KR20180029243A - 하이브리드 파워 팩 - Google Patents

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KR20180029243A
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헤만트 카람찬드 로헤라
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헤만트 카람찬드 로헤라
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Abstract

본 발명은 하이브리드 파워 팩에 관한 것이다. 하이브리드 파워 팩은 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트, 배터리 관리 시스템, 셀 밸런싱 회로, 커패시터 밸런싱 회로, 양방향 스위치, 유니폴라 트랜지스터, 입출력 포트, 제1 단방향 스위치, 제2 단방향 스위치를 포함한다. 하이브리드 파워 팩은 부하에 지속적인 직류 전력을 제공하며 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트 또는 동시에 두개의 저장 컴포넌트에서 선택적으로 전력을 유도한다.

Description

하이브리드 파워 팩
본 발명은 하이브리드 파워 팩에 관한 것이다.
하기의 명세서에서 이용되는 '하이브리드 파워 팩'라는 표현은 셀, 커패시터, 제어기, 전기 컴포넌트 및 전자회로를 포함한 팩을 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 '저장 컴포넌트'라는 표현은 배터리 셀, 커패시터와 같은 충전 저장 컴포넌트들을 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 '울트라 커패시터'라는 표현은 1,000패럿보다 큰 축전용량을 가진 고용량 전기화학커패시터를 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 '방전 전류'라는 표현은 저장 컴포넌트에서 회로에 있는 부하로 공급되는 전류를 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 '입출력'이라는 표현은 양방향 흐름 포트를 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 '방전 경로'라는 표현은 저장 컴포넌트에서 부하로 또는 다른 컴포넌트로 전류가 통과하여 흘러가는 경로를 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 '충전 경로'라는 표현은 전류가 입력 소스에서 저장 컴포넌트로 흘러가는 경로를 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 'SOC'(state of charge)라는 표현은 저장 컴포넌트안에 존재하는 최대의 가능한 충전/에너지의 퍼센트를 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 'SOH'(state of health)라는 표현은 저장 컴포넌트의 일반 상태와 새로운 저장 컴포넌트와 비교하여 볼때 특정한 성능을 수행할수 있는 저장 컴포넌트의 능력을 반영하는 '측정'을 의미하지만 그에만 국한되지 않는다.
하기의 명세서에서 이용되는 'EOC'(End of Charge)라는 표현은 하나의 저장 컴포넌트 내에 존재하는 최소 충전/에너지를 의미하지만 그에만 국한되지 않는다 (일반적으로 한 저장 컴포넌트의 전격 전 용량 중 10퍼센트).
납축 전지 셀(lead acidic cell)은 전기 자동차, 자동차, 태양 셀 시스템, 변류기, 중단없는 전력공급과 같은 광범한 애플리케이션에서 이용된다. 납축 전지 셀의 제작 공정 동안 납축 전지 셀의 처리를 적절하게 하지 못하면 셀의 음극 단자는 쉐딩(shedding)을 시작한다. 또한 납축 전지 셀의 과충전 또는 불충분한 충전으로 인하여 납축 전지 셀의 극판에서도 쉐딩이 시작된다. 종래에 납축 전지 셀은 농축된 황산과 납과 같은 위험화학물질을 이용하였다. 농축된 황산은 심지어 치명적일 수 있는 이산화황 가스를 생성한다. 또한, 납축 전지 셀에서 이용되는 납은 납중독을 초래할수 있는 입자를 방출할 수 있다.
종래 기술의 팩에서는 때때로 전자회로가 셀과 함께 이용되었다. 미국 특허 8384360에서는 변류기, 제어기, 울트라 커패시터, 배터리를 포함하는 하이브리드 배터리 팩을 개시한다. 미국 특허 8384360에서 개시된 팩은 비히클에서 이용되도록 구성되었다. 미국특허 8384360에서 제시된 것처럼 울트라 커패시터는 비히클 크랭크 시동을 걸기 위한 전류를 공급한다. 자동차의 크랭크 시동을 거는데 필요한 울트라 커패시터는 1000패럿보다 더 큰 정전 용량을 갖는다. 비히클을 크랭킹하는데 필요한 이러한 울트라 커패시터는 상대적으로 비싸고, 고장나기 쉽고 또한 상대적으로 높은 자체 방전하는 경향이 있다. 비히클 크랭킹하기 위한 미국특허 8384360에서 제시한 울트라 커패시터는 지속적인 전력을 제공하지 않는다. 미국특허 8384360에서 제시된 전력원는 종래의 납축배터리 또는 VRLA이다. 이 배터리들은 납축 전지 셀에서 밝힌 것과 같은 결함들을 갖는다.
그러므로 다음의 하이브리드 파워 팩에 대한 요구가 제기된다:
높은 방전 전류를 제공하는 것;
이산화황 연기와 납에 의하여 방출된 입자에서 환경을 보호하는 것;
지속적인 직류 전력을 제공하는 것;
상대적으로 높은 정전 용량을 가진 커패시터를 이용하지 않고도 자동차를 시동/크랭크시킬 수 있는 것, 그리고
심한 방출을 제한할 수 있는 것.
본 발명의 목적은 지속적인 직류 전력을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 방전 전류를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 셀과 커패시터의 딥 방전을 제한하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비싸지 않고 상대적으로 오래가며 안전하고 든든한 친환경적인 하이브리드 파워 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들과 이점들은 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않고, 수반하는 도면과 함께 읽을 때 하기의 설명에서 보다 더 명백해질 것이다.
본 개요는 하이브리드 파워 팩에 관한 개념을 소개한다. 본 개요는 본 발명의 본질적 특징을 확인하기 위한 것으로 의도되지 않았으며 본 발명의 범위를 확정하거나 또는 제한하는데 이용되는 것으로 의도되지 않았다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 한 실시예는 제1 직류 출력 전압과 제1 직류 출력 전류를 발생시키는 제1 저장 컴포넌트; 제1 저장 컴포넌트에 대한 충전 경로를 제공하기 위하여 제1 양방향 스위치를 통하여 제1 저장 컴포넌트와 결합되는 배터리 관리 시스템; 배터리 관리 시스템과 연결된 입출력 포트; 제1 저장 컴포넌트에 대한 방전 경로를 제공하는 제1 저장 컴포넌트를 입출력 포트와 결합시키는 제2 단방향 스위치; 제2 직류 출력 전압과 제2 직류 출력 전류를 생성하는 제2 저장 컴포넌트; 여기에서, 제2 저장 컴포넌트는 제2 저장 컴포넌트에 대한 방전 경로뿐만 아니라 충전 경로를 제공하기 위하여 양방향 스위치를 통하여 입출력 포트와 결합되어 있음; 배터리 관리 시스템과 결합된 제어기, 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트에서 선택적으로 또는 제1 및 제2 저장 컴포넌트에서 동시에 지속적인 직류 전류를 입출력 포트와 연결된 부하로 제공하기 위한 양방향 스위치와 입출력 포트를 포함한다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩은 제1 저장 컴포넌트인 복수의 셀, 제2 저장 컴포넌트인 커패시터 뱅크, 배터리 관리 시스템, 셀 밸런싱 회로, 커패시터 밸런싱 회로, 양방향 스위치, 유니폴라 트랜지스터, 입출력 포트, 제어기, 제1 단방향 스위치, 제2 단방향 스위치를 포함한다. 셀 밸런싱 회로는 셀 제어 회로와 셀 밸런싱 제어기를 포함한다. 셀 밸런싱 회로는 셀에서 전하, 에너지와 전압 중 최소 하나를 균등하게 하는데 이용된다. 커패시터 밸런싱 회로는 커패시터 뱅크에서 전하, 에너지와 전압 중 적어도 하나를 균등하게 하는데 이용된다. 양방향 스위치는 충전/방전 회로, 비교기, 제너 다이오드 레귤레이터, 스위칭 엘리먼트와 캐패시터를 위한 모니터 및 제어 유닛을 포함한다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 배터리 관리 시스템과 제어기를 제1 ASIC에 집적시킨 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 배터리 관리 시스템, 제어기, 셀 밸런싱 회로와 커패시터 밸런싱 회로를 제2 ASIC에 집적시킨 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 배터리 관리 시스템, 제어기와 커패시터 밸런싱 회로를 제3 ASIC에 집적시킨 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 배터리 관리 시스템, 제어기, 셀 밸런싱 회로를 제4 ASIC에 집적시킨 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 제1 교류 신호를 생성하기 위한 코일이 감긴 페라이트 코어, 제1 교류 신호를 증폭하기 위한 증폭기, 제1 교류 신호를 직류 신호로 변환하기 위한 정류기를 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 지속적인 직류 전력의 생성을 위하여 교류 전력에 연결시킬 수 있는 제1 교류-직류 변환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 지속적인 직류 전력을 발생시키기 위한 태양셀, 연료셀과 같은 직류 전력원과 연결시킬 수 있는 스텝 업(step up) 직류-직류 변환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 다른 실시예에서 하이브리드 파워 팩은 무선주파수를 캡쳐하도록 구성된 안테나, 캡쳐된 주파수에서 제2 교류 신호를 발생시키기 위한 무선주파수 수신기 모듈, 제2 교류 신호를 증폭시키기 위한 무선 주파수 증폭기, 상기 제2 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 제2 교류-직류 변환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 파워 팩의 실시예들은 첨부도면을 참조하여 도시된다. 여기에서;
도 1은 본 발명의 실행에 따라 하이브리드 파워 팩의 하우징을 도시한다;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다;
도 3은 도 2의 하이브리드 파워 팩에 대하여 본 발명의 제1 실시예에 따라 배터리 관리 시스템의 블록도를 도시한다.
도 4는 도 2의 하이브리드 파워 팩에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따라 스텝 다운(step-down) 직류-직류 변환기의 회로도를 도시한다.
도 5는 도 2의 하이브리드 파워 팩에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 밸런싱 회로의 회로도를 도시한다.
도 6은 도 2의 하이브리드 파워 팩에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향 스위치의 블록도를 도시한다.
