KR102469259B1

KR102469259B1 - 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치

Info

Publication number: KR102469259B1
Application number: KR1020220044462A
Authority: KR
Inventors: 박영운
Original assignee: (주)효성파워택
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2022-11-22

Abstract

본 발명은 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치는, 상용전원을 설정한 전압으로 변압하여 교류전원을 출력하는 변압부; 다이오드 브릿지 회로(Diode bridge circuit)를 이용하여 상기 변압부에서 원하는 전압으로 변환된 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부; 및 상기 정류부에서 변환된 직류전원으로 전기에너지를 적어도 하나의 슈퍼 커패시터에 공급하여 충전하는 충전부를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 평상시 외부의 상용전원으로 슈퍼 커패시터를 충전하고, 정전시 슈퍼 커패시터에 충전된 전기에너지를 계전기에 공급함으로써, 메인 차단기(VCB 또는 ACB)를 차단함은 물론이고, 복전시에는 슈퍼 커패시터에 충전된 전기 에너지를 메인 차단기로 투입하여 전력공급의 연속성을 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 충방전 특성이 우수하고 리플현상이 최소한으로 억제될 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용함으로써, 반영구적이면서 안정적인 전력공급이 가능하도록 하는 장점이 있다.

Description

슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치{Auxiliary power supply using super capacitor}

본 발명은 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존의 정류기 및 배터리반의 기능들을 대체할 수 있는 제품으로 평상시에는 외부의 상용전원으로 슈퍼 커패시터를 충전하고, 비상시에 슈퍼 커패시터에 충전된 전기에너지를 각종 차단기의 제어전원으로 공급함으로써, 전력공급의 연속성을 지속적으로 유지할 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치에 관한 것이다.

일반적으로, 보조전원장치는 외부에서 특정 시스템으로 공급되는 상용전원이 어떠한 요인으로 인해 짧은 시간 동안 전력공급에 문제가 발생한 경우, 해당 시간 동안 해당 시스템에 전원을 공급하기 위한 것이다. 이와 같은 보조전원장치는 평상시에는 상용전원으로 충전을 하고, 비상시에 충전된 전력을 시스템에 공급하는 역할을 하게 된다.

이상과 같은 보조전원장치는 주로 축전지(Battery)를 이용하여 전기에너지를 충전하였다. 그러나 배터리의 경우 폭발의 위험성이 있고, 여러 개의 배터리를 연결할 경우에는 배터리 충전전압의 균등충전 문제가 발생할 수 있으며, 배터리의 교체주기가 짧다는 단점이 있다.

또한, 배터리를 이용한 보조전원장치는 정류방식에서 SCR(사이리스터)을 이용하는 경우, 출력시 리플 현상이 심하게 발생하고, SCR의 수명도 비교적 짧은 편에 속해 기대수명을 초과할 경우 과도한 리플전압이 발생하며, 제작 단가가 비싸고 넓은 설치 공간을 요구한다는 문제점이 있다. 예를 들면, 기존의 정류기 및 배터리반의 크기는 작게는 800mm×2350mm×2000mm에서 크게는 20000mm×2350mm×2000mm의 설치 공간이 필요하다. 또한, 저용량 커패시터를 이용한 보조전원장치는 충전용량이 작아서 적용범위가 매우 제한적이라는 단점이 있다.

이상과 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 보조전원장치에 슈퍼 커패시터를 이용하는 기술들이 개발되고 있다. 슈퍼 커패시터는 전기이중층 커패시터 (Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 에너지 저장장치이다. 구체적으로, 슈퍼 커패시터는 도전체에 부착된 전극과 그에 함침된 전해질 용액으로 구성되며, 전극의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용한다.

기존의 커패시터는 용량이 작고, 이차전지(리튬이온 배터리)는 고속 충방전이 쉽지 않으며, 반복적인 충방전으로 수명이 짧아진다는 단점이 있다.

그러나 슈퍼 커패시터는 일반 커패시터에 비해 단위면적당 수십 배 더 많은 에너지를 저장할 수 있고, 리튬이온 전지와 비교하면 고속 충방전, 반영구적 수명 등의 우수한 특성뿐만 아니라, 영하 40도에서 영상 65도까지 사용이 가능하며, 유지 및 보수비용이 대단히 경제적이다.

