KR20200055241A - 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치 - Google Patents

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Abstract

슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치가 개시된다. 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터를 엔진시동용 전원장치는 엔진시동시작 시점을 검출하여 슈퍼캐패시터 모듈에 연결된 스위치를 ON 상태로 전환함으로써 슈퍼캐패시터 모듈에 저장된 전기에너지가 엔진시동모터 회전에 사용되도록 함으로써, 엔진시동용 전원장치의 설치를 용이하게 하여 시간과 비용을 절감시키고 환경에 따른 엔진의 상태에 변화에 따라 시동방법을 변화시켜 보다 원활한 시동을 가능하게 하고 사용되는 슈퍼캐패시터의 용량을 감소시켜 보다 저렴한 슈퍼캐패시터 모듈를 사용한 엔진시동용 전원장치를 제공할 수 있도록 한다.

Description

슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치{Power System for Engine Start using Supercapacitor}
본 발명은 슈퍼캐패시터를 사용하는 엔진시동용 전원장치에 관한 것으로, 상세하게는 대출력, 편리성, 그리고 설치가 용이한 엔진시동용 전원장치에 관한 것이다.
자동차, 선박, 지게차, 중장비, 발전기 등과 같이 엔진을 사용하는 장치는 동작을 위해 엔진을 가동시킨다. 따라서 엔진시동은 엔진을 탑재한 장치나 엔진이 처한 상황에 관계없이 항상 이루어져야 한다. 이를 위해 엔진을 탑재한 장치들은 엔진시동을 위해 이차전지와 같은 엔진시동을 위한 전원장치를 갖추고 있다. 가장 대표적으로, 일반 자동차에 탑재되는 납축전지가 이러한 기능을 수행하고 있다. 납축전지는 엔진 시동모터에 전기에너지를 공급하여 엔진을 회전시키고 예열 등 기타 시동에 필요한 전원을 공급함으로써 엔진시동을 가능하게 하며 작동된 엔진에 설치된 발전기에 의해 다시 충전되는 과정을 반복하여 수행한다.
그러나 시동 전 엔진의 주위 온도, 정지 후 시간 등에 따라 엔진 시동을 위해 이차전지가 공급해야 하는 출력과 시간이 변화하며 이차전지의 온도, 충전상태, 사용 시간 등에 의해 이차전지가 공급할 수 있는 출력이 변화한다. 온도가 낮은 환경에서는 시동모터에 보다 큰 출력이 공급되어야 하지만 낮은 온도 때문에 이차전지의 출력이 저하되는 특성으로 인하여 온도가 낮은 환경에서는 엔진 시동에 실패하는 경우가 발생하기도 한다. 엔진시동에 실패한 경우 엔진을 탑재한 장치는 작동될 수 없으므로 시동서비스를 받거나 이차전지를 구입하는 등 경제적 손실과 시간 손실이 발생된다. 만약 비상발전기용 엔진 같이 반드시 동작해야 하는 장치에서 시동에 실패하면 막대한 재산상의 손실이나 인명피해가 발생할 수도 있다.
이러한 사태가 발생되는 것을 방지하기 위해 엔진시동을 위한 보조전원장치들이 사용되기도 한다.
엔진시동을 위해서는 시동모터에 짧은 시간 동안 큰 전류를 공급해야 한다. 이러한 용도에 적합한 것이 슈퍼캐패시터(Supercapacitor) 또는 전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor)라고 불리는 전기에너지 저장장치이다. 슈퍼캐패시터는 내부저항이 극히 작아 순간적으로 큰 전류를 인가하는 데에 매우 적합하다.
이차전지는 온도가 낮아질수록 성능이 저하되므로 겨울철 엔진시동 실패의 원인 중의 하나가 저온에서 이차전지의 성능저하이다. 그러나 슈퍼캐패시터는 영하의 저온에서도 성능저하가 거의 없어 엔진시동용으로 적합하여 최근 슈퍼캐패시터가 엔진시동용 주전원장치 또는 보조전원장치로 많이 사용되고 있다.
승용차 및 소형 트럭의 전원장치는 12V 체계로 구성된다.
