 있다. 여기서 복수의 배터리 셀마다 상기 신호생성기의 출력(신호)을 각각 동기화 하여 절연하고 복수개로 분배하는 복수의 신호절연회로 등이 꼭 필요하게 되는 데, 이러한 신호절연회로에는 수백 kHz의 구형파형을 찌그러짐없이 전달할 수 있는 특성을 가진 신호절연 소자가 필히 구비되어야 하기 때문에 이의 구성 회로가 매우 고가가 됨은 물론 복잡하게 되는 단점을 가지게 된다.
종래의 문헌 등에서 소개되고 있는 복수개의 배터리 셀을 밸런싱(균일화)할 수 있는 능동형 밸런싱 제어장치 또는 그 제어 방법은, 그들이 가지는 밸런싱 효과 및 성능에 비해, 동기 펄스신호를 생성하는 신호생성기, 복수의 스위치 회로의 각 PWM 신호를 절연하기 위한 신호절연회로, 복수개의 배터리 셀 전압 크기를 측정하여 측정된 결과를 기초로 충전할 배터리 셀의 동기정류기 회로를 선택적으로 온. 오프하는 선택스위치 회로가 반드시 필요하고, 따라서 이들의 제어회로 구성이 매우 복잡하기 때문에 장치의 제조 가격이나 부피적인 측면에서 매우 불리하다.
또한, 충전할 대상의 배터리 셀에 연결된 동기정류기 회로를 선택적으로 온. 오프하는 선택스위치를 포함하여 구성된 종래의 밸런싱 회로에서는, 높게 충전된 배터리 셀의 방전 에너지가 복수의 2차 권선의 전자기적 결합을 통해 낮게 충전된 배터리 셀로 직접 전달(충전)되지 못해 에너지 변환(전달) 효율 측면에서 매우 불리한 단점을 가진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 없애기 위하여 창출된 것으로, 일반적인 프라이백 DC-DC 컨버터 회로 변압기의 1차 권선에 연결된 PWM 스위치를 PWM 제어시키고, PWM 스위치가 도통(온)되는 구간에는 자화 에너지를 저장하고, PWM 스위치가 폐쇄(오프)되는 다음 구간에는 복수의 2차 권선과 동기정류기 회로내의 바디 다이오드를 통해 전류흐름 통로가 형성되어 상기 저장된 자화 에너지가 환류되면서 복수의 2차 권선들의 자기적 결합에 의해 복수개 배터리 셀의 평균전압과 동일한 전압이 상기 2차 권선에 각각 유기되고, 동시에 상기 복수의 2차 권선에 유기된 전압 극성을 판단하여 복수의 구동회로가 각각 활성화되고, 상기 활성화된 구동회로의 출력이 동기정류기 회로를 각각 작동(ON)시켜 동기정류기로 작동된 회로를 통해 낮게 충전된 배터리 셀들로 충전전류가 흐르게 되고, 이때 셀 전압의 불균형이 심한 배터리 셀에는 상대적으로 많은 충전전류가 흐르게 된다. 동시에 높게 충전된 배터리 셀이 MOSFET의 순방향 전류흐름 통로를 거쳐 방전되면서 방전 에너지가 낮게 충전된 배터리 셀로 직접 전달(충전)되고 상기와 같은 밸런싱 과정을 통해 모든 배터리 셀들이 단시간에 균일화될 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 수백 개의 배터리 셀이 직렬로 형성된 배터리 스트링(팩)의 밸런싱 효과를 높일 수 있는 최적의 회로를 제공한다.
본 발명은 복수의 2차 권선에 유기된 전압 극성을 판단하여 동작되는 극히 간단한 구조의 구동회로가 필요할 뿐, 종래의 회로와 비교하여 신호절연회로나 복수개의 배터리 셀 전압 크기를 측정한 결과에 따라 선택적으로 온.오프되는 복수의 선택스위치 회로가 전혀 불필요하게 되므로, 밸런싱 제어동작에 필요한 입.출력의 신호 체계가 거의 생략되거나 단순화될 수 있고 이의 제어 회로 구성이 극히 간략화 될수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 제어장치 및 이의 방법은 복수개의 배터리 셀들이 상호 직렬 연결되어 구성되는 배터리시스템(팩)의 각 배터리 셀들을 밸런싱 제어 관리하는 목적을 가지는 것으로서, 배터리 스트링을 구성하는 복수의 배터리 셀을 밸런싱 제어하는 능동형 밸런싱 제어장치에 있어서,
상기 복수의 배터리 셀의 일단에 각각 직렬 연결되며, 상기 배터리 셀로의 충전 방향 및 상기 배터리 셀로부터의 방전 방향의 전류흐름 통로을 각각 제공하는 복수의 동기정류기 회로;
상기 복수의 배터리 셀의 다른 일단과 상기 동기정류기 회로의 다른 일단에 서로 직렬 연결되며, 상기 복수의 배터리 셀의 충.방전 에너지가 상호 자기적 결합에 의해 전달될 수 있도록 단일 철심의 변압기에 형성되는 복수의 2차 권선;
상기 복수의 2차 권선의 전압 신호 극성을 판단하여 상기 동기정류기 회로를 각각 도통시키는 복수의 구동회로;
단일 철심의 변압기에 형성되고 일단이 배터리 스트링 일단과 직렬 연결되는 1차 권선;
상기 1차 권선의 다른 일단에 일단이 연결되고 다른 일단은 상기 배터리 스트링의 다른 일단에 연결되는 PWM 스위치;를 포함한다.
물론 상기 PWM 스위치에 PWM 제어신호를 공급하는 PWM 신호발생회로를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차 권선에 직렬로 연결된 PWM 스위치의 출력이 상기 배터리 스트링의 임의의 단위구룹에 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단일 철심 구조의 변압기는 복수개로 구성되는 데, 상기 복수 변압기의 1차 권선의 출력은, 상기 복수의 1차 권선에 직렬로 각각 연결되는 복수의 PWM 스위치를 통해 미리 정해진 복수의 배터리 단위구룹 스트링과 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변압기의 각 1차 권선의 출력은, 상기 변압기의 각 2차 권선들이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 다음 하위 단위구룹에 각각 순차적으로 연결되고, 최하단에 배치된 변압기의 1차 권선 출력은 최상단의 단위구룹 스트링에 연결되는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 단일 철심의 변압기가 상기 복수개의 단위구룹 스트링마다 각각 배치되는 데, 상기 단일 철심의 변압기의 1차 권선은 서로 병렬 또는 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
한편, 단일 철심의 변압기는 평판형(Planner type) 구조인 것이 바람직하다.
또한, 상기 동기정류기 회로는 바디 다이오드를 구비한 N 채널 MOSFET 또는 P 채널 MOSFET를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동기정류기 회로는 MOSFET 소자를 포함하여 구성되는 데, 상기 2차 권선들 사이에 자속이 누설되어 발생되는 누설 인덕터 성분 또는 상기 MOSFET 소자의 도통 저항(Rdson) 중 적어도 하나가 최소인 것이 매우 바람직하다.
