KR101620387B1 - 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 및 이를 통한 충방전방법 - Google Patents

하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 및 이를 통한 충방전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 기존의 휴대용 충전배터리팩이 외부커버 및 보호커버 없어서, 접지단자 및 접속된 전자기기쪽으로 빗물이나 이물질이 유입될 경우에, 과전류 및 과전압으로 인해 기기의 오작동을 많이 일으키는 문제점과, 항상 고정된 5V, 12V 만을 출력시키고, 사용범위가 좁은 문제점과, 고정일체형 타입으로 제작되어 있어, 배터리수명이 다되면, 또 다른 충전배터리 교환없이, 통째로 버려야 하므로, 자원낭비가 심하고, 환경오염을 불러일으키는 문제점을 개선하고자, 박스형상으로 이루어지고, 상하부의 덮개힌지구조로 형성되어 휴대하기 간편하고, 충격에 강하고, 이동중에도 전기기기를 보호하면서 충전할 수 있으며, 충전배터리부를 팩구조로 규격화시켜 내부공간에서 탈부착식으로 설치하고 해체시킬 수 있어, 기존에 비해 충전배터리 탈착식 보관 및 휴대가능하고, 다른 전자기기에도 호환시켜 배터리전원을 공급시킬 수 있고, 충전배터리부에 충전된 전원을 5V, 9V, 12V, 19V, 24V 중 어느 하나로 선택한 가변형 DC전원으로 가변시켜 접속된 전기기기의 전원기준에 맞게 1:1 맞춤형으로 출력시킬 수 있어, 선박, 야외공연장, 캠핑장, 공사장, 회사, 가정, 군사용으로 폭넓게 사용할 수 있으며, 무엇보다 복수개의 충전배터리를 병렬충전과 순차충전의 트윈방식으로 4.2V까지 충전시키도록 제어시키고, 2.9V까지 방전이 되도록 제어시킬 수 있어, 충방전 회수를 최소화하여 배터리의 수명을 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있는 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 및 방법를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 및 이를 통한 충방전방법{THE APPARATUS AND METHOD OF SMART POWER BANK WITH HYBRID CHARGING}
본 발명에서는 휴대하면서 선박, 야외공연장, 캠핑장, 공사장, 회사, 가정, 군사용으로 폭넓게 사용할 수 있고, 충전시키고자 하는 전기기기를 내부공간에서 보호하면서 충전시킬 수 있고, 외부전원을 인가받아 내부의 충전배터리부를 고속충전시킬 수 있는 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 및 이를 통한 충방전방법에 관한 것이다.
현재, 선박, 야외공연장, 캠핑장에서 주로 사용하고 있는 휴대용 충전배터리팩의 경우에 사각박스형상의 구조로 이루어져, (+)단자,(-)단자에 전원소켓을 인가시켜 전기기기에 전원을 공급시킨다.
하지만, 기존의 휴대용 충전배터리팩은 외부커버 및 보호커버 없어서, 접지단자 및 접속된 전자기기쪽으로 빗물이나 이물질이 유입될 경우에, 과전류 및 과전압으로 인해 기기의 오작동을 많이 일으키는 문제점이 있었다.
또한, 항상 고정된 5V, 12V 만을 출력시키기 때문에 별도의 DC-DC변환기 또는 AC-DC변환기를 따로 설치해야 하는 문제점과, 출력전원이 고정되어 있어, 특정 전자기기에만 적용시킬 수 있어, 사용범위가 좁은 문제점이 있었다.
무엇보다, 휴대용 충전배터리팩이 고정일체형 타입으로 제작되어 있어, 장시간 사용시, 충방전횟수와 배터리 충전용량에 의해 배터리수명이 다되면, 또 다른 충전배터리 교환없이, 통째로 버려야 하므로, 자원낭비가 심하고, 환경오염을 불러일으키는 주범이 되고 있다.
