KR101161218B1 - 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템 - Google Patents

Abstract

이차 전지의 생산 공정 중 화성 공정에서 이차 전지로부터 방전되는 전력을 충전회로에 회생시키는 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템에 관한 것으로서, 화성 공정시에 이차 전지에서 방전되는 전압을 승압시키는 컨버터부 및 컨버터에 승압된 전압을 인버팅하여 이차 전지를 충전하는 충전 회로의 인입 계통에 인가하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템{CHARGE/DISCHARGE SYSTEM OF SECONDARY POWER SYSTEM INTERCONNECTION REGENERATIVE FORM FOR SECONDARY BATTERY}

본 발명은 충방전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차 전지의 생산 공정 중 화성 공정에서 이차 전지로부터 방전되는 전력을 충전회로에 회생시키는 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템에 관한 것이다.

이차 전지는 내부 전해액의 화학변화가 수명을 다하면 재생할 수 없는 일차 전지와 다르게 전기 에너지를 방출하여 전해액이 변화된 후에도 전기 에너지를 전지에 재투입하면 전액이 물성 변화를 일으켜 전기에너지를 재사용할 수 있도록 한 전지이다.

이차 전지는 출하전에 전지를 충전하거나 전지의 활성화 검사를 위한 충방전을 반복할 필요가 있다. 이를 위해, 이차 전지는 조립이 완료된 후에 충방전기에 장착되어 활성화된다. 이와 같이, 이차 전지를 제조하는 과정에서 활성화를 이루는 충방전 공정을 화성(formation) 공정이라 한다.

이러한 화성 공정은 이차 전지를 제조하기 위해서 필수적으로 거치게 되는 공정으로써, 충방전 사이클(cycle)을 다수 회 거치게 된다.

상기한 기술 구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

종래에는 이차 전지의 화성 공정 중 방전하는 방식으로는 방전 저항에 배터리 전류를 흘려 방전시키는 저항 방전 방식과 방전 DC전력을 타 충전기의 DC 링크(Link)단에 전달하여 회생시키는 DC 회생 방전 방식이 있다.

그러나, 저항 방전 방식은 에너지의 비효율적인 사용으로 에너지 낭비와 엄청난 발열 문제를 동반한다는 문제점이 있었다.

게다가, DC 회생 방전 방식은 다수의 충방전 시스템에서 한 시스템은 충전을 진행하고 다른 시스템은 방전을 진행하는 것을 동시에 수행하여야 하므로, 공정의 효율적인 진행에 불합리한 부분이 존재한다. 게다가, 저항 방전 방식과 병행하여 사용하여야 하므로 효율이 감소하는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 화성 공정에서 이차 전지에 충전된 전력을 인입 전력 계통에 연계시켜 회생시키는 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 충방전 시스템에서 방전 저항으로 소비되었던 전력을 인입 전력 계통에 회생시켜 에너지를 절감할 수 있고, 방전 저항으로 발생되는 폐열을 감소시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 폐열을 감소시켜 화재를 예방하고 효율을 상승시키며, 화성 공정에서 사용되는 냉각장치를 제거할 수 있도록 하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 창안된 본 발명의 구성은 다음과 같다.

