KR100458910B1 - 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치 - Google Patents

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Abstract

다수의 상이한 전력발생원(12)이 이용되며, 각 전원의 발전 능력이 상관관계 없이 가변되어도, 충전 유닛(48)에 의해 결정된 전압이 되도록 함으로써 전압이 일정하게 제어되어 충전 유닛(48)이 균일한 전압을 전달받을 수 있는 전력충전장치가 제공된다. 또한, 균일한 전압값은 현재 충전중인 상태와 만충전 사이의 차이를 기초로 결정된다. 따라서, 과전류로 충전되거나 능력 이상으로 충전되는 것이 방지되어, 안정된 충전을 실현할 수 있다.

Description

다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치{POWER CHARGING DEVICE USING MULTIPLE ENERGY SOURCES}
본 발명은, 상이한 발전 능력을 갖고, 각각의 출력값이 상관 관계 없이 변동하는 다수의 전력발생원에서, 소정의 전력량을 충전하기 위한 다수의 에너지원을 이용하는 전력충전장치에 관한 것이다.
종래, 발전에는 다양한 동력 에너지 등의 전력발생원이 이용되었다. 예를 들어, 풍력발전은 문자 그대로 풍력을 이용한 발전 방법이며, 효율적인 발전을 위해서, 프로펠러형, 대리우스(Darius)형 및 패들형 등의 풍차의 형상이 고려되고 있다. 또한, 화력발전 및 원자력발전 등은 용량 발전의 주류가 되어왔다. 한편, 태양전지는 광에너지를 직접 전기로 변환하여 이를 이용하고 있다. 그 이용범위가 소규모이지만, 전자계산기 등의 전력발생원으로 통상 이용되고 있다.
어느 경우에도, 충전을 행하는 경우에는, 동력에너지를 산출하는 전력발생원이 필요하다. 일반적으로, 이 전류발생원으로 단일 종류의 것이 이용되고 있다. 즉, 풍력발전에서는 오직 풍력만에 의한 전력발생원이 설치되어 단시간에 대량의 전력을 얻을 수 있다. 이것은 수력발전이나 화력발전에서도 동일하다. 이러한 방식으로, 공지의 충전 시스템에서는, 균일한 전력량을 얻을 수 있는 전력발생원을 기초로 충전을 행하기 때문에, 충전측에는 충전기능만 가지면 충분하다.
그러나, 상이한 종류(성질)의 전력발생원을 이용하면, 각각의 전력발생원이 상이한 전력량을 발전시키는 경우가 많고, 충전측에는 각 전력발생원에 대해 적절한 출력을 설정할 필요가 있다.
또한, 다수의 전력발생원 각각에는 상관관계 없이 변동하는 일이 많기 때문에, 충전 시스템은 소망의 전력을 효율적으로 충전을 수행할 수 없다. 이 때문에, 각각의 전력발생원에 대해 각각 별개로 충전기능을 갖게 하는 것이 현재 상황이며, 이 때문에 장치구성 및 관리의 복잡성과 저실용성을 야기한다.
본 발명은 상기와 같은 배경으로 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은, 각각상관 관계 없이 변동하는 다수 종류의 전력발생원을 일괄 관리함으로써, 충전시스템 관리의 복잡성을 해소하고 단일의 충전기능으로 다수의 전력발생원으로부터의 출력전력을 이용하여 효율적인 충전이 달성됨으로써 장치의 구성을 단순화시킬 수 있는 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치를 제공하는 데에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력충전장치(10)의 구성을 도시한 개략도.
도 2는 정류기의 회로구성도.
도 3은 DC/DC 콘트롤러의 회로구성도.
도 4는 충전유닛의 회로구성도.
도 5는 최대전류 검출기의 회로구성도.
