KR20140124485A - 에너지저장시스템의 제어전원회로 - Google Patents

에너지저장시스템의 제어전원회로 Download PDF

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KR20140124485A
KR20140124485A KR1020130042022A KR20130042022A KR20140124485A KR 20140124485 A KR20140124485 A KR 20140124485A KR 1020130042022 A KR1020130042022 A KR 1020130042022A KR 20130042022 A KR20130042022 A KR 20130042022A KR 20140124485 A KR20140124485 A KR 20140124485A
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Abstract

본 발명은 에너지저장시스템의 복수개의 모니터 칩회로에 각각의 절연된 안정된 직류제어전원을 공급할 수 있으며, 상기 복수개의 직류제어전원회로의 구성요소가 주로 수동소자들을 포함하여 매우 간단한 회로 구성을 가질 수 있는 장점을 가진 에너지저장장치의 제어전원회로에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 제어전원회로는, 입력 직류전원을 스위칭하여 안정화(Regulated)된 크기의 구형파 전압을 출력하는 2차 권선을 가지는 주제어전원, 상기 2차 권선의 출력이 1차 측에 연결되고 2차 측에 절연된 또 다른 권선을 가진 복수개의 절연변압기, 및 상기 절연 변압기의 2차 출력 전압을 각각 정류하고 전압리플을 제거하는 복수개의 정류회로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 주제어전원은 스위치모드 파워서플라이(SMPS)의 원리에 따라 스위칭 동작되어 시간에 따른 전압 적분량이 상하로 동일한 구형파 전압을 출력하게 되며, 자화전류에 의해 2차 측으로 에너지가 전달되는 특징을 가진 프라이백 변압기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지저장시스템의 제어전원회로{CONTROL POWER CIRCUIT of ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은, 복수개의 에너지저장 셀이 직렬로 연결되어 구성되는 에너지저장시스템의 복수개 셀들의 전압이나 온도를 각각 측정하고 이의 측정 결과를 CPU에 출력하는 기능을 가진 복수개의 모니터 칩회로의 동작에 필요한 직류제어전원을 공급하기 위한 에너지저장시스템의 제어전원회로에 관한 것이다.
일반적으로 2차 전지(배터리) 또는 수퍼 콘덴서와 같은 에너지저장 셀은 충전, 대기 또는 방전 중에 전압이 불균형 상태가 될 수 있으므로, 에너지저장시스템의 각 셀을 모니터하여 셀 및 모듈간의 밸런싱(균형화)을 유지하고 이의 노화정도나 동작 상태를 상시 감시하는 관리장치(배터리 셀인 경우 일반적으로 BMS로 칭함)가 요구되고 있으며, 근래에는 복수의 셀을 모니터할 수 있도록 상용화되어 있은 멀티셀 스택 모니터(Multicell Stack Monitor) 칩(Chip)을 채택하여 에너지저장시스템의 복수개의 셀 전압 및 온도를 쉽게 모니터할 수 있은 관리장치가 개발되고 있다.
상기 에너지저장시스템의 관리장치에는 각 모니터 칩회로의 동작에 필요한 제어전원을 공급할 수 있는 직류제어전원이 필수적으로 요구되는 데, 일반적으로 종래 에너지저장시스템의 관리장치 및 이의 제어전원회로의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지저장시스템의 관리장치 회로 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 에너지저장시스템 관리장치 회로에는 크게 다수의 셀을 각각 관측하는 복수개의 멀티셀 스택 모니터 칩회로가 배치되고 상기 각각의 모니터 칩에 의해 측정된 데이터는 SPI 통신이나 I2C 통신에 의해 MMI(CPU를 포함하여 구성됨)측으로 전송되어 에너지저장시스템을 구성하는 복수개의 셀들을 관리할 수 있게 하였다. 상기 에너지저장시스템은 복수개의 셀들이 각각 계단 형태(Cascadable)로 연결되어 스트링이 구성되고, 상기 계단 형태(Cascadable)의 스트링은 수개 또는 십(10)여개의 셀들의 조합인 단위구룹으로 구획되어 상기 단위구룹에 속한 에너지저장 셀 조합들을 각각 모니터할 수 있도록, 상기 복수개의 모니터 칩회로의 입력단에 복수개의 셀을 가진 상기 단위구룹들이 각각 연결되게 된다.
