KR20230175200A - 지능형 에너지 저장 시스템 - Google Patents
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Abstract
외부 전원과 부하에 전기적으로 연결되어 있으며 제1 에너지 저장 장치, 제2 에너지 저장 장치, 적어도 하나의 컨버터 및 컨트롤러를 포함하는 지능형 에너지 저장 시스템이 제공된다. 상기 제1 에너지 저장 장치는 전기 에너지를 저장하도록 구성된다. 상기 제2 에너지 저장 장치는 상기 외부 전원 및 상기 부하와 전기적으로 연결된다. 상기 컨버터는 상기 제1 에너지 저장 장치 또는 상기 제2 에너지 저장 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 검출하여 상기 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조절하도록 구성된다. 에너지 저장 모드에서는, 상기 외부 전원이 상기 제2 에너지 저장 장치를 통해 상기 제1 에너지 저장 장치를 충전하도록 전원으로서 사용된다. 에너지 전달 모드에서는, 상기 제1 에너지 저장 장치가 상기 제2 에너지 저장 장치를 충전하도록 전원으로서 사용된다.
Description
본 개시내용은 에너지 저장 시스템에 관한 것이며, 더 구체적으로 말하면 지능형 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
충전식 배터리들은 다양한 일상 생활용품에 널리 사용되어 왔다. 예를 들어, 내연기관(이하 "엔진"으로서 언급됨)에 의해 구동되는 차량에서는 엔진 시동을 위해 배터리가 사용된다. 현재 시판되고 있는 대부분의 모터사이클과 자동차는 시동과 전력저장을 위해 납축 배터리(lead-acid battery)가 사용된다. 그러나 납축 배터리는 납축 배터리의 납 기반 프로세스로 인해 환경친화적이지 않으며, 납축 배터리의 평균 수명은 2년 내지 3년에 불과하다. 기존의 납축 배터리는 양극판, 음극판, 분리막, 배터리 슬롯, 전해액 및 단자 커넥터로 이루어져 있다. 배터리의 원리는 화학적 전기 에너지를 직류 전기 에너지로 변환하고, 충전과 방전을 통한 반복적인 저장과 사용을 제공하는 것이다. 엔진 시동을 위해 납축 배터리를 이용하는 장치는 순간적인 높은 전류의 흐름이 필요하므로 반복적인 동작 후에 성능이 저하되는 경우가 많다. 이는 내부 저항의 증가로 이어지며, 변함없는 높은 전류의 흐름을 통한 엔진 시동으로 인해 성능 저하가 가속화되고 결국 배터리가 고장 나게 된다. 납축 배터리의 수명은 다양한 전류 흐름 조건에 의해 영향을 받게 된다. 또한, 납축 배터리는, 내부 저항의 증가로 인한 수명의 단축 외에도, 과충전시 유해한 가연성 수소 가스의 발생 가능성과 과방전시 다량의 황산납(lead sulfate)의 결정화로 인한 전해액 및 납판(lead plate)에 대한 되돌릴 수 없는 손상과 같은 단점들을 지님으로써, 성능이 저하되고 저장 용량이 상당히 감소하게 되거나 완전히 손실된다. 또한, 납축 배터리는 무겁고 부피가 크며 그리고 폐기시 환경오염의 위험이 커서, 결코 이상적이지 않다.
따라서, 최근 업계에서는 납축 배터리의 수명을 연장하거나 납축 배터리를 대체하기 위해 슈퍼 커패시터 뱅크(super capacitor bank)와 리튬(철) 배터리를 사용하려는 개발이 이루어져 왔다. 비록 슈퍼 커패시터 뱅크와 납축 배터리를 결합하는 애플리케이션들이 있지만, 그러한 애플리케이션들이 여전히 결합 에너지 저장 용량, 대전류 출력 및 전압 안정화 이점을 완전히 활용할 수는 없다. 또한, 리튬(철) 배터리를 사용하는 경우에는 대전류 방전 및 제어되지 않는 충전 전류로 인해 수명이 단축되는 문제들이 있다. 따라서, 납축 배터리를 슈퍼 커패시터 뱅크 및 리튬(철) 배터리로 대체하면서 대전류의 충전 또는 방전으로부터 리튬(철) 배터리를 보호할 수 있게 하는 기술의 개발이 시급하다. 이는 리튬(철) 배터리의 수명을 늘리고 전류 제한을 극복하는 데 도움이 된다.
상기 단점들을 고려하고 그리고 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용에 의해 개시되는 지능형 에너지 저장 시스템은 외부 전원 및 부하에 전기적으로 연결되며, 상기 지능형 에너지 저장 시스템은, 전기 에너지를 저장하기 위한 제1 에너지 저장 장치; 및 상기 외부 전원 및 상기 부하에 전기적으로 연결된 제2 에너지 저장 장치를 포함한다. 에너지 저장 모드에서는, 상기 외부 전원이 상기 제2 에너지 저장 장치를 통해 상기 제1 에너지 저장 장치를 충전하도록 전원으로서 사용된다. 에너지 전달 모드에서는, 상기 제1 에너지 저장 장치가 상기 제2 에너지 저장 장치를 충전하도록 전원으로서 사용된다. 상기 지능형 에너지 저장 시스템은 또한, 출력 전압 및 출력 전류를 조절하기 위해 상기 제1 에너지 저장 장치와 상기 제2 에너지 저장 장치 간에 전기적으로 연결됨으로써, 상기 제1 에너지 저장 장치가 상기 제2 에너지 저장 장치를 일 방향으로 충전할 수 있게 하거나 상기 외부 전원이 상기 제2 에너지 저장 장치를 통해 상기 제1 에너지 저장 장치를 일방향으로 충전할 수 있게 하는 적어도 하나의 컨버터; 및 상기 제1 에너지 저장 장치 또는 상기 제2 에너지 저장 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 검출해서 상기 제1 에너지 저장 장치의 대전류 충전 또는 방전을 회피함으로써 상기 제1 에너지 저장 장치를 보호하기 위해 상기 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조절하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 제1 에너지 저장 장치가, 리튬(철) 배터리, 삼원계 리튬 배터리(ternary lithium battery) 등 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 리튬 배터리 구조이다. 상기 제2 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터, 슈퍼 커패시터 뱅크, 커패시터 뱅크 등 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 커패시터 구조이다. 상기 외부 전원은 발전기, 외부 배터리 등 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 전원이다. 상기 외부 전원은 부하에 필요한 전력을 제공하도록 구성된다. 또한, 상기 제2 에너지 저장 장치는 상기 외부 전원에 전기적으로 연결된다. 