KR101500306B1

KR101500306B1 - 전원 공급 장치의 축전지 최적 효율 제어 방법 및 이를 위한 전원 공급 시스템

Info

Publication number: KR101500306B1
Application number: KR1020120143483A
Authority: KR
Inventors: 정현철; 박명찬; 정병덕; 황의수
Original assignee: 주식회사 케이티
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2015-03-11
Also published as: KR20140075931A

Abstract

본 발명은, 전원 공급 장치의 축전지 최적 효율 제어 방법 및 이를 위한 전원 공급 시스템으로서, 외부 전원이 인입되어 부하에 전원을 공급하는 정류기와 상기 정류기와 병렬 연결되어 상기 부하의 전원 공급을 분담하는 축전지를 포함하는 전원 공급 시스템에서 축전지를 제어하는 방법에서, 상기 부하의 전력 사용 패턴을 기초로 상기 부하에 대한 상기 축전지의 전원 공급 분담을 판단하는 모드 판단 단계; 상기 축전지에 대한 기보유된 방전 특성 데이터에 따른 방전 특성 곡선에서 상기 전력 사용 패턴에 따른 필요 방전량과 방전 시간을 매칭시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 방전 조건 설정 단계; 및 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 방전 전압을 추종하도록 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어하여 상기 축전지의 방전으로 상기 부하에 대한 전원 공급을 분담하는 균등 방전 수행 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 축전지를 통한 건물의 전원 공급 분담에 있어서 축전지에 보유된 충전량을 축전지의 고유 특성을 추종하도록 제어하여 방전함으로써 축전지의 충전량을 최적의 효율로 사용할 수 있게 된다.

Description

전원 공급 장치의 축전지 최적 효율 제어 방법 및 이를 위한 전원 공급 시스템 {Method and system of efficiency optimization control of battery charging and discharging in power supply equipment}

본 발명은 전원 공급 장치의 축전지 최적 효율 제어 방법 및 이를 위한 전원 공급 시스템에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 축전지의 고유 특성과 부하의 전력사용 패턴을 고려하여 축전지와 병렬 연결된 정류기의 전압 조절을 통해 축전지의 균등 방전 및 충전을 제어하여 최적의 효율로 축전지를 이용함으로써 에너지 비용을 절감하는 축전지 최적 효율 제어 방법과 이를 이용하여 최적의 효율로 축전지를 제어하기 위한 전원 공급 시스템에 관한 것이다.

주요 에너지원인 탄소 에너지는 고갈되고 있으며 심각한 환경 문제를 유발하여 전세계적으로 친환경의 대체에너지를 개발하고 있으나 현재의 기술은 걸음마수준이다. 따라서 에너지 사용을 절감하고 최대한 효율적으로 사용하기 위한 기술개발이 절실한 상황인데, 에너지 절약이 절실히 요구되는 국내 실정에서 총 에너지 사용량의 20%이상을 차지하는 건축물에서 에너지 소비를 줄이는 것은 중요하다.

이와 같은 제반 문제에 대처하기 위한 방안으로서, 에너지를 보다 효율적으로 이용하기 위해서 IT 기술을 전력 시스템에 연계하는 스마트그리드 기반의 에너지 절감 및 수용반응(Demand Response)을 적용시키는 에너지 효율화 방안이 제시되고 있다.

도 1은 사업용 건물의 전력 사용패턴을 도시한다. 상기 도 1의 (a)는 사업용 건물의 일일 전력 사용패턴을 나타내는데, 일반적인 사업용 건물에서는 그래프 A와 같이 근무 시간대에 집중적으로 에너지 사용이 이루어지며, 야간과 새벽 시간대에는 거의 에너지를 사용하지 않는 형태를 보인다. 또한 사람들이 근무하지 않는 휴일에는 그래프 B와 같은 형태로서 그래프 A와 그래프 B는 현격한 차이가 발생되고 있다.

이와 같은 일일 전력 사용패턴을 취합하면 상기 도 1의 (a)에 도시된 국내 전력 사용패턴이 나타난다. 국내 전체의 전력 사용패턴도 주간 시간대에 에너지 사용이 집중되어 있으며 야간과 새벽에는 주간과 대비하여 현격하게 에너지 사용이 줄어듬을 알 수 있으며, 주야간의 에너지 사용 변동률은 거의 57%에 이르고 있다.

우리나라의 경우에 전력 수급 변동율은 대략 23.4% 정도이며, 일일, 요일, 계절별에 따른 편차가 크게 발생하고 있으며, 이로 인해 추가되는 기회 비용이 년간 63,500억에 이르고 있다. 또한 총 전력 에너지 소비량 대비 빌딩이 차지하는 비중은 크지 않으나 소비 변동폭은 69%로 가장 큰 에너지 사용 변동률을 나타내고 있다.

따라서 에너지 사용이 집중되는 주간 시간대의 피크 전력 관리를 위해서는 고비용의 발전을 필요로 하고 있으며, 특히 전력관리가 집중적으로 필요한 피크 시간대에는 에너지 사용을 강제적으로 제한하기에 이르고 있어서 주간과 야간의 에너지 흐름을 분산시키기 위한 방안이 모색되고 있다.

