KR20160073078A - 울트라 커패시터 모듈 - Google Patents

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KR20160073078A
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Abstract

울트라 커패시터 모듈은 울트라 커패시터부 및 전압 밸런싱 회로를 포함한다. 상기 울트라 커패시터부는 직렬로 연결되는 복수의 울트라 커패시터 셀을 포함한다. 상기 전압 밸런싱 회로는 상기 울트라 커패시터부와 병렬로 연결되어 상기 울트라 커패시터 셀들의 전압을 균등하게 조절한다. 이에 따라, 특정 울트라 커패시터 셀의 급격한 노화를 방지하여 울트라 커패시터 모듈의 수명을 연장할 수 있다.

Description

울트라 커패시터 모듈{ULTRA CAPACITOR MODULE}
본 발명은 울트라 커패시터 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이브리드 건설기계, 차량 등을 구동하기 위한 울트라 커패시터 모듈에 관한 것이다.
울트라 커패시터 모듈은 직렬로 연결되는 복수의 울트라 커패시터 셀들을 포함할 수 있다. 상기 울트라 커패시터 셀들은 직렬로 연결되므로 상기 울트라 커패시터 셀들에 흐르는 전류는 동일하다.
상기 각 울트라 커패시터 셀들의 전압 변동은 상기 울트라 커패시터 셀들에 흐르는 전류의 적분에 비례하고, 상기 울트라 커패시터 셀들의 정전용량에 반비례한다.
동일한 전류가 상기 울트라 커패시터 셀에 흐르더라도 상대적으로 정전 용량이 작은 셀의 전압이 증가하게 된다. 특정 울트라 커패시터 셀의 전압이 증가하면 노화가 빨리 진행되어 상기 특정 울트라 커패시터 셀의 정전 용량이 더욱 작아지게 된다. 상기 특정 울트라 커패시터 셀의 정전 용량이 더욱 작아지게 되면 상기 특정 울트라 커패시터 셀의 전압은 더욱 증가하여 노화가 빨리 진행되는 악순환이 발생하게 된다.
본 발명의 일 목적은 사용 수명이 증가된 하이브리드 건설기계용 울트라 커패시터 모듈을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 울트라 커패시터 모듈은 울트라 커패시터부 및 전압 밸런싱 회로를 포함한다. 상기 울트라 커패시터부는 직렬로 연결되는 복수의 울트라 커패시터 셀을 포함한다. 상기 전압 밸런싱 회로는 상기 울트라 커패시터부와 병렬로 연결되어 상기 울트라 커패시터 셀들의 전압을 균등하게 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 울트라 커패시터 모듈은 상기 울트라 커패시터 셀들의 전압을 센싱하는 셀 전압 센싱부, 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부 및 상기 울트라 커패시터 셀들의 전압을 상기 기준 전압과 비교하는 전압 비교부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전압 밸런싱 회로는 제N 울트라 커패시터 셀의 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 제N 울트라 커패시터 셀의 전압을 감소시키고, 상기 제N 울트라 커패시터 셀을 제외한 울트라 커패시터 셀의 전압을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기준 전압은 상기 울트라 커패시터 셀들의 평균 전압에 문턱 전압을 더하여 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 울트라 커패시터 모듈은 상기 전압 비교부의 비교 신호를 수신하여 구동 신호를 발생시키는 구동 신호 발생부를 더 포함할 수 있다. 상기 구동 신호 발생부는 포토 커플러 및 게이트 드라이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구동 신호 발생부로부터 상기 구동 신호를 수신하고, 상기 전압 밸런싱부 회로로부터 상기 울트라 커패시터 셀의 전압을 수신하여, 상기 구동 신호에 전원을 공급하는 구동 신호 전원부를 더 포함할 수 있다. 상기 구동 신호 전원부는 상기 울트라 커패시터 셀의 전압을 저장하는 전원 커패시터 및 상기 셀 전압을 상기 전원 커패시터로 흘려 보내는 전원 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 각각의 상기 울트라 커패시터 셀은 복수의 커패시터들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전압 밸런싱 회로는 서로 병렬로 연결되는 스위치 및 다이오드 및 상기 스위치와 상기 울트라 커패시터 셀 사이에 배치되는 인덕터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 울트라 커패시터 셀의 전압을 모니터링하여 특정 울트라 커패시터 셀의 전압이 높게 발생하게 되면 상기 특정 울트라 커패시터 셀의 전압을 다른 셀로 분배하여 울트라 커패시터 셀들의 전압을 균등하게 할 수 있다. 따라서, 특정 울트라 커패시터 셀의 급격한 노화를 방지하여 울트라 커패시터 모듈의 수명을 연장할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 전기 시스템을 나타나는 블록도이다.
