KR20230039265A - 셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

직렬 연결된 복수의 셀에 연결된 셀 밸런싱 회로는, 상기 복수의 셀에서 중앙에 위치한 셀을 포함하는 중심 배터리 셀의 양단 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 스위치, 제1 권선, 및 제2 스위치, 및 상기 복수의 셀 중 상기 중심 배터리 셀을 제외한 외곽 배터리 셀 중 하나의 양극과 다른 하나의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 제3 스위치, 제2 권선, 및 제4 스위치를 포함한다. 상기 제1 권선 및 제2 권선은 트랜스포머를 형성할 수 있다. 상기 셀 밸런싱 회로에서, 충전 또는 방전 중, 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 온 기간 동안, 충전 전류 또는 방전 전류 중 일부인 제1측 전류가 상기 제1 스위치, 상기 제1 권선, 및 상기 제2 스위치를 통해 흐른다.

Description

셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템{CELL BALANCING CIRCUIT AND BATTERY SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 개시는 셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리 팩 내부에는 다수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있으며, 배터리 셀 사이의 전압 편차는 배터리 셀의 과방전 또는 과충전을 초래하고, 배터리 셀의 수명 또한 감소시킬 수 있다. 이러한 전압 편차를 개선하기 위해서 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 내부에 셀 균등화(cell balancing) 회로를 설계한다.
셀 균등화 회로로, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 저항의 발열로 소모시켜서 배터리 셀 사이의 균형을 유지하는 패시브 셀 균등화 회로가 사용될 수 있다. 이 경우, 저항의 발열로 인해서 균등화를 위한 전류에 제한이 있으므로, 배터리 셀의 용량이 증가하는 추세에 맞추어 균등화를 위한 전류를 늘리기 어려운 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀의 에너지로 전달하는 액티브 셀 균등화 회로가 제안되었다. 그러나 액티브 셀 균등화 회로를 구현하기 위해서 많은 소자가 필요하므로, 셀 균등화 회로의 단가가 높다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 셀 균등화 회로의 부품 수를 줄이고, 그에 따른 단가를 줄일 수 있는 셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
직렬 연결된 복수의 셀에 연결된 셀 밸런싱 회로는, 상기 복수의 셀에서 중앙에 위치한 셀을 포함하는 중심 배터리 셀의 양단 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 스위치, 제1 권선, 및 제2 스위치, 및 상기 복수의 셀 중 상기 중심 배터리 셀을 제외한 외곽 배터리 셀 중 하나의 양극과 다른 하나의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 제3 스위치, 제2 권선, 및 제4 스위치를 포함한다. 상기 제1 권선 및 제2 권선은 트랜스포머를 형성할 수 있다. 상기 셀 밸런싱 회로에서, 충전 또는 방전 중, 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 온 기간 동안, 충전 전류 또는 방전 전류 중 일부인 제1측 전류가 상기 제1 스위치, 상기 제1 권선, 및 상기 제2 스위치를 통해 흐른다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 충전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 온 하고, 상기 제1 권선에 흐르는 전류에 기초하여 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 듀티를 제어하며, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴 오프 시점 이후 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온 할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 충전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 상태에서, 상기 제1측 전류가 소정의 기준값에 도달하면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 오프 할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 방전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온 하고, 상기 제1 권선에 흐르는 전류에 기초하여 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 온 듀티를 제어하며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 턴 오프 시점 이후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 온 할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 방전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 온 상태에서, 상기 제2측 전류가 소정의 기준값에 도달하면, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 오프 할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 제1 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 일단 사이에 연결된 제1 다이오드 및 상기 제2 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 타단 사이에 연결된 제2 다이오드를 더 포함하고, 상기 제1 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제2 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 일단에 연결되어 있을 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 제3 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 일단 사이에 연결된 제3 다이오드 및 상기 제4 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 타단 사이에 연결된 제4 다이오드를 더 포함하고, 상기 제3 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제4 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있을 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리 팩, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 셀 모니터링 IC, 상기 측정된 복수의 셀 전압에 기초하여, 상기 복수의 셀에서 중앙에 위치한 셀을 포함하는 중심 배터리 셀의 셀 전압과 상기 복수의 셀 중 상기 중심 배터리 셀을 제외한 외곽 배터리 셀의 셀 전압 간의 편차가 소정의 임계치 이상인지 판단하고, 상기 판단 결과 및 상기 배터리 팩의 충전 및 방전에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 제어하는 메인 제어 회로, 및 상기 배터리 팩의 충전 조건에서 상기 편차가 상기 임계치 이상일 때, 충전 전류 중 제1 전류를 상기 중심 배터리 셀에 흐르지 않게 하고, 상기 배터리 팩의 방전 조건에서 상기 편차가 상기 임계치 이상일 때, 방전 전류 중 제2 전류를 상기 중심 배터리 셀에 흐르지 않게 하는 셀 밸런싱 회로를 포함할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 중심 배터리 셀의 양단 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 스위치, 제1 권선, 및 제2 스위치, 및 상기 외곽 배터리 셀 중 하나의 양극과 다른 하나의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 제3 스위치, 제2 권선, 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1 권선 및 제2 권선은 트랜스포머를 형성할 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 충전 기간 중 상기 편차가 상기 임계치 이상인 제1 기간 동안, 상기 상기 제1 내지 제4 스위치를 스위칭하여 상기 제1 전류에 의해 상기 제1 권선에 에너지가 저장되고, 상기 제1 권선에 저장된 에너지가 상기 제2 권선에 전달되도록 한다.
