KR102266218B1 - 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템 - Google Patents

스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일의 시스템에서 다양한 출력을 낼 수 있는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 것으로, 부하(10)에 연결되는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 있어서, 서로 직렬로 연결되는 적어도 두 개 이상의 배터리를 포함하는 배터리부(100); 상기 배터리부(100)에 포함되는 상기 배터리의 양극 및 음극에 각각 하나씩 연결되되, 서로 병렬로 연결되는 복수의 스위치를 포함하는 스위치부(200); 및 상기 스위치부(200)에 포함되는 상기 스위치별로 제어신호를 송신하여 상기 부하에 연결되는 상기 배터리의 개수를 제어하는 제어부(300);를 포함하여 이루어지는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 것이다.

Description

스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템{Smart charge and discharge switch matrix system}
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 것으로, 다양한 출력레벨로 방전하거나 특정 배터리만을 충전할 수 있는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 것이다.
특허문헌 001은 전력 계통으로부터 충전할 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련되며, 제1 충방전율(C-rate)를 갖는 제1 배터리부; 전력 계통에 제1 배터리부와 병렬 연결되고, 전력 계통으로부터 충전할 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련되며, 제1 충방전율(C-rate) 보다 낮은 제2 충방전율을 갖는 제2 배터리부; 및 전력 계통의 주파수 변동을 감지하고, 주파수 변동을 억제하기 위하여, 주파수 변동 정도에 따라 제1 배터리부 및 제2 배터리부의 충전 및 방전을 각각 제어하도록 마련된 제어부를 포함하는, 하이브리드 충방전 시스템에 관한 기술을 제시하고 있다.
특허문헌 002는 전력을 생성하는 제 1 발전 장치; 상기 제 1 발전 장치를 통해 생성된 전력을 저장하고, 상기 저장된 전력을 계통으로 출력하는 에너지 저장 장치; 및 상기 제 1 발전 장치에서 생성된 제 1 전력 값과 상기 계통의 목표 전력 값을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 에너지 저장 장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 에너지 저장 장치는, 전력을 저장하며, 서로 다른 동작 특성을 가지는 복수의 에너지 저장부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 에너지 저장부가 각각 가지는 동작 특성을 기준으로 상기 에너지 저장부의 동작 조건을 결정하고, 상기 결정된 동작 조건을 기준으로 상기 에너지 저장부의 동작이 이루어지도록 제어하는 배터리 에너지 저장 시스템에 관한 기술을 제시하고 있다.
특허문헌 003은 계통 및 상기 계통에 연계된 DC(Direct Current) 배전망의 전력을 관리하는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 DC 배전망에 연결된 제1 DC-DC 컨버터; 상기 제1 DC-DC 컨버터에 연결되고, 상기 제1 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 슈퍼 커패시터; 상기 DC 배전망에 연결된 제2 DC-DC 컨버터; 및 상기 제2 DC-DC 컨버터에 연결되고, 상기 제2 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 배터리를 포함하되, 상기 제1 DC-DC 컨버터는 상기 DC 배전망에 인가된 계통 전압의 노이즈를 필터링한 후 댐핑 전류를 생성하여 상기 DC 배전망을 안정화시키는 DC 배전망 안정화 제어기를 포함하는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 관한 기술을 제시하고 있다.
특허문헌 004는 그린에너지를 포집하여 부하에 전력을 공급하는 전력공급장치에 있어서, 그린에너지를 포집하여 전기에너지를 생성하는 포집부와, 상기 포집부에서 공급한 상기 전기에너지를 소정의 전기에너지 레벨로 변환시키는 변환부와, 상기 변환부에서 변환된 상기 전기에너지를 저장하여 상기 부하에 전원을 공급하는 전지부를 포함하는 주 전원부와; 상기 주 전원부를 보조하여 상기 부하에 전원을 공급하는 보조 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력공급장치에 관한 기술을 제시하고 있다.