이러한 슈퍼 커패시터는 급속 충방전이 가능하고, 높은 충방전 효율을 나타내며, 충전과 방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아서 보수가 필요 없이 반영구적인 수명 사이클 특성을 나타내기 때문에, 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 저장장치로서 각광받고 있다.

특히, 친환경 정책 및 이산화탄소 배출규제로 인한 관련제품과 신재생 에너지에 대한 요구가 커지면서 슈퍼 커패시터는 차세대 에너지 저장장치로 그 수요가 상당히 증가할 것으로 예상된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0049873호(2018.05.14.)

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 기존의 정류기 및 배터리를 이용한 보조전원장치를 대체하는 기술로서 평상시 외부의 상용전원으로 슈퍼 커패시터를 충전하고, 비상시 슈퍼 커패시터에 충전된 전기에너지를 각종 차단기나 계전기 및 계측기에 공급함으로써, 전력계통의 계통사고 시는 물론 전력운용의 연속성을 지속적으로 유지할 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 충방전 특성이 우수하고 리플현상이 최소한으로 억제될 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용함으로써, 반영구적이면서 안정적인 전력공급이 가능하도록 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 슈퍼 커패시터를 모듈화하여 탈부착 가능하도록 구성함으로써, 필요시 결합된 슈퍼 커패시터의 개수를 조절하여 원하는 충전용량을 조절할 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치는,

상용전원을 설정한 전압으로 변압하여 교류전원을 출력하는 변압부와;

다이오드 브릿지 회로(Diode bridge circuit) 또는 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하되, 슈퍼 커패시터 패키지를 복수개 병렬 연결할 시 돌입전류에 의한 상용전압의 차단을 방지하기 위한 충격 흡수기(돌입전류 제한기)와 급속 충방전을 위한 회로(Crowbar circuit for high speed discharge, charge, switching system)와, 효율향상을 위한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)회로를 적용하여, 상기 변압부에서 원하는 전압으로 변환된 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부; 및

상기 정류부에서 변환된 직류전원으로 전기에너지를 적어도 하나의 슈퍼 커패시터에 공급하여 충전하는 충전부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 변압부는 상기 상용전원이 입력되는 입력단과 병렬로 연결되는 누전차단기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 충전부는 적어도 하나의 슈퍼 커패시터가 직렬로 연결되어 설정된 로드측 전압에 대응하는 충전전압을 형성할 수 있다.

또한, 상기 충전부는 상기 정류부의 출력측에 연결되는 스위칭부; 및 상기 스위칭부와 연결되는 로드부;를 더 포함하며, 상기 스위칭부는 상기 상용전원이 공급되면 상기 정류부에서 변환된 직류전원을 상기 충전부 및 로드부 중 적어도 하나에 공급하고, 상기 상용전원의 공급이 중단되면, 상기 충전부에 충전된 전기에너지를 상기 로드부로 공급하도록 동작할 수 있다.

또한, 상기 충전부는 모듈형태로 구성되어 상기 정류부의 출력측에 단자로 연결될 수 있다.

또한, 상기 충전부는 상기 슈퍼 커패시터를 포함하는 충전유닛이 차단기에 탈부착 가능하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 충전부는 용량을 증설할 수 있도록 슈퍼 커패시터 패키지를 필요 용량만큼 증설할 수 있도록 하는 구조로 구성될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 평상시 외부의 상용전원으로 슈퍼 커패시터를 충전하고, 정전시 슈퍼 커패시터에 충전된 전기에너지를 계전기에 공급함으로써, 메인 차단기(VCB 또는 ACB)를 차단함은 물론이고, 복전시에는 슈퍼 커패시터에 충전된 전기 에너지를 메인 차단기로 투입하여 전력공급의 연속성을 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다. 즉, 기존의 정류기반 및 배터리반의 기능을 제공하여 설비 유지관리에 만전을 기할 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명은 충방전 특성이 우수하고 리플현상이 최소한으로 억제될 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용함으로써, 반영구적이면서 안정적인 전력공급이 가능하도록 하는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 충전전압이 다수 개의 슈퍼 커패시터에 골고루 분포하게 되므로, 부동충전을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 배터리를 이용함에 따라 발생할 수 있는 폭발의 위험성을 미연에 방지할 수 있으며, 설치비용 및 설치공간 또한 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 슈퍼 커패시터를 모듈화하여 각종 기기에 탈부착 가능하도록 구성함으로써, 필요시 제어전원을 공급할 뿐만 아니라, 필요에 따라 결합된 슈퍼 커패시터의 개수를 조절하여 원하는 충전용량을 조절할 수 있는 장점이 있다.

