KR20150046540A - 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 led조명 시스템 - Google Patents

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Abstract

개시된 기술은 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 이러한 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술은 교류 전원으로부터 직류를 출력하는 AC/DC 변환부; 상기 AC/DC 변환부에 상기 교류 전원이 입력되는 것을 제어하는 교류 입력 차단부; 상기 직류를 이용하여 충전되고, 사전에 설정된 스케줄 또는 외부의 전력사용제한 신호에 따라 충전 및 방전하여 상기 AC/DC 변환부를 대신하여 직류를 출력하는 백업 배터리; 및 상기 AC/DC 변환부의 직류 출력단과 상기 백업 배터리 사이에 배치되어 상기 백업 배터리의 충전 및 상기 스케줄에 따른 방전을 제어하는 충방전 제어부를 포함하는 직류 전원 공급 장치를 제공한다.

Description

직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템{LED LIGHTING SYSTEM POWERED ON DC GRID HAVING A BACK-UP BATTERY}
개시된 기술은 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 회로에서 동작하는 LED 조명 전원에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 교류 전원의 공급 단가 스케줄에 따라 충전 및 방전하여 보다 적은 비용으로 직류 전원을 공급하며 기존 LED 조명의 전원 변환장치(SMPS)를 통합하는 전원 공급회로에 관한 것이다.
사회가 발전하면서 전기에 대한 중요성은 확대 되고 있다. 그러나 사용 시간 차이에서 발생하는 공급과 수요에 대한 불균형을 맞추기가 쉽지 않다. 전기 특성상 공급과 사용이 평형을 이루어야 한다. 이러한 요구에 의해 전기 장치에서의 효율성을 극대화하기 위한 방법들이 연구 되고 있다.
전기를 사용하는 현장에서 전기를 생산하는 방법 중 태양 전지를 이용하는 방법이 있다. 태양전지를 이용하면 간단히 직류 전력을 얻을 수 있으나, 현재 널리 사용되고 있는 전기 기기기는 교류 전원을 요구한다. 따라서 태양 전지를 이용하여 교류 전력을 생산하기 위해서는 생산된 직류 전력을 교류로 변환해야 하며, 이러한 변환 과정에서 전력 손실이 발생한다.
한편, 많은 전기 기기들은 교류 전원을 입력 받아 내부적으로 직류로 변환하여 사용한다. 따라서 직류로 생산된 전력을 교류로 변환하여 전기 기기에 공급하고, 전기 기기에서 공급된 교류를 다시 직류로 변환하여 사용하는 과정에서 자원 손실이 발생된다.
따라서 직류 배전을 통해 이러한 자원 손실을 줄이고자 하는 노력이 진행되고 있다.
또한 직류전력을 바로 사용가능한 LED 조명의 경우 교류를 직류로 변환하는 장치(SMPS)를 각 조명기구 마다 설치하고 있으므로 전압변환기(SMPS)로 인한 전력 소비와 투입비용을 절감해 LED조명의 시설비용을 절감하고자 하는 노력이 이루어 지고 있다
본 발명은 배전된 교류를 직류로 변환하여 발생되는 상기한 문제들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 특히 LED 조명을 위한 직류 전원 공급 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편 본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술은 교류 전원으로부터 직류를 출력하는 AC/DC 변환부; 상기 AC/DC 변환부에 상기 교류 전원이 입력되는 것을 제어하는 교류 입력 차단부; 상기 직류를 이용하여 충전되고, 스케줄에 따라 충전 및 방전하여 상기 AC/DC 변환부를 대신하여 직류를 출력하는 백업 배터리; 및 상기 AC/DC 변환부의 직류 출력단과 상기 백업 배터리 사이에 배치되어 상기 백업 배터리의 충전 및 상기 스케줄에 따른 방전을 제어하는 충방전 제어부를 포함하는 직류 전원 공급 장치를 제공한다.
이때, 외부로부터 제어 명령을 수신하여 상기 교류 입력 차단부, 상기 AC/DC 변환부 및 상기 충방전 제어부를 제어하는 메인 제어부를 더 포함한다.
