KR101899132B1 - 전원과 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하기 위한 어레인지먼트 및 방법 - Google Patents

전원과 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하기 위한 어레인지먼트 및 방법 Download PDF

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Abstract

전력이 하나 이상의 전원과 하나 이상의 부하 사이에서 동적으로 관리된다. 복수의 모니터 노드가 각각의 전원에 접속된 입력 단자에, 그리고 각각의 부하에 접속된 출력 단자에 접속되어 있다. 복수의 전력 저장 셀이 이러한 입력 단자와 출력 단자에 접속되어 있고, 각각의 전력 저장 셀은 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있고 이러한 저장된 전력을 적어도 하나의 부하에 방전할 수 있다. 복수의 제어가능 스위치가 이러한 전력 저장 셀에 접속되어 있다. 마스터 및 슬레이브 컨트롤러가 각각의 전원과 각각의 부하의 동작 동안 모니터 노드에서 동작 상태를 동적으로 감시하고, 이러한 감시된 동작 상태에 응답하여 상이한 회로 토폴로지에서 이러한 전력 저장 셀을 상호접속시키도록 스위치를 선택적으로 동적으로 제어한다.

Description

전원과 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하기 위한 어레인지먼트 및 방법{ARRANGEMENT FOR AND METHOD OF DYNAMICALLY MANAGING ELECTRICAL POWER BETWEEN AN ELECTRICAL POWER SOURCE AND AN ELECTRICAL LOAD}
형광 또는 증기-아크 조명용 밸러스트 및 모터와 같은 다양한 전기 유도성 부하, 및/또는 공통 필라멘트 광 벌브와 같은 저항성 부하, 및/또는 용량성 모터 스타터와 같은 용량성 부하에 전달하기 위한 보통 엔진 발전기, 터빈 발전기, 열전 발전기, 연료전지등에서 탄화수소 연료를 연소시키는 무수한 비재생 에너지원, 그리고 태양광 전지, 풍력발전기, 수력 디바이스, 바이오매스 발전기, 태양열 시스템, 지열 시스템등과 같은 무수한 재생가능 에너지원으로부터 교류(AC) 및 직류(DC)를 공급하기 위한 전력 시스템이 잘 알려져 있다. 예를 들어, 태양광 전지 및 풍력 발전기는 에너지원, 예를 들어, 태양광 또는 바람의 예측불가능한 유용성에 의존하고 있기 때문에, 이러한 재생 에너지원은 보통 불특정, 가변적인 시간에서 주파수 또는 전압 레벨이 제어되지 않은 예측불가능하고, 불규칙적인 AC 또는 DC 전력을 산출한다. 그래서, 이러한 에너지원을 사용하는 전력 시스템은 보통 시간을 갖고 DC 배터리 뱅크에 에너지를 모으고 저장한 후에, 이러한 저장된 DC 전력을 필요에 따라 부하에 직접 공급하고, 보통 독립형 시스템으로서 동작된다. 이러한 배터리 뱅크는 전력 시스템을 위한 예비 에너지 저장소를 제공한다.
일반적으로, 이들의 의도된 목적에 만족스럽지만, 공지된 전력 시스템은 비효율적이다. 상술된 바와 같이, 하나 이상의 전원은 항상 사용가능하지 않고, 유용할 때도, 항상 그 정격 공칭 전력 상태 또는 최상의 경제적 상태로 동작하고 있을 수 없기 때문에 전력의 공급은 불규칙적이고 가변적이다. 또한, 다양한 부하의 부하 상태는 하나 이상의 부하가 이들의 정상 동작 동안은 물론 온라인 및 오프라인일 때 가변적이다. 상술된 배터리 뱅크는 이러한 가변 전력 및 부하 상태를 보상하는 기능을 갖고 있지만, 이러한 배터리 뱅크를 충전하고 방전하는 것은 상당한 시간이 걸리고, 따라서, 시스템 효율을 떨어뜨린다. 시스템 효율은 유용한 전원들중 어느 것이, 그리고, 이러한 유용한 전원들의 각각으로부터 얼마나 많은 전력이 이러한 전력을 필요로 하는 하나 이상의 부하에 분배되고 전달되어야 하는지, 특히, 이러한 모든 액션이 전력 및 부하 상태가 가변적인 상황에서 신속하게 실행될 필요가 있을 때, 이러한 액션의 관리 부재 또는 관리 불량으로 인해 낮아진다.
본 발명의 하나의 특징은 요약하면, 전력을 공급하는 적어도 하나의 전원과 전력을 소비하는 적어도 하나의 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하기 위한 어레인지먼트이다. 이러한 전원은 AC 전력 그리드 또는 전원 메인과 같은 교류(AC) 소스, 임의의 직류(DC) 소스, 또는 임의의 조합된 AC/DC 소스를 포함할 수 있다. 이러한 소스는 비재생 에너지원, 예를 들어, 보통 엔진 발전기, 터빈 발전기, 열전 발전기, 연료전지등에서 탄화수소 연료를 연소시키는 에너지원, 또는 태양광 전지, 풍력발전기, 수력 디바이스, 바이오매스 발전기, 태양열 시스템, 지열 시스템등과 같은 임의의 재생가능 에너지원을 포함할 수 있다. 부하는 형광 또는 증기-아크 조명용 밸러스트 및 모터와 같은 임의의 전기 유도성 부하, 및/또는 공통 필라멘트 광 벌브와 같은 임의의 저항성 부하, 및/또는 용량성 모터 스타터와 같은 임의의 용량성 부하를 포함할 수 있다.
