KR100601321B1 - Hybrid uninterruptible power supply for the back up of ac-power supply - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무정전 전원 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 충전 전압을 가진 전기화학 캐패시터와 이차 전지가 다이오드를 통해 병렬로 연결된 하이브리드형 에너지 저장소자를 이용한 교류 전원 보상 방식의 하이브리드 무정전 전원 공급 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무정전 전원 공급장치는 교류 전원으로부터의 교류 입력을 변압기를 이용하여 변압한 후 AC/DC 컨버터를 이용하여 직류로 전환하고 이를 에너지 저장소자에 저장하고, 전원이 중단되거나 전력의 불안정시 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 입력을 DC/AC 인버터를 이용하여 교류로 전환하여 출력 부하로 제공하는 교류 전원 보상 방식의 무정전 전원 공급장치에 있어서, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터와 이차 전지가 다이오드에 의해 병렬로 연결된 하이브리드 에너지 저장소자이고, 상기 전기화학 캐패시터의 충전 전압은 이차 전지의 충전 전압보다 높게 설정한 것을 특징으로 한다. 상기한 무정전 전원 공급장치는 이차 전지에 적용되는 부하의 양을 감소시킬 뿐만 아니라 이차 전지의 충방전 횟수를 줄여 수명이 우수한 에너지 저장소자의 구성이 가능해진다. The present invention relates to an uninterruptible power supply, and more particularly, a hybrid uninterruptible power supply using an alternating current power compensation method using a hybrid energy storage device in which an electrochemical capacitor and a secondary battery having different charging voltages are connected in parallel through a diode. It is about. The uninterruptible power supply according to the present invention converts an AC input from an AC power source using a transformer and then converts it into DC using an AC / DC converter and stores it in an energy store, when power is interrupted or power is unstable. In the uninterruptible power supply of the alternating current power supply method of converting a direct current input from the energy reservoir to an alternating current using a DC / AC inverter to provide an output load, the energy reservoir is an electrochemical capacitor and a secondary battery to the diode And a hybrid energy reservoir connected in parallel, and the charging voltage of the electrochemical capacitor is set higher than the charging voltage of the secondary battery. The uninterruptible power supply device not only reduces the amount of load applied to the secondary battery but also reduces the number of charge / discharge cycles of the secondary battery, thereby making it possible to construct an energy reservoir having excellent lifespan.

Description

교류 전원 보상 방식의 하이브리드 무정전 전원 공급 장치{HYBRID UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY FOR THE BACK UP OF AC-POWER SUPPLY}HYBRID UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY FOR THE BACK UP OF AC-POWER SUPPLY}

도 1은 무정전 전원 공급 장치의 개념도.1 is a conceptual diagram of an uninterruptible power supply.

도 2는 종래의 하이브리드 에너지 저장소자의 개략적인 구성도.2 is a schematic configuration diagram of a conventional hybrid energy reservoir.

도 3은 본 발명에서 제공하는 서로 다른 충전 전압을 가진 전기화학 캐패시터와 이차 전지로 구성된 에너지 저장소자의 개략적인 구성도.3 is a schematic configuration diagram of an energy reservoir composed of an electrochemical capacitor and a secondary battery having different charging voltages provided by the present invention.

도 4는 본 발명에서 제공하는 에너지 저장소자의 방전 특성.4 is a discharge characteristic of the energy reservoir provided by the present invention.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치의 개략적인 구성도. 5 is a schematic configuration diagram of an uninterruptible power supply device according to an embodiment of the present invention.

도 6은 순간 정전에 따른 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 무정전 전원공급 장치의 출력 파형 : (a) 실시예, (b) 비교예. 6 is an output waveform of an uninterruptible power supply apparatus according to an embodiment of the present invention and a comparative example according to a momentary power failure: (a) Example, (b) Comparative Example.

도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 무정전 전원공급 장치의 이차 전지 수명 특성. 7 is a secondary battery life characteristics of the uninterruptible power supply apparatus according to the embodiment and the comparative example of the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Description of the reference numerals for the main parts of the drawings>

1 : 입력 교류 전원 2 : 무정전 전원 공급 장치 3 : 전력 변환부1 input AC power 2 uninterruptible power supply 3 power converter

4 : 에너지 저장소자 5 : 출력 부하 6 : 전기화학 캐패시터4 energy store 5 output load 6 electrochemical capacitor

7 : 이차 전지 8 : 제 1 충전부 9 : 제 2 충전부7 secondary battery 8 first charging unit 9 second charging unit

10 : 반도체 다이오드 11 : 변압기 12 : AC/DC 컨버터10 semiconductor diode 11 transformer 12 AC / DC converter

13: DC/AC 인버터13: DC / AC inverter

본 발명은 무정전 전원 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 충전 전압을 가지는 전기화학 캐패시터와 이차 전지를 다이오드를 통해 병렬로 연결된 하이브리드형 에너지 저장소자를 이용하는 교류 전원 보상 방식의 하이브리드 무정전 전원 공급 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an uninterruptible power supply, and more particularly, a hybrid uninterruptible power supply using an AC power compensation method using a hybrid energy storage device in which an electrochemical capacitor and a secondary battery having different charging voltages are connected in parallel through a diode. It is about.

