KR102637683B1 - 전력 생성 및 분배 - Google Patents

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KR102637683B1
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로버트 제이. 피더리
루돌프 엠. 톤치크
제이 콜로스트
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에너지 프로듀싱 시스템스 오브 아메리카 엘엘씨
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Abstract

전력을 생성, 저장, 및/또는 분배하는 시스템들 및 방법들이 개시된다. 시스템은 2개 이상의 직류 배터리 서브시스템들, 직류 모터/교류 생성기 결합, 전력 분배 네트워크, 및 배터리 재충전 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 하나의 배터리 서브시스템은 교류 생성기에 전력을 공급할 수 있는 한편, 다른 배터리 서브시스템은 생성된 전력의 일부분을 사용하여 충전한다. 초과 전력은 다른 전기 부하들을 서비스할 수 있다. 배터리 서브시스템들의 역할들은 충전과 전력 공급 사이에서 주기적으로 반복적으로 스위칭될 수 있다.

Description

전력 생성 및 분배
[0001] 본 출원은, 2019년 6월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제16/430,342호의 부분 계속 출원(continuation-in-part)인 2020년 2월 25일자로 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제16/800,146호의 우선권을 주장한다.
[0002] 본 발명은 일반적으로 전기 에너지를 생성, 저장, 및/또는 제공하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
[0003] 전 세계적인 전력의 소비는 방대하고, 전통적으로 비전기 구동식 기계들이 전기 구동식 상응부(counterpart)들로 대체됨에 따라 계속 증가할 가능성이 있다. 예컨대, 전기 구동식 차량들, 및 특히 승용차들이 국가들의 도로 시스템들에서 점점 더 널리 퍼지고 있다. 2015-16 년에 대략 5 만대의 연매출을 기록한 미국의 한 인기 있는 전기 자동차 제조업체는 단 수 년 내에 판매 수를 50 만대로 증가시키려는 의도를 발표했다.
[0004] 전력으로의 스위칭을 위한 추동력은 다면적이다. 전력을 생성하는 비용 및 환경적 영향은 화석 연료 기반 전력과 같은 대체 전력 소스들의 비용 및 환경적 영향보다 우수한 것으로 간주된다. 이러한 우수성은 소비자가 비전력(non-electrical power) 대신 전력을 활용하도록 하는 정부 및 산업 인센티브들에 의해 증폭된다. 예컨대, 전기 자동차 사용자들은 세금 감면, 우대 주차, 우선 도로 접근, 및 무료 충전 등을 누려왔는데, 이 모든 것들은 그들의 운송에 필요한 화석 연료 생성 전력과는 대조적으로 전력의 사용으로 인해 제공되는 것이다. 따라서 전력을 생성, 저장, 및 분배하기 위한 시스템들에 대한 필요성이 계속 증가하고 있다.
[0005] 선진국들은 모두 때때로 "전력 그리드(power grid)"로 지칭되는 전국에 배치된 정교한 전력 생성 및 분배 시스템들을 갖는다. 그리드는 널리 사용되고 유비쿼터스이지만, 항상 이용가능한 것은 아니며, 장기간에 걸쳐 가장 낮은 전력 비용을 제공하지 않을 수 있다. 정전들은 드물지만, 때때로의 폭풍들이 장기간 동안 인구의 상당 부분들에 대한 전력 분배를 중단시킬 수 있다. 이러한 정전들은 가정 생활 및 업무를 방해하고, 생산성 및 편안함을 상당히 잃게 할 수 있다. 추가로, 그리드로부터 전력을 획득하는 비용이 상당할 수 있고, 가격들을 낮추기 위해 시스템에 많은 경쟁을 주입할 능력이 거의 없다. 따라서, 단일 가정, 사업체, 및 차량에 전력을 공급할 수 있는 규모이고, 일상적 동작을 위해 그리드에 크게 의존하지 않는 이동식 및 고정식 전력 생성 시스템들 둘 모두에 대한 필요성이 존재한다.
[0006] 따라서, 본 발명의 일부 실시예들(그러나 반드시 전부는 아님)의 목적은, 가정, 사업체, 및 차량용으로 전력을 효율적으로 생성하는 시스템들 및 방법들을 제공하는 것이다. 본 발명의 일부 실시예들(그러나 반드시 전부는 아님)의 목적은 또한, 가정, 사업체, 및 차량용으로 전력을 효율적으로 저장 및 분배하는 시스템들 및 방법들을 제공하는 것이다. 본 발명의 일부 실시예들(그러나 반드시 전부는 아님)의 이러한 그리고 다른 이점들은 전력 생성, 저장, 및 분배 분야들에서 통상의 기술을 갖는 자들에게 명백할 것이다.
[0007] 전술된 과제들에 대응하여, 출원인은 혁신적인 전력 시스템을 개발하였으며, 이 혁신적인 전력 시스템은, 전기 배터리 서브시스템; 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 스위칭 서브시스템; 스위칭 서브시스템 및 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터; 전기 모터에 동작가능하게 연결된 전기 생성기 서브시스템; 인버터 서브시스템에 의해 전기 생성기 서브시스템에 커플링된 전력 분배 서브시스템 ― 상기 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인(outlet load line)을 포함함 ―; 전력 분배 서브시스템에 커플링된 인덕터 서브시스템; 및 인덕터 서브시스템, 스위칭 서브시스템, 및 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 정류기 서브시스템을 포함한다.
[0008] 출원인은 혁신적인 전력 시스템을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 전력 시스템은, 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들 ― 각각은 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 가짐 ―; 제1 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고 제2 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링된 스위칭 서브시스템; 스위칭 서브시스템 및 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들의 제2 극들에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터; 전기 모터에 동작가능하게 연결된 전기 생성기 서브시스템; 전기 생성기 서브시스템에 커플링된 전력 분배 서브시스템 ― 상기 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―; 전력 분배 서브시스템에 커플링된 인덕터 서브시스템; 및 인덕터 서브시스템, 스위칭 서브시스템, 및 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들의 제2 극들에 커플링된 정류기 서브시스템을 포함한다.
[0009] 출원인은 혁신적인 전력 시스템을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 전력 시스템은, 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들 ― 각각은 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 가짐 ―; 제1 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고 제2 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링된 스위칭 서브시스템; 스위칭 서브시스템 및 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들의 제2 극들에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 상기 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―; 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템; 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터; 전기 모터에 동작가능하게 연결된 전기 생성기; 전기 생성기 서브시스템에 커플링된 전력 분배 서브시스템 ― 상기 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 적응된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―; 전력 분배 시스템에 커플링된 인덕터 서브시스템; 및 인덕터 서브시스템, 스위칭 서브시스템, 및 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들의 제2 극들에 커플링된 정류기 서브시스템을 포함한다.
[0010] 출원인은 혁신적인 전력 시스템을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 전력 시스템은, 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들 ― 각각은 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 가짐 ―; 제1 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고 제2 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링된 스위칭 서브시스템; 스위칭 서브시스템 및 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들의 제2 극들에 커플링된 배터리 충전 제어기 서브시스템; 스위칭 서브시스템 및 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 인버터; 인버터에 커플링된 전력 분배 서브시스템 ― 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―; 전력 분배 서브시스템에 커플링된 정류기 서브시스템; 정류기 서브시스템에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터; 전기 생성기를 포함하는 전기 생성기 서브시스템 ― 전기 생성기는 전기 모터에 동작가능하게 연결되고, 전기 모터로부터 입력 회전 모션을 수신하고, 전기 모터의 출력 회전 속도 및 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 및 전기 생성기 서브시스템, 스위칭 서브시스템, 인버터, 및 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 배터리 충전 제어기 서브시스템을 포함한다.
[0011] 출원인은 혁신적인 전력 시스템을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 전력 시스템은, 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들 ― 각각은 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 가짐 ―; 제1 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고 제2 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링된 스위칭 서브시스템; 스위칭 서브시스템 및 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들의 제2 극들에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 상기 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―; 스위칭 서브시스템 및 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 인버터; 인버터에 커플링된 제1 전력 분배 서브시스템 ― 제1 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―; 제1 전력 분배 서브시스템에 커플링된 정류기 서브시스템; 스위칭 서브시스템, 인버터 서브시스템, 및 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터; 전기 생성기를 포함하는 전기 생성기 서브시스템 ― 전기 생성기는 전기 모터에 동작가능하게 연결되고, 전기 모터로부터 입력 회전 모션을 수신하고, 전기 모터의 출력 회전 속도 및 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 및 전기 생성기 서브시스템 및 인버터 서브시스템에 커플링된 제2 전력 분배 서브시스템을 포함한다.
[0012] 출원인은 혁신적인 전력 시스템을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 전력 시스템은, 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들 ― 각각은 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 가짐 ―; 제1 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고 제2 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링된 스위칭 서브시스템; 제1 및 제2 전기 배터리 서브시스템들의 제1 및 제2 극들에 커플링된 정류기/인덕터 서브시스템, 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 정류기 서브시스템; 정류기 서브시스템에 커플링된 차단기 서브시스템; 정류기 서브시스템에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템; 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터; 전기 생성기를 포함하는 전기 생성기 서브시스템 ― 전기 생성기는 전기 모터에 동작가능하게 연결되고, 전기 모터로부터 입력 회전 모션을 수신하고, 전기 모터의 출력 회전 속도 및 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 전기 생성기 서브시스템에 커플링된 인버터 서브시스템; 인버터 서브시스템 및 차단기 시스템에 커플링된 전력 분배 서브시스템 ― 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―; 전기 생성기 서브시스템 및 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 배터리 충전 제어기 서브시스템을 포함한다.
