KR20150097141A - 다양한 밸런싱 동작 모드가 가능한 밸런싱 장치 및 그 방법 - Google Patents

다양한 밸런싱 동작 모드가 가능한 밸런싱 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 적은 수의 스위치 소자를 사용하여 제조 비용과 사이즈를 줄이면서도 다양한 밸런싱 모드가 가능 밸런싱 장치 및 방법을 제시한다. 본 발명에 따른 밸런싱 장치는, 복수의 에너지 저장 유닛이 직렬로 연결된 에너지 저장 모듈의 에너지 저장 유닛 간의 밸런싱을 위한 밸런싱 장치에 있어서, 상기 밸런싱 장치는 트랜스포머와, 셀 스위치부, 극성 스위치부 및 보조 스위치부를 포함하는 스위치 네트워크를 포함하고; 상기 보조 스위치부는 상기 제2 공통 노드와 상기 트랜스포머의 2차 권선의 일단을 연결하는 제1 보조 스위치 및 상기 제1 공통 노드와 상기 트랜스포머의 2차 권선의 타단을 연결하는 제2 보조 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다양한 밸런싱 동작 모드가 가능한 밸런싱 장치 및 그 방법 {Balancing apparatus and the method supporting various balancing operation modes}
본 발명은 에너지 저장 유닛들 사이의 에너지 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 에너지 저장 유닛으로 가장 일반적으로 사용되는 배터리 셀들 사이의 에너지 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩과 같이 다수의 에너지 저장 유닛들이 직렬로 연결된 에너지 저장 모듈에 있어서 에너지 저장 유닛들 사이에서 저장된 에너지 차이를 줄여주는 밸런싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 2차 전지는 충전 과정을 거쳐 에너지를 저장하고 방전 과정을 통해 저장된 에너지를 외부에서 사용할 수 있는 배터리를 말한다. 2차 전지는 화학적 또는 구조적인 문제로 하나의 배터리 셀의 전압이 제한될 수 있다. 따라서 높은 전압이 요구되는 응용분야에서는 필요한 개수의 배터리 셀들을 직렬로 연결하여 사용한다. 동일한 제조 조건 및 동일한 환경에서 제조된 배터리 셀이라 할지라도 전기적인 특성에 일정한 차이가 있을 수 있고 또한 사용하면서 배터리 내부 특성이 열화되는 정도에도 차이가 있으므로, 동일한 전류로 배터리 셀들을 충, 방전 한다고 하더라도 상호 연결된 배터리 셀들 간의 전압 불균형 및/또는 잔류 전하량의 불균형이 발생하게 된다.
배터리 셀의 전압이 너무 높으면 불이 나거나 폭발할 위험이 있으며 너무 낮으면 배터리 셀의 특성을 잃어 버리게 되므로, 이를 방지하기 위하여 어느 하나의 배터리 셀이 과충전 또는 과방전시, 전체 배터리 셀들은 충전 또는 방전을 중단한다. 즉, 직렬로 연결된 복수 개의 배터리 셀들 중 일부 배터리 셀이 다른 배터리 셀에 비해 과충전된 경우, 나머지 배터리 셀들은 충분히 충전이 되지 않은 상태에서 배터리 셀의 충전 과정이 중단된다. 반대로 일부의 배터리 셀이 과방전된 경우, 나머지 배터리 셀들은 아직 사용할 수 있는 에너지가 남아있는 상태에서 배터리 셀의 사용이 제한된다.
이와 같이 직렬로 연결된 복수 개의 배터리 셀들 사이의 전압의 불균형 또는 잔류 전하량의 불균형이 발생되면, 배터리 셀들의 가용 전압범위가 감소하게 되거나 충전 및 방전 주기가 짧아지게 되어 배터리 셀의 수명을 단축하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 배터리 셀들의 전압이나 전하량을 균일하게 하기 위한 밸런싱 방법이 제안되고 있다.
종래의 배터리 셀 밸런싱 기술은 에너지를 소비하면서 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 패시브 방식과 에너지를 소비하지 않으면서 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 액티브 방식으로 크게 구분할 수 있다. 패시브 방식은 과충전된 에너지를 저항을 통해 소비하는 방식으로 배터리 셀들 사이의 에너지 균형을 맞추므로 효율적이지 못한 단점이 있어 액티브 밸런싱 방식에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
액티브 밸런싱 방식은 에너지 전달 매개체로서 트랜스포머나 인덕터 등의 자성소자를 사용하는 방식과 커패시터를 사용하는 방식으로 나눌 수 있다. 본 발명은 트랜스포머를 사용하는 액티브 밸런싱 방식에 해당하므로 이하에서는 이러한 방식의 종래 기술에 대해 간략히 살펴본다.
도 1 내지 도 4는 트랜스포머를 사용하는 종래 액티브 밸런싱 기술을 보여준다. 도 1은 그 예로서, 각 배터리 셀(B1, …, Bn)에 각각의 트랜스포머(T1, …, Tn)가 사용되는 방식이다. 도 1의 스위칭 소자(SW)를 온/오프 동작시키면 트랜스포머(T1, …, Tn)와 다이오드를 통해 각 배터리 셀로 에너지가 전달되는데 전압이 낮은 배터리 셀로는 전류가 더 많이 흐르게 되므로 밸런싱 기능이 수행된다. 도 1의 밸런싱 장치는 배터리 모듈(B1 ~ Bn 전체)로부터 배터리 셀로의 에너지 전달을 통한 밸런싱만 가능하므로 그 기능이 제한적일 뿐만 아니라, 각 배터리 셀마다 트랜스포머를 구비하여야 하므로 가격이 비싸지고 부피가 커지는 등의 단점을 갖고 있다.
도 2는 종래 액티브 밸런싱 방식의 다른 예로서, 도 1의 밸런싱 장치에 비해 트랜스포머가 한 개만 사용된다는 점에서 차이가 있다. 그러나 도 2의 밸런싱 장치도 배터리 모듈로부터 배터리 셀로의 에너지 전달을 통한 밸런싱 기능만 가능하므로 밸런싱 기능이 제한적이라는 문제점은 여전히 갖고 있다. 또한, 도 2의 밸런싱 장치에서는 1개의 트랜스포머에 배터리 셀 개수만큼의 2차 권선을 배치해야 한다는 점에서 배터리 셀의 개수가 많을 경우 적용에 어려움이 있다.
도 3는 종래 액티브 밸런싱 방식의 또 다른 예이다. 트랜스포머는 자성체, 1차권선 및 2차권선을 각각 1개씩만 구비하는 대신 스위치 네트워크(S1, S2, …)를 통해 각 배터리 셀을 변압기 2차 권선에 선택적으로 연결하여 충전되는 배터리 셀을 선택함으로써 밸런싱 기능을 수행한다. 도 3의 밸런싱 장치는 도 1 및 도 2에 비해 트랜스포머의 개수나 권선 수가 적다는 점에서는 장점이지만, 밸런싱 기능 면에서는 여전히 배터리 모듈로부터 배터리 셀로의 에너지 전달만 제어가 가능하다는 점에서 밸런싱 기능이 제한적이다.
