KR20240062311A - 충전 제어 기반의 전력 증강 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 관한 것으로서, 상기 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는 제1 전원부에 연결되어 있는 복수의 스위치를 구비한 제1 스위칭부, 상기 제1 스위칭부의 각 스위치에 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈, 각 배터리 모듈에 연결되어 있는 복수의 스위치를 구비한 제2 스위칭부, 상기 제2 스위칭부의 복수의 스위치에 연결되어 있는 전류 감지부, 상기 전류 감지부에서 인가되는 전압과 상기 제1 전원부와 다른 제2 전원부에서 인가되는 전력을 합산하여 증가된 전력을 부하쪽으로 출력하는 덧셈기 및 상기 전류 감지부, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부에 연결되어 있고, 상기 전류 감지부로부터 인가되는 전류 감지 신호를 이용하여 현재 출력 전류를 판정하고, 판정된 현재 출력 전류의 상태에 따라 상기 제2 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 현재 부하 쪽으로 전력을 공급하고 있는 현재 방전 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈로 전환하고, 상기 제1 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 현재 방전 배터리 모듈의 충전 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

충전 제어 기반의 전력 증강 장치{POWER ENHANCEMENT APPARATUS BASED ON CHARGE CONTROL}

본 발명은 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 두 개의 전원을 이용하여 출력 전력을 증강하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 관한 것이다.

화석 연료의 고갈과 환경 오염의 문제로 인해, 전기를 이용한 전기 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되어 상용화되고 있다.

전기 자동차는 내연 기관을 이용하지 않고 충전식 배터리를 이용하여 자동차의 구동에 필요한 에너지를 발생시키는 것으로, 자동차 운행을 위해서는 배터리의 충전을 수행해야 한다.

전기 자동차의 배터리를 충전시키는 방식은 교류 충전 방식인 완속 충전 방식과 직류 충전 방식인 급속 충전 방식이 존재한다.

또한, 상용 전원뿐만 아니라 배터리를 구비한 이동형 충전 장치를 이용하여 전기 자동차와 같은 부하를 충전시킬 수 있다.

이동이 자유로운 이동형 충전 장치는 위치가 고정되어 있는 고정식 충전 장치에 비해, 전력설비에 따른 설치 비용이 들지 않는다는 이점을 갖는다.

고정식 충전 장치의 경우는 고정식 충전기가 고정 설치되어야 하는 공간이 특정되어야 하기 때문에 주차공간에 따른 비용이 발생한다는 문제가 존재하지만, 이동식 충전 장치의 경우에는 설치 위치를 고정할 필요가 없으므로, 설치 공간에 대한 제약이 크지 않고 그에 따른 비용 발생의 문제 역시 크지 않다.

대한민국 공개특허 제10-2019-0008729호: 공개일자: 2019년 01월 25일, 발명의 명칭: 이동형 전기자동차 충전기)

본 발명이 해결하려는 과제는 이동형 배터리 모듈을 이용하여 부하로 인가되는 전력의 크기를 증강하기 위한 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 배터리 모듈을 이용하여 부하로 인가되는 전력의 크기를 증강하기 위한 것이다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 전력 복수 개의 배터리 모듈을 이용하여 부하 쪽으로 안정적인 전력 공급을 수행하기 위한 것이다.

본 발명의 한 특징에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는 제1 전원부에 연결되어 있는 복수의 스위치를 구비한 제1 스위칭부, 상기 제1 스위칭부의 각 스위치에 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈, 각 배터리 모듈에 연결되어 있는 복수의 스위치를 구비한 제2 스위칭부, 상기 제2 스위칭부의 복수의 스위치에 연결되어 있는 전류 감지부, 상기 전류 감지부에서 인가되는 전압과 상기 제1 전원부와 다른 제2 전원부에서 인가되는 전력을 합산하여 증가된 전력을 부하쪽으로 출력하는 덧셈기 및 상기 전류 감지부, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부에 연결되어 있고, 상기 전류 감지부로부터 인가되는 전류 감지 신호를 이용하여 현재 출력 전류를 판정하고, 판정된 현재 출력 전류의 상태에 따라 상기 제2 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 현재 부하 쪽으로 전력을 공급하고 있는 현재 방전 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈로 전환하고, 상기 제1 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 현재 방전 배터리 모듈의 충전 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제2 스위칭부의 각 스위치는 대응하는 배터리 모듈의 출력단에 애노드 단자가 연결되어 있는 다이오드, 상기 다이오드의 캐소드 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 전류 감지부에 타측 단자가 연결되어 있는 제1 스위칭 소자 및 대응하는 배터리 모듈의 출력단에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 전류 감지부에 타측 단자가 연결되어 있는 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 전류 감지부로부터 인가되는 전류 감지 신호를 이용하여 현재 방전 배터리 모듈의 현재 출력전류를 판정하고, 판정된 현재 출력 전류와 이전 출력 전류의 출력 전류차가 설정값 이상이면 상기 현재 방전 배터리 모듈에서 다음 방전 배리 모듈로의 전환 동작을 제어하는 제어 신호를 상기 제2 스위칭부로 출력할 수 있다.

상기 제어부는 상기 현재 방전 배터리 모듈에 연결되어 있는 현재 방전 스위치와 상기 다음 방전 배터리 모듈에 연결되어 있는 다음 방전 스위치에서, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자 중 하나의 스위칭 소자만이 전환 상태가 변하도록 제어할 수 있다.

상기 다음 방전 배터리 모듈은 복수의 배터리 모듈 중에서 상기 현재 방전 배터리 모듈의 바로 다음에 위치하고 있는 배터리 모듈일 수 있다.

상기 제어부는 상기 다음 방전 배터리 모듈로의 전환 동작이 완료되면, 상기 제1 스위칭부로 제어신호를 출력하여 상기 현재 방전 배터리 모듈에 연결되어 있는 제1 스위칭부의 스위치를 온시킬 수 있다.

상기 전류 감지부는 션트 저항을 포함할 수 있다.

상기 제1 전원부는 직류 전원을 출력하고, 상기 제2 전원부는 교류 전원을 출력할 수 있다.

상기 특징에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는 상기 제2 전원부에 연결되어 상기 제2 전원부에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하거나 상기 교류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 덧셈기로 출력하는 컨버터를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 전원부는 태양광이나 풍력을 이용한 에너지 장치일 수 있다.

각 배터리 모듈은 서로 분리되어 있는 이동형 배터리 모듈일 수 있다.

이러한 특징에 따르면, 추가적인 전원을 이용하여 최종적으로 출력되는 전력을 증강시킬 수 있다. 별개로 설계된 복수 개의 배터리 모듈의 개수를 증감시키고 또한 연결 상태를 직렬이나 병렬 상태로 변경하여 원하는 크기만큼의 전력 증강이 이루어질 수 있다. 또한, 방전중인 배터리의 잔류 전하량에 따라 현재 방전되고 있는 배터리 모듈을 새로운 배터리 모듈로 전기적으로 교체할 수 있다. 이로 인해, 이동형 충전기임에도 불구하고 부하로 전달되는 전력의 크기가 일정하게 유지될 수 있으므로, 부하의 충전 시간 등과 같은 충전 효율이 향상될 수 있다.

