KR20210028297A - 마이크로그리드의 에너지 저장 장치의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 마이크로 그리드의 다양한 에너지 소스가 생성하는 에너지를 저장하는 배터리 유닛의 제어를 담당하는 제어 유닛 및 제어 방법에 관한 것이다. 상기 그리드의 제어 유닛은 가열 유닛이나 냉각 유닛을 이용하여 배터리 유닛의 온도를 증가 또는 감소시키면서 배터리 유닛이 방전(또는 충전)하도록 하여, 상기 범위를 벗어난 저온 또는 고온에서의 방전(또는 충전)에 의한 비가역적 손상을 최소화할 수 있는 배터리 유닛, 제어 유닛, 관련 제어 방법 등을 예시한다. 또한 본 명세서는 일부 배터리가 교체가 용이하도록 장착된 배터리 유닛 및 관련 제어 방법에 관한 것이다. 일예로 다수의 배터리를 분리가 용이한 분리 배터리나 분리팩 및 상대적으로 분리가 용이하지 않은 고정 배터리나 고정팩으로 구분하여 배터리 유닛에 장착한 후, 적정 온도 범위를 벗어난 저온이나 고온에서의 방전(또는 충전)은 분리 배터리(또는 분리팩)가 선택적으로 전담하도록 할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 분리 배터리가 상기 비가역적 손상을 더 입도록 하는 반면 고정 배터리의 상기 손상은 최소화할 수 있다. 또한 사용자가 추후 손상된 배터리(또는 배터리 팩)를 교환할 때, 다수의 고정 배터리(또는 고정팩)는 그대로 배터리 유닛에 남겨둔 채, 소수의 분리 배터리(또는 분리팩)만 교체할 수 있으므로, 용량이 손실된 배터리 교체 비용도 절감할 수 있다.

Description

마이크로그리드의 에너지 저장 장치의 제어 방법{CONTROL METHOD FOR ENERGY STORAGE SYSTEM OF MICROGRID}
본 발명은 마이크로그리드의 다양한 에너지 소스가 생성하는 에너지를 저장하는 배터리 유닛의 제어를 담당하는 다양한 제어 유닛 및 제어 방법에 관한 것이다. 특히, 본 명세서의 다양한 제어 유닛은 가열 유닛, 냉각 유닛 등을 이용하여 배터리 유닛의 온도를 증가시키거나 또는 감소시키면서 배터리 유닛이 방전(또는 충전)하도록 함으로써, 적정 온도 범위를 벗어난 저온 또는 고온에서의 방전(또는 충전)에 의한 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있는 다양한 배터리 유닛과 제어 유닛 및 이와 관련된 제어 방법을 예시한다.
배터리 유닛은 일반적으로 재충전이 가능한 다수의 배터리를 포함한다. 충전 가능한 고성능 배터리들이 지속적으로 개발되고 있지만, 이들의 가격은 아직도 비싼 편이다. 특히 요즈음 널리 사용되는 리튬-이온 배터리는 고성능으로서 마이크로 그리드의 전력망에 충분한 에너지를 공급할 수 있지만, 리튬-이온 배터리의 가격이 무시하지 못할 정도인 경우가 흔하다. 따라서 마이크로 그리드 구축 시 배터리의 가격, 배터리의 내구성, 배터리 손상에 따르는 교체 기간 및 교체 가격 등이 중요한 변수가 될 수밖에 없다.
대부분의 배터리는 방전(또는 충전) 사이클을 거치며 방전(또는 충전)될 때마다 어느 정도의 방전(또는 충전) 용량을 상실한다. 물론 각각의 배터리는 상기 용량에 (최소한의) 영향만 미치는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 가진다. 따라서 외부 온도가 적정 온도 범위를 벗어난 "저온"이나 "고온"일 경우, 배터리는 방전(또는 충전)을 통하여 상당한 방전(또는 충전) 용량을 상실한다.
즉 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내의 장기간의 방전(또는 충전)은 물론 상기 범위를 벗어난 "저온" 또는 "고온" 방전 (충전)에 의하여 또는 상기 온도 범위를 벗어난 "저온" 또는 "고온" 방전(또는 충전)에 따라 배터리는 비가역적 손상을 입게 마련이다. 또한 상기 손상이 누적되면 배터리가 충전할 수 있는 에너지의 양 역시 점차적으로 감소(즉 용량 손실)하며, 손상된 배터리를 교체하는 데 막대한 비용이 들 수도 있다.
한편, 대부분의 사용자는 자신이 사용하는 마이크로 그리드가 자신이 원할 때마다 원하는 양의 전기 에너지를 공급할 수 있기를 바란다. 그 이유는 사용자는 다양한 목적으로 다양한 전기 기구를 사용하며, 상기 기구를 사용하려면 전기 에너지가 필수이기 때문이다.
이러한 이유로 과거에도 사용자는 다양한 종류의 소형 발전기를 사용하여 왔으며, 상기 발전기는 기본적으로 화석 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 기존의 엔진 및 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 포함하였다. 이와 같은 기존 발전기의 단점은 사용자가 전기 에너지를 사용하는 한 엔진을 계속 가동해야 한다는 점이다.
따라서 기존의 마이크로 그리드는 상술의 다양한 에너지 소스가 연속적 또는 간헐적으로 생성하는 전기 에너지를 다양한 충전이 가능한 배터리 등의 2차전지에 저장하였다. 하지만 상술과 같이 배터리(즉 2차전지)는 종류에 따라 상이한 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 가지며, 배터리를 상기 범위보다 낮은 "저온" 또는 상기 범위보다 높은 "고온"에서 방전(또는 충전)하면, 배터리는 음극, 양극, 전해질 또는 기타 부분에 심각한 비가역적 손상을 입게 된다. 게다가 배터리를 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내의 온도에서 방전(또는 충전)하더라도, 기존의 모든 배터리는 방전 및 충전 사이클을 따라 방전 및 충전될 때마다 어느 정도의 용량을 손실한다.
사용자는 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 속하도록 배터리 유닛을 가열 또는 냉각한 후, 배터리를 방전(또는 충전)할 수 있다. 하지만 많은 경우, 사용자는 배터리 유닛을 켜는 순간 상기 유닛의 방전을 기대하며, 따라서 배터리 유닛이 상기 온도 범위로 가열 또는 냉각되기 전 배터리 유닛의 방전을 시작해야만 하는 경우도 자주 발생한다.
이와 같이 마이크로 그리드를 통하여 에너지를 자급자족하려는 사용자는 배터리 유닛의 스위치를 켜는 순간 가능한 한 신속히 방전할 수 있는 배터리 유닛을 원한다. 하지만 사용자가 스위치를 켜는 순간 배터리 유닛의 온도가 상기 유닛에 포함된 배터리들의 적정 방전 온도 범위를 벗어난 "저온"이나 "고온"이면, 사용자는 배터리 유닛이 신속히 방전을 시작하더라도, 상기 유닛에 포함된 배터리들이 가능한 한 비가역적 손상을 적게 입기를 바라고, 이에 따라 추후 손상된 배터리를 교체해야 하는 기간이 연장되기를 바라며, 그 결과 배터리 교체 비용도 절감하기를 바란다.
일단 배터리에 비가역적 손상이 가해지면, 배터리의 용량이 심각하게 감소되며, 이는 배터리 용량 손실로 이어진다. 일단 배터리 유닛의 용량이 손실되면, 배터리 유닛에 포함된 배터리의 원활한 방전(또는 충전)이 어려워질 수 있다. 또한 다수의 배터리 중 일부만 손상을 입더라도, 손상된 배터리는 방전(또는 충전) 도중 비정상적으로 가열되거나, 배터리 유닛 전체의 방전(또는 충전)에 영향을 줄 수 있다. 그 결과 사용자는 막대한 비용을 지불하며 배터리 유닛 전체를 자주 교체해야 할 수도 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은, 충전 가능한 배터리가 방전하는 전기 에너지를 이용하는 마이크로 그리드에 있어서, 마이크로 그리드에 포함된 배터리 유닛의 다양한 구조, 배터리 유닛의 방전(또는 충전) 시점, 방전(또는 충전) 속도 및 방전과 충전 순서 등에 대한 제어를 담당하는 다양한 제어 유닛 및 상기 제어 유닛을 이용한 다양한 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 다양한 가열(또는 냉각) 유닛을 포함할 수 있고, 제어 유닛은 가열(또는 냉각) 유닛을 이용하여 배터리 유닛을 가열(또는 냉각)하여, 배터리 유닛이 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내에서 방전(또는 충전)할 수 있도록 제어한다. 그 결과 제어 유닛은 배터리 유닛이 입을 수 있는 비가역적 손상을 최소화할 수 있는 마이크로그리드를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 특히 가열(또는 냉각) 유닛이 배터리 유닛의 전체, 배터리 유닛에 포함된 다수의 배터리들 중 전부 또는 일부, 또는 배터리 유닛에 포함된 다수의 배터리 팩들 전체나 일부에 장착될 수 있도록 하는 것이며, 특히, 가열(또는 냉각) 유닛은 배터리 유닛의 외부나 내부, 배터리 팩의 외부나 내부, 또는 배터리의 외부나 내부에 장착됨으로써 가열(또는 냉각) 효율을 높일 수 있다. 따라서 제어 유닛은 가열(또는 냉각) 유닛을 이용하여 배터리 유닛의 온도를 증가(또는 감소)시킴으로써, 배터리 유닛 전체 또는 일부가 상기 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 또는 상술의 범위에 속하지는 않지만, 상술의 범위에 근접한 온도에서 방전(또는 충전)하도록 제어할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 목적은, 마이크로 그리드의 배터리 유닛에 포함된 배터리들을 다수의 세트 또는 다수의 팩으로 구분한 후, 각 배터리 세트나 각 배터리 팩을 순차적으로 또는 동시에 방전(또는 충전)함으로써, 배터리 세트나 팩에 포함된 배터리가 입는 비가역적 손상을 제어할 수 있는 배터리 유닛의 다양한 구조는 물론, 상기 배터리 세트 또는 배터리 팩의 방전(또는 충전)에 대한 제어를 담당하는 다양한 제어 유닛 및 상기 제어 유닛을 이용한 다양한 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 배터리 유닛이 하나 이상의 분리 배터리를 포함하는 분리 배터리 세트(또는 분리팩), 하나 이상의 고정 배터리를 포함하는 고정 배터리 세트(또는 고정팩) 등을 포함하고, 제어 유닛은 각 배터리 세트나 배터리 팩의 방전(또는 충전) 시점, 방전(또는 충전) 속도 또는 방전량(또는 충전량)을 제어할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 각 배터리 세트나 각 배터리 팩이 입는 비가역적 손상의 정도를 제어할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 배터리 유닛에 포함된 배터리의 수효는 물론 분리 배터리 세트 또는 고정 배터리 세트에 포함된 배터리의 수효 또는 종류를 조작할 수 있다. 마찬가지로 마이크로 그리드는 배터리 유닛의 분리 배터리 팩 또는 고정 배터리 팩에 포함된 배터리의 수효 또는 종류를 조작할 수도 있도록 하는 마이크로그리드를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전과 방전이 가능한 배터리 유닛으로서, 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리; 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리; 및 개폐가 가능한 덮개가 장착된 케이스를 포함하되, 상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 상기 케이스 내부에 장착하되, 상기 분리 배터리는 상기 고정 배터리에 비하여 상기 덮개에 더 가까이 장착함으로써, 사용자가 상기 덮개를 개방하였을 때 상기 고정 배터리에 비하여 상기 분리 배터리를 상기 유닛으로부터 분리하기가 용이한 것을 특징으로 하는 배터리 유닛이 제공된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 충전과 방전이 가능한 배터리 유닛으로서, 충전과 방전이 가능한 다수의 분리 배터리들; 충전과 방전이 가능한 다수의 고정 배터리들; 상기 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소; 및 상기 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되, 상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 것을 특징으로 하는 배터리 유닛으로서, 상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적은 것을 특징으로 하는 배터리 유닛이 제공된다.
본 명세서의 마이크로 그리드는 다양한 구조의 배터리 유닛을 포함하고 상기 유닛을 제어 유닛을 이용하여 다양한 방법으로 제어함으로써, 배터리 유닛의 방전(또는 충전) 시점, 방전(또는 충전) 속도, 방전과 충전 순서 등을 제어할 수 있다.
특히 본 명세서의 마이크로 그리드는 가열(또는 냉각) 유닛을 이용하여 배터리 유닛의 전부 또는 일부를 가열(또는 냉각)함으로써, 배터리 유닛이 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내에서 방전(또는 충전)할 수 있도록 제어한다. 그 결과 제어 유닛은 배터리 유닛이 입을 수 있는 비가역적 손상을 최소화할 수 있다. 또한 사용자는 배터리 유닛의 손상이 최소화됨에 따라 배터리 유닛의 교체 시시를 연장할 수 있고, 그 결과 배터리 유닛의 교체 비용을 최소화할 수 있다.
또한 본 명세서의 마이크로 그리드는 배터리 유닛에 포함된 다수의 배터리를 분리 배터리 세트와 고정 배터리 세트 또는 분리 배터리 팩(즉 분리팩)과 고정 배터리 팩(즉 고정팩)으로 구분하고, 제어 유닛이 상기 세트들 또는 팩들을 독립적으로 제어할 수 있도록 제작한다. 또한 마이크로 그리드는 사용자가 고정 배터리 세트(또는 고정팩)에 비하여 분리 배터리 세트(또는 분리팩)이 배터리 유닛으로부터 용이하게 교체할 수 있도록 배터리 유닛을 제작한다.
특히 제어 유닛은 사용자가 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 벗어난 "저온"이나 "고온"에서 상기 유닛의 방전(또는 충전)을 원할 경우, 분리 배터리 세트(또는 분리팩)을 선택적으로 또는 우선적으로 방전(또는 충전)함으로써, 고정 배터리 세트(또는 고정팩)에 포함된 배터리의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
이와 같이 본 명세서의 마이크로 그리드는 상기 "저온" 또는 "고온"에서의 방전(또는 충전)에 의한 비가역적 손상을 배터리 유닛 전부 대신 일부에 국한시킬 수 있다. 따라서 사용자는 배터리 유닛의 대부분을 차지하는 고정 배터리 세트(또는 고정팩)의 용량 상실을 최소화함은 물론 고정팩의 수명을 연장할 수 있다. 또한 분리 배터리 세트(또는 분리팩)을 교체할 때에도 사용자는 분리 배터리 세트(또는 분리팩)에 포함된 적은 수효의 배터리만 교체할 수 있기 때문에, 교체 비용을 최소화할 수 있다.
또한 배터리 유닛 제조사는 사용자가 필요로 하는 분리 배터리 세트(또는 분리팩)의 방전 속도나 방전량 등에 따라 분리 배터리 세트(또는 분리팩)에 포함되는 분리 배터리의 수효 또는 종류를 조작할 수도 있다. 따라서 배터리 유닛 제조사나 사용자는 분리 배터리 세트(또는 분리팩)에 포함된 배터리의 교체 시기, 교체 비용 등을 적절히 조절할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 첫 번째 예시적 측면에 의한 마이크로 그리드의 개략도이다.
도 2는 열전기 요소의 일예인 펠티어(Peltier) 열 발생 요소의 작동을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 명세서의 두 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다.
도 4는 방전 스위치가 꺼져 있는 상태의 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 작동 상태를 표시하는 개략도이다.
도 5는 본 명세서의 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다.
도 6은 본 명세서의 세 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다.
도 7은 본 명세서의 네 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다.
도 8은 본 명세서의 네 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다.
도 9는 최고 방전 온도가 최고 충전 온도보다 높고, 최저 방전 온도가 최저 충전 온도보다 높은 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위를 나타내는 개략도이다.
도 10은 최고 방전 온도가 최고 충전 온도보다 낮고, 최저 방전 온도가 최고 충전 온도보다 낮은 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위를 나타내는 개략도이다.
도 11은 최고 방전 온도가 최고 충전 온도보다 높고, 최저 충전 온도도 최저 방전 온도보다 높은 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위를 나타내는 개략도이다.
도 12는 최고 방전 온도가 최고 충전 온도보다 낮고, 최저 충전 온도가 최저 방전 온도보다 낮은 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위를 나타내는 개략도이다.
도 13은 다수의 배터리가 단일의 케이스 내부에 장착된 일체형 배터리 유닛의 예시적 구조에 대한 개략도이다.
도 14는 분리 배터리 및 고정 배터리가 단일의 케이스의 내부에 장착된 일부 분리 배터리 유닛의 예시적 구조에 대한 개략도이다.
도 15는 고정 배터리와 다수의 상이한 세트의 분리 배터리들이 단일의 케이스 내부에 장착된 일부 분리 배터리 유닛의 예시적 구조에 대한 개략도이다.
도 16은 분리팩과 고정팩이 단일의 케이스 내부에 장착된 팩 형태 배터리 유닛의 예시적 구조에 대한 개략도이다.
도 17은 분리 케이스 내부에 장착된 분리팩과 고정 케이스 내부에 장착된 고정팩을 포함하는 팩 형태 배터리 유닛의 예시적 구조에 대한 개략도이다.
도 18은 팩 형태 배터리 유닛의 다양한 제어 방법에 대한 개략도이다.
도 19는 최대 방전 시 전기 기기가 정상 등급으로 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 1/4인 전기 에너지 또는 파워를 방전할 수 있는 분리팩과, 최대 방전 시 상기 구동용 에너지에 해당하는 전기 에너지나 파워를 방전할 수 있는 고정팩을 포함하는 배터리 유닛의 제어에 대한 개략도이다.
도 20은 도 19의 분리팩이 고정팩에 직렬로 연결된 경우의 개략도이다.
도 21은 본 명세서의 다양한 예시적 측면, 실시예 및 상세예의 제어 유닛의 전기적 연결 구조, 제어 기능 등을 일반화한 개략도이다.
도22는 도 21의 배터리 유닛의 분리팩 및 고정팩이 일정 정도 손상을 입은 경우의 개략도이다.
도 23은 분리팩은 전기 기기가 정상 등급으로 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 1/4에 해당하는 전기 에너지나 파워를 방전할 수 있는 용량을 가지나, 고정팩은 상기 구동용 에너지의 3/4에 해당하는 전기 에너지 또는 파워를 방전할 수 있는 용량을 가진 경우의 배터리 유닛의 제어에 대한 개략도이다.
도 24는 도 19의 분리팩 두 개 및 최대 방전 시 최대 부하에 해당하는 전기 에너지 또는 파워를 공급할 수 있는 고정팩을 포함하는 배터리 유닛의 구조 및 제어에 대한 개략도이다.
도 25는 도 24의 분리팩 두 개가 직렬로 연결된 경우의 배터리 유닛의 구조 및 제어에 대한 개략도이다.
도 26은 도 24의 분리팩 두 개가 병렬로 연결된 경우의 배터리 유닛의 구조 및 제어에 대한 개략도이다.
도 27은 도 26의 배터리 유닛의 분리팩 및 고정팩이 일정 정도 손상을 입은 경우의 개략도이다.
도 28은 최대 방전 시 전기 기기가 정상 등급으로 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 1/4에 해당하는 전기 에너지 또는 파워를 공급할 수 있는 분리팩 및 최대 방전 시 상기 구동용 에너지에 해당하는 전기 에너지나 파워를 방전할 수 있는 고정팩을 포함하는 배터리 유닛이 마이크로 그리드의 발전 유닛과 함께 전기 에너지나 파워를 전기 기기에 공급하는 구조 및 이의 제어에 대한 개략도이다.
도 29는 도 28과 동일한 배터리 유닛을 포함하나, 발전 유닛은 상기 구동용 에너지의 3/8에 해당하는 전기 에너지 또는 파워를 생성할 수 있는 최대 발전 용량을 가진 경우이다.
도 30은 도 28 및 도 29와 동일한 배터리 유닛을 포함하지만, 발전 유닛은 분리팩 및 고정팩 각각보다 큰 발전 용량을 가지는 경우이다.
도 31은 다양한 용량의 발전 유닛을 이용하여 방전 중인 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 충전 및 이의 제어에 대한 예시이다.
<용어의 정의>
본 명세서의 "마이크로 그리드"란 하나 이상의 에너지 소스와 하나 이상의 전기 기기가 하나 이상의 전력망(electric network)을 통하여 전기적으로 연결된 그리드를 지칭한다. 일예로 본 명세서의 "마이크로 그리드"는 소규모 지역, 건물군(즉 다수의 건물들), 단독 건물 등의 다양한 전기 기기들과 하나 이상의 에너지 소스를 전력망으로 연결한다. 이 때 상기 전력망은 유선이거나 무선일 수 있다.
단 설명의 편의를 위하여 하술의 설명에서 마이크로 그리드란 하나 이상의 에너지 소스와 하나 이상의 전기 기기가 하나 이상의 전력망으로 연결된 "단일의 건물"을 의미하는 것으로 한다. 하지만 하술의 설명은 건물군 또는 다수의 다양한 건물의 전기 기기 또는 건물 외부의 다양한 전기 기기가 상기 전력망으로 연결된 마이크로 그리드에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
본 명세서의 "에너지 소스"는 상기 전력망에 연결되어 상기 마이크로 그리드의 전기 기기에 전기 에너지를 공급할 수 있는 다양한 에너지 소스를 지칭한다. 이러한 에너지 소스의 예로는 태양광 발전 장치, 태양열 발전 장치, 풍력 발전 장치, 지열 발전 장치, 조력 발전 장치 등이 있다. 상기 에너지 소스는 기존의 수력 발전 장치 또는 화력 발전 장치, 기존의 연료 전지를 포함할 수 있다. 또한 상기 에너지 소스는 화석 연료를 연소시켜 생성되는 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 하나 이상의 기존의 엔진을 포함할 수도 있다.
단 설명의 편의를 위하여 하술의 설명에서 에너지 소스는 하나 이상의 상술의 기존 엔진을 포함하는 "엔진 유닛"을 의미하는 것으로 한다. 하지만 하술의 설명은 위 문장의 다양한 발전 장치나 연료 전지 중 하나 이상을 포함하는 에너지 소스가 전력망을 통하여 다양한 전기 기기에 연결된 마이크로 그리드에도 동일하거나 또는 유사하게 적용될 수 있다.
본 명세서의 "전기 기기"는 상기 전력망으로 마이크로 그리드에 연결되고, 상기 에너지 소스로부터 전기 에너지를 공급받아 구동하는 다양한 전기 기기를 통칭한다. 상기 전기 기기의 예로는 가정용 전기 기기, 업소용 전기 기기, 산업용 전기 기기, 컴퓨터, 통신 기기, 음향 기기, 영상 기기 등을 통칭한다. 따라서 전기 기기는 마이크로 그리드에 포함된 소규모 지역, 다수의 건물들 또는 건물군, 단독 건물에 포함된 모든 전기 기기는 물론 상기 건물에 연결될 수 이는 전기 기기를 통칭한다.
단 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서 전기 기기는 단일의 건물에 포함되거나 상기 건물에 연결될 수 있는 전기 기기를 통칭하는 것으로 한다. 하지만 하술의 설명은 상기 다양한 발전 장치나 연료 전지 중 하나 이상을 포함하는 에너지 소스가 전력망을 통하여 특정 지역이나 건물군의 전기 기기에 연결된 마이크로 그리드에도 동일하거나 또는 유사하게 적용될 수 있다.
본 명세서에서 "전기 부하"는 상술의 전기 기기들이 구동하며 사용하는 전기 에너지 또는 파워를 의미한다. 따라서 "전기 부하"는 특정 지역에서의 전기 기기가 구동하는 데 필요한 전기 에너지나 파워, 다수의 건물들의 전기 기기를 구동하는 데 필요한 전기 에너지나 파워, 또는 단독 건물의 전기 기기를 구동하는 데 필요한 전기 에너지나 파워를 의미한다.
본 명세서에서 "최대 전기 부하"는 또는 "최대 부하"는 상기 전기 부하의 최대값을 의미한다. 즉 "최대 전기 부하"는 특정 지역에서의 전기 부하의 최대값, 다수의 건물들의 전기 부하의 최대값, 단독 건물의 전기 부하의 최대값일 수 있다. 또한 "최대 전기 부하" 또는 "최대 부하"는 다양한 변수를 고려하여 결정할 수 있다.
단 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서 최대 전기 부하는 단일 건물에 포함되었거나, 상기 건물에 연결될 수 있는 전기 기기를 구동하는 데 필요한 전기 에너지나 파워의 최대값을 의미한다. 주의할 점은 최대 전기 부하는 반드시 단일 건물에 포함된 모든 전기 기기들이 구동할 때의 전기 부하를 의미하는 것은 아니다. 그 이유는 사용자가 특정 건물의 히터와 냉방 장치를 동시에 켜는 일은 없기 때문이다.
따라서 일예로 "최대 전기 부하"는 상기 건물에 설치된 전력망이 파손되지 않은 채 전달할 수 있는 최대 전기 부하, 상기 건물의 사용자가 1년 또는 특정 기간 중 사용한 전기 부하의 최대값, 건물에 설치된 전기 기기 또는 상기 건물에 거주하는 사용자의 수효 등에 근거한 평균 전기 부하 또는 예상 전기 부하일 수 있다. 즉 특정 건물의 최대 전기 부하는 상이한 정의에 따라 상이해질 수 있다. 단 설명의 편의를 위하여 상반된 언급이 없는 한 본 명세서의 특정 건물의 "최대 전기 부하"는 상기 건물의 사용자가 1년 중 사용한 전기 부하의 최대값을 지칭하는 것으로 한다.
본 명세서에서 "배터리 유닛"은 방전, 충전이 가능한 하나 이상의 배터리를 포함하는 유닛을 지칭한다. 특히 배터리 유닛은 방전 및 (재)충전이 가능한 다양한 기존의 2차전지 배터리를 포함할 수 있으며, 상기 배터리의 예로는 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리, 니켈-금속-하이드라이드(Nickel-metal-hydride, 즉 NiMH로 약칭) 배터리, 용해-염(Zebra와 같은 molten salt) 배터리, 납(Lead acid) 배터리, 리튬-이온(Lithium-ion) 배터리, 박막 리튬(thin-film Lithium) 배터리, 리튬-이온-폴리머(Lithium-ion-polymer) 배터리, 리튬-황(Lithium-Sulphur) 배터리, 바나듐 산화-환원(Vanadium redox) 배터리, 은-아연(Silver-Zinc) 배터리, 나트륨 이온(Sodium ion) 배터리, 나트륨-황(Sodium-Sulphur) 배터리, 아연-브로마이드(zinc-bromide) 배터리, 아연-세리움(Zinc-Cerium) 배터리, 퀀텀(quantum) 배터리 또는 산화 반도체(oxide semiconductor) 배터리 등이 있다. 또는 "배터리 유닛"은 하나 이상의 3차전지 배터리를 포함할 수 있다.
본 명세서의 "배터리"란 위 문장의 2차전지와 기타 방전과 충전이 가능한 모든 배터리를 지칭한다. 또 본 명세서의 "리튬 배터리"란 주로 리튬-이온 배터리를 지칭하지만, 특별한 언급이 없는 이상 위 문장의 리튬-이온 배터리, 박막 리튬 배터리, 리튬-이온-폴리머 배터리, 리튬-황 배터리 등은 물론 기타 기존의 배터리 중 리튬을 포함한 배터리를 지칭할 수 있다.
단일의 "배터리 유닛"은 동일한 종류의 2차전지 배터리를 하나 이상 포함하거나 또는 상이한 종류의 2차전지를 두 개 이상 포함할 수 있다. 일예로 "배터리 유닛"은 납 배터리와 리튬 배터리를 섞어서 제작할 수 있다. 또는 "배터리 유닛"은 다수의 동일한 또는 상이한 크기나 모양의 리튬-이온 배터리들만 이용하여 제작할 수도 있으며, 이 때 상기 배터리들의 용량, 성능 등은 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
"배터리 유닛"이 다수의 배터리들을 포함하면, 상기 배터리들은 단일의 또는 다수의 전기 회로에서 직렬, 병렬 또는 이의 혼합으로 연결될 수 있다. 또한 상반된 언급이 없는 한, 특정 배터리를 기존 배터리 유닛으로부터 기계적으로 또는 전기적으로 분리하려면, 사용자는 기존 배터리 유닛의 케이스를 물리적으로 파손해야 한다. 반면 본 명세서의 배터리 유닛은 개폐가 가능한 하나 이상의 덮개가 설치된 케이스를 포함하거나 또는 다수의 팩으로 제작될 수 있다.
일예로 배터리 유닛은 다수의 배터리를 포함하되, 상기 유닛으로부터 기계적 또는 전기적으로 용이하게 분리할 수 있는 하나 이상의 배터리(즉 "분리 배터리")를 포함할 수 있다. 따라서 사용자는 "배터리 유닛"의 케이스를 파손할 필요 없이, 상기 유닛으로부터 나머지 배터리(즉 "고정 배터리")의 일부나 전부를 기계적 또는 전기적으로 분리하지 않아도, 또는 "배터리 유닛"의 나머지 배터리(즉 고정 배터리)의 일부나 전부의 전기적 연결을 끊지 않은 채, 하나 이상의 특정 배터리(즉 분리 배터리)를 상기 유닛으로부터 용이하게 기계적으로 분리할 수도 있다.
또는 "배터리 유닛"은 각각 하나 이상의 배터리를 포함하는 다수의 배터리 팩들을 포함하되, 상기 팩들은 단일 또는 다수의 전기 회로에서 직렬, 병렬 또는 이의 혼합으로 연결될 수 있다. 상기 구조의 "배터리 유닛" 역시 전기적으로 또는 기계적으로 용이하게 분리할 수 있는 하나 이상의 배터리 팩(즉 분리팩)을 포함할 수 있다.
따라서 사용자는 "배터리 유닛"으로부터 나머지 배터리 팩(즉 고정팩)들을 기계적 또는 전기적으로 분리하지 않아도, 하나 이상의 특정 배터리 팩(즉 분리팩)을 "배터리 유닛"으로부터 용이하게 기계적 또는 전기적으로 분리할 수 있다. 바꾸어 말하자면 "배터리 유닛" 전체를 마이크로 그리드에서 분리하는 대신, 배터리 유닛으로부터 분리 배터리 또는 분리팩만 상대적으로(즉 고정 배터리 또는 고정팩에 비하여) 용이하게 기계적으로 또는 전기적으로 분리할 수 있다.
단 본 명세서에서 특정 배터리를 배터리 유닛으로부터 기계적 또는 전기적으로 용이하게 분리할 수 있다는 표현은 상대적인 표현이다. 즉 배터리 R(replaceable)(또는 배터리 팩 R)과 배터리 S(stationary)(또는 배터리 팩 S)의 경우, 배터리 R을 배터리 유닛으로부터 분리하려면 사용자가 총 3회의 기계적(또는 전기적) 조작을 수행해야 하는 반면, 배터리 S를 배터리 유닛으로부터 분리하려면 사용자가 총 5회의 기계적(또는 전기적) 조작을 수행해야 하는 경우, 배터리 R은 배터리 S에 비하여 상대적으로 용이하게 분리할 수 있는 분리 배터리로 간주하는 반면, 배터리 S는 고정 배터리로 간주할 수 있다.
또는 본 명세서에서 특정 배터리를 배터리 유닛에서 기계적 또는 전기적으로 용이하게 분리할 수 있다는 표현은 상기 분리에 필요한 힘의 상대적 크기에 근거한 표현일 수 있다. 일예로 사용자가 배터리 R과 배터리 S를 배터리 유닛으로부터 분리하기 위하여 동일한 횟수의 기계적(또는 전기적) 조작을 수행해야 하나, 사용자가 10N의 힘으로 배터리 R을 상기 유닛으로부터 분리할 수 있는 반면, 25N의 힘을 가해야만 배터리 S를 상기 유닛에서 분리할 수 있는 경우, 배터리 R은 배터리 S에 비하여 상대적으로 용이하게 분리할 수 있는 분리 배터리로 간주할 수 있으며, 배터리 S는 고정 배터리로 간주할 수 있다.
본 명세서에서 "배터리 유닛의 충전률"(SoC, 즉 state of charge)은 배터리 유닛의 총 충전 용량에서 현재 충전되어 있는 정도를 퍼센트(%)로 나타낸다. 배터리 충전률은 다양한 방법으로 측정할 수 있으며, 일예로 Pop 등은 다양한 충전률 측정 방법에 대하여 설명한 바 있다. (Pop 외, "배터리 충전률 측정" (2005), 아래 참고 문헌 [1] 참조).
상술과 같이 배터리 유닛은 하나 이상의 배터리나 하나 이상의 배터리 팩을 포함한다. 따라서 각각의 배터리 또는 각각의 배터리 팩은 동일한 또는 상이한 충전률을 가질 수도 있다. 이에 따라 상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 "배터리 유닛의 충전률"은 배터리 유닛에 포함된 다수의 배터리들의 평균 충전률 또는 다수의 배터리 팩들의 평균 충전률을 지칭하는 것으로 한다.
본 명세서의 "배터리 유닛의 방전 깊이(DoD, depth of discharge)"는 상기 유닛이 최대로 방전할 수 있는 에너지의 양 대비 현재 방전할 수 있는 에너지 양을 퍼센트(%)로 나타내는 것으로 한다. 배터리 유닛은 하나 이상의 배터리 또는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 따라서 각각의 배터리나 각각의 배터리 팩은 동일한 또는 상이한 방전 깊이를 가질 수 있다. 따라서 상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 "배터리 유닛의 방전 깊이"는 배터리 유닛에 포함된 다수의 배터리들의 평균 방전 깊이 또는 다수의 배터리 팩들의 평균 방전 깊이를 지칭하는 것으로 한다. 또한 상기 "방전 깊이"는 "방전률"과 동일한 것으로 한다.
또한 본 명세서의 "배터리 유닛의 온도"는 배터리 유닛의 평균 온도를 지칭하는 것으로 한다. 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서 배터리 유닛의 온도는 "TBU"로 표시한다. 아래에서 자세히 설명하겠지만, 상기 배터리 유닛은 다수의 배터리들, 다수의 배터리 세트들, 또는 다수의 배터리 팩들을 포함할 수 있다.
따라서 상반된 설명이 없는 한, 본 명세서의 "배터리 유닛의 온도"는 하나 이상의 분리 배터리와 하나 이상의 고정 배터리를 포함하는, 하나 이상의 분리 배터리 세트와 하나 이상의 고정 배터리 세트를 포함하는, 또는 하나 이상의 분리팩과 하나 이상의 고정팩을 포함하는 배터리 유닛의 평균 온도를 의미하는 것으로 한다. 하지만 설명의 편의를 위하여, 배터리 유닛의 특정 배터리(또는 배터리 팩)의 온도가 TBU와 상이할 경우, 상기 배터리(또는 배터리 팩)의 온도는 "TB"로 표시하기로 한다.
배터리 제조사, 배터리 유닛 제조사, 마이크로 그리드 제조사 등은 단일의 센서를 이용하거나 또는 특정 위치에서 배터리 유닛의 충전률, 방전 깊이, 온도 등을 측정할 수 있다. 하지만 상기 센서를 이용하여 상기 위치에서 측정한 상기 충전률, 방전 깊이 또는 온도는 배터리 유닛의 평균 충전률, 평균 방전 깊이, 평균 온도 등과 상이할 수 있다.
따라서 상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 배터리 유닛의 충전률, 방전 깊이, 온도 등은 상기 측정치를 의미하는 것으로 하며, 상기 측정치가 없는 경우, 상기 유닛의 충전률, 방전 깊이, 온도 등은 배터리 유닛 전체의 평균 충전률, 평균 방전 깊이 또는 평균 온도를 지칭하는 것으로 한다.
본 명세서의 배터리는 "적정 방전(discharge) 온도 범위"를 가지며, 상이한 종류의 배터리의 적정 방전 온도 범위는 상이할 수 있다. 하지만 동일한 종류의 배터리라도 배터리 제조사가 사용하는 음극, 양극, 전해질, 상세 구조 등에 따라 적정 방전 온도 범위가 상이할 수 있다. 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서는 적정 방전 온도 범위의 최고 온도 및 최저 온도를 각각 최고 방전 온도(즉 TD-Max) 및 최저 방전 온도(즉 TD-Min)로 표시하기로 한다.
본 명세서의 배터리는 "적정 충전(charge) 온도 범위"를 가지며, 상이한 종류의 배터리의 적정 충전 온도 범위 역시 상이할 수 있다. 하지만 동일한 종류의 배터리라도 배터리 제조사가 사용하는 음극, 양극, 전해질, 상세 구조 등에 따라 적정 충전 온도 범위가 상이할 수 있다. 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서는 적정 충전 온도 범위의 최고 온도 및 최저 온도를 각각 최고 충전 온도(즉 TC-Max) 및 최저 충전 온도(즉 TC-Min)로 표시하기로 한다.
이상적 배터리를 제외하면, 현실 세계의 배터리는 방전(또는 충전)을 함에 따라 배터리 용량을 상실하기 마련이다. 본 명세서에서 배터리의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 상기 배터리를 일정 횟수에 걸쳐 방전(또는 충전)해도, 배터리가 용량(즉 battery capacity)을 일정 정도 이상 상실하지 않는 온도 범위를 의미하는 것으로 한다.
일반적으로 배터리(또는 배터리 유닛) 제조사는 배터리(또는 배터리 유닛)를 제작하는 도중 또는 제작한 후 각각의 배터리(또는 배터리 유닛)의 용량을 측정할 수 있다. 상기 제조사는 배터리(또는 배터리 유닛)를 일정 횟수에 걸쳐 상이한 온도에서 방전(또는 충전)하며 배터리 용량 상실 정도를 측정할 수도 있다. 이에 따라 상기 제조사는 상술의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 결정할 수 있다.
이처럼 특정 배터리의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 불변의 상수가 아니다. 오히려 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 방전(또는 충전)을 시작할 시점의 배터리 충전률, 방전(또는 충전) 시 발전 유닛이 제공하는 전류(또는 전압), 방전(또는 충전) 속도, 방전(또는 충전) 횟수, 또는 감수할 수 있는 배터리 용량 손실 등에 의하여 상이해질 수 있는 특성으로 간주할 수 있다.
또는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위의 양끝, 일예로 적정 방전을 위한 TD-Max와 TD-Min, 적정 충전을 위한 TC-Max와 TC-Min도 불변의 상수가 아니다. 오히려 상기 최고 온도와 최저 온도는 방전(또는 충전)을 시작하는 시점의 배터리 충전률, 방전(또는 충전) 시 발전 유닛이 제공하는 전류(또는 전압), 방전(또는 충전) 속도, 방전(또는 충전) 횟수, 또는 감수할 수 있는 배터리 용량 손실 등에 의하여 상이해질 수 있는 특성으로 간주할 수 있다.
일반적으로 기존의 납 배터리의 적정 방전 및 충전 온도 범위는 -20oC(즉 TD-Min 또는 TC-Min) 내지 50oC(TD-Max 또는 TC-Max)이다. 기존의 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-금속-하이드라이드 배터리의 적정 충전 온도 범위는 0oC(TC-Min) 내지 45oC(TC-Max)로서, 이는 납 배터리의 해당 범위보다 좁은 반면, 적정 방전 온도 범위는 -20oC(TD-Min) 내지 65oC(즉 TD-Max)로서, 납 배터리의 해당 범위보다 넓은 편이다. 리튬-이온 배터리의 적정 충전 온도 범위는 0oC(TC-Min) 내지 45oC(TC-Max)인 반면, 적정 방전 온도 범위는 -20oC(즉 TD-Min) 내지 60oC(TD-Max)이다. (BU-410, "저온 및 고온 충전," 아래 참고 문헌 [2] 참조).
상기 온도 범위는 배터리 종류는 물론 동일한 종류의 배터리라도 제조사 또는 제조 방법에 따라 상이해질 수 있다. 하지만 상술의 범위는 본 명세서의 다양한 배터리 유닛 및 배터리 유닛의 충전 또는 방전을 제어하기 위한 다양한 제어 유닛을 제작하고, 제어 유닛의 제어 알고리즘을 확립하기 위한 기준값으로 이용될 수 있다.
상술의 적정 충전 온도 범위보다 낮은 저온에서 배터리를 충전할 경우, 배터리는 다양한 비가역적 손상을 입을 수 있다. 일예로 0oC 이하에서 리튬-이온 배터리를 충전할 경우 리튬 금속이 음극(anode)에 막을 형성함으로써 막대한 배터리 용량 손실을 초래할 수 있다. 또한 배터리를 고속 충전할 경우, 상기 손상이 가속화될 수 있다. 따라서 저온 고속 충전 시에는 낮은 충전 전류(또는 전압)로 충전함이 유리할 수 있고, 또한 상기 적정 충전 온도 범위보다 좁은 온도 범위에서 충전함으로써 상기 손상을 최소화할 수도 있다. 일예로 고속 충전 시 리튬-이온 배터리의 적정 충전 온도 범위의 최저 온도(TC-Min)는 10oC 또는 그 이상일 수 있다.
상술의 적정 방전 온도 범위보다 낮은 저온에서 배터리를 방전하면 배터리는 다양한 비가역적 손상을 입을 수 있다. 일예로 일정 기간 이상 저온에서 방전하면, 배터리 유닛에 포함된 다수의 배터리들 중 상대적으로 손상이 배터리는 음전위(negative voltage potential)를 발현할 수 있다. 또한 상기 음전위가 계속되면, 배터리에는 역전(cell reversal) 현상이 일어날 수 있고, 역전 현상이 일어난 배터리는 궁극적으로 합선될 수 있다. 따라서 상기 배터리가 포함된 배터리 유닛은 심각한 비가역적 손상을 입힐 수도 있다. (BU-502, "고온 및 저온 방전," 아래 참고 문헌 [3] 참조).
상술의 적정 충전 온도 범위보다 높은 고온에서 배터리를 충전할 경우, 배터리는 다양한 비가역적 손상을 입을 수 있다. 일예로 고온에서 배터리를 충전하면 가스가 발생하여 배터리가 변형되며 배터리 용량 손실이 일어날 수 있다. 또한 배터리 충전률이 높을 때 고온에서 충전할 경우, 배터리의 용량 손실이 기하급수적으로 증가할 수 있다.
이에 따라 고온에서 배터리를 충전할 경우, 약한 충전 전류(또는 전압)를 사용함이 유리할 수 있으며, 상술의 적정 충전 온도보다 좁은 온도 범위에서 충전함으로써 비가역적 손상을 최소화할 수도 있다. 일예로 고속 충전 시 리튬-이온 배터리의 적정 충전 온도 범위의 최대 온도(TC-Max)는 30oC~35oC일 수도 있다. (BU-410, 아래 참고 문헌 [2] 참조; Ianniciello 외, "전기 차량의 배터리 온도 조절용 하이브리드 시스템," 아래 참고 문헌 [4] 참조).
상술의 적정 충전 온도 범위보다 높은 고온에서 배터리를 방전할 경우에도, 배터리는 다양한 비가역적 손상을 입을 수 있다. 일예로 배터리를 25oC~30oC 이상에서 방전하는 경우, 온도가 10oC 증가할 때마다 상기 배터리의 수명도 2배씩 감소한다는 연구 결과도 있으며, 심한 경우 상기 배터리 역전 현상 및 합선 등이 일어날 수 있다. (BU-501a, "리튬-이온 배터리의 방전 특성," 아래 참고 문헌 [5] 참조).
배터리 방전(또는 충전) 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 속하더라도, 배터리 유닛을 방전(또는 충전)하면 일정 정도의 용량 손실이 발생한다. 특히 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 넓게 설정하면, 배터리는 상기 범위의 양끝에 해당하는 온도에서 상대적으로 심한 비가역적 손상을 입을 수 있다. 반면 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 좁게 설정하면, 배터리는 상기 범위의 양끝에 해당하는 온도에서도 상대적으로 적은 비가역적 손상을 입게 된다.
따라서 특정 배터리의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 상기 다양한 변수들을 고려하여 다양한 범위로 결정될 수 있다. 또한 배터리 제조사, 배터리 유닛 제조사, 또는 마이크로 그리드 제조사는 동일한 배터리 또는 배터리 유닛에 대해서도 상이한 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 결정할 수 있다.
또는 상기 그리드의 사용자도 자신의 사용 습관에 따라 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 결정할 수 있다. 일예로 배터리 유닛의 방전 스위치를 켜는 순간 배터리 유닛이 온도와 무관하게 무조건 방전하기를 원하는 사용자는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 넓게 설정할 수 있다. 즉 상기 온도 범위가 넓게 설정되므로, 상기 범위에서 사용자가 방전 스위치를 켜는 즉시 제어 유닛은 배터리 유닛이 방전을 시작하도록 할 수 있다.
반면 가능한 한 배터리 유닛을 오래 사용함으로써 배터리의 교체를 최소화하기를 원하는 사용자는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 좁게 설정할 수 있다. 따라서 배터리 유닛의 온도가 상기 범위에 속하지 않는 경우, 사용자가 방전 스위치를 켜더라도, 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하지 않는다. 물론 사용자는 배터리 유닛이 가열 또는 냉각되어 상기 범위에 속하게 될 때까지 기다린 후에야 배터리 유닛의 방전을 시작할 수 있다.
이러한 특성을 반영하여, 본 명세서의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 상대적인 개념으로 사용하는 것으로 한다. 일예로 리튬-이온 배터리의 적정 충전 온도 범위는 0oC~45oC이고, 적정 방전 온도 범위는 -20oC~60oC로 정의할 수 있다. 하지만 사용자가 배터리 유닛의 용량 손실을 최소화하고 싶을 경우, 동일한 리튬-이온 배터리의 적정 충전 온도 범위는 15oC~30oC이고, 적정 방전 온도 범위는 10oC~30oC로 정의할 수도 있다.
일단 배터리 제조사, 배터리 유닛 제조사, 그리드 제조사나 사용자가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 설정하면, 본 명세서의 다양한 제어 유닛은 상기 적정 온도 범위에 근거하여 다양한 방법으로 배터리 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 등을 제어할 수 있다. 또한 제어 유닛은 상기 적정 온도 범위에 근거하여 배터리 유닛의 방전을 제어할 수도 있다. 따라서 본 명세서에서 특정 배터리, 배터리 팩 또는 배터리 유닛의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 상대적 개념으로 간주할 수 있고, 상기 온도 범위의 정확한 수치는 특정 배터리의 특성, 사용자 또는 제어 유닛이 상술의 다양한 변수를 고려하여 결정하는 것으로 한다.
<상세 측면>
본 명세서의 마이크로 그리드의 배터리 유닛과 상기 그리드의 다양한 유닛들은 다양한 구조적 특성 또는 방법 상의 특성을 가진다. 하술의 설명은 상기 구조적 특성 또는 방법 상의 특성에 대한 예시이다.
상기 특성의 첫 번째 예시의 첫 번째 실시예의 배터리 유닛은 충전과 방전이 가능하며, 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리, 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리 및 개폐가 가능한 덮개가 장착된 케이스를 포함한다. 특히 분리 배터리와 고정 배터리는 케이스 내부에 장착하되, 분리 배터리는 고정 배터리에 비해 덮개에 더 가까이 장착함으로써, 사용자가 덮개를 개방하였을 때 고정 배터리에 비하여 분리 배터리를 상기 유닛으로부터 분리하기가 용이한 것을 특징으로 한다.
상기 특성의 첫 번째 예시의 두 번째 실시예의 배터리 유닛은 충전과 방전이 가능한 다수의 분리 배터리들, 충전과 방전이 가능한 다수의 고정 배터리들, 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소 및 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함한다.
또한 일예로 배터리 유닛은 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 특징을 가질 수 있다.
다른 예로 배터리 유닛은 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적으로 또한 기계적으로 분리하기 위해 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적은 특징을 가질 수 있다.
또 다른 예로 배터리 유닛은 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며, 이에 따라 사용자가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 분리하는 것에 비해 사용자가 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 분리하는 것이 상대적으로 용이한 특징을 가질 수 있다.
상기 특성의 첫 번째 예시의 세 번째 실시예의 배터리 유닛은 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리와 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리 및 분리 배터리와 배터리 유닛을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소 및 고정 배터리와 배터리 유닛을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함할 수 있다.
또한 일예로 배터리 유닛은 분리형 전기 연결 요소와 이에 연결된 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위해 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 고정 전기 연결 요소와 이에 연결된 고정 배터리를 배터리 유닛으로부터 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 특징을 가질 수 있다.
다른 예로 배터리 유닛은 분리형 전기 연결 요소와 이에 연결된 분리 배터리를 상기 유닛으로부터 전기적으로 또한 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소와 이에 연결된 고정 배터리를 배터리 유닛으로부터 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적은 특징을 가질 수 있다.
또 다른 예로 배터리 유닛은 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며, 이에 따라 사용자가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형함으로써 고정 배터리 및 이에 연결된 고정 전기 연결 요소를 배터리 유닛으로부터 분리하는 것에 비하여, 사용자가 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형함으로써 분리 배터리 및 이에 연결된 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛으로부터 분리하는 것이 상대적으로 용이한 특징을 가질 수 있다.
상기 특성의 첫 번째 예시의 첫 번째 내지 세 번째 실시예의 다양한 마이크로 그리드 또는 상기 그리드의 배터리 유닛은 아래의 다양한 세부 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다.
일예로 분리 배터리의 수효보다 고정 배터리의 수효가 클 수 있다. 또는 분리 배터리의 수효보다 고정 배터리의 수효가 적을 수 있다.
다른 예로 분리 배터리와 고정 배터리는 동일한 종류의 2차전지일 수 있다. 또한 상기 2차전지는 리튬 배터리일 수 있다. 또는 분리 배터리와 고정 배터리는 상이한 종류의 2차전지일 수 있다.
또 다른 예로 배터리 유닛의 온도가 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내인 경우에는 고정 배터리가 방전하지만, 배터리 유닛의 온도가 상기 적정 방전 온도 범위에 속하지 않는 경우 분리 배터리가 방전할 수 있다. 따라서 고정 배터리에 비하여 분리 배터리가 상대적으로 더 큰 비가역적 손상을 입으면, 사용자는 분리 배터리를 더 용이하게 상기 유닛으로부터 분리할 수 있다.
상기 특성의 두 번째 예시의 경우, 마이크로 그리드에는 다수의 전기 기기가 연결된다. 마이크로 그리드는 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리와 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리를 포함하는 배터리 유닛 및 배터리 유닛의 방전 및 충전을 제어 유닛을 포함하되, 고정 배터리보다 분리 배터리가 배터리 유닛으로부터 더 용이하게 분리되도록 배터리 유닛에 장착되고, 배터리 유닛의 온도가 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내에 속하면 제어 유닛은 고정 배터리를 방전하여 전기 기기를 구동하는 한편, 배터리 유닛의 온도가 상기 범위에 속하지 않는 저온이나 고온이면 제어 유닛은 분리 배터리를 방전하여 전기 기기를 구동할 수 있다. 따라서 고정 배터리에 비해 분리 배터리가 심한 비가역적 손상을 입으면 사용자는 고정 배터리에 비해 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 더 용이하게 분리할 수 있는 특징을 가진다.
상기 두 번째 예시의 마이크로 그리드 또는 상기 그리드의 배터리 유닛과 제어 유닛은 아래의 다양한 세부 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다.
