KR102406740B1 - 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러 및 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법 - Google Patents

태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러 및 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러에 관한 것이다. 컨트롤러는 태양전지 패널; 태양전지 패널로부터 생성되는 전기 에너지를 저장할 수 있도록 태양전지 패널에 전기적으로 연결되고 BMS가 마련된 이차 전지; 및 이차 전지로부터 전력을 공급받아 발광할 수 있도록 이차 전지에 전기적으로 연결된 조명 디바이스를 포함하는 태양광 라이팅 시스템을 위한 컨트롤러로서, 태양전지 패널과 이차 전지 사이에 인터페이스되도록 구성된 충전부; 이차 전지와 조명 디바이스 사이에 인터페이스되도록 구성된 방전부; 외부 기기와 무선통신이 가능하도록 구성된 무선 통신부; 태양전지 패널과 이차 전지 사이의 인터페이스 정보 및/또는 이차 전지와 조명 디바이스 사이의 인터페이스 정보 및/또는 무선 통신부의 정보를 처리 및 제어할 수 있도록 구성된 메인 제어부; 및 무선 통신부를 통해 외부 기기로부터 입력되는 리셋 신호에 의해 메인 제어부 및/또는 이차 전지의 BMS를 리셋할 수 있도록 구성된 리셋 제어부를 구비한다.
또한, 본 개시는 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법을 개시한다.

Description

태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러 및 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법{CONTROLLER FOR SOLAR LIGHTING SYSTEM AND METHOD FOR RESESTTING THEREOF}
본 발명은 태양광 라이팅 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 예컨대, 태양광을 이용하여 전력을 생산하여 생산된 전력을 이차 전지에 저장하고 저장된 전력으로 가로등 또는 보안등과 같은 조명 디바이스를 구동할 수 있는 시스템을 포함하는 태양광 라이팅 시스템을 위한 컨트롤러 및 이러한 컨트롤러를 이용한 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가로등 또는 보안등과 같은 라이팅 시스템은 야간의 교통과 보행의 안전과 보안을 위하여 길가를 따라 설치된다. 또한, 통상적인 라이팅 시스템은 라이팅 시스템의 폴(pole)의 형식에 따라 하이웨이형, 브라켓형, 주두형 등이 있으며, 광원으로는 고압수은등, 나트륨등, 메탈할라이드 램프, CDM 등이 이용된다.
한편, 이러한 종류의 대부분의 라이팅 시스템은 광원의 전력 소비가 심하고, 수명이 짧아 유지 보수에 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 밝기는 높고, 전력 소비량은 낮으면서 수명이 상대적으로 긴 LED 광원이 이용되고 있다. 한편, 라이팅 시스템의 광원에 전력을 공급하기 위해 태양전지 패널을 이용하여 전력을 생산하고 그렇게 생산된 전력을 이차 전지에 저장하여 야간에 조명을 밝히는 태양광 라이팅 시스템이 존재한다.
태양광 라이팅 시스템은 인적이 드문 곳이나 전력 공급을 위한 설비를 설치하기 곤란하거나 그 설치 비용이 과다하게 소요되는 곳에 주로 설치되는 것으로서, 독자적으로 태양광을 이용하여 전력을 생산하고 야간에 가로등을 작동시켜서 보행자의 안전을 보호하는 시스템이다. 이러한 태양광 가로등 시스템은 태양전지 모듈, 태양전지 모듈로부터 생산된 전력을 저장할 수 있는 배터리 모듈, 태양전지 모듈로부터 생산된 전력으로 배터리 모듈을 충전하는 충,방전 컨트롤러, 충전된 배터리 모듈로부터 예컨대, LED 램프와 같은 조명 디바이스로 전력을 공급하고 배터리 모듈의 충전 상태를 관리하기 위한 제어 모듈을 포함한다.
선행기술에 따르면, 태양광 기반 가로등의 유비쿼터스를 이용한 가로등 디밍 제어 시스템을 개시한다. 이것은 유비쿼터스 센서 네트워크 및 태양광에 의한 독립적 전원 공급을 통한 가로등의 현재 상태를 실시간으로 감지하여 조도에 따른 효율적 램프 관리 및 안전과 기능적 정상 유무를 파악하고 원격 제어를 함으로써 가로등의 불필요한 에너지 낭비 예방 및 지속적 관리를 유지할 수 있도록 하기 위한 것이다.
태양광 라이팅 시스템의 이차 전지에 이용되는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)은 배터리 모듈의 전압이 임계전압 이하로 낮아지면 컨트롤러에 인가되는 전원을 차단한다. 예를 들어, 태양광 라이팅 시스템의 조명 디바이스의 작동으로 배터리 모듈의 전력이 소모되어 배터리 모듈의 전압이 임계전압 이하로 낮아져 컨트롤러의 동작이 오프된 경우, 현재의 태양광 라이팅 시스템의 동작은 멈추게 된다. 이후, 태양전지 패널에 의해 전력이 공급되더라도 컨트롤러가 동작하지 않으므로 태양광 라이팅 시스템은 동작하지 않는다. 이러한 경우, 서비스 요원은 배터리 모듈을 직접 충전시켜 컨트롤러가 다시 동작하도록 세팅해야 한다. 그러나, 태양광 라이팅 시스템은 주로 원격지에 설치되는 경우가 많기 때문에 서비스 처리가 어렵고, 특히 배터리 모듈과 컨트롤러가 조명 디바이스의 헤드 내부에 내장되어 있는 소위, 올-인-원 시스템인 경우 서비스 요원이 출동하더라도 접근이 용이하지 못한 문제점이 있다.
