KR20110062990A - 커패시터의 평가 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 커패시터의 평가 장치에 관한 것으로, 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어부(100); 상기 충방전 제어부(100)의 충전 및 방전 제어에 따라, 측정 대상인 커패시터(CSP)와 전원 공급부(50)와의 연결 또는 상기 커패시터(CSP)와 방전경로(DP)와의 연결을 선택하는 충방전 스위치(200); 상기 방전경로(DP)에 연결되어, 상기 커패시터(CSP)의 방전을 위한 방전 저항을 제공하는 방전부(300); 상기 커패시터(CSP)의 전압을 측정하는 전압측정부(400); 상기 커패시터(CSP)의 충전전류 또는 방전전류를 측정하는 전류측정부(500); 및 상기 충방전 제어부(100)를 통해 충전 및 방전을 제어하면서, 이 충전 및 방전 과정에서 상기 커패시터(CSP)의 전압과, 상기 충전 전류 및 방전 전류에 기초해서, 등가직렬저항(Res), 커패시턴스(C) 및 자가 방전저항(Rsd)을 구하는 메인 제어부(600)를 포함한다.
대용량 커패시터, 등가직렬저항(Res), 커패시턴스(C), 자가 방전저항(Rsd), 자가 방전율(RTsd)

Description

커패시터의 평가 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR EVALUATING CAPACITOR}
본 발명은 자동차나 풍력 발전 등에 적용될 수 있는 대용량의 커패시터의 평가장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 커패시터의 등가 직렬저항(ESR), 커패시턴스 및 자가방전저항을 자동 측정할 수 있고, 또한 측정작업을 신속하게 수행할 수 있는 커패시터의 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 하이브리드 자동차, 풍력 발전 등에서는 높은 출력을 요구하는 대용량 커패시터의 필요성이 증대되고 있다. 이러한 대용량의 커패시터는 제작시나 사용중에 그 특성을 평가할 필요성이 있다.
도 1은 측정대상인 커패시터의 등가 회로도이고, 도 1을 참조하면, 대용량의 커패시터(CSP)는, 등가적으로 등가직렬저항(Res,ESR: Equivalent Series Resistance), 커패시턴스(C) 및 자가방전저항(Rsd)으로 표현될 수 있다.
종래의 커패시터의 측정은, 기존의 소용량 커패시턴스와 자가 방전율을 측정하는 것을 기본으로 하는데, 그 이유는 출력 전류가 작아 등가직렬저항에 의한 영향을 무시할 수 있을 만큼 작은 값이기 때문이다.
그러나 대용량 커패시터는 수 암페어에서 수백 암페어까지 전류를 출력함으로 등가 직렬저항에 의한 전압 강하를 무시할 수 없기 때문에, 종래의 소용량 커패시터 측정 방법으로는 대용량의 커패시터를 평가할 수 없다는 문제점이 이t다.
또한, 대용량의 커패시터는 한번 충전하는데 소요되는 시간이나, 충전된 전압을 방전시키는데 소용되는 시간이 장시간(예, 2-4 시간) 소요되는 특성이 있기 때문에, 커패시터의 용량이 증가함에 따라 소용량 커패시터에 대비해서, 양불 판정을 위한 측정 평가 시간이 필연적으로 증가하게 되는 문제점이 있다.
이와 같이, 커패시터의 측정 시간이 장시간 소요되기 때문에, 이는 대용량의 커패시터를 대량 생산하는데 걸림돌이 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로써, 그 목적은, 커패시터의 등가 직렬저항(ESR), 커패시턴스 및 자가방전저항을 자동 측정할 수 있고, 또한 측정작업을 신속하게 수행할 수 있는 커패시터의 평가 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 기술적인 측면은, 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어부; 상기 충방전 제어부의 충전 및 방전 제어에 따라, 측정 대상인 커패시터와 전원 공급부와의 연결 또는 상기 커패시터와 방전경로와의 연결을 선택하는 충방전 스위치; 상기 방전경로에 연결되어, 상기 커패시터의 방전을 위한 방전 저항을 제공하는 방전부; 상기 커패시터의 전압을 측정하는 전압측정부; 상기 커패시터의 충전전류 또는 방전전류를 측정하는 전류측정부; 및 상기 충방전 제어부를 통해 충전 및 방전을 제어하면서, 이 충전 및 방전 과정에서 상기 커패시터의 전압과, 상기 충전 전류 및 방전 전류에 기초해서, 등가직렬저항, 커패시턴스 및 자가 방전저항을 구하는 메인 제어부를 포함하는 커패시터의 평가 장치를 제안한다.
