KR102567041B1 - 임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로 및 이의 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로 시스템은, 조명장치에 결합되어 광원에 전력을 공급하는 배터리팩을 제어하기 위한 제어회로 시스템에 있어서, 상기 광원에 PWM 신호를 인가하도록 구비되어 발광 패턴을 제어하는 MCU, 상기 배터리팩이 연결된 상태에서 임시전원을 생성하여 상기 MCU에 초기 전력으로 공급하는 제너다이오드 및 상기 배터리팩의 출력 전압을 상기 조명장치의 광원 동작 전압으로 변환하는 컨버터를 포함한다.

Description

임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로 및 이의 관리 시스템{Control Circuit System for a Removable Battery Pack that Minimizes Discharge through Temporary Power Supply}

본 발명은 탈착형 배터리팩의 제어회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 임시전원 공급을 통해 배터리팩의 방전을 최소화할 수 있는 탈착형 배터리팩의 제어회로 및 이의 관리시스템에 관한 것이다.

최근에는 조명장치의 광원으로서 LED가 널리 사용되고 있으며, 이와 같은 LED 광원은 타 광원에 비해 소비전력이 매우 낮으며, 반영구적으로 사용이 가능하다는 장점을 가진다.

그리고 이와 같은 LED 광원은 전류 제어 또는 전압 제어 방식으로 구동되고 있으며, 휴대성을 강화시키기 위한 목적으로 전력 공급 수단으로서 탈착식 배터리팩이 적용되는 경우가 많다.

하지만, 탈착식 배터리팩의 경우 조명장치의 동작 시 초기 전력이 어느 정도 시점이 지난 후의 공급 전력에 비해 비교적 많이 소비되며, 이는 초기 전압을 동작이 가능한 일정 수준으로 승압하여 일정 시간을 유지하는 데 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 이에 의해 배터리가 가진 최대용량을 다 사용하지 못하는 문제가 발생하며, 실제 사용할 수 있는 용량은 최대용량의 대략 70%정도의 머무는 실정이다. 이는 곧 조명장치의 운용시간을 크게 저하시키는 원인이 된다.

뿐만 아니라, 초기 전력 소비의 증가에 따라 배터리팩의 잦은 방전을 유발하게 되어 배터리팩의 교체 시기를 앞당기게 되는 문제가 있었다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

한국공개특허 제10-2006-0091822호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 조명장치에 장착되는 탈착식 배터리팩의 초기 전력 소비의 증가에 따른 배터리팩의 잦은 방전 현상을 방지할 수 있도록 하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로 시스템은, 조명장치에 결합되어 광원에 전력을 공급하는 배터리팩을 제어하기 위한 제어회로 시스템에 있어서, 상기 광원에 PWM 신호를 인가하도록 구비되어 발광 패턴을 제어하는 MCU, 상기 배터리팩이 연결된 상태에서 임시전원을 생성하여 상기 MCU에 초기 전력으로 공급하는 제너다이오드 및 상기 배터리팩의 출력 전압을 상기 조명장치의 광원 동작 전압으로 변환하는 컨버터를 포함한다.

그리고 상기 제너다이오드는, 상기 배터리팩이 연결된 상태에서 상기 조명장치의 동작 스위치가 켜진 직후 임시전원을 생성하여 기 설정된 기준시간 동안 상기 MCU에 초기 전력으로 공급할 수 있다.

여기서 상기 기준시간은 상기 조명장치의 동작 스위치가 켜진 이후 상기 배터리팩의 순간전압이 기 설정된 유지시간 동안 일정하게 유지되는 시점까지로 설정될 수 있다.

한편 상기 컨버터는 동기화식 부스터 컨버터(Synchronous Boost Converter)알 수 있다.

