WO2017014487A1 - 배터리 스택 밸런싱 장치 - Google Patents

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technique for balancing a battery, and more particularly, to an apparatus for balancing a battery stack including two or more battery modules by using a resonant circuit.
  • Secondary batteries that have high applicability according to the product range and have electrical characteristics such as high energy density are commonly used in electric vehicles (EVs) or hybrid vehicles (HVs) driven by electric driving sources as well as portable devices. It is applied.
  • EVs electric vehicles
  • HVs hybrid vehicles
  • the secondary battery is attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels is generated, but also no by-products of energy use are generated.
  • a battery pack applied to an electric vehicle or the like is typically composed of a plurality of battery cells connected in series and / or parallel structure, the battery cell includes a positive electrode current collector, a negative electrode current collector, a separator, an active material, an electrolyte, and the like, Repeated charging and discharging is possible by the electrochemical reaction between the components.
  • the battery pack generally includes power supply control, measurement of electrical characteristics such as current and voltage, charge / discharge control, voltage equalization control, SOC (state of charge) estimation, SOH (state of health) estimation, and the like. It is configured to include Battery Management System (BMS).
  • BMS Battery Management System
  • the performance of the plurality of battery cells constituting the battery pack may have variations due to various causes.
  • voltage unbalance between battery cells occurs due to performance deviation of the battery cells.
  • the performance of the battery pack depends on the battery cell whose performance is degraded, resulting in a problem that the performance of the entire battery pack is limited.
  • the deteriorated battery cell has a characteristic in that the deterioration is further accelerated, and if the battery cell is deteriorated, the life of the battery pack is also rapidly reduced.
  • a resistor is selectively connected to both ends of the battery cell to perform passive balancing in the form of discharging the battery cell, or a low voltage can be obtained by using a capacitor as the power of the battery cell having a high voltage. Active balancing has been performed to deliver the battery cells to the battery.
  • the conventional passive balancing technique consumes power by using a resistor to perform balancing, so that there is a problem of wasting power, and the conventional active balancing technique using a capacitor is required to generate a voltage difference between the battery cell and the capacitor. There is a problem that it takes a considerable time to perform the balancing, such as the switching operation must be performed repeatedly.
  • the present invention has been made to solve the problems of the conventional balancing technology, and it is an object of the present invention to provide a balancing device that enables power delivery to be performed quickly while performing balancing without wasting power.
  • Battery stack balancing device for achieving the above object, as a device for balancing a battery stack including a plurality of battery modules connected in series, a first capacitor and a first inductor connected in series with the first capacitor
  • a series resonant circuit comprising a;
  • a polarity changing circuit connected in series with a second inductor and the second inductor, the polarity changing circuit being selectively turned on or turned off and connected in parallel to the first capacitor;
  • a plurality of transfer switches respectively installed on the plurality of transmission lines and selectively turned on or turned off;
  • a control unit controlling the plurality of transfer switches and the polarity change switch.
  • each transmission line constituting the plurality of transmission lines may be alternately connected to one end or the other end of the series resonant circuit.
  • the control unit may control the plurality of transfer switches to be zero current switching or zero voltage switching according to half of the resonance period of the series resonance circuit.
  • the control unit controls the polarity change switch to be zero current switching or zero voltage switching according to half of a resonance period of a parallel resonance circuit formed by the first capacitor and the second inductor when the polarity change switch is turned on. can do.
  • the controller may control the polarity change switch and the plurality of transfer switches by comparing the polarity of the voltage of at least one battery module to which the series resonance circuit is supplied with the polarity of the voltage charged in the first capacitor. have.
  • the controller may be configured to turn on the polarity change switch when the voltage polarity of at least one battery module to which the series resonance circuit is supplied is equal to the polarity of the voltage charged in the first capacitor, and turn on the plurality of transfer switches. All can be controlled to turn off.
  • the controller may control the polarity change switch and the plurality of transfer switches by comparing the polarity of the voltage of at least one battery module to which the series resonance circuit is to be supplied with the polarity of the voltage charged in the first capacitor. .
  • the controller may turn off the polarity change switch if the voltage polarity of at least one battery module to which the series resonance circuit is to be supplied is equal to the polarity of the voltage charged in the first capacitor, and the series resonance circuit may turn off the power.
  • the two transfer switches connected to both ends of the at least one battery module to be supplied may be turned on, and the other transfer switches except for the two transfer switches may be controlled to be turned off.
  • the control unit turns on the polarity change switch when the voltage polarity of at least one battery module to which the series resonance circuit is to be supplied is different from the polarity of the voltage charged in the first capacitor, and turns on all of the plurality of transfer switches. Control to turn off.
  • the battery module may be a unit battery cell or a collection of two or more battery cells.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes the above-described battery stack balancing device.
  • An electric vehicle according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes the above-described battery stack balancing device.
  • balancing is performed using a series resonant circuit, but zero voltage or zero current switching is performed according to a half cycle of the series resonant circuit, so that the balancing is efficient and quick by maximizing the voltage difference between the battery cell and the resonant circuit. Can be done.
  • the number of transfer lines and transfer switches can be reduced by using a polarity change circuit connected in parallel to the first capacitor of the series resonant circuit.
  • a parallel resonant circuit composed of the first capacitor and the second inductor can be formed, and balancing can be performed more efficiently through resonance of the parallel resonant circuit.
  • FIG. 1 is a view showing a battery stack balancing device connected to a battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of time t0 and shows a state where the transfer switch adjacent to the first battery module is turned on.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of time t0 and shows a state where the transfer switch adjacent to the first battery module is turned on.
  • 3 is a graph showing the voltage of the first capacitor with respect to time.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a time point when a half cycle of the series resonant circuit has elapsed from t0, showing a state where the transfer switch adjacent to the first battery module is turned off and the transfer switch adjacent to the third battery module is turned on.
  • 5 is a graph showing the voltage of the first capacitor with respect to time.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a time point when the half cycle of the series resonant circuit has elapsed from t0, showing a state in which the transfer switch adjacent to the first battery module is turned off and the polarity change switch is turned on.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a time point when the half cycle of the parallel resonance circuit has elapsed from t1, showing a state in which the polarity change switch is turned off and the transfer switch adjacent to the second battery module is turned on.
  • FIG. 10 is a diagram showing a state of the circuit diagram before changing the polarity of the voltage of the first capacitor.
  • FIG. 11 is a diagram showing a state of the circuit diagram after changing the polarity of the voltage of the first capacitor.
  • FIG. 13 is a diagram showing a state of the circuit diagram before changing the polarity of the voltage of the first capacitor.
  • FIG. 14 is a diagram showing a state of the circuit diagram after changing the polarity of the voltage of the first capacitor.
  • 15 is a graph showing the voltage of the first capacitor with respect to time.
  • 16 is a diagram illustrating a battery stack balancing device connected to a battery stack according to another embodiment of the present invention.
  • control unit' described in the specification means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a view showing a battery stack balancing device connected to a battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery stack 10 includes a plurality of battery modules 20.
  • the battery stack 10 is an assembly of a plurality of battery modules 20.
  • the battery modules 20 may be connected in series with each other.
  • the number of battery modules 20 is illustrated as three, but the number of battery modules 20 is not limited thereto.
  • the battery module 20 includes a battery cell.
  • the battery module 20 is a unit battery cell 30 or a collection of two or more battery cells 30.
  • the battery cells 30 may be connected in series or in parallel with each other, or may be connected in series and in parallel.
  • the battery module 20 two battery cells 30 are connected in series, the number and connection relationship of the battery cells 30 is not limited thereto.
  • the battery stack balancing device 100 may include a series resonance circuit 110, a polarity change circuit 120, a plurality of transmission lines 131, 132, 133, and 134 and a plurality of transmission switches. 141, 142, 143, and 144 and a controller (not shown).
  • the series resonant circuit 110 may be formed by connecting a capacitor and an inductor in series.
  • a capacitor included in the series resonant circuit 110 is referred to as a first capacitor 111
  • an inductor included in the series resonant circuit 110 is referred to as a first inductor 112.
  • the capacitance of the first capacitor 111 and the inductance of the first inductor 112 may be selected to an appropriate value in consideration of the power to be charged and the resonance period.
  • the polarity change circuit 120 may be connected in parallel to the first capacitor 111.
  • the polarity change circuit 120 includes an inductor and a switch.
  • the inductor included in the polarity change circuit 120 is referred to as the second inductor 121
  • the switch included in the polarity change circuit 120 is referred to as the polarity change switch 122.
  • the polarity change switch 122 may be selectively turned on or turned off according to a control signal of a controller to be described later.
  • the polarity change switch 122 may be implemented with various switching elements. According to one embodiment, the polarity change switch 122 may be implemented as a MOSFET.
  • the polarity change switch 122 may be connected in series with the second inductor 121.
  • the second inductor 121 When the polarity change switch 122 is turned on, the second inductor 121 is connected in parallel with the first capacitor 111. That is, when the polarity change switch 122 is turned on, the second inductor 121 and the first capacitor 111 may form a parallel resonance circuit. On the contrary, when the polarity change switch 122 is turned off, the parallel connection of the second inductor 121 and the first capacitor 111 is released.
  • the capacitance of the first capacitor 111 and the inductance of the second inductor 121 may be selected to an appropriate value in consideration of the resonance period.
  • the inductance of the second inductor 121 is set to a value smaller than the inductance of the first inductor 112 so that the resonance period of the parallel resonant circuit is set to be shorter than the resonance period of the series resonant circuit 110. Can be set.
  • the plurality of transmission lines 131, 132, 133, and 134 electrically connect the plurality of nodes N1, N2, N3, and N4 formed in the battery stack 10 to the series resonant circuit 110.