이에 대한 한가지 방안으로 축전지를 통해 야간 시간대의 전력 에너지를 비축하고 피크시간대에 축전지에 저장된 에너지를 이용하는 기술이 제시되고 있는데, 이와 같은 축전지를 이용하는 종래기술들은 단순히 주간 피크 시간대만의 전력 에너지를 축전지를 통해 보충하기 위한 수준에 이르고 있다.

가령 축전지의 고유 특성을 고려하지 않고 피크 시간대에만 집중하는 일반적인 방전을 하는 경우에 완충된 축전지의 100% 충전량과 대비하여 대략 32% 정도 전력만 사용이 가능하여 축전지에 충전된 에너지를 효과적으로 이용하지 못하는 문제점이 있으며, 더 나아가서는 심야 전력을 생산하는 비용과 대비하여 충전지를 통해 사용할 수 있는 에너지 비용효율이 상당히 저하된다는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 특개평11-041831호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 사업용 건물에서 상대적으로 전력 사용이 적은 심야 전력을 비축하고 비축된 심야 전력을 전력 사용이 많은 주간대에 분산하여 공급함으로써 전체적인 일일 에너지 사용량을 균등하게 관리하여 에너지를 절감할 수 있는 방안을 제시하는 것을 주된 목적으로 한다.

특히 축전지를 통해 전력 분담에 있어서, 전력 사용의 피크 시간대에만 집중하여 축전지를 방전함으로써 충전량 대비 방전량이 현저히 떨어지는 문제점을 해결하여 축전지에 충전된 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 방법과 시스템을 제시하고자 한다.

상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명의 제1 실시예는, 외부 전원이 인입되어 부하에 전원을 공급하는 정류기와 상기 정류기와 병렬 연결되어 상기 부하의 전원 공급을 분담하는 축전지를 포함하는 전원 공급 시스템에서 축전지를 제어하는 방법으로서, 상기 부하의 전력 사용 패턴을 기초로 상기 부하에 대한 상기 축전지의 전원 공급 분담을 판단하는 모드 판단 단계; 상기 축전지에 대한 기보유된 방전 특성 데이터에 따른 방전 특성 곡선에서 상기 전력 사용 패턴에 따른 필요 방전량과 방전 시간을 매칭시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 방전 조건 설정 단계; 및 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 방전 전압을 추종하도록 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어하여 상기 축전지의 방전으로 상기 부하에 대한 전원 공급을 분담하는 균등 방전 수행 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법이다.

바람직하게는 상기 모드 판단 단계는, 일정 기간 동안의 상기 부하의 전력 사용량 정보를 수집하여 전력 사용 패턴을 생성하는 전력 사용 정보 수집 단계; 및 상기 전력 사용 패턴을 전력 사용량의 기설정된 기준에 따라 방전 모드, 대기 모드 및 충전 모드로 구분하여 분류하는 전력 사용 분석 단계를 더 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는 상기 방전 조건 설정 단계는, 상기 축전지에 대한 기보유된 방전 특성 데이터에 따라 방전 전류별 시간경과에 따른 방전 특성 곡선을 산출하는 방전 특성 곡선 산출 단계; 상기 전력 사용 패턴에서 상기 방전 모드로 분류된 시간범위와 상기 시간범위 동안의 필요 방전량을 산출하는 방전 정보 산출 단계; 및 상기 시간 범위와 필요 방전량을 상기 방전 특성 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 방전 전압 결정 단계를 포함할 수도 있다.

여기서 상기 균등 방전 수행 단계는, 상기 축전지의 충전 잔량 및 온도를 실시간 측정하고, 측정치를 기초로 상기 정류기의 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 방전 전압을 추종하도록 제어할 수 있다.

나아가서 상기 모드 판단 단계의 수행에 따라 충전 모드가 실행되는 경우에,

상기 축전지의 기보유된 충전 특성 데이터에 따른 충전 특성 곡선을 기초로 충전 시간 범위와 충전 전압을 결정하는 충전 조건 설정 단계; 및 상기 충전 전압을 추종하도록 상기 정류기의 전압을 조절하여 상기 축전지를 충전하는 충전 수행 단계를 더 포함할 수도 있다.

바람직하게는 상기 충전 조건 설정 단계는,

상기 축전지에 대한 기보유된 충전 특성 데이터에 따라 충전 전류별 시간경과에 따른 충전 특성 곡선을 산출하는 충전 특성 곡선 산출 단계; 상기 전력 사용 패턴에서 상기 충전 모드로 분류된 시간범위와 상기 시간범위에서 상기 부하의 최대 전력 사용량을 산출하는 충전 정보 산출 단계; 및 상기 시간 범위와 최대 전력 사용량을 상기 충전 특성 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 충전 시간 범위와 충전 전압을 결정하는 충전 전압 결정 단계를 포함할 수 있다.

보다 바람직하게는 상기 방전 조건 설정 단계는, 사용자가 설정한 충전시간 범위 이내에서 기설정된 충전량을 만족시키도록 상기 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정할 수도 있다.

또는 상기 방전 조건 설정 단계는, 상기 충전 특성 데이터를 기초로 상기 축전지의 재충전 시간을 고려하여 상기 방전 시간 범위와 상기 방전 전압을 결정할 수도 있다.

