KR101505403B1 - 전력 저장 장치를 제어하기 위한 전력 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 양상에 따라 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치 내에 위치하는 전력 제어 장치가 개시된다. 상기 전력 제어 장치는, 하프 브릿지(half bridge) 인버터, 풀 브릿지(full bridge) 인버터, 및 상기 하프 브릿지 인버터와 상기 풀 브릿지 인버터 사이에 배치되어 이들을 전기적으로 분리시키는 변압기(transformer)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 제어 장치는, 상기 하나 이상의 배터리와 전기적으로 연결되고 그리고 상기 하프 브릿지 인버터와 상기 풀 브릿지 인버터 간의 위상차(phase shift)에 의해 상기 전력 저장 장치의 충전 또는 방전 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서 상기 하프 브릿지 및 상기 풀 브릿지는 DC-AC 전압 간의 변환을 허용하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 변압기는 변압비에 따라 인가되는 전압을 승압 또는 감압할 수 있다.

Description

전력 저장 장치를 제어하기 위한 전력 제어 장치{ENERGY CONTROL APPARATUS FOR CONTROLLING ENERGY STORAGE SYSTEM}

본 발명은 전력 저장 장치(Energy Storage System; ESS)를 제어하기 위한 전력 제어 장치에 관련한 것으로서, 보다 구체적으로는 전력 저장 장치에 포함된 하나 이상의 배터리의 충전/방전을 제어하는 전력 제어 장치에 관한 것이다.

최근들어 환경 친화적인 에너지 대책을 수립하기 위한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 노력의 일환으로서, 화석 에너지 자원 대체를 위한 신재생 에너지 사업이나, 에너지 효율을 높이기 위한 스마트 그리드(Smart Grid)에 대한 관심이 높아지고 있다.

에너지 효율을 높이기 위한 지능형 전력망을 구축하는데 있어서, 전력 저장 장치(ESS)는 필수적인 구성요소 중 하나이다. 이러한 전력 저장 장치(ESS)는 발전 장치에서 과잉 생산된 전력을 저장하였다가, 전력이 부족한 경우에 외부로 송전해 주는 역할을 수행한다. 즉, 전력 저장 장치(ESS)는 배터리 전력을 이용하여 전력부족시에 사용전원에 전력을 공급하고 전력이 충분한 심야시간대 등에 배터리를 충전시키는 장치를 의미한다.

일반적인 전력 저장 장치(ESS)는, 배터리팩(셀모듈 + BMS(Battery Management System)) 및 전력 제어 장치를 포함할 수 있는 전력단과 이를 제어하기 위한 외부 제어기로 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전력단은 전력을 저장할 수 있는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 이러한 배터리로는 리튬 이온 배터리(lithium ion battery), 나트륨황(NaS, sodium-sulfur) 배터리, 레독시 흐름 배터리(Redox Flow Battery; RFB), 및 수퍼 캐패시터(SuperCapacitor; SC) 등이 사용될 수 있다. 외부 제어기는, 배터리의 상태를 모니터링하여 전력단이 배터리의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 하기 위한 신호를 전송할 수 있다. (양방향) 전력 제어 장치는, 배터리의 전력을 상용전원에 공급하거나 다시 배터리로 충전하기 위해 배터리 전압(전력)을 조절할 수 있는 장치이다.

전력 저장 장치(ESS)를 충전 및 방전 하는데 있어서, 전력 제어 장치는 전력 저장 장치(ESS)를 구성하는 배터리들이 정전류-정전압(Constant Current-Constant Votage; CC-CV) 모드로 충전 및 방전되도록 배터리들을 제어할 수 있다. 일반적으로 전력 제어 장치는 충전인 경우 0.5C(1C는 해당 배터리를 1시간 안에 완전 방전/완전 충전시키는데 필요한 전류량 의미한다. 즉, 0.5C로 충전하는 경우, 완방전 상태에서 완충전까지 2시간이 소요됨)로, 방전인 경우 2C의 전류로 배터리를 충전 및 방전시킬 수 있다.