KR 10-2020-0125094 A (2020년11월04일) KR 10-2017-0129456 A (2017년11월27일) KR 10-2018-0127089 A (2018년11월28일) KR 10-2011-0040195 A (2011년04월20일)
본 발명은 단일의 시스템에서 다양한 출력을 낼 수 있는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 것이다.
종래발명들의 문제점을 해결하기 위한 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 본 발명은 부하(10)에 연결되는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 있어서, 서로 직렬로 연결되는 적어도 두 개 이상의 배터리를 포함하는 배터리부(100); 상기 배터리부(100)에 포함되는 상기 배터리의 양극 및 음극에 각각 하나씩 연결되되, 서로 병렬로 연결되는 복수의 스위치를 포함하는 스위치부(200); 및 상기 스위치부(200)에 포함되는 상기 스위치별로 제어신호를 송신하여 상기 부하에 연결되는 상기 배터리의 개수를 제어하는 제어부(300);를 포함한다.
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 상기 스위치부(200)에 포함되는 상기 스위치들 중, 상기 배터리부(100)의 최외곽 일측에 배열된 제1배터리(B1)의 양극 및 음극에 연결된 스위치들은 상기 부하(10)의 일단에, 상기 배터리부(100)의 최외곽 타측에 배열된 제2배터리(B2)의 양극 및 음극에 연결된 스위치들은 상기 부하의 타단에 연결되며, 상기 배터리부(100)에 포함되는 배터리들 중, 상기 제1배터리(B1)와 상기 제2배터리(B2)를 제외한 나머지 배터리 각각의 양극에 연결된 스위치는 상기 부하(10)의 일단에, 음극에 연결된 스위치는 상기 부하(10)의 타단에 연결되어, 상기 제어부(300)의 제어에 따라 서로 다른 출력전압으로 상기 배터리부(100)를 충전 또는 방전 시킨다.
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 상기 배터리부(100)에 포함되는 상기 배터리들의 출력전압은 서로 동일하다.
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 상기 제어부(300)는 외부로부터 상기 부하에 필요한 출력전압 정보를 수신하고, 수신한 상기 출력전압 정보에 따라 상기 스위치 각각의 ON 또는 OFF를 제어하여, 상기 배터리부(100)의 출력전압을 상기 출력전압 정보와 일치시킨다.
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 상기 배터리부(100)에 포함된 상기 배터리 각각의 SoC(Stack of Charge)를 센싱하는 센싱수단(400);을 포함하고, 상기 제어부(300)는 상기 센싱수단(400)에서 센싱된 상기 배터리 각각의 SoC정보에 따라 상기 스위치 각각의 ON 또는 OFF를 제어하여 상기 배터리들 전체 또는 일부를 충전시키거나, 상기 배터리들 전체 또는 일부를 소정의 출력전압으로 방전시킨다.
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 상기 부하(10)는 방전부하이고, 상기 제어부(300)는 상기 소정의 출력전압을 유지할 수 있도록 소정의 배터리를 상기 부하(10)에 연결하되, SoC가 기준치보다 높거나, SoC가 가장 높은 배터리가 상기 부하(10)에 연결되도록 상기 스위치들을 제어한다.
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 상기 부하(10)는 충전부하이고, 상기 제어부(300)는 SoC가 기준치보다 낮거나, SoC가 가장 낮은 배터리가 상기 부하(10)에 연결되도록 상기 스위치를 제어한다.
본 발명은 제어부에서 스위치부에 포함되는 스위치들의 제어를 통해 부하에 연결되는 배터리의 개수를 제어하므로, 단일의 시스템(또는 장치)에서 다양한 출력전압을 낼 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 배터리부에 직렬로 연결된 배터리들의 출력전압이 동일하여, 어느 하나의 배터리가 오작동하거나 고장나더라도 다른 배터리가 오작동 또는 고장난 배터리를 대체할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 센싱수단(400)에서 센싱된 배터리 각각의 상태에 따라 제어부(300)가 부하(10)에 연결되는 배터리를 달리 선택하므로, 배터리의 밸런싱이 용이한 장점이 있다.