이러한 어레인지먼트는 각각의 전원에 접속된 입력 단자, 각각의 부하에 접속된 출력 단자, 각각의 입력 단자와 각각의 출력 단자에 접속된 복수의 모니터 노드를 포함하고 있다. 이러한 입출력 단자 사이에 복수의 전력 저장 셀이 접속되어 있다. 하술되는 바와 같이, 각각의 셀은 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있고, 저장된 전력을 적어도 하나의 부하에 방전시킬 수 있다. 각각의 셀은 적어도 하나의 소스로부터 DC 전압을 저장하고 적어도 하나의 부하로 이러한 저장된 DC 전압을 방전하기 위한 자체 커패시터, 또는 배터리 및 커패시터의 병렬 콤비네이션을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 이러한 각각의 셀은 전압 조절기 및 필터로서 동작하고, 재충전가능하고 95%를 초과하는 높은 에너지 저장 효율을 가지고 신속하게 재충전하기 위한 극히 낮은 내부 저항을 갖고 있는 것이 유리하다. 이러한 셀은 구조적으로 동일하고 서로 상호 교환가능한 것이 바람직하다. 이러한 셀중 적어도 하나는 베이스 층에 배치되어 있다.
본 어레인지먼트는 상기 전력 저장 셀에 접속되어 있고, 각각의 스위치가 스위칭 상태 사이에서 전환될 수 있도록 하기 위한 제어 입력부를 갖고 있는 복수의 제어가능 스위치를 더 포함하고 있다. 각각의 스위치는 제어 입력부로서 게이트, 베이스 또는 트리거를 갖고 있는 트랜지스터인 것이 유리하다. 각각의 스위치는 예를 들어, 전계효과 트랜지스터(FET), 특히, HEXFET 또는 MOSFET, 또는 FlipFET, 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 또는 실리콘 제어 정류기(SCR), 또는 이들의 등가물, 예를 들어, 릴레이와 같은 고체 스위치일 수 있다. 또한, 복수의 다이오드가 입출력 단자 사이에 흐르는 DC 전류의 방향을 제어하기 위해 어레인지먼트에 접속되어 있다. 이러한 다이오드는 어레인지먼트를 통해, 원치않는 경로를 따라 DC 전류가 흐르는 것을 차단한다. 이러한 스위치의 적어도 하나 및 이러한 셀의 다른 셀은 스위칭 층에서 함께 배치되어 있다.
본 어레인지먼트는 또한, 각각의 층을 위한 슬레이브 컨트롤러 및, 이러한 각각의 슬레이브 컨트롤러에 동작식 접속된 마스터 컨트롤러를 포함하는 프로그램화된 제어 시스템을 더 포함하고 있다. 이러한 제어 시스템은 각각의 소스 및 각각의 부하의 동작 동안 모니터 노드에서 동작 상태, 예를 들어, 동작 전압을 동적으로 감시하도록, 그리고, 감시된 동작 상태에 응답하여 상이한 회로 토폴로지에서 셀을 상호접속하도록 스위치를 이들의 제어 입력부에서 선택적으로 동적으로 제어하도록 동작한다. 이러한 제어 시스템은 스위칭 상태중 하나의 상태, 예를 들어, 폐로 상태에서 각각의 셀이 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전압을 저장할 수 있도록 하고, 스위칭 상태중 또 다른 상태, 예를 들어, 개방 상태에서 각각의 셀이 적어도 하나의 부하로 상기 저장된 전력을 방전시키도록 한다.
이러한 제어 시스템은 저장된 회로 토폴로지에 상응하는 데이터를 가진 메모리 또는 룩업 테이블에 접근하고, 이러한 데이터를 감시된 동작 상태에 응답하여 검색하는 것이 유리하다. 예를 들어, 일부 상이한 토폴로지에서, 모든 셀은 충전 및/또는 방전을 위해 서로 직렬로 및/또는 병렬로 및/또는 직병렬로 접속되어 있고; 다른 상이한 토폴로지에서, 개별적인 셀이 충전 및/또는 방전을 위해 선택된다. 다양한 토폴로지는 단일 또는 다수의 단계에서 동시에 또는 연속으로 구현될 수 있다.