상기 메인 제어부는, 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과, 상기 커패시터의 충전종료 후 상기 커패시터의 초기 전압과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전 압을 상기 방전전류로 나누어서 상기 등가직렬저항을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 제어부는, 상기 초기 전압과 기설정된 설정전압과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압을 상기 방전전류를 나누어 방전 저항을 구하고, 상기 초기 전압에서 상기 커패시터의 전압이 상기 초기전압에서 상기 설정전압까지 변하는데 걸리는 방전시간을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 제어부는, 상기 방전시간을 상기 방전 저항으로 나누어 상기 커패시턴스를 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 제어부는, 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압을 만충전 후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류를 나누어서 상기 자가방전저항을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 제어부는, 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압과 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과의 비율로 자가방전율을 더 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 자가 방전 기준 시간은, 정상적인 상태에서, 상기 커패시터가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정된 것을 특징으로 한다.
상기 메인 제어부는, 방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 구하고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 방전시간을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 방전부 복수의 병렬저항을 포함하는 병렬 저항 회로부; 상기 병렬 저항 회로부의 복수의 병렬저항 각각을 선택하는 복수의 스위치를 포함하는 스위치 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 기술적인 측면은, 측정 대상인 커패시터의 충전을 수행하는 충전 단계; 상기 커패시터의 충전이 완료되면 만충전압 및 전류를 측정하는 제1 측정 단계; 상기 충전완료 후 방전을 수행하는 방전 수행 단계; 상기 방전 개시시 초기전압 및 방전전류를 측정하는 제2 측정 단계; 상기 초기전압 및 방전전류를 이용하여 등가직렬저항을 계산하는 제1 계산단계; 상기 초기전압에서 기설정된 설정전압까지 걸리는 방전시간을 계산하는 제2 계산단계; 및 상기 초기전압, 기설정된 설정전압, 방전전류 및 방전시간을 이용하여 커패시턴스 및 자가방전저항을 계산하는 제3 계산단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 계산단계는, 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과, 상기 커패시터의 충전종료 후 상기 커패시터의 초기 전압과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전압을 상기 방전전류로 나누어서 상기 등가직렬저항을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 계산단계는, 상기 초기 전압과 기설정된 설정전압과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압을 상기 방전전류를 나누어 방전 저항을 구하고, 상기 초기 전압에서 상기 커패시터의 전압이 상기 초기전압에서 상기 설정전압까지 변하는데 걸리는 방전시간을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 계산단계는, 상기 방전시간을 상기 방전 저항으로 나누어 상기 커패시턴스를 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 계산단계는, 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압을 만충전 후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류를 나누어서 상기 자가방전저항을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 계산단계는, 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압과 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과의 비율로 자가방전율을 더 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 자가 방전 기준 시간은, 정상적인 상태에서, 상기 커패시터가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정된 것을 특징으로 한다.
