KR20130071913A

KR20130071913A - 직류 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR20130071913A
Application number: KR1020110139394A
Authority: KR
Inventors: 박운식
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-07-01
Also published as: KR101773477B1

Abstract

직류 전원 공급 장치가 개시된다. 특히 태양광, 연료 전지 등의 재생 에너지를 이용하여 부하에 직류 전원을 공급하는 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 배터리의 출력 측에 역류 방지 다이오드를 구비함으로써 배터리팩들 간의 전압 불균형으로 인한 과도한 역 전류를 방지한다. 이와 동시에, 본 발명의 실시 예들은 역류 방지 다이오드에 병렬로 스위칭 소자를 구비함으로써 역류 방지 다이오드에 의해 발생하는 충전 경로의 차단 문제를 해결하고, 배터리가 균등하게 충전되도록 하며, 배터리팩의 전압 불균형을 해소한다.

Description

직류 전원 공급 장치{APPARATUS FOR SUPPLYING DIRECT-CURRENT POWER}

본 발명은 직류 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 특히 태양광, 연료 전지 등의 재생 에너지를 이용하여 부하에 직류 전원을 공급하는 장치에 관한 것이다.

석유 등의 석탄 연료의 고갈로 인해 재생 에너지에 관심이 높아지고 있다. 특히, 에너지원으로 풍력, 태양광, 연료전지 등에 관심이 높아지고 있는데, 이들을 이용하는 경우에 있어서, 각각의 독립적이고, 전용의 전력변환장치 및 이를 제어하는 장치를 제조 또는 사용한다.

예를 들어, 풍력을 이용하는 경우에는, 교류-직류 변환장치(AC-DC Converter, 컨버터)와 직류-교류 변환장치(DC-AC Converter, Inverter, 인버터)를 직렬로 연결하여 부하 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 풍속과 터빈의 속도에 의하여 발생하는 최대전력을 추종하도록 하는 최대 출력점 추종제어를 사용한다.

한편, 연료전지 또는 태양광을 이용하는 경우에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 직류-직류 변환장치(DC-DC Converter 또는 DC-DC Booster, 20)와 직류-교류 변환장치(Inverter, 30)를 이용하여 부하(40) 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 운전조건이나 태양광 일사 조건에 따라 얻을 수 있는 최대전력을 출력하기 위한 제어 알고리즘 및 이를 탑재한 제어장치를 사용한다.

발전 장치(10)의 내부에 복수의 배터리들을 구비하는 경우, 충전과 방전을 거듭하면서 각 배터리의 출력 전압에 불균형이 발생할 수 있고, 전압 불균형으로 인해 과도한 역 전류가 발생할 수 있다. 또, 발전 장치(10)에 구비된 솔라 패널(Solar Panel)의 경우, 음영, 온도 등 환경 조건에 따라 각 솔라 패널에서 발전하는 전력이 다를 수 있으며, 솔라 패널과 연결된 배터리에 충전되는 충전량이 달라질 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 복수의 배터리를 구비하여 직류 전원을 공급하는 경우에, 각 배터리의 균형적 사용이 가능하도록 한 직류 전원 공급 장치를 제공하는 데에 일 목적이 있다.

본 발명의 실시 예들은 복수의 배터리팩을 병렬 연결하여 직류 전원을 공급하는 경우, 배터리팩들의 전압 불균형으로 인한 역 전류를 방지함과 동시에 배터리팩들의 병렬 연결을 유지하여 직류 전원을 공급할 수 있는 직류 전원 공급 장치를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

본 발명의 실시 예들은 태양 전지판과 배터리로 구성된 배터리팩들을 병렬 연결하여 안정적으로 부하에 직류 전원을 공급하는 직류 전원 공급 장치를 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다.

일 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치는, 복수의 발전 유닛들과, 상기 발전 유닛들의 각각에 병렬 연결되는 복수의 배터리들과, 일 측은 상기 복수의 배터리들의 각각에 연결되고, 타 측은 하나의 전원 공급 라인으로 연결되며, 직류 전원을 공급하는 전원 공급 유닛들을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 전원 공급 유닛들의 각각은, 스위칭 신호에 따라 개폐되고, 이에 따라 전원 공급 패스를 형성하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또, 상기 전원 공급 유닛들의 각각은, 상기 스위칭 소자와 병렬 연결되는 역류방지 다이오드를 더 포함하여 구성된다.

상기 직류 전원 공급 장치는, 상기 복수의 배터리들이 충전 또는 방전하도록 하고, 상기 전원 공급 유닛들의 각각에 연결된 상기 스위칭 소자들에 대한 상기 스위칭 신호를 생성하는 제어 유닛을 더 포함하여 구성된다.

