KR101677679B1 - 2차 전지 스택을 위한 전력 관리 회로 - Google Patents

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Abstract

전하 밸런싱 시스템은 N개의 회로들 및 제어 모듈을 포함하며, N은 1 이상의 정수이다. N개의 회로들 각각은 직렬로 연결된 제1 및 제2 스위치, 그리고 상기 제1 및 제2 스위치 사이에 연결된 제1 단부를 가지는 인덕턴스를 포함한다. 제어 모듈은 제1 및 제2 스위치를 제어하기 위한 제어 신호들을 출력한다. N개의 회로들중 제1 회로의 제1 및 제2 스위치는 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍에 병렬로 연결된다.

Description

2차 전지 스택을 위한 전력 관리 회로{POWER MANAGEMENT CIRCUIT FOR RECHARGEABLE BATTERY STACK}
본 출원은 2010년 3월 17일 출원된 미국 특허 출원 번호 제12/725,683호를 우선권으로 주장하며, 2009년 4월 3일에 출원된 미국 특허 출원 제61/166,590호에 대한 권리를 주장한다. 상기 두 출원에 개시된 내용은 그 전체가 여기에 참조로서 포함된다.
본 발명은 2차 전지(rechargeable battery)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 2차 전지 스택을 위한 전력 관리 회로에 관한 것이다.
본 명세서에서 제공되는 배경 기술은 본 개시의 내용을 일반적으로 제공하기 위한 것이다. 이 배경 기술 부분에서 작업에 대해 설명되는 한도까지의, 현재 지명된 발명자들의 작업뿐만 아니라, 출원 시에 선행 기술로서 자격이 부여되지 않을 수도 있는 설명의 양상들은 명시적으로도 또는 암시적으로도 본 개시 내용에 대한 선행 기술로서 인정되지 않는다.
2차 전지는 많은 애플리케이션들에서 사용된다. 이 애플리케이션들은 휴대용 전자 디바이스로부터 산업용 장비에까지 이르고 있다. 예를 들어, 휴대용 전자 디바이스들은 셀 폰, 카메라, PDA(personal digital assistants), 랩탑 컴퓨터, 및 노트북 컴퓨터들을 포함할 수 있다. 산업용 장비는 포크-리프트(fork-lifts), 하이브리드-전기 차, 의료용 장비, 및 무정전 전원 공급기(uninterruptaible power supplies)을 포함할 수 있다.
2차 전지는 일반적으로 서로 다른 화학 기술들을 이용하고 서로 다른 출력 전압들을 발생시키는 셀들을 포함한다. 예를 들어, 니켈-카드뮴(NiCd) 셀 및 니켈 금속 하이브리드 (NiMH) 셀은 1.2 볼트(1.2V)의 출력 전압을 발생시킨다. 리튬 이온 셀들은 3.6V에서 3.9V에 이르는 출력 전압들을 발생시킨다.
많은 애플리케이션들은 단일 셀에 의해 발생되는 출력 전압보다 높은 전압들을 이용한다. 따라서, 단일 셀에 의해 발생되는 전압보다 높은 출력 전압들을 발생시키기 위하여 복수 셀들의 전지 스택이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두개의 셀들을 포함하는 전지 스택은 몇몇 휴대용 전자 디바이스들을 작동시킬 수 있는 출력 전압을 발생시킬 수 있다. 수백개의 셀들을 포함하는 전지 스택은 몇몇 전기 차들을 작동시킬 수 있는 출력 전압을 발생시킬 수 있다.
일반적으로, 전지 셀은 소정 량(predetermined amount)의 전하를 저장하는 용량(capacity)을 가진다. 이 용량은 셀의 정격 용량(rated capacity)이라 칭해진다. 임의의 시점에 셀 내에 남아있는 전하의 양은 그 셀의 전하 상태와 관련하여 표현될 수 있다. 셀이 상기 셀의 최대 용량(예를 들어, 정격 용량)으로 충전되었을때 상기 셀은 완전히 충전된 상태(fully charged state)에 있다. 반대로, 셀이 최소 용량으로 방전되었을 때 상기 셀은 완전히 방전된 상태에 있다. 셀의 출력 전압은 셀의 전하 상태의 함수이다.
때때로, 셀은 그것의 정격 용량에 따라 전하를 저장하지 못할 수 있다. 대신에, 셀은 그것의 정격 용량보다 적은 전하를 저장할 수 있다. 셀은 그것의 정격 용량에 따라 전하를 저장할 수 있는 성능에 근거하여 약한 셀(weak cell) 또는 강한 셀(strong cell)이라 칭해질 수 있다.
예를 들어, 강한 셀은 완전히 충전되었을 때 그것의 정격 용량과 거의 동일한 전하를 저장할 수 있다. 반대로, 약한 셀은 완전히 충전되었을 때 그것의 정격 용량과 거의 동일한 전하를 저장할 수 없다. 대신, 약한 셀은 완전히 충전되었을 때 그것의 정격 용량보다 상당히 적은 전하를 저장한다.
셀들이 전지 스택에 직렬로 연결될 때, 충전 및 방전 중에 상기 셀들을 통해 동일한 양의 전류가 흐른다. 충전 중에, 약한 셀은 강한 셀보다 더 빠르게 충전하고 강한 셀이 완전히 충전되기 전에 완전히 충전된다. 약한 셀의 출력 전압은 강한 셀보다 먼저 그것의 최대 정격값에 도달한다. 강한 셀을 완전히 충전하기 위하여 충전이 계속될 때 약한 셀은 과충전(overcharge)된다. 약한 셀이 과충전될 때 상기 약한 셀의 출력 전압은 그것의 최대 정격 값을 초과한다.
방전 중에, 약한 셀은 강한 셀보다 빠르게 방전하고 상기 강한 셀보다 먼저 완전히 방전된다. 약한 셀의 출력 전압은 강한 셀보다 빨리 그것의 최대 정격 값으로부터 떨어진다. 강한 셀이 완전히 방전될 때까지 방전이 계속될 때, 강한 셀이 상기 약한 셀을 역충전(reverse charge)할 수 있다.
빈번한 과충전 및 역충전은 셀들의 유용한 충전-재충전 사이클들(useful charge-recharge cycles)의 수에 부정적인 영향을 미친다. 대부분의 셀들은 제한된 수의 유용한 충전-재충전 사이클들을 가진다. 예를 들어, 납 셀들(lead-acid cells)은 200-500번의 유용한 충전-재충전 사이클들을 가질 수 있다. 니켈-카드뮴(NiCd) 셀들은 500-1200번의 유용한 충전-재충전 사이클들을 가질 수 있다. 리튬 이온 셀들은 300 내지 500번의 유용한 충전-재충전 사이클들을 가질 수 잇다. 셀들이 약해지고 연장된 시간 기간동안 과충전될때 유용한 충전-재충전 사이클들의 수는 상당히 감소된다. 또한, 약한 셀들이 완전히 방전되고 그리고 역충전될 때 셀들은 손상될 수 있다.
약한 셀들의 과충전 및 과방전을 방지하기 위하여, 전지 스택은 그것의 정격 용량보다 적은 용량에서 동작될 수 있다. 예를 들어, 전지 스택의 충전 사이클은 약한 셀이 완전히 충전될 때 종료될 수 있다. 약한 셀이 완전히 충전될 때 충전 사이클을 종료하는 것은 전지 스택 내의 다른 셀들을 완전히 충전되지 못하게 할 수 있다. 결과적으로, 전지 스택은 그것의 정격 용량보다 적은 전력을 공급할 수 있다.
반대로, 약한 셀이 완전히 방전될 때 전지 스택의 방전 사이클이 종료될 수 있다. 약한 셀이 완전히 방전될 때 방전 사이클을 종료하는 것은 전지 스택 내의 다른 셀들을 완전히 방전되지 못하게 할 수 있다.
전지 스택을 그것의 정격 용량보다 적은 용량에서 동작시키는 것은 사용되지 않은 전지 스택 용량을 낭비하는 결과를 초래한다. 또한, 전지 스택을 그것의 정격 용량보다 적은 용량에서 동작시키는 것은 충전-재충전 사이클들의 수를 증가시킬 수 있다.
대신에, 전지 스택의 각각의 셀이 개별적으로 모니터링될 수 있다. 각각의 셀의 충전 및 방전은 약한 셀들에 대한 손상을 방지하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어가능한 분산 바이패스 디바이스들(controllable dissipative bypass devices)이 각각의 셀들과 함께 사용될수 있다. 충전 및 방전을 제어하는 제어기는 약한 셀이 완전히 충전될 때 이를 감지할 수 있다. 제어기는 약한 셀이 완전히 충전될 때 상기 약한 셀과 관련된 분산 바이패스 디바이스를 턴 온시킬 수 있다. 분산 바이패스 디바이스는, 다른 셀들이 그것들의 정격 용량에 도달될 때까지 충전이 계속되는 동안에, 상기 약한 셀을 추가적인 충전으로부터 바이패스시킨다. 따라서, 분산 바이패스 디바이스는 약한 셀의 과충전을 방지해준다.