상기 제1 기간 동안, 상기 제1 및 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 권선에 제1 전류가 흐르고, 상기 제1 및 제2 스위치의 오프 및 상기 제3 및 제4 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 권선에 전류가 유도될 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 방전 기간 중 상기 편차가 상기 임계치 이상인 제2 기간 동안, 상기 상기 제1 내지 제4 스위치를 스위칭하여 상기 제2 권선에 에너지가 저장되고, 상기 제2 권선에 저장된 에너지가 상기 제1 권선에 전달되도록 할 수 있다.
상기 제2 기간 동안, 상기 제3 및 제4 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 권선에 전류가 흐르고, 상기 제3 및 제4 스위치의 오프 및 상기 제1 및 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 권선에 상기 제2 전류가 유도될 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 제1 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 일단 사이에 연결된 제1 다이오드 및 상기 제2 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 타단 사이에 연결된 제2 다이오드를 더 포함하고, 상기 제1 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제2 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 일단에 연결되어 있을 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로는, 상기 제3 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 일단 사이에 연결된 제3 다이오드 및 상기 제4 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 타단 사이에 연결된 제4 다이오드를 더 포함하고, 상기 제3 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제4 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 셀 균등화 회로의 부품 수를 줄이고, 그에 따른 단가를 줄일 수 있는 셀 밸런싱 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템이 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 중 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 방전 중 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 1에서, 배터리 시스템(1)의 양 출력단(P+, P-) 사이에는 외부 장치(2)가 연결되어 있고, 릴레이(21, 22)가 닫힐 경우 배터리 팩(10)과 외부 장치(2)가 전기적으로 연결될 수 있다.
외부 장치(2)가 전장 부하인 경우, 배터리 시스템(1)는 전장 부하(2)로 에너지를 공급하는 전원으로 동작하여 방전될 수 있다. 전자 부하는 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility)일 수 있다. 외부 장치(2)가 충전기인 경우, 배터리 시스템(1)은 충전기(2)를 통해 전력 계통으로부터 에너지를 공급받아 충전될 수 있다.
배터리 시스템(1)은 배터리 팩(10), 두 개의 릴레이(21, 22), 전류 센서(23), 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(100)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)를 포함한다. 도 1에서는 배터리 팩(10)이 직렬 연결된 4개의 배터리 셀(10_1-10_4)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로 발명이 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 5 개 이상의 배터리 셀이 직렬 연결되거나, 병렬 연결된 둘 이상의 배터리 셀 복수 개가 직렬 연결되어 있을 수 있다.
릴레이(21)는 배터리 팩(10)의 양극과 출력단(P+) 사이에 연결되어 있고, 릴레이(22)는 배터리 팩(10)의 음극과 출력단(P-) 사이에 연결되어 있으며, BMS(100)의 메인 제어부(Main Control Unit, MCU)(130)의 제어에 따라 릴레이(21, 22)의 개방 및 닫힘이 제어될 수 있다. 예를 들어, MCU(130)는 인에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)를 생성하여 릴레이(21, 22)에 전송하고, 릴레이(21, 22)는 인에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)에 의해 닫힐 수 있다. 또는, MCU(130)는 디스에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)를 생성하여 릴레이(21, 22)에 전송하고, 릴레이(21, 22)는 디스에이블 레벨의 릴레이 제어 신호(SR1, SR2)에 의해 개방될 수 있다. 배터리 팩(10)의 충전 또는 방전 중에는 릴레이(21, 22)가 닫혀, 충전 전류 경로 또는 방전 전류 경로를 구성할 수 있다.