모듈로도 불리는 이러한 어레인지먼트는 상술된 베이스 층 및 하나 이상의 상술된 스위칭 층을 포함하고 있다. 이러한 모듈은 임의의 수의 스위칭 층을 가질 수 있어서, 용이하게 확장될 수 있다. 이것에 의해 단지 비용을 절감할 뿐만 아니라, 특정 적용에서 요구되는 대로 스위칭 층의 레졸루션 또는 수를 선택할 수 있다. 이러한 스위칭 층들은 상호 수직인 평면에 배열될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 스위칭 층은 2차원으로 상호접속될 수 있고 수평면 또는 X-Y 평면에 배치될 수 있고, 그다음에, 추가 스위칭 층이 3차원으로 상호접속될 수 있고, 수직 또는 Z 평면에 배치될 수 있어서, 컨트롤러에 의해 선택될 수 있는 유용한 회로 토폴로지의 수를 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 어레인지먼트는 상술된 출력 단자는 물론 상술된 입력 단자가 어레인지먼트의 좌측 또는 우측에 위치될 수 있어서, 외부 소스 또는 외부 부하가 양방향 어레인지먼트의 일측에 접속될 수 있다는 점에서 대칭성을 갖고 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 각각의 전원과 각각의 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하기 위한 방법에 있다. 본 발명은 각각의 입력 단자를 각각의 전원에 접속하는 단계, 각각의 출력 단자를 각각의 부하에 접속하는 단계, 각각의 입력 단자와 각각의 출력 단자에 모니터 노드를 접속하는 단계, 각각 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있고 상기 저장된 전력을 상기 적어도 하나의 부하에 방전시킬 수 있는 복수의 전력 저장 셀을 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속하는 단계, 상기 셀중 하나를 베이스 층에 배치하는 단계, 상기 셀에 제어가능 스위치를 접속하는 단계로서, 각각의 스위치가 스위칭 상태 사이에서 전환될 수 있도록 하기 위한 제어 입력부를 갖는 단계, 상기 스위치중 적어도 하나의 스위치 및 상기 셀중 다른 셀을 스위칭 층에 배치하는 단계, 각각의 전원 및 각각의 부하의 동작 동안 각각의 층을 위한 슬레이브 컨트롤러 및, 각각의 슬레이브 컨트롤러에 동작식 접속된 마스터 컨트롤러에 의해 모니터 노드에서 동작 상태를 동적으로 감시하는 단계, 이러한 감시된 동작 상태에 응답하여 상이한 회로 토폴로지에서 전력 저장 셀을 상호접속하기 위해 상기 컨트롤러들의 동작에 의해 제어 입력부에서 스위치를 선택적으로 동적으로 제어하는 단계, 상기 스위칭 상태중 하나에서 각각의 셀이 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있도록 하는 단계, 및 상기 스위칭 상태중 또 다른 하나에서 각각의 셀이 상기 적어도 하나의 부하에 상기 저장된 전력을 방전시킬 수 있도록 하는 단계에 의해 실행된다.
본 발명의 특징으로 생각되는 새로운 특징은 특히, 첨부된 청구범위에 나타나 있다. 그러나, 본 발명 자체는 그 구성 및 그 방법이, 추가적인 목적 및 장점과 함께, 다음의 도면을 참조하여 읽을 때 다음의 특정 실시예의 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 적어도 하나의 전원과 적어도 하나의 전기 부하 사이의 전력을 동적으로 관리하기 위한 어레인지먼트의 하나의 실시예의 일부의 전기 회로 개략도이다.
도 2는 도 1의 어레인지먼트용 프로그램화된 컨트롤러이다.
도 3은 도 2의 컨트롤러에 접근되는 룩업 테이블이다.
도 4 및 도 5는 함께 본 발명에 따른 어레인지먼트의 또 다른 실시예의 전기 회로 개략도를 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 적어도 하나의 전원과 적어도 하나의 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하기 위한 어레인지먼트의 또 다른 실시예의 전기 회로 개략도이고, 복수의 슬레이브 컨트롤러를 도시한 것 외에는 도 1과 유사하다.
도 7은 도 6의 실시예의 각각의 슬레이브 컨트롤러에 마스터 컨트롤러가 접속되는 방법을 도시하는 전기 회로 개략도이다.
부재번호 10은 대략, 전력을 공급하는 하나 이상의 외부 전원(12, 14, 16)과 전력을 소비하는 하나 이상의 외부 전기 부하(R1, R2, R3) 사이의 전력을 동적으로 그리고 효율적으로 관리하기 위한 어레인지먼트를 가리킨다. 이러한 전원은 AC 전력 그리드 또는 전원 메인과 같은 교류(AC) 소스(14), 임의의 직류(DC) 소스(16), 또는 임의의 조합된 AC/DC 소스(12)를 포함할 수 있다. 이러한 소스(12, 14, 16)는 비재생 에너지원, 예를 들어, 보통 엔진 발전기, 터빈 발전기, 열전 발전기, 연료전지등에서 탄화수소 연료를 연소시키는 에너지원, 또는 태양광 전지, 풍력발전기, 수력 디바이스, 바이오매스 발전기, 태양열 시스템, 지열 시스템등과 같은 임의의 재생가능 에너지원을 포함할 수 있다. 3개의 에너지원이 도 1에 도시되어 있지만, 단지 하나의 에너지원을 포함하는, 임의의 수의 에너지원이 채용될 수 있다. 부하(R1, R2, R3)는 형광 또는 증기-아크 조명용 밸러스트 및 모터와 같은 임의의 전기 유도성 부하, 및/또는 공통 필라멘트 광 벌브와 같은 임의의 저항성 부하, 및/또는 용량성 모터 스타터와 같은 임의의 용량성 부하를 포함할 수 있다. 도 1에 3개의 부하가 도시되어 있지만, 단지 하나의 부하를 포함하는 임의의 수의 부하가 채용될 수 있다.
어레인지먼트(10)는 적어도 하나의 입력 단자 및, 도시된 바와 같이, 각각의 소스(12, 14, 16)에 접속된 복수의 입력 단자(18, 20, 22)(IN1, IN2, IN3으로 라벨 붙여져 있다), 적어도 하나의 출력 단자 및, 도시된 바와 같이, 각각의 부하 R1, R2, R3에 접속된 복수의 출력 단자(24, 26, 28)(OUT1, OUT2, OUT3으로 라벨 붙여져 있다), 및 저항기 R을 통해 입출력 단자에 각각 접속된 복수의 모니터 노드 N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, N8, N9를 포함하고 있다. 하술되는 바와 같이, 프로그램화된 제어 시스템은 작동 상태, 예를 들어, 각각의 소스 및 부하의 작동 동안 모니터 노드에서의 작동 전압을 동적으로 감시한다. 도 1 내지 도 5의 실시예에서, 상기 제어 시스템은 단일 마스터 컨트롤러(30)(도 2 참조)를 포함하고 있다. 도 6 내지 도 7의 실시예에서, 이러한 제어 시스템은 단일 마스터 컨트롤러(42) 및 복수의 슬레이브 컨트롤러(44, 45, 48)(도 7 참조)를 포함하고 있다. 도 2의 마스터 컨트롤러(30)는 모니터 노드 N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, N8, N9에 각각 접속된 입력 핀 1-9을 갖고 있다.
