KR101458467B1 - 공진형 배터리 충전장치, 이의 충전방법 및 이를 포함하는 자가 발전기 - Google Patents

공진형 배터리 충전장치, 이의 충전방법 및 이를 포함하는 자가 발전기 Download PDF

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Abstract

공진형 배터리 충전장치, 이의 충전방법 및 이를 포함하는 자가 발전기를 개시한다. 직류(DC) 전압을 수신하는 LLC 공진형 컨버터, 상기 LLC 공진형 컨버터의 양단에 연결된 벅(Buck) 컨버터를 포함하는 컨버터부 및 상기 벅 컨버터의 양단에 연결된 배터리(Battery)의 입력 전압, 입력 전류 및 충전용량의 설정을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

공진형 배터리 충전장치, 이의 충전방법 및 이를 포함하는 자가 발전기 {Resonant battery charging device, charging method thereof and self generator including the same}
본 발명은 공진형 배터리 충전장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 공진형 배터리 충전장치, 충전방법 및 이를 포함하는 자가 발전기에 관한 것이다.
지구의 환경오염 문제가 날로 심각해지고 있는 요즈음, 화석 에너지에만 의존하였던 과거와 달리 대체 에너지로써 신 재생 에너지에 대한 관심이 높아지며, 풍력, 태양광 발전 등의 시스템에 대한 연구가 많이 이루어 지고 있다. 이에 따라 발전 시스템에 장착되어 있는 비상용 자가 발전장치도 대두되고 있는 실정이다.
일반적으로 비상용 자가 발전장치는 태풍이나 풍수해 등 천재에 의한 예기치 않았던 정전사고와 기기교체 등 보완작업으로 발생할 수 있는 재산 및 인명피해를 미연에 방지하기 위하여 사용된다. 일반 공공장소 및 방송국, 전화국, 공장, 호텔, 병원 및 일반 빌딩의 비상전원장치로 널리 보급되고 있으며 최근에는 전력비 절감을 목적으로 공장 내 부산물(폐열, 폐가스 등)을 이용하는 상용, 자가발전장치(열병합 발전) 및 첨두 부하 시에도 사용할 수 있는 비상용, 자가발전 장치도 점차 증가하고 있다.
게다가 2011년 9월 15일 대규모정전 사태(이하 9.15 정전)로 말미암아 전국적으로 엄청난 재산, 인명 피해가 발생하였으며 9.15정전 시 비상발전기 대부분이 정상 가동 안되어 피해가 더 커진 것으로 나타났다. 대 정전 이후에도 매년 전력공급이 전력수요를 감당하지 못하여 전력 준비/경보 발령이 여름철뿐 만 아니라 겨울철에도 발령이 되는 등 1년 내내 전력부족 현상에 시달리고 있는 상황에서 비상 발전기는 이제 비상시뿐만 아니라 전력부족 시에도 가동을 해야 하는 실정으로 비상발전기의 중요성이 날로 증가하고 있다.
한국공개특허 제10-2012-0005762호(2012.01.17)
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 배터리 특성에 따라 마이크로 프로세서를 통해 입력전압, 입력전류 및 충전용량에 대한 설정을 제어하여 충전기를 충전하는 공진형 배터리 충전장치, 이의 충전방법 및 이를 포함하는 자가 발전기를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적인 과제는 LLC 공진형 컨버터를 통해 변압기를 소형으로 설계 가능하고, 고효율 전원을 공급할 수 있는 공진형 배터리 충전장치, 이의 충전방법 및 이를 포함하는 자가 발전기를 제공하는데 있다.
공진형 배터리 충전장치는 직류(DC) 전압을 수신하는 LLC 공진형 컨버터, 상기 LLC 공진형 컨버터의 양단에 연결된 벅(Buck) 컨버터를 포함하는 컨버터부 및 상기 벅 컨버터의 양단에 연결된 배터리(Battery)의 입력 전압, 입력 전류 및 충전용량의 설정을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 전압 또는 전류를 이용하여 상기 LLC 공진형 컨버터를 제어하는 제1 제어부 및 상기 배터리를 정전류 제어로 충전을 하고, 상기 배터리 전압이 설정된 충전 전압까지 상승하면 정전압 제어로 변환되도록 상기 벅 컨버터를 제어하는 제2 제어부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 제어부 및 상기 제2 제어부의 전원을 공급하는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2 제어부는 마이크로 프로세서로 구성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리의 용량을 확인하고, 상기 용량이 설정된 용량을 충족하면 정전류 제어에서 정전압 제어로 변환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어부는 상기 정전압 제어를 하는 동안 전류를 서서히 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 LLC 공진형 컨버터는 영전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS) 또는 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)으로 동작하는 스위칭 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 LLC 공진형 컨버터는 출력전압이 30V이고, 출력전류가 10A인 것을 특징으로 할 수 있다.
