KR20210112153A - 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치 - Google Patents

전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, 배터리로부터의 제1 직류 전원을 입력받는 제1 입력단과, 발전 장치로부터의 제2 직류 전원을 입력받는 제2 입력단과, 복수의 상암 스위칭 소자와 복수의 하암 스위칭 소자를 구비하고, 제1 직류 전원 또는 제2 직류 전원을 스위칭하여 dc단에 직류 전원을 출력하는 스위칭 모듈과, dc단에 배치되는 dc단 커패시터를 포함하고, 발전 장치의 발전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 하암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작하고, 배터리의 충전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있게 된다.

Description

전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치{Power converting device, and energy storage apparatus including the same}
본 발명은 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.
에너지 저장장치는, 외부로부터의 전원을 저장 또는 충전하였다가, 외부로 저장된 전원을 출력 또는 방전하는 장치이다.
이를 위해, 에너지 저장장치는 배터리를 구비하며, 배터리로의 전원 공급 또는 배터리로부터의 전원 출력 등을 위해 전력변환장치가 사용된다.
한편, 에너지 저장장치에는 복수의 직류 전원 소스가 사용되며, 각 직류 전원 소스 별로, 스위칭 모듈을 구성할 경우, 에너지 저장장치 내의 전력변환장치의 부피가 커지며, 비용 등이 증가하는 등의 문제가 있을 수 있다.
한국공개특허번호, 제2011-0123130호에 의하면, 태양광 PCS 일체형 양방향 배터리 충방전 시스템이 개시돠나, PV(10)의 전력을 변환하는 DC/DC컨버터부(110)와 배터리(30)의 전력을 변환하는 DC/DC컨버터부(140)의 동작 모듈을 별도로 구성함으로써, 전력변환장치의 부피가 커지며, 비용 등이 증가하는 등의 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 목적은, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있는 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 복수의 직류 전원 소스에도 컴팩트한 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, 배터리로부터의 제1 직류 전원을 입력받는 제1 입력단과, 발전 장치로부터의 제2 직류 전원을 입력받는 제2 입력단과, 복수의 상암 스위칭 소자와 복수의 하암 스위칭 소자를 구비하고, 제1 직류 전원 또는 제2 직류 전원을 스위칭하여 dc단에 직류 전원을 출력하는 스위칭 모듈과, dc단에 배치되는 dc단 커패시터를 포함하고, 발전 장치의 발전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 하암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작하고, 배터리의 충전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작할 수 있다.
한편, 배터리의 방전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부, 또는 스위칭 모듈의 복수의 하암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, 제1 입력단과 스위칭 모듈 사이에 배치되는 제1 릴레이 소자와, 제2 입력단과 스위칭 모듈 사이에 배치되는 제2 릴레이 소자를 더 포함할 수 있다.
한편, 스위칭 모듈은, 제1 노드와 제2 노드 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 상암 스위칭 소자와, 제3 노드와 제4 노드 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 하암 스위칭 소자를 포함하고, 제1 및 제2 릴레이 소자의 일단은, 스위칭 모듈 내의 제3 노드에 공통으로 접속되며, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온되는 경우, 제2 릴레이 소자, 및 제3 노드를 거쳐 변환된 직류 전원이 dc단 커패시터에 출력되거나, dc단 커패시터에 저장된 직류 전원이, 제1 노드를 거쳐, 배터리로 충전된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자가 턴 오프되는 경우, 제1 릴레이 소자, 및 제3 노드를 거쳐 변환된 직류 전원이 dc단 커패시터에 출력된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, 제1 입력단과 제2 노드 사이에 배치되는 제1 인덕터와, 제2 입력단과 제3 노드 사이에 배치되는 제2 인덕터와, 제2 노드와 그라운드 사이에 배치되는 제1 다이오드와, 제3 노드와 dc단 커패시터의 일단 사이에 배치되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자가 턴 오프된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 제1 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 dc단 커패시터에 출력된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 제2 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 dc단 커패시터에 출력된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 제2 인덕터에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 제2 직류 전원과 제2 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 부스팅된 부스팅된 전압이 dc단 커패시터에 출력된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, dc단 커패시터에 저장된 직류 전원이, 변환되어, 변환된 직류 전원이 배터리로 출력된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 제1 인덕터에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 제1 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 배터리로 출력된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, dc단의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하거나, 외부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 양방향 인버터를 더 포함할 수 있다.
한편, 계통 충전 모드시, 배터리의 충전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작할 수 있다.
