KR101492398B1 - 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치 - Google Patents

배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치에 관한 것으로, 전기 자동차 및 BESS(Battery Energy Storage System, 배터리 에너지 저장 시스템) 등 여러 분야에서 사용되도록 다수의 셀로 구성된 배터리 팩을 충방전 시키는 충방전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 인버터로 구성된 2개의 직류 전압 공급 수단과, 전압 에너지를 축적 및 방출하도록 상기 2개의 직류 전압 공급 수단에 각각 접속된 2개의 인덕터 및 배터리 팩의 충전 시에 상기 2개의 직류 전압 공급 수단의 출력 전압을 합한 크기의 직류 전압을 인가하도록 상기 인덕터와 상기 직류 전압 공급 수단들 사이의 접속을 스위칭시키는 스위칭 수단들로 구성된다.

Description

배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치 {Charging and discharging device for changing charge amount of a battery}
본 발명은 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치에 관한 것으로, 특히 다수개의 2차 전지들인 셀로 이루어진 1개의 팩을 충방전시키도록, 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치에 관한 것이다.
본 발명에서, ‘변경’의 의미는 ‘충전 시 배터리에 충전되는 전압을 증가시키는 증가의 의미와, 방전 시 배터리의 전압을 방전시켜 배터리에 충전된 전압을 감소시키는 감소의 의미를 둘 다 내포하고 있다.
좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명은 배터리 팩을 다수개의 독립적인 직류 전원 공급 수단을 직렬로 접속하여 배터리 팩에 직류 전원 공급 수단의 다수배에 해당하는 고전압을 충전 및 방전시킬 수 있는, 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치에 관한 것이다.
전기 자동차에서 충전과 방전을 반복하면서 지속적으로 사용이 가능한, 2차 전지로서의 배터리 충방전 장치에 있어서, 하나의 배터리로 이루어진 1개의 셀이 다수개 모여 구성된 1개의 팩을 충방전시키기 위해 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)가 주로 사용된다.
또한, 실제 전기 자동차의 배터리를 셀(Cell) 단위로 충/방전을 실시하는 일반적인 포메이션(Formation 장비)나 충방전 설비의 시험용에 사용되는 싸이클러(Cycler)장비와는 달리, 상기 팩을 충방전시키는 팩(Pack) 충/방전기는 배터리 셀의 직, 병렬 조합인 팩 전지를 충/방전할 수 있는 장비이다.
셀 충/방전기는 단일 배터리 셀을 충/방전하는 장비로 출력전압은 대략 5[V]내외이지만 상기 팩 충/방전기는 배터리 셀의 조합에 따라 출력전압이 수십 볼트에서 수백 볼트까지 가변적이다. 즉, 현재 사용되는 팩 충방전기의 전압대역은 800V가 최대지만 팩 배터리의 용량이 증가되는 추세에 있고, 고전류보다는 고압의 팩 배터리가 개발되고 있으며 전기 자동차 및 BESS(Battery Energy Storage System, 배터리 에너지 저장 시스템) 등 여러 분야에서 활용이 가능한 고압 팩 배터리의 사용이 증가함에 따라 팩 충/방전기의 사용가능한 최대 전압대역도 높아지는 추세에 있다. 참고로 현재의 팩 충방전 회로에서 정격용량으로 충/방전 가능한 최대출력전압 약 800V이다.
종래, 고전압 팩을 충방전 시키는 충방전 회로 중. 도 4와 같은 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)는 충전용 능동스위치(IGBT, S1), 방전용 능동스위치(IGBT, S2), 인덕터(L), 커패시터(C)로 구성된다.
충전 시 동작으로서, 도 5와 같이, 모드 1에서 충전용 능동스위치(S1)이 능동스위치로 동작하여 직류 전압 공급 수단(Vs1)으로부터 출력되는 직류 전압에 의해 인덕터(L)에 충전 에너지를 축적시키며, 모드 2에서 충전용 능동스위치(S1)가 오프 시 내부다이오드(DS2)가 동작하여 인덕터(L)의 전류를 방전하면서 배터리(VB)를 충전한다.