일예로 분리 배터리의 수효보다 고정 배터리의 수효가 클 수 있다. 또는 분리 배터리의 수효보다 고정 배터리의 수효가 적을 수 있다.
다른 예로 분리 배터리와 고정 배터리는 동일한 종류의 2차전지일 수 있다. 또한 상기 2차전지는 리튬 배터리일 수 있다. 또는 분리 배터리와 고정 배터리는 상이한 종류의 2차전지일 수 있다.
다른 예로 배터리 유닛은 분리 배터리 및 고정 배터리를 그 내부에 포함하는 케이스를 포함하고, 케이스는 개폐가 가능한 덮개를 포함하며, 분리 배터리는 고정 배터리에 비하여 덮개에 더 가까이 장착됨으로써, 사용자가 덮개를 개방하였을 때 고정 배터리에 비하여 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 분리하기가 용이한 특징을 가질 수 있다.
또 다른 예로 배터리 유닛은 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소 및 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되, 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 특징을 가질 수 있다.
또 다른 예로 배터리 유닛은 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적은 특징을 가질 수 있다.
또 다른 예로 배터리 유닛은 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며, 이에 따라 사용자가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 분리하는 것에 비해 사용자가 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 분리하는 것이 상대적으로 용이한 특징을 가질 수 있다.
상기 특성의 세 번째 예시의 첫 번째 실시예의 경우, 마이크로 그리드에는 다수의 전기 기기가 연결된다. 마이크로 그리드는 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리 및 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리를 포함하는 배터리 유닛, 가연성 연료를 연소하여 발생하는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전하는 발전 유닛 및 배터리 유닛의 방전과 충전 및 발전 유닛의 발전을 제어하는 제어 유닛을 포함한다. 특히 배터리 유닛의 온도가 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내에 속하면 제어 유닛은 고정 배터리를 방전하여 전기 기기를 구동한다. 하지만 배터리 유닛의 온도가 상기 범위에 속하지 않는 경우 제어 유닛은 발전 유닛의 구동을 통한 발전 및 분리 배터리의 방전 중 하나 이상을 선택하여 전기 기기를 구동하며, 고정 배터리보다 분리 배터리가 더 심한 비가역적 손상을 입으면 사용자는 고정 배터리에 비해 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 더 용이하게 분리할 수 있다는 특징을 가질 수 있다.
상기 세 번째 예시의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 배터리 유닛은 다양한 세부 특징은 상술의 첫 번째 및 두 번째 예시의 세부 특징과 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 특성의 네 번째 예시의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 배터리를 교체하는 방법으로서, 개폐 가능한 덮개를 포함하는 케이스를 준비하는 단계; 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리를 상기 덮개로부터 일정 거리를 두어 케이스 내부에 장착하는 단계; 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리를 덮개로부터 상기 거리보다 더 가깝게 상기 케이스 내부에 장착하는 단계 등을 포함하며, 그 결과 사용자가 덮개를 개방하면 고정 배터리에 비하여 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 교체하기가 용이한 것을 특징으로 한다.
하는 배터리 교체 방법.
상기 특성의 네 번째 예시의 두 번째 실시예도 배터리 유닛의 배터리를 교체하는 방법으로서, 충전과 방전이 모두 가능한 하나 이상의 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소를 이용하여 배터리 유닛에 전기적으로 연결하는 단계 및 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소를 이용하여 배터리 유닛에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
또한 상기 방법은 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적도록 분리 배터리와 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 방법은 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적도록 분리 배터리와 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 방법은 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위해 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며, 따라서 사용자가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 분리하는 것에 비하여 사용자가 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 분리하는 것이 상대적으로 용이하도록 분리 배터리와 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
그 결과 상기 방법은 사용자가 고정 배터리에 비하여 분리 배터리를 상기 배터리 유닛으로부터 교체하기가 용이한 특징을 가질 수 있다.
상기 특성의 네 번째 예시의 세 번째 실시예도 배터리 유닛의 배터리를 교체하는 방법으로서, 충전과 방전이 모두 가능한 하나 이상의 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소를 이용하여 배터리 유닛에 전기적으로 연결하는 단계 및 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소를 이용하여 배터리 유닛에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
또한 상기 방법은 분리형 전기 연결 요소와 이에 연결된 분리 배터리를 상기 유닛으로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 고정 전기 연결 요소와 이에 연결된 고정 배터리를 상기 유닛으로부터 분리하기 위해 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적도록 분리형 전기 연결 요소를 상기 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 방법은 분리형 전기 연결 요소와 이에 연결된 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소와 이에 연결된 고정 배터리를 상기 유닛으로부터 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적도록 분리형 전기 연결 요소를 상기 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 방법은 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위해 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며, 따라서 사용자가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하여 고정 배터리와 이에 연결된 고정 전기 연결 요소를 배터리 유닛으로부터 분리하는 것에 비하여, 사용자가 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형함으로써 분리 배터리와 이에 연결된 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛으로부터 분리하는 것이 상대적으로 더 용이하도록 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
그 결과 상기 방법은 사용자가 고정 배터리에 비하여 분리 배터리를 상기 배터리 유닛으로부터 교체하기가 용이한 특징을 가질 수 있다.
상기 네 번째 예시의 첫 번째 내지 네 번째 실시예의 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛 등은 아래의 다양한 세부 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다.
일예로 상기 방법은 분리 배터리보다 더 많은 수효의 고정 배터리를 장착하는 단계를 포함하거나, 분리 배터리보다 더 적은 수효의 상기 고정 배터리를 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 예로 상기 방법은 분리 배터리와 고정 배터리로 동일한 종류의 2차전지를 사용하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 2차전지로 리튬 배터리를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 예로 상기 방법은 분리 배터리와 고정 배터리로 상이한 종류의 2차전지를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예로 상기 방법은 배터리 유닛의 온도가 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내이면 고정 배터리가 방전하는 단계; 배터리 유닛의 온도가 상기 적정 방전 온도 범위에 속하지 않는 경우 상기 분리 배터리가 방전하는 단계; 및 고정 배터리에 비하여 분리 배터리가 상대적으로 더 큰 비가역적 손상을 입으면, 사용자는 분리 배터리를 용이하게 배터리 유닛으로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 특성의 다섯 번째 예시의 첫 번째 실시예는, 다수의 전기 기기가 연결된 마이크로 그리드에 전기 에너지를 제공하는 배터리의 방전과 충전을 제어하는 방법으로서, 상기 방법은 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리를 배터리 유닛에 장착하는 단계; 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리를 배터리 유닛에 장착하되, 분리 배터리는 상기 고정 배터리에 비하여 상기 배터리 유닛으로부터 더 용이하게 분리될 수 있도록 장착하는 단계; 배터리 유닛의 온도가 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우, 고정 배터리를 방전하여 전기 기기를 구동하는 한편 배터리 유닛의 온도가 상기 범위에 속하지 않는 저온이나 고온이면 분리 배터리를 방전하여 전기 기기를 구동하는 단계; 및 분리 배터리가 특정 정도의 비가역적 손상을 입으면 사용자는 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 용이하게 분리하여 신규 분리 배터리로 교체할 수 있는 특징을 가질 수 있다.
상기 다섯 번째 예시의 마이크로 그리드나 상기 그리드의 다양한 유닛은 아래의 다양한 세부 특징 중 하나 이상을 가질 수 있다.
일예로 상기 방법은 분리 배터리보다 더 많은 수효의 고정 배터리를 장착하는 단계, 또는 분리 배터리보다 더 적은 수효의 상기 고정 배터리를 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 예로 상기 방법은 분리 배터리와 고정 배터리로 동일한 종류의 2차전지를 사용하는 단계를 포함하거나, 상기 2차전지로 리튬 배터리를 사용하는 단계를 포함하거나, 분리 배터리와 고정 배터리로 상이한 종류의 2차전지를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예로 상기 방법은 개폐가 가능한 덮개를 포함하는 케이스 내부에 분리 배터리와 고정 배터리를 장착하는 단계; 및 분리 배터리를 상기 고정 배터리에 비하여 상기 덮개에 더 가까이 장착하는 단계를 포함하며, 그 결과 사용자가 상기 덮개를 개방하였을 때 상기 고정 배터리에 비하여 상기 분리 배터리를 상기 배터리 유닛으로부터 분리하기가 용이한 특징을 가질 수 있다.
또 다른 예로 상기 방법은 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소를 이용하여 상기 유닛에 전기적으로 연결하는 단계; 및 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소를 이용하여 상기 유닛에 전기적으로 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 방법은 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적도록 분리 배터리와 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 방법은 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적도록 분리 배터리와 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 방법은 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위해 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며, 따라서 사용자가 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 고정 배터리를 고정 전기 연결 요소로부터 분리하는 것에 비하여 사용자가 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 분리하는 것이 상대적으로 용이하도록 분리 배터리와 분리형 전기 연결 요소를 배터리 유닛에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
그 결과 상기 방법은 사용자가 고정 배터리에 비하여 분리 배터리를 유닛으로부터 교체하기가 용이하다는 특징을 가질 수 있다.
아래에서는 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드에 포함될 수 있는 가열 유닛 또는 냉각 유닛, 상기 유닛들을 이용하여 상기 그리드의 배터리 유닛의 작동이나 온도를 제어할 수 있는 다양한 제어 유닛, 이와 관련된 다양한 제어 방법 등을 예시한다. 특히 본 명세서는 상기 마이크로 그리드 또는 상기 유닛의 구조 상의 특징, 작동 상의 특징 및 제어 상의 특징 은 물론 이와 관련된 다양한 작동 방법 및 제어 방법을 설명한다.
본 명세서는 첨부된 도면과 상술과 하술의 설명을 참고로 한다. 단 본 명세서의 다양한 예시적 측면, 각 예시적 측면의 다양한 실시예, 각 실시예의 다양한 상세예는 상이한 형태에 해당할 뿐이다. 따라서 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 가열 유닛 또는 냉각 유닛 및 상기 유닛들을 제어할 수 있는 제어 유닛의 구조 상 또는 작동 상의 특징과 이들의 다양한 제작 방법 및 작동 방법 등은 상이한 구조, 방법, 절차, 작동 실행 순서 등을 통하여 구현될 수도 있다.
따라서 본 명세서의 마이크로 그리드 또는 상기 그리드의 다양한 유닛 등의 구조 상 또는 작동 상의 특징과 이들의 다양한 제작 방법 또는 작동 방법은 상술 및 하술의 예시적 측면, 실시예 및 상세예에 국한되지 않는다. 오히려 상기 예시적 측면, 실시예 및 상세예는 본 명세서를 완전하고 철저히 설명하기 위한, 그리고 상기 그리드나 다양한 유닛의 구조 상의 특성 및 작동 상의 특성과 이들의 다양한 제작 방법 또는 작동 방법을 이와 관련된 분야의 당업자에게 완전히 알리기 위한, 또한 상기 그리드나 유닛 및 작동 및 제어 등의 범위를 상기 당업자에게 완전히 알리기 위함이다.
상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 도면은 설명의 편의 상 상기 그리드의 다양한 유닛, 요소 또는 부위를 실제 크기, 비율 등으로 표시하지 않을 수도 있다. 또한 하술의 도면에서 특정 유닛, 요소, 부위, 또는 이들의 작동 순서나 스텝을 동일한 숫자로 나타내면, 이는 상기 유닛, 요소, 부위, 순서, 스텝 등이 서로 동일하거나, 유사하거나, 또는 기능적으로 균등함을 나타낸다.
본 명세서의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛들에 대한 다양한 예시적 측면, 실시예, 상세예 등은 서로 상이할 수 있지만, 상반된 설명이 없는 한 서로 배타적인 것은 아니다. 일예로 특정 예시적 측면, 실시예 등에서 예시한 마이크로 그리드나 상기 그리드의 특정 유닛의 특성, 구조, 작동, 기능, 방법, 작동 실행 순서 또는 특징은 [1] 서로 상충되지 않는 한 또는 [2] 본 명세서에서 예시한 다양한 그리드 또는 상기 그리드의 특정 유닛의 목적, 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않는 한, 이와 상이한 예시적 측면, 실시예 또는 상세예의 그리드 또는 상기 그리드의 유닛에도 적용될 수 있다.
또한 위 문단의 [1] 또는 [2]의 적용에서, 마이크로 그리드나 상기 그리드의 다양한 유닛의 특성, 구조, 작동, 기능, 방법, 작동 실행 순서, 특징 등의 일부는 본 명세서의 설명의 자세한 문맥에 따라 수정 또는 생략될 수 있고, 또한 필요한 경우 상이한 부분이 추가될 수 있다.
본 명세서의 예시적 측면, 실시예 또는 상세예의 각 유닛이나 상기 유닛의 요소나 부위 등의 배치 또는 위치도 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드의 목적, 정신 또는 범위를 벗어나지 않는 범위에서 수정될 수 있다.
하술의 설명은 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드의 다양한 유닛, 상기 유닛의 다양한 요소, 상기 요소의 다양한 부위 등을 이용하여 상기 그리드의 배터리 유닛의 온도가 적정 온도 범위 이내에 속하도록 가열 또는 냉각할 수 있는 다양한 구조 또는 제어 방법 등에 관한 것이다.
또는 하술의 설명은 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 온도가 상기 적정 온도 범위에 속하지 않을 때 상기 유닛의 방전(또는 충전)하더라도, 상기 유닛이 입는 비가역적 손상을 최소화할 수 있는 다양한 구조나 제어 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 제어 유닛은 다양한 구조 또는 제어 방법을 통하여 상기 비가역적 손상을 배터리 유닛의 전체가 아닌 일부에만 국한시킬 수 있다.
이 같이 하술의 예시적 측면, 실시예 또는 상세예는 상기 그리드, 상기 그리드의 다양한 유닛, 상기 유닛의 다양한 요소들, 상기 요소의 다양한 부위들 등의 범위를 제한하기 위함이 아니다. 오히려 하술의 예시적 측면, 실시예 또는 상세예는 상기 그리드, 유닛, 요소 또는 부위를 보다 더 자세히 설명하기 위함이다.
본 명세서의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 다양한 유닛, 상기 그리드와 다양한 유닛의 사용 방법과 제어 방법 등의 범위는 하술의 청구항에 의해서만 결정된다. 특히 상기 그리드, 상기 그리드의 다양한 유닛들 및 이와 관련된 다양한 방법과 관련된 청구항의 범위에는 상기 그리드, 유닛 및 방법의 균등 그리드, 균등 유닛 및 균등 방법도 포함된다.
하술에서는 첨부한 도면을 참고하여 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 요소의 구조, 제어 및 관련 방법에 대한 다양한 예시적 측면, 실시예 및 상세예를 자세히 설명한다. 이를 통하여 관련 분야의 당업자는 상기 마이크로 그리드, 상기 그리드의 다양한 유닛 및 이와 관련된 제어 및 작동 방법 등을 용이하게 이해하고, 이를 제작하며, 사용할 수 있다.
1. 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 온도 조절을 위한 구조 및 방법
본 명세서의 첫 번째 예시적 측면의 마이크로 그리드는 배터리 유닛과 제어 유닛 외에도 가열 유닛과 냉각 유닛 중 최소 하나 이상의 유닛을 포함하되, 제어 유닛이 가열 유닛 또는 냉각 유닛을 제어하여 배터리 유닛의 전부 또는 일부의 온도를 제어하는 것을 특성으로 한다.
[도1]은 본 명세서의 첫 번째 예시적 측면에 따른 마이크로 그리드 나타낸다. 단 [도1]에서는 설명의 편의를 위하여 마이크로 그리드의 다양한 요소를 전기적으로 연결하는 전선, 배전반, 전압 센서, 전류 센서 등과 같이 기존의 마이크로 그리드가 포함하는 다양한 유닛, 요소 등은 생략하였다. 또한 설명의 편의를 위하여 상기 그리드의 전기 기기는 단일의 건물에 포함된 전기 기기를 지칭하는 것으로 한다.
[도1]과 같이 마이크로 그리드는 에너지 소스(110), 발전 유닛(120), 배터리 유닛(150), 전기 기기(160) 등을 포함할 수 있다. 또한 상기 그리드는 가열 유닛(130)과 냉각 유닛(140) 중 하나를, 또는 이들을 모두 포함할 수 있다. 또한 [도1]은 상기 유닛들의 기계적 구조나 연결 대신 기능적 구조를 예시하며, 특히 전기적 연결 및 에너지 제공 경로를 예시한다. 따라서 상기 유닛들이 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드에 장착되며 하술의 설명과 같이 전기적으로 연결되는 한, 상기 유닛들은 [도1]에서 예시한 위치 또는 순서와 상이한 위치 또는 순서에 따라 연결될 수 있다.
[도1]에는 표시되어 있지 않지만, 상기 그리드 하나 이상의 제어 유닛을 포함한다. 이에 따라 하술의 설명에서 상기 그리드는 제어 유닛을 통하여 다수의 유닛의 작동을 제어하는 것으로 한다. 특히 제어 유닛은 에너지 소스(110)의 제어를 담당하는 소스 제어 요소(element), 발전 유닛(120)의 제어를 담당하는 발전 제어 요소, 배터리 유닛(150)의 제어를 담당하는 배터리 제어 요소, 전기 기기(160)와 관련된 제어를 담당하는 기기 제어 요소를 포함할 수 있으며, 가열 유닛(130)의 제어를 담당하는 가열 제어 요소 및 냉각 유닛(140)의 제어를 담당하는 냉각 제어 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제어 유닛이 포함하는 상술의 다양한 제어 요소들은 해당하는 요소의 내부 또는 그 주변에 각각 설치되거나, 또는 단일의 몸체의 (중앙) 제어 요소의 형태로 제작될 수 있다.
따라서 제어 유닛 또는 상기 제어 요소들이 본 명세서에서 예시한 다양한 제어를 수행하는 한, 상기 제어 유닛이나 제어 요소들의 상세한 형태, 구조, 배치 또는 위치는 중요하지 않다. 또한 설명의 편의를 위하여 본 명세서의 "제어 유닛"은 상술의 중앙 제어 요소 또는 6개의 유닛에 대한 개별적 제어 요소 중 하나 이상을 통칭하는 것으로 한다.
상술과 같이 에너지 소스(110)는 마이크로 그리드의 전력망에 연결되어 상기 그리드의 다양한 종류의 전기 기기에 전기 에너지를 공급할 수 있는 다양한 에너지 소스를 말한다. 에너지 소스(110)은 다양한 방법으로 재생 에너지를 생성할 수 있고, 이의 예로는 태양광, 태양열, 풍력, 조력, 지열 등을 이용하는 방법이 있다.
재생 에너지를 이용하여 에너지를 생성하는 경우의 장점은 원료 값이 거의 들지 않으며, 에너지의 소스가 고갈되지 않는다는 점이다. 하지만 재생 에너지를 이용하는 경우의 단점은 재생 에너지를 생성하는 장치 가격이 고가라는 점 및 생성되는 에너지의 양이 일정하지 않다는 점이다.
상기 에너지 소스(110)는 화석 연료를 이용하여 열 에너지를 생성하고 이를 기계적 에너지로 변환할 수 있는 하나 이상의 기존의 엔진을 포함할 수 있다. 기존 엔진의 예로는 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 엔진, 디젤을 연료로 사용하는 디젤 엔진, 수소를 연료로 사용하는 수소 엔진, 프로판 가스를 연료로 사용하는 프로판 엔진, 액화 석유 가스나 천연 가스를 연료로 사용하는 LPG나 LNG 엔진 등이 있다.
기존의 엔진을 에너지 소스(110)로 이용하는 경우의 단점은 엔진이 화석 연료를 연소하며 배기 가스를 배출한다는 점이다. 하지만 엔진을 에너지 소스(110)로 사용하는 경우의 장점은 일정 속도로 에너지를 생성할 수 있음은 물론 상기 속도의 제어가 가능하다는 점이다. 이에 따라 상반된 언급이 없는 한, 하술의 에너지 소스(110)는 하나 이상의 기존의 엔진을 포함하는 엔진 유닛(110)을 의미하는 것으로 한다.
엔진 유닛(110)은 엔진이 생성하는 기계적 에너지 EENG 또는 기계적 파워 PENG(즉 단위 시간 당 에너지 발생량)를 발전 유닛(120)에 제공한다. 제어 유닛 또는 엔진 제어 요소는 상기 에너지가 생성되는 또는 제공되는 양을 제어할 수 있고, 상기 양은 일반적으로 엔진 용량(일예로 실린더 내부의 총 부피), 엔진 회전수, 엔진 효율 등에 따라 변할 수 있다. 이와는 달리 상기 양은 발전 유닛(120)이 필요로 하는 전기 에너지 또는 전기 파워에 따라 변할 수 있다.
엔진 유닛(110)은 기존의 엔진에 포함되는 다양한 부품을 포함할 수 있다. 일예로 엔진 유닛(110)은 피스톤, 실린더, 밸브 등을 포함할 수 있다. 또한 상기 엔진이 다수의 피스톤과 실린더를 포함할 경우 배전기(distributor)를 포함할 수 있다. 엔진 유닛(110)은 기존의 공냉식 요소나 수냉식 요소를 이용하여 엔진을 냉각함으로써, 엔진 유닛(110)의 온도를 제어할 수 있다. 엔진 유닛(110)이 상기 에너지나 파워를 생성한 후 이의 최소한 일부를 발전 유닛(120)으로 제공할 수 있는 한, 엔진 유닛(110)은 마이크로 그리드의 다양한 위치에 장착될 수 있다.
발전 유닛(120)은 엔진 유닛(110)이 생성하여 제공하는 기계적 에너지나 파워를 전기 에너지 또는 파워로 변환하는 하나 이상의 기존의 발전 요소(generator)를 포함할 수 있다. 기존의 발전 요소의 예로는 회전 계자형(revolving field type) 발전 요소, 회전 전기자형(revolving amateur type) 발전 요소 등이 있으며, 상기 발전 요소는 교류 발전 요소 또는 직류 발전 요소일 수 있다. 특히 발전 요소가 교류 전류를 생성하는 경우, 발전 유닛(120)은 정류기(rectifier)를 이용하여 상기 교류 전기를 직류 전기로 변환한 후, 하술의 배터리 유닛(150)에 제공할 수 있다.
발전 유닛(120)은 다양한 수효나 종류의 발전 요소를 이용하여 EGEN,T만큼의 전기 에너지 또는 PGEN,T만큼의 전기 파워를 생성할 수 있다. 발전 유닛(120)은 상기 에너지나 파워의 전부나 일부를 [1] 배터리 유닛(150)에 EGEN,B 또는 PGEN,B만큼 제공하거나, [2] 가열 유닛(130)에 EGEN,H 또는 PGEN,H만큼 제공하거나, [3] 냉각 유닛(140)에 EGEN,C 또는 PGEN,C만큼 제공하거나, 또는 [4] 배터리 유닛(150)을 거치지 않은 채 직접 전기 기기(160)에 EGEN,L또는 PGEN,L만큼 제공할 수 있다.
상술과 같이 발전 유닛(120)이 두 개 이상의 유닛에 에너지나 파워를 제공할 때, 전기 저항이나 누전 등의 손실이 없다면, 상기 유닛들에 제공된 에너지나 파워의 합은 각각 EGEN,T 또는 PGEN,T에 해당할 수 있다. 물론 상기 에너지 또는 파워는 발전 유닛(120)의 발전 용량, 전기적 특성, 발전 효율 등은 물론, 엔진 유닛(110)이 제공하는 기계적 에너지 또는 기계적 파워의 양에 따라 변할 수 있다.
제어 유닛 또는 발전 제어 요소는 발전 유닛(120)이 생성하는 전기 에너지 또는 파워의 양의 제어, 다양한 유닛에 제공하는 상기 에너지나 파워의 양 등을 제어할 수 있다. 제어 유닛이나 발전 제어 요소는 발전 유닛(120)의 외부 또는 주변에 배치할 수 있다. 또는 발전 유닛(120)은 자신이 생성하는 전기 에너지나 전기 파워의 양의 제어, 상기 에너지나 파워의 제공 등을 자체적으로 제어할 수 있다. 이 경우 발전 유닛(120) 중 상기 제어를 담당하는 부분을 발전 제어 요소로 간주할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 상기 부분을 제어 유닛으로 지칭할 수도 있다.
상술과 같이 배터리 유닛(150)은 하나 이상의 기존의 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 (재)충전이 가능한, 기존의 2차전지일 수 있다. 배터리 유닛(150)은 발전 유닛(120)으로부터 EGEN,B의 전기 에너지 또는 PGEN,B의 전기 파워를 공급받아 충전된다. 일반적으로 배터리 유닛(150)은 발전 유닛(120)으로부터 배터리 방전 전, 방전 중, 또는 방전 후, 상기 에너지 또는 파워를 공급받으며 충전될 수 있다.
배터리 유닛(150)은 방전을 통하여 EBAT의 전기 에너지나 PBAT의 전기 파워를 전기 기기(160)에 공급할 수 있다. 일반적으로 배터리 유닛(150)은 배터리의 충전 이전, 도중, 또는 이후 방전을 통하여 전기 기기(160)에 전기 에너지 또는 파워를 공급할 수 있다.
특히 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 속하지 않는 저온이나 고온에서의 배터리 방전(또는 충전)은 배터리의 양극, 음극, 전해 물질 등에 비가역적 손상을 입을 수 있고, 배터리는 용량을 상실(battery capacity loss)할 수 있다. 따라서 배터리는 성능 유지를 위해서 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내에서 방전(또는 충전)함이 바람직하다.
일반적으로 특정 배터리의 적정 방전 온도 범위와 적정 충전 온도 범위는 일치하지 않는다. 따라서 특정 온도에서 배터리 유닛(150)을 방전(또는 충전)하더라도 상기 배터리의 성능에 최소한의 영향만 주지만, 동일한 온도에서 상기 유닛(150)을 방전(또는 충전)하면 배터리의 성능에 악영향을 줄 수도 있다.
따라서 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 온도(즉 TBU)나 외부 온도에 따라 배터리 유닛(150)의 방전과 충전을 각각 개별적으로 제어할 수도 있다. 일예로 제어 유닛은 특정 온도에서 배터리 유닛(150)의 방전은 허용하지만 충전은 방지하거나, 또는 충전은 허용하지만 방전은 금지할 수 있다. 이러한 구조는 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
설명의 편의를 위하여 본 명세서에서는 적정 방전(discharge) 온도 범위의 최고 온도와 최저 온도를 각각 TD-Max 및 TD-Min으로 표시하기로 하는 한편, 적정 충전(charge) 온도 범위의 최고 온도와 최저 온도를 각각 TC-Max 및 TC-Min로 표시하기로 한다. 즉 적정 방전 온도 범위는 TD-Min부터 TD-Max이고, 적정 충전 온도 범위는 TC-Min부터 TC-Max이다.
상술과 같이 전기 기기(160)는 마이크로 그리드의 전력망에 연결되어 전기 에너지를 공급받을 수 있는 전기 기기를 통칭하며, 전기 기기에 대해서는 "용어의 정의"에서 이미 자세히 설명하였으므로, 더 이상의 설명은 생략한다. 또한 상술과 같이 전기 기기는 "최대 부하"를 가지며, 최대 부하에 대해서는 "용어의 정의"에서 자세히 설명하였으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
가열 유닛(130)은 하나 이상의 기존의 열 발생 요소를 포함한다. 가열 유닛(130)은 발전 유닛(120)으로부터 EGEN,H 또는 PGEN,H 만큼의 에너지나 파워를 공급받아 QH만큼의 열을 발생할 수 있으며, 상기 열을 단위 시간 당 QH/Δt의 속도로 배터리 유닛(150)에 제공할 수 있도록 제작한다. 가열 유닛(130)은 열전도(conduction)나 대류(convection)를 이용하여 열을 배터리 유닛(150)에 공급함으로써, 배터리 유닛(150), 상기 유닛(150)의 하나 이상의 배터리, 또는 하나 이상의 배터리 팩의 온도를 증가시킬 수 있도록 제작한다.
가열 유닛(130)이 열전도에 의존할 경우, 열 발생 요소는 배터리 유닛(150)의 배터리에 가능한 한 가깝게 배치하는 것이 유리하다. 반면 대류에 의존하는 가열 유닛(130)은 공기를 가열하고, 가열된 공기가 배터리를 가열한다. 이에 따라 열전도에 의존하는 가열 유닛(130)에 비하여, 대류에 의존하는 가열 유닛(130)은 배터리 유닛(150)의 외부나 내부로 주입되는 공기를 가열할 수 있는 위치에 설치할 수 있다.
가열 유닛(130)은 적정 전기 저항을 가진 선, 코일, 판, 박막 등의 형태를 가진 금속 또는 비금속의 열 발생 요소를 포함하며, 상기 열 발생 요소는 전기 에너지나 파워를 공급받아 이를 열로 변환할 수 있다. 또는 가열 유닛(130)은 전기 에너지나 파워를 공급받으면 펠티어(Peltier) 효과, 시벡(Seebeck) 효과 또는 톰슨(Thomson) 효과에 의해 열을 방출할 수 있는 열전기 요소(thermoelectric element)와 같은 열 발생 요소를 하나 이상 포함할 수도 있다.
가열 유닛(130)은 전기 에너지 또는 파워를 열로 변환할 수 있는 기타 기존 요소를 이용하여 열을 발생할 수 있다. 기존의 다양한 열 발생 요소는 다양한 물질로 이루어질 수 있고, 다양한 크기나 다양한 모양으로 제작될 수 있다. 따라서 열 발생 요소는 배터리 유닛(150)의 내부나 외부, 상기 유닛(150) 내부에 장착된 배터리 또는 배터리 팩의 내부나 외부 등의 다양한 위치에 배치될 수 있다.
[도2]는 열전기 요소의 일예인 펠티어 열 발생 요소의 작동을 나타내는 개략도이다. [도2]와 같이 전기 에너지 또는 파워가 펠티어 열 발생 요소에 공급되면, 상기 요소의 한 쪽 면은 가열되는 한편, 반대쪽 면은 냉각된다. 이에 따라 펠티어 열 발생 요소를 이용할 때 상기 요소의 위치나 방향이 적합하지 않으면, 펠티어 열 발생 요소의 가열면을 접촉하는 배터리의 온도는 증가하는 반면, 동일한 열 발생 요소의 냉각면을 접촉하거나 또는 상기 냉각면에 근접한 배터리의 온도는 감소할 수 있다.
배터리 유닛(150)이 단일의 배터리 팩 형태로 제작되면, 가열 유닛(130)은 배터리 팩의 케이스의 외부 또는 내부를 직접 접촉하도록 하거나 상기 외부나 내부로부터 특정 거리가 되도록 배치함으로써, 배터리 팩에 열을 효과적으로 전달할 수 있다. 가열 유닛(130)은 상기 케이스 내부에 배치할 수 있고, 하나 이상의 배터리에 열을 효율적으로 전달할 수 있는 위치 및 거리에 배치할 수 있다.
반면 배터리 유닛(150)이 서로 격리된 다수의 배터리 팩 형태로 제작되면, 가열 유닛(130)은 하나 이상의 열 발생 요소를 하나 이상의 배터리 팩에 배치할 수 있다. 특히 배터리 유닛(150)이 상기 분리팩과 고정팩을 포함하면, 가열 유닛(130)은 하나 이상의 열 발생 요소들을 분리팩과 고정팩에 동일한 또는 상이한 수효 또는 패턴으로 배치할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 상기 열 발생 요소들을 이용하여 분리팩을 먼저 가열하거나, 고정팩을 먼저 가열하거나, 분리팩을 가열한 후 순차적으로 고정팩을 가열하는 등 다양한 가열 패턴에 따라 분리팩과 고정팩의 온도를 제어할 수 있다.
또한 가열 유닛(130)은 열 발생 요소와는 상이한, 열전도도가 높은 물질로 이루어진 다양한 모양의 열 전달 요소를 포함할 수 있다. 열 전달 요소는 열 발생 요소를 직접 접촉하도록 또는 열 발생 요소의 주변에 배치할 수 있다.
특히 열 전달 요소는 열 발생 요소가 발생한 열을 열전도를 통하여 전달하는 통로 역할을 담당한다. 따라서 배터리 유닛(150) 내부에 장착되었지만 열 발생 요소를 직접 접촉하지 않는 배터리나 배터리 팩은 열 발생 요소가 생성한 열을 이로부터 직접 전달받는 대신, 열 전달 요소를 통하여 간접적으로 전달받을 수 있다. 열 전달 요소의 예로는 금속은 물론 열전도도가 높은 플라스틱 등이 있다.
[도1]에 도시하지는 않았지만, 가열 유닛(130)은 발전 유닛(120) 대신 배터리 유닛(150)으로부터 에너지나 파워를 공급받아 열을 발생할 수 있다. 이에 따라 제어 유닛은 엔진 유닛(110)이 구동되기 전 배터리 유닛(150)을 방전하여 가열 유닛(130)을 구동할 수 있고, 그 결과 배터리 유닛(150)은 엔진 유닛(110)이 구동되기 전 배터리 유닛(150)의 방전과 동시에 가열될 수 있다. 이 경우에도 가열 유닛(130)은 배터리 유닛(150) 내부에 포함된 하나 이상의 배터리 또는 배터리 팩에 열을 전달할 수 있다.
상술과 같이 배터리 유닛(150)의 온도가 배터리의 TD-Min보다 낮을 때 배터리를 방전하면, 배터리의 양극(anode) 또는 음극(cathode)이 비가역적으로 손상되어 배터리의 성능이 저하될 수 있다. 이러한 경우 가열 유닛(130)은 상기 배터리의 양극 또는 음극에 집중적으로 열을 공급하여 양극 또는 음극의 손상을 최소화할 수 있다.
또는 배터리 유닛(150)의 온도가 배터리의 TD-Min보다 낮을 때 배터리를 방전하면 배터리 전해질이 손상될 수 있는 경우, 가열 유닛(130)은 하나 이상의 배터리의 외부에 전체적으로 열을 전달하여, 배터리 전해질의 온도를 상승시킬 수 있다. 또한 위의 문단과 본 문단에서 예시한 구조는 배터리의 TC-Min보다 낮은 온도에서 배터리를 충전할 때에도 사용할 수 있다.
냉각 유닛(140)은 하나 이상의 기존의 냉각 요소를 포함한다. 냉각 유닛(140)은 발전 유닛(120)으로부터 EGEN,C의 에너지나 PGEN,C의 파워를 공급받은 후, 배터리 유닛(150)의 열 에너지를 QC만큼 흡수하거나 또는 QC/Δt의 속도로 흡수함으로써, 배터리 유닛(150) 또는 배터리의 온도를 감소시킬 수 있다. 상기 냉각 유닛(140)은 열전도나 대류를 이용하여 배터리 유닛(150)의 온도를 감소시킨다. 특히 냉각 유닛(140)은 배터리 유닛(150)의 외부나 내부의 온도, 상기 유닛(150) 내부의 하나 이상의 배터리 또는 하나 이상의 배터리 팩의 온도를 감소시킬 수 있도록 제작한다.
열전도에 의존하는 냉각 유닛(140)의 냉각 요소는 배터리 유닛(150)의 배터리에 가능한 한 가깝게 배치하는 것이 유리하다. 반면 대류에 의존하는 냉각 유닛(140)은 공기를 냉각한 후 이를 이용하여 배터리의 온도를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 열전도에 의존하는 냉각 유닛(140)에 비하여, 대류에 의존하는 냉각 유닛(140)의 위치는 배터리 유닛(150)의 외부나 내부로 주입되는 공기를 냉각시킬 수 있는 한 상대적으로 중요하지 않을 수 있다.
냉각 유닛(140)은 전기 에너지나 파워를 공급받으면 펠티어 효과, 시벡 효과 또는 톰슨 효과에 의하여 열을 흡수할 수 있는 열전기 요소(thermoelectric element) 형태의 냉각 요소를 하나 이상 포함할 수 있다. 또는 냉각 유닛(140)은 전기 에너지나 파워를 이용하여 열을 흡수할 수 있는 기타 냉각 요소를 하나 이상 포함할 수 있다. 기존의 다양한 냉각 요소는 다양한 물질로 이루어질 수 있으며, 다양한 크기나 모양으로 제작될 수 있다. 이에 따라 냉각 요소는 배터리 유닛(150)의 내부나 외부, 상기 유닛(150) 내부에 장착된 배터리의 내부나 외부 등의 다양한 위치에 배치될 수 있다.
위의 [도2]는 열전기 요소로 이용되는 펠티어 냉각 요소의 작동을 나타내기도 한다. [도2]에서와 같이 전기 에너지 또는 파워가 펠티어 냉각 요소에 공급되면, 상기 요소의 한 쪽 면은 냉각되는 한편 반대쪽 면은 가열된다. 따라서 펠티어 냉각 요소를 이용하여 열을 흡수하는 경우, 상기 요소의 위치나 방향이 적합하지 않을 경우, 펠티어 냉각 요소의 냉각면을 접촉하는 배터리의 온도는 감소지만, 동일한 냉각 요소의 가열면을 접촉하는 배터리의 온도는 증가할 수 있다.
배터리 유닛(150)이 단일의 배터리 팩 형태로 제작되면, 냉각 유닛(140)은 배터리 팩의 케이스의 외부 또는 내부를 직접 접촉하도록 하거나 상기 외부나 내부로부터 특정 거리가 되도록 배치함으로써, 배터리 팩의 열을 효과적으로 흡수하도록 배치할 수 있다. 냉각 유닛(140)은 상기 케이스 내부에 배치할 수 있으며, 이 때 냉각 유닛(140)은 하나 이상의 배터리 또는 배터리 팩의 열을 효율적으로 흡수할 수 있는 위치 및 거리에 배치할 수 있다.
배터리 유닛(150)이 서로 격리된 다수의 배터리 팩들 형태로 제작되면, 냉각 유닛(140) 역시 다수의 냉각 요소들을 포함하고, 이들을 각 배터리 팩에 배치할 수 있다. 특히 배터리 유닛(150)이 상술의 분리팩과 고정팩을 포함하면, 냉각 유닛(140)은 하나 이상의 냉각 요소를 분리팩과 고정팩에 동일한 또는 상이한 수효 또는 패턴으로 배치할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 냉각 요소들을 이용하여 분리팩 또는 고정팩을 먼저 냉각하거나, 분리팩을 냉각한 후 순차적으로 고정팩을 냉각하는 등의 다양한 패턴에 따라 분리팩의 온도, 고정팩의 온도 또는 배터리 유닛(150)의 온도를 제어할 수 있다.
냉각 유닛(140)도 냉각 요소와는 상이한, 열전도도가 높은 물질로 이루어진 다양한 모양의 열 전달 요소를 포함할 수 있다. 특히 열 전달 요소는 냉각 요소에 직접 기계적으로 접촉되도록 배치하거나 또는 냉각 요소 주변에 배치할 수 있다.
특히 열 전달 요소는 배터리가 발생한 열을 열전도를 통하여 냉각 요소로 전달하는 통로 역할을 담당할 수도 있다. 이에 따라 배터리 유닛(150) 내부에 장착되었지만 냉각 요소를 직접 접촉하지 않는 배터리나 배터리 팩은 자신이 발생한 열을 냉각 요소로 직접 전달하는 대신, 전달 요소를 통하여 간접적으로 냉각 요소에 전달할 수 있다. 상기 열 전달 요소의 예로는 금속은 물론 열전도도가 높은 플라스틱 등이 있다.
[도1]에 도시하지는 않았지만, 냉각 유닛(140)은 발전 유닛(120) 대신 배터리 유닛(150)으로부터 전기 에너지 또는 파워를 직접 공급받으며 배터리의 열을 흡수할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 엔진 유닛(110)이 구동되기 전 배터리 유닛(150)을 방전하여 냉각 유닛(140)을 구동할 수 있고, 그 결과 배터리 유닛(150)은 엔진 유닛(110)이 구동되기 전, 배터리 유닛(150)의 방전과 동시에 냉각될 수도 있다. 이 경우에도 냉각 유닛(140)은 배터리 유닛(150) 내부에 포함된 하나 이상의 배터리 또는 하나 이상의 배터리 팩의 열을 흡수할 수 있다.
상술과 같이 배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Max보다 높을 때 배터리를 방전하면, 배터리 양극(anode), 음극(cathode) 등이 비가역적으로 손상되어 배터리의 성능이 저하될 수 있다. 이러한 경우 냉각 유닛(140)은 양극 또는 음극의 열을 집중적으로 흡수함으로써 양극이나 음극의 손상을 막거나, 상기 손상을 최소화할 수 있다.
반면 배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Max보다 높을 때 배터리를 방전하면 배터리의 전해질이 손상될 수 있는 경우, 냉각 유닛(140)은 하나 이상의 배터리의 외부로부터 전체적으로 열을 흡수하여, 배터리 전해질을 냉각시킬 수 있다. 또한 위의 문단 및 본 문단에서 예시한 구조는 TC-Max보다 높은 온도에서 배터리를 충전할 때에도 적용할 수 있다.
상술의 첫 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 제어 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 등은 상술과는 상이한 구조로 변형 또는 개량되거나, 상술과는 상이한 방법으로 구동되거나 제어될 수 있다.
상술의 첫 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 방전 제어 및 충전 제어에 대한 것이다. 일예로 본 예시적 측면은 물론 본 명세서 전체에서, 제어 유닛은 배터리 유닛이 방전과 동시에 충전하도록 제어할 필요는 없다. 왜냐하면 배터리 유닛의 방전은 일반적으로 전기 기기의 구동에는 필수 요소일 수 있지만, 배터리 유닛의 충전은 반드시 전기 기기 구동의 필수 요소는 아니기 때문이다.
일예로 제어 유닛은 배터리 유닛과 발전 유닛을 동시에 구동할 수 있고, 따라서 전기 기기의 구동 중 제어 유닛은 배터리 유닛을 방전과 동시에 충전할 수 있다. 또는 제어 유닛은 배터리 유닛은 구동하지만 발전 유닛은 구동하지 않을 수 있고, 따라서 전기 기기 구동 중 제어 유닛은 배터리 유닛은 방전하지만, 충전되지 않도록 할 수 있다. 또는 제어 유닛은 발전 유닛은 구동하지만 배터리 유닛은 구동하지 않을 수 있다. 즉 전기 기기는 구동하지 않지만, 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전은 중단시킨 채 충전할 수 있다.
결국 제어 유닛의 관점에서 배터리 유닛의 방전과 충전은 두 개의 상이한, 독립적 작업들일 수 있다. 따라서 제어 유닛 관점에서 보면 배터리 유닛의 방전과 충전은 동시에 일어나는 작업들이거나, 방전 작업이 충전 작업보다 먼저 수행해야 하는 작업이거나, 또는 충전 작업이 방전 작업보다 먼저 수행해야 할 작업일 수 있다.
또는 제어 유닛의 관점에서는 배터리 유닛의 방전 및 충전은 둘 중 하나만 실행해야 하는 작업일 수 있다. 일예로 사용자가 배터리 유닛의 스위치를 끄면, 배터리 유닛의 방전 작업은 제어 유닛이 중단해야 하는 작업이지만, 상기 유닛의 충전 작업은 제어 유닛이 시작해야 할 작업일 수 있다. 또는 사용자가 배터리 유닛의 스위치를 켜면, 방전 작업은 제어 유닛이 시작해야 하는 작업이지만, 충전 작업은 제어 유닛이 시작할 필요가 없는 작업일 수 있다.
상술과 같이 배터리 유닛이 방전과 동시에 충전될 필요가 없기 때문에, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 속하지 않더라도, 제어 유닛은 가열 유닛과 냉각 유닛을 동시에 구동할 필요도 없다. 이에 따라 제어 유닛은 가열 유닛과 냉각 유닛을 동시에 구동하거나, 가열 유닛은 구동하지만 냉각 유닛은 구동하지 않거나, 냉각 유닛은 구동하지만 가열 유닛은 구동하지 않거나, 또는 가열 유닛과 냉각 유닛을 모두 구동하지 않을 수 있다.
상술의 첫 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 두 번째 실시예는 가열 유닛에 대한 것으로서, 상술과 달리 가열 유닛은 전도나 대류가 아니라 복사(radiation)를 이용하여 배터리 유닛, 특정 배터리 또는 특정 배터리 팩을 가열할 수 있다. 이를 위하여 가열 유닛은 전기 에너지가 공급되면 온도가 증가하며 복사열을 발생할 수 있는 기존의 열 발생 요소를 포함할 수 있다.
상술의 첫 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 세 번째 실시예는 배터리 유닛에 대한 것으로서, 상술과 달리 상기 배터리 유닛은 하나 이상의 3차전지를 포함할 수 있다. 기존의 3차전지는 다양한 연료의 산화-환원 반응을 통하여 에너지를 생성하며, 기존의 3차 전지의 예로는 양성자 막 연료 전지(proton-exchange membrane fuel cell), 알칼리 연료 전지(alkaline fuel cell), 인산형 연료 전지(phosphoric acid fuel cell), 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell), 용융 탄산염 연료 전지(molten carbonate fuel cell) 등이 있다.
이 경우 배터리 유닛은 하나 이상의 2차전지와 하나 이상의 3차전지를 포함하거나, 또는 2차전지 없이 3차전지만 포함할 수 있다. 또한 배터리 유닛에 하나 이상의 3차전지가 포함됨에 따라 마이크로 그리드는 3차전지의 연료를 저장할 수 있는 저장 요소를 포함할 수 있다.
상술의 첫 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징 또는 기타 구동 방법, 제어 방법 등은, 서로 상충되지 않는 한, 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
2. 전기 기기 구동 중인 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 온도 제어 및 방법
본 명세서의 두 번째 예시적 측면은 마이크로 그리드에 연결된 전기 기기를 구동할 때 배터리 유닛의 온도 제어를 위한 다양한 구조 및 제어 방법에 관한 것이다. 특히 본 두 번째 예시적 측면의 그리드는 다양한 작동 실행 순서에 의해 작동될 수 있고, 특히 상기 그리드의 엔진 유닛, 발전 유닛, 배터리 유닛, 가열 유닛과 냉각 유닛 역시 다양한 순서에 따라 작동될 수 있다.
상술과 같이 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 제어는 제어 유닛, 또는 제어 유닛의 다양한 요소(일예로 소스 제어 요소, 발전 제어 요소, 배터리 제어 요소, 기기 제어 요소 등)가 담당할 수 있다. 하지만 설명의 편의를 위하여, 본 명세서에서는 제어 유닛이 상기 순서 및 각 순서의 특성을 제어하는 것으로 한다.
[도3]은 본 명세서의 두 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다. 특히 본 실시예는 전기 기기(160)가 배터리 유닛(150)의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 내에서 구동하는 상태이다. 배터리 유닛(150)은 방전하며 EBAT 또는 PBAT를 전기 기기(160)에 공급함으로써 전기 기기(160)를 구동한다.
제어 유닛은 전기 기기 구동 중 배터리 유닛(150)을 충전할 수 있다. 이를 위하여 제어 유닛이 엔진 유닛(110)을 구동하면, 엔진 유닛(110)은 EENG 또는 PENG를 발전 유닛(120)에 공급하고, 발전 유닛(120)은 EGEN,B 또는 PGEN,B를 배터리 유닛(150)에 공급하며, 배터리 유닛(150)은 상기 전기 에너지나 파워를 이용하여 충전을 시작할 수 있다.
제어 유닛은 다양한 충전 개시 시점에 배터리 유닛의 충전을 시작할 수 있다. 일예로 충전 개시 시점은 배터리 유닛의 상태에 근거하여 설정할 수 있으며, 이러한 충전 개시 시점의 예로는 [1] 배터리 유닛의 충전률이 특정 값에 도달하는 또는 그 이하로 떨어지는 시점, [2] 배터리 유닛의 방전 깊이(즉 방전률)가 특정 값에 도달하거나 또는 그 이상으로 증가하는 시점, [3] 배터리 유닛의 전압(또는 전류)이 방전 종료(end-of-discharge) 전압(또는 전류)에 도달 또는 그 이하로 떨어지는 시점, [4] 이전 충전 후 특정 시간이 경과하는 시점, [5] 제어 유닛이 미리 설정한 시점 등이 있다. 또한 [1] 내지 [5]의 경우, 배터리 유닛은 방전 중이거나 방전을 중단한 상태일 수 있다.
상기 충전 개시 시점은 사용자에 의하여 결정될 수 있다. 이러한 충전 개시시점의 예로는 [6] 사용자가 전기 기기의 스위치를 켠 시점, [7] 배터리 유닛의 방전 여부와 관계 없이 사용자가 미리 설정한 시점, [8] 사용자가 전기 기기의 시동 스위치를 끄는 시점, [9] 사용자가 충전을 시작하라는 명령을 내리는 시점 등이 있다. 따라서 본 명세서에서 "충전 개시 시점"이란 상술의 [1] 내지 [9] 중 하나를 지칭하는 것으로 한다.
제어 유닛은 다양한 충전 종료 시점에 배터리 유닛의 충전을 종료할 수 있다. 특히 상기 충전 종료 시점은 배터리 유닛의 상태에 근거하여 설정할 수 있으며, 이러한 충전 종료 시점의 예로는 [1] 배터리 유닛의 충전률이 특정 값에 도달하는 또는 이를 초과하는 시점, [2] 배터리 유닛의 방전률이나 방전 깊이가 특정 값에 도달하는 또는 그 이하로 떨어지는 시점, [3] 상기 유닛의 전압(또는 전류)이 충전 종료 전압(또는 전류)에 도달하거나 또는 이를 초과하는 시점, [4] 충전을 시작한 후 특정 시간이 경과하는 시점, [5] 제어 유닛이 미리 설정한 시점 등이 있다.
또는 제어 유닛은 사용자에 의하여 결정되는 다양한 충전 종료 시점에 배터리 유닛의 충전을 종료할 수 있다. 상기 충전 종료 시점의 예로는 [6] 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜는 시점, [7] 사용자가 전기 기기의 스위치를 끄는 시점, [8] 사용자가 미리 설정한 시점 또는 [9] 사용자가 충전을 종료하라는 명령을 내리는 시점 등이 있다. 따라서 본 명세서에서 "충전 종료 시점"이란 상술의 [1] 내지 [9] 중 하나를 지칭하는 것으로 한다.
상기 충전 개시 시점과 충전 종료 시점에서, 배터리 유닛의 충전률이나 방전 깊이는 [1] 배터리 유닛 전체의 충전률 또는 방전 깊이, [2] 배터리 유닛에 포함된 다수의 배터리 팩들의 평균 충전률 또는 방전 깊이, [3] 배터리 유닛에 장착된 다수의 배터리 중 특정 배터리(일예로 고정 배터리 또는 분리 배터리)의 충전률 또는 방전 깊이, [4] 배터리 유닛에 장착된 다수의 배터리 팩 중 특정 배터리 팩(일예로 고정팩 또는 분리팩)의 충전률 또는 방전 깊이 중 하나를 의미할 수 있다.
다른 조건이 동일하더라도 방전률이 커지거나 또는 방전 깊이가 깊어지도록 배터리를 방전한 후 배터리를 충전하면, 일반적으로 배터리 용량 손실이 증가할 수도 있다. 따라서 배터리의 방전이나 충전은 가능한 한 방전률 또는 방전 깊이가 깊어지기 전, 부분적 충전 또는 자주 충전하는 방법이 배터리 용량 손실을 최소화할 수 있다.
