KR101335995B1 - 전원장치 및 그 전원공급제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원장치 및 그 전원공급방법에 관한 것이다. 배터리를 포함하는 전자장치에 전력을 공급하는 본 발명에 따른 전원장치에 있어서, 제1전력레벨의 1차전원을 공급하는 1차전원부와, 전자장치에 가변 가능한 제2전력레벨의 2차전원을 공급하는 이차전지부와, 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 작은 경우 상기 제1전력레벨과 제2전력레벨의 합이 전자장치의 필요전력레벨에 도달하도록 이차전지부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 전원장치 및 그 전원공급제어방법은 최소의 회로소자로 전자장치에 전원을 공급함으로써 전원장치의 생산 원가를 절약할 수 있다.

Description

전원장치 및 그 전원공급제어방법{ELECTRIC POWER SUPPLY APPARATUS AND POWER SUPPLY CONTROL METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 일실시예에 따른 전원장치에 대한 회로도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치에 대한 회로도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 전원공급제어방법이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 1차전원부 20 : 제1센싱부

30 : 제2센싱부 40 : 이차전지부

50 : 스위칭부 60 : 제어부

100 : 전원장치 200 : 전자장치

본 발명은 전원장치 및 그 전원공급제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1차전지인 연료전지와 이차전지로 구성된 전원장치의 전력 흐름을 제어하여 안정적인 전력을 출력하는 전원장치 및 그 전원공급제어방법에 관한 것이다.

전원장치는 연료전지로 대표되는 메탄올 등의 수소화합물로 구성된 액체연료를 산소와 혼합하여 산화환원반응을 일으켜 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 기본적으로 전원장치는 수소화합물을 저장하는 저장탱크와 산소를 흡입하기 위한 펌프 및 수소화합물과 흡입된 산소가 산화환원반응이 일어나도록 하는 스택을 포함한다. 저장탱크로부터 스택으로 수소화합물을 공급하기 위한 펌프도 포함한다.

전원장치가 구동되기 위해선 두 펌프에 의해 산소와 수소화합물이 스택으로 공급되어 져야 하는데, 전원장치는 두 펌프를 구동시키기 위한 1차전지 또는 이차전지를 포함한다.

전원장치가 전력을 공급하는 전자장치가 휴대형 컴퓨터인 경우, 전원장치가 연료전지만으로 휴대형 컴퓨터에 충분한 전력을 공급하기 위해선 스택의 부피가 커져야 한다. 스택의 부피를 증가시키지 않기 위해서 전원장치는 연료전지와 이차전지를 함께 내장하는 복합형(Hybrid Type) 연료전지로 구성된다. 이와 같은 복합형 전원장치는 부하 응답특성이 우수하고, 이차전지가 보조전원을 대신할 수 있으며, 스택의 크기를 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 전원장치의 일실시예에 따른 회로도이다.

종래의 전원장치는 연료전지와, 이차전지부와, DC/DC 컨버터와, 충전부와, 이차전지와 연료전지의 전력을 제어하기 위한 IC(Integrated Circuit)인 제어부(미도시)를 포함한다. 연료전지는 산소와 수소를 포함하는 연료의 산화환원반응을 통해 전기에너지를 생성한다.

이차전지는 전기에너지를 충전 및 방전하는 셀이 직렬/병렬의 조합으로 연결되어 있고 전자장치에 전력을 공급한다. 셀의 조합은 xPyS로 표현하며 y개의 셀이 직렬로 연결되고, x개의 셀이 병렬로 연결된 것을 의미한다.

DC/DC 컨버터는 연료전지의 변동이 심한 출력 전압을 일정한 전압으로 변환한다.

충전부는 연료전지의 출력전력을 일정한 전력으로 변환하여 이차전지를 충전한다.

전자장치는 DC/DC 컨버터에 의해 공급된 전력에 의해 소정의 동작을 수행한다.

종래의 전원장치는 연료전지에 의한 출력전력이 전자장치가 요구하는 전력에 못 미치는 경우, 이차전지를 방전하여 부족한 전력을 공급한다.

그런데 종래의 전원장치는 도 1에 도시된 바와 같이 DC/DC 컨버터와 충전부의 회로구성이 유사하므로 충전부가 DC/DC 컨버터의 기능을 대신한다면, DC/DC 컨버터는 불필요한 회로소자이다. 불필요한 회로소자는 원가상승 및 전원장치의 부피가 커지는 문제를 가지게 된다.

