KR101810492B1

KR101810492B1 - 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈

Info

Publication number: KR101810492B1
Application number: KR1020170122749A
Authority: KR
Inventors: 김권진; 이공희; 송진; 최정규
Original assignee: 에이펙스인텍 주식회사
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2017-12-20

Abstract

본 발명은 장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈에 관한 것으로;
그 기술구현의 목적은, 손쉬운 직렬 또는 병렬 구조배열 및 모듈배치에 의해 용량별 구분에 따른 모듈의 공용 및 호환사용을 가능하도록 하고, 과충전으로 인한 폭발 및 화재를 방지되게 하여 개별 모듈을 안전하게 보호되도록 하며, 아울러, 모듈별 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 병합시 모듈 저장장치간 밸런싱 역할을 수행되도록 하여 슈퍼커패시터 수명 및 안전성을 확보할 수 있도록 한 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈을 제공함에 있다.
따라서, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적 수단으로는;
슈퍼커패시터와 회로기판으로 이루어진 에너지저장장치 모듈을 형성하되;
상기 에너지 저장장치 모듈은, 슈퍼커패시터를 4개의 병렬구성으로 회로기판에 탑재하고, 4개의 슈퍼커패시터가 병렬구성으로 탑재된 에너지 저장장치 모듈을 전기접속자에 의해 다수개의 직렬 또는 병렬구성으로 확장 연결시키며;
상기 4개의 슈퍼커패시터가 탑재된 회로기판에 밸런스 회로부와, 과충전보호회로부가 마련된 안전제어 보드를 더 설치 형성하여 달성한다.

Description

확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈{Super Capacitor Energy Storage Module}

본 발명은 에너지 저장장치모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용이한 직병별 모듈배치구조에 의해 공용 및 호환사용을 가능하도록 하고, 안전한 밸런싱 기능에 의해 슈퍼커패시터의 사용수명을 연장되도록 하며, 특히, 과충전으로 인한 폭발 및 화재의 위험으로부터 기기를 안전하게 보호할 수 있도록 한 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈에 관한 것이다.

국가 총 에너지의 97% 이상을 수입에 의존하고 있는 우리나라의 경우, 연평균 에너지소비 증가율이 1.1%에 달하고, 특히, 전체 에너지원의 83%를 화석연료에 의존하고 있는 현실적 이유로 인해 온실가스 배출규제 강화 등, 국제 기후변화협약에 역행하며 산업경쟁력이 약화 되고 있는 실정이다.

따라서, 이러한 환경 규제 및 에너지 정책에 부합될 수 있는 친환경 전기자동차 및 스마트 그리드 등이 주목받고 있으며, 그들을 운용하기 위한 새로운 에너지 저장장치의 개발 및 확산보급의 필요성이 매우높게 대두 되고 있는 현실이다.

오늘날 가장 많이 적용되고 있는 에너지 저장 장치로는 니켈수소 2차 전지와 리튬 2차 전지가 사용되고 있으나, 이러한, 2차 전지의 경우, 고출력 방전시 전압 강하 및 반복사용 수명이 짧아지므로 2~3 년 주기로 교체가 필요하다.

또한, 전술한 바와 같은, 2차 전지는 대용량의 에너지를 짧은 시간에 충전할 수 없고, 충전알고리즘에 의하여 전류원 충전에서 전압원 충전으로 제어해야 하며, 에너지의 방전에 있어서도 20% 정도의 얕은 방전을 해야 수명이 오래가고, 80% 이상의 깊은 방전은 그 수명을 짧게 만드는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 2차 전지는 수명싸이클이 짧고, 장시간 사용을 위해 항상 관리를 해야하며, 특히, 충전된 에너지를 100% 사용할 수 없다는 에너지 사용 효율상의 단점과 공해물질 배출이라는 폐단이 상존한다.

따라서 최근에 있어서는, 커패시터(Capacitor)가 상당한 주목을 받고 있는 현실이다.

여기서, 커패시터(Capacitor)란 전기를 저장할 수 있는 축전지를 의미하는 것이며, 이러한, 커패시터에 있어, 특히, 슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라 지칭된다.