그리고 상기 MCU는 전압분배방식의 전압검출회로를 포함하여, 상기 배터리팩의 잔량을 실시간 검출할 수 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로 시스템은, 배터리팩이 조명장치에 연결된 상태에서 임시전원을 생성하여 MCU에 초기 전력으로 공급하는 제너다이오드를 포함함에 따라 배터리팩의 방전을 최소화하고, 사용시간을 극대화할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 제어회로 및 이의 관리 시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리팩의 제어회로 및 이의 관리 시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착형 배터리팩의 제어회로 시스템의 각 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 발명의 일 실시예에 따른 탈착형 배터리팩의 제어회로 시스템은 조명장치에 결합되어 조명장치의 광원(10)에 전력을 공급하는 배터리팩(200)을 제어하기 위한 것이다.

이때 본 실시예에서 광원(10)은 LED(Light Emitting Diode)모듈 또는 마이크로 LED(Micro Light Emitting Diode)모듈일 수 있으며, 특히 마이크로 LED 모듈의 경우 수직형 LED 에피칩 구조를 가질 수 있다.

다만, 본 실시예와 달리 광원(10)으로는 LED, 마이크로 LED 이외의 다른 발광모듈일 수도 있음은 물론이다.

MCU(100)는 광원(10)에 PWM 신호를 인가하도록 구비되어 발광 패턴을 제어한다.

즉 MCU(100)는 광원(10)에 PWM 신호를 인가하여 사용자의 조작에 따른 광원(10)의 디밍 또는 점멸 등의 발광 패턴을 제어하도록 설계될 수 있다.

그리고 배터리팩(200)은 조명장치에 결합되어 광원(10) 및 MCU(100)에 전력을 공급할 수 있다.

다만, 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 서술한 바와 같이 탈착식 배터리팩(200)의 경우 조명장치의 광원(10)을 동작시키기 위한 초기 전력이 어느 정도 시점이 지난 후의 공급 전력에 비해 비교적 많이 소비되며, 이는 조명장치의 운용시간을 크게 저하시키는 원인이 된다.

이에 따라 본 발명에 따른 탈착형 배터리팩의 제어회로 시스템은 배터리팩(200)이 조명장치에 연결된 상태에서 임시전원을 생성하여 MCU에 초기 전력으로 공급하는 제너다이오드(110)를 포함한다. 이를 통해 배터리팩의 표기된 최대용량에서의 손실을 최소화할 수 있고, 나아가 배터리팩의 수명주기가 증가하는 효과를 기대할 수 있다.

그리고 이와 같은 제너다이오드(110)는, 배터리팩(200)이 조명장치에 연결된 상태에서 조명장치의 동작 스위치(20)가 켜진 직후 임시전원을 생성하여 기 설정된 기준시간 동안 MCU에 초기 전력으로 공급하는 방식을 가질 수 있으며, 예컨대 제너다이오드(110)에 의해 공급되는 초기 전력은 5V일 수 있다.

또한 제너다이오드(110)에 의해 초기 전력이 공급되는 기준시간은, 조명장치의 동작 스위치(20)가 켜진 이후 배터리팩(200)의 순간전압이 기 설정된 유지시간 동안 일정하게 유지되는 시점까지로 설정될 수 있다. 이때 유지시간은 배터리팩(200)이 적용되는 조명장치의 특성에 따라 제한없이 다양하게 가변될 수 있다.

한편 본 실시예의 경우, 배터리팩(200)의 출력 전압을 조명장치의 광원(10) 동작 전압으로 변환하는 컨버터(120)를 더 포함할 수 있다.

이때 본 실시예에서 적용되는 컨버터(120)는 기존 부스터 컨버터(Boost Converter)와 대비하여 효율이 보다 높은 동기화식 부스터 컨버터(Synchronous Boost Converter)일 수 있다.

이와 더불어 본 발명은 MCU(100)를 통한 PWM 신호의 인가 시 정격 듀티비를 최적화하여 구동부 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

더불어 본 실시예에서 MCU(100)는 전압분배방식의 전압검출회로를 포함하여, 배터리팩(200)의 잔량을 실시간 검출할 수 있으며, 이를 조명장치에 구비되는 별도의 디스플레이를 통해 사용자가 확인할 수 있도록 표시할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리팩의 제어회로 및 이의 관리 시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리팩의 제어회로 및 이의 관리 시스템은 임시공급부(130), 누적저장부(140)를 포함할 수 있다.

