KR102589740B1 - 배터리 충방전을 위한 충방전기 - Google Patents

배터리 충방전을 위한 충방전기 Download PDF

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Abstract

충방전기가 개시된다. 충방전기는 양방향 컨버터를 포함하고, 양방향 컨버터는, 배터리의 현재 전압을 측정하고, 측정 결과를 생성하도록 구성되는 전압 센서, 전원부와 배터리 사이에서 전력을 전달하도록 구성되는 변압기, 스위칭 동작에 따라, 제1전달 구간 동안 전원부와 변압기의 1차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하도록 구성되는 제1스위칭 회로 및 스위칭 동작에 따라, 제2전달 구간 동안 배터리와 변압기의 2차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하도록 구성되는 제2스위칭 회로를 포함하고, 제1스위칭 회로는, 스위칭 동작에 따라, 데드 타임(deadtime) 구간동안, 전원부와 변압기의 1차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하지 않고, 양방향 컨버터는, 배터리의 방전 시, 데드 타임 구간과 제2전달 구간 사이의 중첩되는 부분의 길이가 충전 시 보다 더 짧도록 동작한다.

Description

배터리 충방전을 위한 충방전기{BATTERY CHARGER AND DISCHARGER FOR CHARGING AND DISCHARGING BATTERY}
본 발명은 배터리를 충방전하기 위한 충방전기에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 반복적인 방전 및 충전이 가능하며 반복 사용이 가능한 전지로서, 다양한 전자 물품에 사용되고 있다. 특히, 최근에는 모바일 기기, 스마트 워치 등 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있으며, 전기차의 보급의 증가에 따라 그 사용량이 점점 증가하는 추세이다.
이차 전지는 복수의 전지 셀들을 포함하는 패키지 형태로 제조될 수 있는데, 공장 등에서 제조된 이차 전지는 바로 출고되지 않고, 화성 공정을 거친 후에 출고될 수 있다. 화성 공정은 이차 전지를 활성화시켜 정상적으로 사용될 수 있도록 하는 공정이다.
화성 공정 중 이차 전지에 대한 충방전을 반복하는 포메이션(formation) 공정이 있는데, 이 포메이션 공정 동안 양방향 컨버터를 이용하여 배터리를 지속적으로 충전 및 방전시키게 된다. 이 때, 배터리의 충전 및 방전 시 효율이 좋을수록, 포메이션 공정 전체 동안의 에너지 효율이 개선된다.
본 발명의 목적은 충방전기에 포함되는 양방향 컨버터의 배터리 충전 시 효율과 방전 시 효율의 차이를 개선하기 위한 충방전기를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적은 충방전기의 양방향 컨버터의 1차측 스위칭 회로의 스위치들의 데드 타임 구간의 위치를 조절함으로써, 양방향 컨버터의 배터리 방전 시의 효율 감소를 개선할 수 있는 충방전기를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 충방전기는 전원부와 배터리 사이에 연결되어, 배터리를 충전 및 방전하기 위한 것이고, 충방전기는 양방향 컨버터를 포함하고, 양방향 컨버터는, 배터리의 현재 전압을 측정하고, 측정 결과를 생성하도록 구성되는 전압 센서, 전원부와 배터리 사이에서 전력을 전달하도록 구성되는 변압기, 스위칭 동작에 따라, 제1전달 구간 동안 전원부와 변압기의 1차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하도록 구성되는 제1스위칭 회로 및 스위칭 동작에 따라, 제2전달 구간 동안 배터리와 변압기의 2차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하도록 구성되는 제2스위칭 회로를 포함하고, 제1스위칭 회로는, 스위칭 동작에 따라, 데드 타임(deadtime) 구간동안, 전원부와 변압기의 1차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하지 않고, 양방향 컨버터는, 배터리의 방전 시, 데드 타임 구간과 제2전달 구간 사이의 중첩되는 부분의 길이가 충전 시 보다 더 짧도록 동작한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 충방전기는 충방전기에 포함되는 양방향 컨버터의 배터리 충전 시 효율과 방전 시 효율의 차이를 개선할 수 있는 효과가 있다
본 발명의 실시 예들에 따른 충방전기는 충방전기의 양방향 컨버터의 1차측 스위칭 회로의 스위치들의 데드 타임 구간의 위치를 조절함으로써, 양방향 컨버터의 배터리 방전 시의 효율 감소를 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 충방전 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 컨트롤러를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 컨버터를 나타낸다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 컨버터의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따라 방전 시 컨버터로 출력되는 스위치 신호들을 나타낸다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 충방전 시스템을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 배터리 충방전 시스템(10)은 충방전기(100), 전원부(200) 및 배터리(300)를 포함할 수 있다.