추가적으로, 배터리 모듈이 방전되고 있는 동안, 다른 배터리 모듈에 대한 충전 동작을 수행할 수 있으므로, 배터리 모듈의 충전을 위한 충전 시간이 크게 절감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 충전 제어 기반의 전력 증강 장치의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치의 배터리 모듈에 대한 방전 상태에 따른 방전 상태에 따른 전류 용량값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치의 제어부에 대한 동작 순서도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에서 제어부의 제어에 따른 현재 방전 배터리 모듈에서 다음 방전 배터리 모듈로의 전환을 위한 제2 스위칭부의 동작 상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, 설명되는 각 단계들은 특별한 인과관계에 의해 나열된 순서에 따라 수행되어야 하는 경우를 제외하고, 나열된 순서와 상관없이 수행될 수 있다.

본 출원에서, "포함한다" 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.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 대해 설명한다.

먼저, 도 1을 참고하여, 본 발명의 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 대한 동작 개념을 설명한다.

전력 증강은 상용 전원과 상용 전원과 별개인 별도 전원을 병렬로 결선하여 부하로 들어가는 전력량을 증가시키는 것으로서, 부하의 충전속도 등을 경감시킬 수 있다.

일 예로, 전력 증강은 교류인 상용 전원의 전력을 직류(DC)로 변환하고, 직류로 변환된 상용 전원의 전력과 직류인 별도 전원의 전력을 결합하여 부하로 전달하여, 부하로 인가되는 전력량을 증가시킬 수 있다.

이러한 전력 증강을 위한 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는, 도 1에 도시한 것처럼, 개념적으로 댁내 전원과 같은 상용 전원(11), 교류인 상용 전원(11)의 출력을 직류로 변환하는 교류-직류 컨버터(AC-DC converter)(12), 배터리 모듈(예, 별도 전원)(13), 직류(DC)인 배터리 모듈(13)의 출력을 승압하는 직류(DC)-직류(DC) 컨버터(14), 교류-직류 컨버터(12)와 직류-직류 컨버터(14)의 합산된 출력을 교류로 변환하여 부하(100) 쪽으로 출력하는 인버터(inverter)(15)를 구비할 수 있다.

이때, 인버터(15)는 부하의 특성에 따라 필요에 따라 생략될 수 있고, 출력을 합산하는 덧셈기 등이 추가로 구비될 수 있다.

일 예로, 상용 전원 (11)의 출력이 최대 3kW일 때, 배터리 모듈(13)의 전원과의 합산에 의해 부하로 출력되는 최종 출력은 7kW~11kW까지 전력을 증강시킬 수 있고, 상용 전원 (11)의 출력이 7kW~50kW일 때, 배터리 모듈(13)의 전원과의 합산에 의해 부하로 출력되는 최종 출력은 50kW~120kW까지 전력을 증강시킬 수 있다.

이때, 배터리 모듈(13)은 각각 별도의 모듈 형태로 설계된 모듈형 배터리일 수 있고, 또한, 원하는 위치로의 이동 및 설치가 가능한 이동형 배터리 모듈일 수 있다. 이러한 배터리 모듈(13)은 일반적으로 공급되는 전기뿐만 아니라 태양광이나 풍력 등을 이용한 친환경 에너지 장치와 같은 외부 전원(110)을 통해 충전될 수 있다.

본 발명의 배터리 모듈(13)은 복수 개를 직렬 또는 병렬 연결하여 이용할 수 있고, 또한, 원하는 출력 전압의 크기에 따라 전기적으로 연결되는 배터리 모듈(14)의 개수 역시 증감시킬 수 있다.

부하가 전기 자동차일 경우, 전기 자동차는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치의 최종 출력을 이용하여 충전을 수행할 수 있고, 이때, 본 발명의 충전 제어 기반의 전력 증강 장치를 이용하여 전기 자동차로 인가되는 전력을 증강시켜 완속 충전 또는 고속 충전을 수행될 수 있다.

완속 충전 시 최종 출력 전압의 전력은 7kW~11kW일 수 있고, 고속 충전 시 최종 출력 전압의 전력은 50kW~120kW일 수 있다.

또한, 완속 충전 시 전기 자동차로 인가되는 전력은 교류이므로, 직류-교류 인버터(DC-AC inverter)를 이용하여 상용 전원(11)과 배터리 모듈(13)의 전원(예, 배터리 전원)의 합산 전력을 교류 상태로 변환한 후 전기 자동차 쪽으로 출력할 수 있다.

또한, 직류 전력을 이용하는 고속 충전 시 필요할 경우, DC-DC 컨버터를 이용하여 직류 상태인 상용 전원(11)과 배터리 전원의 합산 전력을 승압한 후 전기 자동차 쪽으로 출력할 수 있다.

이와 같이, 상용 전원(11)을 이용하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 배터리 모듈(13)의 출력을 연결하여, 전기 자동차의 충전 전력을 증강시킬 수 있으므로, 완속 충전 시 전기 자동차의 충전 속도는 크게 향상될 수 있다.

또한, 전기 자동차 충전 시스템에 본 발명의 배터리 모듈(13)을 결합하여, 전기 자동차 충전 시스템의 출력을 확장할 수 있다.

모듈 형태로 구성된 배터리 모듈(13)을 이용하여 대용량의 전력을 분산하여 관리함으로써, 전력 관리의 효율성이 향상되고 열관리 측면에서 유리할 수 있다.

더욱이, 설치 위치의 이동이 자유로운 배터리 모듈(13)은 설치 위치가 고정되어 있어 이동이 불가능한 고정식 충전 제어 장치에 비해 전력설비에 따른 설치비용이 발생하지 않거나 크게 절감되는 이점도 발생할 수 있다.

고정식 충전 제어 장치는, 이미 기술한 것처럼, 설치 위치가 특정되어 있어야 하므로, 고정식 충전 제어 장치를 이용하여 전기 자동차와 같은 부하의 충전 동작을 수행하고자 하는 경우, 고정식 충전 제어 장치가 설치되어 있는 곳으로 부하가 이동하여 위치하여야 하므로 부하를 위한 공간(예, 주차 공간)이 필요할 수 있다.

따라서, 고정식 충전 제어 장치의 경우, 이러한 공간 확보에 대한 어려움이 발생하게 된다. 하지만, 배터리 모듈(13)을 이용하게 되면, 부하 대신 이동식 배터리 모듈(13)이 부하가 위치하고 있는 장소로 이동할 수 있고 또한 이동식 배터리 모듈(13)을 위한 공간의 크기가 크지 않으므로, 이동식 배터리 모듈(13)을 위한 별도의 공간 확보에 대한 부담감이 크게 않고 이로 인해, 그에 따른 비용 발생 또한 발생하지 않게 된다.

다음, 도 2 내지 도 5g를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 대해 설명한다.

도 2를 참고하면, 본 예의 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는 외부 전원(DC10)(예, 제1 전원부), 외부 전원(DC10)에 입력단이 연결되어 있는 제1 컨버터(10), 제1 컨버터(10)에 출력단이 연결되어 있는 제1 스위칭부(20), 제1 스위칭부(20)의 출력단에 각각 입력단이 연결되어 있는 복수 개의 배터리 모듈을 구비하는 배터리 모듈부(30), 배터리 모듈부(30)의 각 배터리 모듈의 출력단에 각 입력단이 연결되어 있는 제2 스위칭부(40), 제2 스위칭부(40)의 출력단에 연결되어 있는 전류 감지부(50), 전류 감지부(50)에 연결되어 있는 제2 컨버터(60), 상용 전원(AC10)(예, 제2 전원부), 상용 전원(AC10)에 연결되어 있는 제3 컨버터(70), 제2 컨버터(60)의 출력단과 제3 컨버터(70)의 출력단에 입력단이 연결되어 있고 부하(100)에 출력단이 연결되어 있는 덧셈기(80), 그리고 제1 스위칭부(20), 제2 스위칭부(40) 및 전류 감지부(50)에 연결되어 있는 제어부(90)를 구비할 수 있다.

