KR19990084821A - 전천후 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템에 관한 것으로, 종래에는 충전 밧데리의 충전 조건에 부합되는 전압 이하에서는 충전이 이루어지지 않기 때문에 에너지 효율적이지 못하였다. 이에 따라 본 발명은 조도의 변화에 의해 솔라셀의 출력 전원의 전류값이 변하더라도 일정한 충전 조건의 전압을 유지시키기 위하여, 상기 솔라셀의 출력 전원의 레벨을 판단하여 충전 밧데리의 충전 조건에 부합되는 안정적인 전압으로 조절하여 제공하는 충전전원 안정화 수단을 포함시켜 구성함으로써, 조도가 낮아서 충전 조건에 미달되는 전원이 출력되더라도 배전압시켜 충전 시킬 수 있게 된다. 그리고, 상기 충전전원 안정화 수단으로는, 다수의 콘덴서를 병렬로 연결하여 충전시키고, 직렬로 연결하여 배전압된 전원을 방전시키키는 안정화 회로, 또는 쵸퍼식 스텝 업/다운 DC-DC 변환기를 사용한 안정화회로를 사용한다. 또한, 솔라셀 모듈들을 직렬 또는 병렬 연결로 선택하여 충전 조건에 부합되는 안정된 전원을 얻을 수 있도록 구성한다.

Description

전천후 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템

본 발명은 솔라셀(Sollar Cell)로부터 발생하는 전기 에너지를 축전지에 충전함에 있어서, 조도가 낮아서 솔라셀의 발전 효율이 떨어지더라도 충전기의 충전 조건을 충족시키도록 솔라셀의 출력을 가공하여 충전기에 저장시키기 위한 전천후 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템에 관한 것이다.

최근들어 화석 에너지 자원(예컨데, 석유, 석탄, 가스등)의 고갈로 인하여 대체 에너지에 대한 많은 연구 노력을 기울이고 있다. 원자력을 이용한 에너지 자원은 화석 에너지 자원의 대안으로 제시되고 있으나, 위험성과 폐기물로 인한 환경 오염등 치명적인 약점을 아직 해결하지 못한 상태이다.

한편, 수력, 풍력, 조력, 빛에너지(태양열)등 기타 에너지 자원을 이용하고는 있으나, 수력발전 이외에는 미미한 실정이고, 수력발전은 필요한 수자원이 있어야 함과 아울러 대단위 설비 투자가 있어야 한다.

광에너지 활용 현황중 가장 기초적인 방법은 태양열을 직접 이용하는 방법으로서 태양열 판을 이용한 가정용 온수 및 난방장치로 활용되고 있다. 그렇지만 태양열 판을 이용한 가정용 온수 및 난방장치는 전기에너지로의 전환과는 전혀 무관하게 빛이 포함하고 있는 복사 열에너지를 가공없이 활용하는 기술로서 기후조건이 열악한 경우 전혀 활용성이 없는 기술이었다.

그리고, 광에너지를 전기에너지로 전환시켜 이용하는 방법으로는, 위성, 무인 관측소, 전기 차량등 오프 라인 장치에서 빛의 강도가 충분한 경우 대체 에너지 자원으로 활용되고 있으며, 전자계산기, 전자시계등 저전력 전자장치의 보조전력원으로 활용되고 있다.

이와 같이 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 솔라셀을 이용하는 방법이 제한적으로만 이용되고 상용화가 늦어지고 있는 원인으로는, 광반도체 소자의 광전변환 효율 저조라는 요인도 있지만, 광반도체 소자의 광전변환 효율 저조 보다는 일조권과 조도의 차이에 의한 출력 저하에 문제가 있다. 그 이유는 최적 조건이 아닌 경우 휘발성 에너지로 간주되어 버려져 왔고 즉, 특정 준위 이하의 에너지는 축전지에 충전하지 못하고 무용화하는 보편적인 기준 같은 다양한 변수가 존재하기 때문이다.

이와 같이 무한한 광에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 솔라셀은 발전 에너지가 직류전원임에도 불구하고 현재까지는 일반 관념상 일조량, 날씨 등의 조건에 심하게 영향 받는 관계로 특정 조건 에서만 활용해야 하는 비효율성 에너지로 취급되어 왔고, 특히 충전 효율성이나 솔라셀의 발전 효율성에 대한 부정적인 선입관으로 인해 그 활용의 목적이 제한되어 왔다.

따라서 본 발명은 솔라셀로부터 발생되는 에너지가 종래의 기술에 의한 충전 요구 조건을 만족시키지 못하더라도 최소한의 에너지만으로도 충전이 가능한 방법을 제시한다.

또, 본 발명은, 대규모 발전소에서만 생산되어 공급되었던 전기에너지에 대한 의존도를 낮추고 각 가정 혹은 분산된 광에너지 충전소에서 효율적인 충전 설비의 확충에 따라 분산된 에너지원을 확보하도록 하기 위한 것이다.

또, 본 발명은 개인 휴대 전자장치, 차량, 선박, 항공기등 오프 라인 상태에서 동작되어야하는 모든 전자장치의 작동 전원을 광에너지로 대체하기 위한 것이다.

또, 본 발명은 추후 자연 환경의 복구를 위해 필요한 제반 환경 복구 및 자동 정화장치등의 에너지원으로 광에너지를 활용하기 위한 것이다.

즉, 본 발명의 궁극적인 목적은 최초의 설비비만을 요구하는 반영구적인 무공해장치를 이용하여 무궁한 자연 에너지를 모든 인류가 무료로 활용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명은, 충전의 조건이 충족되는 상태에서의 동작은 단지 안정 조건을 통제하기 위한 장치로 활용되지만, 충전 조건에 미달되는 광에너지 상태에서는 미세한 에너지를 집적하여 충전 조건에 맞도록 에너지를 가공함으로써 지속적인 충전이 가능하도록 한 장치이다. 즉, 솔라셀로부터 저준위의 에너지가 발생하는 경우 이를 전자, 전기적 기술로 가공하여 목적하는 레벨의 전기적 에너지로 축전(蓄電)하는 장치인 것이다.

도 1은 일반적인 실리콘 솔라셀의 조도에 따른 출력 특성도로서 이를 참조하여 설명한다. 가령 임의의 충전기가 70mW/cm²의 에너지를 충전 조건으로 요구하는 경우 종래에는 충전조건을 만족하는 영역 이외의 에너지는 버려지는 것으로 간주되었다.

그러나 본 발명의 효과는 에너지의 양이 부족한 영역의 에너지도 집적하여 충전기에 충전이 가능하도록 하였다. 따라서 솔라셀로부터 에너지가 전혀 발생되지 않는 것으로 가정할 수 있는 영역의 광에너지 조건이 아닌 한 그 충전 영역이 대폭 확대됨으로서 설령 일조 조건이 떨어지더라도 지속적인 충전이 가능토록 한 것이다.

즉 전력=(전류)²*저항(P=I²*R)의 이론에 있어 솔라셀의 출력은 빛의 강도에 따라 그 전류값이 민감하게 변화하는 특성을 보인다.(참조: 도1) 그러나 통상적인 충전 밧데리들은 극히 제한된 전압 레벨 영역에서만 충전이 되도록 되어 있다.

결국 V=I*R의 원칙에서 I가 가변적이므로 전압은 함께 변화할 수 밖에 없고 이와 같은 요인이 솔라셀의 출력을 충전 밧데리에 연결시킬 수 없는 장애로 남아 있었던 것이다. 설령 연결을 시도하더라도 극히 제한된 조도 범위에서만 충전이 가능하므로 사실상 연결이 불필요한 것으로 간주되어 온 것이다.

만일 도 2와 같이, 솔라셀(1)의 출력 전원을 가변저항 등가회로(2)를 통해 안정적인 전압으로 조절하여 충전 밧데리(3)에 공급하는 회로를 가정한다. 이 경우는, 솔라셀의 출력단에 가변저항이 붙어 있어서 전류가 떨어지면 저항값이 높아지고, 전류가 상승할 때 저항값이 떨어진다면 결과적으로 부하에 걸리는 전압은 일정하게 유지될 수 있는 것이다.

현재까지는 이와 같은 특성의 소자가 존재한 적도 없었고, 통상적인 DC 회로에서는 그 필요성이 거의 요구되지 않았다. 도 2는 정전압 유지용 가변저항 등가회로와 결합된 솔라셀 회로를 가정한 것으로, V값을 일정하게 유지시켜주므로 부하(LOAD)에 충전밧데리를 연결하는 경우 만족스럽게 충전이 유지될 수 있는 것이다.