  • the plurality of nodes N1, N2, N3, and N4 formed in the battery stack 10 may include two nodes N1 and N4 formed at both ends of the battery stack 10, and the battery modules 20, respectively.
  • the plurality of nodes N1, N2, N3, and N4 formed in the battery stack 10 are formed at the high potential of the node N1 and the battery stack 10 formed at the low potential of the battery stack 10. Means the nodes N2 and N3 respectively formed between the node N4 and two adjacent battery modules 20.
  • One end of the plurality of transmission lines 131, 132, 133, and 134 is electrically connected to the plurality of nodes N1, N2, N3, and N4.
  • the other ends of the plurality of transmission lines 131, 132, 133, and 134 are electrically connected to the series resonant circuit 110.
  • one end of one transmission line is connected to any one node formed in the battery stack 10, and the other end of the one transmission line is connected to the series resonance circuit 110.
  • each of the transmission lines is connected to one end of the series resonant circuit 110 or the other end of the series resonant circuit 110.
  • any one battery module 20 may be electrically connected to the series resonant circuit 110 by transmission lines connected to both ends of the one battery module 20, respectively.
  • the other end of each transmission line constituting the plurality of transmission lines 131, 132, 133, and 134 may be alternately connected to one end and the other end of the series resonant circuit 110. That is, as shown in FIG.
  • each transmission line connected to the plurality of nodes is connected to one end or the other end of the series resonant circuit 110, and has a high potential at a low potential node or a low potential node at a high potential node. It may be alternately connected to one end or the other end of the series resonant circuit 110 along the node direction.
  • At least one switch may be installed on each transmission line 131, 132, 133, and 134.
  • the switches installed on the respective transmission lines 131, 132, 133, and 134 are referred to as transfer switches 141, 142, 143, and 144.
  • the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 may be installed on the plurality of transfer lines 131, 132, 133, and 134.
  • the transfer switches 141, 142, 143, and 144 may be implemented by various switching elements, and according to an embodiment, the transfer switches 141, 142, 143, and 144 may be implemented by MOSFETs.
  • the transfer switches 141, 142, 143, and 144 may be selectively turned on or turned off according to a control signal of a controller to be described later.
  • the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 may be selectively turned on and off to electrically connect the at least one battery module 20 and the series resonant circuit 110 through at least two transmission lines. To be connected.
  • the controller may control the polarity change switch 122 and the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144.
  • the controller may be connected to the polarity change switch 122 and the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 to transfer a control signal to control the switching operation.
  • the polarity change switch 122 and the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 are implemented as MOSFETs, and the controller selectively applies a voltage to a gate terminal of the MOSFET to switch Can be controlled.
  • the three battery modules 20 will be referred to as a first battery module 21, a second battery module 22, and a third battery module 23, respectively.
  • the voltages of the three battery modules are represented by V1, V2, and V3, respectively, and V1, V2, and V3 all have positive values.
  • the voltage of the first capacitor 111 is represented by Vc.
  • Vc which is the voltage of the first capacitor 111, may have a negative value unlike V1, V2, and V3.
  • V1, V2, V3, and Vc are values that change with time.
  • FIG. 2 is a circuit diagram at time t0, showing a state where the transfer switch adjacent to the first battery module is turned on
  • FIG. 3 is a graph showing the voltage of the first capacitor with respect to time.
  • Figure 3 is a graph showing the voltage of the first capacitor in the circuit formed by the controller at the time t0.
  • the controller (not shown) is configured to be adjacent to the first battery module 21 at time t0 to transfer power stored in the first battery module 21 to the series resonant circuit 110.
  • the transfer switches 141 and 142 are turned on, the remaining transfer switches 143 and 144 are turned off, and the polarity change switch 122 is turned off.
  • the controller turns on two transfer switches 141 and 142 connected to both ends of the first battery module 21, and the other transfer switches 143 and 144 except for the two transfer switches 141 and 142. Turn off, and the polarity change switch 122 is turned off.
  • a circuit as shown in FIG. 2 is configured to form a closed path by the first battery module 21, the transmission line 132, the series resonant circuit 110, and the transmission line 131.
  • Power stored in the first battery module 21 is transferred to the series resonant circuit 110 by LC series resonant.
  • the voltage of the first capacitor 111 after t0 is represented by a graph as shown in FIG. 3. That is, in the series resonant circuit 110 in which the capacitor, the inductor, and the voltage source are connected in series, the voltage of the capacitor vibrates as shown in FIG. 3 according to the resonance period.
  • the voltage charged in the first capacitor 111 has a maximum value in accordance with the half cycle of the series resonant circuit (110).
  • the initial voltage V1i of the first battery module 21 may be referred to as V1 (t0), which is the voltage of the first battery module 21 at the time t0.
  • the controller controls the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 and the polarity change switch 122 to be zero voltage switching or zero current switching according to half of the resonance period of the series resonant circuit 110. good.
  • the controller may perform zero voltage switching by controlling the switches to change the switching at a time t0 + Ts / 2 at which the half cycle elapses from the time t0 at which charging starts.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a time point when a half cycle of the series resonant circuit has elapsed from t0, showing a state in which the transfer switch adjacent to the first battery module is turned off and the transfer switch adjacent to the third battery module is turned on.
  • 5 is a graph showing the voltage of the first capacitor 111 with respect to time.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a zero voltage switching performed by the controller when a half cycle of the series resonance circuit elapses after the circuit diagram of FIG. 2 is formed.
  • FIG. 5 is a circuit changed according to switching control of the controller. Is a graph showing the voltage of the first capacitor 111 over time.
  • the first capacitor 111 of the series resonant circuit 110 has a voltage twice that of the voltage of the first battery module 21. * V1i) is charged. Meanwhile, the voltage polarity of the third battery module 23 connected to the series resonant circuit 110 to receive power is the same as the voltage polarity of the first capacitor 111. More specifically, assuming that the series resonance circuit 110 is electrically connected to the third battery module 23, the polarity of the voltage of the third battery module 23 is the polarity of the voltage of the first capacitor 111.
  • the voltage polarity of the third battery module 23 to receive power from the series resonant circuit 110 and the voltage polarity of the first capacitor 111 are the same, and the magnitude of the voltage charged in the first capacitor 111 is the third. Since the voltage of the battery module 23 is approximately twice that of the voltage, the power from the series resonance circuit 110 to the third battery module 23 even when the series resonance circuit 110 is connected to the third battery module 23 as it is. Delivery can occur naturally.
  • the controller controls the third battery module 23 to supply the power stored in the series resonant circuit 110 to the third battery module 23 without changing the voltage polarity charged in the first capacitor 111. That is, as shown in FIG. 4, the controller turns on two transfer switches 143 and 144 connected to both ends of the third battery module 23 and excludes the two transfer switches 143 and 144. The other transfer switches 141 and 142 are turned off and the polarity change switch 122 is controlled to be turned off.
  • the power stored in the series resonant circuit 110 may be transferred to the third battery module 23.
  • the voltage of the first capacitor 111 at the time t0 + Ts / 2 is 2 * V1i as twice the initial voltage V1i of the first battery module 21.
  • 2 * Vli is the initial voltage value of the first capacitor 111 in the circuit (FIG. 4) formed at time t0 + Ts / 2. Therefore, the voltage of the first capacitor 111 changes as shown in FIG. 5 while the power stored in the series resonant circuit 110 is transferred to the third battery module 23.
  • the power stored in the series resonance circuit 110 is transferred to the third battery module 23.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a time point when a half cycle of the series resonance circuit has elapsed from t0, showing a state in which the transfer switch adjacent to the first battery module is turned off and the polarity change switch 122 is turned on. Is a graph showing the voltage of the first capacitor 111 with respect to time.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a zero voltage switching performed by the controller at the time when a half cycle of the series resonant circuit elapses after the circuit diagram of FIG. 2 is formed.
  • FIG. 7 is a circuit changed according to switching control of the controller. Is a graph showing the voltage of the first capacitor 111 over time.
  • the first capacitor 111 of the series resonant circuit 110 at the time point at which charging ends (t0 + Ts / 2) is twice the initial voltage of the first battery module 21 ( 2 * Vli) is charged.
  • the voltage polarity of the second battery module 22 connected to the series resonant circuit 110 to receive power is different from the voltage polarity of the first capacitor 111. More specifically, assuming that the series resonance circuit 110 is electrically connected to the second battery module 22, the polarity of the voltage of the second battery module 22 is the polarity of the voltage of the first capacitor 111. Is different.
  • the series resonance circuit 110 is electrically connected to the second battery module 22, the high potential terminal of the second battery module 22 is connected to the low potential terminal of the first capacitor 111. 2 is connected to the low potential terminal of the battery module 22 and the high potential terminal of the first capacitor 111 (see FIG. 1 and the like).
  • the reason why the voltage polarity of the first capacitor 111 and the voltage polarity of the second battery module 22 are different is that a plurality of transmission lines 131, 132, 133, and 134 alternately connect to the series resonant circuit 110. Because it is connected.
  • the series resonant circuit 110 is different from the second battery module 22.
  • the transfer of power may be performed from the second battery module 22 to the series resonant circuit 110 differently from the balancing intention. Therefore, in order to transfer the power stored in the series resonant circuit 110 to the second battery module 22, it is necessary to change the polarity of the voltage charged in the first capacitor 111.
  • the controller changes the polarity of the voltage charged in the first capacitor 111 through the polarity change circuit 120 instead of directly connecting the series resonant circuit 110 with the second battery module 22.
  • the serial resonant circuit 110 and the second battery module 22 are controlled to be connected.