임시공급부(130)는 제너다이오드(110)과 통신이 가능한 통신모듈이 구비될 수 있다. 임시공급부(130)는 동작스위치(20)가 온(on) 동작에 따라 켜졌을 때 제너다이오드(110)로부터 MCU(100)로 초기 임시전원 공급이 기 설정된 일정시간 동안 공급이 안되는 것을 확인한 경우, 임시공급부(130)는 제너다이오드(110)로 초기 임시전원의 공급이 가능한 지 여부를 포함한 제1통신정보를 송신하도록 구성될 수 있다. 여기서 기 설정된 일정시간은 0.5s 내지 1s로 볼 수 있으며, 이의 시점은 동작스위치(20)가 켜졌을 때이다. 임시공급부(130)는 MCU(100)에 초기 임시전원이 공급되는 지 여부를 확인하고 제너다이오드(110)와 통신할 수 있다.

제너다이오드(110)가 MCU(100)에 초기 임시전원을 공급하는 정상동작 상태에서 초기 임시전원이 공급되는 동안 기 설정된 비율로 일정부분을 임시공급부(130)로 분기할 수 있는데, 이 때 누적저장부(140)로 이 분기된 전력이 별도로 누적 저장되도록 구성될 수 있다. 누적저장부(140)는 임시공급부(130)와 같이 운영될 수 있으며 소용량의 저장장치가 사용될 수 있다.

제너다이오드(110)와 임시공급부(130)간 통신과 관련하여, 제너다이오드(110)는 임시공급부(130)와 통신이 가능한 별도의 통신모듈을 구비하고, 상기 제1통신정보를 수신한 후 즉시 전력을 공급 동작을 수행하되, 기 설정된 전압의 전력을 공급하지 못하는 경우, 전원 공급 불가능 사실을 포함한 제2통신정보를 임시공급부(130)로 송신할 수 있다. 여기서 기 설정된 전력의 전압은 5V일 수 있다.

임시공급부(130)는 제너다이오드(110)로부터 제2통신정보를 수신한 후, 누적저장부(140)에 누적 저장된 소용량의 전력을 초기 임시전원으로 하여 MCU(100)로 제너다이오드(110) 대신 초기 임시전원을 공급하도록 구성될 수 있다.

이를 통해 초기 임시전원을 공급하는 제너다이오드(110)가 일시 혹은 영구적 손상이 발생하여 동작이 불가능한 경우에도 이를 감지하여 적어도 누적저장부(140)에 누적된 전력을 모두 사용하기까지 일정기간 동안에는 MCU로 초기 임시전원을 대신 공급해줌으로써 배터리의 초기 전력 소모량을 대폭 감소시킬 수 있어 배터리 수명 주기 관리에 도움을 줄 수 있다.

누적저장부(140)의 저장 용량이 한계치에 달하는 경우 제너다이오드(110)로 제3통신정보를 송신하여 일정 부분 분기되는 전력 공급라인 차단을 통해 전력 공급을 중단할 수 있다. 저장 용량이 한계치에 달한 이후 소진되어 저장량이 80%이하로 내려가는 경우 제3통신정보 송신을 중단할 수 있다.