방전 시에는, 모드 3에서 방전용 능동스위치(IGBT, S2)가 능동스위치로 동작하여 배터리(VB)의 방전 전압을 인덕터(L)에 방전 에너지로서 축적시키며, 이어서 능동스위치(S1)가 오프되면 내부 다이오드(DS1)가 동작하여 인덕터(L)의 전류를 방전하면서 배터리(VB)를 방전시킨다.
그런데 상술한 바와 같은 종래의 배터리 팩 충방전 회로는
1) 현재 팩 장비의 반도체 스위칭 소자인 IGBT(Insulated gate bipolar transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터)의 내압이 낮으며,
2) 실제 제품인 IGBT 스위칭 소자가 상기 IGBT의 데이터 사양서(Datasheet)상에 제시된 스펙(Spec. , Specification, 제품 사양)을 실제로 구현하지 못하고.
3) 현재의 저압 충방전 사용 조건{전류 용량, 스위칭 주파수, 방열 판(Heat Sink)의 크기, 냉각 팬(Fan) 용량 등}을 그대로 적용하여, 고압 충방전 환경에서 IGBT에 높은 내압이 인가되도록 하면, 16[kHz] 스위칭 주파수에서 스위칭 손실로 인한 온도가 증가하여 IGBT가 소손되는 문제점이 있었다.
4) 한편, 스위칭 주파수를 낮추어 사용하면 온도는 증가되지 않으나 장비의 특성(정밀도 0.1% 이내)이 구현되지 않아 팩 충전방전 장비로서의 사용이 불가능하고,
5) 장비의 정밀도를 위하여 주파수는 16kHz를 사용하여야하므로, 결국 고내압 IGBT는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
본 출원 발명에 대한 종래 기술로는 대한민국 특허출원번호 10-2010-0070011호의 배터리 충방전 장치가 참조된다.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 다수개의 직류 전압 공급 수단을 배터리에 직렬로 연결시켜 스위칭 소자에 과전압 인가되지 않으면서도 배터리의 충전전압을 높일 수 있는 충방전 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치는 직류 전압을 출력하는 제1 직류 전원 공급 수단과,
직류 전압을 출력하도록 상기 제1 직류 전원 공급 수단에 접속된 제2 직류 전원 공급 수단과,
충전 동작 시에는 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단으로부터 출력된 직류 전압을 축적한 다음 방전하여 배터리를 충전하고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 축적한 다음 방전하는 인덕터(L1, L2)와,
충전 동작 시에는 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단으로부터 직류 전압을 상기 인덕터(L1, L2)에 축적시키는 제1 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 인덕터(L1, L2)에 축적된 직류 전압을 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단으로 방전시키는 제2 전류흐름을 형성시키도록 제1 스위칭 소자(24)와 제4 스위칭 소자(26)로 구성된 제1 충방전 스위칭 수단(22)과,
충전 동작 시에는 상기 인덕터(L1, L2)에 축적된 직류 전압을 배터리에 충전시키는 제3 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 상기 인덕터(L1, L2)에 축적하는 제4 전류 흐름을 형성시키도록 제2 스위칭 소자(38)와 제3 스위칭 소자(40)로 구성된 제2 충방전 스위칭 수단(36)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제1 충방전 스위칭 수단(22)는 게이트 신호에 의해 턴온/턴오프되는 스위치(S1, S4)와, 상기 스위치(S1, S4)가 턴오프일 경우 상기 배터리를 방전시키는 방향으로 전류를 통과시키도록 상기 스위치(S1, S4)에 병렬로 접속된 내부 다이오드(DS1, DS4)로 구성되고, 상기 제2 충방전 스위칭 수단(36)은 게이트 신호에 의해 턴온/턴오프되는 스위치(S2 S3)와, 상기 스위치(S2, S3)가 턴오프일 경우 상기 배터리(VB)를 충전시키는 방향으로 전류를 통과시키도록 상기 스위치(S2 S3)에 병렬로 접속된 내부 다이오드(DS2, DS3)로 구성될 수 있다.