무정전 전원 공급 장치란 정전이나 순간적인 전력의 불안정시 생산 설비 장비에 안정적인 전력을 공급하는 장치로서, 상세하게는 도 1에 나타낸 바와 같이 전력 변환부(3)와 에너지 저장소자(4)를 이용하여 전원(1)으로부터의 여분의 전기에너지를 저장하였다가 정전 혹은 순간적인 전력의 불안정시 저장된 전기 에너지를 이용하여 출력부하(5)에 안정적인 전력을 공급하는 장치(2)이다.The uninterruptible power supply device is a device for supplying stable power to the production equipment in the event of power failure or instantaneous power instability. In detail, as shown in FIG. 1, the power converter 3 and the energy storage device 4 are used. The device 2 stores extra electric energy from the power source 1 and supplies stable power to the output load 5 by using the stored electric energy in case of power failure or momentary instability.

현재 무정전 전원 공급 장치의 에너지 저장소자로 사용되는 대표적인 예로는 이차 전지(rechargeable battery)를 들 수 있다. 이차 전지는 에너지 밀도가 20∼120 Wh/kg로 높다는 장점이 있으나, 출력 밀도가 50∼250 W/kg으로 낮으며, 싸이클 수명 특성이 500회로 낮다는 단점이 있다. 이로 인해 이차 전지를 이용하는 무정전 전원 공급 장치는 높은 에너지 밀도로 인해 장시간의 전원 공급에는 탁월한 특성을 지니지만 낮은 수명 특성으로 인해 정기적인 유지 및 보수 비용이 발생하는 문제점을 가진다. Representative examples currently used as energy storage of an uninterruptible power supply may include a rechargeable battery. Secondary batteries have the advantage of high energy density of 20 to 120 Wh / kg, but low power density of 50 to 250 W / kg, has the disadvantage of low cycle life characteristics of 500 cycles. As a result, the uninterruptible power supply using the secondary battery has excellent characteristics in supplying power for a long time due to high energy density, but has a problem in that regular maintenance and repair costs occur due to low lifespan characteristics.

무정전 전원 공급 장치에서 사용되는 이차 전지의 수명을 제한하는 주 요인으로는 반복적인 충방전 및 과도한 부하 적용에 따른 전극물질의 퇴화를 들 수 있다. 즉 이차 전지는 충방전시 전극물질의 화학적 조성 변화 및 이온 삽입/추출 반응을 기본으로 하기 때문에 결정구조의 팽창/수축을 유도하는 결정응력이 발생하게 되고, 이것이 반복적으로 이루어질 경우 전극물질의 구조를 취약하게 하여 결국 비가역적인 상전이를 통해 전극물질의 퇴화를 진행시킨다. 또한 전극물질의 과도한 부하가 작용할 경우 무리한 이온 삽입/추출반응이 이루어지고, 이것은 결정응력을 부분적으로 집중시켜 전극물질의 결정구조의 붕괴를 유도한다.The main factors limiting the life of secondary batteries used in the uninterruptible power supply are the deterioration of electrode materials due to repeated charging and discharging and excessive load application. That is, since the secondary battery is based on the chemical composition change and ion insertion / extraction reaction of the electrode material during charging and discharging, crystal stress is induced to induce expansion / contraction of the crystal structure. It becomes vulnerable and eventually deteriorates electrode material through irreversible phase transition. In addition, when an excessive load of the electrode material is applied, an excessive ion insertion / extraction reaction occurs, which partially concentrates the crystal stress, leading to the collapse of the crystal structure of the electrode material.

이러한 무정전 전원 공급 장치의 에너지 저장소자로 사용되는 이차 전지의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 하이브리드형 에너지 저장소자를 고려할 수 있다. 이차전지의 수명특성을 보완하기 위한 대표적 예로는 전기화학 캐피시터와 이차 전지가 하이브리드된 에너지 저장소자이다. 미국 특허 제5,587,250호에 개시된 하이브리드 에너지 저장소자는 전기화학 캐패시터(6)와 이차 전지(7)가 병렬로 연결된 소자로서, 전기화학 캐패시터의 고출력 특성을 이용하여 이차 전지의 출력특성 및 수명을 향상시킨 에너지 저장소자이다. 자세히 설명하면, 전기화학 캐패시터(6)의 경우 싸이클 수명이 거의 반영구적이고 출력밀도가 1000∼2000W/kg으로 이차 전지보다 매우 높기 때문에 이를 이차 전지(7)와 연결시키면 전지에 적용되는 부하의 양을 감소시킬 수 있어서 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 그러나 상기한 미국특허 제5,587,250호에 개시된 전기화학 캐패시터-이차 전지의 하이브리 드 에너지 저장소자는 이차 전지의 수명을 제한하는 또 다른 요인인 충방전 횟수 감소에는 효과적이지 못한 단점을 지닌다. 그 이유는 상기 하이브리드 에너지 저장소자의 방전이 전기화학 캐패시터와 이차전지가 동시에 이루어지기 때문이다.As a solution to the problem of the secondary battery used as the energy storage of the uninterruptible power supply, a hybrid energy storage can be considered. Representative examples for supplementing the life characteristics of the secondary battery is an energy reservoir hybrid of the electrochemical capacitor and the secondary battery. The hybrid energy reservoir disclosed in US Pat. No. 5,587,250 is an element in which an electrochemical capacitor 6 and a secondary battery 7 are connected in parallel. The hybrid energy storage device uses energy of the high output characteristics of the electrochemical capacitor to improve the output characteristics and lifespan of the secondary battery. Repository. In detail, since the cycle life of the electrochemical capacitor 6 is almost semi-permanent and the power density is 1000-2000 W / kg, which is much higher than that of the secondary battery, when it is connected to the secondary battery 7, the amount of load applied to the battery is reduced. Can be reduced to improve battery life. However, the hybrid energy reservoir of the electrochemical capacitor-secondary battery disclosed in US Pat. No. 5,587,250 has a disadvantage in that it is not effective in reducing the number of charge and discharge, which is another factor limiting the life of the secondary battery. The reason is that the discharge of the hybrid energy reservoir is performed simultaneously with the electrochemical capacitor and the secondary battery.