또한, AC/DC 변환부의 직류 출력단과 직류 부하 사이에 배치되어 상기 직류 부하로 공급되는 직류 출력을 차단하는 적어도 한 개의 차단기를 더 포함한다.
또한, 상기 충방전 제어부는 상기 스케줄에 따라 상기 백업 배터리의 충방전을 제어하되,
상기 스케줄은 상기 교류 전원의 공급 단가가 최저인 시간대에는 상기 백업 배터리를 충전하고,
상기 교류 전원의 공급 단가가 최고인 시간대에는 상기 백업 배터리를 방전하는 사이클을 포함한다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에 따른 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 회로에 의하면, 상용 인입전력의 정전, AC/DC 변환부에 이상이 발생하였을 경우 백업 배터리가 직류 전원을 공급하므로 LED 조명등을 비롯한 직류부하에 안정적인 직류 공급이 가능한 장점이 있다.
또한, 충방전 제어부는 교류 전원의 공급 단가가 최저인 시간대에는 상기 백업 배터리를 충전하고, 상기 교류 전원의 공급 단가가 최고인 시간대에는 상기 백업 배터리가 방전되도록 백업 배터리를 제어하여 직류를 공급하는데 있어서 비용을 절감할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 종래 기술에 의한 무정전 교류 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 직류 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치에서 수행되는 백업 배터리 충방전 스케줄의 순서도이다.
도 6은 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치가 LED 조명을 구동하는데 사용되는 예를 보여주는 블록도이다.
전원 공급의 안정을 위해서 전력을 저장하기 위한 장치는 대부분은 배터리를 사용한다.
도 1은 종래 기술에 의한 무정전 교류 전원 공급 장치의 블록도이다. 종래 기술에 의한 무정전 전원은 교류 전원(11), 무정전 교류 전원 공급 장치(18), 부하측 차단기(16) 및 교류 부하(17)를 포함한다.
무정전 교류 전원 공급 장치(18)는 교류 전원(11)으로부터의 교류 공급이 중단될 때를 대비하여 베터리(14)를 포함한다. 여기서 배터리(14)는 충전을 위하여 직류를 필요로 하므로 무정전 교류 전원 공급 장치(18)는 배터리(14) 충전을 위한 AC/DC 충전회로(12)를 포함해야 한다. 또한, 배터리(14)는 직류를 출력하기 때문에 무정전 교류 전원 공급 장치(18)는 교류 출력을 위하여 DC/AC 컨버터(15)를 포함해야한다.
무정전 교류 전원 공급 장치(18)는 전원 공급의 안정을 위해 AC/DC 충전회로(12) 및 DC/AC 컨버터(15)를 사용하므로 교류 전류를 공급할 때 에너지 손실이 발생한다.
한편, 교류 부하(17)들 중 많은 수는 교류 전원을 입력 받아 내부적으로 직류로 변환하여 사용한다. 따라서 직류로 생산된 전력을 교류로 변환하여 전기 기기에 공급하고, 전기 기기에서 공급된 교류를 다시 직류로 변환하여 사용하는 과정에서 에너지 손실이 발생된다. 또한, 각 기기 마다 교류를 직류로 변환하기 위한 소자들을 포함해야 하므로 자원 측면에서도 손실이 발생한다.
따라서 직류를 전원으로 사용하는 전기 기기를 위한 직류 배전 방식이 고려되었다.
도 2는 종래 기술에 의한 직류 전원 공급 장치의 블록도이다. 종래 기술에 의한 직류 배전은 전원은 교류 전원(21), 직류 전원 공급 장치(28) 및 직류 부하(25)를 포함한다. 직류 전원 공급 장치(28)는 두 개의 AC/DC 정류기(22a, 22b), 차단기(23,24)를 포함한다.
직류 전원 공급 장치(28)는 안정적으로 직류를 공급하기 위해 두 개의 AC/DC 정류기(22a, 22b)를 포함한다. 즉, 한 개의 정류기(22a)에 장애가 발생 시 이를 극복할 수 있게끔 하드웨어의 이중화를 위해 다른 한 개의 정류기(22b)를 더 구비한다.
