KR101218996B1

KR101218996B1 - 전압 균등화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101218996B1
Application number: KR1020100068111A
Authority: KR
Inventors: 정영학; 이희범; 정현철; 김용욱; 김배균
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2013-01-04
Also published as: KR20120007375A

Abstract

전압 균등화 장치 및 방법이 개시된다. 전압 균등화 장치는 복수의 에너지 저장 단위셀을 포함하는 에너지 저장 모듈의 전압 균등화 장치에 있어서, 에너지 저장 단위셀의 개수와 동일한 수의 복수의 에너지 저장 서브셀을 포함하며, 각 에너지 저장 서브셀은 상기 에너지 저장 단위셀과 스위칭 소자를 통해 병렬 연결되는 서브 에너지 저장모듈과, 에너지 저장 단위셀의 전압을 기준전압과 비교한 비교신호를 생성하는 비교 모듈과, 비교신호에 따라 스위칭 소자를 온오프하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 에너지 저장 모듈의 효율을 높일 수 있다. 또한, 필요시에는 각 에너지 저장 서브셀에 저장된 에너지를 재활용할 수 있다.

Description

전압 균등화 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR EQUALIZING VOLTAGE}

본 발명은 전압 균등화 장치 및 방법에 관한 것으로, 복수의 에너지 저장 단위셀의 수와 동일한 수의 에너지 저장 서브셀을 각 에너지 저장 단위셀과 스위치를 통해 병렬 연결하고, 에너지 저장 단위셀의 과충전시는 과충전된 에너지를 각각의 에너지 저장 서브셀에 저장하는 한편, 필요시에는 에너지 저장 서브셀에 저장된 에너지까지 방전할 수 있도록 하는 전압 균등화 장치 및 방법에 관한 것이다.

울트라 커패시터는 차세대 핵심 에너지 저장장치로, 기존 커패시터에 비해 낮은 에너지 밀도와 이차전지의 낮은 출력특성을 보완하는 에너지 저장장치이다. 또한 영하 40도의 극저온부터 70도에 이르는 넓은 작동 온도와 뛰어난 장기 신뢰성을 지니고 있어 미래형 자동차 및 산업 전력 시스템 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 신기술이다.

이러한 울트라 커패시터는 통상 단위셀을 직렬 연결하여 수퍼 커패시터 모듈을 구성하고 인버터 또는 컨버터의 입력단에 연결하여 사용하고 있다. 이와 같이 단위셀을 직렬로 연결하여 사용하는 경우 각 단위셀에 충전되는 전압은 각각의 커패시터 값에 의해 분배된다.

한편, 직렬 연결된 단위셀들이 균일한 임피던스를 가지지 못한 경우에는 단위셀당 다른 크기의 누설전류가 흐르게 되며, 특히 높은 누설전류가 흐르는 단위셀의 전압은 더욱 낮아지게 된다. 이로 인해 단위셀당에 충전되는 전압은 불균일하게 되고, 이는 수퍼 커패시터 모듈의 단위셀의 수명을 급격하게 단축할 수 있으며 화재나 폭발과 같은 사고를 발생시킬 수 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 단위셀간 전압을 균등화하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 대부분의 전압 균등화 장치는 단위셀의 과충전된 전압을 저항과 같은 소모성 소자를 통해 열로 소모하는 방식을 취하고 있어 효율적이지 못하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 단위셀의 과충전된 전압을 저항과 같은 소모성 소자를 통해 소모함이 없이 추후 저장할 수 있는 전압 균등화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적에 의하면, 필요한 경우 저장된 에너지를 다시 활용할 수 있는 전압 균등화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전압 균등화 장치는, 복수의 에너지 저장 단위셀을 포함하는 에너지 저장 모듈의 전압 균등화 장치에 있어서, 에너지 저장 단위셀의 개수와 동일한 수의 복수의 에너지 저장 서브셀을 포함하며, 각 에너지 저장 서브셀은 상기 에너지 저장 단위셀과 스위칭 소자를 통해 병렬 연결되는 서브 에너지 저장모듈과, 에너지 저장 단위셀의 전압을 기준전압과 비교한 비교신호를 생성하는 비교 모듈과, 비교신호에 따라 스위칭 소자를 온오프하는 제어모듈을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 에너지 저장 모듈은, 전기 이중층 커패시터, 알루미늄 전해 콘덴서, 탄탈 전해 콘덴서 중 하나일 수 있다.