한편, 양방향 인버터가 동작하여, 외부의 계통으로부터의 교류 전원이 변환되어 변환된 직류 전원이 dc단에 저장된 상태에서, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온되고, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 제1 인덕터에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 제1 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 배터리로 출력된다.
한편, 발전 장치의 발전 모드시, 배터리의 충전 모드시, 배터리의 방전 모드시, 또는 계통 충전 모드시, 스위칭 모듈이 모두 동작할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, 배터리로부터의 제1 직류 전원을 입력받는 제1 입력단과, 발전 장치로부터의 제2 직류 전원을 입력받는 제2 입력단과, 복수의 상암 스위칭 소자와 복수의 하암 스위칭 소자를 구비하고, 제1 직류 전원 또는 제2 직류 전원을 스위칭하여 dc단에 직류 전원을 출력하는 스위칭 모듈과, dc단에 배치되는 dc단 커패시터를 포함하고, 발전 장치의 발전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 하암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작하고, 배터리의 충전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있게 된다. 또한, 복수의 직류 전원 소스에도 컴팩트한 전력변환장치를 구현할 수 있게 된다.
한편, 배터리의 방전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부, 또는 스위칭 모듈의 복수의 하암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, 제1 입력단과 스위칭 모듈 사이에 배치되는 제1 릴레이 소자와, 제2 입력단과 스위칭 모듈 사이에 배치되는 제2 릴레이 소자를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있게 된다.
한편, 스위칭 모듈은, 제1 노드와 제2 노드 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 상암 스위칭 소자와, 제3 노드와 제4 노드 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 하암 스위칭 소자를 포함하고, 제1 및 제2 릴레이 소자의 일단은, 스위칭 모듈 내의 제3 노드에 공통으로 접속되며, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온되는 경우, 제2 릴레이 소자, 및 제3 노드를 거쳐 변환된 직류 전원이 dc단 커패시터에 출력되거나, dc단 커패시터에 저장된 직류 전원이, 제1 노드를 거쳐, 배터리로 충전된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치를 사용하여 배터리의 방전 모드 또는 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자가 턴 오프되는 경우, 제1 릴레이 소자, 및 제3 노드를 거쳐 변환된 직류 전원이 dc단 커패시터에 출력된다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, 제1 입력단과 제2 노드 사이에 배치되는 제1 인덕터와, 제2 입력단과 제3 노드 사이에 배치되는 제2 인덕터와, 제2 노드와 그라운드 사이에 배치되는 제1 다이오드와, 제3 노드와 dc단 커패시터의 일단 사이에 배치되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자가 턴 오프된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 제1 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 dc단 커패시터에 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치를 사용하여 배터리의 방전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 제2 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 dc단 커패시터에 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치를 사용하여 발전 장치의 발전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 제2 인덕터에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 제2 직류 전원과 제2 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 부스팅된 부스팅된 전압이 dc단 커패시터에 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치를 사용하여 발전 장치의 발전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, dc단 커패시터에 저장된 직류 전원이, 변환되어, 변환된 직류 전원이 배터리로 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치를 사용하여 배터리의 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 제1 인덕터에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 제1 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 배터리로 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치를 사용하여 배터리의 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는, dc단의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하거나, 외부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 양방향 인버터를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있으므로, 컴팩트한 전력변환장치의 구현이 가능하게 된다.
한편, 계통 충전 모드시, 배터리의 충전 모드시에, 스위칭 모듈의 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있으므로, 컴팩트한 전력변환장치의 구현이 가능하게 된다.
한편, 양방향 인버터가 동작하여, 외부의 계통으로부터의 교류 전원이 변환되어 변환된 직류 전원이 dc단에 저장된 상태에서, 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자가 턴 온되고, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 제1 인덕터에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 제1 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 배터리로 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치를 사용하여 계통 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 발전 장치의 발전 모드시, 배터리의 충전 모드시, 배터리의 방전 모드시, 또는 계통 충전 모드시, 스위칭 모듈이 모두 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈을 동작시킬 수 있으므로, 컴팩트한 전력변환장치의 구현이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템을 도시한 도면이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명과 관련된 전력변환장치를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 도면이다.
도 3b는 도 3a의 전력변환장치의 크기를 간략히 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 10은 도 3a의 전력변환장치의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템을 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템(10)은, 적어도 하나의 발전 장치(30), 에너지 저장 장치(100) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환 시스템(10)은, 부하(70), 및 계통(90)을 더 포함할 수 있다.