임시공급부(130)와 통신이 가능한 사용자 관리단말기(300)가 더 포함될 수 있다. 임시공급부(130)는 사용자 관리단말기(300)와 공지의 WiFi, Bluetooth, LTE통신망을 활용한 무선 통신방식 중 그 어느 것을 적절히 택하여 통신이 가능하도록 구성할 수 있다. 임시공급부(130)는 제2통신정보를 수신한 후 MCU(100)로 초기 임시전원을 공급하는 동시에 사용자 관리단말기(300)로 제너다이오드(110)의 ‘손상가능성 정보’를 송신할 수 있다. 또한, 임시공급부(130)의 누적저장된 전력이 소진될 때까지 제너다이오드(110)로부터 제2통신정보를 지속 수신하는 경우, 사용자 관리단말기(300)로 임시공급부(130)의 ‘동작지속 불가능 사실에 대한 정보’와 배터리팩(200)의 ‘수명주기 감축가능성 정보’를 송신하도록 구성될 수 있다. 이를 통해 사용자는 제너다이오드(110)의 손상여부와 임시공급부(130)의 동작여부에 대한 정보를 사용자 관리단말기(300)를 통해 파악할 수 있다. 사용자는 이러한 정보들을 기초로 배터리팩(200)의 실 사용 용량에 기초한 조명 사용가능시간과 배터리팩의 장기적인 수명주기를 파악할 수 있다. 즉, 사용자는 배터리팩(200)의 실 사용량 증가와 수명주기 증가에 도움이 되는 적절한 조치를 취할 수 있도록 기초자료를 제공받을 수 있는 것이다. 임시공급부(130)는 누적저장된 전력이 모두 소진된 후에도 제너다이오드(110)와 제1통신정보 및 제2통신정보를 송수신할 수 있도록 구성되고, 제너다이오드(110)가 재동작을 시작하여 정상동작하는 경우에는 임시공급부(130)는 제1통신정보를 송신하지 않고 다시 누적저장부(140)로 전력의 일정 부분을 공급하여 저장하도록 할 수 있다.

나아가, 임시공급부(130)는 제2통신정보가 기 설정주기(36시간-48시간) 동안 복수회(2회 이상) 수신되는 경우, 복수회 중 마지막 제2통신정보를 수신하기 이전에 누적저장부(140)에 저장된 전력이 소진되는 경우, 저장된 전력이 소진된 시점부터 마지막 제2통신정보 수신 시점까지의 기간을 공백기간으로 설정하고 이 공백기간 중 동작스위치(20)가 동작된(on) 횟수 정보를 모니터링할 수 있다. 공백기간 중 동작스위치(20) 동작 횟수를 기초로 배터리팩(200)의 초기전력 공급에 소모된 전력과 배터리의 성능의 최대치 대비 현재 실제 성능(완충 시 신품 대비 충전량)을 측정할 수 있고 이를 사용자 관리단말기(300)로 전달하여 배터리 수명 상태 정보를 퍼센테이지(%) 표기법을 통해 제공할 수 있다. 사용자 관리단말기(300)는 공백기간 중 동작스위치(20)의 동작 횟수 정보를 ‘초기 임시전원 미공급 동작 횟수’라는 이름으로, 이를 기초로 측정된 현재 실제 성능 정보를 ‘배터리의 현재 성능 최대치’라는 이름으로 표시하여 제공할 수 있다.

임시공급부(130)와 사용자 관리단말기(300)는 임시공급부(130)가 정보를 일방적으로 송신하는 단방향 통신모드로 운영되는데, 경우에 따라서 사용자 관리단말기(300)를 통해 선택적으로 양방향 통신모드로 전환하는 것이 가능하다. 임시공급부(130)와 연결되는 제너다이오드(110) 및 MCU(100)가 임시공급부(130)의 오류로 인해 정상동작이 불가능한 경우, 사용자 관리단말기를 통해 상기 임시공급부와 상기 사용자 관리단말기 간 통신모드를 선택적 양방향 통신모드로 전환 후 임시공급부(130)의 동작을 제한하여 임시공급부(130)라는 오류의 원인을 제거하도록 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

10: 광원
20: 동작스위치
100: MCU
110: 제너다이오드
120: 컨버터
130: 임시공급부
140: 누적저장부
200: 배터리팩
300: 사용자 관리단말기

Claims (8)

