KR101742796B1 - 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치 - Google Patents

직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 제공하고, 더 나아가 이차전지를 구비한 전원장치에서의 충방전의 동시 절환을 위해 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어지도록 하는, 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위한 본 발명의 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치는, 복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제1 배터리 뱅크(1'); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 대응되도록 복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제2 배터리 뱅크(2'); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 어느 일측 배터리 뱅크를 부하측으로 접속하면서 동시에 다른 타측 배터리 뱅크는 부하측과 차단시키는 방전부(1000); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 상기 타측 배터리 뱅크를 충전기측으로 접속하면서 동시에 상기 일측 배터리 뱅크는 충전기측과 차단시키는 충전부(2000); 및 상기 방전부(1000) 및 상기 충전부(2000)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 컨트롤러(3000); 를 포함하며, 상기 방전부(1000) 및 상기 충전부(2000)는 무접점 방식의 스위칭 방식을 채용하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치{POWER SUPPLY APPARATUS CHARGING-DISCHARGING THE SECONDARY BATTERIES BY USING DC HIGH-VOLTAGE-CURRENT CONTACTLESS SWITCHING DEVICE}
본 발명은 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수백 볼트의 직류 전원에 수백 킬로와트 내지 수 메가와트 급의 이차 전지 어레이(배터리 뱅크)를 2조 이상 구비하되, 일측 이차 전지 어레이(배터리 뱅크)는 발전기나 입력 전원에 의해 충전되면서, 타측 이차 전지 어레이(배터리 뱅크)는 부하를 구동하도록 방전하되, 일측과 타측을 교호적으로 절환하는 스위칭을 안전하게 수행할 수 있는 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 2차 배터리는 한 번 사용하고 나면 못쓰는 1차 배터리와는 달리, 사용 후 전원을 연결하여 충전하면 가역 반응을 거쳐 재사용할 수 있는 충전 가능한 배터리를 말한다.
그런데, 이러한 2차 배터리는 배터리의 충전 용량에 의해 한번 충전하고 난 후 일정시간이 경과하고 나면 방전이 되어 다시 충전해야 하는데, 2차 배터리의 충전 도중에는 방전이 불가능하거나 현저하게 충방전 효율이 떨어지므로, 대부분의 경우에는 이차전지를 2개 이상 구비하여 둘을 병렬로 연결하여 사용하거나, 하나의 이차전지를 별도의 장치로 충전하는 동안, 다른 이차 전지를 방전하여 연속적으로 사용하게 된다.
더욱이, 이러한 2차 전지의 경우에는 통상 정격전류로 계속해서 방전을 하게 될 경우, 제조사에서 이상적인 사용시간보다 실제 사용시간은 현저하게 짧아진다는 공통된 문제점이 있다.
일예로, 2차 납축전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 방전과 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어주는 충전의 사이클을 통해 배터리의 기능을 한다.
통상, 상기 2차 납축전지는 방전시 황산염(sulfate, SO4)이 극판과 결합함으로써 물이 생성되어 비중이 낮아지고, 다시 충전시에는 결합된 황산염이 전해액으로 돌아와 비중이 커지게 된다.
즉, 2차 납축전지로서 진한 황산 수용액에 담근 납(Pb)과 이산화납(PbO2)의 전극으로 구성되어 결국,
양극: Pb(s) + HSO4- →PbSO4(s) + H+ + 2e-
음극: PbO2(s) + HSO4 - + 3H+ + 2e- →PbSO4(s) + 2H2O
2차납축전지: Pb(s) + PbO2(s) + 2HSO4 - + 2H+ →2PbSO4(s) + 2H2O
와 같이 전지반응이 일어난다.
두 전극반응은 불용성인 PbSO4를 생성하여 이것이 두 전극에 부착된다.
상기 2차 납축전지가 방전시 황산이 소모되고 물이 생성되며, 이 물의 밀도는 황산용액 밀도의 약 70퍼센트가 되기 때문에 전지의 충전상태는 전해액의 밀도를 측정하여 알 수 있으며, 2차 납축전지가 재충전될 때 전극반응은 상기 반응의 역반응이 된다.
그러나 오랜 기간 동안의 충/방전 사이클을 거치는 동안 방전(자가방전 포함)시 두 전극에 달라 붙어있던 황산염이 충전시에 이탈되지 아니하고 그대로 달라붙어 있는 경우가 발생하는데, 이것을 황산화(황산염화) 현상이라 부른다.
이러한 황산화 현상은 2차 납축전지가 보다 많이 방전될수록 심해지며, 이에 기인하여 화학, 전기반응의 통로가 차단되고 절연 기능을 하게 되어 2차 납축전지의 전압, 용량 및 비중도를 떨어뜨린다.
이에 의해 2차 납축전지의 효율이 떨어져 한 번의 2차납축전지 만충전으로 사용할 수 있는 시간(방전시간)이 현저하게 단축되는 문제점이 있었다.
실제로 통상 자동차용으로 많이 사용되는 델코 배터리의 경우, 납 축전지 하나의 용량은 12V, 100A로서, 전력은 1200W가 되고, 이 납축전지 2개를 병렬로 연결하면 총 전력은 2400W가 되는바, 이 납축전지 2개를 병렬로 연결하여 300W의 부하에 전력을 공급하면, 이론상으로 8시간을 사용하여야 하지만, 실제로는 만충전하여 (2.4kwh까지 충전한다는 의미가 아니며 충전이 가능한 정도까지 충전한다는 의미임) 연속방전시 그에 훨씬 못 미치는 1.5시간 정도밖에 사용할 수 없다.
이는, 다음의 <표 1>에서도 확인할 수 있는바, <표 1>은 DC12V, 100A 출력의 납축전지 2개를 병렬 연결하여 전원을 구성하고, 1200W 인버터(모델 SI-1000A)를 통해, 300W 짜리 백열전구인 부하를 연결하여 연속방전시킨 경우, 납축전지의 전압과 인버터의 전압을 10분 단위로 체크한 시험결과이다.
Figure 112016076256591-pat00001
<표 1>에서 보는 바와 같이, 포장마차에서 300W 짜리 전등을 계속 켜 놓았을 때와 같은 연속방전의 경우, 시간에 지나감에 따라 배터리 출력전압이 급속히 떨어짐을 알 수 있으며, 결국 1.5시간(90분) 후에는 배터리 출력전압이 10.64V 이하로 떨어져 더 이상 사용할 수 없게 됨을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 이와 같은 현상은 중간 충전없이 계속 방전하는 과정에서 (+)극과 (-)극 표면이 황산납으로 코팅되면서 반응속도가 줄어듦으로써 배터리의 충방전 효율이 떨어져 원래 배터리가 가지고 있던 용량(2.4kWh)의 극히 일부(0.49kWh)만 사용 가능하였기 때문이다.
한편, 2차 전지의 충방전 사용회수는 제한되어 있으며, 상기 납축전지와 같은 배터리의 경우 일례로 300 사이클로 제한되어 있으며, 매일 1회 정도 충방전의 경우 배터리의 수명은 1년 정도로 정해져 있다.
이는 충방전을 거듭할수록 충전 및 방전을 통해 사용할 수 있는 1회 용량이 감소하기 때문인바, 일예로 델코 12V 100A 배터리 2개의 경우, 1회 연속 사용시에는 1.5시간 정도를 사용하여 이론상 최대 용량의 16.6%를 사용할 수 있었으나, 3회 충방전을 하였을 시에는 1.2시간(1시간 12분) 사용으로 15% 정도만 사용가능하고, 다시 6회 사용시에는 1시간 7분 가량으로 13.9% 정도만을 사용가능하며, 그 %값이 계속 줄어들어 300회 사용시에는 의미가 없어지기 때문이다.
추가적으로, 상기 납축전지의 경우, 과부하로 인한 기기파손 및 폭파의 우려로 인하여, 2차납축전지의 특성상 충전중에는 부하에 절대적으로 사용하지 못하도록 규정하고 있어, 통상적으로 충전중에는 2차납축전지를 사용하지 못하는 문제점이 있었으며, 통상 연속방전시에는 1.5시간 정도 밖에 사용할 수 없으나, 충전시에는 10시간 정도가 소요되므로, 야간에 연속방전을 하여야 하는 포장마차의 경우, 전날 여러 대의 배터리를 미리 충전을 해 놓아야 하므로 시간적 경제적으로 많은 불편함이 있었다.
한편, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 2개 이상의 배터리를 교대로 방전하면서 부하에 전력을 공급하고, 방전하고 있는 전력의 일부를 다른 배터리의 충전전압으로 사용하는 기술이 대한민국 특허공개 제2006-111499호로 개시된바 있다.
즉, 상기 제1 종래기술은, 도 1에서 보는 바와 같이, 배터리 전력 사용을 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는바, 제 1 배터리(1)가 제 2 배터리(2)를 재충전하기 위해 전력을 제공하면서 외부 부하에 전력을 제공하게 한다. 지정된 시간에, 상기 스위칭 시스템 및 방법은 제 1 배터리 및 제 2 배터리들 임무들을 변경하게 한다. 즉, 지정된 시간에, 제 2 배터리는 또한 제 1 배터리를 충전하기 위해 전력을 제공하는 동안 외부 부하에 전력을 제공하기 시작할 수 있다. 상기 스위칭 시스템 및 방법은 제 1 배터리 및 제2 배터리로 하여금 외부 부하에 전력의 전달을 중단하지 않고 임무들을 변경하게 한다.
결국, 상기 제1 종래기술의 실시예에서 표현된 바와 같이, 다중 배터리들에 의해 제공된 전력을 효율적으로 사용하고 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 교환기 스위치는 단일 배터리가 빠르게 소모되지 않도록 두 개 이상의 배터리들 사이에서 변경하도록 설정될 수 있다. 하나의 배터리가 전력을 손실하기 시작할때, 교환기 스위치는 다른 배터리로부터 전력을 인출하기 시작한다. 다른 배터리는 제일 약한 배터리에 재충전 전류를 제공할 수 있다. 교환기 스위치는 두 개 이상의 배터리들 사이에서 스위칭을 지원할 수 있다. 전력 공급 시스템의 교환기 스위치 구현은 배터리 전력을 효율적으로 사용함으로써 결과적으로 배터리들의 사용 수명을 증가시킨다.
그러나, 이상의 제1 종래기술의 경우, 이론상으로는 가능하나 치명적인 문제점이 존재하여, 실제로 제품으로 사용되지 못하였는바, 그 이유는, 일예로 제2 배터리에서 제1 배터리로의 전환시, 상기 제2 배터리의 (+) 단자가 제1 배터리의 (-) 단자와 순간적으로 접촉되므로, 여기에서 강한 서지 전류 및 스파크가 발생하며, 이는 배터리 폭발의 원인이 되며, 이는 아무리 전환시점을 좋게 잡는다 하더라도 100A 정도의 강한 전류가 단속되는 상황에서 피할 수 없는 치명적인 문제점이기도 하다.
다른 한편, 이상의 제1 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자는 특허 제1297148호 내지 제 1297150호와 같은 발명을 하였는바, 이는, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있는 안전한 이차전지를 이용한 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있었다.
즉, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 이차전지를 충전하는 중에도 다른 하나의 이차전지를 부하의 전원으로 사용하여 과부하 및 기기파손 또는 폭파없이 안전하게 에너지를 보충 저장할 수 있는 이차전지를 이용한 전원장치를 제공할 수 있었다.
이를, 첨부도면 중 도 2 내지 도 6을 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
도 2는 제2 종래기술에 따른 전원장치의 전체 구성도이고, 도 3a는 도 2의 릴레이의 전방 사시사진이고, 도 3b는 도 2의 릴레이의 후방 사시사진이고, 도 4는 도 2의 제어부의 회로도이고, 도 5는 도 4의 제어부의 제어 동작을 나타내는 흐름도이며, 도 6은 제2 종래기술에 따른 전원장치의 배터리 1이 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 2의 충전 정도가 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제2 종래기술에 따른 전원장치는, 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2), 방전모드의 배터리의 DC 전압을 AC로 인버팅하여 부하(50)에 전원을 공급하는 인버터(30),인버터(30)의 출력 교류 혹은 상용 교류 전원을 DC로 정류하여 충전모드의 배터리를 충전하는 충전기(40) 및 이들을 제어하는 제어부(20), 그리고 상기 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)를 방전모드 혹은 충전모드로 각각 지정해주는 상기 제어부(20)의 제어동작에 따라 배터리를 인버터나 충전기에 연결하여주는 릴레이부(10)를 포함한다.
경우에 따라, 직접 배터리를 충전하기 위한 상용 AC 전원이 제4 스위치(SW4)에 연결될 수 있으며, 혹은 직접 배터리를 충전하기 위한 외부솔라셀(60) 등의 외부 전원을 더 포함할 수 있다.
상기 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)는 2개가 한 쌍을 이루는 것이 바람직하나, 반드시 2개에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상이어도 된다. 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 각각은 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 방전과 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어주는 충전의 사이클을 통해 배터리의 기능을 수행하고, 제어부(20)의 제어에 의해 하나의 이차전지가 방전되는 동안에 다른 하나의 이차전지가 충전하는 과정을 교대로 반복 수행한다.
솔라셀(60)은 반도체의 성질을 이용하여 태양 빛(photons)을 전기 에너지로 변환시켜 DC 전압을 제어부(20)의 스위칭 동작에 의해 배터리에 공급함으로써, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)의 충전이나 부하(50)의 전원에 보조적으로 사용할 수 있도록 한다. 이때 상기 보조전원으로서는 반드시 솔라셀에 한정되는 것은 아니고, 풍력발전기나 경수력 발전기 등의 다른 보조전원이 가능하다.
