KR20190027639A - 가변형 에너지 저장장치 및 패키지 - Google Patents

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KR20190027639A KR1020170114653A KR20170114653A KR20190027639A KR 20190027639 A KR20190027639 A KR 20190027639A KR 1020170114653 A KR1020170114653 A KR 1020170114653A KR 20170114653 A KR20170114653 A KR 20170114653A KR 20190027639 A KR20190027639 A KR 20190027639A
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Abstract

본 발명의 가변형 에너지 저장장치는, 정전 용량을 갖는 복수개의 충방전용 커패시터가 네트워크 형태로 배열된 커패시터 패키지에 있어서, 상기 네트워크 형태로 배열된 복수의 커패시터는 전기적인 스위칭을 통해 서로 이웃하는 상호간에 직렬, 병렬 또는 직·병렬 회로의 가변적인 연결이 가능하도록 커패시터 별로 커패시터 단자에 연결된 스위치를 가지며, 상기 커패시터 패키지에 저장된 전기에너지가 외부 부하장치가 요구하는 전압의 크기 또는 방전 용량 또는 개별 커패시터의 고장에 대응하여 공급될 수 있도록, 상기 스위치의 제어를 통해 상기 복수의 커패시터를 직렬, 병렬 또는 직·병렬회로로 가변적으로 구성하여, 상기 복수의 커패시터를 그루핑(grouping) 하는 스위칭 제어부를 포함하는 기술을 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

가변형 에너지 저장장치 및 패키지{VARIABLE ENERGY STORAGE DEVICE AND PACKAGE}
본 발명은 가변형 에너지 저장장치 및 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일 또는 서로 다른 크기의 정전 용량을 갖는 복수개의 커패시터들이 서로 그루핑(grouping) 되어 배치되며, 스위칭 제어 방식에 따라 상기 커패시터들 상호 간의 병렬 또는 직렬 연결이 구현되며, 병렬 또는 직렬 연결을 통해 형성된 전기 에너지를 외부의 응용 장치로 공급하는 커패시터 모듈을 포함하는 가변형 에너지 저장장치 및 패키지에 관한 것이다.
일반적으로 전력을 요구하는 많은 시스템이나 장치들은 작동 중단을 방지하기 위해 백업 전력 공급원을 포함한다. 예컨대, 단일 전력공급원이 제공되는 서버와 같은 컴퓨터 뱅크와 같은, 컴퓨터 관련 영역에서 이것은 매우 중요한 요구 사항이다.
백업 전력 공급원은, 주(primary) 전력 공급원이 일시 정지되거나 전력 변동이 발생하는 경우, 또는 전력 공급원이 하나의 주 전력 공급원에서 다른 주 전력 공급원으로 변경되는 동안에 발생할 수 있는 짧은 시간 동안 전력을 공급할 수 있다.
이상적으로는, 백업 전력 공급원은 상당한 시간 동안 전력을 저장할 수 있어야 한다. 즉, 필요한 시간만큼(최소 30초) 일정한 백업 전력을 실질적으로 공급할 수 있어야 하고, 신속하게 재충전될 수 있어야 한다.
배터리는 종종 많은 어플리케이션에서 이러한 백업 목적으로 사용되어 왔지만, 여러 가지 단점을 갖는다.
이를테면, 제1 유형의 배터리는 시간이 지남에 따라 자연 고갈되며 전력을 저장하는 능력도 약하기 때문에 그 수명이 약 6개월에 불과한 단점을 가진다.
제2 유형의 충전 배터리는 일반적으로 방전속도보다 충전 속도가 느린데, 재충전 기간이 길다는 것은, 전력 중단이나 전력원의 이동이 자주 발생하는 시스템에서는 커다란 단점이 될 수 있다.
한편 초고용량 커패시터는 에너지를 저장할 수 있고 재충전 속도가 빠르다는 장점을 제공하지만, 일반적으로 방전율과 비슷한 재 충전율을 나타낸다.
그러나 초고용량 커패시터의 출력 전압은 보통 빠른 속도로 감소하기 때문에 백업 전력을 공급하는 유효 시간이 감소하는 단점을 갖는다.
