WO2014112685A1 - 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로 - Google Patents

엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로 Download PDF

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WO2014112685A1
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battery cells
series
switch
battery cell
terminal
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PCT/KR2013/002290
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성창현
이경민
정유채
강봉구
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포항공과대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a balancing technology of multi-battery cells, and in particular, in a module having a multi-battery cell structure, by using LC series resonance, the charging or discharging of the multi-battery cells can be controlled as a whole or individually to improve the use time of the battery cells.
  • the present invention relates to a battery cell balancing circuit using an LC series resonance.
  • the battery module When charging a battery module, when one battery cell reaches the upper limit voltage first compared to the other battery cells in the battery module, the battery module cannot be charged any more, so the other battery cells are not fully charged. shall. In this case, the charging capacity of the battery module does not reach the rated charging capacity.
  • the battery module when the battery module is discharged, when one battery cell reaches the lower limit voltage earlier than the other battery cells in the battery module, the battery module can no longer be used, thereby reducing the use time of the battery module.
  • the use time of the battery module may be improved. It is called balancing.
  • FIG. 1 is a battery cell balancing circuit diagram using a parallel resistor according to the prior art, as shown therein, a battery module 11 having battery cells CELL1-CELL4 connected in series and resistors R11-R14 connected in series. ) And a switch (SW11-SW15) for selectively connecting respective connection terminals between both terminal terminals of the battery module 11 and the battery cells CELL1-CELL4 to the corresponding terminals of the resistors R11-R14, respectively. It includes.
  • the charging voltage of any battery cell among the battery cells CELL1-CELL4 in the battery module 11 reaches an upper limit voltage first compared to the charging voltages of other battery cells.
  • the corresponding switch is turned on among the switches SW11-SW15 to discharge the charging voltage through the corresponding resistor among the resistors R11-R14.
  • the switch SW12 is turned on. Accordingly, the charging voltage of the battery cell CELL2 is discharged through the resistor R12 to balance the battery cells.
  • FIG. 2 is a battery cell balancing circuit diagram using a capacitor according to the prior art, as shown therein, a battery module 21 having battery cells CELL1-CELL4 connected in series, and capacitors C21-C23 connected in series. And one terminal of the capacitor C21, the connection terminal between the capacitors C21 and C22, the connection terminal between the capacitors C22 and C23, and the other terminal of the capacitor C23 to the battery cells CELL1-CELL4.
  • Each switch includes a switch (SW21-SW24) for selectively connecting to each of the two terminals.
  • the battery cell balancing circuit using the capacitor has two connection states.
  • the first connection state as shown in FIG. 2, one terminal of the capacitor C21, the connection terminal between the capacitors C21 and C22, the connection terminal between the capacitors C22 and C23, and the other terminal of the capacitor C23, respectively.
  • the one terminal (anode terminal) of each of the battery cells CELL1-CELL4 is respectively connected.
  • the second connection state one terminal of the capacitor C21, the connection terminal between the capacitors C21 and C22, the connection terminal between the capacitors C22 and C23, and the other terminal of the capacitor C23 are each the battery cell ( CELL1-CELL4) are respectively connected to the other terminal (cathode terminal).
  • such a battery cell balancing circuit has a problem of low efficiency due to hard switching operation between the capacitor and the battery cell.
  • the capacity between the battery cells in the battery module is preferably the same, the capacity between the battery cells is different for various reasons. In this case, even when the charging voltage of one battery cell is lower than the charging voltage of another battery cell, it may have a larger capacity. In such a case, it is necessary to transfer a voltage of a battery cell having a low voltage to a battery cell having a high voltage.
  • such a battery cell balancing circuit has a defect in that such a voltage transfer function cannot be performed.
  • FIG. 3 is a battery cell balancing circuit diagram using a flyback structure according to the prior art, as shown therein, a battery module 31 having a battery cell CELL1-CELL4 connected in series, a flyback converter 32 and And a switch (SW31-SW34) for selectively connecting each of the plurality of secondary coils of the flyback converter 32 to both terminals of each of the battery cells CELL1-CELL4, and the primary of the flyback converter 32. And a switch SW35 for selectively connecting both ends of the coil to both ends of the battery module 31.
  • the battery cell balancing circuit of FIG. 3 is a battery cell balancing circuit using a flyback structure, which is one of Switch Mode Power Supply (SMPS), and the battery cells CELL1 connected in series in the battery module 31 using the switches SW31-SW34. It is possible to transfer electrical energy to each of -CELL4, and have a structure capable of transferring electrical energy between both end terminals of the battery module 31.
  • SMPS Switch Mode Power Supply
  • Such a battery cell balancing circuit has an advantage of excellent efficiency since it has a form of SMPS, but as the number of battery cells included in the battery module increases, the size of the magnetic core used for the flyback converter increases. There is a problem that the price of the battery cell balancing circuit rises.
  • the problem to be solved by the present invention is to enable the electrical energy exchange between the battery cells by using the LC resonant circuit to minimize the loss due to the hard switching, transfer energy from the battery cells having a high energy to the battery cells having a low energy It is.
  • a battery cell balancing circuit using an LC series resonance battery module including a plurality of battery cells connected in series; A series resonant circuit having a series connected inductor and a capacitor to perform a series resonant function;
  • a first switch unit including a plurality of switches respectively connected between each terminal of the three battery cells and the first common node; A second common with each terminal of the plurality of battery cells to provide a path for supplying electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the one or more battery cells or recovering the charged electrical energy from the one or more battery cells.
  • a second switch unit including switches connected between nodes; The first common node and the first node to provide a path for recovering electrical energy charged from one or more battery cells of the plurality of battery cells or to supply electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the one or more battery cells.
  • a third switch unit including switches connected between both terminals of the series resonant circuit, and switches connected between the second common node and both terminals of the series resonant circuit.
  • a battery cell balancing circuit using an LC series resonator including: a battery module including a plurality of battery cells connected in series; A series resonant circuit having a series connected inductor and a capacitor to perform a series resonant function; In order to recover the electrical energy charged from one or more battery cells of the plurality of battery cells to store in the capacitor or to provide a path for supplying the electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the one or more battery cells, A first switch unit including a plurality of MOS transistors and a reverse current blocking diode connected in series between respective terminals of the two battery cells and the first common node; A second common with each terminal of the plurality of battery cells to provide a path for supplying electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the one or more battery cells or recovering the charged electrical energy from the one or more battery cells.
  • a second switch unit including a plurality of MOS transistors and a reverse current blocking diode connected in series between nodes; And a path for recovering electrical energy charged from one or more battery cells among the plurality of battery cells or for supplying electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the one or more battery cells.
  • a series connected MOS transistor and a reverse current blocking diode connected respectively between both terminals of the series resonant circuit, and a series connected MOS transistor respectively connected between the second common node and both terminals of the series resonant circuit.
  • a third switch unit including a reverse current blocking diode.
  • a battery cell balancing circuit using an LC series resonance battery module including a plurality of battery cells connected in series; A series resonant circuit having a series connected inductor and a capacitor to perform a series resonant function; Each of the plurality of battery cells provides a path for recovering the electrical energy charged from any battery cell among the plurality of battery cells or providing a path for supplying the electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the battery cells.
  • a first switch including a plurality of switch paths connected between terminals of some of the terminals and the first common node, each of the plurality of switch paths including two morph transistors connected in series in parallel with a diode; Switch unit; In order to supply the electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the arbitrary battery cells or to provide a path for recovering the charged electrical energy from the arbitrary battery cells, A second switch including a plurality of switch paths connected between the remaining terminal except the terminals and the second common node, the plurality of switch paths each including two morph transistors connected in series in parallel with a diode; part; And the first common node to provide a path for recovering electric energy charged from any battery cell among the plurality of battery cells or for supplying electric energy stored in the capacitor to the battery cells.
  • a switch path connected in parallel between both terminals of the series resonant circuit and a switch path connected in parallel between the second common node and both terminals of the series resonant circuit, wherein the plurality of switch paths include a diode.
  • a third switch unit including two morph transistors each connected in series in a parallel connection form.
  • a battery cell balancing circuit using an LC series resonance includes: a battery module having a plurality of battery cells connected in series; A series resonant circuit having an inductor and a capacitor connected in series between the first common node and the second common node to perform a series resonant function; In order to recover the electrical energy charged from one or more battery cells of the plurality of battery cells to store in the capacitor or to provide a path for supplying the electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the one or more battery cells, A first switch unit including a plurality of switches each connected between each terminal of three battery cells and the first common node; And a terminal for supplying electrical energy already recovered and stored in the capacitor to the one or more battery cells, or providing a path for recovering the charged electrical energy from the one or more battery cells. And a second switch unit having switches connected between the two common nodes, respectively.