도 4는 종래 액티브 밸런싱 장치의 또 다른 예로서, 하나의 트랜스포머(13)를 사용하면서 제1 스위치 어레이(11)와 제2 스위치 어레이(12)를 통해 트랜스포머의 1차 권선과 2차 권선에 연결되는 배터리 셀을 선택하는 방식이다. 제1, 2 스위치 어레이 각각이 트랜스포머의 각 권선에 연결되는 배터리 셀과 연결 방향을 선택할 수 있게 구성하였으므로, 셀로부터 셀로(셀-셀), 셀로부터 모듈로(셀-모듈), 모듈로부터 셀로(모듈-셀)의 에너지 전달에 대한 제어가 가능하여 다양한 밸런싱 동작 모드를 선택할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 도 4의 밸런싱 장치에서는 2개의 스위치 어레이(11, 12) 각각이 배터리 셀 개수(N)의 2배씩의 스위치 소자를 구비하여야 하므로 총 배터리 셀 개수의 4배의 스위치 소자가 필요하다. 게다가 도 4의 장치에 사용되는 각 스위치 소자는 양방향 제어가 가능한 스위치 소자여야 하므로 가장 일반적으로 사용되는 FET(Field Effect Transistor: 전계 효과 트랜지스터)를 사용할 경우 각 스위치 소자에 2개씩의 FET가 필요하다. 따라서 배터리 셀 개수의 8배의 FET가 필요하게 되므로 제조 비용이나 사이즈 면에서 불리하다.
이와 같이 종래 기술들은 적은 수의 스위치 소자를 사용하여 제조 비용과 사이즈를 줄이면서도 다양한 밸런싱 모드를 가능하게 하는 밸런싱 장치에 대한 요구를 충족하지 못하고 있다.
(선행기술)
논문 : S. Moore 외 1명, “A review of cell equalization methods for lithium ion and lithium polymer battery systems”, Society of Automotive Engineers, 2001.
특허문헌 : US 8344694 B2
본 발명의 목적은 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들, 특히 직렬로 연결된 배터리 셀들 사이의 밸런싱 기능을 수행하는 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 적은 수의 스위치 소자를 사용하여 제조 비용과 사이즈를 줄이면서도 다양한 밸런싱 모드를 가능하게 하는 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 복수의 에너지 저장 유닛이 직렬로 연결된 에너지 저장 모듈의 에너지 저장 유닛 사이의 밸런싱을 위한 밸런싱 장치에 있어서, 상기 밸런싱 장치는 셀 스위치부, 극성 스위치부 및 보조 스위치부를 포함하는 스위치 네트워크와 트랜스포머를 포함하고; 상기 트랜스포머는 1차 권선과 2차 권선을 포함하며; 상기 셀 스위치부는 복수의 스위치를 포함하되, 상기 셀 스위치부의 복수의 스위치 각각은 그 하나의 단자가 대응하는 에너지 저장 유닛의 단자에 연결되고, 상기 셀 스위치부의 복수의 스위치 중 일부의 다른 하나의 단자는 서로 공통으로 접속되어 제1 공통 노드를 형성하고, 상기 셀 스위치부의 복수의 스위치 중 다른 일부의 다른 하나의 단자는 서로 공통으로 접속되어 제2 공통 노드를 형성하며; 상기 극성 스위치부는 상기 트랜스포머 1차 권선의 각 단자를 제1 공통 노드 또는 제2 공통 노드에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 포함하고; 상기 보조 스위치부는 상기 제2 공통 노드와 상기 트랜스포머의 2차 권선의 일단을 연결하는 제1 보조 스위치 및 상기 제1 공통 노드와 상기 트랜스포머의 2차 권선의 타단을 연결하는 제2 보조 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치이다.
상기 셀 스위치부는 상기 에너지 저장 모듈에 포함된 에너지 저장 유닛의 개수보다 1개 더 많은 스위치를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 극성 스위치부는, 상기 트랜스포머의 1차 권선의 하나의 단자와 상기 제2 공통 노드 사이에 구비된 제1 극성 스위치; 상기 트랜스포머의 1차 권선의 하나의 단자와 상기 제1 공통 노드 사이에 구비된 제2 극성 스위치; 상기 트랜스포머의 1차 권선의 다른 하나의 단자와 상기 제2 공통 노드 사이에 구비된 제3 극성 스위치; 및 상기 트랜스포머의 1차 권선의 다른 하나의 단자와 상기 제1 공통 노드 사이에 구비된 제4 극성 스위치; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 밸런싱 장치는 상기 에너지 저장 모듈의 연결 단자(Module+, Module-)와 상기 트랜스포머 2차 권선의 단자를 연결하는 모듈 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 모듈 스위치부는, 상기 에너지 저장 모듈의 (+) 단자와 상기 트랜스포머 2차 권선의 일단을 연결하는 제1 모듈 스위치; 및 상기 에너지 저장 모듈의 (-) 단자와 상기 트랜스포머 2차 권선의 타단을 연결하는 제2 모듈 스위치를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 셀 스위치부, 상기 극성 스위치부 및 상기 보조 스위치부에 포함된 스위치는 양방향 제어가 가능한 스위치인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스위치 네트워크는 PWM(펄스폭 변조) 방식으로 제어되어 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머를 충전하기 위해 사용된 권선을 트랜스포머에 저장된 에너지를 방전할 때도 사용하도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머를 충전하기 위해 사용된 권선과는 다른 권선을 사용하여 트랜스포머에 저장된 에너지를 방전하면서, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로 에너지를 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머를 충전하기 위해 사용된 권선과는 다른 권선을 사용하여 트랜스포머에 저장된 에너지를 방전하면서, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛과 에너지 저장 모듈 사이에서 에너지를 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 트랜스포머의 1차 권선과 2차 권선은 1:T의 권선비를 가지고, 상기 스위치 네트워크는, 상기 트랜스포머를 충전하는 권선과 방전하는 권선의 선택에 의해 상기 트랜스포머의 충전 전류의 크기에 대한 방전 전류의 크기의 비인 전류 이득이 상기 권선비에 의해 달라지도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 복수의 에너지 저장 유닛이 직렬로 연결된 에너지 저장 모듈을 위한 밸런싱 장치를 사용한 밸런싱 방법에 있어서, 상기 밸런싱 장치는 스위치 네트워크와 트랜스포머를 포함하고, 상기 트랜스포머는 2개의 권선을 포함하며, 상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머의 2개 권선의 4개 단자 각각을 상기 복수의 에너지 저장 유닛의 단자들 중 적어도 어느 하나에 선택적으로 연결할 수 있는 복수의 스위치를 포함하되; 상기 밸런싱 방법은, 상기 트랜스포머는 2개 권선 중 하나의 권선을 통해 상기 에너지 저장 유닛의 적어도 하나로부터 에너지를 공급받는 단계; 및 상기 트랜스포머는 상기 에너지를 공급받을 때 사용된 상기 하나의 권선을 통해 다시 다른 에너지 저장 유닛의 적어도 하나로 에너지를 공급하는 단계;를 통한 인덕터 모드 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법이다.