충방전기(100)는 전원부(200) 및 배터리(300)와 연결되어, 배터리(300)를 충전 및 방전할 수 있다.
충방전기(100)는 양방향 컨버터(이하, 컨버터; 110) 및 컨트롤러(120)를 포함할 수 있다.
컨버터(110)는 전원부(200)로부터 전달되는 전력(또는 전압/전류)을 이용하여 배터리(300)를 충전하거나, 또는, 배터리(300)로부터 전달된 전력(또는 전압/전류)를 전원부(200)로 전달함으로써 배터리(300)를 방전할 수 있다. 한편, 배터리(300) 방전 시 배터리(300)로부터 전달되는 전력은 전원부(200)에 연결된 접지(ground)로 전달될 수 있다. 실시 예들에 따라, 컨버터(110)는 전원부(200)로부터 전달되는 전력을 변환하여 배터리(300)로 전달할 수 있고, 또한, 배터리(300)로부터 전달되는 전력을 변환하여 전원부(200)로 전달할 수 있다.
컨버터(110)는 복수의 스위치들 및 변압기를 포함하고, 스위치들의 스위칭 동작에 따라 전력을 전원부(200)로부터 배터리(300)로 전달하거나, 또는, 배터리(300)로부터 전원부(200)로 전달할 수 있다. 예컨대, 컨버터(110)는 위상 천이 풀 브리지 컨버터(phase-shift full bridge) 컨버터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
컨트롤러(120)는 컨버터(110)를 제어할 수 있다. 실시 예들에 따라, 컨트롤러(120)는 컨버터(110)에 포함된 스위치들의 스위칭을 제어하기 위한 스위치 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 스위치 신호는 복수일 수 있다.
전원부(200)는 입력 전원을 충방전기(100)로 전달할 수 있다. 실시 예들에 따라, 전원부(200)는 직류 전원을 충방전기(100)로 전달할 수 있으나, 본 발명의 실시 예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 전원부(200)는 충방전기(100)로부터 전달되는 배터리(300)의 방전 전력을 수신할 수 있다. 예컨대, 전원부(200)는 배터리(300)의 방전 전력을 접지 단자를 통해 출력할 수 있다.
배터리(300)는 전기 에너지를 저장 또는 공급할 수 있는 장치일 수 있다. 실시 예들에 따라, 배터리(300)는 충전 및 방전이 반복적으로 가능한 이차 전지(secondary battery)일 수 있다. 예컨대, 배터리(300)는 납축전지(lead-acid battery), 니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd battery), 니켈-수소 전지(Ni-MH battery), 리튬-이온 전지(Li-ion battery) 및 전고체 전지일 수 있으나, 본 발명의 실시 예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리(300)는 양극(cathode), 음극(anode), 전해질(electrolyte) 및 분리막(separator)을 포함하는 배터리 셀(cell), 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈(module), 또는 복수의 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 팩(pack)을 통칭할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 컨트롤러를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 컨트롤러(120)는 스위치 신호 출력 회로(121), 메모리(123) 및 프로세서(125)를 포함할 수 있다.
스위치 신호 출력 회로(121)는 컨버터(110)를 제어하기 위한 스위치 신호를 출력할 수 있다. 실시 예들에 따라, 스위치 신호 출력 회로(121)는 컨버터(110)에 포함된 스위치들을 제어하기 위한 스위치 신호를 생성하고, 생성된 스위치 신호를 컨버터(110)로 출력할 수 있다. 예컨대, 스위치 신호 출력 회로(121)는 배터리(300)를 충전시키기 위한 충전 스위치 신호 및 배터리(300)를 방전시키기 위한 방전 스위치 신호를 출력할 수 있다. 즉, 이하 명세서에서, 충전 스위치 신호와 방전 스위치 신호를 통칭하여 스위치 신호라고 한다.
실시 예들에 따라, 스위치 신호 출력 회로(121)는 메모리(123)에 저장된 오프셋 정보와 기준 클럭 신호를 이용하여, 스위치 신호를 생성할 수 있다. 예컨대, 스위치 신호 출력 회로(121)는 메모리(123)의 제1공간에 저장된 제1오프셋 정보에 기초하여, 충전 스위치 신호들을 생성할 수 있고, 메모리(123)의 제2공간에 저장된 제2오프셋 정보에 기초하여, 방전 스위치 신호들을 생성할 수 있다.
실시 예들에 따라, 스위치 신호 출력 회로(121)는 컨버터(110)를 PWM(pulse width modulation) 제어하기 위한 스위치 신호를 생성할 수 있다. 즉, 스위치 신호 출력 회로(121)는 컨버터(110)로 출력되는 스위치 신호의 듀티 사이클(duty cycle)을 조절함으로써, 컨버터(110)의 출력 전력을 제어할 수 있다.