또한, 제어기는 약한 셀이 거의 완전히 방전될 때 이를 감지할 수 있다. 제어기는 약한 셀이 거의 완전히 방전될 때 배터리 스텍의 추가적인 방전을 디스에이블할 수 있다. 따라서, 제어기는 약한 셀의 과방전을 방지해준다.
이러한 기법은 약한 셀들을 과충전 및 과방전으로부터 보호한다. 그러나, 강한 셀의 유용한 용량이 사용될 수가 없다. 또한, 분산 바이패스 디바이스들의 사용은 충전 중에 라운드 트립(round-trip) 충전/방전 효율성을 감소시킨다.
전하 밸런싱 시스템은 N개의 회로들과 제어 모듈을 포함하여 구성되고, N은 1 이상의 정수이다. 상기 N개의 회로들 각각은 직렬로 연결된 제1 및 제2 스위치들과, 상기 제1 및 제2 스위치들 사이에 연결된 제1 단부를 가진 인덕턴스를 포함한다. 제어 모듈은 제1 및 제2 스위치들을 제어하는 제어 신호들을 출력한다. N개의 회로들 중 제1 회로의 인덕턴스의 제2 단부는 전지 스택의 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍의 2개의 셀들 사이에 연결된다. N개의 회로들 중 상기 제1 회로의 제1 및 제2 스위치들은 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍에 병렬로 연결된다.
또 다른 특징으로, 상기 제어 모듈은 전지 스택의 충전 사이클 및 방전 사이클 중 적어도 하나의 사이클 동안 상기 제어 신호들의 듀티 사이클에 근거하여 인덕턴스를 통해 2N개의 직렬 연결된 셀들의 상기 제1 쌍의 상기 2개의 셀들 사이에서 전하를 전송한다.
또 다른 특징으로, 상기 제어 모듈은 2N개의 직렬 연결된 셀들 중의 상기 제1 쌍의 상기 2개의 셀들의 각각의 출력 전압들 사이의 차가 소정의 임계값 이하일때까지 전하를 전송한다.
또 다른 특징으로, 2N개의 직렬 연결된 셀들의 상기 제1 쌍의 제1 셀이 2N개의 직렬 연결된 셀들의 상기 제1 쌍의 제2 셀보다 빨리 충전될 때, 상기 제어 모듈은 상기 제어 신호들의 듀티 사이클에 근거하여 상기 인덕턴스를 통해 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀로부터의 제1 전하를 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제2 셀로 전송한다.
또 다른 특징으로, 상기 제어 모듈은 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀의 전하의 상태가 완전히 충전된 상태보다 제1 소정의 임계값 만큼 낮을 때 상기 제1 전하를 전송한다.
또 다른 특징으로, 상기 제어 모듈은 전하의 상태가 완전히 충전된 상태보다 제2 소정의 임계전압만큼 클 때 방전 사이클 동안에 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제2 셀로부터의 제2 전하를 2N개의 직렬 연결된 셀들의 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀로 전송한다.
또 다른 특징으로, 상기 제어 모듈은 2N개의 직렬 연결된 셀들의 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀의 제1 출력 전압이 2N개의 직렬 연결된 셀들의 상기 제1 쌍의 상기 제2 셀의 제2 출력 전압보다 클때까지 상기 제2 전하를 전송한다.
또 다른 특징으로, 상기 제어 모듈은 상기 전지 스택의 충전 및 방전 사이클들 중 적어도 일 사이클 동안 상기 전지 스택의 출력 전압에 근거하여 상기 제어 신호들의 듀티 사이클을 조정한다.
다른 특징으로, 본 방법은 N개의 회로들 각각의 제1 및 제2 스위치들을 직렬로 연결하는 것을 포함하며, 여기서 N은 1이상의 정수이다. 본 방법은, 제1 스위치와 제2 스위치 사이에 인덕턴스의 제1 단을 연결하는 것을 더 포함하는바, 여기서 N개의 회로들 각각은 인덕턴스를 포함한다. 본 방법은 전지 스택의 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제1 쌍의 2개의 셀들 사이에 N개의 회로들 중 제1 회로의 인덕턴스의 제2 단부를 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중 제1 회로의 제1 및 제2 스위치들을 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제1 쌍에 병렬로 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 제1 및 제2 스위치들을 제어하기 위하여 제어 신호들을 출력하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 전지 스택의 충전과 방전 중 적어도 하나의 기간 동안 제어 신호들의 듀티 사이클에 근거하여 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍의 2개의 셀들 사이에 인덕턴스를 통해 전하를 전송하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제1 쌍의 두개의 셀들의 각각의 출력 전압들 사이의 차가 소정의 임계값보다 적을때까지 전하를 전송하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 제1 셀이 제2 셀보다 빠르게 충전할 때 제어 신호들의 듀티 사이클에 근거하여 인덕턴스를 통해 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍의 제1 셀로부터의 제1 전하를 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍의 제2 셀로 전송하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 제1 셀의 전하의 상태가 완전히 충전된 상태보다 제1 소정의 임계값 만큼 낮을 때 제1 전하를 전송하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 전하의 상태가 완전히 방전된 상태보다 제2 소정의 임계값만큼 크면 방전 사이클 동안에 제2 셀로부터 제1 셀로 제2 전하를 전송하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 제1 셀의 제1 출력 전압이 제2 셀의 제2 출력 전압보다 클때까지 제2 전하를 전송하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 전지 스택의 충전 및 방전 사이클들 중 적어도 하나의 사이클 동안 전지 스택의 출력 전압에 근거하여 제어 신호들의 듀티 사이클을 조정하는 것을 더 포함한다.
다른 특징들로, 본 발명은 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍에 걸친 제1 전압을 감지하고, 인덕턴스의 제2 단부에서 제2 전압을 감지하고, 그리고 상기 제1 및 제2 전압들에 근거하여 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍의 2개의 셀들의 각각의 출력 전압들을 결정하는 것을 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 전지 스택의 충전 및 방전 사이클들 중 적어도 한 사이클 동안 출력 전압들 중 적어도 하나에 근거하여 제어 신호들의 듀티 사이클을 조정하는 것을 더 포함한다 .
다른 특징들로, 본 방법은 제어 신호들을 발생시키고 듀티 사이클에 근거하여 제어 신호들의 펄스 폭들을 변조하는 것을 더 포함한다.
또 다른 특징으로, 본 방법은 전지 스택의 출력 전압이 감소하여 소정의 전압보다 낮아질 때, 상기 전지 스택을 연결해제하는 것을 더 포함한다.
다른 특징들로, 본 방법은, N이 3 이상일 때, 전지 스택의 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제2 쌍의 2개의 셀들 사이에 N개의 회로들 중 제2 회로의 인덕턴스의 제2 단부를 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중 제2 회로의 제1 및 제2 스위치들을 2N개의 직렬 연결된 셀들 중의 제2 쌍에 병렬로 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제1 및 제2 쌍을 직렬로 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중 제1 회로의 제2 스위치를 N 회로들 중 제2 회로의 제1 스위치에 연결하는 것을 더 포함한다.
다른 특징들로, 본 방법은 N개의 회로들 중 제1 및 제2 회로의 제1 스위치와 제2 스위치 사이에 N개의 회로들 중 제3 회로의 인덕턴스의 제2 단부를 각각 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중 제3 회로의 제1 및 제2 스위치들을 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍과 제2 쌍에 병렬로 연결하는 것을 더 포함한다.
다른 특징들로, 본 방법은 N이 5 이상일 때 전지 스택의 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제3 쌍의 2개의 셀들 사이에 N개의 회로들 중의 제4 회로의 인덕턴스의 제2 단부를 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중 제4 회로의 제2 스위치를 N개의 회로들 중 제1 회로의 제1 스위치에 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중 제4 회로의 제1 및 제2 스위치들을 2N개의 직렬 연결된 셀들 중의 제3 쌍에 병렬로 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중 제4 회로의 제2 스위치를 N개의 회로들 중 제1 회로의 제1 스위치에 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제3 쌍을 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제1 및 제2 쌍에 직렬로 연결하는 것을 더 포함한다.
