KR20180051732A - 전기자동차용 배터리의 균일 충전을 위한 직렬과 병렬의 병행 충전 기술 - Google Patents

전기자동차용 배터리의 균일 충전을 위한 직렬과 병렬의 병행 충전 기술 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차용 배터리 셀들의 직렬 일괄 충전 방식에서의 셀 전압간 불 균일 충전 문제를 해결하기 위해, 직렬 충전 구조에 병렬 개별 충전구조를 추가한 균일 충전 기술에 관한 것이다. 구체적으로는 셀들 간의 균일 충전을 위해서, 병렬 충전 구조를 직렬 충전 구조에 추가적으로 채용하고 충전 속도를 각 셀 별로 개별 제어하는 직. 병렬 충전 기술에 관한 기술이다. 직렬 충전 구조에 추가되는 병렬충전 구조를 위해서는 작은 크기의 전압을 정류하고 이를 DC-DC 변환회로를 통하여 각 배터리 셀에 개별적으로 병렬 인가하여 개별 충전함으로써, 직렬로 합산된 배터리 셀 전체의 전압이 충전 목표전압이 되게 한다.
[색인어]
전기 자동차, 배터리, 직렬 일괄 충전, 직. 병렬 병행 충전, 안전 균일 충전, 충전 제어, DC-DC 변환회로

Description

전기자동차용 배터리의 균일 충전을 위한 직렬과 병렬의 병행 충전 기술{A Hybrid Method with Serial and Parallel Charging Technologies for Balanced Charging of EV Batteries}
[발명의 목적]
본 발명은 직렬 충전 방식으로만 충전할 경우 발생하기 쉬운 배터리 셀 간의 전압 불균일을 해소하기 위한, 직렬과 병렬 개별 충전식 안전 충전 기술에 관한 것이다. 직렬과 병렬 충전 구조를 병행 채용하고 고속 안정적 충전 기술을 개발하여 충전 속도를 각 셀 별로 개별 제어함으로써 충전 속도 및 셀 간의 균일 충전을 달성하려는 기술이다.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
리튬이온 전지의 수요는 1994년 등장한 이래 폭발적으로 증가하고 있으며, 현존하는 이차전지 중 가장 높은 단위 전지전압을 갖고 있다. 리튬이온 전지는 에너지 밀도가 우수하고, 단위 전지전압이 3.0V-3.7V로 높기 때문에 휴대형 제품에 적합하다는 장점이 있어서 자동차용 배터리뿐만 아니라 핸드폰용 배터리로도 많이 사용되고 있다. 이 배터리의 단점은 과전류, 과충방전에 약하고, 과충전, 과방전, 과전류로 인한 폭발이나 발화의 위험성이 크기 때문에 위험시 전류를 차단하는 보호회로가 필요하다.
리튬이온 배터리를 전기 자동차의 응용과 같이 높은 전압을 만들기 위해서는 개별 배터리 셀들을 직렬 연결해야 한다. 또, 직렬 연결된 배터리 셀들을 충전하기 위해서는 도1 과 같이 단일 충전 시스템을 배터리 시스템의 양단에 직렬 연결하면 된다. 이를 직렬 일괄 충전 방식이라고 한다. 이를 위해서는 AC전원을 정류 장치에 의해 DC 전원으로 바꾼 후, DC-DC 변환회로에 의해 제어되어 직렬로 인가한다. 이 경우, 인가된 전체 직류 전압은 배터리의 개수로 나눠져서 개별 배터리 셀에 인가되고, 이 개별 전압이 목표전압이 되어 배터리 셀들이 충전되어 간다. 이와 같은 기존의 직렬 일괄 충전방식은 다수 배터리 셀의 직렬 연결 구조이므로 축전지 시스템(팩)에서 충방전 사이클이 계속되면 각각의 배터리 셀이 가지는 특성 인자가 서로 동일하지 못하게 되고 이에 따라 배터리 셀의 충전 전압이 불균일 상태가 된다. 이러한 배터리 셀 간의 충전 불균일 현상은 방전 심도(Depth Of Discharge, DOD)가 높을 경우 더욱 심화되어 결국 과충전된 셀이 발생하고, 해당 셀의 수명을 단축하게 되며, 리튬이온 배터리의 경우 폭발과 같은 심각한 위험한 상황의 요인이 된다.