다른 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치는, 태양 전지판과, 상기 태양 전지판에 직접 연결되는 배터리와, 및 일 측은 상기 배터리에 연결되고 타 측은 하나의 전원 공급 라인에 연결되는 전원 공급 유닛을 포함하고, 각각은 서로 병렬 연결되어 상기 부하에 직류 전원을 공급하는 복수의 배터리팩들을 포함하여 구성되고, 상기 전원 공급 유닛은, 스위칭 신호에 따라 개폐되고, 이에 따라 전원 공급 패스를 형성하는 스위칭 소자를 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시 예들은 배터리의 출력 측에 역류 방지 다이오드를 구비함으로써 배터리팩들 간의 전압 불균형으로 인한 과도한 역 전류를 방지할 수 있다. 이와 동시에, 본 발명의 실시 예들은 역류 방지 다이오드에 병렬로 스위칭 소자를 구비함으로써 역류 방지 다이오드에 의해 발생하는 충전 경로의 차단 문제를 해결하고, 배터리가 균등하게 충전되도록 하며, 배터리팩의 전압 불균형을 해소할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 역류 방지 다이오드를 구비함으로써 역 전류로부터 회로나 배터리팩을 보호하고, 스위칭 소자를 역류 방지 다이오드에 병렬 연결함으로써 태양 전지판과 배터리 사이의 병렬 연결을 가능하게 한다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예들은, 충전된 배터리팩의 전압에 불균형이 발생하여 낮은 전압의 배터리팩은 사용되지 아니하고 높은 전압의 배터리팩만이 계속 사용됨으로 인해 배터리팩이 빠르게 열화하고 수명이 단축되는 현상을 방지하고, 배터리팩의 균형적 사용이 가능하고 배터리팩의 기대 수명을 만족하게 한다.

도 1은 일반적인 직류 전원 공급 장치를 포함하는 계통 연계형 시스템의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 2는 일 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치를 개략적으로 보인 블록도;
도 3은 도 2의 직류 전원 공급 장치에 있어서, 복수의 배터리팩들이 병렬 연결된 직류 전원 공급 장치를 보인 도; 및
도 4는 일 실시 예에 따른 태양 전지판과 배터리로 구성된 배터리팩들이 병렬 연결된 직류 전원 공급 장치의 발전 장치를 보인 회로도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치는, 발전 장치(100)와, 컨버터(200)와, 제어 유닛(400)을 포함하여 구성된다. 상기 직류 전원 공급 장치에 있어서, 상기 발전 장치(100)는, 발전 유닛(110)과, 배터리(120)와, 전원 공급 유닛(130)을 포함하여 구성된다.

컨버터(200)는 발전 장치(100)로부터 직류 전원을 입력받고, 직류 전원의 전압을 일정 범위의 직류 전압으로 변환한다. 컨버터(200)는 직류-직류 변환 유닛(DC-DC Converter)으로서, 하나 이상의 다이오드로 구성되거나 또는 다이오드와 함께 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 컨버터는 스위칭 소자를 포함하여 승압 기능을 구비할 수 있고, 또 역률 개선 회로를 더 구비할 수 있다. 이때, 제어 유닛(400)은 컨버터 입력 전류, 전압 또는 부하 등을 근거로 컨버터 제어 신호를 생성하고 컨버터에 출력하여 스위칭 소자를 구동한다.

상기 직류 전원 공급 장치는, 컨버터(200)로부터 출력된 직류 전원의 전압을 평활화하고 직류 링크(DC Link) 전압으로 저장하는 직류 링크 커패시터(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

직류 전원 공급 장치의 후단에는 부하에 맞게 전원을 변환하는 인버터(300)가 더 구비될 수 있다. 인버터(300)는 복수의 스위칭 소자, 예를 들어 모스펫 (MOSFET; Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT; Insulated Gate bipolar Transistor)로 구성된다. 인버터(300)는 단상 또는 3상에 따라 스위칭 소자의 개수를 달리한다. 즉, 인버터(300)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 제어 유닛(400)의 인버터 제어 신호에 따라 구동되어 컨버터의 출력 전압, 직류 전원의 전압을 부하에 맞게 교류 전원의 전압으로 변환하여 공급한다. 인버터(300)는, 그 입력단에 구비되고 입력 전압에 포함된 고조파를 제거하는 입력 리액터, 출력단에 구비되고 변환된 교류 전압에 포함된 고조파를 제거하는 출력 리액터를 포함할 수 있다.