상기 제어부(20)는 2개 이상의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 중 하나의 이차전지에서 출력되는 DC 전압의 크기를 감지하여 기준전압 이하이면 다른 하나의 이차전지로 전환하여 다른 하나의 이차전지에서 DC 전압을 출력할 수 있도록 하고, 이때 다른 하나의 이차전지에서 출력되는 DC 전압의 크기를 감지하여 기준전압 이하이면 하나의 이차전지로 전환하여 하나의 이차전지에서 DC 전압을 출력할 수 있도록 자동으로 제어한다.
또한, 상기 제어부(20)는 인버터(30)를 제어하여 인버터(30)에 출력되는 AC전력의 대부분을 부하(50)의 전원으로 사용할 수 있도록 제어하고, 나머지 AC전력은 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 충전에 사용할 수 있도록 충전기(40)에 출력되도록 제어한다.
또한, 상기 제어부(20)는 충전기(40)를 제어하여 방전중인 하나의 이차전지를 부하의 전원으로 사용하는 경우 충전기(40)에 공급되는 AC전력을 다른 하나의 이차전지로 출력하여 충전할 수 있도록 한다.
또한, 상기 제어부(20)는 충전기(40)를 제어하여 상용 AC전원을 두 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)에 출력하여 같이 충전할 수 있도록 한다. 상기 제어부(20)의 구성 및 동작에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
상기 제2 종래기술의 가장 큰 특징은, 각종 스위치를 제외하고, 각 DC 단자의 (+) 단자가 상호 고정 연결되어 있으며, (-) 단자를 스위칭하여 제어가 이루어진다 점이다. 이는 일반적으로 (-)극을 접지로 사용하고, (+)극의 연결을 스위칭함으로써 동작을 제어하는 일반적인 방식과 정반대되는 방식인바, 그 이유는 (-)전극을 스위칭함으로써 절환시 서지 전류 및 스파크 발생을 최소화하여 배터리를 폭발의 위험으로부터 보호하기 위함이다.
즉, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2), 인버터(30), 충전기(40)는 물론, 제어부(20)의 (+) 단자들이 상호 고정적으로 연결되어 있다.
한편, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)의 (-)단자는 각각, 릴레이부(10)의 제1 배터리 연결단자(15) 및 제2 배터리 연결단자(16)에 각각 접속되며, 이는 다시 제1 릴레이(11)의 가동접점(110) 및 제2 릴레이(12)의 가동접점(120)에 접속되며, 제어부(20)의 제1 배터리 연결단자(B1) 및 제2 배터리 연결단자(B2)의 (-)단자에 접속된다. 다만, 상기 릴레이부(10)의 제1 배터리 연결단자(15) 및 제2 배터리 연결단자(16)와 상기 제어부(20)의 제1 배터리 연결단자(B1) 및 제2 배터리 연결단자(B2)는 전원스위치(SW0)를 통해 연결됨으로써, 전원스위치를 넣었을 때에만 제어부에 파워가 공급되어 제어부가 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 상기 릴레이부(10)의 동작을 도 2 내지 도 3b를 참조하여 상세히 설명한다. 릴레이부(10)는 베이스(10a) 상에 제1 릴레이(11) 및 제2 릴레이(12)가 구비되는바, 각 릴레이는 기부로서의 각각의 플레이트(110b, 120b) 상에 구비되며, 다시 각 플레이트의 전면에 부도체의 지지대(110c, 120c)가 일례로 수직방향으로 고정 설치된다.
각 릴레이의 지지대 상에는 수평방향으로 충전기 연결판(13)과 인버터 연결판(14)이 가로질러 고정설치되는바, 충전기 연결판(13)과 인버터 연결판(14)은 각각 전기적으로 분리되어 있고, 한편으로는 상기 충전기 연결판(13)은 제1 릴레이(11)의 제1 고정단자(111) 및 제2 릴레이(12)의 제1 고정단자(121)가 전기적으로 접속되며, 상기 인버터 연결판(14)은 제1 릴레이(11)의 제2 고정단자(112) 및 제2 릴레이(12)의 제2 고정단자(122)가 전기적으로 접속된다.
따라서, 제1 스위치(SW1)가 ON 상태일 경우(
Figure 112016076256591-pat00002
='LOW')에는, 상기 제1 플레이트(110b) 상의 가동단자 지지판(115)에 지지되어 있는 상기 제1 릴레이의 가동단자(110)는, 솔레노이드(114)의 동작에 의해 제2 고정단자(112) 및 인버터 연결판(14)에 접속되고, 따라서 제1 배터리(1)를 인버터(30)에 연결하여 줌으로써 상기 제1 배터리가 방전모드로 동작하도록 한다 (도 2의 실선 표시 부분 참조).
이때, 제2 스위치(SW2)는 OFF 상태이여야 하며(
Figure 112016076256591-pat00003
='HIGH'), 상기 제2 플레이트(120b) 상의 가동단자 지지판(125)에 지지되어 있는 상기 제2 릴레이의 가동단자(120)는, 탄지 스프링(126)에 의해 탄지되므로 제1 고정단자(122) 및 충전기 연결판(13)에 접속되고, 따라서 제2 배터리(2)를 충전기(40)에 연결하여 줌으로써 상기 제2 배터리가 충전모드로 동작하도록 한다 (도 2의 실선 표시 부분 참조).
그리하여, 상기 인버터(30)는 제1 배터리로부터 출력되는 DC 전원을 내부 회로에 의해 AC로 인버팅하며, 제1 출력용 콘센트(30a) 및 제2 출력용 콘센트(30b)로 교류 전원을 출력하게 된다. 따라서, 사용자는 부하(일례로 300W 전구)의 플러그(SW3)를 상기 제1 콘센트에 접속하여, 전구를 밝힐 수 있게 된다.
아울러, 상기 인버터(30)의 제2 출력용 콘센트(30b)에 상기 충전기(40)의 플러그(SW4)를 접속하면, 인버터의 교류 출력의 일부(바람직하게는 15~35%)가 충전기로 출력되는바, 충전기는 이를 정류하는 등의 방식으로 DC로 바꾸어 현재 충전모드에 있는 제2 배터리(2)로 보내어, 제2 배터리(2)를 충전하게 된다.
이 경우, 추가로 설명하면, 충전기의 (-) 단자가 충전기 연결판(13), 제2 릴레이의 제1 고정단자(121) 및 제2 릴레이의 가동단자(120)를 통해, 제2 배터리 연결단자(16)를 통해 제2 배터리의 (-)단자에 접속되기 때문에, 제2 배터리가 충전모드로 동작가능한 것이다.
한편, 상기 충전기의 플러그인 상기 제4 스위치(SW4)는 인버터의 제2 콘센트(30b)에 접속될 수도 있으나, 미도시된 교류 상용전원(120V, 60Hz)의 콘센트에 접속되도록 할 수도 있으며, 혹은 보조발전기로서의 소형 유류발전기나 소수력 발전기등의 보조 교류전원에 접속되도록 하는 것도 가능하다.
한편, 상기 릴레이부의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)는 제어부(20)의 제1 및 제2 제어신호 출력단자(HD1, HD2)에 접속되어, 각각의 제1 및 제2 제어신호(
Figure 112016076256591-pat00004
,
Figure 112016076256591-pat00005
)에 의해 스위칭이 이루어지는바, 역시 각 제어신호 출력단(HD1, HD2)의 (+)단자는 +12V에 고정접속되고, 각 제어신호 출력단의 (-)단자를 통해 출력되는 상기 제어신호에 의해 동작하는 제1 및 제2 솔레노이드(114, 124)에 의하여 가동접점의 절환이 이루어진다.
즉, 제1 (
Figure 112016076256591-pat00006
)가 'LOW'이고 제2 제어신호(
Figure 112016076256591-pat00007
)가 'HIGH'이어서, 제1 솔레노이드(114)가 '온'이고 제2 솔레노이드(124)가 '오프'이면 (도 2의 실선 표시 부분), 제1 배터리(1)의 (-)단자가 '제1 배터리 연결판(15)-제1 릴레이 가동단자(110)-제1 릴레이 제2 고정단자(112)-인버터 연결판(14)-인버터(30)'를 통해 부하(50)에 연결되며 (인버터와 충전기는 유도결합으로 결합되나 전기적으로는 단절됨), 제2 배터리(2)의 (-)단자는 '제2 배터리 연결판(16)-제2 릴레이 가동단자(120)-제2 릴레이 제1 고정단자(121)-충전기 연결판(13)'을 통해 충전기(40)에 연결되며, 제1 배터리는 방전모드로 그리고 제2 배터리는 충전모드에 있게 된다. 참고로 도 2에서 화살표는 전류의 방향이 아니고, 에너지의 전달방향을 나타내는 것이다.
반대로 제1 (
Figure 112016076256591-pat00008
)가 'HIGH'이고 제2 제어신호(
Figure 112016076256591-pat00009
)가 'LOW'이어서, 제1 솔레노이드(114)가 '오프'이고 제2 솔레노이드(124)가 '온'이면 (도 2의 점선 표시 부분), 제1 배터리(1)의 (-)단자가 '제1 배터리 연결판(15)-제1 릴레이 가동단자(110)-제1 릴레이 제1 고정단자(111)-충전기 연결판(13)'을 통해 충전기(40)에 연결되며, 제2 배터리(2)의 (-)단자는 '제2 배터리 연결판(16)-제2 릴레이 가동단자(120)-제2 릴레이 제2 고정단자(122)-인버터 연결판(14)-인버터(30)'를 통해 부하(50)에 연결되며, 제1 배터리는 충전모드로 그리고 제2 배터리는 방전모드에 있게 된다.
미설명 참조부호 113 및 123은 제1 및 제2 배터리 접속단자(15, 16)와 각 릴레이의 가동단자(110, 120)를 연결하는 전선이며, 확실한 접속을 위해, 좌우 두 개씩의 단자가 동일한 형태로 구비되며 각 단자에 각각 2개의 전선으로 접속하여 총 4개의 전선으로, 각 배터리 접속단자(15, 16)를 해당 릴레이의 가동단자와 접속하게 된다. 미설명 참조부호 110a 및 120a는 각 릴레이의 가동접점(110, 120) 고정부이다. 미설명부호 127은 제2 릴레이의 제어신호 단자이다.
이제, 도 4 및 도 5를 참조하여, 제2 종래기술의 제어부(20)의 구성 및 동작을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 제어부(20)는, 제1 및 제2 배터리의 전원이 입력되는 배터리 전원 입력부(210), 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 배터리의 전압(+12V 혹은 +24V)을 컨버팅하여 +5V 및 +12V의 정전압을 발생하는 정전압 회로부(220), 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 제1 및 제2 배터리의 전압의 크기를 출력하는 제1 배터리 전압표시부(260) 및 제2 배터리 전압표시부(270), 상기 릴레이부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 릴레이 제어신호 출력부(250) 및 상기 제1 및 제2 배터리의 전압의 크기를 검출하여 상기 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 릴레이 제어신호를 출력하는 제어 IC를 포함하는 처리부(240)를 포함한다.
추가로, 상기 제어부는 옵션설정부(290)를 더 포함할 수 있는바, 이를 통해 제1 및 제2 배터리의 충방전 모드를 전환하는 기준치를 임의로 변경하는 것이 가능하다.
미설명 부호 230은 제어 IC의 리셋부이며, 280은 추가적인 입출력단자로 사용가능한 예비단자부이다.
먼저, 배터리전원 입력부(210)를 설명하면, 제1 배터리(1)의 DC 전압(VB1)을 분압저항 R37, R33을 통해 검출하여 제어 IC(Q1)의 VBA 단자를 통해 입력하며, 제2 배터리(2)의 DC 전압(VB2)을 분압저항 R41, R34를 통해 검출하여 제어 IC(Q1)의 VBB 단자를 통해 입력한다. 참고로, C14 및 C13은 노이즈 필터링용 커패시터이다.
한편, 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 제1 및 제2 배터리의 전압은 다이오드(D11, D12)에 의해 믹싱되어 정전압 회로부(220)의 DC-DC 컨버터(221)로 입력되는바, DC-DC 컨버터(221)는 릴레이 구동용 정전압(+12V) 및 본 제어회로용 정전압(+9V)을 출력하게 된다. 추가로, 상기 DC-DC 컨버터(221)에서 출력되는 제어회로용 정전압(+9V)은 정전압 IC(Q5)에서 다시 +5V의 정전압으로 조정되어진다.
이제, 처리부(240)의 제어 IC(Q1)는 제1 배터리의 순간 전압의 크기를 제1 배터리 전압표시부(260)의 LED들(L1~L23)을 통해, 그리고 제2 배터리의 순간 전압의 크기를 제2 배터리 전압표시부(270)의 LED들(L6~L25)을 통해 출력하게 된다. 일례로 상기 제어 IC(U1)는 PIC16F877A 가 사용될 수 있다.
아울러, 상기 제1 및 제2 배터리의 순간 전압의 크기를 비교하여 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 상기 릴레이부(10)의 온/오프를 제어하게 된다.
