KR20130006077A - 전기에너지 저장장치, 그의 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법 - Google Patents

전기에너지 저장장치, 그의 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기에너지 저장장치, 그의 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 모습에 따라, 직렬로 연결된 복수의 전기에너지 저장셀; 전기에너지 저장셀 각각에 충전된 전압을 감지하는 전압감지부; 전기에너지 저장셀 각각에 병렬 연결되며 제어신호에 따라 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 방전하는 제1 바이패스 방전부; 전기에너지 저장셀 각각에 추가 병렬 연결되며 제어신호에 따라 전기에너지를 바이패스시켜 추가 방전하는 제2 바이패스 방전부; 및 전압감지부로부터 전압정보를 입력받아 판단하고 전기에너지 저장셀의 충전전압이 균등화될 수 있도록 제1 및 제2 바이패스 방전부 각각의 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지는 전기에너지 저장장치가 제안된다. 또한, 그에 적용되는 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법이 제안된다.

Description

전기에너지 저장장치, 그의 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법{APPARATUS FOR STORING ELECTRICAL ENERGY, VOLTAGE EQUALIZATION MODULE THEREOF AND METHOD FOR VOLTAGE-EQUALIZING}
본 발명은 전기에너지 저장장치, 그의 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 2개의 바이패스 방전회로를 갖추어 급속한 충방전 시 효율적인 전압균등화가 가능한 전기에너지 저장장치, 그의 전압균등화 모듈 및 전압균등화 방법에 관한 것이다.
전기에너지 저장소자로는 전지와 커패시터가 대표적이다. 커패시터는 유전체의 재료에 따라 용량, 내전압, 주파수 특성, 누설 전류 및 내부 저항 등의 스펙이 결정된다. 커패시터는 용량 및 용도에 따라 소형칩에 이용되는 소용량 커패시터부터 전력계통에 이용되는 중ㆍ대용량 커패시터에 이르기까지 다양하게 활용되고 있다.
최근에 중ㆍ대용량 커패시터로서 슈퍼커패시터가 각광받고 있는데, 슈퍼커패시터는 슈퍼커패시터, 초커패시터, 울트라커패시터 등으로 불리고 있다. 슈퍼커패시터는 매우 긴 충방전 수명과, 높은 충방전 효율, 온도변화에 대한 우수한 성능 편차, 2차 전지에 비해 상대적으로 작은 저항 및 쾌속 충전 등의 장점을 가지고 있으므로, 전기 자동차, 수소연료전지 자동차, 태양 에너지용 전원장치 및 무정전 전원공급장치(UPS)와 같은 산업용 전원장치 등에 사용이 확대되고 있다.
한편, 슈퍼커패시터를 산업용 전원장치로 사용하는 장비들은 수십 내지 수백 볼트의 고전압을 요구하는 경우가 많기 때문에, 수 볼트의 다수의 슈퍼커패시터를 직렬로 연결하여 전기에너지 저장장치로 사용된다.
그런데, 슈퍼커패시터를 다수 연결하면 각 단위셀 즉, 각각의 슈퍼커패시터 사이의 용량 편차, 초기 전압편차, 누설 전류편차, 저항편차, 사용시간에 따른 용량 감소율 편차 등에 의해 각 단위셀 사이에 전압 편차가 발생하고 각 셀들 사이의 전압이 불균일해진다. 특히, 각 셀의 전압이 적정한 범위를 벗어날 경우에는 셀의 수명이 단축되거나 또는 셀이 파괴되어, 전기에너지 저장 장치의 신뢰성이 저하된다.
이러한 문제를 해결하고자, 다수 연결된 슈퍼터패시터의 각 단위셀들 간의 전압균등화를 위한 다양한 기술들이 제안되고 개발되어 왔다.
도 5는 종래의 슈퍼커패시터의 전압균등화를 위한 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 살펴보면, 도시된 바와 같이, 전기에너지 저장장치에서 직렬로 연결되는 전기에너지 저장셀(1)의 양단에 병렬로 바이패스 저항(5)이 구비되고, 바이패스 저항(5)과 직렬로 연결되어 바이패스 저항(5)을 각 셀(1)의 양단과 단락시키거나 또는 개방시키는 스위치(3)가 구비되어 있다. 방식에 따라서는, 도시되지 않았으나, 스위치(3)가 없는 형태로 구성된 것도 있다. 이에 따라, 각 셀(1)에서의 전압이 설정 전압을 초과할 경우, 즉, 슈퍼커패시터(1)에 과충전이 진행되면 스위치(3)를 ON시켜 바이패스 저항(5)을 통해 슈퍼커팻히터(1)에 초과 저장된 전력을 소모시켜 과전압을 방전시키게 된다. 그에 따라, 각 셀(10)의 전압 범위를 적정하게 유지하도록 하였다.