도 6은 다른 실시예에 따른 DC/DC 콘트롤러의 회로구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 충전장치 12 : 전력발생원
14 : 정류기 18 : 출력단자
20 : 제1 다이오드 22 : 양극단자
24 : 출력단자 26 : 제2 다이오드
28 : 음극 36 : DC/DC 제어기
48 : 충전 유닛
본 발명은, 상이한 발전 능력을 갖고, 각각의 출력값이 상호 관련 없이 변동하는 다수의 전력발생원에서, 소정의 전력량을 충전하기 위한 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치에 있어서, 상기 전력발생원 각각에 설치되고, 변동하는 출력값을 소망의 출력 전압값으로 변경하는 출력변경수단과, 상기 출력변경수단에 상기 소망의 출력값을 출력하는 동시에, 접속된 다수의 전력발생원으로부터의 전력을 충전하는 충전수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 변동하는 출력값을 소망의 출력값으로 변경하는 출력변경수단을 각각의 전력발생원에 설치함으로써, 충전수단으로의 입력(예컨대, 전압)을 균일하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 출력변경수단은, 각 전력발생원의 AC 전압을 정류하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 DC 전압을 일단 주파수 조정가능한 AC로 변환하며, 주파수 조정 후의 AC를 DC로 변환하는 인버터를 포함한다.
전력발생원은 AC를 발생시키는 것이 대부분이다. 즉, 충전은 기본적으로 극성을 교대로 변경시켜서 구동하는 모터의 원리와 반대이며, 출력 전압은 AC이다. 이 AC는 정류기에 의해 일단 정류하여 DC 전압을 발생한다.
이 DC 전압을 일단 주파수 조정가능한 AC로 변환함으로써, 출력전압은 주파수 조정에 의해 자유롭게 변경될 수 있다. 조정 후의 AC를 DC로 변환함으로써, 상이한 출력 전압을 갖는 다수의 각 전력발생원의 출력전압은 균일해질 수 있다. 인버터는 DC를 AC로, 그리고 AC를 DC로 변환하는 기능을 한다.
또한, 본 발명에서, 전력충전장치는 인버터에 바이어스 전압을 공급하기 위한 바이어스 전압 공급수단을 더 포함한다.
인버터는 입력값이 0이면 기능을 하지 않기 때문에, 전력발생원에서 입력이 0인 경우에도 일정한 전압이 인버터에 공급되어야만 한다. 그래서 바이어스 전압 공급수단으로부터 미리 소정의 전압을 인버터로 공급함으로써, 인버터의 기능을 손상하지 않는다.
본 발명에서, 인버터는, 상기 충전수단에서 상기 소망의 출력 전압값이 입력되고, 이 소망의 출력 전압값을 기초로 주파수 조정을 실행한다.
충전 유닛으로부터의 소망하는 출력 전력값이 입력되어, 이 소망의 출력 전압값에 기초로 인버터에서의 주파수 조정으로 인해, 다수의 각 전력발생원의 출력 전압(실효값)을 균일하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 충전수단은, 다수의 전력발생원에 의해 충전된 전력량을 기초로 최대 전류값을 검출하는 최대전류값 검출기와, 이 최대전류값 검출기에 검출된 전류값을 전압값으로 변환하여 상기 인버터로 송출하는 전압 피드백 유닛을 포함한다.
다수의 각 전력발생원의 출력 전압값을 균일하게 함으로써, 각각의 전류값은조정된 전압에 따라 변동한다. 또한, 각 전력발생원 자체의 능력이 변동도 있기 때문에 만충전상태로 되기까지 충전시간을 예측할 수 없다. 따라서, 충전이 점차적으로 수행되는 과정에서, 충전수단에는 충전전압과 만충전시의 전압값을 기초로 각 전력발생원의 출력 전압을 적절히 설정한다.
또한, 본 발명에서, 각 최대전류값 검출기와 상기 전압 피드백 유닛은 위상 동기 루프(PLL) 회로로 구성된다.