본 발명의 가변저항 등가회로는, 솔라셀과 충전 밧데리의 연결이 요구되는 상황에서 그 필요성이 제기되는 것인데 본 발명의 요점은 바로 도 2의 가변저항과 같은 특성을 가지는 등가회로의 구성에 있는 것이다. 즉, 본 발명에서는 그와 같은 특성을 보이는 3가지 등가회로를 방법론으로 제시하는데 엄밀하게 정의하자면 [정전압 유지용 전류 의존적 가변저항의 등가회로]인 셈이다. 즉, 충전 전압 안정화 수단인 것이다.

상기 충전 전원 안정화 수단으로서, 캐패시터를 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로와, 쵸크 코일을 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로 및 솔라셀 어레이의 직병렬 구조를 제어하는 가변저항 등가회로를 제공한다.

따라서, 본 발명은, 빛의 강도 변화에 의해서 솔라셀의 출력이 충전기의 충전 조건을 만족시키지 못하는 낮은 조도에서도 일정 범위까지 충전 영역을 대폭 확대하여 일조조건이 떨어지더라도 지속적인 충전이 가능하게 된다.

도 1은 일반적인 실리콘 솔라셀의 조도에 따른 출력 특성도.

도 2는 본 발명에 의한 빛 에너지 충전 제어 개념도.

도 3은 본 발명에 의한 솔라셀 충전 제어 시스템의 계통 구성도

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 캐패시터를 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로를 적용한 축전 배전압 방식의 솔라셀 충전 제어 시스템 블록도

도 5는 도 4의 구체적인 실시예를 보인 충전전압 안정화 제어 회로도.

도 6의 도 5의 각 포인트의 타이밍 펄스 및 축전 매트릭스의 자동화 전압 출력 장치 설명도.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 쵸크 코일을 기초소자로 구성하는 가변

저항 등가회로를 적용한 쵸퍼식 스텝 업/다운 전압 충전제어 시스템의 구성도.

도 8은 본 발명의 제 3실시예에 따른 솔라셀 어레이의 직병렬 구조를 적용한

솔라셀 충전 제어 시스템 구성도.

도 9는 본 발명의 충전전압 안정화 제어에 의한 조도와 충전 전압 특성도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 솔라셀 20 : 충전전압 안정화 회로

30 : 충전 제어회로 40 : 충전 밧데리

50 : 부하 110, 120 : 솔라셀 모듈

410, 710, 810 입력전원 레벨 판단부

420 : 축전 매트릭스 선택부

430 : 충전/방전 펄스 발진부

440 : 충전단 수 조정 및 매트릭스 충방전 제어부

450 : 축전 배전압 매트릭스부

720 : 비교기 출력 버퍼부

730 : 스텝 업/다운 DC-DC 변환부

820 : 전원부

830 : 직/병렬 구조 선택신호 발생부

본 발명에 의한 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템은, 빛 에너지를 받아 전기적 에너지로 변환 시키는 솔라셀과, 조도의 변화에 의해 솔라셀의 출력 전원의 전류값이 변하더라도 일정한 충전 조건의 전압을 유지시키기 위하여, 상기 솔라셀의 출력전원의 레벨을 판단하여 충전 밧데리의 충전 조건에 부합되는 안정적인 전압으로 조절하여 제공하는 충전전원 안정화 수단과, 그 충전전원 안정화 수단의 출력전원을 충전 밧데리에 충전시킴에 있어서 과충전 방지 및 안정적인 충전이 이루어지도록 제어하는 충전 제어회로와, 그 충전 제어회로의 제어에 의해 상기 충전전원 안정화 수단으로 통해 입력되는 전원을 충전시키는 충전 밧데리를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

여기서, 상기 충전 전원 안정화 수단은, 캐패시터를 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로 또는 쵸크코일을 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로로서 구성할 수 있으며, 이는 제1, 제2 실시예에서 살세히 설명한다.

또한, 본 발명은, 다수의 단위 솔라셀이 직/병렬 구조로 배열되어 하나의 솔라셀 모듈로 구성되고, 적어도 2개 이상의 솔라셀 모듈이 배치되어 그 2개 이상의 솔라셀 모듈이 직렬 또는 병렬 구조로 선택적 연결이 가능하도록 구성함으로써, 조도가 낮은 경우에는 솔라셀 모듈을 직렬 연결하고, 충전 조건에 충분한 전압이 출력되는 경우에는 솔라셀 모듈을 병렬 연결하도록 구성함에 특징이 있다.

또한, 본 발명은 상기한 충전전압 안정화 수단과, 상기 솔라셀 모듈의 직/병렬 선택 수단을 함께 적용함으로써, 더욱 효과적인 광에너지 저장 제어 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 빛에너지 충전 장치의 계통 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 빛 에너지를 받아 전기적 에너지로 변환 시키는 솔라셀(10)의 출력 이 본 발명의 충전 전원 안정화 수단인, 가변저항 등가회로(20)에 입력되고, 그 가변저항 등가회로(20)는 충전 밧데리(40)의 충전 조건에 부합되는 안정적인 전압으로 조절하여 제공하며, 상기 밧데리(40)에 충전될때 과충전 방지 및 안정적 충전이 이루어지도록 충전 제어회로(30)가 제어하도록 구성되며, 부하(50)는 상기 가변저항 등가회로(20)의 출력을 지속적으로 에너지원으로서 사용하기 위하여 충전밧데리 필요없이 바이패스되는 전원을 이용하도록 구성된다.

상기 솔라셀(10)은, 도 1과 같이 빛의 밝기에 따라 민감한 출력 특성을 가지는 무한 에너지원으로 가정한 것이고, 상기 충전전압 안정화 수단인 가변저항 등가회로로서 본 발명에서는 전류값이 변화하더라도 일정한 전압을 유지하기 위하여 다음과 같은 3가지 회로를 제안 한다.

제1실시예 - 캐패시터를 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로

제2실시예 - 쵸크 코일을 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로

제3실시예 - 솔라셀 어레이의 직병렬 구조를 제어하는 가변저항 등가회로

상기 3가지 예에 따른 각각의 운영 원리는 다음의 세부 동작 원리에서 설명한다.

상기 충전 제어회로(30)는, 충전 밧데리(40)의 과충전을 방지하고 입력이 다소 불안정하더라도 보다 안정적으로 충전이 이루어지도록 하기 위해서는 충전 상태와 입력 상태를 감지하여 제어해주는 회로로서 충전 회로에서는 필수적이다. 나아가 충전기의 수명이나 안정성 등을 고려하여 과전류를 방지하는 등의 여러 가지 다양한 기능들이 구비된 충전 직접 제어회로가 여기에 해당된다.

상기 충전 밧데리(40)는, 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지등 어떤 형태의 2차 충전 밧데리도 연결이 가능하다. 단, 그 특성에 따라 가변저항 등가회로(20)와 충전 제어회로(30)의 출력 및 제어 특성이 함께 조정되는 것이 필수적이다.

그리고, 상기 부하(Operating Device)(50)는, 가령 자동 환경 정화장치와 같은 일상적인 장치에서는 굳이 충전기가 없더라도 가능한 모든 에너지를 사용하여 동작시킬 필요가 있다. 이와 같은 장치의 지속적인 에너지원으로 본 발명이 활용되는 경우, 혹은 충전기로부터 바이패스가 되는 경우에 본 발명은 안정적인 에너지원으로 작용될 수 있다.

제 1 실시예

도 4는 본 발명에 의한 캐패시터를 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로를 적용한 축전 배전압 방식의 솔라셀 충전 제어 시스템 블록도이고, 도 5는 도 4의 구체적인 실시예를 보인 회로도이다.

솔라셀(10)로부터 출력되는 전원의 레벨을 판정하여 충전 밧데리(40)의 충전 조건을 만족하는지와, 배전압을 위한 단계적 레벨을 판정하는 입력 전원 레벨 판단부(410)와, 그 입력 전원 레벨 판단부(410)의 충전조건 판단신호에 의거하여 입력전원을 충전 제어회로(30)측으로 직접 연결시키거나, 축전 매트릭스측으로 연결시키도록 선택하는 배전압 매트릭스 선택부(420)와, 상기 입력 전원 레벨 판단부(410)의 충전조건 판단신호에 의거하여 충전조건을 만족하지 않는 경우에 축전 매트릭스의 충전과 방전 타이밍을 제어하기 위한 충전 펄스와 방전 펄스를 발진시켜 출력하는 충전/방전 펄스 발진부(430)와, 상기 입력 전원 레벨 판단부(410)의 단계적 레벨 판단신호에 의거하여 상기 충전펄스에 동기되는 충전단 수 선택 및 충전 패스 선택신호와, 상기 방전펄스에 동기되는 방전 패스 선택신호를 발생하는 배전압 증폭단 수 조정 및 매트릭스 충방전 제어부(440)와, 상기 축전 배전압 매트릭스 선택부(420)의 축전 매트릭스 선택에 따라 상기 입력전원을 충전시켜 배전압시키기 위한 다단의 콘덴서를 구비하고, 상기 배전압 제어부(440)의 충전단 수 선택 및 충전 패스 선택신호에 의거하여 상기 다단의 콘덴서의 충전단 수를 선택해서 충전패스를 형성시키고, 상기 방전패스 선택신호에 의거해서 상기 충전 패스가 형성된 다단의 콘덴서를 직렬 연결하는 방전패스를 형성하여 상기 충전 제어회로(30)에 배전압된 전원을 출력하는 축전 매트릭스부(450)로 구성된다.

