KR101473880B1

KR101473880B1 - 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로

Info

Publication number: KR101473880B1
Application number: KR1020130055639A
Authority: KR
Inventors: 강봉구; 성창현; 최형진; 윤호영; 조민기; 정유채; 이경민
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: KR20140135419A

Abstract

본 발명은 LC 직렬공진을 이용하여 멀티 배터리셀의 밸런싱 기능을 수행하는데 적당하도록 한 기술에 관한 것이다.
본 발명은, 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리셀 모듈, 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 충전하고 상기 충전된 전기에너지를 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀에 공급하는 직렬공진회로, 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 상기 직렬공진회로의 커패시터 충전할 수 있도록 전기에너지 회수 경로를 제공하고 상기 충전된 전기에너지를 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀에 공급할 수 있도록 전기에너지 공급 경로를 제공하는 스위치부, 상기 커패시터에 병렬접속된 트랜스포머의 권선을 구비한 제1배터리 모듈; 및 상기 제1배터리 모듈과 동일한 구성을 갖는 제2배터리 모듈 내지 제N 배터리 모듈을 포함하되, 상기 제1배터리 모듈 내지 제N배터리 모듈의 배터리셀 모듈들이 직렬로 접속되고, 상기 제1배터리 모듈 내지 제N배터리 모듈에 포함된 상기 권선들이 자기적으로 결합되어 상기 제1배터리 모듈 내지 제N배터리 모듈의 커패시터들에 충전되거나 방전되는 전기에너지의 레벨이 동일하게 변동되는 것을 특징으로 한다.

Description

엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로{BATTERY CELL BALLANCING CIRCUIT USING SERIES RESONANT CIRCUIT}

본 발명은 LC 직렬공진을 이용한 멀티 배터리셀의 밸런싱 기술에 관한 것으로, 특히 복수개의 배터리셀 모듈을 직렬로 연결하여 사용하는 경우 적당한 배터리셀 밸런싱이 이루어지도록 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. 전기자동차와 같이 비교적 대용량의 전원공급이 요구되는 장치에 배터리셀을 이용하여 전원을 공급하고자 하는 경우, 배터리셀을 직렬로 접속한 배터리셀 모듈(배터리 팩)을 사용한다. 그런데, 이와 같은 배터리셀 모듈을 사용하는 경우 각 배터리셀의 성능 편차에 의하여 전압의 불균형이 발생될 수 있다.

배터리셀 모듈 충전 시 상기 배터리셀 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 상한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리셀 모듈을 충전할 수 없게 되므로 다른 배터리셀들이 충분히 충전되지 않은 상태에서 충전을 종료하여야 한다. 이와 같은 경우 배터리셀 모듈의 충전용량이 정격 충전용량에 미치지 못하게 된다.

한편, 배터리셀 모듈 방전 시에는 상기 배터리셀 모듈 내에서 하나의 배터리셀이 다른 배터리셀들에 비하여 먼저 하한 전압에 도달할 경우 더 이상 배터리셀 모듈을 사용할 수 없게 되므로 그만큼 배터리셀 모듈의 사용시간이 단축된다.

상기와 같이 배터리셀 모듈의 충전 또는 방전 시 보다 높은 전기 에너지를 갖는 배터리셀의 전기 에너지를 보다 낮은 전기 에너지를 갖는 배터리셀로 공급해 줌으로써 배터리셀 모듈의 사용시간을 연장시킬 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 배터리셀 모듈(11)과, 직렬접속된 저항(R11-R14) 및, 상기 배터리셀 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, 배터리셀 모듈(11) 충전 시 상기 배터리셀 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.
상기 도 1과 같은 종래 기술에 의한 배터리셀 밸런싱 회로의 예로서, 대한민국 특허 공개번호 10-2012-0013775호를 들 수 있다.

