KR20190090506A - 셀 밸런싱 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 직렬 연결된 복수의 셀 중 하나를 선택하기 위한 복수의 스위치를 포함하고 상기 선택한 셀의 양측 단자를 제1 및 제2 선로와 각각 연결하는 선택부와, 상기 제1 및 제2 선로 간 전위차를 통해 상기 선택한 셀의 전압을 감지하는 센싱부와, 상기 제1 및 제2 선로 간에 연결되어 상기 셀의 전압이 밸런싱 전압보다 높을 때 상기 셀의 전류를 방전하는 저항을 구비한 벅 밸런싱부와, 상기 제1 및 제2 선로 간에 연결되어 상기 셀의 전압이 상기 밸런싱 전압보다 낮을 때 상기 셀의 전류를 충전하는 DC-DC 컨버터를 구비한 부스트 밸런싱부, 및 상기 선택부, 상기 센싱부, 상기 벅 밸런싱부 및 상기 부스트 밸런싱부를 각각 제어하여, 각 셀에 대한 전압 감지, 벅 밸런싱 및 부스트 밸런싱 중 적어도 하나를 수행하는 제어부를 포함하는 셀 밸런싱 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩 내 포함된 각 셀들의 충전 전압의 레벨을 균일하게 밸런싱함으로써 셀 간의 전압 불균형 문제를 해소함은 물론, 배터리 팩의 급격한 수명 저하를 방지할 수 있고 부하에 안정적인 전력 공급이 가능한 이점이 있다.

Description

셀 밸런싱 장치{Cell balancing apparatus}
본 발명은 셀 밸런싱 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩 내에 직렬 연결된 셀들의 충전 전압을 균일하게 밸런싱할 수 있는 셀 밸런싱 장치에 관한 것이다.
일반적으로 고출력을 요구하는 장치에는 대용량의 전력 공급이 가능하도록 다수의 배터리 셀들이 직렬 연결된 배터리 팩을 사용한다.
하지만, 배터리 셀은 동일한 제조 환경에서 제조된 경우라도 전기적 특성에 차이가 발생할 수 있으며, 이로 인해 복수의 배터리 셀들을 연결하여 하나의 배터리 팩으로 구성할 경우 각 셀간의 전압 불균형 문제가 발생할 수 있다.
배터리 팩 내 셀간 전압 불균형은 부하에 대한 전력 공급을 불안정하게 함은 물론 배터리 팩의 수명 단축을 유발하므로, 배터리 팩에 포함된 각 셀들의 충전 전압을 균일하게 유지하면서 부하에 안정적인 전력 공급을 위한 셀 밸런싱 작업이 요구된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-1500547호(2015.03.09 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은, 배터리 팩 내에 직렬 연결된 각 셀들의 충전 전압을 균일하게 밸런싱할 수 있는 셀 밸런싱 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 직렬 연결된 복수의 셀 중 하나를 선택하기 위한 복수의 스위치를 포함하고 상기 선택한 셀의 양측 단자를 제1 및 제2 선로와 각각 연결하는 선택부와, 상기 제1 및 제2 선로 간 전위차를 통해 상기 선택한 셀의 전압을 감지하는 센싱부와, 상기 제1 및 제2 선로 간에 연결되어 상기 셀의 전압이 밸런싱 전압보다 높을 때 상기 셀의 전류를 방전하는 저항을 구비한 벅 밸런싱부와, 상기 제1 및 제2 선로 간에 연결되어 상기 셀의 전압이 상기 밸런싱 전압보다 낮을 때 상기 셀의 전류를 충전하는 DC-DC 컨버터를 구비한 부스트 밸런싱부, 및 상기 선택부, 상기 센싱부, 상기 벅 밸런싱부 및 상기 부스트 밸런싱부를 각각 제어하여, 각 셀에 대한 전압 감지, 벅 밸런싱 및 부스트 밸런싱 중 적어도 하나를 수행하는 제어부를 포함하는 셀 밸런싱 장치를 제공한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 선택부를 통해 상기 복수의 셀 중 하나를 순차로 선택하여 각 셀의 전압을 측정하고 상기 측정한 각 셀의 전압을 이용하여 상기 밸런싱 전압을 결정한 다음, 상기 밸런싱 전압을 기초로 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 제어할 수 있다.
또한, 상기 셀 밸런싱 장치는, 상기 제1 또는 제2 선로와 상기 센싱부 간에 직렬 연결되며, 상기 제어부에 의해 턴온 시 전압 감지 기능을 활성화하는 제1 스위치와, 상기 제1 또는 제2 선로와 상기 저항 간에 직렬 연결되며, 상기 제어부에 의해 턴온 시 벅 밸런싱 기능을 활성화하는 제2 스위치, 및 상기 DC/DC 컨버터와 연결되고, 상기 제어부에 의해 턴온 시 상기 DC/DC 컨버터의 전류 방향을 만들어 부스트 밸런싱 기능을 활성화하는 제3 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 선택부를 통해 상기 복수의 셀 중 하나를 순차로 선택하여 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하되, 상기 밸런싱 전압보다 높은 셀에 대해 상기 제2 스위치를 턴온 및 상기 제3 스위치를 턴오프시켜 상기 벅 밸런싱을 수행하고, 상기 밸런싱 전압보다 낮은 셀에 대해 상기 제3 스위치를 턴온 및 제2 스위치를 턴오프시켜 상기 부스트 밸런싱을 수행할 수 있다.
