KR20160140330A - 에너지 저장기기 충전용 고전력 충전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 저장기기용 충전장치에 관한 것으로, 이 충전장치는 AC 전원의 전도간섭을 수동적으로 억제하기 위한 EMI/RFI 필터; AC 전원의 전력을 충전주파수 없이 변압하기 위한 변압기; AC 입력을 DC 출력으로 변환하는 정류기; 및 AC 전원으로부터 출력전압과 출력전류를 갖는 고전력 출력을 제공하기 위한 전압제어 충전기를 포함하고, 전압제어 충전기의 출력전압과 출력전류가 맥동 DC 신호이다. 고전력 출력의 역률은 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상, 0.95 이상 및 0.97 이상으로 이루어진 군에서 선택되고, 고전력 출력의 와트 값은 40W 이상, 50W 이상, 60W 이상 및 70W 이상으로 이루어진 군에서 선택된다.

Description

에너지 저장기기 충전용 고전력 충전장치{HIGH-POWER CHARGING DEVICES FOR CHARGING ENERGY-STORAGE DEVICES}
본 발명은 에너지 저장기기 충전용 고전력 충전장치에 관한 것이다.
현대식 전자기기들은 개인용이나 영업용이나 점점더 유비쿼터스화 되고있다. 이런 기기가 점점 진화하여 기술적 혁신의 특징으로서 휴대성이 급부상하고 있다고 해도 과언이 아니다. (형상계수가 점점더 작아지는) 스마트폰, 태블릿, 랩탑, 울트라북 등의 급증으로 소비자들은 사용시간은 오래되면서도 기기의 중량의 추가 없이도 충전시간은 더 짧을 것을 원하고 있다.
이런 양상은 Tesla Model S나 Chevy Volt와 같은 전기차에도 마찬가지인데, 이런 전기차는 대부분의 에너지 저장기기로 배터리, 특히 리튬이온 배터리를 이용하는데, 이런 배터리는 거의 모든 휴대형 전자기기와 전기차에 사용되고 있다. 전기차 배터리는 휴대기기와 같은 기술을 적용하되, 대략 7000개까지의 배터리셀을 이용한다.
대부분의 휴대기기 충전기는 실제로는 충전기가 아니라 충전회로에 전원을 제공하는 파워어댑터일 뿐이다. 휴대기기의 충전기는 AC-DC 컨버터일 뿐이다. 이런 충전기는 86~260 V AC(RMS)의 입력을 대략 5V DC의 출력전압으로 변환한다. 일반적으로 충전기의 출력전압은 (휴대전화기에 적당한) 5~5.5 V DC이다. 충전식 배터리를 내장한 휴대기기는 간단한 휴대기기 충전기로 공급되는 배터리 전압보다 약간 높은 DC 전압으로 충전되어야 한다.
이런 간단한 충전기들은 먼저 AC 전원의 전력을 변압기를 통해 낮은 AC 전압으로 변환한 다음, AC-DC 컨버터(정류기)에 출력전압을 통과시킨다. 출력전압은 최종적으로 필터를 통과하면서 충전기 핀에 깨끗한 출력전압으로 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반 파워어댑터의 블록도로서, EMI/RFI(Electro-Magnetic Interference/Radio-Frequency Interference) 필터, 정류기, 제1 커패시터, 전자 스위칭회로, 고주파 변압기, 고주파 정류기 및 제2 커패시터를 포함한다. 이런 파워어댑터의 출력전압은 휴대기기를 충전하는데 사용된다.
도 2는 종래의 파워어댑터/충전기의 블록도로서, 도 1의 구성요소 외에, 제2 커패시터 뒤에 전압제어 충전기를 더 포함한다. 이 충전기는 휴대기기 내부에 위치하고, 출력전압과 전류가 배터리나 다른 에너지 저장기기(예; 수퍼커패시터)를 충전하는데 사용된다.
충전기의 전력이 커질수록 엄격한 제한이 가해진다. 이런 고전력 충전기는 성능을 위해 아래 조건을 갖출 필요가 있다.
