KR20200085075A - 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력 회로 - Google Patents
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Abstract
직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력 회로가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력 회로는, 복수의 2차전지 배터리 셀이 직렬접속된 배터리군과, 상기 배터리군에 접속되어 상기 배터리군의 출력 전압을 가변하여 출력하는 스위칭 네트워크와, 상기 스위칭 네트워크로부터의 출력 전압을 승압 또는 강압하여 출력하는 DC/DC 컨버터, 및 정파워 출력을 위해 상기 DC/DC 컨버터로부터의 출력 전류를 제어하는 리미터 회로부를 포함한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 직렬접속된 2차전지 배터리군의 출력전압을 부하에서 요구되는 전압으로 가변하여 출력할 수 있을 뿐 아니라, 직렬접속된 2차전지 배터리군의 자체 배터리 밸런싱 수행 및 정파워 출력을 보장하여 출력전력의 안정화를 도모할 수 있다.
Description
본 발명은 정파워 출력 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직렬접속된 이차전지 배터리군의 출력전력 안정화를 위한 정파워 출력 회로에 관한 것이다.
최근, 휴대전화 단자기, 음성재생장치, 노트형 PC와 같은 휴대용 전자기기가 일반적으로 사용되고, 또한 전기적 구동원에 의해 구동되는 전기차량 또는 하이브리드 차량, 전기 오토바이 등이 점차 널리 사용됨에 따라, 재충전 가능한 2차전지가 중요하게 되었다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 통상적으로 단위 배터리 셀(cell)이 복수 개 구성되는 어셈블리와 상기 어셈블리가 복수 개로 이루어지는 구성을 가진다. 즉, 고출력을 위해 수 내지 수십 개의 단위 배터리 셀이 직렬로 연결되는 것이 요구된다. 상기 단위 배터리 셀은 양급 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액, 알루미늄 박막층 등을 포함하는 구성요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 충방전이 가능한 구조를 갖는다.
2차 전지에는 내부 임피던스가 있고, 내부 임피던스는 수 kHz까지의 저주파에서는 용량성, 그 이상에 있어서는 유도성의 특성을 가진다. 이 때문에, 2차전지에 흐르는 충전 또는 방전 전류가 시간적으로 변화되거나(전류 리플(current ripple)이라고 함) 서지 전류(surge current)와 같은 교란을 포함하면, 전지의 전압은 전류의 고주파성분의 영향으로 인하여 과도적인 진동 성분을 포함하게 되고, 이로 인해 2차 전지의 정파워 출력을 보장할 수 없게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 직렬접속된 2차전지 배터리군의 출력전압을 부하에서 요구되는 전압으로 가변하여 출력할 수 있을 뿐 아니라, 직렬접속된 2차전지 배터리군의 자체 배터리 밸런싱 및 정파워 출력을 보장할 수 있는 출력전력 안정화를 위한 정파워 출력 회로를 제공하는 것이다.
상기 해결과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력 회로는, 복수의 2차전지 배터리 셀이 직렬접속된 배터리군; 상기 배터리군에 접속되어 상기 배터리군의 출력 전압을 가변하여 출력하는 스위칭 네트워크; 상기 스위칭 네트워크로부터의 출력 전압을 승압 또는 강압하여 출력하는 DC/DC 컨버터; 및 정파워 출력을 위해 상기 DC/DC 컨버터로부터의 출력 전류를 제어하는 리미터 회로부;를 포함한다.
또한, 본 발명은 직렬접속된 상기 배터리군의 각각의 2차전지 배터리 셀의 전압을 직접 센싱하는 배터리 전압 계측부; 및, 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하여 상기 스위칭 네트워크, DC/DC 컨버터 및 리미터 회로부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하다. 여기서 상기 제어부는 상기 배터리 전압 계측부를 통해 전송받은 SOC(State Of Charge) 등을 기초로 상기 스위칭 네트워크와 2차전지 배터리 셀의 접속 관계를 제어한다.
