KR20140115501A - 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리; 상기 배터리와 연결되는 제1 회로부, DC 링크와 연결되는 제2 회로부 및 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부 사이에 접속되는 변압기를 포함하는 컨버터; 및 배터리 가온 모드에 진입한 경우, 상기 배터리가 충전 및 방전을 반복하도록 상기 컨버터를 제어함으로써, 상기 배터리를 가온시키는 제어부; 를 포함하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 별도의 가열 장치를 구비하지 않더라도 배터리 가온 기능을 수행할 수 있는 전원 변환 장치를 제공할 수 있다.

Description

배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE HAVING BATTERY HEATING FUNCTION}
본 발명은 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충방전 동작을 통하여 배터리를 가온시킬 수 있는 전원 변환 장치에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 심각한 문제로 제기되면서, 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 에너지 저장 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템에는 부하의 부하량에 따라서 전력을 저장 및 공급하는 배터리가 포함된다.
배터리는 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 전력을 저장할 수 있으며, 또한 저장되어 있는 전력을 외부 부하로 공급할 수도 있다.
그러나, 혹한 지역이나 추운 겨울 등 주변 환경의 영향으로 배터리의 온도가 낮을 경우, 배터리의 전해질 등의 동작상태가 신속하게 활성화되지 않으므로 배터리의 동작이 정상적으로 이루어지지 않게 되는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 별도의 가열 장치를 구비하지 않더라도 배터리 가온 기능을 수행할 수 있는 전원 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 배터리, 상기 배터리와 연결되는 제1 회로부, DC 링크와 연결되는 제2 회로부 및 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부 사이에 접속되는 변압기를 포함하는 컨버터 및 배터리 가온 모드에 진입한 경우, 상기 배터리가 충전 및 방전을 반복하도록 상기 컨버터를 제어함으로써, 상기 배터리를 가온시키는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 배터리의 온도를 참조하여, 상기 배터리 가온 모드로의 진입 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 가온 모드로의 진입 후, 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 배터리의 온도가 기설정된 기준값 이상에 해당되는 경우, 상기 배터리 가온 모드를 종료하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 회로부는, 상기 배터리와 연결되는 제1 인덕터, 상기 제1 인덕터와 제1 노드 사이에 연결되는 제1 스위칭 소자, 상기 제1 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제2 스위칭 소자, 상기 제1 인덕터와 제2 노드 사이에 연결되는 제3 스위칭 소자 및 상기 제2 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제4 스위칭 소자를 포함한다.
또한, 상기 제2 회로부는, 상기 DC 링크와 제3 노드 사이에 연결되는 제5 스위칭 소자, 상기 제3 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제6 스위칭 소자, 상기 DC 링크와 제4 노드 사이에 연결되는 제7 스위칭 소자 및 상기 제4 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제8 스위칭 소자를 포함한다.
또한, 상기 변압기는, 1차 권선이 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 접속되고, 2차 권선이 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 접속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 회로부는, 상기 각 스위칭 소자에 병렬 접속되는 회생 다이오드를 더 포함한다.
또한, 상기 각 스위칭 소자는, 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 방전 동작을 위하여, 상기 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 턴-온 상태로 유지한 채, 상기 제2 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 충전 동작을 위하여, 상기 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 유지한 채, 상기 제6 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 방전 동작을 위하여, 상기 제2 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자를 턴-온 상태로 유지한 채, 상기 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 충전 동작을 위하여, 상기 제6 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 유지한 채, 상기 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 별도의 가열 장치를 구비하지 않더라도 배터리 가온 기능을 수행할 수 있는 전원 변환 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전원 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가온 동작을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전원 변환 장치를 채용한 에너지 저장 시스템을 나타낸 도면이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 본 발명의 실시예들 및 이를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명의 실시예에 의한 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전원 변환 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가온 동작을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치(1, 이하 전원 변환 장치)는 배터리(10), 양방향 컨버터(20), DC 링크(30) 및 제어부(70)를 포함한다.
배터리(10)는 충전과 방전이 가능한 이차 전지일 수 있다.
예를 들어, 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 배터리(10)의 종류를 한정하지는 않는다.
양방향 컨버터(20)는 배터리(10)와 DC 링크(30) 사이에 연결된다.
또한, 양방향 컨버터(20)는 DC 링크(30)로부터의 직류 전원을 배터리(10)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 배터리(10)로 전달할 수 있다.
