KR102164439B1

KR102164439B1 - 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치

Info

Publication number: KR102164439B1
Application number: KR1020190118739A
Authority: KR
Inventors: 양기일
Original assignee: (주)엠피에스코리아
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2020-10-13

Abstract

본 발명은 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치에 관한 것으로, 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리가 병렬로 연결하여 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 슈퍼캐패시터 셀의 전압에 편차가 발생하여 가장 낮은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터의 셀을 배터리의 전원을 이용하여 충전하거나, 각 슈퍼캐패시터 셀의 허용치를 넘어서는 전압으로 충전될 때 과충전된 전류에 따라 스위칭 동작을 통해 저항을 통해 전류가 도통되도록 하여 슈퍼캐패시터 셀 전압의 밸런스를 맞추어 슈퍼캐패시터 각각의 전압이 균일하게 충전되도록 밸런싱 알고리즘의 동작을 통해 구동되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 셀 밸런싱을 할 때에 일반적으로 Passive 밸런싱의 문제점인 하나의 셀 전압이 낮은 경우와 Active 밸런싱의 문제점인 하나의 셀 전압이 높은 경우를 해결하기 위해 기존의 밸런싱 회로에 융복합전지로 충전 회로를 구현하여, 특정한 셀의 전압이 높은 경우에는 Passive 밸런싱 회로를 이용하고, 특정한 셀의 전압이 낮은 경우에는 Active 밸런싱 회로를 이용하여 목표 셀 밸런싱 전압값에 더욱 빠르게 도달하여 배터리의 용량을 더욱 효율적으로 사용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Description

슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치{Balancing device of convergence cell connected super-capacity module and battery}

본 발명은 슈퍼캐패시터 모듈을 구성하는 다수의 슈퍼캐패시터 각각의 전압과 SOC(State of Charge)을 일정하게 유지하는 밸런싱(Balancing) 및 각 슈퍼캐패시터의 과충전으로 인한 손실을 방지하여 보호기능을 수행하기 위한 밸런싱 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리를 병렬로 연결하여 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 캐패시터를 배터리의 전원으로 충전되도록하여 캐패시터 각각의 전압이 균일하게 충전할 수 있는 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 등가의 전압을 유지하기 위하여 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리를 병렬로 연결하여 배터리의 직렬연결된 각 배터리 셀의 전압에 편차가 발생하거나, 각 배터리 셀의 허용치를 넘어서는 전압으로 충전될 때 과충전된 전류를 인가하여 각 배터리 셀 전압의 밸런스를 맞추고, 직렬 연결된 양끝단에 전원을 인가하여 각 배터리 셀 양단 전압이 일정이상 되면 해당 슈퍼캐패시터와 병렬연결된 저항에 전압이 연동되도록 하여 로드를 방전하여 전압을 균일하게 분배되도록 하는 슈퍼캐패모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치에 관한 것이다.

슈퍼캐패시터는 용량이 전압과 비례하고, 충전/방전 사이클 회수가 10만 회 이상으로서 그 파워밀도가 배터리의 수십배 내지 수백배에 달하여 급속충전 또는 급속방전이 가능하며, 배터리에 비하여 에너지 및 파워 밀도가 온도 변화에 덜 민감한 특징이 있다.

일반적으로 직렬로 연결된 다수의 리튬전지를 충전하거나 방전할 때, 첫 번째 직렬로 연결된 배터리(B1)의 전압(VB1)과 두 번째 직렬로 연결된 배터리(B2)의 전압(VB2) 세 번째 직렬로 연결된 배터리(B3)의 전압(VB3) .... (B176)의 전압(VB176) 사이에 전압편차가 발생하게 된다. 이를 동일한 전압으로 유지하기 위해 도 1 및 도 2와 같이 셀 밸런싱을 한다.

