KR20120121828A - 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법 - Google Patents

에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 급속충전 시스템에 있어서 배터리 충전시간 단축과 배터리 사용수명을 향상시키기 위한 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법에 관한 것으로, 충전 모드 동작에 따라 게이트를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부의 제어 신호에 따라 게이트를 구동하여 정류된 3상 교류 전원의 전압을 변환시키는 컨버터부; 방전 모드 동작에 따라 방전 스위치를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 방전 제어부; 상기 방전 제어부의 제어 신호에 따라 게이트를 스위칭하여 배터리로 공급되는 상기 컨버터부의 출력 신호를 온오프 시키는 방전 스위치; 방전 모드 동작에 따라 상기 방전 제어부가 상기 방전 스위치를 오프시킬 경우, 상기 배터리로부터의 방전 펄스 전류를 1차 코일에서 2차 코일로 유도하는 전류 유도부; 및 상기 컨버터부의 전단에 위치하며, 상기 전류 유도부로부터 유도된 방전 펄스 전류를 충전하는 콘덴서를 포함하며, 상기 콘덴서는 상기 게이트 구동부에 의한 충전 모드 동작시 충전 전류로 재사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법{RAPID CHARGER FOR BATTERY OF PULSE TYPE HAVING ENERGY RECOVERY CAPABILITY AND THE METHOD OF CONTROLLING THE CHARGER}
본 발명은 전기자동차의 급속충전 시스템에 있어서 배터리 충전시간 단축과 배터리 사용수명을 향상시키기 위한 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충전전류를 펄스모드 형태로 인가하며, 펄스형 충전전류 사이에 상대적으로 짧은 방전 전류 펄스를 인가함으로써 급속 충전성능을 향상시키는 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법에 관한 것이다.
기존의 배터리 충전시스템의 동작 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 충전 초기에는 전류를 일정하게 제어하여 충전하다가 충전 후기에는 전압을 일정하게 유지하는 정전류-정전압 충전 방식을 적용하고 있다. 즉, 정전류(Constant Current) 구간에서는 충전 전류(Charge Current; 101)가 일정하게 유지되며, 정전압(Constant Voltage) 구간에서는 충전 전압(Charge Voltage; 102)가 일정하게 유지된다.
이러한 충전 시스템에서는 빠른 충전을 위해 초기에는 정전류 충전법을 사용하여 배터리를 충전하고 설정값 이상의 전압으로 상승하면 과충전을 방지하기 위해 정전압 충전법을 사용한다.
이는 기존에 가장 많이 적용되는 방법으로 배터리 충전시 발생되는 손상을 최소화하기 위해서 사용하는 방법이다. 그러나 기존 충전시스템으로 급속 충전을 하기 위해서는 높은 전류를 일정하게 보내는 방식인 정전류 충전법을 사용하여야 한다. 하지만, 정전류 충전법은 배터리가 과충전될 수 있기 때문에 특별한 관리가 필요하다. 또한 높은 전류로 배터리를 급속 충전할 경우에는 배터리에 이온층이 형성되어 배터리 단자 사이에 내부 저항을 증가시킨다. 특히 내부 저항이 증가할 경우 배터리의 온도가 상승하는 발열 문제가 발생하게 되어 충전전류를 증가시키는 데는 한계가 발생한다.
