KR20210060208A - 셀 균등화 장치, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 균등화 방법 - Google Patents

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Abstract

제1 배터리 셀, 복수의 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 모듈의 셀 균등화 장치가 제공된다. 제1 인덕터의 제1 단자가 제1 배터리 셀의 음극에 연결되어 있으며, 제2 인덕터의 제1 단자가 제3 배터리 셀의 양극에 연결되어 있다. 제1 트랜지스터가 제1 인덕터의 제2 단자와 제2 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있다. 제1 액티브 소자가 제1 배터리 셀의 양극과 제1 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있으며, 제2 액티브 소자가 제3 배터리 셀의 음극과 제2 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있다.

Description

셀 균등화 장치, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 균등화 방법{CELL BALANCING APPARATUS, BATTERY APPARATUS INCLUDING THE SAME, AND CELL BALANCING METHOD}
본 발명은 셀 균등화 장치, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 균등화 방법에 관한 것이다.
배터리 팩 내부에는 다수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있으며, 배터리 셀 사이의 전압 편차는 배터리 셀의 과방전 또는 과충전을 초래하고, 배터리 셀의 수명 또한 감소시킬 수 있다. 이러한 전압 편차를 개선하기 위해서 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 내부에 셀 균등화(cell balancing) 회로를 설계한다.
셀 균등화 회로로, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 저항의 발열로 소모시켜서 배터리 셀 사이의 균형을 유지하는 패시브 셀 균등화 회로가 사용될 수 있다. 이 경우, 저항의 발열로 인해서 균등화를 위한 전류에 제한이 있으므로, 배터리 셀의 용량이 증가하는 추세에 맞추어 균등화를 위한 전류를 늘리기 어려운 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해, 상대적으로 전압이 높은 배터리 셀의 에너지를 상대적으로 전압이 낮은 배터리 셀의 에너지로 전달하는 액티브 셀 균등화 회로가 제안되었다. 그러나 액티브 셀 균등화 회로를 구현하기 위해서 많은 소자가 필요하므로, 셀 균등화 회로의 단가가 높다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 셀 균등화 회로의 단가를 줄일 수 있는 셀 균등화 장치, 이를 포함하는 배터리 장치 및 셀 균등화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 제1 배터리 셀, 복수의 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 모듈의 셀 균등화 장치가 제공된다. 상기 셀 균등화 장치는 제1 인덕터, 제2 인덕터, 제1 트랜지스터, 제1 액티브 소자 및 제2 액티브 소자를 포함한다. 상기 제1 인덕터의 제1 단자가 상기 제1 배터리 셀의 음극에 연결되어 있으며, 상기 제2 인덕터의 제2 단자가 상기 제3 배터리 셀의 양극에 연결되어 있다. 상기 제1 트랜지스터는 상기 제1 인덕터의 제2 단자와 상기 제2 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있다. 상기 제1 액티브 소자가 상기 제1 배터리 셀의 양극과 상기 제1 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있으며, 상기 제2 액티브 소자가 상기 제3 배터리 셀의 음극과 상기 제2 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있다.
상기 제1 액티브 소자는, 캐소드가 상기 제1 배터리 셀의 양극에 연결되고 애노드가 상기 제1 인덕터의 제2 단자에 연결되어 있는 제1 다이오드를 포함하고, 상기 제2 액티브 소자는, 캐소드가 상기 제2 인덕터의 제2 단자에 연결되고 애노드가 상기 제3 배터리 셀의 음극에 연결되어 있는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 셀 균등화 장치는, 셀 균등화 시에 상기 제1 트랜지스터를 온하는 동작과 오프하는 동작을 반복하는 처리 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 액티브 소자는, 상기 제1 배터리 셀의 양극과 상기 제1 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있는 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 액티브 소자는, 상기 제2 인덕터의 제2 단자와 상기 제3 배터리 셀의 음극 사이에 연결되어 있는 제3 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 셀 균등화 장치는, 상기 제1 및 제3 배터리 셀의 에너지를 상기 제2 배터리 셀로 전달하기 위한 셀 균등화 시에, 상기 제2 및 제3 트랜지스터를 온하는 동작과 오프하는 동작을 반복하는 처리 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 처리 회로는, 상기 제2 배터리 셀의 에너지를 상기 제1 및 제3 배터리 셀로 전달하기 위한 셀 균등화 시에, 상기 제1 트랜지스터를 온하는 동작과 오프하는 동작을 반복할 수 있다.
상기 제2 및 제3 트랜지스터는 각각 바디 다이오드를 가질 수 있다.
