KR101720027B1 - Apparatus and method for battery cell balancing control - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 능동 cell-to-cell 방식의 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
리튬-이온(Li-Ion) 배터리는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System) 및 전기차(EVs: Electric Vehicles), 하이브리드 전기차(HEVs: Hybrid Electric Vehicles)와 같은 차량 장치의 중요한 요소이다. Lithium-ion (Li-Ion) batteries are an important component of vehicle devices such as energy storage systems (ESS) and electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs).
일반적으로 배터리 팩은 요구되는 파워 사양을 충족시킬 수 있도록 병렬 또는 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리 셀들로 이루어지는데, 예를 들어, 전기차(EVs)에 장착되는 배터리 팩의 경우 수백개 이상의 배터리 셀들이 필요하다.Generally, a battery pack is composed of a plurality of battery cells connected in parallel or in series so as to satisfy a required power specification. For example, in case of a battery pack mounted on an electric vehicle (EVs), several hundred battery cells Do.
한편, 이러한 배터리 팩을 구성하는 셀들 간의 용량이 분산되는 경우에는, 셀 전압의 불균형에 의해 배터리 팩의 충방전시 오버 타임이 발생하게 되며, 이는 셀 성능을 빠르게 저하시켜 결과적으로는 배터리 팩의 수명이 짧아지게 된다. Meanwhile, when the capacities of the cells constituting the battery pack are dispersed, an overtime occurs during charging and discharging of the battery pack due to the unbalance of the cell voltage. This causes the cell performance to rapidly decrease, .
따라서, 배터리 팩의 수명을 길게 하기 위해서는, 배터리의 셀간 전압을 동일하게 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 다양한 셀 밸런싱 방법들이 제안되었으며, 크게 수동 셀 밸런싱 방법과 능동 셀 밸런싱 방법으로 나누어질 수 있다.Therefore, in order to prolong the life of the battery pack, it is important to keep the inter-cell voltage of the battery the same. Various cell balancing methods have been proposed for this purpose, and can be divided into a manual cell balancing method and an active cell balancing method.
구체적으로는, 수동 셀 밸런싱 방법은 저항을 이용하여 과충전된 셀을 방전시키는데, 이러한 방법은 설치가 용이하고 가격이 저렴하다는 장점이 있으나. 방전된 에너지가 열로 소멸된다는 단점이 있다.Specifically, the passive cell balancing method uses a resistor to discharge an overcharged cell. This method is advantageous in that it is easy to install and is inexpensive. The discharged energy is extinguished as heat.
반면, 능동 셀 밸런싱 방법은 수동 셀 밸런싱 방법의 단점을 극복하기 위해 제안된 방법으로, 컨버터를 이용하여 과충전된 셀의 에너지를 낮은 전압의 셀에 보충하는 방법이다. 이러한 능동 셀 밸런싱 방법은 크게 pack-to-cell 방식, cell-to-pack 방식, cell-to-pack-to-cell 방식, cell-to-cell 방식으로 나누어질 수 있다.On the other hand, the active cell balancing method is a method for overcoming the shortcomings of the passive cell balancing method, and is a method of supplementing the energy of the overcharged cell with a low voltage cell using a converter. The active cell balancing method can be divided into a pack-to-cell method, a cell-to-pack method, a cell-to-pack-to-cell method, and a cell-to-cell method.
Pack-to-cell 방식은 하나의 셀이 다른 셀들에 비하여 낮은 전압을 갖고, 나머지 다른 셀들은 모두 균등하게 충전된 경우에 사용되는 것은 바람직하나, 반면, 하나의 셀이 과충전 상태이고 나머지 다른 셀들은 모두 균등하게 충전된 경우에는 배터리 팩이 먼저 방전된 뒤 나머지 다른 셀들이 하나씩 충전되어야 하므로 배터리 셀 밸런싱에 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다.The pack-to-cell scheme is preferably used when one cell has a lower voltage than the other cells and all the remaining cells are uniformly charged, whereas one cell is overcharged and the other cells If all of the cells are uniformly charged, the remaining battery cells must be charged one after the battery pack first discharges, which is disadvantageous in that it takes a long time to balance battery cells.
또한, cell-to-pack 방식은 하나의 셀이 다른 셀들에 비하여 낮은 전압을 갖고 나머지 셀들은 모두 균등하게 충전된 경우 pack-to-cell 방식과 같은 이유로 배터리 셀 밸런싱에 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다.In addition, the cell-to-pack method has a disadvantage in that battery cell balancing takes a lot of time for the same reasons as a pack-to-cell method when one cell has a lower voltage than other cells and all the remaining cells are equally charged have.
Cell-to-pack-to-cell 방식은 위의 두 가지 방식의 단점을 보완하기 위해 제안된 방식이나, 두 개의 DC/DC 컨버터가 필요하며 MOSFET 스위치들의 전압 스트레스가 크다는 단점이 있으며, 하나의 셀에서 팩으로 에너지가 전달되고, 또 다른 셀로 에너지가 전달되기 때문에 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.Cell-to-pack-to-cell method is proposed to overcome the disadvantages of the above two methods, but requires two DC / DC converters and has a disadvantage of high voltage stress of MOSFET switches, The energy is transferred to the pack, and the energy is transferred to another cell, so that it takes a long time.
Cell-to-cell 방식은 위의 세 가지 방식의 단점을 보안하기 위해 제안된 방식이나, cell-to-cell 방식 또한 충분히 빠른 시간 내에 배터리 셀 밸런싱을 수행하기 어려우며, 에너지가 인접한 셀로도 전달되어야 하기 때문에 효율이 높지 않다. 이러한 cell-to-cell 방식에 사용되는 스위치 커패시터 토폴로지는, 두 개의 인접한 셀간의 밸런스를 위해 많은 커패시터가 사용되어 밸런싱 속도가 낮다는 단점이 있으며, 또한, cell-to-cell 방식에 사용되는 스위치 인덕터 토폴로지는 복수의 스위치들과 많은 수의 인덕터 또는 하나의 인덕터가 사용되는데, 이 또한 밸런싱 속도를 길게 하며 낮은 효율을 보인다는 단점이 있다. 게다가, cell-to-cell 방식은 많은 수의 인덕터 또는 커패시터를 필요로 하여 구현하는데 복잡하고 가격 또한 비싸진다는 단점이 있다.The cell-to-cell method is a method proposed to secure the disadvantages of the above three methods. However, the cell-to-cell method is also difficult to perform battery cell balancing in a sufficiently short time and energy must be transmitted to adjacent cells Therefore, efficiency is not high. The switch capacitor topology used in such a cell-to-cell scheme has a disadvantage in that a large number of capacitors are used for balancing between two adjacent cells and the balancing speed is low. In addition, the switch capacitor inductor The topology uses a plurality of switches and a large number of inductors or one inductor, which also lengthens the balancing speed and exhibits low efficiency. In addition, the cell-to-cell method requires a large number of inductors or capacitors, which is complicated and expensive to implement.
본 발명의 일측면은 스위칭 네트워크와 하나의 풀브릿지 LLC 컨버터를 이용한 cell-to-cell 방식의 배터리 셀 전압 균등 제어장치 및 제어방법을 제공한다.One aspect of the present invention provides a cell-to-cell battery cell voltage equalization control apparatus and method using a switching network and a full bridge LLC converter.
본 발명의 일측면은 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀의 전압을 균등하게 제어하는 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 있어서, 입력 전압을 변환하여 출력하는 컨버터부, 상기 컨버터부의 입력단과 상기 복수의 배터리 셀 사이에 마련되는 제1 스위칭부 및 상기 컨버터부의 출력단과 상기 복수의 배터리 셀 사이에 마련되는 제2 스위칭부를 포함하는 스위칭부, 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 모니터링하는 모니터링부 및 상기 복수의 배터리 셀 전압의 모니터링 결과에 따라 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀을 검출하고, 상기 고전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 입력단에 연결되고 상기 저전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 출력단에 연결될 수 있도록 상기 스위칭부를 제어한 뒤 상기 컨버터부를 구동시키는 제어부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a battery cell voltage equalization control apparatus for uniformly controlling a voltage of a plurality of battery cells constituting a battery pack, the apparatus comprising: a converter unit for converting an input voltage, A switching unit including a first switching unit provided between cells and a second switching unit provided between an output terminal of the converter unit and the plurality of battery cells, a monitoring unit monitoring a voltage of the plurality of battery cells, Voltage battery cell and a low-voltage battery cell according to a result of monitoring the cell voltage, and controls the switching unit so that the high-voltage battery cell is connected to the input terminal of the converter unit and the low-voltage battery cell is connected to the output terminal of the converter unit, And a control unit for driving the converter unit.
한편, 상기 컨버터부는, 공진 주파수에서 동작하는 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현될 수 있다.Meanwhile, the converter unit may be implemented as a full bridge LLC converter operating at a resonant frequency.
또한, 상기 컨버터부는, 입력 커패시터, 입력 커패시터의 양단에 연결되며 복수의 스위치 소자가 마련되는 풀브릿지 회로 및 상기 풀브릿지 회로와 연결되는 공진 커패시터와 공진 인덕터를 포함하는 1차단 회로, 2개의 다이오드 및 출력 커패시터를 포함하여 상기 1차단 회로로부터 변환되어 출력되는 전압을 정류하는 2차단 회로 및 상기 1차단 회로에 연결되는 일차측 권선과, 상기 일차측 권선과 자화 결합되며, 상기 2차단 회로에 연결되는 제1 이차측 권선 및 제2 이차측 권선을 포함하여 상기 1차단 회로와 상기 2차단 회로 사이에서 미리 정해진 턴비에 따른 전압 변환을 수행하는 변압기를 포함할 수 있다.The converter unit may include an input capacitor, a full bridge circuit connected to both ends of the input capacitor and provided with a plurality of switch elements, a first blocking circuit including a resonance capacitor and a resonance inductor connected to the full bridge circuit, two diodes, A second blocking circuit for rectifying a voltage converted and output from the first blocking circuit including an output capacitor and a primary winding connected to the first blocking circuit and a second blocking circuit connected to the first blocking circuit, And a transformer for performing a voltage conversion according to a predetermined turn ratio between the one blocking circuit and the two blocking circuits, including a first secondary side winding and a second secondary side winding.
또한, 상기 제1 스위칭부는, 복수의 배터리 셀의 양단에 연결되는 복수의 양방향 스위치 및 상기 컨버터부의 입력단에 연결되는 제1 릴레이를 포함하며, 상기 복수의 양방향 스위치 및 상기 제1 릴레이는 제1 고전압단 도선 또는 제2 고전압단 도선을 통해 연결될 수 있다.The first switching unit may include a plurality of bidirectional switches connected to both ends of the plurality of battery cells and a first relay connected to an input terminal of the converter unit, wherein the plurality of bidirectional switches and the first relay are connected to a first high voltage And may be connected via a single lead or a second high voltage lead.
또한, 상기 제1 릴레이는, DPDT(Double-Pole Double-Throw) 릴레이 스위치로 구현되며, 상기 제1 릴레이가 턴온되면 상기 제1 고전압단 도선 및 상기 제2 고전압단 도선을 상기 컨버터부의 입력단의 (-) 터미널 및 (+) 터미널에 각각 연결시키고, 상기 제1 릴레이가 턴오프되면 상기 제1 고전압단 도선 및 상기 제2 고전압단 도선을 상기 컨버터부의 입력단의 (+) 터미널 및 (-) 터미널에 각각 연결시킬 수 있다.The first relay is implemented as a double-pole double-throw (DPDT) relay switch. When the first relay is turned on, the first high-voltage short lead and the second high- -) terminal and a (+) terminal, respectively, and when the first relay is turned off, the first high voltage single conductor and the second high voltage single conductor are connected to the (+) terminal and the (- Respectively.