이와 같은, 슈퍼커패시터의 기본적 구조는 음극(-)과 양극(+)으로 이루어진 다공성 전극과, 격리막, 전해질, 집전체, 그리고, 이들을 수용하는 케이스 셀로 이루어진다.

이에, 상기 슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리(2차 전지)와 달리 전극과 전해질 계면으로 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 것인바, 따라서, 급속 충/방전이 가능하고, 높은 충/방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 저장장치로 각광받고 있다.

또한, 이러한 차세대 에너지 저장장치로서의 슈퍼커패시터는 대용량의 전기를 빠르게 저장하고 꺼내어 사용할 수 있고, 2차 전지보다 100배 이상의 고출력이며 반영구적으로 사용이 가능해 휴대전화, 디지털카메라의 플래시, 하이브리드 자동자 등 응용분야가 다양하다.

또한, 슈퍼커패시터는 SOC가 전압에 직접적으로 비례하는 전기에너지 저장장치로서, 효율이 95% 이상으로 차세대 고 신뢰성 에너지 저장장치의 주요기술이며, 아울러, 고출력 펄스 파워 능력을 갖는, 소형 경량의 고출력 전기 화학적 에너지저장장치로써, 피크파워 부하 평준화용으로의 응용이 기대되고, 군사용, 우주 항공용 및 의료용 등의 고부가 장비의 대출력 펄스파워 전원으로 사용된다.

또한, 슈퍼커패시터는 크기 및 용도에 따라 분류되는 것인바, 소형은 전원 차단시의 전자기기의 메모리 백업용 전원으로 사용되고, 중,대형 제품에서는 하이브리드 전원시스템, 자동차의 스타터용 전원, 배기가스 촉매 가열의 보조전원이나 HEV의 회생 전원, 완구용 모터구동전지 대체용 전원 등 용도가 다양하다.

즉, 슈퍼커패시터는 석유를 대체해 이산화탄소 배출이 없는 친환경 청정대체에너지인 태양광, 풍력, 수소연료전지 등의 신 재생에너지 저장장치로 중요도를 갖는다.

하지만, 이러한 슈퍼커패시터는 공용 및 호환사용관계에 있어, 일부 단점이 있고, 특히 과충전으로 인한 폭발 및 화재의 위험에 자유로울 수 없는 안정상의 문제점 또한 일부 상존한다.

대한민국 특허등록 제1546043호 대한민국 특허등록 제1718009호 대한민국 특허등록 제1098236호

따라서, 본 발명은 종래 에너지 저장장치 모듈의 제반적인 문제점을 해결하고자 창안된 것으로;

본 발명의 목적은, 손쉬운 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 배열구조에 따른 모듈배치에 의해 용량별 구분에 따른 모듈의 공용 및 호환사용을 가능하도록 하고, 과충전으로 인한 폭발 및 화재를 방지되게하여 개별 모듈을 안전하게 보호되도록 하며, 아울러, 모듈별 직병렬 병합시 모듈 저장장치간 밸런싱 역할을 수행되도록 하여 슈퍼커패시터 수명 및 안전성을 확보할 수 있도록 한 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈을 제공함에 있다.

이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈의 구체적 수단으로는;

슈퍼커패시터와 회로기판으로 이루어진 에너지저장장치 모듈을 형성하되;

상기 에너지 저장장치 모듈은, 슈퍼커패시터를 4개의 병렬구성으로 회로기판에 탑재하고, 4개의 슈퍼커패시터가 병렬구성으로 탑재된 에너지 저장장치 모듈을 전기접속자에 의해 다수개의 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 구성으로 확장 연결시키며;

상기 4개의 슈퍼커패시터가 탑재된 회로기판에 밸런스 회로부와, 과충전보호회로부가 마련된 안전제어 보드를 더 설치 형성하여 달성한다.