그러나 슈퍼캐패시터 1개의 정격전압이 대략 2.7V 정도에 불과하므로 여러 개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결하여 슈퍼캐패시터 모듈을 구성한 후 이를 12V 납축전지에 병렬로 연결하여 사용하거나 엔진시동용 모터에 직접 연결하여 사용하기도 한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 슈퍼캐패시터 모듈과 이차전지가 병렬로 연결된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 슈퍼캐패시터 모듈(101)과 납축전지 같은 이차전지(102)가 병렬로 연결되어 엔진시동모터(104)에 접속되며 그 사이에 엔진시동스위치(103)가 위치한다. 일반적으로 엔진시동스위치는 엔진시동모터 내부에 설치되지만 설명의 편의성을 위해 분리하였다.
슈퍼캐패시터 모듈을 이차전지(12V 납축전지)와 병렬로 연결하여 사용하면 슈퍼캐패시터 모듈에서 추가적인 전류공급이 가능하므로 엔진시동모터에 보다 큰 전류를 공급할 수 있어 여러 가지 요인에 의해 엔진시동이 실패하는 것을 방지하고 또한 이차전지가 대전류를 인가하는 것을 방지하여 이차전지의 수명도 연장할 수도 있다.
보다 적극적으로 엔진시동모터에 슈퍼캐패시터 모듈을 단독으로 연결하여 슈퍼캐패시터를 엔진시동용으로 사용하는 방법도 최근 부각되고 있다.
도 2는 종래의 기술에 따른 슈퍼캐패시터 모듈을 단독으로 엔진시동용으로 사용하는 것을 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 슈퍼캐패시터 모듈(201)은 엔진시동모터(203)에 접속되며 그사이에 엔진시동스위치(202)가 위치한다.
이는 이차전지에 비해 내부저항이 작고 저온성능이 우수하여 큰 전류를 인가하는데 유리한 슈퍼캐패시터 모듈을 12V 전압체계보다 더 높은 전압으로 충전함으로써 인가 전류를 증가시키기 위해 방해요소로 작용하는 이차전지(12V 납축전지)를 배제한 것이다.
현재 이러한 일련의 행위들은 주로 애프터마켓에서 이루어지고 있다. 도 2와 같이 엔진시동모터에 슈퍼캐패시터 모듈을 단독으로 연결하여 사용하려면 엔진시동모터에 연결된 12V 납축전지 케이블을 분리하고 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 새로운 케이블을 설치해야 한다. 그러나 이러한 작업에는 상당한 비용과 시간이 소요된다. 또한 엔진시동을 위해 엔진시동모터에 공급되는 모든 전류를 슈퍼캐패시터 모듈에서 제공해야 하므로 용량이 큰 슈퍼캐패시터가 필요하며 따라서 슈퍼캐패시터 모듈 가격이 상승한다.
또한 슈퍼캐패시터를 전원장치로 사용하더라도 저온환경에서 엔진의 부하증가, 마찰력증가 등의 요인을 고려하지 않은 엔진시동은 엔진시동 실패확률을 증가시키거나 보다 큰 용량의 슈퍼캐패시터를 사용하도록 함으로써 가격 상승을 초래한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치의 설치를 용이하게 하고 슈퍼캐패시터 용량을 감소시켜 보다 저렴한 엔진시동용 전원장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은, 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치에서 보다 원활한 엔진시동 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치는,
직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈, 상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 연결된 스위치, 엔진시동모터에 연결된 이차전지의 전압변화를 감시하고 상기 스위치를 제어하는 제어기를 포함하며,
이차전지에서 엔진시동모터에 전류를 공급함에 따라 이차전지에서 설정값 이상의 전압강하가 발생하면 상기 제어기를 통해 이를 검출하고 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일면에 따른 다른 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치는,
직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈, 상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 연결된 스위치, 엔진시동모터의 동작을 검출하는 센서, 상기 센서를 통해 엔진시동모터의 동작을 감시하고 상기 스위치를 제어하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기를 통해 상기 센서로부터 엔진시동모터 동작이 검출되면 상기 제어기를 통해 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일면에 따른 또 다른 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치는,
직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈, 상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 직렬로 연결된 스위치, 상기 스위치를 제어하는 수동제어기를 포함하며,
상기 수동제어기를 통해 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일면에 따른 또 다른 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치는,
직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈, 상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 연결된 스위치, 엔진시동모터 동작을 감시하고 상기 스위치를 제어하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는 이차전지에 의해 엔진시동모터에 전류가 공급되는 시점으로부터 설정된 시간만큼 시간을 지연시켜 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치는 설치가 용이하여 설치에 소요되는 비용과 시간이 절감되며 엔진시동에 슈퍼캐패시터와 이차전지를 함께 사용하여 원활한 엔진시동을 가능하게 하고 슈퍼캐패시터의 용량을 감소시켜 슈퍼캐패시터 모듈의 가격을 절감시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 슈퍼캐패시터 모듈과 이차전지가 병렬로 연결된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 슈퍼캐패시터 모듈을 단독으로 엔진시동용으로 사용하는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치와 이차전지, 엔진시동모터의 연결상태를 보여주는 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이차전지 엔진시동모터 동작시점을 검출하기 위한 전압강하를 검출하기 위한 회로의 실시예이다.