한편 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 전압 계측부는 옵토커플러가 적용된다.
본 발명에 의하면, 직렬접속된 2차전지 배터리군의 출력전압을 부하에서 요구되는 전압으로 가변하여 출력할 수 있을 뿐 아니라, 직렬접속된 2차전지 배터리군의 자체 배터리 밸런싱 수행 및 정파워 출력을 보장하여 출력전력의 안정화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력회로의 구성을 도시한 도면,
도 2는 배터리 전압 계측부와 직렬접속된 2차전지 배터리군의 개별 배터리 셀의 접속을 도시한 회로도의 일 예이다.
도 2는 배터리 전압 계측부와 직렬접속된 2차전지 배터리군의 개별 배터리 셀의 접속을 도시한 회로도의 일 예이다.
이하에서는 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력회로의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력회로(100)는 다수의 2차전지 배터리 셀(1a~1n)이 직렬접속된 2차전지 배터리군(10)과, 스위칭 네트워크(20), DC/DC 컨버터(30), 리미터 회로부(40), 배터리 전압 계측부(50) 및 제어부(60)를 포함한다.
먼저, 2차전지 배터리군(10)과 스위칭 네트워크(20)의 접속 조합을 통하여 다양한 가변전압을 출력가능하다. 예를 들어, 각 배터리셀(1a~1n)의 기준전압이 각각 12V이고, 5개의 배터리셀(1a~1e)이 직렬접속되어 있다고 가정한다. 이때, 스위칭 네트워크(20)과 배터리셀(1a~1e)의 접속 조합에 의해 12V, 24V, 36V, 48V, 60V의 출력전압을 각각 얻을 수 있다.
즉, 스위칭 네트워크(20)가 제1 배터리셀(1a) 및 제2 배터리셀(1b)과 접속되도록 하고, 제3 내지 제5 배터리셀(1c~1e)는 접속은 오프되도록 함으로써, 24V의 출력전압을 얻게 된다. 상기 스위칭 네트워크(20)는 메커니컬 릴레이, 반도체 스위칭 소자(ex: MOSFET 등) 등에 의해 구현가능하다.
스위칭 네트워크(20)의 뒷단에는 DC/DC 컨버터(30)가 접속되어, 부하에서 요구되는 전압에 맞게 스위칭 네트워크(20)로부터 입력되는 전압을 가변할 수 있다. 본 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(30)는 스위칭 네트워크(20)로부터 입력되는 전압을 부하에서 요구되는 전압으로 승압하여 출력하기 위한 부스터 회로부(booster circuit)와 상기 스위칭 네트워크(20)로부터 입력되는 전압을 부하에서 요구되는 전압으로 강압하여 출력하기 위한 벅 회로부(buck circuit)를 구비할 수 있다.
예를 들어, 스위칭 네트워크(20)로부터 24V의 전압이 입력된 경우, 부하에서 요구되는 전압이 240V이면, DC/DC 컨버터(30)는 스위칭 네트워크(20)로부터의 입력전압 24V를 10배 승압하여 240V의 직류전압을 출력한다.
리미터 회로부(40)는 DC/DC 컨버터(30)의 출력 전류가 제1 기준값 이상인지 여부를 판단한다. 이를 위해, 리미터 회로부(40)는 비교기(comparator) 등을 구비할 수 있다. 리미터 회로부(40)는 DC/DC 컨버터의 출력 전류가 제1 기준값 이상으로 판단된 경우, DC/DC 컨버터(30)의 출력 전류를 제2 기준값 이하가 되도록 제어한다. 본 실시예에서, 제1 기준값과 제2 기준값은 동일한 값일 수 있으며, 또는 동일한 값이 아닐 수도 있다.