이상, 본 발명에 따른 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈은, 간편한 직병렬 배열 및 모듈배치에 의해 용량별 구분에 따른 모듈의 공용 및 호환사용을 가능하게 한 것임은 물론, 과충전 보호회로부에 의한 안전기능, 예컨대, 과충전으로 인한 에너지 저장장치모듈의 폭발 및 화재를 미연에 방지하여 개별 모듈을 효율적으로 보호할 수 있게 한 것이며, 아울러, 밸런스 회로부에 의해 모듈별 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 병합시 에너지 저장장치모듈 간 밸런싱 역할을 수행되도록 하여 슈퍼커패시터의 수명 및 안전성을 확보되게 한 것으로, 이는, 매우 유용한 기대효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈의 단면구성도
도 3은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈의 확장연결도
도 4는 본 발명에 적용되는 회로기판의 구성예도
도 5는 본 발명에 적용되는 회로기판의 또 다른 구성예도
도 6은 본 발명에 적용되는 안전제어 보드의 회로구성도

이하, 본 발명에 따른 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈의 바람직한 실시예 구성을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

첨부도면을 참고로 하여, 본 발명의 개략적인 구성을 살펴보면;

이는, 슈퍼커패시터(1)와 회로기판(2)으로 이루어진 에너지 저장장치모듈(100)과, 전기접속자(3)로 구성된다.

여기서, 먼저, 상기 에너지 저장장치모듈(100)을 형성하는 슈퍼커패시터(1)는, 대용량의 전기를 신속하게 저장하여 사용할 수 있도록 마련된 일반적 축전지의 일종인바, 이와 같은, 슈퍼커패시터(1)는 도 2로 도시된 바와 같이, 상,하부면에 음극(-)과 양극(+)으로 이루어진 전극(11)과, 내부로 배치 구성되는 격리막(12), 전해질(13), 집전체(14), 그리고, 이들을 수용 보호하는 케이스 셀(15)로 이루어진 것으로, 이는, 통상의 슈퍼커패시터 기본구조와 상이함이 없는 것으로, 이러한, 슈퍼커패시터를 형성하는 상기 각 구성요소들의 구조적 특성과 그들 기능에 대한 구체적 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 에너지 저장장치모듈(100)을 형성하는 회로기판(2)은, 전술한 슈퍼커패시터(1)를 복수개 이상의 구성으로 탑재시키고, 탑재된 복수개 이상의 커패시터(1)를 회로적으로 연결 제어하기 위해 마련되는 통상의 구성인바, 이에, 이와 같은, 회로기판(2)을 본 발명에 적용함에 있어서는, 도 4또는 도 5로 도시된 바와 같이, 회로기판(2)의 일측면에 밸런스 회로부(211)와, 과충전보호회로부(212)로 이루어진 안전제어 보드(21)을 더 설치형성함이 바람직하다.

이때, 특히, 전술한 안전제어 보드(21)에 있어, 밸런스 회로부(211)는, 도 6으로 도시된 바와 같이, 복수개의 분배저항(R1,R2)과, VDD, VOUT, GND 및 복수개(1,2번)의 IC핀으로 이루어진 전압검출보드(211-1)로 형성되고, 안전제어 보드(21)에 있어, 과충전보호회로부(212)는, 인디케이터 램프(L)와 방전저항(R)으로 형성된다.

또한, 상기 전원접속자(3)는, 전술한 슈퍼커패시터(1)와, 회로기판(2)으로 이루어진 에너지저장장치 모듈(100)을 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 관계로 다수개 확장연결하기 위한 수단인바, 이와 같은, 전원접속자(3)는 도 3으로 도시된 바와 같이, 소정의 길이를 갖는 판형태의 도체구성으로 일측과 타측면에 원형관통구조를 취하는 단자연결공(31)을 형성함이 바람직하다.

따라서, 전술한 바와 같은, 일련의 구성을 이용하여 본 발명에 따른 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터를 형성함에 있어서는;

도 3으로 도시된 바와 같이, 먼저, 슈퍼커패시터(1)를 4개의 병렬구성으로 회로기판(2)에 탑재시켜 하나의 모듈구성을 취하는 에너지 저장장치(100)를 형성하고, 상기 4개의 슈퍼커패시터(1)가 병렬구성으로 탑재된 에너지 저장장치 모듈(100)에 있어, 슈퍼커패시터(1)의 전극(11)에 볼트 및 너트체결방식에 의해 전원접속자(3)를 결합시켜, 에너지 저장장치 모듈(100)을 다수개의 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬구성으로 확장연결함이 바람직하다.