또한 상기 복수개의 모니터 칩회로의 제어 동작에 필요한 직류제어전원은, 상기 계단 형태(Cascadable)로 연결된 에너지저장시스템의 스트링 전압으로 부터 상기 복수개의 모니터 칩회로가 독립적으로 동작하는 데 필요한 절연레벨을 확보할 수 있도록 각각 절연된 형태로 공급될 수 있게 구성되어야 할 필요가 있다. 따라서 종래에는 복수개의 모니터 칩회로마다 복수개의 절연된 DC/DC컨버터를 각각 배치하여 이의 동작에 필요한 제어전원을 공급토록 회로를 구성하여 왔으며, 이와 같이 절연된 직류제어전원을 복수개의 모니터 칩회로마다 구성함으로써 동작 환경에서 유도되는 각종 서지 전압이나 노이즈로부터 에너지저장시스템의 관리장치(BMS)의 운전 신뢰도를 높일 수 있었다.
그러나 종래에 에너지저장시스템의 직류제어전원으로 일반적으로 사용하고 있는 DC/DC컨버터 회로는, 출력측에 절연된 정전압을 생성하기 위해 정류회로 이외에 직류(DC)전원을 변압하여 출력하는 트랜스, 상기 트랜스의 1차측에 펄스 신호를 인가하여 출력 전압을 조절하는 PWM 제어부 및 출력 전압을 감지하여 상기 PWM 제어부의 PWM 신호를 제어하는 피드백 제어부의 조합과 같은 복잡한 회로적 구성요소를 모두 가져야 하므로, 에너지저장시스템의 제어전원회로 구성이 매우 복잡하여 져서 장치의 사이즈도 커지고 제조원가가 높아지는 문제점이 있었다.
종래에는 복수개의 모니터 칩회로마다 복수개의 절연된 DC/DC컨버터가 각각 배치되어 구성되는 반면, 본 발명의 제어전원회로는, 일반적인 SMPS의 구성요소와 유사한 회로를 가진 주제어전원의 변압기 2차 권선의 출력측에 복수개의 절연변압기를 각각 배치하고 상기 절연변압기의 후단에 수동소자들을 가지는 정류회로만으로 구성(즉, 절연변압기 및 반파정류 회로만으로 구성)됨으로써, 본 발명은 이의 구성 회로가 매우 간단하고 제조원가가 저렴한 에너지저장시스템의 제어전원회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지저장시스템의 직류제어전원회로는, 입력 직류전원을 스위칭하여 안정화(Regulated)된 크기의 구형파 전압을 출력하는 2차 권선(14)을 가지는 1개의 주제어전원(11); 상기 2차 권선(14)의 출력측이 1차 권선에 연결되고 2차측에 또 다른 절연된 권선을 가진 복수개의 절연변압기(40); 및 상기 절연변압기(40)의 2차측 출력 전압을 각각 정류하고 전압리플을 제거하는 복수개의 정류회로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 주제어전원(11)의 2차 권선(14)에는 스위치모드 파워서플라이(SMPS)의 원리에 따라 스위칭 동작되어 전압 시간 적분량이 상하로 동일한 구형파 전압이 생성되며, 본 발명의 실시예에서는 자화전류에 의해 2차 권선 측으로 에너지가 전달되는 특징을 가진 프라이백 또는 포워드 변압기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 주제어전원(11)는 상기 정류회로에 전류가 공급되는 구간 동안 변압기 자속이 자연적으로 리셋되는 프라이백 회로의 구성인 것을 특징으로 한다.