도 2는 도 1의 울트라 커패시터 모듈을 나타내는 회로도이다.
도 3a는 도 2의 제2 스위칭 소자가 턴 온 될 때, 도 2의 전압 밸런싱 회로 및 울트라 커패시터부의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 3b는 도 2의 제2 스위칭 소자가 턴 오프 될 때, 도 2의 전압 밸런싱 회로 및 울트라 커패시터부의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1의 울트라 커패시터 모듈의 전압 밸런싱 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 전압 밸런싱 회로가 적용되지 않은 울트라 커패시터 모듈의 셀 전압을 나타내는 파형도이다.
도 6은 도 1의 울트라 커패시터 모듈의 셀 전압, 제어 필요 구간 및 구동 신호를 나타내는 파형도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 전기 시스템을 나타나는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 하이브리드 건설기계의 전기 시스템은 엔진 보조 모터(100), 엔진 보조 모터 컨버터(150), 선회 모터(200), 선회 모터 인버터(250), 울트라 커패시터 모듈(300) 및 울트라 커패시터 컨버터(400)를 포함한다.
상기 하이브리드 건설기계의 전기 시스템은 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고, 전기 저장 장치를 포함한다. 상기 전기 저장 장치는 울트라 커패시터 모듈(300)을 포함할 수 있다.
상기 엔진 보조 모터 컨버터(150)는 상기 엔진 보조 모터(103)의 동력을 기초로 DC 링크 커패시터(CLINK)를 충전시킨다. 상기 엔진 보조 모터(100)는 엔진과 직접적으로 연결되어 있고, 엔진 구동시 엔진과 동일한 회전수로 회전할 수 있다. 예를 들어, 상기 엔진 보조 모터 컨버터(150)는 AC/DC 컨버터일 수 있다.
상기 선회 모터 인버터(250)는 울트라 커패시터 모듈(300)의 컨택터(UCC)가 온 상태가 되면, 충전된 전압에 따라 선회 모터(200)를 구동시킨다. 상기 선회 모터(200)는 굴삭기의 선회 동작에 필요한 동력을 발생 시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 선회 모터 인버터(250)는 DC/AC 인버터일 수 있다.
상기 하이브리드 건설기계의 전기 시스템은 상기 엔진 보조 모터 컨버터(150) 및 상기 선회 모터 인버터(250) 사이에 배치되는 DC 링크 커패시터(CLINK)를 더 포함할 수 있다. 상기 DC 링크 커패시터(CLINK)의 제1 단은 상기 엔진 보조 모터 컨버터(150)의 제1 단자 및 상기 선회 모터 인버터(250)의 제1 단자에 연결되고, 상기 DC 링크 커패시터(CLINK)의 제2 단은 상기 엔진 보조 모터 컨버터(150)의 제2 단자 및 상기 선회 모터 인버터(250)의 제2 단자에 연결될 수 있다.
상기 DC 링크 커패시터(CLINK)는 엔진 보조 모터 컨버터(150)에 의해 변환된 DC 전압을 충전한다. 상기 DC 링크 커패시터(CLINK)는 울트라 커패시터 컨버터(400)와 연결된다.
상기 울트라 커패시터 컨버터(400)는 DC 링크 커패시터(CLINK)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 상기 울트라 커패시터 모듈(300)을 충전시킨다. 상기 울트라 커패시터 컨버터(400)는 상기 DC 링크 커패시터(CLINK)와 상기 울트라 커패시터 모듈(300) 사이에 배치된다. 상기 울트라 커패시터 모듈(300)에는 상기 울트라 커패시터 컨버터(400)에 의해 변환된 전압이 충전된다. 예를 들어, 상기 울트라 커패시터 컨버터(400)는 DC/DC 컨버터일 수 있다.
