KR102552339B1 - 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치는, 출력전압(Vo)을 발생시키는 제어부(500)와, 출력전압을 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 전압강하부(600)와, 슈퍼커패시터의 충전전압을 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 충전전압비교부(700)와, 충전전압비교부의 출력을 제어부로 전달하는 피드백부(400)를 포함한다. 제어부(500)는, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주어, 슈퍼커패시터에 충전되는 전압에 맞추어 충전할 수 있으므로 안정적으로 급속 충전할 수 있다.

Description

슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법{Control system for rapid charging supercapacitor and control method thereof}
본 발명은 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슈퍼커패시터의 급속 충전시에 슈퍼커패시터에 충전된 전압에 맞추어 출력전압을 조절함으로써, 슈퍼커패시터를 안정적으로 충전할 수 있는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
산업혁명 이후 화석연료가 지속적으로 사용되어 왔으나, 최근 화석연료 고갈로 인한 가격 급등 및 환경오염, 지구온난화 등의 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 따라서 태양광, 태양열, 풍력, 조력, 연료 전지 등 친환경적인 신재생에너지 산업이 점점 그 영역을 확장하고 있다.
최근 이산화탄소 저감 및 환경오염 에너지 시책에 따라 화석 원료 절감을 위한 많은 에너지정책이 시행되고 있으며, 친환경 전기자동차, 스마트그리드 등이 주목 받으면서 배터리 등의 에너지 저장장치 산업이 급성장하고 있다.
현재 가장 많이 적용되고 있는 에너지 저장 장치로는 니켈수소 이차전지와 리튬 이차전지가 사용되고 있으나, 이차 전지의 경우 화학반응에 의하여 충전시간이 길고, 고출력 방전시 전압이 낮아지며, 반복사용시 수명이 줄어들어 2~3년 주기로 교체가 필요한 점이 문제로 지적되고 있다.
최근에 이차전지의 문제점을 극복하기 위해 슈퍼커패시터에 대한 연구가 증가하고 있다. 슈퍼커패시터는 물리적인 작용으로 에너지를 저장하여 충전시간이 빠르고, 고출력에도 전압강하가 적으며, 충방전 수명이 2만 사이클 이상으로 매우 긴 장점이 있다. 연료전지발전, 태양광발전, 풍력발전 등의 신재생에너지 발전은 에너지원이나 부하의 변동에 민감하게 반응하므로, 발전된 전력과 부하전력 사이의 차이를 슈퍼커패시터가 흡수 또는 방출함으로써 전력품질을 확보할 수 있다.
슈퍼커패시터는 활성탄 등의 다공성 전극을 이용하는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 금속 산화물 전극을 이용하는 슈도 커패시터(Pseudo Capacitor), 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitor) 등으로 구분된다.
고용량 슈퍼커패시터는 용량이 크므로 급속 충전장치가 필요하다. 한편, 급속 충전시 슈퍼커패시터의 손상이 발생할 수 있으므로, 이를 방지할 수 있는 안정적인 급속 충전장치에 대한 연구가 필요하다.
등록특허공보 제10-1780919호 “커패시터 급속충전 장치”(2017년09월15일 등록)에서는 커패시터 충전 시 보호회로(평활회로)의 과도한 열화 전류를 단속함으로써, 급속충전 및 충전에너지를 장시간 저장 가능하도록 한 커패시터 급속충전 장치에 관하여 개시하고 있다. 커패시터 충전 장치는, 위상변조기와; 정류기와; 분류기와; 모듈전류공급기와; 전류제어소자와; 커패시터와; 저항과; 비교기와; 가변저항과; 상기 가변저항에 의해 조절된 전압의 대칭 값을 증폭시키는 OP AMP 1과 상기 분류기에서 공급되는 전류값을 증폭시키는 OP AMP 2 및 상기 저항에서 커패시터 양단의 전압을 증폭시킨 OP AMP 3의 신호를 수신 받아 상기 커패시터의 충전 초기전압 및 종지전압을 확인하는 2차적으로 자동 보호회로 기능을 갖는 AVR(혹은 MCU)과; 상기 AVR에서 전송된 신호 펄스의 파형이 수동 제어일 경우는, 상기 가변저항에서 조절된 전류 값과 비교하여 상기 커패시터의 급속충전이 이루어지도록 하고, 상기 AVR에서 전송된 신호 펄스의 파형이 자동 제어인 경우는, 상기 비교기에서 출력된 신호에 따라 위상 변조된 전류값에 따라 커패시터의 급속충전 제어가 이루어지도록 하여 3차적으로는 커패시터의 급속충전에 따른 안정성을 확보하도록 하는 PWM 발생기를 포함한다.
