KR101021779B1 - 다수의 소형 밧데리 들의 교환을 활용한 전기에너지 사용방법 및 그 장치 - Google Patents

다수의 소형 밧데리 들의 교환을 활용한 전기에너지 사용방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전가능한 2차 전지를 교환하여 사용하는 편리한 사용 방법에 관한 것이다. 먼저 충전가능한 전지들을 사용가능한 최소의 크기(이하 최소전지라 칭함)로 만든다. 전자기기에서는 외부에서 충전된 최소전지를 공급받아 사용하고, 방전된 최소전지는 모아두었다가 다시 충전된 최소전지와 교체한다. 전자기기에서 받은 방전된 최소전지는 충전센터에서 충전하고 이력 관리를 진행한다. 이와 같이 함으로써 충전을 위한 대기 시간없이 전지를 사용하는 전자기기를 편리하게 사용할 수 있다. 또한 전기자동차의 경우 재충전을 위한 시간 낭비 없이 주유소에서 기름 넣듯이 사용된 전지를 충전된 새로운 전지와 교환하여 즉시 사용할 수 있어서 전기자동차의 활성화에 큰 도움을 줄 수 있다.
최소 전지. 전지 교체. 전지 교환. 충전 스테이션. 셀 교체 장치. 밧데리.

Description

다수의 소형 밧데리 들의 교환을 활용한 전기에너지 사용 방법 및 그 장치 { Method and instrument for electric energy by exchanging several rechargible small battery}
본 발명은 충전가능한 전지들을 교환하여 사용하는 편리한 사용 방법과 그를 구현하기 위한 장치에 관한 것이다.
에너지 사용에 있어서 가장 좋은 방법은 쉽게 옮겨 담을 수 있고, 찌꺼기가 남지 않게 태워서 없애버리는 것이다. 많은 연료들과 엔진들이 있었지만 석유라는 연료와 내연 기관이 그러한 장점을 바탕으로 주류를 이루고 있다. 그러나 석유를 태워서 대기 중에 그 찌꺼기를 버릴 경우 이산화탄소, 질화물, 황화물 등등 각종 화합물에 의한 대기 오염을 유발하게 되어 최근에는 환경 보호를 위한 새로운 방식의 에너지원과 동력장치들이 등장하고 있다. 천연가스 엔진, 전기 엔진, 하이브리드 엔진 등이 기존 석유 엔진을 대체해 가고 있다.
전기 엔진의 경우 전기를 이용하여 모터를 회전시키는 것으로 충전 가능한 전지를 충전하여 사용하는 충전지 방식과 연료를 주입하는 연료 전지 방식이 있다. 충전지 방식의 경우 에너지밀도는 낮지만 원자력 등에 의한 저렴한 전기를 사용할 수 있고, 배기가스가 전무하다는 장점을 갖고 있다. 하지만 충전에 소요되는 시간이 그 보급에 걸림돌이 되고 있다.
사용상의 편리를 위한 기존의 노력으로 대한민국 실1996-035191"충전지 자동교환판매기"에 방전된 충전지를 충전된 충전지와 교환하는 충전지 자동교환판매기를 고안한 내용이 있다. 그러나 이 고안은 교환하고 설치하는 불편함때문에 활성화되지 못하고 사장되어버렸다.
대한민국특허10-2003-0056880 "무인 반송차의 배터리 자동 교환 시스템"에서 충전된 여러개의 배터리를 보관하고 있다가 무인 반송차가 도착하자마자 바로 배터리를 교체하는 방법을 채택하여 배터리 충전을 위한 시간 손실이 없애 효율을 높이는 방법이 제안되었다. 그러나 복잡한 교환장치 등으로 인해 일반적인 사용에는 적합하지 않다.
대한민국특허10-2004-0076637 "로봇청소기의 배터리 자동 교환 시스템 및 방법" 에서 로봇청소기의 방전된 배터리를 이탈시키고 미리 충전된 배터리를 교체하는 방법을 제안하였다. 충전대기시간을 줄일 수 있는 장점이 있지만 교체를 위한 장치가 복잡하여 불편하다.
상기의 노력들은 배터리를 벌크형으로 다루어서 사용방법에 대한 유연성을 갖지 않는다.