또한, 상기 복수의 양방향 스위치는, 듀얼 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs) 또는 듀얼 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs)으로 구현될 수 있다.In addition, the plurality of bi-directional switches may be implemented as dual P-channel MOSFETs or dual N-channel MOSFETs.
또한, 상기 복수의 양방향 스위치는, 일단이 상기 복수의 배터리 셀의 (+) 단 또는 (-) 단에 연결되고 타단이 상기 제1 고전압단 도선 또는 제2 고전압단 도선과 연결될 수 있다.The plurality of bi-directional switches may have one end connected to the (+) terminal or the (-) terminal of the plurality of battery cells and the other end connected to the first high-voltage single conductor or the second high-voltage single conductor.
또한, 상기 제2 스위칭부는, 복수의 배터리 셀의 양단에 연결되는 복수의 양방향 스위치 및 상기 컨버터부의 출력단에 연결되는 제2 릴레이를 포함하며, 상기 복수의 양방향 스위치 및 상기 제2 릴레이는 제1 저전압단 도선 또는 제2 저전압단 도선을 통해 연결될 수 있다.The second switching unit may include a plurality of bidirectional switches connected to both ends of the plurality of battery cells and a second relay connected to an output terminal of the converter unit, and the plurality of bidirectional switches and the second relay are connected to the first low voltage May be connected via a single wire or a second low voltage single wire.
또한, 상기 제2 릴레이는, DPDT(Double-Pole Double-Throw) 릴레이 스위치로 구현되며, 상기 제2 릴레이가 턴온되면 상기 제1 저전압단 도선 및 상기 제2 저전압단 도선을 상기 컨버터부의 출력단의 (-) 터미널 및 (+) 터미널에 각각 연결시키고, 상기 제2 릴레이가 턴오프되면 상기 제1 저전압단 도선 및 상기 제2 저전압단 도선을 상기 컨버터부의 출력단의 (+) 터미널 및 (-) 터미널에 각각 연결시킬 수 있다.The second relay is implemented as a double-pole double-throw (DPDT) relay switch. When the second relay is turned on, the first low-voltage short lead and the second low-voltage short lead are connected to the output terminal of the converter (-) terminal and the (+) terminal of the converter, and when the second relay is turned off, the first low-voltage short lead and the second low-voltage short lead are connected to the (+ Respectively.
또한, 상기 복수의 양방향 스위치는, 듀얼 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs) 또는 듀얼 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs)으로 구현될 수 있다.In addition, the plurality of bi-directional switches may be implemented as dual P-channel MOSFETs or dual N-channel MOSFETs.
또한, 상기 복수의 양방향 스위치는, 일단이 상기 복수의 배터리 셀의 (+) 단 또는 (-) 단에 연결되고 연결되고 타단이 상기 제1 저전압단 도선 또는 제2 저전압단 도선과 연결될 수 있다.The plurality of bi-directional switches may be connected at one end to the (+) terminal or the (-) terminal of the plurality of battery cells, and the other terminal may be connected to the first or second low voltage terminal conductor.
또한, 상기 모니터링부는, 상기 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과 미리 정해진 충전 범위에 속하지 않는 배터리 셀이 검출되면, 상기 배터리 팩의 충전 또는 방전이 중단될 수 있도록 상기 제어부로 경고 신호를 전달하는 것을 더 포함할 수 있다.The monitoring unit may further include a step of transmitting an alarm signal to the control unit so that charging or discharging of the battery pack may be stopped when a battery cell that does not belong to a predetermined charging range is detected as a result of voltage monitoring of the plurality of battery cells .
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압을 산출하고, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압과 상기 고전압 배터리 셀의 전압 및 상기 저전압 배터리 셀의 전압을 각각 비교하고, 그 결과에 따라 상기 컨버터부의 구동을 중단하는 것을 더 포함할 수 있다.The control unit calculates an average voltage of the plurality of battery cells, compares the average voltage of the plurality of battery cells with the voltage of the high-voltage battery cell and the voltage of the low-voltage battery cell, respectively, And stopping the operation of the converter section.
한편, 본 발명의 다른 측면은 배터리 팩을 구성하는 복수의 배터리 셀의 전압을 균등하게 제어하는 배터리 셀 전압 균등 제어방법에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 전압 크기가 가장 큰 고전압 배터리 셀과 전압 크기가 가장 작은 저전압 배터리 셀을 검출하고, 상기 고전압 배터리 셀이 전압 변환을 수행하는 컨버터부의 입력단에 연결되고, 상기 저전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 출력단에 연결되도록 상기 복수의 배터리 셀과 상기 컨버터부 사이에 마련되는 스위칭부의 동작을 제어한 뒤 상기 컨버터부를 구동시키며, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압을 산출하여 상기 고전압 배터리 셀의 전압 및 상기 저전압 배터리 셀의 전압과 각각 비교하고, 그 결과에 따라 상기 컨버터부의 구동을 중단한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a battery cell voltage uniformity control method for uniformly controlling a voltage of a plurality of battery cells constituting a battery pack, the method comprising: monitoring a voltage of the plurality of battery cells; Voltage battery cell having the largest voltage magnitude and a low-voltage battery cell having the smallest voltage magnitude, the high-voltage battery cell is connected to the input terminal of the converter unit performing the voltage conversion, and the low-voltage battery cell is connected to the output terminal of the converter unit And controlling the operation of the switching unit provided between the plurality of battery cells and the converter unit to drive the converter unit and calculating an average voltage of the plurality of battery cells to calculate a voltage of the high- Respectively, and drives the converter section in accordance with the comparison result I will.
한편, 상기 고전압 배터리 셀이 전압 변환을 수행하는 컨버터부의 입력단에 연결되고, 상기 저전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 출력단에 연결되도록 상기 복수의 배터리 셀과 상기 컨버터부 사이에 마련되는 스위칭부의 동작을 제어하는 것은, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 배터리 팩의 최종 (-) 단자에 대응하는 배터리 셀을 기준으로 상기 고전압 배터리 셀 및 상기 저전압 배터리 셀이 각각 짝수 번째 또는 홀수 번째 마련되었는지를 판단하고, 그 결과에 따라 상기 스위칭부의 동작을 제어하는 것일 수 있다.The high voltage battery cell is connected to an input terminal of a converter unit for performing voltage conversion and the operation of a switching unit provided between the plurality of battery cells and the converter unit is controlled so that the low voltage battery cell is connected to the output terminal of the converter unit It is determined whether the high-voltage battery cell and the low-voltage battery cell are provided in the even-numbered or odd-numbered battery cells based on the battery cell corresponding to the terminal (-) of the battery pack among the plurality of battery cells, And may control the operation of the switching unit.
또한, 상기 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과 미리 정해진 충전 범위에 속하는지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 미리 정해진 충전 범위에 속하지 않는 배터리 셀이 검출되면, 상기 배터리 팩의 충전 또는 방전이 중단될 수 있도록 경고 신호를 출력하는 것을 더 포함할 수 있다.The method further includes determining whether the plurality of battery cells belong to a predetermined charging range as a result of voltage monitoring, and when a battery cell that does not belong to a predetermined charging range is detected among the plurality of battery cells, charging or discharging of the battery pack is stopped And outputting a warning signal to enable the display device to display the warning signal.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면 많은 수의 커패시터, 인덕터 또는 변압기를 필요로하는 종래의 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 비해 구현하는 데 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 간단하게 구현될 수 있다.According to the above-described aspects of the present invention, compared to the conventional battery cell voltage equalizing control apparatus requiring a large number of capacitors, inductors, or transformers, the cost for implementing the battery cell voltage equalizing control apparatus can be reduced, .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치를 도시한 도면이다.
도 2는 이중 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs) 및 이중 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 스위칭부의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 컨버터부의 개략적인 회로도이다.
도 5는 공진 주파수에서의 컨버터부의 동작에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 LLC 컨버터의 등가 회로의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 포함되는 컨버터부를 구성하는 각 소자에 흐르는 전류 또는 각 소자에 걸리는 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 포함되는 컨버터부의 전압 이득과 위상을 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법의 순서도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 각 소자에 흐르는 전류 또는 소자에 걸리는 전압의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 포함되는 컨버터부의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치가 적용된 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀의 전압 변화의 일 예를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a battery cell voltage equalization control apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is a view for explaining dual N-channel MOSFETs and dual P-channel MOSFETs.
3 is a diagram showing an example of the switching unit shown in FIG.
4 is a schematic circuit diagram of the converter section shown in Fig.
5 is a graph for explaining the operation of the converter section at the resonance frequency.
6 is an example of an equivalent circuit of the LLC converter.
FIG. 7 is a graph showing currents flowing through the respective elements constituting the converter unit included in the battery cell voltage equalizing control apparatus according to an embodiment of the present invention, or voltages applied to the respective elements.
FIG. 8 is a graph illustrating a voltage gain and a phase of a converter included in a battery cell voltage equalizing control apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIGS. 9 and 10 are flowcharts of a method for controlling a battery cell voltage uniformity according to an embodiment of the present invention.