상기 입력 전원 레벨 판단부(410)는, 솔라셀(10)로부터 입력되는 전원을 과전압 보호용 저항(R0) 및 제너다이오드(ZD1)를 거쳐 입력받아 각각 분압시키는 저항(R1, R2), (R3, R4), (R5, R6)과, 그 저항(R5, R6)에 의해 분압된 입력전원의 분압전압과 충전 밧데리(40)의 충전가능 전압의 기준전압 Vref1을 비교하여 충전 조건을 만족하는지를 판단하는 제1 비교기(411)와, 상기 저항(R3, R4)에 의해 분압된 입력전원의 분압전압과 상기 제1기준전압 Vref1의 60%에 해당하는 제2 기준전압 Vref2을 비교하여 배전압 단수를 판단하는 제2 비교기(412)와, 상기 저항(R1, R2)에 의해 분압된 입력전원의 분압전압과 상기 제1 기준전압 Vref1의 40%에 해당하는 제3 기준전압 Vref3을 비교하여 배전압 단수를 판단하는 제 3 비교기(413)로 구성된다.

상기 축전 배전압 매트릭스 선택부(420)는, 상기 제1 비교기(411)의 출력신호에 의거하여 상승에지와 하강에지에 각기 동작하는 제1, 제2 씨모스 모노스테이블 멀티바이브레이터(421), (422)와, 그 제1, 제2 씨모스 모노스테이블 멀티바이브레이터(421), (422)의 출력에 의거하여 래치릴레이 접점 스위치(425)를 통해서 상기 입력전원을 상기 충전제어회로(30)에 직접 바이패스시키거나 상기 충전 매트릭스부(450)의 충전전원으로 선택해서 공급하는 2개의 코일이 있는 래치릴레이(423, 424)로 구성된다.

상기 충전/방전 펄스 발진부(430)는, 상기 제1 비교기(411)의 출력신호에 의거하여 충전조건을 만족하지 않는 경우에 10 - 300kHz의 충전 펄스를 발진시키는 발진기(431)과, 그 발진기(431)의 출력펄스에 의해 트리거되어 방전펄스를 발생하는 씨모스 모노스테이블 바이브레이터(432)로 구성된다.

상기 배전압 증폭단 수 조정 및 매트릭스 충방전 제어부(440)는, 상기 입력 전원 레벨 판단부(410)의 제1 - 제3 비교기(411 - 413)의 각 출력과 상기 충전/방전 펄스 발진부(430)의 발진기(431)의 충전펄스를 논리합하는 제1 - 제3앤드게이트(AN1 - AN3)와, 상기 제1 - 제3 비교기(411 - 413)의 각 출력과 상기 충전/방전 펄스 발진부(430)의 모노스테이블 바이브레이터(432)의 방전펄스를 논리합하는 제4 - 제6앤드게이트(AN4 - AN6)와, 상기 제1, 제2 비교기(411, 412)의 출력을 배타적 오아 조합하는 제1익스클루시브 오아 게이트(XOR1)와, 상기 제2, 제3 비교기(412, 413)의 출력을 배타적 오아 조합하는 제2익스클루시브 오아 게이트(XOR2)와, 상기 제1익스클루시브 오아게이트(XOR1)의 출력신호와 상기 제1앤드게이트(AN1)의 출력신호를 오아 조합하는 제1오아게이트(OR1)와, 상기 제2 익스클루시브 오아 게이트(XOR2)의 출력신호와 상기 제2앤드게이트(AN2)의 출력신호를 오아 조합하는 제2오아게이트(OR2)로 구성된다.

상기 축전 매트릭스부(450)는, 상기 래치릴레이 스위치(425)에 의해 선택되어 입력되는 입력전원을 배전압 시키기 위해서 병렬 연결로 각각 충전시키고 직렬연결로 배전압시켜 방전시키기 위한 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)와, 그 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)의 방전전원을 충전하여 쇼트키 다이오드(D3)를 통해서 상기 충전제어회로(30)로 출력시키기 위한 배전압 콘덴서(C0)와, 상기 제1앤드 게이트(AN1)의 출력신호에 의거하여 상기 입력전원을 상기 제1, 제2 콘덴서(C1), (C2)에 충전시키기 위한 패스를 형성시키는 제1, 제2충전패스 스위치(Q1), (Q2)와, 상기 제2, 제3앤드게이트(AN2), (AN3)의 출력신호에 의거하여 상기 제3, 제4 콘덴서(C3, C4)에 입력전원을 충전시키기 위한 충전패스를 형성하는 제3, 제4 충전패스 스위치(Q3, Q4)와, 상기 제4 - 제6앤드게이트(AN4 - AN6)의 출력신호에 의거하여 각각 상기 제1 - 제 4콘덴서(C1 - C4)의 직렬 연결을 선택하기 위한 제1 - 제3 방전패스 스위치(Q5 - Q7)와, 상기 제1앤드 게이트(AN1)의 출력신호와, 상기 제1, 제2 오아게이트(OR1, OR2)의 출력신호에 의거하여 각각 상기 제1 - 제3콘덴서(C1 - C3)의 접지 패스를 형성시켜 충전과 배전압 방전을 제어하기 위한 제1 - 제3 접지 패스 스위치(Q9 - Q11)와, 상기 방전패스신호에 의거하여 상기 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)의 직렬 연결에 의한 방전 전압을 상기 배전압 콘덴서(C0)에 충전시키기 위한 배전압 방전 스위치(Q6)로 구성된다.

상기 입력 전원 레벨 판단부(410) 기준전압 발생을 위한 저항들은 온도 변화율이 작은 정밀급 저항소자를 사용하고, 각 저항들의 오차율은 0.5 -1%정도의 정밀급을 사용한다. 또한, 충전 매트릭스 선택부(420)는 전력소모를 최소화 할 수 있는 2개의 코일을 가진 래치릴레이(423, 424)를 사용한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예는, 동작 조건으로 입력 전원 범위 : 1.2 - 20V/최저50 - 200mA부터 그 이상으로 정의하고, 출력 전원 범위를 3 - 5V/50mA 이상으로 정의하여 설계한다.

또, 제2 실시예의 쵸크 방식 스텝 업/다운 DC-DC 변환기로 구성한 전압 변환 시스템과 동작 방식이 전혀 다른 이 축전 배전압 매트릭스 작동 회로는 다음과 같은 차이점을 가지고 있다. 이 축전 배전압 회로가 작동하는 경우는, 기준 전압보다 입력 전압이 낮은 상태에서만 의미가 있고 기준전압보다 높은 입력 전압인 경우 바이패스되어 부하측으로 직접 연결되는 구조이다. 즉 스텝 업 동작만 구체적인 기능으로 설명된다. 효율면에서는 쵸크 방식에 비해 약간 떨어지는 부분은 있으나 기능의 이해가 용이하고 매우 매커니컬한 특징을 가지고 있다. 또한 부품들이 로직과 비교기 군으로 나뉘기 때문에 원칩화 하기 우수한 점도 또한 장점이다.

먼저, 입력 전원 레벨 판단부(410)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 저항 R0과 제너다이오드 ZD1은 입력 전원의 최대치 이상의 전압분을 전류로 소비시켜 회로를 과전압으로부터 보호하는 역할을 하고 있다.

또한 저항 R1∼ R6까지는 전원 전압을 분압해서 쉬미트트리거 기능을 포함하고 있는 아날로그 비교기(411 - 413)의 입력에 연결되고 있다. 이 분압 저항군 3개(직렬 2개씩 3조의 중간 점이 (-)단자에 연결됨)중 저항 R5, R6은 충전 조건을 비교하기 위한 제1 비교기(411)에 연결되어 그 제1 비교기(411)가 콘덴서 배전압 증폭 기능을 사용할 것인가의 결정과, 전원 전압의 레벨이 기준 전압 이상이라면 바로 부하측으로 공급 전원을 연결시켜 주도록 비교신호를 출력함과 아울러 2배까지의 배전압 증폭을 제어한다.

또, 저항 R3, R4에 의해 분압된 입력전원의 분압전압이 제2 비교기(412)에 연결되어 그 제2비교기(412)가 입력전압의 3배까지의 배전압 증폭 여부를 판단하고, 저항 R1, R2에 의해 분압된 입력전원의 분압전압은 제3 비교기(413)에 연결되어 그 제3 비교기(413)가 입력전압의 4배까지의 증폭여부를 판단한다.