다른 특징으로, 본 방법은, N개의 회로들 중의 제4 및 제1 회로들의 제2 스위치와 제1 스위치 사이에, 각각, N개의 회로들 중의 제5 회로의 인덕턴스의 제2 단부를 연결하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 N개의 회로들 중의 제 5 회로의 제1 및 제2 스위치들을 2N개의 직렬 연결된 셀들의 제3 및 제1 쌍들에 병렬로 더 연결하는 것을 포함한다.
또 다른 특징으로, 위에 기술된 시스템 및 방법들은 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램에 의해 구현된다. 컴퓨터 프로그램은 유형(tangible) 컴퓨터 판독가능 매체에 상주할 수 있는바, 상기 매체는 메모리, 비휘발성 데이터 저장장치, 및/또는 다른 적절한 유형 저장 매체들을 포함하나, 이것들에 국한되는 것은 아니다.
본 개시의 응용가능한 또 다른 영역은 상세한 설명, 청구항들, 및 도면으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명과 구체적인 예들은 단지 설명의 목적으로 의도된 것이며, 구체적인 예들은 예시의 목적으로 의도된 것이고 본 개시의 범주를 제한하려 의도된 것이 아니다.
본 개시는 상세한 설명 및 첨부의 도면으로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.
도 1은 2차 전지 스택을 제어하기 위한 전력 관리 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 전력 관리 시스템의 펄스폭 변조(PWM) 제어 모듈의 기능 블록도이다.
도 3은 두 개의 리튬 이온 셀들을 포함하는 전지 스택을 제어하기 위한 전력 관리 시스템의 개략도이다.
도 4는 4개의 셀들을 포함하는 전지 스택을 제어하기 위한 전력 관리 시스템의 개락도이다.
도 5는 6개의 셀들을 포함하는 전지 스택을 제어하기 위한 전력 관리 시스템의 개략도이다.
도 6은 전지 스택을 충전하는 방법의 흐름도이다.
도 7은 전지 스택을 방전하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 스태거드 토폴로지(staggered topology)를 사용하여 전지 스택을 제어하는 전력 관리 시스템의 개략도이다.
도 9는 병렬 전력 공급 토폴로지를 사용하여 전지 스택을 제어하는 전력 관리 시스템의 개략도이다.
하기의 설명은 단지 예시적인 것이며 본 개시, 그것의 응용 또는 사용을 제한하려 의도된 것은 아니다. 명료성을 위하여, 도면에서 유사한 소자들을 식별하기 위해 동일한 참조 번호들이 사용될 것이다. 본 명세서에서 사용된 것과 같은, 'A, B 및 C 중 적어도 하나'라는 문구는, 비배타적 논리합(non-exlusive logical OR)을 사용하여, 논리 (A 또는 B 또는 C)를 의미하는 것으로 해석되어어야 한다. 방법 내의 단계들은 본 개시의 원리를 변경함이 없이 서로 다른 순서로 실행될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "모듈"은, 하나 이상의 소프트웨어 또는 펌웨어 프로그램들을 실행하는 주문형 집적 회로(ASIC), 전자 회로, 프로세서 (공유, 전용, 또는 그룹) 및/또는 메모리(공유, 전용, 또는 그룹), 조합 논리 회로, 및/또는 설명된 기능을 제공하는 다른 적절한 컴포넌트들을 나타내거나, 이것들의 일부이거나, 또는 이것들을 포함할 수 있다.
본 개시는 전지 스택 내의 각각의 셀에 전하를 유입(move in)시키거나 상기 각각의 셀로부터 전하를 방출(move out)시키는 유도성 에너지 저장장치(inductive energy storage)를 사용하는 것에 관한 것이다. 펄스폭 변조(PWM) 스위칭 회로가 충전 및 방전을 제어하는데 사용된다. PWM 스위칭 회로의 듀티 사이클은 인덕터를 통해 전류를 셀들로/로부터 공급(source)/배출(sink)하기 위하여 조정된다. 전류를 셀들로/로부터 공급/배출하는 동안 에너지 저장 용으로 인덕터를 사용하는 것이 에너지 손실을 최소화해준다.
예를 들어, PWM 스위칭 회로 소스들은 충전 동안 약한 셀을 방전하고 강한 셀을 충전함으로써 네트 포지티브 전류를 공급(source)한다. PWM 스위칭 회로는 약한 셀이 완전히 충전되었고 강한 셀이 아직 완전히 충전되지 않았을 때 전류를 공급한다. 구체적으로, PWM 스위칭 회로는 약한 셀이 완전히 충전될 때 약한 셀로부터 강한 셀로 전하를 전송(transfer)한다. 약한 셀로부터 강한 셀로 전하를 전송하는것은 강한 셀이 그것의 완전 용량으로 충전되는 동안 약한 셀이 과충전되는 것을 방지해준다.
또한, PWM 스위칭 회로는 방전 동안 강한 셀을 방전하고 약한 셀을 충전함으로써 전류를 배출한다. PWM 스위칭 회로는 약한 셀이 강한 셀보다 빠르게 방전할 때 상한 셀로부터 약한 셀로 전하를 전송한다. 강한 셀로부터 약한 셀로 전하를 전송하는것은 약한 셀의 과방전을 방지해준다.
하나의 셀로부터 또 다른 셀로 전하를 전송하는것은 충전과 방전 동안 셀들의 출력 전압들을 동일하게 만들어준다. 한 셀로부터 또 다른 셀로 전하를 전송하여 출력 전압을 동일하게 만드는 방법은 셀 밸런싱 또는 전압 밸런싱이라 칭해진다.
셀 밸런싱의 종료시, 셀들의 출력 전압들은 거의 동일할 수 있다. 출력 전압들 사이에 작은 차이가 존재할 수 있다. 차이는 소정의 임계값 이하일 수 있다. 소정의 임계값은 거의 0에 가까울 수 있다. 소정의 임계값은 다양한 인자들에 의존할 수 있다. 이러한 인자들은 셀들의 타입 및 전지 스택에서 사용되는 셀들의 전체 개수일 수 있다. 추가적으로, 인자들은 셀들의 전압 정격(voltage rating) 및 수명을 포함할 수 있다. 단지 예로서, 소정의 임계값은 몇분의 1(예를 들어, 0.05V 또는 0.2V)와 동일할 수 있다. 대안적으로, 소정의 임계값은 전압 정격의 작은 퍼센트(예를 들어, 0.5% 또는 2%)와 동일할 수 있다.
PWM 스위칭 회로는 서스테인 모드(sustained mode) 또는 선택 모드(selective mode)에서 동작될 수 있다. 서스테인 모드에서, PWM 스위칭 회로는 충전 및 방전 중에 턴온된다. PWM 스위칭 회로는 전지 스택의 전하의 전체 상태에 상관없이 셀들의 출력 전압들을 동일하게 만들 수 있다. 따라서, PWM 스위칭 회로는 서스테인 모드에서 전지 스택으로부터 전력을 끌어내고(draw) 전지 스택을 소모(drain)한다.
대안적으로, PWM 스위칭 회로는 선택 모드에서 동작될 수 있다. 선택 모드에서, 셀들의 전하 레벨들이 소정의 범위내에 있을 때 PWM 스위칭 회로가 턴 오프된다. 일 셀의 전하 레벨이 소정의 범위 바깥에 있을 때 PWM 스위칭 회로는 턴온된다.
상기 소정의 범위는 고 임계값(higher threshold)및 저 임계값(lower threshold)을 가진다. 고 임계값은 셀들의 정격 용량보다 약간 작다. 예를 들어, 고 임계값은 정격 용량의 95%일 수 있다. 저 임계값은 0보다 약간 클 수 있다. 예를 들어, 저 임계값은 정격 용량의 5%일 수 있다. 따라서, 고 임계값은 셀이 거의 완전히 충전될때를 나타낸다. 저 임계값은 셀이 거의 완전히 방전될 때를 나타낸다.
PWM 스위칭 회로는 충전 중에 셀이 그것의 정격 용량의 95%로 충전될때 턴온될 수 있다. 또한, PWM 스위칭 회로는 방전 중에 셀이 그것의 정격 용량의 5%로 방전될 때 턴온될 수 있다.
또한, 셀(예를 들어, 약한 셀)이 저 임계값 이하로 방전될 때, PWM 스위칭 회로는 셀 밸런싱을 수행하지 않을 수 있다. 대신에, PWM 스위칭 회로는 약한 셀과 강한 셀의 전하 레벨들이 거의 동일해질 때까지 약한 셀을 충전하기 위하여 강한 셀로부터의 전하를 사용할 수 있다. 약한 셀이 강한 셀보다 적은 용량을 가지므로, 약한 셀의 출력 전압이 강한 셀의 출력 전압보다 더 커진다. 이는 강한 셀이 약한 셀을 역충전하는 것을 방지해준다.