자가 발전기는 상기 공진형 배터리 충전장치, 상기 공진형 배터리 충전장치를 통해 충전되는 배터리, 상기 배터리로부터 전압을 공급받고, 상기 공급받은 전압을 이용하여 시동을 시작하는 디젤엔진 및 상기 디젤엔진의 기계적 동력을 전기 출력으로 변환하는 동기 발전기를 포함할 수 있다.
공진형 배터리 충전방법은 직류전압을 수신하는 단계, 상기 수신된 직류전압을 이용하여 정전류 제어로 배터리의 설정된 용량까지 충전하는 단계 및 상기 충전된 배터리를 정전압 제어로 더 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 직류전압을 수신하는 단계는 교류전압을 전파정류를 통하여 직류전압으로 변환하고 상기 직류전압을 평활화하는 단계 및 상기 평활화된 직류전압을 인덕터 및 캐패시터를 통해 공진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 공진형 배터리 충전장치, 방법 및 이를 포함하는 자가 발전기에 의하면, 배터리 특성에 따라 마이크로 프로세서를 통해 입력전압, 입력전류 및 충전용량에 대한 설정을 제어함으로써, 정지형 비상전원 장치를 사용하는 모든 곳에 폭넓게 사용할 수 있다.
또한 LLC 공진형 컨버터를 통해 변압기를 소형으로 설계 가능하고, 고효율 전원을 공급할 수 있다.
또한 직류전원을 사용하는 직류배전 시스템, 스마트 그리드 및 마이크로 그리드 시스템의 중요 장치로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전기의 외관 및 구조를 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 더 상세하게 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CC-CV 충전 방식을 도시한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 제1 스위칭 트랜지스터 및 제2 스위칭 트랜지스터의 전압과 출력 전류를 도시한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 입력 전압과 전류 및 출력 전압과 전류를 도시한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 효율을 도시한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 전류 및 용량을 도시한 예시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전을 도시한 흐름도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명할 수 있다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 할 수 있다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전기의 외관 및 구조를 도시한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 도 1(a)는 비상용 자가 발전기(10)의 실제 외관을 도시한 예시도이고, 도 1(b)는 비상용 자가 발전기(10)의 구조를 도시한 예시도이다.
비상용 자가 발전기(10)은 태풍이나 풍수해 등 천재에 의한 예기치 않았던 정전사고와 기기교체 등 보완작업으로 발생할 수 있는 재산 및 인명피해를 미연에 방지할 수 있다. 비상용 자가 발전기(10)은 컨트롤 판넬(20), 동기 발전기(30), 디젤엔진(40), 배터리(50) 및 연료탱크(60)를 포함할 수 있다.
컨트롤 판넬(20)은 비상용 자가 발전기(10)의 제어를 담당할 수 있다. 컨트롤 판넬(20)은 자동전압조정기(Automatic Voltage Regulator, AVR)(21), 발전기 컨트롤러(22) 및 배터리 충전기(23)을 포함할 수 있다.
자동전압조정기(21)는 자동적으로 출력 전압을 일정치로 유지시킬 수 있다. 자동전압조정기(21)는 부하, 속도 등의 변동에 의한 단자 전압의 변동을 검출하여 자계 전류를 제어할 수 있다. 또한 자동전압조정기(21)는 교류(AC) 발전기, 직류(DC) 발전기 등에 종속적으로 포함될 수 있다.
발전기 컨트롤러(22)는 비상용 자가 발전기(10)를 마이크로 컨트롤러(Micro controller)와 제어를 감시하는 시스템일 수 있다. 발전기 컨트롤러(22)는 정전이나 화재를 감시하며 비상시에 디젤엔진(40)을 시동시키고, 디젤엔진(40)의 축과 직결되어 있는 동체에서 발생하는 전압을 감시 및 보호를 할 수 있다. 발전기 컨트롤러(22)는 디젤엔진(40)의 과열, 연료탱크(60)의 오일부족 및 배터리(50)의 이상 등을 감시할 수 있다. 또한 발전기 컨트롤러(22)는 발전된 전기의 전압, 주파수, 전력을 감시하고, 만약 이상이 생기면 전원을 차단하여 부하단을 보호할 수 있다.
배터리 충전기(23)는 배터리(50)를 충전할 수 있다. 배터리 충전기(23)는 배터리(50)의 특성에 맞게 충전을 할 수 있다. 또한 배터리 충전기(23)는 마이크로 프로세서로 제어될 수 있다.
동기 발전기(30)는 기계의 동력을 전기 출력으로 변환하는 발전기일 수 있다. 동기 발전기(30)는 자동전압조정기(21)의 전압 및 계좌전류(여자전류)를 입력 받고, 3상 전압을 출력할 수 있다.