  • the control unit turns on the polarity change switch 122 and controls to turn off all of the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144. That is, the controller turns on the polarity change switch 122 at the time point at which charging ends (t0 + Ts / 2), turns off all of the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 to form a first A resonance circuit is formed by the capacitor 111 and the second inductor 121 of the polarity change circuit 120. As shown in FIG. 3, the voltage of the first capacitor 111 at the time t0 + Ts / 2 is 2 * V1i as twice the initial voltage V1i of the first battery module 21.
  • Vli is the initial voltage value of the first capacitor 111 in the circuit (FIG. 6) formed at time t0 + Ts / 2. That is, the voltage stored in the first capacitor 111 at the time when the parallel resonant circuit formed by the first capacitor 111 and the second inductor 121 is formed is 2 * Vli, which is shown in FIG.
  • the parallel resonant circuit formed by the first capacitor 111 and the second inductor 121 repeats vibration in accordance with the resonance period of the parallel resonant circuit. Since the parallel resonant circuit is not connected to a power source such as a battery module, the voltage of the first capacitor 111 is changed in polarity with time as shown in FIG. That is, the polarity of the voltage of the first capacitor 111 is changed every time the half cycle passes.
  • the polarity of the voltage of the first capacitor 111 at the time points t1 + Tp / 2, t1 + Tp + Tp / 2, t1 + 2 * Tp + Tp / 2, t1 + 3 * Tp + Tp / 2, etc. Has a polarity opposite to that of the voltage of the first capacitor 111 at the time when the parallel resonant circuit is formed.
  • the controller may control the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 and the polarity change switch 122 to be zero voltage switching or zero current switching in accordance with half of the resonance period of the parallel resonance circuit. .
  • the controller controls the second battery module 22 to store the power stored in the series resonant circuit 110 at a time point t1 + Tp / 2 at which the half cycle elapses from the time point t1 at which the parallel resonant circuit is formed.
  • Zero voltage switching may be performed by controlling the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 and the polarity change switch 122 so as to be transmitted to each other.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a time point when the half cycle of the parallel resonance circuit has elapsed from t1, showing a state in which the polarity change switch is turned off and the transfer switch adjacent to the second battery module is turned on, and FIG. Is a graph showing the voltage of the first capacitor with respect to.
  • the control unit turns off the polarity change switch 122 as shown in FIG. 8 at the time t1 + Tp / 2 after the half cycle of the parallel resonant cycle has elapsed from the time t1 at which the parallel resonant circuit is formed.
  • the serial resonant circuit 110 is connected to the second battery module 22 in a state where the polarity of the first capacitor 111 is changed.
  • the polarity of the voltage of the first capacitor 111 is changed, the voltage of the first capacitor 111 at the time t1 + Tp / 2 is -2 * V1i.
  • ⁇ 2 * Vli is a voltage value charged in the first capacitor 111 when the series resonance circuit 110 is connected to the second battery module 22.
  • the power stored in the series resonant circuit 110 may be transferred to the second battery module 22. That is, the series resonant circuit 110 may charge the second battery module 22.
  • a change in the voltage of the first capacitor 111 in the process of transferring the power stored in the series resonant circuit 110 to the second battery module 22 is illustrated in FIG. 9. More specifically, power stored in the series resonant circuit 110 is transferred to the second battery module 22 during the period from t1 + Tp / 2 to t1 + Tp / 2 + Ts / 2 in FIG. 9.
  • the voltage of the first capacitor 111 is not 0 at the time t0 + Ts of FIG. 5, and the first capacitor 111 at the time t1 + Tp / 2 + Ts / 2 of FIG. 9. You can also see that the voltage at) is not zero. This is because some charge remains in the first capacitor 111 in the process of transferring power from the series resonant circuit 110 to the battery module. As such, when charge remains in the first capacitor 111, since a charging voltage exists in the first capacitor 111, power transfer from the battery module to the first capacitor 111 may not be smoothly performed.
  • Va is a value greater than zero.
  • the series resonant circuit 110 is to be connected to the first battery module 21 or the third battery module 23 in order to perform balancing, due to the charge remaining in the first capacitor 111. Power delivery may not be smooth. This is because the polarity of the voltage of the first battery module 21 or the third battery module 23 and the polarity of the voltage of the first capacitor 111 are the same. More specifically, assuming that the series resonance circuit 110 is electrically connected to the first battery module 21 or the third battery module 23, the first battery module 21 or the third battery module 23.
  • the controller controls the switches to change the polarity of the voltage of the first capacitor 111 in order to facilitate power transfer from the battery module to the series resonant circuit 110.
  • FIG. 10 is a diagram showing a state of a circuit diagram before changing the polarity of the voltage of the first capacitor 111
  • FIG. 11 is a diagram showing a state of a circuit diagram after changing the polarity of the voltage of the first capacitor 111
  • 12 is a graph showing the voltage of the first capacitor 111 with respect to time.
  • the control unit controls to turn on the polarity change switch 122 and turn off all of the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 at time t0 + Ts as shown in FIG. 10. Since the voltage of the first capacitor 111 at Va time T0 + Ts is Va, as shown in FIG. 10, the controller maintains this switching state until time t0 + Ts + Tp / 2 and t0 + Ts + Tp / 2. At this time, the voltage of the first capacitor 111 is controlled to be -Va. That is, the controller changes the polarity of the voltage of the first capacitor 111 so that the voltage of the first capacitor 111 is -Va to -Va.
  • the controller controls the polarity change switch 122 and the transfer switch to connect the series resonance circuit 110 and the first battery module 21 or the third battery module 23 at a time t0 + Ts + Tp / 2. do.
  • the controller may control the third battery module 23 at a time t0 + Ts + Tp / 2 as shown in FIG. 11. Turn on the two transfer switches 143 and 144 connected to both ends, turn off the transfer switches 141 and 142 except for the two transfer switches 143 and 144, and change the polarity change switch 122. Control off). As shown in FIG.
  • the voltage of the first capacitor 111 is in a state where the polarity is changed to ⁇ Va, and thus the series resonant circuit 110 after t0 + Tp + Tp / 2.
  • this process that is, changing the polarity of the first capacitor 111, and the change in the voltage of the first capacitor 111 during the process of receiving power from the third battery module 23 is the t0 + of FIG. Shown in the interval after Ts
  • the series resonant circuit 110 when the series resonant circuit 110 is to be connected to the second battery module 22 in order to balance, the power is transferred to the second battery module 22 even though the charge remains in the first capacitor 111. Can be made smoothly. This is because the polarity of the voltage of the second battery module 22 and the polarity of the voltage of the first capacitor 111 are different. More specifically, assuming that the series resonant circuit 110 is electrically connected to the second battery module 22, the polarity of the voltage of the second battery module 22 and the polarity of the voltage of the first capacitor 111. Since is different, the power transfer from the second battery module 22 to the series resonant circuit 110 can be performed smoothly.
  • the controller controls the switches such that the series resonance circuit 110 and the second battery module 22 are directly connected without changing the polarity of the first capacitor 111.
  • the voltage of the first capacitor 111 is -Vb.
  • -Vb is less than zero.
  • the series resonant circuit 110 needs to be connected to the second battery module 22 in order to perform balancing, power transfer may not be smoothly performed by the charge remaining in the first capacitor 111. Can be. This is because the polarity of the voltage of the second battery module 22 and the polarity of the voltage of the first capacitor 111 are the same. More specifically, assuming that the series resonant circuit 110 is electrically connected to the second battery module 22, the polarity of the voltage of the second battery module 22 and the polarity of the voltage of the first capacitor 111.
  • the controller controls the switches to change the polarity of the voltage of the first capacitor 111 in order to facilitate power transfer from the battery module to the series resonant circuit 110.
  • FIG. 13 is a diagram showing a state of the circuit diagram before changing the polarity of the voltage of the first capacitor 111
  • FIG. 14 is a diagram showing a state of the circuit diagram after changing the polarity of the voltage of the first capacitor 111
  • 15 is a graph showing the voltage of the first capacitor 111 with respect to time.
  • the controller turns on the polarity change switch 122 and turns off all of the plurality of transfer switches 141, 142, 143, and 144 as shown in FIG. 13.
  • the controller changes the polarity of the voltage of the first capacitor 111 so that the voltage of the first capacitor 111 is from -Vb to Vb.
  • the controller controls the polarity change switch 122 and the transfer switch to connect the series resonant circuit 110 and the second battery module 22 at a time t0 + Tp + Ts / 2. That is, as shown in FIG. 14, the controller turns on two transfer switches 142 and 143 connected to both ends of the second battery module 22 at the time t0 + Tp + Ts / 2, and the two transfer switches.
  • the other transfer switches 141 and 144 except for 142 and 143 are turned off, and the polarity change switch 122 is controlled to be turned off. As shown in FIG.
  • the voltage of the first capacitor 111 is in a state where the polarity is changed to Vb, and thus the series resonant circuit 110 after t0 + Tp + Tp / 2. May be performed from the second battery module 22 to the second battery module 22.
  • changing the polarity of the first capacitor 111 and the change in the voltage of the first capacitor 111 during the process of receiving power from the second battery module 22 is the t0 + of FIG. It is shown in the interval after Tp / 2 + Ts / 2.
  • the series resonance circuit 110 when the series resonance circuit 110 is to be connected to the first battery module 21 or the third battery module 23 in order to balance, the first battery even if the charge remains in the first capacitor 111 Power transfer with the module 21 or the third battery module 23 can be made smoothly. This is because the polarities of the voltages of the first battery module 21 and the third battery module 23 are different from the polarities of the voltages of the first capacitor 111. More specifically, assuming that the series resonant circuit 110 is electrically connected to the first battery module 21 or the third battery module 23, respectively, the polarity and voltage of the voltage of the first battery module 21 may be reduced.