반대로, 양방향 컨버터(20)는 배터리(10)의 직류 전원을 DC 링크(30)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(30)로 전달할 수 있다.
또한, 양방향 컨버터(20)는 제어부(70)의 제어에 따라 배터리(10)와 DC 링크(30) 사이에서 배터리(10)의 충방전 경로를 생성할 수 있다.
배터리(10)는 배터리 모니터링 시스템(190, 도 4 참조)를 통하여 양방향 컨버터(20)와 연결될 수 있다.
이 때, 양방향 컨버터(20)는 절연형 양방향 컨버터로 구현될 수 있다.
DC 링크(30)는 양방향 컨버터(20)로부터 출력되는 직류 전원을 일시적으로 저장하고, 저장된 전원을 다른 구성(예를 들어, 양방향 인버터(40))로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
이 경우, DC 링크(30)는 양방향 인버터(40)로부터 출력되는 직류 전원을 저장하고, 저장된 전원을 양방향 컨버터(20)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
이 때, 양방향 인버터(40)는 DC 링크(30)로부터 제공되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전력 계통(80) 등에 출력할 수 있다.
제어부(70)는 배터리(10)가 정상적으로 동작할 수 있도록 배터리 가온 모드(Tcd) 동안 양방향 컨버터(20)를 제어하여 배터리(10)를 가온시킬 수 있다.
이 때, 제어부(70)는 전원 변환 장치(1)가 배터리 가온 모드(Tcd)로 진입한 경우, 배터리 가온 모드(Tcd) 동안 배터리(10)가 충전 및 방전을 반복하도록 양방향 컨버터(20)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 가온 모드(Tcd) 동안에는 배터리(10)의 충전 동작과 방전 동작을 반복적으로 수행하게 된다. 반복되는 충방전 동작에 따라, 배터리(10)의 온도는 상승하게 된다.
일반 구동 모드에서 배터리 가온 모드(Tcd)로의 진입 여부는 배터리(10)의 온도에 따라 결정될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 실시예에 의한 전원 변환 장치(1)는 온도 센서(60)를 더 포함할 수 있다.
온도 센서(60)는 배터리(10)의 온도를 측정하는 기능을 수행한다. 또한, 온도 센서(60)는 측정된 온도 정보를 제어부(70)로 전달할 수 있다.
이에 대응하여, 제어부(70)는 측정된 배터리(10)의 온도에 따라 배터리 가온 모드(Tcd)로의 진입 여부를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(70)는 배터리(10)의 온도가 기설정된 제1 기준값 이하인 경우에 배터리 가온 모드(Tcd)를 진행할 수 있으며, 배터리(10)의 온도가 기설정된 제1 기준값을 초과하는 경우에는 일반 구동 모드를 수행할 수 있다.
또한, 제어부(70)는 배터리 가온 모드(Tcd)로의 진입 후, 온도 센서(60)에 의해 측정된 배터리(10)의 온도가 기설정된 제2 기준값 이상에 해당하는 경우, 배터리 가온 모드(Tcd)를 종료하고 일반 구동 모드로 복귀할 수 있다.
즉, 배터리(10)가 정상적인 작동이 가능한 온도로 가온된 경우에는 더 이상의 배터리(10) 가온 동작이 필요치 않으므로, 배터리 가온 모드(Tcd)를 종료하는 것이 바람직하다.
이 때, 제2 기준값은 제1 기준값 보다 높은 값으로 설정될 수 있다.
도 2에서는 배터리 가온 모드(Tcd) 동안 충전 및 방전이 4번씩 반복된 경우를 도시하고 있으나, 충방전 횟수는 다양하게 변화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 양방향 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 양방향 컨버터(20)는 제1 회로부(21), 제2 회로부(22) 및 변압기(50)를 포함할 수 있다.
제1 회로부(21)는 배터리(10)와 연결될 수 있다.
제2 회로부(22)는 DC 링크(30)와 연결될 수 있다.
또한, 변압기(50)는 배터리(10)와 DC 링크(30) 사이에 접속될 수 있다.
배터리 가온 모드(Tcd) 중 방전 기간(Pd) 동안 제1 회로부(21)는 배터리(10)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 변압기(50)에 공급할 수 있으며, 제2 회로부(22)는 변압기(50)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 DC 링크(30)에 공급할 수 있다.
이에 따라, 방전 기간(Pd) 동안 배터리(10)의 방전 동작이 이루어지게 된다.
