KR20140117923A - 직렬 연결된 다수 개의 전지 직류 마이크로그리드 충방전 시스템 - Google Patents

직렬 연결된 다수 개의 전지 직류 마이크로그리드 충방전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수개의 2차 전지를 직렬 연결하여 충방전 할 때 충전 및 방전 전압을 전지 하나와 대비하여 현저히 높이고 직류 마이크로그리드의 적정 전압을 전지열의 최대전압의 2배 내외로 하여 충방전 전력제어용 DC-DC 컨버터의 전력변환효율을 높이고, 리니어 정전류원을 부가하여 전지열의 변화에도 안정적인 충방전이 가능하며, 충방전에 공히 사용하는 직류 전기저장장치를 일반 전해 콘덴서와 슈퍼 콘덴서 혹은 2차 전지열의 조합으로 구성하여 충방전 시스템의 전력변환 효율을 높이고 시스템을 단순화하는 알고리즘 및 이를 탑재한 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 관한 것이다.

Description

직렬 연결된 다수 개의 전지 직류 마이크로그리드 충방전 시스템{The DC micro-grid charging and discharging system for serial connected secondary batteries}
본 발명은 다수개의 2차 전지를 직렬 연결하여 충방전 할 때 충전 및 방전 전압을 전지 하나와 대비하여 현저히 높이고 방전 전기를 직류상테에서 충전에 바로 사용하는 직류 마이크로그리드의 적정 전압을 전지열의 최대전압의 2배 내외로 하여 충방전 전력제어용 DC-DC 컨버터의 전력변환효율을 높이고, 직류 전기저장장치를 일반 전해 콘덴서와 슈퍼 콘덴서 혹은 2차 전지열의 조합으로 구성하여 충방전 시스템의 전력변환 효율을 높이고 시스템을 단순화하는 알고리즘 및 이를 탑재한 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 관한 것이다.
마이크로그리드(micro-grid)란 국소적인 전력공급시스템을 말한다.
전기자동차에 사용하는 대용량 리튬 2차전지의 경우 1개 전지의 동작전압은 2V에서 4.7V 내외로 낮은 반면에 동작전류는 25A에서 50A이상 대전류 이다.
전기 자동차는 이러한 전지를 수십개에서 수백개를 연결하여 사용하는데 전지 집합체를 제조하는 과정에서 단위모듈의 전지(1개 혹은 소수개의 전지를 직렬 혹은 병렬로 연결한 구성)를 최대 용량으로 충방전하여야 하는데 전압이 낮은 전지의 전기에너지를 상대적으로 전압이 현저히 높은 국가전력망 교류로 변환하여 재활용하는데 변환효율이 낮아 기술적으로 여러 가지 어려움이 있다.
종래 기술에서, 스위치모드 방식으로 대용량의 2차 전지를 동시에 충방전하는 시스템에서 방전의 경우에는 동작전압이 2V에서 4.7V 내외인 리튬 2차 전지 1개를 방전하여 그 전기를 열로 소모하던가 교류전기로 변환하여 국가 교류전력망에 회생시켜야 한다.
전력을 회생시키기 위한 직류-교류 변환기는 전지 1개의 전압이 상용 교류전력망 전압(220V 혹은 380V)에 비하여 너무 낮아 변환효율이 통상 40% 전후로 매우 낮으며 변환되는 과정에서 나머지는 변환장치에서 발열되어 소비된다.
따라서 종래의 충/방전 장치를 사용하는 공정이 냉각용 공조 포함하는 전지제조 공장에서 전력사용 가장 많은 곳으로 알려져 있다.
통상 전지를 충/방전하는 장치는 정전류(Constant Current), 정전압(Constant Voltage) 혹은 정전력(Constant Power) 방식으로 진행되며 대용량 전지에서는 정전류 방식을 주로 사용한다.
관련된 종래기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0103337호에는 2차 전지 충방전에서 AC 회생 및 DC 회생이 가능한 2차 전지 충방전 시스템 및 그 구동 방법에 관한 기술적 구성이 개시되어 있으나, 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 양방향 DC-DC 컨버터와 정전류원을 이용하여 전력변환 효율을 높이고, 충방전 시스템을 소형화하며, 직렬로 연결되는 전지열의 개수에 무관하게 충방전을 이룰 수 있는 본 발명과는 현저한 차이가 있다.
관련된 또 다른 종래기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0119574에는 SOC의 변화에 대하여 단자 전압의 변화가 작은 2차 전지에 대한 충전 제어의 정밀도를 향상시키는 기술적 구성에 대하여 개시되어 있으나, 다수의 2차 전지를 직렬로 연결하여 DC-DC 컨버터와 정전류원을 이용하여 전력변환 효율을 높이고, 충방전 시스템을 소형화하며, 직렬로 연결되는 전지열의 개수에 무관하게 충방전을 이룰 수 있는 본 발명과는 현저한 차이가 있다.