따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 부하에 안정적인 전압을 공급하면서 전원장치 및 원가를 절감할 수 있는 전원장치 및 그 전원공급제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 배터리를 포함하는 전자장치에 전력을 공급하는 전자장치에 있어서, 제1전력레벨의 1차전원을 공급하는 1차전력부와, 전자장치에 가변 가능한 제2전력레벨의 2차전원을 공급하는 이차전지부와, 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 작은 경우 제1전력레벨과 제2전력레벨의 합이 전자장치의 필요전력레벨에 도달하도록 이차전지부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 이차전지부가 갖는 복수의 셀에 대해 직렬 연결된 셀의 개수는 배터리가 갖는 셀에 대해 직렬 연결된 셀의 개수와 동일한 것을 특징으로 한다.

배터리는 복수의 셀을 포함하고 복수의 셀은 직렬/병렬로 서로 연결되어 있다. 이것을 xPyS로 표현하는데 배터리가 포함하는 복수의 셀 중 x개의 셀이 병렬로 연결되고 y개의 셀이 직렬로 연결되어 있음을 나타낸다. 즉 배터리가 2P3S이면 6개의 셀 중 3개의 셀이 직렬 연결되고 직렬 연결된 3개의 셀이 병렬로 연결되는 것을 나타낸다. 따라서 배터리가 2P3S인 경우, 이차전지부가 갖는 복수의 셀에 대해 직렬 연결된 셀의 개수는 3이어야 한다.

그리고 상기 전원장치는 전자장치에 공급되는 전류를 감지하는 제1센싱부를 더 포함하고, 제어부는 제1센싱부에 의해 감지된 전류에 기초하여 전자장치의 필요전력레벨을 산출하고 산출된 필요전력레벨보다 1차전원부의 제1전력레벨이 큰 경우, 제1전력레벨에서 필요전력레벨을 뺀 전력레벨로 상기 이차전지부를 충전하는 것을 특징으로 한다. 즉 제어부는 1차전원부가 생성하여 전자장치에 공급할 수 있는 전력레벨을 알고 있는 상태에서 제1센싱부에 의해 감지된 전류를 통해 전자장치 에 공급되고 있는 전력 즉 필요전력레벨을 산출할 수 있다. 이때 제어부는 1차전원부의 제1전력레벨이 필요전력레벨보다 큰 경우, 1차전원부의 제1전력레벨에서 필요전력레벨을 뺀 전력레벨로 이차전지부를 충전한다.

또한 상기 전원장치는 이차전지부로 공급하는 전력레벨의 전류를 감지하는 제2센싱부를 더 포함하고, 제어부는 제2센싱부에 의해 전류를 감지하고 감지된 전류가 이차전지부의 최대 입력허용전류레벨을 초과하지 않도록 1차전원부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서 1차전원부로부터 이차전지부에 공급되는 전력레벨은 이차전지부로부터 상기 전자장치에 공급되는 전력레벨보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 목적은, 상기 전원장치의 전원공급방법에 있어서, 제1센싱부에 의해 감지된 전류에 기초하여 산출된 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 작은지 비교하는 단계와, 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 작은 경우, 상기 제1전력레벨과 제2전력레벨의 합이 상기 전자장치의 필요전력레벨에 도달하도록 하는 단계와, 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 큰 경우, 제1전력레벨과 전자장치의 필요전력레벨의 차전력으로 이차전지부를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장치의 전원공급제어방법에 의해서도 달성된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치(100)의 블록도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전원장치(100)는 1차전원부(10)와, 제1센싱부(20)와, 제2센싱부(30)와, 이차전지부(40)와, 스위칭부(50) 및 이들을 제어하는 제어부(60)를 포함한다. 전원장치(100)는 전자장치(200)에 소정의 전 력을 공급한다.

1차전원부(10)는 제1펌프(미도시)와 제2펌프(미도시)를 포함한다. 제1펌프는 수소를 포함하는 연료를 공급하고, 제2펌프는 외부로부터 공기를 흡입한다. 1차전원부(10)는 스택(미도시)을 더 포함한다. 스택은 공급된 연료와 흡입된 공기에 산화환원반응을 일으키고 산화환원반응에 의해 전기에너지 즉 전력을 생성한다. 생성된 전력을 제1전력레벨이라 하고 제1전력레벨은 전자장치(200)로 공급된다. 제1전력레벨은 전자장치(200)가 요구하는 필요전력레벨에 따라 가변될 수 있다. 경우에 따라 전자장치(200)의 필요전력레벨의 최대값은 1차전원부(10)가 생성하는 전력이 최대일 때의 제1전력레벨보다 크다.