상기 제3 계산단계는, 방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 구하고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 초기전압에서 상기 설정전압까지 변하는데 걸리는 방전시간을 구하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 대용량의 커패시터의 등가 직렬저항(ESR), 커패시턴스 및 자가방전저항을 자동적으로 측정할 수 있으면서, 방전전압 선형 근사식을 이용하여 보다 신속하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 설명되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위해서 사용된다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 커패시터의 평가 장치의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 커패시터의 평가 장치는, 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어부(100)와, 상기 충방전 제어부(100)의 충전 및 방전 제어에 따라, 측정 대상인 커패시터(CSP)와 전원 공급부(50)와의 연결 또는 상기 커패시터(CSP)와 방전경로(DP)와의 연결을 선택하는 충방전 스위치(200)와, 상기 방전경로(DP)에 연결되어, 상기 커패시터(CSP)의 방전을 위한 방전 저항을 제공하는 방전부(300)와, 상기 커패시터(CSP)의 전압을 측정하는 전압측정부(400)와, 상기 커패시터(CSP)의 충전전류 또는 방전전류를 측정하는 전류측정부(500)와, 상기 충방전 제어부(100)를 통해 충전 및 방전을 제어하면서, 이 충전 및 방전 과정에서 상기 커패시터(CSP)의 전압과, 상기 충전 전류 및 방전 전류에 기초해서, 등가직렬저항(Res), 커패시턴스(C) 및 자가 방전저항(Rsd)을 구하는 메인 제어부(600)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에서 측정대상인 커패시터의 충방전 특성 곡선도로서, 도 3에서, Vedis는 방전완료전압, Vtc는 설정전압, Ichg는 충전전류, Vc는 초기전압, Vrate는 만충전압, Iechg는 충전완료전류, Vd는 제1 오차전압, Idis는 방전전류, Tr는 충전시간, Td는 충전유지시간, Tds는 방전개시시점, Tf는 기설정된 방전종료시간이며, 그리고 Tc는 방전시간이다.
상기 메인 제어부(600)는, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)과, 상기 커패시터(CSP)의 충전종료 후 상기 커패시터(CSP)의 초기 전압(Vc)과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전압(Vd)을 상기 방전전류(Idis)로 나누어서 상기 등가직렬저항(Res)을 구하도록 이루어진다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 메인 제어부(600)는, 상기 초기 전압(Vc)과 기설정된 설정전압(Vtc)과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압(Vd2)을 상기 방전전류(Idis)를 나누어 방전 저항(Rtc)을 구하고, 상기 커패시터(CSP)의 전압이 상기 초기전압(Vc)에서 상기 설정전압(Vtc)까지 변하는데 걸리는 방전시간(Tc)을 구하도록 이루어진다.
상기 메인 제어부(600)는, 상기 방전시간(Tc)을 상기 방전 저항(Rtc)으로 나누어 상기 커패시턴스(C)를 구하도록 이루어진다.
상기 메인 제어부(600)는, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)을 만충전 후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류(Idis)를 나누어서 상기 자가방전저항(Rsd)을 구하도록 이루어진다.
상기 메인 제어부(600)는, 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압(Vdis)과 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)과의 비율로 자가방전율을 구하도록 이루어질 수 있다.
이때, 상기 자가 방전 기준 시간은, 정상적인 상태에서, 상기 커패시터(C)가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 방전전압 선형 특성 그래프로써, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 메인 제어부(600)는, 방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압(Vc)에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 구하고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 방전시간(Tc)을 구하도록 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 방전부의 회로도로서, 도 5를 참조하면, 상기 방전부(300)는, 복수의 병렬저항을 포함하는 병렬 저항 회로부(310)와, 상기 병렬 저항 회로부(310)의 복수의 병렬저항(R1~Rn) 각각을 선택하는 복수의 스위치(SW1~SWn)를 포함하는 스위치 회로부(320)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 커패시터의 평가 방법의 플로우챠트이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 커패시터의 평가 방법은, 측정 대상인 커패시터(CSP)의 충전을 수행하는 충전 단계(S100)와, 상기 커패시터(CSP)의 충전이 완료되면 만충전압(Vrate) 및 전류(Iechg)를 측정하는 제1 측정 단계(S200)와, 상기 충전완료 후 방전을 수행하는 방전 수행 단계(S300)와, 상기 방전 개시시 초기전압(Vc) 및 방전전류(Idis)를 측정하는 제2 측정 단계(S400)와, 상기 초기전압(Vc) 및 방전전 류(Idis)를 이용하여 등가직렬저항(Res)을 계산하는 제1 계산단계(S500)와, 상기 초기전압(Vc)에서 기설정된 설정전압(Vtc)까지 걸리는 방전시간(Tc)을 계산하는 제2 계산단계(S600)와, 상기 초기전압(Vc), 기설정된 설정전압(Vtc), 방전전류(Idis) 및 방전시간(Tc)을 이용하여 커패시턴스(C) 및 자가방전저항(Rsd)을 계산하는 제3 계산단계(S700)를 포함할 수 있다.