이를 통해, 본 발명은 특고압 배전반에서부터 저압 배전반까지 광범위한 전압특성에 적합하게 적용하여 활용할 수 있으며, MCC(Motor Control Center, 모터기동반)이나 다양한 분전반에도 쉽게 적용하여 활용할 수 있는 장점이 있다. 특히 MCC반이나 분전반의 비상 전등의 점멸에 대응할 수 있다.

따라서, 전원공급장치 분야 및 보조전원장치 분야, 특히 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치 분야는 물론, 이와 유사하거나 연관된 분야에서 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치의 일 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 보조전원장치의 구체적인 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 3은 도 2의 다른 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 1의 보조전원장치의 구체적인 다른 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 2에 도시된 슈퍼 커패시터의 충방전 특성곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 충전부의 구체적인 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 다른 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 6의 사용방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 다수의 슈퍼 커패시터가 슈퍼 커패시터 패키지 내부에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치의 일 실시예를 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치는 변압부(100), 정류부(200) 및 충전부(300)를 포함한다.

변압부(100)는 상용전원을 설정한 전압으로 변압하여 교류전원을 출력하는 것으로, 교류신호인 상용전원의 전압을 변경하기 위하여 코일형 변압기를 사용함이 바람직하며, 주로 상용전원을 감압하여 출력하는 강압형 변압기를 사용할 수 있다.

정류부(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 다이오드 브릿지 회로(Diode bridge circuit) 또는 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하되, 슈퍼 커패시터 패키지를 복수개 병렬 연결할 시 돌입전류에 의한 상용전압의 차단을 방지하기 위한 충격 흡수기(돌입전류 제한기)(210) 및 급속 충방전을 위한 회로(Crowbar circuit for high speed discharge, charge, switching system)(220)와, 효율향상을 위한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)회로(230)를 적용하여, 상기 변압부(100)에서 원하는 전압으로 변환된 교류전원을 직류전원으로 변환한다. 여기서, 이상과 같이 IGBT 회로를 적용하는 이유는 IGBT는 정류기 변압기의 소형 경량화에 따른 장치의 외형 및 중량을 소형 경량화 한 제품으로, 충전기 및 다양한 설비에 적용이 가능하고, 가변영역에 관계없이 항상 양질의 전원을 출력하며, 역율 및 효율의 개선으로 소비전력을 크게 감소할 수 있는 특성이 있고, 깨끗한 DC전압, 전류를 얻을 수 있으며, 설비의 수명이 연장되기 때문이다. 여기서, 또한 이상과 같은 정류부(200)는 다이오드 브릿지 회로(Diode bridge circuit)를 이용한 전파정류회로를 포함한다.

충전부(300)는 정류부(200)에서 변환된 직류전원으로 전기에너지를 적어도 하나의 슈퍼 커패시터에 공급하여 충전하는 것으로, 복수 개의 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결하여 원하는 충전전압 및 충전용량을 얻을 수 있다.

여기서, 이와 같은 충전부(300)는 용량을 증설할 수 있도록 슈퍼 커패시터 패키지(800)(도 9 참조)를 필요 용량만큼 증설할 수 있도록 하는 구조로 구성될 수 있다. 즉, 패키지를 병렬 연결하면 용량을 증설할 수 있다. 본 발명에서는 간단하게 설치할 수 있도록 조립식으로 제작하며, 누구나 쉽게 슈퍼 커패시터의 용량을 증감할 수 있도록 구성하여 차단기의 골격에 설치할 수 있는 방식을 취한다.

이와 같이 슈퍼 커패시터를 이용한 정류반은 아래와 같은 장점이 있다.

첫째, 슈퍼 커패시터는 내부저항이 0.23mΩ이하의 것도 있어서 100A의 출력도 가능하다.