부하(70)는, 건물 내에 전력을 소비하는 부하로서, 냉장고, 세탁기, 에어컨, TV, 로봇 청소기, 로봇 등의 홈 어플라이언스 또는, 차량, 드론 등의 이동형 전자 기기 등을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 발전 장치(30)는, 태양광을 이용하여 직류 전원을 출력하는 태양광 장치(PV), 풍력을 이용하여 직류 전원을 출력하는 풍력 발전 장치, 수력을 이용하여 직류 전원을 출력하는 수력 발전 장치, 조력을 이용하여 직류 전원을 출력하는 조력 발전 장치, 또는 지열 등의 열을 이용하여 직류 전원을 출력하는 열 발전 장치 등을 포함할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 발전 장치(30)로 태양광 장치를 중심으로 기술한다.
에너지 저장 장치(100)는, 외부로부터의 전원을 배터리 등에 저장하였다가, 외부로 전원을 출력할 수 있다.
예를 들어, 에너지 저장 장치(100)는, 외부로부터의 직류 전원 또는 교류 전원을 입력받아, 배터리 등에 저장하였다가, 외부로 직류 전원 또는 교류 전원을 출력할 수 있다.
한편, 배터리(205)는 주로 직류 전원을 저장하므로, 에너지 저장 장치(100)는, 주로 적어도 하나의 직류 전원 소스로부터 직류 전원을 입력받아, 이를 배터리(205)에 저장하고, 배터리(205)에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 계통(90) 또는 부하(70)에 공급할 수 있다.
이때, 에너지 저장 장치(100) 내의 전력변환장치(200)가, 외부로부터의 직류 전원 또는 배터리(205)로부터의 직류 전원을 입력받아, 전력 변환을 수행하고, 전력 변환에 따라, 배터리(205)로 전압 충전하거나, 배터리(205)에 저장된 직류 전원을 계통(90) 또는 부하(70)에 공급할 수 있다.
특히, 에너지 저장 장치(100) 내의 전력변환장치(200)에, 복수의 직류 전원 소스로부터 직류 전원이 입력되는 경우에, 각각의 전력변환을 위해, 전력변환장치 내의 각각의 스위칭 모듈을 사용할 경우, 전력변환장치의 부피가 커지며, 비용 등이 증가하는 등의 문제가 있을 수 있다.
이에 본 발명에서는, 하나의 스위칭 모듈을 사용하여, 발전 장치(30)의 발전 모드, 배터리(205)의 충전 모드 등에, 공통으로 동작할 수 있는 전력변환장치(200)를 제안한다.
이를 위해, 배터리(205)로부터의 제1 직류 전원을 입력받는 제1 입력단(T1)과, 발전 장치(30)로부터의 제2 직류 전원을 입력받는 제2 입력단(T2)과, 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)와 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)를 구비하고, 제1 직류 전원 또는 제2 직류 전원을 스위칭하여 dc단(a-b단)에 직류 전원을 출력하는 스위칭 모듈(IBT)과, dc단(a-b단)에 배치되는 dc단 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
그리고, 발전 장치(30)의 발전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 동작하고, 배터리(205)의 충전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부가 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈(IBT)을 동작시킬 수 있게 된다. 또한, 복수의 직류 전원 소스에도 컴팩트한 전력변환장치(200)를 구현할 수 있게 된다.
한편, 발전 장치(30)의 발전 모드시, 배터리(205)의 충전 모드시, 배터리(205)의 방전 모드시, 또는 계통 충전 모드시, 스위칭 모듈(IBT)이 모두 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈(IBT)을 동작시킬 수 있으므로, 컴팩트한 전력변환장치(200)의 구현이 가능하게 된다.
도 2a와 도 2b는 본 발명과 관련된 전력변환장치를 도시한 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명과 관련된 전력변환장치(200x)는, 배터리(205)로부터의 직류 전원 또는 발전 장치(30)로부터의 직류 전원을 입력받을 수 있다.
즉, 2개의 직류 전원 소스로부터 직류 전원을 각각 입력받을 수 있다.
이때, 종래의 전력변환장치(200x)는, 배터리(205)로부터의 직류 전원의 전력변환을 위해, 제1 스위칭 모듈(IBTa)과, 발전 장치(30)로부터의 직류 전원의 전력변환을 위해, 제2 스위칭 모듈(IBTb)을 구비하여야 한다.
예를 들어, 배터리(205)의 방전 모드 또는 충전 모드시, 제1 스위칭 모듈(IBTa)이 동작하여야 하며, 발전 장치(30)의 발전 모드시, 제2 스위칭 모듈(IBTb)이 동작하여야 한다.
그리고, 계통에 의한 충전 모드시, 제1 스위칭 모듈(IBTa)이 동작하여야 한다.
