KR101617260B1 - 전력선 통신을 이용한 발열유리의 제어방법 및 장치 - Google Patents

전력선 통신을 이용한 발열유리의 제어방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

전력선 통신을 이용한 발열유리의 제어방법 및 장치를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 1개의 마스터 제어 유니트 및 복수의 슬레이브 전력 유니트를 포함하는 발열유리 제어장치에 있어서, 상기 슬레이브 전력 유니트는 전압제어기, 반도체스위치, 전원단자 및 발열유리를 포함하되, 상기 전압제어기는 전력선 통신의 방법으로 상기 마스터 제어 유니트와 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치를 제공한다.

Description

전력선 통신을 이용한 발열유리의 제어방법 및 장치{Method and Apparatus of Controlling Heated Glass by Using Power Line Communication}
본 발명의 실시예는 전력선 통신을 이용한 발열유리의 제어방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 통신선 없이 전력선만으로 발열유리를 제어하여 발열유리의 설치 및 유지관리를 용이하게 할 뿐만 아니라, 발열유리를 중앙집중적으로 관리할 수 있도록 하는 발열유리의 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 본 실시예에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
건물, 비행기, 선박, 자동차 등의 유리창은 우천시나 겨울철에 유리창 내부와 외부의 온도차에 의하여 습기 또는 성에가 생긴다. 유리창에 습기 또는 성에가 생기면 밖을 내다볼 수 없어 답답할 뿐만 아니라, 비행기, 선박, 자동차 등의 운송수단에서는 시야가 확보되지 않아 운행에 문제가 생긴다. 따라서 유리창에 생기는 습기 또는 성에를 제거하여야 하는데, 이 때 사용되는 장치가 발열유리이다.
발열유리란 전기를 이용하여 유리창에 열을 발생시킴으로써 유리창에 생기는 습기 또는 성에를 제거하는 장치이다. 발열유리가 있으면 유리창을 통한 찬 공기의 열전도가 저지되므로 겨울철 실내 온도 유지에도 도움이 된다.
일반적으로 발열유리는 제어장치에 의해 자동으로 작동된다. 유리창 내부와 외부의 조건이 습기 또는 성에 형성조건을 만족하거나 유리창을 통해 외부의 찬 공기가 유입되면 제어장치는 일정 시간 동안 발열유리의 전원단자에 전압을 인가하여 유리창을 발열시킨다.
도 1은 기존의 발열유리 제어 시스템을 예시한 도면이다.
발열유리 1(110)의 온도센서(115)는 발열유리 1(110) 주위의 온도, 습도 등의 정보(이하, 상태정보)을 측정하여 전압제어기(111)로 전송한다. 전압제어기(111)는 중앙제어실(100)에서 전압제어기(111)에 설정한 발열유리 온도값과 발열유리 1(110)의 온도센서로부터 전송된 온도값을 이용하여 발열유리 1(110)에 인가되어야 하는 전압을 계산한 후 반도체스위치를 이용하여 발열유리 1(110)의 전원단자(113)에 전력을 보낸다. 발열유리 1(110)의 전원단자(113)는 발열유리 전극에 연결된 단자로서, 전원으로부터 공급되는 전력을 발열유리 1(110)로 공급한다. 발열유리 1(110)에 전압이 인가되면 발열유리 1(110)에 있는 열선 또는 도포체가 저항이 되어 발열유리가 발열한다. 발열유리 2(120), 발열유리 3(130) 등도 같은 방식으로 동작한다. 중앙제어실(100)은 발열유리 시스템을 총괄한다.
기존의 발열유리 제어 시스템에 의하면 발열유리마다 전압제어기, 전원단자 및 온도센서가 구비되며, 그 때문에 발열유리마다 전력선과 통신선이 복잡하게 엉켜 발열유리의 체계적인 관리가 어렵고 외관을 해치는 문제가 있었다.
본 실시예는 전력선 통신을 이용하여 발열유리를 제어함으로써, 복잡한 통신선을 제거하여 발열유리의 설치 및 유지관리를 용이하게 할 뿐만 아니라, 발열유리를 중앙집중적으로 관리할 수 있도록 하는 것에 그 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 1개의 마스터 제어 유니트 및 복수의 슬레이브 전력 유니트를 포함하는 발열유리 제어장치에 있어서, 상기 슬레이브 전력 유니트는 전압제어기, 반도체스위치, 전원단자 및 발열유리를 포함하되, 상기 전압제어기는 전력선 통신의 방법으로 상기 마스터 제어 유니트와 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 1개의 마스터 제어 유니트 및 복수의 슬레이브 전력 유니트를 포함하는 발열유리의 제어방법에 있어서, 전력선 통신을 이용하여 통신선 없이 전력선만으로 발열유리를 제어하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법을 제공한다.
본 실시예에 의하면 통신선 없이 전력선만으로 발열유리를 제어할 수 있게 됨으로써 발열유리의 설치 및 유지관리가 용이해질 뿐만 아니라 발열유리를 중앙집중적으로 제어할 수 있게 된다.
도 1은 기존의 발열유리 제어 시스템을 예시한 도면이다.