특허등록공보 제20-0458949호(2012년03월21일 공고)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 박스형상으로 이루어지고, 상하부의 덮개힌지구조로 형성되어 휴대하기 간편하고, 충격에 강하고, 이동중에도 전기기기를 보호하면서 충전할 수 있으며, 충전배터리부를 팩구조로 규격화시켜 내부공간에서 탈부착식으로 설치하고 해체시킬 수 있고, 충전배터리부에 충전된 전원을 5V, 9V, 12V, 19V, 24V 중 어느 하나로 선택한 가변형 DC전원으로 가변시켜 접속된 전기기기의 전원기준에 맞게 1:1 맞춤형으로 출력시킬 수 있으며, 배터리의 수명을 향상시킬 수 있는 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이드리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치는
상하부의 덮개힌지구조로 이루어져 접속된 전기기기를 내부공간에서 보호하면서, 외부로부터 전원을 전달받아 복수개의 충전배터리를 병렬충전과 순차충전의 트윈방식으로 충전시키는 스마트 파워뱅크장치로 이루어지고,
상기 스마트 파워뱅크장치는
박스형상으로 이루어지고, 상하부의 덮개힌지구조로 형성되어 외압으로부터 각 기기를 보호하고 지지하는 박스형본체(100)와,
박스형본체의 외부표면상에 위치되어, 각 기기의 구동상태와 충전배터리의 상태를 표출시키는 디스플레이부(200)와,
박스형본체의 내부공간 일측에 위치되어, 외부로부터 전원을 인가받아 충전배터리부로 전원을 전달시키는 파워뱅크형 전원입력부(300)와,
박스형본체의 내부공간 타측에 위치되어, 충전배터리부에 충전된 전원을 공급받아 접속된 전기기기쪽으로 출력시키는 파워뱅크형 전원출력부(400)와,
각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 스마트제어부(500)가 포함되어 구성됨으로서 달성된다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크를 통한 충전방법은
휴대용 스마트 파워뱅크장치의 전원스위치를 온(ON)시키는 단계(S100)와,
마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 체크하는 단계(S110)와,
파워뱅킹용 전원입력부를 통해 외부 공급 전원 유무 상태와 외부 전원의 공급 가능 전원을 검사하는 단계(S120)와,
마이크로프로세서부에서 파워뱅크용 전원입력부를 센싱해서, 외부입력전원의 공급 전력이 충분한 전원이면 동시 충전 모드로 출력신호를 보내는 단계(S130)와,
마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 검사하여 충전배터리부의 출력전압이 최대충전전압(Vcmax)이상이고, 전류가 최소충전전류(Icmin)이하이면 입력전원스위치를 닫아 해당 충전지팩의 충전을 중단시키는 단계(S140)와,
마이크로프로세서부에서 모든 충전배터리부의 충전이 완료되면, 충전 모드를 해제시키고 대기모드로 복귀하는 단계(S150)로 이루어짐으로서 달성된다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크를 통한 방전방법은
휴대용 스마트 파워뱅크장치의 전원스위치를 온(ON)시키는 단계(S200)와,
마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 체크하는 단계(S210)와,
충전배터리부의 외부 공급 전원 유무 상태와 외부 전원의 공급 가능 전원을 검사하는 단계(S220)와,
마이크로프로세서부에서 가변전원부에 부하가 걸려있으면 가변전원부에 전원을 공급시키고, 고정전원부에 부하가 걸려있으면 고정전원부에 전원을 공급시키는 단계(S230)와,
마이크로프로세서부에서 가변전원부에 전원공급시, 검사한 충전배터리부의 충전 상태로 가장 낮은 번호의 충전배터리부를 선택하는 단계(S240)와,
마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 출력전압 및 출력전류를 검사한 후, 출력전압이 최적방전차단전압(Vdopt)이하이면 교체 충전배터리부 유무를 판단하는 단계(S250)와,
마이크로프로세서부에서 고정전원부에 전원공급시, 검사한 충전배터리부의 충전 상태로 가장 낮은 번호의 충전배터리부를 선택하는 단계(S260)와,
마이크로프로세서부에서 해당 충전배터리부의 출력 전압 및 전류를 검사한 후, 출력전압이 최적방전차단전압(Vdopt)이하이면 교체 충전배터리부 유무를 판단하는 단계(S270)와,
마이크로프로세서부에서 비상전원모드를 구동시키는 단계(S280)로 이루어짐으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 휴대하기 간편하고, 충격에 강하고, 이동중에도 전기기기를 보호하면서 충전할 수 있으며, 충전배터리부를 팩구조로 규격화시켜 내부공간에서 탈부착식으로 설치하고 해체시킬 수 있어, 기존에 비해 충전배터리 탈착식 보관 및 휴대가능하고, 다른 전자기기에도 호환시켜 배터리전원을 공급시킬 수 있고, 5V, 9V, 12V, 19V, 24V 중 어느 하나로 선택한 가변형 DC전원을 통해 접속된 전기기기의 전원기준에 맞게 1:1 맞춤형으로 출력시킬 수 있어, 선박, 야외공연장, 캠핑장, 공사장, 회사, 가정, 군사용으로 폭넓게 사용할 수 있으며, 스마트충전모드와, 4채널 4단자망 방식의 급속충전이 결합된 하이브리드 고속충전방식으로 기존에 비해 충전시간을 10분~20분으로 단축시킬 수가 있고, 무엇보다 복수개의 충전배터리를 병렬충전과 순차충전의 트윈방식으로 4.2V까지 충전시키도록 제어시키고, 2.9V까지 방전이 되도록 제어시킬 수 있어, 충방전 회수를 최소화하여 배터리의 수명을 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 (1)의 외부모습을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치(1)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치가 오픈된 구조로 형성된 것을 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 파워뱅크형 전원입력부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 파워뱅크형 전원출력부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 가변전원부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 8은 본 발명에 따른 고정전원부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 9는 본 발명에 따른 스마트제어부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 10은 본 발명에 따른 마이크로프로세서부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 11은 본 발명에 따른 파워뱅크형 전원입력부를 통해 외부로부터 전원을 인가받아 충전배터리부로 전원을 전달시키는 것을 도시한 일실시예도,
도 12는 본 발명에 따른 파워뱅크형 전원출력부를 통해 충전배터리부에 충전된 전원을 공급받아 접속된 전기기기쪽으로 출력시키는 것을 도시한 일실시예도,
도 13은 본 발명에 따른 4채널 4단자 충전회로부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 14는 본 발명에 따른 스마트충전모드를 통해 충전배터리부의 충전최대전압(Vcmax)를 4.1V로 설정하고, 충전시작전압(Vcstart)을 3.3V로 설정하여, 3.3V가 되면 충전을 스타트시키고, 최소충전전류(Icmin) 값을 2.5V로 설정하여 충전배터리부에 공급되는 전류량이 최소충전전류(Icmin) 값인 2.5V 이하로 떨어지면 충전을 중지시키는 것을 도시한 그래프,
도 15는 본 발명에 따른 마트방전모드를 통해 배터리충전전압을 4.2V까지 충전시키고, 배터리방전전압을 2.9V까지 방전시키는 것을 도시한 그래프,
도 16은 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크를 통한 충전방법을 도시한 순서도,
도 17은 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크를 통한 방전방법을 도시한 순서도.
