KR20110016942A - 다목적 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템 - Google Patents

다목적 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

AC 충전, DC 충전, AC 방전 및 DC 방전을 위한 수단을 갖는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템이며, AC 충전, DC 충전, AC 방전 및 DC 방전을 위한 수단들 중 임의의 하나 또는 그들의 임의의 조합이 한번에 실행될 수 있다. 시스템은 인버터, 하나 이상의 배터리 모듈, 및 안전하고 효율적인 작동을 위한 AC 충전, DC 충전, AC 방전 및 DC 방전을 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다. DC 충전은 재생 가능한 에너지 공급원으로부터의 에너지를 포함할 수 있다. 배터리 모듈은 DC 전력 공급된 소자에 에너지를 공급하기 위한 그리고 자동차 배터리 점퍼 케이블에 에너지를 공급하기 위한 DC 에너지를 제공하기 위한 시스템으로부터 분리 가능하다.

Description

다목적 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템 {MULTIPURPOSE PORTABLE STORAGE AND SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 매우 다양한 무선 응용예 및 비차단 무정전 전력 공급 응용예(non-stop uninterrupted power supply application)에 적합한 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 다목적 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템이다. 통상적으로, 전력 공급원은 대개 구체적인 응용예에 따라 특정된다. 예를 들어, 무정전 전력 공급(uninterrupted power supply: UPS)은 백업 전력 목적을 위해서만 사용되며, 전력 저장소(power bank)는 대개 여러 가지 DC 소자 등에 전력을 공급하기 위해 사용되는 것 등이다. UPS, 휴대용 AC 전력 공급원, 및 그리드 AC 전력 공급원(grid AC power source)으로 충전되는 휴대용 DC 전력 공급원, 조절식 DC 전력 공급원(regulated DC power source) 또는 광전지 및 풍력 터빈과 같은 재생 가능한 에너지 공급원을 사용하여 시스템의 재충전을 허용하는 휴대용 DC 전력 공급원으로서 작용할 수 있는 전력 시스템은 없다. 본 배터리 모듈의 확장 가능한 성질은 많은 응용예 및 필요성을 위해 사용되는 시스템의 적응성(flexibility)을 추가로 향상시킨다. 다양한 충전 공급원 및 방전 형태, 인버터, 배터리 모듈과 태양 전지판 사이의 호환성 설계, 및 시스템 집적의 추가적인 고유한 설계를 모두 가능하게 하는 메카니즘은 매우 넓은 응용예에 대해 동시에 적용 가능한 에너지 저장 및 공급 시스템을 가능하게 한다.
본 발명의 전력 저장 및 공급 시스템은 인버터 및 병렬 연결되는 확장 가능한 개수의 복수의 배터리 모듈로 구성된다. 이러한 전력 저장 및 공급 시스템은 배터리 모듈의 충전을 위한 AC 및 DC 전력 공급원을 허용하고 동시에 배터리 모듈을 방전할 때 AC 및 DC 전력을 허용한다. 이러한 전력 저장 및 공급 시스템은 무선 잔디 깎는 기계, 진공 청소기, 차량 배터리 점퍼, 무정전 전력 공급 장치(UPS), 및 심지어 태양 전지판을 위한 저장 소자와 같은 모든 휴대용 응용예에 대한 이상적인 전력 공급원이 될 수 있다. 인버터 및 배터리 모듈 유닛의 설계 및 기능과, 병렬 연결되는 배터리 모듈과 인버터의 집적 방법은 다음의 절들에서 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 목적은 전력 공급원을 AC 및 DC 형태로 수용하면서 에너지를 AC 및 DC 형태로 제공하는 하나의 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템을 제공하는 것이다. 배터리 모듈의 확장 가능한 성질 및 AC/DC 출력 특성은 무선 소자 및 심지어 비차단 UPS 시스템을 포함하는 매우 다양한 응용예에 대해 적용 가능한 하나의 시스템을 허용한다.
AC 또는 DC 전력 공급원을 이용하여 동시에 또는 별개로 재충전될 수 있는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템이다. 그 시스템은 AC 또는 DC 전력 공급원을 필요로 하는 매우 다양한 응용예를 만족시키도록 설계된다. 배터리 모듈의 확장 가능한 성질, 배터리 모듈에 대한 DC 출력의 유형 및 구성, 인버터 내에 존재하는 AC 출력은 시스템이 매우 다양한 응용예에 대해 응용될 수 있게 하면서 적응될 수 있게 한다. 인버터, 배터리 모듈 및 재생 가능한 에너지 공급원을 포함하는 시스템의 호환성 및 확장 가능성을 만족시키기 위해 제안된 요건 및 기능은 추가로 설명되고 증명된다.
도 1은 인버터의 설계 및 기능을 도시한다.
도 2는 AC 및 DC 형태로 충전되며 방전될 수 있는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템을 도시한다.
도 3은 확장 가능한 성질을 갖는 배터리 모듈의 설계이다.
도 4는 제어기, 릴레이, 열 센서(또는 퓨즈), 및 배터리 모듈의 DC 출력 장치의 구성이다.
도 5a는 AC 소자를 위한 에너지 공급원으로서 사용되는 시스템의 구성을 도시한다.
도 5b는 AC 소자에 의해 방전되면서 그리드 AC 전력 공급원에 의해 재충전되는 시스템의 구성을 도시한다.
도 5c는 AC 소자에 의해 방전되면서 DC (태양 전지판) 전력 공급원에 의해 재충전되는 시스템의 구성을 도시한다.
도 5d는 AC 소자에 의해 방전되면서 AC 및 DC (태양 전지판) 전력 공급원에 의해 동시에 재충전되는 시스템의 구성을 도시한다.
도 6a는 DC 소자에 의해 방전되면서 그리드 AC 전력 공급원에 의해 재충전되는 시스템의 구성을 도시한다.
도 6b는 DC 소자에 의해 방전되면서 DC (태양 전지판) 전력 공급원에 의해 재충전되는 시스템의 구성을 도시한다.