최근 리튬폴리머전지 등의 2차전지의 발달로 에너지용량이 크고, 반영구적으로 사용할 수 있고, 재생이 쉬운 전지가 상용화되고 있다. 재 충전의 시간도 단축되어 교체하지 않고 오랜기간 사용할 수 있다. 그러나 여전히 충전에 소요되는 시 간은 사용상 불편함을 주고 있는 실정이다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 충전가능한 전지들을 사용가능한 최소의 크기(이하 최소전지라 칭함)로 만들어 활용하는데 있다. 이를 위하여 외부에서 충전된 최소전지들을 공급받고 사용된 최소전지를 모아두었다가 외부의 충전스테이션에 반납하고 , 충전스테이션으로부터 미리 충전된 최소전지를 공급받아 사용하는 전기 연료시스템을 제공한다.
다수의 소형 배터리들의 교환에 의한 전기에너지 사용 방법을 구현하기 위하여 충전된 배터리를 공급받아 전기를 능동적으로 뽑아내는 전기연료장치를 만들고,
충전된 최소전지들을 충전보관소에 주입받는 단계;
상기 최소전지들을 전기추출장치들에 공급하는 단계;
상기 전기추출장치들에서 상기 최소전지들의 전기를 뽑아서 사용하는 단계;
상기 전기추출장치들에서 상기 최소전지들의 방전완료를 모니터링하여 전지의 수명을 관리하는 단계;
방전완료된 상기 최소전지들을 상기 전기추출장치들에서 분리하여 방전보관소에 보내는 단계;
상기 충전보관소의 공간이 줄어들고 상기 방전보관소의 공간이 늘어남에 따라 상기 전기추출장치가 점점 상기 충전보관소의 영역으로 이동하는 단계;
상기 방전보관소에 있는 상기 최소전지들을 외부의 충전소에 내보낸 후 외부 충전소에서 이미 충전되어 있는 다른 최소전지들을 주입받는 단계로 전기활용기기를 사용하게 한다.
규모가 적은 2차 전지이기 때문에 폭발하더라도 폭발력이 작아서 위험하지 않다. 사용된 셀 들을 교체하기 때문에 충전 시간을 기다리지 않고 즉시 기기를 사용할 수 있다. 전기자동차나 시내주행용 소형 승용기기, 전자기기, 가정용 로봇 등을 즉시 사용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 전기에너지를 편리하게 이용하기 위한 것으로써, 배터리를 소형화하고, 유체의 개념을 도입하여 마치 주유소에서 기름을 넣듯이 활용하게 한다.
본문에서 언급하는 전기활용기기는 전기자동차, 로봇청소기, 방범로봇, 소형개인용 승용 장치, 소형 전자기기 등 배터리를 활용하는 모든 기기를 일컫는다. 또한 최소전지는 충전가능한 전지(배터리, 밧데리)들이 사용가능한 최소의 크기로 만들어진 것을 일컫는다.
본 발명을 첨부된 도면을 활용하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에서 사용하는 전지의 기본 구성도이다. 음극(110)과 양극(120)사이에 전해질(130)이 끼워진 구조이다. 이와같이 판형으로 구성된 전지를 환형으로 만들 때 양극(120)과 음극(110)이 단락되지 않게 절연체(140)가 준비되어져있다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 최소전지의 구조도이다. 음극(110)이 외부 표 면을 덮고 있고 양극(120)은 음극과 접촉할 수 없게 내부에 구성되어 있다. 본 발명의 최소전지(100)는 전지 보호회로가 전지에 내장되지 않고, 전지로서의 효율이 최적인 작동가능한 최소의 크기로 만든다. 그리고 후기의 전기추출기(230)에 원활히 연결될 수 있는 구조로 구성된다. 최소전지(100)는 하나의 전극이 외부에 노출되고 다른 하나의 전극은 외부에 노출되지 않는 구조로 구성되고, 원통형, 구형, 섬유형 등등 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 본 발명의 최소전지로는 리튬이온폴리머전지가 적합하다. 메모리효과를 갖는 전지의 경우 완전충전과 완전방전을 하면서 사용해야 효율적이다. 