KR20120011363A - 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템 - Google Patents

충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템 Download PDF

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차헌녕
김태진
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이종필
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Abstract

본 발명은 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 발전 설비로부터 전기 에너지를 입력받아 충전한 후 필요 시 충전된 에너지를 수용자 측으로 방전하기 위한 배터리의 전압 불균형을 방지하기 위한 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 외부 전원으로부터 충전을 위한 전기 에너지가 유입되는 제1 전극과 제2 전극 사이에 직렬 연결되는 제1 배터리와 제2 배터리; 일측이 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리의 접점에 연결되는 인덕터; 상기 제1 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제1 스위치; 상기 제2 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제2 스위치; 및 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지량을 비교하여 차이가 발생하는 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제1 스위치를 동작시키기 위한 제1 스위치 제어 신호 또는 상기 제2 스위치를 동작시키기 위한 제2 스위치 제어 신호를 출력하는 스위치 동작 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 발전 설비로부터 전기 에너지를 입력받아 충전한 후 필요 시 충전된 에너지를 수용가 측으로 방전하기 위해 다량의 배터리 셀들을 이용하여 배터리를 구성하는 경우에도 각 배터리 셀간의 충전 불균형을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템{Apparatus and method for charging balance and grid connected type battery charging and discharging system thereof}
본 발명은 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 발전 설비로부터 전기 에너지를 입력받아 충전한 후 필요 시 충전된 에너지를 수용가 측으로 방전하기 위한 배터리의 전압 불균형을 방지하기 위한 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에 관한 것이다.
최근 화석 연료에 대한 높은 의존도에 따라 전세계적으로 심각한 문제로 부각되고 있는 지구온난화를 해결하기 위한 대체 에너지원 활용 노력의 일환으로 풍력 에너지와 태양 에너지 같은 환경 친화적인 신 에너지원에 대한 관심이 날로 증대되고 있는 추세에 있다.
일사량이 발생하는 주간에만 발전이 가능한 태양 에너지와 달리 풍력 에너지의 경우 주간과 야간에 관계없이 지속적인 발전이 가능하며, 통상적으로 대부분의 전력 소모가 주간에 집중되므로 야간에 발전이 이루어진 전기 에너지를 추후 활용이 가능하도록 대용량 에너지 저장 장치에 저장함으로써 풍력 발전의 이용 효율을 극대화하기 위한 연구가 현재 활발하게 진행되고 있다.
도 1은 일반적으로 사용되는 계통 연계형 배터리 충방전 시스템의 개념도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이 계통 연계형 배터리 충방전 시스템(S)의 경우 발전 측 계통(Grid1)과 수용가 측 계통(Grid2) 사이에 연결되며 발전 측 계통(Grid1)으로부터 공급되는 전기 에너지를 정류하는 PWM(Pulse Width Modulation) 정류기(R), 전기 에너지를 충방전하는 배터리(B), 양방향 DC-DC 컨버터(C), 및 직류 에너지를 교류로 변환하는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터(I)로 구성되며, Space Vector Pulse Width Modulation(SVPWM) 방법에 따른 PWM 인버터(I)로부터 출력되는 인버터 출력 RMS 선간 전압과 배터리(B)로부터 양방향 DC-DC 컨버터(C)를 거쳐 출력되는 PWM 인버터(I)로 입력되는 인버터 입력 전압인 DC link 전압(=Vdc)과의 관계는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
(여기에서, Vll은 인버터 출력 RMS 선간전압, MI는 modulation index, 및 Vdc는 인버터 입력 전압을 나타낸다.)
예를 들어, MI가 0.8인 경우 PWM 인버터(I)에서 380V의 Vll을 출력하기 위해서는 대략 670V 정도의 Vdc가 요구되며, 배터리로 주로 사용되는 리튬 이온 전지의 경우 개별 배터리 셀 전압이 약 3.7V 정도이므로 670V의 Vdc 구현을 위해서는 대략 181개 정도의 개별 배터리 셀을 직렬 연결하여야 한다.
