KR20210125740A - 모듈화 형태의 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조 - Google Patents

모듈화 형태의 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단위 모듈로 배치 설계가 용이하여 충방전 시스템의 전원부 공간을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 기술적 사상에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 모듈화 형태의 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조는 고정밀 충방전기의 서브렉에 수직으로 세워진 상태에서 고정되는 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트의 일측면에 전기적 또는 물리적으로 탈부착되어 전지와 전력원 사이에서 양방향 AC-DC 변환 또는 양방향 DC-DC 변환을 통해 충방전을 처리하고, 상기 충방전을 처리하기 위한 구성회로들이 제1 방향으로 나열되어 제1 방향으로 긴 형상을 갖고, 상기 베이스 플레이트 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 병렬 배치되는 적어도 하나 이상의 충방전기 전원부를 포함할 수 있다.

Description

모듈화 형태의 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조{Structure Design of Modular Type High-precision Charger/Discharger}
본 발명은 단위 모듈로 배치 설계가 용이하여 충방전 시스템의 전원부 공간을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 기술적 사상에 관한 것이다.
이차전지는 외부에서 공급받은 전기에너지를 화학에너지의 형태로 변환하여 저장해 두었다가 필요할 때 다시 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 전기에너지가 화학에너지로 변환되는 충전과 역방향인 방전을 통하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지를 의미한다. 또한, 이차전지는 충전이 불가능하여 한 번 사용하고 나서 폐기하는 일차전지(건전지)와는 달리 이차전지는 반복적으로 충전 및 방전이 가능하므로 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등 콤팩트하고 경량화된 전자기기는 물론 근래 상용화된 하이브리드 자동차 및 전기자동차까지 그 사용범위가 확대되고 있다.
이차전지 중에서도 리튬 이차전지는 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 월등히 높고 급속 충전이 가능하며 보존과 수명이 우수하기 때문에 사용량이 증가하고 있는 추세이다. 통상적으로 이차전지는 조립이 완료된 후에 활성화를 이루기 위해 충방전기에 장착되어 수 회의 충전 및 방전 공정을 반복하면서 이차전지의 특성을 부여하는 화성(활성화)공정을 거치게 되는데, 활성화된 전지는 사용 가능한 전지로 완성된다. 화성공정은 전지의 양극 단자와 음극 단자를 각각 양극 접점 핀과 음극 접점 핀에 접촉시킨 후, 접점 핀들을 통하여 충전과 방전에 필요한 전류를 전지에 인가함으로써 이루어진다.
한편, 리튬이온 배터리, 리튬폴리머 배터리와 같은 이차전지를 생산하여 출고하기 위해서는 에이징(Aging) 공정, 충방전 공정, OCV(Open Circuit Voltage) 검사, IR(내부저항) 검사, Grading 등의 여러 가지 공정을 거치게 되는데, 이중에서 충방전 공정은 생산된 이차전지를 충전하고 방전하는 과정을 반복하여 제품으로 출하하게 된다.
도 1은 종래 충방전기 서브렉 구조(100)에서 사용되는 전원부(110)의 구성을 나타낸다.
기존 충방전기 서브렉 구조(100)에서는 시험을 위해 전원부(110)를 포함한 전체 시스템이 구성되어야 한다.
기존 충방전기 서브렉 구조(100)에서 채널 수를 확장하기 위해선 채널 수 변경에 따라 매번 서브렉을 재설계하고 인버터 용량 변경 설계가 필요하다.
한국등록특허 제101649333호 "2차 전지용 충방전기" 한국등록특허 제102069127호 "이차전지용 멀티 어레이 충방전기"
본 발명은 고정밀 충방전기 서브렉 구조를 통해 구조최적화를 통한 전류정밀도 향상을 목적으로 한다.