  • the present invention provides a battery cell balancing function having a plurality of battery cells, by using an LC resonant circuit to enable the exchange of electrical energy between the battery cells, minimizing the loss due to hard switching, high energy
  • the branch can transfer energy from the battery cell to the battery cell having a low energy, thereby improving the battery performance.
  • 1 is a battery cell balancing circuit using a parallel resistor according to the prior art.
  • FIG. 2 is a battery cell balancing circuit diagram using a capacitor according to the prior art.
  • FIG. 3 is a battery cell balancing circuit using a flyback structure according to the prior art.
  • FIG. 4 is a battery cell balancing circuit diagram using an LC series resonance according to a first embodiment of the present invention.
  • 5A is a circuit diagram illustrating an example of recovering and storing electrical energy of a battery cell in FIG. 4.
  • 5B is a circuit diagram illustrating an example of supplying charged electric energy to the battery cell recovered in FIG. 4.
  • 6A is a waveform diagram of a current of a battery cell in which voltage and electric energy charged in a capacitor of a resonant circuit are recovered.
  • 6B is a waveform diagram of a current discharged from a capacitor of a resonant circuit and a current of a battery cell supplied with electric energy.
  • FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a second embodiment in which the switch of the 1-3 switch unit in FIG. 4 is implemented using an N-channel MOS transistor and a diode.
  • FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a third embodiment implemented with an N-channel MOS transistor by simplifying the 1-3 switch unit in FIG. 4.
  • FIG. 9 is a battery cell balancing circuit diagram of a fourth embodiment using an L series resonance according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a circuit diagram illustrating an example of supplying charged electric energy to a battery cell.
  • FIG. 10B is a circuit diagram illustrating an example of supplying charged electric energy to a battery cell, recovered in FIG. 9.
  • FIG. 11 is a circuit diagram illustrating an example of implementing the 1-2 switch unit as an N-channel MOS transistor in FIG. 9.
  • FIG. 12 is a circuit diagram illustrating an example of implementing the N-channel MOS transistor by simplifying the 1-2 switch of FIG. 9.
  • FIG. 13 illustrates a circuit for protecting the series resonant circuit and the switch unit in FIG. 9.
  • FIG. 4 is a battery cell balancing circuit diagram using an L series series resonance according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the battery module 41, the series resonance circuit 42, and the 1-3 switch unit 43-4 are illustrated. 45).
  • the battery module 41 includes the first-four battery cells CELL1-CELL4 connected in series.
  • the series resonant circuit 42 includes an inductor Ls and a capacitor Cs connected in series.
  • the first switch unit 43 is for forming a recovery and supply path of the electrical energy, one terminal is connected to each terminal of the 1-4 battery cells (CELL1-CELL4), the other terminal is a first common node A 1-5 switch (SW41-SW45) common connected to (N1) is provided.
  • the second switch unit 44 is to form a recovery and supply path of the electrical energy, one terminal is connected to each terminal of the 1-4 battery cells (CELL1-CELL4), the other terminal is a second common node And a sixth-10th switch SW46-SW50 commonly connected to N2.
  • the third switch 45 may include a first switch SW51 and the series resonance circuit 42 for connecting one end terminal of the series resonance circuit 42 to the first common node N1 in an electrical energy recovery mode.
  • a switch SW52 for connecting the other end terminal of the series terminal to the second common node N2, and a second terminal terminal for connecting the other end terminal of the series resonance circuit 42 to the first common node N1 in an electric energy supply mode.
  • a third switch SW53 and a fourth switch SW54 connecting one end terminal of the series resonance circuit 42 to the second common node N2 are provided.
  • each terminal of the first to fourth battery cells CELL1 to CELL4 includes one terminal of the first battery cell CELL1, the other terminal of the first battery cell CELL1, and one terminal of the second battery cell CELL2.
  • Common connection terminal of the other terminal of the second battery cell CELL2 and one terminal of the third battery cell CELL3, the other terminal of the third battery cell CELL3 and the fourth battery cell CELL4 The common connection terminal of one terminal and the other terminal of the fourth battery cell CELL4.
  • the electric energy charged in an arbitrary battery cell among the first to fourth battery cells CELL1 to CELL4 of the battery module 41 is connected to the series resonant circuit 42 through the first switch part 43 and the third switch part 45. Is temporarily charged in the capacitor Cs, and the electrical energy charged in the series resonance circuit 42 is transferred to the first through fourth battery cells through the third and second switch units 45 and 44. It is charged in any battery cell among (CELL1-CELL4).
  • a single pole single throw is described as an example of a switch provided in the first switch unit 43-45, but the present invention is not limited thereto.
  • a MOSFET metal
  • BJTs Oxide Field Effect Transistors
  • BJTs Bipolar Junction Transistors
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • the number of switches of the first and second switch units 43 and 44 may be added to correspond to the added number.
  • FIG. 5A illustrates a series resonant circuit by recovering electrical energy charged in the third battery cell CELL3 relatively higher than other battery cells as an arbitrary battery cell among the first-fourth battery cells CELL1-CELL4 of the battery module 41.
  • An example of temporarily charging the capacitor Cs of the furnace 42 is shown.
  • the third switch SW43 of the first to fourth switches SW41 to SW45 of the first switch unit 43 is turned on and all the remaining switches are turned off.
  • the ninth switch SW49 of the sixth to tenth switches SW46-SW50 of the second switch unit 44 is turned on and all the remaining switches are turned off.
  • the eleventh and twelfth switches SW51 and SW52 are turned on among the eleventh through 14th switches SW51 and SW54 of the third switch unit 45, and all the remaining switches are turned off.
  • a third common node (not shown), wherein one terminal of the third battery cell CELL3 of the battery module 41 is one terminal of the series resonance circuit 42 through the third switch SW43 and the eleventh switch SW51.
  • the fourth common node N4 which is the other terminal of the series resonance circuit 42, is connected to the second common node N2 through the twelfth switch SW52.
  • the charging energy of the third battery cell CELL3 is recovered through the third and eleventh switches SW43 and SW51 and charged to the capacitor Cs of the series resonance circuit 42.
  • the charging voltage of the third battery cell CELL3 is minutely reduced. Descends.
  • the charging voltage of the capacitor Cs is increased in the form of a sine function as shown in FIG.
  • the current graph I L represents a change in the amount of current of the third battery cell CELL3.
  • FIG. 5B illustrates the electrical energy temporarily charged in the third battery cell CELL3 of the battery module 41 through the same process as described above in the capacitor Cs of the series resonance circuit 42.
  • An example of supplying the first battery cell CELL1 as an arbitrary battery cell among the first to fourth battery cells CELL1 to CELL4 is shown.
  • the second switch SW42 of the first to fifth switches SW41 to SW45 of the first switch unit 43 is turned on and all the remaining switches are turned off.
  • the sixth switch SW46 of the sixth to tenth switches SW46-SW50 of the second switch unit 44 is turned on and the remaining switches are all turned off.
  • the thirteenth and fourteenth switches SW53 and SW54 of the 11th through 14th switches SW51 and SW54 of the third switch unit 45 are turned on, and the remaining switches are all turned off.
  • the third common node N3, which is one terminal of the series resonance circuit 42 is connected to the first battery cell CELL1 of the battery module 41 through the fourteenth switch SW54 and the sixth switch SW46.
  • the fourth common node N4 which is the other terminal of the series resonance circuit 42, is connected to the first common node N2 through the Be13 switch SW53.
  • the capacitor Cs of the series resonance circuit 42 Accordingly, electrical energy temporarily charged in the capacitor Cs of the series resonance circuit 42 is transferred to the first battery cell CELL1 of the battery module 41 through the fourteenth and sixth switches SW54 and SW46. Is supplied. At this time, the charging voltage of the capacitor Cs is reduced in the form of a sine function as shown in FIG. In FIG. 6B, the current graph I L shows a change in the amount of current of the first battery cell CELL1.
  • electrical energy charged in an arbitrary battery cell may be recovered to a capacitor Cs of the series resonance circuit 42 to be temporarily charged, or the charged electrical energy may be supplied to an arbitrary battery cell.