그러나, 이와 같은 배터리셀 밸런싱 회로를 이용하는 경우 저항을 통해 전력이 소모되므로 그만큼 효율이 저하되고, 배터리셀 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 배터리셀 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. 배터리셀 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 배터리셀 모듈(31)과, 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 코일의 일측 단자를 상기 배터리셀 모듈(31)의 일측 단자에 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 배터리셀 모듈(31) 내의 직렬접속된 배터리셀(CELL1-CELL4) 각각에 전기 에너지 전달이 가능하고, 배터리셀 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, 배터리셀 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.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 복수 개의 배터리 모듈에 구비된 복수개의 배터리셀 모듈을 직렬로 연결하여 사용하는 경우 트랜스포머를 이용하여 각 배터리셀 모듈의 커패시터의 전기에너지가 동일하게 변동되도록 하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 충전하고 충전된 전기에너지를 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀에 공급할 때, 트랜스포머의 권선에 양쪽 방향으로 번갈아 가면서 전압이 공급되도록 경로를 형성하여 트랜스포머의 포화가 발생되는 것을 방지하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로는, 직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리셀 모듈, 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 충전하고 상기 충전된 전기에너지를 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀에 공급하는 직렬공진회로, 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 상기 직렬공진회로의 커패시터 충전할 수 있도록 전기에너지 회수 경로를 제공하고 상기 충전된 전기에너지를 상기 배터리셀 모듈의 해당 배터리셀에 공급할 수 있도록 전기에너지 공급 경로를 제공하는 스위치부, 상기 커패시터에 병렬접속된 트랜스포머의 권선을 각기 구비한 복수 개의 배터리 모듈을 구비하되, 상기 복수 개의 배터리 모듈의 배터리셀 모듈들이 직렬로 접속되고, 상기 복수 개의 배터리 모듈들에 각기 포함된 상기 권선들이 자기적으로 결합되어 상기 복수 개의 배터리 모듈의 커패시터들에 충전되거나 방전되는 전기에너지의 레벨이 동일하게 변동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 복수 개의 배터리셀들에 대한 밸런싱 기능을 수행할 때, 낮은 내압을 갖는 스위치들을 이용하여 수행함으로써 안정된 밸런싱 동작을 보장할 수 있는 효과가 있다.

또한, 밸런싱 대상의 배터리셀을 자유롭게 선택할 수 있어 가장 높은 전기에너지가 충전된 배터리셀로부터 가장 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀로의 밸런싱 동작을 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 복수 개의 배터리셀들에 대한 밸런싱 기능을 수행할 때, LC 직렬공진을 이용하여 전기에너지를 전달하므로, 스위칭으로 인한 에너지 손실이 적고 발열량이 적어 집적회로화에 용이한 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 실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로가 2개의 배터리 모듈을 구비한 것을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은 전기에너지 회수모드의 동작을 나타낸 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 7은 전기에너지공급모드의 동작을 나타낸 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 8은 전기에너지회수모드의 다른 동작을 나타낸 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 9는 전기에너지공급모드의 다른 동작예을 나타낸 배터리셀 밸런싱 회로도이다.
도 10은 트랜스포머를 선택적으로 구동하는 예를 나타낸 회로도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로도로서 이에 도시한 바와 같이, N 개의 배터리 모듈(400_1~400_N)을 구비한다.상기 N 개의 배터리 모듈(400_1~400_N)은 각각 M개의 배터리셀(CELL_1-CELL_M)을 구비하므로 하나의 배터리셀 밸런싱 회로(400)는 M×N 개의 배터리셀을 구비하게 된다. 상기 N 개의 배터리 모듈(400_1~400_N)에 각각 구비된 M개의 배터리셀(CELL_1-CELL_M)은 직렬접속된다.

상기 N 개의 배터리 모듈(400_1~400_N) 중 임의의 배터리 모듈의 배터리 셀 예를 들어, 제1배터리 모듈(400_1)의 제1배터리셀 모듈(411)의 배터리셀(CELL_1~CELL_M) 중에서 하나의 배터리셀에 다른 배터리셀들에 비해 상대적으로 높은 전기에너지가 충전된 경우, 상기 배터리셀의 전기에너지는 제1 내지 제3스위치부(413A-413C)의 스위치들에 의해 형성된 전기에너지 회수 경로를 통해 직렬공진회로(412)의 커패시터(Cs1)에 일시적으로 충전된다.

상기 N 개의 배터리 모듈(400_1~400_N)에 각기 구비된 커패시터(Cs1)에 각각 트랜스포머(TR)의 권선(L1)이 병렬로 접속되어 있다. 그리고, 상기 각각의 권선(L1)들은 자기적으로 결합되어 있다. 따라서, 임의의 배터리 모듈에서 상기와 같은 경로를 통해 전기에너지가 회수되어 해당 커패시터(Cs1)에 일시적으로 충전되면, 상기 권선(L1)들에 의해 다른 모든 배터리 모듈의 커패시터(Cs1)에 전달된다. 이에 따라, 모든 배터리 모듈(400_1~400_N)의 커패시터(Cs1)에는 서로 동일한 레벨의 전기에너지가 충전된다.