이러한 (양방향) 전력 제어 장치로 가장 많이 사용되는 회로가 Buck-Boost 회로이다. 이 회로는 단순한 구조를 가지고 있으면서 전력 흐름의 제어가 용이한 장점이 있어서 상용제품에 가장 많이 사용되고 있다. 하지만, 이러한 Buck-Boost 회로는 입력과 출력이 전기적으로 연결되어 있어 절연되지 않고, 배터리 팩의 전압이 상용전원보다 많이 낮을 경우(예컨대, 100V 이하), 효율이 감소하고 동작범위가 제한된다는 단점이 존재할 수 있다. 특히, 배터리 팩이 저전압 고용량(예를 들어 12V/1000A 등)으로 구성된 경우, Buck-boost 방식을 적용하면 동작범위가 극도로 제한되어 사용될 수 없게될 수 있다는 단점이 존재한다.

따라서, 간단한 방식으로 배터리의 충/방전을 제어할 수 있으며 배터리의 전압이 상용전압에 비해 매우 낮아도 전력 전달의 효율을 유지할 수 있는 전력 제어 장치에 대한 당업계에서 요구된다.
본 출원과 관련된 선행기술문헌으로는 KR10-1444266건 및 KR2008-00116559건이 존재한다.

본 발명은 전술한 내용을 기초로 하여 안출된 것으로서, 배터리팩의 전압이 상용전압에 비해 매우 낮아도 전력전달 효율을 높게 유지할 수 있는 전력 제어 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 복잡한 센서나 연산 없이 간단한 방식으로 배터리의 충/방전을 제어할 수 있는 전력 제어 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

나아가, 본 발명은 간단한 논리회로만을 이용하는 전력 제어 장치를 통해 가격 경쟁력이 있는 제품의 생산을 허용하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 과제를 실시하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치(ESS)는, 하나 이상의 배터리, 전력 제어 장치 및/또는 외부 제어기를 포함할 수 있다. 상기 전력 제어 장치는, 하프 브릿지(half bridge) 인버터, 풀 브릿지(full bridge) 인버터, 및 상기 하프 브릿지 인버터와 상기 풀 브릿지 인버터 사이에 배치되어 이들을 전기적으로 분리시키는 변압기(transformer)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 제어 장치는, 상기 하나 이상의 배터리와 전기적으로 연결되고 그리고 상기 하프 브릿지 인버터와 상기 풀 브릿지 인버터 간의 위상차(phase shift)에 의해 상기 전력 저장 장치의 충전 또는 방전 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서 상기 하프 브릿지 및 상기 풀 브릿지는 DC-AC 전압 간의 변환을 허용하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 변압기는, 절연형 고주파 변압기로서 양단에 각각 전기적으로 결합되어 있는 하프 브릿지 인버터와 풀 브릿지 인버터를 전기적으로 분리시킬 수 있으며 그리고 변압비에 따라 인가되는 전압을 승압 또는 감압할 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치는 배터리팩의 전압이 상용전압에 비해 매우 낮아도(예를 들어 10V) 전력전달 효율을 90% 이상으로 유지할 수 있으며, 충전과 방전 제어가 위상차에 의해서 수행될 수 있기 때문에, 배터리의 충/방전의 제어를 효율적으로 수행할 수 있다. 따라서, 배터리 충/방전의 제어가 매우 쉽게 이루어 지며, 복잡한 센서나 연산 없이 아주 간단한 논리회로만으로 제어회로 구성이 이루어져 단순하면서도 가격 경쟁력 있는 제품의 생산이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기를 포함하는 전력 저장 장치의 블록도이다.
도 2는 기존의 전력 제어 장치로 사용되는 Buck-Boost 회로도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치의 회로도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 양상에 따라 배터리 충전 및 방전 시의 전력 제어 장치의 파라미터들의 동작 파형들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 양상에 따라 전력 제어 장치가 전력 저장 장치의 충/방전을 제어하는 방법을 도시하는 순서도이다.