도 1은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 개념도.
도 2는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 부분 회로도.
도 3은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 제1배터리 내지 제4배터리가 충방전 될 때의 부분 회로도.
도 4는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 제1배터리, 제3배터리 및 제4배터리가 충방전 될 때의 부분 회로도.
도 5는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 제1배터리 및 제3배터리가 충방전 될 때의 부분 회로도.
도 6은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 제1배터리가 충방전 될 때의 부분 회로도.
도 7은 다른 실시예에 의한 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 개념도.
도 8은 또 다른 실시예에 의한 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템의 부분 회로도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
아래의 실시예에서 인용하는 번호는 인용대상에만 한정되지 않으며, 모든 실시예에 적용될 수 있다. 실시예에서 제시한 구성과 동일한 목적 및 효과를 발휘하는 대상은 균등한 치환대상에 해당된다. 실시예에서 제시한 상위개념은 기재하지 않은 하위개념 대상을 포함한다.
(실시예 1-1) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은, 부하에 연결되는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 있어서, 서로 직렬로 연결되는 적어도 두 개 이상의 배터리를 포함하는 배터리부(100); 상기 배터리부에 포함되는 상기 배터리의 양극 및 음극에 각각 하나씩 연결되되, 서로 병렬로 연결되는 다수개의 스위치를 포함하는 스위치부(200); 및 상기 스위치별로 제어신호를 송신하여 상기 스위치를 제어하는 제어부(300); 를 포함한다.
종래의 배터리팩를 포함하는 충방전시스템에서는, 출력전압을 달리하기 위해서는 서로 다른 개수의 배터리 또는 서로 다른 규격의 배터리를 포함하는 별개의 배터리팩이 필요했다. 예를 들어 12V, 24V, 36V, 48V의 출력전압을 가지는 배터리팩을 위해서는, 각 출력전압의 배터리팩이 별개로 필요했으며, 각 출력전압별 배터리팩을 위한 회로와 기구설계가 이루어져야만 했다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 단일의 시스템에 각각의 배터리별 동일한 보호회로를 구성하며, 스위치 매트릭스회로를 이용해 스마트 충방전을 이루기에, 부피감소의 효과과 용도의 사용성, 그리고 자유성이 향상되는 효과가 있다. 앞서 말한 용도의 사용성과 자유성은, 전기를 이용한 탈 것 및 비상전원, 캠핑, 여가에 필요한 전원 등 사용자가 전기 사용이 필요한 경우 이루어진다. 특히, 전기를 이용한 탈 것의 예로 전동 휠체어, 킥보드, 전기 자전거, 스쿠터, 자동차들은 각 제품의 특성에 따라 요구되는 전압이 다르다. 종래에는 각각의 장치별로 별개의 출력을 가지는 배터리를 포함하는 충방전 시스템이 필요했다. 추가적인 문제점을 최근 코로나로 인하여 포스트 코로나의 개념이 서두가 되고 있으며, 이에 따라 퍼스널 모빌리티(Personal Mobility)의 수요가 많아지므로, 개인 소유의 전동 킥보드, 전기 자전거, 스쿠터 등등 다양한 탈 것이 사용되고 있다. 종래 기술을 활용한 각 탈 것별 것 개별적인 배터리를 사용한다면, 비용적인 측면 및 편의성이 저하되나, 본 발명의 경우 상기한 바와 같은 구성을 가짐으로, 배터리를 포함하는 단일의 시스템(장치)에서 사용자의 요구 또는 적용되는 제품의 특성에 맞는 전압 설정을 할 수 있어, 경제적이며 사용성이 증대될 수 있다.