메모리(123)는 컨트롤러(120)의 작동에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 실시 예들에 따라, 메모리(123)는 컨버터(110)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 데 사용되는 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(123)는 충방전기(100)의 배터리(300)에 대한 충방전 스케줄과 관련된 정보를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(123)는 배터리(300)의 상태(전압, 전류, 온도 등)에 대한 정보를 저장할 수 있다.
프로세서(125)는 컨트롤러(120)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 실시 예들에 따라, 프로세서(125)는 스위치 신호 출력 회로(121) 및 메모리(123)를 제어함으로써, 컨트롤러(120)의 동작을 제어할 수 있다.
예컨대, 프로세서(125)는 연산 처리 기능을 갖는 집적 회로(integrated circuit)으로서, CPU(central processing unit), MCU(micro controller unit), GPU(graphical processing unit), ASIC(application specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 또는 AP(application processor)일 수 있으나, 본 발명의 실시 예들이 이에 한정되는 것은 아니다.
프로세서(125)는 스위치 신호 출력 회로(121)로 하여금 스위치 신호를 출력하도록 하는 제어 명령을 생성할 수 있다. 스위치 신호 출력 회로(121)는 제어 명령에 응답하여, 메모리(123)로부터 오프셋 정보를 리드하여 스위치 신호를 생성할 수 있다.
프로세서(125)는 스위치 신호 출력 회로(121)가 배터리(300)의 충방전 상태에 따라 다른 스위치 신호를 출력하도록, 스위치 신호 출력 회로(121)를 제어할 수 있다.
예컨대, 프로세서(125)는 배터리(300)가 충전중일 때, 제1제어 명령을 스위치 신호 출력 회로(121)로 출력할 수 있고, 스위치 신호 출력 회로(121)는 제1제어 명령에 응답하여, 충전 스위치 신호들을 컨버터(110)로 출력할 수 있다. 이 때, 스위치 신호 출력 회로(121)는 제1제어 명령에 응답하여, 충전 스위치 신호들을 생성할 수 있다.
예컨대, 프로세서(125)는 배터리(300)가 방전중일 때, 제2제어 명령을 스위치 신호 출력 회로(121)로 출력할 수 있고, 스위치 신호 출력 회로(121)는 제2제어 명령에 응답하여, 방전 스위치 신호들을 컨버터(110)로 출력할 수 있다. 이 때, 스위치 신호 출력 회로(121)는 제2제어 명령에 응답하여, 방전 스위치 신호들을 생성할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 스위치 신호 출력 회로(121)는 배터리(300)의 충전 및 방전 상태에 따라, 특성이 서로 다른 스위치 신호를 컨버터(110)로 출력할 수 있다. 특히, 컨버터(110)와 배터리(300) 사이의 전력이 동일하더라도, 충전 시 출력되는 충전 스위치 신호와, 방전 시 출력되는 방전 스위치 신호의 특성은 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 컨버터(110)의 충전 및 방전 효율이 개선될 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 컨버터를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 컨버터(110)는 변압기(111), 제1스위칭 회로(113), 제2스위칭 회로(115) 및 전압 센서(117)를 포함할 수 있다. 컨버터(110)는 전원부(200) 및 배터리(300) 사이에 연결될 수 있다.
한편, 추가적으로, 컨버터(110)는 전원부(200)와 변압기(111) 사이 및 변압기(111)와 배터리(300) 사이에 배치되는 소자들(인덕터(L1 및 L2) 및 커패시터(C))을 더 포함할 수 있으나, 이는 필수적인 것은 아니다.
변압기(111)는 전원부(200)와 배터리(300) 사이에서 전력을 전달하도록 구성될 수 있다. 실시 예들에 따라, 변압기(111)는 1차측 회로(예컨대, 전원부(200) 측 회로)의 전력을 일정 배수로 변환하여 2차측 회로(예컨대, 배터리(300) 측 회로)로 전달하거나, 또는 2차측 회로의 전력을 상기 일정 배수의 역수로 변환하여 1차측 회로로 전달할 수 있다. 예컨대, 변압기(111)는 1차측 회로와 대응하는 1차측 권선 및 2차측 회로와 대응하는 2차측 권선을 포함할 수 있다.
제1스위칭 회로(113)는 전원부(200)와 변압기(111) 사이에 연결될 수 있다. 실시 예들에 따라, 제1스위칭 회로(113)는 전원부(200)와 변압기(111)의 1차측 권선 사이에 연결되어, 스위칭 동작에 따라 전류 경로를 형성할 수 있다. 예컨대, 제1스위칭 회로(113)의 스위칭 동작에 따라 전원부(200)와 변압기(111)의 1차측 권선 사이에 전류가 흐를 수 있다.