도 2는 전력선 통신의 기본원리를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어 시스템을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어 시스템의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어에 있어서, 출력제어구간과 통신구간을 분리하여 발열유리를 제어하는 방법을 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어에 있어서, 1개의 마스터 제어 유니트로 복수의 슬레이브 전력 유니트를 제어할 때의 통신과정을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어방법을 예시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어장치를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어장치에서 온도센서를 제거한 장치를 예시한 도면이다.
도 10(a)는 열선방식의 발열유리의 정면도를 예시한 도면이고, 도 10(b)는 열선방식의 발열유리의 단면도를 예시한 도면이다.
도 11(a)는 열선방식의 발열유리에 대하여, 실내와 실외의 온도 차이가 많이 나는 경우의 열 등가회로를 예시한 도면이고, 도 11(b)는 실내와 실외의 온도 차이가 적게 나는 경우의 열 등가회로를 예시한 도면이다.
이하 본 발명의 일부 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, ⅰ), ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 명세서에 기재된 '~부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 '하드웨어' 또는 '소프트웨어' 또는 '하드웨어 및 소프트웨어의 결합'으로 구현될 수 있다.
본 실시예는 통신선 없이 전력선만으로 발열유리를 제어하는 방법 및 장치를 제안한다.
전력선 통신이란 전력선을 통신매체로 이용하는 통신방법이다. 전력선은 기본적으로 전기에너지 전달을 목적으로 설계된 것이지만, 전력신호에 데이터를 실어 보내면 전력선을 통신매체로도 활용할 수 있다.
전력선 통신은 부가적인 통신선의 설치 없이 기존에 설치되어 있는 전력선만을 이용하여 통신을 수행할 수 있다는 장점으로 인해 빌딩이나 가정의 소규모 네트워크 용으로 그 효용을 인정받고 있다. 전력선은 기본적으로 데이터 전송을 위한 것이 아니기 때문에 전송 과정에서 많은 잡음이 발생하여 빠른 속도 및 무결성(Integrity)이 요구되는 고속 통신에는 부적합한 면이 있다. 하지만 발열유리의 제어에는 빠른 속도 및 엄밀한 무결성(Integrity)이 요구되는 것이 아니므로 전력선 통신을 이용하더라도 큰 문제가 없다.
도 2는 전력선 통신의 기본원리를 예시한 도면이다.
송신부(240)는 ⅰ) 데이터를 변조하고, ⅱ) 전력신호에 데이터를 삽입하며, ⅲ) 데이터가 삽입된 전력신호를 송신하는 역할을 수행한다. 변조기(미도시)는 데이터(211)를 전송에 적합한 형태로 변조한다. 변조방식은 ASK(Amplitude-Shift Keying), FSK(Frequency-Shift Keying), PSK(Phase-Shift Keying), APK(Amplitude and Phase shift Keying), 기타 어떤 방식이라도 무방하다. 참고로 도 2는 ASK 방식으로 변조된 데이터를 나타내고 있다. 삽입부(241)는 변조된 데이터(213)를 전력신호(221)에 삽입하여 새로운 신호(223)(이하, 전력데이터 신호라고 한다)를 생성한다. 전력데이터 신호(223)는 전력선을 따라 수신부(250)로 전달된다.
수신부(250)는 ⅰ) 전력데이터 신호를 수신하고, ⅱ) 전력데이터 신호로부터 변조된 데이터를 추출하며, ⅲ) 변조된 데이터를 복조하는 역할을 수행한다. 전력데이터 신호(223)가 수신부(250)에 도달하면 필터(251)는 전력데이터 신호(223)로부터 변조된 데이터(231)를 추출한다. 복조기(미도시)는 변조된 데이터(231)를 원래의 데이터(233)로 복조한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어 시스템을 예시한 도면이다.
전원(340) 및 마스터 제어 유니트(Master Control Unit)(350)는 동일한 전력선을 이용하여 슬레이브 전력 유니트 1(Slave Power Unit 1)(310), 슬레이브 전력 유니트 2(Slave Power Unit 2)(320), 슬레이브 전력 유니트 3(Slave Power Unit 3)(330) ... 슬레이브 전력 유니트 N(Slave Power Unit N)(미도시)에 연결되어 있다.
전원(340)은 전력선을 통해 슬레이브 전력 유니트 1(310)의 반도체스위치(311), 슬레이브 전력 유니트 2(320)의 반도체스위치(321), 슬레이브 전력 유니트 3(330)의 반도체스위치(331) ... 슬레이브 전력 유니트 N(미도시)의 반도체스위치(미도시)에 전력을 공급한다.
마스터 제어 유니트(350)은 전력선을 통해 슬레이브 전력 유니트 1(310)의 전압제어기(313), 슬레이브 전력 유니트 2(320)의 전압제어기(313), 슬레이브 전력 유니트 3(330)의 전압제어기(313) ... 슬레이브 전력 유니트 N(미도시)의 전압제어기(미도시)와 통신을 주고받는다.