도 6c는 DC 소자에 의해 방전되면서 AC 및 DC (태양 전지판) 전력 공급원에 의해 동시에 재충전되는 시스템의 구성을 도시한다.
도 6c는 AC 및 DC 소자에 의해 방전되면서 AC 및 DC (태양 전지판) 전력 공급원에 의해 동시에 재충전되는 시스템의 구성을 도시한다.
인버터
통상적으로, 무정전 전력 공급(uninterrupted power supply: UPS) 시스템은 AC 그리드 전력 공급원을 배터리를 재충전하는 DC 전력 공급원으로 변환시키는 인버터를 갖는다. 통상적인 UPS 시스템 응용예를 위한 외부 DC 전력 공급원(예를 들어, 태양 전지판)의 입력의 가능성이 없으므로, 통상적인 UPS를 위한 인버터의 설계는 본 발명의 다목적 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템에 비해 간단하다. 본 발명에 개시된 바와 같이, 배터리 모듈에 접속될 준비가 되어 있는 인버터의 자립형(stand alone) 성질은 하나의 시스템이 매우 다양한 무선 응용예를 위해 응용될 수 있도록 준비되어 있게 한다. 인버터의 설계는 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 인버터의 기능은 1) 그리드 AC 전력 공급원(110/220V)의 더 낮은 전압 DC 전력(예를 들어 14.6V)으로의 변환, 2) DC 전력 공급원(예를 들어, 12 내지 14V)의 AC 소자를 위한 고 전압 AC 전력(예를 들어 110/220V)으로의 변형, 및 3) 배터리 모듈의 재충전을 포함한다. 본 발명에 개시된 시스템은 재생 가능한 전력 공급원(예를 들어, 태양 전지판 또는 풍력 터빈), 및 리튬 이온 배터리(바람직하게는 리튬 철 인 산화물 시스템)의 이용을 받아들일 준비가 되어 있으므로, 본 발명의 인버터에 대해 설정된 논리 및 규정은 보다 단순한 조건을 다루는 통상적인 인버터와는 매우 다르다. 본 발명에 이용된 논리 및 규정의 상세한 설명은 이하에 기술된다.
제 1 장. 그리드 전력이 연결될 때
1. AC(110/220V) 그리드 전력 공급원이 연결될 때, AC(110/220V) 출력이 배터리 전력 공급원으로부터 바이패스(bypass)된다. 이는 AC 그리드 전력 공급 장치가 이용 가능 하자마자 AC 전력 출력의 에너지 공급원이 배터리로부터 그리드 전력 공급 장치로 전환된다는 것을 의미한다.
2. AC(110/220V) 그리드 전력 공급원이 연결될 때, 배터리(배터리 모듈)는 재충전된다. 최대 전류가 설정되고 제어된다. 최종 유동 충전 전압도 또한 VH로 설정되고 제어된다.
3. 배터리 전압의 검출이 미리 정해진 고 한계 전압(대개 유동 충전 전압보다 약간 높으며, VH'로 지칭됨)을 초과하면, 재개 작용(AC 그리드 전력 공급원으로의 재플러그인(re-plug-in))이 수행될 때까지, 배터리 기능을 충전시키는 AC(110/220V) 그리드 전력 공급원이 차단된다. DC 전력 공급원 전압이 인버터의 (배터리 모듈로의) 충전 전압을 초과할 때, 인버터의 손상을 야기하는 외부 DC 전력 공급원(예를 들어, 태양 전지판)에 의해 인버터가 충전되는 것을 방지하기 위해 이러한 기능이 특별히 설계된다.
4. 인버터에 대한 과충전 보호 기능. 즉, 배터리 전압이 인버터의 최대 지속 가능 전압 VH"(예를 들어, 13V 배터리 시스템에 연결되는 인버터에 대한 16V의 지속 가능성)을 초과하면, 전압이 인버터의 지속 가능 전압 미만으로 떨어질 때까지 인버터 AC 출력이 불능일 것이다. 게다가, 이는 태양 전지판 전력 공급원이 이용 가능한 경우에 대한 요건을 만족시키는 기능이다.
제 2 장. 그리드 전력이 연결되지 않을 때
1. 이용 가능한 그리드 전력 공급원이 없을 때, 저 DC 전압 한계(배터리에 연결된 측부로부터 검출됨, VL)가 도달될 때까지 인버터의 AC 출력단이 활성화된다. 이는 그리드 AC 전력 공급원이 이용 가능하지 않을 때 소자들이 배터리 모듈로부터 에너지를 소비하기 시작할 것이라는 것을 의미한다.
2. 인버터가 DC(배터리 에너지)를 AC로 변환하는 동안, 인버터가 그리드 AC 전력 공급원에 연결되면, 인버터에 연결되는 소자의 성능은 바이패스 기능, 및 배터리 기능의 재충전을 수행하는 인버터의 작용(제 1 장의 1 및 2 참조)에 의해 영향을 받지 않는다.
3. 배터리 전압이 인버터에 의해 설정된 저 전압 한계(VL)에 도달할 때, 미리 정해진 보다 높은 전압 한계(VL')가 도달될 때까지 배터리 출력이 가능하지 않다. 이러한 기능은 또한 적절한 배터리 재충전 없이 짧은 시간에 배터리의 과방전의 모든 가능성을 방지한다. 이러한 환경에서는, 오직 태양 전지판과 같은 DC 전력 공급원 또는 그리드 AC 전력 공급원은 전력 공급원으로서 배터리를 사용하는 인버터의 정상 기능을 재활성시킬 수 있다.