또한, 배터리 가온 모드(Tcd) 중 충전 기간(Pc) 동안 제2 회로부(22)는 DC 링크(30)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 변압기(50)에 공급할 수 있으며, 제1 회로부(21)는 변압기(50)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리(10)에 공급할 수 있다.
이에 따라, 충전 기간(Pc) 동안 배터리(10)의 충전 동작이 이루어지게 된다.
도 3을 참조하면, 제1 회로부(21)는 제1 인덕터(L1), 제1 스위칭 소자(M1), 제2 스위칭 소자(M2), 제3 스위칭 소자(M3) 및 제4 스위칭 소자(M4)를 포함할 수 있다.
제1 인덕터(L1)는 배터리(10)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 인덕터(L1)의 일단은 배터리(10)의 (+) 극에 연결되고, 제1 인덕터(L1)의 타단은 제1 스위칭 소자(M1)와 제3 스위칭 소자(M3)에 연결될 수 있다.
제1 스위칭 소자(M1)는 제1 인덕터(L1)와 제1 노드(N1) 사이에 연결될 수 있다.
제2 스위칭 소자(M2)는 제1 노드(N1)와 접지 전원 사이에 연결될 수 있다.
제3 스위칭 소자(M3)는 제1 인덕터(L1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다.
제4 스위칭 소자(M4)는 제2 노드(N2)와 접지 전원 사이에 연결될 수 있다.
이 때, 각 스위칭 소자(M1, M2, M3, M4)의 온-오프 동작은 제어부(70)에 의해 제어될 수 있다.
구체적으로, 제1 스위칭 소자(M1)는 제1 전극이 제1 인덕터(L1)에 연결되고, 제2 전극은 제1 노드(N1)에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
제2 스위칭 소자(M2)는 제1 전극이 제1 노드(N1)에 연결되고, 제2 전극은 접지 전원에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
제3 스위칭 소자(M3)는 제1 전극이 제1 인덕터(L1)에 연결되고, 제2 전극은 제2 노드(N2)에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
제4 스위칭 소자(M4)는 제1 전극이 제2 노드(N2)에 연결되고, 제2 전극은 접지 전원에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
이 때, 각 스위칭 소자(M1, M2, M3, M4)에는 회생 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 각각 병렬 접속될 수 있다.
즉, 제1 스위칭 소자(M1)에는 제1 회생 다이오드(D1)가 병렬 접속되고, 제2 스위칭 소자(M2)에는 제2 회생 다이오드(D2)가 병렬 접속될 수 있다.
또한, 제3 스위칭 소자(M3)에는 제3 회생 다이오드(D3)가 병렬 접속되고, 제4 스위칭 소자(M4)에는 제4 회생 다이오드(D4)가 병렬 접속될 수 있다.
구체적으로, 제1 회생 다이오드(D1)의 애노드는 제1 스위칭 소자(M1)의 제2 전극에 연결되고, 제1 회생 다이오드(D1)의 캐소드는 제1 스위칭 소자(M1)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
또한, 제2 회생 다이오드(D2)의 애노드는 제2 스위칭 소자(M2)의 제2 전극에 연결되고, 제2 회생 다이오드(D2)의 캐소드는 제2 스위칭 소자(M2)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
제3 회생 다이오드(D3)의 애노드는 제3 스위칭 소자(M3)의 제2 전극에 연결되고, 제3 회생 다이오드(D3)의 캐소드는 제3 스위칭 소자(M3)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
또한, 제4 회생 다이오드(D4)의 애노드는 제4 스위칭 소자(M4)의 제2 전극에 연결되고, 제4 회생 다이오드(D4)의 캐소드는 제4 스위칭 소자(M4)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
제1 회로부(21)에 포함된 각 스위칭 소자(M1, M2, M3, M4)는 트랜지스터로 구현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제2 회로부(22)는 제5 스위칭 소자(M5), 제6 스위칭 소자(M6), 제7 스위칭 소자(M7) 및 제8 스위칭 소자(M8)를 포함할 수 있다.
제5 스위칭 소자(M5)는 DC 링크(30)와 제3 노드(N3) 사이에 연결될 수 있다.
제6 스위칭 소자(M6)는 제3 노드(N3)와 접지 전원 사이에 연결될 수 있다.
제7 스위칭 소자(M7)는 DC 링크(30)와 제4 노드(N4) 사이에 연결될 수 있다.