본 장치를 사용하게 되면 완전 방전된 상태에서 전지를 교체하기 때문에 사용 효율을 최대로 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 전기연료공급장치의 구성도이다. 전기활용기기에서는 전기연료공급장치(200)를 구비하여 전기에너지를 공급받는다. 본 발명의 전기연료공급장치(200)는 외부와 격리시킬 수 있는 케이스, 상기 케이스에 최소전지를 넣을 수 있게 상기케이스에 결합된 전지주입구, 상기케이스의 내부에 구분된 공간으로 형성되고 상기 최소전지를 수납하는 충전보관소, 상기 케이스 내부에 결합되어 상기 충전보관소에 있는 최소전지를 끌어다가 최소전지의 내부에 전극봉을 삽입하여 전기를 뽑아내고 전압모니터링에 의하여 최소전지의 교체시기를 체크하여 최소전지의 내부에 삽입된 전극봉을 뽑아내고 사용된 최소전지를 내보내는 전기추출기, 상기 전기추출기를 상기 케이스 내부에서 이동시키는 이동 수단, 상기 전기추출기에서 추출된 전기와 정보를 상기 케이스 외부로 전달하는 인입선, 상기 케이스의 내부에 구분된 공간으로 형성되고 상기 전기추출기에서 방출되는 최소전지를 수납하는 방 전보관소, 상기 케이스에서 최소전지를 외부로 빼내기 위해 상기 케이스에 설치된 전지방출구, 상기 구성요소들과 전지유체로 최소전지를 사용하는 것을 특징으로 구성된다.
본 발명의 동작 과정은 다음과 같다. 최소전지(100)는 전기연료공급장치 케이스(200)의 전지주입구(210)를 통해 충전보관소(220)에 공급된다. 충전보관소의 충전된 최소전지(100)는 전기추출기(230)에 들어가 저장된 전기를 공급하고, 전기를 모두 공급한 다음에 방전보관소(250)에 모여진다. 이때 전기추출기(230)는 방전보관소(250)에서 충전보관소(220)쪽으로 이동수단(240)에 의하여 점차적으로 이동한다. 연료의 재고량은 충전보관소(220)에 남아있는 충전된 최소전지(100)의 갯수로 표시된다. 최소전지(100)의 갯수를 계수하기 위한 계수기(미도시)가 설치될 수 있다. 전기연료공급장치(200)의 방전보관소(250)에 있는 방전된 최소전지(100)는 전지방출구(270)을 통해 도 5의 충전스테이션(300)의 방전보관소(320)로 배출되고, 전기연료공급장치(200)의 전기추출기(230)는 방전보관소(250)쪽으로 이동수단(240)에 의해 이동되고, 넓어진 충전보관소(220) 내부로 충전된 최소전지(100)가 채워진다.
도 4는 본 발명의 전기 추출기의 구성도이다. 전기추출기(230)에서는 내부로 들어온 최소전지(100)의 중앙부에 양극봉(235)을 집어넣는다. 전기추출기(230)내의 보호회로로 모니터링하면서 최소전지(100)의 전기를 적정량 빼낸 다음에 양극봉(235)을 빼낸다. 인입선(260)을 통해 전기는 외부로 전달되고 사용되어진다. 그리고 사용된 최소전지(100)는 이력 관리를 위해 RFID관리기(미도시)에 의하여 최소전지(100)에 내장된 RFID태그(150)에 정보가 기록되고 방전보관소(250)로 보내진다. 다양한 형태의 전기추출기(230)가 고안될 수 있다.
도 5는 본 발명의 충전 스테이션의 구성도이다. 전기활용기기에서 사용된 최소전지(100)는 외부에 설치되어있는 충전스테이션(300)으로 보내져 다시 충전된다.
충전스테이션(300)의 주입구(310)를 통해 전기활용기기에서 사용된 전지가 방전보관소(320)에 공급되어지고 방전보관소(320)에 있는 최소전지(160)를 전기주입기(330)가 잡아서 인입선(360)을 통해 들어온 전기를 이용하여 충전시킨 후 충전보관소(350)에 저장한다. 또한 RFID관리기(미도시)는 최소전지(160)에 부착된 RFID(150)의 정보를 읽어들이고 이력관리를 수행한다. 이 과정에서 수명이 끝난 전지는 재활용할 수 있게 분류된다. 전기주입기(330)는 이동수단(340)을 활용하여 방전보관소(320)와 충전보관소(350) 사이를 움직인다. 충전된 최소전지(160)는 전지방출구(370)를 통해서 다시 전기활용기기에 공급되어진다.