한편, 상기 구동회로는 비교기, 차동증폭기 또는 레벨 감지기 중 적어도 하나를 포함하거나, 로직게이트, 게이트형 버퍼 또는 전류 버퍼 중 적어도 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 배터리 스트링을 구성하는 복수의 배터리 셀에 각각 배치되고, 단일 철심의 변압기에 형성되는 복수의 2차 권선과 직렬로 배치되어 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 동기정류기로의 작동 제어 및 1차 권선과 직렬로 배치된 PWM스위치의 ON-OFF 스위칭 제어 방법에 있어서,
상기 복수의 배터리 셀에 불균형이 발생되면, 미리 선정된 PWM 신호가 상기 PWM스위치에 인가되는 단계;
상기 상기 PWM스위치가 도통되어 단일 철심의 변압기에 자화 에너지가 저장되는 단계;
상기 PWM스위치가 폐쇄되고 저장된 자화 에너지가 환류되면서 복수의 2차 권선에 상기 복수의 배터리 셀의 평균전압이 유기되고 상기 복수의 동기정류기 회로내에 배치된 바다 다이오드를 통해 자화 에너지가 각각 방출되는 단계;
이와 동시에 복수의 2차 권선에 유기된 전압 신호를 판단하여 복수의 구동회로가 각각 활성화되는 단계;
상기 복수의 구동회로의 활성화 신호를 받아 복수의 동기정류기 회로가 동기정류기 또는 MOSFET의 순방향으로 각각 작동되는 단계;
상기 복수의 MOSFET의 순방향 전류흐름 통로를 통해 평균전압값보다 높게 충전된 배터리 셀이 방전되고 동기정류기로 작동되는 전류흐름 통로를 통해 평균전압값보다 낮게 충전된 배터리 셀이 충전되어 밸런싱되어지는 단계를 포함한다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치 및 이의 방법은, 프라이백 DC-DC 컨버터 회로의 PWM 스위칭 제어 및 프라이백 변압기의 2차 권선에 유기된 전압의 극성을 간단한 회로 구성의 구동회로가 판단하여 출력이 활성화되고 이에 각 배터리 셀에 연결된 MOSFET가 순방향으로 도통되어 평균보다 높게 충전된 배터리 셀의 에너지(전압)를 방전될 수 있고, 또한 동기정류기로 작동되는 회로의 전류흐름 통로를 통해 부족 충전된 배터리 셀로 현재의 충전량에 반비례하여 충전전류의 크기를 적절하게 분배 전달함으로써 복수개의 배터리 셀을 신속하게 균일화시킬 수 있다.
동시에 플라이백 DC-DC 컨버터 회로의 스위칭 변환 과정에서 발생되는 자화 에너지를 배터리 셀로 직접 전달하거나 이웃의 배터리 단위구룹 스트링으로 전달할 수 있고, 배터리 스트링의 밸런싱 제어시에 발생될 수 있는 전력변환 손실을 최소화할 수 있다.
특히 본 발명의 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치는, 종래의 어떠한 회로보다 하드웨어 회로 구성이 극히 간단하여 이의 제조 원가 및 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 능동형 밸런싱 제어장치의 회로 블록도.
도 2는 본 발명의 능동형 밸런싱 제어장치가 개략적으로 도시된 대표도.
도 3은 본 발명의 능동형 밸런싱 제어장치의 세부 블럭 구성도.
도 4은 본 발명의 일 실시예인 능동형 밸런싱 제어장치의 구동회로를 구체적으로 도시한 세부 회로도.
도 5는 본 발명의 밸런싱 제어 동작시의 전류 파형을 도시한 파형도.
도 6는 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 배터리 셀 밸런싱 제어모듈의 출력이 임의의 배터리 단위구룹 스트링에 연결되는 구성도.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 배터리 셀 밸런싱 제어모듈의 출력이 하위의 배터리 단위구룹 스트링에 순차적으로 연결되는 구성도.
도 8은 도 7을 이해가 쉽게 개략적으로 도시한 구성도
도 9는 본 발명의 배터리 셀 밸런싱 제어모듈의 출력이 배터리 스트링 단위구룹의 중간 배터리 셀에 각각 연결되는 또 다른 일 실시예.
도 10는 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 플라이백 변압기의 1차 권선 출력을 서로 직렬 또는 병렬 형태로 연결한 확장 구성도.
이하, 본 발명과 관련된 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치 및 이의 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 직렬 연결된 슈퍼콘덴서(EDLC)의 밸런싱(균등화)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있고, 이들의 밸런싱(균등화) 원리 및 과정이 동일하므로 배터리를 대표적인 예로 들어 설명한다.
도 2는 본 발명의 구체적인 일 실시 예로, 기능 블록별로 도시된 배터리 셀 밸런싱 제어장치의 대표도이다.
도 2에 도시된 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치는, 복수개의 배터리 셀(E1, E2, ...En)이 상호 직렬 연결되어 구성되는 배터리 단위구룹 스트링 또는 이의 배터리 스트링(적어도 한개의 단위구룹 스트링이 직렬 연결되어 배터리 스트링이 구성된다.)의 복수의 배터리 셀들을 균일하게 충전할 수 있게 설계된 것으로, 임의의 배터리 단위구룹 스트링(100-1, 100-2, ...100-n)의 양극 또는 음극 출력단자에 일단자가 연결되는 플라이백 변압기의 1차 권선(34); 상기 배터리 (단위구룹) 스트링에 연결되지 않는 상기 1차 권선(34)의 또 다른 단자와 상기 배터리 (단위구룹) 스트링의 또 다른 단자에 연결되는 PWM 스위치(41); 상기 플라이백 변압기의 2차 측에 형성되는 복수의 2차 권선(331, 332, .., 33n); 상기 복수개의 배터리 셀(E1, E2, .., En)의 양단 사이에 상기 2차 권선(331, 332, .., 33n)과 직렬 형태로 각각 배치되고 상기 배터리 셀(E1, E2, ...En)을 충전 또는 방전하는 전류흐름 통로를 각각 제공하는 복수의 동기정류기(20-1, 20-2, .., 20-n) 회로; 및 상기 2차 권선(331, 332, .., 33n)에 유기된 전압의 극성을 판단하여 미리 정해진 극성과 동일한 경우 상기 동기정류기 회로가 동기정류기로 각각 작동되도록 이에 도통(ON) 신호를 제공하는 복수의 구동회로(21-1, 21-2, .., 21-n)를 포함하여 구성된다.
여기서 상기 복수의 2차 권선은 상기 1차 권선과 반대 극성이 되도록 각각 권선되는 데, 상기 복수의 2차 권선(331, 332, .., 33n)에는 변압기의 전자기학적 원리(Electro magnetic principle)에 의한 자기적 결합을 통해 상기 복수의 배터리 셀 전압의 평균치와 동일한 전압이 각각 유기되고, 이로써 복수의 상기 2차 권선의 상호 간에 에너지가 수수될 수 있다.
PWM 신호발생회로(51)는 상기 PWM 스위치(41)가 PWM 스위칭 동작하는 데 필요한 수 kHz~수백 kHz의 구형파 주파수를 가진 PWM 신호를 만든다. 상기 PWM 스위칭 동작은 일반적인 플라이백 DC-DC 컨버터와 같으며 이미 잘 알려져 있다.