등록특허공보 제10-1855631호 “에너지 저장소자 충전장치”(2018년04월30일 등록)에서는 에너지 저장소자가 파손되지 않는 범위 내의 최대한의 전력을 공급하여 에너지 저장소자를 급속으로 충전할 수 있는 에너지 저장소자 충전장치에 관하여 개시하고 있다. 에너지 저장소자 충전장치는, 에너지 저장소자의 유지 전압을 측정하는 전압측정부와, 측정 결과를 분석하여 상기 유지 전압이 임계 전압보다 낮은 경우 고속 충전 모드로 상기 에너지 저장소자를 충전하고, 상기 유지 전압이 상기 임계 전압과 같거나 큰 경우 저속 충전 모드로 상기 에너지 저장소자를 충전하는 충방전 제어부를 포함한다. 여기에서 충방전 제어부는, 상기 고속 충전 모드시 상기 에너지 저장소자에 제1 입력 전압과 제1 입력 전류를 공급하여 상기 유지 전압을 상기 임계 전압까지 상승시키고, 상기 저속 충전 모드시 상기 에너지 저장소자에 상기 제1 입력 전압보다 작은 크기를 갖는 제2 입력 전압과, 상기 제1 입력 전류보다 작은 크기를 갖는 제2 입력 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
등록특허공보 제10-1780919호 “커패시터 급속충전 장치”(2017년09월15일 등록) 등록특허공보 제10-1855631호 “에너지 저장소자 충전장치”(2018년04월30일 등록)
본 발명의 목적은, 슈퍼커패시터에 충전된 전압에 맞추어 출력전압을 제어할 수 있는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 수퍼커패시터에 과전류가 흐르지 않고 안정적으로 충전할 수 있는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 간단한 구조를 하여 제조가 용이한 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어장치에 있어서, 출력전압(Vo)을 발생시키는 제어부(500); 상기 출력전압에서 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 전압강하부(600); 슈퍼커패시터의 충전전압을 입력받아서, 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 충전전압비교부(700); 및 상기 충전전압비교부의 출력을 제어부로 전달하는 피드백부(400);를 포함한다.
상기 제어부(500)는, 상기 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 높여주고, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
상기 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어장치는, 외부 전원으로부터 전력을 공급받는 입력부(200); 및 상기 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여, 상기 피드백부(400)로 전달하는 최대전압비교부(300);를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부(500)는, 상기 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 상기 충전전압(Vc)이 상기 최대전압(Vm)보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정할 수 있다.
상기 전압강하부(600)는, 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 포함할 수 있다.
상기 충전전압비교부(700)는, (-)입력에 상기 충전전압(Vc)을 입력받고, (+)입력에 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값을 입력받는 OP-앰프; 및 상기 OP-앰프의 (-)입력과 출력 사이에 위치하는 피드백 커패시터;를 포함할 수 있다.
상기 피드백부(400)는, 포토커플러(Photo Coupler)를 포함할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법에 있어서, (a) 출력전압(Vo)을 발생시키는 단계; (b) 출력전압(Vo)에서 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 단계; (c) 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)과, 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 단계; 및 (d) 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 높여주고, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 단계;를 포함한다.
상기 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법은, (e) 충전부에 슈퍼커패시터 방전시의 부하를 연결하는 단계; (f) 슈퍼커패시터 방전시에 인가되는 최대전압(Vm)을 설정하는 단계; (g) 슈퍼커패시터를 충전부에 연결하는 단계; (h) 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)과, 미리 설정된 최대전압(Vm)을 비교하는 단계; 및 (i) 상기 충전전압(Vc)이 상기 최대전압(Vm)보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법은, 슈퍼커패시터에 충전된 전압에 맞추어 출력전압을 제어함으로써, 안정적으로 급속충전이 가능하다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법은, 방전된 슈퍼커패시터에 과전류가 흐르지 않도록 제어하여, 안정적으로 급속충전이 가능하다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법은, 간단한 구조로 구현하여 제조 단가가 저렴하고, 유지보수가 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 구체적으로 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치를 PCB기판으로 제작한 모습을 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 충전전압비교부의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)을 최대전압(Vm)으로 제한하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)에 맞추어 출력전압(Vo)을 조정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치(100)는, 입력부(200), 최대전압비교부(300), 피드백부(400), 제어부(500), 전압강하부(600), 충전전압비교부(700), 충전부(800)를 포함한다.