  • the controller controls the switches such that the series resonant circuit 110 and the first battery module 21 or the third battery module 23 are directly connected without changing the polarity of the first capacitor 111.
  • the battery stack balancing device 100 is not limited to the number of battery modules. That is, even if the number of battery modules increases, the above description may be applied as it is. Those skilled in the art will be able to easily implement the battery stack balancing device 100 based on the disclosure herein even when the number of battery modules increases.
  • the battery stack balancing device 100 may be performed by the electrical connection between the adjacent odd number of battery modules and the series resonant circuit 110.
  • the controller may include the first battery module, the second battery module 22, and the first battery module.
  • the third battery module 23 and the series resonance circuit 110 are electrically connected to control the power stored in the first battery module, the second battery module 22, and the third battery module 23 by the series resonance circuit 110.
  • Can be delivered as The controller controls the fourth battery module, the fifth battery module, the sixth battery module, and the series resonant circuit 110 to be electrically connected to each other, so that the fourth battery module, the fifth battery module, and the sixth battery module are connected in series.
  • the power stored in the furnace 110 may be transferred.
  • the controller controls the fifth battery module, the sixth battery module, and the seventh battery module and the series resonance circuit 110 to be electrically connected to each other, thereby controlling the fifth battery module, the sixth battery module, and the seventh battery module in series.
  • the power stored in the resonant circuit 110 may be transferred, and the series resonant circuit 110 may transfer power to three other adjacent battery modules.
  • the controller may change the polarity of the voltage of the first capacitor 111 by using the polarity change circuit 120 in the power transfer process between the battery modules and the series resonance circuit 110.
  • 16 is a view showing a battery stack balancing device connected to a battery stack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery stack balancing device 100 may be compared with the battery stack balancing device 100 illustrated in FIG. 1, etc., and a consumption circuit connected to the first capacitor 111 in parallel.
  • the only difference is that it includes more (160). Therefore, the above descriptions may be applied to the description of the battery stack balancing apparatus 100 according to another embodiment of the present invention without departing from the contradiction. Therefore, repeated description of the same components will be omitted.
  • the consumption circuit 160 includes a resistor and a switch connected in series with the resistor.
  • the resistor 161 is referred to as a power consumption resistor 161
  • the switch 162 connected in series with the resistor is referred to as a power consumption switch 162.
  • the consumption switch 162 may be turned on or off according to a control signal of a controller (not shown), and may be implemented by various switching elements.
  • the consumption circuit 160 is one of the other means for solving the problem that the charge to the first capacitor 111 is not efficiently performed by the charge remaining in the first capacitor 111 in the process of balancing. .
  • the voltage of the first capacitor 111 is not 0 at the time t0 + Ts of FIG. 5, and the first capacitor 111 at the time t1 + Tp / 2 + Ts / 2 of FIG. 9. You can also see that the voltage at) is not zero. This is because some of the charge is left in the first capacitor 111 in the process of transferring power from the series resonant circuit 110 to the battery module as described above. As such, when charge remains in the first capacitor 111, a voltage difference exists in the first capacitor 111, and thus power transfer from the battery module to the first capacitor 111 may not be smoothly performed. Therefore, the battery stack balancing device 100 according to another embodiment of the present invention may consume all of the remaining charge in the first capacitor 111 by using the consumption circuit 160.
  • the controller turns on the consumption switch 162 and turns off the transfer switches 141, 142, 143, and 144 before transferring power from the battery module to the series resonance circuit 110.
  • the electric charge remaining in the first capacitor 111 is consumed.
  • the polarity change switch 122 may be turned on or turned off, but preferably, the polarity change switch 122 is turned off.
  • the control unit maintains a state in which the consumption switch 162 is turned on and the transfer switches 141, 142, 143, and 144 are all turned off until the reference time elapses.
  • the reference time may be set to a time such that the charge remaining in the first capacitor 111 may be regarded as exhausted.
  • the above-described battery stack balancing device 100 may be included in a battery pack. That is, the battery pack according to another aspect of the present invention may include the battery stack balancing device 100 described above.
  • the battery pack may include a battery management device, and the battery management device may include the battery stack balancing device 100 as one component.
  • the battery stack balancing device 100 may be included in an automobile. That is, the vehicle according to another aspect of the present invention may include the battery stack balancing device 100 described above.
  • the vehicle may include a battery pack, and the battery stack balancing device 100 may be provided in the battery pack.
  • the vehicle may include a vehicle control device, and the battery stack balancing device 100 may be provided in the vehicle control device.
  • the automobile includes not only an electric vehicle or a hybrid vehicle, which is a vehicle using electric energy as a power source, but also an automobile having electric equipment supplied with electric energy from the electric energy.

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Abstract

본 발명은, 전력을 낭비하지 않고 밸런싱을 수행하면서도, 전력 전달이 신속하게 수행될 수 있도록 하는 밸런싱 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 밸런싱하는 장치로서, 제1커패시터 및 상기 제1커패시터와 직렬 연결된 제1인덕터를 포함하는 직렬공진회로; 제2인덕터 및 상기 제2인덕터와 직렬 연결되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 극성변경스위치를 포함하고, 상기 제1커패시터에 병렬 연결되는 극성변경회로; 일단이 상기 배터리 스택의 저전위단, 상기 배터리 스택의 고전위단 및 상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈들 사이에 각각 형성된 복수의 노드들에 각각 전기적으로 연결되고, 타단이 상기 직렬공진회로에 연결된 복수의 전달 선로들; 상기 복수의 전달 선로들 상에 각각 설치되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 복수의 전달 스위치들; 및 상기 복수의 전달 스위치들 및 상기 극성변경스위치를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

배터리 스택 밸런싱 장치
본 발명은 배터리를 밸런싱하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 공진회로를 이용하여 밸런싱하는 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 7월 23일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2015-0104539호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
한편, 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 통상적으로 직렬 및/또는 병렬 구조로 연결되는 복수 개의 배터리 셀로 구성되는데, 상기 배터리 셀은 양극 집전체, 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해질 등을 포함하며, 상기 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
그리고, 배터리 팩은, 일반적으로 전력 공급 제어, 전류, 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 추정, SOH(State Of Health) 추정 등을 수행하는 BMS(Battery Management System)를 포함하여 구성된다.
한편, 배터리 팩을 구성하는 복수 개의 배터리 셀의 성능은 다양한 원인에 의해 편차가 존재할 수 있다. 그리고, 배터리 셀의 성능 편차 등에 의해 배터리 셀 간의 전압 불균형이 발생하게 된다.
이와 같은 불균형이 발생한 상태에서 배터리 팩을 사용하게 될 경우, 배터리 팩의 성능은, 성능이 저하된 배터리 셀에 의존하게 되어 배터리 팩 전체의 성능이 제한되는 문제점이 발생하게 된다. 뿐만 아니라, 성능이 저하된 배터리 셀은 성능 저하가 더욱 가속화되는 특성이 있어서, 성능이 저하된 배터리 셀을 방치하게 되면 배터리 팩의 수명도 급속히 줄어들게 되는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 배터리 셀의 양단에 저항이 선택적으로 연결되도록 하여 배터리 셀을 방전시키는 형태의 패시브 밸런싱을 수행하거나, 높은 전압을 갖는 배터리 셀의 전력을 커패시터를 매개로 하여 낮은 전압을 갖는 배터리 셀로 전달하는 액티브 밸런싱을 수행해왔다.
그러나 종래의 패시브 밸런싱 기술은 저항을 이용하여 전력을 소모시켜 밸런싱을 수행하므로, 전력을 낭비하게 되는 문제가 있고, 커패시터를 이용한 종래의 액티브 밸런싱 기술은 배터리 셀과 커패시터 사이의 전압 차이를 발생시키기 위해 스위칭 동작이 반복적으로 수행되어야 하는 등 밸런싱을 수행하는데 상당한 시간이 소요된다는 문제가 있다.
본 발명은 종래의 밸런싱 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전력을 낭비하지 않고 밸런싱을 수행하면서도, 전력 전달이 신속하게 수행될 수 있도록 하는 밸런싱 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 밸런싱하는 장치로서, 제1커패시터 및 상기 제1커패시터와 직렬 연결된 제1인덕터를 포함하는 직렬공진회로; 제2인덕터 및 상기 제2인덕터와 직렬 연결되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 극성변경스위치를 포함하고, 상기 제1커패시터에 병렬 연결되는 극성변경회로; 일단이 상기 배터리 스택의 저전위단, 상기 배터리 스택의 고전위단 및 상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈들 사이에 각각 형성된 복수의 노드들에 각각 전기적으로 연결되고, 타단이 상기 직렬공진회로에 연결된 복수의 전달 선로들; 상기 복수의 전달 선로들 상에 각각 설치되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 복수의 전달 스위치들; 및 상기 복수의 전달 스위치들 및 상기 극성변경스위치를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 복수의 전달 선로들을 구성하는 각 전달 선로의 타단은, 상기 직렬공진 회로의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 직렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 복수의 전달 스위치들을 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 극성변경스위치가 턴 온되었을 때 상기 제1커패시터와 상기 제2인덕터가 형성하는 병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 극성변경스위치를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 극성변경스위치 및 상기 복수의 전달 스위치를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 극성변경스위치 및 상기 복수의 전달 스위치를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 극성변경스위치를 턴 오프시키고, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 연결된 2개의 전달 스위치를 턴 온시키고, 상기 2개의 전달 스위치를 제외한 나머지 전달 스위치들을 턴 오프시키도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 다르면 상기 극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 단위 배터리 셀 또는 2 이상의 배터리 셀의 집합체일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 전술한 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는, 전술한 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함한다.
