KR101885187B1 - 오프-그리드(Off-Grid) 전력공급장치용 배터리 시스템 - Google Patents

오프-그리드(Off-Grid) 전력공급장치용 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템은, 외부로부터 입력받은 직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와; 충전 모드 시 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 충전되어 있는 전하를 방전하는 커패시터와; 충전 모드 시 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 충전되어 있는 전하를 방전하는 화학전지로서의 배터리와; 충전 모드 시 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 입력받아 커패시터 및 배터리에 전하를 각각 충전시키는 충전제어 회로부와; 방전 모드 시 커패시터 및 배터리로부터 구동전압을 인가받고, 커패시터 및 배터리에 충전되어 있는 전하를 각각 방전시키는 방전제어 회로부; 및 DC/DC 컨버터, 충전제어 회로부 및 방전제어 회로부의 동작을 제어하고, 커패시터와 배터리의 상태를 실시간으로 체크하여 충전제어 회로부와 방전제어 회로부를 통해 커패시터와 배터리에 대한 충전과 방전을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

오프-그리드(Off-Grid) 전력공급장치용 배터리 시스템{Battery System for Off-Grid Power Supply}
본 발명은 오프-그리드(Off-Grid) 전력공급장치용 배터리 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 커패시터의 우수한 충전 능력 및 기후 환경 대응력, 장수명 특성과 화학전지의 높은 에너지 밀도와 낮은 자연 방전 특성을 결합함으로써, 기존의 화학전지에 비해 장기간 사용이 가능하고, 외부 기후 환경의 변화에 대해서도 안정적으로 동작할 수 있는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템에 관한 것이다.
현재 오프-그리드(off-grid) 전력공급장치의 배터리는 일반 화학전지로 납축전지 및 리튬이온 전지 등이 많이 사용되고 있다. 그러나 일반 화학전지의 짧은 수명과 외부의 기후 환경 및 신재생 에너지의 불안정한 전력 흐름 등으로 인한 손상 누적 등의 이유로 화학전지는 2년 이내에 동작 불능 상태가 되는 경우가 많다.
이는 일반적으로 사용 중인 납축전지, 리튬이온 전지 등 화학전지가 일정한 기온 환경과 제한적인 전력 흐름에 대응 가능하도록 설계된 특성에 따른 것으로, 용량 설계를 강화하는 등의 노력으로 부분적으로 문제를 개선할 수는 있지만, 문제를 해결할 수 있는 새로운 배터리의 개발 외에는 근본적인 해결 방법이 없는 실정이다.
한편, 공개특허공보 제10-2010-0109104호(특허문헌 1)에는 "태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치"가 개시되어 있는바, 이에 따른 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치는, 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 광전지 셀; 상기 광전지 셀로부터 나오는 전압을 정격 전압으로 변환시켜 주는 제1 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 전압이 우선적으로 충전되는 슈퍼커패시터; 슈퍼커패시터의 용량이 초과되면 충전되는 Ni-H 배터리; 및 상기 슈퍼커패시터 또는 Ni-H 배터리로부터 출력되는 전압을 변환시키는 DC/DC 컨버터;를 포함하고, 상기 슈퍼커패시터와 Ni-H 배터리에 충전되는 전력을 부하측에 사용할 경우, 먼저 슈퍼커패시터의 전력을 출력시킨 다음, 슈퍼커패시터가 완전 방전되면 Ni-H 배터리로부터 전력을 출력시키는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 500회 수명의 니켈 수소 배터리를 10만회 이상인 커패시터와 병행 사용함으로써 전체 저장장치의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있을지는 모르겠으나, 니켈 수소 배터리를 사용함에 따라 니켈 수소 전지의 메모리 효과로 인해 완전 방전되지 않은 상태에서 충전을 반복할 경우 최대 용량이 줄어드는 문제점을 내포하고 있다.