  • the amount of power delivered is determined by the values of capacitor Cs and inductor Ls of the series resonant circuit 42. For example, the larger the value of the capacitor (Cs), the smaller the value of the inductor (Ls) because the greater the amount of power delivered, the faster the balancing is achieved, but as the amount of resonant current increases the amount of loss, so the capacitor (Cs) And the value of the inductor Ls is preferably set appropriately.
  • the amount of power delivered through resonance was confirmed to be about 0.5W through experiments.
  • 5A and 5B are repeatedly performed as necessary until the balance between the third battery cell CELL3 and the first battery cell CELL1 is achieved, thereby recovering the charging energy of the third battery cell CELL3. Is supplied to the first battery cell CELL1.
  • a series of balancing functions are determined by determining a battery cell charged with the highest electrical energy and a battery cell charged with the lowest electrical energy among the 1-4 battery cells CELL1-CELL4 of the battery module 41.
  • a balancing algorithm can be used.
  • a balancing function is performed on one battery cell charged with the highest electric energy and one battery cell charged with the lowest electric energy among the 1-4 battery cells CELL1-CELL4 of the battery module 41.
  • the present invention has been described, the present invention is not limited thereto, and a balancing function may be performed through the above process with respect to n battery cells.
  • the switch SW50 and the switch SW41 are turned on and the switches SW51 and SW52 are turned on, the first and second battery cells CELL1 to CELL4 of the battery module 41 are charged. Electrical energy may be recovered to the capacitor Cs of the series resonant circuit 42.
  • the sixth switch SW46 and the fifth switch SW45 are turned on, and the thirteenth and fourteenth switches SW53 and SW54 are turned on, the capacitor Cs of the series resonance circuit 42 is temporarily charged. The supplied electrical energy may be supplied to the first-fourth battery cells CELL1-CELL4 of the battery module 41.
  • FIG. 7 shows a second embodiment of the battery cell balancing circuit of the present invention, which is compared with the battery cell balancing circuit of the first embodiment of FIG. 4.
  • And (45A) switch is implemented by the 1-5 morph transistor (M41-M45), 6-10 morph transistor (M46-M50), 11-14 morph transistor (M51-M54).
  • M41-M45 1-5 morph transistor
  • M46-M50 6-10 morph transistor
  • M51-M54 11-14 morph transistor
  • the arrangement positions of the MOS transistors and the diodes connected in series may be changed as necessary, and the MOS transistors may include a P-channel MOS transistor or an N-channel MOS transistor.
  • the first and second terminals of the 1-5 morph transistors M41-M45, 6-10 morph transistors M46-M50, and 11-14 morph transistors M51-M54 are also provided. -4 Reverse current blocking diodes D41 to D54 were respectively connected.
  • FIG. 8 shows a third embodiment of the battery cell balancing circuit of the present invention, and compared to FIG. 4, the current can be applied in both directions of the first and second switch units 43B and 44B. The difference is that the number of switch paths is cut in half and implemented with morph transistors instead of SPST switches.
  • FIG. 4 five switch paths exist between the first through fourth battery cells CELL1-CELL4 and the first and second common nodes N1 and N2 of the battery module 41, and thus, all ten switches.
  • the route exists.
  • three switch paths exist in the first switch unit 43B connected between the first to fourth battery cells CELL1 to CELL4 and the first common node N1 of the battery module 41.
  • two switch paths exist in the second switch unit 44B connected between the first-4 battery cells CELL1-CELL4 and the second common node N2 of the battery module 41, and thus, five switches in total. The route exists.
  • MOS transistors connected in parallel with the diodes were connected in series on the five switch paths in order to enable the current to be applied in each of the five switch paths in both directions.
  • the first and second MOS transistors M81 which are connected in parallel with diodes between one terminal of the first battery cell CELL1 and the first common node N1, respectively, M82 are connected in series
  • the third and fourth MOS transistors M83 and M84 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the third battery cell CELL3 and the first common node N1.
  • the fifth and sixth transistors M85 and M86 connected in parallel with the diodes are connected in series between the other terminal of the fourth battery cell CELL4 and the first common node N1.
  • the seventh and eighth MOS transistors M87 and M88 connected in parallel with diodes between one terminal of the second battery cell CELL2 and the second common node N2, respectively. are connected in series, and the ninth and tenth transistors M89 and M90 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the fourth battery cell CELL4 and the second common node N2. .
  • the MOS transistor was connected to the 3rd switch part 45B as mentioned above. That is, the eleventh and twelfth transistors M91 and M92 connected in parallel with the diode are connected in series between the first common node N1 and the third common node N3, which is one terminal of the series resonance circuit 42. 13th and 14th MOS transistors M93 and M94 connected in parallel with a diode between the second common node N2 and the fourth common node N4 which is the other terminal of the series resonance circuit 42. The first common node N1 and the fourth common node N4 are connected in series, and the 15th and 16th MOS transistors M95 and M96 connected in parallel with the diode are connected in series, and the second common node is connected in series. 17th and 18th MOS transistors M97 and M98 connected in parallel with the diode are connected in series between the node N2 and the third common node N3.
  • the electrical energy recovery path of the third battery cell CELL3 may include one terminal of the third battery cell CELL3, a third diode D83, a third MOS transistor M83, and a first common node.
  • N1 eleventh diode (D91), twelfth MOS transistor (M92), series resonant circuit 42, thirteenth diode (D93), fourteenth MOS transistor (M94), second common node (N2), and A ninth diode D89, a tenth MOS transistor M90, and the other terminal of the third battery cell CELL3 are formed.
  • a path for supplying the electrical energy recovered and stored in the capacitor Cs to the fourth battery cell CELL4 may include another terminal of the fourth battery cell CELL3, a fifth diode D85, Sixth MOS transistor M86, first common node N1, fifteenth diode D95, sixteenth MOS transistor M96, series resonance circuit 42, seventeenth diode D97, eighteenth MOS transistor M98, a second common node N2, a ninth diode D89, a tenth MOS transistor M90, and one terminal of the fourth battery cell CELL4.
  • FIG. 9 illustrates a fourth embodiment of the battery cell balancing circuit of the present invention, in which a third switch unit is omitted in comparison with the battery cell balancing circuit of the first embodiment of FIG.
  • a battery module 91 a series resonant circuit 92, a first switch unit 93, and a second switch unit 94 are provided.
  • the series resonant circuit 92 is not selectively connected between the first and second common nodes N1 and N2 through a switch element, but the inductor Ls of the series resonant circuit 92 is used.
  • One terminal of is fixedly connected to the first common node N1, and the other terminal of the capacitor Cs of the series resonance circuit 92 is fixedly connected to the second common node N2.
  • FIG. 10A illustrates an example of charging and temporarily charging the capacitor Cs of the series resonant circuit 92 by recovering electrical energy charged in the third battery cell CELL3 in FIG. 9.
  • the third switch SW93 and the third switch SW93 are turned on, and the remaining switches are all turned off. Accordingly, one terminal of the third battery cell CELL3, the third switch SW93, the first common node N1, the series connected inductor Ls and the capacitor Cs of the series resonance circuit 92, and the second A recovery path connected to the common node N2, the ninth switch SW99, and the other terminal of the third battery cell CELL3 is formed. Accordingly, the electric energy of the third battery cell CELL3 is temporarily charged in the capacitor Cs through the third switch SW93, the first common node N1, and the inductor Ls.
  • FIG. 10B is an exemplary diagram of supplying charged electrical energy and exemplarily illustrates charging the first battery cell CELL1 with electrical energy temporarily charged in the capacitor Cs.
  • the first switch SW91 and the seventh switch SW97 are turned on, and the remaining switches are all turned off. Therefore, one terminal of the first battery cell CELL1, the first switch SW91, the first common node N1, the series connected inductor Ls and the capacitor Cs of the series resonant circuit 92, and the second A supply path connected to the common node N2, the seventh switch SW97, and the other terminal of the first battery cell CELL1 is formed. Accordingly, the electric energy charged in the capacitor Cs is supplied to the first battery cell CELL1 through the inductor Ls, the first common node N1, and the first switch SW91 to be charged.
  • FIG. 11 illustrates an example in which the SPST switches of the first and second switch units 93 and 94 are implemented as a MOS transistor in the battery cell balancing circuit of FIG. 9.
  • first and second MOS transistors M101 and parallel connected to a diode between one terminal of the first battery cell CELL1 and the first common node N1 are respectively connected.
  • the M102 is connected in series, and the third and fourth MOS transistors M103 and M104 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the second battery cell CELL2 and the first common node N1.
  • the fifth and sixth transistors M105 and M106 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the third battery cell CELL3 and the first common node N1.