그러나, 상기와 같이 다량의 개별 배터리 셀을 직렬 연결하는 경우 개별 배터리 셀의 내부 저항과 기타 요인에 의해 개별 배터리 셀 간의 전압 불균형이 발생하는 문제점이 있으며, 개별 배터리 셀을 과도하게 직렬 연결하는 경우 배터리의 폭발 위험성이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 배터리(B)의 일측에 양방향 승압형 DC-DC 컨버터(C)를 연결하여 PWM 인버터(I)의 입력 전압으로 요구되는 고압의 DC link 전압을 생성하게 된다.
그러나, 양방향 승압형 DC-DC 컨버터(C)를 사용하는 경우에도 양방향 승압형 DC-DC 컨버터(C)의 용량이 전력 시스템의 전력 용량과 동일해야 하므로 전력 시스템의 크기가 대형화되며, 양방향 승압형 DC-DC 컨버터(C)의 설치에 따른 추가 비용 부담으로 전력 시스템 구성 비용이 크게 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 전력 계통에서 인버터의 구동을 위한 직류 입력 전압의 확보를 위해 다량의 개별 배터리 셀을 사용하는 경우에도 개별 배터리 셀 간의 충전 전압 불균형을 방지할 수 있는 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 별도의 양방향 승압형 DC-DC 컨버터를 사용하지 않고 인버터 구동을 위한 직류 입력 전압을 생성함으로써 전력 시스템의 대형화와 구성 비용 상승을 방지할 수 있는 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치는 외부 전원으로부터 충전을 위한 전기 에너지가 유입되는 제1 전극과 제2 전극 사이에 직렬 연결되는 제1 배터리와 제2 배터리; 일측이 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리의 접점에 연결되는 인덕터; 상기 제1 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제1 스위치; 상기 제2 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제2 스위치; 및 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지량을 비교하여 차이가 발생하는 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제1 스위치를 동작시키기 위한 제1 스위치 제어 신호 또는 상기 제2 스위치를 동작시키기 위한 제2 스위치 제어 신호를 출력하는 스위치 동작 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치는 외부 전원으로부터 충전을 위한 전기 에너지가 유입되는 제1 전극과 제2 전극 사이에 직렬 연결되는 제1 배터리와 제2 배터리; 일측이 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리의 접점에 연결되는 인덕터; 상기 제1 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제1 스위치; 상기 제2 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제2 스위치; 및 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치가 각각 0.5의 시비율(Duty Cycle)에 따라 번갈아서 온오프 동작하도록 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 동작을 제어하는 스위치 동작 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 방법은 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에서의 충전 밸런싱 방법에 있어서, (a) 직렬 연결된 제1 배터리와 제2 배터리에 각각 충전된 전기 에너지량을 비교하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서의 비교 결과 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지량이 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제2 배터리로 방전시키는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계에서의 비교 결과 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지량이 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제1 배터리로 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계통 연계형 배터리 충방전 시스템은 전력 계통의 발전 측과 수용가 측 사이에 연결되는 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에 있어서, 충전 밸런싱 장치; 상기 충전 밸런싱 장치 일측에 연결되어 상기 발전 측으로부터 공급되는 전기 에너지를 정류하여 상기 충전 밸런싱 장치에 공급하는 정류기; 및 상기 충전 밸런싱 장치 타측에 연결되어 상기 충전 밸런싱 장치로부터 방전되는 전기 에너지를 교류로 변환하여 상기 수용가 측으로 공급하는 인버터를 포함하고, 상기 충전 밸런싱 장치는 직렬 연결된 제1 배터리와 제2 배터리에 각각 충전된 전기 에너지량을 비교하여 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지량이 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제2 배터리로 방전시키고 상기 제2 배터리에 충전된 전기량이 큰 경우 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제1 배터리로 방전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 발전 설비로부터 전기 에너지를 입력받아 충전한 후 필요 시 충전된 에너지를 수용가 측으로 방전하기 위해 다량의 배터리 셀들을 이용하여 배터리를 구성하는 경우에도 각 배터리 셀간의 충전 불균형을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 계통 연계형 배터리 충방전 시스템을 구성하는 경우 인버터 입력 전압 공급을 위한 별도의 양방향 승압형 DC-DC 컨버터가 필요하지 않기 때문에 시스템의 크기와 구성 비용을 크게 줄일 수 있으므로 고효율과 고밀도의 계통 연계형 배터리 충반전 시스템의 설계가 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 일반적으로 사용되는 계통 연계형 배터리 충방전 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치의 블록도,
도 3은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치의 동작 파형 참고도,
도 4와 도 5는 제1 스위치 제어 신호 입력 시 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치의 동작 참고도,
도 6과 도 7은 제2 스위치 제어 신호 입력 시 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치의 동작 참고도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계통 연계형 배터리 충방전 시스템의 개념도, 및
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 충전 밸런싱 방법의 순서도 이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치의 블록도 이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치(100)는 제1 배터리(110), 제2 배터리(120), 인덕터(130), 제1 스위치(140), 제2 스위치(150), 및 스위치 동작 제어부(160)를 포함한다.