더 구체적으로는, PWM 신호발생회로(51)의 온(ON) 신호에 의해 PWM 스위치(41)가 도통(ON)되면, 상기 플라이백 변압기의 1차 권선(34)이 연결된 배터리 스트링의 양단 전압이 1차 권선(34)에 유기되고 플라이백(Fly-back) 변압기에는 자화전류가 직선적으로 증가되면서 자화 에너지가 저장된다. 이후 미리 선정된 도통각(D) 시비율 시간이 지나 PWM 신호발생회로(51)의 오프(OFF) 신호에 의해 PWM 스위치(41)가 폐쇄(OFF)되면, 상기 복수의 동기정류기(20-1, 20-2, .., 20-n) 회로에 역병렬로 연결된 바디 다이오드(Body-diode)를 통해 자화전류의 환류에 필요한 전류흐름 통로가 형성되어 상기 저장된 자화 에너지가 각각 환류(Free Wheeling)된다. 이러한 환류 과정을 통해 플라이백 변압기의 자속이 리셋되고 연속전류 도통모드(CCM)에서도 상기 플라이백 변압기의 자속 포화를 예방할 수 있다.
동시에 상기 플라이백 변압기의 복수의 2차 권선(331, 332,., 33n)에는 상호간 자기적 결합에 의해 배터리 셀의 양극을 지향하는 극성 방향으로 각각 유기되고 상기 복수의 2차 권선에 연결된 배터리 셀이 각각 충전되게 된다. 이때 복수의 2차 권선에 유기된 전압은 복수의 배터리 셀 전압의 평균치와 각각 동일하고, 각 2차 권선에 유기된 전압과 해당 배터리 셀의 전압 차이로 인해 상기 바디 다이오드 (Body-diode)를 통한 전류흐름 통로가 각각 형성되게 되므로 상대적으로 낮게 충전된 배터리 셀에는 상대적으로 많은 충전전류가 흐르게 되는 것이다.
자화 에너지가 환류(Free Wheeling)되면서 복수개의 배터리 셀로의 충전전류가 흐르는 기간에는, 상기 복수의 2차 권선(331, 332, ...33n)의 출력 전압(2차 권선의 유기 전압에서 변압기의 누설 임피던스에 의한 전압 강하치를 뺀 전압을 의미한다.)은 각각의 배터리 셀 전압에 바디 다이오드(Body-diode)의 순방향 강하전압치를 더한 것과 동일하다. 이때 복수의 구동회로(21-1, 21-2, .., 21-n)는 상기 복수의 2차 권선(331, 332, ...33n)에 유기된 전압의 극성을 각각 판별하여 만일 2차 권선의 유기 전압의 극성이 배터리 셀의 양극을 지향하는 방향과 동일(Dot 표시 방향)하면 상기 2차 권선에 유기된 전압신호에 의해 복수의 구동회로 출력이 각각 활성화되고, 활성화된 출력신호에 의해 복수의 동기정류기(20-1, 20-2, .., 20-n) 회로가 각각 동기정류기로 작동 도통(ON)되어 부족 충전된 배터리 셀로 상대적으로 큰 충전전류가 각각 흐르게 된다.
이후 높게 충전된 배터리 셀의 전압은 자기가 연결된 2차 권선의 유기된 전압보다 크고 이때 동기정류기 회로 내의 MOSFET가 순방향으로 도통되어 더욱 낮은 선로 저항의 전류흐름 통로가 형성되게 되므로, 높게 충전된 배터리 셀은 상기 도통(ON)된 MOSFET의 전류흐름 통로를 통해 더욱 빨리 방전되게 된다. 또한 이와 같은 방전과정을 통해 상기 높게 충전된 배터리 셀로부터의 방전 에너지는 2차 권선의 상호간 자기적 결합에 의해 낮게 충전된 배터리 셀로 직접 전달(충전)된다.
이하 설명에서는 배터리 셀로 충전전류가 흘러들어가는 방향을 제 1방향으로 지칭하고, 이와 반대 방향으로 방전 통로를 따라 배터리 셀로부터 방전 전류가 흘러나오는 방향(제 1방향과 반대쪽)을 제 2방향으로 기재한다.
더욱 자세하게 설명하면, 상기 플라이백 변압기의 전자기학적 원리에 의한 자기 결합에 의해 상호 권선간에 에너지가 전달될 수 있도록 설계된 2차 권선(331, 332, ..., 33n)들이 상기 동기정류기(21-1, 21- 2, .., 21-n) 회로와 직렬로 각각 연결되고, 상기 2차 권선들은 상호 전자기적 특성이 균일하고 서로 동일극성을 가지도록 설계된다. 따라서 상기 복수의 2차 권선에는 복수개의 배터리 셀 전압의 평균치와 같은 전압이 각각 유기되며, 동시에 바디 다이오드의 통전 통로(제 1방향)를 통해 적어도 1개의 배터리 셀로 충전전류가 흘러 상기 저장된 자화 에너지가 환류되게 된다.
동시에 복수의 구동회로가 활성화되고 동기정류기 회로에 배치된 MOSFET가 도통되어 높게 충전된 배터리 셀은 제 2방향으로 방전되기 시작하고, 상기 복수의 2차 권선(331, 332, ... 33n)들의 자기적 결합에 의하여 방전된 에너지(전하)는 동기정류기로 작동된 회로를 통한 제 1방향으로의 전류흐름 통로를 통해 부족 충전된 배터리 셀로 직접 전달(충전)된다. 이때 상대적으로 낮게 충전된 배터리 셀에는 많은 충전전류가 흐르게 된다.
물론, 상기 2차 권선(331, 332, ...33n)의 상호간에 배터리의 충.방전에 의한 에너지가 효율적으로 전달(수수)되고 또한 밸런싱 제어 특성이 극대화될 수 있게 되기 위해서는, 상기 2차 권선 사이의 자기적 결합도가 높아야 할 것이므로 상기 복수의 2차 권선 사이의 누설 인덕턴스는 최소가 되고 또한 균일화되게 설계하는 것이 바람직하다.
현실적으로는 평판형(planar) 구조의 코아를 선택하여야 권선수를 적게 배치(설계) 가능할 수 있으므로, 이로써 누설 인덕턴스는 최소가 되고 또한 균일화되게 설계하는 것이 극히 용이할 것이다.
또한 상기 플라이백 변압기의 상기 2차 권선(331, 332, ...33n)에 저장된 자화전류가 상기 2차 권선들 사이의 자기적 결합을 통해 환류되면서 복수개의 배터리 셀을 균등화시키는 역할을 하게 되는 것이므로, 상기 플라이백 변압기 회로는 상기 복수의 2차 권선들 상호간에 전자기적 에너지 전달이 최대화될 수 있도록 설계되어야 할 것이다.
즉, 상호 에너지 전달 효율을 개선하기 위해 상기 2차 권선들 상호간에 자기적 누설량(즉, 누설 인덕턴스)가 적어지면 상기 동기정류기(20-1, 20- 2, ... , 20-n) 회로의 작동 기간 동안에 제 1방향으로 복수의 배터리 셀로 흘러들어가는 충전전류 및 이와 반대 방향인 제 2방향으로 복수의 배터리 셀로부터 흐르는 방전전류가 조기에 상승될 수 있게 되고, 이러한 과정을 통해 밸런싱(균등화)에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 배터리 능동형 밸런싱 제어장치의 구체적인 세부 회로 구성도를 보여 준다.
일반적으로, 본 발명의 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치는, 배터리 셀의 상호 간의 에너지(전하) 전달 및 변환이 비교적 적은 경우에는, 1차 권선과 직렬 연결되는 PWM 스위치(41); 복수의 2차 권선(331, 332, ...33n)에 직렬 형태로 연결된 복수의 동기정류기(20-1, 20- 2, ... ..20-n) 회로; 상기 동기정류기 회로와 역．병렬 형태로 연결되는 바디 다이오드(Df1, Df2, .., Dfn);를 포함하여 구성되는 프라이백(Flyback) DC-DC 컨버터와 같은 기본 회로를 이용하여 구성하는 것이 매우 바람직하다.