도 2b는 도 2a의 전력변환장치의 크기를 간략히 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(200x)의 회로 보드(PCBx)는, 제1 스위칭 모듈(IBTa)과, 제2 스위칭 모듈(IBTb)과, 인버터(540)를 포함하여야 하므로, 그 폭이, 대략 wx 이며, 그 높이가, 대략 hx가 된다.
이와 같이, 전력변환장치(200x) 내에, 입력되는 직류 전원 소스의 개수에 대응하여, 제1 스위칭 모듈(IBTa)과, 제2 스위칭 모듈(IBTb)을 구비하는 경우, 전력변환장치(200x)치의 부피가 커지며, 어느 하나의 스위칭 모듈의 고장시, 전체 전력변환장치가 동작하지 않는 등, 내구성 악화의 원인이 되게 된다.
이에 본 발명에서는, 하나의 스위칭 모듈을 사용하여, 발전 장치(30)의 발전 모드, 배터리(205)의 충전 모드 등에, 공통으로 동작할 수 있는 전력변환장치(200)를 제안한다. 이에 대해서는 도 3a 이하를 참조하여 기술한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치를 도시한 도면이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(200)는, 배터리(205)로부터의 제1 직류 전원을 입력받는 제1 입력단(T1)과, 발전 장치(30)로부터의 제2 직류 전원을 입력받는 제2 입력단(T2)과, 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)와 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)를 구비하고, 제1 직류 전원 또는 제2 직류 전원을 스위칭하여 dc단(a-b단)에 직류 전원을 출력하는 스위칭 모듈(IBT)과, dc단(a-b단)에 배치되는 dc단 커패시터(C)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(200)는, 발전 장치(30)의 발전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 동작하고, 배터리(205)의 충전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부가 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈(IBT)을 동작시킬 수 있게 된다. 또한, 복수의 직류 전원 소스에도 컴팩트한 전력변환장치(200)를 구현할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(200)는, 제1 입력단(T1)과 스위칭 모듈(IBT) 사이에 배치되는 제1 릴레이 소자(R1)와, 제2 입력단(T2)과 스위칭 모듈(IBT) 사이에 배치되는 제2 릴레이 소자(R2)를 더 포함할 수 있다.
한편, 스위칭 모듈(IBT)은, 제1 노드(n1)와 제2 노드(n2) 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)와, 제3 노드(n3)와 제4 노드(n4) 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 릴레이 소자(R2)의 일단은, 스위칭 모듈(IBT) 내의 제3 노드(n3)에 공통으로 접속된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(200)는, 제1 입력단(T1)과 제2 노드(n2) 사이에 배치되는 제1 인덕터(L1)와, 제2 입력단(T2)과 제3 노드(n3) 사이에 배치되는 제2 인덕터(L2)와, 제2 노드(n2)와 그라운드(GND) 사이에 배치되는 제1 다이오드(D1)와, 제3 노드(n3)와 dc단 커패시터(C)의 일단 사이에 배치되는 제2 다이오드(D2)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(200)는,dc단(a-b단)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하거나, 외부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 양방향 인버터(540)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(200)는, 스위칭 모듈(IBT)과, 양방향 인버터(540)를 제어하는 제어부(570)를 더 포함할 수 있다.
한편, 제어부(570)는, 제1 릴레이 소자(R1)와, 제2 릴레이 소자(R2)를 더 제어할 수 있다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온되는 경우, 제2 릴레이 소자(R2), 및 제3 노드(n3)를 거쳐 변환된 직류 전원이 dc단 커패시터(C)에 출력되거나, dc단 커패시터(C)에 저장된 직류 전원이, 제1 노드(n1)를 거쳐, 배터리(205)로 충전된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 배터리(205)의 방전 모드 또는 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제어부(570)는, 발전 장치(30)의 발전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 동작하고, 배터리(205)의 충전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부가 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(570)는, 배터리(205)의 방전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부, 또는 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 동작하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈(IBT)을 동작시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부(570)는, 계통 충전 모드시, 배터리(205)의 충전 모드시에, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부가 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(570)는, 발전 장치(30)의 발전 모드시, 배터리(205)의 충전 모드시, 배터리(205)의 방전 모드시, 또는 계통 충전 모드시, 스위칭 모듈(IBT)이 모두 동작하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈(IBT)을 동작시킬 수 있으므로, 컴팩트한 전력변환장치(200)의 구현이 가능하게 된다.
도 3b는 도 3a의 전력변환장치의 크기를 간략히 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(200)의 회로 보드(PCB)는, 도 2a와 달리, 하나의 스위칭 모듈(IBT)만을 구비한다.