관련된 또 다른 종래기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0122911에는 직렬로 연결된 각각의 2차 전지마다 방전 루트회로를 구비하고 과충전에 대비하는 기술적 구성이 개시되어 있으나, 각각의 2차 전지마다 방전 루트회로를 구성하기 위한 별도의 방전저항과 스위칭소자를 구비하고 있어 전력 소모가 증가하고 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전기자동차에 사용되는 대용량 리튬 2차 전지의 경우에 동작 전압이 2V 내지 4.7V사이로 낮은 반면에 동작 전류가 25A 내지 50A 사이로 대전류이며, 이를 각각 또는 병렬로 충전 및 방전할 경우에 상용 국가전력망 전압에 비하여 전지의 전압이 낮아서 전력변환 효율이 크게 떨어지므로 이를 직렬로 연결하여 DC-DC 컨버터의 전력변환 효율을 높여서 충방전을 이룰 수 있도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 적정 전압을 직렬 연결된 전지열 양단의 최대전압의 2배 내외로 구성하여 전력제어 시 에너지변환 효율과 변환분해능을 높이고, 직류 전기저장장치를 일반 전해 콘덴서와 슈퍼 콘덴서 혹은 2차 전지열의 조합으로 구성하여 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 안정적인 동작을 이루는데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 충전을 위한 전원을 정전류 전원장치로 구성하여 충전하고자 하는 전지열의 구성이 수시로 변화하는 구성, 즉, 부하 변동에 안정적으로 동작하고 충방전을 위한 전지의 개수에 무관하게 하나의 전원공급장치로 가능하도록 하여 충방전을 위한 전체 시스템의 크기를 소형 경량화하고, 제작비용을 절감하며, 설치공간을 최소화하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 방전하는 DC 전원을 그대로 충전에 이용할 수 있도록 구성하여 방전에 의한 전력낭비를 획기적으로 줄이고, 직류 전기저장장치(ESS, energy storage system)와 연계하여 소정시간 정전 시에도 공장운영이 가능하도록 하는데 있다.
본 발명 과제의 해결 수단은 다수 개의 2차 전지를 직렬로 연결한 전지열을 충방전하는 장치에서 상용전원을 양방향 DC-AC 컨버터를 통해서 전기 에너지를 저장 공급하기 위한 전기저장장치를 거치며, 전기저장장치에 저장된 전기 에너지를 이용하여 하나의 양방향 DC-DC 컨버터를 통해서 정전류원으로, 직렬로 연결된 다수 개의 2차 전지를 동시에 충방전할 수 있도록 구성된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 양방향 DC-DC 컨버터를 이용한 직류 마이크로그리드 방식을 사용한 시스템 내에서 충전과 방전을 동시에 수행하는 경우에 방전시에 방전하는 전기를 직류 충전회로에 그대로 이용할 수 있으므로 전력변환에 따른 손실을 방지할 수 있고, 충전과 방전이 동시에 발생하지 않더라도 직류상태로 직류 전기저장장치에 전력을 저장한 후 직류상태에서 양방향 DC-DC 컨버터에서 사용할 수 있도록 구성된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 충방전 전압을 전지 한 개의 전압(2V 내지 4.7V)에 비하여 현저히 높은 전압(예를 들어 25개를 직렬로 연결한 경우에 50V 내지 117.5V)에서 전력을 변환하므로 통상의 반도체와 전자회로로 구성된 DC-DC 컨버터의 전력변환효율을 높이고, 최적 에너지 변환효율을 구현하기 위하여 직류마이크로그리드 충방전 시스템의 적정전압을 직렬 연결된 전지열 양단의 최대전압의 2배 정도로 설정된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 전기자동차에 사용되는 대용량 리튬 2차 전지의 경우에 동작 전압이 2V 내지 4.7V사이로 낮은 반면에 동작 전류가 25A 내지 50A 사이로 대전류이며, 이를 각각 또는 병렬로 충전 및 방전할 경우에 전압이 낮아서 전력변환 효율이 크게 떨어지나, 이를 직렬로 다수개를 연결한 전압으로 전력변환을 이루어 양방향 DC-DC 컨버터의 전력변환 효율을 높일 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 최적 에너지 변환효율을 구현하기 위하여 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 적정전압을 직렬 연결된 전지열의 최대전압의 2배 내외로 설정하고 직류 전기저장장치를 일반 전해 콘덴서와 슈퍼 콘덴서 혹은 2차 전지열의 조합으로 구성하여 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 안정적인 동작을 이루는데 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 충전을 위한 전원을 정전류 전원장치로 구성하여 충전하고자 하는 전지열의 구성이 수시로 변화하는 구성, 즉, 부하 변동에 안정적으로 동작하고 충방전을 위한 전지의 수에 무관하게 하나의 전원공급장치로 충전 및 방전이 가능하여, 충전 및 방전을 위한 전체 시스템의 크기를 소형 경량화하고 제작비용을 절감하며, 설치공간을 크게 줄이는데 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 방전하는 DC 전원을 그대로 충전에 이용할 수 있도록 구성하여 방전에 의한 전력낭비를 획기적으로 줄이고, 직류 전기저장장치(ESS, energy storage system)와 연계하여 소정시간 정전 시에도 공장운영이 가능하도록 하는데 있다.
