KR102619260B1 - 직렬 배터리 셀 충방전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 셀 제조라인에서 다수의 셀을 충방전하는 셀 포메이션(formation) 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 동시에 충방전하는 장치로서, 각 배터리 셀의 용량 및 내부 저항이 완전히 일치하지 않아 서로 상이한 충방전 특성을 갖는 각 배터리 셀에 원하는 전류와 전압을 독립적으로 제어할 수 있도록 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치에 관한 것이다.

Description

직렬 배터리 셀 충방전 장치{Serial Battery Cell Charging-Discharging Apparatus}
본 발명은 배터리 셀 제조라인에서 다수의 셀을 충방전하는 셀 포메이션(formation) 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 동시에 충방전하는 장치로서, 각 배터리 셀의 용량 및 내부 저항이 완전히 일치하지 않아 서로 상이한 충방전 특성을 갖는 각 배터리 셀에 원하는 전류와 전압을 독립적으로 제어할 수 있도록 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치에 관한 것이다.
2차전지는 휴대용 전자기기부터 전기자동차, 에너지 저장장치 등 다양한 장비에 사용 되고 있으며, 전기자동차의 폭발적인 성장으로 그 수요가 급증하고 있다. 2차전지는 자원 고갈 및 화석연료로 인한 지구 환경 파괴 등의 문제를 극복하기 위해 향후에는 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 최근, 배터리가 대용량화 되면서 단위 배터리 셀도 100A 이상의 대용량 배터리 셀이 개발 보급 되고 있다.
2차전지의 제조 과정을 살펴보면, 2차전지의 제조 과정은 크게 전극생성 과정, 조립 과정 및 활성화(formation) 과정으로 구성된다. 활성화 과정은 2차전지를 충방전함으로써 2차전지 내부의 화학물질로 전극을 코팅하여 2차전지를 실제로 사용 가능하게 만드는 과정이다. 이러한 과정들 중 활성화 과정은 가장 시간이 많이 소요되는 과정이다.
현재의 활성화 공정은 배터리 셀 각각에 별도의 충방전 장치를 붙여서 활성화하는 방법을 채택하고 있어서 2차전지의 생산성을 높이기 위해서는 수많은 충방전 장치를 사용해야 하고 각 배터리 셀마다 케이블이 따로 연결되어야 하기 때문에 많은 공간을 차지하는 문제점을 가지고 있다. 특히 100A 이상의 대용량 배터리 셀 활성화를 위해서는 굵은 케이블이 연결되어야 하기 때문에 공간문제와 고원가 문제는 심각한 상황이다.
이런 문제점을 개선하기 위해서 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결한 상태에서 하나의 충방전 장치로 충방전을 수행하는 방식들이 연구되고 있다. 이는 많은 배터리 셀을 직렬로 연결하여 한꺼번에 충방전을 수행함으로서 활성화 장비의 원가와 케이블 하네스를 대폭 줄이고 활성화 장비의 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
이 경우에 모든 셀을 일정한 전류로 충전하는 정전류 충전모드에서는 전혀 문제가 안된다. 그러나, 모든 셀에 일정한 전압을 걸어주는 정전압 충전모드에서는 셀간의 용량 편차로 인하여 모든 셀에 동일한 전압이 걸리지 않고 문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서 정전압 모드에서 각 셀의 전압이 일정하게 걸리도록 별도의 밸런싱 회로를 부착하는 방법이 제안되었으나 모든 셀들이 정전류 충전모드에서 정전압 충전모드로 넘어가는 시점이 모두 다르고 그 시차가 매우 커서 밸런싱 회로의 용량이 정격 충전용량 만큼 커지는 문제와 원가 상승문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 정전류 충전모드에서 정전압 충전모드로 넘어가는 시점의 큰 시차동안에 충전을 중단했다가 모든 셀이 정전압 충전모드로 들어가는 시점에서 다시 충전을 시작하고 밸런싱 회로를 가동하면 밸런싱 회로의 용량을 많이 줄일 수 있으나 마지막 셀이 정전류 충전모드가 끝날 때까지 먼저 정전류 충전모드가 끝난 셀들은 충전을 중단하고 대기하는 데드타임(dead time)이 존재하기 때문에 이 방법도 사용되지 못하고 있다.
