KR102364399B1 - 전기 에너지 저장 디바이스를 위한 밸런싱 회로 - Google Patents

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Abstract

울트라 커패시터 모듈을 위한 밸런싱 회로가 제공된다. 일부 구현예에서, 밸런싱 회로는 입력을 갖는 조절기를 포함할 수 있다. 조절기는 입력에서 수신된 울트라 커패시터와 관련된 입력 전압을 기준 전압과 비교하고, 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 밸런싱 회로는 조절기에 연결된 스위칭 회로를 더 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 조절기의 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라 커패시터를 방전시키도록 구성될 수 있다. 스위칭 회로는 스위칭 소자의 동작 동안 하드 스위칭 방식으로 동작되는 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

Description

전기 에너지 저장 디바이스를 위한 밸런싱 회로
우선권 주장
본 출원은 2017년 7월 21일에 출원된 "전기 에너지 저장 디바이스를 위한 밸런싱 회로"라는 제목의 미국 가특허 출원 제62/535,515호의 우선권의 이익을 주장하며, 상기 미국 가출원은 본 명세서에 참조로 포함된다.
전기 에너지 저장 셀은 전자, 전자 기계, 전기 화학 및 기타 유용한 디바이스에 전력을 공급하기 위해 널리 사용된다. 예를 들어, 이중층 울트라 커패시터는 액체 전해질로 함침된 탄소 입자들(예를 들어, 활성 탄소)를 함유하는 한 쌍의 분극성(polarizable) 전극을 사용할 수 있다. 입자들의 유효 표면적 및 전극들 사이의 작은 간격으로 인해, 큰 커패시턴스 값이 달성될 수 있다. 개별 이중층 커패시터들은 함께 결합되어, 상승된 출력 전압 또는 증가된 에너지 용량을 갖는 모듈을 형성할 수 있다.
본 개시의 하나의 예시적인 양태는 이중층 울트라 커패시터와 같은 전기 에너지 저장 셀을위한 밸런싱 회로에 관한 것이다. 밸런싱 회로는 입력을 갖는 조절기를 포함할 수 있다. 조절기는 입력에서 수신된 전기 에너지 저장 셀과 관련된 입력 전압을 기준 전압과 비교하고 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 밸런싱 회로는 조절기에 연결된 스위칭 회로를 더 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 조절기의 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 전기 에너지 저장 셀을 방전 시키도록 구성될 수 있다. 스위칭 회로는 스위칭 소자의 동작 동안 하드 스위칭 방식으로 동작되는 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 특징 및 양태는 이하에 보다 상세하게 설명된다.
해당 기술 분야의 통상의 기술자를 대상으로 하는 최선의 모드를 포함하여 본 개시의 완전하고 가능한 개시는 보다 구체적으로 본 명세서의 나머지 부분에 제시되며, 이는 첨부된 도면을 참조한다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 울트라 커패시터를 위한 예시적인 밸런싱 회로의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 울트라 커패시터를 위한 예시적인 밸런싱 회로의 회로도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
본 명세서에서 참조 문자의 반복 사용 및 도면은 본 개시의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내는 것으로 의도된다.
본 논의는 단지 예시적인 실시예들에 대한 설명이며, 본 개시의 더 넓은 양상들을 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 더 넓은 양상들은 예시적인 구성으로 구현되는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시의 예시적인 양상들은 울트라 커패시터와 같은 전기 에너지 저장 디바이스 또는 셀과 함께 사용하기 위한 밸런싱 회로에 관한 것이다. 예를 들어, 과전압 상태가 울트라 커패시터에 손상을 입히는 것을 방지하기 위해 밸런싱 회로를 사용할 수 있다. 일부 구현예들에서, 밸런싱 회로는 복수의 울트라 커패시터를 포함하는 울트라 커패시터 모듈에서 각 울트라 커패시터 양단에 인가되는 전압을 조절하는 것을 도울 수 있어, 각 울트라 커패시터 양단의 전압은 실질적으로 동일한 전압으로 조절된다.
일부 실시예들에서, 울트라 커패시터를 위한 밸런싱 회로는 조절기(regulator)를 포함할 수 있다. 조절기는 울트라 커패시터 양단의 전압과 관련된 입력 전압을 수신하고, 입력 전압을 기준 전압(예를 들어, 울트라 커패시터의 밸런스 전압)과 비교하도록 구성될 수 있다. 조절기는 입력 전압을 기준 전압과 비교하고 출력을 제공하도록 작동가능한 임의의 디바이스일 수 있다. 일부 실시예에서, 조절기는 단일 패키지(예를 들어, 집적 회로)로 제공되는 비교기 및/또는 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
입력 전압은 울트라 커패시터 양단의 전압을 나타내는 임의의 신호 또는 전압일 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 전압은 전압 분배기 회로를 사용하여 제공될 수 있다. 입력 전압은 조절기의 감지 입력에서 수신될 수 있다(예를 들어, 전압 분배기 회로를 통해).
조절기는 기준 전압에 대한 입력 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 조절기의 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조절기는 입력 전압이 기준 전압보다 클 때 출력 노드를 통해 제 1 출력(예를 들어, 제 1 로직 출력)을 제공하도록 구성될 수 있다. 조절기는 울트라 커패시터와 관련된 전압이 기준 전압보다 크지 않을 때 출력 노드를 통해 제 2 출력(예를 들어, 제 2 로직 출력)을 제공하도록 구성될 수 있다.
조절기의 출력은 스위칭 회로를 구동하는데 사용될 수 있다. 스위칭 회로는 전계 효과 트랜지스터(예를 들어, MOSFET)와 같은 하나 이상의 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 완전 포화 모드로 작동하여 스위칭 소자가 하드 스위칭 방식으로 온/오프된다. 예를 들어, 공급 전압의 변화에도 불구하고 스위칭 소자를 통한 전류가 실질적으로 증가 또는 감소하지 않는 상태에서 반도체 스위칭 소자가 동작될 때 하드 스위칭이 발생할 수 있다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터의 드레인 소스 전압의 증가에도 불구하고 드레인 전류가 증가하지 않도록 전계 효과 트랜지스터가 포화 영역에서 작동될 때, 전계 효과 트랜지스터에 대해 하드 스위칭이 일어날 수 있다. 이것은 울트라 커패시터들의 방전과 관련된 높은 전류들을 스위칭 소자가 수용할 수 있게 한다.
조절기의 출력이 제 1 출력(예를 들어, 입력 전압이 기준 전압보다 큰 경우)일 때, 스위칭 회로의 하나 이상의 스위칭 소자들은 온(on)으로 스위칭될 수 있으며(예를 들어, 하드 스위칭 방식으로), 따라서 스위칭 회로의 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자를 통해 울트라 커패시터로부터 전류가 흘러 울트라 커패시터를 방전시키며, 이는 울트라 커패시터 양단의 전압을 감소시킬 수 있다. 조절기의 출력이 제 2 출력(예를 들어, 입력 전압이 기준 전압보다 작은 경우)일 때, 스위칭 회로의 하나 이상의 스위칭 소자들은 오프(off)로 스위칭될 수 있으며(예를 들어, 하드 스위칭 방식으로), 따라서 울트라 커패시터를 충전시키며 이는 울트라 커패시터 양단의 전압을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 밸런싱 회로는 스위칭 모드 방식에 따라 동작할 수 있으며, 스위칭 모드 방식에서는 울트라 커패시터와 연관된 전압이 임계값을 초과할 때까지 울트라 커패시터가 충전되고, 울트라 커패시터와 연관된 전압이 임계값 아래로 떨어질 때까지 울트라 커패시터가 방전된다.