본 예에서, 부하(100)는 한 예로서 전기 자동차(100)일 수 있고, 이런 경우, 덧셈기(80)에서 출력되는 전력은 전기 자동차(100)에 실장된 배터리를 충전시키기 위한 것일 수 있다.

하지만, 이에 한정되지 않고, 부하(100)는 덧셈기(80)에서 출력되는 전력을 이용하여 장착된 배터리의 충전 동작이나 구동 동작을 수행할 수 있는 장치일 수 있다.

외부 전원(DC10)은 각 배터리 모듈을 충전하기 위한 전원으로서, 상용 전원뿐만 아니라 태양광 발전기 풍력 방전기 등과 같은 신재생 에너지원과 같이 상용 전원과 다른 별개의 전원일 수 있다.

외부 전원(DC10)이 상용 전원과 다른 별개의 전원일 경우, 외부 전원(DC10)은 직류(DC) 상태의 전력을 출력할 수 있다.

제1 컨버터(10)는 외부 전원(DC10)에서 출력되는 직류 상태의 전력을 정해진 크기의 직류 전력으로 출력하는 직류-직류 컨버터(DC-DC converter)일 수 있다.

따라서 제1 컨버터(10)에 의해 변환된 크기의 직류 전력은 제1 스위칭부(20) 쪽으로 인가되어 배터리 모듈부(30)의 해당 배터리 모듈을 충전하는 전력으로 이용될 수 있다.

제1 스위칭부(20)는 제어부(90)의 제어에 따라 제1 컨버터(10)로부터 인가되는 직류 전원을 복수 개의 배터리 모듈 중 하나로 인가하기 위한 것이다.

이를 위해, 제1 스위칭부(20)는 제1 컨버터(10)에 연결된 입력단과 각 배터리 모듈의 입력단에 연결되어 있는 복수 개의 출력단을 구비할 수 있다.

이러한 제1 스위칭부(20)의 일 예는, 도 1에 도시한 것처럼, 각 배터리 모듈에 연결되어 있는 복수 개의 스위치(SW21-SW2n)를 구비할 수 있다.

복수 개의 스위치(SW21-SW2n)는 모두 동일한 구조를 가질 수 있고, 하나의 예로서, 제어부(90)의 제어에 따라 동작 상태가 바뀌어 온 또는 오프되는 스위칭 소자를 구비할 수 있다.

스위칭 소자(SW21-SW2n)는 제어부(90)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 동작 상태가 바뀌는 릴레이(relay)나 트랜지스터(transistor)와 같은 스위칭 소자일 수 있다.

따라서, 각 스위치(SW21-SW2n)의 일측은 제1 컨버터(10)에 공통으로 연결되어 있고, 타측은 대응되는 각 배터리 모듈의 입력 측에 연결될 수 있어, 제어부(90)의 제어에 따라 복수 개의 스위치(SW21-SW2n) 중 하나의 스위치가 복수 개의 배터리 모듈 중 하나의 배터리 모듈과 전기적 및 물리적으로 연결되어, 연결된 배터리 모듈로 제1 컨버터(10)에서 출력되는 전압을 공급할 수 있도록 한다.

이로 인해, 해당 스위치(SW21-SW2n)를 통해 제1 컨버터(10)의 출력 전압을 공급받는 해당 배터리 모듈은 공급되는 전압에 의해 충전 동작이 이루어질 수 있다.

배터리 모듈부(30)는, 이미 기술한 것처럼, 복수 개의 배터리 모듈을 구비할 수 있고, 각 배터리 모듈의 장착 여부를 감지하는 장착 감지부(미도시)를 구비할 수 있다.

따라서, 배터리 모듈부(30)에는 배터리 모듈이 장착되는 적어도 하나의 장착부와 각 장착부에 위치하여 해당 장착부에 배터리 모듈이 장착되었는지를 감지하는 장착 감지부를 구비할 수 있다.

이때, 장착 감지부는 발광 다이오드와 포토 트랜지스터(photo transistor)를 구비하는 포토 센서(photo sensor)일 수 있고, 제어부(90)와 연결될 수 있고, 이로 인해, 각 장착 감지부로부터 출력되는 장착 감지 신호(S1-Sn)가 제어부(90)로 입력될 수 있다.

따라서, 제어부(90)는 각 장착 감지부로부터 인가되는 장착 감지 신호(S1-Sn)를 이용하여 해당 장착부에 배터리 모듈이 장착되어 있는 지의 여부를 판단할 수 있다.

이때, 각 장착부에는 고유의 식별번호가 부여될 수 있고, 이로 인해, 제어부(90)는 각 장착 감지 신호가 입력되는 입력단의 위치 등을 이용하여 장착 감지부의 장착 위치(즉, 장착부의 위치)를 판정해 각 장착부에 배터리 모듈이 위치하고 있는 지의 여부를 판정할 수 있다.

복수 개의 배터리 모듈은 각각 별개의 모듈로 제작된 모듈형 배터리일 수 있다.

따라서, 각 배터리 모듈은 하나의 이동형 배터리로서 정해진 크기의 직류 전압을 출력하는 배터리 셀을 구비할 수 있고, 개별적으로 충전 동작과 방전 동작을 수행할 수 있다.

따라서, 각 배터리 모듈은 배터리 셀을 충전하기 위한 전압을 입력 받는 적어도 하나의 입력단과 후단에 위치한 부하(100) 쪽으로 전압을 출력하기 위한 적어도 하나의 출력단을 구비할 수 있다.

또한 배터리 모듈은 이동 등의 편의성을 위해 외부 케이스에 부착된 손잡이 등을 추가로 구비할 수 있다. 이와 같이, 배터리 모듈이 손잡이를 구비하는 경우, 사용자는 자신이 원하는 장소에 용이하게 원하는 개수만큼의 배터리 모듈을 위치시켜 이용할 수 있다.

본 예에서, 각 배터리 모듈의 배터리 셀은 리튬이온 배터리 셀일 수 있고, 이런 경우, 하나의 배터리 모듈에 대한 충전 동작과 방전 동작은 동시에 수행할 수 없게 된다. 따라서, 본 예의 경우, 하나의 배터리 모듈이 제2 스위칭부(40)의 동작에 의해 부하(100)와 전기적으로 연결되어 방전 동작을 수행하고 있는 경우, 다른 배터리 모듈은 제1 스위칭부(20)의 동작에 의해 외부 전원(DC10)과 연결되어 충전이 이루어질 수 있다.

이처럼, 어느 한 배터리 모듈(예, 현재 방전 배터리 모듈)이 방전 동작을 수행할 때, 다른 한 배터리 모듈(예, 현재 충전 배터리 모듈)은 충전 동작이 이루어지므로, 복수 개의 배터리 모듈에 대한 충전 동작과 방전 동작이 효율적으로 이루어질 수 있어 배터리 모듈의 충전 동작의 관리가 효율적으로 이루어질 수 있다.