상기 제1 계산단계(S500)는, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)과, 상기 커패시터(CSP)의 충전종료 후 상기 커패시터(CSP)의 초기 전압(Vc)과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전압(Vd)을 상기 방전전류(Idis)로 나누어서 상기 등가직렬저항(Res)을 구하도록 이루어진다.
상기 제3 계산단계(S700)는, 상기 초기 전압(Vc)과 기설정된 설정전압(Vtc)과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압(Vd2)을 상기 방전전류(Idis)를 나누어 방전 저항(Rtc)을 구하고, 상기 커패시터(CSP)의 전압이 상기 초기전압(Vc)에서 상기 설정전압(Vtc)까지 변하는데 걸리는 방전시간(Tc)을 구하도록 이루어진다.
상기 제3 계산단계(S700)는, 상기 방전시간(Tc)을 상기 방전 저항(Rtc)으로 나누어 상기 커패시턴스(C)를 구하도록 이루어진다.
또한, 상기 제3 계산단계(S700)는, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)을 만충전 후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류(Idis)를 나누어서 상기 자가방전저항(Rsd)을 구하도록 이루어진다.
상기 제3 계산단계(S700)는, 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압(Vdis)과 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)과의 비율로 자가방전율을 구하도록 이루어질 수 있다.
이때, 상기 자가 방전 기준 시간은, 정상적인 상태에서, 상기 커패시터(C)가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정될 수 있다.
그리고, 상기 제3 계산단계(S700)는, 방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압(Vc)에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 구하고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 초기전압(Vc)에서 상기 설정전압(Vtc)까지 변하는데 걸리는 방전시간(Tc)을 구하도록 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 커패시터의 평가 장치에 대해 설명하면, 먼저 도 2에서, 본 발명의 커패시터의 평가 장치의 충방전 제어부(100)는, 본 발명의 메인 제어부(600)의 제어에 따라 충전을 제어한다.
상기 충방전 스위치(200)는, 상기 충방전 제어부(100)의 충전 제어에 따라, 측정 대상인 커패시터(CSP)와 전원 공급부(50)와의 연결을 선택한다.
이에 따라, 상기 전원 공급부(50)에서 공급되는 전원에 의해서 상기 커패시터(CSP)는 충전되고, 이러한 충전과정에서, 본 발명의 전압측정부(400)는, 상기 커패시터(CSP)의 전압을 측정하여 메인 제어부(600)에 제공하고, 또한 본 발명의 전류측정부(500)는 상기 커패시터(CSP)의 전류를 측정하여 상기 메인 제어부(600)에 제공한다.
상기 메인 제어부(600)는 상기 전압측정부(400)로부터의 전압과 상기 전류측정부(500)로부터의 전류를 감시하면서 상기 커패시터(CSP)에 만충되었는지를 판단하다가 상기 커패시터(CSP)의 만충전이 판단되면 만충전압(Vrate) 및 전류(Iechg)를 저장한다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 메인 제어부(600)가 상기 커패시터(CSP)의 만충전 여부을 판단하는 근거는, 상기 커패시터(CSP)의 충전전압이 더 이상 높아지지 않고 일정 시간동안 유지되는 경우에 만충전으로 판단한다.
이후, 상기 메인 제어부(600)는 상기 충방전 제어부(100)를 통해 방전을 제어하고, 상기 충방전 제어부(100)가 상기 충방전 스위치(100)에 방전을 제어한다. 이에 따라, 상기 충반전 스위치(100)는 상기 커패시터(CSP)와 방전경로(DP)를 통해 방전부(300)와 연결시키면, 상기 방전부(300)를 통해 상기 커패시터(CSP)에 충전된 전압이 방전된다.
