KR102552457B1 - 전력공급시스템 - Google Patents

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Abstract

직렬로 접속되는 복수 개의 에너지 저장부; 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 에너지 저장부에 에너지를 공급하거나, 또는 상기 에너지 저장부에서 출력되는 직류 전압을 계통의 교류 전압으로 변환하여 부하로 공급하는 인버터부; 복수 개의 상기 에너지 저장부 중에서 기 설정된 용량 이상으로 충전된 적어도 하나의 에너지 저장부의 전력을 적어도 다른 하나의 에너지 저장부로 전달하는 컨버터부; 및 복수 개의 상기 에너지 저장부의 전압이 동일하게 되도록 상기 컨버터부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전력공급시스템.

Description

전력공급시스템{POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 전력공급시스템에 관한 것이다.
최근 내연기관에서 발생하는 오염물질을 줄이기 위한 친환경 자동차의 수요가 증가하고 있다. 특히, 배터리를 주동력원으로 사용하는 전기 자동차(Electric vehicle)는 내연기관을 사용하는 기존의 자동차를 대체할 친환경 자동차로 주목 받고 있다.
전기 자동차에는 배터리와 내부 BMS를 결합한 배터리팩이 사용된다. 배터리는 양극판과 음극판을 사용하여 화학 작용에 의해 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로서, 배터리 셀이 직렬 및 병렬로 조합되어 구성되어 있다.
BMS는 배터리 셀을 직접 제어하는 내부 BMS와, 내부 BMS를 제어하는 Master BMS가 있으며, BMS는 배터리를 보호하기 위하여 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행한다.
전기 자동차에 사용되는 배터리는 고 사양으로 높은 품질 기준을 가지므로, 전기 자동차에서 수명을 다한 상태가 되더라도 에너지저장장치(ESS)와 무정전 전원공급장치(UPS)등의 전력 계통과 연계하여 활용될 수 있다.
배터리를 전력 계통과 연계하여 활용하기 위해서는, 배터리의 운용전압이 인버터의 운용전압 이상이어야 한다. 전기 자동차의 승용급에서 사용되는 배터리는 차종마다 차이가 있지만 약 300V~480V 대역이고, 3상 교류 380V 계통연계운전을 위한 인버터 직류전압은 약 600V 이상이어야 한다. 이를 위해 도 1 에 도시된 바와 같이, 단일로 구성되는 배터리(30)와 인버터(40) 사이에 인버터(40)와 용량이 같은 양방향 DC-DC컨버터(50)를 장착하는 경우를 고려할 수 있으나, 인버터(40)와 용량이 같은(대용량) 양방향 DC-DC컨버터(50)를 장착하는 경우 비용이 크게 상승한다는 문제점이 발생한다.
이러한 비용 상승의 문제점을 해결하기 위해, 대용량 양방향 DC-DC컨버터를 사용하는 대신 승용급에서 사용되는 용량의 배터리를 직렬로 연결하여 인버터의 직류단을 600V 이상으로 구현 하는 경우를 고려할 수 있다.
그러나, 2개 이상의 배터리를 직렬로 연결하여 충전하는 경우 불균등 충전이 발생할 수 있으며, 특히 전기 자동차의 폐 배터리의 경우 약 900회 이상의 충전과 방전을 했으므로, 일부 셀이 망가져 내부적 특성이 변경되는 경우가 발생한다. 이와 같이 내부적 특성이 동일하지 않은 2개 이상의 배터리를 직렬로 연결하여 충전하는 경우, 불균등하게 전압이 걸려 배터리가 과충전되는 문제가 발생한다.
또한, 직렬 연결된 배터리 팩에서 불균등한 전압으로 하나의 배터리라도 과충전되어 과충전 방지 보호동작 모드에 들어갈 경우, 전체 시스템이 보호동작모드가 되어 전체 시스템이 동작하지 않는 현상이 발생하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 배터리(60)의 과충전 문제를 해결하고 배터리 간 균등하게 충전 및 방전을 위해, 내부 BMS와 Master BMS을 제어하는 최상위 BMS(70)를 구비 할 수 있다. 그러나, 이 경우 기존 배터리팩에 탑재된 Master BMS에 대한 프로그램을 별도로 수정해야 하고, 최상위 BMS(70)를 제어할 수 있는 별도의 제어기(80)를 구비해야 하므로, 이를 구현하기 위한 시스템이 복잡해질 수 있다는 문제점이 발생한다.
