KR101326103B1 - 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템 - Google Patents

배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101326103B1
KR101326103B1 KR1020120032297A KR20120032297A KR101326103B1 KR 101326103 B1 KR101326103 B1 KR 101326103B1 KR 1020120032297 A KR1020120032297 A KR 1020120032297A KR 20120032297 A KR20120032297 A KR 20120032297A KR 101326103 B1 KR101326103 B1 KR 101326103B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
battery
mode
power converter
batteries
Prior art date
Application number
KR1020120032297A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130110379A (ko
Inventor
박종후
Original Assignee
숭실대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숭실대학교산학협력단 filed Critical 숭실대학교산학협력단
Priority to KR1020120032297A priority Critical patent/KR101326103B1/ko
Priority to US14/388,244 priority patent/US9722435B2/en
Priority to PCT/KR2013/000625 priority patent/WO2013147412A1/ko
Publication of KR20130110379A publication Critical patent/KR20130110379A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101326103B1 publication Critical patent/KR101326103B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 장치는, 복수의 입력 전원과 연결된 복수의 전력 변환기를 통해 전력이 저장되는 복수의 배터리 각각의 충전량을 측정하는 충전량 측정부와, 상기 복수의 전력 변환기가 전력을 변환하는 전력 변환 모드 또는 상기 배터리 간의 충전량을 밸런싱하는 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환을 결정하는 모드 변환 파라미터를 연산하는 모드 변환 파라미터 연산부와, 상기 연산된 모드 변환 파라미터에 따라 상기 복수의 전력 변환기와 상기 복수의 배터리 간에 연결된 복수의 스위치를 스위칭하여 상기 전력 변환기의 전력 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함한다.
이에 따라, 에너지원으로부터 생산되는 전력을 전력 변환기를 통해 배터리에 저장함에 있어서, 별도의 밸런싱 회로 없이도 전력 변환기를 이용하여 배터리 간의 충전량 불균형을 밸런싱할 수 있다.

Description

배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템{APPARATUS FOR BALANCING OF BATTERY CHARGE AMOUNT, AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 변환기를 이용하여 배터리 충전량을 밸런싱하는 기술이 개시된다.
태양전지를 비롯한 신재생 에너지원은 지구에 한정적으로 존재하는 화석연료를 사용하지 않으며, 환경오염을 최소화한다는 점에서 오늘날 대체 에너지로 주목받고 있다. 그러나, 신재생 에너지원은 전압과 전류가 불안정하므로 부하로 안정된 전력을 공급하기 어려운 문제가 있다. 따라서, 최근에는 배터리와 같은 에너지 저장장치를 이용하여 시스템의 전력 출력을 안전화시키는 기술이 개발되고 있다.
종래의 신재생 발전 시스템은 복수의 전원으로부터 직렬형 전력변환기를 연결하여 전력을 부하로 공급하는 구조를 가지고 있다. 그러나, 각 입력 전원이 독립적으로 구성되어 있기 때문에 배터리 충전량에 편차가 생길 수 있다. 이러한 배터리 간의 충전량 편차를 방지하기 위해 전력 변환기와 별도로 충전 균형 회로(밸런싱 회로)를 이용하게 된다.
배터리 충전량을 밸런싱하는 방법으로, 저항에 의해서 전력을 소모하면서 밸런싱하는 방법이 있으나 효율이 낮다는 문제점이 있으며, 인덕터를 이용하여 밸런싱하는 방법은 효율을 높일 수 있으나, 배터리마다 추가적인 전력 조절기가 연결되어야 하므로 시스템을 구성하는데 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1063057호(2011. 08. 31)에 기재되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 에너지원으로부터 생산되는 전력을 전력 변환기를 통해 배터리에 저장함에 있어서, 전력 생산이 없는 시간이나 특수한 상황에서 별도의 밸런싱 회로 없이 전력 변환기를 이용하여 배터리 간의 충전량 불균형을 밸런싱하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 장치는, 복수의 입력 전원과 연결된 복수의 전력 변환기를 통해 전력이 저장되는 복수의 배터리 각각의 충전량을 측정하는 충전량 측정부와, 상기 복수의 전력 변환기가 전력을 변환하는 전력 변환 모드 또는 상기 배터리 간의 충전량을 밸런싱하는 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환을 결정하는 모드 변환 파라미터를 연산하는 모드 변환 파라미터 연산부와, 상기 연산된 모드 변환 파라미터에 따라 상기 복수의 전력 변환기와 상기 복수의 배터리 간에 연결된 복수의 스위치를 스위칭하여 상기 전력 변환기의 전력 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 복수의 배터리 중 인접하는 배터리 간에는 직렬 연결될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 연산된 모드 변환 파라미터가 전력 변환 모드의 파라미터에 해당하는 경우, 상기 복수의 전력 변환기가 상기 입력 전원의 전력을 변환하여 상기 복수의 배터리에 저장하는 전력 변환 모드로 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 상기 연산된 모드 변환 파라미터가 밸런싱 모드의 파라미터에 해당하는 경우, 제1 전력 변환기의 제1 배터리와 제2 전력 변환기를 연결하고, 상기 제2 전력 변환기의 제2 배터리와 제3 전력 변환기를 연결하여 밸런싱 모드로 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 배터리와 상기 제2 변환기가 연결되어 형성되는 제1 폐루프와, 상기 제2 전력 변환기와 상기 제2 배터리 간에 형성되는 제2 폐루프를 제어하여, 상기 제1 배터리 또는 상기 제2 배터리를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제2 배터리와 상기 제3 변환기가 연결되어 형성되는 제3 폐루프와, 상기 제3 전력 변환기와 상기 제3 배터리 간에 형성되는 제4 폐루프를 제어하여, 상기 제2 배터리 또는 상기 제3 배터리를 충전 또는 방전시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 폐루프, 제2 폐루프, 제3 폐루프, 제4 폐루프 중 적어도 하나는 스위치의 듀티비 제어 방식 또는 주파수 제어 방식으로 제어될 수 있다.
또한, 상기 제1 전력 변환기 및 상기 제2 전력 변환기, 또는 상기 제2 전력 변환기 및 상기 제3 전력 변환기는 순차적으로 반복되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 전력 변환기가 밸런싱 모드로 동작하는 경우 상기 입력 전원으로부터의 전력이 차단될 수 있다.