전류 센서(23)는 배터리 팩(10)에 흐르는 전류를 감지하고, 감지한 전류를 지시하는 전류 감지 신호(IS)를 MCU(130)에 전송할 수 있다.
BMS(20)는 셀 모니터링 IC(110), 셀 밸런싱 회로(120), 및 MCU(130)를 포함한다. BMS(20)는 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)에 연결되어 있고, 복수의 배터리 셀(10_1-10_4) 각각의 셀 전압, 배터리 팩(10)의 배터리 전류 등의 정보에 기초하여 배터리 배터리(10)의 충방전 전류를 제어하고, 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)에 대한 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 셀 모니터링 IC(110)는 복수의 배터리 셀(10_1-10_4) 각각의 셀 전압을 측정 주기마다 측정하고, 측정된 복수의 셀 전압을 지시하는 셀 전압 감지 신호(CVS)를 MCU(130)에 전송할 수 있다. MCU(130)는 셀 전압 감지 신호(CVS)에 기초하여 셀 밸런싱이 필요한지 여부를 판단할 수 있다.
충전 또는 방전 중에, 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)의 셀 전압들 중 가장 낮은 셀 전압이 다른 셀 전압들에 비해 소정의 임계치 이상으로 낮거나, 가장 높은 셀 전압이 다른 셀 전압들에 비해 소정의 임계치 이상으로 높을 수 있다. 이와 같이, 복수의 배터리 셀(10_1-10_4)의 셀 전압들 간의 편차가 소정의 임계치 이상일 때, MCU(130)는 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 중심 배터리 셀과 외곽 배터리 셀 간의 전압 편차가 소정의 임계치 이상일 때도, MCU(130)는 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 중심 배터리 셀은 배터리 팩(10)의 복수의 셀(10_1-10_4) 중 중심 배터리 셀(예를 들어, 10_2, 10_3)을 포함하고, 중심 배터리 셀은 복수의 셀의 중앙에 위치할 수 있다. 도 1에서는 배터리 셀(10_2, 10_3)이 중심 배터리 셀에 해당되고, 외곽 배터리 셀은 배터리 팩(10)에서 중심 셀을 제외한 나머지 셀(예를 들어, 10_1, 10_4)을 포함하고, 외곽 배터리 셀은 양극 및 음극 주변에 위치할 수 있다. 도 1에서는 배터리 셀(10_1, 10_4)이 외곽 배터리 셀에 해당한다.
도 1에서는 배터리 팩(10)이 4개의 배터리 셀(10_1-10_4)로 구성되어, 2개의 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)과 2개의 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)만 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않는다. 배터리 팩을 구성하는 전체 배터리 셀들 중 중앙에 위치한 소정 개수의 배터리 셀이 중심 배터리 셀이 되고, 전체 배터리 셀들 중 중심 배터리 셀을 제외한 나머지 셀들이 외곽 배터리 셀이 될 수 있다.
이하, 본 명세서에서 설명되는 셀 밸런싱은 중심 배터리 셀과 외곽 배터리 셀 간의 전압 편차가 소정의 임계치 이상일 때 수행되는, 중심 배터리 셀과 외곽 배터리 셀 간의 전하 균등화 동작을 의미할 수 있다.
MCU(130)는 셀 밸런싱이 필요하다고 판단될 때, 중심 셀(10_2, 10_3)에 흐르는 충전 전류 또는 방전 전류가 감소되도록 셀 밸런싱 회로(120)를 제어할 수 있다. MCU(130)는 전류 감지 신호(IS)에 기초하여 충전 상태인지 또는 방전 상태인지 판단할 수 있다. 충전 상태인 경우, MCU(130)는 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에 병렬로 연결된 제1 전력 전달 경로를 통해 충전 전류가 흐르게 할 수 있다. 제1 전력 전달 경로를 통해 흐르는 충전 전류에 의해 생성된 에너지는 배터리 팩(10) 전체에 전달될 수 있다. 방전 상태인 경우, MCU(130)는 배터리 팩(10)에 병렬로 연결된 제2 전력 전달 경로를 통해 방전 전류가 흐르게 할 수 있다. 제2 전력 전달 경로를 통해 흐르는 방전 전류에 의해 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에 흐르는 방전 전류가 감소하게 된다
이하, 충전 상태에서 수행되는 셀 밸런싱을 ‘충전 중 셀 밸런싱’이라 하고, 방전 상태에 수행되는 셀 밸런싱을 ‘방전 중 셀 밸런싱’이라 한다.