본 개시의 예시적인 양태는 울트라 커패시터를 참조하여 논의된다. 예시적인 울트라 커패시터에 관한 세부 사항이 여기에 제공된다. 본 명세서에 제공된 개시를 사용하여 당업자는 본 개시의 예시적인 양태에 따른 밸런싱 회로가, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고, 커패시터, 배터리 및 기타 전기 에너지 저장 디바이스와 같은 다른 에너지 저장 디바이스와 함께 사용될 수 있음을 이해할 것이다. "대략" 이라는 용어를 수치와 함께 사용하는 것은 언급된 분량의 20 % 이내를 지칭하는 것으로 의도된다.
본 개시의 하나의 예시적인 실시예는 에너지 저장 디바이스를 위한 밸런싱 회로에 관한 것이다. 밸런싱 회로는 입력을 갖는 조절기를 포함할 수 있다. 조절기는 입력에서 수신된 전기 에너지 저장 디바이스와 관련된 입력 전압을 기준 전압과 비교하고, 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 밸런싱 회로는 조절기에 연결된 스위칭 회로를 더 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 조절기의 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 전기 에너지 저장 디바이스를 방전시키도록 구성될 수 있다. 스위칭 회로는 스위칭 소자의 동작 동안 하드 스위칭 방식으로 동작되는 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 밸런싱 회로는 스위칭 모드에서 기준 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 전기 에너지 저장 디바이스를 충전 및 방전하도록 동작할 수 있다. 스위칭 모드 동안, 전기 에너지 저장 디바이스는 방전 상태와 비방전 상태 사이에서 스위칭되어 전기 에너지 저장 디바이스의 전압을 밸런스 전압으로 또는 소정 범위 내에서 유지할 수 있다.
예를 들어, 스위칭 모드에서, 스위칭 회로의 적어도 하나의 스위칭 소자는, 조절기의 출력이 전기 에너지 저장 디바이스와 관련된 전압이 기준 전압을 초과함을 나타낼 때, 전기 에너지 저장 디바이스를 방전하기 위해 전도 상태로 스위칭되도록 구성될 수 있다. 스위칭 모드에서, 적어도 하나의 스위칭 소자는, 조절기의 출력이 전기 에너지 저장 디바이스와 관련된 전압이 기준 전압을 초과함을 나타낼 때, 전기 에너지 저장 디바이스를 충전하기 위해 비-전도 상태로 스위칭되도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자는 제 1 전계 효과 트랜지스터 및 제 2 전계 효과 트랜지스터를 포함한다. 제 1 전계 효과 트랜지스터의 드레인은 제 2 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 연결될 수 있다. 제 2 전계 효과 트랜지스터의 소스 또는 드레인 중 적어도 하나는 전기 에너지 저장 디바이스에 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 조절기는 입력 전압과 기준 전압을 비교하도록 구성된 적어도 하나의 비교기를 포함할 수 있다. 조절기는 비교기에 연결된 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 조절기의 출력을 제공하기 위해 비교기의 출력에 의해 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 밸런싱 회로는 스위칭 회로에 연결된 DC-DC 컨버터를 포함한다. 일부 실시예에서, 밸런싱 회로는 전기 에너지 저장 디바이스와 연관된 전압이 임계 전압을 초과함을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 구성된 통지 회로를 포함한다. 통지 회로는 전기 에너지 저장 디바이스와 연관된 전압을 기준 전압과 비교하도록 구성된 비교기 회로를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 예시적인 양태는 울트라 커패시터의 전압을 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 조절기의 제 1 입력에서 울트라 커패시터와 관련된 전압을 나타내는 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 울트라 커패시터에 연결된 스위칭 회로를 구동하는데 사용되는 출력 신호를 조절기의 출력 노드를 통해 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 스위칭 회로에서 적어도 하나의 출력 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 출력 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라 커패시터를 충전 또는 방전시키기 위해 하드 스위칭 방식으로 스위칭 회로의 하나 이상의 스위칭 소자들을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 울트라 커패시터에 연결된 스위칭 회로를 구동하는데 사용되는 출력 신호를 조절기의 출력 노드를 통해 제공하는 것은, 울트라 커패시터와 관련된 전압이 기준보다 큰 경우 조절기에 의해 제 1 출력을 제공하는 것 및 울트라 커패시터와 관련된 전압이 기준 전압보다 크지 않을 때 조절기에 의해 제 2 출력을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 스위칭 회로의 하나 이상의 스위칭 소자를 동작시키는 것은 조절기가 제 1 출력을 제공할 때 울트라 커패시터를 방전시키기 위해 하나 이상의 스위칭 소자를 전도 상태로 하드 스위칭하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 스위칭 회로의 하나 이상의 스위칭 소자를 동작시키는 것은 조절기가 제 2 출력을 제공할 때 울트라 커패시터를 충전하기 위해 하나 이상의 스위칭 소자를 비전도 상태로 스위칭하는 것을 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 예시적인 양태는 울트라 커패시터를 위한 밸런싱 회로에 관한 것이다. 밸런싱 회로는 입력을 갖는 조절기를 포함할 수 있다. 조절기는 입력에서 수신된 울트라 커패시터와 관련된 입력 전압을 기준 전압과 비교하고, 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 밸런싱 회로는 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제 1 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제 2 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다. 조절기의 출력 노드는 제 1 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 연결될 수 있다. 제 1 전계 효과 트랜지스터의 드레인은 제 2 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 연결될 수 있다. 제 1 전계 효과 트랜지스터의 소스는 울트라 커패시터에 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, DC-DC 컨버터(예를 들어, 부스트 컨버터)는 제 1 전계 효과 트랜지스터의 소스에 연결될 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터는 울트라 커패시터와 제 1 전계 효과 트랜지스터의 소스 사이에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 밸런싱 회로는 울트라 커패시터와 관련된 전압이 기준 전압보다 크다는 것을 나타내는 통지 신호를 제공하도록 구성된 비교기를 더 포함할 수 있다.
도면들은 본 개시의 예시적인 실시예들의 예시 및 논의의 목적으로 제공된다. 도 1은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 울트라 커패시터(110)와 함께 사용하기 위한 예시적인 밸런싱 회로(100)의 블록도를 도시한다. 밸런싱 회로(100)는 조절기(120)를 포함한다. 조절기(120)는 전압 분배기(115)와 같은 입력 회로를 통해 커패시터 양단의 전압 Vc를 나타내는 신호(112)(예를 들어, 입력 전압)를 수신할 수 있다. 조절기(120)는 상기 신호를 기준 전압(112)과 비교할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기준 전압은 울트라 커패시터(110)가 유지되기를 원하는 바람직한 전압에 기초하여 결정될 수 있다.
조절기(120)는 전압(Vc)을 나타내는 신호(112) 및 기준 전압에 기초하여 출력(116)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 조절기(120)는 울트라 커패시터(110) 양단의 전압(Vc)을 나타내는 신호(112)가 기준 전압보다 클 때, 제 1 로직 출력(예를 들어, 로직 하이)을 제공할 수 있다. 조절기(120)는 울트라 커패시터(110) 양단의 전압(Vc)을 나타내는 신호(112)가 기준 전압보다 크지 않을 때, 제 2 로직 출력(예를 들어, 로직 로우)을 제공할 수 있다.