상기 외부 전원이 외부 전원 공급 상태, 다시 말하면 에너지 저장 모드에 있음에 응답하여, 상기 외부 전원은 상기 제2 에너지 저장 장치를 통해 상기 컨버터에 연결되고, 그 후에 상기 제1 에너지 저장 장치에 연결된다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 에너지 저장 장치를 충전하기 위해 상기 컨버터를 제어함으로써 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류를 제어한다. 다시 말하면 상기 외부 전원에 의해 출력된 전기 에너지는 상기 컨버터를 통해 일방향으로 상기 제1 에너지 저장 장치에 다시 충전된다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 컨트롤러가 제1 에너지 저장 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 검출한다. 상기 제1 에너지 저장 장치의 제1 전압 값과 제1 전류 값은 각각 전압 측정 장치와 전류 측정 장치를 통해 측정된다. 상기 컨트롤러는 상기 제2 에너지 저장 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 검출하고, 상기 제2 에너지 저장 장치의 제2 전압 값은 상기 전압 측정 장치를 통해 측정된다. 상기 제1 에너지 저장 장치의 제1 전압 값과 제1 전류 값, 그리고 상기 제2 에너지 저장 장치의 제2 전압 값은 각각 상기 컨트롤러에 제공되고, 그럼으로써 상기 컨트롤러는 상기 컨버터의 출력 전압과 출력 전류를 조절한다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 컨버터가 오프(off) 상태, 충전 제어 상태, 방전 제어 상태를 포함한다. 상기 오프 상태는 상기 컨버터가 충전이나 방전을 수행하지 않음을 의미한다. 상기 충전 제어 상태는 상기 외부 전원이 상기 제2 에너지 저장 장치와 상기 컨버터를 통해 상기 제1 에너지 저장 장치를 일방향으로 충전하도록 하는 상태이다. 상기 방전 제어 상태는 상기 제1 에너지 저장 장치가 상기 컨버터를 통해 상기 제2 에너지 저장 장치를 일방향으로 충전하도록 하는 상태이다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 컨트롤러가 상기 제1 에너지 저장 장치 또는 상기 제2 에너지 저장 장치의 적어도 하나의 전기적 특성에 따라 상기 오프 상태, 상기 충전 제어 상태, 및 상기 방전 제어 상태 사이로 스위칭하도록 상기 컨버터를 제어한다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 컨트롤러가 상기 제2 에너지 저장 장치의 제2 전압 값이 외부 전원 공급 상태와 일치함을 검출한 후에 에너지 저장 모드가 진입된다. 상기 컨트롤러는 상기 컨버터를 상기 충전 제어 상태로 스위칭하도록 제어하고, 상기 외부 전원은 상기 제1 에너지 저장 장치가 고전위로 완전히 충전될 때까지 상기 제2 에너지 저장 장치와 상기 컨버터를 통해 상기 제1 에너지 저장 장치를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용된다. 다시 말하면, 상기 제1 에너지 저장 장치의 제1 전류 값은 제1 하한 전류 값에 이르게 된다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 컨트롤러가 상기 제2 에너지 저장 장치의 제2 전압 값이 상기 외부 전원 오프 상태와 일치함을 검출한 후, 상기 부하는 상기 제1 에너지 저장 장치 및 상기 제2 에너지 저장 장치 중 적어도 하나를 전력 공급원으로서 사용한다. 상기 제2 에너지 저장 장치의 에너지 레벨이 상기 부하의 전력 수요를 충족시키기에 부족함에 응답하여, 다시 말하면, 상기 제2 에너지 저장 장치의 제2 전압 값이 제2 하한 전압 값 미만으로 떨어져서, 에너지 전달 모드가 진입됨에 응답하여, 상기 컨트롤러는 상기 컨버터를 상기 방전 제어 상태로 스위칭하도록 제어하고, 상기 제1 에너지 저장 장치는 상기 제2 에너지 저장 장치가 고전위로 완전히 충전될 때까지 상기 제2 에너지 저장 장치를 상기 컨버터를 통해 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용된다. 다시 말하면, 상기 제2 에너지 저장 장치의 제2 전압 값이 제2 상한 전압 값에 이르게 됨에 응답하여, 상기 컨트롤러는 상기 컨버터를 오프 상태로 스위칭하도록 제어하고 그럼으로써 상기 컨버터가 충전 또는 방전을 수행하지 않게 한다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 외부 전원 오프 상태에서, 상기 부하가 상기 제2 에너지 저장 장치를 전력 공급원으로서 사용한다. 상기 제2 에너지 저장 장치의 제2 전압 값이 돌발적으로 급격하게 지속 하강하는 것을 상기 컨트롤러가 검출함에 응답하여, 상기 부하의 많은 전력 수요가 장기간 지속되어야 한다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 에너지 저장 장치와 상기 제2 에너지 저장 장치를 턴온(turn on)하도록 스위치 회로를 제어하고, 그럼으로써 상기 제1 에너지 저장 장치와 상기 제2 에너지 저장 장치가 함께 전력 공급원의 역할을 하여 장기간 지속되는 상기 부하에 의해 필요한 많은 전력 수요를 공급하게 한다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 에너지 저장 모드에서, 상기 컨버터가 상기 충전 제어 상태로 스위칭함에 응답하여, 상기 컨버터는 상기 컨트롤러에 의해 상기 제1 에너지 저장 장치를 일방향으로 충전하도록 조절되고, 정전류 충전 모드와 정전압 충전 모드가 순차적으로 실행된다. 상기 정전류 충전 모드가 상기 정전압 충전 모드로 변경되게 하기 위한 조건은 디폴트 상한 충전 전압 값을 만족하는 것이다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위해, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 에너지 전달 모드에서, 상기 컨버터가 상기 방전 제어 상태로 스위칭함에 응답하여, 상기 컨버터는 상기 컨트롤러에 의해 상기 제2 에너지 저장 장치를 일방향으로 충전하도록 조절되고, 상기 정전류 충전 모드와 상기 정전압 충전 모드가 순차적으로 실행된다. 상기 정전류 충전 모드가 상기 정전압 충전 모드로 변경되게 하기 위한 조건은 상기 디폴트 상한 충전 전압 값을 만족하는 것이다.