한편, 상기 인덕터(L1)와 상기 배터리 사이에는 충방전 동작이 실행되지 않는 평상시에 배터리의 방전을 방지하도록, 수동으로 전류 흐름을 차단하는 수동 스위치가 접속될 수 있다.
또한, 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단은 외부의 교류 전원으로부터 교류 전압을 받아서 미리 설정된 크기의 교류 전압을 출력하는 변압기와, 상기 변압기로부터 출력된 삼상의 교류 전압을 받아서 정류된 직류 전압을 출력하는 인버터로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치는, 직류 전압을 출력하는 직렬로 접속된 다수개의 직류 전원 공급 수단과, 충전 동작 시에는 상기 다수개의 직류 전원 공급 수단으로부터 출력된 직류 전압을 축적한 다음 방전하여 배터리를 충전하고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 축적한 다음 방전하는 에너지 축적 후 방출 수단과,
충전 동작 시에는 상기 다수개의 직류 전원 공급 수단으로부터 직류 전압을 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적시키는 제1 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적된 직류 전압을 다수개의 직류 전원 공급 수단으로 방전시키는 제4 전류흐름을 형성시키도록 다수개의 스위칭 소자로 구성된 제1 충방전 스위칭 수단과,
충전 동작 시에는 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적된 직류 전압을 상기 배터리에 충전시키는 제2 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적하는 제3 전류 흐름을 형성시키도록 다수개의 스위칭 소자로 구성된 제2 충방전 스위칭 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 현재의 800V 출력전압 용량의 충방전 회로를 두 세트 직렬로 연결하여 사용이 가능함으로써, 스위칭 소자에 인가되는 전압 하중으로서의 전압의 크기는 변하지 않으면서, 1,000V 이상의 배터리 팩이나 배터리도 충/방전이 가능할 수 있다.
또한 , 종래의 800V 출력전압 용량의 충방전 회로인 벅-부스트 컨버터회로를 두 세트 직렬로 연결하여 사용이 가능함으로써, 스위칭 소자인 IGBT의 내압 증가 없이 출력 정격전압 증가가 가능한 효과가 있다.
또한, 배터리의 충전 용량에 최대한 밀접하게 배터리를 충전시키도록 충방전 회로를 구성할 수 있음으로써, 충전 설비를 간소화시키고 충전 작업을 간소화할 수 있는 효과가 있다,
또한, 간단한 설비 구조로써 용이하게 충방전 전압을 증가시키는 전압 공급 구조에 의해 충방전 장치의 제조 비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배터리 팩을 다수개의 독립적인 직류 전원 공급 수단을 직렬로 접속하여 배터리 팩에 직류 전원 공급 수단의 다수 배에 해당하는 고전압을 충전 및 방전시킬 수 있음으로써 배터리팩의 충전 용량에 가변적으로 적용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치의 회로도,
도 2는 도 1에 도시된 회로에서 배터리에 대한 충전 및 방전 동작 시에, 각 스위칭 소자들과 다이오드들의 전압 인가 상태 파형도
도 3은 도 1의 회로에서, 직류 전원 공급 수단(2, 4)의 구성을 구체적으로 나타낸 상세 회로도이다.
도 4는 종래 기술에 의한, 고전압 팩을 충방전시키는 충방전 장치의 회로도
도 5는 도 4에 도시된 충방전 장치의 동작을 나타낸 파형도.
도1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리(VB)는 전기 자동차와 같은 대용량 이차전지를 필요로 하는 곳에 사용되도록 다수의 소형 배터리들이 합쳐서 구성된, 다수의 셀로 이루어진 배터리 팩을 의미한다. 상기 배터리 팩인 배터리(VB)의 정격 용량은 출력 전압 기준 직류 1,000 V 내외이다.
