KR20150088464A - 에너지 저장 유닛의 병렬 연결을 통한 밸런싱 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트랜스포머, 커패시터 등의 소자를 사용하지 않고 스위칭 소자만을 사용하여 밸런싱하고자 하는 에너지 저장 유닛들을 병렬로 연결함으로써 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 밸런싱 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 밸런싱 장치는 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 수행하기 위한 밸런싱 장치로서, 상기 밸런싱 장치는 에너지 저장 유닛들의 (+) 단자에 접속되는 제1 스위칭 모듈과 에너지 저장 유닛들의 (-) 단자에 접속되는 제2 스위칭 모듈을 포함하고, 상기 제1 스위칭 모듈과 상기 제2 스위칭 모듈에 포함된 스위칭 유닛들의 온/오프 동작에 의해 상기 에너지 저장 유닛들 중 일부가 서로 병렬로 연결됨으로써 밸런싱 기능이 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 유닛의 병렬 연결을 통한 밸런싱 장치 및 그 방법 {Balancing apparatus and the method using parallel connection of energy storage units}

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, 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 및 잔류 전하량의 불균형이 발생되면, 배터리 셀들의 가용 전압범위가 감소하게 되거나 충전 및 방전 주기가 짧아지게 되어 배터리 셀의 수명을 단축하게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 배터리 셀들의 전압이나 전하량을 균일하게 하기 위한 밸런싱 방법이 제안되고 있다.

배터리 셀 밸런싱은 에너지를 소비하면서 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 패시브 방식과 에너지를 소비하지 않으면서 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 액티브 방식으로 크게 구분할 수 있다.

도 1은 종래의 패시브 방식의 밸런싱 회로이다. 도 1을 참조하면, 각 배터리 셀에는 스위칭 소자(S1, S2, …, Sn)와 에너지 소비를 위한 저항(R1, R2, …, Rn)이 연결되어 있다. 특정 배터리 셀이 과충전되는 경우 그 배터리 셀에 연결된 스위칭 소자를 턴온시켜 저항을 통해 에너지를 방전하는 방식으로 밸런싱 기능을 수행한다. 이러한 방식은 과충전된 에너지를 저항을 통해 소비하므로 에너지가 낭비되는 단점이 있다.

도 2 내지 도 6은 종래 액티브 방식의 밸런싱 회로의 예를 나타낸다.

도 2는 종래 액티브 밸런싱 방식의 일 예로서, 각 배터리 셀에 각각의 트랜스포머가 사용되는 방식이다. 도 2의 스위칭 소자(SW)를 온/오프 동작시키면 트랜스포머(T1, T2, …)와 다이오드를 통해 배터리 셀로 에너지가 전달되는데 전압이 낮은 배터리 셀로는 전류가 더 많이 흐르게 되므로 밸런싱 기능이 수행된다. 도 2의 밸런싱 회로는 각 배터리 셀마다 트랜스포머를 구비하여야 하므로 가격이 비싸지고 부피가 커지는 등의 단점을 갖고 있다.

도 3은 종래 액티브 밸런싱 방식의 다른 일 예로서, 도 2의 밸런싱 회로에 비해 트랜스포머가 한 개만 사용된다는 점에서 차이가 있다. 도 3의 밸런싱 회로에서는 트랜스포머 1차 권선의 개수와 자성체 개수가 적다는 점에서는 장점이지만 1개의 트랜스포머에 배터리 셀 개수만큼의 2차 권선을 배치해야 한다는 점에서 배터리 셀의 개수가 많을 경우 적용에 어려움이 있다.

도 4는 종래 액티브 밸런싱 방식의 또 다른 예이다. 트랜스포머는 자성체, 1차권선 및 2차권선을 각각 1개씩만 구비하는 대신 스위칭 네트워크(S1, S2, …)를 통해 각 배터리 셀을 변압기 2차 권선에 선택적으로 연결하여 충전되는 배터리 셀을 선택함으로써 밸런싱 기능을 수행한다. 도 4의 밸런싱 회로는 도 2 또는 도 3의 밸런싱 회로에 비해서는 트랜스포머의 개수나 권선 수가 줄어든다는 장점이 있으나 여전히 자성체와 권선을 포함하는 트랜스포머를 필요로 한다는 점에서는 가격이나 부피의 부담이 있다.