슬레이브 전력 유니트의 구성 및 기능을 슬레이브 전력 유니트 1(310)을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
슬레이브 전력 유니트 1(310)은 반도체스위치(311), 전원단자(312), 전압제어기(313) 및 발열유리(315)로 구성된다. 전압제어기(313)는 발열유리(315)로부터 발열유리(315)의 상태정보 데이터를 수신하여 마스터 제어 유니트(350)으로 전송한다. 마스터 제어 유니트(350)은 수신한 상태정보 데이터를 이용하여 발열유리(315)에 공급되어야 하는 전력값을 계산한 후 해당 전력값을 전압제어기(313)로 전송한다. 전압제어기(313)는 반도체스위치(311)를 제어하여 전원(340)으로부터 발열유리(315)로 계산된 전력값만큼의 전력만 공급되도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어 시스템의 회로도이다.
도 4의 회로도는 본 기술분야에서 통상적인 기술자라면 쉽게 이해할 수 있는 것이므로 자세한 설명은 생략한다. 도 4의 회로도는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 도 4와 상이한 회로라도 본 실시예와 균등한 구성을 포함하고 균등한 기능을 수행한다면 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
전력선 통신은 전기에너지와 데이터가 하나의 케이블을 통해 동시에 전송되기 때문에 통신 데이터에 잡음이 섞이기 쉽다. 전력선 통신에서 생기는 잡음에는 크게 배경 잡음, 협대역 잡음 및 충격 잡음이 있는데, 배경 잡음(Background Noise)은 낮은 전력을 갖는 수많은 잡음원들로부터 발생하는 잡음들이 더해져서 발생하는 잡음이고, 협대역 잡음(Narrow Band Noise)은 중단파의 방송 신호에 의한 잡음이며, 충격 잡음(Impulsive Noise)은 전원 개폐장치 또는 전력신호와 동기화된 다른 전원에 의해 발생하는 잡음이다.
전압제어기(313)가 반도체스위치(311)를 제어하는 출력제어 과정에는 통상 위상제어 방식이 이용되는데, 위상제어는 교류의 특정 위상에서 전력을 통과시키거나 차단시킴으로써 전력의 전달을 제어하는 방법이다. 위상제어를 이용하면 전력을 차단시키거나 통과시키는 시점에서 피크전류가 발생하여 충격 잡음이 발생하며, 따라서 위상제어 시점에 전력선 통신의 오류가 발생할 확률이 높다.
위상제어 시점을 사인(Sin)파 신호의 제로(Zero)점으로 제한함으로써 위상제어로 인한 소음, 잡음 등을 줄이는 방법이 제안된 바 있으나(특허 10-1082722), 이는 잡음을 최소화시키는 방법일 뿐 잡음을 제거하는 방법은 아니므로 전력선 통신에서 생길 수 있는 통신 오류를 근본적으로 해결할 수 없다.
그리하여 본 실시예에서는 전력 전송이 이루어지는 출력제어구간과 전력선 통신이 이루어지는 통신구간을 분리한 후, 통신 중에는 출력제어가 이루어지지 않게 함으로써, 위상제어로 인한 잡음의 영향을 배제한 전력선 통신방법 및 장치를 제안한다.
실시간 제어가 필요한 장치에서는 출력제어구간과 통신구간을 분리해서는 안 된다. 출력제어구간과 통신구간이 분리되면 출력제어구간에서 통신이 두절되기 때문이다. 그러나 발열유리는 실시간 제어를 요하는 장치가 아니므로 출력제어구간에서 일시적으로 통신이 두절되어도 무방하다. 본 실시예는 이러한 점에 착안하여 출력제어구간과 통신구간을 분리함으로써 충격 잡음에 의한 통신 오류를 방지하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어에 있어서, 출력제어구간과 통신구간을 분리하여 발열유리를 제어하는 방법을 예시한 도면이다.
도 5를 보면 출력제어구간(520, 540)과 통신구간(510, 530, 550)이 번갈아가며 나타나며, 통신구간의 입력전압(531)에는 변조된 데이터가 삽입되어 있으나, 출력제어구간의 입력전압(541)에는 변조된 데이터가 삽입되어 있지 않음을 알 수 있다.
특히, 도 5를 보면 전원에서 입력되는 전압은 모든 구간에서 나타나지만, 발열유리로 출력되는 전압은 통신구간을 제외한 구간에서만 나타남을 알 수 있다. 출력전압이 발생하지 않는 시간 동안 전력선 통신이 이루어지며, 이와 같이 출력제어구간과 통신구간을 분리시킴으로써 위상제어로 인한 충격 잡음을 제거한 전력선 통신이 가능해진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어에 있어서, 1개의 마스터 제어 유니트로 복수의 슬레이브 전력 유니트를 제어할 때의 통신과정을 예시한 도면이다.
마스터 제어 유니트와 슬레이브 전력 유니트 사이의 통신은 통신구간에서만 이루어진다(도 5 참조). 통신구간에서 이루어지는 통신과정에 대해 간단히 설명하면 다음과 같다.
마스터 제어 유니트는 슬레이브 전력 유니트를 호출하여 슬레이브 전력 유니트로부터 발열유리의 상태정보를 전송받는다. 전력선 통신은 통신에 이용되는 선이 하나 뿐이므로, 슬레이브 전력 유니트가 1개 이상인 경우에는 복수의 슬레이브 전력 유니트에게 동시에 전력제어 등의 명령(이하, 제어명령)을 내릴 수 없다. 따라서 슬레이브 전력 유니트를 개별로 호출하여 제어명령을 내려야 한다.
