KR20170135621A - 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치 - Google Patents

이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 부하에 공급되는 전원의 절환을 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어지도록 하면서, 각 전원간의 조건을 최대한 활용하여 최대한 효율적인 전원 공급이 이루어지도록 하되, 충전되는 전압을 승압하여 부하에 공급하도록 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치를 제공하기 위한 것으로, 전기자동차의 일 차축에 연결되어 저전압으로 발전하여 저전압 배터리에 충전하는 발전부; 발전부의 저전압을 고전압으로 승압하는 승압기; 및 승압기에 의해 승압된 고전압을 축전하였다가 전기자동차의 타 차축을 구동하는 부하구동부; 를 포함하며, 발전부는, 발전기에 의해 얻어진 전기를 축전하는 저전압의 충방전용 배터리, 및 저전압의 충방전용 배터리 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 타측에 충전된 전기를 승압기로 보내도록 방전모드로 제어하는 제1 충방전 모드 전환 장치를 포함하며, 부하구동부는, 승압기에 의해 승압된 고전압으로 축전되며 혹은 축전된 전압으로 모터를 구동하는 고전압의 충방전용 배터리, 및 승압기에 의해 승압된 전기가 고전압의 충방전용 배터리 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 타측에 충전된 전기로 모터를 구동하도록 방전모드로 제어하는 제2 충방전 모드 전환 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치 및 그에 사용되는 승압기{POWER SUPPLY APPARATUS OF MOBILE CAR HAVING CHARGE-DISCHARGE DEVICE OF SECONDARY BATTERIES AND THE BOOSTER USED TO THE SAME}
본 발명은 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지를 2개 이상 구비한 1차측 발전부와 역시 이차전지를 2조 이상 구비한 2차측 구동부에 의해, 1차측은 발전이나 입력 전원에 의해 충전되면서 2차측을 충전시키고, 2차측의 일부 출력은 부하를 구동하도록 전원을 공급하면서 동시에 다른 일부 출력은 다른 하나 이상의 이차전지 충전에 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있도록 하되, 발전부에서는 저전압으로 저전압용 배터리를 충전하고 이를 다시 고전압으로 승압시켜 고전압용 배터리를 충전하며, 이로써 모터를 구동하도록 하는, 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 2차 배터리는 한 번 사용하고 나면 못쓰는 1차 배터리와는 달리, 사용 후 전원을 연결하여 충전하면 가역 반응을 거쳐 재사용할 수 있는 충전 가능한 배터리를 말한다.
그런데, 이러한 2차 배터리는 배터리의 충전 용량에 의해 한번 충전하고 난 후 일정시간이 경과하고 나면 방전이 되어 다시 충전해야 하는데, 2차 배터리의 충전 도중에는 방전이 불가능하거나 현저하게 충방전 효율이 떨어지므로, 대부분의 경우에는 이차전지를 2개 이상 구비하여 둘을 병렬로 연결하여 사용하거나, 하나의 이차전지를 별도의 장치로 충전하는 동안, 다른 이차 전지를 방전하여 연속적으로 사용하게 된다.
더욱이, 이러한 2차 전지의 경우에는 통상 정격전류로 계속해서 방전을 하게 될 경우, 제조사에서 이상적인 사용시간보다 실제 사용시간은 현저하게 짧아진다는 공통된 문제점이 있다.
일예로, 2차 납축전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 방전과 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어주는 충전의 사이클을 통해 배터리의 기능을 한다.
통상, 상기 2차 납축전지는 방전시 황산염(sulfate, SO4)이 극판과 결합함으로써 물이 생성되어 비중이 낮아지고, 다시 충전시에는 결합된 황산염이 전해액으로 돌아와 비중이 커지게 된다.
즉, 2차 납축전지로서 진한 황산 수용액에 담근 납(Pb)과 이산화납(PbO2)의 전극으로 구성되어 결국,
양극: Pb(s) + HSO4- →PbSO4(s) + H+ + 2e-
음극: PbO2(s) + HSO4 - + 3H+ + 2e- →PbSO4(s) + 2H2O
2차납축전지: Pb(s) + PbO2(s) + 2HSO4 - + 2H+ →2PbSO4(s) + 2H2O
와 같이 전지반응이 일어난다.
두 전극반응은 불용성인 PbSO4를 생성하여 이것이 두 전극에 부착된다.
상기 2차 납축전지가 방전시 황산이 소모되고 물이 생성되며, 이 물의 밀도는 황산용액 밀도의 약 70퍼센트가 되기 때문에 전지의 충전상태는 전해액의 밀도를 측정하여 알 수 있으며, 2차 납축전지가 재충전될 때 전극반응은 상기 반응의 역반응이 된다.
그러나 오랜 기간 동안의 충/방전 사이클을 거치는 동안 방전(자가방전 포함)시 두 전극에 달라 붙어있던 황산염이 충전시에 이탈되지 아니하고 그대로 달라붙어 있는 경우가 발생하는데, 이것을 황산화(황산염화) 현상이라 부른다.
이러한 황산화 현상은 2차 납축전지가 보다 많이 방전될수록 심해지며, 이에 기인하여 화학, 전기반응의 통로가 차단되고 절연 기능을 하게 되어 2차 납축전지의 전압, 용량 및 비중도를 떨어뜨린다.
이에 의해 2차 납축전지의 효율이 떨어져 한 번의 2차납축전지 만충전으로 사용할 수 있는 시간(방전시간)이 현저하게 단축되는 문제점이 있었다.
실제로 통상 자동차용으로 많이 사용되는 델코 배터리의 경우, 납 축전지 하나의 용량은 12V, 100A로서, 전력은 1200W가 되고, 이 납축전지 2개를 병렬로 연결하면 총 전력은 2400W가 되는바, 이 납축전지 2개를 병렬로 연결하여 300W의 부하에 전력을 공급하면, 이론상으로 8시간을 사용하여야 하지만, 실제로는 만충전하여 (2.4kwh까지 충전한다는 의미가 아니며 충전이 가능한 정도까지 충전한다는 의미임) 연속방전시 그에 훨씬 못 미치는 1.5시간 정도밖에 사용할 수 없다.
이는, 다음의 <표 1>에서도 확인할 수 있는바, <표 1>은 DC12V, 100A 출력의 납축전지 2개를 병렬 연결하여 전원을 구성하고, 1200W 인버터(모델 SI-1000A)를 통해, 300W 짜리 백열전구인 부하를 연결하여 연속방전시킨 경우, 납축전지의 전압과 인버터의 전압을 10분 단위로 체크한 시험결과이다.
Figure pat00001
<표 1>에서 보는 바와 같이, 포장마차에서 300W 짜리 전등을 계속 켜 놓았을 때와 같은 연속방전의 경우, 시간에 지나감에 따라 배터리 출력전압이 급속히 떨어짐을 알 수 있으며, 결국 1.5시간(90분) 후에는 배터리 출력전압이 10.64V 이하로 떨어져 더 이상 사용할 수 없게 됨을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 이와 같은 현상은 중간 충전없이 계속 방전하는 과정에서 (+)극과 (-)극 표면이 황산납으로 코팅되면서 반응속도가 줄어듦으로써 배터리의 충방전 효율이 떨어져 원래 배터리가 가지고 있던 용량(2.4kWh)의 극히 일부(0.49kWh)만 사용 가능하였기 때문이다.
한편, 2차 전지의 충방전 사용회수는 제한되어 있으며, 상기 납축전지와 같은 배터리의 경우 일례로 300 사이클로 제한되어 있으며, 매일 1회 정도 충방전의 경우 배터리의 수명은 1년 정도로 정해져 있다.
이는 충방전을 거듭할수록 충전 및 방전을 통해 사용할 수 있는 1회 용량이 감소하기 때문인바, 일예로 델코 12V 100A 배터리 2개의 경우, 1회 연속 사용시에는 1.5시간 정도를 사용하여 이론상 최대 용량의 16.6%를 사용할 수 있었으나, 3회 충방전을 하였을 시에는 1.2시간(1시간 12분) 사용으로 15% 정도만 사용가능하고, 다시 6회 사용시에는 1시간 7분 가량으로 13.9% 정도만을 사용가능하며, 그 %값이 계속 줄어들어 300회 사용시에는 의미가 없어지기 때문이다.
추가적으로, 상기 납축전지의 경우, 과부하로 인한 기기파손 및 폭파의 우려로 인하여, 2차납축전지의 특성상 충전중에는 부하에 절대적으로 사용하지 못하도록 규정하고 있어, 통상적으로 충전중에는 2차납축전지를 사용하지 못하는 문제점이 있었으며, 통상 연속방전시에는 1.5시간 정도 밖에 사용할 수 없으나, 충전시에는 10시간 정도가 소요되므로, 야간에 연속방전을 하여야 하는 포장마차의 경우, 전날 여러 대의 배터리를 미리 충전을 해 놓아야 하므로 시간적 경제적으로 많은 불편함이 있었다.
한편, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 2개 이상의 배터리를 교대로 방전하면서 부하에 전력을 공급하고, 방전하고 있는 전력의 일부를 다른 배터리의 충전전압으로 사용하는 기술이 대한민국 특허공개 제2006-111499호로 개시된바 있다.
즉, 상기 제1 종래기술은, 도 1에서 보는 바와 같이, 배터리 전력 사용을 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는바, 제 1 배터리(1)가 제 2 배터리(2)를 재충전하기 위해 전력을 제공하면서 외부 부하에 전력을 제공하게 한다. 지정된 시간에, 상기 스위칭 시스템 및 방법은 제 1 배터리 및 제 2 배터리들 임무들을 변경하게 한다. 즉, 지정된 시간에, 제 2 배터리는 또한 제 1 배터리를 충전하기 위해 전력을 제공하는 동안 외부 부하에 전력을 제공하기 시작할 수 있다. 상기 스위칭 시스템 및 방법은 제 1 배터리 및 제2 배터리로 하여금 외부 부하에 전력의 전달을 중단하지 않고 임무들을 변경하게 한다.
결국, 상기 제1 종래기술의 실시예에서 표현된 바와 같이, 다중 배터리들에 의해 제공된 전력을 효율적으로 사용하고 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 교환기 스위치는 단일 배터리가 빠르게 소모되지 않도록 두 개 이상의 배터리들 사이에서 변경하도록 설정될 수 있다. 하나의 배터리가 전력을 손실하기 시작할때, 교환기 스위치는 다른 배터리로부터 전력을 인출하기 시작한다. 다른 배터리는 제일 약한 배터리에 재충전 전류를 제공할 수 있다. 교환기 스위치는 두 개 이상의 배터리들 사이에서 스위칭을 지원할 수 있다. 전력 공급 시스템의 교환기 스위치 구현은 배터리 전력을 효율적으로 사용함으로써 결과적으로 배터리들의 사용 수명을 증가시킨다.
그러나, 이상의 제1 종래기술의 경우, 이론상으로는 가능하나 치명적인 문제점이 존재하여, 실제로 제품으로 사용되지 못하였는바, 그 이유는, 일예로 제2 배터리에서 제1 배터리로의 전환시, 상기 제2 배터리의 (+) 단자가 제1 배터리의 (-) 단자와 순간적으로 접촉되므로, 여기에서 강한 서지 전류 및 스파크가 발생하며, 이는 배터리 폭발의 원인이 되며, 이는 아무리 전환시점을 좋게 잡는다 하더라도 100A 정도의 강한 전류가 단속되는 상황에서 피할 수 없는 치명적인 문제점이기도 하다.
다른 한편, 이상의 제1 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자는 특허 제1297148호 내지 제 1297150호와 같은 발명을 하였는바, 이는, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있는 안전한 이차전지를 이용한 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있었다.
즉, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 이차전지를 충전하는 중에도 다른 하나의 이차전지를 부하의 전원으로 사용하여 과부하 및 기기파손 또는 폭파없이 안전하게 에너지를 보충 저장할 수 있는 이차전지를 이용한 전원장치를 제공할 수 있었다.