상기 직렬공진회로(412)의 커패시터(Cs1)에 일시적으로 충전된 전기에너지는 상기 제1 내지 제3스위치부(413A-413C)의 스위치들에 의해 형성된 전기에너지 공급 경로를 통해 상기 N 개의 배터리 모듈(400_1~400_N) 중 임의의 배터리 모듈에서, 다른 배터리셀들에 비해 상대적으로 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀에 공급되어 충전된다.

상기와 같은 일련의 전기에너지 회수 및 공급과정을 통해 배터리셀 밸런싱이 이루어진다.

도 4에서는 상기 제1 내지 제3 스위치부(413A-413C)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.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로가 2개의 배터리 모듈을 구비한 것을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 배터리셀 밸런싱 동작을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5를 참조하면, 배터리셀 밸런싱 회로(400)는 제1,2배터리 모듈(400_1),(400_2)을 구비하는데, 상기 제1,2배터리 모듈(400_1),(400_2)의 구조는 서로 동일하므로 그 중에서 하나의 제1배터리 모듈(400_1)의 구조에 대해 설명한다.

제1배터리 모듈(400_1)은 제1배터리셀 모듈(411), 직렬공진회로(412), 제1 내지 제3 스위치부(413A-413C)를 포함하는 스위치부, 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)을 구비한다.

제1배터리셀 모듈(411)은 직렬접속된 제1내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)을 구비한다.

직렬공진회로(412)는 직렬접속된 제1인덕터(Ls1) 및 제1커패시터(Cs1)를 구비한다.

트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)은 상기 제1커패시터(Cs1)와 병렬접속된다.

제1스위치부(413A)는 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)로부터 전기에너지를 회수하거나 공급하기 위한 경로를 형성한다. 이를 위해 상기 제1스위치부(413A)는 상기 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)의 각 단자에 일측 단자가 각기 접속되고 타측 단자가 제1공통노드(N11)에 공통접속된 제1 내지 제5 스위치(SW1-SW5)를 구비한다.

제2 스위치부(413B)는 상기 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)로부터 전기에너지를 회수하거나 공급하기 위한 경로를 형성한다. 이를 위해 상기 제2 스위치부(413B)는 상기 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)의 각 단자에 일측 단자가 각기 접속되고 타측 단자가 제2공통노드(N12)에 공통접속된 제6 내지 제10 스위치(SW6-SW10)를 구비한다.

여기서, 상기 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)의 각 단자는 제1 배터리셀(CELL11)의 일측 단자, 제1 배터리셀(CELL11)의 타측 단자와 제2 배터리셀(CELL12)의 일측 단자의 공통접속단자, 제2 배터리셀(CELL12)의 타측 단자와 제3 배터리셀(CELL13)의 일측 단자의 공통접속단자, 제3 배터리셀(CELL13)의 타측 단자와 제4 배터리셀(CELL14)의 일측 단자의 공통접속단자, 상기 제4 배터리셀(CELL14)의 타측 단자를 의미한다.

제3 스위치부(413B)는 전기에너지회수모드에서 상기 직렬공진회로(412)의 일측 종단 단자를 상기 제1공통노드(N11)에 접속하는 제11 스위치(SW11), 상기 직렬공진회로(412)의 타측 종단 단자를 상기 제2 공통노드(N12)에 접속하는 제12 스위치(SW12), 전기에너지공급모드에서 상기 직렬공진회로(412)의 타측 종단 단자를 상기 제1 공통노드(N11)에 접속하는 제13 스위치(SW13), 상기 직렬공진회로(412)의 일측 종단 단자를 상기 제2 공통노드(N12)에 접속하는 제14 스위치(SW14)를 구비한다.

제1배터리 모듈(400_1)의 제1배터리셀 모듈(411)에 직렬접속된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)은 제2배터리 모듈(400_2)의 제2배터리셀 모듈(421)에 직렬접속된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL21-CELL24)와 직렬로 접속된다.

상기 제1배터리 모듈(400_1)의 제1커패시터(Cs1)에 병렬접속된 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)과 상기 제2배터리 모듈(400_2)의 제2커패시터(Cs2)에 병렬접속된 트랜스포머(TR)의 제2권선(L2)은 자기적으로 결합되어 있다.

