KR20110102094A

KR20110102094A - 배터리 셀 밸런싱용 충전 회로를 포함하는 배터리 셀 모듈 및 멀티 셀 배터리 장치

Info

Publication number: KR20110102094A
Application number: KR1020100021553A
Authority: KR
Inventors: 홍순기
Original assignee: (주)비타소프트
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-16

Abstract

본 발명은 배터리 셀(battery cell)의 충방전을 위한 충전 및 방전회로에 대한 것이며, 특히 배터리를 구성하는 각 셀을 동일한 전압 및 용량으로 충전될 수 있도록 함으로써, 셀 사이의 충전 전압 불균형에 의해 셀이 과충전되거나 과방전되는 현상을 방지할 수 있도록 하여 셀의 균형 충전을 가능하게 하는 멀티 배터리 셀 제작 기술에 대한 것이다.
본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱용 충전 회로를 포함하는 배터리 셀 모듈 및 배터리 장치는, 배터리 셀(Cell)과, 배터리 셀의 한쪽에 접속되며 서로 병렬 접속된 충전 스위칭 소자(TR_1C) 및 방전 스위칭 소자(TR_1D)와, 상기 충전 스위칭 소자의 입력단과 방전 스위칭 소자의 출력단 사이에 배치되는 트리거 전압용 저항 소자(R2)와, 상기 방전 스위칭 소자를 기준으로 배터리 셀과 병렬 연결되는 기준 전압용 저항소자(R3)를 포함하도록 구성되고, 상기 충전 스위칭 소자는 배터리 셀의 전압이 강하하여 외부 전원으로부터의 공급전압(V_in)과의 전위차가 기준 이상이 되는 경우 트리거 되어 배터리 셀의 충전을 시작하며, 배터리 셀의 전압이 상승하여 상기 전위차가 기준 이하가 되는 경우 컷오프되도록 작동하고, 한편, 상기 방전 스위칭 소자는 배터리 셀의 전압이 상승하여 기준 이상이 되는 경우 트리거 되어 외부로 전류를 공급하는 배티러 셀의 방전을 시작하며, 배터리 셀의 전압이 강하하여 외부 공급 전압(V_in)과 전위차가 기준 이상이 되는 경우 컷오프되도록 작동하는 배터리 셀 모듈과, 이 배터리 셀 모듈 여러 개를 직병렬로 접속하여 구성한 멀리 셀 배터리 장치를 제공한다.
본 발명을 제공함에 따라 구성비용이 저렴하면서도 효율적으로 배터리 셀의 충전량을 균형있게 유지할 수 있는 충전회로를 구성할 수 있게 되었다.

Description

배터리 셀 밸런싱용 충전 회로를 포함하는 배터리 셀 모듈 및 멀티 셀 배터리 장치{A battery cell module and a multi-cell battery device having a charge circuit for a battery cell balancing}

본 발명은 배터리 셀(battery cell)의 충방전을 위한 충전 및 방전회로에 대한 것이며, 특히 배터리를 구성하는 각 셀을 동일한 전압 및 용량으로 충전될 수 있도록 함으로써, 셀 사이의 충전 전압 불균형에 의해 셀이 과충전되거나 과방전되는 현상을 방지할 수 있도록 하여 셀의 균형 충전을 가능하게 하는 멀티 셀 배터리 장치 제작 기술에 대한 것이다.

최근의 충전식 배터리 장치는 관련 기기에 에너지를 공급하는 전원으로 사용되며, 다수의 셀을 포함하는 멀티 셀 배터리로 구성되고 있다. 단일 셀보다는 멀티 셀을 이용하여 고전압을 인가하거나 용량을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 배터리 셀 각각의 잔존 전압은 저마다 충방전 특성을 가지고 있기 때문에, 시간이 경과되며 충방전이 반복됨에 따라 배터리 셀 사이에서의 균형이 흐트러지는 언밸런싱 경향이 있다.

특히 자동차용, 가정용 등의 고전압 배터리의 경우, 배터리 셀들 사이에서 전압 편차가 커지는 언밸런싱 상태가 되면, 배터리 셀의 성능이 가장 전압이 낮은 셀에 의해 결정되므로, 배터리의 성능과 수명에 큰 손실을 초래하게 된다.

이런 이유로, 모든 배터리 셀들 사이에서 과충전을 방지하고 균일한 충전이 가능하도록 하는 배터리 셀 밸런싱(battery cell balancing)은, 배터리의 전체 성능이 최대로 유지될 수 있도록 하기 위해 중요한 것으로서, 다양한 방법이 연구되고 있다.

