Nowadays, electric vehicle (EV) or hybrid electric vehicle (HEV) usually adopts a lithium-ion battery string as a power source with high voltage. In the lithium-ion battery string, the charge imbalance of each battery makes many problems such as reduction of life time and explosion. Hence, the charge equalization circuit is required to guarantee life time and safety. In charge equalization circuit, the cost of a cell voltage sensing module is relatively high, but the equalization performance gets lower in case the sensing module is removed.
For higher equalization performance without the cell voltage sensing module, a new automatic charge equalizer based on regulated voltage source is proposed. One regulated voltage source with average voltage of batteries is implemented from a bidirectional DC/DC converter. And switching block exists for connection between battery cells and regulated voltage source. The charge equalization can be achieved by a periodic connection between battery cells and regulated voltage source without the cell voltage sensing module. The equalization current of the proposed equalizer can be increased by reference voltage modulation and the equalization time of the proposed equalizer can be reduced by skips of unnecessary operations. In this thesis, the theoretical analysis and design considerations of the proposed equalizer are presented. And, to confirm the validity of the proposed scheme, experimental results with 7Ah batteries are demonstrated.
지구상의 화석 연료의 매장량은 한정 되어 있으나 수요는 점점 증가하기 때문에 화석 연료의 가격이 지속적으로 상승하고 있는 추세이다. 뿐만 아니라, 화석 연료를 연소할 때 나오는 배기가스는 환경오염과 지구 온난화 문제를 야기시키기 때문에 국제적으로 많은 배기가스에 관한 규약 및 제약이 생기게 되었다. 따라서 이러한 현상을 해결하기 위해, 더 높은 연료 효율을 가지는 친환경적인 전기자동차가 개발 되고 있다. 전기자동차의 전기에너지를 제공하는 배터리는 주로 리튬 이온 배터리를 사용하고 있으나 리튬 이온 배터리는 한 개의 셀의 전압이 낮아 높은 전압을 요구하는 전기 자동차에서는 리튬 이온 배터리를 직렬로 쌓아 사용하고 있다. 하지만 직렬로 쌓은 배터리들은 각 배터리간의 특성 차이 때문에 많은 동작 뒤에 배터리간의 잔류 전하량 차이를 일으키게 된다. 이는 배터리의 수명 감소뿐만 아니라 최악의 경우 배터리의 폭발까지도 일으킬 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해서 전하 균일 회로가 사용되고 있다. 기존의 전하 균일 회로는 셀 전압의 크기를 얻기 위한 센싱 회로가 존재하여 부피나 가격적인 측면에서 매우 불리하다. 따라서 셀 전압 센싱 회로를 제거한 기존의 자동 전하 균일 회로가 사용될 수 있지만 이 역시 낮은 전하 균일 성능 때문에 큰 용량을 가지는 리튬 이온 배터리에는 적합하지 않다. 기존의 자동 전하 균일 회로는 순수하게 각 배터리간의 전압 차이에 의해서만 전하 균일 전류가 결정되는데, 큰 잔류 전하량 차이를 가지더라도 작은 전압 차이를 가지는 리튬 이온 배터리 특성 때문에 큰 전하 균일 전류를 얻을 수 없다.
따라서 기존의 낮은 전하 균일 성능을 개선하기 위해서 정전압 방식을 이용한 리튬 이온 배터리용 자동 전하 균일 회로를 제안하고자 한다. 이는 하나의 평균전압과 동등한 크기를 가지는 정전압원을 순차적으로 모든 배터리에 붙여 가면서 모든 전압을 균일 시키는 방식이다. 이 때 앞에서 언급한 기존의 회로의 문제점인 작은 전하 균일 성능을 개선하기 위해 Reference voltage modulation과 Advanced skip mode을 적용하여 큰 전하 균일 전류와 짧은 전하 균일 시간을 얻을 수 있다. 이는 전류 방향 센싱을 통하여 각 배터리의 상태에 맞게 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전압을 바꿔주어 더 높은 전하 균일 전류를 흘려주고 이미 평균전압과 근사한 값을 가진 셀은 동작시키지 않는 방식으로 더 빠른 전하 균일을 이룰 수 있다. 본 논문에서는 이러한 새로운 방식에 대해서 제안하고 제안된 회로의 분석과 설계 시 고려사항에 대해서 기술하였다. 또한 제안 된 회로의 전하 균일 성능을 검증하기 위해서 7Ah 리튬 이온 배터리로 prototype을 제작하였고, 제안된 회로가 기존의 자동 전하 균일 회로에 비하여 뛰어난 전하 균일 성능을 가짐을 실험을 통하여 검증하였다.
결론적으로 제안된 자동 전하 균일 회로는 예상했던 효과를 모두 검증하고 확인 할 수 있었다. 추후 과제로, 앞으로 계속 증가할 리튬 이온 배터리를 위해 더 큰 용량을 처리 할 수 있는 새로운 양방향 컨버터에 대한 연구가 진행 되어야 한다. 또한 배터리 전체 전압이 더욱 커질 경우 배터리를 일정한 개수로 모듈화 하여 독립적으로 전하 균일을 시키는 전하 균일 모듈화에 대한 연구도 병행되어야 한다.