제1배터리 모듈(400_1)의 제1배터리셀 모듈(411)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)에 충전된 전기 에너지와 제2배터리 모듈(400_2)의 제2배터리셀모듈(421)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL21-CELL24)에 충전된 전기 에너지들 중에서 상대적으로 제일 높은 전기 에너지는 상기 스위치부의 해당 스위치로 형성된 전기에너지 회수 경로를 통해 제1배터리 모듈(400_1)의 직렬공진회로(412)의 제1커패시터(Cs1)나 제2배터리 모듈(400_2)의 직렬공진회로(422)의 제2커패시터(Cs2)에 일시적으로 충전된다.

이와 같은 전기에너지회수모드의 동작을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 제1배터리 모듈(400_1)의 제1배터리셀 모듈(411)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)에 충전된 전기 에너지와 제2배터리 모듈(400_2)의 제2배터리셀 모듈(421)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL21-CELL24)에 충전된 전기 에너지들 중에서 상기 제1배터리셀 모듈(411)의 제2배터리셀(CELL12)에 가장 높은 전기 에너지가 충전된 것을 예로 하여 설명한다.

이와 같은 경우, 제어부(도면에 미표시)에서 출력되는 스위칭제어신호에 의해 제1배터리 모듈(400_1)의 제1스위치부(413A)의 스위치들 중 제3스위치(SW3)가 턴온되고 나머지 스위치들은 턴오프되고, 제2스위치부(413B)의 스위치들 중 제7스위치(SW7)가 턴온되고 나머지 스위치들은 턴오프되고, 제3스위치부(413C)의 스위치들 중 제13스위치(SW13) 및 제14스위치(SW14)가 턴온되고 나머지 스위치들은 턴오프된다. 이때, 제2배터리 모듈(400_1)의 제1 내지 제3 스위치부(423A-423C)의 모든 스위치들은 턴오프된다.

따라서, 상기 제1배터리 모듈(400_1)의 제1배터리셀 모듈(411)에 구비된 제2배터리셀(CELL12)에 충전된 전기 에너지가 제2스위부(413B)의 제7스위치(SW7), 제2노드(N12), 제3스위치부(413C)의 제14 스위치(SW14)를 순차적으로 통해 직렬공진회로(412)의 제1커패시터(Cs1)에 일시적으로 충전된다.

이때, 상기 제2배터리셀(CELL12)의 용량은 상기 제1커패시터(Cs1)의 용량에 비해 아주 크기 때문에 상기 전기에너지회수모드에서 상기 직렬공진회로(412)가 공진할 때 상기 제2배터리셀(CELL12)의 충전 전압이 미세하게 하강된다. 이에 비하여, 상기 제1커패시터(Cs1)의 충전 전압은 사인(sine) 함수의 형태로 상승된다. 그런데, 상기 설명에서와 같이 상기 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)과 제2권선(L2)은 자기적으로 결합되어 있다. 따라서, 상기 제1커패시터(Cs1)에 충전되는 전기에너지가 상기 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1) 및 제2권선(L2)을 통해 제2커패시터(Cs2)에 충전된다. 이로 인하여, 전기에너지회수모드에서 상기 제1커패시터(Cs1)와 제2커패시터(Cs2)의 전기에너지는 서로 동일한 레벨로 충전된다.

상기와 같이 회수된 전기에너지를 전기에너지가 다른 배터리셀에 비하여 상대적으로 낮게 충전된 배터리셀에 공급하는 전기에너지공급모드의 동작을 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 제1배터리 모듈(400_1)의 제1배터리셀 모듈(411)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)에 충전된 전기 에너지와 제2배터리 모듈(400_2)의 제2배터리셀 모듈(421)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL21-CELL24)에 충전된 전기 에너지들 중에서 상기 제2배터리셀 모듈(421)의 제4배터리셀(CELL24)에 가장 낮은 전기 에너지가 충전된 것을 예로 하여 설명한다.