2배전압 동작을 예로 들면, 충전 조건을 만족하는지를 판단하기 위한 기준전압 Vref이 제1 비교기(411)의 (+)단자에 저항(R11)을 통해 인가된다. 이때, 입력 전원 전압이 저항 R5, R6에 의해 분압되어 (-)단자에 입력된다. 만일 (-)단자측 전압이 높으면 제1 비교기(411)의 출력은 디지털 적인 출력으로 로우, 즉 0볼트가 출력되고, (+)측 기준 전압보다 (-)전압이 낮으면, 출력은 오픈 드레인 혹은 하이 레벨(전원 레벨과 거의 같거나 95% 레벨 수준)을 출력한다. 이 디지털 출력을 배전압 증폭단 수 조정 및 주파수 발진 파형과 조합하여 콘덴서(C1 - C4) 블록 직병렬 구조 구성을 결정하게 된다.

여기서 중요한 점은 역시 기준 전압원은 온도 변화율이 극히 적은 우수한 정전압 특성을 지닌 부품이어야 하며, 100mV ∼ 400mV 이내의 출력 전압을 내게 된다. 모든 분압 저항들은 이 값에 추종하여 적절한 분압비를 가져야 한다. 그리고, 각 비교기(411 - 413)의 각 기준전압을 충전 조건만족 여부를 판단하기 위한 제1 기준 전압 Vref1과, 그 제1 기준전압의 60%인 제2 기준전압 Vref2, 상기 제1 기준전압의 40% 인 제3 기준전압 Vref3 으로 설정하여 입력전압을 분압한 분압전압이 각각의 기준전압 이하인 경우를 검출하도록 함으로써, 충전조건 전압에 대해 99 - 61%까지는 제1 비교기(411)가, 60 - 41%까지는 제1, 제2 비교기(411, 412)가, 40% 이하에서는 제1 - 제3 비교기(411 - 413)가 하이레벨의 신호를 출력하여 배전압 매트릭스의 구성을 결정하게 된다.

상기 축전 배전압 매트릭스 선택부(420)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 상기 제1 비교기(411)의 출력신호가 로우신호 즉, 입력전원이 충전조건을 만족하는 기준전압 Vref보다 높은 경우는, 하강에지에 트리거되는 제1 모노스테이블 멀티바이브레이터(421)가 동작되어 제1 래치릴레이 코일(423)에 로우펄스를 인가시킴으로써, 래치릴레이 스위치(425)를 A접점(A)에 연결시킨다, 따라서 입력전원은 직접 충전 제어회로(30)를 통해 밧데리(40)에 충전된다.

만약, 상기 제1 비교기(411)의 출력신호가 하이신호 즉, 입력전원이 충전조건을 만족하는 기준전압 Vref보다 낮은 경우는, 상승에지에 트리거되는 제2 모노스테이블 멀티바이브레이터(422)가 동작되어 제2래치릴레이 코일(424)에 로우펄스를 인가시킴으로써, 래치릴레이 스위치(425)를 B점점(B)에 연결시킨다. 따라서 입력전원은 충전 매트릭스부(450)에 인가되어 배전압 콘덴서들에 의해 배전압되어 충전조건을 만족하는 전원으로서 제공되고, 충전 제어회로(30)를 통해 충젠 밧데리(40)에 충전되게 된다.

즉, 입력 전원의 레벨이 기준 전압보다 높으면 래치 릴레이를 동작시켜 부하와 공급 전원을 직접 연결시켜 주고, 그 반대의 경우 래치 릴레이의 접점이 반대로 되어 입력 전원은 부하로의 직접 연결이 끊기면서 발진부와 매트릭스 충방전 제어부, 축전기 매트릭스 구성부를 가동시키게 된다.

CMOS 단안정 멀티바이브레이터(421, 422)의 역할은, 제1 비교기(411)의 출력 레벨 변화 시점에서 래치 릴레이(423, 424)가 충분히 동작할 수 있는 래치 릴레이의 동작 코일 드라이브용으로 사용하고 있다. 접점의 이동시에만 전력 소모를 하는 래치릴레이를 사용함으로써 일반 릴레이의 경우처럼 접점 유지시 코일의 동작 전류가 지속적으로 가해지는 전력 낭비를 막는다.

상기 충전/방전 펄스 발진부(430)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 제1 비교기(411)의 전원 레벨 판정에 의거하여 배전압 증폭을 해야 하는 조건에서 이 회로 부분이 동작을 한다. 제1 비교기(411)의 출력이 하이레벨이 되면, 발진기(Fosc)(431)에서 10KHz ∼ 300KHz의 발진 주파수가 출력된다. 이 출력은 일정 듀티(Duty)비를 가진 출력이며 펄스의 하이 기간에 병렬로 콘덴서(C1 - C4)에 충전을 하게 되며, 펄스의 로우 기간에 해당 개수의 충전 콘덴서가 직렬로 연결되면서 원하는 배전압 단수(2개가 직렬로 연결되면 2배, 3개가 직렬로 연결되면 3배의 출력이 된다.)만큼의 출력을 내고 있다.

발진기(Fosc)(431)의 출력은 CMOS 단안정 멀티바이브레이터(432)의 폴링 로우 에지(Falling Low edge) 트리거 신호로 입력되어 충전의 종료시점(발진기의 출력이 하이인 기간)에서 방전 시간(Rt3 x Ct3의 기간만큼 방전 기간 부여, 충전 기간 보다 훨씬 방전 시간이 짧다.)이 만들어 진다.

상기 배전압 증폭단 수 조정 및 매트릭스 충방전 제어부(440)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

입력 전원 레벨 판단부(410)에서 제1 - 제3 비교기(411 - 413)의 3개의 로직 레벨 출력신호와, 충전/방전 발진 펄스들을 종합하여 로직 구성을 한 부분이다. 이 로직의 동작 결과들은 축전기 매트릭스부(450)에 인가되어 배전압 단 수 결정과 함께 발진부의 기본 동작 펄스를 기초로 배전압 화 동작을 구현하고 있다.

구체적으로 설명을 하기 위해 첨부된 도 6의 축전기 매트릭스 자동화 전압 출력 장치 설명도를 동작 파형과 함께 제시하였다. 우선 제1 비교기(411)의 출력이 하이(High)가 되어 래치 릴레이B 코일(424)을 움직여 전원 공급이 릴레이의 B 접점에 연결된다. 또한 충전/방전 펄스 발진부(430)의 발진기(431)가 동작되어 충전 및 방전펄스가 출력되기 시작한다. 여기서는 입력 전원의 전압이 제3 기준 전압 Vref3 보다 낮아진 결과로 제1 - 제3 비교기(411 -413)의 출력이 하이레벨로 출력되는 경우를 예시하였다.

상기 제1 - 제3 비교기(411 -413)의 출력이 하이신호로서 출력되면, 제1 - 제3앤드게이트(AN1 - AN3)에서는 각기 발진기(431)의 충전 펄스에 동기되어 도 6의 포인트ⓑ, ⓒ, ⓓ, ⓔ와 같이 펄스신호가 출력되고, 그 포인트ⓑ, ⓒ, ⓓ, ⓔ의 펄스신호에 의거하여 제1 내지 제4 충전패스 스위치(Q1 - Q4)가 하이구간에서 온 되어 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)에 입력전원을 충전시킨다. 여기서, 2배의 배전압으로 만들기 위해서는 적어도 2개의 콘덴서가 직렬로 연결되어 방전하여야만 되기 때문에 제1앤드게이트(AN1)의 출력신호는 제1, 제2 충전패스 스위치(Q1, Q2)를 공통으로 제어하게 된다.

이때 각 콘덴서가 병렬로 연결되어 충전 작용을 하려면, 접지 패스가 각각 형성되어야 한다. 그러므로, 상기 제1 앤드게이트(AN1)의 출력인 포인트ⓘ신호에 의거해서 제1 접지패스 스위치(Q9)가 제어되고, 제1, 제2오아게이트(OR1, OR2)의 출력신호인 포인트ⓙ,ⓚ신호에 의해 제2, 제3접지패스 스위치(Q10, Q11)가 제어된다. 즉, 충전 타이밍에 턴온되어 콘덴서(C1 - C4)들을 병렬 연결시키고, 방전 타이밍에는 오프된다.

방전 타이밍에서는, 제4 - 제6앤드게이트(AN4 - AN6)가 상기 방전펄스에 의거하여 포인트ⓕ, ⓖ, ⓗ와 같이 충전펄스의 로우 구간내에서 하이구간이 있는 방전 제어신호를 출력하게 되고, 그 방전제어신호는 각각 방전패스 형성을 위한 스위치(Q5 - Q7)를 온 시켜 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)를 직렬 연결한다. 이때 충전패스 스위치(Q1 - Q4)와 접지패스 스위치(Q9 - Q11)는 오프 상태이다.