배터리 모듈
제 1 장. 배터리 모듈의 제어부
"유지 보수에 대한 용이함 (낮은 비용)"을 향상시키기 위해 그리고 저장 시스템의 "(태양 시스템 및 심지어 풍력 시스템의 넓은 범위를 허용하는) 적응성" 특성을 만족시키기 위해, 각각의 배터리 모듈 내측에 전지 보호 제어기가 위치된다. 제어기는 직렬 연결된 각각의 배터리의 전압을 모니터한다. 제어기가 직렬 연결되는 임의의 배터리의 저 전압(VBL) 또는 고 전압(VBH)을 검출하면, 제어기는 릴레이를 사용하여 전력 입력/출력을 차단하기 위한 신호를 송신한다. 과충전 조건 하에서, 더 낮은 전압(VBH')이 도달될 때까지 릴레이가 개방된다. 이와 반대로, 과방전 조건 하에서는, "재개" 버튼이 수동으로 눌려질 때까지 (또는 배터리 모듈을 단순히 교체할 때까지) 릴레이가 개방될 것이다. 과방전 조건 중에, 비정상 조건에 대한 주의를 요청하기 위해 호출음 또는 깜박거리는 LED 광 신호가 생성될 수 있다. 일반적으로, 배터리 모듈 내에 존재하는 각각의 배터리에 대한 배터리 저 조건(VBL)이 도달되기 전에 인버터는 배터리 모듈로부터의 에너지 공급을 차단할 것이다. 본 발명에서, 리튬 철 인 산화물(LiFexPyOz) 유형의 리튬 이온 배터리가 바람직한 배터리 유형이다. 리튬 철 인 산화물 배터리를 사용하는 경우에, 고 전압 한계 설정(VBH)은 바람직하게는 4.0V이고, 저 전압 한계 설정(VBL)은 바람직하게는 2.0V이다. 일반적으로, 인버터가 작동 중일 때에는 이들 한계가 도달되지 않을 것이다(즉, VBH 및 VBH가 만족되기 전에 인버터는 VH 및 VL에 도달한다). 각각의 배터리 모듈 내에 내장된 제어기는 두 개의 주요 기능을 제공한다. 즉, 두 개의 주요 기능은,
(1) 하나의 배터리 모듈이 직렬 구성의 네 개의 배터리로 구성된다고 가정하고, (모든 모듈이 도 2에 도시된 바와 같이 병렬 연결되므로 다른 배터리 모듈과 같이) 그 배터리 모듈이 13.4V를 유지한다고 가정하자. 배터리들 중 하나의 배터리가 내부적으로 단락(배터리 자체 내부의 단락)되는 동안, 직렬인 배터리들 중 하나의 배터리의 전압 강하는 릴레이 "개방"을 트리거링(triggering)할 것이며, 그에 따라 결함이 있는 배터리를 내부에 갖는 하나(하나의 모듈)를 다른 배터리 모듈(13.4V를 동일하게 유지함)들이 충전시키는 것을 방지할 것이다.
(2) 호출음 기능을 사용하는 경우에, 사용자는 호출음 생성의 주파수를 판단함으로써 배터리 모듈의 완전한 상태를 파악할 수 있다.
제 2 장. 배터리 모듈의 기능 및 연결
도 3에 표시된 바와 같이, 배터리 모듈은 각각의 배터리 모듈의 전방 벽 상에 위치된 탭(tab)을 통해 물리적으로 연결된다. 탭은 배터리들이 병렬 연결될 때 배터리를 유지하도록 설계된다. 이는 두 개의 배터리 모듈이 연결될 때 두 개의 배터리 모듈이 오직 하나의 배터리 모듈로서 유지될 수 있다는 것을 의미한다. 탭을 제외하고는 각각의 배터리 모듈 상에 설계된 두 가지 유형의 콘센트가 있다. 제 1 유형은 차량 배터리를 점프(jump)하는 것과 같은 대량 전류 응용예를 위해 특별히 설계된다. 이러한 유형의 콘센트는 각각의 배터리 모듈의 상부에 위치된다. 배터리 모듈의 상부에 또는 측부에 설치된 두 개의 작은 구멍으로 표시되는 제 2 유형의 콘센트는 배터리 모듈의 충전 및 방전을 위해 특별히 설계된다(도 3 참조). 제 2 유형의 콘센트의 기능 및 설계는 이하에 기술된다.
1. 이들 콘센트는 DC 출력 공급을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 휴대용 잔디 깎는 기계, 진공 청소기, 및 다른 가전 제품과 같은 무선 응용예를 위해 이들이 사용될 수 있다.
2. 이들 콘센트는 배터리 모듈을 충전하기 위해 사용될 수 있다. 인버터를 사용하여 배터리 모듈을 충전하는 동안, 현재의 배터리 모듈이 제 2 배터리 모듈을 지칭한다고 간주하면, 이들 콘센트는 제 1 배터리 모듈 (또는 인버터) 및 제 3 배터리 모듈에 대한 연결을 위해 사용될 수 있다. 케이블을 사용하여 연결된 이들 콘센트는 배터리 모듈의 병렬 충전을 허용한다. 모듈들 중 하나의 모듈이 고장나거나 배터리 차단 조건에 도달하면, 다른 배터리 모듈은 충전되지 않은 하나의 모듈에 의해 영향을 받지 않으면서 여전히 적절하게 충전된다. 이들 콘센트의 상세 구조는 도 4에 도시된다.
3. 하나의 열 센서가 도 4에 도시된 바와 같이 릴레이의 일 단부 상에 위치된다. 이러한 열 센서는 릴레이의 "개방" 또는 "폐쇄" 상태를 제어한다. 온도가 고온이면, 온도가 정상으로 떨어질 때까지 릴레이가 개방될 것이다. 정상 사용을 위해 모듈들 중 하나의 모듈이 추출되고 충전을 위해 다른 모듈들에 다시 연결되는 경우를 위해 이러한 기능이 특별히 설계된다. 상대적으로 비어 있는 배터리 모듈 내로 대량의 전류가 흐를 수 있다는 것을 기대할 수 있다. 또한, 이러한 기능은 이하에 기술되는 바와 같이 임의의 재생 가능한 에너지 입력의 추가 제한을 허용하지 않는다.