이하, 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로를 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에서는 셀 밸런싱 회로(120)는 4 개의 스위치(Q1-Q4), 4개의 다이오드(D1-D4), 트랜스포머(123), 및 스위칭 제어부(125)를 포함한다. 제1 권선(W1) 및 제2 권선(W2)은 절연 상태에서 자기적으로 커플링되어 트랜스포머(123)를 구성한다. 트랜스포머(123)에서 제1 권선(W1)이 위치하는 곳을 제1측이라 하고, 제2 권선(W2)이 위치하는 곳을 제2측이라 할 수 있다.
스위치(Q1)는 배터리 셀(10_1)과 배터리 셀(10_2) 사이에 연결된 접점(N2)과 제1 권선(W1)의 일단 사이에 연결되어 있고, 스위치(Q2)는 배터리 셀(10_3)과 배터리 셀(10_4) 사이에 연결된 접점(N3)과 제1 권선(W1)의 타단 사이에 연결되어 있다. 스위치(Q1), 제1 권선(W1), 및 스위치(Q2)는 제1 전력 전달 경로를 구성할 수 있다.
스위치(Q3)는 배터리 셀(10_1)의 양극인 접점(N1)과 제2 권선(W2)의 일단 사이에 연결되어 있고, 스위치(Q4)는 배터리 셀(10_4)의 음극인 접점(N4)과 제2 권선(W2)의 타단 사이에 연결되어 있다. 스위치(Q3), 제2 권선(W2), 및 스위치(Q4)는 제2 전력 전달 경로를 구성할 수 있다.
도 2에서, 스위치(Q1-Q4)는 n 채널 타입의 MOSFET으로 구현되어 있으나, 이는 일 예로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 4 개의 스위치(Q1-Q4) 각각의 게이트에는 스위칭 제어부(125)에서 공급되는 게이트 전압(VG1-VG4)이 인가될 수 있다.
다이오드(D1)의 애노드는 제1 권선(W1)의 타단에 연결되어 있고, 다이오드(D1)의 캐소도는 스위치(Q1)의 드레인에 연결되어 있다. 다이오드(D1)는 트랜스포머(123)의 제1측 누설 인덕턴스에 의한 유도 기전력으로부터 스위치(Q1)를 보호할 수 있다. 다이오드(D2)의 애노드는 스위치(Q2)의 소스에 연결되어 있고, 다이오드(D2)의 캐소도는 제1 권선(W1)의 일단에 연결되어 있다. 다이오드(D2)는 트랜스포머(123)의 제1측 누설 인덕턴스에 의한 유도 기전력으로부터 스위치(Q2)를 보호할 수 있다.
