전하 균일 장치 document_id A220623017053

본 발명은 배터리 전압 균일 장치에 관한 것으로, 특히 변압기의 1차 권선 및 2차 권선을 용이하게 제작할 수 있고, 직렬 연결된 배터리의 충전 상태에 따라 배터리로 주입되는 전하의 흐름을 제어할 수 있으며, 현재 충전되는 배터리로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 전하 균일 장치에 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 여러가지 원인으로부터 발생되며, 제조중에 또는 배터리를 충방전하는 처리중에 발생된다. 리튬이온 셀의 경우에 공장에서 셀의 제조는 배터리 어레이의 셀간의 용량의 차이를 최소화하도록 엄밀하게 제어된다. 그렇지만, 셀의 불평형 또는 불일치는 당초 공장에서 제조후에 일치하고 있던 상태와 관계없이 여러가지 다른 요인에 의해 발생된다. 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 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 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 중앙 집중형 전하 균일 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 중앙 집중형 전하 균일 장치는 변압기(T), N개의 반도체 스위칭 소자(D1 내지 Dn), 제어 스위치(SW) 및 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)를 포함한다. 변압기(T)는 1개의 1차 권선과 N개의 2차 권선을 갖고, N개의 2차 권선이 하나의 공통 코어에 묶여 있으며, 1차 권선과 2차 권선은 서로 다른 극성을 갖는다. 다시 말해, 1차 권선의 도트(dot)와 2차 권선의 도트는 서로 다른 곳에 위치한다. 이러한, 변압기(T)의 2차 권선은 모두 동일한 권선 수를 갖고, 1차 권선과 2차 권선의 권선비는 N1:N2이다. 반도체 스위칭 소자(D1 내지 Dn)는 2차 권선의 일단과 배터리(B1 내지 Bn)의 양극(+) 사이에 연결되어 2차 권선에서 배터리(B1 내지 Bn)로 공급되는 에너지를 정류한다. 제어 스위치(SW)는 1차 권선에 직렬로 연결되어 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)로부터 공급되는 구동신호에 따라 폐회로를 형성한다. 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)는 직렬 연결된 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출하고, 검출된 전압을 기준 전압과 비교하여 기준전압보다 큰 전압이 충전 즉, 과충전된 배터리의 전압을 방전시키기 위한 구동신호를 생성한다. 이러한, 종래의 중앙 집중형 전하 균일 장치의 전하 균일 방법을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)가 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn) 각각의 전압을 검출한다. 이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)는 직렬 연결된 N개의 배터리(B1내지 Bn) 중 어느 하나의 배터리에서 검출된 전압이 기준전압보다 높을 경우 제어 스위치(SW)를 켠다. 이에 따라, 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)로부터 공급되는 에너지가 변압기(T)의 1차 권선에 자기 에너지로 변환되어 저장된다. 이후, 전압 검출 및 구동신호 생성부(10)는 제어 스위치(SW)를 끄면, 변압기(T)의 1차 권선에 저장된 자기 에너지는 전하로 변환되어 2차 권선과 반도체 스위칭 소자(D1 내지 Dn)를 통해 직렬 연결된 N개의 배터리(B1 내지 Bn)에 각각 충전된다. 이때, 제어 스위치(SW)가 꺼진 동안 변압기(T)의 공통 코어에 묶인 2차 권선을 통해 상대적으로 전위가 낮은 배터리로 더욱더 많은 전하가 이동함으로써 전하 균일이 이루어진다. 그러나, 이와 같은 종래의 중앙 집중형 전하 균일 장치는 하나의 공통 코어에 배터리 수만큼의 2차 권선이 묶여 있기 때문에 직렬 연결된 배터리의 수가 증가하게 되면 증가 된 배터리 수만큼 2차 권선을 하나의 공통 코어에 묶어야 하기 때문에 변압기(T)의 2차 권선 제작이 어려워지는 문제가 있다. 또한, 종래의 중앙 집중형 전하 균이 장치는 변압기(T)의 2차 권선에 대한 1차 권선의 권수비가 직렬 연결된 배터리 수만큼 증가하기 때문에 배터리 수가 증가할수록 1차 권선 제작이 어려워지는 문제가 있다.