도 5는 도 3의 본 발명에 따라 제작된 전원장치에서 측정된 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 온도에 따라 지연시간을 조절하는 회로의 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 전류센서를 사용한 슈퍼캐패시터를 사용한 전원장치의 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수동스위치 사용한 슈퍼캐패시터를 사용한 전원장치의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터를 사용한 엔진시동용 전원장치와 이차전지, 엔진시동모터의 연결상태를 보여주는 구성도이다.
도3을 참조하면, 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(301)은 엔진시동모터(305)에 접속되며 슈퍼캐패시터 모듈(301)과 엔진시동모터(305) 사이에 스위치(302)가 직렬로 설치된다. 그리고 이차전지(304) 또한 엔진시동모터(305)에 접속된다. 제어기(303)는 이차전지 전압변화를 통해 엔진시동모터(305)의 동작시작 시점을 검출하여 이를 바탕으로 스위치(302)를 제어한다.
슈퍼캐패시터 모듈(301)에는 엔진시동모터(305)에 전류를 공급하기 위해 전기에너지가 저장된다. 슈퍼캐패시터 모듈(301)에 사용되는 슈퍼캐패시터는 전기이중층 캐패시터를 사용하는 것이 바람직하며 대략 5~6개가 직렬로 연결된다. 필요에 의해서 용량이 작은 슈퍼캐패시터를 병렬로 조합하여 슈퍼캐패시터 모듈(301)을 구성할 수도 있다. 슈퍼캐패시터 모듈(301)의 충전전압이 높을수록 슈퍼캐패시터 모듈(301)에 저장된 전기에너지가 기하급수적으로 증가하고 엔진시동모터(305)에 공급할 수 있는 전류도 증가한다. 슈퍼캐패시터 모듈(301)의 직렬수가 6인 경우 슈퍼캐패시터 모듈(301)의 정격전압은 대략 16V이다.
종래의 전원장치처럼 슈퍼캐패시터 모듈이 이차전지(12V 납축전지)와 병렬로 연결되면 전압이 12V인 납축전지 때문에 엔진시동 전 슈퍼캐패시터 모듈의 전압은 12V 납축전지의 전압과 같으며 충전전압은 납축전지의100% 충전전압인 12.7V 이하이다.
본 발명의 슈퍼캐패시터 모듈(301)의 보다 높은 충전전압이 종래의 전원장치에 비해 엔진시동시 엔진시동모터(305)에 더 큰 전류를 공급할 수 있는 이유이다.
도3을 참조하면, 스위치(302)는 평상시에는 OFF상태이며 DC-DC 컨버터 같은 충전기에 의해 슈퍼캐패시터 모듈(301)의 충전상태가 유지되며 엔진시동이 시작되면 제어기(303)에 의해 ON상태로 전환되어 슈퍼캐패시터 모듈(301)에서 엔진시동모터(306)로 전류가 공급되도록 하고 엔진시동이 완료되면 다시 OFF되어 슈퍼캐패시터 모듈(301)이 충전상태를 유지하도록 한다.