상기 제1 직류 전원 공급 수단(2) 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단(4)은, 외부의 교류 전원(6)으로부터 교류 전압을 받아서 미리 설정된 크기의 교류 전압, 예를 들면 교류 800V를 후술하는 2개의 인버터로 각각 출력하는 변압기(8)와, 상기 변압기(8)로부터 출력된 삼상(Three Phase)의 교류 전압을 받아서 정류된 직류 전압을 출력하는 인버터(10, 12,)로 구성될 수 있다. 상기 인버터(10, 12)는 삼상의 교류 전압의 전체 파형을 정류하여, 상기 교류 전압과 대응하는 크기의 직류 전압으로 변환시키는 전파 정류(Full bridge) 회로이다.
제1 인덕터(L1)는 충전 동작 시에는 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2) 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단(4)으로부터 출력된 직류 전압(VS1)을 축적한 다음 방전하여 부하로서의 배터리(VB)를 충전하고, 방전 동작 시에는 상기 배터리(VB)로부터 방전된 전압을 축적한 다음 방전하도록 상기 배터리(VB)의 +단자에 후술하는 수동 스위치(MC)를 통하여 접속되어 있다.
제2 인덕터(L2)는 충전 동작 시에는 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2) 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단(4)으로부터 출력된 직류 전압(VS2)을 축적한 다음 방전하여 배터리(VB)를 충전하고, 방전 동작 시에는 상기 배터리(VB)로부터 방전된 전압을 축적한 다음 방전하도록 상기 배터리(VB)의 -단자에 접속되어 있다.
상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 본 발명에서 충전 에너지 혹은 방전 에너지를 축적 후 방출하는, 에너지 축적 후 방출 수단을 구성한다. 상기 제1 직류 전압 공급 수단(2) 및 제2 직류 전압 공급 수단(4)으로부터 출력된 충전 전압을 상기 배터리(VB)에 전달하고, 상기 배터리(VB)로부터 출력된 방전 전압을 상기 제1 직류 전압 공급 수단(2) 및 제2 직류 전압 공급 수단(2)에 전달하도록, 상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 상기 제1 직류 전압 공급 수단(2) 및 제2 직류 전압 공급 수단(4)에 각각 별도로 접속되어 있다.
제1 충방전 스위칭 수단(22)은 충전 동작 시에 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2) 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단(4)으로부터 직류 전압을 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 축적시키는 제1 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 축적된 직류 전압을 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2) 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단(4)으로 방전시키는 제4 전류 흐름을 형성시키도록 서로 직렬로 배치된 제1 스위칭 소자(24)와 제4 스위칭 소자(26)로 구성되어 있다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 제1 충방전 스위칭 수단(22)은 게이트 신호에 의해 턴온/턴오프되는 스위치(S1,, S4)와, 상기 스위치(S1, S4)가 턴오프일 경우 상기 배터리(VB)를 방전시키는 방향으로 전류를 통과시키도록 상기 스위치(S1, S4)에 각각 병렬로 접속된 내부 다이오드(DS1 DS4)로 구성되어 있다.
제2 충방전 스위칭 수단(26)은 충전 동작 시에는 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 축적된 직류 전압을 상기 배터리(VB)에 충전시키는 제2 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 배터리(VB)로부터 방전된 전압을 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 축적하는 제3 전류 흐름을 형성시키도록 서로 직렬로 접속된 제2 스위칭 소자(38)와 제3 스위칭 소자(40)로 구성되어 있다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 제2 충방전 스위칭 수단(36)은 게이트 신호에 의해 턴온/턴오프되는 스위치(S2, S3)와, 상기 스위치(S2, S3)가 턴오프일 경우 상기 배터리(VB)를 충전시키는 방향으로 전류를 통과시키도록 상기 스위치(S2, S3)에 각각 병렬로 접속된 내부 다이오드(DS2, DS3)로 구성되어 있다.