먼저, 본 발명에서 설명되는 고속충전은 하이브리드방식으로 이루어진다.
여기서, 하이브리드방식이라는 것은 충전배터리부의 출력 전압이 충전시작전압(Vcstart)이하가 되면 충전을 스타트시키는 스마트충전모드와, 4채널 4단자망 방식의 급속충전이 결합되어 이루어지는 것을 말한다.
즉, 스마트충전모드에서 충전배터리부의 출력 전압이 충전시작전압(Vcstart) 3.3V 이하가 되면 충전을 스타트시키고, 이때 충전스타트신호가 4채널 4단자 충전회로부로 전달되면, 4채널 4단자 충전회로부가 구동되어, 충전배터리부를 4채널 4단자망 방식으로 급속충전시킨다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 (1)의 외부모습을 도시한 사시도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치(1)의 구성요소를 도시한 블럭도에 관한 것이며, 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치(1)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 상하부의 덮개힌지구조로 이루어져 접속된 전기기기를 내부공간에서 보호하면서, 외부로부터 전원을 전달받아 복수개의 충전배터리를 병렬충전과 순차충전의 트윈방식으로 고속충전시키도록 구성된다.
보다 구체적으로는, 박스형본체(100), 디스플레이부(200), 파워뱅크형 전원입력부(300), 파워뱅크형 전원출력부(400), 스마트제어부(500)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 박스형본체(100)에 관해 설명한다.
상기 박스형본체(100)는 박스형상으로 이루어지고, 상하부의 덮개힌지구조로 형성되어 외압으로부터 각 기기를 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상부박스형 커버(110)와 하부박스형 커버(120)로 이루어지고, 상부박스형 커버와 하부박스형 커버 사이에 힌지부(130)가 구성되고, 정면헤드부 상에 끼움걸이부(140)가 포함되어 구성된다.
외부표면상에 디스플레이부가 형성되고, 외부 측면 일측에 파워뱅크형 전원입력부가 형성되며, 외부 측면 타측에 파워뱅크형 전원출력부가 형성되고, 내부공간 일측에 스마트제어부가 포함되어 구성된다.
그리고, 본 발명에 따른 박스형본체는 덮개를 오픈시키는 오픈구조와, 덮개를 클로즈시키는 클로즈구조로 동작된다.
그리고, 오픈구조로 오픈되었을 때, 내부공간의 양면에 충전배터리부가 내부커버(150) 안쪽에 각각 탈부착식으로 설치되어 구성된다.
또한, 상부박스형 커버의 내부공간 일측에 파우치백(160)이 형성되어, 충전배터리에 접속시켜 충전시키고자 하는 전자기기를 외부의 충격으로 보호시키고 수납시킨다.
본 발명에 따른 충전배터리부는 비디오디스켓 형상과 같이 직사각형상으로 이루어져, 탈부착식으로 내부커버에 설치된다.
또한, 본 발명에 따른 박스형본체는 열가소성 폴리우레탄, 폴리에스터와 가볍고, 내구성이 우수한 유리섬유강화 플라스틱 또는 탄소섬유강화 플라스틱 재질을 사용할 수 있으나,
더욱 바람직하게는 엔지니어링 플라스틱인 폴리아세탈 수지에 유리섬유와 카본의 첨가하여 제조된 것을 사용한다.
구체적으로 살펴보면, 엔지니어링 플라스틱인 폴리아세탈 수지 20~50wt%, 유리섬유 49~79wt%, 카본 0.1~1wt%의 혼합으로 조성된 조성물을 이용하여 박스형본체를 사출성형하되,
폴리아세탈 수지는 고분자 내의 수분을 제거하기 위하여 사출 전 110~130℃에서 3~5시간 동안 건조한 후, 사출온도 190~220℃, 사출압력 100~110Mpa, 금형온도 50~65℃로 하여 사출성형한다.
상기 폴리아세탈 폴리머는 결정성 고분자로써 호모폴리머(homopolymer)와 코폴리머(copolymer)의 두 종류가 있으며 플라스틱 재료 중에서 우수한 내피로성과 내크리프(creep)성 및 낮은 마찰계수를 가지고 있다. 호모폴리머는 포름알데히드(formaldehyde)를 원료로 하여 제조되고,높은 인장강도와 굽힘강도를 가지며 내피로성과 경도가 우수하다. 또한 마찰저항이 적어서 내마모성 및 내열성과 내수성이 뛰어나다.