PLL 회로를 이용함으로써, 시시각각 변화하는 충전진행 전압과 만충전 전압 사이의 차이가 실시간으로 인식될 수 있으며, 또 회로 구성이 단순해진다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력충전장치(10)의 구성을 도시한 개략도이다. 도 1에서는, 각각 AC 전압을 발생시키는 다수의 전력발생원(12)이 제공된다. 발전능력은 각 전력발생원(12)마다 가변이다. 즉, 풍력발전에서는 출력전압이 바람의 세기에 의해 달라지며, 화력발전에서는 출력전압이 화력의 강약에 따라 변화할 것이다. 또한, 전력이 인력에 의해 회전체를 회전시키는 경우에는, 발전 능력이 심하게 가변할 것이며 경우에 따라서는 전력이 발생되지 않을 수도 있다.
정류기(14)가 각 전력발생원(12)에 접속되어 있다. 정류기(14)는 AC 전압을 DC 전압으로 변환한다.
(정류기)
도 2에 도시된 바와 같이, 정류기(14)는 소위 브릿지 회로(16)를 포함하며, 전력발생원(12)의 일방의 출력단자(18)는 제1 다이오드(20)의 아노드측에 접속된다. 제1 다이오드(20)의 캐소드측은 양극단자(22)에 접속된다. 또한, 출력신호가 출력되는 전력발생원(12)의 다른 출력단자(24)는 제2 다이오드(26)의 캐소드측에 접속된다. 제2 다이오드(26)의 아노드측은 음극(28)에 접속된다.
제3 다이오드(30)의 캐소드측이 상기 일방의 출력단자(18)와 제1 다이오드(20) 사이에 접속되며, 제3 다이오드(30)의 아노드측은 제2 다이오드(26)와 음극(28) 사이에 접속된다.
또한, 제4 다이오드(32)의 아노드측이 타방의 출력단자(24)와 제2 다이오드(26) 사이에 접속되며, 제4 다이오드(32)의 캐소드측은 제1 다이오드(20)와 양극(22) 사이에 접속된다. 또한, 전해 콘덴서(34)가 양극(22)과 음극(28) 사이를 가교한다.
이러한 구성으로, 제1 내지 제4 다이오드(20, 26, 30 및 32)에 의해 극성이 양으로 되는 웨이브 형상으로 되고(음의 부분이 반전된다), 전해 콘덴서(34)에 의해 이 웨이브 형상이 거의 균일한 값을 갖는 양의 전압으로 정류된다.
도 1에 도시된 정류기(14)의 출력, 즉 도 2에 도시된 양극(22)과 음극(28)의 출력은 DC/DC 콘트롤러(36)로 입력된다. DC/DC 콘트롤러(36)는 주로 소위 인버터로 구성되어, DC를 AC로 변환하며 AC를 DC로 변환하는 기능을 갖는다.
(DC/DC 콘트롤러)
도 3에 도시된 바와 같이, DC/DC 콘트롤러(36)는 정류기(14)의 양극(22)과 음극(28)(도 2 참조)이 접속되면 소정의 DC 전압을 수신한다. AC 전압은 이 DC 전압을 기초로 생성된다.
AC 전압의 주파수는 출력전압 검출기(40)에서 검출된 전압을 기초로 변경된다. 즉, 주파수의 변경은 AC 전압의 유효값을 변경한다는 것이며, 따라서 전압은 출력전압 검출기(40)에서 검출된 전압에 의해 자유롭게 변경될 수 있다.
주파수(전압)가 변경된 AC는 다시 DC로 변환되어 출력 유닛(42)으로부터 출력된다.
여기서, DC/DC 콘트롤러의 주요기능인 인버터는 입력 전압이 0이면 기능하지 않으며, 따라서 DC/DC 콘트롤러(36)에는 바이어스 전원(44)을 갖는다. 바이어스 전원(44)은 외부 전원(46)으로부터 전력을 전달받는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 출력 유닛(42)으로부터의 전력은 충전유닛(48)으로 입력된다. 출력전압 검출기(40)는 충전유닛(48)으로부터 소정의 전압을 전달받는다.