본 발명은 통상의 직렬 일괄 충전 구조에 소형의 충전장치들을 병렬로 추가하는 구조이다. 직렬 일괄 충전 구조는 기존의 도 1과 같은 직렬 충전 구조를 사용하며, 추가된 병렬 충전장치에는 각 배터리 셀들을 위해 개별적으로 구비하고, 배터리 셀에 개별 연결하여 병렬 개별 충전이 가능하게는 시스템이다. 본 발명은 각 배터리 셀의 충전상태를 개별적으로 진단하고, 충전 속도 및 충전량을 개별적으로 관리하게 되므로, 충전의 균일성 및 충전 안전성 면에서 매우 효과적인 방법이다.
다만, 기존의 직렬 일괄 충전방식에서는 한 세트의 충전장치에 의해 충전하는데 비해, 본 발명은 셀의 개수만큼의 충전 장치를 추가로 구비해야 하므로 부피와 무게가 크게 증가할 수 있다는 우려가 있을 수 있으나, 충전 장치의 부피와 무게를 결정하는 변압기가 직렬일괄 충전 방식에서는 큰 전압용이므로 큰 무게 및 부피를 가지지만, 제안한 병렬개별 충전 방식에서는 셀의 개수에 반비례하는 작은 전압용의 작은 무게 및 부피의 변압기를 여러 개 사용하게 되므로, 결과적으로 병렬개별 충전방식에서 사용하는 변압기의 총 부피 및 무게는 크게 증가하지 않는다.
이 분야의 기존 특허는 "능동형 셀 발란싱 기능을 갖는 배터리 관리 시스템(출원번호: 10-2010-0033934, 등록번호: 10-1000550)" 이라는 국내 특허가 있으나, 온도 및 전류를 통하여 셀 등의 충전 건강상태를 점검하여, 상태가 불량한 셀은 교체할 수 있게 하는 기술로서, 병렬 개별 충전을 가능하게 하는 본 발명과는 매우 다른 분야의 기술이다.
본 발명은 전기 자동차용 배터리 셀들의 기존의 일괄 직렬 충전 방식에서의 셀 간 불 균일 충전 문제를 해결하기 위해서, 직. 병렬을 병행한 충전 기술에 관한 것이다. 구체적으로는 배터리 셀들 간의 균일 충전을 위해서, 기존의 일괄 직렬 충전 구조에 소형의 병렬 개별 충전 구조를 추가하여 충전 속도를 각 셀 별로 개별 제어하는 직. 병렬 개별 충전식 고속 충전 기술에 관한 기술이다.
본 발명은 한 개의 큰 사이즈의 직렬 충전시스템에 의해 대 전류를 모든 배터리 셀에 직렬로 공급하고, 병렬 충전시스템에서는 Cell Balancing를 주로 담당하게 하는 사이즈가 작은 소 전류 충전 시스템을 사용함으로써 다수 개의 충전시스템을 사용하더라도 결과적으로 전체 충전기 사이즈의 큰 증가 없이 고속 충전과 균형 충전을 모두 가능하게 하는 기술이다.
도 2는 본 발명인 직. 병렬 병행 충전시스템의 블록도로서, 좌측과 같이 직렬 일괄 충전 방식을 주축으로 하여 충전하고, 우측의 병렬 개별 충전기들은 주로 셀들 간의 전압 균형을 맞추는 데 사용한다. 따라서 대부분의 전류는 직렬 충전기를 통해서 공급되므로, 직렬 충전기는 고 전류용의 매우 큰 충전 시스템을 사용한다. 또, 셀들의 전압 균형을 맞추기 위해 사용되는 병렬 충전기들은 큰 전류가 필요하지 않으므로, 작은 크기의 충전기를 사용할 수 있다. 따라서 이 충전 시스템은 크기가 큰 직렬 충전시스템에 의해 고속충전을 할 수 있을 뿐 아니라, 적은 크기의 병렬 시스템에 의해 셀 전압의 균형을 유지할 수 있는 효과적인 방법이다.
다음은 본 발명에 의한 직렬 및 병렬 병행 충전 시스템의 동작원리를 기술하기 위한 것으로서, 본 발명은 동일한 구조의 개별 충전장치가 다수 연결된 구조이고, 소형의 개별 병렬 충전 장치도 전류의 크기만 작을 뿐 직렬 충전장치와 동일한 구조와 기능을 가지므로, 설명의 편의상 직렬 충전 장치에 대해서만 상세 기술하여, 병렬 연결된 모든 개별 충전장치들에 대해서도 동일하게 적용시킨다.
