KR102321508B1 - 울트라 캐패시터 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 울트라 캐패시터 모듈에 관한 것으로, 복수의 울트라 캐패시터들이 전기적으로 연결되는 셀 조립체; 상기 복수의 울트라 캐패시터들의 동작과 관련된 디지털 신호를 출력하는 셀 관리 장치; 상기 셀 조립체 및 상기 셀 관리 장치를 수용하는 케이스 모듈; 및 상기 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 상시 절연하며, 상기 절연된 디지털 신호를 선택적으로 외부 관리 시스템에 출력하는 신호 절연 장치를 포함한다.

Description

울트라 캐패시터 모듈{Ultra-Capacitor Module}
본 발명은 울트라 캐패시터 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디지털 신호를 절연하기 위한 신호 절연 장치를 구비하는 울트라 캐패시터 모듈에 관한 것이다.
울트라 캐패시터(Ultra-Capacitor, UC)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor)라고도 불리며, 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 이차전지와의 병용 및 대체 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.
울트라 캐패시터의 전압은 3V 이하에 불과하므로 울트라 캐패시터를 고전압 어플리케이션에 적용하고자 하는 경우에는, 다수개의 울트라 캐패시터를 직렬로 연결하여 구성한 울트라 캐패시터 모듈이 이용된다.
도 1은 종래의 울트라 캐패시터 모듈의 일례를 모식적으로 도시한 사시도이다. 울트라 캐패시터 모듈(10)의 내부에는 복수의 울트라 캐패시터들을 포함하는 셀 조립체(미도시)와 회로기판 조립체(미도시)가 수납되어 있다. 울트라 캐패시터 모듈(10)의 일 측면에는 복수의 울트라 캐패시터들을 충/방전하기 위한 전극 단자(12, 14)가 구비되어 있다. 또한, 울트라 캐패시터 모듈(10)의 일 측면에는 복수의 울트라 캐패시터들의 동작 상태를 감시하기 위한 디지털 신호 커넥터(16) 등이 구비될 수 있다.
이러한 울트라 캐패시터 모듈의 경우, 각 울트라 캐패시터의 초기 전압, 용량 편차, 누설 전류 편차, 내부 저항 편차 등으로 인해 각 울트라 캐패시터의 전압 불균형이 발생함에 따라 해당 모듈을 구성하는 울트라 캐패시터들의 수명이 상이해질 수 있다. 따라서, 상기 울트라 캐패시터들 중 가장 높은 전압을 갖는 울트라 캐패시터의 수명이 다하게 되면 나머지 울트라 캐패시터들의 수명이 잔존하더라도 해당 모듈의 수명이 다할 수밖에 없어 결과적으로 울트라 캐패시터 모듈의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 울트라 캐패시터들의 전압을 밸런싱하기 위한 전압 밸런싱 회로를 울트라 캐패시터 모듈에 장착하고 있다. 또한, 상기 전압 밸런싱 회로와 함께, 일부 울트라 캐패시터의 전압이 특정 레벨 이상으로 증가하는 것을 경고하기 위한 과전압 알림 회로를 울트라 캐패시터 모듈에 장착하고 있다.
한편, 산업용 시스템에 적용되는 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)는 일반적으로 수백 볼트(V) 이상의 높은 전압으로 설계되어 있기 때문에, 사용상 안전을 위해서 해당 에너지 저장장치의 전극 단자와 케이스 간에 일정한 내전압(즉, 절연 레벨)을 갖도록 설계되어야 한다. 이에 따라, 종래에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 장치(20)의 양극 단자(22)와 음극 단자(24)를 케이블(26)로 연결한 상태에서, 내전압 시험 장치(50)의 측정 단자를 전극 단자(22, 24)와 케이스(28)에 각각 연결하고, 상기 측정 단자를 통해 전극 단자(22, 24) 및 케이스(28)로 미리 결정된 고전압(가령, 4.2kV)을 인가하여 상기 전극 단자(22, 24)와 케이스(28) 간에 내절연성이 파괴되지 않도록 에너지 저장장치를 설계하였다.
그런데, 최근 들어, 산업용 모터 및 모터 드라이버와 관련된 산업의 경우, 비용 절감 차원에서 각종 제어 및 알람 신호를 프로그램식 제어기(Programmable Logic Controller, PLC)에 연결해서 사용하는 경우가 점점 증가하고 있다. 그런데, 산업용 모터 및 모터 드라이버의 디지털 신호가 와이어를 통해 PLC에 연결된 구조에서 사용자가 해당 와이어를 접촉하게 되면 감전 사고가 발생할 수 있다. 이에 따라, 산업용 모터 및 모터 드라이버와 관련된 산업에서는 국제 표준 규정인 IEC 61800-5-1에서 정의하는 안전 규격을 요구하고 있다.
이러한 산업용 모터 및 모터 드라이버와 관련된 산업에서 에너지 저장장치가 응용되기 위해서는 동일한 안전 규격을 만족할 필요가 있다. 해당 안전 규격에서는 에너지 저장장치의 전극 단자와 케이스 간의 높은 내전압을 요구할 뿐만 아니라, 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간, 케이스와 디지털 신호 커넥터 간에도 일정한 내전압을 요구하고 있다.