도 5는 종래 액티브 밸런싱 회로의 또 다른 일 예로서, 트랜스포머나 인덕터 같은 자성소자를 사용하지 않고 커패시터를 매개로 하여 밸런싱 기능을 수행하는 방식이다. 각 커패시터(C1, C2, …)는 스위칭 소자를 통해 2개의 배터리 셀 중의 어느 하나에 연결될 수 있고, 이 커패시터를 경유하여 배터리 셀 간의 밸런싱 기능이 수행된다. 예를 들어 배터리 셀 B1의 전압이 높고 배터리 셀 B2의 전압이 낮은 경우, 먼저 배터리 셀 B1을 스위칭 소자의 온/오프 동작을 통해 커패시터 C1에 병렬로 연결하여 배터리 셀 B1의 에너지를 커패시터 C1으로 전달한다. 그 다음 스위칭 소자의 온/오프 상태를 변경하여 배터리 셀 B2를 커패시터 C1에 병렬로 연결하면 커패시터 C1에 저장된 에너지가 배터리 셀 B2로 전달되므로, 배터리 셀 B1과 배터리 셀 B2 사이의 밸런싱 기능이 달성된다. 이러한 방식에서는 멀리 떨어진 배터리 셀 사이의 밸런싱을 위해서는 다수의 커패시터를 통해 차례차례 에너지가 전달되어야 하므로 밸런싱에 소요되는 시간이 길어질 뿐만 아니라 여전히 커패시터라는 에너지 저장 소자를 필요로 한다는 단점이 있다.

도 6은 종래 액티브 밸런싱 회로의 또 다른 일 예로서, 도 5의 밸런싱 회로에 비해 커패시터(C)를 1개만 사용하면서 스위칭 네트워크를 통해 각 배터리 셀을 커패시터에 선택적으로 연결하는 방식이다. 특정 배터리 셀의 전압이 높으면 스위칭 네트워크를 통해 커패시터(C)로 에너지를 전달한 후, 전압이 낮은 배터리 셀을 커패시터에 연결하여 커패시터에 저장된 에너지를 전압이 낮은 배터리 셀로 다시 전달하는 방식으로 밸런싱 기능을 수행한다. 도 6의 밸런싱 회로에 의하면 2단계 에너지 전달(전압이 높은 배터리 셀 => 커패시터 => 전압이 낮은 배터리 셀)을 통해 밸런싱 기능이 수행되므로 도 5의 밸런싱 회로에 비해서는 에너지 전달 단계가 감소되었지만, 여전히 부피가 큰 에너지 저장용 커패시터를 사용해야 한다는 것과 기본적으로 2단계의 에너지 전달 절차가 필요하다는 단점이 있다.

이와 같이 종래 밸런싱 회로 중 패시브 방식은 과충전 에너지를 버리는 방식이므로 에너지 효율에 문제가 있고, 액티브 방식은 트랜스포머나 커패시터와 같은 부피가 크고 가격이 비싼 에너지 저장 소자를 포함하고 있어 부담이 되므로, 트랜스포머나 커패시터와 같은 에너지 저장 소자를 사용하지 않으면서 간단한 절차로 효율적으로 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 밸런싱 회로를 개발할 필요성이 있다.

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 5932932

본 발명의 목적은 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들, 특히 직렬로 연결된 배터리 셀들 사이의 밸런싱 기능을 수행하는 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명은 트랜스포머나 커패시터와 같은 에너지 저장 소자를 사용하지 않고도 간단한 절차로 신속하고 효율적으로 밸런싱 기능을 수행하는 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 연결을 유지한 상태에서 간단한 절차로 신속하고 효율적으로 밸런싱 기능을 수행하는 밸런싱 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면은, 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 수행하기 위한 밸런싱 장치에 있어서, 상기 밸런싱 장치는 에너지 저장 유닛들의 (+) 단자에 접속되는 제1 스위칭 모듈과 에너지 저장 유닛들의 (-) 단자에 접속되는 제2 스위칭 모듈을 포함하고, 상기 제1 스위칭 모듈과 상기 제2 스위칭 모듈에 포함된 스위칭 유닛들의 온/오프 동작에 의해 상기 에너지 저장 유닛들 중 일부가 서로 병렬로 연결됨으로써 밸런싱 기능이 수행되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치이다.

