전하 균일 장치 및 방법 document_id A220623017052

본 발명은 배터리 전압 균일 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 전하 균일 성능은 유지하면서 반도체 스위칭 소자의 내압을 낮춰 비용을 줄임과 아울러 변압기의 2차 권선을 용이하게 구현할 수 있는 전하 균일 장치 및 방법에 관한 것이다. 많은 시스템(system)은 직렬로 연결되는 복수의 각각의 배터리 셀(battery cell)을 포함하는 배터리 팩(battery pack) 또는 배터리 어레이(battery array)로서 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, 제조중에 또는 배터리를 충/방전하는 처리중에 발생 된다. 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 발생 된다. 셀의 불평형에 영향을 미치는 요인들은 예를 든다면, 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 "자가 방전(self discharge)"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 시간에 걸쳐 낮은 충전 상태를 나타낸다. 배터리의 셀의 충전 상태에 있어서 불균형은 심각한 문제이다. 예를 들면 전기 차량에 있어서 전형적으로 발생할 수 있는 것으로 배터리의 에너지 공급 능력은 가장 낮은 충전 상태에 있는 배터리 셀에 의하여 제한된다. 이 배터리 셀이 소모된다면, 다른 배터리 셀은 에너지 공급을 계속할 수 있는 능력을 상실한다. 이것은, 배터리의 다른 배터리 셀이 아직 전력의 공급할 수 있는 능력을 지니고 있어도 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 불가능 하다는 말은 아니다. 다만, 직렬 연결의 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. 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 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 전하 균일 장치는 변압기(T1 내지 Tn), 스위치(SW1 내지 SWn), 다이오드(D1 내지 Dn)와 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)를 포함한다. 여기서, 변압기란 1차 권선과 2차 권선의 도트(dot) 방향이 서로 반대로 형성되는 것을 의미한다. 이에 따라, 변압기는 1차 권선이 온(ON) 될 때 1차 권선에 에너지가 충전되는 반면 2차 권선은 오프(OFF) 되고, 1차 권선이 오프(OFF) 될 때 역기전력에 의해 1차 권선에 충전된 에너지가 2차 권선으로 공급되어 2차 권선이 온(ON) 된다. 스위치(SW1 내지 SWn)는 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 직렬로 연결되어 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)로부터 공급되는 제어신호에 따라 과충전된 배터리에 충전된 에너지를 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급한다. 이에 따라, 과충전된 배터리는 방전하게 된다. 변압기(T1 내지 Tn)는 1차 권선에 직렬로 연결된 스위치(SW1 내지 SWn)가 켜질 때 과충전된 배터리로부터 에너지를 공급받아 1차 권선에 충전하고, 스위치(SW1 내지 SWn)가 꺼질 될 때 역기전력에 의해 1차 권선에 충전된 에너지를 2차 권선에 공급하게 된다. 다이오드(D1 내지 Dn)는 2차 권선과 직렬로 연결되어 2차 권선으로부터 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로 공급되는 에너지를 정류하는 역할을 한다. 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출하고, 검출된 전압을 기준전압과 비교하여 기준전압보다 큰 전압이 충전 즉, 과충전된 배터리의 전압을 방전시키기 위한 구동신호를 생성한다. 이에 따라, 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)로부터 생성된 구동신호는 과충전된 배터리와 병렬로 연결된 스위치에 공급되어 과충전된 배터리의 에너지가 변압기(T1 내지 Tn)의 1차 권선에 공급되도록 폐루프를 형성하게 된다. 그러나, 종래의 전하 균일 장치는 2차 권선에 다이오드(D1 내지 Dn)가 직렬로 연결되어 있어 스위치(SW1 내지 SWn)가 켜지면 다이오드(D1 내지 Dn)에 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 전압의 거의 두 배에 가까운 전압이 걸리게 되어 다이오드(D1 내지 Dn)의 전압 스트레스가 높아지는 문제가 있다. 다시 말해, 스위치(SW1 내지 SWn)가 켜지면 과충전된 배터리로부터 변압기의 1차 권선에 공급된 전압과 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 전압이 다이오드(D1 내지 Dn)에 걸리게 되므로 다이오드(D1 내지 Dn)는 큰 전압 스트레스를 받게 된다. 이에 따라, 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선에 직렬 연결된 다이오드(D1 내지 Dn) 각각의 내압이 증가하게 되어 전하 균일 장치의 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 종래 기술에 따른 전하 균일 장치는 변압기(T1 내지 Tn)의 2차 권선 수가 1차 권선 수의 N배(직렬 연결된 배터리의 개수)이므로 배터리의 수가 증가할수록 2차 권선 구현에 많은 제약이 따르게 된다.