11 and 12 are graphs showing an example of a current flowing through each element or a voltage applied to the element of the battery cell voltage equalization control apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph illustrating efficiency of a converter included in a battery cell voltage equalizing control apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 14 and FIG. 15 are graphs showing an example of voltage change of a battery cell constituting a battery pack to which the battery cell voltage equalization control apparatus according to the embodiment of the present invention is applied.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치를 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a battery cell voltage equalization control apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 배터리 팩(10)을 구성하는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn)의 전압을 균등하게 제어하기 위한 장치로, 스위칭부(100), 컨버터부(200), 모니터링부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성되며, 배터리 팩(10)을 구성하는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 소정의 기준에 따라 두 개의 배터리 셀을 선택하고, 선택한 배터리 셀간에 직접 에너지가 전달될 수 있도록 제어할 수 있다. 1, a battery cell voltage
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 간의 전압을 균등하게 제어하기 위해 고전압의 배터리 셀로부터 저전압의 배터리 셀로 직접 에너지가 전달될 수 있도록 제어함으로써, 배터리 팩(10)의 전압 균등화 속도가 빠르고 그 효율 또한 높으며, 아울러, 단 하나의 DC-DC 컨버터로 구현되는 컨버터부(200)만으로도 배터리 팩(10)의 전압 균등화가 가능하여 많은 수의 커패시터, 인덕터 또는 변압기를 필요로하는 종래의 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 비해 구현하는 데 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 간단하게 구현될 수 있다.Battery cell voltage
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)의 각 구성 요소에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, each component of the battery cell voltage
스위칭부(100)는 배터리 팩(10)을 구성하는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn-2, Bn -1, Bn)과 전압 변환을 수행하는 컨버터부(200)사이에 연결되어 배터리 팩의 전압 균등화를 위해 선택되는 두 개의 배터리 셀이 컨버터부(200)를 통해 연결되도록 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 이를 위해, 스위칭부(100)는 컨버터부(200)의 입력단과 연결되는 제1 스위칭부(100) 및 컨버터부(200)의 출력단과 연결되는 제2 스위칭부(100)로 나뉘어 질 수 있다. The
구체적으로는, 도 1을 참조하면, 제1 스위칭부(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn)에 연결되는 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n) 및 컨버터부(200)의 입력단에 연결되는 제1 릴레이(Ra)를 포함할 수 있으며, 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n)와 제1 릴레이(Ra)는 제1 고전압단 도선(Ha_1) 또는 제2 고전압단 도선(Ha_2)을 통해 연결될 수 있다. 1, the
여기에서, 제1 릴레이(Ra)는 DPDT(Double-Pole Double-Throw) 릴레이 스위치로 구현될 수 있으며, 제1 릴레이(Ra)가 턴온되면 제1 고전압단 도선(Ha_1) 및 제2 고전압단 도선(Ha_2)을 각각 컨버터부(200)의 입력단의 (-)터미널 및 (+)터미널에 연결시키고, 제1 릴레이(Ra)가 턴오프되면 제1 고전압단 도선(Ha_1) 및 제2 고전압단 도선(Ha_2)을 각각 컨버터부(200)의 입력단의 (+)터미널 및 (-)터미널에 연결시킬 수 있다. Here, the first relay (R a) is a DPDT (Double-Pole Double-Throw ) may be implemented as a relay switch, the first relay (R a) of the first high voltage terminal conductors (H a_1) and the second when the turn-on high voltage terminal conductors (H a_2) for each input end of the converter unit 200 (-) and connected to the terminal and the (+) terminal, the first relay (R a) is turned the first high voltage terminal conductors (H a_1) off, And the second high voltage single wire Ha_2 to the (+) terminal and the (-) terminal of the input of the
한편, 배터리 팩(10)은 직렬로 연결되는 복수의 배터리 셀을 포함하여 구성되는데, 제1 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n)는 이러한 배터리 팩(10)에 포함되는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn)의 양단, 즉, (+) 단 및 (-) 단에 각각 연결될 수 있다. 이때, 제1 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n) 중에서 일단이 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...)의 (-) 단자 또는 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...)의 (+) 단자에 연결되는 양방향 스위치(Sa_0, Sa_2 ...)의 타단은 제1 고전압단 도선(Ha_1)과 연결될 수 있으며, 제1 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n) 중에서 일단이 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...)의 (+) 단자 또는 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...)의 (-) 단자에 연결되는 양방향 스위치(Sa_1, Sa_ 3 ...)의 타단은 제2 고전압단 도선(Ha_2)과 연결될 수 있다. 이때, 배터리 셀의 최종 (-) 단을 기준으로 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn)이 홀수 번째 또는 짝수 번째 마련되었는지 판단할 수 있다. 다시 말하면, 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 배터리 팩의 최종 (-) 단자에 대응하는 배터리 셀(도 1의 경우 B1)을 기준으로 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn)이 홀수 번째 또는 짝수 번째 마련되었는지 판단할 수 있다. On the other hand, the
여기에서, 제1 릴레이(Ra)가 턴온되면 제1 고전압단 도선(Ha_1) 및 제2 고전압단 도선(Ha_2)이 각각 컨버터부(200)의 입력단의 (-)터미널 및 (+)터미널에 연결되므로, 이와 같은 경우, 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...) 중에서 양단에 연결된 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n)가 모두 턴온 상태인 어느 하나의 배터리 셀의 (-) 단자가 제1 고전압단 도선(Ha_1)에 연결되고, (+) 단자가 제2 고전압단 도선(Ha_2)에 연결되어 해당 배터리 셀의 전압이 컨버터부(200)의 입력 전압으로 인가될 수 있다. When the first relay R a is turned on, the first high-voltage short-
또는, 제1 릴레이(Ra)가 턴오프되면 제1 고전압단 도선(Ha_1) 및 제2 고전압단 도선(Ha_2)이 각각 컨버터부(200)의 입력단의 (+)터미널 및 (-)터미널에 연결되므로, 이와 같은 경우, 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...) 중에서 양단에 연결된 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n)가 모두 턴온 상태인 어느 하나의 배터리 셀의 (+) 단자가 제1 고전압단 도선(Ha_1)에 연결되고, (-) 단자가 제2 고전압단 도선(Ha_2)에 연결되어 해당 배터리 셀의 전압이 컨버터부(200)의 입력 전압으로 인가될 수 있다. Alternatively, when the first relay R a is turned off, the first high-voltage short-
따라서, 제1 스위칭부(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...) 중 어느 하나가 고전압 배터리 셀로 선택되면, 제1 릴레이(Ra) 및 고전압 배터리 셀의 양단에 연결된 양방향 스위치가 턴온 동작할 수 있다. 예를 들면, 제1 배터리 셀(B1)이 고전압 배터리 셀로 선택되면, 제1 릴레이(Ra) 및 제1 배터리 셀(B1)의 양단에 연결된 제0 양방향 스위치(Sa_0)와 제1 양방향 스위치(Sa_1)이 턴온되고, 이와 같은 경우, 제1 배터리 셀(B1)의 (+) 단자 및 (-) 단자는 각각 컨버터부(200)의 입력단의 (+) 터미널 및 (-) 터미널과 연결될 수 있다. Thus, the
반대로, 제1 스위칭부(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...) 중 어느 하나가 고전압 배터리 셀로 선택되면, 제1 릴레이(Ra)는 턴오프 동작하고, 고전압 배터리 셀의 양단에 연결된 양방향 스위치는 턴온 동작할 수 있다. On the other hand, the
제2 스위칭부(100) 또한 제1 스위칭부(100)와 동일하게 구성될 수 있다. 도 1을 참조하면, 제2 스위칭부(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn)에 연결되는 복수의 양방향 스위치(Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n) 및 컨버터부(200)의 출력단에 연결되는 제2 릴레이(Rb)를 포함할 수 있으며, 복수의 양방향 스위치(Sb_0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n)와 제2 릴레이(Rb)는 제1 저전압단 도선(Lb_1) 또는 제2 저전압단 도선(La_2)을 통해 연결될 수 있다. The
여기에서, 제2 릴레이(Rb)는 DPDT(Double-Pole Double-Throw) 릴레이 스위치로 구현될 수 있으며, 제2 릴레이(Rb)가 턴온되면 제1 저전압단 도선(Lb_1) 및 제2 저전압단 도선(La_2)을 각각 컨버터부(200)의 출력단의 (-)터미널 및 (+)터미널에 연결시키고, 제2 릴레이(Rb)가 턴오프되면 제1 저전압단 도선(Lb_1) 및 제2 저전압단 도선(La_2)을 각각 컨버터부(200)의 출력단의 (+)터미널 및 (-)터미널에 연결시킬 수 있다. Here, the second relay (R b) may be implemented as a DPDT (Double-Pole Double-Throw ) relay switch, a second relay (R b), the first low voltage terminal conductors (L b_1) and the second when the turn-on The low voltage short lead L a_2 is connected to the (-) terminal and the (+) terminal of the output terminal of the
또한, 제2 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sb _0, Sb _1, Sb_2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n)는 배터리 팩(10)에 포함되는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn)의 양단, 즉, (+) 단 및 (-) 단에 각각 연결될 수 있다. 이때, 제2 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n) 중에서 일단이 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...)의 (-) 단자 또는 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...)의 (+) 단자에 연결되는 양방향 스위치(Sb_0, Sb _2 ...)의 타단은 제1 저전압단 도선(Lb_1)과 연결될 수 있으며, 제2 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n) 중에서 일단이 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...)의 (+) 단자 또는 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...)의 (-) 단자에 연결되는 양방향 스위치(Sb _1, Sb _3 ...)의 타단은 제2 저전압단 도선(La_2)과 연결될 수 있다.In addition, the
여기에서, 제2 릴레이(Rb)가 턴온되면 제1 저전압단 도선(Lb_1) 및 제2 저전압단 도선(La_2)이 각각 컨버터부(200)의 출력단의 (-)터미널 및 (+)터미널에 연결되므로, 이와 같은 경우, 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...) 중에서 양단에 연결된 양방향 스위치(Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n)가 모두 턴온 상태인 어느 하나의 배터리 셀의 (-) 단자가 제1 저전압단 도선(Lb_1)에 연결되고, (+) 단자가 제2 저전압단 도선(La_2)에 연결되어 해당 배터리 셀로 컨버터부(200)의 출력 전압이 인가될 수 있다. When the second relay R b is turned on, the first low-voltage short-circuit line L b_1 and the second low-voltage short-circuit line L a_2 are connected to the (-) terminal and the (+) terminal of the output terminal of the
또는, 제2 릴레이(Rb)가 턴오프되면 제1 저전압단 도선(Lb_1) 및 제2 저전압단 도선(La_2)이 각각 컨버터부(200)의 입력단의 (+)터미널 및 (-)터미널에 연결되므로, 이와 같은 경우, 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...) 중에서 양단에 연결된 양방향 스위치(Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n)가 모두 턴온 상태인 어느 하나의 배터리 셀의 (+) 단자가 제1 저전압단 도선(Lb_1)에 연결되고, (-) 단자가 제2 저전압단 도선(La_2)에 연결되어 해당 배터리 셀로 컨버터부(200)의 출력 전압이 인가될 수 있다. Alternatively, when the second relay R b is turned off, the first low-voltage short-circuit line L b_1 and the second low-voltage short-circuit line L a_2 are connected to the positive terminal and the negative terminal of the input terminal of the
따라서, 제2 스위칭부(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 홀수 번째 마련되는 배터리 셀(B1, B3, ...) 중 어느 하나가 저전압 배터리 셀로 선택되면, 제2 릴레이(Rb) 및 저전압 배터리 셀의 양단에 연결된 양방향 스위치가 턴온 동작할 수 있다. 예를 들면, 제1 배터리 셀(B1)이 저전압 배터리 셀로 선택되면, 제2 릴레이(Rb) 및 제1 배터리 셀(B1)의 양단에 연결된 제0 양방향 스위치(Sb_0)와 제1 양방향 스위치(Sb_1)이 턴온되고, 이와 같은 경우, 제1 배터리 셀(B1)의 (+) 단자 및 (-) 단자는 각각 컨버터부(200)의 출력단의 (+) 터미널 및 (-) 터미널과 연결될 수 있다.Thus, the
반대로, 제2 스위칭부(100)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 짝수 번째 마련되는 배터리 셀(B2, B4, ...) 중 어느 하나가 고전압 배터리 셀로 선택되면, 제2 릴레이(Rb)는 턴오프 동작하고, 고전압 배터리 셀의 양단에 연결된 양방향 스위치는 턴온 동작할 수 있다. Conversely, the
이와 같이, 스위칭부(100)는 컨버터부(200)의 입력단과 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 사이에 마련되는 제1 스위칭부(100)와 컨버터부(200)의 출력단과 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 사이에 마련되는 제2 스위칭부(100)로 구성되어, 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 고전압 배터리 셀로 선택되는 배터리 셀의 전압이 컨버터부(200)의 입력 전압으로 인가되고, 컨버터부(200)의 출력 전압이 저전압 배터리 셀로 선택되는 배터리 셀로 출력되도록 제어할 수 있다. 즉, 스위칭부(100)의 동작에 따라 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀이 각각 컨버터부(200)의 입력단과 출력단에 연결되어, 고전압 배터리 셀의 에너지가 저전압 배터리 셀로 전달될 수 있다.In this way, between the switching
이와 같은 스위칭부(100)의 제1 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sa_n-1, Sa_n)와 제2 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치(Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n-2, Sb _n-1, Sb _n)는 이중 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs) 또는 이중 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)으로 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.The first plurality of two-way switches included in the
도 2는 이중 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs) 및 이중 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 스위칭부의 일 예를 도시한 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining dual N-channel MOSFETs and dual P-channel MOSFETs, and FIG. 3 shows an example of the switching part shown in FIG. 1 FIG.