4. 이들 콘센트는 태양 전지판에 접속될 수 있다. 열 센서가 릴레이 개방을 트리거링하지 않는 한 태양 전지판의 유형 및 사양은 제한되지 않는다. 제 2 유형의 콘센트가 모두 점유되면 태양 전지판이 제 1 유형의 콘센트에 접속될 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
집적 시스템
이하에 도시된 예는 250W 인버터, 정전용량이 20Ah인 13.2V 배터리 모듈, 및 피크 전력이 75W인 태양 전지판을 사용한다. 인버터는 이전의 섹션에 기술된 바와 같이 미리 정해진 VH=14.6, VH'=14.7, VH"=16.0, VL=11, VL'=12.5를 갖는 제어부를 갖는다. 배터리 모듈은 또한 이전에 기술된 바와 같이 미리 정해진 VBH=4.0, VBH'=3.5, VBL=2.0을 갖는 기능 및 제어부를 갖는다. 배터리로부터의 제한 전류는 15A이며, 인버터로부터의 제한 전류는 2.5A이다(AC, 100V).
예 1. AC 및 DC 전력 공급원을 이용하여 재충전된 AC 방전
본 예에서, 시스템 구성은 도 5a에 표시되어 있다. 시스템을 방전시키는 동안, 11V로 설정되어 있는 인버터에 의해 저 전압 차단(low voltage cut-off)이 제어된다. 이러한 시스템 구성은 캠핑, 랩탑(lap top)을 위한 전력 공급원 등과 같이 AC 전력 공급원을 필요로 하는 응용예에 바람직하다.
사례 1. 인버터의 차단 한계가 도달되기 전의 AC 충전과 AC 방전
도 5b에 도시된 바와 같이, AC 방전이 완료되기 전에, AC 그리드 전력 공급원이 제공되면, 전력 공급원이 배터리로부터 그리드 전력으로 절환되는 동안에, AC 소자 기능이 영향을 받지 않을 것이다. 한편, 그리드 AC 전력이 존재할 때 배터리 모듈은 재충전 조건 하에 있다. 14.6V의 고 전압 한계가 도달될 때까지 시스템은 충전 중에 있다.
사례 2. 인버터의 차단 한계가 도달된 후의 AC 충전과 AC 방전
또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, AC 방전이 완료될 때에는, 인버터의 저 전압 한계(11V)에 의해 출력 전력이 중단된다. AC 그리드 전력 공급원이 제공되면, 그리드로부터 제공되는 전력 공급원으로 인해 AC 소자 기능이 재개된다. 한편, 그리드 AC 전력이 존재할 때 배터리 모듈은 재충전 조건 하에 있다. 14.6V의 고 전압 한계가 도달될 때까지 시스템은 충전 중에 있다. VL'(12.5V)이 도달되기 전에 그리드 AC 전력이 연결 해제된 것처럼 하나의 조건이 진행되고, 배터리 모듈의 급속 과방전을 야기할 수 있는 배터리에 대한 불충분한 충전으로 인해 AC 소자 작동이 중단된다.
사례 3. 인버터의 차단 한계가 도달되기 전의 DC 충전과 AC 방전
도 5c에 도시된 바와 같이, AC 방전이 완료되기 전에, DC 전력 공급원이 제공되면, AC 소자 기능은 DC 전력 입력에 의해 영향을 받지 않을 것이다. 그러나, (임의의 배터리에 대해 4.0V를 초과하는) 과충전 조건이 도달되면, 배터리 전압이 VBH'=3.5V인 더 낮은 전압(릴레이 폐쇄)으로 떨어질 때까지 배터리 릴레이가 개방된다. 한편, 태양 전지판의 전압이 VH"(16.0V)를 초과하면, 전압이 VH" 미만으로 떨어질 때까지 소자로의 인버터 AC 출력이 차단된다.
사례 4. 인버터의 차단 한계가 도달된 후의 DC 충전과 AC 방전
또한, 도 5c에 구성된 바와 같이, AC 방전이 완료될 때에는, 인버터의 저 전압 한계(11V)에 의해 출력 전력이 중단된다. 그 경우에, DC 전력 공급원이 제공되면, 배터리 전압이 미리 정해진 더 높은 전압 VL'=12.5V를 초과할 때까지 AC 소자 기능이 재개되지 않는다. 그럼에도 불구하고, (임의의 배터리에 대해 4.0V를 초과하는) 과충전 조건이 도달되면, 배터리 전압이 VBH'=3.5V인 더 낮은 전압(릴레이 폐쇄)으로 떨어질 때까지 배터리 릴레이가 개방될 것이다. 한편, 태양 전지판의 전압이 VH"(16.0V)를 초과하면, 전압이 VH" 미만으로 떨어질 때까지 소자로의 인버터 AC 출력이 차단될 것이다.
사례 5. 인버터의 차단 한계가 도달되기 전의 AC 및 DC 충전과 AC 방전
도 5d에 도시된 바와 같이, AC 방전이 완료되기 전에, AC 및 DC 전력 공급원이 제공되면, AC 소자는 그리드 AC 전력에 의해 전력 공급되고, 배터리 모듈은 또한 그리드 AC 전력 및 태양 전지판에 의해 재충전된다. 그러나, (임의의 배터리에 대해 4.0V를 초과하는) 배터리 과충전 조건이 도달되면, 배터리 전압이 3.5V인 더 낮은 전압(릴레이 폐쇄)으로 떨어질 때까지 배터리 릴레이가 개방된다. 배터리 과충전 조건 중에, 배터리 모듈의 전압은 배터리 전압(VH, 14.6V)을 재충전하기 위한 인버터의 고 전압 한계보다 높게 될 수 있으며, 그것은 인버터를 손상시킬 수 있다. 이러한 조건 하에서, 재플러그인 작용이 수행될 때까지 (VH', 14.7V가 만족될 때) 배터리 모듈 기능에 대한 인버터 재충전이 불능이다. 한편, 전압이 VH"(16.0V)를 초과할 때까지 태양 전지판의 전압이 계속하여 증가하면, 전압이 VH" 미만으로 떨어질 때까지 소자로의 인버터 AC 출력이 차단된다. 그러나, 그리드 AC 전력 공급원이 존재하므로, 배터리 모듈로부터의 에너지 공급원이 불능인 것을 제외하고, AC 출력은 여전히 활성 상태이다.