이를 위하여 제어 유닛은 배터리의 "적정 충전률 범위" 또는 이의 반대인 "적정 방전률 범위"를 설정하고, 배터리의 충전률이 최저 충전률 이하로 감소하거나 또는 최고 방전률 이상으로 증가하면, 배터리의 충전을 시작할 수 있다. 또한 제어 유닛은 배터리의 충전률이 최고 충전률을 초과하거나 또는 최저 방전률 이하로 감소하는 경우, 배터리의 충전을 중지할 수 있다.
일예로 리튬-이온 배터리의 경우 충전률이 30%~80% 정도일 때 방전하거나 충전하는 방법이 배터리 성능의 연장에 더 유리할 수 있다. (BU-415, "충전 방법 및 충전 시점," 아래 참고 문헌 [6] 참조). 또는 제어 유닛은 상기 범위보다 더 보수적으로 리튬-이온 배터리의 충전률이 40%~70% 또는 50%~60% 정도일 때 배터리를 충전하거나 방전할 수 있다.
엔진 유닛의 엔진 역시 구동 중 온도가 증가할 수 있다. 하지만 상술과 같이 제어 유닛 또는 엔진 유닛은 기존의 공냉식 요소나 수냉식 요소를 이용하여 엔진 온도를 조절할 수 있으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
본 명세서의 두 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예는 전기 기기의 구동 중 배터리 유닛의 온도가 감소하여 TBU가 TD-Min 또는 TC-Min보다 낮아지는 경우의 작동 실행 순서, 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태의 예이다.
일예로 배터리 유닛(150)의 주변에 찬 공기가 유입되면, TBU는 감소할 수 있다. 제어 유닛은 TBU를 측정하며, TBU가 TD-Min나 TC-Min보다 낮아지면, 발전 유닛(120)을 구동하여 가열 유닛(130)에 EGEN,H을 공급하도록 조작할 수 있다. 이에 따라 가열 유닛은 상기 유닛(150)의 가열을 시작할 수 있다.
상기 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 경우, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 배터리 유닛(150)에 제공하던 EGEN,B 중 일부인 EGEN,H를 가열 유닛(130)에 제공하도록 제어할 수 있다. 이에 따라 발전 유닛(120)이 배터리 유닛(150)에 제공하는 EGEN,B은 그 만큼 감소한다. 본 상세예의 경우, 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지의 양은 크게 변하지 않는다. 따라서 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 조작하거나 또는 조작하지 않을 수도 있다.
상기 두 번째 실시예의 두 번째 상세예의 경우, 제어 유닛은 발전 유닛(120)을 조작하여 상기 유닛(120)의 발전량을 증가시킬 수 있다. 일예로 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 EGEN,H만큼의 에너지를 추가적으로 생성하도록 제어하고 이를 가열 유닛(130)에 제공하도록 하는 동시에, 발전 유닛(120)이 배터리 유닛(150)에 제공하던 EGEN,B는 유지할 수 있다. 그 결과 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 총량은 증가할 수 있다. 또한 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 조작하여 더 많은 기계적 에너지를 발전 유닛(120)에 제공하도록 할 수 있다.
상기 첫 번째와 두 번째 상세예에서, 제어 유닛이 가열 유닛(130)을 구동하고 TBU가 TD-Min 또는 TC-Min으로 상승한 후 이를 유지하면, 제어 유닛은 가열 유닛(130)의 구동을 종료하거나, 또는 엔진 유닛(110) 또는 발전 유닛(120)을 제어하여 가열 유닛(130)에 제공되는 에너지를 줄이도록 할 수 있다.
하지만 가열 유닛(130)을 구동하였음에도 불구하고 TBU가 TD-Min 또는 TC-Min에 도달하지 않거나, 또는 TBU가 계속 감소하며 TD-Min나 TC-Min에 근접하면, 제어 유닛은 가열 유닛(130)을 계속 구동할 수 있다. 또는 제어 유닛은 가열 유닛(130)에 제공되는 EGEN,H를 증가시킬 수도 있다. 물론 이를 위해서는 제어 유닛이 발전 유닛(120)이 생성하는 전기 에너지를 증가시키거나, 발전 유닛(120)은 동일한 조건으로 구동하되 배터리 유닛(150)에 제공하는 에너지를 줄일 수 있다.
본 명세서의 두 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예는 전기 기기 구동 중 배터리 유닛의 온도가 증가하여 TBU가 TD-Max 또는 TC-Max에 접근하거나 또는 이보다 높아지는 경우의 작동 실행 순서, 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태의 예이다.
일예로 배터리 유닛(150)의 주변에 뜨거운 공기가 유입되거나, 상기 유닛(150)이 오랜 기간 방전하면, TBU는 증가할 수 있다. 제어 유닛은 TBU를 측정하며, TBU가 TD-Max나 TC-Max에 근접하거나 또는 이보다 높아지면, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 냉각 유닛(140)에 EGEN,C를 공급하도록 조작하고, 냉각 유닛의 구동을 시작할 수 있다.
상기 세 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 경우, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 배터리 유닛(150)에 제공하던 EGEN,B 중 일부인 EGEN,C를 냉각 유닛(140)에 제공하도록 제어할 수 있다. 그 결과 발전 유닛(120)이 배터리 유닛(150)에 제공하는 EGEN,B는 그 만큼 감소한다. 본 상세예의 경우, 발전 유닛(120)이 생성하는 전기 에너지의 양 크게 변하지 않는다. 따라서 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 조작하거나 또는 조작하지 않을 수도 있다.
상기 세 번째 실시예의 두 번째 상세예의 경우, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 발전량을 증가하도록 할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 EGEN,C의 에너지를 추가적으로 생성하고, 이를 냉각 유닛(140)에 제공하도록 하는 동시에, 발전 유닛(120)이 배터리 유닛(150)에 제공하던 EGEN,B는 유지할 수 있다. 그 결과 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 총량은 증가할 수 있다. 또한 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 조작하여 엔진 유닛(110)이 더 많은 기계적 에너지를 발전 유닛(120)에 제공할 수 있도록 상기 유닛(110)을 조작할 수 있다.
상술의 첫 번째나 두 번째 상세예에서, 제어 유닛이 냉각 유닛(140)을 구동하고, TBU가 TD-Max 또는 TC-Max가 하강한 후 이를 유지하면, 제어 유닛은 냉각 유닛(140)의 구동을 종료하거나, 또는 엔진 유닛(110)이나 발전 유닛(120)을 제어하여 냉각 유닛(140)에 제공되는 에너지를 줄일 수 있다.
하지만 냉각 유닛(140)을 구동하였음에도 불구, TBU가 TD-Max 또는 TC-Max가 이보다 낮은 온도에 도달하지 않거나 또는 TBU가 계속 증가하며 TD-Max나 TC-Max에 근접하면, 제어 유닛은 냉각 유닛(140)을 계속 구동할 수 있다. 또는 제어 유닛은 냉각 유닛(140)에 제공되는 EGEN-C를 증가시킬 수 있다. 물론 이를 위해 제어 유닛은 엔진 유닛(110)이 발생하는 에너지를 증가시키거나, 또는 엔진 유닛(110)은 동일한 조건으로 구동하지만 배터리 유닛(150)에 제공되는 에너지를 줄일 수 있다.
본 명세서의 두 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예는 사용자가 전기 기기 구동을 완료하고, 상기 기기의 스위치를 끈 경우의 마이크로 그리드 및 다양한 유닛들의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 예시이다.
사용자가 전기 기기의 스위치를 끄면, 전기 기기는 구동을 정지한다. 상기 정지 후 배터리 유닛(150)의 충전률이 특정 값보다 낮거나 또는 TBU가 미리 설정된 온도보다 높은 경우에도, 사용자가 상기 스위치를 끄면 제어 유닛은 마이크로 그리드의 다양한 유닛들의 작동을 정지시킬 수 있다.
본 명세서의 두 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예는 사용자가 전기 기기 구동을 완료하고, 상기 스위치를 끈 경우의 마이크로 그리드 및 다양한 유닛들의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 또 다른 예시이다.
사용자가 전기 기기의 스위치를 끄면, 전기 기기는 구동을 정지한다. 하지만 사용자가 스위치를 꺼도, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 충전률이 낮으면 배터리를 충전할 수 있다. 이를 위하여 제어 유닛은 스위치가 꺼진 후 엔진 유닛(110) 및 발전 유닛(120)을 계속 구동함으로써, 배터리 유닛(150)의 충전률, 특정 배터리의 충전률, 특정 배터리 팩의 충전률이 사용자 또는 제어 유닛이 미리 설정한 충전률에 도달할 때까지 엔진 유닛(110)과 발전 유닛(120)을 구동하여 충전을 계속할 수 있다.
하지만 충전 중 TBU가 적정 충전 온도 범위를 벗어나게 되면, 제어 유닛은 상술과 같이 가열 유닛(130)이나 냉각 유닛(140)을 구동하여 배터리 유닛(150) 전체의 온도나 일부의 온도를 증가 또는 감소시킬 수 있다.
위 문단의 미리 설정된 충전률은 일종의 적정 최고 충전률을 의미하며, 배터리 제조사가 미리 설정하거나, 제어 장치가 자동으로 또는 미리 설정하거나, 사용자가 수동으로 설정할 수 있다. 또한 사용자가 상기 그리드의 향후 사용 일정을 미리 입력하였거나 또는 제어 유닛이 사용자의 다음 사용 일정을 예측할 수 있으면, 제어 유닛은 상기 일정에 따라 미리 설정된 충전률을 설정하거나 변경할 수도 있다.
상술의 두 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 제어 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 등은 상술과는 상이한 구조로 변형 또는 개량되거나, 상술과는 상이한 방법으로 구동되거나 제어될 수 있다.
일예로 상기 두 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 방전 제어 및 충전 제어에 대한 것이고, 두 번째 실시예는 복사 현상을 이용하는 가열 유닛의 사용에 대한 것이며, 세 번째 실시예는 하나 이상의 3차전지를 포함하는 배터리 유닛에 대한 것이다. 이에 대한 설명은 상술의 첫 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량에 대한 첫 번째 내지 세 번째 실시예와 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상술의 두 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 네 번째 실시예는 전기 기기를 구동한 후, 사용자가 상기 기기의 스위치를 끈 후, 일정 시간이 지난 후 다시 스위치를 켜는 경우이다. 이 때 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속하면, 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하고, 전기 기기는 구동을 시작할 수 있다. 하지만 이 때 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위를 벗어나면, 제어 유닛은 상기 유닛의 온도에 따라 상이한 제어 방법을 사용할 수 있으며, 이 경우는 아래의 세 번째 및 네 번째 예시적 측면에서 설명하기로 한다.
구동 중 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위를 벗어난 저온이 되면, 제어 유닛은 상기 두 번째 실시예에서 설명한 바와 같이 마이크로 그리드의 다양한 유닛들을 제어할 수 있다. 이와는 달리 구동 중 배터리 온도의 온도가 적정 방전 온도 범위를 벗어난 고온이 되는 경우, 제어 유닛은 상기 세 번째 실시예에서 설명한 바와 같이 상기 그리드의 다양한 유닛들을 제어할 수 있다.
상술의 두 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징 또는 기타 구동 방법, 제어 방법 등은 상술의 첫 번째 예시적 측면의 상기 특징 또는 방법과 동일하거나 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
또한 상술의 두 번째 예시적 측면의 다양한 구조 또는 방법은, 서로 상충되지 않는 한, 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
3. 저온에서의 전기 기기의 구동 및 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 온도 제어 및 방법
본 명세서의 세 번째 예시적 측면은 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위보다 낮은 "저온"일 경우 사용자가 전기 기기의 스위치를 켰을 때의 다양한 제어 방법 및 작동 실행 순서에 대한 예시이다. 특히 본 예시적 측면은 "저온"에서의 배터리 유닛의 방전 또는 충전 여부의 결정 및 이의 제어, 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 작동 상태, 작동 실행 순서 또는 제어 등에 대한 것이다.
상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 "저온에서의 방전"이란 적정 방전 온도 범위보다 낮은, 즉 최저 방전 온도(TD-Min)보다 낮은 온도에서의 방전을 의미한다. 마찬가지로 상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 "저온에서의 충전"이란 적정 충전 온도 범위보다 낮은, 즉 최저 충전 온도(TC-Min)보다 낮은 온도에서의 충전을 의미한다.
일예로 제어 유닛이 배터리 유닛을 "저온"에서 방전하면, 상기 유닛의 온도는 최저 방전 온도보다 낮은 온도이지만, 상기 유닛의 온도는 최저 충전 온도보다 높을 수도, 또는 낮을 수도 있다. 마찬가지로 제어 유닛이 배터리 유닛을 "저온"에서 충전할 경우, 상기 유닛의 온도는 최저 충전 온도보다 낮은 온도이지만, 상기 유닛의 온도는 최저 방전 온도보다 높을 수도, 또는 낮을 수도 있다.
상술과 같이 TD-Min와 TC-Min는 배터리의 종류에 따라 상이하며, 동일한 배터리에 대해서도 사용자 또는 제어 유닛이 TD-Min 또는 TC-Min를 상이하게 설정할 수 있다. 특히 배터리 제조사, 배터리 유닛 제조사, 사용자 또는 제어 유닛은 TD-Min 또는 TC-Min를 상이하게 설정함으로써, 배터리, 배터리 팩 또는 배터리 유닛의 수명을 조절할 수 있으며, 이에 따라 사용자가 배터리, 배터리 팩 또는 배터리 유닛을 교체해야 하는 시기도 조절할 수 있다.
일예로 저온 방전(또는 충전)에 의한 배터리 유닛의 비가역적 손상 및 이에 의한 배터리 용량 손실을 최소화하려면, 사용자나 제어 유닛은 기존 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 비하여 신규 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 좁게 설정할 수 있다. 따라서 상기 신규 온도 범위의 TD-Min-1 또는 TC-Min-1은 기존의 온도 범위의 TD-Min-0 또는 TC-Min-0에 비하여 상대적으로 높은 온도일 수 있다.
이 때 배터리 유닛은 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)보다 높은 TD-Min-1(또는 TC-Min-1)에서 방전(또는 충전)하게 되며, 이에 따라 배터리 유닛은 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)에서 방전(또는 충전)하는 경우보다 상대적으로 적은 비가역적 손상을 입게 된다. 따라서 사용자는 배터리(또는 배터리 팩)를 (상대적으로) 자주 교체할 필요가 없고, 이에 따라 배터리 교체 비용을 최소화할 수 있다.
하지만 사용자가 시동 스위치를 켤 시점에 배터리 유닛의 온도가 TD-Min-0 및 TD-Min-1보다 낮으면, 사용자는 배터리 유닛의 온도가 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)보다 높은 TD-Min-1(또는 TC-Min-1)로 증가할 때까지 기다린 후에야, 배터리 유닛의 방전(또는 충전)을 시작할 수 있다. 즉 사용자는 전기 기기의 시동 스위치를 켠 후 (상대적으로) 더 오래 기다린 후 전기 기기의 구동을 시작할 수 있다는 단점이 있다.
하지만 저온 방전(또는 충전)에 의한 배터리 유닛의 비가역적 손상 및 이에 의한 배터리 용량 손실에 크게 개의치 않는 경우, 제어 유닛은 배터리 유닛의 저온 방전(또는 충전)을 허용하도록 기존 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 비하여 신규 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 넓게 설정할 수 있다. 즉 신규 온도 범위의 TD-Min-2(또는 TC-Min-2)는 기존 온도 범위의 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)에 비하여 상대적으로 낮은 온도일 수 있다.
이 때 배터리 유닛은 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)보다 낮은 TD-Min-2(또는 TC-Min-2)에서 방전(또는 충전)하게 되고, 이에 따라 배터리 유닛은 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)에서 방전(또는 충전)하는 경우보다 상대적으로 심한 비가역적 손상을 입게 된다. 따라서 사용자는 배터리(또는 배터리 팩)을 (상대적으로) 더 자주 교체해야 하고, 이에 따라 배터리 교체 비용 역시 증가할 수 있다.
하지만 사용자가 스위치를 켤 시점에 배터리 유닛의 온도가 TD-Min-0 및 TD-Min-2보다 낮으면, 사용자는 배터리 유닛의 온도가 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)보다 상대적으로 낮은 TD-Min-2(또는 TC-Min-2)로 증가할 때까지만 기다리면, 배터리 유닛의 방전(또는 충전)을 시작할 수 있다. 즉 사용자는 전기 기기의 스위치를 켠 후, (상대적으로) 더 짧게 기다린 후 전기 기기의 구동을 시작할 수 있다.
상술과 같이 배터리 제조사, 배터리 유닛 제조사, 제어 유닛, 사용자 등은 사용자 편리성과 배터리 유닛이 입을 수 있는 비가역적 손상 등을 고려하여 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 설정할 수 있다. 바꾸어 말하면 본 명세서의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 배터리의 종류가 결정됨에 따라 결정되는 절대적인 범위가 아니라, 상기 범위는 배터리의 비가역적 손상, 이에 따른 배터리 교체 비용, 사용자 편의성 등에 따라 상이해질 수 있는 상대적 범위로 간주할 수 있다.
그 결과 상기 제조사, 제어 유닛 또는 사용자는 상기 변수들을 고려하여TD-Min 또는 TC-Min을 결정할 수 있다. 또한 제어 유닛은 상기 범위나 배터리 유닛의 온도에 근거하여 배터리 유닛(150), 가열 유닛(130) 등을 다양한 방법으로 제어할 수 있다.
[도4]는 전기 기기의 스위치가 꺼져 있는 정지 상태의 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 상태를 표시한다. 즉 상기 그리드의 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전이나 충전을 모두 중단하였고, 엔진 유닛(110) 및 발전 유닛(120)의 구동도 모두 중단하였다. 따라서 제어 유닛은 상기 그리드의 전기 기기(160), 가열 유닛(130) 및 냉각 유닛(140)의 구동을 정지 상태로 유지할 수 있다.
일정 시간이 경과한 후 사용자나 제어 유닛이 전기 기기의 스위치를 켜면(즉 상기 기기의 구동을 시작하면), 배터리 유닛(150)은 전기 기기(160)에 전기 에너지를 공급하고, 전기 기기(160)는 구동을 시작한다. 하지만 스위치가 켜진 후 배터리 유닛(150)이 방전을 시작할 때 TBU가 최저 방전 온도인 TD-Min보다 낮으면, 배터리 유닛(150)은 비가역적 손상을 입을 수 있고, 이에 따른 용량 손실이 초래될 수 있다.
본 명세서의 세 번째 예시적 측면의 제어 유닛은 다양한 구조 및 다양한 방법으로 저온 방전에 의한 비가역적 손상 및 배터리 용량 손실을 방지하거나 또는 최소화할 수 있다. [도5] 및 [도6]은 이를 위한 제어 유닛의 다양한 구조 및 다양한 제어 방법을 예시한다.
[도5]는 본 명세서의 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다. 본 실시예는 제어 유닛 또는 사용자가 전기 기기의 스위치를 켤 때(즉 상기 기기의 구동을 시작할 때) TBU가 TD-Min보다 낮은 저온일 경우, 제어 유닛이 배터리 유닛(150)의 방전을 제어하는 구조 및 방법에 해당한다.
제어 유닛이나 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 배터리 유닛(150), 특정 배터리 팩의 온도나 특정 배터리의 온도(이후 TBU로 통칭)를 측정한다. 만일 TBU가 TD-Min보다 높으며 TD-Max보다 낮으면, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 시작할 수 있고, 이에 따라 전기 기기는 구동을 시작할 수 있다.
단 TBU가 TD-Min(따라서 TD-Max)보다 낮으면, 제어 유닛은 [도5]와 같이 배터리 유닛(150)이 방전하지 않도록 제어할 수 있다. 대신 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 구동하여 기계적 에너지를 생성하고, 발전 유닛(120)을 구동하며, 발전 유닛(120)이 생성한 전기 에너지를 가열 유닛(130)에 제공한다. 그 결과 가열 유닛(130)은 열 발생 요소를 이용하여 배터리 유닛(150)의 예비 가열을 시작한다. 이 때 제어 유닛은 상기 전기 에너지를 배터리 유닛(150)에는 제공하지 않을 수 있다.
또한 가열 유닛(130)이 배터리 유닛(150)의 일부나 전부를 가열하는 동안 제어 유닛은 배터리 유닛(150)은 방전을 시작하지 않으며, 따라서 사용자가 전기 기기(160)의 스위치를 켜도 배터리 유닛(150)은 방전을 시작하지 않으며, 사용자는 배터리 유닛(150)이 가열될 때까지 전기 기기(160)을 구동하지 못한다. 그 후 TBU가 TD-Min로 증가하면(즉 예비 가열이 완료되면), 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 시작하고, 전기 기기(160)는 구동을 시작한다.
제어 유닛은 가열 유닛(130)을 다양한 패턴으로 조작하여 배터리 유닛(150)을 예비 가열할 수 있다. 즉 제어 유닛은 배터리 유닛(150)에 포함된 배터리의 총 수효, 상기 배터리의 배열이나 기계적 또는 전기적 연결 특성, 분리팩 포함 여부, 분리팩의 총 수효, 고정팩의 총 수효, 상기 팩들의 배열, 상기 팩들의 기계적 또는 전기적 연결 특성 등에 따라 상이한 패턴으로 배터리 유닛(150)을 예비 가열할 수 있다.
본 첫 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 배터리 유닛(150)이 다수의 배터리들을 포함하며, 상기 유닛(150)이 방전할 때 모든 배터리가 동시에 방전하는 구조를 가진 경우이다. 상기 구조의 경우, 가열 유닛(130)이 배터리 유닛(150)의 일부만 예비로 가열한 후 방전을 시작하면, 미처 가열되지 않은 배터리는 비가역적 손상을 입을 수 있다. 따라서 가열 유닛(130)은 배터리 유닛 전체, 모든 배터리들 또는 가능한 많은 배터리를 가열하도록 제작하고 배치한다.
제어 유닛은 TBU가 TD-Min로 증가하기 전까지 배터리 유닛(150)의 방전을 막을 수 있으며, 따라서 전기 기기(160)의 구동도 막을 수 있다. 따라서 전기 기기(160)는 구동할 수 없고, 사용자는 스위치를 켜도, 배터리 유닛(150)의 예비 가열이 완료될 때까지는 전기 기기(160)을 구동할 수 없다.
하지만 예비 가열 기간이 특정 기간 이상 길어지면(또는 길어질 것으로 예상되면), 제어 유닛은 배터리에 비가역적 손상이 가해질 수 있음에도 불구하고, TBU가 TD-Min 또는 상기 특정 온도에 도달하기 전 배터리 유닛(150)의 방전을 시작(즉 "오버라이드")할 수 있다. 일예로 사용자는 전기 기기(160)의 스위치를 두 번 누르거나, 스위치를 켠 후 오버라이드 스위치를 누르는 등의 방법으로 배터리 유닛(150)의 방전을 강제로 시작하는 오버라이드를 할 수 있다.
본 첫 번째 실시예의 두 번째 상세예의 배터리 유닛(150)은 단일의 배터리 팩 형태로 제작되고 다수의 배터리들을 포함하되, 배터리 팩 내부에 장착된 배터리들이 다수의 세트들로 구분되어 장착되는 구조를 가진다. 각각의 배터리 세트는 직렬, 병렬 또는 이들의 혼합 형태로 전기적으로 연결된 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있고, 각 배터리 세트 역시 직렬, 병렬 또는 이들의 혼합 형태로 전기적으로 연결될 수 있다.
따라서 상기 배터리 유닛(150)이 방전할 경우, 모든 배터리 세트들이 동시에 방전하거나, 하나 이상의 특정 배터리 세트만 우선적으로 방전하거나, 또는 다수의 배터리 세트들이 순차적으로 방전할 수 있다. 또한 제어 유닛은 특정 배터리 세트들의 방전 여부 또는 방전 순서를 조작할 수 있다.
본 상세예에서 배터리 유닛(150)의 방전 시 모든 배터리 세트들이 동시에 방전하는 구조는 위의 첫 번째 실시예와 동일하며, 따라서 더 이상의 설명은 생략한다. 배터리 유닛(150)의 방전 시 특정 배터리 세트가 우선 방전하는 경우, 제어 유닛은 가열 유닛(130)을 이용하여 특정 세트를 우선적으로 가열할 수 있으며, 특정 세트의 온도가 TD-Min에 도달하면, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 상기 특정 세트의 방전을 시작하도록 제어할 수 있다.
본 상세예의 사용자는 전기 기기(160)의 스위치를 켜더라도 배터리 유닛(150)의 특정 배터리 세트의 예비 가열이 끝나기 전에는 전기 기기(160)의 구동을 시작할 수 없다. 하지만 예비 가열 기간이 특정 기간 이상 길어지면(또는 길어질 것으로 예상되면), 제어 유닛은 특정 배터리 세트가 비가역적 손상을 입더라도, 상기 배터리 세트의 온도가 TD-Min에 도달하기 전 상기 배터리 세트가 방전을 시작(일예로 오버라이드)하도록 허락할 수 있다.
특히 본 상세예에서 다른 배터리 세트보다 먼저 가열되는 배터리 세트는 상기 "분리 배터리"에 해당한다. 또한 상기 분리 배터리가 아닌 배터리들은 상기 "고정 배터리"에 해당한다.
본 첫 번째 실시예의 세 번째 상세예의 배터리 유닛(150)은 다수의 배터리 팩 형태로 제작되고, 각 배터리 팩은 하나 이상의 배터리를 포함하는 구조로 제작될 수 있다. 상기 배터리 팩들은 직렬, 병렬 또는 이들의 혼합 형태로 전기적으로 연결되고, 각 배터리 팩 내부의 배터리들은 직렬, 병렬 또는 이들의 혼합 형태로 전기적으로 연결된다.
특히 배터리 유닛(150)은 기계적 또는 전기적으로 용이하게 분리할 수 있는 하나 이상의 상술의 "분리팩"을 포함할 수 있다. 따라서 사용자는 배터리 유닛(150)의 나머지 "고정팩"을 남겨둔 채, 상기 유닛(150)에서 분리팩만 기계적 및 전기적으로 용이하게 분리할 수 있다.
또한 배터리 유닛(150)은 분리팩이 상기 유닛(150)에서 분리되더라도, 고정팩의 작동에 기계적으로 또는 전기적으로 영향을 주지 않도록 제작될 수도 있다. 따라서 제어 유닛은 분리팩 및 고정팩을 동시에 또는 순차적으로 방전(또는 충전)할 수 있다.
일예로 분리팩이 다수의 고정팩들 사이에 직렬로 연결되지 않으면, 제어 유닛은 분리팩을 배터리 유닛(150)에서 분리한 후에도 고정팩을 정상적으로 방전 또는 충전시킬 수 있다. 또는 분리팩과 다수의 고정팩이 직렬로 연결되어 있더라도 제어 유닛이 분리팩 및 고정팩의 방전이나 충전을 독립적으로 제어할 수 있으면, 제어 유닛은 분리팩이 배터리 유닛(150)으로부터 분리된 후에도 고정팩을 방전 또는 충전시킬 수 있다.
제어 유닛은 가열 유닛(130)을 이용하여 분리팩을 우선 예비 가열할 수 있다. 분리팩의 온도가 TD-Min에 도달하면, 제어 유닛은 분리팩의 방전을 시작할 수 있다. 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 고정팩도 방전하도록 하거나, 또는 온도가 특정 온도에 도달한 고정팩만 선택적으로 방전을 시작하도록 하거나, 또는 온도가 특정 온도에 도달하지 않는 한 고정팩이 방전하지 못하도록 제어할 수도 있다.
본 상세예에서, 사용자는 전기 기기(160)의 스위치를 켜도 배터리 유닛(150)의 분리팩의 예비 가열이 끝나기 전에는 전기 기기(160)을 구동할 수 없다. 이의 예외로서, 예비 가열 기간이 특정 기간 이상 길어지면(또는 길어질 것으로 예상되면), 제어 유닛은 분리팩이 비가역적 손상을 입게 되더라도 분리팩의 온도가 TD-Min에 도달하기 전에도, 분리팩의 방전을 시작(일예로 오버라이드)할 수 있다.
본 실시예의 두 번째 또는 세 번째 상세예에서, 배터리 유닛의 분리 배터리 또는 분리팩이 방전하는 에너지가 전기 기기의 구동에 충분한 양에 도달하는 경우, 전기 기기는 정상(즉 정상 등급) 구동할 수 있다. 하지만 분리 배터리나 분리팩이 방전하는 에너지가 정상 구동에 필요한 양에 미달하면, 상기 전기 기기는 정상 구동 대신, 저급(즉 저급 등급)의 구동을 시작할 수 있다. 이와는 달리 분리 배터리 또는 분리팩이 방전하는 에너지가 정상 구동에 필요한 양에 미치지 못하면, 제어 유닛은 상기 기기가 구동하지 못하도록 제어할 수 있다.
그 후 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 고정 배터리들 또는 고정팩 중 가열 유닛(130)에 의해 예비 가열이 완료된 고정 배터리들 또는 고정팩이 순차적으로 방전하도록 제어할 수 있다. 따라서 전기 기기는 저급 구동에서 중급(즉 중급 등급) 구동 또는 정상 구동을 할 수 있게 된다.
본 명세서의 전기 기기는 다양한 등급에서 구동할 수 있는 것으로 한다. 일예로 전기 기기는 정상 등급에서 정상 구동하며, 이는 상기 기기가 정상적인 전류, 전압 또는 전력을 공급받고, 이에 따라 소정의 기능을 구현하는 구동을 의미한다. 단 정상 등급은 상기 기기가 안정한 상태에서 구동할 수 있는 등급이며, 따라서 전기 기기는 정상 등급 하에서 공급받는 전류, 전압 또는 전력을 초과하는 전류, 전압 또는 전력을 공급받을 수도 있다.
상기 전기 기기는 저급 등급에서는 저급 구동하며, 이는 상기 기기가 작동하지만 공급받는 전류, 전압 또는 전력이 정상 구동 시의 전류, 전압 또는 전력보다 낮기 때문에 상기 정상 구동에 비해 구현할 수 있는 기능이 적은 경우를 의미한다. 일예로 전기 기기가 히터인 경우, 정상 구동하는 히터는 강, 중, 약 등의 등급으로 난방을 할 수 있는 반면, 저급 구동하는 히터는 강 또는 중의 등급으로는 구동하지 못하는 대신 약의 등급으로만 구동하는 경우에 해당한다.
전기 기기는 중급 등급에서는 중급 구동하며, 이는 상기 기기가 작동하지만 공급받는 전류, 전압 또는 전력이 정상 구동 시의 전류, 전압 또는 전력보다 낮지만 저급 구동 시의 전류, 전압 또는 전력 보다는 높기 때문에, 상기 정상 구동에 비해 구현할 수 있는 기능이 적지만 저급 구동에 비해서는 더 많은 기능을 구현할 수 있는 경우를 의미한다. 일예로 전기 기기가 히터인 경우, 정상 구동하는 히터는 강, 중, 약 등의 등급으로 난방을 할 수 있는 반면, 중급 구동하는 히터는 강의 등급으로는 구동하지 못하는 대신 약 또는 중의 등급으로만 구동하는 경우에 해당한다.
제어 유닛은 전기 기기의 구동을 상술과 같이 저급, 중급 및 정상의 세 개의 등급이 아닌, 두 개의 등급 또는 네 개 이상의 등급으로 구분할 수 있다. 따라서 본 명세서에서 전기 기기가 구동하는 다양한 등급은 상대적 개념으로 간주할 수 있다.
일반적으로 분리팩이나 고정팩의 교체 비용은 각각의 팩에 포함된 배터리의 수효에 비례한다. 따라서 배터리 유닛 제조사는 분리팩이 고정팩에 비하여 적은 수효의 배터리를 포함하도록 분리팩을 제작할 수 있다. 따라서 고정팩은 배터리 유닛(150)의 대부분을 차지하는 반면, 분리팩은 배터리 유닛(150)의 일부분에 해당할 수 있다.
그 결과 본 실시예의 다양한 상세예 중 상기 세 번째 상세예는 다른 상세예들이 제공하지 못하는 장점을 가지며, 이는 바로 분리팩을 배터리 유닛(150)으로부터 용이하게 분리할 수 있다는 점이다. 즉 분리팩의 온도가 적정 온도 범위보다 낮더라도 제어 유닛은 분리팩의 방전을 시작할 수 있다.
따라서 분리팩이 비가역적 손상을 입어도, 사용자는 추후 손상을 입은 분리팩만 용이하게 다른 분리팩으로 교체할 수 있다. 또한 분리팩에 포함된 배터리들의 수효가 상대적으로 적으므로, 사용자는 손상된 분리팩의 교체 비용을 최소화할 수 있다.
또한 제어 유닛은 예비 가열이 끝나기 전 분리팩의 방전을 시작하지만 고정팩의 방전을 막을 수 있다. 따라서 상기 세 번째 상세예의 구조는 배터리 유닛(150)의 나머지 배터리(즉 고정팩) 용량을 효율적으로 극대화할 수 있다. 즉 제어 유닛은 상대적으로 낮은 비용으로 교체할 수 있는 분리팩을 대체 가능한 소모품으로 활용하는 한편, 교체에 상대적으로 높은 비용이 필요한 고정팩은 상기 손상으로부터 효율적으로 보호할 수 있다는 장점도 제공한다.
또한 TBU가 적정 온도보다 낮지만 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜는 즉시 상기 기기를 구동하기를 원하는 경우, 상술의 세 번째 상세예의 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 일부 배터리들(즉 분리 배터리 또는 분리팩)의 성능만 저하시키는 반면 대다수의 나머지 배터리(즉 고정 배터리 또는 고정팩)를 보호하면서, 사용자가 전기 기기를 구동할 수 있도록 할 수 있다.
[도6]은 본 명세서의 세 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다. 본 실시예는 제어 유닛 또는 사용자가 전기 기기의 스위치를 켤 때(즉 상기 기기의 구동을 시작할 때) 배터리 유닛(150)의 온도(TBU)가 TD-Min보다 낮은 저온일 경우, 제어 유닛이 배터리 유닛(150)의 방전을 제어하는 또 다른 구조 및 방법에 해당한다.
배터리 유닛(150), 특정 배터리 세트 또는 특정 배터리 팩이 TD-Min으로 가열되기 전 방전을 시작하면, 배터리는 영구적 손상을 입을 수도 있다. 이를 방지하기 위하여 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 발생하는 에너지의 일부 또는 전부를 배터리 유닛(150)에 제공하는 대신 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 따라서 사용자는 자신의 필요에 따라 또는 발전 유닛(120)이 제공하는 에너지의 양에 따라 상기 기기를 저급, 중급 또는 정상 등급으로 구동할 수 있다.
본 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 중 EGEN-H는 가열 유닛(130), 나머지인 EGEN-M은 직접 전기 기기(160)에 공급한다. 단 제어 유닛은 배터리 유닛(150)이 직접 방전하지 못하도록, 즉 배터리 유닛(150)이 전기 기기(160)에 직접 에너지를 제공하지 못하도록 제어할 수 있다.
제어 유닛은 예비 가열 기간 동안 배터리 유닛(150)이 전기 기기(160)에 에너지를 제공하는 방전은 금지하는 한편, 발전 유닛(120)으로부터 에너지를 제공받는 충전은 허용할 수 있다. 또는 제어 유닛은 예비 가열 기간 동안 배터리 유닛(150)의 충전 및 방전을 금지할 수도 있다.
본 두 번째 실시예의 두 번째 상세예는 상기 첫 번째 상세예와 마찬가지로 제어 유닛이 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 중 일부는 가열 유닛(130)에, 나머지는 직접 전기 기기(160)에 공급함은 물론, [도6]에 도시되지는 않았지만, 배터리 유닛(150)이 방전하며 전기 기기(160)에 에너지를 제공하도록 제어할 수 있다.
따라서 온도가 TD-Min보다 낮은 상태에서 방전하는 배터리 유닛(150)의 최소 일부는 비가역적 손상을 입을 수 있다. 하지만 배터리 유닛(150)이 상기 분리 배터리 또는 분리팩을 포함하고, 적정 방전 온도 범위보다 낮은 저온에서는 분리 배터리나 분리팩만 방전하도록 하여, 제어 유닛은 고정팩의 방전을 금지하여 손상으로부터 보호할 수 있다.
본 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예에 비하여, 상기 두 번째 실시예는 사용자에게 추가적인 장점을 제공한다. 즉 상기 두 번째 실시예의 제어 유닛은 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도보다 낮은 저온에서도 사용자가 전기 기기의 스위치를 켬과 동시에 상기 기기를 구동할 수 있다는 장점을 제공한다.
일예로 TBU가 TD-Min보다 낮을 경우 사용자가 전기 기기(160)의 스위치를 켜면, 첫 번째 실시예의 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지를 모두 가열 유닛(130)에 제공함으로써 배터리 유닛(150)의 예비 가열을 시작하거나, 또는 에너지를 가열 유닛(130)과 배터리 유닛(150)에 제공하여 배터리 유닛(150)의 예비 가열과 상기 유닛(150)의 충전을 시작할 수 있다. 하지만 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 금지하므로 전기 기기(160)은 구동할 수 없다.
이 경우에도 사용자가 오버라이드를 하면 배터리 유닛(150)은 방전을 시작하고, 전기 기기(160)가 구동될 수 있다. 하지만 이는 배터리 유닛(150)의 배터리의 일부 또는 전부에 비가역적 손상을 가할 수 있다. 따라서 스위치를 켬과 동시에 전기 기기(160)을 구동하려는 사용자는 배터리의 손상이라는 대가를 치를 수밖에 없다.
반면 상기 세 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 경우, TBU가 TD-Min보다 낮을 때 사용자가 전기 기기(160)의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지를 모두 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 또는 제어 유닛은 상기 에너지를 가열 유닛(130)과 전기 기기(160)에 제공함으로써, 배터리 유닛(150)의 예비 가열의 시작과 함께 사용자가 전기 기기(160)를 구동하도록 할 수 있다. 따라서 사용자는 배터리 유닛(150)의 예비 가열이 끝나기 전 또는 배터리의 일부나 전부의 예비 가열이 끝나기 전에도, 상기 기기(160)을 사용할 수 있다. 단 이 때 전기 기기(160)의 구동 등급(일예로 저급, 중급 또는 정상)은 발전 유닛(120)의 용량에 근거하여 결정될 수 있다.
위의 문장에서 예시한 구조에서 제어 유닛은 분리 배터리 또는 분리팩을 방전하며 추가 에너지를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 따라서 사용자는 저온에서 스위치를 켠 직후 전기 기기(160)를 중급 또는 정상 등급으로 구동할 수 있는 반면, 저온 방전에 의한 비가역적 손상은 분리 배터리 또는 분리팩에 국한시킬 수 있다.
상기 두 번째 실시예처럼, 배터리 유닛(150)의 온도가 TC-Min보다 낮을 때 사용자나 제어 유닛이 전기 기기(160)의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 구동하고 발전 유닛(120)을 구동하여 에너지 또는 파워를 생성하고, 이를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 따라 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 온도와 관계 없이, 또는 상기 유닛(150)이 입을 수 있는 비가역적 손상을 분리 배터리나 분리팩에 국한시키며 구동할 수 있다는 장점을 제공한다.
본 명세서의 세 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예는 TBU가 TC-Min보다 낮을 때 전기 기기의 구동을 시작한 후의 가열 유닛의 제어에 관련된 구조, 작동 순서 및 상기 순서 등에 대한 것이다.
배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Min로 올라가면, 제어 유닛은 상기 유닛(150)이 방전하며 에너지를 전기 기기(160)에 공급하도록 한다. 따라서 전기 기기(160)는 구동을 시작할 수 있다. 일단 배터리 유닛(150)이 방전을 시작하면, 제어 유닛은 TBU를 측정하며, TBU가 TC-Min보다 높아질 때까지 가열 유닛(130)을 구동할 수 있다.
배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Min에 도달하거나 또는 일정 기간 TD-Min보다 높은 온도를 유지하면, 제어 유닛은 가열 유닛(130)의 구동을 중지할 수 있다. 또한 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 또는 파워를 전기 기기(160) 대신 배터리 유닛(150)에 제공함으로써 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수도 있다. 하지만 TBU가 적정 충전 온도 범위에 속하지 않으면(즉 TBU가 TC-Min보다 낮으면) 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 충전을 시작하지 않을 수 있으며, TBU가 TC-Min에 도달할 때까지 가열 유닛(130)을 구동할 수 있다.
또는 배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Min에 도달하더라도, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지나 파워의 일부 또는 전부를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 특히 사용자가 전기 기기(160)을 구동하는 데 필요한 구동용 에너지가 배터리 유닛(150)이 방전할 수 있는 에너지를 초과하면, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 이에 따라 사용자는 전기 기기(160)를 이용하여 더 많은 기능을 구현할 수 있다.
본 명세서의 세 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예는 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 작동 상태 및 순서에 대한 개략도로서, 상기 그리드의 배터리 유닛(150)의 온도가 TC-Min보다 낮을 때 사용자 또는 제어 유닛이 전기 기기의 구동을 시작하는 상태에서의 배터리 유닛(150)의 충전에 대한 것이다.
일예로 사용자가 전기 기기(160)의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 온도(즉 TBU)를 측정한다. TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하는 경우, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)이 방전을 시작하며 EBAT를 전기 기기(160)에 제공하여 전기 기기(160)가 구동하도록 한다.
또한 TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하며 적정 충전 온도 범위에도 속하면, 제어 유닛은 전기 기기(160)의 구동과 동시에 또는 구동 시작 후 엔진 유닛(110)과 발전 유닛(120)을 구동하여 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수 있다. 또는 TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하지 않고 적정 충전 온도 범위에 속하면, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 금지함으로써 전기 기기(160)의 구동을 방지하지만, 엔진 유닛(110) 및 발전 유닛(120)을 구동하여 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수 있다.
만일 TBU가 (적정 방전 온도 범위와 관계 없이) 적정 충전 온도 범위에 속하지 않으면(즉 TBU가 TC-Min보다 낮으면), 제어 유닛은 가열 유닛(130)이나 냉각 유닛(140)을 구동하여 TBU를 적정 충전 온도 범위 이내로 증가시키거나 또는 감소시킨 후, 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수 있다.
일단 제어 유닛이 배터리 유닛(150)의 충전을 시작하면, 상술의 다양한 충전 종료 시점에 상기 유닛(150)의 충전을 종료할 수 있다. 단 상술과 같이 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 충전률이 50%, 60%, 70% 또는 80% 정도일 때 충전을 중단하거나, 또는 상기 유닛(150)의 방전률 또는 방전 깊이가 20%, 30%, 40%, 또는 50% 정도일 때 충전을 중단함으로써, 배터리 유닛(150)의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
단 상술과 같이 제어 유닛의 측면에서 보면 배터리 유닛(150)의 방전과 충전은 각각 별개의 작업일 수 있다. 또한 배터리 유닛(150)의 충전에는 엔진 유닛(110)과 발전 유닛(120)의 구동이 필수이다. 이에 따라 제어 유닛은 상술과 같이 TBU와 적정 충전 온도 범위를 비교함으로써 배터리 유닛(150)의 충전 여부를 결정하거나, TBU와는 상관 없이 배터리 유닛(150)의 충전률에 근거하여 충전 여부를 결정할 수 있다.
상술의 세 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 제어 유닛, 가열 유닛 및 냉각 유닛은 상술과는 상이한 구조로 변형 또는 개량되거나, 상술과는 상이한 방법으로 구동되거나 제어될 수 있다.
일예로 상기 세 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 방전 제어 및 충전 제어에 대한 것이고, 두 번째 실시예는 복사 현상을 이용하는 가열 유닛의 사용에 대한 것이며, 세 번째 실시예는 하나 이상의 3차전지를 포함하는 배터리 유닛에 대한 것이다. 이에 대한 설명은 상술의 첫 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량에 대한 첫 번째 내지 세 번째 실시예와 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 세 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 네 번째 실시예는 제어 유닛이 상기 그리드의 다양한 유닛의 상태를 다양한 방법으로 사용자에게 알리는 구조 및 방법에 대한 것이다.
일예로 제어 유닛은 하나 이상의 계기판을 이용하여 사용자에게 예비 가열에 소요되는 예상 기간 또는 예비 가열 완료 시간, 예비 가열이 완료되기 전 전기 기기의 구동을 시작할 때 가능한 구동 등급 또는 배터리 충전률을 알릴 수 있다. 배터리 유닛이 분리 배터리나 분리팩을 포함하는 경우, 제어 유닛은 분리 배터리나 분리팩의 예비 가열에 소요되는 예상 기간이나 예상 시간, 예비 가열이 완료되기 전 전기 기기의 구동을 시작할 때의 가능한 구동 등급, 충전률 등을 알릴 수 있다.
또는 제어 유닛은 분리팩이나 고정팩의 충전률이나 방전 깊이, 분리팩이나 고정팩의 배터리 용량, 분리팩의 배터리 용량 상실 정도 등을 사용자에게 알릴 수 있다. 또는 제어 유닛은 분리팩(또는 고정팩)의 배터리 용량 상실 정도가 특정 정도를 초과하는 경우, 사용자에게 분리팩을 교체하도록 알릴 수 있다.
상술의 세 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징 또는 기타 구동 방법, 제어 방법 등은 상술의 첫 번째 또는 두 번째 예시적 측면의 상기 특징 또는 방법과 동일하거나 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
또한, 서로 상충되지 않는 한, 상술의 세 번째 예시적 측면의 다양한 구조 또는 방법은 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
4. 고온에서의 전기 기기의 구동 및 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 온도 제어 및 방법
본 명세서의 네 번째 예시적 측면은 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위보다 높은 "고온"일 경우 사용자가 전기 기기의 스위치를 켰을 때의 다양한 제어 방법 및 작동 실행 순서에 대한 예시이다. 특히 본 예시적 측면은 상기 "고온"에서의 배터리 유닛의 방전 또는 충전 여부의 결정 및 이의 제어, 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 작동 상태, 작동 실행 순서 또는 제어 등에 대한 것이다.
상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 "고온에서의 방전"이란 적정 방전 온도 범위보다 높은, 즉 최고 방전 온도(TD-Max)보다 높은 온도에서의 방전을 의미한다. 또한, 상반된 언급이 없는 한, 본 명세서의 "고온에서의 충전"이란 적정 충전 온도 범위보다 높은, 즉 최고 충전 온도(TC-Max)보다 높은 온도에서의 충전을 의미한다.
일예로 제어 유닛이 배터리 유닛을 "고온"에서 방전하면, 상기 유닛의 온도는 최고 방전 온도보다 높은 온도이지만, 상기 유닛의 온도는 최고 충전 온도보다 높을 수도, 또는 낮을 수도 있다. 마찬가지로 제어 유닛이 배터리 유닛을 "고온"에서 충전할 경우, 상기 유닛의 온도는 최고 충전 온도보다 낮은 온도이지만, 상기 유닛의 온도는 최고 방전 온도보다 높을 수도, 또는 낮을 수도 있다.
상술과 같이 TD-Max와 TC-Max는 배터리 종류에 따라 상이하며, 동일한 배터리에 대해서도 사용자 또는 제어 유닛이 TD-Max 또는 TC-Max를 상이하게 설정할 수 있다. 특히 배터리 제조사, 배터리 유닛 제조사, 사용자 또는 제어 유닛은 TD-Max 또는 TC-Max를 상이하게 설정함으로써, 배터리, 배터리 팩 또는 배터리 유닛의 수명을 조절할 수 있고, 이에 따라 사용자가 배터리, 배터리 팩 또는 배터리 유닛을 교체해야 하는 시기도 조절할 수 있다.
일예로 고온 방전(또는 충전)에 의한 배터리 유닛의 비가역적 손상 및 이에 의한 배터리 용량 손실을 최소화하려면, 사용자나 제어 유닛은 기존 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 비하여 신규 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 좁게 설정할 수 있다. 따라서 상기 신규 온도 범위의 TD-Max-1(또는 TC-Max-1)은 기존의 온도 범위의 TD-Max-0(또는 TC-Max-0)에 비하여 상대적으로 낮은 온도일 수 있다. 이 경우의 장단점은 상술의 3.과 유사하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
또는 고온 방전(또는 충전)에 의한 배터리 유닛의 비가역적 손상 및 이에 의한 배터리 용량 손실에 크게 개의치 않는 경우, 제어 유닛은 배터리 유닛의 고온 방전(또는 충전)을 허용하도록 기존 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 비하여 신규 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 넓게 설정할 수 있다. 즉 신규 온도 범위의 TD-Max-2(또는 TC-Max-2)는 기존 온도 범위의 TD-Min-0(또는 TC-Min-0)에 비해 상대적으로 높은 온도일 수 있다. 이 경우의 장단점 역시 상술의 3.과 유사하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
이와 같이 배터리 제조사, 배터리 유닛 제조사, 제어 유닛 또는 사용자는 사용자 편리성과 배터리 유닛이 입을 수 있는 비가역적 손상 등을 고려하여 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 설정할 수 있다. 그 결과 TD-Max나 TC-Max이 결정되며, 제어 유닛은 상기 범위나 배터리 유닛의 온도 등에 근거하여 배터리 유닛(150), 가열 유닛(130) 등을 다양한 방법으로 제어할 수 있다.
본 예시적 측면의 [도4]는 전기 기기의 스위치가 꺼져 있는 정지 상태의 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 상태를 표시하였다. 이 경우 제어 유닛은 전기 기기(160)의 구동을 중지하였고, 가열 유닛(130)과 냉각 유닛(140) 역시 꺼진 상태로 유지할 수 있다.
일정 시간이 경과한 후 사용자나 제어 유닛이 전기 기기의 스위치를 켜면(즉 상기 기기의 구동을 시작하면), 배터리 유닛(150)은 전기 기기(160)에 전기 에너지를 공급하고, 전기 기기(160)는 구동을 시작한다. 하지만 스위치가 켜진 후 배터리 유닛(150)이 방전을 시작할 때 TBU가 최고 방전 온도인 TD-Max보다 높으면, 배터리 유닛(150)은 비가역적 손상을 입을 수 있으며, 이는 배터리 용량의 손실을 초래될 수 있다.
본 명세서의 네 번째 예시적 측면의 제어 유닛은 다양한 구조 및 다양한 방법으로 고온 방전에 의한 비가역적 손상 및 배터리 용량 손실을 방지하거나 또는 최소화할 수 있다. [도7] 및 [도8]은 이를 위한 제어 유닛의 다양한 구조 및 다양한 제어 방법을 예시한다.
[도7]은 본 명세서의 네 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다. 본 실시예는 제어 유닛 또는 사용자가 전기 기기의 스위치를 켤 때(즉 상기 기기의 구동을 시작할 때) TBU가 TD-Max보다 높은 고온일 경우, 제어 유닛이 배터리 유닛(150)의 방전을 제어하는 구조 및 방법에 해당한다.
제어 유닛이나 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 TBU를 측정할 수 있다. 만일 TBU가 TD-Max보다 낮으며 TD-Min보다 높으면, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 시작할 수 있고, 이에 따라 전기 기기는 구동을 시작할 수 있다.