상기 정류회로는 반파정류 회로인 다이오드(41)와 콘덴서(42)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 복수개의 절연변압기는 원할한 제어전원공급 및 회로 동작을 위해 각 모니터 칩회로에 최대한 근접되어 각각 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 절연변압기는 1차 및 2차측 권선 상호 간에 자기적 누설이 최소가 되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 절연변압기는 상기 구형파 전압이 인가될 시 자속이 포화되지 않도록 절연변압기의 1차 권선의 암페아-턴(Amp-Turns)이 상기 구형파 전압의 Volt-time 값보다 크게 확보되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 주제어전원(11)은 CPU회로 또는 MMI의 제어전원 용도로 안정화(Regulated)된 직류제어전압(예로 +5.0V 또는 +3.3V)을 생성하는 출력회로(+Vc)을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 구형파 전압을 출력하는 2차 권선(14)의 일단자(GRD2)와 상기 CPU회로 또는 MMI의 제어전원용도의 직류제어전압 출력단의 음(-)출력(GRD) 단자(GRD1)가 서로 공통 연결는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편 상기 주제어전원(11)의 입력회로 일단에는 릴레이(RY1)의 점접(21)을 경유하여 입력전원(Vs)이 공급될 수 있도록 배치하여, 에너지저장시스템이 과방전될 시에 상기 릴레이(RY1)가 비여자(off)되고 점접(21)에 패쇄(off)되어 에너지저장시스템의 셀 모니터 회로의 제어전원 및 이의 CPU 제어전원이 가동 중지되는 것을 특징으로 한다.
상기 릴레이(RY1)는 에너지저장 셀의 이상이 발생되거나 방전종지전압에 근접되면, 에너지저장시스템의 각 셀들 관리하는 CPU회로가 이를 감지하여 접점(21)이 패쇄(off)되는 것을 특징으로 한다.
상기 릴레이(RY1)의 별도 보조전원에 의해 이의 여자전원이 공급될 수 있고, 상기 CPU회로에서 출력되는 상기 릴레이(RY1)의 개폐 제어신호는 포토커플러와 같은 신호절연수단을 통해 상기 신호절연수단의 출력 측에 연결된 릴레이(RY1)의 코일(22)을 여자 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 에너지저장시스템의 출력 전압의 크기에 따라 상기 주제어전원의 스위칭신호를 생성하는 PWM 제어회로를 활성화 또는 록아우트시키는 기동/정지회로(29)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 스위치모드 파워서플라이(SMPS)의 동작 원리에 따라 입력 직류 전원이 스위칭 동작되는 1개의 주제어전원(11)에서 시간에 따른 양(+)전압 및 음(-)전압 파형의 전압 적분량이 서로 동일한 구형파 전압을 출력하게 되며, 이의 구형파 전압 출력을 분배받아 복수개의 모니터 칩회로에 필요한 복수개의 절연된 직류제어전원을 생성할 수 있으며, 상기 직류제어전원의 구성회로가 주로 수동소자들로 구성될 수 있고 매우 간단한 회로 구성을 가질 수 있게 되므로, 복수개의 모니터 칩회로를 가진 에너지저장시스템의 제어전원회로의 성능 및 원가를 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 사용대기 또는 충전.방전과정에서도 관리대상의 에너지저장시스템의 출력 전압을 체크하여 정상적인 전압 범위 구간에서만 상기 주제어전원(11)이 입력전원과 연결되거나 관련된 제어전원회로가 활성화됨으로써, 충.방전대기 또는 보관상태에서 에너지저장시스템이 과방전될 수 있는 위험을 사전에 제거할 수 있다.
도 1은 종래의 에너지저장시스템 및 모니터 칩회로의 기능별 블럭 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예인 직류제어전원 회로.
도 3은 본 발명의 상세 실시 예에 따른 구형파 전압 출력 파형.
도 4은 본 발명의 또 다른 상세 실시 예인 주제어전원 회로의 상세도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 기재에서 에너지저장시스템이나 장치의 의미는, 수퍼 콘덴서나 2차 전지와 같이 전하를 축전할 수 있는 수단이나 장치로써, 예을 들어 수퍼 캐패시터나 배터리 단위 셀 또는 수개의 단위 셀로 구성된 모듈, 스택 또는 스트링를 포함하는 것이며, 각 문맥의 해석에 따라 이들 중 어느 하나를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 상세 실시 예를 나타낸다.
도 2에서 보인바와 같이, 주제어전원(11)은 1차 권선(13)에 직렬로 연결되어입력 직류전원을 초핑하는 전자스위치(12), 상기 전자스위치(12)와 직렬로 연결되는 1차 권선(13) 및 양(+)전압과 음(-)전압 파형의 시간에 따른 전압 적분량이 동일한 구형파 전압(Vo)을 출력하는 2차 권선(14)을 포함하여 구성된다.