상기 인덕터 모드 동작에서는 상기 트랜스포머의 2개 권선 중 다른 하나의 권선을 통해서는 전류가 흐르지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 인덕터 모드 동작에서 상기 트랜스포머로 에너지를 공급하는 상기 적어도 하나의 에너지 저장 유닛은 에너지 저장 모듈인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 인덕터 모드 동작에서 상기 트랜스포머로부터 에너지를 공급받는 상기 적어도 하나의 에너지 저장 유닛은 에너지 저장 모듈인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 인덕터 모드 동작에 의해, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 에너지 저장 모듈로, 및 에너지 저장 모듈로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로의 에너지 전달이 모두 가능한 것을 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 밸런싱 방법은, 상기 상기 트랜스포머의 2개 권선의 권선비를 활용하는 트랜스포머 모드 동작에 의해서도, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 에너지 저장 모듈로, 및 에너지 저장 모듈로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로의 에너지 전달이 모두 가능한 것을 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 밸런싱 장치 및 방법에 의하면, 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 수행함에 있어 적은 수의 스위치 소자를 사용하여 제조 비용과 사이즈를 줄이면서도 다양한 밸런싱 모드가 가능하다. 그리고, 트랜스포머의 권선비를 이용해 다양한 전류 이득의 선택도 가능하다. 다양한 밸런싱 모드와 전류 이득이 가능한 것으로부터, 전체 배터리 셀들의 밸런싱을 수행하기 위한 알고리즘 설계의 자유도가 높아지고 빠른 시간에 효과적으로 밸런싱을 수행할 수 있게 된다.
도 1 내지 도 4는 종래의 액티브 방식의 밸런싱 장치의 예이다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 장치이다.
도 6 내지 도 8는 배터리 셀로부터 배터리 셀로의 밸런싱 모드에 대해 설명하는 도면이다.
도 9 내지 도 11는 배터리 셀로부터 배터리 모듈로의 밸런싱 모드에 대해 설명하는 도면이다.
도 12 내지 도 14는 배터리 모듈로부터 배터리 셀로의 밸런싱 모드에 대해 설명하는 도면이다.
도 15은 도 5의 밸런싱 장치를 일부 변형한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 5의 밸런싱 장치를 일부 변형한 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 5의 밸런싱 장치를 일부 변형한 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 17의 밸런싱 장치를 일부 변형한 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 장치를 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 장치는 배터리 모듈(110)에 포함된 배터리 셀(B1, …, Bn) 사이의 전하량 또는 에너지 등의 불균형을 해소하는 밸런싱을 위한 장치로서, 트랜스포머(120)와 스위치 네트워크(170)를 포함한다. 스위치 네트워크(170)는 셀 스위치부(130), 극성 스위치부(140), 모듈 스위치부(150) 및 보조 스위치부(160)를 선택적으로 포함한다.
배터리 모듈(110)은 다수의 직렬 연결된 배터리 셀(B1, …, Bn)을 포함한다. 본 발명에 따른 밸런싱 장치는 배터리가 아닌 다른 종류의 에너지 저장 유닛에도 적용할 수 있지만 여기서는 배터리 셀을 예로 들어 설명하기로 한다. 여기서 ‘셀’은 밸런싱 기능을 수행하기 위한 관점에서의 단위 유닛을 의미하는 것으로, 1개의 배터리 셀 일수도 있고 배터리 셀이 복수 개로 구성된 배터리 셀의 집합일 수도 있다. 배터리 모듈(110)은 연결 단자(Module+, Module-)를 통해 다른 배터리 모듈들과 연결되어 하나의 배터리 장치를 구성할 수도 있고, 하나의 배터리 모듈 단독으로 배터리 장치를 구성할 수도 있다. 하나의 배터리 모듈만이 사용될 경우에는 연결 단자(Module+, Module-)가 외부와의 연결 기능을 수행할 수도 있다. 복수의 배터리 모듈이 직렬로 연결되어 사용되는 경우 본 발명에 따른 밸런싱 장치는 배터리 셀 사이의 밸런싱 및/또는 배터리 모듈 사이의 밸런싱에 사용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 필요에 따라 배터리 셀을 ‘셀’, 배터리 모듈을 ‘모듈’로 간략히 표현하기로 한다.
트랜스포머(120)는 서로 자속이 결합되는 2개의 권선(121, 122)을 포함한다. 1차 권선(121)과 2차 권선(122)의 권선비는 1:T 로 예시된다. 트랜스포머(120)의 2개 권선은 서로 다른 방향의 도트(권선 방향을 정의하는 기호)를 가지는 것으로 예시되어 있으나, 2개 권선의 권선 방향은 동일하게 할 수도 있고, 각 권선의 도트 위치가 도면과 반대일 수도 있다. 트랜스포머(120)의 각 권선은 스위치 네트워크를 통해 셀/셀들/모듈에 선택적으로 연결되어 에너지를 축적하였다가 전달하면서 밸런싱 기능을 수행한다. 본 실시예에서는 트랜스포머(120)의 2개의 권선이 통상적인 트랜스포머와 같이 자기적으로 결합되어 동작하는 경우도 있고, 2개 권선 모두를 활용하지 않고 하나의 권선만을 사용하여 인덕터처럼 동작하면서 밸런싱 기능을 수행하는 경우도 있다. 여기에 대해서는 후술하기로 한다. 또한, 도 5에는 트랜스포머(120)가 2개의 권선을 포함하는 것으로 예시하였으나, 필요에 따라 권선을 부가하여 제어용 전원의 생성 등 부가적이고 필요한 기능을 수행하게 할 수도 있다.
스위치 네트워크(170)는 셀 스위치부(130), 극성 스위치부(140), 모듈 스위치부(150) 및 보조 스위치부(160) 중 어느 하나 이상을 선택적으로 포함하여, 도시되지 않은 제어부의 스위치 온/오프 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 하면서 트랜스포머(120)의 각 권선을 원하는 셀(들)에 전기적으로 연결하는 기능을 한다.
셀 스위치부(130)는 셀의 수에 대응하는 개수의 양방향 제어 가능한 양방향 스위치를 포함할 수 있다. 도 5의 실시예에서는 셀의 수보다 1개 더 많은 스위치가 포함되어 있다. 셀 스위치부(130)의 스위치(S1 ~ Sn+1) 각각의 하나의 단자는 대응하는 배터리 단자에 연결된다. 셀 스위치부(130)의 스위치(S1 ~ Sn+1) 각각의 다른 하나의 단자는, 홀수 번째의 스위치들이 서로 공통으로 연결되어 제1 공통 노드(node 1)을 형성하고, 짝수 번째의 스위치들이 서로 공통으로 연결되어 제2 공통 노드(node 2)를 형성한다.
극성 스위치부(140)는 4개의 양방향 스위치를 포함할 수 있다. 그 중 2개의 스위치(Sp1, Sp2)는 트랜스포머(120) 1차 권선(121)의 제1 단자(도트 단자)를 제1 공통 노드(node 1) 또는 제2 공통 노드(node 2)에 선택적으로 연결할 수 있도록 구성되어 있고, 2개의 스위치(Sp3, Sp4)는 트랜스포머(120) 1차 권선(121)의 제2 단자(비-도트 단자)를 제1 공통 노드(node 1) 또는 제2 공통 노드(node 2)에 선택적으로 연결할 수 있도록 구성되어 있다.
따라서 셀 스위치부(130) 및 극성 스위치부(140)의 온/오프 동작에 의하면 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)의 2개 단자 각각이 제1 공통 노드(node 1) 또는 제2 공통 노드(node 2)를 통하여 셀의 어느 단자에나 어느 방향으로도 연결될 수 있으므로, 트랜스포머(120) 1차 권선(121)의 양 단자에는 원하는 셀/셀들/모듈이 원하는 극성으로 연결될 수 있다.