또한, 배터리 모듈이 배터리 셀은 리튬이온 배터리 셀일 때, 도 3에 도시한 것처럼, 배터리 모듈의 내부 전하의 잔량이 임계치(예, 18Ah)를 넘어서면 방전 속도가 급격히 감소되는 특성을 가질 수 있다.

하지만, 본 예는 현재 방전 배터리 모듈 이외에 충전이 완료된 다른 배터리 모듈이 존재하므로, 현재 방전 배터리 모듈의 전하의 잔량(예, 잔류 전하량)이 설정량 이하인 경우, 제2 스위칭부(40)를 이용하여 다른 배터리 모듈로 현재 방전 배터리 모듈을 변경할 수 있다.

이로 인해, 부하(100)인 전기 자동차(100)로 인가되는 전력의 크기는 크게 변동되지 않으므로, 전기 자동차(100)의 충전 속도는 배터리 모듈의 잔량에 무관하게 감소하지 않고 유지될 수 있다. 따라서, 하나의 배터리 모듈을 이용하여 전기 자동차(100)의 충전 동작이 이루어질 때에 비해 본 예에 따른 전기 자동차(100)의 충전 속도는 크게 향상될 수 있다.

제2 스위칭부(40)는 각 배터리 모듈의 출력단에 연결되어 있는 복수 개의 입력단과 하나의 출력단을 구비할 수 있다.

따라서, 제2 스위칭부(40)는 제어부(90)의 제어에 따라 복수 개의 배터리 모듈 중 하나의 배터리 모듈과 전기적 및 물리적으로 연결되어, 연결된 배터리 모듈에서 출력되는 전압을 부하(100) 쪽으로 출력할 수 있다.

이러한 제2 스위칭부(40)는, 제1 스위칭부(20)와 유사하게, 같은 구조를 갖는 복수 개의 스위치(41-4n)를 구비할 수 있고, 각 스위치(41-4n)의 구조는 하나의 다이오드(D41-D4n)와 두 개의 스위칭 소자(SW411-SW41n, SW421-SW42n)를 구비할 수 있다.

따라서, 하나의 예로서, 각 스위치(41-4n)는 해당 배터리 모듈의 출력단에 애노드 단자가 연결되어 있는 다이오드(D41-D4n), 다이오드(D41-D4n)의 캐소드 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 전류 감지부(50)에 타측 단자가 연결되어 있는 스위칭 소자(예, 제1 스위칭 소자)(SW411-SW41n), 그리고 해당 배터리 모듈의 출력단에 일측 단자가 연결되어 있고, 전류 감지부(50)에 타측 단자가 연결되어 있는 스위칭 소자(예, 제2 스위칭 소자)(SW421-SW42n)를 구비할 수 있다.

제2 스위칭 소자(SW421-SW42n)는 직렬로 연결되어 있는 다이오드(D41-D4n) 및 제1 스위칭 소자(SW411-SW41n)에 병렬로 연결될 수 있다.

본 예에서, 제1 및 제2 스위칭 소자((SW411-SW41n, SW421-SW42n) 역시 제어부(90)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 동작 상태가 바뀌는 릴레이나 트랜지스터이 수 있다.

따라서, 제2 스위칭부(40)는 제어부(90)의 제어에 따라 복수 개의 스위치(41-4n) 중 하나의 스위치가 복수 개의 배터리 모듈 중 하나의 배터리 모듈과 전기적 및 물리적으로 연결되어, 연결된 배터리 모듈에서 출력되는 전력은 부하(100) 쪽으로 출력되어 부하(100)를 충전시킬 수 있다.

전류 감지부(50)는 션트(shunt) 저항을 구비할 수 있다.

전류 감지부(50)의 일측 단자는 제2 스위칭부(40)의 각 스위치(41-4n)의 출력단에 연결되어 있고, 타측 단자는 제2 컨버터(60)의 입력단에 연결될 수 있다.

따라서, 제어부(90)는 전류 감지부(50)의 양 단자에서 검출한 전압(Vst+, Vst-)의 전위차를 검출해 전류 감지부(50)를 흐르는 전류를 측정할 수 있고, 이로 인해, 현재 방전 배터리 모듈의 전류 전하량, 즉 현재 충전 상태를 판단할 수 있다.

이에 따라, 제어부(90)는 판단된 현재 방전 배터리 모듈의 현재 충전 상태에 따라 제2 스위칭부(40)의 동작을 제어하여 새로운 방전 배터리 모듈로의 전환 동작을 제어할 수 있고, 또한 제1 스위칭부(20)의 동작을 제어하여 충전을 요하는 방전 배터리 모듈(예, 전환 전의 현재 방전 배터리 모듈)의 충전 동작을 제어할 수 있다.

제2 컨버터(60)는 제2 스위칭부(40)와 현재 연결되어 있는 현재 방전 배터리 모듈로부터 공급되는 전압을 전류 감지부(50)를 거쳐 인가받아 해당 크기의 직류 전압으로 변환한 후 덧셈기(80)로 출력할 수 있다.

이때, 제2 컨버터(60)는 DC-DC 컨버터일 수 있다.

상용 전원(AC10)은 발전소에서 댁내로 공급되는 전원일 수 있고, 대략 100~220V의 교류 전압을 출력할 수 있으며, 이러한 상용 전원(AC10)에서 공급되는 교류 전압은 제3 컨버터(70)에 의해 직류 전압으로 변환된 후 덧셈기(80)로 출력될 수 있다.

하지만, 대안적인 예에서, 상용 전원(AC10) 대신 외부 전원(DC10)과 같이, 상용 전원(AC10)을 이용하여 변환된 전원 또는 외부로부터 공급되는 상용 전원(AC10)과 다른 별개의 외부 전원일 수 있고, 이런 경우, 이들 전원의 전력을 교류이거나 직류일 수 있다.

본 예에서, 부하의 특성에 따라 부하 쪽으로 인가되는 전력은 교류이거나 직류일 수 있고, 이에 따라 본 예의 제1 내지 제3 컨버터(10, 60, 70) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다. 또한, 부하 쪽으로 인가되는 전력의 특성이 교류일 경우, 제1 내지 제3 컨버터(10, 60, 70) 중 적어도 하나는 교류 전력을 교류 전력으로 변환할 수도 있다.

대안적인 실시예에서, 부하 쪽으로 인가되는 전력의 상태(즉 교류 상태나 직류 상태)에 따라 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 적어도 하나의 컨버터가 추가될 수 있다.

덧셈기(80)는 제2 컨버터(60)의 출력단과 제3 컨버터(70)의 출력단에 각각 연결되어 있는 두 개의 (+) 입력단[예, 제1 (+) 입력단 및 제2 (+) 입력단]과 부하(100)에 연결되어 있는 하나의 출력단을 구비할 수 있다.

따라서, 덧셈기(80)는 제1 (+) 입력단 및 제2 (+) 입력단으로 각각 입력되는 두 개의 직류 전압을 합산하여 출력단을 통해 부하(100)인 전기 자동차(100) 쪽으로 출력할 수 있다.

따라서, 전기 자동차(100)는 덧셈기(80)를 통해 출력되는 전력을 이용하여 해당 배터리의 충전 동작을 수행할 수 있다.

대안적인 예에 따른 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는 덧셈기와 전기 자동차(100) 사이에 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터(inverter)를 추가로 구비할 수 있다.