스위치(302)는 고속으로 동작하며 비교적 값싸고 소형이며 긴 수명을 갖는 전계효과트랜지스터(MOSFET), 양극성 트랜지스터(Bipolar Transistor), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 사이리스터(Thyristor) 같은 반도체 스위치가 릴레이 같은 기계식 스위치보다 적합하다.
도3을 참조하면, 엔진시동이 시작되면 이차전지(304)는 엔진시동모터(305)에 전류를 공급하기 시작한다. 이차전지(304)는 엔진시동모터(305)에만 전류를 공급하는 것이 아니라 엔진시동모터(305)가 회전하기 전에 예열이나 연료펌프 구동과 같은 엔진시동에 필요한 장치들에 전류를 공급하며 기타 장치들의 전원으로도 사용된다.
이차전지(304)로는 주로 납축전지가 많이 사용된다. 승용차와 소형트럭에는 12V 납축전지가 사용되며 대형트럭의 경우에는 12V 납축전지 2개를 직렬로 연결한 24V 납축전지가 사용된다. 이것은 단지 이차전지의 전압만 바뀌는 것이 아니라 전원체계가 24V로 바뀌는 것을 의미한다. 따라서 24V 전원체계에서는 슈퍼캐패시터 모듈(301)의 충전전압도 대략 2배 증가해야 하며 이를 위해 직렬 수도 2배 증가시키는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 이차전지 엔진시동모터 동작시점을 검출하기 위한 전압강하를 검출하기 위한 회로의 실시예이다.
도 4를 참조하면, 오피앰프(401), 다이오드(402), 캐패시터(403), 저항(404)로 구성된다. 오피앰프(401)는 비반전 입력단에 이차전지 전압이 입력되며, 캐패시터(403) 충전전압이 오피앰프(401) 반전 입력단에 입력된다. 오피앰프(401) 출력은 다이오드(402)를 통해 캐패시터(403)에 연결되며 저항(404)는 캐패시터(403)에 병렬로 접속된다. 다이오드(402)에 의해 오피앰프(401)에 입력되는 이차전지 전압이 캐패시터(403) 충전전압 보다 높지 않으면 캐패시터(403)는 현재 충전전압이 계속 유지된다. 즉 이차전지 최대전압이 캐패시터(403) 충전전압으로 저장된다.
엔진시동은 단지 엔진시동모터만 회전하는 것이 아니라 엔진시동을 위한 준비동작 즉 예열, 연료펌프 동작, 제어기 동작 같은 동작들이 선행된다. 따라서 엔진시동모터에 전류가 인가되기 전에 여러 장치에 전류를 공급함에 따라 이차전지의 전압은 지속적으로 하강한다. 따라서 엔진시동에 의한 전류공급에 따른 이차전지 전압강하 만을 검출하기 위해서는 캐패시터(403)를 적절하게 방전시켜 캐패시터(403)에 저장된 이차전지 최대전압을 최신 값으로 갱신시킬 필요가 있다. 저항(404)는 캐패시터(403)을 지속적으로 방전시켜 캐패시터(403)에 저장된 이차전지 최대전압이 최신 값으로 유지되도록 한다. 캐패시터(403) 방전 속도는 1V 방전에 약5 ~ 60초 정도 소요되도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 캐패시터에 저장된 이차전지 최대전압을 바탕으로 비교기와 같은 소자를 이용하여 이차전지 최대전압과 현재 이차전지 전압을 비교하여 전압강하가 설정 값 이상이면 이차전지에서 엔진시동모터로 전류를 공급하기 시작한 것으로 판단한다. 엔진시동모터에 전류가 공급되기 시작되면 이차전지에서 대략 1V 이상의 순간적인 전압강하가 발생된다.
이와 같은 이차전지의 전압강하 검출은 CPU 같은 디지털 프로세서를 통해서도 가능하다.
엔진시동모터에 전류가 공급되는 시점을 보다 정확하게 검출하기 위해서는 설정된 이차전지의 전압강하량 검출 후 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류를 공급하기 시작하는 시점 사이에 지연시간을 설정하면 보다 명확하게 엔진시동모터 동작시점을 검출할 수 있다.
도 5는 도 3의 본 발명에 따라 제작된 전원장치에서 측정된 그래프이다.
