KR101147500B1 - 전기이중층커패시터의 밸런서 - Google Patents

전기이중층커패시터의 밸런서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기에너지를 저장할 수 있는 인덕터를 사용하여 에너지 저장효율을 향상시킬 수 있는 전기이중층커패시터의 밸런서에 관한 것이다.
일례로, 제1단자 및 제2단자를 갖는 제 1 전기이중층커패시터; 상기 제 1 전기이중층커패시터에 직렬로 연결되며, 제1단자 및 제2단자를 갖는 제 2 전기이중층커패시터; 상기 제 1 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 1 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 1 전압검출기; 상기 제 2 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 2 전압검출기; 상기 제 1 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 1 입력단자와 상기 제 2 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 2 입력단자와, 제어신호를 출력하는 제 1 출력단자 및 제 2 출력단자를 포함하는 제 1 타이머; 상기 제 1 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 1 스위치; 상기 제 2 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 2 스위치; 및 상기 제 1 전기이중층커패시터와 상기 제 2 전기이중층커패시터 사이에 제1단자가 연결되고, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 사이에 제2단자가 연결된 제 1 인덕터를 포함하는 전기이중층커패시터의 밸런서를 개시한다.

Description

전기이중층커패시터의 밸런서{Balancer of electric double layer capacitor}
본 발명은 전기이중층커패시터의 밸런서에 관한 것이다.
전기이중층커패시터(EDLC)는 구조적 특징으로 인해 큰 정전용량을 가지는 장점이 있는 반면, 정격전압이 여타 커패시터에 비하여 현저하게 낮은 단점이 있다. 따라서, 실용에서 요구되는 전압이 전기이중층커패시터의 정격전압에 비해 현저히 높으므로, 여러 개의 전기이충층커패시터 셀을 직렬로 연결한 모듈을 구성하여 사용한다. 상기 모듈을 구성하는 여러 개의 전기이중층커패시터는 각각 정전용량, 누설전류 등의 특성 편차로 인해 충전전압이 동일하지 않다. 이에 따라, 일부 전기이중층커패시터는 정격전압에 비해 낮은 전압이 인가되고 있으나, 특정 전기이중층커패시터에는 정격전압을 초과하는 전압이 인가되어 전기이중층커패시터가 손상되는 문제가 발생한다.
본 발명은 전기에너지를 저장할 수 있는 인덕터를 사용하여 에너지 저장효율을 향상시킬 수 있는 전기이중층커패시터의 밸런서를 제공한다.
본 발명에 의한 전기이중층커패시터의 밸런서는 제1단자 및 제2단자를 갖는 제 1 전기이중층커패시터; 상기 제 1 전기이중층커패시터에 직렬로 연결되며, 제1단자 및 제2단자를 갖는 제 2 전기이중층커패시터; 상기 제 1 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 1 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 1 전압검출기; 상기 제 2 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 2 전압검출기; 상기 제 1 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 1 입력단자와 상기 제 2 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 2 입력단자와, 제어신호를 출력하는 제 1 출력단자 및 제 2 출력단자를 포함하는 제 1 타이머; 상기 제 1 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 1 스위치; 상기 제 2 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 2 스위치; 및 상기 제 1 전기이중층커패시터와 상기 제 2 전기이중층커패시터 사이에 제1단자가 연결되고, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 사이에 제2단자가 연결된 제 1 인덕터를 포함한다.
상기 제 1 전기이중층커패시터의 충전전압이 정격전압에 도달하면 상기 제 1 전압검출기는 상기 제 1 타이머의 제 1 입력단자에 제어신호를 보낼 수 있다.
상기 제 1 타이머는 제1시간동안 상기 제 1 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 1 스위치를 턴온시키고, 제2시간동안 상기 제 2 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 2 스위치를 턴온시킬 수 있다.
상기 제1시간동안 상기 제 2 스위치는 턴오프 상태이고, 상기 제2시간동안 상기 제 1 스위치는 턴오프 상태일 수 있다.
상기 제 1 스위치가 턴온되면 상기 제 1 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 1 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 1 인덕터에 축적될 수 있다.
상기 제 2 스위치가 턴온되면 상기 제 1 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 2 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 2 전기이중층커패시터를 충전시킬 수 있다.
상기 제 2 전기이중층커패시터의 충전전압이 정격전압에 도달하면 상기 제 2 전압검출기는 상기 제 1 타이머의 제 2 입력단자에 제어신호를 보낼 수 있다.
