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KR101942969B1 - 밸런싱 장치, 밸런싱 방법 및 배터리 모듈 - Google Patents

밸런싱 장치, 밸런싱 방법 및 배터리 모듈 Download PDF

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KR101942969B1
KR101942969B1 KR1020120095959A KR20120095959A KR101942969B1 KR 101942969 B1 KR101942969 B1 KR 101942969B1 KR 1020120095959 A KR1020120095959 A KR 1020120095959A KR 20120095959 A KR20120095959 A KR 20120095959A KR 101942969 B1 KR101942969 B1 KR 101942969B1
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voltage
cell
switch
winding transformer
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여태정
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삼성전자주식회사
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Abstract

밸런싱 장치는 직렬로 연결된 셀들을 밸런싱하는 장치에 있어서, 상기 셀들 각각에 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치; 상기 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 선택된 셀들에 연결된 상기 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어하는 제어부; 및 상기 양방향 스위치와 연결되고, 스위치가 온 상태인 셀들 사이의 에너지를 전달하는 다중 권선 변압기를 포함한다.

Description

밸런싱 장치, 밸런싱 방법 및 배터리 모듈{Balancing apparatus, balancing method and battery module}
배터리에 포함된 셀들의 밸런싱을 수행하는 밸런싱 장치, 밸런싱 방법 및 배터리 모듈에 관한 것이다.
배터리는 높은 전압 및 큰 용량을 가지기 위해서 다수의 단일 셀(cell)들이 직렬 연결된 스택(stack)들을 병렬로 연결하여 구성된다. 이상적인 경우 셀들은 동일한 특성을 가져야 하나, 제조시 기술적, 경제적 제약으로 인하여 셀간 편차(용량, 임피던스 등의 차이)가 발생한다. 이러한 편차는 셀의 온도 차이 및 충전 또는 방전 횟수가 많아지면 증가한다. 셀간 편차로 인하여, 충전 또는 방전 시 용량이 작은 셀은 과충전 또는 과방전되기 때문에, 셀들의 전압을 동일하게 맞추는 밸런싱이 요구된다.
셀들 사이의 전압의 차이를 줄이기 위한 밸런싱 장치, 밸런싱 방법 및 배터리 모듈을 제공하는 데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 밸런싱 장치는 직렬로 연결된 셀들을 밸런싱하는 장치에 있어서, 상기 셀들 각각에 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치; 상기 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 선택된 셀들에 연결된 상기 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어하는 제어부; 및 상기 양방향 스위치와 연결되고, 스위치가 온 상태인 셀들 사이의 에너지를 전달하는 다중 권선 변압기를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은 직렬로 연결된 복수의 셀들; 및 상기 셀들 중 임의로 2개의 셀들을 선택하여, 상기 선택된 셀들을 밸런싱하는 밸런싱 장치를 포함하되, 상기 밸런싱 장치는, 상기 셀들 각각에 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치; 상기 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 선택된 셀들에 연결된 상기 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어하는 제어부; 및 상기 양방향 스위치와 연결되고, 스위치가 온 상태인 셀들 사이의 에너지를 전달하는 다중 권선 변압기를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 밸런싱 방법은 직렬로 연결된 복수의 셀들을 밸런싱하는 방법에 있어서, 상기 셀들 각각의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 전압을 기초로 밸런싱을 수행할 셀들을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 셀들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 스위치는 상기 셀들에 각각 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치인 것을 특징으로 한다.
셀들에 연결된 다중 권선 변압기를 이용하여 인접하지 않은 셀들의 밸런싱을 수행할 수 있다.
다중 권선 변압기를 통하여 셀들 사이에 직접 에너지를 전달함으로써 에너지 손실을 줄일 있다.
양방향 스위치가 갖는 커패시턴스 및 다중 권선 변압기가 갖는 인덕턴스를 조절하여, 양방향 스위치의 온-오프(on-off)시 발생하는 에너지의 손실을 줄일 수 있다.
다중 권선 변압기의 권선수를 조절하여 양방향 스위치의 양단에 과전압이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 배터리의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 밸런싱 장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 밸런싱 장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 밸런싱 장치의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 5a 내지 5d는 도 4에 도시된 밸런싱 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 밸런싱 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 셀들을 밸런싱하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 배터리의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 배터리(100)는 복수의 모듈(110)들을 포함한다. 배터리(100)는 다수의 셀들에 에너지를 저장하는 장치이며, 충전하여 재사용이 가능하다. 충전 또는 방전시에 배터리(100)에 포함된 다수의 셀들 사이에 전압 차이가 발생할 수 있으며, 모듈(110) 사이에 전압차가 발생할 수도 있다.