예를들어, 제1 릴레이의 제어신호를 출력하는 단자(S1)를 통해, '하이'신호를 출력하게 되면, 스위칭용 트랜지스터(Q2)가 턴온되며, 따라서 제1 릴레이 제어신호 출력단(HD1)의 제어단자 신호(
Figure 112016076256591-pat00010
)가 'LOW'가 되므로, 제1 릴레이 제어신호 출력단(HD1)의 상위 전원단자를 통해 제1 릴레이(11)의 솔레노이드(도 2의 SW1)(도 3b의 114)로 출력된 +12V 전압이 상기 출력단(HD1)의 하위 전원단자를 통해 통전되므로, 결국 제1 솔레노이드(114)가 동작하여, 상기 제1 릴레이의 가동단자(110)를 제2 고정단자(112) 측으로 접속되게 함으로써, 결국 제1 배터리의 (-)단자가 인버터 연결판(13)을 통해 인버터(30)의 (-)단자에 접속되도록 함으로써, 결국 제1 배터리(1)가 방전모드로 동작하게 된다. 이 경우, 제1 릴레이 동작 표시용 다이오드(L3) 역시 통전되므로, 제1 릴레이가 동작하는 상태를 보이게 된다 (도 6 좌측 LED 참조).
반대로, 이때 제2 릴레이의 제어신호를 출력하는 단자(S2)를 통해, '로우'신호를 출력하게 되면, 스위칭용 트랜지스터(Q3)가 턴오프되며, 따라서 제2 릴레이 제어신호 출력단(HD2)의 제어단자 신호(
Figure 112016076256591-pat00011
)가 'HIGH'가 되므로, 제2 릴레이 제어신호 출력단(HD2)의 상위 전원단자를 통해 제2 릴레이(12)의 솔레노이드(도 2의 SW2)(도 3b의 124)로 출력된 +12V 전압이 상기 출력단(HD2)의 하위 전원단자를 통해 통전되지 않게 되므로, 결국 제2 솔레노이드(124)가 동작하지 않게 되어, 상기 제2 릴레이의 가동단자(120)를 제1 고정단자(121) 측으로 접속되게 함으로서, 결국 제2 배터리의 (-)단자가 충전기 연결판(13)을 통해 충전기(40)의 (-)단자에 접속되도록 함으로써, 결국 제2 배터리(2)가 충전모드로 동작하게 된다. 이 경우, 제2 릴레이 동작 표시용 다이오드(L5) 역시 통전되지 않게 되므로, 제2 릴레이가 동작하지 않는 상태를 보이게 된다 (도 6 우측 LED 참조).
이후, 제1 배터리 전압은 계속 감소하게 되며, 제1 배터리는 충전 도중에 있게 되는바, 도 6에서는 제2 배터리의 충전 상태가 80%임을 알 수 있다.
더 진행하여, 이제 제1 배터리의 전압이 일정 이상 떨어지거나 전류가 감소하거나 혹은 정해진 시간이 경과하여 충방전을 전환할 필요가 있을 경우, 제어부(20)는 릴레이 제어신호를 반대로 하게 되며, 역으로 제2 릴레이가 방전 모드로 되며, 제1 릴레이가 충전모드로 되고 있는 실제 동작 사진이다.
계속해서, 이상의 상기 제어 IC의 기본적인 제어 동작을 도 5를 참조하여 설명하면, 먼저 제1 배터리 및 제2 배터리의 순간 전압을 측정하고 각 전압 표시부(260, 270)를 통해 출력하며(S1, S2), 이후 측정된 양 배터리의 순간 전압(VB1, VB2)을 비교하여(S3), 만약 제1 배터리의 순간 전압(VB1)이 제2 배터리의 순간 전압(VB2) 보다 크면, 제1 릴레이를 턴온시켜 제1 배터리를 방전모드로 하고, 제2 릴레이를 턴오프시켜 제2 배터리를 충전모드로 한다(S4)(도 6 참조).
이후, 방전 모드에 있는 제1 배터리(1)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S5), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제2 배터리의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S4 내지 S6 단계를 반복한다.
한편, 상기 S5 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제1 배터리(1)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 반대로 스위칭하여 제1 배터리를 충전모드로, 제2 배터리를 방전 모드로 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).
역으로, 상기 S3 단계에서의 판단 결과, 제1 배터리의 순간 전압(VB1)이 제2 배터리의 순간 전압(VB2) 보다 작으면, 제2 릴레이를 턴온시켜 제2 배터리를 방전모드로 하고, 제1 릴레이를 턴오프시켜 제1 배터리를 충전모드로 한다(S14).
역시 이후, 방전 모드에 있는 제2 배터리(2)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S15), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제1 배터리의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S14 내지 S16 단계를 반복한다.
한편, 상기 S15 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제2 배터리(2)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 반대로 스위칭하여 제2 배터리를 충전모드로, 제1 배터리를 방전 모드로 다시 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).
아울러, 이상은 제1 및 제2 배터리의 동작모드의 전환 기준을 도 4의 DIP 스위치(DIP1)의 조작을 통해 배터리의 전압 강하(0.2V)로만 세팅하였을 경우의 실시예를 설명한 것이며, 경우에 따라 배터리 전압 이외에 배터리 전류나 혹은 충방전 전환 시간을 도 4의 DIP 스위치(DIP1)의 조작을 통해 미리 다르게 세팅하여 행할 수 있도록 설정하는 것도 가능하다.
도 4의 옵션 설정부(290)는, 제어 IC의 단자에 접속된 풀업 어레이 저항(RA2)과 DIP 스위치(DIP1)로 구성되는바, DIP 스위치(DIP1)를 통해 설정이 가능하다. 일예로, DIP 스위치의 1번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.1V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.2V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 및 2번 스위치를 모두 올리면, 방전모드 배터리의 0.3V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 3번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.4V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 내지 3번 스위치를 모두 올리면, 방전모드 배터리의 0.7V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다. 아울러, DIP 스위치의 4번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 전압이 100A에서 5A 전류강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다. 혹은, DIP 스위치의 5번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 2.5분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 6번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 5분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 7번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 10분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 8번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 20분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다.
혹은 이들 전압, 전류 및 경과시간을 조합하여 충반전 모드 전환을 결정하도록 프로그래밍할 수도 있다.
최종적으로, 방전 중인 배터리의 전압이 10.7V 미만으로 되면, 모든 동작을 중지시킬 필요가 있는바, 통상 10.5V 미만에서도 계속해서 방전시에는 과방전으로 인하여 배터리의 재충전이 불가능하도록 되어 버릴 가능성이 있기 때문이다. 이 경우, 도 5의 흐름도에서, S4 단계 바로 이전에, 제1 배터리의 전압(VB1)이 10.7V 미만인지를 판단하는 단계가 추가되어야 하며, 제1 배터리의 전압(VB1)이 10.7V 이상일 경우에, S4 단계로 이행하고, 만약 제1 배터리의 전압(VB1)이 10.7V 미만일 경우에는 충방전 프로그램을 전면 중지하는 단계로 가야하며, 역시 S14 단계 바로 이전에도, 제2 배터리의 전압(VB2)이 10.7V 미만인지를 판단하는 단계가 추가되어야 하며, 제2 배터리의 전압(VB2)이 10.7V 이상일 경우에, S14 단계로 이행하고, 만약 제2 배터리의 전압(VB2)이 10.7V 미만일 경우에는 충방전 프로그램을 전면 중지하는 단계로 가야한다.
추가적으로, S5 및 S15 단계에서도 각각, 방전모드인 배터리의 전압 강하가 기준치(여기서는 0.2V) 이상인지와, 방전모드인 배터리의 전류 강하가 기준치(일예로 5A) 이상인지와, 방전모드인 배터리의 연속방전 경과시간이 기준치(일예로 5분) 이상인지의 조건 중에서 어느 한가지 조건이 충족되었는지, 혹은 2가지 조건 이상이 충적되었는지, 혹은 3가지 조건이 모두 충족되었는지 여부를 가지고 충반전 모드 전환을 시도하는 것처럼 흐름도를 변경하는 것이 가능하다.
이제, 이상의 제2 종래기술의 작용효과를 이하 상술한다.
주지하였다시피, 이차전지는 가역적인 전기화학반응을 이용하는 축전지로서, 일예로 납축전지의 경우에는 과산화납을 양극으로, 납을 음극으로 사용하고 전해액으로 묽은 황산을 사용한다.
상기 이차전지는 방전하는 동안 전극물질과 전해질 사이에 화학반응이 일어나는데, (－)극에서는 순수한 납원자(Pb)가 전해질의 황산이온(SO4 2­)과 반응하고, 황산(H2SO4)은 물에 녹아 음전하를 띤 황산이온과 양전하를 띤 수소이온(H＋)으로 되며, 납원자는 황산이온과 결합하면서 전자를 두 개 잃고 황산납(PbSO4)이 된다.
상기 이차전지를 사용(방전)할수록 황산이 소모되고 물이 생겨서 황산이 점점 묽어지게 되며, 이때 충전기를 이용해 충전하게 된다.
충전기는 강제로 상기 방전 과정의 반대 방향으로 전자를 흐르게 해서 역반응이 일어나게 하며 방전 과정의 반대 방향으로 반응이 일어나면 전극물질이 원래대로 바뀌고, 황산의 양도 다시 증가하여 충전된 이차전지를 이용해 다시 전원을 공급할 수 있게 된다.
즉, 방전이 진행되면 (－)극과 (＋)극은 모두 황산납으로 변화하여 반응속도가 줄어들고 부산물로 물이 생성되어 전해액의 농도가 낮아지게 되나, 가역적인 화학반응을 이용하여 충전을 하게 되는 것이다.
제2 종래기술은 2개 이상의 이차전지를 이용하여 충방전을 반복하는 과정에서, 발생할 수 있는 기기파손이나 폭발의 위험성을 줄일 수 있는 것이다.
예를들면, 양 배터리가 모두 12.7V일 경우, 제1 배터리를 방전시켜 부하에 전력을 공급하다가, 12.5V가 되면 모드를 전환하게 되고, 제2 배터리를 방전 모드로 및 제1 배터리를 충전 모드로 하게 되어, 일예로 제2 배터리의 전압이 12.5V일 시점에서 제1 배터리는 12.6V로 재충전이 되어짐으로써, 비록 나중에는 모두 10.7V 미만으로 되어 방전을 전면 금지시켜야 하겠지만, 어쨋든 충방전을 교대로 행하되 안전하게 절환할 수가 있는 것이다.
한편, 정격전압 12V 납축전지의 경우, 완전충전시 14.5~13.5V 정도의 배터리 전압이 관찰되며, 방전을 하게 됨에 따라 전압이 계속해서 낮아지며, 12V까지는 큰 변화가 없으나, 12V 미만으로 떨어질 시에는 배터리의 성능이 급격히 감소하게 된다 (이는 각 배터리의 특성에 따라 다소 차이가 있으나, 모든 배터리의 성능이 비례적으로 감소하지 않고 어느 시점에서 급격하게 성능이 떨어지는 클리프 현상을 갖는 것은 일반적이다). 이는 방전으로 인한 황산염 물질이 셀 간의 전극에 들러붙어 배터리의 성능을 크게 떨어뜨리기 때문이다.
특히, 9.5V 에서도 방전이 가능한 것으로 관찰되나, 다만 재충전을 용이하게 하기 위하여 전술한 바와 같이 10.7V 이하에서는 방전을 정지시키는 것이 바람직하다.
더욱이, 완전방전 후에 충전하려면 델코 배터리의 경우에 10시간 이상을 충전하여야 하나, 제2 종래기술에 의하면 제1 배터리의 방전 도중에도 아무런 폭발이나 과열 위험없이 제2 배터리를 솔라셀 등의 외부 전원으로도 충전하는 것이 가능하여, 이와 같이 외부 보조전원을 사용하는 경우, 방전시간에 제한이 없게 된다는 추가적인 장점이 있다.
그러나, 상기 제2 종래기술에서의 전원장치는 사실 중요한 한가지 요소가 생략되어 있다.
상기 충전기의 플러그인 상기 제4 스위치(SW4)는 인버터의 제2 콘센트(30b)에 접속될 수도 있으나, 미도시된 교류 상용전원(120V, 60Hz)의 콘센트에 접속되도록 할 수도 있으며, 혹은 보조발전기로서의 소형 유류발전기나 소수력 발전기등의 보조 교류전원에 접속되도록 하는 것도 가능하다.
그리고, 보다 바람직하기로는, 상기 인버터와 연결된 2개의 제1 및 제2 배터리가 공히 거의 방전상태인 경우, 교류 상용전원에 의해 부하가 가동되면서 상기 충전기에 의해 제1 및 제2 배터리가 충전되어지고, 나아가 교류 상용전원도 정전 상태인 경우에는 소형 유류발전기나 소수력 발전기등의 보조 교류전원에 의해 부하가 가동되면서 상기 제1 및 제2 배터리가 충전되어지도록 하여야 한다.
그런데, 이러한 전원의 절환은 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어져야 한다. 그러나, 이러한 순간적인 절환에 대해 상기 제2 종래기술은 별다른 특유의 장치를 제공하지 않고, 종래의 일반적인 절환장치를 상정하여 설명하였다.
더욱이, 종래의 독립형 태양광 발전 시스템은 낮에는 솔라셀에 연결된 축전지를 충전하고 밤에는 축전된 전력으로 비교적 조도에 비해 소비전력이 낮은 부하를 구동하는 방식이었으나, 제1 종래기술에 따르는 일반적인 축전지를 사용하는 관계로, 제1 종래기술에서 언급한 문제점으로 인하여 몇 시간 가동되지도 못하고 배터리가 소모되어 버리며, 솔라셀의 발전 용량 및 배터리의 축전 용량을 크게 하더라도 설사 처음에는 그런대로 동작하지만 몇 번 충전과 방전이 반복되다 보면, 축전지의 피로도가 쌓여 나중에는 완전충전이 되지 못하며 역시 몇시간 점등되지 못하고 배터리가 소모되어 버린다는 문제점이 있어, 상용 AC 전원과 연결되지 않고 독립적으로 사용되는 형태의 태양광 발전 시스템은 결국 대부분 실패하였다.