본 개시내용에 개시되는 지능형 에너지 저장 시스템의 상세한 구조, 특징, 조립 또는 사용은 이하 구현 예의 상세한 내용에서 설명된다. 그러나 본 개시내용을 구현하기 위한 이러한 상세한 내용 및 구체적인 실시 예가 단지 예시를 위해 제공된 것이며, 본 개시내용의 기술적 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 이 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
첨부도면들은 본 개시내용의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함된 것이며, 본 명세서에 병합되어 그의 일부를 구성하게 된다. 그러한 도면들은 본 개시내용의 실시 예들을 예시한 것이고, 그 내용과 함께 본 개시내용의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 제1 실시 예를 이루는 컨버터를 구비한 지능형 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 제2 실시 예를 이루는 2개의 컨버터를 구비한 지능형 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 3은 제3 실시 예를 이루는 컨버터와 스위치 회로를 구비한 지능형 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 제2 실시 예를 이루는 2개의 컨버터를 구비한 지능형 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 3은 제3 실시 예를 이루는 컨버터와 스위치 회로를 구비한 지능형 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
이하에서는, 상기 지능형 에너지 저장 시스템의 구성요소들 및 단계들과 달성되는 효능이 여러 도면에 상응하는 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명된다. 그러나 각각의 도면 내 지능형 에너지 저장 시스템의 구성요소, 크기, 외관은 본 개시내용의 기술적 특징들을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 개시내용을 제한하도록 의도된 것이 아니다.
또한, 본 명세서에 사용되는 "포함하는", "구성하는", "지니는" 등과 같은 용어들은 모두 확장 가능한 용어들, 다시 말하면 "∼을 포함하지만 ∼에 국한되지 않음"을 의미한다. 또한, 본 명세서 내 "및/또는"의 사용에는 열거된 항목들 중 하나 이상의 항목들과 이들의 모든 조합이 포함된다.
본 개시내용의 지능형 에너지 시스템은 제1 에너지 저장 장치(10)와 제2 에너지 저장 장치(20)의 결합 아키텍처를 제공한다. 제1 실시 예, 제2 실시 예 및 제3 실시 예의 지능형 에너지 저장 시스템은 에너지 배터리와 전력 배터리의 결합 아키텍처를 제공한다. 상기 에너지 배터리는 리튬 배터리 구조이고, 상기 전력 배터리는 커패시터 구조이다. 다시 말하면, 상기 제1 에너지 저장 장치는 리튬 배터리 구조이고, 상기 제2 에너지 저장 장치는 커패시터 구조이다. 이러한 구조는 기존의 납축 배터리와 부하/발전기의 전기적 연결 구조를 대신함으로써 납을 함유하지 않는 영구적인 배터리의 목적을 달성한다. 외부 부하 및 상기 발전기에 필요한 납축 배터리는 커패시터 구조로 대체된다. 상기 발전기의 간헐적인 순간 전압 점프는 상기 커패시터 구조에 의해 흡수됨으로써 상기 발전기의 DC 전원 공급이 안정화된다. 따라서, 부하 전력 제공과 발전기 전압 조절 양자 모두는 상기 커패시터 구조의 동작을 통해 달성된다. 상기 발전기가 전원 공급 상태에 있음에 응답하여, 상기 리튬 배터리 구조는 전기 에너지를 저장하기 위해서만 사용된다. 상기 리튬 배터리 구조는, 상기 발전기의 전원 공급 차단 상태에 응답하여 자체-소비 또는 차량 장비의 전력 소비로 인해 상기 커패시터 구조에 의해 손실되는 전기 에너지를 제공한다. 위에서는 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템의 구성이 설명되었다. 이어서, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템의 동작 및 효과가 상세하게 설명된다.
도 1에 도시된 제1 실시 예를 참조하면, 본 개시내용은 외부 전원(400) 및 부하(500)에 전기적으로 연결된 지능형 에너지 저장 시스템(100)을 제공한다. 상기 지능형 에너지 저장 시스템(100)은, 전기 에너지를 저장하는 제1 에너지 저장 장치(10); 상기 외부 전원(400) 및 상기 부하(500)에 전기적으로 연결되는 제2 에너지 저장 장치(20); 상기 제1 에너지 저장 장치(10)와 상기 제2 에너지 저장 장치(20) 간에 전기적으로 연결되는 컨버터(30); 및 상기 제1 에너지 저장 장치(10) 또는 상기 제2 에너지 저장 장치(20)의 적어도 하나의 전기적 특성을 검출하여 상기 컨버터(30)의 출력 전압 및 출력 전류를 조절하도록 구성된 컨트롤러(40)를 포함한다. 에너지 저장 모드에서는, 상기 외부 전원(400)은 상기 제2 에너지 저장 장치(20)와 상기 컨버터(30)를 통해 상기 제1 에너지 저장 장치(10)를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용된다. 다시 말하면, 상기 컨트롤러(40)는, 상기 컨버터(30)를 출력 전압(V1crg)과 출력 전류(I1crg)를 조절하도록 제어함으로써, 상기 외부 전원(400)이 상기 제2 에너지 저장 장치(20)를 통해 상기 제1 에너지 저장 장치(10)를 일방향으로 충전할 수 있게 하여, 상기 제1 에너지 저장 장치(10)의 대전류 충전의 영향을 회피할 수 있게 해준다. 에너지 전달 모드에서는, 상기 제1 에너지 저장 장치(10)는 상기 컨버터(30)를 통해 상기 제2 에너지 저장 장치(20)를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용된다. 다시 말하면, 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30)를 출력 전압(V2crg)과 출력 전류(I2crg)를 조절하도록 제어함으로써, 상기 제1 에너지 저장 장치(10)가 상기 제2 에너지 저장 장치(20)를 일방향으로 충전할 수 있게 하여, 상기 제1 에너지 저장 장치(10)의 대전류 방전 또는 과방전의 영향을 회피할 수 있게 해준다. 위에서 설명한 기술적 수단을 통해, 상기 제1 에너지 저장 장치(10)가 보호를 받을 수 있고 상기 제1 에너지 저장 장치(10)의 수명은 연장될 수 있다.