그러나, 도 5와 같은 종래의 방식은 급속한 충전이 수행되는 경우 슈퍼커패시터의 충전량이 증가하지만, 충전량에 비해 방전량이 작기 때문에 전압 균등화가 느릴 뿐만 아니라, 과충전에 따라 방전을 수행하더라도 방전량이 충전량에 비하여 작기 때문에 슈퍼커패시터(1)의 과충전이 계속 진행되어 슈퍼커패시터(1)의 열화를 가속화시킬 수 있다는 문제를 갖게 된다.
본 발명에서는 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 단위 셀간 전압 불균형에 따른 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 동작 정지 및 오동작을 방지하는 전압 균등화 회로를 제안하고자 한다.
전술한 하나의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 직렬로 연결된 복수의 전기에너지 저장셀; 전기에너지 저장셀 각각에 충전된 전압을 감지하는 전압감지부; 전기에너지 저장셀 각각에 병렬 연결되며 제어신호에 따라 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 방전하는 제1 바이패스 방전부; 전기에너지 저장셀 각각에 추가 병렬 연결되며 제어신호에 따라 전기에너지를 바이패스시켜 추가 방전하는 제2 바이패스 방전부; 및 전압감지부로부터 전압정보를 입력받아 판단하고 전기에너지 저장셀의 충전전압이 균등화될 수 있도록 제1 및 제2 바이패스 방전부 각각의 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지는 전기에너지 저장장치가 제안된다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 제어부는 전압감지부로부터 입력받은 전압정보가 기준 이상인 경우 해당 전기에너지 저장셀에 연결된 제1 바이패스 방전부를 제어하여 방전되도록 한다.
바람직하게, 또 하나의 특징에 따르면, 제어부는 제1 바이패스 방전부의 방전에 따른 전기에너지 저장셀의 전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 경우 추가 연결된 제2 바이패스 방전부를 제어하여 추가 방전되도록 한다.
또한 바람직하게, 방전해제 기준은 복수의 전기에너저 저장셀들의 평균 충전 전압이다.
본 발명의 또 하나의 특징에 따르면, 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 하나의 특징에 따르면, 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어진다.
게다가, 본 발명의 또 하나의 특징에 따르면, 제1 및 제2 바이패스 방전부는 방전소자로서 각각 제1 방전저항과 제2 방전저항을 구비하되, 제1 및 제2 방전저항 중 어느 하나의 저항값이 나머지보다 크다.
바람직하게, 또 하나의 특징에 따르면, 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고, 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지되, 제1 방전저항의 저항값은 제2 방전저항의 저항값보다 크다.
또한, 본 발명의 또 하나의 특징에 따르면, 전기에너지 저장셀은 슈퍼커패시터 셀이다.
또한, 전술한 하나의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 모습에 따라, 직렬 연결된 복수의 전기에너지 저장셀 및 전기에너지 저장셀들의 전압을 입력받아 판단하고 전기에너지 저장셀들의 전압이 균등화되도록 제어하는 제어부를 포함하는 전기에너지 저장장치에 적용되는 전압 균등화모듈에 있어서, 전기에너지 저장셀 각각에 충전된 전압을 개별적으로 감지하는 전압감지부; 전기에너지 저장셀 각각에 병렬 연결되되, 제어부의 제어신호에 따라, 충전전압이 기준 이상인 전기에너지 저장셀에 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 방전을 수행하는 제1 바이패스 방전부; 및 전기에너지 저장셀 각각에 추가 병렬 연결되되, 제어부의 제어신호에 따라, 제1 바이패스 방전부의 방전에 따른 충전전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 전기에너지 저장셀에 대하여 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 추가 방전을 수행하는 제2 바이패스 방전부; 를 포함하여 이루어지는 전기에너지 장치의 전압 균등화모듈이 제안된다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고, 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어진다.
본 발명의 또 하나의 특징에 따르면, 제1 및 제2 바이패스 방전부는 방전소자로서 각각 제1 방전저항과 제2 방전저항을 구비하되, 제1 및 제2 방전저항 중 어느 하나의 저항값이 나머지보다 크다.
게다가, 본 발명의 또 하나의 특징에 따르면, 전압 균등화모듈은 슈퍼커패시터 셀의 전압을 균등화하기 위한 것이다.
다음으로, 전술한 하나의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 모습에 따라, 직렬로 연결된 복수의 전기에너지 저장셀을 충전시키고 전기에너지 저장셀 각각에 충전된 전압을 감지하는 충전 및 감지 단계; 감지결과 충전전압이 균등화되지 않고 기준 이상의 전압이 충전된 전기에너지 저장셀에 병렬 연결된 제1 바이패스 방전부를 동작시켜 방전을 수행하는 제1 바이패스 방전단계; 및 제1 바이패스 방전에 따른 전기에너지 저장셀의 충전 전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 경우 전기에너지 저장셀에 추가 병렬 연결된 제2 바이패스 방전부를 동작시켜 추가 방전을 수행하는 제2 바이패스 방전단계; 를 포함하여 이루어지는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법이 제안된다.
본 방법발명의 하나의 특징에 따르면, 방전해제 기준은 복수의 전기에너저 저장셀들의 평균 충전 전압이다.