다이오드(D3)의 애노드는 제2 권선(W2)의 타단에 연결되어 있고, 다이오드(D3)의 캐소도는 스위치(Q3)의 드레인에 연결되어 있다. 다이오드(D3)는 트랜스포머(123)의 제2측 누설 인덕턴스에 의한 유도 기전력으로부터 스위치(Q3)를 보호할 수 있다. 다이오드(D4)의 애노드는 스위치(Q4)의 소스에 연결되어 있고, 다이오드(D4)의 캐소도는 제2 권선(W2)의 일단에 연결되어 있다. 다이오드(D4)는 트랜스포머(123)의 제2측 누설 인덕턴스에 의한 유도 기전력으로부터 스위치(Q4)를 보호할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 MCU(130)로부터 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)를 수신하고, 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)에 기초하여 4 개의 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 도 2에 도시된 일 실시예에서, 4 개의 스위치(Q1-Q4) 및 트랜스포머(123)는 양방향 플라이백 컨버터 구조를 구성할 수 있다. 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)가 충전 중 셀 밸런싱을 지시하는 경우, 스위칭 제어부(125)는 제1측에서 제2측으로 에너지가 전달되도록 4 개의 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)가 방전 중 셀 밸런싱을 지시하는 경우, 스위치 제어부(125)는 제2측에서 제1측으로 에너지가 전달되도록 4 개의 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 제1측에 흐르는 전류(이하, 제1측 전류) 및 제2측에 흐르는 전류(이하, 제2측 전류)에 따라 충전 중 셀 밸런싱 및 방전 중 셀 밸런싱 각각의 기간 동안 스위치(Q1-Q4)의 온 듀티를 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 제1측 및 제2측 각각의 전류를 감지하기 위해서 저항(RS1)의 양단 전압(이하, 제1 감지 전압)(VS1) 및 저항(RS2)의 양단 전압(이하, 제2 감지 전압)(VS2)을 이용할 수 있다. 스위칭 제어부(125)는 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 동작을 제어하기 위해 게이트 전압(VG1-VG4)을 생성하여, 스위치(Q1-Q4)의 게이트에 공급한다. 스위칭 제어부(125)는 스위치(Q1-Q4)를 온 시키기 위해 하이 레벨의 게이트 전압(VG1-VG4)을 생성하고, 스위치(Q1-Q4)를 오프 시키기 위해 로우 레벨의 게이트 전압(VG1-VG4)을 생성할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 동작을 설명한다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 중 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에서 배터리 팩(10)은 충전기(2)에 연결되어 있고, 배터리 팩(10)은 충전기(2)로부터 공급되는 전류에 의해 충전된다. 도 3 및 도 4는 셀 밸런싱 회로(120)가 한 스위칭 주기 동안의 충전 중 셀 밸런싱 동작을 나타낸 도면일 수 있다.
MCU(130)는 충전 중 중심 배터리 셀의 셀 전압과 외곽 배터리 셀의 셀 전압 간의 편차가 임계치 이상일 때, 스위칭 제어부(125)로 충전 중 셀 밸런싱을 지시하는 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)를 전송한다. 예를 들어, MCU(130)는 제1 레벨의 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)를 생성하고, 스위칭 제어부(125)는 제1 레벨의 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)가 MCU(130)로부터 수신되는 기간 동안 충전 중 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 스위칭 제어부(125)는 충전 중 셀 밸런싱을 위해서, 스위치(Q3, Q4)를 오프 시키고, 제1측 전류(IS1)에 기초하여 스위치(Q1, Q2)의 온 듀티를 제어한다. 스위치(Q1, Q2)의 온 기간 동안 제1측 전류(IS1)가 제1 권선(W1)에 흘러, 제1 권선(W1)에 에너지가 저장된다. 스위치(Q1, Q2)의 온 기간 동안 제1측 전류(IS1)는 증가할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 제1측 전류(IS1) 및 제1측 전류(IS1)가 흐르는 기간에 기초하여 제1 권선(W1)에 저장된 에너지를 도출하고, 도출된 에너지를 스위칭 주기로 나눈 값이 소정의 기준치가 되도록 스위치(Q1, Q2)의 온 듀티를 제어할 수 있다. 이에 대한 구체적인 수단으로, 스위칭 제어부(125)는 제1 감지 전압(VS1)이 소정의 제1 기준 전압에 도달할 때 스위치(Q1, Q2)를 턴 오프 시킬 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 스위치(Q1, Q2)를 턴 오프 시킨 후 스위치(Q3, Q4)를 턴 온 한다. 그러면, 제2 권선(W2)에 제2측 전류(IS2)가 유도된다. 제2측 전류(IS2)는 충전기(2)로부터 공급되는 충전 전류(Ich)와 함께 배터리 팩(10)에 공급된다. 스위치(Q3, Q4)의 온 기간 동안 제2측 전류(IS2)는 감소할 수 있다. 스위칭 제어부(125)는 제2측 전류(IS2)에 기초하여 스위치(Q3, Q4)의 온 듀티를 제어한다. 예를 들어, 스위칭 제어부(125)는 제2 감지 전압(VS2)이 소정의 제2 기준 전압에 도달할 때 스위치(Q3, Q4)를 턴 오프 시킬 수 있고, 제2 기준 전압은 영전압일 수 있다.
스위치(Q3, Q4)의 온 기간 동안 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)로부터 배터리 팩(10)으로 에너지가 전달된다. 즉, 충전 전류(Ich)와 제2측 전류(IS2)가 배터리 팩(10)에 공급될 수 있다.