상기 출력(116)은 스위칭 회로(130)에 제공될 수 있다 . 스위칭 회로(130)는 하나 이상의 반도체 스위칭 소자(예를 들어, 전계 효과 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위칭 소자가 전도 상태에 있을 때, 울트라 커패시터(110)는 방전되어 울트라 커패시터(110) 양단의 전압이 감소될 수 있다. 울트라 커패시터(110)는 울트라 커패시터(110) 양단의 전압(Vc)을 나타내는 신호(112)가 충분히 낮아질 때까지 방전될 수 있으며 따라서, 상기 신호(112)는 더 이상 기준 전압보다 크지 않다. 이 시점에서, 스위칭 소자는 울트라 커패시터(110)를 충전하기 위해 비전도 상태에 있도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 밸런싱 회로(100)는 스위칭 모드 방식을 사용하여 울트라 커패시터(110)의 전압을 조절하고 과전압 조건을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 스위칭 모드 방식에서, 스위칭 회로는 울트라 커패시터(110)의 전압을 일정 범위 내에서 또는 밸런스 전압으로 유지하기 위해, 울트라 커패시터(110)를 방전 상태와 비방전 상태 사이에서 앞뒤로 스위칭하도록 제어된다.
일부 실시예에서, 스위칭 회로(130)의 반도체 스위칭 소자는 스위칭 소자의 하드 스위칭을 제공하도록 완전 포화 모드에서 동작할 수 있다. 이것은 스위칭 소자가 스위칭 모드 방식에 따라 울트라 커패시터(110)를 방전함으로써 야기될 수 있는 동안 울트라 커패시터(110)로부터의 높은 전류를 수용할 수 있게 한다.
DC-DC 컨버터(132)는 예를 들어, 반도체 스위칭 소자의 하드 스위칭을 위해 완전 포화 모드에서 동작할 때 반도체 스위칭 소자의 성능을 향상시키도록, 스위칭 회로의 스위칭 소자들에 인가되는 DC 전압을 부스팅하는데 사용될 수 있다. DC-DC 컨버터는 울트라 커패시터(110)와 스위칭 회로(130) 사이에 연결될 수 있다.
밸런싱 회로(100)는 통지 회로(150)를 포함할 수 있다. 통지 회로(150)는 비교기를 포함할 수 있다. 비교기는 울트라 커패시터(110)와 연관된 전압을 임계값과 비교할 수 있다. 울트라 커패시터(110)와 연관된 전압이 임계값을 초과하면, 통지 회로(150)는 울트라 커패시터(110)와 연관된 전압이 임계값을 초과한다는 것을 나타내는 신호를 제공할 수 있다. 이것은 통지(예를 들어, 발광 다이오드를 통한 시각적 표시 또는 다른 적합한 통지)를 제공하는데 사용될 수 있다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 밸런싱 회로(100)의 예시적인 구현의 회로도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 밸런싱 회로(100)는 전압 분배기 회로(115), 조절기(120), 및 FET 스위칭 소자(230 및 240)를 포함하는 스위칭 회로를 포함한다. 밸런싱 회로(100)는 당 업계에 일반적으로 알려진 임의의 방법을 사용하여 제공 및 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 밸런싱 회로(100)는 인쇄 회로 기판과 같은 회로 기판(도시되지 않음) 상에 제공된다.
전압 분배기 회로(115)는 직렬로 연결된 한 쌍의 저항들(R4, R5)을 포함할 수 있다. 저항들(R4 및 R5) 사이에 위치된 노드(215)는 조절기(120)를 위한 입력에 연결될 수 있다. 노드(215)에서의 전압은 울트라 커패시터(110) 양단의 전압과 관련되고, 이를 나타내는 입력 전압일 수 있다. 노드(215)에서의 전압은 저항들(R4 및 R5)의 저항 값에 기초하여 울트라 커패시터(110) 양단의 전압과 관련될 수 있다.
조절기(120)는 일부 실시예에서 리니어 테크놀로지(Linear Technology)에서 제공되는 LT1431 조절기일 수 있다. 조절기(120)는 프로그래밍가능한 기준 전압을 제공할 수 있다. 조절기(120)는 노드(214)에서 서플라이 전압에 의해 적어도 부분적으로 전력을 공급받을 수 있다. 조절기는 입력(212) 및 출력 노드(216)를 포함한다. 일부 실시예에서, 조절기(120)는 비교기를 포함하며, 비교기는 입력(212)에서 수신된 울트라 커패시터와 관련된 전압과 기준 전압을 비교하고, 울트라 커패시터와 관련된 전압과 기준 전압(예를 들어, 프로그램가능한 기준 전압)의 비교에 기초하여 출력을 제공하도록 구성된다. 조절기(120)는 비교에 기초하여 출력 노드(216)를 통해 출력을 제공하도록 구성된 하나 이상의 스위칭 소자(예를 들어, 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조절기(120)는 울트라 커패시터와 연관된 전압이 기준 전압보다 클 때 출력 노드(216)를 통해 제 1 출력(예를 들어, 로직 하이)을 제공할 수 있다. 조절기(120)는 울트라 커패시터와 연관된 전압이 기준 전압보다 낮을 때 출력 노드(216)를 통해 제 2 출력(예를 들어, 로직 로우)을 제공할 수 있다. 출력은 반도체 스위칭 소자(230 및 240)를 구동하기 위해 스위칭 회로에 제공될 수 있다.
스위칭 회로는 제 1 스위칭 소자(230) 및 제 2 스위칭 소자(240)를 포함한다. 제 1 스위칭 소자(230)는 게이트, 소스 및 드레인을 갖는 전계 효과 트랜지스터이다. 일부 실시예에서, 제 1 스위칭 소자(230)는 예를 들어 인피니언 회사로부터 제공된 BSP170P 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다. 제 2 스위칭 소자(240)는 게이트, 소스 및 드레인을 갖는 전계 효과 트랜지스터이다. 일부 실시예에서, 제 2 스위칭 소자(240)는 지멘스로부터 제공된 BUZ347 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다. 스위칭 소자(230, 240)는 완전 포화 모드로 동작하여 스위칭 소자(230, 240)의 하드 스위칭을 제공할 수 있다.
조절기(120)의 출력 노드(216)는 제 1 스위칭 소자(230)의 게이트에 연결될 수 있다. 제 1 스위칭 소자(230)의 드레인은 제 2 스위칭 소자(240)의 게이트에 연결될 수 있다. 제 2 스위칭 소자(240)는 울트라 커패시터와 병렬로 연결될 수 있다. 제 2 스위칭 소자(230)의 소스는 울트라 커패시터와 연관된 제 1 노드에 연결될 수 있다. 제 2 스위칭 소자의 드레인은 울트라 커패시터와 연관된 제 2 노드에 연결될 수 있다. 제 2 스위칭 소자(240)는 울트라 커패시터(110)의 방전과 관련된 열을 소산시키기 위해 히트 싱크로 사용될 울트라 커패시터(110)를 패키징하는 것과 관련된 케이스(예를 들어, 울트라 커패시터 모듈 케이스)에 장착될 수 있다.
조절기(120)가 제 1 출력(예를 들어, 로직 하이)을 제공할 때, 제 1 스위칭 소자(230) 및 제 2 스위칭 소자(240)는 울트라 커패시터(110)로부터 방전 전류가 흐를 수 있도록 전도 상태로 하드 스위칭된다. 조절기(120)가 제 2 출력을 제공할 때, 제 1 스위칭 소자(230) 및 제 2 스위칭 소자(240)는 울트라 커패시터가 충전될 수 있게하는 비전도 상태로 스위칭된다. 이러한 방식으로, 울트라 커패시터(110)는 스위칭 방식으로 밸런싱 회로(100)를 동작시킴으로써 방전 상태와 비방전 상태 사이에서 앞뒤로 스윙한다.