그리고 방전 타이밍에는, 상기 발진부(430)의 방전펄스가 포인트ⓐ 신호로서 배전압 스위치(Q8)를 제어한다. 따라서, 그 배전압 스위치(Q8)가 온 되는 구간에서 상기 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)가 직렬 연결되어 배전압된 충전 전원을 배전압 콘덴서(C0)에 넘겨주게 되고, 그 배전압 콘덴서(Q0)에 충전되는 전압이 쇼트키 다이오드(D3)를 통해서 충전 제어회로(30)를 거쳐 밧데리(40)에 인가된다.

쇼트키 다이오드(D3)는 래치 릴레이에 의해 직접 연결되는 공급 전압과 축전 배전압 출력이 직접적인 쇼트 결합되는 것을 막기 위해 구성한다.

상기 축전기 매트릭스부(450)는, 이 회로 부분은 축전 배전압 변환의 가장 핵심적인 부분이다. 각 스위치(Q1 - Q11)는, 11개의 이상적인 아날로그 스위칭 소자(FET 구성 등)와 작은 용량의 4개의 콘덴서(C1 - C4)로 구성되어 있다. 4개의 콘덴서(C1 - C4)에 전원 레벨 판단 조건에 따라 비교기 출력에 추종하는 로직 구성으로 최저 2개부터 4개까지 동시에 충전되었다가 일시에 직렬로 구성되면서 4배까지 출력 전압을 높이는 기능을 하고 있다.

예를 들어 제1 충전패스 스위치(Q1)와 제1 콘덴서(C1) 및 제1 접지패스 콘덴서(Q9)가 충전 동작을, 직렬화 할 경우 제1 충전패스 스위치(Q1), 및 전지 스위치(Q9) 는 오프(OFF), 제1방전패스 스위치(Q5)가 온 되면, 제1 콘덴서(C1)와 제2 콘덴서(C2)는 직렬 구성이 되어 2배의 스텝 업 기능을 만족한다. 이와 같은 스위치(Q1-Q11)까지의 제어 단자가 로직 구성인 배전압 증폭단 수 조정 및 매트릭스 충방전 제어부에 의해 컨트롤되어 위와 같은 동작이 이루어지게 된다.

그리고, 상기 충전 제어회로(30)는, 고효율 2차 전지 충전 회로로서, 배전압 매트릭스부를 통해서 출력되는 안정된 DC 전원을 최신형 2차 축전지에 충전하기 위한 회로이다. 고효율 충전기로서의 요구 사항으로서 우선 자체 동작을 위한 전류 소비가 최소면서 수십 mA에서 수 mA까지의 넓은 전류 범위에 걸쳐 충전지에 안정적으로 충전을 하는 기능이 필수적이다.

또한, 충전 제어회로(30)의 출력단에 연결된 콘덴서(Cp)와 충전용 밧데리(40) 및 다이오드(D4)는 모두 충전회로의 보편적인 출력단 부품들로서, 콘덴서(Cp)는 출력 리플 보상용 커플링 콘덴서이고, 다이오드(D4)는 역시 드롭 전압이 낮은 쇼트키 다이오드로서 부하의 역 전류를 방지하는 기능을 가진다. 밧데리(40)는 최신 2차 전지인 리튬 이온, 혹은 니켈 수소전지 등을 사용한다.

제 2 실시예

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 쵸크 코일을 기초소자로 구성하는 가변저항 등가회로를 적용한 쵸퍼식 스텝 업/다운 전압 충전제어 시스템의 구성도이다.

솔라셀(10)로부터 입력되는 입력 전원이 밧데리(40)의 충전 조건을 만족하는 전압인지를 판단하는 입력 전원 레벨 판단부(710)와, 그 입력전원 레벨 판단부(710)의 출력신호를 비반전, 반전신호로서 각각 버퍼링하는 비교기출력 버퍼부(720)와, 그 비교기 출력버퍼부(720)의 비반전/반전신호를 입력신호로 인가받아 스텝 업/다운 제어를 하여 미리 설정된 충전조건에 맞는 안정된 직류전압으로 출력하는 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)와, 그 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)의 출력전압을 입력받아 밧데리(40)에 안정된 충전제어를 하는 충전 제어회로(30)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 입력 전원 레벨 판단부(710)는, 솔라셀(10)로 부터 입력되는 전원의 과전압으로부터 스텝 업/다운 회로를 보호하기 위한 보호용 저항(R0) 및 제너다이오드(ZD1)와, 입력전원을 분압하는 분압저항(R1, R2)과, 안정된 기준전압(Vref)을 발생하는 기준전압원(712)과, 그 기준전압(Vref)을 저항(R3)을 통해 (+)단자에 입력받고, 상기 분압저항(R1, R2)에 의해 분압된 입력전원을 (-)단자에 입력받아 비교하는 비교기(711)로 구성된다.

상기 비교기 출력 버퍼부(720)는 상기 비교기(711)의 출력을 풀업시켜 비반전신호와 반전신호로서 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)에 공급한다.

그리고 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)는 스텝 업 DC-DC 변환기(731)와, 스텝 다운 DC-DC 변환기(732)로 구성되고, 그 스텝 업 DC-DC 변환기(731)와 스텝 다운 DC-DC 변환기(732)의 출력은 쇼트키 다이오드(D1, D2)를 통해 공통으로 충전 제어회로(30)에 공급된다.

이와 같은 쵸퍼식 스텝 업/다운 충전 제어 시스템은, 먼저 동작조건으로 입력 전원 범위를 1.2 ∼ 20V/최저 50 - 200mA부터 그 이상으로 정의 하고, 출력 전원 범위를 3 - 7V/50mA 이상으로 정의한다. 그리고, 기본 동작으로서, 전압과 전류가 일광조건에 따라 완만하게 증감하는 입력 소스 전원을 특정한 전압 레벨을 기준으로 비교 감시한다. 즉 전원이 변화하더라도 안정된 출력을 확보할 수 있는 고정밀 기준 전압을(기준 전압원이 수백 밀리볼트 수준, 즉 100mv ∼ 400mV 이내) 기준치로 하여 전원 입력 라인에 저항 분압된 출력 전압 변동을 비교한 결과를 로직 출력으로 낸다.

기준 전압보다 소스 전압이 높을 경우는 스텝-다운 DC-DC 변환기(732)를 작동시키게 하고, 소스 전압이 이하인 경우 스텝-업 DC-DC변환기(731)의 작동을 허용하게 된다. 이 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)는, 아날로그 성질의 입력 조건에 충실한 신축성을 지닌 쵸퍼형 구성이며, 고효율 변환의 장점과 CMOS 제조 공법으로 제조된 자체 저소비 전력형이라는 전제가 되어야 한다.

또한 이 변환기들은 기능의 정지와 가동이 로직 레벨로 셧다운 ON, OFF가 가능하고 최근 기술에 의해 구성되어 완벽한 모듈화 컴포넌트 화가 가능한 상태이다.

상기 입력 전원 레벨 판단부(710)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 외부(솔라셀로부터)에서 인가되는 전원의 레벨(전압치)을 기준 전압과 비교하여 기준전압 이하이면, 스텝 업 DC-DC 변환기(731)를 동작시키고, 기준 전압보다 큰 입력 전압이면 스텝 다운 DC-DC 변환기(732)를 가동시키는 회로이다. 비교 판단 기능을 아날로그 하게 처리하는 비교기(711)로 구성되고 판단의 기준이 되는 기준 전압 Vref는 공급 전원 전압이 넓게 변화하는 상황에서도 안정된 고정 전압을 출력하는 기능이 있다.

따라서 이 기준 전압은 수백밀리 볼트 수준에서 설정되어야 하며 보통 적정한 범위로서 100mV ∼ 400mV에서 결정한다. 기준전압원(712)의 온도 변화율이 작다는 의미는 주변 온도의 변화에 대해 출력 전압이 매우 적게 변화한다는 것으로서 출력의 정밀도를 가늠하는 변수이기도 하다.

보호용 저 저항 R0와 제너 다이오드 ZD1의 부품은 회로에 과전압이 인가될 경우 내부의 모든 부품을 보호하기 위한 회로이다. 보호 받으려 하는 입력 허용 최대 전압이 20V이면 그 이상의 전압치는 제너 다이오드(ZD1)에서 전류로 소비하기 때문에 전류 용량이 충분한 제너다이오드를 사용하면 과전압 입력으로부터 회로를 보호 할 수 있게 된다.

입력 전압을 검출하기 위한 분압저항 R1과 R2는 역시 온도 변화에 강한 고정밀 저항으로서 입력전원의 분압 저항이 되어 고정되어 있는 기준 전압과 전원 레벨을 검출하는 비교 대상이 되고 있다.