다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 구성요소를 나타내기 위해서 사용된다. 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 구체적인 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이어그램 형태로 제공된다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "컴포넌트", "모듈", "시스템" 등은 컴퓨터-관련 엔티티, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 소프트웨어 및 하드웨어의 조합, 또는 소프트웨어의 실행을 지칭한다. 예를 들어, 컴포넌트는 프로세서상에서 실행되는 처리과정, 프로세서, 객체, 실행 스레드, 프로그램, 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 컴퓨팅 장치에서 실행되는 애플리케이션 및 컴퓨팅 장치 모두 컴포넌트일 수 있다. 하나 이상의 컴포넌트는 프로세서 및/또는 실행 스레드 내에 상주할 수 있고, 일 컴포넌트는 하나의 컴퓨터 내에 로컬화될 수 있고, 또는 2개 이상의 컴퓨터들 사이에 분배될 수 있다. 또한, 이러한 컴포넌트들은 그 내부에 저장된 다양한 데이터 구조들을 갖는 다양한 컴퓨터 판독가능한 매체로부터 실행할 수 있다. 컴포넌트들은 예를 들어 하나 이상의 데이터 패킷들을 갖는 신호(예를 들면, 로컬 시스템, 분산 시스템에서 다른 컴포넌트와 상호작용하는 하나의 컴포넌트로부터 데이터 및/또는 신호를 통해 다른 시스템과 인터넷과 같은 네트워크를 통한 데이터)에 따라 로컬 및/또는 원격 처리들을 통해 통신할 수 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(105)를 포함하는 전력 저장 장치(ESS; 100)의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(100)는 외부 제어기(107)와 전력단(101)을 포함할 수 있다. 외부 제어기(107)는 전력 저장 장치(100)의 상태를 모니터링하고, 전력 저장 장치(100)의 충/방전이 전력 제어 장치(105)에 의해 제어되도록 전력단(101)으로 신호를 전송할 수 있다. 또한, 배터리팩(103)에 다수의 배터리들이 포함된 경우에, 외부 제어기(107)는 다수의 배터리 중 각각의 배터리에 대한 정보(예를 들어, 온도, 충전량, 전압, 전류, 잔여 수명 등)를 모니터링하고, 배터리팩(103)을 구성하는 다수의 배터리들이 효율적으로 충전 및 방전되도록 각각의 배터리의 충전 및 방전 상태를 체크할 수 있다.

전력단(101)은 배터리팩(103) 및 전력 제어 장치(105)를 포함할 수 있다. 배터리팩(103)은 하나 이상의 배터리를 전기적으로 연결하여 구성될 수 있다. 배터리팩(103)을 구성하는 배터리는 하나의 배터리 이거나 또는 복수의 배터리가 전기적으로 연결되어 구성될 수 있다. 배터리팩(103)을 구성하는 하나 이상의 배터리는 리튬 이온 배터리(lithium ion battery), 나트륨황(NaS, sodium-sulfur) 배터리, 레독시 흐름 배터리(Redox Flow Battery; RFB), 및 수퍼 캐패시터(SuperCapacitor; SC) 중 하나 또는 이들의 조합으로서 구성될 수 있다. 또한, 상기 배터리팩(103)은 하나 이상의 셀들을 포함하는 셀모듈과 BMS(Battery Management System)로 구성될 수 있다. 여기서 BMS는, 일반적으로 리튬 이온 계열(예컨대, 리튬코발트, 리튬망간, 리튬니켈망간코발트, 리튬인산철 등)의 배터리들이 과충전, 과열 및 외부충격으로 인해 폭발할 가능성이 높기 때문에 이를 제어하기 위한 시스템을 의미한다.

전력 제어 장치(105)는 배터리의 전압을 승압(step-up) 또는 감압(step-down)할 수 있으며, 전류의 흐름을 양방향으로 제어할 수 있다. 이러한 전력 제어 장치(105)는 (고주파) 변압기(transformer), 및 상기 변압기의 양단에 각각 전기적으로 연결된 하프 브릿지(half bridge) 인버터 및 풀 브릿지(full bridge) 인버터로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따라서, 하프 브릿지 인버터는 2개의 커패시터 및 2개의 스위칭소자를 포함할 수 있다. 이러한 하프 브릿지 인버터로 DC 전원이 인가되면, 하프 브릿지 인버터는 DC 전원을 AC로 변환할 수 있다. 상기 2개의 커패시터들 각각에는 입력전압의 절반이 인가되고, 상기 2개의 스위칭소자들이 번갈아가면서 on-off를 반복하는 경우 흐르는 전류의 방향이 계속적으로 바뀔 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따라서, 변압기는 일례로 20Khz 이상의 주파수를 사용하거나 또는 구형파를 사용할 수 있다. 일례로, 본원 발명의 일 양상에 따른 변압기는 철심으로 페라이트 재질을 사용할 수 있다. 이러한 변압기는 하프 브릿지 인버터와 풀 브릿지 인버터를 분리(isolate)시키도록 그 사이에 배치되기 때문에, 과전류 등의 문제로부터 출력단의 회로를 보호할 수 있다. 또한, 변압기의 두개의 코일에 감긴 선의 비율로 간단하게 전압을 상승 또는 강하시킬 수 있다. 추가적으로, 본원 발명의 일 양상에 따라 변압기는 절연성 고주파 변압기일 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따라서, 풀 브릿지 인버터는 변압기에 의해 상승된 AC 전원을 DC 전원으로 변환할 수 있다. 일례로, 풀 브릿지 인버터는 4개의 스위칭소자들을 포함할 수 있다. 또는, 풀 브릿지 인버터는 4개의 스위칭 소자들 및 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 풀 브릿지 인버터는 입력된 AC 전원의 주파수에 맞춰서 4개의 스위칭소자를 번갈아가면서 on-off 시킴으로써 DC 전류를 부하(load)에 인가할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 풀 브릿지 인버터는 입력된 AC 전원의 주파수에 따라 2쌍의 스위칭 소자를 교변하여 on-off시킴으로써 AC 전원을 DC 전원으로 변환시킬 수 있다.