제2스위칭 회로(115)는 배터리(300)와 변압기(111) 사이에 연결될 수 있다. 실시 예들에 따라, 제2스위칭 회로(115)는 배터리(300)와 변압기(111)의 2차측 권선 사이에 연결되어, 스위칭 동작에 따라 전류 경로를 형성할 수 있다. 즉, 제2스위칭 회로(115)의 스위칭 동작에 따라 배터리(300)와 변압기(111)의 2차측 권선 사이에 전류가 흐를 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예들에 따른 컨버터(110)는 제1스위칭 회로(113) 및 제2스위칭 회로(115)의 동작에 따라, 전원부(200)의 전력을 배터리(300)로 변환하여 전달할 수 있고, 또한, 배터리(300)의 전력을 전원부(200)로 변환하여 전달할 수 있다.
제1스위칭 회로(113)는 복수의 스위치들(SWa, SWb, SWc 및 SWd)을 포함할 수 있다. 복수의 스위치들(SWa, SWb, SWc 및 SWd) 각각은 스위칭 소자(예컨대, 트랜지스터 또는 다이오드)를 포함할 수 있다. 추가적으로 복수의 스위치들(SWa, SWb, SWc 및 SWd) 각각은 커패시터와 같은 에너지 저장 소자를 더 포함할 수 있다.
복수의 스위치들(SWa, SWb, SWc 및 SWd)은 입력되는 스위치 신호(Qa, Qb, Qc 및 Qd) 각각에 응답하여 턴-온 및 턴-오프될 수 있고, 복수의 스위치들(SWa, SWb, SWc 및 SWd)의 턴-온 및 턴-오프에 따라 전원부(200)와 변압기(111)의 1차측 권선 사이의 전류 경로가 형성될 수 있다.
제1스위치(SWa)는 전원부(200)의 일단과 변압기(111)의 1차측 권선의 일단에 연결되어, 제1스위치 신호(Qa)에 응답하여 작동할 수 있다. 제2스위치(SWb)는 전원부(200)의 타단과 변압기(111)의 1차측 권선의 일단에 연결되어, 제2스위치 신호(Qb)에 응답하여 작동할 수 있다.
회로 내 단락(short)을 방지하기 위해, 제1스위치(SWa)와 제2스위치(SWb)는 서로 상보적으로(complementarily) 작동할 수 있다. 즉, 제1스위치(SWa)의 턴-온 시간(또는 턴-오프 시간)과 제2스위치(SWb)의 턴-온 시간(또는 턴-오프 시간)은 서로 중첩되지 않을 수 있다. 제1스위치(SWa) 및 제2스위치(SWb)를 전단 스위치라고 지칭할 수 있다.
제3스위치(SWc)는 전원부(200)의 일단과 변압기(111)의 1차측 권선의 타단에 연결되어, 제3스위치 신호(Qc)에 응답하여 작동할 수 있다. 제4스위치(SWd)는 전원부(200)의 타단과 변압기(111)의 1차측 권선의 타단에 연결되어, 제4스위치 신호(Qd)에 응답하여 작동할 수 있다.
회로 내 단락(short)을 방지하기 위해, 제3스위치(SWc)와 제4스위치(SWd)는 서로 상보적으로 작동할 수 있다. 즉, 제3스위치(SWc)의 턴-온 시간(또는 턴-오프 시간)과 제4스위치(SWd)의 턴-온 시간(또는 턴-오프 시간)은 서로 중첩되지 않을 수 있다. 제3스위치(SWc) 및 제4스위치(SWd)를 후단 스위치라고 지칭할 수 있다.
제1스위칭 회로(113)는 제1전달 구간 동안 전원부(200)와 변압기(111)의 1차측 권선 사이의 전류 경로를 형성할 수 있다. 예컨대, 제1전달 구간은 제1스위치(SWa) 및 제4스위치(SWd)가 턴-온되어 있는 구간, 제2스위치(SWb) 및 제3스위치(SWc)가 턴-온되어 있는 구간을 포함할 수 있다.
제2스위칭 회로(115)는 복수의 스위치들(SWe 및 Swf)을 포함할 수 있다. 복수의 스위치들(SWe 및 Swf) 각각은 스위칭 소자(예컨대, 트랜지스터 또는 다이오드)를 포함할 수 있다. 추가적으로 복수의 스위치들(SWe 및 Swf) 각각은 커패시터와 같은 에너지 저장 소자를 더 포함할 수 있다.
복수의 스위치들(SWe 및 Swf)은 입력되는 스위치 신호들(Qe 및 Qf) 각각에 응답하여 턴-온 및 턴-오프될 수 있고, 복수의 스위치들(SWe 및 Swf)의 턴-온 및 턴-오프에 따라 배터리(300)와 변압기(111)의 2차측 권선 사이의 전류 경로가 형성될 수 있다.