이를, 첨부도면 중 도 2 내지 도 6을 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
도 2는 제2 종래기술에 따른 전원장치의 전체 구성도이고, 도 3a는 도 2의 릴레이의 전방 사시사진이고, 도 3b는 도 2의 릴레이의 후방 사시사진이고, 도 4는 도 2의 제어부의 회로도이고, 도 5는 도 4의 제어부의 제어 동작을 나타내는 흐름도이며, 도 6은 제2 종래기술에 따른 전원장치의 배터리 1이 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 2의 충전 정도가 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제2 종래기술에 따른 전원장치는, 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2), 방전모드의 배터리의 DC 전압을 AC로 인버팅하여 부하(50)에 전원을 공급하는 인버터(30),인버터(30)의 출력 교류 혹은 상용 교류 전원을 DC로 정류하여 충전모드의 배터리를 충전하는 충전기(40) 및 이들을 제어하는 제어부(20), 그리고 상기 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)를 방전모드 혹은 충전모드로 각각 지정해주는 상기 제어부(20)의 제어동작에 따라 배터리를 인버터나 충전기에 연결하여주는 릴레이부(10)를 포함한다.
경우에 따라, 직접 배터리를 충전하기 위한 상용 AC 전원이 제4 스위치(SW4)에 연결될 수 있으며, 혹은 직접 배터리를 충전하기 위한 외부솔라셀(60) 등의 외부 전원을 더 포함할 수 있다.
상기 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)는 2개가 한 쌍을 이루는 것이 바람직하나, 반드시 2개에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상이어도 된다. 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 각각은 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 방전과 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어주는 충전의 사이클을 통해 배터리의 기능을 수행하고, 제어부(20)의 제어에 의해 하나의 이차전지가 방전되는 동안에 다른 하나의 이차전지가 충전하는 과정을 교대로 반복 수행한다.
솔라셀(60)은 반도체의 성질을 이용하여 태양 빛(photons)을 전기 에너지로 변환시켜 DC 전압을 제어부(20)의 스위칭 동작에 의해 배터리에 공급함으로써, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)의 충전이나 부하(50)의 전원에 보조적으로 사용할 수 있도록 한다. 이때 상기 보조전원으로서는 반드시 솔라셀에 한정되는 것은 아니고, 풍력발전기나 경수력 발전기 등의 다른 보조전원이 가능하다.
상기 제어부(20)는 2개 이상의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 중 하나의 이차전지에서 출력되는 DC 전압의 크기를 감지하여 기준전압 이하이면 다른 하나의 이차전지로 전환하여 다른 하나의 이차전지에서 DC 전압을 출력할 수 있도록 하고, 이때 다른 하나의 이차전지에서 출력되는 DC 전압의 크기를 감지하여 기준전압 이하이면 하나의 이차전지로 전환하여 하나의 이차전지에서 DC 전압을 출력할 수 있도록 자동으로 제어한다.
또한, 상기 제어부(20)는 인버터(30)를 제어하여 인버터(30)에 출력되는 AC전력의 대부분을 부하(50)의 전원으로 사용할 수 있도록 제어하고, 나머지 AC전력은 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 충전에 사용할 수 있도록 충전기(40)에 출력되도록 제어한다.
또한, 상기 제어부(20)는 충전기(40)를 제어하여 방전중인 하나의 이차전지를 부하의 전원으로 사용하는 경우 충전기(40)에 공급되는 AC전력을 다른 하나의 이차전지로 출력하여 충전할 수 있도록 한다.
또한, 상기 제어부(20)는 충전기(40)를 제어하여 상용 AC전원을 두 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)에 출력하여 같이 충전할 수 있도록 한다. 상기 제어부(20)의 구성 및 동작에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
상기 제2 종래기술의 가장 큰 특징은, 각종 스위치를 제외하고, 각 DC 단자의 (+) 단자가 상호 고정 연결되어 있으며, (-) 단자를 스위칭하여 제어가 이루어진다 점이다. 이는 일반적으로 (-)극을 접지로 사용하고, (+)극의 연결을 스위칭함으로써 동작을 제어하는 일반적인 방식과 정반대되는 방식인바, 그 이유는 (-)전극을 스위칭함으로써 절환시 서지 전류 및 스파크 발생을 최소화하여 배터리를 폭발의 위험으로부터 보호하기 위함이다.
즉, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2), 인버터(30), 충전기(40)는 물론, 제어부(20)의 (+) 단자들이 상호 고정적으로 연결되어 있다.
한편, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)의 (-)단자는 각각, 릴레이부(10)의 제1 배터리 연결단자(15) 및 제2 배터리 연결단자(16)에 각각 접속되며, 이는 다시 제1 릴레이(11)의 가동접점(110) 및 제2 릴레이(12)의 가동접점(120)에 접속되며, 제어부(20)의 제1 배터리 연결단자(B1) 및 제2 배터리 연결단자(B2)의 (-)단자에 접속된다. 다만, 상기 릴레이부(10)의 제1 배터리 연결단자(15) 및 제2 배터리 연결단자(16)와 상기 제어부(20)의 제1 배터리 연결단자(B1) 및 제2 배터리 연결단자(B2)는 전원스위치(SW0)를 통해 연결됨으로써, 전원스위치를 넣었을 때에만 제어부에 파워가 공급되어 제어부가 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 상기 릴레이부(10)의 동작을 도 2 내지 도 3b를 참조하여 상세히 설명한다. 릴레이부(10)는 베이스(10a) 상에 제1 릴레이(11) 및 제2 릴레이(12)가 구비되는바, 각 릴레이는 기부로서의 각각의 플레이트(110b, 120b) 상에 구비되며, 다시 각 플레이트의 전면에 부도체의 지지대(110c, 120c)가 일례로 수직방향으로 고정 설치된다.
각 릴레이의 지지대 상에는 수평방향으로 충전기 연결판(13)과 인버터 연결판(14)이 가로질러 고정설치되는바, 충전기 연결판(13)과 인버터 연결판(14)은 각각 전기적으로 분리되어 있고, 한편으로는 상기 충전기 연결판(13)은 제1 릴레이(11)의 제1 고정단자(111) 및 제2 릴레이(12)의 제1 고정단자(121)가 전기적으로 접속되며, 상기 인버터 연결판(14)은 제1 릴레이(11)의 제2 고정단자(112) 및 제2 릴레이(12)의 제2 고정단자(122)가 전기적으로 접속된다.
따라서, 제1 스위치(SW1)가 ON 상태일 경우(
Figure pat00002
='LOW')에는, 상기 제1 플레이트(110b) 상의 가동단자 지지판(115)에 지지되어 있는 상기 제1 릴레이의 가동단자(110)는, 솔레노이드(114)의 동작에 의해 제2 고정단자(112) 및 인버터 연결판(14)에 접속되고, 따라서 제1 배터리(1)를 인버터(30)에 연결하여 줌으로써 상기 제1 배터리가 방전모드로 동작하도록 한다 (도 2의 실선 표시 부분 참조).
이때, 제2 스위치(SW2)는 OFF 상태이여야 하며(
Figure pat00003
='HIGH'), 상기 제2 플레이트(120b) 상의 가동단자 지지판(125)에 지지되어 있는 상기 제2 릴레이의 가동단자(120)는, 탄지 스프링(126)에 의해 탄지되므로 제1 고정단자(122) 및 충전기 연결판(13)에 접속되고, 따라서 제2 배터리(2)를 충전기(40)에 연결하여 줌으로써 상기 제2 배터리가 충전모드로 동작하도록 한다 (도 2의 실선 표시 부분 참조).
그리하여, 상기 인버터(30)는 제1 배터리로부터 출력되는 DC 전원을 내부 회로에 의해 AC로 인버팅하며, 제1 출력용 콘센트(30a) 및 제2 출력용 콘센트(30b)로 교류 전원을 출력하게 된다. 따라서, 사용자는 부하(일례로 300W 전구)의 플러그(SW3)를 상기 제1 콘센트에 접속하여, 전구를 밝힐 수 있게 된다.
아울러, 상기 인버터(30)의 제2 출력용 콘센트(30b)에 상기 충전기(40)의 플러그(SW4)를 접속하면, 인버터의 교류 출력의 일부(바람직하게는 15~35%)가 충전기로 출력되는바, 충전기는 이를 정류하는 등의 방식으로 DC로 바꾸어 현재 충전모드에 있는 제2 배터리(2)로 보내어, 제2 배터리(2)를 충전하게 된다.
이 경우, 추가로 설명하면, 충전기의 (-) 단자가 충전기 연결판(13), 제2 릴레이의 제1 고정단자(121) 및 제2 릴레이의 가동단자(120)를 통해, 제2 배터리 연결단자(16)를 통해 제2 배터리의 (-)단자에 접속되기 때문에, 제2 배터리가 충전모드로 동작가능한 것이다.
한편, 상기 충전기의 플러그인 상기 제4 스위치(SW4)는 인버터의 제2 콘센트(30b)에 접속될 수도 있으나, 미도시된 교류 상용전원(120V, 60Hz)의 콘센트에 접속되도록 할 수도 있으며, 혹은 보조발전기로서의 소형 유류발전기나 소수력 발전기등의 보조 교류전원에 접속되도록 하는 것도 가능하다.
한편, 상기 릴레이부의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)는 제어부(20)의 제1 및 제2 제어신호 출력단자(HD1, HD2)에 접속되어, 각각의 제1 및 제2 제어신호(
Figure pat00004
,
Figure pat00005
)에 의해 스위칭이 이루어지는바, 역시 각 제어신호 출력단(HD1, HD2)의 (+)단자는 +12V에 고정접속되고, 각 제어신호 출력단의 (-)단자를 통해 출력되는 상기 제어신호에 의해 동작하는 제1 및 제2 솔레노이드(114, 124)에 의하여 가동접점의 절환이 이루어진다.
즉, 제1 (
Figure pat00006
)가 'LOW'이고 제2 제어신호(
Figure pat00007
)가 'HIGH'이어서, 제1 솔레노이드(114)가 '온'이고 제2 솔레노이드(124)가 '오프'이면 (도 2의 실선 표시 부분), 제1 배터리(1)의 (-)단자가 '제1 배터리 연결판(15)-제1 릴레이 가동단자(110)-제1 릴레이 제2 고정단자(112)-인버터 연결판(14)-인버터(30)'를 통해 부하(50)에 연결되며 (인버터와 충전기는 유도결합으로 결합되나 전기적으로는 단절됨), 제2 배터리(2)의 (-)단자는 '제2 배터리 연결판(16)-제2 릴레이 가동단자(120)-제2 릴레이 제1 고정단자(121)-충전기 연결판(13)'을 통해 충전기(40)에 연결되며, 제1 배터리는 방전모드로 그리고 제2 배터리는 충전모드에 있게 된다. 참고로 도 2에서 화살표는 전류의 방향이 아니고, 에너지의 전달방향을 나타내는 것이다.
반대로 제1 (
Figure pat00008
)가 'HIGH'이고 제2 제어신호(
Figure pat00009
)가 'LOW'이어서, 제1 솔레노이드(114)가 '오프'이고 제2 솔레노이드(124)가 '온'이면 (도 2의 점선 표시 부분), 제1 배터리(1)의 (-)단자가 '제1 배터리 연결판(15)-제1 릴레이 가동단자(110)-제1 릴레이 제1 고정단자(111)-충전기 연결판(13)'을 통해 충전기(40)에 연결되며, 제2 배터리(2)의 (-)단자는 '제2 배터리 연결판(16)-제2 릴레이 가동단자(120)-제2 릴레이 제2 고정단자(122)-인버터 연결판(14)-인버터(30)'를 통해 부하(50)에 연결되며, 제1 배터리는 충전모드로 그리고 제2 배터리는 방전모드에 있게 된다.
미설명 참조부호 113 및 123은 제1 및 제2 배터리 접속단자(15, 16)와 각 릴레이의 가동단자(110, 120)를 연결하는 전선이며, 확실한 접속을 위해, 좌우 두 개씩의 단자가 동일한 형태로 구비되며 각 단자에 각각 2개의 전선으로 접속하여 총 4개의 전선으로, 각 배터리 접속단자(15, 16)를 해당 릴레이의 가동단자와 접속하게 된다. 미설명 참조부호 110a 및 120a는 각 릴레이의 가동접점(110, 120) 고정부이다. 미설명부호 127은 제2 릴레이의 제어신호 단자이다.
이제, 도 4 및 도 5를 참조하여, 제2 종래기술의 제어부(20)의 구성 및 동작을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 제어부(20)는, 제1 및 제2 배터리의 전원이 입력되는 배터리 전원 입력부(210), 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 배터리의 전압(+12V 혹은 +24V)을 컨버팅하여 +5V 및 +12V의 정전압을 발생하는 정전압 회로부(220), 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 제1 및 제2 배터리의 전압의 크기를 출력하는 제1 배터리 전압표시부(260) 및 제2 배터리 전압표시부(270), 상기 릴레이부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 릴레이 제어신호 출력부(250) 및 상기 제1 및 제2 배터리의 전압의 크기를 검출하여 상기 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 릴레이 제어신호를 출력하는 제어 IC를 포함하는 처리부(240)를 포함한다.