도 7은 도 2의 하이브리드 파워 팩에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따라 제어기의 블록도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 13은 본 발명의 제7 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 14는 본 발명의 제8 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 15는 본 발명의 제9 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 16은 본 발명의 제10 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 17은 본 발명의 제11 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 18은 본 발명의 제12 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 19는 본 발명의 제13 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 20은 본 발명의 제14 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 21은 본 발명의 제15 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩의 블록도를 도시한다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩충전을 위한 블록도를 도시한다.
본 발명은 부하에 지속적인 전력을 제공하기 위한 하이브리드 파워 팩에 관한 것이다.
하기의 설명에서 명백한 것처럼 다르게 특정하게 밝히지 않은 이상 본 발명전반에서 '수신', '결정', '분석', '추출' 등과 같은 용어의 이용은 제어기의 레지스터 및 메모리 내에서 물리적(전자)량으로 표현된 자료를 제어기 메모리 또는 레지스터 내부의 물리적량으로 조작하거나 전환하는 작용과 과정을 의미한다.
시스템들은 여기에서 설명한 특정한 실시예에만 국한되지 않는다. 또한, 각각의 시스템의 컴포넌트들은 여기에서 설명한 다른 컴포넌트들과 독립적으로 구별하여 수행될 수 있다. 각각의 컴포넌트들은 다른 컴포넌트들과 결합하여 이용될 수 있다.
본 발명은 하이브리드 파워 팩을 예상한다. 하이브리드 파워 팩은 복수의 저장 컴포넌트들, 복수의 전력 소스들, 복수의 전자 컴포넌트들, 제어기들, 배터리 관리 시스템, 전자 밸런싱 회로를 포함한다.
또한, 본 발명은 다중 컴포넌트들을 단일 ASIC에 집적시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 부하로 지속적인 전력을 보내기 위한 하이브리드 파워 팩을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 셀과 커패시터와 같은 저장 컴포넌트들에 대한 원활한 충전을 제공하는 하이브리드 파워 팩을 목적으로 한다.
이것과 본 주제 문제의 다른 이점들은 하기의 도면과 함께 더 구체적으로 설명될것이다.
도 1은 본 발명의 실행에 따른 하이브리드 파워 팩(100)의 하우징을 도시한다. 하이브리드 파워 팩의 하우징은 PP(폴리프로필렌), ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티롤) 또는 PPCP를 이용하여 설계할 수 있다. ABS는 보통 건강에 거의 위험을 주지 않는 위험성이 낮은 물질이다. 하우징은 분리기(104)를 이용하여 두 칸으로 구분한다. 분리기(104)는 수지재료를 이용하여 설계한다. 제1 칸은 제어 회로칸(108)을 제어한다. 제어 회로칸(108)은 제어회로(116)를 포함한다. 제2 칸은 저장칸(110)이다. 저장칸(110)도 복수의 저장 컴포넌트들을 포함한다. 제어 회로칸(108)은 또한 히트 싱크 컴포넌트를 포함한다. 히트 싱크 컴포넌트는 제어 회로칸(108)에서의 열을 하우징의 외부로 발산시킨다. 칸은 이중벽이다. 각각의 칸은 물이 새지 않으며 절연제(102)로 막을 씌워 외부의 열이 저장칸과 제어 회로의 작용에 영향을 주지 않도록 한다. 통상적으로 안감재료는 에폭시 수지나 다른 플로팅(plotting)재료일 수 있다. 냉각 흐름관을 저장칸에 첨부할 수 있다. 또한, 칸을 이중벽으로 할 수 있다. 제어 회로칸(108)은 통풍을 위한 복수의 구멍(106)을 포함한다. 하이브리드 파워 팩(100)는 양극 단자(112), 음극 단자(114)를 포함한다. 양극 단자(112)는 제어 회로의 양극 단자와 연결되고, 음극 단자(114)는 제어회로의 음극 단자와 연결된다. 또한, 저장 컴포넌트는 제어회로와 연결된다. 저장 컴포넌트는 복수의 셀을 포함한다. 저장 컴포넌트는 커패시터 뱅크를 포함한다. 제어 회로는 주로 배터리 관리 시스템(BMS), 셀 밸런싱 회로, 제1 단방향 스위치, 제2 단방향 스위치, 커패시터 밸런싱 회로, 입출력 포트, 접지 단자, 제어기, 양방향 스위치와 유니폴라 트랜지스터를 포함한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(200)의 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(200)은 제1 저장 컴포넌트로서 복수의 셀, 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(222), 배터리 관리 시스템(202), 셀 밸런싱 회로(214), 커패시터 밸런싱 회로(208), 양방향 스위치(210), 유니폴라 트랜지스터(216), 입출력 포트(218), 제어기(212), 제1 단방향 스위치(204), 제2 단방향 스위치(206)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(202)은 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 배터리 관리 시스템의 입력 포트는 입출력 포트와 연결된다(218). 배터리 관리 시스템(202)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(204)의 음극(anode) 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(204)의 양극(cathode) 단자는 복수의 셀의 양극 단자와 연결된다. 셀(220)의 양극 단자는 제2 단방향 스위치의 음극(anode) 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(206)의 양극(anode)단 자는 입출력 포트(218)와 연결된다. 커패시터 뱅크(222)는 양방향 스위치(210)와 연결되고, 양방향 스위치(210)는 입출력 포트(218)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(216)의 드레인 단자는 입출력 포트(218)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(216)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제어기는 셀 밸런싱 회로(214), 커패시터 밸런싱 회로(208), 배터리 관리 시스템(202), 양방향 스위치(210), 유니폴라 트랜지스터의 게이트 단자와 결합된다.
본 발명의 제1 실시예에서 셀의 충전 전류는 입출력 포트(218)에서 배터리 관리 시스템(202)로, 그리고 배터리 관리 시스템(202)에서 제1 단방향 스위치(204)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제1 실시예에서 셀(220)의 방전 전류는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(206)을 통하여 입출력 포트(218)로 흐른다.
본 발명의 제1 실시예에서 커패시터 뱅크(222)의 충전 전류는 입출력 포트(218)에서 양방향 스위치(210)로, 그리고 양방향 스위치(210)에서 커패시터 뱅크(222)로 흐른다.
본 발명의 제1 실시예에서 커패시터 뱅크(222)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(222)에서 양방향 스위치(210)로, 그리고 양방향 스위치(210)에서 입출력 포트(218)로 흐른다.
본 발명에 따라 제어기(212)는 배터리 관리 시스템(202)에서 셀(220)의 SOC를 판독한다. 또한, 제어기(212)는 양방향 스위치(210)에서 커패시터 뱅크(222)의 SOC를 판독한다. 제어기(212)는 셀의 SOC와 커패시터 뱅크의 SOC에 기초하여 충전 알고리즘 상태를 실행하여 셀의 EOC와 커패시터 뱅크(222)의 EOC를 결정한다. 또한, 제어기(212)는 미리 결정된 시간 간격 이후 배터리 관리 시스템(202)에서 셀의 갱신된 SOC를 판독하고, 양방향 스위치(210)에서 커패시터 뱅크(222)의 갱신된 SOC를 판독한다. 미리 결정된 시간 간격은 셀의 SOC와 커패시터 뱅크의 SOC에 기초하여 결정된다. 제어기(212)는 셀의 갱신된 SOC가 셀의 결정된 EOC와 같고, 그리고 커패시터 뱅크의 갱신된 SOC가 커패시터 뱅크의 결정된 ECO와 같으면 유니폴라 트랜지스터(216)의 게이트 단자를 작용시켜, 접지 단자로부터 셀(220)을 분리시키고, 커패시터 뱅크(222)를 분리시킨다. 따라서, 셀을 접지 단자에서 분리시켜 제어기(212)와 유니폴라 트랜지스터는 셀과 커패시터 뱅크에 대한 딥(deep) 방전 제어와 분리를 제공한다. 또한, 제어기(212)는 부하에 전력을 제공하기 위하여 동시에 셀(220), 커패시터 뱅크(222) 또는 셀과 커패시터 뱅크를 다 같이 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(218)와 연결된다. 제어기(212)는 셀의 SOC와 커패시터 뱅크의 SOC에 기초하여 셀(220), 커패시터 뱅크(222) 또는 셀과 커패시터 뱅크를 동시에 선택하도록 소스 선택 알고리즘즘을 실행시킨다.
본 발명에 따라 제1 저장 컴포넌트는 복수의 셀(220)을 포함한다. 복수의 셀들(220)은 플로우 셀, 바나듐 산화 환원 셀, 브람화아연 셀, 연료 셀, 납축 전지 셀, VRLA셀, 리튬 이온 셀, AGM셀, 겔 셀, 리튬 이온 중합체 셀, 용융염 셀, 니켈 카드뮴 셀, 나트륨 이온 셀, 슈퍼 아이언 셀, 은아연 셀, 염화아연 셀, 그라펜 셀, 나트륨 금속 할로겐화물 셀, 실리콘 셀, 하이브리드 셀, 아연 탄소 셀, 다른 모든 셀들을 포함한다. 셀들은 높은 전압 애플리케이션을 위하여 직렬 구성으로 연결되고, 셀들은 높은 전류 애플리케이션을 위하여 병렬 구성으로 연결된다. 대표적으로 12V를 필요로 하는 자동차 애플리케이션에서는 3개의 셀을 직렬구성으로 연결한다.
본 발명에 따라 제2 저장 컴포넌트는 커패시터 뱅크(222)를 포함한다. 커패시터 뱅크(222)는 복수의 커패시터들을 포함한다. 커패시터들은 세라믹 커패시터, 필름 커패시터, 종이 커패시터, 알루미늄 전해질 커패시터, 탄탈 전해질 커패시터, 울트라 커패시터, 마이카 커패시터, 유리 커패시터, 슈퍼 커패시터, 진공 커패시터, 혼합 커패시터, 실리콘 커패시터, 리튬 커패시터, 그라펜 커패시터, 다른 모든 커패시터들을 포함한다. 커패시터들은 높은 전압 애플리케이션을 위하여 직렬 구성으로 연결된다.