또한, 제어 모듈은, 스위칭 제어신호가 입력되면, 입력된 상기 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 소자를 온오프제어할 수 있으며, 입력된 상기 스위칭 제어신호는, 방전신호로, 제어모듈은 방전신호에 따라 스위칭 신호를 턴온시킬 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 전압 균등화 방법이 제공되는데, 상기 방법은 에너지 저장 모듈에 포함된 에너지 저장 단위셀의 개수와 동일한 수의 복수의 에너지 저장 서브셀을 포함하며, 각 에너지 저장 서브셀은 각 에너지 저장 단위셀과 스위칭 소자를 통해 병렬 연결된 서브 에너지 저장모듈을 포함하는 장치의 전압 균등화 방법으로서,

(a) 에너지 저장 단위셀의 전압을 기준전압과 비교한 비교신호를 생성하는 단계와, (b) 생성된 비교신호에 기초하여 스위칭 소자를 온오프하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 전압 균등화 방법은, 스위칭 제어신호가 입력되면, 입력된 상기 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 소자를 온오프제어하는 단계를 더 포함하며, 입력된 상기 스위칭 제어신호는, 방전신호로, 이 경우 전압 균등화 방법은, 방전신호에 따라 스위칭 소자를 턴온시키는 단계일 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 에너지 저장 단위셀의 수와 동일한 수의 에너지 저장 서브셀을 각 에너지 저장 단위셀과 스위치를 통해 병렬 연결하고, 에너지 저장 단위셀의 과충전시는 과충전된 에너지를 각각의 에너지 저장 서브셀에 저장함으로써, 에너지 저장 모듈의 효율을 높일 수 있다. 또한, 필요시에는 각 에너지 저장 서브셀에 저장된 에너지를 재활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 균등화 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 균등화 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 균등화 방법의 흐름도이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 균등화 장치의 구성도로, 전압 균등화 장치는 에너지 저장 단위셀 각각에 스위칭 소자를 통해 병렬 연결된 복수의 에너지 저장 서브셀과, 에너지 저장 단위셀의 전압을 기준전압과 비교한 비교신호를 생성하는 비교 모듈과, 비교신호에 따라 스위칭 소자를 온오프하는 제어모듈을 포함할 수 있다.

이하 도 1을 참조하여 본 발명의 전압 균등화 장치(500)를 상세하게 설명하기로 한다.

에너지 저장 모듈(100)에는 복수의 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)이 직렬로 연결되어 있으며, 바람직하게는 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)은 전기 이중층 커패시터(Double Layer Capacitor, DLC), 알루미늄 전해 콘덴서, 탄탈 전해 콘덴서 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

서브 에너지 저장모듈(200)은, 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1 내지 Sub_CAPn, 201 내지 201n)을 포함하며, 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)에 과충전된 전압을 저장함으로써 복수의 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)간의 전압 불균형을 해소할 수 있으며, 외부 신호에 따라 충전된 전압을 외부로 방전함으로써 보조 전원의 역할도 수행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 서브 에너지 저장모듈(200)은 에너지 저장 모듈(100)에 포함된 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)과 동일한 수의 에너지 저장 서브셀(Sub-CAP1 내지 Sub-CAPn, 201 내지 201n)로 구성되며, 각 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)과는 스위칭 소자(150)에 의해 개폐된다. 실시예에 따라서는 하나의 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1, 201)이 각 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)가 병렬 연결되도록 구성될 수도 있다. 하지만, 이와 같이 하나의 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1, 201)만을 두는 경우 유일한 에너지 저장 서브셀의 고장의 경우 전압 균등화를 수행할 수 없다는 단점이 있을 수 있다. 이와 같은 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1 내지 Sub_CAPn, 201 내지 201n)은 예를 들면 커패시터를 포함할 수 있다.

