KR20110001205U - 복수의 이차 전지에 있어서 전압 균등화 회로 - Google Patents

Abstract

본 고안은 상기의 목적을 달성하기 위하여 하나의 커패시터에 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 직렬 배터리의 전체 셀을 각각 접속하고, 각 백업 배터리 연결라인마다에 마이크로컴퓨터와 스위치를 설치하여 특정 셀의 전압이 다른 셀들보다 높을 때에 커패시터에 잉여 에너지를 보관할 수 있도록 하고, 특정 셀의 전압이 다른 셀들보다 낮을 때에 커패시터로부터 에너지를 전이할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 복수의 이차전지에 있어서 전압 균등화 회로에 관한 것이다.

전압, 균등화

Description

복수의 이차 전지에 있어서 전압 균등화 회로{CIRCUIT FOR EQULIZATION OF VOLTAGE OF BATTERIES}

본 고안은 복수의 이차전지를 효율있게 방전할 수 있는 전압 균등화 회로에 관한 것이다.

일반적으로 배터리 관리 시스템(BMS : battery management system)은 하이브리드 전기 자동차의 구동 장치인 모터의 동력원으로 사용되는 배터리의 수명을 더 연장하고 전동기의 성능과 효율을 개선하기 위해 배터리의 SOC(state of charge) 상태를 모니터링 및 제어하는 시스템을 의미한다.

조전지는 단전지에 비해 전지를 전력원으로 하는 기기에서 실제 사용가능한 상태로 만들어진 배터리팩이라고도 하며, 하이브리드 전기 차량 또는 순수 전기 차량에 적용된다. 복수의 이차전지를 직렬로 접속하여 구성된 조전지는 출력전압을 높게 할 수 있다. 이 조전지가 부하로 전력을 공급할 때, 모든 이차전지에 동일한 전류가 흐른다. 그렇기 때문에, 전지의 용량이 불균형하면 소용량인 전지의 잔존용량이 대용량인 전지의 잔존용량보다도 작아진다. 따라서, 대용량의 전지가 완전 히 방전될 때에는 소용량의 전지는 과방전이 되어버린다. 이 폐해는 소용량의 전지가 완전히 방전되었을 때에 조전지의 방전을 정지시킴으로써 해소할 수 있다. 그러나, 이 상태에서 조전지의 방전을 정지시키면, 조전지 전체로부터 출력할 수 있는 토탈전력이 가장 작은 용량의 전지로 제한된다. 모든 이차전지의 용량이 불균형이 되지 않도록 조전지를 충방전할 수 있다면 이와 같은 폐해를 발생시키지 않는다.

그러나, 복수의 이차전지를 직렬로 접속하고 모든 전지의 용량을 항상 동일하게 하는 것은 실제로는 도저히 불가능하다. 충방전을 반복함에 따라 직렬로 접속하고 있는 복수의 전지는 용량이 불균형이 되는 경향이 있다.

조전지에서의 각각의 전지의 불균형은 직렬로 접속하고 있는 전지의 수가 증가함에 따라 문제가 된다. 예를 들면, 100 개의 이차전지를 직렬로 접속하고 있는 조전지는, 모든 이차전지의 용량을 동일한 상태로 하고 반복하여 충방전시키는 것은 매우 어렵다. 이 조전지는, 약간만 하나의 전지의 용량이 적어져도 조전지로서의 전기적인 성능이 현저하게 저하되어 버린다. 그것은, 앞서 설명한 바와 같이 아주 용량이 작아져 전지가 과방전되지 않도록 방전을 정지시키면, 조전지로부터 출력할 수 있는 전력이 상당히 작아지며, 조전지의 출력을 크게 하기 위해 가장 작은 용량의 전지가 과방전되기까지 방전시키면, 이 전지의 성능이 급격히 악화되어 조전지로서의 성능을 저하시키기 때문이다.

따라서 종래에 있어서도 각 배터리 셀의 불균형을 방지하기 위해 균등화 충 전방법이 많이 제시되고 있으며, 그 중 하나인 저항을 이용한 셀 균등화 회로(Shunt resist R)는 각각의 셀을 모니터링하여 각 셀 중에서 가장 높은 셀을 선택하여 저항과 연결시켜 나머지 셀과 같도록 하는 방법으로, 제작이 간편하게 되는 장점이 있지만 균등화를 하기 위해 저항에서 열이 많이 방출하고 에너지를 소모시키는 단점이 있다. 또한, 종래의 트랜스포머 방식은 공통의 트랜스포머와 각각의 배터리에 각각을 분할하여 충전하는 방식으로, 제어하는데 많은 어려움이 있었다.

본 고안은 상기 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 직렬로 연결된 셀들을 균등화시킴에 있어서 에너지 소모를 방지함은 물론 배터리의 수명을 극대화할 수 있도록 하고 소모되는 에너지를 재생하여 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 하이브리드 전기자동차용 전압 균등화 회로를 제공하는 데에 있는 것이다.

