KR20240043943A

KR20240043943A - 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기

Info

Publication number: KR20240043943A
Application number: KR1020220123033A
Authority: KR
Inventors: 김재혁
Original assignee: 원광대학교산학협력단
Priority date: 2022-09-28
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2024-04-04

Abstract

듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력 전원으로 3상 계통 전원을 사용하여 배터리를 충전하고, 3상 계통을 통해 배터리의 전기에너지를 소모하여 방전 동작을 수행하며, 2개의 출력 채널을 가지고 있어 동시에 2개의 배터리를 충전 및 방전하는 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기가 제공된다.

Description

듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기{Dual channel battery charger and discharger}

본 발명은 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기에 관한 것이다.

전기자동차, 이모빌리티(e-mobility), ESS(Energy Storage System) 등과 같이 전기시스템의 활용이 많아지고 있다.

이러한 전기시스템에 2차전지가 배터리로 이용되고 있으며, 효율적인 충전 및 방전 기술의 개발이 요구되고 있는 상황이다.

한국공개특허 제10-2019-0068358호 (2019.06.18. 공개) - 전기자동차 충방전 시스템과 그 방법

본 발명은 듀얼 채널을 채택하여 2차전지 상태 진단이 가능하며, 전기자동차, 이모빌리티, ESS 등에 활용 가능하고, 배터리 재활용 시장에서도 적용 가능한 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 입력 전원으로 3상 계통 전원을 사용하여 배터리를 충전하고, 3상 계통을 통해 배터리의 전기에너지를 소모하여 방전 동작을 수행하며, 2개의 출력 채널을 가지고 있어 동시에 2개의 배터리를 충전 및 방전하는 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기가 제공된다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 듀얼 채널을 채택하여 2차전지 상태 진단이 가능하며, 전기자동차, 이모빌리티, ESS 등에 활용 가능하고, 배터리 재활용 시장에서도 적용 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기의 시스템 구성도,
도 2는 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기의 전체적인 구조를 나타낸 도면,
도 3은 AC-DC 변환 3상 PFC의 회로도,
도 4는 CLLC 공진형 DC/DC 컨버터의 회로도,
도 5는 배터리의 CC/CV 모드를 나타낸 그래프.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

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.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 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, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기의 시스템 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기()는 20kW급 충방전기로서, 2채널 출력으로 각 채널당 20kW급 배터리가 체결될 수 있다.

배터리는 100V급 배터리를 타겟으로 하며, 사용자의 조작에 따라 충방전 동작을 수행할 수 있다.

입력 전원으로 3상 계통 전원을 사용하여 배터리를 충전하고, 3상 계통을 통해 배터리의 전기에너지를 소모하여 방전 동작을 수행할 수 있다.

파워 스테이지(Power stage)는 EMC 강화 필터, 센서 신호 처리, PFC, DC/DC 컨버터, SMPS, DSP 회로부를 포함할 수 있다.

본 시스템은 하드웨어 사양과 기능 사양으로 분류할 수 있다. 하드웨어 사양은 충방전기 드라이브의 회로, PCB, 센서 등과 같이 전기/전자 특성을 지니고 있는 내용을 다룰 수 있다. 기능 사양은 충/방전, 고장 진단, 통신, 데이터 처리 뿐만 아니라 각종 동작을 위한 펌웨어 알고리즘을 포함하고 있다.

도 2는 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기의 전체적인 구조를 나타낸 도면이다.

충방전기는 3상 계통 전원을 이용할 수 있다.

배터리는 2채널 형태로 각각 20kW(100V, 200A) 충전이 가능해야 한다.

3상 계통 전원은 전력용 퓨즈와 EMC 강화 필터를 통해 각 채널의 파워 스테이지 입력 전원이 되어 충/방전 동작을 수행한다.

파워 스테이지의 내부 구성으로는 정류 역할과 역률 개선을 위한 PFC와, 절연형 DC/DC 컨버터가 포함될 수 있다. PFC의 커패시터는 고주파 스위칭에 유리한 필름 커패시터를 적용할 수 있다.

DSP는 PFC와 DC/DC 컨버터의 충방전 동작을 제어하며, TCP/IP 통신을 통해 외부와 통신이 가능하고, LED 디스플레이를 통해 배터리의 전압/전류 정보를 상태표시창에 나타낼 수 있다.

충방전기는 소정 온도 범위(예컨대, -20~50℃)에서 동작이 보장되어야 하고, 제어기의 냉각을 위해 쿨링팬이 장착될 수 있다.

도 3은 AC-DC 변환 3상 PFC의 회로도이다.

PFC는 입력되는 3상 전압과 강 전류의 위상을 동기화시켜 역률을 개선시키는 역할을 한다. 본 실시예에 적용되는 PFC는 3상 PWM 컨버터의 형태로써, 부스트-컨버터 역할을 하기 때문에 출력되는 DC 링크의 전압이 과전압이 발생하지 않도록 유의해야 할 수 있다. 또한, 전류의 연속성을 안정하게 제어하기 위해, 전단의 EMC 필터와의 적절한 조화를 이루게 할 수 있다.

3상 PWM 컨버터에는 6개의 전력용 반도체가 적용되며, 양방향 전력 제어가 가능하고 SVPWM을 이용한 제어 알고리즘을 적용하여 제어방식이 간단한 장점이 있다. 다만, 상단 스위치를 제어하기 위해 부유(floating) 형태의 전압원을 사용하거나, 부트-스트랩(bootstrap)을 이용하여 게이트 전압을 인가해야 하며, 절연 상태의 게이트 전압을 생성하기 때문에 복잡한 구조를 지닐 수 있다.