이때, 슈퍼커패시터(1)를 탑재하기에 앞서, 상기 회로기판(2)에, 밸런스 회로부(211) 및 과충전보호회로부(212)가 마련된 안전제어 보드(21)를 미리 설치 형성함으로써, 본 발명에 따른 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈을 구현한다.

이에, 전술한 바와 같은, 결합 설치구성으로 이루어진 본 발명에 따른 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈 작용기능을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 슈퍼커패시터(1)의 음극(-)과 양극(+)으로 이루어진 전극(11)에 외부 전압을 인가하여, 에너지 저장장치모듈(100)을 충전시킨다.

이러한, 충전과정에 있어, 충전전압이 상승하여 2.7V 이상의 전압이 충전되면, 안전제어 보드(21)에 마련된 밸런스 회로부(211)는 분배저항(R1,R2)과 전압검출보드(211-1)에 의해 충전되는 전압을 2.5V로 분배하여 IC핀(2번핀)으로 인가되게 하고, 2.7V로 충전전압이 완충되면 IC핀(1번핀)은 그 완충전압을 인가하여 에너지 저장장치모듈(100)의 기본구성인 FET증폭기(4)를 온(ON) 시킴으로써, 충전된 전류를 외부기기로 흐름 공급되게 한다.

이때, 에너지 저장장치모듈(100)이 완충된 상태로써, 2.7V 이상의 전압이 입력되면, 그 2.7V 이상의 입력전압은, 과충전보호회로부(212)에 마련된 방전저항(R)에 의해 자동 소비되며, 인디케이터 램프(L)를 발광작동되게 함으로써, 에너지 저장장치모듈이 현재 과충전방지 작동상태임을 표시하고, 이후, 충전입력 전압이 2.7V 이상의 낮아지면 인디케이터 램프(L)가 오프(OFF) 되는 작용으로, 일련의 사용관계를 갖게 된다.

1 : 슈퍼커패시터 2 : 회로기판
3 : 전원접속자 4 : FET증폭기
21 : 안전제어보드 31 : 단자연결공
211 : 밸런스 회로부 211-1 : 전압검출보드
212 : 과충전보호회로부 L : 이디케이터 램프
R: 방전저항 R1,R2 : 분배저항

Claims

음극(-)과 양극(+)으로 이루어진 전극(11)과, 격리막(12), 전해질(13), 집전체(14), 그리고, 이들을 수용하는 케이스 셀(15)로 이루어진 슈퍼커패시터(1)를 회로기판(2)에 탑재 형성한 에너지저장장치 모듈(100)에 있어서;
상기 에너지 저장장치 모듈(100)은, 슈퍼커패시터(1)를 4개의 병렬구성으로 회로기판(2)에 탑재하고, 4개의 슈퍼커패시터(1)가 병렬구성으로 탑재된 에너지 저장장치 모듈(100)을 전기접속자(3)에 의해 다수개의 직렬 또는 병렬구성으로 확장 연결하며;
상기 4개의 슈퍼커패시터(1)가 탑재된 회로기판(2)에 밸런스 회로부(211)와, 과충전보호회로부(212)로 이루어진 안전제어 보드(21)를 더 설치 형성함을 특징으로 하는 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈.
제 1항에 있어서;
상기 밸런스 회로부(211)는, 에너지 저장장치 모듈(100)로 전기에너지가 2.7V 전압이상으로 충전시, 분배저항(R1,R2)과 전압검출보드(211-1)에 의해 충전되는 전압을 2.5V로 분배함을 특징으로 하는 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈.
제 1항에 있어서;
상기 과충전보호회로부(212)는, 인디케이터 램프(L)를 더 장착 형성하고, 에너지 저장장치 모듈(100)로 전기에너지가 2.7V 전압으로 완충시 입력전압을 방전저항(R)에 의해 소비시키며, 상기 인디케이터 램프(L)를 발광작동되게 함을 특징으로 하는 확장성과 안전성을 향상시킨 슈퍼커패시터 에너지 저장장치모듈.