그런데, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 에너지 저장 장치(30)의 양극 단자(32)와 음극 단자(34) 간을 제1 케이블(37)로 연결하고, 디지털 신호 커넥터(36)와 케이스(39) 간을 제2 케이블(38)로 연결한 상태에서, 내전압 시험 장치(50)의 측정 단자를 전극 단자(32, 34)와 디지털 신호 커넥터(36)에 각각 연결하여 미리 결정된 고전압(4.2kV)을 인가한 경우, 해당 에너지 저장장치(30)의 전극 단자(32, 34)와 디지털 신호 커넥터(36) 간에 내절연성이 파괴되는 문제가 있다. 따라서, 국제 표준 규정에서 요구하는 산업 안전 규격을 만족하는 에너지 저장장치를 설계할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 국제 표준 규정에서 요구하는 산업 안전 규격을 만족하는 울트라 캐패시터 모듈을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 절연하기 위한 신호 절연 장치를 구비하는 울트라 캐패시터 모듈을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간의 고전압 내절연성을 향상시키기 위한 신호 절연 장치를 구비하는 울트라 캐패시터 모듈을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 복수의 울트라 캐패시터들이 전기적으로 연결되는 셀 조립체; 상기 복수의 울트라 캐패시터들의 동작과 관련된 디지털 신호를 출력하는 셀 관리 장치; 상기 셀 조립체 및 상기 셀 관리 장치를 수용하는 케이스 모듈; 및 상기 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 상시 절연하며, 상기 절연된 디지털 신호를 선택적으로 외부 관리 시스템에 출력하는 신호 절연 장치를 포함하는 울트라 캐패시터 모듈을 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 셀 관리 장치는 울트라 캐패시터들의 전압을 밸런싱하는 전압 밸런싱부와, 상기 울트라 캐패시터들에서 발생하는 과전압을 감지하는 과전압 검출부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 디지털 신호는 셀 관리 장치의 과전압 검출부에서 출력되는 과전압 알람 신호일 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 신호 절연 장치는 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호를 기반으로 상기 과전압 알람 신호에 대응하는 스위칭 동작 신호를 출력할 수 있다. 또한, 상기 신호 절연 장치는 입력 신호에 해당하는 DC 전압 신호와 출력 신호에 해당하는 스위칭 동작 신호 간을 전기적으로 절연할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 신호 절연 장치는 케이스 모듈의 일 측면에 배치된 양극 단자와 음극 단자 사이에 장착될 수 있다. 또한, 상기 신호 절연 장치의 일 측면에 장착된 디지털 신호 커넥터는 복수의 울트라 캐패시터들의 동작 상태를 원격으로 감시하기 위해 사용될 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 신호 절연 장치는, 셀 관리 장치의 출력 커넥터와 디지털 신호 커넥터 사이에 배치되어, 상기 셀 관리 장치의 출력 커넥터와 상기 디지털 신호 커넥터 사이를 전기적으로 절연할 수 있다. 또한, 상기 신호 절연 장치는, 신호절연 릴레이틀 통해 절연된 디지털 신호를 디지털 신호 커넥터를 통해 외부 관리 시스템으로 출력할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 신호 절연 장치는 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 절연하는 신호절연 릴레이를 포함할 수 있다. 상기 신호절연 릴레이는 전자석과 기계식 스위치를 포함할 수 있다. 또한, 상기 신호절연 릴레이는 기계식 접점이 없는 반도체 릴레이(Solid State Relay)를 포함할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 신호 절연 장치는 신호절연 릴레이에 구동 전원을 인가하는 릴레이 전원부와, 상기 신호절연 릴레이를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하는 릴레이 구동부를 더 포함할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 릴레이 전원부는 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자에서 출력되는 전압을 릴레이 구동 전압으로 변환할 수 있다. 또한, 상기 릴레이 전원부는 하나 이상의 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 릴레이 구동부는 셀 관리 장치로부터 수신되는 디지털 신호에 대응하여 신호절연 릴레이를 구동할 수 있다. 또한, 상기 릴레이 구동부는 하나 이상의 트랜지스터 소자를 포함할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 신호 절연 장치는 기판 조립체와 상기 기판 조립체를 수용하는 하우징 모듈로 구성되며, 상기 기판 조립체는 릴레이 전원부, 릴레이 구동부 및 신호절연 릴레이에 대응하는 전자 부품들을 회로기판에 실장하여 형성될 수 있다. 상기 신호절연 릴레이의 입력단에 연결되는 제1 전자 부품들이 회로기판의 제1 영역에 실장되고, 상기 신호절연 릴레이의 출력단에 연결되는 제2 전자 부품들이 회로기판의 제2 영역에 실장되는 경우, 상기 회로기판의 제1 영역과 제2 영역은 일정 거리 이상 이격되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 절연하기 위한 신호 절연 장치를 울트라 캐패시터 모듈에 장착함으로써, 국제 표준 규정에서 요구하는 산업 안전 규격을 충족시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 셀 관리 장치의 출력 커넥터와 디지털 신호 커넥터 사이에 배치되는 신호 절연 장치를 울트라 캐패시터 모듈에 장착함으로써, 상기 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간의 고전압 내절연성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 울트라 캐패시터 모듈이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 울트라 캐패시터 모듈의 일례를 모식적으로 도시한 사시도;
도 2는 종래의 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자와 케이스 간의 내전압을 시험하는 방법을 예시하는 도면;
도 3은 종래의 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자와 케이스와 디지털 신호 커넥터 간의 내전압을 시험하는 방법을 예시하는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 외관을 나타내는 사시도;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 기능 블록도;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 회로 구성도;
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 절연 장치의 구성 블록도;
도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 신호 절연 장치의 상세 회로도;
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 신호 절연 장치의 상세 회로도
도 10은 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간의 내전압을 시험하는 방법을 예시하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 국제 표준 규정에서 요구하는 산업 안전 규격을 만족하는 울트라 캐패시터 모듈을 제안한다. 또한, 본 발명은 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호, 특히 과전압 알람 신호(Over Voltage Alarm Signal, OVA signal)를 절연하기 위한 신호 절연 장치를 구비하는 울트라 캐패시터 모듈을 제안한다. 또한, 본 발명은 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간의 고전압 내절연성을 향상시키기 위한 신호 절연 장치를 구비하는 울트라 캐패시터 모듈을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 기능 블록도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 회로 구성도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈(400)은 셀 조립체(410), 상기 셀 조립체(410)와 전기적으로 연결되는 셀 관리 장치(420), 상기 셀 조립체(410) 및 셀 관리 장치(420)를 수용하는 케이스 모듈(430), 상기 케이스 모듈(430)의 일 측면에 장착되는 신호 절연 장치(440)를 포함할 수 있다.
셀 조립체(410)는 적어도 둘 이상의 울트라 캐패시터 셀들(411)이 전기적으로 연결되어 형성될 수 있다. 이러한 셀 조립체(410)를 구성하는 울트라 캐패시터(411)는 빠른 충/방전 특성을 가지며 이에 따라 이동통신 정보기기인 휴대폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원으로서뿐만 아니라, 고 용량이 요구되는 전기 자동차나 하이브리드 자동차, 태양전지용 전원 장치, 무 정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply: UPS) 등의 주 전원 또는 보조전원으로 사용될 수 있다.
각각의 울트라 캐패시터(411)는 원통 또는 직육면체 형상으로 형성될 수 있으며, 전극이 형성된 길이 방향으로 다른 울트라 캐패시터와 전기적으로 연결되어 셀 조립체(410)를 구성할 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 울트라 캐패시터 간의 전기적 연결은 연결 부재, 예를 들어 너트(nut) 및/또는 부스바(bus bar)에 의해 연결될 수 있다.