상기의 셀 밸런싱은 도 1에 도시된 바와 같이 전압이 높은 셀로부터 전류를 저항으로 소비하여 전체 셀의 전압을 맞추는 방식을 취하는데, 즉 최고전압 셀의 SW on 에너지를 저항을 이용해 열로 변환하여 손실시키면서 최저 전압 셀들과 최고전압셀이 같은 수준이 될 때 SW off 하는 shunting Resistor를 이용하고 있다.

또한, 도 2와 같이 캐패시터를 이용하여 직렬로 연결된 바로 옆의 셀 충전하는 방식은 에너지 효율 측면에서 유효하지만 많은 비용이 수반되는 문제점이 있다.

따라서, 리튬전지 셀과 저항을 병렬로 연결할 때 스위치를 구비하여 회로를 연결하거나 차단하면서 다수개의 직렬 연결된 배터리 셀의 전압을 일치시키는 방법으로 가장 높은 전압을 가진 셀의 전류를 저항에 인가됨으로써 가장 낮은 전압을 가진 배터리 셀의 성능에 맞추게 된다.

부가적으로, 특정 셀의 전압이 다른 셀에 비해 낮아지게 되면, 다른 셀의 용량이 남아 있음에도 하나의 셀의 용량이 없다면 제일 용량이 적은 셀을 기준으로 과방전 보호 기능이 동작하게 된다. 마찬가지로 특정 셀의 전압이 다른 셀에 비해 높은 경우에는, 다른 셀이 충전을 필요로 하더라도 하나의 셀 전압이 높다면 이를 기준으로 과충전 보호 기능이 동작하게 된다. 이렇게 이러한 이유들로 정격용량 전체를 사용할 수 없게 되어 용량 측면에서의 손실을 입게 된다.

상기와 같은 방식으로 구비된 셀 밸런싱은 충전시 충전이 가장 느린 셀의 전압이 가장 낮게 되는데 이 리튬전지 셀을 충전할 때까지 전압이 높은 다른 셀은 저항과 연결되어 전류의 소비하고 발생하여 에너지 낭비가 발생하지만, 가격이 저가이고 간단하여 현재 대부분의 BMS에서 이 방법을 사용하고 있다.

이를 방지하고자 추가된 셀 밸런싱 기능인 Active balance 회로를 통해 셀 밸런싱을 하게 되면 하나의 낮은 셀의 경우에는 충전을 하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행할 수 있게 되고, Passive balance 회로를 적용한 셀 밸런싱의 경우는 하나의 전압이 높은 셀을 방전하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 자동차의 엔진 구동시 초기 구동을 위하여 고출력의 전기에너지의 필요에 따라 배터리 단독으로 순간 고출력을 담당하는 것보다는 배터리와 슈퍼캐패시터를 병렬로 연결된 복합전지의 구성을 통해 작은 에너지로도 큰 출력에 대응하여 전지의 경량화 및 사이클 수명의 연장을 도출할 수 있는 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치를 제안하고자 한다.

