다중 변압기의 1차 권선을 병렬로 연결한 전하 균일 장치 document_id A220623017049

본 발명은 배터리의 전하 균일 장치에 관한 것으로, 특히 배터리 셀의 개수의 복수의 변압기의 1차 권선을 병렬로 연결하고, 병렬 연결된 변압기의 1차 권선의 전류 흐름을 제어하는 스위치를 1차 권선의 병렬 연결에 직렬로 연결하며, 1차 권선에 대응되는 각각의 2차 권선을 각 배터리 셀에 병렬로 연결하고, 복수의 배터리 셀을 직렬로 연결한 전하 균일 장치에 관한 것이다. 많은 시스템(system)은, 직렬로 접속되는 복수의 각각의 배터리 셀(battery cell)을 포함하는 배터리 팩(battery pack) 또는 배터리 어레이(battery array)로 구성되는 배터리(battery)를 이용하고 있다. 이러한 배터리 셀은 정격 충전 범위보다 현저하게 높게 충전되거나 또는 정격 충전 범위보다 낮게 방전되는 경우 위험할 수 있다. 이러한 배터리 셀의 충전 상태의 불균형은 여러가지 원인으로부터 발생되며, 제조 중에 또는 배터리를 충방전하는 처리 중에 발생된다. 리튬 이온 셀의 경우에 공장에서 셀의 제조는 배터리 어레이의 셀간의 용량의 차이를 최소화하도록 엄밀하게 제어된다. 그렇지만, 셀의 불평형 또는 불일치는 당초 공장에서 제조 후에 일치하고 있던 상태와 관계없이 여러 가지 다른 요인에 의해 발생된다. 셀의 불평형에 영향을 미치는 요인들은 예를 들면, 각각의 셀의 화학반응, 셀의 임피던스, 자기 방전의 속도, 용량의 감소, 동작 온도의 변동과 각각의 셀 사이의 다른 변동이 포함된다. 셀의 온도의 불일치는 셀 전하의 불일치의 중요한 요인이다. 예를 들면, 배터리 셀에는 "자기 방전"이 있는데 이것은 배터리 온도의 함수이며, 온도가 높은 배터리가 온도가 낮은 배터리보다 전형적으로 보다 큰 자기 방전율을 나타낸다. 그 결과 온도가 높은 배터리는 온도가 낮은 배터리보다 시간이 경과함에 따라 낮은 충전 상태를 나타낸다. 배터리의 셀의 충전 상태에 있어서 불균형은 심각한 문제이다. 이것은 전기 차량에 있어서 전형적으로 발생할 수 있는 문제로 배터리의 에너지 공급 능력은 가장 낮은 충전 상태에 있는 배터리 셀에 의하여 제한된다. 만약 직열 연결 배터리에서 한 배터리 셀이 완전히 소모된다면, 다른 배터리 셀은 에너지 공급을 계속할 수 있는 능력을 상실한다. 이것은, 배터리의 다른 배터리 셀이 아직 전력을 공급할 수 있는 능력을 가지고 있다고 해도 마찬가지이다. 따라서, 배터리 셀의 충전 상태의 불균형은 배터리의 전력 공급 능력을 감소시킨다. 물론, 위에서 설명한 것은 하나 또는 그 이상의 배터리 셀이 소모된 경우에 전혀 다른 배터리 셀에 의한 전력 공급이 불가능하다는 말은 아니다. 다만, 직렬 접속의 경우 하나 또는 그 이상의 배터리 셀이 완전히 방전해 버려도, 나머지 배터리 셀에 아직 전하가 남아 있다면 그래도 사용은 계속할 수 있지만, 그렇게 된다면 방전이 완료된 배터리 셀에 반전 극성의 전압이 생기고, 그 결과 그 배터리 셀이 과열되거나 가스가 발생하여 폭발해 버릴 위험성이 있기 때문에 전력 공급 능력을 상실한다는 의미이다. 지금까지 배터리 셀의 충전 상태의 불균형을 바로잡는 여러가지 방법이 제안되어 있으며, 그 중 한 가지 방법이 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 종래 기술에 따른 직렬 연결 배터리 셀의 중앙집중형 전하 균일 장치의 구성도이다. 