KR102163852B1 - 셀 밸런싱 집적회로, 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 방법 - Google Patents

셀 밸런싱 집적회로, 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적은 수의 스위치 또는 다이오드를 포함하여 구현 가능한 셀 밸런싱 집적회로와 그를 포함하는 에너지 비소비 방식의 셀 밸런싱 시스템 및 에너지 비소비 방식의 셀 밸런싱 방법을 개시(introduce)한다. 상기 에너지 비소비 방식의 셀 밸런싱 시스템은, 배터리 팩, 셀 밸런싱 회로, 복수 개의 인덕터 및 커패시터를 포함한다.

Description

셀 밸런싱 집적회로, 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 방법{CELL BALANCING IC, CELL BALANCING SYSTEM AND CELL BALANCING METHOD}
본 발명은 셀 밸런싱 기술에 관한 것으로, 부품의 수를 절감하여 회로의 면적을 줄일 수 있는 셀 밸런싱 기술에 관한 것이다.
일반적으로 2차 전지는 충전에 의하여 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 방전하여 사용할 수 있는 배터리를 말한다. 2차 전지는 하나의 배터리 셀로 구성되는 경우 화학적 또는 구조적인 문제로 인하여 전압이 제한될 수 있다. 따라서 높은 전압이 요구되는 응용분야에서는 필요한 개수의 배터리 셀들을 직렬로 연결한 배터리 팩으로 2차 전지가 구성될 수 있다. 동일한 제조 조건 및 동일한 환경에서 제조된 경우에도, 배터리 셀들은 서로 전기적인 특성에 차이를 갖는다. 그러므로, 복수의 배터리 셀들이 하나의 배터리 팩으로 구성되는 경우, 충전 및 방전 환경에 따라 상호 연결된 배터리 셀들 간에 전압의 불균형이나 잔류 전하량의 불균형이 발생할 수 있다.
배터리 셀은 충전 전압이 너무 높으면 화재나 폭발의 위함이 있으며 충전 전압이 너무 낮으면 전기적 특성을 잃어 버릴 수 있다. 이를 방지하기 위하여 복수 개의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀이 과충전 또는 저방전되는 경우, 2차 전지는 다음과 같이 동작한다. 직렬로 연결된 복수 개의 배터리 셀들 중 일부 배터리 셀이 다른 배터리 셀에 비해 과충전된 경우, 상기 다른 배터리 셀들은 불충분한 충전 상태에서 충전이 중단된다. 반대로 일부의 배터리 셀이 과방전된 경우, 상기 다른 배터리 셀들은 아직 사용할 수 있는 충전 에너지가 있음에도 충전 에너지의 사용이 제한된다.
이로 인하여, 직렬로 연결된 복수 개의 배터리 셀들 사이의 전압 불균형이나 잔류 전하량의 불균형이 2차 전지에서 발생할 수 있고, 충전 및 방전을 거듭할수록 각 배터리 셀들은 사용할 수 있는 전압범위가 감소하게 되거나 충전 및 방전 주기가 짧아지며 그 결과 수명이 단축될 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 배터리 셀 밸런싱 방법이 제안되고 있다.
도 1은 종래의 에너지 소비형 셀 밸런싱 회로이며, 에너지 소비형 셀 밸런싱 회로는 과충전된 에너지를 소비하면서 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 에너지 소비형 셀 밸런싱 회로(100)는 직렬로 연결된 복수 개의 배터리 셀(B1, B2 … Bn)의 개별 전압을 감지하는 전압감지회로(120), 전압감지회로(120)에서 과충전으로 판단한 배터리 셀의 과충전 에너지를 저항을 이용하여 방전하도록 개별 셀 이퀄라이저(131, 132, 133)를 제어하는 프로세서(110)를 포함한다. 상기한 종래의 에너지 소비형 셀 밸런싱 회로는 과충전된 에너지를 저항을 통해 열로 방출하므로 에너지를 낭비하는 단점이 있다.
그러므로, 에너지 낭비를 개선할 수 있는 에너지 셀 밸런싱 방법의 제시가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 에너지 낭비를 개선할 수 있는 2차 전지를 위한 셀 밸런싱 기술을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 2차 전지의 에너지 낭비를 개선하기 위하여 에너지 비소비형 방법으로 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 기술을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또다른 기술적 과제는, 적은 수의 부품을 이용하여 셀 밸런싱을 구현함으로써 셀 밸런싱을 위한 회로의 면적을 줄일 수 있는 셀 밸런싱 기술을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또다른 기술적 과제는 상기한 셀 밸런싱 기술을 구현한 셀 밸런싱 집적회로, 셀 밸런싱 시스템 및 셀 밸런싱 방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 에너지 비소비 방식의 셀 밸런싱 집적회로는, 적어도 하나의 배터리 셀과 적어도 하나의 제1 에너지 저장소자 간의 제1 에너지 전달 경로를 제공하는 제1경로제공블록; 및 상기 적어도 하나의 제1 에너지 저장소자와 제2 에너지 저장소자 간의 제2 에너지 전달 경로를 제공하는 제2경로제공블록;을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 방법은, 과충전된 적어도 하나의 배터리 셀의 에너지를 대응하는 적어도 하나의 제1 에너지 저장소자에 전달하여 저장하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 제1 에너지 저장소자에 저장된 상기 에너지를 제2 에너지 저장소자에 전달하여 저장하는 단계;를 포함하여, 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 유지함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 시스템은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 대응하는 적어도 하나의 제1 에너지 저장소자; 제2 에너지 저장소자; 및 모드신호에 응답하여, 과충전된 상기 배터리 셀의 에너지를 대응하는 상기 제1에너지 저장소자로 전달하는 제1 에너지 전달경로를 제공하거나 상기 제1에너지 저장소자에 저장된 에너지를 상기 제2에너지 저장소자로 전달하는 제2 에너지 전달 경로를 제공하는 셀 밸런싱 집적회로;를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 에너지 비소비형 방법으로 2차 전지를 위한 셀 밸런싱 기술을 구현할 수 있어서 에너지 낭비를 개선할 수 있으며, 적은 수의 부품을 이용하여 셀 밸런싱 기술을 구현할 수 있어서 회로의 면적을 줄일 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 2차 전지의 셀 밸런싱 집적회로 또는 시스템을 구현하는데 필요한 스위치, 다이오드 또는 트랜스포머와 같은 부품을 절감할 수 있어서 집적회로 또는 시스템에 셀 밸런싱 기술을 구현하는데 필요한 회로의 면적을 줄일 수 있다.
또한, 2차 전지에 포함되는 복수의 배터리 셀들 사이의 스위치가 동시에 턴 온 되어도 배터리 셀들이 서로 단락되지 않고 적은 수의 스위치 또는 다이오드로 셀 밸런싱을 위한 회로를 구성할 있으며, 셀 밸런싱을 위한 회로가 집적회로 또는 여러 개의 집적회로를 연결한 모듈의 형태로 구현될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 에너지 소비형 셀 밸런싱 회로이다.
도 2는 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 일 예이다.
도 3은 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 다른 일 예이다.
도 4는 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 또 다른 일 예이다.
도 5는 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 또 다른 일 예이다.
도 6은 본 발명에 따른 셀 밸런싱 시스템의 바람직한 실시예를 예시한 블록도이다.
도 7은 도 6의 일부 블록의 상세 회로를 예시한 회로도이다.