추가로, 상기 제어부는 옵션설정부(290)를 더 포함할 수 있는바, 이를 통해 제1 및 제2 배터리의 충방전 모드를 전환하는 기준치를 임의로 변경하는 것이 가능하다.
미설명 부호 230은 제어 IC의 리셋부이며, 280은 추가적인 입출력단자로 사용가능한 예비단자부이다.
먼저, 배터리전원 입력부(210)를 설명하면, 제1 배터리(1)의 DC 전압(VB1)을 분압저항 R37, R33을 통해 검출하여 제어 IC(Q1)의 VBA 단자를 통해 입력하며, 제2 배터리(2)의 DC 전압(VB2)을 분압저항 R41, R34를 통해 검출하여 제어 IC(Q1)의 VBB 단자를 통해 입력한다. 참고로, C14 및 C13은 노이즈 필터링용 커패시터이다.
한편, 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 제1 및 제2 배터리의 전압은 다이오드(D11, D12)에 의해 믹싱되어 정전압 회로부(220)의 DC-DC 컨버터(221)로 입력되는바, DC-DC 컨버터(221)는 릴레이 구동용 정전압(+12V) 및 본 제어회로용 정전압(+9V)을 출력하게 된다. 추가로, 상기 DC-DC 컨버터(221)에서 출력되는 제어회로용 정전압(+9V)은 정전압 IC(Q5)에서 다시 +5V의 정전압으로 조정되어진다.
이제, 처리부(240)의 제어 IC(Q1)는 제1 배터리의 순간 전압의 크기를 제1 배터리 전압표시부(260)의 LED들(L1~L23)을 통해, 그리고 제2 배터리의 순간 전압의 크기를 제2 배터리 전압표시부(270)의 LED들(L6~L25)을 통해 출력하게 된다. 일례로 상기 제어 IC(U1)는 PIC16F877A 가 사용될 수 있다.
아울러, 상기 제1 및 제2 배터리의 순간 전압의 크기를 비교하여 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 상기 릴레이부(10)의 온/오프를 제어하게 된다.
예를들어, 제1 릴레이의 제어신호를 출력하는 단자(S1)를 통해, '하이'신호를 출력하게 되면, 스위칭용 트랜지스터(Q2)가 턴온되며, 따라서 제1 릴레이 제어신호 출력단(HD1)의 제어단자 신호(
Figure pat00010
)가 'LOW'가 되므로, 제1 릴레이 제어신호 출력단(HD1)의 상위 전원단자를 통해 제1 릴레이(11)의 솔레노이드(도 2의 SW1)(도 3b의 114)로 출력된 +12V 전압이 상기 출력단(HD1)의 하위 전원단자를 통해 통전되므로, 결국 제1 솔레노이드(114)가 동작하여, 상기 제1 릴레이의 가동단자(110)를 제2 고정단자(112) 측으로 접속되게 함으로써, 결국 제1 배터리의 (-)단자가 인버터 연결판(13)을 통해 인버터(30)의 (-)단자에 접속되도록 함으로써, 결국 제1 배터리(1)가 방전모드로 동작하게 된다. 이 경우, 제1 릴레이 동작 표시용 다이오드(L3) 역시 통전되므로, 제1 릴레이가 동작하는 상태를 보이게 된다 (도 6 좌측 LED 참조).
반대로, 이때 제2 릴레이의 제어신호를 출력하는 단자(S2)를 통해, '로우'신호를 출력하게 되면, 스위칭용 트랜지스터(Q3)가 턴오프되며, 따라서 제2 릴레이 제어신호 출력단(HD2)의 제어단자 신호(
Figure pat00011
)가 'HIGH'가 되므로, 제2 릴레이 제어신호 출력단(HD2)의 상위 전원단자를 통해 제2 릴레이(12)의 솔레노이드(도 2의 SW2)(도 3b의 124)로 출력된 +12V 전압이 상기 출력단(HD2)의 하위 전원단자를 통해 통전되지 않게 되므로, 결국 제2 솔레노이드(124)가 동작하지 않게 되어, 상기 제2 릴레이의 가동단자(120)를 제1 고정단자(121) 측으로 접속되게 함으로서, 결국 제2 배터리의 (-)단자가 충전기 연결판(13)을 통해 충전기(40)의 (-)단자에 접속되도록 함으로써, 결국 제2 배터리(2)가 충전모드로 동작하게 된다. 이 경우, 제2 릴레이 동작 표시용 다이오드(L5) 역시 통전되지 않게 되므로, 제2 릴레이가 동작하지 않는 상태를 보이게 된다 (도 6 우측 LED 참조).
이후, 제1 배터리 전압은 계속 감소하게 되며, 제1 배터리는 충전 도중에 있게 되는바, 도 6에서는 제2 배터리의 충전 상태가 80%임을 알 수 있다.
더 진행하여, 이제 제1 배터리의 전압이 일정 이상 떨어지거나 전류가 감소하거나 혹은 정해진 시간이 경과하여 충방전을 전환할 필요가 있을 경우, 제어부(20)는 릴레이 제어신호를 반대로 하게 되며, 역으로 제2 릴레이가 방전 모드로 되며, 제1 릴레이가 충전모드로 되고 있는 실제 동작 사진이다.
계속해서, 이상의 상기 제어 IC의 기본적인 제어 동작을 도 5를 참조하여 설명하면, 먼저 제1 배터리 및 제2 배터리의 순간 전압을 측정하고 각 전압 표시부(260, 270)를 통해 출력하며(S1, S2), 이후 측정된 양 배터리의 순간 전압(VB1, VB2)을 비교하여(S3), 만약 제1 배터리의 순간 전압(VB1)이 제2 배터리의 순간 전압(VB2) 보다 크면, 제1 릴레이를 턴온시켜 제1 배터리를 방전모드로 하고, 제2 릴레이를 턴오프시켜 제2 배터리를 충전모드로 한다(S4)(도 6 참조).
이후, 방전 모드에 있는 제1 배터리(1)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S5), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제2 배터리의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S4 내지 S6 단계를 반복한다.
한편, 상기 S5 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제1 배터리(1)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 반대로 스위칭하여 제1 배터리를 충전모드로, 제2 배터리를 방전 모드로 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).
역으로, 상기 S3 단계에서의 판단 결과, 제1 배터리의 순간 전압(VB1)이 제2 배터리의 순간 전압(VB2) 보다 작으면, 제2 릴레이를 턴온시켜 제2 배터리를 방전모드로 하고, 제1 릴레이를 턴오프시켜 제1 배터리를 충전모드로 한다(S14).
역시 이후, 방전 모드에 있는 제2 배터리(2)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S15), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제1 배터리의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S14 내지 S16 단계를 반복한다.
한편, 상기 S15 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제2 배터리(2)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 반대로 스위칭하여 제2 배터리를 충전모드로, 제1 배터리를 방전 모드로 다시 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).
아울러, 이상은 제1 및 제2 배터리의 동작모드의 전환 기준을 도 4의 DIP 스위치(DIP1)의 조작을 통해 배터리의 전압 강하(0.2V)로만 세팅하였을 경우의 실시예를 설명한 것이며, 경우에 따라 배터리 전압 이외에 배터리 전류나 혹은 충방전 전환 시간을 도 4의 DIP 스위치(DIP1)의 조작을 통해 미리 다르게 세팅하여 행할 수 있도록 설정하는 것도 가능하다.
도 4의 옵션 설정부(290)는, 제어 IC의 단자에 접속된 풀업 어레이 저항(RA2)과 DIP 스위치(DIP1)로 구성되는바, DIP 스위치(DIP1)를 통해 설정이 가능하다. 일예로, DIP 스위치의 1번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.1V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.2V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 및 2번 스위치를 모두 올리면, 방전모드 배터리의 0.3V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 3번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.4V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 내지 3번 스위치를 모두 올리면, 방전모드 배터리의 0.7V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다. 아울러, DIP 스위치의 4번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 전압이 100A에서 5A 전류강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다. 혹은, DIP 스위치의 5번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 2.5분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 6번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 5분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 7번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 10분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 8번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 20분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다.
혹은 이들 전압, 전류 및 경과시간을 조합하여 충반전 모드 전환을 결정하도록 프로그래밍할 수도 있다.
최종적으로, 방전 중인 배터리의 전압이 10.7V 미만으로 되면, 모든 동작을 중지시킬 필요가 있는바, 통상 10.5V 미만에서도 계속해서 방전시에는 과방전으로 인하여 배터리의 재충전이 불가능하도록 되어 버릴 가능성이 있기 때문이다. 이 경우, 도 5의 흐름도에서, S4 단계 바로 이전에, 제1 배터리의 전압(VB1)이 10.7V 미만인지를 판단하는 단계가 추가되어야 하며, 제1 배터리의 전압(VB1)이 10.7V 이상일 경우에, S4 단계로 이행하고, 만약 제1 배터리의 전압(VB1)이 10.7V 미만일 경우에는 충방전 프로그램을 전면 중지하는 단계로 가야하며, 역시 S14 단계 바로 이전에도, 제2 배터리의 전압(VB2)이 10.7V 미만인지를 판단하는 단계가 추가되어야 하며, 제2 배터리의 전압(VB2)이 10.7V 이상일 경우에, S14 단계로 이행하고, 만약 제2 배터리의 전압(VB2)이 10.7V 미만일 경우에는 충방전 프로그램을 전면 중지하는 단계로 가야한다.
추가적으로, S5 및 S15 단계에서도 각각, 방전모드인 배터리의 전압 강하가 기준치(여기서는 0.2V) 이상인지와, 방전모드인 배터리의 전류 강하가 기준치(일예로 5A) 이상인지와, 방전모드인 배터리의 연속방전 경과시간이 기준치(일예로 5분) 이상인지의 조건 중에서 어느 한가지 조건이 충족되었는지, 혹은 2가지 조건 이상이 충적되었는지, 혹은 3가지 조건이 모두 충족되었는지 여부를 가지고 충반전 모드 전환을 시도하는 것처럼 흐름도를 변경하는 것이 가능하다.
이제, 이상의 제2 종래기술의 작용효과를 이하 상술한다.
주지하였다시피, 이차전지는 가역적인 전기화학반응을 이용하는 축전지로서, 일예로 납축전지의 경우에는 과산화납을 양극으로, 납을 음극으로 사용하고 전해액으로 묽은 황산을 사용한다.
상기 이차전지는 방전하는 동안 전극물질과 전해질 사이에 화학반응이 일어나는데, (－)극에서는 순수한 납원자(Pb)가 전해질의 황산이온(SO4 2­)과 반응하고, 황산(H2SO4)은 물에 녹아 음전하를 띤 황산이온과 양전하를 띤 수소이온(H＋)으로 되며, 납원자는 황산이온과 결합하면서 전자를 두 개 잃고 황산납(PbSO4)이 된다.
상기 이차전지를 사용(방전)할수록 황산이 소모되고 물이 생겨서 황산이 점점 묽어지게 되며, 이때 충전기를 이용해 충전하게 된다.
충전기는 강제로 상기 방전 과정의 반대 방향으로 전자를 흐르게 해서 역반응이 일어나게 하며 방전 과정의 반대 방향으로 반응이 일어나면 전극물질이 원래대로 바뀌고, 황산의 양도 다시 증가하여 충전된 이차전지를 이용해 다시 전원을 공급할 수 있게 된다.
즉, 방전이 진행되면 (－)극과 (＋)극은 모두 황산납으로 변화하여 반응속도가 줄어들고 부산물로 물이 생성되어 전해액의 농도가 낮아지게 되나, 가역적인 화학반응을 이용하여 충전을 하게 되는 것이다.
제2 종래기술은 2개 이상의 이차전지를 이용하여 충방전을 반복하는 과정에서, 발생할 수 있는 기기파손이나 폭발의 위험성을 줄일 수 있는 것이다.
예를들면, 양 배터리가 모두 12.7V일 경우, 제1 배터리를 방전시켜 부하에 전력을 공급하다가, 12.5V가 되면 모드를 전환하게 되고, 제2 배터리를 방전 모드로 및 제1 배터리를 충전 모드로 하게 되어, 일예로 제2 배터리의 전압이 12.5V일 시점에서 제1 배터리는 12.6V로 재충전이 되어짐으로써, 비록 나중에는 모두 10.7V 미만으로 되어 방전을 전면 금지시켜야 하겠지만, 어쨋든 충방전을 교대로 행하되 안전하게 절환할 수가 있는 것이다.