비교 모듈(300)은 저항(301, 302, 304) 및 제너 다이오드(303)로 구성되며, 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)의 전압과 기준전압을 비교한 비교신호(Vc)를 하이(H) 또는 로우(L)의 형태로 출력한다. 출력된 비교신호는 제어모듈(400)로 전달된다. 구체적으로, 하나의 에너지 저장 단위셀(Sub-CAP1, 101)의 단자전압은 분배저항(301, 302)에 의해 분배되며, 분배된 전압(V1)은 비교기(305)의 (+) 단자로 입력된다. 한편, 제어 다이오드(ZD, 303)와 저항(R3, 304)에 의해 분배된 전압은 기준전압(VR)이 되어 비교기(305)의 (-) 단자로 입력된다. 비교모듈(300)의 기준전압(VR)은 외부전원(미도시)에 의해 생성될 수도 있다.

제어모듈(400)은 비교모듈(300)로부터의 비교신호(Vc)에 따라 각 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)과 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1 내지 Sub_CAPn, 201 내지 201n)간의 연결을 개폐한다. 다만, 본 발명에 의하면, 제어모듈(400)은 비교모듈(300)로부터의 비교신호(Vc)에도 불구하고, 외부에서 우선순위가 높은 제어신호(Sp)가 입력되면 입력된 제어신호(Sp)에 따라 스위칭 소자(150)를 개폐할 수 있다. 비록 도 1에는 제어모듈(400)이 복수 개로 도시되어 있으나, 하나의 제어모듈이 모든 스위칭 소자(150)를 개폐할 수도 있음은 당연하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 균등화 방법의 흐름도이다. 본 발명에 의하면, 각 에너지 저장 단위셀(S-CAP1 내지 S-CAPn, 101 내지 101n)과 이에 연결된 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1 내지 Sub_CAPn, 201 내지 201n)은 동일하게 동작하므로, 이하에서는 하나의 단위모듈(101, 201, 300, 400)을 기준으로 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 비교모듈(300)은 에너지 저장 단위셀(S-CAP1, 101)의 분배된 전압(V1)을 기준전압(VR)과 비교하고, 비교신호(Vc)를 생성한다(단계 200). 생성된 비교신호(Vc)는 제어모듈(400)로 전달된다(단계 201).

이후, 제어모듈(400)은, 비교신호(Vc)가 하이(H)인지 판단하고(단계 202), 판단결과 하이(H)라면 에너지 저장 단위셀(S-CAP1, 101)이 과충전된 경우이므로 스위치(S1, 150)를 온시켜 과충전된 전압을 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1, 201)에 저장할 수 있도록 한다(단계203). 한편, 비교신호(Vc)가 로우(L)인 경우, 제어모듈(400)은 스위치(S1, 150)를 오프시킨다(단계 204).

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 균등화 방법의 흐름도로, 도 2와 달리 우선순위에 기초하여 스위칭 소자(S1, 150)를 개폐하는 경우이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 비교모듈(300)은 에너지 저장 단위셀(S-CAP1, 101)의 전압(V1)을 기준전압(VR)과 비교하고, 비교신호(Vc)를 생성한다(단계 301). 생성된 비교신호(Vc)는 제어모듈(400)로 전달된다(단계 302).