여기서, 상기 제1 스위칭 모듈은 복수의 스위칭 유닛들을 포함하고, 상기 제1 스위칭 모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 하나의 단자는 각각 대응하는 에너지 저장 유닛의 (+) 단자에 연결되며, 상기 제2 스위칭 모듈은 복수의 스위칭 유닛들을 포함하고, 상기 제2 스위칭모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 하나의 단자는 각각 대응하는 에너지 저장 유닛의 (-) 단자에 연결될 수 있다.

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 다른 하나의 단자는 모두 공통으로 접속되어 제1 공통 노드를 형성하고, 상기 제2 스위칭 모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 다른 하나의 단자는 모두 공통으로 접속되어 제2 공통 노드를 형성할 수 있다.

상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은, 상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이에 다른 회로 소자가 삽입되지 않은 상태로 어느 하나의 에너지 저장 유닛의 (+) 단자와 인접한 에너지 저장 유닛의 (-) 단자가 직접 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 밸런싱 기능의 수행은, 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들의 사이에 2개 이상의 에너지 저장 유닛이 있는 경우에는 상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들을 병렬로 연결함으로써 밸런싱이 수행될 수 있다.

상기 밸런싱 기능의 수행은, 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들의 사이에 1개 이하의 에너지 저장 유닛이 있는 경우에는, 상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들 모두로부터 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 배치된 또 다른 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱 기능이 수행될 수 있다.

상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은 6개 이상일 수 있다.

상기 에너지 저장 유닛은 적어도 한 개 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다.

상기 제1 스위칭 모듈 및 제2 스위칭 모듈에 포함된 상기 스위칭 유닛들은 양방향 제어가 가능한 양방향 스위칭 소자일 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 수행하기 위한 밸런싱 방법에 있어서, 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 외의 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 선택하고, 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 일부와 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 병렬로 연결한 후, 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛과 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 다른 일부를 병렬로 연결함으로써, 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱이 수행되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들의 사이에 2개 이상의 에너지 저장 유닛이 있는 경우, 상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들을 병렬로 연결하여 밸런싱을 수행하고, 상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들의 사이에 1개 이하의 에너지 저장 유닛이 있는 경우, 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱을 수행할 수 있다.

상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱을 수행하는 것은, 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들에 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 이격된 에너지 저장 유닛이 있는 경우, 상기 이격된 에너지 저장 유닛을 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛으로 선택하여 밸런싱을 수행할 수 있다.

상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들에 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 이격된 에너지 저장 유닛이 없는 경우, 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 일부의 에너지를 제2의 경유 에너지 저장 유닛으로 전달한 후, 상기 제2의 경유 에너지 저장 유닛과 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 다른 일부에 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 이격된 에너지 저장 유닛을 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛으로 선택하고 이를 경유하여 상기 제2의 경유 에너지 저장 유닛과 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 다른 일부 사이의 밸런싱을 수행할 수 있다.

상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은, 상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이에 다른 회로 소자가 삽입되지 않은 상태로 어느 하나의 에너지 저장 유닛의 (+) 단자와 바로 인접한 에너지 저장 유닛의 (-) 단자가 직접 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 에너지 저장 유닛은 적어도 한 개 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다.

상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은 6개 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 밸런싱 장치 및 방법에 의하면, 트랜스포머, 인덕터 또는 커패시터 등의 부가적인 소자를 사용하지 않고도 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 간단한 구조로 신속하고 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명은 부가적인 회로 소자 없이 스위칭 소자만으로 밸런싱 기능을 수행할 수 있으므로 집적회로로 구현하는데 있어서 더욱 효과적이다.