예를 들면, 먼저, 배터리 셀들 중에서 전압이 높은 셀에 저항 등을 통해 전류를 흐르게 하여 밸런싱하는 방법이 있다. 이 방법은 간단하지만, 밸런스가 맞지 않는 고전압 전지의 갯수가 많아지면, 방전 전류량이 많아 발열이 많이 된다는 문제점이 있다.또한, 이 방법은 배터리의 여러 셀들 중에서 전압이 가장 낮은 셀에 밸런스가 맞춰진다는 치명적인 문제점이 있었다.

둘째로, 위의 방법과 반대로 배터리의 여러 셀들 중 저전압의 전지에 충전 전류를 흐르게 하여 밸런싱을 맞추는 방법도 있다. 이 방법은 DC-DC 컨버터를 이용하는 것으로 일반적이며, 효율이 높고 발열이 작다. 그러나, 이 방법도 저전압 전지의 갯수가 많아지면, 배터리 전체의 셀 전압이 원래의 최저 전압보다 낮아지는 상황이 발생한다.

셋째로는, 배터리 셀 각각의 전압을 검출할 때, 배터리 셀에 밸런스 전류가 흐르고 있는지 여부에 관계없이 배터리 셀의 전압을 검출하는 방법도 있다. 이러한 전압 검출 방법은 큰 전류로 밸런스를 맞추는 시스템이나, 밸런스 전류가 흐르는 경로와 전압 검출 경로를 공용하는 시스템에서 밸런스 전류에 의한 전압 강하가 생기고 전압을 정확하게 검출할 수 없는 문제점이 생긴다.

예컨대, 배터리 셀로 밸런스 전류가 흐르고 있는 경우, 그 밸런스 전류의 변화에 의해 배터리 셀의 단자 전압은 복잡하게 변한다. 따라서, 밸런싱 전류가 흐르는 셀이 있을 때, 이 밸런싱 전류에 상관없이 전압을 판독하면, 모든 셀의 밸런스가 맞더라도, 각 배터리 셀의 전압이 다르게 판독될 수 있다.

어느 경우이든 배터리 셀의 충전량을 일정하게 밸런싱 하기 위해서는 충전량을 지속적으로 모니터링할 필요가 있으며, 다양한 형태의 회로가 제안되어 배터리 관리 시스템(BSC: Battery Management System)에 적용되어 사용되고 있다.

많은 경우, 배터리 셀의 충전량을 밸런싱하기 위해서 각 배터리 셀의 충전 전압을 검출하는 것이 필요한데, 종래에는 각 배터리 셀의 충전전압을 센싱하기 위한 회로와 각 배터리 셀의 충전량을 밸런싱하기 위한 회로를 별도로 구성하는 방식을 주로 사용하고 있다. 이 경우, 충전전압 검출 회로와 충전량 밸런싱 회로를 따로 구성하게 되면 각 회로별로 별도의 소자를 사용해야 하므로, 그에 따라 비용이 증대되거나 고장율이 증가하는 등의 여러 가지 문제점도 많아진다.

따라서, 간단한 회로 구성을 사용하고 있어서, 구성비용이 저렴하면서도 효율적으로 배터리 셀의 충전량을 밸런싱할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱용 충전 회로를 포함하는 배터리 셀 모듈 및 멀티 셀 배터리 장치는, 배터리 관리시스템의 충전 회로를 구성할 때 간단한 구성이어서 구성비용이 저렴하면서도 효율적으로 배터리 셀의 충전량을 균형있게 유지할 수 있는 충전회로를 구성하는 것을 과제로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 배터리 셀(Cell)과, 배터리 셀의 한쪽에 접속되며 서로 병렬 접속된 충전 스위칭 소자(TR_1C) 및 방전 스위칭 소자(TR_1D)와, 상기 충전 스위칭 소자의 입력단과 방전 스위칭 소자의 출력단 사이에 배치되는 트리거 전압용 저항 소자(R2)와, 상기 방전 스위칭 소자를 기준으로 배터리 셀과 병렬 연결되는 기준 전압용 저항소자(R3)을 포함하도록 구성되고, 상기 충전 스위칭 소자는 배터리 셀의 전압이 강하하여 외부 전원으로부터의 공급전압(V_in)과의 전위차가 기준 이상이 되는 경우 트리거 되어 배터리 셀의 충전을 시작하며, 배터리 셀의 전압이 상승하여 상기 전위차가 기준 이하가 되는 경우 컷오프되도록 작동하고, 한편, 상기 방전 스위칭 소자는 배터리 셀의 전압이 상승하여 기준 이상이 되는 경우 트리거 되어 외부로 전류를 공급하는 배티러 셀의 방전을 시작하며, 배터리 셀의 전압이 강하하여 외부 공급 전압(V_in)과 전위차가 기준 이상이 되는 경우 컷오프되도록 작동하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 전술한 배터리 셀 모듈의 배터리 셀과, 상기 작동전압용 저항 소자 및 기준 전압용 저항소자는 각각 N(N≥2)개 이상이 연속하여 직렬로 연결되어 멀티 셀 배터리를 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티 셀 배터리 장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 배터리 셀 모듈은 M(M≥2)개 이상 병렬로 연결되어 멀티 셀 배터리를 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티 셀 배터리 장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 배터리 셀 모듈은 M(M≥2)개 이상 병렬 및 N(N≥2)개 이상 직렬로 연결되어 M×N 멀티 셀 배터리를 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티 셀 배터리 장치를 제공한다.