(실시예 1-2) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은 실시예 1-1에 있어서 상기 스위치부(200)에 포함되는 스위치들 중, 상기 배터리부의 최외곽 일측에 배열된 제1배터리의 양극 및 음극에 연결된 스위치들은 상기 부하(10)의 일단에, 상기 배터리부의 최외곽 타측에 배열된 제2배터리의 양극 및 음극에 연결된 스위치들은 상기 부하의 타단에 연결되며, 상기 배터리부에 포함되는 배터리들 중, 상기 제1배터리와 상기 제2배터리를 제외한 나머지 배터리 각각의 양극에 연결된 스위치는 상기 부하(10)의 일단에, 음극에 연결된 스위치는 상기 부하(10)의 타단에 연결되어, 상기 제어부의 제어에 따라 서로 다른 출력전압으로 상기 배터리부를 충전 또는 방전 시킨다.
상술한 바와 같은 구성을 위하여, 배터리부(100)에 포함되는 제1배터리(B1), 제2배터리(B2), 제3배터리(B3) 및 제4배터리(B4)는 서로 직렬로 연결된다. 제1배터리(B1)와 제2배터리(B2)는 직렬로 연결된 4개의 배터리들 중, 최외곽에 배치된다.
스위치부(200)에 포함되는 제1스위치(S1), 제2스위치(S2), 제3스위치(S3), 제4스위치(S4), 제5스위치(S5), 제6스위치(S6), 제7스위치(S7) 및 제8스위치(S8)일 수 있다. 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)는 제1배터리(110)의 양극과 음극에 각각 연결되되, 서로 병렬 연결되어 부하(10)의 일단에 연결된다.
제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)는 제3배터리(B3)의 양극과 음극에 각각 연결되되, 서로 병렬로 연결되고, 제3스위치(S3)는 부하(10)의 일단에, 제4스위치(S4)는 부하(10)의 타단에 연결된다.
제5스위치(S5)와 제6스위치(S6)는 제4배터리(B4)의 양극과 음극에 각각 연결되되, 서로 병렬로 연결되고, 제5스위치(S5)는 부하(10)의 일단에, 제6스위치(S6)는 부하(10)의 타단에 연결된다.
제7스위치(S7)와 제8스위치(S8)는 제2배터리(B2)의 양극과 음극에 각각 연결되되, 서로 병렬로 연결되고, 제7스위치(S7)와 제8스위치(S8) 모두 부하(10)의 타단에 연결된다.
배터리부(100)에 포함되는 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4)는 각각 소정의 출력전압을 포함하며, 제어부(300)는 스위치부(200)에 포함되는 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)에 소정의 제어신호를 인가해, 부하(10)에 연결되는 배터리의 개수 및 배터리의 종류를 결정하여, 서로 다른 출력전압을 구현한다.
(실시예 1-3) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은 실시예 1-2에 있어서, 배터리부(100)에 포함되는 배터리들의 출력전압은 서로 동일하다.
배터리부(100)에 포함되는 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 각각의 출력전압은 서로 동일하다. 예를 들어, 배터리부(100)에 포함되는 단일의 배터리의 출력전압은 12V일 수 있으며, 부하(10)에 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4)가 모두 연결된다면, 단일의 배터리의 출력전압의 4배인 48V를 출력전압으로 낼 수 있으며, 연결되는 배터리의 개수에 따라 12V, 24V, 36V의 다양한 출력전압을 낼 수 있다.
배터리부(100)에 포함되는 배터리들은 서로 동일한 출력전압을 가지기 때문에, 특정 배터리가 오작동하거나 동작하지 않더라도, 다른 배터리가 오작동하거나 동작하지 않는 배터리를 대신하여 부하(10)에 연결될 수 있다. 단, 본 발명은 배터리부(100)에 포함되는 배터리들의 출력전압은 서로 동일한 것으로 한정하지 않고, 배터리부(100)에 포함되는 배터리들의 출력전압이 서로 다른 예도 있을 수 있다.