도 1은 종래의 일반적인 충방전 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3는 본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 보다 구체적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 충방전 원리를 보다 구체적으로 도시한 것이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.
본 발명은 다수 개의 리튬 2차 전지를 직렬 연결한 전지열에서 각각의 전지를 충방전을 하기 위한 시스템으로 하나의 전지 전압이 2V 내지 4.7V사이로 낮은 것을 직렬로 수십 내지 수백 개를 연결하여 높인 전압을 양방향 DC-DC 컨버터로 변환하여 전력변환 효율을 높이고, 직류 마이크로그리드의 전압을 전지열의 최대전압의 2배 내외로 설정하여 최적 에너지 변환효율을 구현하며, 방전하는 전지의 전력을 손실 없이 충전에 재활용하는 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 방식은 어떤 시스템 내에서 충전과 방전을 동시에 수행하는 경우에 방전기에서 방전하는 전기를 직류상태에서 그대로 충전회로에서 사용하여 교류전원으로 변환하는 손실을 없게 할 수 있다. 통상의 전지 제조공정에서는 같은 공장안에서 충전과 방전을 동시에 수행하도록 구성되어 있다.
또한, 전지열의 충방전 시에 전기효율을 높이고 직류와 교류전기 사이의 변환효율을 높이기 위하여 적정한 직류마이크로그리드 시스템의 동작전압 영역을 결정하여야 한다. 다수개의 전지를 직렬로 연결하여 동작전압을 높이면전지 한 개에 비하여 전력변환 효율이 높아지는 것은 자명하다.
본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에는 직류 전기저장장치(Energy Storage System 등)를 부가하여 충전과 방전이 반드시 동시에 일어나지 않더라도 직류상태에서 전력을 저장하여 직류상태에서 사용이 가능하다. 본 발명의 구체적인 실시 예에 대하여 살펴본다.
<실시 예>
본 발명의 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도 1은 종래의 일반적인 충방전 시스템을 도시한 것이다. 도 2는 본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 도시한 것이다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 시스템은 용량이 큰 한 개의 충전 및 방전 전원장치를 나타내고, 도 1은 전지 갯수만큼 양방향 DC-AC 충방전 전원이 필요한 종래의 충방전 시스템을 도시한 것이다.
따라서, 도 2에 따른 본 발명의 직류 마이크로그리드 충방전 시스템은 도 1에 따른 종래의 충방전 장치보다 제작비용이 절감되고, 무게가 현저히 적고 크기가 현저히 작으며, 설치 시 차지하는 공간 역시 현저히 작은 이점이 있다.
본 발명의 명세서에서는 '충전 및 방전'과 '충방전' 용어를 동일한 의미로 혼용 기재한다.
본 발명의 명세서에서는 '직류 전기저장장치'와 '전기저장장치' 용어를 동일한 의미로 혼용 기재한다.
본 발명의 명세서에서는 '리튬 2차 전지', '2차 전지' 및 '전지' 용어를 동일한 의미로 혼용 기재한다.
도 2에서, 상용 전원이 배전반을 통해서 입력되고, 배전반을 통해서 공급되는 전원을 양방향 AC-DC 컨버터를 거쳐서 직류 전기저장장치에 저장된다.
직류 전기저장장치는 전해콘덴서 및/또는 슈퍼콘덴서(하나의 용량이 수백 페러데이(Faraday)임) 등을 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 전압과 용량으로 구성한 것이다.
이렇게 구성할 경우에, 충전과 방전이 반드시 동시에 일어나지 않더라도 방전 시 직류상태에서 전력이 직류상태의 전기저장장치에 저장되고, 저장된 직류상태의 전원은 변환 손실 없이 충전에 직접 사용이 가능하다.
도 2에서와 같이 본 발명은 하나의 전기저장장치와 제어장치로 수십 수백 개의 트레이에 연결된 수많은 리튬 2차 전지를 직렬로 연결한 전지 열을 충전 및 방전하도록 구성되어 있다.
직류 전기저장장치(도3의 11)를 거쳐서 나온 전원은 각각의 트레이에 하나씩 설치되어 있는 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)를 거쳐서 리니어 전류전원(도3의 13, linear current source)로 정전류원으로 만들어서 각각의 전지를 충전 및 방전할 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 채용된 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)는 본 발명에 따라 설계 제작된 것으로 직렬로 연결된 다수개의 전지를 동시에 충방전시키되, 부하의 변동에 대응하면서 충전시킬 수 있도록 구성되어 있다.