[0013] 출원인은 전력을 생성, 저장, 및 분배하는 혁신적인 방법을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 방법은, 제1 전기 배터리 서브시스템으로부터의 직류 전력을 기능 제어 서브시스템에 인가하는 단계 ― 상기 기능 제어 서브시스템은 커패시터 서브시스템에 커플링됨 ―; 기능 제어 서브시스템으로부터의 직류 전력을 직류 모터에 인가하는 단계; 직류 모터로부터의 입력 회전 모션을 제공하고, 직류 모터로부터 출력 회전 모션을 생성하는 단계; 직류 모터의 출력 회전 모션으로부터 교류 전력을 생성하는 단계; 생성된 교류 전력의 제1 부분을 전기 부하에 연결되도록 적응된 아웃렛 부하 라인에 분배하고, 생성된 교류 전력의 제2 부분을 인덕터 서브시스템에 분배하는 단계; 인덕터 서브시스템으로부터의 교류 전력을 정류기 서브시스템에 인가하고, 정류기 서브시스템을 사용하여 직류 전력을 생성하는 단계; 및 정류기 서브시스템으로부터의 직류 전력을 제2 전기 배터리 서브시스템에 인가하는 단계를 포함하며, 직류 모터의 출력 회전 모션과 입력 회전 모션의 관계는 제1, 제2, 및 제3 동작 페이즈(phase)들의 사전 결정된 듀레이션들 및 아웃렛 부하 라인에 대한 이용가능한 전력의 사전 결정된 레벨에 대해 제1 배터리 서브시스템의 전력 고갈을 최적화하도록 세팅된다.
[0014] 출원인은 전력을 생성, 저장, 및 분배하는 혁신적인 방법을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 방법은, 전기 배터리 서브시스템으로부터의 직류 전력을 스위칭 서브시스템에 인가하는 단계 ― 스위칭 서브시스템은 인버터 서브시스템에 커플링됨 ―; 인버터 서브시스템으로부터의 교류 전력을 에너지 분배 서브시스템에 인가하는 단계; 교류 전력의 제1 부분을 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인에 분배하고, 교류 전력의 제2 부분을 정류기 서브시스템에 분배하는 단계; 정류기 서브시스템으로부터의 직류를 기능 제어 서브시스템에 인가하는 단계; 기능 제어 서브시스템으로부터의 직류를 직류 모터에 인가하는 단계; 직류 모터로부터의 입력 회전 모션을 전기 생성기에 제공하는 단계 ― 직류 모터의 출력 회전 속도 및 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 직류 모터의 출력 회전 모션으로부터 직류 전력을 생성하는 단계 ― 회전 속도는 외부 전기 분배를 위한 와트 공급을 최적화하도록 세팅됨 ―; 직류 전기 생성기 서브시스템으로부터의 직류 전력을 배터리 충전 제어기 서브시스템에 인가하는 단계; 및 배터리 충전 제어기 서브시스템으로부터의 직류 전력을 스위칭 서브시스템, 인버터, 및 전기 배터리 서브시스템에 인가하는 단계를 포함한다.
[0015] 출원인은 전력을 생성, 저장, 및 분배하는 혁신적인 방법을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 방법은, 전기 배터리 서브시스템으로부터의 직류 전력을 스위칭 서브시스템에 인가하는 단계 ― 스위칭 서브시스템은 인버터 서브시스템에 커플링됨 ―; 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계; 교류 전력의 제1 부분을 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인에 커플링된 제1 에너지 분배 시스템에 분배하고, 교류 전력의 제2 부분을 제2 에너지 분배 서브시스템에 분배하는 단계; 제1 에너지 분배 서브시스템으로부터의 교류 전력을 정류기 서브시스템에 인가하는 단계; 정류기 서브시스템으로부터의 직류 전력을 기능 제어 서브시스템에 인가하는 단계; 기능 제어 서브시스템으로부터의 직류 전력을 직류 모터에 인가하는 단계; 직류 모터로부터의 입력 회전 모션을 전기 생성기에 제공하는 단계 ― 직류 모터의 출력 회전 속도 및 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 직류 모터의 출력 회전 모션으로부터 교류 전력을 생성하는 단계 ― 회전 속도는 외부 전기 분배를 위한 와트 공급을 최적화하도록 세팅됨 ―; 교류 전력을 제2 에너지 분배 서브시스템에 인가하는 단계; 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 단계; 및 직류 전력을 전기 배터리 서브시스템에 인가하는 단계를 포함한다.
[0016] 출원인은 전력을 생성, 저장, 및 분배하는 혁신적인 방법을 추가로 개발하였으며, 이 혁신적인 방법은, 전기 배터리 서브시스템으로부터의 직류 전력을 정류기 서브시스템에 인가하는 단계; 정류기 서브시스템으로부터의 직류 전력을 기능 제어 서브시스템에 인가하는 단계 ― 기능 제어 서브시스템은 커패시터 서브시스템에 커플링됨 ―; 기능 제어 서브시스템으로부터의 직류 전력을 직류 모터에 인가하는 단계; 직류 모터로부터의 입력 회전 모션을 전기 생성기에 제공하는 단계 ― 직류 모터의 출력 회전 속도 및 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 직류 모터의 출력 회전 모션으로부터 직류 전력을 생성하는 단계; 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계; 직류 전력을 전력 분배 시스템에 인가하는 단계; 전력 분배 시스템으로부터 부하 소스에 교류 전력의 제1 부분을 분배하고, 전력 분배 시스템으로부터 차단기 서브시스템에 교류 전력의 제2 부분을 분배하는 단계; 차단기 서브시스템으로부터의 교류 전력을 정류기 서브시스템에 인가하는 단계; 정류기 서브시스템으로부터의 직류 전력을 전기 배터리 서브시스템에 인가하는 단계; 및 전기 생성기로부터의 전류를 배터리 충전 제어기 서브시스템을 통해 전기 배터리 서브시스템에 인가하는 단계를 포함한다.
[0017] 전술된 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 모두는 본 발명의 예시적이고 설명적일 뿐이며, 청구되는 것으로 본 발명을 제한하는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다.
[0018] 본 발명의 이해를 돕기 위해, 유사한 참조 부호들이 유사한 엘리먼트(element)들을 지칭하는 첨부된 도면들이 이제 참조될 것이다. 도면들은 단지 예시일 뿐이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
[0019] 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 생성, 분배, 및 저장 시스템의 개략적 다이어그램이다.
[0020] 도 2는 도 1에 예시된 시스템의 배터리 서브시스템 및 스위칭 서브시스템의 상세한 개략적 다이어그램이다.
[0021] 도 3은 도 1에 예시된 시스템에 대한 대안적인 스위칭 서브시스템의 상세한 개략적 다이어그램이다.
[0022] 도 4는 온-그리드(on-grid) 전력 공급을 위해 사용되는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 생성, 분배, 및 저장 시스템의 컴포넌트(component)들의 개략적 다이어그램이다.
[0023] 도 5는 오프-그리드(off-grid) 전력 공급을 위해 사용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전력 생성, 분배, 및 저장 시스템의 컴포넌트들의 개략적 다이어그램이다.
[0024] 도 6은 온-그리드 및 오프-그리드 전력 공급을 위해 사용되는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전력 생성, 분배, 및 저장 시스템의 개략적 다이어그램이다.
[0025] 도 7은 온-그리드 및 오프-그리드 전력 공급을 위해 사용되는 본 발명의 제5 실시예에 따른 전력 생성, 분배, 및 저장 시스템의 개략적 다이어그램이다.
[0026] 도 8은 온-그리드 및 오프-그리드 전력 공급을 위해 사용되는 본 발명의 제6 실시예에 따른 전력 생성, 분배, 및 저장 시스템의 개략적 다이어그램이다.
[0027] 도 9는 온-그리드 및 오프-그리드 전력 공급을 위해 사용되는 본 발명의 제7 실시예에 따른 전력 생성, 분배, 및 저장 시스템의 개략적 다이어그램이다.
[0028] 본 발명의 실시예들이 이제 상세하게 참조될 것이며, 이들의 예들이 첨부된 도면들에서 예시된다.
[0029] 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에서, 직류(DC) 배터리 시스템(100)은 스위칭 서브시스템(200)에 의해 전력 생성 시스템(300)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전력 생성 시스템(300)은 AC 전력 분배 서브시스템(400)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 이는 차례로 부하 소스(500) 및 배터리 충전 시스템(600)에 연결될 수 있다. 배터리 충전 시스템(600)은 스위칭 서브시스템(200)을 통해 배터리 시스템(100)에 연결될 수 있다.
[0030] DC 배터리 시스템(100)은 복수의 개별 배터리들 및 배터리 셀들로 각각 구성될 수 있는 제1, 제2, 및 제3 배터리 서브시스템들 또는 뱅크들(110, 120, 및 130)을 포함할 수 있다. 배터리 서브시스템들 각각을 포함하는 개별 배터리들 및 배터리 셀들은 직렬로 연결될 수 있다. 하나의 비제한적 예에서, 각각의 배터리 서브시스템은 총 12개의 납축전지(lead-acid) 12 볼트, 200 암페어, 딥 사이클 배터리들을 포함할 수 있다. 이러한 파라미터들을 갖는 배터리 서브시스템들은 15 분의 기간 동안 5 kW의 일정한 출력을 제공할 수 있고, 이후에 15 분의 재충전(또는 휴식) 및 단지 재충전된 경우 15 분의 휴식(또는 단지 휴식된 경우 15 분의 재충전)을 제공할 수 있다. 하나의 비제한적 예에서, 각각의 배터리 서브시스템은 적어도 하나의 리튬 이온 배터리를 포함할 수 있다. 사용되는 배터리들의 타입, 전압, 전류량(amperage), 및 다른 재료들 및 품질들이 본 발명의 의도된 범위를 벗어나지 않으면서 변할 수 있다는 것을 인식한다.
[0031] 배터리들은, 과도한 방전 없이 정의된 시간 기간 동안 스위칭 서브시스템(200), 전력 생성 시스템(300), 부하 소스(500), 및 배터리 충전 시스템(600)에 전력을 공급하기 위해 배터리 서브시스템들에 결합될 때, 충분한 전력 및 전류량을 가져야 한다. 일 실시예에서, 각각의 배터리 서브시스템(110, 120 및 130)은, 배터리 수명의 시작 시에, 약 20 % 초과의 방전 없이, 45 분 사이클 중 15 분 기간들 동안 전체 시스템에 전력을 공급할 수 있다.