공개특허공보 제10-2010-0109104호(2010.10.08.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 화학전지에 비해 수명이 길고, 외부의 기후 환경, 전력 흐름 등에 우수한 대응 능력을 갖는 커패시터의 장점과, 높은 에너지 밀도와 낮은 자연 방전 특성을 갖는 화학전지의 장점을 결합함으로써, 기존의 화학전지에 비해 장기간 사용이 가능하고, 외부 기후 환경의 변화에 대해서도 안정적으로 동작할 수 있는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템은,
외부로부터 입력받은 직류 전압을 입력 전압과 다른 크기의 직류 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와;
충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 충전되어 있는 전하를 방전하는 커패시터와;
충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 충전되어 있는 전하를 방전하는 화학전지로서의 배터리와;
충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 입력받아 상기 커패시터 및 배터리에 전하를 각각 충전시키는 충전제어 회로부와;
방전 모드 시 상기 커패시터 및 배터리로부터 구동전압을 인가받고, 상기 커패시터 및 배터리에 충전되어 있는 전하를 각각 방전시키는 방전제어 회로부; 및
상기 DC/DC 컨버터, 충전제어 회로부 및 방전제어 회로부의 동작을 제어하고, 상기 커패시터와 배터리의 상태를 실시간으로 체크하여 상기 충전제어 회로부와 방전제어 회로부를 통해 상기 커패시터와 배터리에 대한 충전과 방전을 제어하는 제어부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 DC/DC 컨버터로는 바람직하게는 CC(Constant Current)-CV(Constant Voltage) 컨버터가 사용된다.
또한, 상기 커패시터는 복수의 커패시터가 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 어레이로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리는 복수의 배터리가 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 어레이로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리로는 리튬계 배터리가 사용될 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 배터리는 정격 용량 설계(설정)가 먼저 수행되고, 상기 설계(설정)된 배터리의 정격 용량을 바탕으로, 상기 배터리가 매일 충전 및 방전을 함에 따른 1일 최소 전력설정량을 갖도록 설계되며, 상기 커패시터는 커패시터의 1일 방전 전력량이 부하에서 요구하는 1일 전력량보다 상대적으로 적도록 설계될 수 있다.
이때, 상기 배터리의 1일 최소 전력설정량은 배터리의 충/방전 심도에 따른 충/방전 사이클 횟수를 기준으로 설정하되, 배터리의 정격 용량의 30%를 초과하지 않도록 설정된다.
또한, 상기 충전제어 회로부는, 상기 커패시터의 충전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자에 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제1 바이폴라 트랜지스터와, 게이트 단자는 상기 제1 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 소스 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되며, 드레인 단자는 상기 커패시터에 접속되는 제1 P-MOS와, 상기 배터리의 충전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자와 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제2 바이폴라 트랜지스터와, 게이트 단자는 상기 제2 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 소스 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되며, 드레인 단자는 상기 배터리에 접속되는 제2 P-MOS를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 방전제어 회로부는, 상기 커패시터의 방전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자에 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 커패시터에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제3 바이폴라 트랜지스터와, 게이트 단자는 상기 제3 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 커패시터에 접속되고, 소스 단자는 상기 커패시터에 접속되며, 드레인 단자는 부하에 접속되는 제3 P-MOS와, 상기 배터리의 방전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자와 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 배터리에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제4 바이폴라 트랜지스터와, 게이트 단자는 상기 제4 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 배터리에 접속되고, 소스 단자는 상기 배터리에 접속되며, 드레인 단자는 상기 부하에 접속되는 제4 P-MOS를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 커패시터와 배터리를 순차적으로 충전하는 과정에서 충전완료된 후에도 커패시터의 전압을 실시간으로 측정하여, 커패시터의 전압 강하가 발생하는 경우 커패시터에 보충 충전을 하도록 상기 충전제어 회로부를 제어하는 기능을 가질 수 있다.
이때, 상기 보충 충전은 충전 효율의 저하를 최소화하도록 커패시터의 용량에 따라 최소 유보 시간을 설정하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 커패시터와 배터리의 충전과 방전을 제어하는 과정에서 스위칭을 통해 각 배터리가 서로 간에 완전히 차단되도록 하여 배터리 간에 전류가 전혀 흐르지 않도록 제어하는 기능을 가질 수 있다.