- 고전력으로 인한 고효율 동작, 효율이 약간만 떨어져도 충전기 자체에서 상당량의 전력이 낭비되고, 이런 전력손실을 처리하기 위해 열관리 특성이 복잡해지기 때문;
- 역률을 1이나 거의 1로 유지, 이를 이해서는 충전기내에 PFC(power-factor correction) 회로가 필요;
- 낮은 EMI/RFI, PFC 회로가 더 필요;
- 비용과 중량 최소화가 강력히 요구됨.
고조파 감소를 위한 PFC는 전력망의 실제 전력을 최대화하도록 오프라인 전원의 입력전류를 이용한다. 전기기기는 반응전력을 제로로 하는 순서 저항 특성을 모방하는 부하를 갖는 것이 이상적이다. 이런 상황에서는 모든 입력전류 고조파들이 배체되고 위상은 정확히 입력전압과 같아진다. 이 경우, 전력망의 전류는 필수 임무를 수행하는데 필요한 실제 전력에 맞춰 최소화된다. 또, 전력분산은 물론 이 과정에 관여한 전력생성이나 자본장비와 관련된 손실이나 비용도 최소화된다.
교류 시스템에서는, 동일한 양의 전력을 사용해도 역률이 낮은 부하는 역률이 높은 부하에 비해 더 많은 전류를 인출한다. 전류가 높을수록 에너지손실은 커지고 배선이 길어지며 다른 장비가 필요하다. 대형 장비의 비용과 에너지 낭비 때문에, 전기설비들은 역률이 낮을 때 고객에게 높은 비용을 부담케 한다.
고조파는 동일한 전원의 전력공급을 받는 다른 기기들과의 간섭을 최소화한다. 또, 전원에 대한 규제조건을 만족하려면 PFC가 필요하다. 오늘날 유럽과 일본의 전기기기들은 IEC61000-3-2를 만족해야 한다. 이런 규제조건은 입력전력이 75W 이상인 대부분의 전기기기(D급 기기)에 적용된다. 또, 많은 에너지효율 조건들도 PFC를 요구한다. 고조파-감소 표준이 확산 적용되고 모든 장비에 대한 전력레벨이 높아지면서, PFC 성능을 요구하는 전력공급 디자인들이 점점 늘어나고 있다.
디자이너들은 PFC를 이용해면서도, 이런 대기전력 감소, 능동모드 효율 및 EMI/RFI 제한과 같은 다른 규제조건들을 만족해야만 하는 어려운 상황에 직면하고 있다. 도 3은 종래에 PFC 회로를 갖춘 파워어댑터/충전기의 블록도로서, 도 2의 모든 구성요소 외에도, 정류기와 전기스위칭 회로 사이에 PFC 회로를 더 포함하고 있으며, 고전압 커패시터가 제1 커패시터를 대신한다. 출력전압과 전류는 배터리나 다른 에너지 저장기기를 충전하는데 사용된다. PFC 회로는 제조비는 물론 장치의 중량과 크기를 크게 증가시킨다.
에너지 저장기기 충전용의 고전력 충전장치가 필요하다. 이런 장치는 전술한 여러 제한들을 극복하고 휴대기기, 전기자동차, 수퍼커패시터에 대한 충전기술에 새로운 장점을 제공한다.
본 발명의 목적은 에너지 저장기기 충전용의 고전력 충전장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 의하면 PFC 회로와 고전압 커패시터를 베제한 디자인을 이용해 에너지 저장기기를 충전하고 역률이 높은 고전력 충전장치를 제공할 수 있다. 구체적으로 이런 디자인에서는 PFC 회로, PFC 회로 뒤의 고전압 커패시터, 고주파 스위칭회로, 고주파 변압기, 고주파 스위칭 정류기 및 고주파 커패시터가 불필요하다.
따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장기기용 충전장치는 ⒜ AC 전원의 전도간섭을 수동적으로 억제하기 위한 EMI/RFI 필터; ⒝ AC 전원의 전력을 충전주파수 없이 변압하기 위한 변압기; ⒞ AC 입력을 DC 출력으로 변환하는 정류기; 및 ⒟ AC 전원으로부터 출력전압과 출력전류를 갖는 고전력 출력을 제공하기 위한 전압제어 충전기를 포함하고, 전압제어 충전기의 출력전압과 출력전류가 맥동 DC 신호이다.