도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치는, 복수의 발전 유닛들(110: 111, 112, ..., 11n)과, 상기 발전 유닛들의 각각에 병렬 연결되는 복수의 배터리들(120: 121, 122, ..., 12n)과, 일 측은 상기 복수의 배터리들의 각각에 연결되고, 타 측은 하나의 전원 공급 라인으로 연결되며, 직류 전원을 공급하는 전원 공급 유닛들(130: 131, 132, ..., 13n)을 포함하여 구성된다.

상기 전원 공급 유닛들(130)의 각각은, 스위칭 신호에 따라 개폐되고, 이에 따라 전원 공급 패스를 형성하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 전원 공급 유닛에 구비된 스위칭 소자는, 인버터에 구비된 스위칭 소자와 마찬가지로 MOSFET, IGBT 등일 수 있다. 상기 전원 공급 유닛들의 각각은, 상기 스위칭 소자와 병렬 연결되는 역류방지 다이오드를 더 포함하여 구성된다.

발전 유닛(110)은, 태양광 발전의 경우에 태양 전지판(Solar Panel)일 수 있다. 이때, 각각 병렬 연결된 상기 복수의 발전 유닛들(110)과 상기 복수의 배터리들(120), 및 상기 복수의 전원 공급 유닛들(130)은, 일체형으로 형성되어 각각 배터리팩을 구성한다.

제어 유닛(400)은, 상기 복수의 배터리들(120)이 충전 또는 방전하도록 하고, 상기 전원 공급 유닛들(130)의 각각에 포함된 상기 스위칭 소자들에 대한 상기 스위칭 신호를 생성한다. 또, 제어 유닛(400)은 부하(500)에 따라 컨버터(200)를 구동하는 컨버터 제어 신호, 인버터(300)를 구동하는 인버터 제어 신호를 더 생성하여 출력할 수 있다.

제어 유닛(400)은, 상기 복수의 배터리들의 각각에 연결되어 상기 복수의 배터리들의 각각이 충전 또는 방전하도록 하는 복수의 배터리 구동 유닛들(410)을 포함하여 구성된다. 예를 들어, 배터리 구동 유닛(410)은 부하 필요 전력이 배터리 출력 전력보다 크면, 해당 배터리의 출력 전력을 증가시킨다. 반대로, 배터리 구동 유닛은 부하 필요 전력이 배터리 출력 전력보다 작으면, 해당 배터리의 출력 전력을 줄인다. 또한, 배터리 구동 유닛(410)은, 상기 스위칭 신호를 이용하여 상기 전원 공급 유닛 내에 구비된 스위칭 소자들을 개폐한다.

제어 유닛(400)은, 상기 배터리들의 방전 시, 상기 스위칭 소자들을 턴오프하여 상기 역류방지 다이오드들을 통해 상기 직류 전원을 공급한다. 반대로, 제어 유닛(400)은, 상기 배터리들의 충전 시, 상기 스위칭 소자들을 턴온하여 상기 배터리들이 균등하게 충전되도록 한다. 이러한 스위칭 소자들의 턴온/턴오프 동작은 제어 유닛(400)에 구비된 각각의 배터리 구동 유닛들에 의해 수행될 수 있다.

도 4를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 직류 전원 공급 장치는, 태양 전지판(P1, P2, ..., Pn)과, 상기 태양 전지판에 직접 연결되는 배터리(B1, B2, ..., Bn)와, 및 일 측은 상기 배터리(B1, B2, ..., Bn)에 연결되고 타 측은 하나의 전원 공급 라인에 연결되는 전원 공급 유닛을 포함하는 복수의 배터리팩들을 포함하여 구성된다.

상기 복수의 배터리팩들의 각각은 서로 병렬 연결되어 상기 부하에 직류 전원을 공급한다. 여기서, 상기 전원 공급 유닛은, 스위칭 신호에 따라 개폐되고, 이에 따라 전원 공급 패스를 형성하는 스위칭 소자(Q1, Q2, ..., Qn)를 포함하여 구성된다. 또, 상기 전원 공급 유닛은, 상기 스위칭 소자와 병렬 연결되는 역류방지 다이오드(D1, D2, ..., Dn)를 더 포함하여 구성된다.

직류 전원 공급 장치는 도 2에 도시한 바와 같이 제어 유닛(400)을 더 포함할 수 있다. 제어 유닛(400)은, 상기 복수의 배터리들(120)이 충전되거나 또는 방전되도록 하고, 상기 전원 공급 유닛들(130)의 각각에 연결된 상기 스위칭 소자들에 대한 상기 스위칭 신호를 생성한다.