제5스위치(SWe)는 배터리의 일단과 변압기(111)의 2차측 권선의 일단에 연결되어, 제5스위치 신호(Qe)에 응답하여 작동할 수 있다. 실시 예들에 따라, 제5스위치(SWe)의 일단은 변압기(111)의 2차측 권선의 일단과, 일단이 배터리(300)의 타단에 연결된 제1인덕터(L1)의 타단에 함께 연결될 수 있다.
제6스위치(SWf)는 배터리의 일단과 변압기(111)의 2차측 권선의 타단에 연결되어, 제6스위치 신호(Qf)에 응답하여 작동할 수 있다. 실시 예들에 따라, 제6스위치(SWf)의 일단은 변압기(111)의 2차측 권선의 타단과, 일단이 배터리(300)의 타단에 연결된 제2인덕터(L2)의 타단에 함께 연결될 수 있다.
제2스위칭 회로(115)는 제2전달 구간 동안 전원부(200)와 변압기(111)의 2차측 권선 사이의 전류 경로를 형성할 수 있다. 예컨대, 제2전달 구간은 제5스위치(SWe) 및 제6스위치(SWf) 중 적어도 하나가 턴-오프되어 있는 구간을 포함할 수 있다.
전압 센서(117)는 배터리(300)와 컨버터(110) 사이에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 실시 예들에 따라, 전압 센서(117)는 배터리(300)의 현재 전압을 측정하고, 측정 결과(VSEN)을 생성할 수 있다. 측정 결과(VSEN)는 컨트롤러(120)로 전송될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 컨버터의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 컨버터(110)의 스위치들(SWa~SWf)이 턴-온 및 턴-오프 됨에 따라, 전원부(200)와 배터리(300) 사이의 전류 경로가 형성되어, 전원부(200) 및 배터리(300) 사이의 전기 에너지 이동이 가능해진다. 이 때, 배터리(300)의 현재 전압과 컨버터(110)의 출력 전압의 대소에 따라 배터리(300)의 충전 및 방전이 결정될 수 있다.
도 4를 참조하면, 컨트롤러(120)가 컨버터(110)를 제어하기 위한 스위치 신호들(Qa~Qf)을 출력할 수 있다. 실시 예들에 따라, 컨트롤러(120)는 저장된 배터리(300)에 대한 충방전 스케줄 정보 및 배터리(300)의 현재 상태(예컨대, 전압, SOH(state of health), SOC(state of charge))에 기초하여, 컨버터(110)를 제어하기 위한 스위치 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 스위치 신호들(Qa~Qf)은 충전 스위치 신호일 수 있다.
실시 예들에 따라, 스위치 신호들(Qa~Qf)은 일정한 주기를 갖는 펄스 형태의 PWM 신호일 수 있다. 각 스위치들(SWa~SWf)은 하이 레벨의 각 스위치 신호(Qa~Qf)에 응답하여 턴-온될 수 있고, 로우 레벨의 각 스위치 신호(Qa~Qf)에 응답하여 턴-오프될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시 예들에 따라, 스위치 신호들(Qa, Qb, Qc 및 Qd)의 듀티 비는 50%일 수 있다. 한편, 컨버터(110)의 출력 전압(1차측 권선/2차측 권선 양단 전압)의 크기는 제1스위치 신호(Qa)의 하이 구간과 제4스위치 신호(Qd)의 하이 구간이 중첩되는 폭에 기초할 수 있다.
전단 스위치들(SWa 및 SWb)의 상보적 동작을 위해, 제1스위치 신호(Qa)의 하이 구간과 제2스위치 신호(Qb)의 하이 구간은 중첩되지 않을 수 있다. 전단 스위치들(SWa 및 SWb)의 안정적인 상보적 동작을 위해, 제1스위치 신호(Qa)의 하이 구간과 제2스위치 신호(Qb)의 하이 구간 사이에 제1데드 타임 구간(DT1)이 존재할 수 있다. 즉, 컨트롤러(120)는 제1스위치 신호(Qa)의 하강 에지를 출력한 시점으로부터 제1데드 타임 이후, 제2스위치 신호(Qb)의 상승 에지를 출력할 수 있다.
마찬가지로, 후단 스위치들(SWc 및 SWd)의 상보적 동작을 위해, 제3스위치 신호(Qc)의 하이 구간과 제4스위치 신호(Qd)의 하이 구간은 중첩되지 않을 수 있다. 제3스위치 신호(Qc)의 하이 구간과 제4스위치 신호(Qd)의 하이 구간 사이에 제2데드 타임 구간(DT2)이 존재할 수 있다. 즉, 컨트롤러(120)는 제3스위치 신호(Qc)의 하강 에지를 출력한 시점으로부터 제2데드 타임 이후, 제4스위치 신호(Qd)의 상승 에지를 출력할 수 있다.