최근, 이 문제를 해결하기 위해서 각 배터리 셀에 입력전류를 흘려주는 충전 스위치와 입력전류가 배터리 셀로 흐르지 않고 바이패스 시키는 바이패스 스위치를 달아서 각 배터리 셀의 충전 시간과 바이패스 시간의 비율(듀티비)을 조절함으로서 배터리 셀에 공급되는 전류를 제어하고 밸런싱을 수행하는 방법이 제안된 바 있으나, 상기와 같은 데드타임 문제와 정전압 충전모드에서 펄스 형태의 전류가 배터리 셀로 들어가는 것이 용납이 되지 않아서 사용되지 못하고 있다. 상기 데드타임을 줄이기 위해서 모든 셀의 정전용량을 측정하고 그에 따라서 각 셀의 충전시점을 달리함으로서 모든 셀의 정전류 충전모드의 종지 시간을 맞추는 시도도 있었으나 최초 조립된 셀의 충전특성 곡선에 일관성이 없어서 구현이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다수의 배터리 셀이 직렬 연결되며, 각 배터리 셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와 충전 스위치와 배터리 셀 양단을 단락시키는 바이패스 스위치를 포함하여 구성되는 직렬 배터리 셀 충방전 장치에 있어서 충방전 전원장치로부터 공급되는 전류를 각 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치의 온/오프 시간 비율(듀티비)을 조절하여 제어함으로써 각 셀의 정전류 충전 또는 정전압 충전을 수행하되, 각 셀의 정전류 충전모드에서 정전압 충전모드로 시간의 차이가 크게 발생하는 경우에도 정전류 충전이 먼저 완료된 배터리 셀에 대해 데드타임 없이 바로 정전압 충전에 들어갈 수 있도록 하고 모든 셀에 펄스 형태의 충전전류가 아닌 연속된 전류가 흐르게 함으로써 보다 효율적으로 배터리 셀 충전이 이루어질 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치는, 다수의 배터리 셀들을 직렬 연결하여 충방전하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치에 있어서,
배터리 셀, 상기 배터리 셀의 어느 한 단에 일단이 연결된 인덕터와 상기 배터리 셀의 다른 한 단과 상기 인덕터 타단 사이에 연결된 커패시터로 구성되는 CL-필터, 상기 커패시터의 어느 한 단에 일단이 연결된 충전 스위치, 상기 충전 스위치의 타단과 상기 커패시터의 다른 한 단 사이에 연결되고 상기 충전 스위치와 토글로 동작하는 바이패스 스위치로 구성되는 기본 배터리 셀 모듈;
상기 기본 배터리 셀 모듈이 다수 개 직렬로 연결되어 구성되는 배터리 셀 스트링;
상기 배터리 셀 스트링 양단에 연결되어 충방전 전류를 제공하는 충방전 전원장치;
상기 각 셀의 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 및
상기 충방전 전원장치와 상기 충전 스위치 및 바이패스 스위치를 제어하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는 상기 센싱부를 통해 측정된 상기 각 셀의 전압과 전류를 토대로 상기 충방전 전원장치를 제어하고,
상기 충방전 전원장치로부터 공급되는 전류를 상기 각 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치의 온/오프 시간 비율(듀티 비)을 조절하여 상기 각 셀에 들어가는 전류의 량을 독립적으로 제어하여 각 셀의 정전류 충전 또는 정전압 충전을 수행하되, 상기 충전 스위치와 상기 바이패스 스위치의 온/오프 스위칭에 따른 구형파 전류가 상기 CL-필터를 거쳐서 평활화 되어 각 셀에 연속된 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 정전류 충전모드에서는 상기 제어기가 상기 충방전 전원장치가 일정 전류를 공급하게 하고 상기 모든 충전 스위치를 100% 온 시켜서 모든 셀들이 정전류로 충전이 되게 한다.
본 발명은 정전류 충전 중 어느 한 셀의 전압이 종지전압에 다다른 경우에 충방전 전원장치는 계속해서 일정 전류를 공급하도록 하되, 해당 셀에 대해서는 해당 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치의 듀티비를 조절하여 정전압 충전 조건이 되도록 제어하고 나머지 셀들은 각 셀의 충전 스위치를 100% 온 시켜서 정전류 충전을 계속하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 충방전 전원장치의 출력전류를 가장 늦게 종지전압에 다다른 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 하는 전류 값보다 소정의 범위만큼 큰 전류가 흐르게 하고, 모든 셀들에 대해서 각 충전 스위치와 바이패스 스위치의 듀티비를 조절하여 각 셀이 정전압 충전조건이 되도록 각 셀로 공급되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 모든 셀의 전압이 종지전압에 다다른 경우에 가장 늦게 종지전압에 다다른 셀의 충전 스위치를 100% 켜고 해당 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 충방전 전원장치의 출력전류를 제어하고, 나머지 셀들에 대해서는 각 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 각 충전 스위치와 바이패스 스위치의 온/오프 시간을 조절하여 각 셀로 공급되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 충전 스위치 및 바이패스 스위치와 배터리 셀 사이에 CL 필터를 둠으로서 충전 스위치와 바이패스 스위치가 번갈아 켜지고 꺼질 때에 발생하는 구형파 펄스 전류가 평활화되어 각 셀에는 연속된 전류가 흐르는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치에 의하는 경우 정전류 충전모드에서 정전압 충전모드로 넘어갈 때 각 셀의 용량편차에 따라서 정전류 충전모드의 종료시간이 차이가 많이 발생하여 동시에 정전압 충전모드로의 진입이 어려운 상황에서도 각 셀의 전류를 독립적으로 제어해 줌으로서 정전류 충전이 먼저 완료된 배터리 셀에 대하여 별도의 대기시간 없이 즉시 정전압 충전모드의 진행이 가능하고 각 셀에는 CL 필터에 의해서 펄스 전류가 아닌 연속된 전류가 흐르도록 구현함으로써 배터리 셀의 활성화 공정을 효과적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 배터리 셀의 전형적인 충방전 전압 및 전류 특성 그래프이다.