다만, 리니어 정전류전원(도3의 13, linear current source)을 더 부가한 것은 충방전 전류를 보다 안정화시키고, 직렬로 연결된 다수 개의 전지를 충방전시키기 위하여 공급되는 최종전원이 부하가 변하더라도 보다 안정적으로 전류를 제어 공급할 수 있는 정전류원이므로 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터(도3의 12)만을 사용하는 장치에 비하여 전지의 충방전을 위한 제어시 정밀도와 안정도를 높일 수 있는 유리한 효과가 있다.
직류 전기저장장치(도3의 11)는 전기를 안정적으로 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)로 공급하는 역할을 하는 동시에 정전 시에도 소정시간 동안 안정적으로 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)로 전기를 공급하여 계속 충방전이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
직류 전기저장장치(도3의 11)는 상용 전원으로부터 입력되는 전력을 실시간으로 저장하면서 실시간으로 다음단의 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)로 필요한 전력을 공급할 수 있는 장치이면 족하다.
상기 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)와 리니어 전류전원(도3의 13)은 각각의 트레이(tray)마다 하나씩 설치되어 직렬로 연결된 다수 개의 전지(도3의 24) 각각에 대하여 충방전하도록 구성되어 있다.
리니어 전류전원(도3의 13, linear current source)으로 충방전을 하도록 구성하므로 직렬로 연결되는 전지(도3의 24)의 수와 무관하게 안정적으로 충전 및 방전을 할 수 있다. 즉, 직렬로 연결되는 전지(도3의 24)의 수에 따라 달라지는 전압변동과 무관하게 수십 내지 수백의 전지(도3의 24)를 효율적으로 충방전할 수 있다.
또한, 본 발명은 직렬로 다수 개 연결되는 전지의 수만큼 전압을 높여서 사용하므로 양방향 DC-DC 컨버터(도3의 12)의 전력변환 효율을 현저히 상승시키는 작용효과가 있다.
이는 수많은 전지(도3의 24)를 동시에 충전 및 방전하도록 구성된 시스템에서, 본 발명과 같은 수많은 전지(도3의 24)를 직렬로 연결하여 전지열 양단의 전압을 높여서 전력을 변환하므로 에너지 효율(80% 이상)을 높일 수 있으므로 에너지를 크게 절약할 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명에 따른 직류마이크로그리드 시스템은 최적 에너지 변환효율을 구현하고 전력 제어시 분해능을 높이기 위하여 직류마이크로그리드 시스템의 적정전압을 직렬 연결된 전지열 양단의 최대전압의 2배 정도로 설정하도록 구성하는 것이 바람직하나, 이는 변경 설정할 수도 있다.
도 3을 통해서 본 발명의 기술적 구성을 구체적으로 살펴본다.
도 3은 도 2에 도시된 하나의 트레이를 확대하여 구체적인 기술적 구성을 도시한 것이다. 하나의 트레이에는 직렬로 연결된 각각의 전지(도3의 24)의 충전 및 방전을 제어하기 위한 콘트롤러(도3의 17)와, 콘트롤러(도3의 17)와 통신수단(도3의 16)으로 연결되어 콘트롤러((도3의 17)를 제어하는 마이크로프로세서(도3의 15, CPU)가 하나씩 설치되어 있다.
도 3에서는 각각의 전지에 콘트롤러(도3의 17)가 설치된 것으로 표시되어 있으나, 이는 이해를 용이하게 하도록 돕기 위한 것이고, 동일하게 #1이 부여된 것에서 알 수 있듯이 동일한 콘트롤러이다.
콘트롤러(도3의 17)는 각각의 전지(도3의 24)를 안전하게 최대로 충방전하기 위하여 직렬로 연결된 각각의 전지를 효율적으로 충방전하기 위하여 필요한 위치에 온도계, 전압계 및 전류계로 구성된 센서를 설치하고, 각각의 센서로부터 측정된 전지의 온도 및 전압(open circuir voltage)과, 회로의 전류 및 전압 등을 입력받도록 구성되어 있다.
콘트롤러(도3의 17)는 각각의 센서로부터 입력된 전류, 온도 및 전압 등에 기초하여 안전하고 신속하게 충전 및 방전이 이루어지도록 제어한다.
본 발명에 따른 충방전을 효율적으로 제어하기 위하여 도 3에 도시된 Vb, ib, ibb1 -45, 전지 양단간의 전압, 전지의 온도 등이 측정대상이다.
각각의 전지에는 각각의 전지상태를 나타내는 전압, 전류 및 온도 등을 상호 절연된 상태에서도 정밀한 측정이 가능한 절연형 전지계측부(Isolated Battery Management System, 약어로 "BMS")가 각각 설치되어 있다.
콘트롤러의 메모리에는 본 발명에 따라 설계 제작되어 리니어 전류전원(도3의 13)을 이용하여 서로 다른 용량을 가진 다수 개의 전지(도3의 24)를 동시에 효율적으로 충전 및 방전을 이룰 수 있는 수단을 구비한 제어프로그램이 탑재되어 있다.
