KR20120123830A - 에너지 저장체의 전압 안정화 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 저장체의 전압 안정화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 복수 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 이루어지는 에너지 저장체에 있어서, 상기 복수 개의 단위셀 각각에 병렬로 연결되는 바이패스저항; 상기 바이패스저항과 단위셀 사이를 연결하거나 차단하는 제1스위치; 상기 복수 개의 단위셀 각각과 입출력단 사이에 구비되어 단위셀 사이를 연결하거나 차단하는 제2스위치; 및 상기 복수 개의 단위셀 각각과 병렬로 연결되어 단위셀의 전압을 모니터링하고, 상기 제1스위치 및 제2스위치의 온/오프를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

에너지 저장체의 전압 안정화 장치 및 그 방법{DEVICE AND METHOD FOR STABILIZING OF VOLTAGE OF ENERGY STORAGE}

본 발명은 에너지 저장체의 전압 안정화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

정보통신 기기와 같은 각종 전자제품에서 안정적인 에너지의 공급은 중요한 요소가 되고 있다. 일반적으로 이러한 기능은 전지(Battery)가 수행하게 되는데, 최근들어 휴대용 기기의 비중이 높아짐에 따라 수천 내지 수만 회 이상 충방전을 반복하면서 기기에 에너지를 공급할 수 있는 이차전지가 대세를 이루고 있다.

한편, 이차전지의 대표적인 예로써 리튬이온 이차전지가 있는데, 상기 리튬이온 이차전지는 높은 에너지밀도로 인하여 작고 가벼우면서도 장시간 동안 안정적인 전원공급이 가능하다는 장점이 있지만, 파워밀도가 낮아 순간출력이 낮으며, 충전에 장시간이 소요될 뿐만 아니라, 충방전에 따른 수명 또한 수천 회 정도로 짧다는 한계가 있다.

상기와 같은 리튬이온 이차전지의 한계점을 보완하기 위하여 최근 화두로 떠오르고 있는 울트라커패시터 또는 슈퍼커패시터라 불리는 장치는 빠른 충방전 속도, 높은 안정성, 그리고 친환경적 특성으로 인해, 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다. 상기와 같은 울트라커패시터 또는 슈퍼커패시터는 리튬이온 이차전지에 비하여 에너지밀도는 낮은 편이지만 파워밀도가 리튬이온 이차전지에 비하여 수십 내지 수백배 이상 크고, 충방전 수명 또한 수십만 회 이상이 될 뿐만 아니라, 수 초 만에 완전충전이 가능할 정도로 충방전 속도가 매우 빠르다는 장점이 있다.

일반적인 슈퍼커패시터는 전극 구조체(electrode structure), 분리막(seperator), 그리고 전해액(eletrolyte solution) 등으로 구성된다. 상기 슈퍼커패시터는 상기 전극 구조체에 전력을 가해, 전해액 내 캐리어 이온들을 선택적으로 상기 전극에 흡착시키는 전기 화학적 메커니즘을 원리로 하여 구동된다. 현재, 대표적인 슈퍼커패시터들로 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor:EDLC), 의사 커패시터(pseudocapacitor), 그리고 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor) 등이 있다.

상기 전기이중층 커패시터는 활성탄소(activated carbon)로 이루어진 전극을 사용하고, 전기이중층 전하흡착(electric double layer charging)을 반응 메커니즘으로 하는 슈퍼커패시터이다. 상기 의사 커패시터는 전이금속 산화물(transition metal oxide) 또는 전도성 고분자(conductive polymer)를 전극으로 사용하고, 유사용량(pseudo-capacitance)을 반응 메커니즘으로 하는 슈퍼커패시터이다. 그리고, 상기 하이브리드 커패시터는 상기 전기이중층 커패시터와 의사 커패시터의 중간적인 특성을 갖는 슈퍼커패시터이다.

상기와 같은 전지, 이차전지, 커패시터들은 에너지 저장체로써 각종 전기 응용 제품을 구동하는데 활용되는데, 각 셀들이 공급할 수 있는 전압은 수 볼트 정도로 낮은 편이어서 높은 전압이 필요한 기기에 에너지원으로 사용되기 위해서는 복수 개의 셀들을 직렬로 연결하는 모듈화가 필수적이다.

또한, 상기와 같이 단위셀들을 직렬로 연결하여 에너지원으로 사용함에 있어서, 각 셀들이 불균일하게 작동하게 되면 모듈 자체의 수명이 급격히 감소할 뿐만 아니라, 과전압으로 인한 기기의 손상이나, 저전압으로 인한 기기의 정상동작 불가 상황이 발생할 수 있으므로, 단위셀들이 안정적인 범위에서 충방전 동작을 수행할 수 있도록 제어하는 수단이 필요하다.

한편, 상기와 같이 다수의 단위셀들의 안정적인 충방전을 제어하기 위하여 각 셀의 전압을 검출하여 모니터링하고, 검출된 전압값이 기준값 보다 높을 경우 해당 셀에 공급되는 전원을 차단하는 기술들이 제안되고 있다.