모듈(110)은 다수의 셀들 및 밸런싱 장치(10)를 포함한다. 모듈(110)은 배터리(100)에 포함된 다수의 셀들을 일정 개수로 나누어 포함한다. 하나의 모듈(110)에 포함되는 셀의 개수는 효율적인 셀의 관리를 위해 결정될 수 있다.
밸런싱 장치(10)는 셀들 간의 전압 차이가 발생하는 경우, 전압 차이가 발생한 셀들의 전압을 일치시킨다. 이상적인 경우, 셀들은 동일한 특성을 갖기 때문에 충전 또는 방전시 셀들 간의 전압은 동일하다. 하지만, 기술적인 제약으로 인하여, 셀들 사이에 용량 또는 임피던스 등의 차이가 발생한다. 이러한 셀들의 특성의 차이는 일부 셀의 과충전 또는 과방전을 야기시킨다. 따라서, 충전 또는 방전시 셀들 사이에 전압 차이가 발생하는 경우, 밸런싱 장치(10)는 전압 차가 발생한 셀들의 전압을 동일하게 맞춘다. 다시 말해서, 밸런싱 장치(10)는 높은 전압을 갖는 셀의 에너지를 낮은 전압을 갖는 셀로 전달하여, 2개 셀들의 전압을 일치시킨다. 밸런싱 장치(10)는 셀들의 전압을 주기적으로 측정하고, 측정된 전압들을 기초로 셀들의 밸런싱을 수행한다. 예를 들어, 측정된 전압들 중 최대 전압과 최소 전압을 비교하고, 최대 전압과 최소 전압의 차이가 설정된 임계값보다 크면, 밸런싱 장치(10)는 최대 전압과 최소 전압을 나타내는 셀들의 전압을 일치시킨다.
도 1에 도시된 배터리(100)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 밸런싱 장치(10)의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 밸런싱 장치(10)는 양방향 스위치(11), 다중 권선 변압기(12) 및 제어부(13)를 포함한다. 양방향 스위치(11)는 셀과 다중 권선 변압기(12) 사이에 위치한다. 양방향 스위치(11)는 셀의 양단 중에 어느 한쪽 단에만 연결될 수 있다. 양방향 스위치(11)는 각각의 셀에 연결된다. 또한, 양방향 스위치(11)는 제어부(13)에 의해 온-오프(on-off) 된다.
양방향 스위치(11)는 양쪽 방향으로 흐르는 전류의 흐름을 제어한다. 다시 말해서, 조건에 따라서 양방향 스위치(11)에 흐르는 전류는 셀에서 다중 권선 변압기(12) 방향으로 흐르거나, 다중 권선 변압기(12)에서 셀 방향으로 흐른다.
다중 권선 변압기(12)는 양방향 스위치(11)와 연결된다. 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터는 각각의 셀에 연결되고, 서로 상관(correlate)된다. 따라서, 각각의 셀에 연결된 상호 인덕터를 통하여 셀들은 서로 에너지를 주고 받을 수 있다. 예를 들어, 다중 권선 변압기(12)는 각각의 셀들마다 동일한 권선수를 갖는 상호 인덕터를 포함할 수 있다.
어느 하나의 셀로부터 다른 셀로 에너지의 이동은 다중 권선 변압기(12)를 통하여 이루어진다. 다중 권선 변압기(12)는 각각의 셀마다 상호 인덕터가 연결되어 어느 하나의 셀로부터 다른 셀로 에너지를 전달한다. 따라서, 어느 하나의 셀에 저장된 에너지는 직접적으로 다른 셀로 이동된다. 불필요한 회로를 거치지 않고 어느 하나의 셀에서 다른 셀로 에너지가 이동하기 때문에 에너지의 전달 효율이 높다.
따라서, 밸런싱 장치(10)는 양방향 스위치(11) 및 다중 권선 변압기(12)를 이용하여 어느 하나의 셀에 저장된 에너지를 다른 셀에 직접 전달하거나 다른 셀로부터 직접 에너지를 전달받을 수 있다.
제어부(13)는 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 셀들을 선택하고, 선택된 셀들에 연결된 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어한다. 제어부(13)는 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 밸런싱이 필요한 셀들을 선택한다. 예를 들어, 밸런싱이 필요한 셀들은 전압차가 가장 큰 2개의 셀들일 수 있다. 다시 말해서, 제어부(13)는 측정된 셀들의 전압 중에 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀을 선택할 수 있다. 제어부(13)는 선택된 셀들의 양방향 스위치를 한 주기 동안 제어한다.