본 방법발명의 또 하나의 특징에 따르면, 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고, 제1 바이패스 방전단계에서 제어신호에 따라 스위칭 소자를 온(on)시키고 제1 방전저항에서 에너지를 소모시켜 방전을 수행한다.
또한, 본 방법발명의 하나의 특징에 따르면, 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지고, 제2 바이패스 방전단계에서 제어신호에 따라 전압디텍터를 작동시키고 제2 방전저항에서 에너지를 소모시켜 방전을 수행한다.
게다가, 본 방법발명의 또 하나의 특징에 따르면, 제1 및 제2 바이패스 방전부는 방전소자로서 각각 제1 방전저항과 제2 방전저항을 구비하되, 제1 및 제2 방전저항 중 어느 하나가 나머지보다 큰 저항값을 갖도록 하여, 제1 또는 제2 바이패스 방전단계에서 순간 방전이 크게 이루어지도록 한다.
바람직하게, 또 하나의 특징에 따르면, 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고, 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지되, 제1 방전저항은 제2 방전저항보다 큰 저항값을 갖도록 하여, 제2 바이패스 방전단계에서 순간 방전이 크게 이루어지도록 한다.
또한, 본 방법발명의 또 하나의 특징에 따르면, 전기에너지 저장셀은 슈퍼커패시터 셀이다.
비록 본 발명의 바람직한 하나의 모습으로 명시적으로 언급되지 않았더라도, 앞서 언급된 기술적 특징의 가능한 다양한 조합에 따른 본 발명의 실시예들이 당업자에게 자명하게 구현될 수 있다.
본 발명의 하나의 모습에 따라, 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 단위 셀간 전압 불균형에 따른 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 동작 정지 및 오동작을 방지하는 전압 균등화 회로 및 방법을 갖추게 되었다.
본 발명의 실시예에 따라, 2개의 바이패스 선로를 구비하여 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 전압에 따라 바이패스 전류가 제1 바이패스 선로로만 또는 제1 및 제2 바이패스 선로로 흐르게 되어 효과적인 전압균등화가 이루어지게 된다. 즉, 본 발명에 따라 종래 방식보다 빠른 전압 균등화가 이루어지고, 그에 따라, 전기에너지 저장장치 또는 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 신뢰성을 높일 수 있게 되었다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 제2 바이패스 저항을 제1 바이패스 저항보다 작게 하여, 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 전압이 크게 상승하게 되면 많은 전류가 제2 바이패스 선로를 통해 신속하게 흐르게 되고, 그에 따라, 종래의 방식보다 휠씬 빠른 시간에 전압 안정을 도달할 수 있게 되고, 나아가, 전기에너지 저장셀, 예컨대 슈퍼커패시터의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되었다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는 종래의 전압균등화를 위한 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 설명에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
구체적인 설명에 앞서, 본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 '직접 연결' 또는 '직접 결합' 등으로 언급되지 않는 이상, 단순히 '연결' 또는 '결합' 등으로 언급된 경우에는 '직접적으로' 연결 또는 결합될 수 있고, 나아가 그들 사이에 또 다른 구성요소가 삽입되어 연결 또는 결합되는 형태로도 존재할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 '상에', '위에', '상부에', '아래에', '하부에' 등으로 언급되는 경우, 그 기준이 되는 대상과 '직접(적으로) 접촉'되어 있다는 언급이 없는 이상, '직접(적으로) 접촉'되는 형태로 또는 사이에 다른 구성요소가 개재되는 형태로 존재할 수 있다고 해석되어야 한다. 게다가, '상에', '위에', '상부에', '아래에', '하부에' 등의 상대적 용어들은 다른 구성요소에 대한 어떤 구성요소의 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있고, 이때, 기준 구성요소의 방향이 뒤집어지거나 바뀌는 경우 그에 따른 대응되는 상대적인 용어들의 방향에 의존하는 개념을 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 명세서에 비록 단수적 표현이 기재되어 있을지라도, 발명의 개념에 반하지 않고 해석상 모순되거나 명백하게 다르게 해석되지 않는 이상 복수의 구성 전체를 대표하는 개념으로 사용될 수 있음에 유의하여야 한다.
본 명세서에서 '포함하는', '갖는', '구비하는', '포함하여 이루어지는' 등의 기재는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 구성요소 또는 그들의 조합의 존재 또는 부가 가능성이 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 충전전압은 전기에너지 저장셀에 충전중이거나 방전중인 상태 또는/및 그 외의 경우에서의 전기에너지 저장셀의 전압을 의미하고, 충전 중인 전압만으로 한정해석되지 않아야 한다.
우선, 본 발명의 하나의 모습에 따른 전기에너지 저장장치를 도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 블럭도이다. 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 회로도이다. 도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 1 내지 3을 참조하여, 본 발명의 실시예를 살펴본다.