도 1을 참조하면, 2차 전지 스택(102)을 제어하기 위한 전력 관리 시스템(100)이 도시된다. 예로서, 2차 전지 스택(102)은 제1 셀(104) 및 제2 셀(106)의 2개의 셀들을 포함한다. 제1 셀(104)은 제2 셀(106)에 직렬로 연결된다.
전력 관리 시스템(100)은 2차 전지 스택(102)(본 명세서에서 전지 스택(102))을 제어하는 PWM 스위칭 회로(108)를 포함한다. PWM 스위칭 회로(108)는 도시된 것과같이 전지 스택(102)의 두개의 외부 단자들(102-1, 102-2)에 걸쳐 연결된다. 전지 스택(102)은 PWM 스위칭 회로(108)로부터 분리가능하다. PWM 스위칭 회로(108)는 휴대가능하며 전지 스택(102)에 플러그인될 수 있다. 일부 실시예들에서, PWM 스위칭 회로(108)는 전지 스택(102)에 통합될 수 있다.
PWM 스위칭 회로(108)는 PWM 제어 모듈(110), 드라이버 회로(111) 및 인덕턴스(116)를 포함한다. 드라이버 회로(111)는 제1 스위치(112), 제2 스위치(114)를 포함한다. 제1 및 제2 스위치들(112, 114) 및 인덕턴스(116)는 집합적으로(collectively) 기본 셀 밸런싱 회로라 칭해질 수 있다. 제1 및 제2 스위치들(112, 114)은 반도체 스위칭 디바이스들에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 스위치들(112, 114)은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)들에 의해 구현될 수 있다.
PWM 제어 모듈(110)은 조정가능한 듀티 사이클에서 제1 및 제2 스위치들(112, 114)를 구동(drive)한다. 인덕턴스(116)의 제1 단자는 노드(117)에서 제1 및 제2 스위치들(112, 114)에 연결된다. 인덕턴스(116)의 제2 단자는 전지 스택(102)의 노드(118)에 연결된다. 제1 셀(104)은 노드(118)에서 제2 셀(106)에 연결된다. PWM 스위칭 회로(108)는 노드(118)에서 출력 전압(SWout)을 발생시킨다.
정상 상태 조건(steady state condition)에서, SWout은 PWM 스위칭 회로(108)의 듀티 사이클에 비례한다. 듀티 사이클이 50%일 때, SWout은 PWM 스위칭 회로(108)의 입력 전압의 1/2이다. 전지 스택(102)의 출력 전압 Vout은 PWM 스위칭 회로(108)의 입력 전압이다. 50% 듀티 사이클에서, 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들이 동일할 때, 노드(118)를 통해 전류가 흐르지 않는다. 따라서, PWM 스위칭 회로(108)는 셀 밸런싱을 수행하기 위하여 Vout에 근거하여 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 대안적으로, PWM 스위칭 회로(108)는 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들에 근거하여 듀티 사이클을 조정할 수 있다.
듀티 사이클이 50%가 아닐때, 출력 전압 SWout은 Vout의 1/2보다 크거나 작을 수 있다. 따라서, 듀티 사이클을 조정함으로써, PWM 스위칭 회로(108)는 노드(118)를 통해 전류를 공급(sourcing) 또는 배출(sinking)할 수 있다. PWM 스위칭 회로(108)가 전류(네트 포지티브 전류 출력)를 공급할때, 제1 셀(104)은 방전하고, 제2 셀(106)은 충전할 수 있다. 반대로, PWM 스위칭 회로(108)가 전류를 배출할 때, 제2 셀(106)은 방전하고, 제1 셀(104)은 충전할 수 있다.
전지 스택(102)의 충전 사이클 동안, 약한 셀(예를 들어, 제1 셀(104)은 강한 셀(예를 들어, 제2 셀(106)) 보다 먼저 완전히 충전될 수 있다. 약한 셀이 완전히 충전될 때, PWM 스위칭 회로(108)는 전류를 공급(sourcig)한다. PWM 스위칭 회로(108)는 전하를 약한 셀로부터 강한 셀로 전송한다. 이는 약한 셀의 과충전을 방지해준다.
전지 스택(102)의 방전 사이클 동안, 약한 셀은 강한 셀보다 빠르게 방전한다. 약한 셀의 출력 전압은 강한 셀의 출력 전압 미만으로 떨어진다. PWM 스위칭 회로(108)는 전류를 배출(sink)하고 강한 셀로부터 약한 셀로 전하를 전송한다. PWM 스위칭 회로(108)는 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 전하 레벨들이 거의 동일하게 될때까지 전류를 배출한다. 이는 제1 셀(104)의 출력 전압을 제2 셀(106)의 출력 전압보다 높은 값으로 증가시킨다. 이는 제1 셀(104)의 과방전 및 역충전을 방지해준다. 또한, 이는 전지 스택(102)이 제1 및 제2 셀들(104, 106)로부터 더 많은 에너지를 추출할 수 있게 해준다.
PWM 스위칭 회로(108)는 서스테인 모드 또는 선택 모드에서 동작할 수 있다. 서스테인 모드에서, 충전 및 방전 중에 PWM 스위칭 회로(108)가 턴온된다. PWM 스위칭 회로(108)는 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들을 동일하게 만든다. 예를 들어, 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 용량은 10% 만큼 다를 수 있다. PWM 스위칭 회로(108)는 전지 스택(102)의 출력/입력 전류의 5%(즉, 10%/2)를 공급(sourcing)/배출(sinking)하는 것에 의해 출력 전압들을 밸런싱한다.
서스테인 모드에서, PWM 스위칭 회로(108)는 소량의 전류를 소비한다. PWM 스위칭 회로(108)는 전지 스택(102)로부터 전류를 끌어내고(drawing) 전지 스택(102)를 소모(draining)한다. 전지 스택(102)을 통해 네트 입/출력 전류가 흐르지 않는다하더라도 PWM 스위칭 회로(108)는 전지 스택(102)를 소모한다. 예를 들어, PWM 스위칭 회로(108)는 전지 스택(102)에 로드가 연결되어있지 않을때 전지 스택(102)을 소모한다.
PWM 스위칭 회로(108)는 또한 선택 모드에서 동작할 수 있다. 선택 모드에서, 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 전하 레벨들이 소정의 범위 내에 있을 때, PWM 스위칭 회로(108)가 턴오프된다. 예를 들어, 상기 소정의 범위는 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 정격 용량의 5% 내지 95% 범위에 있을 수 있다. PWM 스위칭 회로(108)는 제1 및 제2 셀들(104, 106) 중 하나의 전하 레벨이 소정의 범위 바깥에 있을 때 턴온된다.
예를 들어, PWM 스위칭 회로(108)는 충전 중에 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 먼저 그것의 정격 용량의 95%로 충전될 때 턴온될 수 있다. 또한, PWM 스위칭 회로(108)는 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 먼저 정격 용량의 5% 미만으로 방전될 때 턴온 될 수 있다.
또한, 제1 셀(104)의 전하 레벨이 5% 이하일 때 PWM 스위칭 회로(108)는 셀 밸런싱을 수행하지 않을 수 있다. 즉, PWM 스위칭 회로(108)는 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들을 동일하게 만들지 않을 수 있다. 대신에, PWM 스위칭 회로(108)는 제1 셀(104)의 출력 전압을 증가시키기 위하여 제2 셀(106)로부터의 전하를 사용할 수 있다.
구체적으로, PWM 스위칭 회로(108)는 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 전하 레벨들이 거의 동일해질때까지 제2 셀(106)으로부터 제2 셀(104)로 전하를 전송할 수 있다. 결과적으로, 제1 셀(104)의 출력 전압이 제2 셀(106)의 출력 전압보다 더 커진다. 이는 제1 셀(104)의 과방전 및 역충전을 방지해준다.
이제 도 2를 참조하면, PWM 제어 모듈(110)은 전압 감지 모듈(150), 모드 선택 모듈(152), 임계값 발생 모듈(104), 전하 제어 모듈(158), 및 신호 발생기 모듈(162)을 포함한다. 전압 감지 모듈(150)은 전지 스택(102)의 출력 전압 Vout을 감지한다. 또한, 전압 감지 모듈(150)은 노드(118)에서 전압을 감지한다. 노드(118)에서의 전압은 제2 셀(106)의 출력 전압이다. 따라서, 전압 감지 모듈(150)은 제1 셀(104)의 출력 전압을 결정할 수 있다.