둘째, 리플 현상이 없으며, 충전전압이 커패시터에 골고루 분포하여 부동충전의 염려가 없다.

셋째, 슈퍼 커패시터 및 다이오드를 이용한 정류방식의 수명이 반영구적이다.

넷째, 폭발의 염려가 없으며, 설치비가 세트 당 100만원 미만으로 매우 저렴하고, 넓은 설치공간이 필요 없다.

다섯째, 전력밀도(순간출력 MAX Current)가 리튬이온 배터리에 비하여 크다. 구체적으로, 리튬이온 배터리의 전력밀도는 0.5~1.5kW/kg정도지만 슈퍼 커패시터는 1~10kW/kg정도이다.

여섯째, 충방전 횟수가 많아 수명이 길다. 구체적으로, 리튬이온 배터리는 1000번 충방전하면 용량이 급락하여 폐기처분해야 하지만 슈퍼 커패시터는 50만번에서 최대 1000만번까지 충방전이 가능하다.

일곱째, 고속충전 및 고속방전이 가능하며, 저온에서도 성능저하가 작아 기기사용이 가능하다.

이하에서, 도 1에 도시된 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치를 보다 구체적인 실시예를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 도 1의 보조전원장치의 구체적인 일 실시예를 나타낸 회로도로서, 본 발명의 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치가 특고압 및 저압 배전반의 차단기 제어전원에 적용된 경우를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 변압부(100)는 AC 220V의 상용전원을 AC 110V로 변압하기 위한 것으로, 상용전원이 입력되는 입력단에는 병렬로 누전차단기(110, ELB 2P 30AF/20AT)가 연결될 수 있다.

정류부(200)는 AC 110V의 교류전원을 DC 110V의 직류전원으로 변환할 수 있다.

충전부(300)는 복수 개의 슈퍼 커패시터(미부호)가 직렬로 연결되어, 설정된 로드측 전압(110v)에 대응하는 충전전압을 형성하는 것으로, 슈퍼 커패시터의 용량이 3V인 경우, 총 37개가 직렬로 연결될 수 있다.

이하에서, 도 2에 도시된 보조전원장치의 성능을 실험한 결과를 구체적으로 살펴보기로 한다.

먼저, 도 2에 도시된 보조전원장치의 실험조건은 아래와 같다.

먼저, 정상운전 시 정격전압은 DC 110V이고, DC 3.0V 480F의 슈퍼 커패시터 37EA를 직렬로 연결하며, 정류장치는 BRIDGE DIODE 35A, 강압변압기는 단상 복권, 입력 AC 220V, 출력 AC 110V, 용량 500VA, 돌입전류방지 저항은 500V 30Ω 500W로 하여 실험하였다.

성능시험 결과, 도 5에 도시된 바와 같이 초기 슈퍼 커패시터 만충전에 소요되는 시간 약 90분(충전전압 약 140V)이고, 수전설비 형태는 Analog Type에서 약 40회 VCB 개폐가능, Digital Type에서 약 20회 VCB 개폐가능하며, 차단기(VCB, Vacuum Circuit Breaker, 진공차단기) 개폐불가능 때의 충전전압은 Analog Type에서 DC 80V, Digital Type에서 100V로 나타났다. 여기서, 개폐불가능이라 함은 VCB는 개폐되지만, 디지털 종합계전기는 VCB가 차지(Charging)될 때는 Display 창이 소등되는 상태를 말한다.

그리고, 차단기 개폐 불가능 때부터 만충전 시까지 소요되는 시간 약 30분∼40분이며, 슈퍼 커패시터 만충전 후 자연방전 시간은 만충전 138V에서, 5시간 경과 후 116V, 17시간 경과 후 110V, 24시간 경과 후 108V, 29시간 경과 후 105V(VCB 및 종합 계전기 사용 가능), 41시간 경과 후 103V, 48시간 경과 후 100V(VCB 사용 가능)로 나타났다.

다시 말해, 도 1에 도시된 본 발명의 보조전원장치의 경우, 종합 계전기는 29시간 이후에도 사용이 가능하며, VCB는 48시간이 경과되어도 사용이 가능하다는 것을 알 수 있다.