본 발명의 목적은 전기자동차의 급속충전 시스템을 위해 충전전류를 펄스모드 형태로 인가하며, 펄스형 충전전류 사이에 상대적으로 짧은 방전 전류 펄스를 인가함으로써 충전시간 단축과 배터리 사용수명을 향상시킬 수 있는 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고효율 펄스 충방전 동작을 위해 펄스방전 모드시 방전 에너지를 입력측으로 전달하고, 회생된 에너지의 재사용을 통해 무손실 개념의 고효율 에너지 복구 펄스 충전회로를 제공하는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특유의 효과를 달성하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 충전 모드 동작에 따라 게이트를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 게이트 구동부; 상기 게이트 구동부의 제어 신호에 따라 게이트를 구동하여 정류된 3상 교류 전원의 전압을 변환시키는 컨버터부; 방전 모드 동작에 따라 방전 스위치를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 방전 제어부; 상기 방전 제어부의 제어 신호에 따라 게이트를 스위칭하여 배터리로 공급되는 상기 컨버터부의 출력 신호를 온오프 시키는 방전 스위치; 방전 모드 동작에 따라 상기 방전 제어부가 상기 방전 스위치를 오프시킬 경우, 상기 배터리로부터의 방전 펄스 전류를 1차 코일에서 2차 코일로 유도하는 전류 유도부; 및 상기 컨버터부의 전단에 위치하며, 상기 전류 유도부로부터 유도된 방전 펄스 전류를 충전하는 콘덴서를 포함하며, 상기 콘덴서는 상기 게이트 구동부에 의한 충전 모드 동작시 충전 전류로 재사용되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 콘덴서의 전단에 공급되는 3상 교류 전류를 정류시키기는 제1 정류부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 컨버터부와 상기 방전 스위치 사이에 위치하며, 상기 컨버터부의 출력 신호로부터 상기 컨버터부의 스위칭 과정에서 생성된 교류 성분을 제거하는 제2 정류부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 전류 유도부와 상기 콘덴서 사이에 위치하며, 상기 전류 유도된 방전 전류를 정류시키는 제3 정류부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방전 모드의 주기는 상기 충전 모드의 주기보다 더 짧다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 방전 스위치를 오프 상태로 설정하고, 충전 스위치를 온 상태로 설정하여 충전 모드로 설정하는 단계; 상기 충전 모드 동작에 따라 게이트 구동부에서 게이트를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계; 컨버터부에서 상기 게이트 구동부의 제어 신호에 따라 게이트를 구동하여 정류된 3상 교류 전원의 전압을 변환시키는 단계; 제1 설정 시간이 경과한 후, 상기 충전 스위치를 오프 상태로 설정하고, 상기 방전 스위치를 온 상태로 설정하여 방전 모드로 설정하는 단계; 상기 방전 모드 동작에 따라 방전 제어부에서 방전 스위치를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계; 상기 방전 제어부의 방전 모드 제어 신호에 따라 상기 방전 스위치에서 게이트를 스위칭하여 배터리로 공급되는 상기 컨버터부의 출력 신호를 오프 시키는 단계; 상기 방전 모드 동작에 따라 상기 방전 제어부가 상기 방전 스위치를 오프시킬 경우, 전류 유도부에서 상기 배터리로부터의 방전 펄스 전류를 1차 코일에서 2차 코일로 유도하는 단계; 상기 컨버터부의 전단에 위치한 콘덴서로 상기 전류 유도부로부터 유도된 방전 펄스 전류를 충전하는 단계; 및 제2 설정 시간이 경과한 후, 상기 게이트 구동부에 의한 충전 모드 동작시 상기 콘텐서에 충전된 전류를 충전 전류로 재사용하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방전 모드의 주기는 상기 충전 모드의 주기보다 더 짧다.
바람직하게는, 제2 설정 시간이 경과한 후, 제3 설정 시간 동안 충전 모드로 진입하지 않고 휴지 기간을 추가한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 높은 전압을 계속하여 인가함으로써 발생되는 문제점이 없이 높은 전압으로 급속 충전이 가능하게 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 급속 충전 시스템에 따르면, 급속 충전성능을 향상시킴으로써 충전시간 단축과 배터리 사용수명 연장의 효과를 달성할 수 있다.
도 1은 기존의 배터리 충전 시스템의 제어 방식을 도시하는 파형도이다.
도 2는 충전 및 방전 전류 모드를 갖는 펄스 충방전 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 회생기능을 갖는 펄스형 배터리 급속 충전기를 도시하는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 제어 절차를 나타내는 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명에 따른 급속 충전 시스템은 고효율 펄스 충방전 동작을 위해 펄스방전 모드시 방전 에너지를 입력측으로 전달하고, 회생된 에너지의 재사용을 통해 무손실 개념의 고효율 에너지 회생(Energy Recovery) 펄스 충전회로를 제공한다.
본 발명에서는 상기 급속 충전시스템에서 종래의 DC(직류) 급속 충전기의 배터리 온도상승 및 Li-Ion 배터리 수명저하의 한계를 극복하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 펄스 충방전 방식의 새로운 급속 충전 메커니즘을 적용한다.
이러한 충전 메카니즘은 펄스모드 충전전류 사이(즉, t2 내지 t4 시간 사이)에 상대적으로 짧은 방전 전류펄스를 형성(TD 구간)하여 배터리 충전시에 생성되는 이온층을 짧은 방전 전류펄스 구간에서 전해질로 확산 분해되도록 한다. 상기와 같은 동작은 펄스모드를 갖는 충/방전 전류를 통해 이온층에 의해 형성되는 내부 저항의 증가 문제를 해결함으로써 배터리의 충전전류를 증가시켜 급속 충전이 가능하다.