  • the seventh and eighth transistors M107 and M108 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the fourth battery cell CELL4 and the first common node N1, and the fourth battery cell CELL4 is connected in series.
  • the ninth and tenth MOS transistors M109 and M110 connected in parallel with the diodes were connected in series between the other terminal of the X1 and the first common node N1.
  • the eleventh and twelfth transistors M1111 and M112 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the first battery cell CELL1 and the second common node N2.
  • the 13th and 14th transistors M113 and M114 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the second battery cell CELL2 and the second common node N2, and the third battery cell is connected in series.
  • the 15th and 16th MOS transistors M115 and M116 connected in parallel with the diodes are connected in series between one terminal of the CELL3 and the second common node N2, and the one terminal of the fourth battery cell CELL4 is connected in series.
  • FIG. 12 illustrates another embodiment of the first and second switch units in FIG. 9, and compares the first and second switch units 93B and 94B to each other so that current can be applied in both directions. The difference is that the number is cut in half and implemented with a MOS transistor instead of the SPST switch.
  • the configuration of the first and second switch units 93B and 94B is the same as that of the first and second switch units 43B and 44B in FIG. 8.
  • the third switch unit is omitted, and both ends of the series resonant circuit 92 are directly connected between the first and second common nodes N1 and N2.
  • the current flow between the first-4 battery cells CELL1-CELL4 is limited. That is, electrical energy is transferred only between the first and third battery cells CELL1 and CELL3 that are odd-numbered battery cells, or only between second and fourth battery cells CELL2 and CELL4 that are even-numbered battery cells. It is possible.
  • Figure 13 shows an embodiment of a circuit for protecting the series resonant circuit applied to the battery cell balancing circuit of the present invention.
  • a protection circuit for a series resonant circuit includes a terminal between both ends of the series resonant circuit 131 including an inductor Ls and a capacitor Cs connected in series, and an upper terminal TOP_STACK.
  • First and second diodes D131 and D132 connected in parallel to each other, third and fourth diodes D133 and D134 connected in parallel between both ends of the series resonance circuit 131 and the lower terminal BOTTOM_STACK, and the capacitors.
  • a switch SW131 connected in parallel to Cs.
  • the upper terminal TOP_STACK is a terminal connected to the positive terminal of the first battery cell CELL1 on the uppermost side in the battery module 91 of FIG. 12, and the lower terminal BOTTOM_STACK is the lowest in the battery module 91. This terminal is connected to the negative terminal of the fourth battery cell CELL1 on the side.
  • the switch elements are protected by the diodes D131-D134 connected as shown in FIG. 13.
  • the fourth common node N4 and the third common node N3 as current flows to the battery stack through the paths of the diode D134, the inductor Ls, the capacitor Cs, and the diode D131. Only the voltage of the battery stack is applied at both ends of. By this principle the elements are protected.
  • the protection circuit is configured to exhaust the current remaining in the inductor Ls after the resonant operation of the series resonant circuit 131 to prevent the switching element and the series resonant circuit 131 from voltage spikes that may be caused by a sudden change in the inductor current. Protected.
  • the switch SW131 resets the charge remaining in the capacitor Cs after the resonance operation of the series resonance circuit 131 so that the next resonance may occur efficiently.

Abstract

본 발명은, 멀티 배터리셀 구조의 모듈에서 LC 직렬공진을 이용하여 멀티 배터리셀에 대하여 전체적으로 또는 개별적으로 충전이나 방전을 제어하여 배터리셀의 사용시간을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다. 이를 위해 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈; 직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로; 배터리모듈과 직렬공진회로 간의 회수 전기에너지의 경로와 공급에너지 경로를 설정하기 위한 제1-3 스위치부를 구비한다.

Description

엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로
본 발명은 멀티 배터리셀의 밸런싱 기술에 관한 것으로, 특히 멀티 배터리셀 구조의 모듈에서 LC 직렬공진을 이용하여 멀티 배터리셀에 대하여 전체적으로 또는 개별적으로 충전이나 방전을 제어하여 배터리셀의 사용시간을 향상시킬 수 있도록 한 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 전지(배터리셀)의 양단 전압이 일정 수치를 넘을 경우 폭발의 위험이 있고, 일정 수치 이하로 떨어질 경우에는 배터리셀에 영구적인 손상이 가해지게 된다. 하이브리드 전기자동차나 노트북 컴퓨터 등은 비교적 대용량의 전원공급이 요구되므로 배터리셀을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 경우, 배터리셀을 직렬로 접속한 배터리 모듈(배터리 팩)을 사용한다. 그런데, 이와 같은 배터리 모듈을 사용하는 경우 각 배터리셀의 성능 편차에 의하여 전압의 불균형이 발생될 수 있다.
배터리 모듈 충전 시 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 모듈을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리 모듈의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다.
한편, 배터리 모듈 방전 시에는 상기 배터리 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리 모듈을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리 모듈의 사용시간이 단축된다.
상기와 같이 배터리 모듈의 충전 또는 방전 시 보다 높은 전기 에너지를 갖는 배터리셀의 전기 에너지를 보다 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀로 공급해 줌으로써 배터리 모듈의 사용시간을 향상시킬 수 있는데, 이와 같은 동작을 배터리셀 밸런싱이라고 부른다.
도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬접속된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(11)과, 직렬접속된 저항(R11-R14) 및, 상기 배터리 모듈(11)의 양측 종단 단자, 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 간의 각각의 접속단자를 상기 저항(R11-R14)의 대응 단자 각각에 선택적으로 접속하는 스위치(SW11-SW15)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 배터리 모듈(11) 충전 시 상기 배터리 모듈(11) 내의 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀의 충전전압이 다른 배터리셀들의 충전전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달하는 경우 스위치(SW11-SW15) 중에서 해당 스위치를 턴온시켜 상기 저항(R11-R14) 중에서 해당 저항을 통해 충전전압이 방전되도록 한다.
예를 들어, 두 번째의 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 다른 배터리셀(CELL1, CELL3,CELL4)의 충전압에 비하여 먼저 상한전압에 도달한 경우, 스위치(SW12)를 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 배터리셀(CELL2)의 충전전압이 저항(R12)을 통해 방전되어 배터리셀 밸런싱이 이루어진다.
그러나, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로를 이용하는 경우 저항을 통해 전력이 소모되므로 그만큼 효율이 저하되고, 배터리 모듈 사용 중에 상한전압을 전압이 낮은 배터리셀로 공급할 수 없어 효율이 저하된다.
도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬접속된 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(21)과, 직렬접속된 커패시터(C21-C23)와, 커패시터(C21)의 일측 단자, 커패시터(C21),(C22) 간의 접속단자, 커패시터(C22),(C23) 간의 접속단자, 커패시터(C23)의 타측 단자 각각을 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 양측 단자 중 하나에 각기 선택적으로 접속하는 스위치(SW21-SW24)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는 2가지의 접속 상태를 갖는다. 제1 접속 상태에서는 도 2에서와 같이 커패시터(C21)의 일측 단자, 커패시터(C21),(C22) 간의 접속단자, 커패시터(C22),(C23) 간의 접속단자, 커패시터(C23)의 타측 단자 각각이 상기 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각의 일측 단자(양극단자)에 각기 접속된다. 제2 접속 상태에서는 커패시터(C21)의 일측 단자, 커패시터(C21),(C22) 간의 접속단자, 커패시터(C22),(C23) 간의 접속단자, 커패시터(C23)의 타측 단자 각각이 상기 배터리셀(CELL1- CELL4) 각각의 타측 단자(음극단자)에 각기 접속된다.
그런데, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로는 커패시터와 배터리셀 간에 하드 스위칭 동작이 발생하여 효율이 낮은 문제점이 있다. 배터리 모듈 내의 배터리셀들 간의 용량이 서로 동일한 것이 바람직하지만, 여러 가지 이유로 인하여 배터리셀들 간의 용량이 다르게 된다. 이와 같은 경우 어느 배터리셀의 충전 전압이 다른 배터리셀의 충전전압에 비하여 낮더라도 더 큰 용량을 갖을 수 있다. 이와 같은 경우 전압이 낮은 배터리셀의 전압을 전압이 높은 배터리셀에 전달할 필요가 있는데, 이와 같은 종래의 배터리셀 밸런싱 회로에서는 그와 같은 전압 전달 기능을 수행할 수 없는 결함이 있다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 직렬접속된 배터리셀(CELL1- CELL4)을 구비하는 배터리 모듈(31)와, 플라이백 컨버터(32) 및, 상기 플라이백 컨버터(32)의 복수 개의 2차 코일 각각을 상기 배터리셀(CELL1- CELL4) 각각의 양측 단자에 선택적으로 접속하는 스위치(SW31-SW34), 상기 플라이백 컨버터(32)의 1차 코일 양단을 상기 배터리 모듈(31)의 양단에 선택적으로 접속하는 스위치(SW35)를 포함한다.