또 다른 2차 권선으로써, 상기 주제어전원(11)의 제어부에 이의 출력전압이 일정하게 부귀환(Negative Feedback) 제어되도록 출력전압과 기준전압과의 차신호를 제공하며 또한 MMI CPU회로의 제어전원 용도로 사용될 수 있도록 안정화(Regulated)된 직류전압(+Vc, 예로 +5.0V 또는 +3.3V)을 생성하는 제 2권선(15)을 더 가지는 것이 바람직하다.
상기 제 2권선(15)의 출력측에는 정류 다이오드(16)와 필터 콘덴서(17)가 연결되고 상기 제 2권선(15)의 양단자에서 나오는 전압이 반파정류되어 크기가 일정하게 안정화된 직류전압(+Vc)이 출력되게 된다. 또한 상기 직류전압(+Vc)을 분압하여 상기 반파정류된 출력전압 및 상기 구형파 출력전압의 크기가 일정하게 제어되도록 상기 주제어전원(11)의 제어부에 부귀환 제어 신호를 제공할 수 있다.
여기서 상기 2차 권선(14)에서 얻어지는 구형파 전압(Vo)의 양(+)전압 파형 의 크기가 부하전류나 주제어전원(11)의 입력전압(Vi) 크기에 관계없이 일정하게 유지될 수 있도록, 상기 2차 권선(14)과 상기 제 2권선(15)은 자기적으로 완벽하게 결합되어 상호간 자기적 누설이 최소화되도록 배치되는 것이 매우 바람직할 것이다.
또한, 설계자의 판단에 따라 상기 구형파 전압(Vo)을 출력하는 2차 권선(14)의 코일 일단(GRD2)과 상기 직류전압(+Vc)을 출력하는 음(-)출력 단자(GRD1)가 공통으로 서로 연결되게 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
도 2에는 도시되지 않았지만, 상기 주제어전원(11)에는 설계자의 판단에 따라 전자스위치(12)의 제어동작에 필요한 제어권선을 추가로 더 배치할 수 있다.
또한, 상기 주제어전원(11)의 PWM 스위칭제어에 필요한 전자스위치(12) 및 이의 PWM 스위칭 제어수단은 MOSFET를 포함할 수 있고, 근래 상용화 모델로 판매되고 있는 1개의 소자(칩) 형태의 통합된 스윗저(Integrated Switcher)를 포함하는 것이 매우 바람직하다.
상기 주제어전원(11)은 일반적인 스위치모드 파워서플라이(SMPS)의 원리에 따라 스위칭 동작되게 제어됨으로써, 상기 구형파 전압(Vo)에 대한 양(+)전압과 음(-)전압 파형의 시간에 따른 전압 적분량이 동일하도록 상기 구형파 전압(Vo)을 출력할 수 있으며, 수십W 이하인 경우에는 프라이백 또는 포워드 변압기를 가진 회로로 구성되는 것이 바람직할 것이다.
여기에서 프라이백 또는 포워드 변압기를 사용한 스위치모드 파워서플라이(SMPS)의 동작모드에 대해서는 이미 잘 알려진 바와 같으므로, 상기 주제어전원(11)의 스위칭 동작에 대한 구체적 설명을 생략한다.
또한, 주제어전원(11)가 포워드 변압기의 구성인 경우에는 변압기의 자속을 리셋시키는 데 필요한 리셋권선이 추가로 필요하게 되나, 프라이백 변압기 구조의 회로에서는 상기 2차 권선(14) 측으로 자화전류가 공급되는 기간 동안에 변압기 자속이 리셋되어 별도로 리셋권선이 불필요하여 회로가 간단해질 수 있은 장점이 있으므로, 상기 주제어전원(11)을 구성하는 변압기 및 스위칭 제어회로를 프라이백 회로의 것과 거의 유사하게 설계하는 것이 매우 바람직하다.