또한, 상기 모드 변환 파라미터 연산부는, 상기 복수의 배터리 간의 충전량편차, 상기 전력 변환기의 모드 변환 시간, 복수의 배터리의 전압, 전류, 온도, 주파수 응답 중 적어도 하나를 기준으로 상기 모드 변환 파라미터를 연산할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템은, 복수의 입력 전원을 포함하는 입력 전원부와, 상기 복수의 입력 전원으로부터 입력된 전력을 변환하는 복수의 전력 변환기를 포함하는 전력 변환부와, 변환된 전력이 저장되는 복수의 배터리를 포함하는 전력 저장부와, 상기 전력 변환부와 상기 전력 저장부 간의 연결을 스위칭하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부와, 상기 복수의 배터리 각각의 충전량을 측정하는 충전량 측정부와, 상기 복수의 전력 변환기가 전력을 변환하는 전력 변환 모드 또는 상기 배터리 간의 충전량을 밸런싱하는 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환을 결정하는 모드 변환 파라미터를 연산하는 모드 변환 파라미터 연산부와, 상기 연산된 모드 변환 파라미터에 따라 상기 스위칭부를 스위칭하여 상기 전력 변환기의 전력 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 충전량 밸런싱 장치와, 서로 직렬로 연결된 상기 복수의 배터리의 양 끝단에 병렬로 연결되는 DC 링크를 포함한다.
본 발명에 따르면, 에너지원으로부터 생산되는 전력을 전력 변환기를 통해 배터리에 저장함에 있어서, 별도의 밸런싱 회로 없이도 전력 변환기를 이용하여 배터리 간의 충전량 불균형을 밸런싱할 수 있다. 또한, 전력 변환기로 배터리 충전량을 밸런싱함으로써 전체 시스템을 소형화할 수 있으며, 시스템 제작 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템 중 양방향 전력 변환기를 이용하여 배터리 충전량을 밸런싱하는 것을 설명하기 위한 등가 회로도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템의 구성도,
도 4a, 도 4b는 도 3에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템 중 단방향 전력 변환기를 이용하여 배터리 충전량을 밸런싱하는 것을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템은, 입력 전원부(110), 전력 변환부(120), 스위칭부(130), 전력 저장부(140), 배터리 충전량 밸런싱 장치(150) 및 DC 링크(160)를 포함한다.
입력 전원부(110)는 복수의 입력 전원(110a, 110b, 110c, …, 110n)을 포함하고, 태양열, 태양광발전, 바이오매스(biomass), 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지와 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 발전 등을 이용하여 전력을 생성하는 에너지원이다. 예를 들어, 복수의 태양전지 모듈을 입력 전원부(110)로 사용하는 경우, 태양전지 모듈은 실리콘을 이용한 반도체 소자이며, 태양 에너지를 전기로 변환하여 태양전지 발전 시스템의 에너지 공급원으로써 음(-) 증가 임피던스(negative incremental impedance)의 비선형 출력 특성을 가진다. 따라서 태양전지 모듈은 비선형적인 특성을 가지기 때문에 최대전력 추종제어가 필요하게 된다.
전력 변환부(120)는 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)를 포함하며, 입력 전원부(110)의 복수의 입력 전원(110a, 110b, 110c, …, 110n) 각각에 매칭되어 연결된다. 전력 변환부(120)는 입력 전원부(110)로부터 입력된 전력을 변환한다. 전력 변환부(120)는 양방향 컨버터 또는 단방향 컨버터를 이용할 수 있다. 전력 변환부(120)의 각 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)는 기본적으로 스위치 소자와 인덕터를 포함하며, 그 입력단이 입력 전원부(110)와 연결되고, 출력단이 전력 저장부(140)와 연결된다.
또한, 전력 변환부(120)의 각 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)는 복수의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 포함하는 스위칭부(130)를 통해 전력 저장부(140)에 포함된 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 중 상위 배터리와 연결된다. 여기서, 상위 배터리는 상대적인 개념으로 명명한 것으로, BO를 최상위 배터리로 설정하고 Bn을 최하위 배터리로 설정한 경우에, 최상위 배터리(BO)는 제1 배터리(B1)의 상위 배터리이고, 제1 배터리(B1)는 제2 배터리(B2)의 상위 배터리가 된다.
예를 들어, 제1 전력 변환기(120a)는 제1 스위치(S11), 제2 스위치(S12), 제1 인덕터(L1)를 포함한다. 제1 스위치(S11)의 제1 단은 제1 입력 전원(110a)의 제1 단과 연결되고, 제1 스위치(S11)의 제2 단은 제1 인덕터(L1)의 제1 단과 연결된다. 또한, 제2 스위치(S12)의 제1 단은 제1 스위치(S11)의 제2 단, 제1 인덕터(L1)의 제1 단과 연결되고, 제2 스위치(S12)의 제2 단은 제1 입력 전원(110a)의 제2 단 및 제1 배터리(B1)의 제2 단과 연결된다. 또한, 제1 인덕터(L1)의 제1 단은 제1 스위치(S11)의 제2 단, 제2 스위치(S12)의 제1 단과 연결되고, 제1 인덕터(L1)의 제2 단은 최상위 배터리(B0)의 제2 단, 제1 배터리(B1)의 제1 단 및 제3 스위치(S23)의 제2 단과 연결된다.
한편, 최상위 전력 변환기인 제1 전력 변환기(120a)의 하위 전력 변환기(120b, 120c, …, 120n)도 제1 스위치(S11), 제2 스위치(S12) 및 제1 인덕터(L1)에 대응하는 구성을 포함하며, 각 구성 간의 연결 관계는 제1 전력 변환기(120a)와 동일하다.
또한, 전력 변환부(120)의 각 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)는 전력 변환 모드와 밸런싱 모드로 동작하는 경우에 전력 전달 경로가 달리 설정된다. 여기서, 전력 변환 모드는 전력 변환부(120)가 입력 전원부(110)로부터 입력된 전력을 변환하여 전력 저장부(140)에 저장하는 모드이고, 밸런싱 모드는 전력 변환부(120)와 전력 저장부(140)가 폐루프를 형성하여 전력 저장부(140)에 포함되는 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 간의 충전량을 밸런싱 하는 모드를 말한다.
스위칭부(130)는 복수의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 포함하며, 이러한 스위치의 구성은 MOSFET, BJT, 릴레이 같은 소자를 이용하여 구현할 수 있다. 스위칭부(130)는 전력 변환부(120)의 구동 모드에 따라 전력 이동 경로를 스위칭한다. 예를 들어, 전력 변환부(120)가 전력 변환 모드인 경우 스위칭부(130)는 오프(off)되어 개방되고, 전력 변환부(120)가 밸런싱 모드인 경우 스위칭부(130)는 온(on)되어 단락된다. 스위칭부(130)가 온(on)되는 경우 입력 전원부(110)는 오프(off)될 수 있다.