상기 제 1 타이머는 제3시간동안 상기 제 2 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 2 스위치를 턴온시키고, 제4시간동안 상기 제 1 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 1 스위치를 턴온시킬 수 있다.
상기 제3시간동안 상기 제 1 스위치는 턴오프상태이고, 상기 제4시간동안 상기 제 2 스위치는 턴오프 상태일 수 있다.
상기 제 2 스위치가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 1 인덕터에 축적될 수 있다.
상기 제 1 스위치가 턴온되면 상기 제 1 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 1 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 1 전기이중층커패시터를 충전시킬 수 있다.
상기 제 2 전기이중층커패시터에 직렬로 연결된 제 3 전기이중층커패시터; 상기 제 3 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 3 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 3 전압검출기; 상기 제 2 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 3 입력단자와 상기 제 3 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 4 입력단자와, 제어신호를 출력하는 제 3 출력단자 및 제 4 출력단자를 포함하는 제 2 타이머; 상기 제 2 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 3 스위치; 상기 제 3 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 4 스위치; 및 상기 제 2 전기이중층커패시터와 상기 제 3 전기이중층커패시터 사이에 제1단자가 연결되고, 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치 사이에 제2단자가 연결된 제 2 인덕터를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 전기이중층커패시터의 충전전압이 정격전압에 도달하면 상기 제 2 전압검출기는 상기 제 1 타이머의 제 2 입력단자 및 상기 제 2 타이머의 제 3 입력단자에 제어신호를 보낼 수 있다.
상기 제 1 타이머는 제3시간동안 상기 제 2 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 2 스위치를 턴온시키고, 제4시간동안 상기 제 1 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 1 스위치를 턴온시키며, 상기 제 2 타이머는 제3시간동안 상기 제 3 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 3 스위치를 턴온시키고, 제4시간동안 상기 제 4 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 4 스위치를 턴온시킬 수 있다.
상기 제 2 스위치가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 1 인덕터에 축적되고, 상기 제 3 스위치가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 2 인덕터에 축적될 수 있다.
상기 제 1 스위치가 턴온되면 상기 제 1 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 1 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 1 전기이중층커패시터를 충전시키고, 상기 제 4 스위치가 턴온되면 상기 제 2 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 3 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 3 전기이중층커패시터를 충전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서는 직렬로 연결된 제 1 전기이중층커패시터와 제 2 전기이중층커패시터 사이에 전기적으로 연결된 인덕터를 구비함으로써, 과충전된 전기이중층커패시터에서 방전되는 전기에너지를 상기 인덕터에 축적하고 그 축적된 전기에너지를 미충전된 전기이중층커패시터에 저장하여 에너지 저장효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 설명하기 위한 타임차트이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 설명하기 위한 타임차트이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 도시한 회로도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 설명하기 위한 타임차트이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서(100)는 제 1 전기이중층커패시터(111), 제 2 전기이중층커패시터(112), 제 1 전압검출기(121), 제 2 전압검출기(122), 타이머(130), 제 1 스위치(141), 제 2 스위치(142) 및 인덕터(150)를 포함한다.
상기 제 1 전기이중층커패시터(111)는 전기에너지를 저장하며, 제1단자(1)와 제2단자(2)를 포함한다. 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)는 정전용량이 크고, 수초 내지 수십초 이내로 급속충전이 가능하다.
상기 제 2 전기이중층커패시터(112)는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)와 동일하게 전기에너지를 저장한다. 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)에 직렬로 연결되며, 제1단자(1)와 제2단자(2)를 포함한다. 즉, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 제2단자(2)와 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 제1단자(1)가 전기적으로 연결되어, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)와 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)가 직렬로 연결된다.
상기 제 1 전압검출기(121)는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)에 병렬로 연결되어, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 충전전압(V1)을 검출한다. 상기 제 1 전압검출기(121)는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 충전전압(V1)이 정격전압(Vr1)에 도달하면 제어신호를 발생하여 타이머(130)에 전달한다.
상기 제 2 전압검출기(122)는 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)에 병렬로 연결되어, 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 충전전압(V2)을 검출한다. 상기 제 2 전압검출기(122)는 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 충전전압(V2)이 정격전압(Vr2)에 도달하면 제어신호를 발생하여 타이머(130)에 전달한다. 또한, 상기 제 1 전압검출기(121)와 상기 제 2 전압검출기(122)는 직렬로 연결된다.