상기 스위치(S1, S4, S2, S3)는 예를 들면, 고전압용 스위칭에 적합한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)이다. ,
인버터(10, 12)로 구성된 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2)과 제2 직류 전원 공급 수단(4) 및 상기 배터리(VB) 사이에서 전류를 원활히 유통시키도록, 상기 제2 스위칭 소자(38)와 제3 스위칭 소자(40) 사이의 접속점(N1)은 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2)과 제2 직류 전원 공급 수단(4) 사이의 접속점(N2)과 공통(Common) 접속 상태이다.
상기 제1 인덕터(L1)와 상기 배터리(VB) 사이에는, 상기 배터리(VB)에 대한 충방전 동작이 실행되지 않는 평상시에 배터리(VB)의 방전을 방지하도록, 수동으로 전류 흐름을 차단하는 수동 스위치(MC)가 접속되어 있다.
본 발명의 구성에 대해 좀더 구체적으로 부연하면, 하나의 직류 전압 공급 수단(2, 4)에서 출력되는 전압의 2배인 직류 전압을 상기 부하 배터리(VB)에 충전시키도록, 상기 2개의 직류 전압 공급 수단(2, 4)은 직렬로 접속되어 있다. 상기 제1 직류 전압 공급 수단(2)과 상기 배터리(VB) 사이에서 충전과 방전 동작을 실행하도록, 상기 제1 직류 전압 공급 수단(2)에는, 직렬로 접속된 제1 스위칭 소자(38) 및 제2 스위칭 소자(40)가 병렬로 접속되어 있다.
상기 배터리(VB)의 충전과 방전 동작을 교번적으로 실행하도록, 제1 스위칭 소자(24 제2 스위칭 소자(26)의 접속점(N3)은 상기 제1 인덕터(L1)를 통하여 상기 배터리(VB)의 + 단자에 접속되어 있다.
상기 제2 직류 전압 공급 수단(4)과 상기 배터리(VB) 사이에서 충전과 방전 동작을 실행하도록, 상기 제2 직류 전압 공급 수단(4)에는, 서로 직렬로 접속된 제3 스위칭 소자(38) 및 제4 스위칭 소자(40)가 병렬로 접속되어 있다. 상기 배터리(VB)의 충전과 방전 동작을 교번적으로 실행하도록, 상기 배터리(VB)의 + 단자는 상기 제1 스위칭 소자(24) 및 제2 스위칭 소자(38) 사이의 접속점에 접속되어 있다. 상기 배터리(VB)의 충전과 방전 동작을 교번적으로 실행하도록, 상기 배터리(VB)의 - 단자는 제2 인덕터(L2)를 통하여, 상기 제3 스위칭 소자(40) 및 제4 스위칭 소자(26) 사이의 접속점(N4)에 접속되어 있다.
커패시터(C)는 상기 배터리(VB)에 충전되는 전압과 방전되는 전압을 평활화하도록 상기 배터리(VB)에 병렬로 접속되어 있다.
수동 스위치(MC)는 상기 배터리(VB)에 대한 충방전 동작이 실행되지 않을 경우인 평상 시에 상기 배터리(VB)의 방전을 방지하기 위해 수동으로 전류 흐름을 차단하도록, 상기 제1 인덕터(L1)와 상기 배터리(VB) 사이에 설치되어 있다.
이하 상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 의한 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치의 동작을 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 회로에서 배터리(VB)에 대한 충전 및 방전 동작 시에, 각 스위칭 소자들(24, 26, 38, 40)의 스위치들(S1, S4, S2, S3)과 내부 다이오드들(DS1, DS4, DS2, DS3)의 전압 인가 상태 파형도이다.
먼저 충전 동작을 설명한다.