[0032] 제1, 제2, 및 제3 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130)의 제1 양극(positive pole)들은 전도체들(150, 152, 및 156)을 통해 스위칭 서브시스템(200)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 차례로, 스위칭 서브시스템(200)은 양극성 전도체를 경유하여 포인트 A를 통해 전력 생성 시스템(300)에 그리고 양극성 전도체를 경유하여 포인트 C를 통해 배터리 충전 시스템(600)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1, 제2, 및 제3 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130)의 음극(negative pole)들은 전도체(154)를 경유하여 포인트 B를 통해 전력 생성 시스템(300) 및 배터리 충전 시스템(600)에 전기적으로 연결될 수 있다.
[0033] 스위칭 서브시스템(200)의 하나의 비제한적 실시예가 도 2에 예시된다. 도 2를 참조하면, 스위칭 서브시스템(200)은 제1, 제2, 및 제3 저전압 접촉기들(220, 222, 및 224)에 전기적으로 연결될 수 있는 하나 이상의 타이머들(210)을 포함할 수 있다. 제1 저전압 접촉기(220)는 제1 및 제2 고전압 접촉기들(231및 232)을 제어할 수 있고; 제2 저전압 접촉기(222)는 제3 및 제4 고전압 접촉기들(233 및 234)을 제어할 수 있고; 그리고 제3 저전압 접촉기(224)는 회로의 포인트(D)를 통해 함께 연결된 제5 및 제6 고전압 접촉기들(235 및 230)을 제어할 수 있다.
[0034] 타이머들(210) 및 제1 및 제3 저전압 접촉기들(220 및 224)의 제어 하에, 제1 및 제6 고전압 접촉기들(231 및 230)은 선택적으로, 제1 배터리 서브시스템(110)을 제1 버스(240) 또는 제2 버스(242)에 연결할 수 있거나 또는 어느 버스에도 연결하지 않을 수 있다. 타이머들(210) 및 제1 및 제2 저전압 접촉기들(220 및 222)은 제2 및 제3 고전압 접촉기들(232 및 233)을 제어하여 선택적으로 제2 배터리 서브시스템(120)을 제1 버스(240) 또는 제2 버스(242)에 연결할 수 있거나, 또는 어느 버스에도 연결하지 않을 수 있다. 유사하게, 타이머들(210) 및 제2 및 제3 저전압 접촉기들(222 및 224)은 제4 및 제5 고전압 접촉기들(234 및 235)을 제어하여 선택적으로 제3 배터리 서브시스템(130)을 제1 버스(240) 또는 제2 버스(242)에 연결할 수 있거나, 또는 어느 버스에도 연결하지 않을 수 있다.
[0035] 타이머들(210)은 저전압 제어 신호들을 제1, 제2, 및 제3 저전압 접촉기들(220, 222, 및 224)에 자동으로 그리고/또는 아래에서 논의되는 기능 제어 서브시스템의 제어 하에 전송할 수 있다. 그러한 신호들은 특정 저전압 접촉기를 활성화시킬 수 있고, 특정 저전압 접촉기로 하여금, 그에 연결된 고전압 접촉기들을 개방 또는 폐쇄하게 할 수 있다. 결과적으로, 타이머들(210), 저전압 접촉기들(220, 222, 및 224), 및 고전압 접촉기들(230, 231, 232, 233, 234, 및 235)의 결합은 선택적으로, 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130) 각각을 제1 버스(240) 또는 제2 버스(242)에 연결할 수 있거나, 또는 어느 버스에도 연결하지 않을 수 있다. 타이머들(210), 저전압 접촉기들(220, 222, 224), 및 고전압 접촉기들(230-235)의 캐스케이드 어레인지먼트(cascade arrangement)는 한번에, 배터리 서브시스템들 중 오직 하나만이 제1 버스(240)에 연결될 수 있게 하고, 배터리 서브시스템들 중 오직 다른 하나만이 제2 버스(242)에 연결될 수 있게 한다. 그러나, 시스템은 2개의 배터리 서브시스템들이 동시에 동일한 버스에 연결될 수 있는 짧은 듀레이션의 오버랩 시간의 가능성을 용인할 수 있다는 것을 인식한다.
[0036] 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 버스(240)는 포인트 A를 통해 전력 생성 시스템(300)에 연결될 수 있고, 제2 버스(242)는 포인트 C를 통해 배터리 충전 시스템(600)에 연결될 수 있다. 따라서, 기능적으로, 스위칭 서브시스템(200)은: 다음 사이에서 선택적으로 스위칭하도록 적응될 수 있다.
(i) 제1 동작 페이즈 동안, 제1 배터리 서브시스템(110)의 제1 극을 배터리 충전 시스템(600)에 연결하는 동시에, 제2 배터리 서브시스템(120)의 제1 극을 전력 생성 시스템(300)에 연결하는 것,
(ii) 제2 동작 페이즈 동안, 제2 배터리 서브시스템(120)의 제1 극을 배터리 충전 시스템(600)에 연결하는 동시에, 제3 배터리 서브시스템(130)의 제1 극을 전력 생성 시스템(300)에 연결하는 것, 및
(iii) 제3 동작 페이즈 동안, 제3 배터리 서브시스템(130)의 제1 극을 배터리 충전 시스템(600)에 연결하는 동시에, 제1 배터리 서브시스템(110)의 제1 극을 전력 생성 시스템(300)에 연결하는 것.
[0037] 스위칭 서브시스템(200)의 대안적인 실시예는 도 3의 개략적 다이어그램에 의해 예시된다. 도 1 및 도 3과 관련하여, 3-웨이 스위치들(250, 252, 및 254)은 각각 연관된 배터리 서브시스템(110, 120, 및 130)의 양극을 회로 연결해제 포지션(도시된 바와 같음) 또는 전체 회로의 포인트 A 또는 포인트 C 중 하나에 연결할 수 있다. 3-웨이 스위치들(250, 252, 및 254)은 도 2 실시예에 의해 제공되는 것과 유사한 스위칭을 제공하기 위해 하나 이상의 타이머들(210)에 의해 제어될 수 있다.
[0038] 도 1을 다시 참조하면, 전력 생성 시스템(300)은 스위칭 서브시스템(200)을 통해 배터리 시스템(100)에 전기적으로 연결되고 그에 의해 전력을 공급받는 기능 제어 서브시스템(310)을 포함할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 선택적으로, 스위칭 서브시스템(200) 내의 타이머들(210)에 연결되어 이를 제어할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 한번에 배터리 시스템(100) 내의 배터리 서브시스템들 중 하나로부터의 전력을 제공하여 DC 전기 모터(330)를 구동할 수 있으며, 이는 차례로 AC 전기 생성기(350)를 구동할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 전기 모터 서브시스템(330)의 속도를 제어할 수 있다.
[0039] 정규 생성기들은 높은 토크 요건을 가지며, 이는 이전에 알려진 시스템들에서 필요한 기어 박스의 추가를 이루어지게 하였다. 이러한 시스템들에서, 모터에 의해 소비되는 전력을 낮추고 토크를 낮추기 위해 기어 박스가 요구되었다. 낮은 토크 요건들을 갖는 신규한 특수 설계된 생성기를 사용함으로써, 기어 박스는 전류 시스템으로부터 제거된다. 이것은 장애(failure)를 겪을 수 있는 기계적 엘리먼트를 시스템으로부터 제거하고, 기어 박스가 시스템에 추가한 스트레스(stress)를 추가로 제거하고, 시스템을 더 효율적이게 한다.
[0040] 전력 생성 시스템(300)은 또한, 기능 제어 서브시스템(310)에 의해 제어되는 냉각 서브시스템(360)을 포함할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 전체 시스템의 임의의 그리고/또는 모든 열 생성 컴포넌트들, 이를테면, 기능 제어 서브시스템(310), 전기 모터(330), 및 전기 생성기(350)와 동작가능하게 접촉할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 당업자들에 알려진 방식으로 최적의 동작 온도 범위들에서 시스템 엘리먼트들을 유지할 수 있다.
[0041] 커패시터 서브시스템(320)은 기능 제어 서브시스템(310)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 서로 병렬로 상호 연결된 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 역률 래그(power factor lag) 및 페이즈 시프트와 같은 시스템 특성들을 제어 및 정정하는 데 사용될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 또한, 저장된 에너지를 증가시킬 수 있고, 기능 제어 서브시스템(310) 내의 프로세서에 의해 생성된 사인파의 안정화를 개선할 수 있다.
[0042] 기능 제어 서브시스템(310)은 본원에서 설명된 방식으로 전체 시스템을 동작시키기 위해 필요에 따라, 디지털 프로세서, 디지털 메모리 컴포넌트들, 및 제어 프로그래밍을 포함할 수 있다. 예컨대, 기능 제어 서브시스템(310)은 시작 시퀀스(start-up sequence), 셧다운 시퀀스(shut-down sequence), 진동 모니터링, 과열 모니터링, 및 원격 모니터링을 위한 시스템 컴포넌트들을 제어하는 프로그래밍을 포함할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 또한, 시스템 데이터를 제공하는 하나 이상의 파라미터 모니터링 컴포넌트들을 포함하거나 또는 이들에 연결될 수 있다. 그러한 데이터는 배터리 충전 레벨 및 용량, 배터리 전류량, 배터리 전압, 배터리 사용 시간, 배터리 충전 시간, 전류 시간(current time), 시스템 엘리먼트 온도들, 진동, 소스 부하, 전기 모터 토크, 전기 모터 rpm, 전기 생성기 토크, 전기 생성기 rpm, 배터리 충전 시스템 부하, 정류기 세팅들 및 인덕터 세팅들을 포함할 수 있다(그러나 이들에 제한되지 않음).
[0043] 전기 모터(330) 및 전기 생성기(350)의 사이즈 및 동작 특성들은 시스템에 의해 서비스될 주어진 예상 부하(500)에 대한 최적의 전력 생성 및 배터리 수명뿐만 아니라, 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130)에 대한 재충전 레이트 및 시간을 제공하도록 선택될 수 있다. 설명된 타입의 배터리 서브시스템들의 경우, 전기 모터(330)는 동작을 유지하기 위해 144V/100A를 요구할 수 있다. 전기 모터(330)의 속도는 바람직하게는, 부하(500)를 서비스하고 하나의 배터리 서브시스템을 재충전하기 위해 요구되는 전류량 및 전압을 제공하도록 전기 생성기를 구동하는 데 필요한 최소 rpm 또는 그 근처에서 세팅되는 동시에, 전기 생성기(350)에 의해 부과되는 토크를 감소시키거나 또는 최소화한다. 신규한 낮은 토크 요건 전기 생성기(350)의 사용은 전기 모터(330)의 토크 요건들을 증가(그리고 바람직하게는 감소)시키지 않으면서 토크를 전기 생성기(350)에 제공할 수 있어, 그에 의해, 전기 모터를 구동하는 배터리 서브시스템 상의 전력 드레인을 낮추고 생성기의 주어진 전력 출력에 대한 배터리 고갈 특성들을 개선할 수 있다.