본 발명은 충방전기 전원부 구성을 모두 포함하고 있어서 단독으로 시험이 가능한 일체형 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 DC 그리드용 충방전기 전원부로 용도의 변환이 가능하도록, 서브렉 내에 구성되는 양방향 AC-DC　컨버터를 양방향 스텝 다운　DC-DC　컨버터(Bi-directional Step Down　DC-DC Covnerter)로 대체하는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 자체적으로 충방전기 전원부 역할을 하므로 필요에 따라 모듈 수를 확장하여 채널 수를 변경하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기존 대비 부피 축소 가능하도록 함으로써, 단위 모듈로 배치 설계가 용이하여 충방전 시스템의 전원부 공간을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
일실시예에 따른 모듈화 형태의 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조는 고정밀 충방전기의 서브렉에 수직으로 세워진 상태에서 고정되는 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트의 일측면에 전기적 또는 물리적으로 탈부착되어 전지와 전력원 사이에서 양방향 AC-DC 변환 또는 양방향 DC-DC 변환을 통해 충방전을 처리하고, 상기 충방전을 처리하기 위한 구성회로들이 제1 방향으로 나열되어 제1 방향으로 긴 형상을 갖고, 상기 베이스 플레이트 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 병렬 배치되는 적어도 하나 이상의 충방전기 전원부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 충방전기 전원부는, AC 그리드, AC 그리드와 양방향 DC-DC 컨버터 사이에서 양방향 전력변환을 하는 양방향 AC-DC 컨버터, 전지를 충전 또는 방전하는 양방향 DC-DC 컨버터, 및 상기 양방향 DC-DC 컨버터와 상기 전지를 물리적으로 연결하는 지그를 포함하고, 상기 AC 그리드, 상기 양방향 AC-DC 컨버터, 상기 양방향 DC-DC 컨버터, 및 상기 지그는 상기 제1 방향으로 직렬 형태로 순차적으로 나열된 긴 형상을 갖도록 PCB 채널 상에 배치될 수 있다.
일실시예에 따른 상기 충방전기 전원부는, DC 그리드, 상기 DC 그리드로부터 전달되는 고전압의 입력을 제2 양방향 DC-DC 컨버터에 적합한 저전압 DC로 양방향의 형태로 전력변환하여 제공하는 제1 양방향 DC-DC 컨버터, 상기 전력변환된 저전압 DC 전지를 충전하거나 또는 방전하는 제2 양방향 DC-DC 컨버터, 및 상기 제2 양방향 DC-DC 컨버터와 상기 전지를 물리적으로 연결하는 지그를 포함하고, 상기 DC 그리드, 상기 제1 양방향 DC-DC 컨버터, 상기 제2 양방향 DC-DC 컨버터, 및 상기 지그는 상기 제1 방향으로 직렬 형태로 순차적으로 나열된 긴 형상을 갖도록 PCB 채널 상에 배치될 수 있다.
일실시예에 따른 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조는 상기 베이스 플레이트의 타측면에 제어컨트롤러가 배치될 수 있다.
일실시예에 따른 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조는 서로 다른 베이스 플레이트들 사이에 배치되는 격벽을 더 포함한다.
일실시예에 따르면, 고정밀 충방전기 서브렉 구조를 통해 구조최적화를 통한 전류 정밀도 향상시킬 수 있다.
일실시예에 따르면, 충방전기 전원부 구성을 모두 포함하고 있어서 단독으로 시험이 가능한 일체형 파워 모듈을 제공할 수 있다.
일실시예에 따르면, DC 그리드용 충방전기 전원부로 용도의 변환이 가능하도록, 서브렉 내에 구성되는 양방향 AC-DC　컨버터를 양"?* 스텝 다운　DC-DC　컨버터(Bi-directional Step Down　DC-DC Covnerter)로 대체하는 구조를 제공할 수 있다.
일실시예에 따르면, 자체적으로 충방전기 전원부 역할을 하므로 필요에 따라 모듈 수를 확장하여 채널 수를 변경할 수 있다.
일실시예에 따르면, 기존 대비 부피 축소 가능하도록 함으로써, 단위 모듈로 배치 설계가 용이하여 충방전 시스템의 전원부 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.
도 1은 종래 충방전기 서브렉 구조에서 사용되는 전원부의 구성을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 고정밀 충방전기 서브렉 구조의 전원부를 설명하는 블록도이다.
도 3은 PCB 채널이 부착된 충방전기 전원부를 나타낸다.
도 4a 내지 4b는 PCB 채널이 부착된 서브렉 구조의 충방전기 전원부를 설명하는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 고정밀 충방전기 서브렉 구조의 전원부를 설명하는 블록도이다.
특히, 본 발명에 따른 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조는 베이스 플레이트와 베이스 플레이트의 일측면에서 탈부착되는 형태의 충방전기 전원부를 포함할 수 있다.
충방전기 전원부는 베이스 플레이트의 일측면에 전기적 또는 물리적으로 탈부착되어 전지와 전력원 사이에서 AC-DC 변환 또는 DC-DC 변환을 통해 충방전을 처리할 수 있다. 또한, 충방전을 처리하기 위한 구성회로들이 제1 방향으로 나열되어 제1 방향으로 긴 형상을 가질 수 있다.