동작 설명을 위한 초기 동작 시, 도 2의 시점(T1)과 같이, 도시되지 않은 제어 수단에 의해 스위칭 신호가 상기 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 게이트에 인가되어 상기와 같이, 스위치(S1) 및 스위치(S4)는 턴온되고, 스위치(S2), 스위치(S3)는 턴오프된다. 이어서 상기 내부 다이오드(DS1, DS4, DS2, DS3)는 모두 턴오프된다.
그러면, 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2) → 제1 스위치(S1) → 제1 인덕터(L1) → 수동 스위치(MC) → 배터리(VB) → 제2 인덕터(L2) → 제4 스위치(S4) → 제2 직류 전원 공급 수단(4) → 제1 직류 전원 공급 수단(2) 방향으로 제1 전류 흐름이 형성된다. 그러면 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2)과 제2 직류 전원 공급 수단(4)으로부터 출력된 직류전압은, 예를 들면 각 직류 800V는, 각각 상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)에 인가되어 상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)에서 상기 도 2의 모드(Mode) 1의 시간(T1→T2) 동안 충전 에너지가 축적된다.
다음에 시점(T2)에서, 도시되지 않은 제어 수단에 의해 스위칭 신호가 상기 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 게이트에 인가되어 상기와 같이, 제1 스위치(S1), 제4 스위치(S4), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)가 모두 턴오프되고, 내부 다이오드(DS1, DS4)가 턴오프되는 반면에, 다른 내부 다이오드(DS2, DS3)는 턴온된다.
그러면, 제1 인덕터(L1) → 수동 스위치(MC) → 배터리(VB) → 제2 인덕터(L2) → 내부 다이오드(DS3) → 내부 다이오드(DS2) → 상가 제1 인덕터(L1) 방향으로 제2 전류 흐름이 형성된다. 이에 따라, 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 충전된 충전에너지는 상기 배터리(VB)에 전압으로서 인가되어, 도 2의 모드(Mode) 2의 시간(T2→T3)동안 상기 배터리(VB)가 충전된다.
다음에 시점(T3)에서 상기 시점(T1)과 동일하게, 도시되지 않은 제어 수단에 의해 스위칭 신호가 상기 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 게이트에 인가되어, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)는 다시 턴온되고, 다시 제2 스위치(DS2) 및 제3 스위치(DS3)는 다시 턴오프된다. 그러면 상기 내부 다이오드들(DS1, DS2, DS3, DS4)은 모두 턴오프된다.
그러면 다시 상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)에 충전 에너지가 축적되고 이어서 상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)에 축적된 충전 에너지에 의해 상기 배터리(VB)가 충전되는 모드 1과 모드 2의 동작을 반복한다. 이렇게 반복되는 모드 1과 모드 2의 동작을 통해 상기 배터리(VB)는 상기 배터리(VB)의 최대 충전 용량값, 예를 들면 직류 1,000 V 내외까지 충전된다.
이어서 방전 동작에 대해 설명한다.
사용자가 상기 배터리(VB)에 충전된 전압을 모두 방전시킬 필요가 있다고 판단하였을 경우, 상기 도시되지 않은 제어 수단에 의해 스위칭 신호가 상기 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)의 게이트에 인가되어, 도 3의 시점(T3)에서 제2 스위치((S2) 및 제3 스위치(S3)는 다시 턴온되고, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)는 턴오프되며, 내부 다이오드(DS1, DS2, DS4, DS3)들은 턴오프된다.
그러면 모드 3의 시간(T4 → T5) 동안, 배터리(VB) → 수동 스위치(MC) → 제1 인덕터(L1) → 제2 스위치(S2) → 제3 스위치(S3) → 제2 인덕터(L2) → 배터리(VB) 방향으로 제3 전류 흐름이 형성된다. 그러면 상기 배터리(VB)에 남아있던 전압이 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 인가되어, 상기 제1 인덕터(L1)및 제2 인덕터(L2)에는 방전 에너지가 축적된다.