본 개시내용의 제1 실시 예에서는, 자동차가 일 예로서 사용된다. 상기 제1 에너지 저장 장치(10)는 리튬(철) 배터리이다. 상기 제2 에너지 저장 장치(20)는 슈퍼 커패시터 뱅크이다. 상기 외부 전원(400)은 상기 부하(500)에 필요한 전력을 제공하도록 구성된 발전기이다. 상기 부하(500)는 시동 모터, 차량 장비 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 포함하고, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크는 상기 발전기, 상기 시동 모터, 및 상기 차량 장비에 전기적으로 직접 연결되고, 상기 컨버터(30)는 상기 리튬(철) 배터리와 상기 슈퍼 커패시터 뱅크 간에 위치하며 상기 리튬(철) 배터리와 상기 슈퍼 커패시터 뱅크에 각각 전기적으로 연결되어 출력 전압과 출력 전류를 조절하게 된다. 자동차의 동작에 응답하여 그리고 외부 전원 공급 상태에 따라, 상기 발전기는 전력을 생성할 수 있게 되고, 이러한 전력은 상기 슈퍼 커패시터 뱅크와 상기 컨버터(30)를 통해 상기 리튬(철) 배터리에 일방향으로 충전된다. 또한, 자동차의 동작이 정지됨에 응답하여 그리고 외부 전원 공급이 차단됨에 따라, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크는 상기 부하(500)에 필요한 전력을 공급한다. 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 전력이 상기 부하(500)에 필요한 전력을 공급하기에 충분하지 않음에 응답하여, 상기 리튬(철) 배터리는 상기 컨버터(30)를 통해 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 일방향으로 충전하도록 방전될 수 있게 된다. 그러나, 본 개시내용에서는, 상기 제1 에너지 저장 장치(10)가 리튬(철) 배터리에 국한되지 않고, 상기 제2 에너지 저장 장치(20)가 슈퍼 커패시터 뱅크에 국한되지 않으며, 상기 외부 전원이 발전기에 국한되지 않고, 상기 부하가 시동 모터 및 차량 장비에 국한되지 않는다.
상기 제1 실시 예에서의 상기 컨버터(30)는 양방향 충전 기능을 지니며, 상기 양방향 충전 기능은 각각 상기 리튬(철) 배터리에 대한 일방향 충전 기능과 상기 슈퍼 커패시터 뱅크에 대한 일방향 충전 기능을 지닌다. 상기 컨버터(30)는 오프 상태, 충전 제어 상태, 방전 제어 상태를 포함한다. 상기 오프 상태는 상기 컨버터(30)가 상기 리튬(철) 배터리의 충전 또는 상기 리튬(철) 배터리의 방전을 수행하지 않음을 의미한다. 상기 충전 제어 상태는 발전기를 상기 슈퍼 커패시터 뱅크와 상기 컨버터(30)를 통해 상기 리튬(철) 배터리를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용하는 것이다. 상기 방전 제어 상태는 상기 리튬(철) 배터리를 상기 컨버터(30)를 통해 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용하는 것이다.
상기 제1 실시 예의 작동 방식을 부연 설명하면, 처음에는, 상기 컨버터(30)가 상기 오프 상태이고, 상기 컨버터(30)가 충전 또는 방전을 수행하지 않는다. 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)이 외부 전력 공급 상태에 따름을 상기 컨트롤러(40)가 검출한 후에는, 예를 들어 상기 컨버터(30)는 상기 오프 상태 또는 상기 방전 제어 상태에 있게 됨과 동시에, 상기 제2 에너지 저장 장치(20)의 제2 전압 값(V2)이 디폴트 시동 전압 값에 따르도록 상승하거나, 상기 제2 전압 값(V2)의 변화가 디폴트 시동 전압 차이에 따르거나, 자동차가 시동 신호를 제공함으로써, 상기 에너지 저장 모드가 진입하게 된다. 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30)에 의해 생성된 출력 전압(V1crg) 및 출력 전류(I1crg)를 조절하도록 상기 충전 제어 상태에 상응하는 상기 컨버터(30)의 제어 신호(CScrg)를 제공한다. 따라서, 상기 컨버터(30)는, 상기 발전기를, 제1 디폴트 상한 전압 값(V1max)으로서 설정되는, 바람직하게는 최대 전위 또는 정격 전압으로 설정되는, 요구사항에 따라 설정되는 상기 제1 디폴트 하한 전압 값(V1min)보다 임의의 높은 전압 값에 상기 리튬(철) 배터리의 제1 전압 값이 도달하게 될 때까지 상기 슈퍼 커패시터 뱅크 및 상기 컨버터(30)를 통해 상기 리튬(철) 배터리를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용하여 상기 충전 제어 상태로 스위칭한다. 대안으로, 상기 컨트롤러(40)는 상기 리튬(철) 배터리의 제1 전류 값(I1)이 제1 하한 전류 값(I1min)에 도달하게 됨을 검출한다. 본 실시 예의 제1 하한 전류 값(I1min)은 0.2C로 설정될 수 있다. 상기 컨트롤러(40)는 상기 오프 상태에 상응하는 제어 신호(CSoff)를 상기 컨버터(30)에 제공하고 그럼으로써 상기 컨버터(30)가 상기 오프 상태로 스위칭하게 되고 충전을 수행하지 못하게 되어, 상기 리튬(철) 배터리가 과충전되는 것을 방지하게 해준다.