예를 들어, 스위칭부(130)에 포함되는 복수의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3) 중 제1 전력 변환기(120a)와 연결되는 제3 스위치(S13)의 제1 단은 제1 입력 전원(110a)의 제1 단 및 제1 전력 변환기(120a)의 제1 스위치(S11)의 제1 단과 연결되고, 제3 스위치(S13)의 제2 단은 최상위 배터리(BO)의 제1 단과 연결된다. 또한, 제2 전력 변환기(120b)와 연결되는 제3 스위치(S23)의 제1 단은 제2 입력 전원(110b)의 제1 단 및 제2 전력 변환기(120b)의 제1 스위치(S21)의 제1 단과 연결되고, 제3 스위치(S23)의 제2 단은 최상위 배터리(BO)의 제2 단 및 제1 배터리(B1)의 제1 단과 연결된다. 이와 같은 방식으로, 스위칭부(130)는 하위 전력 변환기와 상위 전력 변환기의 배터리를 스위칭 연결한다.
전력 저장부(140)는 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)를 포함하며, 전력 변환부(120)의 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)와 각각 연결되어 변환된 전력을 입력받아 저장한다. 또한, 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)는 서로 직렬로 연결된다. 따라서, 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)는 직렬형 전력 변환기로 동작하게 된다. 또한, 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)에는 캐패시터(도시하지 않음)가 각각 병렬로 연결되어 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)가 충방전시 전류 리플이 크게 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 전력 변환부(120)와 전력 저장부(140) 간의 연결 관계는 순차적으로 반복되어 형성된다. 배터리 충전량 밸런싱 시스템에서 전력 변환부(120)와 전력 저장부(140) 각각에 포함되는 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)와 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)의 개수는 사용자의 설정에 따라 달리 설정될 수 있다.
또한, 최상위 배터리(B0)는 전력 변환부(120)가 전력 변환 모드로 동작하는 경우에 전력 변환기(120)로부터 전력을 입력받지 않으며, 전력 변환부(120)가 밸런싱 모드로 동작하는 경우에 하위 전력 변환기와 연결되어 충전 또는 방전될 수 있다. 여기서, 상위 전력 변환기와 하위 전력 변환기는 서로 상대적인 개념으로 명명된 것으로, 예를 들어 제1 전력 변환기(120a)는 제2 전력 변환기(120b)의 상위 전력 변환기이고, 제3 전력 변환기(120c)는 제2 전력 변환기(120b)의 하위 전력 변환기가 된다.
한편, 도 1에서 최상위 배터리(B0) 및 제1 전력 변환기(120a)와 연결되는 제3 스위치(S13)는 선택적인 구성이며, 이를 포함하지 않는 경우에는 복수의 전력 변환기(120a , 120b, 120c, …, 120n)가 전력 변환 모드로 동작하는 경우, 복수의 배터리(B1, B2, B3, …, Bn)는 모두 전력 변환부(120)에서 변환된 전력을 저장하도록 동작하게 된다. 또한, 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)가 밸런싱 모드로 동작하는 경우에는 최상위 배터리(B0) 및 제1 전력 변환기(120a)와 연결되는 제3 스위치(S13)가 포함되는 경우와 동일한 동작이 가능하다.
또한, 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)가 양방향 컨버터로 구성되는 경우에는 최상위 배터리(B0)는 별도의 충방전 제어 회로가 필요하지 않으나, 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)가 단방향 컨버터로 구성되는 경우에는 최상위 배터리(B0)와 최하위 배터리인 제n 배터리(Bn)는 충전 또는 방전만 가능하므로, 최상위 배터리(B0)와 최하위 배터리인 제n 배터리(Bn)는 충전 또는 방전을 위해 별도의 충방전 제어 회로(도시하지 않음)와 연결될 수 있다.
또한, 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)가 단방향 컨버터로 구성되는 경우에는 양 끝단의 배터리인 최상위 배터리(B0)와 최하위 배터리인 제n 배터리(Bn)에 연결되는 전력 변환기를 양방향 전력 변환기로 구성함으로써 별도의 충방전 제어 회로를 연결하지 않고도 최상위 배터리(B0)와 최하위 배터리인 제n 배터리(Bn)를 충전 또는 방전하는 것이 가능하다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템에 포함되는 전력 변환부(120)를 구성하는 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)의 구성은 사용자의 설정에 따라 달라질 수 있다. 각각의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)는 제1 스위치(S11), 제2 스위치(S12), 제1 인덕터(L1) 외에 추가적인 스위치를 포함하여 구성하는 것도 가능하다.
한편, 배터리 충전량 밸런싱 장치(150)는 충전량 측정부(151), 모드 변환 파라미터 연산부(152), 제어부(153)를 포함한다.
충전량 측정부(151)는 전력 저장부(140)의 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 각각의 충전량을 측정한다. 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)에는 복수의 입력 전원(110a, 110b, 110c, …, 110n)으로부터 입력된 전력이 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)를 통해 변환된 전력이 저장된다. 예를 들어, 입력 전원부(110)가 태양전지 모듈인 경우에는 낮과 밤 또는 여름과 겨울 또는 당일 날씨에 따라 일조량이 변동되며, 안정적인 전력을 공급하기 위해 최대전력추종(Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 통해 추종된 최대 전력이 전력 저장부(140)에 저장된다. 이에 따라, 태양전지 모듈의 위치, 각도 등에 따라 전력 저장부(140)의 각 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)에 저장되는 전력의 충전량 간에 불균형이 발생할 수 있다.
또한, 충전량 측정부(151)는 직렬 연결된 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)의 각각의 전력을 미리 설정된 시간 간격으로 측정한다. 예를 들어, 일조량이 많은 낮에는 전력 측정 주기를 상대적으로 짧게 설정할 수 있으며, 일조량이 적거나 거의 없는 밤에는 전력 측정 주기를 상대적으로 길게 설정할 수 있다. 충전량 측정부(151)는 측정된 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)의 각 충전량을 모드 변환 파라미터 연산부(152)로 출력한다.
모드 변환 파라미터 연산부(152) 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)가 전력을 변환하는 전력 변환 모드 또는 배터리 간의 충전량을 밸런싱하는 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환을 결정하는 모드 변환 파라미터를 연산한다. 이 경우, 모드 변환 파라미터는 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 간의 전압편차 또는 복수의 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)의 모드 변환 시간, 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)의 전압, 전류, 온도, 주파수 응답을 기준으로 설정될 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
예를 들어, 모드 변환 파라미터 연산부(152)는 입력 전원부(110)가 태양전지 모듈인 경우에는 낮에는 태양전지가 발전하므로 전력 변환부(120)를 전력 변환 모드로 동작하는 모드 변환 파라미터로 설정하고, 밤에는 태양전지가 발전하지 않으므로 전력 변환부(120)를 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환 파라미터를 설정하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 설정은 사용자 설정에 따라 달리 설정될 수 있으며, 태양전지가 발전하는 낮에도 전력 변환부(120)를 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환 파라미터를 설정할 수 있다.