상기 복수의 동기정류기(20-1, 20-2, .., 20-n) 회로는, 바디 다이오드(Df1, Df2, .., Dfn)가 배터리 셀의 양극을 지향하여 역.병렬 연결 형태로 배치되는 N형 MOSFET(42) 또는 P형 MOSFET(42') 소자를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 N형 MOSFET(42) 소자를 포함하여 구성될 경우에는 상기 N형 MOSFET(42)의 소스가 상기 배터리 셀의 음극에 연결되고, P형 MOSFET(42') 소자를 포함하여 구성될 경우에는 상기 P형 MOSFET(42')의 소스가 상기 배터리 셀의 양극에 연결된다.
또한 상기 MOSFET(42, 42')의 도통 저항(Rdson)이 적을수록 복수개의 배터리 셀로의 충.방전전류가 단시간에 크게 상승될 수 있으므로, 보다 적은 도통 저항(Rdson)을 가진 MOSFET 소자를 선택하는 것이 더 바람직할 것이다.
또한 PWM 신호발생회로(51)에서는 상기 PWM 스위치(41)에 공급할 PWM 제어신호를 발생하여 상기 PWM 제어신호를 증폭 또는 절연한 후 상기 PWM 스위치(41)에 공급(드라이브)하고, 이에 상기 PWM 스위치(41)가 PWM 스위칭된다.
본 발명의 밸런싱 제어장치는 궤환 제어가 필요치 아니하므로 오픈루프(Open loop) 제어 형태로써 상기 PWM 신호발생회로(51)를 매우 간단히 구성할 수 있으며, 이로써 상기 PWM 신호발생회로(51)은 상용화된 PWM 제어 IC(예로, MB38XX) 또는 간단한 기능의 마이콤을 채택하여 구성될 수 있다.
또한 상기 PWM 신호발생회로(51)와 상기 PWM 스위치(41)의 기능을 한 개의 칩에 내장시킨 집적회로(IC) 소자가 다수 상용화되어 시판되고 있는 바, 이와 같은 상용화 소자를 채택하여 밸런싱 기능을 구현하는 것이 매우 바람직하다.
프라이백 변압기 1차 권선에 직렬로 연결된 상기 PWM 스위치(41)가 상기 PWM 스위칭 동작에 의해 도통(ON)되면, 1차 권선에는 극성 표시점(Dot)의 반대 방향으로 전압이 인가되고 자화전류가 흐르면서 자화 에너지가 저장된다. 이때 복수의 2차 권선에는, 상기 프라이백 변압기의 1차-2차간 권선비가 N:1 (여기서 N은 1차 권선의 출력이 연결된 배터리 단위모듈 스트링에 속한 각 배터리 셀의 직렬 개수)이라면, 1차 권선 출력이 각각 연결된 복수개의 배터리 셀(E1~En) 전압의 평균치와 동일한 크기의 전압이 극성 표시점(Dot)의 반대 방향으로 각각 유기된다.
이후 상기 PWM 스위치(41)가 폐쇄(OFF) 되면, 프라이백 변압기의 자속이 리셋되고 상기 복수의 2차 권선에는 전압(Vw1, Vw2 ..., Vwn)이 극성 표시 방향(Dot방향)으로 유기된다.
한편, 복수개의 배터리 셀(E1~En)마다 배치되는 구동회로(20-1, 20-2, .., 20-n)은 각각의 2차 권선의 전압(Vw1, Vw2 ..., Vwn)의 극성이 도 3의 극성 표시 방향(Dot 방향)인 배터리 셀 양극을 지향하는 방향과 동일한 극성인 지를 판단하여 MOSFET(42)의 도통에 필요한 신호를 출력한다. 상기 복수의 2차 권선의 유기전압(Vw1, Vw2, .., Vwn)의 극성이 미리 정한 것과 동일한 지를 판단하는 구동회로(20-1, 20-2, .., 20-n)는 복수의 배터리 회로마다 비교기(401)를 포함하여 각각 구성되는 것이 바람직하다.
상기 비교기(401)의 출력은 후단에 배치되는 게이트형 버퍼(402)을 통해 상기 MOSFET(42) 구동에 적합한 레벨의 신호로 변환하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 MOSFET(42)가 낮은 게이트 충전(Low Gate Charging) 특성의 5V 급 레벨 신호로써 충분히 구동될 수 있는 특성을 가진 소자이면, 상기 게이트형 버퍼(402)가 더 구비되지 않아도 된다.
PWM 신호발생회로(51)은 BMS와 같은 배터리 셀 모니터 장치(501)로 부터 배터리 불균형 상태 정보를 받거나 충전상태의 정보를 받아 필요한 시기에만 PWM 신호를 발생시키는 것이 효과적인 밸런싱 제어 동작을 이루는 데 있어 바람직하다. 또한 밸런싱 제어동작이 필요한 때에만 상기 PWM 제어신호를 발생시키는 것이 밸런싱 제어의 전력소모를 줄이기 위한 방안으로 바람직하고, 상기 PWM 제어신호가 발생되지 않으면 배터리 밸런싱 제어장치는 아이들(idle) 모드로 대기케 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예로 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치의 구체적인 구동회로의 연결 구성을 보여주고 있다.
복수의 비교기(401)의 반전 및 비반전 입력측에는 상기 복수의 2차 권선의 전압(Vw1, Vw2 ..., Vwn) 신호가 노이즈 필터(403)를 거쳐 각각 입력된다. 상기 비교기(401)는 이의 효과적인 활성화 동작 실현을 위해 히스테리시스(hysteresis) 특성을 가지는 것이 매우 바람직하다. 또한 상기 노이즈 필터(403)는 저역통과필터(LPF)이고 인덕터(L) 및 콘센서(C) 소자를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 PWM 스위치(41)가 폐쇄(OFF) 되어 상기 2차 권선에는 전압(Vw1, Vw2 ..., Vwn)이 극성 표시 방향(Dot방향)으로 유기되면 비교기(401)의 출력은 활성화된 출력으로 "High" 또는 "Low" 신호를 발생시키고, 상기 "High" 또는 "Low" 신호는 정논리 또는 부논리 게이트형 버퍼(402)를 통해 복수의 MOSFET(FET1, FET2, .., FETn)를 도통(ON)시키는 데 필요한 게이트 신호를 각각 출력하게 된다. 여기서 상기 게이트 신호는 복수의 MOSFET(FET1, FET2, .., FETn)가 N형 소자인 경우 "High" 신호이고, P형 소자인 경우 "Low" 신호이다.
도 4는 단지 본 발명의 기술적 사상을 보여주는 일실시 예에 불과할 뿐이며, 비교기(410)나 게이트형 버퍼(402)를 포함하는 본 실시예를 참고하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되도록 여러가지 형태로 변형하거나 대체 가능하다.
예로써, 도 4에 도시된 바와 같이 비교기(401)의 반전 입력단자에 2차 권선의 극성(Dot) 표시 단자가 연결되고 비반전 입력단자에 상기 2차 권선의 다른 반대쪽 단자가 연결되게 설계되면, 상기 PWM 스위치(41)가 폐쇄(OFF)될 때 비교기(401)의 출력은 "Low" 신호가 발생되고, "Low" 신호는 부논리 게이트형 버퍼(NOR)를 통해 MOSFET(42)의 게이트에 "high" 신호를 출력하게 된다. 여기서 상기 게이트형 버퍼(402)의 입력단자 중에서 비교기(401) 출력에 연결되지 못한 여분의 입력단자를 셀 선택 출력 신호(SLKT)에 연결하거나 GRD 단자에 연결하여 상기 NOR 게이트형 버퍼(402)의 출력을 원하는 바대로 동작케 할 수 있다.
