A Novel Modularized Charge Equalizer for Series Connected Lithium-ion Batteries

Abstract

공기오염에 관한 관심의 증가로 자동차의 이산화탄소배출이 주요 원인으로 간주된다. 그러므로 화석 연료를 사용하지 않는 자동차가 유리하고 그 중에서 전기 자동차가 가장 좋은 대안으로 주목받고 있다. 전기 자동차는 충전지에 의해 전원을 공급받는데 특히 다수의 직렬 연결된 배터리 의해서 전원을 공급받는다. 왜냐하면 전압이 필요한 전기자동차 구동열의 필요조건을 만족시키는 것이 일반적으로 단일 배터리 전압 레벨보다 더 높기 때문이다. 최근 리튬 이온 배터리 기술에서의 발전은 많은 장점들을 보여주는데 예를 들면, 높은 파워와 에너지 밀도, 낮은 자가 방전율, 비 메모리 효과 그리고 높은 입력-출력 충전 효율이다. 이러한 장점들 때문에 현재 리튬 이온 배터리는 전기 자동차에 적용되기 위해 연구 중에 있다. 게다가 배터리의 개수가 많아지고 크기가 커질수록 배터리 수명과 배터리 효율을 위한 배터리 관리 시스템(BMS)이 절대적으로 필요하다. 복잡한 전기화학반응 때문에 배터리 성능은 온도 환경, 충전과 방전 방법 그리고 충전상태(SOC)에 매우 민감하다. 실제로 작동 중에 모든 배터리의 조건을 동일하게 만드는 것은 어렵다. 결과적으로 충전 또는 방전 과정 동안 각 배터리를 통해 동일한 전류가 흐를지라도 스택층에서 복원된 배터리의 용량은 같지 않을 것이다. 만약 충전 과정이 적절하게 제어되지 않는다면 일부 배터리들은 작동 사이클의 끝에서 과도하게 방전될 것이다. 이 불균형은 반복적인 충전과 방전을 통해 증가된다. 본 논문의 목적은 직렬 연결 리튬 이온 배터리 스트링의 모듈 세그먼트가 되는 셀 전압 이퀼라이저가 셀 레벨 보다 모듈 레벨에서 적용되게 하는 새로운 접근 방식을 제안하는 것이다. 에너지 컨버터 밸런싱 방법들(벅 또는 부스트 컨버터)과 멀티 스위치드 인덕터 밸런싱 시스템과 비교했을 때 회로에 사용되는 부품 범주가 유사하다. 그러나 제안된 셀 밸런싱 토폴로지의 크기는 좋고 이것의 제어는 다른 능동 배터리 밸런싱 방법들 보다 더 단순하다. 시뮬레이션과 실험결과를 바탕으로 제시된 방법은 인덕터와 변압기의 좋은 효율과 빠른 등화속도를 갖는 장점을 최대한 활용할 뿐만 아니라 우수한 구현과 모 듈화된 충전 이퀼라이저에 의한 비용 절감효과를 가진다.