예를 들어, 모드 변환 파라미터 연산부(152)는 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 간의 전압편차가 기 설정된 전압편차 범위를 벗어나는지 여부를 판단한다. 모드 변환 파라미터 연산부(152)에는 전압편차 허용 범위가 미리 설정될 수 있다. 또한, 모드 변환 파라미터 연산부(152)는 충전량 측정부(151)로부터 입력된 전력 저장부(140) 전체의 전압 평균값을 기준으로 전압편차를 판단할 수 있다. 또한, 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 간의 전압편차 각각을 기 설정된 전압편차 범위를 기준으로 비교하여 판단하는 것도 가능하다. 모드 변환 파라미터 연산부(152)는 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 간의 전압편차 결과를 제어부(153)로 출력한다.
제어부(153)는 모드 변환 파라미터 연산부(152)에서 연산된 모드 변환 파라미터의 판단 결과에 따라 입력 전원부(110)의 전력을 전력 변환부(120)가 변환하여 전력 저장부(140)에 저장하는 전력 변환 모드 또는 전력 저장부(140)의 충전량을 밸런싱하는 밸런싱 모드로 동작하도록 스위칭부(130)를 제어하여 전력 변환부(120)의 전력 이동 경로를 스위칭한다.
즉, 전력 변환부(120)가 전력 변환 모드인 경우 스위칭부(130)에 포함되는 복수의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 오프(off)시키고, 밸런싱 모드인 경우에는 스위칭부(130)의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 온(on)시킬 수 있다. 전력 변환부(120)가 밸런싱 모드로 동작하는 경우에는 입력 전원부(110)에서 전력 변환부(120)의 전력의 유입은 차단될 수 있다. 예를 들어, 입력 전원부(110)의 복수의 입력 전원(110a, 110b, 110c, …, 110n)에는 각각 다이오드가 직렬로 연결될 수 있으며, 스위칭부(130)가 온(on)되는 경우, 전력 저장부(140)의 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 충전량에 의해 다이오드에 역바이어스가 인가되어 입력 전원부(110)가 오프(off)된다.
또한, 제어부(153)는 스위칭부(130)에 포함되는 복수의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 개별적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 낮 동안에 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 중 B0, B1의 충전량이 불균형이 발생한 경우에는, 그에 대응하는 전력 변환기(120a)와 제3 스위치(S13)만을 제어하여 B0, B1의 충전량을 밸런싱하는 것도 가능하다.
또한, 제어부(153)는 전력 변환부(120)를 밸런싱 모드로 동작시키는 경우, 스위칭부(130)에 포함되는 복수의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 온(on)시킨다. 이 경우, 전력 변환기(120a, 120b, 120c, …, 120n)의 인덕터(L1, L2, L3, …, Ln), 스위칭부(130)의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3) 및 상위 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn-1)가 연결되어 제1 폐루프를 형성하고, 인덕터(L1, L2, L3, …, Ln), 제2 스위치(S12, S22, S32, …, Sn2) 및 하위 배터리(B1, B2, B3, …, Bn)가 연결되어 제2 폐루프를 형성한다.
이 경우, 제1 폐루프와 제2 폐루프를 통해 제어되는 상위 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn -1)와 하위 배터리(B1, B2, B3, …, Bn)는 상보적(complementary)으로 충전 또는 방전된다. 예를 들어, 제1 폐루프의 제1 배터리(B1)의 충전량이 제2 폐루프의 제2 배터리(B2)의 충전량보다 높은 경우에는 제1 폐루프와 제2 폐루프를 상보적으로 제어하여 제1 폐루프는 제1 배터리(B1)를 방전시키고, 제2 폐루프는 제1 배터리(B1)로부터 방전된 전력으로 제2 배터리(B2)를 충전시킨다.
제1 폐루프는 전력 변환부(120)가 전력 변환 모드에서 밸런싱 모드로 변환되면서 전력 저장부(140)와 연결되어 새롭게 형성되는 폐루프이고, 제2 폐루프는 전력 변환부(120)가 전력 변환 모드 또는 밸런싱 모드에 관계없이 전력 저장부(140)와 연결되어 형성되는 폐루프이다. 앞에서는 편의상 제1 폐루프와 제2 폐루프 만을 설명하였으나, 이하에서는 제1 폐루프와 제2 폐루프를 각각 제3 폐루프와 제4 폐루프의 개념으로 확장하여 설명하도록 한다.
예를 들어, 제1 전력 변환기(120a)와 최상위 배터리(B0) 간에 형성되는 폐루프를 제1 폐루프라 하고, 제1 전력 변환기(120a)와 제1 배터리(B1) 간에 형성되는 폐루프를 제2 폐루프라고 설정하는 경우, 제2 전력 변환기(120b)와 제1 배터리(B1) 간에 형성되는 폐루프는 제3 폐루프, 제2 전력 변환기(120b)와 제2 배터리(B2) 간에 형성되는 폐루프는 제4 폐루프로 설정된다. 이러한 폐루프의 명칭은 상대적인 개념으로 변경될 수 있다.
한편, DC 링크(160)는 서로 직렬로 연결된 상기 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)의 양 끝단에 병렬로 연결된다. DC 링크(160)는 후단에 직류 충전량을 공급하는 연결점으로서, 부하단(도시하지 않음)에 AC 충전량을 공급하기 위한 인버터(도시하지 않음)가 연결거나 DC 부하를 위한 다양한 직류 변환장치가 연결될 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템 중 양방향 전력 변환기를 이용하여 배터리 충전량을 밸런싱하는 것을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 2를 참조하면, 3개의 전력 변환기(221, 222, 223)와 4개의 배터리(BO, B1, B2, B3)로 구성되는 배터리 충전량 밸런싱 시스템의 밸런싱 모드에서의 동작을 나타낸다. 이 경우, 최상위 배터리(B0) 내지 제3 배터리(B3)는 직렬로 연결되며, 각각의 전력 변환기(221, 222, 223)는 스위칭부의 제3 스위치(S13, S23, S33)를 통해 상위 전력 변환기의 배터리와 연결된다.