[0044] 전기 모터(330)의 속도는 기능 제어 서브시스템(310)에 의해 실시간으로 매순간 자동으로 세팅될 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 예컨대, 모터의 샤프트 상에 위치된 속도 센서로부터 전기 모터(330) 속도 데이터를 수신할 수 있을 뿐만 아니라 다른 센서들로부터 배터리 재충전 및 부하(500) 전력 요건들을 수신할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 전기 생성기(350)가 그 시점에서 요구되는 전력을 생성기에 최대 토크로, 그리고 모터 상에 최소 토크로 제공하도록 전기 모터(330) 속도를 조정할 수 있다. 이러한 방식으로, 기능 제어 서브시스템(310)은 실시간으로 전력 생성 조건들(전기 모터 rpm 속도 및 전기 생성기 rpm 속도)을 최적화할 수 있다.
[0045] 전기 생성기(350)는 하나 이상의 전기 전도체들을 통해 AC 전력 분배 서브시스템(400)에 연결될 수 있다. 전력 분배 서브시스템은, 예컨대, AC 차단기 박스를 포함할 수 있다. 전력 분배 서브시스템(400)은 하나 이상의 전도체들을 통해 부하 소스(500) 및 배터리 충전 시스템(600)에 연결될 수 있다. 부하 소스(500) 및 배터리 충전 시스템(600)의 전력 수요들은 전력 분배 서브시스템(400), 부하 소스(500), 및/또는 배터리 충전 시스템(600)과 연관된 센서들로부터 유선 또는 무선 통신 채널들을 통해 기능 제어 서브시스템(310)에 통신될 수 있다. 전력 수요들은 시스템의 전력 수요들에 대해 정확한 rpm으로 작동하도록 전기 모터(330)를 세팅하기 위해 기능 제어 서브시스템(310)의 자동 스로틀 제어 모듈에 의해 사용될 수 있다.
[0046] 배터리 충전 시스템(600)은 하나 이상의 회로 차단기들(620)을 경유하여 정류기 서브시스템(630)에 전기적으로 연결된 인덕터 서브시스템(610)을 포함할 수 있다. 인덕터 서브시스템(610) 및 정류기 서브시스템(630)의 결합은 원하는 재충전 사이클에 걸쳐 요구되는 재충전 레벨을 유휴 배터리 서브시스템들(110, 120, 또는 130) 중 하나에 제공하는 데 사용되며, 이는, 3개의 배터리 서브시스템들을 사용하는 시스템의 경우 전체 시스템 사이클 시간의 1/3이다. 정류기 서브시스템(630)은 현재 충전 중인 배터리 서브시스템의 재충전 드로우(draw)를 수용하기 위해 자기-조정될 수 있다. 다시 말해서, 통상적으로, 인덕터 서브시스템(610)의 부재 시에, 자기-조정 정류기 서브시스템(630)은 충전 사이클의 과정에 걸쳐 재충전을 겪는 배터리 서브시스템에 공급되는 전압 및/또는 전류량을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 인덕터 서브시스템(610)을 포함하지 않고는, 배터리 서브시스템들은 원하는 사이클 시간에 완전히 재충전되기에 충분히 빨리 재충전되지 않을 수 있다. 조정가능한 레오스탯(rheostat)을 갖는 인덕터 서브시스템(610)의 추가는 유도 코일이 없는 시스템과 비교하여 배터리 충전 시스템(600)의 전류량 드로우(amperage draw)(및 그에 따라 유휴 배터리 서브시스템을 재충전하는 데 이용가능한 전류량)의 증가를 가능하게 할 수 있다. 바람직하게, 인덕터 서브시스템(610)의 레오스탯 세팅은 기능 제어부(310)의 제어 하에 재충전 사이클의 과정에 걸쳐 자동으로 조정될 수 있다. 레오스탯 세팅은 바람직하게, 그 시간 동안 시스템에 전력을 공급하는 데 사용되는 배터리 서브시스템 상의 최소량의 총 전력 드레인을 사용하여 원하는 시간량에 걸쳐 완전한 또는 거의 완전한 재충전이 완료되도록 실시간으로 조정되어야 한다. 일 실시예에서, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)(도시되지 않음)은 전기 생성기 서브시스템(350) 및 전기 배터리 시스템(100)을 커플링할 수 있다.
[0047] 도 1-도 3에 예시된 시스템들은, 부하 소스(500)에 전력을 공급하기 위해 전기를 생성, 저장, 및 분배하는 동시에, 고갈된 배터리 서브시스템들(110, 120, 및/또는 130)을 재충전하기 위한 전력을 다음의 방식으로 생성하는 데 사용될 수 있다. 예시된 시스템들을 사용하는 방법은 기능 제어 서브시스템(310)이 제1 동작 스테이지 동안 스위칭 서브시스템(200)에 유선 또는 무선 제어 신호를 송신함으로써 개시될 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310) 신호들은, 타이머(210)로 하여금, 저전압 제어 신호들을 제1, 제2, 및 제3 저전압 접촉기들(220, 222, 및 224)에 전송하게 할 수 있다. 타이머(210) 제어 신호들은 제1 배터리 서브시스템(110)의 제1 양극을 전도체(150) 및 고전압 접촉기들(230 및/또는 231)을 통해 제1 버스(240)에 커플링하도록 제1 및 제3 저전압 접촉기들(220 및 224)로 지향될 수 있다. 차례로, 제1 버스(240)는 제1 배터리 서브시스템(110)을 기능 제어부(310) 및 전기 모터(330)에 연결한다. 제1 배터리 서브시스템(110)의 제2 음극이 기능 제어부(310) 및 전기 모터(330)에 영구적으로 커플링되기 때문에, 제1 배터리 서브시스템을 사용하여 전기 모터에 전력을 공급하기 위한 회로가 일시적으로 완성된다.
[0048] 제1 배터리 서브시스템이 전기 모터(330)에 전력을 공급하는 데 사용되는 것과 동시에(즉, 제1 동작 페이즈), 기능 제어부(310)로부터 타이머(210)에 전송되는 제어 신호들은 다른 배터리 서브시스템 연결들 및 연결해제들을 수행하도록 제1, 제2, 및 제3 저전압 접촉기들(220, 222, 및 224)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 구체적으로, 저전압 접촉기들(220, 222, 및 224)은 제2 배터리 서브시스템(120)의 제1 양극을 제2 버스(242)에 일시적으로 연결하기 위해 그리고 임의의 회로로부터 제3 배터리 서브시스템(130)의 제1 양극을 일시적으로 격리하기 위해 고전압 접촉기들(232, 233, 234, 및 235)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 결과적으로, 제2 배터리 서브시스템(120)은 정류기 서브시스템(630)에 연결될 수 있고, 제3 배터리 서브시스템(130)은 제1 동작 페이즈 동안 격리될 수 있다.
[0049] 제1 동작 페이즈 동안, 전기 모터(330)는 제1 배터리 서브시스템(110)의 전력 하에 회전한다. 전기 모터(330)의 회전 모션은 전기 모터(330)를 통해 전기 생성기(350)를 구동하는 데 사용된다. 전기 모터 상의 전기 생성기(350)의 토크 저항은 부하 소스(500) 및 배터리 충전 시스템(600)으로부터 생성기에 인가되는 부하에 따라 변할 수 있다. 전기 모터(330)의 속도는 전기 생성기(350)에 인가되는 부하에 대한 속도를 최적화하기 위해 기능 제어부(310)에 의해 선택적으로 조정될 수 있다.
[0050] 전기 생성기(350)의 전력 출력은 분배 서브시스템(400)에 의해 배터리 충전 시스템(600)으로 부분적으로 지향된다. 배터리 충전 시스템(600)의 인덕터 서브시스템(610) 및 정류기 서브시스템(630)은, 바람직하게는 기능 제어부(310)의 제어 하에 함께 작동하여, 제1 동작 페이즈 동안 제2 배터리 서브시스템(120)을 재충전한다. 제1 동작 페이즈는 세팅된 경과 시간 이후에, 제1 배터리 서브시스템(110)의 세팅된 방전 레벨을 검출한 이후에, 또는 제2 배터리 서브시스템(120)의 세팅된 재충전 레벨 이후에 자동으로 종료될 수 있다.
[0051] 제1 동작 페이즈의 종료 직후에, 제2 동작 페이즈의 시행(institution)이 뒤따르며, 이 제2 동작 페이즈 동안, 기능 제어부(310)는, 제1 배터리 서브시스템(110)을 제2 배터리 서브시스템(120)으로 대체하도록, 제2 배터리 서브시스템(120)을 제3 배터리 서브시스템(130)으로 대체하도록, 그리고 제3 배터리 서브시스템(130)을 제1 배터리 서브시스템(110)으로 대체하도록 스위칭 시스템(200)에 지시한다. 다시 말해서, 제2 동작 페이즈 동안, 제2 배터리 서브시스템(120)은 전력을 공급하는 데 사용되고, 제3 배터리 서브시스템(130)은 재충전되고, 제1 배터리 서브시스템(110)은 전력 및 재충전 회로들로부터 연결해제된다. 제3 동작 페이즈 동안, 제3 배터리 서브시스템(130)은 시스템에 전력을 공급하고, 제1 배터리 서브시스템(110)은 재충전되고, 그리고 제2 배터리 서브시스템(120)은 연결해제된다. 무정전 전력을 부하 소스(500)에 제공하기 위해 제1, 제2, 및 제3 동작 페이즈들을 통한 회전이 반복될 수 있다.