이러한 방전과정에서, 본 발명의 전압측정부(400)는, 상기 커패시터(CSP)의 전압을 측정하여 상기 메인 제어부(600)에 제공하고, 또한 본 발명의 전류측정 부(500)는 상기 커패시터(CSP)의 방전과정에서 전류를 측정하여 상기 메인 제어부(600)에 제공한다.
이에 따라, 상기 방전개시시점에서, 만충전압에서 순간적으로 초기전압(Vc)으로 떨어지는데, 상기 메인 제어부(600)는, 상기 전압측정부(400)를 통해 측정된 초기전압(Vc)을 저장하고, 상기 전류측정부(500)를 통해 측정된 방전전류(Idis)를 저장한다.
상기 메인 제어부(600)는 상기 전압측정부(400)로부터의 방전전압과 상기 전류측정부(500)로부터의 방전전류를 감시하면서 상기 커패시터(CSP)의 전압이 기설정된 설전전압(Vtc)에 도달하였는지를 판단한다. 상기 메인 제어부(600)가 상기 커패시터(CSP)의 전압이 기설정된 설전전압(Vtc)에 도달하였다고 판단되면 이때 방전개시시점(Tds)에서 상기 설전전압(Vtc)까지 도달하는데 걸리는 소요시간에 해당되는 방전시간(Tc)을 저장한다.
이어서, 상기 메인 제어부(600)는, 상기 커패시터(CSP)의 전압과, 상기 충전 전류 및 방전 전류에 기초해서, 등가직렬저항(Res), 커패시턴스(C) 및 자가 방전저항(Rsd)을 구한다.
보다 구체적으로 설명하면, 먼저 상기 메인 제어부(600)는, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)과, 상기 커패시터(CSP)의 충전종료 후 상기 커패시터(CSP)의 초기 전압(Vc)과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전압(Vd)을 상기 방전전류(Idis)로 나누어서 상기 등가직렬저항(Res)을 하기 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
[수학식 1]
Res[등가직렬저항=ESR] = (Vrate-Vc)/Idis = Vd/Idis
다음, 상기 메인 제어부(600)는, 상기 초기 전압(Vc)과 기설정된 설정전압(Vtc)과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압(Vd2)을 상기 방전전류(Idis)를 나누어 방전 저항(Rtc)을 구하고, 상기 커패시터(CSP)의 전압이 상기 초기전압(Vc)에서 상기 설정전압(Vtc)까지 변하는데 걸리는 방전시간(Tc)을 구한다.
상기 메인 제어부(600)는, 상기 방전시간(Tc)을 상기 방전 저항(Rtc)으로 나누어 상기 커패시턴스(C)를 하기 수학식 2와 같이 구할 수 있다.
[수학식 2]
C[커패시턴스] = Tc/[(Vc-Vtc)/Idis] = Tc/[Vd2/Idis] = Tc/Rtc
다음, 상기 메인 제어부(600)는, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)을 만충전 이후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류(Idis)를 나누어서 상기 자가방전저항(Rsd)을 하기 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
[수학식 3]
Rsd[자가방전저항] = Vrate/Idis
또한, 상기 메인 제어부(600)는, 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압(Vdis)과 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)의 비율로 자가방전율을 하기 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
이때, 상기 자가 방전 기준 시간은, 정상적인 상태에서, 상기 커패시터(C)가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정될 수 있다.
[수학식 4]
RTsd(자가방전율) = (Vrate/Vdis) X 100(%)
도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 메인 제어부(600)는, 방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압(Vc)에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 하기 수학식 5와 같이 구할 수 있고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 방전시간(Tc)을 구할 수 있다.