한편, 정격전압 12V 납축전지의 경우, 완전충전시 14.5~13.5V 정도의 배터리 전압이 관찰되며, 방전을 하게 됨에 따라 전압이 계속해서 낮아지며, 12V까지는 큰 변화가 없으나, 12V 미만으로 떨어질 시에는 배터리의 성능이 급격히 감소하게 된다 (이는 각 배터리의 특성에 따라 다소 차이가 있으나, 모든 배터리의 성능이 비례적으로 감소하지 않고 어느 시점에서 급격하게 성능이 떨어지는 클리프 현상을 갖는 것은 일반적이다). 이는 방전으로 인한 황산염 물질이 셀 간의 전극에 들러붙어 배터리의 성능을 크게 떨어뜨리기 때문이다.
특히, 9.5V 에서도 방전이 가능한 것으로 관찰되나, 다만 재충전을 용이하게 하기 위하여 전술한 바와 같이 10.7V 이하에서는 방전을 정지시키는 것이 바람직하다.
더욱이, 완전방전 후에 충전하려면 델코 배터리의 경우에 10시간 이상을 충전하여야 하나, 제2 종래기술에 의하면 제1 배터리의 방전 도중에도 아무런 폭발이나 과열 위험없이 제2 배터리를 솔라셀 등의 외부 전원으로도 충전하는 것이 가능하여, 이와 같이 외부 보조전원을 사용하는 경우, 방전시간에 제한이 없게 된다는 추가적인 장점이 있다.
그러나, 상기 제2 종래기술에서의 전원장치는 사실 중요한 한가지 요소가 생략되어 있다.
상기 충전기의 플러그인 상기 제4 스위치(SW4)는 인버터의 제2 콘센트(30b)에 접속될 수도 있으나, 미도시된 교류 상용전원(120V, 60Hz)의 콘센트에 접속되도록 할 수도 있으며, 혹은 보조발전기로서의 소형 유류발전기나 소수력 발전기등의 보조 교류전원에 접속되도록 하는 것도 가능하다.
그리고, 보다 바람직하기로는, 상기 인버터와 연결된 2개의 제1 및 제2 배터리가 공히 거의 방전상태인 경우, 교류 상용전원에 의해 부하가 가동되면서 상기 충전기에 의해 제1 및 제2 배터리가 충전되어지고, 나아가 교류 상용전원도 정전 상태인 경우에는 소형 유류발전기나 소수력 발전기등의 보조 교류전원에 의해 부하가 가동되면서 상기 제1 및 제2 배터리가 충전되어지도록 하여야 한다.
그런데, 이러한 전원의 절환은 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어져야 한다. 그러나, 이러한 순간적인 절환에 대해 상기 제2 종래기술은 별다른 특유의 장치를 제공하지 않고, 종래의 일반적인 절환장치를 상정하여 설명하였다.
더욱이, 종래의 독립형 태양광 발전 시스템은 낮에는 솔라셀에 연결된 축전지를 충전하고 밤에는 축전된 전력으로 비교적 조도에 비해 소비전력이 낮은 부하를 구동하는 방식이었으나, 제1 종래기술에 따르는 일반적인 축전지를 사용하는 관계로, 제1 종래기술에서 언급한 문제점으로 인하여 몇 시간 가동되지도 못하고 배터리가 소모되어 버리며, 솔라셀의 발전 용량 및 배터리의 축전 용량을 크게 하더라도 설사 처음에는 그런대로 동작하지만 몇 번 충전과 방전이 반복되다 보면, 축전지의 피로도가 쌓여 나중에는 완전충전이 되지 못하며 역시 몇시간 점등되지 못하고 배터리가 소모되어 버린다는 문제점이 있어, 상용 AC 전원과 연결되지 않고 독립적으로 사용되는 형태의 태양광 발전 시스템은 결국 대부분 실패하였다.
결국, 본 발명자는, 상술한 제1 및 제2 종래기술의 문제점 및 이에 따른 태양광 발전 시스템의 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 이차전지를 구비한 전원장치와 상기 전원장치 외부의 또다른 전원을 갖는 전력관리 시스템에서의 부하에 공급되는 전원의 절환을 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어지도록 하면서, 각 전원간의 조건을 최대한 활용하여 최대한 효율적인 전원 공급이 이루어지도록 하는 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 발전 시스템을 제공하는 특허 제1563949호를 발명하였다.
상기 제3 종래기술에 의하면, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 안전하게 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있는 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템이 제공될 수 있다.
이를 도 7a 내지 도 9를 참조하여 상술하면, 다음과 같다.
도 7a는 상기 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 회로도이고, 도 7b는 상기 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 구성도이다. 도 8a 내지 도 8d는 도 7a의 전환장치의 충방전 모드 전환 회로의 회로도로서, 도 8a는 충방전 모드 전환 회로의 제어부이고, 도 8b는 충방전 모드 전환 회로의 입력부이고, 도 8c는 충방전 모드 전환 회로의 제1 출력부이고, 도 8d는 충방전 모드 전환 회로의 제2 출력부이며, 도 9는 도 8의 제어부(CPU)의 동작 흐름도이다.
먼저, 상기 제3 종래기술의 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템에 사용되는 이차전지를 이용한 전원장치의 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전체 전력관리 시스템을 도 7a를 참조하여 설명한다.
상기 제3 종래기술이 적용되는 이차전지를 이용한 전원장치(100)는, 제2 종래기술에서 설명한 본 발명자의 특허 제1297148호 발명에서의 전원장치 (도 2 참조) 와 거의 동일하다.
다만, 제2 종래기술에서의 이차전지를 이용한 전원장치의 경우에는, 도 2에서 보는 바와 같이, 인버터(30)에서 부하(50)로 바로 제3 스위치(SW3)를 통해 인버터의 교류 전력이 부하로 인가되며, 인버터(30)에서 충전기(40)로 바로 제4 스위치(SW4)를 통해 인버터의 교류 전력이 충전기로 인가되어 DC로 변환된 다음에 충전용 배터리를 충전하게 된다.
그러나, 상기 제3 종래기술이 적용되는 이차전지를 이용한 전원장치(100)의 경우에는, 도 7a에서 보는 바와 같이, 인버터(30)에서 부하(50) 및 충전기(40)로 바로 가지 않고, 전환장치(300)를 통해서 접속되며, 이때 전환장치는 인버터(30)의 입력 외에도 상용 AC 전원(400) 및 유류 발전기와 같은 임시 발전기(500)의 입력을 가지며, 이들 적어도 3가지의 입력 중의 어느 하나의 입력을 부하 및 충전기로 출력하게 되며, 이들 전원을 절환할 경우에 미리 정해진 우선순위 및 조건에 따라 자동으로 정전 없이 절환되어 진다.
보다 구체적으로는, 이차전지를 이용한 전원장치(100)의 인버터(30)의 출력단자(30a)가 전환장치(300)의 인버터 입력단(INV_IN)(도 7a 및 도 8b 참조) 의 양 입력단자 'INV1' 및 'INV2' (도 8b 참조) 에 접속되어 진다.
유사하게, 상용 AC 전원(400)의 양 단자가 전환장치(300)의 AC 입력단(AC_IN)의 양 입력단자 'AC1' 및 'AC2' (도 8b 참조) 에 접속되어 지며, 발전기(500)의 양 단자가 전환장치(300)의 발전기 입력단(GEN_IN)의 양 입력단자 'GEN1' 및 'GEN2' (도 8b 참조) 에 접속되어 진다.
전환장치(300)의 부하 출력단자 (L1, L2)(도 7a 및 도 8b 참조) 는 부하의 단자(50a)에 접속되어 지며, 이와 병렬 접속된 제2 출력단자(PL1)는 추가적인 출력장치에 필요에 따라 선택적으로 접속 가능하도록 일례로 콘센트로 구성되어질 수 있고, 또다른 출력단자(PL2)는 충전기(40)의 입력단자(40a)에 접속되어 진다.
종래기술과 마찬가지로, 이상의 외부 교류 전원 외에도, 외부 직류 전원 (일례로 솔라셀(60)의 단자(60a)가 전원장치(100)의 충전용 배터리에 스위치를 통해 접속되어 질 수 있다.
이상의 도 7a의 구성을 좀더 현실감 있게, 도 7b에 모형도로 도시하였는바, 도 7b에는, 이외에도 12V 선이 하나 더 있는바, 이는 방전모드에 있는 배터리의 출력전압이 제어부(20)의 DC-DC 컨버터(221)(도 4 참조)를 통해 약 12V로 컨버팅되어 상기 제3 종래기술의 전환장치(300)로 입력되는바, 이는 배터리의 전압이 정상적인 상태에서는 약 12V (보다 정확하게는, 일례로 10.7V 내지 12.3V) 를 유지하지만, 그렇지 않은 경우에는 이들 전압이 변화하는바, 이 배터리의 전압을 전환장치의 단자 '12V+' 및 '12V-' 단자(도 8b)에서 감지하여 현재 배터리의 충방전 상태를 감지하기 위함이다.
미설명 부호 '61'은 솔라셀(60)의 전원을 상기 제3 종래기술의 전원장치에 맞도록 조절하기 위한 조절장치이다.
이제, 도 8a 내지 도 9를 참조하여, 이상의 상기 제3 종래기술의 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템에 사용되는 전환장치의 충방전 모드 전환 회로 및 방법에 대하여 설명한다.
상기 전력관리 시스템에 사용되는 이차전지를 이용한 전원장치의 충방전 모드 전환 회로는, 도 8a 내지 도 8d에서 보는 바와 같이, 입력부(310)(도 8b), 출력부(320)(도 8c 및 도 8d) 및 이들을 제어하는 제어부(330)(도 8a)로 구성된다.
먼저, 도 8b를 참조하여 입력부를 설명하면, 인버터의 입력단자(INV1, INV2)를 통해 입력된 교류를 전파정류 및 평활화하고(BR2, R26-R28, R35, C21), 이를 제2 포토 커플러(Q2)를 통해 제어부(330)의 CPU(U1)의 'RB5' 입력단자로 신호를 주게 되는바, 따라서 CPU는 상기 입력부 및 입력단자 'RB5'를 통해 인버터의 전력 인가 여부를 계속해서 감시하게 된다. 일례로 상기 CPU는 '16F628' PIC 마이컴일 수 있다.
마찬가지 방식으로, 상용 AC 입력단자(AC1, AC2)를 통해 입력된 교류를 전파정류 및 평활화하고(BR1, R2, R24-R25, R34, C20), 이를 제1 포토 커플러(Q1)를 통해 제어장치의 CPU(U1)의 'RB4' 입력단자로 신호를 주게 되는바, 따라서 CPU는 상기 입력부 및 입력단자 'RB4'를 통해 상용 AC 전원의 전력 인가 여부를 계속해서 감시하게 된다.
역시 마찬가지 방식으로, 발전기(제너레이터)의 입력단자(GEN1, GEN2)를 통해 입력된 교류를 전파정류 및 평활화하고(BR3, R29-R31, R36, C22), 이를 제3 포토 커플러(Q3)를 통해 제어장치의 CPU(U1)의 'RB6' 입력단자로 신호를 주게 되는바, 따라서 CPU는 상기 입력부 및 입력단자 'RB6'를 통해 발전기의 전력 인가 여부를 계속해서 감시하게 된다.
한편, 상기 입력부(310)는 전원장치(100)의 축전지의 전압(약 12V)의 크기를 '12V+' 및 '12V-' 단자를 통해 입력받는바, 이는 전압 크기가 그대로 혹은 전압분배기(일례로 전압분배 저항: 미 도시됨)를 통해 크기가 조절되어, 제어부의 CPU(U1)의 'RA0' 단자로 인가되며, 따라서 제어부 CPU는 계속해서 축전지의 저압의 크기를 검출하게 된다.
더욱이, 상기 입력부(310)의 '12V+' 및 '12V-' 단자를 통해 인가되는 축전지 전압은 다이오드(D3) 및 파워 스위치(S1A)를 통해 제5 정전압다이오드(U5) 및 제6 정전압다이오드(U6)를 통해 Vcc(일례로 5V)를 출력하고, 저항(R18)을 통해 표시용 LED(D8)을 점등시킨다.