본 발명에 따라 유니폴라 트랜지스터(216)는 MOSFET, FET, JFET, IGBT, UJT, NMOS 트랜지스터 또는 PMOS 트랜지스터, CMOS 트랜지스터일 수 있다. 일 실시예에서 유니폴라 트랜지스터(216)는 MOSFET이다. MOSFET의 게이트 단자는 제어기(212)에 의하여 제어된다. MOSFET의 드레인 단자는 입출력 포트(218)와 연결된다. MOSFET의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 또한 MOSFET는 제어기(212)에서 수신한 작용신호에 기초하여 하이브리드 파워 팩(100)의 접지 단자 연결을 분리시킨다. 만약 작용신호의 값이 0볼트이면 하이브리드 파워 팩(100)은 접지 단자에서 분리되며, 만약 작용 신호의 값이 5볼트이면 하이브리드 파워 팩(100)은 접지 단자에서 분리된다.
본 발명에 따라 입출력 포트(218)는 배터리 관리 시스템(202)에 의하여 제어된다. 배터리 관리 시스템(202)은 제어기(212)에서 모드 선택 신호를 받는다. 제어기(212)는 입력 모드, 출력 모드를 결정하기 위하여 모드 선택 알고리즘을 실행하며 모드 선택 신호를 발생시킨다. 입출력 포트(218)는 한 포트, 두 포트 또는 여러 포트일 수 있다.
본 발명에 따라 셀 밸런싱 회로(214)는 셀과 연결된다. 셀 밸런싱 회로는 배터리 관리 시스템(202)와 결합된다. 셀 밸런싱 회로(214)는 셀 중 적어도 하나의 전하, 에너지 또는 전압을 균등하게 한다.
본 발명에 따라 커패시터 밸런싱 회로(208)는 커패시터 뱅크(222)과 연결된다. 커패시터 뱅크(222)는 복수의 커패시터들을 포함한다. 커패시터 밸런싱 회로(208)는 제어기(212)와 결합된다. 커패시터 뱅크 회로(208)는 커패시터 중 적어도 하나의 전하, 에너지 또는 전압을 균등하게 한다.
본 발명에 따라 제1 단방향 스위치(204)는 다이오드일 수 있으며 MOSFET는 다이오드로, BJT는 다이오드로, SCR는 다이오드로 또는 다른 단방향 스위치장치로 작용한다.
본 발명에 따라 제2 단방향 스위치(206)는 다이오드일 수 있으며 MOSFET는 잉극소자로, 또한 BJT는 다이오드로, SCR는 다이오드 또는 다른 단방향 스위치 장치로 작용한다. 제2 단방향 스위치는 높은 방전 전류에 대한 경로를 제공한다.
도 3은 도 2의 하이브리드 파워 팩(200)에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(202)의 블록도를 도시한다. 배터리 관리 시스템(202)은 전력모듈(PM)(302), PM을 위한 모니터와 제어 유닛(304), 셀을 위한 모니터와 제어 유닛(312), BMS 제어기(306), 복수의 통신 포트들(308), 배터리 상태 표시 모듈(318), 비-일시적 저장소(316), 일시적 저장소(314), 온 보드 진단 모듈(320)을 포함한다. 전력모듈(302)은 스텝 다운(step down) 직류-직류 변환기(400)와 충전기 회로를 포함한다. 충전기 회로는 셀의 원만한 충전을 제공한다. PM(304)에 대한 모니터와 제어 유닛들은 PM(302)에 있는 다양한 점들에서 전류와 전압을 조절한다. 또한, PM(304)에 대한 모니터와 제어 유닛들은 스텝 다운(step down) 직류-직류 변환기를 제어하고, BMS 제어기(306)에서 받은 명령 신호에 기초하여 충전 회로를 제어한다. PM(302)의 출력은 제1 단방향 스위치(204)를 통하여 셀(220)과 직접 연결된다. 셀에 대한 모니터와 제어 유닛(312)들은 전압, 전류, SOC, TOC, SOH, 온도를 비롯한 셀과 관련한 다양한 변수들을 측정한다. 또한 셀(312)에 대한 모니터와 제어 유닛들은 BMS 제어기(306)에 측정된 변수들을 알려준다. 통신 포트(308)는 외부 프로그램을 외부 컴퓨터를 이용하여 배터리 관리 시스템(202)에 다운로드시키는데 이용된다. 또한, 통신 포트(308)는 외부의 전자환경과 통신하는데 이용된다. 배터리 상태 디스플레이(318)는 셀의 낮은 전압 상태를 보여주는 하나의 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 배터리 상태 디스플레이(318)는 SOC와 셀 상태와 같이 셀의 SOC를 보여주는 발광 다이오드 스트링 또는 셀 상태를 보여주는 LCD(liquid crystal display)(LCD) 을 포함할 수 있다. 온 보드 진단(320)은 배터리 관리 시스템(202)을 시험하기 위한 진단 문제(trouble) 코드를 포함한다. BMS 제어기(306)는 하기의 기능을 수행한다: 충전 프로세스 때 PM(302)의 전압과 전류 프로파일을 조절, 셀에 대한 전하를 균등하게 하기 위하여 개별적인 셀에 추가(top up) 전하를 제공하는 것, 고장 또는 경고 상태 때 셀을 분리시키는 것, 단락 회로 보호 제공, 반대 극성 보호 제공, 제어기(212)와의 협력, PM(304)에 대한 모니터와 제어 유닛을 제어하는 것, 셀(312)를 위한 모니터와 제어 유닛, 배터리 상태 디스플레이(318), 통신 포트(308), 온 보드 진단(320).
도 4는 도 2의 하이브리드 파워 팩(200)에 대한 본 발명의 일 실시예에 따라 스텝 다운 (step down) 직류-직류 변환기(400)의 회로도를 도시한다. 직류-직류 변환기는 배터리 관리 시스템(202)에 존재한다. 스텝 다운(step down) 직류-직류 변환기(400)는 스위칭 네트워크(402), 인덕터(404)와 커패시터(406)를 포함한다. 스텝 다운(step down) 적류-직류 변환기(400)의 입력 포트는 하이브리드 파워 팩(100)의 입출력 포트(218)와 연결된다. 스텝 다운(step down) 직류-직류 변환기(400)의 출력 포트(408)는 충전기 회로의 입구 포트와 연결된다. 스위칭 네트워크(402)는 BJT트랜지스터, MOS트랜지스터, SCR, IGBT 또는 반도체 스위치 장치를 포함할 수 있다. 스위칭 네트워크(402)는 PM(304)을 위하여 모니터와 제어 유닛에 의하여 제어된다. 스위칭 네트워크(402)가 꺼진 상태이면 스텝 다운(step down) 직류-직류 변환기(400)에서 전류는 영이다. 스위칭 네트워크(402)가 켜진 상태이면 전류는 흐르기 시작하며 인덕터(404)는 단자 전반에서 반대전압을 만든다. 인덕터(404)에서의 전압 하강은 스텝 다운(step down) 직류-직류 변환기(400)의 입구 포트의 입구 전압과 반작용하며 결국 스텝 다운(step down) 직류-직류 변환기(400)의 출구 단자(408) 전반에서 네트 전압을 줄인다.
도 5는 도 2의 하이브리드 파워 팩(200)에 대한 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 밸런싱 회로(214)의 회로도를 도시한다. 셀 밸런싱은 셀의 전반적인 수명을 확장하기 위하여 셀에서 전하(전압 또는 에너지)를 균등하게 하여 보다 더 약한 셀을 보상하는 기술이다. 통상적으로, 도 5는 M셀을 가진 셀 밸런싱 회로를 도시한다. M의 값은 임의의 정수값일 수 있다. 셀 밸런싱 회로(214)는 셀 제어 회로(520)와 셀 밸런싱 제어기(522)를 포함한다. 셀 제어 회로(520)는 복수의 MOSFET들, 복수의 다이오드들, 복수의 커패시터들, 복수의 인덕터들을 포함한다. 대표적으로 도 5에서 보여주는 바와 같이 셀m(502)은 커패시터 Cm(506)과 병렬로 연결되고, 커패시터 Cm(506)은 다이오드 Dm(510)와 인덕터 Lm(514)의 직렬 결합과 병렬 연결되고, 다이오드 Dm(510)는 MOSFETm(516)과 병렬 결합되어있다. 또한, 셀 M-1(504)은 셀m(502)과 직렬 결합 상태에 있고, 커패시터 Cm(508)는 커패시터 Cm(506)와 직렬 결합되고, 다이오드 Cm-1(512)은 다이오드 Dm(510)와 직렬 결합되고, MOSFET m-1(518)은 MOSFETm(516)와 직렬 결합된다. 또한, 동일한 배열은 나머지 셀에서 반복된다. MOSFETm(516)과 MOSFETm-1(518)의 게이트는 셀 밸런싱 제어기(522)에 의하여 제어된다. 셀 밸런싱 제어기(522)는 셀의 전압을 조절한다. 셀 밸런싱 회로(522)는 셀 밸런싱 제어 알고리즘을 실행시킨다. 만약 셀 밸런싱 회로 알고리즘이 셀m(502)가 에너지를 셀 m-1(504)로 전환할 필요가 있다고 결정하면, 셀 밸런싱 제어기(522)는 MOSFETm(516)을 활성화시킨다. 셀m(502)의 전압은 인덕터 Lm(514)에 인가되고, 인덕터 전류는 선형으로 증가한다. 셀 전하는 셀m(502)에서 인덕터 Lm(514)로 전달된다. MOSFETm(516)이 셀 밸런싱 제어기(522)에 의하여 활성화되지 않으면, 인덕터 Lm(514)에 저장된 에너지는 최대값에 도달한다. 다이오드 Dm-1(512)는 포워드 바이어싱되고, 셀m-1(504)의 음극 셀 전압은 인덕터Lm(514)에 인가되어, 인덕터에서 전류를 감소시키고, 인덕터Lm(514)에 저장된 에너지를 셀m-1(504)로 전달한다.