도 8은 본 발명에 따른 셀 밸런싱 시스템의 다른 실시예를 예시한 블록도이다.
도 9는 도 8의 일부 블록의 상세 회로를 다르게 예시한 회로도이다.
도 10은 도 9의 실시예의 동작 설명을 위한 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 제1경로제공블록의 스위치에 대한 실시 예를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 셀 밸런싱 시스템의 다른 일 실시 예를 나타낸다.
도 13은 도 12의 일부 블록의 상세 회로를 예시한 회로도이다.
도 14는 도 13의 동작을 설명하는 회로도이다.
도 15는 본 발명에 따른 실시예를 집적회로로 구현한 것을 예시한 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 실시예를 모듈로 구현한 것을 예시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 직렬로 연결된 복수 개의 배터리 셀들 사이의 전압 불균형이나 잔류 전하량의 불균형을 해소하고 각 배터리 셀들의 수명 단축을 개선하기 하기 위한 셀 밸런싱 기술을 개시하며, 2차 전지를 위한 셀 밸런싱 기술은 에너지 낭비를 줄이면서 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 에너지 비소비형 방법으로 구현될 수 있다.
상기한 에너지 비소비형 방법으로 도 2의 회로가 제시될 수 있다. 도 2의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(200)는 변환기를 포함하는 셀 이퀄라이저(210, 220 … 230)를 사용한다. 변환기는 DC-DC 변환기를 이용하여 구성될 수 있으며, DC-DC 변환기는 각 스위치(Q1, Q2 … Qn)의 스위칭 동작에 의하여 DC-DC 변환을 수행하는 트랜스포머를 포함할 수 있다. 트랜스포머는 DC-DC 변환을 위하여 N1 : N2의 권선비를 갖도록 구성되는 것이 일반적이다.
도 2의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(200)는 배터리 셀의 과충전 에너지 Ikg1를 셀 이퀼라이저(210, 220 … 230)를 통하여 전체 배터리 셀(B1, B2 … Bn)에 전달함으로써 셀 밸런싱을 할 수 있다.
도 3은 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 다른 일 예이다.
도 3의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(300)는 복수 개의 배터리 셀(B1, B2 … Bn)에 연결된 복수 개의 스위치를 포함하는 스위치 블록(310)과 하나의 변환기(320)를 사용한다. 도 3의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(300)는 스위치 블록(310)의 스위칭 상태에 의하여 선택된 배터리 셀의 과충전 에너지를 변환기(320)에서 변환한 후 전체 배터리 셀(B1, B2 … Bn)에 전달하는 구성을 갖는다. 도 3에서 Ibatt는 전체 배터리 셀로 전달되는 에너지를 의미하며, Q는 선택된 배터리 셀(B1, B2 … Bn)의 과충전 에너지를 변환기(320)에 포함된 트랜스포머로 전달하는 것을 스위칭하는 스위치를 의미하고, Lm은 스위치(Q)에 의하여 전달된 에너지를 저장하도록 트랜스포머의 일차측에 연결되는 인덕터를 의미한다.
도 4는 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 또 다른 일 예이다.
도 4의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(400)는 배터리 셀(B1, B2, B3 … Bn) 사이에 각각 연결된 복수 개의 스위치와 스위치들 사이에 각각 연결된 커패시터들(C1, C2, C3 … Cn-1)을 포함한 회로(410) 즉, 스위치드 커패시터 회로(Switched Capacitor Circuit)를 이용하여 셀 밸런싱을 유지한다. 도 4의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(400)는 배터리 셀(B1, B2, B3 … Bn) 사이에 각각 연결된 복수 개의 스위치의 스위치 동작을 결정하는 제어신호를 제공하기 위해 PWM 발생기(420)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 도 4의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(400)는 PWM 발생기(420)에서 제공되는 제어 신호에 의한 스위칭에 의하여 배터리 셀(B1, B2, B3 … Bn)의 과충전 에너지를 커패시터들(C1, C2, C3 … Cn-1)에 충전하는 것과 커패시터들(C1, C2, C3 … Cn-1)의 충전된 에너지를 배터리 셀(B1, B2, B3 … Bn)에 방전하는 것이 선택적으로 수행될 수 있다.
도 5는 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 또 다른 일 예이다.
도 5의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(500)는 복수 개의 스위치와 인덕터(L1, L2, L3)를 이용하여 배터리 셀(B1, B2, B3)에 대한 셀 밸런싱을 유지할 수 있다. 도 5의 에너지 소비형 셀 밸런싱 회로(500)는 복수 개의 배터리 셀들(B1, B2, B3) 사이에 인덕터들(L1, L2, L3)이 각각 연결되고, 인덕터들(L1, L2, L3)과 각각 인접한 배터리 셀들 사이에 스위치들이 연결된 구성을 포함한다. 도 5의 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로(500)는 스위치들의 스위칭 동작에 의하여 인덕터들(L1, L2, L3)에 배터리 셀(B1, B2, B3 … Bn)의 과충전 에너지를 충전하는 것과 배터리 셀(B1, B2, B3 … Bn)의 충전 에너지를 인덕터들(L1, L2, L3)에 방전하는 것을 선택적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하여 에너지 비소비형 셀 밸런싱 회로의 실시예가 도 6과 같은 블록도로 구성될 수 있다.
도 6의 셀 밸런싱 시스템(600)의 실시예는 배터리 팩(610), 전압감지회로(620), 셀 밸런싱 회로(630), 프로세서(640), 인덕터 어레이(650), 커패시터(660), 스위치(670) 및 변환기(680)를 포함한다.
배터리 팩(610)은 직렬로 연결된 제1 내지 제4 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)로 구성될 수 있다. 제1배터리 셀(B1)의 양(+)전극은 변환기(680)에 연결되며 이를 제1노드(N1)라 한다. 직렬 연결된 제1배터리 셀(B1) 내지 제4배터리 셀(B4)간 각 연결점을 제2노드(N2) 내지 제4노드(N4)라 한다. 제4배터리 셀(B4)의 음(-)전극은 접지(GND)에 연결되며 이를 제5노드(N5)라 한다. 제1노드(N1) 내지 제5노드(N5)는 전압 감지 회로(620)와 셀 밸런싱 회로(630)에 각각 연결된다.
상기 전압감지회로(620)는 배터리 팩(610)의 제1노드(N1) 내지 제5노드(N5)에 연결되며, 4개의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 전압을 감지하고 4개의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 전압들을 프로세서(640)로 제공한다.
상기 인덕터 어레이(650)는 각 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)에 대응하는 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 에너지가 저장되는 제1에너지 저장소자를 예시하는 것이다. 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 셀 밸런싱 회로(630)를 통해 각각 양 단자(LN1,LN2; LN3,LN4; LN5,LN6; LN7,LN8)가 해당 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 양쪽 단자에 연결될 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 셀 밸런싱 회로(630)를 통해 각각 양쪽 단자(LN1,LN2; LN3,LN4; LN5,LN6; LN7,LN8)가 커패시터(660)의 양쪽 단자(CN1, CN2)에 연결되도록 구성된다. 도 6의 실시예에서 인덕터 어레이(650)에 포함된 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 인접한 것끼리 공통으로 제1 경로제공블록(631)과 제2경로제공블록(632) 간의 배선을 공유하도록 구성된다. 즉, 제1 인덕터(L1)의 단자(LN2)는 제2 인덕터(L2)의 단자(LN3)와 동일 배선에 연결되고, 제2 인덕터(L2)의 단자(LN4)는 제3 인덕터(L3)의 단자(LN5)와 동일 배선에 연결되며, 제3 인덕터(L3)의 단자(LN6)는 제4 인덕터(L4)의 단자(LN7)와 동일 배선에 연결된다. 제1 인덕터(L1)의 단자(LN1)와 제4 인덕터(L4)의 단자(LN8)는 제1 경로제공블록(631)과 제2경로제공블록(632) 간의 서로 다른 배선에 각각 독립적으로 연결된다.