도 2는 종래의 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 회로도이다.
도 3은 종래의 직렬 배터리 충방전 장치에서 충전시 셀간의 밸런싱을 위한 전류 및 전압 특성 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 변형된 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 또 다른 일 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 직렬 충방전장치의 기본 배터리 셀의 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀의 충방전 제어 특성 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀의 충방전 제어의 다른 실시예에 따른 특성 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 센싱과 제어기의 일 실시예에 따른 구성도이다.
도 11은 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 센싱과 제어기의 다른 실시예에 따른 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 파우치형 배터리 셀에 대한 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 결선 예시도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.
도 1은 리튬이온 배터리 셀 포메이션 공정에서 정전류 충전과 정전압 충전시에 전압파형과 전류파형을 도시한 것이다. 배터리 셀이 처음 만들어지면 낮은 전류로 초기충전(pre-charge)을 하고 셀전압이 일정전압까지 가면 본 충전에 들어간다. 본 충전은 정전류 충전과 정전압 충전으로 나누는데 정전류 충전은 보통 정격 충전전류(C-rate)보다 낮은 전류로 충전을 한다. 배터리 셀이 종지전압(보통 4.2V)에 다다르면 종지전압으로 일정한 전압을 걸어주는 정전압 충전을 하게 된다. 그런데 같은 로트(lot)에서 만들어진 셀을 동일한 전류로 충전을 할지라도 활성화 정도에 따라서 종지전압에 다다르는 시간은 천차만별로 많은 차이(약 20분 정도)가 난다. 따라서 하나의 트레이에 담겨서 같은 포메이션 장비로 충전을 할 경우에 장기간 동안 어떤 셀들은 종지전압에 다다라서 정전압 충전을 하고 다른 셀들은 여전히 정전류 충전을 해야 하는 상황이 발생한다. 모든 셀에 별도의 충방전기를 붙여서 충방전하는 개별 충방전 방식은 이런 경우에 완벽하게 대응을 할 수 있다.
모든 셀에 별도의 충방전 전원장치를 각각 부착하는 개별 충방전 방식의 문제점을 해결하기 위해서 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하고 그 양 끝단에 하나의 충방전 전원장치를 연결하여 동시에 충방전하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치에 대한 많은 시도가 있어왔다. 도 2는 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 일반적인 구성도이다.
직렬 충방전 장치에 있어서 모든 셀에 일정한 전류를 공급해주는 정전류 충전모드에서는 큰 문제없이 직렬 연결된 배터리 셀들을 동시에 충전할 수 있으나 정전압 충전모드에서는 각 배터리 셀 간의 용량 편차, 내부저항 편차 등으로 인해서 배터리 셀 간의 전압 불균형이 발생하기 때문에 배터리 셀 간의 밸런싱을 필요로 한다.
종래의 직렬 배터리 셀 충방전 장치는 배터리 셀 간의 밸런싱을 위해서 배터리 셀과 직렬로 충전 스위치(200)가 연결이 되고, 배터리 셀(100)과 충전 스위치(200) 양단을 단락시키고 충전 스위치(200)와 토글로 동작하는 바이패스 스위치(300)가 구성이 되어 특정 배터리 셀에 충전 스위치(200)가 켜지면 해당 배터리 셀은 충전 또는 방전을 하게 되고, 바이패스 스위치가(300) 켜지면 해당 배터리 셀은 충방전 장치에서 완전 분리되어 충전 또는 방전을 하지 않고 쉬게 된다. 따라서 충전 스위치(200)와 바이패스 스위치(300)가 켜지는 시간비율(듀티비)을 조절하면 각 셀에 들어가는 전류를 다르게 제어 할 수 있기 때문에 정전압 충전모드에서도 셀간의 전압 밸런싱을 구현할 수가 있다. 도 3은 종래의 직렬 배터리 충방전 장치의 전압과 전류 파형을 보여준다.
도 3을 참조하면, 종래의 직렬 배터리 셀 충방전 장치는 정전류로 모든 셀을 동시에 충전을 하다가 어느 한 셀이 먼저 종지 전압에 도달하면 충전 스위치(200)를 끄고 바이패스 스위치(300)를 켜서 충전을 중단하고 그 다음으로 종지전압에 도달하는 셀도 충전을 중단하고 이런 식으로 하여 마지막 셀이 종지전압에 도달할 때까지 모든 셀이 충전을 중단하였다가 동시에 정전압 모드 제어로 들어가게 된다. 모든 셀이 정전압 충전을 시작하면 각 셀의 용량편차에 따라서 충전하는 전류를 달리해야 하기 때문에 각 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치의 켜지는 듀티비를 조절하여 각 셀에 필요한 전류를 흘려줌으로서 각 셀의 전압을 일정하게 제어 할 수 있다. 그러나 각 셀에는 연속 전류가 아닌 구형파 전류가 흐르기 때문에 이것이 셀에 미치는 영향 때문에 사용이 되지 못하고 있다.