도 6에서는 도 2의 하이브리드 파워 팩(100)에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향 스위치(210)의 블록도를 도시한다. 양방향 스위치(210)는 비교기 (606), 제너 다이오드 레귤레이터(608), 스위칭 엘리먼트(610), 충전/방전회로(612)와 커패시터(614)를 위한 모니터와 제어 유닛을 갖는다. 커패시터(614)의 모니터와 제어 유닛들은 전압, 전류, SOC, TOC, SOH, 온도와 같은 커패시터와 관련한 여러가지 변수들을 측정한다. 커패시터(614)에 대한 모니터와 제어 유닛들은 제어기(212)와 연결되고, 커패시터의 순간 전압 레벨을 나타내는 신호(602)를 발생시킨다. 또한, 커패시터(614)의 모니터와 제어 유닛들은 제어기(212)에서 커패시터에 대한 임계값 전압 레벨을 수신하며 커패시터를 위한 임계값 전압 레벨을 나타내는 신호(604)를 발생시킨다. 비교기(606)는 커패시터의 순간 전압 레벨을 나타내는 신호(602)를 커패시터(604)에 대한 임계값 전압 레벨을 나타내는 신호(604)와 비교한다. 비교기(606)는 오픈 루프 구성에서 연산 증폭기 IC(실례 텍사스 Instruments에서의 IC 741)일 수 있다. 비교기의 출력 전압(606)은 조정 출력 전압을 발생시키기 위하여 제너 다이오드 레귤레이터에 의하여 조정된다. 조정 출력 전압은 두 개의 전압 레벨(0V와 5V)을 가진다. 조정 출력 전압은 하나의 입출력 포트(218)를 커패시터(222)와 연결하기 위하여 닫힌 스위치로 스위치 엘리먼트(610)의 스위칭을 조절하거나 커패시터(222)에서 하나의 입출력 포트(218)를 분리시키기 위하여 열린 스위치로 스위치 엘리먼트의 스위칭을 조절한다. 스위치 엘리먼트는 디지털 IC(실례로 Texas Instruments에서의 IC 7432) 이거나, 계전기 또는 MOS 트랜지스터일 수도 있으며 MOS트랜지스터 또는 바이폴라 트랜지스터 또는 임의의 스위칭 반도체 장치일 수 있다.
도 7은 도 2의 하이브리드 파워 팩(200)을 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 제어기(212)의 블록도를 도시한다. 제어기(212)는 프로그램 실행 부분과 레지스터 처리 부분을 포함한다. 프로그램 실행부분은 프로그램 메모리(702), 명령 레지스터(704), 명령 디코더(706), 시간, 제어, 레지스터 선택 모듈(718), 프로그램 카운터(720), 스택(722)을 포함한다. 레지스터 처리 부분은 특수한 기능 레지스터(714), 포트 레지스터(712), 데이터 레지스터(710), 산술 로직 유닛(ALU)(716)과 데이터 버스(708)를 포함한다. 또한 제어기(212)는 어드레스 버스, 어드레스 디코딩 로직와 복수의 제어 신호들을 갖는다. 어드레스 버스는 시간, 제어, 레지스터 선택 모듈(718)과 결합되어 있다. 어드레스 디코딩 로직은 시간, 제어, 레지스터 선택 모듈(718) 안에 존재한다. 제어 신호는 시간, 제어, 레지스터 선택 모듈(718)과 결합되어 있다. 제어기(212)는 PIC 마이크로 제어기일 수 있고 ARM 프로세서일 수 있으며 듀얼 코어 처리기 또는 EPGA(필드 프로그래밍 가능한 게이트 어레이)는 AVR 마이크로 제어기일 수 있다.
도 8은 본 발명의 2차 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(800)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(800)은 본 발명의 2차 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(802), 제1 ASIC(840)로서의 하나의 블록으로 집적된 제어기(812), 제1 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(820), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(822), 셀 밸런싱 회로(814), 커패시터 밸런싱 회로 (808), 양방향 스위치(810), 입출력 포트(818), 유니폴라 트랜지스터(816), 제1 단방향 스위치(804), 제2 단방향 스위치(806)를 포함한다. 또한, 제1 ASIC(840)는 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 제1 ASIC(840)의 입력 포트는 입출력 포트(818)와 연결된다. 제1 ASIC(840)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(804)의 음극(anode) 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(804)의 양극(cathode) 단자는 복수의 셀(820)의 양극 단자와 연결된다. 셀(820)들의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(806)의 음극(anode) 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(806)의 양극(cathode) 단자는 입출력 포트(818)와 연결된다. 커패시터 뱅크(822)는 양방향 스위치(810)와 연결되고, 양방향 스위치(810)는 입출력 포트(818)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(816)의 드레인 단자는 입출력 포트(818)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(816)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제1 ASIC(802)는 셀 밸런싱 회로(814), 커패시터 밸런싱 회로 (808), 양방향 스위치(810), 유니폴라 트랜지스터(816)의 게이트 단자와 결합된다. 제1 ASIC (840)는 부하에 전력을 전달하기 위하여 셀(820), 커패시터 뱅크(822), 또는 셀과 커패시터 뱅크를 동시에 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(818)와 연결된다.
본 발명의 제2 실시예에서 셀을 위한 충전 전류는 입출력 포트(818)에서 제1 실시예에 특정한 집적 회로(840)로 흐르고, 제1 ASIC (840)에서 제1 단방향 스위치(804)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제2 실시예에서 셀(820)의 방전 전류는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(806)를 통하여 입출력 포트(818)로 흐른다.
본 발명의 제2 실시예에서 커패시터 뱅크(822)을 위한 충전 전류는 입출력 포트(818)에서 양방향 스위치(810)로 그리고 양방향 스위치(810)에서 커패시터 뱅크(822)로 흐른다.
본 발명의 제2 실시예에서 커패시터 뱅크(822)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(822)에서 양방향 스위치(810)로 흐르고, 양방향 스위치(810)에서 입출력 포트(818)로 흐른다.
도 9에서는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(900)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(900)은 본 발명의 제3 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(902), 제어기(912), 커패시터 밸런싱 회로(908), 제2 ASIC(940)로 하나의 블록에 집적된 셀 밸런싱 회로(914), 제2 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(920), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(922), 양방향 스위치(910), 입출력 포트(918), 유니폴라 트랜지스터(916), 제1 단방향 스위치(904), 제2 단방향 스위치(906)를 포함한다. 또한, 제2 ASIC(902)는 입력 포트와 출력 포트로 이루어져 있다. 제2 ASIC(902)의 입구 포트는 입출력 포트(918)와 연결된다. 제2ASIC(902)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(904)의 음극(anode) 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(904)의 양극(cathode) 단자는 복수의 셀(920)들의 양극 단자와 연결된다. 셀들의 양극 단자(920)는 제2 단방향 스위치(906)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(906)의 양극(cathode) 단자는 입출력 포트(918)와 연결된다. 커패시터 뱅크(922)는 양방향 스위치(910)과 연결되고, 양방향 스위치(910)는 입출력 포트(918)과 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(916)의 드레인 단자는 입출력 포트(918)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(916)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제2 ASIC (902)는 양방향 스위치(910), 유니폴라 트랜지스터(916)의 게이트 단자와 결합되어 있다. 제2 ASIC(940)는 부하에 전력을 전달하기 위하여 셀(920), 커패시터 뱅크(922), 또는 셀과 커패시터 뱅크를 모두 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(918)와 연결된다.
본 발명의 제3 실시예에서 셀(920)을 위한 충전 전류는 입출력 포트(918)에서 제2 ASIC(940)로 흐르고, 제2 ASIC(940)에서 제2 단방향 스위치(904)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제3 실시예에서 셀(920)의 방전 전류는 제2 단방향 스위치(906)를 통하여 셀의 양극 단자에서 입출력 포트(918)로 흐른다.
본 발명의 제3 실시예에서 커패시터 뱅크(922)를 위한 충전 전류는 입출력 포트(918)에서 양방향 스위치(910)로 흐르고, 양방향 스위치(910)에서 커패시터 뱅크(922)로 흐른다.
본 발명의 제3 실시예에서 커패시터 뱅크(922)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(922)에서 양방향 스위치(910)로 흐르고, 양방향 스위치(910)에서 입출력 포트(218)로 흐른다.
도 10에서는 본 발명의 제4 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(1000)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩은 본 발명의 제4 실시예에 따라 제1 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(1020), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크 (1022), 배터리 관리 시스템(1002), 셀 밸런싱 회로 (1014), 커패시터 밸런싱 회로(1008), 제어기(1012), 유니폴라 트랜지스터 (1016), 입출력 포트 (1018), 제1 단방향 스위치(1004), 제2 단방향 스위치(1006)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(1002)는 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 배터리 관리 시스템(1002)의 입력 포트는 입출력 포트(1018)와 연결된다. 배터리 관리 시스템(1002)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1004)의 음극(anode) 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1004)의 양극(cathode) 단자는 복수의 셀(1020)의 양극 단자와 연결된다. 셀의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1006)의 음극(anode) 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1006)의 양극 단자는 입출력 포트(1018)와 연결된다. 커패시터 뱅크(1022)는 입출력 포트(1018)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1016)의 드레인 단자는 입출력 포트(1018)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1016)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제어기(1012)는 셀 밸런싱 회로(1014), 커패시터 밸런싱 회로(1008), 배터리 관리 시스템(1002), 유니폴라 트랜지스터(1016)의 게이트 단자와 결합되어 있다. 제어기(1012)는 부하에 전력을 제공하기 위하여 셀(1020), 커패시터 뱅크(1022), 또는 셀과 커패시터 뱅크를 다 같이 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(1018)와 연결된다.
본 발명의 제4 실시예에서 셀(1020)의 충전 전류는 입출력 포트(1018)에서 배터리 관리 시스템(1002)으로 그리고 배터리 관리 시스템(1002)에서 제1 단방향 스위치(1004)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제4 실시예에서 셀(1020)의 방전 전류는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1006)을 통하여 입출력 포트(1018)로 흐른다.
본 발명의 제4 실시예에서 커패시터 뱅크(1022)를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1018)에서 커패시터 뱅크(1022)로 흐른다.