[0052] 본 발명의 대안적인 실시예가 도 4에 예시되며, 여기서 유사한 참조 부호들은 다른 실시예들과 관련하여 설명된 것들과 유사한 방식으로 동작하는 유사한 엘리먼트들을 지칭한다. 전력 생성 시스템(300)은 온-그리드 인버터(370)를 통해, 부하 소스(500)에 전력을 공급하기 위한 AC 전력 분배 시스템(400)에 연결될 수 있다. 전력 생성 시스템(300)은 또한, 정류기/인덕터 시스템(700)을 통해 UPS(Uninterruptible Power Supply) 시스템(100) 및 DC 배터리에 연결될 수 있다. 배터리/UPS 시스템(100)은 정류기/인덕터 시스템(700)을 통해 전력 생성 시스템(300)에 선택적으로 전력을 공급할 수 있다. 스위칭 서브시스템(200)은 회로를 완성하기 위해 전력 분배 시스템(400)에 연결된 배터리 충전 시스템(600)으로부터 재충전 전력을 수신하도록 전체 회로 내외로의 배터리/UPS 시스템(100)의 스위칭을 제어할 수 있다.
[0053] 도 4를 계속 참조하면, 전체 시스템은 스위칭 시스템(200)의 제어 하에 배터리/UPS 시스템(100)을 정류기/인덕터 시스템(700)에 연결함으로써 전력을 생성하도록 개시될 수 있다. DC 전력은 배터리/UPS 시스템(100)으로부터 인덕터(710), 회로 차단기(720), 및 정류기(730)를 통해 흐를 수 있다. 정류기(730)로부터의 DC 전력은 전력 생성 시스템(300)에 제공된다. 기능 제어 서브시스템(310)은 정류기(730)로부터의 DC 전력을 DC 전기 모터 서브시스템(330)에 인가한다. 차례로, DC 모터는 DC 생성기(380)를 구동한다.
[0054] 전기 모터(330)는 전기 생성기(350)에 동작가능하게 연결된다. 기능 제어 서브시스템(310)은 전기 모터 서브시스템(330)의 속도를 제어할 수 있다. 전력 생성 시스템(300)은 또한, 기능 제어 서브시스템(310)에 의해 제어되는 냉각 서브시스템(360)을 포함할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 전체 시스템의 임의의 그리고/또는 모든 열 생성 컴포넌트들, 이를테면, 기능 제어 서브시스템(310), 전기 모터 서브시스템(330), 및 DC 생성기(380)와 동작가능하게 접촉할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 당업자들에 알려진 방식으로 최적의 동작 온도 범위들에서 시스템 엘리먼트들을 유지할 수 있다.
[0055] 커패시터 서브시스템(320)은 기능 제어 서브시스템(310)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 서로 병렬로 상호 연결된 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 역률 래그 및 페이즈 시프트와 같은 시스템 특성들을 제어 및 정정하는 데 사용될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 또한, 저장된 에너지를 증가시킬 수 있고, 기능 제어 서브시스템(310) 내의 프로세서에 의해 생성된 사인파의 안정화를 개선할 수 있다.
[0056] 기능 제어 서브시스템(310)은 본원에서 설명된 방식으로 전체 시스템을 동작시키기 위해 필요에 따라, 디지털 프로세서, 디지털 메모리 컴포넌트들, 및 제어 프로그래밍을 포함할 수 있다. 예컨대, 기능 제어 서브시스템(310)은 시작 시퀀스, 셧다운 시퀀스, 진동 모니터링, 과열 모니터링, 및 원격 모니터링을 위한 시스템 컴포넌트들을 제어하는 프로그래밍을 포함할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 또한, 시스템 데이터를 제공하는 하나 이상의 파라미터 모니터링 컴포넌트들을 포함하거나 또는 이들에 연결될 수 있다. 그러한 데이터는 배터리 충전 레벨 및 용량, 배터리 전류량, 배터리 전압, 배터리 사용 시간, 배터리 충전 시간, 전류 시간, 시스템 엘리먼트 온도들, 진동, 소스 부하, 전기 모터 토크, 전기 모터 rpm, 전기 생성기 토크, 전기 생성기 rpm, 배터리 충전 시스템 부하, 정류기 세팅들 및 인덕터 세팅들을 포함할 수 있다(그러나 이들에 제한되지 않음).
[0057] 바람직한 실시예에서, DC 생성기(380)는 낮은 rpm들에서 비교적 낮은 토크 요건들로 10 kw의 전력을 출력할 수 있다. 예컨대, DC 생성기(380)는 1 kW의 출력 전력당 5 피트-파운드의 토크를 요구할 수 있다. DC 생성기(380)로부터 출력된 DC 전력은 동작하기 위해 220 AC 볼트를 요구하는 온-그리드(예컨대, 10 kw) 인버터(370)에 제공될 수 있다. 차례로, 온-그리드 인버터(370)로부터의 AC 전력은 로컬 또는 국가 전력 그리드, 로컬 전력 아웃렛들, 및 전력 분배 시스템(400)에 온라인으로 제공될 수 있다. 일단 전체 시스템이 가동되고 전력을 생성하면, 온-그리드 인버터(370)는 전력 분배 시스템(400)에 연결된 부하 소스(500)에 대한 모든 전류 수요들을 공급할 뿐만 아니라 DC 전기 모터 서브시스템(330)에 전력을 공급하는 데 필요한 전류를 공급할 수 있다. 가정 벽 아웃렛들(410)과 같은 그리드에 연결된 부하들에 전력을 공급하기 위해, 임의의 초과 전력이 온-그리드 인버터(370)로부터 국가 그리드에 공급될 수 있다. 국가 그리드에 전달되는 이러한 초과 전력은 전력 회사에 판매될 수 있거나, 또는 신용을 위해 거래될 수 있다.
[0058] 위에서 서술된 바와 같이, 전력 분배 시스템(400)은 정류기를 포함하는 배터리 충전 시스템(600)에 연결될 수 있다. 전력 분배 시스템은 벽 아웃렛들(410) 등을 포함하여 가정들에 전력을 전달하기 위해 국가 그리드에 연결될 수 있다. 배터리 충전 시스템(600)으로부터의 DC 전력은 배터리/UPS 시스템(100)을 완전히 충전된 상태로 유지하는 데 사용될 수 있다. 재충전을 위해 필요하지 않은 초과 전력은 DC 모터(330)에 전력을 공급하는 데 사용되도록 정류기/인덕터 시스템(700)으로 지향될 수 있다. 배터리/UPS 시스템(100)이 완전히 충전된 상태에 있을 때, DC 모터(330)를 구동하기 위한 모든 전력은 배터리 충전 시스템(600)에 의해 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, 배터리/UPS 시스템(100)은 전류 제공자와는 대조적으로 전류 촉매로서 기능할 수 있다. 일 실시예에서, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)(도시되지 않음)은 전력 분배 서브시스템(400) 및 전기 배터리 시스템(100)을 커플링할 수 있다.
[0059] 도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 것과 거의 동일한 시스템이 예시된다. 도 5의 시스템은 그것이 온-그리드 인버터(370, 도 4) 대신에, (예컨대, 8 kw) 오프-그리드 인버터(372)를 포함한다는 점에서 도 4의 시스템과 상이하다. 오프-그리드 인버터(372)는 국가 전력 그리드에 연결되지 않는다. 도 5의 시스템은, 국가 전력 그리드에 대한 어떠한 연결도 존재하지 않고 그에 따라 오프-그리드 인버터(372)로부터 국가 전력 그리드에 전력을 공급하기 위한 능력이 없다는 점을 제외하고는, 도 4의 시스템과 동일한 방식으로 동작한다.
[0060] 도 6은 온-그리드 인버터(370) 및 오프-그리드 인버터(372) 둘 모두가 포함되도록 도 4 및 도 5의 엘리먼트들을 결합하는 시스템을 예시한다. 도 6의 시스템은, 국가 그리드가 다운될(go down) 때, 무정전 전력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 6의 시스템은, 국가 전력 그리드가 기능하고 있을 때, 시스템으로 하여금, 온-그리드 인버터(370)를 사용하게 하는 특징을 포함한다. 그러나, 국가 전력 그리드에 장애가 발생할 때, 시스템은 전력을 공급하기 위해 오프-그리드 인버터(372)를 사용하는 것으로 스위칭하여, 그에 의해 국가 전력 그리드로부터 시스템을 연결해제한다.
[0061] 본 발명의 대안적인 실시예가 도 7에 예시되며, 여기서 유사한 참조 부호들은 다른 실시예들과 관련하여 설명된 것들과 유사한 방식으로 동작하는 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.
[0062] DC 배터리 시스템(100)은 전도체들(150, 152, 및 156)을 통해 스위칭 서브시스템(200)에 연결된다. 스위칭 시스템(200)은 차례로, DC/AC 인버터(640)를 통해 AC 전력 분배 시스템(400)에 연결된다. AC 전력 분배 시스템(400)은 부하 소스(500) 및 전력 생성 시스템(300) 둘 모두에 연결된다. 전력 생성 시스템(300)은 차례로, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)을 통해 스위칭 시스템(200)에 연결된다.
[0063] 구체적으로, DC 배터리 시스템(100)의 제1, 제2, 및 제3 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130)의 제1 양극들은 전도체들(150, 152, 및 156)을 통해 스위칭 서브시스템(200)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 차례로, 스위칭 서브시스템(200)은 양극성 전도체를 경유하여 포인트 A를 통해 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)에 그리고 양극성 전도체를 경유하여 포인트 C를 통해 DC/AC 인버터(640)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1, 제2, 및 제3 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130)의 음극들은 전도체(154)를 경유하여 포인트 B를 통해 배터리 충전 제어기 서브시스템(650) 및 DC/AC 인버터(640)에 전기적으로 연결될 수 있다.
[0064] 일반적으로, 배터리 충전 제어기는 전류가 전기 배터리들에 추가되거나 또는 전기 배터리들로부터 드로우되는 레이트를 제한한다. 이 애플리케이션에서, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)은 배터리들이 사전 결정된 그리고 세팅된 고전압 레벨을 초과할 때 전기 배터리 서브시스템(100)에서 배터리들의 충전을 정지시키고, 배터리 전압이 그 사전 결정된 레벨 미만으로 다시 떨어질 때 충전을 다시 가능하게 한다.