단 TBU가 TD-Max보다 높으면, 제어 유닛은 [도7]과 같이 배터리 유닛(150)이 방전하지 않도록 제어할 수 있다. 대신 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 구동하여 기계적 에너지를 생성하고, 기계적 에너지를 이용하여 발전 유닛(120)을 구동하며, 발전 유닛(120)은 이를 이용하여 생성한 전기 에너지를 냉각 유닛(140)에 제공한다. 냉각 유닛(140)은 냉각 요소를 이용하여 배터리 유닛(150)의 예비 냉각을 시작할 수 있다. 이 때 제어 유닛은 상기 전기 에너지를 배터리 유닛(150)에는 제공하지 않을 수 있다.
또한 냉각 유닛(140)이 배터리 유닛(150)의 일부나 전부를 냉각하는 동안 제어 유닛은 배터리 유닛(150)은 방전을 시작하지 않으며, 따라서 사용자가 전기 기기(160)의 스위치를 켜도 배터리 유닛(150)은 방전을 시작하지 않으며, 사용자는 배터리 유닛(150)이 냉각될 때까지 전기 기기(160)을 구동하지 못한다. 그 후 TBU가 TD-Ma로 감소하면(즉 예비 냉각이 완료되면), 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 시작하고, 전기 기기(160)는 구동을 시작한다.
제어 유닛은 냉각 유닛(140)을 다양한 패턴으로 조작하여 배터리 유닛(150)을 예비 냉각할 수 있다. 즉 제어 유닛은 배터리 유닛(150)에 포함된 배터리의 총 수효, 상기 배터리의 배열이나 기계적 또는 전기적 연결 특성, 분리팩 포함 여부, 분리팩의 총 수효, 고정팩의 총 수효, 상기 팩들의 배열, 상기 팩들의 기계적 또는 전기적 연결 특성 등에 따라 상이한 패턴으로 배터리 유닛(150)을 예비 냉각할 수 있다.
본 첫 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 배터리 유닛(150)이 다수의 배터리들을 포함하며, 상기 유닛(150)이 방전할 때 모든 배터리가 동시에 방전하는 구조를 가진 경우이다. 단 상술의 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 상세예에서의 가열과 본 상세예의 냉각을 제외하면, 본 실시예는 상기 세 번째 예시적 측면의 상기 첫 번째 실시예와 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
본 첫 번째 실시예의 두 번째 상세예의 배터리 유닛(150)은 상기 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 두 번째 상세예와 같이 단일의 배터리 팩 형태로 제작되고 다수의 배터리들을 포함하되, 상기 팩 내부에 장착된 배터리들이 다수의 세트들로 구분되어 장착되는 구조를 가진다. 따라서 상기 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 두 번째 상세예의 예비 가열 및 제어 방법과 유사한 방법을 이용하여 제어 유닛은 본 상세예의 배터리 유닛(150)의 다수의 배터리 세트들을 예비 냉각하거나 제어할 수 있다.
본 상세예의 사용자는 시동 스위치를 켜더라도 배터리 유닛(150)의 특정 배터리 세트의 예비 냉각이 끝나기 전에는 상기 전기 기기의 구동을 시작할 수 없다. 하지만 예비 냉각 기간이 특정 기간 이상 길어지면(또는 길어질 것으로 예상되면), 제어 유닛은 상술과 같이 오버라이드할 수 있다.
특히 본 상세예에서 다른 배터리 세트보다 먼저 냉각되는 배터리 세트는 상기 "분리 배터리"에 해당한다. 또한 상기 분리 배터리가 아닌 배터리들은 상기 "고정 배터리"에 해당한다.
본 첫 번째 실시예의 세 번째 상세예의 배터리 유닛(150)은 상기 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 세 번째 상세예와 유사하게 다수의 배터리 팩 형태로 제작되어 상기 유닛(150)에 장착되는 구조를 가진다. 따라서 상기 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 세 번째 상세예의 예비 가열 및 제어 방법과 유사한 방법을 이용하여 제어 유닛은 본 상세예의 배터리 유닛(150)의 다수의 배터리 팩들을 예비 냉각하거나 제어할 수 있다.
본 상세예의 사용자는 전기 기기(160)의 스위치를 켜더라도 배터리 유닛(150)의 특정 배터리 팩(즉 분리팩)의 예비 냉각이 끝나기 전에는 상기 기기(160)을 구동할 수 없다. 단 예비 냉각 기간이 특정 기간 이상 길어지면(또는 길어질 것으로 예상되면), 제어 유닛은 상술과 같이 오버라이드할 수 있다.
본 실시예의 두 번째 또는 세 번째 상세예에서, 배터리 유닛의 분리 배터리 또는 분리팩이 방전하는 에너지가 전기 기기의 정상 등급에서 구동하기에 필요한 구동용 에너지에 도달하면, 전기 기기는 정상 구동할 수 있다. 하지만 분리 배터리나 분리팩이 방전하는 에너지가 정상 구동에 필요한 양에 미치지 못하게 되면, 전기 기기는 정상 구동 대신 저급 구동을 시작할 수 있다. 또는 분리 배터리나 분리팩이 방전하는 에너지가 정상 구동에 필요한 양에 미치지 못하면, 제어 유닛은 전기 기기가 구동하지 못하도록 제어할 수 있다.
그 후 제어 유닛은 배터리 유닛의 고정 배터리나 고정팩 중 냉각 유닛에 의해 예비 냉각이 완료된 고정 배터리 또는 고정팩이 순차적으로 방전하도록 제어할 수 있다. 따라서 전기 기기는 저급 구동 대신 중급 구동 또는 정상 구동을 할 수 있게 된다.
상기 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예과 같이, 본 네 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 다양한 상세예들 중 세 번째 상세예는 다른 상세예들이 제공하지 않는 장점을 가지며, 이는 분리팩을 배터리 유닛으로부터 용이하게 분리할 수 있다는 점이다. 또한 고정팩은 배터리 유닛의 대부분을 차지하는 반면, 분리팩은 상기 유닛의 일부분에 해당한다.
따라서 분리팩이 비가역적 손상을 입어도, 사용자는 추후 손상을 입은 분리팩만 다른 분리팩으로 교체할 수 있다. 이 경우 분리팩에 포함된 배터리들의 수효가 적으므로, 사용자는 손상된 분리팩의 교체 비용을 최소화할 수도 있다. 또한 제어 유닛은 예비 냉각이 끝나기 전 분리팩의 방전을 시작하지만 고정팩의 방전을 막을 수 있다. 따라서 제어 유닛은 분리팩은 대체 가능한 소모품으로 활용하는 한편, 교체에 높은 비용이 필요할 수 있는 고정팩들은 비가역적 손상으로부터 효율적으로, 용이하게 보호할 수 있다는 장점도 제공한다.
이와 같이 본 실시예의 세 번째 상세예가 사용자에게 제공할 수 있는 이점은 상기 세 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예의 세 번째 상세예가 사용자에게 제공하는 이점과 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
[도8]은 본 명세서의 네 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 구조, 작동 순서 및 상기 순서에 따른 다양한 유닛의 작동 상태에 대한 개략도이다. 본 실시예는 제어 유닛 또는 사용자가 전기 기기의 스위치를 켤 때 TBU가 TD-Max보다 높은 고온일 경우, 제어 유닛이 배터리 유닛(150)의 방전을 제어하는 또 다른 구조 및 방법에 해당한다.
배터리 유닛(150), 특정 배터리 세트 또는 특정 배터리 팩이 TD-Max로 냉각되기 전 방전을 시작하게 되면, 배터리는 영구적 손상을 입을 수도 있다. 이를 방지하기 위하여 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 발생하는 에너지의 일부 또는 전부를 배터리 유닛(150)에 제공하는 대신 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 따라서 사용자는 자신의 필요에 따라 또는 발전 유닛(120)이 제공하는 에너지의 양에 따라 상기 기기(160)을 저급, 중급 또는 정상으로 구동할 수 있다.
본 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 경우, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 중 EGEN-C는 냉각 유닛(140), 나머지인 EGEN-M은 직접 전기 기기(160)에 공급한다. 단 제어 유닛은 배터리 유닛(150)이 직접 방전하지 못하도록, 즉 배터리 유닛(150)이 전기 기기(160)에 직접 에너지를 제공하지 못하도록 제어할 수 있다.
제어 유닛은 예비 냉각 기간 동안 배터리 유닛(150)이 전기 기기(160)에 에너지를 제공하는 방전은 금지하는 한편, 발전 유닛(120)으로부터 에너지를 제공받는 충전은 허용할 수 있다. 또는 제어 유닛은 예비 냉각 기간 동안 배터리 유닛(150)의 충전 및 방전을 금지할 수도 있다.
본 두 번째 실시예의 두 번째 상세예는 상기 첫 번째 상세예와 마찬가지로 제어 유닛이 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 중 일부는 냉각 유닛(140)에, 나머지는 직접 전기 기기(160)에 공급함은 물론, [도8]에 도시되지는 않았지만, 배터리 유닛(150)이 방전하며 전기 기기(160)에 에너지를 제공하도록 제어할 수 있다.
따라서 온도가 TD-Max보다 높은 상태에서 방전하는 배터리 유닛(150)의 최소 일부는 비가역적 손상을 입을 수 있다. 하지만 배터리 유닛(150)이 상기 분리 배터리 또는 분리팩을 포함하고, 적정 방전 온도 범위보다 높은 고온에서는 분리 배터리나 분리팩만 방전하도록 하여, 제어 유닛은 고정팩의 방전을 금지하여 손상으로부터 보호할 수 있다.
본 네 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예에 비하여, 상기 두 번째 실시예는 사용자에게 추가적인 장점을 제공한다. 즉 상기 두 번째 실시예의 제어 유닛은 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도보다 높은 고온에서도 사용자가 시동 스위치를 켬과 동시에 전기 기기를 구동할 수 있다는 장점을 제공한다.
일예로 TBU가 TD-Max보다 높을 때 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜게 되면, 첫 번째 실시예의 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지를 모두 냉각 유닛(140)에 제공함으로써 배터리 유닛(150)의 예비 냉각을 시작하거나, 또는 상기 에너지를 냉각 유닛(140)과 배터리 유닛(150)에 제공하여 배터리 유닛(150)의 예비 냉각과 충전을 시작할 수 있다. 하지만 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 금지하므로 전기 기기는 구동할 수 없다.
이 경우에도 사용자가 오버라이드를 하면 배터리 유닛(150)은 방전을 시작하고, 전기 기기(160)가 구동되며, 따라서 전기 기기는 구동할 수 있다. 하지만 이는 배터리 유닛(150)의 배터리의 일부 또는 전부에 비가역적 손상을 가할 수 있다. 따라서 전기 기기의 스위치를 켬과 동시에 상기 기기를 구동하려는 사용자는 배터리의 손상이라는 대가를 치를 수밖에 없다.
반면 상기 네 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 경우, TBU가 TD-Max보다 높을 때 사용자가 전기 기기(160)의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지를 모두 전기 기기(160)에만 제공할 수 있다. 또는 제어 유닛은 상기 에너지를 냉각 유닛(140)과 전기 기기(160)에 제공하여, 배터리 유닛(150)의 예비 냉각의 시작과 함께 사용자가 전기 기기(160)를 구동하도록 할 수 있다. 즉 사용자는 상기 유닛(150)의 예비 냉각이 끝나기 전이나 배터리의 일부나 전부의 예비 냉각이 끝나기 전, 전기 기기(160)를 구동할 수 있다. 단 사용자는 발전 유닛(120)의 용량에 근거하여 전기 기기(160)를 저급, 중급 또는 정상 등의 등급으로 구동할 수 있다.
위의 문장에서 예시한 구조에서 제어 유닛은 분리 배터리 또는 분리팩을 방전하며 추가 에너지를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 따라서 사용자는 고온에서 스위치를 켠 직후 전기 기기(160)를 중급 또는 정상으로 구동할 수 있는 반면, 고온 방전에 의한 비가역적 손상은 분리 배터리 또는 분리팩에 국한시킬 수 있다.
상기 두 번째 실시예처럼, 배터리 유닛(150)의 온도가 TC-Max보다 높을 때 사용자나 제어 유닛이 전기 기기(160)의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 구동하고 발전 유닛(120)을 구동하여 에너지 또는 파워를 생성하고, 이를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 이에 따라 상기 기기(160)는 배터리 유닛(150)의 온도와 관계 없이, 또는 상기 유닛(150)이 입을 수 있는 비가역적 손상을 분리 배터리나 분리팩에 국한시키며 구동할 수 있다는 장점을 제공한다.
본 명세서의 네 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예는 TBU가 TC-Max보다 높을 때 전기 기기(160)의 구동을 시작한 후의 냉각 유닛의 제어에 관련된 구조, 작동 순서 및 상기 순서 등에 대한 것이다.
배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Max로 내려가면, 제어 유닛은 상기 유닛(150)이 방전하며 에너지를 전기 기기(160)에 공급하도록 한다. 따라서 전기 기기(160)는 구동을 시작할 수 있다. 일단 배터리 유닛(150)이 방전을 시작하면, 제어 유닛은 TBU를 측정하며, TBU가 TC-Max보다 낮아질 때까지 냉각 유닛(140)을 구동할 수 있다.
배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Max보다 낮아지거나, 또는 일정 기간 TD-Max보다 낮은 온도를 유지하면, 제어 유닛은 냉각 유닛(140)의 구동을 중지할 수 있다. 또한 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지 또는 파워를 전기 기기(160) 대신 배터리 유닛(150)에 제공함으로써 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수도 있다. 하지만 TBU가 적정 충전 온도 범위에 속하지 않으면(즉 TBU가 TC-Max보다 높으면) 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 충전을 시작하지 않을 수 있으며, TBU가 TC-Max에 도달할 때까지 냉각 유닛(140)을 구동할 수 있다.
또는 배터리 유닛(150)의 온도가 TD-Max에 도달하더라도, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지나 파워의 일부 또는 전부를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 특히 사용자가 요구하는 구동용 에너지가 배터리 유닛(150)이 방전할 수 있는 에너지를 초과하면, 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성하는 에너지를 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 이에 따라 전기 기기(160)는 더 다양한 기능을 구현할 수 있다.
본 명세서의 네 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예는 마이크로 그리드의 다양한 유닛의 작동 상태 및 순서에 대한 개략도로서, TBU가 TC-Max보다 높을 때 사용자 또는 제어 유닛이 전기 기기의 구동을 시작하는 상태에서의 배터리 유닛(150)의 충전에 대한 것이다.
일예로 사용자가 전기 기기(160)의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 TBU를 측정한다. TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하는 경우, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)이 방전을 시작하며 EBAT를 전기 기기(160)에 제공하고, 이에 따라 전기 기기(160)는 구동을 시작한다.
또한 TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하며 적정 충전 온도 범위에도 속하면, 제어 유닛은 전기 기기(160)의 구동과 동시에 또는 구동 시작 후 엔진 유닛(110)과 발전 유닛(120)을 구동하여 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수 있다. 이에 반하여 TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하지는 않지만 적정 충전 온도 범위에도 속하면, 제어 유닛은 배터리 유닛(150)의 방전을 금지하여 전기 기기(160)의 구동을 방지하지만, 엔진 유닛(110) 및 발전 유닛(120)을 구동하여 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수 있다.
단 TBU가 (적정 방전 온도 범위와 관계 없이) 적정 충전 온도 범위에 속하지 않으면(즉 TBU가 TC-Max보다 높으면), 제어 유닛은 가열 유닛(130)이나 냉각 유닛(140)을 구동하여 TBU를 적정 충전 온도 범위 이내로 증가시키거나 또는 감소시킨 후, 배터리 유닛(150)의 충전을 시작할 수 있다. 일단 제어 유닛이 배터리 유닛(150)의 충전을 시작하면, 상술의 다양한 충전 종료 시점에 상기 유닛(150)의 충전을 종료할 수 있다.
상술과 같이 제어 유닛의 측면에서 보면 배터리 유닛(150)의 방전과 충전은 각각 별개의 작업일 수 있다. 따라서 제어 유닛은 상술과 같이 TBU와 적정 충전 온도 범위를 비교함으로써 배터리 유닛(150)의 충전 여부를 결정하거나, TBU와는 상관 없이 배터리 유닛(150)의 충전률에 근거하여 충전 여부를 결정할 수 있다.
상술의 네 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 제어 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 등은 상술과는 상이한 구조로 변형 또는 개량되거나, 상술과는 상이한 방법으로 구동되거나 제어될 수 있다.
일예로 상기 네 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 방전 제어 및 충전 제어에 대한 것이고, 또한 두 번째 실시예는 하나 이상의 3차전지를 포함하는 배터리 유닛에 대한 것이다. 상술의 두 가지 실시예에 대한 설명은 상술의 첫 번째 예시적 측면 및 세 번째 예시적 측면의 설명과 동일하기 때문에 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 네 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 세 번째 실시예는 제어 유닛이 상기 그리드의 다양한 유닛의 상태를 다양한 방법으로 사용자에게 알리는 구조 및 방법에 대한 것이다. 하지만 본 실시예의 고온 방전 시 사용자에 대한 통보는 상술의 세 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 세 번째 실시예의 저온 방전 시의 사용자 통보와 동일 또는 유사하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상술의 네 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징 또는 기타 구동 방법, 제어 방법 등은 상술의 첫 번째 내지 세 번째 예시적 측면의 상기 특징 또는 방법과 동일하거나 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
또한, 서로 상충되지 않는 한, 상술의 네 번째 예시적 측면의 다양한 구조, 방법 등은 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
5. 적정 방전(또는 충전) 온도 및 배터리 유닛의 온도에 근거한 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 제어 및 방법
본 명세서의 다섯 번째 예시적 측면은 배터리 유닛의 온도에 근거하여 상기 유닛의 방전과 충전은 물론 마이크로 그리드에 연결된 전기 기기의 구동을 제어하는 다양한 구조 및 방법에 대한 예시이다. 단 본 예시적 측면은 배터리 유닛의 온도와 상기 유닛의 적정 방전(또는 충전) 온도에 근거하여 상기 기기의 구동을 제어하는 다양한 구조 및 방법은 물론 이와 관련된 가열 유닛 및 냉각 유닛의 제어에 대한 것이다.
상술과 같이 본 명세서의 다양한 배터리나 배터리 유닛의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 배터리 종류, 배터리의 구조 또는 배터리 유닛의 구조에 따라 상수로 결정되는 것은 아니다. 이에 반하여 상기 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 상기 범위 밖의 고온 또는 저온에서 배터리 유닛이 방전할 경우, 제어 유닛 또는 사용자가 허용할 수 있는 배터리 유닛이 입을 수 있는 비가역적 손상의 정도에 따라 상이해질 수 있다.
본 예시적 측면에서 예시하는 다양한 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 제어 유닛이나 사용자가 허용할 수 있는 비가역적 손상의 정도에 근거한 온도 범위를 의미하는 것으로 한다. 즉 하술의 다양한 범위는 제어 유닛, 사용자 등이 상기 손상에 대한 허용 정도를 변경할 경우, 상이해질 수 있다.
본 명세서의 다섯 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예는 마이크로 그리드의 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위가 서로 중첩하되, 최고 방전 온도(TD-Max)가 최고 충전 온도(TC-Max)보다 높고, 최저 방전 온도(TD-Min)가 최저 충전 온도(TC-Min)보다 높은 경우이다. [도9]는 이러한 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위를 나타내는 개략도이다. 제어 유닛은 [도9]에 도시된 다섯 개의 구간, 즉 (A1), (A2), (A3), (A4) 및 (A5)에 따라 마이크로 그리드에 연결된 전기 기기의 구동을 상이하게 제어할 수 있다.
구간 (A1)은 배터리 유닛의 온도(TBU)가 TC-Min(따라서 TD-Min)보다 낮은 경우이다. 즉 구간 (A1)에서 배터리 유닛의 방전이나 충전을 시도하면, 배터리가 비가역적 손상을 입을 수 있다. 따라서 제어 유닛은 구간 (A1)에서 배터리를 예비 가열하여 배터리 유닛의 온도가 구간 (A2)로 증가한 후 충전을 시작하거나, 또는 상기 온도가 구간 (A3)로 증가한 후 방전을 시작함으로써, 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
구간 (A2)는 TBU가 TC-Min보다 높지만 TD-Min보다는 낮은 경우이다. 따라서 구간 (A2)에서는 배터리 유닛의 손상을 최소화하며 충전이 가능하다. 하지만 상기 배터리 유닛은 방전할 경우 저온에 의한 비가역적 손상을 입을 수 있다. 따라서 제어 유닛은 배터리 유닛을 예비 가열하여 TBU가 구간 (A2)에서 (A3)로 증가한 후 방전을 시작함으로써, 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
구간 (A3)는 TBU가 TD-Min와 TC-Max 사이인 경우이다. 상기 구간에서는 배터리 유닛이 최소한의 손상을 입으며 방전 및 충전이 모두 가능하다. 바꾸어 말하면, 구간 (A3)는 마이크로 그리드의 배터리 유닛이 방전 및 충전을 하며 전기 기기를 구동할 수 있는 온도 범위에 해당한다.
구간 (A4)는 TBU가 TC-Max보다는 높지만 TD-Max보다 낮은 경우이다. 따라서 구간 (A4)의 배터리 유닛은 최소한의 손상만 입으며 방전은 가능하지만, 충전 시에는 고온 충전에 의한 비가역적 손상을 입게 된다. 따라서 제어 유닛은 구간 (A4)에서 배터리 유닛을 예비 냉각하여 배터리 유닛의 온도가 구간 (A3)로 감소한 후 충전을 시작함으로써, 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
구간 (A5)는 TBU가 TD-Max(따라서 TC-Max)보다 높은 경우이다. 상기 구간에서 배터리 유닛이 방전(또는 충전)되면 고온 방전(또는 충전)에 의한 비가역적 손상을 입게 된다. 따라서 제어 유닛은 배터리를 예비 냉각하여 TBU가 구간 (A4)로 감소한 후 방전을 시작하거나, 또는 상기 온도가 구간 (A5)에서 구간 (A3)로 감소한 후 충전을 시작함으로써, 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
상기 첫 번째 실시예의 제어 유닛은 다양한 방법으로 엔진 유닛, 발전 유닛, 배터리 유닛의 방전(또는 충전), 전기 기기의 구동을 제어할 수 있다. 따라서 사용자는 전기 기기의 스위치를 켜는 즉시 상기 기기를 구동할 수 있거나, 또는 배터리 유닛의 예비 가열 또는 예비 냉각 기간 동안 상기 기기를 구동하지 못하고 기다려야 할 수 있다. 또한 상기 제어에 따라 사용자는 상기 기기를 저급으로만 구동할 수 있거나, 저급 또는 중급으로만 구동할 수 있거나, 또는 저급, 중급 또는 정상 등의 등급으로 구동할 수 있다.
구간 (A1)의 제어 유닛은 다양한 방법으로 전기 기기의 구동을 제어할 수 있다. 일예로 구간 (A1)에서의 제어의 첫 번째 상세예의 경우, 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 가열 유닛을 구동하여 배터리 유닛의 예비 가열을 시작한다. 제어 유닛은 TBU가 구간 (A3)로 증가할 때까지 배터리 유닛의 방전을 금지할 수 있고, 사용자는 스위치를 켠 후에도 TBU가 구간 (A3)로 가열될 때까지 기다린 후에야 전기 기기의 구동을 시작할 수 있다.
상술의 제어 방법은 사용자가 스위치를 켠 후에도 일정 기간이 지나야 전기 기기를 구동할 수 있다는 단점이 있다. 하지만 상술의 제어 방법은 적정 방전(또는 충전) 온도 범위보다 낮은 온도에서의 방전(또는 충전)을 방지함으로써 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화하며, 이에 따라 배터리 유닛의 수명을 최적화한다는 장점을 제공한다.
구간 (A1)의 제어의 두 번째 상세예의 경우, 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 TBU와는 관계 없이 배터리 유닛의 방전을 시작할 수 있다. 따라서 사용자는 전기 기기의 스위치를 켠 후 즉시 상기 기기를 구동할 수 있다. 배터리 유닛은 구간 (A1)에서 방전함에 따라 비가역적 손상을 입게 된다. 이러한 손상을 최소화하기 위하여 제어 유닛은 배터리 유닛 전체를 방전시키거나 또는 일부(일예로 분리 배터리나 분리팩)만 방전시킬 수 있다.
일예로 제어 유닛이 배터리 유닛 전체를 방전하면, 사용자는 전기 기기를 정상 등급에서 구동할 수 있다. 하지만 제어 유닛이 배터리 유닛의 일부만 방전하면, 사용자는 전기 기기를 중급 또는 저급 등급으로만 구동할 수도 있다.
상기 배터리 유닛은 구간 (A1)에서의 방전에 따라 비가역적 손상을 입게 된다. 하지만 배터리 유닛이 분리 배터리 또는 분리팩을 포함하는 경우, 제어 유닛은 분리 배터리나 분리팩을 방전시킴으로써, 고정 배터리 또는 고정팩을 상기 손상으로부터 보호하는 동시에 사용자가 전기 기기를 구동하도록 할 수 있다. 이 경우, 사용자는 분리 배터리 또는 분리팩이 생성할 수 있는 에너지에 비례하여 전기 기기를 구동할 수 있다.
본 두 번째 상세예의 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전과 동시에 가열 유닛을 구동하여 배터리 유닛의 예비 가열을 시작할 수 있다. 또는 제어 유닛은 배터리 유닛이 방전을 시작하기 직전 또는 직후 가열 유닛을 구동할 수도 있다.
일단 TBU가 구간 (A3)에 도달하면, 제어 유닛은 가열 유닛의 구동을 중단하고 예비 가열을 마칠 수도 있다. 따라서 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전 또는 충전을 시작할 수 있다.
구간 (A1)의 제어의 세 번째 상세예에서, 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 엔진 유닛을 구동하여 발전 유닛을 구동한 후, 발전 유닛이 생성한 전기 에너지를 직접 전기 기기에 제공할 수 있다. 이에 따라 사용자는 TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하지 않는 구간 (A1)에서도 스위치를 켜는 즉시 전기 기기를 구동할 수 있다.
단 제어 유닛은 TBU가 구간 (A3)에 도달할 때까지 배터리 유닛의 방전은 금지할 수 있다. 따라서 본 상세예의 경우, 사용자는 발전 유닛이 생성할 수 있는 에너지의 양에 의하여 전기 기기를 다양한 등급으로 구동할 수 있다.
본 세 번째 상세예의 제어 유닛은 발전 유닛을 구동하여 에너지를 생성함과 동시에 일부는 전기 기기에 제공하여 전기 기기의 구동을 시작하는 한편, 나머지는 가열 유닛에 제공하여 배터리 유닛의 예비 가열을 시작할 수 있다. 또는 제어 유닛은 전기 기기가 구동하기 시작한 직후 가열 유닛을 구동할 수도 있다. 일단 TBU가 구간 (A3)에 도달하면, 제어 유닛은 가열 유닛의 구동을 중단하고 예비 가열을 마칠 수 있다.
구간 (A1)에서의 제어의 네 번째 상세예의 경우, 제어 유닛은 상술의 두 번째 및 세 번째 상세예를 모두 실행할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 발전 유닛이 생성한 전기 에너지 및 배터리 유닛이 방전하며 제공하는 에너지를 전기 기기에 제공하며, 사용자는 상기 기기를 저급, 중급, 정상 등의 등급으로 구동할 수 있다. 본 상세예의 기타 사항은 상술의 두 번째 및 세 번째 상세예와 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
구간 (A5)의 제어 유닛 역시 다양한 방법으로 전기 기기의 구동을 제어할 수 있다. 단 구간 (A5)의 제어는 구간 (A1)의 제어와 유사하지만, 구간 (A5)의 제어는 TBU가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위보다 높은 고온인 반면 구간 (A1)의 제어는 TBU가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위보다 낮은 저온이라는 차이점이 있고, 구간 (A5)는 TD-Max보다 높은 온도부터 시작하지만, 구간 (A1)은 TC-Min보다 낮은 온도부터 시작한다는 차이점이 있다.
따라서 구간 (A5)의 제어 유닛은 가열 유닛 대신 냉각 유닛을 구동하며 배터리 유닛의 온도를 조작하고, 이에 따라 배터리 유닛의 방전 또는 충전을 제어함은 물론 전기 기기의 구동을 제어할 수 있다. 상기 차이점들을 제외한다면, 구간 (A5)의 제어 유닛의 제어는 구간 (A1)의 제어 유닛의 제어와 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
구간 (A2)와 구간 (A3)의 제어 유닛도 다양한 방법으로 전기 기기의 구동을 제어할 수 있다. 단 구간 (A2)는 TBU가 적정 충전 온도 범위에 속하는 반면 구간 (A3)는 TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하는 경우이다. 이 점을 제외하면, 구간 (A2)과 구간 (A3)에서의 제어는 구간 (A1) 또는 구간 (A5)의 제어와 유사하거나 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 첫 번째 실시예의 제어 유닛은 다양한 방법으로 배터리 유닛의 충전을 제어할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면 배터리 유닛의 충전을 시작할 수 있다. 또는 제어 유닛은 배터리 유닛의 예비 가열이나 예비 냉각이 완료되고, TBU가 적정 충전 온도 범위에 속한 후에야 배터리 유닛의 충전을 시작할 수 있다.
또한 TBU가 적정 충전 온도 범위에 속하지 않으면 제어 유닛은 분리 배터리나 분리팩만 충전할 수 있다. 이에 따라 제어 유닛은 선택적으로 저온 충전 또는 저온 방전에 따른 비가역적 손상을 분리 배터리나 분리팩에 국한시킬 수 있다. 이와 같이 배터리 유닛의 충전과 관련된 다양한 제어 방법은 상술의 방전과 관련된 다양한 제어 방법과 유사 또는 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
본 명세서의 다섯 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예는 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위가 서로 중첩하되, TD-Max가 TC-Max보다 낮고, TD-Min도 TC-Min보다 낮은 경우이다. [도10]는 상기 배터리 유닛의 상기 범위를 나타내는 개략도이다. 제어 유닛은 [도10]에 도시된 다섯 개의 구간, 즉 (B1), (B2), (B3), (B4), (B5) 등에 따라 배터리 유닛의 구동을 상이하게 제어할 수 있다.
구간 (B1)은 TBU가 TD-Min(따라서 TC-Min)보다 낮은 경우이다. 따라서 배터리 유닛이 방전이나 충전되면, 배터리가 비가역적 손상을 입게 된다. 따라서 제어 유닛은 구간 (B1)에서 배터리를 예비 가열하여 상기 유닛의 온도가 구간 (B2)로 증가한 후 방전을 시작하거나, 구간 (B3)로 증가한 후 충전을 시작하여, 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
구간 (B2)는 TBU가 TD-Min보다 높지만 TC-Min보다는 낮은 경우이다. 즉 구간 (B2)는 배터리 유닛이 최소한의 손상을 입으며 방전이 가능하지만, 충전 시에는 저온 충전에 의한 비가역적 손상을 입게 된다. 따라서 제어 유닛은 구간 (B2)에서 배터리 유닛을 예비 가열하여 배터리 유닛의 온도가 구간 (B3)로 증가한 후 충전을 시작함으로써, 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
구간 (B3)는 TBU가 TC-Min와 TD-Max 사이인 경우이다. 상기 구간에서는 배터리 유닛이 최소한의 손상을 입으며 방전 및 충전이 모두 가능하다. 바꾸어 말하면, 구간 (B3)는 배터리 유닛이 전기 기기의 구동을 위하여 방전하며 동시에 충전을 할 수 있는 온도 범위에 해당한다.
구간 (B4)는 TBU가 TD-Max보다 높지만 TC-Max보다는 낮은 경우로서, 배터리 유닛이 최소한의 손상만 입으며 충전이 가능하나, 방전하면 고온 방전에 의한 손상을 입게 된다. 따라서 제어 유닛은 배터리 유닛을 예비 냉각하여 상기 유닛의 온도가 구간 (B3)로 감소한 후 방전을 시작함으로써, 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
구간 (B5)는 TBU가 TD-Max 및 TC-Max보다 높은 경우로서, 배터리 유닛의 방전이나 충전되면, 배터리가 비가역적 손상을 입게 된다. 따라서 제어 유닛은 배터리를 예비 냉각하여 TBU가 구간 (B4)로 감소한 후 충전을 시작하거나, 또는 TBU가 구간 (B3)로 감소한 후 방전을 시작함으로써, 배터리 유닛의 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
상기 두 번째 실시예의 제어 유닛도 다양한 방법으로 엔진 유닛, 발전 유닛, 배터리 유닛의 방전, 전기 기기의 구동 등을 제어할 수 있다. 따라서 사용자는 전기 기기의 스위치를 켜는 즉시 상기 기기를 구동할 수 있거나, 또는 구간 (B1)의 배터리 유닛의 예비 가열이나 구간 (B4)와 (B5)의 예비 냉각 기간 동안 전기 기기를 구동하지 못할 수 있다. 또한 상기 제어에 따라 사용자는 상기 전기 기기를 저급 등급으로만, 저급 등급이나 중급 등급으로, 또는 저급 등급, 중급 등급 및 정상 등급 등에서 구동할 수 있다.
또한 제어 유닛은 TBU와 관계 없이 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면 발전 유닛을 구동하여 발생한 전기 에너지를 전기 기기에 제공할 수 있다. 또한 필요한 경우, 제어 유닛은 TBU가 적정 방전 온도 범위에 속하지 않는 경우에도, 배터리 유닛의 전체나 일부, 분리 배터리 또는 분리팩을 방전하며 상기 기기를 구동하도록 할 수 있다.
일반적으로 상기 두 번째 실시예의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위는 첫 번째 실시예의 온도 범위와 유사하지만, 두 번째 실시예의 TD-Min, TD-Max는 각각 TC-Min, TC-Max보다 낮은 반면 상기 첫 번째 실시예의 TD-Min, TD-Max는 각각 TC-Min, TC-Max보다 높다는 차이점이 있다. 상기 차이점을 제외한다면 두 번째 실시예의 제어 유닛의 제어 방법은 첫 번째 실시예의 제어 유닛의 제어 방법과 유사 또는 동일하다. 따라서 상기 두 번째 실시예의 제어 유닛의 다양한 제어 방법에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 명세서의 다섯 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예는 배터리 유닛의 적정 방전 및 적정 충전 온도 범위가 서로 중첩하되, 최고 방전 온도(TD-Max)가 최고 충전 온도(TC-Max)보다 높고, 최저 충전 온도(TC-Min)가 최저 방전 온도(TD-Min)보다 높은 경우이다. [도11]은 상기 배터리 유닛의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위를 나타내는 개략도이다. 제어 유닛은 [도11]에 도시된 다섯 개의 구간, 즉 (C1), (C2), (C3), (C4) 및 (C5)에 따라 전기 기기의 구동을 상이하게 제어할 수 있다.
구간 (C1)은 TBU가 TD-Min 및 TC-Min보다 낮은 경우로서, 상기 구간의 특징은 구간 (B1)의 특징과 유사하다. 따라서 구간 (C1)의 제어 유닛은 구간 (B1)에서의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 상기 마이크로 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다. 구간 (C2)에서는 TBU가 TD-Min보다 높지만 TC-Min보다 낮다. 따라서 구간 (C2)의 특징은 구간 (B2)의 특징과 유사하다. 따라서 구간 (C2)의 제어 유닛은 구간 (B2)에서의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 마이크로 그리드의 다양한 유닛 및 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
구간 (C3)는 구간 (A3) 및 구간 (B3)와 동일한 특징을 갖는다. 따라서 구간 (C3)의 제어 유닛은 구간 (A3)나 (B3)의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 마이크로 그리드의 다양한 유닛 및 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
구간 (C4)에서는 TBU가 TC-Max보다 높지만 TD-Max보다는 낮다. 따라서 구간 (C4)의 특징은 구간 (A4)의 특징과 유사 또는 동일하다. 이에 따라 구간 (C4)의 제어 유닛은 구간 (A4)에서의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 상기 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
구간 (C5)는 TBU가 TD-Max 및 TC-Max보다 높은 경우로서, 상기 구간의 특징은 구간 (A5)의 특징과 유사하다. 따라서 구간 (C5)의 제어 유닛은 구간 (A5)에서의 제어 방법과 동일하거나 유사한 방법으로 마이크로 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
본 명세서의 다섯 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예는 배터리 유닛의 적정 방전 및 적정 충전 온도 범위가 서로 중첩하되, 최고 방전 온도(TD-Max)는 최고 충전 온도(TC-Max)보다 낮고, 최저 충전 온도(TC-Min)는 최저 방전 온도(TD-Min)보다 낮은 경우이다. [도12]는 이러한 배터리 유닛의 적정 방전 및 적정 충전 온도 범위를 나타내는 개략도이다. 제어 유닛은 [도12]에 도시된 다섯 개의 구간, 즉 (D1), (D2), (D3), (D4) 및 (D5)에 따라 전기 기기의 구동을 상이하게 제어할 수 있다.
구간 (D1)은 TBU가 TC-Min, TD-Min보다 낮은 경우로서, 상기 구간의 특징은 구간 (A1)의 특징과 유사하다. 따라서 구간 (D1)의 제어 유닛은 구간 (A1)에서의 제어 방법과 동일하거나 유사한 방법으로 마이크로 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
구간 (D2)에서는 TBU가 TC-Min보다 높지만 TD-Min보다는 낮다. 따라서 구간 (D2)의 특징은 구간 (A2)의 특징과 유사 또는 동일하다. 이에 따라 구간 (D2)의 제어 유닛은 구간 (A2)에서의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 상기 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
구간 (D3)는 구간 (A3), 구간 (B3) 및 구간 (C3)와 동일한 특징을 갖는다. 이에 따라 구간 (D3)의 제어 유닛은 구간 (A3), (B3) 또는 (C3)에서의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 상기 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
구간 (D4)에서는 TBU가 TD-Max보다 높지만 TC-Max보다는 낮다. 따라서 구간 (D4)의 특징은 구간 (B4)의 특징과 유사 또는 동일하다. 이에 따라 구간 (D4)의 제어 유닛은 구간 (B4)에서의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 상기 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
구간 (D5)는 TBU가 TC-Max, TD-Max보다 높은 경우로서, 상기 구간의 특징은 구간 (B5)의 특징과 유사하다. 따라서 구간 (D5)의 제어 유닛은 구간 (B5)에서의 제어 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 상기 그리드의 다양한 유닛들을 제어하고, 전기 기기의 구동도 제어할 수 있다.
상기 다섯 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 제어 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 등은 상술과는 상이한 구조로 변형 또는 개량되거나, 상술과는 상이한 방법으로 구동되거나 제어될 수 있다.
일예로 상기 다섯 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 방전 제어, 충전 제어 등에 대한 것이고, 두 번째 실시예는 복사 현상을 이용하는 가열 유닛의 사용에 대한 것이며, 세 번째 실시예는 하나 이상의 3차전지를 포함하는 배터리 유닛에 대한 것이다. 이에 대한 설명은 상술의 첫 번째 내지 네 번째 예시적 측면의 설명과 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 다섯 번째 예시적 측면의 변형 또는 개량의 네 번째 실시예는 제어 유닛이 배터리 유닛에 포함된 배터리의 적정 방전 온도 범위 및 적정 충전 온도 범위의 특성에 근거하여 분리 배터리 또는 분리팩을 선택적으로 이용하며, 배터리 유닛이 입을 수 있는 비가역적 손상을 분리 배터리나 분리팩에 국한시키는 한편, 사용자가 용이하게 전기 기기를 구동하도록 할 수 있는 구조 및 방법에 대한 것이다.
일예로 제어 유닛은 구간 (A3), (B3), (C3) 및 (D3)에서는 배터리 유닛에 최소한의 비가역적 손상만 입히며 상기 유닛의 방전과 충전을 수행할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 전기 기기의 구동 중 발전 유닛을 이용하여 배터리 유닛을 충전할 수 있다. 따라서 엔진 유닛의 연료가 고갈되지 않는 한, 제어 유닛은 무한정 전기 기기를 구동할 수 있다.
또한 구간 (A4), (B2), (C2) 및 (C4)에서는 배터리 유닛은 방전을 하며 전기 기기를 구동하며 최소한의 손상만 입게 된다. 하지만 제어 유닛이 상기 구간에서 배터리 유닛을 충전하면 상기 유닛이 손상을 입을 수 있다. 따라서 제어 유닛은 구간 (A4)와 (C4)에서는 냉각 유닛을 구동하여 배터리 유닛의 온도를 낮추거나, 구간 (B2)와 (C2)에서는 가열 유닛을 구동하여 배터리 유닛의 온도를 높임으로써, 상기 손상을 최소화하며 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
구간 (A2), (B4), (D2) 및 (D4)에서는 배터리 유닛이 최소한의 손상만 입으며 충전될 수 있다. 하지만 상기 구간에서 배터리 유닛이 방전하면, 상기 유닛은 손상을 입을 수 있다. 따라서 제어 유닛은 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜더라도 상기 구간에서 상기 기기의 구동을 정지시킨 후, 구간 (B4)와 (D4)에서는 냉각 유닛을 구동하여 배터리 유닛의 온도가 낮아진 후 또는 구간 (A2)와 (D2)에서는 가열 유닛을 구동하여 배터리 유닛의 온도가 높아진 후 배터리 유닛의 방전을 시작할 수 있다.
구간 (A1), (B1), (C1) 및 (D1)의 배터리 유닛의 온도는 적정 방전(및 충전) 온도 범위보다 낮고, 구간 (A5), (B5), (C5) 및 (D5)의 배터리 유닛의 온도는 적정 방전(및 충전) 온도 범위보다 높다. 따라서 제어 유닛은 가열 유닛이나 냉각 유닛을 구동하여 배터리 유닛의 온도를 증가시키거나 또는 감소시킨 후, 배터리 유닛이 최소한의 손상을 입으며 충전 또는 방전하도록 할 수 있다.
또는 제어 유닛은 배터리 유닛의 온도가 적정 온도 범위에 속하기 않아도, 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면 상기 분리 배터리나 분리팩의 방전을 시작할 수 있다. 따라서 사용자는 배터리 유닛의 온도와 관계 없이 전기 기기의 스위치를 켜는 즉시 상기 기기를 구동할 수 있으며, 이와 동시에 배터리 유닛의 손상은 분리 배터리 또는 분리팩에 국한될 수 있다.
상기 예시적 측면의 변형이나 개량의 다섯 번째 실시예는 제어 유닛이 상술의 다양한 구간의 다양한 특성은 물론 분리 배터리나 분리팩의 충전률, 방전 깊이, 손상 정도 등에 근거하여 가열 유닛, 냉각 유닛, 또는 두 유닛을 모두 구동하며 방전 또는 충전 시 배터리 유닛의 손상을 최소화할 수 있다.
일예로 분리팩의 손상 정도가 적고 용량 손실도 적은 경우, 제어 유닛은 분리팩에 포함된 배터리의 특성보다 상기 온도 특성에 따라 분리팩과 고정팩을 제어할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 분리팩 또는 고정팩의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 따라 상기 팩의 방전(또는 충전)은 물론, 전기 기기의 구동을 제어할 수 있다.
하지만 분리팩의 손상 정도가 심하고 이에 따른 배터리 용량 손실도 큰 경우, 제어 유닛은 온도 특성 및 분리팩의 방전 깊이(즉 방전률) 등을 고려하여 분리팩과 고정팩을 제어할 수 있다. 또는 제어 유닛은 온도 특성은 최소한만 고려하며 상기 팩의 방전(또는 충전)은 물론, 상기 기기의 구동을 제어할 수 있다.
상기 다섯 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징 또는 기타 구동 방법, 제어 방법 등은 상술의 첫 번째 내지 네 번째 예시적 측면의 상기 특징이나 방법과 동일하거나 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 서로 상충되지 않는 한, 상술의 다섯 번째 예시적 측면의 다양한 구조나 방법은 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
6. 배터리 유닛, 분리 배터리 및 분리팩의 구조 및 제어 방법
본 명세서의 여섯 번째 예시적 측면은 배터리 유닛의 내부에 장착된 다수의 배터리들의 다양한 기계적 또는 전기적 구조에 관한 것이다. 특히 배터리 유닛은 다수의 배터리를 포함하고, 상기 배터리들을 직렬, 병렬 또는 이의 혼합 방식으로 전기적으로 연결하는 하나 이상의 전기 연결 요소를 포함한다. 또한 배터리 유닛은 배터리들과 전기 연결 요소들을 외부로부터 보호하는 하나 이상의 케이스를 가진다.
본 명세서의 여섯 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예는 다수의 배터리들 및 이들을 연결하는 전기 연결 요소들을 일체형으로 케이스의 내부에 장착한 "일체형 배터리 유닛"에 대한 것이다. [도13]은 예시적 "일체형 배터리 유닛"의 구조에 대한 개략도로서, 상기 배터리 유닛(150)은 다수의 배터리(151)와 이들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 전기 연결 요소(152)를 포함하며, 다수의 배터리(151)와 전기 연결 요소(152)는 단일의 케이스(153)(설명의 편의 상 점선으로 표시) 내부에 장착된다.
일반적으로 배터리 유닛(150)은 동일한 또는 상이한 종류의 배터리를 수평 또는 수직 방향으로 배치한 후, 이들을 전기 연결 요소들로 연결하는 구조를 가진다. 일예로 [도13]의 배터리 유닛(150)은 수평 방향으로는 11개의 동일한 배터리를 측면 방향으로 1열로 배치하고, 수직 방향으로는 상기 열들을 4층에 걸쳐 적층한 후, 이들을 직렬, 병렬 또는 혼합형으로 전기적으로 연결한다.
일반적으로 배터리 유닛 제조사가 일체형 배터리 유닛(150)을 제작할 때에는 다수의 배터리들(151)을 특정 배열 및 수효에 따라 특정 수효의 오(row) 또는 특정 수효의 열(column)로 배치할 수 있다. 또한 필요한 경우 상기 제조사는 상기 오와 열로 배치된 배터리들을 수직 방향 또는 일정 각도로 특정 수효의 층의 형태로 배치할 수 있다.
상기 배치 후 또는 배치 도중, 상기 제조사는 배터리들(151)을 전기 연결 요소(152)로 연결하고, 필요한 경우 기계 연결 요소로 연결할 수도 있다. 그 후 상기 제조사는 전기적으로 연결된 배터리들을 케이스(153) 내부에 장착하되, 상기 케이스(153)은 한 겹 또는 여러 겹으로 제작할 수도 있다.
또는 배터리 유닛 제조사는 배터리 유닛(150) 내부에 다수의 전기 연결 요소(152) 및 기계 연결 요소를 장착한 후, 상기 유닛(150) 내부에 다수의 배터리를 장착할 수 있다. 이에 따라 배터리(151)는 케이스(153) 내부에서 특정 배열, 수효, 층 등의 형태로 배치된다.
그 후 상기 제조사는 케이스(153)를 밀봉한다. 그 결과 케이스(153) 내부의 배터리(151), 전기 연결 요소(152) 등은 외부로부터 보호될 수 있다. 필요한 경우 배터리 유닛 제조사는 케이스(153) 외부에 하나 이상의, 개폐가 가능한 덮개를 설치할 수 있다. 참고로 [도13]에서 예시한 배터리 유닛(150)은 덮개를 포함하지 않는 경우이다.
일반적으로 배터리 유닛 제조사는 외부로부터의 기계적 충격에도 배터리(151)가 전기 연결 요소(152)와 전기적으로 견고하게 연결되도록 제작한다. 즉 배터리 유닛 제조사는 추후 사용자가 상기 유닛(150)으로부터 특정 배터리들을 용이하게 분리할 수 있도록 제작하지는 않으며, 오히려 대부분의 배터리 유닛을 상술과 같이 일체형으로 제작한다. 본 명세서에서는 이러한 배터리 유닛을 "일체형 배터리 유닛"이라 지칭하기로 한다.
단 배터리 유닛 내부에 장착된 배터리가 작은 충격에 전기 연결 요소로부터 분리되면, 상기 유닛 자체가 작동하지 않을 수 있다. 따라서 배터리 유닛 제조사는 전기 연결 요소가 배터리와 전기적으로 연결되는 동시에 어느 정도의 외부 힘이 작용하더라도 전기적 연결이 파손되지 않도록 전기 연결 요소를 제작한다. 따라서 일반적으로 전기 연결 요소도 어느 정도는 기계 연결 요소의 역할을 담당한다.
따라서 본 명세서에서 "기계 연결 요소"란 배터리와 배터리 유닛 사이의 전기적 연결에는 간여하지 않고, 배터리가 배터리 유닛 내부에 특정 위치에 특정 구조나 배치에 따라 장착된 후, 상기 위치로부터 용이하게 분리되지 않도록 기계적 힘을 제공하는 요소를 지칭한다. 따라서 배터리가 장착되고 배터리 유닛이 방전 또는 충전을 시작하는 경우, 상기 전기 연결 요소로는 전기가 흐르지만, 상기 기계 연결 요소로는 전기가 흐르지 않는 것으로 한다.
일체형 배터리 유닛은 다수의 배터리를 [도13]과는 상이한 구조로 배치할 수 있다. 일예로 상기 배터리 유닛은 각 층마다 상이한 수효의 배터리를 배치하거나, 배터리들 사이에 수평 방향이나 수직 방향으로 하나 이상의 빈 공간을 형성하거나, 수평 방향이나 수직 방향으로 인접한 배터리들이 접촉할 수 있도록 적층하거나, 또는 인접한 배터리들 사이에 일정 공간을 형성할 수 있다.
또는 일체형 배터리 유닛은 하나 이상의 층에 다수의 배터리를 다수의 행 및 열로 배치하며, 이 때 각 층에 포함된 배터리의 수효보다 수직 방향의 줄의 수효가 크도록 배치할 수 있다. 물론 상기 구조는 상대적인 바, 배터리 유닛 제조사가 높이보다 폭이 넓은 배터리 유닛을 제조해도, 마이크로 그리드 제조사나 사용자는 이를 90o도 회전하여 설치함으로써, 폭보다 높은 배터리 유닛처럼 사용할 수 있다.
바꾸어 말하면, 배터리 유닛의 방전 특성과 충전 특성이 결정되면, 배터리 유닛 제조사는 이에 적당한 배터리 종류 및 수효를 결정하고, 상기 수효의 배터리들을 어떤 방식으로 전기적 또는 기계적으로 연결할 지를 결정할 수 있다. 그 후 배터리 제조사는 배터리들을 수평 또는 수직 방향으로 배열하고, 다수의 전기 연결 요소(필요할 경우 기계 연결 요소)를 이용하여 상기 배터리들을 전기적(또는 기계적)으로 연결할 수 있다.
또한 배터리 유닛의 모양은 상기 유닛이 장착될 공간의 크기나 모양에 따라 상이해질 수 있다. 일예로 배터리 유닛 제조사는 240개의 배터리들을 수평 방향으로 10개씩 측면 방향으로 배열하고, 이들을 24층의 높이로 적층하여, 폭보다 높이가 높은 배터리 유닛을 제작할 수 있다. 또는 상기 제조사는 수평 방향으로 48개의 배터리들을 8x6의 형태로 배열하고, 이들을 5층 높이로 적층함으로써, 높이보다 폭이 넓은 배터리 유닛을 제작할 수도 있다.