제1 배터리(110)와 제2 배터리는 외부 전원으로부터 충전을 위한 전기 에너지가 유입되는 제1 전극(P)과 제2 전극(N) 사이에 직렬 연결된다.
이때, 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)는 복수 개의 배터리 셀(cell)이 직렬 연결되어 구비될 수 있으며, 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)에 직렬 연결되는 복수 개의 배터리 셀(cell)의 개수는 외부 전원으로부터 유입되는 전기 에너지에 의해 충전 시 내부적인 전압 불균형이 발생하지 않도록 미리 결정된 개수로 구비될 수 있다.
인덕터(130)는 일측이 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)의 접점(CP1)에 연결된다.
제1 스위치(140)는 제1 전극(P)과 인덕터(130) 타측 사이에 연결되고, 제2 스위치(150)는 제2 전극(N)과 인덕터(130) 타측 사이에 연결된다.
이때, 제1 스위치(140)와 제2 스위치(150)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)을 게이트에 구성한 접합형 트랜지스터로써 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
스위치 동작 제어부(160)는 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량(예를 들어 전압의 크기)을 비교하여 차이가 발생하는 경우 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120) 간의 충전 밸런싱을 위해 제1 스위치(140)를 동작시키기 위한 제1 스위치 제어 신호를 제1 스위치(140)로 출력하거나 또는 제2 스위치(150)를 동작시키기 위한 제2 스위치 제어 신호를 제2 스위치(50)로 출력한다.
이때, 제1 스위치(140)로 출력되는 상기 제1 스위치 제어 신호는 제1 배터리(110)에 충전된 전기 에너지량이 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량보다 큰 경우 미리 결정된 시간 동안 액티브(active)될 수 있고, 제2 스위치(150)로 출력되는 상기 제2 스위치 제어 신호는 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량이 제1 배터리(110)에 충전된 전기 에너지량보다 큰 경우 미리 결정된 시간 동안 액티브(active)될 수 있으며, 상기 미리 결정된 시간은 충전된 전기 에너지량의 차이 값에 따라 수 ms 내지 수 s 일 수 있다.
또한, 스위치 동작 제어부(160)는 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량을 비교하여 동일한 경우 제1 스위치(140)와 상기 제2 스위치(150)가 각각 0.5의 시비율(Duty Cycle)에 따라 동작하도록 제1 스위치(140)와 제2 스위치(150)의 동작을 제어할 수 있으며, 이를 이하 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
또한, 상기 제1 스위치 제어 신호 출력에 의한 충전 밸런싱 장치(100)의 상세 동작 과정은 이하 도 4와 도 5를 참조하여 설명하도록 하고, 상기 제2 스위치 제어 신호 출력에 의한 충전 밸런싱 장치(100)의 상세 동작 과정은 이하 도 6과 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치의 동작 파형 참고도이다.
여기에서, VGE . S1은 제1 스위치(140)의 게이트 전압, VGE . S2는 제2 스위치(150)의 게이트 전압, VL은 인덕터(130) 양단 전압, VI는 인덕터(130)에 흐르는 전류, 및 TSW는 제1 스위치(140)와 제2 스위치(150)의 스위칭 주기를 의미한다.