상기 배터리 모듈에서 상기 제1 배터리 셀은 양극 방향의 최외곽 배터리 셀이고, 상기 제3 배터리 셀은 음극 방향의 최외곽 배터리 셀일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 배터리 셀, 복수의 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 모듈, 상기 제1 배터리 셀의 음극에 연결되어 있는 제1 인덕터와 상기 제3 배터리 셀의 양극에 연결되어 있는 제2 인덕터를 포함하는 셀 균등화 회로, 그리고 처리 회로를 포함하는 배터리 장치가 제공된다. 상기 처리 회로는, 상기 제2 배터리 셀의 에너지를 상기 제1 및 제3 배터리 셀로 전달하기 위해서, 제1 기간에서, 상기 제2 배터리 셀, 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터를 거쳐서 형성되는 제1 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터에 전류를 주입하고, 제2 기간에서, 상기 제1 인덕터와 상기 제1 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제2 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 주입된 전류를 상기 제1 배터리 셀로 전달하며, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제3 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 주입된 전류를 상기 제3 배터리 셀로 전달한다.
상기 처리 회로는, 상기 제1 및 제3 배터리 셀의 에너지를 상기 제2 배터리 셀로 전달하기 위해서, 제3 기간에서, 상기 제1 배터리 셀과 상기 제1 인덕터를 거쳐서 형성되는 제4 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 전류를 주입하며, 상기 제3 배터리 셀과 상기 제2 인덕터를 거쳐서 형성되는 제5 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 전류를 주입하고, 제4 기간에서, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제6 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 주입된 전류를 상기 제2 배터리 셀로 전달하며, 상기 제2 인덕터와 상기 제2 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제7 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 주입된 전류를 상기 제2 배터리 셀로 전달할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 배터리 셀, 복수의 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 모듈의 셀 균등화 방법이 제공된다. 상기 셀 균등화 방법은, 상기 제1 배터리 셀과 상기 제3 배터리 셀의 전압이 상기 제2 배터리 셀의 전압보다 낮은 경우, 상기 제2 배터리 셀의 에너지를 상기 제1 및 제3 배터리 셀로 전달하는 단계, 그리고 상기 제1 및 제3 배터리 셀의 전압이 상기 제2 배터리 셀의 전압보다 높은 경우, 상기 제1 및 제3 배터리 셀의 에너지를 상기 제2 배터리 셀로 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 셀 균등화 회로에서 소자의 개수를 줄여서 단가를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 균등화 회로의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 균등화 회로의 신호 타이밍 및 전류를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시한 균등화 회로의 전류 경로를 나타내는 도면이다.
도 6은 방전 시의 최외곽 배터리 셀과 내부 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 도면이다.
도 7은 충전 시의 최외곽 배터리 셀과 내부 배터리 셀의 셀 전압을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 균등화 회로의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8에 도시한 균등화 회로의 신호 타이밍 및 전류를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 8에 도시한 균등화 회로의 전류 경로를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1을 참고하면, 배터리 장치(100)는 외부 장치(10)에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 외부 장치(10)가 부하인 경우, 배터리 장치(100)는 부하(10)로 에너지를 공급하는 전원으로 동작하여 방전된다. 외부 장치(10)가 충전기인 경우, 배터리 장치(100)는 충전기(10)를 통해 외부 에너지를 공급받아 충전된다.
부하로 동작하는 외부 장치(10)는 예를 들면 전자 장치, 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility)일 수 있다.
배터리 장치(100)는 배터리 팩(110), 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)(120) 및 스위치(131, 132)를 포함한다.
배터리 팩(110)은 전기적으로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(도시하지 않음)을 포함한다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 배터리 팩(110)은 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 있는 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 팩(110)에서 소정 개수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬 연결되어 원하는 에너지를 공급할 수 있다.
배터리 팩(110)은 배선을 통해 배터리 관리 시스템(120)에 연결되어 있다. 배터리 관리 시스템(120)은 복수의 배터리 셀에 대한 정보를 포함한 배터리 셀에 관한 다양한 정보를 취합 및 분석하여 배터리 셀의 충전 및 방전, 셀 균등화 동작, 보호 동작 등을 제어하고, 스위치(131, 132)의 동작을 제어할 수 있다.
배터리 관리 시스템(120)은 셀 균등화 회로(121) 및 처리 회로(122)를 포함한다. 셀 균등화 회로(121)는 배터리 팩(110)의 배터리 모듈에 대응한다. 어떤 실시예에서, 배터리 팩(110)이 복수의 배터리 모듈을 포함하는 경우, 복수의 배터리 모듈에 각각 대응하는 복수의 셀 균등화 회로(121)가 제공될 수 있다. 셀 균등화 회로(121)는 직렬로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀의 외곽 배터리 셀과 내부 배터리 셀 사이에서 셀 균등화를 수행한다. 어떤 실시예에서, 셀 균등화 회로(121)는 균등화가 필요한 경우 처리 회로(122)의 제어에 따라 균등화를 수행할 수 있다.