본 고안은 상기의 목적을 달성하기 위하여 하나의 커패시터에 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 직렬 배터리의 전체 셀을 각각 접속하고, 각 백업 배터리 연결라인마다에 마이크로컴퓨터와 스위치를 설치하여 특정 셀의 전압이 다른 셀들보다 높을 때에 커패시터에 잉여 에너지를 보관할 수 있도록 하고, 특정 셀의 전압이 다른 셀들보다 낮을 때에 커패시터로부터 에너지를 전이할 수 있도록 하는 것을 특징 으로 하는 전압 균등화 회로를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 고안은 직렬로 연결된 다수의 셀 중에서 특정 셀의 전압이 다른 셀들보다 높을 때에 해당 셀에 접속한 커패시터에 잉여 에너지를 보관할 수 있도록 하고, 특정 셀의 전압이 다른 셀들보다 낮을 때에 해당 커패시터로부터 에너지를 전이할 수 있도록 한 것으로, 본 고안에 의하면 방전시의 소모에너지인 방전 열을 줄일 수 있으며 재생된 에너지를 사용하여 배터리의 수명을 극대화 할 수 있고 소모되는 에너지를 재생하여 효율을 극대화하여 사용할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 고안의 실시예에 따른 회로도가 도시되어 있다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 고안의 전압 균등화 회로는 다수의 배터리 셀(100)을 직렬로 연결한 후, 하나의 커패시터(300)에 상기 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 직렬 배터리의 전체 셀을 각각 접속하고, 상기 다수의 배터리 셀들과 상기 커패시터를 연결 또는 해제하기 위해 각 배터리 셀과 커패시터와의 연결라인마다에 설치된 스위치(S-n-1, S-n-2), 상기 다수의 배터리 셀들 중 어느 한 배터리셀과 상기 커패시터간을 연결하여 전압이 높은 배터리 셀의 경우 커패시터에 잉여 에너지를 저장하고, 이후 전압이 낮은 배터리셀을 연결하여 커패시터에 저장된 잉여 에터지를 전압이 낮은 배터리셀로 이동하도록 제어하는 마이크로 컴퓨터(200)로 구성된다.

상기 전압 균등화 회로의 작용을 설명한다.

먼저 모든 스위치를 off 한 상태에서 마이크로컴퓨터로 각 배터리에 걸리는 전압을 측정한다. 측정 결과 특정 셀(예를 들어 B-1)의 전압이 다른 직렬로 연결된 셀들보다 높고, 특정 셀(B-2)의 전압이 다른 직렬로 연결된 셀들보다 낮을 때에는 상기한 마이크로컴퓨터의 제어에 의하여, 먼저 전압이 높은 배터리와 연결하여 설치된 스위치(S-1-1, S-2-2)를 이용하여 에너지를 커패시터(300)에 보관하고, 상기 전압이 높은 배터리와 연결하여 설치된 스위치(S-1-1, S-2-2)를 off 한 후, 전압이 다른 배터리와 연결된 스위치(S-2-1, S-3-2)를 이용하여 커패시터에 보관 중인 에너지를 전압이 낮은 해당 셀(B2-2)로 전이하게 된다.

본 고안에 있어서는 배터리 충전중이나 방전 시 직렬로 연결된 배터리 셀들과 균등하지 못한 높은 전압을 갖고 있는 배터리 셀의 에너지를 강제적으로 방전시켜 에너지를 소모시키지 않고 커패시터에 방전에너지를 저장할 수 있게 되며, 직렬로 연결된 배터리 셀들과 균등하지 못한 낮은 전압을 갖고 있는 배터리 셀을 균등 충전하기 위해서 커패시터에 저장된 재생 에너지를 사용하여 직렬로 연결된 배터리들과 균등하지 못한 낮은 전압을 갖고 있는 배터리로 다시 충전하여 배터리 에너지 를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 회로도이다.

Claims (1)

1. 하나의 커패시터에 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 직렬 배터리의 전체 셀을 접속하고,

   상기 직렬로 연결된 다수의 배터리 셀의 각각의 배터리 셀과 커패시터와의 연결라인마다에 마이크로컴퓨터와 스위치를 설치한 전압 균등화 회로로서

   상기 스위치를 off 하여 각각의 배터리에 걸리는 전압을 측정하여 전압이 높은 셀과 낮은 셀을 선택하고,

   상기 전압이 높은 셀을 상기 커패시터에 연결하여 상기 전압이 높은 셀의 잉여 에너지를 커패시터에 저장한 후,

   상기 전압이 낮은 셀을 상기 커패시터에 연결하여 상기 커패시터로부터 상기 전압이 낮은 셀로 에너지를 전이할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 회로.

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