KR100950588B1

KR100950588B1 - 전기이중층캐패시터 모듈의 충전 장치

Info

Publication number: KR100950588B1
Application number: KR1020070115727A
Authority: KR
Inventors: 최순주; 이문배; 임병일; 권오준
Original assignee: 코칩 주식회사
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2010-04-01
Also published as: KR20090049463A

Abstract

본 발명은 전기이중층캐패시터의 충전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전력 낭비를 최소화한 전기이중층캐패시터의 충전 장치에 관한 것이다.

본 발명은, 상술한 목적을 달성하기 위해, 적어도 하나의 전기이중층캐패시터(EDLC) 셀 및 상기 전기이중층캐패시터 셀에 병렬로 연결되는 적어도 하나의 벨런서를 포함하는 전기이중층캐패시터 모듈; 외부로부터 입력되는 입력 전원을 상기 전기이중층캐패시터 모듈을 위한 내부 전원으로 변환하는 전원 변압기; 상기 전원 변압기에 연결되어 전압 강하를 발생시키는 유도성 부하; 상기 유도성 부하에 연결되어 교류 전원을 직류 전원으로 변경시키는 정류기; 및 활성화되는 벨런서의 개수에 따라 상기 전기이중층캐패시터 모듈에 전원을 공급할지 여부를 결정하는 충전 제어 모듈을 포함한다.

본 발명에 따르는 충전 장치는 전기이중층캐패시터 충전시에 에너지 효율을 크게 개선하여 효율적인 충전이 가능한 장점이 있다.

전기이중층캐패시터, EDLC, 충전, 유도성 부하, 스위치, 전압 모니터, 벨런서

Description

전기이중층캐패시터 모듈의 충전 장치{apparatus for recharging a module of electric double layer capacitors}

이하 종래 기술에 따른 충전 장치 및 전기이중층캐패시터(EDLC: Electric double layer capacitor)를 설명한다.

최근 화석연료의 고갈 및 환경오염 문제로 인하여 대체 에너지 개발이 활성화되고 있다. 특히 전기 에너지의 저장 장치로서 EDLC의 활용 방안이 대두하고 있다.

EDLC는 고체와 액체의 계면에 생성되는 전해질 이온의 전기이중층을 이용한 콘덴서로서, 분리막을 사이에 두고 한 쌍의 분극성 전극과 이것을 유지하는 케이스, 전해액 및 집전체로 이루어진 구조를 갖는다. 상기 EDLC는 슈퍼커패시터 등의 다양한 이름으로 불린다.

EDLC는 대용량 커패시터를 구현하는 장점이 있다. 그러나 정격 전압이 2.5볼트 정도로 낮아서 높은 전압의 회로를 구현하기 위해서는 수백 개의 EDLC를 연결해야하는 문제가 있다. 따라서 일반적으로 EDLC 소자는, 다수의 EDLC가 직/병렬로 연결된 EDLC 모듈 형태로 사용된다. 구체적으로 수십 개의 EDLC를 직/병렬로 연결하여 EDLC 뱅크(bank)를 구성하고 다시 여러 개의 EDLC 뱅크를 직렬로 연결하여 EDLC 모듈을 형성시킨다.

EDLC 모듈의 정격 전압을 높이기 위해 직렬로 연결하여 사용하는 경우, EDLC 각각의 캐패시턴스의 편차에 의해 개별 EDLC 셀에 인가되는 전압이 정격 전압을 초과하여 EDLC를 파괴하는 문제가 발생할 수 있다. 종래의 EDLC 모듈의 경우 이러한 문제를 극복하기 위하여 개별 EDLC 셀(cell)에 병렬로 벨런서(balancer)를 부착하였다. 상기 벨런서는 충전전압이 개별 EDLC 셀의 정격 전압을 초과하면 벨런서 방향으로 전류를 우회시켜 EDLC 셀의 충전전압이 정격 전압을 초과하지 않도록 조절한다. 상술한 EDLC 셀은, 개별 EDLC의 단체로서 벨런서의 적용 대상이 된다. 상술한 바와 같이, EDLC 셀이 여러 개 연결되면 일종의 중간 집합체인 EDLC 뱅크(bank)를 형성한다. 또한, 상술한 바와 같이 EDLC 뱅크가 여러 개 연결되면, 충방전의 대상이 되는 EDLC 모듈이 형성된다.

도 1은 벨런서가 부착된 EDLC 셀의 일례를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 벨런서(100)는 EDLC 셀에 병렬로 연결되며, 벨런서(100)에 포함되는 전압검출기(110)가 전류를 우회시킬지 여부를 결정한다.

이하 EDLC 충전 장치에 대하여 설명한다.

EDLC는 저항과 커패시터로 이루어지는 등가회로로 표현될 수 있다. 도 2는 EDLC의 등가회로를 나타낸 도면이다.

도시된 회로의 구조로 인하여 EDLC를 충전할때는 다음과 같은 특성이 존재한다.

첫째로 EDLC에 대하여 충전을 시작하면 3개의 캐패시터(C101, C102, C103)는 서로 다른 전압 값(V1, V2, V3)을 갖는다. 일반적으로 V3와 VC(충전전압)가 오차범위 내에서 동일해지기 위해서는, 수십 시간 이상의 충전 시간이 필요하다. 둘째로, V3와 VC가 실질적으로 동일하지 않은 상태에서 외부에서의 전원 공급을 중단시키면 VC가 감소하는데, 이는 누설 전류에 의한 자기 방전 및 캐패시터(C101, C102, C103) 상호 간의 전하 이동에 의한 것이다. VC의 감소의 경우, 처음 수십 시간 동안은 주로 캐패시터(C101, C102, C103) 상호 간의 전하 이동에 의한 것이며, 수백 시간 이후부터는 주로 누설 전류에 의한 것이다.

EDLC는 대용량의 커패시터로 충전 초기에는 전압이 낮고 유입되는 전류의 양이 커서 충전기 부하를 쇼트(short) 시킨 것과 같기 때문에, 충전 장치의 파괴를 방지하기 위해 정전류 충전과 정전압 충전을 함께 사용한다.

도 3은 정전류 충전과 정전압 충전시 전압 및 전류의 변화를 나타내는 도면이다. 도 3에서 가로축은 시간을 의미하고, 세로축은 전류 또는 전압의 수준(level)을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 초기에는 정전류 충전(CC: Constant Current)을 수행한다. 이 경우, 전류는 일정하며 충전전압은 직선형 또는 지수형태로 서서히 상승한다. 충전전압이 소정의 임계값에 이르면 정전압 충전(CV: Constant Voltage)을 수행한다. 정전압(CV) 충전을 통해, 도 2의 C102와 C103의 전압이 상기 임계값에 이르게 된다. 상기 C102, 103의 전압이 상기 임계값에 이르기 위해서는 매우 오랜 시간 정전압(CV) 충전이 수행되어야 한다.

상술한 정전류(CC) 충전 및 정전압(CV) 충전 기법은 EDLC 및 일반 전지에 적용 가능한 기법이다.