스위치(Q1, Q2)의 온 기간 동안 충전 전류(Ich) 중 제1측 전류(IS1)는 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에 흐르지 않고, 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)에만 흐른다. 이는 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 발열을 감소시킬 수 있다. 종래 배터리 팩에서 중심 배터리 셀은 외곽 배터리 셀에 비해 온도가 높아, 중심 배터리 셀의 퇴화 정도가 외곽 배터리 셀에 비해 심하다. 이 때문에, 중심 배터리 셀이 먼저 만충(full charged)되어 모든 셀들이 만충되기 전에 충전이 종료되는 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 일 실시예에 따른 셀 밸런싱에 따르면, 배터리 팩(10)에 공급되는 충전 전류 중 제1측 전류(IS1)만큼이 중심 배터리 셀에 공급되지 않아, 중심 배터리 셀의 충전 속도가 외곽 배터리 셀의 충전 속도에 비해 느려질 수 있다. 그러면, 종래 모든 셀들이 충전되기 전에 충전이 종료되는 문제가 해결될 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 스위치(Q3, Q4)의 턴 오프 이후, 다시 스위치(Q1, Q2)를 턴 온 시킬 수 있다. 스위치(Q1, Q2)의 턴 온 이후 동작은 앞서 설명과 동일하다. 일 실시예에 따른 스위칭 제어부(125)는 일정한 스위칭 주파수로 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 스위칭 제어부(125)는 충전 중 셀 밸런싱을 위해서 스위칭 주파수를 변화시킬 수 있다. 본 발명은 온 듀티 및 스위칭 주파수 중 적어도 어느 하나를 변화시켜, 제1측 전류(IS1)를 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)가 제1 레벨인 기간 동안 위와 같은 동작을 반복한다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 방전 중 셀 밸런싱 동작 중 셀 밸런싱 회로를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6에서 배터리 팩(10)은 전장 부하(2)에 연결되어 있고, 배터리 팩(10)으로부터 전장 부하(2)에 전류가 공급되어, 배터릭 팩(10)은 방전된다. 도 5 및 도 6은 셀 밸런싱 회로(120)가 한 스위칭 주기 동안의 방전 중 셀 밸런싱 동작을 나타낸 도면일 수 있다.
MCU(130)는 방전 중 중심 배터리 셀의 셀 전압과 외곽 배터리 셀의 셀 전압 간의 편차가 임계치 이상일 때, 스위칭 제어부(125)로 방전 중 셀 밸런싱을 지시하는 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)를 전송한다. 예를 들어, MCU(130)는 제2 레벨의 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)를 생성하고, 스위칭 제어부(125)는 제2 레벨의 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)가 MCU(130)로부터 수신되는 기간 동안 방전 중 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 스위칭 제어부(125)는 방전 중 셀 밸런싱을 위해서, 스위치(Q1, Q2)를 오프 시키고, 제1측 전류(IS1)에 기초하여 스위치(Q3, Q4)의 온 듀티를 제어할 수 있다. 스위치(Q3, Q4)의 온 기간 동안 제2측 전류(IS2)가 제2 권선(W2)에 흘러, 제2 권선(W2)에 에너지가 저장된다. 스위치(Q3, Q4)의 온 기간 동안 제2측 전류(IS2)는 증가할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 스위치(Q3, Q4)의 현재 스위칭 주기에서의 턴 오프 이후, 스위치(Q1, Q2)의 온 기간 중 흐르는 제1측 전류(IS1) 및 상기 제1측 전류(IS1)가 흐르는 기간에 기초하여 제1 권선(W1)에 전달된 에너지를 도출할 수 있다. 스위칭 제어부(125)는 도출된 에너지를 스위칭 주기로 나눈 값이 소정의 기준치가 되도록 다음 스위칭 주기에서의 스위치(Q3, Q4)의 온 듀티를 제어할 수 있다. 이에 대한 구체적인 수단으로, 스위칭 제어부(125)는 제2 감지 전압(VS2)이 소정의 제3 기준 전압에 도달할 때 스위치(Q3, Q4)를 턴 오프 시킬 수 있다. 즉, 제3 감지 전압(VS2)은 제1 권선(W1)에 전달되는 에너지를 스위칭 주기로 나눈 값이 소정의 기준치가 되도록 설정될 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 스위치(Q3, Q4)를 턴 오프 시킨 후 스위치(Q1, Q2)를 턴 온 한다. 그러면, 제1 권선(W1)에 제1측 전류(IS1)가 유도되어, 방전 전류(Idch) 중 제1측 전류(IS1)는 중심 셀(10_2, 10_3)에 흐르지 않는다. 스위치(Q1, Q2)의 온 기간 중 흐르는 제1측 전류(IS1)는 감소할 수 있다. 스위칭 제어부(125)는 제1측 전류(IS1)에 기초하여 스위치(Q1, Q2)의 온 듀티를 제어한다. 예를 들어, 스위칭 제어부(125)는 제1 감지 전압(VS1)이 소정의 제4 기준 전압에 도달할 때 스위치(Q1, Q2)를 턴 오프 시킬 수 있고, 제4 기준 전압은 영전압일 수 있다.