한편, 제1스위칭 회로(113)의 데드 타임 구간(DT1 및 DT2) 동안에는, 상보적으로 작동하는 한 쌍의 스위치들(SWa 및 SWb)이 모두 턴-오프 되고, 상보적으로 작동하는 다른 한 쌍의 스위치들(SWc 및 SWd) 중 어느 하나만이 턴-온 되므로, 제1스위칭 회로(113)의 전류 경로가 형성되지 않게 된다.
도 5를 참조하면, 도 4의 구간 [t0, t3] 에서의 컨버터의 작동이 나타나 있다.
구간 [t0, t1]에서, 스위치들(SWa 및 SWb)는 모두 턴-오프 된다. 즉, 구간 [t0, t1]은 제1데드 타임 구간(DT1)이다. 구간 [t0, t1]에서는 변압기(111)에 의해 에너지가 전달되지 않는다.
구간 [t1, t2]에서, 스위치 신호들에 응답하여 제2스위치(SWb) 및 제3스위치(SWc)가 턴-온된다. 상보적 동작에 따라, 제1스위치(SWa) 및 제4스위치(SWd)는 턴-오프된다. 또한, 제6스위치(SWf)가 턴-오프되며, 상보적 동작에 따라, 제5스위치(SWe)는 턴-온된다. 구간 [t1, t2]에서 전원부(200)의 전력은 변압기(111)의 1차측 권선에 인가된다. 변압기(111)는 1차측 권선에 인가된 전력을 변환하여 2차측 권선으로 전달한다. 변압기(111)의 2차측 권선에 전달된 변환 전력은 제2인덕터(L2)를 지나 배터리(300)로 전달된다. 즉, 구간 [t1, t2]에서 에너지가 변압기(111)에 의해 전달되며, 배터리(300)가 충전(또는 방전)된다.
구간 [t2, t3]에서, 스위치들(SWc 및 SWd)는 모두 턴-오프 된다. 즉, 구간 [t2, t3]은 제2데드 타임 구간(DT2)으로, 변압기(111)에 의해 에너지가 전달되지 않는다.
도 6을 참조하면, 도 4의 구간 [t4, t7] 에서의 컨버터의 작동이 나타나 있다.
구간 [t4, t5]에서, 스위치들(SWa 및 SWb)는 모두 턴-오프 된다. 즉, 구간 [t4, t5]은 제1데드 타임 구간(DT1)이다. 구간 [t4, t5]에서는 변압기(111)에 의해 에너지가 전달되지 않는다.
구간 [t5, t6]에서, 스위치 신호들에 응답하여 제1스위치(SWa) 및 제4스위치(SWd)가 턴-온된다. 상보적 동작에 따라, 제2스위치(SWb) 및 제3스위치(SWc)는 턴-오프된다. 또한, 제5스위치(SWe)가 턴-오프되며, 상보적 동작에 따라, 제6스위치(SWf)는 턴-온된다. 구간 [t5, t6]에서 전원부(200)의 전력은 변압기(111)의 1차측 권선에 인가된다. 변압기(111)는 1차측 권선에 인가된 전력을 변환하여 2차측 권선으로 전달한다. 변압기(111)의 2차측 권선에 전달된 변환 전력은 제2인덕터(L2)를 지나 배터리(300)로 전달된다. 즉, 구간 [t5, t6]에서 에너지가 변압기(111)에 의해 전달되며, 배터리(300)가 충전(또는 방전)된다.
구간 [t6, t7]에서, 스위치들(SWc 및 SWd)는 모두 턴-오프 된다. 즉, 구간 [t6, t7]은 제2데드 타임 구간(DT2)으로, 변압기(111)에 의해 에너지가 전달되지 않는다.
살펴본 바와 같이, 제1스위칭 회로(113)의 제1전달 구간(W1) 및 제2스위칭 회로(115)의 제2구간(W2)이 중첩되는 구간(E)에서 전원부(200)와 배터리(300) 사이의 에너지 전달(즉, 충전)이 이루어질 수 있고, 이 구간에서 배터리(300)가 충전 또는 방전될 수 있다.