도 2는 기존의 전력 제어 장치로 사용되는 Buck-Boost 회로를 도시한다. Buck-Boost 회로는 Buck 컨버터와 Boost 컨버터 역할을 모두 수행가능한 DC-DC 컨버터를 의미한다. 일반적으로, Buck 컨버터는 입력 DC 전압을 감압하기 위해 사용되며, Boost 컨버터는 입력 DC 전압을 승압시키기 위해 사용될 수 있다.

도 2에 도시되는 바와 같은 Buck-Boost 회로는 스위칭 타임에 따라서 입력 DC 전압을 승압 또는 감압시킬 수 있다. 이러한 Buck-Boost 컨버터의 경우, Buck 컨버터에서의 인덕터는 전류의 흐름을 방해하는 역할을 수행하여 부하의 전압을 낮춰주는 역할을 할 수 있으며, Boost 컨버터에서의 인덕터는 전류를 제공(feeding)해 주는 역할을 수행하여 부하의 전압을 높여주는 역할을 할 수 있다.

이러한 일반적인 Buck-Boost 회로의 입력 전압과 출력 전압의 관계는 이하와 같다:

여기서 Vin은 입력 전압, Vout은 출력 전압, 그리고 D는 duty cycle을 의미한다.

D의 값이 0.5를 기준으로 출력값이 입력값보다 커지거나 작아질 수도 있기 때문에, 전압의 차이를 이용해서 흐르는 전류의 방향을 조절함으로써 배터리의 충/방전을 제어할 수 있다.

하지만, 이러한 기존의 전력 제어 장치로서 사용되는 Buck-Boost 회로는 입력단과 출력단이 분리되어있지 않기 때문에 입력단에 과전류와 같은 문제가 발생할 소지가 있다. 이러한 과전류의 문제가 발생하는 경우 출력단에 악영향이 발생할 수 있다. 또한, 입력 전압이 낮을 경우에는 전압을 상승시키기 위해 D의 값이 커져야 하는데 on-time이 길어질 수록 회로의 저항을 통해 전류가 흐르는 시간 또한 길어져 전력의 손실 또한 커지게 될 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는 전체적인 회로의 효율성에 악영향을 미칠 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치의 회로도를 도시한다. 도 3에서 도시되는 파라미터들의 값은 예시적인 것에 불과하며, 상이한 값의 파라미터들 또한 존재할 수 있다는 점은 당해 출원 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

도 3에서 도시되는 바와 같이, 상기 전력 제어 장치는 입력단(301), 하프 브릿지 인버터(303), (고주파) 변압기(305), 풀 브릿지 인버터들(307 및 311) 및 출력단(309)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따라, 입력단(301)으로 DC 전원이 인가되는 경우, 하프 브릿지 인버터(303)를 통해 이러한 DC 전원이 AC 전원으로 변환될 수 있다. 도 3에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따른 상기 하프 브릿지 인버터(303)는 일례로 10uf의 2개의 커패시터들 및 2개의 스위칭소자(G3 및 G4)를 포함할 수 있다. 각각의 2개의 커패시터들에는 각각 입력 전압의 절반이 인가될 수 있다. 또한, 하프 브릿지 인버터(303)의 스위칭소자들(G3 및 G4)는 교번하여 on-off를 반복함으로써 흐르는 전류의 방향을 변경시킬 수 있다. 일례로, 상기 스위칭소자들(G3 및 G4)은 Duty가 0.5로 설정될 수 있다.