상기 커패시터(660)는 양쪽 단자(CN1, CN2)가 셀 밸런싱 회로(630)와 변환기(680)에 각각 연결된다. 커패시터(660)는 셀 밸런싱 회로(630)와 변환기(680) 사이에 병렬로 연결되며 에너지가 저장되는 제2 에너지 저장소자를 예시한 것이다. 본 실시 예에서는 커패시터가 하나인 경우를 설명하지만, 커패시터는 직렬 또는 병렬로 연결되는 하나 이상의 것일 수 있다. 커패시터(660)는 셀 밸런싱 회로(630)로부터 전달되는 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 스위치(670)를 경유하여 변환기(680)에 전달한다. 스위치(670)는 변환기(680) 내부에 구성될 수 있으며, 트랜지스터를 포함한다. 또한, 스위치(670)는 프로세서(640)에서 제공되는 신호(일례로, PWM 신호)에 의하여 스위칭되도록 구성될 수 있다.
상기 셀 밸런싱 회로(630)는 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)들 중 과충전된 배터리 셀의 에너지를 이에 대응하는 제1에너지 저장소자인 인덕터 어레이(650)로 전달하는 경로를 제공하는 제1경로제공블록(631) 및 인덕터 어레이(650)에 저장된 에너지를 제2에너지 저장소자인 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공하는 제2경로제공블록(632)을 포함할 수 있다. 셀 밸런싱 회로(630)는 프로세서(640)로부터 출력되는 모드신호(CON)에 응답하여, 배터리 셀에 과충전된 에너지를 각 배터리 셀에 대응하는 인덕터로 1차 저장하기 위한 경로를 제공하고, 1차 회수된 인덕터들의 에너지를 커패시터(660)로 모아 2차 저장하기 위한 경로를 제공한다.
상기 변환기(680)는 스위치(670)를 경유하여 커패시터(660)로부터 회수된 에너지를 변환하여 각 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)로 분배한다. 변환기(680)는 커패시터(660)로부터 회수한 에너지를 적합한 에너지 레벨로 변환하여 이를 배터리 셀로 분배하기 위해 트랜스포머를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 변환기(680)는 커패시터(660)의 에너지가 전달되는 1차 코일과 유도된 에너지를 배터리 팩(610)에 제공하는 2차 코일을 포함하도록 설계될 수 있다.
상기 프로세서(640)는 전압감지회로(620)로부터 전달되는 각 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 전압과 내부에 미리 설정된 기준전압을 비교하여 각 배터리 셀의 과충전 여부를 판단한다. 프로세서(640)는 각 배터리 셀의 과충전 여부를 판단한 결과에 따라 모드신호(CON)를 생성하며 셀 밸런싱 회로(630)를 제어하기 위하여 모드신호(CON)를 출력한다. 모드신호(CON)는 제1모드신호(CON1)와 제2모드신호(CON2)를 포함할 수 있으며 PWM(Pulse Width Modulation) 신호일 수 있다. 이 경우, 제1모드신호(CON1)는 배터리 셀의 과충전 에너지를 해당 배터리 셀에 대응하는 인덕터로 1차 저장하도록 셀 밸런싱 회로(630)를 제어하는 신호로 이용될 수 있다. 보다 구체적으로 제1모드신호(CON1)는 셀 밸런싱 회로(630)의 제1경로제공블록(631)의 스위칭을 제어하기 위하여 제공된다. 제2모드신호(CON2)는 인덕터들에 저장된 에너지를 모두 모아서 커패시터(660)에 2차 저장하도록 셀 밸런싱 회로(630)를 제어하는 신호로 이용될 수 있다. 보다 구체적으로 제2모드신호(CON2)는 셀 밸런싱 회로(630)의 제2경로제공블록(632)의 스위칭을 제어하기 위하여 제공된다. 각 배터리 셀에 대응하여, 제1모드신호(CON1)와 제2모드신호(CON2)는 제2경로제공블록(632)이 턴오프된 상태에서 제1경로제공블록(631)이 턴온되고 제1경로제공블록(631)이 턴오프된 상태에서 제2경로제공블록(632)이 턴온되도록 제공됨이 바람직하다. 즉, 제1경로제공블록(631)과 제2경로제공블록(632)의 턴온은 순차적으로 이루어질 수 있다.
본 실시 예에서 배터리 팩(610)은 4개의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)로 구성되고, 인덕터 어레이(650)는 4개의 인덕터(L1, L2, L3, L4)로 구성되는 경우를 예시하여 설명 하였지만, 본 실시 예에 따른 배터리 셀과 인덕터는 4개에 한정되지 아니하며 제작자의 의도에 따라 4개 보다 작거나 4개 보다 많은 개수로 구성될 수 있다.
도 7은 도6의 셀 밸런싱 회로(630)의 상세 회로도를 예시한 도면이다.
도 7의 실시예의 제1경로제공블록(631)과 제2경로제공블록(632)은 복수의 스위치들을 포함한다. 상기 제1경로제공블록(631)은 제1모드신호(CON1)에 응답하여 제1 내지 제5 노드들(N1, N2, N3, N4, N5)과 제1 내지 제4 인덕터들(L1, L2, L3, L4)을 선택적으로 연결하는 제1 내지 제5 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5)를 포함한다. 제1 내지 제5 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5)는 트랜지스터를 포함한다. 예를 들면, 제1인덕터(L1)의 양쪽 단자(LN1, LN2)는 제1배터리 셀(B1)의 양쪽 단자에 연결되기 위해 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)를 통하여 제1노드(N1)와 제2노드(N2)에 각각 연결된다. 제2인덕터(L2)의 양쪽 단자(LN3, LN4)는 제2배터리 셀(B2)의 양쪽 단자에 연결되기 위해 제2 스위치(SW2)와 제3 스위치(SW3)를 통하여 제2노드(N2)와 제3노드(N3)에 각각 연결된다. 제3인덕터(L3)의 양쪽 단자(LN5, LN6)는 제3배터리 셀(B3)의 양쪽 단자에 연결되기 위해 제3 스위치(SW3)와 제4 스위치(SW4)를 통하여 제3노드(N3)와 제4노드(N4)에 각각 연결된다. 제4인덕터(L4)의 양쪽 단자(LN7, LN8)는 제4배터리 셀(B4)의 양쪽 단자에 연결되기 위해 제4 스위치(SW4)와 제5 스위치(SW5)를 통하여 제4노드(N4)와 제5노드(N5)에 각각 연결된다. 제1모드신호(CON1)는 배터리 셀들(B1, B2, B3, B4) 중 과충전된 배터리의 에너지가 해당 배터리 셀에 대응하는 인덕터로 전달되어 저장되도록 제1 내지 제5 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5)의 스위칭 상태를 선택적으로 제어한다.