여기서 복수의 비교기(401) 및 복수의 버퍼(402)를 동작 시키는 데 필요한 제어전원(5V1E, 5V2E, .., 5VnE 및 GRD_1E, GRD_2E, .., GRD_nE)은 복수개의 배터리 셀(E1~En)의 출력 전압을 직접 사용할 수 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 정전압회로(405)를 배터리 셀(E1~En)의 후단에 배치하고 상기 정전압회로 (405)에 의해 생성된 정전압 출력을 상기 제어전원으로 사용함으로써 상기 배터리 셀의 저전압 상태에서도 상기 MOSFET(42, 42')의 스위칭 속도를 개선할 수 있다.
그러나 상기 정전압회로(405)를 배치하고 않고 상기 비교기(401) 및 게이트형 버퍼(402)를 제어전원이 배터리 셀의 전압인 2.0~5.5V 범위에서 바로 작동할 수 있는 상용 소자(예로 NCS22XX) 또는 동등기능을 가진 소자로 채택하는 것이 구성 회로를 더 간략하게 할 수 있어 바람직할 수 있다.
이하 설명에서는 배터리 셀(E1~En)의 전압이 예로써 VB1> VB2 >VB3 >VB4 인 조건에서 배터리 E1 및 배터리 E2 는 각 배터리 셀의 평균전압보다 높고 배터리 E3 및 배터리 E4 가 배터리 셀(E1~E4)의 전압 평균치보다 낮은 경우에 있어서, 상기 동기정류기(20-1, 20-2, 20-3, 20-4) 회로가 충분히 작은 도통 저항 (Rdson)을 가진 MOSFET 를 포함하여 구성되는 일실시 예를 통해, 본 발명의 기술적 사상이 가지는 상승 효과와 각 배터리 셀 전압이 균등화(밸런싱)되어 지는 과정을 살펴 본다.
상기 플라이백 변압기의 1차 권선(34)과 직렬 연결된 PWM 스위치(41)는 통상적인 플라이백 DC-DC 컨버터와 같이 동작한다. 먼저 PWM 신호발생회로(51)에서는 미리 정해진 주파수와 도통각(D)을 가진 밸런싱 제어에 적합한 PWM 제어신호를 발생시키고, 상기 PWM 제어신호를 증폭 또는 절연한 후 상기 PWM 스위치(41)에 인가하여 이를 도통시킴으로써 배터리 셀의 밸런싱이 이루어지는 과정이 시작된다.
상기 플라이백 변압기의 1차 권선(34)과 직렬 연결된 PWM 스위치(41)가 도통(ON)되면, 상기 1차 권선(34)에는 배터리 스트링의 양단 전압이 유기되면서 플라이백(Fly-back) 변압기에는 자화전류가 직선적으로 상승되고 자화 에너지가 저장된다. 미리 정해진 도통각(D) 시간 후에 상기 PWM 스위치(41)가 폐쇄(OFF)되면, 상기 복수의 2차 권선(331 내지 334)과 각각 직렬 연결된 바디 다이오드(Body-diode)를 통해 상기 자화전류의 환류에 필요한 전류흐름 통로가 제 1방향으로 각각 형성되고 상기 저장된 자화 에너지가 각각 제 1방향으로 환류(Free Wheeling)되면서 배터리 셀(E1~E4)이 각각 충전된다.
이때 자화전류가 환류되면서 상기 복수의 바디 다이오드(Body-diode)의 양단에는 순방향 문턱전압(Threshold voltage)이 강하(Drop)되고 상기 문턱전압 크기는 약 0.7V으로 바디 다이오드마다 거의 동일하다.
또한, 동시에 상기 2차 권선에 유기된 전압(VW1~VW4) 신호에 의해 복수의 구동회로 출력이 각각 활성화되므로, 배터리 셀 E1 및 E2의 MOSFET(FET1, FET2)는 순방향으로 각각 도통되고 동시에 배터리 셀 E3 및 E4의 MOSFET(FET3, FET4)는 이들의 소스-드레인 간에 형성된 채널을 통해 동기정류기(Synchronous Rectification)로 각각 동작하게 된다.
상기의 서술한 동작 원리를 수식으로 표시하기 위하여, 배터리 셀(E1~E4)의 단자전압을 VB1~VB4, 배터리 셀(E1~E4)에 흐르는 전류를 IE1~IE4, 상기 플라이백 변압기 2차 권선(331~334)의 유기전압을 VW1~VW4 라 하고, 또한 2차 권선(331~334)의 누설 인덕턴스는 모두 동일하고 이를 Llkg 로 표시하면, 상기 복수의 바디 다이오드(Body-diode)의 도통(ON)에 따라 구성된 제 1방향으로 흐르는 전류흐름 통로의 폐회로에 키르히호프 전압법칙(Kirchhoff's Voltage Law)을 적용하면 다음과 같이 표현된다.
여기서 0.7V 는 상기 바디 다이오드의 문턱전압을 표시한다.
Figure pat00001
(1)
Figure pat00002
(2)
Figure pat00003
(3)
Figure pat00004
(4)
상기 수식 (1) 내지 (4)에서, 상기 변압기 코어가 단일로 구성되어 있으므로상기 플라이백 변압기의 복수의 2차 권선(331, 332,., 334)을 쇄교하는 자속수는 전부 동일한 크기가 되고, 쇄교되는 동일 크기의 자속은 전자기학적 원리의 패러데이 법칙 (Faraday's Law)과 암페르 법칙(Ampere's Law)에 의해, 상기 복수의 2차 권선(331, 332,., 334)에 상기 배터리 셀(E1~ E4)의 평균전압의 크기와 같은 전압을 유기한다. 이를 수식으로 표시하면 수식 (5)와 같다.
Figure pat00005
(5)
여기서, 각 배터리 셀 전압 크기는 VB1> VB2 >VB3 >VB4 의 상태인 바, VB1은 VWL보다 상당히 크다는 것을 알 수 있고 또한 식 (1)로 부터 아래 식 (6)의 결과를 얻을 수 있다.
Llkg* dIE1/dt = VB1 - VW1 + 0.7V > 0 (6)
따라서 배터리 셀 E1, E2에 흐르는 전류는, 환류가 개시되는 시점의 초기값인 음(-)으로부터 직선적으로 증가하고 곧 영(0)에 도달된다. 이때 구동회로(20-1, 20-2, .., 20-4)의 활성화 출력을 받아 복수의 MOSFET(FET1, FET2)가 도통되어 있는 상태이므로 MOSFET 순방향 도통 통로를 통해 배터리 셀 E1, E2가 방전되기 시작하는 데, 배터리 셀 E1의 전류(IE1)가 배터리 셀 E2의 전류(IE2)보다 급하게 증가되어 먼저 영(0)에 도달되고, 이후 방전을 개시한다.
여기서 상기 환류 전류의 초기값은 4개의 배터리 셀에 분배되고 따라서 2차 측으로 환산한 환류 개시된 시점의 자화전류 초기치의 1/4에 해당한다.