특허문헌 1: 등록특허 10-1555322(2015. 9. 23 공고)
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 동일한 특성을 가지지 않은 복수 개의 에너지 저장부를 직렬로 연결하여 전력계통에 적용할 수 있는 전력공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들은 직렬로 접속되는 복수 개의 에너지 저장부 간의 전압을 동일하게 유지 할 수 있는 전력공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들은 전체 충전 전압을 관리하는 주체(최상위 BMS)가 없는 경우에도 복수 개의 에너지 저장부 간의 전압을 동일하게 할 수 있는 전력공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템은 직렬로 접속되는 복수 개의 에너지 저장부; 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 에너지 저장부에 에너지를 공급하거나, 또는 상기 에너지 저장부에서 출력되는 직류 전압을 계통의 교류 전압으로 변환하여 부하로 공급하는 인버터부; 복수 개의 상기 에너지 저장부 중에서 기 설정된 용량 이상으로 충전된 적어도 하나의 에너지 저장부의 전력을 적어도 다른 하나의 에너지 저장부로 전달하는 컨버터부; 및 복수 개의 상기 에너지 저장부의 전압이 동일하게 되도록 상기 컨버터부를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력공급시스템의 상기 에너지 저장부는 배터리 및 BMS를 포함하는 배터리 팩이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템의 상기 에너지 저장부는 N+1 개이고, 상기 컨버터부는 N 개이고, 상기 컨버터부는 직렬로 연속하는 상기 에너지 저장부 사이의 전력을 교환할 수 있다(여기서, N은 1 이상인 자연수).
본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템의 상기 컨버터부는, 복수의 상기 에너지 저장부 중 하나와 연결되는 제1 스위칭부; 복수의 상기 에너지 저장부 중 다른 하나와 연결되는 제2 스위칭부; 및 상기 제1 스위칭부에서 입력되거나 출력되는 제1 전압과 상기 제2 스위칭부에서 출력되거나 입력되는 제2 전압을 동일하게 하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압을 절연하는 트랜스포머부를 포함하는 양방향 DC-DC컨버터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템은, 복수 개의 상기 에너지 저장부 중 2 개를 선택하여 선택된 하나의 에너지 저장부를 상기 제1 스위칭부에 연결시키고, 선택된 다른 하나의 에너지 저장부를 제2 스위칭부에 연결시키도록, 복수 개의 상기 에너지 저장부와 상기 컨버터부 사이에 제공되는 매트릭스 스위칭부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 매트릭스 스위칭부가 복수 개의 상기 에너지 저장부 중 2개를 선택하도록 제어하고, 선택된 하나의 에너지 저장부를 상기 제1 스위칭부에 연결시키고, 선택된 다른 하나의 에너지 저장부를 제2 스위칭부에 연결시키도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템의 상기 매트릭스 스위칭부는,복수 개의 상기 에너지 저장부와 연결되는 채널 중 하나를 선택할 수 있는 멀티플렉서; 각각의 상기 에너지 저장부의 전압을 검출하는 전압 검출부; 상기 제어부로부터의 상기 멀티플렉서를 제어하기 위한 제어 신호를 상기 멀티플렉서로 전달하는 신호 전달부;를 포함하고, 상기 멀티플렉서는 제1 멀티플렉서 및 제2 멀티플렉서를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여 복수 개의 상기 에너지 저장부 중 2개의 에너지 저장부를 선택하고, 선택된 하나의 에너지 저장부를 상기 제1 멀티플렉서를 통하여 상기 제1 스위칭부에 연결시키고, 선택된 다른 하나의 에너지 저장부를 상기 제2 멀티플렉서를 통하여 상기 제2 스위칭부에 연결시키도록 상기 매트릭스 스위칭부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템의 상기 제어부는 복수 개의 상기 에너지 저장부 중 전압이 가장 큰 에너지 저장부와 전압이 가장 작은 에너지 저장부를 선택하는 제어를 