KR101336763B1 - 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로에 관한 것으로, 특히 배터리와 상기 배터리의 충방전 동작을 실행하는 충방전 구동 회로 및, 상기 배터리를 영전압까지 방전시키기 위해 상기 배터리의 충전 시와 방전 시에 각각 다른 전압 강하를 발생시키도록 상기 충방전 구동 회로와 상기 배터리 사이에 설치된 전압 강하 수단을 포함하며, 상기 전압 강하 수단은 보조 전원을 상기 배터리에 직렬로 연결하여 상기 배터리의 전압을 방전시키는 방전 동작 시 상기 배터리의 전압이 설정 전압 이하로 낮은 영역에서도 배터리를 방전시키는 방전 전압 강하 수단과, 상기 배터리의 전압을 충전시키는 충전 동작 시 상기 보조 전원이 다이오드 모듈을 통해 통전하는 것을 방지하는 통전 방지 수단으로 구성되어서, 배터리의 방전시 영전압 혹은 영전압 주위의 낮은 전압까지 배터리를 충분히 방전시킬 수 있다.

Description

다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로 {Zero Voltage Charging and Discharging Circuit using Diode modules}
본 발명은 전기 자동차에서 충전과 방전을 반복하면서 지속적으로 사용이 가능한, 2차 전지로서의 배터리 제조에 관한 것이다.
용어의 정의로서 ‘영전압 방전’은 배터리를 방전하는 과정에 있어서 배터리 전압이 0V에 도달할 때까지 정전류 모드(CCM: Constant Current Mode)로 동작하는 것을 의미한다,
[포메이션 설비와 싸이클러 설비의 비교 표]
포메이션(Formation) 싸이클러(Cycler)

구조 및 주요기능
(2차 전지 생산 설비)

Figure 112012054973904-pat00001
(2차 전지 연구 개발 장비)

Figure 112012054973904-pat00002
전압 사용 범위 2.7 V ~ 4.2 V 0 V ~ 4.5 V
전류 사용 범위 50mA ~ 60A 50mA ~ 500A
제어단위 세트(SET) 단위 일괄 제어 채널 단위 독립 제어
구동 방식 Linear, Switching Linear, Switching(개발단계)
표 1에 나타낸 바와 같이, 2차 전지인 배터리의 제조에 사용되는 충방전 구동 회로 설비는, 생산에 적용되는 포메이션 설비(Formation)와, 시험, 및 연구 개발에 사용되는 싸이클러(Cycler) 설비로 구분된다. 싸이클러 설비의 경우 전압사용범위가 0[V] ∼ 4.5[V]이므로 사용자의 요구조건에 부합하기 위하여 영전압 방전회로 구현이 중요하다.
포메이션 설비에 적용되는 충방전 구동 회로에서는 전압 사용 범위가 2.7 ∼ 4.2V 인데 반하여, 싸이클러 설비에 사용되는 충방전 회로의 전압 사용 범위는 0 ∼ 4.5V 이다. 즉, 싸이클러 설비에서는 배터리를 충분히 낮은 전압까지 시험하여야 하므로 영전압 (0V)까지 방전시켜야 하는 것이 요점이다.
또한, 포메이션 설비에서는 50mA ∼ 60A의 전류 범위를 가지는 반면에, 싸이클러 설비에서는 50mA ∼ 500A 의 전류 범위로서, 싸이클러 설비에서는 배터리의 시험을 위해 대용량 전류가 사용된다. 한편, 포메이션 설비에서는 세트(SET) 단위 일괄 제어가 실행되는 반면에, 싸이클러 설비에서는 상기 세트 단위보다 작은 단위인 채널 단위마다 독립적인 제어가 실행된다. 포메이션 설비에서는 충방전 구동 회로의 구동 방식으로서, 리니어 구동 방식과 스위칭 구동방식이 사용되며, 싸이클러 설비에서는 리니어 구동 방식이 사용되고, 스위칭 구동 방식은 현재 개발단계 중이다.