각각의 트레이에 설치된 마이크로프로세서(도3의 15, CPU)는 제어장치(도 2, host PC)와 연결되어 유선 또는 무선 통신수단으로 신호를 주고받을 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명의 충방전을 위한 주 회로는 도 2에서 굵은 검은 선을 따라서 이루어지며, 리니어 전류전원에서 공급되는 정전류가 직렬로 연결된 각각의 전지를 통과하면서 충방전시키는 것을 용이하게 이해할 수 있다.
직렬로 연결된 각각의 전지(도3의 24)들은 제조사 별로 충방전의 특성 및 용량이 다를 수 있고, 동일한 제조사의 전지라고 하더라도 그 특성 및 용량의 차이가 있을 수 있다.
각각 서로 다른 특성을 가진 전지들을 직렬로 동시에 충전할 경우에 동일한 조건으로 충전이 이루어질 수 없다. 그 이유는 용량이 적은 전지와 용량이 큰 전지를 동일한 조건으로 충전할 경우에 용량이 적은 전지가 먼저 원하는 충전 조건에 도달하게 되고, 계속 충전을 할 경우에 최대전압을 초과하여 전지가 폭발하는 경우가 발생한다. 이는 비록 용량이 같더라도 내부 저항이 서로 다른 전지를 직렬로 동시에 충방전할 때도 유사하다.
이를 방지하면서 하나의 트레이 내에 직렬로 연결된 전지의 특성 및 용량을 고려하여 각각의 전지 용량과 특성에 맞추어서 각각의 전지에 동시에 적절한 전력(전압)으로 충전하는 기술적 구성은 아주 중요한다.
본 발명은 2차 전지의 안전하고 효율적으로 충전 및 방전을 이루기 위하여 직렬로 연결된 각각의 전지에 대하여 온도센서를 이용하여 온도를 측정하고, 전지 양단간의 전압(실시간 전압 혹은 OCV, open circuit voltage)을 측정하여 콘트롤러로 전송하여 설정된 온도 및/또는 전압에 도달할 경우에 릴레이를 온 또는 오프하거나 능동형 밸런스 회로(active balancing circuit)를 동작시켜 제어하도록 구성되어 있다.
본 발명은 다수 개의 전지를 충방전할 경우에 각각의 전지 내부저항치를 포함한 특성 및 용량에 따라 콘트롤러(도3의 17)에서 충방전을 제어하며, 충전 시에 제어범위가 클 때에는 릴레이로 충방전을 제어하고, 미세한 제어가 필요할 경우에 능동형 밸런스회로(도3의 18)를 동작시켜 제어하도록 구성되어 있다.
능동형 밸런스 회로는 콘트롤러에서 펄스폭 변조(PWM) 신호의 주파수와 듀티비를 제어하여 능동형 밸런스 회로로 입력하여 능동형 밸런스 회로의 스위칭 소자를 온 또는 오프하면서 릴레이 양단간의 전류(ibb1)를 제어하여 전지로 흐르는 전류(ic1)값을 제어하도록 구성되어 있다.
보다 구체적으로, 능동형 밸런스 회로는 직렬 연결된 다수개의 내부저항이나 용량이 서로 다른 2차전지를 정전압 모드로 충전할 때, 상기 콘트롤러에서 펄스폭 변조신호를 출력하고 그 신호를 따라 전지의 충전전류를 개폐하거나, 상기 콘트롤러에서 출력하는 펄스폭 변조신호를 직류전류로 연산하여 전지의 충전전류의 일부를 소모하거나 바이패스시켜 전지를 정전압 상태에서 충전하도록 구성되어 있다.
도 3에서, 릴레이 양단간에는 보호회로(protection circuit)가 설치되어 있다. 보호회로는 릴레이가 하나의 접점에서 또 다른 접점으로 이동하는 순간회로의 개방에 따른 전류의 끊김을 방지하고, 접점이 개폐될 때 발생하는 스파크에 의한 접점 손상을 방지하여 릴레이의 내구성을 높이고 회로의 안정적인 동작을 유도하기 위한 것이다.
즉, 보호회로는 릴레이가 개방되는 순간 전류를 바이패스시켜 회로가 개방되는 현상과 접점의 손상을 방지하여 회로가 안정적으로 동작하고, 릴레이의 내구성을 높이는데 있다.
보다 구체적으로 보호회로는 용량이 큰 양방향 제너 다이오드 또는 다이오드, 콘덴서 및 저항 등으로 구성할 수 있다.
도 3에서, 릴레이 제어부(도3의 20)는 각각의 전지에 하나씩 설치되어 콘트롤러의 제어신호에 따라 릴레이를 개폐시켜 전지로 흐르는 전류를 제어하는 역할을 한다.