대한민국 특허공개 제2010-0078781호(2010년 07월 08일 공개)
본 발명은 전술한 선행기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 태양광 라이팅 시스템이 원격지에 위치되어거나 조명 디바이스의 올-인-원 헤드에 배터리 모듈과 컨트롤러가 내장되어 서비스 요원의 접근이 용이하지 못한 경우, 또는 시스템의 불안정 상태가 예상되거나 그렇지 않더라도 시스템의 안정적인 작동을 위해, 원격지 또는 근거리에서 외부 기기로부터 무선으로 입력되는 리셋 신호에 의해 정상적으로 작동되는 시스템의 컨트롤러 및/또는 이차 전지의 BMS를 주기적인 자동 방식으로 또는 필요에 따라 임의적인 수동 방식으로 리셋할 수 있도록 구성된 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러 및 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러는, 태양전지 패널; 상기 태양전지 패널로부터 생성되는 전기 에너지를 저장할 수 있도록 상기 태양전지 패널에 전기적으로 연결되고 BMS가 마련된 이차 전지; 및 이차 전지로부터 전력을 공급받아 발광할 수 있도록 상기 이차 전지에 전기적으로 연결된 조명 디바이스를 포함하는 태양광 라이팅 시스템을 위한 컨트롤러로서, 상기 태양전지 패널과 상기 이차 전지 사이에 인터페이스되도록 구성된 충전부; 상기 이차 전지와 상기 조명 디바이스 사이에 인터페이스되도록 구성된 방전부; 외부 기기와 무선통신이 가능하도록 구성된 무선 통신부; 상기 태양전지 패널과 상기 이차 전지 사이의 인터페이스 정보 및/또는 상기 이차 전지와 상기 조명 디바이스 사이의 인터페이스 정보 및/또는 상기 무선 통신부의 정보를 처리 및 제어할 수 있도록 구성된 메인 제어부; 및 상기 무선 통신부를 통해 상기 외부 기기로부터 입력되는 리셋 신호에 의해 상기 메인 제어부 및/또는 상기 이차 전지의 BMS를 리셋할 수 있도록 구성된 리셋 제어부를 구비한다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부는 전압이 인가되는 전원 입력 노드, 클럭을 입력받는 클럭 입력 노드, 및 리셋 신호를 발생시키는 리셋 출력 노드를 가진 소프트웨어 리셋 회로를 포함한다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부는 R-C 회로에 의한 하드웨어 리셋 회로를 포함한다.
바람직하게, 상기 무선 통신부는 IoT 기반 무선 통신 모듈 또는 근거리 무선 통신 모듈을 포함한다.
바람직하게, 상기 메인 제어부는, 센싱 모듈, WiFi 모듈, GPS 모듈, 스피커 모듈 또는 카메라 모듈을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 이차 전지와 상기 컨트롤러는 상기 조명 디바이스의 라이팅 헤드의 밀봉 수납부에 밀봉 수납된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널의 작동에 의한 상기 이차 전지의 충전 종료 후 상기 조명 디바이스의 작동에 의한 상기 이차 전지의 방전 시작 전의 미리결정된 시간 구간 내에 작동하도록 구성된다.
바람직하게, 상기 무선 통신부를 통해 상기 외부 기기로부터 입력되는 상기 리셋 신호는 미리결정된 주기에 의한 자동 방식으로 또는 사용자에 의해 임의적으로 결정되는 수동 방식으로 입력된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널에 의해 생성되는 전력에 의해 구동될 수 있도록 구성된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널과 상기 리셋 제어부 사이에 마련되고, 상기 태양전지 패널로부터 생성되는 전압을 미리결정된 전압으로 조정할 수 있는 레귤레이터를 더 구비한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법은, 태양전지 패널; 상기 태양전지 패널로부터 생성되는 전기 에너지를 저장할 수 있도록 상기 태양전지 패널에 전기적으로 연결되고 BMS가 마련된 이차 전지; 이차 전지로부터 전력을 공급받아 발광할 수 있도록 상기 이차 전지에 전기적으로 연결된 조명 디바이스; 및 상기 태양전지 패널과 상기 이차 전지 사이의 인터페이스 정보 및/또는 상기 이차 전지와 상기 조명 디바이스 사이의 인터페이스 정보 및/또는 상기 무선 통신부의 정보를 처리 및 제어할 수 있도록 구성된 컨트롤러를 구비하는 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법으로서, 상기 컨트롤러의 무선 통신부를 통해 외부 기기로부터 입력되는 리셋 신호에 의해 상기 메인 제어부 및/또는 상기 이차 전지의 BMS를 리셋할 수 있도록 구성된 리셋 제어부를 작동시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부를 작동시키는 단계는 상기 태양전지 패널의 작동에 의한 상기 이차 전지의 충전 종료 후 상기 조명 디바이스의 작동에 의한 상기 이차 전지의 방전 시작 전의 미리결정된 시간 구간 내에 수행된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널에 의해 생성되는 전력으로 구동될 수 있도록 구성된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널과 상기 리셋 제어부 사이에 마련되고, 상기 태양전지 패널로부터 생성되는 전압을 상기 리셋 제어부를 구동시킬 수 있는 전압으로 조정하는 레귤레이터에 의해 작동된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부를 작동시키는 단계는, 미리결정된 주기에 의해 자동 방식으로 또는 사용자에 의해 임의적으로 결정되는 수동 방식으로 수행된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부를 작동시키는 단계는, 전압이 인가되는 전원 입력 노드, 클럭을 입력받는 클럭 입력 노드, 및 리셋 신호를 발생시키는 리셋 출력 노드를 가진 소프트웨어 리셋 회로를 통해 수행된다.
바람직하게, 상기 리셋 제어부를 작동시키는 단계는, R-C 회로에 의한 하드웨어 리셋 회로를 통해 수행된다.