도 1을 참조하면, 전기에너지 저장장치의 실시예는 전기에너지 저장셀(10), 전압감지부(30), 제1 바이패스 방전부(50), 제2 바이패스 방전부(70) 및 제어부(90)를 포함하여 이루어진다. 본 발명은 전기에너지 저장셀(10)에 병렬 연결된 별개의 제1 및 제2 바이패스 방전부(50, 70)를 구비하여 2개의 바이패스 선로를 갖는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명에서 제1 및 제2 바이패스 방전부(50, 70)는 전압 균등화 회로를 구성하는 것으로, 전기에너지 저장장치 및 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터의 과전압 시 전기에너지 저장장치 및 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터가 동작 정지 및 오동작, 폭발 등의 위험을 방지하기 위해 전압을 일정하게 유지시켜 준다.
보다 구체적으로 살펴보면, 전기에너지 저장셀(10)은 다수로 이루어지고, 직렬로 연결되어 있다. 전기에너지 저장셀(10)은 전기에너지가 축전되는 소자로, 이러한 소자로 2차 전지나 슈퍼커패시터 등이 있다. 본 발명은 전압균등화에 관한 것이므로, 2차 전지보다는 슈퍼커패시터 소자가 본 발명에서의 전기에너지 저장셀(10)의 예로써 바람직하다. 본 발명에서 슈퍼커패시터(10)는 당해 기술분야에서 슈퍼커패시터, 초커패시터, 울트라커패시터로 불리는 소자를 모두 포함하는 개념으로 이해되어야 한다. 전기이중층 커패시터나 유사커패시터 또한 슈퍼커패시터의 개념에 포함될 수 있다.
바람직하게, 하나의 예에서, 전기에너지 저장셀(10)은 슈퍼커패시터 셀이다.
다음으로, 도 1 내지 3을 참조하여 살펴보면, 전압감지부(30)는 전기에너지 저장셀(10) 각각에 충전된 전압을 감지한다. 전압감지부(30)는 각 전기에너지 저장셀(10)의 전압을 감지하는 것이면 족하고, 전기에너지 저장셀(10)의 전압을 제어부(90)로 전달시키는 연산증폭기(도시되지 않음)도 하나의 전압감지부(30)의 예가 될 수 있고, 기준전압과 전기에너지 저장셀(10)의 전압을 비교하여 비교정보를 전달하는 비교기(도시되지 않음) 또한 전압감지부(30)의 하나의 예가 될 수 있다. 하나의 예에서, 연산증폭기(도시되지 않음)가 전압감지부(30)로 사용될 수 있다.
도 1 내지 3을 참조하여 살펴보면, 제1 바이패스 방전부(50)는 전기에너지 저장셀(10) 각각에 병렬 연결되어 있다. 제1 바이패스 방전부(50)는 제어부(90)의 제어신호에 따라 전기에너지 저장셀(10)에 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 방전한다.
도 2 및/또는 3을 참조하면, 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 제1 바이패스 방전부(50)는 스위칭 소자(51, 51a)와 제1 방전저항(53)으로 이루어진다. 바람직하게, 도 3을 참조하면, 스위칭 소자(51a)는 MOSFET이다. MOSFET은 BJT, IGBT 등의 스위칭소자보다 빠른 스위칭이 가능하므로, 본 발명에서 순간 방전용 스위치로 사용하는데 적합하다.
다시, 도 1 내지 3을 참조하여 살펴보면, 제2 바이패스 방전부(70)도 전기에너지 저장셀(10) 각각에 추가 병렬 연결되어 있다. 제2 바이패스 방전부(70)는 제어부(90)의 제어신호에 따라 전기에너지 저장셀(10)에 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 추가 방전한다.
도 2를 참조하면, 하나의 예에서, 제2 바이패스 방전부(70)는 스위칭 소자(71)와 제2 방전저항(73)으로 이루어진다. 이때, 스위칭소자(71)는 제2 방전저항(73)으로 전류를 바이패스시키는 역할을 수행한다. 하나의 예에서, 제2 바이패스 방전부(70)의 스위칭 소자(71)는 제1 바이패스 방전부(50)와 같이 MOSFET 소자일 수 있다. 또는 다른 예에서, 제2 방전저항(73)으로 전류를 바이패스시키는 역할을 수행하는 스위칭 기능을 하는 소자 또는 모듈이 제2 바이패스 방전부(70)의 스위칭 소자(71, 71a)가 될 수 있다. 하나의 예에서, 도 3의 전압디텍터(71a)도 제2 바이패스 방전부(70)의 스위칭 소자(71)가 될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 제2 바이패스 방전부(70)는 전압디텍터(71a)와 제2 방전저항(73)으로 이루어진다. 전압디텍터(71a)에서 감지된 전압에 따라 제2 방전저항(73)으로 출력을 제공하므로, 스위칭기능을 수행할 수 있다.