도 3의 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS(Switch Mode Power Supply) 중 하나인 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로로서 스위치(SW31-SW34)를 이용하여 배터리 모듈(31) 내의 직렬접속된 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각에 전기 에너지 전달이 가능하고, 배터리 모듈(31)의 양측 종단 단자의 사이에 전기 에너지 전달이 가능한 구조를 갖는다.
이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로는 SMPS의 형태를 가지므로 효율이 우수한 장점이 있지만, 배터리 모듈에 구비되는 배터리셀의 개수가 증가될수록 플라이백 컨버터에 사용되는 마그네틱 코어의 크기가 커지는 단점이 있고, 그에 따라 배터리셀 밸런싱 회로의 가격이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 LC 공진회로를 이용하여 배터리셀 간의 전기 에너지 교환이 가능하도록 하여 하드 스위칭에 의한 손실을 최소화 하고, 높은 에너지를 가지는 배터리 셀에서 낮은 에너지를 갖는 배터리셀로 에너지를 전달하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는, 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈; 직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로; 상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하여 상기 커패시터에 저장하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 각기 접속된 복수 개의 스위치를 구비하는 제1 스위치부; 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하거나 상기 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제2 공통노드 사이에 각기 접속되는 스위치들을 구비하는 제2 스위치부; 상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 제1 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 접속되는 스위치들 및, 상기 제2 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 접속되는 스위치들을 구비하는 제3 스위치부;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 제2실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는, 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈; 직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로; 상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하여 상기 커패시터에 저장하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드를 복수 개 구비하는 제1 스위치부; 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하거나 상기 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제2 공통노드 사이에 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드를 복수 개 구비하는 제2 스위치부; 및 상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 제1 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 각기 접속되는 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드 및, 상기 제2 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 각기 접속되는 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드를 구비하는 제3 스위치부;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 제3실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는, 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈; 직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로; 상기 복수 개의 배터리셀 중에서 임의의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 임의의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자 중 일부의 단자들과 제1 공통노드의 사이에 접속된 복수개의 스위치 경로를 구비하되, 상기 복수개의 스위치 경로는 다이오드와 병렬접속된 형태로 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 각각 포함하는 제1 스위치부; 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 임의의 배터리셀에 공급하거나 상기 임의의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자 중 상기 일부의 단자들 제외한 나머지 단자와 제2 공통노드의 사이에 접속된 복수개의 스위치 경로를 구비하되, 상기 복수개의 스위치 경로는 다이오드와 병렬접속된 형태로 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 각각 포함하는 제2 스위치부; 및 상기 복수 개의 배터리셀 중에서 임의의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 임의의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 제1 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 병렬접속된 스위치 경로 및, 상기 제2 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 병렬접속된 스위치 경로를 각기 구비하되, 상기 복수개의 스위치 경로는 다이오드와 병렬접속된 형태로 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 각각 포함하는 제3 스위치부;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 제4실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는,직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈; 제1 공통노드 및 제2 공통노드의 사이에 직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로; 상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하여 상기 커패시터에 저장하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 상기 제1 공통노드 사이에 각기 접속된 복수 개의 스위치를 구비하는 제1 스위치부; 및 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하거나 상기 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 상기 제2 공통노드 사이에 각기 접속되는 스위치들을 구비하는 제2 스위치부;를 포함한다.
본 발명은 복수 개의 배터리 셀을 구비하여 배터리셀 밸런싱 기능을 수행하는 회로에 있어서, LC 공진회로를 이용하여 배터리셀 간의 전기 에너지 교환이 가능하도록 함으로써, 하드 스위칭에 의한 손실이 최소화 되고, 높은 에너지를 가지는 배터리 셀에서 낮은 에너지를 가지는 배터리셀로 에너지를 전달할 수 있어 배터리 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 병렬저항을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 커패시터를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 플라이백 구조를 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 5a 는 도 4에서 배터리 셀의 전기에너지를 회수하여 저장하는 예를 나타낸 회로도이다.
도 5b는 도 4에서 회수하여 충전된 전기에너지를 배터리셀에 공급하는 예를 나타낸 회로도이다.
도 6의 (a) 공진회로의 커패시터에 충전되는 전압 및 전기에너지가 회수되는 배터리 셀의 전류에 대한 파형도이다.
도 6의 (b)는 공진회로의 커패시터로부터 방전되는 전압 및 전기에너지가 공급되는 배터리 셀의 전류에 대한 파형도이다.
도 7은 도 4에서 제1-3 스위치부의 스위치를 N채널 모스트랜지스터와 다이오드로 구현한 제2실시예를 나타낸 회로도이다.
도 8은 도 4에서 제1-3 스위치부를 간략화하여 N채널 모스트랜지스터로 구현한 제3실시예를 나타낸 회로도이다.
도 9는 본 발명에 다른 실시예에 의한 엘씨 직렬공진을 이용한 제4실시예의 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 10a는 도 9에서 회수하여 충전된 전기에너지를 배터리셀에 공급하는 예를 나타낸 회로도이다.
도 10b는 도 9에서 회수하여 충전된 전기에너지를 배터리셀에 공급하는 예를 나타낸 회로도이다.
도 11은 도 9에서 제 1-2 스위치부를 N채널 모스트랜지스터로 구현한 예를 나타낸 회로도이다.
도 12는 도 9에서 제 1-2 스위치부를 간략화하여 N채널 모스트랜지스터로 구현한 예를 나타낸 회로도이다.
도 13은 도 9에서 직렬 공진 회로와 스위치부를 보호하기 위한 회로를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(41), 직렬공진회로(42),제1-3 스위치부(43-45)를 포함한다.
배터리 모듈(41)은 직렬접속된 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)을 구비한다.
직렬공진회로(42)는 직렬접속된 인덕터(Ls) 및 커패시터(Cs)를 구비한다.
제1스위치부(43)는 전기에너지의 회수 및 공급 경로를 형성하기 위한 것으로, 상기 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)의 각 단자에 일측 단자가 각기 접속되고 타측 단자가 제1공통노드(N1)에 공통접속된 제1-5 스위치(SW41-SW45)를 구비한다.
제2 스위치부(44)는 전기에너지의 회수 및 공급 경로를 형성하기 위한 것으로, 상기 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)의 각 단자에 일측 단자가 각기 접속되고 타측 단자가 제2공통노드(N2)에 공통접속된 제6-10 스위치(SW46-SW50)를 구비한다.
제3 스위치부(45)는 전기에너지회수모드에서 상기 직렬공진회로(42)의 일측 종단 단자를 상기 제1공통노드(N1)에 접속하는 제1 스위치(SW51), 상기 직렬공진회로(42)의 타측 종단 단자를 상기 제2 공통노드(N2)에 접속하는 스위치(SW52), 전기에너지공급모드에서 상기 직렬공진회로(42)의 타측 종단 단자를 상기 제1 공통노드(N1)에 접속하는 제3 스위치(SW53), 상기 직렬공진회로(42)의 일측 종단 단자를 상기 제2 공통노드(N2)에 접속하는 제4 스위치(SW54)를 구비한다.
여기서, 상기 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)의 각 단자는 제1 배터리셀(CELL1)의 일측 단자, 제1 배터리셀(CELL1)의 타측 단자와 제2 배터리셀(CELL2)의 일측 단자의 공통접속단자, 제2 배터리셀(CELL2)의 타측 단자와 제3 배터리셀(CELL3)의 일측 단자의 공통접속단자, 제3 배터리셀(CELL3)의 타측 단자와 제4 배터리셀(CELL4)의 일측 단자의 공통접속단자, 상기 제4 배터리셀(CELL4)의 타측 단자를 의미한다.
배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀에 충전된 전기 에너지는 제1 스위치부(43) 및 제3 스위치부(45)를 통해 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전되고, 상기 직렬공진회로(42)에 충전된 전기에너지는 상기 제3 스위치부(45) 및 제2 스위치부(44)를 통해 상기 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀에 충전된다.
도 4에서는 상기 제1-3 스위치부(43-45)에 구비된 스위치로서 SPST(Single Pole Single Throw)를 예로하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니라 다른 스위치 소자 예를 들어 MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 전력 스위치로 구현할 수 있다.