(실시예 2-1) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은 실시예 1-1에 있어서, 제어부(300)는 외부로부터 부하(10)에 필요한 출력전압 정보를 수신하고, 수신한 출력전압 정보에 따라 스위치부(200)에 포함되는 스위치 각각의 ON 또는 OFF를 제어하여, 배터리부(100)의 출력전압을 출력전압 정보와 일치시킨다.
제어부(300)는 외부로부터 부하(10)에 필요한 출력전압 정보를 수신할 수 있다. 이때 외부란, 사용자 또는 부하(10)가 될 수 있다. 제어부(300)가 사용자로부터 부하(10)에 필요한 출력전압 정보를 수신할 경우, 사용자는 직접 본 발명에 포함되는 소정의 입력장치를 조작해 제어부(300)로 직접 출력전압 정보를 송신하거나, 본 발명과 연결되는 부하(10)와 연결될 때, 부하(10)에서 필요한 출력전압 정보를 제어부(300)로 송신할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 전기 자동차(20)에 탑승하고 있는 상태이고, 본 발명은 전기 자동차에 적용되어 있다.
사용자는 상황에 따라 전기 자동차(20)의 속도를 향상시키려고 할 수 있으며, 전기 자동차(20)의 속도를 향상시킬 경우 배터리부(100)의 출력전압이 향상되어야 한다. 사용자는 전기 자동차(20)에 적용된 입력장치를 이용해 제어부(300)에 필요한 출력전압 정보를 송신하고, 제어부(300)는 출력전압 정보에 따라 스위치부(200)에 포함된 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)에 제어신호를 인가해 부하(10)에 연결되는 배터리의 개수를 증가시켜 출력전압을 증가시킨다.
사용자는 상황에 따라 전기 자동차(20)의 속도를 감소시키려고 할 수 있으며, 전기자동차(20)의 속도를 감소시킬 경우 배터리부(100)의 출력전압이 감소되어야 한다. 사용자는 전기 자동차(20)에 적용된 입력장치를 이용해 제어부(300)에 필요한 출력 전압 정보를 송신하고, 제어부(300)는 출력전압 정보에 따라 스위치부(200)에 포함된 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)에 제어신호를 인가해 부하(10)에 연결되는 배터리의 개수를 감소시켜 출력전압을 감소시킨다.
제어부(300)에서 배터리부(100)의 출력전압에 따른 스위치별 제어방식은 아래의 테이블에 따라 이루어진다.
출력전압 SWTICH NUMBER CONTENT
ON OFF
12V 6,8 1,2,3,4,5,7 방전
24V 4,8 1,2,3,5,6,7 방전
36V 2,8 1,3,4,5,6,7 방전
48V 1,8 2,3,4,5,6,7 방전
상술한 테이블에서 출력전압이 12V, 24V, 36V일 때에는 ON되는 스위치가 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)가 ON되고, 나머지 스위치들은 OFF되거나, 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)가 ON되고, 나머지 스위치들은 OFF되거나, 제5스위치(S5)와 제6스위치(S6)가 ON되고, 나머지 스위치들이 OFF되더라도 12V의 출력전압을 낼 수 있다. 이는 다른 출력전압일 때에도 마찬가지이며, 제어부(300)는 출력전압이 24V일 때에 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 중 2개의 배터리가 부하(10)에 연결되도록 스위치들을 제어하고, 36V일 때에 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 중 3개의 배터리가 부하(10)에 연결되도록 스위치들을 제어한다.
(실시예 2-2) 상기 배터리부(100)에 포함된 상기 배터리 각각의 SoC(Stack of Charge)를 센싱하는 센싱수단(400);을 포함하고, 상기 제어부(300)는 상기 센싱수단(400)에서 센싱된 상기 배터리 각각의 SOC정보에 따라 상기 스위치 각각의 ON 또는 OFF를 제어하여 상기 배터리들 전체 또는 일부를 충전시키거나, 상기 배터리들 전체 또는 일부를 소정의 출력전압으로 방전시킨다.