또한, 본 발명에 따른 밸런싱 장치 및 방법에 의하면, 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 연결을 그대로 둔 채 밸런싱 기능을 수행할 수 있도록 함으로써 일반적인 배터리 팩의 전기적 연결을 변경함이 없이 그대로 사용하면서도 간단한 구조로 신속하고 효율적으로 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 패시브 방식의 밸런싱 장치의 일 예이다.
도 2는 에너지 저장 유닛에 각각 트랜스포머가 배치된 종래의 액티브 방식의 밸런싱 장치의 일 예이다.
도 3은 에너지 저장 유닛에 각각 트랜스포머의 2차 권선이 배치된 종래의 액티브 방식의 밸런싱 장치의 일 예이다.
도 4는 하나의 트랜스포머가 사용된 종래의 액티브 방식의 밸런싱 장치의 일 예이다.
도 5는 복수의 에너지 저장용 커패시터를 사용한 종래의 액티브 방식의 밸런싱 장치의 일 예이다.
도 6은 하나의 에너지 저장용 커패시터를 사용한 종래의 액티브 방식의 밸런싱 장치의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액티브 방식의 밸런싱 장치이다.
도 8은 도 7의 실시예에서 두 개의 에너지 저장 유닛 사이의 밸런싱 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 7의 실시예에 따른 밸런싱 장치에서 인접한 에너지 저장 유닛들 사이에서는 직접 병렬 연결을 통한 밸런싱 동작이 불가능함을 설명하는 도면이다.
도 10과 도 11은 도 7의 실시예에 따른 밸런싱 장치에서 인접한 에너지 저장 유닛들 사이에서 밸런싱 기능을 수행하는 과정을 설명하는 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 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 장치를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 장치는, 배터리 모듈(110) 내의 배터리 셀들을 밸런싱하기 위하여 제1 스위칭 모듈(120) 및 제2 스위칭 모듈(130)을 포함한다.

배터리 모듈(110)은 6개의 직렬 연결된 배터리 셀(B1, …, B6)을 포함한다. 본 발명에 따른 밸런싱 장치는 배터리가 아닌 다른 종류의 에너지 저장 유닛에도 적용할 수 있지만 여기서는 배터리 셀을 예로 들어 설명하기로 한다. 배터리 셀은 밸런싱 기능을 수행하기 위한 관점에서의 단위 유닛을 의미하는 것으로, 1개의 배터리 셀 일수도 있고 배터리 셀이 복수개로 구성된 배터리 셀의 집합일 수도 있다.

배터리 모듈(110)에는 복수의 배터리 셀들(B1, …, B6)이 직렬로 연결되어 있다. 본 발명은 특히 직렬로 연결된 배터리 셀들 사이에 다른 회로 소자가 삽입되지 않은 상태로 배터리 셀들이 전기적으로 직접 연결된 경우에 적합하다. 여기서 ‘배터리 셀들이 전기적으로 직접 연결’이라는 표현은, 배터리 셀들 사이에 커패시터, 인덕터, 스위칭 소자 등 다른 회로 소자가 삽입되지 않았음을 의미하기 위한 것으로서, 물리적인 직접 접속 뿐만 아니라 배선 등에 의해 전기적으로 연결된 상태를 포함하여 회로 동작 관점에서 실질적으로 동일 전위로 볼 수 있는 전기적 연결을 의미한다. 일반적으로 상용화된 배터리 팩은 다수의 배터리 셀들이 전기적으로 직접 연결된 상태로 제공되므로, 직렬 연결된 배터리 셀들 사이의 연결을 끊고 그 사이에 회로 소자를 삽입하여야 하는 방식의 밸런싱 회로를 사용하기 위해서는 일반적인 배터리 팩을 사용할 수는 없고 별도의 전용 배터리 팩을 제작하여야 하는 문제가 있다. 따라서 본 발명에 따른 밸런싱 회로에 의하면 배터리 셀들 사이의 직렬 연결을 훼손하지 않고 일반적인 배터리 팩을 그대로 사용하면서 밸런싱이 가능하다는 점에서 장점이 있다.