일례로서 입력전원 전압이 10볼트이고 두 저항 R1과 R2가 99:1의 저항치를 가지게 되면, 중간점의 전압은 0.1볼트 즉 100mV가 된다. 저항 R3 와 R4는 아날로그 비교기(711)에 히스테리시스 특성을 인가하는 부분이다. 기준 전압과 측정 분압 전압이 동일한 레벨인 경우 발진을 방지하기 위한 것인데 도면에서와 같이 히스테리시스 그림이 함께 그려져 있는 비교기인 경우 저항 R3, R4 공히 0오옴으로 대치하면 된다. 저항 R3, R4를 사용하는 경우 저항 R4는 저항 R3의 100여배 이상의 값을 지정한다. 비교기(711)의 입력 임피던스는 상당히 높기 때문에 저항 R3, R4에 의해 비교기가 영향은 받지 않는다. 콘덴서 C1 역시 수백 pF의 용량을 갖는 발진 방지용이다. 저항 R3,R4가 있으면 없어도 되며 히스테리시스 특성이 있는 비교기라면 없어도 무방한 부품이다. 제너다이오드 ZD2는 공급 전원이 제너 전압 이하일 경우 비교기를 동작시키지 않게 하려는 간단한 회로이다. 현재 도면에서는 점퍼로 이 기능을 사용하지 않는 상태로 설명된다. 즉, 도면의 점퍼 JP1 - JP4는 위의 설명에서와 같이 비교 조건을 만족시키기 위하여 변형 회로를 적용하는 것을 설명하기 위한 것이다.

비교기(711)의 출력은 다음과 같이 출력된다. 기준 전압 Vref가 연결될 (+)단자보다 (-)단자에 인가되는 입력 전원의 분압 전압이 높으면 출력은 즉, 디지털적으로 로우 0Volt가 출력되고, (-)단자에 인가되는 분압 전압이 기준전압보다 낮으면, 하이(그 상태에서의 전원 전압의 양(+) 전압 레벨 수준) 상태가 되어 레벨 비교 결과가 얻어진다.

상기 비교기 출력 버퍼부(720)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 저항 R5는 비교기(711)의 대부분 오픈 드레인 출력이므로, 확실한 디지털 레벨을 확보하기 위해 풀업하는 기능이다. 내부에서 풀업되어 있는 비교기(711)인 경우 없어도 된다. 버퍼란 말 그대로 다소 미약한 출력을 입력으로 받아 충분한 신호원으로 증폭하고 보강하여 다시 출력을 내는 것을 말한다. 비교기(711)의 출력을 두 가지 극성으로 비반전, 반전시키는 넌-인버터(Non-Inverter)(721)와 인버터(Inverter)(722)로 구성된다. 이 두개의 상반된 출력은 다음 단에 위치한 스텝 업/다운 DC-DC 변환기(731, 732)의 셧다운/셧-온 제어에 연결하게 된다.

상기 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)의 동작을 설명 하면 다음과 같다.

CMOS 공정으로 제조된 자체 동작 소비 전류가 매우 작으면서 고효율로 입력 전원을 원하는 출력 전압까지 변환시키는 DC-DC 변환기(731, 732)를 2개 사용하여 한 개는 낮은 전압을 특정 출력 전압까지 끌어 올리고, 다른 한 개의 변환기는 반대로 높은 입력 전원을 끌어 낮춰서 목표 출력 전압을 만들고 있다. 이 두개의 변

환기(731, 732)는 디지털 레벨로 제어되는 입력에 의해 동작을 허용하고 정지시키는 기능이 있다. 이 두 입력 핀을 전단의 아날로그 비교기(711)의 출력을 버퍼링한 두개의 서로 상반된 버퍼 출력에 연결한다. 결국 입력전원의 전압이 기준전압보다 낮으면 스텝 업 DC-DC 변환기(731)로 전압을 높이고, 기준전압보다 높으면 스텝다운 DC-DC 변환기(732)로 전압을 목표로 하는 출력에 끌어 낮춘다. 도면에 표시되어

있지만 이 두 개의 변환기(731, 732)는 절대 동시에 동작하지 않게 된다. 변환기(731, 732)들의 출력에 순방향으로 표시된 다이오드 D1, D2는 순방향 전압이 100∼200mV 급인 쇼트키 다이오드로서 변환기 출력의 병합을 위한 부품들이다.

그리고, 상기 충전 제어회로(30)는, 제1실시예에서와 마찬가지로 고효율 2차 전지 충전 제어회로로서 자체 동작 소모 전류가 최소형으로 설계된다.

이는 DC-DC 변환부(730)에서 출력되는 안정된 DC 전원을 최신형 2차 축전지(40)에 충전하기 위한 회로이다.

제 3 실시예

도 8은 본 발명의 제 3실시예에 따른 솔라셀 어레이의 직병렬 구조를 제어하는 가변저항 등가회로를 적용한 솔라셀 충전 제어 시스템 구성도이다.

제 3 실시예의 개요는, 솔라셀의 실용화가 늦어지고 있는 원인을 검토해 보면 광반도체 소자의 광전 변환 효율 저조라는 근원적인 반도체 소자의 한계 상황보

다는 일조권과 조도의 차이에 의한 출력 저하, 특정 준위 이하의 에너지는 무용화 하는 보편적인 기준 같은 다양한 변수가 존재하는 것으로 이해할 수 있다. 이처럼 일광량이나 조도에 따라 크게 변화하는 솔라셀의 출력 전압을 정전압화(혹은 정전류화)하는 기능을 물리적인 직 병렬 구조 결합의 자동화구현하는 방법을 제시하고자 한다.

CMOS 아날로그 비교기로 기준 전압 이상이 출력되는가를 양(+) 부(-) 판정한 후 전기적 접점 전환시에만 에너지를 소모하는 특성을 가진 래치릴레이를 제어하여 직렬, 병렬 구성을 자동 조정하는 것이 기본 동작의 설명이다. 래치 릴레이만 내장한 경우 외부에서 모듈별 블록형 구성을(단위 모듈 매트릭스화)임의로 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 다수의 단위 솔라셀이 직/병렬 구조로 배열되어 하나의 솔라셀 모듈로 구성되고, 적어도 2개 이상의 솔라셀 모듈(110, 120)이 설치되며, 상기 솔라셀 모듈로부터 출력되는 소스전원을 입력받아 기준전압(Vref)와 입력전원을 분압한 전압을 비교기(811)를 통해 비교하여 솔라셀의 병렬연결 출력이 충전조건에 만족하는지를 판단하는 입력 레벨 판단부(810)와, 상기 솔라셀의 출력전원을 콘덴서(C1)에 충전시켜 래치릴레이등 각 소자들의 동작전원으로 공급하기 위한 전원부(820)와, 상기 입력 레벨 판단부(810)의 출력신호의 비반전신호에 의해 트리거 되어 솔라셀 모듈의 병렬구성을 선택하기 위한 제어신호와, 상기 입력레벨 판단부(810)의 출력신호의 반전신호에 의해 트리거되어 솔라셀 모듈의 직렬구성을 선택하기 위한 제어신호를 발생하는 병렬/직렬 선택신호 발생부(830)와, 그 병렬/직렬 선택신호 발생부(830)의 병렬/직렬 선택신호에 의해 각각 동작되는 제1, 제2 래치 릴레이 코일(841, 842) 및 그 래치 릴레이 코일(841, 842)의 리세트/세트에 의해서 솔라셀 모듈(110, 120)을 병렬 구성 또는 직렬구성으로 연결을 선택하는 병렬/직렬 구성 점점스위치(843, 844)로 구성된다.

그리고, 도면에는 도시되지 않았지만 도 8의 출력측 즉, 부하측에는 제1 실시예 또는 제2 실시예의 충전 전원 안정화 수단이 부가된 솔라셀 충전회로가 연결된다.

상기 입력 레벨 판단부(810)는, 직, 병렬 구성 판단용 레벨 검출 회로로서, 솔라셀의 출력 전원 레벨을 주시하면서 기준 전압 이상인가 이하인가를 판단하고 있다. 소스측(+) 신호가 저항 R1을 통해 기준전압원 Vref에서 고정밀도의 수백mV 기준 전압을 출력하고 있다. 이 기준전압은 온도 변화율도 적고 태양 전지판 모듈의 출력 단자의 전압이 변화하더라도 전압 변동이 없도록 1볼트 이하의 전압으로 설정된다. 저항 R2와 R3의 분압 전압은 비교기(811)의 (-)단자에 입력되어 (+) 단자에 연결된 기준전압과 비교된다. 만일 저항 R2,R3의 분압전압이 기준 전압보다 크면, 시정수 Rt1과 Ct1에 의한 CMOS 단안정 멀티바이브레이터(831)가 동작하게 된다. 래치 릴레이(841, 842)에는 전기적 접점의 이동을 두개의 코일로 하게 되어 있다. 일반 릴레이처럼 접점의 유지를 위해 지속적으로 전류를 공급하지 않아도 되는 장점이 있는 부품이며 소형화 할 수 있고 모듈화가 용이하기 때문에 이 장치에 적합하다. 제1 래치릴레이 코일(841)은 두개의 8 x 4 솔라셀 매트릭스를 병렬 구성으로 연결하게 되고, 제2 래치릴레이 코일(842)은 병렬 구성하게 된다.