결국, 본 발명자는, 상술한 제1 및 제2 종래기술의 문제점 및 이에 따른 태양광 발전 시스템의 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 이차전지를 구비한 전원장치와 상기 전원장치 외부의 또다른 전원을 갖는 전력관리 시스템에서의 부하에 공급되는 전원의 절환을 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어지도록 하면서, 각 전원간의 조건을 최대한 활용하여 최대한 효율적인 전원 공급이 이루어지도록 하는 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 발전 시스템을 제공하는 특허 제1563949호를 발명하였다.
상기 제3 종래기술에 의하면, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 안전하게 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있는 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템이 제공될 수 있다.
이를 도 7a 내지 도 9를 참조하여 상술하면, 다음과 같다.
도 7a는 상기 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 회로도이고, 도 7b는 상기 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 구성도이다. 도 8a 내지 도 8d는 도 7a의 전환장치의 충방전 모드 전환 회로의 회로도로서, 도 8a는 충방전 모드 전환 회로의 제어부이고, 도 8b는 충방전 모드 전환 회로의 입력부이고, 도 8c는 충방전 모드 전환 회로의 제1 출력부이고, 도 8d는 충방전 모드 전환 회로의 제2 출력부이며, 도 9는 도 8의 제어부(CPU)의 동작 흐름도이다.
먼저, 상기 제3 종래기술의 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템에 사용되는 이차전지를 이용한 전원장치의 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전체 전력관리 시스템을 도 7a를 참조하여 설명한다.
상기 제3 종래기술이 적용되는 이차전지를 이용한 전원장치(100)는, 제2 종래기술에서 설명한 본 발명자의 특허 제1297148호 발명에서의 전원장치 (도 2 참조) 와 거의 동일하다.
다만, 제2 종래기술에서의 이차전지를 이용한 전원장치의 경우에는, 도 2에서 보는 바와 같이, 인버터(30)에서 부하(50)로 바로 제3 스위치(SW3)를 통해 인버터의 교류 전력이 부하로 인가되며, 인버터(30)에서 충전기(40)로 바로 제4 스위치(SW4)를 통해 인버터의 교류 전력이 충전기로 인가되어 DC로 변환된 다음에 충전용 배터리를 충전하게 된다.
그러나, 상기 제3 종래기술이 적용되는 이차전지를 이용한 전원장치(100)의 경우에는, 도 7a에서 보는 바와 같이, 인버터(30)에서 부하(50) 및 충전기(40)로 바로 가지 않고, 전환장치(300)를 통해서 접속되며, 이때 전환장치는 인버터(30)의 입력 외에도 상용 AC 전원(400) 및 유류 발전기와 같은 임시 발전기(500)의 입력을 가지며, 이들 적어도 3가지의 입력 중의 어느 하나의 입력을 부하 및 충전기로 출력하게 되며, 이들 전원을 절환할 경우에 미리 정해진 우선순위 및 조건에 따라 자동으로 정전 없이 절환되어 진다.
보다 구체적으로는, 이차전지를 이용한 전원장치(100)의 인버터(30)의 출력단자(30a)가 전환장치(300)의 인버터 입력단(INV_IN)(도 7a 및 도 8b 참조) 의 양 입력단자 'INV1' 및 'INV2' (도 8b 참조) 에 접속되어 진다.
유사하게, 상용 AC 전원(400)의 양 단자가 전환장치(300)의 AC 입력단(AC_IN)의 양 입력단자 'AC1' 및 'AC2' (도 8b 참조) 에 접속되어 지며, 발전기(500)의 양 단자가 전환장치(300)의 발전기 입력단(GEN_IN)의 양 입력단자 'GEN1' 및 'GEN2' (도 8b 참조) 에 접속되어 진다.
전환장치(300)의 부하 출력단자 (L1, L2)(도 7a 및 도 8b 참조) 는 부하의 단자(50a)에 접속되어 지며, 이와 병렬 접속된 제2 출력단자(PL1)는 추가적인 출력장치에 필요에 따라 선택적으로 접속 가능하도록 일례로 콘센트로 구성되어질 수 있고, 또다른 출력단자(PL2)는 충전기(40)의 입력단자(40a)에 접속되어 진다.
종래기술과 마찬가지로, 이상의 외부 교류 전원 외에도, 외부 직류 전원 (일례로 솔라셀(60)의 단자(60a)가 전원장치(100)의 충전용 배터리에 스위치를 통해 접속되어 질 수 있다.
이상의 도 7a의 구성을 좀더 현실감 있게, 도 7b에 모형도로 도시하였는바, 도 7b에는, 이외에도 12V 선이 하나 더 있는바, 이는 방전모드에 있는 배터리의 출력전압이 제어부(20)의 DC-DC 컨버터(221)(도 4 참조)를 통해 약 12V로 컨버팅되어 상기 제3 종래기술의 전환장치(300)로 입력되는바, 이는 배터리의 전압이 정상적인 상태에서는 약 12V (보다 정확하게는, 일례로 10.7V 내지 12.3V) 를 유지하지만, 그렇지 않은 경우에는 이들 전압이 변화하는바, 이 배터리의 전압을 전환장치의 단자 '12V+' 및 '12V-' 단자(도 8b)에서 감지하여 현재 배터리의 충방전 상태를 감지하기 위함이다.
미설명 부호 '61'은 솔라셀(60)의 전원을 상기 제3 종래기술의 전원장치에 맞도록 조절하기 위한 조절장치이다.
이제, 도 8a 내지 도 9를 참조하여, 이상의 상기 제3 종래기술의 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템에 사용되는 전환장치의 충방전 모드 전환 회로 및 방법에 대하여 설명한다.
상기 전력관리 시스템에 사용되는 이차전지를 이용한 전원장치의 충방전 모드 전환 회로는, 도 8a 내지 도 8d에서 보는 바와 같이, 입력부(310)(도 8b), 출력부(320)(도 8c 및 도 8d) 및 이들을 제어하는 제어부(330)(도 8a)로 구성된다.
먼저, 도 8b를 참조하여 입력부를 설명하면, 인버터의 입력단자(INV1, INV2)를 통해 입력된 교류를 전파정류 및 평활화하고(BR2, R26-R28, R35, C21), 이를 제2 포토 커플러(Q2)를 통해 제어부(330)의 CPU(U1)의 'RB5' 입력단자로 신호를 주게 되는바, 따라서 CPU는 상기 입력부 및 입력단자 'RB5'를 통해 인버터의 전력 인가 여부를 계속해서 감시하게 된다. 일례로 상기 CPU는 '16F628' PIC 마이컴일 수 있다.
마찬가지 방식으로, 상용 AC 입력단자(AC1, AC2)를 통해 입력된 교류를 전파정류 및 평활화하고(BR1, R2, R24-R25, R34, C20), 이를 제1 포토 커플러(Q1)를 통해 제어장치의 CPU(U1)의 'RB4' 입력단자로 신호를 주게 되는바, 따라서 CPU는 상기 입력부 및 입력단자 'RB4'를 통해 상용 AC 전원의 전력 인가 여부를 계속해서 감시하게 된다.
역시 마찬가지 방식으로, 발전기(제너레이터)의 입력단자(GEN1, GEN2)를 통해 입력된 교류를 전파정류 및 평활화하고(BR3, R29-R31, R36, C22), 이를 제3 포토 커플러(Q3)를 통해 제어장치의 CPU(U1)의 'RB6' 입력단자로 신호를 주게 되는바, 따라서 CPU는 상기 입력부 및 입력단자 'RB6'를 통해 발전기의 전력 인가 여부를 계속해서 감시하게 된다.
한편, 상기 입력부(310)는 전원장치(100)의 축전지의 전압(약 12V)의 크기를 '12V+' 및 '12V-' 단자를 통해 입력받는바, 이는 전압 크기가 그대로 혹은 전압분배기(일례로 전압분배 저항: 미 도시됨)를 통해 크기가 조절되어, 제어부의 CPU(U1)의 'RA0' 단자로 인가되며, 따라서 제어부 CPU는 계속해서 축전지의 저압의 크기를 검출하게 된다.
더욱이, 상기 입력부(310)의 '12V+' 및 '12V-' 단자를 통해 인가되는 축전지 전압은 다이오드(D3) 및 파워 스위치(S1A)를 통해 제5 정전압다이오드(U5) 및 제6 정전압다이오드(U6)를 통해 Vcc(일례로 5V)를 출력하고, 저항(R18)을 통해 표시용 LED(D8)을 점등시킨다.
한편, 상기 입력단의 끝에는, CPU(U1)가 전환장치의 내부 온도를 체크하여 일정 온도 이상으로 고안이라고 판단되는 경우, 'RB7' 단자를 '하이'로 만들어, 팬(FAN)이 동작하도록 한다.
이제, 출력부(320)와 제어부의 동작에 대해, 도 8a, 도 9c, 및 도 8d를 참조하여 설명한다.
CPU의 출력단자 'RB1'은 저항(R14) 및 표시용 LED(D4)를 통해 접지와 연결됨과 동시에, 저항(R17)을 통해 인버터 전원 스위칭회로부(321)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB1'의 출력이 '하이'이면, 제3 및 제4 포토커플러(U3, U4)를 턴온시키며, 이에 따라 제6 트라이액(D6) 및 제7 트라이액(D7)을 턴온시켜, 제1 인버터 단자(INV1)가 제6 트라이액(D6)을 통해 부하 출력단의 일측(L1)에 연결되며 (이때 스위치(S2)가 개재될 수 있음), 제2 인버터 단자(INV2)가 제7 트라이액(D7)을 통해 부하 출력단의 타측(L2)에 연결됨으로써, 결국 인버터 파워가 부하에 인가되도록 스위칭한다. 참고로, 상기 부하 단자(L1, L2)와 병렬로 제1 예비출력단(Pl1)이 연결될 수 있으며, 이 예비출력단은 추가용 부하로 출력을 하기 위해 일례로 리셉터클로 이루어질 수 있다.
한편, CPU의 출력단자 'RB0'은 저항(R13) 및 표시용 LED(D2)를 통해 접지와 연결됨과 동시에, 저항(R16)을 통해 상용 AC 전원 스위칭회로부(U2, D1 및 부속회로)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB0'의 출력이 '하이'이면, 제2 포토커플러(U2)를 턴온시키며, 이에 따라 제1 트라이액(D6)을 턴온시켜, 제1 AC 단자(AC1)가 제1 트라이액(D1) 통해 부하 출력단의 일측(L1)에 연결된다. 한편, 제2 AC 단자(AC2)는 상기 제2 부하 출력단(L2)과 공통 접속되어 진다.
추가적으로, CPU의 출력단자 'RB3'은 저항(R32)을 통해 충전용 스위칭회로부(U7, D9 및 부속회로)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB3'의 출력이 '하이'이면, 제7 포토커플러(U7)를 턴온시키며, 이에 따라 제9 트라이액(D9)을 턴온시켜, 제1 AC 단자(AC1)가 제9 트라이액(D9) 통해 충전용 리셉터클(PL2)의 일측에 접속되어 진다. 역시, 제2 AC 단자(AC2)는 상기 제2 부하 출력단(L2) 및 충전용 리셉터클의 타단과 공통 접속되어 진다.
이제, 도 8d를 참조하면, 이는 도 8c에서 인버터 전원 스위칭회로부(321) 대신 발전기 전원 스위칭회로부(322)로 대체되어 있으며, 상기 발전기 전원 스위칭회로부(322)는 CPU의 출력단자 'RB2'에 접속되어 진다는 점을 제외하고는 다른 회로는 동일하다.
즉, CPU의 출력단자 'RB2'는 저항(R15) 및 표시용 LED(D5)를 통해 접지와 연결됨과 동시에, 저항(R117)을 통해 발전기 전원 스위칭회로부(322)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB2'의 출력이 '하이'이면, 제13 및 제14 포토커플러(U103, U104)를 턴온시키며, 이에 따라 제16 트라이액(D106) 및 제17 트라이액(D107)을 턴온시켜, 제1 발전기 단자(GEN1)가 제16 트라이액(D106)을 통해 부하 출력단의 일측(L1)에 연결되며, 제2 발전기 단자(GEN2)가 제17 트라이액(D107)을 통해 부하 출력단의 타측(L2)에 연결됨으로써, 결국 발전기 파워가 부하에 인가되도록 스위칭한다.
한편, 제어부(330)의 CPU(U1)에는 DIP 스위치가 부가되어 있어, 이를 통해 각종 기준 전압(Vr1, Vr2)이나 기준 시간(Tr)의 조정이 외부에서 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 전원장치의 충방전 모드 전환 회로에서의 CPU의 동작, 즉 전원장치의 충방전 모드 전환 방법에 대하여, 도 9를 참조하여 설명한다.
먼저, 시스템이 동작하게 되면, 가장 우선순위에 있는 인버터의 전원이 '온'인지 여부를 체크하게 되는바(S1), 이는 인버터 파워를 입력부(310)의 입력단(INV_IN)을 통해 제어부(330) CPU의 'RB5' 단자의 입력이 '하이'인지 여부로 검사하게 된다.