고전력 출력의 역률은 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상, 0.95 이상 및 0.97 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
또, 고전력 출력의 와트 값은 40W 이상, 50W 이상, 60W 이상 및 70W 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 다른 에너지 저장기기용 충전장치는 ⒜ AC 전원의 전도간섭을 수동적으로 억제하기 위한 EMI/RFI 필터; ⒝ AC 입력을 DC 출력으로 변환하는 정류기; 및 ⒞ AC 전원으로부터 출력전압과 출력전류를 갖는 고전력 출력을 제공하기 위한 전압제어 충전기를 포함하고, 전압제어 충전기의 출력전압과 출력전류가 맥동 DC 신호이다.
마찬가지로, 고전력 출력의 역률은 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상, 0.95 이상 및 0.97 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 좋다.
또, 고전력 출력의 와트 값이 40W 이상, 50W 이상, 60W 이상 및 70W 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
도 1은 종래의 파워어댑터의 블록도;
도 2는 종래의 파워어댑터/충전기의 블록도;
도 3은 PFC 회로를 갖춘 종래의 파워어댑터/충전기의 블록도;
도 4는 본 발명에 따른 고전력 충전기의 블록도;
도 5는 본 발명에 따른 고전압 기기용 고전력 충전기의 블록도;
도 6은 도 3의 파워어댑터/충전기의 여러 지점에서의 전압/전류 프로필을 보여주는 그래프들;
도 7은 도 4의 고전력 충전기의 여러 지점에서의 전압/전류 프로필을 보여주는 그래프들;
도 8은 도 3의 파워어댑터/충전기에 맞는 표준 충전기를 이용하는 리튬이온 배터리의 충전프로필 그래프;
도 9는 도 4의 고전력 충전기를 이용한 리튬이온 배터리의 충전프로필 그래프.
본 발명은 에너지 저장기기용 고전력 충전장치에 관한 것으로, 첨부 도면들을 참조하여 자세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 고전력 충전장치의 블록도로서, EMI/RFI 필터, 변압기, 정류기 및 전압제어 충전기를 포함하고, 역률(power factor)이 거의 1에 가까운 고효율로 동작한다. 이런 성능은 에너지 저장기기용 고출력 충전장치의 크기, 비용, 중량 및 복잡성을 낮추게 되며, EMI/RFI 값도 낮아진다. 출력 전압과 전류를 이용해 배터리나 다른 저장기기를 충전한다. 저전력의 경우, 도 2의 구성을 도 4의 구성에 맞게 바꿀 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 저전압용 고전력 충전장치의 블록도로서, EMI/RFI 필터, 정류기 및 전압제어 충전기를 포함한다. (전기자동차 충전과 같은) 고전압의 경우에는 도 4의 변압기는 불필요하다.
도 6은 도 3의 파워어댑터/충전기의 전기특성도로서, 종래기술에 따른 전기체계내 여러 지점에서의 전압/전류 프로필을 보여주는 그래프들을 보여준다. 그래프 I은 EMI/RFI 필터 뒤에서의 전압/전류 프로필, 그래프 II는 정류기 뒤에서의 전압/전류 프로필, 그래프 III은 PFC와 고전압 커패시터 뒤에서의 전압/전류 프로필, 그래프 IV는 고주파 스위칭회로와 변압기 뒤에서의 전압/전류 프로필, 그래프 V는 고주파 정류기와 제2 커패시터 뒤에서의 전압/전류 프로필을 보여준다.
그래프 V의 V1과 I1은 각종 충전모드를 담당하는 전압제어 충전기의 입력단에서 구한 원하는 전압값과 전류값이다. 표준 충전시스템의 경우, V1과 I1의 값이 일정하다.