본 발명의 제4 실시예에서 커패시터 뱅크(1022)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(1022)에서 입출력 포트(1018)로 흐른다.
도 11에서는 본 발명의 제5 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(1100)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩은 본 발명의 제5 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(1102), 제1 ASIC(1140)로서 하나의 블록에 집적된 제어기(1112), 제1 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀들(1120), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(1122), 셀 밸런싱 회로(1114), 커패시터 밸런싱 회로(1108), 입출력 포트(1118), 유니폴라 트랜지스터(1116), 제1 단방향 스위치(1104), 제2 단방향 스위치(1106)를 포함한다. 또한, 제1 ASIC(1140)는 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 제1 ASIC(1140)의 입력 포트는 입출력 포트(1118)와 연결된다. 제1 ASIC(1140)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1104)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1104)의 양극 단자는 복수의 셀(1120)의 음극 단자와 연결된다. 셀(1120)의 음극 단자는 제2 단방향 스위치(1106)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1106)의 양극 단자는 입출력 포트(1118)와 연결된다. 커패시터 뱅크(1122)는 양방향 스위치(1110)와 연결되고, 양방향 스위치(1110)는 입출력 포트(1118)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1116)의 드레인 단자는 입출력 포트(1118)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1116)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제1 ASIC(1140)는 셀 밸런싱 회로(1114), 커패시터 뱅크회로(1108), 유니폴라 트랜지스터(1116)의 게이트 단자와 결합된다. 제1 ASIC(1140)는 전력을 부하에 공급하기 위하여 셀(1120), 커패시터 뱅크(1122) 또는 셀과 커패시터 뱅크를 모두 동시에 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(1118)와 연결된다.
본 발명의 제5 실시예에서 셀(1120)을 위한 충전 전류는 입출력 포트(1118)에서 제1 ASIC(1140)로 흐르고, 제1 ASIC(1140)에서 제1 단방향 스위치(1104)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제5 실시예에서 셀(1120)의 방전 전류는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1106)을 통하여 입출력 포트(1118)로 흐른다.
본 발명의 제5 실시예에서 커패시터 뱅크(1122)의 충전 전류는 입출력 포트(1118)에서 커패시터 뱅크(1122)로 흐른다.
본 발명의 제5 실시예에서 커패시터 뱅크(1122)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(1122)에서 입출력 포트(1118)로 흐른다.
도 12에서는 본 발명의 제6 실시예에 따르는 하이브리드 파워 팩(1200)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 전력 팩(1200)은 본 발명의 제6 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(1202), 제어기(1212), 커패시터 밸런싱 회로(1208), 제2 ASIC로서 하나의 블록에 집적된 셀 밸런싱 회로(1214), 제1 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(1220), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(1222), 입출력 포트(1218), 유니폴라 트랜지스터(1216), 제1 단방향 스위치(1204), 제2 단방향 스위치(1206)를 포함한다. 또한, 제2 ASIC(1202)는 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 제2 ASIC(1240)의 입력 포트는 입출력 포트(1218)와 연결된다. 제2 ASIC(1240)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1204)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1204)의 양극 단자는 복수의 셀(1220)의 양극 단자와 연결된다. 셀(1220)의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1206)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1206)의 양극 단자는 입출력 포트(1218)와 연결된다. 커패시터 뱅크(1222)는 입출력 포트(1218)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1216)의 드레인 단자는 입출력 포트(1218)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제2 ASIC(1240)는 유니폴라 트랜지스터(1216)의 게이트 단자와 결합된다. 제2 ASIC(1240)는 부하에 전력을 공급하도록 셀(1220), 커패시터 뱅크(1222) 또는 셀과 커패시터 뱅크를 모두 선택하도록 구성되어 있다. 부하는 입출력 포트와 연결된다.
본 발명의 제6 실시예에서 셀(1220)을 위한 충전 전류는 입출력 포트(1218)에서 제2 ASIC(1240)로 흐르고, 제2 ASIC(1240)에서 제1 단방향 스위치(1204)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제6 실시예에서 셀의 방전 전류(1220)는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1206)를 통하여 입출력 포트(1218)로 흐른다.
본 발명의 제6 실시예에서 커패시터 뱅크(1222)을 위한 충전 전류는 입출력 포트(1218)에서 커패시터 뱅크(1222)로 흐른다.
본 발명의 제6 실시예에서 커패시터 뱅크(1222)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(1222)에서 입출력 포트(218)로 흐른다.
도 13에서는 본 발명의 제7 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(1300)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(1300)은 본 발명의 제7 실시예에 따라 제2 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(1302), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(1322), 제1 전력공급/소스로서의 코일이 감긴 페라이트 코어(1332), 증폭기(1328), 정류기(1330), 감긴 페라이트 코어 제어 회로(1332), 제어기(1312), 배터리 관리 시스템(1302), 셀 밸런싱 회로(1314), 커패시터 밸런싱 회로(1308), 입출력 포트(1318), 유니폴라 트랜지스터(1316), 양방향 스위치(1310), 제1 단방향 스위치(1304), 제2 단방향 스위치(1306)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(1302)은 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 배터리 관리 시스템의 입력 포트는 입출력 포트(1318)와 연결된다. 배터리 관리 시스템(1302)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1304)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1304)의 양극 단자는 복수의 셀(1320)의 양극 단자와 연결된다. 셀(1320)의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1306)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1306)의 양극 단자는 입출력 포트(1318)와 연결된다. 커패시터 뱅크(1322)는 양방향 스위치(1310)와 연결되고, 양방향 스위치(1310)는 입출력 포트(1318)와 연결된다. 코일이 감긴 페라이트 코어(1326)는 증폭기(1328)와 연결되고 증폭기(1328)는 정류기(1330)와 연결되고, 정류기(1330)는 입출력 포트(1318)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1316)의 드레인 단자는 입출력 포트(1318)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1316)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제어기(1312)는 셀 밸런싱 회로(1314), 커패시터 밸런싱 회로(1308), 배터리 관리 시스템(1302), 양방향 스위치(1310), 코일이 감긴 페라이트 코어(1332)를 위한 제어회로, 유니폴라 트랜지스터(1316)의 게이트 단자와 결합된다. 제어기(1312)는 전력을 부하에 전달하기 위하여 셀(1320), 커패시터 뱅크(322), 코일이 감긴 페라이트 코어(1326) 또는 그것들의 결합을 선택하기 위하여 구성된다. 부하는 입출력 포트(1318)와 연결된다.
본 발명의 제7 실시예에서 셀(1320)의 충전 전류는 입출력 포트(1318)에서 배터리 관리 시스템(1302)로, 배터리 관리 시스템(1302)에서 제1 단방향 스위치(1304)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제7 실시예에서 셀(1320)의 방전 전류는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1306)를 통하여 입출력 포트(1318)로 흐른다.
본 발명의 제7 실시예에서 커패시터 뱅크(1322)를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1308)에서 양방향 스위치(1310)로 그리고 양방향 스위치(1310)에서 커패시터 뱅크(1322)로 흐른다.
본 발명의 제7 실시예에 따라 커패시터 뱅크(1322)의 충전 전류는 커패시터 뱅크(1322)에서 양방향 스위치(1310)로 그리고 양방향 스위치(1310)에서 입출력 포트(13189)로 흐른다.
본 발명에 따라 코일이 감긴 페라이트 코어(1326)는 전력을 하이브리드 파워 팩(1300)에 제공하기 위한 제1 전력공급/소스로 이용한다. 코일이 감긴 페라이트 코어(1326)는 변압기, 코일 와운딩 또는 코일이 감긴 전자기 코어일 수 있다. 통상적으로 코일이 감긴 페라이트 코어(1326)는 코일과 코어를 포함한다. 코일은 정상 플라스틱 보빈에 감겨지거나 또는 소프트 훼리트 자석 또는 자기 코어에 감긴다. 코일이 감긴 페라이트 코어는 제1 교류 신호를 발생시킨다. 코일이 감긴 페라이트 코어(1326)에 의하여 발생된 제1 교류 신호는 증폭기(1328)에 의하여 증폭된 제1 교류 신호를 발생시킨다. 증폭된 제1 교류 신호는 정류기(1330)에 의하여 안정 직류 신호로 변환된다. 정류기(1330)는 브릿지 정류기 또는 전파 정류기일 수 있다. 코일이 감긴 페라이트 코어(1326)에 대한 제어 회로는 교류 신호 레벨 검출기와 게인(gain) 제어 회로를 포함한다. 교류 신호 레벨 검출기는 코일이 감긴 페라이트 코어에 의하여 발생된 제1 교류 신호의 전류/전압 레벨을 검출한다. 검출된 레벨에 기초하여 코일이 감긴 페라이트 코어(1332)를 위한 제어 회로는 게인(gain) 제어 회로를 제어한다. 게인 제어 회로는 증폭기(1328)의 증폭을 제어하는 게인 제어 신호를 발생시킨다. 또한 게인 제어 회로는 제어기(1312)와 결합된다.