배터리 모듈(41)의 배터리셀 수가 추가되는 경우, 그 추가되는 개수에 대응하여 상기 제1,2 스위치부(43),(44)의 스위치 개수를 추가할 수 있다.
도 5a는 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀로서 제3 배터리셀(CELL3)에 다른 배터리셀보다 상대적으로 높게 충전된 전기에너지를 회수하여 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전하는 예를 나타낸 것이다.
도 5a를 참조하면, 제1 스위치부(43)의 제1-4 스위치(SW41-SW45) 중에서 제3 스위치(SW43)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 이때, 제2 스위치부(44)의 제6-10 스위치(SW46-SW50) 중에서 제9 스위치(SW49)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 그리고 제3 스위치부(45)의 제11-14 스위치(SW51-SW54) 중에서 제11,12 스위치(SW51),(SW52)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 배터리 모듈(41)의 제3 배터리셀(CELL3)의 일측 단자가 상기 제3 스위치(SW43), 제11 스위치(SW51)을 통해 직렬공진회로(42)의 일측 단자인 제3 공통노드(N3)에 접속되고, 상기 직렬공진회로(42)의 타측 단자인 제4 공통노드(N4)가 상기 제12 스위치(SW52)를 통해 제2 공통노드(N2)에 접속된다.
이에 따라, 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 충전에너지가 상기 제3,11 스위치(SW43),(SW51)를 통해 회수되어 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)로 충전된다. 여기서, 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 용량은 상기 커패시터(Cs)의 용량에 비하여 아주 크기 때문에 상기 직렬공진회로(42)가 공진할 경우 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 충전 전압이 미세하게 하강된다. 이때, 상기 커패시터(Cs)의 충전전압이 도 6의 (a)에서와 같이 사인(sine) 함수의 형태로 상승된다. 이와 같이, 상기 커패시터(Cs)의 충전전압이 완만하게 상승되므로 하드스위칭 손실이 거의 발생되지 않는다. 도 6의 (a)에서 전류 그래프(IL)는 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 전류량 변화를 나타낸 것이다.
도 5b는 상기 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)에 상기와 같은 과정을 통해 상기 배터리 모듈(41)의 제3 배터리셀(CELL3)에 일시적으로 충전된 전기에너지를 상기 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 임의의 배터리셀로서 제1 배터리셀(CELL1)에 공급하는 예를 나타낸 것이다.
도 5b를 참조하면, 제1 스위치부(43)의 제1-5 스위치(SW41-SW45) 중에서 제2 스위치(SW42)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 이때, 제2 스위치부(44)의 제6-10 스위치(SW46-SW50) 중에서 제6 스위치(SW46)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 그리고, 제3 스위치부(45)의 제11-14 스위치(SW51-SW54) 중에서 제13,14 스위치(SW53),(SW54)가 턴온되고 나머지 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 직렬공진회로(42)의 일측 단자인 제3 공통노드(N3)가 상기 제14 스위치(SW54) 및 제6 스위치(SW46)를 통해 상기 배터리 모듈(41)의 제1 배터리셀(CELL1)의 일측 단자에 접속되고, 상기 직렬공진회로(42)의 타측 단자인 제4 공통노드(N4)가 상기 베13 스위치(SW53)를 통해 제1 공통노드(N2)에 접속된다.
이에 따라, 상기 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 전기에너지가 제14,6 스위치(SW54),(SW46)를 통해 상기 배터리모듈(41)의 제1 배터리셀(CELL1)에 공급된다. 이때, 상기 커패시터(Cs)의 충전전압이 도 6의 (b)에서와 같이 사인(sine) 함수의 형태로 하강된다. 도 6의 (b)에서 전류 그래프(IL)는 상기 제1 배터리셀(CELL1)의 전류량 변화를 나타낸 것이다.
상기 도 5a 및 도 5b에서와 같이 임의의 배터리셀에 충전된 전기에너지를 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)에 회수하여 일시적으로 충전하거나, 상기 충전된 전기에너지를 임의의 배터리셀에 공급할 때 전달되는 전력량은 상기 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)와 인덕터(Ls)의 값에 의해 결정된다. 예를 들어, 상기 커패시터(Cs)의 값이 클수록 인덕터(Ls)의 값이 작을수록 전달되는 전력량이 많기 때문에 빠르게 밸런싱이 이루어지지만 공진 전류량이 많아짐에 따라 그만큼 손실량도 많아지게 되므로 상기 커패시터(Cs) 및 인덕터(Ls)의 값을 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 인덕터(Ls)의 값을 500uH로 설정하고, 커패시터(Cs)의 값을 120μF로 설정할 경우 공진을 통해 전달되는 전력량은 실험을 통해 0.5W 정도인 것으로 확인되었다.
상기 제3 배터리셀(CELL3)과 제1 배터리셀(CELL1) 간의 밸런싱이 이루어질 때까지 상기 도 5a과 도 5b의 동작을 필요한 만큼 반복적으로 수행하여 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 충전 에너지를 회수해서 제1 배터리셀(CELL1)에 공급한다.
이를 위해 상기 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 가장 높은 전기에너지를 충전한 배터리셀과 가장 낮은 전기에너지를 충전한 배터리셀을 판별하여 상기와 같은 일련의 밸런싱 기능을 수행하는 밸런싱 알고리즘을 사용할 수 있다.
상기 설명에서는 상기 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4) 중에서 가장 높은 전기에너지를 충전한 하나의 배터리셀과 가장 낮은 전기에너지를 충전한 하나의 배터리셀을 대상으로 밸런싱 기능을 수행하는 것을 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니라 n개의 배터리셀을 대상으로 상기와 같은 과정을 통해 밸런싱 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 스위치(SW50)와 스위치(SW41)을 턴온시키고, 상기 스위치(SW51),(SW52)를 턴온시키면 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)로부터 충전된 전기에너지를 상기 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)으로 회수할 수 있다. 또한, 제6 스위치(SW46)와 제5 스위치(SW45)를 턴온시키고, 제13,14 스위치(SW53),(SW54)를 턴온시키면 상기 직렬공진회로(42)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 전기에너지를 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)에 공급할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 배터리셀 밸런싱 회로에 대한 제2실시예를 나타낸 것으로, 상기 도 4의 제1실시예의 배터리셀 밸런싱 회로와 비교할 때 상기 제1-3 스위치부(43A),(44A),(45A)의 스위치를 제1-5 모스트랜지스터(M41-M45), 제6-10 모스트랜지스터(M46-M50), 제11-14 모스트랜지스터(M51-M54)로 구현한 것이 다른 점이며, 이때 상기 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)이 역방향 전류에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 해당 모스트랜지스터와 해당 노드 간에 제1-14 역방향전류차단용 다이오드(D41_1~D54_1)를 직렬로 각기 접속한 예를 나타낸 것이다. 상기 직렬로 접속된 모스트랜지스와 다이오드의 배치 위치는 필요에 따라 변경될 수 있으며, 상기 모스트랜지스터는 P채널 모스트랜지스터나 N채널 모스트랜지스터를 포함할 수 있다. 이와 함께, 상기 제1-5 모스트랜지스터(M41-M45), 제6-10 모스트랜지스터(M46-M50), 제11-14 모스트랜지스터(M51-M54)의 일측 단자와 타측 단자의 사이에도 제1-4 역방향전류차단용 다이오드(D41~D54)를 각기 접속하였다.
한편, 도 8은 본 발명의 배터리셀 밸런싱 회로에 대한 제3실시예를 나타낸 것으로, 도 4와 비교할 때 제1,2 스위치부(43B),(44B)의 양방향으로 전류를 인가할 수 있도록 하여 스위치 경로의 개수를 절반으로 줄이고 SPST 스위치 대신 모스트랜지스터로 구현한 것이 다른 점이다.
즉, 도 4의 경우 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)과 제1,2 공통노드(N1),(N2)간에 각각 5개의 스위치 경로가 존재하여 모두 10개의 스위치 경로가 존재한다. 이에 비하여, 도 8의 경우 상기 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)과 제1 공통노드(N1) 간에 접속된 제1스위치부(43B)에 3개의 스위치 경로가 존재하고, 상기 배터리 모듈(41)의 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4)과 제2 공통노드(N2) 간에 접속된 제2스위치부(44B)에 2개의 스위치 경로가 존재하여 총 5개의 스위치 경로가 존재한다.