스위치(131, 132)는 배터리 팩(110)과 외부 장치(10) 사이에 연결되어 배터리 팩(110)과 외부 장치(10) 사이의 전기적 연결을 제어한다. 예를 들면, 스위치(131)는 배터리 팩(110)의 양극 전압이 출력되는 양극 출력 단자(PV(+))와 외부 장치(10)에 연결되는 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 연결되고, 스위치(132)는 배터리 팩(110)의 음극 전압이 출력되는 음극 출력 단자(PV(-))와 외부 장치(10)에 연결되는 음극 연결 단자(DC(-)) 사이에 연결될 수 있다. 어떤 실시예에서, 스위치(131, 132)는 트랜지스터 또는 릴레이일 수 있다.
처리 회로(122)는 셀 균등화 회로(121)의 동작 및 스위치(131, 132)의 동작을 제어한다. 처리 회로(122)는 프로세서를 포함하는 회로일 수 있으며, 프로세서는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다. 또한 처리 회로(122)는 프로세서의 제어에 따라 셀 균등화 회로(122)의 스위치의 동작을 제어하는 구동 드라이버를 더 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템(120)는 셀 전압 감지 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 처리 회로(122)는 셀 전압 감시 회로에서 감지한 배터리 셀의 전압에 기초하여서 균등화가 필요한지를 결정할 수 있다.
아래에서는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 셀 균등화 회로에 대해서 도 2를 참고로 하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 균등화 회로의 한 예를 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시한 균등화 회로의 신호 타이밍 및 전류를 나타내는 도면이고, 도 4 및 도 5는 도 2에 도시한 균등화 회로의 전류 경로를 나타내는 도면이다. 도 2 내지 도 5에서는 설명의 편의상 배터리 모듈에서 포함되는 직렬로 연결되어 있는 배터리 셀의 개수를 여섯 개로 가정하며, 배터리 셀의 개수는 여섯 개에 한정되지 않는다.
도 2를 참고하면, 셀 균등화 회로(200)는 트랜지스터(SW1), 인덕터(L1, L2) 및 다이오드(D1, D2)를 포함한다.
인덕터(L1)의 제1 단자는 복수의 배터리 셀(C1, C2, C3, C4, C5, C6) 중에서 양극 방향의 최외곽 배터리 셀(C1)과 이에 인접한 배터리 셀(C2)의 접점(즉, 최외곽 배터리 셀(C1)의 음극 및 인접 배터리 셀(C2)의 양극)에 연결되어 있다. 다이오드(D1)는 최외곽 배터리 셀(C1)의 양극과 인덕터(L1)의 제2 단자 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 다이오드(D1)의 캐소드가 최외곽 배터리 셀(C1)의 양극에 연결되고, 다이오드(D1)의 애노드가 인덕터(L1)의 제2 단자에 연결되어 있다.
인덕터(L2)의 제1 단자는 복수의 배터리 셀(C1-C6) 중에서 음극 방향의 최외곽 배터리 셀(C6)과 이에 인접한 배터리 셀(C5)의 접점(즉, 최외곽 배터리 셀(C6)의 양극 및 인접 배터리 셀(C5)의 음극)에 연결되어 있다. 다이오드(D2)는 최외곽 배터리 셀(C6)의 음극과 인덕터(L2)의 제2 단자 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 다이오드(D2)의 애노드가 최외곽 배터리 셀(C6)의 음극에 연결되고, 다이오드(D2)의 캐소드가 인덕터(L2)의 제2 단자에 연결되어 있다.