도 1은 단위셀의 안정적인 충방전을 제어하기 위하여 보편적으로 사용되고 있는 바이패스 방식 안정화 장치를 예시하고 있다.

도 1에서 예시한 바와 같이, 종래의 바이패스 방식 안정화 장치는 단위셀(1)과 바이패스저항(3)을 병렬로 연결하고, 상기 바이패스저항과 단위셀을 연결 또는 차단하는 스위치(2)를 구비한다.

도시하지는 않았지만, 상기 단위셀 양단의 전압을 검출하여 기준전압과 비교하는 별도의 제어부를 구비하는 것이 일반적이다.

상기 제어부는 상기 단위셀 양단의 전압이 기준값을 초과하게 되면 스위치를 온 시킴으로써 단위셀에 과충전된 에너지를 바이패스저항으로 유출시킴과 동시에, 상기 단위셀 양단에 연결된 입출력단을 바이패스저항과 연결함으로써 상기 단위셀의 안정적인 충방전이 가능하게 한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 바이패스 방식 안정화 장치는 충전속도에 비하여 방전속도가 작을 경우 단위셀의 안정화에 많은 시간이 소요되며, 방전량이 너무 작으면 단위셀의 과충전이 지속되어 단위셀의 열화를 유발할 수 있다는 문제가 있었다.

또한, 기본적으로 종래의 바이패스 방식 안정화 장치는 상기 단위셀로 입력되는 전압을 상기 바이패스저항으로 바이패스시키는 것이며, 상기 바이패스저항은 불필요한 에너지 소모를 유발하는 동시에, 바이패스저항에 인가되는 전기에너지를 빛 또는 열 등으로 발산시키는 것이므로 에너지 저장장치 모듈의 온도상승을 유발할 수 있으므로 장기적인 신뢰성 관점에서 에너지 저장장치 모듈을 포함하는 각종 장치에 열적 스트레스를 누적시킨다는 문제점이 있었다.

슈퍼커패시터의 경우 이미 버스의 회생재동 용도로 사용되고 있으며, 향후 전기자동차 등에 광범위하게 사용될 것으로 예상되고 있는 상황에서, 종래의 일반적인 바이패스 방식의 전압 안정화 장치 또는 방법에 존재하는 문제점을 해결하면서 단위셀의 충전 또는 방전 동작중의 에너지를 안정적으로 제어할 수 있는 기술의 개발이 시급한 실정이다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은 슈퍼커패시터를 비롯한 에너지 저장체에 있어서, 각 단위셀들의 전압을 보다 신속하게 안정화하고 불필요한 에너지 소모를 절감시키며, 에너지 저장장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 에너지 저장체의 전압 안정화 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 에너지 저장체의 전압 안정화 장치는, 복수 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 이루어지는 에너지 저장체에 있어서, 상기 복수 개의 단위셀 각각에 병렬로 연결되는 바이패스저항; 상기 바이패스저항과 단위셀 사이를 연결하거나 차단하는 제1스위치; 상기 복수 개의 단위셀 각각과 입출력단 사이에 구비되어 단위셀 사이를 연결하거나 차단하는 제2스위치; 및 상기 복수 개의 단위셀 각각과 병렬로 연결되어 단위셀의 전압을 모니터링하고, 상기 제1스위치 및 제2스위치의 온/오프를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제어부는 상기 복수 개의 단위셀 중 과충전된 단위셀과 연결된 제1스위치를 온 시키는 동시에 상기 제2스위치를 오프시키는 신호를 발생하는 것일 수 있다.

또한, 제1스위치 및/또는 제2스위치는 트랜지스터로 구현될 수 있다.

또한, 상기 제어부가 상기 제1스위치를 제어하는 신호를 반전시켜 제2스위치에 인가하는 인버터를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 에너지 저장체의 전압 안정화 방법은, 복수 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 이루어지는 에너지 저장체의 전압을 안정화하기 위한 방법에 있어서, 상기 복수 개의 단위셀 각각의 전압이 기준전압을 초과하는지의 여부를 판단하는 단계; 및 기준전압을 초과하는 단위셀을 바이패스시키는 동시에 상기 단위셀과 입출력단 사이 차단시키는 단계;를 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 단위셀에 과충전된 에너지를 바이패스시키는 동시에 단위셀과 입출력단자 사이를 차단할 수 있으므로 단위셀 전압의 안정화에 소요되는 시간이 단축된다는 유용한 효과를 제공한다.

또한, 바이패스저항을 통해 소모되는 에너지를 최소화 할 수 있으며, 바이패스저항에 의하여 발생되는 열이 감소되므로 에너지 저장체에 부여되는 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 바이패스 방식 안정화 장치를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장체의 전압 안정화 장치를 예시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작동을 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장체의 전압 안정화 장치(100)를 예시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장체의 전압 안정화 장치(100)는 단위셀(10), 바이패스저항(30), 제1스위치(20), 제2스위치(40) 및 제어부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 단위셀(10)은 리튬이온이차전지 또는 슈퍼커패시터 등 다양한 에너지 저장체일 수 있다.