본 발명은 상기와 같은 종래의 무정전 전원 보상 장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기화학 캐패시터의 출력특성과 이차 전지의 출력특성을 서로 보완하여 수명을 제한하는 요인 중 하나인 이차 전지에 가해지는 부하를 감소시킴과 아울러 이차 전지의 잦은 방전에 따른 충방전 횟수를 감소시켜 이차전지의 수명 특성을 좌우하는 2개의 요소를 모두 해결한 무정전 전원 보상장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the problems of the conventional uninterruptible power supply compensation device as described above, the load applied to the secondary battery which is one of the factors limiting the lifetime by complementing the output characteristics of the electrochemical capacitor and the output characteristics of the secondary battery. In addition, the present invention aims to provide an uninterruptible power compensation device that solves both of the factors that influence the lifespan characteristics of a secondary battery by reducing the number of charge and discharge cycles due to frequent discharge of the secondary battery.

본 발명은 또한 교류 전원으로부터의 교류 입력을 변압기를 이용하여 변압한 후 AC/DC 컨버터를 이용하여 직류로 전환하고 이를 에너지 저장소자에 저장하고, 전원이 중단되거나 전력의 불안정시 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 입력을 DC/AC 인버터를 이용하여 교류로 전환하여 출력 부하로 제공하는 교류 전원 보상 방식의 무정전 전원 공급장치에 있어서, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터와 이차전지가 다이오드를 통해 병렬로 연결된 하이브리드 에너지 저장소자이고, 전기화학 캐패시터의 충전 전압은 이차 전지의 충전 전압 보다 높게 설정하여 전지의 수명이 현저히 향상된 무정전 전원 공급장치가 제공된다.The present invention also converts an AC input from an AC power source using a transformer and then converts it into a DC using an AC / DC converter and stores it in the energy store, and when the power is interrupted or the power is unstable, from the energy store. In the uninterruptible power supply of the AC power compensation method for converting the DC input of the DC to an AC by using a DC / AC inverter to provide an output load, the energy reservoir is a hybrid in which the electrochemical capacitor and the secondary battery are connected in parallel through the diode An uninterruptible power supply, which is an energy reservoir and whose charge voltage of the electrochemical capacitor is set higher than that of the secondary battery, has significantly improved the life of the battery.

본 발명은 또한 교류 전원으로부터의 교류 입력을 변압기를 이용하여 변압한 후 AC/DC 컨버터를 이용하여 직류로 전환하고 이를 에너지 저장소자에 저장하고, 전원이 중단되거나 전력의 불안정시 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 입력을 DC/AC 인버터를 이용하여 교류로 전환하여 출력 부하로 제공하는 교류 전원 보상 방식의 무정전 전원 공급장치에 있어서, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터와 이차전지가 다이오드를 통해 병렬로 연결된 하이브리드 에너지 저장소자이고, 상기 이차 전지의 충전 전압을 167V - 300V, 바람직하게는 180V 내지 274V로 설정하고, 전기화학 캐패시터의 충전 전압을 상기 이차 전지의 충전 전압보다 5 내지 25% 높게, 보다 바람직하게는 10 - 20% 높게 설정한 무정전 전원 공급장치가 제공된다.The present invention also converts an AC input from an AC power source using a transformer and then converts it into a DC using an AC / DC converter and stores it in the energy store, and when the power is interrupted or the power is unstable, from the energy store. In the uninterruptible power supply of the AC power compensation method for converting the DC input of the DC to an AC by using a DC / AC inverter to provide an output load, the energy reservoir is a hybrid in which the electrochemical capacitor and the secondary battery are connected in parallel through the diode An energy reservoir, the charging voltage of the secondary battery is set to 167V-300V, preferably 180V to 274V, the charging voltage of the electrochemical capacitor is 5 to 25% higher than the charging voltage of the secondary battery, more preferably An uninterruptible power supply set at 10-20% higher is provided.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

상기한 바와 같이, 이차 전지를 사용하는 무정전 전원 공급 방식은 전지의 낮은 수명으로 인하여 유지·보수가 필요하다는 문제점을 가진다. 이차전지의 수명의 좌우하는 요인은 크게 두가지가 있다. 그 중 하나는 이차 전지에 가해지는 과도한 부하이고, 다른 하나는 충방전 횟수이다. 이차 전지에 가해지는 부하가 클수록 이차전지의 수명이 악화되고, 또한 잦은 충방전에 의해 이차 전지의 수명이 나빠진다.As described above, the uninterruptible power supply method using the secondary battery has a problem in that maintenance is required due to the low life of the battery. There are two main factors that influence the life of a secondary battery. One of them is an excessive load on the secondary battery, and the other is a number of charge and discharge cycles. The greater the load on the secondary battery, the worse the life of the secondary battery, and the longer the life of the secondary battery is caused by frequent charging and discharging.