도 3에서 도시되는 바와 같이, 하프 브릿지 인버터(303)로부터 전달되는 전압은 변압기(305)의 코일에 감긴 권선비에 따라 승압(충전) 또는 감압(방전)될 수 있다. 본 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치는 기존의 Buck-Boost 컨버터와는 달리 하프 브릿지 인버터(303)와 풀 브릿지 인버터(307) 사이에 변압기(305)를 배치함으로써 양 컨버터들 간의 분리를 허용할 수 있다. 따라서, 변압기(305) 양단에 배치된 회로들이 서로 분리될 수 있기 때문에, 출력단의 회로를 과전류의 문제로부터 보호할 수 있다. 나아가, 전압을 승압 또는 감압시키는 경우, 2개의 코일에 감긴 권선의 비율로 승압과 감압을 간단히 구현할 수 있기 때문에, 전력 제어 장치의 동작의 효율성 또한 증대될 수 있다.

배터리의 충전의 경우, 변압기(305)를 통해 승압된 AC 입력은 풀 브릿지 인버터(307)를 통해 DC 전원으로 변환될 수 있다. 상기 풀 브릿지 인버터(307)는 입력된 AC 전원의 주파수에 맞춰서 4개의 스위칭소자들(G5, G6, G7 및 G8)을 교번하여 on-off 시킴으로써 DC 전류를 부하에 인가시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 풀 브릿지 인버터(307)는 입력된 AC 전원의 주파수에 맞춰서 2쌍의 스위칭 소자들(G5, G8 및 G6, G7)을 교번하여 on-off시킴으로써 AC 전원을 DC 전원으로 변환할 수 있다. 전술한 방식으로 출력단(309)에 전력을 충전시킬 수 있다. 배터리의 방전의 경우에는 회로의 하단부에 있는 다른 풀 브릿지 인버터(311)를 통해 출력단(309)에 충전되어 있는 전력이 앞서 설명된 방식(즉, 충전의 방식)의 역순으로 방전될 수 있다. 본 발명의 일 양상에 따라, 변압기의 변압비는 1:16일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본원 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치는 배터리팩의 전압이 상용전압에 비해 매우 낮아도(예를 들어 10V) 전력 전달 효율을 90% 이상으로 유지할 수 있다. 또한, 본원 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치는 변압기의 변압비를 기초로 하여 충전과 방전의 제어를 수행할 수 있다.

추가적으로, 본원 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치는, 하프 브릿지 컨버터와 풀 브릿지 컨버터의 위상차에 의해서 충전과 방전의 제어를 구현할 수 있다. 예를 들어, 위상차를 10도로 유지하면 50W의 전력이 충전되며 20도로 유지하면 100W의 충전이 유지할 수 있다. 만약 위상차를 -10도로 유지하면 50W의 전력이 방전되며, -20도로 하면 100W의 전력을 방전될 수 있다.

따라서, 이러한 방식들을 통해, 본원 발명의 일 양상에 따른 전력 제어 장치는, 배터리의 충/방전 제어가 매우 용이하게 구현될 수 있다. 즉, 복잡한 센서나 연산 없이 아주 간단한 논리회로만으로 제어회로 구성이 이루어져 단순하면서도 가격 경쟁력 있는 제품의 생산이 가능해질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 양상에 따라 배터리 충전 및 방전 시의 전력 제어 장치의 파라미터들의 동작 파형들을 도시한다.

도 4에 도시된 동작 파형들을 갖는 파라미터들은 도 3의 전력 제어 장치의 회로도에 도시된 파라미터들과 대응될 수 있다. 도 4는 하프 브릿지 회로에 대한 풀 브릿지 회로의 위상차가 20도(충전시) 또는 -20도(방전시)인 경우에 대한 그래프이다.

배티러 충전의 경우, 왼쪽 첫번째 그래프(401)에서 도시되는 바와 같이, 하프 브릿지 인버터에 인가되는 전압(Vp)과 풀 브릿지 인버터에 인가되는 전압(Vs1)의 위상차가 형성될 수 있다. 이러한 위상차는 하프 브릿지 회로와 풀 브릿지 회로의 스위칭 타이밍의 딜레이를 형성함으로써 구현될 수 있다.