또한, 상기 선택부는, 턴온 시 상기 제1 선로와 제1 보조선로 사이, 상기 제2 선로와 제2 보조선로 사이, 상기 제1 선로와 제3 보조선로 사이, 그리고 상기 제2 선로와 제4 보조선로 사이를 각각 연결하기 위한 제1 내지 제4 선택 스위치; 및 상기 제1 및 제2 보조선로 간의 접점과 N개 셀 중에서 짝수번째 셀의 (-) 단자 사이, 그리고 상기 제3 및 제4 보조선로 간의 접점과 홀수번째 셀의 (-) 단자 사이에 각각 개별 연결된 N+1개의 셀 스위치를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 내지 제4 선택 스위치 중 상기 제2 및 제3 선택 스위치만 턴온시키거나, 상기 제1 및 제4 선택 스위치만 턴온시킨 상태에서, 상기 N+1개의 셀 스위치 중에 선택된 한 쌍의 인접 셀 스위치만 턴온시켜 상기 한 쌍의 인접 셀 스위치 사이에 위치한 하나의 셀을 선택할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 홀수번째 셀 중 하나의 셀을 선택할 때 상기 제2 및 제3 선택 스위치만 턴온시키고, 상기 짝수번째 셀 중 하나의 셀을 선택할 때 상기 제1 및 제4 선택 스위치만 턴온시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제4 선택 스위치는 트랜지스터로 구현되고, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 선택 스위치의 게이트 단에 서로 반대의 제어 신호를 인가하며, 상기 선택부는, 상기 제1 선택 스위치에 신호 인가 시에 그와 반대 신호가 상기 제3 선택 스위치에 자동 인가되도록, 상기 제1 및 제3 선택 스위치의 두 게이트 단 사이에 연결된 제1 인버터, 및 상기 제2 선택 스위치에 신호 인가 시에 그와 반대 신호가 상기 제4 선택 스위치에 자동 인가되도록, 상기 제2 및 제4 선택 스위치의 두 게이트 단 사이에 연결된 제2 인버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 선택부 내 스위치를 제어하는 것을 통해, 상기 선택한 하나의 셀, 상기 제2 선로, 상기 센싱부, 상기 제1 선로에 의한 루프를 형성하여 상기 선택한 셀의 전압을 감지하거나, 상기 선택한 하나의 셀, 상기 제2 선로, 상기 저항, 상기 제1 선로에 의한 루프를 형성하여 상기 선택한 셀의 벅 밸런싱을 수행하거나, 상기 선택한 하나의 셀, 상기 제1 선로, DC-DC 컨버터, 제2 선로에 의한 루프를 형성하여 상기 선택한 셀의 부스트 밸런싱을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치에 따르면, 배터리 팩 내 포함된 각 셀들의 충전 전압의 레벨을 균일하게 밸런싱함으로써 셀 간의 전압 불균형 문제를 해소함은 물론, 배터리 팩의 급격한 수명 저하를 방지할 수 있고 부하에 안정적인 전력 공급이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 구성을 도면이다.
도 2는 도 1을 간단히 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 첫번째 셀(C1)에 대한 전압 감지 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 두번째 셀(C2)에 대한 전압 감지 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 다섯번째 셀(C5)에 대한 벅 밸런싱 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 여섯번째 셀(C6)에 대한 부스트 밸런싱 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1을 간단히 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 셀 밸런싱 장치(10)는 선택부(110), 센싱부(120), 벅 밸런싱부(130), 부스트 밸런싱부(140), 제어부(150)를 포함한다.
선택부(110)는 배터리 팩 내 직렬 연결된 복수의 셀(C1~C10) 중 하나의 셀을 선택하기 위한 것으로, 제어부(150)에 의해 온오프 제어되는 복수의 스위치(I0~I14)를 포함하고 있다.
이러한 선택부(110)는 선택한 셀의 양측 단자(- 단자, + 단자)를 각각 제1 선로(10) 및 제2 선로(20)와 연결하여, 선택한 셀에 대한 전압 감지, 벅 밸런싱 또는 부스트 밸런싱이 각각 가능하게 한다. 선택부(110)에서 선택된 셀의 (-) 단자는 제1 선로(10)와 연결되고 (+)단자는 제2 선로(20)와 연결된다.