제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 제1모드신호(CON1)에 응답하여 제1 배터리 셀(B1)의 과충전 에너지를 제1인덕터(L1)로 전달하는 경로를 제공한다. 예를 들면, 제1스위치(SW1)는 제1노드(N1)와 제1인덕터(L1)의 단자(LN1)를 연결하고, 제2스위치(SW2)는 제2노드(N2)와 제1인덕터(L1)의 단자(LN2)를 연결한다.
이와 마찬가지로 제2스위치(SW2)와 제3스위치(SW3)는 제2 배터리 셀(B2)의 과충전 에너지를 제2인덕터(L2)로 전달하는 경로를 제공하고, 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)는 제3 배터리 셀(B3)의 과충전 에너지를 제3인덕터(L3)로 전달하는 경로를 제공하며, 제4스위치(SW4)와 제5스위치(SW5)는 제4 배터리 셀(B4)의 과충전 에너지를 제4인덕터(L4)로 전달되는 경로를 제공한다.
상기 제2경로제공블록(632)은 제2모드신호(CON2)에 응답하여 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 양쪽 단자(LN1,LN2; LN3,LN4; LN5,LN6; LN7,LN8)를 커패시터(660)의 양쪽 단자(CN1, CN2)에 선택적으로 연결하는 제6 내지 제13 스위치(SW6, SW7; SW8, SW9; SW10, SW11; SW12, SW13)를 제어한다. 제2모드신호(CON2)는 인덕터에 저장된 에너지가 커패시터(660)로 전달되어 저장되도록 제6 내지 제13 스위치(SW6, SW7; SW8, SW9; SW10, SW11; SW12, SW13)를 제어한다.
제6스위치(SW6)와 제7스위치(SW7)는 제2모드신호(CON1)에 응답하여 제1인덕터(L1)에 저장된 에너지를 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공한다. 예를 들면 제6스위치(SW6)는 제1인덕터(L1)의 단자(LN1)와 커패시터(660)의 단자(CN1)를 연결하고, 제7스위치(SW7)는 제1인덕터(L1)의 단자(LN2)와 커패시터(660)의 단자(CN2)를 연결한다.
이와 마찬가지로, 제8스위치(SW8)와 제9스위치(SW9)는 제2인덕터(L2)에 저장된 에너지를 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공하고, 제10스위치(SW10)와 제11스위치(SW11)는 제3인덕터(L3)에 저장된 에너지를 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공하며, 제12스위치(SW12)와 제13스위치(SW13)는 제4인덕터(L4)에 저장된 에너지를 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공한다.
상기한 구성에 의하여, 제7 스위치(SW7)의 일단과 제8 스위치(SW8)의 일단은 인접한 제1인덕터(L1)의 단자(LN2)와 제2인덕터(L2)의 단자(LN3)에 공통으로 연결된 배선에 병렬로 연결되며, 제9 스위치(SW9)의 일단과 제10 스위치(SW10)의 일단은 인접한 제2인덕터(L2)의 단자(LN4)와 제3인덕터(L3)의 단자(LN5)에 공통으로 연결된 배선에 병렬로 연결되고, 제11 스위치(SW11)의 일단과 제12 스위치(SW12)의 일단은 인접한 제3인덕터(L3)의 단자(LN6)와 제4인덕터(L4)의 단자(LN7)에 공통으로 연결된 배선에 병렬로 연결된다. 그리고, 제6 스위치(SW6)의 일단은 제1인덕터(L1)의 단자(LN1)에 연결되며, 제13 스위치(SW13)의 일단은 제4인덕터(L4)의 단자(LN8)에 연결된다. 또한, 제6 스위치(SW6), 제8 스위치(SW8), 제10 스위치(SW10) 및 제12 스위치(SW12)의 각 타단은 공통으로 커패시터(660)의 단자(CN1)에 연결되고, 제7 스위치(SW7), 제9 스위치(SW9), 제11 스위치(SW11) 및 제13 스위치(SW13)의 각 타단은 공통으로 커패시터(660)의 단자(CN2)에 연결된다.
상술한 바 도 6 및 도 7의 실시예는 전압 감지 회로(620)가 배터리 팩(610)에 포함된 각 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 전압을 감지하고 각 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 전압을 프로세서(640)에 제공하며, 프로세서(640)는 각 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 전압을 내부의 기준 전압과 비교하여 과충전된 것을 판단한다. 과충전된 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)가 존재하는 경우, 도 6 및 도 7의 실시예는 셀 밸런싱을 수행한다.
일례로, 제1 배터리 셀(B1)이 과충전된 경우, 프로세서(640)는 제1경로제공블록(631)의 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)를 턴온시키기 위한 제1모드신호(CON1)를 제공하며, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 제1 모드신호(CON1)에 의하여 턴온된다. 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 턴온되면, 제1 배터리 셀(B1)에 과충전된 에너지는 제1인덕터(L1)로 전달된다. 이때 제2경로제공블록(631)의 제6 스위치(SW6)와 제7 스위치(SW7) 및 제8 스위치(SW8)는 제2모드신호(CON2)에 의하여 턴오프 상태를 유지한다. 그 후, 프로세서(640)의 제어에 의하여, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 턴오프되고, 제6 스위치(SW6)와 제7 스위치(SW7)이 턴온된다. 그러면, 제1인덕터(L1)에 저장된 에너지는 커패시터(660)로 전달된다. 이때, 스위치(670)는 턴오프 상태를 유지한다. 커패시터(660)에 전달된 에너지는 스위치(670)의 턴온에 의하여 변환기(680)로 전달되며, 변환기(680)는 DC-DC 변환 동작을 수행한 후 배터리 팩(610)으로 충전을 위한 에너지를 제공한다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 셀 밸런싱 시스템의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다. 도 6과 비교하여, 도 8은 제1경로제공블록(631)의 구성, 제2 경로제공블록(632)의 구성, 프로세서(640)가 제1경로제공블록(631)에 모드신호(CON)를 제공하는 점 및 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 단자들(LN1~LN8)이 배선들에 각각 독립적으로 연결된 점 등에 차이가 있다. 도 8에서 도 6과 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다. 그리고, 도 8의 실시예는 도 9를 참조하여 설명될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1경로제공블록(631)은 다이오드들과 스위치로 구성되며, 제2경로제공블록(632)은 다이오드들로 구성된다.
상기 제1경로제공블록(631)은 제1 내지 제4 다이오드(D11, D12, D13, D14)와 제1 내지 제4 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 포함한다. 제1 내지 제4 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는 트랜지스터를 포함한다. 제1다이오드는(D11)와 제1스위치(SW1)는 제1 배터리 셀(B1)의 과충전 에너지를 제1 인덕터(L1)로 전달하는 단방향 경로를 제공한다. 제1다이오드(D11)의 애노드는 제1 배터리 셀(B1)의 일 단자, 즉 제1노드(N1)에 연결되고, 제1다이오드의 캐소드는 제1 인덕터(L1)의 단자(LN1)에 연결된다. 제1스위치(SW1)는 제1 배터리 셀(B1)의 일측에 형성된 제2노드(N2)와 제1 인덕터(L1)의 단자(LN2) 사이에 위치되며, 모드신호(CON)에 응답하여 제2노드(N2)와 제1 인덕터(L1)의 단자(LN2) 간의 연결을 스위칭한다.