또한, 어레인지먼트(10)에는 복수의 다이오드 D1, D2, D6, D7, D11, D12가 입출력 단자 사이에 흐르는 DC 전류의 방향을 제어하기 위해 접속되어 있다. 이러한 다이오드는 원치않는 경로를 따라 DC 전류가 흐르는 것을 차단한다. 모니터 노드 N1, N4, N7은 각각 입력 단자(18, 20, 22)에 접속되어 있다. 모니터 노드 N3, N6, N9은 출력 단자(24, 26, 28)에 각각 접속되어 있다. 다이오드 D1, D6, D11은 모니터 노드쌍 N1, N2; N4, N5; 및 N7, N8 사이에 접속되어 있다.
복수의 전력 저장 셀(32, 34, 36)은 입출력 단자 사이에 접속되어 있다. 하술된 바와 같이, 각각의 셀(32, 34, 36)은 적어도 하나의 소스로부터 전력을 저장할 수 있고 적어도 하나의 부하에, 저장된 전력을 방전할 수 있다. 각각의 셀(32, 34, 36)은 적어도 하나의 소스로부터 DC 전압을 저장하고 적어도 하나의 부하로 이러한 저장된 DC 전압을 방전하기 위한 자체 커패시터, 또는 배터리(B1, B2, B3) 및 커패시터(C1, C2, C3)의 병렬 콤비네이션을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 이러한 각각의 셀(또한, B-CAP1, B-CAP2, B-CAP3로 라벨 붙여져 있다)은 전압 조절기 및 필터로서 동작하고, 재충전가능하고 95%를 초과하는 높은 에너지 저장 효율을 가지고 신속하게 재충전하기 위한 극히 낮은 내부 저항을 갖고 있는 것이 유리하다. 이러한 셀은 역시 슈퍼캡 또는 울트라캡으로 알려진, 전기 이증충 커패시터인 것이 유리하다. 셀(32, 34, 36)은 구조적으로 동일하고 서로 상호 교환가능한 것이 바람직하다.
어레인지먼트(10)는 또한, 셀에 접속되고, 각각의 스위치가 개폐 스위칭 상태 사이에서 전환될 수 있도록 하기 위한 제어 입력부 G1, G2, G3, G4를 갖고 있는 복수의 제어가능 스위치 M1, M2, M3, M4를 포함하고 있다. 각각의 스위치는 제어 입력부로서 게이트, 베이스 또는 트리거를 갖고 있는 트랜지스터인 것이 유리하다. 각각의 스위치는 예를 들어, 전계효과 트랜지스터(FET), 특히, HEXFET(도시되어 있다) 또는 MOSFET, 또는 FlipFET, 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 또는 실리콘 제어 정류기(SCR), 또는 이들의 등가물, 예를 들어, 릴레이와 같은 고체 스위치일 수 있다. 스위치 M1은 입력 단자(18, 20) 사이에 셀(32)에 걸쳐 접속되어 있다. 스위치 M2는 출력 단자(24, 26) 사이에 셀(32)에 걸쳐 접속되어 있다. 스위치 M3는 입력 단자(20, 22) 사이에 셀(34)에 걸쳐 접속되어 있다. 스위치 M4는 출력 단자(26, 28) 사이에 셀(34)에 걸쳐 접속되어 있다.
어레인지먼트(10)는 복수의 제어 입력 단자(38, 40)(IN A 및 IN B로 라벨 붙여져 있다)를 더 포함하고 있다. 하나의 분기에 다이오드 D4 및 스위치 MA를 갖고 있고, 다른 분기에 다이오드 D5 및 스위치 MB를 갖고 있는 병렬 콤비네이션은 단자(38)와 단자(26)에 걸쳐 접속되어 있고, 셀(32)과 셀(34)을 상호연결한다. 하나의 분기에 다이오드 D9 및 스위치 MC를 갖고 있고, 다른 분기에 다이오드 D10 및 스위치 MD를 갖고 있는 또 다른 병렬 콤비네이션은 단자(40)와 단자(28)에 걸쳐 접속되어 있고, 셀(34)과 셀(36)를 상호연결한다. 스위치 MA, MB, MC, MD는 제어 입력 GA, GB, GC, GD를 갖고 있다. 제어 입력 GX를 갖고 있는 추가 스위치 MX는 단자(38)와 접지 사이에 다이오드 D3를 통해 접속되어 있다. 제어 입력 GY를 갖고 있는 추가 스위치 MY는 단자(40)와 접지 사이에 다이오드 D8를 통해 접속되어 있다.