1. 조명장치에 결합되어 광원에 전력을 공급하는 배터리팩을 제어하기 위한 제어회로 및 이의 관리시스템에 있어서,
   상기 광원에 PWM 신호를 인가하도록 구비되어 발광 패턴을 제어하는 MCU;
   상기 배터리팩이 연결된 상태에서 임시전원을 생성하여 상기 MCU에 초기 전력으로 공급하는 제너다이오드; 및
   상기 배터리팩의 출력 전압을 상기 조명장치의 광원 동작 전압으로 변환하는 컨버터;
   를 포함하고,
   상기 제너다이오드는,
   상기 배터리팩이 연결된 상태에서 상기 조명장치의 동작 스위치가 켜진 직후 임시전원을 생성하여 기 설정된 기준시간 동안 상기 MCU에 초기 전력으로 공급하고,
   상기 기준시간은 상기 조명장치의 동작 스위치가 켜진 이후 상기 배터리팩의 순간전압이 기 설정된 유지시간 동안 일정하게 유지되는 시점까지로 설정되며,
   상기 제너다이오드와 통신이 가능한 통신모듈을 구비하는 임시공급부를 더 포함하고, 상기 임시공급부는, 조명장치의 동작 스위치가 켜진 후 기 설정된 일정시간 내 상기 제너다이오드로부터 상기 MCU로 초기 임시전원 공급 여부를 모니터링하여 공급이 되지 않는 경우 상기 제너다이오드로 임시전원 공급 가능여부를 포함한 제1통신정보를 송신하며, 상기 제너다이오드는, 상기 임시공급부와 통신이 가능한 별도의 통신모듈을 구비하고, 상기 제1통신정보를 수신한 후 즉시 전원 공급 동작을 수행하되, 기 설정된 전압의 전력을 공급하지 못하는 경우, 전원 공급이 불가능한 사실을 포함한 제2통신정보를 임시공급부로 송신하고,
   상기 임시공급부는, 상기 제너다이오드가 임시전원을 공급하는 정상동작 상태에서 상기 MCU로 공급되는 전원의 일부를 기 설정비율만큼 분기하여 전력을 저장할 수 있는 누적저장부를 포함하고, 상기 제너다이오드로부터 상기 제2통신정보를 수신한 후 누적저장부에 저장된 전력을 임시전원으로 하여 상기 MCU로 상기 제너다이오드 대신 공급하고,
   상기 임시공급부와 무선 통신방식으로 연결되는 사용자 관리단말기를 더 포함하고, 상기 임시공급부는, 상기 제2통신정보를 수신한 후 상기 MCU로 임시전원을 공급하는 동시에 상기 사용자 관리단말기(300)로 상기 제너다이오드의 '손상가능성 정보'를 송신하며, 상기 임시공급부의 누적 저장된 전력이 소진될 때까지 상기 제너다이오드로부터 상기 제2통신정보를 지속 수신하는 경우에는 상기 사용자 관리단말기로 상기 임시공급부의 '동작지속 불가능 사실에 대한 정보'와 상기 배터리팩의 '수명주기 감축가능성 정보'를 송신하고,
   상기 임시공급부가 상기 제2통신정보를 기 설정주기 내 복수회 수신하는 경우, 그 동안 누적저장부에 저장된 전력이 소진된 경우에는 저장된 전력이 소진된 시점부터 복수회 중 마지막 제2통신정보를 수신 시점까지의 기간을 공백기간으로 설정하고, 상기 공백기간 중 동작 스위치의 동작 횟수 정보와 이를 기초로 측정된 상기 배터리팩의 현재의 성능 정보를 상기 사용자 관리단말기로 제공하는,
   임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로의 관리 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 컨버터는 동기화식 부스터 컨버터(Synchronous Boost Converter)인,
   임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로의 관리 시스템.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 임시공급부와 상기 사용자 관리단말기는 상기 임시공급부가 정보를 일방적으로 송신하는 단방향 통신모드로 운영되고, 상기 제너다이오드와 MCU가 상기 임시공급부의 오류로 인해 정상동작이 불가능한 경우에는 상기 사용자 관리단말기를 통해 상기 임시공급부와 상기 사용자 관리단말기 간 통신모드를 선택적 양방향 통신모드로 전환 후 상기 임시공급부의 동작을 제한하도록 할 수 있는,
   임시전원 공급을 통해 방전이 최소화된 탈착형 배터리팩의 제어회로의 관리 시스템.