입력부(200)는 외부 전원으로부터 전력을 공급받는다. 공급된 전력은 제어부(500)와 전압강하부(600)를 거쳐서 충전부(800)로 전달된다. 슈퍼커패시터(900)는 충전부(800)에 연결되어 충전에 필요한 전력을 공급받는다.
슈퍼커패시터(900)에 과도한 고전압을 인가하는 경우 과도한 전류가 흘러 슈퍼커패시터가 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전부(800)에 걸리는 충전전압(Vc)을 미리 설정한 최대전압(Vm) 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
최대전압비교부(300)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 최대전압비교부(300)는 미리 설정된 최대전압(Vm) 값을 입력하기 위하여 정전압 레귤레이터(Voltage Regulator)를 포함할 수 있다. 최대전압비교부(300)는 전압비교 장치로 OP-앰프를 이용한 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다.
피드백부(400)는 최대전압비교부(300)의 출력 신호를 제어부(500)로 전달한다. 최대전압비교부(300)의 출력 전압을 제어부 직접 공급하는 경우 부하효과(Load Effect)가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 피드백부(400)는 포토커플러(Photo Coupler) 등을 구비하여 전압 비교 결과를 제어부로 전달하는 것이 바람직하다.
제어부(500)는 입력부(200)를 통해 전달된 전력을 이용하여 출력전압(Vo)을 발생시킨다. 제어부(500)는 PWM모듈을 포함하여, 펄스폭 또는 듀티(duty)를 조절하여 출력전압(Vo)을 변경할 수 있다.
제어부(500)는 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서 충전전압(Vc)이 미리 설정된 최대전압(Vm)보다 큰 경우, 슈퍼커패시터(900)에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 출력전압(Vo)을 낮추도록 펄스폭 또는 듀티를 조절할 수 있다.
전압강하부(600)는 출력전압(Vo)을 일정한 전압만큼 낮추어 충전부(800)에 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급한다. 전압강하부(600)는 출력전압(Vo)과 충전전압(Vc)을 구별하기 위해 사용한다. 전압강하부(600)는 저항보다 소비전력이 적은 다이오드를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 내부 저항이 적고 선형적인 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 쇼트키 다이오드를 사용하는 경우 출력전압과 충전전압의 구별이 용이하고, 적은 손실로 충분한 전력 공급이 가능하다.
슈퍼커패시터(900)는 방전상태에서 내부저항이 매우 낮기 때문에, 고전압을 인가하는 경우 갑자기 과도한 전류가 흘러 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전부(800)의 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)에 맞추어 출력전압(Vo)을 서서히 증가시키며 충전하는 것이 바람직하다.
충전전압비교부(700)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 충전전압비교부(700)는 전압비교 장치로 OP-앰프를 이용한 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다.
피드백부(400)는 최대전압비교부(300)의 출력 신호 뿐만 아니라, 충전전압비교부(700)의 출력 신호도 제어부로 전달한다. 충전전압비교부(700)의 출력 전압을 제어부 직접 공급하는 경우 부하효과(Load Effect)가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 피드백부(400)는 포토커플러(Photo Coupler) 등을 구비하여 충전전압의 비교 결과를 제어부로 전달하는 것이 바람직하다.
제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주고, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
충전부(800)에는 제어부(500)에서 출력된 출력전압(Vo)이 전압강하부(600)를 거쳐서 낮아진 충전전압(Vc)이 인가된다. 충전부(800)에 연결되는 슈퍼커패시터(900)는 충전부 전압에 의해 충전되며, 슈퍼커패시터의 충전에 의해 충전전압(Vc)은 지속적으로 상승하게 된다.
슈퍼커패시터(900)는 활성탄 전극을 이용하는 전기이중층 커패시터(EDLC), 금속 산화물 전극을 이용하는 슈도 커패시터(Pseudo Capacitor), 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitor) 등을 사용할 수 있다. 본 출원에서 NEP(New Energy Pack)는 슈퍼커패시터(900)를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 구체적으로 나타내는 회로도이다.