마스터 컨트롤러(30)는 상술된 바와 같이, 각각의 소스와 각각의 부하의 동작 동안 모니터 노드 N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, N8, N9에서 동작 상태, 예를 들어, 동작 전압을 동적으로 감시한다. 마스터 컨트롤러(30)는 이러한 노드의 하나 이상에서 동작 전압을 검출하고, 예를 들어, 특정 소스가 전력을 공급하고 있는지 여부 및/또는 특정 부하가 전력을 받고 있는지 여부를 판단한다. 마스터 컨트롤러(30)는 또한, 감시된 동작 상태에 응답하여 상이한 회로 토폴로지에서 셀(32, 34, 36)을 상호접속하기 위해 모든 스위치 M1, M2, M3, M4, MA, MB, MC, MD, MX 및 MY를 이들의 각각의 제어 입력부에서 선택적으로 동적으로 제어한다. 마스터 컨트롤러(30)는 이러한 제어 입력부에 각각 접속된 출력 핀(12-17, 19-22)을 갖고 있다. 핀(10)에는 DC 전압이 공급된다. 핀(11)은 접지된다. 핀(18)은 예비핀이다. 마스터 컨트롤러(30), 셀(32, 34, 36) 및 모든 스위치 M1, M2, M3, M4, MA, MB, MC, MD, MX 및 MY는 DC 디바이스이다. 그래서, AC-DC 정류기(13, 15)가 각각의 AC 소스(12, 14)에 의해 공급된 AC 전압을 DC 전압으로 전환하기 위해 채용된다. 유사하게, DC-AC 인버터(19)가 AC 부하(17)에서 접속되어 있다.
마스터 컨트롤러(30)는 각각의 셀이 스위칭 상태중 하나, 예를 들어, 폐로 상태에서, 소스중 적어도 하나로부터 전압을 저장하도록 하고, 각각의 셀이 스위치 상태중 또 다른 하나, 예를 들어, 개방 상태에서, 저장된 전압을 부하중 적어도 하나에 방전하도록 한다. 마스터 컨트롤러(30)는 저장된 회로 토폴로지에 상응하는 데이터를 가진 메모리 또는 룩업 테이블(도 3 참조)에 접근하고, 이러한 데이터를 감시된 동작 상태에 응답하여 검색하는 것이 유리하다. 예를 들어, 일부 상이한 토폴로지에서, 모든 셀은 충전 및/또는 방전을 위해 서로 직렬로 및/또는 병렬로 및/또는 직병렬로 접속되어 있고, 다른 상이한 토폴로지에서, 개별적인 셀이 충전 및/또는 방전을 위해 선택된다. 다양한 토폴로지는 단일 또는 다수의 단계에서 동시에 또는 연속으로 구현될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3의 테이블의 제1 행에 스위치 M1, M2, M3, M4, MA, MB, MC, MD, MX 및 MY가 나타나 있다. 제1 열은 셀의 충방전 여부를 나타낸다. 제2 열은 토폴로지를 나타낸다. 행과 열의 교차부에서의 "X"는 특정 스위치가 마스터 컨트롤러(30)에 의해 폐로 상태로 전환되었음을 나타낸다. 행과 열의 교차부의 "O"는 특정 스위치가 마스터 컨트롤러(30)에 의해 개방 상태로 전환되었음을 나타낸다.
이러한 셀은 층으로 배열되는 것이 바람직하다. 셀중 하나, 예를 들어, 셀(36)은 베이스 층(60)에 배치되어 있고, 다이오드 D11, D12와 모니터 노드 N7, N8, N9과 함께 하는 것이 바람직하다. 또 다른 셀, 예를 들어, 셀(34)은 스위칭 층(62)에, 하나 이상의 스위치 M3, M4, MC, MD, MY, 및, 다이오드 D6, D7, 및 모니터 노드 N4, N5, N6와 함께 배치되어 있다. 또 다른 셀, 예를 들어, 셀(32)은 또 다른 스위칭 층(64)에, 하나 이상의 스위치 M1, M2, MA, MB, MX, 및, 다이오드 D1, D2, 및 모니터 노드 N1, N2, N3와 함께 배치되어 있다. 모듈로도 불리는 이러한 어레인지먼트는 하나의 베이스 층(60) 및 하나 이상의 스위칭 층(62, 64)을 포함하고 있다. 이러한 모듈은 임의의 수의 스위칭 층을 가질 수 있어서, 용이하게 확장될 수 있다. 이것에 의해 단지 비용을 절감할 뿐만 아니라, 특정 적용에서 요구되는 대로 층의 레졸루션 또는 갯수를 선택할 수 있도록 한다. 이러한 층들은 상호 수직인 평면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상술된 베이스 층(60) 및 하나 이상의 상술된 스위칭 층(62, 64)은 2차원으로 상호접속될 수 있고 수평면 또는 X-Y 평면에 배치될 수 있고, 그다음에, 도 4에 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 추가 셀 B-CAP 4, B-CAP 5, B-CAP 6을 각각 포함하는 추가 스위칭 층이 3차원으로 상호접속될 수 있고 수직 또는 Z 평면에 배치될 수 있어서, 컨트롤러에 의해 선택될 수 있는 유용한 회로 토폴로지의 수를 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 어레인지먼트는 출력 단자(24, 26, 28)는 물론 입력 단자(12, 14, 16)가 어레인지먼트의 좌측 또는 우측에 위치될 수 있어서, 외부 소스 또는 외부 부하가 양방향 어레인지먼트의 일측에 접속될 수 있다는 점에서 대칭성과 양방향성을 갖고 있다.
다중 경로, 대칭성, 매트릭스형상 구조에 의해 어레인지먼트(10)는 저렴한 비용과 고효율로 무한대로 확장될 수 있다. 일부의 경우에, 이러한 효율은 99%에 근접하거나 초과한다. 어레인지먼트(10)는 요구되는 대로 많은 중복 스위칭 층으로 구성된다. 이러한 스위칭 층의 수는 어레인지먼트의 유용한 레졸루션을 한정한다. 이러한 어레인지먼트는 고임피던스와 저임피던스 사이에 변할 수 있는 상이한 AC 소스와 DC 소스를 포함하는 다수의 외부 전원을 효율적으로 통합시키고, 하나 이상의 셀에 저장하고 및/또는 하나 이상의 부하에 전달하기 위한 하나 이상의 유용한 출력 전력을 혼합한다. 특정 부하 조건에 대해 아무런 또는 충분한 출력 전력이 유용하지 않다면, 셀은 하나 이상의 부하에 전달하기 위한 하나 이상의 유용한 저장된 전력을 혼합하기 위한 기능을 수행한다. 전력 저장 또는 전달은 동시에 또는 연속으로 일어날 수 있다.