상기 솔라셀 단위 모듈(110, 120)은 본 장치의 기본 구성을 단위 솔라셀을 가로 8개 세로 8개씩 배열하여 64개로 하나의 모듈로 구성한다. 이때 전체 개수를 2조로 나눠서 8 x 4, 8 x 4 의 결선을 하여 직렬 4개에 병렬 8개의 각 1조를 이룬다. 이 2조의 (+),(-) 단자 부위를 래치릴레이의 쌍 접점(843, 844)에 도 8과 같이 두 솔라셀 모듈(110, 120)을 병렬/직렬 구성을 선택할 수 있도록 배선을 적용한다.

결과적으로 출력 단자(+Out, -Out)의 전원은 소스측 전원으로 인가되어 입력 전원 레벨 판단부(810)에 의해 레벨이 판단되고, 이 레벨 판단에 의해 상기 점점(843, 844)이 제어되어 도 9에 도시된 바와 같이, 오전이나 오후의 특정 시간대에서 전압이 두배로 직렬화되거나, 태양열 에너지가 충전조건을 만족하는 시간대에서는 병렬화 되면서 얻으려고 하는 목적 전압의 출력을 유지해 나간다.

그리고, 솔라셀 모듈 외형 및 구조를 변형하여 본 발명을 응용하는 경우에 대해 설명하면 다음과 같다.

솔라셀 패널과 내부의 직 병렬 구성 제어 회로, 그리고 최종 출력을 내는 (+), (-)단자를 갖추고 있는 도 8과 같은, 솔라셀 모듈(110, 120) 이외에 회로 부분이 제외되어 있고 솔라 패널과 래치 릴레이의 접점과 제어 코일 두 쌍이 외부로 규격화된 커넥터로 배치된 장치도 생각할 수 있다. 이 장치는 여러 개의 솔라셀 모듈들을 블록화하여 구성한 뒤 단일 출력 전압 레벨 감지 회로로 직렬과 병렬 구성을 자유자재로 바꿔나갈 수 있는 시스템화가 가능하다. 목적하는 출력이 전류량이면 병렬 제어를 하고 전압 중심이면 직렬 구성에 중점 제어를 하면 되는 것이다.

한편, 본 발명은, 제3실시예에 따른 솔라셀 모듈의 직/병렬 선택 수단과, 제 2실시예 또는 제1실시예에 의한 전압을 자동 보상하는 가변저항 등가회로 즉, 충전전압 안정화 수단을 솔라셀 충전 제어 시스템에 함께 적용하여 솔라셀 모듈을 직 병렬로 선택함과 동시에 입력 전원을 충전 조건에 맞도록 안정화(예컨데, 배전압 또는 스텝 업)시켜 충전시키도록 구성하면 가장 바람직한 효과를 얻을 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 솔라셀을 이용한 빛 에너지를 충전 밧데리에 충전시키는 시스템에 있어서, 빛 에너지의 조도가 약하여 충전조건을 만족하지 못하는 경우에도 배전압 또는 스텝 업시켜 충전조건을 만족하는 전압으로 밧데리에 충전시킬 수 있어서, 빛에너지의 활용도가 훨씬 향상되고, 효율을 월등히 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 태양광 조도에 따라 솔라셀 모듈을 직렬 또는 병렬로 선택하여 충전 효율을 향상시킴으로써, 에너지를 최대한 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 솔라셀 모듈의 직/병렬 선택과 솔라셀의 출력 전원을 충전 조건에 만족시키기 위해서 배전압 또는 스텝 업 제어를 병행 처리함으로써, 낮은 조도에서도 충전이 가능하도록 하여 에너지 축전 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 광전 변환 수단에 의해 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 충전 제어회로를 통해 2차 전지에 충전시키는 광에너지의 전기적 저장 시스템에 있어서,

   조도의 변화에 의해 상기 광전변환수단의 출력 전원의 전류값이 변하더라도 일정한 충전 조건의 전압을 유지시키기 위하여, 상기 광전 변환수단에서 출력되는 전원의 레벨을 판단하여 그 충전 밧데리의 충전조건에 부합되지 않는 저전압인 경우 그 충전 밧데리의 충전 조건에 부합되는 전압으로 승압시켜 충전 전압으로 제공하는 충전전원 안정화 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 충전 전원 안정화 수단은,

   솔라셀(10)로부터 출력되는 전원의 레벨을 판정하여 충전 밧데리(40)의 충전 조건을 만족하는지와, 배전압을 위한 단계적 레벨을 판정하는 입력 전원 레벨 판단부(410)와,

   그 입력 전원 레벨 판단부(410)의 충전 조건 판단신호에 의거하여 입력전원을 충전 제어회로(30)에 직접 연결시키거나, 축전 매트릭스로 연결시키도록 선택하는 축전 배전압 매트릭스 선택부(420)와,

   상기 입력 전원 레벨 판단부(410)의 충전 조건 판단신호에 의거하여 충전조건을 만족하지 않는 경우에 축전 매트릭스의 충전과 방전 타이밍을 제어하기 위한 충전 펄스와 방전 펄스를 발진시켜 출력하는 충전/방전 펄스 발진부(430)와,

   상기 입력 전원 레벨 판단부(410)의 단계적 레벨 판단 신호에 의거하여 상기 충전펄스에 동기되는 충전단 수 선택 및 충전 패스 선택신호와, 상기 방전펄스에 동기되는 방전 패스 선택신호를 발생하는 배전압 증폭단 수 조정 및 매트릭스 충방전 제어부(440)와,

   상기 축전 배전압 선택부(420)의 축전 매트릭스 선택에 따라 상기 입력전원을 충전시켜 배전압 시키기 위한 다수의 콘덴서를 구비하고, 상기 배전압 제어부(440)의 충전단 수 선택 및 충전 패스 선택신호에 의거하여 상기 다단의 콘덴서의 충전단 수를 선택해서 병렬로 연결되는 충전패스를 형성시키고, 상기 방전패스 선택신호에 의거해서 상기 충전 패스가 형성된 다단의 콘덴서를 직렬 연결하는 방전패스를 형성하여 상기 충전제어회로(30)에 배전압된 전원을 출력하는 축전기 매트릭스부(450)로 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 입력 전원 레벨 판단부(410)는,

   솔라셀(10)로부터 입력되는 전원을 분압시킨 각 분압전압과,

   충전 밧데리(40)의 충전 조건에 맞는지를 전압인지를 판별하기 위한 제1 기준전압, 그 제1 기준전압의 60%에 해당되는 제2 기준전압, 상기 제1 기준전압의 40%에 해당되는 제3 기준전압을 각각 비교하여

   충전 조건을 만족하는지의 여부와, 충전조건을 만족하지 않는 경우에 배전압 제어를 위한 제어신호를 각각 출력하는 제1 - 제3비교기(411 - 413)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 축전 매트릭스 선택부(420)는,

   상기 입력전원 레벨 판단부(410)의 입력전원이 충전 조건을 만족하는지를 비교한 제어신호에 의거하여, 그 제어신호의 상승에지와 하강에지에 각기 동작하는 제1, 제2 씨모스 모노스테이블 멀티바이브레이터(421), (422)와,

   그 제1, 제2 씨모스 모노스테이블 멀티바이브레이터(421), (422)의 출력에 의거하여 래치릴레이 접점 스위치(425)를 통해서 상기 입력전원이 충전조건을 만족하는 경우에는 상기 입력전원을 상기 충전제어회로(30)에 직접 바이패스 시키고, 상기 입력전원이 충전조건을 만족하지 못하는 경우에는 상기 입력전원을 상기 충전 매트릭스부(450)의 충전 전원으로 제공하도록 경로를 선택하는 2개의 코일이 있는 래치릴레이(423, 424)로 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 충전/방전 펄스 발진부(430)는,

   상기 입력전원 레벨 판단부(410)의 입력전원이 충전 조건을 만족하는지를 비교한 제어신호에 의거하여, 충전조건을 만족하지 않는 경우에 10 - 300kHz의 충전 펄스를 발진시키는 발진기(431)과,

   그 발진기(431)의 출력 펄스에 의해 트리거 되어 방전펄스를 발생하는 씨모스 모노스테이블 바이브레이터(432)로 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 배전압 증폭단 수 조정 및 매트릭스 충방전 제어부(440)는,