슈퍼캐패시터 모듈은 엘에스엠트론사의 320F/2.8V 저저항 슈퍼캐패시터를 2병렬 6직렬로 구성하였으며, 이차전지는 12V/100Ah 납축전지를 사용하였다. 슈퍼캐패시터 모듈에 연결된 스위치로는 IXYS사의 전류용량이 1220A인 모델명 VMO1200-01F, N채널 MOSFET을 사용하였으며 엔진시동모터 대신 부하저항을 사용하였다.
슈퍼캐패시터 모듈은 MOSFET의 게이트 전압 제어를 통한 전류제어로 이차전지 전압의 95%까지 충전하였고DC-DC 컨버터를 이용하여 이차전지의 충전전압보다 훨씬 높은15.7V까지 충전하였다. 슈퍼캐패시터 모듈을 방전시키기 위한 MOSFET 개방시점은 이차전지의 전압강하가 1V 이상 발생하고 0.02초가 경과한 후였다.
도 5를 참조하면, 부하저항을 통해 이차전지 방전 개시 후 이차전지 전압은 추가적인 전압강하가 발생되는 것이 관측된다. 이러한 현상이 슈퍼캐패시터 모듈 방전개시 전에 시간지연이 더 바람직한 이유이다. 슈퍼캐패시터 모듈에서 부하저항으로 전류가 공급됨에 따라 이차전지에서 부하저항으로 방전되는 전류는 급격히 감소하고 대부분의 전류가 슈퍼캐패시터 모듈에서 공급된다. 이차전지에서 방전되는 전류감소에 따른 전압강하량 감소에 따라 이차전지의 전압이 급격하게 상승한다. 엔진시동을 위해서는 큰 전류가 필요하지만 또한 일정 전압 이상의 전압이 유지되어야 하므로 엔진시동이라는 관점에서 보면 이차전지만 사용할 때에 비해 전류는 더 증가하고 이차전지는 더 높은 전압을 유지하므로 엔진시동에 실패할 확률은 훨씬 낮아진다.
도5를 참조하면, 본 발명에 따른 도 3과 같은 전원장치는 슈퍼캐패시터 모듈 전압이 이차전지 전압보다 높아 스위치가 개방된 상태에서 엔진시동모터에 공급되는 전류가 감소하면 즉 엔진시동이 정상적으로 이루어지면 슈퍼캐패시터 모듈의 전압강하량이 감소하여 슈퍼캐패시터 모듈의 전압이 상승함에 따라 슈퍼캐패시터 모듈이 전압이 상대적으로 낮은 이차전지를 충전하기 시작한다. 따라서 이차전지의 전압이 설정값 보다 높으면 슈퍼캐패시터 모듈에 접속된 스위치를 OFF시켜 슈퍼캐패시터 모듈로부터 전류가 방전되는 것을 차단시키는 것이 필요하다. 슈퍼캐패시터 모듈 방전 중단을 위한 이차전지 전압 설정값은 12V 이상이 바람직하다.
또한 노이즈 등에 의한 오동작을 방지하기 위해 이차전지의 전압이 설정값 이상에서는 이차전지 전압강하와 관계없이 슈퍼캐패시터 모듈에 연결된 스위치를 OFF 시키는 것이 바람직하다. 예를 들어 이차전지의 전압이 12V 이상이면 엔진시동모터 동작상태가 아니므로 슈퍼캐패시터 모듈에 연결된 스위치를 OFF 상태로 유지시키는 것이 바람직하다.
한편 주변 온도가 저하하면, 이차전지의 성능만 저하되는 것이 아니라 엔진의 부하 또한 증가한다. 따라서 엔진시동모터에 공급되는 전류도 증가한다. 엔진시동이 성공적으로 이루어지기 위해서는 이차전지 전압을 기준으로 대략 6.5V 이상의 전압이 필요하다. 방전전류가 증가하면 전압강하량 증가에 따라 이차전지의 전압이 감소한다. 또한 저온에서는 이차전지의 저항증가를 동반하여 이차전지의 전압은 더욱 강하한다.