이와 같이, 본 예의 충전 제어 기반의 전력 증강 장치가 인버터를 구비할 경우, 인버터에 의해 변환된 교류 성분의 전력이 부하(100)인 전기 자동차(100)로 인가될 수 있고, 이로 인해, 전기 자동차(100)는 완속 충전 모드를 통해 해당 배터리의 충전 동작을 수행할 수 있다.

이와 같이, 본 예의 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는 상용 전원(AC10)을 이용한 전력에 이동이 편리한 이동형 배터리 모듈을 이용한 전력을 합산하여 부하(100) 쪽으로 인가할 수 있다. 이로 인해, 이동과 설치가 용이한 이동형 배터리 모듈을 이용하여 편리하고 용이하게 전력을 증강시킬 수 있다.

또한, 크기가 고정되어 있는 상용 전원(AC10)에 비해, 배터리 모듈을 통해 증강하고자 하는 전력의 크기에 따라 배터리 모듈의 개수를 가감할 수 있으므로, 사용자의 편리성이 크게 향상될 수 있다.

제어부(90)는 본 예의 충전 제어 기반의 전력 증강 장치를 제어하는 제어 모듈로서, 프로세서(processor)일 수 있고, 내부에 메모리(91)와 같은 저장부를 구비할 수 있다. 하지만, 다른 예에서, 메모리(91)는 제어부(90)와 별개의 구성요소로 구비되어 제어부(90)에 연결되어 있을 수 있다.

이러한 제어부(90)는 이미 기술한 것처럼 전류 감지부(50)의 양 단자의 전압(Vst+, Vst-)을 검출하여, 현재 제2 스위칭부(40)에 연결되어 있는 현재 방전 배터리 모듈에서 출력되는 전류를 검출할 수 있다.

따라서, 제어부(90)는 검출된 전류를 이용하여 현재 방전 배터리 모듈에 남아있는 전하량을 판정하여 제2 스위칭부(40)의 동작을 제어할 수 있고, 또한 제1 스위칭부(20)의 전환 동작 역시 제어할 수 있다. 이때, 제어부(90)는 장착 감지부로부터 각각 인가되는 장착 감지 신호(S1-Sn)을 이용하여 현재 장착부에 장착되어 있는 배터리 모듈의 상황을 파악할 수 있고, 이러한 장착 상황에 따라 제2 스위칭부(40)의 동작을 제어할 수 있다.

다음, 도 4를 참고하여, 본 예에 따른 제어부(90)의 동작을 자세히 설명한다.

도 4에 도시한 것처럼, 동작이 시작되면, 제어부(90)는 전류 감지부(50)의 양 단자에서 출력되는 전압(Vst+, Vst-)을 판독한 후(S11) 두 전압차를 산출하여, 현재 방전 배터리 모듈에서 출력되는 전류(예, 현재 출력 전류)를 산출할 수 있다(S12).

그런 다음, 제어부(90)는 산출된 전류를 현재 출력 전류로서 메모리(91)에 저장할 수 있다(S12).

다음, 제어부(90)는 메모리(91)에 저장되어 있는 이전 출력 전류를 읽어와 산출된 현재 출력 전류과의 출력 전류차(예, 이전 출력 전류-현재 출력 전류)를 산출한 후 설정값과 비교할 수 있다(S13, S14).

이때, 설정값은 배터리 모듈의 내부 전하의 잔량에 대한 임계치를 참고하여 정해질 수 있다. 출력 전류차가 설정값 이상이면, 현재 방전 배터리 모듈의 내부 전하의 잔량이 임계치에 인접하거나 도달하여 현재 방전 배터리 모듈의 방전 속도는 급격히 감소될 수 있다.

따라서, 출력 전류차가 설정값 미만이면(S14), 제어부(90)는 제2 스위칭부(40)의 동작 상태를 현재 상태로 그대로 유지하여 현재 방전 동작을 수행하고 있는 해당 배터리 모듈을 현재 방전 배터리 모듈로서 계속 유지하고, 현재 출력 전류를 이전 출력 전류로서 메모리(91)에 저장할 수 있다(S15).

하지만, 출력 전류차가 설정값 이상이면(S14), 제어부(90)는 현재 방전 배터리 모듈의 잔류 전하량을 설정량 이하인 상태로 판정할 수 있다. 이로 인해, 제어부(90)는 전기 자동차(100) 쪽으로 전력을 공급하고 있는 현재 방전 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈로 변경하여 변경된 다른 배터리 모듈로부터 전기 자동차(100) 쪽으로 전력을 끊김없이 공급할 수 있도록 한다. 이러한 현재 방전 배터리 모듈의 전환 동작에 의해, 배터리 모듈의 잔류 전하량으로 인해 전기 자동차(100)의 충전 속도는 떨어지지 않고 정상 속도를 계속 유지할 수 있도록 한다.

또한, 현재 방전 배터리 모듈을 다음으로 방전 동작이 이루어질 방전 배터리 모듈(예, 다음 방전 배터리 모듈)로 전환할 때, 전환 동작 중에 전기 자동차(100)로 공급되는 전력 공급이 차단되면 해당 전기 자동차(100)의 충전 동작 역시 중단될 수 있다.

따라서, 현재 방전 배터리 모듈에서 다음 방전 배터리 모듈로의 전환 동작이 이루어질 때, 제2 스위칭부(40)의 스위치 절환 동작으로 인한 전력 공급이 차단되는 것을 방지해야 한다.

따라서, 제어부(90)는 출력 전류차가 설정값 이상이면(S14), 복수 개의 배터리 모듈 중에서 다음으로 방전 동작이 이루어지는 다음 방전 배터리 모듈을 판정할 수 있다(S16).

복수 개의 배터리 모듈에 대한 방전 순서는 이미 메모리(91)에 저장되어 있을 수 있고, 일 예로, 메모리(91)에는 배터리 모듈부(30)의 장착부(예, 배터리 모듈의 장착 순서)의 위치에 따라 배터리 모듈의 방전 순서가 정해져 있을 수 있다.

예를 들어, 배터리 모듈부(30)는 4개의 장착부를 구비할 수 있고, 맨 위에서부터 맨 아래쪽으로 장착부의 위치에 따라 제어부(90)로 입력되는 입력단이 위치가 각각 정해져 있을 수 있다. 따라서, 제어부(90)는 각 해당 입력단을 통해 입력되는 장착 감지 신호의 상태와 각 해당 입력단의 위치에 따라 배터리 모듈이 현재 위치하고 있는 장착부의 위치를 판정할 수 있다.

이와 달리, 대안적인 예에서, 각 장착부마다 고유의 식별 번호가 부여될 수 있고, 각 해당 장착부에서 출력되는 장착 감지 신호는 배터리 모듈의 장착 여부 뿐만 아니라 해당 식별 번호를 포함하여 제어부(90)로 출력할 수 있다. 따라서, 제어부(90)는 입력되는 장착 감지 신호에 포함된 식별 번호를 이용하여 배터리 모듈이 현재 위치하고 있는 장착부의 위치를 판정할 수 있다.

일 예로, 메모리(91)에 저장되어 있는 배터리 모듈의 방전 순서는 배터리 모듈의 위치 순서에 따라 변경될 수 있고, 일 예로, 현재 맨 위쪽이나 맨 앞쪽에 위치하고 있는 배터리 모듈에서부터 순차적으로 순서가 변경될 수 있다.