제8 스위칭 소자(M8)는 제4 노드(N4)와 접지 전원 사이에 연결될 수 있다.
이 때, 각 스위칭 소자(M5, M6, M7, M8)의 온-오프 동작은 제어부(70)에 의해 제어될 수 있다.
구체적으로, 제5 스위칭 소자(M5)는 제1 전극이 DC 링크(30)의 (+) 단자에 연결되고, 제2 전극이 제3 노드(N3)에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
제6 스위칭 소자(M6)는 제1 전극이 제3 노드(N3)에 연결되고, 제2 전극이 접지 전원에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
제7 스위칭 소자(M7)는 제1 전극이 DC 링크(30)의 (+) 단자에 연결되고, 제2 전극이 제4 노드(N4)에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
제8 스위칭 소자(M8)는 제1 전극이 제4 노드(N4)에 연결되고, 제2 전극이 접지 전원에 연결되며, 제어 전극은 제어부(70)에 연결될 수 있다.
이 때, 각 스위칭 소자(M5, M6, M7, M8)에는 회생 다이오드(D5, D6, D7, D8)가 각각 병렬 접속될 수 있다.
즉, 제5 스위칭 소자(M5)에는 제5 회생 다이오드(D5)가 병렬 접속되고, 제6 스위칭 소자(M6)에는 제6 회생 다이오드(D6)가 병렬 접속될 수 있다.
또한, 제7 스위칭 소자(M7)에는 제7 회생 다이오드(D7)가 병렬 접속되고, 제8 스위칭 소자(M8)에는 제8 회생 다이오드(D8)가 병렬 접속될 수 있다.
구체적으로, 제5 회생 다이오드(D5)의 애노드는 제5 스위칭 소자(M5)의 제2 전극에 연결되고, 제5 회생 다이오드(D5)의 캐소드는 제5 스위칭 소자(M5)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
또한, 제6 회생 다이오드(D6)의 애노드는 제6 스위칭 소자(M6)의 제2 전극에 연결되고, 제6 회생 다이오드(D6)의 캐소드는 제6 스위칭 소자(M6)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
제7 회생 다이오드(D7)의 애노드는 제7 스위칭 소자(M7)의 제2 전극에 연결되고, 제7 회생 다이오드(D7)의 캐소드는 제7 스위칭 소자(M7)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
또한, 제8 회생 다이오드(D8)의 애노드는 제8 스위칭 소자(M8)의 제2 전극에 연결되고, 제8 회생 다이오드(D8)의 캐소드는 제8 스위칭 소자(M8)의 제1 전극에 연결될 수 있다.
제2 회로부(22)에 포함된 각 스위칭 소자(M5, M6, M7, M8)는 트랜지스터로 구현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 변압기(50)는 제1 회로부(21)와 제2 회로부(22) 사이에 접속될 수 있다
구체적으로, 변압기(50)의 1차 권선(51)은 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되고, 변압기(50)의 2차 권선(52)은 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에 연결될 수 있다.
이 때, 제1 노드(N1)는 제1 스위칭 소자(M1), 제2 스위칭 소자(M2) 및 1차 권선(51)의 공통 접점으로 정의될 수 있으며, 제2 노드(N2)는 제3 스위칭 소자(M3), 제4 스위칭 소자(M4) 및 1차 권선(51)의 공통 접점으로 정의될 수 있다.
또한, 제3 노드(N3)는 제5 스위칭 소자(M5), 제6 스위칭 소자(M6) 및 2차 권선(52)의 공통 접점으로 정의될 수 있으며, 제4 노드(N4)는 제7 스위칭 소자(M7), 제8 스위칭 소자(M8) 및 2차 권선(52)의 공통 접점으로 정의될 수 있다.
제어부(70)는 배터리 가온 모드(Tcd) 동안 배터리(10)의 방전 동작을 위하여, 제1 회로부(21)에 포함된 스위칭 소자들(M1~M4)의 온-오프 동작을 제어할 수 있다.
일례로, 방전 기간(Pd)에는 제1 스위칭 소자(M1)와 제4 스위칭 소자(M4)를 턴-온 상태로 유지한 채, 제2 스위칭 소자(M2)와 제3 스위칭 소자(M3)에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행할 수 있다.