직류 부하(25)는 주차장 등에 설치된 LED 조명을 대표적인 부하 예로들 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 3에 의하면 직류 전원 공급 장치(100)는 교류 입력 차단부(110), AC/DC 변환부(120), 백업 배터리(130), 충방전 제어부(140) 및 메인 제어부(150)를 포함한다.
교류 입력 차단부(110)는 AC/DC 변환부(120)에 교류 전원이 입력되는 것을 제어한다. 교류 입력 차단부(110)는 과전류가 유입되는 것을 방지하여 직류 전원 공급 장치(100)가 장애를 일으키는 것을 방지하기 위한 목적을 가지며, 릴레이, 퓨즈 내지 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자와 같은 전원을 차단하는 기능을 가지는 소자로 구성될 수 있다.
AC/DC 변환부(120)는 입력된 교류 전원을 정류하여 직류를 출력한다. AC/DC 변환부(120)는 다이오드 정류 브릿지로 구성된 정류 소자와 커패시터로 구성되며, 필요에 따라 정전압소자, 정전류소자 및 교류 입력 전압 강하를 위한 트랜스포머를 더 포함할 수 있다.
백업 배터리(130)는 AC/DC 변환부(120)의 직류 출력을 이용하여 에너지를 저장한다. 백업 배터리(130)는 AC/DC 변환부(120)에 장애가 발생할 경우 또는 정전과 같은 이유로 교류 전원의 공급이 중단된 경우 저장된 에너지를 이용하여 AC/DC 변환부(120)의 직류 출력을 대신한다. 따라서 직류 부하(200)에 안정적인 전력을 공급할 수 있다.
백업 배터리(130)는 사용 환경 및 직류 부하(200)의 특징에 따라 납축전지, 니켈 카드뮴 전지(Ni-Cd Battery), 니켈 수소 전지(Ni-MH Battery), 리튬 이온전지(Li-ion Battery) 또는 리튬폴리머 전지(Li-Polymer Battery) 중에서 선택될 수 있다.
또한, 백업 배터리(130)는 정해진 스케줄에 따라 AC/DC 변환부(120)를 대신하여 직류를 출력할 수 있다. 즉, 교류 전원의 공급 단가가 최저인 시간대에는 백업 배터리(130)를 충전하고, 교류 전원의 공급 단가가 최고인 시간대에는 백업 배터리(130)를 방전하도록 스케줄을 정할 수 있다. 따라서 직류 전원 공급 장치(100)는 직류 배전에 따른 전기 사용료를 절약할 수 있다.
충방전 제어부(140)는 AC/DC 변환부(120)의 직류 출력단과 백업 배터리(130) 사이에 배치되어 백업 배터리(130)의 충전 및 방전을 스케줄에 따라 제어한다. 보다 구제체적으로, 충방전 제어부(140)는 시간에 따른 교류 전원의 공급 단가를 기록한 공급 단가 테이블에 기초하여 백업 배터리(130)의 충전 및 방전을 제어한다.
실시예에 따르면, 충방전 제어부(140)는 교류 전원의 공급 단가와 백업 배터리(130)의 충전 용량 및 충전에 소요되는 시간 및 직류 부하(200)의 전력 소요를 고려하여 충전 및 방전 스케줄을 조절할 수 있다.
또한, 충방전 제어부(140)는 국가 또는 광역단위의 외부 일괄적인 전력 사용 통제신호에 따라 직류 출력을 백업 배터리(130)가 수행하도록 전환시킬 수 있다. 따라서, 전력 수요가 급증하여 전력 단가가 높아지는 경우 직류 출력을 백업 배터리(130)가 수행하여 전력 사용 비용을 절감할 수 있다. 또한, 국가 또는 광역단위에서 전력 공급이 부족한 경우 백업 배터리(130)를 사용하여 전력 공급 위기에 대응할 수 있다.
LED 전등 내지 직류를 사용하는 전기 장치에 직류 전원을 공급하도록 하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
메인 제어부(150)는 외부로부터 제어 명령을 수신하여 교류 입력 차단부(110), AC/DC 변환부(120) 및 충방전 제어부(140)를 제어한다.