즉, 전력변환장치(200)의 회로 보드(PCB)는, 하나의 스위칭 모듈(IBT)과, 인버터(540)를 포함한다. 이에 따라, 그 폭이, 대략 wa 이며, 그 높이가, 대략 ha가 된다.
즉, 도 3b의 전력변환장치(200)의 회로 보드(PCB)의 폭(Wa)은, 도 2b의 폭인 wx 보다 작게 된다. 따라서, 컴팩트한 전력변환장치를 구현할 수 있게 된다.
도 4 내지 도 10은 도 3a의 전력변환장치의 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 4는 제1 릴레이 소자(R1)와 제2 릴레이 소자(R2)의 동작에 따른 모드를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프되는 경우, 대기 모드가 수행된다.
다음, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온되는 경우, 발전 장치(30)로부터의 직류 전원이 스위칭 모듈(IBT)이 입력되며, 이에 따라 발전 모드가 수행될 수 있다.
즉, 발전 장치(30)로부터의 직류 전원이 스위칭 모듈(IBT) 내의 제3 노드(n3)를 거쳐, 변환되어, dc단 커패시터(C)에 저장되거나, 인버터(540)가 순방향으로 동작하는 경우, 인버터(540)를 통해, 계통(90)으로 출력될 수 있다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온된 상태에서, 인버터(540)가 동작하지 않는 경우, dc단 커패시터(C)에 저장된 전압이, 스위칭 모듈(IBT) 내의 제1 노드(n1)를 거쳐, 배터리(205)로 충전되는 배터리 충전 모드가 수행될 수 있다.
다음, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프되는 경우, 배터리 방전 모드가 수행되어, 배터리(205)에 저장된 전압이, 스위칭 모듈(IBT) 내의 제3 노드(n3)를 거쳐, dc단 커패시터(C)에 출력된다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온되는 경우는, 배터리(205)와 발전 장치(30) 사이에 쇼트(short) 발생 가능성이 있으므로, 수행되지 않아야 한다.
상기의 발전 모드, 충전 모드, 방전 모드 등에 대해서는, 도 6 이하를 참조하여 보다 상세히 기술한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 동작방법을 나타내는 순서도이다.
도면을 참조하면, 전력변환장치(200) 내의 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된다(S510). 이에 따라, 대기 모드가 수행된다.
이때, 전력변환장치(200) 내의 전압 검출부(미도시)는, 발전 장치(30)로부터의 직류 전원의 레벨을 검출한다(S515).
전력변환장치(200) 내의 전압 검출부(미도시)는, 도 3a의 제2 입력단(T2)과 제2 인덕터(L2) 사이에 배치될 수 있다.
한편, 전력변환장치(200) 내의 전압 검출부(미도시)에서 검출된 전압은, 제어부(570)로 입력될 수 있다.
제어부(570)는, 전압 검출부(미도시)에서 검출된 전압이 소정 범위 이내인지 여부를 판단한다(S520).
여기서 소정 범위 이내는, 발전 장치(30)의 정상 동작 범위 이내에 대응할 수 있다.
한편, 제어부(570)는, 전압 검출부(미도시)에서 검출된 전압이 소정 범위 이내인 경우, 발전 모드가 수행되도록, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온되도록 제어할 수 있다(S525).
그리고, 제어부(570)는, 발전 모드 수행을 위해, 제1 릴레이 소자(R1)의 턴 오프, 제2 릴레이 소자(R2)의 턴 온 외에, 추가로, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 동작하도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 발전 장치(30)로부터의 제2 직류 전원이 부스팅되어, 부스팅된 직류 전원이 dc단 커패시터(C)로 출력될 수 있다.
한편, 제520 단계(S520)에서, 전압 검출부(미도시)에서 검출된 전압이 소정 범위를 벗어난 경우, 제어부(570)는, 방전 모드 등이 수행되도록, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프되도록 제어할 수 있다(S530).
이에 따라, 배터리 방전 모드가 수행되어, 배터리(205)에 저장된 전압이, 스위칭 모듈(IBT) 내의 제3 노드(n3)를 거쳐, dc단 커패시터(C)에 출력될 수 있다.
도 6 내지 도 10은 전력변환장치의 각 종 모드 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 6은, 전력변환장치(200)의 dc단 커패시터의 초기 충전 모드를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 제어부(570)는, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프도록 제어할 수 있다.
제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 경우, Iapth1의 전류 패쓰에 따라, 배터리(205)의 제1 직류 전원이, 제1 인덕터(L1), 제1 릴레이 소자(R1), 제3 노드(n3), 제2 다이오드(D2)를 거쳐, dc단 커패시터(C)로 전달된다. 따라서, dc단 커패시터(C)의 초기 충전이 수행되게 된다.