슬레이브 전력 유니트를 개별로 호출할 때 슬레이브 전력 유니트 1, 슬레이브 전력 유니트 2, 슬레이브 전력 유니트 3 ... 의 순서로 호출해야 하는 것은 아니고, 필요에 따라 우선순위를 정하여 우선순위가 높은 슬레이브 전력 유니트부터 호출할 수 있다.
마스터 제어 유니트는 슬레이브 전력 유니트를 한 번에 하나씩 호출하고, 호출된 슬레이브 전력 유니트는 마스터 제어 유니트에게 응답을 한다. 호출과 응답은 일정한 시간을 두고 이루어진다.
이하, 도 6의 기호에 대하여 설명한다.
TDA는 출력제어구간이 종료되고 통신구간이 시작된 후 첫 통신이 이루어질 때까지의 지연시간이다. TDB는 통신구간이 종료되고 출력제어구간이 시작될 때까지의 지연시간이다.
TM은 마스터 제어 유니트가 슬레이브 전력 유니트로 데이터를 전송하는 시간이다. TS는 슬레이브 전력 유니트가 마스터 제어 유니트로 데이터를 전송하는 시간이다.
TMS는 마스터 제어 유니트가 특정 슬레이브 전력 유니트를 호출하였을 때 해당 슬레이브 전력 유니트가 응답을 시작할 때까지의 지연시간이다. TSM은 슬레이브 전력 유니트가 응답을 완료하였을 때 마스터 제어 유니트가 다른 슬레이브 전력 유니트를 호출할 때까지의 지연시간이다.
이하, '마스터 제어 유니트'는 '마스터'로 표현하고, '슬레이브 전력 유니트'는 '슬레이브'로 표현한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어방법을 예시한 순서도이다.
1. 시작단계(통신구간 시작)
통신구간이 시작되면, 마스터는 최선순위 슬레이브를 호출한 후, 최선순위 슬레이브의 상태정보를 수신한다(S710). 이 때 최선순위 슬레이브는 사용자가 임의로 정할 수도 있고, 모든 슬레이브 중 첫번째 슬레이브로 정해놓을 수도 있다.
마스터는 최선순위 슬레이브의 상태정보를 참고하여 최선순위 슬레이브에게 제어명령을 내릴 필요가 있는지를 판단한다(S720). 마스터가 최선순위 슬레이브에게 제어명령을 내릴 필요가 있다고 판단하면(S720의 '예'), 최선순위 슬레이브에게 제어명령을 전송한다(S721). 최선순위 슬레이브는 제어명령 수행 후 상태정보를 갱신하여(S722), 갱신된 상태정보를 마스터로 전송한다(S723).
마스터는 최선순위 슬레이브의 갱신된 상태정보를 수신한 후 최선순위 슬레이브에게 다시 제어명령을 내릴 필요가 있는지를 판단한다(S720). 마스터는 최선순위 슬레이브에게 제어명령을 내릴 필요가 없다고 판단하면(S720의 '아니오), 활성화된 모든 슬레이브와 통신을 하였는지를 판단한다(S730).
2. 반복단계(통신구간 진행)
활성화된 모든 슬레이브와 통신을 하지 않았다면(S730의 '아니오'), 마스터는 다음 슬레이브를 호출한다(S731). 마스터는 호출된 슬레이브에게 상태정보의 전송을 요청하고(S732), 호출된 슬레이브는 상태정보를 마스터로 전송한다(S733).
마스터는 호출된 슬레이브의 상태정보를 참고하여 호출된 슬레이브에게 제어명령을 내릴 필요가 있는지를 판단한다(S720). 마스터가 호출된 슬레이브에게 제어명령을 내릴 필요가 있다고 판단하면(S720의 '예'), 호출된 슬레이브에게 제어명령을 전송한다(S721). 호출된 슬레이브는 제어명령을 수행한 후 상태정보를 갱신하고(S722), 갱신된 상태정보를 마스터로 전송한다(S723).
마스터는 호출된 슬레이브의 갱신된 상태정보를 수신한 후, 호출된 슬레이브에게 다시 제어명령을 내릴 필요가 있는지를 판단한다(S720). 마스터는 호출된 슬레이브에게 제어명령을 내릴 필요가 없다고 판단하면(S720의 '아니오), 활성화된 모든 슬레이브와 통신을 하였는지를 판단한다(S730).
3. 종료단계(통신구간 종료)
마스터가 슬레이브에 제어명령을 내릴 것이 없고 활성화된 모든 슬레이브와 통신을 하였다면(S730의 '예'), 마스터와 모든 슬레이브는 동기화를 이루고(S740), 통신구간이 종료된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어장치를 예시한 도면이다.
전력선 통신을 이용한 발열유리 제어 시스템은 전원(810), 마스터(820) 및 복수의 슬레이브로 구성된다.
마스터(820)는 분석부(821) 및 통신부(823)를 포함한다. 분석부(821)는 각각의 슬레이브로부터 전송받은 상태정보를 분석하여 각각의 슬레이브에게 제어명령을 내릴지 여부를 판단한다. 통신부(823)는 마스터(820)와 각각의 슬레이브 사이의 통신을 수행한다.