제1 및 제2 선로(10,20) 간에는 센싱부(120)와 벅 밸런싱부(130) 및 부스트 밸런싱부(140)가 상호 병렬 구조로 연결되어 있다. 이에 따라, 센싱부(120), 벅 밸런싱부(130), 부스트 밸런싱부(140)는 제1 및 제2 선로(10,20)를 공유하는 구조를 가진다.
센싱부(120)는 선택부(110)에 의해 선택된 셀의 양단과 제1 및 제2 선로(10,20)를 통해 연결되며, 제1 및 제2 선로(10,20) 간 전위차를 통해 해당 셀 내 충전 전압(이하, 셀의 전압)을 측정한다.
센싱부(120)는 선택된 해당 셀의 전압을 감지하여 제어부(150)로 제공한다. 이때, 센싱부(120)가 각 셀의 전압을 순차로 센싱하여 제공하도록, 선택부(110)는 제어부(150)의 제어 신호에 따라 복수의 셀 중 하나를 순차로 선택할 수 있다.
제어부(150)는 센싱부(120)에서 측정된 각 셀(C1~C10)의 전압을 기초로 목표로 하는 밸런싱 전압을 결정한다. 여기서, 밸런싱 전압은 각 셀의 전압 중 선택된 하나로 결정되거나, 각 셀의 전압을 조합하는 것에 의해 결정될 수 있다.
이때, 각 셀의 전압을 조합할 경우 밸런싱 전압은 각 셀의 측정 전압 중 최소치와 최대치 사이에서 결정될 수 있다. 또한 조합 시에는 평균값 또는 기 설정된 알고리즘에 의한 조합을 이용할 수 있다. 물론, 이외에도 밸런싱 전압은 사전에 기 설정된 값을 사용할 수도 있다.
벅 밸런싱부(130)는 선택부(110)에 의해 선택된 셀의 양단과 제1 및 제2 선로(10,20)를 통해 연결되어, 셀에 충전된 전류를 소모하는 방식으로 해당 셀의 전압을 밸런싱 전압까지 다운(down) 시키는 벅(buck) 밸런싱 동작을 수행한다.
이와 같이, 벅 밸런싱부(130)는 셀의 전압이 밸런싱 전압보다 높을 때 사용되며, 해당 셀의 전류를 소모하여 방전하기 위한 저항(R)을 이용하여 벅 밸런싱을 수행한다.
부스트 밸런싱부(140)는 선택부(110)에 의해 선택된 셀의 양단과 제1 및 제2 선로(10,20)를 통해 연결되어, 셀에 전류를 주입하는 방식으로 해당 셀의 전압을 밸런싱 전압까지 업(up) 시키는 부스트(boost) 밸런싱 동작을 수행한다.
이와 같이, 부스트 밸런싱부(140)는 셀의 전압이 밸런싱 전압보다 낮을 때 사용되는 것으로, 해당 셀의 전류를 충전하기 위한 DC-DC 컨버터(DC/DC Converter)를 이용하여 부스트 밸런싱을 수행한다.
제어부(150)는 각 부(110,120,130,140)를 제어하며, 선택부(110) 내 각 스위치(I0~I14)를 제어하여 셀을 하나씩 선택할 수 있으며, 선택한 셀에 대한 전압 감지 및 셀 밸런싱(벅 밸런싱 또는 부스트 밸런싱)을 수행할 수 있다.
이러한 제어부(150)는 선택부(110)를 제어하여 복수의 셀 중 하나를 선택하고 센싱부(120)를 활성화시켜 선택한 셀에 대한 전압을 획득한다. 이때, 제어부(150)는 제2 선로(20)와 센싱부(120) 간에 직렬 연결된 제1 스위치(I15)를 턴온 시켜, 센싱부(120)의 전압 감지 기능을 활성화시킬 수 있다. 여기서 물론, 제1 스위치(I15)는 제1 선로(10)와 센싱부(120) 사이에 연결될 수도 있다.
또한, 제어부(150)는 제1 스위치(I5)의 턴온 상태를 상시 유지하여 셀 밸런싱 중에도 해당 셀의 전압을 실시간 감시할 수 있으며, 감시한 전압과 밸런싱 전압을 비교하여 셀 밸런싱에 사용되는 각 스위치(I16,I17)의 턴오프 시점을 제어할 수 있다.
제어부(150)는 센싱부(120)로부터 획득한 각 셀의 전압을 이용하여 밸런싱 전압을 결정하며, 밸런싱 전압과 각 셀의 전압을 비교한 결과를 기초로 각 셀(C1~C10)의 전압을 균일화하기 위한 셀 밸런싱 작업을 수행한다.
즉, 제어부(150)는 선택부(110) 내 스위치(I0~I14)를 제어하여 전류 소모가 필요한 셀을 선택하고 벅 밸런싱부(130)를 활성화시켜 선택한 셀에 대한 벅 밸런싱을 수행하며, 이외에도 전류 주입이 필요한 셀을 선택하고 부스트 밸런싱부(140)를 활성화시켜 선택한 해당 셀에 대한 부스트 밸런싱을 수행한다.