최대전압비교부(300)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 최대전압비교부(300)는 전압비교 장치로 OP-앰프(310)를 이용하는 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다. OP-앰프(310)에는 피드백 커패시터(330)를 사용할 수 있다. 피드백 커패시터(330)는 과도응답에 따른 히스테리시스를 감소시키기 위해 사용한다. OP-앰프(310)의 (+)입력은 충전부(800)와 연결되어 충전전압(Vc)이 입력된다. OP-앰프(310)의 (-)입력은 가변저항(350)에 연결된다. 가변저항은 정전압 레귤레이터(Voltage Regulator)에 연결될 수 있다. 가변저항(350)을 조절하여 최대전압(Vm)을 설정할 수 있다.
슈퍼커패시터(900)에 과도한 고전압을 인가하는 경우 과도한 전류가 흘러 슈퍼커패시터가 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전부(800)에 걸리는 충전전압(Vc)을 미리 설정한 최대전압(Vm) 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 최대전압(Vm)은, 충전부(800)에 슈퍼커패시터의 내부저항에 해당하는 부하를 인가할 때, 흐르는 전류에 의해 슈퍼커패시터가 손상되지 않는 전압으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 내부 저항이 2 [Ω]이고, 전류 한계가 18 [A]인 경우, 최대전압(Vm)을 36 [V]로 설정할 수 있다. 한편, 내부 저항이 0.1 [Ω]이고, 전류 한계가 40 [A]인 경우, 최대전압(Vm)을 4.0 [V]로 설정할 수 있다.
피드백부(400)는 최대전압비교부(300)와 충전전압비교부(700)의 신호를 제어부(500)로 전달하며, 부하효과(Load Effect)를 방지하기 위하여 포토커플러(Photo Coupler)를 사용한다.
전압강하부(600)는 출력전압(Vo)을 일정한 전압만큼 낮추어 충전부(800)에 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급한다. 전압강하부(600)는 출력전압(Vo)과 충전전압(Vc)을 구별하기 위해 사용한다. 전압강하부(600)는 내부 저항이 적고 선형적인 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 사용한다.
슈퍼커패시터(900)는 방전상태에서 내부저항이 매우 낮기 때문에, 갑자기 고전압을 인가하는 경우 과도한 전류가 흘러 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전을 위해 제어부(500)에서 출력하는 출력전압(Vo)을 슈퍼커패시터에 충전된 충전전압(Vc)에 가까운 값으로 충전을 시작하는 것이 바람직하다.
충전전압비교부(700)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 충전전압비교부(700)는 전압비교 장치로 OP-앰프(710)를 이용한 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다. OP-앰프(710)에는 피드백 커패시터(730)를 사용할 수 있다. 피드백 커패시터(730)는 과도응답에 따른 히스테리시스를 감소시키기 위해 사용한다. 피드백 커패시터(730)는 OP-앰프(710)의 (-)입력과 출력(Vf) 사이에 위치한다. OP-앰프(710)의 (-)입력은 충전부(800)에 연결되어 충전전압(Vc)이 입력된다. OP-앰프(710)의 (+)입력은 가변저항(750)과 연결된 출력전압(Vo)과 연결된다. 가변저항(750)을 조절하여 전위차(Vd)를 설정할 수 있다.
제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주고, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
충전부(800)에는 제어부(500)에서 출력된 출력전압(Vo)이 전압강하부(600)를 거쳐서 낮아진 충전전압(Vc)이 인가된다. 충전부(800)에 연결되는 슈퍼커패시터(900)는 충전부 전압에 의해 충전되며, 슈퍼커패시터의 충전에 의해 충전전압(Vc)은 지속적으로 상승하게 되고, 충전전압(Vc)이 증가하면 충전전압비교부(700)에서 출력전압(Vo)을 증가시키는 신호를 발생한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치를 PCB기판으로 제작한 모습을 나타내는 사진이다.
도면의 아래쪽 PCB에서 입력부(200), 최대전압비교부(300), 피드백부(400), 제어부(500), 충전전압비교부(700), 충전부(800)가 보이고, 전압강하부(600)는 방열판 아래 가려져있다. 도면의 위쪽에도 동일한 PCB를 구비하고 있어서, 도 3의 장치는 슈퍼커패시터 팩 2개를 동시에 충전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 충전전압비교부의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4(a)를 참조하면, 제어부(500)로부터의 출력전압(Vo)은 전압강하부(610)를 거쳐서 충전부에 충전전압(Vc)으로 전달되고 슈퍼커패시터팩(910)을 충전시킨다. 충전전압비교부(700)는 OP-앰프(710), 피드백 커패시터(730), 가변저항(750)을 포함한다. OP-앰프(710)의 (-)입력은 충전부(800)에 연결되어 충전전압(Vc)이 입력되고, OP-앰프(710)의 (+)입력은 가변저항(750)을 통해서 출력전압(Vo)과 연결된다. 즉, OP-앰프(710)의 (+)입력은 출력전압(Vo)을 가변저항의 위쪽 저항(751)과 아래쪽 저항(753)으로 전압분배하여 아래쪽 저항(753)에 인가되는 전위차(Vd)이다. 가변저항(750)을 조절하여 원하는 전위차(Vd)를 설정할 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 전위차(Vd)는 출력전압(Vo)에서 전압강하부(610)의 전압(Vs)과 가변저항의 위쪽 저항(755)에 인가되는 전압(Vu)을 뺀 값이다. 즉, 전위차(Vd) = 출력전압(Vo) - 전압강하부 전압(Vs) - 가변저항 위쪽 전압(Vu)이다.