디젤엔진(40)은 비상상황에 배터리(50)의 전원을 공급받아서 시동될 수 있다. 디젤엔진(40)은 가버너(speed governor)를 포함할 수 있다. 상기 가버너는 디젤엔진(40)의 회전속도를 일정하게 유지할 수 있다.
배터리(50)는 배터리 충전기(23)에서 충전 전류를 제공받아서 충전을 할 수 있다. 배터리(50)는 비상상황에 발전기 컨트롤러(22) 및 디젤엔진(40)에 전원을 공급하여 시동을 시킬 수 있다.
연료탱크(60)는 디젤엔진(40)을 동작시키기 위한 연료가 저장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 공진형 배터리 충전장치(1)는 마이크로 프로세서를 통하여 배터리(300)을 충전할 수 있다. 공진형 배터리 충전장치(1)는 전원부(100), 컨버터부(200), 배터리(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다. 또한 공진형 배터리 충전장치(1)의 컨버터부(200) 및 제어부(400)는 비상용 자가 발전기(10)의 배터리 충전기(23)와 대응될 수 있다. 공진형 배터리 충전장치(1)의 배터리(300)는 비상용 자가 발전기(10)의 배터리(50)과 대응될 수 있다.
전원부(100)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 전원을 공급할 수 있다. 상기 전원은 220V 교류전압 및 60Hz일 수 있다. 전원부(100)는 공급받은 교류전압을 직류전압으로 정류할 수 있다. 또한 전원부(100)는 상기 직류전압을 매끄러운 직류로 평활할 수 있다.
컨버터부(200)는 전원부(100)로부터 직류전압을 수신을 받고, 수신받은 직류전압을 이용하여 배터리(300)를 충전할 수 있다. 컨버터부(200)는 공진을 하여 스위칭 주파수를 높일 수 있다. 따라서, 컨버터부(200)는 소자를 작게 설계할 수 있고, 배터리(300)를 고효율로 충전할 수 있다.
배터리(300)는 컨버터부(200)로부터 제공되는 전원을 수신하여 충전될 수 있다. 배터리(300)는 니켈 카드뮴(Ni-Cd), 알카라인 전지, 니켈 수소(Ni-Mh), 밀폐형 납산(SLA), 리튬 이온(Li-ion) 및 리튬 폴리머(Li-polymer) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
제어부(400)는 컨버터부(200)의 전압 또는 전류를 제어할 수 있다. 제어부(400)는 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 제어부(400)는 배터리(300)의 특성에 따라 변화하는 입력전압, 입력전류 및 충전 용량을 설정할 수 있다. 또한 제어부(400)는 상기 설정을 배터리(300)의 특성에 따라 프로그래밍을 할 수 있다.
상기 프로그래밍은 어셈블리어, C/C++ 및 Java 중 적어도 하나의 언어로 프로그래밍을 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 도시한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 공진형 배터리 충전장치(1)는 고스위칭 주파수 및 최적화 설계를 할 수 있다. 공진형 배터리 충전장치(1)는 고효율 전원을 공급하여 양질의 전원을 제공할 수 있다. 공진형 배터리 충전장치(1)는 전원부(100), 컨버터부(200) 및 배터리(300)을 포함할 수 있다.
전원부(100)는 전원(110), 풀-브리지 다이오드(120) 및 평활 캐패시터(130)을 포함할 수 있다. 전원부(100)는 전원(110)의 양단에 연결된 풀-브리지 다이오드(120) 및 풀-브리지 다이오드(120)의 양단에 연결된 평활 캐패시터(130)을 포함할 수 있다.
전원(110)는 공진형 배터리 충전장치(1)에 전원을 공급할 수 있다. 상기 전원은 220V인 교류전압이고, 60Hz의 주파수일 수 있다.
풀-브리지 다이오드(120)는 전원(110)의 교류전압을 직류전압으로 정류할 수 있다. 상기 직류전압은 맥류일 수 있다. 풀-브리지 다이오드(120)는 전파 정류 작용을 하는 소자일 수 있다.
평활 캐패시터(130)는 풀-브리지 다이오드(120)에서 정류된 전압을 평활화할 수 있다. 평활 캐패시터(130)는 맥류를 깨끗한 직류로 평활화하는 소자일 수 있다.
컨버터부(200)는 LLC 공진형 컨버터(210) 및 벅(Buck) 컨버터(220)를 포함할 수 있다. 컨버터부(200)는 직류전압을 수신하는 LLC 공진형 컨버터(210) 및 LLC 공진형 컨버터(210)의 양단에 연결된 벅 컨버터(220)를 포함할 수 있다.
LLC 공진형 컨버터(210)는 인덕터와 캐패시터의 공진을 이용한 컨버터일 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 전원부(100)에서 수신된 직류전압을 고스위칭 주파수를 생성할 수 있고, 최적화 설계로 소형화할 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 고효율 전원을 공급할 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 출력전압을 30V로 출력할 수 있고, 출력전류를 10A로 출력할 수 있다.