여기서, 제어부(150)는 선택부(110)를 통해 복수의 셀 중 하나를 순차로 선택하여 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하되, 밸런싱 전압보다 높은 셀에 대해 제2 스위치(I16)를 턴온 및 제3 스위치(I17)를 턴오프시켜 벅 밸런싱을 수행하고, 반대로 밸런싱 전압보다 낮은 셀에 대해 제3 스위치(I17)를 턴온 및 제2 스위치(I16)를 턴오프시켜 부스트 밸런싱을 수행한다.
구체적으로, 제어부(150)는 제2 선로(20)와 저항(R) 사이에 직렬 연결된 제2 스위치(I16)를 턴온 시켜, 벅 밸런싱부(130)에 의한 벅 밸런싱 기능을 활성화시킬 수 있다. 여기서 제2 스위치(I16)는 제1 선로(10)와 저항(R) 사이에 연결될 수도 있다. 또한, 제어부(150)는 벅 밸런싱 동안에 제1 스위치(I15)도 턴온 시켜, 해당 셀에 대한 전압을 실시간 감시하여, 셀의 전압이 밸런싱 전압에 도달하는 즉시 제2 스위치(I16)를 다시 턴오프시킬 수 있다.
또한, 제어부(150)는 DC/DC 컨버터와 연결된 제3 스위치(I17)를 턴온 시켜, 셀에 전류를 주입하는 방향으로 DC/DC 컨버터의 전류 방향을 형성해주어 부스트 밸런싱 기능을 활성화시킨다. 물론, 제어부(150)는 부스트 밸런싱 동안에 제1 스위치(I15)도 턴온 시켜, 해당 셀에 대한 전압을 실시간 감시하여, 셀의 전압이 밸런싱 전압에 도달하는 즉시 제3 스위치(I17)를 다시 턴오프시킬 수 있다.
다음은 도 1을 이용하여 선택부의 구성을 더욱 상세히 설명한다. 선택부(110)는 복수의 스위치(I0~I14)를 포함하고 있으며, 복수의 스위치는 N+1개의 셀 스위치(I0~I11), 그리고 4개의 선택 스위치(I11~I14)로 구분될 수 있다. 여기서 N은 배터리 팩 내 셀의 개수를 나타낸다.
설명의 편의상 제1 선로(10)와 연결 가능한 제1 및 제3 보조선로(10-1,10-2)는 제1 선로(10)와 유사한 번호를 부여하고 있고, 제2 선로(20)와 연결 가능한 제2 및 제4 보조선로(20-1,20-2)는 제2 선로(10)와 유사한 번호를 부여하고 있다.
우선, 제1 선택 스위치(I14)는 턴온 시 제1 선로(10)와 제1 보조선로(10-1) 사이를 연결하고, 제2 선택 스위치(I13)는 턴온 시 제2 선로(20)와 제2 보조선로(20-1) 사이를 연결한다.
제1 및 제2 보조선로(10-1,20-1) 간에는 상호 접점을 형성하고 있으며, 접점은 선로 길이방향을 따라 여러 개 형성될 수 있다. 여기서 비록 두 보조선로(10-1,20-1) 간에 접점이 형성되어 있지만, 실질적으로 제어부(150)는 제1 및 제2 선택 스위치(I14,I13) 중 어느 하나만 턴온 제어하므로, 두 보조선로(10-1,20-1)가 상호 단락된 상태로 동작되지는 않는다.
즉, 제어부(150)에 의해 제1 및 제2 보조선로(10-1,20-1) 중 어느 하나만 앞단의 해당 선로와 연결되고 나머지 하나는 앞단의 해당 선로와의 연결이 차단되어 비활성화된다. 예를 들어, 제1 선택 스위치(I14)의 턴온 및 제2 선택 스위치(I13)의 턴오프 시, 제1 보조선로(10-1)는 제1 선로(10)와 연결되지만, 제2 보조선로(20-1)는 제2 선로(20)와 연결이 끊어져 비활성화된다.
다음, 제3 선택 스위치(I12)는 턴온 시 제1 선로(10)와 제3 보조선로(10-2) 사이를 연결하며, 제4 선택 스위치(I11)는 턴온 시 제2 선로(20)와 제4 보조선로(20-2) 사이를 연결한다. 제3 및 제4 보조선로(10-2,20-2) 간에는 상호 접점을 형성하고 있으며, 접점은 선로의 길이 방향을 따라 여러 개 형성될 수 있다.
마찬가지로, 제3 및 제4 보조선로(10-2,20-2) 간에는 접점이 형성되어 있지만, 제어부(150)에 의해 제3 및 제4 선택 스위치(I12,I11) 중 어느 하나만 턴온되도록 제어되므로, 상호 단락된 상태로 동작하는 일은 없다. 예를 들어, 제3 선택 스위치(I12)의 턴오프 및 제4 선택 스위치(I11)의 턴온 시, 제3 보조선로(10-2)는 제1 선로(10)와 연결이 끊어져 비활성화되고, 제4 보조선로(20-2)는 제2 선로(20)와 연결되어 활성화된다.