본 발명의 경우 위와 같은 종래의 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 문제점을 해결하기 위해서 정전류 충전이 완료된 배터리 셀에 대하여 별도의 대기시간 없이 즉시 정전압 충전모드의 진행이 이루어질 수 있도록 하며, 이를 통해 셀 밸런싱을 위한 각 과정이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 회로 구조 및 제어방법을 제공하고자 하는 데 있다.
도 4는 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 회로 구성도를 보여준다. 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치는 종래의 직렬 배터리 충방전 장치에서 직렬 연결된 충전 스위치(200)와 바이패스 스위치(300) 세트와 배터리 셀(100) 사이에 CL-필터(700)를 추가로 포함하여 구성된다. 좀 더 구체적으로 설명하면 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치는 배터리 셀(100)에 직렬 연결된 인덕터(L1)와 배터리 셀(100)-인덕터(L1) 양 끝단에 연결된 커패시터(C1a)로 구성되는 CL-필터(700)를 포함하며, 커패시터(C1a)의 (+)단에 충전 스위치(200)가 연결되며, 충전 스위치(200)의 타단과 커패시터(C1a)의 (-)단에는 충전 스위치와 토글로 동작하는 바이패스 스위치(300)가 연결되어 기본 배터리 셀 모듈(720)을 구성하고, 다수 개의 기본 배터리 셀 모듈(720)을 직렬로 연결하고 그 양 끝단에 충방전 전원장치(400)를 붙여서 구성된다. 여기서 충방전 전원장치(400)는 기본적으로 전류원이 될 수 있다.
그 동작을 살펴보면, 충방전 전원장치(400)의 일정한 출력전류를 충전 스위치(200)와 바이패스 스위치(300)가 토글로 동작하면서 구형파 전류가 만들어지고 CL-필터(700)를 통해서 평활화된 전류가 배터리 셀에 흐르게 된다. 보다 자세하게는, 충전 스위치(200)와 바이패스 스위치(300)가 토글로 동작하면서 충전 스위치(200)가 켜지는 비율(듀티비)에 따라서 해당 셀로 들어가는 전류의 크기를 제어한다. 즉, 전류의 펄스 폭변조(Pulse Width Modulation: PWM)를 하는 것이다. 일반적인 전력변환은 주로 입력 전압을 PWM 하고 이것을 LC-필터를 사용하여 평활화된 출력전압을 얻는데 비해서 본 발명은 입력 전류를 PWM 하고 이것을 CL-필터를 사용하여 평활화된 출력전류를 얻는 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 직렬 배터리 셀 충방전장치의 다른 실시 예를 보여준다. 배터리 셀을 2개 단위로 직렬로 연결하고 충전 스위치와 바이패스 스위치 및 CL-필터(700, 701)가 직렬 연결된 2개의 배터리 셀의 양 끝단에 각각 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 대칭인 2개의 기본 배터리 셀 모듈이 연결이 된 것으로 이것을 투셀 모듈(730)이라고 한다.
예컨대, 투셀 모듈(730)은 CL-필터의 필터 인덕터(L1, L2)가 직렬 연결된 2개의 셀(C1, C2)의 양 끝단에 각각 연결이 되고 필터 커패시터(C1a, C2a)가 직렬 연결된 각각의 필터 인덕터-셀(L1-C1, C2-L2) 양단에 연결이 되고, 상부 필터 커패시터(C1a)의 양단에 직렬 연결된 충전 스위치(S11)와 바이패스 스위치(S12)가 연결이 되고 하위 필터 커패시터(C2a)의 양단에는 직렬 연결된 바이패스 스위치(S22)와 충전 스위치(S21)가 연결이 된다. 모든 동작과 특성은 도 4의 본 발명에 따른 기본 직렬 배터리 셀 충방전장치와 동일하고 부품의 배치만 바뀐 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 충방전장치의 또 다른 실시 예를 보여준다. 기본 배터리 셀 모듈에서 CL-필터 외에 셀 양단에 커패시터 필터(C1b)를 추가로 포함하여 CLC-필터(710)를 구성할 수 있다. 또한, 배터리 셀과 직렬로 충전 차단 스위치(Sr1)를 삽입할 수 있다. CLC-필터(710)는 배터리 셀로 들어가는 전류의 리플을 획기적으로 더 줄일 수 있으며, 충전 차단 스위치(Sr1)의 온/오프시에 전압 피크를 잡아주어 충전 차단 스위치를 보호하는 역할도 한다. 충전 차단 스위치는 불량 배터리 셀이 발생했을 때 불량 셀을 회로에서 완전히 분리하기 위해서 사용할 수 있고 충전이나 방전이 다 된 경우에도 셀을 완전히 분리하기 위해서 사용할 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 직렬 충방전 장치의 스위치 구성을 보여준다. 충전 스위치(200)나 바이패스 스위치(300) 모두 반도체 능동소자에 역방향 다이오드가 병렬로 연결된 소자를 사용할 수가 있다. 충전 차단 스위치(740)는 도 7(a)와 같이 릴레이와 같은 기계적인 스위치를 사용할 수도 있고, 도 7(b)와 같이 충전 스위치와 같은 반도체 스위치를 사용할 수도 있다. 한편, 충전 차단 스위치(740)가 반도체 스위치인 경우는 능동 소자와 상기 능동 소자에 역방향으로 다이오드가 병렬로 연결된 스위치 세트로 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 직렬 배터리 셀 충방전장치의 동작원리와 전형적인 전압, 전류 파형을 보여준다. 도 8에 의하면 도 4와 같이 4개의 셀이 직렬로 연결된 상태에서 그 양 끝단에 충방전 전원장치가 연결되어 구성된다. 정전류 충전모드에서는 충방전 전원장치(Is)를 일정한 전류가 흐르도록 제어하고, 모든 셀의 충전 스위치가 100% 듀티비로 켜지고 모든 셀에 일정한 전류를 공급하게 된다.
