KR102050993B1 - 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 충방전 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 수명을 향상시킴과 더불어 출력 패턴이 불안정한 태양광 전원을 최적의 충전 모드로 충전할 수 있도록 한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에 관한 것이다.
모듈들의 직렬 연결된 복수의 스택이 각각 그룹인 커패시터 스택 그룹 및 배터리 스택 그룹로 구분되는 상기 복수의 스택을 구비한 에너지 저장부를 충전 및 방전 시키는 전원 제어부는, 충방전 정책에 따라, 상기 복수의 스택 중 적어도 한 스택에 태양광 발전에 따른 전원의 변환 전원인 출력 전원으로 스택 충전하는 스택 충전 모드; 상기 복수의 스택 중 속하는 적어도 하나의 모듈에 상기 출력 전원으로 모듈 충전하는 모듈 충전 모드; 및 상기 배터리 스택 그룹 중 적어도 한 스택에 상기 커패시터 스택 그룹 중 적어도 한 스택의 전원으로 스택간 충전하는 스택간 충전 모드 중 적어도 어느 한 모드로 충전 제어할 수 있다.
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Description
본 발명은 태양광 충방전 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 수명을 향상시킴과 더불어 출력 패턴이 불안정한 태양광 전원을 최적의 충전 모드로 충전할 수 있도록 한 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전 세계적으로 기후변화의 결과는 환경 파괴의 위기와 고유가로 나타나게 되면서 동시에 자원고갈의 위기에 직면하였고 석유에너지의 고갈과 환경 오염이 가속화됨에 따라 지구온난화를 방지하기 위한 교토 의정서가 발효됨에 따라 이산화탄소 배출을 억제하기 위한 신재생 에너지의 이용기술 개발이 시급한 과제로 급부상하고 있다.
이러한 실정 하에서 기술개발의 방향은 풍력, 조력, 태양광, 수력 등의 자연 에너지를 이용한 신재생 에너지 개발에 집중하고 있으며, 신재생 에너지를 비롯하여 자동차나 전동차의 제동시 발생되는 회생에너지 등을 저장하는 저장시스템에서 손실로 처리되는 에너지 시스템이나 장치를 개선하여 손실율을 최소화시키는 방향으로도 활발하게 개발이 이루어지고 있다.
한편, 에너지 저장방식은 크게, 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있는 슈퍼 커패시터 모듈로 구성된 에너지 저장방식(커패시터 저장방식)과, 리튬 배터리를 이용한 배터리 모듈로 구성된 에너지 저장방식(배터리 저장방식) 정도로 기술 개발이 압축되고 있으며, 양자는 각각 장점과 단점을 가지고 있다.
커패시터 에너지 저장방식은 피크 전력을 저감시키기 어렵고, 방전시 배터리 방식에 비해 짧은 시간만 방전 가능하므로 에너지 저장효율이 많이 떨어지지만, 응답속도가 빨라서 역률 보상이 용이하다. 또한 커패시터의 에너지 저장용량의 급속한 확대 기술로 초 고용량 슈퍼 커패시터가 출시되고 있어, 커패시터 에너지 저장방식은 활용 가치가 더 높아지고 있다. 여러 나라에서 실증해 본 결과, ①예측하기 어려운 출력패턴을 가진 태양광의 문제점인 흐린 날 저전력 충전이 가능했고, 평상시 급속충전이 가능했으며, ②태양광으로 당일 충전, 당일사용이 가능하였다.
배터리 에너지 저장방식은 응답속도가 느려서 역률 보상이 용이하지 못하지만, 피크 전력 저감이 용이하며, 장시간 방전이 가능하여 에너지 저장 효율이 높다. 또한, 1백만회 충방전이 가능한 슈퍼 커패시터에 비해, 배터리는 수명이 짧아 유지보수 비용이 높고, 환경에 유해하며, 높은 에너지 밀도로 인해 태양광 환경에 따라 충전이 제대로 되지 않을 수 있다. 흐리고 비 오는 날 충전이 되지 않는 문제에 대해, 기술적으로 부조일수 개념을 적용하여, 추가적인 배터리 용량을 설계하여 적용함으로써 이러한 문제를 해결하려고 하나 이는 배터리가 에너지 밀도가 높고, 수명이 짧아 근본적인 대책이 되지 못한다.
이와 같이 배터리와 슈퍼 커패시터는 다수 개를 조합하여 모듈로 만들어야 에너지 저장장치로 사용할 수 있고, 다수 개를 조합하여 모듈로 만들 때 n개의 슈퍼 커패시터 또는 배터리간 전압편차가 발생하고 이를 기술적으로 안정화시키는 가장 기본적인 방법이 셀 밸런스 회로(Cell Balance Circuit)를 적용하는 것이고, 배터리와 슈퍼 커패시터는 각 셀간의 전압균형이 무너지면 화재가 발생할 수 있고, 수명이 급속히 줄어드는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 문제를 개선하기 위해, 슈퍼 커패시터와 배터리로 이루어진 하이브리드 에너지 저장부에 태양광 전원을 이용하여 입력 전원의 최대 발전전력으로 충전이 가능하고, 태양광에서 발생하는 전원이 저전력인 경우에도 충전이 가능하게 하고, 커패시터의 셀 발란싱(Cell Balancinh)을 불필요한 에너지 소비 없이 가능하도록 하는 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 장치는, 태양광을 입사받아 전력을 생산하는 태양광 발전부; 적어도 상기 태양광 발전부에서 생산된 전원을 입력 전원으로 하여 상기 입력 전원의 전압을 변경하여 출력 전원으로 변환하는 전원 변환부; 전원을 저장하는 복수의 모듈을 구비하는 에너지 저장부; 상기 전원 변환부 및 상기 에너지 저장부 중 적어도 하나의 전원을 소비하는 부하부와 연결된 부하 연결선; 및 기설정된 충방전 정책에 따라, 상기 에너지 저장부의 충전 및 방전을 제어하는 전원 제어부를 포함하고, 상기 복수의 모듈은 직렬 연결된 일부 모듈들의 스택을 복수 구성하고, 상기 복수의 스택은 커패시터 모듈들로 구성된 커패시터 스택들의 커패시터 스택 그룹, 및 배터리 모듈들로 구성된 배터리 스택들의 배터리 스택 그룹으로 구분되고, 상기 전원 제어부는 상기 충방전 정책에 따라, 상기 복수의 스택 중 적어도 한 스택에 상기 출력 전원으로 스택 충전하는 스택 충전 모드; 상기 복수의 스택 중 속하는 적어도 하나의 모듈에 상기 출력 전원으로 모듈 충전하는 모듈 충전 모드; 및 상기 배터리 스택 그룹 중 적어도 한 스택에 상기 커패시터 스택 그룹 중 적어도 한 스택의 전원으로 스택간 충전하는 스택간 충전 모드 중 적어도 어느 한 모드로 충전 제어할 수 있다.