본 발명에 의하면, 직렬공진회로를 이용하여 밸런싱을 수행하되, 직렬공진회로의 반주기에 맞추어 영전압 또는 영전류 스위칭을 수행하므로, 배터리 셀과 공진 회로 사이의 전압 차를 극대화하여 밸런싱이 효율적이고 신속하게 이루어질 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 직렬공진회로의 제1커패시터에 병렬 연결된 극성변경회로를 이용함으로써, 전달 선로 및 전달 스위치의 개수를 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 극성변경회로의 극성변경스위치를 턴 온시킴으로써 상기 제1커패시터와 제2인덕터로 구성된 병렬공진회로를 형성하고, 상기 병렬공진회로의 공진을 통해 밸런싱이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는, t0시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타난 그래프이다.
도 4는, t0로부터 직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 오프시키고, 제3배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은, t0로부터 직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 오프시키고, 극성변경스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은, t1으로부터 병렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 극성변경스위치를 턴 오프시키고, 제2배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 10은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 12는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 13은, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 14는, 제1커패시터의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이다.
도 15는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 16은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '제어부'와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 스택(10)은 복수의 배터리 모듈(20)을 포함한다. 상기 배터리 스택(10)은, 복수의 배터리 모듈(20)의 집합체이다. 여기서, 배터리 모듈(20)들은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 배터리 모듈(20)의 개수는 3개 인 것으로 도시되어 있으나, 배터리 모듈(20)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 배터리 모듈(20)은, 배터리 셀을 포함한다. 상기 배터리 모듈(20)은, 단위 배터리 셀(30) 또는 2 이상의 배터리 셀(30)의 집합체이다. 이때, 배터리 셀(30)들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 직렬 및 병렬로 연결될 수도 있다. 도 1의 실시예에서, 배터리 모듈(20)은, 2개의 배터리 셀(30)이 직렬 연결되어 있으나, 배터리 셀(30)의 개수 및 연결관계가 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 직렬공진회로(110), 극성변경회로(120), 복수의 전달 선로들(131, 132, 133, 134), 복수의 전달 스위치들 (141, 142, 143, 144) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 직렬공진회로(110)는, 커패시터와 인덕터가 직렬 연결되어 형성될 수 있다. 본 명세서에서, 직렬공진회로(110)에 포함된 커패시터는 제1커패시터(111)라고 지칭되고, 상기 직렬공진회로(110)에 포함된 인덕터는 제1인덕터(112)라고 지칭된다. 상기 제1커패시터(111)의 커패시턴스와 상기 제1인덕터(112)의 인덕턴스는 충전될 전력 및 공진주기 등을 고려하여 적절한 값으로 선택될 수 있다.
상기 극성변경회로(120)는 상기 제1커패시터(111)에 병렬연결될 수 있다. 상기 극성변경회로(120)는 인덕터와 스위치를 포함한다. 본 명세서에서, 극성변경회로(120)에 포함된 인덕터는 제2인덕터(121)라고 지칭되며, 극성변경회로(120)에 포함된 스위치는 극성변경스위치(122)라고 지칭된다. 상기 극성변경스위치(122)는 후술할 제어부의 제어신호에 따라 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 상기 극성변경스위치(122)는 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 극성변경스위치(122)는 MOSFET으로 구현될 수 있다. 상기 극성변경스위치(122)는 제2인덕터(121)와 직렬 연결될 수 있다. 상기 극성변경스위치(122)가 턴 온될 경우, 제2인덕터(121)는 제1커패시터(111)와 병렬 연결된다. 즉, 상기 극성변경스위치(122)가 턴 온될 경우, 제2인덕터(121)와 제1커패시터(111)는 병렬공진회로를 형성할 수 있다. 이와 달리 극성변경스위치(122)가 턴 오프될 경우, 제2인덕터(121)와 제1커패시터(111)의 병렬 연결은 해제된다. 그리고, 상기 제1커패시터(111)의 커패시턴스와 상기 제2인덕터(121)의 인덕턴스는 공진주기 등을 고려하여 적절한 값으로 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2인덕터(121)의 인덕턴스는, 병렬공진회로의 공진주기가 직렬공진회로(110)의 공진주기보다 짧게 설정되도록 하기 위해, 제1인덕터(112)의 인덕턴스보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
상기 복수의 전달 선로들(131, 132, 133, 134)은, 배터리 스택(10)에 형성된 복수의 노드(N1, N2, N3, N4)들과 직렬공진회로(110)를 전기적으로 연결한다. 여기서, 배터리 스택(10)에 형성된 복수의 노드들(N1, N2, N3, N4)은, 배터리 스택(10)의 양단에 각각 형성된 2개의 노드(N1, N4)와, 배터리 모듈(20)들 사이에 각각 형성된 노드들(N2, N3)을 의미한다. 다시 말해, 배터리 스택(10)에 형성된 복수의 노드들(N1, N2, N3, N4)은 배터리 스택(10)의 저전위단에 형성된 노드(N1), 배터리 스택(10)의 고전위단에 형성된 노드(N4) 및 인접한 2개의 배터리 모듈(20)들 사이에 각각 형성된 노드들(N2, N3)을 의미한다. 상기 복수의 전달 선로들(131, 132, 133, 134)의 일단은, 이러한 복수의 노드들(N1, N2, N3, N4)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 상기 복수의 전달 선로들(131, 132, 133, 134)의 타단은 직렬공진회로(110)에 전기적으로 연결된다. 다시 말해, 어느 하나의 전달 선로의 일단은 배터리 스택(10)에 형성된 어느 하나의 노드에 연결되고, 상기 어느 하나의 전달 선로의 타단은 직렬공진회로(110)에 연결된다.
이때, 각 전달 선로들의 타단은, 직렬공진회로(110)의 일단에 연결되거나, 상기 직렬공진회로(110)의 타단에 연결된다. 따라서, 어느 하나의 배터리 모듈(20)은, 상기 어느 하나의 배터리 모듈(20)의 양단에 각각 연결된 전달 선로에 의해 직렬공진회로(110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 복수의 전달 선로들(131, 132, 133, 134)을 구성하는 각 전달 선로의 타단은, 직렬공진회로(110)의 일단 및 타단에 교호적으로 연결될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 노드들에 연결된 각 전달 선로의 타단은 직렬공진회로(110)의 일단 또는 타단에 연결되되, 고전위 노드에서 저전위 노드 방향 또는 저전위 노드에서 고전위 노드 방향을 따라 직렬공진회로(110)의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결될 수 있다.
그리고, 각 전달 선로(131, 132, 133, 134) 상에는 적어도 하나의 스위치가 설치될 수 있다. 본 명세서에서, 각 전달 선로(131, 132, 133, 134) 상에 설치된 스위치는 전달 스위치(141, 142, 143, 144)라고 지칭된다.
즉, 상기 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)은, 상기 복수의 전달 선로들(131, 132, 133, 134) 상에 설치될 수 있다. 전달 스위치(141, 142, 143, 144)는, 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있으며, 일 실시예에 따르면 상기 전달 스위치(141, 142, 143, 144)는 MOSFET으로 구현될 수 있다. 상기 전달 스위치(141, 142, 143, 144)는 후술할 제어부의 제어신호에 따라 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 상기 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)은, 선택적으로 턴 온 및 턴 오프되어 적어도 2개의 전달 선로를 통해 적어도 하나의 배터리 모듈(20)과 직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 한다.
상기 제어부(미도시)는, 극성변경스위치(122) 및 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 제어할 수 있다. 상기 제어부는 극성변경스위치(122) 및 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)과 통신 연결되어 제어신호를 전달하여 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 극성변경스위치(122) 및 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)은 MOSFET으로 구현되고, 상기 제어부는 상기 MOSFET의 게이트 단자에 선택적으로 전압을 인가하여 스위치를 제어할 수 있다.
이하, 도 2 등을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)의 밸런싱 동작을 설명하도록 한다.
설명의 편의를 위해, 3개의 배터리 모듈(20)을 각각 제1배터리 모듈(21), 제2배터리 모듈(22), 제3배터리 모듈(23)이라고 명명하도록 한다. 그리고, 도면에 도시된 바와 같이, 3개의 배터리 모듈의 전압은 각각 V1, V2 및 V3로 표시되며, V1, V2 및 V3는 모두 양의 값을 가진다. 그리고, 도면에 도시된 바와 같이, 제1커패시터(111)의 전압은 Vc로 표시된다. 제1커패시터(111)의 전압인 Vc는 V1, V2, V3와 달리 음의 값을 가질 수도 있다. 또한, V1, V2, V3 및 Vc는 시간에 따라 변화하는 값이다.
먼저, 제1배터리 모듈(21)에 저장된 전력을 직렬공진회로(110)로 전달하는 과정에 대해 설명한다.
도 2는, t0시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다. 다시 말해, 도 3은 t0시점에서 제어부에 의해 형성된 회로에서의 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 상기 제어부(미도시)는, 제1배터리 모듈(21)에 저장된 전력을 직렬공진회로(110)로 전달하기 위해, t0 시점에 제1배터리 모듈(21)에 인접한 전달 스위치들(141, 142)을 턴 온시키고, 나머지 전달 스위치들(143, 144)을 턴 오프시키며, 극성변경스위치(122)를 턴 오프시킨다. 다시 말해, 제어부는, 제1배터리 모듈(21)의 양단에 연결된 2개의 전달 스위치(141, 142)를 턴 온시키고, 상기 2개의 전달 스위치(141, 142)를 제외한 나머지 전달 스위치들(143,144)을 턴 오프시키며, 극성변경스위치(122)를 턴 오프시킨다.