(충전유닛)
도 4에 도시된 바와 같이, 충전유닛(48)은 통상적인 충전기능 이외에 전류 콘트롤러(50), 전류충전 콘트롤러(52), 최대전류 검출기(54) 및 전압 피드백 유닛(56)을 포함한다. 소망하는 전압값이 전압 피드백 유닛(56)으로부터 DC/DC 콘트롤러(36)의 출력전압 검출기(40)(도 3 참조)로 출력된다. 전압 피드백 유닛(56)은 최대전류 검출기(54)에서 검출된 전류를 기초로 전압 변환을 수행한다.
전압 피드백 유닛(56)으로부터의 전압은 각 전력발생원(12)을 이용한 충전을 위한 기준 전압이다. 따라서, 각 전력발생원(12)의 전압은 각 전력발생원(12)의 발전 능력이 가변하더라도 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 전압이 일정하면 전류값은 발전 능력에 따라 가변한다. 전류값이 변화하면, 전압이 일정하다고 해도 전력량이 변하기 때문이며, 충전 능력이 변동한다. 다시 말하면, 과전류가 발생될 수도 있으며, 만충전에 걸리는 시간을 예측할 수도 없다.
따라서, 최대전류 검출기(54)는 만충전 전압과 현재 충전중인 전압의 차이를 기초로 과전류를 방지하기 위해 최적 전압을 설정한다.
또한, DC/DC 콘트롤러(36)의 출력 유닛(42)(도 3 참조)으로부터의 출력 전압은 전류 콘트롤러(50)로 입력된다. 전류 콘트롤러(50)는 전류충전 콘트롤러(52)에 의해 제어되며, 입력된 전압값을 기초로 전류값을 연산하고, 최대전류 검출기(54)로 보내진다. 최대전류 검출기(54)에는 충전 매체(58)로의 충전을 실행하는 동시에, 전술한 전압 피드백 유닛(56)으로 연산된 전류를 기초로 전압값을 출력한다.
(최대전류 검출기(54) 및 전압 피드백 유닛(56)의 구성)
도 5에 도시된 바와 같이, 최대전류 검출기(54)는 주로 위상 동기 루프(PLL)회로(60)를 포함한다. 최대전류 검출기(54)에서, PLL 회로(60)는 2개의 전압 제어 발진기(VCO)(62, 64)를 포함하며, 각각 만충전 전압 출력 유닛(66) 및 충전진행 전압 출력 유닛(68)이 접속되어 있다.
만충전 전압 출력 유닛(66)이 접속되어 있는 VCO(62)는 I/M 주파수 분주기(70)에 접속되어 있으며, 충전진행 전압 출력 유닛(68)이 접속되어 있는 VCO(64)는 I/N 주파수 분주기(72)에 접속되어 있다. 2개의 주파수 분주기(I/M 주파수 분주기(70) 및 I/N 주파수 분주기(72))의 분주율(division factor)을 규정하기 위한 M과 N의 값은 CPU(74)로부터의 신호를 기초로 결정된다.
I/M 주파수 분주기(70) 및 I/N 주파수 분주기(72)에서 주파수 분주된 각각의 신호들은 위상 비교기(76)에 의해 비교되며, 비교결과는 저역통과 필터(LPF)(78)를 통해 전압 피드백 유닛(56)에 의해 각 전력발생원(12)에 제공된 DC/DC 콘트롤러(36)로 피드백된다. 그 결과, 충전진행 전압 출력 유닛(68)로부터의 출력 전압은 점차적으로 변하여 만충전 전압에 가까워진다. 한편, 위상 클록 신호는 위상 비교기(76)로부터 CPU(74)로 출력된다. CPU(74)에는 위상일치를 위해 I/M 주파수 분주기(70) 및 I/N 주파수 분주기(72)로 각각 출력하는 분주율 M 및 N을 변경하고, 따라서 각 전력발생원(12)의 능력에 적합한 전압값이 설정될 수 있다.