즉, 방전 기간(Pd)에는 제1 스위칭 소자(M1)와 제4 스위칭 소자(M4)가 턴-온되고 제2 스위칭 소자(M2)와 제3 스위칭 소자(M3)가 턴-온되는 제1 기간과, 제1 스위칭 소자(M1)와 제4 스위칭 소자(M4)가 턴-온되고 제2 스위칭 소자(M2)와 제3 스위칭 소자(M3)가 턴-온되는 제2 기간이 존재할 수 있다.
이 때, 제1 스위칭 소자(M1) 및 제4 스위칭 소자(M4)는 제2 스위칭 소자(M2) 및 제3 스위칭 소자(M3)와 그 역할이 바뀔 수 있다.
예를 들어, 방전 기간(Pd)에는 제2 스위칭 소자(M2)와 제3 스위칭 소자(M3)를 턴-온 상태로 유지한 채, 제1 스위칭 소자(M1)와 제4 스위칭 소자(M4)에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행할 수 있다.
이 경우, 방전 기간(Pd)에는 제2 스위칭 소자(M2)와 제3 스위칭 소자(M3)가 턴-온되고 제1 스위칭 소자(M1)와 제4 스위칭 소자(M4)가 턴-온되는 제1 기간과, 제2 스위칭 소자(M2)와 제3 스위칭 소자(M3)가 턴-온되고 제1 스위칭 소자(M1)와 제4 스위칭 소자(M4)가 턴-온되는 제2 기간이 존재할 수 있다.
상기와 같은 동작을 통하여, 제1 회로부(21)는 배터리(10)의 방전 경로를 형성할 수 있으므로, 배터리 가온 모드(Tcd)에 포함된 방전 기간(Pc) 동안 배터리(10)는 방전될 수 있다.
이 때, 제2 회로부(22)는 변압기(50)로부터 전달되는 교류 전원을 회생 다이오드(D5, D6, D7, D8) 및 스위칭 소자들(M5, M6, M7, M8)를 통해 정류하는 역할을 수행할 수 있으며, 이를 통해 DC 링크(30)는 충전될 수 있다.
제어부(70)는 배터리 가온 모드(Tcd) 동안 배터리(10)의 충전 동작을 위하여, 제2 회로부(22)에 포함된 스위칭 소자들(M5~M8)의 온-오프 동작을 제어할 수 있다.
일례로, 충전 기간(Pc)에는 제5 스위칭 소자(M5)와 제8 스위칭 소자(M8)를 턴-오프 상태로 유지한 채, 제6 스위칭 소자(M6)와 제7 스위칭 소자(M7)에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행할 수 있다.
즉, 충전 기간(Pc)에는 제5 스위칭 소자(M5)와 제8 스위칭 소자(M8)가 턴-오프되고 제6 스위칭 소자(M6)와 제7 스위칭 소자(M7)가 턴-온되는 제1 기간과, 제5 스위칭 소자(M5)와 제8 스위칭 소자(M8)가 턴-오프되고 제6 스위칭 소자(M6)와 제7 스위칭 소자(M7)가 턴-오프되는 제2 기간이 존재할 수 있다.
이 때, 제6 스위칭 소자(M6) 및 제7 스위칭 소자(M7)는 제5 스위칭 소자(M5) 및 제8 스위칭 소자(M8)와 그 역할이 바뀔 수 있다.
예를 들어, 충전 기간(Pc)에는 제6 스위칭 소자(M6)와 제7 스위칭 소자(M7)를 턴-오프 상태로 유지한 채, 제5 스위칭 소자(M5)와 제8 스위칭 소자(M8)에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행할 수 있다.
즉, 충전 기간(Pc)에는 제6 스위칭 소자(M6)와 제7 스위칭 소자(M7)가 턴-오프되고 제5 스위칭 소자(M5)와 제8 스위칭 소자(M8)가 턴-온되는 제1 기간과, 제6 스위칭 소자(M6)와 제7 스위칭 소자(M7)가 턴-오프되고 제5 스위칭 소자(M5)와 제6 스위칭 소자(M6)가 턴-오프되는 제2 기간이 존재할 수 있다.
상기와 같은 동작을 통하여, 제2 회로부(22)는 DC 링크(30)의 방전 경로를 형성할 수 있으므로, 배터리 가온 모드(Tcd)에 포함된 충전 기간(Pd) 동안 DC 링크(30)는 방전될 수 있다.