도 14는 본 발명의 제8 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(1400)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(1400)은 본 발명의 제8 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(1402), 제1 ASIC(1440)로서 하나의 블록으로 집적되는 제어기(1412), 제1 저장 컴포넌트로서 복수의 셀(120), 제2 저장 컴포넌트인 커패시터 뱅크(1422), 제1 전력 공급인 코일이 감긴 페라이트 코어(1426), 증폭기(1428), 정류기(1430), 코일이 감긴 페라이트 코어(1432)를 위한 제어 회로, 셀 밸런싱 회로(1414), 커패시터 밸런싱 회로(1408), 양방향 스위치(1410), 입출력 포트(1418), 유니폴라 트랜지스터(1416), 제1 단방향 스위치(1404), 제2 단방향 스위치(1406)를 포함한다. 또한, 제1 ASIC(1402)는 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 제1 ASIC(1440)의 입력 포트는 입출력 포트(1418)와 연결된다. 제1 ASIC(1440)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1404)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1404)의 음극 단자는 복수의 셀(1420)의 양극 단자와 연결된다. 셀(1420)의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1406)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1406)의 음극 단자는 입출력 포트(1418)와 연결된다. 커패시터 뱅크(1422)는 양방향 스위치(1410)와 연결되고, 양방향 스위치(1410)는 입출력 포트(1418)와 연결된다. 코일이 감긴 페라이트 코어((1426)는 증폭기(1428)와 연결되고, 증폭기(1428)는 정류기(1430)와, 정류기(1430)는 입출력 포트(1418)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1416)의 드레인 단자는 입출력 포트(1418)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1416)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제1 ASIC(1440)는 셀 밸런싱 회로(214), 커패시터 밸런싱 회로(1408), 양방향 스위치(1410), 코일이 감긴 페라이트를 위한 제어 회로(1432), 유니폴라 트랜지스터의 게이트 단자(1416)와 결합된다. 제1 ASIC(1440)는 부하에 전력을 제공하기 위하여 셀(1420), 커패시터 뱅크(1422), 코일이 감긴 페라이트 코어(1426) 또는 이들의 결합을 선택하기 위하여 구성된다.
본 발명의 제8 실시예에서 셀(1420)을 위한 충전 전류는 입출력 포트(1418)에서 제1 ASIC(1440)로 흐르고, 제1 ASIC(1440)에서 제1 단방향 스위치(1404)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제8 실시예에서 셀(1420)의 방전 전류는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1406)를 통하여 입출력 포트(1418)로 흐른다.
본 발명의 제8 실시예에서 커패시터 뱅크(1422)를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1418)에서 양방향 스위치(1410)로 흐르며 양방향 스위치(1410)에서 커패시터 뱅크(1422)로 흐른다.
본 발명의 제8 실시예에서 커패시터 뱅크(1422)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(1422)에서 양방향 스위치(1410)로 그리고 양방향 스위치(1410)에서 입출력 포트(1418)로 흐른다.
도 15는 본 발명의 제9 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(1500)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(1500)은 본 발명의 제9 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(1502), 제어기(1512), 커패시터 밸런싱 회로(1508), 제2 ASIC(1540)로서 하나의 블록으로 집적된 셀 밸런싱 회로(1514), 제1 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(1520), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(1522), 제1 전력 공급으로서의 코일이 감긴 페라이트 코어(1526), 증폭기(1510), 정류기(1530), 코일이 감긴 페라이트 코어(1532)를 위한 제어회로, 양방향 스위치(1510), 입출력 포트(1518), 유니폴라 트랜지스터(1516), 제1 단방향 스위치(1504), 제2 단방향 스위치(1506)를 포함한다. 또한, 제2 ASIC(1540)는 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 제2 ASIC(1540)의 입력 포트는 입출력 포트(1518)와 연결된다. 제2 ASIC(1540)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1504)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1504)의 양극 단자는 복수의 셀(1520)의 양극 단자와 연결된다. 셀의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1506)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1506)의 양극 단자는 입출력 포트(1518)와 연결된다. 커패시터 뱅크(1522)는 양방향 스위치(1510)와 연결되고 양방향 스위치(1510)는 입출력 포트(1518)와 연결된다. 코일이 감긴 페라이트 코어(1526)는 증폭기(1528)와 연결되고, 증폭기(1528)는 정류기(1530)와 연결되고, 정류기(1530)는 입출력 포트(1518)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1516)의 드레인 단자는 입출력 포트(1518)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1516)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제2 ASIC(1540)는 양방향 스위치(1510), 코일이 감긴 페라이트 코어(1532)를 위한 제어회로, 유니폴라 트랜지스터(1516)의 게이트 단자와 결합되어 있다. 제2 ASIC(1540)는 부하에 전력을 제공하기 위하여 셀(1520), 커패시터 뱅크(1522), 코일이 감긴 페라이트 코어(1526) 또는 이들의 결합을 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(1518)와 연결된다. 본 발명의 제9 실시예에서 셀(1520)를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1518)에서 제2 ASIC(1540)로, 제2 ASIC(1540)에서 제1 단방향 스위치(1504)를 통하여 셀의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제9 실시예에서 셀(1520)의 방전 전류는 셀의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1506)를 통하여 입출력 포트(1518)로 흐른다.
본 발명의 제9 실시예에서 커패시터 뱅크(1522)을 위한 충전 전류는 입출력 포트(1518)에서 양방향 스위치(1510)로 그리고 양방향 스위치(1510)에서 커패시터 뱅크(1522)로 흐른다.
본 발명의 제9 실시예에서 커패시터 뱅크(1522)의 방전 전류는 커패시터 뱅크(1522)에서 양방향 스위치(1510)로, 양방향 스위치(1510)에서 입출력 포트(1518)로 흐른다.
도 16은 본 발명의 제10 실시예에 따르는 하이브리드 파워 팩(1600)의 블록도다. 하이브리드 파워 팩(1600)는 본 발명의 제10 실시예에 따라 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트, 배터리 관리 시스템(1602), 커패시터 밸런싱 회로91608), 제어기(1612), 양방향 스위치(1610), 입출력 포트(1618), 유니폴라 트랜지스터(1616), 제1 단방향 스위치(1604), 제2 단방향 스위치(1606)를 포함한다. 제1 저장 컴포넌트는 복수의 커패시터(1622)를 포함한다. 제2 저장 컴포넌트는 복수의 커패시터(1622)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(1602)은 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 배터리 관리 시스템의 입력 포트는 입출력 포트(1618)와 연결된다. 배터리 관리 시스템(1602)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1604)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1604)의 양극 단자는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자와 연결된다. 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1606)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1606)의 음극 단자는 입출력 포트(1618)와 연결된다. 제2 저장 컴포넌트는 양방향 스위치(1610)와 연결되며 양방향 스위치(1610)는 입출력 포트(1618)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1616)의 드레인 단자는 입출력 포트(1618)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1616)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제어기(1612)는 커패시터 밸런싱 회로(1608), 배터리 관리 시스템(1602), 양방향 스위치(1610), 유니폴라 트랜지스터의 게이트 단자(1616)와 연결된다. 제어기는 부하에 전력을 제공하기 위하여 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트 또는 이들의 결합을 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(1618)와 연결된다.
본 발명의 제10 실시예에서 제1 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1618)에서 배터리 관리 시스템(1602)으로 흐르고, 배터리 관리 시스템(1602)에서 제1 단방향 스위치(1604)를 통하여 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제10 실시예에서 제1 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1606)를 통하여 입출력 포트로 흐른다.
본 발명의 제10 실시예에서 제2 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1618)에서 양방향 스위치(1610) 그리고 양방향 스위치(1610)에서 제2 저장 컴포넌트(1622)로 흐른다.
본 발명의 제10 실시예에서 제2 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제2 저장 컴포넌트에서 양방향 스위치(1610)로, 양방향 스위치(1610)에서 입출력 포트(1618)로 흐른다.
도 17은 본 발명의 제11 실시예에 따르는 하이브리드 파워 팩(1700)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(1700)은 본 발명의 제11 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(1702), 제어기(1712), 제3 ASIC(1740)로서의 하나의 블록에 집적된 커패시터 밸런싱 회로(1708), 복수의 커패시터(1722)로서의 제1 저장 컴포넌트, 복수의 커패시터(1722)로서의 제2 저장 컴포넌트, 제1 전력공급으로서의 코일이 감긴 페라이트 코어(1726), 증폭기(1728), 정류기(1730), 코일이 감긴 페라이트 코어(1732)를 위한 제어회로, 양방향 스위치(1710), 입출력 포트(1718), 유니폴라 트랜지스터(1716), 제1 단방향 스위치(1704), 제2 단방향 스위치(1706)를 포함한다. 제3 ASIC(1740)는 입력 포트와 출력 포트로 이루어져 있다. 제3 ASIC(1740)의 입력 포트는 입출력 포트(1718)와 연결된다. 제3 ASIC(1740)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1704)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1704)의 양극 단자는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자와 연결된다. 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1706)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1706)의 양극 단자는 입출력 포트(1718)에 연결된다. 제2 저장 컴포넌트는 양방향 스위치(1710)와 연결되고, 양방향 스위치(1710)는 입출력 포트(1718)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1716)의 드레인 단자는 입출력 포트(1718)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1716)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제3 ASIC(1740)는 양방향 스위치(1710), 유니폴라 트랜지스터(1716)의 게이트 단자와 결합된다. 제3 ASIC(1740)은 부하에 전력을 제공하기 위하여 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트, 코일이 감긴 페라이트 코어(1726) 또는 이들의 결합을 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(1718) 와 연결된다.
본 발명의 제11 실시예에서 제1 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1718)에서 제3 ASIC(1740)로 흐르고, 제3 ASIC(1740)에서 제1 단방향 스위치(1704)를 통하여 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제11실시예에서 제1 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1706)을 통하여 입출력 포트(1718)로 흐른다.
본 발명의 제11 실시예에서 제2 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1718)에서 양방향 스위치(1710)로, 양방향 스위치(1710)에서 제2 저장 컴포넌트(1722)로 흐른다.
본 발명의 제11 실시예에서 제2 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제2 저장 컴포넌트에서 양방향 스위치(1710)로 흐르고, 양방향 스위치(1710)에서 입출력 포트(1718)로 흐른다.
도 18에서는 본 발명의 제12 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(1800)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 전력 팩(1800)은 본 발명의 제12 실시예에 따라 복수의 셀(1820)로서의 제1 저장 컴포넌트, 복수의 셀(1820)로서의 제2 저장 컴포넌트, 배터리 관리 시스템(1802), 셀 밸런싱 회로(1814), 입출력 포트(1818), 유니폴라 트랜지스터(1816), 제어기(1812), 제1 단방향 스위치(1804), 제2 단방향 스위치(1806)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(1802)은 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 배터리 관리 시스템의 입력 포트는 입출력 포트(1818)와 연결된다. 배터리 관리 시스템(1802)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1804)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1804)의 양극 단자는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자와 연결된다. 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1806)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1806)의 양극 단자는 입출력 포트(1818)와 연결된다. 제2 저장 컴포넌트는 입출력 포트(1818)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1816)의 드레인 단자는 입출력 포트(1818)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1816)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제어기(1812)는 셀 밸런싱 회로(1814), 배터리 관리 시스템(1802), 유니폴라 트랜지스터(1816)의 게이트 단자와 결합된다. 중앙 제어기(1812)는 부하에 전력을 제공하기 위하여 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트 또는 그들의 결합을 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(1818)와 연결된다. 본 발명의 제12 실시예에서 제1 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1818)에서 배터리 관리 시스템(1802)으로, 배터리 관리 시스템(1802)에서 제1 단방향 스위치(1804)를 통하여 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제12 실시예에서 제1 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1806)를 통하여 입출력 포트로 흐른다.
