KR102673405B1

KR102673405B1 - 리플 억제 기능을 갖는 ess 충전장치

Info

Publication number: KR102673405B1
Application number: KR1020230048893A
Authority: KR
Inventors: 석 영 정; 이광휘; 정진화; 정태화
Original assignee: 석 영 정; 이광휘
Priority date: 2023-04-13
Filing date: 2023-04-13
Publication date: 2024-06-07
Anticipated expiration: 2043-04-13
Also published as: KR20240152768A; KR20240152767A

Abstract

본 발명은 교류를 이용하여 ESS를 충전하는 충전장치에서 저전력 및 역리플함수를 통해 고품질의 직류를 공급하는 기술이다. 본 발명은 ESS(에너지저장장치)가 완전충전 되었을 때 PWM으로부터 발생되는 서지 펄스 요인을 없애서 ESS의 안전을 강화하고, 이를 통해 ESS의 충전용량을 확장한다.
위와 같은 목적의 본 발명은,
충전제어 계통에서 요구하는 전압보다 낮은 전압을 출력하는 주전원부;
상기 주전원부로부터 충전전력을 공급받도록 연결되는 충전계통 및 충전에너지를 저장하는 ESS부;
상기 주전원부의 낮은 전압을 충전계통에 필요한 전압으로 승압 조절하는 보충전원부;
상기 주전원부의 출력전압이 리플을 포함하는 맥류 전압일 때 리플을 감지하는 리플감지부;
상기 리플감지부로부터 감지된 리플과 반대의 역상 리플을 발생하는 역리플함수발생부;를 포함하는 구성으로서,
상기 보충전원부가 상기 주전원부로부터 출력되는 전압이 설정된 부하단 전압으로 유지되도록 상기 주전원부와 연동되되, 상기 리플감지부로부터 리플이 감지될 때 상기 보충전원부가 상기 역리플함수발생부로부터의 역리플함수에 의한 맥류출력을 발생하여, 상기 주전원부의 출력단에서는 상기 리플이 상쇄된 직류전압을 발생하도록 연동 구성된 넌-리플 충전장치를 개시한다.
본 발명에 의하면 전력제어에 소모되는 손실을 최소화, 초고속 최대전력점 추적, 사지 펄스로부터 배터리 안전성 강화 및 배터리 충전용량을 확장하는 효과가 있다.

Description

리플 억제 기능을 갖는 ESS 충전장치{ESS charger with ripple cancellation}

본 발명은 교류를 이용하여 ESS를 충전하는 충전장치에서 저전력을 이용하는 역리플함수 제어를 통해 고품질의 직류를 공급하는 기술이다. 본 발명은 ESS(에너지저장장치)가 완전충전 되었을 때 PWM으로부터 발생되는 서지 펄스 요인을 없애서 ESS의 안전을 강화하고, 충전중에도 통신용 전원장치에서 요구하는 순수 직류성분을 유지하며, 나아가 이를 통해 ESS의 충전용량을 확장한다.

ESS는 전력 상태가 원활하지 않은 지역 내지 국가에서 공장이나 가정용으로 유용하게 활용되는 에너지저장장치이다. 주로 전력이 공급되는 시간, 또는 전력 요금이 싼 심야 시간대에 에너지를 축적해 두었다가, 전력 요금이 비싼 시간대 혹은 정전 시에 전력을 방전하여 사용한다.

도 1은 일반적인 충전제어시스템을 도시한 블록다이어그램이다. 교류 정류기(1)로부터 얻어지는 주전원은 충전기(충전제어기; 3)를 통해서 충전단계별로 필요한 전압으로 설정을 변경해가면서 배터리(ESS, 2)로 공급된다. 부하단(4)은 ESS와 직접 병렬로 연동되거나 충전기의 부하단 단자를 통해 연결된다.

도 1은 충전기(3)에 공급되는 입력단 전압을 VP2, 충전기 출력단 전압을 VP1으로 묘사하고 있는데, 도 1은 일반적인 사인파 형태(1000-1)의 교류전원(1-3)과 이를 전파정류 했을 때의 정류기(1-1) 출력 파형(1000-2)과 이를 평활커패시터(1-2)에 의해 직류전류로 필터링한 후 적정한 부하에 전류를 공급할 때의 맥류 파형(1000-3)을 포함한다.

도 1에서 충전제어기(3)는 맥류 형태(1000-3)의 주전원부(1) 출력을 받아서 안정된 직류전압(1000-4)을 출력한다. 이때 고품질의 직류전압을 얻기 위해서는 도 1의 (C)에서 하한선(1000-4)으로 설정된 전압을 초과하지 않아야 한다. 이 레벨을 초과하는 경우 ESS에는 맥류 전압 중 교류성분인 리플(1000-3)이 공급되므로 이 리플이 서지 펄스의 문제를 일으킬 수 있다. 또한 이 리플은 통신용 전원장치 또는 음향장치의 전원에서의 노이즈 문제를 야기한다.

도 1에서 (1-3)은 변압기이고, (1-2)는 다이오드 또는 FET 등으로 된 반도체 타입의 정류기 소자이고, 1-1은 (B)에서의 파곡점을 충전 시정수로 보상하는 필터링 커패시터이다.

도 1에서 충전제어기는 아날로그 레귤레이터로 구성하거나 PWM제어를 이용하는 디지털 충전제어기로 구성할 수 있다. 아날로그 레귤레이터인 경우 (VP2 - VP1) 간의 전압 차이가 입출력단 손실로 작용하면서 발열을 유발하므로, 정밀을 요구하는 통신용 내지 음향기기용 이외의 대용량 충전에서는 아날로그 방식을 그다지 선호하지 않는 편이다.

이에 비해 PWM제어 방식은 입출력 간 손실이 비교적 작지만 충전완료에 다다르면 짧은 시간 간격으로 전력을 단속하는 (도시 생략된) 고유의 특성 때문에 펄스 형상의 PWM 노이즈가 발생되고, 특히 도 2의 (Rn)으로 표시된 만충전 영역에서 서지 펄스로 악영향을 주는 문제를 일으킨다. 비록 ESS에 공급되는 전압이 일정하더라도 만충전에 다다르게 되어 충전전류가 점점 적어질수록 입력전압(VP2)이 부하단(VP1)으로 흐르지 못하게끔 좁은 듀티비의 펄스폭으로 제어하므로, 결국은 그 좁아진 펄스만큼 더 큰 서지 전압이 만들어지는 악순환이 되는 것이다.

ESS에 대한 화재가 빈번히 일어남에 따라 관계 기관에서는 ESS 충전을 최대용량의 80% 수준으로 제한하도록 하였는데, 이것은 그 80%에 달하는 때부터 PWM 노이즈가 커진다는 것을 증명한다. 만약 PWM 노이즈를 근본적으로 없앨 수 있다면 ESS의 충전은 80% 이상, 더 바람직하게는 95%까지도 고려할 높은 수준의 확장을 기대할 수 있게 된다.

이처럼 PWM 노이즈가 문제를 일으키거나 아날로그 충전기에서 발열이 문제 되는 것은 입력전압(VP2) 전체를 대상으로 PWM 제어 또는 레귤레이팅을 하기 때문이다.

본 발명은 이에 대한 대안으로 착상된 것이며, 특히 입력전압(VP2)에 대하여는 제어하지 않는 구성을 통해 발열의 문제를 근원적으로 해소하며, 나아가 리플이 발생 될 때 해당 리플 부분에 대하여 상쇄 제어 및 서지 펄스를 차단하는 방법으로 ESS의 안전 및 성능을 확장하는 기술을 개시한다.

본 발명자는 태양광 분야에서 지레 작용(leverage)의 원리인 전력펌프를 발명한 바 있다. 본 발명은 이 전력펌프를 이종 기술인 교류전원에 응용 적용하여 새로운 구성과 효과를 얻는 착상이다. 이를 통해 서지를 유발하는 PWM 펄스에 대한 안전을 강화하여 ESS의 충전용량을 확장할 수 있게 된다.