전술한 구성의 배터리 셀 모듈과 배터리 장치를 제공함으로써, M×N 멀티 셀 배터리 장치에서 간단한 구성으로 여러 배터리 셀의 충전량을 균형있게 유지할 수 있게 되었으며, 그 결과 배터리의 출력 전압을 안정화하며, 또한 배터리의 수명 연장 효과를 높일 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈의 구성을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈을 직렬 형태로 접속하여 구성한 배터리 장치의 충전 회로 구성예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈을 이용하여 N×N 멀티 셀 배터리를 구성한 배터리 장치를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 상세한 구성을 첨부된 도면을 참고로 설명하도록 한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 배터리 셀 모듈은 배터리 셀(Cell)과 반도체 스위칭 소자 1쌍 및 3개의 저항기로 구성된다. 전원(V_in)는 배터리 셀에 전원을 공급함, 출력 전압은 V_2로 표시되어 있다.

반도체 스위칭 소자 1쌍(TR_1C, TR_1D)은 각각 충전시점에 도통되는 충전 스위칭 소자(TR_1C)와 방전시점에 도통되는 방전 스위칭 소자(TR_1D)이며, 배터리 셀의 관점에서 같은 단말에 병렬로 접속되며, 스위칭 소자들 사이에는 저항기 R_2가 배치되어 있는데, 결국 저항기는 1쌍의 스위칭 소자의 베이스와 이미터 단의 전압인 V_BE의 합계 전압이 걸리게 되어, 트리거 전압용 저항소자로 명칭한다.

상단의 저항 R1은 전원 V_in의 전압을 나누기 위한 분압 저항이며, 하단의 저항소자 R3는 출력 전압 V2를 나누기 위한 분압저항이며, R3에는 Cell 양단의 전압에서 TR_1D에 걸리는 전압을 제외한 부분이 걸리게 된다.

이하, 배터리 셀 모듈의 작동을 설명하도록 한다. 과소 충전 상태에서 배터리 셀(Cell)의 양단간 전압이 기준 이하가 되므로, V_in의 전원 전압의 상당 부분이 충전 스위칭 소자(TR_1C)의 베이스와 이미터 사이에 걸리게 되어, 충전 스위칭 소자(TR_1C)는 트리거 되어 도통 상태로 되어 충전이 시작된다. 반면, 배터리 셀(Cell) 양단간 전압이 기준 이하이므로 방전 스위칭 소자(TR_1D)의 베이스와 이미터 사이 전압 역시 기준 전압 이하가 되어, 방전 스위칭 소자(TR_1D)는 컷오프 상태를 유지하게 된다.

이후, 배터리 셀에 충전이 이루어져 배터리 셀 양단의 전압이 상승하게 되면, 어느 순간 방전 스위칭 소자(TR_1D)의 베이스 이미터 사이 전압도 상승하여 정해진 기준 전압을 초과하면서 방전 스위칭 소자(TR_1D)는 트리거 되어 도통 상태로 되고 방전이 이루어지게 된다. 이와 반대로, 배터리 셀의 전압이 상승하면서, 충전 스위칭 소자(TR_1C)의 베이스와 이미터 양단간 전압(V_BE)은 기준 전압 보다 낮아지게 되고 충전 스위칭 소자(TR_1C)는 컷오프 상태로 전환되어 충전은 중단된다.

계속해서 방전이 시작된 후 일정 시간이 지나 배터리 셀의 전압이 기준전압 이하로 낮아지게 되면, 방전 스위칭 소자 (TR_1D)의 베이스 이미터 양단간 전압(V_EB)도 낮아지게 되어 컷오프 상태로 전환되고 거의 동시에 충전 스위칭 소자(TR_1C)가 트리거 되어 도통되므로 충전이 이루어지게 된다.