모듈 스위치부(150)는 2개의 단방향 제어 가능한 스위치(Sm1, Sm2)를 포함할 수 있다. 그 중 하나의 스위치(Sm1)는 하나의 단자가 배터리 모듈(110)의 (+) 단자에 연결되고, 다른 하나의 단자는 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 비-도트 단자에 연결된다. 모듈 스위치부(150)의 다른 하나의 스위치(Sm2)는 배터리 모듈(110)의 (-) 단자에 하나의 단자가 연결되고 다른 하나의 단자는 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 도트 단자에 연결된다. 모듈 스위치부(150)는 배터리 모듈(110)의 (+), (-) 단자와 트랜스포머(120) 2차 권선(122) 사이의 선택적 연결 기능을 수행하여, 모듈로부터 셀로의 에너지 전달 또는 셀로부터 모듈로의 에너지 전달을 주로 담당한다. 그러나 모듈 스위치부(150)는 제1 배터리 셀(B1) 또는 제n 배터리 셀(Bn)에 연결되어 이들 셀의 충, 방전에도 사용될 수 있다.
보조 스위치부(160)는 2개의 양방향 스위치(Sc1, Sc2)를 포함할 수 있다. 그 중 하나의 스위치(Sc1)의 하나의 단자는 제2 공통 노드(node 2)에 연결되고 다른 하나의 단자는 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 비-도트 단자에 연결되어, 제2 공통 노드(node 2)와 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 비-도트 단자와의 선택적 연결 기능을 수행한다. 보조 스위치부(160)의 다른 스위치(Sc2)의 하나의 단자는 제1 공통 노드(node 1)에 연결되고 다른 하나의 단자는 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 도트 단자에 연결되어, 제1 공통 노드(node 1)와 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 도트 단자와의 선택적 연결 기능을 수행한다. 따라서 보조 스위치부(160)는 셀 스위치부(130)와 협력하여 트랜스포머(120) 2차 권선(122)에 연결되는 셀(들)의 단자를 선택하는 기능을 수행할 수 있다.
이와 같이 도 5의 실시예에 의하면, 스위치 네트워크(170)는 셀 스위치부(130), 극성 스위치부(140), 모듈 스위치부(150) 및 보조 스위치부(160) 중 적어도 하나 이상을 포함하여 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)과 2차 권선(122)의 각 단자를 원하는 셀의 단자에 선택적으로 연결할 수 있다. 따라서 원하는 셀(들)로부터 트랜스포머(120)로 에너지를 공급하거나 트랜스포머(120)에 저장된 에너지를 원하는 셀(들)로 다시 전달하여 셀(들) 사이의 밸런싱을 수행할 수 있다.
이하에서는 도 6 내지 도 14를 통해 도 5의 밸런싱 장치가 밸런싱 기능을 수행하는 동작을 설명한다. 그 중 도 6 내지 도 8은 셀로부터 셀로의 밸런싱 모드에 대해 설명한다. 도 6 내지 도 8은 셀 Bn이 과충전되고 셀 B1이 저충전된 경우를 예로 들어 셀 Bn으로부터 셀 B1으로 에너지를 전달하는 과정을 설명한다.
일반적인 충, 방전 상태에서는 스위치 네트워크(170)는 동작하지 않고 배터리 모듈(110)은 연결 단자(Module+, Module-)를 통해 모듈 전체의 충전 혹은 방전 동작을 수행한다. 이는 일반적인 배터리의 동작과 동일하다. 직렬로 연결된 배터리 셀들 사이에 특성의 차이 혹은 열화 정도의 차이에 의해 전압 및/또는 에너지의 불균형이 발생하게 되면, 배터리 셀의 가용 전압범위가 감소하게 되거나 충전 및 방전 주기가 짧아지게 되어 배터리 셀의 수명을 단축하게 된다. 따라서 전압 및/또는 에너지의 불균형이 발생한 셀(들) 사이의 에너지 전달을 통해 밸런싱 기능을 수행할 필요가 있다.
도 6은 셀 Bn으로부터 트랜스포머(120)에 에너지를 공급한 후 트랜스포머(120)에 저장된 에너지를 셀 B1으로 전달하여 Bn과 B1 사이의 밸런싱을 수행하는 동작(제1의 셀-셀 모드)을 설명한다. 스위치 Sn+1, Sp1, Sp4 및 Sn이 턴온 되면 셀 Bn이 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)에 연결되어, 셀 Bn으로부터 트랜스포머(120)를 충전하는 방향의 전류가 흐르면서 셀 Bn의 에너지가 트랜스포머(120)로 전달되어 트랜스포머(120)에 에너지가 저장된다(도 6(a)). 그 후 Sp3, S2, S1, Sp2를 턴온 시키면 트랜스포머(120)로부터 셀 B1을 충전하는 경로로 전류가 흐르게 되어 트랜스포머(120)의 에너지는 방전되면서 셀 B1에 에너지가 충전된다(도 6(b)). 도 6은 셀 스위치부(130), 극성 스위치부(140) 및 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)을 활용하여 셀로부터 셀로 에너지를 전달하는 동작 모드(셀-셀 모드 1)이다. 이 동작 모드에서는 트랜스포머(120) 2개 권선의 권선비와 자속 결합을 활용하는 것이 아니라 1차 권선(121)만을 활용하므로, 트랜스포머(120)는 인덕터와 같이 동작하게 되어 트랜스포머(120)의 충전 전류(Ic)와 방전 전류(Id)의 크기는 트랜스포머(120)의 권선비에 영향을 받지 않는다. 따라서 트랜스포머(120)의 충전 전류(Ic)에 대한 방전 전류(Id)의 크기의 비(Id/Ic)를 전류 이득으로 정의하면, 전류 이득은 1이 된다. 한편, 도 6의 실시예에서는 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)을 통해 인덕터처럼 사용하는 것에 대해 예시하였으나, 보조 스위치부(Sc1, Sc2)를 활용하여 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)을 인덕터처럼 사용하는 것도 가능하다.
도 7은 셀 Bn으로부터 셀 B1으로 에너지를 전달하는 다른 동작 모드(제2의 셀-셀 모드)를 설명한다. 도 7(a)는 도 6(a)와 마찬가지로 스위치 Sn+1, Sp1, Sp4 및 Sn을 턴온 시켜 셀 Bn의 에너지를 방전하면서 트랜스포머(120)에 에너지를 저장하는 과정을 보여준다. 그 후 도 7(b)와 같이 스위치 S1, Sc2, Sc1, S2를 턴온 시키면 트랜스포머(120)에 저장된 에너지가 2차 권선(122)을 통해 방전되어 셀 B1을 충전하는 전류가 흐른다. 도 7의 동작 모드에서 트랜스포머(120)는 2개 권선의 자속 결합을 활용하는 통상의 트랜스포머로서 동작하게 되고, 도 7(a)에서 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)을 통해 흐르는 트랜스포머(120)를 충전하는 전류(Ic)의 크기와 도 7(b)에서 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)을 통해 흐르는 트랜스포머(120)의 에너지를 방전하는 전류(Id)의 크기는 1차 권선(121)과 2차 권선(122)의 권선비(1:T)에 의해 Id/Ic = 1/T 의 관계가 성립한다. 따라서, 트랜스포머(120)의 충전 전류(Ic)에 대한 방전 전류(Id)의 크기의 비인 전류 이득(Id/Ic) = 1/T 이 된다. 즉, 도 7의 동작 모드(제2의 셀-셀 모드)는 셀로부터 셀로의 에너지 전달인 점에서는 도 6의 동작 모드와 동일하지만, 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)과 2차 권선(122)의 권선비를 활용하여 1/T의 전류 이득을 얻을 수 있다는 점에서 차이가 있다.