본 발명에 따른 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러 및 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 원격지 또는 근거리에서 외부 기기로부터 무선으로 입력되는 리셋 신호에 의해 정상적으로 작동되는 시스템의 컨트롤러 및/또는 이차 전지의 BMS를 주기적인 자동 방식으로 또는 필요에 따라 임의적인 수동 방식으로 리셋할 수 있기 때문에, 태양광 라이팅 시스템을 항상 최적으로 상태로 유지할 수 있다.
둘째, 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러에 아무런 이상이 없더라도 주기적으로 또는 필요에 따라 리셋을 함으로써, 시스템의 잠재적인 에러를 예방함으로써, 시스템의 반영구적 동작을 가능하게 한다.
셋째, 시스템의 리셋과 관련하여 리셋 전의 데이터 저장 알고리즘과 리셋 회로 및 그 펌웨어 설계를 통해, 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러의 소프트웨어적 오류 발생의 확률을 줄일 수 있다.
넷째, 컨트롤러 내의 Watchdog Timer를 이용하여 외부 또는 하드웨어적 오류가 발생하지 않더라도 별도의 리셋 알고리즘에 의한 회로를 구성하여 안정적인 동작이 가능한 시스템을 구현할 수 있다.
전술한 본 발명의 요약뿐만 아니라 이어지는 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명은 첨부된 도면들과 함께 읽혀질 때 더 잘 이해될 것이다. 본 개시의 바람직한 예시적 실시예에 따른 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러 및 태양광 라이팅 시스템의 리셋 방법을 설명하기 위한 목적으로, 바람직한 실시예들의 도면들이 도시된다. 그러나, 본 개시는 그러한 도면들에 도시된 정확한 장치들과 수단들에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러의 리셋 제어부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨트롤러의 리셋 제어부의 구성도이다.
이어지는 상세한 설명에서 사용된 특정의 용어는 편의를 위한 것이지 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. "우", "좌", "상면" 및 "하면"의 용어들은 참조가 이루어진 도면들에서의 방향을 나타낸다. "내측으로" 및 "외측으로"의 용어들은 각각 지정된 장치, 시스템 및 그 부재들의 기하학적 중심을 향하거나 그로부터 멀어지는 방향을 나타낸다. "전방", "후방", "상방", "하방" 및 그 관련 용어들 및 어구들은 참조가 이루어진 도면에서의 위치들 및 방위들을 나타내며 제한적이어서는 아니 된다. 이러한 용어들은 위에서 열거된 단어들, 그 파생어 및 유사한 의미의 단어들을 포함하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 라이팅 시스템(100)은 태양전지 패널(10), 태양전지 패널(10)로부터 생성되는 전기 에너지를 저장할 수 있도록 태양전지 패널(10)에 전기적으로 연결되고 BMS(22)가 마련된 이차 전지(20), 및 이차 전지(20)로부터 전력을 공급받아 발광할 수 있도록 이차 전지(20)에 전기적으로 연결된 조명 디바이스(30)를 구비한다.
일 실시예에서, 태양전지 패널(10)은 주간에 태양을 이용하여 전력을 생산할 수 있게 구성되고, 현재 유통되고 있는 통상적인 태양 전지 모듈 또는 플렉스블 태양 전지 모듈로 제조될 수 있다. 태양전지 패널(10)의 일면에는 태양 전지들이 배치되고 타면에는 폴(pole)(미도시)의 패널 설치부(미도시)에 회동 또는 회전 가능하고, 선택적으로 패널 설치부로부터 분리되게 고정될 수 있는 핏팅부(미도시)를 구비한다.
상기 태양전지 패널(10)은 라이팅 시스템(100)의 폴 상단에 경사지게 설치되는 것이 바람직하다. 태양전지 패널(10)은 광기전 효과(photovoltaic effect)를 이용하여, 주간에 태양으로부터 오는 빛을 전기 에너지로 변환시키기 위한 태양전지(solar cell) 디바이스이다. 태양전지 패널(10)은, 요구되는 라이팅의 조건 또는 환경에 따라 발전량과 전압 등이 결정될 수 있고, 예컨대, 310W(32V)의 태양전지 패널이 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 이차 전지(20)는, 전기적으로 서로 연결되고 적층된 다수의 파우치형 또는 원통형 셀들이 조립된 셀 조립체를 바인딩할 수 있는 소프트 팩, 소프트 팩이 수납될 수 있는 메인 박스 및 셀 조립체에 연결된 보호회로모듈(PCS)을 수납할 수 있고 메인 박스의 외벽면에 분리 가능하게 결합되는 서브 박스를 구비한다. 예컨대, 소프트 팩은 235(길이)*120(폭)*120(높이)의 사이즈, 0.53kWh의 에너지, 36Ah의 정격 용량, 14.8DVC의 공칭 전압, 대략 2.3~3kg의 무게를 가지도록 파우치형 리튬 이차 전지용 베어(bare) 셀들이 예를 들어, 3P4S 방식으로 전기적으로 연결된 셀 조립체를 예를 들어, 절연 테이프 등을 이용하여 물리적으로 바인딩함으로써 구성될 수 있다. 여기서, 베어 셀들은 다수의 양극판들과 다수의 음극판들이 세퍼레이터의 양측에 소정 간격 배열된 전극 조립체가 전해질과 함께 파우치 내부에 밀봉된 구성이다. 또한, 이차 전지(20)는 셀 조립체의 전극 단자들을 연결하기 위한 충/방전 회로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 이차 전지(20)는 전술한 바와 같은 BMS(22)를 구비한다. BMS(22)는 인쇄회로기판에 연결되도록 설치되어 이차 전지(20)의 셀들의 과충전(overcharge), 과방전(overdischarge), 과전류(overcurrent), 및 단락(short-circuit)을 방지하도록 제어할 뿐만 아니라 각각의 셀의 충전이 균일하게 이루어지도록 셀들을 밸런싱하고, 또한 열전소자에 연결되도록 설치되어 셀들이 과열되지 않도록 제어한다. 이를 위해, BMS(22)는, 개별 셀의 과충전, 과방전, 과전류, 및 단락을 방지하기 위한 보호 회로부(protection circuit module, PCM), 각각의 셀을 균일하게 충전시키기 위한 셀 밸런싱부(cell balancer), 및 각각의 셀이 과열되지 않도록 하기 위한 방열 제어부를 포함한다. 일 실시예에서, BMS(22)는 PCM 기능, 셀 밸런싱 기능, 과전류 제어 기능을 함께 수행할 수 있도록 구성된 복합 IC 형태로 제작된다. 물론, 다른 실시예들에 따르면 전술한 PCM 기능, 셀 밸런싱 기능, 과전류 제어 기능을 수행하는 칩이 별도로 존재할 수도 있다.