제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주고, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)을 최대전압(Vm)으로 제한하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법은, 우선 충전부에 슈퍼커패시터 방전시의 저항값과 동일한 부하를 연결한다(S110). 최대전압 설정중에 과전압 또는 과전류에 의한 슈퍼커패시터의 손상이 발생할 수 있으므로, 저항 등의 부하를 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로 슈퍼커패시터 방전시에 인가되는 최대전압(Vm)을 설정한다(S120). 최대전압 설정은 최대전압비교부(300)의 가변저항을 조절하여 설정할 수 있다.
충전부에서 부하를 제거하고, 슈퍼커패시터를 충전부에 연결하고(S130), 충전을 개시한다.
슈퍼커패시터의 충전 중에, 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 측정하고(S140) 충전전압(Vc)과, 미리 설정된 최대전압(Vm)을 비교한다(S150).
충전전압(Vc)이 최대전압(Vm)보다 큰 경우 제어부의 PWM 모듈의 출력 듀티(duty)를 조정하여(S155) 출력전압(Vo)을 낮추거나, 충전을 종료시킬 수 있다. 충전전압(Vc)이 최대전압(Vm)보다 작은 경우 충전을 계속하거나, 출력전압(Vo)을 높이도록 조정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)에 맞추어 출력전압(Vo)을 조정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법은, 충전부에 슈퍼커패시터 방전시의 저항값과 동일한 부하를 연결한다(S210). 방전된 슈퍼커패시터의 전압 설정중에 과전압 또는 과전류에 의한 슈퍼커패시터의 손상이 발생할 수 있으므로, 저항 등의 부하를 이용하는 것이 바람직하다.
충전전압 비교를 위해서, 충전전압비교부(700)의 가변저항을 조절하여 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값을 설정한다.
충전부에서 부하를 제거하고, 슈퍼커패시터를 충전부에 연결한다(S230).
제어부에서 출력전압(Vo)을 발생시키고, 전압강하부에서 출력전압(Vo)을 일정한 전압만큼 낮추어 충전부에 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급한다.
슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 측정한다(S240). 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배하여 전위차(Vd) 값을 구한다(S245). 충전전압(Vc)과 전위차(Vd) 값을 비교한다(S250).
충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 PWM 모듈의 출력 펄스의 Duty를 조정하여 출력전압(Vo)을 높인다(S255). 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우, 계속 충전하거나, PWM 모듈의 출력 펄스의 Duty를 조정하여 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한 후 충전할 수 있다.
100 : 충전 제어장치(100) 200 : 입력부(200)
300 : 최대전압비교부(300) 400 : 피드백부(400)
500 : 제어부(500) 600 : 전압강하부(600)
700 : 충전전압비교부(700) 800 : 충전부(800)
900 : 슈퍼커패시터(900)

Claims (7)

  1. 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어장치에 있어서,
    출력전압(Vo)을 발생시키는 제어부(500); 출력전압(Vo)에서 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 전압강하부(600); 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 충전전압비교부(700); 및 충전전압비교부의 출력을 제어부로 전달하는 피드백부(400);를 포함하되,
    상기 제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주고, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하며,
    상기 충전전압비교부(700)는, (-)입력에 충전전압(Vc)을 입력받고 (+)입력에 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값을 입력받는 OP-앰프 및 OP-앰프의 (-)입력과 출력 사이에 위치하는 피드백 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    외부 전원으로부터 전력을 공급받는 입력부(200) 및 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여 피드백부(400)로 전달하는 최대전압비교부(300)를 더 포함하되,
    상기 제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서 충전전압(Vc)이 최대전압(Vm)보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압강하부(600)는, 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피드백부(400)는, 포토커플러(Photo Coupler)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
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