밸런싱 회로(100)는 제 1 스위칭 소자(230)의 소스에 인가된 전압을 부스트하기 위한 DC-DC 컨버터(132)를 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터(132)는 일부 예시적인 실시예에서 텍사스 인스트루먼트사에 의해 제공되는 TPS61222 부스트 컨버터일 수있다. DC-DC 컨버터는 입력 전압을 수신하기 위한 제 1 핀(핀 1), 전압 피드백을 수신하기 위한 제 2 핀(핀 2), 접지에 연결하기 위한 제 3 핀(핀 3), 부스트된 전압을 제 1 스위칭 소자(230)의 소스에 제공하기 위한 제 4 핀(핀 4), 인덕터(L1)에 연결하기 위한 제 5 핀(Pin 5), 및 인에이블 입력을 제공하기 위한 제 6 핀(Pin 6)을 포함할 수 있다.
밸런싱 회로는 울트라 커패시터와 관련된 전압이 임계 전압을 초과할 때를 결정하는데 사용되는 비교기를 포함하는 통지 회로(150)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 통지 회로는 리니어 테크놀로지사의 LT6703 비교기일 수 있다. 통지 회로(150)는 전압 분배기 회로(155)(예를 들어, 직렬로 연결된 R6 및 R7)로부터의 울트라 커패시터(110) 양단의 전압을 나타내는 신호를 입력에서 수신할 수 있다. 통지 회로는 울트라 커패시터와 관련된 전압이 임계 전압을 초과할 때 출력 신호(156)를 제공할 수 있다.
아래의 표 1은 도 2에 도시된 밸런싱 회로의 회로 소자들과 관련된 예시적인 값들을 제공한다. 아래에 제공된 값들은 예시적인 것이다.
구성 요소 값
R1 약 1 M 오옴
R2 약 1 M 오옴
R3 약 1 K 오옴
R4 약 100 K 오옴
R5 약 10 K 오옴
R6 약 400 K 오옴
R7 약 62 K 오옴
R8 약 100 K 오옴
R9 약 100 K 오옴
C1 약 10 ㎌
C2 약 10 ㎌
L1 약 4.7 μH
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 밸런싱 회로는 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 울트라 커패시터들을 포함하는 울트라 커패시터 모듈과 함께 사용될 수 있다. 본 개시에 따라 임의의 개수의 밸런싱 회로들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈은 적어도 하나의 밸런싱 회로를 포함하며, 일부 실시예에서는 적어도 2 개의 밸런싱 회로를 포함한다. 그러나, 모듈은 더 많은 밸런싱 회로를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 모듈은 4 개 이상, 예컨대 6 개 이상, 예컨대 8 개 이상, 일부 실시예에서는 8 개 내지 30 개의 개별 밸런싱 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 울트라 커패시터 당 적어도 하나의 밸런싱 회로가 존재한다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 방법(300)의 흐름도를 도시한다. 방법(300)은 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 밸런싱 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 도 3에 도시된 단계들은 예시 및 설명의 목적을 위해 특정 순서대로 수행된다. 해당 기술분야의 당업자는 본 출원에 제공된 개시 내용을 사용하여 본 개시의 범위를 벗어남이 없이도, 본 출원에 개시된 임의의 방법의 다양한 단계들이 생략, 재배열, 동시 수행, 확장, 변형 및/또는 다양한 방식으로 변형될 수 있음을 이해할 것이다.
단계(302)에서, 방법은 조절기의 제 1 입력에서 울트라 커패시터와 관련된 전압을 나타내는 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 2의 조절기(120)는 입력(212)에서 입력 전압을 수신할 수 있다. 일부 실시예에서, 울트라 커패시터와 관련된 전압을 나타내는 신호는 전압 분배기를 통해 제공되는 입력 전압이다.
도 3의 단계(304)에서, 상기 방법은 조절기의 출력 노드를 통해, 울트라 커패시터에 연결된 스위칭 회로를 구동하는데 사용되는 출력 신호를 제공하는 단계를 포함한다. 예를 들어,도 2의 조절기(120)는 출력 노드(216)를 통해 스위칭 소자(230)의 게이트에 출력 신호를 제공할 수 있다. 출력 신호는, 울트라 커패시터와 관련된 전압을 나타내는 신호와 기준 전압과의 비교에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 울트라 커패시터와 관련된 전압을 나타내는 신호가 기준 전압을 초과할 때 제 1 출력이 제공될 수 있다. 울트라 커패시터와 관련된 전압을 나타내는 신호가 기준 전압을 초과하지 않을 때 제 2 출력이 제공될 수 있다.
도 3의 단계(306)에서, 상기 방법은 스위칭 회로에서 출력 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 2의 스위칭 소자(230)의 게이트는 조절기(120)로부터 출력 신호를 수신할 수 있다.
도 3의 단계(308)에서, 상기 방법은 출력 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라 커패시터를 충전 또는 방전시키기 위해 하드 스위칭 방식으로 스위칭 회로의 스위칭 소자들을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2의 조절기(120)가 제 1 출력(즉, 로직 하이)을 제공하는 경우, 제 1 스위칭 소자(230) 및 제 2 스위치 소자(240)는 전도 상태로 하드 스위칭되어, 방전 전류가 울트라 커패시터(110)로부터 흐르게 할 수 있다. 조절기(120)가 제 2 출력(즉, 로직 로우)을 제공하는 경우, 제 1 스위칭 소자(230) 및 제 2 스위치 소자(240)는 비전도 상태로 스위칭되어, 울트라 커패시터를 충전할 수 있다.
본 개시의 예시적인 양태에 따라, 다양한 상이한 개별 울트라 커패시터둘 중 임의의 것이 모듈에 일반적으로 사용될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 울트라 커패시터는 전극 조립체 및 전해질을 함유하고, 선택적으로 하우징 내에 기밀하게 밀봉된다. 전극 조립체는 예를 들어, 제 1 전류 컬렉터에 전기적으로 연결된 제 1 탄소질 코팅(carbonaceous coating)(예를 들어, 활성 탄소 입자)을 포함하는 제 1 전극 및 제 2 전류 컬렉터에 전기적으로 연결된 제 2 탄소질 코팅(예를 들어, 활성 탄소 입자)을 포함하는 제 2 전극을 포함할 수 있다. 다음을 유의해야 하는바, 추가적인 전류 컬렉터들이 원한다면 적용될 수 있으며, 특히 울트라 커패시터가 다수의 에너지 저장 셀들을 포함하는 경우, 추가적인 전류 컬렉터들이 적용될 수 있다. 전류 컬렉터들은 동일하거나 상이한 물질로 형성될 수 있다. 여하튼, 각각의 전류 컬렉터들은 기판으로부터 전형적으로 형성될 수 있으며, 상기 기판은 전도성 금속, 가령 알루미늄, 스테인레스 스틸, 니켈, 은, 팔라듐 등 및 이들의 합금을 포함한다. 알루미늄 및 알루미늄 합금이 본 발명에 사용하기에 특히 적합하다. 기판은 포일, 시트, 플레이트, 메쉬 등의 형태일 수 있다. 기판은 또한 약 200 마이크로미터 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 100 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 80 마이크로미터, 및 일부 실시예에서는 약 10 내지 50 마이크로미터와 같은 비교적 얇은 두께를 가질 수 있다. 반드시 필요한 것은 아니지만, 기판의 표면은 세척, 에칭, 블라스팅 등에 의해 선택적으로 거칠어질 수 있다(roughened).