그 결과, 도 2에 도시된 바와 같은 회로가 구성되어, 제1배터리 모듈(21), 전달 선로(132), 직렬공진회로(110), 전달 선로(131)에 의한 폐경로가 형성된다. 제1배터리 모듈(21)에 저장된 전력은 LC직렬공진에 의해 직렬공진회로(110)로 전달된다. 도 2에 도시된 회로가 형성된 임의의 시점인 t0에서 커패시터와 인덕터에 초기에너지가 저장되어 있지 않은 것으로 가정하면, t0 이후의 제1커패시터(111)의 전압은 도 3과 같은 그래프로 표현된다. 즉, 커패시터, 인덕터 및 전압소스가 직렬연결된 직렬공진회로(110)에서 커패시터의 전압은 공진주기에 따라 도 3과 같이 진동한다. 이때, 제1커패시터(111)에 충전되는 전압은 직렬공진회로(110)의 반주기에 맞추어 최대값을 갖는다. 다시 말해, t0+Ts/2, t0+Ts+Ts/2, t0+2*Ts+Ts/2, t0+3*Ts+Ts/2 등의 시점에서 제1커패시터(111)에 충전되는 전압은, 전압소스인 제1배터리 모듈(21)의 초기 전압(V1i)의 2배가 되는 값(2*V1i))으로서 최대값을 갖는다. 한편, 제1배터리 모듈(21)의 초기전압(V1i)은 t0시점에 제1배터리 모듈(21)의 전압인 V1(t0)라고 할 수 있다.
제어부는, 직렬공진회로(110)의 공진주기의 절반에 맞추어 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭이 되도록 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144) 및 극성변경스위치(122)를 제어하는 것이 좋다. 바람직하게는, 제어부는, 충전이 시작된 시점(t0)으로부터 가장 빠른 시점인 반주기가 경과된 시점(t0+Ts/2)에 스위칭을 변경하도록 스위치들을 제어하여 영전압 스위칭을 수행할 수 있다.
다음으로, 직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21)로부터 전달받은 전력을 제3배터리 모듈(23)로 전달하는 과정에 대해 설명한다.
도 4는, t0로부터 직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 오프시키고, 제3배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는, 시간에 대한 제1커패시터(111)의 전압을 나타낸 그래프이다. 다시 말해, 도 4는, 도 2의 회로도가 형성된 후 직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점에 제어부가 영전압 스위칭을 수행한 모습을 나타낸 도면이고, 도 5는, 제어부의 스위칭 제어에 따라 변화된 회로에서 제1커패시터(111)의 전압을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
다시 도 3을 참조하면, 충전이 종료된 시점(t0+Ts/2)에 직렬공진회로(110)의 제1커패시터(111)에는 제1배터리 모듈(21)의 전압의 2배가 되는 전압(2*V1i)이 충전되어 있다. 한편, 상기 직렬공진회로(110)와 연결되어 전력을 공급받을 제3배터리 모듈(23)의 전압 극성과 상기 제1커패시터(111)의 전압 극성은 동일하다. 보다 구체적으로는, 직렬공진회로(110)가 제3배터리 모듈(23)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성은 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 동일하다. 즉, 직렬공진회로(110)가 제3배터리 모듈(23)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제3배터리 모듈(23)의 고전위단과 제1커패시터(111)의 고전위단이 서로 연결되고, 제3배터리 모듈(23)의 저전위단과 제1커패시터(111)의 저전위단이 서로 연결된다(도 1 등 참조).
직렬공진회로(110)로부터 전력을 공급받을 제3배터리 모듈(23)의 전압 극성과 제1커패시터(111)의 전압 극성이 동일하고, 제1커패시터(111)에 충전된 전압의 크기가 제3배터리 모듈(23)의 전압의 크기의 대략 2배이기 때문에, 직렬공진회로(110)가 제3배터리 모듈(23)과 그대로 연결되어도 직렬공진회로(110)로부터 제3배터리 모듈(23)로의 전력전달이 자연스럽게 이루어질 수 있다.
따라서, 제어부는, 제1커패시터(111)에 충전된 전압극성을 변경하지 않고, 직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 제3배터리 모듈(23)로 공급하도록 제어한다. 즉, 제어부는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제3배터리 모듈(23)의 양단에 연결된 2개의 전달 스위치(143, 144)를 턴 온시키고, 상기 2개의 전달 스위치(143, 144)를 제외한 나머지 전달 스위치들(141, 142)을 턴 오프시키며, 극성변경스위치(122)를 턴 오프시키도록 제어한다.
그 결과, 직렬공진회로(110)에 저장된 전력은 제3배터리 모듈(23)로 전달될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, t0+Ts/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은, 제1배터리 모듈(21)의 초기전압(V1i)의 2배로서, 2*V1i이다. 그리고, 2*Vli는 t0+Ts/2 시점에 형성된 회로(도 4)에서 제1커패시터(111)의 초기 전압값이 된다. 따라서, 직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제3배터리 모듈(23)로 전달되는 과정에서 제1커패시터(111)의 전압은 도 5와 같이 변화한다. 도 5의 t0+Ts/2 부터 t0+Ts 까지의 구간 동안에 직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제3배터리 모듈(23)로 전달된다.
이와 별개로, 직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21)로부터 전달받은 전력을 제2배터리 모듈(22)로 전달하는 과정에 대해 설명한다.
도 6은, t0로부터 직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 제1배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 오프시키고, 극성변경스위치(122)를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 7은, 시간에 대한 제1커패시터(111)의 전압을 나타낸 그래프이다. 다시 말해, 도 6은, 도 2의 회로도가 형성된 후 직렬공진회로의 반주기가 경과한 시점에 제어부가 영전압 스위칭을 수행한 모습을 나타낸 도면이고, 도 7은, 제어부의 스위칭 제어에 따라 변화된 회로에서 제1커패시터(111)의 전압을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
다시 도 3을 참조하면, 충전이 종료된 시점(t0+Ts/2)에 직렬공진회로(110)의 제1커패시터(111)에는 제1배터리 모듈(21)의 초기전압의 2배가 되는 전압(2*Vli)이 충전되어 있다. 한편, 상기 직렬공진회로(110)와 연결되어 전력을 공급받을 제2배터리 모듈(22)의 전압 극성과 상기 제1커패시터(111)의 전압 극성은 현재 다르다. 보다 구체적으로는, 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성은 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 다르다. 즉, 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 고전위단은 제1커패시터(111)의 저전위단과 연결되고, 제2배터리 모듈(22)의 저전위단과 제1커패시터(111)의 고전위단과 연결된다(도 1 등 참조). 제1커패시터(111)의 전압 극성과 제2배터리 모듈(22)의 전압 극성이 다른 이유는, 복수의 전달 선로들(131, 132, 133, 134)이 교호적으로 직렬공진회로(110)에 연결되어 있기 때문이다.
직렬공진회로(110)로부터 전력을 공급받을 제2배터리 모듈(22)의 전압 극성과 제1커패시터(111)의 전압 극성이 다르기 때문에, 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 그대로 연결될 경우, 전력의 전달은 밸런싱 의도와 다르게 제2배터리 모듈(22)로부터 직렬공진회로(110)로 수행될 수 있다. 따라서, 직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 제2배터리 모듈(22)로 전달하기 위해서는, 제1커패시터(111)에 충전된 전압의 극성을 변경할 필요가 있다.
따라서, 제어부는, 직렬공진회로(110)를 제2배터리 모듈(22)과 곧바로 연결하는 대신에, 극성변경회로(120)를 통해 제1커패시터(111)에 충전된 전압의 극성을 변경한 다음 직렬공진회로(110)와 제2배터리 모듈(22)이 연결되도록 제어한다.
즉, 제어부는, 도 6에 도시된 바와 같이, 극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시키도록 제어한다. 즉, 제어부는, 충전이 종료된 시점(t0+Ts/2)에 극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시켜 제1커패시터(111)와 극성변경회로(120)의 제2인덕터(121)에 의한 공진회로를 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, t0+Ts/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은, 제1배터리 모듈(21)의 초기전압(V1i)의 2배로서, 2*V1i이다. 그리고, 2*Vli는 t0+Ts/2 시점에 형성된 회로(도 6)에서 제1커패시터(111)의 초기 전압값이 된다. 즉, 제1커패시터(111)와 제2인덕터(121)에 의해 형성된 병렬공진회로가 형성된 시점에 제1커패시터(111)에 저장된 전압은 2*Vli이고, 이는 도 6에 도시되어 있다.
한편, 제1커패시터(111)와 제2인덕터(121)에 의해 형성된 병렬공진회로는, 병렬공진회로의 공진주기에 따라 진동을 반복한다. 상기 병렬공진회로에는 배터리 모듈과 같은 전력소스가 연결되어 있지 않으므로, 제1커패시터(111)의 전압은 도 7과 같이 시간의 흐름에 따라 극성이 변경된다. 즉, 제1커패시터(111)의 전압의 극성은, 반주기가 경과할 때마다 변경된다.
제1커패시터(111)의 전압의 극성은, 병렬공진회로가 형성된 시점(t1=t0+Ts/2)의 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 비교할 때, 병렬공진회로의 반주기에 맞추어 반대 극성을 가진다. 다시 말해, t1+Tp/2, t1+Tp+Tp/2, t1+2*Tp+Tp/2, t1+3*Tp+Tp/2 등의 시점에서 제1커패시터(111)의 전압의 극성은, 병렬공진회로가 형성된 시점의 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 반대극성을 가진다. 따라서, 제어부는, 병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭이 되도록 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144) 및 극성변경스위치(122)를 제어하는 것이 좋다. 바람직하게는, 제어부는, 병렬공진회로가 형성된 시점(t1)으로부터 가장 빠른 시점인 반주기가 경과된 시점(t1+Tp/2)에 직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 제2배터리 모듈(22)로 전달할 수 있도록 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144) 및 극성변경스위치(122)를 제어하여 영전압 스위칭을 수행할 수 있다.