제1 스위칭 모듈(120)은 배터리 셀의 개수에 대응되는 수의 스위칭 유닛(S1p, …, S6p)을 포함할 수 있다. 스위칭 유닛(S1p, …, S6p) 각각의 하나의 단자는 대응하는 배터리 셀의 (+) 단자에 접속되고, 스위칭 유닛(S1p, …, S6p) 각각의 다른 하나의 단자는 서로 공통 접속되어 제1 공통 노드(T1)를 형성한다. 제1 스위칭 모듈에 포함된 스위칭 유닛(S1p, …, S6p)은 양방향 온/오프 제어가 가능한 양방향 스위칭 소자일 수 있다. 스위칭 유닛(S1p, …, S6p)은 도시되지 않은 밸런싱 제어부에 의해 온/오프 되어 필요에 따라 밸런싱 기능을 수행한다.

제2 스위칭 모듈(130)은 배터리 셀의 개수에 대응되는 수의 스위칭 유닛(S1n, …, S6n)을 포함할 수 있다. 스위칭 유닛(S1n, …, S6n) 각각의 하나의 단자는 대응하는 배터리 셀의 (-) 단자에 접속되고, 스위칭 유닛(S1n, …, S6n) 각각의 다른 하나의 단자는 서로 공통 접속되어 제2 공통 노드(T2)를 형성한다. 제2 스위칭 모듈에 포함된 스위칭 유닛(S1n, …, S6n)은 양방향 온/오프 제어가 가능한 양방향 스위칭 소자일 수 있다. 스위칭 유닛(S1n, …, S6n)은 도시되지 않은 밸런싱 제어부에 의해 온/오프 되어 필요에 따라 밸런싱 기능을 수행한다.

도 7의 실시예에서는 배터리 셀이 6 개인 것으로 예시적으로 도시하였으나 배터리 셀의 수는 달라질 수 있고, 이에 따라 제1 스위칭 모듈과 제2 스위칭 모듈의 스위칭 유닛의 수도 배터리 셀의 수에 대응하여 달라질 수 있다. 또한, 도 7의 실시예에서는 배터리 모듈(110)이 외부 연결 단자(PACK+, PACK-)에 바로 연결되어 충전 전류(I_CHG) 또는 방전 전류(I_DSG)가 흐르는 것으로 도시되었으나, 밸런싱 동작 중에는 외부로부터/로 충/방전 전류가 흐르지 않도록 차단하는 충방전 전류 차단부(미도시)를 배터리 모듈과 외부 연결 단자(PACK+, PACK-) 사이에 필요에 따라 배치할 수도 있다. 밸런싱 동작과 충방전 동작의 제어를 배터리 모듈 외부의 제어부(미도시)가 수행할 경우에는 이러한 충방전 전류 차단부를 별도로 구비하지 않을 수도 있다.

이하에서는 도 8을 통해 도 7의 실시예에 따른 밸런싱 장치의 동작을 설명한다. 일반적인 충/방전 상태에서는 제1, 2 스위칭 모듈은 동작하지 않고 배터리 모듈은 외부 연결 단자(PACK+, PACK-)를 통해 충전 혹은 방전 동작을 수행한다. 이는 일반적인 배터리의 동작과 동일하다.

배터리 모듈은 배터리 셀 간의 편차, 열화 정도의 차이 등에 의해 배터리 셀 간에 저장된 에너지의 차이가 발생하게 된다. 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. 따라서 배터리 셀 사이의 불균형이 발생하는 경우 전체 배터리의 사용 효율이 저하되게 되고, 잦은 충방전으로 인해 배터리 수명도 저하되므로, 배터리 셀 간의 밸런싱을 수행하는 것이 바람직하다.