도 1 내지 3을 참조하는 본 발명의 실시예에서, 발명의 동작을 간단히 살펴보면, 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터(10)의 전압을 전압감지부(30)에서 모니터링하다가, 감지된 전압 또는 전압정보가 제1 바이패스 방전부(50)의 동작 값에 도달하게 되면 제어부(90)의 제어신호에 따라 제1 바이패스 방전부(50), 구체적으로 예컨대 제1 바이패스 방전부(50)의 스위칭소자(51, 51a)인 MOSFET을 동작시켜 예컨대 제1 방전저항(53)을 통해서 바이패스 전류가 흐르도록 한다. 그에 따라 제1 바이패스 방전부(50)에 연결된 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터의 전압이 낮아지게 되고, 다른 나머지 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터들과 같도록 전압이 균등화되거나 또는 다른 나머지들과 동일한 균등화 범위에 속하게 된다.
이때, 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터로 충전되는 전기에너지가 제1 바이패스 방전부(50)를 통해 방전되는 량보다 많은 경우가 있을 수 있다. 본 발명은 이러한 경우에 방전량보다 충전량이 많음에 따라 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터에 과충전되게 되는 문제를 해결하게 된다.
본 실시예에서는, 이때, 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터(10)의 전압이 바이패스 회로 동작 해제 값까지 떨어지지 않는 경우, 예컨대 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터의 전압이 계속 상승하는 경우에, 제어부(90)의 제어에 따라, 제2 바이패스 방전부(70), 구체적으로 예컨대 제1 바이패스 방전부(50)의 스위치 또는, 예컨대 도 3에서의 전압디켁터가 동작하여 제2 바이패스 방전부(70)로 전류가 흐르게 한다. 그에 따라, 제2 바이패스 방전부(70)에서 추가적인 방전이 수행됨에 따라, 제1 및 제2 바이패스 방전부(50, 70)에 연결된 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터의 전압이 낮아지게 되고, 다른 나머지 전기에너지 저장셀(10), 예컨대 슈퍼커패시터들과 같도록 전압이 균등화되거나 또는 다른 나머지들과 동일한 균등화 범위에 속하게 된다.
도 2 및/또는 3을 참조하여, 본 발명의 또 하나의 실시예를 살펴본다.
본 실시예에 따르면, 제1 및 제2 바이패스 방전부(50, 70)는 방전소자로서 각각 제1 방전저항(53)과 제2 방전저항(73)을 구비하고 있다. 이때, 제1 방전저항(53)과 제2 방전저항(73)의 저항값 비율은 제품 특성에 따라 조절될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 방전저항(53, 73)은 동일한 저항값을 가질 수도 있으나, 바람직하게, 하나의 예에서, 경우에 따라 더 신속한 순간 충방전이 요구될 수 있으므로, 제1 및 제2 방전저항(53, 73) 중 어느 하나의 저항값이 나머지보다 크다. 예컨대, 제2 방전저항(73)의 저항값이 작은 경우, 제2 방전저항(73)에서 보다 많은 에너지 소모가 이루어지게 되어 제1 바이패스 방전부(50)보다 제2 바이패스 방전부(70)에서 보다 신속한 방전이 이루어진다. 즉, 이 경우에는 제1 바이패스 방전부(50)에서 방전을 수행하는 경우에도 방전량보다 전기에너지 저장셀(10)에 충전되는 축전량이 더 증가하는 경우에 제2 바이패스 방전부(70)를 통해 신속하게 방전할 수 있게 된다. 그 반대의 경우에는, 제1 바이패스 방전부(50)에서 보다 신속한 방전이 이루어지게 된다. 이 경우에는, 제2 바이패스 방전부(70)는 단순히 제1 바이패스 방전부(50)의 방전용량을 늘려주는 기능을 수행하게 되고, 주된 방전은 제1 바이패스 방전부(50)에서 수행된다. 예컨대, 처음부터 매우 신속하게 방전처리를 해야하는 경우에 적용될 수 있다.
바람직하게는, 제2 방전저항(73)의 저항값을 제1 방전저항(53)보다 작게 하여, 제2 바이패스 방전부(70)에서 보다 신속한 방전이 이루어지도록 한다. 이러한 전기에너지 저장장치가 보다 유용할 것으로 여겨진다. 만약, 급속 충방전이 요구되는 응용 제품일 경우, 제1 방전저항(53)보다 제2 방전저항(73)의 저항값을 낮춰서, 제2 방전저항(73)을 통해서는 큰 전류를 흐르게 할 수 있다. 이에 따라, 급속 충전뿐만 아니라 급속 방전에도 적합하게 된다.
바람직하게, 도 3을 참조하여 하나의 실시예를 살펴보면, 제1 바이패스 방전부(50)는 스위칭 소자(51)와 제1 방전저항(53)으로 이루어지고, 제2 바이패스 방전부(70)는 전압디텍터(71a)와 제2 방전저항(73)으로 이루어진다. 이때, 하나의 예에서, 제1 방전저항(53)의 저항값은 제2 방전저항(73)의 저항값보다 크다. 그에 따라, 제1 바이패스 방전부(50)에서 방전되는 에너지보다 전기에너지 저장셀(10)에 충전되는 전기에너지 량이 큰 경우 제2 바이패스 방전부(70)를 통해 보다 신속하게 방전을 수행할 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 제어부(90)의 구성을 살펴본다. 제어부(90)는 전압감지부(30)로부터 전압정보를 입력받아 판단한다. 이때, 제어부(90)는 전기에너지 저장셀(10)들의 충전전압이 균등화될 수 있도록 전기에너지 저장셀(10) 각각에 연결된 제1 바이패스 방전부(50) 또는 제1 및 제2 바이패스 방전부(50, 70) 각각의 동작을 제어한다.