상기 폴리아세탈 수지의 사용량이 20wt% 미만인 경우에는 박스형본체 성형이 제대로 이루어지지 않고, 50wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 다른 성분들의 함량이 줄어들어, 내구성 등의 물리적 특성이 저하되는 문제가 있으므로, 상기 폴리아세탈 수지의 사용량은 전체 조성물의 20~50wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 유리섬유는 SiO2 52~75.5wt%, Al2O3 0.5~23.8wt%, CaO 0.01~25wt%, MgO 0.5 ~ 10.3wt%, B2O3 0.01 ~ 21.8wt%, Na2O+K2O 0.27~18wt%의 화학조성을 갖는 E-glss, C-glass, AR-glass, S-glass, D-glass 중에서 어느 1을 선택하여 사용하며, 이때 유리섬유의 비중은 2.57, 연화온도 850℃, 유전율(1MHz 22℃) 6.70이며, 두께 1.11~1.20mm, 중량 920~998.1g/㎡, 인장강도 755.4~816.3 kg/inch, 신율 4.0~4.8%이다.
상기 유리섬유의 사용량이 49wt% 미만인 경우에는 인장강도, 휨강도 등이 떨어지고, 79wt%를 초과하게 되는 경우에는 박스형본체 성형이 용이하지 않을 수 있으므로, 상기 유리섬유의 사용량은 전체 조성물의 49~79wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 카본은 강도 증가를 위해 사용하는 보조제로서, 그 사용량이 0.1wt% 미만인 경우에는 물리적 특성 향상을 위한 보조제로서의 기능이 미미하고, 1wt%를 초과하게 되는 경우에는 성형이 원활하게 이루어지지 않아 고품질의 박스형본체 제조가 이루어지지 않는 문제가 있으므로, 상기 카본의 사용량은 전체 조성물의 0.1~1wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 조성물의 성분 구성비를 예시적으로 제시하자면, 폴리아세탈 수지 30wt%, 유리섬유 69.7wt%, 카본 0.3wt%이다.
이외에, 유리섬유강화플라스틱을 사용하여 박스형본체를 제조할 수 있다.
즉, 비닐에스터 수지 10 ~ 50wt%에 유리섬유 70 ~ 90wt%를 함침시켜 제조하는 것으로, 더욱 바람직하게는 E-glass 유리섬유 70wt%와 비닐에스터 수지 30wt%의 배합비율을 유지하는 것이 바람직하다.
상기 비닐에스터수지는 내화학성 및 고온에서의 저항성이 폴리에스터수지에 비해 우수하고, 또한 폴리에스터수지, 에폭시수지에 비해 생산과정이 쉽다.
상기 비닐에스터 수지의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 유리섬유강화플라스틱의 몸체의 형성에 문제를 일으킬 수 있고, 50wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 유리섬유의 사용량이 줄어들어 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 비닐에스터 수지는 유리섬유강화플라스틱의 전체 성분함량에 대해 10 ~ 50wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유리섬유는 폴리아세탈 수지에 첨가하는 유리섬유와 동일한 것을 사용하며, 이때 사용량이 사용량이 70wt% 미만인 경우에는 인장강도, 휨강도 등이 떨어지고, 90wt%를 초과하게 되는 경우에는 박스형본체 성형이 용이하지 않을 수 있으므로, 상기 유리섬유의 사용량은 전체 조성물의 70~90wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
상기 조성물의 성분 구성비를 예시적으로 제시하자면, 비닐에스터 수지 30wt%, 유리섬유 70wt%이다.
다음으로, 본 발명에 따른 디스플레이부(200)에 관해 설명한다.
상기 디스플레이부(200)는 박스형본체의 외부표면상에 위치되어, 각 기기의 구동상태와 충전배터리의 상태를 표출시키는 역할을 한다.
이는 LCD모니터창으로 구성된다.
상기 디스플레이부는 일측에 키입력부가 포함되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 파워뱅크형 전원입력부(300)에 관해 설명한다.
상기 파워뱅크형 전원입력부(300)는 도 11에 도시한 바와 같이, 박스형본체의 내부공간 일측에 위치되어, 외부로부터 전원을 인가받아 충전배터리부로 전원을 전달시키는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 AC-DC변환기(310), 제1 DC-DC변환기(320), 전력분배기(330), 입력전원스위치부(340)로 구성된다.
상기 제1 AC-DC변환기(310)는 송전된 AC전원을 충전용 DC전원으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 AC-DC컨버터IC로 구성된다.
여기서, AC-DC컨버터IC는 AC 110V/220V ±20%, 50/60Hz 입력전압, 50-60 Hz 주파수 범위를 가지고, 트랜스포머를 사용하지 않고, 소형 경량화된 전력 공급회로 구현시키며, IC PIN에 AC전류를 직접 입력시키고, 무부하시 소비전류 0.1mA로 극소화시키고, 1% 정전압 안정도를 가지며, 5% 부하 안정도를 실현시키고, Idrv(5 pin)에 최대 4mA 로 회로 구동시키고, 과전압 보호회로를 내장하며, 표준 8 pin SOP ㅍ패킷지를 제공하고, 무부하시 0.1W 이하로 대기전력을 최소화시키는 특성을 가진다.
상기 제1 DC-DC변환기(320)는 차량용 시거잭, 태양광발전기, 풍력발전기에서 나오는 전력을 충전용 전원으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 벅(buck) 컨버터, 부스트(boost) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 플라이백(flyback) 컨버터 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 벅컨버터는 강압형 컨버터로서, 입력단과 출력단이 같은 접지를 공유하는 회로에 사용된다. 일정한 주기로 스위칭하는(on/off 를 반복하는) 스위칭 소자를 이용하여, 스위치가 on 되어있는 동안 입력전원이 회로에 연결되고 off 되어있는 동안은 끊어진다. 이와같이 주기적으로 연결되었다 끊어졌다 하는 펄스모양의 전압을 LC 필터를 통해 평활(평균)하여 직류전압을 출력시키는 특성을 가진다.