즉 배터리의 종류 및 수효가 결정되고 이들의 전기적 연결 방법이 결정되면, 배터리 유닛 제조사는 사용자의 요구 사항이나 전기 기기의 요구 사항에 따라 다양한 모양이나 크기의 배터리 유닛을 제작할 수 있다. 따라서 본 명세서의 배터리 유닛은 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드의 특정 위치에 장착될 수 있는 한, 다양한 모양 또는 크기를 가질 수 있다.
또한 상기 그리드 제조사는 상기 일체형 배터리 유닛을 다양한 방향으로 장착할 수 있다. 일예로 그리드 제조사는 일체형 배터리 유닛의 상부가 위를, 아래를, 옆을 또는 일정 각도를 향하도록 장착할 수 있다. 이 같이 배터리 유닛 제조사가 지칭하는 일체형 배터리 유닛의 상부는 그리드 제조사가 지칭하는 배터리 유닛의 상부와 같을 수도 또는 상이할 수도 있다.
[도13]에 표시하지 않았지만, 상기 일체형 배터리 유닛(150)은 상기 유닛(150) 전체, 상기 유닛(150)에 장착된 하나 이상의 배터리, 또는 하나 이상의 배터리 팩을 가열하거나 냉각하는 하나 이상의 열 발생 요소 또는 냉각 요소를 상기 유닛(150)의 다양한 위치에 다양한 배열에 따라 포함할 수 있다.
특히 열 발생(또는 냉각) 요소가 열 전달 현상을 통하여 배터리를 가열(또는 냉각)하는 경우, 상기 요소는 배터리를 접촉하거나 또는 배터리에 근접하도록 설치할 수 있다. 하지만 열 발생(또는 냉각) 요소가 대류 현상으로 배터리를 가열(또는 냉각)하는 경우, 상기 요소를 반드시 배터리를 접촉하거나 근접하도록 설치할 필요는 없다. 상기 요소가 충분한 에너지를 제공하거나 흡수하는 한, 상기 요소들은 배터리 유닛의 내부나 외부 어디에나 장착할 수 있다.
또한 [도13]에 표시하지는 않았지만, 상기 배터리 유닛(150)은 배터리들(151)을 일정 거리로 격리하여 배치함으로써 그 사이에 열 발생(또는 냉각) 요소를 설치할 수 있다. 상기 거리는 배터리의 크기, 상기 요소의 크기, 상기 요소가 전달(또는 흡수)할 수 있는 에너지의 양 등에 따라 결정될 수 있다. 또한 배터리들(151)을 일정 거리로 격리하여, 대류 현상에 의한 가열(또는 냉각) 효율을 증가시킬 수도 있다.
또한 일체형 배터리 유닛(150)은 내부나 외부의 다양한 위치에 하나 이상의 상술의 열 전달 요소를 포함할 수 있고, 상기 요소는 상술의 다양한 공간에 배치될 수 있다. 특히 열 전달 요소는 열 발생 요소가 생성한 열을 배터리에 전달하거나 또는 과열된 배터리의 열을 냉각 요소에 전달하기 위하여 사용되므로, 열 전달 요소는 가능한 한 가열 또는 냉각하고자 하는 배터리를 접촉하거나 또는 상기 배터리에 근접하여 배치할 수 있다. 열 전달 요소가 충분한 에너지를 전달하거나 흡수할 수 있는 경우, 상기 요소는 배터리 유닛의 내부나 외부 어디에나 장착할 수 있다.
사용자는 상술의 일체형 배터리 유닛을 다양한 방법으로 구동 또는 사용할 수 있다. 일예로 사용자는 본 명세서의 마이크로 그리드를 다양한 방법으로 구동하며, 상기 그리드의 배터리 유닛(150)을 방전 또는 충전할 수 있다.
전기 기기의 구동을 계속함에 따라 배터리 유닛(150)에 가해지는 비가역적 손상도 서서히 누적된다. 특히 사용자가 상기 기기를 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 벗어나는 고온 또는 저온에서 구동함에 따라, 배터리 유닛(150)은 격심한 비가역적 손상을 입으며, 상기 손상은 급격히 누적된다.
결국 배터리 유닛(150)의 손상 정도는 임계치를 초과하게 되고, 이에 따라 배터리 유닛(150)을 장기간 충전하더라도 배터리의 충전률은 일정 %를 초과할 수 없게 될 수 있다. 제어 유닛은 시각적, 청각적 또는 촉각적 신호를 발생한 후, 이를 사용자에게 제공함으로써 사용자에게 상기 손상을 알리며, 배터리 유닛(150)을 교체하도록 알릴 수 있다.
배터리 유닛(150)의 교체를 통보 받은 사용자는 전기 기기의 정지 상태에서 배터리 유닛(150)에 접근한 후, 배터리 유닛(150) 전체를 마이크로 그리드로부터 분리한다. 그 후 사용자는 배터리 유닛(150)가 장착되었던 자리에 신규 배터리 유닛을 장착한다. 이에 의해 신규 배터리 유닛은 신규 배터리 유닛(150)의 역할을 수행하게 되며, 사용자는 배터리 유닛(150)의 교체 작업을 완료할 수 있다.
상술과 같이 일체형 배터리 유닛은 배터리와 관련된 모든 요소들을 그 내부에 포함하는 경우가 대부분이다. 따라서 일체형 배터리 유닛 제조사는 일체형 배터리 유닛을 상대적으로 용이하게 제작할 수 있다. 사용자 역시 일체형으로 제작된 상기 배터리 유닛을 용이하게 사용할 수 있으며, 상기 유닛은 교체하기도 편리한 편이다.
단 일체형 배터리 유닛의 문제는 바로 교체 비용이다. 바꾸어 말하면 일체형 배터리 유닛은 제작, 사용, 교체 등이 편리하다는 장점은 제공한다. 하지만 상기 유닛의 모든 배터리들이 적정 온도 범위를 벗어난 저온 또는 고온에서의 방전(또는 충전)에 따른 비가역적 손상을 균일하게 입는다는 단점이 있다. 또한 배터리 유닛의 교체는 마이크로 그리드의 재충전 동력원 전체의 교체에 해당할 수 있기 때문에, 상당한 비용이 들 수 있다.
물론 사용자는 손상된 일체형 배터리 유닛(150)에서 손상된 배터리를 제거하고 이를 신규 배터리로 교체할 생각을 할 수 있다. 하지만 일체형 배터리 유닛(150)을 사용하는 사용자가 상기 유닛(150)에서 특정 배터리만 분리하기는 용이한 작업이 아니다.
일예로 사용자가 특정 배터리(151)를 일체형 배터리 유닛(150)으로부터 분리하려면, 사용자는 케이스(153)의 덮개를 개방해야 한다. 하지만 케이스(153)에 덮개가 설치되어 있지 않은 경우, 케이스(153)를 파손하지 않는 한, 사용자가 상기 유닛(150)으로부터 특정 배터리를 분리함은 거의 불가능하다.
설령 상기 케이스(153)에 덮개가 설치되더라도, 사용자가 덮개를 개방한 후 특정 배터리를 상기 유닛(150)으로부터 분리하려면, 배터리(151)를 전기 연결 요소로부터 분리해야 한다. 하지만 배터리 유닛 제조사가 이미 배터리(151)를 전기 연결 요소(152)에 견고하게 연결하였으므로, 이 역시 용이한 작업이 아닌 경우가 대부분이다.
또한 사용자가 배터리 유닛(150)에서 특정 배터리를 분리한 후 이를 다시 결합해도, 상기 배터리가 배터리 유닛과 적절한 전기적 연결을 유지한다는 보장도 없다. 특히 상기 분리된 배터리가 다른 배터리들과 직렬로 연결된 경우, 상기 배터리를 분리하고 다시 장착하며 전기적 연결이 손상되면, 배터리 유닛(150) 전체가 작동하지 않을 수 있다.
이와 같이 일체형 배터리 유닛(150)을 사용하는 사용자는 일반적으로 'All or Nothing"의 선택을 해야만 하는 경우가 대부분이다. 즉 상기 유닛(150)이 어느 정도 성능을 잃게 되면, 그냥 참고 상기 유닛(150)을 계속 사용하거나, 또는 상기 유닛(150)을 신규 유닛으로 대체해야만 한다.
따라서 마이크로 그리드는 전기 기기의 스위치를 켜는 즉시 방전이 가능한 배터리 유닛을 장착하여 사용자에게 전기 기기의 스위치를 켜는 즉시 상기 기기의 구동이 가능하다는 편의를 제공함은 물론 배터리 유닛의 교체 비용을 최소화함으로써 사용자의 경제적 부담을 줄일 수 있는 편의를 제공할 필요도 있다. 하술의 실시예들은 전기 기기의 스위치를 켜는 즉시 구동이 가능하다는 편의 및 손상된 배터리 교체 비용도 최소화할 수 있는 다양한 실시예들이다.
본 명세서의 여섯 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 배터리 유닛은 다수의 배터리들 및 이들을 연결하는 전기 연결 요소들을 케이스 내부에 장착하되, 상기 배터리들 중 일부 배터리는 나머지 배터리에 비하여 상대적으로 상기 유닛으로부터 용이하게 분리될 수 있도록 배치된 경우이다. [도14]는 이러한 "일부 분리 배터리 유닛"의 구조에 대한 개략도로서, 설명의 편의를 위하여 배터리 유닛의 케이스의 상부만을 해칭으로 표시하였다.
[도13]에서 예시한 배터리 유닛과 마찬가지로, [도14]의 배터리 유닛(150) 역시 다수의 배터리(151R)(151S), 다수의 전기 연결 요소(152R)(152S)를 포함하며, 상기 배터리들과 전기 연결 요소들은 단일의 케이스(153)(점선으로 표시) 내부에 장착된다.
단 본 두 번째 실시예의 "일부 분리 배터리 유닛(150)"은 상술의 첫 번째 실시예와 달리 하나 이상의 분리가 용이한 배터리(151R)(이후 "분리 배터리"로 지칭)와 다수의 나머지 배터리들(151S)(이후 "고정 배터리"들로 지칭)을 포함한다. 일부 분리 배터리 유닛(150)은 일반적으로 분리 배터리(151R)보다 많은 수효의 고정 배터리(151S)를 포함할 수 있다. 일예로 분리 배터리(151R)와 고정 배터리(151S)의 비율은 1:30, 1:25, 1:20, 1:15, 1:10, 1:8, 1:6, 1:5, 1:3, 1:2 등일 수 있다. 물론 상기 유닛(150)은 고정 배터리(151S)보다 많은 수효의 분리 배터리(151R)를 포함할 수도 있다.
[도14]에서 예시한 "일부 분리 배터리 유닛(150)"은 총 44개의 배터리를 포함하되, 이 중 해칭으로 표시한 7개는 분리 배터리(151R)이고, 나머지 37개는 고정 배터리(151S)이다. 또한 상기 배터리 유닛(150)은 개폐가 가능한 하나 이상의 덮개(153T)가 부착된 케이스(153)를 포함하며, 분리 배터리(151R)는 상기 덮개(153T)의 하부에 배치된다.
특히 상기 유닛(150)의 분리 배터리(151R)는 분리형 전기 연결 요소(152R)에 의해 전기적으로 연결되는 반면, 고정 배터리(151S)은 고정 전기 연결 요소(152S)에 의해 전기적으로 연결된다. 또 분리형 전기 연결 요소(152R)는 고정 전기 연결 요소(152S)와 전기적으로 연결될 수도 또는 격리될 수도 있다.
또한 일부 분리 배터리 유닛(150)의 분리 배터리(151R)는 분리형 기계 연결 요소에 의해 기계적으로 연결되는 반면, 고정 배터리는 고정 기계 연결 요소(152S)에 의해 기계적으로 연결될 수 있다. 또 분리형 기계 연결 요소는 고정 기계 연결 요소와 기계적으로 연결될 수도 또는 격리될 수도 있다.
상기 분리형 전기 연결 요소(152R)는 고정 전기 연결 요소(152S)에 비하여 상대적으로 적은 힘만 가하더라도(또는 적은 수효의 조작만으로도) 용이하게 움직이거나 변형될 수 있거나, 또는 상기 케이스(153)로부터 용이하게 분리될 수 있도록 제작할 수 있다. 반면 고정 전기 연결 요소(152S)는 상대적으로 센 힘을 가하거나(또는 더 많은 수효의 조작을 통해서만) 움직이거나 변형될 수 있거나, 또는 케이스(153)에 고정되도록 제작할 수 있다.
그 결과 사용자는 고정 전기 연결 요소(152S)에 의해 연결된 고정 배터리(151S)에 비하여, 상기 분리형 전기 연결 요소(152R)로 연결된 분리 배터리(151R)를 분리형 전기 연결 요소(152R)로부터 상대적으로 용이하게 분리할 수 있다. 또한 사용자는 분리된 분리 배터리(151R)를 배터리 유닛(150)의 외부로 용이하게 제거할 수도 있다.
단 본 명세서에서 "상대적으로 용이한 분리"란 상대적으로 적은 횟수의 조작에 의한 분리, 상대적으로 적은 수효의 전기적 결합이나 기계적 결합을 해제함에 의한 분리, 분리를 위해 상기 케이스(153)를 상대적으로 적게 파손하고도 가능한 분리, 또는 상대적으로 적은 힘을 가하고도 가능한 분리 중 하나 이상을 의미하는 것으로 한다.
배터리 유닛 제조사는 분리형 전기 연결 요소(152R)가 배터리 유닛(150) 내부에 항상 고정되어 부착되도록 설치할 수 있다. 따라서 사용자가 배터리 유닛(150)으로부터 상기 분리 배터리(151R)를 분리한 후에도, 분리형 전기 연결 요소(152R)는 배터리 유닛(150)에 남아있게 된다.
또는 상기 제조사는 분리 배터리(151R)가 배터리 유닛(150)으로부터 분리될 때 상기 배터리(151R)에 연결되어 있는 분리형 전기 연결 요소(152R)의 전부나 일부도 함께 분리되도록 분리형 전기 연결 요소(152R)를 제작할 수도 있다. 이러한 경우 사용자는 분리 배터리(151R)와 이에 연결된 상기 연결 요소(152R)를 함께 배터리 유닛(150)의 외부로 분리한다. 그 후 사용자는 분리형 연결 요소(152R)를 분리 배터리(151R)로부터 분리하여 상기 배터리를 처분하고, 상기 연결 요소(152R)에 신규 배터리를 연결한 후, 이들을 배터리 유닛(150)에 장착할 수 있다. 또는 사용자는 신규 전기 연결 요소에 신규 배터리를 연결한 후 이들을 배터리 유닛(150)에 장착할 수 있다.
케이스(153)는 하나 이상의 면에 개폐가 가능한 하나 이상의 덮개(153T)를 포함할 수 있다. 일예로 [도14]의 배터리 유닛(150)은 상부에 한 쌍의 덮개(153T)를 포함한다. 특히 덮개(153T)는 개방되었을 경우 사용자가 배터리 유닛(150) 내부에 용이하게 접근할 수 있도록 제작한다. 또한 배터리 유닛(150)은 분리 배터리(151R)를 덮개(153T)에 가까이 장착함으로써, 덮개가 개방되면 사용자가 분리 배터리(151R)를 상대적으로 용이하게 점검하도록 또는 케이스(153) 외부로 꺼낼 수 있도록 배치할 수 있다.
상기 덮개(153T)는 케이스(153)의 상부의 면, 측면 또는 하부의 면에 설치될 수 있고, 또는 상부의 면에서 측면에 연결되는 형태, 측면에서 하부의 면으로 연결되는 형태, 또는 한 측면에서 다른 측면으로 연결되는 형태로 제작될 수 있다. 또한 상기 덮개(153T)는 다양한 크기나 모양을 가질 수 있고, 사용자가 분리 배터리(151R)를 케이스(153) 외부로 용이하게 격리할 수 있는 한 그 크기나 모양은 중요하지 않을 수 있다.
사용자는 [도14]에서 예시한 일부 분리 배터리 유닛을 다양한 방법으로 구동할 수 있다. 이에 따라 제어 유닛 역시 [도14]의 일부 분리 배터리 유닛을 다양한 방법으로 제어할 수 있다.
일예로 사용자는 자신이 전기 기기의 스위치를 켜면 배터리 유닛은 방전(충전)을 시작하고 이에 따라 전기 기기는 구동을 시작하기를 원한다. 하지만 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도보다 저온이거나 고온인 경우, 방전(또는 충전)을 시작하는 배터리 유닛은 비가역적 손상을 입게 된다.
저온 또는 고온에서 상기 스위치가 켜지면, 제어 유닛은 일부 분리 배터리 유닛의 분리 배터리만 방전을 시작하고, 따라서 전기 기기는 구동을 시작할 수 있다. 이에 따라 저온이나 고온에서의 방전에 의한 비가역적 손상은 분리 배터리에 국한되며, 고정 배터리는 저온이나 고온에서 방전하지 않으므로 손상을 피할 수 있다. 제어 유닛은 분리 배터리의 방전과 동시에, 그 전 또는 그 후, 엔진 유닛과 발전 유닛을 구동하여, 발전 유닛이 생성한 전기 에너지를 전기 기기에 제공할 수도 있다.
분리 배터리의 방전 시작과 동시, 그 전 또는 그 후, 제어 유닛은 가열(또는 냉각) 유닛을 구동함으로써 배터리 유닛의 온도를 증가(또는 감소)시킨다. 상기 가열(또는 냉각)이 진행되고 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 진입하게 되면, 제어 유닛은 고정 배터리의 방전을 시작할 수 있다. 또한 제어 유닛은 이와 동시, 직전 또는 직후, 분리 배터리의 방전을 중단할 수 있다. 제어 유닛이 배터리 유닛의 온도가 적정 범위에 도달할 때까지 고정 배터리의 방전(또는 충전)을 중지함에 따라, 고정 배터리는 상기 손상을 최소화할 수 있다.
또는 제어 유닛은 고정 배터리의 방전을 시작함에 따라 분리 배터리가 방전하는 전류, 전압 또는 파워를 줄이거나, 분리 배터리의 방전을 계속할 수 있다. 이를 통하여 제어 유닛은 분리 배터리가 필요 이상의 비가역적 손상을 입지 않도록 하는 한편, 고정 배터리의 비가역적 손상도 최소화할 수 있다.
전기 기기가 계속 구동함에 따라 분리 배터리에 가해지는 비가역적 손상은 누적되고, 상기 손상이 임계치를 초과할 수 있다. 그 결과 분리 배터리를 장기간 충전하더라도 분리 배터리의 충전률은 일정 %를 초과할 수 없게 될 수 있다.
제어 유닛이 상기 배터리 유닛의 용량 손실을 감지하면, 제어 유닛은 시각적, 청각적 또는 촉각적 신호를 생성하고, 이를 사용자에게 제공함으로써 사용자에게 상기 용량 손상을 알릴 수 있다. 상기 용량 손실이 특정 %을 초과하면, 제어 유닛은 배터리 유닛 또는 분리 배터리를 교체하도록 사용자에게 알릴 수 있다.
손상된 분리 배터리를 제어 유닛으로부터 교체하라는 통보를 받은 사용자는, 전기 기기를 구동하는 중 또는 전기 기기가 정지된 상태에서 배터리 유닛에 접근하여 덮개를 개방한다. 그 후 개방된 덮개 사이로 사용자는 손 또는 도구를 이용하여 분리형 전기 연결 요소를 조작하며 분리 배터리의 전부나 일부를 배터리 유닛으로부터 제거할 수 있다.
상술과 같이 분리형 전기 연결 요소는 최소한의 변형이나 이동이 용이하도록 제작할 수 있다. 또는 고정 전기 연결 요소에 연결된 고정 배터리의 탈착에 비하여 분리형 전기 연결 요소는 상기 요소에 전기적으로 연결된 배터리와의 탈착이 용이하도록 제작할 수 있다. 따라서 사용자는 분리 배터리를 용이하게 배터리 유닛으로부터 제거할 수 있다.
그 후 사용자는 분리 배터리가 장착되었던 자리에 신규 배터리를 장착하고, 상기 덮개를 폐쇄한다. 이에 따라 상기 신규 배터리는 신규 분리 배터리의 역할을 수행하게 되며, 사용자는 분리 배터리의 교체 작업을 완료할 수 있다.
상술과 같이 일부 분리 배터리 유닛의 내부에 장착된 분리 배터리의 교체 작업은 상대적으로 용이할 수 있다. 특히 덮개의 설치 위치 및 분리 배터리의 장착 위치를 일치시키면, 사용자는 덮개를 개방한 후 용이하게 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 분리할 수 있다. 또한 분리 배터리의 수효가 배터리 유닛의 고정 배터리의 수효보다 작으면, 사용자는 손상된 분리 배터리만 선택적으로 저렴한 가격에 용이하게 교체할 수 있다.
반면 분리 배터리에 비하여 비가역적 손상을 덜 입은 고정 배터리들은 자주 교체할 필요가 없다. 따라서 사용자는 고정 배터리 교체 비용을 아낄 수 있다. 또한 배터리 유닛에 포함된 배터리들의 대부분은 고정 배터리들이다. 이에 따라 고정 배터리를 교체해야만 하는 시점은 현실적으로 배터리 유닛 전체를 교체해야만 하는 시점이라고 간주할 수 있다. 이와 같이 일부 분리 배터리 유닛을 사용하는 사용자는 일체형 배터리 유닛을 사용하는 사용자에 비하여 배터리 교체 비용을 상당히 절감할 수 있다.
상술과 같이 두 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛은 상술의 첫 번째 실시예의 일체형 배터리 유닛과 유사하다. 단 사용자가 일체형 배터리 유닛으로부터 특정 배터리를 분리하거나 제거함은 용이한 작업이 아니지만, 일부 분리 배터리 유닛은 사용자에게 상기 유닛으로부터 특정 배터리를 용이하게 분리할 수 있는 편리함을 제공한다.
이 외의 일부 분리 배터리 유닛의 구조적 특성 및 제어 방법 등은 상술의 첫 번째 실시예의 일체형 배터리 유닛의 기타 구조적 특성과 제어 방법 등과 동일 또는 유사하다. 이에 따라 본 실시예의 일부 분리 배터리 유닛의 구조적 특성과 제어 방법에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 두 번째 실시예의 "일부 분리 배터리 유닛"은 단일의 세트의 분리 배터리들과 단일의 세트의 고정 배터리들을 포함한다. 이와는 달리 본 명세서의 여섯 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 "일부 분리 배터리 유닛"은 상이한 위치에 배치된 세 개 이상의 배터리 세트를 포함하는 구조를 가지는 경우이다.
따라서 본 실시예의 "일부 분리 배터리 유닛"은 상술의 두 번째 실시예의 배터리 유닛과는 상이한 구조로 제작되고, 또한 상이한 방법으로 사용될 수 있다. 일예로 제어 유닛은 세 개 이상의 배터리 세트들 중 한 세트는 분리 배터리 세트로 활용하는 반면, 나머지 2세트들을 고정 배터리 세트들로 사용할 수 있다. 또는 제어 유닛은 상기 세트들 중 두 세트를 분리 배터리 세트들로 사용하는 반면, 나머지 한 세트를 고정 배터리 세트로 사용할 수 있다.
또한 두 개(또는 그 이상)의 세트들이 분리 배터리 세트로 사용될 경우, 제어 유닛은 다수의 분리 배터리 세트들을 동시에 방전(또는 충전)할 수 있다. 이와 같이 (거의) 동일한 조건에서 동일한 기간 동안 방전(또는 충전)됨에 따라, 제어 유닛은 다수의 분리 배터리 세트들이 (거의) 동일한 정도의 손상을 입도록 제어할 수 있다.
또는 두 개(또는 그 이상)의 세트들을 분리 배터리 세트로 사용될 경우, 제어 유닛은 다수의 분리 배터리 세트들을 각각 상이한 조건에서 동시에 또는 순차적으로 방전 또는 충전할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 다수의 분리 배터리 세트들이 상이한 정도의 손상을 동시에 또는 순차적으로 입도록 제어할 수 있다.
이와 같이 배터리 유닛의 배터리들이 세 개 이상의 배터리 세트들로 구분하여 장착될 경우, 각 배터리 세트는 제1 분리 배터리 세트, 제2 분리 배터리 세트, 제1 고정 배터리 세트, 제2 고정 배터리 세트 등과 같이 다양한 구조로 구성되어 다양한 위치에 장착될 수 있다. 제어 유닛 역시 다수의 배터리 세트들을 다양한 방법으로 제어할 수 있다.
본 명세서의 여섯 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 다수의 상이한 세트의 분리 배터리들을 포함하는 예시적 "일부 분리 배터리 유닛"에 대한 것이다. 일예로 [도15]는 상부에 제1 분리 배터리 세트를, 우측에 제2 분리 배터리 세트를 포함하는 "일부 분리 배터리 유닛(150)"의 개략도이다.
[도15]의 제1 분리 배터리 세트는 [도14]의 분리 배터리와 유사하게 7개의 분리 배터리(151R1)가 측면 방향으로 배치된 구조를 가진다. 반면 [도15]의 제2 분리 배터리 세트는 3개의 분리 배터리(151R2)가 수직 방향으로 또한 그 좌측에 2개의 분리 배터리(151R2)가 수직으로 배치되어, 총 5개의 분리 배터리(151R2)를 포함한다.
또한 일부 분리 배터리 유닛(150)의 케이스(153)는 제1 세트 분리 배터리(151R1)의 분리를 위한 제1 덮개(153T)를 제1 분리 배터리 세트의 상부에 포함하고, 제2 세트 분리 배터리(151R2)의 분리를 위한 제2 덮개(153T2)는 제2 분리 배터리 세트의 우측에 배치한다.
배터리 유닛(150)은 제1 분리 배터리 세트와 제2 세트의 분리 배터리 세트를 전기적으로 연결하거나 또는 격리할 수 있다. 또는 제어 유닛이 제1 세트와 제2세트의 전기적 연결을 제어할 수 있는 경우, 제어 유닛은 상기 세트의 배터리들을 직렬, 병렬 또는 혼합형으로 연결시킬 수 있다.
본 여섯 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 두 번째 상세예는 "일부 분리 배터리 유닛"에 포함된 다수의 분리 배터리 세트의 다양한 구동 방법에 대한 것이다. 일예로 사용자는 [도15]의 일부 분리 배터리 유닛을 다양한 방법 및 순서로 구동할 수 있고, 제어 유닛 역시 상기 배터리 유닛을 다양한 방법으로 제어할 수 있다. 일예로 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 특정 등급(일예로 저급, 중급 또는 정상)로 상기 기기를 구동하기 위하여 전기 기기가 요구하는 에너지(이후 "구동용 에너지"으로 지칭)를 각 분리 배터리 세트가 생성할 수 있는 에너지와 비교할 수 있다.
제1 분리 배터리 세트가 방전할 수 있는 에너지가 구동용 에너지보다 크면, 제어 유닛은 제1 분리 배터리 세트의 방전을 시작하고, 전기 기기는 구동을 시작한다. 이 때 상기 기기의 구동 등급은 제1 세트가 방전하는 에너지에 따라 결정된다.
단 구동용 에너지가 제1 분리 배터리 세트가 방전할 수 있는 에너지보다 크지만, 제1 및 제2 분리 배터리 세트가 생성할 수 있는 에너지의 합보다 적으면, 제어 유닛은 제1 및 제2 분리 배터리 세트를 동시에 방전시키고, 상기 기기는 구동을 시작한다. 이 때 상기 기기의 구동 등급은 제1 세트 및 제2 세트가 방전하는 에너지의 합에 의하여 결정된다.
반면 구동용 에너지가 제1 및 제2 분리 배터리 세트가 방전할 수 있는 에너지의 합보다 크면, 제어 유닛은 제1 분리 배터리 세트와 제2 분리 배터리 세트의 방전을 동시에 방전을 시작하고, 전기 기기는 구동을 시작할 수 있다. 이 때에도 전기 기기의 구동 등급은 제1 세트 및 제2 세트가 방전하는 에너지의 합에 의하여 결정된다. 하지만 제1 및 제2 세트가 방전할 수 있는 에너지의 합이 구동용 에너지보다 작기 때문에, 전기 기기는 저급 또는 중급으로만 구동하게 된다.
만일 제1 및 제2 분리 배터리 세트의 온도가 적정 방전 온도 범위를 벗어나는 경우, 제1 및 제2 세트의 배터리는 고온 또는 저온 방전에 의한 비가역적 손상을 입을 수 있다. 단 상기 제1 및 제2 분리 배터리 세트를 순차적으로 방전하면, 제1 세트가 제2 세트보다 더 심하게 비가역적 손상을 입을 수 있다. 따라서 사용자는 제1 분리 배터리 세트의 손상 정도가 심해지면 제1 세트를 우선 교체하고, 그 후 제2 분리 배터리 세트의 손상 정도가 심해질 경우, 제2 세트를 교체할 수 있다.
즉 제어 유닛이 제1 분리 배터리 세트와 제2 분리 배터리 세트를 순차적으로 구동하도록 제어할 수 있기 때문에 상기 배터리 세트들도 순차적으로 교체할 수 있다. 따라서 사용자는 다수의 분리 배터리 세트들이 순차적으로 손상 정도가 심해짐에 따라, 상기 세트들을 순차적으로 교체하게 되며, 그 결과 배터리 세트들을 각각 교체할 때 소요되는 비용도 최소화할 수 있다.
이 외에도 제어 유닛은 고온 또는 저온 방전(또는 충전) 시 제1 분리 배터리 세트와 제2 분리 배터리 세트와 고정 배터리 세트도 동시에 또는 순차적으로 방전(또는 충전)할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 세 개나 그 이상의 배터리 세트의 방전(또는 충전)을 제어함으로써, 분리 배터리 세트나 고정 배터리 세트에 상이한 정도의 비가역적 손상을 제어하고, 이에 따라 사용자로 하여금 배터리 교체 비용을 최소화하도록 할 수 있다.
본 여섯 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 세 번째 상세예는 제어 유닛이 제1 분리 배터리 세트 및 제2 분리 배터리 세트를 발전 유닛과 함께 제어하는 경우이다. 상술과 같이 사용자가 전기 기기의 스위치를 켰을 때 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 범위에 속하지 않을 때, 제어 유닛은 배터리 유닛, 제1 분리 배터리 세트 또는 제2 분리 배터리 세트를 방전하는 대신 엔진 유닛과 발전 유닛을 구동하여 전기 에너지를 전기 기기에 공급할 수 있다.
만일 발전 유닛이 전기 기기에 제공하는 에너지가 구동용 에너지보다 클 경우, 사용자는 발전 유닛만을 이용하여 전기 기기의 구동을 시작할 수 있다. 하지만 발전 유닛이 생성하는 에너지가 구동용 에너지보다 적은 경우, 제어 유닛은 제1 또는 제2 분리 배터리를 방전하여 전기 기기에 추가 에너지를 제공하고, 사용자는 전기 기기를 구동할 수 있다. 또한 필요한 경우, 제어 유닛은 고정 배터리 세트도 방전시킬 수 있다.
본 여섯 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 네 번째 상세예는 상술의 "일부 분리 배터리 유닛"이 상술의 구조와 상이한 구조를 갖는 경우이다. 일예로 일부 분리 배터리 유닛은 다수의 분리 배터리 세트들을 포함하되, 각 배터리 세트는 동일하거나 또는 상이한 수효의 동일한 종류의 배터리를 포함하거나, 또는 동일한 수효의 동일하거나 또는 상이한 종류의 배터리를 포함할 수 있다.
상기 일부 분리 배터리 유닛은 다수의 배터리 세트들을 수직 또는 수평 방향으로 층층이 포함할 수 있다. 사용자가 하나 이상의 덮개를 개방하면, 다수의 배터리 세트들을 점검하거나, 이들을 신규 배터리 세트로 교체할 수도 있다. 이 같이 세 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛은 상기 두 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛과 유사하다. 단 사용자는 분리 배터리 세트들 중 하나 이상 또는 모든 세트들을 배터리 유닛으로부터 용이하게 분리할 수 있다.
이 외의 상술의 세 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛의 구조적 특성 및 제어 방법 등은 상기 두 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛의 기타 구조적 특성과 제어 방법 등과 동일 또는 유사하므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
본 명세서의 여섯 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예의 배터리 유닛은 다수의 배터리들 및 이들을 연결하는 전기 연결 요소들을 상기 유닛의 케이스 내부에 포함하되, 다수의 배터리들은 다수의 배터리들의 뭉치들, 즉 다수의 배터리 팩들의 형태로 제작될 수 있다. 본 명세서에서는 이러한 구조의 배터리 유닛을 "팩 형태 배터리 유닛"으로 지칭하기로 한다.
특히 본 실시예의 배터리 유닛은 다수의 배터리 팩들이 단일의 케이스 내부에 장착되며, 특정 배터리 팩이 나머지 배터리 팩(들)에 비하여 상대적으로 팩 형태 배터리 유닛으로부터 용이하게 분리될 수 있도록 제작된 경우이다. [도16]은 예시적 "팩 형태 배터리 유닛"의 구조를 예시하는 개략도로서, 설명의 편의를 위하여 상기 배터리 유닛의 케이스의 상부만을 해칭으로 표시하였다.
[도16]의 배터리 유닛(150)도 다수의 배터리(151R)(151S) 및 다수의 전기 연결 요소(152R)(152S)를 포함하며, 상기 배터리들과 전기 연결 요소들은 단일의 케이스(153)(점선으로 표시) 내부에 장착된다. 본 실시예의 "팩 형태 배터리 유닛(150)"은 사용자가 상기 배터리 유닛(150)으로부터 용이하게 분리할 수 있는 배터리 팩(즉 "분리팩") 및 그렇지 않은 나머지 배터리 팩(즉 "고정팩")을 포함한다.
설명의 편의를 위하여 분리팩에 포함된 배터리들은 분리 배터리(151R)로 지칭하고, 고정팩에 포함된 배터리들은 고정 배터리(151S)라 지칭한다. 또한 분리팩에 포함된 분리 배터리(151R)는 분리형 전기 연결 요소(152R)에 의하여, 고정팩에 포함된 고정 배터리(151S)는 고정 전기 연결 요소(152S)에 의하여 각각 전기적으로 연결된다.
단 분리형 전기 연결 요소(152R)는 고정 전기 연결 요소(152S)와 전기적으로 직접 연결되거나, 전기적으로 격리될 수 있다. 또는 제어 유닛은 분리형 전기 연결 요소(152R)와 고정 전기 연결 요소(152S)간의 전기적 결합을 제어할 수 있고, 그 결과 상기 전기 연결 요소들(152R)(152S)은 직렬, 병렬 또는 이들의 혼합 형태로 연결될 수도 있다.
[도16]의 팩 형태 배터리 유닛(150)은 8개의 분리 배터리(151R)(해칭으로 표시)가 장착된 "분리팩"과 36개의 고정 배터리(151S)가 장착된 "고정팩"을 포함한다. 일반적으로 분리팩은 고정팩보다 적은 수효의 배터리를 포함할 수 있고, 이들의 비율은 상기 두 번째 실시예에서 예시하였으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
배터리 유닛 제조사는 분리팩 내부에 분리형 전기 연결 요소(152R)를 고정되도록 부착할 수 있다. 따라서 사용자가 배터리 유닛(150)으로부터 분리팩을 분리한 후에도, 분리형 전기 연결 요소(152R)는 분리팩에 계속 남아있게 된다. 상기 제조사는 고정팩 내부에 고정 전기 연결 요소(152S)를 고정되도록 부착할 수 있다. 따라서 사용자가 배터리 유닛(150)으로부터 고정팩을 분리한 후에도, 고정 전기 연결 요소(152S)는 고정팩에 계속 부착될 수 있다.
케이스(153)는 하나 이상의 면에 개폐가 가능한 하나 이상의 덮개(153T)를 포함할 수 있다. 일예로 [도16]의 배터리 유닛(150)은 상부 좌측에 단일의 덮개(153T)를 포함할 수 있다. 특히 덮개(153T)가 개방될 경우 사용자가 분리팩에 용이하게 접근하고 조작할 수 있는 한, 덮개(153T)의 크기, 모양, 구조 등은 중요하지 않을 수도 있다. 일반적으로 덮개(153T)는 상기 일부 분리 배터리 유닛의 덮개와 유사하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
제어 유닛 또는 사용자는 [도16]에서 예시한 팩 형태 배터리 유닛을 다양한 방법으로 구동할 수 있다. 단 팩 형태 배터리 유닛과 상기 유닛의 분리팩 및 고정팩의 제어는 상술의 세 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛과 상기 유닛의 분리 배터리(또는 분리 배터리 세트) 및 고정 배터리(또는 고정 배터리 세트)의 제어와 유사하거나 또는 동일하다. 이에 따라 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
본 실시예의 팩 형태 배터리 유닛은 상술의 두 번째 또는 세 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛과 유사하다. 단 사용자가 분리 배터리를 상기 배터리 유닛으로부터 분리하려면, 덮개를 개방한 후, 분리 배터리를 분리해야 하며, 이 때 사용자는 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소나 분리형 기계 연결 요소로부터 분리시켜야 할 수 있다.
하지만 팩 형태 배터리 유닛을 사용하는 사용자는 분리 배터리를 분리형 전기 연결 요소로부터 반드시 분리해야 할 필요가 없다. 왜냐하면 분리팩의 분리 배터리들은 이미 전기적, 기계적으로 서로 연결되어 있고, 분리팩은 이들을 팩 형태로 전기적, 기계적으로 연결한 연결체이기 때문이다. 또 분리팩의 분리 배터리는 고정 팩의 고정 배터리와 직접 연결될 필요가 없다. 따라서 사용자는 분리팩 전체를 배터리 유닛으로부터 더욱 용이하게 분리할 수 있다.
이 외의 팩 형태 배터리 유닛의 구조적 특성 및 제어 방법 등은 상술의 두 번째 또는 세 번째 실시예의 일부 분리 배터리 유닛의 기타 구조적 특성과 제어 방법 등과 동일하거나 또는 유사하다. 따라서 본 실시예의 팩 형태 배터리 유닛의 구조적 특성과 제어 방법에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
본 명세서의 여섯 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 배터리 유닛은 다수의 배터리들과 이들을 연결하는 전기 연결 요소들을 상기 유닛의 케이스 내부에 포함하되, 상기 다수의 배터리들이 다수의 배터리 팩들의 형태로 제작된 또 다른 예시적 "팩 형태 배터리 유닛"이다. 특히 본 실시예의 팩 형태 배터리 유닛은 하나 이상의 분리팩 및 하나 이상의 고정팩을 포함하되, 분리팩과 고정팩 각각을 별개의 케이스 내부에 장착할 수 있다.
[도17]은 별개의 케이스 내부에 각각 장착된 분리팩과 고정팩을 포함하는 예시적 "팩 형태 배터리 유닛"의 구조를 예시하는 개략도로서, 설명의 편의를 위하여 분리팩의 분리팩과 분리 케이스의 상부만을 해칭으로 표시하였다.
[도17]의 배터리 유닛(150)의 분리팩(150R)과 고정팩(150S)은 각각 [도16]의 배터리 유닛의 분리팩과 고정팩 등과 동일 또는 유사하다. 일예로 분리팩(150R) 내부의 분리 배터리들(151R)은 다수의 분리형 전기 연결 요소들(152R)에 의하여 전기적으로 연결되는 반면, 고정팩(150S)의 고정 배터리들(151S)은 다수의 고정 전기 연결 요소(152S)들에 의하여 연결된다. 본 실시예의 팩 형태 배터리 유닛(150)의 기타 구조적 특성은 상술의 네 번째 실시예의 팩 형태 배터리 유닛의 기타 구조적 특성들과 동일하거나 또는 유사하다.
단 단일의 케이스를 포함하는 [도16]의 배터리 유닛과는 달리, [도17]의 배터리 유닛(150)은 두 개의 별개의 케이스, 일예로 분리 케이스(153R) 및 고정 케이스(153S)를 포함한다. 또한 상기 케이스(153R)(153S)는 각각 하나 이상의 덮개를 포함하거나, 덮개를 포함하지 않을 수 있다. [도17]의 경우, 분리 케이스(153RS)는 하나의 덮개를 포함하나, 고정 케이스는 덮개를 포함하지 않는다.
또한 분리 케이스(153R) 내부에는 분리팩(150R)이 장착되고, 고정 케이스(153S) 내부에는 고정팩(150S)이 장착된다. 특히 상기 케이스들(153R(153S)이 일정 거리를 두고 마이크로 그리드의 상이한 부분에 장착되면, 분리팩(150R) 및 고정팩(150S)도 서로 거리를 두고 상기 그리드의 상이한 부분에 배치될 수 있다.
사용자나 제어 유닛은 [도17]에서 예시한 팩 형태 배터리 유닛을 다양한 방법으로 구동할 수 있고, 제어할 수 있다. 단 [도17]의 팩 형태 배터리 유닛이 [도16]의 팩 형태 배터리 유닛과 유사하기 때문에, [도17]의 구동 방법 및 제어 방법은 [도16]의 배터리 유닛의 구동 방법 및 제어 방법과 동일하거나 유사하다.
단 [도17]의 분리팩은 고정팩과는 격리되어 설치되며, 고정팩의 케이스와는 상이한 케이스 내부에 장착된다. 따라서 사용자가 상기 분리팩을 교체할 때, 고정팩을 조작하거나 또는 고정팩의 케이스를 열 필요도 없이, 직접 분리팩을 배터리 유닛으로부터 분리한 후, 이를 신규 분리팩으로 용이하게 교체할 수 있다.
[도17]에 도시하지는 않았지만, 팩 형태 배터리 유닛은 다수의 분리팩을 포함할 수 있다. 일예로 배터리 유닛은 두 개 또는 그 이상의 분리팩들을 포함할 수 있다. 이 경우 제어 유닛은 상기 세 번째 실시예의 첫 번째 실시와 같이 다수의 분리팩들을 동시에 또는 순차적으로 방전(또는 충전)하며 전기 기기의 구동을 제어할 수 있다.
따라서 분리팩은 상이한 정도의 비가역적 손상을 입을 수 있다. 제어 유닛은 각 분리팩의 손상 정도를 사용자에게 알릴 수 있고, 사용자는 상기 손상이 심한 분리팩을 신규 분리팩으로 교체할 수도 있다.
또는 팩 형태 배터리 유닛은 동일하거나 또는 상이한 수효의 배터리를 포함하는 다수의 팩 형태로 제작될 수 있다. 제어 유닛은 다수의 배터리 팩 중 하나 이상을 분리팩으로 지정하고, 나머지는 고정팩으로 지정한 후, 상술과 같이 분리팩과 고정팩의 방전 또는 충전을 제어할 수 있다.
또는 배터리 유닛 제조사는 본 예시적 측면의 분리팩 및 상기 분리 배터리를 혼합한 구조로 배터리 유닛을 제작할 수 있다. 일예로 배터리 유닛 제조사는 분리팩에 하나 이상의 덮개를 설치한 후, 분리팩에 포함된 배터리들의 일부 또는 전부를 사용자가 상기 팩으로부터 분리하고 교체할 수 있도록 분리팩을 제작할 수도 있다.
이 외의 본 여섯 번째 실시예의 팩 형태 배터리 유닛의 구조적 특성 및 제어 방법 등은 상술의 다섯 번째 실시예의 팩 형태 배터리 유닛의 기타 구조적 특성과 제어 방법 등과 동일하거나 또는 유사하다. 따라서 본 실시예의 팩 형태 배터리 유닛의 구조적 특성과 제어 방법에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 여섯 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 제어 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 등은 상술과는 상이한 구조로 변형 또는 개량되거나, 상술과는 상이한 방법으로 구동되거나 제어될 수 있다.
일예로 상기 여섯 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 방전 제어, 충전 제어 등에 대한 것이고, 두 번째 실시예는 복사 현상을 이용하는 가열 유닛의 사용에 대한 것이며, 세 번째 실시예는 하나 이상의 3차전지를 포함하는 배터리 유닛에 대한 것이다. 이에 대한 설명은 상술의 첫 번째 내지 다섯 번째 예시적 측면의 설명과 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 여섯 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 네 번째 실시예는 일체형 배터리 유닛, 일부 분리 배터리 유닛 또는 팩 형태 배터리 유닛의 부가 요소들에 대한 것이다.
일예로 상기 배터리 유닛은 방전 및 충전은 물론 다른 유닛과의 전기적 연결을 위한 다수의 접점(contact) 및 전선, 배터리 유닛이나 다양한 팩의 운반이나 조작을 위한 손잡이, 상기 배터리들 또는 다양한 팩을 기계적으로 지지 또는 연결하는 하나 이상의 기계 연결 요소를 포함할 수 있다.
또한 상기 배터리 유닛은 상기 유닛이나 다양한 팩의 온도나 특정 배터리(들)의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 온도 센서, 상기 유닛의 전체 또는 특정 배터리(들)의 전류(또는 전압)을 측정하기 위한 하나 이상의 전류(또는 전압) 센서를 포함할 수 있다. 배터리 유닛은 외부나 내부에 배터리 제어 요소를 포함하거나 또는 제어 유닛의 전체 또는 일부를 포함할 수 있다. 배터리 유닛은 충전률, 방전 깊이 등을 측정할 수 있는 기존의 센서를 포함할 수도 있다.
상기 여섯 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 다섯 번째 실시예는 일체형 배터리 유닛, 일부 분리 배터리 유닛 및 팩 형태 배터리 유닛과 관련된 정보의 처리, 저장 및 송수신에 대한 것이다.
일예로 상기 제어 유닛은 기존의 메모리 칩 등과 같은 하나 이상의 데이터 저장 요소를 포함할 수 있다. 특히 저장 요소는 배터리 유닛이나 상기 유닛의 특정 팩이나 배터리의 온도, 전류, 전압, 충전률, 충전 기간, 방전 깊이, 방전 기간 등을 측정한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 저장 요소는 배터리 유닛, 상기 유닛의 특정 팩 또는 배터리의 장착 시점, 총 사용 기간, 총 방전 시간, 총 충전 시간은 물론 충전률이나 방전률에 대한 기록을 저장할 수 있다.
저장 요소는 제어 유닛의 다양한 제어와 관련된 기록을 저장할 구 있다. 따라서 저장 요소는 제어 유닛이 참고할 수 있는 최고 방전(또는 충전) 온도, 최저 방전(또는 충전) 온도 또는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 등을 저장할 수 있다. 또한 저장 요소는 추후 사용자가 상기 온도나 온도 범위를 수정하면, 신규 온도 또는 온도 범위는 물론 기존의 상기 온도 또는 온도 범위를 저장할 수 있다.
이 외에도 저장 요소는 전기 기기의 구동 시점, 각각의 구동 기간, 총 구동 기간, 구동 등급 등과 같은 전기 기기의 상세 구동 기록을 저장할 수 있다. 또는 저장 요소는 사용자의 휴대용 통신 기기에 저장된 사용자의 일정 또는 상기 일정의 위치 등을 저장할 수 있다.
또는 제어 유닛은 다양한 데이터를 정리 또는 처리할 수 있는, 연산이 가능한 반도체 칩 등의 연산 요소를 포함할 수도 있다. 특히 제어 유닛은 상기 저장 요소에 저장된 다양한 데이터 또는 현재 제어 유닛이 다양한 센서를 통해 수집하는 다양한 데이터를 상기 연산 요소로 처리하고, 이를 배터리 유닛 등 상기 그리드의 다양한 유닛의 제어에 활용하거나, 상기 유닛의 제어 결과를 직접 또는 상기 연산 요소로 처리한 후, 상기 저장 요소에 저장할 수 있다.
연산 요소는 전기 기기의 사양(일예로 전기 기기의 전력 사용 용량), 사용자가 원하는 구동 등급(일예로 에어컨의 경우 사용자가 지정한 온도), 전기 기기의 구동 기간 등을 감안하여 상술의 구동용 에너지를 계산할 수 있다. 연산 요소는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 벗어난 고온이나 저온에서 방전(또는 충전)할 경우 배터리 유닛이 입을 수 있는 비가역적 손상 또는 이에 따른 용량 손실을 계산하거나 추정할 수 있다. 또한 연산 요소는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 넓히거나 줄임에 따라 변하는 배터리 유닛의 손상 정도를 계산할 수도 있다.
제어 유닛은 상기 데이터 및 기타 데이터를 처리하고, 이를 이용하여 제어 유닛이 사용할 수 있는 데이터를 생성할 수 있는 기존의 인공지능 요소를 포함할 수 있다. 상기 인공지능 요소는 배터리 유닛의 상태, 전기 기기 사용 기록 등에 근거하여 직접 배터리 유닛을 제어할 수 있다.
일예로 사용자의 일정에 의하면 현재 정지 상태에 있는 전기 기기가 일정 시각부터 특정 기간 동안 구동을 해야 하면, 인공지능 요소는 제어 유닛을 통하여 상기 구동에 필요한 구동용 에너지를 계산한다. 만일 배터리 유닛의 충전량이 상기 구동용 에너지에 미치지 못하면, 제어 유닛은 배터리 유닛을 미리 충전할 수 있다.
이 외에도 인공지능 요소는 독립적으로 또는 제어 유닛과 함께 다양한 기능을 수행할 수 있다. 일예로 상기 요소는 전기 기기가 구동하지 않는 상태에서 배터리 유닛의 온도, 충전 상태, 손상 정도 등을 측정하고, 필요에 따라 가열 요소 또는 냉각 요소를 구동하며 상기 배터리 유닛의 온도를 적정 충전 온도 범위로 가열 또는 냉각한 후 배터리 유닛의 일부 또는 전부의 충전을 시작할 수 있다.
제어 유닛은 기존의 송수신 요소를 포함하고, 이를 이용하여 마이크로 그리드의 다른 유닛, 사용자, 다른 기기들과 유무선 통신을 할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 배터리 유닛, 상기 그리드의 다른 유닛을 사물 인터넷 망에 연결할 수 있다. 그 결과 사용자는 물론 상기 기기의 관리자 또는 인공 지능이 상기 기기의 다양한 유닛들의 상태를 확인함은 물론 원거리에서 상기 유닛들을 조작할 수 있다.
단 상기 데이터 저장 요소, 연산 요소, 인공 지능 요소, 송수신 요소 등은 제어 유닛 이외의 유닛에 장착될 수 있다. 일예로 상기 요소들은 배터리 유닛에 장착되거나, 발전 유닛에 장착될 수도 있다. 따라서 상기 요소들이 상술의 기능을 수행하는 한, 상기 요소들은 마이크로 그리드의 다양한 위치에 장착될 수 있다.
상기 여섯 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징이나 기타 구동 방법이나 제어 방법 등은 상기 첫 번째 내지 다섯 번째 예시적 측면의 상기 특징이나 방법과 동일하거나 유사하므로, 더 자세한 설명은 생략한다.