도 3은 도 2의 다른 일 실시예를 나타낸 회로도로서, MCC(Motor Control Center, 모터기동반) 및 분전반에 적용된 경우를 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 정류부(200)의 출력측에 스위칭부(400)가 연결될 수 있으며, 스위칭부에 로드부(500)가 연결될 수 있다. 여기서, 로드부(500)는 충전된 전기에너지를 소모하는 구성을 포함하는 것으로, 특정한 것을 한정하는 것이 아니라 다양한 전자소자나 부품, 구동장치, 시스템 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에서는 정전시 분전반 내부에 최소한의 조명을 제공할 수 있도록 하기 위해 고휘도 LED등을 로드부(500)인 것으로 하며, 그 외 장치나 시스템의 운용을 위한 필수적이고도 중요한 요소들이 로드부가 될 수 있을 것이다.

이에, 스위칭부(400)는, 상용전원이 변압부(100)로 공급되면 정류부(200)에서 변환된 직류전원을 충전부(300) 및 로드부(500) 중 적어도 하나에 공급하고, 상용전원의 공급이 중단되면 충전부(300)에 충전된 전기에너지를 로드부(500)로 공급하도록 동작할 수 있다.

이와 같은 스위칭부(400)의 구성 및 결합관계는, 도 3에 도시된 것으로 한정하는 것은 아니며, 로드부(500)의 구성이나 특성 및 당업자의 요구에 따라 다양한 형태로 변형이 가능함은 물론이다.

여기서, 상기 충전부(300)의 경우, 그 사용분야에 따라 도 2 및 도 3과 같이 충전용량을 달리하게 되는데, 적용되는 제품이나 시스템마다 서로 다른 형태의 충전부(300)를 제작하게 되면, 생산성 및 적용성이 저하될 수 있다.

이에, 본 발명에서는 충전부(300)를 모듈형태로 구성하여, 정류부(200)의 출력측에 단자로 연결되도록 할 수 있으며, 하나의 충전부(300)를 이용하여 다양한 충전용량을 설정할 수 있는 방법을 제시하며, 이를 이하에서 구체적으로 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치를 제품화하기 위해서는 슈퍼 커패시터의 크기 및 형태와, 이러한 슈퍼 커패시터를 내부에 안장하는 패키지의 크기 등에 대해 고려해야 한다.

슈퍼 커패시터의 1개의 크기가 대략 30mm × 80mm(원통형)이므로 충전부위 20mm를 포함하면 슈퍼 커패시터의 1개의 크기는 30mm × 100mm(원통형)가 된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 이러한 크기의 슈퍼 커패시터(810) 37개가 직렬 연결된 1세트의 모듈(슈퍼 커패시터 패키지(800))의 크기는 대략 W150mm × H100mm × D400mm 정도가 된다. 여기서, 이러한 슈퍼 커패시터 패키지(800)의 내부에는 브릿지 다이오드(820)가 포함될 수 있다. 용량을 증설해야 할 경우에는 동일한 크기의 모듈(패키지)을 제작하여 병렬 연결하면 용량을 필요한 만큼 증설할 수 있다. 물론, 용량이 증가함에 따라 강압기나 정류기도 증가되어야 한다. 각 모듈의 용량의 증가를 위하여 각 모듈의 뒷부분에 단자대를 설치할 수 있다.

한편, 도 6은 도 1에 도시된 충전부의 구체적인 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 충전부(300)는 슈퍼 커패시터를 포함하는 충전유닛(330)이 차단기(VCB, ACB, 각종 스위치류)에 탈부착 가능하도록 구성될 수 있다.

구체적으로, 충전부(300)는 기판(310) 및 도선연결구(320)를 포함할 수 있다.

기판(310)은 양측이 정류부(200)의 출력측과 연결되는 도선(312)이 형성되고 그 사이에는 도선(312)의 적어도 일부가 단선되는 적어도 하나의 단선홀(311)이 형성될 수 있다.

이때, 기판(310)은 단선홀(311)의 양측 가장자리에서 상부면의 도선(312)과 하부면의 도선(312)이 전기적으로 이어지도록 비아홀(313)이 형성될 수 있다.