이하 종래의 충전 장치에 관하여 설명한다.

도 4a는 종래의 충전 장치를 설명하는 블록도이다. 정전류회로(400)는 정전류(CC) 충전을 수행하고, 정전압회로(410)는 정전압(CV) 충전을 수행한다.

도 4b는 도 4a의 구체적인 구현예이다.

도시된 바와 같이 도 4b의 회로는 정전류 회로 부분과 정전압 회로 부분으로 구분된다. 구체적으로, 도 4b의 R101 양단에 강하되는 전압이 약 0.6V로 제한되어 입력단자(IN)와 Q101의 컬렉터 단자 사이 전압이 약 1.2V 이상만 된다면 전압 변화에 무관하게 항상 같은 전류(IC= 0.6V / R101)가 흐르게 된다.

또한, 도 4b의 출력단자(OUT) 상의 전압이 소정의 임계값(D103의 항복전압 -0.6V) 이하인 경우에는 정전류 회로를 통해 정전류가 공급되며, 임계값 이상인 경우에는 전류가 감소된다.

도 4c는 정전압 회로와 전류 제한회로로 이루어진 충전회로를 나타낸다.

도 4c에서 Q201의 컬렉터 전류에 의해 R202 양단에 강하된 전압은 Q202의 베이스 전압이 되므로 전압 강하가 증가하여 약 0.6V를 넘으면 Q202가 작동하여 R201 의 전류를 Q202의 컬렉터 전류로 빼앗아 가서 Q201의 베이스 전류가 감소하여 Q201의 컬렉터 전류는 항상 IC(=0.6V / R202)로 제한된다.

또한, 도 4c의 출력단자(OUT) 상의 전압이 소정의 임계값(D103의 항복전압-0.6/1.2 V) 이하인 경우에는 전류 제한회로를 통해 제한된 전류가 공급되며, 임계값 이상인 경우에는 전류가 감소된다. 도 4b의 정전류 회로는 도 4c의 전류 제한회로와 상응하는 동작을 수행하므로, 도 4b 또는 도 4c의 충전기를 사용할 수 있다.

도 4에 도시된 장치를 이용하는 경우 충전전압이 소정의 임계값 이하인 경우에는 정전류 회로가 전류를 제한하므로 정전류(CC) 충전이 이루어진다. 이 경우 충전전압은 소정의 임계값에 비해 낮기 때문에 정전압 회로는 영향을 끼치지 않는다.

한편 충전전압이 소정의 임계값에 이르면 정전압 회로가 전압을 제한하므로 전압이 상승하지 않는 상태에서 정전압(CV) 충전이 이루어진다. 이 경우 충전 전류는 소정의 수치보다 낮기 때문에 정전류 회로는 영향을 끼치지 않는다.

상술한 종래의 충전 장치를 EDLC의 충전을 위해 사용하는 경우 다수의 문제가 발생한다.

우선, EDLC와 일반 충전지의 방전특성을 설명한다.

도 5는 일반 충전지와 EDLC의 방전 전압을 비교하는 도면이다. 도시된 바와 같이 일반 충전지는 방전이 일어나는 경우 전압이 완만하게 감소하나 EDLC의 경우 전압이 급격하게 감소하는 특징이 있다.

한편, 도 5와 같이 방전 전압이 변화하는 경우, 충전시의 전압 변화는 도 6a 또는 도 6b와 같을 수 있다.

일반 충전지의 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 충방전 전압차(충전이 완료된 전압과 충전 개시 시의 전압 간의 차이)가 작기 때문에, 충전 장치에서의 자체 전압 강하와 충방전 전압차를 비교했을때 충방전 전압차가 충전기에서의 자체 전압 강하에 비해 작다. 그러나, EDLC의 경우 도 6에 도시된 바와 같이 충방전 전압차가 크기 때문에, 충전 장치에서의 자체 전압 강하와 충방전 전압차를 비교했을때 충방전 전압차가 더 크다. 이러한 EDLC의 특성 탓에 종래의 충전 장치를 EDLC에 그대로 적용하는 경우 에너지 효율이 크게 감소하는 문제가 존재하였다.

또한, EDLC 셀의 용량은 완전히 동일할 수 없기 때문에, EDLC 셀이 직렬로 연결되는 경우 EDLC 셀에 인가되는 전압들이 서로 동일하지 않아서 벨런서의 일부가 의도하지 않은 동작을 수행하는 문제가 존재하였다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 EDLC 충전시 에너지 효율을 크게 개선한 충전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 충전 장치는 충방전 전압차가 크기 때문에 발생하는 문제를 해결하기 위해 유도성 부하 및 제어 모듈을 추가하는 충전 장치를 제안한다.

또한, 본 발명은 유도성 부하와 제어 모듈을 추가하는 충전 장치의 성능을 더욱 향상시키기 위하여 EDLC 셀에 연결되는 벨런서의 상태에 따라 충전을 제어하는 충전 장치를 제안한다.

바람직하게, 상기 충전 제어 모듈은, 상기 활성화된 벨런서의 개수가 제1 임계 수치 보다 큰 경우 상기 전기이중층캐패시터 모듈에 전원을 차단하고, 상기 활성화된 벨런서의 개수가 제2 임계 수치 보다 작은 경우 상기 전기이중층캐패시터 모듈에 전원 공급을 공급한다.

바람직하게, 상기 충전 제어 모듈은, 상기 벨런서의 활성화 여부를 판정하고, 활성화된 벨런서의 개수를 출력하는 판정 모듈; 상기 출력된 벨런서의 개수를 적어도 하나의 임계 값과 비교하는 비교 모듈; 및 상기 비교 모듈의 비교 결과에 따라 상기 정류기와 상기 전기이중층캐패시터 모듈 간의 연결을 제어하는 스위치를 포함한다.

본 발명에 따라 유도성 부하 및 제어 모듈을 추가하는 충전 장치는 EDLC 모듈의 충전시에 에너지 효율을 크게 개선하여 효율적인 충전이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따라 유도성 부하 및 충전 제어 모듈을 추가하는 충전 장치는 서로 다르게 동작하는 벨런서로 인한 에너지 손실 량을 최소화하는 장점이 있다.

본 발명의 특징 및 효과는 이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

이하, EDLC 모듈에 종래의 충전 장치를 사용하여 충전을 하는 경우 에너지 효율 저하가 발생하는 원인을 설명하고, 유도성 부하를 추가하여 충전 효율을 높이는 제1 실시예 및 활성화된 벨런서의 개수에 따라 충전을 제어하는 제2 실시예를 설명한다.

도 5와 같이 방전 전압이 변화하는 경우, 충전시의 전압 변화는 도 6a 또는 도 6b와 같을 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 일반 충전지 및 EDLC의 충전시 충전전압의 변화를 나타내는 도면이다. 충전전압(충전시에 일반 충전지 또는 EDLC의 전압)은 도 6a에 도시된 바와 같이 지수 함수로 표시될 수 있고, 고 6b에 도시된 바와 같이 직선형 함수로 표시될 수도 있다.