또한 상기 주제어전원(11)은 에너지저장장치의 출력직류전압을 받거나 교류입력을 받아서 동작할 수 있도록 입력단에 정류회로를 구성하여 설계될 수 있으며, 전자파노이즈를 제거하기 위한 필터회로가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 구형파 전압이 출력되는 상기 2차 권선(14)의 출력단에는, 1차 권선(43) 및 2차측 권선(44)을 가진 복수개의 절연변압기(40)가 상기 2차 권선(14)과 각각 병렬로 연결되고, 상기 각각의 절연변압기(40)의 후단에는 반파정류회로가 상기 절연변압기(40)와 함께 복수개의 모니터 칩회로에 배치된다.
또한 상기 복수개의 절연변압기(40)는, 상기 주제어전원(11)의 2차 권선(14)의 출력전압(Vo)를 분기하여 병열 연결된 형태로 상기 복수개의 모니터 칩회로에 최대한 근접되게 배치되는 것이 상기 모니터 칩회로의 원할한 제어전원공급 및 이의 동작을 위해 바람직할 것이다.
또한 상기 복수개의 절연변압기(40)는, 상기 구형파 전압(Vo)이 인가될 때 자로에 생성되어 지는 자속이 포화되지 않도록 1차 권선(43)의 암페아 턴(Amp-Turns)이 상기 구형파 전압(Vo)의 Volt-time 값 이상이 되로록 설계된다. 즉, 최대 자속과 Volt-time 은 식 (1) 및 식(2)를 만족할 수 있어야 한다.
Figure pat00001
식 (1)
따라서,
Figure pat00002
식 (2)
여기서, Vo 구형파 전압의 크기, φ는 자로의 최대 자속, Δt 는 구형파 전압(Vo)에 대한 양(+) 전압 파형의 형성 시간(초)을 의미한다.
또한, 상기 절연변압기(40)의 1차 권선(43) 및 2차측 권선(44) 사이의 자기적 누설이 최소화되도록 배치하여 상호간 누설 인덕터스값이 최소화되도록 설계되어야 하며 상기 절연변압기(40)의 여자에 필요한 자화전류가 최소화되는 것이 바람직하다.
또한 상기 절연변압기(40)의 2차측 권선(44)으로 부터 얻어지는 구형파 형상의 전압은 공지된 정류회로를 통해 정류되고, 이후 정전압회로를 후단에 배치하여 극히 안정된 제어전원을 얻을 수 있으나, 상기 구형파 전압의 양(+)전압 파형의 크기는 전술한 바와 같이 부하전류나 주제어전원(11)의 입력전압 크기에 관계없이 일정하게 되므로, 다이오드(41)와 콘덴서(42)를 포함하는 반파정류 회로를 통해 정류시켜 일정한 직류전압이 복수개의 모니터 칩회로에 각각 공급될 수 있게 할 수 있는 것이다.
즉, 상기 절연변압기(40)의 2차측 권선(44)의 출력 일단에는 다이오드(41)가 출력단자를 지향하도록 연결되고 다이오드(41)의 음극과 상기 2차측 권선(44)의 또 다른 일단에는 필터용 콘덴서(42)가 전류가 출력되는 방향에 맞춰 각각 배치되어 있어, 상기 절연변압기(40)의 2차측 권선(44)에서 출력되는 상기 구형파 전압 파형이 각각 정류되고 리플전압이 제거될 수 있게 된다.
상기 절연변압기(40)의 1차 권선(43)에 인가되는 구형파 전압(Vo) 파형이 양(+)이 되는 구간에 2차측 권선(44)에 연결되는 상기 다이오드(41)가 통전되어 상기 모니터 칩회로로의 전류흐름이 형성될 수 있도록, 상기 절연변압기(40)의 1차 권선(43) 및 2차측 권선(44)간은 상호 동일 극성을 가지도록 설계되는 것이 바람직하다. 물론 구형파 전압 파형이 음(-)이 되는 구간에는 상기 다이오드(41)에 의해 블록킹된다.
또한 상기 절연변압기(40)의 1차 권선(43)과 2차측 권선(44)사이의 권선비는 1:1이 되게 설계되는 것이 바람직하며, 이의 상용화된 모델로 Bitechnologies사의 HM78D 시리즈 또는 이와 유사한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 바 있은 본 발명의 실시 예와는 다른 방안으로, 상기 주제어전원(11)의 변압기에 복수개의 2차 권선을 배치하고 각각의 2차 권선 출력을 반파정류하여 복수개의 절연된 직류제어전원을 생성할 수 있는 것으로 예측할 수 있다.