트랜지스터(SW1)는 인덕터(L1)의 제2 단자(즉, 다이오드(D1)의 애노드)와 인덕터(L2)의 제2 단자(즉, 다이오드(D2)의 캐소드) 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 트랜지스터(SW1)의 제1 단자가 인덕터(L1)의 제2 단자에 연결되고, 트랜지스터(SW1)의 제2 단자가 인덕터(L2)의 제2 단자에 연결되어 있다. 트랜지스터(SW1)는 제어 단자에 전달되는 처리 회로(도 1의 122), 예를 들면 처리 회로(122)의 구동 드라이버로부터의 제어 신호에 응답하여 온/오프될 수 있다. 어떤 실시예에서, 트랜지스터(SW1)는 MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)일 수 있다. 이 경우, 트랜지스터(SW1)는 바디 다이오드를 가질 수 있다. 한 실시예에서, 도 2에 도시한 것처럼, 트랜지스터(SW1)는 n채널 트랜지스터, 예를 들면 NMOS 트랜지스터일 수 있다. 이 경우, 트랜지스터(SW1)는 드레인, 소스 및 게이트를 각각 제1 단자, 제2 단자 및 제어 단자로 가진다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 균등화가 필요한 경우, t0에서 처리 회로(도 1의 122)로부터의 제어 신호에 응답하여 트랜지스터(SW1)가 온된다. 그러면 복수의 배터리 셀 중 내부 배터리 셀(C2-C5), 인덕터(L1), 트랜지스터(SW1) 및 인덕터(L2)를 거쳐서 전류 경로(I1)가 형성된다. 내부 배터리 셀(C2-C5)의 전압에 의해 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)가 점진적으로 증가하고, 내부 배터리 셀(C2-C5)를 통해 흐르는 전류(IC2-C5)도 점진적으로 증가한다. 즉, t0에서 t1까지의 기간 동안 내부 배터리 셀(C2-C5)의 에너지가 인덕터(L1, L2)에 주입될 수 있다.
다음, 도 3 및 도 5를 참고하면, t1에서 트랜지스터(SW1)가 오프되어, 인덕터(L1), 다이오드(D1) 및 양극 방향의 최외곽 배터리 셀(C1)을 거쳐서 전류 경로(I2)가 형성되고, 인덕터(L2), 음극 방향의 최외곽 배터리 셀(C6) 및 다이오드(D2)를 거쳐서 전류 경로(I3)가 형성된다. 이에 따라, 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)가 최외곽 배터리 셀(C1, C6)로 공급되어 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)가 점진적으로 감소하고, 최외곽 배터리 셀(C1, C6)를 통해 흐르는 전류(IC1, IC6)도 점진적으로 감소한다. 즉, t1에서 t2까지의 기간 동안 인덕터(L1, L2)에 주입된 에너지가 최외곽 배터리 셀(C1, C6)로 공급되어, 최외곽 배터리 셀(C1, C6)이 충전될 수 있다. 여기서, t2는 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)가 0이 되는 시점일 수 있다.
다음, 처리 회로(122)는 인덕터(L1, L2)에 전류(IL1, IL2)를 주입하는 동작(t0-t1) 및 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류로 최외곽 배터리 셀(C1, C6)을 충전하는 동작(t1-t2)을 균등화가 완료될 때까지 반복할 수 있다.
도 2에서는 최외곽 배터리 셀(C1, C6)과 인덕터(L1, L2) 사이의 전류 경로를 형성하기 위한 액티브 소자로 다이오드(D1, D2)가 사용되었지만, 다이오드(D1, D2) 대신에 다른 액티브 소자가 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 다이오드(D1, D2) 대신에 트랜지스터가 사용될 수 있다. 한 실시예에서, 트랜지스터(SW1)를 온할 때 다이오드 대신에 사용되는 트랜지스터를 오프하고, 트랜지스터(SW1)를 오프할 때 다이오드 대신에 사용되는 트랜지스터를 온할 수 있다. 다른 실시예에서, 트랜지스터(SW1)의 온/오프와 관계 없이 다이오드 대신에 사용되는 트랜지스터를 오프 상태로 유지할 수 있다. 이 경우, 인덕터(L1, L2)에 주입된 전류는 트랜지스터의 바디 다이오드를 통해 각각 최외곽 배터리 셀(C1, C6)로 전달될 수 있다.
배터리 장치(도 1의 100)가 외부 장치(도 1의 10)로 에너지를 공급하는 경우, 도 6에 도시한 것처럼 배터리 모듈에서 최외곽 배터리 셀의 온도가 낮아서 최외곽 배터리 셀이 먼저 방전될 수 있다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 내부 배터리 셀(C2-C6)의 에너지를 인덕터(L1, L2)를 통해 최외곽 배터리 셀로 전달할 수 있으므로, 균등화를 수행할 수 있다. 또한 배터리 셀마다 인덕터와 트랜지스터를 사용하는 종래의 액티브 셀 균등화 회로에 비해서 사용되는 소자의 수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 셀 균등화 회로의 단가를 줄일 수 있다.
한편, 충전기인 외부 장치(10)를 통해 배터리 장치(100)가 충전되는 경우, 도 7에 도시한 것처럼 내부 배터리 셀에 비해서 최외곽 배터리 셀이 먼저 충전될 수 있다. 이 경우, 최외곽 배터리 셀의 에너지를 내부 배터리 셀로 전달해서 균등화를 수행할 수 있다. 그러나 도 2에 도시한 셀 균등화 회로로는 최외곽 배터리 셀의 에너지를 내부 배터리 셀로 전달하지 못할 수 있다.