나아가서 상기 모드 판단 단계는, 상기 충전 모드를 상기 전력 사용량에 따라 복수개 레벨로 구분하여 분류하는 단계를 더 포함하며, 상기 방전 정보 산출 단계는, 상기 충전 모드의 상기 복수개 레벨 각각에 대하여 시간범위와 상기 시간범위 동안의 필요 방전량을 산출하며, 상기 방전 전압 결정 단계는, 상기 충전 모드의 상기 복수개 레벨 각각에 대한 시간 범위와 필요 방전량을 상기 방전 특성 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정할 수도 있다.

또한 본 발명의 제2 실시예는, 외부 전원이 인입되어 부하에 전원을 공급하는 정류기; 상기 정류기와 병렬 연결되어 상기 부하의 전원 공급을 분담하는 축전지; 및 상기 부하의 전력 사용 패턴을 분석하여, 분석된 결과에 따른 일정 시간 범위에서의 필요 전력량을 산출하고, 상기 축전지의 고유 특성 데이터에 기초하여 상기 축전지의 방전 또는 충전 시간 범위와 방전 또는 충전 전압을 결정하여 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 축전지의 상기 방전 또는 충전 전압이 선택된 범위를 추종하도록 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어하여 상기 축전지의 방전으로 상기 부하에 대한 전원 공급을 분담시키거나 상기 축전지를 충전시키는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템이다.

바람직하게는 상기 제어기는, 상기 부하에 대한 일정 기간 동안의 전력 사용량 정보를 수집하여 전력 사용 패턴을 생성하고, 전력 사용량의 기설정된 기준에 따라 상기 축전지의 충전 또는 방전을 판단하는 전력 사용 분석부; 상기 축전지에 대한 방전 특성 데이터 및 충전 특성 데이터를 보유하고, 상기 방전 특성 데이터에 기초하여 방전 전류별 시간경과에 따른 방전 특성 곡선을 산출하거나 상기 충전 특성 데이터에 기초하여 충전 전류별 기간경과에 따른 충전 특성 곡선을 산출하는 축전지 특성 분석부; 및 상기 전력 사용 분석부의 판단 결과에 따른 방전 모드 또는 충전 모드의 시간 범위와 필요 방전량 또는 충전량을 상기 방전 특성 곡선 또는 충전 특성 곡선에 매칭시켜 상기 축전지에 대한 방전 또는 충전 시간 범위와 방전 또는 충전 전압을 결정하고, 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 축전지의 상기 방전 또는 충전 전압이 선택된 범위를 추종하도록 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어하는 축전지 충방전 제어부를 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 축전지를 통한 건물의 전원 공급 분담에 있어서 축전지에 보유된 충전량을 축전지의 고유 특성을 추종하도록 제어하여 방전함으로써 축전지의 충전량을 최적의 방전 효율로 사용할 수 있게 된다.

특히 축전지의 방전을 피크 시간대에만 집중시켜 짧은 시간 동안의 전력 공급을 분담하는 방식으로 인해 축전지 충전량의 이용 효율이 저하되지 않도록 일정 기준의 전력 사용량이 초과하는 넓은 시간대의 전력 사용량의 총합을 축전지의 방전량으로 대체하여 전체적인 일일 전력 사용 패턴을 균등화시킬 수 있게 된다.

도 1은 사업용 건물의 전력 사용패턴을 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 축전지 최적 효율 제어를 위한 전원 공급 시스템의 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 전원 공급 시스템에서 정류기와 축전지의 균등 방전 등가회로를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 축전지의 부하에 대한 전원 분담에 따른 전력 분산 그래프의 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 전원 공급 시스템에서 제어기의 실시예에 대한 구성도를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 축전지 최적 효율 제어 방법을 통한 전력 분산 그래프를 도시하며,
도 7은 본 발명에 따른 축전지 최적 효율 제어 방법의 실시예에 대한 흐름도를 도시하며,
도 8은 축전지별 방전 특성 데이터에 대한 실시예를 도시하며,
도 9는 축전지의 특성에 따른 방전 전류별 방전 곡선의 실시예를 도시하며,
도 10은 축전지의 방전 전류별 시간경과에 따른 방전량 그래프를 도시하며,
도 11은 축전지의 특성에 따른 충전 곡선의 실시예를 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은, 부하의 전력사용 패턴을 고려하여 일정 기준치를 넘는 전력 사용량의 총합에 대응하여 축전지의 고유 특성을 고려하여 축전지의 충전량을 분산 방전함으로써 축전지를 최적의 효율로 이용하기 위한 축전지의 제어 방법과 이를 위한 축전지의 방전을 최적 효율로 제어할 수 있는 전원 공급 시스템을 개시한다.

도 2는 본 발명에 따른 축전지 최적 효율 제어를 위한 전원 공급 시스템의 실시예에 대한 개략적인 구성도를 도시한다.

본 발명에 따른 축전지 제어를 위한 전원 공급 시스템은 개략적으로 외부 전원이 인입되어 전력 사용 설비인 부하(400)에 전원을 공급하는 정류기(100)와 정류기(100)에 병렬 연결되어 부하(400)의 전원 공급을 정류기(100)와 균등하게 분담하거나 정류기(100)로부터의 전원 공급을 통해 충전을 수행하는 축전지(200)를 포함한다.