상기 부스터컨버터는 승압형 컨버터 라고도 하며, 입력단과 출력단의 접지가 같은 경우에 사용할 수 있는 회로로 구성된다. 즉, 스위치가 온(on)되어있는 동안은 입력전원이 인덕터 양단에 연결되어 전류의 충전이 이루어지고, 스위치가 off 되면 충전된 전류가 부하 측 필터로 전달되는 특성을 가진다.
상기 포워드 컨버터는 전압원 방식의 컨버터로서, 입력단과 출력단의 사이에 고주파 변압기를 사용하여 입출력간의 전기적 절연이 되어있는 회로로 구성된다. 그리고, 변압기의 2 차 측에 2 개 이상의 권선을 적용하여 다출력 전원이 구성된다.
상기 플라이백 컨버터는 부스트컨버터의 변압기 절연된 버전으로서, 변압기의 자화인덕턴스 성분을 부스트 인덕터로 활용하며, 스위치가 온(on) 되면 변압기의 자화 인덕턴스가 충전되고, 스위치가 오프(off) 되면 자화 인덕턴스의 전류가 변압기 2 차 측으로 넘어가면서 Vo=N*D*Vi/(1-D)의 출력전압을 만들어낸다. 이는 입출력 절연이 되고 가장 부품수가 적은 회로의 특성을 가진다.
상기 전력분배기(330)는 제1 AC-DC변환기 및 제1 DC-DC변환기에서 들어오는 전력을 충전배터리부에 분배시키는 역할을 한다.
상기 입력전원스위치부(340)는 스마트제어부의 제어신호에 따라 구동되어, 전력분배기에 들어오는 전력을 충전배터리부에 전달되도록 스위칭개폐시키는 역할을 한다.
또한, 본 발명에 따른 파워뱅크형 전원입력부(300)는 고속충전장치로서, 충전배터리부에 차량용 시거잭, 태양광발전기, 풍력발전기에서 나오는 전력을 고속충전시키는 4채널 4단자 충전회로부(350)가 포함되어 구성된다.
상기 4채널 4단자 충전회로부(350)는 박스형본체의 내부공간 일측에 위치되고, 마이크로프로세서부의 충전스타트신호가 입력되면 구동되어, 제1 DC-DC변환기를 통해 충전용전원으로 변환시킨 차량용 시거잭, 태양광발전기, 풍력발전기의 전기를 이용하여 충전배터리부를 4채널 4단자망 방식으로 급속충전시키는 역할을 한다.
이는 도 13에 도시한 바와 같이, 전력변환부(Power Control)(351), 충전제어부(352), 4단자망 컨트롤보드부(353)로 구성된다.
상기 전력변환부(Power Control)(351)는 제1 DC-DC변환기를 통해 충전용전원으로 변환시킨 차량용 시거잭, 태양광발전기, 풍력발전기의 전기를 충전배터리부의 용량에 따라 다운시켜 공급되도록 전력을 변환시키는 곳으로, 이는 DC/DC컨버터부와, 버퍼부, 제1D/A 컨버터부, 증폭부, DAR 트랜지스터로 구성된다.
상기 충전제어부(352)는 전력변환부(Power Control)를 통해 변환된 전력을 공급받아 4단자망 컨트롤 보드부 및 충전배터리부에 웨이크업 구동신호를 보내고, 4단자망 컨트롤 보드부를 통해 각 충전배터리부의 입력전압, 입력전류, 출력전압, 출력전압을 읽어들여 4단자 망에 의한 검출 및 연산처리한 후, 충전배터리부를 4채널 4단자망 방식으로 충전시키도록 설정된 타이밍에 기준설정치로 샘플링을 행하고, 4채널로 순차적으로 4채널 배터리 전원 공급모듈을 충전시키도록 제어하는 역할을 한다.
상기 4단자망 컨트롤보드부(353)는 충전배터리부의 각 (+)단자와 (-)단자에 연결되어, 충전배터리부의 입력전압, 입력전류, 출력전압, 출력전압을 읽어들여 아날로그신호를 디지털 신호로 변환시킨 후, 충전제어부로 충전배터리부의 입력전압, 입력전류, 출력전압, 출력전압에 관한 8비트 디지털 신호를 전송시키는 역할을 한다.
이처럼, 본 발명에 따른 4채널 4단자 충전회로부(350)가 파워뱅크형 전원입력부(300)에 포함되어 구성됨으로서, 충전배터리부를 차량용 시거잭, 태양광발전기, 풍력발전기의 전기를 이용하여 충전시, 기존에 비해 충전시간을 10분~20분으로 단축시킬 수가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 파워뱅크형 전원출력부(400)에 관해 설명한다.
상기 파워뱅크형 전원출력부(400)는 도 12에 도시한 바와 같이, 박스형본체의 내부공간 타측에 위치되어, 충전배터리부에 충전된 전원을 공급받아 접속된 전기기기쪽으로 출력시키는 역할을 한다.