또한 각 배터리 셀 전압 크기의 조건 및 식 (4)으로부터 식 (7)을 얻을 수 있다. Llkg* dIE4/dt = VB4 - VW4 + 0.7V < 0 (7)
배터리 셀 E3, E4에 흐르는 전류는 상기 초기값으로 부터 감소(충전)하고 IE4 가 IE3 보다 급하게 감소(충전)된다. 이때 MOSFET(FET3, FET4)는 소스-드레인 간에 형성된 채널을 통해 동기정류기(Synchronous Rectification)로 작동되어 있다.
따라서 이와 같은 동작 결과를 종합해 보면, 가장 높게 충전된 배터리 셀 E1에는 상대적으로 많은 방전전류가 제 2방향으로 흐르게 되고, 상기 높게 충전된 배터리 셀로부터의 방전 에너지는 복수의 2차 권선의 상호간 자기적 결합 작용에 의해 낮게 충전된 배터리 셀(E3,E4)로 직접 전달되면서 상기 배터리 셀 E3, E4에는 제 1방향으로 충전전류가 흐르게 되고, 이때 가장 낮게 충전된 배터리 셀 E4은 배터리 셀 E3에 비해 상대적으로 많은 충전전류가 흐르게 된다.
상기 MOSFET(FET3 및 FET4)가 동기정류기로 작동하게 되면, 상기 소스- 드레인 채널사이의 전압 강하치가 상기 바디 다이오드의 순방향 문턱전압(약 0.7V)보다 훨씬 적게 되므로, 상기 소스- 드레인 사이에 형성된 채널을 통해 배터리 셀로의 충전전류가 상기 바디 다이오드를 통하는 것에 비해 더 크게 제 1방향으로 흐를 수 있게 된다.
또한, 상기 MOSFET의 도통 저항(Rdson)값이 충분히 적다면, 상기 동기정류기 회로 작동시 채널사이의 전압 강하치가 바디 다이오드의 순방향 문턱전압(약 0.7V)에 비해 극히 미세하므로, 복수의 배터리 셀들에 대한 균등화 전압 편차가 극소화될 때까지 충전전류가 계속적으로 흐르게 될 수 있고, 따라서 상호 배터리 셀간에 보다 정밀한 밸런싱(균등화) 제어 동작이 가능하게 되는 것이다.
여기서 상기 제 1방향의 전류흐름 통로를 통해 배터리 셀(E1~E4)로 각각 충전되는 전류의 흐름은 플라이백(Fly-back) 변압기의 자화전류에 의해 저장된 자화 에너지의 환류(Free Wheeling)에 의해 발생되는 것이다. 따라서 상기 변압기의 1차-2차 권선비가 N:1(여기서 N은 1차 권선이 연결된 배터리 스트링의 배터리 셀 수)이라면, 상기 2차 권선 측으로 환산한 환류전류 크기는 상기 배터리 셀(E1~E4)에 흐르는 전류의 벡터 합과 동일하고, 상기 환류전류는 시간 경과에 따라 감소하여 영(0)에 도달되고 또한 변압기의 2차 권선(331~334)의 누설 인덕턴스 Llkg 값이 적을수록 빨리 감소한다.
또한 가장 높게 충전된 배터리 셀 E1의 제 1방향으로의 충전전류는 배터리 셀 E2의 것보다 빨리 감소하여 영(0)에 도달되고, 충전전류가 영(0)에 도달된 후부터 MOSFET(FET1, FET2)가 각각 순방향으로 도통되어 제 2방향의 전류흐름 통로가 형성되고 이때 낮은 도통저항(Rdson)값을 가진 MOSFET의 드레인-소스 채널 사이의 전압 강하치는 매우 적으므로, 높게 충전된 배터리 셀(E1, E2)로부터의 방전전류는 상기 MOSFET(FET1, FET2)의 전류흐름 통로를 통해 크게 상승되게 된다.
또한 상기 방전전류에 의한 자화 에너지는 낮게 충전된 배터리 셀(E3, E4)로 전달(충전)되고, 결과적으로 상기 배터리 셀(E3, E4)에는 상기 방전전류의 상호 에너지 전달에 의한 충전전류와 상기 환류전류에 의한 충전전류가 합산되어 함께 흐르게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 도 2 내지 도 4를 참고하여 회로적으로 모델링하여 시뮬레이션한 분석결과이다. 여기서 배터리 셀(E1, E4)에 각각 충전 또는 방전되는 전류의 크기는 시간에 따라 증가하고 또한 변압기의 2차 권선(331, 334)의 누설 인덕턴스 Llkg 값이 클수록 서서히 증가한다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 간단한 구조의 구동회로의 활성화된 출력신호에 의해, 복수의 MOSFET(42)의 순방향 도통에 의한 제 2방향으로의 낮은 전압강하를 가진 방전전류흐름 통로 및 동기정류기(20-1, 20-2, .., 20-4)로 작동되는 회로의 낮은 전압강하를 가지는 제1방향의 충전전류흐름 통로가 각각 형성되고, 또한 이와 같은 전류흐름 통로 및 과정을 통해 상기 높게 충전된 배터리 셀로부터의 방전 에너지는 복수의 2차 권선의 상호간 자기적 결합 작용에 의해 낮게 충전된 배터리 셀로 직접 전달되게 구현함으로써 종래보다 기술적 상승효과를 더욱 높일 수 있으며, 이의 밸런싱 회로를 채택하여 필요한 회로 장치를 보다 경제적 가격으로 얻을 수 있다.
본 발명의 배터리팩을 구성하는 배터리 셀은 과충전 또는 부족 충전된 배터리 셀이 동시에 복수개가 존재할 수 있고 과충전 또는 부족 충전된 배터리 셀들이 서로 혼재할 수도 있으며 모두 과충전된 셀이거나 부족충전된 셀일 수도 있다. 따라서 본 발명은 상기 배터리팩을 구성하는 셀들의 조합 구성은 셀 전압 크기나 특성에 있어 아무런 조건이나 제약을 받을 필요가 없이 적용이 가능하다.
도 6 내지 도 8은, 도 2 내지 도 4에 도시한 기술사상을 보다 구체화하거나 확장한 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 셀 밸런싱 제어모듈이 복수인 배터리 스트링 단위구룹마다 각각 배치되는 밸런싱 제어장치의 연결 구조를 나타내고 있다.
이하 설명에서 "배터리 셀 밸런싱 제어모듈" 이라 함은, 단일 철심의 플라이백 변압기, 복수의 2차 권선, 복수의 동기정류기 회로 및 구동회로를 포함하는 구성을 지칭하거나, 전후의 문맥에 따라서는 1차 권선 또는 PWM 스위치를 더 포함하는 구성을 뜻할 수 있다.
도 6 내지 도 8은, 상기 복수개의 1차 권선들을 가지는 단일 철심 구조의 플라이백 변압기가 복수개로 배치되고, 상기 복수개 변압기들의 각 1차 권선(34)의 출력은, 상기 1차 권선들과 각각 직렬로 연결되는 PWM 스위치를 통해, 상기 복수의 2차 권선들이 연결되어 있는 배터리 단위구룹 스트링을 기준으로 미리 정해진 이웃의 상위 또는 하위의 배터리 단위구룹 스트링들과 연결되고 이들 상호 간에 에너지가 수수될 수 있도록 하는 구성을 보여 주고 있다.