(1) KR 1020200089557 (2020.07.20.) (2) KR 1020190019077 (2019.02.19.) (3) KR 1020190094849 (2019.08.05.) (4) KR 1020200039764 (2020.04.01.) (5) KR 1020190094844 (2019.08.05.) (6) KR 1020150008277 (2015.01.16.) (7) KR 1020180001666 (2018.01.05.) (8) KR 1020170153635 (2017.11.17.) (9) KR 1020180154303 (2018.12.04.) (10) KR 1020190170458 (2019.12.19. (11) KR 1020200038300 (2020.03.30.) (12) KR 1020210003544 (2021.01.11.) (13) KR 10-2021-0172644(2021.12.06.) (14) KR 10-2021-0176358(2021.12.10.) (15) KR 10-2022-0013866(2022.02.02.) (16) KR 10-2022-0017217(2022.02.09.) (17) KR 10-2022-0041425(2022.04.03.)

본 발명의 제1목적은 충전제어기로 입력되는 전압과 충전제어기에서 출력되는 전압의 차이를 극소화하여 충전제어기의 작동 손실을 최소화하는 기술을 개시하고자 함에 있다.

본 발명의 제2목적은 주전원부에서 출력되는 리플을 평활하여 완전한 DC 출력을 얻되 그 평활하는 구성에서도 전력의 제어 범위, 즉 손실 요인을 최소화하는 기술을 개시하고자 함에 있다.

본 발명의 제3목적은 혹여 ESS 충전계통에서 펄스전압이 발생할 때 이에 즉각 대응하여 ESS 폭발로부터 안전을 강화하는 기술적 구성을 개시하고자 함에 있다.

위와 같은 목적의 본 발명은,

충전제어 계통에서 요구하는 전압보다 낮은 전압을 출력하는 주전원부;

상기 주전원부로부터 충전전력을 공급받도록 연결되는 충전계통 및 충전에너지를 저장하는 ESS부;

상기 주전원부의 낮은 전압을 충전계통에 필요한 전압으로 승압 조절하는 보충전원부;

상기 주전원부의 출력전압이 리플을 포함하는 맥류 전압일 때 리플을 감지하는 리플감지부;

상기 리플감지부로부터 감지된 리플과 반대의 역상 리플을 발생하는 역리플함수발생부;를 포함하는 구성으로서,

상기 보충전원부가 상기 주전원부로부터 출력되는 전압이 설정된 부하단 전압으로 유지되도록 상기 주전원부와 연동되되, 상기 리플감지부로부터 리플이 감지될 때 상기 보충전원부가 상기 역리플함수발생부로부터의 역리플함수에 의한 맥류출력을 발생하여, 상기 주전원부의 양극에서는 상기 리플이 상쇄된 직류전압을 발생하도록 연동 구성된 것을 특징으로 하는 ESS 충전장치를 개시한다.

여기서 보충전원부에는 상기 충전계통(충전제어부 및 EES부)에서 서지성 펄스 전압이 감지될 때 상기 승압 공급이 제한되도록 제어하는 펄스감지제어부의 연동 구성을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 보충전원부는 주전원부 외의 외부전원으로부터 조달하고 그 조달 경로에 유효전류감지부를 연동하여서 보충전원부의 가동에 소모되고 난 나머지로 부하에 공급되는 유효전류의 최대값을 추적하는 최대전력추적 구성, 또는 상기 주전원부의 전력 일부를 피드백하여 주전원부의 전압을 보충하도록 되먹임하되, 그 되먹임 경로에 유효전류감지부를 연동하여서 보충전원부의 가동에 소모되고 난 나머지로 부하에 공급되는 유효전류의 최대값을 추적하는 최대전력추적 구성을 포함할 수 있다.

본 발명은 보충전원부가 주전원부와 부하단 간을 최적의 상태로 매칭하고 나아가서는 변압기의 공진점 부근인 최대효율의 전력점에서 작동을 유지시키는 기술 구성을 개시한다. 본 발명의 보충전원부는 전류폭주제어 기능을 통해 초고속으로 최대전력점을 추적하는 기술을 포함한다.

본 발명에 의하면 부하전력의 대부분을 분담하는 주전원부는 정류된 전력을 그대로 부하단으로 공급하고, 보충전원부가 적은 범위의 전압 조절 및 리플 상쇄를 담당하므로, 이에 따라 제어에 따른 손실이 최소화되는 효과가 있다.

본 발명에 의하면 리플을 상쇄하는 역리플함수제어에 의하여 충전제어기의 입력전압과 출력전압의 차이를 무시 가능한 수준으로 없애면서 더 나아가 그러한 기술을 통해 높은 품질의 순수 직류 성분을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 초고속 최대전력점 추적 기술을 얻을 수 있으며, 나아가 ESS 충전완료 시 발생하는 펄스전압의 발생요인을 차단하여 ESS 폭발로부터 안전을 강화하면서 충전용량을 현저히 확장할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 적은 제어 범위의 전력제어를 통해 고품질의 통신용 내지는 음향기기용 전원을 확보할 수 있게 된다.

도 1는 종래의 ESS 충전시스템을 도시한 블록다이어그램이다.
도 2는 ESS의 충전전류 흐름이 단계별로 달라지는 모습과 그 과정에서 어떤 경우에 서지 펄스가 발생되는지를 배터리 전류 흐름도로서 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 충전시스템에서 각 파형의 위치를 도식적으로 표현한 블록다이어그램이다. 리플과 PWM제어가 혼재될 때 서지 펄스가 발생됨을 나타내고 있다.
도 4는 본 발명 일실시례의 블록다이어그램이다. 주전원부에서 리플이 포함된 맥류 전압과 보충전원부에서 역리플이 포함된 맥류 전압을 합성하면 순수 직류 성분이 얻어지는 원리와 그 회로를 나타낸 것이다.
도 5는 도 4의 개념이 구체적으로 어떤 구성요소들의 결합으로 달성되는지를 일실시례로 나타낸 블록다이어그램이다. 도 5에서는 도 4에서의 보충전원부가 주전원부의 출력전력 일부를 피드백 받아서 동작함을 일실시례로 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 최대전력추적 기능을 설명하기 위한 일실시예 블록다이어그램이다.
도 7은 도 6의 일실시례인 보충전원부의 최대전력추적 기능을 듀티비 제어 원리로 설명한 그래프이다.
도 8은 도 6의 일실시례인 보충전원부의 최대전력추적이 전류폭주로 제어되는 원리를 알고리즘으로 설명하는 흐름도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 보충전원부에서 서지 펄스를 감지할 때 출력전압을 억제하면서 설정된 출력전압을 유지하는 충전시스템의 일실시례를 도시한 블록다이어그램 및 알고리즘 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 최대전력전추적 작용을 설명하기 위한 변압기 출력의 공진점을 설명하는 전압전류전력 곡선도이다.

본 발명은 이하 설명하는 외에도 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바 특정한 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니므로, 이하 개시하는 구성은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였으나, 예를 들어 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되고 있을 뿐, 이 구성요소들을 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등으로 용어를 붙여서 한정되는 것으로 이해하여서는 아니 된다. 상기 용어들은 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 마찬가지의 원리로 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 첫 번째와 두 번째의 경우도 마찬가지이며, ‘먼저’ ‘다음으로’ 라는 용어도 마찬가지이다.

이와 같은 원칙하에 본 발명에 따른 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 목적과 특징들은 다음의 상세한 설명을 통해 더욱 분명해질 것이다.

도 3은 종래의 충전제어기(3) 및 그 주변 구성을 회로적으로 도식한 블록다이어그램이다.

도 3을 참조하면, 변압기(1-3)의 2차측 코일 출력에서 (A) 파형이 출력되고, 정류부(1-1)에서 예를 들면 전파 정류된 (B) 파형이 출력되며, 평활부(1-2)에서 부하단으로 전력이 공급될 때 최대값 전압으로부터 시간에 따라 전압이 하강하는 리플 형태의 파형(1000-3; C)이 출력됨을 이해할 수 있을 것이다.

여기서 (1000-4)는 리플(1000-3)이 출력으로 공급되지 않도록 제한하는 직류전압 레벨 기준이 되는데, 이로 말미암아 (1000-4) 레벨로부터 (1000-3)의 첨두치까지는 예를 들면 1.414배의 전압 차이가 발생되고 이 0.4배의 차이가 충전제어기에서 레귤레이팅 될 때 발열의 대상이 된다. (0.414배는 P-P전압과 rms전압의 차이를 예로 든 것이다. 또한 도 3은 복권변압기를 예로 도시한 것이지만 절연이 중요 시 되지 않는다면 단권변압기가 적용될 수도 있다.)