본 발명은 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 관한 발명이며, 상기 배터리 각각의 SoC(Stack of Charge, 충전잔량)를 센싱하는 센싱수단(400)을 부가한다.
센싱수단(400)에서 센싱된 배터리 각각의 SoC레벨 정보는 제어부(300)로 송신될 수 있으며, 제어부(300)는 센싱수단(400)에서 송신된 정보에 기반해 스위치부(200)에 포함되는 제1스위치(S1) 내지 제8스위치(S8)를 제어하여, 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4)들 중 선택되는 적어도 하나 이상의 배터리를 부하(10)에 연결할 수 있다.
제어부(300)가 센싱수단(400)에 기반하여 스위치부(200)에 포함되는 스위치들을 제어하는 것은, 부하(10)의 종류가 충전부하인지 방전부하인지에 따라 다를 수 있다.
센싱수단(400)은 배터리의 SoC레벨 외에도, 배터리별 온도를 센싱하고, 제어부(300)는 센싱수단(400)에서 센싱된 배터리별 온도에 기반하여 스위치부(200)에 포함되는 스위치들을 제어할 수 있다.
(실시예 2-3) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은 실시예 2-2에 있어서, 부하(10)는 방전부하이고, 상기 제어부(300)는 상기 소정의 출력전압을 유지할 수 있도록 소정의 배터리를 상기 부하에 연결하되, SOC가 기준치보다 높거나, SOC가 가장 높은 배터리가 상기 부하에 연결되도록 상기 스위치를 제어한다.
부하(10)가 방전부하일 때, 제어부(300)는 센싱수단(400)에서 센싱된 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4)의 SoC레벨에 기반하여, 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 중 SoC레벨이 기준치 이상인 배터리만을 부하(10)에 연결할 수 있다. 상기한 바와 같은 제어방식은, 소정의 출력전압을 유지할 수 있을 때에만 가능하다. 예를 들어, 부하(10)에 배터리를 연결하는 기준치가 60%라고 할 때, 제1배터리(B1)는 SoC레벨이 40%로, 기준치에 미달하고, 제2배터리(B2) 내지 제4배터리(B4)의 SoC레벨이 80%로 기준치 이상일 수 있다. 부하(10)에서 필요로 하는 출력전압이 36V일 경우, 제어부(300)는 제1배터리(B1)를 제외한 제2배터리(B2) 내지 제4배터리(B4)가 부하(10)에 연결되도록 스위치부(200)에 포함되는 스위치들을 제어한다. 그러나 부하(10)에서 필요로 하는 출력전압이 48V일 경우, 제어부(300)는 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 전부가 부하(10)에 연결되도록 스위치부(200)에 포함되는 스위치들을 제어한다.
(실시예 2-4) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은 실시예 2-2에 있어서, 부하(10)는 충전부하이고, 상기 제어부(300)는 SoC가 기준치보다 낮거나, SoC가 가장 낮은 배터리가 상기 부하에 연결되도록 상기 스위치부(200)에 포함되는 스위치들을 제어한다.
부하(10)가 충전부하일 때, 제어부(300)는 센싱수단(400)에서 센싱된 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4)의 SoC레벨에 기반하여, 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 중 SoC레벨이 기준치 이하인 배터리를 우선적으로 부하(10)에 연결할 수 있다. 이는 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4)들의 SoC레벨을 균등하게 밸런싱하기 위한 것이다.
제어부(300)는 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 모두의 SoC레벨이 기준치 이상일 때, 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4) 중 SoC레벨이 가장 낮은 배터리를 부하(10)에 연결하여 해당 배터리가 충전되도록 한다.
충전 대상 배터리에 따른 스위치별 제어방식은 아래 테이블에 따라 이루어진다.