[수학식 5]
Y = A·X + B
상기 수학식 5에서, Y는 전압이고, X는 시간이며, A는 기울기이고, B는 Y축 절편이다. 상기 수학식 5를 참고하면, 상기 방전전압 선형 근사식으로부터 Vc에서 Vtc 까지 감소하는데 걸리는 방전시간(Tc)을 유추할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 방전부(300)의 스위치 회로부(320)의 복수의 스위치(SW1~SWn)를 통해서 병렬 저항 회로부(310)의 복수의 병렬저항(R1~Rn)중에서 적어도 하나를 선택할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서는, 상기 방전부(300)의 방전에 기여하는 저항값을 선택할 수 있으므로, 검사대상인 커패시터의 특정에 따라 방전 속도를 적절히 조절할 수 있다.
이하, 도 2, 도 3, 도 4 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 커패시터의 평가 방법을 설명한다.
먼저, 도 6에서, 본 발명에 따른 커패시터의 평가 방법에서, 본 발명의 충전 단계(S100)는, 측정 대상인 커패시터(CSP)의 충전을 수행한다.
즉, 본 발명의 메인 제어부(600)의 제어에 따라 충방전 제어부(100)가 충전을 제어하면, 상기 충방전 스위치(200)가, 측정 대상인 커패시터(CSP)와 전원 공급부(50)와의 연결을 선택한다. 이에 따라, 상기 전원 공급부(50)에서 공급되는 전원에 의해서 상기 커패시터(CSP)는 충전된다.
다음, 본 발명의 제1 측정 단계(S200)에서는, 상기 커패시터(CSP)의 충전이 완료되면 만충전압(Vrate) 및 전류(Iechg)를 측정한다.
즉, 상기 메인 제어부(600)는 상기 전압측정부(400)로부터의 전압과 상기 전류측정부(500)로부터의 전류를 감시하면서 상기 커패시터(CSP)에 만충되었는지를 판단하다가 상기 커패시터(CSP)의 만충전이 판단되면 만충전압(Vrate) 및 전류(Iechg)를 측정하여 저장한다.
이때, 전술한 바와 같이, 상기 메인 제어부(600)가 상기 커패시터(CSP)의 만충전 여부를 판단하는 근거는, 전술한 바와 같이 상기 커패시터(CSP)의 충전전압이 더 이상 높아지지 않고 일정 시간동안 유지되는 경우에 만충전으로 판단한다.
다음, 본 발명의 제2 측정 단계(S400)에서는, 상기 충전완료 후 방전을 수행하는 방전 수행 단계(S300)와, 상기 방전 개시시 초기전압(Vc) 및 방전전류(Idis)를 측정한다.
즉, 상기 메인 제어부(600)의 제어에 따라 상기 충방전 제어부(100)가 상기 충방전 스위치(100)에 방전을 제어하면, 상기 충반전 스위치(100)는 상기 커패시터(CSP)와 방전경로(DP)를 통해 방전부(300)와 연결시켜, 상기 방전부(300)를 통해 상기 커패시터(CSP)의 전압을 방전시킨다.
이때, 상기 방전개시시점에서, 만충전압에서 순간적으로 초기전압(Vc)으로 떨어지는데, 상기 메인 제어부(600)는, 상기 전압측정부(400)를 통해 측정된 초기전압(Vc)을 저장하고, 상기 전류측정부(500)를 통해 측정된 방전전류(Idis)를 저장 한다.
다음, 본 발명의 제1 계산단계(S500)에서는, 상기 초기전압(Vc) 및 방전전류(Idis)를 이용하여 등가직렬저항(Res)을 계산한다.
예를 들어, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)과, 상기 커패시터(CSP)의 충전종료 후 상기 커패시터(CSP)의 초기 전압(Vc)과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전압(Vd)을 상기 방전전류(Idis)로 나누어서 상기 수학식 1과 같이 상기 등가직렬저항을 구할 수 있다.
다음, 본 발명의 제2 계산단계(S600)에서는, 상기 초기전압(Vc)에서 기설정된 설정전압(Vtc)까지 걸리는 방전시간(Tc)을 계산한다.
그리고, 본 발명의 제3 계산단계(S700)에서는, 상기 초기전압(Vc), 기설정된 설정전압(Vtc), 방전전류(Idis) 및 방전시간(Tc)을 이용하여 커패시턴스(C) 및 자가방전저항(Rsd)을 계산한다.