[0065] 일 실시예에서, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)은 배터리의 최대 용량에 더 가깝게 충전할 수 있도록 배터리의 레벨에 따라 충전 레이트들을 조정하는 PWM(pulse width modulation) 및 MPPT(maximum power point tracker) 기술들을 포함한다.
[0066] 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)은 과충전의 가능성을 감소시킬 수 있고, 과전압으로부터 보호할 수 있으며, 이는 배터리 성능 또는 수명을 감소시킬 수 있고, 안전 위험을 제기할 수 있다. 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)은 또한, 배터리의 완전한 소모 또는 심방전(deep discharging)을 방지할 수 있거나, 또는 배터리 기술에 따라 제어된 방전들을 수행하여 배터리 수명을 보호할 수 있다. 일 실시예에서, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)은 전기 배터리 서브시스템(100)이 사전 결정된 시간 기간 내에 재충전되도록 보장하기 위해 전기 생성기 서브시스템(380) 상에서 요구되는 부하 또는 드로우를 인가한다. 일 실시예에서, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)은 전기 배터리 서브시스템(100)이 사전 결정된 레이트로, 요구되는 전압 및 전류량을 수신하도록 보장하기 위해 전기 생성기 서브시스템(380) 상에서 요구되는 부하 또는 드로우를 인가한다.
[0067] 스위칭 서브시스템(200)은 회로를 완성하기 위해 전력 생성 시스템(300)에 연결된 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)을 통해 재충전 전력을 수신하도록 전체 회로 내외로의 DC 배터리 시스템(100)의 스위칭을 제어할 수 있다.
[0068] 도 7을 계속 참조하면, 전체 시스템은 스위칭 시스템(200)을 통해 그리고 스위칭 시스템(200)의 제어 하에 DC 배터리 시스템(100)을 DC/AC 인버터(640)에 연결함으로써 전력을 생성하도록 개시될 수 있다. DC 전력은 DC 배터리 시스템(100)으로부터 스위칭 서브시스템(200) DC/AC 인버터(640)를 통해 AC 전력 분배 시스템(400)으로 흐를 수 있다.
[0069] AC 전력 분배 시스템(400)으로부터의 AC 전력은 전력 생성 시스템(300) 및 부하 소스(500)에 제공된다. 기능 제어 서브시스템(310)은 AC 전력 분배 시스템(400)에 연결된 정류기(630)로부터의 DC 전력을 DC 전기 모터 서브시스템(330)에 인가한다.
[0070] 400으로부터의 AC 전력은 630을 통해 300에 제공된다. 630으로부터의 DC 전력은 310을 통해 330에 제공된다. 차례로, DC 모터(330)는 DC 전기 생성기(380)를 구동한다. 위에서 서술된 바와 같이, 전력 분배 시스템(400)은 정류기 서브시스템(630)을 포함하는 전력 생성 시스템(300)에 연결될 수 있다.
[0071] 그 중에서도, 기능 제어 서브시스템(310)은 DC 전기 모터 서브시스템(330)의 속도를 제어할 수 있다. DC 모터(330)와 AC 전기 생성기(350) 사이의 커플러의 회전 속도는 필요에 따라 변할 수 있지만, 커플러의 회전 속도는 DC 전기 모터(330) 및 AC 전기 생성기(350)의 출력 속도에 대해 불변한다. 일 실시예에서, DC 전기 모터(330) 및 AC 전기 생성기(350)는 직접 커플링된다.
[0072] 전력 생성 시스템(300)은 또한, 기능 제어 서브시스템(310)에 의해 제어되는 냉각 서브시스템(360)을 포함할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 전체 시스템의 임의의 그리고/또는 모든 열 생성 컴포넌트들, 이를테면, 기능 제어 서브시스템(310), DC 전기 모터 서브시스템(330), 및 DC 전기 생성기(380)와 동작가능하게 접촉할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 당업자들에 알려진 방식으로 최적의 동작 온도 범위들에서 시스템 엘리먼트들을 유지할 수 있다.
[0073] 커패시터 서브시스템(320)은 기능 제어 서브시스템(310)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 서로 병렬로 상호 연결된 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 역률 래그 및 페이즈 시프트와 같은 시스템 특성들을 제어 및 정정하는 데 사용될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 또한, 저장된 에너지를 증가시킬 수 있고, 기능 제어 서브시스템(310) 내의 프로세서에 의해 생성된 사인파의 안정화를 개선할 수 있다.
[0074] 기능 제어 서브시스템(310)은 본원에서 설명된 방식으로 전체 시스템을 동작시키기 위해 필요에 따라, 디지털 프로세서, 디지털 메모리 컴포넌트들, 및 제어 프로그래밍을 포함할 수 있다. 예컨대, 기능 제어 서브시스템(310)은 시작 시퀀스, 셧다운 시퀀스, 진동 모니터링, 과열 모니터링, 및 원격 모니터링을 위한 시스템 컴포넌트들을 제어하는 프로그래밍을 포함할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 또한, 시스템 데이터를 제공하는 하나 이상의 파라미터 모니터링 컴포넌트들을 포함하거나 또는 이들에 연결될 수 있다. 그러한 데이터는 배터리 충전 레벨 및 용량, 배터리 전류량, 배터리 전압, 배터리 사용 시간, 배터리 충전 시간, 전류 시간, 시스템 엘리먼트 온도들, 진동, 소스 부하, 전기 모터 토크, 전기 모터 rpm, 전기 생성기 토크, 전기 생성기 rpm, 배터리 충전 시스템 부하, 정류기 세팅들 및 인덕터 세팅들을 포함할 수 있다(그러나 이들에 제한되지 않음).
[0075] 바람직한 실시예에서, DC 생성기(380)는 낮은 rpm들에서 비교적 낮은 토크 요건들로 10 kw의 전력을 출력할 수 있다. 예컨대, DC 생성기(380)는 1 kW의 출력 전력당 5 피트-파운드의 토크를 요구할 수 있다.
[0076] 일단 전체 시스템이 가동되고 전력을 생성하면, DC/AC 인버터(640)는 전력 분배 시스템(400)에 연결된 부하 소스(500)에 대한 모든 전류 수요들을 공급할 뿐만 아니라 DC 전기 모터 서브시스템(330)에 전력을 공급하는 데 필요한 전류를 공급할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인버터(640)는 시스템이 배터리 서브시스템(100)에 의해 전력을 공급받도록 DC 전기 모터(330)를 셧다운할 수 있다. 배터리 서브시스템(100)이 사전 결정된 레벨로 방전될 때, 인버터(640)는 DC 전기 모터(330)를 재시작할 것이다.
[0077] 전력 생성 시스템(300)으로부터 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)을 통해 흐르는 DC 전력은 DC 배터리 시스템(100)을 완전히 충전된 상태로 유지하는 데 사용될 수 있다.
[0078] 재충전을 위해 필요하지 않은 초과 전력은 DC 모터(330)에 전력을 공급하는 데 사용되도록 인버터 서브시스템(640), 전력 분배 서브시스템(400), 정류기 서브시스템(630), 및 전기 기능 제어부(310)로 지향될 수 있다.
[0079] DC 배터리 시스템(100)이 완전히 충전된 상태에 있을 때, DC 모터(330)를 구동하기 위한 모든 전력은 배터리 충전 시스템(600)에 의해 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, DC 배터리 시스템(100)은 전류 제공자와는 대조적으로 전류 촉매로서 기능할 수 있다.
[0080] 본 발명의 대안적인 실시예가 도 8에 예시되며, 여기서 유사한 참조 부호들은 다른 실시예들과 관련하여 설명된 것들과 유사한 방식으로 동작하는 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.
[0081] DC 배터리 시스템(100)은 전도체들(150, 152, 및 156)을 통해 스위칭 서브시스템(200)에 연결된다. 스위칭 시스템(200)은 차례로, DC/AC 인버터(640)를 통해 제1 AC 전력 분배 시스템(410) 및 제2 AC 전력 분배 시스템(420)에 연결된다. 제1 AC 전력 분배 시스템(410)은 부하 소스(500) 및 전력 생성 시스템(300) 둘 모두에 연결된다. 전력 생성 시스템(300)은 제2 AC 전력 분배 시스템(420)에 연결된다. 전력 생성 시스템(300)은 제1 AC 전력 분배 서브시스템으로부터 AC 전력을 수신하는 정류기 서브시스템을 포함한다. 전력 생성 시스템(300)은 또한 기능 제어 서브시스템(310), DC 전기 모터(330), 및 AC 생성기(350)를 포함하며, 이들 모두는 아래에서 더 상세하게 논의된다.
[0082] 구체적으로, DC 배터리 시스템(100)의 제1, 제2, 및 제3 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130)의 제1 양극들은 전도체들(150, 152, 및 156)을 통해 스위칭 서브시스템(200)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 차례로, 스위칭 서브시스템(200)은 양극성 전도체를 경유하여 포인트 A를 통해 기능 제어 서브시스템(310)에 그리고 양극성 전도체를 경유하여 포인트 C를 통해 DC/AC 인버터(640)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1, 제2, 및 제3 배터리 서브시스템들(110, 120, 및 130)의 음극들은 전도체(154)를 경유하여 포인트 B를 통해 기능 제어 서브시스템(310) 및 DC/AC 인버터(640)에 전기적으로 연결될 수 있다.
[0083] 스위칭 서브시스템(200)은 회로를 완성하기 위해 전력 생성 시스템(300)의 일부인 기능 제어 서브시스템(310)을 통해 재충전 전력을 수신하도록 전체 회로 내외로의 DC 배터리 시스템(100)의 스위칭을 제어할 수 있다.
[0084] 도 8을 계속 참조하면, 전체 시스템은 스위칭 시스템(200)을 통해 그리고 스위칭 시스템(200)의 제어 하에 DC 배터리 시스템(100)을 DC/AC 인버터(640)에 연결함으로써 전력을 생성하도록 개시될 수 있다. 차례로, 인버터(640)로부터의 AC 전력은 제1 AC 전력 분배 서브시스템(410)으로 흐를 수 있다.