일 실시예에서, 조명 디바이스(30)는, 이차 전지(20)에 전기적으로 연결되어 이차 전지(20)의 전력을 이용하여 야간에 주변을 조명할 수 있도록 구성되고, 예컨대, LED 칩들로 구성되는 LED 모듈부로 구성된 발광부, 및 이차 전지(20)와 컨트롤러(40)가 함께 밀봉 수납될 수 있는 밀봉 수납부를 구비하고, 폴의 일단에 설치되는 소위, '올-인-원(All-In-One)' 헤드를 포함한다. 대안적 실시예에 따르면, 태양광 라이팅 시스템(100)의 조명 디바이스(30)는 할로겐 램프 또는 수은등과 같이 광을 발산하는 모든 방식의 조명을 이용할 수 있음을 유의해야 한다.
다른 실시예들에서, 이차 전지(20)와 컨트롤러(40)는 태양광 라이팅 시스템(100)의 조명 디바이스(30)의 헤드 본체에 일체로 수납되지 않고, 폴과 별도로 마련된 단자함 및/또는 폴의 내부 공간에 설치될 수도 있다.
일 실시예에서, 전술한 실시예들의 태양광 라이팅 시스템(100)을 위한 컨트롤러(40)는 태양전지 패널(10)과 이차 전지(20) 사이에 인터페이스되도록 구성된 충전부(42), 이차 전지(20)와 조명 디바이스(30) 사이에 인터페이스되도록 구성된 방전부(44), 외부 기기(50)와 무선통신이 가능하도록 구성된 무선 통신부(46), 충전부(42), 방전부(44) 및 무선 통신부(46)는 물론 컨트롤러(40)의 다른 모듈들을 제어하고 그들 사이의 정보를 처리하기 위한 메인 제어부(48), 및 무선 통신부(46)를 통해 외부 기기(50)로부터 입력되는 리셋 신호에 의해 메인 제어부(48) 및/또는 BMS(22)를 리셋할 수 있도록 구성된 리셋 제어부(60)를 구비한다. 또한, 메인 제어부(48)는 태양전지 패널(10)과 이차 전지(20) 사이의 인터페이스 정보 및/또는 이차 전지(20)와 조명 디바이스(30) 사이의 인터페이스 정보 및/또는 무선 통신부(46)의 정보를 처리 및 제어할 수 있도록 구성된다.
일 실시예에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 라이팅 시스템(100)용 컨트롤러(40)는 소위, 3C 기술(스마트 충전 기술, DC/DC 디밍 컨버팅 기술, 스마트 컨트롤링 기술)을 채택함으로써, 이차 전지(20)에 내장된 BMS(22)의 기능과 성능을 보호 및 향상시키고, 시스템(100)의 효율 향상 및 이차 전지(20)의 수명 연장, 이차 전지(20)의 충전 성능을 향상하고, 과충전,과방전을 방지하고, 소위, 배터리 웨이크-업(wake-up) 기능을 구비하고, 태양전지 패널(10)의 발전 효율을 극대화시키고 조명 디바이스(30)를 저에너지 수준에서 관리할 수 있다. 한편, 컨트롤러(40)는 인터페이스된 GPS 모듈(41)/타이머 프로그램을 이용하여, 조명 디바이스(30)의 자동 점/소등, 다단계 디밍 등을 구현할 수 있고, 더군다나, 이러한 기능들은 예컨대, 앱(App)/웹(Web)을 이용하여 다양한 설정될 수 있다.
상기 충전부(42)는 태양전지 패널(10)로부터 공급되는 직류 전류를 이차 전지(20)에 안정적이고 효율적으로 충전하기 위해 메인 제어부(48)에 의해 제어되고, 컨트롤러(40)의 입력단에 마련된 전력량 센서(72)를 통해 컨트롤러(40)로 공급되는 전력량을 감지한다. 충전부(42)는 만충전 상태에서도 계속 충전됨으로써 이차 전지(20)의 전압이 계속 상승되어, 예컨대, 42V 이상으로 과충전될 경우 이차 전지(20)의 양극에서 전해액이 분해하여 이차 전지(20)의 내압이 상승하고, 특히 고온일 경우에 이차 전지(20)가 발열 또는 발화될 가능성을 방지하는 기능을 가진다. 따라서, 충전부(42)는 일반적으로 정전류-정전압 형태의 충전을 통해 충전시 전압이 이차 전지(20)의 정격을 넘지 않도록 제어한다. 또한, 충전부(42)는 컨트롤러(40)의 에러 또는 고장 등과 같이, 이차 전지(20)의 최대 정격을 초과할 위험성이 있는 경우 이차 전지(20)의 최대 정격을 넘지 않도록 충전 전류를 차단한다. 이와 같은 충전부(42)의 과충전 보호 기능은 전술한 바와 같은 BMS(22)도 유사하게 구현할 수 있다. 따라서, 충전부(42)는 BMS(22)의 과충전 보호 기능을 백업하는 기능을 가진다.