충전/방전 중에 출력 전압들을 감지함으로써, 전압 감지 모듈(150)은 어떤 셀이 약한 셀인지를 검출할 수 있다. 예를 들어, 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 먼저 그것의 정격 출력으로 충전될 때, 제1 셀(104)은 약한 셀이다. 대안적으로, 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 빠른 속도로 방전된다면, 제1 셀(104)은 약한 셀이다.
모드 선택 모듈(152)은 서스테인 모드 또는 선택 모드를 선택한다. 서스테인 모드에서, PWM 제어 모듈(110)은 제1 및 제2 셀(104, 106)의 전하 레벨들에 상관없이 충전/방전 중에 PWM 신호들을 발생시킨다. 선택 모드에서, PWM 제어 모듈(110)은 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들에 따라 PWM 신호들을 발생시킨다. 모드 선택 모듈(152)은 출력 전압들이 소정의 범위 내에 있을 때 PWM 스위칭 회로(108) 부분들을 턴오프한다. PWM 스위칭 회로(108) 부분들은 출력 전압들이 소정의 범위 바깥에 있을 때 턴온된다.
임계값 발생 모듈(154)는 소정의 범위를 정의하는 저 임계값 및 고 임계값을 생성한다. 예를 들어, 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 정격 출력 전압은 3.0V일 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 셀들(104, 106)이 완전히 충전될 때, Vout은 6.0V일 수 있다. 임계값 발생 모듈(154)은 저 임계값 및 고 임계값으로 각각 2.5V 및 2.95V를 선택할 수 있다. 따라서, 소정의 범위는 2.5V 내지 2.95V일 수 있다.
예를 들어, 임계값 발생 모듈(154)은 다음에 근거하여 저 임계값 및 고 임계값을 선택할 수 있다.: 제1 및 제2 셀들(104, 106) 중 하나의 출력 전압은 완전히 방전되었을 때 2.5V보다 약간 작을 수 있다. 제1 및 제2 셀들(104, 106) 중 하나의 출력 전압은 완전히 충전되었을 때 2.95V보다 약간 클 수 있다.
전압 감지 모듈(150)은 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 먼저 2.96V로 충전될 때 제1 셀(104)이 약한 셀인 것으로 결정할 수 있다. 대안적으로, 제1 셀(104)은, 방전할 때 그것의 출력 전압이 제2 셀(106)의 출력 전압보다 빠르게 떨어지면 약한 셀이다.
모드 선택 모듈(152)은 제1 셀(104)이 2.95V로 충전될 때 PWM 스위칭 회로(108) 부분들을 턴온시킬 수 있다. 추가적으로, 모드 선택 모듈(152)은 제1 셀(104)이 2.5V로 방전될 때 PWM 스위칭 회로(108) 부분들을 턴온할 수 있다. PWM 스위칭 회로(108)의 부분들은 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들이 2.5V와 2.95V 사이에 있을 때 턴오프된다.
충전 사이클 동안, 전압 감지 모듈(150)은 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 먼저 2.95V로 충전될 때 이를 감지한다. 전하 제어 모듈(158)은 제1 셀(104)로부터 제2 셀(106)로의 전하 전송(charge transfer)을 개시한다. 전하 제어 모듈(158)은 제1 및 제2 스위치들(112, 114)을 구동시키는 PWM 신호들의 듀티 사이클을 결정한다. 듀티 사이클은 제1 및 제2 셀들(104, 106)(즉, Vout)의 출력 전압들의 합에 근거하여 결정된다. 대안적으로, 듀티 사이클은 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들에 근거하여 결정될 수 있다.
듀티 사이클은 제1 및 제2 스위치들(112, 114)의 온/오프 시간들을 결정한다. 신호 발생기 모듈(162)은 상기 듀티 사이클에 따라 PWM 신호들을 발생시킨다. 신호 발생기 모듈(162)은 듀티 사이클에 근거하여 PWM 신호들의 펄스폭을 변조한다. 제1 및 제2 스위치들(112, 114)로 출력되는 PWM 신호들은 서로 상보적(complementary)이다. 즉, PWM 신호들은 한번에 제1 및 제2 스위치들(112, 114) 중 하나만을 턴온한다. 예를 들어, PWM 신호들이 제1 스위치(112)를 턴온할 때, PWM 신호들은 제2 스위치(114)를 턴오프하고, PWM 신호들이 제2 스위치(114)를 턴온할 때, PWM 신호들은 제1 스위치(114)를 턴오프한다.
제2 셀(106)이 아직 완전히 충전되지 않았으므로, 제2 셀(106)의 출력 전압은 2.95V 미만이다. 예를 들어, 제2 셀(106)의 출력 전압은 2.75V일 수 있다. 따라서, Vout은 (2.95V + 2.75V) = 5.7V 이다. 50% 듀티 사이클에서, 노드(118)에서의 SWout은 5.7V의 절반 = 2.85V이다. 따라서, SWout은 제1 셀(104)의 출력 전압 2.95V 미만이고 제2 셀(106)의 출력 전압 2.75V 보다 크다.
따라서, PWM 신호들이 제1 스위치(112)를 턴온할 때, 제1 셀(104)은 제1 스위치(112)를 통해 방전한다. 제2 스위치(114)가 턴오프된다. 전류는 인덕턴스(116)를 통해 노드(117)로부터 노드(118)로 흐른다. 인덕턴스(116)는 에너지를 저장한다.
후속적으로, PWM 신호들은 제1 스위치(112)를 턴오프하고 제2 스위치(114)를 턴온한다. 인덕턴스(116)가 에너지 소스로서 동작하고 저장된 에너지를 방전한다. 전류는 인덕턴스(116)를 통해 노드(117)로부터 노드(118)로 흐르고 제2 셀(106)을 통해 흐른다. 제2 스위치(114)는 전류를 위한 경로를 제공한다. 따라서, 인덕턴스(116)가 제1 셀(104)로부터의 전하를 사용하여 제2 셀(106)을 충전한다.
PWM 신호들은 제1 셀(104)과 제2 셀(106)의 출력 전압들이 서로 동일하게될 때까지 제1 스위치(112)와 제2 스위치(114)를 구동한다. 제2 셀(106)이 2.95V로 충전되지만 제1 셀(104)은 과충전되지 않는다. 전압 감지 모듈(150)이 제1 셀 및 제2 셀(104, 106)이 2.95V로 충전되는 것을 감지할 때, 전하 제어 모듈(158)은 충전 사이클을 중단한다.
방전 사이클 동안, 전압 감지 모듈(150)은 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 먼저 2.5V로 방전될 때를 감지한다. 전하 제어 모듈(158)은 제2 셀(106)로부터 제1 셀(104)로의 전하 전송을 개시한다. 전하 제어 모듈(158)은 PWM 신호들의 듀티 사이클을 결정한다. 듀티 사이클은 제1 및 제2 셀들(104, 106)(즉, Vout)의 출력 전압의 합에 근거한 것일 수 있다. 대안적으로, 듀티 사이클은 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들에 근거한 것일 수 있다.
듀티 사이클은 제1 및 제2 스위치들(112, 114)의 온/오프 시간들을 결정한다. 신호 발생기 모듈(162)은 상기 듀티 사이클에 따라 PWM 신호들을 발생시킨다. 신호 발생기 모듈(162)은 듀티 사이클에 근거하여 PWM 신호들의 펄스 폭들을 변조한다. 제1 및 제2 스위치들(112, 114)로의 PWM 신호들은 서로 상보적(complementary)이다. 즉, PWM 신호들은 한번에 제1 및 제2 스위치들(112, 114) 중 하나만을 턴온시킨다. 예를 들어, PWM 신호들이 제1 스위치(112)를 턴온할 때, PWM 신호들은 제2 스위치(114)를 턴오프하고, PWM 신호들이 제2 스위치(114)를 턴온할 때, PWM 신호들은 제2 스위치(114)를 턴오프한다.
제2 셀(106)이 아직 완전히 방전되지 않았으므로, 제2 셀(106)의 출력 전압은 2.5V보다 크다. 예를 들어, 제2 셀(106)의 출력 전압은 2.9V일 수 있다. 따라서, Vout은 2.5V + 2.9V = 5.4V 이다. 50% 듀티 사이클에서, 노드(118)에서의 SWout은 5.4V의 절반 = 2.7V이다. 따라서, SWout은 제1 셀(104)의 출력 전압 2.5V 보다 크고 제2 셀(106)의 출력 전압 2.9V보다 작다.
따라서, PWM 신호들이 제2 스위치(112)를 턴온할 때, 제2 셀(106)은 제2 스위치(112)를 통해 방전한다. 제1 스위치(112)가 턴오프된다. 전류는 노드(118)로부터 노드(117)로 인덕턴스(116)를 통해 흐른다. 인덕턴스(116)는 에너지를 저장한다.