다음에 시점(T5)에서 상기 도시되지 않은 제어 수단에 의해 스위칭 신호가 상기 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)의 게이트에 인가되어, 제 1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)가 모두 턴오프된다. 그러면 상기 내부 다이오드(DS1)와 내부 다이오드(DS4)는 턴온되고 상기 내부 다이오드(DS2)와 내부 다이오드(DS4)는 턴오프된다.
그러면 모드 4의 시간((T5 → T6) 동안, 배터리(VB) → 수동 스위치(MC) → 제1 인덕터(L1) → 내부 다이오드(DS1) → 제1 직류 전원 공급 수단(2) → 제2 직류 전원 공급 수단(4) → 내부 다이오드(DS4) → 제2 인덕터(L2) → 배터리(VB) 방향으로 제4 전류 흐름이 형성된다. 그러면 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 축적되어 있던 방전 에너지가 상기 제1 직류 전원 공급 수단(2) 및 제2 직류 전원 공급 수단(4)으로 공급된다.
이러한 모드 3과 모드 4의 에너지 축적 및 방전 동작을 반복함으로써 상기 배터리(VB)의 전압은 미리 상기 제어 수단에 설정된 전압으로 방전된다. 상기 설정 전압은 예를 들면 600V 정격 용량의 배터리 팩의 경우 600 V보다 낮은 전압으로 방전한다.
(제2 실시예)
상술한 본 발명의 제1 실시예에서는 스위칭 소자(24, 38, 40, 26)에 인가되는 전압 하중으로서의 전압의 크기는 증가하지 않으면서, 하나의 직류 전압 공급 수단(2, 4)에서 출력되는 전압의 2배인 직류 전압을 상기 부하 배터리(VB)에 충전시키도록, 2개의 직류 전압 공급 수단(2, 4)을 직렬로 구성하고, 그에 비례하여 스위칭 소자(24, 38, 40, 26)를 하나의 직류 전압 공급 수단(2, 4)당 다수 개 배열한 구성이었다.
본 발명의 제2 실시예로서, 스위칭 소자(24, 38, 40, 26, --, n2)에 인가되는 전압 하중으로서의 전압의 크기는 증가하지 않으면서, 하나의 직류 전압 공급 수단(2, 4)에서 출력되는 전압의 다수배인 직류 전압을 상기 부하 배터리(VB)에 충전시키도록, 다수개의 직류 전압 공급 수단(2, 4, --, n)들을 직렬로 구성하고, 그에 비례하여 다수개의 스위칭 소자(24, 38, 40, 26, --, n2)를 하나의 직류 전압 공급 수단(직류 전압 공급 수단(2, 4, --, n))당 2개씩 배열한 구성으로 할 수도 있다. 상기 다수배 및 다수개는 3배 이상 혹은 3개 이상의 수를 의미한다.
본 발명은 전기 자동차 및 BESS(Battery Energy Storage System, 배터리 에너지 저장 시스템) 등 여러 분야에서 활용이 가능한 고압 팩 배터리를 충전 및 방전시키는 분야에 적용된다.
본 발명은 낮은 입력 전압을 상승시켜 출력하고 높은 입력 전압을 낮추어 출력시키는 벅-부스트 컨버터와 같은 전압 크기 변환 회로에 적용된다.