벅 컨버터(220)는 강압 변환 회로일 수 있다. 벅 컨버터(220)는 배터리(300)의 특성에 맞는 전압 및 전류를 출력할 수 있다. 벅 컨버터(220)는 손실이 적고 고효율 제어를 할 수 있다.
배터리(300)는 공진형 배터리 충전장치(1)가 충전을 하는 배터리일 수 있다. 배터리(300)는 배터리 내에서 발생하는 화학적 작용에 의해 전기적 에너지로 변환시킬 수 있다. 또한 배터리(300)는 비상용 자가 발전기(10)를 시동할 경우에는 디젤엔진(40)을 구동시킬 수 있고, 발전기 컨트롤러(22)에 예비 전원을 공급하는 역할을 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 더 상세하게 도시한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 공진형 배터리 충전장치(1)는 배터리(300)의 입력전압, 입력전류 및 충전용량의 설정을 프로그래밍할 수 있다. 공진형 배터리 충전장치(1)는 배터리의 종류를 변경되어도 상기 프로그래밍의 설정을 변경할 수 있기 때문에 유지보수가 용이할 수 있다. 또한 공진형 배터리 충전장치(1)는 상기 프로그래밍을 통하여 배터리(300)에 맞는 최적의 충전 알고리즘을 구현할 수 있다.
전원부(100)는 공진형 배터리 충전장치(1)에 전원을 공급할 수 있다. 전원부(100)는 교류전압 220V 및 주파수 60Hz인 전원을 공진형 배터리 충전장치(1)에 공급하는 전원(110)을 포함할 수 있다. 전원부(100)는 전원(110)에서 공급된 교류전압을 직류전압으로 정류하는 풀-브리지 다이오드(120)을 포함할 수 있다.
컨버터부(200)는 전원부(100)에서 수신된 전원을 이용하여 배터리(300)의 특성에 맞는 전압 및 전류를 출력할 수 있다. 컨버터부(200)는 인덕터 및 캐패시터의 공진을 이용한 LLC 컨버터(210)를 포함할 수 있다. 컨버터부(200)는 강압을 변환시켜주는 벅 컨버터(220)를 포함할 수 있다.
배터리(300)는 비상용 자가 발전기(10)의 발전기 컨트롤러(22) 및 디젤엔진(40)에 예비전원을 제공할 수 있다.
제어부(400)는 배터리(300)의 특성에 맞는 출력전압, 출력전류 및 충전용량을 설정할 수 있다. 제어부(400)는 제1 제어부(410), 제2 제어부(420) 및 플라이백 컨버터(flyback converter)(430)를 포함할 수 있다.
제1 제어부(410)는 LLC 컨버터(210)을 제어할 수 있다. 제1 제어부(410)는 LLC 컨버터(210)의 출력전압 및 출력전류를 제어할 수 있다. 제1 제어부(410)는 트랜지스터, 저항, 커패시터, 인덕트 및 변압기로 LLC 컨버터(210)의 출력전압 및 출력전류를 제어할 수 있다. 제1 제어부(410)는 상기 출력전압을 30V이고, 상기 출력전류를 10A로 유지시킬 수 있다. 또한 제1 제어부(410)는 LLC 컨버터(210)가 영전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS) 또는 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)을 동작할 수 있게 제어할 수 있다.
제2 제어부(420)는 벅 컨버터(220)를 제어할 수 있다. 제2 제어부(420)는 벅 컨버터(220)의 출력전압 및 출력전류를 제어할 수 있다. 또한 제2 제어부(420)는 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 마이크로 프로세서는 마이크로 컨트롤러 장치(Micro Controller Unit, MCU)일 수 있다. 제2 제어부(420)는 MCU에 프로그래밍을 하여 벅 컨버터(220)의 출력전압 및 출력전류를 제어할 수 있다. 상기 출력전압 및 상기 출력전류는 배터리(300)의 특성과 일치할 수 있다. 제2 제어부(420)는 배터리(300)의 잔존용량(State of Charge, SOC)을 확인할 수 있다. 또한 제2 제어부(420)는 처음에는 배터리(300)의 충전을 정전류 제어로 제어하다가 배터리(300)의 SOC가 설정된 SOC를 충족하면 정전압 제어로 변환할 수 있다. 상기 설정된 SOC는 배터리(300)의 종류 및 용량에 따라 달라질 수 있고, 프로그래밍을 통하여 설정할 수 있다.