그리고 축전지(200)와 병렬 연결된 정류기(100)의 출력 전압을 제어함으로써 정류기(100)의 전압과 축전지(200)의 방전 전압을 균등 제어하는 제어기(300)를 포함하며, 여기서 제어기(300)는 부하(400)의 전력 사용 패턴을 분석하여 전력 사용량에 따른 방전 모드, 대기 모드 및 충전 모드를 판단하고, 전력 사용패턴에 따른 필요 방전량과 시간 범위를 기초로 축전지(200)의 특성을 고려하여 축전지(200)가 최대 효율을 발휘할 수 있도록 정류기(100)의 전압을 조절하여 축전지(200)와 정류기(100)를 균등 제어하게 된다.

제어기(300)의 균등 제어 원리를 도 3의 본 발명에 따른 전원 공급 시스템에서 정류기와 축전지의 균등 방전 등가회로를 참고하여 좀더 살펴보기로 한다.

상기 도 3에서 정류기(100)의 전압과 내부 임피던스는 각각

과

이며, 축전지(200)의 전압과 내부 임피던스는 각각

과

이다.

키르히호프의 전기회로에 관한 각 저항에 흐르는 전류는 하기 제1법칙과 제2법칙을 수식으로 나타낸 연립방정식의 해로 구할 수 있는데, 먼저 키르히호프의 제1법칙은 하나의 접속점에 흘러드는 전류의 총합은 0으로서, 상기 도 3의 등가회로에 대해서 하기 [식 1]로 표현된다.

[식 1]

그리고 키르히호프의 제2법칙은 하나의 접속 점에서 출발해 다시 처음 접속 점으로 돌아가는 닫힌 회로에 대해, 각 부분의 저항과 여기에 흐르는 전류의 곱은 그 닫힌 회로에 포함되는 기전력의 합과 같으며, 이를 통해 두 개의 전압원인 정류기(100)와 축전지(200)에서의 전류값의 합이 부하(400)에 공급되게 되는데, 이는 정압원의 전압에 비례하여 공급된다.

상기 도 3의 등가회로 상에서 전압법칙에 따른 루프 방정식에 의하여 하기 [식 2]와 [식 3]과 같이 정의될 수 있다.

[식 2]

[식 3]

상기 [식 2]와 [식 3]에서 각각의 임피던스에 흐르는 전압을 전류로 변환하면 하기 [식 4]와 [식 5]로 표현될 수 있고, 상기 [식 4]와 [식 5]에 의해 전류식인 [식 6]이 표현된다.

[식 4]

[식 5]

[식 6]

여기서, 상기

과

는 온도 등에 의해 미세하게 변화 될 수 있으나 일정 하기 때문에 이를 상수로 지정한다면 하기 [식 7]로 표현될 수 있다.

[식 7]

결국 전류

은

과

에 의해서 결정되며, 제어가 가능한

을 조절함으로써

이 제어된다. 여기서 주의할 것은

가 일정하지 않다는 것이다. 즉 방전 특성곡선에 따라

는 지속적으로 변화되면

과

또한 방전으로 인한 온도 상승에따라 미세하게 변화 된다는 것이다. 따라서

의 변화에 따라

은 방전을 원하는 비율에 따라 전류가 결정될 수 있도록 추종되어야 한다.

만일 50:50으로 방전하고자 한다면

이 되도록 전압

을 조정해야 하며 30:70 등의 또 다른 비율로 조정해야 한다면 해당비율이 되도록 전압

을 제어 하면 된다.

이와 같은 원리로 정류기(100)의 전압인

을 조절함으로써 정류기(100)와 축전지(200)의 전압을 균등 제어할 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명에 의해 외부로부터 공급되는 전원인 정류기(100)의 부하 공급 전원과 축전지(200)의 부하 공급 전원이 균등하게 분담될 수 있는데, 도 4는 본 발명에 따른 축전지의 부하에 대한 전원 분담에 따른 전력 분산 그래프의 실시예를 도시한다.

상기 도 4의 그래프에서 정류기의 곡선은 하기 [식 8]로 표현될 수 있다.

[식 8]

즉, 상기 도 3에서 정류기(100)의 전압 V_R을 제어함으로써 상기 도 4에 도시된 바와 같이 전체적으로 부하(400)에 대하여 정류기(100)가 분담하게 되는 전원 공급량 E와 축전지(200)가 분담하게 되는 전원 공급량 F는 균등하게 될 수 있다.

상기 도 2에서 정류기(100)와 축전지(200)의 전압을 균등 제어하여 축전지(200)의 충전량을 최적으로 방전시키는 제어기(300)의 구성을 좀 더 살펴보자면 도 5는 본 발명에 따른 전원 공급 시스템에서 제어기의 실시예에 대한 구성도를 도시한다.

제어기(300)는 개략적으로 전력 사용 분석부(310), 축전지 특성 분석부(330) 및 축전지 충방전 제어부(350)를 포함하여 구성된다.