물론, 상부면의 도선(312)과 하부면의 도선(312)이 단선홀(311)의 내측면을 통해 연결될 수도 있으나, 이 경우에는 충전유닛(330)의 탈부착 과정에서 단선홀(311)의 내측면이 마모되는 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 상부면의 도선(312)과 하부면의 도선(312)이 단선되는 경우가 발생할 수 있다.

따라서, 기판(310)의 상부면에 형성한 도선(312)과 하부면에 형성한 도선(312)은 비아홀(313)로 연결되는 것이 바람직하다.

도선연결구(320)는 충전유닛(330)이 결합되지 않은 상태에서는 도 6의 상부에 도시된 바와 같이 단선홀(311)의 양측 도선(312)을 전기적으로 연결할 수 있고, 도 6의 하부에 도시된 바와 같이 충전유닛(330)이 결합되면 단선홀(311)의 양측에 형성된 도선(312)과 단선되는 것으로, 이동구(321) 및 가압탄성구(322)를 포함할 수 있다.

이동구(321)는 단선홀(311)의 하부에서 상하방향으로 승하강이 가능하도록 구성된 것으로, 승강시 단선홀(311)의 양측 도선(312)을 전기적으로 연결하도록 그 상부면에 도선(321a)이 형성될 수 있다.

가압탄성구(322)는 탄성력에 의해 이동구(321)를 상부방향으로 가압하는 것으로, 도 6에 도시되어 있는 코일스프링을 포함할 수 있으며, 당업자의 요구에 따라 판스프링 등으로 변경될 수 있다.

그리고, 충전유닛(330)은 내부에 적어도 하나의 슈퍼 커패시터가 직렬로 연결되는 것으로, 도 6의 하부에 도시된 바와 같이 충전유닛(330)의 푸셔(331, Pusher)가 단선홀(311)에 결합되면, 단선홀(311)의 양측 도선(312)과 연결단자(332)가 연결되며, 이 연결단자는 내부의 슈퍼 커패시터와 연결될 수 있다.

다시 말해, 충전유닛(330)은 단선홀(311)에 결합시, 도선연결구(320)의 이동구(321)를 하부방향으로 가압하면서 이동구(321)가 기판(310)의 도선(312)과 단선되도록 하면서, 단선홀(311)의 양측 가장자리 상부면에 형성된 도선(312)과 슈퍼 커패시터의 양단과 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 충전부(300)는 평상시 도선(312, 321)이 직선형태로 연결될 수 있으며, 필요시 충전유닛(330)은 도선(312)에 직렬로 연결될 수 있다.

이와 같이 충전유닛(330)을 충전부(300)의 기판(310)에 직렬로 탈부착가능하도록 구성하게 되면, 도 8에 도시된 바와 같이 결합되는 충전유닛(330)의 개수를 조절하여 충전부(300)의 충전용량을 조절할 수 있다.

도 7은 도 6의 다른 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 기판(310)의 도선(312)에 인접한 부분에 네오지움과 같은 영구자석(340)이 구성될 수 있으며, 이에 대응하여 도선연결구(320)의 이동구(321)와 충전유닛(330)에도 각각 영구자석(350, 360)이 구성될 수 있다.

이에, 도 6의 상부 및 하부와 같이, 기판(310)과 도선연결구(320) 및 충전유닛(330)은 영구자석의 자력에 의해 밀착된 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

이때, 기판(310)의 도선(312)에 인접한 부분에 형성되는 영구자석(340)은 도선(312)을 간섭하지 않는 위치에 구성됨은 물론이다.

또한, 각 영구자석(340 내지 360)에 의해 발생되는 자력이 충전부(300)의 회로 등에 영향을 미치는 것을 최소화하기 위하여, 각 영구자석(340 내지 360)의 외부면에는 차폐막(341 내지 361)이 구성될 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치는 평상시 외부의 상용전원으로 슈퍼 커패시터를 충전하고, 정전시 슈퍼 커패시터에 충전된 전기에너지를 계전기에 공급함으로써, 메인 차단기(VCB 또는 ACB)를 차단함은 물론이고, 복전시에는 슈퍼 커패시터에 충전된 전기 에너지를 메인 차단기로 투입하여 전력공급의 연속성을 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다. 즉, 기존의 정류기반 및 배터리반의 기능을 제공하여 설비 유지관리에 만전을 기할 수 있는 장점이 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 변압부 200 : 정류부
210 : 충격 흡수기(돌입전류 제한기)
220 : 급속 충방전을 위한 회로 230 : IGBT 회로
300 : 충전부 310 : 기판
311 : 단선홀 312 : 도선
313 : 비아홀 320 : 도선연결구
321 : 이동구 321a : 도선
322 : 가압탄성구 330 : 충전유닛
331 : 푸셔(Pusher) 332 : 연결단자
800 : 슈퍼 커패시터 패키지 810 : 슈퍼 커패시터
820 : 브릿지 다이오드