1. 저전압 배터리 충전제어방법 및 시스템(특허출원번호 제10-2015-0178069호) 2. 저전압 배터리 충전 제어 방법 및 장치(특허등록번호 제10-1439059호)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 슈퍼캐패시터 모듈을 구성하는 다수의 슈퍼캐패시터 각각의 전압과 SOC(State of Charge)을 일정하게 유지하는 밸런싱(Balancing) 및 각 캐패시터의 과충전으로 인한 손실을 방지, 보호기능을 수행하기 위하여 밸런싱 알고리즘을 구비하여, 다수의 캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리를 병렬로 연결하여 각 캐패시터의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 캐패시터를 배터리의 전원을 이용하여 충전되도록 하여 슈퍼캐패시터 각각의 전압이 균일하게 충전할 수 있는 슈퍼캐패모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 등가의 전압을 유지하기 위하여 다수의 캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리를 병렬로 연결하여 배터리의 직렬연결된 각 배터리 셀의 전압에 편차가 발생하거나, 각 배터리 셀의 허용치를 넘어서는 전압으로 충전될 때 과충전된 전류를 태워줌으로써 각 배터리 셀 전압의 밸런스를 맞추고, 직렬 연결된 양끝단에 전원을 인가하여 각 배터리 셀 양단 전압이 일정이상 되면 해당 캐패시터와 병렬연결된 저항에 전압이 연동되도록 하여 로드를 방전하여 전압을 균일하게 분배되도록 하는 슈퍼캐패모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치를 제공하기 위한 것이다.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리가 병렬로 연결하여 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 슈퍼캐패시터 셀의 전압에 편차가 발생하여 가장 낮은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터의 셀은 배터리의 전원을 이용하여 충전하거나, 각 슈퍼캐패시터 셀의 허용치를 넘어서는 전압으로 충전될 때 과충전된 전류에 따라 스위칭 동작을 통해 저항을 통해 전류가 도통되도록 하여 슈퍼캐패시터 셀 전압의 밸런스를 맞추어 슈퍼캐패시터 각각의 전압이 균일하게 충전되도록 밸런싱 알고리즘의 동작을 통해 구동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 배터리와 병렬로 연결되어 등가의 전압을 유지하기 위하여 다수의 슈퍼캐패시터를 직렬연결 구성을 갖는 슈퍼캐패시터 모듈를 포함하여 각 슈퍼캐패시터 셀의 허용치를 여부에 따라 전압의 밸런스를 맞추어 균일한 전압이 분배 및 충전이 되는 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치에 있어서, 상기 배터리와 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈 각 셀의 캐패시터에 대하여 등가의 전압을 유지하기 위해 직렬연결된 다수의 슈퍼캐패시터의 양끝단에 전원을 인가한 후 각 셀 캐패시터의 양단 전압이 일정 이상이 되면 연결된 저항을 통해 전압이 균일하게 분배되도록 하고, 급속방전 후 충전할 때 특정 셀 양단전압이 저충전으로 보충을 위해 양단전압 DC/DC 컨버터의 구동을 통해 충전 전원이 제공되도록 밸런싱 장치의 동작을 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어신호에 따라 급속방전 후 충전하거나, 각각 셀에 내장되어있는 Isolated Charger에 의해 전압이 낮은 셀에 충전을 위하여 저전압 라인에 연결되도록 하여 외부 충전기가 고전압 배터리에 인가되지 않더라도 밸런싱 중 충전을 제공하고, 내부전원을 사용하지 않아도 각 셀 간 전압편차가 발생하지 않도록 하는 DC-DC 컨버터; 밸런싱 알고리즘으로 구성되어 각각의 슈퍼캐패시터로 구성된 다수의 셀이 직렬 구조에 따라 방전에 따른 셀 밴런싱 오차를 조절하기 위하여 특정 셀의 전압이 낮은 경우에 셀 밸런싱 통해 하나의 낮은 셀에 충전을 위하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행하고, 특정 셀의 전압이 높은 경우에 셀 밸런싱을 통해 하나의 전압이 높은 셀을 방전하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 제공하는 회로부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는, 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리를 병렬로 연결하여 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 캐패시터를 배터리의 전원을 이용하여 충전되도록하여 캐패시터 각각의 전압이 균일하게 충전할 수 있고, 슈퍼캐패시터 모듈을 구성하는 다수의 슈퍼캐패시터 각각의 전압과 SOC(State of Charge)을 일정하게 유지하는 밸런싱(Balancing) 및 각 캐패시터의 과충전으로 인한 손실을 방지 및 보호기능을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 등가의 전압을 유지하기 위하여 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리를 병렬로 연결하여 배터리의 직렬연결된 각 배터리 셀의 전압에 편차가 발생하거나, 각 배터리 셀의 허용치를 넘어서는 전압으로 충전될 때 과충전된 전류를 태워줌으로써 각 배터리 셀 전압의 밸런스를 맞추고, 직렬 연결된 양끝단에 전원을 인가하여 각 배터리 셀 양단 전압이 일정이상 되면 해당 슈퍼캐패시터와 병렬연결된 저항에 전압이 연동되도록 하여 로드를 방전하여 전압을 균일하게 분배할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 배터리와 슈퍼 캐패시터를 결합하여 장착 차량에 전원으로 사용함으로서, 배터리의 과전류, 과전압의 부하에 따른 이상 유무, 전지의 잔여 전원량의 상태정보를 송출할 수 있고 DC/DC 컨버터를 구비하여 인가되는 출력전압을 설정된 전압으로 변환하여 자동차의 구동에 따른 연료 전지로 사용함으로써 자원으로 재활용을 도출하고 환경오염을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 셀 밸런싱을 할 때에 일반적으로 Passive 밸런싱의 문제점인 하나의 셀 전압이 낮은 경우와 Active 밸런싱의 문제점인 하나의 셀 전압이 높은 경우를 해결하기 위해 기존의 밸런싱 회로에 융복합전지로 충전 회로를 구현하여, 특정한 셀의 전압이 높은 경우에는 Passive 밸런싱 회로를 이용하고, 특정한 셀의 전압이 낮은 경우에는 Active 밸런싱 회로를 이용하여 목표 셀 밸런싱 전압값에 더욱 빠르게 도달하여 배터리의 용량을 더욱 효율적으로 사용할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 슈퍼캐패시터 밸런싱 회로는 셀 밸런싱 회로에 융복합전지를 추가하여, 전압상태에 따라 배터리로 추가 충전이 가능하며, 과전압일시 Passive balance 회로를 이용하여 셀 밸런싱하고, 외부 충전기에 연결되지 않더라도 특정 저전압 셀의 직접 충전이 가능하며, 한 개 모듈의 내부전원을 이용하지 않아 모듈 간 전압 편자 발생 문제까지 해결할 수 있다.