인버터 전원이 '온'이면, 배터리가 장착되었거나 적어도 배터리로부터 인버터를 통해 의미있는 파워가 출력되고 있음을 의미하므로, 이제 배터리 전압을 체크하여 배터리 출력 전압(Vt)이 허용 상한치인 제2 기준전압(Vr2) 이상인지 여부를 체크하게 된다(S3). 대체로 제2 기준전압은 배터리가 과충전되는지 여부를 체크하기 위한 것으로, 일례로 델코 납축전지 배터리의 경우에는 12.3V 정보가 적합하다. 만약, 상기 S1 단계에서, 인버터 전원이 '오프'이면, 배터리가 장착되지 않았거나 적어도 배터리로부터 인버터를 통해 의미있는 파워가 출력되지 않음을 의미하므로, 후술하는 바와 같이 다음 순위의 상용 AC 전원의 정전 여부를 체크하는 S7 단계로 이행한다.
상기 S3단계는, 전원장치(100)의 배터리(BAT-1, BAT-2) 단자의 전압(12V+ 및 12V-)을 직접 혹은 분압저항을 사용하여 계량화된 전압으로 하여, CPU의 'RA0' 단자를 통해 체크하게 된다.
이제, 상기 S3 단계에서 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이라면(Vt≥Vr2), 전원장치의 배터리가 과충전되었음을 의미하므로, 충전 동작을 정지시키고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'를 '로우'로 함), 배터리 전압이 충분하므로 인버터를 부하 출력으로 연결하게 되고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB1'를 '하이'로 함)(S4), 처음으로 리턴한다.
만약, 상기 S3 단계에서의 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이 아니면(Vt<Vr2), 배터리 전압이 허용 하한치인 제1 기준전압(Vr1) 이하인지 여부를 체크하게 된다(S5).
그리하여, 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하가 아니면(Vt>Vr1), 배터리 전압이 허용 상한치 이하 및 허용 하한치 이상인 정상치에 있는 것이므로(Vr1≤Vt≤Vr2), 인버터 전원 스위칭회로부(321)를 '온' 상태로 유지함으로써, 부하를 인버터에 계속해서 연결하는 동작을 유지하고 ('RB1'을 '하이'로 유지)(S6), 이후 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하로 떨어질 때까지 상기 S5 및 S6 단계를 반복한다.
반면, 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하이면(Vt≤Vr1), 배터리가 연결은 되어 있으나, 방전을 해서는 안 되는 상황이므로, 상용 AC 전원을 부하에 연결하고 동시에 상용 AC 전원으로 배터리를 충전하여야 한다.
이를 위해, 두번째 우선순위에 있는 상용 AC 전원이 '온'인지 여부를 체크하게 되는바(S7), 이는 상용 AC 전원의 파워를 입력부(310)의 입력단(AC_IN)을 통해 제어부(330) CPU의 'RB4' 단자의 입력이 '하이'인지 여부로 검사하게 된다.
상용 AC 전원이 '온'이면, 상용 AC 전원이 정전이 아닌 정상 상태이므로, 부하를 즉시 (무정전 상태로) AC 전원으로 전환하고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB1'를 '로우'로 하고, 'RB0'을 '하이'로 함)(S11), 아울러 상용 AC 전원으로 베터리를 충전하는 동작을 병행하게 된다 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'을 '하이'로 함)(S13).
한편, 상기 S13 단계에서 충전과 동시에 타이머(Tc)를 리셋하고 타이머를 동작시키는바, 이는 일정 시간 (일례로 1~2 시간) 이상 배터리를 충전하지 못하도록 하기 위함이다. 이와 같이 배터리 충전 중지를 배터리의 전압으로 제어하는 외에도 충전 시간으로 제어하는 이유는, 가령 배터리가 노후화되어 아무리 충전해도 충전 과전압까지 배터리 전압이 이르지 않을 수 있기 때문에, 안전상 일정 시간 이상을 충전하지 못하도록 하기 위함이다.
이를 위해, 다음 단계인 S15 단계에서, 충전 시간(Tc)이 기준 시간(Tr) 이상인지 여부를 체크하여, '예스'이면, 충전을 정지시키고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'을 '로우'로 함)(S16), 처음으로 리턴한다.
그러나, 상기 S15 단계에서의 판단 결과, '노우' 이면, 과충전인지 여부를 체크하기 위해, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상인지 여부를 체크하여(Vt≥Vr2 ?), 그렇지 않으면 계속 충전해도 되므로 AC 전원의 '온' 상태 여부를 체크하여(S19) 상기 S15, S17 및 S19 단계를 반복한다.
그러나, 만약 상기 S17 단계에서의 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이라면(Vt≥Vr2), 전원장치의 배터리가 충분히 충전되었음을 의미하므로, 부하 전원을 인버터로 전환하고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB0'를 '로우'로 하고, 'RB1'을 '하이'로 함)(S18), 충전 동작을 정지시키며 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'를 '로우'로 함)(S16), 처음으로 리턴한다.
한편, 상기 S7 단계 혹은 상기 S19 단계에서의 판단 결과, AC 전원이 '온'이 아니면, 이는 사용 AC 전원이 정전 상태임을 의미하므로, 부하에 계속적인 무단속 파워를 공급하기 위해, 발전기 가동을 시작하게 되며(S8), 부하 전원을 발전기로 전환하게 된다(S9).
그리고 발전기로의 전환은, 도 8a 및 도 8d의 CPU 출력단 'RB1'을 '로우'로 하고, 'RB2'를 '하이'로 함으로서, 도 8d에서 보는 바와 같은 발전기 전원 스위칭회로부(322)가 동작하도록 함으로써, 행해진다. 이후, 처음으로 리턴하여, 다시 전체를 반복하여 수행한다.
상술한 제3 종래기술에 의하면, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 안전하게 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있는 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템이 제공될 수 있다.
그러나, 상기 제1 내지 제3 종래기술 공히, 사용 전압이 기껏해야 수십 볼트 (일례로, 12~48V)이고 용량도 수백 와트에 불과한 경우에 대해 적용되는 기술이다. 그러나, 최근 환경 보호 및 탄소 배출권이 크게 이슈화되어 있어 급기야 전에는 배터리 때문에 감히 생각지도 못했던 수백 킬로와트 내지 수 메가와트 급의 태양광 발전 시스템을 고려할 수 있게 되었다. 일례로 개별 공장에서 1 메가와트 급의 태양광 발전 시스템을 구축하려면 수 억원의 비용이 소요되는 배터리 어레이(배터리 뱅크)를 구축하여야 하는바, 전에는 천문학적인 배터리 비용 때문에 태양광 발전을 포기하였으나, 이제 탄소 배출권을 가지고 충분히 배터리를 구입할 수 있는 가능성이 열렸다.
다만, 그럼에도 불구하고 2차 전지의 수명이 항상 문제가 되었었는바, 본 발명자는, 본 발명자의 상기 선등록 발명들의 충방전 전환 장치를 응용하면 배터리의 수명이 길어져서, 배터리 어레이(배터리 뱅크)를 탄소 배출권의 반사 이익에 준하여 구축하는 것이 충분히 가능함을 확인하였다.
마지막 문제는, 상기 종래 기술의 충반전 전환 장치의 스위칭 장치는 수백 볼트의 직류 고전압 (일례로 DC 750V/2500A)의 대용량 (일례로 1.8MW) 충방전 시스템에 상기 본 발명자의 충방전 시스템을 적용하자면, 스위칭 절환시 접점에서 아크 방전이 발생하게 되면서 도 3a 및 도 3b의 전환장치의 접점이 녹아 파손되어 버린다는 점이다. 이는 일단 고전압 고용량이기 때문이며, 더욱이 철도 전원 공급 장치에서와 같이 교류의 경우라면 전압이 제로점인 순간에 절환하는 등의 방식이 가능하지만, 직류의 절환에서는 그것이 불가능하며, 직류의 경우에는 절환시에도 접점에서 쇼트가 계속해서 유지되기 때문에 거대한 아크 불꽃을 일으키며 접점이 녹아버리는 문제점이 있었다.
특허 제1297148호 내지 제1297150호 (2013년 08월 09일 등록) 특허 제1539094호 (2015년 07월 17일 등록) 특허 제1563949호 (2015년 10월 22일 등록)
본 발명은 상술한 제1 내지 제3 종래기술의 적용을 직류 고전압 고용량의 경우까지 확장하기 위한 것으로, 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 제공하고, 더 나아가 이차전지를 구비한 전원장치에서의 충방전의 동시 절환을 위해 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어지도록 하면서, 더 나아가 태양광 발전이 어려운 상황에서는 상용 AC 전원까지도 본 발명의 시스템에 아무런 문제없이 적용할 수 있도록 하는, 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
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상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치는, 백 볼트 이상의 고전압 및 백 킬로와트 이상의 대용량의 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치(10')와, 상기 무접점 스위칭 장치(10')를 제어하는 제어부(20')를 포함하는 이차 전지 충방전 전원 장치로서, 상기 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치(10')는, 복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제1 배터리 뱅크(1'); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 대응되도록 복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제2 배터리 뱅크(2'); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 어느 일측 배터리 뱅크를 부하측으로 접속하면서 동시에 다른 타측 배터리 뱅크는 부하측과 차단시키는 방전부(1000); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 상기 타측 배터리 뱅크를 충전기측으로 접속하면서 동시에 상기 일측 배터리 뱅크는 충전기측과 차단시키는 충전부(2000); 및 상기 방전부(1000) 및 상기 충전부(2000)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 컨트롤러(3000); 를 포함하며, 상기 방전부(1000)는, 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 접속되어 상기 부하측으로의 접속 여부를 스위칭하는 제1 무접점 스위치(1100); 및 상기 제2 배터리 뱅크(2')와 접속되어 상기 부하측으로의 접속 여부를 스위칭하는 제2 무접점 스위치(1200); 를 포함하며, 상기 충전부(2000)는, 상기 제2 배터리 뱅크(2')와 접속되어 상기 충전기로부터의 접속 여부를 스위칭하는 제3 무접점 스위치(2100); 및 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 접속되어 상기 충전기로부터의 접속 여부를 스위칭하는 제4 무접점 스위치(2200); 를 포함하며, 상기 제1 무접점 스위치(1100) 내지 제4 무접점 스위치(2200)의 각각의 제1 게이트 컨트롤 신호 내지 제4 게이트 컨트롤 신호는 상기 게이트 컨트롤러(3000)로부터 오되, 상기 제1 게이트 컨트롤 신호와 제3 게이트 컨트롤 신호가 동기화되며, 상기 제2 게이트 컨트롤 신호와 제4 게이트 컨트롤 신호가 동기화되어지되, 상기 게이트 컨트롤 신호들은 상호 교호적으로 게이트 컨트롤 제어가 이루어지도록 하며, 상기 제1 무접점 스위치(1100)는, 애노드가 제1 배터리 뱅크(1')에 접속되고 캐소드는 부하측에 접속되며 게이트는 제1 GTO 드라이버(U1)에 접속되는 제1 GTO 사이리스터(D1)이며, 상기 제2 무접점 스위치(1200)는, 애노드가 제2 배터리 뱅크(2')에 접속되고 캐소드는 부하측에 접속되며 게이트는 제2 GTO 드라이버(U3)에 접속되는 제2 GTO 사이리스터(D3)이며, 상기 제3 무접점 스위치(2100)는, 캐소드가 제2 배터리 뱅크(2')에 접속되고 애노드는 충전기측에 접속되며 게이트는 제3 GTO 드라이버(U6)에 접속되는 제3 GTO 사이리스터(D5)이며, 상기 제4 무접점 스위치(2200)는, 캐소드가 제1 배터리 뱅크(1')에 접속되고 애노드는 충전기측에 접속되며 게이트는 제4 GTO 드라이버(U9)에 접속되는 제4 GTO 사이리스터(D7)이며, 상기 제1 GTO 드라이버(U1) 내지 제4 GTO 드라이버(U9)는 각각, 상기 제1 게이트 컨트롤 신호 내지 제4 게이트 컨트롤 신호에 의해 상기 제1 GTO 사이리스터(D1) 내지 제4 GTO 사이리스터(D7)의 게이트에 정방향 점호 펄스 혹은 역방향 소호 펄스를 인가하며, 상기 제1 내지 제4 GTO 사이리스터(D1,D3,D5,D7)의 각각은, 애노드와 캐소드에 콘덴서 및 다이오드의 직렬회로가 상기 각각의 사이리스터와 병렬 연결되며, 상기 콘덴서 및 다이오드의 접점 및 애노드 간에는 저항이 각각 병렬연결되고, 상기 콘덴서 및 다이오드의 접점 및 캐소드 간에도 또다른 저항이 각각 병렬연결되어 부가회로를 구성하며, 상기 제어부(20')는 어느 일 시점에서는 상기 제1 배터리 뱅크(1')가 방전 모드이면서 동시에 상기 제2 배터리 뱅크(2')는 충전 모드로 되도록 제어하다가, 다른 시점에서는 상기 제1 배터리 뱅크(1')가 충전 모드이면서 동시에 상기 제2 배터리 뱅크(2')는 방전 모드로 되도록 제어하되, 충방전 모드는 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2')의 배터리 전압을 감지하여 일정 값 이상 높은 배터리 뱅크를 방전 모드로, 일정 값 이상 낮은 배터리 뱅크를 충전 모드로 제어하도록 하며, 상기 충전기는, 상기 부하측에 연결되면서 외부로부터 공급되는 외부 전원에도 연결되어, 상기 제1 배터리 뱅크(1') 및 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중, 방전 모드의 배터리 뱅크의 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 충전모드의 배터리 뱅크의 충전에 이용되도록 하면서, 또한 상기 외부 전원으로부터 공급되는 외부 전원에 의해서도 상기 충전 모드의 배터리 뱅크가 충전 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 충전기는, 상기 부하측에 연결되면서 솔라셀(60)에 의해 충전되는 전력을 배터리 뱅크의 전압에 적합하도록 승압하여 인가하는 솔라셀 드라이버(61)에도 연결되어, 상기 제1 배터리 뱅크(1') 및 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중, 방전 모드의 배터리 뱅크의 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 충전모드의 배터리 뱅크의 충전에 이용되도록 하면서, 또한 상기 솔라셀 드라이버로부터 공급되는 솔라셀 전원에 의해서도 상기 충전 모드의 배터리 뱅크가 충전 가능하며, 상기 솔라셀 드라이버로부터의 충전 전압이 일정치 이하이면 상기 솔라셀 드라이버 대신 상용 AC 전원으로 충전되도록 AC 충전기로부터 상기 배터리 뱅크의 충전이 이루어지도록 절환하는 트랜스퍼(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 대용량의 이차전지 어레이(배터리 뱅크)를 2벌 이상 구비하여 한 벌의 이차전지 어레이(배터리 뱅크)를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 한 벌의 이차전지 어레이(배터리 뱅크)의 충전에 안전하게 이용함으로써 대용량의 고전압 축전지들을 교대로 안전하게 활용할 수 있도록 하는 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치가 제공될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 이차 전지 충방전 전원 장치에 의하면, 수백 킬로와트 내지 수 메가와트 급의 대용량 태양광 발전이 단일 공장이나 사업체에서 경제적으로 가능하면서도 태양광 발전이 불가능한 시기에는 상용 AC 전원과 같은 다른 종류의 전원으로도 충전이 가능한 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치가 가능하다.