또한, 상기 전원 제어부는, 상기 전원 변환부에서 상기 복수의 스택으로의 일방향 전류 단속하는 제1 스위치 그룹; 상기 부하 연결선에서 상기 복수의 배터리 스택으로의 일방향 전류 단속하는 제2 스위치 그룹 상기 커패시터 스택 그룹에서 상기 부하 연결선으로의 일방향 전류 단속하는 제3 스위치 그룹; 및 상기 배터리 스택 그룹에서 상기 부하 연결선로의 일방향 전류 단속하는 제4 스위치 그룹을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전원 제어부는, 상기 제1 스위치 그룹의 스위칭으로 스택 충전을 제어하고, 상기 제2 및 상기 제3 스위치 그룹으로 스택간 충전을 제어하고, 상기 제3 및 제4 스위치 그룹으로 스택 방전을 제어할 수 있다.
또한, 상기 충방전 정책이 스택 충전 모드인 경우, 전원 제어부는 상기 복수의 스택 중 가장 낮은 전압의 스택부터 충전되도록 할 수 있다.
또한, 상기 전원 제어부는 충전 개시시 상기 스택 충전 모드로 개시하고, 상기 태양광 발전부가 발전 중이고 상기 전원 변환부의 입력 전압이 기설정 전압 보다 낮은 경우, 상기 전원 제어부는 상기 모듈 충전 모드 및 스택간 충전 모드 중 적어도 한 모드로 충전 제어하고, 최초 개시 모드는 상기 모듈 충전 모드일 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부가 발전 중인 경우, 상기 전원 제어부는 상기 모듈 충전을 계속 시행하고, 상기 모듈 충전은 상기 복수의 커패시터 모듈 중 적어도 하나에 대한 충전일 수 있다.
또한, 상기 전원 제어부는 상기 복수의 모듈 중 동일 스택의 다른 모듈들 보다 모듈 전압이 낮은 모듈에 대해 상기 모듈 충전으로 셀 밸런싱을 하여 모듈 전압을 승압시킬 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부의 발전이 종료되고 상기 모듈 충전을 통한 상기 셀 밸런싱이 필요한 경우, 상기 전원 제어부는 상기 복수의 스택 중 셀 밸런싱이 불필요한 적어도 하나의 스택의 전원을 상기 전원 변환부의 입력단과 연결하여 상기 모듈 충전할 수 있다.
또한, 상기 전원 제어부는 상기 모듈 충전 중인 모듈의 충전시간에 기초하여 해당 모듈의 불량 여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 전원 변환부는 종축 전원 공급 모듈 및 횡축 전원 공급 모듈을 포함하고, 상기 종축 전원 공급 모듈은 상기 입력 전원을 상기 스택 충전 모드시 필요한 전원으로 변환하여 공급하고, 상기 횡축 전원 공급 모듈은 상기 입력 전원을 상기 모듈 충전 모스시 필요한 전원으로 변환하여 공급할 수 있다.
또한, 상기 복수의 모듈 중 전기적으로 연결가능한 서로 다른 스택에 속한 모듈들의 가로 모듈 그룹 중 제1 및 제2 가로 모듈 그룹에 속한 모듈들을 모듈 충전하는 충전 제어 모듈을 더 포함하고, 상기 충전 제어 모듈은, 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극과 단속되는 제1 라인; 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극 및 음극 중 어느 하나와 연결되는 제2 라인; 상기 횡축 전원 공급 모듈의 음극과 단속되는 제3 라인; 상기 제1 및 제2 라인 중 어느 하나에 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극을 연결하는 제1 삼로 스위치; 상기 제2 및 제3 라인 중 어느 하나에 상기 횡축 전원 공급 모듈의 음극을 연결하는 제2 삼로 스위치; 상기 제1 및 제2 라인 사이에 배치된 상기 제1 가로 모듈 그룹 중 제1 모듈의 양극과 상기 제1 라인을 단속하는 제1 스위치; 상기 제2 및 제3 라인 사이에 배치된 상기 제2 가로 모듈 그룹 중 제2 모듈의 양극과 상기 제2 라인을 단속하는 제2 스위치; 및 상기 제2 모듈의 음극과 상기 제3 라인을 단속하는 제3 스위치를 구비하고, 상기 제1 모듈의 음극과 상기 제2 모듈의 양극은 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
또한, 상기 충전 제어부는, 상기 제1 및 제2 모듈 중 어느 한 모듈을 충전하고, 상기 제1 모듈 충전시, 상기 제1 및 제2 라인을 통해 상기 제1 모듈이 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극 및 음극과 연결되도록 상기 제1 및 제2 삼로 스위치와 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하고, 상기 제2 모듈 충전시, 상기 제2 및 제3 라인을 통해 상기 제2 모듈이 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극 및 음극과 연결되도록 상기 제1 및 제2 삼로 스위치와 상기 제2 및 제3 스위치를 제어 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 태양광 충방전 태양광 에너지 저장장치는 스택별로 충전하는 스택 충전 모드, 커패시터 스택에서 배터리 스택으로 충전하는 스택간 충전 모드, 및 캐피시터 모듈 별로 충전하는 모듈 별 충전 모드를 제공할 수 있으며, 이에 의해 안정적인 충전이 되도록 할 수 있다.
또한, 충방전 사이클 수명이 긴 커패시터 모듈을 먼저 충전함으로써 상대적으로 충방전 사이클 수명이 짧은 배터리를 최적으로 장시간 사용할 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치의 블럭 구성도(block diagram),
도 2는 도 1의 에너지 저장부의 블럭 구성도,
도 3은 에너지 충방전 회로도, 및
도 4는 도 3의 충전 제어부에 의한 개별 충전 회로도이다.
도 2는 도 1의 에너지 저장부의 블럭 구성도,
도 3은 에너지 충방전 회로도, 및
도 4는 도 3의 충전 제어부에 의한 개별 충전 회로도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한 네트워크 상의 제1 구성요소와 제2 구성요소가 연결되어 있거나 접속되어 있다는 것은, 유선 또는 무선으로 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에 데이터를 주고 받을 수 있음을 의미한다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
이와 같은 구성요소들은 실제 응용에서 구현될 때 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다. 도면 전체를 통하여 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하였고, 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소에 대한 자세한 설명은 전술한 구성요소에 대한 설명으로 대체되어 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치의 블럭 구성도(block diagram)이고, 도 2는 도 1의 에너지 저장부의 블럭 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 태양광 충방전 에너지 저장장치는 전원 제어부(100), 충전 제어부(160), 태양광 발전부(210), 전원 변환부(220), 및 에너지 저장부(300)를 포함할 수 있다.