따라서, 제어부(90)는 현재 방전 배터리 모듈(예, 제1 배터리 모듈(31))의 위치를 판정한 후, 현재 방전 배터리 모듈의 바로 다음(예, 바로 아래쪽)에 위치하고 있는 배터리 모듈(예, 제2 배터리 모듈(32))이 다음 방전 배터리 모듈이 될 수 있다.

현재 방전 배터리 모듈(예, 제4 배터리 모듈)의 위치가 맨 아래쪽이나 맨 뒤쪽인 경우, 제어부(90)는 다시 맨 위쪽이나 맨 앞쪽에 위치한 배터리 모듈(예, 제1 배터리 모듈(31))을 다음 방전 배터리 모듈로 정할 수 있다.

이와 같이, 제어부(90)는 배터리 모듈의 위치에 따라 다음으로 방전될 다음 방전 배터리 모듈을 정할 수 있다.

이와 같이, 복수 개의 방전 배터리 모듈 중에서 다음 방전 배터리 모듈이 정해지면, 제어부(90)는 제2 스위칭부(40)로 인가되는 제어 신호를 이용하여 현재 방전 배터리 모듈에서 다음 방전 배터리 모듈로의 전환 동작을 제어할 수 있다(S17).

다음, 도 5a 내지 도 5g를 참고하여, 제어부(90)에 의한 방전 배터리 모듈의 전환 제어 동작(S17)을 상세히 설명한다.

이하, 설명의 편의를 위해, 한 예로서, 현재 방전 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈(31)로 그리고 다음 방전 배터리 모듈은 제2 배터리 모듈(32)로 가정한다.

따라서, 도 5a 내지 도 5g에는 현재 방전 배터리 모듈인 제1 배터리 모듈(31)과 다음 방전 배터리 모듈인 제2 배터리 모듈(32)에 각각 연결되어 있는 제1 스위치(41)(예, 현재 방전 스위치)와 제2 스위치(42)(예, 다음 방전 스위치)만의 상태 변화를 순차적으로 도시할 수 있다.

방전 배터리 모듈을 제1 배터리 모듈(31)에서 제2 배터리 모듈(32)로 전환할 때, 다른 배터리 모듈인 제3 배터리 모듈(33) 내지 제n 배터리 모듈(3n)은 제2 스위칭부(40)와 전기적으로 연결되지 않으므로 제3 배터리 모듈(33) 내지 제n 배터리 모듈(3n)에 각각 연결된 제3 내지 제n 스위치(33-3n)에 구비된 모든 스위칭 소자(SW431-SW4n1, SW432-SW43n)는 모두 오프 상태를 유지할 수 있다.

먼저, 도 5a에 도시한 것처럼, 제1 배터리 모듈(31)이 현재 방전 배터리 모듈이므로, 제1 배터리 모듈(31)과 연결된 제2 스위칭부(40)의 제1 스위치(41)의 제1 스위칭 소자(SW411)는 오프 상태를 유지하고, 제2 스위칭 소자(SW412)는 오프 상태를 유지할 수 있다. 이때, 다음 방전 배터리 모듈인 제2 배터리 모듈(32)과 연결된 제2 스위치(42)의 제1 스위칭 소자(SW421)와 제2 스위칭 소자(SW422)는 현재 모두 오프 상태를 유지할 수 있다.

이로 인해, 부하(100) 쪽으로 인가되는 전력은 온 상태인 제1 스위치(41)의제2 스위칭 소자(SW412)를 통해 전달되는 제1 배터리 모듈(31)의 전력일 수 있다.

도 5a의 상태에서 제어부(90)는 제2 배터리 모듈(32)로의 방전 전환 동작을 위해, 도 5b에 도시한 것처럼, 제1 스위치(41)의 다이오드(D41)에 연결되어 있는 제1 스위칭 소자(SW411)를 온 시키고 제2 스위칭 소자(SW412)를 여전히 온 상태로 유지할 수 있다. 이때, 제2 스위치(42)의 모든 스위칭 소자인 제1 스위칭 소자(SW421)와 제2 스위칭 소자(SW422)는 아직까지 오프 상태를 유지할 수 있다.

이로 인해, 부하(100) 쪽으로 인가되는 전력은 여전히 온 상태인 제1 스위치(41)의 제2 스위칭 소자(SW412)를 통해 전달되는 제1 배터리 모듈(31)의 전력일 수 있다.

다음, 도 5c에 도시한 것처럼, 제어부(90)는 제1 스위치(41)의 다이오드(D41)에 연결되어 있는 제1 스위칭 소자(SW411)를 온 시키고 제2 스위칭 소자(SW412)는 온 상태에서 오프 상태로 전환할 수 있다. 이때에도, 제2 스위치(42)의 모든 스위칭 소자인 제1 스위칭 소자(SW421)와 제2 스위칭 소자(SW422)는 아직까지 오프 상태를 유지할 수 있다.

이로 인해, 부하(100) 쪽으로 인가되는 전력은 여전히 제1 배터리 모듈(31)에서 인가되는 전력이지만, 대신 제1 배터리 모듈(31)의 전력은 다이오드(D41)를 거쳐 부하(100) 쪽으로 인가되므로, 제1 스위치(41)의 다이오드(D41)에 의해 전압 강하가 발생한 전력일 수 있다.

다음, 도 5d에 도시한 것처럼, 제어부(90)는 제2 배터리 모듈(32)에 연결되어 있는 제2 스위치(42)의 제1 스위칭 소자(SW421)를 오프 상태에서 온 상태로 변환시킬 수 있다.

이러한 제2 스위치(42)의 온 동작에 의해, 부하(100) 쪽으로 인가되는 전력은 다음 방전 배터리 모듈인 제2 배터리 모듈(32)의 전력일 수 있다.

즉, 현재 방전 배터리 모듈의 제1 배터리 모듈(31)의 전류 전하량은 방전이 이루어지지 않은 제2 배터리 모듈(32)보다 현저히 적기 때문에 제1 배터리 모듈(31)의 출력 전압은 제2 배터리 모듈(32)의 출력 전압보다 낮을 수 있다. 이로 인해, 제1 스위치(41)의 제1 스위칭 소자(SW411)가 온 상태를 유지하더라도 제2 배터리 모듈(32)에 연결되어 있는 제2 스위치(42)의 제1 스위칭 소자((SW421)를 통해 제2 배터리 모듈(32)의 전력이 부하(100) 쪽으로 전달될 수 있다.

이때, 제1 스위치(41)에 위치한 다이오드(D41)에 역전압이 인가되므로, 제1 스위치(41)의 다이오드(D41)와 턴온된 제1 스위칭 소자(SW411)를 통한 제1 배터리 모듈(31)의 전력은 더 이상 부하(100)로 인가되지 않고 차단될 수 있다.

따라서, 다이오드(D41)는 역전류 방지 다이오드로 기능할 수 있고, 이 시점에서부터 부하(100)로 인가되는 전력은 제1 배터리 모듈(31)에서 제2 배터리 모듈(32)로 전환될 수 있다. 이로 인해, 제2 배터리 모듈(32)이 새로운 현재 방전 배터리 모듈일 수 있고, 제1 배터리 모듈(31)은 새로운 이전 방전 배터리 모듈일 수 있다.