이때, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치의 경우 스위칭 동작 제어부(160)가 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량을 비교하는 대신 제1 스위치(140)와 제2 스위치(150)가 각각 0.5의 시비율(Duty Cycle)에 따라 번갈아서 온오프(on/off 동작하도록 제1 스위치(140)와 제2 스위치(150)의 동작을 제어하는 것 외에 다른 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치(100)와 동일하므로 구성 요소들을 설명함에 있어서 동일한 번호를 사용하고 별도의 도면은 생략하도록 한다.
도 2에 도시된 구성에서 인덕터(130) 양단 전압의 flux balance 조건으로부터 도출되는 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)의 전압 관계식은 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기에서, Vbat1은 제1 배터리 전압, Vbat2는 제2 배터리 전압, 및 D는 시비율(Duty Cycle)을 의미한다.
상기 수학식 2에서 알 수 있듯이 D가 0.5인 경우 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)의 전압, 다시 말해서 제1 배터리(110)에 충전된 전기 에너지와 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지가 동일한 충전 밸런싱 상태가 될 수 있다.
따라서, 스위치 동작 제어부(160)는 도 3에 도시된 파형과 같이 제1 스위치(140)와 상기 제2 스위치(150)가 각각 0.5의 시비율(Duty Cycle)에 따라 번갈아서 온오프(on/off) 동작하도록 제1 스위치(140)와 제2 스위치(150)의 동작을 제어하며, 이에 따라 도 3에 도시된 파형과 같이 인덕터 양단의 전압 VL의 경우 제1 배터리(110)의 전압과 제2 배터리(120) 전압이 각각 주기적으로 걸리게 되고 인덕터 전류 IL의 경우 직류 성분은 없고 약간의 교류 전류 성분만을 가지게 되는 형태로 충전 밸런싱이 이루어질 수 있다.
도 4와 도 5는 제1 스위치 제어 신호 출력 시 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치 동작 참고도이다.
먼저, 스위치 동작 제어부(160)로부터 제1 스위치(140)로 출력된 상기 제1 스위치 제어 신호가 미리 결정된 시간 동안 액티브 되면 이에 따라 제1 스위치(140)가 온(On) 되어 도 4에 도시된 바와 같이 제1 배터리(110)로부터 방전되는 전기 에너지가 인덕터(130)에 충전된다.
그리고, 제1 스위치(40)가 오프(Off) 되면 도 5에 도시된 바와 같이 인덕터(30)에 충전된 전기 에너지가 방전된 후 오프 상태의 제2 스위치(150)에 포함된 보디 다이오드(D2)(body diode)를 턴온(Turn-on)시키면서 제2 배터리(120)에 충전될 수 있다.
도 6과 도 7은 제2 스위치 제어 신호 출력 시 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 장치 동작 참고도이다.
먼저, 스위치 동작 제어부(160)로부터 제2 스위치(150)로 출력된 상기 제2 스위치 제어 신호가 미리 결정된 시간 동안 액티브 되면 이에 따라 제2 스위치(50)가 온(On) 되어 도 6에 도시된 바와 같이 제2 배터리(120)로부터 방전되는 전기 에너지가 인덕터(130)에 충전된다.
그리고, 제2 스위치(50)가 오프(Off) 되면 도 7에 도시된 바와 같이 인덕터(30)에 충전된 전기 에너지가 방전된 후 오프 상태의 제1 스위치(40)에 포함된 보디 다이오드(D1)를 턴온(Turn-on) 시키면서 제1 배터리(110)에 충전될 수 있다.
본 발명의 충전 밸런싱 장치(100)는 스위치 동작 제어부(160)가 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량을 비교하여 동일한 경우에는 제1 스위치(130)와 제2 스위치(140)가 각각 시비율(Duty Cycle) 0.5로 상보적 스위칭이 가능하도록 하여 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지를 유지시키고, 차이가 발생하는 경우 충전 밸런싱을 위해 제1 스위치(130)를 동작시키기 위한 제1 스위치 제어 신호 또는 제2 스위치(140)를 동작시키기 위한 제2 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.