이 때, 제1 회로부(21)는 변압기(50)로부터 전달되는 교류 전원을 회생 다이오드(D1, D2, D3, D4) 및 스위칭 소자들(M1~M4)를 통해 정류하는 역할을 수행할 수 있으며, 이를 통해 배터리(10)는 충전될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전원 변환 장치를 채용한 에너지 저장 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 에너지 저장 시스템(100)은 전원 변환 장치(1), 발전 시스템(110), 전력 변환부(120), 부하(150), 계통 연계기(160), 전력 계통(80)을 포함할 수 있다.
발전 시스템(110)은 전기 에너지를 생산하여, 에너지 저장 시스템(100)에 공급한다.
상기 발전 시스템(110)은 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 이용하는 신에너지 및 재생에너지 발전 시스템일 수 있다.
예를 들어 발전 시스템(110)은 태양열 및 태양광과 같은 태양 에너지를 태양 전지를 통하여 전기 에너지로 변환하는 태양 발전 시스템일 수 있다.
이외에도 풍력을 전기 에너지로 변환하는 풍력 발전 시스템, 지열을 전기 에너지로 변환하는 지열 발전 시스템, 수력 발전 시스템, 해양 발전 시스템일 수 있다.
또한, 연료 전지를 이용하여 전기 에너지를 생산하거나, 수소, 석탄 액화 가스 또는 중질 잔사유 가스를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 신에너지 발전 시스템일 수 있다.
발전 시스템(110)은 상술한 실시예 이외에도 다른 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.
전력 변환부(120)는 상기 발전 시스템(110)과 DC 링크(30) 사이에 연결된다. 전력 변환부(120)는 발전 시스템(110)에서 생산된 전력을 DC 전압으로 변환한다.
전력 변환부(120)의 동작은 발전 시스템(110)에서 발전하는 전력에 따라 변화한다.
예를 들어 발전 시스템(110)이 AC 전압을 발전하는 경우 전력 변환부(120)는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환한다.
또한 발전 시스템(110)에서 DC전압을 발전하는 경우 상기 DC 전압을 DC 전압으로 승압하거나 감압한다.
예를 들어 발전 시스템(110)이 태양 발전 시스템인 경우에, 상기 전력 변환부(120)는 태양광에 의한 일사량 변화나 태양열에 의한 온도의 변화에 따라 최대 전력점을 검출하고 전력을 생산하는 MPPT 컨버터 (Maximum power point tracking converter)일 수 있다.
이외에도 전력 변환부(120)로 다양한 종류의 컨버터(converter) 또는 정류기(rectifier)가 사용될 수 있다.
DC 링크(30)는 전력 변환부(120)로부터 제공된 직류 전압을 일시적으로 저장한다. 이러한 DC 링크(30)는 실질적으로 대용량의 커패시터일 수 있다. 따라서, 상기 DC 링크(30)는 상기 전력 변환부(120)로부터 출력되는 직류 전원으로부터 교류 성분을 제거하여 안정된 직류 전원을 저장한다. 더불어, 상기 DC 링크(30)는 하기할 양방향 인버터(40) 또는 양방향 컨버터(20)로부터 제공되는 직류 전압도 안정화시켜 일시 저장한다.
양방향 인버터(40)는 상기 DC 링크(30)로부터 제공되는 직류 전원을 상용 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 실질적으로, 이러한 양방향 인버터(40)는 상기 발전 시스템(110) 또는 상기 배터리(10)로부터의 직류 전압을 가정(home)에서 사용할 수 있는 상용 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 이러한 양방향 인버터(40)는 상기 전력 계통(80)으로부터 제공되는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(30)에 제공한다. 물론, DC 링크(30)에 저장된 전원은 양방향 컨버터(20)를 통하여 배터리(10)에 제공된다.
부하(150)는 상용 교류 전압을 사용하는 가정 또는 산업 시설일 수 있다. 이러한 부하(150)는 발전 시스템(110), 배터리(10) 또는 전력 계통(170)으로부터 상용 교류 전원을 인가받는다.
상기 계통 연계기(160)는 상기 양방향 인버터(40)와 상기 전력 계통(80)을 연결한다. 예를 들면, 상기 계통 연계기(160)는 전압 변동 범위를 조절하고, 고조파를 억제하며, 직류 성분 등을 제거하여 상기 양방향 인버터(40)의 교류 전원을 전력 계통(80)에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통(80)의 교류 전원을 상기 양방향 인버터(40)에 제공한다.