또한, 서로 상충되지 않는 한, 상술의 여섯 번째 예시적 측면의 다양한 구조나 방법은 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
7. 분리 배터리(또는 분리팩)-고정 배터리(또는 고정팩)의 전기적 연결 구조 및 구동 방법
상술과 같이 본 명세서의 마이크로 그리드는 배터리 유닛의 방전을 통하여 전기 기기의 구동에 필요한 에너지 또는 파워를 상기 기기에 공급한다. 또한 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전이나 충전을 조절함으로써 상기 기기에 구동에 필요한 에너지 또는 파워를 공급하며, 장래의 방전에 대비하여 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
하지만 배터리 유닛이 분리팩과 고정팩을 포함하거나 또는 분리 배터리나 고정 배터리를 포함할 경우, 제어 유닛은 다양한 방법으로 분리팩과 고정팩 또는 분리 배터리와 고정 배터리를 제어하며, 다양한 방법으로 파워를 공급할 수 있다. 본 명세서의 일곱 번째 예시적 측면은 다양한 전기 기기의 구동에 필요한 에너지(또는 파워) 공급, 이의 제어 등에 관한 상세한 구조 및 방법에 대한 것이다.
특히 본 예시적 측면의 첫 번째 실시예에서는 단일의 분리팩 및 단일의 고정팩이 단일의 케이스 내부에 장착된 팩 형태 배터리 유닛을 이용한 파워 생성, 파워 제공, 이의 제어 등에 대하여 설명한다. 특히 상술의 분리팩, 고정팩, 발전 유닛, 전기 기기 등에 대한 제어 유닛의 다양한 제어를 예시함으로써, 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드의 사용자가 특정 등급으로 특정 전기 기기를 구동하려는 경우 상기 유닛의 다양한 제어에 대하여 설명한다.
또한 본 예시적 측면의 두 번째 내지 다섯 번째 실시예에서는 특정 전기 기기의 최대 구동용 파워(즉 단위 시간당 구동용 에너지)를 100%라 할 경우, 하나 이상의 분리팩 및 하나 이상의 고정팩을 포함하는 팩 형태 배터리 유닛의 방전 속도, 팩 형태(또는 일부 분리) 배터리 유닛과 발전 유닛의 동시 사용 시 배터리 유닛의 방전 속도나 발전 유닛의 발전 속도, 상기 유닛들의 조작, 전기 기기의 구동용 파워 등에 대하여 설명한다.
특히 본 예시적 측면의 두 번째 내지 다섯 번째 실시예는 배터리 유닛이 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 밖의 저온 또는 고온에서의 상술의 유닛들의 방전에 대한 다양한 예들이다. 또한 상기 실시예들은 배터리 유닛의 방전 제어 및 이에 따른 전기 기기의 구동 등급의 제어에 대한 다양한 예들을 설명한다.
상술과 같이 본 예시적 측면에서 제어 유닛은 중앙 제어 요소, 배터리 제어 요소, 발전 제어 요소, 전기 기기 요소 중 하나 이상을 지칭한다. 일예로 본 예시적 측면의 제어 유닛은 중앙 제어 요소로서 마이크로 그리드의 한 위치에 배치되거나, 또는 다양한 제어 요소들의 형태로 상기 그리드의 다수의 위치에 분산되어 배치될 수 있다.
본 명세서의 일곱 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예는 단일의 분리팩 및 단일의 고정팩이 단일의 케이스 내부에 장착된 배터리 유닛(즉 "팩 형태 배터리 유닛")을 이용한 파워 생성, 제공 또는 이의 제어에 대한 것이다. [도18]은 예시적 "팩 형태 배터리 유닛"의 제어 방법에 대한 개략도로서, 상기 배터리 유닛(150)은 다수의 배터리들을 내부에 포함하는 고정팩(150S) 및 이보다 적은 수효의 배터리들을 내부에 포함하는 분리팩(105R)을 포함한다.
일예로 제어 유닛은 [도18]의 해칭처럼 배터리 유닛(150)의 방전을 제어할 수 있다. 제어 유닛은 상기 유닛(150)의 분리팩(150R)과 고정팩(150S)의 방전을 독립적으로 제어할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 고정팩(150S)만 방전하며 전기 기기(160)에 EBAT를 제공하거나, 분리팩(150R)만 방전하며 전기 기기(160)에 EBAT를 제공하도록 할 수도 있다.
또는 제어 유닛은 분리팩(150R)과 고정팩(150S)이 함께 방전하며 전기 기기(160)에 에너지 EBAT를 제공하도록 할 수 있다. 단 배터리 유닛(150)의 온도, 분리팩(150R) 또는 고정팩(150S)의 온도, 분리팩(150R) 또는 고정팩(150S)의 충전률 또는 방전 깊이 등에 따라, 제어 유닛은 분리팩(150R)이나 고정팩(150S)이 각각 전기 기기(160)에 제공하는 에너지의 양이 상이하도록 제어할 수 있다.
또는 상술과 같이 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성한 에너지를 직접 전기 기기(160)에 제공할 수 있도록 제어할 수 있다. 이를 위하여 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 구동하고, 이 때 생성된 에너지로 발전 유닛(120)을 구동할 수 있다. 이 경우 제어 유닛은 분리팩(150R)과 고정팩(150S)의 방전을 중지하거나, 분리팩(150R)의 방전은 허용하지만 고정팩(150S)의 방전은 중지하거나, 고정팩(150S)의 방전은 허용하지만 분리팩(150R)의 방전은 중지하거나, 또는 분리팩(150R)과 고정팩(150S)의 방전을 모두 허용할 수 있다.
제어 유닛은 구동용 에너지 또는 사용자가 원하는 전기 기기의 구동 등급을 고려하여 엔진 유닛(110)의 회전 속도 등을 제어할 수 있다. 일예로 상기 기기를 저급으로 운행하려면, 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 전체 용량의 10% 내지 30% 정도만 구동할 수 있다. 하지만 상기 기기를 중급이나 정상으로 운행하기 위해서는, 제어 유닛은 엔진 유닛(110)을 각각 40% 내지 70% 또는 80% 내지 100% 구동할 수 있다.
일단 제어 유닛이 엔진 유닛(110)의 회전 속도를 제어하면, 엔진 유닛(110)이 발전 유닛(120)에 제공하는 에너지나 파워도 제어하게 된다. 따라서 제어 유닛은 발전 유닛(120)의 발전량을 간접적으로 제어할 수도 있다. 또는 제어 유닛은 발전 유닛(120)의 발전량을 직접 제어할 수도 있다. 특히 제어 유닛은 발전 유닛(120)이 엔진 유닛(110)이 제공하는 에너지의 일부만 이용하여 전기 에너지를 생성하도록 할 수 있다.
제어 유닛은 발전 유닛(120)이 생성한 에너지의 일부만 전기 기기(160)에 제공할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 전기 기기(160)가 배터리 유닛(150)으로부터 EBAT를 제공받고, 발전 유닛(120)으로부터 EGEN,M를 제공받도록 할 수 있다.
이 때 제어 유닛은 전기 기기(160)가 필요로 하는 에너지의 양, 사용자 또는 제어 유닛이 원하는 상기 기기의 구동 등급, 분리팩(150R)이나 고정팩(150S)의 온도, 분리팩(150R)이나 고정팩(150S)의 충전률이나 방전 깊이 등에 따라 엔진 유닛(110)의 회전 속도를 제어하며, 분리팩(150R)이나 고정팩(150S)의 방전량, 방전 속도 등을 제어할 수 있다.
상기 첫 번째 실시예의 배터리 유닛은 [도18]과 상이한 구조를 가질 수 있다. 일예로 배터리 유닛은 단일의 분리팩 및 단일의 고정팩을 각각 분리된 케이스 내부에 포함할 수 있다. 배터리 유닛은 두 개 이상의 분리팩 및 단일의 고정팩을 단일의 케이스 또는 다수의 케이스 내부에 포함할 수 있다. 또는 배터리 유닛은 팩 형태의 배터리 유닛이 아니라 일부 분리 배터리 유닛일 수 있다.
본 명세서의 일곱 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예는 제어 유닛이 하나의 분리팩 및 하나의 고정팩을 포함하는 배터리 유닛을 이용하여, 다양한 전기 기기의 구동에 필요한 에너지 또는 파워 공급, 에너지 또는 파워를 제어하는 상세한 구조 및 방법에 대한 것이다.
본 실시예에서는 분리팩(또는 분리 배터리)과 고정팩(또는 고정 배터리)이 동일한 종류의 배터리를 포함하는 것으로 가정하였다. 또한 본 실시예의 분리팩과 고정팩의 용량은 각 팩에 포함된 배터리의 수효로 표현하는 대신, 배터리 세트의 수효로 표시하였으며, 이 때 각각의 배터리 세트는 특정 수효의 배터리를 포함하는 것으로 가정하였다.
특히 분리팩과 고정팩의 용량은 물론 발전 유닛의 용량도 방전 용량을 기준으로 표시하였다. 또한 방전 용량 역시 watt나 watt-hour 대신 특정 전기 기기가 특정 등급으로 구동하는 경우의 구동용 에너지를 기준으로 하였다. 따라서 본 실시예의 다양한 예시 및 설명은 동일한 또는 상이한 종류의 배터리를 포함하는 분리팩이나 고정팩에 적용될 수 있고, 또한 발전 유닛의 종류와 관계 없이 발전 유닛과 분리팩 또는 고정팩의 제어에 모두 적용될 수 있다.
본 실시예에서 고정팩(또는 분리팩)이 "정상 구동의 100%에 해당하는 방전 용량"을 가진다는 표현은 용량 손실이 없는 고정팩(또는 분리팩)이 충분히 충전되었을 때 최대 속도로 방전하며 전기 기기에 제공할 수 있는 에너지 또는 파워가 상기 기기가 정상으로 구동하는 데 필요한 "구동용 에너지"에 해당한다는 표현이다.
따라서 본 실시예의 [도19] 내지 [도30]에서 고정팩(또는 분리팩)에 포함된 배터리 세트의 총 수효는 고정팩(또는 분리팩)에 포함된 배터리의 실제 수효를 나타내는 것이 아니다. 오히려 본 실시예의 도면의 고정팩(또는 분리팩)에 포함된 배터리 세트의 수효는 특정 방전 용량을 가질 만큼의 배터리가 포함된다는 상대적 개념을 나타낸다.
따라서 본 실시예의 [도19] 내지 [도30]에 표시된 고정팩(또는 분리팩)이나 발전 유닛의 길이 비율은 상기 팩 또는 유닛의 실제 길이, 두께, 폭 등의 실제 비율을 표시하지 않는다. 오히려 상기 도면의 고정팩(또는 분리팩)이나 발전 유닛의 길이의 비율은 이들의 방전 용량의 비율을 나타낸다. 따라서 [도19] 내지 [도30]의 고정팩(또는 분리팩)이나 발전 유닛의 길이의 비율도 상기 도에 표시된 방전 용량을 가진다는 상대적 개념을 나타내는 것으로 한다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 단일의 분리팩과 단일의 고정팩을 포함한 팩 형태 배터리 유닛의 방전과, 이에 근거한 전기 기기의 구동의 제어에 관한 것이다. 일예로 [도19]는 방전 효율이 100%인 경우, 정상으로 방전하면 전기 기기가 정상 구동의 1/4의 등급으로 구동할 수 있는 분리팩과 최대 속도로 방전하면 전기 기기가 정상으로 구동할 수 있는 고정팩을 포함하는 배터리 유닛의 제어에 대한 개략도이다.
본 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 꺼져 있는 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작하고, 고정팩은 방전을 통해 에너지를 [도19]의 고정팩(또는 배터리 유닛)의 "+" 단자와 "-" 단자 사이에 위치한 전기 기기에 제공한다.
제어 유닛은 사용자가 제공하는 신호에 근거하여 고정팩의 방전량을 제어할 수도 있다. 특히 제어 유닛은 사용자의 신호에 근거하여 사용자가 원하는 등급으로 전기 기기를 구동하는 데 필요한 "구동용 에너지"를 계산할 수 있다. 물론 사용자가 전기 기기를 저급으로 구동하기를 원하는 경우보다 정상 구동을 원할 때의 구동용 에너지가 더 크다.
제어 유닛은 고정팩을 방전하는 중 분리팩을 방전시키지 않는다. 하지만 고정팩이 "구동용 에너지"를 제공하기에는 충분히 충전되어 있지 않거나 또는 기타 이유로 고정팩과 분리팩을 동시에 방전시켜도 무방할 경우, 제어 유닛은 고정팩과 분리팩을 동시에 방전시킬 수 있다. 또는 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작하기 전 또는 그 후 분리팩의 방전을 시작할 수도 있다.
제어 유닛은 "구동용 에너지"를 계산하기 위하여 제어 유닛은 다양한 변수를 고려할 수 있으며, 상기 변수의 예로는 전기 기기의 수효 및 종류, 각 전기 기기의 사양, 각 전기 기기의 구동 기간, 사용자가 원하는 구동 정도 등이 있다. 또한 제어 유닛은 외부의 날씨, 온도, 습도 등을 고려하여 구동용 에너지를 계산할 수도 있다.
상기 "전기 기기의 사양"은 상기 전기 기기가 사용하는 에너지 또는 전력 사용량과 관련될 수 있으며, 상기 사양의 예로는 전기 기기의 전기 저항, 전력 사용량, 최대 허용 전류 등이 있다. 상술의 "사용자가 원하는 등급"은 사용자가 전기 기기를 이용하여 달성하려는 목표에 따라 상이해질 수 있다.
상기 "사용자가 원하는 등급"은 상술의 저급 등급, 중급 등급 및 정상 등급의 세 가지 등급으로 구분되거나, 이보다 더 세분된 등급으로 구분될 수 있다. 일예로 상술의 "사용자가 원하는 등급"은 에어컨의 경우 사용자가 원하는 온도, 조명 기구의 경우 사용자가 원하는 조도, 제습기의 경우 사용자가 원하는 습도 등에 따라 구분될 수도 있다.
따라서 상술과 같이 계산한 구동용 에너지는 동일한 전기 기기에 대하서도 사용자가 원하는 등급에 따라 상이해질 수 있다. 또는 상기 구동용 에너지는 사용자가 원하는 등급이 동일하더라도 사용자가 구동하는 전기 기기에 따라 상이해질 수도 있다. 일예로 사용자가 실내 난방을 위하여 히터를 이용하여 실내 공기를 가열하거나 또는 보일러를 구동하여 바닥을 가열하는 경우, 사용자가 동일한 실내 온도를 설정해도 구동용 에너지는 상이해질 수 있다. 제어 유닛은 "구동용 에너지"를 측정하거나 추정하기 위하여 다양한 센서를 포함할 수도 있다.
방전 효율이 100%인 경우, [도19]의 고정팩은 최대 속도로 방전할 때 전기 기기가 정상 등급으로 구동하기 위하여 필요한 에너지를 방전할 수 있다. 따라서 사용자가 전기 기기를 정상으로 구동하려 할 때, 고정팩은 이에 해당하는 구동용 에너지를 전기 기기에 방전할 수 있다. 또는 사용자가 저급이나 중급으로 상기 기기를 구동하려 하면, 제어 유닛은 고정팩이 상기 등급에 해당하는 구동용 에너지만큼 방전하고, 이를 전기 기기에 제공하도록 할 수 있다.
제어 유닛은 고정팩의 방전 속도를 가변 제어할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 [도19]에서 "+" 단자로부터 점선으로 표시한 바와 같이 고정팩이 최대 80%만 방전할 수 있도록 고정팩에 포함된 배터리들의 연결을 조작할 수 있다. 이에 따라 상기 고정팩을 100% 방전하더라도, 전기 기기는 정상 등급의 80%까지만 구동할 수 있다.
본 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 꺼져 있는 전기 기기의 스위치를 켰을 경우, 배터리 유닛(또는 고정팩이나 분리팩)의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하지 않는 경우이다. 따라서 배터리 유닛이 방전을 시작하면, 상기 유닛의 고정팩 또는 분리팩은 어느 정도의 비가역적 손상을 입게 된다.
이 경우 제어 유닛은 배터리 유닛(즉 분리팩과 고정팩)의 방전을 시작하지 않은 채, 전기 기기를 계속 정지 상태로 유지할 수 있다. 또한 제어 유닛은 가열 유닛이나 냉각 유닛의 구동을 시작하고, 배터리 유닛이 가열되거나 냉각되어 상기 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속하게 되면, 분리팩의 방전을 시작할 수 있다.
이와는 달리 제어 유닛은 고정팩 대신 분리팩의 방전을 시작할 수 있다. 그 결과 분리팩은 방전을 통하여 에너지를 [도19]의 분리팩(또는 배터리 유닛)의 "+" 단자와 "-" 단자 사이에 위치한 전기 기기에 제공할 수 있다. 또한 제어 유닛은 사용자가 제공하는 신호에 따라 분리팩의 방전량을 제어할 수 있고, 그 결과 전기 기기는 방전량에 의하여 결정되는 등급으로 구동한다.
단 방전 효율이 100%일 경우에도, [도19]의 분리팩은 최대 방전 시 전기 기기가 정상으로 구동할 수 있는 에너지의 25%만 전기 기기에 제공할 수 있다. 이에 따라 제어 유닛은 전기 기기가 정상 등급의 0%~25%의 구간 이내에서 사용자 신호에 근거하여 저급으로 구동하도록 한다.
이 때 사용자는 전기 기구의 스위치를 돌리거나 깊이 누르거나, 기타 버튼을 누르는 등의 조작을 통하여, 자신이 저급, 중급, 정상 등급 등으로 전기 기기를 구동하기를 원한다는 신호를 제어 유닛에 제공할 수 있다. 제어 유닛은 이에 다양한 방법으로 대응할 수 있다.
일예로 제어 유닛은 사용자의 상기 신호에도 불구하고 상기 전기 기기를 계속 저급으로 구동할 수 있다. 또는 제어 유닛은 분리팩과 함께 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 특히 제어 유닛은 사용자가 제공한 신호에 의한 등급으로 전기 기기를 구동하는 데 필요한 만큼만 고정팩을 방전시킬 수 있다. 이 때 고정팩은 고온이나 저온에서의 방전에 따르는 비가역적 손상을 입을 수 있다.
단 상술과 같이 배터리 유닛의 분리팩이나 고정팩이 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 벗어난 고온 또는 저온에서 방전(또는 충전)함에 따라 비가역적 손상을 입게 되면 상기 유닛의 최대 방전 효율은 100%에 미치지 못하게 된다. 또한 배터리 유닛이 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내에서만 방전(또는 충전)하더라도, 계속되는 방전과 충전에 따라 상기 유닛의 최대 방전 효율을 100%에 못 미치게 된다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 두 번째 상세예는 단일의 분리팩과 단일의 고정팩을 포함한 팩 형태 배터리 유닛의 방전 및 이에 근거한 전기 기기의 구동의 제어에 관한 것으로, [도20]은 [도19]의 분리팩이 고정팩에 직렬로 연결된 경우의 개략도이다.
본 두 번째 실시예의 두 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛(고정팩 또는 분리팩)의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 분리팩 및 고정팩의 방전을 시작한다. 고정팩은 방전을 통하여 에너지나 파워를 [도20]의 고정팩(또는 배터리 유닛)의 "+" 단자와 "-" 단자 사이에 위치한 전기 기기에 제공한다.
단 [도20]의 구성의 분리팩과 고정팩의 최대 방전량의 합은 전기 기기가 정상 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 125%에 해당한다. 이에 따라 제어 유닛은 분리팩과 고정팩을 각각 80%로 방전시키거나, 분리팩은 방전하지 않고 고정팩만 방전시키며, 사용자가 전기 기기를 정상으로 구동하도록 할 수 있다. 하지만 사용자가 정상 등급 이하의 등급으로 상기 기기를 구동하기를 원하는 경우, 제어 유닛은 분리팩과 고정팩이 사용자가 원하는 등급에 해당하는 구동용 에너지를 방전하도록 할 수 있다.
본 두 번째 실시예의 두 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛(또는 고정팩이나 분리팩)의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하지 않는 경우이다. 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하지 않고, 배터리 유닛을 가열하거나 냉각할 수 있다. 그 후 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속하게 되면, 분리팩 및 고정팩의 방전을 시작할 수 있다.
이와는 달리 제어 유닛은 동시에 분리팩과 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 따라서 배터리 유닛은 방전을 통하여 에너지나 파워를 [도19]의 설명과 유사한 방법으로 전기 기기에 제공할 수 있다. 제어 유닛은 사용자가 제공하는 신호에 따라 분리팩 및 고정팩 방전량을 제어하며, 전기 기기는 상기 방전량에 의하여 결정되는 등급으로 구동할 수 있다. 단 고온이나 저온 방전에 따라, 분리팩 및 고정팩은 어느 정도 비가역적 손상을 입게 된다.
상기 첫 번째 상세예에서 설명한 바와 같이, 본 두 번째 상세예의 제어 유닛도 고정팩의 최대 방전량을 가변으로 제어할 수 있다. 또한 본 두 번째 상세예의 기타 파워 생성, 제공 또는 이의 제어는 상술의 첫 번째 상세예의 파워 생성, 제공 및 제어와 유사하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
제어 유닛은 본 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예와는 상이한 방법으로 분리팩과 고정팩을 제어할 수 있다. 특히 제어 유닛이 다양한 하드웨어 회로를 포함하고, 상기 회로를 조작하여 분리팩, 고정팩 등이 방전하는 전류, 전압, 파워 등을 조작하면, 제어 유닛은 분리팩과 고정팩을 포함하는 배터리 유닛은 다양한 방법으로 제어할 수 있다.
[도21]은 [도19] 및 [도20]은 물론 본 명세서의 다양한 예시적 측면, 상기 측면의 다양한 실시예 및 상세예의 제어 유닛의 전기적 연결 구조, 제어 구조 및 제어 기능을 일반화한 개략도이다. 우선 제어 유닛은 분리팩의 방전 및 고정팩의 방전을 독립적으로 제어할 수 있다.
일예로 제어 유닛은 단일 또는 다수의 분리팩들과 단일 또는 다수의 고정팩을 동시에 방전시키거나, 둘 중 한 팩만 방전시키거나, 분리팩과 고정팩을 특정 순서에 따라 방전시킬 수도 있다. 또는 제어 유닛은 분리팩과 고정팩 각각을 동일한 또는 상이한 %만큼 방전시킬 수 있다.
제어 유닛은 내부에 포함된 다양한 회로나 전기 부품 등을 이용하여 하나 이상의 분리팩과 하나 이상의 고정팩을 직렬, 병렬 또는 이의 혼합 형태로 연결하여 제어할 수 있다. 또는 제어 유닛은 분리팩과 고정팩 및 발전 유닛도 제어할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 분리팩 또는 고정팩의 방전과 함께 발전 유닛이 발전 용량의 일부나 전부에 해당하는 에너지나 파워를 전기 기기에 제공하도록 할 수 있다.
또는 제어 유닛은 분리팩이나 고정팩이 방전하며 전기 기기에 제공하는 전압, 전류, 에너지 또는 파워는 물론 발전 유닛이 방전함에 따라 배터리 유닛이나 전기 기기에 제공하는 전압, 전류, 에너지 또는 파워를 조작할 수 있는 요소를 포함할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 배터리 유닛이나 발전 유닛이 제공하는 전압, 전류의 크기를 조작할 수 있는 다양한 기존 요소를 포함할 수 있다. 상기 요소의 예로는 전압을 조작하는 변압기 또는 승압기(voltage amplifier), 전류나 파워를 증폭하는 전류 증폭기(current amplifier)나 파워 증폭기(power amplifier) 등이 있다.
제어 유닛은 상기 전압, 전류, 에너지 또는 파워의 모양(waveform)을 조작할 수 있는 요소를 포함할 수 있다. 상기 요소의 예로는 교류를 직류로 전환하는 요소인 정류기(rectifier), 직류를 교류로 전환하는 요소인 인버터 등이 있다.
또는 제어 유닛은 분리팩이나 고정팩의 방전 용량, 용량 손실 등은 물론 발전 유닛의 발전 용량을 고려하며 일정한 양의 에너지나 파워 또는 시간에 따라 변하는 양의 에너지나 파워를 전기 기기에 공급할 수 있다. 그 결과 제어 유닛은 전기 기기의 구동 등급을 최적화할 수 있다.
이러한 관점에서 보았을 때, [도21]의 제어 유닛은 본 명세서의 기본 제어 유닛으로 간주할 수 있다. 따라서 상반된 설명이 없는 한, 본 일곱 번째 예시적 측면은 물론 본 명세서의 제어 유닛은 위의 네 문단에서 예시한 다양한 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 외에도 본 명세서의 제어 유닛은 상술 또는 하술에서 예시한 바 있는 다양한 기능을 수행할 수 있는 요소를 하나 이상 포함할 수도 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 세 번째 상세예는 단일의 분리팩과 단일의 고정팩을 포함한 팩 형태 배터리 유닛이 비가역적 손상을 입은 경우의 방전 및 이에 근거한 전기 기기의 구동의 제어에 관한 것이다. 특히 [도22]는 [도21]의 배터리 유닛의 분리팩 및 고정팩이 일정 정도 손상을 입은 경우의 개략도이다.
상술과 같이 적정 방전(또는 충전) 범위를 벗어난 저온 또는 고온에서의 방전(또는 충전)에 따라 배터리 유닛 또는 상기 유닛의 분리팩이나 고정팩은 비가역적 손상을 입게 된다. 또한 정도 차이는 있지만, 대부분의 배터리는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내에서 방전(또는 충전) 시에도, 방전(또는 충전) 때마다 어느 정도의 비가역적 손상을 입게 된다. 이러한 손상이 누적되면서, 상기 배터리 유닛, 분리팩 또는 고정팩은 서서히 용량을 손실하게 된다.
일예로 [도22]의 분리팩은 비가역적 손상에 의한 용량 손실이 60%에 이르고, 따라서 전체 방전(또는 충전) 용량 중 최대 40%만 방전(또는 충전)이 가능한 경우이다. 한편 고정팩은 용량 손실이 10%이고, 전체 방전(또는 충전) 용량 중 최대 90%만 방전(또는 충전)이 가능한 경우이다.
본 두 번째 실시예의 세 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 단 고정팩은 총 용량 중 10%가 이미 손실되었기 때문에, 사용자는 구동용 에너지에 따라 전기 기기를 저급 또는 중급 등급으로 구동할 수 있고, 정상 등급의 90% 이하로 구동할 수 있다.
사용자가 상기 조작으로 정상 등급으로 전기 기기를 구동하기를 원한다는 신호를 제공하면, 제어 유닛은 고정팩은 물론 분리팩을 방전하여 전기 기기의 구동 등급을 높일 수 있다. 또는 제어 유닛은 발전 유닛을 가동하고, 발전 유닛이 생성하는 에너지의 일부나 전부를 전기 기기에 제공하여 상기 기기를 정상 등급에서 구동할 수도 있다.
이 경우 제어 유닛은 발전 유닛이 생성하는 에너지의 일부만 전기 기기에 제공하는 한편 상기 에너지의 나머지는 배터리 유닛에 공급함으로써 배터리 유닛을 충전할 수 있다. 배터리 유닛의 온도가 적정 충전 온도 범위에 속하는 경우에는 상기 유닛은 최소의 비가역적 손상만 입을 수 있다. 하지만 상기 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에는 속하지만 적정 충전 온도 범위에 속하지 않는 경우, 상기 유닛은 어느 정도의 비가역적 손상을 피할 수 없다.
본 두 번째 실시예의 세 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛, 고정팩, 분리팩 등의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하지 않는 경우이다. 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하지 않고, 계속 전기 기기를 정지 상태로 유지할 수 있다. 또한 제어 유닛은 가열 또는 냉각 유닛의 가동을 시작하고, 배터리 유닛이 가열되거나 냉각된 후, 분리팩의 방전을 시작할 수 있다.
이와는 달리 제어 유닛은 고정팩 대신 분리팩의 방전을 시작할 수 있다. 그 결과 분리팩은 방전을 통하여 에너지를 전기 기기에 제공할 수 있다. 하지만 분리팩의 방전 용량은 고정팩의 방전 용량의 25%에 불과하며, 그 중에서도 이미 60%가 손상된 상태이다. 따라서 분리팩의 방전만으로는 사용자는 전기 기기를 이용하여 10% 이상의 기능을 구현할 수 없다. 사용자가 중급이나 정상 등급에서 전기 기기를 구동하겠다는 신호를 제공하면, 제어 유닛은 상기 기기를 계속 저급 등급에서 구동할 수 있다. 또는 제어 유닛은 분리팩과 함께 고정팩의 방전을 시작할 수 있다.
특히 제어 유닛은 사용자가 제공한 신호에 따른 등급으로 전기 기기를 구동하는 데 필요한 만큼 고정팩을 방전시킬 수 있다. 이 경우 고온 또는 저온 방전에 따라, 분리팩은 물론 고정팩도 어느 정도 비가역적 손상을 입게 된다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예의 네 번째 상세예는 단일의 분리팩과 단일의 고정팩을 포함한 팩 형태 배터리 유닛이 비가역적 손상을 입은 경우의 방전 및 이에 근거한 전기 기기의 구동 제어에 관한 것이다. 특히 [도23]은 배터리 유닛의 분리팩은 전기 기기의 정상 구동에 필요한 구동용 에너지의 25%의 용량을 가진 반면 고정팩은 구동용 에너지의 75%의 용량을 가진 경우의 개략도이다.
본 두 번째 실시예의 네 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속한 경우이다. 따라서 상술과 같이 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작한다.
단 고정팩이 최대로 방전해도, 고정팩은 전기 기기의 정상 구동에 필요한 구동용 에너지의 75% 이상을 공급할 수 없고, 따라서 전기 기기는 구동용 에너지에 따라 저급 또는 중급 등급에서 구동한다. 사용자가 중급 등급 이상에서 전기 기기를 구동하겠다는 신호를 제공하면, 제어 유닛은 고정팩과 분리팩을 함께 방전하고 방전량을 증가하여 구동 등급을 높이거나, 발전 유닛을 가동하고 발전 유닛이 생성하는 에너지를 전기 기기에 제공하여 상기 기기의 구동 등급을 중급 이상으로 증가시킬 수 있다.
본 두 번째 실시예의 네 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하지 않는 경우이다. 이 때 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하지 않고, 전기 기기를 계속 정지 상태로 유지할 수 있다. 또한 제어 유닛은 가열 또는 냉각 유닛의 가동을 시작하고, 배터리 유닛이 가열되거나 냉각된 후에야 분리팩의 방전을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 고정팩 대신 분리팩의 방전을 시작하여 에너지를 전기 기기에 제공할 수 있다. 하지만 분리팩의 방전 용량은 고정팩의 방전 용량의 25%이므로, 분리팩 방전만으로는 상기 기기가 저급 등급 이상의 구동은 어렵다.
이 때 사용자가 중급이나 정상 등급으로 전기 기기를 구동하겠다는 신호를 제공하면, 제어 유닛은 사용자 신호에도 불구하고 전기 기기를 계속 저급 등급에서 구동할 수 있다. 이와는 달리 제어 유닛은 분리팩과 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 특히 제어 유닛은 사용자가 제공한 신호에 따르는 구동 등급에 해당하는 구동용 에너지에 필요한 만큼만 고정팩을 방전시킬 수 있다. 이 경우 상기 고온이나 저온에서 방전함에 따라, 분리팩은 물론 고정팩도 어느 정도 비가역적 손상을 입게 된다.
[도23]의 구조는 상기 [도19] 내지 [도22]의 구조와 비교하였을 때, 장단점을 가진다. 일예로 [도19] 내지 [도22]의 고정팩은 총 8 세트의 배터리를 포함하고, 고정팩이 방전하면 전기 기기가 정상 등급에서 구동하기 위하여 필요한 구동용 에너지를 공급할 수 있다. 하지만 [도19] 내지 [도22]의 구조는 분리팩이 2 세트, 고정팩이 8 세트, 총 10 세트의 배터리를 포함한다.
반면 [도23]의 구조는 분리팩이 2 세트, 고정팩이 6 세트의 배터리, 총 8 세트의 배터리만을 포함한다. 따라서 상기 배터리 유닛은 [도19] 내지 [도22]의 배터리 유닛보다 적은 수효의 배터리를 필요로 한다. 따라서 배터리가 고가인 경우, 사용자는 더 적은 비용으로 [도23]의 배터리 유닛을 구입할 수 있다.
단 용량 손실이 없는 경우, [도19] 내지 [도22]의 배터리 유닛이 최대 속도로 방전하면, 상기 유닛은 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지를 초과하는 에너지나 파워를 전기 기기에 공급할 수 있다. 이에 따라 상기 유닛의 분리팩과 고정팩이 어느 정도 용량을 손실하더라도, 전기 기기는 정상 등급으로 구동할 수 있다.
반면 용량 손실이 없을 때, [도23]의 배터리 유닛이 최대 속도로 방전해도, 상기 유닛은 전기 기기가 정상 등급에서 구동하기 위한 구동용 에너지와 동일한 양의 에너지나 파워만 전기 기기에 공급할 수 있다. 이에 따라 상기 유닛의 분리팩이나 고정팩이 일정량의 용량을 손실하면, 전기 기기는 더 이상 정상 등급에서 구동할 수 없다. 따라서 제어 유닛은 발전 유닛을 가동해야만 한다.
본 명세서의 일곱 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예는 제어 유닛이 두 개 이상의 분리팩과 하나 이상의 고정팩을 포함하는 배터리 유닛을 이용하여, 다양한 마이크로 그리드의 다양한 전기 기기를 구동하는 데 필요한 에너지 또는 파워 공급, 에너지 또는 파워의 제어 등에 관한 상세한 구조 및 방법에 대한 것이다.
본 명세서의 배터리 유닛이 두 개 이상의 분리팩을 포함하면, 각 분리팩은 다양한 종류나 크기를 가질 수 있다. 즉 각 분리팩은 동일한(또는 상이한) 수효의 동일한(또는 상이한) 종류의 배터리를 포함할 수 있다. 또는 각 분리팩은 배터리의 종류나 수효와 관계 없이 동일한 또는 상이한 방전량 또는 충전량을 가진 배터리를 포함할 수 있다.
제어 유닛은 다수의 분리팩들의 종류나 크기, 각 분리팩의 방전(또는 충전) 용량, 상기 분리팩들의 용량 손실 정도 등에 따라 다양한 방법으로 각 분리팩의 방전을 제어할 수 있다. 또한 제어 유닛은 다양한 변수들에 근거하여 각 분리팩의 방전(또는 충전) 순서를 바꾸어 가며 다양한 방법으로 상기 분리팩들을 제어할 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 두 개의 분리팩(즉 분리팩 1과 분리팩 2), 하나의 고정팩 등을 포함하는 배터리 유닛의 방전과, 이에 근거한 전기 기기의 구동 제어에 관한 것이다. [도24]는 [도19]와 같이 방전 효율이 100%일 때 최대 속도로 방전하는 경우, 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 25%를 방전할 수 있는 분리팩 두 개와, 최대 속도로 방전하는 경우 상기 기기가 정상 등급에서 구동할 수 있는 고정팩을 포함하는 배터리 유닛의 구조 및 제어에 대한 개략도이다.
본 세 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작한다. 제어 유닛은 사용자가 제공하는 신호에 근거하거나 또는 사용자가 원하는 구동 등급에 해당하는 구동용 에너지에 근거하여 고정팩의 방전량을 제어할 수도 있다.
방전 효율이 100%일 때, [도24]의 고정팩은 최대 속도로 방전할 때 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지를 전기 기기에 공급할 수 있다. 사용자가 저급 또는 중급 등급에서 전기 기기를 구동하려 할 경우, 제어 유닛은 고정팩이 방전하며 상기 등급에 해당하는 구동용 에너지를 전기 기기에 제공하도록 할 수 있다. 또는 상술과 같이 제어 유닛은 고정팩의 최대 방전량을 가변으로 제어할 수도 있다.
단 상술과 같이 대부분의 기존의 배터리는 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내에서 방전(또는 충전)을 하더라도, 매번 방전(또는 충전)할 때마다 일정 용량을 손실할 수 있다. 따라서 배터리 유닛의 온도가 적정 온도 범위 이내에 속하더라도, 제어 유닛은 고정팩으로 하여금 방전 용량의 일부만 방전(일예로 부분 방전)하도록 함과 동시에 분리팩 1 또는 분리팩 2의 부분 방전을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 고정팩의 방전과 동시에 발전 유닛을 구동할 수 있다. 그 결과 고정팩의 방전량은 감소하고, 이에 따라 고정팩을 다시 충전할 필요성도 함께 감소하기 때문에, 제어 유닛은 고정팩의 손상을 최소화할 수 있다.
본 세 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하지 않는 경우이다. 상기 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하지 않고, 전기 기기를 계속 정지 상태로 유지할 수 있다. 또한 제어 유닛은 가열 또는 냉각 유닛의 가동을 시작하고, 배터리 유닛이 가열되거나 냉각된 후에야 분리팩의 방전을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 고정팩 대신 분리팩 1 또는 분리팩 2의 방전을 시작할 수 있다. 또는 제어 유닛은 분리팩 1 및 분리팩 2의 방전을 동시에 또는 순차적으로 시작할 수도 있다. 제어 유닛은 사용자가 제공하는 신호에 근거하여 분리팩 1 또는 2의 방전량을 제어하며, 전기 기기는 상기 방전량에 의하여 결정되는 등급에서 구동한다.
단 방전 효율이 100%이더라도, [도24]의 분리팩 1 또는 2는 최대 속도로 방전하더라도 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 25%에 해당하는 에너지만 전기 기기에 제공한다. 따라서 제어 유닛이 분리팩 1 및 2 중 하나만 방전하면, 제어 유닛은 사용자 신호에 따라 구동용 에너지의 0%~25%만 전기 기기에 공급하며, 상기 기기를 저급 등급에서 구동할 수 있다.
제어 유닛이 분리팩 1과 2를 동시에 방전시키면, 전기 기기는 사용자 신호에 따라 구동용 에너지의 0%~50%의 구간 이내에서 저급 또는 중급 등급에서 구동하게 된다. 하지만 분리팩 1 또는 2는 고온이나 저온 방전에 따라 비가역적 손상을 입게 되며, 상기 손상은 각 분리팩의 방전 시간, 충전 시간 등에 대체적으로 비례할 수 있다.
사용자가 중급 또는 정상 등급에서 전기 기기를 구동하기를 원한다는 신호를 제공하면, 제어 유닛은 다양한 방법을 이용하여 이에 대응할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 사용자의 신호에도 불구하고 전기 기기를 계속 저급 등급에서 구동할 수 있다.
또는 제어 유닛은 분리팩 1 또는 2의 방전과 함께 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 제어 유닛은 사용자의 신호에 따른 등급에서 전기 기기를 구동하는 데 필요한 만큼 고정팩을 방전시킬 수도 있다. 하지만 고온 또는 저온 방전에 따라, 고정팩도 어느 정도 비가역적 손상을 입게 된다.
하지만 [도24]의 배터리 유닛이 두 개의 분리팩을 포함하므로, 제어 유닛은 상술의 [도19] 내지 [도23]과는 상이한 방법으로 분리팩 1과 분리팩 2를 제어할 수 있다. 즉 제어 유닛은 고정팩과 함께 또는 고정팩과는 별도로 분리팩 1과 2를 순차적 또는 선택적으로 제어할 수 있다.
일예로 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전)온도 범위보다 낮은 저온이면, 제어 유닛은 분리팩 1을 방전 또는 충전하는 한편, 배터리 유닛의 온도가 상기 온도 범위보다 높은 고온이면, 분리팩 2를 방전 또는 충전할 수 있다. 따라서 이러한 구성은 일교차가 크거나 사계절이 확연한 지방에서 유용하게 사용할 수 있으며, 사용자는 분리팩 1이나 2 중 용량 손실이 일정 정도를 초과한 분리팩만 적절한 시점에 교환할 수 있다.
또 다른 예로서 정지 상태의 전기 기기의 스위치가 켜졌을 때 배터리 유닛의 온도가 방전(또는 충전)하기에는 저온 또는 고온일 경우, 제어 유닛은 분리팩 1(또는 분리팩 2)의 방전을 시작할 수 있다. 사용자가 전기 기기의 구동을 마치고, 그 후 상기 기기의 스위치를 다시 켤 때 배터리 유닛의 온도가 상기 온도 범위를 벗어나면, 제어 유닛은 분리팩 2(또는 분리팩 1)의 방전을 시작할 수 있다.
이 같이 제어 유닛은 사용자가 전기 기기의 스위치를 켤 때마다 분리팩 1과 2를 번갈아 방전시키게 된다. 따라서 제어 유닛은 저온 또는 고온에서 방전함으로써 입는 비가역적 손상을 분리팩 1과 2에 번갈아 배분할 수 있다. 하지만 사용자가 스위치를 켤 때마다 전기 기기를 구동하는 시간이나 등급은 동일하지 않는 경우가 대부분이다. 따라서 분리팩 1과 2가 입는 비가역적 손상 역시 대체적으로 동일한 않는 경우가 대부분이다.
또 다른 예로서 정지 상태의 전기 기기의 스위치가 켜졌을 때 배터리 유닛의 온도가 방전(또는 충전)하기에는 저온 또는 고온이면, 제어 유닛은 분리팩 1 및 분리팩 2 중 용량 손실이 적은 분리팩을 선택하여 방전을 시작할 수 있다. 그 후 전기 기기의 구동을 마친 사용자는 스위치를 끈다. 그 후 사용자가 전기 기기의 스위치를 다시 켜면, 제어 유닛은 분리팩 1과 2 중 용량 손실이 적은 분리팩을 선택하여 방전을 시작할 수 있다.
이와 같이 제어 유닛은 사용자가 스위치를 켤 때마다 분리팩 1과 2의 손상 정도 또는 용량 손실을 확인하고, 손상 정도나 용량 손실이 적은 분리팩의 방전을 시작한다. 이에 따라 제어 유닛은 저온 또는 고온에서 방전하며 입는 비가역적 손상을 분리팩 1과 2에 번갈아 배분할 수 있다. 또한 제어 유닛은 위의 예에 비하여 분리팩 1과 2가 입는 비가역적 손상을 (대체적으로) 더 균일하게 배분할 수 있다.
이처럼 고온이나 저온에서 전기 기기가 구동할 때마다 제어 유닛은 다른 분리팩을 번갈아 방전하며, 고온이나 저온 방전에 의한 비가역적 손상을 각 분리팩에 배분할 수 있다. 따라서 사용자는 분리팩 1은 자주 교환하지만 분리팩 2는 자주 교환할 필요가 없거나, 또는 분리팩 1과 분리팩 2를 가능한 오랜 기간 사용한 후 함께 교환할 수 있다.
제어 유닛은 전기 기기 구동 중 방전하는 분리팩을 변경할 수 있다. 일예로 고온에서 정지 상태의 기기의 스위치가 켜졌을 때, 제어 유닛은 분리팩 1의 방전을 시작하며 상기 기기의 구동을 시작할 수 있다. 하지만 분리팩 1의 충전률이 특정 % 이하로 감소하거나 분리팩 1의 방전 깊이가 특정 %를 초과하면, 제어 유닛은 분리팩 1의 방전을 중단하고 분리팩 2의 방전을 시작할 수 있다. 또는 방전 중인 분리팩의 손상이 누적되어 방전 용량이 특정 % 이상 손실되면, 제어 유닛은 상기 분리팩의 방전을 중지하고, 다른 분리팩의 방전을 시작할 수 있다.
이와는 달리 제어 유닛은 기기 구동 중 온도 변화에 근거하여 방전하는 분리팩을 변경할 수 있다. 일예로 사용자가 시동 스위치를 켤 시점의 배터리 유닛의 온도와 관계 없이, 제어 유닛은 전기 기기 구동 중 배터리 유닛의 온도가 저온으로 떨어지면 분리팩 1의 방전을 시작하는 반면, 상기 유닛의 온도가 고온으로 증가하면 분리팩 2의 방전을 시작할 수 있다. 이 때 제어 유닛은 분리팩 1 또는 2의 방전과 함께 고정팩을 방전시킬 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 두 번째 상세예는 단일의 고정팩과 서로 전기적으로 연결된 두 개의 분리팩(즉 분리팩 1과 분리팩 2)을 포함하는 배터리 유닛의 방전과 이에 근거한 전기 기기의 구동 제어에 관한 것이다. [도25]는 [도24]와 동일한 방전 용량을 가진 분리팩 두 개가 직렬로 연결된 경우, [도26]은 상기 분리팩들이 병렬로 연결된 배터리 유닛의 구조 및 제어에 대한 개략도이다.
본 세 번째 실시예의 두 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. [도25]나 [도26]에서는 분리팩과 고정팩이 전기적으로 연결되어 있으므로 제어 유닛은 분리팩과 고정팩의 방전을 시작할 수 있다.
단 [도25]의 분리팩과 고정팩이 최대 속도로 방전할 때의 에너지의 합은 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 150%에 해당하지만, [도26]의 분리팩과 고정팩이 최대 속도로 방전할 때 에너지의 합은 상기 구동용 에너지의 125%에 해당한다. 따라서 제어 유닛은 고정팩만, 또는 분리팩과 고정팩을 각각 일부만 방전하며 구동 등급에 해당하는 구동용 에너지를 전기 기기에 제공할 수 있다.
본 세 번째 실시예의 두 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하지 않는 경우이다. 제어 유닛은 배터리 유닛을 방전하지 않은 채, 배터리 유닛을 가열하거나 냉각할 수 있다. 그 후 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속한 후, 제어 유닛은 분리팩과 고정팩의 방전을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 고온 또는 저온에서 분리팩만 방전시키거나, 또는 분리팩과 고정팩을 동시에 방전시킬 수도 있다. 또한 제어 유닛은 [도20]에서 예시한 방법과 유사한 방법으로 배터리 유닛을 제어하며, 전기 기기의 구동에 필요한 에너지를 전기 기기에 제공할 수 있다.
상술과 같이 제어 유닛은 배터리 유닛 또는 발전 유닛이 제공하는 전압, 전류, 에너지 또는 파워를 조작할 수 있는 다양한 기존 요소를 포함할 수 있다. 또는 제어 유닛은 전압, 전류, 에너지 또는 파워의 모양을 조작할 수 있는 요소를 포함할 수 있다. 따라서 제어 유닛은 다양한 방법으로 분리팩과 고정팩은 물론 발전 유닛을 제어할 수 있다.
상기 두 번째 상세예의 파워 생성, 제공 또는 이의 제어에 대한 기타 상세한 내용은 상술의 첫 번째 상세예의 파워 생성, 제공 및 제어와 유사하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 세 번째 상세예는 두 개의 동일한 분리팩과 단일의 고정팩을 포함한 팩 형태 배터리 유닛이 비가역적 손상을 입은 경우의 방전과 이에 근거한 전기 기기의 구동 제어에 관한 것이다. 특히 [도27]은 [도26]의 배터리 유닛의 분리팩 및 고정팩이 일정 정도 손상을 입은 경우의 개략도이다.
일예로 [도27]의 분리팩 1과 분리팩 2는 비가역적 손상에 의한 용량 손실이 각각 70% 또는 30%이고, 이에 따라 전체 방전(또는 충전) 용량 중 각각 최대 30% 또는 70%만 방전(또는 충전)이 가능한 경우이다. 반면 고정팩은 용량 손실이 10%이어서, 전체 방전(또는 충전) 용량 중 최대 90%만 방전(또는 충전)이 가능한 경우이다.
본 세 번째 실시예의 세 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 단 고정팩은 총 용량 중 10%가 손실되었으므로, 사용자는 구동용 에너지에 따라 전기 기기를 저급이나 중급 등급에서 구동할 수 있으나, 정상 등급의 90% 이하의 기능만을 구현할 수 있다.
사용자가 상기 조작을 통하여 자신이 정상 등급에서 전기 기기를 구동하기를 원한다는 신호를 제공하는 경우, 제어 유닛은 고정팩은 물론 분리팩 1 또는 2를 방전하여 상기 기기의 구동 등급을 증가시킬 수 있다. 또는 제어 유닛은 발전 유닛을 가동하고, 발전 유닛이 생성하는 에너지를 전기 기기에 제공하여 구동 등급을 정상 등급으로 증가시킬 수도 있다.
본 세 번째 실시예의 세 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켰을 때, 배터리 유닛의 온도가 고온 또는 저온인 경우이다. 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하지 않고, 전기 기기를 계속 정지 상태로 유지할 수 있다. 또한 제어 유닛은 가열 유닛 또는 냉각 유닛의 가동을 시작하고, 배터리 유닛이 가열되거나 냉각되어 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속하게 되면, 분리팩의 방전을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 고정팩 대신 분리팩 1 또는 2의 방전을 시작하거나, 분리팩 1과 2의 방전을 동시에 시작할 수 있다. 하지만 분리팩 1(또는 2)의 방전 용량은 고정팩의 방전 용량의 25%에 불과하며, 그 중에서도 이미 70%(또는 30%)가 손상된 상태이다. 따라서 분리팩 1(또는 2)의 방전만으로는 사용자는 전기 기기를 정상 등급의 7.5%(또는 17.5%) 이상으로 구동할 수 없다.
이 때 사용자가 중급이나 정상 등급에서 전기 기기를 구동하겠다는 신호를 제공하면, 제어 유닛은 다양한 방법으로 이에 대응할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 사용자의 신호에도 불구하고 전기 기기를 계속 저급에서 구동할 수 있다. 또는 제어 유닛은 분리팩 1 또는 2와 함께 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 특히 제어 유닛은 사용자가 제공한 신호에 따르는 등급으로 전기 기기를 구동하는 데 필요한 만큼 고정팩을 방전시킬 수 있다. 이 경우 상기 고온이나 저온에서 방전함에 따라, 분리팩들은 물론 고정팩도 어느 정도 비가역적 손상을 입게 된다.
또한 [도27]의 배터리 유닛이 두 개의 분리팩을 포함하므로, 제어 유닛은 상기 세 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 두 번째 예에서 설명한 바와 같이 다양한 방법으로 고정팩과 함께 또는 고정팩과는 별도로 분리팩 1과 2를 순차적 또는 선택적으로 제어할 수 있다.
두 개 이상의 분리팩을 포함하는 상기 [도24] 내지 [도27]의 배터리 유닛은 단일의 분리팩만 포함하는 [도19] 내지 [도23]의 배터리 유닛과 비교하였을 경우 다양한 장단점을 가진다. 우선 제어 유닛은 배터리 유닛에 포함된 다수의 분리팩을 선택적으로 또는 순차적으로 방전시킬 수 있다.
따라서 제어 유닛은 적정 방전 온도 범위를 벗어나는 저온 또는 고온에서 다수의 분리팩을 적절히 방전시킴으로써, 특정 분리팩이 저온 또는 고온 방전에 의한 비가역적 손상을 감수하도록 하는 한편 다른 분리팩의 손상은 최소화할 수 있다. 따라서 상대적으로 방전 용량을 많이 상실한 분리팩은 자주 교체하지만 상대적으로 방전 용량의 손실이 적은 분리팩은 그보다는 더 긴 기간을 사용하도록 함으로써, 사용자의 배터리 교체 비용을 최소화할 수 있다.
또는 제어 유닛은 다수의 분리팩이 저온 또는 고온 방전에 의한 비가역적 손상을 (대체적으로) 균일하게 입을 수 있도록 방전시킬 수 있다. 일예로 저온 또는 고온에서는 상대적으로 방전 용량을 많이 상실한 분리팩을 우선적으로 방전함으로써, 제어 유닛은 다수의 분리팩이 (상대적으로) 균일하게 손상되도록 조작할 수 있다. 따라서 사용자는 다수의 분리팩을 함께 교체해야 하기 때문에 교체 시의 비용은 증가하지만, 다수의 분리팩을 교체해야 하는 데 걸리는 기간을 연장으로써, 사용자의 배터리 교체 빈도를 최소화할 수 있다.