구체적으로 충전 장치에서 도 4b에 도시된 정전류 회로 대신에 저항성 회로를 이용하여 충전을 하는 경우에는 도 6a에 도시된 바와 같이 지수 함수로 표시되며, 상기 정전류 회로를 사용하는 경우에는 도 6b의 직선형 함수로 표시된다.

충전 장치에서 저항성 회로를 사용하는 경우, 충전전압(VC)는 하기 수학식 1의 형태의 지수함수 형태로 표현될 수 있다.

상기 수학식 1에서 시상수(time constant) τ는 EDLC 용량과 충전 장치의 저항의 곱으로 표현된다.

한편, 도 4b에 도시된 정전류 회로를 사용하는 경우에는 도 6b에 도시된 바와 같이 직선형 함수로 충전전압이 표시될 수 있다.

일반 충전지의 경우, 충방전 전압차가 상대적으로 작기 때문에 충전 개시전압이 상대적으로 높다. 그러나 EDLC의 경우, 충방전 전압차가 상대적으로 크기 때 문에 충전 개시전압이 상대적으로 낮다.

충전 장치는 일반적으로 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환하여 사용한다. 변환된 직류 전원의 전압을 '충전기 내부전압'이라 하는 경우, 충전기 내부전압(VR)과 충전전압(VC)의 차이만큼 전압 강하(VD)가 발생한다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 일반 충전지의 경우 V1 만큼의 전압 강하가 발생하고, EDLC의 경우 V2 만큼의 전압 강하가 발생한다. 도시된 바와 같이 전압 강하(VD)가 발생하는 경우 충전 장치에서의 소모 전력(PD)은 하기 수학식과 같다.

이하, 설명의 편의를 위해 도 6b의 경우에서의 소모 전력(PD)을 설명한다.

충전 장치에서 공급하는 전류값(IC)와 충전기 내부 전압(VR)과 충전전압(VC) 및 소모 전력(PD)의 관계는 다음과 같다.

일반적으로 충전기 내부 전압(VR)은 충전전압(VC)의 최대 값인 만충전전압(VM)에 비해 높게 형성된다. 만충전전압(VM)과 충전기 내부 전압(VR) 간에는 소정의 전압 차이(VX)가 존재하는 것이 회로의 안정성을 위해 바람직하기 때문이다.

이 경우, VC가 VM에 이르는 시간을 TT라 하고, 초기충전전압을 VS라 하고, 상술한 VX에 의한 손실을 JX라 하고, 충전 장치에 의한 손실을 JD라 하고, EDLC에 공급된 에너지를 JC라 하고, 총 공급된 에너지를 JT라 하는 경우 각각의 관계는 하 기 수학식 3과 같다.

이 경우, 충전 에너지 효율은 JC/JT로 표시될 수 있다.

술한 수학식 3의 내용을 기초로 보면, 종래의 충전 장치를 이용하여 EDLC를 충전하는 경우 충전 에너지 효율이 크게 감소함을 알 수 있다. 일반 충전지의 경우 (VM-VS)의 크기가 작고 VS가 높아서 효율이 높았으나, EDLC의 경우 (VM-VS)의 크기가 매우 크고 VS가 낮아서 충전 장치에서의 에너지 효율이 급격하게 감소하기 때문이다.

한편, 상술한 바와 같이 EDLC 모듈에 벨런서를 연결시키는 것이 일반적인데, 종래의 충전 장치를 사용하여 정전압(CV) 충전을 수행하면, 벨런서가 항상 활성화되어 벨런서 방향으로 전류가 우회하는 문제가 발생한다.

도 7은 벨런서로 우회하는 전류(IC2)와 EDLC로 공급되는 전류(IC1)를 비교하는 그래프이다. 도시된 바와 같이 정전압(CV) 충전이 수행되는 동안에는 대부분의 전류가 벨런서로 유입되어 큰 에너지 손실이 발생한다. 특히 정전압(CV) 충전은 장기간(10시간 이상) 수행되는 것이 일반적이기 때문에, 에너지 손실의 문제가 더욱 크게 발생한다.

요약하면, 종래의 충전 장치를 통해 EDLC를 충전하면 다음과 같은 문제가 발생한다. 우선 EDLC의 충전시에 전압 변화가 극심하여 종래의 충전 장치에서 발생하는 전력 손실이 크게 발생한다. 또한, 장시간 동안 수행되는 정전압(CV) 충전시에 벨런서로 인한 전력 손실이 크게 발생한다.

제1 실시예

제1 실시예에 따른 충전 장치는 유도성 부하와 제어 모듈을 사용하여 전력 손실을 감소시킨다.

도 8은 제1 실시예에 따른 충전 장치를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 충전 장치는 전원 변압기(801)와 유도성 부하(802)와 정류기(803)와 제어 모듈(804)을 포함한다.

상기 전원 변압기(801)는 외부로부터 입력되는 입력 전원을 EDLC 모듈을 위한 내부 전원으로 변환한다.

상기 전원 변압기(801)에서 출력되는 전원은 상기 전원 변압기(801)에 연결된 상기 유도성 부하(802)에 입력된다. 본 문서에서 '연결'은 전기적으로 연결되었음을 의미하며, 직접적 또는 간접적인 연결을 모두 포함한다. 즉, 도시된 전원 변 압기(801)와 유도성 부하(802)의 경우처럼 직접적으로 연결된 경우 또는 전원 변압기(801)와 정류기(803)와 같이 다른 소자를 경유하여 연결된 경우 모두 '연결'된 것으로 기재한다.

상기 유도성 부하(802)는 상술한 충전기 내부전압(VD)과 충전전압(VC) 간의 전위차에 따른 회로의 쇼트(short)를 방지하기 위해 전압 강하를 일으킨다. 상술한 바와 같이 EDLC 모듈(805)의 충전시에는 충전기 내부전압(VD)과 EDLC 모듈의 충전전압(VC) 차이가 매우 크다. 이 경우 일반적인 정전류회로나 전류제한회로 또는 저항성 회로를 사용하는 경우 전력손실이 크게 발생하나 전압강하용 소자로서 유도성 부하(802)를 사용하는 경우 유도성 부하(802)에서 교류전압이 강하하여 쇼트 현상을 방지할 수 있으며 전력손실도 발생하지 않는다.

상기 유도성 부하(802)는 독립된 전기 소자를 통해 구현되거나 다른 전기 소자에 기생하는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 유도성 부하(802)는 인덕터와 같은 독립된 전기 소자일 수 있으며, 상기 전원 변압기(801)의 코어에 공극을 설치하여 자기누설을 발생시키는 방법으로 유도성 부하(802)를 구현할 수도 있다. 즉, 공극을 포함하는 금속 코어나 압분 철심(페라이트 코어)를 이용하여 상기 유도성 부하(802)를 구현할 수도 있다.