제 1 및 제 2 탄소질 코팅은 또한 제 1 및 제 2 전류 컬렉터에 각각 전기적으로 연결된다. 이들은 동일하거나 상이한 유형의 물질들로 형성될 수 있고 하나 이상의 층들을 포함할 수 있지만, 탄소질 코팅들 각각은 일반적으로 활성화된 입자를 포함하는 하나 이상의 층을 포함한다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 활성 탄소 층은 전류 컬렉터 위에 직접 위치될 수 있고, 선택적으로는 탄소질 코팅의 유일한 층일 수도 있다. 적절한 활성 탄소 입자의 일례는 예를 들어 코코넛 쉘 기반 활성 탄소(coconut shell-based activated carbon), 석유 코크스 기반(petroleum coke-based) 활성 탄소, 피치 기반(pitch-based) 활성 탄소, 폴리비닐리덴 클로라이드 기반(polyvinylidene chloride-based) 활성 탄소, 페놀 수지 기반 활성 탄소, 폴리 아크릴로니트릴 기반 활성 탄소 및 석탄, 숯 또는 다른 천연 유기 자원과 같은 천연 자원으로부터의 활성 탄소를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 하나 이상의 충전-방전 사이클이 적용된 이후에 소정 유형의 전해질에 대한 이온 이동도(ion mobility)를 향상시키기 위해, 입자 크기 분포, 표면적 및 기공 크기 분포 등과 같은 활성 탄소 입자들의 소정 양상들을 선택적으로 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 입자들의 부피의 적어도 50 % (D50 사이즈)는 약 0.01 ~ 약 30 마이크로미터 범위의 사이즈를 가질 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 0.1 ~ 약 20 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 0.5 ~ 약 10 마이크로미터 범위의 사이즈를 가질 수 있다. 이와 유사하게, 입자들의 부피의 적어도 90 % (D90 사이즈)는 약 2 ~ 약 40 마이크로미터 범위의 사이즈를 가질 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 5 ~ 약 30 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 6 ~ 약 15 마이크로미터 범위의 사이즈를 가질 수 있다. 또한, BET 표면은 약 900 m2/g ~ 약 3000 m2/g 범위를 가질 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 1000 m2/g ~ 약 2500 m2/g 의 범위, 일부 실시예에서는 약 1100 m2/g ~ 약 1800 m2/g 의 범위를 가질 수 있다.
특정 사이즈 및 표면적을 갖는 것에 부가하여, 활성 탄소 입자는 또한 특정 사이즈 분포를 갖는 기공을 포함할 수 있다. 예를 들어, 약 2 나노미터 미만인 사이즈를 갖는 기공(즉, "미세 기공")의 양은 대략 50 부피 % (50 vol.%) 이하의 기공 부피를 제공할 수 있으며, 일부 실시예에서는 30 부피 % 이하, 일부 실시예에서는 전체 기공 부피의 0.1 부피 % 내지 15 부피 % 를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 사이즈가 약 2 나노미터 내지 약 50 나노미터인 기공들(즉, "중간 기공(mesopores)")의 분량은 약 20 부피 % ~ 약 80 부피 % 일 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 25 부피 % ~ 약 75 부피 %, 및 일부 실시예에서는 약 35 부피 % ~ 약 65 부피 % 일 수 있다. 마지막으로, 사이즈가 약 50 나노미터 이상인 기공들(즉, "거대 기공")의 분량은 약 1 부피 % ~ 약 50 부피 %, 일부 실시예에서는 약 5 부피 % ~ 약 40 부피 %, 및 일부 실시예에서는, 약 10 부피 % 내지 약 35 부피 % 일 수 있다. 탄소 입자들의 전체 기공 부피는 약 0.2 cm3/g 내지 약 1.5 cm3/g의 범위일 수 있고, 일부 실시예에서는 약 0.4 cm3/g 내지 약 1.0 cm3/g의 범위일 수 있으며, 중간(median) 기공 폭은 약 8 나노미터 이하, 일부 실시예에서는 약 1 ~ 약 5 나노미터, 일부 실시예에서는 약 2 ~ 약 4 나노미터일 수 있다. 기공 사이즈 및 전체 기공 부피는 질소 흡착을 이용하여 측정될 수 있고, 바렛-조이너-할렌다(Barrett-Joyner-Halenda: BJH) 기법에 의해 분석될 수 있다.
바람직한 경우, 바인더(binder)가 존재할 수도 있는바, 바인더는 제 1 및/또는 제 2 탄소질 코팅에서 탄소 100 입자당(per 100 parts of carbon) 60 입자 이하(60 parts or less), 일부 실시예에서는 40 입자 이하, 일부 실시예에서는 약 1 ~ 약 25 입자들이 존재할 수 있다. 바인더는 예를 들어, 탄소질 코팅 총 중량의 약 15 중량 % 이하, 일부 실시예에서는 약 10 중량 % 이하, 및 일부 실시예에서 약 0.5 중량 % ~ 약 5 중량 %를 차지할 수 있다. 임의의 적절한 바인더들이 전극에 사용될 수 있다. 예를 들어, 비수용성 유기 바인더(water-insoluble organic binders)가 소정 실시예에서 적용될 수 있는바, 가령, 스티렌-부타디엔 공중합체(styrene-butadiene copolymers), 폴리비닐 아세테이트 단독중합체(polyvinyl acetate homopolymers), 비닐-아세테이트 에틸렌 공중합체, 비닐-아세테이트 아크릴 공중합체, 에틸렌-비닐 클로라이드 공중합체, 에틸렌-비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 삼원 중합체(ethylene-vinyl chloride-vinyl acetate terpolymers), 아크릴 폴리비닐 클로라이드 중합체, 아크릴 중합체, 니트릴 중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리비닐리덴 플루오이드, 폴리올레핀 등의 플루오로 중합체, 뿐만 아니라 이들의 혼합물이 적용될 수 있다. 또한, 다당류(polysaccharides) 및 이의 유도체와 같은 수용성 유기 바인더가 적용될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 다당류는 비이온성 셀룰로오스 에테르(nonionic cellulosic ether), 예컨대 알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 셀룰로오스 및 에틸 셀룰로오스); 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시프로필 히드록시부틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시부틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 히드록시프로필 히드록시부틸 셀룰로오스 등); 알킬 히드록시알킬 셀룰로스 에테르(예를 들어, 메틸 히드록시에틸 셀룰로스, 메틸 히드록시프로필 셀룰로스, 에틸 히드록시에틸 셀룰로스, 에틸 히드록시프로필 셀룰로스, 메틸 에틸 히드록시에틸 셀룰로스 및 메틸 에틸 히드록시프로필 셀룰로스); 카르복시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로오스);, 뿐만 아니라 나트륨 카복시메틸 셀룰로스(sodium carboxymethyl cellulose)와 같은 전술한 것 중 임의의 것의 양성화된 염(protonated salts) 등을 포함한다.
다른 물질들이 또한 제 1 및/또는 제 2 탄소질 코팅의 활성 탄소 층 및/또는 제 1 및/또는 제 2 탄소질 코팅의 다른 층들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 전기 전도성을 추가로 증가시키기 위해 전도성 촉진제(conductivity promoter)가 사용될 수 있다. 예시적인 전도성 촉진제는 예를 들어 카본 블랙, 흑연(graphite)(천연 또는 인공), 흑연, 탄소 나노 튜브, 나노와이어 또는 나노튜브, 금속 섬유(metal fibers), 그래핀(graphenes) 등 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 카본 블랙이 특히 적합하다. 적용되는 경우, 전도성 촉진제는 전형적으로 탄소질 코팅에서 활성 탄소 입자 100 입자당 약 60 입자 이하, 일부 실시예에서는 40 입자 이하, 및 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 25 입자를 구성한다. 전도성 촉진제는 예를 들어 탄소질 코팅의 전체 중량의 약 15 중량 % 이하, 일부 실시예에서는 약 10 중량 % 이하, 및 일부 실시예에서는, 약 0.5 중량 % 내지 약 5 중량 %를 구성할 수 있다. 이와 유사하게, 활성 탄소 입자는 전형적으로 탄소질 코팅의 85 중량 % 이상, 일부 실시예에서는 약 90 중량 % 이상, 및 일부 실시예에서 약 95 중량 % 내지 약 99.5 중량 %를 구성한다.