그러나 상기 복수개의 2차 권선을 배치하는 방안은, 첫째; 2차 권선 수가 많아지면 권선 상호간 자기적 결합이 저하되어 누설 인덕턴스가 증대되게 되므로 스위칭 서지 및 변환 손실이 증가하고, 둘째; 복수개의 2차 권선간에 발생되는 출력전압 크기가 서로 상이하게 되는 단점이 있으며, 특히 변압기의 제조 기술상 1개의 코아에 3개 이상의 2차 권선을 배치하려면 권선작업 난이도의 증가로 제조원가가 크게 상승되게 되고, 또한 2차 권선 개수가 증가하게 되면 이에 비례하여 누설 인덕턴스가 증가하고 2차 권선 사이의 자기 누설량이 크게 차이가 나게 되며, 따라서 안정된 직류제어전원의 생성이 거의 불가하여 이의 실용성이 거의 없게 되므로 이러한 점을 유의해야 할 것이다.
한편, 상기 주제어전원(11)의 입력회로 일단의 선로(Line)에는 입력전원(Vs)의 공급이 유사시 컷업(cut-off)될 수 있도록 릴레이(RY1)의 점접(21)이 배치되어 있다. 따라서 에너지저장시스템이 과방전되거나 방전종지전압에 도달되거나 또는 모니터회로의 작동을 인위적으로 중지시키려고 할 때, 상기 릴레이(RY1)가 비여자(off)되고 점접(21)을 패쇄(off)시킴으로써 에너지저장 셀 모니터 회로의 제어전원 및 CPU 제어전원이 완벽하게 차단될 수 있고, 에너지저장시스템을 과방전과 같은 유사시의 이상상태로 부터 보호할 수 있게 된다.
즉, 에너지저장 셀에 이상이 감지되거나 에너지저장시스템이 대기중이나 방전중에 방전종지전압이 근접되면, 에너지저장시스템의 복수개의 셀들의 전압 또는 온도를 감시하는 에너지저장 셀 모니터 회로의 CPU가 이를 감지하여 상기 릴레이(RY1)가 비여자되도록 하는 제어신호를 상기 릴레이(RY1)의 여자코일(22)로 전달하여 상기 접점(21)가 패쇄(off)되게 하는 것이다.
또한 상기 릴레이(RY1)는 별도 보조전원(31)에 의해 이의 여자전원이 공급될 수 있고, 또한 상기 CPU에서 출력되는 상기 릴레이(RY1)의 개폐 제어신호는 포토커플러(23)와 같은 신호절연수단을 통해 상기 신호절연수단의 출력측에 연결된 상기 릴레이(RY1)의 여자코일(22)을 여자 또는 비여자하여 상기 접점(21)을 개패(on-off)되게 동작시키게 된다.
여기서 상기의 접점식인 릴레이(RY1)는 무접점 전자식 릴레이 또는 Photo MOS 릴레이를 대체하여 사용할 수 있다.
또한, 에너지저장시스스템의 관리장치(BMS) 또는 셀 모니터회로가 기동될 시에 동시에 자동적으로 상기 릴레이(RY1)가 여자되거나, 수동으로 기동스위치(30, SW1)의 터치 또는 투입에 의해 상기 릴레이(RY1)가 기동될 수 있게 설계하는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는, 상기 에너지저장시스템의 출력 전압의 크기가 미리 선정된 값 이하이면 상기 주제어전원(11)의 전자스위치(12)에 인가할 스위칭신호를 생성하는 PWM 제어회로를 활성화 또는 록아우트시키는 기동/정지회로(29)를 배치하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 기동/정지회로(29)는, 일반적으로 상기 주제어전원(11)의 스위칭 전자스위치 회로에 인입되는 시동(Start-Up)에 필요한 전류크기에 의해 제어대상의 에너지저장시스템의 제 1출력전압 설정치에서 기동되고, 상기 제 1출력전압 설정치보다 낮은 점인 제 2출력전압 설정치(예로 방전종지전압으로 선정되는 것이 좋다)에서 이의 가동이 록아우트(Lock-Out)될 수 있도록 히스테리 특성을 가지도록 설계할 수 있다.