이때, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)는 동작하지 않을 수 있다.
이와 달리, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 스위칭 동작(턴 온과 턴 오프 동작)을 수행할 수도 있다.
이러한 경우, 제1 인덕터(L1), 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부, 및 제2 다이오드(D2)에 의해, 부스트 컨버터로 동작할 수 있으며, 이에 따라, 부스팅된 전압이, dc단 커패시터(C)로 전달될 수 있다.
다음, 도 7은 전력변환장치(200)의 발전 모드를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 제어부(570)는, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프도록 제어할 수 있다.
제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온된 경우, Iapth2의 전류 패쓰에 따라, 발전 장치(30)의 제2 직류 전원이, 제2 인덕터(L2), 제2 릴레이 소자(R2), 제3 노드(n3), 제2 다이오드(D2)를 거쳐, dc단 커패시터(C)로 전달된다.
이때, 인버터(540)가 순방향 동작하는 경우, dc단 커패시터(C)의 직류 전원은, 교류 전원으로 변환되어, 계통(90), 또는 부하(70)로 공급될 수 있다.
즉, 발전 장치(30)의 발전 모드에 따라, 발전 장치(30)의 직류 전원이, 력변환장치(200)에서 변환되어, dc단 커패시터(C), 인버터(540)를 거쳐, 외부로 출력될 수 있다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 스위칭 동작(턴 온과 턴 오프 동작)을 수행할 수 있다.
이러한 경우, 제2 인덕터(L2), 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부, 및 제2 다이오드(D2)에 의해, 부스트 컨버터로 동작할 수 있으며, 이에 따라, 부스팅된 전압이, dc단 커패시터(C)로 전달될 수 있다.
다음, 도 8은 전력변환장치(200)의 배터리 충전 모드를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 제어부(570)는, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프도록 제어할 수 있다.
제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온된 경우, Iapth2의 전류 패쓰에 따라, 발전 장치(30)의 제2 직류 전원이, 제2 인덕터(L2), 제2 릴레이 소자(R2), 제3 노드(n3), 제2 다이오드(D2)를 거쳐, dc단 커패시터(C)로 전달된다.
이때, 인버터(540)가 순방향 동작하는 경우, dc단 커패시터(C)의 직류 전원은, 교류 전원으로 변환되어, 계통(90), 또는 부하(70)로 공급될 수 있다.
즉, 발전 장치(30)의 발전 모드에 따라, 발전 장치(30)의 직류 전원이, 력변환장치(200)에서 변환되어, dc단 커패시터(C), 인버터(540)를 거쳐, 외부로 출력될 수 있다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 스위칭 동작(턴 온과 턴 오프 동작)을 수행할 수 있다.
이러한 경우, 제2 인덕터(L2), 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부, 및 제2 다이오드(D2)에 의해, 부스트 컨버터로 동작할 수 있으며, 이에 따라, 부스팅된 전압이, dc단 커패시터(C)로 전달될 수 있다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 경우, Iapth3의 전류 패쓰에 따라, dc단 커패시터(C)에 저장된 직류 전원이, 스위칭 모듈(IBT)의 제1 노드(n1), 제1 인덕터(L1)을 거쳐, 배터리(205)로 공급될 수 있다.
예를 들어, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부가 스위칭 동작(턴 온과 턴 오프 동작)을 수행할 수 있다.
이러한 경우, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부, 제1 인덕터(L1), 제1 다이오드(D1)에 의해, 벅 컨버터로 동작할 수 있으며, 이에 따라, 강압된 전압이, 배터리(205)로 공급될 수 있다.
다음, 도 9는 전력변환장치(200)의 배터리 방전 모드를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 제어부(570)는, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프도록 제어할 수 있다.
제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 인버터(540)가 순방향 동작하는 경우, Iapth4의 전류 패쓰에 따라, 배터리(205)의 제1 직류 전원이, 제1 인덕터(L1), 제1 릴레이 소자(R1), 제3 노드(n3), 제2 다이오드(D2), dc단 커패시터(C), 인버터(450)를 거쳐, 변환된 교류 전원이 계통(90) 또는 부하(70)로 공급될 수 있다.
즉, 배터리(205)의의 방전 모드에 따라, 배터리(205)의의 직류 전원이, 력변환장치(200)에서 변환되어, dc단 커패시터(C), 인버터(540)를 거쳐, 외부로 출력될 수 있다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부가 스위칭 동작(턴 온과 턴 오프 동작)을 수행할 수 있다.