이는 도 6에 도시한 바와 같이, 가변전원부(410), 고정전원부(420)로 구성된다.
[가변전원부(410)]
상기 가변전원부(410)는 스마트제어부의 제어신호에 따라 충전배터리부에 충전된 전원을 5V, 9V, 12V, 19V, 24V 중 어느 하나로 선택한 가변형 DC전원으로 가변시켜 접속된 전기기기의 전원기준에 맞게 1:1 맞춤형으로 출력시키는 역할을 한다.
이는 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 DC-AC 변환기(411), 제2 DC-DC변환기(412), 제1 전원안정기(413), 가변전원스위치(414)로 구성된다.
상기 제1 DC-AC 변환기(411)는 충전배터리부에서 출력된 전원을 AC전원으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 직류전압원으로 사용되는 전압형 인버터, 직류전류원으로 사용되는 전류형 인버터 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 전압형 인버터는 교류전원을 사용할 경우에, 교류측 변환기 출력의 맥동을 줄이기 위하여 LC필터를 사용하여 구성된다.이는 제어방식이 PAM제어인 경우 컨버터부에서 전압이 제어되고, 인버터부에서 주파수가 제어되며, PWM제어인 경우 컨버터부에서 정류된 DC전압을 인버터부에서 전압과 주파수를 동시에 제어하는 특성을 가진다. 그리고, 모든 부하에서 정류( COMMUTATION )가 확실하고, 속도제어 범위가 1 : 10 까지 확실하며, 인버터 계통의 효율이 매우 높고, 제어회로 및 이론이 비교적 간단하며, 주로 소, 중용량에 사용하는 특성을 가진다.
상기 전류형 인버터는 DC LINK 양단에 평활용 콘덴서 대신에 리액터(L)을 사용하여 구성된다. 이는 4상한 운전이 가능하고, 전류회로가 간단하며, 고속 THYRISTOR가 필요없으며, 전류가 제한되므로 PULL-OUT 되지 않고, 과부하시에도 속도만 낮아지고 운전이 가능하며,넓은 범위에서 효과적인 토오크제어를 할 수 있고, 유도성 부하외에 용량성 부하에도 사용할 수 있으며, 스위칭 소자 및 출력 변압기의 이용률이 높으며, 일정 전류특성으로 강력한 전압원을 가한것 처럼 기동 토오크가 큰 특성을 가진다.
상기 제2 DC-DC변환기(412)는 충전배터리부에서 출력된 전원을 5V, 9V, 12V, 19V, 24V 중 어느 하나로 선택한 가변형 DC전원으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 벅(buck) 컨버터, 부스트(boost) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 플라이백(flyback) 컨버터 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 제1 전원안정기(413)는 가변전원스위치와 충전배터리부 사이의 연결을 교체하거나, 또는 충전배터리부만을 탈부착식으로 교체시, 각 기기에 기준전원에 맞게 설정된 안정된 전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 대용량의 축전지(캐패시터)와 전력제어회로로 구성된다.
상기 가변전원스위치(414)는 스마트제어부로부터 온오프명령신호를 전달받아 충전배터리부와의 연결을 개폐시키는 역할을 한다.
이는 전자스위치로 구성된다.
[고정전원부(420)]
상기 고정전원부(420)는 스마트제어부의 제어신호에 따라 충전배터리부에 충전된 전원을 설정된 기준전원으로 고정시켜 접속된 전기기기쪽으로 기준전원만을 출력시키는 역할을 한다.
이는 도 8에 도시한 바와 같이, 제3 DC-DC 변환기(421), 제2 전원안정기(422), 고정전원스위치(423)로 구성된다.
상기 제3 DC-DC 변환기(421)는 충전배터리부에서 출력된 전원을 설정된 기준전원으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 벅(buck) 컨버터, 부스트(boost) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 플라이백(flyback) 컨버터 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 제2 전원안정기(422)는 고정전원스위치와 충전배터리부 사이의 연결을 교체하거나, 또는 충전배터리부만을 탈부착식으로 교체시, 각 기기에 기준전원에 맞게 설정된 안정된 전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 대용량의 축전지(캐패시터)와 전력제어회로로 구성된다.
상기 고정전원스위치(423)는 스마트제어부로부터 온오프명령신호를 전달받아 충전배터리부와의 연결을 개폐시키는 역할을 한다.
이는 전자스위치로 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 스마트제어부(500)에 관해 설명한다.
상기 스마트제어부(500)는 각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다.
이는 도 9에 도시한 바와 같이, 입력부(510), 메모리부(520), 마이크로프로세서부(530), 출력부(540)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 입력부(510)에 관해 설명한다.
상기 입력부(510)는 충전배터리부와 연결되어, 충전배터리부의 입력전류값, 입력전압값, 출력전류값, 출력전압값을 입력받아 마이크로프로세서부로 전달시키는 역할을 한다.
둘째, 본 발명에 따른 메모리부(520)에 관해 설명한다.
상기 메모리부(520)는 스마트 파워뱅크장치의 전체적인 구동에 관한 프로그램 및 데이터를 저장시키는 역할을 한다.
셋째, 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(530)에 관해 설명한다.