도 3의 (D) 및 (E)는 주로 PWM제어로 충전제어기를 작동시킬 때 나타나는 파형의 일례를 도시한 것으로, 도 3의 (D) 및 (E)에서 (1000-5)는 배터리 충전이 완료되었을 때 나타나는 PWM에 의한 서지 펄스 파형을 나타낸다.

평활회로 커패시터(1-2)가 부하전류를 충분히 감당하지 못하면 도 3의 (D)에서 리플전압(△r)은 그 변동 크기가 커지며, 변압기의 코일(1-3) 용량 혹은 정류기의 다이오드(1-1) 용량이 부족하면 도 3의 (E)에서 보듯이 △V 변동 폭이 더 커지게 된다. 여하튼 어느 경우에도 부하에 리플로 작용하는 데 이 리플을 부하단으로 흘려보내지 않으려면 레규레이터(3)에서 (1000-4)를 기준으로 그보다 큰 레벨의 리플은 잘라내야 한다.

서지 펄스는 도 2의 (Rn) 구간, 즉 배터리 만충전 상태에서 PWM으로 배터리에 공급되는 전류를 시간적으로 단속 제한할 때 특히 문제시되는 펄스성 노이즈이다. 이러한 서지 펄스는 특히 리튬 이온 배터리의 경우 화재 폭발을 일으킬 수 있으므로 통상적으로는 이러한 펄스가 발생하지 않는 수준인 80% 정도의 충전율로 ESS를 충전할 것을 권고하고 있다.

도 4는 본 발명의 원리를 개념적으로 설명하는 블록다이어그램이고, 도 5는 본 발명이 실시될 수 있는 여러 가지 구성 중 일실시례를 도시한 블록다이어그램이다. 그 주요 구성은

충전제어 계통에서 요구하는 전압보다 낮은 전압을 출력하는 주전원부(1);

상기 주전원부로부터 충전전력을 공급받도록 연결되는 충전계통 및 충전에너지를 저장하는 ESS부(2);

상기 주전원부의 낮은 전압을 충전계통에 필요한 전압으로 승압 조절하는 보충전원부(30);

상기 주전원부의 출력전압이 리플을 포함하는 맥류 전압일 때 리플을 감지하는 리플감지부(31);

상기 리플감지부로부터 감지된 리플과 반대의 역상 리플을 발생하는 역리플함수발생부(32);를 포함하는 구성으로서,

상기 보충전원부가 상기 주전원부로부터 출력되는 전압이 설정된 부하단 전압으로 유지되도록 상기 주전원부와 연동되되, 상기 리플감지부로부터 리플이 감지될 때 상기 보충전원부가 상기 역리플함수발생부로부터의 역리플함수에 의한 맥류 전압 출력을 발생하여, 상기 주전원부와 보충전원부 출력이 합쳐진 출력단에서는 상기 리플이 상쇄된 직류전압을 발생하도록 된 연동 구성을 개시한 것이다.

상기 보충전원부(30)에는 상기 충전계통(충전제어부 및 EES부)에서 서지성 펄스 전압이 감지될 때 승압 공급이 제한되도록 제어하는 펄스감지제어부(도 9의 60);의 연동 구성을 더 포함할 수 있다.

도 4의 보충전원부(30)는 주전원부(1) 외에도 도시생략된 외부전원(Buck (+)in)으로부터 조달할 수 있다.

도 5를 참조하면 상기 보충전원부(30)는 주전원부(1)의 전력 일부를 피드백하여 주전원부의 전압을 보충하도록 되먹임 제어할 수 있다. 그 되먹임 경로에 유효전류감지부(IP3)와 연동되는 최대전력추적부(40)의 연결 구성을 더 포함할 수 있다. 최대전력추적부(40)는 보충전원부(30)의 가동에 소모되고 난 나머지로 부하에 공급되는 유효전류(IP3)가 최대값이 되도록 추적하는 기능을 수행한다.

마찬가지 원리로서, 보충전원부는 주전원부 외의 외부전원으로부터 조달하고 그 조달 경로에 유효전류감지부(IP3)를 연동하여서 보충전원부의 가동에 소모되고 난 나머지로 부하에 공급되는 유효전류(IP3)의 최대값을 추적하는 구성을 더 포함할 수 있다.

먼저 도 4의 작용에 대하여 설명한다.

사인파(1000-1) 상용전원을 정류하면 최대값(p-p; 1000-3)과 실효값(rms; 1000-4)의 차이에 상당하는 리플(△r)이 발생될 수 있다. 이 리플은 부하전류가 0인 경우 없어지고 그 출력전압은 사인파의 최대전압과 같아지지만, 부하단으로 흐르는 전류의 소모 내지는 평활커패시터(1-1)를 포함하는 평활회로 시정수가 변동되면 주기적 내지는 불규칙한 형태로 리플을 발생한다. 이때의 리플 모습이 (G)이다.

만약 주전원부(1)와 직렬로 연결된 보충전원부(30)에서 이 리플에 정반대인 함수로 리플을 발생(이를 역리플함수라 정의한다)해서 리플을 서로 상쇄하도록 주전원부에 연결(도 4의 (H) 참조) 한다면, 주전원부(1)와 보충전원부(30)가 결합된 출력단(VP1)에는 본래의 리플(E-2)와 이에 대응되는 역위상의 역리플(E-1)의 신호가 서로 상쇄 결합되어 (E-3)와 같은 순수 직류 성분의 전압을 출력하게 된다(1000-4).

즉, 예를 들어 전체 전원 출력에 대하여 주전원부가 80%, 보충전원부가 20%를 분담하도록 직렬 연결된 구성에서 보충전원부의 역리플함수 출력 작용으로 순수 직류 성분을 얻어진다면 그것은 변환(제어)에 필요한 손실을 100분의 20으로 줄인 것이 된다. 본 발명 도 5는 이를 구체적으로 실현하는 일실시예이다.

도 5를 참조하여 각 구성요소 및 그 연동 작용을 설명한다.

주전원부(1)는 충전제어 계통에서 필요로 하는 전압보다 낮은 전압을 출력하는 것을 기본으로 한다. 낮은 전압으로 설정하는 이유는 보충전원부가 개입을 해서 승압을 할 때 충전계통으로 전력공급을 할 수 있는 전압 낙차가 성립되되, 서지 펄스 혹은 과다 충전을 감지하여 충전계통으로 흐르는 전류 내지는 전력을 차단하고자 할 때는 보충전원부의 출력을 전지 시켜서 상기 전압의 낙차를 성립시키지 않기 위함이다. 다만 반드시 낮아야만 동작이 되는 것은 아니므로, 반드시 낮은 전압으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 리플을 클램핑하는 구성도 고려될 수 있다.

ESS부(2)는 상기 주전원부로부터 충전전력을 공급받도록 연결되는 충전계통 및 충전에너지를 저장하는 배터리를 포함한다. 리튬이온 계열의 배터리인 경우 충전계통에는 배터리관리시스템(BMS)를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 BMS는 복수개의 배터리가 직렬 또는 병렬로 집합될 때 각 배터리 단자 전압 간의 밸런스를 잡고, 나아가 원격으로 모니터링 하는 구성을 포함할 수 있다.

보충전원부(30)는 주전원부(1)의 낮은 전압을 충전계통에 필요한 전압으로 승압 조절하는 구성요소이다.

보충전원부는 주전원부로부터 피드백 전원으로 가동전원을 조달하거나 별도의 독립된 보조전원으로부터 공급된 전력으로 가동될 수 있다. 여기서 독립된 보조전원이란 복권 형식의 누설변압기에서 별도의 권선을 하나 더 구비하고 그 권선으로부터 정류된 직류전원일 수 있음을 의미한다. 그 외에도 독립된 보조전원이란 배터리, 신재생에너지 전원 등 다양한 방법이 있을 수 있다.

리플감지부(31)는 충전계통에서 리플전압이 발생될 때 이를 감지하는 작용을 한다. 쉽게 말하면 직류 성분에 교류성분이 포함된 맥류 전압 중에서 교류성분만을 감지 추출하는 구성을 포함한다. 예를 들어 커패시터를 직렬 연결하여 교류성분의 신호를 추출 감지하는 구성일 수 있다.

역리플함수발생부(32)는 상기 리플감지부(31)에서 추출한 교류신호를 이용하여 그에 반대로 대응되는 역함수의 리플신호를 발생한다. 역리플함수는 맥류에 포함되는 교류성분의 시간적 변화와 높이를 함수로 감지하여 역위상의 신호를 발생하는 구성을 포함한다.