이와 같은 경우, 상기 5개의 스위치 경로 각각에서 양방향으로 전류를 인가할 수 있도록 하기 위해 상기 5개의 스위치 경로 상에 다이오드와 병렬접속된 모스트랜지스터를 2개씩 직렬로 접속하였다. 예를 들어, 상기 제1스위치부(43B)에서는 상기 제1 배터리셀(CELL1)의 일측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제1,2 모스트랜지스터(M81,M82)를 직렬로 접속하고, 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 일측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제3,4 모스트랜지스터(M83,M84)를 직렬로 접속하고, 상기 제4 배터리셀(CELL4)의 타측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제5,6 모스트랜지스터(M85,M86)를 직렬로 접속한다. 마찬가지로, 상기 제2스위치부(44B)에서는 상기 제2 배터리셀(CELL2)의 일측 단자와 제2 공통노드(N2)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제7,8 모스트랜지스터(M87,M88)를 직렬로 접속하고, 상기 제4 배터리셀(CELL4)의 일측 단자와 제2 공통노드(N2)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제9,10 모스트랜지스터(M89,M90)를 직렬로 접속한다.
이와 함께, 제3 스위치부(45B)에도 상기와 같이 모스트랜지스터를 접속하였다. 즉, 상기 제1 공통노드(N1)와 직렬공진회로(42)의 일측 단자인 제3 공통노드(N3)의 사이에 다이오드와 병렬접속된 제11,12 모스트랜지스터(M91,M92)를 직렬로 접속하고, 상기 제2 공통노드(N2)와 상기 직렬공진회로(42)의 타측 단자인 제4 공통노드(N4)의 사이에 다이오드와 병렬접속된 제13,14 모스트랜지스터(M93,M94)를 직렬로 접속하고, 상기 제1 공통노드(N1)와 제4 공통노드(N4)의 사이에 다이오드와 병렬접속된 제15,16 모스트랜지스터(M95,M96)를 직렬로 접속하고, 상기 제2 공통노드(N2)와 상기 제3 공통노드(N3)의 사이에 다이오드와 병렬접속된 제17,18 모스트랜지스터(M97,M98)를 직렬로 접속한다.
예를 들어, 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 전기 에너지 회수 경로는, 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 일측단자, 제3 다이오드(D83), 제3 모스트랜지스터(M83), 제1 공통노드(N1), 제11 다이오드(D91), 제12 모스트랜지스터(M92), 직렬공진회로(42), 제13 다이오드(D93), 제14 모스트랜지스터(M94), 제2 공통노드(N2), 제9 다이오드(D89), 제10 모스트랜지스터(M90), 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 타측단자로 형성된다.
다른 예로써, 상기 커패시터(Cs)에 회수되어 저장된 전기에너지를 상기 제4 배터리셀(CELL4)에 공급하기 위한 경로는, 상기 제4 배터리셀(CELL3)의 타측단자, 제5 다이오드(D85), 제6 모스트랜지스터(M86), 제1 공통노드(N1), 제15 다이오드(D95), 제16 모스트랜지스터(M96), 직렬공진회로(42), 제17 다이오드(D97), 제18 모스트랜지스터(M98), 제2 공통노드(N2), 제9 다이오드(D89), 제10 모스트랜지스터(M90), 상기 제4 배터리셀(CELL4)의 일측단자로 형성된다.
한편, 도 9는 본 발명의 배터리셀 밸런싱 회로에 대한 제4실시예를 나타낸 것으로, 상기 도 4의 제1실시예의 배터리셀 밸런싱 회로와 비교할 때 제3 스위치부를 생략한 것이 차이점이다.
도 9를 참조하면, 배터리 모듈(91), 직렬공진회로(92), 제1 스위치부(93) 및 제2 스위치부(94)를 구비한다. 그런데, 도 4에서와 달리 직렬공진회로(92)가 스위치 소자를 통해 제1,2 공통노드(N1,N2)의 사이에 선택적으로 접속되는 것이 아니라 상기 직렬공진회로(92)의 인덕터(Ls)의 일측 단자가 상기 제1 공통노드(N1)에 고정적으로 접속되고, 직렬공진회로(92)의 커패시터(Cs)의 타측 단자가 상기 제2 공통노드(N2)에 고정적으로 접속된다.
도 10a는 충전 예시도로서 상기 도 9에서 제3 배터리셀(CELL3)에 충전된 전기에너지를 회수하여 직렬공진회로(92)의 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전하는 것을 예시적으로 나타낸 것이다.
이와 같은 경우, 제3스위치(SW93)와 제3스위치(SW93)가 턴온되고, 나머지의 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 제3 배터리셀(CELL3)의 일측단자, 제3스위치(SW93), 제1공통노드(N1), 직렬공진회로(92)의 직렬접속된 인덕터(Ls) 및 커패시터(Cs), 제2공통노드(N2), 제9스위치(SW99) 및 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 타측단자로 접속되는 회수경로가 형성된다. 이에 따라, 상기 제3 배터리셀(CELL3)의 전기에너지가 상기 제3스위치(SW93), 제1공통노드(N1) 및 인덕터(Ls)를 통해 상기 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된다.
도 10b는 충전된 전기에너지의 공급 예시도로서 상기 커패시터(Cs)에 일시적으로 충전된 전기에너지를 제1 배터리셀(CELL1)에 충전하는 것을 예시적으로 나타낸 것이다.
이와 같은 경우, 제1스위치(SW91)와 제7스위치(SW97)가 턴온되고, 나머지의 스위치들은 모두 턴오프 상태로 유지된다. 따라서, 제1 배터리셀(CELL1)의 일측단자, 제1스위치(SW91), 제1공통노드(N1), 직렬공진회로(92)의 직렬접속된 인덕터(Ls) 및 커패시터(Cs), 제2공통노드(N2), 제7스위치(SW97) 및 상기 제1 배터리셀(CELL1)의 타측단자로 접속되는 공급경로가 형성된다. 이에 따라, 상기 커패시터(Cs)에 충전된 전기에너지가 인덕터(Ls), 상기 제1공통노드(N1) 및 제1스위치(SW91)를 통해 상기 제1 배터리셀(CELL1)에 공급되어 충전된다.
도 11은 상기 도 9의 배터리셀 밸런싱 회로에서 제1,2스위치부(93),(94)의 SPST 스위치를 모스트랜지스터로 구현한 예를 나타낸 것이다.
도 11을 참조하면, 제1스위치부(93A)에서는 제1 배터리셀(CELL1)의 일측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제1,2 모스트랜지스터(M101,M102)를 직렬로 접속하고, 제2 배터리셀(CELL2)의 일측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제3,4 모스트랜지스터(M103,M104)를 직렬로 접속하고, 제3 배터리셀(CELL3)의 일측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제5,6 모스트랜지스터(M105,M106)를 직렬로 접속하고,
제4 배터리셀(CELL4)의 일측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제7,8 모스트랜지스터(M107,M108)를 직렬로 접속하고, 제4 배터리셀(CELL4)의 타측 단자와 제1 공통노드(N1)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제9,10 모스트랜지스터(M109,M110)를 직렬로 접속하였다.
제2스위치부(94A)에서는 제1 배터리셀(CELL1)의 일측 단자와 제2 공통노드(N2)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제11,12 모스트랜지스터(M1111,M112)를 직렬로 접속하고, 제2 배터리셀(CELL2)의 일측 단자와 제2 공통노드(N2)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제13,14 모스트랜지스터(M113,M114)를 직렬로 접속하고, 제3 배터리셀(CELL3)의 일측 단자와 제2 공통노드(N2)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제15,16 모스트랜지스터(M115,M116)를 직렬로 접속하고, 제4 배터리셀(CELL4)의 일측 단자와 제2 공통노드(N2)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제17,18 모스트랜지스터(M117,M118)를 직렬로 접속하고, 제4 배터리셀(CELL4)의 타측 단자와 제2 공통노드(N2)의 사이에 다이오드와 각기 병렬접속된 제19,20 모스트랜지스터(M119,M120)를 직렬로 접속하였다.
도 12는 도 9에서 제1,2 스위치부의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 도 9와 비교할 때 제1,2 스위치부(93B),(94B)의 양방향으로 전류를 인가할 수 있도록 하여 스위치 경로의 개수를 절반으로 줄이고 SPST 스위치 대신 모스트랜지스터로 구현한 것이 다른 점이다. 상기 제1,2 스위치부(93B),(94B)의 구성은 상기 도 8에서 제1,2 스위치부(43B),(44B)와 동일하다. 하지만, 도 13은 도 8과 달리 제3스위치부가 생략되고 직렬공진회로(92)의 양측 종단이 제1,2공통노드(N1,N2)의 사이에 직접 접속된 것이 다른 점이다.