도 4는 CLLC 공진형 DC/DC 컨버터의 회로도이다.

8개의 전력용 반도체와 1개의 트랜스를 포함하며, 트랜스를 중심으로 대칭형의 구조를 가지고 있다. 1차측에서 2차측으로 전력 제어를 할 경우, 1차측은 위상 천이 제어 방식을 적용하고, 2차측은 1차측과 동기화시켜 준구형파 제어를 수행한다. 반대로 2차측에서 1차측으로 전력 제어를 할 경우에는 제어 방식도 반대로 수행한다.

1차측은 3상 PFC의 출력과 연결되고, 2차측은 LC 필터 이후에 배터리와 연결되며, 트랜스의 절연 내압에 의해 1차측과 2차측의 절연 내압이 정해질 수 있다.

본 실시예에 따른 충방전기는 3상 계통 전원으로부터 배터리를 충전하는 기능과, 배터리로부터 3상 계통을 통해 방전하는 기능을 수행한다. 각 기능을 수행할 때 다음과 같은 동작을 수행할 수 있다.

CC(Constant Current) : 일정한 전류로 충/방전 동작

전류의 분주율은 100mA를 만족해야 함

CV(Constant Voltage) : 일정한 전압으로 충전 동작

전압의 분주율은 10mV를 만족해야 함

CP(Constant Power) : 일정한 전력으로 충/방전 동작 (필요시)

전류 및 전압의 리플은 1% 미만이어야 함

도 5는 배터리의 CC/CV 모드를 나타낸 그래프이다.

충전 모드 기준으로 배터리가 특정 전압이 될 때까지 CC 모드로 충전한다. CC 모드로 충전을 수행하면 배터리의 전압은 서서히 증가하게 되고, 배터리가 특정 전압이 되면 CV 모드로 전환하여 일정한 전압으로 충전한다. 이때 배터리는 충전이 되면서 흐르는 전류는 서서히 줄어들게 된 후에 완충이 되거나 부하와 평형 상태가 되면 전류는 흐르지 않게 된다.

충전 알고리즘

- 배터리의 충전 동작은 3상 계통 전원으로부터 배터리를 충전한다. EMC 필터를 거친 후에 3상 PFC와 DC/DC 컨버터를 통해 배터리의 흐름을 지니게 된다. 3상 PFC는 역률 개선과 승압형 컨버터 동작을 하게 되며, 3상 계통 전원 기준 3상 PFC의 출력 DC 커패시터의 전압은 최소 약 540V가 된다. 여기서, DC 전압의 안정성을 위해 800V로 제어를 수행해야 한다. DC 전압 제어를 하기 위해서는 옵셋 전압을 이용한 PWM 변조, PI 제어, SRF-PLL 제어 로직을 수행할 수 있다.

- 커패시터의 전압은 절연형 DC/DC 컨버터를 지나 배터리를 충전하게 된다. 1차측은 위상 천이 제어 방식을 수행하고, 2차측은 동기 정류 제어를 수행한다. 이때 2차측의 배터리 기준으로 CC/CV/CP 모드 동작을 수행하고, 모드 동작에 따라 전압 전류의 제어는 PI 제어 로직을 적용할 수 있다.

방전 알고리즘

- 배터리의 방전은 3상 계통을 통해 전기 에너지를 소모하는데, CC/CV 모드 동작을 수행한다. 배터리는 절연형 DC/DC 컨버터를 지나 PFC를 통해 3상 계통으로 전기 에너지를 방전한다. 이 때, DC/DC 컨버터는 충전 알고리즘과 마찬가지로 배터리 기준 1차측은 위상 천이 제어방식을 수행하고 2차측은 동기 정류 제어를 수행한다. 또한, 배터리는 100V급이고 DC/DC 컨버터의 DC 커패시터 전압은 최소 540V이기 때문에, 제어기의 안정성을 위해 8:1(3상 계통 기준)의 트랜스를 필요로 한다.

CC/CV/CP 모드

- 배터리의 충방전 동작은 CC/CV/CP 모드가 필수적으로 필요하다. 방전 상태에서 충전시에는 CC 모드로 동작하여 일정한 전류로 충전을 수행한다. 일정한 전류로 충전을 하면, 배터리 전압은 시정수에 따라 전압이 상승하게 되고, 일정 전압 이상이 되면 CV 모드로 동작을 한다. CV 모드에서는 일정한 전압으로 충전을 수행하게 되고, 배터리에 흐르는 전류는 서서히 감소하게 된다. 이후 완충 상태가 되면 전류는 흐르지 않게 된다. 반대로 완충 상태에서 방전할 경우에는, CC 모드로 방전을 수행하는데, 일정한 전류로 방전시 배터리의 전압은 서서히 감소하게 된다. 이후에 일정 전압이 되면 방전 상태로 판단하게 된다. CP 모드는 정해진 용량으로 충방전을 동작한다. 충방전기의 타겟 배터리의 특성이나, 시스템의 퍼포먼스에 따라 사용 여부가 정해진다.

본 실시예에 따른 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기는 주로 전동 킥보드, 스쿠터, 바이크 등에 사용되는 20kW, 100V 급 배터리 팩을 타겟으로 하며, 2개의 출력 채널을 보유하고 있어, 동시에 2개의 배터리를 충전 및 방전할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기

Claims

입력 전원으로 3상 계통 전원을 사용하여 배터리를 충전하고, 3상 계통을 통해 배터리의 전기에너지를 소모하여 방전 동작을 수행하며,
2개의 출력 채널을 가지고 있어 동시에 2개의 배터리를 충전 및 방전하는 듀얼 채널 양방향 배터리 충방전기.