그 일실시예로서 연산증폭기의 반전(-)입력을 이용하면 리플신호를 역으로 해석하면서 쉽게 역리플함수를 만들 수 있다. 또한 마이컴의 샘플링함수를 이용하여 역리플함수로 인코딩해서 활용할 수도 있다. 상용전원 60Hz의 주기적 특성에서 나타나는 리플의 패턴을 모델링해서 이를 활용할 수도 있다. 이때의 패턴 모델링은 다음 주기에 오는 리플 신호의 위상에 매칭시키는 진상 혹은 지상의 제어일 수 있다.

설정전압감지부(33)는 부하단의 필요 전압을 설정하는 구성요소이다. 예를 들어 ESS가 리튬이온 계열의 24V라면 29.2V로 설정함을 말한다. 이러한 설정은 마이컴에 의해 배터리 전압과 종류를 감지하면서 자동으로 설정되는 구성을 포함할 수 있다.

보충전원부(30)는 본 발명 일실시예에서의 버크 컨버터(그 외에도 벅-부스트, 부스트, 세픽, 제타, 플라이백 등 다양한 컨버터 계열을 적용할 수 있다)로서 주전원부의 전력 중 일부 전류를 공급받아 그보다 낮은 전압으로 주전원부에 되먹임하는 구성으로 실시될 수 있다.

이때 되먹임하는 전압 출력에서 상기 역리플함수발생부(32) 및 설정전압감지부(33)에 의한 제어가 적용되므로, 보충전원부는 총출력전압(VP1)이 부하단의 필요전압으로 유지되는 범위에서 역리플함수발생부(32)에 의해 발생된 제어신호(△-V)로 제어된 출력전압(VP3)을 발생하게 된다. 따라서 비록 (VP2)에 리플(△V)이 포함되더라도 (VP1)에서는 제어신호(△-V)에 의해 리플이 상쇄된 순수 직류 성분을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이러한 원리에 의해 (VP1)은 부하단에서 필요로 하는 전압보다 더 높지도 낮지도 않은 최적 전위의 순수 직류 성분의 전압을 얻을 수 있다.

도 4로 되돌아가서 개념적으로 정리하면,

도 4의 VP2에는 맥류 성분인 △V가 존재하고 부하 전력의 소모에 따라 그 높이는 최대 1.4배까지 될 수 있다(사인파의 최대값과 실효값(rms)의 차이). 본 발명에서는 이를 △V라 하고 이에 대한 역방향에 대응되는 역리플함수를 △-V라고 정의한다. 도 4에서 △V는 (G)이고, 역함수에 의한 △-V는 (F)인데, 서로는 역위상 신호이므로 (F)와 (G)를 동일 시간축상에서 직렬로 상쇄시키면 주전원부에서 발생되던 리플은 보충전원부의 역리플함수와 상쇄되어 배터리로 공급되는 전원은 순수한 직류(E-3)가 되는 것이다. 이러한 원리를 겹친 그래프로 묘사한 것이 도 4의 (H)이다.

도 4에서 (H)는 부하단의 전류 소모에 따라 리플의 높이가 달라지는 (E-2), (E-2)에 대응하여 역리플함수발생부에서 만들어진 반전된 리플신호(E-1), 및 그들이 결합되면서 서로 상쇄된 순수 직류전압(E-3)의 모습을 도시한 것이다.

요컨대 종래 충전제어기(3)가 없어도 보충전원부(30)의 제어를 통해 부하단(2, 4)에 필요한 만큼의 전압만을 맞추어서 보낼 수 있게 되고, 그에 따라 당초 충전제어기(3)에서 손실로 작용하던 △V는 없어지는 것이다.

다만 본 발명의 경우에도 보충전원부(30)가 출력을 감당하는 변환 손실은 있을 것이지만, 보충전원부는 부하전력에 비하여 예를 들어 20/10의 분담으로 그 리플을 상쇄할 역할 분담이 현저히 낮으므로 변환손실은 그 비율만큼 줄어들게 된다.

본 발명은 주전원부의 출력전압을 그 첨두전압까지 모두 부하단으로 공급하므로 전력의 효율을 대폭 올릴 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의하면 첨두전력과 실효전력의 차이가 없어지고 그에 따라 첨두전압 때문에 발생되던 PWM제어형 서지 펄스가 없어지는 중요한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 의하면 충전용량을 심지어 100%까지 올리더라도 서지 펄스가 발생할 요인이 없게 되는 것이다.

본 발명은 이에 더하여 충전계통인 충전제어부 및 EES부에서 서지 펄스가 감지될 때 상기 승압 공급이 제한되도록 제어하는 펄스감지제어부(60)가 더 연결될 수 있으며, 이때 펄스감지제어부는 위와 같은 안전 확보 상황에서도 충전 완료 시에 혹여 발생할 수 있는 PWM 노이즈에 대비한 것이다. 이에 대하여는 도 9에서 후술한다.

더 나아가 본 발명의 역리플함수발생부에 전류폭주제어로 작용하는 최대전력추적부의 기능을 더하면 변압기의 공진점을 해치지 않는 최대전력점으로 자동 추적하는 운용이 가능해진다. 이것은 상용전원 변압기를 이용하는 구성에서 변압기를 최대효율로 작동시키면서 리플을 해소하는 독특한 기능을 발휘한다.

이하 도 5 및 도 6을 참조하면서 이를 달성하는 본 발명의 최대전력추적부에 관하여 상세히 설명한다.

일실시례인 도 5의 보충전원부(30)는 주전원으로부터 가동 전원을 피드백 받는 구성으로서,

변압기에 의해 전력을 공급받는 주전원부(1);

배터리 또는/및 부하단(2, 4);

상기 주전원과 상기 부하단 사이에 연결되어 출력전압을 조절하는 보충전원부(30);

상기 배터리 계통으로 공급되는 유효전류 또는 상기 배터리 계통과 연계된 부하단으로 공급되는 유효전류를 감지하는 유효전류감지부(IP3);

상기 유효전류감지부로부터 감지되는 유효전류가 증가되는 범위에서 주전원부의 전류를 폭주시키는 전류폭주제어부(40);를 연동하는 구성을 포함하되,

상기 보충전원부(30)는 주전원(1)과 부하단(4) 간에 제1입력단(X), 제2입출력단(Y) 및 제3출력단(Z)을 연동한 구성으로 상기 주전원부(-)의 일측 전극(-)에 출력전압을 되먹임 공급하여 상기 주전원부(1)의 최대전력(Vmp) 유지 범위에서 보충전원부의 출력전압(VP3)이 조절되는 구성을 포함하며,

상기 전류폭주제어부(40)는 상기 최대전력전압(Vmp)보다 부하단(4) 전압이 높아지더라도 상기 유효전류(IP3)가 최대전력 상당의 유효전류값을 유지하도록 주전원부의 전류를 폭주 제어하면서 주전원부를 최대전력 범위로 유지하도록 제어하는 최대전력추적부의 기능을 겸하게 된다.

도 5의 구성에 있어서,

주전원부(1)는 변압기(1-3)로부터 가동 전력을 조달한다. 변압기는 공진 특성에 맞추어 전력을 공급할 때 최대의 효율을 얻을 수 있으므로, 본 발명은 부하단 전압이 일정한 범위에서 부하단으로 흐르는 전류가 최대로 되는 공진 점에서 작동시키는 최대전력추적 구성을 포함한다. 다만 본 발명의 전반적인 구성에서 반드시 이러한 구성이 필수적으로 포함되도록 한정되는 것은 아니다.

보충전원부(30)는 주전원부(1)의 일측 전극으로 출력전압(VP3)을 되먹임 공급하여 상기 주전원부와 보충전원부의 출력전압을 합한 전압(VP1) 출력을 발생한다. 그 회로 구성의 일실시례로서 도 5에 도시된 바의 상기 보충전원부는 제1입력단(X)과 제2입출력단(Y)을 주전원부로부터 전원을 공급받는 전원공급경로로 연결하고, 제2입출력단(Y)을 통해 주전원부의 일측 전극에 보충전원부의 출력을 되먹임 공급하면서 제3출력단(Z)의 연결점인 부하단에 주전원부와 보충전원부의 출력이 합쳐진 전압이 출력되는 구성으로 실시될 수 있다. 이 구성은 주전원부의 음극과 부하단의 음극 사이에 보충전원부를 게재 연결한 구성에 해당되는 것이지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 주전원부(1)의 양극에 보충전원부(30)를 극성 변경으로 치환 연결할 수도 있다.