본 발명자들은 종래의 전지를 이용하는 무정전 전원 보상 장치에 있어서 전기화학 캐패시터를 다이오들르 통해 이차전지와 병렬로 연결한 에너지 저장소자를 구성하고, 전기화학 캐패시터의 충전 전압을 이차 전지의 충전 전압보다 높게 설정할 경우 전지의 반복적인 충방전 횟수를 감소시킬 뿐만 아니라 전지에 작용하는 부 하의 양을 감소시켜 전지의 수명을 향상시킬 수 있음을 발견하였다. The inventors of the present invention constitute an energy reservoir in which an electrochemical capacitor is connected in parallel with a secondary battery through a diode in an uninterruptible power compensation device using a conventional battery, and sets the charging voltage of the electrochemical capacitor to be higher than the charging voltage of the secondary battery. In the case of reducing the number of repetitive charge and discharge of the battery as well as the amount of load acting on the battery was found to improve the life of the battery.

따라서, 본 발명은 교류 전원으로부터의 교류 입력을 변압기를 이용하여 변압한 후 AC/DC 컨버터를 이용하여 직류로 전환하고 이를 에너지 저장소자에 저장하고, 전원이 중단되거나 전력의 불안정시 상기 에너지 저장소자로부터의 직류 입력을 DC/AC 인버터를 이용하여 교류로 전환하여 출력 부하로 제공하는 교류 전원 보상 방식의 무정전 전원 공급장치에 있어서, 상기 에너지 저장소자가 전기화학 캐패시터와 이차전지로 이루어진 하이브리드 에너지 저장소자이고, 전기화학 캐패시터의 충전 전압은 이차 전지의 충전 전압 보다 높게 설정하여 이차 전지에 가해지는 부하를 감소시킴과 아울러 이차 전지의 잦은 충방전을 방지하여 무정전 전원 공급장치의 수명특성을 현저히 향상시킨 것을 특징으로 한다.Accordingly, the present invention transforms an AC input from an AC power source using a transformer, and then converts the AC input into a DC using an AC / DC converter and stores it in an energy store, when the power source is interrupted or the power is unstable. In the uninterruptible power supply of the AC power compensation method for converting the DC input from the DC to an AC using a DC / AC inverter to provide an output load, the energy storage device is a hybrid energy storage device consisting of an electrochemical capacitor and a secondary battery , The charging voltage of the electrochemical capacitor is set higher than the charging voltage of the secondary battery to reduce the load on the secondary battery and to prevent frequent charging and discharging of the secondary battery, thereby significantly improving the life characteristics of the uninterruptible power supply. It is done.

이를 더욱 상세히 설명하면, 본 발명의 무정전 전원 공급 장치에서 전기화학 캐패시터와 이차 전지를 이용한 에너지 저장소자의 개략적인 구조는 도 3에 나타내었다. 도 3에 도시한 바와 같이, 전기화학 캐패시터(6)와 이차 전지(7)는 각각 제1 충전부(8)와 제2 충전부(9)로 통해 서로 다른 충전 전압을 가지며, 이 때 전기화학 캐패시터(6)의 충전 전압은 이차 전지(7)의 충전 전압 보다 높게 설정되고, 전기화학 캐패시터와 전지 사이는 다이오드(8)를 통해 병렬로 연결된다. 상기와 같이 구성된 에너지 저장소자의 방전 특성은 도 4와 같다. 이를 구체적으로 살펴보면, 상기와 같이 구성된 에너지 저장소자의 방전특성은 크게 방전 전압이 연속적으로 감소하는 첫 번째 구간(A)과 전위가 일정하게 유지되는 두 번째 구간(B)으로 나누어진다. 이것은 첫 번째 구간(A)은 전기화학 캐패시터의 독립적인 방전 구간으로, 두 번째 구간은 전지-전기화학 캐패시터가 동시에 방전되는 구간으로 특성화할 수 있는데, 그 이유는 전기화학 캐패시터는 전기적 특성상 방전시 전압이 연속적으로 감소되며, 전지는 전압이 일정하게 유지되는 특성을 가지기 때문이다.In more detail, the schematic structure of the energy reservoir using the electrochemical capacitor and the secondary battery in the uninterruptible power supply of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the electrochemical capacitor 6 and the secondary battery 7 have different charging voltages through the first charging unit 8 and the second charging unit 9, respectively. In this case, the electrochemical capacitor ( The charging voltage of 6) is set higher than the charging voltage of the secondary battery 7, and the electrochemical capacitor and the battery are connected in parallel through the diode 8. The discharge characteristics of the energy reservoir configured as described above are as shown in FIG. 4. Specifically, the discharge characteristics of the energy storage device configured as described above are largely divided into a first section A in which the discharge voltage continuously decreases and a second section B in which the potential is kept constant. This can be characterized as the first section (A) is an independent discharge section of the electrochemical capacitor, the second section is a section in which the cell-electrochemical capacitor is discharged at the same time, because the electrochemical capacitor has a voltage at the discharge due to the electrical characteristics This is because it is continuously reduced, and the battery has the characteristic that the voltage is kept constant.