본 발명의 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템은 화성 공정시에 이차 전지에서 방전되는 전압을 승압시키는 컨버터부; 및 상기 컨버터에서 승압된 전압을 인버팅하여 상기 이차 전지를 충전하는 충전 회로의 인입 계통에 인가하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 컨버터부는 상기 이차 전지에서 방전되는 전압을 1차 승압시키는 제1컨버터부; 및 상기 제1컨버터부에서 승압된 전압을 2차 승압시키는 제2컨버터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제1컨버터부는 상기 이차 전지에서 방전되는 전류를 감지하는 전류센서; 상기 이차 전지에서 방전된 전기 에너지를 저장하는 인덕터; 상기 인덕터에서 방전된 전기 에너지를 저장하는 커패시터; 상기 인덕터와 상기 커패시터에 각각 연결되어 상기 인덕터와 상기 커패시터에 전류를 인가하는 2개의 반도체 스위치; 및 상기 전류센서에 의해 감지되는 전류에 따라 상기 반도체 스위치를 각각 제어하는 제1컨버터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제1컨버터 제어기는 상기 반도체 스위치를 PWM 제어하여 상기 이차 전지로부터 방전되는 전류를 정전류로 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제2컨버터부는 1차측에 2개의 코일이 병렬로 배치되고 상기 제1컨버터부로부터 출력된 전압을 승압시켜 2차측에 유도하는 변압기; 상기 각각의 코일에 각각 직렬로 연결되는 2개의 반도체 스위치; 상기 변압기의 상기 2차측에 유도된 전압을 전파 정류하는 전파 정류 다이오드; 및 상기 반도체 스위치를 각각 제어하여 상기 각 코일로 인가되는 전류를 제어하는 제2컨버터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제2컨버터 제어기는 상기 반도체 스위치를 각기 제어하여 상기 각 코일에 푸쉬-풀로 전류를 인가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제2컨버터 제어기는 상기 변압기의 2차측에 유도된 전압을 피드백하여 상기 반도체 스위치를 PWM 제어하여 상기 2차측에 유도된 전압을 정전압으로 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 인버터부는 상기 인버팅된 전압을 상기 충전 회로의 인입 계통의 전압과 위상을 일치시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 화성 공정에서 이차 전지에 충전된 전력을 인입 전력 계통에 연계시켜 회생시킴으로써 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과는 방전 저항으로 발생되는 폐열을 감소시켜 화재를 예방할 수 있고, 제조상의 효율을 상승시킬 수 있으며, 화성 공정에서 냉각장치를 제거할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템의 회로도이다.
도 4 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 인버터 파형과 전력 계통 AC LINE 파형을 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 파형을 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템의 개략도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템의 회로도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 파형을 도시한 도면이며, 도 4 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 인버터 파형과 전력 계통 AC LINE 파형을 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템은 승압부(50)와 인버터부(60)를 구비한다.

전력 계통 연계 회생 방식이라 함은 이차 전지에서 방전되는 전압을 이차 전지를 충전시키기 위해 공급되는 전압으로 회생시켜 인입 계통으로 재공급하는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 계통 연계 회생 방식을 설명하기에 앞서, 먼저 충전 회로를 설명하면 다음과 같다.

통상 이차 전지(B)의 화성(FORMATION)공정에서는, 도 1 에 도시된 충전 회로가 3상 220V 전원으로부터 이차 전지(B)의 충전 전압 및 전류 사양에 따라 안정된 DC 전원을 정전류/정전압으로 출력하여야 한다.

이와 같이 안정된 직류 전원을 얻기 위해, 우선 노이즈 필터(10)가 AC 입력 전원에서 공급된 전원에서 고조파를 제거한다.

3상 브릿지 다이오드 모듈(20)은 노이즈 필터(10)를 통해 고조파가 제거된 전원을 전파 정류하여 DC 전원을 출력한다. 이러한 DC 전원은 커패시터(C1)을 통해 리플이 제거된다.

충전 제어기(40)는 풀 브릿지 컨버터(30)의 반도체 스위치(Q1,Q2,Q3,Q4)를 통해 충전용 변압기(T1)에 전파 정류 풀 브릿지 스위칭 제어를 수행한다.

이 후, 충전용 변압기(T1)의 2차측 전압이 다이오드(D1,D2)에 의해 정류되고 인덕터(L1)과 커패시터(C2)에 의해 평활되어 이차 전지(B)에 공급된다.

이러한 충전 회로에 의해 충전된 전력의 전압 파형은 도 4 에 도시된 바와 같다.

한편, 충전 회로를 이용하여 이차 전지(B)를 충전시키는 것은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

컨버터부(50)는 도 2 에 도시된 바와 같이, 이차 전지(B)에서 방전되는 전압을 승압시킨다. 통상 이차 전지(B)로부터 방전되는 전압을 인입 계통으로 회생시키기 위해서는 인입 계통의 전압으로 승압시켜야 한다. 일 예로, 자동차용 연축전지의 경우 12V에서 LI-POLY, LI-ION 전지의 경우 3.6~3.7V로 낮기 때문에 인입 계통의 전원인 220V의 전원으로 승압시켜야 한다.

컨버터부(50)는 이차 전지(B)의 전압을 인입 계통의 전압으로 승압시키기 위해, 제1컨버터부(51,52)와 제2컨버터부(53,54)를 구비한다.