먼저, 도 2를 참조하면, 이중 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs) 및 이중 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)은 양방향 스위치로, 각각 두 개의 N-채널 모스펫의 소스 단자 또는 두 개의 P-채널 모스펫의 소스 단자가 연결된 형태일 수 있다. 이러한 이중 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs) 및 이중 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)은 게이트 단자에 인가되는 신호에 따라 서로 반대로 동작하는데, 이때, 게이트 단자에 인가되는 신호는 후술하는 제어부(400)에 의해 인가될 수 있다. Referring first to Figure 2, dual N-channel MOSFETs and dual P-channel MOSFETs are bi-directional switches, each of which is connected to the source terminal of two N- The source terminals of the P-channel MOSFETs may be connected. These dual N-channel MOSFETs and dual P-channel MOSFETs operate opposite to each other depending on the signal applied to the gate terminal, The
스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치는 이와 같은 이중 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs) 또는 이중 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)으로 구현됨으로써 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어 회로를 절반으로 줄일 수 있으며 결과적으로는 전체적인 제조 단가를 절감할 수 있다. 이때, 이중 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs) 또는 이중 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)의 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어 회로는 배터리 팩(10)의 전력을 이용하여 동작할 수 있도록 구현될 수 있다. 이와 관련하여 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.A plurality of bidirectional switches included in the
도 3을 참조하면, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 상단 두 개의 배터리 셀(Bn, Bn - 1)과 연결되는 양방향 스위치(Sa_n-1, Sa_n, Sb_n-1, Sb _n)는 듀얼 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)으로 구현되고, 그 아래의 나머지 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn - 2)과 연결되는 앙"?... 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n- 2)는 듀얼 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs)으로 구현되었음을 확인할 수 있다. 3, the plurality of battery cells connected in series (B 1, B 2, B 3, ..., B n -2, n -1 B, B n) B (top two battery cells out of n, b n - 1) two-way switch (S a_n-1, S a_n , S b_n-1, S b _n) are connected and are being implemented with dual-P- channel MOSFET (dual P-channel MOSFETs), the remaining battery under the
구체적으로는, 상술한 바와 같이 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치의 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어 회로가 배터리 팩(10)의 전력에 의해 동작하도록 구현하기 위해서는, 배터리 팩(10)을 구성하는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 가장 상단에 마련되는 배터리 셀(Bn)의 (+)단자에 연결되는 양방향 스위치(Sa_n, Sb _n)의 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어 회로는 그 아래 마련된 배터리 셀(Bn - 1)의 (-) 단자와 연결될 수 있으며, 이에 따라, 음의 전압을 공급받아 동작하므로 듀얼 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)으로 구현되는 것이 바람직하다.Specifically, in order to implement a control circuit for driving gate terminals of a plurality of bi-directional switches included in the
또한, 배터리 팩(10)을 구성하는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ... Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 가장 상단에 마련되는 배터리 셀(Bn)의 (-)단자 도는 상단에서 두 번째 마련되는 배터리 셀(Bn - 1)의 (+)단자에 연결되는 양방향 스위치(Sa_n-1, Sb _n- 1)의 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어 회로는 그 아래 마련된 배터리 셀(Bn - 2)의 (-) 단자와 연결될 수 있으며, 이에 따라, 음의 전압을 공급받아 동작하므로 듀얼 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs)으로 구현되는 것이 바람직하다.Further, the battery provided to the upper most of the plurality of battery cells connected in series to configure a
반면, 배터리 팩(10)을 구성하는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 가장 상단에 마련되는 배터리 셀(Bn)과 상단에서 두 번째 마련되는 배터리 셀(Bn - 1)을 제외한 그 나머지 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn - 2)과 연결되는 양방향 스위치들의 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어 회로는 각각 그 위에 마련된 배터리 셀의 (+) 단자와 연결될 수 있으며, 이에 따라, 양의 전압을 공급받아 동작하므로 듀얼 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs)으로 구현되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 가장 하단에 마련되는 배터리 셀(B1)의 (-)단자에 연결되는 양방향 스위치(Sa1, Sb1)의 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어회로는 그 위에 마련된 배터리 셀(B2)의 (+) 단자와 연결될 수 있으며, 또는, 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 가장 상단에서 세 번째 마련되는 배터리 셀(Bn - 2)의 (+) 단자 또는 두 번째 마련되는 배터리 셀(Bn - 1)의 (-) 단자에 연결되는 양방향 스위치(Sa_n-2, Sb _n- 2)의 게이트 단자를 구동시키기 위한 제어회로는 그 위에 마련된 배터리 셀(Bn)의(+) 단자와 연결될 수 있어 양의 전압을 공급받아 동작하므로 듀얼 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs)으로 구현되는 것이 바람직하다.On the other hand, the
이하에서는, 도 4를 참조하여 도 1에 도시된 컨버터부(200)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the
도 4는 도 1에 도시된 컨버터부의 개략적인 회로도이다.4 is a schematic circuit diagram of the converter section shown in Fig.
도 4를 참조하면, 컨버터부(200)는 1차단 회로(210), 변압기(220) 및 2차단 회로(230)로 구성되는 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현되어 전력 변환을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 4, the
구체적으로는, 1차단 회로(210)는 입력 커패시터(211) 및 입력 커패시터(211)의 양단에 연결되는 풀브릿지 회로를 포함할 수 있다. 이때, 입력 커패시터(211)의 양단은 제1 스위칭부(100)와 연결되어 제1 스위칭부(100)에 포함되는 제1 릴레이(Ra) 및 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb_n-2)의 동작에 따라 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 고전압 배터리 셀로 선택되는 배터리 셀로부터 입력 전압을 인가받을 수 있다.Specifically, the one-
또한, 1차단 회로(210)에 포함되는 풀브릿지 회로는 병렬로 연결된 제1 레그(210-1)와 제2 레그(210-2)를 포함하는데, 이러한 제1 레그(210-1)와 제2 레그(210-2)의 상측 접점(c) 및 하측 접점(d)은 각각 입력 커패시터(211)의 양단에 연결될 수 있다. 여기에서, 제1 레그(210-1)의 상측에는 제1 스위치(S1)가 마련되고, 제1 레그(210-1)의 하측에는 제2 스위치(S2)가 마련될 수 있으며, 제2 레그(210-2)의 상측에는 제3 스위치(S3)가 마련되고, 제2 레그(210-2)의 하측에는 제4 스위치(S4)가 마련될 수 있다. 이때, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)는 MOSFET 스위치로 각각 바디 다이오드와 기생 커패시터가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다. The full bridge circuit included in the 1-blocking
또한, 1차단 회로(210)는 제1 레그(210-1)와 제2 레그(210-2)를 연결하는 출력 전압선(212)을 포함하는데, 구체적으로는, 출력 전압선(212)은 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 제1 노드(a)와, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 제2 노드(b)를 연결할 수 있으며, 이러한 출력 전압선(212) 상에는 공진 커패시터(Cr) 및 공진 인덕터(Lr)가 마련될 수 있다. 출력 전압선(212) 상에는 일차측 권선(Lm) 또한 마련되는데, 이러한 일차측 권선(Lm)은 후술하는 제1 이차측 권선(Ls1) 및 제2 이차측 권선(Ls2)와 자화 결합되어 변압기(220)를 구성할 수 있다. 이때, 공진 인덕터(Lr)가 변압기(220)의 누설 인덕터의 역할 또한 수행할 수 있으므로 별도의 추가적인 인덕터가 마련되지 않아도 무방하다.The
변압기(220)는 일차측 권선(Lm), 제1 이차측 권선(Ls1) 및 제2 이차측 권선(Ls2)을 포함하며, 1차단 회로(210)와 2차단 회로(230) 사이에 연결되어 변압기 턴비(1:n:n)에 따른 전압 변환을 수행할 수 있다. 이때, 일차측 권선(Lm)은 1차단 회로(210)에 연결되고, 제1 이차측 권선(Ls1) 및 제2 이차측 권선(Ls2)은 2차단 회로(230)에 연결되는데, 제1 이차측 권선(Ls1) 및 제2 이차측 권선(Ls2) 사이에는 변압기(220)의 출력을 분할할 수 있도록 탭(e)이 구비될 수 있다.The
2차단 회로(230)는 제1 다이오드(D1). 제2 다이오드(D2) 및 출력 커패시터(231)를 포함하며, 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)에 의해 변압기(220)의 출력을 정류하여 출력 커패시터(231)로 전달할 수 있다. 이때, 출력 커패시터(231)의 양단은 제2 스위칭부(100)와 연결되어 제2 스위칭부(100)에 포함되는 제2 릴레이(Rb) 및 복수의 양방향 스위치(Sa_0, Sa_1, Sa_2, ..., Sa_n-2, Sb _0, Sb _1, Sb _2, ..., Sb _n- 2)의 동작에 따라 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 중에서 저전압 배터리 셀로 선택되는 배터리 셀로 출력 전압을 전달할 수 있다.2 blocking
2차단 회로는 제1 이차측 권선(Ls1) 및 제2 이차측 권선(Ls2)과 연결되는데, 제1 다이오드(D1)가 제2 이차측 권선(Ls2)의 타단에 연결되고, 제2 다이오드(D2)가 제1 이차측 권선(Ls1)의 일단에 연결될 수 있다. 구체적으로는, 제1 다이오드(D1)의 캐소드는 제2 이차측 권선(Ls2)의 타단에 연결되고, 애노드는 제3 접점(f)에 연결될 수 있다. 또한, 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 제1 이차측 권선(Ls1)의 일단에 연결되고, 애노드는 제3 접점(f)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 이차측 권선(Ls1)의 타단과 제2 이차측 권선(Ls2)의 일단에 구비되는 탭(e)과 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)가 접속되는 제3 접점(f)은 각각 출력 커패시터(231)의 양단에 연결될 수 있다. 2 interrupting circuit is connected to the first secondary side winding Ls1 and the second secondary side winding Ls2 such that the first diode D1 is connected to the other end of the second secondary side winding Ls2 and the second diode D2 may be connected to one end of the first secondary side winding Ls1. Concretely, the cathode of the first diode D1 is connected to the other end of the second secondary side winding L s2 , and the anode can be connected to the third contact f. Further, the cathode of the second diode D2 may be connected to one end of the first secondary side winding L s1 , and the anode may be connected to the third contact f. Also, the first secondary the other end of the side winding (Ls1) a second secondary side winding (L s2) one is that tab (e) and the first diode (D1) and a second diode (D2) is connected provided with a third of the The contact f may be connected to both ends of the
컨버터부(200)는 이와 같이 구성되는 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현되어 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에서 배터리 셀 간의 에너지를 전달하는 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로로서 동작하기에 적합하다.The
구체적으로는, 일반적으로 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로는 다음과 같은 조건들을 만족하는 것이 바람직하다. 먼저, 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로는 배터리 셀 간의 작은 양의 에너지를 전달하므로 높은 효율을 갖는 컨버터로 구현되어야 한다. 또한, 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로는 배터리 팩 제조시 설정되는 허용 가능한 최대 전압을 만족시킬 수 있도록 입력단 및 출력단에서의 낮은 전류 리플을 갖도록 구현되는 것이 바람직하다. 특히, 리튬-이온 배터리의 경우, 배터리 충전 중에 미리 설정된 최대 전압을 초과하지 않는 것이 중요한데, 이는 최대 전압을 초과하는 경우 음의 전극에 SEI 필름이 형성되는 것을 가속화시키며 결과적으로는 배터리의 노화를 가속화시키기 때문이다. 특히, 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로는 배터리 충전 중에도 동작하는데, 이와 같은 경우, 충전 전류에 cell-to-cell 밸런싱 회로의 출력이 더해져 배터리 셀의 전압을 빠르게 증가시키므로, 상술한 바와 같이 입력단 및 출력단에서의 낮은 전류 리플을 갖도록 구현되는 것이 바람직하다. 마지막으로, 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로는 개방 회로에 의해 제어되는 것이 바람직한데, 이는 피드백을 위한 별도의 추가 회로가 필요 없으며, 컨트롤 알고리즘을 간소화할 수 있기 때문이다.Specifically, in general, the active cell-to-cell balancing circuit preferably satisfies the following conditions. First, the active cell-to-cell balancing circuit must deliver a small amount of energy between the battery cells and therefore be implemented as a converter with high efficiency. In addition, the active cell-to-cell balancing circuit is preferably implemented to have low current ripple at the input and output stages to meet the maximum allowable voltage set during battery pack manufacture. In particular, in the case of a lithium-ion battery, it is important not to exceed the preset maximum voltage during battery charging, which accelerates the formation of SEI film on the negative electrode if it exceeds the maximum voltage and consequently accelerates the aging of the battery I will. In particular, the active cell-to-cell balancing circuit operates during charging of the battery. In this case, since the output of the cell-to-cell balancing circuit is added to the charging current to rapidly increase the voltage of the battery cell, It is desirable to be implemented with low current ripple at the output stage. Finally, the active cell-to-cell balancing circuit is preferably controlled by an open circuit, since no additional circuitry is needed for feedback and the control algorithm can be simplified.