도 1은 제1 종래기술에 따른 두 개의 배터리들 및 교환기 스위치를 가진 발전기를 도시하는 도면.
도 2는 제2 종래기술에 따른 전원장치의 전체 구성도.
도 3a는 도 2의 릴레이의 전방 사시사진.
도 3b는 도 2의 릴레이의 후방 사시사진.
도 4는 도 2의 제어부의 회로도.
도 5는 도 4의 제어부의 제어 동작을 나타내는 흐름도.
도 6은 제2 종래기술에 따른 전원장치의 배터리 1이 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 2의 충전 정도가 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진.
도 7a는 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 회로도.
도 7b는 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 구성도.
도 8a 내지 도 8d는 도 7a의 전환장치의 충방전 모드 전환 회로의 회로도로서,
도 8a는 충방전 모드 전환 회로의 제어부이고,
도 8b는 충방전 모드 전환 회로의 입력부이고,
도 8c는 충방전 모드 전환 회로의 제1 출력부이고,
도 8d는 충방전 모드 전환 회로의 제2 출력부.
도 9는 도 8의 제어부(CPU)의 동작 흐름도.
도 10은 본 발명에 따른 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치의 구성도.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치의 실제 제품 사진.
도 13은 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치의 회로도.
도 14는 본 발명에 따른 이차전지를 이용한 전원장치의 제어부의 동작 흐름도.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명에 따른 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치의 구성도이고, 도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치의 실제 제품 사진이고, 도 13은 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치의 회로도이며, 도 14는 본 발명에 따른 이차전지를 이용한 전원장치의 제어부의 동작 흐름도이다.
먼저, 본 발명에 따른 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치에 대하여, 도 10 내지 도 12를 참조하여 상술한다.
상기 도 10에서의 본 발명의 전원 장치(100')는, 도 7b의 본 발명자의 선등록의 전원장치(100)와 유사하며, 다만, 후술하는 바와 같이, 상기 종래기술에서는 12V의 저전압용이므로 충방전 모드 전환을 위하여 릴레이부(10)가 스위칭 동작에 사용되었으나, 본 발명에서는 고전압 대용량인 관계로 이를 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭부(10')로 대치된 점이 근본적으로 상이하다. 이에 대해서는 후에 상술한다.
즉, 도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 전원 장치(100')는, 복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제1 배터리 뱅크(1'); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 대응되도록 복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제2 배터리 뱅크(2'); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 어느 일측 배터리 뱅크를 부하측으로 접속하면서 동시에 다른 타측 배터리 뱅크는 부하측과 차단시키는 방전부(1000)와, 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 상기 타측 배터리 뱅크를 충전기측으로 접속하면서 동시에 상기 일측 배터리 뱅크는 충전기측과 차단시키는 충전부(2000)와, 상기 방전부(1000) 및 상기 충전부(2000)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 컨트롤러(3000)를 포함하는 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치(10'); 및 상기 무접점 스위칭 장치(10')를 제어하는 제어부(20'); 를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부(20')는 어느 일 시점에서는 상기 제1 배터리 뱅크(1')가 방전 모드이면서 동시에 상기 제2 배터리 뱅크(2')는 충전 모드로 되도록 제어하다가, 다른 시점에서는 상기 제1 배터리 뱅크(1')가 충전 모드이면서 동시에 상기 제2 배터리 뱅크(2')는 방전 모드로 되도록 제어하되, 충방전 모드는 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2')의 배터리 전압을 감지하여 일정 값 이상 높은 배터리 뱅크를 방전 모드로, 일정 값 이상 낮은 배터리 뱅크를 충전 모드로 제어하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 배터리 뱅크는 주로, 솔라셀(60)에 의해 충전되는 전력을 배터리 뱅크의 전압에 적합하도록 승압하여 인가하는 솔라셀 드라이버(61)에 의해 전원을 공급받게 되며, 상기 솔라셀 드라이버로부터의 충전 전압이 일정치 이하이면 상기 솔라셀 드라이버 대신 상용 AC 전원(400)으로 충전되도록 상용 AC 전원도 단점이면, 비상용 발전기(500)로부터 상기 배터리 뱅크의 충전이 이루어지도록 절환하는 전환장치(트랜스퍼)(300)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 방전부(1000)는, 도 13에서 보는 바와 같이, 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 접속되어 상기 부하측으로의 접속 여부를 스위칭하는 제1 무접점 스위치(1100); 상기 제2 배터리 뱅크(2')와 접속되어 상기 부하측으로의 접속 여부를 스위칭하는 제2 무접점 스위치(1200); 를 포함하며, 상기 충전부(2000)는, 상기 제2 배터리 뱅크(2')와 접속되어 상기 충전기로부터의 접속 여부를 스위칭하는 제3 무접점 스위치(2100); 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 접속되어 상기 충전기로부터의 접속 여부를 스위칭하는 제4 무접점 스위치(2200); 를 포함하며, 상기 제1 무접점 스위치(1100) 내지 제4 무접점 스위치(2200)의 각각의 제1 게이트 컨트롤 신호 내지 제4 게이트 컨트롤 신호는 상기 게이트 컨트롤러(3000)로부터 오되, 상기 제1 게이트 컨트롤 신호와 제3 게이트 컨트롤 신호가 동기화되며, 상기 제2 게이트 컨트롤 신호와 제4 게이트 컨트롤 신호가 동기화되어지되, 상기 게이트 컨트롤 신호들은 상호 교호적으로 게이트 컨트롤 제어가 이루어지도록 한다.
이때, 상기 제1 무접점 스위치(1100)는, 애노드가 제1 배터리 뱅크(1')에 접속되고 캐소드는 부하측에 접속되며 게이트는 제1 GTO 드라이버(U1)에 접속되는 제1 GTO 사이리스터(D1)이며, 상기 제2 무접점 스위치(1200)는, 애노드가 제2 배터리 뱅크(2')에 접속되고 캐소드는 부하측에 접속되며 게이트는 제2 GTO 드라이버(U3)에 접속되는 제2 GTO 사이리스터(D3)이며, 상기 제3 무접점 스위치(2100)는, 캐소드가 제2 배터리 뱅크(2')에 접속되고 애노드는 충전기측에 접속되며 게이트는 제3 GTO 드라이버(U6)에 접속되는 제3 GTO 사이리스터(D5)이며, 상기 제4 무접점 스위치(2200)는, 캐소드가 제1 배터리 뱅크(1')에 접속되고 애노드는 충전기측에 접속되며 게이트는 제4 GTO 드라이버(U9)에 접속되는 제4 GTO 사이리스터(D7)이며, 상기 제1 GTO 드라이버(U1) 내지 제4 GTO 드라이버(U9)는 각각, 상기 제1 게이트 컨트롤 신호 내지 제4 게이트 컨트롤 신호에 의해 상기 제1 GTO 사이리스터(D1) 내지 제4 GTO 사이리스터(D7)의 게이트에 정방향 점호 펄스 혹은 역방향 소호 펄스를 인가하도록 한다.
아울러, 상기 본 발명자의 종래기술의 릴레이부(10)의 충방전 전환을 위한 스위칭 제어신호의 공급을 위한 제어부(20)(도 4 참조)의 경우, 본 발명에서도 거의 그대로 채용되나, 다만 제1 릴레이(RLY1)의 제어신호가 온 신호 (
Figure 112016076256591-pat00012
='LOW')이면, 종래기술의 경우, 제1 스위치(SW1)가 ON 상태이도록 제어함에 따라 상기 제1 릴레이의 가동단자가 제1 배터리(1)를 인버터(30)에 연결하여 줌으로써 상기 제1 배터리가 방전모드로 동작하도록 동작하는바, 본 발명에서는 제1 무접점 스위치(1100) 및 제3 무접점 스위치(2100)가 턴온되도록 게이트 컨트롤러(3000) 및 GTO 드라이버들을 제어하여 (이때 당연히 제2 무접점 스위치(1200) 및 제4 무접점 스위치(2200)는 턴오프되도록 게이트 컨트롤러(3000) 및 GTO 드라이버들이 제어되어야 함), 제1 배터리 뱅크(1')가 방전모드로 지정되도록 한다는 점에서 차이가 있을 뿐, 상기 제어부(20) 회로 내에서의 동작에는 근본적인 차이가 없다.
반면 제2 릴레이(RLY2)의 제어신호가 온 신호(
Figure 112016076256591-pat00013
='LOW')이면, 상기 종래기술의 경우에는, 제2 솔레노이드(124)가 '온'이고, 제2 배터리(2)의 (-)단자는 '제2 배터리 연결판(16)-제2 릴레이 가동단자(120)-제2 릴레이 제2 고정단자(122)-인버터 연결판(14)-인버터(30)'를 통해 방전모드에 있게 되나, 본 발명에서는, 제2 무접점 스위치(1200) 및 제4 무접점 스위치(2200)가 턴온되도록 게이트 컨트롤러(3000) 및 GTO 드라이버들이 제어되어 (이때 당연히 제1 무접점 스위치(1100) 및 제3 무접점 스위치(2100)는 턴오프되도록 게이트 컨트롤러(3000) 및 GTO 드라이버들이 제어됨), 제2 배터리 뱅크(2')가 방전모드로 지정되도록 한다는 점에서 역시 상기 제어부(20) 회로 내에서의 동작에는 근본적인 차이가 없다.
한편, 상기 도 10에서의 본 발명의 전원 장치(100')의 무접점 스위칭부(10')에 대해서는, 종래기술의 릴레이부(10)와 근본적으로 차이가 있는바, 본 발명에서는 고전압 대용량인 관계로, 우선 각 배터리 뱅크(1',2')가 방전부(1000)와 결합될 것인지, 아니면 충전부(2000)와 결합될 것인지를, 게이트 컨트롤러(3000)에서 결정하게 된다.
물론, 상기 게이트 컨트롤러(3000)를 컨트롤하는 제어부(20')는, 상술한 바와 같이, 상기 종래기술의 그것과 거의 흡사하게 동작하며, 다만, 전압의 차이나 용량에 차이에 입각한 차이는 당업자에게 있어서 당연할 것이다.
도 10에서의 미설명 부호 '300' 역시, 종래기술의 전환장치(300)와 동일하며, 이에 대해서는 역시 도 8a 내지 도 9의 설명으로부터 당업자에게 있어서 당연할 것이다.
이제, 도 10 및 도 13을 참조하여, 본 발명에 따른 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 솔라셀(도 10의 60)로부터 충전된 DC 전원(일례로 500V)이 솔라셀 드라이버(61)에 의해 본 발명의 제1 및 제2 고전압 고용량 배터리 뱅크(1',2')의 전압(일례로 750V)의 충전용으로, 상기 고전압보다 조금 더 높은 전압(일례로 820V)로 승압되어, 본 발명의 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치 중에서 충전부(도 13의 2000)로 공급되어지며, 한편 제1 및 제2 고전압 고용량 배터리 뱅크(1',2')의 출력은 방전부(1000)를 통해 인버터(30) 및 부하(50) 단으로 접속되어진다.
그리하여, 상술한 바와 같이, 상기 제어부(20, 20')에서의 제1 스위칭 신호가 '온'으로 출력되면, 도 13의 본 발명의 무접점 스위칭부(10')의 게이트 컨트롤러(3000)의 콘트롤러 칩(U7)에서는, 단자 'OUT_CH1' 및 단자 'OUT_CH3'을 통해 '온'신호를 출력하며, 이에 응하여 제1 무접점 스위치(1100)의 제1 GTO 사이리스터(Gate Turn Off thyrister)(D1)의 드라이버(U1)는 제1 GTO 사이리스터(D1)의 게이트에 정전류를 흘려서 제1 GTO 사이리스터를 턴온시키도록 제어하는바, 이에 상기 제1 배터리 뱅크(1')의 (+)단자(BATTERY_BANK1_PLUS)(제1 GTO 사이리스터(D1)의 애노드측)가 부하측 인버터 단자(LOAD+OUTPUT)(제1 GTO 사이리스터(D1)의 캐소드측)와 턴온되어, 결국 제1 배터리 뱅크(1')가 방전모드로 지정된다.