도 8은, t1으로부터 병렬공진회로의 반주기가 경과한 시점의 회로도로서, 극성변경스위치를 턴 오프시키고, 제2배터리 모듈에 인접한 전달 스위치를 턴 온시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 9는, 시간에 대한 제1커패시터의 전압을 나타낸 그래프이다.
제어부는, 병렬공진회로가 형성된 시점(t1)으로부터 병렬공진주기의 반주기가 경과된 시점(t1+Tp/2)에, 도 8과 같이, 극성변경스위치(122)를 턴 오프시키고, 제2배터리 모듈(22)의 양단에 연결된 2개의 전달 스위치(142, 143)를 턴 온시키고, 상기 2개의 전달 스위치(142, 143)를 제외한 나머지 전달 스위치들(141, 144)을 턴 오프시키도록 제어하여 제1커패시터(111)의 극성이 변경된 상태에서 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결되도록 한다. 한편, 제1커패시터(111)의 전압의 극성은 변경되어, t1+Tp/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은 -2*V1i가 된다. 그리고, -2*Vli는 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결된 시점에서 제1커패시터(111)에 충전된 전압값이다.
한편, 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 변경되었으므로, 직렬공진회로(110)에 저장된 전력은 제2배터리 모듈(22)로 전달될 수 있다. 즉, 직렬공진회로(110)는 제2배터리 모듈(22)을 충전할 수 있다. 직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제2배터리 모듈(22)로 전달되는 과정에서의 제1커패시터(111)의 전압의 변화는 도 9에 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 9의 t1+Tp/2 부터 t1+Tp/2+Ts/2 까지의 구간 동안에 직렬공진회로(110)에 저장된 전력이 제2배터리 모듈(22)로 전달된다.
이하, 밸런싱을 수행하는 과정에서 제1커패시터(111)에 남아 있는 전하에 의해 제1커패시터(111)에 대한 충전이 효율적으로 이루어지지 않는 문제점을 해결하는 동작에 대해 설명하도록 한다.
다시 도 5 및 도 9를 참조하면, 도 5의 t0+Ts시점에 제1커패시터(111)의 전압은 0이 아니고, 도 9의 t1+Tp/2+Ts/2시점에서 제1커패시터(111)의 전압도 0이 아닌 것을 확인할 수 있다. 이는 직렬공진회로(110)로부터 배터리 모듈로 전력이 전달되는 과정에서 제1커패시터(111)에 일부의 전하가 남기 때문이다. 이와 같이, 제1커패시터(111)에 전하가 남아있게 되면, 제1커패시터(111)에 충전 전압이 존재하므로, 배터리 모듈로부터 제1커패시터(111)로의 전력 전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.
먼저, 도 5의 t0+Ts시점 이후에 대해 설명하도록 한다.
t0+Ts 시점에 제1커패시터(111)의 전압은 Va이다. 도 5에서 알 수 있듯이, Va는 0보다 큰 값이다. 이와 같은 상태에서, 밸런싱을 수행하기 위해 직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 잔존한 전하에 의해 전력전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 왜냐하면, 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문이다. 보다 구체적으로는, 직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문에, 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)로부터 직렬공진회로(110)로의 전력 전달이 원활하게 수행되지 않을 수 있다. 다시 말해, 제1커패시터(111)에 충전된 전압이, 제1커패시터(111)와 동일한 극성을 갖는 배터리 모듈로부터의 전력전달을 방해할 수 있다. 이러한 경우, 제어부는 배터리 모듈로부터 직렬공진회로(110)로의 전력전달이 원활하게 수행될 수 있도록 하기 위해 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 변경되도록 스위치들을 제어한다.
도 10은, 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이고, 도 11은, 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이며, 도 12는, 시간에 대한 제1커패시터(111)의 전압을 나타낸 그래프이다.
제어부는, t0+Ts 시점에, 도 10과 같이, 극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시키도록 제어한다. T0+Ts시점에 제1커패시터(111)의 전압은 도 10에 도시된 바와 같이, Va이므로, 제어부는, t0+Ts+Tp/2 시점까지 이러한 스위칭 상태를 유지하여 t0+Ts+Tp/2 시점에 제1커패시터(111)의 전압이 -Va가 되도록 제어한다. 즉, 제어부는, 제1커패시터(111)의 전압이 Va에서 -Va가 되도록 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경한다. 그리고, 제어부는, t0+Ts+Tp/2 시점에 직렬공진회로(110)와 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)이 연결되도록 극성변경스위치(122) 및 전달 스위치를 제어한다. 예를 들어, 제3배터리 모듈(23)에 저장된 전력을 직렬공진회로(110) 전달하고자 할 경우, 제어부는, 도 11과 같이, t0+Ts+Tp/2 시점에, 제3배터리 모듈(23)의 양단에 연결된 2개의 전달 스위치(143, 144)를 턴 온시키고, 상기 2개의 전달 스위치(143, 144)를 제외한 나머지 전달 스위치들(141, 142)을 턴 오프시키며, 극성변경스위치(122)를 턴 오프시키도록 제어한다. 도 11에 도시된 바와 같이, t0+Tp+Tp/2시점에, 제1커패시터(111)의 전압은 -Va로 극성이 변경된 상태이므로, t0+Tp+Tp/2 이후에 직렬공진회로(110)로부터 제3배터리 모듈(23)로의 전력 전달이 수행될 수 있다. 이러한 과정, 즉, 제1커패시터(111)의 극성을 변경하는 과정과, 제3배터리 모듈(23)로부터 전력을 전달받는 과정 동안의 제1커패시터(111)의 전압의 변화는 도 12의 t0+Ts이후 구간에 나타나 있다.
한편, 밸런싱을 수행하기 위해 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 전하가 잔존해 있어도 제2배터리 모듈(22)과의 전력 전달은 원활하게 이루어질 수 있다. 왜냐하면, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 다르기 때문이다. 보다 구체적으로는, 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성은 다르기 때문에, 제2배터리 모듈(22)로부터 직렬공진회로(110)로의 전력 전달은 원활하게 수행될 수 있다. 다시 말해, 제1커패시터(111)의 전압의 극성과, 제1커패시터(111)로 전력을 전달하고자 하는 배터리 모듈의 전압의 극성이 다를 경우에는 제1커패시터(111)에 충전된 전압이 배터리 모듈로부터의 전력 전달을 방해하지 않는다. 이러한 경우, 제어부는 제1커패시터(111)의 극성을 변경시키지 않고, 직렬공진회로(110)와 제2배터리 모듈(22)이 곧바로 연결되도록 스위치들을 제어한다.
다음으로, 도 9의 t0+Tp/2+Ts/2시점 이후에 대해 설명하도록 한다.
t0+Tp/2+Ts/2 시점에 제1커패시터(111)의 전압은 -Vb이다. 도 5에서 알 수 있듯이, -Vb는 0보다 작은 값이다. 이와 같은 상태에서, 밸런싱을 수행하기 위해 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 잔존한 전하에 의해 전력전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 왜냐하면, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문이다. 보다 구체적으로는, 직렬공진회로(110)가 제2배터리 모듈(22)과 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제2배터리 모듈(22)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 동일하기 때문에, 제2배터리 모듈(22)로부터 직렬공진회로(110)로의 전력 전달이 원활하게 수행되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 제어부는 배터리 모듈로부터 직렬공진회로(110)로의 전력전달이 원활하게 수행될 수 있도록 하기 위해 제1커패시터(111)의 전압의 극성이 변경되도록 스위치들을 제어한다.
도 13은, 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경하기 전의 회로도의 상태를 나타낸 도면이고, 도 14는, 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경한 후의 회로도의 상태를 나타낸 도면이며, 도 15는, 시간에 대한 제1커패시터(111)의 전압을 나타낸 그래프이다.
제어부는, t0+Tp/2+Ts/2 시점에, 도 13과 같이, 극성변경스위치(122)를 턴 온시키고, 복수의 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시키도록 제어한다. t0+Tp/2+Ts/2 시점에서의 제1커패시터(111)의 전압은 도 13에 도시된 바와 같이, -Vb이므로 제어부는, t0+Tp/2+Ts/2+Tp/2(=t0+Tp+Ts/2) 시점까지 이러한 스위칭 상태를 유지하여 t0+Tp+Ts/2 시점에 제1커패시터(111)의 전압이 Vb가 되도록 한다. 즉, 제어부는, 제1커패시터(111)의 전압이 -Vb에서 Vb가 되도록 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경한다. 그리고, 제어부는, t0+Tp+Ts/2 시점에 직렬공진회로(110)와 제2배터리 모듈(22)이 연결되도록 극성변경스위치(122) 및 전달 스위치를 제어한다. 즉, 제어부는, 도 14와 같이, t0+Tp+Ts/2 시점에, 제2배터리 모듈(22)의 양단에 연결된 2개의 전달 스위치(142, 143)를 턴 온시키고, 상기 2개의 전달 스위치(142, 143)를 제외한 나머지 전달 스위치들(141, 144)을 턴 오프시키며, 극성변경스위치(122)를 턴 오프시키도록 제어한다. 도 14에 도시된 바와 같이, t0+Tp+Ts/2시점에, 제1커패시터(111)의 전압은 Vb로 극성이 변경된 상태이므로, t0+Tp+Tp/2 이후에 직렬공진회로(110)로부터 제2배터리 모듈(22)로의 전력 전달이 수행될 수 있다. 이러한 과정, 즉, 제1커패시터(111)의 극성을 변경하는 과정과, 제2배터리 모듈(22)로부터 전력을 전달받는 과정 동안의 제1커패시터(111)의 전압의 변화는 도 15의 t0+Tp/2+Ts/2이후 구간에 나타나 있다.