각각의 슬레이브는 구성 및 기능이 동일하므로, 첫번째 슬레이브(830)에 대해서만 설명한다.
슬레이브(830)는 전압제어기(840), 반도체스위치(850) 및 발열유리(860)를 포함한다. 전압제어기(840)는 통신부(841), 전류센서(842) 및 제어부(843)를 포함한다. 발열유리(860)는 전원단자(861) 및 온도센서(862)를 포함한다.
전압제어기(840)의 각 부분의 기능은 다음과 같다. 통신부(841)는 마스터(820)와 슬레이브(830) 사이의 통신을 수행한다. 전류센서(842)는 발열유리(860)로 흐르는 전류를 측정한다. 전류센서(842)가 전류를 측정하는 방법에는 1차 및 2차 코일을 자심에 감아 2차 전류를 측정함으로써 1차 전류를 감지하는 변류기 방식과, 전류에 의하여 생기는 자계 속에 홀 소자를 설치하여 홀 전압을 측정함으로써 자계의 강도 즉 전류의 강약을 감지하는 홀 소자 방식 등이 있다. 제어부(843)는 반도체스위치(850)로 제어신호를 보내어 전원(810)으로부터 발열유리(860)로 공급되는 전력을 조절한다.
반도체스위치(850)는 발열유리(860)의 전원단자(861)에 제어된 전력을 보낸다. 반도체스위치(850)로는 트라이악(TRIAC) 등을 사용할 수 있다.
발열유리(860)의 각 부분의 기능은 다음과 같다. 전원단자(861)는 발열유리(860)에 전력을 공급한다. 온도센서(862)는 발열유리(860)의 온도를 측정하여 제어부(843)로 전송한다. 온도센서(862)는 온도측정을 위한 센서로서, PTC(Positive Temperature Coefficient Thermistor)센서가 대표적이다. 온도센서(862)로는 PTC센서 뿐만 아니라 NTC센서, CTR센서 등 다른 온도센서를 이용하여도 무방하다.
기존의 발열유리는 발열유리의 온도측정을 위하여 발열유리마다 온도센서를 구비하여야 하였다. 이 경우 발열유리 위에 온도센서를 부착하여야 하므로 구성이 복잡해지고, 이를 위한 별도의 접속함이 필요하게 되며, 길게 늘어진 신호선으로 인하여 배선이 복잡해질 뿐만 아니라, 그로 인한 전기적 노이즈가 발생하며, 시야확보 제한 및 미관을 해친다는 문제가 있었다.
따라서 본 실시예는 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어에 있어서, 온도센서를 제거한 발열유리 제어장치를 제안한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신을 이용한 발열유리 제어장치에서 온도센서를 제거한 장치를 예시한 도면이다.
온도센서를 제거한 발열유리 제어장치는 전원(910), 마스터(920) 및 복수의 슬레이브로 구성된다. 전원(910) 및 마스터(920)의 구성 및 기능은 도 8의 제어장치와 동일하다. 다만 슬레이브의 구성 및 기능이 도 8의 제어장치와 상이하므로 이하 설명한다.
각각의 슬레이브는 구성 및 기능이 동일하므로, 첫번째 슬레이브(930)에 대해서만 설명한다.
슬레이브(930)는 전압제어기(940), 반도체스위치(950) 및 발열유리(960)를 포함한다. 전압제어기(940)는 통신부(941), 전류센서(942) 및 제어부(943)를 포함한다. 발열유리(960)는 전원단자(961)를 포함하며, 온도센서는 포함되어 있지 않다.
전압제어기(940)의 각 부분의 기능은 다음과 같다. 통신부(941)는 마스터(920)와 슬레이브(930) 사이의 통신을 수행한다. 전류센서(942)는 발열유리(960)로 흐르는 전류를 측정한다. 전류센서(942)가 전류를 측정하는 방법에는 1차 및 2차 코일을 자심에 감아 2차 전류를 측정함으로써 1차 전류를 감지하는 변류기 방식과, 전류에 의하여 생기는 자계 속에 홀 소자를 설치하여 홀 전압을 측정함으로써 자계의 강도 즉 전류의 강약을 감지하는 홀 소자 방식 등이 있다. 제어부(943)는 발열유리(960)의 전원단자(961)로 제어신호를 보내어 전원(910)으로부터 발열유리(960)로 공급되는 전력을 조절한다.
반도체스위치(950)는 발열유리(960)의 전원단자(961)에 제어된 전력을 보낸다. 반도체스위치(950)로는 트라이악(TRIAC) 등을 사용할 수 있다.
발열유리(960)는 전원단자(961)를 포함하며, 온도센서는 포함되어 있지 않다. 발열유리(960)의 전원단자(961)는 발열유리(960)에 전력을 공급한다. 발열유리(960)에서 온도센서가 제거된 대신, 전압제어기(940)의 제어부(943)에서 발열유리(960)의 온도를 계산한다.
전압제어기(940)의 제어부(943)는 발열유리(960)에 인가된 전압값 및 발열유리(960)에 흐르는 전류값을 이용하여 발열유리(960)의 온도를 계산한다. 제어부(943)가 발열유리(960)의 온도를 계산하는 구체적인 방법은 다음과 같다.