아래에서는 최외곽 배터리 셀의 에너지를 내부 배터리 셀로 전달할 수 있는 셀 균등화 회로에 대해서 도 8 내지 도 11을 참고로 하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 균등화 회로의 한 예를 나타내는 도면이며, 도 9는 도 8에 도시한 균등화 회로의 신호 타이밍 및 전류를 나타내는 도면이고, 도 10 및 도 11은 도 8에 도시한 균등화 회로의 전류 경로를 나타내는 도면이다. 도 8 내지 도 11에서는 설명의 편의상 배터리 모듈에서 포함되는 직렬로 연결되어 있는 배터리 셀의 개수를 여섯 개로 가정하며, 배터리 셀의 개수는 여섯 개에 한정되지 않는다.
도 8을 참고하면, 셀 균등화 회로(800)는 트랜지스터(SW1, SW2, SW3), 인덕터(L1, L2) 및 다이오드(D3, D4)를 포함한다.
트랜지스터(SW1) 및 인덕터(L1, L2)는 도 2를 참고로 하여 설명한 셀 균등화 회로(200)과 유사한 연결 관계를 가진다.
인덕터(L1)의 제1 단자는 복수의 배터리 셀(C1-C6) 중에서 양극 방향의 최외곽 배터리 셀(C1)과 이에 인접한 배터리 셀(C2)의 접점(즉, 최외곽 배터리 셀(C1)의 음극 및 인접 배터리 셀(C2)의 양극)에 연결되어 있다. 트랜지스터(SW2)는 최외곽 배터리 셀(C1)의 양극과 인덕터(L1)의 제2 단자 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 트랜지스터(SW2)의 제1 단자가 최외곽 배터리 셀(C1)의 양극에 연결되고, 트랜지스터(SW2)의 제2 단자가 인덕터(L1)의 제2 단자에 연결되어 있다.
인덕터(L2)의 제1 단자는 복수의 배터리 셀(C1-C6) 중에서 음극 방향의 최외곽 배터리 셀(C6)과 이에 인접한 배터리 셀(C5)의 접점(즉, 최외곽 배터리 셀(C6)의 양극 및 인접 배터리 셀(C5)의 음극)에 연결되어 있다. 트랜지스터(SW3)는 최외곽 배터리 셀(C6)의 음극과 인덕터(L2)의 제2 단자 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 트랜지스터(SW2)의 제1 단자가 인덕터(L2)의 제2 단자에 연결되고, 트랜지스터(SW2)의 제2 단자가 최외곽 배터리 셀(C6)의 음극에 연결되어 있다.
다이오드(D3)는 음극 방향의 최외곽 배터리 셀(C6)에 인접한 배터리 셀(C5)의 음극(즉, 최외곽 배터리 셀(C6)의 양극 및 인덕터(L2)의 제1 단자)와 인덕터(L1)의 제2 단자(즉, 트랜지스터(SW2)의 제2 단자) 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 다이오드(D3)의 애노드가 인접 배터리 셀(C5)의 음극에 연결되고, 다이오드(D3)의 캐소드가 인덕터(L1)의 제2 단자에 연결되어 있다. 다이오드(D4)는 양극 방향의 최외곽 배터리 셀(C1)에 인접한 배터리 셀(C2)의 양극(즉, 최외곽 배터리 셀(C1)의 음극 및 인덕터(L2)의 제1 단자)와 인덕터(L1)의 제2 단자(즉, 트랜지스터(SW2)의 제2 단자) 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 다이오드(D4)의 캐소드가 인접 배터리 셀(C2)의 양극에 연결되고, 다이오드(D4)의 애노드가 인덕터(L2)의 제2 단자에 연결되어 있다.
트랜지스터(SW1)는 인덕터(L1)의 제2 단자(즉, 트랜지스터(SW2)의 제2 단자 및 다이오드(D3)의 캐소드)와 인덕터(L2)의 제2 단자(즉, 트랜지스터(SW3)의 제1 단자 및 다이오드(D4)의 애노드) 사이에 연결되어 있다. 구체적으로, 트랜지스터(SW1)의 제1 단자가 인덕터(L1)의 제2 단자에 연결되고, 트랜지스터(SW1)의 제2 단자가 인덕터(L2)의 제2 단자에 연결되어 있다.