한편, 상기 입력단의 끝에는, CPU(U1)가 전환장치의 내부 온도를 체크하여 일정 온도 이상으로 고안이라고 판단되는 경우, 'RB7' 단자를 '하이'로 만들어, 팬(FAN)이 동작하도록 한다.
이제, 출력부(320)와 제어부의 동작에 대해, 도 8a, 도 9c, 및 도 8d를 참조하여 설명한다.
CPU의 출력단자 'RB1'은 저항(R14) 및 표시용 LED(D4)를 통해 접지와 연결됨과 동시에, 저항(R17)을 통해 인버터 전원 스위칭회로부(321)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB1'의 출력이 '하이'이면, 제3 및 제4 포토커플러(U3, U4)를 턴온시키며, 이에 따라 제6 트라이액(D6) 및 제7 트라이액(D7)을 턴온시켜, 제1 인버터 단자(INV1)가 제6 트라이액(D6)을 통해 부하 출력단의 일측(L1)에 연결되며 (이때 스위치(S2)가 개재될 수 있음), 제2 인버터 단자(INV2)가 제7 트라이액(D7)을 통해 부하 출력단의 타측(L2)에 연결됨으로써, 결국 인버터 파워가 부하에 인가되도록 스위칭한다. 참고로, 상기 부하 단자(L1, L2)와 병렬로 제1 예비출력단(Pl1)이 연결될 수 있으며, 이 예비출력단은 추가용 부하로 출력을 하기 위해 일례로 리셉터클로 이루어질 수 있다.
한편, CPU의 출력단자 'RB0'은 저항(R13) 및 표시용 LED(D2)를 통해 접지와 연결됨과 동시에, 저항(R16)을 통해 상용 AC 전원 스위칭회로부(U2, D1 및 부속회로)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB0'의 출력이 '하이'이면, 제2 포토커플러(U2)를 턴온시키며, 이에 따라 제1 트라이액(D6)을 턴온시켜, 제1 AC 단자(AC1)가 제1 트라이액(D1) 통해 부하 출력단의 일측(L1)에 연결된다. 한편, 제2 AC 단자(AC2)는 상기 제2 부하 출력단(L2)과 공통 접속되어 진다.
추가적으로, CPU의 출력단자 'RB3'은 저항(R32)을 통해 충전용 스위칭회로부(U7, D9 및 부속회로)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB3'의 출력이 '하이'이면, 제7 포토커플러(U7)를 턴온시키며, 이에 따라 제9 트라이액(D9)을 턴온시켜, 제1 AC 단자(AC1)가 제9 트라이액(D9) 통해 충전용 리셉터클(PL2)의 일측에 접속되어 진다. 역시, 제2 AC 단자(AC2)는 상기 제2 부하 출력단(L2) 및 충전용 리셉터클의 타단과 공통 접속되어 진다.
이제, 도 8d를 참조하면, 이는 도 8c에서 인버터 전원 스위칭회로부(321) 대신 발전기 전원 스위칭회로부(322)로 대체되어 있으며, 상기 발전기 전원 스위칭회로부(322)는 CPU의 출력단자 'RB2'에 접속되어 진다는 점을 제외하고는 다른 회로는 동일하다.
즉, CPU의 출력단자 'RB2'는 저항(R15) 및 표시용 LED(D5)를 통해 접지와 연결됨과 동시에, 저항(R117)을 통해 발전기 전원 스위칭회로부(322)에 연결되어 진다.
그리하여, 상기 단자 'RB2'의 출력이 '하이'이면, 제13 및 제14 포토커플러(U103, U104)를 턴온시키며, 이에 따라 제16 트라이액(D106) 및 제17 트라이액(D107)을 턴온시켜, 제1 발전기 단자(GEN1)가 제16 트라이액(D106)을 통해 부하 출력단의 일측(L1)에 연결되며, 제2 발전기 단자(GEN2)가 제17 트라이액(D107)을 통해 부하 출력단의 타측(L2)에 연결됨으로써, 결국 발전기 파워가 부하에 인가되도록 스위칭한다.
한편, 제어부(330)의 CPU(U1)에는 DIP 스위치가 부가되어 있어, 이를 통해 각종 기준 전압(Vr1, Vr2)이나 기준 시간(Tr)의 조정이 외부에서 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 전원장치의 충방전 모드 전환 회로에서의 CPU의 동작, 즉 전원장치의 충방전 모드 전환 방법에 대하여, 도 9를 참조하여 설명한다.
먼저, 시스템이 동작하게 되면, 가장 우선순위에 있는 인버터의 전원이 '온'인지 여부를 체크하게 되는바(S1), 이는 인버터 파워를 입력부(310)의 입력단(INV_IN)을 통해 제어부(330) CPU의 'RB5' 단자의 입력이 '하이'인지 여부로 검사하게 된다.
인버터 전원이 '온'이면, 배터리가 장착되었거나 적어도 배터리로부터 인버터를 통해 의미있는 파워가 출력되고 있음을 의미하므로, 이제 배터리 전압을 체크하여 배터리 출력 전압(Vt)이 허용 상한치인 제2 기준전압(Vr2) 이상인지 여부를 체크하게 된다(S3). 대체로 제2 기준전압은 배터리가 과충전되는지 여부를 체크하기 위한 것으로, 일례로 델코 납축전지 배터리의 경우에는 12.3V 정보가 적합하다. 만약, 상기 S1 단계에서, 인버터 전원이 '오프'이면, 배터리가 장착되지 않았거나 적어도 배터리로부터 인버터를 통해 의미있는 파워가 출력되지 않음을 의미하므로, 후술하는 바와 같이 다음 순위의 상용 AC 전원의 정전 여부를 체크하는 S7 단계로 이행한다.
상기 S3단계는, 전원장치(100)의 배터리(BAT-1, BAT-2) 단자의 전압(12V+ 및 12V-)을 직접 혹은 분압저항을 사용하여 계량화된 전압으로 하여, CPU의 'RA0' 단자를 통해 체크하게 된다.
이제, 상기 S3 단계에서 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이라면(Vt≥Vr2), 전원장치의 배터리가 과충전되었음을 의미하므로, 충전 동작을 정지시키고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'를 '로우'로 함), 배터리 전압이 충분하므로 인버터를 부하 출력으로 연결하게 되고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB1'를 '하이'로 함)(S4), 처음으로 리턴한다.
만약, 상기 S3 단계에서의 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이 아니면(Vt<Vr2), 배터리 전압이 허용 하한치인 제1 기준전압(Vr1) 이하인지 여부를 체크하게 된다(S5).
그리하여, 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하가 아니면(Vt>Vr1), 배터리 전압이 허용 상한치 이하 및 허용 하한치 이상인 정상치에 있는 것이므로(Vr1≤Vt≤Vr2), 인버터 전원 스위칭회로부(321)를 '온' 상태로 유지함으로써, 부하를 인버터에 계속해서 연결하는 동작을 유지하고 ('RB1'을 '하이'로 유지)(S6), 이후 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하로 떨어질 때까지 상기 S5 및 S6 단계를 반복한다.
반면, 배터리 출력 전압(Vt)이 제1 기준전압(Vr1) 이하이면(Vt≤Vr1), 배터리가 연결은 되어 있으나, 방전을 해서는 안 되는 상황이므로, 상용 AC 전원을 부하에 연결하고 동시에 상용 AC 전원으로 배터리를 충전하여야 한다.
이를 위해, 두번째 우선순위에 있는 상용 AC 전원이 '온'인지 여부를 체크하게 되는바(S7), 이는 상용 AC 전원의 파워를 입력부(310)의 입력단(AC_IN)을 통해 제어부(330) CPU의 'RB4' 단자의 입력이 '하이'인지 여부로 검사하게 된다.
상용 AC 전원이 '온'이면, 상용 AC 전원이 정전이 아닌 정상 상태이므로, 부하를 즉시 (무정전 상태로) AC 전원으로 전환하고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB1'를 '로우'로 하고, 'RB0'을 '하이'로 함)(S11), 아울러 상용 AC 전원으로 베터리를 충전하는 동작을 병행하게 된다 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'을 '하이'로 함)(S13).
한편, 상기 S13 단계에서 충전과 동시에 타이머(Tc)를 리셋하고 타이머를 동작시키는바, 이는 일정 시간 (일례로 1~2 시간) 이상 배터리를 충전하지 못하도록 하기 위함이다. 이와 같이 배터리 충전 중지를 배터리의 전압으로 제어하는 외에도 충전 시간으로 제어하는 이유는, 가령 배터리가 노후화되어 아무리 충전해도 충전 과전압까지 배터리 전압이 이르지 않을 수 있기 때문에, 안전상 일정 시간 이상을 충전하지 못하도록 하기 위함이다.
이를 위해, 다음 단계인 S15 단계에서, 충전 시간(Tc)이 기준 시간(Tr) 이상인지 여부를 체크하여, '예스'이면, 충전을 정지시키고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'을 '로우'로 함)(S16), 처음으로 리턴한다.
그러나, 상기 S15 단계에서의 판단 결과, '노우' 이면, 과충전인지 여부를 체크하기 위해, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상인지 여부를 체크하여(Vt≥Vr2 ?), 그렇지 않으면 계속 충전해도 되므로 AC 전원의 '온' 상태 여부를 체크하여(S19) 상기 S15, S17 및 S19 단계를 반복한다.
그러나, 만약 상기 S17 단계에서의 판단 결과, 배터리 출력 전압(Vt)이 제2 기준전압(Vr2) 이상이라면(Vt≥Vr2), 전원장치의 배터리가 충분히 충전되었음을 의미하므로, 부하 전원을 인버터로 전환하고 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB0'를 '로우'로 하고, 'RB1'을 '하이'로 함)(S18), 충전 동작을 정지시키며 (도 8a 및 도 8c의 CPU 출력단 'RB3'를 '로우'로 함)(S16), 처음으로 리턴한다.
한편, 상기 S7 단계 혹은 상기 S19 단계에서의 판단 결과, AC 전원이 '온'이 아니면, 이는 사용 AC 전원이 정전 상태임을 의미하므로, 부하에 계속적인 무단속 파워를 공급하기 위해, 발전기 가동을 시작하게 되며(S8), 부하 전원을 발전기로 전환하게 된다(S9).
그리고 발전기로의 전환은, 도 8a 및 도 8d의 CPU 출력단 'RB1'을 '로우'로 하고, 'RB2'를 '하이'로 함으로서, 도 8d에서 보는 바와 같은 발전기 전원 스위칭회로부(322)가 동작하도록 함으로써, 행해진다. 이후, 처음으로 리턴하여, 다시 전체를 반복하여 수행한다.
상술한 제3 종래기술에 의하면, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 안전하게 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있는 충방전 모드 전환 장치와 이차전지를 이용한 전원장치를 갖는 LED 태양광 가로등 시스템이 제공될 수 있다.
그러나, 상기 제1 내지 제3 종래기술 공히, 문제가 되는 점은, 사용 전압이 (일례로, 12V)이 충전전압과 동일한 경우에 대해 적용되는 기술이다. 그러나, 순수하게 전기로만 구동되는 자동차나 하이브리드 자동차의 경우 (이하, 본 명세서에서 '전기자동차'라 칭함), 솔라셀이나 제너레이터 등에 의해 충전되는 전압은 상대적으로 저전압인 12V에 최적화되어 있으나, 차량의 구동 회전축을 구동하기 위한 모터는 48V 이상의 고전압에 최적화되어 있어, 상기 종래기술을 그대로 전기자동차에 적용할 수 없다는 문제점이 있다.