상기 타이머(130)는 상기 제 1 전압검출기(121) 및 상기 제 2 전압검출기(122)로부터 제어신호를 전달받아 제 1 스위치(141) 및 제 2 스위치(142)의 온/오프를 제어한다. 상기 타이머(130)는 제 1 입력단자(T1), 제 2 입력단자(T2), 제 1 출력단자(Q1) 및 제 2 출력단자(Q2)를 포함한다. 상기 제 1 전압검출기(121)의 제어신호는 상기 제 1 입력단자(T1)로 입력되고, 상기 제 2 전압검출기(122)의 제어신호는 상기 제 2 입력단자(T2)로 입력된다. 상기 타이머(130)는 상기 제 1 입력단자(T1)에 제어신호가 입력되면, 제1시간(d1)동안 제 1 출력단자(Q1)로 제어신호를 출력하고, 그 다음 제2시간(d2)동안 제 2 출력단자(Q2)로 제어신호를 출력한다. 또한, 상기 타이머(130)는 상기 제 2 입력단자(T2)에 제어신호가 입력되면, 제3시간(d3)동안 제 2 출력단자(Q2)로 제어신호를 출력하고, 그 다음 제4시간(d4)동안 제 1 출력단자(Q1)로 제어신호를 출력한다.
상기 제 1 스위치(141)는 상기 타이머(130)로부터 전달받은 제어신호에 의해 온/오프된다. 상기 제 1 스위치(141)는 상기 타이머(130)의 제 1 출력단자(Q1)로부터 제어신호를 전달받아 제1시간(d1)동안 턴온되어, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)를 방전시킨다. 또한, 상기 제 1 스위치(141)는 상기 타이머(130)의 제 1 출력단자(Q1)로부터 제어신호를 전달받아 제4시간(d4)동안 턴온되어, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)를 충전시킨다.
상기 제 2 스위치(142)는 상기 타이머(130)로부터 전달받은 제어신호에 의해 온/오프된다. 상기 제 2 스위치(142)는 상기 타이머(130)의 제 2 출력단자(Q2)로부터 제어신호를 전달받아 제3시간(d3)동안 턴온되어, 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)를 방전시킨다. 또한, 상기 제 2 스위치(142)는 상기 타이머(130)의 제 2 출력단자(Q2)로부터 제어신호를 전달받아 제2시간(d2)동안 턴온되어, 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)를 충전시킨다.
상기 인덕터(150)는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)와 제 2 전기이중층커패시터(112) 및 제 1 스위치(141)와 제 2 스위치(142) 사이에 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 상기 인덕터(150)의 제1단자(1)는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111) 및 제 2 전기이중층커패시터(112)에 전기적으로 연결되고, 상기 인덕터(150)의 제2단자(2)는 상기 제 1 스위치(141) 및 상기 제 2 스위치(142)에 전기적으로 연결된다. 상기 인덕터(150)는 유도성임피던스(jXL) 소자로 통전을 시키면 전류가 서서히 증가하며, 상기 인덕터(150)에 공급되는 전류를 차단해도 전류가 흐르던 방향으로 계속하여 흐르는 특성이 있다. 따라서, 상기 인덕터(150)는 유도성임피던스(jXL)를 이용하여 과잉 충전된 전기이중층커패시터에서 방전되는 전기에너지를 축적시킨 다음, 그 전기에너지를 이용하여 충전이 부족한 전기이중층커패시터를 충전시킨다. 예를 들어, 상기 인덕터(150)는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)에서 방전되는 전기에너지를 저장하여 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)를 충전시킬 수 있다. 또한, 상기 인덕터(150)는 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)에서 방전되는 전기에너지를 저장하여 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)를 충전시킬 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기와 같은 구성을 갖는 전기이중층커패시터의 밸런서의 동작 방법을 살펴보면 다음과 같다.
t0의 시점에서, 제 1 전기이중층커패시터(111)의 충전전압(V1)과 제 2 전기이중층커패시터(112)의 충전전압(V2)이 정격전압(Vr1,Vr2)에 도달하지 않았으므로, 타이머(130)의 제 1 출력단자(Q1) 및 제 2 출력단자(Q2)에는 제어신호가 발생하지 않는다. 이에 따라, 제 1 스위치(141) 및 제 2 스위치(142)는 턴 오프 상태에 있다.