이와 같이 종래 기술은 응용 장치가 요구하는 전기 에너지 량, 사용 목적 및 사용 환경에 부합되도록, 커패시터들 각각의 정전 용량, 개수, 크기, 형태, 배치 및 모듈의 확장이 가변적인 실시형태를 갖는 커패시터 모듈을 제공하지 못하는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0008447호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 동일 또는 서로 다른 크기의 정전 용량을 갖는 복수개의 커패시터들이 서로 그루핑(grouping) 되어 배치되며, 스위칭 제어 방식에 따라 상기 커패시터들 상호 간의 병렬 또는 직렬 연결이 구현되며, 병렬 또는 직렬 연결을 통해 형성된 전기 에너지를 외부의 응용 장치로 공급하는 커패시터 모듈을 포함하는 가변형 에너지 저장장치 및 패키지를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 가변형 에너지 저장장치는, 정전 용량을 갖는 복수개의 충방전용 커패시터가 네트워크 형태로 배열된 커패시터 패키지에 있어서, 상기 네트워크 형태로 배열된 복수의 커패시터는 전기적인 스위칭을 통해 서로 이웃하는 상호간에 직렬, 병렬 또는 직·병렬 회로의 가변적인 연결이 가능하도록 커패시터 별로 커패시터 단자에 연결된 스위치를 가지며, 상기 커패시터 패키지에 저장된 전기에너지가 외부 부하장치가 요구하는 전압의 크기 또는 방전 용량 또는 개별 커패시터의 고장에 대응하여 공급될 수 있도록, 상기 스위치의 제어를 통해 상기 복수의 커패시터를 직렬, 병렬 또는 직·병렬회로로 가변적으로 구성하여, 상기 복수의 커패시터를 그루핑(grouping) 하는 스위칭 제어부를 포함하는 기술을 제공한다.
또한 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 가변형 에너지 저장장치는, 정전 용량을 갖는 복수개의 커패시터가 병렬 회로로 구성되는 커패시터 모듈, 상기 복수개의 커패시터 모듈이 서로 그루핑(grouping) 되어 복수 개 배치되고, 이들이 직렬, 병렬 또는 직·병렬 회로로 연결 되어 형성된 커패시터 모듈 패키지에 있어서, 상기 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 모듈회로의 패키지에서 방전되는 전기 에너지가 외부의 응용 장치로 공급될 수 있도록, 상기 복수개의 커패시터 또는 커패시터 모듈에서 방전되는 전기에너지를 상기 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 모듈 패키지의 회로로부터 차단하고 투입하는 스위칭 제어부를 포함하며,상기 스위칭 제어부는, 상기 복수의 커패시터 중 일부 또는 커패시터 모듈 패키지를 구성하는 일부 커패시터 모듈이 고장이 발생된 경우, 가동 중이지 않은 다른 커패시터 또는 커패시터 모듈로 대체 운전되도록 직렬, 병렬 또는 직·병렬 회로의 차단 및 투입 연결을 제어하는 기술을 제공한다.
또한 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 가변형 에너지 저장장치 패키지는, 부품이 실장 되고, 상기 부품이 전기적으로 도통케 해주는 기판; 상기 기판에 실장 되고, 동일 또는 서로 다른 크기의 정전 용량을 갖는 복수개의 커패시터들로 병렬 회로가 구성되며, 스위칭 제어 방식에 따라 상기 커패시터들의 병렬 회로에의 투입 또는 차단이 결정되고, 형성된 전기 에너지를 외부의 응용 장치로 공급하는 커패시터 모듈; 및 상기 커패시터들 각각을 사방으로 감싸는 형태 및 상기 커패시터들에서 발생된 열이 상 방향으로만 이동하도록 상 방향이 열린 구조를 가지고, 상기 커패시터들 각각을 구획하는 격벽들을 포함하는 기술을 제공한다.
본 발명은 커패시터들 각각의 정전 용량, 개수, 크기, 형태, 배치 및 모듈의 확장이 가변적인 실시형태를 갖는 커패시터 모듈을 제공함으로써, 응용 장치가 요구하는 전기 에너지 량, 사용 목적 및 사용 환경에 부합되도록 해주는 기술적 효과가 있다.
또한 본 발명은 커패시터 모듈을 구성하는 일부의 커패시터들이 고장난 경우, 이를 교체하는 대신 간단한 모드 변경을 통해 전기 에너지를 지속적으로 공급할 수 있음으로써, 응용 장치의 운행 중단을 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 고장 난 커패시터를 교체 작업하는데 소요되는 시간, 비용 등을 절감할 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 커패시터 모듈 관리부 및 주변 응용장치와의 관계를 계략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 커패시터 모듈에 대한 실시예로, 스위칭 동작에 따른 커패시터들의 병렬 연결을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 커패시터 모듈들의 직렬 연결을 실시예로 나타낸 것이다.