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전력공급시스템은 동일한 특성을 가지지 않은 복수 개의 에너지 저장부를 직렬로 연결하여 전력계통에 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전력공급시스템은 직렬로 접속되는 복수 개의 에너지 저장부 간의 전압을 동일하게 유지 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전력공급시스템은 전체 충전 전압을 관리하는 주체(최상위 BMS)가 없는 경우에도 복수 개의 에너지 저장부 간의 전압을 동일하게 할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 단일로 구성되는 배터리와 인버터 사이에 배치되는 DC-DC컨버터를 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 기술의 내부 BMS와 Master BMS을 제어하는 최상위 BMS를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템(10)의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부(300)의 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 개 이상의 에너지 저장부 및 2개 이상의 양방향 DC-DC컨버터를 포함하는 전력공급시스템을 나타낸다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 스위칭부를 포함하는 전력공급시스템을 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력공급시스템(10)의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전력공급시스템(10)은 에너지 저장부(100); 계통(20)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 에너지 저장부(100)에 에너지를 공급하거나, 또는 에너지 저장부(100)에서 출력되는 직류 전압을 계통의 교류 전압으로 변환하여 부하로 공급하는 인버터부(200); 복수 개의 에너지 저장부(100) 중 기 설정된 용량 이상으로 충전된 적어도 하나의 에너지 저장부의 전력을 적어도 다른 하나의 에너지 저장부로 전달하는 컨버터부(300); 및 복수 개의 에너지 저장부(100)의 전압이 동일하게 되도록 컨버터부(300)를 제어하는 제어부(400)를 포함할 수 있다.
에너지 저장부(100)는 복수 개의 에너지 저장부를 포함하여, 각 에너지 저장부(110,120)를 직렬로 연결 할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 에너지 저장부(100)는 제1 에너지 저장부(110) 및 제1 에너지 저장부(110)와 직렬로 연결된 제2 에너지 저장부(120)를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 종래 기술의 단일로 구성되는 배터리와 인버터 사이에 DC-DC컨버터를 장착하는 경우 비용이 크게 상승한다는 문제점을 해결하기 에너지 저장부 간을 직렬로 연결하였다.
도 3은 설명의 편의를 위해 2개의 에너지 저장부(110,120) 만을 도시하나, 후술하는 도 5의 실시예와 같이 3개 이상의 에너지 저장부를 가질 수도 있다.
각각의 에너지 저장부(110, 120)는 전기 자동차에서 수명이 다한 폐 배터리 팩으로서, 배터리 및 BMS(도면 미도시)를 포함할 수 있다.
현재 기술 수준으로 전기 자동차의 배터리 1회 충전으로 전기 자동차는 약 200km를 주행하고, 배터리를 약 900회 충전 및 방전을 하여 자동차가 180,000km를 주행하는 경우 전기 자동차의 배터리의 수명이 다했다고 할 수 있다. 다만, 안전을 고려하여 충전 및 방전을 거듭하여 전기 자동차가 150,000km이상을 주행을 한 경우 새로운 배터리로 교체하고 있다.
다만, 전기차 배터리의 수명은 기술의 발전에 따라 늘어날 수 있는 것으로, 본 발명에 사용되는 폐 배터리는 전기 자동차에서 사용되고 난 후의 모든 배터리를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 사용되는 폐 배터리는 새 배터리 대비 성능이 변화한 모든 배터리를 포함할 수 있다.
BMS는 배터리 셀들을 직접 제어하는 내부 BMS와, 내부 BMS를 제어하는 Master BMS가 있으나, 본 발명의 BMS는 배터리 팩을 구성하는 내부 BMS를 나타낸다.