따라서, 충전 전류 IC값을 도 1에 도시된 기존 전류 이상으로 인가하는 것이 가능하며, 이에 따라 충전 속도를 증가시킬 수 있다.
도 2의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 충방전 메커니즘에서의 전류값을 나타내며, 도 2의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 충방전 메커니즘에서의 전압값을 나타낸다.
한편, 펄스모드를 갖는 충/방전 전류제어 충전 시스템에서 배터리에 축적된 에너지를 펄스 방전하기 위해서는 일반적으로 방전 전류를 소비할 수 있는 부하저항이 필요하다. 하지만 저항을 사용하여 방전할 경우 전체적인 급속 충전기 시스템의 충전효율이 떨어진다.
본 발명은 상기 펄스 방전의 저효율 특성을 개선하기 위해서 도 3과 같이 방전전류 에너지의 회생(Recovery) 부가회로를 추가한다. 즉, 별도의 스위칭 회로와 변압기로 구성된 에너지 회생(Energy Recovery) 부가회로를 통해 펄스 전류의 방전 모드일 때 에너지를 다시 입력측으로 회생함으로써 고효율의 펄스 충/방전 급속 충전시스템을 구성할 수 있다. 이는 기존의 정전류-정전압 충전방식에 비해 고속의 급속충전 성능을 향상시키며, 동시에 회생된 펄스방전 에너지의 재사용을 통해 무손실 개념의 고효율 에너지 회생 펄스 급속충전 시스템의 구성을 가능하게 한다.
도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에너지 회생기능을 갖는 펄스형 배터리 급속 충전기를 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 펄스형 배터리 급속 충전기는 전원부(301), 제1 정류부(302), 콘덴서(303), 컨버터부(304), 게이트 구동부(305), 제2 정류부(306), 방전 스위치(307), 방전 제어부(308), 배터리(309), 전류 유도부(310), 제3 정류부(311) 및 고주파 트랜스(312) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 전원부(301)에서 3상 교류 전원인 공급되면, 제1 정류부(302)에서는 공급된 3상 교류 전원을 직류로 정류시킨다. 상기 제1 정류부(302)에서 직류로 정류된 신호는 컨버터부(304)에서 승압 또는 강압하여 원하는 전압 신호로 변환시킨다. 상기 컨버터부(304)에서 변환된 신호는 제2 정류부(306)에서 상기 컨버터부(304)의 스위칭 과정에서 발생한 교류(AC) 성분을 제거한다. 한편, 상기 컨버터부(304)와 제2 정류부(306) 사이에는 도시된 바와 같이 절연을 위해 고주파 트랜스(312)가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 제2 정류부(306)를 거친 신호는 방전 스위치(307)를 통해 배터리(309)로 공급된다. 이때, 상기 도 2의 충전 모드(예컨대, t1 내지 t2 구간, t4 내지 t5 구간)일 경우에는 상기 방전 제어부(308)의 제어에 따라 상기 방전 스위치(307)를 오프(off)시킴으로써 상기 제2 정류부(306)의 출력 신호가 배터리(309)로 충전되도록 제어한다.
반면, 상기 도 2의 방전 모드(예컨대, t1 내지 t3 구간)일 경우에는 상기 방전 제어부(308)의 제어에 따라 상기 방전 스위치(307)를 온(on)시킴으로써 상기 제2 정류부(306)의 출력 신호가 배터리(309)로 공급되지 않도록 스위칭하고, 상기 배터리(309)로부터 전류가 방전되도록 한다. 이때, 상기 배터리(309)로부터 방전된 전류는 AC 펄스 신호로서 전류 유도부(310)(예컨대, 트랜스포머)에서 전류가 유도된다. 따라서, 상기 방전 전류 ID는 1차 코일에서 2차 코일로 유도되어 제3 정류부(311)로 흐르게 된다.
이와 같이, 상기 유도된 방전 전류는 제3 정류부(311)를 통해 정류된 후 콘덴서(303)에 저장된다. 상기 콘덴서(303)에 저장된 방전 전류는 다시 충전 모드로 변환될 때, 충전 전류로 재사용된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2 및 도 3과 관련하여 도 4를 참조하면, 먼저 방전 스위치(307)는 오프(off) 상태(S401)로 설정하고, 충전 스위치(즉, 게이트 구동부(305))는 온(on) 상태로 설정(S402)한다. 이에 따라, 상기 충전기는 충전 모드로 동작(S403)한다. 이때, TC만큼의 충전 시간이 경과하면, 충전 스위치를 오프(S405) 상태로 설정하고, 방전 스위치(307)를 온 시킴으로써(S406) 방전 모드로 동작(S407)하도록 제어한다.