한편, LLC 컨버터는 높은 효율, 낮은 EMI, 높은 에너지 밀도를 가져 다양한 장치에서 사용되고 있으나, 부하의 변화에 따라 스위칭 주파수가 넓은 범위에서 변화하고, 회로 구성 및 제어가 복잡하며, 낮은 부하에서는 낮은 효율을 갖는다는 단점을 가져, 종래에는 LLC 컨버터가 상술한 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로의 조건을 만족하지 못하므로 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)의 cell-to-cell 회로로는 거의 사용되지 않고 있다.On the other hand, the LLC converter has high efficiency, low EMI and high energy density and is used in various devices. However, the switching frequency changes in a wide range according to the load, the circuit configuration and control are complicated, Since the LLC converter does not satisfy the condition of the active cell-to-cell balancing circuit as described above, it is rarely used as a cell-to-cell circuit of the battery cell voltage
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 컨버터부(200)를 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현하였는데, 그 이유는 다음과 같다. 먼저, 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로는 일반적인 컨버터 회로와는 달리 일정한 전압을 출력하도록 동작하지 않으며, 일반적으로 복수의 배터리 셀간의 전압 차는 0.2V 미만이므로, 풀브리지 LLC 컨버터가 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로로 동작하더라도 부하의 변화에 따라 스위칭 주파수가 넓은 범위에서 변화한다는 단점을 극복할 수 있다. 따라서, 풀브리지 LLC 컨버터가 스위칭 손실 없이 일정한 주파수로 동작할 수 있으며, 아울러, 개방 회로에 의해 제어될 수 있다. 또한, 풀브리지 LLC 컨버터는 입력단에서의 낮은 리플 전류와 낮은 전도 손실을 가지며, 도 4를 참조하면, 2차단 회로(230)는 두 개의 다이오드만을 포함하여 정류 회로로서 동작하므로, 높은 효율을 가질 뿐만 아니라 제조 비용 또한 절감할 수 있다.However, in the battery cell voltage
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 컨버터부(200)를 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현함으로써, 일반적으로 능동 cell-to-cell 밸런싱 회로에서 요구되는 조건들을 모두 만족시킬 수 있는데, 이를 위한 컨버터부(200)의 구동방법에 대하여 설명하기로 한다.As described above, the battery cell voltage
도 5는 공진 주파수에서의 컨버터부의 동작에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.5 is a graph for explaining the operation of the converter section at the resonance frequency.
컨버터부(200)는 1차단 회로(210)에 포함되는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 스위칭 동작에 따라 입력 전압을 변환하여 2차단 회로(230)로 출력할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)가 동일하게 동작하고, 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)가 동일하게 동작하며, 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)와, 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)는 반대로 동작함을 확인할 수 있다. 이때, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)는 50%의 듀티 사이클로 동작할 수 있다. 그리고, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)가 동작을 전환할 때 소정의 데드 타임이 존재하는데, 이는 교차 전도(cross conduction)의 가능성을 방지하고, 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 ZVS(zero voltage switching)을 달성하기 위함이다.The
한편, 도 6은 LLC 컨버터의 등가 회로의 일 예이다.6 is an example of an equivalent circuit of the LLC converter.
도 6을 참조하면, FHA(First Harmonic Approximation) 방식을 통해 구성되는 LLC 컨버터의 등가 회로도를 확인할 수 있다. 도 6에서의 매개 변수 'm'은 공진 인덕턴스와 변압기의 자화 인덕턴스 사이의 비율(ratio)을 나타내는데, 이는 LLC 컨버터 구현 시 가장 중요한 요소 중 하나로 아래의 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.Referring to FIG. 6, an equivalent circuit diagram of an LLC converter configured through a first harmonic approximation (FHA) scheme can be confirmed. The parameter 'm' in FIG. 6 represents the ratio between the resonance inductance and the magnetizing inductance of the transformer, which is one of the most important factors in the implementation of the LLC converter, and can be calculated as shown in
[수학식 1][Equation 1]
수학식 1에서 Lr은 공진 인덕터의 인덕턴스이고, Lm은 변압기의 자화 인덕터의 인덕턴스를 의미한다.In
도 6에서의 매개 변수 'm'은 LLC 컨버터의 부스트 이득(boost gain)과 동작 주파수 범위의 관계를 고려하여 결정되는 것이 바람직하다. 일반적으로 낮은 크기의'm'이 선호되는데, 이는 LLC 컨버터의 부스트 이득을 높게 하고 동작 주파수의 범위를 좁게 하기 때문이다. 그러나, 이와 같은 경우 스위치 소자들의 턴오프 동작 시 스위칭 손실이 발생하게 되며, 큰 자화 전류에 의한 순환에너지(circulating energy) 및 전도 손실(conduction loss)이 발생한다는 문제점이 있으므로, 이러한 점을 고려하여 LLC 컨버터를 구현하는 것이 바람직하다.The parameter 'm' in FIG. 6 is preferably determined in consideration of the relationship between the boost gain of the LLC converter and the operating frequency range. In general, a lower-order 'm' is preferred because it increases the boost gain of the LLC converter and narrows the operating frequency range. However, in such a case, a switching loss occurs in the turn-off operation of the switch elements, and a circulating energy and a conduction loss due to a large magnetization current are generated. Therefore, It is desirable to implement a converter.
한편, LLC 컨버터 구현 시 중요한 요소 중 또 다른 하나로는 품질 계수(quality factor) 'Q'가 있다. 품질 계수 'Q'는 아래의 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.On the other hand, another important factor in the implementation of the LLC converter is the quality factor 'Q'. The quality factor 'Q' can be calculated as shown in Equation (2) below.
[수학식 2]&Quot; (2) "
수학식 2에서 Cr은 공진 커패시터, Lr은 공진 인덕터, Roe는 부하 저항을 의미한다.In the equation (2), Cr denotes a resonant capacitor, Lr denotes a resonant inductor, and Roe denotes a load resistance.
이러한 품질 계수 'Q'는 LLC 컨버터의 부스트 이득(boost gain)과 동작 주파수의 민감도의 관계를 고려하여 결정되는 것이 바람직하다. 품질 계수 'Q'는 부하에 따라 변화하므로, 요구되는 전압 이득을 만족하기 위해 품질 계수 'Q'를 제한하는 데 주의하여야 하며, 그렇지 않을 경우, 불필요한 스위칭 손실이 발생하고 LLC 컨버터가 높은 효율을 달성하기 어려워진다.The quality factor 'Q' is preferably determined in consideration of the relationship between the boost gain of the LLC converter and the sensitivity of the operating frequency. Since the quality factor 'Q' varies with load, care must be taken to limit the quality factor 'Q' to meet the required voltage gain, otherwise, unnecessary switching losses will occur and the LLC converter will achieve high efficiency .
이와 같이, LLC 컨버터의 구현 시 매개 변수 'm'과 품질 계수 'Q'가 중요한 요소이며, 적절한 최초 값으로 LLC 컨버터를 구현한 뒤 상호 작용을 통해 최적화할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에 포함되는 컨버터부(200)의 경우, 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현되더라도, 공진 주파수에서만 동작하므로, 매개 변수 'm'과 품질 계수 'Q'의 제한 없이 구현되어도 무방하다. Thus, in implementing an LLC converter, the parameter 'm' and the quality factor 'Q' are important factors, and the LLC converter can be implemented with appropriate initial values and then optimized through interaction. However, in the case of the
구체적으로는, 상술한 바와 같이 복수의 배터리 셀 간의 전압 차이는 0.2V 미만이므로, 컨버터부(200)는 일정한 이득과 함께 공진 주파수에서만 동작하고, 출력 전류(저전압 배터리 셀의 충전 전류)는 컨버터부(200)의 출력 전압(Vo)과 배터리 셀의 전압(VB) 차이와 배터리 저항(RDCIR)에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에 포함되는 컨버터부(200)의 변압기 턴비 'n'은 아래 수학식 3 및 수학식 4와 같이 컨버터부(200)의 각 구성요소의 전압 강하를 보상하기 위해 1보다 크게 설정되어야 한다.Specifically, as described above, since the voltage difference between the plurality of battery cells is less than 0.2 V, the
[수학식 3]&Quot; (3) "
[수학식 4] &Quot; (4) "
수학식 3에서 Vo는 컨버터부(200)의 출력 전압을 의미하고, Vin은 컨버터부(200)의 입력 전압, Ibalance _in은 컨버터부(200)의 입력 전류, Rds _on은 스위치 소자의 정션 저항(junction resistance), Vf는 다이오드의 순방향 전압(forward voltage), Vad는 권선, 전류 센싱 저항 등에 의한 주가적인 전압 강하를 의미한다.V o in equation (3) indicates the output voltage of the
또한, 수학식 4에서 n은 일예로 1.2로 계산될 수 있는데, 구체적으로는, 배터리 셀간 균등화를 위해 필요한 최대 전력은 배터리 팩의 최대 전압 및 최대 밸런싱 전류로부터 산출될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)가 리튬 리온 배터리 팩의 전압 균등화를 수행하는 경우 요구되는 최대 전력은 4.2V*1.3A=5.5W로 계산될 수 있다. 이와 같은 경우, 40kHz에서 동작하는 1811 pot core로부터 구현되는 것이 바람직한데, bobbin winding area는 0.187cm2이고, AWG 18 와이어가 사용되는 경우 최대 40턴이 가능하기 때문이다. 따라서, 변압기 턴비 'n'은 1:1.2:1.2로 계산될 수 있으며, 실제 턴 수는 자화 인덕턴스를 증가시켜 자화 전류를 감소시킴과 동시에 순환 에너지 및 스위치 소자들의 턴오프 손실을 줄일 수 있도록 10:12:12로 결정될 수 있다.In Equation (4), n may be calculated as 1.2, for example, the maximum power required for equalization among the battery cells may be calculated from the maximum voltage and the maximum balancing current of the battery pack. For example, when the battery cell voltage
한편, 컨버터부(200)에 포함되는 공진 커패시터(Cr)의 커패시턴스는 변압기(220)의 누설 인덕턴스 값에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 아래의 수학식 5에 따르면 누설 인덕턴스 값이 1.9uH로 측정되는 경우, 40kHz의 공진 주파수에서의 공진 커패시턴스는 8.3uF로 계산될 수 있다.The capacitance of the resonant capacitor C r included in the
[수학식 5]&Quot; (5) "
또한, 수학식 5를 수학식 2에 적용하면, 품질 계수 'Q'는 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Also, when Equation (5) is applied to Equation (2), the quality factor 'Q' can be expressed as Equation (6) below.
[수학식 6]&Quot; (6) "
수학식 6에서 AC 등가 부하 저항(AC equivalent load resistance) Roe는 아래의 수학식 7을 이용하여 산출될 수 있다.In Equation (6), AC equivalent load resistance Roe can be calculated using Equation (7) below.