상기 정류기(803)는 바람직하게 상기 유도성 부하(802)에 연결되며, 교류 전원을 직류 전원으로 변경시킨다.

상기 제어 모듈(804)은 상기 유도성 부하(802)에 연결되어 상기 EDLC 모듈(805)에 전원을 공급할지 여부를 결정한다.

상기 제어 모듈(804)은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 스위치와 전압 모니터를 통해 구현될 수 있다.

도 9a는 제1 실시예에 따른 전압 모니터(904)와 스위치(905)를 통해 충전 장치를 구현한 일례이다. 도시된 전압 모니터(904)는 전원회로(911), 전압검출회로(912), 출력회로(913)를 포함하여 이루어진다.

도 9b는 전압 모니터(904)에 포함되는 전원회로(911)의 일례이다.

상기 전원회로(911)는 도시된 바와 같이 EDLC 모듈의 충전전압(VC)과 무관하게 항상 일정한 전압을 발생시켜 회로를 안정시킨다. 또한, 상기 전원회로(911)는 전압 검출용 기준전압으로 사용된다. 또한 상기 전원회로(911)는 회로의 안정화 및 오동작 방지를 위한 스타트 회로로서의 역할도 수행한다.

도 9b에 도시된 바와 같이 D101, R101, R102, R103, Q101, Q102 소자는 스타트 회로로서 동작을 수행한다. 또한, 도시된 IC101 소자는 정전압을 제공하는데 사용된다.

도 9c는 전압 모니터(904)에 포함되는 전압검출회로(912)의 일례이다.

상기와 같은 구조를 통해 EDLC 모듈의 충전전압(VC)이 임의의 제1 임계 값(VH)을 초과하는지 여부를 판단함과 동시에, 충전전압(VC)이 임의의 제2 임계 값(VL)보다 작은지 여부를 판단한다. 상기 제1 임계 값(VH)은 일시적 또는 영구적으로 충전이 완료되는 전위인 충전완료전압을 검출하도록 설정되고, 상기 제2 임계 값(VL)은 충전이 재개되는 전위인 충전재개전압을 검출하도록 설정된다.

도 9d는 전압 모니터(904)에 포함되는 출력회로(913)의 일례이다.

전압검출회로(912)에 의해 충전전압(VC)이 임의의 제1 임계 값(VH)을 초과하거나, 충전전압(VC)이 임의의 제2 임계 값(VL)보다 작다고 판단되는 경우, 출력 회로(913)는 이러한 판단 결과를 처리하여 외부로 전달한다.

도 9e는 상술한 전원회로(911), 전압검출회로(912), 출력회로(913)가 포함되고 충전을 위한 스위치(905)가 추가된 충전 장치의 일례이다. 도 9d에 도시된 출력회로(913)의 신호에 따라 스위치(905)가 개폐되어 충전을 개시/재개하거나 차단한다. 도 9b 내지 도 9e에 도시된 회로를 연결하는 경우, 전압을 검출하여 상기 EDLC 모듈(805)에 전원을 공급할지 여부를 결정하는 제어 모듈(804)을 구현할 수 있다.

제1 실시예에 따른 충전 장치는 종래의 정전압 회로를 사용하지 않고 제어 모듈(804)을 통해 충전을 수행한다. 즉, EDLC 모듈(805)의 충전전압(VC)이 제1 임계 값(VH)을 초과하면 스위치(905)를 열어 충전을 일시적 또는 영구적으로 중지하고 충전전압(VC)이 제2 임계값(VL)에 미달하면 스위치(905)를 닫아 충전을 재개한다.

종래 기술에 따르면 정전압(CV) 충전시에 계속하여 전원이 공급되고 이에 따라 벨런서가 항상 활성화되어 과도한 전력의 낭비가 발생하였으나, 제1 실시예에 따르면 제어 모듈(804)의 동작에 따라 충전이 필요한 시점에만 충전이 수행되어 전력의 낭비가 감소한다. 도 2의 EDLC의 모델을 예로 들어 설명하면, 충전으로 인해 충전전압(VC)이 제1 임계값(VH)을 초과하는 경우, 제어 모듈(804)의 동작에 의해 충전이 일시적으로 중단된다. 이 경우, 도 2의 C102 및 C103의 충전을 위해 C101이 방전되어 충전전압(VC)이 하락한다. 충전전압(VC)이 계속 하락 하여 제2 임계 값(VL)에 미달하면 제어 모듈(804)은 다시 충전을 재개시킨다. 충전이 재개되는 경우 도 2의 C101에 대한 충전이 이루어져 충전전압(VC)이 상승한다. 이러한 동작이 반복됨에 따라 EDLC 모듈에 대한 충전이 이루어진다.

상술한 일례에서 관찰한 바와 같이, 제1 실시예에 따른 EDLC 충전 장치는 EDLC 모듈에 대하여 항상 전원을 공급하는 것이 아니다. 제1 실시예에 따른 EDLC 충전 장치는 충전이 개시/재개되는 상황에서, 충전전압이 제1 임계값(VH)과 제2 임계값(VL) 사이에 있는 경우(방전의 경우는 제외)에 EDLC 모듈에 전원을 공급하기 때문에, 충전 장치에 따른 에너지 효율이 상승한다.

또한, EDLC 모듈에 실제로 전원이 공급되는 시간 구간이 짧아지므로 에너지 효율이 더욱 상승한다. 상술한 바와 같이, 도 2의 충전전압(VC)이 제1 임계값(VH)을 초과하는 경우에는 충전이 중단되어 도 2의 C101에 대한 전압(V1)이 하강하고 C102에 대한 전압(V2) 및 C103에 대한 전압(V3)이 상승하며, 충전전압(VC)이 제2 임계값(VL)에 미달하는 경우에는 전원 공급이 재개되어 V1이 상승하는데, 이러한 과정이 반복됨에 따라 V1, V2, V3는 동일한 전압으로 수렴해간다. 즉, 시간이 흐를수록 V1, V2, V3가 상호간에 충방전을 하여 실제로 전원이 공급되는 시간 구간이 짧아진다.

또한, 실제 전원이 공급되는 시간 구간이 짧기 때문에 벨런서가 활성화되어 전력이 낭비되는 구간이 짧아져서 전력을 더욱더 효율적으로 사용할 수 있다. 즉, 충전전압(VC)이 제1 임계값(VH)을 초과하면 충전을 중단하므로, 벨런서가 부착되어 있더라도 벨런서에 의해 전력이 낭비되지 않아 전력을 효율적으로 사용한다.

상술한 내용을 정리하면 다음과 같다.

종래 기술에 따른 충전 장치를 EDLC 모듈에 사용하면, 충전기 내부전압(VR)과 EDLC 모듈의 충전전압(VC) 간의 큰 전위차에 의해 많은 전력 손실이 발생하나, 제1 실시예에 따른 충전 장치를 사용하면 전압 강하를 발생시키면서 전력 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 종래 기술에 따른 충전 장치를 EDLC 모듈에 사용하면서 벨런서를 함께 사용하는 경우에는 벨런서가 계속 활성화되어 벨런서에 의한 전력 손실이 극심하였으나, 제1 실시예에 따른 충전 장치를 사용하면 벨런서의 활성화 시간을 최소화하여 전력 손실을 막을 수 있다.