제어 유닛은, 배터리팩들의 각각에 연결되어 배터리팩이 충전되거나 또는 방전되도록 하는 배터리 구동 유닛들을 포함할 수 있다. 배터리 구동 유닛은, 스위칭 신호를 이용하여 스위칭 소자들을 구동한다. 배터리 구동 유닛은, 배터리팩을 방전할 때에 스위치 소자(Q1, Q2, ..., Qn)를 턴-오프한다. 이때, 직류 전원 공급 장치는, 역류 방지 다이오드(D1, D2, ..., Dn)를 통해 전류가 역류하는 것을 방지한다. 반대로, 배터리팩을 충전할 때, 배터리 구동 유닛은 스위치 소자를 턴-온함으로써 태양 전지판(P1, P2, ..., Pn)으로부터 출력된 전력이 각 배터리(B1, B2, ..., Bn)에 균등하게 충전되도록 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 직류 전원 공급 장치, 특히 태양광, 연료 전지 등의 재생 에너지를 이용하여 부하에 직류 전원을 공급하는 장치들은 배터리의 출력 측에 역류 방지 다이오드를 구비함으로써 배터리팩들 간의 전압 불균형으로 인한 과도한 역 전류를 방지한다. 이와 동시에, 본 발명의 실시 예들은 역류 방지 다이오드에 병렬로 스위칭 소자를 구비함으로써 역류 방지 다이오드에 의해 발생하는 충전 경로의 차단 문제를 해결하고, 배터리가 균등하게 충전되도록 하며, 배터리팩의 전압 불균형을 해소한다.

100: 배터리팩 200: 컨버터
300: 인버터 400: 제어 유닛
110, 111, 112, ..., 11n: 발전 유닛
120, 121, 122, ..., 12n: 배터리
130, 131, 132, ..., 13n: 전원 공급 유닛
Q1, Q2, ..., Qn: 스위칭 소자
D1, D2, ..., Dn: 역류 방지 다이오드

Claims

복수의 발전 유닛들;
상기 발전 유닛들의 각각에 병렬 연결되는 복수의 배터리들; 및
일 측은 상기 복수의 배터리들의 각각에 연결되고, 타 측은 하나의 전원 공급 라인으로 연결되며, 직류 전원을 공급하는 전원 공급 유닛들;을 포함하고,
상기 전원 공급 유닛들의 각각은,
스위칭 신호에 따라 개폐되고, 이에 따라 전원 공급 패스를 형성하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
제1 항에 있어서, 상기 전원 공급 유닛들의 각각은,
상기 스위칭 소자와 병렬 연결되는 역류방지 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
제2 항에 있어서,
상기 복수의 배터리들이 충전 또는 방전하도록 하고, 상기 전원 공급 유닛들의 각각에 포함된 상기 스위칭 소자들에 대한 상기 스위칭 신호를 생성하는 제어 유닛;을 더 포함하는 직류 전원 공급 장치.
제3 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
상기 복수의 배터리들의 각각에 연결되어 상기 복수의 배터리들의 각각이 충전 또는 방전하도록 하고, 상기 스위칭 신호를 이용하여 상기 스위칭 소자들을 개폐하는 복수의 배터리 구동 유닛들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
제4 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
상기 배터리들의 방전 시, 상기 스위칭 소자들을 턴오프하여 상기 역류방지 다이오드들을 통해 상기 직류 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
제4 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
상기 배터리들의 충전 시, 상기 스위칭 소자들을 턴온하여 상기 배터리들이 균등하게 충전되도록 하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 발전 유닛들은, 복수의 태양 전지판들인 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
제7 항에 있어서,
각각 병렬 연결된 상기 복수의 발전 유닛들과 상기 복수의 배터리들, 및 상기 복수의 전원 공급 유닛들은, 일체형으로 형성되어 각각 배터리팩을 구성하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
태양 전지판과, 상기 태양 전지판에 직접 연결되는 배터리와, 및 일 측은 상기 배터리에 연결되고 타 측은 하나의 전원 공급 라인에 연결되는 전원 공급 유닛을 포함하고, 각각은 서로 병렬 연결되어 상기 부하에 직류 전원을 공급하는 복수의 배터리팩들;을 포함하고,
상기 전원 공급 유닛은,
스위칭 신호에 따라 개폐되고, 이에 따라 전원 공급 패스를 형성하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.
제9 항에 있어서, 상기 전원 공급 유닛은,
상기 스위칭 소자와 병렬 연결되는 역류방지 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 공급 장치.