[수학식 7]&Quot; (7) "
여기에서, 출력 전압 Vo가 3V~4.2V 사이에서 변하는 경우, 수학식 6 및 수학식 7에 따른 Q의 값의 예를 들면, 아래의 표 1과 같이 산출될 수 있다.Here, when the output voltage Vo varies between 3V and 4.2V, for example, the value of Q according to Equation (6) and Equation (7) can be calculated as shown in Table 1 below.
[표 1][Table 1]
한편, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에 포함되는 컨버터부(200)의 경우, 공진 주파수에서만 동작하므로 매개 변수 'm'의 제한이 없으며, 따라서, 스위치 소자들의 턴오프 손실을 줄이고, 순환 에너지에 의한 전도 손실(conduction loss)을 줄일 수 있도록 공진 인덕턴스 값을 설정하는 것이 바람직하다.As described above, in the case of the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 포함되는 컨버터부를 구성하는 각 소자에 흐르는 전류 또는 각 소자에 걸리는 전압을 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 포함되는 컨버터부의 전압 이득과 위상을 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing currents flowing through the respective elements constituting the converter unit included in the battery cell voltage equalizing control apparatus according to an embodiment of the present invention or voltages applied to the respective elements, and FIG. FIG. 4 is a graph showing voltage gain and phase of a converter included in a battery cell voltage equalizing control apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에 포함되는 컨버터부(200)는 큰 공진 인덕턴스 값에 의해 일차측에 마련되는 모든 스위칭 소자들의 영전압 턴온(ZVS turn-on)이 가능하며, 영전류 턴오프(ZCS turn-off)를 거의 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, the
또한, 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에 포함되는 컨버터부(200)를 매개 변수 'm'의 값을 크게 설정하고, 품질 계수 'Q'의 값은 위의 표 1에 따라 설정한 경우 전압 이득과 위상 변화를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, the parameter 'm' of the
일반적으로 컨버터의 높은 효율을 달성하기 위해서는 일차측의 스위치 소자들이 영전압 턴온을 달성할 수 있는 것이 중요하다. 또한, 데드 타임에서 자화 전류 Im이 스위치 소자에 부가되는 바디 다이오드를 통과하기 전에 스위치 소자의 기생 커패시턴스를 통과하기 때문에, 스위치 소자들이 영전압 턴온을 달성하기 위해서는 아래의 수학식 8 및 9를 만족하도록 컨버터를 구현하는 것이 바람직하다.In general, it is important that the primary-side switch elements can achieve zero voltage turn-on to achieve high efficiency of the converter. Further, since the magnetizing current Im passes the parasitic capacitance of the switching element before passing through the body diode added to the switching element at the dead time, the switching elements satisfy the following equations (8) and (9) It is desirable to implement a converter.
[수학식 8]&Quot; (8) "
[수학식 9] &Quot; (9) "
수학식 8 및 9에 따르면 자화 전류 Im은 아래 수학식 10과 같이 산출될 수 있다.According to Equations (8) and (9), the magnetizing current Im can be calculated by Equation (10) below.
[수학식 10]&Quot; (10) "
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에 포함되는 컨버터부(200)는 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현되는데, 공진 주파수에서만 동작하여 스위치 소자들의 턴오프 손실 및 순환 에너지에 의한 전도 손실을 줄일 수 있으며, 스위치 소자들의 영전압 턴온 및 영전류 턴오프가 가능하여 높은 효율을 달성할 수 있다.As described above, the
한편, 다시 도 1을 참조하면, 모니터링부(300)는 배터리 팩(10)을 구성하는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn-2, Bn-1, Bn) 의 전압을 모니터링할 수 있다. 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn-2, Bn-1, Bn) 중에서 전압 크기가 가장 큰 고전압 배터리 셀과 전압 크기가 가장 작은 저전압 배터리 셀을 선택할 수 있도록 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn-2, Bn-1, Bn) 의 전압을 모니터링 할 수 있다. 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn-2, Bn-1, Bn) 의 전압을 모니터링하면 그 값을 디지털 데이터로 변환하여 후술하는 제어부(400)로 전달할 수 있다. 이러한 모니터링부(300)는 일예로 IC(bq76940 from Texas Instruments)로 구현될 수 있다.1, the
또한, 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn-2, Bn-1, Bn) 의 전압 모니터링 결과 미리 정해진 충전 범위에 속하지 않는 배터리 셀을 검출할 수 있다. 즉, 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀(B1, B2, B3, ..., Bn -2, Bn -1, Bn) 전압의 모니터링 결과 미리 정해진 충전 범위를 초과하거나, 미리 정해진 충전 범위 미만인 전압을 갖는 배터리 셀이 존재하면, 배터리 팩(10)의 충전 또는 방전이 중단될 수 있도록 후술하는 제어부(400)로 경고 신호를 전달할 수 있다.The
또한, 모니터링부(300)는 도 1에서 컨버터부(200)의 출력단에 마련되는 저항(Rsense)을 이용하여 컨버터부(200)의 출력 전류를 측정할 수 있다. 또한, 모니터링부(300)는 컨버터부(200)의 입력 전류를 측정하고, 컨버터부(200)의 입력 전류 및 출력 전류를 이용하여 배터리 셀간 에너지가 전달되는 동안의 배터리 셀의 순간 전압을 계산할 수 있으며, 이를 이용하여 배터리 셀의 전압이 미리 정해진 충전 범위에 속하는지를 확인할 수 있다.In addition, the
한편, 도 1에서는 하나의 모니터링부(300)가 도시되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)가 EVs 또는 ESS와 같이 수백개의 배터리 셀로 구성되는 배터리 팩(10)의 전압 균등화에 사용되는 경우, 복수의 모니터링부(300)가 마련될 수 있다.1, a
제어부(400)는 모니터링부(300)에서의 복수의 배터리 셀 전압 모니터링 결과에 따라 셀간 에너지 전달을 수행할 두 개의 배터리 셀을 선택할 수 있으며, 선택한 두 개의 배터리 셀이 컨버터부(200)를 통해 연결될 수 있도록 스위칭부(100)의 스위칭 동작을 제어할 수 있으며, 컨버터부(200)가 동작하도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)는 컨버터부(200)에 포함되는 스위칭 소자들의 동작을 제어하기 위한 PWM 제어기(PWM for Converter Control), 스위칭부(100)에 포함되는 릴레이 스위치 소자들의 동작을 제어하기 위한 릴레이 제어기(GPIO for Relay control) 및 스위칭부(100)에 포함되는 복수의 양방향 스위치 소자들의 동작을 제어하기 위한 양방향 스위치 제어기(GPIO for Switch Network Contrl)를 포함할 수 있다. 이러한 제어부(400)는 일예로 TMS320F28335의 DSP 소자로 구현될 수 있다.The
구체적으로는, 제어부(400)는 모니터링부(300)에서의 복수의 배터리 셀 전압 모니터링 결과를 전달받으면, 복수의 배터리 셀 중에서 전압값이 가장 큰 고전압 배터리 셀과 전압값이 가장 작은 저전압 배터리 셀을 검출할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는 고전압 배터리 셀 및 저전압 배터리 셀이 컨버터부(200)를 통해 연결될 수 있도록 스위칭부(100)를 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)는 고전압 배터리 셀 및 저전압 배터리 셀이 연결된 위치를 파악할 수 있다. 예를 들면, 제어부(400)는 고전압 배터리 셀이 홀수 번째 연결된 것으로 파악되면, 제1 릴레이(Ra)가 턴온되도록 제어할 수 있으며, 해당 배터리 셀의 양단에 연결된 양방향 스위치가 턴온되도록 제어할 수 있다. 이와 같은 경우, 고전압 배터리 셀이 컨버터부(200)의 입력단에 연결될 수 있다. 또한, 제어부(400)는 저전압 배터리 셀이 홀수 번째 연결된 것으로 판단되면, 제2 릴레이(Rb)가 턴온되도록 제어할 수 있으며, 해당 배터리 셀의 양단에 연결된 양방향 스위치가 턴온되도록 제어할 수 있다. 이와 같은 경우, 저전압 배터리 셀이 컨버터부(200)의 출력단에 연결되어, 컨버터부(200)의 출력 전압을 인가받을 수 있다. 즉, 저전압 배터리 셀은 컨버터부(200)에 의해 변환된 고전압 배터리 셀의 전압을 인가받을 수 있다.Specifically, when the
제어부(400)는 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀이 컨버터부(200)의 입력단과 출력단에 각각 연결되도록 스위칭부(100)를 제어한 뒤, 컨버터부(200)가 전압 변환을 수행할 수 있도록 제어할 수 있다. 그리고, 모니터링부(300)를 통해 미리 정해진 주기에 따라 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과를 전달받을 수 있다. 즉, 제어부(400)는 배터리 셀 전압 균등화를 수행하면서 지속적으로 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과를 분석할 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)는 모니터링부(300)로부터 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과를 수신할 때마다, 복수의 배터리 셀의 평균 전압(Vaverage)을 산출하고, 복수의 배터리 셀의 평균 전압(Vaverage)과 고전압 배터리 셀의 전압(VBi) 및 저전압 배터리 셀의 전압(VBk)을 각각 비교할 수 있다. 그 결과, 고전압 배터리 셀의 전압(VBi)이 복수의 배터리 셀의 평균 전압(Vaverage)보다 작거나 같은 경우, 또는, 저전압 배터리 셀의 전압(VBk)이 복수의 배터리 셀의 평균 전압(Vaverage) 보다 크거나 같은 경우, 제어부(400)는 배터리 셀 전압 균등화 과정을 중단할 수 있다. 즉, 제어부(400)는 복수의 배터리 셀의 평균 전압(Vaverage)과 고전압 배터리 셀의 전압(VBi) 및 저전압 배터리 셀의 전압(VBk)을 비교하여 배터리 셀 전압이 균등화되었는지를 판단하고, 그 결과에 따라 컨버터부(200)의 동작을 중지시키고, 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀이 컨버터부(200)와 분리되도록 스위칭부(100)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.The
한편, 제어부(400)는 모니터링부(300)로부터 경고 신호를 수신하는 경우, 현재 배터리 팩(10)의 충전 또는 방전을 중단할 수 있다. 모니터링부(300)로부터 경고 신호가 수신되는 것은 배터리 팩(10)이 과충전 또는 과방전 상태인 것을 의미하며, 이에 따라, 제어부(400)는 현재 배터리 팩(10)의 충전 또는 방전이 중단될 수 있도록 조취할 수 있다. 예를 들면, 제어부(400)는 외부의 관리자 단말로 경고 신호를 송신하거나, 직접 배터리 팩(10)과 외부 전원 또는 부하의 연결을 차단할 수 있다.On the other hand, when receiving the warning signal from the
이와 같이, 제어부(400)는 복수의 배터리 셀의 전압에 따라 셀간 에너지 전달을 수행할 두 개의 배터리 셀을 검출하고, 해당 배터리 셀이 컨버터부(200)를 통해 연결될 수 있도록 스위칭부(100)를 제어할 수 있다.In this way, the
이하에서는, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of controlling a battery cell voltage uniformity according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법의 순서도이다. FIGS. 9 and 10 are flowcharts of a method for controlling a battery cell voltage uniformity according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어방법은 도 1에 도시된 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.The method of controlling the battery cell voltage uniformity according to an embodiment of the present invention can be performed in substantially the same configuration as the battery cell voltage equalizing
먼저, 도 9를 참조하면, 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀의 전압을 모니터링 할 수 있다(900). 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과 기준 범위를 벗어나는 전압을 갖는 배터리 셀이 존재하는지를 판단할 수 있다(910). 이때, 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀 중에서 기준 범위를 벗어나는 전압을 갖는 배터리 셀이 존재하면 경고 신호를 출력할 수 있다(920).Referring to FIG. 9, the
한편, 제어부(400)는 복수의 배터리 셀의 전압이 모두 기준 범위에 포함되면, 모니터링부(300)로부터 복수의 배터리 셀의 전압 값을 전달받아 고전압 배터리 셀 및 저전압 배터리 셀을 검출하고(930), 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀이 컨버터부(200)에 연결되도록 스위칭부(100)를 제어할 수 있다(940).If all of the voltages of the plurality of battery cells are included in the reference range, the
구체적으로는, 도 10을 참조하면, 제어부(400)는 고전압 배터리 셀이 홀수 번째 마련된 배터리 셀인지를 확인할 수 있다(941). 제어부(400)는 고전압 배터리 셀이 홀수 번째 마련된 배터리 셀로 확인되면 제1 릴레이(Ra)를 턴온시키고(942), 고전압 배터리 셀이 짝수 번째 마련된 배터리 셀로 확인되면 제1 릴레이(Ra)를 턴오프시킬 수 있다(943).Specifically, referring to FIG. 10, the
또한, 제어부(400)는 저전압 배터리 셀이 홀수 번째 마련된 배터리 셀인지를 확인할 수 있다(945). 제어부(400)는 저전압 배터리 셀이 홀수 번째 마련된 배터리 셀로 확인되면 제2 릴레이(Rb)를 턴온시키고(946), 저전압 배터리 셀이 짝수 번재 마련된 배터리 셀로 확인되면 제2 릴레이(Rb)를 턴오프시킬 수 있다(947).Also, the