또한, 도 5d의 시점에 제2 스위치(42)의 제1 스위칭 소자(SW421)가 온되면서, 제1 배터리 모듈(31)의 출력 전압과 제2 배터리 모듈(32)의 출력 전압의 사이의 전압차가 발생하고, 이러한 전압차로 인해 스파크가 발생할 수 있다. 하지만, 제1 배터리 모듈(31)의 출력 전압과 제2 배터리 모듈(32)의 출력 전압의 사이의 전압차로 인해 발생하는 스파크의 크기는 배터리 모듈부(30)의 손상을 초래하지 않는다.

제1 배터리 모듈(31)에 연결된 제1 스위치(41)와 제2 배터리 모듈(32)에 연결된 제2 스위치(42)의 동시 스위칭 동작으로 인한 스파크 발생을 억제하기 위한 동작이 도 5d의 동작까지로 마무리된 상태이다.

따라서, 도 5e에 도시한 것처럼, 더 이상 제1 배터리 모듈(31)에 연결된 제1 스위치(41)의 온 상태는 불필요하므로, 제어부(90)는 온 상태를 유지하고 있는 제1 스위치(41)의 제1 스위칭 소자(SW411)를 오프 상태로 전환시킬 수 있다. 이로 인해, 이전 방전 배터리 모듈인 제1 배터리 모듈(31)에 연결된 제1 스위치(41)의 모든 스위칭 소자(SW411, SW412)는 제1 배터리 모듈(31)이 다음 방전 배터리 모듈로 지정되어 다음 방전 배터리 모듈로의 전환 동작이 이루어질 때까지 모두 오프 상태를 유지할 수 있다.

다음, 도 5f에 도시한 것처럼, 제어부(90)는 제2 배터리 모듈(32)에 연결된 제2 스위치(42)의 제2 스위칭 소자(SW422)를 온 상태로 전환하여 제2 배터리 모듈(32)의 전력이 다이오드(D42)를 거치지 않고 바로 제2 스위칭 소자(SW422)만을 통해 부하(100) 쪽으로 전달될 수 있도록 한다. 이로 인해, 부하(100)는 다이오드(D42)로 인한 전압 강하가 발생하지 않는 제2 배터리 모듈(32)의 전력은 인가 받을 수 있다.

그런 다음, 도 5g에 도시한 것처럼, 제어부(90)는 제2 스위치(42)의 제1 스위칭 소자(SW421), 즉 다이오드(D42)에 연결되어 있는 제1 스위칭 소자(SW421)를 오프시켜, 정상적으로 온 상태를 유지하고 있는 제2 스위칭 소자(SW422)를 통해 제2 배터리 모듈(32)의 전력이 부하(100) 쪽으로 전달될 수 있도록 한다.

이로 인해, 현재 방전 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈(31)에서 제2 배터리 모듈(32)로 완전히 전환되어, 제2 배터리 모듈(32)의 잔량 전하가 설정량까지 감소하기 전까지 부하(100) 쪽으로 전력을 공급할 수 있게 된다.

이러한 현재 방전 배터리 모듈(예, 31)에 연결된 스위치(예, 41)와 다음 방전 배터리 모듈(예, 32)에 연결된 스위치(예, 42)의 스위칭 전환 동작이 순차적으로 이루어짐에 따라, 부하(100) 쪽으로 끊김없이 원활하게 전력 전달이 이루어질 수 있다.

도 5a 내지 도 5g를 참고하여 하여 설명한 것처럼, 제어부(90)는 현재 방전 배터리 모듈(31)에 연결되어 있는 현재 방전 스위치(41)와 다음 방전 배터리 모듈(32)에 연결되어 있는 다음 방전 스위치(42)에서, 제1 스위칭 소자(SW411, SW421)와 제2 스위칭 소자(SW412, SW422) 중 하나의 스위칭부만 전환 상태가 변하여 서로 다른 스위칭 소자가 동시에 턴온되거나 턴오프되지 않는다. 따라서, 서로 다른 스위칭 소자가 동시에 전환될 때 스파크의 발생을 방지할 수 있다.

본 예에서는 설명의 편의를 위하여, 복수 개의 배터리 모듈(31-3n) 중에서 하나의 배터리 모듈이 부하(100)와 전기적으로 연결되어, 하나의 배터리 모듈의 전력이 부하(100)로 공급되는 동작이 설명되어 있다. 하지만, 이와 달리, 제2 스위칭부(40)의 동작에 의해 두 개 이상의 배터리 모듈이 동시에 부하(100)와 전기적으로 연결되어 복수 개의 배터리 모듈에서 각각 출력되는 전력을 합산하여 원하는 크기의 전력이 부하(100) 쪽으로 전달할 수 있다.

이런 경우에도, 도 5a 내지 도 5g를 참고하여 설명한 방식대로, 배터리 모듈의 전류 전하량에 따라 다른 배터리 모듈로의 전환 동작이 이루어져 원하는 크기의 전력이 끊김없이 부하(100) 쪽으로 전달될 수 있도록 한다.

다시, 도 4를 참고하면, 이와 같이, 현재 방전 배터리 모듈에서 다음 방전 배터리 모듈로의 전환 제어 동작이 완료되면, 설정량 미만의 전류 전하량이 존재하여 충전이 필요한 배터리 모듈, 즉 이전 배터리 모듈(예, 제1 배터리 모듈(31))에 대한 충전 동작을 제어할 수 있다.

따라서, 제어부(90)는 제1 스위칭부(20)로 제어 신호를 출력하여, 제1 배터리 모듈(31)에 연결되어 있는 제1 스위치(21)를 오프 상태에서 온 상태로 전환하여 제1 컨버터(10)를 해당 배터리 모듈에 전기적으로 연결시킬 수 있다(S17).

이로 인해, 제1 컨버터(10)를 통해 충전이 필요한 이전 방전 배터리 모듈(예, 41)로 외부 전원(DC10)의 전력이 인가되므로, 이전 방전 배터리 모듈(41)의 충전 동작이 이루어질 수 있다. 이때, 제어부(90)는 설정 시간 동안 이전 방전 배터리 모듈(31)의 충전 동작을 제어할 수 있고, 이런 경우, 제어부(90)는 이전 방전 배터리 모듈(31)의 충전 시간이 설정 시간에 도달하면 해당 스위치(21)를 온 상태에서 오프 상태로 전환하여 이전 방전 배터리 모듈로 인가되는 전력을 차단시킬 수 있다.

또는 대안적인 예로서, 각 배터리 모듈마다 전류 전하량과 같이 현재 충전 상태를 이용하여 이전 방전 배터리 모듈의 충전 동작을 제어할 수 있다.

이런 경우, 충전 제어 기반의 전력 증강 장치는 각 배터리 모듈의 충전 상태(예, 잔량 전하량)를 감지하는 충전 상태 감지부(미도시)를 추가로 구비할 수 있고, 제어부(90)는 각 충전 상태 감지부로부터 인가되는 충전 상태 감지 신호를 이용하여 각 배터리 모듈의 현재 충전 상태를 판정할 수 있다.

따라서, 이런 경우, 제어부(90)는 현재 충전 동작이 이루어지고 있는 이전 방전 배터리 모듈에 연결된 해당 충전 상태 감지부로부터 입력되는 충전 상태 감지 신호를 판독하여 현재 충전 상태를 판정한 후, 현재 충전 상태가 설정량에 도달하면 이전 방전 배터리 모듈에 연결된 해당 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어할 수 있다.