스위치(Q1, Q2)의 온 기간 동안 방전 전류(Idch) 중 제1측 전류(IS1)은 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에 흐르지 않고, 외곽 배터리 셀(10_1, 10_4)에만 흐른다. 이는 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)의 발열을 감소시킬 수 있다. 종래 배터리 팩에서 중심 배터리 셀은 외곽 배터리 셀에 비해 온도가 높아, 중심 배터리 셀의 퇴화 정도가 외곽 배터리 셀에 비해 심하다. 이 때문에, 중심 배터리 셀이 먼저 방전되어 방전이 종료되고, 전장 부하에 전력을 공급하는데 한계가 있을 수 있다. 그러나, 일 실시예에 따른 셀 밸런싱에 따르면, 배터리 팩(10)으로부터 공급되는 전체 전류 중 제1측 전류(IS1)가 중심 배터리 셀(10_2, 10_3)에 흐르지 않아, 중심 배터리 셀의 방전 속도가 외곽 배터리 셀의 방전 속도에 비해 느려질 수 있다. 그러면, 종래 중심 배터리 셀들이 먼저 방전되어 방전이 종료되는 문제가 해결될 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 스위치(Q1, Q2)의 턴 오프 이후, 다시 스위치(Q3, Q4)를 턴 온 시킬 수 있다. 스위치(Q3, Q4)의 턴 온 이후 동작은 앞서 설명과 동일하다. 일 실시예에 따른 스위칭 제어부(125)는 일정한 스위칭 주파수로 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 스위칭 제어부(125)는 방전 중 셀 밸런싱을 위해서 스위칭 주파수를 변화시킬 수 있다. 본 발명은 온 듀티 및 스위칭 주파수 중 적어도 어느 하나를 변화시켜, 제1측 전류(IS1)를 제어할 수 있다.
스위칭 제어부(125)는 셀 밸런싱 제어 신호(CBS)가 제2 레벨인 기간 동안 위와 같은 동작을 반복한다.
이와 같이, 일 실시예에 따르면, 충전 및 방전 중 중심 배터리 셀에 흐르는 전류를 감소시켜 중심 배터리 셀에 의해 충전 및 방전이 먼저 종료되는 문제를 해결할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 배터리 시스템
10: 배터리 팩
100: 배터리 관리 시스템
110: 셀 모니터링 IC
120: 셀 밸런싱 회로
130: 메인 제어 회로

Claims (15)

  1. 직렬 연결된 복수의 셀에 연결된 셀 밸런싱 회로에 있어서,
    상기 복수의 셀에서 중앙에 위치한 셀을 포함하는 중심 배터리 셀의 양단 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 스위치, 제1 권선, 및 제2 스위치; 및
    상기 복수의 셀 중 상기 중심 배터리 셀을 제외한 외곽 배터리 셀 중 하나의 양극과 다른 하나의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 제3 스위치, 제2 권선, 및 제4 스위치를 포함하고,
    상기 제1 권선 및 제2 권선은 트랜스포머를 형성하며,
    충전 또는 방전 중, 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 온 기간 동안, 충전 전류 또는 방전 전류 중 일부인 제1측 전류가 상기 제1 스위치, 상기 제1 권선, 및 상기 제2 스위치를 통해 흐르는, 셀 밸런싱 회로.
  2. 제1항에서,
    상기 충전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 온 하고, 상기 제1 권선에 흐르는 전류에 기초하여 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 듀티를 제어하며, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴 오프 시점 이후 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온 하는, 셀 밸런싱 회로.
  3. 제2항에서,
    상기 충전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온 상태에서, 상기 제1측 전류가 소정의 기준값에 도달하면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 오프 하는, 셀 밸런싱 회로.