도면을 참조하면, 종래 기술에 따른 직렬 연결 배터리 셀의 중앙집중형 전하 균일 장치는, 변압기(T)의 공통 코어가 있고 공통 코어에 하나의 1차 권선(M1)이 감겨 있고, 공통 코어에 2차 권선(M21~M2N)은 배터리 셀(B1~BN)의 수에 해당하는 만큼 감겨 있다. 여기에서, 2차 권선(M21~M2N)은 동일한 권선수를 가지고 있으며, 모두 같은 극성인 음극을 가지고 있다. 여기에서 2차 권선(M21~M2N)의 극성이 음극이라 함은 해당 권선에서 점(dot)이 아래에 있다는 의미이다. 변압기(T)의 공통 코어에 감겨 있는 1차 권선(M1)은 하나뿐이고, 1차 권선(M1)에는 스위치(SW)가직렬로 연결되어 있으며, 1차 권선(M1)의 극성은 2차 권선(M21~M2N)의 극성과 반대이다. 스위치(SW)는 직렬로 연결된 1차 권선(M1)에 흐르는 전류를 온/오프 시키는 역활을 담당하며 전압 센싱 및 스위치 드라이브 신호 발생부(100)에서 출력되는 제어 신호에 따라 온/오프 동작을 수행한다. 변압기(T)의 공통 코어에 감겨 있는 2차 권선(M21~M2N)의 각각에는 정류 다이오드(D1~DN)가 직렬로 연결되어 있으며, 배터리 셀(B1~BN)은 병렬로 연결되어 있다. 그리고, 각각의 배터리 셀(B1~BN)에는 전압 센싱 및 스위치 드라이브 신호 발생부(100)가 접속되어 있다. 전압 센싱 및 스위치 드라이브 신호 발생부(100)는 연결된 각각의 배터리 셀(B1~BN)의 전압을 센싱하고 센싱된 전압에 따라 스위치(SW)를온/오프하여 직렬 연결된 배터리 셀(B1~BN)의 전압을 일정하게 제어해 주는 역할을 한다. 즉, 전압 센싱 및 스위치 드라이브 신호 발생부(100)는 각각의 배터리 셀(B1~BN)의 전압을 센싱하여 특정 배터리 셀(B1~BN)의 전압이 미리 정한 전압보다 높을 경우에 스위치(SW)를 온시키며 직렬 연결 배터리 셀(B1~BN)에서 전하가 방전되어 변압기(T)에서 자기 에너지로 변환되어 저장되었다가, 스위치(SW)가 오프되면 자기 에너지가 다시 전하로 변환되어 2차 권선(M21~M2N)과 정류 다이오드(D1~DN)을 통해 각각의 배터리 셀(B1~BN)로 이동하게 되며, 이때 전압이 높은 배터리 셀(B1~BN)에는 적은 전하가 이동하고 전압이 낮은 배터리 셀(B1~BN)에는 많은 전하가 이동하게 되어 전하가 균일하게 되도록 한다. 이와 같은 종래 기술에 따른 중앙집중형 전하 균일 장치는 1개의 스위치로 전하의 흐름을 제어한다는 면에서는 장점이 있다. 하지만 상기 종래 기술에 따른 중앙 집중형 전하 균일 장치는 하나의 공통 코어에 배터리 셀의 수만큼의 2차 권선이 묶여 있기 때문에 2차 권선을 하나의 공통 코어에 권선하는데 있어 최적화시키면서 권선하기 어렵다는 문제점이 있었다. 구체적으로 종래 기술에 따른 중앙 집중형 전하 균일 장치는 공통 코어에 감기는 배터리 셀의 수에 해당하는 2차 권선이 동일한 특성을 나타내도록 권선되어야 하며 그렇게 하기 위해서는 배터리 셀의 수에 해당하는 2차 권선의 각각이 1차 권선과의 관계에서 동일한 조건들을 만족시키도록 권선되어야 하는데 구조상 이렇게 제작하는 것이 쉽지 않다. 또 배터리 셀이 다층으로 적층된 배터리 팩 또는 배터리 어레이의 응용 분야가 이동성이 요구되는 장치에 사용된다고 가정할 경우 그에 부가되는 장치들은 배터리 팩 또는 배터리 어레이의 부피를 최소화하도록 지원하여야 하는데, 상기의 종래 기술에 따른 중앙 집중형 전하 균일 장치는 부피가 큰 하나의 공통 코어를 사용하기 때문에 집적화시키는데 어려움이 존재한다.