이와 같은 보충전원부(30)의 각 입력 및 출력단 구성에서 제3출력단인 (Z)단자로 흐르는 경로에는 주전원부(1)에서 생산되는 총전류(IP2) 중에서 보충전원부의 제1입력단(X)으로 공급되는 아이들링전류(IP1)를 뺀 나머지, 부하단으로 공급되는 유효전류(IP3)만 흐르게 된다. 본 발명의 유효전류감지부(IP3)는 바로 이러한 전류를 감지하여 후술하는 전류폭주제어부(40)와 연동시킴으로써 변압기를 공진 상태로 유지하면서 부하단에 적절한 전력을 공급하는 밸런스를 잡게 된다.

여기서 변압기는 공진 상태일 때 최대의 효율을 내고, 또한 부하단 전압이 일정하다면 보충전원부가 최대전력출력의 상태로 작동될 때 유효전류값도 최대가 되는 것이므로, 최대전력추적은 예를 들어 상기 유효전류감지부(IP3)의 최대 감지값을 추적하는 구성으로 실시될 수 있다.

유효전류감지부(IP3)는 저항에 흐르는 전류를 전압강하법으로 감지하여 연산증폭기로 증폭 후 전류폭주제어부에 유효전류 제어신호로 공급하도록 연동할 수 있다. 여기서 저항에 의한 전압 감지법은 홀센서를 이용한 자기 유도법으로 대체될 수 있다. 자기 유도법인 경우 절연이 가능한 장점이 있다. 물론 전압 감지의 경우도 포토커플러 등을 이용하면 절연상태에서 변화되는 전압 내지는 전류를 감지할 수 있게 된다.

도 5에서 미 설명부호 30-6은 보충전원부를 필요에 따라 작동 및 정지시키는 스위치이다.

전류폭주제어부(40)는 보충전원부(30)가 출력을 발생할 때 기하급수적으로 신속히 증가하거나 감소하는 작용을 하도록 제어한다.

여기서 폭주 제어란 보충전원부가 부하단(4)과 보충전원부(30)의 양측단 사이에 연결된 주전원부(1)의 전압(VP2)을 압착하여 변압기(1-3)로부터 최대전류가 흘러나오도록 하되, 원하는 전류값에 이를 때까지 기하급수적인 속도로 보충전원부의 출력을 높이는 것을 의미한다.

이러한 전류폭주제어에 의하여 역리플함수발생부로부터의 제어신호가 공급되는 즉시 보충전원부가 그 역리플함수에 의한 제어신호 그대로 출력전압을 발생할 수 있게 되며, 나아가서는 변압기의 공진점이 흐트러지지 않는 최대전력점에서 유효전류의 감소를 감지하고 그 지점에서 출력전압을 유지할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에서 전류폭주제어부는 최대전력추적 기능을 겸할 수 있다.

도 6은 전류폭주제어부(40)의 일실시례를 도시한 블록다이어그램이다.

도 6을 참조하면, 전류폭주제어부의 제1입력단(a)은 전압변화값을 검출하고, 제2입력단(b)은 유효전류변화값(IP3)을 검출하도록 각각 연결된다. 전압변화값은 보충전원부 출력전압(VP3), 주전원전압(VP2) 또는 합산전압(VP1)을 상대적 변화값으로 감지함을 의미한다.

이러한 제1입력단(a)과 제2입력단(b)은 순시 엣지 검출부(40-1 및 40-2)를 경유하여 상승 전류폭주명령부(40-3) 및 하강 전류폭주명령부(40-4)로 공급된다. 엣지 검출 결과는 로직의 논리회로에서 상승을 명령할 것인지 하강을 명령할 것인지를 판단하고 그 명령은 전류폭주 형태로 소기의 결과에 도달할 때까지 직선적으로 증가 또는 감소하는 형태의 명령신호로 진행된다. 여기서 논리회로는 게이트를 조합하거나 FPGA를 이용한 프로그래밍 된 게이트 조합 구성일 수도 있다. 마이컴을 이용한 프로그램일 수도 있다.

명령신호는 혼합회로(40-7)를 통해 맥류 또는 인코더 된 신호로 출력될 수 있다.

혼합회로(40-7)와 파형정형회로(40-8)을 통과한 명령신호는 보충전원부(30)에 제어신호로 공급되므로, 상승 전류폭주명령부(40-3) 및 하강 전류폭주명령부(40-4)가 균형을 이루는 점에 상당하는 밸런스로서 최대전력점을 추적하게 된다.

여기서 순시 엣지 검출부(40-1, 402)는 직전-직후를 상대값으로 판단하는 구성요소이다. 이러한 순시 엣지 검출에 의해 본 발명에서 리플의 파형에 즉각적으로 반응하는 역리플함수 발생이 가능하게 된다.

상승 전류폭주명령부(40-3)는 리플전압의 유무를 제1입력단(a)으로 감지하고, 만약 리플전압을 포착하는 즉시 보충전원부(30)를 즉각 그와 반대로 되는 방향으로 움직여서 합산전압(VP1)에서 리플전압을 상쇄시킨다. 하강 전류폭주명령부(40-4)는 상승 전류폭주명령부(40-3)가 지나치게 보충전원부(30) 출력을 높이지 않도록 낮추는 구성이며, 특히 유효전류감지부(IP3)로부터 감지되는 유효최대전류가 하강하는 시점에서 곧바로 작동하여 상승 전류폭주명령부(40-3)의 작용을 정지 내지 상쇄시키는 반작용이 일어나도록 하는 구성요소이다. 여기서 상승 폭주가 지나치면 주전원부(1)를 지나치게 압착하여 변압기에 과부하를 주고 이것이 변압기의 공진점을 허물어서 결국은 유효전류(IP3)가 감소하게 되는데, 하강 폭주명령부는 그 중성점에서 머물러 합산전압(VP1)이 적정한 범위 및 공진점이 유지되는 밸런스를 잡도록 상승 전류폭주명령부와 짝을 이루는 반대 방향으로의 작용을 하게 된다.

도 7은 듀티비 제어 개념으로 상승 전류폭주명령부(40-3)와 하강 전류폭주명령부(40-4)의 신호 특성을 나타낸 그래프이다.

도 7의 (A) 및 (B)를 참조하면, 상승 전류폭주명령부(40-3)의 출력과 하강 전류폭주명령부(40-4)의 출력은 각각 상승 듀티비 신호(40-5)와 하강 듀티비 신호(40-6)로서 상승은 전압을 높이는 명령으로 넓은 듀티비(40a), 하강은 전압을 낮추는 명령으로 좁은 듀티비(40c) 신호를 출력한다. 그 평균값(40b)이 보충전원부의 제어신호 입력으로 공급되어 주전원부의 전압을 압착하거나 완화한다.

주전원부의 전압을 압착하면 주전원부는 부하가 무거워져 전압이 낮아지는 반면 전류가 증가하고, 그와 반대로 완화하면 전압은 증가하는 반면 전류가 줄어드는데, 이러한 작용은 공진점을 중심으로 유효전류의 감소를 가지게 되므로, 이를 활용하여 보충전원부가 순간순간 전류폭주를 제어한다.

도 7의 듀티비 신호는 상승 전류폭주 명령 시에는 최대전력점 전류에 도달할 때까지 on 상태로 지속될 수 있으며, 그와 반대로 하강 전류폭주 명령 시에는 최대전력점 전류로 복귀 시까지 off 상태로 지속될 수 있어 반드시 도 7과 같은 반복적 듀티비로 구성되는 것은 아니고, 경우에 따라 발생되거나 듀티비 폭을 자유롭게 결정하는, 비동기 방식의 듀티비 제어신호로 구성될 수 있다. 이러한 듀티비는 결국 보충전원부(30)를 작동시키는 제어신호로 공급되는 것이므로, 상승 내지는 하강 전류폭주신호의 중성점 평균 신호가 상기 보충전원부(30)의 입력에 공급되는 것을 관찰함으로써 상기 전류폭주제어부의 작동 여부를 유추할 수 있다.