울트라 캐패시터(411)는 베어셀, 제1 및 제2 내부 터미널, 제1 및 제2 외부 터미널, 케이스를 포함할 수 있다. 상기 베어셀은 전극소자라 불리는 것으로서, 양극, 음극 및 분리막(Separator)이 권취되어 형성된다. 제1 내부 터미널은 베어셀의 양극과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 제2 내부 터미널은 베어셀의 음극과 전기적으로 연결되도록 형성된다. 제1 외부 터미널은 제1 내부 터미널과 일체형으로 결합되어 케이스 상단을 밀봉하도록 형성되고, 제2 외부 터미널은 제2 내부 터미널과 일체형으로 결합되어 케이스 하단을 밀봉하도록 형성된다. 케이스는 베어셀을 수용하기 위한 내부 공간을 갖도록 형성된다.
셀 관리 장치(또는 셀 밸런싱 장치, 420)는 복수의 울트라 캐패시터들의 동작 상태(가령, 셀 전압 상태)를 관리 및 감시하기 위한 수동 및 능동 소자들을 회로기판에 실장하여 형성될 수 있다. 상기 셀 관리 장치(420)는 셀 조립체(410)를 구성하는 복수의 울트라 캐패시터들(411)과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
셀 관리 장치(420)는 수동 셀 밸런싱 기능을 수행하기 위한 제1 전압 밸런싱부(421), 능동 셀 밸런싱 기능을 수행하기 위한 제2 전압 밸런싱부(422), 울트라 캐패시터들의 과전압을 검출하기 위한 과전압 검출부(423) 및 울트라 캐패시터들의 동작 상태와 관련된 디지털 신호를 출력하기 위한 출력 커넥터(425) 등을 포함할 수 있다.
제1 전압 밸런싱부(421)는, 각각의 울트라 캐패시터(411)에 병렬로 연결되어, 각 울트라 캐패시터(411)의 전압을 지속적으로 방전시키는 기능을 수행할 수 있다. 일 실시 예로, 제1 전압 밸런싱부(421)는 미리 결정된 저항 값을 갖는 저항 소자(R)로 구성될 수 있다.
제2 전압 밸런싱부(422)는, 각각의 울트라 캐패시터(411)에 병렬로 연결되어, 각 울트라 캐패시터(411)의 전압이 미리 결정된 제1 임계전압을 초과하면 상기 울트라 캐패시터(411)의 전압이 제1 임계전압 이하가 될 때까지 울트라 캐패시터(411)의 전압을 능동적으로 방전시키는 기능을 수행할 수 있다.
일 실시 예로, 제2 전압 밸런싱부(422)는 제1 내지 제3 저항(R1~R3), 제1 전압 검출부(Voltage Detector) 및 제1 스위치(Switch)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 저항(R1, R2)은 제1 임계전압의 값을 조절하기 위한 저항 소자들로서, 저항 값의 조절을 통해 제1 임계전압의 값이 조절되도록 한다. 제3 저항(R3)은 제1 스위치가 턴 온(turn on)되면 울트라 캐패시터(411)와 직렬로 연결됨으로써 울트라 캐패시터(411)의 전압을 방전시킨다.
제1 전압 검출부는 울트라 캐패시터(411)의 전압을 검출하고, 울트라 캐패시터(411)의 전압이 제1 임계전압을 초과하면 제1 스위치를 턴 온시켜 울트라 캐패시터(411)의 전압이 제3 저항(R3)을 통해 방전되도록 한다. 제1 전압 검출부는 울트라 캐패시터(411)의 전압이 제1 임계전압 이하가 되면 제1 스위치를 턴 오프(turn off)시켜 울트라 캐패시터(411)의 전압 방전이 중지되도록 한다.
제1 스위치는 제1 전압 검출부로부터 전달되는 턴 온 명령 또는 턴 오프 명령에 따라 턴 온 또는 턴 오프되어, 제3 저항(R3)과 울트라 캐패시터(411)를 직렬로 연결시키거나 그 연결을 차단한다. 일 실시 예로, 제1 스위치는 반도체 소자인 FET(Filed Effect Transistor) 소자 또는 BJT(Bipolar　Junction　Transistor) 소자로 구현될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
과전압 검출부(423)는, 각각의 울트라 캐패시터(411)에 병렬로 연결되어, 각 울트라 캐패시터(411)의 전압이 미리 결정된 제2 임계전압을 초과하면 과전압 알람 신호를 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
일 실시 예로, 과전압 검출부(423)는, 제4 내지 제6 저항(R4~R6), 제2 전압 검출부(Voltage Detector), 제2 스위치(Switch) 및 포토 커플러(photo coupler)를 포함할 수 있다.
제4 및 제5 저항(R4, R5)은 제2 임계전압의 값을 조절하기 위한 저항 소자들로서, 저항 값의 조절을 통해 제2 임계전압의 값이 조절되도록 한다. 제6 저항(R6)은 제2 스위치가 턴 온(turn on)되면 울트라 캐패시터(411) 및 포토 커플러와 직렬로 연결됨으로써 포토 커플러를 구동시킨다.
제2 전압 검출부는 울트라 캐패시터(411)의 전압을 검출하고, 울트라 캐패시터(411)의 전압이 제2 임계전압을 초과하면 제2 스위치를 턴 온(turn on)시키고, 울트라 캐패시터(411)의 전압이 제2 임계전압 이하가 되면 제2 스위치를 턴 오프(turn off)시킨다.
제2 스위치는 제2 전압 검출부로부터 전달되는 턴 온 명령 또는 턴 오프 명령에 따라 턴 온 또는 턴 오프되어, 제6 저항(R6)과 울트라 캐패시터(411)와 포토 커플러를 직렬로 연결시키거나 그 연결을 차단한다. 일 실시 예로, 제2 스위치는 반도체 소자인 FET 소자 또는 BJT 소자로 구현될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
포토 커플러는 발광소자와 수광소자로 구성되며, 입력 신호와 출력 신호 간을 전기적으로 절연시키면서 광으로 신호를 전달하는 장치이다. 상기 제2 스위치가 턴 온 상태가 되면, 포토 커플러는 입력단으로 입력되는 입력 신호에 기초하여 출력 신호(즉, 과전압 알람 신호)를 출력하게 된다. 한편, 상기 제2 스위치가 턴 오프 상태가 되면, 포토 커플러는 입력 신호가 없기 때문에 별도의 출력 신호를 출력하지 않게 된다. 일 예로, 상기 포토 커플러의 출력단에서 출력되는 과전압 알람 신호는 5V의 전압으로 구성된 디지털 신호일 수 있다.