또한, 상기 제어부는 방전 개시 시점에서 상기 커패시터와 배터리의 각각의 충전상태를 확인하고, 커패시터의 충전상태 대비 배터리의 충전상태에 따라 커패시터 및 배터리로부터 상기 방전제어 회로부로 출력되는 전류량을 미리 설정된 비율로 자동 조절하는 기능을 가질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 화학전지에 비해 수명이 길고, 외부의 기후 환경, 전력 흐름 등에 우수한 대응 능력을 갖는 커패시터의 장점과, 높은 에너지 밀도와 낮은 자연 방전 특성을 갖는 화학전지의 장점을 결합함으로써, 기존의 화학전지에 비해 장기간 사용이 가능하고, 외부 기후 환경의 변화에 대해서도 안정적으로 동작할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템의 충전제어 회로부의 내부 회로구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템의 방전제어 회로부의 내부 회로구성을 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템(100)은 DC/DC 컨버터(110), 커패시터(120), 배터리(130), 충전제어 회로부(140), 방전제어 회로부(150), 제어부(160)를 포함하여 구성된다.
DC/DC 컨버터(110)는 외부(예를 들면, 태양전지 설비 또는 풍력발전기 등)로부터 입력받은 직류 전압을 그 입력 전압과 다른 크기의 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 여기서, 이와 같은 DC/DC 컨버터(110)로는 일반적인 DC/DC 컨버터가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 CC(Constant Current; 정전류)-CV(Constant Voltage; 정전압) 컨버터가 사용된다.
커패시터(120)는 충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터(110)로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 집전체에 충전되어 있는 전하를 방전한다. 이와 같은 커패시터(120)는 복수의 커패시터가 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 어레이로 구성될 수 있다.
배터리(130)는 충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터(110)로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 셀에 충전되어 있는 전하를 방전한다. 여기서, 이와 같은 배터리(130)는 복수의 배터리가 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 어레이로 구성될 수 있다. 또한, 이와 같은 배터리(130)로는 화학전지가 사용될 수 있다. 이때, 배터리(130)로는 리튬계 배터리(예를 들면, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 금속 폴리머전지 등)가 사용될 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 배터리(130)는 정격 용량 설계(설정)가 먼저 수행되고, 상기 설계(설정)된 배터리의 정격 용량을 바탕으로, 상기 배터리(130)가 매일 충전 및 방전을 함에 따른 1일 최소 전력설정량을 갖도록 설계되며, 상기 커패시터(120)는 커패시터의 1일 방전 전력량이 부하에서 요구하는 1일 전력량보다 상대적으로 적도록 설계될 수 있다. 이때, 상기 배터리(130)의 1일 최소 전력설정량은 배터리(130)의 충/방전 심도에 따른 충/방전 사이클 횟수를 기준으로 설정하되, 배터리(130)의 정격 용량의 30%를 초과하지 않도록 설정된다.
충전제어 회로부(140)는 충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터(110)로부터 출력되는 직류 전압을 입력받아 상기 커패시터(120) 및 배터리(130)에 전하를 각각 충전시키는 역할을 한다. 이와 같은 충전제어 회로부(140)에 대해서는 뒤에서 다시 설명하기로 한다.
방전제어 회로부(150)는 방전 모드 시 상기 커패시터(120) 및 배터리(130)로부터 구동전압을 인가받고, 커패시터(120) 및 배터리(130)에 충전되어 있는 전하를 각각 방전시키는 역할을 한다. 이와 같은 방전제어 회로부(150)에 대해서는 뒤에서 다시 설명하기로 한다.
제어부(160)는 상기 DC/DC 컨버터(110), 충전제어 회로부(140) 및 방전제어 회로부(150)의 동작을 제어하고, 상기 커패시터(120)와 배터리(130)의 상태를 실시간으로 체크하여 상기 충전제어 회로부(140)와 방전제어 회로부(150)를 통해 커패시터(120)와 배터리(130)에 대한 충전과 방전을 제어한다.