제2 실시예

상술한 제1 실시예는 EDLC 모듈의 충방전 전압차로 발생하는 문제를 효율적으로 해결하는 하나의 방법이지만, EDLC 셀에 부착된 벨런서들의 동작이 서로 불일치함으로 인해 발생하는 문제를 완전하게 해결하지 못한다.

이하, EDLC 셀에 부착된 벨런서들의 동작이 서로 불일치함으로 인해 발생하는 문제를 설명하고, 이를 해결하기 위한 제2 실시예의 특징을 설명한다.

제1 실시예의 제어 모듈(804) 또는 전압 모니터(904)는, 충전전압(VC)이 제1 임계값(VH)과 제2 임계값(VL) 사이에 있는 경우(방전의 경우는 제외)에, EDLC 모듈(805)에 전원을 공급한다.

그러나, EDLC 모듈(805)의 양극과 음극 간의 전위차가 제1 임계값(VH)에 도달하지 못한 경우에도, 상기 EDLC 모듈(805) 내에 포함된 벨런서 중 일부가 활성화 될 수 있다. 벨런서는, 도 1에 도시된 바와 같이, EDLC 셀(120)에 병렬로 연결되어 EDLC 셀(120)에 과전압이 인가되는 경우 활성화되어 전원을 우회시킨다. 상기 EDLC 셀(120)은 EDLC 모듈(805) 내에 복수 개 존재할 수 있는데, 이 경우 복수의 EDLC 셀(120)의 용량이 서로 완전히 동일해야 각 EDLC 셀(120)에 인가되는 전원이 동일하다. 즉, EDLC 셀(120)의 용량에 편차가 존재하는 경우에는 각 EDLC 셀(120)에 인가되는 전원이 상이하게 결정되며, 이에 따라 EDLC 모듈(805)에 인가되는 전원이 제1 임계값(VH) 보다 작더라도 일부 벨런서는 활성화될 수 있다.

충전전압(VC)이 제1 임계값(VH) 이하인 경우 EDLC 모듈(805)에 대한 충전은 계속 이루어져야 하는데, 일부 벨런서가 의도하지 않게 활성화되면 전원이 우회하므로 에너지 손실이 발생하는 문제가 발생한다. 결론적으로 EDLC 셀의 용량이 완전하게 동일하게 제작되지 않는 이상, 일부 벨런서의 의도하지 않은 활성화에 따른 에너지 손실은 피할 수 없다.

특히, 의도하지 않게 활성화되는 벨런서의 개수는 EDLC 모듈을 구성하는 EDLC의 특성에 따라서 다르게 결정되므로, 에너지 손실을 정확하게 예측할 수 없을 뿐만 아니라 다수의 벨런서가 의도하지 않게 활성화되는 경우 매우 큰 에너지 손실이 발생하는 문제가 있다.

도 10은 벨런서의 의도하지 않은 활성화의 문제를 해결하기 위해 제안된 제2 실시예의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 도 10의 장치는 도 8의 장치의 구성에 제2 실시예에 따른 충전 제어 모듈(1004)를 추가한 것이다.

제2 실시예의 충전 제어 모듈(1004)은, 상술한 문제를 해결하기 위해 EDLC 셀에 연결되는 벨런서 중 활성화된 벨런서의 개수에 따라 EDLC 모듈에 대한 충전을 제어한다. 즉, 임계 수치에 해당하는 개수만큼 벨런서가 활성화되는 경우 EDLC 모듈에 대한 충전을 중지시킨다.

상기 임계 수치는 다음과 같은 측면을 고려하여 결정되는 것이 매우 바람직하다. 충전이 너무 빨리 중단되지 않도록 하기 위해서는 임계 수치가 소정의 값 이상으로 설정되어야 한다. 또한, 임계 수치가 너무 높게 설정되면 에너지 손실이 많아지므로 특정한 값 이하로 설정되어야 한다. 상기 임계 수치는 충전 장치의 설계자에 의해 자유롭게 설정될 수 있으며, 가변적이거나 고정적으로 설정될 수 있다.

상기 임계 수치에 따라 충전을 중지시키더라도 EDLC 모듈에 대한 충전은 정상적으로 수행된다. 즉, EDLC 모듈에 대한 충전전압(VC)이 제1 임계값(VH) 보다 작은 경우라도 상기 임계 수치와 활성화된 벨런서의 개수를 비교하여 EDLC 모듈에 대한 충전이 중지될 수 있는데, 이 경우에도 EDLC 모듈에 대한 만충전을 수행할 수 있다.

도 2의 EDLC 모듈을 예로 설명하면, 충전전압(VC)이 제1 임계값(VH)에 도달하기 전에 충전이 중지되어도, C101 커패시터의 전하가 방전되어 C102와 C103 커패시터를 충전시키므로 시간이 흐름에 따라 EDLC 모듈의 충전전압(VC)이 감소하게 되는데, 이 과정에서 EDLC 셀에 인가되는 전압도 감소하게 되어 활성화된 벨런서의 개수가 감소한다. 즉, 활성화된 벨런서의 개수가 다시 감소하여 임계 수치 이하로 감소하게 되고, 결국 다시 충전이 재개된다. 상술한 동작을 반복하면 EDLC 모듈에 대한 만충전이 이루어진다.

바람직하게, 상기 충전 제어 모듈(1004)은 두 개의 임계 수치를 사용하여 EDLC 모듈의 충전 여부를 결정한다.

예를 들어, EDLC 모듈 내에 포함된 벨런서 중 활성화된 벨런서의 개수가 제1 임계 수치를 초과하는 경우 EDLC 모듈에 대한 충전을 일시 중단하고, 상기 활성화된 벨런서의 개수가 제2 임계 수치를 미만으로 감소하는 경우 EDLC 모듈에 대한 충전을 재개하는 동작이 가능하다.

제2 실시예에 따르는 경우, 제1 실시예에 비해서 의도하지 않은 벨런서에 의한 에너지 손실이 적으며, 조기에 만충전에 도달할 수 있는 장점이 있다. 이러한 제2 실시예에 따른 충전 장치는 충전과 방전이 잦은 전기 장치에 적합하다.

이하 제2 실시예에 따른 충전 장치의 각 모듈에 대해 더욱 자세히 설명한다.

도 11은 제2 실시예에 따른 충전 장치의 또 다른 일례이다. 도 11은 충전 제어 모듈(1004)을 벨런서 모니터(1104)와 제어 스위치(905)를 통해 구현한 일례이다.