태양광 발전부(210)는 전력을 생산할 수 있다. 태양광 발전부(210)는 태양광 발전, 수력 발전, 풍력 발전, 조력 발전, 및 자동차나 전동차의 제동에 따른 회생 발전 중 적어도 하나를 발전원으로 하여 전력을 생산할 수 있다. 이하, 태양광 발전부(210)가 태양광 발전에 따른 전력 생산원으로 가정하고 기술한다. 태양광 발전부(210)는 태양광을 입사받아 DC 전력을 생산할 수 있다.
전원 변환부(220)는 적어도 태양광 발전부(210)에서 생산된 DC 전원을 공급받아 승압하거나 감압하여 필요한 출력 전원으로 변환할 수 있다. 한편, 전원 변환부(220)의 입출력 전압은 직류 및 교류의 다양한 조합일 수 있다. 후술하는 배터리 또는 커패시터의 충전을 위해, 전원 변환부(220)는 DC 출력인 것이 바람직하다.
전원 변환부(220)는 필요에 따라 에너지 저장부(300)의 전원을 입력 받아, 이를 적절한 전압의 전원으로 출력할 수 있다. 태양광 발전부(210)의 발전이 종료된 후 셀 밸런싱이 필요할 때, 에너지 저장부(300)의 전원으로 모듈을 충전하게 된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
전원 변환부(220)는 종축 전원 공급 모듈(230) 및 횡축 전원 공급 모듈(240)을 포함할 수 있다. 종축 전원 공급 모듈(230)은 후술하는 스택 충전시 필요한 전원을 공급하고, 횡축 전원 공급 모듈(240)은 모듈 충전시 필요한 전원을 공급할 수 있다. 횡축 전원 공급 모듈(240)은 복수의 전원 공급 유닛으로 구성될 수 있다.
전원 변환부(220)는 태양광 발전부(210)로부터 입력되는 입력 전원의 변동을 억제하는 평활 모듈(미도시), 및 노이즈를 제거하는 필터 모듈(미도시)를 더 포함할 수 있다.
에너지 저장부(300)는 전원 변환부(220)에서 변환된 전원을 저장할 수 있다. 전원 저장을 위해, 에너지 저장부(300)는 전원을 저장하는 복수의 모듈(B, C)을 구비할 수 있다.
도 2를 참조하면, 복수의 모듈(B, C)은 커패시터 모듈(C)들 및 배터리 모듈(B)들로 구성될 수 있다. 커패시터 모듈(C)은 고용량 커패시터를 구비할 수 있다. 배터리 모듈(B)은 배터리를 구비할 수 있다.
복수의 모듈(B, C)은 복수의 스택을 구성할 수 있다. 스택은 전기적으로 직렬 연결된 모듈들로, 커패시터 모듈(C)들의 커패시터 스택(310)과 배터리 모듈(B)들의 배터리 스택(360)으로 구분될 수 있다. 커패시터 스택(310) 및 배터리 스택(360)은 각각 복수로 구성될 수 있다. 커패시터 스택(310)은 기설정된 개수의 커패시터 모듈(C)들로 구성되고, 배터리 스택(360)은 기설정된 개수의 배터리 모듈(B)들로 구성되는 것이 바람직하다. 일반적으로 배터리 모듈(B)의 전압이 커패시터 모듈(C)의 전압 보다 높으므로, 배터리 스택(360)의 모듈 개수가 커패시터 스택(310)의 모듈 개수 보다 적은 것이 바람직하다.
전원 제어부(100)는 전원 변환부(220)의 구동을 제어할 수 있다. 전원 제어부(100)는 커패시터 스택(310) 및 배터리 스택(360)의 충전 및 방전 방식을 제어할 수 있다.
전원 제어부(100)는 기설정된 충방전 정책에 따라 에너지 저장부(300)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 충방전 정책은 적어도 에너지 저장부(300)를 충전하는 충전 정책, 및 적어도 에너지 저장부(300)의 전원을 부하부(260)로 전달하는 방전 정책을 포함할 수 있다. 각 정책은 설정된 시간대, 발전 환경 등에 따라 여러 모드로 에너지 저장부(300)의 충방전이 진행될 수 있다.
충방전 모드는 충전 방식에 따른 분류이다. 충전 방식은 전원, 방향, 및 충전 대상에 따라, 스택 충전, 스택간 충전, 및 모듈 충전 방식이 있을 수 있다. 이하, 각 충전 방식을 설명하기 위해, 커패시터 스택(310) 및 배터리 스택(360)은 각각 복수인 것으로 가정한다.
스택 충전은 복수의 커패시터 스택(310) 및 복수의 배터리 스택(360) 중 적어도 어느 한 스택이 전원 변환부(220)의 출력 전원으로 충전되는 것을 의미한다. 전원 변환부(220)의 입력 전원은 태양광 발전부(210)의 전원인 것이 바람직하다.
모듈 충전은 복수의 모듈(B, C) 중 적어도 어느 한 모듈이 전원 변환부(220)의 출력 전원으로 충전되는 것을 의미한다. 전원 변환부(220)의 입력 전원은 태양광 발전부(210)가 발전 중인 경우는 태양광 발전부(210)의 전원이고, 태양광 발전부(210)의 발전이 종료된 경우는 에너지 저장부(300)의 전원인 것이 바람직하다.
스택간 충전은 복수의 배터리 스택(360) 중 적어도 어느 한 스택이 복수의 커패시터 스택(310) 중 적어도 어느 한 스택의 전원으로 충전되는 것을 의미한다.
스택 충전시 스택 충전 모드, 스택간 충전시 스택간 충전 모드, 및 모듈 충전시 모듈 충전 모드로 지칭될 수 있다.
전원 제어부(100)는 필요시 태양광 발전부(210)의 출력이 에너지 저장부(300)로 직접 공급되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 전원 변환부(220)에서 전력 변환이 생략되어, 에너지 효율이 향상될 수 있다.
전원 제어부(100)는 입력전원 검출 모듈(미도시), 출력전원 검출 모듈(미도시), 저장전원 검출 모듈(미도시), 온도 감지 모듈(미도시), 및 부하부 제어 모듈(미도시)를 포함할 수 있다.
입력전원 검출 모듈은 태양광 발전부(210)에서 전원 변환부(220)로 공급되는 입력전원의 특성을 검출할 수 있다.
입력전원 검출 모듈은 무부하 상태, 즉, 태양광 발전부(210)의 개방전압을 측정할 수 있다. 태양광 발전은 최대 전력점에서 최대 전력이 출력된다. 최대 전력점은 개방전압에 대한 특정 비율(예, 78%)로 설정될 수 있다.
태양광 발전부(210)의 개방전압은 일몰시 에너지 저장부(300)의 방전 여부 및/또는 부하부(260)의 작동 여부를 결정하는 요소로 사용될 수 있다. 예를 들어, 부하부(260)가 가로등인 경우, 태양광 발전부(210)의 개방전압이 에너지 저장부(300)의 전압 보다 기설정 전압(예, 0.7V) 보다 기설정 시간(예, 1분) 동안 낮은 경우, 가로등을 점등할 수 있다.