복수의 셀 스위치(I0~I10)는 배터리 팩의 최양단의 두 단자와 셀 간 접점에 각각 연결된다. 본 실시예와 같이 N=10일 때 배터리 팩 내에 11개 단자가 형성되므로, 그에 대응하여 11개의 셀 스위치(I0~I10)가 사용된다. 이에 따라, 셀 스위치(I0~I10) 각각의 일단은 제3 및 제4 보조선로(10-2,20-2) 간 접점, 제1 및 제2 보조선로(10-1,20-1) 간의 접점과 번갈아 연결되며, 각각의 타단은 배터리 팩 내의 11개 단자와 연결된다.
다시 말해서, 각각의 셀 스위치(I0~I10)는 제1 및 제2 보조선로(10-1,20-1) 간의 접점과 짝수번째 셀(C2,C4,C6,C8,C10)의 (-) 단자 사이, 그리고 제3 및 제4 보조선로(10-2,20-2) 간의 접점과 홀수번째 셀(C1,C3,C5,C7,C9)의 (-) 단자 사이에 각각 개별 연결된다.
물론, 짝수번째 셀의 (-)단자는 이전의 홀수번째 셀의 (+)단자와 접점을 형성하므로 상호 동일시될 수 있고, 홀수번째 셀의 (-) 단자는 이전의 짝수번째 셀의 (+)단자와 접점을 형성하므로 상호 동일시될 수 있음은 자명하다.
이러한 구조에서, 제어부(150)는 선택부(110) 내 복수의 스위치(I0~I11)의 온오프를 제어하여, 복수의 셀(C1~C10) 중 하나를 선택한다. 이때 각 스위치(I0~I11)는 트랜지스터로 구현되며 제어부(150)는 각 트랜지스터의 입력 단자(b0~b12) 즉, 게이트 단에 스위치의 턴온 또는 턴오프를 위한 제어 신호를 인가한다. 그 구체적인 방법은 다음과 같다.
제어부(150)는 제1 내지 제4 선택 스위치(I14,I13,I12,I11) 중 제2 및 제3 선택 스위치(I13,I12)만 턴온시키거나, 제1 및 제4 선택 스위치(I14,I11)만 턴온시킨 상태에서, N+1개의 셀 스위치 중 선택된 한 쌍의 인접 셀 스위치만을 턴온시켜, 한 쌍의 인접 셀 스위치 사이에 위치한 하나의 셀을 선택한다.
여기서, 제어부(150)에서 제1 및 제4 선택 스위치(I14,I11)만 턴온시킬 경우 짝수번째 셀(C2,C4,C6,C8,C10) 중 하나의 셀을 선택 가능하고, 제2 및 제3 선택 스위치(I13,I12)만 턴온시킬 경우 홀수번째 셀(C1,C3,C5,C7,C9) 중 하나의 셀을 선택 가능하다. 구체적인 실시예는 추후 도 3 내지 도 6을 통해 상세히 설명할 것이다.
또한, 제어부(150)는 상기 제1 및 제2 선택 스위치(I14,I13)의 게이트 단에 서로 반대의 제어 신호를 인가한다. 예를 들어, 제1 선택 스위치(I14)의 게이트 단에 턴온 신호 인가 시, 제2 선택 스위치(I13)의 게이트 단에 턴 오프 신호를 인가한다.
여기서, 선택부(110)는 두 개의 인버터(Inverter1)를 포함한다. 제1 인버터(Inverter1)는 제1 및 제3 선택 스위치(I14,I12)의 두 게이트 단 사이에 연결되어 있으며, 제1 선택 스위치(I14)에 신호 인가 시에 그와 반대 신호가 상기 제3 선택 스위치(I12)에 자동 인가되도록 한다. 예를 들어, 제1 선택 스위치(I14)에 턴 온(or 턴 오프) 신호 인가시, 자동으로 제3 선택 스위치(I12)에 턴 오프(or 턴 온) 신호가 인가된다.
또한, 제2 인버터(Inverter2)는 제2 및 제4 선택 스위치(I13,I11)의 두 게이트 단 사이에 연결되어, 제2 선택 스위치(I13)에 신호 인가 시에 그와 반대 신호가 제4 선택 스위치(I11)에 자동 인가된다. 예를 들어, 제2 선택 스위치(I13)에 턴 온(or 턴 오프) 신호 인가시, 자동으로 제4 선택 스위치(I11)에 턴 오프(or 턴 온) 신호가 인가된다.
이에 따르면, 제1 및 제2 선택 스위치(I14,I13)에만 제어 신호를 인가하면, 나머지 제3 및 제4 선택 스위치(I12,I11)에도 자동으로 제어 신호가 인가될 수 있다.