배터리 SWTICH NUMBER CONTENT
ON OFF
B1 1,3 2,4,5,6,7,8 충전
B2 7,8 1,2,3,4,5,6 충전
B3 3,4 1,2,5,6,7,8 충전
B4 5,6 1,2,3,4,7,8 충전
B1,B3 1,5 2,3,4,6,7,8 충전
B3,B4 2,7 1,3,4,5,6,8 충전
B4,B2 4,8 1,2,3,5,6,7 충전
B1,B3,B4 1,7 2,3,4,5,6,8 충전
B3,B4,B2 2,8 1,3,4,5,6,7 충전
B1,B3,B4,B2 1,8 2,3,4,5,6,7 충전
(실시예 3-1) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은 실시예 1-1에 있어서, 제어부(300)는 전압 조정기를 이용하여 스위치부(200)에 제어신호를 인가하는 것;을 포함한다.
전압 조정기란 DC-DC컨버터로, 입력전압에 의해 정전압을 출력하는 방식이다. 예를 들어 휴대전화의 배터리 전압은 12V이지만 내부에서 구동되는 소자에 필요한 전압은 5V일 수 있다. 그렇기 때문에 휴대전화 내부에서 12V를 5V로 변환하는 작업이 필요하며, 12V를 5V로 변환하는 작업을 전압 조정기가 수행한다. 본 발명에서 사용되는 전압 조정기는 일예로 SPAN02-12A일 수 있으며, MEAN WELL(사)에서 제작되었다. 전압 조정기는 내부 R.C(Remote Control) pin을 통하여 스위치를 ON 또는 OFF하는 기능을 수행하고, 입력과 출력의 접지는 서로 분리되어 있다. 본 발명에서 제어부(300)는 스위치부(200)에 전압 조정기를 이용하여 제어신호를 인가하게 된다.
전압 조정기를 이용한 방식은 전압 조정기를 구성하는 소자들이 모두 한 소자안에 구성되어 있어 기타 회로를 만들지 않아도 되어, 기타 회로를 만들지 않아도 되는 장점이 있으나, 변압기가 형성되어 있기 때문에 경제성이 떨어지는 단점이 있으나, 회로적으로 간단하며 비교적 높은 효율을 가지기 때문에 전력전자분야에서 많이 적용되고 있다.
(실시예 3-2) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은 실시예 1-2에 있어서, 제어부(300)는 플라이백 컨버터를 이용하여 스위치부(200)에 제어신호를 인가한다.
플라이백 컨버터 또한 전압 조정기의 일종이며, DC-DC컨버터이다. 앞서 설명한 전압 조정기 방식과의 차이는 한 소자 내부에 SMPS(Switch Mode Power Supply)를 구동하기 위한 회로가 존재하는 것이 아닌, 외부적으로 회로를 구성하여 출력을 내보낸다. 이러한 방식은 SMPS를 구동하기 위한 회로를 구성하기 위해, 전체적인 회로가 복잡해지지만, 경제성이 높으며, 부피가 작은 장점이 있다.
(실시예 4-1) 본 발명인 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템은, 실시예 1-3에 있어서, 스위치부(200)는 제3배터리(B3)의 양단 사이에 연결되는 제9스위치(S9)와 제4배터리(B4)의 양단 사이에 연결되는 제10스위치(S10)를 포함한다.
앞서 설명한 배터리부(100)에 포함되는 제1배터리(B1) 내지 제4배터리(B4)들은 서로 직렬로 연결되어 있어, 최외곽에 배치된 제1배터리(B1)와 제2배터리(B2)를 제외한 나머지 배터리가 오작동하거나 고장날 경우, 고장난 배터리를 연결한 상태에서는, 해당 배터리를 제외하지 못해, 배터리부(100) 전체의 사용을 중단해야 하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해, 본 발명의 스위치부(200)는 제3배터리(B3)의 양단 사이에 연결되는 제9스위치(S9)와 제4배터리(B4)의 양단 사이에 연결되는 제10스위치(S10)를 포함한다. 제9스위치(S9)와 제10스위치(S10)는 정상상태일 경우에는 OFF되어 있으며, 제3배터리(B3)가 오작동하거나 고장날 경우 제9스위치(S9)는 ON되고, 제4배터리(B4)가 오작동하거나 고장날 경우 제10스위치(S10)는 ON되어, 배터리부(100)에서 제3배터리(B3) 또는 제4배터리(B4)가 부하(10)에 연결되지 않은 상태에서, 나머지 제1배터리(B1)와 제2배터리(B2)를 사용할 수 있도록 한다.