t1의 시점에서, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 충전전압(V1)이 정격전압(Vr1)에 도달하면, 상기 제 1 전압검출기(121)가 이를 감지하여 타이머(130)의 제 1 입력단자(T1)에 제어신호를 전달한다. 상기 제 1 입력단자(T1)에 제어신호가 입력되면 상기 타이머(130)는 제1시간(d1)동안 제 1 출력단자(Q1)에 제어신호를 출력하여 제 1 스위치(141)를 턴온시킨다. 상기 제 1 스위치(141)가 턴온되면 상기 제 1 전기이중층커패시터(111), 제 1 스위치(141) 및 인덕터(150)로 폐회로가 구성되고, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 제1단자(1)에서 제 1 스위치(141)와 인덕터(150)를 경유하여 제 1 전기이중층커패시터(111)의 제2단자(2) 방향으로 방전전류가 흐르게 된다. 따라서, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 충전전압(V1)은 감소하고, 상기 방전전류는 상기 인덕터(150)에 축적된다. 여기서, 상기 제 2 스위치(142)는 턴오프 상태이므로 제 2 전기이중층커패시터(112)는 여전히 충전상태를 유지한다.
t2의 시점에서, 상기 제 1 출력단자(Q1)의 제어신호 출력이 중단되므로, 상기 제 1 스위치(141)는 턴오프되고 상기 제 1 전기이중층커패시터(111), 제 1 스위치(141) 및 인덕터(150)로 구성된 폐회로는 해제된다. 더불어, 상기 타이머(130)는 제2시간(d2)동안 제 2 출력단자(Q2)에 제어신호를 출력하여 제 2 스위치(142)를 턴온시킨다. 상기 제 2 스위치(142)가 턴온되면 상기 인덕터(150), 제 2 전기이중층커패시터(112) 및 제 2 스위치(142)로 폐회로가 구성되므로, 상기 인덕터(150)에 축적된 전류는 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 방전전류와 동일한 방향인 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 제1단자(1) 방향으로 흘러 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)를 충전시킨다. 따라서, 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 충전전압(V2)은 증가한다. 여기서, 상기 제 1 스위치(141)는 턴오프 상태이므로 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)는 기존의 충전상태를 유지한다.
t3의 시점에서, 상기 제 2 출력단자(Q2)의 제어신호 출력이 중지되므로, 상기 제 2 스위치(142)는 턴오프된다. 즉, t3의 시점에서 상기 제 1 스위치(141) 및 상기 제 2 스위치(142)는 모두 오프상태이다.
t4의 시점에서, 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 충전전압(V2)이 정격전압(Vr2)에 도달하면, 제 2 전압검출기(122)가 이를 감지하여 타이머(130)의 제 2 입력단자(T2)에 제어신호를 전달한다. 상기 제 2 입력단자(T2)에 제어신호가 입력되면 상기 타이머(130)는 제3시간(d3)동안 제 2 출력단자(Q2)에 제어신호를 출력하여 제 2 스위치(142)를 턴온시킨다. 상기 제 2 스위치(142)가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터(112), 인덕터(150) 및 제 2 스위치(142)로 폐회로가 구성되고, 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 제1단자(1)에서 인덕터(150)와 제 2 스위치(142)를 경유하여 제 2 전기이중층커패시터(112)의 제2단자(2) 방향으로 방전전류가 흐르게 된다. 따라서, 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 충전전압(V2)은 감소하고, 상기 방전전류는 상기 인덕터(150)에 충전된다. 여기서, 상기 제 1 스위치(141)는 턴오프 상태이므로 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)는 여전히 충전상태를 유지한다.
t5의 시점에서, 상기 제 2 출력단자(Q2)의 제어신호 출력이 중단되므로, 상기 제 2 스위치(142)는 턴오프되고 상기 제 2 전기이중층커패시터(112), 인덕터(150) 및 제 2 스위치(142)로 구성된 폐회로는 해제된다. 또한, 상기 타이머(130)는 제4시간(d4)동안 제 1 출력단자(Q1)에 제어신호를 출력하여 제 1 스위치(141)를 턴온시킨다. 상기 제 1 스위치(141)가 턴온되면 상기 인덕터(150), 제 1 스위치(141) 및 제 1 전기이중층커패시터(111)로 폐회로가 구성되므로, 상기 인덕터(150)에 축적된 전류는 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)의 방전전류와 동일한 방향인 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 제1단자(1) 방향으로 흘러 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)를 충전시킨다. 따라서, 상기 제 1 전기이중층커패시터(111)의 충전전압(V1)은 증가한다. 여기서, 상기 제 2 스위치(142)는 턴오프 상태이므로 상기 제 2 전기이중층커패시터(112)는 기존의 충전상태를 유지한다.