도시된 바와 같이, 벨런서 모니터(1104)는 EDLC 모듈(805)에 포함된 벨런서들로부터 신호를 입력받는다. 구체적으로 상기 벨런서 모니터(1104)는 모니터 출력 신호를 통해 벨런서들의 활성화 여부를 판단한다. 상기 벨런서 모니터(1104)는 활성화된 벨런서들의 개수를 제1 임계 수치 및 제2 임계 수치와 비교하고, 비교 결과에 따라 제어 스위치(905)를 제어한다. 즉, 상기 벨런서 모니터(1104)는 제어 스위치를(905) 이용하여 ELDC 모듈의 충전을 일시적으로 중단 시키거나 재개시킨다.

도 12는 상기 벨런서 모니터의 구체적인 블록도이다. 제2 실시예에 따른 벨 런서 모니터(1104)는 다양한 블록으로 구현될 수 있다. 도 12는 상기 벨런서 모니터(1104)를 구체적으로 구현한 일례이다.

도시된 바와 같이, 벨런서 모니터(1104)는 전위변환회로(1201), 파형교정회로(1202), 전원회로(1203), 판정회로(1204), 비교회로(1205), 논리회로(1206)를 포함한다.

이하, 각각의 블록(1201 내지 1206)의 동작들을 구체적으로 설명한다. 우선, 도 13a를 참조하여 전위변환회로(1201)에 연결되는 벨런서에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 13a는 제2 실시예에서 사용되는 벨런서의 일례를 나타내는 회로도이다. 제2 실시예에서 사용되는 벨런서는 종래의 벨런서 회로에 벨런서의 활성화 여부를 출력하는 모니터 출력 회로(1300)가 추가되는 것이 바람직하다. 상기 모니터 출력 회로(1300)는 다양한 소자로 구현될 수 있으며, 바람직하게 상기 모니터 출력 회로(1300)는 오픈 컬렉터(Open Collector) 회로로 구현된다. 오픈 컬렉터를 기반으로 모니터 출력 회로(1300)를 구현하는 경우, 벨런서가 활성화되면 외부에서 결선되는 풀업(Full-Up) 저항에 의하여 'Low' 신호를 출력하고, 벨런서가 비활성화되면 'High' 신호를 출력한다. 이하 모니터 출력 회로(1300)의 출력 신호를 '모니터 출력 신호'라 칭한다.

모니터 출력 회로(1300)를 오픈 컬랙터로 구현하는 이유는, 복수의 EDLC 셀이 직렬로 연결되는 경우, 각각의 EDLC 셀에 부착된 벨런서들의 기준 전위가 모두 달라서 직접 결선이 불가능하기 때문이다.

도 13b는 복수의 EDLC 셀이 직렬로 연결되는 경우, 복수개의 모니터 출력 신호가 발생하는 경우를 나타내는 블록도이다. 복수의 EDLC 셀(1301, 1302, 1303)은 직렬로 연결되어 있으며, 각 EDLC 셀(1301, 1302, 1303)에 인가되는 전압 VA, VB, VC은 각 EDLC 셀(1301, 1302, 1303)의 용량과 충전 전류에 의해 결정된다. 각 EDLC 셀(1301, 1302, 1303)에는 벨런서(1304, 1305, 1306)가 연결된다. 이 경우, EDLC 셀(1301, 1302, 1303)들이 직렬로 연결되므로 제1 벨런서(1304)의 'Low' 출력이 제2 벨런서(1305)의 'High' 출력보다 그 전위가 높고, 제2 벨런서(1305)의 'Low' 출력이 제3 벨런서(1306)의 'High' 출력보다 그 전위가 높기 때문에 각각의 출력을 직접 결선을 하는데 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 전위변환회로(1201)를 추가하여 EDLC 모듈(805)의 양극 전위를 공통전위로 하는 신호로 변환하는 것이 바람직하다. 도 13c는 전위변환회로(1201)의 구체적인 일례를 나타낸 회로도의 일례이다. 예를 들어, 제1 벨런서(1304)가 활성화되면 제1 벨런서(1304) 내에 구비된 모니터 출력 회로가 A0 단자를 통해 전류를 흘린다. 이 전류는 도 13c의 R201과 R202을 통해 입력되며, 결국 Q201을 온(On) 시킨다. Q201 내지 Q203은 에미터(emitter) 단자가 EDLC 모듈(805)의 양극에 결선되어 있기 때문에, 어떤 모니터 출력 회로(1300)의 출력 인가에 상관없이 항상 EDLC 모듈(805)의 양극 전위를 기준으로 스위칭 동작을 한다. 이로 인하여 각각의 벨런서의 출력은 EDLC 모듈(805)의 양극 전위를 공통전위로 하는 신호로 변환되어 A1, B1, C1 단자를 통해 출력된다.

정리하면, 모니터 출력 신호는 전위변환회로(1201)에 의하여 EDLC 모듈(805) 의 양극 전위를 기준 전위로 하는 신호로 변환되어 파형교정회로(1202)에 공급되며, 도시된 1307 블록이 전위변환회로(1201)로서 동작한다.

이하, 파형교정회로(1202)에 대하여 상세하게 설명한다.

RC 시정수(time constant) 회로로 구성된 파형교정회로(1202)는 벨런서의 순간적 오동작이나 주변에서 유입되는 짧은 주기의 잡음 등을 제거하고 안정된 신호로 변환하여 판정회로(1204)에 공급한다.

도 13d는 파형교정회로(1202)의 회로도의 일례이다. 도시된 바와 같이, A1 단자를 통하여 입력된 신호는 R301, R302, C301로 구성된 적분회로에 의하여 파형이 교정된다. 벨런서의 오동작, 기기의 작동으로 발생하는 잡음 또는 외부에서 유입되는 잡음 등 불필요한 신호는 C301 내지 C303에 의하여 제거된 다음 A2 내지 C2 단자를 통해 출력된다. R302와 C301로 구성된 적분회로의 시정수(τ)는 R302 * C301로 결정된다.

이하, A1 내지 C1 단자의 전압과 A2 내지 C2 단자의 전압 간의 관계에 대한 설명을 한다. EDLC 모듈(805)의 양극 전압은 A2 내지 C2 단자에 결선되는 판정회로(1204)에 입력 가능한 전압에 비하여 매우 높고, 도 13c의 Q201, Q202, Q203의 에미터 단자가 EDLC 모듈(805)의 양극에 결선되어 있기 때문에, A1 내지 C1 단자에 입력되는 신호의 전압은 EDLC 모듈(805)의 양극 전압과 비슷한 수준이다.

한편, A2 내지 C2 단자에 입력되는 신호는 판정회로(1204)에 그대로 입력되는데, 판정회로(1204)는 전원회로(1203)가 공급하는 소정의 정전압(예를 들어, +5 볼트)에 의하여 작동하므로 A1 내지 C1에 나타나는 전압을 그대로 인가할 수 없다. 따라서, R301과 R302의 비율을 이용하여 적절한 수준으로 제한하는 것이 더욱 바람직하다. 구체적으로 A1 단자에서 입력되는 전압을 VA1이라 할 때, A2 단자에 입력되는 전압 VA2는 VA2 = VA1 * R302 / (R301 + R302)에 따라 결정되는 것이 매우 바람직하다.