C1 셀이 먼저 종지전압에 도달하면 C1 셀에 연결된 충전 스위치(S11)과 바이패스 스위치(S12)를 스위칭하고 S11dl 켜지는 비율 즉, 듀티비를 조절하여 C1 셀이 정전압 충전이 되도록 제어한다. C1 셀에는 CL(C1a-L1)-필터에 의해서 구형파 전류가 연속전류로 평활화되어 흐르게 된다. 여기서, 커패시터 필터를 추가하여 CLC(C1a-L1-C1b_-필터를 구성하게 되면 C1 셀에 흐르는 전류의 리플을 더 줄일 수 있다.
C1 셀이 S11과 S12의 스위칭에 의해서 정전압 제어를 하는 동안데 나머지 셀들은 충전 스위치를 100% 켜고 계속해서 정전류 충전을 하게 된다. 시간이 지나서 C2 셀이 종지전압에 다다르면 C2 셀의 충전 스위치(S21)와 바이패스 스위치(S22)가 스위칭하여 듀티비를 조절함으로서 C2 셀이 정전압 충전이 되도록 제어 하게 된다. 그러면 C1 셀과 C2 셀이 정전압 충전을 하게 되고 나머지 C3 셀과 C4 셀은 여전히 정전류 충전을 하게 된다. 이렇게 하여 차례대로 모든 셀이 정전압 모드로 들어가기까지 충방전 전원장치는 계속해서 일정한 전류를 공급하게 된다. 모든 셀이 종지전압에 다다르면 충전 스위치와 바이패스 스위치의 스위칭 듀티비를 조절하여 각 셀이 정전압 충전이 되도록 제어하고 충방전 전원장치는 가장 나중에 정전압 모드로 들어간 셀의 정전압 제어를 위한 전류 값보다 소정의 값만큼 더 큰 전류를 공급해 준다. 이때 충방전 전원장치의 출력전류는 가장 나중에 정전압 모드로 들어간 셀의 스위칭 듀티비가 85~95% 정도가 되도록 제어하는 것이 가장 효율적이다.
도 9는 본 발명에 의한 직렬 배터리 셀 충방전장치의 다른 동작방법과 그에 따른 전압, 전류 파형을 보여준다. 도 9의 제어방법은 가장 나중에 종지전압에 다다른 셀(C4)이 정전압 조건을 만족하도록 충방전 전원장치의 출력전류를 직접 제어하는 방법으로 해당 셀(C4)의 충전 스위치와 바이패스 스위치는 스위칭 하지 않고 충전 스위치(S41)가 계속해서 100% 켜져 있게 된다. 이 제어방법은 모든 셀의 충전 스위치가 최대의 듀티비로 스위칭 하기 때문에 효율이 높은 장점이 있다. 그러나, 경우에 따라서 여러 셀들이 가장 나중에 약간의 차이를 두고 종지전압에 다다른 경우에 듀티비를 100%로 해야 할 셀이 정전압 충전 중에 바뀔 가능성이 있다. 이런 경우에는 100% 듀티로 제어하는 셀 외에 다른 셀의 전압이 100% 듀티로 하더라도 종지전압보다 낮아지게 되어 제대로 정전압 충전을 할 수가 없게 된다. 이 문제를 해결하기 위해서는 100% 듀티로 제어해도 셀 전압이 종지전압보다 떨어지는 셀이 종지전압이 되도록 충방전 전원장치(Is)의 출력전류를 제어해 주어야 한다. 다시 말해, 충방전 전원장치의 출력전류를 가장 용량이 큰 배터리 셀에 맞춰 제어하는 것이고 가장 용량이 큰 배터리 셀은 중간에 바뀔 수 있고 그러면 바뀐 배터리 셀에 맞춰 제어해야 한다.
제어기는 모든 셀들이 정전압 충전을 하는 동안에 충전전류가 일정 값 이하로 떨어지는 셀은 바이패스 스위치를 100% 켜서 충전을 종료하며, 모든 셀들이 충전전류가 일정 값 이하로 떨어지면 상기 모든 셀의 바이패스 스위치를 100% 켜서 전체 충전을 종료한다.