출력전원 검출 모듈은 전원 변환부(220)에서 출력되는 출력전원의 특성을 검출할 수 있다.
전원 제어부(100)는 입력전원 및/또는 출력전원 검출 모듈로부터 검출된 입력 및/또는 출력 전원 특성에 따라 에너지 저장부(300)의 충방전을 제어할 수 있다.
태양전지는 접속한 부하의 전압에 따라 인출되는 전류가 결정되는 성질이 있다. 또한 태양광 발전의 최대 전력점은 태양전지의 온도, 일사량, 외부 기온의 변화 등에 따라서 변할 수 있다. 이를 위해, 온도 감지 모듈은 에너지 저장부(300)의 온도 정보 및 태양광 발전부(210)의 온도 정보를 감지할 수 있다.
변동하는 기상 조건으로 태양광 발전부(210)에서 생성되는 태양광 전력은 그 출력 패턴을 예측하기 어렵다. 본 실시예에 따르면, 전원 제어부(100)는 검출된 입력 전원 특성으로 태양광 전력의 출력을 알 수 있으며, 검출된 출력 전원 특성을 통해 전원 변환부(220)의 출력 전압을 조절할 수 있다. 이러한 제어에 의해, 태양광 발전시 최대 전력점이 유지되도록 할 수 있다. 태양전지의 최대 전력점은 P(Max) = (Im × Vm) × 0.78로 정의할 수 있다. 최대 전력점 유지를 통해, 태양전지의 최대 출력을 얻을 수 있다. 이에 의해, 태양전지 효율 및 충전 효율을 높일 수 있다. 태양광 발전이 구름이나 눈 등으로 인한 비정상 조건시, 최대 전력점은 정상 조건일 때의 75~90%로 재정의될 수 있다.
저장전원 검출 모듈은 에너지 저장부(300)에 저장된 저장전원의 특성을 검출할 수 있다. 저장전원 검출 모듈은 에너지 저장부(300)의 스택들(310, 360) 각각에 저장된 전원 특성, 각 스택의 모듈(C, B)들 각각에 저장된 전원 특성을 검출할 수 있다.
부하부 제어 모듈은 에너지 저장부(300)로부터 공급되는 전원으로 동작하는 부하부(260)의 부하 특성에 따라 부하를 제어할 수 있다.
충전 제어부(160)는 전원 제어부(100)의 제어 신호에 따라 복수의 커패시터 모듈(C) 및 복수의 배터리 모듈(B) 중 적어도 어느 한 모듈에 전원을 인가하여 해당 모듈이 개별적으로 충전되도록 제어할 수 있다.
에너지 저장 장치는 전원 제어부(100) 및 충전 제어부(160)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수 있고, 기설정된 정책, 및 입력되는 데이터들을 저장하는 저장부(미도시), 사용자가 본 장치의 동작 제어를 위하여 입력하는 키 입력 데이터를 발생시키는 사용자 입력부(미도시), 오디오 또는 비디오 신호 등을 출력하는 출력부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이하, 에너지 저장 장치의 충/방전을 기술하며, 태양광 발전부(210)는 태양광 발전한다고 가정하고, 부하부(260)는 독립형 가로등이라고 가정한다.
도 3은 에너지 충방전 회로도이고, 도 4는 도 3의 충전 제어부에 의한 개별 충전 회로도이다. 참고로, 임의의 두 라인의 전기적 연결에 대해, 도 3은 수직 교차점이, 도 4는 점이 있는 교차점이 전기적으로 연결된 것을 표시한다.
도 3을 참조하면, 직렬 연결된 제1 군의 커패시터 모듈들(C11, C12, C13, C14)은 제1 커패시터 스택(311)을 구성할 수 있다. 직렬 연결된 제2 군의 커패시터 모듈들(C21, C22, C23, C24)은 제2 커패시터 스택(312)을 구성할 수 있다. 직렬 연결된 제1 군의 배터리 모듈들(B11, B12, B13)은 제1 배터리 스택(361)을 구성할 수 있다. 직렬 연결된 제2 군의 배터리 모듈들(B21, B22, B23)은 제2 배터리 스택(362)를 구성할 수 있다.
전원 제어부(100)는 스위치들(sw 1, 2, 11~14, 21, 22, 31, 32, 41, 42)을 구비하고, 상기 스위치들 중 적어도 어느 한 스위치에 제어 신호를 전송하여 그 스위치(sw)의 스위칭을 제어할 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해 부하부(260)에 연결된 도선을 '부하 연결선(A)'이라고 지칭하고, 제11 내지 제14 스위치들(sw11~14)을 '제1 스위치 그룹(SW1)'으로, 제23 내지 제24 스위치들(sw21~24)을 '제2 스위치 그룹(SW2)'으로, 제31 내지 제32 스위치들(sw31~32)을 '제3 스위치 그룹(SW3)'으로, 제41 내지 제42 스위치들(sw41~42)을 '제4 스위치 그룹(SW4)'으로 각각 지칭하기로 한다.
본 명세서에서 기술하는 스위치는 다양한 반도체 스위치, 또는 릴레이 등으로 구성될 수 있다. 각 스위치는 전원 제어부(100) 또는 충전 제어부(160)의 제어 신호에 의해 온/오프 스위칭 또는 접점 상태가 변경이 될 수 있다.
제1 스위치 그룹(SW1)의 각 스위치(sw11~14)는 종축 전원 공급 모듈(230)의 양극(Vv+)(이하, '종축 양극(Vv+)')과 복수의 스택(311, 312, 361, 362)의 일단을 연결할 수 있는 연결선에 배치될 수 있다. 복수의 스택(311, 312, 361, 362)의 타단은 종축 전원 공급 모듈(230)의 음극(Vv-)(이하, '종축 음극(Vv-)')과 연결될 수 있다. 종축 음극(Vv-)은 다른 전극과 독립된 전극일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 종축 음극(Vv-)은 횡축 전원 공급 모듈(240)의 음극(Vh-)과 연결되거나 접지일 수 있다.
제1 스위치 그룹(SW1)은 종축 전원 공급 모듈(230)에서 복수의 스택(311, 312, 361, 362)으로의 일방향 전류를 각각 온/오프하여, 각 스택(311, 312, 361, 362)의 종축 전원 공급 모듈(230)의 전원에 의한 스택 충전을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 제11 스위치(sw11)만 온인 경우, 전원 변환부(220)의 출력 전원으로 제1 커패시터 스택(311)을 충전할 수 있다. 일방향으로만 전류가 흐르도록, 스위치들(sw11~14)은 종축 전원 공급 모듈(230)로 인입하는 전류를 차단하는 역전류 방지 유닛들을 구비할 수 있다.
제2 스위치 그룹(SW2)의 각 스위치(sw23~24)는 부하 연결선(A)과 제1 및 제2 배터리 스택(361, 362)을 연결할 수 있는 연결선에 배치될 수 있다.