특허 제1297148호 내지 제1297150호 (2013년 08월 09일 등록) 특허 제1563949호 (2015년 10월 22일 등록)
본 발명은 상술한 제1 내지 제3 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이차전지를 구비한 전원장치와 상기 전원장치 외부의 또다른 전원을 갖는 전력관리 시스템에서의 부하에 공급되는 전원의 절환을 일측에서의 턴오프와 타측에서의 턴온이 동시에 이루어져 순식간에 무단속으로 절환이 이루어지도록 하면서, 각 전원간의 조건을 최대한 활용하여 최대한 효율적인 전원 공급이 이루어지도록 하되, 충전되는 전압을 저전압에서 고전압으로 승압하여 부하에 공급하도록 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치는, 전기자동차의 일 차축에 연결되어 저전압으로 발전하여 저전압 배터리에 충전하는 발전부(1000); 상기 발전부(1000)의 저전압을 고전압으로 승압하는 승압기(3000); 및 상기 승압기(3000)에 의해 승압된 고전압을 축전하였다가 상기 전기자동차의 타 차축을 구동하는 부하구동부(2000);를 포함하며, 상기 발전부(1000)는, 전기자동차의 일 차축(a)의 회전력으로부터 저전압으로 발전을 하는 발전기(1200)에 의해 얻어진 전기를 축전하는 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002), 및 상기 발전기에 의해 얻어진 전기가 상기 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002) 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 상기 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002) 중의 타측에 충전된 전기를 상기 승압기로 보내도록 방전모드로 제어하는 제1 충방전 모드 전환 장치(1100)를 포함하며, 상기 부하구동부(2000)는, 상기 승압기에 의해 승압된 고전압으로 축전되며 혹은 축전된 전압으로 상기 모터를 구동하는 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002), 및 상기 승압기에 의해 승압된 전기가 상기 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002) 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 상기 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002) 중의 타측에 충전된 전기로 모터(2200)를 구동하도록 방전모드로 제어하는 제2 충방전 모드 전환 장치(2100)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 승압기(3000)는, 발전부(1000)로부터의 저전압의 입력을 받아 평활화하는 입력부(3100); 상기 입력부(3100)로부터의 저전압을 고전압으로 승압하는 승압부(3400); 및 상기 승압부(3400)에 의해 승압된 고전압 출력을 정류하여 출력하는 정류출력부(3500); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 승압기(3000)는, 상기 승압부(3400)의 승압 파워를 제어하는 PWM 제어부(3300); 상기 발전부(1000)로부터의 입력 전압이 최소 전압 미만일 경우에 승압 동작을 정지하도록 상기 PWM 제어부(3300)를 셧다운하며 일전 전압 이상일 경우에만 기동시키는 기동 및 셧다운 회로(3600); 상기 PWM 제어부(3300)가 기동을 시작할 때에 상기 PWM 제어부(3300)의 동작을 서서히 올리기 위한 소프트 스타터 회로(3700); 및 상기 발전부(1000)로부터의 입력 전원이 이상 전압일 경우에 회로를 보호하기 위한 과전압 보호회로(3200); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기는, 발전부(1000)로부터의 저전압의 입력을 받아 평활화하는 입력부(3100); 상기 입력부(3100)로부터의 저전압을 고전압으로 승압하는 승압부(3400); 상기 승압부(3400)에 의해 승압된 고전압 출력을 정류하여 출력하는 정류출력부(3500); 상기 승압부(3400)의 승압 파워를 제어하는 PWM 제어부(3300); 상기 발전부(1000)로부터의 입력 전압이 최소 전압 미만일 경우에 승압 동작을 정지하도록 상기 PWM 제어부(3300)를 셧다운하며 일전 전압 이상일 경우에만 기동시키는 기동 및 셧다운 회로(3600); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 승압기(3000)는, 상기 PWM 제어부(3300)가 기동을 시작할 때에 상기 PWM 제어부(3300)의 동작을 서서히 올리기 위한 소프트 스타터 회로(3700); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 승압기(3000)는, 상기 발전부(1000)로부터의 입력 전원이 이상 전압일 경우에 회로를 보호하기 위한 과전압 보호회로(3200); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기동 및 셧다운 회로(3600)는, 상기 발전부(1000)로부터 입력되는 입력 전압(V3)이 최저 문턱전압 전압(Vth) 미만에서는, 상기 입력 전압(V3)이 분압저항(R24,R26,R27)에 의해 분압된 감지 전압이, 연결소자(R25, D8)를 통해, 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 셧다운 단자(SHDN)에 인가됨으로써, 상기 칩이 비활성화 상태로 있게 되며, 상기 입력 전압(V3)이 최저 문턱전압 전압(Vth) 이상이면, 제1 분압저항(R24)을 통해 제어용 제너다이오드(U2)에 인가될 경우, 상기 제너다이오드(U2)에 브레이크다운이 발생하게 되고, 상기 연결소자(R25, D8)를 통해, 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 셧다운 단자(SHDN)에 인가되는 전압이 '로우' 상태로 바뀜으로써, 상기 칩이 활성화 상태로 변환되어, 부스터의 승압 동작이 이루어지도록 하며, 다시 상기 입력 전압(V3)이 상기 최저 문턱전압(Vth) 미만으로 떨어질 경우에는, 상기 PWM 제어부를 셧다운시켜, 부스터의 승압 동작을 정지시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 승압기는, 상기 입력부의 입력 전압(V3)이 최저 문턱전압(Vth) 이상이여서, 상기 PWM 제어부가 활성화 상태로 되어, 부스터의 승압 동작이 시작되는 경우, 상기 입력 전압이 제6 제너다이오드(D6)를 통해 소프트 스타터 회로(3700)의 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 이미터에 접속되며, 상기 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 콜렉터는 푸쉬풀 연결용 다이오드(D7)를 통해 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 소프트 스타터 단자(SS)에 접속되어 지며, 그리하여, 상기 입력 전압(V3)이 상기 최저 문턱전압(Vth) 이상일 경우, 제6 제너다이오드(D6)를 브레이크 다운시키게 되고, 저전압 상태가 되는 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 이미터로 베이스단으로부터의 전류가 흐르게 되므로, 상기 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 콜렉터측 저항(R17)에 걸리는 전압(Vr)이 서서히 상승함으로서, 연결용 다이오드(D7)의 푸쉬풀 동작에 의해, 상기 스위칭용 칩(U1)의 소프트 스타터 단자(SS)에, 상기 공칭전압에 이를 때까지 서서히 증가하는 전압(0V~4V)이 인가되게 되며, 이에 응하여, 상기 스위칭용 칩(U1)은, 최저 역율로부터 최대 역율로까지의 서서히 증가하는 역율을 갖는 펄스파를 스위칭용 트랜지스터(Q3, Q4)로 출력하게 됨으로써, 서서히 증가하는 PWM 제어를 하게 되는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 안전하게 이용함으로써 축전지를 교대로 안전하게 활용할 수 있으며 충전되는 전압을 승압하여 부하에 공급하도록 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치가 제공될 수 있다.
더욱이, 이렇게 저전압의 1차측과 고전압의 2차측을 분리함으로써, 야간과 같이 전기자동차를 구동하지 않는 휴지시에도 1차측 전원으로 2차측을 충전함으로써, 충전시간을 절약할 수 있고, 혹은 2차측으로 전기자동차를 구동시에도 차량의 잉여 회전력이나 솔라셀 등으로 1차측을 충전하며, 이를 통해 다시 승압시켜 2차측을 충전함으로써, 발전효율을 최적으로 할 수 있다.
특히, 상기 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기에 의하면, 차량이 정지 중인 이유 등으로 제너레이터의 충전 전압이 소정치 이하에서는 승압기를 셧다운시켜 충전을 정지하도록 하며, 제너레이터의 충전 전압이 높아지면 그에 따라 일정 전압으로 승압되는 충전 전류를 점차 높임으로써 충전 효율이 최적화되도록 한다.
도 1은 제1 종래기술에 따른 두 개의 배터리들 및 교환기 스위치를 가진 발전기를 도시하는 도면.
도 2는 제2 종래기술에 따른 전원장치의 전체 구성도.
도 3a는 도 2의 릴레이의 전방 사시사진.
도 3b는 도 2의 릴레이의 후방 사시사진.
도 4는 도 2의 제어부의 회로도.
도 5는 도 4의 제어부의 제어 동작을 나타내는 흐름도.
도 6은 제2 종래기술에 따른 전원장치의 배터리 1이 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 2의 충전 정도가 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진.
도 7a는 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 회로도.
도 7b는 제3 종래기술에 따른 충방전 모드 전환 회로를 이용한 전력관리 시스템의 구성도.
도 8a 내지 도 8d는 도 7a의 전환장치의 충방전 모드 전환 회로의 회로도로서,
도 8a는 충방전 모드 전환 회로의 제어부이고,
도 8b는 충방전 모드 전환 회로의 입력부이고,
도 8c는 충방전 모드 전환 회로의 제1 출력부이고,
도 8d는 충방전 모드 전환 회로의 제2 출력부.
도 9는 도 8의 제어부(CPU)의 동작 흐름도.
도 10은 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치의 구성도.
도 11은 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치의 실제 제품 사진.
도 12a 내지 도 12c는, 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기의 실제 제품 사진.
도 13은 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기의 회로도.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치의 구성도이고, 도 11은 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치의 실제 제품 사진이다.
본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 대하여, 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다.
도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치는, 전기자동차의 일 차축(주로, 종동축)에 연결되어 저전압으로 (일례로, 12V로) 발전하여 저전압 배터리에 충전하는 발전부(1000); 상기 발전부(1000)의 저전압을 고전압으로 (일례로, 48V로) 승압하는 승압기(3000); 및 상기 승압기(3000)에 의해 승압된 고전압을 축전하였다가 상기 전기자동차의 타 차축(구동축)을 구동하는 부하구동부(2000);를 포함한다.
더 자세히는, 상기 발전부(1000)는, 전기자동차의 일 차축인 종동축(a)에 적당한 동력전달장치(일례로, 벨트)에 의해 타이어의 회전력이 전달되도록 연결되는 회전축에 접속된 발전기(1200), 상기 발전기에 의해 얻어진 전기를 축전하는 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002), 및 상기 발전기에 의해 얻어진 전기가 상기 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002) 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 상기 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002) 중의 타측에 충전된 전기로 후술하는 고전압용 배터리(2001,2002) 중의 임의의 일측을 충전하기 위해 승압기(300)로 전력을 방전하도록 방전모드로 제어하는 제1 충방전 모드 전환 장치(1100)를 포함한다. 상기 도 10의 제1 충방전 모드 전환 장치(1100)는 'ELPO 시스템'으로 알려진 본 발명자의 선등록특허 제1297150호의 충방전 모드 전환 장치(도 6의 장치), 바람직하게는, 또다른 선등록특허 제1539094호의 이차 전지를 이용한 전원 장치 (도 7a 및 도 7b의 부재번호 '100')와 거의 흡사한바, 다만 부하(50)로 연결되는 단자가 본원발명에서는 승압기(3000)로 연결된다는 점만이 상이하다.
상기 부하구동부(2000)는, 전기자동차의 타 차축인 구동축(b)에 적당한 동력전달장치(일례로, 차동기어)에 의해 연결되어 타이어에 회전력을 발생시키는 전기 모터(2200), 상기 승압기에 의해 승압된 고전압으로 축전되며 혹은 축전된 전압으로 상기 모터를 구동하는 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002), 및 상기 승압기에 의해 승압된 전기가 상기 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002) 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 상기 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002) 중의 타측에 충전된 전기로 상기 모터(2200)를 구동하도록 방전모드로 제어하는 제2 충방전 모드 전환 장치(2100)를 포함한다.
상기 도 10의 제2 충방전 모드 전환 장치(2100) 역시, 'ELPO 시스템'으로 알려진 본 발명자의 선등록특허 제1297150호의 충방전 모드 전환 장치(도 6의 장치), 바람직하게는, 또다른 선등록특허 제1539094호의 이차 전지를 이용한 전원 장치 (도 7a 및 도 7b의 부재번호 '100')와 거의 흡사한바, 다만 발전기(500)로부터의 입력 단자가 본원발명에서는 승압기(3000)로부터의 출력이라는 점이 상이하고, 이때 부하(50)가 상기 전기 모터(2200)가 되며, 또한 제1 충방전 모드 전환 장치(1100)와의 상이한 점은, 충방전용 배터리(2001,2002)가 48V 고전압으로서, 선등록특허에서의 12V 배터리 4개가 직렬로 연결되어 일측 충방전용 배터리(2001)가 되며, 타측 배터리 역시 12V 배터리 4개가 직렬로 연결된 충방전용 배터리(2002)가 되므로, 배터리 단자와의 +/- 연결 방식에 차이가 있다는 점만이 상이하다.
한편, 상기 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기(3000)에 대하여, 도 12a 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 12a 내지 도 12c는, 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기의 실제 제품 사진이고, 도 13은 본 발명에 따른 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기의 회로도이다.