도 3b는 본 발명에 따른 커패시터 모듈들의 병렬 연결을 실시예로 나타낸 것이다.
도 3c는 본 발명에 따른 실시예로, 응용 장치에 사용되는 커패시터들 각각을 개별 스위칭 방식에 따라 동작 모드를 구현하는 것을 나타낸 것이다.
도 3d는 본 발명에 따른 실시예로, 커패시터 네트워크 스위치의 구조 및 기능을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예로, 커패시터 패키지의 형상을 사시도로 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 커패시터 모듈 관리부 및 주변 응용장치와의 관계를 계략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 커패시터 모듈 관리부(100)는 커패시터 모듈(110) 및 스위칭 제어유닛(120)을 포함하며, 주변에 있는 응용 장치(200)로 커패시터 모듈(110)에서 생성된 전기 에너지를 공급하는 구조를 갖는다.
커패시터 모듈(110)은 외부의 응용 장치(200)가 요구하는 전기 에너지 량, 사용 목적, 사용 환경 등에 부합하도록, 동일한 크기의 정전 용량 또는 서로 다른 크기의 정전 용량을 갖는 복수개의 커패시터들이 그루핑(grouping)된 형태를 가지는데, 이에 대한 구체적인 설명은 도 2 ~ 도 4에서 후술한다.
이 경우 커패시터(capacitor)는 충전되는 전기 용량의 크기에 따라 이를테면, 일반 콘덴서(가변콘덴서, 게르젠축전기, 마이카콘덴서, 반도체콘덴서, MP콘덴서 등), 전기 이중층 커패시터, 슈퍼 커패시터 등을 사용할 수 있다.
스위칭 제어유닛(120)은 각각의 스위칭 소자(SW)들을 이용하여 상기 커패시터 모듈(110)을 구성하는 각각의 커패시터들을 전기적 온(on) 또는 오프(off)시키는 동작을 통해, 상기 커패시터들을 병렬 또는 직렬로 연결시켜주는데, 이에 대한 구체적인 설명은 도 2 ~ 도 3b에서 후술한다.
여기서 스위칭 소자(SW)들은 이를테면, 기계식 릴레이, 마그네틱 스위치(MC), 포토 모스 릴레이(photomos relay), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(MOS Field-Effect Transistor)등을 사용하여 구현할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
응용 장치(200)는 상기 커패시터 모듈(110)이 공급하는 전기 에너지(정전 용량)를 이용하는 각종 전기 장치로써, 이를테면, 오토바이, 버스, 전기 자동차 등 각종 운송 장치를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 커패시터 모듈에 대한 실시예로, 스위칭 동작에 따른 커패시터들의 병렬 연결을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 커패시터 모듈(110)은 동일한 형태(이를테면, 방열패드(H10), 저항(R10) 포함), 동일한 정전용량을 갖는 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2) 및 제3 커패시터(C3)를 가지며, 이들 각각은 양(+) 전극(P1)과 음(-) 전극(P2) 사이에서 스위칭 제어유닛(120)의 스위칭 동작에 따라 커패시터들의 병렬 연결 형태 및 개수가 결정된다.
이를 부연설명하면, 제1 커패시터(C1)는 커패시터 전극 일측면에 형성된 제1 커패시터 스위칭리드(L1) 및 제2 커패시터 스위칭리드(L2)의 스위칭 동작(on, off)에 따라 양(+) 전극(P1)과 음(-) 전극(P2) 사이에서 연결 여부가 결정된다.
마찬가지로, 제2 커패시터(C2)는 커패시터 전극 일측면에 형성된 제3 커패시터 스위칭리드(L3) 및 제4 커패시터 스위칭리드(L4)의 스위칭 동작(on, off)에 따라 양(+) 전극(P1)과 음(-) 전극(P2) 사이에서 연결 여부가 결정되며, 제3 커패시터(C3)는 커패시터 전극 일측면에 형성된 제5 커패시터 스위칭리드(L5) 및 제6 커패시터 스위칭리드(L6)의 스위칭 동작(on, off)에 따라 양(+) 전극(P1)과 음(-) 전극(P2) 사이에서 연결 여부가 결정된다.