본 발명에서 제공하는 에너지 저장소자의 특성 중 전기화학 캐패시터의 독립적인 방전구간은 무정전 전원 공급 장치에서 전지의 충방전 횟수를 감소시키는데 매우 효과적이다. 자세히 설명하면, 무정전 전원 공급 장치에서 전지의 충방전 횟수는 정전 발생 횟수에 의해 결정되며, 정전 발생의 주원인으로 산불, 낙뢰, 지락사고등에 의해 발생되는 순간정전과 전력 계통의 끊어짐에 의해 발생되는 장시간 정전으로 나누어진다. 특히 순간 정전은 정전 발생 빈도에서 대부분을 차지하며 수초이내에 발생하는 것이 특징이다. 만일 순간정전시 전기화학 캐패시터의 독립적인 방전구간이 순간 정전을 보상할 만큼의 충분한 에너지를 가지고 있다면, 전지의 방전를 유도하지 않고도 전력공급이 가능해진다. 다시 말해서 전기화학 캐패시터의 독립적인 방전구간에서 에너지를 충분히 설정하면, 전력 사고의 대부분의 빈도를 차지하는 순간정전시 전지의 방전 없이도 전력공급이 가능해지기 때문에 순간 정전에 대응하는 전지의 방전이 불필요하게 된다. 따라서, 수명결정의 한 요소인 이차 전지의 충방전 횟수를 감소시킬 수 있다.Among the characteristics of the energy store provided by the present invention, the independent discharge section of the electrochemical capacitor is very effective in reducing the number of charge / discharge cycles of the battery in the uninterruptible power supply. In detail, the number of charge / discharge cycles of a battery in an uninterruptible power supply is determined by the number of power failures. The main cause of the power failure is a long time caused by a momentary power interruption caused by wildfire, lightning, or ground fault. It is divided into blackouts. In particular, instantaneous power outages account for most of the occurrence of power failures and occur within a few seconds. If the independent discharge section of the electrochemical capacitor has a sufficient energy to compensate for the instantaneous power failure, the power supply can be performed without inducing the discharge of the battery. In other words, if the energy is sufficiently set in the independent discharge section of the electrochemical capacitor, it is possible to supply power without discharging the battery during the momentary power failure, which accounts for most frequency of power accidents, so that the discharge of the battery corresponding to the instantaneous power failure is unnecessary. . Therefore, the number of charge / discharge cycles of the secondary battery, which is one element of the lifetime determination, can be reduced.

또한 본 발명에서 제공하는 에너지 저장소자의 특성 중 전지-전기화학 캐패시터 방전 구간은 장시간 정전시 전지에 작용하는 부하의 양을 감소시켜 전지의 수명 증가에 효과적이다. 즉 장시간 정전의 경우, 전기화학 캐패시터의 독립적인 방전 구간 이후 전지의 방전이 진행되는데, 이때 전기화학 캐패시터는 이차 전지와 병렬로 연결되어 있기 때문에 전지에 가해지는 부하의 양을 감소시키는 역할을 하게 된다. 따라서, 수명 결정의 또 다른 요소인 이차전지에 가해지는 부하의 양을 감소시킬 수 있게 된다.In addition, the battery-electrochemical capacitor discharge interval of the characteristics of the energy reservoir provided by the present invention is effective to increase the life of the battery by reducing the amount of load acting on the battery during a long power outage. That is, in case of prolonged power failure, the discharge of the battery proceeds after the independent discharge period of the electrochemical capacitor. In this case, since the electrochemical capacitor is connected in parallel with the secondary battery, it serves to reduce the amount of load on the battery. . Therefore, it is possible to reduce the amount of load applied to the secondary battery, which is another factor of the lifetime determination.

결국, 본 발명에서 제공하는 서로 다른 충전 전압을 가진 전기화학 캐패시터-이차전지의 하이브리드된 에너지 저장소자는 순간정전 같은 단시간의 정전에서는 전기화학 캐패시터를 활용하여 전력을 공급하고, 장시간 정전의 경우 전기화학 캐패시터와 이차 전지가 동시에 전력을 공급하는 메카니즘을 가진다.As a result, the hybrid energy storage device of the electrochemical capacitor-secondary battery having different charging voltages provided by the present invention utilizes an electrochemical capacitor in a short time outage such as a momentary power supply, and in the case of a long outage, the electrochemical capacitor And the secondary battery have a mechanism for simultaneously supplying power.

본 발명에 실시예에 따르면, 전기화학 캐패시터는 전기 이중층 캐패시터가 바람직하며, 이외에 사용가능한 것으로 전해 캐패시터, 유사 축전 캐패시터, 알루미늄 에칭박-활성탄소 하이브리드 캐패시터, 금속산화물-활성탄소 하이브리드 캐패시터 등이 있다. 본 발명에 실시예에 따르면, 이차 전지는 납축전지가 바람직하며, 이외에 사용가능한 전지로 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지, 연 축전지 등이 있다. 이 때, 전기화학 캐패시터와 이차 전지의 충전 전압은 DC/AC 인버터에 사용되는 IGBT(Insulated Gate Bipoloar Transistor) 소자의 작동 전압의 범위 내에 존재하며, 통상 167V - 600V 범위 내, 보다 바람직하게는 167V - 300V 내에서 정해진다.According to an embodiment of the present invention, the electrochemical capacitor is preferably an electric double layer capacitor, and other usable examples thereof include an electrolytic capacitor, a similar storage capacitor, an aluminum etched foil-activated carbon hybrid capacitor, a metal oxide-activated carbon hybrid capacitor, and the like. According to an embodiment of the present invention, the secondary battery is preferably a lead acid battery, and other batteries that can be used include a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, a lead acid battery, and the like. At this time, the charging voltage of the electrochemical capacitor and the secondary battery is within the operating voltage range of the Insulated Gate Bipoloar Transistor (IGBT) element used in the DC / AC inverter, and is usually in the range of 167V to 600V, more preferably 167V to It is set within 300V.