상기 기동/정지회로(29)의 구성은, 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 설명하기 위한 일실시 예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 기초로 하여 필요한 조건에서 나머지 구성회로를 활성화 또는 록아우트시킬 수 있도록 공지된 소자나 회로를 채택하여 이를 구성하거나 등가적으로 변형이 가능하다.
또한 현재 상용화된 스위칭 전자스위치 제어회로에는 시동(Start-Up)에 필요한 전류크기를 조절할 수 있도록 전류제한 저항을 적절히 선정하여 연결할 수 있게 설계되어 있다. 예를 들자면, Power Integrations,Inc.사의 전자스위치 회로군인 1개의 소자(칩) 형태로 통합된 스윗저(Switcher)인 TOPSwitch 시리즈에서는 저항 RLS의 크기에 따라 시동에 필요한 전류치의 크기가 조절될 수 있게 설계할 수 있다.
본 발명의 일시 예로, 리튬이온 전지인 경우에는 방전종지전압을 제 2전압 설정치로 설정하고 이보다 미리 설정된 값보다 높은 전압을 제 1전압 설정치로 설정되게 설계함으로써 사용 대기중에 에너지저장장치시스템이 대기전력을 최적으로 줄일 수 있고, 충.방전이 필요한 충전전압 조건에서만 회로가 가동케 함으로써 자기방전에 의하여 배터리가 과방전되는 위험상태를 예방할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예로써 프라이백 회로을 채택하여 실지로 구현한 주제어전원(11)으로부터 얻어진 구형파 전압(Vo) 파형을 나타낸다. 여기에서 기준점보다 상부에 도시되는 파형은 구형파 전압의 양(+)전압 파형을 나타내고 하부에 도시된 파형은 음(-)전압 파형을 나타내고 있다. 양(+)전압 파형 이후에 발생되는 진동전압은 변압기 1차 권선(13)과 2차 권선(14)의 누설 인덕턴스와 정류다이오드(D1, 17)의 캐패시터 성분에 의한 전류흐름에 때문에 생기는 과도적 상태에서 발생되는 파형을 나타낸다.
여기서 상부에 도시되는 구형파 전압의 양(+)전압 파형은, 주제어전원(11)의 전자스위치의 PWM 도통폭이 부귀환 제어되어 부하전류(Load) 또는 입력전압 변동시에도 높이가 일정하게 출력되므로, 상기 구형파 전압(Vo)을 다이오드(41)를 통해 반파정류하게 되면, 항상 크기가 일정한 N개의 직류제어전원(#1, #2, ... #N)을 용이하게 얻을 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 상세 실시 예인 주제어전원(11)의 상세 회로도를 나타내고 있다.
도 4의 실시 예에서는 전자스위치(12)로써 통합된 스윗저(Integrated Switcher)를 채택하고 있으며, 예로 1칩 형태의 상용소자인 Power Integrations, Inc.회사의 TOPSwitch가 있다. 여기서 제 2권선(15)의 출력인 +Vc 단자 출력(+Vc-GRD1(2))은 전술한 바와 같이 CPU 제어전원으로 사용되는 것이며, 상기 +Vc 전압 출력을 분압하여 얻어진 기준 전압과의 차신호를 포토카플러(U9)를 통해 제어권선의 출력과 합하여 얻어지는 제어신호를 상기 TOPSwitch의 제어단자 입력에 인가하여 제어함으로써 직류제어전원의 출력측에는 정전압이 얻어지게 되며, 저항(RLS)를 통해 상기 TOPSwitch의 시동에 필요한 전류가 입력되므로 저항(RLS1 및 RLS1)의 크기로써 TOPSwitch가 활성화되는 주제어전원(11)의 입력전압의 범위를 조절할 수 있다.
