PDA, 스마트폰, USP 및 전기자동차와 같은 전기적 장치의 전력공급을 위하여 배터리가 직렬로 연결된 다중 셀을 만들어 일반적으로 사용한다. 이 경우 개별 셀 전압의 편차가 발생되면 배터리의 수명과 용량은 낮아지게 된다. 셀에서 전압의 안정화상태를 유지하기 위한 셀 전압을 안정화시키는 효율적인 방범은 없어서는 안 될 중요한 사항이다. 본 논문에서는 휴대형 가전기기에 적용하기 위해 마이크로컨트롤러를 사용한 다중 셀용 밸런싱 회로의 설계에 대하여 제안한다. 밸런싱 시스템은 충전되는 주기 동안 밸런싱 동작을 이행하며 마이크로컨트롤러로서 제어된다. 제안된 방법은 충전기와 레코드를 사용하여 실험을 통해 증명하였다. 실험결과에서 개별 배터리의 용량, 수령, 성능이 향상됨을 보여준다.
PDA, 스마트폰, USP 및 전기자동차와 같은 전기적 장치의 전력공급을 위하여 배터리가 직렬로 연결된 다중 셀을 만들어 일반적으로 사용한다. 이 경우 개별 셀 전압의 편차가 발생되면 배터리의 수명과 용량은 낮아지게 된다. 셀에서 전압의 안정화상태를 유지하기 위한 셀 전압을 안정화시키는 효율적인 방범은 없어서는 안 될 중요한 사항이다. 본 논문에서는 휴대형 가전기기에 적용하기 위해 마이크로컨트롤러를 사용한 다중 셀용 밸런싱 회로의 설계에 대하여 제안한다. 밸런싱 시스템은 충전되는 주기 동안 밸런싱 동작을 이행하며 마이크로컨트롤러로서 제어된다. 제안된 방법은 충전기와 레코드를 사용하여 실험을 통해 증명하였다. 실험결과에서 개별 배터리의 용량, 수령, 성능이 향상됨을 보여준다.
For a power source of usual electronic devices such as PDA, smart phone, UPS and electric vehicle, the battery made of serially connected multiple cells is generally used. In this case, if there are some unbalanced among cell voltages, the total lifetime and the total capacity of the battery are lim...
For a power source of usual electronic devices such as PDA, smart phone, UPS and electric vehicle, the battery made of serially connected multiple cells is generally used. In this case, if there are some unbalanced among cell voltages, the total lifetime and the total capacity of the battery are limited to a lower value. To maintain a balanced condition in cells, an effective method of regulating the cell voltage in indispensable. In this paper, we propose the design of a balancing circuit for electronic appliances. The balancing system was controlled by a micro-controller which enables to implement the balancing action during charging period. Proposed method has been verified by the experiment using the charger and recorder. The experimental results show that the individual battery equalization can improve battery capacity and battery lifetime and performance through an extended operational time.
For a power source of usual electronic devices such as PDA, smart phone, UPS and electric vehicle, the battery made of serially connected multiple cells is generally used. In this case, if there are some unbalanced among cell voltages, the total lifetime and the total capacity of the battery are limited to a lower value. To maintain a balanced condition in cells, an effective method of regulating the cell voltage in indispensable. In this paper, we propose the design of a balancing circuit for electronic appliances. The balancing system was controlled by a micro-controller which enables to implement the balancing action during charging period. Proposed method has been verified by the experiment using the charger and recorder. The experimental results show that the individual battery equalization can improve battery capacity and battery lifetime and performance through an extended operational time.
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문제 정의
본 논문에서는 노트북 PC, 휴대전화, PDA, 디지털카메라 등 최근 모바일 기기의 급속한 발전에 큰 역할을 담당하고 있는 2차 전지 중 리튬-이온 배터리를 대상으로 보호회로의 구성 및 역할과 함께 다중 셀의 적용 시 나타나는 전압 불균형 현상에 대해 살펴보았다. 전압불균형 현상은 다중 셀의 구성시 항상 발생되는현상이며, 이로 인해 셀의 용량감소 및 수명단축 등이발생된다.
가설 설정
.2개 이상의 셀 직렬연결 사용시 주위온도가 균일하지 않으면 셀 사이의 용량 언밸런스가 발생, 방전용량이 저하됨.
제안 방법
실험하였다. 2셀의 경우는 저가의 시스템을 구현하기 위해 별도의 마이크로컨트롤러를 사용하지 않고, 보호 IC를 단독으로 사용하여 전압을 안정화하였으며, 3 셀의 경우에는 Atmel사의 8-Bit 마이크로컨트롤러인 ATmega 128을 사용하여 시스템을 제어하였다.
제안된 전압안정화회로는 이러한 전압 불균형 현상을 배터리 충전시 저항을 통해 방전하는 방식으로 전압을 동일하게 유지시키는 방식으로 적용되었으며, 2 셀과 3셀을 대상으로 적용하였다. 2셀의 경우에는 저가의 시스템을 구현하고자하는 목적으로 보호 IC의 조합을 통해 전압안정화회로를 구현하였으며, 3셀의 경우에는 마이크로컨트롤러를 사용하여 3셀 뿐만 아니라 다양한 구성의 셀 조합에 대응이 가능하도록 전압 안 정화 회로를 설계하였다. 설계된 시스템은 실험을 통해 기존보호회로만 채용한 방식과 비교하여 용량의 경우 403 사이클을 기준으로 약 50[mA]의 증대효과를 가졌으며, 수명의 경우 약 25[%]가 증대됨을 확인하였고, 이를 통해 전압안정화회로의 필요성 및 타당성을 입증하였으며 , 기존의 전압안정화회로에서의 마이크로컨트롤러와 보호 IC를 모두 사용한 방식에 비해 저가의 시스템이라는 장점을 가진다.