제어부(13)는 미리 설정된 우선순위에 기초하여 밸런싱을 수행할 셀들을 선택한다. 상기와 같이 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀을 선택하는 것도 설정된 우선순위의 일 예이다. 다시 말해서, 제어부(13)는 측정된 전압을 기초로 어느 셀들을 선택하여 밸런싱을 수행할 것인지 미리 설정하고, 설정된 우선순위에 따라 설들을 선택한다.
예를 들어, 동일한 전압을 나타내는 셀이 2 이상인 경우, 제어부(13)는 셀들이 연결된 순서에 기초하여 셀을 선택할 수 있다. 즉, 제어부(13)는 셀들을 연결된 순서에 따라 번호를 부여하고, 부여된 번호가 낮은 셀을 먼저 선택할 수 있다. 3번 셀과 4번 셀이 가장 높은 전압을 나타내고, 7번 셀이 가장 낮은 전압을 나타내면, 제어부(13)는 3번 셀과 4번 셀 중에서 7번 셀과 밸런싱을 수행할 셀을 선택해야 한다. 이때, 낮은 번호를 갖는 셀이 우선순위를 갖는다면, 제어부(13)는 3번 셀과 7번 셀을 선택하고, 3번 셀과 7번 셀의 스위치를 제어한다.
제어부(13)는 컴퓨터의 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어부(13)는 연산 또는 알고리즘 등의 처리가 가능한 하드웨어 내에 구현된 프로그램일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 밸런싱 장치(10)의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 밸런싱 장치(10)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 3의 실시예에 따른 밸런싱 장치(10)에도 적용된다.
밸런싱 장치(10)는 리셋 회로(14)를 더 포함한다. 리셋 회로(14)는 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터에 저장된 에너지를 리셋 시킨다. 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터는 셀들 사이의 에너지를 전달하는 과정에서 일부 에너지를 저장하고, 리셋 회로(14)는 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터에 저장된 일부 에너지를 전달받는다. 리셋 회로(14)는 전달 받은 에너지를 모듈(110)으로 전달한다.
도 4는 도 1에 도시된 밸런싱 장치의 일 실시예를 나타내는 회로도이다. 양방향 스위치(11)는 2개의 SR-NMOS(Synchronous Rectifier NMOS, 41)로 구현된다. 2개의 SR-NMOS는 서로 마주보도록 배치된다.
도 4에 도시된 SR-NMOS(41)와 같이, SR-NMOS(41)는 빌트인 다이오드(Built-in Diode) 및 커패시턴스 성분을 포함한다. 빌트인 다이오드(Built-in Diode) 및 커패시턴스(Capacitance) 성분은 SR-NMOS(41)를 생성하는 공정 시 포함된다.
다중 권선 변압기(12)는 각 셀에 병렬로 연결된 상호 인덕터(42)를 포함한다. 상호 인덕터(42)들은 서로 동일한 극성을 갖는다. 상호 인덕터(42)들은 서로 상관되어 있으며, 셀의 에너지를 전달한다.
리셋 회로(14)는 전체 셀들의 양단에 연결되고, 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터(42)들과 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor, 44) 및 다이오드(diode, 43)를 포함한다. 리셋 회로(14)의 상호 인덕터(44)는 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터(42)들과 상관되며, 반대 극성을 갖는다.
다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터(42)의 양단의 전압이 증가하면 리셋 회로(14)의 상호 인덕터(44)의 양단의 전압이 증가한다. 상호 인덕터(44)의 전압이 전체 셀들의 양단의 전압보다 크게 되면, 리셋 회로(14)에 전류가 흐른다. 리셋 회로(14)에 전류가 흐르게 되면, 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕터(42)의 양단의 전압은 더 이상 증가하지 않고 일정한 전압을 유지한다. 리셋 회로(14)의 상호 인덕터는 다중 권선 변압기(12)의 권선수보다 더 큰 권선수를 갖는다. 다중 권선 변압기(12) 및 리셋 회로(14)의 권선수를 조절하여, 다중 권선 변압기(12)의 양방향 스위치(11)의 양단의 피크(peak) 전압을 조절할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 밸런싱 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 도 5a 내지 5d는 선택된 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 스위치 온-오프에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에서 Cell-8이 높은 전압을 갖는 셀이고, Cell-1이 낮은 전압을 갖는 셀이다. 따라서, Cell-8의 에너지가 Cell-1으로 전달된다.