일 실시예에서, 이차 전지(20)의 용량을 최대한 활용할 수 있도록 충전부(42)에 의해 수행되는 과충전 검출 전압은 정밀도가 매우 높아야 하고, 이차 전지(20)의 셀들 또는 배터리 모듈들이 직렬로 연결되는 경우 각각의 셀과 배터리 모듈의 전압을 검출한다. 충전부(42)는 예를 들어, ±25mV 정도의 정밀도를 가진 과충전 보호회로를 포함한다. 또한, 이차 전지(20)의 과충전이 검출되어 BMS(22) 또는 보호회로가 작동한 후 조명 디바이스(30)에 대한 방전은 충전차단 FET의 기생다이오드를 통하여 이루어진다. 또한, 충전부(42)는 과충전 검출 동작에서 펄스 충전에 대한 대응이나 노이즈에 의한 오작동 방지를 위하여 지연 시간이 필요하다. 충전부(42)는 이차 전지(20)의 전압을 지속적으로 감지하는 동안 이차 전지(20)의 전압이 기준치 이상이 되면 충전차단 FET의 게이트 단자에 오프(0ff) 신호를 발송하여 회로를 차단시킨다.
일 실시예에서, 방전부(44)는 조명 디바이스(30)의 입력단에 마련된 공급량 센서(74)를 통해 이차 전지(20)로부터 조명 디바이스(30)로 공급되는 전류 공급량을 감지함으로써, 기본적으로 조명 디바이스(30)의 전력 사용량을 체크하거나 관리할 수 있도록 메인 제어부(48)에 의해 제어된다. 예를 들어, 충전부(42)가 이차 전지(20)를 대략 41~43V의 범위까지 충전할 때, 방전부(44)는 대략 27∼30V 범위에서 이차 전지(20)의 방전을 종료시킨다. 이차 전지(20)가 과방전되면 음극 내의 리튬이 고갈된 후에도 방전이 계속 진행되고, 이때에는 음극에서 전자를 더 이상 공급할 수 없기 때문에 집전체인 구리(Cu) 포일(Foil)에서 전자가 공급되고 이와 동시에 구리 포일이 용해된다. 이 경우에도 이차 전지(20)는 내부 단락으로 인하여 발화의 위험성이 있음은 물론 이차 전지로서의 기능을 상실하게 된다. 따라서, 방전부(44)는 이차 전지(20)의 전압이 일정값 이하가 되면 방전 전류를 차단하도록 구성된다. 물론, 이차 전지(20)의 BMS(22)도 이러한 과방전 보호기능을 구비하기 때문에, 방전부(44)는 BMS(22)를 백업하는 기능을 가진다. 일 실시예에서, 방전부(44)는 이차 전지(20)의 전압을 지속적으로 감지하는 동안 이차 전지(20)의 전압이 기준값 이하가 되면 방전 차단 FET의 게이트 단자에 오프(0ff) 신호를 발송하여 회로를 차단시킨다.
일 실시예에서, 무선 통신부(46)는 외부 기기(50)와 무선으로 통신이 가능하고 메인 제어부(48)에 의해 제어되도록 구성된다. 부가적으로, 무선 통신부(46)는 태양광 라이팅 시스템(100)의 작동(예, 점/소등, 디밍, 리셋 명령 수신, 스피커 또는 카메라의 작동 및 데이터 저장, 환경 오염 측정 및 데이터의 저장, 해충 감지 및 퇴지 운영 등)을 양방향 통신, 장거리 통신, 근거리 통신, 개별 원격 제어할 수 있도록 전술한 바와 같이 웹 또는 앱을 이용하여 컨트롤러(40)를 제어하기 위한 로직 또는 모듈들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 통신부(46)는 태양광 라이팅 시스템(100)을 원격으로 관리 및 제어할 수 있고, 특히 후술하는 바와 같이, 외부 기기(50)로부터 리셋 신호를 전송받을 수 있다. 즉, 무선 통신부(46)는 원격지에 존재하는 태양광 라이팅 시스템(100)의 개별 구성요소들의 작동 상태, 고장 발생 및 시스템의 고유 식별 정보 및 그 위치를 중앙 컴퓨터(52), 휴대폰 또는 스마트 디바이스와 같은 사용자 단말기(54), 무전기 또는 리모콘과 같은 이동 단말기(56)로 전송할 수 있음은 물론, 그 반대로 사용자 또는 운영자로부터 시스템(100)의 운영 또는 관리와 관련된 명령들을 수신할 수 있다. 또한, 무선 통신부(46)는 태양광 라이팅 시스템(100)을 구성하는 태양전지 패널(10), 이차 전지(20), 조명 디바이스(30)의 개별 요소들의 작동 불량 등에 의해 태양광 라이팅 시스템(100)의 에러 발생에 따른 민원에 적극적이고 능동적으로 대처할 수 있다. 더욱이, 태양광 라이팅 시스템(100)의 동작은 야간에 이루어지므로, 주간에 태양광 라이팅 시스템(100)의 동작의 이상 유무를 확인하는 것이 용이하지 않은 현실적인 문제점을 상당 부분 해결할 수 있다. 무선 통신부(46)는 컨트롤러(40)의 본체의 내,외부에 설치될 수 있는 송수신용 안테나(45)를 구비한다.