전력 사용 분석부(310)는 부하(400)에 대한 일정 기간 동안의 전력 사용량 정보를 수집하고, 이때 계절, 요일 등을 반영하여 일일 전력 사용량에 대한 전력 사용량 정보에 기초한 전력 사용 패턴을 생성한다. 그리고 상기 전력 사용 패턴에 기초하여 해당 일자에 대하여 전력 사용량의 기설정된 기준에 따라 축전지(200)의 충전 또는 방전을 판단하게 된다. 이때 상기 전력 사용 패턴을 분석하여 축전지(200)의 충전 또는 방전에 대한 기준치를 산출할 수도 있고 또는 사용자의 입력된 수치로 충전 또는 장전에 대한 기준치를 설정할 수도 있다. 이와 같은 기준치에 따라 상기 전력 사용 패턴에서 방전하는 시간대인 방전 모드와 충전하는 시간대인 충전 모드를 판단하게 되며, 나아가서는 일정 범위를 충전 또는 방전을 수행하지 않는 대기 모드로 판단할 수도 있다.

축전지 특성 분석부(330)는 사전에 해당 축전지에 대한 방전 특성 데이터와 충전 특성 데이터를 보유하고 있으며, 상기 방전 특성 데이터를 근거로 방전 전류별 시간 경과에 따른 방전 특성 곡선을 산출하고 또한 상기 충전 특성 데이터를 근거로 충전 전류별 시간 경과에 따른 충전 특성 곡선을 산출한다.

축전지 충방전 제어부(350)는 전력 사용 분석부(310)의 판단에 따른 방전 모드에 포함된 일일 전력 사용패턴에서 방전이 필요한 시간 범위와 필요 방전량을 산출하고, 산출된 시간 범위와 방전량을 상기 방전 특성 곡선에 매칭시켜 축전지(200)를 최적의 효율로 방전시킬 수 있는 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정한다.

그리고 축전지 충방전 제어부(350)는 상기 방전 모드에서 상기 방전 시간 범위 동안 축전지(200)의 전압이 상기 방전 전압을 추종하도록 정류기(100)의 전압을 조절하여 축전지(200)를 방전시켜 부하(400)의 전원 공급을 축전지(200)가 분담하도록 제어한다.

또한 축전지 충방전 제어부(350)는 충전 모드에 포함된 일일 전력 사용패턴에서 충전할 수 있는 시간 범위와 충전량을 산출하고, 산출된 시간 범위와 충전량을 상기 충전 특성 곡선에 매칭시켜 축전지(200)를 최적의 효율로 충전시킬 수 있는 충전 시간 범위와 충전 전압을 결정하며, 상기 충전 모드의 실행에 따라 상기 충전 시간 범위 동안 축전지(200)의 전압이 상기 충전 전압을 추종하도록 정류기(100)의 전압을 조절하여 축전지(200)를 충전시킨다.

이와 같은 본 발명에 따른 축전지를 최적 효율로 제어하는 전원 공급 시스템을 통해 축전지가 보유한 충전량을 최적의 효율로 방전시킴으로써 부하에 대한 외부 전원 공급을 축전지가 분산하여 분담하게 되는데, 도 6은 본 발명에 따른 축전지 최적 효율 제어 방법을 통한 전력 분산 그래프를 도시한다.

본 발명에 따른 전원 공급 시스템을 이용한 축전지 최적 효율 제어 방법을 통해 부하의 일일 전력 사용 패턴에서 일정 기준치 이상의 전력 사용량에 대하여 축전지가 보유한 충전량을 분산하여 공급함으로써 전체적인 일일 전력 사용량이 균등에 가까워 질 수 있는데, 상기 도 6의 그래프에서 점선 C는 본 발명에 따른 축전지 제어 방법의 적용전의 일일 전력 사용 패턴 그래프이고, 실선 D는 본 발명에 따른 축전지 제어 방법의 적용후의 일일 전력 사용 패턴 그래프를 도시한다.

본 발명에서는 기본적으로 축전지의 방전을 피크시간대에만 집중시켜 짧은 시간 동안의 전력 공급을 분담하는 기존의 방식과는 다르게 일정 기준의 전력 사용량이 초과하는 넓은 시간대의 전력 사용량의 총합을 축전지의 방전량으로 대체하는 것으로서, 이를 위해 축전지의 고유 특성을 고려하여 긴시간동안 방전이 가능하도록 전압을 조절하여 방전함으로써 축전지를 최적 효율로 방전시키는 것이다.

즉, 상기 도 6의 그래프에서 충전하는 기간인 모드 1의 시간대 동안의 D 그래프와 C 그래프의 차이값의 누적량이 방전하는 기간인 모드 3의 시간대 동안의 C그래프와 D 그래프의 차이값을 대체함으로써, 결과적으로는 축전지의 충전량이 모드 3의 시간 동안 고르게 분산되어 방전됨으로써 전체적인 일일 전력 사용 패턴을 D 그래프와 같이 가능한 좀 더 균등하게 만들 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 축전지 최적 효율 제어 방법에 대하여 실시예를 통해 좀더 자세히 살펴보기로 한다.

도 7은 본 발명에 따른 축전지 최적 효율 제어 방법의 실시예에 대한 흐름도를 도시한다.

먼저 연계된 부하에 대한 일정 기간 동안의 전력 사용량의 정보를 수집하여 전력 사용 패턴을 분석(S110)하는데, 바람직하게는 일일 전력 사용에 대하여 계절별, 요일별 등으로 세부 분류하여 전력 사용 패턴을 분석하게 된다. 이와 같은 분석과정을 통해 상기 도 5의 그래프 상에서 점선 C와 같은 일일 전력 사용 패턴을 획득할 수 있다.