이 경우, 게이트 컨트롤러(3000)의 콘트롤러 칩(U7)은, 항상 단자 'OUT_CH1' 및 단자 'OUT_CH3'에 동일한 신호를 출력하며, 따라서 제1 무접점 스위치(1100)의 제1 GTO 사이리스터(D1)의 드라이버(U1)와 제3 무접점 스위치(2100)의 제3 GTO 사이리스터(D5)의 드라이버(U6)는 동기화되고, 따라서, 제3 GTO 사이리스터(D5)의 드라이버(U6)는 제3 GTO 사이리스터(D5)의 게이트에 정전류를 흘려서 제3 GTO 사이리스터를 턴온시키도록 제어하는바, 충전기측인 솔라셀 드라이버(61)의 입력단자(CHARGE+INPUT)(제3 GTO 사이리스터(D5)의 애노드측)가 제2 배터리 뱅크(2')의 (+)단자(BATTERY_BANK2_PLUS)(제3 GTO 사이리스터(D5)의 캐소드측)와 턴온되어, 결국 제2 배터리 뱅크(2')는 역으로 충전모드로 지정된다.
참고로 각 (-)단자는 공통 접지되어 진다.
한편, 상기 제어부(20')는, 상기와 같이, "제1 배터리 뱅크(1')-방전모드" 및 "제2 배터리 뱅크(2')-충전모드"의 상태에서도, 도 5에서와 유사하게, 제1 배터리 뱅크(1')와 제2 배터리 뱅크(2')의 전압을 비교하여, 만약 제1 배터리 뱅크(1')가 충분히 방전되고 제2 배터리 뱅크(2')가 충분히 충전되어, 제1 배터리 뱅크(1')의 전압이 제2 배터리 뱅크(2')의 전압보다 기 설정된 소정치 이하로 떨어지면, 혹은 방전 모드의 배터리 뱅크의 전압이 소정치 떨어지면 (일례로 방전 시작시 보다 1V ~ 2V 떨어지면), 충방전 모드를 절환하게 되는바, 이제 상기 제어부(20, 20')에서의 제2 스위칭 신호가 '온'으로 출력되도록 제어하게 된다.
그러면, 도 13의 본 발명의 무접점 스위칭부(10')의 게이트 컨트롤러(3000)의 콘트롤러 칩(U7)에서는, 단자 'OUT_CH2' 및 단자 'OUT_CH4'를 통해 '온'신호를 출력하며, 이에 응하여 제2 무접점 스위치(1200)의 제2 GTO 사이리스터(D3)의 드라이버(U3)는 제2 GTO 사이리스터(D3)의 게이트에 정전류를 흘려서 제2 GTO 사이리스터를 턴온시키도록 제어하는바, 이에 상기 제2 배터리 뱅크(2')의 (+)단자(BATTERY_BANK2_PLUS)(제2 GTO 사이리스터(D3)의 애노드측)가 부하측 인버터 단자(LOAD+OUTPUT)(제2 GTO 사이리스터(D3)의 캐소드측)와 턴온되어, 결국 제2 배터리 뱅크(2')가 방전모드로 지정된다.
이 경우, 게이트 컨트롤러(3000)의 콘트롤러 칩(U7)은, 항상 단자 'OUT_CH2' 및 단자 'OUT_CH4'에 동일한 신호를 출력하며, 따라서 제2 무접점 스위치(1200)의 제2 GTO 사이리스터(D3)의 드라이버(U3)와 제4 무접점 스위치(2200)의 제4 GTO 사이리스터(D7)의 드라이버(U9)가 동기화되고, 따라서, 제4 GTO 사이리스터(D7)의 드라이버(U9)는 제4 GTO 사이리스터(D7)의 게이트에 정전류를 흘려서 제4 GTO 사이리스터를 턴온시키도록 제어하는바, 충전기측인 솔라셀 드라이버(61)의 입력단자(CHARGE+INPUT)(제4 GTO 사이리스터(D7)의 애노드측)가 제1 배터리 뱅크(1')의 (+)단자(BATTERY_BANK1_PLUS)(제4 GTO 사이리스터(D7)의 캐소드측)와 턴온되어, 결국 제1 배터리 뱅크(1')가 이번에는 충전모드로 지정된다.
추가적으로, 이러한 "제1 배터리 뱅크(1')-방전모드" 및 "제2 배터리 뱅크(2')-충전모드"의 상태로의 전환시에는, 당연히 제1 GTO 사이리스터(D1) 및 제3 GTO 사이리스터(D5)는 턴오프되어야 하는바, 이들 GTO를 턴오프해 주기 위해서는 제1 및 제3 GTO 드라이버(U1, U6)은 각각 제1 GTO 사이리스터(D1) 및 제3 GTO 사이리스터(D5)의 게이트에 상당한 크기의 부전류(역방향 전류)의 소호펄스를 가해주어야 한다. 일례로 본 발명의 전원 장치의 주 회로 전류가 400A라고 한다면, 최소한 그 1/5 가량의 역전류를 가해주어야 하며, 확실한 턴오프를 위해서는 그 절반인 200A의 역전류를 가해주는 것이 바람직하다.
참고로, GTO 사이리스터의 전류는 항상 애노드에서 캐소드로 흐르며, 게이트에 양(+)전류를 흘리면 '온'되고, (-)전류를 흘리면 '오프'되는 사이리스터이며, SCR 사이리스터와 달리 음의 게이트 전류 펄스에 의하여 턴 오프가 가능하며, 일단 오프되면 게이트 전류 없이도 오프 상태를 유지하는 트리거 오프(trigger off) 기능을 가진다. 즉, SCR은 게이트를 통해서 신호를 주고 '온'만 가능하고 '오프'하려면 게이트가 아닌 애노드 쪽의 극성을 부(-)해 주어야만 가능하지만, GTO는 게이트에 정(+) / 부(-)신호를 주므로 인하여 간단하게 온/오프를 시킬 수 있는 것이 SCR과 다른 점이다. GTO는 게이트 전류의 흐르는 방향에 따라 턴온 및 턴오프될 수 있는 자기소호형 소자이다. 게이트 조작에 의해서만 턴오프시킬 수 있다는 장점이 있는바, 즉, 게이트에 부(-)신호를 가함으로써 pnp 또는 npn의 한쪽의 전류전달률을 감소시킴으로 인하여 전류전달률이 점점 적어지고 '온' 상태의 조건이 만족되어지지 않음으로 인하여 턴오프된다. 다만, 턴오프 했을 때 애노드와 캐소드 간에 일시적으로 발생하는 스파이크 전압을 완화하기 위한 다이오드, 저항기, 콘덴서를 이용한 부가 회로(스너버 회로)가 반드시 필요하다. 상기 제1 무접점 스위치(1100)에서의 제1 콘덴서(C1), 제2 다이오드(D2) 및 제1~제3 저항(R1~R3)이, 상기 제1 GTO 사이리스터(D1)에 대한 부가회로이다.
참고로, 상기 도 13의 회로에서, 제어 전원으로서 상용전원을 정류한 DC 110V 전원이 사용되는바, 제1 DC-DC 컨버터(U10)는 제1 DC팬(MG1)에 파워를 공급하기 위한 강압장치이고, 제2 DC-DC 컨버터(U11)는 제2 DC팬(MG2) 및 상기 게이트 컨트롤러(3000)에 파워를 공급하기 위한 강압장치이다.
역시, 상술한 바와 같이, 본 발명의 GTO 드라이버들은 GTO 사이리스터의 게이트에 상당히 큰 펄스파를 제어신호로 공급해 주어야 하므로, 각각의 드라이버에 전원을 공급하는 전원 공급 소자(U2, U4, U5, U8)를 필요로 한다.
마지막으로, 도 10에서 보는 바와 같이, 태양광 발전이 곤란한 상황에서는, 도 10의 전환장치(트랜스퍼)(300)를 인버터(30)와 부하(50) 사이에 추가하여, AC 상용전원(400)으로 본 발명의 배터리 뱅크를 충방전하는 것이 가능하며, 더욱이 AC 상용전원도 단전인 경우에는 비상발전기(500)를 사용하여 충방전하는 비상 대책이 가능하며, 이에 대해서는 역시 본 발명자의 선등록 특허 제1539094호의 기술인 본 첨부도면 도 8a 내지 도 9의 기술을 사용할 수 있다. 즉, 일반적으로는 솔라셀 드라이버(61)가 솔라셀(60)에 의해 충전되는 전력을 배터리 뱅크의 전압(일례로 750V)에 적합하도록 (일례로 830V로) 승압하여 상기 충전부(2000)에 인가하나, 상기 전환장치(트랜스퍼)(300)는, 상기 배터리 뱅크의 전압을 체크하여, 상기 배터리 벵크의 전압이 일정치 이하이면, 상기 솔라셀 드라이버 및 배터리 뱅크 대신 상용 AC 전원(400)으로 충전기(40)를 통해 상기 배터리 뱅크의 충전이 이루어지도록 상기 충전기(40)를 상기 충전부(2000)와 접속되게 스위칭한다. 그리고, 이러한 전환장치(300)의 구체적인 배선 및 접속방법은 당업자라면 본 발명자의 선등록 특허 제1539094호의 기술로부터 용이하게 구현할 수 있을 것이다.
이제, 본 발명의 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치의 동작을 설명한다.
먼저, 수 백개의 배터리들이 직렬로 혹은 직병렬로 연결되어 고전압 대용량 (수백볼트의 고전압에 수백 킬로와트 내지 수 메가 와트급의 대용량) 의 배터리 뱅크를 2벌로 구성한다. 3벌 이상으로도 구현할 수 있기는 하나, 이러한 경우 배터리의 값이 수 억원에 이르므로 2벌로 하는 것이 보다 경제적이다.
그리하여, 제1 배터리 뱅크(1')를 방전부(1000)의 제1 무접점 스위치(1100)(즉, 제1 GTO 사이리스터(D1))에 접속하고, 제2 배터리 뱅크(2')를 방전부(1000)의 제2 무접점 스위치(1200)(즉, 제2 GTO 사이리스터(D3))에 접속하며,
유사하게, 제1 배터리 뱅크(1')를 충전부(2000)의 제4 무접점 스위치(2200)(즉, 제4 GTO 사이리스터(D7))에 접속하고, 제2 배터리 뱅크(2')를 충전부(2000)의 제3 무접점 스위치(2100)(즉, 제3 GTO 사이리스터(D5))에 접속하게 된다.
계속해서, 이상의 상기 제어부(20')의 기본적인 제어 동작을 도 14를 참조하여 설명하면, 먼저 제1 배터리 뱅크(1') 및 제2 배터리 뱅크(2')의 순간 전압을 측정하고 각 전압 표시부를 통해 출력하며(S1, S2), 이후 측정된 양 배터리의 순간 전압(VB1, VB2)을 비교하여(S3), 만약 제1 배터리 뱅크(1')의 순간 전압(VB1)이 제2 배터리 뱅크(2')의 순간 전압(VB2) 보다 크면, 제1 무접점 스위치(110)를 턴온시켜 제1 배터리 뱅크(1')를 방전모드로 하고 (이때 제4 배터리 뱅크(2200)는 오프됨), 제3 무접점 스위치(2100)를 턴오프시켜 제2 배터리 뱅크를 충전모드로 한다 (이때 제2 배터리 뱅크(1200)는 오프됨)(S4)(도 13 참조).
이후, 방전 모드에 있는 제1 배터리 뱅크(1')의 전압 강하가 기준치(일예로 1V 내지 2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S5), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 뱅크 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제2 배터리 뱅크의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S4 내지 S6 단계를 반복한다.
한편, 상기 S5 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제1 배터리 뱅크(1')의 전압 강하가 기준치(일예로 1V 내지 2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 반대로 스위칭하여 제1 배터리 뱅크를 충전모드로, 제2 배터리 뱅크를 방전 모드로 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).
역으로, 상기 S3 단계에서의 판단 결과, 제1 배터리 뱅크의 순간 전압(VB1)이 제2 배터리 뱅크의 순간 전압(VB2) 보다 작으면, 제2 무접점 스위치를 턴온시켜 제2 배터리 뱅크를 방전모드로 하고, 제4 릴레이를 턴온시켜 제1 배터리 뱅크를 충전모드로 한다(S14).
역시 이후, 방전 모드에 있는 제2 배터리 뱅크(2')의 전압 강하가 기준치(일예로 1V 내지 2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S15), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 뱅크 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제1 배터리 뱅크의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S14 내지 S16 단계를 반복한다.
한편, 상기 S15 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제2 배터리 뱅크(2')의 전압 강하가 기준치(일예로 1V 내지 2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 상기 무접점 스위치들을 반대로 스위칭하여 제2 배터리 뱅크를 충전모드로, 제1 배터리 뱅크를 방전 모드로 다시 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).
더욱이, 상기 전원장치의 충방전 모드 전환장치(300)에서의 동작에 대하여, 도 10 및 도 9를 참조하여 설명한다.