도 7은 도 4의 고전력 충전장치의 전기특성도로서, 이 그래프는 본 발명에 따른 각종 지점에서의 전압/전류 프로필들을 보여준다. 그래프 A는 EMI/RFI 필터 뒤에서의 전압/전류 프로필, 그래프 B는 변압기 뒤에서의 전압/전류 프로필, 그래프 C는 정류기 뒤에서의 전압/전류 프로필을 각각 보여준다.
V1과 I1은 각각 맥종 전압과 전류 신호의 평균값이다. 충전시스템의 AC 입력(그래프 A와 B)은 양극과 음극 사이를 교류하는 사인파이되, 정류기의 출력(그래프 C)에 커패시터가 없어 전압파와 전류파 모두 파형과 위상이 동일하다. 충전기의 정류된 출력은 "맥동" DC 신호 파형을 가져, 전압값이 0과 양의 값 사이이며, 이 신호의 음극파는 양극파로 정류된다. 마찬가지로, 전류와 전압은 파형과 위상이 동일하다. 그래프 C에는 전류고조파가 보이지 않아. 역률이 높다.
도 8은 종래의 기술에 따른 도 3의 파워어댑터/충전기의 표준형 충전기를 이용핸 리튬이온 충전식 배터리의 충전프로필을 보여주는 그래프이다. 배터리가 처음에 충전중일 때, 배터리의 전압은 처음에 급격히 상승한 다음 나머지 충전사이클 동안은 안정적이지만, 전류는 처음에는 일정했다가 0값으로 급격히 하락한다. 이런 충전특성들은 모든 배터리에 일반적이다.
1단계에서, 셀전압이 적절한 작동전압(예; ~60%)에 이를 때까지 충전중인 배터리의 전압이 정전류 상태에서 상승한다. 가해진 전류는 셀 구성에 대한 최대 가용전류이다. 2단계에서, 적절한 셀전압이 구해지면, 배터리 용량이 100%에 이르고 전류가 시간이 지나 ~0%까지 강하할 때까지 충전사이클이 변해 정전압을 인가한다. 이런 충전 거동은 도 2~3의 표준 충전기를 이용해 구할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따라 도 4의 고전력 충전장치를 이용해 리튬이온 충전식 배터리에 대한 충전프로필을 보여주는 그래프이다. 비슷한 배터리에 대한 도 8의 충전거동을 도 4~5의 충전기를 이용해서도 구할 수 있는데, 이때 도 7에서 설명한 맥동 DC전류를 이용한다.

Claims (6)

  1. 에너지 저장기기용 충전장치에 있어서:
    ⒜ AC 전원의 전도간섭을 수동적으로 억제하기 위한 EMI/RFI(Electro-Magnetic Interference/Radio-Frequency Interference) 필터;
    ⒝ 상기 AC 전원의 전력을 충전주파수 없이 변압하기 위한 변압기;
    ⒞ AC 입력을 DC 출력으로 변환하는 정류기; 및
    ⒟ 상기 AC 전원으로부터 출력전압과 출력전류를 갖는 고전력 출력을 제공하기 위한 전압제어 충전기;를 포함하고,
    상기 전압제어 충전기의 출력전압과 출력전류가 맥동 DC 신호인 것을 특징으로 하는 충전장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고전력 출력의 역률이 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상, 0.95 이상 및 0.97 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고전력 출력의 와트 값이 40W 이상, 50W 이상, 60W 이상 및 70W 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  4. 에너지 저장기기용 충전장치에 있어서:
    ⒜ AC 전원의 전도간섭을 수동적으로 억제하기 위한 EMI/RFI 필터;
    ⒝ AC 입력을 DC 출력으로 변환하는 정류기; 및
    ⒞ 상기 AC 전원으로부터 출력전압과 출력전류를 갖는 고전력 출력을 제공하기 위한 전압제어 충전기;를 포함하고,
    상기 전압제어 충전기의 출력전압과 출력전류가 맥동 DC 신호인 것을 특징으로 하는 충전장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고전력 출력의 역률이 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상, 0.95 이상 및 0.97 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 고전력 출력의 와트 값이 40W 이상, 50W 이상, 60W 이상 및 70W 이상으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 충전장치.
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