결론적으로, 제어부(150)는 제1 및 제2 선택 스위치(I14,I13)에 서로 반대의 신호를 인가한다. 즉, 제1 선택 스위치(I14)의 턴 오프 시 제2 선택 스위치(I13)를 턴 온하고(Case 1), 제1 선택 스위치(I14)의 턴 온 시 제2 선택 스위치(I13)를 턴 오프한다(Case 2).
또한, 제1 인버터(Inverter1)에 의해 제3 선택 스위치(I12)에는 제1 선택 스위치(I14)와 반대의 신호가 인가되고, 제2 인버터(Inverter2)에 의해 제4 선택 스위치(I11)에는 제2 선택 스위치(I13)와 반대의 신호가 자동 인가된다. 결과적으로 상술한 두 케이스는 다음의 표 1과 같이 정리될 수 있다.
I14 I13 I12 I11
Case 1
(홀수번째 셀 선택시)
OFF
ON
ON
OFF
Case 2
(짝수번째 셀 선택시)
ON
OFF
OFF
ON
물론, 상술한 바와 같이, 제어부(150)는 홀수번째 셀 중 하나를 선택할 때는 I13,I12만 턴온시키고(Case 1), 짝수번째 셀 중 하나를 선택할 때는 I14,I11만 턴온 시킨다(Case 2).
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참고로, 복수의 셀 중 하나를 선택하여 전압 감지, 벅 밸런싱, 부스트 밸런싱을 수행하는 원리를 구체적으로 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 첫번째 셀(C1)에 대한 전압 감지 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
이하의 도면에서 셀 밸런싱 장치 내 포함된 스위치(b0~b15) 중 입력 단자(b#) 부분이 해칭 처리된 스위치는 턴온 상태를 의미하고, 해칭되지 않은 스위치는 턴오프 상태를 의미한다.
도 3a는 홀수번째 셀 중 C1을 선택하기 위한 것으로, 제어부(150)는 표 1의 Case 1과 같이, 선택부(110) 내 선택 스위치(I11~114) 중 제1 선택 스위치(I14)를 턴오프시키고, 제2 선택 스위치(I13)를 턴온시킨다. 그러면, 두 인버터의 동작에 따라 제3 선택 스위치(I12)는 턴온되고 제4 선택 스위치(I11)는 턴오프된다. 이에 따라, 제1 및 제4 보조선로(10-1,20-2)는 비활성화되고 제2 및 제3 보조선로(20-1,10-2)는 활성화된다.
제2 및 제3 보조선로(20-1,10-2)와 연결 가능한 홀수번째 셀들(C1,C3,C5,C7,C9) 중 C1만을 선택하기 위해, 제어부(150)는 셀 스위치(I0~I10) 중 C1의 양측 단자(-단자, + 단자)에 연결된 제1 및 제2 셀 스위치(I0,I1)만 턴온시키고 나머지 셀 스위치(I2~I10)들은 턴오프시킨다.
이러한 상태에서, 제어부(150)가 제1 스위치(I15)를 턴온시키면, 결과적으로 도 3a와 같은 루프 즉, 제1 셀(C1), 제2 보조선로(20-1), 제2 선로(20), 센싱부(110), 제1 선로(10), 제3 보조선로(10-2)에 의한 루프가 형성되어, 센싱부(120)는 C1의 양단 전압을 감지할 수 있게 된다. 도 3b는 이를 등가적으로 간단히 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 두번째 셀(C2)에 대한 전압 감지 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
도 4a는 짝수번째 셀 중 C2을 선택하기 위한 것으로, 제어부(150)는 표 1의 Case 2과 같이, 선택부(110) 내 선택 스위치(I11~114) 중 제1 선택 스위치(I14)를 턴온시키고, 제2 선택 스위치(I13)를 턴오프시킨다. 그러면, 두 인버터의 동작에 따라 제3 선택 스위치(I12)는 턴오프되고 제4 선택 스위치(I11)는 턴온된다. 이에 따라, 제2 및 제3 보조선로(20-1,10-2)는 비활성화되고 제1 및 제4 보조선로(10-1,20-2)는 활성화된다.
여기서, 제1 및 제4 보조선로(10-1,20-2)와 연결 가능한 짝수번째 셀들(C2,C4,C6,C8,C10) 중 C2만을 선택하도록, 제어부(150)는 셀 스위치(I0~I10) 중 C2의 양측 단자(-단자, + 단자)에 연결된 제2 및 제3 셀 스위치(I1,I2)만 턴온시키고 나머지 셀 스위치(I1,I3~I10)들은 턴오프시킨다.