어레인지먼트(10)는 동적으로, 즉, 실시간 동작하는, 인텔리전트 에너지 수집기 및 분배기로서 기술될 수 있다. 베이스 층 및 하나 이상의 스위칭 층은 단일 인쇄회로기판(PCB)에 장착될 수 있다. 하나 이상의 스위칭 층을 갖고 있는 추가의 PCB가 상술된 PCB에 용이하게 상호접속될 수 있다. 어레인지먼트(10)는 반복된 패턴으로 조립된 단순한 모듈 구조를 채용한다. 셀의 수는 요구되는 최대 부하 전력과 전압 레졸루션에 의해 한정된다. 부하 및 소스의 상태의 연속 또는 빈번한 감시가 요구된다. 모니터 노드를 감시함으로써, 콜렉터(30)는 임의의 층 또는 PCB에 결함이 있는지 검출할 수 있고, 이러한 임의의 결함있는 층 또는 PCB를 바이패스하도록 스위치를 제어할 수 있다.
상술된 각각의 소자 또는 2개 이상은 함께 상술된 타입과 상이한 다른 타입의 구성에서 유용하게 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 2개의 HEXFET의 MA 및 MB 그리고 이들의 다이오드 D4 및 D5는 단일 FlipFET로 대체될 수 있다.
이제 도 6 내지 도 7의 실시예에서, 도 6은 상술된 슬레이브 컨트롤러(44, 46, 48)가 각각의 층(64, 62, 60)에 대해 하나씩 도시되어 있다는 점을 제외하면 도 1과 동일하다. 도 7은 이러한 슬레이브 컨트롤러(44, 46, 48)가 마스터 컨트롤러(42)에 접속되는 방법을 도시하고 있다. 도 6 내지 도 7의 노드, 셀 및 스위치의 구조 및 기능은 도 1 내지 도 3에서 상술된 것과 동일하므로 반복할 필요가 없다. 마스터 컨트롤러(30)에만 의존하여 그 상술된 기능을 실행하지 않고, 도 6 내지 7에서는, 마스터 컨트롤러(42) 및 그 슬레이브 컨트롤러(44, 46, 48)가 추가 기능은 물론 보다 큰 속도 및 효율로 이러한 동일한 기능을 실행한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 마스터 컨트롤러(42)는 양방향 또는 핸드세이크 라인(50, 52, 54)을 통해 슬레이브 컨트롤러(44, 46, 48)에 접속되어 있다. 이러한 마스터 컨트롤러(42)는 스위칭 층(64)의 슬레이브 컨트롤러(44)의 제어 입력부 GX, G1, GA, GB 및 G2, 및/또는 스위칭 층(62)의 슬레이브 컨트롤러(46)의 제어 입력부 GY, G3, GC, GD 및 G4에 접속된 제어 출력부 Control 1, Control 2, Control 3, Control 4 및 Control 5를 갖고 있다. 이러한 슬레이브 컨트롤러(44)는 노드 N1, N2 및 N3를 감시하고 제어 입력부 GX, G1, GA, GB 및 G2에 접속되어 있다. 슬레이브 컨트롤러(46)는 노드 N4, N5 및 N6를 감시하고 제어 입력부 GY, G3, GC, GD 및 G4에 접속되어 있다. 이러한 슬레이브 컨트롤러(48)는 노드 N7, N8 및 N9를 감시한다.
따라서, 본원에 따라, 이러한 어레인지먼트는 스위칭 층에 복수의 동일한 셀 또는 전력 객체를 포함하고 있다. 각각의 전력 객체는 극성을 거스르지 않도록 보장하는 블록킹 다이오드와 함께 양의 입출력부 및 음의 입출력부를 포함하고 있다. 항상 접지로의 접속 및 전원으로의 접속이 존재한다. 전력 및 접지는 극성증 어느 하나일 수 있다. 전력 객체의 중심에 상술된 수퍼캡 B-CAP 1, B-CAP 2 및 B-CAP 3와 같은 고속 충전 및 방전 에너지 저장 컴포넌트가 있다. 전력을 제외하고 모든 신호 경로에 제어가능한 스위치, 보통, HEXFETS와 같은 반도체 장치가 접속되어 있다. 이러한 스위치를 제어함으로써, 유용한 전력이 충전을 위한 전력 객체로 지향되고, 그다음, 전력은 적절한 대로 전압, 암페어, 파형 및 타이밍과 같은 필요한 형태로 희망의 부하 또는 타겟으로 방출된다. 이러한 스위칭 층의 각각은 이러한 스위치를 제어하기 위한 신호 입출력 라인으로서, 유용한 전력 상태를 감시하고, 임의의 주어진 순간을 위한 최상의 가능한 솔루션(성능)을 위해 필요한 및/또는 가능한 부하 수요량을 감시하기 위한 신호 입출력 라인을 갖고 있다. 이러한 모두를 제어하는 것은 제어 시스템 및 프로그래머블 ROM이다. 이러한 다양한 타이밍 및 컴포넌트 조합은 전력의 상태뿐만 아니라, 전력의 형상 및 타이밍 역시 규정한다.