또한, 배터리는 양극판과 음극판을 사용하여 화학 작용에 의해 충방전이 가능한 2차 전지를 의미한다. 또한, 배터리는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 리튬 인산철 등일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 자동차에서 수명이 다한 폐 배터리 팩은 배터리 모듈 단위로 분해하여, 랙 타입이나 기타 전력공급시스템의 패키지로 재조립하여 전력공급시스템(10)에 적용할 수 있다.
종래의 배터리 팩을 재활용하는 방법은, 배터리 팩을 셀 수준까지 분해하여 셀 마다 성능을 확인하고 등급별로 분류하고, 다시 새로운 BMS를 부착하여 활용하는 것이다. 이와 같은 종래의 방법으로 배터리 팩을 재활용하기 위해서는 비용 및 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양방향 DC-DC 컨버터(300)를 사용하여 배터리 간 전압을 동일하게 할 수 있는바, 배터리 팩을 셀 수준까지 분해할 필요 없이, 모듈 단위에서 조립할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 종래의 배터리 팩을 재활용하는 방법과 비교하여 시간 및 비용을 절약할 수 있다. 또한, 이 경우 기존의 전기 자동차의 배터리 잭에서 사용하는 전력부 즉, 전력시스템의 컴포넌트를 그대로 사용할 수 있는 장점도 있다.
이와 같이 전기 자동차에서 사용이 불가능한 폐 배터리팩을 전력 계통과 연계하여 활용하여 경제성을 도모하였다.
인버터부(200)는 계통(20)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 에너지 저장부(100)에 에너지를 공급하도록 할 수 있다. 또한, 인버터부(200)는 에너지 저장부(100)에서 출력되는 직류 전압을 계통(20)의 교류 전압으로 변환하여 부하로 공급할 수 있다.
여기서, 인버터부(200)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 인버터(210)를 포함할 수 있으며, 인버터(210)로부터 에너지 저장부(100)에 흐르는 전력을 온/오프 시킬 수 있는 스위치(220)를 포함할 수도 있다.
또한, 인버터부(200)는 도면에 도시 않았으나, 계통(20)으로 출력되는 교류 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 인버터(210)으로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(20)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL(Phase Locked Loop)) 회로를 포함할 수도 있다. 또한, 인버터부(200)에서는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
인버터(210)는 후술하는 제어부(400)의 충전 명령에 따라, 계통(20)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 충전모드 및 제어부(400)의 방전 명령에 따라 에너지 저장부(100)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 방전 모드를 가질 수 있다.
컨버터부(300)는 각각의 에너지 저장부(110,120) 간에 에너지를 전달하여각각의 에너지 저장부(110,120) 간의 전압을 동일하게 유지시킬 수 있다.
컨버터부(300)는 전압을 승압 또는 강압시키고 양방향으로 전류가 흐를 수 있는 복수 개의 양방향 DC-DC컨버터를 포함한다. 도 1은 컨버터부(300)가 하나의 양방향 DC-DC컨버터인 경우의 일 실시예이므로, 도면부호 300으로 표시되는 컨버터부는 양방향 DC-DC컨버터와 동일한 구성으로 설명한다.
또한, 도 3에서는 설명의 편의상, 하나의 양방향 DC-DC컨버터(300) 및 2 개의 에너지 저장부(110,120)를 예시하나, 양방향 DC-DC컨버터(300)는 도 5에서 후술하는 바와 같이 복수 개의 에너지 저장부보다 1개 작은 복수 개를 가질 수 있다.
양방향 DC-DC컨버터(300)는 제1 에너지 저장부(110) 및 제2 에너지 저장부(120)에 각각 병렬로 연결되어, 직렬로 연결된 제1 에너지 저장부(110) 및 제2 에너지 저장부(120) 간의 전압을 동일하게 할 수 있다.
예를 들어, 인버터부(200)와 제1 에너지 저장부(110)를 연결하는 제1 도선(L1), 인버터부(200)와 제2 에너지 저장부(120)를 연결하는 제2 도선(L2) 및 제1 에너지 저장부(110)와 제2 에너지 저장부(120)를 직렬로 연결하는 제3 도선(L3)이 있는 경우, 양방향 DC-DC컨버터(300)를 제1 에너지 저장부(110) 및 제2 에너지 저장부(120)에 각각 병렬로 연결하는 경우를 설명하면 다음과 같다.