플라이백 컨버터(430)는 제1 제어부(410) 및 제2 제어부(420)에 전원을 공급할 수 있다. 플라이백 컨버터(430)는 제1 제어부(410)에 +15V를 제공할 수 있다. 플라이백 컨버터(430)는 제2 제어부(420)에 +5V 및 ±12V를 제공할 수 있다. 플라이백 컨버터(430)는 간단한 구조로 구성되어 있고, 가격이 저가이며, 효율이 좋기 때문에 전원 설계에 용이하게 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터를 도시한 회로도이다.
도 5를 참조하면, LLC 공진형 컨버터(210)는 인덕터 및 캐패시터의 공진을 이용한 컨버터일 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭을 할 수 있다. 따라서, LLC 공진형 컨버터(210)는 고스위칭 주파수를 생성할 수 있고, 최적화 설계로 소형화할 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 전원(502), 하프-브리지 드라이버(504), 제1 스위칭 트랜지스터(506), 제2 스위칭 트랜지스터(508), 공진 캐패시터(510), 공진 인덕터(512), 자화 인덕터(514), 변압기(516), 제1 다이오드(518), 제2 다이오드(520), 출력 캐패시터(522) 및 부하(524)를 포함할 수 있다. 상기 변압기(516)은 공진 인덕터(512) 및 자화 인덕터(514)를 포함할 수 있다.
전원(502)은 LLC 공진형 컨버터(210)의 입력전압 부분일 수 있다. 전원(502)은 직류전압을 LLC 공진형 컨버터(210)에 공급할 수 있다.
하프브리지 드라이버(504), 제1 스위칭 트랜지스터(506) 및 제2 스위칭 트랜지스터(507)은 LLC 공진형 컨버터(210)의 스위치 네트워크 제어 부분일 수 있다. 하프-브리지 드라이버(504)는 제1 스위칭 트랜지스터(506) 및 제2 스위칭 트랜지스터(508)의 듀티비를 제어할 수 있다. 하프-브리지 드라이버(504)는 듀티비를 50%로 제어할 수 있다. 제1 스위칭 트랜지스터(506) 및 제2 스위칭 트랜지스터(508)는 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭을 할 수 있다.
공진 캐패시터(510), 공진 인덕터(512) 및 자화 인덕터(513)는 LLC 공진형 컨버터(210)의 공진탱크 부분일 수 있다. 공진 캐패시터(510) 및 공진 인덕터(512)는 상기 스위치 네트워크 제어 부분에서 출력된 주파수를 공진 시킬 수 있다. 상기 공진된 주파수는 정형파일 수 있다. 자화 인덕터(514)는 상기 공진된 주파수의 전류를 저장할 수 있다. 상기 전류는 자화전류일 수 있다.
변압기(516)는 LLC 공진형 컨버터(210)의 이상 변압기 부분일 수 있다. 변압기(516)는 공진 인덕터(512) 및 자화 인덕터(514)를 포함할 수 있다. 변압기(516)는 상기 공진탱크 부분에서 출력된 전압을 변압시킬 수 있다.
제1 다이오드(518) 및 제2 다이오드(520)는 LLC 공진형 컨버터(210)의 비제어 정류기 부분일 수 있다. 제1 다이오드(518) 및 제2 다이오드(520)는 이상 변압기 부분에서 출력된 전압을 정류를 할 수 있다.
출력 캐패시터(522)는 LLC 공진형 컨버터(210)의 저역필터 부분일 수 있다. 출력 캐패시터(522)는 상기 비제어 정류기 부분에서 출력된 전압을 필터링할 수 있다. 상기 필터링을 하는 대역은 저역일 수 있다.
부하(524)는 LLC 공진형 컨버터(210)의 부하 부분일 수 있다. 부하(524)에 인가되는 전압은 30V이고, 인가되는 전류는 10A일 수 있다.
따라서, LLC 공진형 컨버터(210)는 직류전압을 수신받고, 상기 수신된 직류전압을 공진시키며, 공진된 직류전압을 변압하고, 변압된 직류전압을 출력할 수 있다. 상기 출력된 직류전압은 30V일 수 있고, 전류는 10A일 수 있다. 또한 LLC 공진형 컨버터(210)는 영전류 스위칭 또는 영전압 스위칭를 이용하여 스위칭 주파수를 증가시켜서 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CC-CV 충전 방식을 도시한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 제2 제어부(420)는 충전기를 충전하는데 있어서 기본 충전 방식(Constant Current-Constant Voltage, CC-CV)을 이용할 수 있다. 제2 제어부(420)는 배터리의 전압을 확인할 수 있다. 제2 제어부(420)는 상기 전압이 설정된 전압까지 상승하면, 정전류 제어에서 정전압 제어로 변환할 수 있다. 제2 제어부(420)는 제1 감가산기(610), 전압 컨트롤러(620), 제1 제한기(630), 제2 감가산기(640), 전류 컨트롤러(650) 및 제2 제한기(660)를 포함할 수 있다.