배터리 셀 간의 불균형을 감지하여 밸런싱 기능을 수행할 필요가 있다고 판단된 경우, 제1, 2 스위칭 모듈(120, 130)에 포함된 스위칭 유닛들 중 일부가 온/오프 동작을 수행한다. 도 8은 배터리 셀 B1과 B6 사이에 에너지를 교환하는 밸런싱 동작을 예로 든 것이다. 배터리 셀 B1과 B6 사이의 에너지 전달을 위해 스위칭 유닛 S1p, S1n, S6p, S6n을 턴온 시킨다. 제1 스위칭 모듈(120)의 제1 공통 단자(T1)에 스위칭 유닛 S1p 및 S6p가 연결되어 있으므로, 스위칭 유닛 S1p, S6p가 턴온 되면 배터리 셀 B1과 B6의 (+) 단자가 제1 공통 노드(T1)을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 마찬가지로 제2 스위칭 모듈(130)의 제2 공통 단자(T2)에 스위칭 유닛 S1n, S6n이 연결되어 있으므로 스위칭 유닛 S1n, S6n이 턴온 되면 배터리 셀 B1과 B6의 (-) 단자가 제2 공통 노드(T2)를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 따라서 배터리 셀 B1과 B6는 (+) 단자가 서로 연결되고 (-) 단자도 서로 연결됨으로써 서로 병렬로 연결되게 된다. 그러면 두 개의 배터리 셀 중 전압이 높은 배터리 셀로부터 전압이 낮은 배터리 셀로 에너지가 이동하면서 밸런싱이 수행된다. 이와 같이 배터리 셀들 사이에 전압 불균형이 존재하는 경우 전압이 다른 배터리 셀들을 스위칭 소자를 통해 병렬로 연결함으로써 밸런싱을 수행할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 의하면 밸런싱을 수행하고자 하는 배터리 셀들을 병렬로 연결함으로써 하나의 에너지 전달 단계만으로도 밸런싱이 가능하므로, 도 6의 커패시터를 통한 종래의 밸런싱 기술에 비해 에너지 전달 절차를 줄일 수 있어 간단한 구조를 사용하면서도 신속하고 효과적으로 밸런싱을 수행할 수 있다.

도 8의 실시예에서는 밸런싱을 수행하려는 배터리 셀들을 스위칭 소자만을 통해 서로 병렬로 연결하는 방식을 사용한다. 이와 같이 스위칭 소자 외의 다른 회로 소자(저항, 인덕터 등)를 포함하지 않음으로써 간단한 구조로 부피와 가격 부담을 줄이면서도 효과적으로 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 그러나 병렬로 연결되는 배터리 셀들 사이에 저항이나 인덕터 등의 전류 제한 소자를 포함시킬 수도 있다. 이 경우 배터리 셀들 사이에 발생할 수 있는 서지 전류를 제한하는 효과가 있다.

도 8에서는 배터리 셀 B1과 B6 사이의 밸런싱 동작을 예로 들었으나, 배터리 셀들의 전압 불균형 정도에 따라 필요한 수준에서 적절히 다수의 배터리 셀들 사이의 밸런싱 동작을 반복하면서 배터리 모듈 전체의 밸런싱 동작이 가능하다.

도 7 및 도 8의 실시예에 의하면, 밸런싱 동작 중에는 배터리 셀들 중 일부가 병렬로 연결되므로 배터리 모듈 전체의 전압이 일반적인 충방전 동작 중과 달라지게 된다. 따라서 밸런싱 동작 중에는 외부와의 연결을 차단하는 것이 바람직하다.

도 9는 도 7의 실시예에 따른 밸런싱 장치에서 인접한 에너지 저장 유닛들 사이에서는 병렬 연결을 통한 밸런싱 동작이 곤란함을 설명하는 도면이다. 도 9(a)에서 배터리 셀 B1과 B3를 병렬로 연결하여 밸런싱을 수행하기 위해 스위칭 유닛 S1p, S1n, S3p, S3n을 턴온 시키면, 도 9(b)와 같이 배터리 셀 B1과 B3는 서로 병렬로 연결되지만 그 중간에 있는 배터리 셀 B2가 전압 방향이 바뀐 상태로 배터리 셀 B1 및 B3에 병렬로 연결되게 된다. 배터리 셀 B2의 이러한 역방향 연결은 바람직하지 않다.

또한, 바로 인접한 배터리 셀들 사이의 병렬 연결도 곤란하다. 배터리 셀 B1과 B2를 예로 들면, 배터리 셀 B1의 (-) 단자와 배터리 셀 B2의 (+) 단자가 전기적으로 연결된 상태이므로 그 사이의 연결을 끊지 않는 한 스위칭 유닛들의 조작에 의하더라도 배터리 셀 B1과 B2의 병렬 연결을 통한 밸런싱은 곤란하다.