전기화학 캐패시터와 이차 전지의 방전 전압 특성과 출력밀도, 그리고 IGBT 소자의 작동전압 등을 전체적으로 고려할 때, 이차 전지의 충전 전압을 167V - 300V, 바람직하게는 180V 내지 274V로 유지하고, 전기화학 캐패시터의 충전 전압은 2-3초 이내의 순간정전에 대해어 이차전지의 도움없이 백업할 수 있는 전압으로 설 정된다. 전기화학 캐패시터의 충전 전압을 상기 이차 전지의 충전 전압보다 5 내지 25% 높게, 보다 바람직하게는 10 - 20% 높게 설정하는 것이 수명 연장에 최적의 조건을 제공할 것으로 예상된다. Considering the discharge voltage characteristics and output density of the electrochemical capacitor and the secondary battery, and the operating voltage of the IGBT element as a whole, the charge voltage of the secondary battery is maintained at 167V-300V, preferably 180V to 274V, and the electrochemical capacitor The charging voltage is set to a voltage that can be backed up without the aid of a secondary battery for a momentary interruption within 2-3 seconds. It is expected that setting the charge voltage of the electrochemical capacitor to be 5-25% higher, more preferably 10-20% higher than the charge voltage of the secondary battery, will provide optimal conditions for extending the life.

이하, 예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만 본 발명의 범위가 이들 예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of example, but the scope of the present invention is not limited by these examples.

제조예: 전기화학 캐패시터의 제조Preparation Example: Preparation of Electrochemical Capacitor

본 발명에서 사용한 전기화학 캐패시터는 전기 이중층 캐패시터이며, 전기 이중층 캐패시터는 종래에 널리 공지된 방법으로 제조하였다: 활성탄소로서 YP10(일본 구레아사 제조) 85 중량 및 도전제인 아세틸렌 블랙을 12 중량을 혼합한 후 결합제인 CMC(Carboxy methyl cellulose)를 3중량 첨가하고 물을 용매로서 사용하여 12시간 정도 혼합한 다음 알루미늄 집전체위에 코팅하고 120℃ 진공하에서 12시간 동안 건조시켜 전극을 제조하였다. 상기 제조된 활성탄소 전극들과 레이온 섬유 격리막을 순서대로 적층하고, 아세토나이트릴용매에 1M Et4NBF4를 녹인 전해질을 이용하여 전기 이중층 캐패시터 단위셀를 제조하였다. 제조된 전기 이중층 캐패시터 단위셀의 내압 및 용량은 각각 2.5V와 50F 이었다. The electrochemical capacitor used in the present invention is an electric double layer capacitor, and the electric double layer capacitor was prepared by a method well known in the art. After the addition of 3 parts by weight of CMC (Carboxy methyl cellulose) as a binder, water was mixed for about 12 hours using a solvent, and then coated on an aluminum current collector and dried for 12 hours under vacuum at 120 ℃ to prepare an electrode. The activated carbon electrodes and the rayon fiber separator were laminated in this order, and an electric double layer capacitor unit cell was prepared using an electrolyte in which 1M Et 4 NBF 4 was dissolved in an acetonitrile solvent. The internal pressure and capacity of the manufactured double layer capacitor unit cell were 2.5V and 50F, respectively.

실시예 Example

상기 제조예에서 제조한 전기 이중층 캐패시터 단위셀을 110직렬-2병렬의 회로 연결을 통해 총 내압이 275V, 총 용량이 0.9F인 전기 이중층 캐패시터 모듈을 제조하였다. 이차 전지는 엔비사의 12V, 12Ah 납축전지를 단위셀을 이용하여 16직렬의 회로 연결을 통해 전지 모듈을 제조하였다. 상기 모듈들을 이용하여 도 5에 도시된 온라인(On-line) 형태의 회로를 구성하였다. DC/AC 인버터(13)로서 최소 구동전압이 약 167V인 IGBT(Insulated Gate Bipoloar Transistor) 반도체 소자를 사용하였다. 교류 전원(1)으로부터의 입력 교류 전압은 208V이였다. 전기 이중층 캐패시터(6)의 충전 전압은 변압기(11)와 AC/DC 컨버터를 포함하는 제1 충전부(8)를 이용하여 240V로 설정하였고, 전지의 충전 전압은 변압기(11)와 AC/DC 컨버터를 포함하는 제2 충전부(9)를 이용하여 216V로 설정하였다.An electric double layer capacitor module having a total internal voltage of 275 V and a total capacity of 0.9 F was manufactured by connecting the electric double layer capacitor unit cell manufactured in the above manufacturing example to 110 series-2 parallel circuits. The secondary battery manufactured a battery module by connecting a circuit of 16 series using Envis's 12V, 12Ah lead acid battery using a unit cell. The modules were used to construct an on-line circuit shown in FIG. 5. As the DC / AC inverter 13, an Insulated Gate Bipoloar Transistor (IGBT) semiconductor element having a minimum driving voltage of about 167 V was used. The input AC voltage from the AC power source 1 was 208V. The charging voltage of the electric double layer capacitor 6 was set to 240V using the first charging unit 8 including the transformer 11 and the AC / DC converter, and the charging voltage of the battery was set to the transformer 11 and the AC / DC converter. It was set to 216V using the second charging unit 9 including.

비교예 1 Comparative Example 1

비교의 목적하에, 에너지 저장소자로 전기 이중층 캐패시터를 사용하지 않고 납축전지 모듈만을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일 방법으로 무정전 전원 공급 장치를 구성하였다.For the purpose of comparison, an uninterruptible power supply was constructed in the same manner as in Example 1 except that only the lead acid battery module was used without using the electric double layer capacitor as the energy reservoir.

비교예 2Comparative Example 2

비교의 목적하에, 에너지 저장소자로 전기 이중층 캐패시터의 충전 전압과 납축전지 충전 전압을 모두 216V로 설정하였다는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일 방법으로 무정전 전원 공급 장치를 구성하였다.For the purpose of comparison, an uninterruptible power supply was constructed in the same manner as in Example 1 except that both the charging voltage and the lead acid battery charging voltage of the electric double layer capacitor were set to 216 V as the energy reservoir.