이하, 전원회로(1203)에 대하여 설명한다.

전원회로(1203)는, 정전압회로로 구현되며, 벨런서 모니터(1104)에 포함되는 각 블록에 안정된 전압(예를 들어, +5 볼트의 전압)을 공급한다. 구체적으로, 상기 전원회로(1203)는 정전압회로에 의하여 안정된 전압을 공급하고 판정회로(1204)와 비교회로(1205)가 판정과 비교에 필요한 기준전압을 제공한다. 한편, 전원회로(1203)는 스타트 회로를 구비한다. 스타트 회로는 EDLC 모듈(805)의 충전 전압(VC)이 낮아서 회로의 초기 동작에서 발생할 수 있는 오동작을 방지한다.

전원회로(1203)는 도 13e와 같이 구현될 수 있다. 도 13e의 구성은 도 9b에 언급된바 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.

이하, 판정회로(1204)에 대하여 설명한다.

판정회로(1204)는 전원회로(1203)에서 공급되는 정전압(예를 들어, +5 볼트)을 이용하여 기준전압을 만들고, 이를 판정회로(1204)에 구비된 전압비교기 등에 공급 한다. 판정회로(1204)에 구비되는 전압비교기는, 파형교정회로(1202)의 출력을 전원회로(1203)로부터 입력되는 기준전압과 비교한다. 만약, 파형교정회로(1202)의 출력이 전원회로(1203)로부터 입력되는 기준전압 이상이면 'High'를 판정하여 'High' 신호를 출력하고, 그 이하이면 'Low'를 판정하여 'Low' 신호를 출력 한다. 판정회로(1204)의 출력 신호가 'High'이면 벨런서가 활성화되었음을 의미하고 'Low'이면 비활성화되었음을 의미한다.

판정회로(1204)에 구비된 전압비교기의 출력은 저항 매트릭스(Matrix)에 의하여 합성전압으로 변환된다. 즉, 판정회로(1204)는 활성화된 벨런서의 개수를 전압으로 변환하여 비교회로(1205)로 출력한다.

도 13f는 판정회로(1204)의 회로도의 일례이다. 도시된 바와 같이, 판정회로(1204)는 연산증폭기를 이용한 전압비교기 A501 내지 A503을 포함하고, 각각의 연산증폭기의 반전입력단자(-)에는 전원회로(1203)에서 공급되는 정전압(예를 들어, +5 볼트)을 R501, R502로 분압시킨 기준전압이 인가된다.

예를 들어, A2 단자를 통해 공급된 신호의 전압은 기준전압과 비교되어 A503을 통해 출력된다. 이 경우, A2 단자의 전압이 기준전압보다 높으면 A503은 'High'출력이 그렇지 않으면 'Low' 출력이 발생한다.

또한, 전압비교기(A501, A502, A503)의 출력은 각각 R503, R504, R505에 의하여 결합되어 있으므로, 각각 연산증폭기의 출력전압 편차를 무시하고 'VD = VH(전압비교기의 'High' 출력의 전압) - VL(전압비교기의 'Low' 출력의 전압)' 라고 전재하면, 활성화된 벨런서의 개수는 x, 비활성화된 벨런서의 개수는 y, R503, R504, R505 각각의 저항 값을 r이라고 할 때, VH로부터 전류를 공급하는 저항(RH)의 숫자가 x개, VL로 전류를 인출하는 저항(RL)의 숫자가 y개 이므로 합성저항의 값은 RH = r / x, RL = r / y에 따라 결정되고, 출력단자(SO)에 나타나는 전압(VO)은 VO = {VD * RL / (RH + RL)} + VL에 따라 결정된다. 여기에서 만약 x 또는 y의 값이 0일 때면 RH 또는 RL의 값이 무한대로 계산되지만 이는 VO에 VH 또는 VL의 값이 그대로 나타남을 의미한다.

이상의 동작을 통하여 판정회로(1204)의 출력단자(SO)에는 활성화된 벨런서의 개수에 비례한 전압이 발생한다.

이하, 비교회로(1205)를 설명한다.

판정회로(1204)의 출력에 나타난 전압은 비교회로(1205)에 공급되어 제1 임계 수치에 상응하는 최고기준전압(X)과 비교된다. 만약, 판정회로(1204)의 출력이 최고기준전압(X)보다 높으면 'High' 신호가 출력된다. 또한, 판정회로(1204)의 출력에 나타난 전압이 제2 임계 수치 상응하는 최저기준전압(Y)보다 낮으면 'Low' 신호가 출력된다.

도 13g는 비교회로(1205)의 회로도의 일례이다. 비교회로(1205)는 두 개의 연산증폭기 A601과 A602를 포함하는 전압비교기에 의해 구현될 수 있다. 전원회로(1203)에서 공급되는 정전압(예를 들어, +5 볼트)은 R601, R602로 구성된 분압회로에 공급된다. R601과 R602는 비교전압 설정을 위한 전위차계(potentiometer)이다.

SO 단자에 입력된 신호는 A601의 비반전입력단자(+)와 A602의 반전입력단자(-)에 공급되는데, A601의 '+' 단자와 A602의 '-' 단자는 전원회로(1203)의 스타트 회로에 결선되어 있다. 도 13g의 회로도는 도 9c의 장치에 상응한다.

SO 단자에 나타난 전압이 R602로 설정된 전압보다 높으면 활성화된 벨런서의 개수가 임계 수치 이상임을 말하므로, A601의 출력 단자(HDO)에는 'High' 신호가 나타나고, SO에 나타난 전압이 R602로 설정된 전압보다 낮으면 활성화된 벨런서의 개수가 임계 수치 이하임을 말하므로 A601의 출력 단자(HDO)에는 'Low' 신호가 나타난다.

SO 단자에 나타난 전압이 R601로 설정된 전압보다 높으면 활성화된 벨런서의 개수가 임계 수치 이상임을 말하므로 A602의 출력 단자(LDO)에는 'Low' 신호가 나타나고, SO 단자에 나타난 전압이 R601로 설정된 전압보다 낮으면 활성화된 벨런서의 개수가 임계 수치 이하임을 말하므로 A602의 출력 LDO에는 'High' 신호가 나타난다.

이하, 논리회로(1206)를 설명한다.

비교회로(1205)의 출력은 논리회로(1206)로 입력되며, 논리회로(1206)는 비교회로(1205)의 출력에 따라 제어 스위치(905)를 제어하여 EDLC 모듈(805)에 대한 충전을 일시 중단시키거나 재개할 수 있다.

상기 제어 스위치(905)는 릴레이를 직접 구동하거나 또는 포토 커플러를 통하여 절연된 외부 회로로 신호를 전달하여 외부의 충전기를 제어하는 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 제1 실시예에서는 제어 스위치(905)로 릴레이가 적용된 일례를 개시하였으나 포토 커플러 등이 적용될 수 있음은 자명하며, 제2 실시예 역시 릴레이 또는 포토 커플러 등의 소자가 적용될 수 있다.