제1 감가산기(610)는 플라이백 컨버터(430)의 공급전압(
Figure 112013061753178-pat00001
)과 배터리(300)의 전압(
Figure 112013061753178-pat00002
)을 감가산하여 배터리(300)의 현재 전압을 확인할 수 있다.
전압 컨트롤러(620)는 전류가 일정하도록 상기 확인된 전압을 제어할 수 있다. 따라서 전압 컨트롤러(620)는 정전류 제어를 할 수 있다. 배터리(300)는 충전이 되는 동안 전압이 증가할 수 있다.
제1 제한기(630)는 배터리(300)가 설정된 전압까지 증가하는지 확인할 수 있다. 상기 설정된 전압은 배터리(300)의 특성 및 용량에 따라 달라질 수 있다.
제2 감가산기(640)는 플라이백 컨버터(430)의 공급전류(
Figure 112013061753178-pat00003
)와 배터리(300)의 전류(
Figure 112013061753178-pat00004
)을 감가산하여 배터리(300)의 현재 전류를 확인할 수 있다.
전류 컨트롤러(650)는 전압이 일정하도록 상기 확인된 전류를 제어할 수 있다. 따라서 전류 컨트롤러(650)는 정전압 제어를 할 수 있다. 배터리(300)는 정전압 제어가 되는 동안 충전되는 전류가 차츰 감소될 수 있다.
제2 제한기(660)는 배터리(300)의 충전이 완료되었는지 확인할 수 있다. 제2 제한기(660)는 지령치(
Figure 112013061753178-pat00005
)를 출력할 수 있다. 상기 지령치는 벅 컨버터의 스위칭 트랜지스터를 제어할 수 있다.
제2 제어부(420)는 배터리(300)가 설정된 전압을 기준으로 상기 설정된 전압까지 증가하지 않으면 정전류 제어를 하고, 상기 설정된 전압까지 상승하면 정전압 제어를 할 수 있다. 즉, 제2 제어부(420)는 CC-CV 방식을 이용할 수 있다. 또한 제2 제어부(420)는 상기 CC-CV 방식을 마이크로 컨트롤로 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
도 7을 참조하면, 공진형 배터리 충전장치(1)는 전원부(100), 컨버터부(200), 배터리(300)을 포함할 수 있다.
전원부(100)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 입력전압을 제공하는 전원(110), 풀-브리지 다이오드(120) 및 평활 캐패시터(130)을 포함할 수 있다.
컨버터부(200)는 LLC 공진형 컨버터(210) 및 벅 컨버터(220)을 포함할 수 있다.
LLC 공진형 컨버터(210)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 스위치 네트워크 제어를 하는 하프브리지 드라이버(504), 제1 스위칭 트랜지스터(506) 및 제2 스위칭 트랜지스터(508)를 포함할 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 공진탱크를 제공하는 공진 캐패시터(510), 공진 인덕터(512) 및 자화 인덕터(514)를 포함할 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 이상 변압기를 제공하는 변압기(516)를 포함할 수 있다. 변압기(516)는 공진 인덕터(512) 및 자화 인덕터(514)를 하나의 소자로 포함할 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 비제어 정류기를 제공하는 제1 다이오드(518) 및 제2 다이오드(520)를 포함할 수 있다. LLC 공진형 컨버터(210)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 저역필터를 제공하는 출력 캐패시터(522)를 포함할 수 있다.
벅 컨버터(220)는 공진형 배터리 충전장치(1)의 배터리 충전을 제공하는 제3 스위칭 트랜지스터(702), 제3 다이오드(704), 필터 인덕터(706), 필터 캐패시터(708) 및 출력저항(710)을 포함할 수 있다.
벅 컨버터(220)는 LLC 공진형 컨버터(210)에서 제공된 30V인 직류전압 및 10A인 전류를 배터리(300)의 특성에 맞게 강압할 수 있다. 벅 컨버터(220)는 지령치 컨트롤러(712)의 지령치를 받고, 상기 지령치에 따라 제3 스위칭 트랜지스터(702)를 제어할 수 있다.
지령치 컨트롤러(712)는 제2 제어부(420)에서 배터리(300)의 특성 및 용량에 따라 설정된 전압을 다르게 할 수 있다. 지령치 컨트롤러(712)는 제3 스위칭 트랜지스터(702)를 제어함으로써 전압 또는 전류를 제어할 수 있다.
벅 컨버터(220)는 제한기(714)를 통해 전압 또는 전류가 설정된 값을 충족하는지 확인할 수 있다. 제한기(714)는 제1 제한기(630) 또는 제2 제한기(660)일 수 있다.