마지막으로, 제어부(400)는 고전압 배터리 셀 및 저전압 배터리 셀의 양단에 연결된 양방향 스위치를 턴온시킬 수 있다(948).Finally, the
다시 도 9를 참조하면, 제어부(400)는 고전압 배터리 셀을 컨버터부(200)의 입력단에 연결하고, 저전압 배터리 셀을 컨버터부(200)의 출력단에 연결한 뒤, 고전압 배터리 셀의 전압을 변환하여 저전압 배터리 셀로 인가되도록 컨버터부(200)를 동작시킬 수 있다(950).9, the
컨버터부(200)가 동작하여 배터리 셀간 전압 균등화가 진행되는 동안, 모니터링부(300)는 미리 정해진 주기에 따라 복수의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고(960), 그 결과 기준 범위를 벗어나는 전압을 갖는 배터리 셀이 존재하는지를 판단할 수 있다(970). 이때, 모니터링부(300)는 복수의 배터리 셀 중에서 기준 범위를 벗어나는 전압을 갖는 배터리 셀이 존재하면 경고 신호를 출력할 수 있다(920).During the operation of the
한편, 제어부(400)는 복수의 배터리 셀의 전압이 모두 기준 범위에 포함되면, 모니터링부(300)로부터 복수의 배터리 셀의 전압 값을 전달받아 복수의 배터리 셀의 평균 전압을 산출하고(980), 복수의 배터리 셀의 평균 전압과 고전압 배터리 셀의 전압 및 저전압 배터리 셀의 전압을 각각 비교할 수 있다(990).If all of the voltages of the plurality of battery cells are included in the reference range, the
제어부(400)는 복수의 배터리 셀의 평균 전압과 고전압 배터리 셀의 전압 및 저전압 배터리 셀의 전압을 각각 비교 결과, 복수의 배터리 셀의 평균 전압이 고전압 배터리 셀의 전압보다 크거나 같은 것으로 판단되거나, 복수의 배터리 셀의 평균 전압이 저전압 배터리 셀의 전압보다 작거나 같은 것으로 판단되는 경우, 컨버터부(200)의 동작을 중지시켜 배터리 셀간 전압 균등화를 종료할 수 있다. As a result of comparison between the average voltage of the plurality of battery cells, the voltage of the high-voltage battery cell and the voltage of the low-voltage battery cell, the
이하에서는, 도 11 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)의 유리한 효과에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, advantageous effects of the battery cell voltage equalizing
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 각 소자에 흐르는 전류 또는 소자에 걸리는 전압의 일 예를 도시한 그래프이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치에 포함되는 컨버터부의 효율을 나타낸 그래프이고, 도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치가 적용된 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀의 전압 변화의 일 예를 나타낸 그래프이다.11 and 12 are graphs showing an example of a current flowing through each element or a voltage applied to the element of the battery cell voltage equalizing control apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 14 and FIG. 15 are graphs showing the efficiency of a converter included in a battery cell voltage equalizing control apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. As shown in FIG.
먼저, 도 11 및 도 15와 같은 그래프를 획득하기 위해 아래 표 2와 같는 조건을 갖는 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)를 구현하였다.First, in order to obtain the graphs of FIGS. 11 and 15, a battery cell voltage equalizing
[표 2][Table 2]
도 11은 컨버터부(200)의 입력 전압이 4V인 경우, 각 소자에 흐르는 전류 또는 각 소자에 걸리는 전압을 나타낸 그래프이며, 부하가 큰 경우(Po=3W)와 부하가 작은 경우(Po=0.5W) 모두 컨버터부(200)의 일차측 스위칭 소자가 영전압 스위칭에 의한 턴온 달성할 수 있으며, 영전류 스위칭과 유사하게 턴오프될 수 있음을 확인할 수 있다. 컨버터부(200)의 일차측 스위칭 소자의 턴오프 전류는 0.1A로 측정되는데 이는 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 컨버터부(200)의 이차측에 마련되는 두 개의 다이오드는 모든 부하 범위에서 영전압영전류 스위칭(ZVZCS switcning)을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다. 11 is a graph showing the current flowing through each element or the voltage applied to each element when the input voltage of the
또한, 도 12를 참조하면, 배터리 셀간 균등화를 위해 컨버터부(200)가 동작하는 동안, 컨버터부(200)의 입력단 및 출력단 전류의 리플은 각각 60mA, 50mA로 매우 작음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, it can be seen that the ripple of the input and output currents of the
또한, 도 13을 참조하면, Xitron 2802를 이용하여 컨버터부(200)의 효율을 측정하였는데, 최대 효율은 95%로 매우 높음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, the efficiency of the
도 14 및 도 15는 12개의 배터리 셀을 갖는 리튬 이온 배터리 팩에 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)를 적용한 결과를 도시한 그래프인데, 먼저, 도 14를 참조하면, 12개의 배터리 셀의 최초 전압은 3.55V~3.73V 범위 내에서 측정되었음을 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)에 의해 12개의 배터리 셀의 전압이 모니터링되어 그 평균 전압은 3.62V로 산출되었으며, 고전압 배터리 셀은 3번째 마련된 배터리 셀(3.73V)로 검출되고, 저전압 배터리 셀은 12번째 마련된 배터리 셀(3.55V)로 검출되었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 이러한 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀을 컨버터부(200)의 입력단과 출력단에 각각 연결하여 배터리 셀간 전압 균등화를 수행하고 약 16분이 지난 뒤, 저전압 배터리 셀의 전압이 12개의 배터리 셀의 평균 전압(3.62V)에 도달하였음을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 3번째 마련된 배터리 셀과 12번째 마련된 배터리 셀간 전압 균등화를 종료할 수 있다.14 and 15 are graphs showing a result of applying a battery cell voltage
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 다시 12개의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과에 따라 고전압 배터리 셀을 10번째 마련된 배터리 셀(3.68V)로 검출하고, 저전압 배터리 셀은 5번째 마련된 배터리 셀(3.57V)로 검출할 수 있으며, 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀을 컨버터부(200)의 입력단과 출력단에 각각 연결하여 배터리 셀간 전압 균등화를 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 이와 같은 과정을 12개의 배터리 셀이 모두 평균 전압에 도달할때까지 반복 수행할 수 있으며, 도 14에서는 47분 후 12개의 배터리 셀의 전압이 균등하게 되었음을 확인할 수 있다.The battery cell voltage equalizing
도 15를 참조하면, 배터리 셀간 전압 균등화를 수행하기 전(a)과 배터리 셀간 전압 균등화를 수행한 뒤(b) 12개의 배터리 셀의 전압을 확인할 수 있으며, 배터리 셀간 전압 균등화를 수행하면 배터리 셀간 최대 전압차는 6mV로 매우 작음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 15, after voltage equalization between battery cells (a) and battery cells is performed (b), voltages of twelve battery cells can be checked. When voltage equalization between battery cells is performed, The voltage difference is very small at 6 mV.
한편, 아래 표 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)와 종래의 배터리 셀 전압 균등 제어장치의 성능을 비교한 표로, 각각 pack-to-cell 방식, cell-to-pack 방식, cell-to-pack-to-cell 방식, next-to-next cell 방식, center cell-to-cell 방식, single switch capacitor 방식을 채용한 종래의 배터리 셀 전압 균등 제어장치와 동일한 조건 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)가 빠르고, 구현하기에 간단하며, 그 효율이 높음을 확인할 수 있다.Table 3 below is a table comparing the performance of the battery cell voltage
[표 3][Table 3]
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 전압 균등 제어장치(1000)는 배터리 셀간에 직접 에너지가 전달될 수 있도록 제어하는 cell-to-cell 방식으로 배터리 셀의 전압 균등화를 수행하는데, 공진 주파수에서 동작하는 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현되는 컨버터부(200)와 이러한 컨버터부(200)의 입력단 및 출력단에 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀을 각각 연결시키는 스위칭부(100)를 포함하여, 빠른 전압 균등화를 수행할 수 있으며 높은 효율을 가질 수 있다.As described above, the battery cell voltage
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.
1000: 배터리 셀 전압 균등 제어장치
10: 배터리 팩
100: 스위칭부
200: 컨버터부
300: 모니터링부
400: 제어부1000: Battery cell voltage equalization control device
10: Battery pack
100:
200: converter section
300: Monitoring section
400:
Claims (16)
입력 전압을 변환하여 출력하는 컨버터부;
상기 컨버터부의 입력단과 상기 복수의 배터리 셀 사이에 마련되는 제1 스위칭부 및 상기 컨버터부의 출력단과 상기 복수의 배터리 셀 사이에 마련되는 제2 스위칭부를 포함하는 스위칭부;
상기 복수의 배터리 셀의 전압을 모니터링하는 모니터링부; 및
상기 복수의 배터리 셀 전압의 모니터링 결과에 따라 고전압 배터리 셀과 저전압 배터리 셀을 검출하고, 상기 고전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 입력단에 연결되고 상기 저전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 출력단에 연결될 수 있도록 상기 스위칭부를 제어한 뒤 상기 컨버터부를 구동시키는 제어부를 포함하되,
상기 제1 스위칭부는,
복수의 배터리 셀의 양단에 연결되는 복수의 양방향 스위치 및 상기 컨버터부의 입력단에 연결되는 제1 릴레이를 포함하며, 상기 복수의 양방향 스위치 및 상기 제1 릴레이는 제1 고전압단 도선 또는 제2 고전압단 도선을 통해 연결되고,
상기 제1 릴레이가 턴온되면 상기 제1 고전압단 도선 또는 상기 제2 고전압단 도선을 상기 컨버터부의 입력단의 (-) 터미널 또는 (+) 터미널에 연결시키고, 상기 제1 릴레이가 턴오프되면 상기 제1 고전압단 도선 또는 상기 제2 고전압단 도선을 상기 컨버터부의 입력단의 (+) 터미널 또는 (-) 터미널에 연결시키는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.A battery cell voltage equalizing control device for uniformly controlling a voltage of a plurality of battery cells constituting a battery pack,
A converter for converting an input voltage and outputting the converted voltage;
A switching unit including a first switching unit provided between an input terminal of the converter unit and the plurality of battery cells, and a second switching unit provided between the output terminal of the converter unit and the plurality of battery cells;
A monitoring unit for monitoring a voltage of the plurality of battery cells; And
A high voltage battery cell and a low voltage battery cell are detected according to a result of monitoring the plurality of battery cell voltages and the switching unit is connected to the input terminal of the converter unit and the low voltage battery cell is connected to the output terminal of the converter unit, And a control unit for driving the converter unit,
Wherein the first switching unit comprises:
A plurality of bi-directional switches connected to both ends of the plurality of battery cells, and a first relay connected to an input terminal of the converter unit, wherein the plurality of bi-directional switches and the first relay are connected to a first high- Lt; / RTI >
Wherein when the first relay is turned on, the first high voltage single conductor or the second high voltage single conductor is connected to the negative terminal or the negative terminal of the input of the converter unit, and when the first relay is turned off, And connects the high voltage short lead wire or the second high voltage short lead wire to the (+) terminal or the (-) terminal of the input terminal of the converter section.