t6의 시점에서, 상기 제 1 출력단자(Q1)의 제어신호 출력이 중지되므로, 상기 제 1 스위치(141)는 턴오프된다. 즉, t6의 시점에서 상기 제 1 스위치(141) 및 상기 제 2 스위치(142)는 모두 오프상태이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서(100)는 제 1 전기이중층커패시터(111)와 제 2 전기이중층커패시터(112) 사이에 전기적으로 연결된 인덕터(150)를 구비함으로써, 과충전된 전기이중층커패시터에서 방전되는 전기에너지를 상기 인덕터(150)에 축적하고 그 축적된 전기에너지를 미충전된 전기이중층커패시터에 저장하여 에너지 저장효율을 향상시킬 수 있다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 도시한 회로도이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서를 설명하기 위한 타임차트이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서(200)는 제 1 전기이중층커패시터(211), 제 2 전기이중층커패시터(212), 제 3 전기이중층커패시터(213), 제 1 전압검출기(221), 제 2 전압검출기(222), 제 3 전압검출기(223), 제 1 타이머(231), 제 2 타이머(232), 제 1 스위치(241), 제 2 스위치(242), 제 3 스위치(243), 제 4 스위치(244), 제 1 인덕터(251) 및 제 2 인덕터(252)를 포함한다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서(200)는 도 1에 도시된 전기이중층커패시터의 밸런서(100)에서 제 1 전기이중층커패시터(111) 및 제 2 전기이중층커패시터(112)에 제 3 전기이중층커패시터(213)가 직렬로 더 연결된 것이다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서(200)는 제 3 전기이중층커패시터(213), 제 3 전압검출기(223), 제 2 타이머(232), 제 3 스위치(243), 제 4 스위치(244) 및 제 2 인덕터(252)를 더 포함한다. 여기서, 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)와 제 2 전압검출기(222)는 제 1 전기이중층커패시터(211) 및 제 3 전기이중층커패시터(213)가 동작하는데 모두 관련되어 있다.
상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 충전전압(V2)이 정격전압(Vr2)에 도달하지 않은 상태에서 제 1 전기이중층커패시터(211)의 충전전압(V1)이 정격전압(Vr1)에 도달하거나 또는 제 3 전기이중층커패시터(213)의 충전전압(V3)이 정격전압(Vr3)에 도달할 때의 동작은 상기에서 설명한 바와 동일하다. 다만, 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)의 충전전압(V1)이 정격전압(Vr1)에 도달하지 않거나 또는 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)의 충전전압(V3)이 정격전압(Vr3)에 도달하지 않은 상태에서 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 충전전압(V2)이 정격전압(Vr2)에 도달할 때의 동작은 다소 상이하다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층커패시터의 밸런서의 동작 방법에 대해서 설명하기로 한다.
t0의 시점에서, 제 1 전기이중층커패시터(211)와 제 2 전기이중층커패시터(212) 및 제 3 전기이중층커패시터(213)의 충전전압(V1,V2,V3)이 아직 정격전압(Vr1,Vr2,Vr3)에 도달하지 않았으므로, 제 1 타이머(231)의 제 1 출력단자(Q1)와 제 2 출력단자(Q2) 및 제 2 타이머(232)의 제 3 출력단자(Q3)와 제 4 출력단자(Q4)에는 제어신호가 발생하지 않는다. 이에 따라, 제 1 스위치(241)와 제 2 스위치(242)와 제 3 스위치(243) 및 제 4 스위치(244)는 턴 오프 상태에 있다.
t1의 시점에서, 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)의 충전전압(V1)이 정격전압(Vr1)에 도달하면, 상기 제 1 전압검출기(221)가 이를 감지하여 제 1 타이머(231)의 제 1 입력단자(T1)에 제어신호를 전달한다. 상기 제 1 입력단자(T1)에 제어신호가 입력되면 상기 제 1 타이머(231)는 제1시간(d1)동안 제 1 출력단자(Q1)에 제어신호를 출력하여 제 1 스위치(241)를 턴온시킨다. 상기 제 1 스위치(241)가 턴온되면 상기 제 1 전기이중층커패시터(211), 제 1 스위치(241) 및 제 1 인덕터(251)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)는 방전하여 충전전압(V1)이 감소하고 방전전류는 상기 제 1 인덕터(251)에 축적된다. 여기서, 상기 제 2 스위치(242)와 제 3 스위치(243) 및 제 4 스위치(244)는 턴오프 상태이므로 제 2 전기이중층커패시터(212)와 제 3 전기이중층커패시터(213)는 여전히 충전상태를 유지한다.