제1센싱부(20)는 1차전원부(10)에 의해 전자장치(200)로 공급되는 전류를 감지한다. 제어부(60)는 제1센싱부(20)를 통해 감지된 전류에 의해 1차전원부(10)가 전자장치(200)에 공급하는 전력레벨을 산출할 수 있다. 제1센싱부(20)는 저항이 사용될 수 있고, 전류를 감지할 수 있는 회로소자이면 저항을 대체할 수 있다.

제2센싱부(30)는 1차전원부(10)가 이차전지부(40)로 공급하는 전류를 감지한다. 제2센싱부(30)에 의해 감지된 전류는 제어부(60)에 의해 이차전지부가 허용하는 최대 전류치를 초과하지 않도록 제어된다.

이차전지부(40)는 1차전원부(10)와 함께 전자장치(200)에 전력을 공급하거나, 또는 단독으로 전자장치(200)에 전력을 공급한다. 이차전지부(40)는 복수의 셀(Cell)를 포함한다. 셀은 소정의 전압으로 충전된 있으며, 직렬/병렬로 연결되어 있다. 이차전지부(40)가 포함하는 셀 중 직렬로 연결된 셀의 개수는 전자장치(200) 가 갖는 배터리의 셀 중 직렬로 연결된 셀의 개수와 동일하다. 이차전지부(40)는 1차전원부(10)로부터 전력을 공급받아 충전된다. 그리고 이차전지부(40)는 1차전원부(10)가 전력을 생성하기 위해 제1펌프가 1차전원부(10)로 연료를 공급하고, 제2펌프가 1차전원부(10)로 산소를 공급하도록 제1펌프와 제2펌프가 구동하도록 전력을 공급한다.

스위칭부(50)는 제어부(60)에 의해 ON/OFF된다. 즉 제어부(60)가 전자장치의 필요전압레벨이 1차전원부의 제1전력레벨보다 크다고 판단된 경우, 스위칭부(50)를 ON시켜 이차전지부(40)의 전력이 전자장치(200)에 공급되도록 한다. 즉 제어부(60)는 스위칭부(50)를 ON시켜 제1전력레벨과 이차전지부(40)의 전력레벨의 합이 전자장치(200)의 필요전력레벨에 도달하도록 한다. 또한 제어부(60)는 제1센싱부(20)에 의해 감지된 전류에 의해 산출된 전력레벨 즉 전자장치(200)의 필요전력레벨이 제1전력레벨보다 작다고 판단된 경우, 스위칭부(50)를 OFF시켜 이차전지부(40)의 전력이 전자장치(200)에 공급되지 않도록 한다. 이때 만일 이차전지부의 충전상태가 풀(Full)로 되어 있지 않은 경우라면 제1전력레벨에서 필요전력레벨을 뺀 전력레벨의 의해 이차전지부(40)는 충전된다. 그리고 제어부(60)는 이차전지부(40)로 공급되는 전력의 전류를 제2센싱부(30)를 통해 감지하고 감지된 전류가 이차전지부(40)의 최대 허용입력전류를 초과하지 않도록 1차전원부(10)를 제어한다.

제어부(60)는 1차전원부(10)에 전력을 공급받아 이차전지부(40)를 충전하며, 전자장치(200)에 전력을 공급한다. 제어부(60)는 1차전원부(10)가 생성하는 제1전력레벨의 최대전력값을 알고 있으며, 전자장치(200)의 필요전력레벨의 최대가 얼만 인지 알고 있다.

제어부(60)는 전자장치(200)가 현재 요구하는 필요전력레벨에 따라 전력을 공급한다. 또한 제어부(60)는 제1센싱부(20)를 통해 현재 1차전원부(10)로부터 전자장치(200)로 공급되는 전류를 감지하여 전자장치(200)로 공급되는 전력레벨을 산출할 수 있다. 전자장치(200)의 필요전력레벨이 1차전원부(10)가 생성하는 전력의 최대치 보다 작은 경우 제어부(60)는 1차전원부(10)가 생성한 전력만 전자장치(200)로 공급한다. 일예로 1차전원부(10)의 제1전력레벨이 0 ~ 30[w]인 이고, 전자장치의 필요전력레벨이 0 ~ 50[w]인데 전자장치(200)의 필요전력레벨은 실시간으로 0 ~ 50[w] 사이에서 가변되며, 현재 제1센싱부(20)에 의해 감지된 전류에 기초하여 산출된 전력이 20[w]라면 제어부(60)는 1차전원부(10)로부터 전자장치(200)로 20[w]가 공급되도록 하고, 제1전력레벨의 최대값인 30[w]에서 20[w]를 뺀 10[w]의 전력으로 이차전지부(40)를 충전한다. 여기서 만일 이차전지부(40)가 풀(Full)로 충전된 경우라면 제어부(60)는 1차전원부(10)가 20[w]만 생성하도록 1차전원부(10)를 제어한다.