실시예에 따르면, 제어 명령은 일사량이 증가하면 AC/DC 변환부(120)로부터 출력되는 직류의 전압 또는 백업 배터리(130)로부터 출력되는 직류의 전압을 하강시키는 명령 및 일사량이 감소하면 AC/DC 변환부(120)로부터 출력되는 직류의 전압 또는 백업 배터리(130)로부터 출력되는 직류의 전압을 상승시키는 명령을 포함할 수 있다. 따라서 일사량의 변화에 따라 직류 부하인 LED 조명의 조도를 조절하여, 전력 소모량을 조절할 수 있다.
또한, 다양한 실시예에 따르면 제어 명령은 교류 입력 차단부(110)의 최대 입력 허용 전류량 변경을 위한 명령, AC/DC 변환부(120)의 직류 출력의 전압을 변경하기 위한 명령 내지 충방전 제어부(140)에서 수행되는 충전 및 방전 스케줄을 변경하기 위한 명령을 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치의 블록도이다. 도 4에 의하면 직류 전원 공급 장치(100)의 직류 출력 단에 직류 부하(200) 각각으로 공급되는 직류 출력을 차단하기 위한 차단기(160)가 더 포함되어 있다. 차단기(160)는 복수의 직류 부하(200) 각각으로 출력되는 직류를 차단한다. 따라서 어느 한 곳의 직류 부하, 예를 들어 직류 부하 2가 장애를 일으킨 경우 다른 직류 부하에는 영향을 끼치지 않게 직류 부하 2로의 직류 출력만을 차단할 수 있다. 따라서 직류 전원 공급 장치(100)는 보다 안정적으로 직류 배전이 가능하다.
도 5는 본 발명에 따른 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치에서 수행되는 백업 배터리 충방전을 수행하기 위한 순서도이다. 도 5는 도 3 내지 도 4에 도시된 직류 전원 공급 장치(100)를 시계열 적으로 구현한 경우에도 본 실시예에 해당된다. 따라서 교류 입력 차단부(110), AC/DC 변환부(120), 백업 배터리(130), 충방전 제어부(140), 메인 제어부(150) 및 차단기(160)에 설명된 부분은 본 실시예에서도 그대로 적용가능하다.
실시예에 따른 백업 배터리 충방전 스케줄은, 교류 전원의 인입 단계, 시간별 전기 요금 비교 단계(S510), 공급 단가가 저가인 경우 백업 배터리를 충전하는 단계(S520), 공급 단가가 고가인 경우 백업 배터리를 방전하는 단계(S530)를 포함하며, 백업 배터리를 방전하는 단계(S530)는 방전을 지속하는 단계(S532), 충전을 수행하는 단계(S534)를 더 포함한다.
S510 단계에서 충방전 제어부는 시간별 전기 요금을 비교한다. 즉, 충방전 제어부에 저장된 시간별 전기요금 테이블을 참조하여 현재 공급되고 있는 교류 전력의 공급단가를 파악할 수 있다. 따라서 교류 전원의 공급 단가가 최저인 시간대에는 백업 베터리를 충전하고, 교류 전원의 공급 단가가 최고인 시간대에는 백업 배터리를 방전한다.
S520 단계에서 현재 공급되는 교류 전원의 공급 단가가 저가인 경우 충방전 제어부는 백업 배터리를 충전한다.
S530 단계에서 현재 공급되는 교류 전원의 공급 단가가 고가인 경우 충방전 제어부는 백업 배터리를 방전하여 백업 배터리가 AC/DC 변환부를 대신하여 직류를 출력하게 한다. 이때, 충방전 제어부는 백업 배터리의 출력 전압을 모니터 하여 백업 배터리의 충전 시기를 결정할 수 있다.
즉, 백업 배터리의 출력 전압이 기준 전압보다 높은 경우 충방전 제어부는 백업 배터리가 직류 공급을 충분히 할 수 있는 것으로 판단하여 백업 배터리의 방전을 계속 진행시킨다(S532). 백업 배터리의 출력 전압이 기준 전압보다 낮은 경우 충방전 제어부는 백업 배터리가 방전된 상태로 판단하여 백업 배터리가 충전되도록 제어한다(S534).