출력 커넥터(425)는, 신호 절연 장치(440)의 입력 단과 연결되어, 셀 관리 장치(420)로부터 입력되는 디지털 신호를 상기 신호 절연 장치(440)로 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 이외에도, 셀 관리 장치(420)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 내부 온도를 측정하기 위한 온도 센서(미도시)와, 울트라 캐패시터 모듈(400)의 중간 전압을 측정하기 위한 전압 센싱 회로(미도시) 등을 추가로 포함할 수 있다. 상기 온도 센서로는 NTC 써미스터(Negative　Temperature　Coefficient Thermistor) 또는 PTC 써미스터(Positive　Temperature　Coefficient Thermistor)가 사용될 수 있다.
케이스 모듈(430)은 복수의 울트라 캐패시터들(411)이 직렬로 연결되어 형성된 셀 조립체(410)와 상기 셀 조립체(410)에 인접하여 배치된 셀 관리 장치(420)를 수용할 수 있다. 케이스 모듈(430)은 울트라 캐패시터들(411)의 외 측면에 대응되는 형상을 갖는 수용부를 구비함으로써 셀 조립체(410)를 수용할 수 있다.
케이스 모듈(430)은 동일한 형태를 갖는 적어도 둘 이상의 케이스 블록이 결합되어 형성될 수 있다. 상기 케이스 블록의 결합에 의해 셀 조립체(410)를 수용하는 수용부가 형성될 수 있다. 상기 케이스 모듈(430)은 절연성 재질로 구현될 수 있다.
케이스 모듈(430)의 일 측면에는 셀 조립체(410)와의 전기적 연결을 위한 전극 단자(450, 460)가 구비될 수 있다. 상기 전극 단자(450, 460)는 울트라 캐패시터 모듈(400)에 장착된 복수의 울트라 캐패시터들(411)의 충/방전에 사용된다. 따라서, 상기 전극 단자(450, 460)는 외부의 전원이나 부하로 연결될 수 있다.
케이스 모듈(430)의 일 측면에는 신호 절연 장치(440)가 구비될 수 있다. 상기 신호 절연 장치(440)는 케이스 모듈(430)의 일 측면에 배치된 양극 단자(450)와 음극 단자(460) 사이에 장착될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
신호 절연 장치(440)의 일 측면에는 외부로 돌출된 디지털 신호 커넥터(470)가 구비될 수 있다. 상기 디지털 신호 커넥터(470)는, 울트라 캐패시터 모듈(400)의 중간 전압, 내부 온도, 울트라 캐패시터들의 과전압 발생 여부 등과 같은 동작 상태를 원격으로 모니터링하기 위해 사용된다. 따라서, 상기 디지털 신호 커넥터(470)는 외부 관리 시스템(또는 외부 관리 장치, 500)과 전기적으로 연결될 수 있다.
신호 절연 장치(440)의 입력 단은 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460) 및 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 신호 절연 장치(440)는 전극 단자(450, 460)로부터 구동 전원을 공급받을 수 있고, 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)로부터 울트라 캐패시터 모듈(400)의 동작 상태와 관련된 디지털 신호를 입력 받을 수 있다. 상기 디지털 신호로는 과전압 알람 신호, 중간 전압 신호 또는 내부 온도 신호 등이 있다. 이하 본 실시 예에서, 신호 절연의 대상이 되는 디지털 신호는 과전압 알람 신호임을 예시하여 설명하도록 한다.
신호 절연 장치(440)의 출력 단은 디지털 신호 커넥터(470)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 신호 절연 장치(440)의 출력 단은 디지털 신호 커넥터(470)를 통해 외부 관리 시스템(500)과 연결될 수 있다.
신호 절연 장치(440)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 셀 관리 장치(420)로부터 수신되는 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(가령, 5V 신호)를 기반으로 상기 과전압 알람 신호에 대응하는 스위칭 동작 신호(가령, 스위치 온/오프 신호)를 출력할 수 있다. 여기서, 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호는 신호 절연 장치(440)의 입력 신호에 대응하고, 상기 과전압 알람 신호에 대응하는 스위칭 동작 신호는 신호 절연 장치(440)의 출력 신호에 대응한다.
신호 절연 장치(440)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 셀 관리 장치(420)에서 출력되는 디지털 신호(즉, 과전압 알람 신호)를 절연하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 신호 절연 장치(440)는 입력 신호에 해당하는 DC 전압 신호와 출력 신호에 해당하는 스위칭 동작 신호 간을 전기적으로 절연하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 신호 절연 장치(440)는, 과전압 알람 신호의 발생 유무와 관계없이, 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 디지털 신호 커넥터(470) 사이에 배치되어 상기 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 디지털 신호 커넥터(470) 간을 전기적으로 절연하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 절연 구조를 통해, 신호 절연 장치(440)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)와 디지털 신호 커넥터(470) 간의 고전압 내절연성을 향상시킬 수 있다. 상기 신호 절연 장치(440)의 구성 및 동작에 대한 자세한 설명은 도면을 참조하여 후술하도록 한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈은 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 절연하기 위한 신호 절연 장치를 구비함으로써, 상기 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간의 고전압 내절연성을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈은 셀 관리 장치와 디지털 신호 커넥터 사이에 배치된 신호 절연 장치를 이용하여 국제 표준 규정에서 요구하는 내전압 안전 규격을 충족시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 절연 장치의 구성 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 절연 장치(440, 700)는 릴레이 전원부(710), 릴레이 구동부(720) 및 신호절연 릴레이(730)를 포함할 수 있다.
릴레이 전원부(710)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)로부터 입력되는 출력 전압(Vin)을 이용하여 신호절연 릴레이(730)의 구동 전압(Vrelay)을 생성하고, 상기 생성된 구동 전압(Vrelay)을 신호절연 릴레이(730)로 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해, 릴레이 전원부(710)의 입력단은 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있고, 출력단은 신호절연 릴레이(730)의 입력단에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다.