t2의 시점에서, 상기 제 1 출력단자(Q1)의 제어신호 출력이 중단되므로, 상기 제 1 스위치(241)는 턴오프되고 상기 제 1 전기이중층커패시터(211), 제 1 스위치(241) 및 제 1 인덕터(251)로 구성된 폐회로는 해제된다. 또한, 상기 제 1 타이머(231)는 제2시간(d2)동안 제 2 출력단자(Q2)에 제어신호를 출력하여 제 2 스위치(242)를 턴온시킨다. 상기 제 2 스위치(242)가 턴온되면 상기 제 1 인덕터(251), 제 2 전기이중층커패시터(212) 및 제 2 스위치(242)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 1 인덕터(251)에 축적된 전류는 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)의 방전전류와 동일한 방향인 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 제1단자(1) 방향으로 흘러 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)를 충전시킨다. 따라서, 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 충전전압(V2)은 증가한다. 여기서, 상기 제 1 스위치(241)와 제 3 스위치(243) 및 제 4 스위치(244)는 턴오프 상태이므로 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)와 제 3 전기이중층커패시터(213)는 기존의 충전상태를 유지한다.
t3의 시점에서, 상기 제 2 출력단자(Q2)의 제어신호 출력이 중지되므로, 상기 제 2 스위치(242)는 턴오프된다. 즉, t3의 시점에서 상기 제 1 스위치(241), 제 2 스위치(242), 제 3 스위치(243) 및 제 4 스위치(244)는 모두 오프상태이다.
t4의 시점에서, 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 충전전압(V2)이 정격전압(Vr2)에 도달하면, 제 2 전압검출기(222)가 이를 감지하여 상기 제 1 타이머(231)의 제 2 입력단자(T2)와 상기 제 2 타이머(232)의 제 3 입력단자(T3)에 제어신호를 전달한다.
상기 제 2 입력단자(T2)에 제어신호가 입력되면 상기 제 1 타이머(231)는 제3시간(d3)동안 제 2 출력단자(Q2)에 제어신호를 출력하여 제 2 스위치(242)를 턴온시킨다. 상기 제 2 스위치(242)가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터(212), 제 1 인덕터(251) 및 제 2 스위치(242)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)는 방전하여 충전전압(V2)이 감소하고 방전전류는 상기 제 1 인덕터(251)에 축적된다. 여기서, 상기 제 1 스위치(241)는 턴오프 상태이므로 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)는 여전히 충전상태를 유지한다.
또한, 상기 제 3 입력단자(T3)에 제어신호가 입력되면 상기 제 2 타이머(232)는 제3시간(d3)동안 제 3 출력단자(Q3)에 제어신호를 출력하여 제 3 스위치(243)를 턴온시킨다. 상기 제 3 스위치(243)가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터(212), 제 3 스위치(243) 및 제 2 인덕터(252)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)는 방전하여 충전전압이 감소하고 방전전류는 상기 제 2 인덕터(252)에 축적된다. 여기서, 상기 제 4 스위치(244)는 턴오프 상태이므로 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)는 여전히 충전상태를 유지한다.
t5의 시점에서, 상기 제 2 출력단자(Q2)의 제어신호 출력이 중단되므로, 상기 제 2 스위치(242)는 턴오프되고 상기 제 2 전기이중층커패시터(212), 제 1 인덕터(251) 및 제 2 스위치(242)로 구성된 폐회로는 해제된다. 더불어, 상기 제 1 타이머(231)는 제4시간(d4)동안 제 1 출력단자(Q1)에 제어신호를 출력하여 제 1 스위치(241)를 턴온시킨다. 상기 제 1 스위치(241)가 턴온되면 상기 제 1 인덕터(251), 상기 제 1 스위치(241) 및 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 1 인덕터(251)에 축적된 전류는 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 방전전류와 동일한 방향인 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)의 제1단자(1) 방향으로 흘러 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)를 충전시킨다. 따라서, 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)의 충전전압(V1)은 증가한다. 여기서, 상기 제 2 스위치(242)는 턴오프 상태이므로 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)는 기존의 충전상태를 유지한다.