상기 마이크로프로세서부(530)는 입력부로부터 입력받은 충전배터리부의 입력전류값, 입력전압값, 출력전류값, 출력전압값에 따라 충전배터리부의 상태를 체크하여 출력부쪽으로 출력신호를 출력시켜, 복수개의 충전배터리를 병렬충전과 순차충전의 트윈방식으로 4.2V까지 고속충전시키도록 제어시키고, 2.9V까지 방전이 되도록 제어시키는 역할을 한다.
이는 도 10에 도시한 바와 같이, 파워뱅크 이력관리모드(531), 비상전원모드(532), 화면표출제어모드(533)로 구성된다.
상기 파워뱅크 이력관리모드(531)는 입력부로부터 입력받은 충전배터리부의 입력전류값, 입력전압값, 출력전류값, 출력전압값으로 충전 전력량과 방전 전력량을 연산시키고 저장시키는 역할을 한다.
이는 충전배터리부를 팩 단위로 충방전 횟수를 카운트하고 기록한다.
상기 비상전원모드(532)는 충전배터리부에 남아 있는 용량을 체크하여, 체크된 용량을 기준으로 가변전원부와 고정전원부쪽으로 비상전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 일예로, 착탈식 충전배터리부의 전원 사용이 다 소진되었을 시, 착탈식 충전배터리부에 남은 비상 전력 용량과, 고정식 충전지배터리부의 전력 용량을 이용하여 가변전원부와 고정전원부에 전력을 동시에 공급하면서 외부로 충전배터리부의 충전용량을 표출시킨다.
상기 화면표출제어모드(533)는 각 기기의 구동상태와 충전배터리의 상태를 디스플레이부쪽으로 출력시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 LCD모니터창으로 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(530)는 충전배터리부의 출력 전압이 충전시작전압(Vcstart)이하가 되면 충전을 스타트시키는 스마트충전모드(534)가 포함되어 구성된다.
즉, 충전배터리부의 충전 용량이 50%이상 충전이 되면, 충전배터리부의 전압이 4.1V이상 올라가서, 충전 용량을 정확하게 측정하기가 어렵게 된다.
이에, 본 발명에 따른 스마트충전모드(534)는 도 14에서 도시한 바와 같이, 충전배터리부의 충전최대전압(Vcmax)를 4.1V로 설정하고, 충전시작전압(Vcstart)을 3.3V로 설정하여, 3.3V가 되면 충전을 스타트시키고, 최소충전전류(Icmin) 값을 2.5V로 설정하여 충전배터리부에 공급되는 전류량이 최소충전전류(Icmin) 값인 2.5V 이하로 떨어지면 충전을 중지시킨다.
상기 스마트충전모드는 충전배터리부의 출력 전압이 충전시작전압(Vcstart)이하가 되면, 충전스타트신호를 4채널 4단자 충전회로부 쪽으로 출력시킨다.
그리고, 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(530)는 방전시, 배터리용량의 20%정도까지 방전하고 나머지 전원을 비상용으로 남겨두는 스마트방전모드(535)가 포함되어 구성시킨다.
즉, 충전배터리부의 출력전압을 측정하여 과방전전압(Vdmin)에 이르기 전에 최적 방전 차단 전압(Vdopt)에서 방전을 차단시킨다.
충전배터리부가 리튬이온전지로 구성될 경우에, Vdopt는 약 2.9V가 된다.
그리고, 리튬2차전지의 경우에 총 충전용량의 20~80%사이에서 사용하는 것이 장기간 사용할 수가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 스마트방전모드(535)는 도 15에서 도시한 바와 같이, 배터리충전전압을 4.2V까지 충전시키고, 배터리방전전압을 2.9V까지 방전시킨다.
넷째, 본 발명에 따른 출력부(540)에 관해 설명한다.
상기 출력부(540)는 디스플레이부, 파워뱅크형 전원입력부, 파워뱅크형 전원출력부, 충전배터리부와 연결되어, 마이크로프로세서부의 제어하에 디스플레이부, 파워뱅크형 전원입력부, 파워뱅크형 전원출력부, 충전배터리부쪽으로 출력신호를 출력시키는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크를 통한 충전방법에 관해 설명한다.
[ 충전배터리부의 충전과정]
먼저, 도 16에 도시한 바와 같이, 휴대용 스마트 파워뱅크장치의 전원스위치를 온(ON)시킨다(S100).
다음으로, 마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 체크한다(S110).
이때, 메모리부에 미리 저장된 충전배터리부의 충전상태와, 충전배터리부의 출력전압을 측정하여 충전상태를 체크한다.
다음으로, 파워뱅킹용 전원입력부를 통해 외부 공급 전원 유무 상태와 외부 전원의 공급 가능 전원을 검사한다(S120).
다음으로, 마이크로프로세서부에서 파워뱅크용 전원입력부를 센싱해서, 외부입력전원(일예 : 발전소 전원)의 공급 전력이 충분한 전원이면 동시 충전 모드로 출력신호를 보낸다. 즉, 충전이 필요한 모든 충전배터리부에 입력전원스위치를 클로즈(닫아) 전력을 공급하여 충전을 스타트시킨다(S130).
다음으로, 마이크로프로세서부에서 파워뱅크용 전원입력부를 센싱해서, 외부입력전원(일예 : 발전소 전원)의 공급 전력이 충분치 않으면 순차 충전 모드로 출력신호를 보낸다(S140).