트랜지스터(SW1, SW2, SW3)는 제어 단자에 전달되는 처리 회로(도 1의 122), 예를 들면 처리 회로(122)의 구동 드라이버로부터의 제어 신호에 응답하여 온/오프될 수 있다. 어떤 실시예에서, 트랜지스터(SW1, SW2, SW3)는 MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)일 수 있다. 이 경우, 트랜지스터(SW1, SW2, SW3)는 바디 다이오드를 가질 수 있다. 한 실시예에서, 도 8에 도시한 것처럼, 트랜지스터(SW1, SW2, SW3)는 n채널 트랜지스터, 예를 들면 NMOS 트랜지스터일 수 있다. 이 경우, 트랜지스터(SW1, SW2, SW3)는 드레인, 소스 및 게이트를 각각 제1 단자, 제2 단자 및 제어 단자로 가진다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 최외곽 배터리 셀(C1, C6)의 에너지를 내부 배터리 셀(C2-C5)로 전달하기 위한 균등화가 필요한 경우, t0에서 처리 회로(도 1의 122)로부터의 제어 신호에 응답하여 트랜지스터(SW2, SW3)가 온된다. 그러면 양극 방향의 최외곽 배터리 셀(C1), 트랜지스터(SW2) 및 인덕터(L1)를 거쳐서 전류 경로(I1)가 형성되고, 음극 방향의 최외곽 배터리 셀(C6), 인덕터(L2) 및 트랜지스터(SW3)를 거쳐서 전류 경로(I2)가 형성된다. 최외곽 배터리 셀(C1, C6)의 전압에 의해 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)가 점진적으로 증가하고, 최외곽 배터리 셀(C1, C6)를 통해 흐르는 전류(IC1, IC6)도 점진적으로 증가한다. 즉, t0에서 t1까지의 기간 동안 최외곽 배터리 셀(C1, C6)의 에너지가 인덕터(L1, L2)에 주입될 수 있다.
다음, 도 9 및 도 11을 참고하면, t1에서 트랜지스터(SW2, SW3)가 오프되어, 인덕터(L1), 내부 배터리 셀(C2-C5) 및 다이오드(D3)을 거쳐서 전류 경로(I3)가 형성되고, 인덕터(L2), 다이오드(D4) 및 내부 배터리 셀(C2-C5)를 거쳐서 전류 경로(I4)가 형성된다. 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)가 내부 배터리 셀(C2-C5)로 공급되어 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)는 점진적으로 감소하고, 내부 배터리 셀(C2-C5)를 통해 흐르는 전류(IC2-C5)도 점진적으로 감소한다. 즉, t1에서 t2까지의 기간 동안 인덕터(L1, L2)에 주입된 에너지가 내부 배터리 셀(C2-C5)로 공급되어, 내부 배터리 셀(C2-C5)이 충전될 수 있다. 여기서, t2는 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류(IL1, IL2)가 0이 되는 시점일 수 있다.
다음, 처리 회로(122)는 인덕터(L1, L2)에 전류(IL1, IL2)를 주입하는 동작(t0-t1) 및 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류로 최외곽 배터리 셀(C1, C6)을 충전하는 동작(t1-t2)을 균등화가 완료될 때까지 반복할 수 있다.
한편, 내부 배터리 셀(C2-C5)의 에너지를 최외곽 배터리 셀(C1, C6)로 전달하기 위한 균등화가 필요한 경우, 도 3 내지 도 5를 참고로 하여 설명한 것처럼, 트랜지스터(SW1)의 온/오프 동작을 반복함으로써 균등화를 수행할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시한 것처럼, 먼저 처리 회로(122)는 트랜지스터(SW1)를 온하여서 내부 배터리 셀(C2-C5), 인덕터(L1), 트랜지스터(SW1) 및 인덕터(L2)를 거쳐서 전류 경로를 형성한다. 이에 따라, 내부 배터리 셀(C2-C5)의 에너지가 인덕터(L1, L2)에 주입될 수 있다.
다음, 처리 회로(122)는 트랜지스터(SW1)를 오프하여서, 인덕터(L1), 트랜지스터(SW2) 및 양극 방향의 최외곽 배터리 셀(C1)을 거쳐서 전류 경로를 형성하고, 인덕터(L2), 음극 방향의 최외곽 배터리 셀(C6) 및 트랜지스터(SW3)를 거쳐서 전류 경로를 형성한다. 이에 따라, 인덕터(L1, L2)에 주입된 에너지가 최외곽 배터리 셀(C1, C6)로 공급되어, 최외곽 배터리 셀(C1, C6)이 충전될 수 있다.