한편, 도 4를 다시 참조하면, 제1스위칭 회로(113)의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)과 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간(W2)이 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 제1스위칭 회로(113) 및 제2스위칭 회로(115)의 비대칭성으로 인해 배터리(300)의 충전 효율보다 방전 효율이 감소되는 현상이 발생할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시 예들에 따른 충방전기(100)는 제1스위칭 회로(113)의 스위치들의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)과 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간이 서로 중첩되는 부분의 길이를 충전 시 보다 방전 시 상대적으로 작게 함으로써, 배터리(300) 방전 시의 효율을 상대적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이 때, 제1스위칭 회로(113)의 스위치들의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)과 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간이 서로 중첩되는 부분을 충전 시 보다 방전 시 작게 하는 것을 '데드 타임 구간 쉬프팅'이라 한다.
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따라 방전 시 컨버터로 출력되는 스위치 신호들을 나타낸다. 도 7에 도시된 스위치 신호들(Qa~Qf)은 배터리(300)가 방전될 때, 컨트롤러(120)에 의해 출력되는 신호일 수 있다. 한편, 배터리(300)가 충전될 때, 컨트롤러(120)는 도 4에 도시된 스위치 신호들(Qa~Qf)을 출력할 수 있다.
컨트롤러(120)는 전압 센서(117)에 의해 생성된 측정 결과(VSEN)를 이용하여 배터리(300)가 충전 중인지, 또는 방전 중인지를 판단할 수 있다. 실시 예들에 따라, 컨트롤러(120)는 전압 센서(117)로부터 주기적으로 측정 결과(VSEN)를 수신하고, 수신된 측정 결과들(VSEN)을 기초로 배터리(300)의 전압이 증가하는지, 혹은 감소하는지를 판단함으로써 배터리(300)가 충전 중인지, 또는 방전 중인지를 판단할 수 있다.
예컨대, 컨트롤러(120)는 제1시점에 측정된 측정 결과와, 제1시점 이후의 제2시점에 측정된 측정 결과를 비교하여 배터리(300)의 전압이 증가하는지, 혹은 감소하는지를 결정할 수 있고, 배터리(300)의 전압이 증가하는 경우 배터리(300)가 충전 중임을 결정하고, 배터리(300)의 전압이 감소하는 경우 배터리(300)가 방전 중임을 결정할 수 있다.
컨트롤러(120)는 전압 센서(117)의 측정 결과에 따라 배터리(300)의 충전 및 방전 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 각 배터리(300)의 상황에 맞는 스위치 신호들(Qa~Qf)을 출력할 수 있다.
도 4와 비교할 때, 컨트롤러(120)는 제1스위칭 회로(113)의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)과 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간 사이의 중첩되는 부분의 길이가, 충전 시 보다 방전 시 더 작아지도록, 스위치 신호들(Qa~Qf)을 출력할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(120)는 충전 시와 방전 시 제1스위칭 회로(113)로 서로 다른 스위칭 신호들(Qa~Qd)을 출력할 수 있다.
컨트롤러(120)는 배터리(300)의 충방전 전압(혹은, 충방전기(100)의 출력 전압))을 유지하면서, 데드 타임 구간 쉬프팅을 수행할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 배터리(300)의 현재 전압이 동일하더라도, 배터리(300)가 충전되는지 또는 방전되는지에 따라, 스위치들의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)과 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간이 서로 중첩되는 부분이 서로 달라지도록 컨버터(110)를 제어하기 위한 스위치 신호들(Qa~Qf)이 출력될 수 있다.
실시 예들에 따라, 컨트롤러(120)는 배터리(300)의 충전 및 방전 때의 스위치 신호들(Qa~Qd)의 듀티의 길이 및 듀티 비는 동일하게 하되, 스위치 신호들(Qa~Qd)의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)의 위치만 조절함으로써, 데드 타임 구간 쉬프팅을 수행할 수 있다. 예컨대, 데드 타임 구간 쉬프팅이 이루어지더라도, 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2) 자체의 길이는 변화하지 않을 수 있다.
실시 예들에 따라, 컨트롤러(120)는 제1스위칭 회로(113)의 스위치 신호들 (Qa~Qd)의 제2스위칭 회로(115)의 스위치 신호들(Qe 또는 Qf)에 대한 상대적인 위치를 조절함으로써, 데드 타임 구간 쉬프팅을 수행할 수 있다.
실시 예들에 따라, 컨트롤러(120)는 기준 클럭 신호에 대해, 배터리(300)의 충전 시와 방전 시 서로 다른 오프셋을 적용함으로써, 데드 타임 구간 쉬프팅을 수행할 수 있다.
이러한 데드 타임 구간 쉬프팅에 따라, 충방전기(100)의 배터리(300) 방전 시의 효율이 개선될 수 있는 효과가 있다.