제1 에너지 저장부(110)와 인버터부(200)를 연결하는 제1 도선(L1)에 접점을 형성하고, 제1 에너지 저장부(110)와 제2 에너지 저장부(120)를 연결하는 제3 도선(L3)에 접점을 형성 한 후, 각각의 접점에서 제4 도선(L4) 및 제 5도선(L5)을 통하여 양방향 DC-DC컨버터(300)의 일측에 연결할 수 있다. 그리고, 제2 에너지 저장부(120)와 인버터부(200)를 연결하는 제2 도선(L2)에 접점을 형성하고, 제1 에너지 저장부(110)와 제2 에너지 저장부(120)를 연결하는 제3 도선(L3)에 접점을 형성 한 후, 각각의 접점에서 제 6도선(L6) 및 제 7도선(L7)을 통하여 양방향 DC-DC컨버터(300)의 다른 측에 연결할 수 있다.
양방향 DC-DC컨버터(300)를 이와 같이 배치 함으로써, 직렬로 연결된 제1 에너지 저장부(110)와 제2 에너지 저장부(120) 간의 전압을 동일하게 할 수 있다.
2개 이상의 양방향 DC-DC컨버터인 경우에도 이와 동일한 방법으로 배치할 수 있는바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
또한, 제1 에너지 저장부(110)의 에너지가 제2 에너지 저장부(120)의 에너지보다 큰 경우(V1>V2), 제1 에너지 저장부(110)의 에너지가 양방향 DC-DC컨버터(300)를 통과하여 제2 에너지 저장부(120)로 이동하여(I 방향, 도 3 참조), 제1 에너지 저장부(110)의 제1 전압(V1)과 제2 에너지 저장부(120)의 제2 전압(V2)이 동일하게 제어 될 수 있다.
반대로, 제2 에너지 저장부(120)의 에너지가 제1 에너지 저장부(110)의 에너지 보다 큰 경우(V2>V1), 제2 에너지 저장부(120)의 에너지가 양방향 DC-DC컨버터(300)를 통과하여 제1 에너지 저장부(110)로 이동하여(Ⅱ 방향, 도3 참조), 제1 에너지 저장부(110)의 제1 전압(V1)과 제2 에너지 저장부(120)의 제2 전압(V2)이 동일하게 제어 될 수 있다.
또한, 전기 자동차에서 수명이 다한 폐 배터리 팩을 직렬로 연결하고, 배터리 팩 사이에 전압 밸런싱을 위한 양방향 DC-DC컨버터(300)을 배치함으로써, 전체 충전 전압을 관리하는 주체가 없는 경우에도 전압을 균일하게 관리 할 수 있다.
제어부(400)는 복수 개의 에너지 저장부(100)의 전압이 동일하게 되도록 양방향 DC-DC컨버터(300)를 제어할 수 있으며, 인버터부(200)를 제어하여 충전 및 방전 여부를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(100)는 도 6에서 후술하는 멀티플렉서(500)를 제어할 수 있으며, 이에 대한 사항은 후술한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터부(300)의 회로 즉, 양방향 DC-DC컨버터의 회로를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 컨버터부(300)는 에너지 저장부 중 하나와 연결되는 제1 스위칭부(302), 에너지 저장부 중 다른 하나와 연결되는 제2 스위칭부(304), 및 제1 스위칭부(302)에서 입력되거나 출력되는 제1 전압(V1)과 제2 스위칭부(304)에서 출력되거나 입력되는 제2 전압(V2)을 동일하게 하고, 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)을 절연하는 트랜스포머부(306)을 포함 할 수 있다.
제1 스위칭부(302)는 제1 전압(V1)과 연결되고, 제1 커패시터(C1), 제1 커패시터(C1)와 병렬로 연결되는 제1 스위치(S1) 및 제3 스위치(S3)을 포함하고, 제1, 3 스위치(S1, S3)와 병렬로 연결되는 제2 스위치(S2) 및 제4 스위치(S4)를 포함한다.