모든 셀들의 충전이 종료되면 일정시간이 지난 후에 방전을 하게 된다. 방전은 모든 충전 스위치들을 100% 켜서 모든 셀들을 직렬로 묶어 일정 전류로 방전을 하고 어느 셀이 최저 전압에 다다르면 해당 셀의 충전 스위치를 끄고 바이패스 스위치를 100% 켜서 해당 셀의 방전을 종료한다. 이렇게 하여 모든 셀들이 최저 전압에 다다르고 모든 바이패스 스위치를 100% 켜서 방전을 종료하게 된다.
제어기는 모든 셀들이 정전류 충전 또는 정전압 충전을 하는 동안에 특정 셀이 충전전압 또는 충전전류의 정상범위 값을 벗어나는 경우 불량 셀로 간주하고 해당 셀의 충전 스위치를 끄고 바이패스 스위치를 100% 켜서 충전을 종료한다. 바이패스 스위치가 켜져있는 동안에 추가적으로 충전 차단 스위치를 꺼서 불량 셀을 회로에서 완전히 차단할 수 있다. 충전 차단 스위치를 끌 때에는 셀의 전류가 영이 될 때까지 기다렸다가 꺼는 것이 충전 차단 스위치의 수명을 연장에 도움이 된다.
도 10은 본 발명에 의한 직렬 배터리 셀 충방전장치의 전압, 전류 센싱회로(810)와 제어기(500) 구성을 보여준다. 도 10은 도 5의 회로에서 각 셀의 전압과 전류의 측정을 위해서 전류 센싱저항(R1, R2)을 직렬 연결된 2개의 셀들(C1, C2)의 양 끝단에 직렬로 각각 삽입하여 구성한다. 2개 셀이 연결된 지점과 센싱회로의 접지를 연결하여 비절연 방식의 OP-amp(800)를 사용하여 2개 셀의 전압과 전류를 센싱할 수 있다. 전압 및 전류 센싱회로는 2개 셀 단위로 독립적으로 구성되고 각각 절연된 전원을 포함하여 구성된다. OP-amp를 통해서 센싱된 전압과 전류 신호는 AD 컨버터를 통해서 디지털로 변환되고 통신으로 제어기에 연결이 된다. 이 경우 센싱회로의 통신 신호는 모두 절연되어 구성된다.
제어기(500)는 센싱된 각셀의 전압과 전류 신호를 토대로 충방전 전원장치(Is)와 각 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치를 제어하게 된다. 충전 차단 스위치가 있는 경우에는 충전 차단 스위치도 제어하게 된다. 각 스위치는 게이트 드라이브(820)를 통해 구동되고 릴레이의 경우는 릴레이 구동회로를 통해서 구동된다.
도 10과 같이 2개 단위로 셀을 직렬로 연결하고 센싱저항을 대칭적으로 배치하는 것의 장점은 각 배터리 셀의 전압과 전류의 측정을 용이하게 할 수 있기 때문이다.
도 11은 본 발명에 따른 직렬 배터리 셀 충방전 장치의 센싱회로와 제어기의 다른 구성사례이다. 직렬 연결되는 셀 수가 많아지는 경우에는 하나의 제어기로 모든 셀의 전압, 전류를 센싱하고 모든 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치 및 충전 차단 스위치를 제어하기 어렵게 된다. 이런 경우에 각 셀의 전압과 전류를 센싱하고 그것을 토대로 각셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치 및 충전 차단 스위치를 제어하는 채널 제어기(Channel Con)와 충방전 전원장치를 제어하고 채널 제어기와 통신을 통해서 데이터를 주고 받는 마스터 제어기(Master Con)로 구성할 수 있다. 상기 채널 제어기는 충방전 장치의 트레이에 들어가는 셀 수에 따라서 하나 이상의 채널 제어기로 구성이 될 수 있다.
상기 충방전 전원장치(Is)와 모든 제어기와 모든 센싱 회로는 배터리 셀 트레이가 들어가는 지그부와 분리된 전원부에 배치될 수 있다. 또한, 파워 케이블의 수요를 줄이기 위해서 충방전 전원장치(Is)와 마스트 제어기를 제외하고 모든 회로와 제어기를 지그부에 같이 배치할 수도 있다.
한편, 전극이 양 끝단에 배치된 파우치형 배터리 셀의 경우 다수의 배터리 셀을 직렬 연결시키기 위해서는 셀의 구조상 일반적으로 직렬연결 케이블의 길이가 길어질 수밖에 없어서 직렬 충방전 장치의 케이블 길이 단축효과가 줄어든다. 이 문제를 해결하기 위해서 파우치 셀의 극성을 교대로 배치하면 다수의 셀을 직렬 연결할 때에 직렬연결 케이블의 길이를 짧게 할 수가 있다. 그러나 같은 트레이 내에서 셀을 교번 배치하는 것은 제조관리 차원에서 매우 어려운 게 사실이다.