통상, 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)에서 출력되는 전압(Vin)은 미리 결정된 전압 범위(가령, 15V~400V)를 갖는 고 전압이고, 신호절연 릴레이(730)의 구동 전압(Vrelay)은 일정한 전압 값(가령, 5V)을 갖는 저 전압이다. 따라서, 본 실시 예에 따른 릴레이 전원부(710)는 고 전압을 저 전압으로 변환하기 위한 하나 이상의 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터로는 강압 컨버터(Step-down Converter) 또는 벅 컨버터(Buck Converter)가 사용될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 릴레이 전원부(710)가 릴레이 구동전원을 울트라 캐패시터 모듈(400)로부터 수신하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 외부 관리 시스템(500)으로부터 릴레이 구동전원을 수신하거나 혹은 별도의 전력원(미도시)으로부터 릴레이 구동전원을 수신할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
릴레이 구동부(720)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 셀 관리 장치(420)에서 출력되는 디지털 신호의 유무에 기초하여 신호절연 릴레이(730)를 구동하는 기능을 수행할 수 있다. 이하, 본 실시 예에서, 상기 디지털 신호는 셀 관리 장치(420)의 과전압 검출부(423)에서 출력되는 과전압 알람 신호(Vova)임을 예시하여 설명하도록 한다.
즉, 릴레이 구동부(720)는, 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 수신되는 경우 신호절연 릴레이(730)가 구동되도록 제어하고, 상기 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 수신되지 않는 경우 신호절연 릴레이(730)가 구동되지 않도록 제어한다. 이를 위해, 릴레이 구동부(720)의 입력단은 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있고, 출력단은 신호절연 릴레이(730)의 입력단에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 릴레이 구동부(720)는 하나 이상의 반도체 스위치 소자(즉, 트랜지스터 소자)로 구성될 수 있다.
신호절연 릴레이(730)는, 신호 절연 장치(700)의 입력 신호와 출력 신호 사이를 전기적으로 절연하면서 과전압 알람 신호를 디지털 신호 커넥터(470)로 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해, 신호절연 릴레이(730)의 입력단은, 릴레이 전원부(710) 및 릴레이 구동부(720)의 출력단에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있고, 출력단은 디지털 신호 커넥터(470)에 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다.
신호절연 릴레이(730)는, 릴레이 구동부(720)의 구동 명령에 따라, 신호 절연 장치(700)의 입력 신호와 출력 신호 간을 전기적으로 절연시키면서 과전압 알람 신호를 전달하는 장치이다. 여기서, 신호 절연 장치(700)의 입력 신호는 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(가령, 5V 신호)이고, 출력 신호는 상기 과전압 알람 신호에 대응하는 스위칭 동작 신호(가령, 스위치 온/오프 신호)이다.
일 실시 예로, 신호절연 릴레이(730)는 전자석과 기계식 스위치로 구성될 수 있다. 상기 신호절연 릴레이(730)는 릴레이 구동부(720)의 구동 신호에 따라 전자석에 전류가 흐르게 되면, 전자석이 자석으로 동작하게 되어 기계식 스위치를 온(ON) 시킨다. 따라서, 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)로부터 릴레이 구동부(720)의 입력 단으로 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 수신되면, 신호절연 릴레이(730)는 릴레이 구동부(720)의 구동 신호에 따라 상기 DC 전압 신호와 전기적으로 절연된 스위치 온 신호(closed signal)를 디지털 신호 커넥터(470)로 출력하게 된다.
한편, 다른 실시 예로, 상기 신호절연 릴레이(730)는 기계식 접점이 없는 반도체 릴레이(Solid State Relay, SSR)로 구성될 수도 있다.
신호 절연 장치(700)는 기판 조립체(미도시)와 상기 기판 조립체를 수용하는 하우징 모듈(미도시)로 구성될 수 있다. 상기 기판 조립체는, 릴레이 전원부(710), 릴레이 구동부(720) 및 신호절연 릴레이(730)를 구현하기 위한 전자 부품들을 회로기판에 실장하여 형성될 수 있다.
신호절연 릴레이(730)의 입력단에 연결되는 제1 전자 부품들은 회로기판의 제1 영역에 배치될 수 있고, 상기 신호절연 릴레이(730)의 출력단에 연결되는 제2 전자 부품들은 회로기판의 제2 영역에 배치될 수 있다. 상기 회로기판의 제1 영역과 제2 영역은 물리적으로 일정 거리 이상 이격되도록 배치될 수 있다. 이는 신호 절연 장치(700)의 입력 신호와 출력 신호 간을 전기적으로 절연시킬 뿐만 아니라 물리적으로도 절연시키기 위함이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 신호 절연 장치는, 울트라 캐패시터 모듈의 셀 관리 장치에서 출력되는 과전압 알람 신호를 절연함과 동시에, 상기 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간의 고전압 내절연성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 신호 절연 장치의 상세 회로도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 신호 절연 장치(800)는 제1 커넥터(810), 릴레이 전원부(820), 릴레이 구동부(830), 신호절연 릴레이(840) 및 제2 커넥터(850)를 포함할 수 있다.
제1 커넥터(810)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)에서 출력되는 전압 신호를 릴레이 전원부(820)로 전달할 수 있고, 해당 모듈(400)의 셀 관리 장치(420)에서 출력되는 디지털 신호(즉, 과전압 알람 신호)를 릴레이 구동부(830)로 전달할 수 있다.
제1 커넥터(810)의 입력단은 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460) 및 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시 예로, 제1 커넥터(810)의 제1 단자는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 양극 단자(450)와 연결될 수 있고, 제1 커넥터(810)의 제5 단자는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 음극 단자(460)와 연결될 수 있으며, 제1 커넥터(810)의 제3 단자는 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 연결될 수 있다.
제1 커넥터(810)의 출력단은 릴레이 전원부(820) 및 릴레이 구동부(830)와 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시 예로, 제1 커넥터(810)의 제1 단자는 릴레이 전원부(820)의 입력단에 연결될 수 있고, 제1 커넥터(810)의 제5 단자는 접지(ground)와 연결될 수 있으며, 제1 커넥터(810)의 제3 단자는 릴레이 구동부(830)의 입력단에 연결될 수 있다.