제어부(943)는 발열유리(960)에 인가된 전압값 및 발열유리(960)에 흐르는 전류값을 전달받는다. 발열유리(960)에 인가된 전압값은 동일한 전압을 전압제어기(940)의 전원으로 이용하므로 쉽게 검지할 수 있다. 또한 전압제어기(940)에는 발열유리(960)로 흐르는 전류를 측정할 수 있는 전류센서(942)가 부착되어 있으므로, 발열유리(960)에 흐르는 전류값도 쉽게 검지할 수 있다.
발열유리에는 크게 열선방식과 도전체 코팅방식이 있다. 열선방식은 필름 위에 열선을 직병렬구조로 배치하고 필름 양단에 전극을 배치한 후 필름을 두 장의 강화유리 사이에 압착시켜서 발열유리를 만드는 방식이다. 도전체 코팅방식은 강화유리 위에 전기가 통하는 투명한 물질을 도포한 후 유리 양단에 전극을 배치하여 발열유리를 만드는 방식이다. 전압을 인가하면 열선방식의 경우 열선이 저항이 되고 도전체 코팅방식의 경우 도포체가 저항이 되어 유리창이 발열한다.
본 실시예는 발열유리의 종류와는 무관하게 적용될 수 있는 것으로서 열선방식의 발열유리 뿐만 아니라 도전체 코팅방식의 발열유리에도 적용될 수 있는 것이다. 다만 편의상 이하 열선방식의 발열유리를 기준으로 설명하도록 한다.
열선의 현재 저항값 Rwire는 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112014120838438-pat00001
수학식 1에서, Vwire는 발열유리(960)에 인가된 전압값으로서 동일한 전압을 전압제어기(940)의 전원으로 이용하므로 쉽게 검지할 수 있다. Iwire는 발열유리(960)에 흐르는 전류값으로서 전압제어기(940)에 있는 전류센서(942)로부터 쉽게 검지할 수 있다.
금속 등의 도체는 온도가 상승할수록 저항이 상승하는 특성을 가지고 있다. 제어부(943)는 이러한 특성을 이용하여 발열유리(960)의 온도를 계산한다.
도체의 내부에는 원자들이 규칙적으로 배열되어 결정구조를 이루고 있다. 전자는 규칙적으로 배열된 결정 구조 사이를 이동하여 도체에 전기가 흐르게 된다. 그러나 도체의 온도가 올라가면 결정을 이루고 있는 원자들의 운동이 활발해져서 전자의 이동이 방해를 받는다. 즉, 도체의 온도가 올라가면 도체의 저항이 상승한다. 이를 수학식으로 표현하면 수학식 2와 같다.
Figure 112014120838438-pat00002
수학식 2에서, R은 온도가 T일 때의 도체의 저항값, R0은 온도가 T0일 때의 도체의 저항값, a는 도체의 저항 온도 계수이다. 저항 온도 계수는 금속의 종류에 따라 다른데, 저항 온도 계수가 높으면 온도가 조금만 상승해도 저항이 크게 상승한다.
열선방식의 발열유리를 사용한다고 했을 때, 발열유리(960)의 열선의 온도가 상승하면 발열유리(960)의 열선의 저항이 상승한다. 수학식 2를 발열유리(960)의 열선에 적용하면 수학식 3과 같다.
Figure 112014120838438-pat00003
수학식 3에서, Rwire는 열선의 온도가 Twire일 때의 열선의 저항값, R0은 열선의 온도가 Twire0일 때의 열선의 저항값, a는 열선의 저항 온도 계수이다. 여기서 R0, Twire0 및 a는 상수이므로, 열선의 현재 저항값 Rwire만 알면 열선의 현재 온도 Twire를 구할 수 있다.
수학식 1과 수학식 3을 연립하면 열선의 현재 온도 Twire를 계산할 수 있다. 다만 열선의 온도가 곧바로 발열유리(960)의 온도를 의미하는 것은 아니므로, 열 등가회로를 이용하여야만 발열유리(960)의 온도를 구할 수 있다.
도 10(a)는 열선방식의 발열유리의 정면도를 예시한 도면이고, 도 10(b)는 열선방식의 발열유리의 단면도를 예시한 도면이다.
도 10(b)에서 알 수 있듯이 열선방식의 발열유리에는 온도가 다른 5개의 지점이 있는데, A는 실내 공기의 온도, B는 안쪽 유리의 온도, C는 열선의 온도, D는 바깥쪽 유리의 온도, E는 실외 공기의 온도이다.
A, B, C, D 및 E에서의 열 흐름을 파악하기 위하여 열 등가회로를 이용할 수 있다. 열 등가회로는 열의 흐름을 전기회로의 개념을 빌려 나타낸 것이다.
열 등가회로에서 어떤 두 지점의 온도가 각각 T1, T2라고 할 때, 열량 P, 열저항 R, 온도 T1, 온도 T2 사이의 관계는 수학식 4와 같이 나타난다.
Figure 112014120838438-pat00004
수학식 4에서, RTH는 열저항, T1, T2는 열 등가회로 상에 있는 두 지점의 온도, P는 열량이다.
수학식 4를 정리하면 수학식 5가 도출된다.