탄소질 코팅이 전류 컬렉터에 적용되는 특정 방식은 프린팅(예를 들어, 윤전 그라비어(rotogravure)), 스프레잉, 슬롯-다이 코팅, 드롭-코팅, 딥-코팅(dip-coating) 등과 같이 다양할 수 있다. 적용되는 방식에 관계없이, 생성된 전극은 코팅으로부터 수분을 제거하기 위해 건조되는 것이 일반적인바, 약 100 ℃ 이상의 온도, 일부 실시예에서는 약 200 ℃ 이상의 온도, 일부 실시예에서는 약 300 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 건조된다. 전극은 또한 울트라 커패시터의 체적 효율을 최적화하기 위해 압축(예를 들어, 캘린더화)될 수 있다. 임의의 압축 후, 각각의 탄소질 코팅의 두께는 일반적으로 원하는 전기적 성능 및 울트라 커패시터의 작동 범위에 기초하여 변할 수 있다. 그러나, 일반적으로 코팅의 두께는 약 20 내지 약 200 마이크로미터, 약 30 내지 약 150 마이크로미터, 및 일부 실시예에서 약 40 내지 약 100 마이크로미터이다. 전류 컬렉터의 일면 또는 양면에 코팅이 존재할 수 있다. 여하튼, 전체 전극의 두께(임의의 압축 후 전류 컬렉터 및 탄소질 코팅(들)을 포함하는)는 두께는 전형적으로 약 20 내지 약 350 마이크로미터, 일부 실시예에서 약 30 내지 약 300 마이크로미터, 및 일부 실시예에서는, 약 50 내지 약 250 마이크로미터 범위에 있다.
또한, 전형적으로, 전극 조립체는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치된 분리기(separator)를 포함한다. 필요하다면, 다른 분리기가 전극 조립체에 사용될 수도있다. 예를 들어, 하나 이상의 분리기들이 제 1 전극, 제 2 전극 또는 둘 모두 위에 위치될 수 있다. 분리기는 하나의 전극을 다른 전극으로부터 전기적으로 절연시켜 전기적 단락을 방지하는데 도움을 주지만, 여전히 2 개의 전극들 사이에서 이온의 이동을 허용한다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 셀룰로오스 섬유 물질(cellulosic fibrous material)(예를 들어, 에어레이드 종이 웹(airlaid paper web), 습식 종이 웹(wet-laid paper web) 등), 부직 섬유 물질(nonwoven fibrous material)(예를 들어, 폴리올레핀 부직 웹), 직물(woven fabrics), 필름(예를 들어, 폴리올레핀 필름) 등을 포함하는 분리기가 사용될 수 있다. 천연 섬유, 합성 섬유 등을 함유하는 것 등과 같은 셀룰로오스 섬유 물질(cellulosic fibrous material)이 특히 울트라 커패시터에 사용하기에 적합하다. 분리기에서 사용되기에 적합한 셀룰로오스 섬유들의 구체적인 일례는 예를 들어, 하드우드 펄프 섬유(hardwood pulp fibers), 소트프우드 펄프 섬유(softwood pulp fibers), 레이온 섬유(rayon fibers), 재생 셀룰로오스 섬유 등을 포함할 수 있다. 적용되는 특정 물질에 관계없이, 일반적으로 분리기는 약 5 ~ 150 마이크로미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 10 ~ 100 마이크로미터의 두께, 일부 실시예에서는 약 20 ~ 80 마이크로미터의 두께를 갖는다.
전극 조립체의 구성 요소들이 함께 결합되는 방식은 다양할 수 있다. 예를 들어, 전극 및 분리기는 처음에는 접히거나, 권취되거나(wound), 또는 다른 방식으로 서로 접촉하여 전극 조립체를 형성할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 전극들, 분리기 및 옵션적인 전해질은 "젤리-롤" 구성을 갖는 전극 조립체로 권취될 수 있다.
울트라 커패시터를 형성하기 위해, 전극 조립체를 형성하도록 전극들과 분리기가 함께 결합되기 전에, 결합되는 동안에, 및/또는 결합된 후에, 전해질이 제 1 전극 및 제 2 전극과 이온 접촉하도록 배치된다. 전해질은 일반적으로 비수성(nonaqueous)이며, 따라서 하나 이상의 비수성 용매를 함유한다. 울트라 커패시터의 작동 온도 범위를 확장시키는 것을 돕기 위해, 비수성 용매는 예를 들어 약 150 ℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 200 ℃ 이상, 및 일부 실시예에서는 약 220 ℃ 내지 약 300 ℃ 이상의 비교적 높은 비등 온도(boiling temperature)을 갖는 것이 바람직하다. 특히 적합한 고 비등점 용매는 예를 들어 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등과 같은 사이클릭 카보네이트 용매를 포함할 수 있다. 물론, 다른 비수성 용매가 단독으로 또는 사이클릭 카보네이트 용매와 조합되어 이용될 수도 있다. 이러한 용매들의 일례는, 예를 들어 오픈-체인 카보네이트(open-chain carbonates)(예컨대, 디메틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등), 지방족 모노카르복실레이트(aliphatic monocarboxylates)(예컨대, 메틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트(methyl propionate) 등), 락톤 용매(lactone solvents)(예를 들어, 부티로락톤(butyrolactone), 발레로락톤(valerolactone) 등), 니트릴(nitriles)(예컨대, 아세토니트릴(acetonitrile), 글루타로니트릴(glutaronitrile), 아디포니트릴(adiponitrile), 메톡시아세토니트릴(methoxyacetonitrile), 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile) 등), 아미드(amides)(예를 들어, N, N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide), N,N-디에틸아세트아미드(N,N-diethylacetamide), N-메틸피롤리디논(N-methylpyrrolidinone)), 알칸(alkanes)(예를 들어, 니트로메탄, 니트로에탄 등), 황 화합물(sulfur compounds)(예를 들어, 설포레인(sulfolane), 디메틸 설폭 사이드(dimethyl sulfoxide) 등) 기타 등등을 포함할 수 있다.
전해질은 또한 비수성 용매에 용해된 하나 이상의 이온성 액체를 함유할 수 있다. 이온성 액체의 농도는 변할 수 있지만, 이온성 액체는 비교적 높은 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이온성 액체는 전해질의 리터당 약 0.8 몰(M) 이상의 양이 존재할 수 있으며, 일부 실시예에서는 약 1.0 M 이상, 일부 실시예에서 약 1.2 M 이상, 일부 실시예에서는 약 1.3M 내지 약 1.8M 의 양이 존재할 수 있다.