바람직하게, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 제어부(90)는 전압감지부(30)로부터 입력받은 전압정보가 기준 이상인 경우 해당 전기에너지 저장셀(10)에 연결된 제1 바이패스 방전부(50)를 제어하여 전기에너지가 방전되도록 한다. 이때, 기준이 되는 전압은 하나의 예에서, 복수의 전기에너지 저장셀(10)들의 평균 충전 전압이 될 수 있다. 또는 다른 예에서, 기준이 되는 전압은 복수의 전기에너지 저장셀(10)들의 전압 중 최소 전압이 기준이 되거나 최소 전압으로부터 미리 설정된 범위만큼 증가된 전압이 기준 전압이 될 수 있다. 바람직하게, 전기에너지 저장장치의 목적에 맞게, 적절한 허용범위내에서 균등화가 이루어지도록 하는 경우, 당해 기술분야의 기술자는 그에 맞도록 적절한 기준 전압을 설정할 수 있다.
또한, 바람직하게, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 제어부(90)는 제1 바이패스 방전부(50)의 방전에 따른 전기에너지 저장셀(10)의 전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 경우 추가 연결된 제2 바이패스 방전부(70)를 제어하여 추가 방전되도록 한다. 이때, 바람직하게, 하나의 예에서, 복수의 전기에너저 저장셀(10)들의 평균 충전 전압이 방전해제 기준이 된다. 또한, 바람직하게, 전기에너지 저장장치의 목적에 맞게, 적절한 허용범위내에서 균등화가 이루어지도록 하는 경우, 당해 기술분야의 기술자는 그에 맞도록 적절한 방전해제 기준전압을 설정할 수 있다.
다음, 본 발명의 다른 모습에 따른 전기에너지 저장장치의 전압균등화 모듈을 구체적으로 살펴본다. 본 발명에 따른 전압균등화 모듈을 설명함에 있어서, 앞선 설명된 전기에너지 저장장치의 실시예들 및 도 1 내지 3이 참조될 것이다. 그에 따라, 앞선 전기에너지 저장장치의 실시예들에서 설명된 구성들의 가능한 조합에 따른 변형들이 가능하고, 그러한 변형들은 본 발명에 따른 전압균등화 모듈의 실시예의 범주에 포함된다. 이 경우, 앞선 전기에너지 저장장치의 실시예들에서의 설명과 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 1 내지 3을 참조하여, 전기에너지 저장장치에 적용되는 전압균등화 모듈을 살펴본다. 본 실시예에 따른 전압균등화 모듈은 직렬 연결된 복수의 전기에너지 저장셀(10) 및 전기에너지 저장셀(10)들의 전압을 입력받아 판단하고 전기에너지 저장셀(10)들의 전압이 균등화되도록 제어하는 제어부(90)를 포함하는 전기에너지 저장장치에 적용된다.
이때, 본 실시예에 따른 전압균등화 모듈은 전압감지부(30), 제1 바이패스 방전부(50) 및 제2 바이패스 방전부(70)를 포함하여 이루어진다. 이때, 바람직하게, 본 실시예의 전압 균등화모듈은 슈퍼커패시터 셀의 전압을 균등화하기 위한 것이다.
본 실시예에서의 전압감지부(30)는 전기에너지 저장셀(10) 각각에 충전된 전압을 개별적으로 감지한다.
그리고 제1 바이패스 방전부(50)는 전기에너지 저장셀(10) 각각에 병렬 연결되어 있다. 이때, 제1 바이패스 방전부(50)는 전기에너지 저장장치의 제어부(90)에서의 제어신호에 따라, 충전전압이 기준 이상인 전기에너지 저장셀(10)에 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 방전을 수행한다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 제1 바이패스 방전부(50)는 스위칭 소자(51, 51a)와 제1 방전저항(53)으로 이루어진다. 이때, 바람직하게, 스위칭소자(51, 51a)는 MOSFET이다.
게다가, 제2 바이패스 방전부(70)는 전기에너지 저장셀(10) 각각에 추가 병렬 연결되어 있다. 이때, 제2 바이패스 방전부(70)는 제어부(90)의 제어신호에 따라, 제1 바이패스 방전부(50)의 방전에 따른 충전전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 전기에너지 저장셀(10)에 대하여 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 추가 방전을 수행한다.
또한, 하나의 실시예에 따르면, 제2 바이패스 방전부(70)는 전압디텍터(71a)와 제2 방전저항(73)으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시예를 살펴보면, 제1 및 제2 바이패스 방전부(50, 70)는 방전소자로서 각각 제1 방전저항(53)과 제2 방전저항(73)을 구비하고 있다. 이때, 바람직하게, 제1 및 제2 방전저항(53, 73) 중 어느 하나의 저항값이 나머지보다 크다. 보다 바람직하게는, 제2 방전저항(73)의 저항값을 제1 방전저항(53)보다 작게 하여, 제2 바이패스 방전부(70)에서 보다 신속한 방전이 이루어지도록 한다.