그런데, 한국특허등록 제10-0343379호 (등록일 2002년 6월 24일, 공고일 2002년 7월 15일)과 같은 종래의 싸이클러 설비의 충방전 구동회로 중, 예를 들면 포워드 변환기형 충/방전기에서는, 첫째, 충/방전기의 부하배선이 길어(대략 6 ∼ 10m) 부하배선에 전류가 도통할 시 전압강하가 발생하고(대략 0.7 ∼ 1.0V),
삭제
둘째, 회로내부 반도체 소자(다이오드, MOSFET etc) 도통에 의한 전압강하가 발생하였고,
이러한, 전압강하 성분들로 인해, 종래의 충방전 구동 회로에서는 정전류로 방전 가능한 최저 수준이 배터리 전압 2 V 이상으로 제한되었고, 배터리 전압이 0 ∼ 2V의 낮은 영역으로는 정전류 방전이 진입 및 유지되지 못하는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 본 발명의 목적은 0 ∼ 2V 주위의 낮은 영전압 범위에서도 정전류 특성을 유지할 수 있는 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로는, 배터리와 상기 배터리의 충방전 동작을 실행하는 충방전 구동 회로 및, 상기 배터리를 영전압까지 방전시키기 위해 상기 배터리의 충전 시와 방전 시에 각각 다른 전압 강하를 발생시키도록 상기 충방전 구동 회로와 상기 배터리 사이에 설치된 전압 강하 수단을 포함하며, 상기 전압 강하 수단은 보조 전원을 상기 배터리에 직렬로 연결하여 상기 배터리의 전압을 방전시키는 방전 동작 시 상기 배터리의 전압이 설정 전압 이하로 낮은 영역에서도 배터리를 방전시키는 방전 전압 강하 수단과, 상기 배터리의 전압을 충전시키는 충전 동작 시 상기 보조 전원이 다이오드 모듈을 통해 통전하는 것을 방지하는 통전 방지 수단으로 구성된 것을 특징으로 특징으로 한다.
상기 설정 전압의 크기는 예를 들면, 전기 자동차용 배터리의 시험 운전에서의 필요 하한 값인 2 V가 될 수 있다.
상기 방전 전압 강하 수단은 상기 배터리의 방전 시, 상기 배터리의 방전 잔류 전압의 하한값을 낮추도록 상기 배터리에 대해 순방향으로 설치된 보조 전원(Vs) 및 상기 보조 전원에 접속되어 충전 동작 시 상기 보조 전원(Vs)으로의 통전 경로를 차단하는 다이오드(D1)로 구성될 수 있다.
즉, 방전 전압 강하 수단은 배터리(6)의 전압이 낮은 영역에서도 부하배선 전압강하 및 회로 내부 전압강하에 제한받지 않고 원하는 전압까지 배터리를 일정 전류로 방전하는 것이 가능하도록 상기 배터리에 직렬 및 순방향으로 접속된 설정 제2 전압을 가진 보조 전원(Vs)으로 구성될 수 있다.
상기 설정 제2 전압은 예를 들면, 2.5V이다.
상기 통전 방지 수단(10)은 배터리의 충전 동작 시 전압 강하를 발생시켜 보조 전원(Vs)과 다이오드(D1)를 통한 통전을 방지시킴과 동시에 충전 전류를 흐르게 하도록 상기 방전 전압 강하 수단의 다이오드(D1)와는 반대방향으로 설치된 다이오드들(D2, D3, D4)로 구성될 수 있다.
상기 다이어드(D1, D2, D3, D4)와 보조 전원(Vs)의 규격 및 개수는 배터리의 방전전압 및 충방전 구동 회로의 전압강하 값에 따라 변동 및 조절될 수 있다.
상기 다이어드(D1, D2, D3, D4)와 보조 전원(Vs)의 규격 및 개수는 배터리의 방전 전압 및 충방전 구동 회로의 전압 강하 값에 따라 변동 및 조절될 수 있다.