어떤 실시예에서, 최외곽 배터리 셀(C1, C6)로 에너지를 공급하기 위한 두 전류 경로는 각각 트랜지스터(SW2)의 바디 다이오드와 트랜지스터(SW3)의 바디 다이오드를 통해 형성될 수 있다. 한 실시예에서, 트랜지스터(SW1)를 온할 때 트랜지스터(SW2, SW3)를 오프하고, 트랜지스터(SW1)를 오프할 때 트랜지스터(SW2, SW3)를 온할 수 있다. 다른 실시예에서, 트랜지스터(SW1)의 온/오프와 관계 없이 트랜지스터(SW2, SW3)를 오프 상태로 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리 장치(도 1의 100)가 충전되는 경우처럼, 내부 배터리 셀에 비해서 최외곽 배터리 셀의 전압이 높은 경우, 최외곽 배터리 셀의 에너지를 내부 배터리 셀로 전달해서 균등화를 수행할 수 있다. 또한 배터리 장치(100)가 외부 장치(도 1의 10)로 에너지를 공급하는 경우처럼, 최외곽 배터리 셀의 전압이 내부 배터리 셀의 전압보다 낮은 경우, 내부 배터리 셀의 에너지를 최외곽 배터리 셀로 전달해서 균등화를 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (19)

  1. 제1 배터리 셀, 복수의 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 모듈의 셀 균등화 장치로서,
    상기 제1 배터리 셀의 음극에 제1 단자가 연결되어 있는 제1 인덕터,
    상기 제3 배터리 셀의 양극에 제1 단자가 연결되어 있는 제2 인덕터,
    상기 제1 인덕터의 제2 단자와 상기 제2 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있는 제1 트랜지스터,
    상기 제1 배터리 셀의 양극과 상기 제1 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있는 제1 액티브 소자, 그리고
    상기 제3 배터리 셀의 음극과 상기 제2 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있는 제2 액티브 소자
    를 포함하는 셀 균등화 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 액티브 소자는, 캐소드가 상기 제1 배터리 셀의 양극에 연결되고 애노드가 상기 제1 인덕터의 제2 단자에 연결되어 있는 제1 다이오드를 포함하며,
    상기 제2 액티브 소자는, 캐소드가 상기 제2 인덕터의 제2 단자에 연결되고 애노드가 상기 제3 배터리 셀의 음극에 연결되어 있는 제2 다이오드를 포함하는
    셀 균등화 장치.
  3. 제2항에서,
    셀 균등화 시에 상기 제1 트랜지스터를 온하는 동작과 오프하는 동작을 반복하는 처리 회로를 더 포함하는 셀 균등화 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 액티브 소자는, 상기 제1 배터리 셀의 양극과 상기 제1 인덕터의 제2 단자 사이에 연결되어 있는 제2 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제2 액티브 소자는, 상기 제2 인덕터의 제2 단자와 상기 제3 배터리 셀의 음극 사이에 연결되어 있는 제3 트랜지스터를 포함하는
    셀 균등화 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 및 제3 배터리 셀의 에너지를 상기 제2 배터리 셀로 전달하기 위한 셀 균등화 시에, 상기 제2 및 제3 트랜지스터를 온하는 동작과 오프하는 동작을 반복하는 처리 회로를 더 포함하는 셀 균등화 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 처리 회로는, 상기 제2 배터리 셀의 에너지를 상기 제1 및 제3 배터리 셀로 전달하기 위한 셀 균등화 시에, 상기 제1 트랜지스터를 온하는 동작과 오프하는 동작을 반복하는 셀 균등화 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 제2 및 제3 트랜지스터는 각각 바디 다이오드를 가지는 셀 균등화 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 배터리 모듈에서 상기 제1 배터리 셀은 양극 방향의 최외곽 배터리 셀이고, 상기 제3 배터리 셀은 음극 방향의 최외곽 배터리 셀인 셀 균등화 장치.
  9. 제1 배터리 셀, 복수의 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 모듈,
    상기 제1 배터리 셀의 음극에 연결되어 있는 제1 인덕터와 상기 제3 배터리 셀의 양극에 연결되어 있는 제2 인덕터를 포함하는 셀 균등화 회로, 그리고
    처리 회로를 포함하며,
    상기 처리 회로는, 상기 제2 배터리 셀의 에너지를 상기 제1 및 제3 배터리 셀로 전달하기 위해서,
    제1 기간에서, 상기 제2 배터리 셀, 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터를 거쳐서 형성되는 제1 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터에 전류를 주입하고,
    제2 기간에서, 상기 제1 인덕터와 상기 제1 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제2 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 주입된 전류를 상기 제1 배터리 셀로 전달하며, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제3 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 주입된 전류를 상기 제3 배터리 셀로 전달하는
    를 포함하는 배터리 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 셀 균등화 회로는, 상기 제1 전류 경로를 형성하기 위한 제1 트랜지스터, 상기 제2 전류 경로를 형성하기 위한 제1 다이오드 및 상기 제3 전류 경로를 형성하기 위한 제2 다이오드를 더 포함하는 배터리 장치.