이와 같은 경우, 상기 제어부에서 출력되는 스위칭제어신호에 의해 제1배터리 모듈(400_1)의 제1 내지 제3 스위치부(413A-413C)의 모든 스위치들이 턴오프된다. 이때, 제2배터리 모듈(400_2)의 제1스위치부(423A)의 스위치들 중 제24스위치(SW24)가 턴온되고 나머지 스위치들은 턴오프되고, 제2스위치부(423B)의 스위치들 중 제30스위치(SW30)가 턴온되고 나머지 스위치들은 턴오프되고, 제3스위치부(423C)의 스위치들 중 제31 및 제32스위치(SW31,SW32)가 턴온되고 나머지 스위치들이 턴오프된다.

따라서, 상기 제2배터리모듈(400_2)의 제2커패시터(Cs2)에 충전된 전기에너지가 상기 제3스위치부(423C)의 제31스위치(SW31) 및 제1스위치부(423A)의 제24스위치(SW24)를 순차적으로 통해 상기 제2배터리셀 모듈(421)의 제4배터리셀(CELL24)에 공급되어 충전된다.

이때, 상기 제4배터리셀(CELL24)의 용량은 상기 제2커패시터(Cs2)의 용량에 비해 아주 크기 때문에 상기 전기에너지공급모드에서 상기 제4배터리셀(CELL24)의 충전 전압이 미세하게 상승된다. 이에 비하여, 상기 제2커패시터(Cs2)의 충전 전압은 사인(sine) 함수의 형태로 하강된다.

그런데, 상기 설명에서와 같이 상기 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)과 제2권선(L2)은 자기적으로 결합되어 있다. 따라서, 상기 제1커패시터(Cs1)에 충전되는 전기에너지가 상기 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1) 및 제2권선(L21)을 통해 제2커패시터(Cs2)에 충전된다. 이로 인하여, 전기에너지공급모드에서 상기 제1커패시터(Cs1)와 제2커패시터(Cs2)의 전기에너지는 동일한 레벨로 하강된다.

상기와 같은 전기에너지회수모드 및 전기에너지공급모드에서 상기 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)과 제2권선(L2)에 한 방향으로만 전압을 공급하는 경우 포화현상이 발생될 수 있다. 이와 같은 포화현상을 방지하기 위해서는 상기 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)과 제2권선(L2)에 양극성의 전압을 공급하여 평균전압이 0이 되도록할 필요가 있다.

도 8 및 도 9는 상기와 같은 포화현상을 방지하기 위한 실시예를 나타낸 것이다.

도 8이 도 6과 다른 점은 전기에너지회수모드에서 제1배터리 모듈(400_1)의 제3스위치부(413C)의 제11내지 제14스위치(SW11-SW14) 중 제11 및 제12 스위치(SW11,SW12)가 턴온되고, 제13 및 제14스위치(SW13,SW14)가 턴오프되는 것이다.

도 9가 도 7과 다른 점은 전기에너지공급모드에서 제2배터리 모듈(400_2)의 제3스위치부(423C)의 제31내지 제34스위치(SW31-SW34) 중 제33 및 제34 스위치(SW33,SW34)가 턴온되고, 제31 및 제32스위치(SW31,SW32)가 턴오프되는 것이다.

다시 말해서, 전기에너지회수모드에서 제1배터리셀 모듈(411)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL11-CELL14)과 제2배터리 모듈(400_2)의 제2배터리셀 모듈(421)에 구비된 제1 내지 제4 배터리셀(CELL21-CELL24)들의 전기에너지 밸런싱이 이루어질 때 까지 도 6과 같은 전기에너지 회수 경로와 도 8과 같은 전기에너지 회수 경로를 교번되게 제공하여 상기와 같이 해당 배터리셀로부터 전기에너지를 회수하고, 전기에너지공급모드에서 도 7과 같은 전기에너지 공급 경로와 도 9과 같은 전기에너지 공급 경로를 교번되게 제공하여 상기와 같이 해당 배터리셀에 전기에너지가 공급되도록 한다. 이렇게 함으로써, 배터리셀의 밸런싱을 수행할 때 상기 트랜스포머(TR)의 포화 현상을 방지할 수 있게 된다.

상기와 같은 배터리셀의 밸런싱을 수행할 때 배터리관리 시스템(도면에 미표시)의 밸런싱 알고리즘에서 제공되는 배터리셀의 충전상태(State of Charge) 및 배터리셀의 성능상태(State of Charge) 정보를 이용하여, 가장 높은 전기에너지가 저장된 배터리셀과 가장 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀을 판별할 수 있다.