예를 들어, 제1 전력 변환기(221)의 제1 인덕터(L1)의 제1 단은 제3 스위치(S13)의 제1 단과 연결되고, 제3 스위치(S13)의 제2 단은 최상위 배터리(B0)의 제1 단과 연결되고, 최상위 배터리(B0)의 제2 단은 제1 인덕터(L1)의 제2 단과 연결되어 폐루프를 형성한다. 또한, 제1 인덕터(L1)의 제1 단은 제2 스위치(S12)의 제1 단과도 연결되고, 제2 스위치(S12)의 제2 단은 제1 배터리(B1)의 제2 단과 연결되고, 제1 배터리(B1)의 제1 단은 제1 인덕터(L1)의 제2 단과 연결되어 폐루프를 형성한다.
한편, 제2 전력 변환기(222)의 제2 인덕터(L2)의 제1 단은 제3 스위치(S23)의 제1 단과 연결되고, 제3 스위치(S23)의 제2 단은 제1 배터리(B1)의 제1 단과 연결되고, 제1 배터리(B1)의 제2 단은 제2 인덕터(L2)의 제2 단과 연결되어 제1 폐루프(①)를 형성한다. 또한, 제2 인덕터(L2)의 제1 단은 제2 스위치(S22)의 제1 단과도 연결되고, 제2 스위치(S22)의 제2 단은 제2 배터리(B2)의 제2 단과 연결되고, 제2 배터리(B2)의 제1 단은 제2 인덕터(L2)의 제2 단과 연결되어 제2 폐루프(②)를 형성한다. 이에 따라, 하나의 폐루프 세트(224)가 형성된다.
한편, 제2 전력 변환기(223)의 제3 인덕터(L3)의 제1 단은 제3 스위치(S33)의 제1 단과 연결되고, 제3 스위치(S33)의 제2 단은 제2 배터리(B2)의 제1 단과 연결되고, 제2 배터리(B2)의 제2 단은 제3 인덕터(L3)의 제2 단과 연결되어 제3 폐루프(③)를 형성한다. 또한, 제3 인덕터(L3)의 제1 단은 제2 스위치(S32)의 제1 단과도 연결되고, 제2 스위치(S32)의 제2 단은 제3 배터리(B3)의 제2 단과 연결되고, 제3 배터리(B3)의 제1 단은 제3 인덕터(L3)의 제2 단과 연결되어 제4 폐루프(④)를 형성한다. 이에 따라, 하나의 폐루프 세트(225)가 형성된다.
도 2에서, 제1 폐루프(①)는 제3 스위치(S23)가 온(on)인 경우, 제1 배터리(B1)를 방전시켜 방전된 전력을 제2 인덕터(L2)에 저장시킨다. 또한, 제2 폐루프(②)는 제2 스위치(S22)가 온(on)인 경우, 제2 인덕터(L2)에 저장된 전력으로 제2 배터리(B2)를 충전시킨다. 이와 같이, 제1 폐루프(①)와 제2 폐루프(②)는 서로 상보적인 전력 흐름을 가진다.
또한, 제3 폐루프(③)는 제3 스위치(S33)가 온(on)인 경우, 제3 인덕터(L3)에 저장된 전력으로 제2 배터리(B2)를 충전시킨다. 또한, 제4 폐루프(④)는 제2 스위치(S32)가 온(on)인 경우, 제3 배터리(B3)를 방전시켜 방전된 전력을 제3 인덕터(L3)에 저장시킨다. 이와 같이, 제3 폐루프(③)와 제4 폐루프(④)는 서로 상보적인 전력 흐름을 가진다. 이러한 스위치의 듀티비 또는 주파수는 사용자의 설정에 따라 달리 설정될 수 있다.
또한, 제1 폐루프(①)와 제2 폐루프(②)의 폐루프 세트(224)와 제3 폐루프(③)와 제4 폐루프(④)의 폐루프 세트(225)는 별개로 제어될 수 있다. 예를 들어, 제2 배터리(B2)와 제3 배터리(B3) 간의 충전량이 불균형인 경우, 제3 폐루프(③)와 제4 폐루프(④)의 폐루프 세트(225)를 제어하여 충전량을 밸런싱 하고, 이후에 제2 배터리(B2)와 제1 배터리(B1) 간의 충전량이 불균형인 경우, 제1 폐루프(①)와 제2 폐루프(②)의 폐루프 세트(224)를 제어하여 충전량을 밸런싱 한다. 이에 따라, 제3 배터리(B3)로부터 최상위 배터리(B0) 순서로 충전량이 밸런싱 된다. 만약, 도 2에 나타낸 폐루프의 전력 흐름이 반대인 경우에는 최상위 배터리(B0)로부터 제3 배터리(B3) 순서로 충전량이 밸런싱 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 도 3의 배터리 충전량 밸런싱 시스템은 복수의 입력 전원(310a, 310b, 310c, …, 310n)을 포함하는 입력 전원부(310)와, 복수의 전력 변환기(320a, 320b, 320c, …, 320n)를 포함하는 전력 변환부(320)와, 복수의 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 포함하는 스위칭부(330)와, 전력 변환부(320)의 변환된 전력을 저장하는 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn)를 포함하는 전력 저장부(340)와, 스위칭부(330)를 제어하여 전력 변환부(320)를 전력 변환 모드 또는 밸런싱 모드로 동작하도록 제어하는 충전량 밸런싱 장치(350)와, 후단에 직류 충전량을 공급하는 연결점인 DC 링크(360)를 포함한다.
도 3의 배터리 충전량 밸런싱 시스템은 전력 변환부(320)의 복수의 전력 변환기(320a, 320b, 320c, …, 320n)가 단방향 컨버터인 경우를 나타낸 것으로, 복수의 전력 변환기(320a, 320b, 320c, …, 320n)는 인덕터(L1, L2, L3, … Ln), 스위치(S12, S22, S32, …, Sn2), 다이오드(D1, D2, D3, … Dn)를 포함한다.
또한, 충전량 밸런싱 장치(350)는 충전량 측정부(351), 모드 변환 파라미터 연산부(352) 및 제어부(353)를 포함하며, 그 기본적인 동작은 도 1의 충전량 밸런싱 장치(150)와 동일하다. 제어부(353)는 전력 변환부(320)를 전력 변환 모드로 동작시키는 경우 스위칭부(330)에 포함되는 복수의 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)를 오프(off) 시키고, 밸런싱 모드로 동작시키는 경우에는 온(on) 시킨다.