[0085] 제1 AC 전력 분배 시스템(410)으로부터의 AC 전력의 제1 부분은 부하 소스(500)에 제공되고, AC 전력의 제2 부분은 전력 생성 시스템(300)의 일부인 정류기(630)에 제공된다.
[0086] 기능 제어 서브시스템(310)은 정류기(630)로부터의 DC 전력을 DC 전기 모터 서브시스템(330)에 인가한다. 차례로, DC 모터(330)는 AC 전기 생성기(350)를 구동한다. 그런 다음, AC 생성기(350)로부터의 AC 전력은 회로를 완성하기 위해 제2 AC 전력 분배 시스템(420)으로 그리고 차례로, 인버터(640)로 흐른다.
[0087] 그 중에서도, 기능 제어 서브시스템(310)은 DC 전기 모터 서브시스템(330)의 속도를 제어할 수 있다. DC 모터(330)와 AC 전기 생성기(350) 사이의 커플러의 회전 속도는 필요에 따라 변할 수 있지만, 커플러의 회전 속도는 DC 전기 모터(330) 및 AC 전기 생성기(350)의 출력 속도에 대해 불변한다. 일 실시예에서, DC 전기 모터(330) 및 AC 전기 생성기(350)는 직접 커플링된다.
[0088] 전력 생성 시스템(300)은 또한, 기능 제어 서브시스템(310)에 의해 제어되는 냉각 서브시스템(360)을 포함할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 전체 시스템의 임의의 그리고/또는 모든 열 생성 컴포넌트들, 이를테면, 기능 제어 서브시스템(310), DC 전기 모터 서브시스템(330), 및 AC 전기 생성기(350)와 동작가능하게 접촉할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 당업자들에 알려진 방식으로 최적의 동작 온도 범위들에서 시스템 엘리먼트들을 유지할 수 있다.
[0089] 커패시터 서브시스템(320)은 기능 제어 서브시스템(310)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 서로 병렬로 상호 연결된 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 역률 래그 및 페이즈 시프트와 같은 시스템 특성들을 제어 및 정정하는 데 사용될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 또한, 저장된 에너지를 증가시킬 수 있고, 기능 제어 서브시스템(310) 내의 프로세서에 의해 생성된 사인파의 안정화를 개선할 수 있다.
[0090] 기능 제어 서브시스템(310)은 본원에서 설명된 방식으로 전체 시스템을 동작시키기 위해 필요에 따라, 디지털 프로세서, 디지털 메모리 컴포넌트들, 및 제어 프로그래밍을 포함할 수 있다. 예컨대, 기능 제어 서브시스템(310)은 시작 시퀀스, 셧다운 시퀀스, 진동 모니터링, 과열 모니터링, 및 원격 모니터링을 위한 시스템 컴포넌트들을 제어하는 프로그래밍을 포함할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 또한, 시스템 데이터를 제공하는 하나 이상의 파라미터 모니터링 컴포넌트들을 포함하거나 또는 이들에 연결될 수 있다. 그러한 데이터는 배터리 충전 레벨 및 용량, 배터리 전류량, 배터리 전압, 배터리 사용 시간, 배터리 충전 시간, 전류 시간, 시스템 엘리먼트 온도들, 진동, 소스 부하, 전기 모터 토크, 전기 모터 rpm, 전기 생성기 토크, 전기 생성기 rpm, 배터리 충전 시스템 부하, 정류기 세팅들 및 인덕터 세팅들을 포함할 수 있다(그러나 이들에 제한되지 않음).
[0091] 바람직한 실시예에서, DC 생성기(380)는 낮은 rpm들에서 비교적 낮은 토크 요건들로 10 kw의 전력을 출력할 수 있다. 예컨대, DC 생성기(380)는 1 kW의 출력 전력당 5 피트-파운드의 토크를 요구할 수 있다.
[0092] 일단 전체 시스템이 가동되고 전력을 생성하면, DC/AC 인버터(640)는 전력 분배 시스템(400)에 연결된 부하 소스(500)에 대한 모든 전류 수요들을 공급할 뿐만 아니라 전력 생성 서브시스템(300) 및 특히, DC 전기 모터 서브시스템(330)에 전력을 공급하는 데 필요한 전류를 공급할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인버터(640)는 시스템이 배터리 서브시스템(100)에 의해 전력을 공급받도록 DC 전기 모터(330)를 셧다운할 수 있다. 배터리 서브시스템(100)이 사전 결정된 레벨로 방전될 때, 인버터(640)는 DC 전기 모터(330)를 재시작할 것이다.
[0093] 전력 생성 시스템(300)으로부터 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)을 통해 흐르는 DC 전력은 DC 배터리 시스템(100)을 완전히 충전된 상태로 유지하는 데 사용될 수 있다.
[0094] 이 실시예에서, 도 7에 도시된 것과 비교하여, DC 생성기(380)는 AC 생성기(350)로 대체된다. 이것은 AC 전류를 제2 전력 분배 패널(420)로 직접 흐르게 하는 것을 가능하게 한다. 그리고 AC 전력을 DC/AC 인버터들에 직접 인가하며, 이는 차례로, 그리드 타이(grid tie)의 경우에서와 인버터들에 대해 동일한 효과를 가질 것이다. 인버터 내의 센서들은 AC 전력을 검출할 것이고, AC 전력이 이들을 통해 제1 전력 분배 패널(410)로 직접 흐를 수 있게 할 것이다. 또한, AC 생성기를 사용함으로써, 시스템이 인버터에 포함된 충전 제어기를 활용할 것이므로, 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)에 대한 요건이 더이상 존재하지 않는다.
[0095] 본 발명의 대안적인 실시예가 도 9에 예시되며, 여기서 유사한 참조 부호들은 다른 실시예들과 관련하여 설명된 것들과 유사한 방식으로 동작하는 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.
[0096] DC 전력 생성 시스템(300)은 온-그리드 인버터(370)를 통해, 부하 소스(500)에 전력을 공급하기 위한 AC 전력 분배 시스템(400)에 연결될 수 있다. DC 전력 생성 시스템(300)은 또한, 정류기/인덕터 시스템(700)을 통해 DC 배터리 시스템(100)에 연결될 수 있다. 배터리/UPS 시스템(100)은 정류기/인덕터 시스템(700)을 통해 전력 생성 시스템(300)에 선택적으로 전력을 공급할 수 있다. 스위칭 서브시스템(200)은 회로를 완성하기 위해 DC 생성기(380)에 연결된 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)으로부터 재충전 전력을 수신하도록 전체 회로 내외로의 배터리(100)의 스위칭을 제어할 수 있다.
[0097] 도 9를 계속 참조하면, 전체 시스템은 스위칭 시스템(200)의 제어 하에 배터리(100)를 정류기/인덕터 시스템(700)에 연결함으로써 전력을 생성하도록 개시될 수 있다. DC 전력은 배터리/UPS 시스템(100)으로부터 정류기(730) 및 회로 차단기(720)를 통해 흐를 수 있다. 정류기(730)로부터의 DC 전력은 전력 생성 시스템(300)에 제공된다. 기능 제어 서브시스템(310)은 정류기(730)로부터의 DC 전력을 DC 전기 모터 서브시스템(330)에 인가한다. 차례로, DC 모터는 DC 전기 생성기(380)를 구동한다. DC 모터(330)와 AC 전기 생성기(350) 사이의 커플러의 회전 속도는 필요에 따라 변할 수 있지만, 커플러의 회전 속도는 DC 전기 모터(330) 및 AC 전기 생성기(350)의 출력 속도에 대해 불변한다. 일 실시예에서, DC 전기 모터(330) 및 AC 전기 생성기(350)는 직접 커플링된다.
[0098] 기능 제어 서브시스템(310)은 전기 모터 서브시스템(330)의 속도를 제어할 수 있다. 전력 생성 시스템(300)은 또한, 기능 제어 서브시스템(310)에 의해 제어되는 냉각 서브시스템(360)을 포함할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 전체 시스템의 임의의 그리고/또는 모든 열 생성 컴포넌트들, 이를테면, 기능 제어 서브시스템(310), 전기 모터 서브시스템(330), 기어 박스(340), 및 DC 전기 생성기(380)와 동작가능하게 접촉할 수 있다. 냉각 서브시스템(360)은 당업자들에 알려진 방식으로 최적의 동작 온도 범위들에서 시스템 엘리먼트들을 유지할 수 있다.
[0099] 커패시터 서브시스템(320)은 기능 제어 서브시스템(310)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 서로 병렬로 상호 연결된 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 역률 래그 및 페이즈 시프트와 같은 시스템 특성들을 제어 및 정정하는 데 사용될 수 있다. 커패시터 서브시스템(320)은 또한, 저장된 에너지를 증가시킬 수 있고, 기능 제어 서브시스템(310) 내의 프로세서에 의해 생성된 사인파의 안정화를 개선할 수 있다.
[00100] 기능 제어 서브시스템(310)은 본원에서 설명된 방식으로 전체 시스템을 동작시키기 위해 필요에 따라, 디지털 프로세서, 디지털 메모리 컴포넌트들, 및 제어 프로그래밍을 포함할 수 있다. 예컨대, 기능 제어 서브시스템(310)은 시작 시퀀스, 셧다운 시퀀스, 진동 모니터링, 과열 모니터링, 및 원격 모니터링을 위한 시스템 컴포넌트들을 제어하는 프로그래밍을 포함할 수 있다. 기능 제어 서브시스템(310)은 또한, 시스템 데이터를 제공하는 하나 이상의 파라미터 모니터링 컴포넌트들을 포함하거나 또는 이들에 연결될 수 있다. 그러한 데이터는 배터리 충전 레벨 및 용량, 배터리 전류량, 배터리 전압, 배터리 사용 시간, 배터리 충전 시간, 전류 시간, 시스템 엘리먼트 온도들, 진동, 소스 부하, 전기 모터 토크, 전기 모터 rpm, 전기 생성기 토크, 전기 생성기 rpm, 배터리 충전 시스템 부하, 및 정류기 세팅들을 포함할 수 있다(그러나 이들에 제한되지 않음).