도 2는 도 1의 울트라 커패시터 모듈(300)을 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 울트라 커패시터 모듈(300)은 구동 신호 발생부(310), 구동 신호 전원부(320), 전압 밸런싱 회로(330), 울트라 커패시터부(340), 셀 전압 센싱부(350), 기준 전압 생성부(360) 및 전압 비교부(370)를 포함한다.
상기 울트라 커패시터부(340)는 직렬로 연결되는 복수의 울트라 커패시터 셀(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)을 포함한다. 각각의 상기 울트라 커패시터 셀은 직렬로 연결되는 복수의 커패시터들을 포함한다.
예를 들어, 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)은 직렬로 연결되는 제1 내지 제6 커패시터(C11, C12, C13, C14, C15, C16)를 포함한다. 예를 들어, 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)은 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)과 직렬로 연결된다. 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)은 직렬로 연결되는 제1 내지 제6 커패시터(C21, C22, C23, C24, C25, C26)를 포함한다. 예를 들어, 제3 울트라 커패시터 셀(UC3)은 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)과 직렬로 연결된다. 상기 제3 울트라 커패시터 셀(UC3)은 직렬로 연결되는 제1 내지 제6 커패시터(C31, C32, C33, C34, C35, C36)를 포함한다.
상기 전압 밸런싱 회로(330)는 상기 울트라 커패시터부(340)와 병렬로 연결되어 상기 울트라 커패시터 셀들(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 균등하게 조절한다.
상기 전압 밸런싱 회로(330)는 서로 병렬로 연결되는 스위치 및 다이오드 및 상기 스위치와 상기 울트라 커패시터 셀 사이에 배치되는 인덕터를 포함할 수 있다.
제1 울트라 커패시터 셀(UC1)에 대응하여, 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 병렬로 연결되는 제1 스위치(Q1) 및 제1 다이오드(D1)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스위치(Q1)의 제어 단자는 상기 구동 신호 전원부(320)에 연결되고, 상기 제1 스위치(Q1)의 입력 단자는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 제1 단에 연결되며, 상기 제1 스위치(Q1)의 출력 단자는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 제2 단에 연결된다. 예를 들어, 상기 제1 다이오드(D1)의 애노드는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 상기 제2 단에 연결되고, 상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 상기 제1 단에 연결된다.
이와 마찬가지로, 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)에 대응하여, 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 병렬로 연결되는 제2 스위치(Q2) 및 제2 다이오드(D2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 스위치(Q2)의 제어 단자는 상기 구동 신호 전원부(320)에 연결되고, 상기 제2 스위치(Q1)의 입력 단자는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 제1 단에 연결되며, 상기 제2 스위치(Q2)의 출력 단자는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 제2 단에 연결된다. 예를 들어, 상기 제2 다이오드(D2)의 애노드는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 상기 제2 단에 연결되고, 상기 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 상기 제1 단에 연결된다.
상기 전압 밸런싱 회로(330)는 상기 인접한 스위치들과 상기 인접한 울트라 커패시터 셀 사이에 배치되는 인덕터를 포함한다. 예를 들어, 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 상기 인접한 제1 및 제2 스위치들(Q1, Q2)과 상기 인접한 제1 및 제2 울트라 커패시터 셀(UC1, UC2) 사이에 배치되는 제1 인덕터(L1)를 포함한다. 이와 마찬가지로, 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 상기 인접한 제2 및 제3 스위치들(Q2, Q3)과 상기 인접한 제2 및 제3 울트라 커패시터 셀(UC2, UC3) 사이에 배치되는 제2 인덕터(L2), 상기 인접한 제3 및 제4 스위치들(Q3, Q4)과 상기 인접한 제3 및 제4 울트라 커패시터 셀(UC3, UC4) 사이에 배치되는 제3 인덕터(L3) 및 상기 인접한 제4 및 제5 스위치들(Q4, Q5)과 상기 인접한 제4 및 제5 울트라 커패시터 셀(UC4, UC5) 사이에 배치되는 제4 인덕터(L4)를 포함할 수 있다.
반면, 상기 제1 스위치(Q1)의 상기 제1 단 및 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 제1 단 사이에는 인덕터가 배치되지 않고, 상기 제5 스위치(Q5)의 상기 제2 단 및 상기 제5 울트라 커패시터 셀(UC5)의 제2 단 사이에는 인덕터가 배치되지 않는다. 따라서, 전압이 상승하는 울트라 커패시터 셀의 전압이 다른 셀들로 골고루 분배될 수 있다.