하프 브릿지 인버터의 오른편에 배치되는 인덕터와 왼편에 배치되는 커패시터의 영향으로 도 4의 왼쪽 두번째 그래프(403)에서 도시되는 바와 같은 전류(Ip)가 생성될 수 있다. 여기서 스위치를 on하게 되면 커패시터가 충전되면서 전류(Ip)의 전류값이 감소하다가 완충이 된 상태에서 스위치를 off하면 다시 반대방향으로 전류가 흘러나갈 수 있다. 도 4의 왼쪽 두번째 그래프와 대응되는 그래프는 왼쪽 네번째 그래프(407)로서, 여기서 도시되는 바와 같이, 변압기를 통과하여 풀 브릿지 인버터로 인가되는 전류(Is1)는 변압기의 승압효과로 인해 상기 전류(Ip)보다 전류의 값이 스케일링될 수 있다.

도 4에서 도시되는 바와 같이, 왼쪽 세번째 그래프(405)는 하프 브릿지 회로로 인가되는 전류(I1) 및 그 평균값(AVG(I1))을 나타내고, 왼쪽 다섯번째 그래프()는 풀 브릿지 회로를 통과한 전류(I2) 및 그 평균값(AVG(I2))을 나타낸다. 도 4에서 도시되는 바와 같이, 양 회로들의 스위칭 딜레이로 인해, 풀 브릿지 회로의 스위칭 타이밍을 딜레이시킴으로써, 풀 브릿지 회로를 통해 흐르는 전류의 평균값(AVG(I2))은 하프 브릿지 회로의 전류의 평균값(AVG(I1))보다 높게 형성될 수 있다. 따라서, 전류의 평균값이 풀 브릿지 회로에서 보다 높게 형성됨에 따라, 전류의 평균값의 차이량에 비례하여 배터리가 충전될 수 있다. 즉, 주어진 삼각형 형태의 전류 그래프에서 더 많은 +방향의 차이 성분을 추출하기 위해 딜레이를 더 많이 주게되면, 충전되는 양도 커지게 되며, 그 반대의 경우도 성립할 수 있다.

도 4의 오른쪽 그래프들은 배티러 방전의 경우 전력 제어 장치의 파라미터들의 값들의 변화를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 방전의 경우, 충전의 역으로 동작될 수 있다. 따라서, 도 4의 오른쪽 그래프들과 관련된 구체적인 설명들은 도 3에 도시된 전력 제어 장치의 회로에 대한 동작 원리 및 도 4의 왼쪽 그래프들과 관련된 구체적인 설명를 통해 대체하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 양상에 따라 전력 제어 장치가 전력 저장 장치의 충/방전을 제어하는 방법을 도시하는 순서도이다.

전력 제어 장치(105)는 외부 제어기(107)로부터 전력 저장 장치(100)의 모드를 수신할 수 있다(501). 즉, 외부 제어기(107)는 전력 저장 장치(100)의 모드가 충전 모드인지 아니면 방전 모드인지를 모니터링하여, 그 결과 신호를 전력 제어 장치(105)로 전송할 수 있다. 다시 말하면, 외부 제어기(107)는 다수의 배터리 중 각각의 배터리에 대한 정보(예를 들어, 온도, 충전량, 전압, 전류, 잔여 수명 등)를 모니터링하고, 배터리팩(103)을 구성하는 다수의 배터리들이 효율적으로 충전 및 방전되도록 각각의 배터리의 충전 및 방전 상태를 체크할 수 있다.

이러한 결과 신호를 기초로 하여(503), 충전 모드인 경우에는 상기 전력 제어 장치(103)는 하프 브릿지 인버터와 풀 브릿지 인버터의 위상 차이를 +로 유지할 수 있다(505). 또한, 방전 모드인 경우에는 상기 전력 제어 장치(103)는 하프 브릿지 인버터와 풀 브릿지 인버터의 위상 차이를 -로 유지할 수 있다(507). 보다 구체적으로, 여기서의 위상 차이는 하프 브릿지 인버터에 대한 풀 브릿지 인버터의 위상차이를 의미할 수 있다. 위상 차이를 형성하는 것과 관련된 구체적인 설명은 도 4에서 상술하였기 때문에 여기서는 생략하기로 한다.