전력 계통(80)(電力系統, electric power system)은 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원시스템이다. 예를 들면, 상기 전력 계통(80)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 형성되어 있는 전기적인 연계(連繫)이다. 이러한 전력 계통(80)은 통상 그리드(grid)라고도 한다.
배터리 모니터링 시스템(190)은 상기 배터리(10)의 상태를 최적으로 유지 및 관리한다. 예를 들면, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(10)의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하고, 이상 발생시 사용자에게 경고를 한다. 더불어, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(10)의 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)를 계산하고, 각 배터리의 전압 또는 용량이 동일해지도록 하는 셀 밸런싱(cell balancing)을 수행하며, 배터리(10)의 과열 방지를 위해 냉각팬(도시되지 않음)을 제어한다.
또한, 배터리(10)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(60)는 상기 배터리 모니터링 시스템(190) 내에 포함될 수 있다.
양방향 컨버터(20)는 상기 DC 링크(30)로부터의 직류 전원을 배터리(10)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다. 반대로, 상기 양방향 컨버터(20)는 배터리(10)의 직류 전원을 DC 링크(30)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다.
제어부(70)는 전력 변환부(120), 양방향 인버터(40), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(20) 등을 감시 및 제어한다. 또한, 제어부(70)는 배터리 모니터링 시스템(190)과 통신하여, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)을 감시하기도 한다. 실질적으로 상기 제어부(70)는 전력 변환부(120), 양방향 인버터(40), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(20)로부터 전압, 전류 및 온도를 각각 센싱하고, 전력 변환부(120), 양방향 인버터(40), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(20)를 각각 제어할 수 있다. 더불어, 상기 제어부(70)는 상기 부하(150)와 계통 연계기(160) 사이에 설치된 차단기(155)를 위급한 상황에서 차단시킬 수도 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 전원 변환 장치
10: 배터리
20: 양방향 컨버터
21: 제1 회로부
22: 제2 회로부
30: DC 링크
40: 양방향 인버터
50: 변압기
60: 온도 센서
70: 제어부
80: 전력 계통

Claims (13)

  1. 배터리;
    상기 배터리와 연결되는 제1 회로부, DC 링크와 연결되는 제2 회로부 및 상기 제1 회로부와 상기 제2 회로부 사이에 접속되는 변압기를 포함하는 컨버터; 및
    배터리 가온 모드에 진입한 경우, 상기 배터리가 충전 및 방전을 반복하도록 상기 컨버터를 제어함으로써, 상기 배터리를 가온시키는 제어부; 를 포함하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 온도를 측정하는 온도 센서; 를 더 포함하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 배터리의 온도를 참조하여, 상기 배터리 가온 모드로의 진입 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리 가온 모드로의 진입 후, 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 배터리의 온도가 기설정된 기준값 이상에 해당되는 경우, 상기 배터리 가온 모드를 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 회로부는,
    상기 배터리와 연결되는 제1 인덕터;
    상기 제1 인덕터와 제1 노드 사이에 연결되는 제1 스위칭 소자;
    상기 제1 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 인덕터와 제2 노드 사이에 연결되는 제3 스위칭 소자; 및
    상기 제2 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제4 스위칭 소자; 를 포함하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 회로부는,
    상기 DC 링크와 제3 노드 사이에 연결되는 제5 스위칭 소자;
    상기 제3 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제6 스위칭 소자;
    상기 DC 링크와 제4 노드 사이에 연결되는 제7 스위칭 소자; 및
    상기 제4 노드와 접지 전원 사이에 연결되는 제8 스위칭 소자; 를 포함하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 변압기는,
    1차 권선이 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 접속되고, 2차 권선이 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  8. 제5항 내지 제7항에 있어서, 상기 각 회로부는,
    상기 각 스위칭 소자에 병렬 접속되는 회생 다이오드; 를 더 포함하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  9. 제5항 내지 제7항에 있어서, 상기 각 스위칭 소자는,
    트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 방전 동작을 위하여, 상기 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 턴-온 상태로 유지한 채, 상기 제2 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프를 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 충전 동작을 위하여, 상기 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 유지한 채, 상기 제6 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 방전 동작을 위하여, 상기 제2 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자를 턴-온 상태로 유지한 채, 상기 제1 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프를 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리 가온 모드 중 상기 배터리의 충전 동작을 위하여, 상기 제6 스위칭 소자와 제7 스위칭 소자를 턴-오프 상태로 유지한 채, 상기 제5 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자에 대한 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 가온 기능을 갖는 전원 변환 장치.
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