그리고 부하에 대한 전력 사용 패턴의 분석 결과에 따라 축전지를 충전할지 또는 방전할지 판단하게 되는데, 획득된 전력 사용 패턴에서 전력 사용량의 설정된 기준에 따라 축전지의 방전이 필요한 방전 모드 또는 축전지의 충전이 필요한 축전 모드를 구분하며, 나아가서 충전과 방전이 모두 필요 없는 경우의 대기 모드를 포함시킬 수도 있다. 이와 같은 전력 사용 패턴에서의 해당 시간에서 전력 사용량이 어떤 모드에 해당하는지를 판단하여 축전지의 운영 모드를 판단(S120)하게 된다.

만약 방전 모드로 판단되는 경우(S210)에는 축전지에 대하여 기보유된 방전 특성 데이터에 따라 방전 전류별 시간 경과에 따른 방전 특성 곡선을 산출하는데, 이를 방전 특성 데이터의 실시예를 통해 좀더 자세히 살펴보기로 한다.

도 8은 축전지별 방전 특성 데이터에 대한 실시예를 도시하고 도 9는 축전지의 특성에 따른 방전 전류별 방전 곡선의 실시예를 도시한다.

상기 도 8의 축전지별 방전 특성 데이터는 일정 전류를 유지시켜 1.8V로 방전하는 경우에 대한 축전지의 방전 특성 데이터로서, 상기 도 8에서 대용량인 VGS 3000을 참고로 살펴본다면, G의 1204A를 유지시켜 방전하는 경우에 1시간 동안 1.8V로 방전이 가능하며, H의 306A를 유지시켜 방전하는 경우에는 10시간 동안 1.8V로 방전이 가능하게 된다. 상기 도 9의 축전지의 특성에 따른 방전 전류별 방전 곡선에서 보는 바와 같이 높은 방전 전류로 방전하는 경우에는 방전 전압의 유지가 짧지만 상대적으로 낮은 방전 전류로 방전하는 경우에는 방전 전압의 유지가 상대적으로 더 길어지게 된다.

즉, 총 방전량을 고려하면 높은 전류인 G로 방전하는 경우에는 1시간 동안 축전지 효율이 유지되지만 보다 낮은 전류인 H로 방전하는 경우에는 10시간 동안 축전지 효율이 유지되어 결국 H로 방전하는 경우에는 306A를 10시간동안 방전하여 총 3060A의 방전 효율을 갖게 되어 G로 방전하는 경우의 1204A보다 거의 3배에 가깝게 축전지 효율을 높일 수 있게 된다.

본 발명에서는 이와 같은 축전지의 고유 특성에 대한 충전 특성 데이터에 기초하여 방전 전류별 시간 경과에 따른 방전 특성 곡선을 산출하는데, 도 10은 축전지의 방전 전류별 시간경과에 따른 방전량 그래프의 실시예를 도시한다.

상기 도 10의 그래프에 도시된 바와 같이 축전지의 방전 특성 데이터를 고려하여 방전 누적량에 따른 방전 특성 곡선을 산출하면, 상대적으로 높은 전류로 방전하는 C그래프는 초기에는 방전 누적량이 급상승하지만 잠시 후 그 방전 누적량은 늘어나지 않고, 상대적으로 낮은 전류로 방전하는 A 그래프는 초기에는 방전 누적량의 상승이 낮지만 긴 시간의 경과후에도 계속적으로 일정 수준의 방전을 유지시켜 전체적으로는 방전 누적량이 계속적으로 상승하게 된다.

이와 같은 상기 축전지에 대한 방전 특성 곡선이 획득되면, 상기 축전지에 대한 방전 조건을 설정하게 되는데, 이를 위해 상기 전력 사용 패턴에서 방전 모드로 분류된 시간 범위와 상기 시간 범위 동안의 필요 방전량을 산출하고 산출된 시간 범위와 필요 방전량을 상기 방전 특선 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 방전 조건으로 결정(S220)한다.

예를 들자면, 상기 도 6의 C 그래프에서 일정 기준치이상이 되는 모드 3의 구간이 방전 모드로 판단되는 경우에 모드 3이 차지하는 시간 범위와 상기 시간 범위 동안의 상기 일정 기준치가 넘는 필요 방전량을 산출하고, 산출된 시간 범위와 필요 방전량을 상기 도 10의 방전 특성 곡선에 대응시켜 최적의 방전 조건을 결정하게 된다. 가령 상기 모드 3에 해당되는 시간 범위가 10시간이고 필요 방전량이 2800이라면 그래프 A에 해당되는 방전 시간 범위와 방전 전압이 방전 조건으로 결정되게 된다. 만약 시간 범위가 4시간 정도이고 필요 방전량이 2000정도라면 상기 도 10의 방전 특성 곡선에서 그래프 B에 해당되는 시간 범우와 방전 전압이 방전 조건으로 결정될 것이다.