이와 마찬가지로, 제2다이오드(D12)와 제2스위치(SW2)는 제2 배터리 셀(B2)의 과충전 에너지를 제2인덕터(L2)로 전달하는 단방향 경로를 제공하고, 제3다이오드(D13)와 제3스위치(SW3)는 제3 배터리 셀(B3)의 과충전 에너지를 제3 인덕터(L3)로 전달하는 단방향 경로를 제공하며, 제4다이오드(D14)와 제4스위치(SW4)는 제4 배터리 셀(B4)에 저장된 과충전 에너지를 제4 인덕터(L4)로 전달하는 단방향 경로를 제공하는 구성을 가진다.
상기 제2경로제공블록(632)은 제5 내지 제12다이오드(D21, D22; D23, D24; D25, D26; D27, D28)를 포함한다. 제5 내지 제12다이오드(D21, D22; D23, D24; D25, D26; D27, D28)는 두 개씩 짝을 이루어 하나의 인덕터에 대응되며, 대응되는 인덕터에 저장된 에너지가 커패시터(660)로 전달되는 경로를 제공한다.
예를 들면, 제5다이오드(D21)와 제6다이오드(D22)는 제1인덕터(L1)에 대응되며, 제1인덕터(L1)에 저장된 에너지가 커패시터(660)로 전달되는 경로를 제공한다. 이를 위해 제5다이오드(D21)의 애노드는 커패시터(660)의 단자(CN1)에 연결되고, 제5다이오드(D21)의 캐소드는 제1인덕터((L1)의 단자(LN1)에 연결된다. 제6다이오드(D22)의 애노드는 제1인덕터(L1)의 단자(LN2)에 연결되고, 제6다이오드(D22)의 캐소드는 커패시터(660)의 단자(CN2)에 연결된다.
이와 마찬가지로, 제7다이오드(D23)와 제8다이오드(D24)는 제2인덕터(L2)에 대응되며 제2인덕터(L2)에 저장된 에너지를 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공하고, 제9다이오드(D25)와 제10다이오드(D26)는 제3인덕터(L3)에 대응되며 제3인덕터(L3)에 저장된 에너지를 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공하며, 제11다이오드(D27)와 제12다이오드(D28)는 제4인덕터(L4)에 대응되며 제4인덕터(L4)에 저장된 에너지를 커패시터(660)로 전달하는 경로를 제공한다.
제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 커패시터(660)에 대하여 서로 병렬로 연결된다. 이로 인해 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 저장 에너지는 모두 커패시터(660)에 모아질 수 있다. 각 인덕터에서 커패시터(660)로 에너지가 전달되는 경로에는 전류가 방향성을 가지고 한 방향으로 흐를 수 있도록 두 개의 다이오드가 설치되어 있어서 인덕터의 에너지가 커패시터 방향으로 전달될 수 있다.
도 10은 도 9와 같이 구성되는 셀 밸런싱 시스템의 실시예의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 일실시예에 따른 셀 밸런싱 시스템은 도 10의 (a) 내지 (d)와 같이 4가지 모드로 구분되어 동작될 수 있다. 본 실시 예에서는 제1배터리 셀(B1) 및 제4배터리 셀(B4)이 과충전 된 경우를 예시하여 설명한다.
도 10의 (a)를 참조하면, 제1 동작모드에서, 프로세서(640)는 제1배터리 셀(B1) 및 제4배터리 셀(B4)이 과충전이 되어 있다고 판단하고, 제1스위치(SW1) 및 제4스위치(SW4)를 턴 온 시키고 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)를 턴 오프 시키도록 제1경로제공블록(631)에 모드신호(CON)를 제공한다. 제1배터리 셀(B1), 제1다이오드(D11), 제1인덕터(L1) 및 제1스위치(SW1)는 폐회로(closed loop)를 형성하여 에너지 전달 경로를 구성한다. 제1배터리 셀(B1)에 과충전된 에너지는 에너지 전달 경로를 통하여 전달되어 제1인덕터(L1)에 저장된다. 이와 마찬가지로 제4배터리 셀(B4), 제4다이오드(D14), 제4인덕터(L4) 및 제4스위치(SW4)는 폐회로를 형성하여 에너지 전달 경로를 구성하며, 에너지 전달 경로를 통하여 제4배터리 셀(B4)에 과충전된 에너지가 전달되어 제4인덕터(L4)에 저장된다.
도 10의 (b)를 참조하면, 제2 동작모드에서, 프로세서(640)는 턴 온 되어 있던 제1경로제공블록(631)의 제1스위치(SW1) 및 제4스위치(SW4)를 턴 오프 시키도록 모드신호(CON)를 제공한다. 제1인덕터(L1)와 제4인덕터(L4)는 커패시터(660)와 서로 병렬로 연결되고, 4개의 다이오드(D21, D22, D27, D28)는 전류의 흐름에 일 방향성을 제공한다. 그러므로, 제1인덕터(L1) 및 제4인덕터(L4)에 저장된 에너지가 모두 커패시터(660)에 전달된다.
도 10의 (c)를 참조하면, 제3 동작모드에서, 프로세서(640)는 스위치(670)를 턴 온 시키도록 모드신호(CON)를 제공한다. 커패시터(660)에 충전된 에너지는 변환기(680)를 구성하는 코일로 전달된다.
도 10의 (d)를 참조하면, 제4 동작모드에서, 변환기(680)는 1차 코일의 에너지에 의하여 2차 코일에 유도된 에너지를 배터리 팩(610)의 제1 내지 제4 배터리 셀(B1~B4)로 제공할 수 있다.
도 10의 동작모드들을 요약하면, 전압감지회로(620)가 과충전된 배터리 셀을 감지하고, 과충전된 배터리 셀에 연결된 제1경로제공블록(631)의 스위치를 활성화시켜 배터리 셀의 과충전된 에너지를 해당 인덕터에 1차 저장한다. 그 후 인덕터에 저장된 에너지는 제2경로제공블록(632)를 경유하여 하나의 커패시터(660)에 2차 저장된다. 그 후, 변환기(680)는 커패시터(660)에 저장된 에너지를 변환하여 배터리 팩(610)에 공급한다. 배터리 팩(610)에 공급되는 에너지는 직렬로 연결된 4개의 배터리 셀(B1~B4)에 분배될 수 있으며, 4개의 배터리 셀(B1~B4)은 충전될 수 있다.
상기에서 본 실시 예에 따른 셀 밸런싱 시스템의 동작 과정의 이해를 돕기 위하여 4개의 동작 모드를 순차적으로 설명하였지만, 경로제공블록의 구성 및 동작을 조정함으로써, 제1동작모드와 제3동작모드는 동시에 진행될 수 있고, 제2동작모드와 제4동작모드도 동시에 진행될 수 있다.
도 11은 도9의 제1경로제공블록(631)의 스위치에 대한 실시 예를 나타낸다. 도 11을 참조하면, 제1스위치(SW1)는 트랜지스터(801)와 제어스위치(1010)를 포함한다.
트랜지스터(801)는 제어단자, 제1단자 및 제2단자를 포함하며, 제어단자가 제어스위치(1010)의 일단에 연결되고 제1단자는 제2노드(N2)에 연결되며 제2단자는 제1 인덕터(L1)의 단자(LN2)에 연결된다.
제어스위치(1010)는 트랜지스터(801)의 제어단자와 제1노드(N1) 사이에 연결되며, 프로세서(640)에서 제공하는 PWM 형태의 모드신호(CON)에 의해 온 오프될 수 있다. 제어스위치(1010)는 PWM 형태의 모드신호(CON)에 응답하여 제1노드(N1)를 트랜지스터(801)의 제어단자로 연결하는 것을 스위칭한다.