이와 같은 구조로 인하여, 제1-4 배터리셀(CELL1-CELL4) 간의 전류 흐름에 제한이 따른다. 즉, 홀수번째의 배터리셀인 제1,3 배터리셀(CELL1,CELL3) 간에만 전기에너지를 전달하거나, 짝수번째의 배터리셀인 제2,4배터리셀(CELL2,CELL4) 간에만 전기에너지 전달이 가능하다.
한편, 도 13은 본 발명의 배터리셀 밸런싱 회로에 적용되는 직렬공진회로를 보호하기 위한 회로의 실시예를 나타낸 것이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 직렬공진회로에 대한 보호회로는 직렬접속된 인덕터(Ls) 및 커패시터(Cs)를 포함하는 직렬공진회로(131)의 양측 종단과 상부단자(TOP_STACK)의 사이에 병렬접속된 제1,2다이오드(D131,D132), 상기 직렬공진회로(131)의 양측 종단과 하부단자(BOTTOM_STACK)의 사이에 병렬접속된 제3,4다이오드(D133,D134) 및 상기 커패시터(Cs)에 병렬접속된 스위치(SW131)를 포함한다.
상기 상부단자(TOP_STACK)는 도 12의 배터리 모듈(91)에서 최상측의 제1배터리셀(CELL1)의 양극단자에 연결되는 단자이고, 상기 하부단자(BOTTOM_STACK)는 상기 배터리 모듈(91)에서 최하측의 제4배터리셀(CELL1)의 음극단자에 연결되는 단자이다.
인덕터(Ls)에 전류가 흐르고 있는 상태에서 전류경로가 끊어지는 경우 상기 인덕터(Ls)의 양단에 강한 전압 스파이크 현상이 발생된다. 예를 들어, 제3 공통노드(N3)에서 제4 공통노드(N4) 방향으로 전류가 흐르다가, 상기 전류가 차단되는 순간 상기 제4 공통노드(N4)에 아주 높은 정극성(+) 전압이 인가되고, 제3 공통노드(N3)에 아주 낮은 부극성전압(-)이 인가된다. 이로 인하여 직렬공진회로(131)에 연결된 스위치 소자들이 파괴될 위험성이 있다.
하지만, 도 13에서와 같이 연결된 다이오드(D131-D134)에 의해 스위치 소자들이 보호된다. 예를 들어, 다이오드(D134), 인덕터(Ls), 커패시터(Cs) 및 다이오드(D131)의 경로를 통해 배터리 스택으로 전류가 흐르게 되면서 상기 제4 공통노드(N4)와 제3 공통노드(N3)의 양단에는 배터리 스택 만큼의 전압만 인가된다. 이와 같은 원리에 의해 소자들이 보호된다.
상기 보호회로는 상기 직렬공진회로(131)의 공진동작 후 상기 인덕터(Ls)에 잔존하는 전류를 소진하여 인덕터 전류의 급격한 변화에 의해 발생할 수 있는 전압 스파이크로부터 스위칭 소자 및 직렬공진회로(131)가 보호된다. 그리고, 상기 스위치(SW131)는 상기 직렬공진회로(131)의 공진동작 후 상기 커패시터(Cs)에 잔존하는 전하를 리세트시켜 다음의 공진이 효율적으로 일어날 수 있도록 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈;
    직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로;
    상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하여 상기 커패시터에 저장하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 각기 접속된 복수 개의 스위치를 구비하는 제1 스위치부;
    이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하거나 상기 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제2 공통노드 사이에 각기 접속되는 스위치들을 구비하는 제2 스위치부; 및
    상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 제1 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 접속되는 스위치들 및, 상기 제2 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 접속되는 스위치들을 구비하는 제3 스위치부;를 포함하여 배터리셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 스위치부의 각 스위치는 SPST(Single Pole Single Throw) 및 모스트랜지스터 중에서 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 모스트랜지스터는 자신을 통해 흐르는 전류의 방향에 따라 N채널 모스트랜지스터 또는 P채널 모스트랜지스터로 결정되는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 스위치부에 구비되는 복수개의 스위치는 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자에 일측 단자가 각기 접속되고 타측 단자가 상기 제1 공통노드에 공통접속된 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 스위치부에 구비되는 복수개의 스위치는 상기 복수개의 배터리셀의 각 단자에 일측 단자가 각기 접속되고 타측 단자가 상기 제2 공통노드에 공통접속된 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제3 스위치부에 구비되는 복수개의 스위치는 상기 제1 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 종단단자의 사이에 병렬접속된 스위치 및 상기 제2 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 종단단자의 사이에 병렬접속된 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 배터리셀 각각의 용량은 상기 직렬공진회로의 커패시터의 용량에 비하여 일정치 이상 큰 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  8. 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈;
    직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로;
    상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하여 상기 커패시터에 저장하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드를 복수 개 구비하는 제1 스위치부;
    이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하거나 상기 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제2 공통노드 사이에 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드를 복수 개 구비하는 제2 스위치부; 및
    상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 제1 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 각기 접속되는 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드 및, 상기 제2 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 각기 접속되는 직렬접속된 모스트랜지스터와 역방향전류차단용 다이오드를 구비하는 제3 스위치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 모스트랜지스터의 일측 단자와 타측 단자의 사이에 역방향전류차단용 다이오드가 각기 접속된 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  10. 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈;
    직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로;
    상기 복수 개의 배터리셀 중에서 임의의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 임의의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자 중 일부의 단자들과 제1 공통노드의 사이에 접속된 복수개의 스위치 경로를 구비하되, 상기 복수개의 스위치 경로는 다이오드와 병렬접속된 형태로 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 각각 포함하는 제1 스위치부;
    이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 임의의 배터리셀에 공급하거나 상기 임의의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자 중 상기 일부의 단자들 제외한 나머지 단자와 제2 공통노드의 사이에 접속된 복수개의 스위치 경로를 구비하되, 상기 복수개의 스위치 경로는 다이오드와 병렬접속된 형태로 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 각각 포함하는 제2 스위치부; 및
    상기 복수 개의 배터리셀 중에서 임의의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 임의의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 제1 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 병렬접속된 스위치 경로 및, 상기 제2 공통노드와 상기 직렬공진회로의 양측 단자의 사이에 병렬접속된 스위치 경로를 각기 구비하되, 상기 복수개의 스위치 경로는 다이오드와 병렬접속된 형태로 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 각각 포함하는 제3 스위치부;를 포함하여 배터리셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 스위치부의 복수개의 스위치 경로는
    제1 배터리셀의 일측 단자와 상기 제1 공통노드 간에 접속된 제1 스위치 경로,
    제3 배터리셀의 일측 단자와 상기 제1 공통노드 간에 접속된 제3 스위치 경로 및,
    제4 배터리셀의 타측 단자와 상기 제1 공통노드 간에 접속된 제5 스위치 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2스위치부의 복수개의 스위치 경로는
    제2 배터리셀의 일측 단자와 상기 제2 공통노드 간에 접속된 제2 스위치 경로 및,
    제4 배터리셀의 일측 단자와 상기 제2 공통노드 간에 접속된 제4 스위치 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  13. 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈;
    제1 공통노드 및 제2 공통노드의 사이에 직렬접속된 인덕터와 커패시터를 구비하여 직렬공진 기능을 수행하는 직렬공진회로;
    상기 복수 개의 배터리셀 중에서 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하여 상기 커패시터에 저장하거나 이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 상기 제1 공통노드 사이에 각기 접속된 복수 개의 스위치를 구비하는 제1 스위치부; 및
    이미 회수되어 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 상기 하나 이상의 배터리셀에 공급하거나 상기 하나 이상의 배터리셀로부터 충전된 전기에너지를 회수하기 위한 경로를 제공하기 위하여, 상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 상기 제2 공통노드 사이에 각기 접속되는 스위치들을 구비하는 제2 스위치부;를 포함하여 배터리셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 스위치부의 복수 개의 스위치는 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 포함하되, 상기 두 개의 모스트랜지스터는 각각 다이오드와 병렬접속된 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2 스위치부의 복수 개의 스위치는 직렬접속된 두 개의 모스트랜지스터를 포함하되, 상기 두 개의 모스트랜지스터는 각각 다이오드와 병렬접속된 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
  16. 제13항에 있어서, 상기 직렬공진회로의 커패시터에는 상기 직렬공진회로의 공진동작 후 상기 커패시터에 잔존하는 전하를 리세트시키기 위해 병렬접속된 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
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