먼저, 도 2a를 살펴보면, 일실시예에 따른 충방전기 전원부(210)는 충방전을 위해 AC를 DC로 변환하는 과정이 필요한 경우에 활용이 가능하며, AC 그리드(211), 양방향 AC-DC 컨버터(212), 양방향 DC-DC 컨버터(213), 및 지그(214)를 포함할 수 있다.
양방향 AC-DC 컨버터(212)는 AC 그리드(211)와 양방향 DC-DC 컨버터(213) 사이에서 양방향 전력변환의 기능을 담당한다.
양방향 DC-DC 컨버터(213)는 전지를 충전 또는 방전하는 기능을 담당하고, 지그(214)는 양방향 DC-DC 컨버터(213)와 전지를 물리적으로 연결할 수 있다.
한편, AC 그리드(211), 양방향 AC-DC 컨버터(212), 양방향 DC-DC 컨버터(213), 및 지그(214)는 제1 방향으로 직렬 형태로 순차적으로 나열된 긴 형상을 갖도록 PCB 채널 상에 배치될 수 있다.
충방전기 전원부(210)는 베이스 플레이트 상에서 적어도 하나 이상, 바람직하게는 복수개가 배치될 수 있다.
이때, 베이스 플레이트 상에서 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 병렬 배치될 수 있다.
제1 방향과 제2 방향은 베이스 플레이트로 형성되는 평면 상에서 x축 또는 y축과 같이 서로 직교하는 축으로 연장되는 방향일 수 있다.
다음으로, 도 2b는 충방전을 위해 AC를 DC로 변환하는 과정이 필요하지 않은 경우의 충방전기 전원부(220)에 해당하며, DC 그리드(221), 양방향 DC-DC 컨버터(222), 양방향 DC-DC 컨버터(223), 및 지그(224)를 포함할 수 있다.
DC 그리드(221)로부터 전달되는 고전압의 입력을 양방향 DC-DC 컨버터(223)에 적합한 저전압 DC로 양방향의 형태로 전력변환하여 제공하는 양방향 DC-DC 컨버터(222)를 포함할 수 있다.
또한, 양방향 DC-DC 컨버터(223)는 전력변환된 저전압 DC 전지를 충전하거나 또는 방전하는 기능을 담당할 수 있다.
한편, 지그(224)는 양방향 DC-DC 컨버터(223)와 전지를 물리적으로 연결하는 기능을 담당할 수 있다.
일실시예에 따른 충방전기 전원부(220)는 DC 그리드(221), 양방향 DC-DC 컨버터(222), 양방향 DC-DC 컨버터(223), 및 지그(224)를 포함할 수 있고, 제1 방향으로 직렬 형태로 순차적으로 나열된 긴 형상을 갖도록 PCB 채널 상에 배치될 수 있다.
마찬가지로, 충방전기 전원부(220)는 베이스 플레이트 상에서 적어도 하나 이상, 바람직하게는 복수개가 배치될 수 있고, 베이스 플레이트 상에서 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 병렬 배치될 수 있다.
도 3은 PCB 채널(302)이 부착된 충방전기 전원부(300)를 나타낸다.
이를 위해, 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조는 베이스 플레이트(301)의 일측면에 PCB 채널(302)을 포함하는 구성회로들이 부착되는 형태로 배치되는 형태로 하나의 충방전기 전원부가 형성될 수 있다.
또한, 하나의 충방전기 전원부(300)는 고정밀 충방전기의 서브렉에 수직으로 세워진 상태에서 여러 개가 겹겹이 장착되는 형태로 배치될 수 있다.
바람직하게는, 하나의 충방전기 전원부(300)는 8개의 PCB 채널(302)이 부착되어 양방향의 DC-DC 컨버터의 기능을 수행할 수 있다.
PCB 채널에 배치되는 양방향 DC-DC 컨버터는 PCB 채널(302)의 형태로 구현되며, 제1 방향으로 긴 형태로 형성될 수 있고, 복수개가 제1 방향에 수직인 제2 방향에서 나란히 배치될 수 있다.
한편, 도면부호 303에서 보는 바와 같이, 션트를 PCB채널의 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 배치함으로서, 온도차의 오차범위를 줄여 정밀하게 전류가 흐르도록 할 수 있다.
도면부호 304는 양방향 AC-DC 컨버터에 해당하며, AC 그리드와 양방향 DC-DC 컨버터 사이에서 양방향 전력변환을 할 수 있다.
도면부호 305는 충방전기 전원부(300)의 과열을 방지하기 위해 온도를 낮출 수 있는 FAN의 기능을 담당할 수 있다.