도 1은 종래의 셀 밸런싱을 위한 Passive Balancing 회로도
도 2는 종래의 셀 밸런싱을 위한 Active Balancing 회로
도 3은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 연결 구조도
도 4는 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치의 구성도
도 5는 도 4에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치의 회로도의 블록도
도 6은 도 5에 따른 회로도의 내부 구조도
도 7은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 구동 방법을 도시한 흐름도

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명은 첨부된 도 3에 도시된 바와 같이 등가의 전압을 유지하기 위하여 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(200)과 배터리(300)가 병렬로 연결하여 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터를 배터리의 전원을 이용하여 충전되도록 하여 슈퍼캐패시터 각각의 전압이 균일하게 충전할 수 있도록 구성된다.

즉, 본 발명의 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 병렬로 연결하여 배터리 셀의 전압에 편차가 발생하거나, 각 배터리 셀의 허용치를 넘어서는 전압으로 충전될 때 과충전된 전류를 태워줌으로써 각 배터리 셀 전압의 밸런스를 맞추고, 직렬 연결된 양끝단에 전원을 인가하여 각 배터리 셀 양단 전압이 일정이상 되면 해당 슈퍼캐패시터와 병렬연결된 저항에 전압이 연동되도록 하여 방전을 통해 전압을 균일하게 분배되도록 동작한다.

보다 구체적으로, 슈퍼캐패시터 모듈(200)을 구성하는 다수의 슈퍼캐패시터 각각의 전압과 SOC(State of Charge)을 일정하게 유지하는 밸런싱(Balancing) 및 각 슈퍼캐패시터의 과충전으로 인한 손실을 방지, 보호기능을 수행하기 위하여 밸런싱 알고리즘을 구비하며, 밸런싱 알고리즘의 동작을 통해 다수의 슈퍼캐패시터가 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈과 배터리를 병렬로 연결하여 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하고 가장 낮은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터를 배터리(300)의 전원을 이용하여 충전하여 캐패시터 각각의 전압이 균일하게 충전할 수 있다.