실험예 1Experimental Example 1

상기 실시예 및 비교예 1, 2에 의해 구성된 무전원 공급 장치를 3상 208V 교류 전원(1)과 출력 부하(5)로서 3kVA에 해당하는 저항체에 연결하였다. The no-power supply device configured in Examples and Comparative Examples 1 and 2 was connected to a resistor corresponding to 3 kVA as a three-phase 208 V AC power source 1 and an output load 5.

상기 실시예와 비교예 1, 2에 의해 구성된 무정전 전원 공급 장치는 오실로 스코프를 이용하여 입력 전원의 순간적으로 중단/공급을 실시하였을 때 출력 파형 변화를 도 6과 표 1에 나타내었다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예과 비교예에 무정전 전원 보상 장치의 출력 파형은 에너지 저장소자에 관계없이 입력 파형과 동일함을 알 수 있고, 이것은 에너지 저장소자로 사용된 전기화학 캐패시터-전지 혹은 전지는 순간 정전시 전력 공급이 가능하다는 것을 지시한다. 그러나 표 1에서 알 수 있듯이 실시예 1은 순간 정전시 전지의 전압은 충전 전압에 비해 거의 변동이 없음을 알 수 있고, 반면 비교예 1은 충전 전압(216V)에 비해 약 17V 정도의 전지의 전압이 감소되었음을 알 수 있고, 비교예 2는 약 9V의 전압이 감소되었음을 알 수 있다. 이것은 비교예 1과 같이 전지만을 에너지 저장소자로 구성할 경우 순간정전에 대응하여 전지의 방전이 진행되어 납축전지에 과도한 부하 및 잦은 충방전을 야기함을 알 수 있고, 비교예 2의 경우 순간정전에 대응하여 전기화학 캐패시터와 전지의 방전이 동시에 진행되어 납축전지에 가해지는 부하는 감소되나 전지의 잦은 충방전은 피할 수 없음을 알 수 있다. 이에 반해, 실시예 1과 같이 에너지 저장소자를 서로 다른 충전 전압을 가진 전기 이중층 캐패시터와 전지를 구성하고, 전기화학 캐패시터의 충전 전압을 전지보다 높게 설정할 경우 순간정전시 전지의 방전 없이 전력 공급이 가능하다는 것을 의미한다.In the uninterruptible power supply device configured by the above Examples and Comparative Examples 1 and 2, the output waveform changes when the input power is momentarily interrupted / supplied using an oscilloscope are shown in FIG. 6 and Table 1. As can be seen in Figure 6, the output waveforms of the uninterruptible power compensation device in the embodiment and the comparative example is the same as the input waveform, regardless of the energy reservoir, which is the electrochemical capacitor-cell used as the energy reservoir or The battery indicates that power can be supplied during a momentary power outage. However, as shown in Table 1, Example 1 shows that the voltage of the battery during instantaneous power failure is almost unchanged compared to the charging voltage. It can be seen that this has been reduced, and Comparative Example 2 can be seen that the voltage of about 9V is reduced. This can be seen that when the battery consists of only the energy storage device as in Comparative Example 1, the discharge of the battery proceeds in response to the instantaneous power failure, causing excessive load and frequent charging and discharging of the lead acid battery. Correspondingly, the discharge of the electrochemical capacitor and the battery proceeds simultaneously, so that the load on the lead acid battery is reduced, but the frequent charging and discharging of the battery is inevitable. On the contrary, when the energy storage device is configured with an electric double layer capacitor and a battery having different charging voltages, and the charging voltage of the electrochemical capacitor is set higher than that of the battery, power can be supplied without discharging the battery during instantaneous power failure. Means that.

충전 전압(V)Charge voltage (V) 순간 정전 직후 납축전지 전압(V)Lead acid battery voltage immediately after momentary power failure (V) 실시예Example 216216 216216 비교예 1Comparative Example 1 216216 199199 비교예 2Comparative Example 2 216216 208208

실험예 2Experimental Example 2

상기 실시예 1 및 비교예 1에 의해 구성된 무전원 공급 장치를 실험예 1과 같이 전원과 부하를 연결하고, 에너지 저장소자의 수명을 다음과 같이 실험하였다. 먼저 입력 전원의 공급/중단을 순간적으로 반복, 이를 1분 간격으로 10회 실시한 후, 입력 전원의 공급을 완전히 중단하여 전력 공급 시간을 타이머로 측정하였다. 이후 이러한 과정을 100회 반복 실시하였고, 이에 따른 전력 공급 시간 변화를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 알 수 있듯이 실시예 1이 비교예 1보다 우수한 수명 특성을 나타냄을 알 수 있고, 이것은 충전 전압이 높은 전기 이중층 캐패시터를 적용함으로써 순간 정전에 따른 전지의 반복적인 충방전을 방지하고, 또한 장시간 정전에 따른 전지에 작용하는 부하의 양을 감소시킴으로서 나타나는 현상으로 판단된다.The non-power supply device configured by Example 1 and Comparative Example 1 was connected to a power source and a load as in Experimental Example 1, and the life of the energy store was tested as follows. First, the supply / stop of the input power was instantaneously repeated 10 times at 1 minute intervals, and then the supply of the input power was completely stopped and the power supply time was measured by a timer. Since this process was repeated 100 times, the power supply time change is shown in FIG. As can be seen in Figure 7, it can be seen that Example 1 exhibits better life characteristics than Comparative Example 1, which prevents repetitive charging and discharging of the battery due to instantaneous power failure by applying an electric double layer capacitor having a high charging voltage. It is judged to be caused by reducing the amount of load acting on the battery due to prolonged power failure.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 교류 전원 공급 방식의 무정전 전원 공급 장치는 서로 다른 충전 전압을 가진 전기화학 캐패시터와 이차 전지를 에너지 저장소자로 구성하고, 전기화학 캐패시터의 충전 전압을 전지의 충전 전압보다 높게 설정함으로써, 순간정전에 대한 이차 전지의 반복적인 충방전을 방지하고, 이차 전지에 적용되는 부하의 양을 감소시켜 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.As described above, the uninterruptible power supply of the AC power supply method according to the present invention comprises an electrochemical capacitor and a secondary battery having different charging voltages as energy storage, and the charging voltage of the electrochemical capacitor is the charging voltage of the battery. By setting it higher, it is possible to prevent repetitive charging and discharging of the secondary battery against instantaneous power failure and to reduce the amount of load applied to the secondary battery, thereby improving the battery life.