후속적으로, PWM 신호들은 제2 스위치(114)를 턴오프하고 제1 스위치(112)를 턴온한다. 인덕턴스(116)은 에너지 소스로서 동작하고 저장된 에너지를 방전한다. 전류는 인덕턴스(116)를 통해 노드(118)로부터 노드(117)로 흐르고 제1 셀(104)을 통해 흐른다. 제1 스위치(112)는 전류를 위한 경로를 제공한다. 따라서, 인덕턴스(116)는 제2 셀(106)로부터의 전하를 사용하여 제1 셀(104)을 충전한다.
PWM 신호들은 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들이 동일해질 때까지 제1 및 제2 스위치들(112, 114)을 구동한다. 제2 셀(106)이 방전되고 그것의 출력이 2.5V로 떨어지는 반면, 제1 셀(104)은 2.5V 미만으로 과방전되지 않는다. 전압 감지 모듈(150)이 제1 및 제2 셀들(104, 106)이 2.5V로 방전되는 것을 감지할 때 전하 제어 모듈(158)은 방전 사이클을 중단한다.
따라서, 제1 셀(104)이 2.5V로 방전될 때 전지 스택(102)은 턴오프되지 않는다. 대신, 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들이 2.5V로 떨어질때까지 전력을 공급하기 위하여 전지 스택(102)이 사용된다.
또한, 전하 제어 모듈(158)이 방전 사이클 동안 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 출력 전압들을 동일하게 만들지 않을 수 있다. 대신에, 전하 제어 모듈(158)은 제1 셀(104)이 제2 셀(106)보다 높은 전압으로 충전되도록 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 따라서, 제2 셀(106)은 제1 셀(104)을 역충전하지 않는다.
PWM 제어 모듈(110)은 다른 방식들로 전하 전송 및 셀 밸런싱을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전압 감지 모듈(150)은 노드(118)에서 전압을 감지하는 것 대신에 또는 그에 부가하여 노드(117)에서 전압을 감지할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, PWM 제어 회로(110)는 노드들(118, 117) 중 하나를 통해 전류를 감지할 수 있다.
이제 도 3 내지 5를 참조로, 2개의 셀들, 4개의 셀들 및 6개의 셀들을 포함하는 전지 스택들을 제어하기 위한 전력 관리 시스템의 추가적인 예들이 도시된다. 일반적으로, 본 개시의 내용은 2N개의 셀들을 포함하는 전지 스택들로 확장될 수 있으며, 여기서 N은 1 이상의 정수이다. 구체적으로, 제1 및 제2 스위치들(112, 114)과 인덕턴스(116)를 포함하는 기본 셀-밸런싱 회로는 2개의 셀들마다 사용될 수 있다. 모든 밸런싱된 2 셀 스택은 새로운 셀로서 여겨질 수 있다. 새로운 셀들의 쌍은 또 다른 기본 셀-밸런싱 회로에 의해 밸런싱될 수 있으며, 여기서 PWM 신호들은 계층적으로(hierarchically) 새로운 셀들에 인가된다.
도 3에는, 두개의 리튬 이온 셀들(104-2, 106-2)을 포함하는 전지 스택을 제어하기 위한 전력 관리 시스템(100-2)이 도시된다. 도시된 전지 스택은 6.6V 내지 7.2V의 출력을 발생시킬 수 있다. 셀들(104-2, 106-2)은 PWM 제어 모듈(110-2) 및 기본 셀 밸런싱 회로에 의해 제어된다. 기본 셀-밸런싱 회로는 드라이버 회로(111-2) 및 인덕턴스(116-2)를 포함한다. 드라이버 회로(111-2)는 스위치들(112-2, 114-2)을 포함한다.
스위치(119)는 전지 스택을 위한 과방전 보호를 제공한다. 스위치(119)는 전지 스택의 출력 전압이 일단 소정의 임계값 미만으로 떨어지면 턴오프된다. 스위치(119)가 턴오프될 때 전지 스택은 로드로부터 연결해제된다. 따라서, 로드는 전지 스택을 드레인할 수 없으며, 전지 스택은 과방전되지 않는다.
셀들(104-2, 106-2)은 각각 제1 셀(104) 및 제2 셀(106)과 유사할 수 있다. 스위치들(112-2, 114-2)은 각각 제1 스위치(112) 및 제2 스위치(114)와 유사할 수 있다. 인덕턴스(116-2)는 인덕턴스(116)과 유사할 수 있다. PWM 제어 모듈(110-2)은 PWM 제어 모듈(110)이 제1 및 제2 셀들(104, 106)을 제어하는 것과 유사한 방식으로 셀들(104-2, 106-2)을 제어할 수 있다.
도 4에서, 4개의 셀들(130-133)을 포함하는 전지 스택을 제어하기 위한 전력 관리 시스템(100-3)이 도시된다. 명료성을 위하여 전압 감지는 도시되지 않는다. 4개의 셀들(130-133)은 PWM 제어 모듈(110-3) 및 복수의 기본 셀-밸런싱 회로들에 의해 제어된다. 셀들(130 및 131)은 스위치들(134, 135) 및 인덕턴스(136)를 포함하는 제1 셀 밸런싱 회로에 의해 제어된다. 셀들(132, 133)은 스위치들(137, 138) 및 인덕턴스(139)를 포함하는 제2 셀 밸런싱 회로에 의해 제어된다.
셀들(130, 131) 및 제1 셀 밸런싱 회로는 제1 계층적 셀(hierarchical cell)로 여겨질 수 있다. 셀들(132, 133) 및 제2 셀 밸런싱 회로는 제2 계층적 셀로 여겨질 수 있다. 제1 및 제2 계층적 셀들은 스위치들(140, 141) 및 인덕턴스(142)에 의해 형성되는 제3 셀 밸런싱 회로에 의해 제어된다.
제1 셀 밸런싱 회로, 스위치들(134, 135)은 각각 제1 및 제2 스위치들(112, 114)과 유사할 수 있다. 인덕턴스(136)는 인덕턴스(116)와 유사할 수 있다. 제2 셀 밸런싱 회로에서, 스위치들(137, 138)은 각각 제1 및 제2 스위치들(112, 114)과 유사할 수 있다. 인덕턴스(139)는 인덕턴스(116)와 유사할 수 있다. 또한, 셀들(130, 313)은 각각 제1 및 제2 셀들(104, 106)과 유사할 수 있다. 셀들(132, 133)은 각각 제1 및 제2 셀들(104, 106)과 유사할 수 있다.
PWM 제어 모듈(110-3)은, PWM 제어 모듈(110)이 제1 및 제2 셀들(104, 106)을 제어하는 것과 유사한 방식으로, 제1 및 제2 계층적 셀들을 제어할 수 있다. 또한, PWM 제어 모듈(110-3)은, PWM 제어 모듈(110)이 제1 및 제2 셀들(104, 106)을 제어하는 것과 유사한 방식으로, 셀들(130, 131)을 제어할 수 있다. 추가적으로, PWM 제어 모듈(110-3)은, PWM 제어 모듈(110)이 제1 및 제2 셀들(104, 106)을 제어하는 것과 유사한 방식으로, 셀들(132, 133)을 제어할 수 있다. 스위치(143)는 과방전 보호를 제공한다. 스위치(143)는 전지 스택의 출력 전압이 소정의 임계값 미만으로 떨어지면 턴오프된다.
도 5에서, 6개의 셀들(170-175)을 포함하는 전지 스택을 제어하기 위한 전력 관리 시스템(100-4)이 도시된다. 명료성을 위하여 전압 감지는 도시되지 않는다. 6개의 셀들(170-175)은 PWM 제어 모듈(110-4) 및 복수의 기본 셀 밸런싱 회로들에 의해 제어된다. 기본 셀 밸런싱 회로들은 참조번호 176-190의 스위치들 및 인덕턴스들을 포함한다. 참조 번호(176-190)의 스위치들 및 인덕턴스들은 제1 및 제2 스위치들(112, 114) 및 인덕턴스(116)와 유사할 수 있다. 셀들(170-171, 172-173, 174-175)의 쌍은 제1 및 제2 셀들(104, 106)의 쌍과 유사할 수 있다.
PWM 제어 모듈(110-4)은 PWM 제어 모듈(110-3)이 계층적으로 4개의 셀들(130-133)을 제어하는 것과 유사한 방식으로 6개의 셀들(170-175)을 제어한다. 구체적으로, 셀들(170, 171)은 스위치들(176, 177) 및 인덕턴스(178)에 의해 밸런싱된다. 셀들(172, 173)은 스위치들(179, 180) 및 인덕턴스(181)에 의해 밸런싱된다. 셀들(170, 171), 스위치들(176, 177) 및 인덕턴스(178)는 제1 계층적 셀로 여겨질 수 있다. 셀들(172, 173), 스위치들(179, 180), 및 인덕턴스(181)는 제2 계층적 셀로서 여겨질 수 있다. 제1 및 제2 계층적 셀들은 스위치들(185, 186) 및 인덕턴스(187)에 의해 제어된다.
