The charge equalizer design for a series connected battery string is very challenging because it needs to satisfy many requirements such as implementation possibility, equalization speed, equalization efficiency, controller simplicity, size and cost issues, voltage and current stress, and so on. For a small number of cells, numerous algorithms and circuits were developed to meet the above demands and some interesting results have been obtained. However, for a large number of cells, such as a hybrid electric vehicle (HEV) traction battery application, the previous approaches might not satisfy the above requirement easily.
To overcome these difficulties, we propose a charge equalizer design method based on a battery modularization technique. In this method, a very long battery string is divided into several modules, which is called module batteries. Then, an intramodule equalizer and an outer-module equalizer are designed, respectively. This battery modularization scheme effectively reduces the number of cells that we consider in an equalizer design procedure; thus, the design of a charge equalizer becomes much easier. By applying the previously verified charge equalizers to the intramodule and the outer-module, we can make the equalizer design more flexible. In addition, a newly designed charge equalizer shows the good points of the conventional battery equalizer. To demonstrate the usefulness of this charge equalizer design method, several examples and comparative experimental results are presented.
In the current thesis, a current-fed charge equalizer based on the technique of battery modularization is proposed. Based on the fact that an HEV stacks a high number of batteries in series to obtain more than approximately 300 V, the HEV battery string is modularized into a set of groups. In detail, the overall battery string is modularized into M*N cells; in other words, M modules in the string and N cells in each module. For this modularized battery structure, we employ a current-fed equalizer with cell selection switches for intramodule balance. And we use a bidirectional equalization technique based on the magnetic coupling of multiple transformers for outer-module balance. With this modularization technique, low voltage stress on the electronic devices can be achieved, which means there is less chance of a failure on the charge equalizer.
As for a current-fed equalizer, the power rating selection is one of the most important design issues because it is very closely related to equalization time. To solve this problem optimally, this paper presents a power rating design guide. In addition, this paper considers system-level design issues, such as cell voltage acquisition, equalizer control logic, and system-level grounding.
A prototype of the modularized battery equalizer for a lithium-ion battery string of 40 cells is implemented, of which the power rating is designed through the computer simulation of the optimal power rating selection guide. The experimental results are presented to show that the proposed optimal power rating design rule is very useful and the proposed modularized battery equalizer has low voltage stress of all the electronic devices.
직렬 연결 배터리를 위한 전하 균일 회로는 구현 가능성, 전하 균일 시간, 전하 균일 회로 효율, 제어기 복잡도, 부피와 가격 문제, 전압과 전류 스트레스 등 많은 요구사항을 만족해야 한다. 현재까지 주로 적은 수의 배터리를 고려하여 밸런싱 알고리즘과 전하 균일 회로가 제안되었으며, 이들 중 일부는 좋은 밸런싱 결과를 보이고 있다. 그러나, 하이브리드 전기 자동차와 같이 직렬 연결된 배터리의 수가 많아지면, 위에서 개발된 전하 균일 회로는 전하 균일 회로의 요구 사항을 충분히 만족시키지 못하는 어려움이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 본 논문에서는 배터리 모듈화를 이용한 전하 균일 회로 설계 방법을 제안하였다. 제안된 배터리 설계 방법은 다음과 같다. 먼저, 길게 연결한 배터리를 여러 개의 그룹으로 나눈다. 여기서, 그룹으로 묶인 배터리 묶음 중의 하나를 모듈 배터리라고 부른다. 다음으로, 모듈 배터리를 위한 전하 균일 회로를 모듈 배터리 수만큼 구현하고, 동시에 모듈 배터리 사이의 전하 균일을 위해 하나의 전하 균일 회로를 외부에 추가로 구현한다.
제안한 배터리 전하 균일 회로 설계 방법은 배터리 모듈화를 이용하여 전하 균일 회로를 실제로 설계할 때 실제로 고려해야 하는 배터리의 수를 줄이는 장점을 보인다. 그리고 이렇게 직렬 연결 배터리의 수가 작아졌기 때문에 기존의 밸런싱 성능이 우수한 전하 균일 회로를 적용할 수 있는 장점을 갖는다. 당연히 기존 전하 균일 회로를 적용하였기 때문에 기존 전하 균일 회로가 갖는 장점을 그대로 유지한다.
제안된 전하 균일 회로 설계 방법의 유용함을 검증하기 위해 기존의 전하 균일 회로를 이용하여 전하 균일 회로를 설계하였고, 설계된 전하 균일 회로의 성능을 검증하여 위해 기존 전하 균일 회로와 동일한 환경에서 비교 시험 하였다. 그 결과 제안한 회로가 밸런싱 시간이 단축되는 결과를 얻었다.
하이브리드 전기 자동차에서는 약 300 V 정도의 직류 전압을 얻기 위해 많은 수의 배터리가 직렬로 쌓여 있다는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 고전압을 특징을 보이는 직렬 연결 배터리의 전하 균일을 위해 본 논문에서는 배터리 모듈화를 이용한 전하 균일 회로를 제안하였다. 구체적으로, 배터리 모듈화 과정을 수행하여 모듈 배터리를 구성하고, 주입형 직류-직류 컨버터와 양방향 직류-직류 컨버터를 모듈 배터리와 모듈 배터리 사이에 각각 적용하여 전하 균일을 이루고 있다. 제안한 전하 균일 회로는 배터리 모듈화를 통하여 모든 능동 소자가, 직렬 연결 배터리의 고전압과 비교해서, 작은 전압 스트레스를 갖는 장점을 보인다. 이는 전하 균일 회로의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다. 제안한 모듈화를 이용한 전하 균일 회로의 우수성을 검증하기 위해 40 셀을 고려한 전하 균일 회로를 구현하였다. 밸런싱 성능 시험 결과, 제안한 전하 균일 회로는 전압 첨두값이 80 V를 넘지 않는다는 것을 관찰하였다.
본 논문에서는 전하 균일 과정에서 고려되는 전하 균일 회로의 밸런싱 전력 용량과 전하 균일 시간과의 최적 관계에 대해 고찰하였다. 참고로, 밸런싱 회로의 전력 용량은 또 밸런싱 회로의 부피와 밀접한 관계를 갖는다. 저자는 밸런싱 회로의 전력 용량과 전하 균일 시간의 관계를 이론적으로 분석하였다. 이러한 분석은 전하 균일 회로 설계에서 전하 균일 시간을 만족하면서 전력 용량이 가장 작은 전하 균일 회로 설계가 가능하다는 장점을 갖는다. 마지막으로, 본 논문에서는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 운용 시스템의 관점에서 고려해야 할 셀 전압 감시 회로, 전하 균일 회로 제어를 위한 제어기 구조, 그리고, 시스템 수준의 접지 문제에 대해 고찰하였다.