10 : 부하 20 : 전기자동차
100 : 배터리부 B1 : 제1배터리
B2 : 제2배터리 B3 : 제3배터리
B4 : 제4배터리 B5 : 제5배터리
B6 : 제6배터리 B7 : 제7배터리
B8 : 제8배터리 200 : 스위치부
S1 : 제1스위치 S2 : 제2스위치
S3 : 제3스위치 S4 : 제4스위치
S5 : 제5스위치 S6 : 제6스위치
S7 : 제7스위치 S8 : 제8스위치
300 : 제어부 400 : 센싱수단

Claims (7)

  1. 부하(10)에 연결되는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템에 있어서,
    서로 직렬로 연결되는 적어도 두 개 이상의 배터리를 포함하는 배터리부(100);
    상기 배터리부(100)에 포함되는 상기 배터리의 양극 및 음극에 각각 하나씩 연결되되, 서로 병렬로 연결되는 복수의 스위치와, 상기 배터리부(100)에 포함되는 직렬로 연결되는 다수개의 배터리들 중, 최외곽에 위치한 배터리를 제외한 나머지 배터리들 양단 사이에 해당 배터리와 병렬로 연결되는 스위치를 포함하는 스위치부(200);
    상기 스위치부(200)에 포함되는 상기 스위치별로 제어신호를 송신하여 상기 부하에 연결되는 상기 배터리의 개수를 제어하는 제어부(300); 및
    상기 배터리부(100)에 포함된 상기 배터리 각각의 SOC(Stack of Charge)를 센싱하는 센싱수단(400);을 포함하고,
    상기 제어부(300)는 상기 센싱수단(400)에서 센싱된 상기 배터리 각각의 SOC정보에 따라 상기 스위치 각각의 ON 또는 OFF를 제어하여 상기 배터리들 전체 또는 일부를 소정의 출력전압으로 방전시키며,
    상기 부하(10)는 방전부하이고, 상기 제어부(300)는 상기 소정의 출력전압을 유지할 수 있도록 소정의 배터리를 상기 부하(10)에 연결하되, SoC가 기준치보다 높거나, SoC가 가장 높은 배터리가 상기 부하(10)에 연결되도록 상기 스위치들을 제어하며,
    상기 배터리부(100)에 포함되는 상기 배터리들의 출력전압은 서로 동일한 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템.

  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부(200)에 포함되는 상기 스위치들 중, 상기 배터리부(100)의 최외곽 일측에 배열된 제1배터리(B1)의 양극 및 음극에 연결된 스위치들은 상기 부하(10)의 일단에, 상기 배터리부(100)의 최외곽 타측에 배열된 제2배터리(B2)의 양극 및 음극에 연결된 스위치들은 상기 부하의 타단에 연결되며,
    상기 배터리부(100)에 포함되는 배터리들 중, 상기 제1배터리(B1)와 상기 제2배터리(B2)를 제외한 나머지 배터리 각각의 양극에 연결된 스위치는 상기 부하(10)의 일단에, 음극에 연결된 스위치는 상기 부하(10)의 타단에 연결되어, 상기 제어부(300)의 제어에 따라 서로 다른 출력전압으로 상기 배터리부(100)를 방전 시키는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(300)는 외부로부터 상기 부하에 필요한 출력전압 정보를 수신하고, 수신한 상기 출력전압 정보에 따라 상기 스위치 각각의 ON 또는 OFF를 제어하여, 상기 배터리부(100)의 출력전압을 상기 출력전압 정보와 일치시키는 스마트 충방전 스위치 매트릭스 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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