이하에서는, 본 실시 형태의 작용을 설명한다.
각 전력발생원(12)이 전력(AC)을 생성하면, AC는 각 전력발생원(12)에 접속된 정류기(14)에서 DC로 변환된다. DC 변환된 전압은 DC/DC 콘트롤러(36)로 전달된다. DC/DC 콘트롤러(36)에서, 전압은 인버터 기능에 의해 AC로 변환되고 충전유닛(48)으로부터의 소망하는 전압에 따라 변환된 AC 전압의 주파수가 조정된다. 이 주파수 조정은 실효 전압값을 변경시키며, 변경된 주파수의 AC가 다시 DC로 변환되어 충전유닛(48)으로 전달된다.
여기서, 각 전력발생원(12)에 접속된 DC/DC 콘트롤러(36)는 충전유닛(48)으로부터의 균일한 전압값에 기초로 제어된다. 그러므로, DC/DC 콘트롤러(36)로 입력된 개별 전압이 상이한 전압값을 가진다고 하더라도, 균일한 전압값을 충전유닛(48)에 입력할 수 있다.
충전유닛(48)에서는, 입력된 전압을 기초로 전류값이 연산된다. 다시 말해서, 전압을 소정 전압으로 변환하면 각 전류값은 변화된다. 전류값이 변화하면, 충전능력이 변동하며, 따라서 만충전에 걸리는 시간을 예측할 수 없다.
그래서, 최대전류 검출기(54)에는, 전압 피드백 유닛(56)에 의해 소정 전압이 DC/DC 콘트롤러(36)로 출력될 수 있도록, 만충전 전압과 충전진행 전압 사이의 차이를 기초로 과전류를 방지하는 최적 전압을 설정한다. 따라서, 충전 시작부터 만충전까지 안정된 충전이 실현되며 만충전까지 걸리는 시간이 어느 정도 예측될 수 있다.
본 실시 형태에서, 최대전류 검출기(54)는 PLL 회로(60)를 포함한다.
만충전 전압 출력 유닛(66)으로부터의 전압값은 VCO(62)로 전달되며, I/M 주파수 분주기(70)에 의해 주파수 분주되어 위상 비교기(76)로 입력된다. 한편, 충전 진행 전압 출력 유닛(68)으로부터의 전압값은 VCO(64)로 전달되며, I/N 주파수 분주기(72)에 의해 주파수 분주되어 위상 비교기(76)로 입력된다.
위상 비교기(76)에서는, I/M 주파수 분주기(70) 및 I/N 주파수 분주기(72)에서 주파수 분주된 신호들이 각각 비교된다.
결과적으로, 만충전 전압과 현재 충전전압 사이의 차이는 위상 차이로 나타나며, 따라서 이 위상 차이를 제거하기 위한 출력 전압이 출력된다. 이 출력 전압은 LPF를 통해 전압 피드백 유닛(56)에 의해 각 전력발생원(12)에 제공된 DC/DC 콘트롤러(36)로 피드백된다. 따라서, 각 전력발생원(12)의 전압이 일정하게 제어되면서 충전이 수행될 수 있다.
또한, 2개의 주파수 분주기(I/M 주파수 분주기(70) 및 I/N 주파수 분주기(72))의 분주율을 결정하기 위한 M 및 N 값은 CPU(74)로부터의 신호를 기초로 결정된다.
위상 비교기(76)로부터의 위상 클록 신호가 CPU(74)로 입력된다. CPU(74)는 위상일치를 위해 I/M 주파수 분주기(70) 및 I/N 주파수 분주기(72)로 각각 출력하는 분주율 M 및 N을 변경하고, 따라서 각 전력발생원(12)의 능력에 적합한 전압값이 설정될 수 있다.
