다중 변압기의 2차 권선을 병렬로 연결한 전하 균일 장치 document_id A220623017050

본 발명은 직렬 연결 배터리 셀의 전하 균일 장치에 관한 것으로, 특히 직렬로 연결된 배터리 셀을 변압기의 1차 권선에 병렬로 연결하고, 1차 권선의 전류 흐름을 제어하기 위한 스위치를 1차 권선에 직렬로 연결하며, 1차 권선에 대응되는 복수의 2차 권선을 병렬로 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 여러 가지 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 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. 예를 들면, 이것은 전기 차량에 있어서 전형적으로 발생할 수 있는 문제로 배터리의 에너지 공급 능력은 가장 낮은 충전 상태에 있는 배터리 셀에 의하여 제한된다. 만약 직렬 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 여러 가지 방법이 제안되어 있으며, 그 중 한 가지 방법이 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 종래 기술에 따른 전류 전환을 이용한 직렬 연결 배터리 셀의 전하 균일 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 복수의 배터리 셀(B1~BN)이 직렬로 연결되어 있고, 각각의 배터리 셀(B1~BN)에는 변압기(T)의 1차 권선(M11~M1N)이 병렬로 연결되어 있다. 그리고, 1차 권선(M11~M1N)의 각각에는 스위치(S1~SN)가 직렬로 연결되어 있고, 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B1~BN)에는 변압기(T)의 2차 권선(M2)이 병렬로 연결되어 있다. 여기에서, 모든 1차 권선(M11~M1N)은 하나의 공통 코어에 묶여 있다. 변압기(T)의 1차 권선(M11~M1N)은 모두 동일한 권선 수와 동일한 극성을 갖고 있으며, 변압기(T)의 2차 권선(M2)은 1차 권선(M11~M1N)과 극성이 반대이고 정류 다이오드(D)가 직렬로 연결되어 있으며, 정류 다이오드(D)의 음극(cathode)은 직렬 연결 배터리(B1~BN)의 양극에 묶여 있어 정류 다이오드(D) 음극에서 흘러 나온 전류는 직렬 연결된 배터리 셀(B1~BN)의 양극으로 흘러 들어 간다. 그리고, 전압 센싱 및 스위치 드라이브 신호 발생부(100)는 각각의 배터리 셀(B1~BN)의 양단의 전압을 센싱하여 정해진 방식으로 스위치(S1~SN)을 온/오프 시킨다. 구체적으로 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 경우 해당 스위치(S1~SN)를 구동시켜 배터리 셀(B1~BN)의 전하를 방전시킨다. 여기서 방전된 전하는 변압기(T)에서 자기 에너지로 변환되어 흐르고 있다가 상대적으로 전위가 낮은 배터리 셀(B1~BN)을 만나면 다시 전하로 변환되어 해당 배터리 셀(B1~BN)으로 흘러 들어 간다. 이때, 상대적으로 더 낮은 전위를 갖는 배터리 셀(B1~BN)에 더욱 더 많은 양의 전하가 흘러 들어감으로써 전하 균일이 이루어진다. 하지만, 상기와 같은 종래 기술에 따르면, 하나의 공통 코어에 배터리 셀의 수에 해당하는 복수의 1차 권선을 묶어야 하기 때문에 직렬 연결된 배터리 셀의 수가 증가하면 변압기를 제작하는데 어려움이 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 종래 기술에서 변압기의 포화(saturation)를 막기 위해 스위치가 오프되는 시간 동안에 직렬 연결된 배터리 셀의 전압을 1차 권선에 인가하게 되는데, 이때 2차 권선의 1차 권선에 대한 권수비(turns ratio)가 N(직렬 연결된 배터리 수)가 되어 배터리 셀의 수가 증가할수록 변압기의 2차 권선을 제작하는데 어려움이 있다.