일 실시예에서, 무선 통신부(46)는 통신 네크워크로 작용하여 주위 환경에서 각종 정보를 얻는 센서, 서비스 분야와 형태에 맞게 정보를 가공하고 처리하는 서비스 인터페이스 기술 및 수집된 데이터 유출과 기기의 통제권을 지키기 위한 보안 기술과 함께 결합됨으로써, 네트워크에 연결된 기기가 사람의 개입 없이 서로 스마트하게 정보를 주고받고 처리할 수 있는 사물인터넷(IoT) 기능을 구현할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 통신부(46)는, 대역폭이 넓어서 데이터 전송량이 많은 대신 전력소모가 많은 편이고 신호의 도달거리가 짧은 WiFi, 블루투스(Bluetooth), 근거리무선통신(NFC), 면허대역 내에서 사용되는 LTE-M, LTE 주파수를 이용한 저전력,광역(LPWA·Low-Power Wide-Area) 사물인터넷(IoT) 기술 중 하나로 저용량 데이터를 간헐적으로 전송하는 초저전력용 NB-IoT, 비면허대역 내에서 사용되는 시그폭스(SIGFOX)와 LTE-M보다 구조가 간단하고 LTE를 이용해 각종 사물들을 네트워크로 연결시킴으로써 기지국 장비와 단말기의 구조가 간단해질 수 있는 로라(LORA), 저전력 장거리 무선 통신으로 구성되는 소물인터넷(Internet of Small Things) 등의 요소가 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 태양광 라이팅 시스템(100)의 구성요소들과 컨트롤러(40)를 사물인터넷으로 연결 및 구성되면, 센서가 부착된 시스템(100)의 각각의 구성요소가 LTE 망으로 연결될 수 있기 때문에 사용자는 언제 어디서나 구성요소들을 원격 제어할 수 있고, 상호통신으로 구성요소들 사이의 제어도 가능하다. 특히, 사물인터넷은 별도의 장비를 구축하지 않더라도 소프트웨어 업그레이드 만으로 구현할 수 있기 때문에 지그비(Zegbee)와 같은 기존의 IoT 네트워크에 비해 비용 부담이 적어진다.
일 실시예에서, 메인 제어부(48)는 시간에 따른 충전부(42)의 입력 전압 및 전류값들로부터 태양전지 패널(10)의 발전 전력량을 계산할 수 있다. 이차 전지(20)의 충전량은 시간에 따른 충전부(42)의 출력 전압 및 전류를 측정함으로써 계산될 수 있고, 이차 전지(20)의 방전량은 시간에 따른 DC/DC 드라이버(47)의 입력 전압 및 전류를 측정함으로써 계산될 수 있고, 이차 전지(20)의 잔량은 충전량에서 방전량을 뺌으로써 계산될 수 있다. 물론, 이러한 방법 이외에도 다른 방법들에 의해 그러한 데이터를 측정 또는 계산할 수 있고, 필요한 경우에는 그러한 데이터를 검출하기 위한 회로가 별도로 설계될 수도 있다. 이차 전지(20)의 온도, 조명 디바이스(30)의 발광부의 밝기, 소모 전력량, 전압 및 전류 등의 데이터도 유사한 방법으로 또는 다른 적절한 방법으로 측정 또는 계산될 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(40)는 시스템(100)의 다양한 센서들과 인터페이스되는 측정/계산 모듈(49)을 구비한다.
일 실시예에서, 메인 제어부(48)는 DC/DC 드라이버(47)를 제어함으로써 이차 전지(20)의 잔량에 따라 조명 디바이스(30)의 발광부의 밝기를 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 불량한 기상 상황으로 인해 평소보다 태양전지 패널(10)에 의해 생성되는 전력의 충전량이 부족한 경우에도 야간에 조명 디바이스가 작동되지 않는 상황을 극복할 수 있다.
일 실시예에서, 메인 제어부(48)는 무선 통신부(46)를 제어하여 시스템(100)과 관리 서버로 작동하는 관제 센터의 중앙 컴퓨터(52)가 연결되도록 함으로써, 중앙 컴퓨터(52)로부터 수신되는 다양한 제어 신호를 수신할 수 있고 반대로 시스템(100)의 각종 상태 정보를 중앙 컴퓨터(52)로 송신할 수 있도록 구성된다.
일 실시예에서, 메인 제어부(48)는 조절된 DC 입력 전압에 의해 출력 전력을 조절할 수 있는 디밍용 전자식 안정기와 이러한 안정기의 출력 전력에 의해 조도가 조절되는 조명 디바이스의 점,소등 및 조도를 제어하는 무선디밍 제어부(미도시)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 컨트롤러(40)는 시스템(100) 내의 상태 정보들을 추출하기 위해 전술한 센서들을 포함하는 상태 정보 추출 모듈, 추출되거나 측정된 데이터들또는 외부 기기(50)로부터 전송되는 데이터를 저장하기 위한 메모리 모듈 또는 송,수신되는 데이터를 적정한 형태로 변환하기 위한 데이터 변환 모듈을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 컨트롤러(40)는 블루투스 모듈, IoT 모듈, WiFi 모듈, 스피커 모듈, 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(40)는 스피커 모듈을 통해 태양광 라이팅 시스템(100)의 폴에 설치된 스피커(미도시)에 연결되어 외부 기기 또는 자체 저장된 정보를 출력할 수 있도록 구성된다. 또한, 컨트롤러(40)는 카메라 모듈을 통해 태양광 라이팅 시스템(100)의 폴에 설치된 카메라(미도시)를 원격 조정하거나 카메라에 의해 녹화된 데이터를 저장하거나 외부로 전송할 수 있도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 카메라에 의해 촬영되는 영상은 실시간 혹은 필요할 때마다 웹/앱에서 확인할 수도 있다.