이상과 같은 제어부(160)는 상기 커패시터(120)와 배터리(130)를 순차적으로 충전하는 과정에서 충전완료된 후에도 커패시터(120)의 전압을 실시간으로 측정하여, 커패시터(120)의 전압 강하가 발생하는 경우 커패시터(120)에 보충 충전을 하도록 상기 충전제어 회로부(140)를 제어하는 기능을 가질 수 있다. 이때, 이와 같은 보충 충전은 충전 효율의 저하를 최소화하도록 커패시터(120)의 용량에 따라 최소 유보 시간을 설정하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 제어부(160)는 상기 커패시터(120)와 배터리(130)의 충전과 방전을 제어하는 과정에서 스위칭을 통해 각 배터리가 서로 간에 완전히 차단되도록 하여 배터리 간에 전류가 전혀 흐르지 않도록 제어하는 기능을 가질 수 있다.
또한, 상기 제어부(160)는 방전 모드 시 방전 개시 시점에서 상기 커패시터(120)와 배터리(130)의 각각의 충전상태를 확인하고, 커패시터(120)의 충전상태 대비 배터리(130)의 충전상태에 따라 커패시터(120) 및 배터리(130)로부터 상기 방전제어 회로부(150)로 출력되는 전류량을 미리 설정된 비율로 자동 조절하는 기능을 가질 수 있다.
또한, 상기 제어부(160)로는 MCU(Micro Controller Unit)가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템의 충전제어 회로부의 내부 회로구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 충전제어 회로부(140)는 상기 커패시터(120)와 배터리(130)의 충전을 제어하기 위한 회로이다.
이와 같은 충전제어 회로부(140)는 먼저, 상기 커패시터(120)의 충전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부(160)와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자에 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 DC/DC 컨버터(110)의 출력단자에 접속되고, 상기 제어부(160)로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제1 바이폴라 트랜지스터(141)와, 게이트 단자(G2)는 상기 제1 바이폴라 트랜지스터(141)의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 DC/DC 컨버터(110)의 출력단자에 접속되고, 소스 단자(S2)는 상기 DC/DC 컨버터(110)의 출력단자에 접속되며, 드레인 단자(D2)는 상기 커패시터(120)에 접속되는 제1 P-MOS(142)를 구비한다.
또한, 이상과 같은 충전제어 회로부(140)는 다음으로, 상기 배터리(130)의 충전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부(160)와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자와 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 DC/DC 컨버터(110)의 출력단자에 접속되고, 상기 제어부(160)로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제2 바이폴라 트랜지스터(143)와, 게이트 단자(G1)는 상기 제2 바이폴라 트랜지스터(143)의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 DC/DC 컨버터(110)의 출력단자에 접속되고, 소스 단자(S1)는 상기 DC/DC 컨버터(110)의 출력단자에 접속되며, 드레인 단자(D1)는 상기 배터리(130)에 접속되는 제2 P-MOS(144)를 구비한다. 여기서, 상기 제1 및 제2 바이폴라 트랜지스터(141)(143)로는 NPN형 바이폴라 트랜지스터가 사용될 수 있다. 도 2에서 참조번호 145는 커패시터측 출력단자, 146은 배터리측 출력단자를 각각 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템의 방전제어 회로부의 내부 회로구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 방전제어 회로부(150)는 상기 커패시터(120)와 배터리(130)의 방전을 제어하기 위한 회로이다.
이와 같은 방전제어 회로부(150)는 먼저, 상기 커패시터(120)의 방전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부(160)와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자에 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 커패시터(120)에 접속되고, 상기 제어부(160)로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제3 바이폴라 트랜지스터(151)와, 게이트 단자(G2)는 상기 제3 바이폴라 트랜지스터(151)의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 커패시터(120)에 접속되고, 소스 단자(S2)는 상기 커패시터(120)에 접속되며, 드레인 단자(D2)는 부하(VLOAD)에 접속되는 제3 P-MOS(152)를 구비한다.