도 3에서, 터미널 커넥션 유니트(도3의 23)는 직렬로 연결되는 각각의 전지를 충전 및 방전하기 위하여 연결되는 단자에 해당한다.
도 4와 도 3에 기초하여, 본 발명에서 중요한 기술적 구성 중에 하나는 릴레이 소자와 능동형 밸런스 회로이며, 이를 이용하여 본 발명은 서로 다른 용량과 전지의 내부저항을 포함한 서로 다른 특성을 가진 2차 전지들이 최대전압에서 미리 설정된 충전완료 전류 상태에서 충전을 완료하도록 구성되어 있다.
도 4에 기초하여, 구체적으로 살펴본다.
도 4는 본 발명에 따른 콘트롤러에 탑재된 제어프로그램에 의하여 하나의 트레이에서 충전되는 수십 내지 수백개의 2차전지를 최적의 상태로 동시에 충전하는 기술적 구성을 구체적으로 도시한 것이다.
본 발명에서, 하나의 트레이 내에서 충전되는 2차 전지를 최적의 상태로 충전한다는 의미는 직렬로 연결된 전지 중에서 용량이 커거나 특성상 가장 나중에 최대전압에 도달할 때까지는 정전류 모드에서 릴레이를 온 또는 오프하면서 각각의 전지를 최대전압으로 충방전을 반복한다.
즉, 트레이 내에 있는 모든 전지들이 최대전압까지 도달한 후부터는 정전압 모드(CV mode)로 운전하여 트레이 내에 있는 모든 전지들이 메모리에 설정된 충전 완료 전류에 도달하면 충전을 완료하도록 구성되어 있다.
이러한 제어는 앞서 설명한 센서에서 측정된 값을 바탕으로 콘트롤러의 제어 하에서 이루어지며, 이는 콘트롤러의 메모리에 탑재된 제어프로그램에 의하여 이루어진다.
도 4를 통해서 구체적으로 살펴본다. 도 4는 용량이 서로 다른 두 개의 전지를(여기서 두 전지의 내부 저항은 동일하다고 가정한다) 본 발명에 따른 충방전 시스템을 이용하여 용량이 큰 전지가 최대전압에 도달할 때까지 CC 모드(constant current mode)로 제어하며, 용량이 작은 전지의 경우에 먼저 최대전압에 도달할 것이고, 최대전압에 도달한 후부터 릴레이를 온 또는 오프하면서 충방전을 계속한다.
이후, 용량이 큰 전지가 최대전압에 도달하면, 정전압 모드(constant voltage mode)로 동작하여 용량이 작은 전지 전압이 설정된 최대전압 값을 초과하지 않도록 능동 밸런스 회로의 듀티비를 조절해가며 두 전지 모두 설정된 최대전압에서 모든 전지로 입력되는 전류가 동일하게 설정된 충전완료 값에 도달하면 충전을 종료하도록 구성되어 있다.
상기와 같은 제어는 콘트롤러의 제어하에서 이루어지며, 콘트롤러는 충전이 이루어지는 동안에 각각의 전지들로부터 양단의 전압을 측정하고, 측정된 전압이 최대전압에 이르면 릴레이를 오프하여 해당 전지로 전류가 흐르는 것을 방지하여 더 이상 충전이 이루어지지 않도록 구성한다.
해당 전지의 전압을 계속 측정하여 설정된 전압까지 떨어지면 다시 릴레이를 온시켜 충전하는 동작은 하나의 트레이 내에 직렬로 연결된 다수의 전지 중에서 가장 나중에 최대전압에 도달하는 시점까지 반복된다.
하나의 트레이 내에서 직렬로 다수 개 연결된 전지 중에서 가장 나중에 최대전압에 도달한 시점부터 CV 모드로 전환되어 제어하도록 구성되어 있다. 이 때 CV는 도 4에 도시된 설정된 최대전압 영역에서 일어난다.
CV 모드에서는 도 3의 능동 밸랜스 회로에 의하여 제어되며, 전지1(도 3의 #1)로 흐르는 전류(ic1)는 전류(ib)에서 전류(ibb1)을 뺀 값이다.
전지2(도 3의 #2)로 흐르는 전류(ic2)는 전류(ib)에서 전류(ibb2)을 뺀 값이다. 이렇게 하여 전지45(도 3의 #45)로 흐르는 전류(ic45)는 전류(ib)에서 전류(ibb45)을 뺀 값이다.
충전은 CV 모드에서 ic1=ic2)ㆍㆍㆍ=ic45 = 미리 설정된 충전완료 전류값의 조건을 충족할 때 종료된다.
즉, 하나의 트레이에 직렬로 연결되어 충전되는 모든 전지들이 도 4의 최대전압을 가지면서 미리 설정된 충전완료 전류 값과 동일한 전류를 가질 때 충전이 종료된다.
앞선 설명에서 릴레이가 해당 전지에서 오프될 경우에는 아래단의 전지로 전류가 직접 흐르도록 구성되어 있다.