제2 스위칭부(304)는 제2 전압(V2)과 연결되고, 제2 커패시터(C2) 및 제2 커패시터(C2)와 병렬로 연결되는 제2 스위치(Q2) 및 제4 스위치(Q4)을 포함하고, 제2, 4 스위치(Q2, Q4)와 병렬로 연결되는 제1 스위치(Q1) 및 제3 스위치(Q3)를 포함한다.
트랜스포머부(306)는 트랜스포머(306b) 및 리액터(306a)를 포함한다. 제1 권선(307)의 일단은 제1 스위칭부(302)의 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3) 사이에 연결되며, 제1 권선(307)의 타단은 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)사이에 연결된다. 제2 권선(308)의 일단은 제2 스위칭부(304)의 제1 스위치(Q1)와 제3 스위치(Q3) 사이에 연결되며, 제2 권선(308)의 타단은 제2 스위치(Q2)와 제4 스위치(Q4) 사이에 연결된다.
트랜스포머(306b)는 제1 스위칭부(302)와 제2 스위칭부(304) 사이에 연결되어 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)의 절연을 실행한다. 또한, 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)은 대략 비슷한 전압대를 가지므로 턴비는 1:1일 수 있다.
전기 자동차의 폐 배터리를 직렬로 연결하는 경우, 폐 배터리 끼리의 사양에서는 큰 차이가 없는바, 큰 전력 변환이 필요 없어 소용량으로 적용 할 수 있다. 따라서, 이러한 스위치는 IGBT 대신 MOSFET으로 적용가능하다. 또한, 컨버터부(300)는 양방향 DC-DC컨버터로서, 양방향으로 승압 및 강압이 가능한 토폴로지를 가지며, 제1 전압(V1)이 제2 전압(V2)보다 큰 경우와 제2 전압(V2)이 제1 전압(V1)보다 큰 경우 모두 사용될 수 있다. 또한, 컨버터부(300) 즉, 양방향 DC-DC컨버터는 절연형이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 개 이상의 에너지 저장부 및 2개 이상의 양방향DC-DC컨버터를 포함하는 전력공급시스템(10)을 나타낸 것이며, 도 1의 실시예와 비교하여 차이점을 위주로 설명한다.
도 5를 참조하면, 제1 양방향 DC-DC컨버터(310)는 제1 에너지 저장부(110) 및 제2 에너지 저장부(120)에 각각 병렬로 연결되어, 직렬로 연결된 제1 에너지 저장부(110)와 제2 에너지 저장부(120) 간의 전압을 동일하게 할 수 있다.
또한, 제2 양방향 DC-DC컨버터(320)는 제2 에너지 저장부(120) 및 제3 에너지 저장부(130)에 각각 병렬로 연결되어, 직렬로 연결된 제2 에너지 저장부(120) 및 제3 에너지 저장부(130) 간의 전압을 동일하게 할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 에너지 저장부는 N+1 개, 양방향 DC-DC컨버터 는 N 개를 가질 수 있고(여기서, N은 1 이상인 자연수), 각각의 양방향 DC-DC컨버터는 직렬로 연속하는 에너지 저장부 사이의 전력을 교환하여 전압을 동일하게 할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스 스위칭부(500)를 포함하는 전력공급시스템(10)을 나타낸다.
도 6를 참조하면, 상기 매트릭스 스위칭부(500)는 복수 개의 에너지 저장부(100)와 컨버터부(300) 사이에 제공될 수 있다.
매트릭스 스위칭부(500)는 복수 개의 에너지 저장부와 연결되는 채널 중 하나를 선택할 수 있는 멀티플렉서(510), 각 에너지 저장부의 전압을 검출하는 전압 검출부(520), 제어부의 제어 신호를 상기 멀티플렉서로 전달하는 신호 전달부(530)를 포함할 수 있다.