주변온도 저하에 따른 엔진부하 증가 및 그에 따른 추가적인 전기에너지 소요 등의 엔진상태변화를 고려하지 않고 엔진시동모터에 전류를 인가하면 엔진시동을 위해 보다 큰 용량을 갖는 슈퍼캐패시터가 필요하다.
따라서 저온에서는 엔진시동을 위해, 슈퍼캐패시터에 저장된 전류를 엔진시동모터에 공급하기 전에 먼저 이차전지를 사용하여 엔진시동을 개시하여 엔진시동모터가 엔진의 피스톤을 왕복시켜 부하 및 마찰을 감소시킨 상태에서 슈퍼캐패시터에 저장된 전류를 엔진시동모터에 공급하면 엔진시동모터에 공급되는 전류가 증가하고 이차전지의 방전 전류가 감소함에 따라 이차전지의 전압이 증가하여 보다 원활하게 엔진시동을 마무리할 수 있다.
그러나 여름철과 같은 기온이 높은 환경하에서도 겨울철만큼 슈퍼캐패시터가 엔진시동모터에 전류를 공급하는 시간을 지연시키면 슈퍼캐패시터가 엔진시동모터에 전류를 공급하기 전에 엔진시동이 완료될 수 있으므로 슈퍼캐패시터의 활용도를 높여 이차전지의 수명을 증가시키고 엔진시동성능을 증진시키기 위해서는 온도가 낮아질수록 지연시간이 길어지도록 온도에 따라 지연시간을 조절하는 것이 보다 바람직하다. 월별 또는 계절에 따라 지연시간을 조절하는 것도 동일한 효과를 갖는다.
도 6은 본 발명에 따른 온도에 따라 지연시간을 조절하는 회로의 실시예이다.
도 6을 참조하면, NTC 온도센서(601)는 온도가 낮아질수록 저항이 증가하는 소자이며, 저항(602)은 필요한 경우 지연시간 조절을 위해 사용되며, 캐패시터(603)는 엔진시동신호(VStart)가 입력되면 지연시간을 생성시키기 위한 충전소자이며, 오피앰프(604)는 지연시간 생성을 위한 비교기이다. NTC 온도센서(601)를 통해 시상수가 변화한다. NTC 온도센서(601)에 의해 온도가 낮아질수록 시상수가 증가하여 지연시간이 길어진다.
또한 전술한 바와 같이 슈퍼캐패시터 모듈의 충전전압이 증가할수록 엔진시동모터에 공급되는 전류가 증가하므로 큰 전류가 필요한 저온에서는 슈퍼캐패시터 모듈의 충전전압을 증가시키고 온도가 높은 고온에서는 슈퍼캐패시터 모듈의 충전전압을 감소시켜 슈퍼캐패시터 모듈의 수명을 증가시키는 것이 더욱 바람직하다.
한편 엔진시동용 전원장치는 엔진이 정지한 상태에서 대기하는 시간이 매우 긴 경우, 엔진시동용 전원장치의 전력소비에 의한 이차전지 방전을 초래할 가능성이 있으므로 제어기의 엔진시동신호를 검출하는 검출부를 제외한 스위치 구동부 등은 엔진시동신호가 검출되고 지연시간 동안 전원을 공급하기 시작하면 동작을 개시할 수 있으므로 대기상태에서 전류소비를 줄이기 위해 전원을 차단시키는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 전류센서를 사용한 슈퍼캐패시터를 사용한 전원장치의 구성도이다.
도7을 참조하면, 전류센서(705)는 엔진시동모터(706)에 연결된 전선에 설치되며 엔진시동모터(706)로 공급되는 전류량을 검출하기 위해 사용된다. 전류센서(705)를 통해 엔진시동모터(706)가 회전하기 시작하는 시점을 검출할 수 있다. 전술한 바와 같이 이차전지(704)는 엔진시동 전 엔진시동모터(706)뿐만 아니라 여러 기기 및 장치에 전류를 공급하지만 엔진시동모터(706)를 제외한 다른 기기에 공급되는 전류는 크지 않기 때문에 적절한 전류 값을 설정하면 이를 통해 엔진시동모터(706)가 회전하기 시작하는 시점을 검출할 수 있다. 제어기(703)는 전류센서(705)를 통해 엔진시동모터(706) 동작을 검출하고 이것을 바탕으로 슈퍼캐패시터 모듈(701)에 연결된 스위치(702)의 개방시점을 결정할 수 있다.