도 12는 본 발명에 따른 파우치 셀의 경우에 직렬 배터리 충방전 장치의 구성도를 보여준다. 도 12에 의하면 트레이 내에서는 일 방향으로 모든 셀을 배치하고 상하로 배치되는 인접한 트레이를 반대 방향으로 배치해서 상부 트레이의 셀과 하부 트레이의 셀을 직렬로 연결할 수가 있다. 상부 트레이의 한 셀의 (-)단자를 하부 트레이의 한 셀의 (+)단자에 연결하고 상기 하부 트레이 셀의 (-)단자를 다시 상부 트레이의 다음 셀의 (+)에 연결하는 식으로 직렬 연결을 계속해 갈 수 있다. 도 12는 도 5의 직렬 회로를 구성한 것이다. 상부 트레이의 한셀과 하부 트레이의 한셀을 직렬로 연결하고 각각 충전 스위치와 바이패스 스위치를 부착하고 CL-필터를 부착하여 구성한 직렬 충방전장치이다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
C1, C2, C3, C4, 100: 배터리 셀
S11, S21, S31, S41, 200: 충전 스위치
S12, S22, S32, S42, 300: 바이패스 스위치
Is, 400: 충방전 전원장치
L1, L2, L3, L4: 인덕터
C1a, C2a, C3a, C4a: 커패시터
C1b, C2b, C3b, C4b: 보호 커패시터
Sr1, Sr2, Sr3, Sr4, 900: 충전차단 스위치
R1, R2, R3, R4: 전류 센싱 저항
500: 제어기
700, 701 : CL-필터 710 : CLC-필터
720 : 기본 배터리 셀 모듈 730: 투셀 모듈
740 : 충전 차단 스위치
800: 비절연 앰프 810: 센싱부
820: 게이트 드라이브
900: 트레이

Claims (22)

  1. 다수의 배터리 셀들을 직렬 연결하여 충방전하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치에 있어서,
    배터리 셀,
    상기 배터리 셀의 어느 한 단에 일단이 연결된 인덕터와 상기 배터리 셀의 다른 한 단과 상기 인덕터 타단 사이에 연결된 커패시터로 구성되는 CL-필터,
    상기 커패시터의 어느 한 단에 일단이 연결된 충전 스위치,
    상기 충전 스위치의 타단과 상기 커패시터의 다른 한 단 사이에 연결되고 상기 충전 스위치와 토글로 동작하는 바이패스 스위치로 구성되는 기본 배터리 셀 모듈;
    상기 기본 배터리 셀 모듈이 다수 개 직렬로 연결되어 구성되는 배터리 셀 스트링;
    상기 배터리 셀 스트링 양단에 연결되어 충방전 전류를 제공하는 충방전 전원장치;
    상기 각 셀의 전압 및 전류를 측정하는 센싱부; 및
    상기 충방전 전원장치와 상기 충전 스위치 및 바이패스 스위치를 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 센싱부를 통해 측정된 상기 각 셀의 전압과 전류를 토대로 상기 충방전 전원장치를 제어하고,
    상기 충방전 전원장치로부터 공급되는 전류를 상기 각 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치의 온/오프 시간 비율을 조절하여 상기 각 셀에 들어가는 전류의 량을 독립적으로 제어하여 각 셀의 정전류 충전 또는 정전압 충전을 수행하되, 상기 충전 스위치와 상기 바이패스 스위치의 온/오프 스위칭에 따른 구형파 전류가 상기 CL-필터를 거쳐서 평활화 되어 각 셀에 연속된 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충방전 전원장치는
    전류원인 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    정전류 충전모드에서는 상기 충방전 전원장치가 일정 전류를 공급하게 하고 모든 충전 스위치를 100% 온 시켜서 모든 셀들이 정전류로 충전이 되게 하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    모든 셀들이 정전류로 충전을 하다가 어느 한 셀의 전압이 종지전압에 다다른 경우에 상기 충방전 전원장치는 계속해서 일정 전류를 공급하도록 하되, 해당 셀에 대해서는 해당 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치의 듀티비를 조절하여 정전압 충전 조건이 되도록 제어하고 나머지 셀들은 각 셀의 충전 스위치를 100% 온 시켜서 정전류 충전을 계속하도록 하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 충방전 전원장치의 출력전류를 가장 늦게 종지전압에 다다른 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 하는 전류 값보다 소정의 범위만큼 큰 전류가 흐르게 하고, 모든 셀들에 대해서 각 충전 스위치와 바이패스 스위치의 듀티비를 조절하여 각 셀이 정전압 충전조건이 되도록 각 셀로 공급되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    모든 셀의 전압이 종지전압에 다다른 경우에 가장 늦게 종지전압에 다다른 셀의 충전 스위치를 100% 켜고 해당 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 상기 충방전 전원장치의 출력전류를 제어하고, 나머지 셀들에 대해서는 각 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 각 충전 스위치와 바이패스 스위치의 듀티비를 조절하여 각 셀로 공급되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어기는