사례 6. 인버터의 차단 한계가 도달된 후의 AC 및 DC 충전과 AC 방전
또한, 도 5d에 구성된 바와 같이, AC 방전이 완료될 때에는, 인버터의 저 전압 한계(11V)에 의해 출력 전력이 중단된다. 그 경우에 AC 및 DC 전력 공급원이 제공되면, AC 소자는 그리드 AC 전력을 소비하면서 시동하고, 배터리 모듈은 또한 그리드 AC 전력 및 태양 전지판에 의해 재충전된다. VL'(12.5V)이 도달되기 전에 그리드 AC 전력이 연결 해제되는 것처럼 하나의 조건이 진행되고, 배터리 모듈의 급속 과방전을 야기할 수 있는 배터리에 대한 불충분한 충전으로 인해 AC 소자 작동이 중단된다. 또한, (임의의 배터리에 대해 4.0V를 초과하는) DC 전력 공급원으로 인해 배터리 과충전 조건이 도달되면 동일한 극한 조건이 발생한다. 이러한 조건 하에서, 배터리 모듈의 전압은 인버터를 손상시킬 수 있는 인버터의 고 재충전 전압 한계(VH, 14.6V)보다 높게 될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 배터리 모듈 기능에 대한 인버터 재충전은 재플러그인 작용이 수행될 때까지 불능이다. 또한, 전압이 VH"(16.0V)를 초과할 때까지 태양 전지판의 전압이 계속하여 증가하면, 전압이 VH" 미만으로 떨어질 때까지 소자로의 인버터 AC 출력이 차단된다. 그러나, 그리드 AC 전력 공급원이 존재하므로, 배터리 모듈로부터의 에너지 공급원이 불능인 것을 제외하고, AC 출력은 여전히 활성 상태이다.
예 2. AC 및 DC 전력 공급원을 이용하여 재충전된 DC 방전
본 예에서, 오직 하나의 배터리 모듈인 것으로 도 3에 표시된 바와 같은 시스템 구성은 DC 전력 공급원을 위해 충분하다. 시스템을 방전시키는 동안, VBL=2.0으로 설정되어 있는 배터리 모듈에 의해 저 전압 차단이 제어된다. 이러한 자립형 배터리 모듈은 DC 진공 청소기, 잔디 깎는 기계, 차량 배터리 점퍼 등과 같이 DC 전력 공급원을 필요로 하는 무선 응용예에 바람직하다.
사례 1. 배터리 모듈의 차단 한계가 도달되기 전의 AC 충전과 DC 방전
DC 방전이 완료되기 전에, 배터리 모듈이 시스템 내에 위치되고, AC 그리드 전력 공급원이 도 6a에 도시된 바와 같이 제공되면, 배터리 모듈은 이전에 이용되지 않았던 또 다른 배터리 모듈과 동시에 AC 그리드 전력 공급원으로부터 충전 중에 있을 것이다. 이러한 충전 공정은 인버터의 고 전압 한계(VH, 14.6V)가 도달될 때까지 진행된다. 이러한 재충전 공정 중에, 충전 전류가 너무 커서 충전되는 배터리 모듈의 가열을 야기하면, 충전되는 배터리 모듈의 릴레이는 도 4에 도시된 열 센서/스위치를 사용한 개방/폐쇄 기능을 갖는다. 비록 저 전압 배터리 모듈이 충전 공정 중에 과열되는 것이 검출되더라도 이러한 충전 공정 중에 DC 소자 기능이 영향을 받지는 않는다. 이는 나머지 배터리 모듈이 DC 소자에 전력을 공급하기 위한 DC 전력 공급원으로서 여전히 작용할 것이기 때문이다.
사례 2. 배터리 모듈의 차단 한계가 도달된 후의 AC 충전과 DC 방전
DC 방전이 완료될 때에는, 배터리 모듈의 저 전압 한계(VBL=2.0V)에 의해 출력 전력이 중단된다. 배터리 모듈이 시스템 내에 위치되고, AC 그리드 전력 공급원이 도 6a에 도시된 바와 같이 제공되면, 배터리 모듈은 재개 버튼이 수동으로 눌려질 때까지 기능하지 않을 것이다. 그 경우에, 배터리 모듈은 이전에 이용되지 않았던 또 다른 배터리 모듈과 동시에 AC 그리드 전력 공급원으로부터 충전 중일 것이다. 이러한 충전 공정은 인버터의 고 전압 한계(VH, 14.6V)가 도달될 때까지 진행된다. 이러한 재충전 공정 중에, 충전 전류가 너무 커서 충전되는 배터리 모듈의 가열을 야기할 수 있으면, 충전되는 배터리 모듈의 릴레이는 도 4에 도시된 열 센서/스위치를 사용한 개방/폐쇄 기능을 갖는다. 비록 저 전압 배터리 모듈이 충전 공정 중에 과열되는 것이 검출되더라도 이러한 충전 공정 중에 DC 소자 기능이 영향을 받지는 않을 것이다. 이는 나머지 배터리 모듈이 DC 소자에 전력을 공급하기 위한 DC 전력 공급원으로서 여전히 작용할 것이기 때문이다.
사례 3. 배터리 모듈의 차단 한계가 도달되기 전의 DC 충전과 DC 방전
DC 방전이 완료되기 전에, 배터리 모듈이 시스템 내에 위치되고, DC 전력 공급원이 도 6b에 도시된 바와 같이 제공되면, 배터리 모듈은 이전에 이용되지 않았던 또 다른 배터리 모듈과 동시에 DC 전력 공급원으로부터 충전 중일 것이다. 이러한 충전 공정은 배터리 모듈의 고 전압 한계(VBH, 4.0V)가 도달될 때까지 진행된다. 이러한 재충전 공정 중에, 충전 전류가 너무 커서 충전되는 배터리 모듈의 가열을 야기할 수 있으면, 충전되는 배터리 모듈의 릴레이는 도 4에 도시된 열 센서/스위치를 사용한 개방/폐쇄 기능을 갖는다. 비록 저 전압 배터리 모듈이 충전 공정 중에 과열되는 것이 검출되더라도 이러한 충전 공정 중에 DC 소자 기능이 영향을 받지는 않는다. 이는 나머지 배터리 모듈 또는 태양 전지판이 DC 소자에 전력을 공급하기 위한 DC 전력 공급원으로서 여전히 작용할 것이기 때문이다. 또한, 모든 배터리 릴레이가 모두 개방되고 태양 전지판으로부터의 DC 전력 공급원 입력이 여전히 활성 상태이면, (태양 전지판에 연결된) 전압이 또 다른 인버터 한계 V"=16V를 초과하는 것이 가능하다. 이러한 환경에서, 인버터 AC 출력 기능(배터리 모듈로부터의 공급원)은 전압이 V" 미만으로 떨어질 때까지 불능이다.