이러한 어레인지먼트는 전력 펄스 소비자(전력 충전), 또는 전력 펄스 발생기(전력 공급자)로서 작동될 수 있다. 셀의 충전 또는 방전은 적어도 하나의 타임드 펑션(timed function), 또는 일련의 타임드 펑션으로서 실행될 수 있다. 이러한 타임드 펑션(펄스)은 매우 길거나 매우 짧을 수 있거나, 그 사이의 임의의 기간이 될 수 있다. 고속의 일련의 긴 펄스는 변동성 또는 형상이 거의 없거나 전혀 없는 거의 일정한 출력, 즉, 수평선 함수, 또는 DC 전압을 산출할 것이다. 그 밖의 모든 것은 적어도 하나의 경사 또는 훨씬 더 큰 변동성을 갖는 가변 출력, 또는 AC 전압을 산출할 것이다. 각각의 전력 상태가 주어진 기간 동안 적어도 하나 또는 집합의 펄스(펄스는 전압, 암페어, 및 시간으로 구성되어 있다)로 구성될 수 있기 때문에, 임의의 주어진 소스 또는 임의의 주어진 부하에 대해, 필요한 대로 임의의 타입의 전력 충전 함수, 또는 전력 소비 함수를 형상화하는 것이 가능해진다.
이러한 어레인지먼트의 융통성 및 전력을 더 증가시키기 위해, 접근가능한 메모리를 갖는 상술된 슬레이브 컨트롤러(44, 46 및 48)가 각각의 셀을 "스마트"하게 하기 위해 각각의 층의 각각의 셀에 추가된다. 국부화된 "스마트" 셀의 추가는 보다 잘 그리고 보다 빨리 관리될 수 있는 소스에서 충전 상태, 노이즈 제어, 타이밍, 왜곡, 형상 등과 같은 특정 기능을 전달하는 추가 기능을 제공하여, 이러한 어레인지먼트의 정교화 및 효율을 향상시킨다. 이러한 어레인지먼트는 진리 테이블을 저장하고 특정 파형, 전력 한계치, 부하 우선순위 드롭아웃, 및/또는 시퀀스 테이블등과 같은 맞춤형 기능을 제공하기 위한 추가 서브루틴을 실행하기 위한 접근가능한 메모리를 가진 마스터 컨트롤러에 의해 항상 감시되고 관리된다. 슬레이브 컨트롤러(44, 46, 48)는 마스터 컨트롤러와 동일한 방식으로 각각의 층의 로컬 상태를 감시하지만, 각각의 슬레이브 컨트롤러에는 마스터 컨트롤러의 기능을 넘겨받거나 보충하기 위해 마스터 컨트롤러에 의해 특정 기능이 할당된다. 또한, 노이즈 제거 또는 스위칭 왜곡과 같은 제2 또는 제3의 기능이 슬레이브 컨트롤러(44, 46, 48)에 위임될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 그 하드웨어 플랫폼에 소프트웨어 개발을 통해 많은 다양한 전력 관리 기능을 개발하는 기능을 갖고 있다.
본 발명이 하나 이상의 전원과 하나 이상의 전기 부하 사이의 전력을 동적으로 관리하는 어레인지먼트와 방법으로서 설명되었지만, 다양한 수정 및 구조적 변경이 본 발명의 정신에 벗어남 없이 만들어질 수 있기 때문에 상술된 것에 제한되지 않는다.
추가 분석 없이, 상술된 내용은 당업자가 본 발명의 특정 또는 일반적인 특징을 구성하면서 다양하게 적용할 수 있으므로, 이러한 변형 및 수정은 다음의 청구범위내에 포함되어 있다.
보호 범위는 첨부된 청구범위에 나타나 있다.

Claims (11)

  1. 전력을 공급하는 적어도 하나의 전원과 전력을 소비하는 적어도 하나의 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하기 위한 배열체로서,
    상기 적어도 하나의 전원에 접속된 적어도 하나의 입력 단자;
    상기 적어도 하나의 부하에 접속된 적어도 하나의 출력 단자;
    상기 적어도 하나의 입력 단자와 상기 적어도 하나의 출력 단자에 접속된 복수의 모니터 노드;
    상기 적어도 하나의 입력 단자와 상기 적어도 하나의 출력 단자 사이에 접속되어 있고, 각각의 셀이 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있고, 저장된 전력을 상기 적어도 하나의 부하에 방전시킬 수 있고, 셀중 하나의 셀이 베이스 층에 배치되어 있는 복수의 전력 저장 셀;
    상기 전력 저장 셀에 접속되어 있는 복수의 제어가능 스위치로서, 각각의 스위치가 스위칭 상태 사이에서 전환될 수 있도록 하기 위한 제어 입력부를 갖고 있고, 상기 스위치중 적어도 하나의 스위치 및 상기 셀중 다른 셀이 스위칭 층에 배치되어 있는 복수의 제어가능 스위치; 및
    상기 베이스 층과 상기 스위칭 층에 대한 슬레이브 컨트롤러, 및 각각의 슬레이브 컨트롤러에 동작식 접속된 마스터 컨트롤러를 포함하는 프로그램화된 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은 상기 적어도 하나의 전원 및 상기 적어도 하나의 부하의 동작 동안 모니터 노드에서 동작 상태를 동적으로 감시하고, 상기 감시된 동작 상태에 응답하여 상이한 회로 토폴로지에서 전력 저장 셀을 상호접속하도록 상기 제어 입력부에서 상기 스위치를 선택적으로 동적으로 제어하고, 상기 스위칭 상태중 하나의 상태에서 각각의 전력 저장 셀이 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있도록 하고, 상기 스위칭 상태중 또 다른 상태에서 각각의 전력 저장 셀이 상기 적어도 하나의 부하로 상기 저장된 전력을 방전시키도록 하기 위해, 동작하고,
    각 스위칭 층에 대한 각 슬레이브 컨트롤러는 각각의 스위칭 층에서 적어도 하나의 스위치에 접속되고 적어도 하나의 스위치를 제어하는 적어도 하나의 제어 입력부를 갖고, 상기 베이스 층에 대한 상기 슬레이브 컨트롤러는 제어 입력부를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 배열체.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 입력 단자가 존재하고, 상기 복수의 입력 단자의 하나의 입력 단자는 교류(AC) 및 직류(DC)를 갖고 있는 조합된 전원에 접속되어 있고, 상기 복수의 입력 단자의 다른 입력 단자는 단일 AC 전원에 접속되어 있고, 상기 복수의 입력 단자의 또 다른 입력 단자는 단일 DC 전원에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 배열체.