또한 주제어전원(11)의 2차 권선(14)은 상기 CPU 제어전원(+Vc)의 출력 권선(15)과의 자기적 결합이 향상될 수 있도록 단일 권선 및 바이폴라 등과 같은 권선 방법으로 감아 코일을 형성함으로써 상기 2차 권선(14)에서 생성되는 구형파 전압의 크기를 더욱 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
주제어전원(11)은 교류 100V~240V 또는 직류 최대 370V 까지 입력이 가능하며, 이와 같은 입력전원이 인가되면 DC 링크전압이 저항(R43)을 통하여 릴레이(RY1)의 여자에 필요한 보조전원을 함께 생성될 수 있게 설계되어 있으며, 다이오드(44) 및 다이오드(43)는 외부로 부터의 보조입력전원과 주제어전원(11)의 DC 링크전압이 서로 역저지되고 충돌되지 않도록 하는 역할을 한다.
이와 같이 생성된 상기 복수개의 직류제어전원(#1, #2, ... #N)은 일정한 크기의 전압출력을 가진 전류를 공급할 수 있으므로, 상기 복수개의 직류제어전원의 출력전압 크기를 배터리 셀의 충전 정격전압 크기와 동일하게 조정하고 이의 복수개의 제어전원 출력측에 배터리스트링을 구성하는 복수개의 배터리 셀을 각각 연결하면, 상기 복수개의 직류제어전원 출력을 사용하여 복수개의 배터리를 균등하게 충전할 수 있다.
이때 주제어전원(11)은 상용 교류전원을 입력받을 수 있게 구성할 수 있으나, 배터리스트링의 전체전압을 입력전원으로 받아 복수개의 출력을 가진 충전기로 동작할 수 있도록 연결되는 것이 매우 바람직하다.
이와같이 본 발명의 실시예로 구성된 복수개의 직류제어전원(#1, #2, ... #N)는 추가적 큰 변형없이 배터리 균등 충전장치로 활용이 가능하며, 이때 제 2권선(15)의 출력을 정류하여 얻어지는 안정화(Regulated)된 직류전압(+Vc, 예로 +5.0V 또는 +3.3V)은 충전 대상 배터리의 관리장치(BMS) 제어전원 용도로 사용하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 에너지저장장치의 제어전원회로는, 그 구성회로가 주로 수동소자들로 구성되어 있으므로 종래의 DC/DC 컨버터로 구성된 것보다 동작 신로도가 높고, 또한 구성회로가 매우 간단해 지는 특징을 가지게 되므로 이의 하드웨어 사이즈 및 제조원가를 크게 낮출 수 있어 산업상 이용효과를 극대화시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 입력 직류전원을 스위칭하여 안정화(Regulated)된 크기의 구형파 전압을 출력하는 2차 권선을 가지는 주제어전원;
    상기 2차 권선에 1차 권선이 연결되고 절연된 또 다른 2차측 권선을 가진 복수개의 절연변압기; 및
    상기 복수개의 절연변압기의 2차측 권선 출력을 각각 정류하고 전압리플을 제거하는 정류회로를 포함하는 에너지저장장치의 제어전원회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 절연변압기는 변압기 1차 권선의 암페아-턴이 상기 구형파 전압의 Volt-time 값 이상인 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 제어전원회로.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 절연변압기는 1차 권선 및 2차 권선 상호 간에 자기적 누설이 최소화 되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 제어전원회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 주제어전원은 자화전류에 의해 2차 측으로 에너지가 전달되는 특징을 가진 프라이백 변압기를 포함하는 것인 에너지저장장치의 제어전원회로.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정류회로는 다이오드와 커패시터를 포함하여 구성되는 반파정류 회로인 것인 에너지저장장치의 제어전원회로.
  6. 상기 절연변압기의 1차 권선과 2차측 권선사이의 권선비는 1:1이거나, Bitechnologies사의 HM78D 시리즈 또는 이와 유사한 상용화된 모델인 것인 에너지저장장치의 제어전원회로.
  7. 주제어전원의 입력회로 일단에는 릴레이의 점접을 경유하여 입력전원이 공급되게 배치하고, 에너지저장시스템이 과방전될 시에 CPU로부터의 신호를 받아 상기 릴레이가 비여자(off)되고 점접이 패쇄되는 특징을 가진 에너지저장장치의 제어전원회로.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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