이와 같은 과정을 거쳐 축전지의 방전 조건에 대한 방전 시간 범위와 방전 전압이 결정되면, 결정된 방전 전압을 추종하여 축전지가 방전되도록 상기 축전지와 병렬 연결된 정류기의 전압을 제어(S230)하여, 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어함으로써 상기 축전지가 상기 부하에 대한 전원 공급을 분담하는 균등 방전을 수행(S240)하게 된다.

나아가서 축전지는 충전량과 온도에 따라 그 특성이 상이하므로, 상기 균등 방전을 수행함에 있어서는 축전지의 충전 잔량과 온도를 실시간 측정하고 기보유된 방전 특성 데이터 상에서의 충전 잔량 및 온도에 따른 조건을 고려하여 상기 정류기의 전압 조절을 수행해야 할 것이다.

다시 상기 도 7로 회귀하여 방전 모드 이외의 다른 모드에 대한 과정을 살펴보면, 상기 축전지에 대한 운영 모드가 충전 모드인 것으로 판단(S310)되면, 상기에서 살펴본 방전 모드에 따른 균등 방전의 수행과정과 유사하게 상기 축전지에 대한 기보유된 충전 특성 데이터에 따라 충전 전류별 시간 경과에 따른 충전 특성 곡선을 산출하고, 상기 전력 사용 패턴에서 상기 충전 모드로 분류된 시간 범위를 산출한다. 그리고 상기 충전 모드 상의 시간 범위에서의 상기 부하의 전력 사용에 영향을 미치지 않도록 상기 부하의 최대 전력 사용량을 고려하여 상기 충전 특성 곡선에서의 충전 시간 범위와 충전 전압을 결정(S320)하게 된다.

상기 충전 모드에 대한 충전 시간 범위와 충전 전압이 결정되면, 상기 방전 모드에서와 같이 상기 정류기의 전압이 충전 전압을 추종할 수 있도록 상기 정류기의 전압을 조절하여 상기 축전지를 충전(S340)하게 된다.

그리고 상기 방전 모드와 상기 충전 모드에 해당되지 않는 경우에는 대기모드를 수행(S410)하여 상기 축전지를 동작시키지 않는다.

나아가서 보다 효과적으로 상기 축전지의 충전을 수행하기 위해서는 방전량을 조절할 필요가 있는데, 도 11에 도시된 축전지의 특성에 따른 충전 곡선의 실시예에서 보는 바와 같이 100% 방전후에 충전을 하는 경우보다 50% 방전후에 충전을 수행하는 경우에 보다 빠른 충전이 이루어지는 것을 알 수 있으며, 나아가서 일정한 충전량을 초과하는 경우에는 충전이 거의 완만하게 이루어지는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서는 상기 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 상기 방전 조건을 설정함에 있어서, 사용자가 설정한 충전 시간 범위 이내에서 기설정된 충전량이 만족될 수 있도록 상기 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정할 수 있으며, 또는 상기 충전 특성 데이터를 기초로 상기 축전지의 재충전 시간을 고려하여 상기 방전 시간 범위와 방전 전압이 결정될 수 있다. 가령, 사용자가 5시간이내에 90%의 충전량을 확보할 수 있도록 설정한다면, 상기 방전 특성 곡선과 충전 특성 곡선을 동시에 매칭시켜 사용자가 설정한 충전 조건을 만족시킬 수 있는 방전 조건이 결정될 수 있으며, 또한 상기 충전 특성 데이터에 기초하여 기설정치 이하로 충전량이 떨어지지 않도록 유지되도록 설정된다면 이또한 상기 방전 특성 곡선과 충전 특성 곡선을 동시에 매칭시켜 기설정치 이하로 충전량이 떨어지지 않는 범위내에서 방전 조건이 결정될 수 있다.

한걸음 더 나아가서 상기 전력 사용 패턴에서 실시간 필요로 하는 전력량이 상이하므로, 상기 전력 사용 패턴 상에서 상기 충전 모드에 해당되는 범위를 전력 사용량에 따라 복수개 레벨로 구분하여 분류하고, 상기 복수개 레벨 각각에 대하여 시간범위와 상기 시간범위 동안의 필요 방전량을 산출한 후 상기 복수개 레벨 각각에 대하여 방전 특성 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정할 수도 있는데, 가령 상기 도 6에서 충전 모드인 모드 3 상에는 전력 사용 피크 시간대가 포함되어 있고 이 부분을 별도로 모드 4로 분류하여 상기 모드 4 부분에 대한 별도의 방전 조건이 설정될 수 있을 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 외부 전원,
100 : 정류기, 200 : 축전지,
300 : 제어기, 310 : 전력 사용 분석부,
330 : 축전지 특성 분석부, 350 : 축전지 충방전 제어부.