따라서, 상기 슈퍼캐패시터 모듈(200)은 다수의 슈퍼캐패시터(210)가 직렬로 연결되고 상기 배터리(300)와 슈퍼캐패시터 모듈(200)은 병렬로 연결되어 복합전지의 구성을 이루고 배터리(300)와 등가의 전압을 유지하는 구조이다.

즉, 상기 슈퍼캐패시터 모듈(200)은 각 캐패시터(210)의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 캐패시터를 배터리(300)의 전원을 이용하여 충전하여 밸런싱을 유지하도록 회로부(500)를 구성한다.

도 4는 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치의 구성도를 나태는데, 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치는 크게, 제어부(100), 슈퍼캐패시터 모듈(200), 배터리(300), DC-DC 컨버터(400) 및 회로부(500)를 포함하여 구성된다. 이하 첨부된 도 3 내지 4를 참조하여 각 구성의 동작 및 특징을 살펴보면, 상기 슈퍼캐패시터 모듈(200)은 배터리(300)와 병렬로 연결되어 등가의 전압을 유지하기 위하여 다수의 슈퍼캐패시터(210)를 직렬로 연결하여 구성된다.

상기 제어부(100)는 직렬로 연결된 각 슈퍼캐패시터(210)의 전압 편차가 발생하거나, 각 캐패시터의 허용치를 넘어서는 전압으로 충전될 때 과충전된 전류를 태워서 각 셀에 해당하는 캐패시터의 전방의 밸런스가 유지되도록 융복합전지의 밸런싱 장치의 제반적인 동작을 제어한다.

또한, 상기 제어부(100)는 배터리(300)와 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(200) 각 셀의 슈퍼캐패시터(210)에 대하여 등가의 전압을 유지하기 위해 직렬연결된 다수의 캐패시터(210)의 양끝단에 전원을 인가한 후 각 셀 캐패시터의 양단 전압이 일정 이상이 되면 연결된 저항을 통해 전압이 균일하게 분배될 수 있도록 하거나, 급속방전 후 충전할 때 특정 셀 양단전압이 상대적으로 너무 낮아 충분히 충전되지 않을 경우 저충전된 셀에 보충을 위해 양단전압 DC/DC 컨버터(400)의 구동을 통해 충전 전원이 제공될 수 있도록 하여 각각 셀의 슈퍼캐패시터에 내장되어있는 Isolated Charger에 의해 전압이 낮은 셀의 캐패시터가 충전되도록 한다.

상기 DC-DC 컨버터(400)는 상기 제어부(100)의 제어신호에 따라 급속방전 후 충전하거나, 각각 셀에 내장되어있는 Isolated Charger에 의해 전압이 낮은 Cell에 충전을 위하여 저전압 라인에 연결되도록 하여 외부 충전기가 고전압 배터리에 인가되지 않더라도 밸런싱 중 충전이 가능하고, 내부전원을 사용하지 않아도 각 셀 간 전압 편차가 발생하지 않도록 한다.

상기 회로부(500)는 상기 제어부(100)의 제어신호에 따라 상기 배터리(300)와 병렬 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(200)의 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터를 배터리(300)의 전원을 이용하여 충전이 되도록 한다.

또한, 상기 회로부(500)는 각각의 슈퍼캐패시터(210)로 구성된 다수의 셀이 직렬 구조에 따라 방전에 따른 셀 밴런싱 오차를 조절하기 위하여 특정 셀의 전압이 낮은 경우에 셀 밸런싱 통해 하나의 낮은 셀의 경우에는 충전을 하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행할 수 있게 되고, 특정 셀의 전압이 높은 경우에 셀 밸런싱을 통해 하나의 전압이 높은 셀을 방전하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행되도록 한다.

따라서, 상기 회로부(500)의 셀 밸런싱 동작을 통해 Active 및 Passive 밸런싱이 상호 보완되도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치의 회로부(500)의 블록도이고, 도 6은 회로부의 내부 구조도를 도시한 것으로, 융복합전지 밸런싱 장치의 회로부(500)는 마이컴(510), 비교부(530), 스위치부(550) 및 저항부(570)를 포함하여 구성된다.