이러한 상태에서, 제어부(150)가 제1 스위치(I15)를 턴온시키면, 결과적으로 도 4a와 같은 루프 즉, 제2 셀(C2), 제4 보조선로(20-2), 제2 선로(20), 센싱부(110), 제1 선로(10), 제1 보조선로(10-1)에 의한 루프가 형성되어, 센싱부(120)는 C2의 양단 전압을 감지할 수 있게 된다. 도 4b는 이를 등가적으로 간략히 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예는 상술한 도 3과 도 4의 방법을 통해 각 셀의 전압을 감지한 결과를 기초로 셀 밸런싱을 수행한다. 이때, 밸런싱 전압보다 높게 측정된 셀은 벅 밸런싱을 수행하고 낮게 측정된 셀은 부스트 밸런싱을 수행한다. 이하에서 C5의 전압은 밸런싱 전압보다 높고 C6는 밸런싱 전압보다 낮은 것을 가정한다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 다섯번째 셀(C5)에 대한 벅 밸런싱 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
도 5a의 경우 홀수번째 셀 중 하나인 다섯번째 셀(C5)에 대한 벅 밸런싱 동작으로서, 이는 Case1에 해당하므로 도 3a와 같은 원리로 제2 및 제3 선택 스위치(I13,I12)만 턴온시켜 제2 및 제3 보조선로(20-1,10-2)를 활성화시킨다. 대신, 홀수번째 셀들 중 C5만을 선택하도록, 제어부(150)는 셀 스위치(I0~I10) 중 C5의 양측 단자에 연결된 I4,I5만 턴온시키고 나머지는 턴오프시킨다.
이러한 상태에서, 제어부(150)가 제2 스위치(I16)를 턴온 시키면, 제5 셀(C5), 제2 보조선로(20-1), 제2 선로(20), 저항(R), 제1 선로(10), 제3 보조선로(10-2)에 의한 루프가 형성되어, 벅 밸런싱부(130)는 C5에 충전된 전류를 저항을 통해 방전하는 벅 밸린싱을 수행할 수 있다. 도 5b는 이를 등가적으로 나타낸 것이다. 물론, 벅 밸런싱 동안 C5의 전압을 감시하도록 제1 스위치(I15)도 함께 턴온될 수 있다.
그리고, 반대로 C5의 전압이 밸런싱 전압보다 낮은 경우에는 부스트 밸런싱이 필요하므로, 이 경우에는 도 5a의 상태에서 제2 스위치(I16)는 오프시키고 제3 스위치(I17)를 온시키면 된다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 여섯번째 셀(C6)에 대한 부스트 밸런싱 동작 및 그에 대한 등가 회로 개념을 설명하는 도면이다.
도 6a의 경우 짝수번째 셀 중 하나인 여섯번째 셀(C6)에 대한 부스트 밸런싱 동작으로서, 이는 Case2에 해당하므로, 도 4a와 같은 원리로 제1 및 제4 선택 스위치(I14,I11)만 턴온시켜 제1 및 제4 보조선로(10-1,20-2)를 활성화시킨다. 대신, 짝수번째 셀들 중 C6만을 선택하도록, 제어부(150)는 셀 스위치(I0~I10) 중 C6의 양측 단자에 연결된 I5,I6만 턴온시키고 나머지는 턴오프시킨다.
이러한 상태에서, 제어부(150)가 제3 스위치(I17)를 턴온 시키면, 제6 셀(C6), 제1 보조선로(10-1), 제1 선로(10), DC-DC 컨버터, 제2 선로(20), 제4 보조선로(20-2)에 의한 루프가 형성되어, 벅 밸런싱부(130)는 C6에 전류를 주입하는 방향으로 부스트 밸린싱을 수행할 수 있다. 도 6b는 이를 등가적으로 나타낸 것이다. 물론, 부스트 밸런싱 동안 C6의 전압을 감시하도록 제1 스위치(I15)도 함께 턴온될 수 있다.
반대로 C6의 전압이 밸런싱 전압보다 높은 경우에는 벅 밸런싱이 필요하므로, 이 경우에는 도 6a의 상태에서 제2 스위치(I16)는 온시키고 제3 스위치(I17)를 오프시키면 된다.