릴레이 전원부(820)는 제1 커넥터(810)로부터 입력되는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 출력 전압(Vin)을 신호절연 릴레이(840)의 구동 전압으로 변환할 수 있다. 즉, 릴레이 전원부(820)는 높은 DC 전압을 낮은 DC 전압으로 변환하여 신호절연 릴레이(840)로 출력할 수 있다. 일 실시 예로, 릴레이 전원부(820)는 하나의 DC/DC 컨버터로 구성될 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터(820)는 제1 내지 제5 저항(R1~R5), 제1 내지 제4 캐패시터(C1~C4), 인덕터(L1) 및 집적 회로(IC)를 포함할 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터(810)의 입력단은 제1 커넥터(810)의 제1 단자와 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 신호절연 릴레이(840)의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, DC/DC 컨버터(820)는 제1 커넥터(810)의 제1 단자로부터 입력되는 울트라 패캐시터 모듈(400)의 전압(Vin)을 미리 결정된 전압(가령, 5V)으로 감압한 후 해당 전압을 신호절연 릴레이(840)로 출력할 수 있다.
릴레이 구동부(830)는 제1 커넥터(810)로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 수신되는지 여부에 따라 신호절연 릴레이(840)를 구동할 수 있다.
일 실시 예로, 릴레이 구동부(830)는 제6 저항(R6), 제7 저항(R7) 및 트랜지스터 소자(Q1)를 포함할 수 있다. 상기 트랜지스터 소자로는 FET 소자 또는 BJT 소자가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 이하 본 실시 예에서, 상기 트랜지스터 소자(Q1)는 N형 MOSFET 소자임을 예시하여 설명하도록 한다. 상기 릴레이 구동부(830)의 입력단은 제1 커넥터(810)의 제3 단자와 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 신호절연 릴레이(840)의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 커넥터(810)의 제3 단자로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되는 경우, 릴레이 구동부(830)는 트랜지스터 소자(Q1)를 턴 온(turn on) 시켜 신호절연 릴레이(840)의 전자석에 전류가 흐르도록 제어한다. 한편, 제1 커넥터(810)의 제3 단자로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되지 않는 경우, 릴레이 구동부(830)는 트랜지스터 소자(Q1)를 턴 오프(turn off) 시켜 신호절연 릴레이(840)의 전자석에 전류가 흐르지 않도록 제어한다.
신호절연 릴레이(840)는 신호 절연 장치(800)의 입력 신호와 출력 신호 사이를 전기적으로 절연하면서 과전압 알람 신호를 외부 관리 시스템(500)으로 전달할 수 있다. 또한, 상기 신호절연 릴레이(840)는 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 디지털 신호 커넥터(470) 사이를 전기적으로 절연할 수 있고, 그에 따라 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)와 디지털 신호 커넥터(470) 간의 고전압 내절연성을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예로, 신호절연 릴레이(840)는 다이오드(D1), 전자석 및 기계식 스위치를 포함할 수 있다. 상기 신호절연 릴레이(840)의 입력단은 DC/DC 컨버터(820) 및 릴레이 구동부(830)의 출력단과 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 제2 커넥터(850)와 전기적으로 연결될 수 있다.
정상 모드로 동작하는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 경우, 제1 커넥터(810)로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되지 않기 때문에, 릴레이 구동부(830)의 트랜지스터 소자(Q1)는 턴 오프(turn off) 상태로 존재하고, 신호절연 릴레이(840)의 기계식 스위치는 오프 상태로 존재한다. 이에 따라, 신호절연 릴레이(840)는 스위치 오프 신호(switch off signal)를 제2 커넥터(850)로 출력하게 된다. 외부 관리 시스템(500)의 사용자(또는 운용자)는 이러한 스위치 오프 신호를 통해 울트라 캐패시터 모듈(400)의 동작 모드가 정상 모드임을 원격으로 확인할 수 있게 된다.
한편, 울트라 캐패시터 모듈(400)에서 과전압 이벤트가 발생하는 경우, 제1 커넥터(810)로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되고, 상기 DC 전압 신호(Vova)에 대응하여 릴레이 구동부(830)의 트랜지스터 소자(Q1)가 턴 온 상태가 되면, 신호절연 릴레이(840)의 전자석에 전류가 흐르게 되어 기계식 스위치를 온(ON) 시킨다. 이에 따라, 신호절연 릴레이(840)는 신호 절연 장치(800)의 입력 신호(즉, DC 전압 신호)와 전기적으로 절연된 출력 신호(즉, 스위치 온 신호, switch on signal)를 제2 커넥터(850)로 출력하게 된다. 외부 관리 시스템(500)의 사용자(또는 운용자)는 이러한 스위치 온 신호를 통해 울트라 캐패시터 모듈(400)에서 과전압 알람 신호가 발생하고 있음을 원격으로 확인할 수 있게 된다.
제2 커넥터(850)는 신호절연 릴레이(840)의 출력 신호를 디지털 신호 커넥터(470)를 통해 외부 관리 시스템(500)으로 전달할 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 커넥터(850)의 입력단은 신호절연 릴레이(840)의 출력단과 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 디지털 신호 커넥터(470)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 신호 절연 장치의 상세 회로도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 신호 절연 장치(900)는 제1 커넥터(910), 릴레이 전원부(920), 릴레이 구동부(930), 신호절연 릴레이(940) 및 제2 커넥터(950)를 포함할 수 있다.
신호 절연 장치(900)의 제1 커넥터(910), 신호절연 릴레이(940) 및 제2 커넥터(950)는 상술한 도 8에 도시된 신호 절연 장치(800)의 제1 커넥터(810), 신호절연 릴레이(840) 및 제2 커넥터(850)와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
제1 커넥터(910)는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)에서 출력되는 전압 신호를 릴레이 전원부(920)로 전달할 수 있고, 해당 모듈(400)의 셀 관리 장치(420)에서 출력되는 디지털 신호(즉, 과전압 알람 신호)를 릴레이 구동부(930)로 전달할 수 있다. 상기 제1 커넥터(910)의 입력단은 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460) 및 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 전기적으로 연결될 수 있고, 제1 커넥터(910)의 출력단은 릴레이 전원부(920) 및 릴레이 구동부(930)와 전기적으로 연결될 수 있다.
릴레이 전원부(920)는 제1 커넥터(910)로부터 입력되는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 출력 전압(Vin)을 신호절연 릴레이(940)의 구동 전압으로 변환할 수 있다. 즉, 릴레이 전원부(920)는 높은 DC 전압을 낮은 DC 전압으로 변환하여 신호절연 릴레이(940)로 출력할 수 있다.