즉, 충전이 필요한 일부 충전배터리부에 입력전원스위치를 맞춤형으로 1:1 클로즈(닫아) 전력을 순차적으로 공급하여 충전을 스타트시킨다.
다음으로, 마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 검사하여 충전배터리부의 출력전압이 최대충전전압(Vcmax)이상이고, 전류가 최소충전전류(Icmin)이하이면 입력전원스위치를 닫아 해당 충전지팩의 충전을 중단시킨다(S150).
끝으로, 마이크로프로세서부에서 모든 충전배터리부의 충전이 완료되면, 충전 모드를 해제시키고 대기모드로 돌아간다(S160).
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크를 통한 방전방법에 관해 설명한다.
[ 충전배터리부의 방전과정]
먼저, 도 17에 도시한 바와 같이, 휴대용 스마트 파워뱅크장치의 전원스위치를 온(ON)시킨다(S200).
다음으로, 마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 체크한다(S210).
이때, 메모리부에 미리 저장된 충전배터리부의 충전상태와, 충전배터리부의 출력전압을 측정하여 충전상태를 체크한다.
다음으로, 충전배터리부의 외부 공급 전원 유무 상태와 외부 전원의 공급 가능 전원을 검사한다(S220).
다음으로, 마이크로프로세서부에서 가변전원부에 부하가 걸려있으면 가변전원부에 전원을 공급시키고, 고정전원부에 부하가 걸려있으면 고정전원부에 전원을 공급시킨다(S230).
다음으로, 마이크로프로세서부에서 가변전원부에 전원공급시, 검사한 충전배터리부의 충전 상태로 가장 낮은 번호의 충전배터리부를 선택한다(S240).
그리고, 해당 충전배터리부에 연결된 전자스위치를 닫아 가변전원부에 전력을 공급한다.
다음으로, 마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 출력전압 및 출력전류를 검사한 후, 출력전압이 최적방전차단전압(Vdopt)이하이면 교체 충전배터리부 유무를 판단한다(S250).
즉, 교체할 충전배터리부가 있으면 해당 충전배터리부로 스위치를 닫아 가변전원부에 전력을 공급시킨다.
다음으로, 마이크로프로세서부에서 고정전원부에 전원공급시, 검사한 충전배터리부의 충전 상태로 가장 낮은 번호의 충전배터리부를 선택한다(S260).
즉, 해당 충전배터리부에 연결된 전자스위치를 닫아 고정전원부에 전력을 공급시킨다.
다음으로, 마이크로프로세서부에서 해당 충전배터리부의 출력 전압 및 전류를 검사한 후, 출력전압이 최적방전차단전압(Vdopt)이하이면 교체 충전배터리부 유무를 판단한다(S270).
즉, 교체할 충전배터리부가 있으면 해당 충전배터리부로 스위치를 닫아 고정전원부에 전력을 공급시킨다.
끝으로, 마이크로프로세서부에서 비상전원모드를 구동시킨다(S280).
즉, 여분의 교체형 충전배터리부가 없으면 비상전원 모드르 들어간다.
디스플레이부를 통해 사용자에게 충전배터리부의 전원이 부족함을 경고한다.
그리고, 고정식 충전배터리부와 착탈식 충전배터리부를 모두 연결하여 가변전원부와 고정전원부에 모두 전원을 공급시킨다.
일예로, 착탈식 충전배터리부는 최적 방전 차단 전압(Vdopt)까지만 사용했기 때문에 20%정도의 여분 전력이 남아있게 된다.
1 : 휴대용 스마트 파워뱅크장치 100 : 박스형본체
200 : 디스플레이부 300 : 파워뱅크형 전원입력부
400 : 파워뱅크형 전원출력부 500 : 스마트제어부

Claims (1)

  1. 휴대용 스마트 파워뱅크장치의 전원스위치를 온(ON)시키는 단계(S100)와,
    마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 체크하는 단계(S110)와,
    파워뱅킹용 전원입력부를 통해 외부 공급 전원 유무 상태와 외부 전원의 공급 가능 전원을 검사하는 단계(S120)와,
    마이크로프로세서부에서 파워뱅크용 전원입력부를 센싱해서, 외부입력전원의 공급 전력이 충분한 전원이면 동시 충전 모드로 출력신호를 보내는 단계(S130)와,
    마이크로프로세서부에서 파워뱅크용 전원입력부를 센싱해서, 외부입력전원의 공급 전력이 충분치 않으면 순차 충전 모드로 출력신호를 보내는 단계(S140)와,
    마이크로프로세서부에서 충전배터리부의 상태를 검사하여 충전배터리부의 출력전압이 최대충전전압(Vcmax)이상이고, 전류가 최소충전전류(Icmin)이하이면 입력전원스위치를 닫아 해당 충전지팩의 충전을 중단시키는 단계(S150)와,
    마이크로프로세서부에서 모든 충전배터리부의 충전이 완료되면, 충전 모드를 해제시키고 대기모드로 복귀시키는 단계(S160)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크를 통한 충전방법.
KR1020160029643A 2016-03-11 2016-03-11 하이브리드 충전방식형 휴대용 스마트 파워뱅크장치 및 이를 통한 충방전방법 KR101620387B1 (ko)

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KR102353461B1 (ko) * 2020-09-10 2022-01-20 지에스피 주식회사 더블 트윈 파워뱅크 시스템
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