본 발명의 추가적인 양상에서, 전력 제어 장치(103)는 변압기의 권선비를 조절함으로써 승압비 및 강압비를 변경할 수 있기 때문에, 전력 저장 장치(100)의 충전량 및 방전량을 조절할 수도 있다.

여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 외부 제어기(107) 및/또는 전력 제어 장치(105) 자체로 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 씌여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 외부 제어기(107) 및/또는 전력 제어 장치(105)에 포함된 메모리(미도시)에 저장되고, 외부 제어기(107) 및/또는 전력 제어 장치(105)에 의해 실행될 수 있다.

한편, 여기서 제시된 다양한 실시예들은 방법, 장치, 또는 표준 프로그래밍 및/또는 엔지니어링 기술을 사용한 제조 물품(article)으로 구현될 수 있다. 용어 "제조 물품"은 임의의 컴퓨터 판독가능한 장치로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램, 캐리어, 또는 매체(media)를 포함한다. 예를 들어, 컴퓨터 판독가능한 매체는 자기 저장 장치(예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 스트립, 등), 광학 디스크(예를 들면, CD, DVD, 등), 스마트 카드, 및 플래쉬 메모리 장치(예를 들면, EEPROM, 카드, 스틱, 키 드라이브, 등)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기서 제시되는 다양한 저장 매체는 정보를 저장하기 위한 하나 이상의 장치 및/또는 다른 기계-판독가능한 매체를 포함한다. 용어 "기계-판독가능한 매체"는 명령(들) 및/또는 데이터를 저장, 보유, 및/또는 전달할 수 있는 무선 채널 및 다양한 다른 매체를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

1. 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치 내에 위치하는 전력 제어 장치로서,
   하프 브릿지(half bridge) 인버터;
   풀 브릿지(full bridge) 인버터; 및
   상기 하프 브릿지 인버터와 상기 풀 브릿지 인버터 사이에 배치되어 이들을 전기적으로 분리시키는 변압기(transformer)를 포함하며,
   여기서, 상기 하프 브릿지 인버터 및 상기 풀 브릿지 인버터 각각은 상기 하나 이상의 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 변압기와 상기 배터리 사이에 위치되며 그리고 상기 전력 제어 장치는 상기 하프 브릿지 인버터와 상기 풀 브릿지 인버터 간의 위상차(phase shift)에 의해 상기 전력 저장 장치의 충전 또는 방전 동작을 제어하도록 구성되며, 그리고
   상기 하프 브릿지 인버터 및 상기 풀 브릿지 인버터는 DC-AC 전압 간의 변환을 허용하도록 구성되고,
   상기 전력 제어 장치는 추가적으로,
   상기 전력 저장 장치의 모드가 충전 모드인지 아니면 방전 모드인지를 표시하는 신호를, 상기 전력 제어 장치와 전기적으로 연결된 외부 제어기로부터 수신하고; 그리고
   상기 수신된 신호를 기초로 하여 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전을 제어하도록 구성되는,
   전력 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하프 브릿지 인버터 및 풀 브릿지 인버터 각각은 하나 이상의 스위칭소자로 구성되며, 스위칭 소자의 듀티 사이클(duty cycle)은 0.5 듀티로 고정되도록 설정되는,
   전력 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 변압기의 변압비는 조정가능한,
   전력 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 변압기는 1:16의 변압비를 갖는,
   전력 제어 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 변압기는 절연성 고주파 변압기인,
   전력 제어 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전력 제어 장치는, 하나의 하프 브릿지 인버터 및 각각 상기 변압기와 전기적으로 연결된 두개의 풀 브릿지 인버터를 포함하도록 구성되는,
   전력 제어 장치.
   
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호가 상기 전력 저장 장치의 모드가 충전 모드라고 표시하는 경우, 상기 전력 제어 장치는 상기 하프 브릿지 인버터에 대한 상기 풀 브릿지 인버터의 위상차를 + 로 유지하며, 그리고
   상기 신호가 상기 전력 저장 장치의 모드가 방전 모드라고 표시하는 경우, 상기 전력 제어 장치는 상기 하프 브릿지 인버터에 대한 상기 풀 브릿지 인버터의 위상차를 - 로 유지하는,
   전력 제어 장치.

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