도 8는 셀 Bn으로부터 셀 B1으로 에너지를 전달하는 또 다른 동작 모드(제3의 셀-셀 모드)를 설명한다. 도 8(a) 단계에서 스위치 Sn+1, Sc1, Sc2, Sn을 턴온 시키면 셀 Bn으로부터 트랜스포머(120) 2차 권선(122)을 통해 전류가 흐르게 되어, 셀 Bn은 에너지를 방전하고 트랜스포머(120)에는 에너지가 저장된다. 그 후 도 8(b) 단계에서 스위치 S1, Sp4, Sp1, S2를 턴온 시키면 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)으로부터 셀 B1을 충전시키는 방향의 전류가 흐르게 되어 트랜스포머(120)는 에너지를 방전하고 셀 B1은 에너지를 충전한다. 따라서 셀 Bn으로부터 셀 B1으로 밸런싱을 수행하는 셀-셀 모드가 가능하다. 도 8의 셀-셀 모드는 셀로부터 셀로의 밸런싱을 수행한다는 점에서는 제1, 2의 셀-셀 모드와 동일하지만, 트랜스포머(120) 2차 권선(122)을 통해 에너지를 저장한 후 1차 권선(121)을 통해 방전한다는 점에서 차이가 있고, 이로부터 전류 이득(Id/Ic) = T 가 된다는 점에서 차이가 있다.
도 6 내지 도 8를 통해 도 5의 밸런싱 장치는 셀로부터 셀로 에너지를 전달할 수 있는 3가지의 동작 모드를 포함하고 있음을 알 수 있다. 이 3가지 동작 모드는 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하지 않고 트랜스포머(120)를 인덕터처럼 사용하여 전류 이득이 1인 모드(제1의 셀-셀 모드), 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하면서 전류 이득이 1/T인 모드(제2의 셀-셀 모드), 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하면서 전류 이득이 T인 모드(제3의 셀-셀 모드)로서, 셀(들)로부터 셀(들)로의 에너지 전달이 가능한 다양한 동작 모드를 제공하므로 방전하고자 하는 셀의 수와 충전하고자 하는 셀의 수 등 밸런싱이 수행되는 상황에 맞추어 적절한 모드를 선택할 수 있게 함으로써 밸런싱 알고리즘 설계의 자유도 및 효율성을 높일 수 있다.
도 9 내지 도 11은 셀로부터 모듈로의 밸런싱 모드(셀-모듈 모드)에 대해 설명하는 도면이다.
도 9는 셀 Bn으로부터 모듈(110)로 에너지를 전달하는 모드(제1의 셀-모듈 모드)를 설명한다. 도 9(a)에서 스위치 Sn+1, Sp1, Sp4, Sn을 턴온 시키면 셀 Bn으로부터 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)을 통해 전류가 흐르게 되어, 셀 Bn은 에너지를 방전하고 트랜스포머(120)에는 에너지가 저장된다. 그 후 도 9(b)와 같이 스위치 Sp3, Sn+1, S1, Sp2을 턴온 시키면 트랜스포머(120) 1차 권선(121)으로부터 모듈(110)을 충전하는 전류가 흐르게 되어, 트랜스포머(120)에 저장된 에너지는 방전되면서 배터리 모듈(110)로 에너지가 공급된다. 따라서 셀로부터 배터리 모듈(110)로 에너지가 전달되는 밸런싱 동작이 가능하다. 이 동작 모드에서 트랜스포머(120)는 2차 권선(122)을 사용하지 않고 1차 권선(121)만을 활용하여 인덕터처럼 동작하므로 도 6의 실시예와 마찬가지로 트랜스포머(120) 충전 전류에 대한 방전 전류의 크기의 비인 전류 이득은 1 이다. 도 9에서는 트랜스포머(120) 1차 권선(121)을 통해 인덕터처럼 동작하는 것에 대해 예시하였으나, 보조 스위치부(160)를 활용하여 트랜스포머(120) 2차 권선(122)을 인덕터처럼 사용하는 것도 가능하다.
도 10은 셀 Bn으로부터 모듈(110)로 에너지를 전달하는 다른 모드(제2의 셀-모듈 모드)를 설명한다. 도 10(a)에서, 스위치 Sn+1, Sp1, Sp4, Sn을 턴온 시키면 셀 Bn으로부터 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)으로 전류가 흐르게 되어 셀 Bn은 에너지를 방전하고 트랜스포머(120)에 에너지가 저장된다. 이후 도 10(b)와 같이 스위치 Sm1, Sm2를 턴온 시키면 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)으로부터 배터리 모듈(110) 전체를 충전하는 전류가 흐르게 되어 트랜스포머(120)는 에너지를 방전하고 배터리 모듈(110)에는 에너지가 저장된다. 따라서 셀로부터 모듈(110)로의 밸런싱 동작이 가능하다. 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)을 통해 에너지가 저장된 후 2차 권선(122)을 통해 트랜스포머(120)의 에너지가 방전되므로 도 7의 실시예와 같이 트랜스포머(120) 충전 전류에 대한 방전 전류의 크기의 비인 전류 이득(Id/Ic) = 1/T 이다.
도 11은 셀 Bn으로부터 모듈(110)로 에너지를 전달하는 또 다른 모드(제3의 셀-모듈 모드)를 설명한다. 도 11(a)에서 스위치 Sn+1, Sc1, Sc2, Sn을 턴온 시키면 셀 Bn으로부터 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)으로 전류가 흐르게 되어 셀 Bn은 에너지를 방전하고 트랜스포머(120)에는 에너지가 저장된다. 그 후 도 11(b)와 같이 스위치 Sp1, Sn+1, S1, Sp4를 턴온 시키면 트랜스포머(120) 1차 권선(121)으로부터 배터리 모듈(110)로 전류가 흐르게 되어, 트랜스포머(120)에 저장된 에너지는 방전되면서 배터리 모듈(110)로 에너지가 공급된다. 따라서 셀로부터 배터리 모듈(110)로 에너지가 전달되는 밸런싱 동작이 가능하다. 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)을 통해 에너지가 트랜스포머(120)에 저장된 후 1차 권선(121)을 통해 트랜스포머(120)의 에너지가 방전되므로 도 8의 실시예와 마찬가지로 트랜스포머(120) 충전 전류에 대한 방전 전류의 크기의 비인 전류 이득(Id/Ic) = T 이다.
도 9 내지 도 11을 통해 도 5의 밸런싱 장치는 셀로부터 모듈(110)로 에너지를 전달할 수 있는 3가지의 동작 모드가 가능함을 알 수 있다. 이 3가지 동작 모드는 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하지 않고 트랜스포머(120)를 인덕터처럼 사용하여 전류 이득이 1인 모드(제1의 셀-모듈 모드), 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하면서 전류 이득이 1/T인 모드(제2의 셀-모듈 모드), 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하면서 전류 이득이 T인 모드(제3의 셀-모듈 모드)로서, 셀(들)로부터 모듈로의 에너지 전달이 가능한 다양한 동작 모드를 제공하므로 방전하고자 하는 셀의 수와 모듈(110)에 포함된 셀의 수 등 밸런싱이 수행되는 상황에 맞추어 적절한 모드를 선택할 수 있게 함으로써 밸런싱 알고리즘 설계의 자유도 및 효율성을 높일 수 있다.
