Batteries are used as a voltage source in many applications such as artificial satellite, hybrid electric vehicles (HEVs), electric vehicles (EVs), uninterruptible power supplies (UPS) and photovoltaic (PV) systems. Especially, a lithium-ion (Li-ion) battery is in the spotlight because of its advantages such as high power and energy density, low self-discharge rate, and no memory effect. But, Li-ion battery has serious safety problems when the battery is overcharged or undercharged.
Many battery-powered applications require the high voltage input in comparison to the terminal voltage of battery. To achieve the requirement of voltage level, series-connected battery stacks are being utilized in applications. During operation, the batteries in the stack are charged or discharged repetitively and there can be a cell mismatch problem. This small mismatch problem leads to large non-uniformities in a cell charge level after several cycles of charge and discharge operations. Therefore, the battery charge equalization circuits are required for a series-connected battery stack to enhance the lifetime of application.
Numerous charge equalization schemes have been proposed. They are classified into two categories such as dissipative method and non-dissipative method. Among them, the non-dissipative method is further classified into charge type, discharge type and charge-discharge type. This paper is on charge-discharge type battery equalizer. Charge-discharge type can achieve the cell-to-cell charge transportation, which results in a shorter equalization time.
A single-magnetic cell-to-cell charge equalization converter with the reduced number of transformer windings is proposed. In the proposed circuit, the charge is transferred by buck-boost operation, flyback operation, or both of them in sequence through a multi-transformer. The operation principle is analyzed and the experimental results are presented to verify the analysis. The proposed circuit achieves the high-speed equalization by the direct cell-to-cell charge transportation. The number of multi-windings cuts in half, which results in small circuit size and low production cost.
A single-magnetic cell-to-cell charge equalization converter based on buck-boost operation is proposed. In the proposed scheme, the charge transportation is achieved by buck-boost operation through one inductor. The proposed circuit also achieves the high-speed equalization by the direct cell-to-cell charge transportation. Because this scheme requires only one inductor, the circuit size can be reduced.
The comparative study between the conventional charge equalization converter and proposed cell-to-cell charge equalization converter is presented in this paper. The equalization speed of each type of charge equalization method is analyzed according to the average transferable power. The cell-to-cell charge equalization has the highest speed in comparison to the other types of charge equalization method. The comparison among the conventional equalization schemes and the proposed equalization scheme based on the number of active switches, component ratings and number of magnetic components is presented.
In this doctoral dissertation, the analysis of the cell-to-cell charge equalization converter is presented and new cell-to-cell charge equalization converters are proposed. The proposed charge equalization converters use small-sized transformer or only one inductor. As a result, it is expected that proposed works can provide to improve the equalization time with a small-sized system.
배터리는 인공 위성과 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 비상 전원, 태양광 발전 등의 여러 분야에서 전압원으로써 사용되고 있다. 특히 최근 개발된 리튬-이온 (Li-ion) 배터리는 기존의 2차 전지에 비해 높음 에너지 및 전력 밀도, 낮은 자가 방전률과 메모리 효과가 존재하지 않은 장점으로 인하여 각광을 받고 있다. 하지만 이 리튬-이온 배터리의 경우, 과전압 및 과방전으로 인하여 발생할 수 있는 문제가 기존의 2차 배터리에 비해서 심각하기 때문에, 이 문제를 해결해 주어야 한다. 여러 분야에서 필요로 하는 전압에 비해 배터리 셀 하나가 가지는 전압은 작기 때문에, 일반적으로 배터리를 직렬로 연결한 스택 형태로 사용하는 경우가 많다. 이렇게 스택 형태로 사용하는 경우, 배터리 스택 전체를 과방전 및 과충전 되지 않도록 컨트롤 한다 하더라도, 배터리 각각의 특성 차이로 인하여 배터리 셀간의 전하 불균등 문제가 발생할 수 있고, 이 현상이 지속될 경우 몇몇의 배터리 셀만 과충전 혹은 과방전 되는 경우가 발생하게 된다. 결과적으로 시스템의 수명을 단축시키고 심한 경우 폭발 현상이 발생할 수 있기 때문에, 이 현상을 막기 위해서 전하 균등화 컨버터가 필요하다.