제1 전력 변환기(320a)의 인덕터(L1)의 제1 단은 제1 입력 전원(310a)의 제1 단과 연결되고, 인덕터(L1)의 제2 단은 스위치(S12)의 제1 단 및 제1 다이오드(D1)의 제1 단과 연결된다. 또한, 제1 다이오드(D1)의 제2 단은 최상위 배터리(BO)의 제1 단과 연결되고, 최상위 배터리(BO)의 제2 단은 제1 배터리(B1)의 제1 단과 연결된다. 또한, 제1 배터리(B1)의 제2 단은 스위치(S12)의 제2 단, 제2 배터리(B2)의 제1 단, 및 스위칭부(330)의 제3 스위치(S23)의 제1 단과 연결된다. 이와 같이 스위칭부(330)에 포함되는 복수의 제3 스위치(S13, S23, S33, …, Sn3)는 복수의 전력 변환기(320a, 320b, 320c, …, 320n)의 입력단과 복수의 배터(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 간의 접점을 스위칭 연결함으로써 복수의 배터리(BO, B1, B2, B3, …, Bn) 간의 충전량을 밸런싱할 수 있다.
한편, 도 3에서 최하위 배터리(Bn) 및 제n 전력 변환기(320n)와 연결되는 스위치(Sn3)는 선택적인 구성이며, 이를 포함하지 않는 경우에는 복수의 전력 변환기(320a, 320b, 320c, …, 320n)가 전력 변환 모드로 동작하는 경우 복수의 배터리(B1, B2, B3, …, Bn -1)는 모두 전력 변환부(320)에서 변환된 전력을 저장하도록 동작하게 된다. 또한, 복수의 전력 변환기(320a, 320b, 320c, …, 320n)가 밸런싱 모드로 동작하는 경우에는 최하위 배터리(Bn) 및 제n 전력 변환기(320n)와 연결되는 스위치(Sn3)가 포함되는 경우와 동일한 동작이 가능하다.
도 4a, 도 4b는 도 3에 따른 배터리 충전량 밸런싱 시스템 중 단방향 전력 변환기를 이용하여 배터리 충전량을 밸런싱하는 것을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2와 마찬가지로, 3개의 전력 변환기(321, 322, 323)와 4개의 배터리(BO, B1, B2, B3)로 구성되는 배터리 충전량 밸런싱 시스템의 밸런싱 모드에서의 동작을 나타낸다. 이 경우, 최상위 배터리(B0) 내지 제3 배터리(B3)는 직렬로 연결되며, 각각의 전력 변환기(421, 422, 423)는 상위 배터리와 연결되며, 그 연결 관계는 도 2와 동일하다. 다만, 밸런싱 모드에서 새로 연결되는 전력 변환기(421, 422, 423)와 배터리(BO, B1, B2, B3) 간의 연결은 스위치(S12, S13, S22, S23, S32, S33) 또는 다이오드(D1, D2, D3)를 통해 연결된다.
도 4a는 단방향 전력 변환기(421, 422, 423)를 이용하여 하위 배터리를 방전시켜 상위 배터리를 충전시킴으로써, 전력 이동 방향을 상향으로 설정하는 것을 나타낸 것이다. 이 경우, 각각의 폐루프 세트(424, 425)는 별개로 동작할 수 있다. 예를 들어, 제4 루프(④)를 통해 제3 전력 변환기(423)의 제3 배터리(B3)는 방전되고, 제3 루프(③)를 통해 제2 배터리(B2)는 충전된다. 다음으로, 제2 루프(②)를 통해 제2 배터리(B2)는 방전되고, 제1 루프(①)를 통해 제1 배터리(B1)는 충전된다. 이와 같은 방식으로, 최상위 배터리(B0)까지 충전시킬 수 있다.
또한, 단방향 전력 변환기(421, 422, 423)를 이용하는 경우 양 끝단에 위치하는 배터리(B0, B3) 중 최상위 배터리(B0)는 충전만 가능하며, 최하위 배터리인 제3 배터리(B3)는 방전만 가능하다. 따라서, 최상위 배터리(BO)와 제3 배터리(B3) 간에는 별도의 충방전 회로(도시하지 않음)을 추가하여 양 배터리(BO, B3) 간에 상보적으로 충방전을 제어하도록 구성하는 것이 가능하다.
또한, 복수의 전력 변환기(421, 422, 423)를 단방향 컨버터로 구성하는 경우에는 양 끝단의 배터리인 최상위 배터리(B0)와 최하위 배터리인 제n 배터리(Bn)에 연결되는 전력 변환기를 양방향 전력 변환기로 구성함으로써 별도의 충방전 제어 회로를 연결하지 않고도 최상위 배터리(B0)와 최하위 배터리인 제3 배터리(B3)를 충전 또는 방전하는 것이 가능하다.
한편, 도 4b는 또 다른 토폴로지를 적용한 단방향 전력 변환기를 이용하여 상위 배터리를 방전시켜 하위 배터리를 충전시킴으로써, 전력 이동을 하향으로 설정하는 것을 나타낸 것이다. 그 방식은 도 4a와 같이 다이오드(D1, D2, D3)가 포함된 폐루프를 제어하여 그와 연결된 배터리는 충전시키고, 스위치(S13, S23, S33)가 포함된 폐루프를 제어하여 그와 연결된 배터리는 방전시킨다. 예를 들어, 최상위 배터리(B0)를 방전시켜 제1 배터리(B1)를 충전시키고, 제1 배터리(B1)를 방전시켜 제2 배터리(B2)를 충전시키는 방식으로 제3 배터리(B3)를 충전시킨다. 이 경우, 각각의 폐루프 세트(424, 425)는 별개로 동작할 수 있다.
또한, 도 4a와 비교하여 각 폐루프에 포함되는 스위치(S12, S22, S32)와 다이오드(D1, D2, D3)의 위치가 달라진다. 만약, 도 4b의 다이오드(D1, D2, D3)의 방향이 반대로 설정되면, 도 4a와 같이 전력 이동이 상향으로 설정될 수 있다.