이와 같이 도 7의 실시예에 의하면 배터리 셀의 직렬 연결을 그대로 둔 상태에서는 바로 인접한 배터리 셀 및 하나를 건너뛴 배터리 셀과는 배터리 셀들을 병렬로 연결하여 밸런싱 동작을 수행하기는 어렵고, 2개 이상 이격된 배터리 셀들 사이에서만 병렬 연결을 통한 밸런싱이 가능하다.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 인접한 배터리 셀들을 밸런싱하기 위하여 2개 이상 이격된 배터리 셀을 경유하는 방법을 제시한다.

도 10은 인접한 배터리 셀들 사이를 밸런싱하기 위한 일 실시예로서, 배터리 셀 B1과 B2 사이의 밸런싱 동작에 대해 설명하고 있다. 배터리 셀 B1과 B2는 인접한 상태여서 이들의 병렬 연결은 곤란하므로, 배터리 셀 B1 및 B2와 공통적으로 2개 이상 이격된 배터리 셀인 B5를 선택하고, 먼저 배터리 셀 B1과 B5를 병렬 연결하여 에너지를 전달한 후 배터리 셀 B5와 B2를 병렬로 연결하여 에너지를 전달하는 2단계를 거친다. 이와 같이 밸런싱을 하고자 하는 두 배터리 셀에 공통적으로 2개 이상 이격된 배터리 셀(제1의 경유 배터리 셀)이 있는 경우는 2단계를 통해 밸런싱 동작이 가능하다.

도 11은 배터리 셀 B3와 B4 사이의 밸런싱 동작을 예시한다. 도 11에서는 제1 스위칭 모듈(120)과 제2 스위칭 모듈(130)을 배터리 모듈(110)의 우측에 함께 나타내었으나 도 7의 회로와 실질적인 차이는 없다. 도 11은 도 10의 실시예와는 달리 밸런싱을 하고자 하는 두 배터리 셀인 B3와 B4에 공통적으로 2개 이상 이격된 배터리 셀이 없는 경우이다. 이 경우에는 먼저 배터리 셀 B4의 에너지를 배터리 셀 B1(제2의 경유 배터리 셀)로 전달한다. 그러면 배터리 셀 B3와 B1에 공통적으로 2개 이상 이격된 배터리 셀 B6(제1의 경유 배터리 셀)이 존재하게 되므로, 도 10의 경우와 유사하게 밸런싱을 수행할 수 있다. 즉, 배터리 셀 B1의 에너지를 배터리 셀 B6를 경유하여 배터리 셀 B3로 전달하는 과정을 거치면서 밸런싱 동작이 수행될 수 있다. 도 11의 이러한 밸런싱 과정을 활용하면 배터리 셀 개수가 6개 이상인 경우에는 인접한 배터리 셀 사이의 밸런싱이 모두 가능하다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 장치 및 방법에 의하면 스위칭 유닛을 사용하여 배터리 셀들을 서로 병렬로 연결함으로써 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 배터리 셀들이 인접하여 바로 병렬 연결이 힘든 경우에는 이격된 다른 배터리 셀을 경유하여 밸런싱 기능이 수행될 수 있다. 위 실시예에서는 배터리 셀 2개를 서로 병렬로 연결하는 경우에 대해서만 예시하였지만, 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀의 개수에 따라 3개 이상의 배터리 셀이 동시에 병렬로 연결되도록 스위칭 유닛을 제어할 수도 있다.

또한, 위 실시예들에서는 하나의 배터리 모듈(110)이 사용되는 것으로 예시되었으나, 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 기능을 구비한 배터리 모듈(110)이 복수개가 구비되어 하나의 배터리 장치를 구성하면서 외부 연결 단자를 통해 외부와 연결될 수도 있다. 이 경우 배터리 모듈(110)을 하나의 배터리 셀로 간주하고 본 발명의 실시예를 활용하여 복수의 배터리 모듈 간의 밸런싱을 수행할 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 : 제1 스위칭 모듈
130 : 제2 스위칭 모듈
T1 : 제1 공통 노드
T2 : 제2 공통 노드
PACK +, PACK - : 외부 연결 단자

Claims (16)