이하, 첨부된 도 3 내지 도 6을 참조하여 밸런싱 장치의 회로부(500)의 세부구성 및 동작을 살펴보면, 먼저, 상기 마이컴(510)은 셀 밸런싱 동작을 통해 Active 및 Passive 밸런싱이 상호 보완이 되도록 회로부(500)의 제반적인 동작을 제어한다. 보다 구체적으로 각각의 슈퍼캐패시터(210)로 구성된 다수의 셀이 직렬 구조에 따라 방전에 따른 셀 밴런싱 오차를 조절하기 위하여 특정 셀의 전압이 낮은 경우에 셀 밸런싱 통해 하나의 낮은 셀의 경우에는 충전을 하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행하고, 특정 셀의 전압이 높은 경우에 셀 밸런싱을 통해 하나의 전압이 높은 셀을 방전하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱이 되도록 회로부(500)의 제반적인 동작을 제어한다.

즉, 상기 마이컴(510)은 상기 배터리(300)와 병렬 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(200)의 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터를 배터리(300)의 전원을 이용하여 충전이 되도록 하고, 하나의 높은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터를 스위치(550)의 전환을 통해 저항부(570)로 전압이 걸리도록 하여 전원이 방전되도록 하여 셀 밸런싱이 되도록 회로부(500)를 제어한다.

상기 비교부(530)는 슈퍼캐패시터 모듈(200) 내에 직렬연결된 특정 슈퍼캐패시터(210)에 인가되는 전압이 기준값 이상이면 상기 마이컴(510)의 제어신호에 따라 스위치(550)가 on으로 구동되도록 하여 저항부(570)로 밸런스 저항에 전류가 도통되도록 하여 각 슈퍼캐패시터의 양 끝단에 기준값의 전압이 설정되도록 밸런싱을 위해 기준값 설정 전압의 이상 여부를 판단한다.

상기 스위치(550)는 슈퍼캐패시터 모듈(200) 내에 직렬연결된 슈퍼캐패시터의 양끝단에 인가되는 전압에 따라 상기 마이컴(510)의 제어신호에 따라 기준값 여부에 따라 밸런싱을 위해 저항부(570)의 저항을 통해 전류가 도통이 이루어지도록 on/off 전환동작을 한다.

즉, 상기 스위치(550)는 특정 캐패시터(210)에 인가되는 전압이 비교부(530)의 구동에 따라 기준값 이상이면 on 구동하여 저항부(570)의 저항에 전류가 도통되도록 하여 해당 슈퍼캐패시터(210)의 전원이 소비되도록 하고, 기준값 이하이면 off로 구동하여 해당 슈퍼캐패시터(210)에 배터리(300)를 통해 전원이 인가되어 충전이 되도록 하여 상호가 밸런싱이 이루어지도록 한다.

상기 저항부(570)는 상기 마이컴(510)의 제어신호에 따라 반응하여 특정 슈퍼캐패시터(210)의 전압이 기준값 이상일 때 상기 스위치(550)의 구동에 따라 해당 셀의 저항으로 전류가 도통되도록 하여 셀 전압의 밸런싱이 이루어지도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 구동 방법의 도시한 흐름도를 나타내는데, 그 절차를 살펴보면, 먼저, 상기 배터리(300)와 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(200) 각 셀의 슈퍼캐패시터(210)에 대하여 등가의 전압을 유지하기 위해 직렬연결된 다수의 슈퍼캐패시터(210)의 양끝단에 전원을 인가하여 각 셀의 전압을 확인한다.