2 : 제1 직류 전원 공급 수단 4 : 제2 직류 전원 공급 수단
6 : 교류 전원 8 : 변압기
10, 12 : 인버터 22 : 제1 충방전 스위칭 수단
24 : 제1 스위칭 소자 26 : 제4 스위칭 소자
36 : 제2 충방전 스위칭 수단 38 : 제2 스위칭 소자
40 : 제3 스위칭 소자 C : 커패시터
DS1, DS2, DS3, :DS4 : 내부 다이오드 L1 : 제1 인덕터
L2 : 제2 인덕터 MC : 수동 스위치
N1, N2, N3, N4 : 접속점 S1, S2, S3, S4 : 스위치(IGBT)
VS1, VS2 : 직류 전압 VB : 배터리

Claims (5)

  1. 직류 전압을 출력하는 제1 직류 전원 공급 수단;
    직류 전압을 출력하도록 상기 제1 직류 전원 공급 수단에 접속된 제2 직류 전원 공급 수단;
    충전 동작 시에는 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단으로부터 출력된 직류 전압을 축적한 다음 배터리로 방출하여 상기 배터리를 충전하고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 축적한 다음 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 제2 직류 전원 공급 수단에 방출하여 상기 배터리를 방전하는 인덕터;
    충전 동작 시에는 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단으로부터 직류 전압을 상기 인덕터에 축적시키는 제1 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 인덕터에 축적된 직류 전압을 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단으로 방전시키는 제2 전류흐름을 형성시키도록 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자로 구성된 제1 충방전 스위칭 수단; 및
    충전 동작 시에는 상기 인덕터에 축적된 직류 전압을 배터리에 충전시키는 제3 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 상기 인덕터에 축적하는 제4 전류 흐름을 형성시키도록 제2 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자로 구성된 제2 충방전 스위칭 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 충방전 스위칭 수단(22)는 게이트 신호에 의해 턴온/턴오프되는 스위치(S1, S4)와, 상기 스위치(S1, S4)가 턴오프일 경우 상기 배터리를 방전시키는 방향으로 전류를 통과시키도록 상기 스위치(S1, S4)에 병렬로 접속된 내부 다이오드(DS1, DS4)로 구성되고,
    상기 제2 충방전 스위칭 수단(36)은 게이트 신호에 의해 턴온/턴오프되는 스위치(S2 S3)와, 상기 스위치(S2 S3)가 턴오프일 경우 상기 배터리(VB)를 충전시키는 방향으로 전류를 통과시키도록 상기 스위치(S2 S3)에 병렬로 접속된 내부 다이오드(DS2, DS3)로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 인덕터와 상기 배터리 사이에는 충방전 동작이 실행되지 않는 평상시에 배터리의 방전을 방지하도록, 수동으로 전류 흐름을 차단하는 수동 스위치가 접속된 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 직류 전원 공급 수단 및 상기 제2 직류 전원 공급 수단은 외부의 교류 전원으로부터 교류 전압을 받아서 미리 설정된 크기의 교류 전압을 출력하는 변압기와,
    상기 변압기로부터 출력된 삼상의 교류 전압을 받아서 정류된 직류 전압을 출력하는 인버터(10, 12,)로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치.
  5. 직류 전압을 출력하는 직렬로 접속된 다수개의 직류 전원 공급 수단;
    충전 동작 시에는 상기 다수개의 직류 전원 공급 수단으로부터 출력된 직류 전압을 축적한 다음 배터리로 방출하여 상기 배터리를 충전하고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 축적한 다음 상기 다수개의 직류 전원 공급 수단으로 방출하여 상기 배터리를 방전하는 에너지 축적 후 방출 수단;
    충전 동작 시에는 상기 다수개의 직류 전원 공급 수단으로부터 직류 전압을 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적시키는 제1 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적된 직류 전압을 다수개의 직류 전원 공급 수단으로 방전시키는 제4 전류흐름을 형성시키도록 다수개의 스위칭 소자로 구성된 제1 충방전 스위칭 수단; 및
    충전 동작 시에는 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적된 직류 전압을 상기 배터리에 충전시키는 제2 전류 흐름을 형성시키고, 방전 동작 시에는 상기 배터리로부터 방전된 전압을 상기 에너지 축적 후 방출 수단에 축적하는 제3 전류 흐름을 형성시키도록 다수개의 스위칭 소자로 구성된 제2 충방전 스위칭 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리의 충전량을 변경시키는 충방전 장치.

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