다음으로, 본 발명의 전기에너지 저장장치 또는/및 전압균등화 모듈의 동작 내지 본 발명의 다른 하나의 모습에 따른 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법을 도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다. 본 모습에 따른 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법을 설명함에 있어서, 도 4뿐만 아니라 앞서 전기에너지 저장장치 또는/및 전압균등화 모듈의 실시예들과 도 1 내지 3도 함께 참조될 것이다. 그에 따라, 앞선 전기에너지 저장장치 또는/및 전압균등화 모듈의 실시예들에서의 설명과 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법은 충전 및 감지단계(S100), 제1 바이패스 방전단계(S300) 및 제2 바이패스 방전단계(S500)를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 충전 및 감지단계(S100)에서는 직렬로 연결된 복수의 전기에너지 저장셀(10)이 충전된다. 그리고, 이때, 전기에너지 저장셀(10) 각각에 충전된 전압이 감지된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 전기에너지 저장셀(10)은 슈퍼커패시터 셀이다.
다음 제1 바이패스 방전단계(S300)를 살펴보면, 충전 및 감지 단계(S100)에서의 감지결과, 충전전압이 균등화되지 않고 기준 이상의 전압이 충전된 전기에너지 저장셀(10)이 있는 경우, 해당 전기에너지 저장셀(10)에 병렬 연결된 제1 바이패스 방전부(50)이 동작되고 방전이 수행된다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 제1 바이패스 방전부(50)는 스위칭 소자(51)와 제1 방전저항(53)으로 이루어져 있다. 이때, 제1 바이패스 방전단계(S300)에서, 제어신호에 따라 스위칭 소자(51)를 온(on)시키고 제1 방전저항(53)에서 에너지를 소모시켜 방전이 수행된다.
그리고 도 4의 제2 바이패스 방전단계(S500)를 살펴보면, 제1 바이패스 방전단계(S300)에서의 방전 수행 후, 제1 바이패스 방전에 따른 전기에너지 저장셀(10)의 충전 전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 경우, 해당 전기에너지 저장셀(10)에 추가 병렬 연결된 제2 바이패스 방전부(70)가 동작되고 추가 방전이 수행된다.
또한, 하나의 실시예에 따르면, 방전해제 기준은 복수의 전기에너저 저장셀(10)들의 평균 충전 전압이다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 제2 바이패스 방전부(70)는 전압디텍터(71a)와 제2 방전저항(73)으로 이루어져 있다. 이때, 제2 바이패스 방전단계에서 제어신호에 따라 전압디텍터(71a)를 작동시키고 제2 방전저항(73)에서 에너지를 소모시켜, 방전이 수행된다.
본 방법발명의 또 하나의 실시예를 살펴본다. 본 실시예에 따르면, 제1 및 제2 바이패스 방전부(50, 70)는 방전소자로서 각각 제1 방전저항(53)과 제2 방전저항(73)을 구비하고 있다. 그리고, 제1 및 제2 방전저항(53, 73) 중 어느 하나가 나머지보다 큰 저항값을 갖는다. 이에 따라, 제1 또는 제2 바이패스 방전단계(S300, S500)에서 순간 방전이 크게 이루어진다.
바람직하게, 또 하나의 실시예에 따르면, 제1 바이패스 방전부(50)는 스위칭 소자(51)와 제1 방전저항(53)으로 이루어지고, 제2 바이패스 방전부(70)는 전압디텍터(71a)와 제2 방전저항(73)으로 이루어져 있다. 이때, 바람직하게, 제1 방전저항(53)은 제2 방전저항(73)보다 큰 저항값을 갖는다. 그에 따라, 제2 바이패스 방전단계에서 순간 방전이 크게 이루어진다.
이상에서, 전술한 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니라 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들을 포함하고 있다.