일 실시예에서, 컨트롤러(40)의 메인 제어부(48)와 이차 전지(20)의 BMS(22)는 각각 마이컴(Micom)을 구비하고 있고, 시스템(100)이 불안정할 경우 컨트롤러(40)가 시스템(100)을 자체 리셋하여 시스템을 안정화시킬 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 컨트롤러(40)는 태양광 라이팅 시스템(100)의 개별 구성요소들의 작동이 불안정하지 않더라도, 적절한 주기에 맞춰 또는 임의적으로 시스템(100)을 리셋할 수 있도록 구성된 리셋 제어부(60)를 포함한다. 리셋 제어부(60)는 시스템(100)을 반영구적으로 최적 상태로 유지함으로써 시스템(100)의 수명을 연장하고 에너지 효율을 증대시키기 위해, 외부 기기(50)에 의해 입력되는 리셋 신호에 의해 시스템(100)을 리셋할 수 있도록 구성된다.
일 실시예에서, 리셋 제어부(60)는 태양전지 패널(10)의 작동에 의한 이차 전지(20)의 충전 종료 후 조명 디바이스(30)의 작동에 의한 이차 전지(20)의 방전 시작 전(예, 일몰 전후)의 미리결정된 시간 구간 내에서 일종의 휴지기 동안 작동하도록 구성된다. 이와 같이, 일몰 전후의 시간 동안 리셋 제어부(60)를 작동시키는 이유는 주간 및 야간에 태양전지 패널(10)과 이차 전지(20)이 적극적으로 작동되는 시간을 피함으로써, 태양광 라이팅 시스템(100)에 불필요한 간섭을 방지하고 그만큼 에너지 효율을 높이기 위한 것이다. 또한, 무선 통신부(46)를 통해 외부 기기(50)로부터 입력되는 리셋 신호는 미리결정된 주기(예, 매월, 매분기 또는 매년)에 의한 자동 방식으로 또는 사용자에 의해 임의적으로 결정되는 수동 방식으로 입력될 수 있다.
일 실시예에서, 전술한 바와 같이, 리셋 제어부(60)는 자동 리셋 기능을 위하여 마이크로 컨트롤러 내부에 워치독 타이머(Watch Dog Timer)를 내장하여, 지정한 주기 이상이 경과 되면 리셋 펄스를 이용하여 리셋 동작을 시작하고 일정 시간 동안 리셋 상태를 유지하도록 구성된다. 리셋이 불가능할 경우를 위하여 마이크로 컨트롤러 외부에 리셋 신호를 제공하는 독립적 하드웨어인 리셋 IC를 추가하여 마이크로 컨트롤러의 동작 감시와 리셋 기능을 지원하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 시스템의 자동 리셋 과정은 시스템 재실행 및 초기 실행 상태를 확인하고, 타이머의 시간 주기에 따라 출력 포트에 신호를 전송하여 리셋 IC에 주기적 신호를 전송하고, 워치독 동작 금지 명령을 주기적(예, 0.5sec)으로 실행한 후 일정 시간(예, 1.8sec) 동안 금지 명령이 실행되지 않으면 리셋을 실행하고 타이머 시간을 초기화한다. 이 때, 리셋 IC는 WDI 핀에서 신호를 감지하고, 일정 시간 동안 신호가 없는 경우에 리셋 신호를 전송한다. 컨트롤러는 리셋 IC의 리셋 신호를 받아 시스템을 재구동시킨다.
일 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 리셋 제어부(60)는 전압이 인가되는 전원 입력 노드(VCC_ON), 클럭을 입력받는 클럭 입력 노드(CLK_IN), 및 리셋 신호를 발생시키는 리셋 출력 노드(RESET)를 가진 소프트웨어 리셋 회로(62)를 포함한다. 소프트웨어 리셋 회로(62)는 리셋 출력 노드(RESET)를 통해 리셋 신호를 제공받는 회로들, 예를 들어, 충전부(42) 및/또는 BMS(22)와 연결된다.
다른 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 리셋 제어부(60)는 R-C 회로에 의한 하드웨어 리셋 회로(64)를 포함한다. 하드웨어 리셋 회로(64)는 R-C 회로의 캐패시터 전압을 출력 노드로 제공한다. 출력 노드 신호는 출력 처리 회로인 인버터 회로를 거쳐 리셋 신호에 의하여 초기화될 필요가 있는 컨트롤러(40) 및/또는 BMS(22)에 전달된다.
일 실시예에서, 리셋 제어부(60)는 태양전지 패널(10)에 의해 생성되는 전력으로 구동될 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 리셋 제어부(60)는 태양전지 패널(10)과 리셋 제어부(60) 사이에 마련되고, 태양전지 패널(10)로부터 생성되는 전압을 리셋 제어부(60)를 구동시킬 수 있는 전압으로 조정하는 레귤레이터(66)를 더 구비한다. 본 실시예에서, 태양전지 패널(10)로부터 이차 전지(20)로 전력이 충전되거나, 이차 전지(20)에 충전된 전력이 조명 디바이스(30)로 방전되는 경우에 이차 전지(20)의 충방전 동작은 메인 제어부(48)에 의해 제어되므로, 이차 전지(20)에 잉여 전력이 있는 경우에 레귤레이터(66)의 동작은 메인 제어부(48)에 의해 슬립 모드로 전환된다. 슬립 모드란 동작이 완전히 오프되지 않고 저전력을 소모하는 대기 상태를 의미한다. 따라서, 메인 제어부(48)의 동작이 중단된 경우, 레귤레이터(66)는 슬립에서 깨어나서 메인 제어부(48)를 회생시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 시스템(100)의 작동 중에, 이차 전지(20)의 전압이 임계전압 이하로 떨어지면 이차 전지(20)를 보호하기 위해 메인 제어부(310)는 BMS(22)의 동작을 오프시킨다. 즉, 이차 전지(20)의 전압이 임계전압 이하일 경우 출력이 완전히 차단되므로 컨트롤러(40)로 인가되는 전원이 0V일 수 있다. 컨트롤러(40)의 동작이 오프된 경우, 레귤레이터(66)는 태양전지 패널(10)로부터 생성된 전력의 전압을 미리결정된 전압(예, 컨트롤러(40)를 회생시킬 수 있는 전압)으로 조정할 수 있다.