이를테면, 제1 커패시터 스위칭리드(L1) 및 제2 커패시터 스위칭리드(L2)의 스위칭 동작이 온(on), 제3 커패시터 스위칭리드(L3) 및 제4 커패시터 스위칭리드(L4)의 스위칭 동작이 오프(off), 제5 커패시터 스위칭리드(L5) 및 제6 커패시터 스위칭리드(L6)의 스위칭 동작이 온(on)인 경우, 제1 커패시터(C1)와 제3 커패시터(C3)가 병렬되어, 전체 전기용량은 C = C1 + C3의 크기를 갖는다.
마찬가지 방식으로, 스위칭 제어유닛(120)의 제1 커패시터 스위칭리드(L1) ~ 제6 커패시터 스위칭리드(L6)의 스위칭 동작에 따라 병렬연결 3개(C = C1 + C2 + C3), 병렬연결 1개(C = C1 또는 C = C2 또는 C = C3) 등을 구현할 수도 있다.
한편, 본 발명의 경우, 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2) 및 제3 커패시터(C3)가 전부 고장(fail)이 발생한 경우, 고장된 커패시터들의 교체 없이 커패시터모듈(110)의 정상적인 동작을 구현하기 위해 양(+) 전극(P1)과 음(-) 전극(P2) 사이의 전극을 스위칭하기 위한 제1 전극 스위칭리드(K1) 및 제2 전극 스위칭리드(K1)를 상기 커패시터들(C1, C2, C3)의 양쪽에 형성함에 기술적 특징이 있다.
이를테면, 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2) 및 제3 커패시터(C3) 모두에게 고장(fail)이 발생한 경우, 스위칭 제어유닛(120)의 스위칭 동작에 따라 제1 전극 스위칭리드(K1) 및 제2 전극 스위칭리드(K1)를 온(on) 시킴으로써, 즉 양(+) 전극(P1)과 음(-) 전극(P2)이 단순히 전선의 역할을 수행하도록 함으로써, 커패시터 일부의 고장에 관계없이 지속적으로 전기 에너지를 응용 장치(200)로 공급할 수 있도록 해준다.
이로써, 본 발명은 커패시터 모듈(110)을 구성하는 일부의 커패시터들이 고장난 경우(도 3c 참조), 이를 교체 작업하는데 소요되는 시간, 비용 등을 절감할 수 있는 기술적 장점을 제공한다.
상기와 같이 본 발명의 경우, 동일한 전기용량을 갖는 3개의 커패시터들로 구성된 커패시터 모듈에 대해 스위칭 동작에 따른 각각의 커패시터들의 병렬연결에 대해 예를 들어 설명하였지만, 4개 이상의 서로 다른 전기용량을 갖는 커패시터들로 구성된 커패시터 모듈에 대해 스위칭 동작을 통해 각각의 커패시터들의 직렬, 병렬 또는 혼합 형태(직병렬) 등으로 응용 실시할 수 있음은 당연하며, 이하 커패시터 모듈들이 서로 직렬 또는 병렬 연결된 형태에 대해 도 3a 및 도 3b에서 설명한다.
도 3a는 본 발명에 따른 커패시터 모듈들의 직렬 연결을 실시예로 나타낸 것이다.
도 3a를 참조하면, 앞의 도 2에서 도시된 2개의 커패시터 모듈들(110-1, 100-2)이 서로 직렬 연결된 형태를 갖는다.
이를 부연설명하면, 제1 커패시터 모듈(110-1)의 음(-) 전극이 제2 커패시터 모듈(110-2)의 양(+) 전극과 스위칭 제어를 통해 직렬로 연결되는 구조를 가지며, 이 경우 제1 커패시터 모듈(110-1)의 전기용량을 CA, 제2 커패시터 모듈(110-2)의 전기용량을 CB, 서로 직렬 연결된 2개의 커패시터 모듈들(110-1, 100-2)의 총 전기용량을 CT 라 할 경우, CT는 하기 수학식1로 표현된다.
Figure pat00001
이 경우, 앞의 도 2에서 설명한 바대로, CA = C1 + C2 + C3, CB = C1 + C2 + C3의 관계를 갖는다.