또한 제어부(60)는 전자장치(200)의 필요전력레벨이 1차전원부(10)의 제1전력레벨의 최대값보다 큰 경우, 스위칭부(50)를 ON시켜 이차전지부(40)가 전자장치(200)로 전력을 공급되도록 하여 제1전력레벨와 이차전지부(40)에 의한 전압레벨의 합이 필요전력레벨에 도달하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치에 대한 회로도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(60)는 복수의 스위칭 소자와 인덕터와 캐 패시터를 포함하고, 제1센싱부(20)와 제2센싱부(30)로 저항이 사용되었다. 제1센싱부(20)와 제2센싱부(30)는 반드시 저항일 필요는 없으며 전류를 감지할 수 있는 소자이면 센서로서 사용될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 전원장치(100)의 일실시예를 통해 본 발명의 특징을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 전원장치(100)는 산소와 수소를 포함하는 연료를 통해 화학반응을 일으켜 전기에너지를 생성하는 1차전원부(10)와 전압이 충전된 복수의 셀을 포함하는 이차전지부를 포함한다. 전원장치(100)로부터 전원을 공급받는 전자장치(200)는 휴대형 컴퓨터인 것을 일예로 설명한다.

휴대형 컴퓨터(200)는 구동에 따라 복수의 전력레벨을 갖는다. 예를 들면 휴대형 컴퓨터(200)는 0 ~ 50[w]의 전력을 소비한다.

1차전원부(10)는 휴대형 컴퓨터(200)가 필요로 하는 필요전압레벨에 따라 전력을 공급한다. 그러나 1차전원부(10)가 생성하는 휴대형 컴퓨터(200)에 공급하는 제1전력레벨은 휴대형 컴퓨터(200)가 필요로 하는 필요전압레벨보다 작다. 즉 1차전원부(10)에 의해 생성된 제1전력레벨은 0 ~ 30[w] 사이의 레벨이다. 만일 휴대형 컴퓨터의 현재 필요전력레벨이 30[w]이하이면 제어부(60)는 이차전지부(40)에 의해 휴대형 컴퓨터(200)로 전력이 공급되지 않도록 스위칭부(50)를 OFF시키고, 1차전원부(10)의 제1전력레벨만 공급한다. 이때 이차전지부(40)가 풀(Full)로 충전돼 있지 않은 상태라면 제1전력레벨에서 필요전력레벨을 뺀 전력레벨 즉 20[w]로 이차전지부(40)를 충전한다. 그러나 여기서 제어부(60)는 제1전력레벨에서 필요전력레벨을 뺀 전력레벨(20[w])보다 작은 전력레벨(예 : 10[w])로 이차전지부(40)를 충전할 수 있다. 왜냐하면 이차전지부(40)가 최대로 입력받을 수 있는 전류의 한계가 있기 때문이다. 제어부(60)는 현재 1차전원부(10)에 의해 이차전지부(40)에 공급되는 전류를 제2센싱부(30)를 통해 알 수 있다. 제어부(60)는 제2센싱부(30)에 의해 감지된 전류가 이차전지부의 최대 허용입력전류를 초과하지 않도록 1차전원부(10)를 제어한다. 즉 만일 필요전력레벨(50[w])에서 제1전력레벨(30[w])을 뺀 전력레벨(20[w])에 대응하는 전류를 이차전지부(40)로 공급하였을 때 이차전지부(40)의 최대 허용입력전류를 초과한다고 판단된 경우 20[w]보다 작은 전력을 공급한다. 제어부(60)가 1차전원부(10)로부터 이차전지부(40)로 공급되는 전류의 크기를 방법은 제2센싱부(30)를 통해 감지된 전류의 크기를 통해 알수 있다.