이러한 경우, 제2 인덕터(L2), 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b) 중 적어도 일부, 및 제2 다이오드(D2)에 의해, 부스트 컨버터로 동작할 수 있으며, 이에 따라, 부스팅된 전압이, dc단 커패시터(C)로 전달될 수 있다.
다음, 도 10은 전력변환장치(200)의 계통 충전 모드를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 제어부(570)는, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 인버터(540)가 역방향으로 동작하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(570)는, 배터리(205)의 전압이 기준치 이하이거나, 긴급 상황인 경우, 계통 충전 모드가 수행되도록 제어할 수 있다.
제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 인버터(540)가 역방향으로 동작하는 경우, Iapth5의 전류 패쓰에 따라, 계통(90), 인버터(540), dc단 커패시터(C), 스위칭 모듈(IBT)의 제1 노드(n1), 제1 인덕터(L1)을 거쳐, 배터리(205)로, 변환된 직류 전원이 공급될 수 있다.
즉, 계통(90)의 교류 전원이, 인버터(540)의 역방향 동작에 의해 직류 전원으로 변환되고, 변환된 직류 전원이, dc단(a-b), 스위칭 모듈(IBT)의 제1 노드(n1), 제1 인덕터(L1)을 거쳐, 배터리(205)로 공급될 수 있다.
이때, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부가 스위칭 동작(턴 온과 턴 오프 동작)을 수행할 수 있다.
이러한 경우, 스위칭 모듈(IBT)의 복수의 상암 스위칭 소자(Qa,Qb) 중 적어도 일부, 제1 인덕터(L1), 제1 다이오드(D1)에 의해, 벅 컨버터로 동작할 수 있으며, 이에 따라, dc단 전압에 비해 강압된 전압이, 배터리(205)로 공급될 수 있다.
결국, 도 6 내지 도 10을 종합하여 보면, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온되는 경우, 제2 릴레이 소자(R2), 및 제3 노드(n3)를 거쳐 변환된 직류 전원이 dc단 커패시터(C)에 출력되거나, dc단 커패시터(C)에 저장된 직류 전원이, 제1 노드(n1)를 거쳐, 배터리(205)로 충전된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 배터리(205)의 방전 모드 또는 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프되는 경우, 제1 릴레이 소자(R1), 및 제3 노드(n3)를 거쳐 변환된 직류 전원이 dc단 커패시터(C)에 출력된다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈(IBT)을 동작시킬 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 온되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 오프된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 제1 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 dc단 커패시터(C)에 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 배터리(205)의 방전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 제2 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 dc단 커패시터(C)에 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 발전 장치(30)의 발전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)가 각각 턴 온되는 경우, 제2 인덕터(L2)에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 하암 스위칭 소자(Q'a,Q'b)가 각각 턴 오프되는 경우, 제2 직류 전원과 제2 인덕터(L2)에 저장된 에너지에 기초하여 부스팅된 부스팅된 전압이 dc단 커패시터(C)에 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 발전 장치(30)의 발전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)가 각각 스위칭을 수행하는 경우, dc단 커패시터(C)에 저장된 직류 전원이, 변환되어, 변환된 직류 전원이 배터리(205)로 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 배터리(205)의 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온된 상태에서, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)가 각각 턴 온되는 경우, 제1 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)가 각각 턴 오프되는 경우, 제1 인덕터(L1)에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 배터리(205)로 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 배터리(205)의 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 양방향 인버터(540)가 동작하여, 외부의 계통(90)으로부터의 교류 전원이 변환되어 변환된 직류 전원이 dc단(a-b단)에 저장된 상태에서, 제1 릴레이 소자(R1)가 턴 오프되고, 제2 릴레이 소자(R2)가 턴 온되고, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)가 각각 턴 온되는 경우, 제1 인덕터(L1)에 에너지가 저장되며, 제1 및 제2 상암 스위칭 소자(Qa,Qb)가 각각 턴 오프되는 경우, 제1 인덕터(L1)에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 배터리(205)로 출력된다. 이에 따라, 컴팩트한 전력변환장치(200)를 사용하여 계통 충전 모드를 수행할 수 있게 된다.
한편, 발전 장치(30)의 발전 모드시, 배터리(205)의 충전 모드시, 배터리(205)의 방전 모드시, 또는 계통 충전 모드시, 스위칭 모듈(IBT)이 모두 동작할 수 있다. 이에 따라, 복수의 직류 전원 소스에도 공통의 스위칭 모듈(IBT)을 동작시킬 수 있으므로, 컴팩트한 전력변환장치(200)의 구현이 가능하게 된다.