상술한 직류 전원 공급 장치에서 수행되는 백업 배터리 충방전 스케줄에 의하면, 교류 전원의 공급 단가가 저가일 때는 백업 배터리에 충전을 해두고 교류 전원의 공급 단가가 고가일 때는 교류 전원의 사용 없이 충전된 백업 배터리로부터 직류 출력을 하여 전기 사용료를 절약할 수 있는 장점을 가진다.
도 6은 백업 배터리를 가지는 직류 전원 공급 장치가 LED 조명을 구동하는데 사용되는 예를 보여주는 블록도이다. LED 조명은 직류 전원에 의해 구동되는 대표적인 직류 부하이다. 따라서 교류 배전이 아닌 직류 배전을 통하여 종래의 교류 배전에서 발생하는 낭비를 방지할 수 있다. 또한, 백업 배터리를 단지 정전시 또는 AC/DC 변환부의 장애가 발생되었을 때의 사용하는데 그치지 않고 시간에 따른 교류 전원의 공급 단가에 맞추어 직류를 공급하는데 사용하여 전기 사용료를 절약할 수 있게 한다.
이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 직류 전원 공급 장치
110 : 교류 입력 차단부
120 : AC/DC 변환부
130 : 백업 배터리
140 : 충방전 제어부
150 : 메인 제어부

Claims (7)

  1. 교류 전원으로부터 직류를 출력하는 AC/DC 변환부;
    상기 AC/DC 변환부에 상기 교류 전원이 입력되는 것을 제어하는 교류 입력 차단부;
    상기 직류를 이용하여 충전되고, 스케줄에 따라 충전 및 방전하여 상기 AC/DC 변환부를 대신하여 직류를 출력하는 백업 배터리; 및
    상기 AC/DC 변환부의 직류 출력단과 상기 백업 배터리 사이에 배치되어 상기 백업 배터리의 충전 및 상기 스케줄에 따른 방전을 제어하는 충방전 제어부를 포함하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    외부로부터 제어 명령을 수신하여 상기 교류 입력 차단부, 상기 AC/DC 변환부 및 상기 충방전 제어부를 제어하는 메인 제어부를 더 포함하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    AC/DC 변환부의 직류 출력단과 직류 부하 사이에 배치되어 상기 직류 부하로 공급되는 직류 출력을 차단하는 적어도 한 개의 차단기를 더 포함하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 충방전 제어부는 상기 스케줄에 따라 상기 백업 베터리의 충방전을 제어하되,
    상기 스케줄은 상기 교류 전원의 공급 단가가 최저인 시간대에는 상기 백업 베터리를 충전하고,
    상기 교류 전원의 공급 단가가 최고인 시간대에는 상기 백업 베터리를 방전하는 사이클을 포함하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 충방전 제어부는 상기 스케줄에 따라 상기 백업 배터리의 충방전을 제어하되,
    국가 또는 광역단위의 외부 일괄적인 전력 사용 통제신호에 따라 직류 출력을 상기 백업 배터리가 수행하도록 전환하여 LED 전등 내지 직류를 사용하는 전기 장치에 직류 전원을 공급하도록 하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 메인 제어부는 외부로부터 제어 명령을 수신하여
    상기 AC/DC 변환부로부터 출력되는 직류의 전압 또는 상기 백업 배터리로부터 출력되는 직류의 전압을 조절하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어 명령은
    일사량이 증가하면 상기 AC/DC 변환부로부터 출력되는 직류의 전압 또는 상기 백업 배터리로부터 출력되는 직류의 전압을 하강시키는 명령; 및
    상기 일사량이 감소하면 상기 AC/DC 변환부로부터 출력되는 직류의 전압 또는 상기 백업 배터리로부터 출력되는 직류의 전압을 상승시키는 명령을 포함하여 상기 일사량의 변화에 따라 직류 부하인 LED 조명의 조도를 조절하는 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 LED조명 시스템.
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KR20130125894A KR20150046540A (ko) 2013-10-22 2013-10-22 직류 배전용 백업 배터리를 가지는 led조명 시스템

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101716254B1 (ko) * 2016-04-11 2017-03-14 인성 엔프라 주식회사 비상유도표식의 조명시스템

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