배터리 전압 계측부(50)는 직렬접속된 2차전지 배터리군(10)의 각각의 개별 배터리 셀의 전압을 직접 센싱하고 관측하여 제어부(60)에 전송하다. 도 2는 배터리 전압 계측부(50)와 직렬접속된 2차전지 배터리군(10)의 개별 배터리 셀의 접속을 도시한 회로도의 일 예이다.
본 발명의 실시예에 의하면 배터리 전압 계측부(50)는 옵토커플러(예를 들어 PC817)가 적용될 수 있다. 이와 같이 전압 계측을 기존 고가의 전압측정센서를 적용하는 대신 저가형 옵토커플러를 사용함으로써 경제성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
제어부(60)는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)을 포함하여 본 발명의 정파워 출력 회로의 각 기능 블럭들을 전반적으로 제어한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(60)는 배터리 전압 계측부(50)를 통해 전송받은 SOC(State of Charge) 등을 기초로, 스위칭 네트워크(20)와 2차전지 배터리셀의 접속 관계를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(60)는 방전시에는 SOC가 높은 배터리셀 기준으로 2차전지 배터리군(10)이 직렬접속 되도록 스위칭 네트워크(20)를 제어하는 한편, 충전시에는 SOC가 낮은 배터리셀 기준으로 2차전지 배터리군(10)이 직렬접속 되도록 스위칭 네트워크(20)를 제어한다. 이에 의해, 정파워 출력회로(100)의 2차전지 배터리군(10)이 자체 배터리 밸런싱 기능을 수행할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 직렬접속된 2차전지 배터리군(10)과 스위칭 네트워크(20)의 접속을 통하여 다양한 직류 가변 전압을 출력할 수 있고, 스위칭 네트워크(20)의 뒷단에 DC/DC 컨버터(30)와 리미터 회로부(40)를 구비하여 직렬접속된 2차전지 배터리군의 출력전압을 부하에서 요구되는 전압으로 가변하여 출력할 수 있을 뿐 아니라, 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력을 보장할 수 있다. 또한, 본 발명의 의하면, 배터리 전압 계측부(50)를 저가의 옵토커플러를 적용하여 경제성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
한편, 상술한 실시예에 있어서, DC/DC 컨버터(30)와 리미터 회로부(40)는 별개의 기능 블럭으로 도시되었지만, 실질적으로 하나의 기능 블럭으로 구현할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
1a~1n: 2차전지 배터리셀
10: 2차전지 배터리군
20: 스위칭 네트워크 30: DC/DC 컨버터
40: 리미터 회로부 50: 배터리 전압 계측부
60: 제어부 100: 정파워 출력회로
20: 스위칭 네트워크 30: DC/DC 컨버터
40: 리미터 회로부 50: 배터리 전압 계측부
60: 제어부 100: 정파워 출력회로
Claims (3)
- 복수의 2차전지 배터리 셀이 직렬접속된 배터리군;
상기 배터리군에 접속되어 상기 배터리군의 출력 전압을 가변하여 출력하는 스위칭 네트워크;
상기 스위칭 네트워크로부터의 출력 전압을 승압 또는 강압하여 출력하는 DC/DC 컨버터; 및
정파워 출력을 위해 상기 DC/DC 컨버터로부터의 출력 전류를 제어하여 부하로 출력하는 리미터 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력 회로.
- 제 1 항에 있어서,
직렬접속된 상기 배터리군의 각각의 2차전지 배터리 셀의 전압을 직접 센싱하는 배터리 전압 계측부; 및,
배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하여 상기 스위칭 네트워크, DC/DC 컨버터 및 리미터 회로부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 배터리 전압 계측부를 통해 전송받은 SOC(State Of Charge) 등을 기초로 상기 스위칭 네트워크와 2차전지 배터리 셀의 접속 관계를 제어하는 것을 특징으로 하는 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력 회로.
- 제 2 항에 있어서,
상기 전압 계측부는 옵토커플러가 적용되는 것을 특징으로 하는 직렬접속된 2차전지 배터리군의 정파워 출력 회로.
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