도 4a 내지 4b는 PCB 채널이 부착된 서브렉 구조의 충방전기 전원부를 설명하는 도면이다.
또한, 도 4a에서 보는 바와 같이, 하나의 고정밀 충방전기의 서브렉 구조에서는 9개의 충방전기 전원부(410)가 병렬된 구조로 나란히 배치되어 공간 효율을 높일 수 있다.
이때, 충방전기 전원부(410)의 서로 다른 베이스 플레이트들 사이에 배치되는 격벽이 배치되어 차폐 기능을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 4b는 베이스 플레이트를 중심으로 충방전기 전원부(410)가 배치되는 일측면과, 그에 반대되는 타측면을 도시하는 실시예(430)이다.
베이스 플레이트의 타측면에는 제어컨트롤러가 실장되는 형태로 배치될 수 있고, 충방전기 전원부(410)와 제어컨트롤러를 베이스 플레이트를 기준으로 서로 반대 측면에 배치할 수 있다.
이로써, 종래 충방전기 구성에서는 시험을 위해 전체 시스템이 구성되어야 하는 문제를 해소할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 고정밀 충방전기의 서브렉 구조에서는 충방전기 전원부(410)를 단독으로 시험이 가능하다.
또한, 서브렉 내에 구성되는 양방향 AC-DC 컨버터를 양방향 스텝 다운 DC-DC 컨버터로 대체하여 바로 DC 그리드용 충방전기 전원부로 사용이 가능하다.
또한, 종래의 충방전기에서는 채널 수를 확장하기 위해선 채널 수 변경에 따라 매번 서브렉을 재설계하고 인버터 용량을 변경하는 과정이 필요했다.
그러나, 본 발명에 따른 고정밀 충방전기의 서브렉 구조에서는 자체적으로 충방전기 전원부(410)의 역할이 가능 하므로 필요에 따라 모듈 수를 확장하여 채널 수 변경이 가능하다.
즉, 충방전기 전원부(410)를 단위 모듈로 배치 설계가 용이하여 충방전 시스템의 전원부 공간을 효율적으로 사용할 수 있어, 기존 대비 현저한 부피 축소 가능하다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. 고정밀 충방전기의 서브렉에 수직으로 세워진 상태에서 고정되는 베이스 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트의 일측면에 전기적 또는 물리적으로 탈부착되어 전지와 전력원 사이에서 양방향 AC-DC 변환 또는 양방향 DC-DC 변환을 통해 충방전을 처리하고, 상기 충방전을 처리하기 위한 구성회로들이 제1 방향으로 나열되어 제1 방향으로 긴 형상을 갖고, 상기 베이스 플레이트 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 병렬 배치되는 적어도 하나 이상의 충방전기 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈화 형태의 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전기 전원부는,
    AC 그리드;
    상기 AC 그리드와 양방향 DC-DC 컨버터 사이에서 양방향 전력변환을 하는 양방향 AC-DC 컨버터;
    전지를 충전 또는 방전하는 양방향 DC-DC 컨버터; 및
    상기 양방향 DC-DC 컨버터와 상기 전지를 물리적으로 연결하는 지그
    를 포함하고,
    상기 AC 그리드, 상기 양방향 AC-DC 컨버터, 상기 양방향 DC-DC 컨버터, 및 상기 지그는 상기 제1 방향으로 직렬 형태로 순차적으로 나열된 긴 형상을 갖도록 PCB 채널 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충방전기 전원부는,
    DC 그리드;
    상기 DC 그리드로부터 전달되는 고전압의 입력을 제2 양방향 DC-DC 컨버터에 적합한 저전압 DC로 양방향의 형태로 전력변환하여 제공하는 제1 양방향 DC-DC 컨버터;
    상기 전력변환된 저전압 DC 전지를 충전하거나 또는 방전하는 제2 양방향 DC-DC 컨버터; 및
    상기 제2 양방향 DC-DC 컨버터와 상기 전지를 물리적으로 연결하는 지그
    를 포함하고,
    상기 DC 그리드, 상기 제1 양방향 DC-DC 컨버터, 상기 제2 양방향 DC-DC 컨버터, 및 상기 지그는 상기 제1 방향으로 직렬 형태로 순차적으로 나열된 긴 형상을 갖도록 PCB 채널 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 타측면에 제어컨트롤러가 배치되는 것을 특징으로 하는 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조.
  5. 제1항에 있어서,
    서로 다른 베이스 플레이트들 사이에 배치되는 격벽을 더 포함하는 고정밀 충방전기 서브렉 조립구조.
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