  4. 제1항에서,
    상기 방전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서,
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 온 하고, 상기 제1 권선에 흐르는 전류에 기초하여 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 온 듀티를 제어하며, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 턴 오프 시점 이후 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 온 하는, 셀 밸런싱 회로.
  5. 제4항에서,
    상기 방전 중 상기 중심 배터리 셀과 상기 외곽 배터리 셀 간의 셀 전압 차가 소정의 임계치 이상인 조건에서,
    상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 온 상태에서, 상기 제2측 전류가 소정의 기준값에 도달하면, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴 오프 하는, 셀 밸런싱 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 일단 사이에 연결된 제1 다이오드; 및
    상기 제2 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 타단 사이에 연결된 제2 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제1 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제2 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 일단에 연결되어 있는, 셀 밸런싱 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 일단 사이에 연결된 제3 다이오드; 및
    상기 제4 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 타단 사이에 연결된 제4 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제3 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제4 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있는, 셀 밸런싱 회로.
  8. 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리 팩;
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 측정하는 셀 모니터링 IC;
    상기 측정된 복수의 셀 전압에 기초하여, 상기 복수의 셀에서 중앙에 위치한 셀을 포함하는 중심 배터리 셀의 셀 전압과 상기 복수의 셀 중 상기 중심 배터리 셀을 제외한 외곽 배터리 셀의 셀 전압 간의 편차가 소정의 임계치 이상인지 판단하고, 상기 판단 결과 및 상기 배터리 팩의 충전 및 방전에 기초하여 셀 밸런싱 동작을 제어하는 메인 제어 회로; 및
    상기 배터리 팩의 충전 조건에서 상기 편차가 상기 임계치 이상일 때, 충전 전류 중 제1 전류를 상기 중심 배터리 셀에 흐르지 않게 하고, 상기 배터리 팩의 방전 조건에서 상기 편차가 상기 임계치 이상일 때, 방전 전류 중 제2 전류를 상기 중심 배터리 셀에 흐르지 않게 하는 셀 밸런싱 회로를 포함하는, 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는,
    상기 중심 배터리 셀의 양단 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 스위치, 제1 권선, 및 제2 스위치; 및
    상기 외곽 배터리 셀 중 하나의 양극과 다른 하나의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 제3 스위치, 제2 권선, 및 제4 스위치를 포함하고,
    상기 제1 권선 및 제2 권선은 트랜스포머를 형성하는, 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는,
    상기 충전 기간 중 상기 편차가 상기 임계치 이상인 제1 기간 동안, 상기 상기 제1 내지 제4 스위치를 스위칭하여 상기 제1 전류에 의해 상기 제1 권선에 에너지가 저장되고, 상기 제1 권선에 저장된 에너지가 상기 제2 권선에 전달되도록 하는, 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기간 동안, 상기 제1 및 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 권선에 제1 전류가 흐르고, 상기 제1 및 제2 스위치의 오프 및 상기 제3 및 제4 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 권선에 전류가 유도되는, 배터리 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는,
    상기 방전 기간 중 상기 편차가 상기 임계치 이상인 제2 기간 동안, 상기 상기 제1 내지 제4 스위치를 스위칭하여 상기 제2 권선에 에너지가 저장되고, 상기 제2 권선에 저장된 에너지가 상기 제1 권선에 전달되도록 하는, 배터리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 기간 동안, 상기 제3 및 제4 스위치의 온 기간 동안 상기 제2 권선에 전류가 흐르고, 상기 제3 및 제4 스위치의 오프 및 상기 제1 및 제2 스위치의 온 기간 동안 상기 제1 권선에 상기 제2 전류가 유도되는, 배터리 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는,
    상기 제1 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 일단 사이에 연결된 제1 다이오드; 및
    상기 제2 스위치의 일단과 상기 제1 권선의 타단 사이에 연결된 제2 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제1 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제2 스위치의 타단은 상기 제1 권선의 일단에 연결되어 있는, 배터리 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는,
    상기 제3 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 일단 사이에 연결된 제3 다이오드; 및
    상기 제4 스위치의 일단과 상기 제2 권선의 타단 사이에 연결된 제4 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제3 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결되어 있고, 상기 제4 스위치의 타단은 상기 제2 권선의 일단에 연결되어 있는, 배터리 시스템.
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