Figure 112014120838438-pat00005
수학식 5에서, RTH는 열저항, T1, T2는 열 등가회로 상에 있는 두 지점의 온도, P는 열량이다.
열 등가회로에서의 열량 P는 수학식 6을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112014120838438-pat00006
수학식 6에서, P는 열량, V는 전압, I는 전류이다.
도 11(a)는 열선방식의 발열유리에 대하여, 실내와 실외의 온도 차이가 많이 나는 경우의 열 등가회로를 예시한 도면이다.
겨울철 또는 극지방을 항해하는 선박 등과 같이 실내는 따뜻하고 실외는 아주 추울 경우, Tair_inside >> Tair_outside가 된다. 이 경우 열량 P가 대부분 바깥쪽 유리로 흐르므로 Pinside << Poutside가 되며, 그로 인해 Pwire ≒ Poutside가 된다.
도 11(a)의 열 등가회로를 참조했을 때, 실내와 실외의 온도 차이가 많이 나는 경우의 바깥쪽 유리의 온도 Tglass_outside는 수학식 7을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112014120838438-pat00007
수학식 7에서, Tglass_outside는 바깥쪽 유리의 온도, Twire는 열선의 온도, Pwire는 열선의 열량, Rwire_to_glass은 열선과 유리 사이의 열저항이다.
열선의 온도 Twire는 상술한 바와 같이 수학식 1과 수학식 3을 연립하여 구할 수 있고, 열선의 열량 Pwire는 다음의 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다. 그리고 Rwire_to_glass은 상수이다.
Figure 112014120838438-pat00008
수학식 8에서, Vwire는 발열유리에 인가된 전압값, Iwire는 발열유리에 흐르는 전류값이다.
도 11(b)는 실내와 실외의 온도 차이가 적게 나는 경우의 열 등가회로를 예시한 도면이다.
실내와 실외의 온도 차이가 적으면 안쪽 유리와 바깥쪽 유리의 온도가 비슷하므로, 안쪽 유리의 온도 또는 바깥쪽 유리의 온도를 통틀어서 Tglass라고 할 수 있다.
도 11(b)의 열 등가회로를 참조했을 때, 실내와 실외의 온도 차이가 적게 나는 경우의 안쪽 또는 바깥쪽 유리의 온도 Tglass는 수학식 9를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112014120838438-pat00009
수학식 9에서, Tglass는 안쪽 또는 바깥쪽 유리의 온도이다. 실내와 실외의 온도 차이가 적게 나는 경우에는 안쪽 유리의 온도와 바깥쪽 유리의 온도가 같은 것으로 볼 수 있으므로 Tglass는 안쪽 또는 바깥쪽 유리의 온도를 의미한다. Twire는 열선의 온도, Pwire는 열선의 열량, Rwire_to_glass은 열선과 유리 사이의 열저항이다.
열선의 온도 Twire는 상술한 바와 같이 수학식 1과 수학식 3을 연립하여 구할 수 있고, 열선의 열량 Pwire는 상술한 수학식 8을 이용하여 계산할 수 있다. 그리고 Rwire_to_glass은 상수이다.
본 실시예는 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 본 실시예의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 본 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 따라서 본 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등하거나 균등하다고 인정되는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 중앙제어실
110: 발열유리 111: 전압제어기
113: 전원단자 115: 온도센서
120: 발열유리 121: 전압제어기
123: 전원단자 125: 온도센서
130: 발열유리 131: 전압제어기
133: 전원단자 135: 온도센서
211: 원본 데이터 213: 변조된 데이터
221: 전력신호 223: 전력데이터 신호
231: 변조된 데이터 233: 원본 데이터
240: 송신부 241: 삽입부
250: 수신부 251: 필터부
310: 슬레이브 전력 유니트 311: 반도체스위치
312: 전원단자 313: 전압 제어기
315: 발열유리
320: 슬레이브 전력 유니트
321: 반도체스위치 322: 전원단자
323: 전압 제어기 325: 발열유리
330: 슬레이브 전력 유니트
331: 반도체스위치 332: 전원단자
333: 전압 제어기 335: 발열유리
340: 전원 350: 마스터 제어 유니트
510: 통신구간 520: 출력제어구간
530: 통신구간 531: 통신구간의 입력전압
540: 출력제어구간 541: 출력제어구간의 입력전압
550: 통신구간
810: 전원 820: 마스터
821: 분석부 823: 통신부
830: 슬레이브 840: 전압제어기
841: 통신부 842: 전류센서
843: 제어부 850: 반도체스위치
860: 발열유리 861: 전원단자
862: 온도센서
910: 전원 920: 마스터
921: 분석부 923: 통신부
930: 슬레이브 940: 전압제어기
941: 통신부 942: 전류센서
843: 제어부 950: 반도체스위치
960: 발열유리 961: 전원단자

Claims (16)

1개의 마스터 제어 유니트 및 복수의 슬레이브 전력 유니트를 포함하는 발열유리 제어장치에 있어서,
상기 슬레이브 전력 유니트는 전압제어기, 반도체스위치, 전원단자 및 발열유리를 포함하되,
상기 전압제어기는 전력선 통신의 방법으로 상기 마스터 제어 유니트와 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 전압제어기는 전력 전송이 이루어지는 출력제어구간과 전력선 통신이 이루어지는 통신구간을 시간적으로 분리하여 통신구간에만 전력선 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 전압제어기는 통신부, 전류센서 및 제어부를 포함하되,