예를 들어, 상기 제3 계산단계(S700)는, 상기 초기 전압(Vc)과 기설정된 설정전압(Vtc)과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압(Vd2)을 상기 방전전류(Idis)를 나누어 방전 저항(Rtc)을 구하고, 상기 커패시터(CSP)의 전압이 상기 초기전압(Vc)에서 상기 설정전압(Vtc)까지 변하는데 걸리는 방전시간(Tc)을 구할 수 있다.
이에 따라, 상기 방전시간(Tc)을 상기 방전 저항(Rtc)으로 나누어 상기 커패 시턴스(C)를 상기 수학식 2와 같이 구할 수 있다.
계속해서, 상기 제3 계산단계(S700)는, 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)을 만충전 후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류(Idis)를 나누어서 상기 자가방전저항(Rsd)을 상기 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
즉, 만충전시 이상적으로는 충전 전류가 0으로 감소되어야 하나, 자가방전저항(Rsd)에 의해 자가 방전이 발생함으로 일정값 이상이 흐르게 되므로, 특정 시간이 지난후 충전전류와 충전전류를 측정하고, 옴의 법칙에 의해 저항을 구하면 자가방전저항(Rsd)을 계산할 수 있다.
또한, 상기 제3 계산단계(S700)는, 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압(Vdis)과 상기 커패시터(CSP)의 만충전시의 만충전압(Vrate)과의 비율로 자가방전율(RTsd)을 상기 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
여기서, 상기 자가 방전 기준 시간은, 정상적인 상태에서, 상기 커패시터(C)가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정될 수 있다.
이때, 설정된 시간 동안 커패시턴스의 전압이 만충전압(Vrate)에 도달하지 못 하거나, 충전전류(Ichg)가 설정값 이하로 감소되지 않을 경우 자가 방전율이 큰 것으로 간주하고 커패시턴스 불량으로 판정할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 상기 제3 계산단계(S700)는, 방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압(Vc)에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 상기 수학식 5와 같이 구하고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 초기전압(Vc)에서 상기 설정전압(Vtc)까지 변하는데 걸리는 방전시간(Tc)을 구할 수 있다.
한편, 등가직렬저항(ESR)을 측정하는 다른 방식으로는 방전중 방전부와 커패시터 사이의 연결을 끊으면 커패시터의 전압이 상승하게 된다. 이는 커패시터로부터 전류가 출력되지 않아 등가직렬저항(ESR)에 의한 전압강하가 발생하지 않기 때문에 발생하는 현상이다.
이로부터 전압 상승분을 전류 변화량으로 나누어 저항값을 유추할 수 있으며, 이 저항값이 등가직렬저항(ESR)이 된다.
도 1은 측정대상인 커패시터의 등가 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 커패시터의 평가 장치의 블록도.
도 3은 본 발명에서 측정대상인 커패시터의 충방전 특성 곡선도.
도 4는 본 발명에 따른 방전전압 선형 특성 그래프.