도 13h는 제어 스위치를 제어하는 논리회로의 회로도의 일례를 나타낸다. 도 13h의 일례는 포토 커플러를 이용하여 제어 스위치(905)를 구현한 일례이나, 상술한 바와 같이 릴레이가 적용될 수 있음은 자명하다

제2 실시예에 따르면, 활성화된 벨런서의 개수와 임계 수치를 비교하여 EDLC 모듈에 대한 충전이 제어된다. 이 경우, 임계 수치를 적절하게 조절하면 에너지 효율을 극대화 하거나, 만충전에 필요한 시간을 최소화하는 운영을 할 수 있다.

또한, 제1 및 제2 실시예는 간단한 아날로그 회로를 기반으로 제작될 수 있으므로 회로를 반도체 집적회화하지 않아도 되기 때문에 반도체집적회로 개발비가 절감되어 저렴하게 장치를 제작할 수 있는 추가적인 장점이 있다.

상술한 제1 및 제2 실시예에 사용된 구체적인 수치는 가변적일 수 있으므로, 본 발명이 상술한 구체적인 수치에 한정되지 않는다.

상술한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일례에 불과하므로, 첨부된 도면 및 상술한 일례의 구체적 기재로 인해 본 발명이 제한되지 않는다. 또한, 제1 및 제2 실시예에서 제안한 구체적인 회로 소자들은 그에 상응하는 선형, 비선형 소자로 대체가 가능하며, 회로 소자들 간의 구체적 연결 방법 역시 교체 가능하다. 따라서, 상술한 실시예에 대한 변형 및 수정은 본 발명의 보호범위에 속한다 할 것이다.

본 발명은 새로운 에너지 저장매체로 주목받는 전기이중층캐패시터를 위한 충전 장치에 관한 것으로, 산업상 이용가능성이 인정됨은 자명하다.

도 1은 벨런서가 부착된 EDLC 모듈의 일례를 나타낸다.

도 2는 EDLC의 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 3은 정전류 충전과 정전압 충전시 전압 및 전류의 변화를 나타내는 도면이다.

도 4a는 종래의 충전 장치를 설명하는 블록도이다.

도 4b는 도 4a의 구체적인 구현예이다.

도 4c는 도 4a의 구체적인 구현예이다.

도 5는 일반 충전지와 EDLC의 방전 전압을 비교하는 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 일반 충전지 및 EDLC의 충전시 충전전압의 변화를 나타내는 도면이다.

도 7은 벨런서로 우회하는 전류(IC2)와 EDLC로 공급되는 전류(IC1)을 비교하는 그래프이다.

도 8은 제1 실시예에 따른 충전 장치를 나타내는 도면이다.

도 9a는 제1 실시예에 따른 전압 모니터와 스위치를 통해 충전 장치를 구현한 일례이다.

도 9b는 전압 모니터에 포함되는 전원회로의 일례이다.

도 9c는 전압 모니터에 포함되는 전압검출회로의 일례이다.

도 9d는 전압 모니터에 포함되는 출력회로의 일례이다.

도 9e는 상술한 전원회로, 전압검출회로, 출력회로가 포함되고 충전을 위한 스위치가 추가된 충전 장치의 일례이다.

도 10은 벨런서의 의도하지 않은 활성화의 문제를 해결하기 위해 제안된 제2 실시예의 블록도이다.

도 11은 제2 실시예에 따른 충전 장치의 또 다른 일례이다.

도 12는 상기 벨런서 모니터의 구체적인 블록도이다.

도 13a는 제2 실시예에서 사용되는 벨런서의 일례를 나타내는 회로도이다.

도 13b는 복수의 EDLC 셀이 직렬로 연결되는 경우, 복수개의 모니터 출력 신호가 발생하는 경우를 나타내는 블록도이다.

도 13c는 전위변환회로의 구체적인 일례를 나타낸 회로도의 일례이다.

도 13d는 파형교정회로의 회로도의 일례이다.

도 13e는 전원회로의 회로도의 일례이다.

도 13f는 판정회로의 회로도의 일례이다.

도 13g는 비교회로의 회로도의 일례이다.

도 13h는 제어 스위치를 제어하는 논리회로의 회로도의 일례를 나타낸다.

Claims

복수 개의 전기이중층캐패시터(EDLC) 셀 및 상기 전기이중층캐패시터 셀에 병렬로 연결되는 복수 개의 벨런서를 포함하는 전기이중층캐패시터 모듈;

외부로부터 입력되는 입력 전원을 상기 전기이중층캐패시터 모듈을 위한 내부 전원으로 변환하는 전원 변압기;

상기 전원 변압기에 연결되어 전압 강하를 발생시키는 유도성 부하;

상기 유도성 부하에 연결되어 교류 전원을 직류 전원으로 변경시키는 정류기; 및

활성화되는 벨런서의 개수에 따라 상기 전기이중층캐패시터 모듈에 전원을 공급할지 여부를 결정하는 충전 제어 모듈을 포함하며,

상기 충전 제어 모듈은 상기 활성화된 벨런서의 개수가 제1 임계 수치 보다 큰 경우 상기 전기이중층캐패시터 모듈에 전원을 차단하고, 상기 활성화된 벨런서의 개수가 제2 임계 수치 보다 작은 경우 상기 전기이중층캐패시터 모듈에 전원 공급을 재개하는 전기이중층캐패시터 모듈 충전 장치.
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제1항에 있어서,

상기 충전 제어 모듈은,

상기 벨런서의 활성화 여부를 판정하고, 활성화된 벨런서의 개수를 출력하는 판정 모듈;

상기 출력된 벨런서의 개수를 적어도 하나의 임계 값과 비교하는 비교 모듈; 및

상기 비교 모듈의 비교 결과에 따라 상기 정류기와 상기 전기이중층캐패시터 모듈 간의 연결을 제어하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층캐패시터 모듈 충전 장치.
제3항에 있어서,

상기 판정 모듈의 전단에는 입력 신호의 파형을 교정하는 파형정형회로가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기이중층캐패시터 모듈 충전 장치.
제3항에 있어서,

상기 스위치는,

커플러 또는 릴레이로 구현되는 것을 특징으로 하는 전기이중층캐패시터 모듈 충전 장치.
제1항에 있어서,

상기 벨런서는 상기 전기이중층캐패시터 셀에 과전압이 인가되는 경우 전원을 우회시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층캐패시터 모듈 충전 장치.
제1항에 있어서,

상기 벨런서는 상기 벨런서의 활성화 여부를 외부로 출력하고 오픈 컬렉터로 구현되는 모니터 출력 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층캐패시터 모듈 충전 장치.
제7항에 있어서,

상기 모니터 출력 회로는 상기 전기이중층캐패시터 모듈의 양극에 에미터(emitter) 단자가 연결된 복수개의 트랜지스터를 포함하는 전위변환회로를 통해 상기 벨런서의 활성화 여부를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기이중층캐패시터 모듈 충전 장치.