도 1은 본 발명에서 사용하는 전지의 기본 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 최소전지의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 전기연료공급장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 전기 추출기의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 충전 스테이션의 구성도이다.

Claims (3)

  1. 다수의 소형 배터리(최소전지)들의 교환을 활용하는 전기연료공급장치에 있어서,
    외부의 충전스테이션(300)의 공급수단(전지주입장치)이 보관중인 충전된 최소전지들을 상기 전기연료공급장치 내부의 충전보관소에 주입하는 전지주유단계;
    상기 전기연료공급장치에 설치된 전기추출장치들이 상기 충전보관소 내부의 최소전지들을 끌어들이는 전지공급단계;
    상기 전기추출장치들이 전기추출장치(양극봉)을 이용하여 상기 끌어들인 최소전지들의 전기를 뽑아서 인입선으로 보내는 전기추출단계;
    상기 전기추출장치들이 상기 끌어들인 최소전지들의 방전완료를 모니터링하여 최소전지들의 수명을 관리하는 전지모니터링단계;
    상기 전기추출장치들이 방전완료된 상기 최소전지들을 전기추출장치(양극봉)에서 분리하여 상기 전기연료공급장치의 방전보관소에 보내는 방전전지보관단계;
    상기 전기연료공급장치의 충전보관소의 공간이 줄어들고 상기 전기연료공급장치의 방전보관소의 공간이 늘어남에 따라 보관공간을 효율적으로 관리하기 위해 상기 전기추출장치가 점점 상기 충전보관소의 영역으로 이동하는 전기추출장치이동단계;
    상기 전기연료공급장치의 충전보관소의 계수기가 최소전지들의 남은 수량을 카운트하여 외부에 정보를 제공하여 전지교환시기를 알 수 있게 해주는 사용가능 전지수량 표시단계;
    상기 외부의 충전스테이션(300)의 공급수단(전지주입장치)이 상기 전기연료공급장치의 방전보관소에 있는 상기 최소전지들을 받아내고, 상기 외부의 충전스테이션(300)에서 이미 충전되어 있는 다른 최소전지들을 주입하는 전지교환단계로 구성된 다수의 소형 배터리(최소전지)들의 교환을 활용한 전기에너지 사용 방법
  2. 제 1항에 있어서 상기 전기연료공급장치의 RFID관리기가 내부로 들어온 RFID가 내장된 최소전지에서 ID를 읽어서 최소전지의 정보를 활용하고 재 기입하는 RFID활용전지관리단계를 추가하여 구성된 다수의 소형 배터리(최소전지)들의 교환을 활용한 전기에너지 사용 방법
  3. 다수의 소형 배터리(최소전지)들의 교환을 활용한 전기연료공급장치에 있어서,
    외부와 격리시킬 수 있는 케이스(200);
    상기 케이스에 최소전지를 넣을 수 있게 상기케이스에 결합된 전지주입구(210);
    상기케이스의 내부에 구분된 공간으로 형성되고 상기 최소전지를 수납하고, 전지 계수기를 갖는 충전보관소(220);
    상기 케이스 내부에 결합되어 상기 충전보관소에 있는 최소전지를 끌어다가 최소전지의 내부에 전극봉을 삽입하여 전기를 뽑아내고, 전압모니터링에 의하여 최소전지의 교체시기를 체크하여 최소전지의 내부에 삽입된 전극봉을 뽑아내고 사용된 최소전지를 내보내는 전기추출기(230);
    상기 전기추출기를 상기 케이스 내부에서 이동시키는 이동 수단(240);
    상기 전기추출기에서 추출된 전기와 정보를 상기 케이스 외부로 전달하는 인입선(360);
    상기 케이스의 내부에 구분된 공간으로 형성되고 상기 전기추출기에서 방출되는 최소전지를 수납하는 방전보관소(320); 및
    상기 방전보관소에서 최소전지를 외부로 빼내기 위해 상기 케이스에 설치된 전지방출구(370)로 구성된 전기연료공급장치
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