본 발명에 의하면, 영전압까지 혹은 영전압 주위의 낮은 전압까지 배터리를 충분히 방전시킴으로써, 배터리 제조를 위한 배터리의 시험 및 연구 개발의 정확성을 높일 수 있다.
또한 배터리에 대한 정확한 시험 및 연구 개발이 진행됨에 따라 배터리에 대한 내구성 측정의 정밀도를 높일 수 있고, 배터리의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리에 대해 직렬 및 순방향으로 보조 전원(Vs)을 접속시킴으로써, 배터리의 전압이 낮은 영역에서도 부하배선 전압강하 및 회로 내부 전압강하에 제한받지 않고 원하는 전압까지 배터리를 일정 전류로 방전할 수 있다. 이와 같이 배터리의 방전 시, 상기 배터리의 방전 잔류 전압의 하한값을 가능한 한 낮은값까지 충분히 낮출 수 있어서, 전기 자동차에 사용되는 배터리를 포함한 모든 배터리들의 내구성 및 기타 특성에 대한 연구 및 시험의 활용 범위를 넓힐 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 강하 수단의 상세 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 회로 중 충전 동작시의 전류 방향을 나타낸 회로도,
도 3은 도 2에 도시된 충방전 회로 중 방전 동작시의 전류 방향을 나타낸 회로도.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로에서, 배터리(6)를 영전압까지 방전시키도록, 상기 배터리(6)의 충전 시와 방전 시에 각각 다른 전압강하를 발생시키는 전압 강하 수단(2)은, 고정된 직류전압인 2.5V를 출력하는 파워 서플라이(Power Supply)인 1개의 보조 전원(Vs, 4)과, 전압 강하를 발생시키는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성되어 있다.
상기 다이오드(D1, D2, D3, D4)들은 각각 0.7V 이상의 순방향 전압이 다이오드에 인가될 때 도통을 시작하며, 완전히 도통되어 250A의 전류가 흐르게 될 때에는 각 다이오드(D1, D2, D3, D4)별로 순방향으로 0.9V의 전압 강하가 발생된다.
상기 다이오드(D1, D2, D3, D4)들은 상기 보조 전원(4)의 +단자(4a)와 -단자(4b) 사이에 순방향으로 직렬 접속되어 있으며, 상기 보조 전원(4)의 전압은 2.5V로 상기 다이오드(D1, D2, D3, D4)들 4개가 동시에 도통하기 위해 필요한 전압은 2.8V보다 낮은 값이므로 상기 보조 전원(Vs)과 상기 다이오드(D1, D2, D3, D4)들로 구성된 전압 강하 수단(2) 내부로 회로가 도통되지는 않는다.
상기 보조 전원(Vs)의 전압이 2.5V인 것은 회로 내부 전압강하 성분 및 부하 배선에서의 전압강하 성분을 고려하여 선정한 값이며, 회로 구성에 따라 상기 보조 전원(4)의 전압은 가변될 수 있다. 상기 보조 전원(Vs)의 값에 따라서 전압 강하 수단(2)에 사용되는 다이오드의 수량은 변경이 가능하다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배터리(6)의 충전 시와 방전 시에 각각 다른 전압강하를 발생시키는 상기 전압 강하 수단(2)이 상기 배터리의 충방전 동작을 실행하는 충방전 구동 회로(12)와 방전 부하(Load)인 배터리(6) 사이에 설치되어 있다.
상기 보조 전원(Vs)은 상기 배터리(6)의 방전 시, 상기 배터리(6)의 방전 잔류 전압의 하한값을 최대한 낮추도록 상술한 바와 같은 설정 전압 즉, 2.5V를 가지고 상기 배터리(6)에 대해 순방향 및 직렬로 설치되어 있다.
상기 보조 전원(4)과 상기 다이오드(D1)는 상기 배터리(6)의 전압을 방전시키는 방전 동작 시 상기 배터리(6) 의 방전 전압을 강하시키는 방전 전압 강하 수단(8)을 구성한다.