상기 승압기(3000)의 회로는, 발전부(1000)로부터의 저전압 (일례로 12V) 의 입력을 받아 평활화하는 입력부(3100); 상기 입력부(3100)로부터의 12V 직류 전압을 승압하는 승압부(3400); 상기 승압부(3400)에 의해 승압된 고전압 (일례로 48V) 출력을 정류하여 출력하는 정류출력부(3500); 상기 승압부(3400)의 승압 파워를 제어하는 PWM 제어부(3300); 발전부로부터의 입력 전압이 최소 전압 미만일 경우에 승압 동작을 정지하도록 상기 PWM 제어부(3300)를 셧다운하며 일전 전압 이상일 경우에만 기동시키는 기동 및 셧다운 회로(3600); 상기 PWM 제어부(3300)가 기동을 시작할 때에 상기 PWM 제어부(3300)의 동작을 서서히 올리기 위한 소프트 스타터 회로(3700); 및 상기 발전부(1000)로부터의 입력 전원이 이상 전압일 경우에 회로를 보호하기 위한 과전압 보호회로(3200); 를 포함한다.
먼저, 입력부(3100)는, 전기자동차의 일 차축인 종동축(a)의 회전력에 의해 발전기(1200)로부터 발전되어 직류변환되고 다시 저전압 배터리(1001,1002)에 충전된 저전압 (일례로 12V) 을 입력받는 입력측 커넥터(J1)와, 이 저전압을 LC 회로(L1, C1)에 의해 평활화하여 다음 단으로 인가한다.
다음, 승압부(3400)는, 상기 입력부(3100)로부터의 저전압(12V) 직류 전압을 고전압(48V)으로 승압하는바, 자동차 발전기에서의 충전은 저전압으로 충전하는 것이 일반적이고 효율적이나, 그 저전압을 가지고 그대로 모터를 회전시키기에는 파워가 약하기 때문에, 모터에 보다 효율적인 고전압(48V)으로 승압하기 위한 것이다. 실제로 승압기(3000)에서는 56V로 승압시켜 부하구동부(2000)로 인가하게 되며, 이에 부하구동부(2000)에서는 고전압 배터리들을 원하는 48V로 충전하게 된다. 상기 승압부는, 변압기(T1)에 의하여 이루어지는바, 보다 상세히는 제3 및 제4 스위칭용 트랜지스터(Q3, Q4)가 교호적으로 스위칭되면서 변압기에 교류 전압을 인가하고 변압기에서 고전압으로 승압하게 되며, 아울러 상기 제3 및 제4 스위칭용 트랜지스터(Q3, Q4)는 상기 PWM 제어부(3300)의 제어칩(U1)에 의해 적당한 역율을 갖도록 PWM 방식으로 교호적으로 온/오프 제어된다.
한편, 상기 승압부(3400)는, 스위칭용 칩(U1)과 그 주변회로(R10~R12, C5~C8)들로 이루어지는바, 단순히 상기 제3 및 제4 스위칭용 트랜지스터(Q3, Q4)를 교호적으로 온/오프 제어할 뿐만 아니라, 제너레이터로부터의 파워에 따라 상이한 역율을 갖도록 하면서 PWM 제어를 하도록 하여, 승압 파워가 최적으로 되도록 제어한다. 예를들어, 자동차의 공칭 전압(Vh)이 13.8V라 할 때, 발전부(1000)로부터 입력되는 전압(V3)이 최저 문턱전압 전압(Vth)(일례로 13.5V) 미만에서는 (V3<Vth), 승압 동작이 이루어지지 않도록 셧다운시키고 (이에 대해서는 기동 및 셧다운 회로(3600)와 함께 후에 상세히 설명한다), 최저 문턱전압 전압(Vth)에 다다르면 (V3≥Vth), 역율을 0%에서부터 서서히 높여가다가 공칭전압에 다다르면(V3=Vh) 역율이 100%가 되도록 제어하는바 (이에 대해서는 소프트 스타터 회로(3700)와 함께 후에 상세히 설명한다), 그리하여 발전부의 배터리의 상태에 따라 가장 적합한 역율로서 승압을 시켜서 부하구동부(2000)의 충전이 최적으로 이루어지도록 제어한다.
상기 승압부(3400)에 의해 승압된 고전압 (일례로 48V) 은 정류출력부(3500)에 의해 직류로 변환되어 출력되는바, 먼저 변압기에 의해 승압된 교류 전압이 정류부(D2~D5, C9~C12, R13~R16)에 의해 직류로 변환되어 출력측 단자(J2, J3)를 통해 제2 충방전 모드 전환 장치(2100)로 출력되어 진다. 당연히, 제2 충방전 모드 전환 장치(2100)는, 본 발명자의 선등록 특허의 기술에서 설명한 것처럼, 출력 고전압을 특별한 경우에는 직접 부하(여기서는 전기 모터)로 인가될 수도 있기는 하지만, 일반적인 상황에서는 고전압 배터리(2001,2002)를 충전하는데 사용하도록 하는바, 원칙적으로는 일측 고전압 배터리(2001)를 충전하고, 타측 고전압 배터리(2002)를 방전 모드로 하여 모터를 구동하게 되며, 일정 시간 후에는 교대로 타측 고전압 배터리(2002)를 충전 모드로, 일측 고전압 배터리(2001)를 방전 모드로 교호적으로 충방전 제어하게 된다.
한편, 상기 입력부(3100)와 PWM 제어부(3300) 사이에는 과전압 보호회로(3200)가 삽입되는 것이 바람직한바, 과전압 보호회로(3200)는, 입력되는 전압이 서어지와 같은 어떤 이상 현상으로 과도하게 크면, 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스측 전압 (여기서는 제1 PNP 트랜지스터의 이미터-베이스단 전압(Vin)) 으로 센싱을 하여, 상기 센싱 전압이 기준값 이상이면, 제1 트랜지스터(Q1)가 턴온되고, 다시 제1 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단에 베이스단이 접속된 제2 NPN 트랜지스터(Q2)가 턴온되면서, 상기 스위칭 칩(U1)의 입력측 제어단 (+IN, -IN)이 사실상 쇼트되면서 상기 칩이 턴오프되고 상기 PWM 제어부가 동작을 하지 않도록 함으로써, 상기 승압기(3000) 전체 회로를 과전압으로부터 보호하게 된다. 상기 과전압 보호회로(3200)의 나머지 소자들은 공지기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
이제, 본 발명의 가장 핵심이 되는 기동 및 셧다운 회로(3600)와 소프트 스타터 회로(3700)에 대해 상술한다.
먼저, 기동 및 셧다운 회로(3600)는, 발전부로부터의 입력 전압이 최소 전압 미만일 경우에 승압 동작을 정지하도록 상기 PWM 제어부(3300)를 셧다운하며 일전 전압 이상일 경우에만 기동시키는바, 가령 전동차가 기동 중이 아니면서 발전부 배터리도 거의 방전인 상태에서 승압 및 고전압 배터리를 충전하게 되면, 저전압 배터리의 손상으로 이어질 것이기 때문에, 이를 방지하고자 함이며, 다음, 소프트 스타터 회로(3700)는, 상기 PWM 제어부(3300)가 기동을 시작할 때에 상기 PWM 제어부(3300)의 동작을 서서히 올리기 위한 일종의 보호 회로이면서 동시에 고전압으로의 승압 및 고전압 배터리 충전 효율을 최적화하기 위한 것이다.
예를들어, 자동차의 공칭 전압(Vh)이 13.8V라 할 때, 발전부(1000)로부터 입력되는 입력 커넥터(J1)의 제3 단자(V3)가, 상기 기동 및 셧다운 회로(3600)와 소프트 스타터 회로(3700)에 접속되는바 (이는 동시에 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 13번 단자(VC)에도 접속됨), 상기 입력 전압(V3)이 최저 문턱전압 전압(Vth)(일례로 13.5V) 미만에서는, 상기 제3 단자의 전압(V3)이 분압저항(R24,R26,R27)에 의해 분압된 감지 전압이, 연결소자(R25, D8)를 통해, 상기 기동 및 셧다운 회로(3600)의 출력단과 접속된 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 10번 단자(SHDN)에 인가됨으로써, 상기 칩이 비활성화 상태로 있게 된다.
한편, 상기 제3 단자의 전압(V3)이, 제1 분압저항(R24)을 통해 제어용 제너다이오드(U2)와 접속되는바, 상기 제너다이오드(U2)의 브레이크다운 전압은 저항(R22) 및 가변저항(R23)의 포텐셔미터(Potentiometer)에 의해 제어용 제너다이오드(U2)의 게이트에 일례로 2.5V 정도의 전압이 인가되었을 때에 브레이크다운이 발생하도록 조정되어질 수 있다.
아뭏든, 최저 문턱전압(Vth) 이상의 제3 단자의 전압(V3)이, 제1 분압저항(R24)을 통해 제어용 제너다이오드(U2)에 인가될 경우, 상기 제너다이오드(U2)에 브레이크다운이 발생하게 되고, 결국 상기 연결소자(R25, D8)를 통해, 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 10번 단자(SHDN)에 인가되는 전압이 '로우' 상태로 바뀜으로써, 상기 칩이 활성화 상태로 변환되게 된다 (상기 최저 문턱전압(Vth) 이상의 제3 단자의 전압(V3)은 동시에 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 13번 단자(VC)에도 충분히 높은 동작 전압(VC)을 인가하게 됨). 결국, 상기 입력부 커넥터(J1)의 제3 단자의 전압(V3)이 상기 최저 문턱전압(Vth) 미만일 경우에는, 상기 PWM 제어부가 비활성화 상태여서, 부스터의 승압 동작이 이루어지지 않다가, 상기 최저 문턱전압(Vth) 이상일 경우에는, 상기 PWM 제어부가 활성화 상태로 되어, 부스터의 승압 동작이 이루어지도록 하며, 다시 상기 최저 문턱전압(Vth) 미만으로 떨어질 경우에는, 상기 PWM 제어부를 셧다운시켜, 부스터의 승압 동작을 정지시키게 된다.
한편, 상기 입력부 커넥터(J1)의 제3 단자의 전압(V3)이 상기 최저 문턱전압(Vth)(일례로 13.5V) 이상일 경우에는, 상기 PWM 제어부가 활성화 상태로 되어, 부스터의 (일례로 56V로의) 승압 동작이 이루어지도록 하는바, 상기 제3 단자(V3)가 제6 제너다이오드(D6)를 통해 소프트 스타터 회로(3700)의 제5 PNP형 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 이미터에 접속되는바, 이는 다시, 상기 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 콜렉터는 푸쉬풀 연결용 다이오드(D7)를 통해 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 8번 단자(SS)(Soft Starter 단자)에 접속되어 진다. 그리하여, 상기 제3 단자의 전압(V3)이 상기 최저 문턱전압(Vth)(일례로 13.5V) 이상일 경우, 제6 제너다이오드(D6)를 브레이크 다운시키게 되고, 저전압 상태가 되는 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 이미터로 베이스단으로부터의 전류가 흐르게 되므로, 상기 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 콜렉터측 저항(R17)에 걸리는 전압(Vr)이 서서히 상승하게 되는바, 결국 연결용 다이오드(D7)의 푸쉬풀 동작에 의해, 상기 스위칭용 칩(U1)의 8번 단자(SS)에, 상기 공칭전압에 이를 때까지 서서히 증가하는 전압(0V~4V)이 인가되게 된다. 따라서, 이에 응하여, 상기 스위칭용 칩(U1)은, 1% 내지 100% 까지의 서서히 증가하는 역율을 갖는 펄스파를 상기 스위칭용 트랜지스터(Q3, Q4)로 출력하게 됨으로써, 서서히 증가하는 PWM 제어를 하게 되며, 예를들어, 자동차의 공칭 전압(Vh)인 13.8V에 이르러서는, 100% 역율의 PWM 신호를 상기 스위칭용 MOSFET(Q3, Q4)로 출력함을 계속 유지함으로써, 상기 부하구동부(2000)의 고전압 배터리(2001,2001)의 충전율이 최대로 유지되도록 한다.
이리하여, 발전부의 배터리의 상태에 따라 가장 적합한 역율로서 승압을 시켜서 부하구동부(2000)의 충전이 최적으로 이루어지도록 제어하는바, 일례로 발전부(1000) 전압이 13.5[V]일 때는 충전전류가 5A 정도로 흐르도록 하고, 13.8[V]일 때는 충전전류가 50A 정도로 흐르도록 제어하게 되는바, 전동차에 직결된 12[V] DC 발전기는 전동차가 가속될수록 전압이 증가하고 전압이 증가할수록 충전전류로 증가시키도록 제어하게 되어 있다.