이와 같이, 충전 상태 감지부를 이용하여 각 배터리 모듈의 충전 동작을 제어하는 경우, 제어부(90)는 정확하게 원하는 상태로 해당 배터리 모듈의 충전 상태를 제어할 수 있어, 방전을 대기중에 모든 배터리 모듈의 충전량은 모두 동일한 상태가 되어 동작의 신뢰성이 크게 향상될 수 있다.

이와 같이, 부하(100) 쪽으로 전달되는 최종 전력은 상용 전원(AC10)을 통해 전달되는 전력 뿐만 아니라 적어도 하나의 배터리 모듈에서 출력되는 전력이 합산된 크기일 수 있다.

이로 인해, 상원 전원만을 이용할 때보다 부하(100)로 전달되는 최종 전력의 크기가 증가할 수 있고, 이로 인해 부하(100)의 배터리에 대한 충전 속도 등이 단축되는 등의 효과가 발생할 수 있다.

또한, 각 배터리 모듈은 이동이 자유롭고 다른 배터리 모듈과의 결합이 용이하므로, 사용자는 증강하고자 하는 전력의 크기에 맞게 이용되는 배터리 모듈의 개수를 선택할 수 있으므로, 사용자의 편리성이 향상될 수 있다.

또한, 전력 증강을 위해 복수 개의 배터리 모듈을 이용하여, 각 배터리 모듈의 잔류 전하량에 따라 다른 배터리 모듈로의 전환 동작이 이루어져 배터리 모듈을 이용한 전력 증강 동작을 끊김없이 수행하고, 동시에 충전이 필요한 다른 배터리 모듈에 대한 충전 동작이 수행할 수 있다.

따라서, 배터리 모듈이 리듐이온 배터리 셀을 구비한 리듐이온 배터리인 경우, 하나의 배터리 모듈에 대한 충전 동작과 방전 동작을 동시에 구현될 수 없다.

하지만, 본 예의 경우, 제1 스위칭부(20)와 제2 스위칭부(40)를 이용하여 서로 다른 배터리 모듈에 대한 충전 동작과 방전 동작이 동시에 수행되므로, 각 배터리 모듈의 충전 효율이 크게 향상될 수 있다.

또한, 하나의 배터리 모듈을 이용하여 부하(100)의 충전 동작을 수행할 때보다 충전 속도 등의 감소 등과 같이 충전 효율이 향상될 수 있고, 배터리 모듈의 방전에 따른 문제점 역시 크게 개선될 수 있다.

또한, 서로 다른 배터리 모듈에 대한 충전 동작과 방전 동작이 동시에 이루어질 수 있으므로, 부하(100)를 충전시키기 위한 방전 배터리 모듈을 변환하면서 부하(100)로 전력 공급을 계속 유지할 수 있다.

이에 더하여, 사용자가 원하는 개수만큼 배터리 모듈의 개수를 증가시킬 수 있으므로, 하나의 배터리 모듈에 대해 충전 속도가 방전 속도보다 늦더라도 완충 상태를 유지하는 여분의 배터리 모듈이 구비되어 있으므로, 부하(100)로 끊김 없는 전력 공급이 가능할 수 있다. 사용되는(즉, 확장되는) 배터리 모듈의 개수가 증가할수록 배터리 모듈의 충전 속도와 방전 속도의 차이에 대한 부담감은 더욱더 줄어들 있다.

본 발명의 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 해당 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 서로 다른 실시예에 병합되어 적용될 수 있다.

따라서, 각 실시예에서는 각각의 기술적 특징을 위주로 설명하지만, 각 기술적 특징이 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 서로 병합되어 적용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 제1 컨버터부 20: 제1 스위칭부
21-2n: 스위치 30: 배터리 모듈부
40: 제2 스위칭부 41-4n: 스위치
50: 전류 감지부 60: 제2 컨버터부
70: 제3 컨버터부 80: 덧셈기
90: 제어부 100: 부하
D41-D4n: 다이오드 SW411-SW41n, SW421-SW42n: 스위칭 소자
DC10: 외부 전원, 제1 전원부
AC10: 상용 전원, 제2 전원부

Claims (11)

1. 충전 제어 기반의 전력 증강 장치에 있어서,
   제1 전원부에 연결되어 있는 복수의 스위치를 구비한 제1 스위칭부;
   상기 제1 스위칭부의 각 스위치에 연결되어 있는 복수의 배터리 모듈;
   각 배터리 모듈에 연결되어 있는 복수의 스위치를 구비한 제2 스위칭부;
   상기 제2 스위칭부의 복수의 스위치에 연결되어 있는 전류 감지부;
   상기 전류 감지부에서 인가되는 전압과 상기 제1 전원부와 다른 제2 전원부에서 인가되는 전력을 합산하여 증가된 전력을 부하쪽으로 출력하는 덧셈기; 및
   상기 전류 감지부, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부에 연결되어 있고, 상기 전류 감지부로부터 인가되는 전류 감지 신호를 이용하여 현재 출력 전류를 판정하고, 판정된 현재 출력 전류의 상태에 따라 상기 제2 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 현재 부하 쪽으로 전력을 공급하고 있는 현재 방전 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈로 전환하고, 상기 제1 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 현재 방전 배터리 모듈의 충전 동작을 제어하는 제어부
   를 포함하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 스위칭부의 각 스위치는,
   대응하는 배터리 모듈의 출력단에 애노드 단자가 연결되어 있는 다이오드;
   상기 다이오드의 캐소드 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 전류 감지부에 타측 단자가 연결되어 있는 제1 스위칭 소자; 및
   대응하는 배터리 모듈의 출력단에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 전류 감지부에 타측 단자가 연결되어 있는 제2 스위칭 소자
   를 포함하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 전류 감지부로부터 인가되는 전류 감지 신호를 이용하여 현재 방전 배터리 모듈의 현재 출력전류를 판정하고, 판정된 현재 출력 전류와 이전 출력 전류의 출력 전류차가 설정값 이상이면 상기 현재 방전 배터리 모듈에서 다음 방전 배리 모듈로의 전환 동작을 제어하는 제어 신호를 상기 제2 스위칭부로 출력하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 현재 방전 배터리 모듈에 연결되어 있는 현재 방전 스위치와 상기 다음 방전 배터리 모듈에 연결되어 있는 다음 방전 스위치에서, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자 중 하나의 스위칭 소자만이 전환 상태가 변하도록 제어하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 다음 방전 배터리 모듈은 복수의 배터리 모듈 중에서 상기 현재 방전 배터리 모듈의 바로 다음에 위치하고 있는 배터리 모듈인 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 다음 방전 배터리 모듈로의 전환 동작이 완료되면, 상기 제1 스위칭부로 제어신호를 출력하여 상기 현재 방전 배터리 모듈에 연결되어 있는 제1 스위칭부의 스위치를 온시키는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 전류 감지부는 션트 저항을 포함하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전원부는 직류 전원을 출력하고, 상기 제2 전원부는 교류 전원을 출력하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제2 전원부에 연결되어 상기 제2 전원부에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하거나 상기 교류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 덧셈기로 출력하는 컨버터를 더 포함하는 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 전원부는 태양광이나 풍력을 이용한 에너지 장치인 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
11. 제1 항에 있어서,
    각 배터리 모듈은 서로 분리되어 있는 이동형 배터리 모듈인 충전 제어 기반의 전력 증강 장치.
    

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