    가장 늦게 종지전압에 다다른 셀의 충전 스위치를 100% 켜고 해당 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 상기 충방전 전원장치의 출력전류를 제어하다가 나머지 셀들 중에서 충전 스위치를 100% 켜도 셀 전압이 종지전압보다 더 떨어지는 특정 셀이 존재할 경우에 상기 특정 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 상기 충방전 전원장치의 출력전류를 제어하고, 나머지 셀들은 각 셀이 정전압 충전 조건이 되도록 각 충전 스위치와 바이패스 스위치의 듀티비를 조절하여 각 셀로 공급되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    모든 셀들이 정전압 충전을 하는 동안에 충전전류가 일정 값 이하로 떨어지는 셀은 바이패스 스위치를 100% 켜서 충전을 종료하며, 모든 셀들이 충전전류가 일정 값 이하로 떨어지면 상기 모든 셀의 바이패스 스위치를 100% 켜서 전체 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    모든 셀들의 충전이 종료된 이후에 모든 충전 스위치들을 100% 켜서 모든 셀들을 직렬로 묶어 일정 전류로 방전을 하고 어느 셀이 최저 전압에 다다르면 해당 셀의 충전 스위치를 끄고 바이패스 스위치를 100% 켜서 해당 셀의 방전을 종료하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    모든 셀들이 정전류 충전 또는 정전압 충전을 하는 동안에 또한 모든 셀들이 방전하는 동안에 특정 셀이 충전전압 또는 충전전류의 정상범위 값을 벗어나는 경우 불량 셀로 간주하고 해당 셀의 충전 스위치를 끄고 바이패스 스위치를 100% 켜서 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치
  11. 제 1항에 있어서,
    인접한 상기 기본 배터리 셀 모듈 각각의 상기 충전 스위치와 바이패스 스위치 및 CL-필터는
    상기 인접한 기본 배터리 셀 모듈의 2개의 배터리 셀이 직접 연결이 되도록 직렬 연결된 2개의 배터리 셀의 양 끝단에 각각 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 센싱부는
    상기 각 셀의 전압과 전류 센싱을 위해서 직렬 연결된 인접한 2개의 배터리 셀 양 끝단에 각각 직렬로 전류 센싱 저항을 삽입하여 2개 셀의 전압 및 전류 센싱을 하되 센싱회로의 접지선과 2개의 셀이 연결된 지점이 서로 직접 연결되어 비절연 앰프(OP-Amp)를 사용하여 센싱하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 CL 필터는
    상기 각 셀의 전류 리플을 더 줄이기 위해서 각 셀 양단에 필터 커패시터를 추가하여 CLC 필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 충전 스위치와 상기 바이패스 스위치는,
    능동 소자와 상기 능동 소자에 역방향으로 다이오드가 병렬로 연결된 스위치 세트인 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 기본 배터리 셀 모듈은
    상기 셀과 직렬로 연결되어 상기 배터리 셀에 대한 충전을 완전히 차단하는 기능을 수행하는 충전차단 스위치를 포함하여 구현되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 충전차단 스위치는
    반도체 스위치 또는 릴레이로 구현될 수 있고, 반도체 스위치의 경우는 능동 소자와 상기 능동 소자에 역방향으로 다이오드가 병렬로 연결된 스위치 세트인 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 CL 필터는 상기 각 셀의 전류 리플을 더 줄이기 위해서 각 셀 양단에 필터 커패시터를 추가하여 CLC 필터를 구성하며,
    상기 충전차단 스위치는 상기 CLC 필터 후단에 상기 배터리 셀과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 충방전 전원장치를 제어하는 마스터 제어기와 상기 다수의 셀의 전압과 전류를 센싱하고 상기 다수의 셀의 충전 스위치와 바이패스 스위치를 제어하는 채널 제어기로 구성되되 셀의 수량에 따라서 상기 채널 제어기는 하나 이상이 될 수 있고, 상기 하나 이상의 채널 제어기와 상기 마스터 제어기가 통신으로 서로 연결되어 각종 정보를 주고 받는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 충전 스위치와 바이패스 스위치 및 CL-필터는, 셀 트레이가 있는 지그부에 배치되고,
    상기 충방전 전원장치는 전원부에 배치되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은,
    전극이 양 끝단에 배치되는 파우치형 배터리 셀일 경우에 상기 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하기 용이하도록 서로 직렬 연결되는 배터리 셀의 전극방향을 교번으로 배치하는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 동일 트레이 내에서 교번배치 되어 직렬 연결이 되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 트레이 내에서는 동일 방향으로 배치되고 인접하는 2개의 트레이가 서로 반대 방향으로 배치되어 트레이 간에 배터리 셀이 교번 배치되어 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직렬 배터리 셀 충방전 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20060007896A (ko) * 2004-07-22 2006-01-26 미래산업 주식회사 유리성형용 이형제
JP2007097298A (ja) * 2005-09-28 2007-04-12 Sanyo Electric Co Ltd 充電器の電池装着の判定方法
JP2009178040A (ja) * 2006-03-10 2009-08-06 Hitachi Vehicle Energy Ltd 電池群制御装置及び電池電源システム
KR20140140182A (ko) * 2013-05-28 2014-12-09 재단법인 포항산업과학연구원 Ｄｃ 전력 계통용 배터리 충방전 제어 장치

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