1. 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 수행하기 위한 밸런싱 장치에 있어서,
   상기 밸런싱 장치는 에너지 저장 유닛들의 (+) 단자에 접속되는 제1 스위칭 모듈과 에너지 저장 유닛들의 (-) 단자에 접속되는 제2 스위칭 모듈을 포함하고,
   상기 제1 스위칭 모듈과 상기 제2 스위칭 모듈에 포함된 스위칭 유닛들의 온/오프 동작에 의해 상기 에너지 저장 유닛들 중 일부가 서로 병렬로 연결됨으로써 밸런싱 기능이 수행되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭 모듈은 복수의 스위칭 유닛들을 포함하고, 상기 제1 스위칭 모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 하나의 단자는 각각 대응하는 에너지 저장 유닛의 (+) 단자에 연결되며,
   상기 제2 스위칭 모듈은 복수의 스위칭 유닛들을 포함하고, 상기 제2 스위칭모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 하나의 단자는 각각 대응하는 에너지 저장 유닛의 (-) 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 스위칭 모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 다른 하나의 단자는 모두 공통으로 접속되어 제1 공통 노드를 형성하고,
   상기 제2 스위칭 모듈의 상기 스위칭 유닛들 각각의 다른 하나의 단자는 모두 공통으로 접속되어 제2 공통 노드를 형성하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은, 상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이에 다른 회로 소자가 삽입되지 않은 상태로 어느 하나의 에너지 저장 유닛의 (+) 단자와 바로 인접한 에너지 저장 유닛의 (-) 단자가 직접 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 밸런싱 기능의 수행은,
   밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들의 사이에 2개 이상의 에너지 저장 유닛이 있는 경우에는 상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들을 병렬로 연결함으로써 밸런싱이 수행되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 밸런싱 기능의 수행은,
   밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들의 사이에 1개 이하의 에너지 저장 유닛이 있는 경우에는, 상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들 모두로부터 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 배치된 또 다른 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱 기능이 수행되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은 6개 이상인 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 에너지 저장 유닛은 적어도 한 개 이상의 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭 모듈 및 제2 스위칭 모듈에 포함된 상기 스위칭 유닛들은 양방향 제어가 가능한 양방향 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 밸런싱 장치.
   
10. 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이의 밸런싱 기능을 수행하기 위한 밸런싱 방법에 있어서,
    밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 외의 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 선택하고, 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 일부와 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 병렬로 연결한 후, 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛과 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 다른 일부를 병렬로 연결함으로써, 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱이 수행되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법
11. 제10항에 있어서,
    상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들의 사이에 2개 이상의 에너지 저장 유닛이 있는 경우, 상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들을 병렬로 연결하여 밸런싱을 수행하고,
    상기 밸런싱을 수행하려는 에너지 저장 유닛들의 사이에 1개 이하의 에너지 저장 유닛이 있는 경우, 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛을 경유하여 밸런싱을 수행하는 것은, 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들에 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 이격된 에너지 저장 유닛이 있는 경우, 상기 이격된 에너지 저장 유닛을 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛으로 선택하여 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들에 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 이격된 에너지 저장 유닛이 없는 경우, 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 일부의 에너지를 제2의 경유 에너지 저장 유닛으로 전달한 후, 상기 제2의 경유 에너지 저장 유닛과 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 다른 일부에 공통적으로 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 사이에 두고 이격된 에너지 저장 유닛을 상기 제1의 경유 에너지 저장 유닛으로 선택하고 이를 경유하여 상기 제2의 경유 에너지 저장 유닛과 상기 밸런싱을 수행하고자 하는 에너지 저장 유닛들 중 다른 일부 사이의 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
14. 제10항에 있어서,
    상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은, 상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들 사이에 다른 회로 소자가 삽입되지 않은 상태로 어느 하나의 에너지 저장 유닛의 (+) 단자와 바로 인접한 에너지 저장 유닛의 (-) 단자가 직접 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
15. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 저장 유닛은 적어도 한 개 이상의 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.
16. 제10항에 있어서,
    상기 직렬로 연결된 에너지 저장 유닛들은 6개 이상인 것을 특징으로 하는 밸런싱 방법.

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