이때, 특정 슈퍼캐패시터(210)에 충전 또는 방전에 따른 밸런싱이 필요한 대상 여부를 상기 제어부(100)는 판단하게 되고, 저전압 셀이 발생할 경우 셀 밸런싱 통해 하나의 낮은 셀에 충전을 하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행하게 된다. 보다 구체적으로, 상기 비교부(530)를 통해 직렬연결된 특정 슈퍼캐패시터(210)의 셀에 인가되는 전압의 기준값 여부를 판단하여 기준값 이하이면 상기 마이컴(510)의 제어신호에 따라 상기 스위치(550)을 off로 구동하여 해당 셀의 슈퍼캐패시터(210)에 배터리(300)를 통해 전원이 인가되어 충전이 되도록 하여 상호가 밸런싱이 이루어지도록 한다.

한편, 특정 슈퍼캐패시터(210)에 충전 또는 방전에 따른 밸런싱이 필요한 대상 여부를 상기 제어부(100)는 판단하게 되고, 과전압 셀이 발생할 경우 상기 마이컴(510)의 제어신호에 따라 스위치(550)가 on으로 구동되도록 하여 저항부(570)로 밸런스 저항에 전류가 도통되도록 하여 각 캐패시터의 양 끝단에 기준값의 전압이 설정되도록 밸런싱을 진행한다.

보다 구체적으로, 상기 비교부(530)의 구동에 따라 과전압 셀의 발생에 따라 기준값 이상의 신호에 따라 스위치부(550)을 on 구동하여 저항부(570)의 저항에 전류가 도통되도록 하여 해당 셀의 슈퍼캐패시터(210)에 전원이 소비되도록 셀 전압의 밸런싱이 이루어지도록 한다.

예를들어 첨부된 도 6과 같이 cut off 전압이 3V인 셀이 있다면 6개의 셀이면 전체 충전 전압은 18V가 구동되는데, 종래는 3V 이상인 전압을 저항으로 태워서 없애는 패시브 방식인데 3V 이하인 셀에 대해서 액티브 방식으로 직접 DC-DC 전압 5V을 입력을 해서 저충전된 셀에 전압을 직접 보충하므로써 다른 셀이 기다리는 시간을 줄여 더 빠르게 충전할 수 있다.

보다 구체적으로, 슈퍼캐패시터 1번의 전압 밸런싱 회로를 보면 비교부(530)에서 기준값으로 설정전압 이상이 되면(여기서는 2.7V로 설정), 스위치부(550)는 on으로 동작하게 되는데, 이때 저항부(570)의 Balance 저항으로 전류가 도통하게 되며 전류는 저항을 통해 소비되면서 저항의 양 끝단에 기준값(2.7V 전압)이 인가된다. 이는 슈퍼캐패시터에 기준값(2.7V 전압) 이상의 전압이 걸릴 경우 전류를 소비하여 슈퍼캐패시터의 전압이 기준값(2.7V 전압) 이상 걸리지 않도록 해주는 보호기능을 수행하게 된다.

따라서, 동일한 회로 6개가 각각의 슈퍼캐패시터(210)와 병렬로 연결되어 각각의 슈펴캐패시터가 과도하게 충전되지 않도록 보호하는 기능을 수행한다.

상기의 절차에 따라서, 특정 셀의 전압이 다른 셀에 비해 낮아지게 되면, 다른 셀의 용량이 남아 있음에도 하나의 셀의 용량이 없다면 제일 용량이 적은 셀을 기준으로 과방전 보호 기능이 동작하고, 특정 셀의 전압이 다른 셀에 비해 높은 경우 이를 기준으로 과충전 보호 기능이 동작한다.

따라서, Active balance 회로를 통해 셀 밸런싱을 하게 되면 하나의 낮은 셀의 경우에는 충전을 하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행 할 수 있게 되고, Passive balance 회로를 적용한 셀 밸런싱의 경우는 하나의 전압이 높은 셀을 방전하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행할 수 있다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 제어부
200 : 슈퍼캐패시터 모듈 210 : 슈퍼캐패시터
300 : 배터리
400 : DC-DC 컨버터
500 : 회로부
510 : 마이컴 530 : 비교부
550 : 스위치부 570 : 저항부