능동 밸랜스 회로(도3의 18)는 스위칭 소자와 다수의 회로소자 등 제어 소자를 구비하고, 콘트롤러의 제어하에서 동작하며, 하기의 몇 가지 구체적인 방법으로 제어된다.
하나의 구체적인 실시 예로, 능동 밸랜스 회로는 콘트롤러에서 스위칭 소자의 게이트 단자에 PWM 신호를 공급하여 게이트(베이스)를 온오프하여 해당전지 양단에 흐르는 전류(도3의 ibb1 -45)를 제어하도록 구성한다.
또 다른 구체적인 실시 예로, 능동 밸랜스 회로는 콘트롤러에서 내보내는 PWM 신호를 듀티비에 비례하는 전류로 환산하여 전류를 직접 공급하도록 전류제어회로를 구동하여 균등한 작용효과를 내는 방법으로 구성한다. 이 방법은 능동 밸런스회로 작동 시 전기적 잡음을 거의 발생시키지 않는 유리한 효과가 있다.
도 3에서, 콘트롤러는 CV 동작모드에서 각각의 전지로 흐르는 전류(도3의 ic1 -45)를 제어하기 위하여 PWM 신호의 주파수와 듀티비를 제어 공급하여 전지 양단에 흐르는 전류(도3의 ibb1 -45)를 제어하며, 하나의 트레이 내에 직렬로 연결된 모든 전지로 흘러들어가는 전류(도3의 ibb1 -45)가 미리 설정된 충전완료 전류값과 동일할 때 충전을 종료한다.
본 발명에 따른 직류 마이크로그리드 충방전 시스템은 호스트 컴퓨터(도2의 제어장치)와 연결되어 수십 또는 수백개의 트레이를 동시에 제어할 수 있으며, 각각의 트레이에는 앞서 하나의 트레이에 대하여 설명한 기술적 구성과 동일하게 다수개의 전지가 직렬로 연결되고 하나의 양방향 DC-DC 컨버터와 하나의 리니어 전류전원 및 릴레이와 능동형 밸런스회로에 의하여 충방전이 이루어지도록 구성되어 있다.
앞서 기술한 릴레이는 이와 균등한 기능을 구비한 스위칭 회로 또는 스위칭 소자로 대치할 수 있다.
앞서 기술한 본 발명의 기술적 구성에 따른 작용효과는 전압이 낮은 2차 전지(2V-4.7V) 각각을 충방전하는 종래의 방식을 벗어나 소정의 2차 전지를 직렬로 다수 개를 연결하여 동작전압을 현저히 높이고, 한 개의 양방향 DC-DC 컨버터와 리니어 전류전원(정전류전원)으로 충방전을 수행하고, 방전하는 전기를 충전장치에서 직류형태로 직접 사용하므로 전력효율을 획기적으로 높일 수 있다.
또한, 종래에 충전 및 방전을 위한 전원장치를 전지 개수만큼 사용하던 것을 본 발명에서는 용량이 큰 양방향 DC-DC 컨버터와 리니어 전류전원 한 개만 사용하므로 장치의 소형 경량이 가능하고, 제작비용을 절감할 수 있으며, 설치공간을 줄일 수 있는 유리한 작용효과가 있다.
즉, 용량이 큰 한 개의 충전 및 방전 전원장치의 크기와 무게가 종래의 전지갯수 만큼의 필요한 충전 및 방전을 위한 전원장치의 합 보다는 현저히 적으며, 설치 시 차지하는 공간 역시 현저히 작다.
전지 개수만큼이 아닌 한 개의 충전 및 방전을 위한 양방향 DC-DC 컨버터와 리니어 전류전원장치로 다수 개 직렬로 연결된 전지의 충방전을 제어하므로 전지 개수의 증가 또는 감소에 따른 충전 및 방전을 위한 용량의 증가 또는 감소는 물론 이를 제어하는 콘트롤러에 탑재된 충전 및 방전을 제어프로그램의 변경이 용이하며 장비의 보정(Calibration)도 용이한 유리한 효과가 있다.
본 발명은 다수개의 2차 전지를 직렬 연결하여 충전과 방전 전압을 전지 하나와 대비하여 현저히 높여서 양방향 DC-DC 컨버터의 전력변환효율을 높이고, 방전하는 직류전기를 충전에 바로 사용하는 직류 마이크로그리드의 적정 전압을 전지열의 최대전압의 2배 내외로 설정하여 최적 에너지 변환효율을 구현하며, 충방전에 사용하는 직류 전기저장장치를 일반 전해 콘덴서와 슈퍼 콘덴서 혹은 2차전지열의 조합으로 구성하여 시스템의 전력변환 효율을 높이고 시스템을 단순화하는 알고리즘 및 이를 탑재한 직류 마이크로그리드 충방전 시스템을 제공하여 높은 에너지 변환효율과 장치의 소형 경량화를 이룰 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.