사례 4. 배터리 모듈의 차단 한계가 도달된 후의 DC 충전과 DC 방전
DC 방전이 완료될 때에는, 배터리 모듈의 저 전압 한계(VBL=2.0V)에 의해 출력 전력이 중단된다. 배터리 모듈이 시스템 내에 위치되고, DC 전력 공급원이 도 6b에 도시된 바와 같이 제공되면, 배터리 모듈은 재개 버튼이 수동으로 눌려질 때까지 기능하지 않을 것이다. 그 경우에, 배터리 모듈은 이전에 이용되지 않았던 또 다른 배터리 모듈과 동시에 DC 전력 공급원으로부터 충전 중일 것이다. 이러한 충전 공정은 배터리 모듈의 고 전압 한계(VBH, 4.0V)가 도달될 때까지 진행될 것이다. 이러한 재충전 공정 중에, 충전 전류가 너무 커서 충전되는 배터리 모듈의 가열을 야기할 수 있으면, 충전되는 배터리 모듈의 릴레이는 도 4에 도시된 열 센서/스위치를 사용한 개방/폐쇄 기능을 갖는다. 비록 저 전압 배터리 모듈이 충전 공정 중에 과열되는 것이 검출되더라도 이러한 충전 공정 중에 DC 소자 기능이 영향을 받지는 않는다. 이는 나머지 배터리 모듈 또는 태양 전지판이 DC 소자에 전력을 공급하기 위한 DC 전력 공급원으로서 여전히 작용할 것이기 때문이다. 또한, 모든 배터리 릴레이가 모두 개방되고 태양 전지판으로부터의 DC 전력 공급원 입력이 여전히 활성 상태이면, (태양 전지판에 연결된) 전압이 또 다른 인버터 한계 V"=16V를 초과하는 것이 가능하다. 이러한 환경에서, 인버터 AC 출력 기능(배터리 모듈로부터의 공급원)은 전압이 V" 미만으로 떨어질 때까지 불능이다.
사례 5. 배터리 모듈의 차단 한계가 도달되기 전의 AC 및 DC 충전과 DC 방전
DC 방전이 완료되기 전에, 배터리 모듈이 시스템 내에 위치되고, AC 및 DC 전력 공급원이 도 6c에 도시된 바와 같이 동시에 제공되면, 배터리 모듈은 이전에 이용되지 않았던 또 다른 배터리 모듈과 동시에 인버터 및 DC 전력 공급원으로부터 충전 중일 것이다. 이러한 충전 공정은 배터리 모듈의 고 전압 한계(VBH, 4.0V)가 도달될 때까지 진행될 것이며, 그 이후에 배터리 전압이 3.5V인 더 낮은 전압(릴레이 폐쇄)으로 떨어질 때까지 배터리 릴레이가 개방될 것이다. 이러한 배터리 과충전 공정 중에, 배터리 모듈의 전압은 배터리 전압을 재충전하기 위한 인버터의 고 전압 한계(VH, 14.6V)보다 높게 될 수 있으며, 그것은 인버터를 손상시킬 수 있다. 이러한 조건 하에서, 배터리 모듈 기능에 대한 인버터 재충전은 재플러그인 작용이 수행될 때까지 (VH', 14.7V가 만족될 때) 불능이다. 또한, 모든 배터리 릴레이가 모두 개방되고 태양 전지판으로부터의 DC 전력 공급원 입력이 여전히 활성 상태이면, (태양 전지판에 연결된) 전압이 또 다른 인버터 한계 V"=16V를 초과하는 것이 가능하다. 이러한 환경에서, 인버터 AC 출력 기능(배터리 모듈로부터의 공급원)은 전압이 V" 미만으로 떨어질 때까지 불능이다. 그러나, 그리드 AC 전력 공급원이 존재하므로, 배터리 모듈로부터의 에너지 공급원이 불능인 것을 제외하고, AC 출력은 여전히 활성 상태이다.
이러한 전체 재충전 공정 중에, 충전 전류가 너무 커서 충전되는 배터리 모듈의 가열을 야기할 수 있으면, 충전되는 배터리 모듈의 릴레이는 도 4에 도시된 열 센서/스위치를 사용한 개방/폐쇄 기능을 갖는다. 비록 저 전압 배터리 모듈이 충전 공정 중에 과열되는 것이 검출되더라도 이러한 충전 공정 중에 DC 소자 기능이 영향을 받지는 않는다. 이는 나머지 배터리 모듈, 태양 전지판 또는 인버터 전력이 DC 소자에 전력을 공급하기 위한 DC 전력 공급원으로서 여전히 작용할 것이기 때문이다.