제1배터리 셀(B1)이 과충전되어 있는 경우, 제어스위치(1010)이 프로세서(640)의 제어에 의하여 턴온된다. 과충전된 에너지가 턴온된 제어스위치(1010)를 통하여 전달되면, 트랜지스터(801)의 게이트에 인가되는 전압준위가 높아진다. 그러므로 트랜지스터(801)가 턴 온 된다. 이로 인해 도 10의 (a)에 도시된 바와 같은 폐회로가 형성되며, 제1경로제공블록(631)은 제1배터리 셀(B1)의 과충전 에너지를 해당 인덕터(L1)로 전달할 경로를 제공할 수 있다.
제1경로제공블록(631)의 다른 스위치들(SW2, SW3, SW4)도 제1스위치(SW1)의 구성 및 동작과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 12는 본 발명에 따른 셀 밸런싱 시스템의 다른 일 실시 예이다. 도 12의 실시예는 셀 투 셀(cell to cell) 양방향으로 에너지 전달 동작을 할 수 있도록 구성되며, 과충전된 배터리 셀의 에너지를 회수하는 것과 회수된 에너지를 저충전된 배터리 셀로 직접 전달하는 것을 수행할 수 있도록 구성된다.
도 12와 같이 실시되는 셀 밸런싱 시스템(1100)은 배터리 팩(1110), 전압감지회로(1120), 셀 밸런싱 회로(1130), 프로세서(1140), 인덕터 어레이(1150) 및 커패시터(1160)를 포함한다. 셀 밸런싱 회로(1130)는 제1경로제공블록(1131)과 제2경로제공블록(1132)을 포함한다.
도 12의 실시예에서 배터리 팩(1110) 및 전압감지회로(1120)는 도 6의 실시예와 동일하므로 이에 대한 중복된 설명은 생략한다. 도 12의 실시예는 도 6과 비교하여 제1경로제공블록(1110)의 구성, 제2 경로제공블록(1132)의 구성 및 각 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 단자들(LN1~LN8)이 배선들에 각각 독립적으로 연결된 점 등에 차이가 있다. 도 12의 실시예는 도 13을 참조하여 설명될 수 있다.
도 12 및 도 13를 참조하면, 제1경로제공블록(1131)과 제2경로제공블록(1132)은 복수의 스위치들을 포함할 수 있다. 스위치들은 도11에서 설명한 스위치가 이용될 수 있다. 제1경로제공블록(1131)과 제2경로제공블록(1132)은 모드신호(CON)에 응답하여 선택적으로 과충전된 배터리 셀의 에너지를 인덕터를 통해 커패시터(1160)로 회수하는 경로를 제공하거나, 커패시터(1160)에 저장된 에너지를 인덕터를 통해 저충전된 배터리 셀로 제공하는 경로를 제공한다. 모드신호(CON)는 PWM 신호일 수 있으며, 제1모드신호(CON1)와 제2모드신호(CON2)를 포함한다.
상기 제1경로제공블록(1131)은 제1모드신호(CON1)에 응답하여 제1 내지 제4 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 양쪽 단자들을 대응 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 양쪽 단자들로 선택적으로 연결하는 제1 내지 제8 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6, SW7, SW8)를 포함한다. 제1모드신호(CON1)에 의한 제1 내지 제8 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6, SW7, SW8)의 스위칭 동작에 의하여, 제1 내지 제4 배터리 셀(B1, B2, B3, B4) 중 과충전된 배터리 셀의 에너지가 해당 인덕터로 저장되거나, 인덕터에 저장된 에너지가 해당 배터리 셀에 제공될 수 있다. 제1모드신호(CON1)는 제1 내지 제8 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6, SW7, SW8) 별로 다르게 제공될 수 있으며, 제1 내지 제4 배터리 셀(B1, B2, B3, B4) 중 선택된 배터리 셀이 과충전에 대응하여 에너지를 인덕터로 제공하거나 저충전에 대응하여 인덕터의 에너지를 제공받을 수 있다.
제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 제1모드신호(CON1)에 응답하여 제1 배터리 셀(B1)의 과충전 에너지를 제1인덕터(L1)로 저장하거나, 커패시터(1160)로부터 회수되어 제1인덕터(L1)에 저장된 에너지를 제1 배터리 셀(B1)로 충전하는 경로를 제공한다. 예를 들면 제1스위치(SW1)는 제1노드(N1)와 제1인덕터(L1)의 단자(LN1)를 연결하고, 제2스위치(SW2)는 제2노드(N1)와 제1인덕터(L1)의 단자(LN2)를 연결한다. 이와 마찬가지로 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)는 제2 배터리 셀(B2)과 제2인덕터(L2) 상호간 에너지 전달경로를 제공하고, 제5스위치(SW5)와 제6스위치(SW6)는 제3 배터리 셀(B3)과 제3인덕터(L3) 상호간 에너지 전달경로를 제공하며, 제7스위치(SW7)와 제8스위치(SW8)는 제4 배터리 셀(B4)과 제4인덕터(L4) 상호간 에너지 전달경로를 제공한다.
상기 제2경로제공블록(1132)은 제2모드신호(CON2)에 응답하여 제1 내지 제4 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 양쪽 단자(LN1, LN2; LN3, LN4;, LN5, LN6; LN7, LN8)를 커패시터 양쪽 단자(CN1, CN2)에 선택적으로 연결하는 제9 내지 제16스위치(SW9, SW10, SW11, SW12, SW13, SW14, SW15, SW16)를 포함한다. 제2모드신호(CON2)에 의한 제9 내지 제16 스위치(SW9, SW10, SW11, SW12, SW13, SW14, SW15, SW16)의 스위칭 동작에 의하여, 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 에너지가 커패시터(1160)에 저장되거나 커패시터(1160)의 에너지가 저충전된 배터리 셀에 대응하는 인덕터에 저장될 수 있다. 제2모드신호(CON2)는 제9 내지 제16 스위치(SW9, SW10, SW11, SW12, SW13, SW14, SW15, SW16) 별로 다르게 제공될 수 있다.
제9스위치(SW9)와 제10스위치(SW10)는 제2모드신호(CON2)에 응답하여 제1인덕터(L1)에 저장된 과충전 에너지를 커패시터(1160)로 저장하는 경로를 제공한다. 또한 제9스위치(SW9)와 제10스위치(SW10)는 제2모드신호(CON2)에 응답하여 커패시터(1160)로부터 회수된 에너지를 제1 배터리 셀(B1)에 대응하는 제1인덕터(L1)로 전달하는 경로를 제공한다. 예를 들면 제9스위치(SW9)는 제1인덕터(L1)의 단자(LN1)와 커패시터(1160)의 단자(CN1)를 연결하고, 제10스위치(SW10)는 제1인덕터(L1)의 단자(LN2)와 커패시터(1160)의 단자(CN2)를 연결한다.
이와 마찬가지로 제11스위치(SW11)와 제12스위치(SW12)는 제2인덕터(L2)와 커패시터(1160) 상호간 에너지 전달경로를 제공하고, 제13스위치(SW13)와 제14스위치(SW14)는 제3인덕터(L3)와 커패시터(1160) 상호간 에너지 전달경로를 제공하며, 제15스위치(SW15)와 제16스위치(SW16)는 제4인덕터(L4)와 커패시터(1160) 상호간 에너지 전달경로를 제공한다.