또한, 이상과 같은 방전제어 회로부(150)는 다음으로, 상기 배터리(130)의 방전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부(160)와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자와 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 배터리(130)에 접속되고, 상기 제어부(160)로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제4 바이폴라 트랜지스터(153)와, 게이트 단자(G1)는 상기 제4 바이폴라 트랜지스터(153)의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 배터리(130)에 접속되고, 소스 단자 (S1)는 상기 배터리(130)에 접속되며, 드레인 단자(D1)는 상기 부하(VLOAD)에 접속되는 제4 P-MOS(154)를 구비한다. 여기에서도 마찬가지로 상기 제3 및 제4 바이폴라 트랜지스터(151)(153)로는 NPN형 바이폴라 트랜지스터가 사용될 수 있다. 도 3에서 참조번호 155는 부하측 출력단자를 나타낸다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템의 동작에 대해 간략히 설명해 보기로 한다.
본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템은 신재생 에너지(예를 들면, 태양전지 또는 풍력발전기)를 이용한 오프-그리드 전력공급시스템에 채용될 수 있으며, 특히 신재생 에너지를 이용한 조명시설, 예를 들면 도로나 공원, 공공건물, 공장 등의 조명시설의 전원으로 채용될 수 있다.
본 실시예에서는 본 발명의 배터리 시스템이 도로의 가로등의 전원으로 채용된 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템(100)이 도로의 가로등의 전원으로 설치된 상태에서, 낮 시간 동안은 도로의 가로등이 오프(OFF) 상태이고, 따라서 이 시간 동안은 본 발명의 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템(100)에서는 충전이 이루어진다.
예를 들면, 신재생 에너지를 생산 및 공급하는 태양전지로부터 공급된 전기에너지(직류 전압)를 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템(100)의 DC/DC 컨버터(110)가 입력받아, 입력받은 직류 전압의 크기와는 다른 크기의 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 그리고 이 출력 전압(직류 전압)은 충전제어 회로부(140)의 입력단을 통해 충전제어 회로부(140)로 입력된다. 이때, 제어부(160)는 충전 모드의 제어를 수행하고, 이에 따라 방전제어 회로부(150) 쪽은 오프 상태(제어명령 신호의 전송이 차단된 상태)로 유지된다.
도 2를 참조하면, 제어부(160)는 충전 모드의 제어를 수행함에 따라 커패시터(120) 및 배터리(130)의 충전을 위한 제어명령 신호로서 충전제어 회로부(140)의 제1, 제2 바이폴라 트랜지스터(141)(143)의 베이스 단자에 바이어스 (bias) 전류를 각각 인가한다. 이에 따라 제1, 제2 바이폴라 트랜지스터 (141)(143)가 각각 구동하여 입력단을 통해 입력된 직류 전압에 따른 전류가 제1, 제2 바이폴라 트랜지스터(141)(143)를 통해 흐르는 동시에 제1, 제2 P-MOS (142)(144)의 게이트 단자로 각각 흐른다. 이와 같이, 제1, 제2 P-MOS(142)(144)의 게이트 단자로 전류가 흐름에 따라 제1, 제2 P-MOS(142)(144)가 각각 구동하고, 그 결과 제1, 제2 P-MOS(142)(144)를 통해 전류가 흘러 충전제어 회로부(140)의 커패시터 및 배터리 쪽의 출력단자(145)(146)에 각각 접속되어 있는 커패시터(120)와 배터리(130)가 각각 충전된다. 여기서, 이상과 같은 충전은 제어부 (160)의 제어명령 신호에 따른 충전제어 회로부(140)의 충전제어 동작에 의해 커패시터(120)의 충전이 완료된 후에 배터터(130)의 충전이 이루어지도록 수행될 수도 있고, 커패시터(120)와 배터리(130)의 충전이 거의 동시에 이루어지도록 수행될 수도 있다. 또한, 제어부(160)는 상기 커패시터(120)와 배터리(130)를 순차적으로 충전하는 과정에서 충전완료된 후에도 커패시터(120)의 전압을 실시간으로 측정하여, 커패시터(120)의 전압 강하가 발생하는 경우 상기 충전제어 회로부 (140)를 제어하여 커패시터(120)에 보충 충전을 수행한다. 이때, 이와 같은 보충 충전은 전술한 바와 같이, 충전 효율의 저하를 최소화하도록 커패시터(120)의 용량에 따라 최소 유보 시간을 설정하여 수행될 수 있다.