도 12 내지 도 14는 모듈(110)로부터 셀로의 밸런싱 모드(모듈-셀 모드)에 대해 설명하는 도면이다.
도 12는 모듈(110)로부터 셀 B2로 에너지를 전달하는 모드(제1의 모듈-셀 모드)를 설명한다. 도 12(a)에서 스위치 Sm1, Sm2를 턴온 시키면 모듈(110)로부터 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)을 통해 전류가 흐르게 되어, 모듈(110)은 에너지를 방전하고 트랜스포머(120)에는 에너지가 저장된다. 그 후 도 12(b)와 같이 스위치 Sc2, S3, S2, Sc1을 턴온 시키면 트랜스포머(120) 2차 권선(122)으로부터 셀 B2를 충전하는 전류가 흐르게 되어, 트랜스포머(120)에 저장된 에너지는 방전되면서 셀 B2로 에너지가 공급된다. 따라서 모듈(110)로부터 셀로 에너지가 전달되는 밸런싱 동작이 가능하다. 이 동작 모드에서 트랜스포머(120)는 2차 권선(122)만을 활용하여 인덕터처럼 동작하므로 도 6의 실시예와 마찬가지로 트랜스포머(120) 충전 전류에 대한 방전 전류의 크기의 비인 전류 이득은 1 이다. 도 12에서는 트랜스포머(120) 1차 권선(121)은 사용하지 않고 2차 권선(122)만을 통해 인덕터처럼 동작하는 것에 대해 예시하였으나, 셀 스위치부(130)와 극성 스위치부(140)를 동작시켜 트랜스포머(120) 1차 권선(121)을 사용해 인덕터처럼 활용하는 것도 가능하다.
도 13은 모듈(110)로부터 셀 B1으로 에너지를 전달하는 다른 모드(제2의 셀-모듈 모드)를 설명한다. 도 13(a)에서, 스위치 Sn+1, Sp1, Sp4, S1을 턴온 시키면 모듈(110)로부터 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)으로 전류가 흐르게 되어 모듈(110)은 에너지를 방전하고 트랜스포머(120)에는 에너지가 저장된다. 이후 도 13(b)와 같이 스위치 Sc1, S2, S1, Sc2를 턴온 시키면 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)으로부터 셀 B1을 충전하는 전류가 흐르게 되어 트랜스포머(120)는 에너지를 방전하고 셀 B1에는 에너지가 공급된다. 따라서 모듈(110)로부터 셀로의 밸런싱 동작이 가능하다. 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)을 통해 에너지가 저장된 후 2차 권선(122)을 통해 트랜스포머(120)의 에너지가 방전되므로 도 7의 실시예와 같이 트랜스포머(120) 충전 전류(Ic)에 대한 방전 전류(Id)의 크기의 비인 전류 이득(Id/Ic) = 1/T 이다.
도 14는 모듈(110)로부터 셀 B1으로 에너지를 전달하는 또 다른 모드(제3의 모듈-셀 모드)를 설명한다. 도 14(a)에서 스위치 Sm1, Sm2를 턴온 시키면 모듈(110)로부터 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)으로 전류가 흐르게 되어, 모듈(110)은 에너지를 방전하고 트랜스포머(120)에는 에너지가 저장된다. 그 후 도 14(b)와 같이 스위치 Sp1, S2, S1, Sp4를 턴온 시키면 트랜스포머(120) 1차 권선(121)으로부터 셀 B1으로 전류가 흐르게 되어, 트랜스포머(120)에 저장된 에너지는 방전되면서 셀 B1으로 에너지가 공급된다. 따라서 모듈(110)로부터 셀로 에너지가 전달되는 밸런싱 동작이 가능하다. 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)을 통해 트랜스포머(120)에 에너지가 저장된 후 1차 권선(121)을 통해 트랜스포머(120)의 에너지가 방전되므로 도 8의 실시예와 마찬가지로 트랜스포머(120) 충전 전류에 대한 방전 전류의 크기의 비인 전류 이득(Id/Ic) = T 이다.
도 12 내지 도 14를 통해 도 5의 밸런싱 장치는 모듈(110)로부터 셀로 에너지를 전달할 수 있는 3가지의 동작 모드가 가능함을 알 수 있다. 이 3가지 동작 모드는 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하지 않고 트랜스포머(120)를 인덕터처럼 사용하여 전류 이득이 1인 모드(제1의 모듈-셀 모드), 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하면서 전류 이득이 1/T인 모드(제2의 모듈-셀 모드), 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하면서 전류 이득이 T인 모드(제3의 모듈-셀 모드)로서, 모듈(110)로부터 셀(들)로의 밸런싱이 가능한 다양한 동작 모드를 제공하므로 모듈(110)에 포함된 셀의 수와 충전하고자 하는 셀의 수 등 밸런싱이 수행되는 상황에 맞추어 적절한 모드를 선택할 수 있게 함으로써 밸런싱 알고리즘 설계의 자유도 및 효율성을 높일 수 있다.
위 실시예들에서는 1개의 셀에 대해 에너지를 충, 방전 하는 경우를 예시하였으나, 스위치의 적절한 온/오프 동작에 의해 셀-셀, 셀-모듈, 모듈-셀 어느 모드에서도 복수의 셀에 대해 에너지를 충, 방전하는 것이 가능하다.
이와 같이 도 5의 실시예에 따른 밸런싱 장치에 의하면, 종래 기술에 비해 적은 수의 스위치를 사용하면서도 셀(들)로부터 셀(들)로, 셀(들)로부터 모듈로, 및 모듈로부터 셀(들)로의 다양한 밸런싱 동작이 가능하다. 또한, 각 밸런싱 동작에 있어서도 트랜스포머(120)의 권선비에 영향을 받지 않고 트랜스포머(120)가 인덕터처럼 동작하는 인덕터 모드와 트랜스포머(120)의 권선비를 활용하는 트랜스포머 모드가 가능하고, 트랜스포머 모드에서는 트랜스포머(120)의 권선비에 반비례하는 전류 이득(1/T) 및 트랜스포머(120)의 권선비에 비례하는 전류 이득(T)을 필요에 따라 선택적으로 사용 가능하게 한다. 따라서 도 5의 실시예에 따른 밸런싱 장치를 통해 낮은 제조 비용으로 효과적인 밸런싱 기능을 수행할 수 있다.