제1컨버터(51)는 이차 전지(B)에서 방전되는 전류를 감지하는 전류센서(S)와, 전기 에너지를 저장하는 인덕터(L2), 인덕터(L2)와 연결되어 인덕터(L2)에 전기 에너지를 저장하도록 하는 반도체 스위치(Q4), 인덕터(L2)와 반도체 스위치(Q4) 사이의 노드에 연결되어 인덕터(L2)의 전기 에너지를 저장하도록 하는 반도체 스위치(Q5) 및 반도체 스위치(Q5)의 후단에 연결되는 커패시터(C4)를 포함한다.

제1컨버터 제어기(52)는 전류센서(S)에 의해 감지되는 전류에 따라 PI 제어를 수행한다.

제1컨버터 제어기(52)는 이차 전지(B)의 전압을 반도체 스위치(Q4,Q5)를 사용하여 동기 정류한다. 제1컨버터 제어기(52)가 반도체 스위치(Q5)를 개방하고 반도체 스위치(Q4)를 단락시키면 역기전압에 의해 승압된 전류가 인덕터(L2)에 저장된다. 이후, 반도체 스위치(Q4)를 개방하고 반도체 스위치(Q5)를 단락시키면, 인덕터(L2)에 저장된 에너지가 반도체 스위치(Q5)를 통해 커패시터(C4)에 저장된다.

이 경우, 인덕터(L2)의 인덕턴스와 반도체 스위치(Q4,Q5)의 스위칭 주파수에 따라 이차 전지(B)의 전압이 승압된다. 이때, 제1컨버터부(51,52)에 의해 이차 전지(B)의 전압은 도 3 에 도시된 바와 같이, 12V~15V 까지 승압(1차 승압)된다.

아울러, 제1컨버터 제어기(52)는 인덕터(L2)의 전단에 전류 센서(S1)에 흐르는 전류를 피드백하여 PI 제어를 수행함으로써, 정전류 제어를 수행한다.

한편, 이차 전지(B)의 전압은 계속 방전되고, 전류가 계속 흐름에 따라 전압이 강하된다. 이때 흐르는 방전전류를 계속 유지하기 위해 제1컨버터 제어기는 PWM 제어 방법에 따라 반도체 스위치(Q4,Q5)의 온/오프(ON/OFF) 듀티비(duty ratio)를 실시간으로 제어하여 방전 전류를 유지한다.

제2컨버터부(53,54)는 제1컨버터부(51,52)에 의해 승압된 전압을 계통 전압보다 높은 전압으로 승압시키는 것으로서, 제2컨버터(53)와 제2컨버터 제어기(54)를 구비한다. 제2컨버터부(53,54)에 의해 승압되는 전압은 DC 380V이다.

제2컨버터(53)는 2개의 1차측 코일로 구성되어 제1컨버터부(51,52)에 의해 승압된 전압을 380V로 승압시키는 변압기(T2), 병렬로 배치되는 2개의 1차측 코일에 각각 직렬로 연결되는 반도체 스위치(Q6,Q7)와, 및 변압기(T2)의 2차측에 유도된 전압을 전파 정류하는 전파 정류 다이오드(D3)를 구비한다.

제2컨버터 제어기(54)는 반도체 스위치(Q6,Q7)를 제어하여 변압기(T2)의 1차측의 각 코일로 인가되는 전류를 제어한다.

제2컨버터 제어기(54)는 반도체 스위치(Q6,Q7)를 순차적으로 온/오프시킨다. 즉, 변압기(T2)의 1차측에 푸쉬-풀(PUSH-PULL)로 전류를 흘리도록 반도체 스위치(Q6,Q7)를 순차적으로 온/오프시킨다.

이에 따라, 변압기(T2)의 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비에 따라 2차 측 코일에 380V의 전압이 유도된다.

전파 정류 다이오드(D3)는 2차측에 유도된 전압을 전파 정류하여 DC 380V의 전압을 생성한다. 이 경우, 제2컨버터 제어기(54)는 반도체 스위치(Q6,Q7)를 교대로 온/오프시키는 PWM 제어를 수행하게 한다. 이때, 2차측 전압을 피드백하여 온/오프 듀티비를 제어하여 도 3 에 도시된 바와 같은 안정된 이차 전압(2차 승압)이 유지되도록 한다.

인버터부(60)는 컨버터부(50)로부터 입력된 전압을 정현파 AC 전압으로 인버팅시켜 인입 계통으로 연계시킨다.

인버터부(60)는 3상 풀 브릿지 인버터(62)와 인버터 제어기(61)를 구비한다.