도 6 및 도 8의 실시 예의 경우 커패시터(660)에 저장된 에너지가 변환기(680)를 거쳐 배터리 팩(610)으로 직접 전달된다. 이에 반해 도 12 및 도 13의 실시 예는 커패시터(1160)에 저장된 에너지가 제2경로제공블록(1132) 및 제1경로제공블록(1131)을 거쳐 배터리 셀(1110)로 전달된다는 점에서 차이가 있다.
도 14는 도 13에 도시된 셀 밸런싱 시스템의 동작 설명을 위한 도면이다. 본 실시 예에 따른 셀 밸런싱 시스템은 4가지 모드로 구분되어 동작될 수 있다. 본 실시 예에서는 제1배터리 셀(B1)이 과충전되고, 제4배터리 셀(B4)이 저충전된 경우를 예시하여 설명한다.
도 13의 (a)를 참조하면, 제1 동작모드에서, 제1배터리 셀(B1)이 과충전된 경우에 대응하여 프로세서(1140)는 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)를 턴 온시키고 제3스위치(SW3) 내지 제6스위치(SW6)을 턴오프 시키도록 제1경로제공블록(1131)에 제1모드신호(CON1)를 제공한다. 또한, 프로세서(1140)는 스위치들(SW9~SW16)을 턴오프 시키도록 제2경로제공블록(1132)에 제2모드신호(CON2)를 제공한다. 제1배터리 셀(B1), 제1스위치(SW1), 제1인덕터(L1) 및 제2스위치(SW2)는 폐 회로를 형성하여 에너지 전달 경로를 구성한다. 따라서 과충전된 제1배터리 셀(B1)의 에너지는 에너지 전달 경로를 통하여 전달되어 제1인덕터(L1)에 저장된다
도 13의 (b)를 참조하면, 제2 동작모드에서, 프로세서(1140)는 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)를 턴오프시키도록 제1경로제공블록(1131)에 제1모드신호(CON1)를 제공하고 제9스위치(SW9)와 제10스위치(SW10)를 턴온시키도록 제2경로제공블록(1132)에 제2모드신호(CON2)를 제공한다. 제1인덕터(L1), 제9스위치(SW9), 커패시터(1160) 및 제10스위치(SW10)는 폐회로를 형성하여 에너지 전달 경로를 구성한다. 따라서, 제1인덕터(L1)에 저장된 에너지는 에너지 전달 경로를 통하여 전달되어 커패시터(1160)에 저장된다.
도 13의 (c)를 참조하면, 제3 동작모드에서, 프로세서(1140)는 제4배터리 셀(B4)이 저충전되었다고 판단하고, 제15스위치(SW15)와 제16스위치(SW16)를 턴 온 시키고 제9스위치 내지 제14스위치(SW9~SW14)를 턴오프시키도록 제2경로제공블록(1132)에 제2모드신호(CON2)를 제공한다. 또한, 프로세서(1140)는 스위치들(SW1~SW8)을 턴오프시키도록 제1경로제공블록(1131)에 제1모드신호(CON1)를 제공한다. 커패시터(1160), 제15스위치(SW15), 제4인덕터(L4) 및 제16스위치(SW16)는 폐회로를 형성하여 에너지 전달 경로를 구성한다. 따라서, 커패시터(1160)에 저장된 에너지가 제4인덕터(L4)로 전달된다. 제4인덕터(L4)는 저충전된 제4배터리 셀(B4)에 대응하는 인덕터이다.
도 13의 (d)를 참조하면, 제4 동작모드에서, 프로세서(1140)는 제7스위치(SW7)와 제8스위치(SW8)을 턴온시키고 제1스위치 내지 제6스위치(SW1~SW6)를 턴오프시키도록 제1경로제공블록(1131)에 제1모드신호(CON1)를 제공한다. 또한, 프로세서(1140)는 제9스위치 내지 제16스위치(SW16)를 턴오프시키도록 제2경로제공블록(1132)에 제2모드신호(CON2)를 제공한다. 제4인덕터(L4), 제7스위치(SW7), 제4배터리 셀(B4) 및 제8스위치(SW8)는 폐회로를 형성하여 에너지 전달 경로를 구성한다. 따라서, 제4인덕터(L4)에 저장된 에너지가 제4배터리 셀(B4)로 전달되어 분배될 수 있다.
본 실시 예에 따른 셀 밸런싱 시스템은 도 14와 같이 셀 투 셀(cell to cell) 양방향 동작을 할 수 있게 되어, 기존의 셀 투 셀 방식과 달리 배터리 팩의 배터리 셀이 회수된 에너지를 인접 배터리 셀로 전달하는 것이 아니라, 저충전된 배터리 셀로 직접 회수된 에너지를 전달할 수 있게 되므로 셀 밸런싱에 필요한 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 이 방식은 외부 DC/DC 변환기를 이용할 필요가 없기 때문에 소형화에 유리한 장점이 있다.
도 15는 셀 밸런싱 회로를 집적회로로 구현한 셀 밸런싱 시스템의 일 실시 예를 나타낸다. 도 15의 집적회로는 도 6 내지 도 10의 실시예에 대응하여 예시한 것이다.도 15를 참조하면, 집적회로(1410)는 도6의 셀 밸런싱 회로(630)에 대응되며, 전압감지회로, 프로세서를 더 포함할 수 있고, 외부의 4개의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 수행한다.
보다 구체적으로, 집적회로(1410)는 외부에 직렬로 연결된 4개의 배터리 셀에 연결되는 제1핀 내지 제5핀(P1, P2, P3, P4, P5), 외부의 커패시터에 연결되는 제6핀(P6)과 제7핀(P7), 외부의 4개의 인덕터에 연결되는 제8핀 내지 제15핀(P8, P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15) 및 PWM 신호를 출력하는 PWM핀을 구비할 수 있다. 제1핀 내지 제5핀(P1, P2, P3, P4, P5)은 도6의 제1노드 내지 제5노드(N1, N2, N3, N4, N5)에 각각 대응되고, 제6핀(P6)과 제7핀(P7)은 도6의 커패시터 양 단자(CN1, CN2)에 각각 대응되며, 제8핀 내지 제15핀(P8, P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15)은 도6의 인덕터 들의 양단자(LN1, LN2; LN3, LN4, LN5, LN6, LN7, LN8)에 각각 대응된다.
플라이백 컨버터(1420)는 도 6의 변환기(680)와 스위치(670)를 포함할 수 있으며, 집적회로(1410)의 PWM핀은 PWM 신호를 플라이백 컨버터(1420)로 PWM 신호를 제공하는 핀이다.
본 실시 예에서, 집적회로는 4개의 배터리 셀을 셀 밸런싱하는 경우를 예시하였지만, 4개 이상 또는 이하의 배터리 셀을 셀 밸런싱하도록 구현될 수도 있다.
한편, 특정 개수의 배터리 셀의 셀 밸런싱하는 집적회로는 모듈을 구성하는데 이용될 수 있다. 집적회로를 이용하여 모듈을 구성하는 경우, 다수 개의 집적회로가 하나의 모듈로 구성될 수 있다. 그러므로, 모듈에 포함되는 집적회로의 수에 비례하여 셀 밸런싱하는 배터리 셀의 개수가 확장될 수 있다.