한편, 본 발명의 경우, 커패시터 모듈이 2개 직렬 연결된 경우에 대해 예를 들어 설명하였지만, 커패시터 모듈이 3개 이상 직렬 연결된 경우에 대해에서도 수학식1과 유사한 형태로 적용할 수 있으며, 상기 스위칭 제어 방식을 통해 커패시터 모듈에 참여하는 각각의 커패시터들의 상호간의 연결 및 공급되는 정전용량의 크기를 자유로이 제어할 수도 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 커패시터 모듈들의 병렬 연결을 실시예로 나타낸 것이다.
도 3b를 참조하면, 앞의 도 2에서 도시된 2개의 커패시터 모듈(110-1, 100-2)이 서로 병렬 연결된 형태를 갖는다.
이를 부연설명하면, 제1 커패시터 모듈(110-1)을 구성하는 커패시터들(C1, C2, C3)의 양극은 모두 제2 커패시터 모듈(110-2)을 구성하는 커패시터들(C1, C2, C3)의 양극과 스위칭 제어 방식을 통해 연결되고, 마찬가지로 제1 커패시터 모듈(110-1)을 구성하는 커패시터들(C1, C2, C3)의 음극은 모두 제2 커패시터 모듈(110-2)을 구성하는 커패시터들(C1, C2, C3)의 음극과 스위칭 제어 방식을 통해 병렬 연결되는 구조를 가진다.
이 경우 제1 커패시터 모듈(110-1)의 전기용량을 CA, 제2 커패시터 모듈(110-2)의 전기용량을 CB, 직렬 연결된 2개의 커패시터모듈들의 총 전기용량을 CT 라 할 경우, CT는 하기 수학식2로 표현된다.
Figure pat00002
이 경우, 앞의 도 2에서 설명한 바대로, CA = C1 + C2 + C3, CB = C1 + C2 + C3의 관계를 갖는다.
한편, 본 발명의 경우, 2개의 커패시터 모듈이 병렬 연결된 경우에 대해 예를 들어 설명하였지만, 3개 이상의 커패시터 모듈이 병렬 연결된 경우에 대해에서도 수학식2와 유사한 형태로 적용할 수 있으며, 스위칭 제어 방식으로 커패시터 모듈에 참여하는 각각의 커패시터들의 상호간의 연결 및 공급되는 정전용량의 크기를 자유로이 제어할 수도 있다.
도 3c는 본 발명에 따른 실시예로, 응용 장치에 사용되는 커패시터들 각각을 개별 스위칭 방식에 따라 동작 모드를 구현하는 것을 나타낸 것이다.
도1, 도 2 및 3c를 참조하면, 커패시터 모듈(110)은 5 × 5 정방 행렬 형태를 가지는 커패시터들(C11 ~ C55)을 포함하며, 스위칭 제어유닛(120)의 스위칭 제어 방식에 따라 상기 커패시터들(C11 ~ C55)의 병렬 또는 직렬 연결을 구현하며(도 3d 참조), 이때 생성된 전기 에너지(총 전정용량)는 응용 장치(200)(이를테면, 버스 구동장치 등)로 공급하는 형태를 나타낸다.
이하 버스가 언덕을 운행하는데, 5개의 병렬 연결된 커패시터들이 공급하는 정전용량을 필요로 한다고 가정하고(이를테면, 정상 시 고장난 커패시터 및 기타 4개의 커패시터들이 1 세트로 병렬 연결되어 운영됨), 커패시터 모듈을 구성하는 커패시터 일부가 고장난 경우, 동작 모드 구현 방식에 대해 설명한다.
도 3c에 도시된 바대로, 만일 제34 커패시터(C34)에 고장(이를테면, 과열, 단락 등)이 발생된 경우, 외부로 고장을 알리는 경보 신호(이를테면, 경광등, 부저, 알람, 경고 음성 등)를 발생시킬 수 있으며, 이 경우 버스 운전사는 경고 신호에 즉각 반응하여 미리 세팅된 제1 모드 버튼 또는 제2 모드 버튼을 누르기만 함으로써, 운행 중 커패시터 일부의 고장으로 인해 에너지 공급이 부족 또는 중단되는 비상사태에 대응할 수 있게 된다.