제2 스위치 그룹(SW2)은 부하 연결선(A)에서 제1 및 제2 배터리 스택(361, 362)으로의 일방향 전류를 각각 온/오프하여, 배터리 스택(360)의 커패시터 스택(310)에 의한 스택간 충전시 필요한 단속(스위칭)을 할 수 있다. 일방향 전류를 위해, 제2 스위치 그룹(SW2)은 부하 연결선(A)으로 인입하는 전류를 차단하는 역전류 방지 유닛들을 구비할 수 있다.
제3 스위치 그룹(SW3)의 각 스위치(sw31~32)는 제1 및 제2 커패시터 스택(311, 312)과 부하 연결선(A)을 연결할 수 있는 연결선에 배치될 수 있다.
제3 스위치 그룹(SW3)은 제1 및 제2 커패시터 스택(311, 312)에서 부하 연결선(A)으로의 일방향 전류를 각각 온/오프하여, 커패시터 스택(310)의 방전시 필요한 스위칭을 할 수 있다. 일방향 전류를 위해, 제3 스위치 그룹(SW3)은 부하 연결선(A)의 출력 전류를 차단하는 역전류 방지 유닛들을 구비할 수 있다.
제4 스위치 그룹(SW4)의 각 스위치(sw41~42)는 제1 및 제2 배터리 스택(361, 362)과 부하 연결선(A)을 연결할 수 있는 연결선에 배치될 수 있다.
제4 스위치 그룹(SW4)은 제1 및 제2 배터리 스택(361, 362)에서 부하 연결선(A)으로의 일방향 전류를 온/오프하여, 배터리 스택(360)의 방전에 필요한 스위칭을 할 수 있다. 일방향 전류를 위해, 제4 스위치 그룹(SW4)은 부하 연결선(A)의 출력 전류를 차단하는 역전류 방지 유닛들을 구비할 수 있다.
제1 스위치(sw1)는 부하 연결선(A)과 부하부(260)의 연결을 단속할 수 있다. 제1 스위치(sw1)는 부하부(260)에서 전력이 필요할 때 온 될 수 있다.
제2 스위치(sw2)는 부하 연결선(A)과 전원 변환부(220)의 연결을 단속할 수 있다. 본 실시예에서 전원 변환부(220)는 횡축 전원 공급 모듈(240)일 수 있다. 제2 스위치(sw2)는 태양광 발전부(210)의 발전이 종료 또는 중단되어, 태양광 발전부(210) 대신 에너지 저장부(300)의 전원으로 셀 밸런싱할 때 필요한 회로를 구성할 수 있다.
전원 제어부(100)는 제1 내지 제4 스위치 그룹(SW1~4)의 스위칭을 통해 스택들의 충방전을 제어할 수 있다. 스택별 충방전의 작동례 일부는 다음과 같다. 각 그룹의 스위칭 온은 해당 그룹에 속하는 스위치 중 하나 이상이 스위칭 온을 의미한다.
전원 제어부(100)는 제1 스위치 그룹(SW1)이 스위칭 온 되도록 하여, 종축 전원 공급 모듈(230)의 전원에 의해 스택들(311, 312, 361, 362)이 충전되도록 스택 충전을 제어할 수 있다.
전원 제어부(100)는 제3 및 제4 스위치 그룹(SW3, SW4)과 제1 스위치(sw1)가 스위칭 온 되도록 하여, 에너지 저장부(300)의 전원이 부하부(260)로 전달되도록 방전 제어할 수 있다.
전원 제어부(100)는 제2 및 제3 스위치 그룹(SW2, SW3)이 스위칭 온 되도록 하여, 제1 및 제2 커패시터 스택(311, 312)의 전원이 제1 및 제2 배터리 스택(361, 362)로 전달되도록 스택간 충전을 제어할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 충전 제어부(160)는 모듈들(C11~14, C21~24, B11~14, B21~24) 각각의 개별적인 충전인 모듈 충전에 필요한 제어를 할 수 있다. 이는 각 모듈에 전원 변환부(220), 특히, 횡축 전원 공급 모듈(240)의 전원(Vh+, Vh-)의 개별 인가에 의해 구현될 수 있다.
횡축 전원 공급 모듈(240)의 양극 및 음극 단자(Vh+, Vh-)는 다른 단자와 독립될 수 있다. 다만, 횡축 전원 공급 모듈(240)의 음극(Vh-)은 종축 전원 공급 모듈(230)의 음극(Vv-)와 공통될 수는 있다. 횡축 전원 공급 모듈(240)은 복수일 수 있다.
충전 제어부(160)는 복수의 충전 제어 모듈로 구분되어 기능이 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 충전 제어 모듈은 전기적으로 연결가능한 서로 다른 스택에 속한 모듈들의 가로 모듈 그룹 중 제1 및 제2 가로 모듈 그룹에 속한 모듈들의 모듈 충전에 필요한 제어를 할 수 있다. 이하, 도 4를 참조하여 제1 충전 제어 모듈에 대한 설명으로 충전 제어부(160)의 설명을 갈음한다.
도 4를 참조하면, 제1 충전 제어 모듈은 다수의 스위치(sw 101~104, 201~204, 301~304; T31, T32) 및 다수의 라인(L1~3)으로 된 회로를 구비하고, 상기 스위치들의 스위칭을 제어할 수 있다.
제1 라인(L1)은 횡축 양극(Vh+)과 연결될 수 있다. 제2 라인(L2)은 횡축 양극(Vh+) 및 횡축 음극(Vh-) 중 어느 하나와 연결될 수 있다. 제3 라인(L3)은 횡축 음극(Vh-)과 연결될 수 있다.
제1 삼로(3극) 스위치(T31)는 제1 접점시 횡축 양극(Vh+)과 제1 라인(L1)을 연결하고, 제2 접점시 횡축 양극(Vh+)과 제2 라인(L2)을 연결할 수 있다.
제2 삼로 스위치(T32)는 제1 접점시 횡축 음극(Vh-)과 제2 라인(L2)을 연결하고, 제2 접점시 횡축 음극(Vh-)과 제3 라인(L3)을 연결할 수 있다.
모듈별 전원 인가 스위치들(sw 101~104, 201~204, 301~304) 중 제1 라인 스위치 그룹(sw 101~104)은 제1 가로 모듈 그룹(C14, C24)의 양극과 제1 라인(L1)의 연결을 단속할 수 있다. 본 실시예에서 제103 및 제104 스위치(sw 103, 104)는 생략되거나 항상 오프로 작동해야 바람직하다.
모듈별 전원 인가 스위치들(sw 101~104, 201~204, 301~304) 중 제2 라인 스위치 그룹(sw 201~204)은 제2 가로 모듈 그룹(C13, C23, B13, B23)의 양극과 제2 라인(L2)의 연결을 단속할 수 있다. 또한, 제2 라인 스위치 그룹(sw 201~204)은 제1 가로 모듈 그룹(C14, C24)의 음극과 제2 라인(L2)의 연결을 단속할 수 있다.