도 5는 본 발명의 방전부의 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 커패시터의 평가 방법의 플로우챠트.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 충방전 제어부 200 : 충방전 스위치
300 : 방전부 310 : 병렬 저항 회로부
320 : 스위치 회로부 400 : 전압측정부
500 : 전류측정부 600 : 메인 제어부
CSP : 커패시터 Res : 등가직렬저항
Rsd : 자가방전저항 Vc : 초기 전압
Vtc : 설정전압 Idis : 방전전류
Rtc : 방전 저항 Vrate : 만충전압
Vdis : 방전전압 Tc : 방전시간
Tds : 방전개시시점

Claims (17)

  1. 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어부;
    상기 충방전 제어부의 충전 및 방전 제어에 따라, 측정 대상인 커패시터와 전원 공급부와의 연결 또는 상기 커패시터와 방전경로와의 연결을 선택하는 충방전 스위치;
    상기 방전경로에 연결되어, 상기 커패시터의 방전을 위한 방전 저항을 제공하는 방전부;
    상기 커패시터의 전압을 측정하는 전압측정부;
    상기 커패시터의 충전전류 또는 방전전류를 측정하는 전류측정부; 및
    상기 충방전 제어부를 통해 충전 및 방전을 제어하면서, 이 충전 및 방전 과정에서 상기 커패시터의 전압과, 상기 충전 전류 및 방전 전류에 기초해서, 등가직렬저항, 커패시턴스 및 자가 방전저항을 구하는 메인 제어부
    를 포함하는 커패시터의 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과, 상기 커패시터의 충전종료 후 상기 커패시터의 초기 전압과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전압을 상기 방전전류로 나누어서 상기 등가직렬저항을 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    상기 초기 전압과 기설정된 설정전압과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압을 상기 방전전류를 나누어 방전 저항을 구하고, 상기 커패시터의 전압이 상기 초기전압에서 상기 설정전압까지 변하는데 걸리는 방전시간을 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    상기 방전시간을 상기 방전 저항으로 나누어 상기 커패시턴스를 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    상기 커패시터의 만충전시의 만충전압을 만충전 후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류를 나누어서 상기 자가방전저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압과 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과의 비율로 자가방전율을 더 측정하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 자가 방전 기준 시간은,
    정상적인 상태에서, 상기 커패시터가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정된 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 메인 제어부는,
    방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 구하고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 방전시간을 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 방전부
    복수의 병렬저항을 포함하는 병렬 저항 회로부;
    상기 병렬 저항 회로부의 복수의 병렬저항 각각을 선택하는 복수의 스위치를 포함하는 스위치 회로부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 장치.
  10. 측정 대상인 커패시터의 충전을 수행하는 충전 단계;
    상기 커패시터의 충전이 완료되면 만충전압 및 전류를 측정하는 제1 측정 단계;
    상기 충전완료 후 방전을 수행하는 방전 수행 단계;
    상기 방전 개시시 초기전압 및 방전전류를 측정하는 제2 측정 단계;
    상기 초기전압 및 방전전류를 이용하여 등가직렬저항을 계산하는 제1 계산단계;
    상기 초기전압에서 기설정된 설정전압까지 걸리는 방전시간을 계산하는 제2 계산단계; 및
    상기 초기전압, 기설정된 설정전압, 방전전류 및 방전시간을 이용하여 커패시턴스 및 자가방전저항을 계산하는 제3 계산단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 계산단계는,
    상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과, 상기 커패시터의 충전종료 후 상기 커패시터의 초기 전압과의 차전압에 해당되는 제1 오차 전압을 상기 방전전류로 나누어서 상기 등가직렬저항을 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제3 계산단계는,
    상기 초기 전압과 기설정된 설정전압과의 차전압에 해당되는 제2 오차전압을 상기 방전전류를 나누어 방전 저항을 구하고, 상기 커패시터의 전압이 상기 초기전압에서 상기 설정전압까지 변하는데 걸리는 방전시간을 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 계산단계는,
    상기 방전시간을 상기 방전 저항으로 나누어 상기 커패시턴스를 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제3 계산단계는,
    상기 커패시터의 만충전시의 만충전압을 만충전 후 기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 전류를 나누어서 상기 자가방전저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제3 계산단계는,
    기설정된 자가 방전 기준 시간 후의 방전전압과 상기 커패시터의 만충전시의 만충전압과의 비율로 자가방전율을 더 측정하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 자가 방전 기준 시간은,
    정상적인 상태에서, 상기 커패시터가 완전방전 후 전류가 흐르지 않게 되는 시간으로 설정된 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제3 계산단계는,
    방전개시 후 기설정된 일정 시간 간격으로 기설정된 회수번 상기 초기 전압 에서 하강하는 전압을 검출하여 전압 방전 선형 근사식을 구하고, 상기 전압 방전 선형 근사식을 이용하여 상기 초기전압에서 상기 설정전압까지 변하는데 걸리는 방전시간을 구하는 것을 특징으로 하는 커패시터의 평가 방법.
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