Claims

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배터리(300)와 병렬로 연결되어 등가의 전압을 유지하기 위하여 다수의 슈퍼캐패시터(210)를 직렬로 연결되는 슈퍼캐패시터 모듈(200)을 포함하여 각 슈퍼캐패시터 셀의 허용치를 여부에 따라 전압의 밸런스를 맞추어 균일한 전압이 분배 및 충전이 되도록, 상기 배터리(300)와 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(200) 각 셀의 슈퍼캐패시터(210)에 대하여 등가의 전압을 유지하기 위해 직렬연결된 다수의 슈퍼캐패시터(210)의 양끝단에 전원을 인가한 후 각 셀 슈퍼캐패시터의 양단 전압이 일정 이상이 되면 연결된 저항을 통해 전압이 균일하게 분배되도록 하고, 급속방전 후 충전할 때 특정 셀 양단전압이 저충전으로 보충을 위해 양단전압 DC/DC 컨버터(400)의 구동을 통해 충전전원이 제공되도록 밸런싱 장치의 동작을 제어하는 제어부(100); 상기 제어부(100)의 제어신호에 따라 급속방전 후 충전하거나, 각각 셀에 내장되어있는 Isolated Charger에 의해 전압이 낮은 셀에 충전을 위하여 저전압 라인에 연결되도록 하여 외부 충전기가 고전압 배터리에 인가되지 않더라도 밸런싱 중 충전을 제공하고, 내부전원을 사용하지 않아도 각 셀 간 전압편차가 발생하지 않도록 하는 DC-DC 컨버터(400); 밸런싱 알고리즘으로 구성되어 각각의 슈퍼캐패시터로 구성된 다수의 셀이 직렬 구조에 따라 방전에 따른 셀 밴런싱 오차를 조절하기 위하여 특정 셀의 전압이 낮은 경우에 셀 밸런싱 통해 하나의 낮은 셀에 충전을 위하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 진행하고, 특정 셀의 전압이 높은 경우에 셀 밸런싱을 통해 하나의 전압이 높은 셀을 방전하여 다른 셀들과 전압을 맞춰 셀 밸런싱을 제공하는 회로부(500);를 포함하여 구성되는 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치에 있어서,
상기 회로부(500)는
상기 배터리(300)와 병렬 연결된 슈퍼캐패시터 모듈(200)의 각 슈퍼캐패시터의 전압을 특정하여 가장 낮은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터를 배터리(300)의 전원을 이용하여 충전이 되도록 하고, 하나의 높은 전압을 갖는 슈퍼캐패시터를 스위치(550)의 전환을 통해 저항부(570)로 전압이 인가되도록 하여 전원이 방전되도록 하여 셀 밸런싱이 되도록 회로부(500)를 제어하는 마이컴(510),
슈퍼캐패시터 모듈(200) 내에 직렬연결된 특정 슈퍼캐패시터(210)에 인가되는 전압이 기준값 이상이면 스위치부(550)를 on 구동하여 저항부(570)로 밸런스 저항에 전류가 도통되도록 하여 각 슈퍼캐패시터의 양 끝단에 기준값의 전압이 설정되도록 밸런싱을 위해 기준값 설정 전압의 이상 여부를 판단하는 비교부(530),
슈퍼캐패시터 모듈(200) 내에 직렬연결된 슈퍼캐패시터의 양끝단에 인가되는 전압에 따라 상기 비교부(530)의 기준값 여부에 따라 밸런싱을 위해 저항부(570)의 저항을 통해 전류의 도통여부가 이루어지도록 on/off 전환동작을 수행하는 스위치(550), 및
특정 캐패시터(210)의 전압이 기준값 이상일 때 상기 스위치(550)의 구동에 따라 해당 셀의 저항으로 전류가 도통되도록 하여 셀 전압의 밸런싱이 이루어지도록 하는 저항부(570)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 슈퍼캐패시트 모듈과 배터리가 결합된 융복합전지의 밸런싱 장치.
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