먼저, 시스템이 동작하게 되면, 가장 우선순위에 있는 인버터의 전원이 '온'인지 여부를 체크하게 되는바(S1), 인버터 전원이 '온'이면, 배터리가 장착되었거나 적어도 배터리로부터 인버터를 통해 의미있는 파워가 출력되고 있음을 의미하므로, 이제 배터리 전압을 체크하여 배터리 출력 전압(Vt)이 허용 상한치인 제2 기준전압(Vr2) 이상인지 여부를 체크하게 된다(S3). 대체로 제2 기준전압은 배터리가 과충전되는지 여부를 체크하기 위한 것이다. 만약, 상기 S1 단계에서, 인버터 전원이 '오프'이면, 배터리가 장착되지 않았거나 적어도 배터리로부터 인버터를 통해 의미있는 파워가 출력되지 않음을 의미하므로, 후술하는 바와 같이 다음 순위의 상용 AC 전원의 정전 여부를 체크하는 S7 단계로 이행한다.
이제, 상기 S3 단계에서 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이라면(Vt≥Vr2), 전원장치의 배터리가 과충전되었음을 의미하므로, 충전 동작을 정지시키고, 배터리 전압이 충분하므로 인버터를 부하 출력으로 연결하게 되고(S4), 처음으로 리턴한다.
만약, 상기 S3 단계에서의 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이 아니면(Vt<Vr2), 배터리 전압이 허용 하한치인 제1 기준전압(Vr1) 이하인지 여부를 체크하게 된다(S5).
그리하여, 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하가 아니면(Vt>Vr1), 배터리 전압이 허용 상한치 이하 및 허용 하한치 이상인 정상치에 있는 것이므로(Vr1≤Vt≤Vr2), 부하를 인버터에 계속해서 연결하는 동작을 유지하고(S6), 이후 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하로 떨어질 때까지 상기 S5 및 S6 단계를 반복한다.
반면, 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하이면(Vt≤Vr1), 배터리가 연결은 되어 있으나, 방전을 해서는 안 되는 상황이므로, 상용 AC 전원을 부하에 연결하고 동시에 상용 AC 전원으로 배터리를 충전하여야 한다.
이를 위해, 두번째 우선순위에 있는 상용 AC 전원이 '온'인지 여부를 체크하게 되는바(S7), 상용 AC 전원이 '온'이면, 상용 AC 전원이 정전이 아닌 정상 상태이므로, 부하를 즉시 (무정전 상태로) AC 전원으로 전환하고(S11), 아울러 상용 AC 전원으로 베터리를 충전하는 동작을 병행하게 된다(S13).
한편, 상기 S13 단계에서 충전과 동시에 타이머(Tc)를 리셋하고 타이머를 동작시키는바, 이는 일정 시간 (일례로 1~2 시간) 이상 배터리를 충전하지 못하도록 하기 위함이다. 이와 같이 배터리 충전 중지를 배터리의 전압으로 제어하는 외에도 충전 시간으로 제어하는 이유는, 가령 배터리가 노후화되어 아무리 충전해도 충전 과전압까지 배터리 전압이 이르지 않을 수 있기 때문에, 안전상 일정 시간 이상을 충전하지 못하도록 하기 위함이다.
이를 위해, 다음 단계인 S15 단계에서, 충전 시간(Tc)이 기준 시간(Tr) 이상인지 여부를 체크하여, '예스'이면, 충전을 정지시키고(S16), 처음으로 리턴한다.
그러나, 상기 S15 단계에서의 판단 결과, '노우' 이면, 과충전인지 여부를 체크하기 위해, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상인지 여부를 체크하여(Vt≥Vr2 ?), 그렇지 않으면 계속 충전해도 되므로 AC 전원의 '온' 상태 여부를 체크하여(S19) 상기 S15, S17 및 S19 단계를 반복한다.
그러나, 만약 상기 S17 단계에서의 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이라면(Vt≥Vr2), 전원장치의 배터리가 충분히 충전되었음을 의미하므로, 부하 전원을 인버터로 전환하고(S18), 충전 동작을 정지시키며(S16), 처음으로 리턴한다.
한편, 상기 S7 단계 혹은 상기 S19 단계에서의 판단 결과, AC 전원이 '온'이 아니면, 이는 사용 AC 전원이 정전 상태임을 의미하므로, 부하에 계속적인 무단속 파워를 공급하기 위해, 비상 발전기 가동을 시작하게 되며(S8), 부하 전원을 비상 발전기로 전환하게 된다(S9). 이후, 처음으로 리턴하여, 다시 전체를 반복하여 수행한다.
이상, 본 발명의 동작을 고전압 대용량 배터리 뱅크로서 수 메가와트급의 고전압 배터리 어레이 2벌을 사용하는 실시예로 설명하였으나, 반드시 수 메가와트 급에 한정되는 것은 아니면 그보다 더 작거나 더 큰 경우에도, 일반적인 릴레이를 사용하기에 부적합한 직류 고전압의 경우에는 종래기술 대신 본 발명의 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 사용하여 고전압 대용량의 이차 전지 충방전 전원 장치를 구현할 수 있다.
이처럼, 앞에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
(종래기술)
1 : 제1 배터리 2 : 제2 배터리
10: 릴레이부 10a: 베이스
11: 제1 릴레이부 11b: 플레이트
11c: 지지대 12: 제2 릴레이부
13: 충전기 연결판 14: 인버터 연결판
15: 제1 배터리 연결판 16: 제2 배터리 연결판
20: 제어부
30: 인버터 40: 충전기
50: 부하 60: 솔라셀
100: 이차전지를 이용한 전원장치
110: 제1 릴레이 가동단자 111: 제1 릴레이 제1 고정단자
112: 제1 릴레이 제2 고정단자 113: 연결선
114: 솔레노이드 115: 가동단자 지지판
116: 스프링
120: 제2 릴레이 가동단자 121: 제2 릴레이 제1 고정단자
122: 제2 릴레이 제2 고정단자 123: 연결선
124: 솔레노이드 125: 가동단자 지지판
126: 스프링 127,128: 제2 릴레이 제어신호 단자
210: 배터리 전원 입력부 220: 정전압 회로부
221: DC-DC 컨버터 230: 리셋부
240: 처리부 250: 릴레이 제어신호 출력부
260: 제1 배터리 전압표시부 270: 제2 배터리 전압표시부
280: 예비단자부 290: 옵션설정부
300: 전환장치 310: 입력부
320: 출력부 321: 인버터 전원 스위칭회로부
322: 발전기 전원 스위칭회로부
400: 상용 AC 전원 500: 발전기
(본 발명)
1' : 제1 배터리 뱅크 2' : 제2 배터리 뱅크
10' : 본 발명에 따른 이차전지를 이용한 전원장치의 무접점 스위칭부
20' : 본 발명에 따른 이차전지를 이용한 전원장치의 제어부
30 : 인버터 40 : 충전기
50 : 부하 60 : 솔라셀
61 : 솔라셀 드라이버
100' : 본 발명에 따른 이차전지를 이용한 전원장치
300 : 전환장치 400 : 상용 AC 전원
500 : 비상 발전기
1000 : 방전부 1100 : 제1 무접점 스위치
1200 : 제2 무접점 스위치 2000 : 충전부
2100 : 제3 무접점 스위치 2200 : 제4 무접점 스위치
3000 : 게이트 컨트롤러

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 백 볼트 이상의 고전압 및 백 킬로와트 이상의 대용량의 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치(10')와,
    상기 무접점 스위칭 장치(10')를 제어하는 제어부(20')를 포함하는 이차 전지 충방전 전원 장치로서,
    상기 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치(10')는,
    복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제1 배터리 뱅크(1');
    상기 제1 배터리 뱅크(1')와 대응되도록 복수개의 이차 전지들이 직병렬 연결되어 있는 고전압 대용량의 제2 배터리 뱅크(2');
    상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 어느 일측 배터리 뱅크를 부하측으로 접속하면서 동시에 다른 타측 배터리 뱅크는 부하측과 차단시키는 방전부(1000);
    상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중의 상기 타측 배터리 뱅크를 충전기측으로 접속하면서 동시에 상기 일측 배터리 뱅크는 충전기측과 차단시키는 충전부(2000); 및
    상기 방전부(1000) 및 상기 충전부(2000)의 스위칭 동작을 제어하는 게이트 컨트롤러(3000);
    를 포함하며,
    상기 방전부(1000)는,
    상기 제1 배터리 뱅크(1')와 접속되어 상기 부하측으로의 접속 여부를 스위칭하는 제1 무접점 스위치(1100); 및
    상기 제2 배터리 뱅크(2')와 접속되어 상기 부하측으로의 접속 여부를 스위칭하는 제2 무접점 스위치(1200);
    를 포함하며,
    상기 충전부(2000)는,
    상기 제2 배터리 뱅크(2')와 접속되어 상기 충전기로부터의 접속 여부를 스위칭하는 제3 무접점 스위치(2100); 및
    상기 제1 배터리 뱅크(1')와 접속되어 상기 충전기로부터의 접속 여부를 스위칭하는 제4 무접점 스위치(2200);
    를 포함하며,
    상기 제1 무접점 스위치(1100) 내지 제4 무접점 스위치(2200)의 각각의 제1 게이트 컨트롤 신호 내지 제4 게이트 컨트롤 신호는 상기 게이트 컨트롤러(3000)로부터 오되, 상기 제1 게이트 컨트롤 신호와 제3 게이트 컨트롤 신호가 동기화되며, 상기 제2 게이트 컨트롤 신호와 제4 게이트 컨트롤 신호가 동기화되어지되, 상기 게이트 컨트롤 신호들은 상호 교호적으로 게이트 컨트롤 제어가 이루어지도록 하며,
    상기 제1 무접점 스위치(1100)는, 애노드가 제1 배터리 뱅크(1')에 접속되고 캐소드는 부하측에 접속되며 게이트는 제1 GTO 드라이버(U1)에 접속되는 제1 GTO 사이리스터(D1)이며,
    상기 제2 무접점 스위치(1200)는, 애노드가 제2 배터리 뱅크(2')에 접속되고 캐소드는 부하측에 접속되며 게이트는 제2 GTO 드라이버(U3)에 접속되는 제2 GTO 사이리스터(D3)이며,
    상기 제3 무접점 스위치(2100)는, 캐소드가 제2 배터리 뱅크(2')에 접속되고 애노드는 충전기측에 접속되며 게이트는 제3 GTO 드라이버(U6)에 접속되는 제3 GTO 사이리스터(D5)이며,
    상기 제4 무접점 스위치(2200)는, 캐소드가 제1 배터리 뱅크(1')에 접속되고 애노드는 충전기측에 접속되며 게이트는 제4 GTO 드라이버(U9)에 접속되는 제4 GTO 사이리스터(D7)이며,
    상기 제1 GTO 드라이버(U1) 내지 제4 GTO 드라이버(U9)는 각각, 상기 제1 게이트 컨트롤 신호 내지 제4 게이트 컨트롤 신호에 의해 상기 제1 GTO 사이리스터(D1) 내지 제4 GTO 사이리스터(D7)의 게이트에 정방향 점호 펄스 혹은 역방향 소호 펄스를 인가하며,
    상기 제1 내지 제4 GTO 사이리스터(D1,D3,D5,D7)의 각각은, 애노드와 캐소드에 콘덴서 및 다이오드의 직렬회로가 상기 각각의 사이리스터와 병렬 연결되며, 상기 콘덴서 및 다이오드의 접점 및 애노드 간에는 저항이 각각 병렬연결되고, 상기 콘덴서 및 다이오드의 접점 및 캐소드 간에도 또다른 저항이 각각 병렬연결되어 부가회로를 구성하며,
    상기 제어부(20')는 어느 일 시점에서는 상기 제1 배터리 뱅크(1')가 방전 모드이면서 동시에 상기 제2 배터리 뱅크(2')는 충전 모드로 되도록 제어하다가, 다른 시점에서는 상기 제1 배터리 뱅크(1')가 충전 모드이면서 동시에 상기 제2 배터리 뱅크(2')는 방전 모드로 되도록 제어하되, 충방전 모드는 상기 제1 배터리 뱅크(1')와 상기 제2 배터리 뱅크(2')의 배터리 전압을 감지하여 일정 값 이상 높은 배터리 뱅크를 방전 모드로, 일정 값 이상 낮은 배터리 뱅크를 충전 모드로 제어하도록 하며,
    상기 충전기는, 상기 부하측에 연결되면서 외부로부터 공급되는 외부 전원에도 연결되어, 상기 제1 배터리 뱅크(1') 및 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중, 방전 모드의 배터리 뱅크의 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 충전모드의 배터리 뱅크의 충전에 이용되도록 하면서, 또한 상기 외부 전원으로부터 공급되는 외부 전원에 의해서도 상기 충전 모드의 배터리 뱅크가 충전 가능한 것을 특징으로 하는 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 충전기는, 상기 부하측에 연결되면서 솔라셀(60)에 의해 충전되는 전력을 배터리 뱅크의 전압에 적합하도록 승압하여 인가하는 솔라셀 드라이버(61)에도 연결되어, 상기 제1 배터리 뱅크(1') 및 상기 제2 배터리 뱅크(2') 중, 방전 모드의 배터리 뱅크의 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 충전모드의 배터리 뱅크의 충전에 이용되도록 하면서, 또한 상기 솔라셀 드라이버로부터 공급되는 솔라셀 전원에 의해서도 상기 충전 모드의 배터리 뱅크가 충전 가능하며, 상기 솔라셀 드라이버로부터의 충전 전압이 일정치 이하이면 상기 솔라셀 드라이버 대신 상용 AC 전원으로 충전되도록 AC 충전기로부터 상기 배터리 뱅크의 충전이 이루어지도록 절환하는 트랜스퍼(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치.
KR1020160099953A 2016-08-05 2016-08-05 직류 고전압 대용량 무접점 스위칭 장치를 이용한 이차 전지 충방전 전원 장치 KR101742796B1 (ko)

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