한편, 이상과 같은 충전 이후, 어두워지기 시작하는 저녁때부터 다음날 새벽까지 도로의 가로등은 온(ON) 상태로 유지되고, 따라서 이 시간 동안은 본 발명의 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템(100)에서는 방전이 이루어진다.
이때, 제어부(160)는 방전 모드의 제어를 수행하고, 이에 따라 충전제어 회로부(140) 쪽은 오프 상태(제어명령 신호의 전송이 차단된 상태)로 유지된다.
도 3을 참조하면, 제어부(160)는 방전 모드의 제어를 수행함에 따라 커패시터(120) 및 배터리(130)의 방전을 위한 제어명령 신호로서 방전제어 회로부(150)의 제3, 제4 바이폴라 트랜지스터(151)(153)의 베이스 단자에 바이어스 (bias) 전류를 각각 인가한다. 이에 따라 제3, 제4 바이폴라 트랜지스터(151) (153)가 각각 구동하여, 입력단을 통해 각각 입력된 커패시터(120) 및 배터리(130)로부터의 출력 전압(직류 전압)에 따른 전류가 제3, 제4 바이폴라 트랜지스터(151)(153)를 통해 흐르는 동시에 제3, 제4 P-MOS(152)(154)의 게이트 단자로 각각 흐른다. 이와 같이, 제3, 제4 P-MOS(152)(154)의 게이트 단자로 전류가 흐름에 따라 제3, 제4 P-MOS(152)(154)가 각각 구동하고, 그 결과 커패시터(120) 및 배터리(130)의 출력단으로부터 제3, 제4 P-MOS(152)(154) 쪽으로 각각 입력된 전압에 따른 전류가 제3, 제4 P-MOS(152)(154)를 통해 흐르게 된다. 이에 따라 방전제어 회로부(150)의 출력단자(155)에 접속되어 있는 부하(예컨대, 가로등)로 전류가 흐르게 되고, 이는 곧 커패시터(120)와 배터리(130)가 각각 방전됨을 의미한다. 여기서, 이상과 같은 방전은 제어부(160)의 제어명령 신호에 따른 방전제어 회로부(150)의 방전제어 동작에 의해 커패시터(120)의 방전이 완료된 후에 배터터(130)의 방전이 이루어지도록 수행될 수도 있고, 커패시터(120)와 배터리(130)의 방전이 거의 동시에 이루어지도록 수행될 수도 있다.
이상과 같은 일련의 방전 과정에 있어서, 제어부(160)는 방전 모드 시 방전 개시 시점에서 상기 커패시터(120)와 배터리(130)의 각각의 충전상태를 확인하고, 커패시터(120)의 충전상태 대비 배터리(130)의 충전상태에 따라 커패시터 (120) 및 배터리(130)로부터 방전제어 회로부(150)로 출력되는 전류량을 미리 설정된 비율로 자동으로 조절한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템은 화학전지에 비해 수명이 길고, 외부의 기후 환경, 전력 흐름 등에 우수한 대응 능력을 갖는 커패시터의 장점과, 높은 에너지 밀도와 낮은 자연 방전 특성을 갖는 화학전지의 장점을 결합함으로써, 기존의 화학전지에 비해 장기간 사용이 가능하고, 외부 기후 환경의 변화에 대해서도 안정적으로 동작할 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: DC/DC 컨버터 120: 커패시터
130: 배터리 140: 충전제어 회로부
141: 제1 바이폴라 트랜지스터 142: 제1 P-MOS
143: 제2 바이폴라 트랜지스터 144: 제2 P-MOS
145: 커패시터측 출력단자 146: 배터리측 출력단자
150: 방전제어 회로부 151: 제3 바이폴라 트랜지스터
152: 제3 P-MOS 153: 제4 바이폴라 트랜지스터
154: 제4 P-MOS 155: 부하측 출력단자

Claims (13)

  1. 외부로부터 입력받은 직류 전압을 입력 전압과 다른 크기의 직류 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와;
    충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 충전되어 있는 전하를 방전하는 커패시터와;
    충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 인가받아 전하를 충전하고, 방전 모드 시 충전되어 있는 전하를 방전하는 화학전지로서의 배터리와;
    충전 모드 시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 입력받아 상기 커패시터 및 배터리에 전하를 각각 충전시키는 충전제어 회로부와;
    방전 모드 시 상기 커패시터 및 배터리로부터 구동전압을 인가받고, 상기 커패시터 및 배터리에 충전되어 있는 전하를 각각 방전시키는 방전제어 회로부; 및
    상기 DC/DC 컨버터, 충전제어 회로부 및 방전제어 회로부의 동작을 제어하고, 상기 커패시터와 배터리의 상태를 실시간으로 체크하여 상기 충전제어 회로부와 방전제어 회로부를 통해 상기 커패시터와 배터리에 대한 충전과 방전을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 충전제어 회로부는,
    상기 커패시터의 충전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자에 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제1 바이폴라 트랜지스터와;