이제, 본 발명의 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치의 동작을 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
먼저, 발전부(1000)의 제1 충방전 모드 전환 장치(1100)는, 전기자동차의 일 차축(a)에 직접 혹은 벨트나 기어 등의 별도의 동력전달장치에 의해 연결된 발전기 회전축에 연결된 발전기(1200)에 의해 발생되는 저전압(여기서는 12V 전압)으로 2 이상의 저전압 배터리의 일측(1001)을 충전하도록 충전모드로 제어한다.
이때, 상기 제1 충방전 모드 전환 장치(1100)는, 상기 발전기(1200)에 의해 발생되는 저전압으로 상기 2 이상의 저전압 배터리의 타측(1002)은 방전 모드로 제어하도록 할 수 있으며, 상기 방전 모드의 배터리(1002)로부터의 12V 전압은 상기 승압기에 의해 고전압(일례로 56.5V) 으로 승압되어진다.
이때, 상기 승압기(3000)의 기동 및 셧다운 회로(3600)는, 상기 발전부(1000)로부터의 전압이 일정 전압인 최저 문턱전압(일례로 13.5V) 이상이 되었을 때에 승압동작을 하게 되며, 상기 최저 문턱 전압에 이르면 소프트 스타터 회로(3700)에 의해 서서히 역율을 높여가는 PWM 제어를 하게 되면서, 공칭 전압(일례로 13.8V)에 이르게 되면 최대 역율로 PWM 제어를 하면서 승압을 하게 된다.
계속해서, 부하구동부(2000)의 상기 제2 충방전 모드 전환 장치(2100)는, 상기 승압된 전압으로 상기 2 이상의 고전압 배터리의 일측(2001)을 충전하도록 충전모드로 제어하며, 필요시 상기 제2 충방전 모드 전환 장치(2100)는, 상기 2 이상의 고전압 배터리의 타측(2002)을 방전모드로 제어하여, 상기 방전모드의 배터리 전압(일례로 48V)으로 상기 모터를 구동함으로써, 전기자동차의 구동축(b)이 구동되어 지도록 한다.
경우에 따라서는, 상기 저전압 배터리는, 전기자동차의 종동축이 아닌 태양광 발전기나 내연기관 엔진에 의해 발전되는 보조발전기 혹은 충전소의 상용 전원으로 충전되어 질 수도 있다.
아울러, 상기 저전압 배터리 중의 방전모드의 배터리는 계속해서 승압기에 의해 승압되면서 상기 고전압 배터리를 충전할 수도 있고, 상기 고전압 배터리가 만충전이 되었을 경우에는 자신이 만충전이 될 때까지 충전 모드로 교대로 충전되어질 수 있으며, 한편 상기 고전압 배터리 중의 방전모드의 배터리는 상기 전기자동차가 사용 중인 경우에는 교대로 계속해서 구동축을 회전시키도록 모터를 구동하며, 상기 고전압 배터리 중의 다른 배터리는 충전모드로 제어되어 상기 승압기에 의해 승압된 전압으로 충전되어지는바, 상기 충전은 만충전이 아닌 한, 및 상기 저전압 배터리가 과방전이 아닌 한, 전기자동자가 구동 중이 아닌 경우에도 (예를들어 야간에도) 충전은 계속되어지는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 동작을 저전압 배터리로서의 두 개의 납축전지 및 고전압 배터리로서의 8개의 납축전지를 배터리로 사용하는 실시예로 설명하였으나, 반드시 납축전지에만 한정되는 것은 아니며, 리튬 이차 전지는 물론, 기타 이차 전지에서도 가능하며, 배터리의 개수 또한 2개 및 8개에 한정되는 것은 아니며 3개 이상의 배터리를 한 쌍으로 묶어 본 발명을 적용하는 것도 가능하고, 전기모터의 정격전압에 따라서 당연히 달라진고, 심지어 하나의 충전용 배터리를 인버터를 통해 방전시켜 부하에 파워를 공급하다가, 다른 전원으로 부하를 구동하도록 무단속 전환하기 위한 시스템에도 적용 가능하다.
아울러, 상기 실시예에서의 각종 수치는 예를 들기 위한 것이며, 자동차의 발전 용량에 따라 얼마든지 달라질 수 있고, 자동차 외에도 다른 전기 구동 동력 장치에도 적용가능하다.
이처럼, 앞에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
(종래기술)
1 : 제1 배터리 2 : 제2 배터리
10: 릴레이부 10a: 베이스
11: 제1 릴레이부 11b: 플레이트
11c: 지지대
12: 제2 릴레이부
13: 충전기 연결판 14: 인버터 연결판
15: 제1 배터리 연결판 16: 제2 배터리 연결판
20: 제어부
30: 인버터 40: 충전기
50: 부하 60: 솔라셀
110: 제1 릴레이 가동단자 111: 제1 릴레이 제1 고정단자
112: 제1 릴레이 제2 고정단자 113: 연결선
114: 솔레노이드 115: 가동단자 지지판
116: 스프링
120: 제2 릴레이 가동단자 121: 제2 릴레이 제1 고정단자
122: 제2 릴레이 제2 고정단자 123: 연결선
124: 솔레노이드 125: 가동단자 지지판
126: 스프링 127,128: 제2 릴레이 제어신호 단자
210: 배터리 전원 입력부 220: 정전압 회로부
221: DC-DC 컨버터 230: 리셋부
240: 처리부 250: 릴레이 제어신호 출력부
260: 제1 배터리 전압표시부 270: 제2 배터리 전압표시부
280: 예비단자부 290: 옵션설정부
100: 이차전지를 이용한 전원장치
300: 전환장치
310: 입력부 320: 출력부
321: 인버터 전원 스위칭회로부 322: 발전기 전원 스위칭회로부
400: 상용 AC 전원 500: 발전기
(본 발명)
a : 종동축 b : 구동축
1000 : 발전부 1001,1002 : 저전압 배터리
1100 : 제1 충방전 모드 전환 장치 1200 : 발전기
2000 : 부하구동부 2001,2002 : 고전압 배터리
2100: 제2 충방전 모드 전환 장치 2200 : 모터
3000 : 승압기 3100 : 입력부
3200 : 과전압 보호회로 3300 : PWM 제어부
3400 : 승압부 3500 : 정류출력부
3600 : 기동 및 셧다운 회로 3700 : 소프트 스타터 회로

Claims (7)

  1. 전기자동차의 일 차축에 연결되어 저전압으로 발전하여 저전압 배터리에 충전하는 발전부(1000);
    상기 발전부(1000)의 저전압을 고전압으로 승압하는 승압기(3000); 및
    상기 승압기(3000)에 의해 승압된 고전압을 축전하였다가 상기 전기자동차의 타 차축을 구동하는 부하구동부(2000);를 포함하며,
    상기 발전부(1000)는, 전기자동차의 일 차축(a)의 회전력으로부터 저전압으로 발전을 하는 발전기(1200)에 의해 얻어진 전기를 축전하는 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002), 및 상기 발전기에 의해 얻어진 전기가 상기 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002) 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 상기 저전압의 충방전용 배터리(1001,1002) 중의 타측에 충전된 전기를 상기 승압기로 보내도록 방전모드로 제어하는 제1 충방전 모드 전환 장치(1100)를 포함하며,
    상기 부하구동부(2000)는, 상기 승압기에 의해 승압된 고전압으로 축전되며 혹은 축전된 전압으로 상기 모터를 구동하는 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002), 및 상기 승압기에 의해 승압된 전기가 상기 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002) 중의 임의의 일측을 충전하도록 충전모드로, 혹은 상기 고전압의 충방전용 배터리(2001,2002) 중의 타측에 충전된 전기로 모터(2200)를 구동하도록 방전모드로 제어하는 제2 충방전 모드 전환 장치(2100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 승압기(3000)는,
    발전부(1000)로부터의 저전압의 입력을 받아 평활화하는 입력부(3100);
    상기 입력부(3100)로부터의 저전압을 고전압으로 승압하는 승압부(3400); 및
    상기 승압부(3400)에 의해 승압된 고전압 출력을 정류하여 출력하는 정류출력부(3500); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 승압기(3000)는,
    상기 승압부(3400)의 승압 파워를 제어하는 PWM 제어부(3300);
    상기 발전부(1000)로부터의 입력 전압이 최소 전압 미만일 경우에 승압 동작을 정지하도록 상기 PWM 제어부(3300)를 셧다운하며 일전 전압 이상일 경우에만 기동시키는 기동 및 셧다운 회로(3600);
    상기 PWM 제어부(3300)가 기동을 시작할 때에 상기 PWM 제어부(3300)의 동작을 서서히 올리기 위한 소프트 스타터 회로(3700); 및
    상기 발전부(1000)로부터의 입력 전원이 이상 전압일 경우에 회로를 보호하기 위한 과전압 보호회로(3200); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치.
  4. 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기로서,
    발전부(1000)로부터의 저전압의 입력을 받아 평활화하는 입력부(3100);
    상기 입력부(3100)로부터의 저전압을 고전압으로 승압하는 승압부(3400);
    상기 승압부(3400)에 의해 승압된 고전압 출력을 정류하여 출력하는 정류출력부(3500);
    상기 승압부(3400)의 승압 파워를 제어하는 PWM 제어부(3300);
    상기 발전부(1000)로부터의 입력 전압이 최소 전압 미만일 경우에 승압 동작을 정지하도록 상기 PWM 제어부(3300)를 셧다운하며 일전 전압 이상일 경우에만 기동시키는 기동 및 셧다운 회로(3600); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 승압기(3000)는,
    상기 PWM 제어부(3300)가 기동을 시작할 때에 상기 PWM 제어부(3300)의 동작을 서서히 올리기 위한 소프트 스타터 회로(3700); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기동 및 셧다운 회로(3600)는, 상기 발전부(1000)로부터 입력되는 입력 전압(V3)이 최저 문턱전압 전압(Vth) 미만에서는, 상기 입력 전압(V3)이 분압저항(R24,R26,R27)에 의해 분압된 감지 전압이, 연결소자(R25, D8)를 통해, 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 셧다운 단자(SHDN)에 인가됨으로써, 상기 칩이 비활성화 상태로 있게 되며,
    상기 입력 전압(V3)이 최저 문턱전압 전압(Vth) 이상이면, 제1 분압저항(R24)을 통해 제어용 제너다이오드(U2)에 인가될 경우, 상기 제너다이오드(U2)에 브레이크다운이 발생하게 되고, 상기 연결소자(R25, D8)를 통해, 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 셧다운 단자(SHDN)에 인가되는 전압이 '로우' 상태로 바뀜으로써, 상기 칩이 활성화 상태로 변환되어, 부스터의 승압 동작이 이루어지도록 하며,
    다시 상기 입력 전압(V3)이 상기 최저 문턱전압(Vth) 미만으로 떨어질 경우에는, 상기 PWM 제어부를 셧다운시켜, 부스터의 승압 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 승압기는, 상기 입력부의 입력 전압(V3)이 최저 문턱전압(Vth) 이상이여서, 상기 PWM 제어부가 활성화 상태로 되어, 부스터의 승압 동작이 시작되는 경우, 상기 입력 전압이 제6 제너다이오드(D6)를 통해 소프트 스타터 회로(3700)의 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 이미터에 접속되며, 상기 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 콜렉터는 푸쉬풀 연결용 다이오드(D7)를 통해 상기 PWM제어부의 스위칭용 칩(U1)의 소프트 스타터 단자(SS)에 접속되어 지며, 그리하여, 상기 입력 전압(V3)이 상기 최저 문턱전압(Vth) 이상일 경우, 제6 제너다이오드(D6)를 브레이크 다운시키게 되고, 저전압 상태가 되는 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 이미터로 베이스단으로부터의 전류가 흐르게 되므로, 상기 제5 스위칭용 트랜지스터(Q5)의 콜렉터측 저항(R17)에 걸리는 전압(VR17)이 서서히 상승함으로서, 연결용 다이오드(D7)의 푸쉬풀 동작에 의해, 상기 스위칭용 칩(U1)의 소프트 스타터 단자(SS)에, 상기 공칭전압에 이를 때까지 서서히 증가하는 전압(0V~4V)이 인가되게 되며, 이에 응하여, 상기 스위칭용 칩(U1)은, 최저 역율로부터 최대 역율로까지의 서서히 증가하는 역율을 갖는 펄스파를 스위칭용 트랜지스터(Q3, Q4)로 출력하게 됨으로써, 서서히 증가하는 PWM 제어를 하게 되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충방전 모드 전환 장치를 구비한 전기자동차의 전원 장치에 사용되는 승압기.
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