추가적으로, 셀들(174, 175)은 스위치들(182. 183) 및 인덕턴스(184)에 의해 밸런싱된다. 셀들(174, 175), 스위치들(182, 183), 및 인덕턴스(184)는 제3 계층적 셀로서 여겨질 수 있다. 제2 및 제3 계층적 셀들은 스위치들(188, 189) 및 인덕턴스(190)에 의해 제어된다. 스위치(191)는 전지 스택에 대한 과방전 보호를 제공한다. 스위치(191)는 전지 스택의 출력 전압이 소정 임계값 미만으로 떨어지면 턴오프된다.
도 6을 참조하면, 본 개시에 따른 전지 스택을 충전하기 위한 방법(200)의 흐름도가 도시된다. 제어는 단계(202)에서 시작한다. 제어는 단계(204)에서, 전지 스택이 충전 중인지를 결정한다. 제어는 단계(204)의 결과가 거짓일 때 단계(204)를 반복한다. 단계(204)의 결과가 참일 때, 제어는 단계(206)에서 전지 스택의 약한 셀이 거의 충전되었는지를 결정한다.
단계(206)의 결과가 참일 때, 제어는 단계(208)에서 PWM 제어의 듀티 사이클을 조정한다. 제어는 약한 셀과 강한 셀의 전하 레벨들(즉, 전하의 상태들)의 차에 근거하여 듀티 사이클을 조정한다. 대안적으로, 제어는 약한 셀과 강한 셀의 출력 전압의 차에 근거하여 듀티 사이클을 조정한다. 단계(210)에서, 제어는, 약한 셀과 강한 셀의 출력 전압들이 동일해질때까지 듀티 사이클에 따라 약한 셀을 방전하고 강한 셀을 충전한다.
단계(210)의 종료시 또는 단계(206)의 결과가 거짓일 때, 제어는 단계(212)에서 전지 스택 내의 셀들이 거의 완전히 충전되는었는지를 결정한다. 단계(212)의 결과가 거짓일 때, 제어는 단계(214)에서 전지 스택의 셀들을 계속 충전하고, 그리고 단계(206)으로 복귀한다. 단계(212)의 결과가 참일 때, 제어는 단계(216)에서 전지 스택의 셀들의 충전을 중단하고, 단계(218)에서 종료된다. 따라서, 제어는 약한 셀들의 과충전을 방지하는 한편 전지 스택의 셀들을 거의 완전히 충전된 상태들까지 충전한다.
이제 도 7을 참조로, 본 개시에 따른 전지 스택을 방전하는 방법(250)의 흐름도가 도시된다. 제어는 단계(252)에서 시작한다. 제어는 단계(254)에서 전지 스택이 방전(예를 들어, 로드에 전력을 공급) 중인지를 결정한다. 단계(254)의 결과가 거짓일 때 제어는 단계(254)를 반복한다. 단계(254)의 결과가 참일 때, 제어는 단계(256)에서, 전지 스택의 약한 셀이 거의 완전히 방전되었는지를 결정한다.
단계(266)의 결과가 참일 때, 제어는 단계(258)에서 PWM 제어의 듀티 사이클을 조정한다. 제어는 약한 셀과 강한 셀의 전하 레벨들(즉, 전하의 상태들)의 차에 근거하여 듀티 사이클을 조정한다. 대안적으로, 제어는 약한 셀과 강한 셀의 출력 전압들의 차에 근거하여 듀티 사이클을 조정한다.
단계(260)에서, 제어는 약한 셀과 강한 셀의 출력 전압들이 동일해질때까지 듀티 사이클에 따라 강한 셀을 방전하고 약한 셀을 충전한다. 대안적으로, 제어는 약한 셀 및 강한 셀의 전하 레벨들이 동일해질 때까지 듀티 사이클을 조정하고 약한 셀을 충전한다. 결과적으로, 약한 셀의 출력 전압이 강한 셀의 출력 전압보다 더 커진다.
단계(260)의 종료시 또는 단계(256)의 결과가 거짓일 때, 제어는 단계(2620에서 전지 스택의 셀들이 거의 완전히 방전되었는지를 결정한다. 단계(262)의 결과가 거짓일 때, 제어는 단계(264)에서 전지 스택으로부터 로드로 전력을 계속 공급고, 단계(256)으로 돌아간다. 제어는 단계(262)의 결과가 참일 때 단계(266)에서 전지 스택의 셀들을 방전하는 것을 정지하고, 단계(268)에서 종료된다.
따라서, 제어는 전지 스택에서 약한 셀들의 과충전, 과방전, 및 역충전을 방지해준다. 추가적으로, 제어는 전지 스택의 셀들이 거의 완전히 방전될때까지 전지 스택으로부터 로드로 전력을 공급한다.
이제 도 8을 참조로, 스태거드 토폴로지(staggered topology)를 사용하여 전지 스택을 제어하는 전력 관리 시스템(300)이 도시된다. 전지 스택은 직렬로 연결된 N개의 셀들을 포함할 수 있으며, 여기서 N은 1보다 큰 정수이다. 예를 들어, 전지 스택은 6개의 셀들(302, 304, 306, 308, 310, 312)을 포함한다. 6개의 셀들은 도시된 것과 같이 직렬로 연결된다.
전력 관리 시스템(300)은 전지 스택을 제어하는 PWM 스위칭 회로를 포함한다. PWM 스위칭 회로는 PWM 제어 모듈(320)과 (N-1)개의 기본 셀 밸런싱 회로들을 포함한다. 즉, PWM 스위칭 회로는, 각각 (N-1) 세트의 드라이버 회로 및 도 1에 도시된 드라이버 회로(111) 및 인덕턴스(116)와 유사한 드라이버 회로 및 인덕턴스의 (N-1) 세트들을 포함한다. 예를 들어, 전력 관리 시스템(300)이 6개의 셀들을 포함할 때, 전력 관리 시스템(300)은 5개의 드라이버 회로들(322, 324, 326, 328, 330) 및 5개의 인덕턴스들(332, 334, 336, 338, 340)을 포함한다. 드라이버 회로들(322, 324, 326, 328, 330)은 저전압 드라이버들을 포함할 수 있다.
PWM 제어 모듈(320)은 드라이버 회로들(322, 324, 326, 328, 330) 각각의 스위치들의 쌍을 조정가능한 듀티 사이클에서 드라이브한다. 드라이버 회로들(322, 324, 326, 328, 330) 각각의 스위치들은 도 1에 도시된 드라이버 회로(111)의 스위치들(112, 114)과 유사하다. 듀티 사이클에 근거하여, 드라이버 회로(322) 및 인덕턴스(332)는 충전 및 방전 중에 셀들(302, 304)의 출력 전압들을 동일하게 만들기 위하여 셀들(302, 304) 사이에서 전하를 전송한다. 드라이버 회로(324) 및 인덕턴스(334)는 충전 및 방전 중에 셀들(304, 306)의 출력 전압들을 동일하게 만들기 위하여 셀들(304, 306) 사이에서 전하를 전송한다.
예를 들어, 셀(302)의 전하 레벨이 셀(304)의 전하 레벨보다 작을 때, 드라이버 회로(322) 및 인덕턴스(332)는 셀(304)로부터 셀(302)로 전하를 전송한다. 그러나, 전하 전송으로 인하여, 셀(304)의 전하 레벨이 셀(306)의 전하 레벨보다 낮아질 것이다. 따라서, 드라이버 회로(324) 및 인덕턴스(334)는 셀(306)으로부터 셀(304)로 등으로 전하를 전송한다. 도시되지는 않았지만, 전지 스택에 대한 과방전 보호를 제공하기 위하여 스위치(119)와 유사한 스위치가 사용될 수 있다.
이제 도 9를 참조로, 병렬 전력 공급 토폴로지(parallel power supply topology)를 사용하는 전지 스택을 제어하는 전력 관리 시스템(400)이 도시된다. 전지 스택은 직렬로 연결된 N개의 셀들을 포함할 수 있으며, 여기서 N은 1보다 큰 정수이다. 예를 들어, 전지 스택은 6개의 셀들(402, 404, 406, 408, 410, 412)을 포함한다. 6개의 셀들은 도시된 것과 같이 직렬로 연결된다.