전류센서(705)로는 션트저항(Shunt Resistor)이나 홀센서(Hall Sensor)가 사용될 수 있다. 션트저항은 전류에 의한 전압강하를 이용하여 전류를 측정하는 방식으로 전류가 인가되는 케이블에 직렬로 연결된다. 대전류를 측정하는데 사용되는 션트저항은 매우 고가이므로 높은 정밀도가 필요하지 않은 경우 일정한 단면적과 길이를 갖는 케이블을 션트저항으로 사용할 수도 있다.
도7을 참조하면, 제어기(702)는 전류센서(705)로부터 입력되는 신호를 바탕으로 엔진시동모터(706) 동작을 판단하여 슈퍼캐패시터 모듈(701)에 연결된 스위치(702)의 ON/OFF를 제어한다. 즉 전류센서(705)를 통해 설정값 이상의 전류가 이차전지(704)를 통해 엔진시동모터(706)로 인가되는 것이 검출되면 스위치(702)를 OFF에서 ON 상태로 전환시켜 슈퍼캐패시터 모듈(701)에서 엔진시동모터(706)로 전류가 공급되도록 하고 엔진시동이 완료되어 엔진시동모터(706)에 전류공급이 중단되면 이차전지(704)에서 인가되는 전류가 흐르는 감소하고 또한 전류센서(705)에서 검출되는 전류가 감소하므로 전류가 설정값 이하로 감소하며 스위치(702)를 OFF 시킨다.
전술한 바와 같이 온도에 따라 슈퍼캐패시터 모듈에 연결된 스위치의 개방시점을 지연시키거나 온도에 따라 슈퍼캐패시터 모듈의 충전전압을 변화시키는 것은 동일한 효과를 지닌다.
도 7의 실시예에서는 엔진시동모터의 동작을 검출하기 위해 전류센서를 사용하였지만 엔진시동모터 또는 엔진의 회전을 검출할 수 있는 센서를 사용하거나 엔진시동모터에 입력되는 시동신호를 검출하여 사용하는 것도 동일한 효과 갖는다.
도 8은 본 발명에 따른 수동스위치 사용한 슈퍼캐패시터를 사용한 전원장치의 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 또 다른 실시예는 슈퍼캐패시터 모듈(801), 스위치(802), 제어기(803), 이차전지(804), 수동스위치(805), 엔진시동모터(806)를 포함한다. 수동스위치(805)를 제외한 나머지 전술한 바와 같이 기능과 역할이 동일하다.
엔진시동용 전원장치는 차량과 같은 기기에 장착하여 사용하는 경우도 있지만 이동형도 있다. 엔진시동에 실패하여 엔진시동서비스를 요청하는 경우 엔진시동을 위한 외부 전원장치가 엔진시동용 이차전지에 부착된다. 이와 같은 상황에서는 슈퍼캐패시터 모듈(801)의 스위치(802) 제어를 위해 제어기(803)를 통해 자동으로 스위치(802)를 제어할 수도 있지만 운전자 및 보조자가 엔진시동을 시작하고 엔진시동음 등에 맞추어 수동스위치(805)를 동작시켜 스위치(802)를 OFF 상태에서 ON 상태로 전환하여 슈퍼캐패시터 모듈(801)에서 엔진시동모터(806)로 전류가 공급되도록 할 수도 있다. 엔진시동이 완료되면 수동스위치(805)를 동작시켜 스위치(802)가 OFF 상태로 전환되도록 하여 슈퍼캐패시터 모듈(801)이 충전되도록 한다. 이러한 방법은 제어기의 고장, 오동작 등의 여러가지 돌발적이고 복합적인 상황에서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 엔진시동용 전원장치는 이차전지에 연결된 기존의 케이블에 접속되므로 설치가 매우 용이하며 엔진시동모터 구동에 이차전지와 슈퍼캐패시터 모듈이 함께 사용되므로 슈퍼캐패시터 모듈에 사용되는 슈퍼캐패시터의 용량을 감소시킬 수 있어 슈퍼캐패시터 모듈의 가격을 절감할 수 있으며 환경에 따른 엔진의 상태 변화에 따라 엔진시동방법을 적절하게 변화시켜 엔진시동 성공확률을 보다 증가시키고 효율적으로 슈퍼캐패시터를 사용할 수 있다.