상기 다이오드(D1, D2, D3)들은 상기 배터리(6)의 전압을 충전시키는 충전 동작 시 전압 강하 수단(2) 내부의 상기 보조 전원(Vs)과 상기 다이오드(D1)들로 구성되는 경로의 도통을 방지하는 역할을 하며 동시에, 전압 강하를 발생시키는 통전 방지 수단(10)을 구성한다.
상기 통전 방지 수단(10)은 상기 배터리(6)의 충전 동작시 전압 강하를 발생시킴과 동시에 전류를 흐르게 하도록 상기 배터리(6)에 대해 상기 방전 전압 강하 수단(8)과 병렬로 접속됨과 동시에, 배터리(6)를 기준으로 볼 경우 상기 방전 전압 강하 수단(8)의 다이오드(D1)와는 반대방향으로 설치된 다이오드들(D2, D3, D4)로 구성되어 있다.
상기 다이어드(D1, D2, D3, D4)와 보조 전원(Vs)의 규격 및 개수는 상기 배터리(6)의 방전 전압 및 충방전 구동 회로(12)의 전압 강하에 따라 변동 및 조절될 수 있다.
이하 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로의 작용 효과를 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하여 상기 배터리(6)에 대한 충전 동작을 설명한다.
충방전 구동회로(12)로부터 충전용 전압(V1)이 출력되면 상기 충전용 전압(V1)에 의해 상기 배터리(6)를 충전시키기 위한 충전 전류가, 상기 충방전 구동 회로(12)의 + 단자(12a) → 배터리(6)의 + 단자(6a) → 배터리(6)의 단자(6b) → 다이오드(D2)의 애노드 → 다이오드(D2)의 캐소드 → 다이오드(D3)의 애노드 → 다이오드(D3)의 캐소드 → 다이오드(D4)의 애노드 → 다이오드(D4)의 캐소드 → 상기 충방전 구동 회로(12)의 - 단자(12b) 의 방향으로 전류가 흐른다.
이 경우 상기 충방전 구동회로(12)로부터 출력된 충전용 전압(V1)의 크기는 예를 들면, 7.9V이며, 대략 6 ∼ 10m되는 길이의 부하 배선(14)에서 약 1.0V의 전압강하가 발생한다.
이어서, 상기 배터리(6)는 해당 규격인 4.2 V까지 충전되며, 상기 통전 방지 수단(10)에 속한 3개의 다이오드(D2, D3, D4)에서 0.9V씩 3번의 전압강하가 이루어져서 2.7V의 전압강하가 발생한다.
그러면 7.9V = 1.0 + 4.2 + 2.7(V) 의 등식이 성립한다.
이 경우, 상기 방전 전압 강하 수단(8)에서는 다이오드(D1)가 전류 방향에 역방향으로 설치된 상태이므로, 상기 다이오드(D1)과 보조 전원(Vs, 4)에는 전류가 흐르지 않는다.
상기 다이오드(D1)는 2.5 V의 직류 전압을 출력하는 보조 전원(Vs, 4)에 직렬로 접속된 상태에서, -0.2V의 전압이 바이어스 되는 역바이어스 상태로 된다.
다음에는 도 3을 참조하여 배터리(6)를 방전시키는 동작을 설명한다
배터리(6)를 방전시킬 경우에는, 상기 배터리(6)와 상기 보조 전원(Vs, 4)이 방전을 위한 전원이 되며, 이 전원에 의해 방전 동작이 이루어진다.
상기 보조 전원(Vs, 4)이 배터리(6)에 직렬로 연결된 구조이므로 배터리(6)의 전압이 낮은 영역에서도 부하배선 전압강하 및 회로 내부 전압강하에 제한받지 않고 원하는 전압까지 배터리(6)를 일정 전류로 방전하는 것이 가능하다.