이상과 같은 본 발명에 따른 셀 밸런싱 장치에 따르면, 배터리 팩 내 포함된 각 셀들의 충전 전압의 레벨을 균일하게 밸런싱함으로써 셀 간의 전압 불균형 문제를 해소함은 물론, 배터리 팩의 급격한 수명 저하를 방지할 수 있고 부하에 안정적인 전력 공급이 가능한 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 셀 밸런싱 장치 110: 선택부
120: 센싱부 130: 벅 밸런싱부
140: 부스트 밸런싱부 150: 제어부
I0~I17: 스위치 b0~b15: 입력단자
C1~C10: 셀

Claims (8)

  1. 직렬 연결된 복수의 셀 중 하나를 선택하기 위한 복수의 스위치를 포함하고 상기 선택한 셀의 양측 단자를 제1 및 제2 선로와 각각 연결하는 선택부;
    상기 제1 및 제2 선로 간 전위차를 통해 상기 선택한 셀의 전압을 감지하는 센싱부;
    상기 제1 및 제2 선로 간에 연결되어 상기 셀의 전압이 밸런싱 전압보다 높을 때 상기 셀의 전류를 방전하는 저항을 구비한 벅 밸런싱부;
    상기 제1 및 제2 선로 간에 연결되어 상기 셀의 전압이 상기 밸런싱 전압보다 낮을 때 상기 셀의 전류를 충전하는 DC-DC 컨버터를 구비한 부스트 밸런싱부; 및
    상기 선택부, 상기 센싱부, 상기 벅 밸런싱부 및 상기 부스트 밸런싱부를 각각 제어하여, 각 셀에 대한 전압 감지, 벅 밸런싱 및 부스트 밸런싱 중 적어도 하나를 수행하는 제어부를 포함하는 셀 밸런싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 선택부를 통해 상기 복수의 셀 중 하나를 순차로 선택하여 각 셀의 전압을 측정하고 상기 측정한 각 셀의 전압을 이용하여 상기 밸런싱 전압을 결정한 다음, 상기 밸런싱 전압을 기초로 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 제어하는 셀 밸런싱 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 선로와 상기 센싱부 간에 직렬 연결되며, 상기 제어부에 의해 턴온 시 전압 감지 기능을 활성화하는 제1 스위치;
    상기 제1 또는 제2 선로와 상기 저항 간에 직렬 연결되며, 상기 제어부에 의해 턴온 시 벅 밸런싱 기능을 활성화하는 제2 스위치; 및
    상기 DC/DC 컨버터와 연결되고, 상기 제어부에 의해 턴온 시 상기 DC/DC 컨버터의 전류 방향을 만들어 부스트 밸런싱 기능을 활성화하는 제3 스위치를 더 포함하는 셀 밸런싱 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 선택부를 통해 상기 복수의 셀 중 하나를 순차로 선택하여 각 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행하되, 상기 밸런싱 전압보다 높은 셀에 대해 상기 제2 스위치를 턴온 및 상기 제3 스위치를 턴오프시켜 상기 벅 밸런싱을 수행하고, 상기 밸런싱 전압보다 낮은 셀에 대해 상기 제3 스위치를 턴온 및 제2 스위치를 턴오프시켜 상기 부스트 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 선택부는,
    턴온 시 상기 제1 선로와 제1 보조선로 사이, 상기 제2 선로와 제2 보조선로 사이, 상기 제1 선로와 제3 보조선로 사이, 그리고 상기 제2 선로와 제4 보조선로 사이를 각각 연결하기 위한 제1 내지 제4 선택 스위치; 및
    상기 제1 및 제2 보조선로 간의 접점과 N개 셀 중에서 짝수번째 셀의 (-) 단자 사이, 그리고 상기 제3 및 제4 보조선로 간의 접점과 홀수번째 셀의 (-) 단자 사이에 각각 개별 연결된 N+1개의 셀 스위치를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 내지 제4 선택 스위치 중 상기 제2 및 제3 선택 스위치만 턴온시키거나, 상기 제1 및 제4 선택 스위치만 턴온시킨 상태에서, 상기 N+1개의 셀 스위치 중에 선택된 한 쌍의 인접 셀 스위치만 턴온시켜 상기 한 쌍의 인접 셀 스위치 사이에 위치한 하나의 셀을 선택하는 셀 밸런싱 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 홀수번째 셀 중 하나의 셀을 선택할 때 상기 제2 및 제3 선택 스위치만 턴온시키고, 상기 짝수번째 셀 중 하나의 셀을 선택할 때 상기 제1 및 제4 선택 스위치만 턴온시키는 셀 밸런싱 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 선택 스위치는 트랜지스터로 구현되고,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2 선택 스위치의 게이트 단에 서로 반대의 제어 신호를 인가하며,
    상기 선택부는,
    상기 제1 선택 스위치에 신호 인가 시에 그와 반대 신호가 상기 제3 선택 스위치에 자동 인가되도록, 상기 제1 및 제3 선택 스위치의 두 게이트 단 사이에 연결된 제1 인버터; 및
    상기 제2 선택 스위치에 신호 인가 시에 그와 반대 신호가 상기 제4 선택 스위치에 자동 인가되도록, 상기 제2 및 제4 선택 스위치의 두 게이트 단 사이에 연결된 제2 인버터를 더 포함하는 셀 밸런싱 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 선택부 내 스위치를 제어하는 것을 통해, 상기 선택한 하나의 셀, 상기 제2 선로, 상기 센싱부, 상기 제1 선로에 의한 루프를 형성하여 상기 선택한 셀의 전압을 감지하거나, 상기 선택한 하나의 셀, 상기 제2 선로, 상기 저항, 상기 제1 선로에 의한 루프를 형성하여 상기 선택한 셀의 벅 밸런싱을 수행하거나, 상기 선택한 하나의 셀, 상기 제1 선로, DC-DC 컨버터, 제2 선로에 의한 루프를 형성하여 상기 선택한 셀의 부스트 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 장치.
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