상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)이 외부 전원 공급 차단 상태에 따름을 상기 컨트롤러(40)가 검출한 후에는, 예를 들어 상기 컨버터(30)는 오프 상태에 있게 됨과 동시에 상기 제2 에너지 저장 장치(20)의 제2 전압 값(V2)이 디폴트 턴오프(turn off) 전압 상태에 따르도록 강하하거나, 상기 제2 전압 값(V2)의 변화가 디폴트 턴오프 전압 차이에 따르거나, 또는 자동차가 턴오프 신호를 제공한다. 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)이 너무 낮게 됨에 응답하여, 이러한 현상은 또한 부족전압(undervoltage)이라 지칭되는데, 이것이 의미하는 것은 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 시동 모터에 저온 시동 전류량(cold cranking ampere; CCA)을 정상적으로 제공할 수 없다는 것이다. 다시 말하면, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크는 상기 시동 모터를 작동시키기에 충분한 전류를 공급할 수 없다. 따라서, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)이 제2 하한 전압 값(V2min)보다 낮은 것으로 상기 컨트롤러(40)가 검출함과 동시에, 상기 리튬(철) 배터리가 상기 제1 하한 전압 값(V1min)보다 큰 것으로 상기 컨트롤러(40)가 검출함에 응답하여, 상기 에너지 전달 모드가 진입하게 된다. 상기 제1 하한 전압 값(V1min)은 상기 리튬(철) 배터리의 과방전을 방지하기 위해 상기 리튬(철) 배터리가 과방전 전압에 도달하게 되는 값으로 설정된다. 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30)에 의해 생성된 출력 전압(V2crg) 및 출력 전류(I2crg)를 조절하도록 상기 방전 제어 상태에 상응하는 상기 컨버터(30)의 제어 신호(CSdiscrg)를 제공한다. 따라서, 상기 컨버터(30)는, 상기 리튬(철) 배터리를, 최대 전위 또는 정격 전압으로 설정되는 것이 바람직한, 제2 디폴트 상한 전압 값(V2max)에 도달하는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)을 상기 컨트롤러(40)가 검출할 때까지 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용하여, 상기 방전 제어 상태로 스위칭한다. 대안으로, 상기 컨트롤러(40)는 상기 리튬(철) 배터리의 제1 전압 값(V1)이 제1 하한 전압 값(V1min)보다 낮게 됨을 검출한다. 상기 컨트롤러(40)는 상기 오프 상태에 상응하는 제어 신호(CSoff)를 상기 컨버터(30)에 제공하고, 그럼으로써 상기 컨버터(30)가 상기 오프 상태로 스위칭하게 되고 상기 리튬(철) 배터리의 방전을 수행하지 않게 된다. 필요한 경우, 가청 경보, 영상 디스플레이, 또는 시각적 디스플레이 또는 조명 표시기 중 하나 또는 이의 조합을 포함하여 경고가 발행될 수 있다.
본 개시내용의 제1 실시 예에서의 에너지 전달 모드에서는, 에너지 저장 모드 시 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 하한 전압 값(V2min)과 제2 상한 전압 값(V2max)에 대한 구성은 다음과 같다. 자동차를 예로 들면, 기존 자동차 시동 모터의 부하 전류는 자동차의 배기량(CC)과 관련이 있다. 상기 배기량은 전체 엔진 루프에서 내연 기관이 흡입하는 공기 및 가스 혼합물의 총 부피를 언급하며, 이는 일반적으로 입방 센티미터(cubic centimeter; CC)로 표시된다. 상기 배기량의 크기는 자동차의 출력, 가속 성능, 연료 소비 및 CO2 배출량과 관련이 있다. 저온 시동 전류량(CCA)의 최소 전류 값은 시동 배터리의 사양에 의해 결정된다. 예를 들어, 12V 시동 배터리는 적어도 7.2V의 전압을 유지하면서 0℉에서 30초 동안 전달하는 배터리로 정의될 수 있다. 상기 시동 배터리의 7.2V 전압 값에 상응하는 전류가 상기 저온 시동 전류량의 최저 전류 값보다 낮게 됨에 응답하여, 상기 시동 배터리의 순간 방전을 위한 전력이 부족해진다. 다시 말하면, 상기 시동 배터리는 상기 시동 모터에 충분한 전류를 공급할 수 없다. 일반적으로, 1600CC 내지 2000CC로 분류되는 시동 배터리에는 저온 시동 전류량(CCA)가 500A인 시동 배터리가 필요하다. 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템에서는, 상기 시동 모터의 전류는 전적으로 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 총 CCA에 의해 제공된다. 예를 들어, 슈퍼 커패시터 뱅크는 6개의 슈퍼 커패시터가 직렬로 연결됨으로써 형성되며, 상기 슈퍼 커패시터들 각각의 전압은 2.8V이다. 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 최대 전압은 2.8V x 6 = 16.8V이다. 따라서, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크는 500A를 인출하도록 부스트(boost)된다. 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 내부 저항과 라인 저항의 합이 0.013Ω임에 응답하여, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 500A의 전류를 추출할 수 있는 제2 하한 전압 값(V2min)은 13.7V이다. 계산하면 7.2V/500A=0.0144Ω이고，V2min/(0.013Ω+0.0144Ω) = 500A과 같다. 따라서, 상기 제2 하한 전압 값(V2min)을 상기 슈퍼 커패시터 뱅크와 병렬 연결된 외부 전원의 전압 값보다 낮게 설계하여, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 전압 값이 상기 제2 하한 전압 값(V2min)보다 높게 유지되게 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 외부 전원이 12V 시스템인 자동차 발전기의 경우, 상기 발전기의 충전 전압은 일반적으로 14.2V 이상이고, 상기 제2 하한 전압 값(V2min)은 13.7V로 설정됨으로써, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 언제든지 상기 시동 모터에 충분한 전류를 공급할 수 있게 된다. 또한, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 상한 전압 값(V2max)은 최대 전위 또는 정격 전압으로 설정되는 것이 바람직한, 상기 제2 하한 전압 값(V2min)보다 높은 임의의 전압 값으로 요구사항에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 상한 전압 값(V2max)은 15.8V로 설정될 수 있다.
본 개시내용의 제1 실시 예에서의 지능형 에너지 저장 시스템은 대전류 출력 및 전압 조절 특성을 달성하기 위해 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 사용할 수 있다. 자동차를 예로 들면, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 상기 발전기, 상기 시동 모터, 및 상기 차량 장비에 직접 병렬로 연결하면 상기 차량 장비의 안정성과 수명을 향상시키면서 상기 시동 모터의 작동 및 상기 발전기의 전압 조절이 효과적으로 이루어질 수 있다. 상기 리튬(철) 배터리가 상기 시동 모터의 전반적인 시동과 상기 발전기의 전압 조절에 직접 관여하지 않으므로, 상기 시동 모터를 시동하는 순간(< 5ms)에 상기 리튬(철) 배터리로부터 대전류를 공급할 필요가 없다. 상기 발전기의 조절된 AC 전력에 응답하여, 자동차 동작 중에 발생하는 간헐적인 순간 전압 점프가 상기 슈퍼 커패시터 뱅크에 의해 흡수된다. 다시 말하면, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크만이 전압 조절에 일조하여, 상기 리튬(철) 배터리가 리플과 높은 충전 전류에 영향을 받지 않게 함으로써 상기 리튬(철) 배터리의 수명을 연장시켜 준다.