사례 6. 배터리 모듈의 차단 한계가 도달된 후의 AC 및 DC 충전과 DC 방전
DC 방전이 완료될 때에는, 배터리 모듈의 저 전압 한계(VBL=2.0V)에 의해 출력 전력이 중단된다. 배터리 모듈이 시스템 내에 위치되고, AC 및 DC 전력 공급원이 도 6c에 도시된 바와 같이 동시에 제공되면, 배터리 모듈은 재개 버튼이 수동으로 눌려질 때까지 기능하지 않을 것이다. 그 경우에, 배터리 모듈은 이전에 이용되지 않았던 또 다른 배터리 모듈과 동시에 인버터 및 DC 전력 공급원으로부터 충전 중일 것이다. 이러한 충전 공정은 배터리 모듈의 고 전압 한계(VBH, 4.0V)가 도달될 때까지 진행되며, 그 이후에 배터리 전압이 3.5V인 더 낮은 전압(릴레이 폐쇄)으로 떨어질 때까지 배터리 릴레이가 개방될 것이다. 이러한 배터리 과충전 공정 중에, 배터리 모듈의 전압은 배터리 전압을 재충전하기 위한 인버터의 고 전압 한계(VH, 14.6V)보다 높게 될 수 있어서 인버터를 손상시킬 수 있다. 이러한 조건 하에서, 배터리 모듈 기능에 대한 인버터 재충전은 재플러그인 작용이 수행될 때까지 (VH', 14.7V가 만족될 때) 불능이다. 또한, 모든 배터리 릴레이가 모두 개방되고 태양 전지판으로부터의 DC 전력 공급원 입력이 여전히 활성 상태이면, (태양 전지판에 연결된) 전압이 또 다른 인버터 한계 V"=16V를 초과하는 것이 가능하다. 이러한 환경에서, 인버터 AC 출력 기능(배터리 모듈로부터의 공급원)은 전압이 V" 미만으로 떨어질 때까지 불능이다. 그러나, 그리드 AC 전력 공급원이 존재하므로, 배터리 모듈로부터의 에너지 공급원이 불능인 것을 제외하고, AC 출력은 여전히 활성 상태이다.
이러한 전체 재충전 공정 중에, 충전 전류가 너무 커서 충전되는 배터리 모듈의 가열을 야기할 수 있으면, 충전되는 배터리 모듈의 릴레이는 도 4에 도시된 열 센서/스위치를 사용한 개방/폐쇄 기능을 갖는다. 비록 저 전압 배터리 모듈이 충전 공정 중에 과열되는 것이 검출되더라도 이러한 충전 공정 중에 DC 소자 기능이 영향을 받지는 않는다. 이는 나머지 배터리 모듈, 태양 전지판 또는 인버터 전력이 DC 소자에 전력을 공급하기 위한 DC 전력 공급원으로서 여전히 작용할 것이기 때문이다.
예 3. 배터리 모듈의 차단 한계가 도달된 후의 AC/DC 충전과 AC/DC 방전
본 예에서는, 가장 복잡한 경우들 하나의 경우가 분석된다. 이러한 경우는 AC 및 DC 소자의 동시 방전 및 배터리 모듈의 완전한 방전인 경우이다. 전체 시스템의 구성은 도 7에 도시되어 있다. AC 및 DC 소자가 도 7에 도시된 바와 같이 시스템에 모두 연결될 때에, AC 소자가 먼저 인버터에 의해 차단될 것이며, 그 이후에 DC 소자가 배터리 모듈에 의해 차단될 것이다. 이러한 조건 하에서, AC 및 DC 전력 공급원이 제공되면, AC 소자는 그리드 AC 전력에 의해 전력 공급될 것이며, 배터리 모듈은 그리드 AC 전력 및 태양 전지판에 의해 재충전될 것이다. 저 전압 차단을 만족시키는 배터리 모듈들의 릴레이들 중 하나(또는 방전이 얼마나 지나친 지에 따라 모두)가 정상 충전 전에 수동으로 재개되는 것을 주목해야 한다. 배터리 모듈의 릴레이가 재개될 때, 배터리 모듈은 인버터 및 DC 전력 공급원으로부터 충전 중이다. 모든 배터리 모듈이 방전 공정 중에 평형을 유지하므로, 다른 배터리 모듈로부터 야기되는 충전 전류는 없다고 예상된다. 이러한 충전 공정은 배터리 모듈의 고 전압 한계(VBH, 4.0V)가 도달될 때까지 진행되며, 그 이후에 배터리 전압이 3.5V인 더 낮은 전압(릴레이 폐쇄)으로 떨어질 때까지 배터리 릴레이가 개방된다. 이러한 배터리 과충전 공정 중에, 배터리 모듈의 전압은 배터리 전압을 재충전하기 위한 인버터의 고 전압 한계(VH, 14.6V)보다 이미 높게 될 수 있어서 인버터를 손상시킬 수 있다. 이러한 조건 하에서, 배터리 모듈 기능에 대한 인버터 재충전은 재플러그인 작용이 수행될 때까지 (VH', 14.7V가 만족될 때) 불능이다. 또한, 모든 배터리 릴레이가 모두 개방되고 태양 전지판으로부터의 DC 전력 공급원 입력이 여전히 활성 상태이면, (태양 전지판에 연결된) 전압이 또 다른 인버터 한계 V"=16V를 초과하는 것이 가능하다. 이러한 환경에서, 인버터 AC 출력 기능(배터리 모듈로부터의 공급원)은 전압이 V" 미만으로 떨어질 때까지 불능이다. 그러나, 그리드 AC 전력 공급원이 존재하므로, 배터리 모듈로부터의 에너지 공급원이 불능인 것을 제외하고, AC 출력은 여전히 활성 상태이다.
이러한 전체 재충전 공정 중에, 충전 전류가 너무 커서 충전되는 배터리 모듈의 가열을 야기할 수 있으면, 충전되는 배터리 모듈의 릴레이는 도 4에 도시된 열 센서/스위치를 사용한 개방/폐쇄 기능을 갖는다. AC 및 DC 전력 공급원이 존재하므로, 이러한 충전 공정 중에 DC 소자 기능이 영향을 받지 않는다. 비록 재충전을 위한 AC 전력이 과충전 조건(> 14.7V)으로 인해 불능이더라도, 태양 전지판은 태양 에너지 공급이 약하게 될 때까지 (전압 강하가 있을 때까지) 여전히 에너지를 제공하며, 이는 결과적으로 배터리 모듈이 과충전되는 것을 방지한다. 그러므로, 배터리 모듈은 DC 소자에 대한 전력 공급 장치로서 (릴레이가 폐쇄된 상태에서) 정상적으로 작동할 수 있다. AC 소자인 경우에, 그리드 AC 전력이 존재하는 한, 전술된 전체 충전 공정을 통한 전력 공급원에 대한 문제는 없다. AC 그리드 전력 공급원이 일단 연결 해제되면, 배터리 모듈 전압이 VL'(12.5V)보다 작지 않는 한, AC 소자는 배터리 모듈 에너지 공급원에 다시 의존하며, AC 소자 작동은 배터리 모듈의 급속 과방전을 야기할 수 있는 배터리의 불충분한 충전으로 인해 중단된다.