도3은 본 발명의 직렬 충전 장치의 회로이지만, 병렬 충전회로에서 공통적으로 사용되는 충전장치의 블록도로서 정류회로(0110), 정류전압 측정용 분압회로 (0120), DC-DC 변환회로(0130), 배터리 전압측정용 분압회로 (0140), 배터리 전압측정용 스위치 (0150), 전류측정용 분압회로 (0160) 및 충전제어기 (0950)와 배터리 셀(9000) 열, 로 구성된다.
본 발명에서 사용하는 충전 장치는 정류회로(0110)와 DC-DC 변환회로(0130)로 구성된다. 상기의 정류회로(0110)는 변압기와 브리지 다이오드 및 전압을 평활화하는 콘덴서로 구성되어, 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 역할을 한다.
또, DC-DC 변환회로(0130)는 저항 R3, R4, IGBT1, Opto Coupler E1, 인덕터 L1, 전압분압용 저항 R5, R6 및 콘덴서 C2로 구성된다. 정류회로(0110)로부터 입력된 전압은 IGBT1과 저항 R3, R4 및 Opto coupler E1을 이용하여 구형파로 변환된다. 이를 위해서, Opto Coupler E1에는 충전 제어기의 펄스가 인가되어 Opto Coupler E1을 On 및 Off 시킨다. Opto Coupler E1이 On 인 경우, 저항 R6에 높은 전압 차가 발생하고, 이것이 p채널 IGBT1의 게이트-소스 간에 인가되어 IGBT1을 On 시킨다. 반대로, Opto Coupler E1이 Off 인 경우, R4의 전압차가 0이 되고, p채널 IGBT1의 게이트-소스 간에도 전압차가 0이 되어 IGBT1이 Off 된다. 이와 같은 원리에 의해 Opto Coupler E1의 게이트에 듀티 값이 다른 펄스를 인가할 수 있고, 이렇게 함으로써 IGBT1과 인덕터 L1을 거쳐 콘덴서에 공급되는 평균전압의 크기를 조절할 수 있다. 여기서, 인덕터 L1은 IGBT1의 On 및 Off에 따른 전압의 급격한 변화를 완충시키기 위한 소자이고, 콘덴서 C2는 인가된 평균전압을 저장하여 이에 연결된 배터리에 안정화된 전원을 공급하기 위한 것이다.
이와 같은 구조를 갖는 DC-DC 변환회로(0130)의 평균 전압은 Opto Coupler E1의 베이스 측에 인가되는 펄스의 듀티 값에 의해 제어되게 되며, 그 최댓값은 충전장치의 입력 DC 전압과 동일한 전압에 이르게 할 수 있다.
배터리 셀의 출력은 저항 R5 및 R6(0140)을 통하여 축소하여 읽어내며, 배터리 셀과 충전 장치 사이에는 1옴 이하의 작은 저항 R7을 직렬로 연결하여 배터리에 흐르는 전류를 측정(0160)한다.
충전 제어기(0950)는 모든 개별 충전 장치의 정류회로의 전압측정(0120), 전류측정(0160), DC-DC 변환기 듀티비 제어, 및 각 배터리 셀의 전압 측정(0140 및 0150)에서 사용되며, 각 개별 충전 장치의 충전 상태의 모니터링용으로도 사용된다.
본 발명인 직. 병렬 병행 배터리 충전장치는 현재 상용화 사용 중인 직렬 일괄 충전 방식에서의 배터리 셀 간의 불균등 충전으로 인한 배터리 수명 단축, 폭발의 위험 등의 위험을 해소하기 위한 것으로서, 직렬 일괄 충전 구조에 추가하여 소형의 충전장치를 배터리 셀들을 위해 개별적으로 구비하고, 각 배터리 셀에 개별 연결하여 병렬 개별 충전이 가능하게는 시스템으로 각 배터리 셀의 충전상태를 개별적으로 진단하고, 충전 속도 및 충전량을 개별적으로 관리하게 되므로, 충전의 균일성 및 충전 안전성 면에서 매우 효과적인 방법이다.
다만, 직렬 일괄 충전방식은 한 세트의 충전장치에 의해 충전하는데 비해서, 본 발명은 셀의 개수만큼의 충전 장치를 추가로 구비해야 하므로 부피와 무게가 크게 증가할 수 있다는 우려가 있을 수 있으나, 병렬 개별 충전방식에서는 작은 전압용의 충전장치를 사용하므로 총 부피 및 무게는 직렬 개별 충전 방식의 그것 보다 크기 증가하지 않는다.