전술한 상세한 설명 및 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 한편, 첨부된 청구범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 기술적 사상 및 권리 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 부가물, 변형물, 조합들 및/또는 대체물들이 만들어 질 수 있음을 이해해야 한다. 특히, 본 발명은 다른 요소들, 물질들, 성분들을 이용하여 본 발명의 사상 또는 필수적 특징들로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 특정한 형태, 구조, 배열, 비율들로 구현될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 본 발명의 원칙을 벗어나지 않는 한 특정의 환경 및 작동 조건들에 특히 적합하도록 개조된 구조, 배열, 비율, 물질, 성분의 많은 변형과 함께 본 발명이 사용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에서 설명된 특징들은 단독적으로 사용될 수도 있고 다른 특징들과 조합하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 실시예와 관련하여 설명된 특징들은 다른 실시예에서 설명된 특징들과 함께 및/또는 상호 교체되어 사용될 수 있다. 따라서, 현재 개시된 실시예들은 모든 면에서 제한적이 아닌 예시적이고 설명적인 것으로 간주되어야 하며, 발명의 권리범위는 첨부된 청구범위에 의해 표시되며, 전술한 상세한 설명에 한정되어서는 아니된다.
첨부된 청구범위의 넓은 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 다양한 변형들 및 변경들이 가능함을 당업자는 이해할 것이다. 이러한 것들의 일부는 예시적으로 위에서 논의되었으며 다른 일부들은 당업자에게 명백할 것이다.
10...태양전지 패널 20...이차 전지
22...BMS 30...조명 디바이스
40...컨트롤러 42...충전부
44...방전부 46...무선 통신부
48...메인 제어부 41...GPS 모듈
50...외부 기기 52...중앙 컴퓨터
54...사용자 단말기 56...이동 단말기
60...리셋 제어부 62...소프트웨어 리셋 회로
64...하드웨어 리셋 회로 100...태양광 라이팅 시스템

Claims (17)

  1. 태양전지 패널; 상기 태양전지 패널로부터 생성되는 전기 에너지를 저장할 수 있도록 상기 태양전지 패널에 전기적으로 연결되고 BMS가 마련된 이차 전지; 및 상기 이차 전지로부터 전력을 공급받아 발광할 수 있도록 상기 이차 전지에 전기적으로 연결된 조명 디바이스를 포함하는 태양광 라이팅 시스템을 위한 컨트롤러로서,
    상기 태양전지 패널과 상기 이차 전지 사이에 인터페이스되도록 구성된 충전부;
    상기 이차 전지와 상기 조명 디바이스 사이에 인터페이스되도록 구성된 방전부;
    외부 기기와 무선통신이 가능하도록 구성된 무선 통신부;
    상기 태양전지 패널과 상기 이차 전지 사이의 인터페이스 정보, 상기 이차 전지와 상기 조명 디바이스 사이의 인터페이스 정보, 및 상기 무선 통신부의 정보 중 적어도 어느 하나의 정보를 처리 및 제어할 수 있도록 구성된 메인 제어부; 및
    상기 시스템이 정상적으로 작동되고 있는 상태에서 상기 시스템을 최적 상태로 유지할 수 있도록, 상기 무선 통신부를 통해 상기 외부 기기로부터 입력되는 리셋 신호에 의해 상기 메인 제어부와 상기 이차 전지의 BMS 중 적어도 어느 하나를 미리결정된 주기에 의해 자동적으로 리셋할 수 있도록 구성된 리셋 제어부를 구비하고,
    상기 리셋 제어부는 전압이 인가되는 전원 입력 노드, 클럭을 입력받는 클럭 입력 노드, 및 리셋 신호를 발생시키는 리셋 출력 노드를 가진 소프트웨어 리셋 회로를 포함하거나 R-C 회로에 의한 하드웨어 리셋 회로를 포함하며,
    상기 무선 통신부는 IoT 기반 무선 통신 모듈 또는 근거리 무선 통신 모듈을 포함하고,
    상기 메인 제어부는, 센싱 모듈, WiFi 모듈, GPS 모듈, 스피커 모듈 또는 카메라 모듈을 더 구비하며,
    상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널의 작동에 의한 상기 이차 전지의 충전 종료 후 상기 조명 디바이스의 작동에 의한 상기 이차 전지의 방전 시작 전의 미리결정된 시간 구간 내에 작동하도록 구성되고,
    상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널에 의해 생성되는 전력에 의해 구동될 수 있도록 구성되며,
    상기 리셋 제어부는 상기 태양전지 패널과 상기 리셋 제어부 사이에 마련되되 상기 태양전지 패널로부터 생성되는 전압을 미리결정된 전압으로 조정할 수 있는 레귤레이터를 더 구비하고,
    상기 태양전지 패널로부터 컨트롤러로 공급되는 전력량을 감지하는 전력량 센서를 더 구비하며,
    상기 이차 전지로부터 조명 디바이스로 공급되는 전류 공급량을 감지하는 공급량 센서를 더 구비하고,
    상기 메인 제어부는 이차 전지의 잔량에 따라 조명 디바이스의 발광부의 밝기를 제어하는, 태양광 라이팅 시스템용 컨트롤러.
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