    게이트 단자는 상기 제1 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 소스 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되며, 드레인 단자는 상기 커패시터에 접속되는 제1 P-MOS와;
    상기 배터리의 충전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자와 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제2 바이폴라 트랜지스터와;
    게이트 단자는 상기 제2 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되고, 소스 단자는 상기 DC/DC 컨버터의 출력단자에 접속되며, 드레인 단자는 상기 배터리에 접속되는 제2 P-MOS를 포함하여 구성된 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 CC(Constant Current)-CV(Constant Voltage) 컨버터인 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터는 복수의 커패시터가 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 어레이로 구성된 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 복수의 배터리가 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 어레이로 구성된 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬계 배터리인 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 정격 용량 설계(설정)가 먼저 수행되고, 상기 설계(설정)된 배터리의 정격 용량을 바탕으로, 상기 배터리가 매일 충전 및 방전을 함에 따른 1일 최소 전력설정량을 갖도록 설계되며, 상기 커패시터는 커패시터의 1일 방전 전력량이 부하에서 요구하는 1일 전력량보다 상대적으로 적도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리의 1일 최소 전력설정량은 배터리의 충/방전 심도에 따른 충/방전 사이클 횟수를 기준으로 설정하되, 상기 배터리의 정격 용량의 30%를 초과하지 않도록 설정된 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방전제어 회로부는,
    상기 커패시터의 방전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자에 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 커패시터에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제3 바이폴라 트랜지스터와;
    게이트 단자는 상기 제3 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 커패시터에 접속되고, 소스 단자는 상기 커패시터에 접속되며, 드레인 단자는 부하에 접속되는 제3 P-MOS와;
    상기 배터리의 방전제어를 위한 것으로 베이스 단자는 상기 제어부와 접속되고, 이미터 단자는 접지단자와 접속되며, 컬렉터 단자는 상기 배터리에 접속되고, 상기 제어부로부터 입력되는 제어명령 신호에 따라 온/오프 스위칭 동작하는 제4 바이폴라 트랜지스터와;
    게이트 단자는 상기 제4 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터 단자와 공통 접속되어 상기 배터리에 접속되고, 소스 단자는 상기 배터리에 접속되며, 드레인 단자는 상기 부하에 접속되는 제4 P-MOS를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 커패시터와 배터리를 순차적으로 충전하는 과정에서 충전완료된 후에도 커패시터의 전압을 실시간으로 측정하여, 커패시터의 전압 강하가 발생하는 경우 커패시터에 보충 충전을 하도록 상기 충전제어 회로부를 제어하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보충 충전은 충전 효율의 저하를 최소화하도록 커패시터의 용량에 따라 최소 유보 시간을 설정하여 수행되는 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 커패시터와 배터리의 충전과 방전을 제어하는 과정에서 스위칭을 통해 각 배터리가 서로 간에 완전히 차단되도록 하여 배터리 간에 전류가 전혀 흐르지 않도록 제어하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 방전 개시 시점에서 상기 커패시터와 배터리의 각각의 충전상태를 확인하고, 커패시터의 충전상태 대비 배터리의 충전상태에 따라 커패시터 및 배터리로부터 상기 방전제어 회로부로 출력되는 전류량을 미리 설정된 비율로 자동 조절하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 오프-그리드 전력공급장치용 배터리 시스템.
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