또한, 단방향 전력 변환기를 이용하는 경우 양 끝단에 위치하는 배터리(B0, B3) 중 최상위 배터리(B0)는 방전만 가능하며, 최하위 배터리인 제3 배터리(B3)는 충전만 가능하다. 따라서, 최상위 배터리(BO)와 제3 배터리(B3) 간에는 별도의 충방전 회로(도시하지 않음)를 추가하여 양 배터리(BO, B3) 간에 상보적으로 충방전을 제어하도록 구성하는 것이 가능하다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 에너지원으로부터 생산되는 전력을 전력 변환기를 통해 배터리에 저장함에 있어서, 별도의 밸런싱 회로 없이도 전력 변환기를 이용하여 배터리 간의 충전량 불균형을 밸런싱할 수 있다. 또한, 전력 변환기로 배터리 충전량을 밸런싱함으로써 전체 시스템을 소형화할 수 있으며, 시스템 제작 비용을 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
110, 310 : 입력 전원부
110a, 110b, 110c, …, 110n : 입력 전원
120, 320 : 전력 변환부
120a, 120b, 120c, …, 120n : 전력 변환기
130, 330 : 스위칭부
140, 340 : 전력 저장부
150, 350 : 충전량 밸런싱 장치
151, 351 : 충전량 측정부
152, 352 : 모드 변환 파라미터 연산부
153, 353 : 제어부
160, 360 : DC 링크
221, 421 : 제1 전력 변환기
222, 422 : 제2 전력 변환기
223, 423 : 제3 전력 변환기
224, 225, 424, 425 : 폐루프 세트

Claims (11)

  1. 복수의 입력 전원과 연결된 복수의 전력 변환기를 통해 전력이 저장되는 복수의 배터리 각각의 충전량을 측정하는 충전량 측정부;
    상기 복수의 전력 변환기가 전력을 변환하는 전력 변환 모드 또는 상기 배터리 간의 충전량을 밸런싱하는 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환을 결정하는 모드 변환 파라미터를 연산하는 모드 변환 파라미터 연산부; 및
    상기 연산된 모드 변환 파라미터에 따라 상기 복수의 전력 변환기 및 상기 복수의 전력 변환기와 상기 복수의 배터리 간에 연결된 복수의 스위치를 스위칭하여 상기 전력 변환기의 전력 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 스위치 중에서 하나 이상을 온(on)시켜 상기 연산된 모드 변환 파라미터가 전력 변환 모드의 파라미터에 해당하는 경우, 상기 복수의 전력 변환기가 상기 입력 전원의 전력을 변환하여 상기 복수의 배터리에 저장하는 전력 변환 모드로 동작시키는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 중 인접하는 배터리 간에는 직렬 연결되는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연산된 모드 변환 파라미터가 밸런싱 모드의 파라미터에 해당하는 경우, 제1 전력 변환기의 제1 배터리와 제2 전력 변환기를 연결하고, 상기 제2 전력 변환기의 제2 배터리와 제3 전력 변환기를 연결하여 밸런싱 모드로 동작시키는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 배터리와 상기 제2 변환기가 연결되어 형성되는 제1 폐루프와, 상기 제2 전력 변환기와 상기 제2 배터리 간에 형성되는 제2 폐루프를 제어하여, 상기 제1 배터리 또는 상기 제2 배터리를 충전 또는 방전시키는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 배터리와 상기 제3 변환기가 연결되어 형성되는 제3 폐루프와, 상기 제3 전력 변환기와 상기 제3 배터리 간에 형성되는 제4 폐루프를 제어하여, 상기 제2 배터리 또는 상기 제3 배터리를 충전 또는 방전시키는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 폐루프, 제2 폐루프, 제3 폐루프, 제4 폐루프 중 적어도 하나는 스위치의 듀티비 제어 방식 또는 주파수 제어 방식으로 제어되는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전력 변환기 및 상기 제2 전력 변환기, 또는 상기 제2 전력 변환기 및 상기 제3 전력 변환기는 순차적으로 반복되어 형성되는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환기가 밸런싱 모드로 동작하는 경우 상기 입력 전원으로부터의 전력이 차단되는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 모드 변환 파라미터 연산부는,
    상기 복수의 배터리 간의 충전량편차, 상기 전력 변환기의 모드 변환 시간, 복수의 배터리의 전압, 전류, 온도, 주파수 응답 중 적어도 하나를 기준으로 상기 모드 변환 파라미터를 연산하는 배터리 충전량 밸런싱 장치.
  11. 복수의 입력 전원을 포함하는 입력 전원부;
    상기 복수의 입력 전원으로부터 입력된 전력을 변환하는 복수의 전력 변환기를 포함하는 전력 변환부;
    변환된 전력이 저장되는 복수의 배터리를 포함하는 전력 저장부;
    상기 전력 변환부와 상기 전력 저장부 간의 연결을 스위칭하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부;
    상기 복수의 배터리 각각의 충전량을 측정하는 충전량 측정부와, 상기 복수의 전력 변환기가 전력을 변환하는 전력 변환 모드 또는 상기 배터리 간의 충전량을 밸런싱하는 밸런싱 모드로 동작하도록 모드 변환을 결정하는 모드 변환 파라미터를 연산하는 모드 변환 파라미터 연산부와, 상기 연산된 모드 변환 파라미터에 따라 상기 복수의 전력 변환기 및 상기 스위칭부를 스위칭하여 상기 전력 변환기의 전력 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 충전량 밸런싱 장치; 및
    서로 직렬로 연결된 상기 복수의 배터리의 양 끝단에 병렬로 연결되는 DC 링크를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 스위치 중에서 하나 이상을 온(on)시켜 상기 연산된 모드 변환 파라미터가 전력 변환 모드의 파라미터에 해당하는 경우, 상기 복수의 전력 변환기가 상기 입력 전원의 전력을 변환하여 상기 복수의 배터리에 저장하는 전력 변환 모드로 동작시키는 배터리 충전량 밸런싱 시스템.