도 5a는 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(11)들이 온 상태인 경우를 설명하기 위한 도면이다. 제어부(13)에 의해 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(11)들이 닫히면, 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)은 도 5a와 같이 회로를 구성하게 된다. 높은 전압을 갖는 Cell-8로부터 상호 인덕턴스(Mutual Inductance, Lm) 및 Cell-1로 전류가 흐른다. Cell-8은 방전(discharging)되고, Cell-1은 충전(Charging)되고 상호 인덕턴스(Lm)은 에너지를 저장한다. 따라서, 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 전압차는 줄어들어 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)은 동일한 전압을 갖게 된다. 이때, Cell-8의 에너지의 대부분이 Cell-1으로 전달되기 위하여, 상호 인덕턴스(Lm)의 임피던스(Impedance)는 셀의 임피던스보다 크도록 설계된다.
또한, 양방향 스위치(11)는 2개의 SR-NMOS(41)들을 사용하여 구현되므로, 양방향 스위치(11)가 온 상태 시, 빌트인 다이오드를 거치지 않고, SR-NMOS(41)의 스위치 온 상태의 저항만을 거쳐 전류가 흐르게 되므로, 컨덕션 손실(Conduction Loss) 및 빌트인 다이오드로 인한 전압 강하가 줄어든다.
도 5b 내지 5d는 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(11)가 오프 상태인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(11)가 열린 경우 등가회로이다. 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(11)가 오프 시, SR-NMOS(41)의 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm) 사이에 공진회로가 형성된다. 따라서, 양방향 스위치(11)의 양단의 전압은 급격하게 증가하지 않고, 사인파(sine wave) 형태로 서서히 증가한다. 이때, 상호 인덕턴스(Lm)에 일부 에너지가 저장되며, 양방향 스위치(11)에 흐르는 전류는 점차 감소하여 0(zero)가 되며, 양방향 스위치(11)의 전압은 0(zero)에서 점차 증가한다(zero voltage switching turn off).
도 5c는 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(11)가 열린 경우, 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕턴스(Lm)에 저장된 에너지를 리셋시키는 과정을 나타낸다. 상호 인덕턴스(Lm)에 저장되는 에너지가 증가하면서 상호 인덕턴스(Lm)의 전압이 증가한다. 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕턴스(Lm)의 전압이 증가하면, 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕턴스(Lm)와 상관되어 있는 리셋 회로(14)의 상호 인덕턴스의 전압도 증가한다. 리셋 회로(14)의 상호 인덕턴스의 전압도 증가하여 모듈(110)의 양단의 전압(즉, 직렬로 연결된 전체 셀들의 양단의 전압)보다 크게 되면 다이오드(43)를 통하여 리셋 회로(14)에 전류가 흐르게 된다. 따라서, 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕턴스(Lm)의 전압은 더 이상 증가하지 않으며, 양방향 스위치(11)의 전압도 증가하지 않고, 양방향 스위치(11)는 피크(peak) 전압을 가지게 된다. 이때, 리셋 회로(14)의 상호 인덕턴스의 극성은 다중 권선 변압기(12)의 상호 인덕턴스(Lm)의 극성과 반대이다.
도 5d는 2개의 셀들(Cell-1 및 Cell-8)의 양방향 스위치(11)가 열린 경우, 리셋 회로(14)에 더 이상 전류가 흐르지 않는 경우를 나타낸다. 리셋 회로(14)에 더 이상 전류가 흐르지 않으면, SR-NMOS(41)의 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm) 사이에 공진회로가 형성된다. 따라서, 양방향 스위치(11)의 전압은 서서히 감소하여, 양방향 스위치(11)가 다시 온 되는 순간 이전에 양방향 스위치(11)의 전압을 0(zero)이 되도록 출력 커패시터(output capacitor)와 상호 인덕턴스(Lm)의 값을 조절한다(zero voltage switching turn on).
도 6은 도 5에 도시된 밸런싱 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 5에서 설명된 밸런싱 장치(10)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 6에서도 적용된다. 동작모드-1은 도 5a에서의 밸런싱 장치(10)의 동작을 나타내며, 동작모드-2는 도 5b, 동작모드-3은 도 5c, 동작모드-4는 도 5d에서의 밸런싱 장치의 동작을 나타낸다.