이를테면, 제1 모드는 노란색으로 표시된 C31, C32, C33, C44, C54가 1세트로 병렬 연결된 형태로 미리 세팅할 수 있고, 제2 모드는 녹색으로 표시된 C13, C24, C35, C45, C55가 1세트로 병렬 연결된 형태로 미리 세팅함으로써, C34의 고장으로 인해 감소된 정전용량을 보충할 수 있게 된다.
본 발명의 경우, 제1 모드(노란색), 제2 모드(녹색)에 대해 예를 들어 설명하였지만, 커패시터의 고장 위치, 개수, 응용 장치(200)가 요구하는 전기 에너지량, 운행 형태 등을 고려하여 커패시터들의 연결 세트(set) 형태를 다양하게 변형실시 할 수 있음은 당연하다.
이로써 본 발명은 커패시터 모듈을 구성하는 일부의 커패시터들이 고장난 경우, 이를 교체 대신 간단한 모드 변경을 통해 전기 에너지를 지속적으로 공급할 수 있음으로써, 응용 장치의 운행 중단을 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 고장 난 커패시터를 교체 작업하는데 소요되는 시간, 비용 등을 절감할 수 있는 기술적 장점을 제공한다.
도 3d는 본 발명에 따른 실시예로, 커패시터 네트워크 스위치의 구조 및 기능을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 3d를 참조하면, 각각의 커패시터들(C1 ~ C16)이 이를테면, 4 × 4 정방 행렬 형태를 갖는 경우, 서로 이웃하는(좌, 우, 상, 하) 커패시터들을 각각에 형성된 스위치를 이용하여 연결 또는 차단하여 직렬, 병렬 또는 직병렬 회로를 구성할 수 있다.
이를테면, C10은 자신에게 형성된 스위치들을 이용하여 서로 이웃하는 커패시터들(C6, C14, C9, C11)과의 연결 또는 차단을 통해 직렬, 병렬 또는 직병렬 회로를 구성할 수 있으며, 마찬가지로 네트워크에 참여하는 각각의 커패시터들(C1 ~ C16)에 대해서도 적용할 수 있음은 당연하다.
이로써, 본 발명은 사용자가 네트워크에 참여하는 모든 커패시터들의 연결 형태, 개수, 정전 용량 등을 자유로이 조정할 수 있는 기술적 장점을 제공한다.
또한 상기와 같은 커패시터 네트워크 스위치 구조는 각각의 커패시터들(C1 ~ C16)을 외부 전원을 통해 충전할 경우에도 응용하여 실시할 수 있는데, 이 경우 복수의 커패시터들(C1 ~ C16)이 외부 전원으로부터 시간적으로 순차 직렬 연결되면서 충전되도록, 스위치를 제어하는 방식을 적용하면, 한꺼번에 커패시터들(C1 ~ C16)을 충전하는 종전의 방식에 비해 시간을 대폭 절감할 수 있는 기술적 장점을 제공한다.
본 발명의 경우 커패시터 네트워크 스위치 구조가 4 × 4 정방 행렬 형태인 경우에 대해 설명하였지만, 이에 한정 되지 아니하고, N(자연수) × N(자연수), N (자연수)× M(자연수) 행렬 형태로 다양하게 응용하여 실시할 수 있으며, 필요에 따라 네트워크에 참여하는 커패시터들을 다양한 모듈로 제작하여 실시할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예로, 커패시터 패키지의 형상을 사시도로 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 커패시터 패키지(capacitor package)는 기판(10), 복수개의 커패시터들로 구성된 커패시터 모듈(110), 커패시터들 각각을 구획하는 격벽들(20), 몰딩부(30) 및 방열핀(40)을 포함하며, 차례대로 적층 구조를 형성한다.
이하 도 2 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 커패시터 패키지(capacitor package)의 적층 구조 및 기능에 대해 설명한다.
기판(10)은 커패시터 모듈(110)을 구성하는 각각의 커패시터들이 부착되어, 전기적으로 스위칭 동작 등이 구현될 수 있도록 해주는데, 이 경우 기판으로 이를테면, 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 등을 사용할 수 있다.
커패시터 모듈(110)은 상기 기판(10)의 집적 효율을 고려하여 복수개의 커패시터들이 서로 그루핑(grouping) 된 배치 형태(이를테면, 행렬 형태, 삼각형, 육각형 등)를 가지며, 기타 스위칭 동작 등은 도 2에서 설명한 바 있으므로 생략한다.