10 : 에너지 저장셀 또는 슈퍼커패시터
30 : 전압감지부 50 : 제1 바이패스 방전부
51, 51a : 스위칭소자 53 : 제1 방전저항
70 : 제2 바이패스 방전부 71 : 스위칭소자
71a : 전압디텍터 73 : 제2 방전저항
90 : 제어부

Claims (20)

  1. 직렬로 연결된 복수의 전기에너지 저장셀;
    상기 전기에너지 저장셀 각각에 충전된 전압을 감지하는 전압감지부;
    상기 전기에너지 저장셀 각각에 병렬 연결되며 제어신호에 따라 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 방전하는 제1 바이패스 방전부;
    상기 전기에너지 저장셀 각각에 추가 병렬 연결되며 제어신호에 따라 전기에너지를 바이패스시켜 추가 방전하는 제2 바이패스 방전부; 및
    상기 전압감지부로부터 전압정보를 입력받아 판단하고 상기 전기에너지 저장셀의 충전전압이 균등화될 수 있도록 상기 제1 및 제2 바이패스 방전부 각각의 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지는 전기에너지 저장장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전압감지부로부터 입력받은 전압정보가 기준 이상인 경우 해당 전기에너지 저장셀에 연결된 제1 바이패스 방전부를 제어하여 방전되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 바이패스 방전부의 방전에 따른 상기 전기에너지 저장셀의 전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 경우 상기 추가 연결된 제2 바이패스 방전부를 제어하여 추가 방전되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 방전해제 기준은 상기 복수의 전기에너저 저장셀들의 평균 충전 전압인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 바이패스 방전부는 방전소자로서 각각 제1 방전저항과 제2 방전저항을 구비하되,
    상기 제1 및 제2 방전저항 중 어느 하나의 저항값이 나머지보다 큰 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고,
    상기 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지고,
    상기 제1 방전저항의 저항값은 상기 제2 방전저항의 저항값보다 큰 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  9. 청구항 1 내지 8 중의 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장셀은 슈퍼커패시터 셀인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  10. 직렬 연결된 복수의 전기에너지 저장셀 및 상기 전기에너지 저장셀들의 전압을 입력받아 판단하고 상기 전기에너지 저장셀들의 전압이 균등화되도록 제어하는 제어부를 포함하는 전기에너지 저장장치에 적용되는 전압 균등화모듈에 있어서,
    상기 전기에너지 저장셀 각각에 충전된 전압을 개별적으로 감지하는 전압감지부;
    상기 전기에너지 저장셀 각각에 병렬 연결되되, 상기 제어부의 제어신호에 따라, 충전전압이 기준 이상인 전기에너지 저장셀에 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 방전을 수행하는 제1 바이패스 방전부; 및
    상기 전기에너지 저장셀 각각에 추가 병렬 연결되되, 상기 제어부의 제어신호에 따라, 상기 제1 바이패스 방전부의 방전에 따른 충전전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 전기에너지 저장셀에 대하여 상기 충전되는 전기에너지를 바이패스시켜 추가 방전을 수행하는 제2 바이패스 방전부; 를 포함하여 이루어지는 전기에너지 장치의 전압 균등화모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고,
    상기 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기에너지 장치의 전압 균등화모듈.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 및 제2 바이패스 방전부는 방전소자로서 각각 제1 방전저항과 제2 방전저항을 구비하되,
    상기 제1 및 제2 방전저항 중 어느 하나의 저항값이 나머지보다 큰 것을 특징으로 하는 전기에너지 장치의 전압 균등화모듈.
  13. 청구항 10 내지 12 중의 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 전압 균등화모듈은 슈퍼커패시터 셀의 전압을 균등화하기 위한 것을 특징으로 하는 전기에너지 장치의 전압 균등화모듈.
  14. 직렬로 연결된 복수의 전기에너지 저장셀을 충전시키고 상기 전기에너지 저장셀 각각에 충전된 전압을 감지하는 충전 및 감지 단계;
    상기 감지결과 충전전압이 균등화되지 않고 기준 이상의 전압이 충전된 전기에너지 저장셀에 병렬 연결된 제1 바이패스 방전부를 동작시켜 방전을 수행하는 제1 바이패스 방전단계; 및
    상기 제1 바이패스 방전에 따른 상기 전기에너지 저장셀의 충전 전압이 방전해제 기준 이하로 떨어지지 않는 경우 상기 전기에너지 저장셀에 추가 병렬 연결된 제2 바이패스 방전부를 동작시켜 추가 방전을 수행하는 제2 바이패스 방전단계; 를 포함하여 이루어지는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 방전해제 기준은 상기 복수의 전기에너저 저장셀들의 평균 충전 전압인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고,
    상기 제1 바이패스 방전단계에서 제어신호에 따라 상기 스위칭 소자를 온(on)시키고 상기 제1 방전저항에서 에너지를 소모시켜 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지고,
    상기 제2 바이패스 방전단계에서 제어신호에 따라 상기 전압디텍터를 작동시키고 상기 제2 방전저항에서 에너지를 소모시켜 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 및 제2 바이패스 방전부는 방전소자로서 각각 제1 방전저항과 제2 방전저항을 구비하되,
    상기 제1 및 제2 방전저항 중 어느 하나가 나머지보다 큰 저항값을 갖도록 하여, 상기 제1 또는 제2 바이패스 방전단계에서 순간 방전이 크게 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 바이패스 방전부는 스위칭 소자와 제1 방전저항으로 이루어지고, 상기 제2 바이패스 방전부는 전압디텍터와 제2 방전저항으로 이루어지되,
    상기 제1 방전저항은 상기 제2 방전저항보다 큰 저항값을 갖도록 하여, 상기 제2 바이패스 방전단계에서 순간 방전이 크게 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법.
  20. 청구항 14 내지 19 중의 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 전기에너지 저장셀은 슈퍼커패시터 셀인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 전압균등화 방법.
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