본 발명의 제12 실시예에서 제2 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1818)에서 제2 저장 컴포넌트로 흐른다.
본 발명의 제12 실시예에서 제2 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제2 저장 컴포넌트에서 입출력 포트(1818)로 흐른다.
도 19에서는 본 발명의 제13 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(1900)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(1900)은 본 발명의 제13 실시예에 따라 배터리 관리 시스템(1902), 제어기(1912), 제4 ASIC(1940)로서의 하나의 블록에 집적되는 셀 밸런싱 회로(1914), 복수의 셀(1920)로서의 제1 저장 컴포넌트, 복수의 셀(1920)로서의 제2 저장 컴포넌트, 제1 전력 공급으로서의 코일이 감긴 페라이트 코어(1926), 증폭기(1928), 정류기(1930), 코일이 감긴 페라이트 코어(1932)를 위한 제어회로, 입출력 포트(1918), 유니폴라 트랜지스터(1916), 제1 단방향 스위치(1904), 제2 단방향 스위치(1906)를 포함한다. 제4 ASIC(1940)는 입력 포트와 출력 포트를 포함한다. 제4 ASIC(1940)의 입력 포트는 입출력 포트(1918)와 연결된다. 제4 ASIC(1940)의 출력 포트는 제1 단방향 스위치(1904)의 음극 단자와 연결된다. 제1 단방향 스위치(1904)의 양극 단자는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자와 연결된다. 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자는 제2 단방향 스위치(1906)의 음극 단자와 연결된다. 제2 단방향 스위치(1906)의 양극 단자는 입출력 포트(1918)와 연결된다. 제2 저장 컴포넌트는 입출력 포트(1918)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1916)의 드레인 단자는 입출력 포트(1918)와 연결된다. 유니폴라 트랜지스터(1916)의 소스 단자는 접지 단자와 연결된다. 제4 ASIC(1940)는 유니폴라 트랜지스터의 게이트 단자와 결합된다. 제4 ASIC(1940)는 부하에 전력을 제공하기 위하여 제1 저장 컴포넌트, 제2 저장 컴포넌트, 코일이 감긴 페라이트 코어(1926), 또는 그들의 결합을 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(1918)와 연결된다.
본 발명의 제13 실시예에서 제1 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1918)에서 제4 ASIC(1940)로, 제4 ASIC(1940)에서 제1 단방향 스위치(1904)를 통하여 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자로 흐른다.
본 발명의 제13 실시예에서 제1 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제1 저장 컴포넌트의 양극 단자에서 제2 단방향 스위치(1906)를 통하여 입출력 포트(1918)로 흐른다.
본 발명의 제13 실시예에서 제2 저장 컴포넌트를 위한 충전 전류는 입출력 포트(1918)에서 제2 저장 컴포넌트(1922)로 흐른다.
본 발명의 제13 실시예에서 제2 저장 컴포넌트의 방전 전류는 제2 저장 컴포넌트에서 입출력 포트(1918)로 흐른다.
도 20은 본 발명의 제14 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(2000)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(2000)은 본 발명의 제14 실시예에 따라 제1 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(2020), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(2022), 교류 전력원(2042)과 연결 가능한 제1 교류-직류 변환기, 배터리 관리 시스템(2002), 셀 밸런싱 회로(2014), 제어기(2012), 커패시터 밸런싱 회로(2008), 양방향 스위치(2010), 입출력 포트(2018), 유니폴라 트랜지스터(2016), 제1 단방향 스위치(2004), 제2 단방향 스위치(2006)를 포함한다. 제어기(2012)는 전력을 부하로 전달하기 위하여 셀(2020), 커패시터 뱅크(2022), 교류 전력원(2042), 또는 그들의 결합을 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트와 연결된다(2018).
본 발명에 따라 교류 전력원(2042)은 전력을 하이브리드 파워 팩(2000)에 제공하기 위한 제2 전력 공급/소스로 이용한다. 제1 교류-직류 변환기(2044)는 지속적인 직류 전력을 발생시키기 위하여 교류 전력원(2042)과 연결된다.
도 21에서는 본 발명의 제15 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(2100)에 대한 블록도를 도시한다. 하이브리드 전력 팩(2100)은 본 발명의 제15 실시예에 따라 제1 저장 컴포넌트로서의 복수의 셀(2120), 제2 저장 컴포넌트로서의 커패시터 뱅크(2122), 안테나(2146), RF 수신기 모듈(2148), RF 증폭기(2150), 제2 교류-직류 변환기(2152), 배터리 관리 시스템(2102), 셀 밸런싱 회로(2114), 커패시터 밸런싱 회로(2108), 제어기(2112), 양방향 스위치(2110), 입출력 포트(2118), 유니폴라 트랜지스터(2116), 제1 단방향 스위치(2104), 제2 단방향 스위치(2106)를 포함한다. 안테나(2146)는 무선 주파수를 캡쳐하도록 구성된다. RF수신기 모듈(2148)은 안테나(2146)와 연결된다. RF수신기 모듈(2148)은 상기 캡쳐된 무선 주파수에서 제2 교류 신호를 발생시키기 위하여 구성된다. RF증폭기(2150)는 RF수신기 모듈(2148)과 연결된다. RF증폭기(2150)는 상기 제2 교류 신호를 증폭시키도록 구성된다. 제2 직류-교류 변환기(2152)는 RF증폭기(2150)와 연결된다. 제2 교류-직류 변환기(2152)는 상기 제2 교류 신호를 직류 신호로 변환시킨다. 안테나(2146), RF수신기 모듈(2148), RF증폭기(2150), 제2 교류-직류 변환기(2152)의 배열은 제3 전력 소스/공급처럼 작용한다. 제어기(2112)는 전력을 부하에 제공하기 위하여 셀(2120), 커패시터 뱅크(2122), 제3 전력소스/공급 또는 그의 결합을 선택하도록 구성된다. 부하는 입출력 포트(2118)와 연결된다.
본 발명에 따라 하이브리드 파워 팩은 태양셀(광전지)와 같은 제4전력 소스(직류 전력원)와 연결 가능한 스텝 업(step up) 직류-직류 변환기, 지속적인 직류 전력 발생을 위한 연료셀을 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 영구 자석에 기초한 쿨링 팬은 하이브리드 파워 팩에 전력을 제공하기 위한 제5 전력공급/소스로 이용될 수 있다. 영구 자석에 기초한 쿨링 팬은 제2 교류 신호를 발생시키며, 전력 증폭기는 상기 제3 교류 신호를 증폭시키며 전력 정류기는 상기 교류 신호를 직류 신호로 변환시킨다.
본 발명에 따라 전력을 하이브리드 파워 팩에 제공하기 위하여 제1 전력소스/공급, 제2 전력소스/공급, 제3 전력소스/공급, 제4 전력소스/공급과 제5 전력공급을 독립적으로 또는 결합하여 이용할 수 있다.
본 발명에 따라 회전 자석 모터와 회전 자석 모터에 기초한 바퀴들은 하이브리드 파워 팩에 전력을 제공할 수 있다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 하이브리드 파워 팩(2200)을 충전하기 위한 블록도를 도시한다. 하이브리드 파워 팩(2200)을 충전하기 위한 블록도는 스위치(2252), 교류기(2254), 제3 교류-직류 변환기(2256), 입출력 포트(2218), 포트제어회로, 배선 A-Ai와 배선 B-B1을 포함한다. 스위치(2252)는 교류기(2254)와 연결되며 교류기(2254)는 제3 교류-직류 변환기(2256)와 연결되고, 제3 교류-직류 변환기(256)는 하이브리드 파워 팩(2200)과 연결된다. 하이브리드 파워 팩(2200)은 양극 단자(112)와 음극 단자(114)를 포함한다. 정상 작업 상태(12-18볼트의 전압범위)에서 하이브리드 파워 팩의 양극 단자(112)는 제어 회로(2216)의 양극 단자(22258)와 연결되고, 하이브리드 파워 팩(2200)의 음극 단자(114)는 제어 유닛(2216)의 음극 단자와 연결되고, 하이브리드 파워 팩(2200)의 입출력 포트(2218)는 포트 제어 회로와 양방향 배선으로 이루어져 있다. 포트 제어 회로는 제어 회로(2216)의 배터리 관리 시스템과 결합된다. 정상 작업 범위(예: 전압 12-18볼트)에서 포트 제어 회로는 하이브리드 파워 팩(2200)의 양극 단자(112)를 배선B-B1을 이용하여 제어 회로의 양극 단자(2258)와 연결시키고 하이브리드 파워 팩(2200)의 음극 단자(114)는 제어 회로(2216)의 음극 단자와 연결시킨다. 하이브리드 파워 팩(2200)의 양극 단자(112)에서 포트 제어 회로에 의하여 검출된 전압은 임계 전압보다 더 낮으며 다음 포트 제어 회로는 하이브리드 파워 팩의 양극 단자(112)를 제어 회로의 양극 단자(2258)에서 분리시키고 하이브리드 파워 팩(2200)의 음극 단자(114)를 제어 회로(2260)의 음극 단자에서 분리시키고 배선 A-A1을 제어 회로(2258)의 양극 단자와 연결시킨다. 또한, 만약 하이브리드 파워 팩(2200)의 양극 단자(112)의 전압이 임계 전압과 같거나 더 높으면 배선 A-A1은 제어회로의 양극 단자(2258)에서 완전히 분리되고 배선 B-B1은 제어회로의 양극 단자와 연결된다. 또한, 임계전압은 배터리 관리 시스템에 의하여 설정된다.