일 실시 예로, 릴레이 전원부(920)는 두 개의 DC/DC 컨버터(921, 923)로 구성될 수 있다. 이는 릴레이 전원부(920)의 입력단으로 매우 넓은 전압 범위(가령, 15V~400V)를 갖는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전압(Vin)이 입력되더라도 해당 릴레이 전원부(920)의 출력단에서 일정한 전압(가령, 5V)을 출력하기 위함이다.
제1 DC/DC 컨버터(921)는 제1 및 제2 저항(R1, R2), 제1 내지 제3 캐패시터(C1~C3), 인덕터(L1), 제1 및 제2 다이오드(D1, D2) 및 제1 집적 회로(U1)를 포함할 수 있다. 상기 제1 DC/DC 컨버터(921)의 입력단은 제1 커넥터(910)의 제1 단자와 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 제2 DC/DC 컨버터(923)의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 DC/DC 컨버터(921)는 제1 커넥터(910)로부터 입력되는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전압(Vin)을 미리 결정된 제1 전압으로 변환(감압)하고, 상기 변환된 제1 전압을 제2 DC/DC 컨버터(923)로 출력할 수 있다.
제2 DC/DC 컨버터(923)는 제3 저항(R3), 제4 내지 제6 캐패시터(C4~C6), 제3 다이오드(D3) 및 제2 집적 회로(U2)를 포함할 수 있다. 상기 제2 DC/DC 컨버터(923)의 입력단은 제1 DC/DC 컨버터(921)의 출력단과 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 신호절연 릴레이(940)의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제2 DC/DC 컨버터(923)는 제1 DC/DC 컨버터(921)의 출력 전압을 미리 결정된 제2 전압으로 변환(감압)하고, 상기 변환된 제2 전압을 신호절연 릴레이(940)로 출력할 수 있다.
한편, 다른 실시 예로, 릴레이 전원부(920)는 제2 DC/DC 컨버터(923) 대신 레귤레이터를 사용할 수 있다. 즉, 릴레이 전원부(920)는 DC/DC 컨버터와 레귤레이터로 구성될 수 있다.
릴레이 구동부(930)는 제1 커넥터(910)로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 수신되는지 여부에 따라 신호절연 릴레이(940)를 구동할 수 있다. 상기 릴레이 구동부(930)는, 도 8의 릴레이 구동부(830)와 달리, 두 개의 트랜지스터 소자를 구비할 수 있다. 이는 과전압 이벤트 발생 시, 도 9의 신호절연 릴레이(940)에서 출력되는 스위칭 동작 신호를 도 8의 신호절연 릴레이(840)에서 출력되는 스위칭 동작 신호와 반대로 하기 위함이다.
일 실시 예로, 릴레이 구동부(930)는 제4 내지 제8 저항(R4~R8), 제7 및 제8 캐패시터(C7, C8), 제1 및 제2 트랜지스터 소자(Q1, Q2)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 트랜지스터 소자(Q1, Q2)로는 FET 소자 또는 BJT 소자가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 이하 본 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 트랜지스터 소자(Q1, Q2)는 N형 MOSFET 소자임을 예시하여 설명하도록 한다. 상기 릴레이 구동부(930)의 입력단은 제1 커넥터(910)의 제3 단자와 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 신호절연 릴레이(940)의 입력단에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 커넥터(910)의 제3 단자로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되는 경우, 릴레이 구동부(930)는 제1 트랜지스터 소자(Q1)를 턴 온(turn on) 시키고, 제2 트랜지스터 소자(Q2)를 턴 오프(turn off) 시켜 신호절연 릴레이(940)의 전자석에 전류가 흐르지 않도록 제어한다. 한편, 제1 커넥터(910)의 제3 단자로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되지 않는 경우, 릴레이 구동부(930)는 제1 트랜지스터 소자(Q1)를 턴 오프시키고, 제2 트랜지스터 소자(Q2)를 턴 온 시켜 신호절연 릴레이(940)의 전자석에 전류가 흐르도록 제어한다.
신호절연 릴레이(940)는 신호 절연 장치(900)의 입력 신호와 출력 신호 사이를 전기적으로 절연하면서 과전압 알람 신호를 외부 관리 시스템(500)으로 전달할 수 있다. 또한, 상기 신호절연 릴레이(940)는 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 디지털 신호 커넥터(470) 사이를 전기적으로 절연할 수 있고, 그에 따라 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)와 디지털 신호 커넥터(470) 간의 고전압 내절연성을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예로, 신호절연 릴레이(940)는 제4 다이오드(D4), 전자석 및 기계식 스위치를 포함할 수 있다. 상기 신호절연 릴레이(940)의 입력단은 릴레이 전원부(920) 및 릴레이 구동부(930)의 출력단과 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 제2 커넥터(950)와 전기적으로 연결될 수 있다.
정상 모드로 동작하는 울트라 캐패시터 모듈(400)의 경우, 제1 커넥터(910)로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되지 않기 때문에, 릴레이 구동부(930)의 제1 트랜지스터 소자(Q1)는 턴 오프 상태가 되고, 제2 트랜지스터 소자(Q2)는 턴 온 상태가 된다. 상기 제2 트랜지스터 소자(Q2)가 턴 온 상태가 되면, 신호절연 릴레이(940)의 전자석에 전류가 흐르게 되어 기계식 스위치를 온(ON) 시킨다. 이에 따라, 신호절연 릴레이(940)는 스위치 온 신호(switch on signal)를 제2 커넥터(950)로 출력하게 된다. 외부 관리 시스템(500)의 사용자(또는 운용자)는 이러한 스위치 온 신호를 통해 울트라 캐패시터 모듈(400)의 동작 모드가 정상 모드임을 원격으로 확인할 수 있게 된다.