멀티플렉서(510)는 제1 멀티플렉서(512) 및 제2 멀티플렉서(514)를 포함하고, 에너지 저장부 중에서 2 개를 선택하여 선택된 하나의 에너지 저장부를 제1 스위칭부(302)에 연결시키고, 선택된 다른 하나의 에너지 저장부를 제2 스위칭부(304)에 연결시킬 수 있다.
예를 들어, 전압 검출부(520)에서 각각의 에너지 저장부의 전압을 측정하여, 제1 에너지 저장부(110)에서 가장 높은 전압이 측정되고, 제2 에너지 저장부(120)에서 가장 낮은 전압이 측정된 경우, 제1 멀티플렉서(512) 및 제2 멀티플렉서(514)를 이용하여 양방향 DC-DC컨버터(300)에 전달하는 경우에 대해 설명하면 다음과 같다.
제1 멀티플렉서(512)는 가장 높은 전압이 측정된 제1 에너지 저장부(110)와 연결되는 채널을 선택하여, 양방향 DC-DC컨버터(300)의 일 측, 즉 제1 스위칭부(302)에 연결시킨다. 제2 멀티플렉서(514)는 가장 낮은 전압이 측정된 제2 에너지 저장부(120)와 연결되는 채널을 선택하여, 양방향 DC-DC컨버터의(300)의 타 측, 즉 제2 스위칭부(304)에 연결시킨다. 그 후, 상술한 바와 같이 양방향 DC-DC컨버터의(300)에서 트랜스포머부를 거치면서, 제1 에너지 저장부(110)의 전압과 제2 에너지 저장부(120)의 전압이 동일하게 제어 될 수 있다.
이러한, 과정을 반복하여 각각의 에너지 저장부의 전압을 모두 동일하게 제어할 수 있다.
또한, 제1 멀티플렉서(512) 및 제2 멀티플렉서(514)는 양방향으로 전류가 흐르도록 회로가 구성될 수 있다.
제어부(400)는 제1 멀티플렉서(512) 및 제2 멀티플렉서(514)를 제어하여
제어하고자 하는 두 개의 에너지 저장부를 선택하도록 할 수 있다.
또한, 매트릭스 스위칭부(500)는 제어부(400)로부터의 두 개의 에너지 저장부를 선택하는 신호를 제1 멀티플렉서(512) 및 제2 멀티플렉서(514)에 전달하는 신호 전달부(530)를 포함할 수 있으며, 이러한 매트릭스 스위칭부(500)를 그동하기 위한 전원부(도면, 미도시)를 별도로 포함할 수도 있다.
이와 같이, 매트릭스 스위칭부(500)를 복수 개의 에너지 저장부(100)와 컨버터부(300) 사이에 배치하고, 제어하고자 하는 두 개의 에너지 저장부를 선택하여 컨버터부(300)에 연결시킴으로써, 하나의 양방향 DC-DC컨버터를 사용하여 복수 개의 에너지 저장부를 제어할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서는 에너지 저장부를 전기 자동차의 폐 배터리 팩으로 예시하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 2개 이상의 배터리를 직렬로 연결하는 모든 경우에 적용 될 수도 있다.