격벽들(20)은 일정한 공간을 두고 상기 커패시터들을 사방으로 감싸는 형태를 가지며, 각각의 커패시터들에 1 : 1 대응하여 형성되며, 이 경우 각각의 커패시터들에서 발생된 열이 이웃하는 커패시터들에게 영향을 주지 않고 상 방향으로만 이동하도록 상 방향이 열린 칸막이 구조를 가지며, 열전도도, 방열 성능, 가격 등을 고려하여 금속 소재, 아크릴 판 등으로 제작할 수 있다.
몰딩부(30)는 상기 기판(10) 위에 형성된 상기 커패시터 모듈(110) 및 상기 격벽들(20)을 견고하게 고정시키며, 또한 외부 환경으로부터 격리하여, 오염 방지, 방수 등을 구현 하도록 일정 영역에 대해 몰딩(molding)이 실시되어 형성함이 바람직한데, 이 경우 몰딩(molding) 방법으로 이를테면 에폭시 수지를 투입한 뒤 경화시키는 에폭시 몰딩 등을 사용할 수 있다.
이 경우 방열핀(40)은 각각의 커패시터들에서 발생된 열을 외부로 방출하는 것을 주요 목적으로 함으로 인해, 에폭시 몰딩을 할 때에 방열핀(40)이 몰딩 영역에 포함되지 않도록 유의해야 한다.
한편, 도 2에 도시된 바대로, 각각의 커패시터들의 외주 면을 감싸는 방열 패드(H10)를 형성할 수 있으며, 이 경우 각각의 커패시터들의 상부 면에 방열핀(40)을 부착하여 각각의 커패시터들에서 발생한 열이 외부로 빨리 방출될 수 있도록 함이 바람직하다.
이 경우 방열핀(40)의 재질(그래파이트 등), 형태(주름 형태 등), 구조, 크기 등은 최대한의 열 방출 효율을 구현할 수 있도록 다양하게 변형 실시할 수 있음은 당연하다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10 : 기판
20 : 격벽
30 : 몰딩부
40 : 방열핀
100 : 커패시터 모듈 관리부
110 : 커패시터 모듈
120 : 스위칭 제어 유닛
200 : 응용 장치

Claims (16)

  1. 정전 용량을 갖는 복수개의 충방전용 커패시터가 네트워크 형태로 배열된 커패시터 패키지에 있어서,
    상기 네트워크 형태로 배열된 복수의 커패시터는 전기적인 스위칭을 통해 서로 이웃하는 상호간에 직렬, 병렬 또는 직·병렬 회로의 가변적인 연결이 가능하도록 커패시터 별로 커패시터 단자에 연결된 스위치를 가지며,
    상기 커패시터 패키지에 저장된 전기에너지가 외부 부하장치가 요구하는 전압의 크기 또는 방전 용량 또는 개별 커패시터의 고장에 대응하여 공급될 수 있도록, 상기 스위치의 제어를 통해 상기 복수의 커패시터를 직렬, 병렬 또는 직·병렬회로로 가변적으로 구성하여, 상기 복수의 커패시터를 그루핑(grouping) 하는 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는,
    운전 중인 커패시터 모듈 패키지의 전기 용량이 과부족한 경우, 전압이 과부족한 경우, 또는 고장이 발생 된 경우 이를 자동 감지하여, 미리 설정된 직렬, 병렬 또는 직·병렬회로로 자동 전환하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는,
    상기 커패시터 패키지에 충전하는 경우, 복수의 커패시터가 외부 전원으로부터 시간적으로 순차 직렬 연결되면서 충전되도록, 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  4. 정전 용량을 갖는 복수개의 커패시터가 병렬 회로로 구성되는 커패시터 모듈, 상기 복수개의 커패시터 모듈이 서로 그루핑(grouping) 되어 복수 개 배치되고, 이들이 직렬, 병렬 또는 직·병렬 회로로 연결 되어 형성된 커패시터 모듈 패키지에 있어서,
    상기 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 모듈회로의 패키지에서 방전되는 전기 에너지가 외부의 응용 장치로 공급될 수 있도록, 상기 복수개의 커패시터 또는 커패시터 모듈에서 방전되는 전기에너지를 상기 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 모듈 패키지의 회로로부터 차단하고 투입하는 스위칭 제어부를 포함하며,
    상기 스위칭 제어부는, 상기 복수의 커패시터 중 일부 또는 커패시터 모듈 패키지를 구성하는 일부 커패시터 모듈이 고장이 발생된 경우, 가동 중이지 않은 다른 커패시터 또는 커패시터 모듈로 대체 운전되도록 직렬, 병렬 또는 직·병렬 회로의 차단 및 투입 연결을 제어하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 커패시터 모듈은,
    서로 그루핑(grouping) 되어 배치된 복수개의 커패시터들;
    상기 커패시터들의 양쪽에 각각 형성되어, 전기 에너지를 공급할 수 있도록 해주는 양 전극과 음 전극; 및