배터리 셀 밸런싱 제어장치의 1차 권선들이 연결된 이웃의 단위구룹 스트링들로부터 상기 프라이백 DC-DC 컨버터의 PWM 스위칭 동작에 필요한 자화전류를 공급받아 자화 에너지로 저장하였다가 복수의 2차 권선이 연결된 복수의 배터리 셀로 상기 자화 에너지가 환류되면서 상기 복수의 배터리 셀을 충전될 수 있고 이와 같은 복수의 배터리 셀 밸런싱 제어모듈 구성을 통해 상기 이웃의 배터리 단위구룹 스트링으로부터 복수의 배터리 셀로 각각 에너지가 수수(전달)된다.
도 6는 본 발명의 또 다른 일 실시예로, 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력이 임의의 배터리 단위구룹 스트링에 순차적으로 연결되는 구성을 보여준다.
플라이백 변압기의 1차 권선의 출력은 상기 변압기의 2차 권선들이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 미리 선정된 이웃의 하위 구룹이나 상위 구룹의 배터리 단위구룹 스트링에 순차적으로 연결되게 구성할 수 있다.
도 7의 실시예는 본 발명의 또 다른 일 실시예로 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력이 순차적으로 하위의 배터리 단위구룹 스트링에 각각 연결되는 구성을 보여준다.
플라이백 변압기의 1차 권선의 출력은 상기 변압기의 2차 권선들이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 각각 다음단 하위 구룹에 순차적으로 연결되고, 최하단에 배치된 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력은, 최상위의 단위구룹 스트링에 연결되게 구성된다. 여기서 상호간 연결되는 순서를 상기와 반대로 바꾸게 되더라도 동일한 효과가 있음은 물론이다.
더욱 자세하게는, 복수의 플라이백 변압기를 가진 배터리 셀 밸런싱 제어모듈이 상기 배터리 스트링의 복수개 단위구룹 스트링마다 각각 배치되는 데, 상기 제 k번째 배터리 단위구룹 스트링에 연결된 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력이 제 (k+1)번째 단위구룹 스트링에 연결되고, 제 (k+1)번째 단위구룹 스트링에 연결된 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력은 제 (k+2) 번째 배터리 단위구룹 스트링과 연결되는 형태의 순차에 준하여, 제 n번째 단위구룹 스트링에 연결된 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력이 바로 하위의 제 (n+1) 번째 배터리 단위구룹 스트링과 연결되는 것을 특징으로 하고 있다. 물론 최하단에 배치된 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력은, 최상위의 단위구룹 스트링에 연결되게 구성하는 것이다. 이때 서로 순차적으로 연결된 제 n번째, 제 (n+1)번째, ... 제 (n+..)번째의 각 배터리 단위구룹 스트링의 상호간에 충.방전 에너지(전류)가 전달 또는 수수되는 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예로 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력이 순차적으로 하위의 배터리 단위구룹 스트링에 각각 연결되는 구성을 개략적으로 이해하기 쉽게 보여준다.
도 9는 본 발명의 배터리 셀 밸런싱 제어장치의 플라이백 변압기의 1차 권선의 출력이 복수개로 배터리 스트링 단위구룹의 중간 배터리 셀에 연결되는 또 다른 일 실시예를 보여준다. 서로 연결된 제 m번째 단위구룹 스트링에 속한 배터리 셀 중 하단의 50% 배터리군 및 제 (m+1)번째 단위구룹 스트링에 속한 배터리 셀 중 상단의 50% 배터리군이 직렬 연결되어 구성되는 배터리 스트링으로부터 PWM 스위칭 동작에 필요한 자화전류를 공급받아 상호간의 전하가 효과적으로 전달(수수)될 수 있게 되는 것이다.
이와 같이, 플라이백 변압기를 가진 각 배터리 셀 밸런싱 제어모듈이 순차적 체인형태로 연결되면 상시 밸런싱 제어모듈들은 체인형태로 연결된 각 하단의 다른 단위구룹 스트링의 배터리 셀과 남거나 부족된 에너지를 밸런싱 제어의 전력 변환과정을 통해 서로 수수할 수 있게 되고, 이러한 순차적 에너지 수수과정을 통해 전체 배터리 스트링의 각 배터리 셀은 균일한 상태에 조기에 도달할 수 있게 되는 기술적 상승효과를 얻을 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 플라이백 변압기의 1차 권선이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되는 또 다른 일 실시예이다.
상기 복수의 1차 권선이 직렬 또는 병렬로 연결되거나 상기 1차 권선이 직.병렬로 조합된 형태로 연결되면, PWM 스위치(41)의 소요 수량을 줄일 수 있어 본 발명의 능동형 밸런싱 회로가 간략하게 구성될 수 있다. 이때에는 복수의 1차 권선 간에 누설 인덕터(44)를 적당히 배치하여야 이의 제어동작을 비교적 용이하게 구현할 수 있다.
그러면, 본 발명의 전술한 바에 있는 본 발명의 실시 예에 따른 바람직한 배터리 셀 밸런싱 제어 방법을 단계에 따라 설명하면 다음과 같다.
상기 복수의 배터리 셀에 불균형이 발생되면, 플라이백 변압기에 형성되는 1차 권선과 직렬로 배치된 PWM 스위치에 미리 선정된 주파수 및 도통각(시비율)를 가진 PWM 신호가 인가된다. 단계(S301);
상기 상기 PWM스위치가 도통되어 단일 철심의 변압기에 자화 에너지가 저장된다. 단계(S302);
단계 S302이후 상기 PWM 신호의 미리 정한 도통각(D) 기간이 지나 상기 PWM스위치가 폐쇄되고 저장된 자화 에너지가 환류되면서 복수의 2차 권선에 상기 복수의 배터리 셀의 평균전압이 유기되고 상기 복수의 동기정류기 회로와 각각 병렬 연결된 바디 다이오드를 통해 자화 에너지가 상기 방출되면서 복수의 2차 권선에 연결된 복수의 배터리 셀이 각각 충전된다. 단계(S303);
단계(S303)에서, 동시에 복수의 2차 권선에 유기된 전압 신호의 극성을 판단하여 복수의 구동회로가 각각 활성화된다.(S304);
상기 복수의 구동회로의 활성화된 신호를 받아 복수의 동기정류기 회로가 동기정류기로 각각 작동된다.(S305);
상기 복수의 동기정류기 회로 내의 MOSFET가 순방향으로 각각 도통되고 상기 MOSFET의 순방향 전류흐름 통로를 통해 평균전압치보다 높게 충전된 배터리 셀이 방전되고 복수의 동기정류기로 작동하는 전류흐름 통로를 통해 평균전압치보다 낮게 충전된 배터리 셀이 충전되어 진다. 단계(S306).
이때 상기 방전 에너지가 상기 2차 권선들의 자기 결합을 통해 부족 충전된 배터리 측으로 에너지가 직접 전달되거나, 1차 권선이 연결되어 있는 이웃의 배터리 단위구룹 스트링으로 전달되고(S401), 상기 배터리팩의 모든 복수개 셀 전압이 균일화될 때까지 상기 방전된 에너지를 부족 충전된 셀로 전달하는 밸런싱 제어의 에너지 변환 동작이 지속된다.(S402)
상기 배터리 스트링을 구성하는 각 배터리 셀의 충전용량 불균형 또는 셀 전압의 불균형에 대한 판단은, BMS 또는 배터리 셀 모니터 장치(501)을 배치하여 각 배터리 셀 전압을 측정하고 이들의 평균전압을 기준하여 소정치 이상으로 높거나 낮게 충전된 배터리 셀이 있는 지의 여부를 판단하는 과정을 통해 이루어 지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 또한 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 청구범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 의하면, 간단한 회로 구조를 가진 구동회로의 활성화에 의해 작동되는 MOSFET의 순방향 전류흐름 통로를 통해 평균보다 높게 충전된 배터리 셀의 에너지(전압)를 효과적으로 방전시키고 동기정류기로 작동돠는 회로의 전류흐름 통로를 통해 부족 충전량에 비례하여 부족 충전된 배터리 셀로의 충전전류를 직접 전달. 분배함으로써 복수개의 배터리 셀을 더욱 신속하게 균일화시킬 수 있다.