[00101] 바람직한 실시예에서, DC 생성기(380)는 낮은 rpm들에서 비교적 낮은 토크 요건들로 10 kw의 전력을 출력할 수 있다. 예컨대, DC 생성기(380)는 1 kW의 출력 전력당 5 피트-파운드의 토크를 요구할 수 있다.
[00102] DC 생성기(380)로부터 출력된 DC 전력은 동작하기 위해 220 AC 볼트를 요구하는 온-그리드(예컨대, 10 kw) 인버터(370)에 제공될 수 있다. 차례로, 온-그리드 인버터(370)로부터의 AC 전력은 로컬 또는 국가 전력 그리드, 로컬 전력 아웃렛들, 및 전력 분배 시스템(400)에 온라인으로 제공될 수 있다. 일단 전체 시스템이 가동되고 전력을 생성하면, 온-그리드 인버터(370)는 전력 분배 시스템(400)에 연결된 부하 소스(500)에 대한 모든 전류 수요들을 공급할 뿐만 아니라 전력 분배 시스템(400) 및 정류기/인덕터 시스템(700)을 통해 DC 전기 모터 서브시스템(330)에 전력을 공급하는 데 필요한 전류를 공급할 수 있다. 가정 벽 아웃렛들(410)과 같은 그리드에 연결된 부하들에 전력을 공급하기 위해, 임의의 초과 전력이 온-그리드 인버터(370)로부터 국가 그리드에 공급될 수 있다. 국가 그리드에 전달되는 이러한 초과 전력은 전력 회사에 판매될 수 있거나, 또는 신용을 위해 거래될 수 있다.
[00103] 위에서 서술된 바와 같이, 전력 분배 시스템(400)은 회로 차단기(720) 및 정류기(730)를 포함하는 인덕터 시스템(70)을 통해 배터리 충전 시스템(600)에 연결될 수 있다. 전력 분배 시스템은 벽 아웃렛들(410) 등을 포함하여 가정들에 전력을 전달하기 위해 국가 그리드에 연결될 수 있다. DC 생성기(380)로부터 배터리 충전 제어기 서브시스템(650)을 통해 흐르는 DC 전력은 배터리/UPS 시스템(100)을 완전히 충전된 상태로 유지하는 데 사용될 수 있다. 재충전을 위해 필요하지 않은 초과 전력은 DC 모터(330)에 전력을 공급하는 데 사용되도록 정류기/인덕터 시스템(700)으로 지향될 수 있다. 배터리/UPS 시스템(100)이 완전히 충전된 상태에 있을 때, DC 모터(330)를 구동하기 위한 모든 전력은 배터리 충전 시스템(600)에 의해 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, 배터리/UPS 시스템(100)은 전류 제공자와는 대조적으로 전류 촉매로서 기능할 수 있다.
[00104] 당업자들에 의해 이해될 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적인 특성들을 벗어나지 않으면서 다른 특정 형태들로 구현될 수 있다. 위에서 설명된 엘리먼트들은 본 발명을 구현하기 위한 하나의 기법의 예시적인 예들로서 제공된다. 당업자는 청구항들에 언급된 본 발명을 벗어나지 않으면서 많은 다른 구현들이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 예컨대, 사용되는 배터리들, 전기 모터, 전기 생성기, 인덕터, 및 정류기의 타입들, 사이즈들, 용량들은 본 발명의 의도된 범위를 벗어나지 않으면서 변할 수 있다. 따라서, 본 발명의 개시내용은 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 본 발명은, 본 발명의 그러한 모든 수정들 및 변형들이 첨부된 청구항들 및 이들의 등가물들의 범위 내에 속한다면, 본 발명의 그러한 모든 수정들 및 변형들을 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (40)

  1. 전력 시스템으로서,
    전기 배터리 서브시스템;
    상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 스위칭 서브시스템;
    상기 스위칭 서브시스템 및 상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 인버터;
    상기 인버터에 커플링된 전력 분배 서브시스템 ― 상기 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―;
    상기 전력 분배 서브시스템에 커플링된 정류기 서브시스템;
    상기 정류기 서브시스템에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―;
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템;
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터;
    전기 생성기를 포함하는 전기 생성기 서브시스템 ― 상기 전기 생성기는 상기 전기 모터에 동작가능하게 연결되고, 상기 전기 모터로부터 입력 회전 모션을 수신하고, 상기 전기 모터의 출력 회전 속도 및 상기 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 및
    상기 전기 생성기 서브시스템, 상기 스위칭 서브시스템, 상기 인버터, 및 상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 배터리 충전 제어기 서브시스템을 포함하는,
    전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 배터리 서브시스템은, 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 갖고; 상기 스위칭 서브시스템은 상기 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고; 상기 배터리 충전 제어기 서브시스템은 상기 스위칭 서브시스템 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 제2 극에 커플링되고; 상기 인버터는 상기 스위칭 서브시스템, 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 제2 극에 커플링되는,
    전력 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도는 상기 아웃렛 부하 라인에 대한 이용가능한 전력의 사전 결정된 레벨에 대해 상기 전기 배터리 서브시스템의 전력 고갈을 최적화하도록 세팅되는,
    전력 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 전기 모터의 상대 회전 속도의 자동 조정을 제공하는,
    전력 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 전기 생성기의 전력 출력 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 재충전 요건들에 기초하여 상기 아웃렛 부하 라인에 대한 이용가능한 전력에 대한 상한을 자동으로 세팅하는,
    전력 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 전력 시스템이 상기 전기 배터리 서브시스템에 의해 전력을 공급받는 전기 모터를 셧다운하고,
    상기 전기 배터리 서브시스템이 사전 결정된 레벨로 방전될 때, 상기 인버터는 상기 전기 모터를 재시작하는,
    전력 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기 배터리 서브시스템은, 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 갖고; 상기 스위칭 서브시스템은 상기 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고; 상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 스위칭 서브시스템 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 제2 극에 커플링되고; 상기 인버터는 상기 스위칭 서브시스템, 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 제2 극에 커플링되는,
    전력 시스템.
  8. 전력 시스템으로서,
    전기 배터리 서브시스템;
    상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 스위칭 서브시스템;
    상기 스위칭 서브시스템 및 상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 인버터;
    상기 인버터에 커플링된 제1 전력 분배 서브시스템 ― 상기 제1 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―;
    상기 제1 전력 분배 서브시스템에 커플링된 정류기 서브시스템;
    상기 스위칭 서브시스템, 상기 인버터, 및 상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―;
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템;
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터;
    전기 생성기를 포함하는 전기 생성기 서브시스템 ― 상기 전기 생성기는 상기 전기 모터에 동작가능하게 연결되고, 상기 전기 모터로부터 입력 회전 모션을 수신하고, 상기 전기 모터의 출력 회전 속도 및 상기 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―; 및
    상기 전기 생성기 서브시스템 및 상기 인버터에 커플링된 제2 전력 분배 서브시스템을 포함하는,
    전력 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도는 상기 아웃렛 부하 라인에 대한 이용가능한 전력의 사전 결정된 레벨에 대해 상기 전기 배터리 서브시스템의 전력 고갈을 최적화하도록 세팅되는,
    전력 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 전기 모터의 상대 회전 속도의 자동 조정을 제공하는,
    전력 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 전기 생성기의 전력 출력 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 재충전 요건들에 기초하여 상기 아웃렛 부하 라인에 대한 이용가능한 전력에 대한 상한을 자동으로 세팅하는,
    전력 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 전력 시스템이 상기 전기 배터리 서브시스템에 의해 전력을 공급받는 전기 모터를 셧다운하고, 그리고
    상기 전기 배터리 서브시스템이 사전 결정된 레벨로 방전될 때, 상기 인버터는 상기 전기 모터를 재시작하는,
    전력 시스템.
  13. 전력 시스템으로서,
    전기 배터리 서브시스템;
    상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 스위칭 서브시스템;
    상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 정류기 서브시스템;
    상기 정류기 서브시스템에 커플링된 차단기 서브시스템;
    상기 정류기 서브시스템에 커플링된 전기 구동식 기능 제어 서브시스템 ― 상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 프로세서 및 메모리를 포함함 ―;
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 커패시터 서브시스템;
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템에 커플링된 전기 모터;
    전기 생성기를 포함하는 전기 생성기 서브시스템 ― 상기 전기 생성기는 상기 전기 모터에 동작가능하게 연결되고, 상기 전기 모터로부터 입력 회전 모션을 수신하고, 상기 전기 모터의 출력 회전 속도 및 상기 전기 생성기에 제공되는 입력 회전 속도는 서로에 대해 불변함 ―;
    상기 전기 생성기 서브시스템에 커플링된 인버터 서브시스템;
    상기 인버터 서브시스템 및 상기 차단기 서브시스템에 커플링된 전력 분배 서브시스템 ― 상기 전력 분배 서브시스템은 전기 부하에 연결되도록 구성된 아웃렛 부하 라인을 포함함 ―; 및
    상기 전기 생성기 서브시스템 및 상기 전기 배터리 서브시스템에 커플링된 배터리 충전 제어기 서브시스템을 포함하는,
    전력 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기 배터리 서브시스템은, 제1 극성을 갖는 제1 극 및 제2 극성을 갖는 제2 극을 갖고; 상기 스위칭 서브시스템은 상기 전기 배터리 서브시스템의 제1 극에 커플링되고; 상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 스위칭 서브시스템 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 제2 극에 커플링되고; 상기 인버터 서브시스템은 상기 스위칭 서브시스템 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 제2 극에 커플링되는,
    전력 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전기 모터의 회전 속도는 상기 아웃렛 부하 라인에 대한 이용가능한 전력의 사전 결정된 레벨에 대해 상기 전기 배터리 서브시스템의 전력 고갈을 최적화하도록 세팅되는,
    전력 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 전기 모터의 상대 회전 속도의 자동 조정을 제공하는,
    전력 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전기 구동식 기능 제어 서브시스템은 상기 전기 생성기의 전력 출력 및 상기 전기 배터리 서브시스템의 재충전 요건들에 기초하여 상기 아웃렛 부하 라인에 대한 이용가능한 전력에 대한 상한을 자동으로 세팅하는,
    전력 시스템.
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