따라서, 2개의 스위칭 소자와 인덕터의 간단한 구성으로 발전 설비로부터 전기 에너지를 입력받아 충전한 후 필요 시 충전된 에너지를 수용가 측으로 방전하기 위해 다량의 배터리 셀들을 이용하여 배터리를 구성하는 경우에도 각 배터리 셀간의 충전 불균형을 방지하는 것이 가능하다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계통 연계형 배터리 충방전 시스템의 개념도 이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계통 연계형 배터리 충방전 시스템(10)은 충전 밸런싱 장치(100), 정류기(200), 및 인버터(300)를 포함한다.
충전 밸런싱 장치(100)는 전력 계통의 발전 측(Grid1)과 수용가 측(Grid2) 사이에 연결된다.
정류기(200)는 충전 밸런싱 장치(100)의 일측, 다시 말해서 전력 계통의 발전 측(Grid1)과 충전 밸런싱 장치(100)의 사이에 연결되어 전력 계통의 발전 측(Grid1)으로부터 충전을 위해 충전 밸런싱 장치(100) 측으로 공급되는 전기 에너지를 정류한 후 충전 밸런싱 장치(100) 측으로 출력한다.
인버터(300)는 충전 밸런싱 장치(100)의 타측, 다시 말해서 전력 계통의 수용가 측(Grid2)와 충전 밸런싱 장치(100)의 사이에 연결되어 수용가 측(Grid2)으로의 전력 공급을 위해 충전 밸런싱 장치(100)로부터 방전되는 직류 형태의 전기 에너지를 교류로 변환한 후 수용가 측(Grid2)로 출력한다.
따라서, 본 발명의 계통 연계형 배터리 충방전 시스템(10)은 인버터(300) 입력 전압 공급을 위한 별도의 양방향 승압형 DC-DC 컨버터가 필요하지 않기 때문에 시스템의 크기와 구성 비용을 크게 줄일 수 있으므로 고효율과 고밀도의 계통 연계형 배터리 충반전 시스템의 설계가 가능해진다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 밸런싱 방법의 순서도 이다.
S10에서 스위치 동작 제어부(160)는 외부 전원으로부터 충전을 위한 전기 에너지가 유입되는 제1 전극(P)과 제2 전극(N) 사이에 직렬 연결된 제1 배터리(110)와 제2 배터리(120)에 각각 충전된 전기 에너지량(예를 들어, 전압 크기)을 비교한다.
S20에서 스위치 동작 제어부(160)는 S10에서의 비교 결과 제1 배터리(110)에 충전된 전기 에너지량이 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량보다 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 제1 스위치(140)를 동작시키기 위한 제1 스위치 제어 신호를 제1 스위치(140)로 출력하고, S30에서 제1 배터리(110)에 충전된 전기 에너지가 제1 스위치(140), 인버터(130), 및 제2 스위치(150)에 포함된 보디 다이오드(body diode)를 거쳐 제2 배터리(120)로 방전된 후 다시 S10으로 복귀가 이루어진다.
또한, S20에서 스위치 동작 제어부(160)는 S10에서의 비교 결과 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지량이 제1 배터리(110)에 충전된 전기 에너지량보다 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 제2 스위치(150)를 동작시키기 위한 제2 스위치 제어 신호를 제2 스위치(150)로 출력하고, S40에서 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지가 제2 스위치(150), 인버터(130), 및 제1 스위치(140)에 포함된 보디 다이오드를 거쳐 제1 배터리(110)로 방전된 후 다시 S10으로 복귀가 이루어진다.