또한 분리팩의 방전 용량이 동일할 경우에는, 제어 유닛은 단일의 분리팩을 포함하는 배터리 유닛에 비하여 다수의 분리팩을 포함하는 배터리 유닛을 더욱 다양한 방법으로 제어할 수 있다. 하지만 다수의 분리팩을 포함하는 배터리 유닛의 비용은 단일의 분리팩을 포함하는 배터리 유닛에 비하여 가격이 비싸질 수 있다.
이처럼 배터리 유닛에 몇 개의 분리팩(또는 고정팩)을 포함시킬 지 또는 각 분리팩(또는 고정팩)에 몇 개의 배터리 세트를 포함시킬 지는 배터리 유닛의 가격을 얼마로 할 지에 따라, 분리팩의 교체 기간을 짧게 할 지 아니면 길게 할 지에 따라 결정할 수 있다. 또한 분리팩(또는 고정팩)의 수효나 분리팩(또는 고정팩)에 포함된 배터리의 수효는 분리팩(또는 고정팩)을 교체할 때까지 허용할 수 있는 구동 기간에 따라 결정할 수도 있다.
이 외에도 분리팩(또는 고정팩)의 수효나 내부에 포함된 배터리의 수효는 본 명세서에서 배터리의 방전(또는 충전) 용량이나 시간에 영향을 줄 수 있다고 설명한 다른 변수들을 고려하여 결정할 수 있다. 일예로 상기 배터리 유닛을 사용할 지역의 기온에 따라 상기 팩의 수효 또는 각각의 팩에 포함되는 배터리의 수효를 결정할 수도 있다.
본 명세서의 일곱 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예는 제어 유닛이 하나 이상의 분리팩과 하나 이상의 고정팩 등을 포함하는 배터리 유닛 및 발전 유닛을 동시에 또는 순차적으로 이용하여, 다양한 마이크로 그리드에 연결된 전기 기기의 구동에 필요한 에너지나 파워 공급, 에너지나 파워의 제어 등에 관한 상세한 구조 및 방법에 대한 것이다.
상술과 같이 발전 유닛은 화석 연료의 연소를 통하여 엔진 유닛이 생성한 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 따라서 발전 유닛의 최대 발전 용량은 엔진 유닛의 최대 기계적 에너지 생성 용량에 의하여 결정된다고 할 수 있다. 특히 엔진 유닛의 최대 기계적 에너지 생성 용량은 엔진이 실린더의 배기량(cc)으로 표시될 수도 있다. 단 설명의 편의를 위하여 본 실시예에서는 엔진 유닛은 포함하지 않고, 다양한 발전 용량을 가진 발전 유닛만을 설명하기로 한다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 단일의 분리팩 및 단일의 고정팩을 포함한 팩 형태 배터리 유닛의 방전 및 상기 방전과 동시 또는 순차적으로 발전하는 발전 유닛의 제어 및 이에 근거한 전기 기기의 구동 제어에 관한 것이다. [도28]은 방전 효율이 100%인 경우, 최대 속도로 방전할 때 전기 기기가 정상 등급으로 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 25%를 방전할 수 있는 분리팩, 최대 속도로 방전할 때 상기 구동용 에너지를 방전할 수 있는 고정팩을 포함하는 배터리 유닛이 발전 유닛과 함께 에너지를 전기 기기에 공급하는 구조 및 이의 제어에 대한 개략도이다.
단 [도28]의 발전 유닛의 최대 발전 용량은 상기 구동용 에너지의 12.5%(즉 1/8)에 해당한다. 즉 상기 발전 유닛은 고정팩은 물론 분리팩보다 적은 발전 용량을 가진 경우이다.
본 네 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태인 전기 기기의 스위치를 켤 때, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 고정팩은 전기 기기의 구동용 에너지를 공급할 수 있으며, 제어 유닛은 사용자가 제공한 신호에 해당하는 등급으로 전기 기기의 구동을 시작할 수 있다.
또한 배터리 유닛의 온도가 적정 충전 온도 범위에 속하면, 제어 유닛은 발전 유닛을 가동하고, 이 때 생성되는 에너지를 이용하여 고정팩 또는 분리팩의 충전을 시작할 수 있다. 또는 제어 유닛은 발전 유닛을 가동한 후, 발전 유닛이 생성하는 에너지를 직접 전기 기기에 제공할 수도 있다. 단 상술과 같이 발전 유닛의 최대 용량은 고정팩의 최대 용량의 12.5%에 불과하다. 따라서 사용자가 전기 기기를 정상 등급에서 구동하기를 원하면, 제어 유닛은 발전 유닛을 최대 용량으로 가동하더라도 고정팩을 87.5%만큼 방전시켜야 한다.
바람직한 경우, 제어 유닛은 분리팩의 발전을 시작할 수도 있다. 상술과 같이 분리팩의 최대 용량은 고정팩의 최대 용량의 25% 정도에 불과하다. 따라서 전기 기기의 정상 등급 구동을 위하여, 제어 유닛은 분리팩을 최대 용량으로 가동하는 동시에 고정팩을 75%만큼 방전해야 한다.
본 네 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켤 때, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하지 않는 저온 또는 고온일 경우이다. 제어 유닛은 분리팩 및 고정팩을 방전하지 않은 채, 배터리 유닛을 가열하거나 냉각할 수 있다. 그 후 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속한 후, 제어 유닛은 분리팩과 고정팩의 방전을 시작할 수 있다.
제어 유닛은 고온 또는 저온에서 분리팩만 방전시킬 수 있으며, 사용자는 전기 기기를 구동할 수 있다. 단 분리팩 용량은 고정팩 용량의 1/4이므로, 사용자는 구동용 에너지의 1/4에 해당하는 에너지로 전기 기기를 구동할 수 있다. 하지만 고온 또는 저온에서 고정팩은 방전하지 않으므로, 고온 또는 저온 방전에 의한 손상은 분리팩에만 국한될 수 있다.
또는 제어 유닛은 분리팩과 고정팩을 동시에 방전시킬 수 있고, 이에 따라 사용자는 전기 기기를 구동할 수 있다. 단 분리팩과 고정팩의 용량의 합은 37.5%이므로, 사용자는 전기 기기를 저급 또는 중급 등급에서 구동할 수 있다. 단 분리팩과 고정팩이 모두 고온 또는 저온 방전에 의한 비가역적 손상을 입을 수 있다.
상기 첫 번째 및 두 번째 예에서, 제어 유닛은 발전 유닛을 가동할 수 있고, 이에 따라 분리팩이나 고정팩은 발전 유닛이 가동하며 생성하는 에너지에 해당하는 만큼 방전량을 줄일 수 있다. 그 결과 배터리 유닛의 온도와는 관계 없이, 방전에 따르는 분리팩과 고정팩의 손상도 줄어들 수 있다.
본 상세예의 발전 유닛의 발전 용량은 고정팩 및 분리팩의 용량보다 작다. 따라서 이러한 발전 유닛을 구동하기 위해서는 적은 용량의 엔진을 포함하는 엔진 유닛이면 충분하다. 따라서 상기 엔진을 포함하는 그리드는 엔진 유닛 구동 시 배출되는 배기 가스의 양이 줄어든다는 장점은 물론, 엔진 유닛이 발생하는 소음 역시 적다는 장점이 있다.
하지만 상기 엔진 유닛과 발전 유닛의 용량은, 전기 기기 구동 시 방전하는 배터리 유닛의 방전 용량보다 적을 수 있다. 특히 상기 기기가 고정팩의 방전만으로 구동용 에너지의 12.5%에 해당하는 에너지만 이용하여 구동할 경우, 상기 방전 속도는 발전 유닛의 발전 속도를 초과하게 된다.
따라서 특정 등급으로 전기 기기를 구동할 경우, 제어 유닛이 발전 유닛이 발전하는 전기 에너지 전부를 배터리 유닛에 공급하고 배터리 유닛의 충전에 사용하더라도, 배터리 유닛의 충전률은 계속 감소할 수밖에 없다. 따라서 전기 기기가 일정 기간 구동하면, 배터리 유닛의 방전량은 최대 방전 용량에 도달하게 된다. 따라서 사용자는 전기 기기를 정지시킨 후 배터리 유닛을 충전해야만 한다는 단점이 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예의 두 번째 상세예는 단일의 분리팩 및 단일의 고정팩을 포함한 팩 형태 배터리 유닛의 방전 및 상기 방전과 동시 또는 순차적으로 발전하는 또 다른 발전 유닛의 제어와 이에 근거한 전기 기기의 구동의 제어에 관한 것이다. 일예로 [도29]는 [도28]과 동일한 배터리 유닛을 포함하지만, 발전 유닛은 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 37.5%(즉 3/8)에 해당하는 에너지를 생성할 수 있는 최대 발전 용량을 가진 경우이다.
본 네 번째 실시예의 두 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켤 때, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작하고, 배터리 유닛의 온도가 적정 충전 온도 범위에 속하면 발전 유닛을 가동하여 고정팩 또는 분리팩의 충전을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 발전 유닛을 가동한 후, 발전 유닛이 생성하는 에너지를 직접 전기 기기에 제공할 수도 있다. 단 발전 유닛의 최대 용량은 고정팩의 최대 용량의 37.5%이므로, 사용자가 전기 기기를 정상 등급에서 구동하기를 원하면, 제어 유닛은 발전 유닛을 최대 용량으로 가동하더라도 고정팩을 72.5%만큼 방전시켜야 한다.
본 네 번째 실시예의 두 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켤 때, 배터리 유닛의 온도가 상기 저온이나 고온일 경우이다. 제어 유닛은 분리팩 및 고정팩을 방전하지 않은 채, 배터리 유닛을 가열하거나 냉각하며, 배터리 유닛이 충분히 가열되거나 냉각되면 분리팩 또는 고정팩을 방전할 수 있다.
제어 유닛은 고온이나 저온에서 분리팩만 방전시키거나, 또는 분리팩과 고정팩을 동시에 방전시킬 수 있다. 따라서 사용자는 전기 기기를 구동할 수 있다. 단 [도29]의 발전 유닛과 분리팩의 용량의 합이 고정팩의 용량의 50%에 해당하므로, 사용자는 저급 또는 중급 등급에서 상기 기기를 구동할 수 있다. 하지만 분리팩과 고정팩이 모두 고온 또는 저온 방전에 의한 비가역적 손상을 입을 수 있다.
[도29]의 발전 유닛은 [도28]의 발전 유닛보다 세 배의 용량을 가진다. 따라서 [도29]의 발전 유닛은 빨리 배터리 유닛을 충전할 수 있으며, 더 많은 파워를 직접 전기 기기에 공급할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 용량이 커진 만큼 그 비용도 증가하므로, 그리드의 가격을 증가시킬 수 있고, 배출되는 가스의 양 및 소음도 증가시킬 수 있다.
특히 사용자가 구동용 에너지의 50%에 해당하는 에너지를 쓰며 전기 기기를 구동하면, 배터리 유닛의 방전 속도는 발전 유닛의 최대 발전 용량을 초과하게 된다. 따라서 전기 기기 구동 중 제어 유닛이 발전 유닛이 발전하는 전기 에너지를 모두 배터리 유닛의 충전에 사용하더라도, 배터리 유닛의 충전률은 계속 감소할 수 있다. 따라서 배터리 유닛이 일정 방전 용량만큼 방전하게 되면, 사용자는 전기 기기를 정지시킨 후 배터리 유닛을 충전해야만 한다는 단점이 있다.
바꾸어 말하면, 엔진 유닛의 기계적 에너지 생성 용량이 작으면 작을수록 공해 물질 배출이 줄고, 소음도 감소하며, 연료 비용도 절감된다. 하지만 발전 유닛의 용량도 함께 감소하며, 이에 따라 배터리 유닛의 충전 용량도 감소하며, 그 결과 사용자는 자주 전기 기기의 구동을 정지하고 충전을 하게 된다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 네 번째 실시예의 세 번째 상세예는 [도28] 및 [도29]의 배터리 유닛과 유사한 팩 형태 배터리 유닛과 상기 유닛의 고정팩보다 용량이 큰 발전 유닛의 제어 및 이에 근거한 전기 기기의 구동 제어 등에 관한 것이다. 일예로 [도30]의 마이크로 그리드 [도28] 및 [도29]의 그리드 동일한 배터리 유닛을 포함하지만, 발전 유닛은 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지의 112.5%(즉 9/8)에 해당하는 에너지를 생성할 수 있는 최대 발전 용량을 가진 경우이다.
본 네 번째 실시예의 세 번째 상세예의 첫 번째 예는 사용자가 정지 상태인 전기 기기의 스위치를 켤 때 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위 이내에 속하는 경우이다. 제어 유닛은 고정팩의 방전을 시작하고, 상기 유닛의 온도가 적정 충전 온도 범위에 속하면, 발전 유닛을 가동하여 고정팩 또는 분리팩의 충전을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 발전 유닛을 가동한 후, 발전 유닛이 생성하는 에너지를 직접 전기 기기에 제공할 수도 있다. 단 발전 유닛의 최대 용량은 고정팩의 최대 용량의 112.5%에 해당한다. 따라서 사용자가 전기 기기를 정상 등급에서 구동하기를 원하면, 제어 유닛은 발전 유닛을 최대 용량의 8/9로 가동하며 고정팩을 방전시키지 않거나, 고정팩을 일정 %로 방전시키며, 부족한 부분은 발전 유닛이 제공하도록 할 수 있다.
본 네 번째 실시예의 세 번째 상세예의 두 번째 예는 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켤 때, 배터리 유닛의 온도가 저온이나 고온인 경우이다. 제어 유닛은 분리팩과 고정팩을 방전하지 않은 채, 배터리 유닛을 가열 또는 냉각할 수 있다. 그 후 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속하면, 제어 유닛은 분리팩과 고정팩의 방전을 시작할 수 있다. 또는 제어 유닛은 고온 또는 저온에서 분리팩만 방전시키거나, 분리팩과 고정팩을 동시에 방전시키며, 전기 기기를 구동할 수 있다. 또한 [도30]의 발전 유닛의 용량은 분리팩 또는 고정팩 각각의 용량보다 크므로, 제어 유닛은 발전 유닛만 가동하며 상기 기기를 저급, 중급 또는 정상 등급에서 구동할 수 있다.
상술과 같이 [도30]의 발전 유닛은 고정팩보다 큰 용량을 가진다. 따라서 발전 유닛은 전기 기기 구동 중 배터리 유닛을 충전할 수 있다. 발전 유닛이 배터리 유닛의 방전 속도보다 빨리 배터리 유닛을 충전할 수 있으면, 제어 유닛은 발전 유닛을 적절히 가동하여 배터리 유닛의 충전률을 항상 적정 수준으로 유지할 수도 있다. 또한 배터리 유닛의 충전률이 상기 수준에 도달하면, 다음 충전 개시 시점까지 엔진 유닛의 가동을 중지할 수도 있다. 하지만 발전 유닛의 용량 및 이를 위한 엔진 유닛의 용량이 커지는 만큼 상기 그리드의 비용도 증가할 수밖에 없다. 또한 용량이 큰 엔진 유닛으로부터 배출되는 가스의 양도 증가하고 및 소음 역시 증가시킬 수 있다.
이와 같이 엔진 유닛과 발전 유닛의 절대적 용량은 상술의 장단점을 고려하여 결정할 수 있다. 하지만 엔진 유닛과 발전 유닛의 상대적 용량은 마이크로 그리드에 연결된 전기 기기의 구동용 에너지, 배터리 유닛의 용량이나 특성 등을 고려하여 설정할 수도 있다.
본 명세서의 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예는 전기 기기를 구동함에 따라 방전되는 고정팩, 분리팩 등의 충전을 위하여 제어 유닛이 발전 유닛을 구동하고 제어하기 위한 구조 및 방법에 대한 것이다. 설명의 편의를 위하여 본 실시예는 전기 기기가 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩의 방전으로 일정 등급에서 구동하는 경우, 발전 유닛을 이용하여 상기 배터리 유닛, 고정팩 또는 분리팩을 충전하는 경우에 대한 것이다.
[도31]은 배터리 유닛이 하나 이상의 전기 기기를 구동하는 중, 다양한 용량의 발전 유닛을 이용한 배터리 유닛의 충전 및 이의 제어에 대한 예시이다. [도31]의 x축은 전기 기기의 구동 시간(또는 배터리 유닛의 방전 시간)을 나타내고, y축은 배터리 유닛, 배터리 유닛의 고정 배터리 또는 고정팩(이후 본 실시예에서는 "배터리 유닛"으로 통칭)의 충전률을 나타낸다. 이에 따라 [도31]의 직선 (A) 내지 직선 (G)는 전기 기기가 구동하는 중 배터리 유닛의 충전률의 변화를 나타낸다.
본 실시예에서 배터리 유닛의 배터리의 적정 충전률 범위는 [도31]에서와 같이 40% 내지 60%라고 가정한다. 또한 전기 기기는 특정 등급에서 일정 속도로 에너지나 파워를 소모하며 구동하고 있고, 상기 속도로 구동하기 위하여 필요한 구동용 에너지는 배터리 유닛의 충전률을 시간 당 5%씩 감소시키는 에너지라고 가정하였다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 배터리 유닛이 방전하는 중 발전 유닛이 배터리 유닛을 충전하지 않는 경우로서, 직선 (A)가 이 경우에 해당한다. 발전 유닛에 의한 충전 없이 배터리 유닛이 시간 당 충전률 5%를 소진하는 속도로 방전되면, 2시간 후 배터리 유닛의 충전률은 최저 충전률인 40%에 도달한다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 두 번째 상세예는 배터리 유닛이 방전하는 중 발전 유닛이 배터리 유닛을 시간 당 충전률 2%의 속도로 충전하는 경우로서, 직선 (B)가 이 경우에 해당한다. 상기 배터리 유닛은 시간 당 충전률 3%(즉 5% - 2%)를 소진하는 속도로 방전되며, 따라서 3.3시간이 경과하면 배터리 유닛의 충전률은 최저 충전률인 40%에 도달한다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 세 번째 상세예는 배터리 유닛이 방전하는 중 발전 유닛이 배터리 유닛을 시간 당 충전률 4%의 속도로 충전하는 경우로서, 직선 (C)가 이 경우에 해당한다. 이에 따라 배터리 유닛은 시간 당 충전률 1%(즉 5% - 4%)를 소진하는 속도로 방전되며, 10시간 후 배터리 유닛의 충전률은 최저 충전률인 40%에 도달한다.
상기 첫 번째 내지 세 번째 상세예의 배터리 유닛은, 기간의 차이는 있지만, 전기 기기의 구동 중 충전률이 최저 충전률에 도달하며, 이에 따라 제어 유닛은 상기 기기의 구동을 멈추어야 한다. 그 후 제어 유닛은 발전 유닛으로 배터리 유닛을 충전하고, 그 후 배터리 유닛의 충전률이 일정 수준에 도달하면 다시 전기 기기의 구동을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛이 배터리 유닛의 고정팩만을 방전하는 경우, 제어 유닛은 분리팩도 방전을 시작함으로써 전기 기기 구동 기간을 연장할 수 있다. 하지만 상술과 같이 분리팩의 용량은 고정팩보다 작기 때문에, 분리팩의 방전을 통한 구동 기간 연장은 미미할 수 있다.
물론 배터리 유닛이 최저 충전률에 도달하기 전 사용자는 전기 기기의 구동을 멈출 수도 있다. 이 경우 사용자가 전기 기기의 시동 스위치를 끈 후에도, 제어 유닛은 발전 유닛을 구동하며 배터리 유닛의 충전을 계속할 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 네 번째 상세예는 배터리 유닛이 방전하는 중 발전 유닛이 배터리 유닛을 시간 당 충전률 5%의 속도로 충전하는 경우로서, 직선 (D)가 이 경우에 해당한다. 배터리 유닛은 전기 기기 구동 중 상기 기기의 구동을 위하여 방전하는 양만큼 충전된다. 따라서 전기 에너지의 손실이 없거나 미미한 경우, 사용자는 지속적으로 전기 기기를 구동할 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 다섯 번째 상세예는 배터리 유닛이 방전하는 중 발전 유닛이 상기 배터리 유닛을 시간 당 충전률 6%의 속도로 충전하는 경우로서, 직선 (E)가 이 경우에 해당한다. 이에 따라 배터리 유닛은 전기 기기의 구동에 필요한 방전량을 방전하는 중 시간당 1%(즉 6% - 5%)의 속도로 충전될 수 있다. 이에 따라 배터리 유닛은 상기 기기를 구동하는 동안 오히려 충전률이 증가한다. 일예로 전기 기기 구동 후 10시간 경과 후 배터리 유닛은 최고 충전률까지 충전될 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 여섯 번째 상세예는 배터리 유닛이 방전하는 중 발전 유닛이 상기 배터리 유닛을 시간 당 충전률 7%의 속도로 충전하는 경우로서, 직선 (F)가 이 경우이다. 발전 유닛은 상기 기기의 구동에 필요한 방전량을 제공하는 외에도 고정팩을 시간당 2%(즉 7% - 5%)의 속도로 충전할 수 있다. 배터리 유닛은 상기 기기를 구동하는 동안 오히려 충전률이 증가하며, 구동 후 5시간이 경과하면 최고 충전률까지 충전될 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 다섯 번째 실시예의 일곱 번째 상세예는 배터리 유닛이 방전하는 중 발전 유닛이 상기 배터리 유닛을 시간 당 충전률 15% 속도로 충전하는 경우로서, 직선 (G)가 이 경우이다. 발전 유닛은 전기 기기의 구동에 필요한 방전량을 제공하는 외에도 고정팩을 시간당 10%(즉 15% - 5%)의 속도로 충전할 수 있다. 배터리 유닛은 전기 기기를 구동하는 동안 오히려 충전률이 증가하며, 구동 후 1시간이 경과하면 최고 충전률까지 충전될 수 있다.
상술의 다섯 번째 내지 일곱 번째 상세예의 배터리 유닛은, 기간의 차이는 있으나, 전기 기기 구동 중 발전 유닛에 의해 최고 충전률까지 충전될 수 있다. 이 때 제어 유닛은 발전 유닛과 엔진 유닛의 구동을 멈추고, 배터리 유닛의 충전을 중단할 수 있다. 그 후 전기 기기의 구동에 따라 배터리 유닛의 충전률이 특정 수준 이하로 감소하면, 제어 유닛은 엔진 유닛과 발전 유닛의 구동을 시작하고, 배터리 유닛의 충전을 다시 시작할 수 있다. 이 때 충전 개시 시점은 앞서 설명한 바 있으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
전기 기기 구동 중 발전 유닛에 의하여 배터리 유닛이 최고 충전률까지 충전되면, 제어 유닛은 발전 유닛 및 엔진 유닛의 구동을 멈추는 대신, 발전 유닛이 발전하는 전기 에너지를 직접 전기 기기에 제공할 수 있다. 그 결과 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 줄이거나 중단할 수 있고, 따라서 배터리 유닛의 손상을 최소화함과 동시에, 배터리 유닛의 교체 시점을 연장할 수 있다.
상술과 같이 본 예시적 측면의 다섯 번째 실시예에서는 배터리 유닛에 포함된 배터리의 방전 속도는 방전 시간에 정비례하여 감소한다고 가정하였다. 따라서 배터리 유닛의 충전률은 전기 기기의 구동 시간에 비례하여 감소한다고 가정하였다. 하지만 배터리 유닛의 방전 속도가 정비례하지 않을 수 있고, 이 경우 [도31]의 (A) 내지 (G)는 직선이 아니라 곡선일 수 있다. 하지만 이 경우에도 본 실시예의 다양한 상세예를 적용하여 배터리 유닛 또는 상기 유닛의 고정팩 또는 분리팩의 충전을 제어할 수 있다.
상술과 같이 배터리 유닛은 일반적으로 분리 배터리들보다 더 많은 수효의 고정 배터리들을 포함한다. 또한 배터리 유닛의 고정팩은 일반적으로 분리팩에 비하여 더 많은 수효의 배터리를 포함한다. 따라서 다른 조건이 동일한 경우, 발전 유닛이 분리팩을 충전하는 데 소요되는 시간은 고정팩을 충전하는 데 소요되는 시간보다 짧다.
또한 상술과 같이 제어 유닛은 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도보다 낮은 저온, 또는 높은 고온에서 분리팩을 주로 방전시킨다. 따라서 분리팩의 방전 기간은 일반적으로 고정팩의 방전 기간보다 짧은 경우가 많다. 이에 따라 상술의 배터리 유닛의 충전 구조 및 방법은 용이하게 고정팩이나 분리팩의 충전에 적용될 수 있다.
본 명세서의 일곱 번째 예시적 측면의 여섯 번째 실시예는 전기 기기를 구동함에 따라 방전되는 고정팩, 분리팩 또는 배터리 유닛(본 실시예에서는 배터리 유닛으로 통칭)을 충전하기 위하여 제어 유닛이 발전 유닛을 구동하고 제어하기 위한 구조와 방법에 대한 것이다. 본 예시적 측면의 상술의 다섯 번째 실시예는 전기 기기가 일정 속도로 일정 등급에서 구동하는 경우인 반면, 본 실시예는 상기 기기가 일정하지 않은 속도로 구동할 때, 발전 유닛을 이용한 배터리 유닛의 충전에 대한 것이다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 여섯 번째 실시예의 첫 번째 상세예는, 전기 기기의 구동 등급이 변화하더라도 제어 유닛은 발전 유닛을 일정 속도로 구동하고, 배터리 유닛을 일정 속도로 충전하는 경우이다. 따라서 전기 기기의 구동에 따른 배터리 유닛의 방전 속도가 상기 유닛의 충전 속도보다 크면(또는 작으면), 상기 기기가 구동함에 따라 배터리 유닛의 충전률은 감소(또는 증가)할 수 있다. 그 후 고정팩의 충전률이 최저 충전률에 도달하는 경우, 제어 유닛은 전기 기기의 구동을 멈추고, 배터리 유닛의 충전률이 최고 충전률에 도달하면, 제어 유닛은 배터리 유닛의 충전을 중단할 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 여섯 번째 실시예의 두 번째 상세예는, 전기 기기의 구동 등급이 변화함에 따라 제어 유닛은 이에 비례하여 발전 유닛의 구동 속도를 변화시키고, 그 결과 배터리 유닛의 충전 속도 역시 이에 비례하여 변하는 경우이다. 일예로 제어 유닛은 상기 전기 기기의 구동 등급의 변화에 정비례하여 발전 유닛의 발전량을 변화시키고, 그 결과 배터리 유닛의 충전 속도도 변화시킬 수 있다. 또는 제어 유닛은 전기 기기의 구동 등급의 변화에 따라 발전 유닛의 발전량, 배터리 유닛의 충전 속도를 정비례는 아니지만 가중치를 두어 변화시킬 수 있다.
일예로 상술의 "비례"의 상수(즉 전기 기기의 구동 등급 변화에 따른 시간 당 구동용 에너지 변화량을 발전 유닛이 충전을 위하여 배터리 유닛에 시간 당 제공할 수 있는 전기 에너지의 양의 비율)가 1.0보다 큰 경우, 전기 기기의 구동에 따라 감소하는 배터리 유닛의 충전률이 발전 유닛에 의한 충전에 따라 증가하는 배터리 유닛의 충전률을 상회한다. 따라서 전기 기기가 구동할수록 배터리 유닛의 충전률은 떨어진다.
반대로 상기 비례 상수가 1.0보다 작으면, 발전 유닛에 의한 충전에 따라 증가하는 배터리 유닛의 충전률이 전기 기기의 구동에 따라 감소하는 배터리 유닛의 충전률을 상회하게 된다. 따라서 전기 기기가 구동하면 할수록 배터리 유닛의 충전률은 증가한다. 또한 상기 비례 상수가 1.0이면, 배터리 유닛은 현재의 충전률을 유지할 수 있다.
또는 제어 유닛은 상기 비례 상수 외에도 가중치를 조작하여, 전기 기기의 구동 중 배터리 유닛의 충전률을 제어할 수 있다. 일예로 제어 유닛이 1.0보다 큰 가중치를 사용하면, 상기 비례 상수는 가중치를 곱한 만큼 증가하게 되며, 따라서 전기 기기의 구동 등급의 변화에 의한 배터리 유닛의 충전률은 더 급격히 감소할 수 있다. 이와는 반대로 제어 유닛이 1.0보다 작은 가중치를 사용하면, 상기 비례 상수는 가중치를 곱한 만큼 감소하고, 따라서 전기 기기 구동 등급의 변화에 의한 배터리 유닛의 충전률은 더 급격히 증가할 수 있다.
이 경우 제어 유닛은 상기 비례 상수 및 가중치를 고려하여 발전 유닛의 발전 용량을 제어한다. 물론 이를 위해서 제어 유닛은 엔진 유닛의 회전수 또는 엔진 유닛이 제공하는 에너지 또는 파워를 제어할 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 여섯 번째 실시예의 세 번째 상세예는, 전기 기기의 구동 등급이 변하는 경우, 변화에 상응하는 구동용 에너지를 계산 또는 추정한 후, 제어 유닛은 구동용 에너지에 따라 또는 구동용 에너지의 변화에 따라 발전 유닛의 구동 속도 및 고정팩의 충전 속도를 제어하는 경우이다.
본 상세예는 상술의 두 번째 상세예와 유사하다. 특히 전기 기기가 구동할 때 전기 부하가 일정하면, 전기 기기의 구동 등급과 이를 위한 구동용 에너지는 (거의) 정비례할 수 있다. 따라서 본 상세예는 상기 두 번째 상세예는 동일 또는 유사하다. 하지만 상기 기기 구동 중 전기 부하가 변하면, 전기 기기의 구동 등급과 구동용 에너지는 반드시 정비례하지 않을 수 있다. 이러한 관점에서 보면 본 상세예는 상기 두 번째 상세예보다 더 정확히 배터리 유닛을 제어하는 구조라고 간주할 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 여섯 번째 실시예의 네 번째 상세예는, 전기 기기의 구동 등급이 변하고 이에 따라 구동용 에너지가 변해도, 제어 유닛은 발전 유닛을 이용하여 배터리 유닛의 충전률이 특정 충전률을 유지하도록 또는 적정 충전률 범위 이내에 속하도록 제어하는 경우이다. 이 때 적정 충전률 범위는 최저 충전률과 최저 충전률 사이라고 정의할 수 있다.
일예로 제어 유닛은 전기 기기 구동에 따른 배터리 유닛의 충전률 감소를 측정하며, 발전 유닛을 가동하여 배터리 유닛의 감소된 충전률을 보충할 수 있다. 따라서 전기 기기 구동 중 제어 유닛은 배터리 유닛의 충전률을 일정하게 유지하거나, 적정 충전률 범위 이내에서 유지할 수 있다. 물론 상기 발전 유닛의 구동을 위해서는 이에 상응하는 만큼 엔진 유닛을 구동해야 한다.
따라서 전기 기기의 구동 시작 시점의 배터리 유닛의 충전률이 적정 충전률 범위보다 낮은 경우, 제어 유닛은 상기 기기의 구동 시작 후 구동에 따른 배터리 유닛의 충전률의 감소를 상쇄함은 물론 배터리 유닛의 충전률을 적정 충전률 범위에 속하도록 충전할 수 있도록 발전 유닛을 구동할 수 있다.
반대로 전기 기기의 구동 시작 시점의 배터리 유닛의 충전률이 적정 충전률 범위보다 높은 경우, 제어 유닛은 상기 기기의 구동 시작 후 구동에 따른 배터리 유닛의 충전률이 적정 충전률 범위로 감소할 동안 발전 유닛을 구동하지 않을 수 있다. 그 후 배터리 유닛의 충전률이 적정 충전률 범위에 속하도록 감소하면, 제어 유닛은 발전 유닛을 구동하고, 상기 구동에 따른 배터리 유닛의 충전률 감소를 상쇄하도록 발전 유닛을 구동할 수 있다.
본 일곱 번째 예시적 측면의 여섯 번째 실시예의 네 번째 상세예는, 제어 유닛이 상술의 다양한 상세예와는 다른 방법으로 발전 유닛을 구동함으로써 배터리 유닛의 충전률을 제어하는 경우이다. 일예로 제어 유닛은 전기 기기의 구동 등급이나 구동용 에너지 이외에도, 전기 부하의 변화, 엔진 유닛의 연료 소모량 등을 이용하여 발전 유닛의 발전 용량을 제어할 수 있다.
또한 제어 유닛은 기존 제어 방법을 이용하여 전기 기기 구동에 따른 배터리 유닛의 충전률 감소를 상쇄할 수 있다. 일예로 제어 유닛은 기존의 P(proportional) 제어, PI(proportional-integral) 제어, PD(proportional-derivative) 제어, 또는 PID(proportional-integral-derivative) 제어를 사용할 수 있다. 또는 제어 유닛은 퍼지 로직을 이용할 수도 있다.
상기 일곱 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 배터리 유닛, 제어 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 등은 상술과는 상이한 구조로 변형 또는 개량되거나, 상술과는 상이한 방법으로 구동되거나 제어될 수 있다.
일예로 상기 일곱 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 첫 번째 실시예는 배터리 유닛의 방전 제어, 충전 제어 등에 대한 것이고, 두 번째 실시예는 복사 현상을 이용하는 가열 유닛의 사용에 대한 것이며, 세 번째 실시예는 하나 이상의 3차전지를 포함하는 배터리 유닛에 대한 것이다. 이에 대한 설명은 상술의 첫 번째 내지 여섯 번째 예시적 측면의 설명과 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 일곱 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 네 번째 실시예는 본 예시적 측면의 분리팩 또는 고정팩에 포함된 배터리의 종류, 수효 등의 변형에 대한 것이다. 즉 본 예시적 측면은 물론 본 명세서의 분리팩 또는 고정팩은 각각 상술과는 다른 종류나 수효의 배터리를 포함할 수 있다.
일예로 분리팩이 고정팩보다 더 적은 수효의 배터리의 포함하도록 하면, 자주 교체하는 분리팩의 비용을 감소시킬 수 있다. 하지만 분리팩에 포함된 배터리의 수효가 적으면 적을수록, 분리팩이 저온 또는 고온에서 방전하며 전기 기기에 제공할 수 있는 에너지나 파워는 감소하고, 이에 따라 전기 기기 역시 저급 등급에서 구동할 수밖에 없다.
또 다른 예로, 저온에서 주로 방전(또는 충전)하게 되는 분리팩에는 상대적으로 최저 방전(또는 충전) 온도가 낮은 종류의 배터리를 사용하거나, 고온에서 주로 방전(또는 충전)하게 되는 분리팩에는 상대적으로 최고 방전(또는 충전) 온도가 높은 종류의 배터리를 사용할 수 있다. 이에 따라 저온 또는 고온 방전(또는 충전)에 의한 비가역적 손상을 최소화하고, 그 결과 분리팩의 교체 주기를 연장하고 교체에 의한 비용을 최소화할 수도 있다.
본 예시적 측면의 다양한 실시예에서는 설명의 편의를 위해 하나 이상의 분리팩과 하나 이상의 고정팩을 포함하는 배터리 유닛을 이용한 파워 제공 구조나 방법 등에 대하여 설명하였다. 이에 반하여 상기 일곱 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 다섯 번째 실시예는 본 예시적 측면의 다양한 구조 및 제어 방법을 상이한 형태의 배터리 유닛 또는 상기 유닛을 포함하는 마이크로 그리드에도 적용하는 것이다.
일예로 본 예시적 측면의 다양한 구조 또는 제어 방법은 하나 이상의 분리 배터리 세트와 하나 이상의 고정 배터리 세트를 포함하는 배터리 유닛을 이용한 파워 공급 구조이나 방법에도 적용될 수 있다. 단 상술과 같이 분리 배터리 세트 또는 고정 배터리 세트는 각각 분리팩 또는 고정팩과 유사하다.
따라서 팩 형태 배터리 유닛과 일부 분리 배터리 유닛의 주요 차이점은 사용자가 분리팩이나 분리 배터리를 얼마나 상대적으로 용이하게 배터리 유닛에서 분리할 수 있느냐는 점이다. 이 점을 제외한다면 분리팩과 고정팩을 이용한 방전 및 이에 따르는 전기 기기의 구동 등급은 분리 배터리 세트와 고정 배터리 세트를 이용한 방전 및 전기 기기 구동과 유사 또는 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 일곱 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 여섯 번째 실시예는 본 예시적 측면의 다양한 구조 및 제어 방법을 직렬, 병렬 또는 혼합 형태로 연결된 세 개 이상의 분리팩들(또는 분리 배터리 세트들)을 포함하는 배터리 유닛에 적용하거나, 또는 두 개 이상의 고정팩들(또는 고정 배터리 세트들)을 포함하는 배터리 유닛에 적용하는 것이다.
일반적으로 배터리 유닛에 더 많은 분리팩을 포함시킬수록 제어 유닛은 배터리 유닛에 더 다양한 방법으로 제어를 할 수 있다. 또한 제어 유닛은 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 밖의 저온이나 고온에서의 방전(또는 충전)에 의한 다수의 분리팩들 각각의 비가역적 손상도 미세하게 제어할 수 있다.
따라서 제어 유닛은 손상 정도에 따른 분리팩들의 교체 기간을 최적화할 수 있고, 사용자 역시 분리팩 교체 비용을 줄일 수 있다. 하지만 배터리 유닛이 다수의 분리팩들을 포함하므로, 상기 유닛 전체에 포함된 배터리의 수효 역시 증가할 수 있고, 이에 따라 배터리 유닛의 최초 구입 비용이 높아질 수도 있다.
제어 유닛은 [도24] 내지 [도27]의 설명과 유사한 방법으로 각각의 분리팩들의 방전에 대한 제어할 수 있다. 일예로 배터리 유닛이 4개의 분리팩을 포함하면, 제어 유닛은 이들을 독립적으로 제어하거나, 2개나 그 이상의 분리팩들을 직렬, 병렬, 또는 이의 혼합 형태로 연결하여 제어할 수 있다. 따라서 본 실시예에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 일곱 번째 예시적 측면의 변형이나 개량의 일곱 번째 실시예는 하나 이상의 분리팩(또는 분리 배터리 세트)를 포함하거나 또는 하나 이상의 고정팩(또는 고정 배터리 세트)을 포함하는 배터리 유닛의 충전을 위한 다양한 구조 및 이의 제어에 대한 것이다.
단 상술과 같이 적정 충전 온도 범위와 적정 방전 온도 범위가 상이할 수 있다는 점을 제외하면, 배터리 충전 시나 방전 시의 작동 특성은 일반적으로 유사하다. 따라서 상술의 다양한 방전 특성, 이에 근거한 방전 시의 제어 구조 및 방법은 동일한 배터리의 충전 시의 구조, 방법과 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상술의 일곱 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드와 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징 또는 기타 구동 방법, 제어 방법 등은 상술의 첫 번째 내지 여섯 번째 예시적 측면의 상기 특징이나 방법과 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 서로 상충되지 않는 한, 상술의 일곱 번째 예시적 측면의 다양한 구조나 방법은 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
8. 배터리 유닛의 방전 용량과 발전 유닛의 발전 용량 및 제어 방법
상술과 같이 본 명세서의 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 통하여 마이크로 그리드의 구동에 필요한 에너지 또는 파워를 전기 기기에 공급한다. 또는 바람직한 경우 제어 유닛은 발전 유닛의 발전을 통하여 전기 기기의 구동에 필요한 에너지나 파워를 직접 전기 기기에 공급할 수 있다. 이 같이 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전, 발전 유닛의 발전을 제어함은 물론 상기 발전에 의한 에너지를 이용한 배터리 유닛의 충전도 제어할 수 있다. 또한 제어 유닛은 발전 유닛의 발전에 필요한 기계적 에너지를 공급하는 엔진 유닛을 제어할 수도 있다.
이론적으로는 배터리 유닛의 방전 용량이 크면 클수록 전기 기기가 정상 등급에서 구동할 수 있으며, 엔진 유닛의 용량이 크면 클수록 더 많은 기계적 에너지를 발전 유닛에 공급할 수 있고, 이에 따라 발전 유닛도 더 많은 전기 에너지를 생성하여 직접 전기 기기에 공급하거나, 배터리 유닛을 더욱 신속하게 충전할 수 있다. 하지만 이와 같은 구조는 고가의 배터리 유닛 및 고가의 엔진 유닛이나 발전 유닛을 필요로 하며, 이에 따라 마이크로 그리드의 구축 비용도 상승하게 된다.
본 명세서의 여덟 번째 예시적 측면은 다양한 마이크로 그리드의 구동에 최적화된 배터리 유닛, 발전 유닛 및 엔진 유닛의 용량 결정 및 상기 유닛의 제어 등에 관한 상세한 구조 및 방법에 대한 것이다.
본 여덟 번째 예시적 측면의 첫 번째 실시예는 제어 유닛이 발전 유닛이 생성한 전기 에너지를 전기 기기에 직접 제공하지 않는 경우이다. 일예로 전기 기기 구동 시 제어 유닛은 발전 유닛이 생성한 전기 에너지를 전기 기기에 직접 제공하지 않고, 상기 에너지를 배터리 유닛의 충전 및 기타 용도(일예로 가열 유닛이나 냉각 유닛의 구동, 마이크로 그리드의 상이한 전기 기기 구동 등)에 사용한다. 따라서 전기 기기는 배터리 유닛이 방전하는 에너지에 전적으로 의존하여 구동하게 된다.
상기 구성을 가진 마이크로 그리드는 배터리 유닛에 전기 기기의 구동을 의존하며, 이에 따라 상당한 방전 용량을 가진 배터리 유닛을 필요로 할 수 있다. 일예로 배터리 유닛이 최대 속도로 방전할 때, 상기 유닛은 마이크로 그리드에 연결된 모든 전기 기기 또는 특정 수효의 전기 기기가 각각의 정상 등급에서 구동할 수 있는 구동용 에너지를 공급하도록 제작함이 유리하다. 하지만 고가의 배터리를 사용함에 따라, 마이크로 그리드의 구축 비용이 상승할 수 있다. 또한 배터리 유닛이 분리 배터리(또는 분리팩)과 고정 배터리(또는 고정팩)을 포함하면, 상술의 일곱 번째 예시적 측면의 다양한 실시예에 따라 상기 유닛을 구성할 수 있다.
반면 상기 그리드의 엔진 유닛 및 발전 유닛은 반드시 큰 용량을 가질 필요는 없다. 따라서 엔진 유닛이 배출하는 배기 가스의 양과 소음도 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 또한 적은 용량의 엔진 유닛, 발전 유닛 등을 사용함에 따라 상기 그리드의 구축 비용도 최소화할 수 있다.
하지만 엔진 용량이 너무 작은 경우, 발전 유닛의 발전 용량 또한 감소하며, 그 결과 배터리 유닛의 충전에 상당한 시간이 걸릴 수 있다. 이에 따라 정상 등급에서 전기 기기를 구동할 때 발전 유닛이 배터리 유닛의 방전 속도보다 느린 속도로 배터리 유닛을 충전할 수밖에 없고, 그 결과 사용자는 전기 기기의 구동을 정지시킨 후 배터리 유닛을 충전해야 할 수도 있다.
특히 제어 유닛은 전기 기기가 정상 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지를 충족할 수 있는 배터리 유닛의 방전 속도와 상기 유닛의 최대 충전 속도 또는 발전 유닛의 발전 용량 등을 고려하면, 사용자가 전기 기기 구동을 정지시키기 전 구동할 수 있는 구동 기간, 총 전기 부하 등을 추정할 수 있다. 이에 따라 제어 유닛은 다양한 시각 신호 청각 신호 등을 이용하여 사용자에게 상기 추정 구동 기간, 전기 부하의 총 합 등을 알릴 수 있다.
본 여덟 번째 예시적 측면의 두 번째 실시예는 제어 유닛이 발전 유닛이 생성한 전기 에너지를 가능한 한 더 많이 전기 기기에 제공하는 경우이다. 따라서 전기 기기 구동 시 제어 유닛은 발전 유닛이 생성한 전기 에너지를 직접 전기 기기에 제공하며, 상기 에너지의 여분이 있을 경우에만 여분의 에너지를 이용하여 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
일예로 사용자가 전기 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 엔진 유닛과 발전 유닛을 구동한다. 그 후 제어 유닛은 엔진 유닛과 발전 유닛을 구동하여 사용자가 원하는 구동 등급에 해당하는 만큼 구동용 에너지를 생성한 후, 이를 전기 기기에 제공할 수 있다. 또한 엔진 유닛과 발전 유닛이 구동용 에너지 이상의 초과 전기 에너지를 생성할 수 있는 경우, 제어 유닛은 상기 초과 에너지를 이용하여 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
상기 구성은 다양한 장점을 제공할 수 있다. 일예로 상기 구성을 가진 마이크로 그리드는 전기 기기를 구동하면서 배터리 유닛의 방전을 최소화할 수 있다. 즉 상기 구조는 배터리 유닛은 물론 상기 유닛의 분리 배터리(또는 분리팩)나 고정 배터리(또는 고정팩)의 반복되는 방전 및 충전에 따르는 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
또한 상기 구성의 제어 유닛은 외부 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 벗어난 저온 또는 고온에서 배터리 유닛을 방전(또는 충전)할 필요가 없다. 그 대신 제어 유닛은 가열 유닛이나 냉각 유닛을 가동하며, 배터리 유닛의 온도가 상기 범위에 속하도록 증가 또는 감소한 후, 필요할 경우에 배터리 유닛의 일부나 전부를 방전(또는 충전)할 수 있다. 이에 따라 상기 구성은 저온 또는 고온 방전(또는 충전)에 의한 배터리 유닛의 손상을 최소화할 수 있다.
하지만 상기 그리드는 전기 기기의 원활한 구동을 위하여 어느 정도 이상의 용량을 가진 엔진 유닛과 발전 유닛을 사용해야 한다. 따라서 상기 그리드의 구축 비용이 증가하고, 엔진 유닛이 배출하는 배기 가스 및 소음도 증가할 수 있다. 하지만 상기 그리드의 배터리 유닛은 상대적으로 작은 용량을 필요로 하기 때문에, 배터리 유닛의 가격은 감소할 수 있다.
반면 엔진 유닛과 발전 유닛이 상기 구동용 에너지에 해당하는 전기 에너지를 생성할 수 없으면, 사용자는 자신이 원하는 등급으로 전기 기기를 구동할 수 없다. 따라서 제어 유닛은 배터리 유닛의 일부나 전부를 방전하며 상기 부족분을 충당할 수 있다. 단 엔진 유닛이 어느 정도의 용량을 가지는 한, 상기 부족분은 크지 않을 수 있으며, 그 결과 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전 및 충전을 최소화할 수 있다.
본 여덟 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예는 상기 실시예들의 중간으로서, 배터리 유닛과 엔진 유닛 및 발전 유닛의 비용은 물론 이와 관련된 간접 비용을 고려하여 최적화된 배터리 유닛, 발전 유닛 및 엔진 유닛의 용량을 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 여덟 번째 예시적 측면의 세 번째 실시예의 첫 번째 상세예는, 배터리 유닛, 발전 유닛 및 엔진 유닛의 가격을 고려하여 각 유닛의 용량을 정하는 경우이다. 일예로 마이크로 그리드 제조사는 특정 전기 기기의 최대 전기 부하, 구동 등급 등을 결정하고, 상기 그리드에 장착할 배터리 유닛, 발전 유닛 및 엔진 유닛의 용량을 결정할 수 있다.
일예로 배터리 유닛의 용량을 단위 에너지 또는 단위 파워만큼 증가시키는 데 필요한 비용이 발전 유닛의 발전량을 단위 에너지나 단위 파워만큼 증가시키는 데 필요한 비용보다 월등히 높은 경우, 상기 그리드 제조사는 전기 기기 구동을 위하여 가능한 한 발전 유닛이 생성하는 전기 에너지를 사용하는 반면 배터리의 방전을 최소화하는 구조를 선택할 수 있다. 또는 상기 비용의 크기가 반대인 경우, 상기 그리드 제조사는 전기 기기의 구동을 위하여 가능한 한 배터리 유닛이 방전하는 전기 에너지를 사용하는 반면 발전 유닛이나 엔진 유닛은 배터리 유닛의 충전을 위하여 사용할 수 있다.
다른 예로 상기 그리드 제조사는 전기 기기의 구동에 따른 발전 유닛이나 엔진 유닛의 교체 비용, 반복되는 방전과 충전 및 고온 또는 저온 방전(또는 충전)에 따르는 비가역적 손상에 의한 배터리 유닛의 교체 비용 등을 감안하여 상기 그리드의 다양한 유닛들의 용량 및 제어 방법 등을 결정할 수 있다.
상술의 여덟 번째 예시적 측면의 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징이나 기타 구동 방법이나 제어 방법 등은 상기 첫 번째 내지 일곱 번째 예시적 측면의 상기 특징이나 방법과 동일하거나 유사하므로, 더 자세한 설명은 생략한다.
또한, 서로 상충되지 않는 한, 상술의 여덟 번째 예시적 측면의 다양한 구조나 방법은 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
9. 다양한 예시적 측면, 실시예 또는 상세예의 변형 또는 개량
본 명세서의 아홉 번째 예시적 측면은 상술의 첫 번째 예시적 측면 내지 여덟 번째 예시적 측면에서 예시한 다양한 마이크로 그리드, 상기 그리드의 다양한 유닛들(일예로 제어 유닛, 배터리 유닛, 발전 유닛 등), 상기 그리드와 상기 유닛들의 구조, 상기 그리드나 유닛들의 구동 방법 또는 제어 방법을 다양한 구조나 방법으로 변형 또는 개량하는 것이다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 명세서의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 구조, 구동, 제어 등에 대한 상술의 다양한 예시적 측면, 상기 측면의 다양한 실시예 또는 상세예의 대부분은 단일의 건물로 구성된 마이크로 그리드의 사용자가 정지 상태에 있는 단일의 전기 기기의 스위치를 켜며 상기 기기를 구동하려는 경우에 대한 설명이다.
하지만 대부분의 마이크로 그리드는 다수의 건물들을 포함한다. 또한 마이크로 그리드가 단일의 건물만을 포함하는 경우에도, 다수의 전기 기기가 상기 건물에 연결되고, 이들 기기가 동시에, 순차적으로 또는 간헐적으로 구동될 수 있다. 또한 단일의 건물에 다수의 사용자가 거주할 수 있고, 상기 사용자는 다양한 전기 기기를 동시에, 순차적으로 또는 간헐적으로 사용할 수 있다. 또한 단일의 건물에 단일의 사용자만 거주하는 경우에도, 모든 전기 기기가 정지 상태에 있는 경우는 매우 드물다고 할 수 있다.
일예로 사용자가 외부에 있더라도, 냉장고와 같은 전기 기기는 항상 가동하고 있고, 히터나 냉방 장치도 사용자가 설정한 실내 온도에 따라 간헐적으로 구동할 수 있으며, 컴퓨터나 TV와 같은 전기 기기는 최소한의 전기 에너지를 사용하며 구동을 준비하는 중일 수도 있다. 즉 본 명세서의 다양한 예시와 같이 마이크로 그리드에 연결되어 있는 모든 전기 기기가 구동 중지 상태(또는 정지 상태)에 있던 중, 사용자가 단일의 전기 기기의 스위치만 켜는 경우는 몹시 드물다.