예를 들어, 도 4의 경우, 스위치들의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)과 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간이 서로 중첩되는 부분에서 배터리(300)는 변압기(111)의 2차측 권선과 전류 경로를 형성하나, 변압기(111)의 1차측 권선은 전원부(200)와 전류 경로를 형성하지 않게 되어 배터리(300)의 방전의 효율이 감소하게 된다. 예컨대, 에너지 전달 구간(E)이 제1데드 타임 구간(DT1)에 의해 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간(W2) 보다 줄어들게 된다.
반면, 도 7의 경우, 스위치들의 데드 타임 구간(DT1 또는 DT2)과 제2스위칭 회로(115)의 제2전달 구간이 서로 중첩되는 부분이 존재하지 않으므로, 배터리(300)와 변압기(111)의 2차측 권선 사이의 전류 경로의 형성과 함께 전원부(200)와 변압기(111)의 1차측 권선 사이의 전류 경로의 형성이 이루어지므로, 배터리(300)의 방전의 효율이 감소되지 않게 되는 효과가 있다. 예컨대, 제1데드 타임 구간(DT1)이 제2전달 구간(W2) 외부에 위치하므로, 에너지 전달 구간(E')이 제2전달 구간(W2)과 일치하게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
10: 충방전 시스템 100: 충방전기
110: 양방향 컨버터 120: 컨트롤러
121: 스위치 신호 출력 회로 123: 메모리
125: 프로세서 200: 전원부
300: 배터리

Claims (9)

  1. 전원부와 배터리 사이에 연결되어, 배터리를 충전 및 방전하기 위한 충방전기에 있어서, 상기 충방전기는 양방향 컨버터를 포함하고,
    상기 양방향 컨버터는,
    상기 배터리의 현재 전압을 측정하고, 측정 결과를 생성하도록 구성되는 전압 센서;
    상기 전원부와 상기 배터리 사이에서 전력을 전달하도록 구성되는 변압기;
    스위칭 동작에 따라, 제1전달 구간 동안 상기 전원부와 상기 변압기의 1차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하도록 구성되는 제1스위칭 회로;
    스위칭 동작에 따라, 제2전달 구간 동안 상기 배터리와 상기 변압기의 2차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하도록 구성되는 제2스위칭 회로를 포함하고,
    상기 제1스위칭 회로는, 스위칭 동작에 따라, 데드 타임(deadtime) 구간동안, 상기 전원부와 상기 변압기의 1차측 권선 사이의 전류 경로를 형성하지 않고,
    상기 양방향 컨버터는, 상기 데드 타임 구간과 상기 제2전달 구간 사이의 중첩되는 부분의 길이가 상기 전압 센서의 측정 결과에 따라 달라지도록 동작하고,
    상기 제1스위칭 회로와 상기 제2스위칭 회로는 서로 비대칭인,
    충방전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1스위칭 회로는,
    상기 전원부와 상기 변압기의 1차측 권선 사이에 연결되어, 서로 상보적으로 동작하는 제1스위치 쌍; 및
    상기 전원부와 상기 변압기의 1차측 권선 사이에 연결되어, 서로 상보적으로 동작하는 제2스위치 쌍을 포함하는,
    충방전기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1스위칭 회로는,
    상기 데드 타임 구간에서, 상기 제1스위치 쌍 또는 상기 제2스위치 쌍 중 어느 하나의 스위치 쌍이 모두 턴-오프되도록 동작하는,
    충방전기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2스위칭 회로는,
    일단이 상기 변압기의 2차측 권선과 연결되고, 타단이 상기 배터리와 연결되는 2개의 스위치들을 포함하는,
    충방전기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2스위칭 회로는,
    상기 제2전달 구간에서, 상기 2개의 스위치들 중 어느 하나가 턴-오프되도록 동작하는,
    충방전기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 충방전기는,
    상기 제1스위칭 회로 및 상기 제2스위칭 회로의 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위치 신호들을 상기 제1스위칭 회로 및 상기 제2스위칭 회로로 출력하도록 구성되는 컨트롤러를 더 포함하는,
    충방전기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 전압 센서의 측정 결과를 이용하여, 상기 배터리가 충전 중인지 또는 방전 중인지 여부를 결정하고,
    상기 배터리가 방전 중일 때, 상기 스위치 신호들의 출력 타이밍을 조절함으로써, 상기 양방향 컨버터의 상기 데드 타임 구간과 상기 제2전달 구간 사이의 중첩되는 부분의 길이가 충전 시 보다 더 짧도록 제어하는,
    충방전기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 데드 타임 구간의 위치를 조절하여, 상기 데드 타임 구간과 상기 제2전달 구간 사이의 중첩되는 부분의 길이가 충전 시 보다 더 짧도록 제어하는,
    충방전기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 배터리의 방전 시, 상기 데드 타임 구간과 상기 제2전달 구간 사이의 중첩되는 부분의 길이가 없도록 제어하는,
    충방전기.
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