동작모드-1은 양방향 스위치(11)가 닫힌 상태일 때, 밸런싱 장치(10)의 동작을 나타낸다. 동작모드-1을 살펴보면, 스위치 전류(61)는 0(zero)에서 증가하여 일정한 값을 유지하며, 스위치 전압(62)은 양방향 스위치(11)가 닫힌 상태이므로 0(zero)을 유지한다. 다중 권선 변압기(12)에 흐르는 전류(63)는 일정하게 증가하며, 리셋 회로(14)에 흐르는 전류(64)는 없다. 스위치 전류(61)는 양방향 스위치(11)가 오프 되기 전에 감소하여 0(zero)이 된다. 스위치 전류(61)는 양방향 스위치(11)에 흐르는 전류를 나타낸다.
동작모드-2는 양방향 스위치(11)가 열린 직후의 밸런싱 장치(10)의 동작을 나타낸다. 동작모드-2를 살펴보면, 스위치 전류(61)는 양방향 스위치(11)가 오프 되기 전에 0(zero)이 되어 양방향 스위치(11)가 오프 상태에서 0(zero)상태를 유지한다. 스위치 전압(62)은 양방향 스위치(11)가 오프 되면 증가하고, 일정 전압에서 피크(peak) 전압을 갖는다. 다중 권선 변압기(12)에 흐르는 전류(63)는 증가하며, 리셋 회로(14)에 흐르는 전류(64)는 0(zero)상태를 유지한다.
동작모드-3은 리셋 회로(14)의 상호 인덕턴스의 전압이 모듈(110)의 양단의 전압보다 큰 경우에 밸런싱 장치(10)의 동작을 나타낸다. 동작모드-3을 살펴보면, 스위치 전류(61)는 0(zero)상태를 유지하며, 스위치 전압(62)은 피크(peak) 전압을 유지한다. 다중 권선 변압기(12)에 흐르는 전류(63)는 리셋 회로(14)에 전류가 흐르기 시작하면 0(zero)상태를 유지하며, 리셋 회로(14)에 흐르는 전류(64)는 증가 후 점차 감소한다.
동작모드-4는 리셋 회로(14)에 더 이상 전류가 흐르지 않는 경우에 밸런싱 장치(10)의 동작을 나타낸다. 동작모드-4를 살펴보면, 스위치 전류(61)는 0(zero)상태를 유지하며, 스위치 전압(62)은 점차 감소하여 양방향 스위치(11)가 다시 닫히기 전에 0(zero)상태가 된다(zero voltage zero current switching turn on). 다중 권선 변압기(12)에 흐르는 전류(63)는 동작모드-1과 반대방향으로 전류가 흐르며 양방향 스위치(11)가 다시 닫히기 전에 0(zero)상태가 된다. 리셋 회로(14)에 흐르는 전류(64)는 0(zero)상태를 유지한다.
밸런싱 장치(10)는 일정한 주기마다 셀들의 전압을 측정하고, 일정 시간 동안 선택된 셀들의 스위치를 닫는다. 따라서, 도 6과 같이 동작하기 위하여, 밸런싱 장치(10)는 스위치를 열고 닫는 시간에 기초하여 설계된다. 보다 상세히 설명하면, 밸런싱 장치(10)에 포함되는 출력 커패시터 및 상호 인덕터는 전압을 측정하는 주기 및 선택된 셀의 스위치가 닫혀 있는 시간을 고려하여 설계된다.
도 7은 밸런싱 장치(10)가 셀들을 밸런싱하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 밸런싱 장치(10)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 7의 실시예에도 적용된다.
71단계에서, 밸런싱 장치(10)는 직렬로 연결된 복수의 셀들 각각의 전압을 측정한다. 밸런싱 장치(10)는 셀들의 전압을 측정하기 위한 장치를 별도로 포함할 수 있다.
72단계에서, 밸런싱 장치(10)는 측정된 전압을 기초로 밸런싱을 수행할 셀들을 선택한다. 밸런싱 장치(10)는 전압차가 가장 큰 2개의 셀을 선택할 수 있다.