본 발명에 따른 전력변환장치, 및 이를 구비하는 에너지 저장장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (15)

  1. 배터리로부터의 제1 직류 전원을 입력받는 제1 입력단;
    발전 장치로부터의 제2 직류 전원을 입력받는 제2 입력단;
    복수의 상암 스위칭 소자와 복수의 하암 스위칭 소자를 구비하고, 상기 제1 직류 전원 또는 제2 직류 전원을 스위칭하여 dc단에 직류 전원을 출력하는 스위칭 모듈;
    상기 dc단에 배치되는 dc단 커패시터;를 포함하고,
    상기 발전 장치의 발전 모드시에, 상기 스위칭 모듈의 상기 복수의 하암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작하고,
    상기 배터리의 충전 모드시에, 상기 스위칭 모듈의 상기 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 방전 모드시에, 상기 스위칭 모듈의 상기 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부, 또는 상기 스위칭 모듈의 상기 복수의 하암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입력단과 상기 스위칭 모듈 사이에 배치되는 제1 릴레이 소자;
    상기 제2 입력단과 상기 스위칭 모듈 사이에 배치되는 제2 릴레이 소자;를 더 포함하고,
    상기 스위칭 모듈은,
    제1 노드와 제2 노드 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 상암 스위칭 소자;
    제3 노드와 제4 노드 사이에, 병렬 접속되는 제1 및 제2 하암 스위칭 소자;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 릴레이 소자의 일단은, 상기 스위칭 모듈 내의 상기 제3 노드에 공통으로 접속되며,
    상기 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 온되는 경우, 상기 제2 릴레이 소자, 및 상기 제3 노드를 거쳐 변환된 직류 전원이 상기 dc단 커패시터에 출력되거나, 상기 dc단 커패시터에 저장된 직류 전원이, 상기 제1 노드를 거쳐, 상기 배터리로 충전되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자가 턴 온되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 오프되는 경우, 상기 제1 릴레이 소자, 및 상기 제3 노드를 거쳐 변환된 직류 전원이 상기 dc단 커패시터에 출력되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 입력단과 상기 제2 노드 사이에 배치되는 제1 인덕터;
    상기 제2 입력단과 상기 제3 노드 사이에 배치되는 제2 인덕터;
    상기 제2 노드와 그라운드 사이에 배치되는 제1 다이오드;
    상기 제3 노드와 dc단 커패시터의 일단 사이에 배치되는 제2 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자가 턴 온되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 오프된 상태에서, 상기 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 상기 제1 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 상기 dc단 커패시터에 출력되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 상기 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 상기 제2 직류 전원이 부스팅되어 부스팅된 전압이 상기 dc단 커패시터에 출력되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 상기 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 상기 제2 인덕터에 에너지가 저장되며, 상기 제1 및 제2 하암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 상기 제2 직류 전원과 상기 제2 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 부스팅된 부스팅된 전압이 상기 dc단 커패시터에 출력되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 상기 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 스위칭을 수행하는 경우, 상기 dc단 커패시터에 저장된 직류 전원이, 변환되어, 변환된 직류 전원이 상기 배터리로 출력되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 온된 상태에서, 상기 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 상기 제1 인덕터에 에너지가 저장되며, 상기 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 상기 제1 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 상기 배터리로 출력되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 dc단의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하거나, 외부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 양방향 인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 제11항에 있어서,
    계통 충전 모드시, 상기 배터리의 충전 모드시에, 상기 스위칭 모듈의 상기 복수의 상암 스위칭 소자 중 적어도 일부가 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 dc단의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하거나, 외부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 양방향 인버터;를 더 포함하며,
    상기 양방향 인버터가 동작하여, 외부의 계통으로부터의 교류 전원이 변환되어 변환된 직류 전원이 상기 dc단에 저장된 상태에서, 상기 제1 릴레이 소자가 턴 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 턴 온되고, 상기 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 온되는 경우, 상기 제1 인덕터에 에너지가 저장되며, 상기 제1 및 제2 상암 스위칭 소자가 각각 턴 오프되는 경우, 상기 제1 인덕터에 저장된 에너지에 기초하여 강압된 전압이 상기 배터리로 출력되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 발전 장치의 발전 모드시, 상기 배터리의 충전 모드시, 상기 배터리의 방전 모드시, 또는 계통 충전 모드시, 상기 스위칭 모듈이 모두 동작하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  15. 배터리;
    제1항 내지 제14항의 전력변환장치;를 구비하는 에너지 저장장치.
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