11; 전기저장장치 12; 양방향 DC-DC 컨버터
13; 리니어 전류전원 14; 호스트 PC
15; CPU 16; 통신 수단
17; 콘트롤러 18; 능동 밸랜스회로
19; 보호회로 20; 릴레이 제어부
21; 전압계 22; 온도계
23; 터미널 연결유니트 24; 전지
25; PWM 신호

Claims (11)

  1. 직렬 연결된 다수 개의 2차전지 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에 있어서,
    전지 한 개의 전압에 비하여 현저히 높은 전압에서 DC-DC 컨버터가 동작하도록 구성하여 높은 전력변환 효율로 충전 및 방전을 하도록 전기적으로 직렬로 연결된 다수 개의 2차 전지; 및
    높은 전력변환 효율로 직렬로 연결된 다수 개의 2차 전지에 충방전을 이룰 수 있도록 전력을 공급하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터로 구성된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터 다음 단에 위치하여 직렬로 연결된 다수 개의 2차 전지의 수와 무관하게 안정적이고 정밀하게 제어하여 충방전을 이룰 수 있도록 전류를 공급하기 위한 리니어 전류전원을 더 부가한 직류 마이크로그리드 충방전 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 양방향 DC-DC 컨버터의 전단에 양방향 DC-DC 컨버터에 안정적으로 전원을 공급하고, 정전 시에도 전원을 공급할 수 있는 직류 전기저장장치를 더 부가한 직류 마이크로그리드 충방전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에서 다수 개의 직렬로 연결된 서로 다른 용량과 내부저항을 포함하는 서로 다른 특성을 가진 각각의 전지들이 동시에 충방전을 이룰 수 있도록 제어하기 위한 콘트롤러를 구비함을 특징으로 하는 직류 마이크로그리드 충방전시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 직류 마이크로그리드 충방전 시스템에서 다수 개의 직렬로 연결된 서로 다른 용량과 내부저항을 포함하는 서로 다른 특성을 가진 각각의 전지들이 동시에 충전을 이룰 수 있도록 콘트롤러의 제어하에서 직렬로 연결된 각각의 전지에 전류를 공급하거나 차단할 수 있는 릴레이 또는 스위칭 회로를 각각의 전지 전단에 연결 설치함을 특징으로 하는 직류 마이크로그리드 충방전 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 직류 마이크로그리드 충방전 시스템은 다수 개의 직렬로 연결된 서로 다른 용량과 내부저항을 포함하는 서로 다른 특성을 가진 각각의 전지들이 동시에 충전을 이룰 수 있도록 제어하기 위하여 직렬로 연결된 각각의 전지의 양단 전압을 측정하는 전압계 또는 절연형 전지계측부가 더 설치된 직류 마이크로그리드 충방전 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 직류 마이크로그리드 충방전 시스템의 콘트롤러는 직렬로 연결된 각각의 전지에 대하여 전류계, 온도계 및 전압계로부터 입력되는 값에 기초하여 전지를 안정적으로 충전 및 방전이 이루어지도록 제어하는 제어프로그램이 탑재됨을 특징으로 하는 직류 마이크로그리드 충방전 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 직류 마이크로그리드 충방전시스템은 직렬로 연결된 각각의 전지를 충방전하기 위하여 각각의 전지사이에 설치된 릴레이를 개방할 때와 개방 후 접점에 부착될 때 충방전 전류가 안정적으로 동작하고, 릴레이 내구성을 높이기 위한 보호회로를 더 구비함을 특징으로 하는 직류 마이크로그리드 충방전시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 콘트롤러는 양방향 제너 다이오드 또는 다이오드, 콘덴서 및 저항으로 구성하여 릴레이를 개방할 때와 개방 후 접점에 부착될 때 전류를 다음단 전지로 바이패스시키도록 구성됨을 특징으로 하는 직류 마이크로그리드 충방전시스템.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 직류 마이크로그리드 충방전시스템은 직렬 연결된 다수개의 내부저항이나 용량이 서로 다른 2차전지를 정전압 모드로 충전할 때, 상기 콘트롤러에서 펄스폭 변조신호를 출력하고 그 신호를 따라 전지의 충전전류를 개폐하거나, 상기 콘트롤러에서 출력하는 펄스폭 변조신호를 직류전류로 연산하여 전지의 충전전류의 일부를 소모하거나 바이패스시켜 전지를 정전압 상태에서 충전하는 능동형 밸런싱 회로를 더 구비한 직류 마이크로그리드 충방전시스템.
  11. 청구항 3에 있어서,
    직류 마이크로그리드 충방전 시스템은 하나의 양방향 DC-DC 컨버터와 하나의 리니어 전류전원으로 직렬 연결된 다수 개의 전지를 충방전하도록 구성된 트레이 다수 개를 동시에 제어하여 충방전할 수 있는 호스트 컴퓨터를 더 구비한 직류 마이크로그리드 충방전시스템.
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