다시, TD 만큼의 방전 시간이 경과하면, 방전 스위치를 오프(S409)시키고, Td 시간 동안의 휴지기간을 가진 다음, 다시 S403단계로 진행하여 충전 모드로 동작하게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
101 : 충전 전류 102 : 충전 전압
301 : 전원부 302 : 제1 정류부
303 : 콘덴서 304 : 컨버터부
305 : 게이트 구동부 306 : 제2 정류부
307 : 방전 스위치 308 : 방전 제어부
309 : 배터리 310 : 전류 유도부
311 : 제3 정류부 312 : 고주파 트랜스

Claims (8)

  1. 충전 모드 동작에 따라 게이트를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 게이트 구동부;
    상기 게이트 구동부의 제어 신호에 따라 게이트를 구동하여 정류된 3상 교류 전원의 전압을 변환시키는 컨버터부;
    방전 모드 동작에 따라 방전 스위치를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 방전 제어부;
    상기 방전 제어부의 제어 신호에 따라 게이트를 스위칭하여 배터리로 공급되는 상기 컨버터부의 출력 신호를 온오프 시키는 방전 스위치;
    방전 모드 동작에 따라 상기 방전 제어부가 상기 방전 스위치를 오프시킬 경우, 상기 배터리로부터의 방전 펄스 전류를 1차 코일에서 2차 코일로 유도하는 전류 유도부; 및
    상기 컨버터부의 전단에 위치하며, 상기 전류 유도부로부터 유도된 방전 펄스 전류를 충전하는 콘덴서를 포함하며,
    상기 콘덴서는 상기 게이트 구동부에 의한 충전 모드 동작시 충전 전류로 재사용되는 것을 특징으로 하는, 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 콘덴서의 전단에 공급되는 3상 교류 전류를 정류시키기는 제1 정류부를 더 포함하는, 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨버터부와 상기 방전 스위치 사이에 위치하며, 상기 컨버터부의 출력 신호로부터 상기 컨버터부의 스위칭 과정에서 생성된 교류 성분을 제거하는 제2 정류부를 더 포함하는, 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 유도부와 상기 콘덴서 사이에 위치하며, 상기 전류 유도된 방전 전류를 정류시키는 제3 정류부를 더 포함하는, 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 모드의 주기는 상기 충전 모드의 주기보다 더 짧은, 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기.
  6. 방전 스위치를 오프 상태로 설정하고, 충전 스위치를 온 상태로 설정하여 충전 모드로 설정하는 단계;
    상기 충전 모드 동작에 따라 게이트 구동부에서 게이트를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계;
    컨버터부에서 상기 게이트 구동부의 제어 신호에 따라 게이트를 구동하여 정류된 3상 교류 전원의 전압을 변환시키는 단계;
    제1 설정 시간이 경과한 후, 상기 충전 스위치를 오프 상태로 설정하고, 상기 방전 스위치를 온 상태로 설정하여 방전 모드로 설정하는 단계;
    상기 방전 모드 동작에 따라 방전 제어부에서 방전 스위치를 구동하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 방전 제어부의 방전 모드 제어 신호에 따라 상기 방전 스위치에서 게이트를 스위칭하여 배터리로 공급되는 상기 컨버터부의 출력 신호를 오프 시키는 단계;
    상기 방전 모드 동작에 따라 상기 방전 제어부가 상기 방전 스위치를 오프시킬 경우, 전류 유도부에서 상기 배터리로부터의 방전 펄스 전류를 1차 코일에서 2차 코일로 유도하는 단계;
    상기 컨버터부의 전단에 위치한 콘덴서로 상기 전류 유도부로부터 유도된 방전 펄스 전류를 충전하는 단계; 및
    제2 설정 시간이 경과한 후, 상기 게이트 구동부에 의한 충전 모드 동작시 상기 콘텐서에 충전된 전류를 충전 전류로 재사용하는 단계를 포함하는 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기의 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 방전 모드의 주기는 상기 충전 모드의 주기보다 더 짧은, 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기의 제어 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    제2 설정 시간이 경과한 후, 제3 설정 시간 동안 충전 모드로 진입하지 않고 휴지 기간을 추가하는, 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기의 제어 방법.
KR1020120026434A 2011-04-27 2012-03-15 에너지 회생 기능을 갖는 펄스형 배터리의 급속 충전기 및 그 충전기의 제어 방법 KR101337242B1 (ko)

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