모듈별 전원 인가 스위치들(sw 101~104, 201~204, 301~304) 중 제3 라인 스위치 그룹(sw 301~304)은 제2 가로 모듈 그룹(C13, C23, B13, B23)의 음극과 제3 라인(L3)의 연결을 단속할 수 있다.
작동례 일부를 살펴보면 다음과 같다.
제1 충전 제어 모듈은 제14 커패시터 모듈(C14)만 충전되도록 할 수 있다. 이 경우, 제1 충전 제어 모듈은 제1 및 제2 삼로 스위치(T31, T32)가 각각 제1 접점 상태로 되도록 하여, 제1 라인(L1)과 횡축 양극(Vh+)이 연결되도록 하고 제2 라인(L2)과 횡축 음극(Vh-)이 연결되도록 할 수 있다. 또한 제1 충전 제어 모듈은 제14 커패시터 모듈(C14)이 제1 및 제2 라인(L1, L2)과 연결되도록 제101 및 제201 스위치(sw 101, 201)만 온 상태가 되도록 제어할 수 있다.
제1 충전 제어 모듈은 제13 배터리 모듈(B13)만 충전할 수 있다. 이 경우, 제1 충전 제어 모듈은 제1 및 제2 삼로 스위치(31, 32)가 각각 제2 접점 상태로 되도록 하여, 제2 라인(L2)과 횡축 양극(Vh+)이 연결되도록 하고 제3 라인(L4)과 횡축 음극(Vh-)이 연결되도록 할 수 있다. 또한 제1 충전 제어 모듈은 제13 배터리 모듈(B13)이 제2 및 제3 라인(L2, L3)과 연결되도록 제203 및 제303 스위치(sw 203, 303)만 온 상태가 되도록 제어할 수 있다.
충전 제어부(160)는 회로 구성에 따라, 한 행의 커패시터 모듈(C)들만을 충전하거나, 3 행 이상의 커패시터 모듈(C)들을 한 그룹으로 하여 개별적으로 충전할 수 있다.
충전 제어부(160)는 비정상 기상 조건 이외에, 셀 밸런싱을 위해 커패시터 모듈들 및 배터리 모듈들 중 어느 한 모듈만 개별 충전할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 충전 제어부(160)는 액티브 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있어, 셀 밸런싱 회로의 생략이 가능하다. 추가로, 충전 제어부(160)는 패시브 셀 밸린싱 기능을 더 수행할 수 있다. 이를 위해, 충전 제어부(160)는 해당 모듈의 전력을 소모시킬 수 있는 구성 요소를 구비할 수 있다.
이하, 전원 제어부(100)의 충전 정책 또는 방전 정책에 따른 제어를 설명한다.
기설정된 정책에 따라 충전 모드 및 방전 모드 중 하나를 선택할 수 있다. 충전 모드는 스택 충전 모드, 모듈 충전 모드, 및 모듈간 충전 모드를 가질 수 있다.
충방전 모드 시, 전원 제어부(100)은 전원 변환부(220)의 입출력 전원 특성 및 충방전 조건에 따라 에너지 저장부(300)가 적절히 충방전 되도록 제어할 수 있다. 충방전 조건은 충전 종지 전압, 최대 충전 전압, 입력 전원의 최대 전력점, 및 에너지 저장부(300)의 최소 방전 전압 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 충전 종지 전압은 충전시 과충전을 방지하기 위해 에너지 저장부(300)에 충전되는 종지전압을, 최대 충전 전압은 에너지 저장부(300)에 입력될 수 있는 최대 전압을, 최소 방전 전압은 에너지 저장부(300)의 과방전을 방지하기 위한 최소 전압을 의미한다.
독립형 태양광 가로등을 일실시예로 설명한다. 슈퍼 커패시터 모듈(3,400F, 2.85V, 3.84Wh) 13개를 직렬로 커패시터 스택(310)로 구성하고, 커패시터 스택(310)을 4 개를 병렬로 구성하면, 약 200W의 에너지를 저장할 수 있다.
가로등이 20Wh LED 가로등인 경우, 10시간 정도 사용할 수 있다. 이 경우 최대 충전 전압은 37.05V로 설정될 수 있고, 과충전 방지용인 충전 종지 전압은 36.5V로 설정될 수 있다. 최대 전력점은 태양광 발전부(210)의 개방 전압의 78% 지점으로 설정될 수 있다. 전원 제어부(100)는 입력 전원의 최대 전력점이 유지되도록 전원 변환부(220)의 입력 전압과 출력 전압을 비교하여, 전원 변환부(220)의 구동을 제어할 수 있다. 최대 전력점 유지로 높은 충전 효율이 가능하다.
전원 제어부(100)는 에너지 저장부(300)의 저장 전압을 충전 종지 전압과 비교하여 충전시 과충전되지 않도록 전원 변환부(220)의 구동을 제어할 수 있다.
전원 제어부(100)는 에너지 저장부(300)의 저장 전압을 최소 방전 전압과 비교하여 방전시 과방전되지 않도록 방전 관련 스위치들(sw31,32,41,42)의 스위칭을 제어할 수 있다. 본 실시예에 따른 독립형 태양광 가로등의 경우, 최소 방전 전압은 5V로 설정될 수 있다.
충전 정책은 기설정된 낮시간대 또는 태양광 상태가 좋은 경우 등에 시행될 수 있다.
충전 정책 시 기상 조건에 따라, 전원 제어부(100)는 스택 충전 모드, 모듈 충전 모드, 및 모듈간 충전 모드 중 한 모드로 설정하거나, 2 이상의 조합 모드로 설정할 수 있다. 예를 들어, 전원 제어부(100)는 제1 커패시터 스택(311)에 스택 충전하면서, 제2 커패시터 스택(312) 중 어느 한 커패시터 모듈(C)을 모듈 충전할 수 있다(셀 밸런싱). 또한 전원 제어부(100)는 제1 커패시터 스택(311)의 커패시터 모듈들(C11~14) 중 어느 한 모듈을 개별 충전(모듈별 충전)하면서, 제2 커패시터 스택(312)으로부터 제1 배터리 스택(361)으로 충전(모듈간 충전)되도록 할 수 있다.
충전 정책시 기본 정책은 스택 충전 모드인 것이 바람직하다. 충분한 입력 전원을 얻을 수 있는 일반적인 기상 조건(정상 충전 조건)인 경우, 전원 제어부(100)은 스택 충전 모드로 설정하거나 유지할 수 있다.
스택 충전 모드시, 전원 제어부(100)은 커패시터 스택(310)을 먼저 충전한 후, 배터리 스택(360)을 충전하는 것이 바람직하다. 제1 커패시터 스택(311)의 저장 전압이 제2 커패시터 스택(312)의 저장 전압 보다 낮은 경우, 전원 제어부(100)는 제1 커패시터 스택(311) 부터 충전하는 것이 바람직하다. 모듈간 충전 모드를 위해, 커패시터 스택(310)의 충전 전압을 배터리 스택(360)의 충전 전압 보다 높게 설정하는 것이 바람직하다.