한편, 밸런싱을 수행하기 위해 직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 연결되어야 할 경우, 제1커패시터(111)에 전하가 잔존해 있어도 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과의 전력 전달은 원활하게 이루어질 수 있다. 왜냐하면, 제1배터리 모듈(21) 및 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성은 제1커패시터(111)의 전압의 극성과 다르기 때문이다. 보다 구체적으로는, 직렬공진회로(110)가 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)과 각각 전기적으로 연결된 것을 가정할 때, 제1배터리 모듈(21)의 전압의 극성과 제1커패시터(111)의 전압의 극성은 다르고, 제3배터리 모듈(23)의 전압의 극성과 제1커패서터의 전압의 극성은 다르기 때문에, 제1커패시터(111)의 극성을 변경하지 않더라도 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)로부터 직렬공진회로(110)로의 전력 전달은 원활하게 수행될 수 있다. 이러한 경우, 제어부는 제1커패시터(111)의 극성을 변경시키지 않고, 직렬공진회로(110)와 제1배터리 모듈(21) 또는 제3배터리 모듈(23)이 곧바로 연결되도록 스위치들을 제어한다.
한편, 전술한 설명에서, 3개의 배터리 모듈을 사용한 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는 배터리 모듈의 개수에 제한을 받지 않는다. 즉, 배터리 모듈의 개수가 증가하더라도, 전술한 설명이 그대로 적용될 수 있다. 통상의 기술자는, 배터리 모듈의 개수가 증가하는 경우에도 본 명세서에 개시된 내용을 바탕으로 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 쉽게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 전술한 설명에서, 직렬공진회로(110)와 배터리 모듈과의 전력 전달은 1개의 배터리 모듈을 이용한 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는 이에 한정되지 않는다. 즉, 전술한 예에서, 인접한 홀수개의 배터리 모듈들과 직렬공진회로(110)와의 전기적 연결에 의해 직렬공진회로(110)로의 전력전달 또는 직렬공진회로(110)로부터의 전력전달이 수행될 수도 있음은 물론이다. 예를 들어, 배터리 스택(10)이 제1배터리 모듈 내지 제7배터리 모듈로 구성된 7개의 배터리 모듈을 포함하고 있다고 가정할 때, 제어부는, 제1배터리 모듈, 제2배터리 모듈(22) 및 제3배터리 모듈(23)과 직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 제어하여 제1배터리 모듈, 제2배터리 모듈(22) 및 제3배터리 모듈(23)에 저장된 전력을 직렬공진회로(110)로 전달하도록 할 수 있다. 그리고, 제어부는, 제4배터리 모듈, 제5배터리 모듈 및 제6배터리 모듈과 직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 제어하여 제4배터리 모듈, 제5배터리 모듈 및 제6배터리 모듈로 직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 전달하도록 할 수 있다. 이와 달리, 제어부는, 제5배터리 모듈, 제6배터리 모듈 및 제7배터리 모듈과 직렬공진회로(110)가 전기적으로 연결되도록 제어하여 제5배터리 모듈, 제6배터리 모듈 및 제7배터리 모듈로 직렬공진회로(110)에 저장된 전력을 전달하도록 할 수도 있으며, 직렬공진회로(110)가 다른 인접한 3개의 배터리 모듈로 전력을 전달하도록 할 수도 있음은 물론이다. 그리고, 제어부는, 배터리 모듈들과 직렬공진회로(110) 사이의 전력전달과정에서, 필요에 따라 극성변경회로(120)를 이용하여 제1커패시터(111)의 전압의 극성을 변경할 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치가 배터리 스택에 연결된 모습을 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 도 1 등에 도시된 배터리 스택 밸런싱 장치(100)와 비교할 때, 제1커패시터(111)에 병렬 연결된 소모회로(160)를 더 포함하고 있다는 점에 차이가 있을 뿐이다. 따라서, 상술한 설명들은 모순되지 않는 범위에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 설명하는데 그대로 적용될 수 있다. 그러므로, 동일한 구성요소에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 소모회로(160)는, 저항과 상기 저항에 직렬 연결된 스위치를 포함한다. 본 명세서에서, 상기 저항(161)은 소모저항(161)이라 지칭되며, 상기 저항에 직렬 연결된 스위치(162)는 소모스위치(162)라고 지칭된다. 상기 소모스위치(162)는 제어부(미도시)의 제어신호에 따라 턴 온되거나 턴 오프될 수 있으며, 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 상기 소모회로(160)는, 밸런싱을 수행하는 과정에서 제1커패시터(111)에 남아 있는 전하에 의해 제1커패시터(111)에 대한 충전이 효율적으로 이루어지지 않는 문제점을 해결하기 위한 다른 수단의 하나이다.
다시 도 5 및 도 9를 참조하면, 도 5의 t0+Ts시점에 제1커패시터(111)의 전압은 0이 아니고, 도 9의 t1+Tp/2+Ts/2시점에서 제1커패시터(111)의 전압도 0이 아닌 것을 확인할 수 있다. 이는 직렬공진회로(110)로부터 배터리 모듈로 전력이 전달되는 과정에서 제1커패시터(111)에 일부의 전하가 남기 때문이라는 점은 전술한 바와 같다. 이와 같이, 제1커패시터(111)에 전하가 남아있게 되면, 제1커패시터(111)에 전압차가 존재하므로, 배터리 모듈로부터 제1커패시터(111)로의 전력 전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 소모회로(160)를 이용하여 제1커패시터(111)에 잔존한 전하를 모두 소모시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부는, 배터리 모듈로부터 직렬공진회로(110)로 전력을 전달하기에 앞서, 소모스위치(162)를 턴 온시키고, 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)을 모두 턴 오프시켜 제1커패시터(111)에 잔존한 전하를 모두 소모시킨다. 이때, 극성변경스위치(122)는 턴 온되어도 되고, 턴 오프되어도 되나, 바람직하게는, 극성변경스위치(122)는 턴오프되는 것이 좋다. 그리고, 제어부는, 기준시간이 경과할 때까지 소모스위치(162)가 턴 온되고, 전달 스위치들(141, 142, 143, 144)이 모두 턴 오프된 상태를 유지한다. 이때, 기준시간은, 제1커패시터(111)에 잔존한 전하가 모두 소모되었다고 볼 수 있을 정도의 시간으로 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 배터리 팩에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 포함할 수 있다. 일 예로, 배터리 팩은 배터리 관리 장치를 포함할 수 있는데, 상기 배터리 관리 장치는, 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 일 구성요소로 포함할 수 있다.
배터리 스택 밸런싱 장치(100)는, 자동차에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 상술한 배터리 스택 밸런싱 장치(100)를 포함할 수 있다. 일 예로, 자동차는 배터리 팩을 포함할 수 있고, 배터리 팩에 배터리 스택 밸런싱 장치(100)가 구비될 수 있다. 다른 예로, 자동차는, 차량제어장치를 포함할 수 있는데, 차량제어장치에 배터리 스택 밸런싱 장치(100)가 구비될 수도 있다. 한편, 여기서, 자동차는, 전기 에너지를 동력원으로 하는 운송 수단인 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 뿐만 아니라 전기 에너지로부터 전력을 공급받는 전장품을 구비한 자동차를 포함한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절한 부결합(subcombination)에서 구현될 수 있다.

Claims (12)

  1. 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택을 밸런싱하는 장치에 있어서,
    제1커패시터 및 상기 제1커패시터와 직렬 연결된 제1인덕터를 포함하는 직렬공진회로;
    제2인덕터 및 상기 제2인덕터와 직렬 연결되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 극성변경스위치를 포함하고, 상기 제1커패시터에 병렬 연결되는 극성변경회로;
    일단이 상기 배터리 스택의 저전위단, 상기 배터리 스택의 고전위단 및 상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈들 사이에 각각 형성된 복수의 노드들에 각각 전기적으로 연결되고, 타단이 상기 직렬공진회로에 연결된 복수의 전달 선로들;
    상기 복수의 전달 선로들 상에 각각 설치되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 복수의 전달 스위치들; 및
    상기 복수의 전달 스위치들 및 상기 극성변경스위치를 제어하는 제어부;를 포함하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전달 선로들을 구성하는 각 전달 선로의 타단은, 상기 직렬공진 회로의 일단 또는 타단에 교호적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 직렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 복수의 전달 스위치들을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 극성변경스위치가 턴 온되었을 때 상기 제1커패시터와 상기 제2인덕터가 형성하는 병렬공진회로의 공진주기의 절반에 맞추어 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭이 되도록 상기 극성변경스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 극성변경스위치 및 상기 복수의 전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급받을 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압의 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성을 비교하여 상기 극성변경스위치 및 상기 복수의 전달 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 동일하면 상기 극성변경스위치를 턴 오프시키고, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 양단에 연결된 2개의 전달 스위치를 턴 온시키고, 상기 2개의 전달 스위치를 제외한 나머지 전달 스위치들을 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 직렬공진회로가 전력을 공급할 적어도 하나의 배터리 모듈의 전압 극성과 상기 제1커패시터에 충전된 전압의 극성이 다르면 상기 극성변경스위치를 턴 온시키고, 상기 복수의 전달 스위치를 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은, 단위 배터리 셀 또는 2 이상의 배터리 셀의 집합체인 것을 특징으로 하는 배터리 스택 밸런싱 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 스택 밸런싱 장치를 포함하는 전기 자동차.
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