요컨대 본 발명에 의하면, 도 7의 40a 듀티비 폭을 매우 크게 하거나 상대적으로 넓은 듀티비를 반복적으로 발생함으로써 이를 상승 전류폭주로 하고, 40c의 듀티비처럼 그와 반대로 좁은 듀티비를 지속 내지 반복함으로써 이를 하강 전류폭주 내지는 상승 전류폭주 정지 명령으로 작용시킬 수 있다.

도 7의 (B)는 동일한 위상 시간으로 동기를 맞추어서 듀티비를 제어하는 경우를 예시한 것이다. 작동 원리는 (A)와 같다.

전류폭주제어부(40)는 최대전력추적부의 기능을 실질적으로 통합 수행한다. 특히 이 기능은 앞에서 설명한 리플(△V)과 역리플(△-V)의 결합에서 오차가 발생될 때 이를 비교 상쇄하는 미세 조정 역할을 포함할 수 있는 것이다.

도 7에 첨부된 사진들은 오실로스코프로 관찰된 전류폭주 명령 신호들을 나타낸다. 사진 1에서 가장 위쪽 트레이스(trace) 파형은 상승 전류폭주 명령부의 듀티비이며, 중간 트레이스(trace) 파형은 하강 전류폭주 명령부의 듀티비 신호를 나타낸다. 가장 아래쪽 트레이스(trace)의 맥류 파형은 보충전원부(30)로 공급되는 제어신호를 나타낸다. 사진 1은 상승과 하강 전류폭주를 반복하면서 제어신호에서 평형을 잡고 있을 때의 경우를 촬영한 것이지만, 이 경우에도 부하단이 무거워져서 가끔 평형을 이탈할 때 폭주 신호로 균형을 잡고 있음은 나타난다.

도 7의 사진 2는 초기 전류폭주 당시 보충전원부를 제어하는 모습을 나타내고, 사진 3은 보충전원부가 작동되는 기간동안 중간중간 잠깐씩 상승 내지 하강 전류폭주가 일어남을 나타낸 사진이다.

도 7에 나타낸 사진들은 오실로스코프로 관찰했을 때이지만, 그 외에도 LED 램프 혹은 다른 다양한 수단을 활용하여 듀티비 신호 내지는 맥류 형태의 신호를 관찰할 수 있다. 본 발명에는 보충전원부가 프로토콜에 의한 데이터 신호로서 제어되거나 모니터링되는 수단도 포함될 수 있다.

도 8은 전류폭주명령부의 전체적인 작용을 논리적으로 설명하는 알고리즘 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 전류폭주제어부(40) 작용은,

[스텝 1] 전압변화와 유효전류변화를 감지한다(401, 402).

여기서 전압변화는 VP1, VP2, VP3를 감지하는 것이 바람직하다. 논리적인 경우의 수에 따라 서로 바꾸어 감지할 수 있다.

[스텝 2] 순시 변화값을 서로 비교하여 서로 같은 방향으로 증가하는 작용이 포함될 때 보충전원부를 상승 방향으로 출력 제어한다(403, 404).

여기서 순시 변화값이란 직전과 직후의 상대값 변화 감지를 적용하는 것이 바람직하다.

[스텝 3] 순시 변화값을 비교하여 만약 서로 반대로 증감할 때 보충전원부를 하강 방향으로 출력 제어한다(405, 406).

위 스텝 3에서 순시 변화값 검출인 405 스텝은 서로 반대 방향으로 움직이는가 아닌가의 차이를 말한다.

[스텝 4] 위 출력 제어신호를 필터링함수로 평활하여 보충전원부의 제어 출력으로 발생한다(408, 107, 409, 50). 일실시례에 의하면 이러한 보충전원부 제어신호는 아날로그 형태일 수 있다.

정리하면, 본 발명의 전류폭주명령부는 위 스텝 1, 스텝 2, 스텝 3, 스텝 4의 흐름 단계를 포함하여서 구성될 수 있다. 위 각 스텝들이 하드웨어에서 작용할 때는 단계적 구분 없이 실시간으로 프로세싱되고, 마이컴을 이용한 소프트웨어로 구현되었을 때는 위 순서 혹은 뒤바뀐 순서로 프로세싱될 수 있다.

도 9는 본 발명의 보충전원부(30)에 충전계통(2; 충전제어부 및 EES부)에서 서지성 펄스 전압이 감지될 때 보충전원부 출력을 억압 내지 차단하도록 제어하는 펄스감지제어부(60)를 연동하는 구성을 개시하고 있다.

도 9를 참조하면, 만약에 부하단으로 리플이 공급되거나 부하단에서 PWM 제어에서 비롯되는 노이즈가 발생될 때는 펄스감지부(60-1)가 우선적으로 이를 감지하여 보충전원부의 출력을 감소시킬 수 있다. 이러한 감소에 의하여 위험발생요인으로 될 수 있는 서지 펄스를 약화시키는 한편, 최대전력추적부(40)에서 시차적 동기를 잡을 수 있도록 할 수 있게 된다. 시차적 제어는 리플과 역리플의 결합 위상을 매칭시키는 진상 또는 지상 제어를 포함할 수 있다.

서지 펄스라는 것은 충전 경로에서 발생되는, 앞에서 언급한 바의 펄스 노이즈를 포함한다. 구체적으로는 회로상 접촉불량으로 발생하는 아크 노이즈, 충전기에서 발생되는 PWM(펄스) 노이즈, 주전원부 등의 커넥터 등에서 발생되는 불꽃 아크성 노이즈 등을 예로 들 수 있다.

상기 펄스감지부에 서지 펄스가 감지될 때 상기 펄스감지제어부가 상기 보충전원부의 출력전압을 약화하도록 제어한다는 의미에는 서지 펄스가 없어지는 점까지 보충전원부의 출력을 낮추는 구성을 포함할 수 있다.

도 9를 참조하여 펄스감지제어부(60)의 작용을 설명하면,

도 9에서 펄스성 노이즈는 교류신호의 성분을 포함하기 때문에 커패시터(60-1)를 통해 연산증폭부(60-6)로 공급된다. 이에 따라 연산증폭부(60-6)의 출력은 (-)극성 신호를 발생하고 그 출력은 다이오드(6-7)를 통해 전류폭주제어부(40)의 출력을 약화시키는 방향으로 억압한다. 예를 들면 충전 완료시에 발생하는 PWM제어신호에 의한 노이즈성 펄스를 감지하여, 서지성 펄스 노이즈가 발생될 때 긴급히 전류폭주제어부(40)의 기능을 약화시키는 것이다. 약화시키는 도중에 서지성 펄스가 없어지면 연산증폭기(60-6)는 출력을 정상으로 되돌리고 그에 따라 펄스감지제어부(60)가 없듯이 전류폭주제어부(40)는 정상적인 작동을 하게 된다. 연산증폭부(60-6)의 입력단에는 이득 조정용 가변저항을 부가할 수 있다.

한편, 설정전압감지제어부(61)는 직류 성분의 최대값을 제한하거나 설정전압을 유지하는 작용을 하게 되는데, 예를 들어 부하단(4)에서 필요로 하는 전압보다 더 높은 합산전압(VP1)으로 출력이 공급되는 경우 보충전원부(30)의 출력을 낮추는 작용을 포함할 수 있다. 이 기능은 지나친 주전원부 전압 상승을 방지하는 보호회로로서 기능을 하게 된다. VP1을 설정된 전압 범위로 유지하도록 제어하는 기능으로도 실시될 수 있다.

회로 간소화 방안으로는 펄스감지제어부(60)와 설정전압감지부(61)를 통합할 수 있는데, 이 경우 저항(61-1) 값을 저항(60-2) 값보다 충분히 크게 하여서 펄스감지제어부(60)가 직류와 교류를 함께 감지 제어할 수 있도록 구성할 수 있다.

도 10은 도 9에 도시된 각 구성요소들의 작용을 좀 더 구체적으로 설명하는 알고리즘 흐름도이다.

도 10을 참조하면,

[스텝 540] 부하단으로 공급되는 유효전류(IP3)의 검출(501-1), 부하단 전압 검출(501-2), 주전원부 출력전압 검출(501-3) 또는 보충전원부 출력전압 검출(501-4) 중 적어도 하나 이상을 감지한다. 다만 이하의 스텝 중 일부만을 취사선택 실시할 경우는 어느 하나만을 감지할 수 있다.