또한, 상기 제 3 출력단자(Q3)의 제어신호 출력이 중단되므로, 상기 제 3 스위치(243)는 턴오프되고 상기 제 2 전기이중층커패시터(212), 제 3 스위치(243) 및 제 2 인덕터(252)로 구성된 폐회로는 해제된다. 더불어, 상기 제 2 타이머(232)는 제4시간(d4)동안 제 4 출력단자(Q4)에 제어신호를 출력하여 제 4 스위치(244)를 턴온시킨다. 상기 제 4 스위치(244)가 턴온되면 상기 제 2 인덕터(252), 상기 제 3 전기이중층커패시터(213) 및 상기 제 4 스위치(244)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 2 인덕터(252)에 축적된 전류는 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 방전전류와 동일한 방향인 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)의 제1단자(1) 방향으로 흘러 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)를 충전시킨다. 따라서, 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)의 충전전압(V3)은 증가한다. 여기서, 상기 제 3 스위치(243)는 턴오프 상태이므로 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)는 기존의 충전상태를 유지한다.
t6의 시점에서, 상기 제 1 출력단자(Q1) 및 상기 제 4 출력단자(Q4)의 제어신호 출력이 중지되므로, 상기 제 1 스위치(241) 및 상기 제 4 스위치(244)는 턴오프된다. 즉, t6의 시점에서 상기 제 1 스위치(241), 제 2 스위치(242), 제 3 스위치(243) 및 제 4 스위치(244)는 모두 오프상태이다.
t7의 시점에서, 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)의 충전전압(V3)이 정격전압(Vr3)에 도달하면, 제 3 전압검출기(223)가 이를 감지하여 제 2 타이머(232)의 제 4 입력단자(T4)에 제어신호를 전달한다. 상기 제 4 입력단자(T4)에 제어신호가 입력되면 상기 제 2 타이머(232)는 제5시간(d5)동안 제 4 출력단자(Q4)에 제어신호를 출력하여 제 4 스위치(244)를 턴온시킨다. 상기 제 4 스위치(244)가 턴온되면 상기 제 3 전기이중층커패시터(213), 제 2 인덕터(252) 및 제 4 스위치(244)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)는 방전하여 충전전압(V3)이 감소하고 방전전류는 상기 제 2 인덕터(252)에 축적된다. 여기서, 상기 제 1 스위치(241), 제 2 스위치(242) 및 제 3 스위치(243)는 턴오프 상태이므로 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)와 제 2 전기이중층커패시터(212)는 여전히 충전상태를 유지한다.
t8의 시점에서, 상기 제 4 출력단자(Q4)의 제어신호 출력이 중단되므로, 상기 제 4 스위치(244)는 턴오프되고 상기 제 3 전기이중층커패시터(213), 제 2 인덕터(252) 및 제 4 스위치(244)로 구성된 폐회로는 해제된다. 더불어, 상기 제 2 타이머(232)는 제6시간(d6)동안 제 3 출력단자(Q3)에 제어신호를 출력하여 제 3 스위치(243)를 턴온시킨다. 상기 제 3 스위치(243)가 턴온되면 상기 제 2 인덕터(252), 제 3 스위치(243) 및 제 2 전기이중층커패시터(212)로 폐회로가 구성되므로, 상기 제 2 인덕터(252)에 축적된 전류는 상기 제 3 전기이중층커패시터(213)의 방전전류와 동일한 방향인 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 제1단자(1) 방향으로 흘러 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)를 충전시킨다. 따라서, 상기 제 2 전기이중층커패시터(212)의 충전전압(V2)은 증가한다. 여기서, 상기 제 1 스위치(241), 제 2 스위치(242) 및 제 4 스위치(244)는 턴오프 상태이므로 상기 제 1 전기이중층커패시터(211)와 제 3 전기이중층커패시터(213)는 기존의 충전상태를 유지한다.