배터리(300)는 벅 컨버터(220)에서 제어된 전압 및 전류를 제공받을 수 있다. 또한 배터리(300)는 니켈 카드뮴(Ni-Cd), 알카라인 전지, 니켈 수소(Ni-Mh), 밀폐형 납산(SLA), 리튬 이온(Li-ion) 및 리튬 폴리머(Li-polymer) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 제1 스위칭 트랜지스터 및 제2 스위칭 트랜지스터의 전압과 출력 전류를 도시한 예시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 입력 전압과 전류 및 출력 전압과 전류를 도시한 예시도이다.
도 8 및 도 9을 참조하면, LLC 공진형 컨버터(210)는 출력 전압이 30V이고, 출력 전류가 10A인 컨버터일 수 있다.
매개 변수 값
입력 전압(Vin) 220Vac, 60Hz
스위칭 주파수(Fsw) 100kHz
자화 인덕터(Lm) 150uH
공진 인덕터(Lr) 23uH
공진 캐패시터(Cr) 136uF
컨버터의 출력 전압 30Vdc
컨버터의 출력 전류 10Adc
매개 변수 값
컨버터 입력 전압 30Vdc
컨버터 출력 전류 10Adc
필터 인덕터 300uH
필터 캐패시터 220uF
[표 1] 및 [표 2]는 공진형 배터리 충전장치(1)의 일 실시예 파라미터이고, 도 8 및 도 9는 상기 파라미터를 이용하여 실험을 한 결과를 도시한 그래프이다. [표 1]은 LLC 공진형 컨버터(210)의 파라미터를 나타낼 수 있다. [표 2]는 벅 컨버터 파라미터를 나타낼 수 있다.
도 8은 LLC 공진형 컨버터(210)의 제1 스위칭 트랜지스터(506) 및 제2 스위칭 트랜지스터(508) 전압과 출력 전류를 도시하고 있다. 제1 스위칭 트랜지스터의 전압(810)과 제2 스위칭 트랜지스터(820)은 250V이고, 출력 전류는 10V를 유지하고 있다. 또한 LLC 공진형 컨버터(210)은 지령치를 5:5 비율로 설정하여서 스위치온(switch-on) 및 스위치오프(switch-off)의 간격도 일정하다.
도 8은 동그라미로 표시된 부분에서 제1 스위칭 트랜지스터(506)과 제2 스위칭 트랜지스터(508)이 영전압 스위칭을 하는 것을 보여준다. 따라서 LLC 공진형 컨버터(210)은 고스위칭 주파수로 구현할 수 있고, 소형화를 할 수 있다.
도 9는 LLC 공진형 컨버터(210)의 입력전압(910)과 입력전류(920) 및 출력전압(930)과 출력전류(940)를 도시하고 있다. 입력전압(910)은 296V이고, 입력 전류(920)는 -2.57A를 유지하고 있다. 하지만 LLC 공진형 컨버터(210)을 통과하고 나온 출력전압(930) 및 출력전류(940)는 각각 30.7V 및 9.72A를 출력하고 있다. 여기서, 출력전압(930) 및 출력전류(940)는 배터리(300)를 충전하는데 필요한 전압 및 전류를 충족하는 전원일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LLC 공진형 컨버터의 효율을 도시한 예시도이다.
도 10을 참조하면, 공진형 배터리 충전장치(1)는 높은 효율로 배터리(300)을 충전할 수 있다.
공진형 배터리 충전장치(1)는 5개의 샘플을 3가지 유형으로 각각 효율을 측정할 수 있다. 도 10은 상기 측정된 효율이 90% 이상임을 증명하고 있다. 따라서 공진형 배터리 충전장치(1)는 배터리(300)를 충전하는 충전기용 컨버터에 높은 효율의 전원을 공급할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 전류 및 용량을 도시한 예시도이다. 도 11은 전압이 12V이고 용량이 12Ah인 특성을 가진 배터리를 사용하여 측정한 결과값이다.
도 11을 참조하면, 배터리(300)는 CC-CV 방식을 이용하여 충전될 수 있다. CC-CV 방식은 처음에는 정전류 제어를 하다가 설정된 배터리 용량이 넘으면 정전압 제어로 변환하여 배터리를 충전하는 방식이다.
따라서, 공진형 배터리 충전장치(1)는 충전량(1120)이 일정하게 올라가다가 설정된 충전량을 넘으면서 정전압 제어로 변환되고, 충전전류(1110)가 서서히 줄어들 수 있다. 도 11은 시간이 3일 때를 기준으로 설정된 충전량에 도달한 것으로 나타나고, 시간이 3일 때를 기준으로 충전전류(1110)가 서서히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전을 도시한 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 공진형 배터리 충전장치(1)는 CC-CV 방식으로 배터리(300)을 충전할 수 있다.
공진형 배터리 충전장치(1)는 직류전압을 수신한다(S100). 공진형 배터리 충전장치(1)는 전원부(100)에서 정류된 직류전압을 수신할 수 있다.