[스텝 550] 펄스감지제어부(60)로서 서지성 펄스가 있는지를 감지한다(503). 서지성 펄스가 있으면 보충전원부 출력을 억제하거나 보충전원부 가동 스위치(30-6)를 차단한다(504).

[스텝 560] 부하단으로 공급되는 합산전압(VP1)이 부하단에서 필요로 하는 설정전압보다 높은지를 검사한다(505). 이는 부하단에서 필요로 하는 전압의 최대값을 제한하는 안전 기능이다. 설정범위를 초과하면 보충전원부의 출력을 하강시킨다(506).

[스텝 570] 합산전압(VP1)을 감지하여 직전의 전압보다 높은지를 감지한다(506, 512). 만약 직전보다 높다고 판단되면 리플의 고점이라고 보아 보충전압(VP3)을 하강(507)시켜서 상쇄하고, 만약 낮다고 판단되면 리플의 저점이라고 보아 보충전압(VP3)을 상승(513)시켜서 상쇄한다.

[스텝 580] 위 스텝 570에서 보충전압을 하강(507)시켰는데, 그 당시에 유효전류(IP3)가 직전보다 상승한다고 판단되면 보충전압을 계속 하강시킨다(508, 509). 그와 반대로 상기 하강(507) 작용으로 인해 만약 유효전류(IP3)가 직전보다 하강한다고 판단되면 보충전압을 상승으로 반전시킨다(510, 511). 한편, 위 스텝 570에서 보충전압을 상승(513)시켰는데, 그 당시에 유효전류(IP3)가 직전보다 상승한다고 판단되면 보충전압을 계속 상승시킨다(514, 515). 그와 반대로 상기 상승(513) 작용으로 인해 만약 유효전류(IP3)가 직전보다 하강한다고 판단되면 보충전압을 하강으로 반전시킨다(516, 517).

[종합 작용] 스텝 570은 리플을 상쇄하는 작용이고, 스템 580은 최대전력점을 추적하는 작용이다.

즉, 유효전류가 직전(n-1)보다 증가하는 경우는 변압기의 공진점에 가까워질 때의 현상이고, 유효전류가 직전(n-1)보다 감소하면 그것은 공진점을 지나쳤을 때의 현상이라고 유추되는 원리를 이용해서 본 발명의 도 10은 리플과 최대전력추적을 동시에 달성하는 것이다.

이러한 알고리즘을 통해 보충전원부가 개입하여 주전원부의 부족 전압을 보충하면서 최적의 부하전압에 매칭하고 나아가서는 변압기의 공진점 부근인 최대효율의 전력점에서 작동을 유지할 수 있게 된다. 보충전원부는 전류폭주제어부로서 제어되므로, 이러한 공진점 중심의 최대전력추적은 곧 전류폭주제어부를 통한 초고속 제어의 원리와 닿아 있다.

도 11의 (I)는 공진 특성을 설명하기 위한 I-V곡선 및 P-V곡선 그래프이다.

도 11의 (I)을 참조하면 주전원부(1)의 출력전압(VP2)는 I-V곡선 상에서 전압이 0V로 되는, 즉 부하단 쇼트전압점(Vsc)에서 전류는 최대값(Isc)이 되고 이때 전력은 0이 된다. 그와 반대로 VP2 전압이 최대로 되는 부하단 개방전압점(Voc)에서 전류(Ioc)는 0이 되고 전력은 0이 된다.

최대 효율은 도 11에서 최대의 출력을 얻는 Pmax 점의 합산전압(VP1)과 부하단(4)에서 필요로 하는 전압을 일치시킬 때인데, 본 발명에서 이러한 일치는 보충전압부가 최적의 출력전압을 발생하여 VP2+VP3=VP1이 되는 점, 즉 유효한 공진 점에서 성립한다. Pmax 이하의 전압에서는 변압기에 과부하가 되는 밀결합 상태가 되어 최대전력을 얻을 수 없으며, Pmax 이상에서는 변압기가 부하단으로 제대로 된 전류를 공급할 수 없는 소결합 상태가 되므로 마찬가지로 최대전력을 얻을 수 없게 된다.

따라서 Pmax 점을 고속으로 추적하는 기능의 여부가 핵심으로 대두되는데, 이러한 최대전력점은 유효전류감지부(IP3)의 최대 감지값을 추적함으로써 달성할 수 있다. 또한 이 감지의 결과는 ‘VP1 x IP3’의 개념을 적용하는 전력감지로 달성될 수도 있다.

도 10과 도 11의 작용을 이어서 정리하면,

도 10의 [스텝 560]은 도 11의 (H)에서 주전원부 전압(VP2)에 포함된 리플신호(△V)를 상쇄하기 위해 보충전원부가 역리플신호(△-V)를 포함하는 맥류 전압(VP3)을 출력하는 알고리즘에 해당한다. 또한 도 10의 [스텝 570]은 도 11의 (I)에서 유효전류(IP3)를 감지하여 Pmax 점의 전력을 추적하는 최대전력점추적(△P)에 해당한다.

본 발명의 용어에 있어서,

최대전력추적은 주전원부로부터 흐르는 전류를 감지하되 보충전원부가 소모하는 전류를 상쇄한 나머지의 유효전류가 최대값을 유지하도록 추적하는 것을 의미한다. 이러한 검출은 유효전류감지부가 담당하되, 그 실행은 초고속(예를 들어 3초 내외의 실시간) 반응 구성인 전류폭주제어부가 담당하여 리플 상쇄와 최대전력추적을 동시에 달성한다. 이러한 개별 달성 내지는 동시 달성의 기능 블록을 본 발명에서는 역리플함수 제어 장치라고 정의한다.

이때 최대전력추적은, 예를 들어 주전원부 전압의 변화 값과 상기 유효전류 변화 값이 서로 같이 증가하면 상기 보충전원부가 출력전압을 증가하여 주전원부 전류를 폭주로 작동시키고, 상기 주전원부 전압의 변화 값과 상기 유효전류 변화 값이 서로 반대로 증감되면 상기 보충전원부가 출력전압을 감소하여 주전원부 전류가 폭주에서 해제되도록 제어하는 피드백 제어를 반복하면서 최대전력점을 찾은 후, 상기 최대전력점을 중심으로 보충전원부의 출력전압이 유지 내지 추적하도록 실시될 수 있다.

본 발명의 전류폭주제어부의 회로 구성은 AND, NAND, NOR, EXOR, NOT 중 적어도 하나 이상의 조합을 포함하는 논리회로를 포함하거나, FPGA 칩을 이용한 프로그래밍 언어로서 달성될 수 있다. 또한 마이컴의 구성과 그 프로그램을 통해 달성될 수도 있다.

상기 보충전원부의 출력전압은 출력단에서 아날로그 직류 내지 맥류 중 적어도 어느 하나의 전압 또는 리플 변화 관측을 통해 보충전원부의 조절 여부를 유추할 수 있으며, 이러한 관측은 LED로 구성하거나 오실로스코프의 탐침으로 구성될 수 있다. 또한 지그 등 치공구를 통해 양산 시의 체크 기구부로서 구성될 수 있다.

상기 보충전원부는 주전원부로부터 출력되는 전압의 최대값을 제한하기 위해 상한 출력전압을 설정하도록 된 구성을 포함할 수 있다. 이 경우는 특정한 주전원부에 패키지 형태로 부가되는 것이 바람직하다.

상기 보충전원부 계통에는 데이터통신용 노드 또는 서버와 결합되어 상기 당해 및 인접 주전원부들의 전압, 전류, 전력 중 적어도 어느 하나를 모니터링 및 원격제어하고 이를 통해 주전원부 경로를 차단제어할 수 있는 구성을 적용할 수 있다.

보충전원부(30)는 주전원부 이외의 외부전원을 연결하고 마찬가지의 원리로서 IP3를 유효전류감지부 구성으로 연동하여서 위와 동일 내지 본 발명의 청구범위 권리로부터 유추되는 유사 구성으로 작동시킬 수 있다.

순시 엣지검출은 하드웨어를 이용한 샘플홀드 및 비교회로로 구성할 수 있다. 마이컴을 이용한 소프트웨어인 경우 샘플링 데이터가 이에 해당되도록 할 수 있다.