여기에서, S30에서 제1 배터리(110)에 충전된 전기 에너지가 제2 배터리(120)로 방전되는 상세 과정과 S40에서 제2 배터리(120)에 충전된 전기 에너지가 제1 배터리(110)로 방전되는 상세 과정은 위에서 설명한 바 있으므로 생략하도록 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(10) : 계통 연계형 배터리 충방전 시스템
(100) : 충전 밸런싱 장치 (110) : 제1 배터리
(120) : 제2 배터리 (130) : 인덕터
(140) : 제1 스위치 (150) : 제2 스위치
(160) : 스위치 동작 제어부 (200) : 정류기
(300) : 인버터

Claims (10)

  1. 외부 전원으로부터 충전을 위한 전기 에너지가 유입되는 제1 전극과 제2 전극 사이에 직렬 연결되는 제1 배터리와 제2 배터리;
    일측이 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리의 접점에 연결되는 인덕터;
    상기 제1 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제1 스위치;
    상기 제2 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제2 스위치; 및
    상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지량을 비교하여 차이가 발생하는 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제1 스위치를 동작시키기 위한 제1 스위치 제어 신호 또는 상기 제2 스위치를 동작시키기 위한 제2 스위치 제어 신호를 출력하는 스위치 동작 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치 동작 제어부는 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지량이 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지량보다 큰 경우 상기 제1 스위치 제어 신호를 미리 결정된 시간 동안 액티브 시키는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치 동작 제어부는 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지량이 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지량보다 큰 경우 상기 제2 스위치 제어 신호를 미리 결정된 시간 동안 액티브 시키는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 미리 결정된 시간 동안 액티브된 제1 스위치 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치는 온 되어 상기 제1 배터리로부터 방전되는 전기 에너지가 상기 인덕터에 충전되도록 하고, 상기 제1 스위치가 오프된 후 상기 인덕터는 상기 제1 배터리의 방전에 의해 충전된 전기 에너지를 오프 상태의 상기 제2 스위치에 포함된 보디 다이오드를 통해 상기 제2 배터리 측으로 방전하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 미리 결정된 시간 동안 액티브된 제2 스위치 제어 신호에 따라 상기 제2 스위치는 온 되어 상기 제2 배터리로부터 방전되는 전기 에너지가 상기 인덕터에 충전되도록 하고, 상기 제2 스위치가 오프된 후 상기 제2 배터리의 방전에 의해 충전된 전기 에너지를 오프 상태의 상기 제1 스위치에 포함된 보디 다이오드를 통해 상기 제1 배터리 측으로 방전하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리는 각각 복수 개의 배터리 셀이 직렬 연결되어 구비되는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  8. 외부 전원으로부터 충전을 위한 전기 에너지가 유입되는 제1 전극과 제2 전극 사이에 직렬 연결되는 제1 배터리와 제2 배터리;
    일측이 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리의 접점에 연결되는 인덕터;
    상기 제1 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제1 스위치;
    상기 제2 전극과 상기 인덕터 타측 사이에 연결되는 제2 스위치; 및
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치가 각각 0.5의 시비율(Duty Cycle)에 따라 번갈아서 온오프 동작하도록 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 동작을 제어하는 스위치 동작 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 장치.
  9. 전력 계통의 발전 측과 수용가 측 사이에 연결되는 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에 있어서,
    충전 밸런싱 장치;
    상기 충전 밸런싱 장치 일측에 연결되어 상기 발전 측으로부터 공급되는 전기 에너지를 정류하여 상기 충전 밸런싱 장치에 공급하는 정류기; 및
    상기 충전 밸런싱 장치 타측에 연결되어 상기 충전 밸런싱 장치로부터 방전되는 전기 에너지를 교류로 변환하여 상기 수용가 측으로 공급하는 인버터를 포함하고,
    상기 충전 밸런싱 장치는 직렬 연결된 제1 배터리와 제2 배터리에 각각 충전된 전기 에너지량을 비교하여 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지량이 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제2 배터리로 방전시키고 상기 제2 배터리에 충전된 전기량이 큰 경우 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제1 배터리로 방전시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 배터리 충방전 시스템.
  10. 계통 연계형 배터리 충방전 시스템에서의 충전 밸런싱 방법에 있어서,
    (a) 직렬 연결된 제1 배터리와 제2 배터리에 각각 충전된 전기 에너지량을 비교하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서의 비교 결과 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지량이 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제1 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제2 배터리로 방전시키는 단계; 및
    (c) 상기 (a) 단계에서의 비교 결과 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지량이 큰 경우 충전 밸런싱을 위해 상기 제2 배터리에 충전된 전기 에너지를 상기 제1 배터리로 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 밸런싱 방법.
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