이와 같이, 배터리 셀의 충전 상태에 따라 셀 양단의 전압이 변화하면 충전과 방전이 자동으로 전환되어 배터리 셀의 충전 전압이 일정한 상태를 유지하게 된다.

특히, 여러 개의 배터리 셀을 직렬 또는 병렬 상태로 연결한 경우, 각 배터리 셀의 전압에 따라 충전 및 방전이 결정되므로, 모든 배터리 셀이 균일한 전압 상태에서 충전량의 균형되는 밸런스 상태가 이루어 지게 된다.

이때, 충전 시작과 방전 시작의 전압의 차이는 충전 스위칭 소자 및 방전 스위칭 소자별로 설계된 트리거 전압에 따라 결정된다.

도 2는 전술한 도 1의 배터리 셀 모듈 3개를 직렬로 연결한 경우의 충전 회로 구성도인데, 배터리는 직렬로 접속되고, 저항 소자는 상단의 기준 전압용 저항소자와 하단의 트리거 전압용 저항소자가 직렬 접속되는 방식으로 구성하였다.

이러한 구성에서 배터리 셀을 리튬이온 배터리로 사용하는 경우, 3.7V의 최적 전압을 위해, 각 셀당 충전 전압은 4.2V로 정해지게 된다. 이 경우 4.2V가 3개 직렬접속되므로 V_in은 12.6V가 된다.

도 3는 본 발명에 따른 배터리 셀을 가로 세로 각각 M(M≥2)개 및 N(N≥2)개씩 접속하여 구성한 전체 M×N 멀티 셀 배터리를 구성한 구성예를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 배터리 셀은 각각의 배터리 셀에서의 충전 전압에 따라 허용 범위 내에서 충방전을 계속하므로 충전 전압의 균형을 유지하게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈 및 멀티 셀 배터리 장치를 설명하였으나, 본 발명은 도면으로 도시된 충전회로의 구성에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술 사상은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태로 변경 실시 가능하다.

1: 배터리 셀 모듈, 2: 배터리 장치
Cell, Cell1, Cell2, Cell3 : 배터리 셀
TR_1C :충전용 스위칭 소자, TR_1D :방전용 스위칭 소자
R1 : 전압 분배용 저항 소자
R2, R4, R6 : 트리거 전압용 저항소자
R3, R5, R7 : 기준 전압용 저항소자
V_in : 전원 입력 전압
V_1, V_3, V_5 : 입력 전압, V_2, V_4, V_6 : 출력 전압

Claims

배터리 셀(Cell)과, 배터리 셀의 한쪽에 접속되며 서로 병렬 접속된 충전 스위칭 소자(TR_1C) 및 방전 스위칭 소자(TR_1D)와, 상기 충전 스위칭 소자의 입력단과 방전 스위칭 소자의 출력단 사이에 배치되는 트리거 전압용 저항 소자(R2)와, 상기 방전 스위칭 소자를 기준으로 배터리 셀과 병렬 연결되는 기준 전압용 저항소자(R3)을 포함하도록 구성되고,
상기 충전 스위칭 소자는 배터리 셀의 전압이 강하하여 외부 전원으로부터의 공급전압(V_in)과의 전위차가 기준 이상이 되는 경우 트리거 되어 배터리 셀의 충전을 시작하며, 배터리 셀의 전압이 상승하여 상기 전위차가 기준 이하가 되는 경우 컷오프되도록 작동하고, 한편, 상기 방전 스위칭 소자는 배터리 셀의 전압이 상승하여 기준 이상이 되는 경우 트리거 되어 외부로 전류를 공급하는 배티러 셀의 방전을 시작하며, 배터리 셀의 전압이 강하하여 외부 공급 전압(V_in)과 전위차가 기준 이상이 되는 경우 컷오프되도록 작동하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
제1항에 있어서, 상기 배터리 셀 모듈의 배터리 셀과, 상기 작동전압용 저항 소자 및 기준 전압용 저항소자는 각각 N(N≥2)개 이상이 연속하여 직렬로 연결되어 멀티 셀 배터리를 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티 셀 배터리 장치.
제1항에 있어서, 상기 배터리 셀 모듈은 M(M≥2)개 이상 병렬로 연결되어 멀티 셀 배터리를 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티 셀 배터리 장치.
제1항에 있어서, 상기 배터리 셀 모듈은 M(M≥2)개 이상 병렬 및 N(N≥2)개 이상 직렬로 연결되어 N×M 멀티 셀 배터리를 구성하는 것을 특징으로 하는 멀티 셀 배터리 장치.