KR1020120032297A 2012-03-29 2012-03-29 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템 KR101326103B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120032297A KR101326103B1 (ko) 2012-03-29 2012-03-29 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템
US14/388,244 US9722435B2 (en) 2012-03-29 2013-01-25 Battery charge balancing device and battery charge balancing system
PCT/KR2013/000625 WO2013147412A1 (ko) 2012-03-29 2013-01-25 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120032297A KR101326103B1 (ko) 2012-03-29 2012-03-29 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130110379A KR20130110379A (ko) 2013-10-10
KR101326103B1 true KR101326103B1 (ko) 2013-11-06

Family

ID=49260620

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120032297A KR101326103B1 (ko) 2012-03-29 2012-03-29 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9722435B2 (ko)
KR (1) KR101326103B1 (ko)
WO (1) WO2013147412A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160090121A (ko) * 2015-01-21 2016-07-29 삼성에스디아이 주식회사 하이브리드 전력변환 시스템 및 이를 이용하는 최대 효율 결정 방법

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8775846B2 (en) 2009-07-10 2014-07-08 Protonex Technology Corporation Portable power manager having one or more device ports for connecting with external power loads
US10250134B2 (en) 2013-04-01 2019-04-02 Revision Military Ltd. Power manager
KR101494379B1 (ko) * 2014-02-27 2015-02-23 김진수 에너지 저장 시스템
JP2015216719A (ja) * 2014-05-08 2015-12-03 富士通株式会社 給電装置、給電制御方法、及び、基地局装置
US9906072B2 (en) 2014-08-04 2018-02-27 Vertiv Energy Systems, Inc. Systems and methods for matching an end of discharge for multiple batteries
JP6543340B2 (ja) 2014-10-07 2019-07-10 プロトネクス テクノロジー コーポレイション Ｓｏｆｃ−伝導
US10326284B2 (en) 2014-11-11 2019-06-18 Revision Military Ltd. Control module for DC power network
US9735601B2 (en) * 2015-09-09 2017-08-15 The Florida International University Board Of Trustees Systems and techniques for energy storage regulation
US11258366B2 (en) 2015-11-20 2022-02-22 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
US11108230B2 (en) 2015-11-20 2021-08-31 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
US10848067B2 (en) 2015-11-20 2020-11-24 Galvion Soldier Power, Llc Power manager with reconfigurable power converting circuits
AU2017311409C1 (en) 2016-08-11 2023-04-27 Upstart Power, Inc. Planar solid oxide fuel unit cell and stack
TWI633738B (zh) * 2016-09-07 2018-08-21 華碩電腦股份有限公司 儲能單元充放電模組及其充放電方法
EP3337001B1 (en) * 2016-12-14 2022-03-02 GS Yuasa International Ltd. System and method for discharging a defective battery cell
CN107069876B (zh) * 2017-04-28 2023-11-07 易事特集团股份有限公司 储能用单向主动均衡电路
US10742127B2 (en) * 2018-07-03 2020-08-11 Utah State University Battery integrated modular multifunction converter for grid energy storage systems
KR102307646B1 (ko) * 2019-12-05 2021-10-05 주식회사 포스코 태양광 발전 장치
DE112021002967T5 (de) * 2020-07-06 2023-03-16 Husqvarna Ab Energieübertragungsvorrichtung
KR102524183B1 (ko) * 2020-10-16 2023-04-21 에코브 주식회사 차량용 배터리 충전 스테이션의 부하 밸런싱 장치 및 그 방법
WO2023150608A2 (en) * 2022-02-02 2023-08-10 Katlego Systems, Llc Power supply system and integration thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008206396A (ja) 2004-08-27 2008-09-04 Fdk Corp 直列接続した２次電池のバランス補正装置およびその補正方法
KR20090111571A (ko) * 2008-04-22 2009-10-27 에스케이에너지 주식회사 직렬연결 배터리 스트링을 위한 2단 전하 균일 방법 및장치

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4238721A (en) * 1979-02-06 1980-12-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy System and method for charging electrochemical cells in series
US5965996A (en) * 1997-12-11 1999-10-12 Vectrix Corporation Electrical scooter having an equalization circuit for charging multiple batteries
US6373223B1 (en) * 2000-11-21 2002-04-16 Nagano Japan Radio Co., Ltd. Voltage equalizing apparatus and voltage equalizing method for battery devices
US7193392B2 (en) * 2002-11-25 2007-03-20 Tiax Llc System and method for determining and balancing state of charge among series connected electrical energy storage units
TWM289925U (en) * 2005-11-09 2006-04-21 Sino American Electronic Co Lt Smart-type battery charger with equalizer circuit
US8618692B2 (en) * 2007-12-04 2013-12-31 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power system using direct current power sources
KR100962097B1 (ko) 2008-06-05 2010-06-09 주식회사 네이스코 차량용 배터리의 재충전회로
JP2010098866A (ja) 2008-10-17 2010-04-30 Panasonic Corp 不均衡判定回路、不均衡低減回路、電池電源装置、及び不均衡判定方法
JP5601770B2 (ja) * 2008-12-09 2014-10-08 三菱重工業株式会社 電圧均等化装置、方法、プログラム、及び電力貯蔵システム
EP3576276A1 (en) * 2009-07-31 2019-12-04 Thermo King Corporation Bi-directional battery voltage converter
KR101063057B1 (ko) 2009-08-21 2011-09-07 금오공과대학교 산학협력단 태양광전지 모듈의 부정합 손실 보상 장치
US8436582B2 (en) * 2010-07-09 2013-05-07 Freescale Semiconductor, Inc. Battery cell equalizer system
KR101256077B1 (ko) * 2011-04-18 2013-04-18 삼성에스디아이 주식회사 전력 제어 시스템 및 전력 제어 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008206396A (ja) 2004-08-27 2008-09-04 Fdk Corp 直列接続した２次電池のバランス補正装置およびその補正方法
KR20090111571A (ko) * 2008-04-22 2009-10-27 에스케이에너지 주식회사 직렬연결 배터리 스트링을 위한 2단 전하 균일 방법 및장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160090121A (ko) * 2015-01-21 2016-07-29 삼성에스디아이 주식회사 하이브리드 전력변환 시스템 및 이를 이용하는 최대 효율 결정 방법
KR102308628B1 (ko) * 2015-01-21 2021-10-05 삼성에스디아이 주식회사 하이브리드 전력변환 시스템 및 이를 이용하는 최대 효율 결정 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20150048794A1 (en) 2015-02-19
KR20130110379A (ko) 2013-10-10
US9722435B2 (en) 2017-08-01
WO2013147412A1 (ko) 2013-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101326103B1 (ko) 배터리 충전량 밸런싱 장치 및 배터리 충전량 밸런싱 시스템
US12003107B2 (en) Method and apparatus for storing and depleting energy
US11876369B2 (en) System and method for interconnected elements of a power system
US7476987B2 (en) Stand-alone wind turbine system, apparatus, and method suitable for operating the same
EP2793345B1 (en) Electric power supply system
KR101116428B1 (ko) 에너지 저장 시스템
JP5929258B2 (ja) 電力供給システムおよび電源装置
US9337682B2 (en) Charging control device, solar power generation system and charging control method
WO2007086472A1 (ja) 電力供給システム
CN102097821A (zh) 并网能量存储***以及控制并网能量存储***的方法
KR20160023865A (ko) 전기화학 에너지 축전기들에 전기 에너지를 저장하기 위한 방법 및 장치
JP2014533088A (ja) 再生可能エネルギー源のための電力変換システムおよび方法
WO2013129683A1 (ja) 電源装置、蓄電装置、及び蓄電システム
JP2012010531A (ja) 直流配電システム
US9086461B2 (en) Circuit for measuring voltage of battery and power storage system using the same
KR20150085227A (ko) 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법
Parsekar et al. A novel strategy for battery placement in standalone solar photovoltaic converter system
KR102077020B1 (ko) 태양 에너지 충전장치
Kusmantoro et al. Voltage stability in DC micro grid by controlling two battery units with hybrid network systems
KR102064433B1 (ko) 태양 에너지 충전장치
Ejiofor et al. Design and Development of a Charge Controller for a Photo-Voltaic System
US11233403B2 (en) Grid interconnection system
Yaghoubi Voltage Control of Stand-Alone PV-Battery Generation System
Vanitha Smart Grid Power System by Integrating IOT
Kumar et al. A design of cost effective hybrid solar interface and management unit

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161018

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181017

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190812

Year of fee payment: 7