상기 바이패스저항(30)은 일반적인 저항으로 구현될 수 있으며, 상기 제1스위치(20)에 의하여 단위셀(10)과 연결되거나 차단될 수 있다.

상기 제2스위치(40)는 상기 단위셀(10)과 입출력단 사이를 연결하거나 차단하는 기능을 수행할 수 있다.

한편, 상기 제어부(50)는 상기 단위셀(10) 양단과 연결되어 단위셀(10)의 전압을 실시간으로 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부(50)는 상기 검출부에서 검출된 전압과 기준전압을 비교하는 기능을 수행할 수 있다.

이때, 상기 기준전압은 단위셀(10)이 정상적으로 동작할 수 있는 최대의 전압레벨 이하로 설정될 수 있다.

또한, 상기 제어부(50)는 단위셀(10) 전압이 기준전압보다 높을 경우 상기 제1스위치(20)를 온 시키는 동시에, 상기 제2스위치(40)를 오프 시키는 제어신호를 발생할 수 있다.

이때, 상기 제어부(50)는 비교기를 포함하는 아날로그 방식으로 구현될 수 있으며, 검출된 단위셀(10) 양단의 전압과 기준전압을 비교하는 알고리즘이 구동되는 마이컴을 구비하여 소프트웨어적으로 구현될 수도 있다.

또한, 상기 제어부(50)에서는 제1스위치(20)를 온 시키는 신호만을 발생하고, 상기 제1스위치(20) 제어신호를 반전하는 인버터(도시 않음)를 구비하여 제2스위치(40)를 오프시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 의한 에너지 저장체의 전압 안정화 방법은 단위셀(10) 각각의 전압이 기준전압을 초과하는지의 여부를 판단하는 단계 및 기준전압을 초과하는 단위셀(10)을 바이패스시키는 동시에 상기 단위셀(10)과 입출력단의 연결을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 단위셀(10)을 바이패스시키는 동시에 상기 단위셀(10)과 입출력단의 연결을 차단하는 단계는 단위셀(10)과 입출력단 사이에 제2스위치(40) 구비하고, 상기 단위셀(10)과 바이패스저항(30) 사이에 연결되는 제1스위치(20)를 상보적으로 온오프 시킴으로써 구현될 수 있다.

이때, 상기 상보적으로 온오프 시킨다는 것은, 제1스위치(20)를 온시키는 동시에 제2스위치(40)를 오프시키거나 제1스위치(20)를 오프시키는 동시에 제2스위치(40)를 온시키는 것을 의미한다.

상기와 같이 과전압이 인가된 단위셀(10)을 바이패스시키는 동시에 입출력단과의 연결을 차단하게 되면, 단위셀(10)이 더이상 충전되지 않으면서 충전되어 있던 에너지가 바이패스저항(30)에 의하여 소모되므로 종래의 바이패스 방식의 안정화 방법에 비하여 안정화 시간이 월등하게 단축될 수 있다.

또한, 상기 바이패스저항(30)에서 소모되는 에너지가 감소되므로 전체으로 불필요한 소모전력을 감소할 수 있으며, 바이패스저항(30)에서 발생되는 열 또한 감소될 수 있으므로 에너지 저장체의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 단위셀
20 : 제1스위치
30 : 바이패스저항
40 : 제2스위치
50 : 제어부
100 : 에너지 저장체의 전압 안정화 장치

Claims (5)

1. 복수 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 이루어지는 에너지 저장체에 있어서,
   상기 복수 개의 단위셀 각각에 병렬로 연결되는 바이패스저항;
   상기 바이패스저항과 단위셀 사이를 연결하거나 차단하는 제1스위치;
   상기 복수 개의 단위셀 각각과 입출력단 사이에 구비되어 단위셀 사이를 연결하거나 차단하는 제2스위치;
   상기 복수 개의 단위셀 각각과 병렬로 연결되어 단위셀의 전압을 모니터링하고, 상기 제1스위치 및 제2스위치의 온/오프를 제어하는 제어부;
   를 포함하는
   에너지 저장체의 전압 안정화 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 복수 개의 단위셀 중 과충전된 단위셀과 연결된 제1스위치를 온 시키는 동시에 상기 제2스위치를 오프시키는 신호를 발생하는 것인
   에너지 저장체의 전압 안정화 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제1스위치 및/또는 제2스위치는 트랜지스터인
   에너지 저장체의 전압 안정화 장치.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제어부가 상기 제1스위치를 제어하는 신호를 반전시켜 제2스위치에 인가하는 인버터를 더 포함하는
   에너지 저장체의 전압 안정화 장치.
   
5. 복수 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 이루어지는 에너지 저장체의 전압을 안정화하기 위한 방법에 있어서,
   상기 복수 개의 단위셀 각각의 전압이 기준전압을 초과하는지의 여부를 판단하는 단계; 및
   기준전압을 초과하는 단위셀을 바이패스시키는 동시에 상기 단위셀과 입출력단 사이 차단시키는 단계;
   를 포함하는
   에너지 저장체의 전압 안정화 방법.
   

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