전력 관리 시스템(400)은 전지 스택을 제어하는 PWM 스위칭 회로를 포함한다. PWM 스위칭 회로는 PWM 제어 모듈(420) 및 (N-1)개의 기본 셀 밸런싱 회로들을 포함한다. 즉, PWM 스위칭 회로는 각각 도 1에 도시된 드라이버 회로(111) 및 인덕턴스(116)와 유사한 드라이버 회로 및 인덕턴스의 (N-1) 세트들을 포함한다. 예를 들어, 전력 관리 시스템(400)이 6개의 셀들을 포함하므로, 전력 관리 시스템(400)은 5개의 드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330) 및 5개의 인덕턴스들(432, 434, 436, 438, 440)을 포함한다. 드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330)은 높은 전압 드라이버들(high-voltage drivers)을 포함할 수 있다.
드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330) 각각은 전지 스택의 출력에 병렬로 연결된다. 구체적으로, 드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330) 각각은 도시된 것과 같이 전지 스택의 두개의 외부 단자들(401-1, 402-2)에 걸쳐 연결된다.
PWM 제어 모듈(420)은 드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330) 각각의 스위치들의 쌍을 조정가능한 듀티 사이클에서 드라이브한다. 드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330) 각각의 스위치들은 도 1에 도시된 드라이버 회로(111)의 스위치들(112, 114)과 유사하다. 드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330) 각각의 스위치들은 도 1에 도시된 드라이버 회로(111)의 스위치들(112, 113)과 유사하다. 듀티 사이클에 근거하여, 드라이버 회로(422) 및 인덕턴스(432)는 충전 및 방전 중에 셀들(402, 404)의 출력 전압들을 동일하게 만들기 위하여 셀들(402, 404) 사이에서 전하를 전송한다. 드라이버 회로(424) 및 인덕턴스(434)는 충전 및 방전 중에 셀들(404, 406)의 출력 전압들을 동일하게 만들기 위하여 셀들(404, 406) 사이에서 전하를 전송한다. 도 9에 도시된 바와 같이, PWM 제어 모듈(420)은 드라이버 회로들(422, 424, 426, 428, 330)을 개별적으로 병렬로 드라이브 및/또는 제어한다.
예를 들어, 셀(402)의 충전 레벨이 셀(404)의 충전 레벨보다 낮을 때, 드라이버 회로(422) 및 인덕턴스(432)는 셀(404)로부터 셀(402)로 전하를 전송한다. 그러나, 전하 전송으로 인하여, 셀(404)의 전하 레벨이 셀(406)의 전하 레벨보다 낮아질 수 있다. 따라서, 드라이버 회로(424) 및 인덕턴스(434)는 셀(406)로부터 셀(404)로와 같이 전하를 전송할 수 있다. 도시된 바와 같이, 스위치(119)와 유사한 스위치가 전지 스택에 대한 과방전 보호를 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
도 8 및 9에서, 전력 관리 시스템들(300, 400)에서 전지 스택들 내의 셀들의 최대 개수(즉, N의 최대값)는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 전력 관리 시스템(300)에서 N의 최대값은 전력 관리 시스템(400)에서 N의 최대값보다 클 수 있다.
본 개시의 광범위한 내용은 다양한 형태들로 구현될 수 있다. 그러므로, 본 개시는 구체적인 예들을 포함하지만, 도면, 명세서, 및 하기의 청구항들에 따른 다른 수정들이 자명해질 것이므로, 본 개시의 범위가 상기 특정한 실시예들로 제약되어서는 안된다.

Claims (16)

  1. 전하 밸런싱 시스템으로서,
    직렬로 연결된 제1 및 제2 스위치들과 상기 제1 및 제2 스위치들 사이에 연결된 제1 단부(first end)를 구비한 인덕턴스를 각각 포함하는 2N-1개(N은 1 이상의 정수이다)의 회로들과; 그리고
    상기 제1 및 제2 스위치들을 제어하는 제어 신호들을 출력하는 제어 모듈을 포함하여 구성되고,
    상기 2N-1개의 회로들 중 제1 회로의 인덕턴스의 제2 단부는 전지 스택의 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제1 쌍의 2개의 셀들 사이에 연결되고, 상기 2N-1개의 회로들 중 상기 제1 회로의 제1 및 제2 스위치들은 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍에 병렬로 연결되며,
    상기 제어 모듈은 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 2개의 셀들의 각각의 출력 전압들 사이의 차가 소정의 임계값(predetermined threshold) 이하일때까지 상기 인덕턴스를 통해 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 2개의 셀들 사이에서 전하를 전송하며,
    상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 제1 셀이 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 제2 셀보다 빨리 충전될 때, 상기 제어 모듈은, 충전 사이클 동안 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀로부터 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제2 셀로 제1 전하를 전송하며 그리고 방전 사이클 동안 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제2 셀로부터 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀로 제2 전하를 전송하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 전지 스택의 상기 충전 사이클 및 방전 사이클 중 적어도 하나의 사이클 동안 상기 제어 신호들의 듀티 사이클에 근거하여 상기 인덕턴스를 통해 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 2개의 셀들 사이에서 전하를 전송하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀의 충전 상태가 완전히 충전된 상태보다 제1 소정의 임계값 만큼 낮을 때 상기 제1 전하를 전송하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 제1 셀의 충전 상태가 완전히 방전된 상태보다 제2 소정의 임계값 만큼 클 때 상기 제2 전하를 전송하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제1 셀의 제1 출력 전압이 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 제2 셀의 제2 출력 전압보다 클때까지 상기 제2 전하를 전송하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 전지 스택의 상기 충전 및 방전 사이클들 중 적어도 한 사이클 동안 상기 전지 스택의 출력 전압에 근거하여 상기 제어 신호들의 듀티 사이클을 조정하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍에 걸친 제1 전압을 감지하고, 상기 인덕턴스의 상기 제2 단부에서 제2 전압을 감지하며, 그리고 상기 제1 및 제2 전압들에 근거하여 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 쌍의 상기 2개의 셀들 각각의 출력 전압들을 결정하는 전압 감지 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 전지 스택의 상기 충전 및 방전 사이클들 중 적어도 한 사이클 동안 상기 출력 전압들 중 적어도 하나에 근거하여 상기 제어 신호들의 듀티 사이클을 조정하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제어 신호들을 발생시키고 상기 제어 모듈에 의해 결정된 듀티 사이클에 근거하여 상기 제어 신호들의 펄스 폭들을 변조하는 신호 발생 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 전지 스택의 출력 전압이 소정의 전압보다 낮은 전압으로 감소할 때 상기 전지 스택을 연결해제(disconnect)하는 제어 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    N이 2 이상일 때,
    상기 2N-1개의 회로들 중 제2 회로의 인덕턴스의 제2 단부가 상기 전지 스택의 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제2 쌍의 두개의 셀들 사이에 연결되고,
    상기 2N-1개의 회로들 중 제2 회로의 제1 및 제2 스위치들이 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제2 쌍에 병렬로 연결되고;
    상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 및 제2 쌍은 직렬로 연결되며; 그리고
    상기 2N-1개의 회로들 중 상기 제1 회로의 상기 제2 스위치는 상기 2N-1개의 회로들 중 상기 제2 회로의 상기 제1 스위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 2N-1개의 회로들 중 제3 회로의 인덕턴스의 제2 단부는 상기 2N-1개의 회로들 중 제1 회로와 제2 회로의 제2 스위치와 제1 스위치와의 사이에 연결되고; 그리고
    상기 2N-1개의 회로들 중 제3 회로의 제1 및 제2 스위치는 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중의 상기 제1 및 제2 쌍들에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    N이 3 이상일 때,
    상기 2N-1개의 회로들 중 제4 회로의 인덕턴스의 제2 단부가 상기 전지 스택의 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 제3 쌍의 2개의 셀들 사이에 연결되고;
    상기 2N-1개의 회로들 중 제4 회로의 제1 및 제2 스위치가 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제3 쌍에 병렬로 연결되고;
    상기 2N-1개의 회로들 중 상기 제4 회로의 상기 제2 스위치가 상기 2N-1개의 회로들 중 상기 제1 회로의 상기 제1 스위치에 연결되며; 그리고
    상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제3 쌍이 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제1 및 제2 쌍에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 2N-1개의 회로들 중 제5 회로의 인덕턴스의 제2 단부가 상기 2N-1개의 회로들 중 상기 제4 및 제1 회로들의 제2 및 제1 스위치들 사이에 연결되고; 그리고
    상기 2N-1개의 회로들 중 상기 제5 회로의 제1 및 제2 스위치가 상기 2N개의 직렬 연결된 셀들 중 상기 제3 및 제1 쌍들에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전하 밸런싱 시스템.
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