   상기 입력 전원 레벨 판정부(410)의 제1 - 제3 비교기(411 - 413)의 각 출력과 상기 충전/방전 펄스 발진부(430)의 발진기(431)의 충전펄스를 논리합하는 제1 - 제3앤드게이트(AN1 - AN3)와,

   상기 제1 - 제3 비교기(411 - 413)의 각 출력과 상기 충전/방전 펄스 발진부(430)의 모노스테이블 바이브레이터(432)의 방전펄스를 논리합하는 제4 - 제6앤드게이트(AN4 - AN6)와,

   상기 제1, 제2 비교기(411, 412)의 출력을 배타적 오아 조합하는 제1익스클루시브 오아 게이트(XOR1)와,

   상기 제2, 제3 비교기(412, 413)의 출력을 배타적 오아 조합하는 제2익스클루시브 오아 게이트(XOR2)와,

   상기 제1익스클루시브 오아게이트(XOR1)의 출력신호와 상기 제1앤드게이트(AN1)의 출력신호를 오아 조합하는 제1오아게이트(OR1)와,

   상기 제2 익스클루시브 오아 게이트(XOR2)의 출력신호와 상기 제2앤드게이트(AN2)의 출력신호를 오아 조합하는 제2오아게이트(OR2)로 구성되고,

   상기 축전 매트릭스부(450)는,

   상기 축전 매트릭스 선택부(420)에 의해 선택되어 입력되는 입력전원을 배전압 시키기 위해서 각각 충전시키기 위한 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)와, 그 제1 - 제4 콘덴서(C1 - C4)의 방전전원을 충전하여 쇼트키 다이오드(D3)를 통해서 상기 충전 제어회로(30)로 출력시키기 위한 배전압 콘덴서(C0)와,

   상기 제1앤드 게이트(AN1)의 출력신호에 의거하여 상기 입력전원을 상기 제1, 제2 콘덴서(C1), (C2)에 충전시키기 위한 패스를 형성시키는 제1, 제2충전패스 스위치(Q1), (Q2)와, 상기 제2, 제3앤드게이트(AN2), (AN3)의 출력신호에 의거하여 상기 제3, 제4 콘덴서(C3, C4)에 입력전원을 충전시키기 위한 충전패스를 형성하는 제3, 제4 충전패스 스위치(Q3, Q4)와,

   상기 제4 - 제6앤드게이트(AN4 - AN6)의 출력신호에 의거하여 각각 상기 제1 - 제 4콘덴서(C1 - C4)의 직렬 연결을 선택하기 위한 제1 - 제3방전패스 스위치(Q5 - Q7)와,

   상기 제1앤드 게이트(AN1)의 출력신호와, 상기 제1, 제2오아게이트(OR1, OR2)의 출력신호에 의거하여 각각 상기 제1 - 제3콘덴서(C1 - C3)의 접지 패스를 형성시켜 충전과 배전압 방전을 제어하기 위한 제1 - 제 3접지 패스 스위치(Q9 - Q11)와,

   상기 제4 - 제6앤드게이트(AN4 -AN6)의 방전패스신호에 의거하여 상기 제1-제4콘덴서(C1 - C4)가 직렬 연결되어 방전되는 방전 전압을 상기 배전압 콘덴서(C0)에 충전시키기 위한 배전압 방전 스위치(Q6)로 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 충전 전압 안정화 수단은,

   솔라셀(10)로부터 입력되는 입력 전원이 밧데리(40)의 충전 조건을 만족하는 전압인지를 판단하는 입력 전원 레벨 판단부(710)와,

   그 입력전원 레벨 판단부(710)의 출력신호를 비반전, 반전신호로서 각각 버퍼링하는 비교기 출력 버퍼부(720)와,

   그 비교기 출력 버퍼부(720)의 비반전/반전신호를 입력신호로 인가받아 스텝 업/다운 제어를 하여 미리 설정된 충전 조건에 맞는 안정된 직류전압으로 출력하는 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 스텝 업/다운 DC-DC 변환부(730)는,

   아날로그 성질의 입력 조건에 충실한 신축성을 지닌 쵸퍼형 구성이고 고효율 변환이 가능하며, CMOS 제조 공법으로 제조된 자체 저소비 전력형 소자로서, 스텝 업 DC-DC 변환기(731)와, 스텝 다운 DC-DC 변환기(732)로 구성되고,

   그 스텝 업 DC-DC 변환기(731)와 스텝 다운 DC-DC 변환기(732)의 출력은 쇼트키 다이오드(D1, D2)를 통해 공통으로 충전 제어회로(30)에 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
9. 다수의 단위 솔라셀이 직/병렬 구조로 배열되어 하나의 솔라셀 모듈로 구성되고, 적어도 2개 이상의 솔라셀 모듈이 배치되어 그 2개 이상의 솔라셀 모듈이 직렬 또는 병렬 구조로 선택적 연결이 가능하도록 배선된 솔라셀 어레이와,

   상기 솔라셀 모듈로부터 출력되는 소스 전원을 입력받아 기준전압(Vref)과 입력전원을 분압한 전압을 비교기(811)를 통해 비교하여 솔라셀 모듈의 출력 전압이 밧데리의 충전 조건에 만족하는지를 판단하여 충전조건 이하의 레벨인 경우 직렬연결을 선택할 수 있도록 비교신호를 출력하는 입력 레벨 판단부(810)와,

   상기 솔라셀 모듈의 출력 전원을 콘덴서(C1)에 충전시켜 래치릴레이등 각 소자들의 동작전원으로 공급하기 위한 전원부(820)와,

   상기 입력 레벨 판단부(810)의 출력신호의 비반전신호에 의해 트리거 되어 솔라셀 모듈의 병렬 구성을 선택하기 위한 제어신호와, 상기 입력 레벨 판단부(810)의 출력신호의 반전신호에 의해 트리거 되어 솔라셀 모듈의 직렬구성을 선택하기 위한 제어신호를 발생하는 병렬/직렬 선택신호 발생부(830)와,

   그 병렬/직렬 선택신호 발생부(830)의 병렬/직렬 선택신호에 의해 각각 동작되는 제1, 제2 래치 릴레이 코일(841, 842) 및 그 래치 릴레이 코일(841, 842)의 리세트/세트에 의해서 솔라셀 모듈(110, 120)을 병렬 구성 또는 직렬 구성으로 연결을 선택하는 병렬/직렬 구성 점점 스위치(843, 844)와,

   상기 병렬/직렬 구성 점점 스위치(843, 844)에 의해 병렬/직렬 구성으로 연결되는 솔라셀 모듈의 출력전원을 충전 밧데리에 충전시키되, 과충전 방지 및 안정적인 충전이 이루어지도록 제어하는 충전 제어회로(30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
10. 다수의 단위 솔라셀이 직/병렬 구조로 배열되어 하나의 솔라셀 모듈로 구성되고, 적어도 2개 이상의 솔라셀 모듈이 배치되어 그 2개 이상의 솔라셀 모듈이 직렬 또는 병렬 구조로 선택적 연결이 가능하도록 배선된 솔라셀 어레이와,

    그 솔라셀 어레이의 출력 전원을 기준전압과 비교하여 충전 밧데리의 충전 조건을 만족하는 기준전압 이상의 전압인 경우는 상기 솔라셀 모듈을 병렬 구조로 연결하고, 충전 조건을 만족하지 못하는 기준전압 미만의 전압인 경우는 상기 솔라셀 모듈들을 직렬 구조로 연결하는 직/병렬연결 선택수단과,

    상기 솔라셀 어레이의 출력 전원 레벨을 판정하고, 충전조건을 만족하지 못하는 기준전압 이하인 경우 그 레벨에 따라 배전압 충전을 위한 다수의 콘덴서를 병렬 연결하여 입력전압을 충전시키고, 그 입력전압을 충전시킨 다수의 콘덴서를 직렬연결하여 방전되는 배전압을 충전 밧데리에 충전전원으로 제공하는 충전 전원 안정화 수단과,

    그 충전 전원 안정화 수단을 통해 충전 조건에 맞는 전압으로 조절되어 제공되는 전원을 충전 밧데리에 충전시키되 과충전 방지 및 안정적인 충전이 이루어지도록 제어하는 충전 제어회로를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 구성되는 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 충전 전원 안정화 수단은,

    상기 직/병렬 연결 수단의 기준전압과의 비교 결과에 의거하여 충전 조건을 만족하는 기준전압 이상인 경우는 스텝 다운 DC-DC 변환기를 통하고, 충전조건을 만족하지 못하는 기준 전압 미만인 경우는 스텝 다운 DC-DC 변환기를 거쳐 입력전원의 변화에 관계없이 안정적인 충전조건을 만족하는 전압으로 제공하는 DC-DC 쵸퍼형 스텝 업/다운 변환수단인 것을 특징으로 하는 광에너지의 전기적 저장 제어 시스템.