t9의 시점에서, 상기 제 3 출력단자(Q3)의 제어신호 출력이 중지되므로, 상기 제 3 스위치(243)는 턴오프된다. 즉, t9의 시점에서 상기 제 1 스위치(241), 제 2 스위치(242), 제 3 스위치(243) 및 상기 제 4 스위치(244)는 모두 오프상태이다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 전기이중층커패시터의 밸런서를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
111, 211: 제 1 전기이중층커패시터 112, 212: 제 2 전기이중층커패시터
121, 221: 제 1 전압검출기 122, 222: 제 2 전압검출기
130: 타이머 141, 241: 제 1 스위치
142, 242: 제 2 스위치 150: 인덕터
213: 제 3 전기이중층커패시터 223: 제 3 전압검출기
231: 제 1 타이머 232: 제 2 타이머
243: 제 3 스위치 244: 제 4 스위치
251: 제 1 인덕터 252: 제 2 인덕터

Claims (16)

  1. 제1단자 및 제2단자를 갖는 제 1 전기이중층커패시터;
    상기 제 1 전기이중층커패시터에 직렬로 연결되며, 제1단자 및 제2단자를 갖는 제 2 전기이중층커패시터;
    상기 제 1 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 1 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 1 전압검출기;
    상기 제 2 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 2 전압검출기;
    상기 제 1 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 1 입력단자와 상기 제 2 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 2 입력단자와, 제어신호를 출력하는 제 1 출력단자 및 제 2 출력단자를 포함하는 제 1 타이머;
    상기 제 1 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 1 스위치;
    상기 제 2 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 2 스위치; 및
    상기 제 1 전기이중층커패시터와 상기 제 2 전기이중층커패시터 사이에 제1단자가 연결되고, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 사이에 제2단자가 연결된 제 1 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전기이중층커패시터의 충전전압이 정격전압에 도달하면 상기 제 1 전압검출기는 상기 제 1 타이머의 제 1 입력단자에 제어신호를 보내는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 타이머는 제1시간동안 상기 제 1 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 1 스위치를 턴온시키고, 제2시간동안 상기 제 2 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 2 스위치를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1시간동안 상기 제 2 스위치는 턴오프 상태이고, 상기 제2시간동안 상기 제 1 스위치는 턴오프 상태인 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치가 턴온되면 상기 제 1 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 1 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 1 인덕터에 축적되는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치가 턴온되면 상기 제 1 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 2 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 2 전기이중층커패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전기이중층커패시터의 충전전압이 정격전압에 도달하면 상기 제 2 전압검출기는 상기 제 1 타이머의 제 2 입력단자에 제어신호를 보내는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 타이머는 제3시간동안 상기 제 2 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 2 스위치를 턴온시키고, 제4시간동안 상기 제 1 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 1 스위치를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제3시간동안 상기 제 1 스위치는 턴오프상태이고, 상기 제4시간동안 상기 제 2 스위치는 턴오프 상태인 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 1 인덕터에 축적되는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치가 턴온되면 상기 제 1 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 1 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 1 전기이중층커패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전기이중층커패시터에 직렬로 연결된 제 3 전기이중층커패시터;
    상기 제 3 전기이중층커패시터에 병렬로 연결되어, 상기 제 3 전기이중층커패시터의 충전전압을 검출하는 제 3 전압검출기;
    상기 제 2 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 3 입력단자와 상기 제 3 전압검출기의 제어신호를 입력받는 제 4 입력단자와, 제어신호를 출력하는 제 3 출력단자 및 제 4 출력단자를 포함하는 제 2 타이머;
    상기 제 2 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 3 스위치;
    상기 제 3 전기이중층커패시터에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 타이머에서 출력되는 제어신호에 의해 온/오프가 제어되는 제 4 스위치; 및
    상기 제 2 전기이중층커패시터와 상기 제 3 전기이중층커패시터 사이에 제1단자가 연결되고, 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치 사이에 제2단자가 연결된 제 2 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 전기이중층커패시터의 충전전압이 정격전압에 도달하면 상기 제 2 전압검출기는 상기 제 1 타이머의 제 2 입력단자 및 상기 제 2 타이머의 제 3 입력단자에 제어신호를 보내는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 타이머는 제3시간동안 상기 제 2 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 2 스위치를 턴온시키고, 제4시간동안 상기 제 1 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 1 스위치를 턴온시키며,
    상기 제 2 타이머는 제3시간동안 상기 제 3 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 3 스위치를 턴온시키고, 제4시간동안 상기 제 4 출력단자에 제어신호를 출력하여 상기 제 4 스위치를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 1 인덕터에 축적되고,
    상기 제 3 스위치가 턴온되면 상기 제 2 전기이중층커패시터는 방전되어 충전전압이 감소하고, 상기 제 2 전기이중층커패시터의 방전전류는 상기 제 2 인덕터에 축적되는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치가 턴온되면 상기 제 1 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 1 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 1 전기이중층커패시터를 충전시키고,
    상기 제 4 스위치가 턴온되면 상기 제 2 인덕터에 축적된 방전전류가 상기 제 3 전기이중층커패시터로 흘러 상기 제 3 전기이중층커패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 전기이중층커패시터의 밸런서.
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KR20090103132A (ko) * 2008-03-27 2009-10-01 엘에스엠트론 주식회사 울트라 커패시터 균등 충전장치 및 그 충전방법
KR100983071B1 (ko) 2008-05-22 2010-09-17 코칩 주식회사 전기이중층커패시터의 밸런서

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