    상기 커패시터들 각각의 커패시터 전극 일측 면에 각각 형성되며, 스위칭 제어유닛의 스위칭 제어신호에 따라 상기 커패시터들의 스위칭 동작을 구현하기 위한 커패시터 스위칭리드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 커패시터 모듈은,
    상기 커패시터들 전부가 고장이 발생된 경우, 상기 스위칭 제어유닛의 스위칭 제어신호에 따라 상기 양 전극 및 상기 음 전극을 전선으로 연결하도록 해주는 전극 스위치리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 전극 스위치리드는,
    상기 커패시터들의 양극과 상기 양 전극 사이에 형성된 제1 전극 스위치리드; 및
    상기 커패시터들의 음극과 상기 음 전극 사이에 형성된 제2 전극 스위치리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 커패시터 모듈은,
    일반 커패시터, 전기 이중층 커패시터 또는 슈퍼 커패시터를 사용하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 스위칭 제어 방식은,
    기계식 릴레이, 마그네틱 스위치(MC), 포토 모스 릴레이(photomos relay), BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 MOSFET(MOS Field-Effect Transistor)를 사용하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 커패시터 모듈은,
    외부의 응용 장치가 요구하는 전기 에너지 량, 사용 목적 및 사용 환경에 부합되도록, 상기 커패시터들 각각의 정전 용량, 개수, 크기, 형태, 배치 및 모듈의 확장이 가변적인 실시형태를 갖는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치.
  11. 부품이 실장 되고, 상기 부품이 전기적으로 도통케 해주는 기판;
    상기 기판에 실장 되고, 동일 또는 서로 다른 크기의 정전 용량을 갖는 복수개의 커패시터들로 병렬 회로가 구성되며, 스위칭 제어 방식에 따라 상기 커패시터들의 병렬 회로에의 투입 또는 차단이 결정되고, 형성된 전기 에너지를 외부의 응용 장치로 공급하는 커패시터 모듈; 및
    상기 커패시터들 각각을 사방으로 감싸는 형태 및 상기 커패시터들에서 발생된 열이 상 방향으로만 이동하도록 상 방향이 열린 구조를 가지고, 상기 커패시터들 각각을 구획하는 격벽들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치 패키지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 커패시터들에서 발생한 열이 외부로 방출되도록, 상기 커패시터들의 상부 면에 부착된 방열핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치 패키지.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 기판, 상기 커패시터 모듈 및 상기 격벽들을 완전히 덮도록 일정 영역에 대해 몰딩(molding) 처리가 된 몰딩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치 패키지.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 커패시터 모듈은,
    서로 그루핑(grouping) 되어 배치된 복수개의 커패시터들;
    상기 커패시터들의 양쪽에 각각 형성되어, 전기 에너지를 공급할 수 있도록 해주는 양 전극과 음 전극; 및
    상기 커패시터들 각각의 커패시터 전극 일측 면에 각각 형성되며, 스위칭 제어유닛의 스위칭 제어신호에 따라 상기 커패시터들의 스위칭 동작을 구현하기 위한 커패시터 스위칭리드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치 패키지.

  15. 제 11항에 있어서, 상기 커패시터 모듈은,
    상기 커패시터들 전부가 고장이 발생된 경우, 상기 스위칭 제어유닛의 스위칭 제어신호에 따라 상기 양 전극 및 상기 음 전극을 전선으로 연결하도록 해주는 전극 스위치리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치 패키지.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 전극 스위치리드는,
    상기 커패시터들의 양극과 상기 양 전극 사이에 형성된 제1 전극 스위치리드; 및
    상기 커패시터들의 음극과 상기 음 전극 사이에 형성된 제2 전극 스위치리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 에너지 저장장치 패키지.
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