따라서 상기 변형이나 개량의 첫 번째 실시예는 이미 가동 중인 하나 이상의 전기 기기(추후 "기존 가동 전기 기기" 또는 "기존 기기"로 지칭)를 포함하는 마이크로 그리드의 사용자가, 현재는 정지 상태에 있는 하나 이상의 신규 전기 기기(추후 "신규 구동 기기" 또는 "신규 기기"로 지칭)의 스위치를 켜는 경우에 상술의 다양한 예시적 측면 및 상기 측면의 실시예 또는 상세예를 적용하는 것이다.
우선 상술의 첫 번째 내지 여덟 번째 측면의 다양한 실시예의 경우, 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜기 전까지는 배터리 유닛과 발전 유닛이 구동하지 않는 정지 상태에 있다. 즉 신규 기기의 스위치가 켜지기 전, 배터리 유닛은 방전을 하지 않으며, 충전도 하지 않는다. 또한 엔진 유닛도 구동하지 않으며, 발전 유닛 역시 아직 전기 에너지를 생성하지 않고 있다.
따라서 이러한 상태에서 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜면, 제어 유닛은 배터리 유닛의 구동을 시작하거나 또는 발전 유닛의 구동을 시작함으로써 신규 기기가 특정 등급에서 구동하는 데 필요한 구동용 에너지를 공급하게 된다. 즉 배터리 유닛은 방전을 시작하거나 또는 발전 유닛은 구동을 시작하며, 제어 유닛은 상기 방전이나 구동에 의한 전기 에너지를 신규 기기에 제공한다.
반면 본 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예의 경우, 배터리 유닛 또는 발전 유닛은 구동 중이며, 하나 이상의 기존 기기에 이미 전기 에너지를 공급하고 있다. 따라서 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜면 배터리 유닛은 현재 가동 중인 기존 기기에 제공하는 에너지 이외에도 신규 기기의 구동을 위하여 추가 에너지를 방전해야 한다. 또는 발전 유닛은 현재 가동 중인 기존 기기에 제공하는 전기 에너지 이외에 신규 기기의 구동을 위하여 추가 전기 에너지를 생성해야 한다. 물론 이를 위하여 엔진 유닛은 더 빠른 속도로 회전해야 할 수도 있다.
본 첫 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 상기 첫 번째 내지 여덟 번째 측면에서 예시한 다양한 실시예 및 상세예 중 배터리 유닛, 분리 배터리, 분리팩, 고정 배터리 또는 고정팩의 방전 구조 및 제어 방법을 본 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예에 적용하는 구조 및 방법에 대한 것이다. 단 설명의 편의를 위하여 본 아홉 번째 예시적 측면에서는 문맥에 따라 "배터리 유닛"이란 각 분리 배터리, 각 분리팩, 각 고정 배터리, 각 고정팩, 또는 배터리 유닛 전체를 지칭하는 것으로 한다.
일예로 배터리 유닛이 방전하며 기존 기기에게 이미 전기 에너지를 공급하고 있는 경우, 제어 유닛은 기존 기기에 제공하고 있는 전기 에너지는 상수로 처리하며, 배터리 유닛 또는 상기 유닛의 분리팩이나 고정팩이 방전하며 신규 기기에 전기 에너지를 신규로 제공한다고 간주할 수 있다.
만일 기존 기기의 구동용 에너지가 시간에 따라 변하는 경우, 제어 유닛은 상기 구동용 에너지를 시간의 변수라고 간주할 수 있다. 또한 제어 유닛은 배터리 유닛, 상기 유닛의 분리팩, 고정팩 등은 방전을 통하여 신규 기기에 전기 에너지를 신규로 제공하는 것으로 간주할 수 있다.
또한 제어 유닛은 배터리 유닛, 상기 유닛의 분리팩이나 고정팩의 충전률이나 방전률 등을 측정하거나 계산할 때, 상기 유닛이나 상기 팩이 신규 기기에 제공하는 구동용 에너지 이외에도 기존 기기에 제공하는 전기 에너지를 함께 고려할 수 있다. 따라서 상기 유닛이나 상기 팩의 방전 속도는 신규 기기의 구동용 에너지만 고려할 경우에 비하여 더 빠를 수 있으며, 상기 유닛이나 상기 팩의 충전에 소요되는 시간도 신규 기기의 구동용 에너지만 고려할 경우에 비하여 길어질 수 있다.
다른 예로 발전 유닛이 구동하며 기존 기기에 전기 에너지를 공급하고 있는 경우, 제어 유닛은 발전 유닛이 기존 기기에 제공하고 있는 전기 에너지는 상수 또는 시간에 따라 변하는 변수로 처리하는 반면, 발전 유닛(또는 배터리 유닛, 상기 유닛의 분리팩 또는 고정팩)이 방전하며 신규 기기에 전기 에너지를 신규로 제공한다고 간주할 수 있다.
그 후 제어 유닛은 상술의 첫 번째 내지 여덟 번째 예시적 측면의 다양한 실시예나 상세예에 근거하여 [1] 배터리 유닛의 방전을 시작하며 신규 기기의 구동을 시작하거나, 또는 [2] 배터리 유닛의 방전량을 증가시킴으로써 기존 기기를 계속 구동함과 함께 신규 기기의 구동을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 가열 유닛이나 냉각 유닛의 구동을 시작하며 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위로 가열 또는 냉각된 후 [3] 배터리 유닛의 방전을 시작하며 신규 기기 구동을 시작하거나, 또는 [4] 배터리 유닛의 방전량을 증가시킴으로써 기존 기기를 계속 구동함과 동시에 신규 기기의 구동을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 배터리 유닛의 온도가 적정 방전 온도 범위에 속하지 않으면 [5] 배터리 유닛을 방전하지 않으며, 대신 발전 유닛을 구동하기 시작함으로써 신규 기기를 구동하거나, 또는 [6] 발전 유닛의 발전량을 증가시킴으로써 기존 기기를 계속 구동함과 동시에 신규 기기를 구동을 시작할 수 있다.
또는 제어 유닛은 [7] 배터리 유닛의 충전률, 배터리 유닛의 용량 손실, 발전 유닛의 용량, 구동용 에너지 등을 모두 고려하여 배터리 유닛의 방전량과 발전 유닛의 발전량을 제어하거나 또는 상기 방전 및 발전의 순서를 제어하면서 신규 기기의 구동을 시작하거나, 또는 [8] 위의 [7]에 배터리 유닛의 온도, 적정 방전 온도 범위를 추가로 고려하며 배터리 유닛의 방전량과 발전 유닛의 발전량을 제어하거나 또는 상기 방전 및 발전의 순서를 제어하면서 신규 기기의 구동을 시작할 수 있다.
본 첫 번째 실시예의 두 번째 상세예는 상기 첫 번째 내지 여덟 번째 측면에서 예시한 다양한 실시예 및 상세예 중 배터리 유닛, 분리 배터리, 분리팩, 고정 배터리 또는 고정팩의 충전 구조 및 제어 방법을 본 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예에 적용하는 구조 및 방법에 대한 것이다. 단 충전과 관련된 구조나 방법 등은 방전 대신 충전이라는 차이점을 제외하면 상기 첫 번째 상세예의 [1] 내지 [8]과 동일 또는 유사하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
본 첫 번째 실시예의 세 번째 상세예는 상기 첫 번째 내지 여덟 번째 측면에서 예시한 다양한 실시예 및 상세예 중 배터리 유닛의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위와 상기 유닛의 방전(또는 충전)과 관련된 구조나 제어 방법 등을 본 변형 또는 개량의 첫 번째 실시예에 적용하는 구조 및 방법에 대한 것이다.
일예로 마이크로 그리드의 어떤 기존 기기도 구동하지 않은 상태이고, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내일 때 또는 상기 범위 밖의 저온이나 고온일 때 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜는 경우는 상술의 첫 번째 내지 여덟 번째 예시적 측면에서 설명한 경우와 동일하므로 더 이상의 설명은 생략한다.
또한 마이크로 그리드가 하나 이상의 기존 기기를 구동하고 있는 상태이고, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 이내일 때 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜는 경우는, 본 첫 번째 실시예의 첫 번째 및 두 번째 상세예와 동일하다. 따라서 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
하지만 상기 그리드의 발전 유닛이 하나 이상의 기존 기기를 구동하고 있고, 배터리 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 밖의 저온 또는 고온일 때 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜는 경우, 제어 유닛은 다양한 방법에 따라 발전 유닛이나 배터리 유닛을 제어할 수 있다.
우선 배터리 유닛의 온도가 상기 저온 또는 고온임에도 불구하고 제어 유닛이 배터리 유닛을 방전하며 기존 기기를 구동하고 있는 경우, 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전량을 증가시켜 추가 전기 에너지를 방전한 후, 증가된 전기 에너지로 신규 기기 구동을 시작할 수 있다. 이 때 제어 유닛은 분리 배터리 또는 분리팩의 방전량을 증가시킬 수 있다.
단 분리 배터리나 분리팩의 충전률이 낮은 경우, 제어 유닛은 고정 배터리나 고정팩의 방전을 시작하거나 방전량을 증가시킬 수 있다. 또는 제어 유닛은 배터리 유닛을 추가로 방전하는 대신 발전 유닛의 구동을 시작하여 상기 추가 전기 에너지를 생성할 수 있다. 이미 발전 유닛이 구동 중인 경우, 제어 유닛은 발전 유닛의 발전량을 증가시켜 상기 추가 전기 에너지를 생성할 수 있다.
또는 배터리 유닛의 온도가 상기 저온 또는 고온임에도 불구하고 제어 유닛이 발전 유닛을 구동하여 생성한 전기 에너지로 기존 기기를 구동하고 있는 경우, 제어 유닛은 발전 유닛의 방전량을 증가시킴으로써 추가 전기 에너지를 생성한 후, 증가된 전기 에너지로 신규 기기의 구동을 시작할 수 있다.
하지만 이미 구동 중인 기존 기기에 구동용 에너지를 제공한 후 발전 유닛이 생성할 수 있는 추가 전기 에너지가 신규 기기의 구동에 부족한 경우, 제어 유닛은 배터리 유닛의 전부 또는 일부의 방전을 시작함으로써 신규 기기의 구동을 시작할 수도 있다.
상기 변형 또는 개량의 두 번째 실시예는 마이크로 그리드에 포함된 엔진 유닛, 발전 유닛 및 배터리 유닛의 설치 장소와 설치 방법에 대한 것이다. 엔진 유닛, 발전 유닛과 배터리 유닛은 마이크로 그리드의 다양한 위치에 설치될 수 있지만, 상기 위치는 상기 그리드의 건물 내부 또는 외부로 구분될 수 있다.
본 두 번째 실시예의 첫 번째 상세예는 엔진 유닛을 마이크로 그리드의 하나 이상의 건물 내부에 설치하는 것이다. 이러한 구조의 장점은 엔진 유닛의 구동에 따라 발생하는 소음을 건물 내부에서 처리할 수 있다는 점이다. 따라서 건물 외부에서는 엔진 유닛이 발생하는 소음의 방음이 가능해진다. 또한 엔진 유닛을 건물 내부에 설치함에 따라 바람이나 비 등으로부터 상기 유닛을 보호할 수 있다는 점이다.
하지만 엔진 유닛을 건물 내부에 설치하는 경우의 단점은 상기 유닛을 구동함에 따라 발생하는 배기 가스를 건물의 외부로 배출해야 하며, 이를 위하여 별도의 관을 설치해야 한다는 점이다. 또한 엔진 유닛의 소음을 처리하지 못할 경우, 건물 내부에서 소음이 문제가 될 수 있다는 점이다.
본 두 번째 실시예의 두 번째 상세예는 엔진 유닛을 마이크로 그리드의 모든 건물의 외부에 설치하는 것이다. 상기 구조의 장점은 엔진 유닛 구동에 따라 발생하는 배기 가스의 처리가 용이하다는 점이다. 반면 상기 구조의 단점은 엔진 유닛의 종류에 따라 어떤 엔진 유닛은 저온 또는 고온에서 원활하게 구동하지 못할 수 있다는 점이다. 이를 방지하기 위하여 마이크로 그리드는 상술의 가열 유닛이나 냉각 유닛을 설치하여 엔진 유닛의 구동 전 또는 구동 중 엔진 유닛의 온도를 제어할 수 있다.
본 두 번째 실시예의 세 번째 상세예는 발전 유닛을 마이크로 그리드의 하나 이상의 건물 내부에 설치하는 것이다. 상기 구조의 장점은 엔진 유닛을 건물 내부에 설치하는 경우의 장점과 동일 또는 유사하다. 따라서 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
본 두 번째 실시예의 네 번째 상세예는 발전 유닛을 마이크로 그리드의 모든 건물의 외부에 설치하는 것이다. 발전 유닛을 건물 외부에 설치하면, 상기 유닛은 저온 또는 고온에서 원활하게 구동하지 못할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 마이크로 그리드는 상술의 가열 유닛 또는 냉각 유닛을 설치하여 발전 유닛의 온도를 제어할 수도 있다. 상기 구조의 기타 단점도 엔진 유닛을 건물 외부에 설치하는 경우의 단점과 동일 또는 유사하다. 따라서 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
단 상기 첫 번째 및 네 번째 상세예에서, 엔진 유닛과 발전 유닛 중 하나는 건물 내부에 설치하는 반면 나머지는 건물 외부에 설치하는 경우, 마이크로 그리드는 엔진 유닛이 생성한 기계적 에너지를 건물의 벽을 관통하여 또는 창문을 통하여 발전 유닛에 전달해야 하는 불편함이 발생할 수 있다. 하지만 상기 기계적 에너지를 전달할 수 있는 벨트, 체인, 또는 기어를 연결관의 내부에 설치하면, 연결관 내부의 벨트, 체인 또는 기어를 눈, 비로부터 보호할 수 있는 동시에 상기 전달 시 발생하는 소음을 제거할 수 있다.
이 외에도 엔진 유닛은 기계적 에너지를 생성한 후, 상기 에너지를 이용하여 기체나 액체를 압축할 수 있다. 그 후 엔진 유닛은 상기 기체나 액체의 압력을 견딜 수 있는 관을 통하여 상기 기체나 액체를 발전 유닛에 전달할 수도 있으며, 발전 유닛은 상기 압력을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
본 두 번째 실시예의 다섯 번째 상세예는 배터리 유닛을 상기 그리드의 하나 이상의 건물 내부에 설치하는 것이다. 배터리 유닛을 건물 내부에 설치하는 경우의 장점은 바로 외부의 저온이나 고온으로부터 배터리 유닛을 보호할 수 있다는 점이다. 따라서 배터리 유닛이 적정 방전(또는 충전) 범위를 벗어난 저온이나 고온에서 방전(또는 충전)하는 경우를 줄일 수 있다. 이에 따라 마이크로 그리드는 가열 유닛이나 냉각 유닛을 포함할 필요가 없거나, 가열 유닛 및 냉각 유닛을 포함하더라도 이들을 사용해야 할 경우를 줄일 수 있다.
또한 배터리 유닛이 상기 그리드의 하나 이상의 건물 내부에 설치되고, 상기 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 속할 가능성이 높아짐에 따라, 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜는 즉시 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작할 수 있다. 이에 따라 사용자가 신규 기기의 스위치를 켠 후, 배터리 유닛의 온도가 상기 적정 범위에 속할 때까지 기다리는 경우도 줄일 수 있다. 또한 사용자는 배터리 유닛의 분리 배터리나 분리팩을 더욱 용이하게 교환할 수 있다.
사용자가 배터리 유닛을 건물 내부에 설치하더라도, 건물 구조에 따라 상기 유닛의 설치 위치는 상이해지고, 이에 따라 배터리 유닛 외부의 온도 역시 상이해질 수 있다. 일예로 사용자가 배터리 유닛을 침실, 거실, 복도 등의 주거 공간에 설치하는 경우, 배터리 유닛 외부의 온도는 주거 공간의 온도와 동일하며, 이에 따라 배터리 유닛이 저온 또는 고온에서 방전(또는 충전)되는 경우는 줄어들 수 있다.
하지만 사용자가 배터리 유닛을 지하실, 차고 또는 별채와 같이 비주거 공간에 설치할 경우, 배터리 유닛 외부의 온도는 건물 외부의 온도와 주거 공간의 온도의 중간 정도가 될 수 있다. 따라서 배터리 유닛이 저온이나 고온에서 방전(또는 충전)되는 경우는 위 문장의 예에 비하면 증가할 수 있다.
본 두 번째 실시예의 여섯 번째 상세예는 배터리 유닛을 상기 그리드의 모든 건물 외부에 설치하는 것이다. 상기 구조의 장점이라면 건물 내부에 배터리 유닛을 설치하지 않음에 따라 건물 내부의 미관을 유지할 수 있다는 점이다. 하지만 배터리 유닛이 건물 외부에 설치됨에 따라 상기 유닛은 외부의 저온 또는 고온에 노출될 수 있으며, 상기 저온이나 고온에서 방전(또는 충전)하면, 상당히 심한 정도의 비가역적 손상을 입을 수 있다. 하지만 제어 유닛은 상기 가열 유닛이나 냉각 유닛을 이용하여 상기 손상을 최소화할 수 있다.
또한 배터리 유닛이 상기 그리드의 모든 건물의 외부에 설치되면, 상기 유닛의 온도가 적정 방전(또는 충전) 온도 범위 밖의 저온이나 고온일 가능성이 높아지며, 이에 따라, 사용자가 신규 기기의 스위치를 켜더라도 제어 유닛은 배터리 유닛의 방전을 시작하지 않을 수 있다. 따라서 사용자는 신규 기기의 스위치를 켜고, 배터리 유닛의 온도가 상기 적정 범위에 속할 때까지 기다리는 경우도 자주 발생할 수 있다.
상기 변형 또는 개량의 세 번째 실시예는 배터리 유닛이 하나 이상의 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함하는 경우이다. 일반적으로 슈퍼 커패시터는 기존 커패시터와 유사하나 기존의 커패시터에 비해 높은 전기 용량을 가질 수 있다. 따라서 슈퍼 커패시터는 2차전지의 기능을 가질 수 있다. 또한 슈퍼 커패시터는 방전과 충전을 반복할 때 기존 2차전지보다 적은 비가역적 손상을 입을 수도 있다.
전기화학적 커패시터(electrochemical capacitor)라고도 지칭되는 슈퍼 커패시터는 일반적으로 이온 투과성 박막(ion permeable membrane)에 의하여 격리된 두 개의 전극을 포함하며, 상기 전극들은 전해질 이온에 의하여 전기적으로 연결한다. 상기 전극 사이에 전압을 걸면, 상기 전극들은 양극 또는 음극으로 양극화되고, 전해질 속의 이온은 상기 전극들 주위에서 극성이 반대인 전기적으로 이중의 층을 형성한다. 상기 슈퍼 커패시터의 예로는 정전기식 이중층 커패시터(EDLC 또는 electrostatic double-layer capacitor), 전기화학 의사 커패시터(electrochemical pseudo-capacitor), 하이브리드 커패시터 등이 있다.
이에 따라 본 명세서의 배터리 유닛은 하나 이상의 2차전지 배터리만 포함하거나, 하나 이상의 슈퍼 커패시터만 포함하거나, 또는 하나 이상의 2차전지 및 하나 이상의 슈퍼 커패시터를 포함할 수도 있다. 상기 슈퍼 커패시터는 분리팩(또는 배터리)으로만 사용되거나, 고정팩(또는 고정 배터리)으로만 사용되거나, 또는 분리팩(또는 분리 배터리) 및 고정팩(또는 고정 배터리)로 사용될 수 있다.
상술과 같이 제어 유닛은 슈퍼 커패시터의 방전 및 충전 특성에 근거하여 슈퍼 커패시터의 용도를 결정할 수 있다. 일예로 슈퍼 커패시터의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위가 2차 전지의 상기 온도 범위보다 넓으면, 제어 유닛은 슈퍼 커패시터를 분리팩으로 사용할 수 있다. 이와 반대로 슈퍼 커패시터의 상기 온도 범위가 2차 온도 범위보다 좁으면, 제어 유닛은 슈퍼 커패시터를 고정팩으로 사용할 수 있다.
특히 배터리 유닛이 하나 이상의 2차전지와 슈퍼 커패시터를 포함하는 경우, 제어 유닛은 이들을 다양한 방법으로 이용할 수 있다. 일예로 동일한 저온 또는 고온의 방전(또는 충전) 시 2차전지보다 슈퍼 커패시터가 입는 비가역적 손상이 적은 경우, 사용자는 슈퍼 커패시터로 분리팩을 제작함으로써 가능한 한 분리팩을 오랜 기간 동안 사용할 수 있다. 또는 방전 특성이 좋은 슈퍼 커패시터의 가격이 2차전지보다 현격히 비싸면, 사용자는 슈퍼 커패시터로 고정팩을 제작함으로써, 슈퍼 커패시터의 월등한 방전 특성을 활용하는 동시에, 슈퍼 커패시터의 교체를 가능한 한 지연할 수 있다.
본 세 번째 실시예에서 설명한 슈퍼 커패시터의 활용 방법 및 제어 방법은 상이한 2차전지만 포함하는 분리팩 및 고정팩으로 이루어진 배터리 유닛에도 적용할 수 있다. 따라서 배터리 유닛이 상이한 종류의 2차전지를 포함하는 다수의 분리팩을 포함하면, 제어 유닛은 상술과 같이 다수의 분리팩들을 사용하고 제어할 수도 있다. 또는 배터리 유닛이 상이한 종류의 2차전지를 포함하는 분리팩과 고정팩을 포함하는 경우, 제어 유닛은 상술과 같이 분리팩 및 고정팩을 사용하고 제어할 수 있다.
상기 변형 또는 개량의 네 번째 실시예는 본 명세서의 마이크로 그리드가 하나 이상의 기존의 연료전지(fuel cell)를 포함하는 경우이다. 일반적으로 연료전지는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생성할 수 있고, 따라서 상기 그리드는 엔진 유닛과 발전 유닛을 반드시 포함하지 않을 수 있다. 물론 본 명세서의 마이크로 그리드는 엔진 유닛과 발전 유닛은 물론 이에 부가적으로 연료전지를 포함할 수도 있다. 이 때 제어 유닛은 연료전지와 발전 유닛을 동시에 또는 순차적으로 사용할 수도 있다.
이에 따라 본 명세서의 마이크로 그리드는 하나 이상의 연료전지를 포함하지만 엔진 유닛과 발전 유닛은 포함하지 않을 수 있다. 또는 상기 그리드는 연료전지와 함께 발전 유닛과 엔진 유닛을 함께 포함할 수 있다. 이 경우 상기 그리드는 발전 유닛과 연료전지를 동시에 또는 순차적으로 구동하며 배터리 유닛을 충전하거나, 배터리 유닛의 충전에는 연료전지와 발전 유닛 중 하나만 사용할 수 있다.
또한 배터리 유닛이 2차전지만 포함할 경우, 상기 그리드는 배터리 유닛을 충전할 수 있는 엔진 유닛을 구동할 수 있는 연료를 저장하는 연료 저장 유닛을 포함할 수 있다. 반면 상기 그리드가 연료 전지를 포함하는 경우, 상기 그리드는 연료 전지를 구동할 수 있는 추가 연료 저장 유닛을 포함할 수 있다.
상기 변형 또는 개량의 다섯 번째 실시예의 경우, 본 명세서의 마이크로 그리드는 하나 이상의 슈퍼 커패시터 및 하나 이상의 연료전지를 포함할 수도 있다. 이 때 상기 그리드는 하나 이상의 배터리 유닛을 포함하거나 또는 상기 배터리 유닛을 포함하지 않을 수도 있다. 또는 상기 그리드는 엔진 유닛과 발전 유닛을 포함하거나, 상기 유닛들을 포함하지 않을 수도 있다.
본 실시예의 제어 유닛의 제어 구조나 방법은 본 변형 또는 개량의 세 번째 및 네 번째 실시예에서 설명한 구조나 방법과 유사하거나 동일하다. 따라서 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.
상기 변형이나 개량의 여섯 번째 실시예는 본 명세서의 배터리 유닛이 하나 이상의 분리팩(또는 분리 배터리) 및 하나 이상의 고정팩(또는 고정 배터리)을 포함하지만, 상기 분리팩과 고정팩이 하나 이상의 상이한 종류의 배터리를 포함하는 경우이다. 따라서 제어 유닛은 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 벗어나는 고온이나 저온에서 충전(또는 방전) 시, 분리팩 또는 고정팩에 가해지는 비가역적 손상을 최소화할 수 있다.
일예로 분리팩은 고정팩보다 적정 방전(또는 충전) 온도 범위가 더 넓은 종류의 배터리를 포함할 수 있다. 따라서 특정 온도가 고정팩의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위를 벗어나는 저온 또는 고온이더라도, 상기 온도는 분리팩의 적정 방전(또는 충전) 온도 범위에 속할 수 있다. 이에 따라 상기 특정 온도에서 분리팩이 방전(또는 충전)하더라도 분리팩이 입는 비가역적 손상은 감소할 수 있다.
상기 구조는 사용자에게 부가적 이점을 제공할 수 있다. 일예로 사용자가 정지 상태의 전기 기기의 스위치를 켤 때 분리팩의 온도가 저온(일예로 -30oC) 또는 고온(일예로 50oC)이라 가정하자. 상기 분리팩이 적정 방전 온도 범위가 좁은(일예로 0oC 내지 30oC) 배터리를 포함하는 경우, 제어 장치는 분리팩이 적정 온도로 가열(일예로 -30oC로부터 0oC이상으로)되거나 또는 냉각(일예로 50oC로부터 30oC 이하로)되기 전까지 사용자의 전기 기기 구동을 막을 수 있다.
하지만 분리팩이 적정 방전 온도 범위가 넓은(일예로 -20oC 내지 40oC) 배터리를 포함하면, 분리팩이 적정 온도로 가열(일예로 -30oC로부터 -20oC이상으로)되거나 냉각(일예로 50oC로부터 40oC 이하로)되는 데 소요되는 기간이 단축된다. 따라서 사용자는 전기 기기의 스위치를 켜고 짧은 기간만 기다린 후 상기 기기를 구동할 수 있게 된다.
또는 배터리 유닛이 상대적으로 추운 지방에서 사용될 경우, 분리팩은 고정팩에 비하여 상대적으로 최저 방전(또는 충전) 온도가 상대적으로 낮은 종류의 배터리를 사용할 수 있다. 이에 따라 상기 분리팩이 저온에서 방전하더라도, 상기 분리팩은 최저 방전(또는 충전) 온도가 높은 종류의 배터리를 포함하는 분리팩에 비하여 비가역적 손상을 덜 입을 수 있다. 또한 이 경우 배터리의 적정 방전(또는 충전) 범위는 최저 방전(또는 충전) 온도보다 상대적으로 덜 중요할 수 있다.
또는 배터리 유닛이 상대적으로 더운 지방에서 사용될 경우, 분리팩은 고정팩에 비하여 상대적으로 최고 방전(또는 충전) 온도가 상대적으로 높은 종류의 배터리를 사용할 수 있다. 이에 따라 상기 분리팩이 고온에서 방전하더라도, 상기 분리팩은 최고 방전(또는 충전) 온도가 낮은 종류의 배터리를 포함하는 분리팩에 비하여 비가역적 손상을 덜 입을 수 있다. 또한 이 경우 배터리의 적정 방전(또는 충전) 범위는 최고 방전(또는 충전) 온도보다 상대적으로 덜 중요할 수 있다.
상기 변형이나 개량의 일곱 번째 실시예의 경우, 배터리 유닛은 케이스가 덮개를 포함하지 않더라도 분리 배터리를 포함할 수 있다. 바꾸어 말하자면, 배터리 유닛의 케이스에 덮개가 설치되어 있건 없건, 배터리 유닛은 상기 유닛에 포함된 특정 배터리를 나머지 배터리보다 용이하게 상기 유닛으로부터 분리할 수 있도록 제작될 수 있다. 이 경우, 상기 특정 배터리는 분리 배터리로 간주할 수 있다.
이와 마찬가지로 다수의 팩을 포함하는 팩 형태의 배터리 유닛의 경우, 케이스에 덮개가 설치되어 있건 없던, 상기 배터리 유닛은 특정 팩이 나머지 팩보다 용이하게 상기 유닛으로부터 분리할 수 있도록 제작될 수 있다. 이 경우, 상기 팩은 분리팩으로 간주할 수 있다.
바꾸어 말하자면 상술에서 설명한 바와 같이, 본 명세서의 분리팩(또는 분리 배터리)과 고정팩(또는 고정 배터리)는 반드시 특정 구조를 가진 전기 연결 요소 또는 기계 연결 요소에 연결될 필요는 없다. 왜냐하면 분리팩과 고정팩의 차이점은 상대적 관점에서의 분리의 용이성이기 때문이다.
일예로 배터리 유닛 1의 배터리 1은 100N의 힘만 가하면 탈착이 가능하도록 전기 연결 요소 1에 연결되지만, 배터리 2는 2,000N 이상의 힘을 가하지 않는 한 전기 연결 요소 2로부터 분리가 가능하지 않도록 연결할 수 있다. 이 경우 본 명세서에서는 배터리 1은 배터리 유닛 1의 분리 배터리, 배터리 2는 배터리 유닛 1의 고정 배터리로 간주할 수 있다.
이와는 달리 배터리 유닛 11은 상기 배터리 1, 또한 10N의 힘을 가하면 탈착이 가능하도록 전기 연결 요소 11에 연결된 배터리 11을 포함할 수 있다. 이 때 본 명세서에서는 상대적으로 분리가 용이한 배터리 11이 배터리 유닛 11의 분리 배터리, 배터리 1는 배터리 유닛 11의 고정 배터리로 간주할 수 있다.
또한 배터리 유닛 21은 상술의 배터리 1(즉 100N의 힘을 가하면 배터리 유닛으로부터 분리 가능), 상술의 배터리 11(즉 10N의 힘을 가하면 배터리 유닛으로부터 분리 가능) 및 50N의 힘을 가하면 배터리 유닛으로부터 분리할 수 있는 배터리 21을 포함할 수 있다. 이 때 본 명세서에서는 배터리 1은 고정 배터리, 배터리 11은 분리 배터리로 간주할 수 있다.
이에 반하여 배터리 21은 사용자가 사용하는 목적 또는 제어 유닛이 제어하는 방법에 따라 분리 배터리로 간주될 수 있거나, 또는 고정 배터리로 간주될 수 있다. 일예로 배터리 유닛의 케이스가 배터리 21 부근에 덮개를 포함할 경우, 배터리 21은 분리 배터리로 간주될 수 있다. 이에 반하여 상기 케이스가 배터리 21 부근에 덮개를 포함하지 않지만 배터리 11 부근에 덮개를 포함하면, 배터리 21은 고정 배터리로 취급할 수 있다. 이와 같이 특정 배터리가 분리 배터리인지 고정 배터리인지는 다른 배터리와 비교하여 상대적으로 결정할 수 있다. 마찬가지로 특정 배터리 팩이 분리팩인지 고정팩인지는 다른 배터리와 비교하여 상대적으로 결정할 수 있다.
상기 변형이나 개량의 여덟 번째 실시예의 경우, 상술의 예시에서 배터리 유닛, 분리팩 또는 고정팩의 방전에 대한 설명은 상기 유닛, 분리팩 또는 고정팩의 충전에도 적용할 수 있다. 따라서 상술의 예시에서 적정 방전 온도 범위, 최저 방전 온도 및 최고 방전 온도 대신 적정 충전 온도 범위, 최저 충전 온도 및 최고 충전 온도를 대체할 경우, 상술의 배터리 유닛, 분리팩 또는 고정팩의 방전과 관련된 구조 또는 제어 방법에 대한 설명은 상기 유닛, 분리팩 또는 고정팩의 충전과 관련된 구조 또는 제어 방법에도 적용할 수 있다.
단 가열 유닛이나 냉각 유닛의 구동을 제외하면, 배터리 유닛의 방전은 전기 기기의 구동과 관련된다. 반면 배터리 유닛의 충전은 상기 기기의 구동과는 직접적인 관련은 없다. 즉 제어 유닛은 배터리 유닛을 방전하여 전기 기기의 구동을 가능하도록 하지만, 제어 유닛은 상기 기기이 구동 중 또는 정지 중 발전 유닛을 구동하여 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
상기 변형이나 개량의 아홉 번째 실시예의 경우, 본 명세서의 마이크로 그리드는 다양한 종류나 용량의 엔진 유닛 및 발전 유닛을 포함할 수 있다. 특히 상기 그리드는 가능한 한 엔진 유닛의 배출 물질이 유독성 물질 또는 환경 오염의 원인이 되는 물질을 적게 포함된 기존의 엔진을 포함할 수 있다. 또한 마이크로 그리드의 발전 유닛은 엔진 유닛이 생성할 수 있는 기계적 에너지를 가능한 한 높은 효율로 전기 에너지로 변환할 수 있는 기존의 발전 요소를 포함할 수 있다.
단 엔진 유닛이 생성할 수 있는 에너지나 파워가 크면 클수록, 발전 유닛은 이에 비례하여 더 많은 파워를 제공할 수 있고, 이에 따라 발전 유닛은 더 빨리 배터리 유닛을 충전할 수 있다는 장점이 있다. 또한 엔진 유닛이 생성할 수 있는 파워가 높으면 높을수록, 발전 유닛이 전기 기기에 직접 제공하는 파워도 증가할 수 있고, 전기 기기 역시 더 높은 등급에서 구동할 수 있다.
하지만 엔진 유닛의 용량이 크면 클수록 상기 유닛이 배출하는 배출 가스의 양도 증가하며, 이에 수반되는 소음도 증가하기 마련이다. 따라서 엔진 유닛의 용량 및 이에 의존하는 발전 유닛의 용량은 특정 마이크로 그리드의 구조, 용도, 또는 상기 그리드에 포함된 전기 기기의 최대 구동용 에너지 등에 따라 상이하게 결정될 수 있다.
상기 변형 또는 개량의 열 번째 실시예의 경우, 본 명세서의 마이크로 그리드의 다양한 배터리 유닛은 다양한 구조 또는 배열로 제작되거나 배치될 수 있다. 특히 배터리 유닛이 분리 배터리 및 고정 배터리를 포함하면, 상기 분리 배터리는 다양한 구조 또는 배열로 제작되고 배치될 수 있다.
일예로 다수의 분리 배터리들은 각각 분리형 전기 연결 요소에 연결된다. 따라서 상기 구조를 가진 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 분리하려면, 사용자는 각각의 분리 배터리를 각각의 전기 연결 요소와 격리시킨 후, 격리된 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 분리할 수 있다. 그 후 사용자는 배터리 유닛에 잔류하는 분리형 전기 연결 요소에 신규 분리 배터리를 연결할 수 있다.
상기 구조에서 사용자는 다수의 분리 배터리들을 하나씩 배터리 유닛으로부터 분리할 수 있다. 이와는 달리 배터리 유닛 제조사는 다수의 분리 배터리들을 묶어서 배터리 유닛에 장착할 수 있다. 일예로 6개의 분리 배터리들을 끈, 밴드 등으로 묶어서 다발 형태로 장착하거나, 6개의 고정 배터리가 장착될 수 있는 카트리지 내부에 고정 배터리를 장착하여 카트리지 형태로 장착될 수 있다. 이에 따라 사용자는 배터리 유닛으로부터 6개의 분리 배터리들을 한 번에 분리할 수 있다.
다른 예로 분리 배터리는 분리형 전기 연결 요소로 연결되는 반면 고정 배터리는 고정 전기 연결 요소로 연결된다. 단 분리형 전기 연결 요소는 배터리보다 배터리 유닛으로부터 상대적으로 더 용이하게 분리될 수 있도록 제작한다. 상기 구조를 가진 분리 배터리를 배터리 유닛으로부터 분리하려면, 사용자는 분리 배터리와 상기 배터리에 연결된 분리형 전기 연결 요소를 한꺼번에 배터리 유닛으로부터 분리할 수 있다. 그 후 사용자는 신규 분리 배터리에 신규 또는 기존 분리형 전기 연결 요소와 연결한 후, 배터리 유닛에 장착할 수 있다.
상기 구조에서 사용자는 분리 배터리들이 연결된 상태의 분리형 전기 연결 요소들을 하나씩 배터리 유닛으로부터 분리할 수 있다. 또는 배터리 유닛 제조사는 다수의 분리 배터리들과 분리형 전기 연결 요소들을 묶어서 배터리 유닛에 장착할 수 있다. 일예로 6개의 분리 배터리들을 끈, 밴드 등으로 묶인 채 분리형 전기 연결 요소들을 다발 형태로 장착하거나, 6개의 고정 배터리가 장착되고 분리형 전기 연결 요소에 연결될 수 있는 카트리지 내부에 고정 배터리를 장착하여 카트리지 형태로 장착될 수 있다. 따라서 사용자는 6개의 분리 배터리들을 배터리 유닛에서 한 번에 분리할 수 있다.
상기 변형 또는 개량의 열한 번째 실시예의 경우, 본 명세서의 마이크로 그리드의 제어 유닛은 엔진 유닛이나 발전 유닛이 각각 생성한 기계적 에너지 또는 전기 에너지를 다양한 방법으로 저장할 수 있다.
본 열한 번째 실시예의 첫 번째 상세예의 경우, 제어 유닛은 엔진 유닛이 생성한 기계적 에너지의 전부나 일부를 이용하여 기체 또는 액체를 압축할 수 있다. 그 후 제어 유닛은 상기 압축 기체 또는 액체의 압력을 이용하여 발전 유닛을 구동하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 또는 마이크로 그리드의 전기 기기 중 상기 기체나 액체의 압력을 필요로 하는 경우, 제어 유닛은 상기 기체나 액체를 상기 기기에 제공할 수 있다.
본 열한 번째 실시예의 두 번째 상세예의 경우, 마이크로 그리드가 압력을 발생하거나 압력을 이용하는 기기(추후 "압축 기기"로 지칭)를 포함하면, 제어 유닛은 엔진 유닛이 생성한 기계적 에너지의 전부나 일부를 이용하여 압축 기기가 압력을 발생하도록 하거나, 또는 압축 기기에 상기 압력을 전달할 수 있다.
일예로 상기 그리드가 네일 건(nail gun)과 같은 압축 기기를 포함하는 경우, 제어 유닛은 네일 건의 압축 기체 저장 장치의 기체를 압축하거나, 상기 저장 장치에 압축 공기를 제공할 수 있다. 또는 상기 그리드가 코일(spiral) 스프링, 리프(leaf) 스프링 등과 같은 다양한 스프링을 포함할 경우, 제어 유닛은 상기 압력을 이용하여 스프링을 미리 감아 기계적 에너지를 저장할 수 있다.
또 다른 예로 마이크로 그리드는 별도의 압축 기체 저장 장치나 기계적 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 이 때 제어 유닛은 엔진 유닛이 생성하는 기계적 에너지를 이용하여 압축 기체 저장 장치 내부 기체를 압축하거나, 또는 압축 기체를 상기 저장 장치에 주입할 수 있다. 또는 제어 유닛은 엔진 유닛이 생성하는 기계적 에너지를 이용하여 기계적 에너지 저장 장치의 다양한 스프링을 압축하거나 인장하며 상기 에너지를 저장하거나, 상기 저장 장치의 추의 위치를 변화시키며 상기 에너지를 위치 에너지로 저장할 수 있다.
상기 변형 또는 개량의 열두 번째 실시예의 경우, 마이크로 그리드의 제어 유닛은 다양한 에너지 소스가 생성하는 다양한 형태의 에너지를 다양한 방법으로 사용하거나 저장할 수 있다.
일예로 에너지 소스가 태양광 발전 장치, 풍력 발전 장치, 조력 발전 장치 등이면, 제어 유닛은 상기 에너지 소스가 생성한 전기 에너지를 배터리 유닛에 저장할 수 있다. 이 경우 제어 유닛은 배터리 유닛의 온도에 근거하여 상술의 에너지 소스가 생성한 전기 에너지로 배터리 유닛을 충전할 수 있다.
이에 반하여 에너지 소스가 태양열 발전 장치 또는 지열 발전 장치이면, 제어 유닛은 상기 에너지 소스가 생성한 열 에너지를 그대로 저장하거나, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 저장하거나, 또는 상기 기계적 에너지 변환 후 이를 다시 전기 에너지로 변환하여 저장할 수 있다.
상기 아홉 번째 예시적 측면, 즉 상기 변형 또는 개량의 다양한 마이크로 그리드 및 상기 그리드의 다양한 유닛의 기타 구조 상의 특징 또는 이와 관련된 기타 구동 방법 또는 제어 방법 등은 상기 첫 번째 내지 여덟 번째 예시적 측면의 상기 특징이나 방법과 동일하거나 유사하므로, 더 자세한 설명은 생략한다.
또한, 서로 상충되지 않는 한, 상술의 아홉 번째 예시적 측면의 다양한 구조나 방법은 본 명세서의 동일한 예시적 측면 또는 상이한 예시적 측면의 상이한 실시예나 상세예에도 서로 호환되어 적용될 수 있다.
10. 호환성
상술에서는 다양한 배터리 유닛, 발전 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 및 제어 유닛을 포함하는 마이크로 그리드, 상기 그리드를 구성하는 방법 및 상기 그리드를 제어하는 방법 등을 설명하였고, 특히 다양한 예시적 측면, 상기 측면의 실시예와 상세예 및 다양한 수단과 효과 등을 언급하며 이에 대한 상세한 설명을 제공하였다. 단 상기 설명은 상기 그리드, 다양한 유닛 및 상기 방법의 특성, 구성 상의 특성이나 작업 실행 상의 특성을 더 자세히 이해하기 위함을 목적으로 한다. 따라서 상기 그리드 및 다양한 유닛과 관련된 방법 등에 대한 자명한 변형이나 개량은 관련 분야의 당업자의 능력에 속한다.
비록 상술에서는 배터리 유닛, 발전 유닛, 가열 유닛, 냉각 유닛 및 제어 유닛을 포함하는 다양한 마이크로 그리드, 또는 상기 그리드를 구성하거나 제어하는 방법 등에 대한 예시적 측면, 실시예, 상세예 등에 대하여 설명하였으나, 이의 변형 또는 개량도 가능하다. 따라서 상기 변형 및 개량은 본 명세서의 예시적 측면, 실시예, 상세예 및 목적의 정신이나 범위로부터의 이탈로 간주하지 않으며, 관련 분야의 당업자에게 자명한 변형과 개량은 본 명세서의 범위 및 하술의 청구항의 범위에 속하는 것으로 간주한다.
상반된 언급이 없는 한, 본 명세서에서 예시한 특정 측면, 실시예, 상세예, 또는 수단의 다양한 특성은 본 명세서의 상이한 측면, 실시예, 상세예나 수단의 상응하는 특성에 호환적으로 적용될 수 있다. 단 상기 호환성은 상기 적용, 포함, 대체 또는 혼합이 서로 상충되지 않는 경우에 한한다.
본 명세서의 다양한 측면, 실시예 및 상세예를 상술과 같이 설명하였지만, 상술의 설명은 다양한 마이크로 그리드 또는 상기 그리드의 다양한 유닛을 설명하기 위함이지, 이들의 범위를 제한하기 위함이 아니다. 특히 상기 범위는 아래의 청구항에 의하여 정의된다. 상술의 측면, 실시예, 상세예, 이점 또는 변형 이외의 기타 측면, 실시예, 상세예, 이점, 변형 등도 모두 아래의 청구항의 범위에 속한다.
또한 본 특허출원과 동일한 날짜에 출원된 "직렬형 하이브리드 차량 배터리 제어 시스템 및 방법"에 대한 대한민국 특허출원(참고: 대한민국 출원 번호 추후 기입)의 출원일에 대한 우선권을 주장하는 미국 특허출원(참고: 미국 출원 번호 추후 기입)의 모든 부분이 참고 자료로서 본 명세서에 포함하는 것으로 한다.
11. 참고 문헌
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02. "Charging at high and low temperatures: Learn how to extend battery life by moderating ambient temp," BU-410, Battery University.
Source: https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_at_high_and_low_temperatures
03. "Discharging at high and low temperatures; Explore limitations when operating a battery at adverse temp. and learn how to minimize the effects," BU-502, Battery University.
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05. "Discharging characteristics of Li-ion batteries; Learn about the difference of energy and power requirements in a battery," BU-501a, Battery University.
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06. "How to charge and when to charge; explore what conditions are best when charging any battery," BU-415, Battery University.
Source: https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/how_to_charge_when_to_charge_table
110 엔진 유닛
120 발전 유닛
130 가열 유닛
140 냉각 유닛
150 배터리 유닛
151 배터리
151R, 151R1, 151R2 분리 배터리, 분리팩
151S 고정 배터리, 고정팩
152 전기 연결 요소
152R 분리형 전기 연결 요소
152S 고정 전기 연결 요소
153 케이스
153R 분리 케이스
153S 고정 케이스
153T 덮개, 제1 덮개
153T2 제2 덮개
160 전기 기기

Claims (23)

  1. 충전과 방전이 가능한 배터리 유닛으로서,
    충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리;
    충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리; 및
    개폐가 가능한 덮개가 장착된 케이스를 포함하되,
    상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 상기 케이스 내부에 장착하되,
    상기 분리 배터리는 상기 고정 배터리에 비하여 상기 덮개에 더 가까이 장착함으로써,
    사용자가 상기 덮개를 개방하였을 때 상기 고정 배터리에 비하여 상기 분리 배터리를 상기 유닛으로부터 분리하기가 용이한 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  2. 충전과 방전이 가능한 배터리 유닛으로서,
    충전과 방전이 가능한 다수의 분리 배터리들;
    충전과 방전이 가능한 다수의 고정 배터리들;
    상기 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소; 및
    상기 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되,
    상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리 배터리의 수효보다 상기 고정 배터리의 수효가 큰 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 동일한 종류의 2차전지인 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2차전지는 리튬 배터리인 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 상이한 종류의 2차전지인 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 유닛의 온도가 상기 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내인 경우 상기 고정 배터리가 방전하고,
    상기 배터리 유닛의 온도가 상기 적정 방전 온도 범위에 속하지 않는 경우 상기 분리 배터리가 방전하며,
    이에 따라 상기 고정 배터리에 비하여 상기 분리 배터리가 상대적으로 더 큰 비가역적 손상을 입게 되면, 사용자는 상기 분리 배터리를 더 용이하게 상기 유닛으로부터 분리할 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  8. 충전과 방전이 가능한 배터리 유닛으로서,
    충전과 방전이 가능한 다수의 분리 배터리들;
    충전과 방전이 가능한 다수의 고정 배터리들;
    상기 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소; 및
    상기 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되,
    상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
    상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적은 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분리 배터리의 수효보다 상기 고정 배터리의 수효가 큰 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 동일한 종류의 2차전지인 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 2차전지는 리튬 배터리인 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 상이한 종류의 2차전지인 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 유닛의 온도가 상기 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내인 경우 상기 고정 배터리가 방전하고,
    상기 배터리 유닛의 온도가 상기 적정 방전 온도 범위에 속하지 않는 경우 상기 분리 배터리가 방전하며,
    이에 따라 상기 고정 배터리에 비하여 상기 분리 배터리가 상대적으로 더 큰 비가역적 손상을 입게 되면, 사용자는 상기 분리 배터리를 더 용이하게 상기 유닛으로부터 분리할 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  14. 충전과 방전이 가능한 배터리 유닛으로서,
    충전과 방전이 가능한 다수의 분리 배터리들;
    충전과 방전이 가능한 다수의 고정 배터리들;
    상기 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소; 및
    상기 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되,
    상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 것을 특징으로 하는 배터리 유닛으로서,
    상기 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 상기 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며,
    이에 따라 사용자가 상기 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 분리하는 것에 비해 사용자가 상기 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 분리하는 것이 상대적으로 용이한 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
  15. 다수의 전기 기기가 연결된 마이크로 그리드로서,
    충전과 방전이 가능한 하나 이상의 분리 배터리와 충전과 방전이 가능한 하나 이상의 고정 배터리를 포함하는 배터리 유닛; 및
    상기 배터리 유닛의 방전 및 충전을 제어 유닛을 포함하되,
    상기 고정 배터리보다 상기 분리 배터리가 상기 배터리 유닛으로부터 더 용이하게 분리되도록 상기 배터리 유닛에 장착하고,
    상기 배터리 유닛의 온도가 상기 배터리의 적정 방전 온도 범위 이내에 속하면 상기 제어 유닛은 상기 고정 배터리를 방전하여 상기 전기 기기를 구동하는 한편 상기 배터리 유닛의 온도가 상기 범위에 속하지 않는 저온이나 고온이면 상기 제어 유닛은 상기 분리 배터리를 방전하여 상기 전기 기기를 구동하며,
    상기 고정 배터리보다 상기 분리 배터리가 심한 비가역적 손상을 입으면 사용자는 상기 고정 배터리에 비해 상기 분리 배터리를 상기 배터리 유닛으로부터 더 용이하게 분리할 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  16. 제15항에 있어서,
    (1) 상기 분리 배터리의 수효보다 상기 고정 배터리의 수효가 큰 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
    (2) 상기 분리 배터리의 수효보다 상기 고정 배터리의 수효가 적은 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 동일한 종류의 2차전지인 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 2차전지는 리튬 배터리인 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리는 상이한 종류의 2차전지인 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 배터리 유닛은 상기 분리 배터리와 상기 고정 배터리를 그 내부에 포함하는 케이스를 포함하고,
    상기 케이스는 개폐가 가능한 덮개를 포함하며,
    상기 분리 배터리는 상기 고정 배터리에 비하여 상기 덮개에 더 가까이 장착함으로써,
    사용자가 상기 덮개를 개방하였을 때 상기 고정 배터리에 비하여 상기 분리 배터리를 상기 유닛으로부터 분리하기가 용이한 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 배터리 유닛은 상기 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소; 및
    상기 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되,
    상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하는 데 필요한 사용자의 첫 번째 조작 횟수가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 전기적 및 기계적으로 분리하기 위하여 필요한 사용자의 두 번째 조작 횟수보다 적은 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 배터리 유닛은 상기 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소; 및
    상기 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되,
    상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 기계적으로 분리하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적은 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 배터리 유닛은 상기 분리 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 분리형 전기 연결 요소; 및
    상기 고정 배터리들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 고정 전기 연결 요소를 포함하되,
    상기 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 첫 번째 힘의 크기가 상기 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하기 위하여 사용자가 가해야 하는 두 번째 힘의 크기보다 적으며,
    이에 따라 사용자가 상기 고정 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 상기 고정 배터리를 상기 고정 전기 연결 요소로부터 분리하는 것에 비해 사용자가 상기 분리형 전기 연결 요소의 모양을 변형하며 상기 분리 배터리를 상기 분리형 전기 연결 요소로부터 분리하는 것이 상대적으로 용이한 것을 특징으로 하는 마이크로 그리드.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022215793A1 (ko) * 2021-04-08 2022-10-13 주식회사 세원전력 지역 단위 전력망 시스템

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