전압안정화시스템은 일반적으로 수동적인 방식과 능동적인 방식으로 분류되며 본 논문에서는 그림 9와 같이 완전 충전된 셀을 저항을 통해 방전하는 수동적인 방식을 채택하여 2셀과 3셀을 대상으로 시스템을 제작 및 실험하였다. 2셀의 경우는 저가의 시스템을 구현하기 위해 별도의 마이크로컨트롤러를 사용하지 않고, 보호 IC를 단독으로 사용하여 전압을 안정화하였으며, 3 셀의 경우에는 Atmel사의 8-Bit 마이크로컨트롤러인 ATmega 128을 사용하여 시스템을 제어하였다.
전압불균형 현상은 다중 셀의 구성시 항상 발생되는현상이며, 이로 인해 셀의 용량감소 및 수명단축 등이발생된다. 제안된 전압안정화회로는 이러한 전압 불균형 현상을 배터리 충전시 저항을 통해 방전하는 방식으로 전압을 동일하게 유지시키는 방식으로 적용되었으며, 2 셀과 3셀을 대상으로 적용하였다. 2셀의 경우에는 저가의 시스템을 구현하고자하는 목적으로 보호 IC의 조합을 통해 전압안정화회로를 구현하였으며, 3셀의 경우에는 마이크로컨트롤러를 사용하여 3셀 뿐만 아니라 다양한 구성의 셀 조합에 대응이 가능하도록 전압 안 정화 회로를 설계하였다.
성능/효과
그림 7은 본 논문에서 제안하는 전압안정화 시스템의 블록도를 보여주고 있으며, 기존 시스템에서 보호 IC와 마이크로컨트롤러를 병행하여 사용하던 단점을 보완하여 마이크로컨트롤러만으로 보호회로와 셀밸 런싱 동작을 모두 만족하도록 구현되었다. 또한 기존의 방식의 경우 보호 IC의 사양에 따라 적용할 수 있는 셀의 수가 한정되었으나 제안된 시스템에서는 마이크로컨트롤러의 사양에 따라 다양한 셀 구성이 가능하다는 장점을 가진다.
동작을 모두 만족하도록 구현되었다. 또한 기존의 방식의 경우 보호 IC의 사양에 따라 적용할 수 있는 셀의 수가 한정되었으나 제안된 시스템에서는 마이크로컨트롤러의 사양에 따라 다양한 셀 구성이 가능하다는 장점을 가진다. 시스템에 적용된 리튬-이온 배터리 및 설계사양은 표 2와 3에 나타내었었다.
방전 횟수별 용량의 변화를 나타내고 있으며, 초기에는 동일한 용량에서 충방전을 시작하였으나 400사이클 시점에서는 용량이 약 50[mAh] 차이가 발생함을 볼 수 있다. 또한 전압 안 정화 회로를 적용하지 않은 셀의 경우 400 사이클 시점에서 정격용량의 약 에 도달함으로써 수명이 종료하였으나 전압안정화회로를 적용한 경우에는 약 500사이클에서 수명이 종료됨을 알 수 있었다. 따라서 전압 안 정화 회로의 적용을 통해 3셀 리튬-이온 배터리팩의 경우 수명은 약 25[%] 증대됨을 알 수 있다.
이러한 셀 간 전압의 언밸런스(Unbalance)는 충전시 전압이 낮은 셀에 무리한 충전(과충전)이 가해져 셀의 용량이 급격히 저하되는 현상과 함께 노화현상을 촉진시키는 원인이 되어 셀의 실제 용량 및 사용 시간이 줄어드는 결과를 가져오게 된다『3〕. 본 논문에서는 다중 셀 적용시 발생되는 용량 불균형 현상을 해소하기 위해 기존의 방식인 보호 IC와 마이크로컨트롤러를 병행하여 사용함으로서비용이 상승하는 단점을 보완하여 마이크로컨트롤러를 단독으로 사용하여 각 셀 간의 전압 편차를 줄여 주는 안정화 회로를 구현하였으며, 실험을 통해 배터리의 용량 및 수명이 증대됨을 확인하였다.
2셀의 경우에는 저가의 시스템을 구현하고자하는 목적으로 보호 IC의 조합을 통해 전압안정화회로를 구현하였으며, 3셀의 경우에는 마이크로컨트롤러를 사용하여 3셀 뿐만 아니라 다양한 구성의 셀 조합에 대응이 가능하도록 전압 안 정화 회로를 설계하였다. 설계된 시스템은 실험을 통해 기존보호회로만 채용한 방식과 비교하여 용량의 경우 403 사이클을 기준으로 약 50[mA]의 증대효과를 가졌으며, 수명의 경우 약 25[%]가 증대됨을 확인하였고, 이를 통해 전압안정화회로의 필요성 및 타당성을 입증하였으며 , 기존의 전압안정화회로에서의 마이크로컨트롤러와 보호 IC를 모두 사용한 방식에 비해 저가의 시스템이라는 장점을 가진다.
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