예 4. UPS 시스템
본 예에서는, 고유한 AC 응용예들 중 하나의 응용예가 분석된다. DC 입력의 가능성이 있기 때문에, 본 발명의 UPS 기능의 이용은 통상적인 UPS 기능과 다르다. 그리드 AC 전력 공급원이 밤중에 존재하지 않으면 배터리 모듈이 디폴트(default)로서의 전력 공급원으로 작동할 것이라는 것을 상상할 수 있다. 이틀째 태양광 충전이 제공될 때까지 밤중에 전력 이용을 위한 배터리 모듈이 지속될 수 있다면, 비차단(non-stop) UPS의 결과에 따라 AC 소자의 작동이 계속될 것이다. 본 작동 메카니즘은 예 1에서 분석되었던 "인버터의 차단 한계가 도달되기 전의 AC 및 DC 충전과 AC 방전"의 경우(또한 도 5d 참조)와 같이 이전의 섹션에 설명되어 있다. 통상적인 UPS에 비해 진정한 비차단 UPS는 본 발명의 배터리 모듈 및 인버터를 사용하여 구성될 수 있다.

Claims (15)

  1. AC 충전, DC 충전, AC 방전 및 DC 방전 수단과
    AC 충전, DC 충전, AC 방전 및 DC 방전을 위한 상기 수단들 중 오직 하나만을 작동시키거나 또는 AC 충전, DC 충전, AC 방전 및 DC 방전 수단들 중 두 개 이상을 동시에 작동시키기 위한 제어 수단을 갖는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 인버터에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 배터리 모듈을 갖춘 인버터를 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템은 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 가지며, 상기 배터리 모듈은 모두 실질적으로 유사한 전기 특성을 갖는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 인버터는,
    상기 인버터에 연결된 AC 전력 그리드로부터 AC 전력이 이용 가능할 때, 바이패스되도록 제어되고,
    상기 배터리 모듈을 충전하기 위한 상한 전압(VH)에서 상기 배터리 모듈에 DC 전력을 공급하도록 제어되고,
    상기 배터리 모듈을 재충전시키는 동안 VH'가 상기 인버터의 충전을 방지하는 전압인 경우 (V) ≥ (VH')일 때, 상기 배터리 모듈을 재충전시키기 위해 DC 전력을 제공하는 것을 중단하도록 제어되고,
    VH"가 상기 인버터의 고 DC 전압 입력에 의한 손상을 방지하는 전압인 경우 (V) ≥ (VH")일 때, 소자에 AC 전력을 제공하는 것을 중단하도록 제어되며,
    VL가 상기 인버터의 하한 전압 한계인 경우 배터리 모듈 전압 (V) ＜ (VL)일 때까지, 상기 배터리 모듈의 방전을 허용하도록 제어되며,
    이전의 방전 중에 (V) < (VL)의 조건이 만족되었으며 또한 VL'이 상기 인버터의 정상 작동 전압 범위 내에 있는 경우 전압이 (V) > (VL')로 되돌아갈 때, 배터리 모듈의 추가 방전을 허용하도록 제어되며,
    각각의 배터리 모듈은
    직렬 연결된 복수의 배터리 전지,
    직렬 연결된 각각의 배터리 전지를 모니터하는 제어기,
    과전류 또는 과열이 발생하면, 상기 인버터로부터 상기 배터리 모듈을 연결해제하기 위한 전류 또는 열 퓨즈,
    배터리 전지 전압 (V) > 고 배터리 전압 (VBH)이면 상기 인버터로부터 상기 배터리 모듈을 연결 해제하고, VBH'이 상기 배터리의 정상 작동 전압 범위 내에 있는 경우에, (V) < (VBH')이면 상기 배터리 모듈을 상기 인버터에 재연결하기 위한 수단, 및
    배터리 전지 전압 (V) < 저 배터리 전압 (VBL)이면 상기 인버터로부터 상기 배터리 모듈을 연결해제하기 위한 수단을 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, (V) < (VBL)일 경우 시각 신호 또는 청각 신호를 제공하기 위한 수단을 추가로 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 인버터 및 하나 이상의 배터리 모듈은 상기 인버터 및 배터리 모듈을 서로 유지하기 위한 탭을 사용하여 서로 연결되는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, DC 방전을 위한 수단은 자동차 배터리 점퍼 케이블을 수용하기 위한 단자, 및 DC 전기 플러그를 수용하기 위한 콘센트를 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, DC 충전을 위한 수단은 재생 가능한 에너지 공급원으로부터 전기 에너지를 입력하기 위한 수단을 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서, 각각의 배터리 모듈은 리튬 철 인 산화물 배터리 전지를 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  10. 제 2 항에 있어서, 각각의 배터리 모듈은 상기 인버터에 대한 전기적 연결을 위한 릴레이를 제어하기 위한 적어도 하나의 제어기를 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  11. 제 2 항에 있어서, 각각의 배터리 모듈은 고온 조건 또는 고 전류 조건이 존재할 때 상기 인버터에 대한 전기적 연결을 차단하기 위한 제어기에 신호를 제공하기 위한 센서를 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템은 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 포함하며, 상기 배터리 모듈은 모두 대체로 유사한 물리적 특성을 갖는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  13. 제 2 항에 있어서, 각각의 배터리 모듈은 DC 에너지를 제공하기 위한 상기 시스템으로부터 분리 가능한 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 각각의 배터리 모듈은 자동차 배터리 점퍼 케이블을 수용하기 위한 단자, 및 DC 전기 플러그를 수용하기 위한 콘센트를 포함하는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은 비차단(non-stop) UPS로서 사용되는 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템.
KR1020107028332A 2008-05-30 2009-05-21 다목적 휴대용 전력 저장 및 공급 시스템 KR101333597B1 (ko)

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