한 작업 실례에서는 연료 공급관과 대안 휴즈를 제거하여 비히클이 크랭크 시동 시도 후에 시동되지 않도록 한 다음 본 발명의 하이브리드 파워 팩과 종래의 배터리를 다양한 비히클에서 대안으로 테스트를 진행하였다. 표 1은 하이브리드 파워 팩의 실험 성능 파라미터와 비교하여 종래의 배터리의 실험적 성능 파라미터를 나타낸다. 실험 성능 파라미터는 메코 톰 테스터를 이용하여 측정한다. 실험 성능 파라미터는 크랭킹, 크랭킹 시도, 비히클 크랭킹하기 위해 요구되는 능력을 위한 평균 방전 전류다. 크랭킹 시도는 추가적인 충전없이 완전히 충전된 셀/팩에 의하여 지지되는 복수의 크랭킹 시도와 연관된다. 하이브리드 파워 팩은 40번의 크랭킹 시도를 제공하고, 한편 종래의 배터리는 평균 15번의 크랭킹 시도를 제공한다. 15번의 시도 후 종래의 배터리는 충전값에 도달하는데 이 값에서는 그 어떤 크랭크 시도 노력도 가능하지 않다.
번호 자동차형태 크랭킹때 평균 방전 전류 하이브리드 파워 팩에 대한 크랭킹 시도 종래의 배터리에 대한 크랭킹 시도 자동차 크랭킹에 대해 종래의 배터리에서 요구되는 용량 자동차 크랭킹에 대해 하이브리드 파워 팩에서 요구되는 용량
1 Maruti Ritz (1000 CC 엔진) 128 AH 40 15 32 AH 2.4 AH 셀과 6개 25 F 커패시터
2 Chevrolet Cruze (2200 CC 엔진) 352 AH 40 15 88 AH 5 AH 셀과 6개 50 F 커패시터
3 Tata 407
(2596 CC 엔진)		 400 AH 40 15 100 AH 5 AH 셀과 6개 100F 커패시터
제2 작업예에서 1000F이상의 용량을 갖고 있는 울트라 커패시터는 배터리와 결합되고, 30A와 같은 낮은 전류 출력은 미국특허 8384360에서 제안된 대로 이용된다. 이것과 같은 전력 소스는 자동차의 교류기에서의 빠른 충전에 의존한다. 만약 교류 발전기가 혼란되면 전력 소스는 두 차례의 크랭킹 이후에도 실패하게 되며 한편 유사한 조건에서 본 발명의 하이브리드 팩은 30회 이상의 시도에서 살아남게 된다.
한번의 충전이 다음번 재충전으로 이어지는 가속화된 충전 방전 테스트를 순환으로 간주한다. 종래의 배터리 Exide(DIN88)는 652번의 순환에 대해 살아남을수 있었으며 마찬가지로 Amron(AAM-GO-000-90AH)는 660회의 순환에 대해 살아남을수 있었으며, 한편 본 발명의 하이브리드 파워 팩은 제1 시험에서 6648순환에서 살아남을 수 있었으며 제2 시험에서는 6396순환에서 살아남을 수 있었다. 또한, 종래의 배터리 팩은 최소한 일정한 양의 정비를 필요로 한다. 14달 이상 동안에 자동차(Cruz, 2.2L 엔진)를 22000kms이상의 시속으로 운전한 이후 본 발명의 하이브리드 파워 팩은 접촉단자의 클리닝을 제외하고는 (그리스 제거와 먼지 제거)이 기간에 이렇다 할 정비가 없이도 시동과 음악 시스템과 조명을 비롯하여 자동차의 전기계통에 요구되는 적합한 지속 전력을 제공하였다.
기술적 이점:
본 발명에서 예견한 하이브리드 파워 팩의 기술적 이점은 하기를 포함한다:
높은 방전 전류를 제공한다;
지속적인 직류 전력을 제공한다;
단락 회로 보호를 제공한다;
반대 극성 보호를 제공한다;
비히클의 원만한 시동을 제공한다;
비히클, 태양 셀 시스템, 통신국에 직류 전력을 제공한다;
복수의 셀의 심한 방전을 제한한다.
여기에서 상당한 중점을 본 발명의 특정한 특징에 두는 한편 본 발명의 원칙에서 벗어나지 않으면서 여러가지 수정들이 첨부될 수 있으며 바람직한 실시예에서 복수의 변경이 취해질 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 이러한 변화와 다른 변화들은 본 발명에서 당업자들에게 명백할 것이며 선행서술자료들을 단순히 본 발명에 대한 제한이 아니라 서술로 해석되어야 한다는 것이 명백히 이해되어야 한다.

Claims (19)

  1. 제1 직류 출력 전압과 제1 직류 출력 전류를 생성하는 제1 저장 컴포넌트;
    상기 제1 저장 컴포넌트를 위한 충전 경로를 제공하기 위하여 제1 단방향 스위치(204)를 통하여 상기 제1 저장 컴포넌트에 결합되는 배터리 관리 시스템(202);
    상기 배터리 관리 시스템(202)과 연결되는 입출력 포트(218);
    상기 제1 저장 컴포넌트를 위한 방전 경로를 제공하기 위하여 상기 제1 저장 컴포넌트를 상기 입출력 포트(218)에 결합하는 제2 단방향 스위치(206);
    제2 직류 출력 전압과 제2 직류 출력 전류를 생성하는 제2 저장 컴포넌트-상기 제2 저장 컴포넌트는 양방향 스위치(210)를 통하여 상기 입출력 포트(218)와 결합되어 상기 제2 저장 컴포넌트를 위한 방전 경로뿐만 아니라 충전 경로를 제공함-;
    상기 입출력 포트(218)와 연결된 부하에 상기 제1 저장 컴포넌트, 상기 제2 저장 컴포넌트에서 선택적으로 또는 상기 제1 및 제2 저장 컴포넌트에서 동시에 지속적인 직류 전력을 제공하기 위하여 상기 배터리 관리 시스템(202), 상기 양방향 스위치(210) 및 상기 입출력 포트(218)와 협력하는 제어기(212)를 포함하는 하이브리드 파워 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 저장 컴포넌트가 복수의 셀(220)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 저장 컴포넌트는 복수의 커패시터를 포함하는 커패시터 뱅크(222)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템(802)과 상기 제어기(812)는 제1 ASIC(application specific integrated circuit, 840)에 집적되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 셀의 전하, 에너지와 전압 중 적어도 하나를 균등하게 하도록 하는 셀 밸런싱 회로(214)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 커패시터 뱅크에서 커패시터들의 전하, 에너지 또는 전압 중 적어도 하나를 균등하게 하도록 하는 커패시터 밸런싱 회로(208)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 저장 컴포넌트는 복수의 셀(920)이고,
    상기 제2 저장 컴포넌트는 커패시터 뱅크(922)이고,
    상기 팩은 상기 셀의 전하, 에너지 또는 전압을 균등하게 하도록 하는 셀 밸링싱 회로(914), 상기 커패시터 뱅크(922)의 커패시터의 전하, 에너지 또는 전압을 균등하게 하도록 커패시터 밸런싱 회로(908)를 포함하고,
    상기 배터리 관리 시스템(902), 상기 제어기(912), 상기 셀 밸런싱 회로(914) 및 상기 커패시터 밸런싱 회로(908)는 제2 ASIC(940)에 집적되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  8. 청구항 1에 있어서,
    접지 단자 및 상기 접지 단자, 상기 입출력 포트 및 상기 제어기와 연결되는 유니폴라 트랜지스터(216)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 스위치(210)는 충전/방전 회로(612), 비교기(606), 제너 다이오드 레귤레이터(608), 스위칭 엘리먼트(610), 커패시터(614)를 위한 모니터와 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로는 셀 제어 회로(520)와 셀 밸런싱 제어기(522)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  11. 청구항 1에 있어서,
    제1 교류 신호를 생성하도록 구성되고, 증폭기(1328)와 정류기(1330)를 통해 입출력 포트(1318)에 결합되는 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 교류 신호를 생성하도록 구성된 상기 엘리먼트에는 코일이 감긴 페라이트 코어(1326)와 같은 코일이 감긴 코어가 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1교류 신호의 전압/전류 레벨을 검출하기 위한 상기 코일이 감긴 페라이트 코어(1332)에 대한, 그리고 상기 검출된 전압/전류 레벨에 기초하여 상기 증폭기(1328)의 게인(gain)을 제어하도록 구성되는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  14. 청구항 1에 있어서,
    지속적인 직류 전력을 생성하기 위하여 교류 전력원(2042)과 연결 가능한 제1 교류-직류 변환기(2044)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  15. 청구항 1에 있어서,
    지속적인 직류 전력을 생성하기 위하여 태양셀, 연료셀과 같은 직류 전력원에 연결 가능한 스텝 업 직류-직류 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  16. 청구항 1에 있어서,
    무선 주파수를 캡쳐하도록 구성되는 안테나(2146), 상기 캡쳐된 무선 주파수에서 제2 교류 신호를 생성하기 위한 RF수신기 모듈(2148), 상기 제2 교류 신호를 증폭하기 위한 RF 증폭기(2150), 및 상기 교류 신호를 직류 신호로 변환하기 위한 제2 교류-직류 변환기(2112)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  17. 청구항 1에 있어서,
    제3 교류 신호를 생성하기 위하여 영구 자석에 기초하는 쿨링 팬(cooling fan), 상기 제3 교류 신호를 증폭하는 전력 증폭기 및 상기 제3 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 전력 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  18. 청구항 5에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템(1902), 상기 제어기(1912) 및 상기 셀 밸런싱 회로(1914)는 제4 ASIC(1940)에 집적되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
  19. 청구항 6에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템(1702), 상기 제어기(1712) 및 상기 커패시터 밸런싱 회로(1708)는 제3 ASIC(1740)에 집적되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 파워 팩.
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