태양광 발전부(210)가 발전을 하고 있으나 흐리거나 비가 오는 등의 이유로 전원 변환부(220)의 입력 전원이 설정 전압 보다 낮은 경우(비정상 충전 조건), 전원 제어부(100)는 충전 모드를 모듈 충전 모드 및 스택간 충전 모드 중 하나로 설정할 수 있다. 전원 제어부(100)은 모듈 충전 모드부터 먼저 개시하는 것이 바람직하다. 전원 제어부(100)은 모듈 충전 모드를 계속 유지하는 것이 바람직하다.
모듈 충전 모드시, 전원 제어부(100)는 충전 제어부(160)를 통해 커패시터 모듈(C)만 충전되는 것이 바람직하다. 커패시터가 배터리 보다 충방전 수명이 더 길기 때문이다.
충전 순서는 모든 커패시터 모듈(C)들 중 가장 낮은 모듈 부터 완충하거나, 가장 낮은 커패시터 스택(310)의 커패시터 모듈(C)부터 충전하는 정책 중 어느 하나가 설정될 수 있다. 후자의 경우 해당 커패시터 스택(310)의 가장 낮은 커패시터 모듈(C) 부터 충전되는 것이 바람직하다.
비정상 충전 조건에서 모듈 충전을 통해 제1 캐패시터 스택(311)만 완충된 경우, 전원 제어부(100)는 제1 캐패시터 스택(311)에서 제1 및 제2 배터리 스택(361, 362) 중 어느 한 배터리 스택으로 스택간 충전하고, 제2 캐패시터 스택(312)에 대해 모듈 충전할 수 있다.
태양광에 의한 전력이 기상조건에 의해 높은 전압을 출력하지 못하는 경우, 본 모듈 충전과 스택간 충전을 통해 배터리 스택(360)을 충전할 수 있다.
전원 제어부(100)는 에너지 저장부(300)의 저장 전압이 충전 종지 전입인 경우, 충전 모드를 해제하여 과충전을 방지할 수 있다. 전원 제어부(100)는 방전 개시 모드가 아니어도, 태양광 발전부(210)의 과잉 전력을 부하부(260)에서 소모되도록 할 수 있다.
전원 제어부(100)는 모듈 충전을 통해 셀 밸런싱을 할 수 있다. 셀 밸런싱은 동일 스택의 모듈들의 전압이 모두 동일해지도록 하는 것을 의미한다. 따라서 모듈 충전은 정상 조건 또는 태양광 발전부(210)의 발전이 중단되거나 종료된 경우에도 시행될 수 있다.
예를 들어, 제11 커패시터 모듈(C11) 부터 제14 커패시터 모듈(C14) 순으로 모듈 전압이 높을 때, 전원 제어부(100)는 제14 커패시터 모듈(C14)의 전압을 모듈 충전을 통해 제11 커패시터 모듈(C11) 전압까지 승압시키고, 제13 커패시터 모듈(C13) 및 제12 커패시터 모듈(C12) 순으로 제11 커패시터 모듈(C11)의 전압을 승압시킬 수 있다.
태양광 발전부(210)의 발전이 중단 또는 종료되었는데, 셀 밸런싱이 필요할 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 스택(361)은 셀 밸런싱이 완료되었고, 제1 캐패시터 스택(311)은 셀 밸런싱이 미완인 경우를 가정한다.
이 경우, 전원 제어부(100)는 제41 스위치(sw41)를 'ON' 하여 제1 배터리 스택(361)이 부하 연결선(A)에 연결되도록 할 수 있다. 전원 제어부(100)는 제1 스위치(sw1)가 'OFF' 및 제2 스위치(sw2)가 'ON' 되도록 하여, 제1 배터리 스택(361)의 전원이 전원 변환부(220), 즉, 횡축 전원 공급 모듈(240)으로 입력되도록 할 수 있다. 이 후, 전원 제어부(100) 셀 밸런싱이 필요한 모듈이 모듈 충전되도록 할 수 있다.
전원 제어부(100)는 모듈 충전 중인 모듈의 충전시간에 기초하여 해당 모듈의 불량 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 모듈 충전 중인 모듈의 충전 완료 시간이 기설정 시간 보다 짧거나, 특정 시간을 초과하여도 충전 종지 전압에 도달하지 않은 경우에, 전원 제어부(100)은 해당 모듈을 불량으로 결정하고, 관리자에게 알릴 수 있다.
방전 정책은 기설정된 밤시간대 또는 매우 어두운 기상 조건인 경우에 시행될 수 있다.
전원 제어부(100)는 부하 제어 모듈을 통해 100% 방전 모드로 개시하여 상기 가로등을 점등할 수 있다. 기설정 시간이 지나거나 기설정 시간대(늦은 밤시간)인 경우 또는 에너지 저장부(300)의 저장 전압이 기설정 전압 이하인 경우, 전원 제어부(100)는 부하 제어 모듈을 통해 100 보다 낮은 비율로 부하부(260)에서 전력이 소모되도록 제어할 수 있다. 예를 들면, 전원 제어부(100)는 에너지 저장부(300)의 방전율을 80%, 60%, 40% 중 하나를 선택하거나, 순차적으로 낮출 수 있다.
전원 제어부(100)는 에너지 저장부(300)의 저장 전압이 최소 방전 전압 이하인 경우, 방전 모드를 해제하여 과방전을 방지할 수 있다.