도 15는 도 5의 밸런싱 장치를 일부 변형한 실시예를 나타낸다. 도 15의 실시예에 따른 밸런싱 장치는 도 5의 밸런싱 장치에 비해 모듈 스위치부(150)를 사용하지 않는 점에서 차이가 있다. 모듈 스위치부(150)의 스위치 Sm1은 모듈(110)의 (+) 단자(module+)와 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)의 하나의 단자를 연결하는 스위치로서, 스위치 Sm1의 기능은 스위치 Sn+1 및 Sc1에 의해 대치가 가능하다. 모듈 스위치부(150)의 Sm1을 사용하면 1개의 스위치를 통해 전류가 흐르므로 2개의 스위치(Sn+1와 Sc1)를 통해 전류가 흐르는 것에 비해 손실이 감소하는 효과가 있으나, 스위치 개수가 부담이 된다면 제거 가능하다. 모듈 스위치부(150)의 스위치 Sm2도 동일하게 스위치 S1 및 Sc2에 의해 대치가 가능하고, 스위치 개수와 손실을 고려하여 사용 여부를 선택할 수 있다. 도 15의 실시예에 따른 밸런싱 장치에 의하면 도 5의 실시예에 따른 밸런싱 장치로부터 가능한 밸런싱 동작 모드는 모두 가능하다. 따라서 도 15의 밸런싱 장치는 적은 수의 스위치를 사용하면서도 효과적인 밸런싱 기능을 수행할 수 있다.
도 16은 도 5의 밸런싱 장치를 일부 변형한 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 16의 실시예에 따른 밸런싱 장치는 도 5의 밸런싱 장치에 비해 보조 스위치부(160)을 사용하지 않는 점에서 차이가 있다. 도 16의 실시예에 의하면, 도 5의 실시예에서 보조 스위치부(160)를 사용하는 일부 밸런싱 동작 모드는 활용할 수 없다는 단점이 있지만 스위치 개수를 줄일 수 있다는 장점이 있으므로, 스위치 개수에 의해 가격이나 사이즈가 부담이 될 경우에는 도 16의 실시예가 대안이 될 수 있다.
도 17은 도 5의 밸런싱 장치를 일부 변형한 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 17의 밸런싱 장치는 도 5의 밸런싱 장치에 비해 보조 스위치부(160)에 스위치 Sc3 및 Sc4를 더 포함하고 있다. 스위치 Sc3는 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)의 비-도트 단자를 제1 공통 노드(node 1)에 연결하는 기능을 하고, 스위치 Sc4는 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)의 도트 단자를 제2 공통 노드(node 2)에 연결하는 기능을 한다. 도 5의 밸런싱 장치에서는 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)의 어느 한 단자는 제1 공통 노드(node 1)와 제2 공통 노드(node 2) 중 어느 하나의 노드에만 접속이 가능하지만, 도 17의 밸런싱 장치에서는 보조 스위치부(160)에 스위치 Sc3 및 Sc4가 추가됨으로써, 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 각 단자는 제1, 2 공통 노드 중의 어디에나 접속할 수 있게 된다. 따라서, 트랜스포머(120) 2차 권선(122)의 각 단자가 셀의 어느 단자에나 어느 방향(충전 방향 혹은 방전 방향)으로도 접속할 수 있게 되므로 밸런싱 알고리즘 설계의 자유도가 더욱 높아지게 되고, 효과적인 밸런싱 기능의 수행이 가능하다.
도 18은 도 17의 밸런싱 장치를 일부 변형한 또 다른 실시예를 나타낸다. 도18의 실시예는 도 17의 실시예에 비해 모듈 스위치부(150)를 사용하지 않는 점에서 차이가 있다. 모듈 스위치부(150)의 스위치 Sm1은 모듈(110)의 (+) 단자(module+)와 트랜스포머(120)의 2차 권선(122)의 하나의 단자를 연결하는 스위치로서, 스위치 Sm1의 기능은 스위치 Sn+1 및 Sc1에 의해 대치가 가능하다. 모듈 스위치부(150)의 Sm1을 사용하면 1개의 스위치를 통해 전류가 흐르므로 2개의 스위치(Sn+1와 Sc1)를 통해 전류가 흐르는 것에 비해 손실이 감소하는 효과가 있으나, 스위치 개수가 부담이 된다면 제거 가능하다. 모듈 스위치부(150)의 스위치 Sm2도 동일하게 스위치 S1 및 Sc2에 의해 대치가 가능하고, 스위치 개수와 손실을 고려하여 사용 여부를 선택할 수 있다. 도 18의 실시예에 따른 밸런싱 장치에 의하면 도 17의 실시예에 따른 밸런싱 장치로부터 가능한 밸런싱 동작 모드는 모두 가능하다. 따라서 도 17의 밸런싱 장치에 비해 적은 수의 스위치를 사용하면서도 효과적인 밸런싱 기능을 수행할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 장치 및 방법에 의하면, 종래 기술에 비해 적은 수의 스위치를 사용하면서도 셀(들)로부터 셀(들)로, 셀(들)로부터 모듈로, 및 모듈로부터 셀(들)로의 밸런싱 동작이 모두 가능하고, 각 밸런싱 동작에 있어서도 다양한 전류 이득(1, 1/T, T)의 동작 모드를 가능하게 한다. 따라서 본 발명에 따른 밸런싱 장치 및 방법을 통해 낮은 제조 비용으로 효과적인 밸런싱 기능을 수행할 수 있다.
지금까지 배터리 셀을 예로 들어 설명하였으나 여기서의 배터리 셀은 에너지 저장 유닛을 예시한 것으로서, 밸런싱 대상이 되는 에너지 저장 유닛에는 하나의 배터리 셀, 배터리 셀들의 집합, 배터리 모듈, 또는 배터리가 아닌 다른 에너지 저장 유닛(들)이 될 수 있다. 또한, 트랜스포머(120)의 1차 권선(121)과 2차 권선(122)의 도트의 위치를 특정하여 설명하였으나 트랜스포머(120)의 양 권선의 도트 위치는 위 예시와는 다르게 형성될 수 있고, 1차 권선(121)과 2차 권선(122)의 도트의 상대적인 위치가 위 예시와는 다를 경우 바뀐 도트 위치에 따라 트랜스포머(120)에 저장된 에너지가 방전될 때의 전류 방향도 달라지는 것을 감안하여 스위치 네트워크(170)의 동작을 제어하면 된다.
위의 밸런싱 동작에 대한 설명에서, 한 번의 스위치 동작으로 트랜스포머(120)를 충전하고 한 번의 스위치 동작으로 트랜스포머(120)를 방전하며 밸런싱을 수행하는 것으로 예시적으로 설명하였으나, 하나의 밸런싱 동작 중에(예를 들어, 셀 Bn으로부터 셀 B1으로 에너지 전달하는 기간 내에서) 트랜스포머(120)의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복하며 PWM(펄스 폭 변조)과 같은 방식으로 에너지 전달을 수행할 수 있다. PWM 방식을 사용하면 짧은 주기 내에서 충전과 방전을 반복하므로 트랜스포머(120)의 사이즈를 줄이고 전달되는 에너지의 양을 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한 위 설명에서는 밸런싱 동작 중에 모듈(110) 외부와 충, 방전 전류를 주고 받는 것에 대해 언급하지 않았으나, 본 발명에 따른 밸런싱 장치는 밸런싱 동작 중에도 배터리 모듈(110)이 외부와 충, 방전 전류를 주고 받으면서 정상적인 동작이 가능하다. 그러나 밸런싱 동작 중에는 외부와의 일반적인 충, 방전 동작을 하지 않도록 할 수도 있다. 이 경우 밸런싱 동작 중에는 외부로 충, 방전 전류가 흐르지 않도록 차단하는 충방전 전류 차단부(미도시)를 배터리 모듈(110)과 연결 단자(Module+, Module-) 사이에 배치할 수도 있다. 배터리 모듈(110) 외부의 제어부(미도시)가 밸런싱 동작과 모듈(110)로의 충방전 동작의 제어를 통합하여 수행할 경우에는 이러한 충방전 전류 차단부를 별도로 구비하지 않을 수도 있다.