일반적으로, 이온성 액체는 비교적 낮은 녹는점 온도를 갖는 염(salt)이며, 일부 실시예에서는 약 400 ℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 350 ℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 1 ~ 100 ℃, 일부 실시예에서는 약 5 ~ 50 ℃ 의 녹는점 온도를 갖는다. 상기 염은 양이온 종(cationic species) 및 상대 이온(counterion)을 함유한다. 양이온 종은 "양이온 중심(cationic center)"으로서 하나 이상의 헤테로 원자(heteroatom)(예를 들어, 질소 또는 인)를 갖는 화합물을 포함한다. 이러한 헤테로 원자 화합물의 일례는 예를 들어, 가령, 암모늄(예를 들어, 트리메틸암모늄, 테트라에틸 암모늄 등)과 같은 비치환 또는 치환된 유기 4급 암모늄 화합물(organoquaternary ammonium compounds), 피리디늄(pyridinium), 피리다지늄(pyridazinium), 피라미디늄(pyramidinium), 피라지늄(pyrazinium), 이미다졸륨(imidazolium), 피라졸륨(pyrazolium), 옥사졸륨(oxazolium), 트리아졸륨(triazolium), 티아졸륨(thiazolium), 퀴놀린(quinolinium), 피페리디늄(piperidinium), 피롤리디늄(pyrrolidinium), 2 개 이상의 고리가 스피로 원자(예를 들어, 탄소, 헤테로 원자 등)에 의해 함께 연결된 4급 암모늄 스피로 화합물(quaternary ammonium spiro compounds), 4급 암모늄 융합 고리 구조(quaternary ammonium fused ring structures)(예를 들어, 퀴놀리늄(quinolinium), 이소퀴놀리늄(isoquinolinium) 등), 및 기타 등등을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 양이온 종은 N-스피로바이사이클릭 화합물(N-spirobicyclic compound), 예컨대 사이클릭 고리를 갖는 대칭 또는 비대칭 N-스피로바이사이클릭 화합물일 수 있다. 이러한 화합물의 일례는 아래의 구조를 갖는다:
Figure 112020003069677-pct00001
여기서, m 및 n은 독립적으로 3 내지 7의 수이며, 및 일부 구현예에서는 4 내지 5의 수이다(예를 들어, 피롤리디늄 또는 피페리디늄).
양이온 종들에 적절한 상대 이온들은 마찬가지로 할로겐(예를 들어, 클로라이드, 브로마이드, 요오다이드 등); 설페이트(sulfates) 또는 설포네이트(sulfonates)(예를 들어, 메틸 설페이트, 에틸 설페이트, 부틸 설페이트, 헥실 설페이트, 옥틸 설페이트, 수소 설페이트, 메탄 설포네이트, 도데실벤젠 설포네이트(dodecylbenzene sulfonate), 도데실 설페이트, 트리플루오로메탄 설포네이트, 헵타데카플루오로옥탄 설포네이트(heptadecafluorooctanesulfonate ), 나트륨 도데실에톡시 설페이트 등); 설포석시네이트(sulfosuccinates); 아미드(예를 들어, 디시안아미드(dicyanamide)); 이미드(예를 들어, 비스(펜타플루오로 에틸-설포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸)이미드 등); 보레이트(borates)(예를 들어, 테트라플루오로보레이트, 테트라시아노보레이트(tetracyanoborate), 비스[옥살라토]보레이트(bis[oxalato]borate), 비스[살리실라토]보레이트(bis[salicylato]borate) 등); 포스페이트(phosphates) 또는 포스피네이트(phosphinates)(예컨대, 헥사플루오로포스페이트, 디에틸포스페이트, 비스(펜타플루오로에틸)포스피네이트, 트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트, 트리스(노나플루오로부틸)트리플루오로포스페이트 등); 안티모네이트(antimonates)(예를 들어, 헥사플루오로안티모네이트); 알루미네이트(예를 들어, 테트라클로로알루미네이트); 지방산 카르복실레이트(fatty acid carboxylates)(예를 들어, 올레에이트(oleate), 이소스테아레이트(isostearate), 펜타데카플루오로옥타노에이트(pentadecafluorooctanoate) 등); 시아네이트; 아세테이트; 및 전술한 것들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
적절한 이온성 액체의 몇몇 일례들은 예를 들어, 스피로-(1,1')-바이피롤리디늄테트라플루오로 보레이트(spiro-(1,1')-bipyrrolidinium tetrafluoroborate), 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로 보레이트(triethylmethyl ammonium tetrafluoroborate), 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(tetraethyl ammonium tetrafluoroborate), 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 요오다이드(spiro-(1,1')-bipyrrolidinium iodide), 트리에틸메틸 암모늄 요오다이드(triethylmethyl ammonium iodide), 테트라에틸 암모늄 요오다이드, 메틸트리에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(methyltriethylammonium tetrafluoroborate), 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(tetrabutylammonium tetrafluoroborate), 테트라에틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(tetraethylammonium hexafluorophosphate) 등을 포함할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 울트라 커패시터는 또한 전극 조립체 및 전해질이 유지되고 선택적으로 밀봉되는 하우징을 포함한다. 하우징의 성질은 원하는대로 변할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 하우징은 탄탈륨, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 구리,은, 강철(예를 들어, 스테인레스), 이들의 합금, 이들의 복합체(예를 들어, 전기 전도성 산화물로 코팅된 금속), 기타 등등으로 형성된 금속 용기("캔(can)")를 포함할 수 있다. 알루미늄이 본 발명에서 사용하기에 특히 적합하다. 금속 용기는 원통형, D 형 등과 같은 다양한 형상들 중 임의의 형상을 가질 수 있다. 원통형 용기가 특히 적합하다.
본 발명의 예시적인 양상에 따라 울트라 커패시터들 사이의 임의의 적절한 연결이 채용될 수 있다. 예를 들어, 울트라 커패시터는 울트라 커패시터의 각각의 단자들에 부착되거나 연결되는 배선(interconnect)을 사용하여 연결될 수 있다. 상기 배선은 전도성 금속과 같은 전도성 물질로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 배선은 비교적 평평하거나 또는 표면적이 증가된 것일 수 있다. 후자와 관련하여, 인터커넥트는 돌기(projections)/돌출부(protrusions)를 가질 수도 있거나 또는 와이어, 브레이드(braids), 코일 등으로 형성될 수도 있다. 이와 관련하여, 상기 배선의 특정 치수 및 구성이 반드시 제한되는 것은 아니다. 그 형태에 관계없이, 구리, 주석, 니켈, 알루미늄 등과 같은 다양한 다른 전도성 물질 뿐만 아니라 이들의 합금 및/또는 코팅된 금속이 사용될 수 있다. 원하는 경우, 전도성 물질은 선택적으로 피복 물질(sheath material)로 절연될 수 있다.
울트라 커패시터는 원하는 특정 특성에 따라 직렬 또는 병렬로 함께 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 특정 실시예에서, 울트라 커패시터들은 직렬로 전기적으로 연결될 수 있으며 따라서, 하나의 울트라 커패시터의 특정 극성(예를 들어, 양성)의 단자가 다른 하나의 울트라 커패시터의 반대 극성(예를 들어, 음성)의 단자에 연결된다. 예를 들어, 양성 단자는 제 1 울트라 커패시터의 상부로부터 연장될 수 있고 음성 단자는 제 2 울트라 커패시터의 하부로부터 연장될 수 있다.