Claims (6)

교류 전원으로부터 공급되는 교류 에너지를 이용하는 출력부하를 백업하기 위한 무정전 전원 공급장치에 있어서, 상기 무정전 전원 공급장치는,In the uninterruptible power supply for backing up the output load using the AC energy supplied from the AC power source, the uninterruptible power supply device, a) 상기 교류 전원과 출력부하의 사이에 배치된, 교류 입력을 변압하는 변압기와,a) a transformer for transforming an AC input disposed between said AC power source and an output load, b) 상기 변압기와 출력부하의 사이에 배치된, 상기 변압기로부터 변압된 교류 입력을 직류전류로 전환시키는 AC/DC 컨버터와,b) an AC / DC converter disposed between the transformer and the output load, for converting an AC input transformed from the transformer into a direct current; c) 상기 AC/DC 컨버터과 출력부하의 사이에 배치된, 상기 AC/DC 컨버터로부터의 직류입력을 교류로 변환시키는 DC/AC 인버터와,c) a DC / AC inverter disposed between the AC / DC converter and an output load, for converting a DC input from the AC / DC converter into an AC; d) 상기 변압기와 상기 AC/DC 컨버터의 사이에 접속되고, 상기 변압기로부터의 변압된 교류입력을 제1 충전 전압을 갖는 직류입력으로 전환하는 제1 충전부와, 상기 제1 충전부를 통해 전달되는 직류입력을 저장하는 전기화학 캐패시터와, d) a first charging section connected between the transformer and the AC / DC converter, for converting the transformed AC input from the transformer into a DC input having a first charging voltage, and a direct current delivered through the first charging section; An electrochemical capacitor that stores the input, e) 상기 변압기로부터 변압된 교류입력을 상기 제1 충전 전압보다 낮은 값을 갖는 제2 충전 전압을 갖는 직류입력으로 전환하는, 제1 충전부에 병렬로 배치된 제2 충전부와, 상기 제2 충전부를 통해 전달되는 직류입력을 저장하는 이차 전지와,e) a second charging unit disposed in parallel with the first charging unit for converting the AC input transformed from the transformer into a DC input having a second charging voltage having a value lower than the first charging voltage, and the second charging unit A secondary battery storing a direct current input transmitted through f) 상기 AC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터의 사이에 접속된 상기 전기화학 캐패시터와 상기 이차전지의 출력단과,f) an output terminal of the electrochemical capacitor and the secondary battery connected between the AC / DC converter and the DC / AC inverter; g) 상기 전기화학 캐패시터와 상기 이차 전지의 출력측에서 상기 전기화학 캐패시터와 상기 이차 전지를 병렬연결하는 다이오드를 포함하여 이루어진, 교류 전원 보상 방식의 하이브리드 무정전 전원 공급 장치.and g) a diode connecting the electrochemical capacitor and the secondary battery in parallel at the output side of the electrochemical capacitor and the secondary battery. 삭제delete 제 1항에 있어서, 제2 충전 전압을 180V 내지 274V로 유지하고, 제1 충전 전압을 상기 제1 충전 전압보다 5 내지 25% 높게 설정한 무정전 전원 공급장치.The uninterruptible power supply of claim 1, wherein the second charging voltage is maintained at 180V to 274V and the first charging voltage is set 5 to 25% higher than the first charging voltage. 제 3항에 있어서, 상기 제2 충전 전압을 180V 내지 274V로 유지하고, 제1 충전 전압을 상기 제2 충전 전압보다 10 내지 20% 높게 설정한 무정전 전원 공급장치.The uninterruptible power supply of claim 3, wherein the second charging voltage is maintained at 180V to 274V, and the first charging voltage is set to 10 to 20% higher than the second charging voltage. 제 1항에 있어서, 상기 전기화학 캐패시터는 전해 캐패시터, 전기 이중층 캐패시터, 유사 축전 캐패시터, 알루미늄 에칭박-활성탄소 하이브리드 캐패시터 또는 금속산화물-활성탄소 하이브리드 캐패시터인 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 장치2. The uninterruptible power supply of claim 1, wherein the electrochemical capacitor is an electrolytic capacitor, an electric double layer capacitor, a pseudocapacitor, an aluminum etch foil-activated carbon hybrid capacitor, or a metal oxide-activated carbon hybrid capacitor. 제 1항에 있어서, 상기 이차 전지는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 납축전지 또는 연축전지인 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 장치.The uninterruptible power supply of claim 1, wherein the secondary battery is a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a lead acid battery, or a lead acid battery.
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