상기 본 발명은 하드웨어 또는 소프트웨어에서 구현될 수 있다. 구현은 상기 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 즉, 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터가 읽을 수 있는 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 및 기타 데이터 등 정보 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로서 구현된 모든 저장 가능한 매체를 포함하는 것으로, 휘발성/비휘발성/하이브리드형 메모리 여부, 분리형/비분리형 여부 등에 한정되지 않는다. 통신 저장 매체 는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호 또는 전송 메커니즘, 임의의 정보 전달 매체 등을 포함한다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100: 전력 제어부 160: 충전 제어부
162: 충전 제어 모듈 210: 태양광 발전부
220: 전력 변환부 260: 부하부
300: 에너지 저장부 310: 커패시터 스택
311: 제1 커패시터 스택 312: 제2 커패시터 스택
360: 배터리 스택 361: 제1 배터리 스택
362: 제2 배터리 스택
162: 충전 제어 모듈 210: 태양광 발전부
220: 전력 변환부 260: 부하부
300: 에너지 저장부 310: 커패시터 스택
311: 제1 커패시터 스택 312: 제2 커패시터 스택
360: 배터리 스택 361: 제1 배터리 스택
362: 제2 배터리 스택
Claims (12)
- 태양광을 입사받아 전력을 생산하는 태양광 발전부;
적어도 상기 태양광 발전부에서 생산된 전원을 입력 전원으로 하여 상기 입력 전원의 전압을 변경하여 출력 전원으로 변환하는 전원 변환부;
전원을 저장하는 복수의 모듈을 구비하는 에너지 저장부;
상기 전원 변환부 및 상기 에너지 저장부 중 적어도 하나의 전원을 소비하는 부하부와 연결된 부하 연결선; 및
기설정된 충방전 정책에 따라, 상기 에너지 저장부의 충전 및 방전을 제어하는 전원 제어부를 포함하고,
상기 복수의 모듈은 직렬 연결된 일부 모듈들의 스택을 복수 구성하고,
상기 복수의 스택은 커패시터 모듈들로 구성된 커패시터 스택들의 커패시터 스택 그룹, 및 배터리 모듈들로 구성된 배터리 스택들의 배터리 스택 그룹으로 구분되고,
상기 커패시터 스택의 모듈 개수는 상기 배터리 스택의 모듈 개수 보다 더 많고,
상기 충방전 정책 중 충전 정책은,
상기 복수의 스택 중 적어도 한 스택에 상기 출력 전원으로 스택 충전하는 스택 충전 모드;
상기 복수의 스택 중 속하는 적어도 하나의 모듈에 상기 출력 전원으로 모듈 충전하는 모듈 충전 모드; 및
상기 배터리 스택 그룹 중 적어도 한 스택에 상기 커패시터 스택 그룹 중 적어도 한 스택의 전원으로 스택간 충전하는 스택간 충전 모드를 구비하고,
상기 전원 제어부는 상기 충전 정책에 따라, 상기 스택 충전 모드, 상기 모듈 충전 모드, 및 상기 스택간 충전 모드 중 적어도 어느 한 모드로 충전 제어하고,
상기 전원 제어부는 충전 개시시 상기 스택 충전 모드로 개시하고,
상기 태양광 발전부가 발전 중이고 상기 전원 변환부의 입력 전압이 기설정 전압 보다 낮은 비정상 충전 조건의 경우, 상기 전원 제어부는 상기 모듈 충전 모드 및 스택간 충전 모드로 충전 제어하고, 최초 개시 모드는 상기 모듈 충전 모드이고,
상기 전원제어부는, 상기 비정상 충전 조건에서 상기 모듈 충전을 통해 상기 커패시터 스택 그룹 중 제1 커패시터 스택이 완충되면 상기 제1 커패시터 스택에서 상기 배터리 스택 그룹 중 어느 한 배터리 스택으로 상기 스택간 충전하고, 상기 커패시터 스택 그룹 중 제2 커패시터 스택에 모듈 충전하도록 제어하는 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전원 제어부는,
상기 전원 변환부에서 상기 복수의 스택으로의 일방향 전류 단속하는 제1 스위치 그룹;
상기 부하 연결선에서 상기 복수의 배터리 스택으로의 일방향 전류 단속하는 제2 스위치 그룹
상기 커패시터 스택 그룹에서 상기 부하 연결선으로의 일방향 전류 단속하는 제3 스위치 그룹; 및
상기 배터리 스택 그룹에서 상기 부하 연결선로의 일방향 전류 단속하는 제4 스위치 그룹을 포함하고,
상기 전원 제어부는,
상기 제1 스위치 그룹의 스위칭으로 스택 충전을 제어하고,
상기 제2 및 상기 제3 스위치 그룹으로 스택간 충전을 제어하고,
상기 제3 및 제4 스위치 그룹으로 스택 방전을 제어하는, 에너지 저장 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전원 제어부는 상기 복수의 모듈 중 동일 스택의 다른 모듈들 보다 모듈 전압이 낮은 모듈에 대해 상기 모듈 충전으로 셀 밸런싱을 하여 모듈 전압을 승압시키는, 에너지 저장 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 태양광 발전부의 발전이 종료되고 상기 모듈 충전을 통한 상기 셀 밸런싱이 필요한 경우, 상기 전원 제어부는 상기 복수의 스택 중 셀 밸런싱이 불필요한 적어도 하나의 스택의 전원을 상기 전원 변환부의 입력단과 연결하여 상기 모듈 충전하는, 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전원 제어부는 상기 모듈 충전 중인 모듈의 충전시간에 기초하여 해당 모듈의 불량 여부를 판단하는, 에너지 저장 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전원 변환부는 종축 전원 공급 모듈 및 횡축 전원 공급 모듈을 포함하고,
상기 종축 전원 공급 모듈은 상기 입력 전원을 상기 스택 충전 모드시 필요한 전원으로 변환하여 공급하고,
상기 횡축 전원 공급 모듈은 상기 입력 전원을 상기 모듈 충전 모드시 필요한 전원으로 변환하여 공급하는, 에너지 저장 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 복수의 모듈 중 전기적으로 연결가능한 서로 다른 스택에 속한 모듈들의 가로 모듈 그룹 중 제1 및 제2 가로 모듈 그룹에 속한 모듈들을 모듈 충전하는 충전 제어 모듈을 더 포함하고,
상기 충전 제어 모듈은,
상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극과 단속되는 제1 라인;
상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극 및 음극 중 어느 하나와 연결되는 제2 라인;
상기 횡축 전원 공급 모듈의 음극과 단속되는 제3 라인;
상기 제1 및 제2 라인 중 어느 하나에 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극을 연결하는 제1 삼로 스위치;
상기 제2 및 제3 라인 중 어느 하나에 상기 횡축 전원 공급 모듈의 음극을 연결하는 제2 삼로 스위치;
상기 제1 및 제2 라인 사이에 배치된 상기 제1 가로 모듈 그룹 중 제1 모듈의 양극과 상기 제1 라인을 단속하는 제1 스위치;
상기 제2 및 제3 라인 사이에 배치된 상기 제2 가로 모듈 그룹 중 제2 모듈의 양극과 상기 제2 라인을 단속하는 제2 스위치; 및
상기 제2 모듈의 음극과 상기 제3 라인을 단속하는 제3 스위치를 구비하고,
상기 제1 모듈의 음극과 상기 제2 모듈의 양극은 전기적으로 연결되어 있는, 에너지 저장 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 충전 제어 모듈은,
상기 제1 및 제2 모듈 중 어느 한 모듈을 충전하고,
상기 제1 모듈 충전시, 상기 제1 및 제2 라인을 통해 상기 제1 모듈이 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극 및 음극과 연결되도록 상기 제1 및 제2 삼로 스위치와 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하고,
상기 제2 모듈 충전시, 상기 제2 및 제3 라인을 통해 상기 제2 모듈이 상기 횡축 전원 공급 모듈의 양극 및 음극과 연결되도록 상기 제1 및 제2 삼로 스위치와 상기 제2 및 제3 스위치를 제어하는, 에너지 저장 장치.
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