또한 도 5의 실시예에서는 셀 스위치부(130), 극성 스위치부(140), 보조 스위치부(160)에는 양방향 제어 가능한 양방향 스위치를 사용하고 모듈 스위치부(150)에는 단방향 스위치를 사용하는 것으로 예시하였으나, 이러한 양방향 스위치 또는 단방향 스위치의 선택은 예시적인 것에 불과하고 필요한 동작 모드에 따라 어느 방향의 제어 기능이 필요한지를 고려하여 양방향 스위치와 단방향 스위치를 적절히 변경하여 사용할 수 있다. 그리고 단방향 스위치에는 FET을 1개, 양방향 스위치에는 FET를 2개 사용하는 것으로 예시하였으나, ‘스위치’는 스위칭 기능을 가진 단위 유닛을 의미하는 것으로서, FET 외의 BJT, IGBT 등 통상적인 다른 종류의 스위칭 기능을 가진 소자가 사용될 수도 있고, 2개 이상의 스위칭 소자가 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 사용될 수도 있다.
이상 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
110 : 배터리 모듈
120 : 트랜스포머
121 : 트랜스포머 1차 권선
122 : 트랜스포머 2차 권선
130 : 셀 스위치부
140 : 극성 스위치부
150 : 모듈 스위치부
160 : 보조 스위치부
170 : 스위치 네트워크

Claims (17)

  1. 복수의 에너지 저장 유닛이 직렬로 연결된 에너지 저장 모듈의 에너지 저장 유닛 사이의 밸런싱을 위한 밸런싱 장치에 있어서,
    상기 밸런싱 장치는 셀 스위치부, 극성 스위치부 및 보조 스위치부를 포함하는 스위치 네트워크와 트랜스포머를 포함하고;
    상기 트랜스포머는 1차 권선과 2차 권선을 포함하며;
    상기 셀 스위치부는 복수의 스위치를 포함하되, 상기 셀 스위치부의 복수의 스위치 각각은 그 하나의 단자가 대응하는 에너지 저장 유닛의 단자에 연결되고, 상기 셀 스위치부의 복수의 스위치 중 일부의 다른 하나의 단자는 서로 공통으로 접속되어 제1 공통 노드를 형성하고, 상기 셀 스위치부의 복수의 스위치 중 다른 일부의 다른 하나의 단자는 서로 공통으로 접속되어 제2 공통 노드를 형성하며;
    상기 극성 스위치부는 상기 트랜스포머 1차 권선의 각 단자를 제1 공통 노드 또는 제2 공통 노드에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 포함하고;
    상기 보조 스위치부는 상기 제2 공통 노드와 상기 트랜스포머의 2차 권선의 일단을 연결하는 제1 보조 스위치 및 상기 제1 공통 노드와 상기 트랜스포머의 2차 권선의 타단을 연결하는 제2 보조 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 스위치부는 상기 에너지 저장 모듈에 포함된 에너지 저장 유닛의 개수보다 1개 더 많은 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 극성 스위치부는,
    상기 트랜스포머의 1차 권선의 하나의 단자와 상기 제2 공통 노드 사이에 구비된 제1 극성 스위치;
    상기 트랜스포머의 1차 권선의 하나의 단자와 상기 제1 공통 노드 사이에 구비된 제2 극성 스위치;
    상기 트랜스포머의 1차 권선의 다른 하나의 단자와 상기 제2 공통 노드 사이에 구비된 제3 극성 스위치; 및
    상기 트랜스포머의 1차 권선의 다른 하나의 단자와 상기 제1 공통 노드 사이에 구비된 제4 극성 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 장치는 상기 에너지 저장 모듈의 연결 단자(Module+, Module-)와 상기 트랜스포머 2차 권선의 단자를 연결하는 모듈 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모듈 스위치부는
    상기 에너지 저장 모듈의 (+) 단자와 상기 트랜스포머 2차 권선의 일단을 연결하는 제1 모듈 스위치; 및
    상기 에너지 저장 모듈의 (-) 단자와 상기 트랜스포머 2차 권선의 타단을 연결하는 제2 모듈 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 스위치부, 상기 극성 스위치부 및 상기 보조 스위치부에 포함된 스위치는 양방향 제어가 가능한 스위치인 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 네트워크는 PWM(펄스폭 변조) 방식으로 제어되어 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머를 충전하기 위해 사용된 권선을 트랜스포머에 저장된 에너지를 방전할 때도 사용하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머를 충전하기 위해 사용된 권선과는 다른 권선을 사용하여 트랜스포머에 저장된 에너지를 방전하면서, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로 에너지를 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머를 충전하기 위해 사용된 권선과는 다른 권선을 사용하여 트랜스포머에 저장된 에너지를 방전하면서, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛과 에너지 저장 모듈 사이에서 에너지를 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  11. 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 1차 권선과 2차 권선은 1:T의 권선비를 가지고,
    상기 스위치 네트워크는, 상기 트랜스포머를 충전하는 권선과 방전하는 권선의 선택에 의해 상기 트랜스포머의 충전 전류의 크기에 대한 방전 전류의 크기의 비인 전류 이득이 상기 권선비에 의해 달라지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
  12. 복수의 에너지 저장 유닛이 직렬로 연결된 에너지 저장 모듈을 위한 밸런싱 장치를 사용한 밸런싱 방법에 있어서,
    상기 밸런싱 장치는 스위치 네트워크와 트랜스포머를 포함하고,
    상기 트랜스포머는 2개의 권선을 포함하며,
    상기 스위치 네트워크는 상기 트랜스포머의 2개 권선의 4개 단자 각각을 상기 복수의 에너지 저장 유닛의 단자들 중 적어도 어느 하나에 선택적으로 연결할 수 있는 복수의 스위치를 포함하되;
    상기 밸런싱 방법은,
    상기 트랜스포머는 2개 권선 중 하나의 권선을 통해 상기 에너지 저장 유닛의적어도 하나로부터 에너지를 공급받는 단계; 및
    상기 트랜스포머는 상기 에너지를 공급받을 때 사용된 상기 하나의 권선을 통해 다시 다른 에너지 저장 유닛의 적어도 하나로 에너지를 공급하는 단계;를 통한 인덕터 모드 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 인덕터 모드 동작에서는 상기 트랜스포머의 2개 권선 중 다른 하나의 권선을 통해서는 전류가 흐르지 않는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 인덕터 모드 동작에서 상기 트랜스포머로 에너지를 공급하는 상기 적어도 하나의 에너지 저장 유닛은 에너지 저장 모듈인 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 인덕터 모드 동작에서 상기 트랜스포머로부터 에너지를 공급받는 상기 적어도 하나의 에너지 저장 유닛은 에너지 저장 모듈인 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 인덕터 모드 동작에 의해, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 에너지 저장 모듈로, 및 에너지 저장 모듈로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로의 에너지 전달이 모두 가능한 것을 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 밸런싱 방법은, 상기 상기 트랜스포머의 2개 권선의 권선비를 활용하는 트랜스포머 모드 동작에 의해서도, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로, 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로부터 에너지 저장 모듈로, 및 에너지 저장 모듈로부터 적어도 하나의 에너지 저장 유닛으로의 에너지 전달이 모두 가능한 것을 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
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