예를 들어, 상기 리튬(철) 배터리의 전력은 30AHr이다. 상기 에너지 저장 모드에서는, 상기 발전기의 작동에 응답하여, 상기 발전기가 전원으로서 사용된다. 상기 리튬(철) 배터리는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크와 상기 컨버터(30)를 통해 일방향으로 충전된다. 상기 컨버터(30)는 0.5C 및 최대 15A의 충전 IC를 통해 제어 가능한 출력 전류 및 제어 가능한 출력 전압으로 상기 리튬(철) 배터리를 충전하고, 그럼으로써 상기 리튬(철) 배터리에 대한 대전류 충전 가능성을 효과적으로 방지한다. 상기 에너지 전달 모드에서는, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 충전 필요에 응답하여, 상기 리튬(철) 배터리는 전원으로서 사용되도록 방전된다. 상기 컨버터(30)는 1C 및 최대 30A의 충전 IC를 통해 제어 가능한 출력 전류 및 제어 가능한 출력 전압으로 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 일방향으로 충전하고, 그럼으로써 상기 리튬(철) 배터리에 대한 대전류 방전 가능성을 효과적으로 방지한다. 위의 메커니즘을 통해, 대전류로 인해 리튬(철) 배터리가 손상됨이 없이 전력 저장, 전압 조절 및 순간적인 높은 전류의 요구들이 충족된다. 본 실시 예에서의 컨버터(30)는 하나 이상의 부스트/벅(boost/buck) 모듈들을 포함하지만, 본 개시내용는 이에 국한되지 않는다. 상기 부스트/벅 모듈들은 방향성을 지니며, 일방향으로 전압원을 수용하여 이를 하나 이상의 출력 전압으로 변환할 수 있다. 상기 부스트/벅 모듈들의 설계는 상기 리튬(철) 배터리와 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 잠재력에 의존하며 부스트 모드 또는 벅 모드에서 동작한다. 명칭에서 알 수 있는 바와 같이, "부스트 모드(boosting mode)"는 특정 전압을 부스팅(boosting; 승압)하여 다른 전압을 획득하는 것을 의미하고, "벅 모드(bucking mode)"는 특정 전압을 버킹(bucking; 강압)하여 다른 전압을 획득하는 것을 의미한다.
상기 에너지 저장 모드에 있든 상기 에너지 전달 모드에 있든 관계없이, 상기 컨버터(30)가 상기 충전 제어 상태에 있거나 또는 상기 방전 제어 상태에 있음에 응답하여, 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30)를 상기 리튬(철) 배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 일방향으로 충전하도록 조절한다. 바람직한 충전 모드는 정전류 충전 모드(CC 모드)와 정전압 충전 모드(CV 모드)를 순차적으로 실행하는 것이다. 충전 개시 시(상기 리튬(철) 배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 저전력 상태에 있는 것으로 가정한 것이지만, 이에 국한되지 않음), 상기 리튬(철)배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 충전 모드는 정전류 충전 모드이다. 이때, 상기 충전 전류는 고정되어 있으며 높은 충전 전류이다. 따라서, 상기 리튬(철) 배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크에 충전되는 전력은 큰 용량 및 높은 충전 속도를 지니고, 그럼으로써 상기 리튬(철) 배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 신속하게 완전히 충전될 수 있게 한다. 상기 리튬(철) 배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 상한 충전 전압 값에 이르기까지 거의 완전히 충전됨에 응답하여, 상기 리튬(철) 배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 충전 모드가 정전압 충전 모드로 변경된다. 이때, 전압은 고정되고 충전 전류는 감소하며, 그리고 충전 속도는 느려지므로, 상기 리튬(철) 배터리 또는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 완전 충전이라는 선호 조건에 가까워지게 된다.
또 다른 예는 자동차가 아이들 스톱 시스템(idle stop system)을 구비함에 응답하여 시동 횟수가 일반 차량의 N배 시동 횟수에 이르는 것이다. 오염과 연료 소비를 줄이기 위해, 일부 자동차 제조업체들에서는 자동차가 정지할 때 엔진을 턴오프하는 시동/정지 시스템을 그들의 차세대 모델들에 도입하여 왔다. 운전자가 브레이크 페달로부터 가속 페달로 운전자의 발을 옮김에 응답하여 엔진이 자동으로 재시동된다. 이는 도시 운전의 바쁜 시간과 잦은 정지 및 출발 중에 연료 소비를 줄임과 동시에 대기 오염을 줄일 수 있는 방법을 설명한다. 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템(100)은 아이들 스톱 시스템(시동/정지 시스템(start/stop system))을 구비한 자동차에 전력을 공급할 수 있다. 기존 시동 모터의 시동 사이클 수와 비교해서, 시동 사이클 수는 N회이며, 여기서 N은 산술 평균 또는 반올림된 숫자의 양(+)의 정수이다. 따라서 자동차가 정지되면 엔진이 턴오프된다. 다시 말하면, 상기 발전기가 전력을 공급하지 않고 외부 전력 공급 차단 상태에 따름에 응답하여, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크는 에어컨, 오디오, 헤드라이트 등과 같은 자도차 상의 차량 장비의 전력 소비에 전력을 공급하는데 사용됨으로써, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 지속적인 전력 손실이 발생하는 결과가 초래된다. 따라서, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압(V2)이 제2 하한 전압(V2min)보다 낮게 됨을 상기 컨트롤러(40)가 검출함에 응답하여, 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30)를 상기 방전 제어 상태로 스위칭하도록 제어하고 상기 리튬(철) 배터리를 상기 컨버터(30)를 통해, 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)이 다음 엔진 시동을 위해 제2 상한 전압 값(V2max)에 도달하게 될 때까지 상기 슈퍼 커패시터 뱅크에 일방향으로 충전하고 전력을 공급하도록 상기 리튬(철) 배터리를 방전한다. 자동차가 주행 중인 경우, 다시 말하면 상기 발전기가 전력을 공급하고 외부 전력 공급 상태에 따름에 응답하여, 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30)를 상기 충전 제어 상태로 스위칭하도록 제어한다. 상기 발전기로부터의 전력은, 최대 전위 또는 정격 전압으로 설정되는 것이 바람직한 제1 디폴트 상한 전압 값(V1max)에 도달하게 될 때까지 상기 슈퍼 커패시터 뱅크 및 상기 컨버터(30)를 통해 상기 리튬(철) 배터리를 일방향으로 충전한다. 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)은 상기 발전기의 전압과 대략 동일하거나 약간 높다.