울트라 커패시터들 및 이들을 포함하는 모듈들은 대량의 전하를 저장하는데 사용될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 모듈들 및 울트라 커패시터는 다양한 어플리케이션에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 풍력 터빈, 태양 터빈, 태양 전지 패널 및 연료 전지를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 에너지 어플리케이션들에 사용될 수 있다. 또한, 이들은, 차량들(예컨대, 배터리 추진 전기 자동차, 버스를 포함한 하이브리드 전기 자동차, 엔진 시동, 동력 및 제동 회복 시스템 등), 열차들 및 트램들(예를 들어, 자기 부상 열차, 트랙 스위칭, 스타터 시스템 등) 및 항공 우주(예컨대, 도어용 액추에이터, 대피 슬라이드 등) 분야를 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 운송 어플리케이션 분야에서 사용될 수 있다. 이들은 또한 자동화(예컨대, 로봇 공학 등), 차량들(예컨대, 지게차, 크레인, 전기 카트 등)을 포함한 다양한 산업 응용 분야를 가질 수 있다. 이들은 또한, 소비자 가전 제품(예컨대, 휴대용 미디어 플레이어, 핸드 헬드 디바이스, GPS, 디지털 카메라 등), 컴퓨터(예컨대, 랩톱 컴퓨터, PDA 등) 및 통신 시스템에 다양하게 적용될 수 있다. 본 발명의 모듈들 및 울트라 커패시터들은 또한 다양한 군용 어플리케이션(예컨대, 탱크 및 잠수함을 위한 모터 스타트업, 위상 배열 레이더 안테나, 레이저 전원 공급기, 무선 통신, 항공 전자 공학 디스플레이 및 장비들, GPS 안내 등) 및 의료용 어플리케이션(예컨대, 제세동기 등)을 갖는다.

Claims (20)

  1. 전기 에너지 저장 디바이스를 위한 밸런싱 회로로서,
    입력을 포함하는 조절기, 상기 조절기는 상기 입력에서 수신된 전기 에너지 저장 디바이스와 관련된 입력 전압을 기준 전압과 비교하고, 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성되며; 그리고
    상기 조절기에 결합된 스위칭 회로를 포함하고,
    상기 스위칭 회로는 상기 조절기의 출력에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전기 에너지 저장 디바이스를 방전시키도록 구성되고, 상기 스위칭 회로는 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자의 동작 동안 하드 스위칭 방식으로 동작하는 상기 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자는 상기 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자가 하드 스위칭 방식으로 동작할 때 완전 포화 모드로 동작하도록 구성되고,
    상기 입력 전압이 기준 전압 보다 큰 경우, 상기 출력은 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 상기 전기 에너지 저장 디바이스를 방전시키는 전도 상태로 스위칭하는 제 1 로직 출력을 포함하고,
    상기 입력 전압이 기준 전압 보다 크지 않은 경우, 상기 출력은 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자를 상기 전기 에너지 저장 디바이스의 방전을 중단시키는 비전도 상태로 스위칭하는 제 2 로직 출력을 포함하며, 상기 제 2 로직 출력은 상기 제 1 로직 출력과 다른 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 스위칭 소자는 제 1 전계 효과 트랜지스터 및 제 2 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제 1 전계 효과 트랜지스터의 드레인은 상기 제 2 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제 2 전계 효과 트랜지스터의 소스와 드레인 중 적어도 하나는 상기 전기 에너지 저장 디바이스에 연결되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제 2 전계 효과 트랜지스터는 상기 전기 에너지 저장 디바이스를 패키징하는 것과 관련된 케이스(case)에 마운트되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 조절기는 상기 입력 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 적어도 하나의 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 조절기는 상기 비교기에 연결된 하나 이상의 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 조절기의 하나 이상의 스위칭 소자들은 상기 비교기의 출력에 의해 제어되어 상기 출력 노드를 통해 상기 조절기의 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 상기 스위칭 회로에 연결된 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 상기 전기 에너지 저장 디바이스와 관련된 전압이 상기 기준 전압을 초과함을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 구성된 통지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 통지 회로는 상기 전기 에너지 저장 디바이스와 관련된 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 비교기 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  14. 울트라 커패시터의 전압을 제어하는 방법으로서,
    조절기의 제 1 입력에서, 상기 울트라 커패시터와 관련된 전압을 나타내는 신호를 수신하는 단계;
    상기 조절기의 출력 노드를 통해, 상기 울트라 커패시터와 관련된 전압이 기준 전압 보다 큰 경우 제 1 로직 출력을 출력 신호로서 제공하는 단계;
    상기 조절기의 출력 노드를 통해, 상기 울트라 커패시터와 관련된 전압이 기준 전압 보다 크지 않은 경우 제 2 로직 출력을 출력 신호로서 제공하는 단계, 상기 제 2 로직 출력은 상기 제 1 로직 출력과 다르며;
    스위칭 회로에서 상기 출력 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 출력 신호를 수신함에 응답하여, 상기 스위칭 회로 내의 하나 이상의 스위칭 소자들이 완전 포화 모드에 있는 동안 상기 하나 이상의 스위칭 소자들을 하드 스위칭 방식으로 동작시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 전압을 제어하는 방법.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 출력 신호가 제 1 논리 출력을 포함하는 경우, 상기 스위칭 회로 내의 하나 이상의 스위칭 소자들을 동작시키는 단계는,
    상기 울트라 커패시터를 방전시키는 전도 상태로 상기 하나 이상의 스위칭 소자들을 스위칭하도록 상기 하나 이상의 스위칭 소자들이 완전 포화 모드에 있는 동안 상기 하나 이상의 스위칭 소자들을 하드 스위칭 방식으로 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 전압을 제어하는 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 출력 신호가 제 2 논리 출력을 포함하는 경우, 상기 스위칭 회로 내의 하나 이상의 스위칭 소자들을 동작시키는 단계는,
    상기 울트라 커패시터의 방전을 중단시키는 비전도 상태로 상기 하나 이상의 스위칭 소자들을 스위칭하도록 상기 하나 이상의 스위칭 소자들이 완전 포화 모드에 있는 동안 상기 하나 이상의 스위칭 소자들을 하드 스위칭 방식으로 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터의 전압을 제어하는 방법.
  18. 울트라 커패시터를 위한 밸런싱 회로로서,
    입력을 갖는 조절기, 상기 조절기는 상기 입력에서 수신된 상기 울트라 커패시터와 관련된 입력 전압을 기준 전압과 비교하고, 출력 노드를 통해 출력을 제공하도록 구성되며;
    스위칭 회로, 상기 스위칭 회로는,
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제 1 전계 효과 트랜지스터,
    소스, 드레인 및 게이트를 갖는 제 2 전계 효과 트랜지스터를 포함하고,
    상기 조절기의 출력 노드는 제 1 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 연결되고, 제 1 전계 효과 트랜지스터의 드레인은 제 2 전계 효과 트랜지스터의 게이트에 연결되며, 제 1 전계 효과 트랜지스터의 소스는 울트라 커패시터에 연결되며,
    적어도 제 1 전계 효과 트랜지스터는 상기 제 1 전계 효과 트랜지스터가 하드 스위칭 방식으로 동작할 때 완전 포화 모드에서 동작하도록 구성되며,
    상기 입력 전압이 기준 전압 보다 큰 경우, 상기 출력은 상기 울트라 커패시터를 방전시키는 전도 상태로 적어도 제 1 전계 효과 트랜지스터를 스위칭하는 제 1 로직 출력을 포함하고,
    상기 입력 전압이 기준 전압 보다 크지 않은 경우, 상기 출력은 상기 울트라 커패시터의 방전을 중단시키는 비전도 상태로 적어도 제 1 전계 효과 트랜지스터를 스위칭하는 제 2 로직 출력을 포함하며, 상기 제 2 로직 출력은 상기 제 1 로직 출력과 다른 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제 1 전계 효과 트랜지스터의 소스에 DC-DC 컨버터가 연결되는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는 상기 울트라 커패시터와 관련된 전압이 상기 기준 전압보다 크다는 것을 나타내는 통지 신호를 제공하도록 구성된 비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 회로.
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