73단계에서, 밸런싱 장치(10)는 선택된 셀들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어한다. 스위치는 셀들에 각각 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치이다. 밸런싱 장치(10)는 일정한 주기에 따라, 스위치의 온-오프를 제어한다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시 예에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
밸런싱 장치(10)는 직렬로 연결된 다수의 셀들로 구성되는 배터리에서 셀들의 밸런싱을 수행하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 밸런싱 장치(10)는 전기 자동차(Electric Vehicle), 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle), 전기 바이크(Electric Bike), 무정전 전원 장치(Uninterruptible Power Supply) 또는 휴대 기기(Portable application) 등에 적용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
11: 양방향 스위치
12: 다중 권선 변압기
13: 제어부
110: 모듈

Claims (16)

  1. 직렬로 연결된 셀들을 밸런싱하는 장치에 있어서,
    상기 셀들 각각에 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치;
    상기 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 선택된 셀들에 연결된 상기 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어하는 제어부; 및
    상기 양방향 스위치와 연결되고, 상기 선택된 셀들에 연결된 양방향 스위치들이 온 상태인 경우 상기 선택된 셀들 사이의 에너지를 전달하는 다중 권선 변압기를 포함하고,
    상기 선택된 셀들은 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀이고,
    상기 다중 권선 변압기에 포함된 인덕터의 인덕턴스는 상기 가장 낮은 전압을 갖는 셀의 임피던스보다 큰, 밸런싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀들을 포함하는 모듈의 양단에 연결되고, 상기 다중 권선 변압기와 상관된(correlated) 상호 인덕터(mutual inductor) 및 다이오드를 포함하는 리셋 회로를 더 포함하는 밸런싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 권선 변압기는 각각의 셀들마다 동일한 권선수를 갖는 상호 인덕터를 포함하는 밸런싱 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 리셋 회로의 상호 인덕터는 상기 다중 권선 변압기의 권선수보다 더 큰 권선수를 갖는 밸런싱 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 미리 설정된 우선순위에 기초하여, 셀들을 선택하는 밸런싱 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 동일한 전압을 나타내는 셀이 2 이상인 경우, 상기 셀들이 연결된 순서에 기초하여 셀을 선택하는 밸런싱 장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 스위치의 커패시턴스와 상기 다중 권선 변압기의 인덕턴스는 상기 양방향 스위치의 커패시턴스와 상기 다중 권선 변압기의 인덕턴스 사이에 공진이 형성되도록 설계되는 밸런싱 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 스위치의 커패시턴스와 상기 다중 권선 변압기의 인덕턴스는 상기 양방향 스위치의 온-오프 시에, 상기 양방향 스위치의 양단의 전압 또는 상기 스위치에 흐르는 전류가 최소값을 갖도록 설계되는 밸런싱 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 스위치는 2개의 Synchronous Rectifier NMOSs을 포함하는 밸런싱 장치.
  12. 직렬로 연결된 복수의 셀들; 및
    상기 셀들 중 임의로 2개의 셀들을 선택하여, 상기 선택된 셀들을 밸런싱하는 밸런싱 장치를 포함하되,
    상기 밸런싱 장치는,
    상기 셀들 각각에 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치;
    상기 셀들의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 기초로 선택된 셀들에 연결된 상기 양방향 스위치의 온-오프(on-off)를 제어하는 제어부; 및
    상기 양방향 스위치와 연결되고, 상기 선택된 셀들에 연결된 양방향 스위치들이 온 상태인 경우 상기 선택된 셀들 사이의 에너지를 전달하는 다중 권선 변압기를 포함하고,
    상기 선택된 셀들은 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀이고,
    상기 다중 권선 변압기에 포함된 인덕터의 임피던스는 상기 가장 낮은 전압을 갖는 셀의 임피던스보다 큰, 배터리 모듈.
  13. 직렬로 연결된 복수의 셀들을 밸런싱하는 방법에 있어서,
    상기 셀들 각각의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압을 기초로 가장 높은 전압을 갖는 셀과 가장 낮은 전압을 갖는 셀을 선택하는 단계;
    상기 선택된 셀들에 연결된 스위치의 온-오프를 제어하는 단계; 및
    상기 선택된 셀들에 연결된 스위치가 온 상태인 경우 상기 스위치에 연결된 다중 권선 변압기를 이용하여 상기 가장 높은 전압을 갖는 셀의 에너지를 상기 가장 낮은 전압을 갖는 셀로 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 스위치는 상기 셀들에 각각 연결되어 양방향으로 전류의 흐름을 제어하는 양방향 스위치이고,
    상기 다중 권선 변압기에 포함된 인덕터의 임피던스는 상기 가장 낮은 전압을 갖는 셀의 임피던스보다 큰 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 셀들을 선택하는 단계는,
    미리 설정된 우선순위에 기초하여, 밸런싱을 수행하는 셀들을 선택하는 밸런싱 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 셀들을 선택하는 단계는,
    동일한 전압을 나타내는 셀이 2 이상인 경우, 상기 셀들이 연결된 순서에 기초하여 셀을 선택하는 밸런싱 방법.
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