상기 통신부는 상기 마스터 제어 유니트와 상기 슬레이브 전력 유니트 사이의 전력선 통신을 수행하고,
상기 제어부는 상기 반도체스위치로 제어신호를 보내어 전원으로부터 상기 발열유리로 공급되는 전력량을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제3항에 있어서,
상기 발열유리는 온도센서를 포함하되,
상기 온도센서는 상기 발열유리의 온도를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제3항에 있어서,
상기 발열유리는 온도센서를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제5항에 있어서,
상기 전압제어기는 전류센서를 포함하되,
상기 전류센서는 상기 발열유리에 흐르는 전류의 세기를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제6항에 있어서,
상기 제어부는 수학식
Figure 112014120838438-pat00010

(Rwire는 열선의 온도가 Twire일 때의 열선의 저항값, R0은 열선의 온도가 Twire0일 때의 열선의 저항값, a는 열선의 저항 온도 계수)
을 이용하여 열선의 온도 Twire를 계산하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제7항에 있어서,
상기 제어부는 상기 열선의 온도 및 열 등가회로를 이용하여 발열유리의 온도를 계산하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
제8항에 있어서,
상기 열 등가회로는
실내와 실외의 온도 차이가 기 설정된 온도 차이보다 큰 경우에는 수학식
Figure 112014120838438-pat00011

(Tglass_outside는 바깥쪽 유리의 온도, Twire는 열선의 온도, Pwire는 열선의 열량, R wire_to_glass은 열선과 유리 사이의 열저항)
을 이용하여 상기 발열유리의 온도를 계산하고,
실내와 실외의 온도 차이가 기 설정된 온도 차이보다 작은 경우에는 수학식
Figure 112014120838438-pat00012

(Tglass는 안쪽 또는 바깥쪽 유리의 온도, Twire는 열선의 온도, Pwire는 열선의 열량, R wire_to_glass은 열선과 유리 사이의 열저항)
을 이용하여 상기 발열유리의 온도를 계산하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어장치.
1개의 마스터 제어 유니트 및 복수의 슬레이브 전력 유니트를 포함하는 발열유리의 제어방법에 있어서,
전력선 통신을 이용하여 통신선 없이 전력선만으로 발열유리를 제어하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법.
제10항에 있어서,
전력 전송이 이루어지는 출력제어구간과 전력선 통신이 이루어지는 통신구간을 시간적으로 분리하여 통신구간에만 전력선 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법.
제11항에 있어서,
상기 통신구간에 이루어지는 전력선 통신은
상기 마스터 제어 유니트가 상기 복수의 슬레이브 전력 유니트 중 하나의 슬레이브 전력 유니트를 호출하는 과정;
호출된 슬레이브 전력 유니트가 상기 마스터 제어 유니트로 상태정보를 전송하는 과정;
상기 마스터 제어 유니트가 상기 상태정보를 참고하여 상기 호출된 슬레이브 전력 유니트에게 제어명령을 전송하는 과정;
상기 호출된 슬레이브 전력 유니트가 상기 제어명령을 수행한 후 상태정보를 갱신하는 과정;
상기 호출된 슬레이브 전력 유니트가 상기 마스터 제어 유니트로 갱신된 상태정보를 전송하는 과정; 및
상기 마스터 제어 유니트가 활성화된 모든 슬레이브 전력 유니트와 통신을 한 경우, 상기 마스터 제어 유니트와 상기 모든 슬레이브 전력 유니트의 동기화를 수행하는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 상태정보를 전송하는 과정은 발열유리의 온도를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 상태정보를 전송하는 과정은 수학식
Figure 112014120838438-pat00013

(Rwire는 열선의 온도가 Twire일 때의 열선의 저항값, R0은 열선의 온도가 Twire0일 때의 열선의 저항값, a는 열선의 저항 온도 계수)
을 이용하여 열선의 온도 Twire를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법.
제14항에 있어서,
상기 상태정보를 전송하는 과정은 상기 열선의 온도 및 열 등가회로를 이용하여 발열유리의 온도를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법.
제15항에 있어서,
상기 열 등가회로는
실내와 실외의 온도 차이가 기 설정된 온도 차이보다 큰 경우에는 수학식
Figure 112014120838438-pat00014

(Tglass_outside는 바깥쪽 유리의 온도, Twire는 열선의 온도, Pwire는 열선의 열량, Rwire_to_glass은 열선과 유리 사이의 열저항)
을 이용하여 상기 발열유리의 온도를 계산하고,
실내와 실외의 온도 차이가 기 설정된 온도 차이보다 작은 경우에는 수학식
Figure 112014120838438-pat00015

(Tglass는 안쪽 또는 바깥쪽 유리의 온도, Twire는 열선의 온도, Pwire는 열선의 열량, Rwire_to_glass은 열선과 유리 사이의 열저항)
을 이용하여 상기 발열유리의 온도를 계산하는 것을 특징으로 하는 발열유리 제어방법.
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