  3. 제2항에 있어서, 복수의 출력 단자가 존재하고, 상기 복수의 출력 단자중 하나의 출력 단자는 AC 부하에 접속되어 있고, 상기 복수의 출력 단자중 다른 출력 단자는 DC 부하에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 배열체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모니터 노드중 하나의 모니터 노드는 상기 적어도 하나의 입력 단자에 접속되어 있고, 상기 모니터 노드중 다른 모니터 노드는 상기 적어도 하나의 출력 단자에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 배열체.
  5. 제1항에 있어서, 각각의 전력 저장 셀은 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전압을 저장하고 상기 저장된 전압을 상기 적어도 하나의 부하에 방전시키기 위한 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배열체.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 전력 저장 셀은 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전압을 저장하고 상기 저장된 전압을 상기 적어도 하나의 부하에 방전시키기 위한 배터리 및 커패시터의 병렬 콤비네이션을 포함하는 것을 특징으로 하는 배열체.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 스위치는 상기 제어 입력부로서 게이트, 베이스 및 트리거중 하나를 갖고 있는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배열체.
  8. 제2항에 있어서, 복수의 다이오드가 상기 적어도 하나의 입력 단자와 상기 적어도 하나의 출력 단자 사이에 흐르는 DC 전류의 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 배열체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 저장된 회로 토폴로지에 상응하는 데이터를 갖고 있는 메모리에 접근하고, 상기 데이터를 상기 감시된 동작 상태에 응답하여 검색하는 것을 특징으로 하는 배열체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 마스터 컨트롤러 및 각 슬레이브 컨트롤러는 타임드 방식으로 상기 스위치를 제어하고 상기 토폴로지를 하나 이상의 단계에서 구현하기 위해, 동작하는 것을 특징으로 하는 배열체.
  11. 전력을 공급하는 적어도 하나의 전원과 전력을 소비하는 적어도 하나의 전기 부하 사이에 전력을 동적으로 관리하는 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전원에 적어도 하나의 입력 단자를 접속하는 단계;
    상기 적어도 하나의 부하에 적어도 하나의 출력 단자를 접속하는 단계;
    상기 적어도 하나의 입력 단자 및 상기 적어도 하나의 출력 단자에 복수의 모니터 노드를 접속하는 단계;
    상기 적어도 하나의 입력 단자와 상기 적어도 하나의 출력 단자 사이에 복수의 전력 저장 셀을 접속하는 단계로서, 각각의 셀이 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있고, 저장된 전력을 상기 적어도 하나의 부하에 방전시킬 수 있는 단계;
    상기 셀중 하나를 베이스 층에 배치하는 단계;
    각각의 스위치가 스위칭 상태 사이에서 전환될 수 있도록 하기 위한 제어 입력부를 갖는 복수의 제어가능 스위치를 상기 셀에 접속하는 단계;
    상기 스위치중 적어도 하나의 스위치 및 상기 셀중 다른 셀을 함께 스위칭 층에 배치하는 단계;
    상기 적어도 하나의 전원 및 상기 적어도 하나의 부하의 동작 동안, 상기 베이스 층과 상기 스위칭 층에 대한 슬레이브 컨트롤러 및 각각의 슬레이브 컨트롤러에 동작식 접속된 마스터 컨트롤러에 의해 상기 모니터 노드에서 동작 상태를 동적으로 감시하는 단계;
    상기 감시된 동작 상태에 응답하여 상이한 회로 토폴로지에서 상기 전력 저장 셀을 상호접속하도록 상기 마스터 컨트롤러 및 각 슬레이브 컨트롤러의 동작에 의해 상기 제어 입력부에서 상기 스위치를 선택적으로 동적으로 제어하는 단계;
    상기 스위칭 상태 중 하나의 상태에서 각각의 전력 저장 셀이 상기 적어도 하나의 전원으로부터 전력을 저장할 수 있도록 하는 단계;
    상기 스위칭 상태 중 또 다른 상태에서 각각의 전력 저장 셀이 상기 적어도 하나의 부하로 상기 저장된 전력을 방전시키도록 하는 단계;
    상기 적어도 하나의 스위치를 제어하기 위해 각 스위칭 층에 대한 각 슬레이브 컨트롤러의 적어도 하나의 제어 입력부를 각각의 스위칭 층 내의 적어도 하나의 스위치에 연결하는 단계; 및
    상기 베이스 층에 대한 상기 슬레이브 컨트롤러에 제어 입력부를 제공하지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 동적 관리 방법.
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