동시에 플라이백 DC-DC 컨버터 회로의 스위칭 변환 과정에서 발생될 수 있는 자화 에너지를 복수의 배터리 셀로 직접 전달하여 배터리 스트링의 셀 밸런싱 제어시에 소모될 수 있는 전력변환 손실을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명의 배터리 능동형 밸런싱 제어장치는, 종래의 어떠한 회로에 비해 하드웨어 구성이 극히 간단하여 이의 제조 원가 및 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.
특히 본 발명의 기술적 사상을 이용하면 능동 방식에 의한 경제적이고 효과적인 배터리 셀 밸런싱이 가능하므로, 리튬계열의 배터리 스트링(스택)과 같은 여타의 2차 배터리시스템에 대하여 안전하게 균등충전 또는 급속충전이 가능하다. 본 발명의 기술적 해결 과제 및 실시 내용은 모든 2차 전지 또는 슈퍼콘덴서의 전압 균등화에 그대로 적용 가능하다.
따라서 리튬계열의 배터리팩이 필요한 전기차나 ESS 배터리의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있으며, 이에 ESS의 배터리팩 및 전기자동차의 조기 실용화 보급에 기여할 수 있다.
100. 배터리 스트링(팩) E1, E2, E3,... 배터리 셀
110-1, 110-2,... 배터리 셀 밸런싱 제어모듈
51. PWM 신호발생회로 501. 배터리 셀 모니터 장치
20-1,20-2,....20-n. 동기정류기 34. 변압기 1차 권선
331, 332, 333, ,.. 변압기 2차 권선
21-1, 21-2, .., 21-n. 구동회로 41. PWM 스위치
42. MOSFET 405. 정전압회로
401. 비교기 402. 게이트형 버퍼
Df1, Df2, Df3... 바디 다이오드

Claims (12)

  1. 배터리 스트링을 구성하는 복수의 배터리 셀을 밸런싱 제어하는 배터리 셀 밸런싱 제어장치에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀의 일단에 각각 연결되며, 상기 배터리 셀로의 충전 방향 및 상기 배터리 셀로부터의 방전 방향의 전류흐름 통로을 각각 제공하는 복수의 동기정류기 회로;
    상기 복수의 배터리 셀의 다른 일단과 상기 동기정류기 회로 사이에 직렬 연결되며, 단일 철심의 변압기에 형성되는 복수의 2차 권선;
    상기 복수의 2차 권선의 전압 신호 극성을 각각 판단하여 상기 동기정류기 회로를 각각 도통시키는 복수의 구동회로;
    상기 단일 철심의 변압기에 형성되고 일단이 상기 배터리 스트링의 일단과 연결되는 1차 권선; 및
    상기 1차 권선의 다른 일단과 상기 배터리 스트링의 다른 일단에 연결되는 PWM 스위치; 를 포함하는 것인 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단일 철심 구조의 변압기는 복수개로 구성되는 데, 상기 1차 권선의 일단과 상기 1차 권선의 다른 일단에 직렬 연결되는 PWM 스위치의 다른 일단 출력은, 미리 정해진 복수의 배터리 단위구룹 스트링과 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 1차 권선의 일단과 상기 PWM 스위치의 다른 일단 출력은, 상기 복수의 2차 권선이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 다음 하위 배터리 단위구룹에 각각 순차적으로 연결되고, 최하단에 배치된 변압기의 1차 권선 및 PWM 스위치의 출력은 최상위 배터리 단위구룹 스트링에 연결되는 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 1차 권선의 일단과 상기 PWM 스위치의 다른 일단 출력은, 상기 복수의 2차 권선이 연결된 배터리 단위구룹 스트링을 기준하여 다음 하위 배터리 단위구룹 의 중간 배터리 셀에 각각 순차적으로 연결되고, 최하단에 배치된 변압기의 1차 권선 및 PWM 스위치의 출력은 최상위 단위구룹 스트링의 중간 배터리 셀에 연결되는 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단일 철심의 변압기가 상기 복수개의 배터리 단위구룹 스트링마다 각각 배치되는 데, 상기 단일 철심의 변압기의 1차 권선이 서로 병렬 또는 직렬로 연결되는 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  6. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 단일 철심의 변압기는 평판형(Planner type) 구조인 것을 포함하는 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  7. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 동기정류기 회로는 바디 다이오드를 구비한 N 채널 MOSFET 또는 P 채널 MOSFET를 포함하는 것인 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  8. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 동기정류기 회로는 MOSFET 소자를 포함하여 구성되는 데, 상기 2차 권선 사이의 누설 인덕터 성분 또는 상기 MOSFET 소자의 도통 저항(Rdson) 중 적어도 하나가 최소인 것인 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  9. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 구동회로는 비교기, 차동증폭기 또는 레벨 감지기 중 적어도 하나를 포함하는 것인 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동회로는 로직게이트, 게이트형 버퍼 또는 전류 버퍼 중 적어도 하나를 더 포함하는 것인 플라이백 능동형 밸런싱 제어장치.
  11. 배터리 스트링을 구성하는 복수의 배터리 셀에 각각 배치되고, 단일 철심의 변압기에 형성되는 복수의 2차 권선과 직렬로 배치되어 전류흐름 통로를 제공하는 복수의 동기정류기 회로의 작동 및 1차 권선과 직렬로 배치된 PWM스위치의 PWM 스위칭 제어 방법에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀에 불균형이 발생되면, 미리 선정된 주파수 및 도통각을 가진 PWM 신호가 상기 PWM스위치에 인가되는 단계(S301);
    상기 상기 PWM스위치가 도통되어 플라이백 변압기에 자화 에너지가 저장되는 단계(S302);
    상기 PWM스위치가 폐쇄되고, 상기 저장된 자화 에너지가 상기 복수의 동기정류기 회로내에 배치된 바디 다이오드를 통해 환류되면서, 복수의 2차 권선에 동일한 전압을 각각 유기하는 단계(S303);
    단계(S303)에서 동시에 복수의 2차 권선에 유기된 전압 신호를 판단하여 복수의 구동회로가 각각 활성화되는 단계(S304);
    상기 복수의 구동회로의 활성화 신호를 받아 복수의 동기정류기 회로가 동기정류기로 또는 MOSFET의 순방향 도통으로 각각 작동되는 단계(S305); 를 포함하는 플라이백 능동형 밸런싱 제어방법.
  12. 제11항에 있어서
    복수의 MOSFET로 작동되는 순방향 전류흐름 통로를 통해 평균 전압값보다 높게 충전된 배터리 셀이 방전되고, 복수의 동기정류기로 작동되는 전류흐름 통로를 통해 평균전압치보다 낮게 충전된 배터리 셀이 충전되는 밸런싱 단계(S306);를 더 포함하는 플라이백 능동형 밸런싱 제어방법.
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