도1 은 기존의 직렬 일괄 충전 구조의 예시이고,
도2 는 본 발명에 의한 직. 병렬 병행충전 시스템의 블록이고,
도3 은 본 발명 의한 직렬 및 병렬 개별 충전 시스템에서 공통으로 사용되는 충전 시스템으로서, 직렬 충전 시스템을 예시하여 설명한 상세도이고,
도4 는 본 발명에 의한 직. 병렬 병행충전 시스템 전체의 상세도이다.
.
0110 정류회로
0120 정류전압측정용 분압회로
0130 DC-DC 변환회로
0140 배터리 전압측정용 분압회로
0150 배터리 전압 측정용 스위치 열
0160 전류측정용 저항 회로
0950 직렬충전 장치 충전 제어기
1000, 2000, ... 병렬 개별 충전장치
6140 배터리 전압 측정용 분압회로
9000 배터리 셀 열
9500 병렬 충전 장치 충전 제어기

Claims (6)

  1. 전기 자동차용 배터리 셀들 간의 균일 충전을 위해서, 직렬 충전 장치와; 이 직렬 충전 장치에 각 배터리 셀을 위한 충전장치를 병렬로 구비한 배터리 직. 병렬 병행 충전 시스템의 구조.
  2. 제 1 항에 있어서 직렬 충전 장치와 병렬 연결된 개별 충전 장치에서 공통으로 사용되는 충전장치의 구조는 정류회로와 DC-DC 변환회로, 정류전압 측정회로, 셀 전압 측정회로 및 배터리 셀 전류 측정회로로 구성된 충전 장치의 구조.
  3. 제 2 항에 있어서 DC-DC 변환회로는 p 형 IGBT의 소스와 게이트를 연결하는 제 1 저항과, 상기 저항과 직렬로 연결된 제 2 저항과;
    제 1 저항에 의해 게이트와 소스가 연결되어 제 1 저항의 전압의 크기에 의해 정류 전압을 인덕터를 거쳐 커패시터에 연결시키는 스위칭 기능을 하는 IGBT와;
    상기 제 2 저항에 직렬 연결되고 접지와 연결시키는 스위치 기능을 하며, 그 결과로 상기 제 1 저항 양단에 전압 생성 여부를 충전 제어기의 신호에 따라 결정하는 Opto Coupler와;
    상기 IGBT를 거쳐 인가된 전압이 On-off될 경우, 그 충격을 완화하기 위해서 연결하는 인덕터와;
    IGBT와 인덕터를 거쳐 인가된 단속 적인 전압을 저장하며, 그 전압을 배터리 셀에 공급하는 커패시터로 구성되며,
    상기 Opto Coupler의 듀티 제어된 신호에 의해 커패시터에 저장된 전압의 평균 전압의 크기가 제어되는 병렬 개별 충전 장치에서의 DC-DC 변환회로.
  4. 제 2 항에 있어서 정류 전압 측정은 두 개의 저항에 의한 전압 분배에 의해 축소하여 충전 제어기에 의해 읽어내며, 각 배터리 셀들의 전압은 두 개의 저항을 스위치 열을 이용하여 해당 셀 단자에 접속하여 읽어 낸 후, 두 단자 간의 전압차를 계산하는 방식으로 읽어내는 병렬 개별 충전 장치에서의 전압 측정 방법.
  5. 제 2 항에 있어서의 충전 전류 측정은 각 배터리 셀과 충전 장치 사이에는 1옴 이하의 작은 저항을 직렬로 연결하여 이 저항 양단의 전압을 4 항의 전압 측정 방법에 의해 읽어 낸 후, 그 전압 차를 구하여 상기 저항 값으로 나누는 방식으로 전류를 계산하여 측정하는 병렬 개별 충전 장치에서의 충전 중 전류 측정 방법.
  6. 제 4 항에 있어서 충전 제어기는 모든 개별 충전 장치에서의 정류회로 전압 측정, DC-DC 변환기 듀티비 제어, 각 배터리 셀의 전압 측정 및 충전 전류 측정을 공통으로 담당하며, 충전 상태의 모니터링용으로도 사용되는 마이크로프로세서 제어기의 역할 및 활용 방법.
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