도 2에 도시된 제2 실시 예를 참조하면, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템(200)은 상기 제1 실시 예에서의 지능형 에너지 저장 시스템(100)과 실질적으로 동일하며, 양자 간 차이점은 단지 상기 제2 실시 예에 서로 다른 방향을 이루고 있는 컨버터(30a)와 컨버터(30b)가 구비되어 있다는 것뿐이다. 상기 컨버터(30a)는 상기 제1 에너지 저장 장치(10)와 상기 제2 에너지 저장 장치(20) 간에 전기적으로 연결되어 있다. 예를 들어, 외부 전력 차단 상태에 따름에 응답하여, 상기 컨트롤러(40)는 상기 슈퍼 커패시터 뱅크의 제2 전압 값(V2)이 너무 낮게 됨, 다시 말하면 상기 슈퍼 커패시터 뱅크가 부하(500)에 필요한 전력을 제대로 공급할 수 없음을 검출한다. 따라서, 상기 에너지 전달 모드가 진입하게 된다. 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30a)를 상기 방전 제어 상태로 스위칭하도록 제어하고, 상기 리튬(철) 배터리는, 상기 컨버터(30a)를 통해 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용된다. 그러나, 다른 한 컨버터(30b)는 오프 상태에 있게 된다. 따라서, 상기 리튬(철) 배터리는 상기 부하(500)에 필요한 전력을 제공하고 상기 발전기를 조절하는 데 직접 관여하지 않는다. 외부 전력 공급 상태에 따름에 응답하여, 상기 에너지 저장 모드가 진입하게 된다. 상기 컨트롤러(40)는 상기 컨버터(30b)를 상기 충전 제어 상태로 스위칭하도록 제어하고, 상기 발전기는 상기 컨버터(30b)를 통해 상기 슈퍼 커패시터 뱅크를 거쳐 상기 리튬(철) 배터리를 일방향으로 충전하도록 전원으로서 사용된다. 그러나, 다른 한 컨버터(30a)는 오프 상태에 있게 된다.
도 3에 도시된 제3 실시 예를 참조하면, 본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템(300)은 상기 제1 실시 예에서의 지능형 에너지 저장 시스템(100)과 실질적으로 동일하며, 양자 간 차이점은 단지 상기 제1 에너지 저장 장치(10)와 상기 제2 에너지 저장 장치(20)의 턴온 및 턴오프 상태를 스위칭하기 위한 스위치 회로)50)가 추가되어 있다는 것뿐이다. 상기 발전기가 전력 공급을 중단하고 외부 전력 공급 차단 상태에 따름에 응답하여, 상기 제2 에너지 저장 장치(20)는 상기 부하(500)에 필요한 전력을 제공한다. 상기 제2 에너지 저장 장치(20)의 제2 전압 값(V2)이 계속해서 너무 빠르게 강하하게 됨, 다시 말하면 상기 부하(500)의 전력 소비가 여전히 크게 됨을 상기 컨트롤러(40)가 검출함에 응답하여, 상기 컨트롤러(40)는 상기 오프 상태에 상응하는 제어 신호(CSoff)를 상기 컨버터(30)에 제공한다. 상기 컨버터(30)는 상기 오프 상태로 스위칭됨으로써 충전 또는 방전을 수행하지 않게 된다. 동시에, 상기 컨트롤러(40)는, 상기 스위치 회로(50)가 상기 제1 에너지 저장 장치(10) 및 상기 제2 에너지 저장 장치(20)를 턴온하도록 해당 제어 신호(CSfast)를 제공한다. 상기 제1 실시 예에서의 상기 컨버터(30)의 충전 전류(30A)와 비교해서, 상기 제3 실시 예는, 상기 제1 에너지 저장 장치(10)에 의해 상기 제2 에너지 저장 장치(20)를 신속하게 충전하고 상기 부하(500)의 대전력 요구를 충족시키기 위해 높은 충전 전류, 예를 들어 70A를 제공할 수 있다. 상기 스위치 회로(50)는, 예를 들어 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), 릴레이, 전자기 스위치 중 적어도 하나로 구성된 스위치이지만, 본 개시내용은 이에 국한되지 않는다.
본 개시내용의 다른 한 실시 예에서의 지능형 에너지 저장 시스템(도면에는 도시되지 않음)에서, 상기 제2 에너지 저장 장치(20)의 제2 전압 값(V2)이 외부 전력 공급 차단 상태에 따름을 상기 컨트롤러(40)가 검출한다. 이 경우에, 상기 부하(500)는 전력 공급원으로서 상기 제1 에너지 저장 장치(10)에 의해 전력을 공급받을 수도 있고 전력 공급원으로서 상기 제2 에너지 저장 장치(20)에 의해 전력을 공급받을 수도 있으며, 전력 공급원으로서 상기 제1 에너지 저장 장치(10) 및 상기 제2 에너지 저장 장치(20) 양자 모두에 의해 전력을 공급받을 수도 있다.
본 개시내용의 지능형 에너지 저장 시스템의 적용은 자동차 또는 어선에 국한되지 않는다. 스마트 에너지 저장 시스템 자체는 상기 지능형 에너지 저장 시스템의 보호 기능을 제공하고 그의 수명을 연장하는 독립형 배터리로서의 역할을 한다. 이를 통해 차량과 내연기관은 하나의 지능형 에너지 저장 시스템과 함께 그들의 수명 동안 동작할 수 있게 된다. 상기 시스템은 에너지 저장, 전압 조절, 및 대전류 요구량의 요구사항들을 충족한다. 상기 전압 조정은 차량, 내연 기관, 연료 또는 전자 제어부의 효율성과 안정성을 향상시키고 그럼으로써 대기 오염을 줄여준다. 본 개시내용은 설계를 수정할 필요 없이 내연 기관에 의해 구동되는 임의의 차량 또는 배터리가 필요한 임의의 전력 장비에 적용될 수 있으므로, OEM(original equipment manufacturer) 및 애프터마켓 수요(aftermarket demand) 양자 모두에 적합하다.
여기서 강조되어야 할 점은 위에서 언급한 본 개시내용의 실시 예들에 개시된 구성요소들이 예시적인 예들로서 제공되는 것이며 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다는 것이다. 다른 등가 구성요소들의 대체 또는 변형도 본 개시내용의 기술적 해결수법의 범위 내에서 고려되어야 한다.