Claims

상용전원을 설정한 전압으로 변압하여 교류전원을 출력하는 변압부와;
다이오드 브릿지 회로(Diode bridge circuit) 또는 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하되, 슈퍼 커패시터 패키지를 복수개 병렬 연결할 시 돌입전류에 의한 상용전압의 차단을 방지하기 위한 충격 흡수기(돌입전류 제한기) 및 급속 충방전을 위한 회로(Crowbar circuit for high speed discharge, charge, switching system)와, 효율향상을 위한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)회로를 적용하여, 상기 변압부에서 원하는 전압으로 변환된 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부; 및
상기 정류부에서 변환된 직류전원으로 전기에너지를 적어도 하나의 슈퍼 커패시터에 공급하여 충전하는 충전부를 포함하고,
상기 충전부는,
기판 및 도선연결구를 포함하며,
상기 기판은 양측이 상기 정류부의 출력측과 연결되는 도선이 형성되고 그 사이에는 상기 도선의 적어도 일부가 단선되는 적어도 하나의 단선홀이 형성되며, 상기 단선홀의 양측 가장자리에서 상부면의 도선과 하부면의 도선이 전기적으로 이어지도록 비아홀이 형성되고,
상기 도선연결구는 충전유닛이 결합되지 않은 상태에서는 상기 단선홀의 양측 도선을 전기적으로 연결하고, 상기 충전유닛이 결합되면 상기 단선홀의 양측에 형성된 도선과 단선되는 것으로, 이동구 및 가압탄성구를 포함하며,
상기 이동구는 상기 단선홀의 하부에서 상하방향으로 승하강이 가능하도록 구성된 것으로, 승강시 상기 단선홀의 양측 도선을 전기적으로 연결하도록 그 상부면에 도선이 형성되고,
상기 가압탄성구는 탄성력에 의해 상기 이동구를 상부방향으로 가압하는 것으로, 코일스프링 또는 판스프링으로 구성되며,
상기 충전유닛은 내부에 적어도 하나의 슈퍼 커패시터가 직렬로 연결되고, 충전유닛의 푸셔가 상기 단선홀에 결합되면, 단선홀의 양측 도선과 연결단자가 연결되며, 이 연결단자는 내부의 슈퍼 커패시터와 연결되는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치.
제 1항에 있어서,
상기 변압부는,
상기 상용전원이 입력되는 입력단과 병렬로 연결되는 누전차단기를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치.
제 1항에 있어서,
상기 충전부는,
적어도 하나의 슈퍼 커패시터가 직렬로 연결되어 설정된 로드측 전압에 대응하는 충전전압을 형성하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정류부의 출력측에 연결되는 스위칭부; 및
상기 스위칭부와 연결되는 로드부;를 더 포함하며,
상기 스위칭부는,
상기 상용전원이 공급되면 상기 정류부에서 변환된 직류전원을 상기 충전부 및 로드부 중 적어도 하나에 공급하고,
상기 상용전원의 공급이 중단되면, 상기 충전부에 충전된 전기에너지를 상기 로드부로 공급하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 충전부는,
모듈형태로 구성되어 상기 정류부의 출력측에 단자로 연결되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치.
제 5 항에 있어서,
상기 충전부는,
상기 슈퍼 커패시터를 포함하는 충전유닛이 차단기에 탈부착 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치.
제 5 항에 있어서,
상기 충전부는,
용량을 증설할 수 있도록 슈퍼 커패시터 패키지를 필요 용량만큼 증설할 수 있도록 하는 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 보조전원장치.
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