이후, 제어모듈(400)은, 외부로부터 비교신호(Vc)에 우선하는 제어신호(Sp)가 입력되었는지 판단한다(단계 303). 비교신호(Vc)에 우선하는 제어신호(Sp)란 예컨대 스위칭 소자(S1, 150)를 온시키기 위한 방전신호로, 이러한 신호(Sp)가 입력되면, 제어 모듈(400)의 비교신호(Vc)에 불구하고 제어신호(Sp)에 따라 스위칭 소자(S1, 150)의 연결을 개폐시킨다(단계 304). 이와 같은 우선순위에 따라 스위칭함으로써, 예컨대 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1, 201)에 저장된 에너지를 외부로 재활용할 수 있다.

반면, 비교신호(Vc)에 우선하는 제어신호(Sp)가 입력되지 않은 경우라면(단계 303), 제어모듈(400)은, 비교신호(Vc)가 하이(H)인지 판단하고(단계 305), 판단결과 하이(H)라면 에너지 저장 단위셀(S-CAP1, 101)이 과충전된 경우이므로 스위치(S1, 150)를 온시켜 과충전된 전압을 에너지 저장 서브셀(Sub_CAP1, 201)에 저장할 수도 있도록 한다(단계 306). 한편, 비교신호(Vc)가 로우(L)인 경우, 제어모듈(400)은 스위치(S1, 150)를 오프시킨다(단계 307).

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 에너지 저장 모듈
150: 스위칭 소자
200: 서브 에너지 저장모듈
300: 비교모듈
301, 302, 304: 저항
303: 제어 다이오드
400: 제어모듈
500: 전압 균등화 장치

Claims

복수의 에너지 저장 단위셀을 포함하는 에너지 저장 모듈의 전압 균등화 장치에 있어서,
상기 에너지 저장 단위셀의 개수와 동일한 수의 복수의 에너지 저장 서브셀을 포함하며, 각 서브 에너지 저장 단위셀은 상기 에너지 저장 단위셀과 스위칭 소자를 통해 병렬 연결되는 서브 에너지 저장모듈;
상기 에너지 저장 단위셀의 전압을 기준전압과 비교한 비교신호를 생성하는 비교 모듈; 및
상기 비교신호에 따라 상기 스위칭 소자를 온오프하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 장치.
제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 모듈은,
전기 이중층 커패시터, 알루미늄 전해 콘덴서, 탄탈 전해 콘덴서 중 하나인 것을 특징으로 하는 전압 균등화 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어 모듈은,
스위칭 제어신호가 입력되면, 입력된 상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위칭 소자를 온오프제어하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 장치.
제3항에 있어서,
입력된 상기 스위칭 제어신호는,
방전신호로, 상기 제어모듈은 상기 방전신호에 따라 상기 스위칭 신호를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 장치.
에너지 저장 모듈에 포함된 에너지 저장 단위셀의 개수와 동일한 수의 복수의 에너지 저장 서브셀을 포함하며, 각 에너지 저장 서브셀은 각 에너지 저장 단위셀과 스위칭 소자를 통해 병렬 연결된 서브 에너지 저장모듈을 포함하는 장치의 전압 균등화 방법으로서,
(a) 상기 에너지 저장 단위셀의 전압을 기준전압과 비교한 비교신호를 생성하는 단계; 및
(b) 상기 생성된 비교신호에 기초하여 상기 스위칭 소자를 온오프하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 방법.
제5항에 있어서,
상기 에너지 저장 모듈은,
전기 이중층 커패시터, 알루미늄 전해 콘덴서, 탄탈 전해 콘덴서 중 하나인 것을 특징으로 하는 전압 균등화 방법.
제6항에 있어서,
상기 전압 균등화 방법은,
(c) 스위칭 제어신호가 입력되면, 입력된 상기 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위칭 소자를 온오프제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 균등화 방법.
제7항에 있어서,
입력된 상기 스위칭 제어신호는, 방전신호로,
상기 (c) 단계는,
상기 방전신호에 따라 상기 스위칭 소자를 턴온시키는 단계인 것을 특징으로 하는 전압 균등화 방법.