도 16은 2개의 집적회로들(1510, 1520)을 포함한 모듈을 구현한 셀 밸런싱 시스템의 일 실시 예이며, 도 16의 실시예는 4개의 배터리 셀을 셀 밸런싱하는 2개의 집적회로(1510, 1520)를 사용하는 경우, 셀 밸런싱할 수 있는 배터리 셀이 2배로 증가하여 8개의 배터리 셀을 셀 밸런싱할 수 있음을 보여준다. 도 16의 실시예는 2개의 집적회로를 모듈로 구성하는 경우를 예시하였지만, 필요에 따라 3개 이상의 집적회로를 이용하여 모듈을 구성함으로써 셀 밸런싱할 수 있는 배터리 셀의 수를 확장할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
610: 배터리 팩 620: 전압감지회로
630: 셀 밸런싱 회로 640: 프로세서
650: 인덕터 어레이 660: 커패시터
670: 스위치 680: 변환기

Claims (18)

  1. 복수 개의 배터리 셀과 동일한 복수 개의 제1 에너지 저장 소자 간의 제1 에너지 전달 경로를 제공하는 제1경로제공블록;
    상기 복수 개의 제1 에너지 저장소자와 제2 에너지 저장소자 간의 제2 에너지 전달 경로를 제공하는 제2경로제공블록; 및
    상기 제2 에너지 저장소자의 에너지를 변환하여 상기 복수 개의 배터리 셀로 제공하는 변환기;를 포함하며,
    상기 제1 에너지 전달 경로와 상기 제2 에너지 전달 경로의 제공은 순차적으로 수행되는 셀 밸런싱 집적회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1경로제공블록은 상기 복수 개의 배터리 셀에서 상기 복수 개의 제1 에너지 저장소자로 에너지를 전달하는 일방향성을 갖는 상기 제1 에너지 전달 경로를 제공하며,
    상기 제2경로제공블록은 상기 복수 개의 제1 에너지 저장소자에서 상기 제2 에너지 저장소자로 에너지를 전달하는 일방향성을 갖는 상기 제2 에너지 전달 경로를 제공하는 셀 밸런싱 집적회로.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1경로제공블록은 상기 복수 개의 배터리 셀과 상기 복수 개의 제1 에너지 저장소자 간에 에너지를 양방향으로 전달할 수 있으며 모드 신호에 의하여 선택된 일방향으로 상기 에너지를 전달하는 상기 제1 에너지 전달 경로를 제공하며,
    상기 제2경로제공블록은 상기 복수 개의 제1 에너지 저장소자와 상기 제2 에너지 저장소자 간에 상기 에너지를 양방향으로 전달할 수 있으며 상기 모드 신호에 의하여 선택된 일방향으로 상기 에너지를 전달하는 상기 제2 에너지 전달 경로를 제공하는 셀 밸런싱 집적회로.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 모드 신호에 의하여,
    상기 제1 경로제공블록은 과충전된 상기 배터리 셀에 대응하여 상기 에너지를 상기 배터리 셀에서 대응하는 상기 제1 에너지 저장소자로 전달하고 저충전된 상기 배터리 셀에 대응하여 상기 에너지를 상기 제1 에너지 저장소자에서 상기 복수 개의 배터리 셀로 전달하며,
    상기 제2 경로제공블록은 상기 에너지를 상기 복수 개의 제1 에너지 저장소자에서 상기 제2 에너지 저장소자로 전달하고 저충전된 상기 배터리 셀에 대응하여 상기 에너지를 상기 제2 에너지 저장소자에서 상기 제1 에너지 저장소자로 전달하는 셀 밸런싱 집적회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장소자는 인덕터이고, 상기 제2 에너지 저장소자는 커패시터인 셀 밸런싱 집적회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1경로제공블록은 모드신호에 응답하여 과충전된 상기 배터리 셀의 에너지를 대응하는 상기 인덕터로 전달하는 것을 스위칭하는 제1 복수의 스위치를 포함하고,
    상기 제2경로제공블록은 상기 모드신호에 응답하여 상기 인덕터에 저장된 에너지를 상기 커패시터로 전달하는 것을 스위칭하는 제2 복수의 스위치를 포함하는 셀 밸런싱 집적회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 복수의 스위치와 상기 제2 복수의 스위치는 순차적으로 턴온되도록 구성되는 셀 밸런싱 집적회로.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 모드신호는 펄스 폭 변조 신호(PWM)인 셀 밸런싱 집적회로.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1경로제공블록은 모드신호에 응답하여 과충전된 상기 배터리 셀의 에너지를 대응하는 상기 인덕터로 전달하는 일방향성의 상기 제1 에너지 전달 경로를 제공하는 다이오드와 스위치를 포함하고,
    상기 제2경로제공블록은 상기 인덕터에 저장된 에너지를 상기 커패시터로 전달하는 일방향성의 상기 제2 에너지 전달 경로를 제공하는 다이오드를 포함하는 셀 밸런싱 집적회로.
  11. 복수 개의 배터리 셀 중 과충전된 배터리 셀의 에너지를 동일한 복수 개의 제1 에너지 저장 소자 중 대응하는 제1 에너지 저장소자에 전달하여 저장하는 단계;
    상기 복수 개의 제1 에너지 저장소자에 저장된 상기 에너지를 제2 에너지 저장소자에 전달하여 저장하는 단계; 및
    상기 제2 에너지 저장소자에 저장된 에너지를 변환하여 상기 복수 개의 배터리 셀에 제공하는 단계;를 포함하여,
    상기 에너지를 상기 제1 에너지 저장 소자에 전달하는 것과 상기 에너지를 상기 제2 에너지 저장 소자에 저장하는 것은 순차적으로 수행되고,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 셀 밸런싱을 유지하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  12. 삭제
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 에너지 저장소자에 저장된 에너지를 저충전된 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 대응하는 상기 제1 에너지 저장소자에 전달하여 저장하는 단계; 및
    상기 제1 에너지 저장소자에 저장된 상기 에너지를 저충전된 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 전달하여 충전하는 단계;를 더 포함하는 배터리 셀 밸런싱 방법.
  14. 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;
    상기 복수 개의 배터리 셀에 대응하는 동일한 복수 개의 제1 에너지 저장소자;
    제2 에너지 저장소자;
    모드신호에 응답하여, 상기 복수 개의 배터리 셀 중 과충전된 상기 배터리 셀의 에너지를 대응하는 상기 제1에너지 저장소자로 전달하는 제1 에너지 전달경로를 제공하거나 상기 복수 개의 제1에너지 저장소자에 저장된 에너지를 상기 제2에너지 저장소자로 전달하는 제2 에너지 전달 경로를 제공하는 셀 밸런싱 집적회로; 및
    상기 제2 에너지 저장소자의 상기 에너지를 변환하여 상기 복수 개의 배터리 셀로 전달하는 변환기;를 포함하는 셀 밸런싱 시스템.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장소자는 인덕터이고, 상기 제2 에너지 저장소자는 커패시터인 셀 밸런싱 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 전압을 감지하는 전압감지회로; 및
    상기 전압감지회로에서 감지된 전압을 이용하여 상기 배터리 셀의 과충전 또는 저충전 여부에 대응하는 상기 모드신호를 제공하는 프로세서;를 더 포함하는 셀 밸런싱 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기, 전압감지회로 및 상기 프로세서는 상기 셀 밸런싱 집적회로에 집적되는 셀 밸런싱 시스템.
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