[표1] 및 [표2]는 충전유닛(48)에서의 충전을 위한 전력의 계산예를 보여준다.
[표 1]
전력(VA) 시간
0 1 2 3 4 5
전력 A 0 10 15 20 15 5
전력 B 0 20 10 5 0 0
전력 C 0 5 15 25 30 15
총계 0 35 40 50 45 20
[표 2]
충전 전압(V) 10 11 12 13 14 15
전류 A(A) 0.00 0.91 1.25 1.54 1.07 0.33
전류 B(A) 0.00 1.82 0.83 0.38 0.00 0.00
전류 C(A) 0.00 0.45 1.25 1.92 2.14 1.00
총계 0.00 3.27 3.50 4.08 3.50 1.67
이 [표1] 및 [표2]의 예에서, 1시간에 35VA의 전력을 얻을 때, 만충전 전압을 11V로 설정함으로써 0.91A의 전류 A, 1.82A의 전류 B 및 0.45A의 전류 C가 흐른다. 이 경우, 각 전력 전류를 동일한 전압값에 의해 제어함으로써, 단순히 전류값을 합함으로써 전력이 얻어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전력충전장치(10)에는 상이한 전력발생원(12)이 이용되었다. 이들 전력발생원(12)의 발전 능력이 상관 관계 없이 변화하면, 그 전압은 충전유닛(48)에 의해 소정 전압이 되도록 항상 제어된다. 그러므로, 전압이 균일한 값을 가지면서 충전유닛(48)으로 전달된다.
또한, 균일한 전압값은 현재 충전전압과 만충전 전압 사이의 차이를 기초로 결정된다. 따라서, 과전류로 충전하거나, 능력 이상의 충전을 방지할 수 있어서, 안정된 충전을 실현한다.
본 실시 형태에서는, DC/DC 콘트롤러(36)가 바이어스 전원(44)에 대한 전력으로 외부 전원(46)을 가진다. 그러나, 전력은 도 6에 도시된 바와 같이 내부적으로 공급될 수도 있다(출력전압 검출기(40)).
상술한 바와 같이, 각 발전 능력이 상관 관계 없이 가변인 여러 가지 종류의 전력발생원이 함께 관리될 수 있기 때문에 관리 번잡성을 해소하고, 단일의 충전 기능으로 다수의 전력발생원으로부터의 출력 전력을 이용한 효율적인 충전을 실현함으로써 장치의 구성이 단순화 될 수 있다는 효과를 갖는다.

Claims (6)

  1. 상이한 발전 능력을 갖고, 각각의 출력값이 상호 관련 없이 변동하는 다수의 전력발생원에서, 소정의 전력량을 충전하기 위한 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치에 있어서,
    상기 전력발생원 각각에 설치되고, 상기 전력발생원 각각으로부터의 변동하는 출력값을 소망의 출력값으로 변경하는 출력변경수단과,
    상기 출력변경수단에 상기 소망의 출력값을 출력하는 동시에, 접속된 다수의 전력발생원으로부터의 전력을 충전하는 충전수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력변경수단은,
    AC 전력발생원의 전압을 정류하는 정류기와,
    상기 정류기에서 정류된 DC 전압을 일단 주파수 조정가능한 AC로 변환하며, 주파수 조정후의 AC를 DC로 변환하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터에 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전압 공급수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 인버터는, 상기 충전수단에서 상기 소망의 출력값이 입력되고, 이 소망의 출력값을 기초로 주파수 조정을 실행하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 충전수단은,
    다수의 전력발생원에 의해 충전된 전력량을 기초로 최대 전류값을 검출하는 최대전류값 검출기와,
    이 최대전류값 검출기에 검출된 전류값을 전압값으로 변환하여 상기 인버터로 송출하는 전압 피드백 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각 최대전류값 검출기와 상기 전압 피드백 유닛은 위상동기루프(PLL) 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지원을 이용한 전력충전장치.
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