상기 설명에서는 가장 높은 전기에너지가 충전된 배터리셀로부터 전기에너지를 회수하고, 상기 회수된 전기에너지를 가장 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀에 공급하는 것을 예로하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니다. 예를들어, 상기와 같은 배터리셀 밸런싱 원리를 이용하여, 다른 배터리셀들에 비해 높은 전기에너지가 충전된 복수 개의 배터리셀로부터 전기에너지를 회수하고, 상기 회수된 전기에너지를 다른 배터리셀들에 비해 낮은 전기에너지가 충전된 복수 개의 배터리셀에 공급할 수 있다.

한편, 도 10은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 예를 들어, 상기 도 5의 트랜스포머(TR)의 제1권선(L1)의 일측 종단과 상기 제1커패시터(Cs1)의 일측 단자 사이에 선택스위치(SW_S)를 연결하여, 상기 제1권선(L1)이 상기 제1커패시터(Cs1)에 선택적으로 병렬접속되도록 하였다.

예를 들어, 배터리모듈 간에 전기 에너지 전달이 필요없고 제1배터리모듈(400_1) 내에서 개별적인 전기에너지 밸런싱 동작이 이루어질 때 상기 선택스위치(SW_S)를 턴오프시킨다. 그러나, 상기와 같은 개별적인 전기에너지 밸런싱 동작이 이루어진 후 배터리 모듈(400_1,400_2)간에 전기에너지 교환이 필요할 때 상기 선택스위치(SW_S)를 턴온시킨다.

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.

400 : 배터리셀 밸런싱 회로 400_1~400_N : 배터리 모듈
411 : 배터리셀 모듈 412 : 직렬공진회로
413A-413C : 제1-3스위치부

Claims

직렬접속된 복수 개의 배터리셀을 구비하는 배터리셀 모듈, 상기 배터리셀 모듈의 배터리셀들 중에서 상대적으로 가장 높은 전기에너지가 충전된 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 충전하고 상기 충전된 전기에너지를 상기 배터리셀 모듈의 배터리셀들 중에서 상대적으로 가장 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀에 공급하는 직렬공진회로, 상기 가장 높은 전기에너지가 충전된 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 상기 직렬공진회로의 커패시터 충전할 수 있도록 전기에너지 회수 경로를 제공하고 상기 충전된 전기에너지를 상기 가장 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀에 공급할 수 있도록 전기에너지 공급 경로를 제공하는 스위치부, 상기 커패시터에 병렬접속된 트랜스포머의 권선을 각기 구비한 복수 개의 배터리 모듈을 구비하되,
상기 복수 개의 배터리 모듈의 배터리셀 모듈들이 직렬로 접속되고,
상기 복수 개의 배터리 모듈들에 각기 포함된 상기 권선들이 자기적으로 결합되어 상기 복수 개의 배터리 모듈의 커패시터들에 충전되거나 방전되는 전기에너지의 레벨이 동일하게 변동되는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
제1항에 있어서, 상기 스위치부는
상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제1 공통노드 사이에 각기 접속된 복수 개의 스위치를 구비하는 제1 스위치부;
상기 복수 개의 배터리셀의 각 단자와 제2 공통노드 사이에 각기 접속되는 스위치들을 구비하는 제2 스위치부; 및
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 포함하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
제2항에 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.
제1항에 있어서, 상기 스위치부는 상기 가장 높은 전기에너지가 충전된 배터리셀로부터 회수되는 전기에너지를 충전하고 상기 충전된 전기에너지를 상기 가장 낮은 전기에너지가 충전된 배터리셀에 공급할 때, 상기 트랜스포머의 권선에 양쪽 방향으로 번갈아 가면서 전압이 공급되도록 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
제1항에 있어서, 상기 트랜스포머의 권선은 선택스위치에 의하여, 해당 배터리 모듈에서 개별적인 전기에너지 밸런싱 동작이 이루어질 때 상기 커패시터와 분리되고, 상기 개별적인 전기에너지 밸런싱 동작이 이루어진 후 배터리 모듈 간에 전기에너지 교환이 필요할 때 상기 커패시터와 연결되는 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
제1항에 있어서, 상기 복수 개의 배터리셀 각각의 용량은 상기 커패시터의 용량에 비하여 일정치 이상 큰 것을 특징으로 하는 엘씨 직렬공진을 이용한 배터리셀 밸런싱 회로.
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