상기 배터리(6)의 방전전류는, 상기 배터리(6)의 + 단자 → 부하 배선(14) → 충방전 구동회로(12)의 + 단자(12a) → 상기 충방전 구동회로(12)의 - 단자(12b) → 부하 배선(14) → 보조 전원(4)의 단자(4b) → 보조 전원(4)의 + 단자(4a) → 다이오드(D1)의 애노드 → 다이오드(D1)의 캐소드 → 배터리(6)의 - 단자(6b) 방향으로 전류가 흐름으로써, 상기 배터리(6)에 충전되어 있던 전압이 방전한다.
이 경우 상기 충방전 구동회로(12)의 출력 전압이 1.6V인 상태에서, 부하 배선으로 인한 전압 강하가 약 1.0V가 발생하고, 보조 전원(4)의 양단 전압이 2.5V이고, 다이오드(D1)의 전압 강하가 0.9V 발생하면, 배터리(6)의 최저 방전 잔류 전압이 1.0V까지 내려갈 수 있게 된다.
즉, 1.0 (배터리의 방전 잔류 전압) = - 2.5(보조 전원의 출력 전압) + 0.9 {다이오드(D1)의 전압 강하 전압} + 1.0 (부하 배선) + 1.6 {충방전 구동회로(12)의 출력 전압} (V) 의 등식이 성립한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 충방전 구동 시험 설비에서 충방전 구동회로 (12)와 배터리(6) 사이에, 보조 전원(4)과 다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성된 전압 강하 수단(2)을 설치함으로써, 배터리의 방전 시 영전압 혹은 영전압에 근접한 낮은 전압까지 배터리를 충분히 방전시킬 수 있다.
본 발명은 전기 자동차를 구동하기 위한 배터리를 충전하고 방전하기 위한 배터리 충방전 설비에 적용될 수 있다.
2 : 전압 강하 수단 4 : 보조 전원(Vs)
6 : 배터리 8 : 방전 전압 강하 수단
10 : 통전 방지 수단 12 : 충방전 구동 회로
14: 부하 배선 D1, D2, D3, D4 : 다이오드

Claims (3)

  1. 배터리와 상기 배터리의 충방전 동작을 실행하는 충방전 구동 회로 및, 상기 배터리를 영전압까지 방전시키기 위해 상기 배터리의 충전 시와 방전 시에 각각 다른 전압 강하를 발생시키도록 상기 충방전 구동 회로와 상기 배터리 사이에 설치된 전압 강하 수단을 포함하며,
    상기 전압 강하 수단은 보조 전원을 상기 배터리에 직렬로 연결하여 상기 배터리의 전압을 방전시키는 방전 동작 시 상기 배터리의 전압이 설정 전압 이하로 낮은 영역에서도 배터리를 방전시키는 방전 전압 강하 수단과, 상기 배터리의 전압을 충전시키는 충전 동작 시 상기 보조 전원이 다이오드 모듈을 통해 통전하는 것을 방지하는 통전 방지 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 전압 강하 수단은 상기 배터리의 방전 시, 상기 배터리의 방전 잔류 전압의 하한값을 낮추도록 상기 배터리에 대해 순방향으로 설치된 보조 전원(Vs) 및 상기 보조 전원에 접속되어 충전 동작 시 상기 보조 전원(Vs)으로의 통전 경로를 차단하는 다이오드(D1)로 구성된 것을 특징으로 하는 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 통전 방지 수단은 배터리의 충전 동작 시 전압 강하를 발생시켜 보조 전원(Vs)과 다이오드(D1)를 통한 통전을 방지시킴과 동시에 충전 전류를 흐르게 하도록 상기 배터리에 대해 상기 방전 전압 강하 수단과 병렬로 접속됨과 동시에 상기 방전 전압 강하 수단의 다이오드(D1)와는 반대방향으로 설치된 다이오드들(D2, D3, D4)로 구성된 것을 특징으로 하는 다이오드 모듈을 이용한 영전압 충방전 회로.
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