3상 풀 브릿지 인버터(62)는 3쌍의 반도체 스위치(Q8~Q13)가 설치되어 충전 회로의 인입 계통에 연결된다. 바람직하게는 충전 회로의 노이즈 필터(10) 후단에 연결된다.

인버터 제어기(61)는 컨버터부(50)에 의해 DC 380V로 승압된 전압을 3상 풀브릿지 인버터(61)의 반도체 스위치(Q8~Q13)를 제어하여 도 3 에 도시된 3상 정현파 AC 전압으로 인버팅(inverting)한다.

이 후, 3상 정현파 AC 전압을 필터링하고, 충전 회로의 계통과 연계시키기 위해, 내부에 구비된 인입 계통의 위상을 검출하는 상 검출 회로를 통해 AC 전원으로부터 감압된 신호를 입력받아 인입 계통의 정현파 AC 전압과 위상각이 동일하도록 제어한다.

도 4 에서는 계통 연계 인버터 파형과 충전 회로의 AC 라인의 전압 파형을 도시하였다. 도 4 을 참조하면, 인버터 제어기(61)로부터 출력된 계통 연계 인버터 파형과, 고유의 인입 계통 AC LINE 파형의 위상이 서로 동일함을 알 수 있다.

이 경우, 인버터 제어기(61)는 고속, 고정밀 제어가 필요하므로 디에스피(Digital Signal Process) 프로세서를 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 인입 계통의 위상 영점을 검출하여 계통에 전류가 흐를 수 있도록 하는 고속 알고리즘이 탑재되어 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.

10: 노이즈 필터
20: 3상 브릿지 다이오드 모듈
30: 풀 브릿지 컨버터
40: 충전 제어기
50: 컨버터
51: 제1컨버터
52: 제1컨버터 제어기
53: 제2컨버터
54: 제2컨버터 제어기
60: 인버터부

Claims (8)

1. 화성 공정시에 이차 전지에서 방전되는 전압을 승압시키는 컨버터부; 및
   상기 컨버터에서 승압된 전압을 인버팅하여 상기 이차 전지를 충전하는 충전 회로의 인입 계통에 인가하는 인버터부를 포함하되,
   상기 컨버터부는 상기 이차 전지에서 방전되는 전압을 1차 승압시키는 제1컨버터부; 및 상기 제1컨버터부에서 승압된 전압을 2차 승압시키는 제2컨버터부를 포함하고,
   상기 제1컨버터부는 상기 이차 전지에서 방전되는 전류를 감지하는 전류센서; 상기 이차 전지에서 방전된 전기 에너지를 저장하는 인덕터; 상기 인덕터에서 방전된 전기 에너지를 저장하는 커패시터; 상기 인덕터와 상기 커패시터에 각각 연결되어 상기 인덕터와 상기 커패시터에 전류를 인가하는 2개의 반도체 스위치; 및 상기 전류센서에 의해 감지되는 전류에 따라 상기 반도체 스위치를 각각 제어하는 제1컨버터 제어기를 포함하고,
   상기 제1컨버터 제어기는 상기 반도체 스위치를 PWM 제어하여 상기 이차 전지로부터 방전되는 전류를 정전류로 제어하며,
   상기 제2컨버터부는 1차측에 2개의 코일이 병렬로 배치되고 상기 제1컨버터부로부터 출력된 전압을 승압시켜 2차측에 유도하는 변압기; 상기 각각의 코일에 각각 직렬로 연결되는 2개의 반도체 스위치; 상기 변압기의 상기 2차측에 유도된 전압을 전파 정류하는 전파 정류 다이오드; 및 상기 반도체 스위치를 각각 제어하여 상기 각 코일로 인가되는 전류를 제어하는 제2컨버터 제어기를 포함하며,
   상기 제2컨버터 제어기는 상기 반도체 스위치를 각기 제어하여 상기 각 코일에 푸쉬-풀로 전류를 인가하고, 상기 변압기의 2차측에 유도된 전압을 피드백하여 상기 반도체 스위치를 PWM 제어하여 상기 2차측에 유도된 전압을 정전압으로 유지하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템.
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8. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터부는 상기 인버팅된 전압을 상기 충전 회로의 인입 계통의 전압과 위상을 일치시키는 것을 특징으로 하는 전력 계통 연계 회생 방식을 이용한 이차 전지 충방전 시스템.
   

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