혼합회로는 극성이 반대인 듀티비신호의 평균을 구하거나 50% 기준으로 넓거나 좁은 듀티비신호의 평균으로 값을 구하게 할 수도 있고, 혼합회로 후단에 연동되는 Charge pump는 DC를 평활 출력해서 보충전원부의 제어신호로 하거나 엔코더로 코딩 후 이를 보충전원부에서 직접 활용 또는 보충전원부에서 디코더로 다시 변환하여 활용토록 할 수 있다.

본 발명에서 비동기 듀티비 신호의 생성은 유효전류가 흐르는 변화값이 있을 때 발생되는 초기의 엣지 타이밍 범위 내에서 상승 명령에 AND논리 계열을 적용하고, 상기 유효전류 감소 시점에서 하강 명령에 NOT논리를 포함하는 OR논리 계열을 적용하여, 이로부터 생성된 PWM(Pulse Width Modulation), PPM(Pulse Position Modulation), PTM(Pulse Timing Modulation), PFM(Pulse Forming Modulation) 중 적어도 하나 이상의 비동기 신호를 포함할 수 있다.

여기서 비동기 신호란 전류폭주명령신호가 부하단이나 주전원부 환경에 따라 불규칙 간격 내지는 불규칙 레벨로 순간적으로 변화되는 출력전압으로 관측되는 것을 포함한다.

본 발명에서 유효전류감지(IP3)는 저항센서 내지 홀센서를 이용할 수 있고, 여기에 포토커플러를 이용하는 절연 방법을 추가적으로 적용할 수도 있다.

산업적 이용성 측면에서 본 발명의 구성은 주전원부와 보충전원부를 통합 장착한 구성으로 실시될 수 있고, ESS를 충전하는 충전제어장치, 배전반(분전반), 정션박스 또는 인버터 중 적어도 어느 하나에 통합 수용되는 구조로 실시될 수 있다.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈 또는 하드웨어 칩을 조합하여 구성될 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

주전원부(1);
정류기부(1-1);
평활커패시터(1-2);
변압기부(1-3);
ESS, 배터리(2);
충전제어부(3);
부하단(4);
주전원부 출력전압감지부(VP2);
충전제어기 출력전압감지부(VP1);
보충전원부 출력전압감지부(VP3);
보충전원부(30);
리플감지부(31);
역리플함수발생부(32);
설정전압감지부(33);
최대전력추적부(40);
보충전원부 가동 전류(IP1);
보충전원부의 소모전력을 공제한 나머지의 유효전류감지부(IP3);
버크컨버터(30-1, 30-2, 30-3, 30-4, 30-5);
버크컨버터 가동 스위치(30-6);
주전원부의 전체 출력전류(IP2);
유효전류감지부(IP3);
전압편차(△V, △-V);
전류편차(△I);
전력편차(△W);
전류폭주제어부(40);
순시엣지검출부(40-1, 40-2);
상승전류폭주명령부(40-3);
상승전류폭주중지명령부(40-4);
혼합밸런스부(40-7);
필터링부(40-7, 40-8);
펄스감지부(60-3);
펄스감지제어부(60);
교류전압리미트부(60-1);
직류전압리미트부(60-4);
바이패스부(30-3);
코일(30-4);
커패시터(30-5);
MOSFET(30-1);

Claims

충전제어 계통에서 요구하는 전압보다 낮은 전압을 출력하는 주전원부;
상기 주전원부로부터 충전전력을 공급받도록 연결되는 충전계통 및 충전에너지를 저장하는 ESS부;
상기 주전원부의 낮은 전압을 충전계통에 필요한 전압으로 승압 조절하는 보충전원부;
상기 주전원부의 출력전압이 리플을 포함하는 맥류전압일 때 리플을 감지하는 리플감지부;
상기 리플감지부로부터 감지된 리플과 반대의 역상 리플을 발생하는 역리플함수발생부;를 포함하는 구성으로서,
상기 보충전원부가 상기 주전원부로부터 출력되는 전압이 설정된 부하단 전압으로 유지되도록 상기 주전원부와 연동되되, 상기 리플감지부로부터 리플이 감지될 때 상기 보충전원부가 상기 역리플함수발생부로부터의 역리플함수에 의한 출력을 발생하여, 상기 주전원부와 보충전원부 출력이 합쳐진 출력단에서는 상기 리플이 상쇄된 직류전압을 발생하도록 연동 구성되며,
상기 보충전원부에는 상기 충전계통에서 서지성 펄스 전압이 감지될 때 상기 보충전원부의 승압 공급이 제한되도록 제어하는 펄스감지제어부;의 연동 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 충전장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 보충전원부는 주전원부의 전력 일부를 피드백하여 주전원부의 전압을 보충하도록 되먹임 제어하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 충전장치.
충전제어 계통에서 요구하는 전압보다 낮은 전압을 출력하는 주전원부;
상기 주전원부로부터 충전전력을 공급받도록 연결되는 충전계통 및 충전에너지를 저장하는 ESS부;
상기 주전원부의 낮은 전압을 충전계통에 필요한 전압으로 승압 조절하는 보충전원부;
상기 주전원부의 출력전압이 리플을 포함하는 맥류전압일 때 리플을 감지하는 리플감지부;
상기 리플감지부로부터 감지된 리플과 반대의 역상 리플을 발생하는 역리플함수발생부;를 포함하는 구성으로서,
상기 보충전원부가 상기 주전원부로부터 출력되는 전압이 설정된 부하단 전압으로 유지되도록 상기 주전원부와 연동되되, 상기 리플감지부로부터 리플이 감지될 때 상기 보충전원부가 상기 역리플함수발생부로부터의 역리플함수에 의한 출력을 발생하여, 상기 주전원부와 보충전원부 출력이 합쳐진 출력단에서는 상기 리플이 상쇄된 직류전압을 발생하도록 연동 구성되며,
상기 보충전원부는 주전원부 외의 외부전원으로부터 조달하고 그 조달 경로에 유효전류감지부를 연동하여서 보충전원부의 가동에 소모되고 난 나머지로 부하에 공급되는 유효전류의 최대값을 추적하는 최대전력추적부 구성을 더 포함하는 ESS 충전장치.
충전제어 계통에서 요구하는 전압보다 낮은 전압을 출력하는 주전원부;
상기 주전원부로부터 충전전력을 공급받도록 연결되는 충전계통 및 충전에너지를 저장하는 ESS부;
상기 주전원부의 낮은 전압을 충전계통에 필요한 전압으로 승압 조절하는 보충전원부;
상기 주전원부의 출력전압이 리플을 포함하는 맥류전압일 때 리플을 감지하는 리플감지부;
상기 리플감지부로부터 감지된 리플과 반대의 역상 리플을 발생하는 역리플함수발생부;를 포함하는 구성으로서,
상기 보충전원부가 상기 주전원부로부터 출력되는 전압이 설정된 부하단 전압으로 유지되도록 상기 주전원부와 연동되되, 상기 리플감지부로부터 리플이 감지될 때 상기 보충전원부가 상기 역리플함수발생부로부터의 역리플함수에 의한 출력을 발생하여, 상기 주전원부와 보충전원부 출력이 합쳐진 출력단에서는 상기 리플이 상쇄된 직류전압을 발생하도록 연동 구성되며,
상기 보충전원부는 부하단으로 공급되는 유효전류를 감지하여 주전원부와 부하단의 결합이 최대전력추적으로 유지되도록 유효전류감지부와 전류폭주제어부를 연동한 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 충전장치.
주전원부와 보충전원부를 직렬로 연동한 합산전압으로 ESS를 충전하는 ESS 충전계통 구성에서,
상기 주전원부의 출력전압이 리플을 포함하는 맥류전압일 때 상기 리플을 추출 감지하되, 상기 추출 감지된 리플과 반대의 역상 리플을 발생하고 상기 주전원부 또는 상기 보충전원부 중 적어도 어느 하나를 상기 역상 리플로 제어하여, 상기 합산전압에서는 상기 리플이 상쇄된 직류전압을 발생하는 구성을 포함하되,
상기 ESS 충전계통 구성에서는, 상기 주전원부로부터의 전류 중 보충전원부가 소모하는 전류를 상쇄한 나머지의 유효전류가 ESS 충전계통으로 최대값을 유지하면서 흐르도록 추적하되, 상기 최대값 추적은 유효전류 감지의 결과를 전류폭주제어에 연동시켜서 상기 리플 상쇄 및 최대 유효전류 추적을 달성하는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 충전장치용 역리플함수 제어 장치.
삭제