본 발명의 설명에서는 설명의 편의성을 위해 이차전지를 포함한 전원장치를 개시하였지만 엔진시동을 위해 이미 설치된 이차전지를 사용하면 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터를 사용한 전원장치는 이미 설치된 이차전지에 연결되어 사용될 수 있으므로 이차전지는 본 발명에 따른 슈퍼캐패시터를 사용한 전원장치의 필수구성요소는 아니다.
본 발명의 설명에서 다양한 실시 예로 본 발명의 구조 및 동작 그리고 제조방법을 개시하였지만 해당분야에 종사하거나 해당분야에 대한 지식을 가진 사람이면 본 발명의 범주 내에서 다양한 형태로 변형시킬 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 엔진시동용 전원장치에 있어서,
    직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈;
    상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 연결된 스위치; 및
    엔진시동모터에 연결된 이차전지의 전압변화를 감시하고 상기 스위치를 제어하는 제어기; 를 포함하고,
    이차전지에서 엔진시동모터에 전류를 공급함에 따라 이차전지에서 설정값 이상의 전압강하가 발생하면 상기 제어기를 통해 이를 검출하고 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  2. 제 1 항에 있어서,
    엔진시동모터에 연결된 이차전지의 전압이 설정값 이상이면 상기 스위치를 OFF 시키는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  3. 엔진시동용 전원장치에 있어서,
    직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈;
    상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 연결된 스위치;
    엔진시동모터의 동작을 검출하는 센서; 및
    상기 센서를 통해 엔진시동모터의 동작을 감시하고 상기 스위치를 제어하는 제어기; 를 포함하고,
    상기 제어기를 통해 상기 센서로부터 엔진시동모터 동작이 검출되면 상기 제어기를 통해 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서는 전류센서인 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서는 엔진시동모터의 회전을 검출하는 회전계인 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서는 엔진시동모터에 인가되는 시동신호를 검출하는 전압센서인 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  7. 제 3 항에 있어서,
    엔진시동모터에 연결된 이차전지의 전압이 설정값 이상이면 상기 스위치를 OFF 시키는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  8. 엔진시동용 전원장치에 있어서,
    직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈;
    상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 직렬로 연결된 스위치; 및
    상기 스위치를 제어하는 수동제어기; 를 포함하고,
    상기 수동제어기를 통해 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  9. 제 8 항에 있어서,
    엔진시동모터에 연결된 이차전지의 전압이 설정값 이상이면 상기 스위치를 OFF 시키는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  10. 엔진시동용 전원장치에 있어서,
    직렬로 연결된 슈퍼캐패시터로 구성되며 엔진시동모터에 연결된 슈퍼캐패시터 모듈;
    상기 슈퍼캐패시터 모듈과 엔진시동모터 사이에 연결된 스위치; 및
    엔진시동모터 동작을 감시하고 상기 스위치를 제어하는 제어기; 를 포함하고,
    상기 제어기는 이차전지에 의해 엔진시동모터에 전류가 공급되는 시점으로부터 설정된 시간만큼 시간을 지연시켜 상기 스위치를 ON시켜 상기 슈퍼캐패시터 모듈에서 엔진시동모터로 전류가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진시동용장치 전원장치.

  11. 제 10 항에 있어서,
    온도가 낮을수록 지연시간이 길어지는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  12. 제 10 항에 있어서,
    지연시간을 생성시키기 위해 NTC 온도센서가 사용되는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치

  13. 제 10 항에 있어서,
    엔진시동모터에 연결된 이차전지의 전압이 설정값 이상이면 상기 스위치를 OFF 시키는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.

  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기의 스위치 구동부는 대기상태에서 전원이 차단되며 엔진시동신호가 검출되고 지연시간 동안 전원이 공급되기 시작하는 것을 특징으로 하는 엔진시동용 전원장치.


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