상기 컨버터부는,
공진 주파수에서 동작하는 풀브릿지 LLC 컨버터로 구현되는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.The method according to claim 1,
The converter unit includes:
A battery cell voltage equalization controller implemented with a full bridge LLC converter operating at resonant frequency.
상기 컨버터부는,
입력 커패시터, 입력 커패시터의 양단에 연결되며 복수의 스위치 소자가 마련되는 풀브릿지 회로 및 상기 풀브릿지 회로와 연결되는 공진 커패시터와 공진 인덕터를 포함하는 1차단 회로;
2개의 다이오드 및 출력 커패시터를 포함하여 상기 1차단 회로로부터 변환되어 출력되는 전압을 정류하는 2차단 회로; 및
상기 1차단 회로에 연결되는 일차측 권선과, 상기 일차측 권선과 자화 결합되며, 상기 2차단 회로에 연결되는 제1 이차측 권선 및 제2 이차측 권선을 포함하여 상기 1차단 회로와 상기 2차단 회로 사이에서 미리 정해진 턴비에 따른 전압 변환을 수행하는 변압기를 포함하는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.3. The method of claim 2,
The converter unit includes:
A blocking circuit including an input capacitor, a full bridge circuit connected to both ends of the input capacitor and provided with a plurality of switching elements, a resonance capacitor connected to the full bridge circuit, and a resonance inductor;
A two-breaker circuit including two diodes and an output capacitor for rectifying a voltage converted and output from the one blocking circuit; And
A primary side winding connected to the one blocking circuit and a first secondary side winding and a second secondary side winding magnetically coupled to the primary side winding and connected to the two isolation circuits, And a transformer for performing a voltage conversion according to a predetermined turn ratio between the circuits.
상기 복수의 양방향 스위치는,
듀얼 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs) 또는 듀얼 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs)으로 구현되는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.The method according to claim 1,
Wherein the plurality of bi-
A battery cell voltage equalization controller implemented with dual P-channel MOSFETs or dual N-channel MOSFETs.
상기 제2 스위칭부는,
복수의 배터리 셀의 양단에 연결되는 복수의 양방향 스위치 및 상기 컨버터부의 출력단에 연결되는 제2 릴레이를 포함하며, 상기 복수의 양방향 스위치 및 상기 제2 릴레이는 제1 저전압단 도선 또는 제2 저전압단 도선을 통해 연결되는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.The method according to claim 1,
Wherein the second switching unit comprises:
A plurality of bi-directional switches connected to both ends of the plurality of battery cells, and a second relay connected to an output terminal of the converter unit, wherein the plurality of bi-directional switches and the second relay are connected to a first low-voltage short- And a battery cell voltage equalizing control unit connected to the battery cell voltage control unit.
상기 제2 릴레이는,
DPDT(Double-Pole Double-Throw) 릴레이 스위치로 구현되며, 상기 제2 릴레이가 턴온되면 상기 제1 저전압단 도선 및 상기 제2 저전압단 도선을 상기 컨버터부의 출력단의 (-) 터미널 및 (+) 터미널에 각각 연결시키고, 상기 제2 릴레이가 턴오프되면 상기 제1 저전압단 도선 및 상기 제2 저전압단 도선을 상기 컨버터부의 출력단의 (+) 터미널 및 (-) 터미널에 각각 연결시키는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.9. The method of claim 8,
The second relay includes:
(-) terminal of the output terminal of the converter unit and the (+) terminal of the output terminal of the converter unit when the second relay is turned on when the second low-voltage short- , And connects the first low-voltage short lead wire and the second low-voltage short lead wire to the (+) terminal and the (-) terminal of the output terminal of the converter unit when the second relay is turned off, Device.
상기 복수의 양방향 스위치는,
듀얼 P-채널 모스펫(dual P-channel MOSFETs) 또는 듀얼 N-채널 모스펫(dual N-channel MOSFETs)으로 구현되는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.10. The method of claim 9,
Wherein the plurality of bi-
A battery cell voltage equalization controller implemented with dual P-channel MOSFETs or dual N-channel MOSFETs.
상기 복수의 양방향 스위치는,
일단이 상기 복수의 배터리 셀의 (+) 단 또는 (-) 단에 연결되고 연결되고 타단이 상기 제1 저전압단 도선 또는 제2 저전압단 도선과 연결되는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.11. The method of claim 10,
Wherein the plurality of bi-
Wherein one end is connected to the (+) terminal or the (-) terminal of the plurality of battery cells and the other end is connected to the first low-voltage single conductor or the second low-voltage single conductor.
상기 모니터링부는,
상기 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과 미리 정해진 충전 범위에 속하지 않는 배터리 셀이 검출되면, 상기 배터리 팩의 충전 또는 방전이 중단될 수 있도록 상기 제어부로 경고 신호를 전달하는 것을 더 포함하는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.The method according to claim 1,
The monitoring unit,
Further comprising transmitting an alarm signal to the control unit so that charging or discharging of the battery pack may be stopped when a battery cell that does not belong to a predetermined charging range is detected as a result of voltage monitoring of the plurality of battery cells, Control device.
상기 제어부는,
상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압을 산출하고, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압과 상기 고전압 배터리 셀의 전압 및 상기 저전압 배터리 셀의 전압을 각각 비교하고, 그 결과에 따라 상기 컨버터부의 구동을 중단하는 것을 더 포함하는 배터리 셀 전압 균등 제어장치.The method according to claim 1,
Wherein,
Calculating an average voltage of the plurality of battery cells, comparing the average voltage of the plurality of battery cells with the voltage of the high-voltage battery cell and the voltage of the low-voltage battery cell, respectively, Wherein the battery cell voltage equalizing control device further comprises:
상기 복수의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고,
상기 복수의 배터리 셀 중에서 전압 크기가 가장 큰 고전압 배터리 셀과 전압 크기가 가장 작은 저전압 배터리 셀을 검출하고,
상기 고전압 배터리 셀이 전압 변환을 수행하는 컨버터부의 입력단에 연결되고, 상기 저전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 출력단에 연결되도록 상기 복수의 배터리 셀과 상기 컨버터부 사이에 마련되는 스위칭부의 동작을 제어한 뒤 상기 컨버터부를 구동시키며,
상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압을 산출하여 상기 고전압 배터리 셀의 전압 및 상기 저전압 배터리 셀의 전압과 각각 비교하고, 그 결과에 따라 상기 컨버터부의 구동을 중단하되,
상기 스위칭부는,
상기 컨버터부의 입력단과 상기 복수의 배터리 셀 사이에 마련되는 제1 스위칭부 및 상기 컨버터부의 출력단과 상기 복수의 배터리 셀 사이에 마련되는 제2 스위칭부를 포함하고,
상기 제1 스위칭부는,
복수의 배터리 셀의 양단에 연결되는 복수의 양방향 스위치 및 상기 컨버터부의 입력단에 연결되는 제1 릴레이를 포함하며, 상기 복수의 양방향 스위치 및 상기 제1 릴레이는 제1 고전압단 도선 또는 제2 고전압단 도선을 통해 연결되고,
상기 복수의 양방향 스위치는,
일단이 상기 복수의 배터리 셀의 (+) 단 또는 (-) 단에 연결되고 타단이 상기 제1 고전압단 도선 또는 제2 고전압단 도선과 연결되는 배터리 셀 전압 균등 제어방법.A battery cell voltage equalizing method for uniformly controlling a voltage of a plurality of battery cells constituting a battery pack,
Monitoring the voltages of the plurality of battery cells,
A high voltage battery cell having a largest voltage magnitude and a low voltage battery cell having a small voltage magnitude among the plurality of battery cells,
The high voltage battery cell is connected to an input terminal of a converter unit for performing voltage conversion and the operation of a switching unit provided between the plurality of battery cells and the converter unit is controlled so that the low voltage battery cell is connected to the output terminal of the converter unit, The converter section is driven,
Calculating an average voltage of the plurality of battery cells, comparing the voltages of the high-voltage battery cells and the voltages of the low-voltage battery cells, and stopping the operation of the converter unit,
The switching unit includes:
A first switching unit provided between an input terminal of the converter unit and the plurality of battery cells, and a second switching unit provided between an output terminal of the converter unit and the plurality of battery cells,
Wherein the first switching unit comprises:
A plurality of bi-directional switches connected to both ends of the plurality of battery cells, and a first relay connected to an input terminal of the converter unit, wherein the plurality of bi-directional switches and the first relay are connected to a first high- Lt; / RTI >
Wherein the plurality of bi-
Wherein one end is connected to the (+) terminal or the (-) terminal of the plurality of battery cells and the other end is connected to the first high voltage single conductor or the second high voltage single conductor.
상기 고전압 배터리 셀이 전압 변환을 수행하는 컨버터부의 입력단에 연결되고, 상기 저전압 배터리 셀이 상기 컨버터부의 출력단에 연결되도록 상기 복수의 배터리 셀과 상기 컨버터부 사이에 마련되는 스위칭부의 동작을 제어하는 것은,
상기 복수의 배터리 셀 중 상기 배터리 팩의 최종 (-) 단자에 대응하는 배터리 셀을 기준으로 상기 고전압 배터리 셀 및 상기 저전압 배터리 셀이 각각 짝수 번째 또는 홀수 번째 마련되었는지를 판단하고, 그 결과에 따라 상기 스위칭부의 동작을 제어하는 것인 배터리 셀 전압 균등 제어방법.15. The method of claim 14,
Controlling the operation of the switching unit provided between the plurality of battery cells and the converter unit such that the high voltage battery cell is connected to the input terminal of the converter unit performing the voltage conversion and the low voltage battery cell is connected to the output terminal of the converter unit,
Determining whether each of the high-voltage battery cell and the low-voltage battery cell is provided in an even-numbered or an odd-numbered battery cell based on a battery cell corresponding to a final (-) terminal of the battery pack among the plurality of battery cells, And controls the operation of the switching unit.
상기 복수의 배터리 셀의 전압 모니터링 결과 미리 정해진 충전 범위에 속하는지를 판단하고, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 미리 정해진 충전 범위에 속하지 않는 배터리 셀이 검출되면, 상기 배터리 팩의 충전 또는 방전이 중단될 수 있도록 경고 신호를 출력하는 것을 더 포함하는 배터리 셀 전압 균등 제어방법.
15. The method of claim 14,
The control unit determines whether the battery cell belongs to a predetermined charging range as a result of monitoring the voltage of the plurality of battery cells and if charging or discharging of the battery pack is stopped when a battery cell not belonging to a predetermined charging range is detected among the plurality of battery cells And outputting a warning signal.
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