마지막으로, 여기서 유념해야 할 점은 전술한 실시 예들이 단지 본 개시내용의 기술적 해결수법들을 예시하기 위해 사용된 것일 뿐, 본 개시내용을 제한함이 아니라는 것이며, 비록 본 개시내용이 상기 전술한 실시 예들을 참조하여 상세하게 설명되어 있지만, 당업자라면 상기 전술한 실시 예들에서 설명한 기술적 해결수법이 여전히 수정될 수도 있고, 그의 기술적 특징들 중 일부 또는 전부가 동등하게 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 하지만, 이러한 수정 또는 대체는 본 개시내용의 실시 예들의 기술적 해결수법들의 범위에서 상응하는 기술적 해결수법들의 본질을 벗어나지 않는다.
Claims (11)
- 외부 전원 및 부하에 전기적으로 연결된 지능형 에너지 저장 시스템으로서, 상기 지능형 에너지 저장 시스템은,
전기 에너지를 저장하기 위한 리튬 배터리 구조;
상기 외부 전원 및 상기 부하에 전기적으로 연결된 커패시터 구조 - 에너지 저장 모드에서, 상기 외부 전원은 커패시터 구조를 통해 상기 리튬 배터러 구조를 충전하도록 전원으로서 사용되며, 커패시터 구조의 제2 전압 값이 제2 하한 전압 값보다 낮게 되고 상기 리튬 배터리 구조의 제1 전압 값이 제1 하한 전압 값보다 크게 됨에 응답하여, 에너지 전달 모드가 진입하게 되며 상기 리튬 배터리 구조가 커패시터 구조를 충전하기 위해 전원으로서 사용됨 -;
적어도 하나의 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조절하기 위해 상기 리튬 배터리 구조와 상기 커패시터 구조 간에 전기적으로 연결됨으로써, 상기 리튬 배터리 구조가 상기 커패시터 구조를 일방향으로 충전할 수 있게 하거나 상기 외부 전원이 상기 커패시터 구조 및 적어도 하나의 컨버터를 통해 상기 리튬 배터리 구조를 일방향으로 충전할 수 있게 하는 적어도 하나의 컨버터; 및
상기 리튬 배터리 구조의 제1 전압 값 또는 상기 커패시터 구조의 제2 전압 값을 검출해서 상기 리튬 배터리 구조의 대전류 충전 또는 방전을 회피함으로써 상기 리튬 배터리 구조를 보호하기 위해 상기 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류를 조절하도록 구성된 컨트롤러;
를 포함하는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 컨버터는 오프 상태, 충전 제어 상태, 및 방전 제어 상태를 포함하고, 상기 오프 상태는 상기 컨버터가 충전 또는 방전을 수행하지 않는 것을 의미하며, 상기 충전 제어 상태는 상기 외부 전원이 상기 커패시터 구조 및 상기 컨버터를 통해 상기 리튬 배터리 구조를 일방향으로 충전하도록 하는 상태이고, 상기 방전 제어 상태는 상기 리튬 배터리 구조가 상기 컨버터를 통해 상기 커패시터 구조를 일방향으로 충전하도록 하는 상태인, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 리튬 배터리 구조의 제1 전압 값 또는 제1 전류 값, 또는 상기 커패시터 구조의 제2 전압 값을 검출함으로써 상기 컨버터를 상기 오프 상태, 상기 충전 제어 상태, 및 상기 방전 제어 상태 사이로 스위칭하도록 제어하는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 커패시터 구조의 제2 전압 값이 외부 전력 공급 상태에 따르게 됨을 상기 컨트롤러가 검출한 후에 상기 에너지 저장 모드가 진입하게 되는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 에너지 저장 모드에서, 상기 컨버터는 상기 리튬 배터리 구조의 제1 전압 값이 제1 상한 전압 값에 도달하게 될 때까지, 또는 상기 리튬 배터리 구조의 제1 전류 값이 제1 하한 전류 값에 도달하게 될 때까지 상기 충전 제어 상태에 있으며, 상기 컨트롤러는 상기 컨버터를 충전하지 않고 상기 오프 상태로 스위칭하도록 제어하는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 커패시터 구조의 제2 전압 값이 외부 전력 공급 차단 상태에 따르게 됨을 상기 컨트롤러가 검출한 후에, 상기 부하가 상기 리튬 배터리 구조 및 상기 커패시터 구조 중 적어도 하나를 전력 공급원으로서 사용하는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 에너지 전달 모드로의 진입에 응답하여, 상기 컨버터는 상기 커패시터 구조의 제2 전압 값이 제2 상한 전압 값에 도달하게 될 때까지 상기 방전 제어 상태에 있는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 에너지 저장 모드 또는 상기 에너지 전달 모드에서, 상기 컨버터가 상기 충전 제어 상태에 있거나 상기 방전 제어 상태에 있음에 응답하여, 상기 컨버터는 상기 컨트롤러에 의해 상기 리튬 배터리 구조 또는 상기 커패시터 구조를 충전하도록 조절되고, 정전류 충전 모드 및 정전압 충전 모드가 순차적으로 실행되는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 정전류 충전 모드가 상기 정전압 충전 모드로 변경되기 위한 조건은 디폴트 상한 충전 전압 값을 만족하는 것인, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 지능형 에너지 저장 시스템은 스위치 회로를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 컨버터를 상기 오프 상태로 스위칭하도록 제어함으로써, 상기 스위치 회로가 상기 리튬 배터리 구조에 의한 상기 커패시터 구조의 신속한 충전을 달성하도록 상기 리튬 배터리 구조 및 상기 커패시터 구조를 턴온하게 하는, 지능형 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 부하는, 하기 수학식들: RM = 7.2 V/CCA, 및 V2min = CCA × (RC + RL + RM)을 만족하는, 상기 에너지 전달 모드에 진입하는 시동 모터를 포함하고, V2min은 상기 커패시터 구조의 제2 하한 전압 값이며, CCA는 상기 커패시터 구조에 의해 상기 시동 모터를 작동시키는 저온 시동 전류량(cold cranking ampere)이고, RC는 상기 커패시터 구조의 내부 저항이며, RL은 상기 커패시터 구조의 라인 저항이고, RM은 시동 모터의 저항인, 지능형 에너지 저장 시스템.
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