공진형 배터리 충전장치(1)는 정전류 제어로 배터리(300)를 충전한다(S110). 공진형 배터리 충전장치(1)는 설정된 배터리의 용량까지 정전류 제어를 할 수 있다. 공진형 배터리 충전장치(1)는 CC-CV 방식을 이용하여 배터리를 충전할 수 있으며, 상기 설정된 배터리의 용량도 설정할 수 있다. 상기 설정된 배터리의 용량은 배터리(300)의 특성에 따라 달라질 수 있다.
공진형 배터리 충전장치(1)는 설정된 용량을 충족하는지 확인한다(S120). 공진형 배터리 충전장치(1)는 설정된 배터리의 용량을 확인할 수 있다. 따라서 공진형 배터리 충전장치(1)는 충전된 배터리의 용량이 설정된 배터리의 용량을 충족하지 못하면 정전류 제어를 계속하고, 충전된 배터리의 용량이 설정된 배터리의 용량을 충족하면 정전압 제어를 할 수 있다.
공진형 배터리 충전장치(1)는 정전압 제어로 배터리(300)를 충전한다(S130). 공진형 배터리 충전장치(1)는 충전된 배터리의 용량이 설정된 배터리의 용량을 충족하면 정전압 제어를 할 수 있다. 또한 정전압 제어를 하는 동안 배터리에 충전되는 전류는 서서히 감소될 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 장치에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
1: 공진형 배터리 충전 장치 10: 비상용 자가 발전기
20: 컨트롤 판넬 21: AVR(자동전압조정기)
22: 발전기컨트롤러(NeoGCP i7) 23: 배터리충전기
30: 동기 발전기 40: 디젤엔진
50: 배터리 60: 연료탱크
100: 전원부 110: 전원
120: 풀-브리지 다이오드 130: 평활 캐패시터
200: 컨버터부 210: LLC 컨버터
220: 벅 컨버터 300: 배터리
400: 제어부 410: 제1 제어부
420: 제2 제어부 430: 플라이백 컨버터
502: 전원 504: 하프 브리지 컨버터
506: 제1 스위칭 트랜지스터 508: 제2 스위칭 트랜지스터
510: 공진 캐패시터 512: 공진 인덕터
514: 자화 인덕터 516: 변압기
518: 제1 다이오드 520: 제2 다이오드
522: 출력 캐패시터 524: 부하
610: 제1 가산기 620: 전압 컨트롤러
630: 제1 제한기 640: 제2 가산기
650: 전류 컨트롤러 660: 제2 제한기
702: 제3 스위칭 트랜지스터 704: 제3 다이오드
706: 필터 인덕터 708: 필터 캐패시터
710: 출력 저항 712: 지령치 컨트롤러
714: 제한기

Claims (11)

  1. 직류(DC) 전압을 수신하는 LLC 공진형 컨버터, 상기 LLC 공진형 컨버터의 양단에 연결된 벅(Buck) 컨버터를 포함하는 컨버터부 및 상기 벅 컨버터의 양단에 연결된 배터리(Battery)의 입력 전압, 입력 전류 및 충전용량의 설정을 제어하는 제어부를 포함하는 공진형 배터리 충전장치;
    상기 공진형 배터리 충전장치를 통해 충전되는 배터리;
    상기 배터리로부터 전압을 공급받고, 상기 공급받은 전압을 이용하여 시동을 시작하는 디젤엔진; 및
    상기 디젤엔진의 기계적 동력을 전기 출력으로 변환하는 동기 발전기를 포함하는 자가 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    전압 또는 전류를 이용하여 상기 LLC 공진형 컨버터를 제어하는 제1 제어부; 및
    상기 배터리를 정전류 제어로 충전을 하고, 상기 배터리 전압이 설정된 충전 전압까지 상승하면 정전압 제어로 변환되도록 상기 벅 컨버터를 제어하는 제2 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 제어부 및 상기 제2 제어부에 전원을 공급하는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 제어부는 마이크로 프로세서로 구성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 용량을 확인하고, 상기 용량이 설정된 용량을 충족하면 정전류 제어에서 정전압 제어로 변환하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 정전압 제어를 하는 동안 전류를 서서히 감소시키는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 LLC 공진형 컨버터는 영전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS) 또는 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)으로 동작하는 스위칭 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 LLC 공진형 컨버터는 출력전압이 30V이고, 출력전류가 10A인 것을 특징으로 하는 자가 발전기.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101031217B1 (ko) * 2009-10-21 2011-04-27 주식회사 오리엔트전자 고정 시비율로 동작하는 ｌｌｃ 공진 컨버터를 사용한 2단 방식 절연형 양방향 ｄｃ／ｄｃ 전력변환기
KR101188241B1 (ko) * 2010-07-15 2012-10-05 주식회사 만도 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기

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