전자장치(200)의 필요전력레벨이 50[w]인 경우, 제어부(60)는 1차전원부(10)에서 생성한 제1전력레벨의 최대값인 30[w]를 전자장치(200)로 공급하고, 제1전력레벨의 최대값인 30[w]를 초과한 전력레벨은 이차전지부(40)에 의해 공급되도록 스위칭부(50)를 ON시킨다. 만일 1차전원부(10)에 의해 전자장치(200)로 공급되는 전력이 없다면 이차전지부(40)가 필요전력레벨(50[w])에 대응하는 전력레벨(50[w])을 공급한다. 이차전지부(40)가 전자장치(200)에 의해 지속적으로 방전이 되면 일정 시간 후에 전자장치(200)는 충분한 전력공급을 받지 못하므로 셧다운(Shut Down)될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치의 전원공급제어방법이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 전원장치의 전원공급방법은 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 작은지 비교한다(S10). 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 작은 경우, 제1전력레벨과 제2전력레벨의 합이 전자장치의 필요전력레벨에 도달하도록 한다(S20). 제1전력레벨이 전자장치의 필요전력레벨보다 큰 경우, 제1전력레벨에서 잔자장치의 필요전력레벨을 뺀 전력레벨로 이차전지부를 충전한다(S30).

비록, 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명에 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전원장치 및 그 전원공급제어방법은 최소의 회로소자로 전자장치에 전력을 공급함으로써 전원장치의 생산 원가를 절약할 수 있다.

Claims (6)

1. 배터리를 포함하는 전자장치에 전력을 공급하는 전원장치에 있어서,

   제1전력레벨의 1차전원을 공급하는 1차전원부와;

   상기 전자장치에 가변 가능한 제2전력레벨의 2차전원을 공급하는 이차전지부와;

   상기 제1전력레벨이 상기 전자장치의 필요전력레벨보다 작은 경우 상기 제1전력레벨과 상기 제2전력레벨의 합이 상기 전자장치의 필요전력레벨에 도달하도록 상기 이차전지부를 제어하는 제어부를 포함하며,

   상기 제어부는, 상기 1차 전원부의 상기 제1전력레벨을 일정하게 변환하며,

   상기 이차전지부가 갖는 복수의 셀에 대해 직렬 연결된 셀의 개수는 상기 배터리가 갖는 셀에 대해 직렬 연결된 셀의 개수와 동일하게 하여, 상기 이차전지부는 상기 1차전원부와 함께 또는 단독으로 상기 전자장치의 필요전력레벨에 대응하는 전력레벨을 공급하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 전자장치에 공급되는 전류를 감지하는 제1센싱부를 더 포함하고,

   상기 제어부는 상기 제1센싱부에 의해 감지된 전류에 기초하여 상기 전자장치의 필요전력레벨을 산출하고 산출된 필요전력레벨보다 상기 1차전원부의 제1전력레벨이 큰 경우, 상기 제1전력레벨에서 상기 필요전력레벨을 뺀 전력레벨로 상기 이차전지부를 충전하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 이차전지부로 공급하는 전류를 감지하는 제2센싱부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2센싱부에 의해 감지된 전류가 상기 이차전지부의 최대 입력허용전류레벨을 초과하지 않도록 상기 1차전원부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 1차전원부로부터 상기 이차전지부에 공급되는 전력은 상기 이차전지부로부터 상기 전자장치에 공급되는 전력보다 큰 것을 특징으로 하는 전원장치.
6. 배터리를 포함하는 전자장치에 전력을 공급하는 전원장치의 전원공급방법에 있어서,

   (a) 1차전원부의 제1전력레벨이 상기 전자장치의 필요전력레벨보다 작은지 비교하는 단계와;

   (b) 상기 제1전력레벨이 상기 전자장치의 필요전력레벨보다 작은 경우, 상기 제1전력레벨과 이차전지부의 상기 전자장치에 가변 가능한 제2전력레벨의 합이 상기 전자장치의 필요전력레벨에 도달하도록 하는 단계와;

   (c) 단계(a)에서 상기 제1전력레벨이 상기 전자장치의 필요전력레벨보다 큰 경우, 상기 제1전력레벨과 상기 전자장치의 필요전력레벨의 차전력으로 상기 이차전지부를 충전하는 단계를 포함하며,

   상기 1차 전원부의 상기 제1전력레벨을 일정하게 변환하며,

   상기 이차전지부가 갖는 복수의 셀에 대해 직렬 연결된 셀의 개수는 상기 배터리가 갖는 셀에 대해 직렬 연결된 셀의 개수와 동일하게 하여, 상기 이차전지부는 상기 1차전원부와 함께 또는 단독으로 상기 전자장치의 필요전력레벨에 대응하는 전력레벨을 공급하는 것을 특징으로 하는 전원장치의 전원공급제어방법.

Images