한편, 울트라 캐패시터 모듈(400)에서 과전압 이벤트가 발생하는 경우, 제1 커넥터(910)로부터 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호(Vova)가 입력되기 때문에, 릴레이 구동부(930)의 제1 트랜지스터 소자(Q1)는 턴 온 상태가 되고, 제2 트랜지스터 소자(Q2)는 턴 오프 상태가 된다. 상기 제2 트랜지스터 소자(Q2)가 턴 오프 상태가 되면, 신호절연 릴레이(940)의 전자석에 전류가 흐르지 않게 되어 기계식 스위치를 오프(OFF) 시킨다. 이에 따라, 신호절연 릴레이(940)는 신호 절연 장치(900)의 입력 신호(즉, DC 전압 신호)와 전기적으로 절연된 출력 신호(즉, 스위치 오프 신호, switch off signal)를 제2 커넥터(850)로 출력하게 된다. 외부 관리 시스템(500)의 사용자(또는 운용자)는 이러한 스위치 오프 신호를 통해 울트라 캐패시터 모듈(400)에서 과전압 알람 신호가 발생하고 있음을 원격으로 확인할 수 있게 된다.
제2 커넥터(950)는 신호절연 릴레이(940)의 출력 신호를 디지털 신호 커넥터(470)를 통해 외부 관리 시스템(500)으로 전달할 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 커넥터(950)의 입력단은 신호절연 릴레이(940)의 출력단과 전기적으로 연결될 수 있고, 출력단은 디지털 신호 커넥터(470)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈의 전극 단자와 디지털 신호 커넥터 간의 내전압을 시험하는 방법을 예시하는 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 울트라 캐패시터 모듈(400)의 양극 단자(450)와 음극 단자(460)를 케이블(480)로 연결한 상태에서, 내전압 시험 장치(50)의 측정 단자를 전극 단자(450, 460)와 디지털 신호 커넥터(470)에 각각 연결하여 미리 결정된 고전압(가령, 4.2kV)을 인가한 경우, 상기 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)와 디지털 신호 커넥터(470) 간에 내절연성이 파괴되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 울트라 캐패시터 모듈(400)은 셀 관리 장치(420)의 출력 커넥터(425)와 디지털 신호 커넥터(470) 사이에 배치된 신호 절연 장치(440)를 구비함으로써, 해당 울트라 캐패시터 모듈(400)의 전극 단자(450, 460)와 디지털 신호 커넥터(470) 간의 고전압 내절연성을 향상시킬 수 있다.
한편, 이상 본 실시 예에서는, 울트라 캐패시터 모듈(400)의 셀 관리 장치(420)에서 출력되는 디지털 신호들 중에서 과전압 알람 신호를 절연하는 방법에 대해 설명하고 있으나 이에 제한되지는 않으며, 상기 과전압 알람 신호를 제외한 다른 디지털 신호들에 대해서도 본 발명의 동일한 기술적 사상이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
400: 울트라 캐패시터 모듈 410: 셀 조립체
420: 셀 관리 장치 430: 케이스 모듈
440/700: 신호 절연 장치 450: 양극 단자
460: 음극 단자 470: 디지털 신호 커넥터
710: 릴레이 전원부 720: 릴레이 구동부
730: 신호절연 릴레이

Claims (19)

  1. 복수의 울트라 캐패시터들이 전기적으로 연결되는 셀 조립체;
    상기 복수의 울트라 캐패시터들의 동작과 관련된 디지털 신호를 출력하는 셀 관리 장치;
    상기 셀 조립체 및 상기 셀 관리 장치를 수용하는 케이스 모듈;
    상기 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 상시 절연하며, 상기 절연된 디지털 신호를 선택적으로 외부 관리 시스템에 출력하는 신호 절연 장치; 및
    상기 신호 절연 장치의 일 측면에 장착되고, 상기 외부 관리 시스템과 전기적으로 연결되며, 상기 외부 관리 시스템에서 상기 복수의 울트라 캐패시터들의 동작 상태를 원격으로 모니터링하기 위해 사용되는 디지털 신호 출력부를 포함하되,
    상기 신호 절연 장치는, 상기 셀 관리 장치의 출력부와 상기 디지털 신호 출력부 사이에 배치되어, 상기 셀 관리 장치의 출력부와 상기 디지털 신호 출력부 사이를 전기적으로 절연하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 절연 장치는, 상기 셀 관리 장치에서 출력되는 디지털 신호를 절연하는 신호절연 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호절연 릴레이는, 전자석과 기계식 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 신호절연 릴레이는, 기계식 접점이 없는 반도체 릴레이(Solid State Relay)를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 신호 절연 장치는, 상기 신호절연 릴레이에 구동 전원을 인가하는 릴레이 전원부와, 상기 신호절연 릴레이를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하는 릴레이 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 릴레이 전원부는, 상기 케이스 모듈에 장착된 전극 단자에서 출력되는 전압을 릴레이 구동 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 릴레이 전원부는, 하나 이상의 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 릴레이 구동부는, 상기 셀 관리 장치로부터 수신되는 디지털 신호에 대응하여, 상기 신호절연 릴레이를 구동하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 릴레이 구동부는, 하나 이상의 트랜지스터 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 신호 절연 장치는, 기판 조립체와 상기 기판 조립체를 수용하는 하우징 모듈로 구성되며,
    상기 기판 조립체는, 상기 릴레이 전원부, 릴레이 구동부 및 신호절연 릴레이에 대응하는 전자 부품들을 회로기판에 실장하여 형성되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신호절연 릴레이의 입력단에 연결되는 제1 전자 부품들이 상기 회로기판의 제1 영역에 실장되고, 상기 신호절연 릴레이의 출력단에 연결되는 제2 전자 부품들이 상기 회로기판의 제2 영역에 실장되는 경우, 상기 회로기판의 제1 영역과 제2 영역은 일정 거리 이상 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 셀 관리 장치는, 상기 울트라 캐패시터들의 전압을 밸런싱하는 전압 밸런싱부와, 상기 울트라 캐패시터들에서 발생하는 과전압을 감지하는 과전압 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 신호는, 상기 셀 관리 장치에서 출력되는 과전압 알람 신호(Over Voltage Alarm Signal)임을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 신호 절연 장치는, 상기 과전압 알람 신호에 대응하는 DC 전압 신호를 기반으로 상기 과전압 알람 신호에 대응하는 스위칭 동작 신호를 상기 외부 관리 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 신호 절연 장치는, 입력 신호에 해당하는 DC 전압 신호와 출력 신호에 해당하는 스위칭 동작 신호 간을 전기적으로 절연하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 신호 절연 장치는, 상기 케이스 모듈의 일 측면에 배치된 양극 단자와 음극 단자 사이에 장착되는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서,
    상기 신호 절연 장치는, 상기 절연된 디지털 신호를 상기 디지털 신호 출력부를 통해 상기 외부 관리 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 울트라 캐패시터 모듈.
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