전화 뷸균등을 해결하기 위하여 많은 전하 균등화 회로가 개발되어 왔다. 균등화 회로는 구조가 간단한 손실형 방법과 DC-DC 컨버터의 구조를 사용한 비손실형 방법으로 크게 나뉜다. 그 중, 비손실형 방법은 전하를 이동시키는 방식에 따라서 Charge Type과, Discharge Type, Charge-discharge Type으로 나뉜다. 본 논문에서 주목한 방법은 Charge-discharge Type이다. Charge-discharge Type은 전지 간 (Cell-to-Cell) 전하이동이 가능하기 때문에 다른 방식에 비해 전하 균등화에 소모되는 시간을 줄일 수 있다는 장점을 가진다.
본 논문에서는 Charge-discharge Type 중에서 전지 간 전하이동이 가능한 새로운 전하 균등화 컨버터들을 제안하였다. 제안된 컨버터들은 기존의 방법들에 비해서 절반으로 줄어든 와인딩(winding)을 가진 멀티 트랜스포머를 사용하거나, 하나의 인덕터만을 사용하여 구성되었다. 먼저 줄어든 와인딩을 가진 멀티 트랜스포머를 사용한 새로운 전하 균등화 컨버터의 경우, 트랜스포머의 자화 인덕터를 사용한 벅부스트 동작이나 트랜스포머를 이용한 플래이백 동작을 통해서 전지 간 전하이동이 가능하다. 두 배터리가 하나의 트랜스포머 와인딩을 공유하기 때문에, 기존 방법에 비해서 전체 와인딩의 수를 반으로 줄일 수 있었으며, 그로 인하여 자기 소자의 크기를 줄일 수 있을 것으로 기대한다.
하나의 인덕터만을 사용한 새로운 전하 균등화 컨버터의 경우, 하나의 인덕터를 사용하여 벅부스트 동작이 이루어짐으로 해서 전지 간 전하이동이 가능하다. 기존의 방법의 경우, 각 배터리마다 2개의 전류 경로가 필요하여, 각 배터리당 2개의 양방향 스위치가 필요하다. 하지만, 새로 제안한 전하 균등화 컨버터의 경우, 한 개의 전류 경로를 2개의 배터리가 서로 공유함으로 하여, 전체 필요한 전류의 경로 및 양방향 스위치의 개수를 반으로 줄일 수 있었다. 이 방법 역시 시스템에서 비교적 부피를 많이 차지하는 자기 소자가 1개밖에 사용되지 않으므로, 시스템의 크기 및 가격을 줄일 수 있을 것으로 기대한다.
제안된 전지 간 전하 이동 방식의 전하 균등화 컨버터의 경우, 전하 이동 방식은 Direct Cell-to-Cell 방법을 기본으로 하고 있지만, 전하를 소스 배터리에서 타겟 배터리로 전달하는 과정이 한 스위칭 주기로 완료될 수도 있고, 2주기에 걸쳐서 완료될 수도 있다. 결과적으로 전하 균등화 과정이 완료되는 시간은 Direct Cell-to-Cell 방법에 비해서 늘어나게 된다. 본 논문에서는 이런 전하 균등화 시간에 대한 분석을 포함하고 있으며, 결론적으로 제안된 전하 균등화 컨버터의 경우, 순수한 Direct Cell-to-Cell 방법에 비해서는 평균적으로 1.5배의 시간이 걸리지만, 다른 방식에 비해서는 균등화 시간이 적게 소모되는 것을 분석적으로 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안된 전지 간 전하 이동 방식의 전하 균등화 컨버터들은 기존의 방법에 비해 줄어든 자기 소자를 사용하여, 전지 간 전하 이동이 가능하며, 이로 인해 보다 작은 시스템 사이즈를 가짐과 동시에 빠른 전하 균등화를 이룰 수 있다. 이런 장점으로 인하여 리튬-이온 배터리를 이용한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