Claims

외부 전원이 인입되어 부하에 전원을 공급하는 정류기와 상기 정류기와 병렬 연결되어 상기 부하의 전원 공급을 분담하는 축전지를 포함하는 전원 공급 시스템에서 축전지를 제어하는 방법으로서,
상기 부하의 전력 사용 패턴을 기초로 상기 부하에 대한 상기 축전지의 전원 공급 분담을 판단하는 모드 판단 단계;
상기 축전지에 대한 기보유된 방전 특성 데이터에 따른 방전 특성 곡선에서 상기 전력 사용 패턴에 따른 필요 방전량과 방전 시간을 매칭시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 방전 조건 설정 단계; 및
상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 방전 전압을 추종하도록 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어하여 상기 축전지의 방전으로 상기 부하에 대한 전원 공급을 분담하는 균등 방전 수행 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 모드 판단 단계는,
일정 기간 동안의 상기 부하의 전력 사용량 정보를 수집하여 전력 사용 패턴을 생성하는 전력 사용 정보 수집 단계; 및
상기 전력 사용 패턴을 전력 사용량의 기설정된 기준에 따라 방전 모드, 대기 모드 및 충전 모드로 구분하여 분류하는 전력 사용 분석 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 방전 조건 설정 단계는,
상기 축전지에 대한 기보유된 방전 특성 데이터에 따라 방전 전류별 시간경과에 따른 방전 특성 곡선을 산출하는 방전 특성 곡선 산출 단계;
상기 전력 사용 패턴에서 상기 방전 모드로 분류된 시간범위와 상기 시간범위 동안의 필요 방전량을 산출하는 방전 정보 산출 단계; 및
상기 시간 범위와 필요 방전량을 상기 방전 특성 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 방전 전압 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 균등 방전 수행 단계는,
상기 축전지의 충전 잔량 및 온도를 실시간 측정하고, 측정치를 기초로 상기 정류기의 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 방전 전압을 추종하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 모드 판단 단계의 수행에 따라 충전 모드가 실행되는 경우에,
상기 축전지의 기보유된 충전 특성 데이터에 따른 충전 특성 곡선을 기초로 충전 시간 범위와 충전 전압을 결정하는 충전 조건 설정 단계; 및
상기 충전 전압을 추종하도록 상기 정류기의 전압을 조절하여 상기 축전지를 충전하는 충전 수행 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 충전 조건 설정 단계는,
상기 축전지에 대한 기보유된 충전 특성 데이터에 따라 충전 전류별 시간경과에 따른 충전 특성 곡선을 산출하는 충전 특성 곡선 산출 단계;
상기 전력 사용 패턴에서 상기 충전 모드로 분류된 시간범위와 상기 시간범위에서 상기 부하의 최대 전력 사용량을 산출하는 충전 정보 산출 단계; 및
상기 시간 범위와 최대 전력 사용량을 상기 충전 특성 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 충전 시간 범위와 충전 전압을 결정하는 충전 전압 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 방전 조건 설정 단계는,
사용자가 설정한 충전시간 범위 이내에서 기설정된 충전량을 만족시키도록 상기 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 방전 조건 설정 단계는,
상기 충전 특성 데이터를 기초로 상기 축전지의 재충전 시간을 고려하여 상기 방전 시간 범위와 상기 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 모드 판단 단계는,
상기 충전 모드를 상기 전력 사용량에 따라 복수개 레벨로 구분하여 분류하는 단계를 더 포함하며,
상기 방전 정보 산출 단계는,
상기 충전 모드의 상기 복수개 레벨 각각에 대하여 시간범위와 상기 시간범위 동안의 필요 방전량을 산출하며,
상기 방전 전압 결정 단계는,
상기 충전 모드의 상기 복수개 레벨 각각에 대한 시간 범위와 필요 방전량을 상기 방전 특성 곡선에 대응시켜 상기 축전지의 방전 시간 범위와 방전 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템에서 축전지 제어 방법.
외부 전원이 인입되어 부하에 전원을 공급하는 정류기;
상기 정류기와 병렬 연결되어 상기 부하의 전원 공급을 분담하는 축전지; 및
상기 부하의 전력 사용 패턴을 분석하여, 분석된 결과에 따른 일정 시간 범위에서의 필요 전력량을 산출하고, 상기 축전지의 고유 특성 데이터에 기초하여 상기 축전지의 방전 또는 충전 시간 범위와 방전 또는 충전 전압을 결정하여 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 축전지의 상기 방전 또는 충전 전압이 선택된 범위를 추종하도록 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어하여 상기 축전지의 방전으로 상기 부하에 대한 전원 공급을 분담시키거나 상기 축전지를 충전시키는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 부하에 대한 일정 기간 동안의 전력 사용량 정보를 수집하여 전력 사용 패턴을 생성하고, 전력 사용량의 기설정된 기준에 따라 상기 축전지의 충전 또는 방전을 판단하는 전력 사용 분석부;
상기 축전지에 대한 방전 특성 데이터 및 충전 특성 데이터를 보유하고, 상기 방전 특성 데이터에 기초하여 방전 전류별 시간경과에 따른 방전 특성 곡선을 산출하거나 상기 충전 특성 데이터에 기초하여 충전 전류별 기간경과에 따른 충전 특성 곡선을 산출하는 축전지 특성 분석부; 및
상기 전력 사용 분석부의 판단 결과에 따른 방전 모드 또는 충전 모드의 시간 범위와 필요 방전량 또는 충전량을 상기 방전 특성 곡선 또는 충전 특성 곡선에 매칭시켜 상기 축전지에 대한 방전 또는 충전 시간 범위와 방전 또는 충전 전압을 결정하고, 상기 정류기의 전압 조절을 통해 상기 축전지의 상기 방전 또는 충전 전압이 선택된 범위를 추종하도록 상기 정류기의 전압과 상기 축전지의 전압을 균등 제어하는 축전지 충방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 시스템.