  11. 제9항에서,
    상기 셀 균등화 회로는, 상기 제1 전류 경로를 형성하기 위한 제1 트랜지스터, 상기 제2 전류 경로를 형성하기 위한 제2 트랜지스터 및 상기 제3 전류 경로를 형성하기 위한 제3 트랜지스터를 더 포함하는 배터리 장치.
  12. 제9항에서,
    상기 처리 회로는, 상기 제1 및 제3 배터리 셀의 에너지를 상기 제2 배터리 셀로 전달하기 위해서,
    제3 기간에서, 상기 제1 배터리 셀과 상기 제1 인덕터를 거쳐서 형성되는 제4 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 전류를 주입하며, 상기 제3 배터리 셀과 상기 제2 인덕터를 거쳐서 형성되는 제5 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 전류를 주입하고,
    제4 기간에서, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제6 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 주입된 전류를 상기 제2 배터리 셀로 전달하며, 상기 제2 인덕터와 상기 제2 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제7 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 주입된 전류를 상기 제2 배터리 셀로 전달하는
    를 포함하는 배터리 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 셀 균등화 회로는, 상기 제4 전류 경로를 형성하기 위한 제1 트랜지스터, 상기 제5 전류 경로를 형성하기 위한 제2 트랜지스터, 상기 제6 전류 경로를 형성하기 위한 제1 다이오드 및 상기 제7 전류 경로를 형성하기 위한 제2 다이오드를 더 포함하는 배터리 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 셀 균등화 회로는, 상기 제1 전류 경로를 형성하기 위한 제3 트랜지스터를 더 포함하며,
    상기 제1 트랜지스터는 상기 제2 전류 경로를 형성하고, 상기 제2 트랜지스터는 상기 제3 전류 경로를 형성하는
    배터리 장치.
  15. 제9항에서,
    상기 배터리 모듈에서 상기 제1 배터리 셀은 양극 방향의 최외곽 배터리 셀이고, 상기 제3 배터리 셀은 음극 방향의 최외곽 배터리 셀인 배터리 장치.
  16. 제1 배터리 셀, 복수의 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 모듈의 셀 균등화 방법으로서,
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제3 배터리 셀의 전압이 상기 제2 배터리 셀의 전압보다 낮은 경우, 상기 제2 배터리 셀의 에너지를 상기 제1 및 제3 배터리 셀로 전달하는 단계, 그리고
    상기 제1 및 제3 배터리 셀의 전압이 상기 제2 배터리 셀의 전압보다 높은 경우, 상기 제1 및 제3 배터리 셀의 에너지를 상기 제2 배터리 셀로 전달하는 단계
    를 포함하는 셀 균등화 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 제2 배터리 셀의 에너지를 상기 제1 및 제3 배터리 셀로 전달하는 단계는,
    상기 제2 배터리 셀, 상기 제1 배터리 셀의 음극에 연결되어 있는 제1 인덕터 및 상기 제3 배터리 셀의 양극에 연결되어 있는 제2 인덕터를 거쳐서 형성되는 제1 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터에 전류를 주입하는 단계, 그리고
    상기 제1 인덕터와 상기 제1 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제2 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 주입된 전류를 상기 제1 배터리 셀로 전달하고, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제3 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 주입된 전류를 상기 제3 배터리 셀로 전달하는 단계
    를 포함하는 셀 균등화 방법.
  18. 제16항에서,
    상기 제1 및 제3 배터리 셀의 에너지를 상기 제2 배터리 셀로 전달하는 단계는,
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제1 배터리 셀의 음극에 연결되어 있는 상기 제1 인덕터를 거쳐서 형성되는 제1 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 전류를 주입하고, 상기 제3 배터리 셀과 상기 제3 배터리 셀의 양극에 연결되어 있는 제2 인덕터를 거쳐서 형성되는 제2 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 전류를 주입하는 단계, 그리고
    상기 제1 인덕터와 상기 제2 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제3 전류 경로를 통해 상기 제1 인덕터에 주입된 전류를 상기 제2 배터리 셀로 전달하고, 상기 제2 인덕터와 상기 제2 배터리 셀을 거쳐서 형성되는 제4 전류 경로를 통해 상기 제2 인덕터에 주입된 전류를 상기 제2 배터리 셀로 전달하는 단계
    를 포함하는 셀 균등화 방법.
  19. 제16항에서,
    상기 배터리 모듈에서 상기 제1 배터리 셀은 양극 방향의 최외곽 배터리 셀이고, 상기 제3 배터리 셀은 음극 방향의 최외곽 배터리 셀인 셀 균등화 방법.
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