이하에서는 상기와 같은 기판 지지 장치를 포함하는 기판 이동 장치 및 기판 이동 장치 작동 방법의 작용 및 효과에 대해 설명하겠다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 자동차에서 사용이 불가능한 폐 배터리팩을 전력 계통과 연계하여 활용하여 경제성을 도모하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 자동차에서 수명이 다한 폐 배터리 팩, 즉 배터리 및 BMS를 분해 및 재조립 없이 전력공급시스템에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 컨버터부를 이용하여 복수 개의 에너지 저장부 간의 전압을 동일하게 유지시키므로, 폐 배터리 팩의 균일하지 않은 전압 특성을 보완할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 매트릭스 스위칭부를 복수 개의 에너지 저장부와 컨버터부 사이에 배치하고, 제어하고자 하는 두 개의 에너지 저장부를 선택하여 컨버터부에 연결시킴으로써, 하나의 양방향 DC-DC컨버터를 사용하여 복수 개의 에너지 저장부를 제어할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 전력공급시스템을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 전력공급시스템 100: 에너지 저장부
110: 제1 에너지 저장부 120: 제2 에너지 저장부
200: 인버터부 210: 인버터
220: 스위치 300: 컨버터부
302: 제1 스위칭부 304: 제2 스위칭부
306: 트랜스포머부 400: 제어부
500: 매트릭스 스위칭부 510: 멀티플렉서
512: 제1 멀티플렉서 514: 제2 멀티플렉서
520: 전압 검출부 530: 신호 전달부

Claims (7)

  1. 직렬로 접속되는 복수 개의 에너지 저장부;
    계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 에너지 저장부에 에너지를 공급하거나, 또는 상기 에너지 저장부에서 출력되는 직류 전압을 계통의 교류 전압으로 변환하여 부하로 공급하는 인버터부;
    복수 개의 상기 에너지 저장부 중에서 기 설정된 용량 이상으로 충전된 적어도 하나의 에너지 저장부의 전력을 적어도 다른 하나의 에너지 저장부로 전달하는 컨버터부; 및
    복수 개의 상기 에너지 저장부의 전압이 동일하게 되도록 상기 컨버터부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 에너지 저장부는 N+1 개이고, 상기 컨버터부는 N 개이고,
    상기 컨버터부는 직렬로 연속하는 상기 에너지 저장부 사이의 전력을 교환하는 전력공급시스템. (여기서, N은 1 이상인 자연수)
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는 배터리 및 BMS를 포함하는 전력공급시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    복수의 상기 에너지 저장부 중 하나와 연결되는 제1 스위칭부;
    복수의 상기 에너지 저장부 중 다른 하나와 연결되는 제2 스위칭부; 및
    상기 제1 스위칭부에서 입력되거나 출력되는 제1 전압과 상기 제2 스위칭부에서 출력되거나 입력되는 제2 전압을 동일하게 하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압을 절연하는 트랜스포머부를 포함하는 양방향 DC-DC컨버터인 전력공급시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    복수 개의 상기 에너지 저장부 중 2 개를 선택하여 선택된 하나의 에너지 저장부를 상기 제1 스위칭부에 연결시키고, 선택된 다른 하나의 에너지 저장부를 제2 스위칭부에 연결시키도록, 복수 개의 상기 에너지 저장부와 상기 컨버터부 사이에 제공되는 매트릭스 스위칭부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 매트릭스 스위칭부가 복수 개의 상기 에너지 저장부 중 2개를 선택하도록 제어하고, 선택된 하나의 에너지 저장부를 상기 제1 스위칭부에 연결시키고, 선택된 다른 하나의 에너지 저장부를 제2 스위칭부에 연결시키도록 제어하는 전력공급시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 매트릭스 스위칭부는,
    복수 개의 상기 에너지 저장부와 연결되는 채널 중 하나를 선택할 수 있는 멀티플렉서;
    각각의 상기 에너지 저장부의 전압을 검출하는 전압 검출부;
    상기 제어부로부터의 상기 멀티플렉서를 제어하기 위한 제어 신호를 상기 멀티플렉서로 전달하는 신호 전달부;를 포함하고,
    상기 멀티플렉서는 제1 멀티플렉서 및 제2 멀티플렉서를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전압 검출부에서 검출된 전압에 기초하여 복수 개의 상기 에너지 저장부 중 2개의 에너지 저장부를 선택하고, 선택된 하나의 에너지 저장부를 상기 제1 멀티플렉서를 통하여 상기 제1 스위칭부에 연결시키고, 선택된 다른 하나의 에너지 저장부를 상기 제2 멀티플렉서를 통하여 상기 제2 스위칭부에 연결시키도록 상기 매트릭스 스위칭부를 제어하는 전력공급시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부는 복수 개의 상기 에너지 저장부 중 전압이 가장 큰 에너지 저장부와 전압이 가장 작은 에너지 저장부를 선택하는 제어를 하는 전력공급시스템.
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