상기 셀 전압 센싱부(350)는 상기 울트라 커패시터 셀들(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 센싱한다. 예를 들어, 상기 셀 전압 센싱부(350)는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)에 병렬로 연결되어 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 센싱하는 제1 센서(S1)를 포함한다. 마찬가지로, 상기 셀 전압 센싱부(350)는 상기 제2 울트라 커패시터(UC2)에 병렬로 연결되어 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압을 센싱하는 제2 센서(S2), 상기 제3 울트라 커패시터 셀(UC3)에 병렬로 연결되어 상기 제3 울트라 커패시터 셀(UC3)의 전압을 센싱하는 제3 센서(S3), 상기 제4 울트라 커패시터 셀(UC4)에 병렬로 연결되어 상기 제4 울트라 커패시터 셀(UC4)의 전압을 센싱하는 제4 센서(S4) 및 상기 제5 울트라 커패시터 셀(UC5)에 병렬로 연결되어 상기 제5 울트라 커패시터 셀(UC5)의 전압을 센싱하는 제5 센서(S5)를 포함할 수 있다.
상기 셀 전압 센싱부(350)는 센싱된 상기 울트라 커패시터 셀(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 상기 비교부(370)에 출력한다.
상기 기준 전압 생성부(360)는 기준 전압을 생성한다. 상기 기준 전압은 상기 울트라 커패시터 셀들의 평균 전압에 문턱 전압을 더하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 상기 문턱 전압은 상기 울트라 커패시터부(340)의 특성에 의해 적절히 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 문턱 전압은 시간의 흐름에 따라 가변할 수 있다.
상기 기준 전압 생성부(360)는 상기 울트라 커패시터부(340)의 첫 울트라 커패시터 셀(UC1) 내지 마지막 울트라 커패시터 셀(UC5) 사이의 전압을 센싱하는 센서(SA) 및 연산부(OP)를 포함할 수 있다. 상기 연산부(OP)는 상기 울트라 커패시터부(340)의 전압을 이용하여 상기 울트라 커패시터 셀들의 평균 전압을 연산하고, 상기 울트라 커패시터 셀들의 평균 전압에 상기 문턱 전압을 합산할 수 있다.
상기 기준 전압 생성부(360)는 상기 기준 전압을 상기 비교부(370)에 출력한다.
상기 비교부(370)는 상기 울트라 커패시터 셀들(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 상기 기준 전압과 비교한다.
상기 비교부(370)는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 상기 기준 전압과 비교하는 제1 비교기(CM1)를 포함한다. 상기 제1 비교기(CM1)는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압 및 상기 기준 전압의 비교 결과를 상기 구동 신호 발생부(310)로 출력한다.
이와 마찬가지로, 상기 비교부(370)는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압을 상기 기준 전압과 비교하는 제2 비교기(CM2), 상기 제3 울트라 커패시터 셀(UC3)의 전압을 상기 기준 전압과 비교하는 제3 비교기(CM3), 상기 제4 울트라 커패시터 셀(UC4)의 전압을 상기 기준 전압과 비교하는 제4 비교기(CM4) 및 상기 제5 울트라 커패시터 셀(UC5)의 전압을 상기 기준 전압과 비교하는 제5 비교기(CM5)를 포함한다. 상기 제2 비교기(CM2)는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압 및 상기 기준 전압의 비교 결과를 상기 구동 신호 발생부(310)로 출력한다. 상기 제3 비교기(CM3)는 상기 제3 울트라 커패시터 셀(UC3)의 전압 및 상기 기준 전압의 비교 결과를 상기 구동 신호 발생부(310)로 출력한다. 상기 제4 비교기(CM4)는 상기 제4 울트라 커패시터 셀(UC4)의 전압 및 상기 기준 전압의 비교 결과를 상기 구동 신호 발생부(310)로 출력한다. 상기 제5 비교기(CM5)는 상기 제5 울트라 커패시터 셀(UC5)의 전압 및 상기 기준 전압의 비교 결과를 상기 구동 신호 발생부(310)로 출력한다.
상기 구동 신호 발생부(310)는 상기 전압 비교부(370)의 비교 신호를 수신하여 구동 신호를 발생시킨다. 상기 구동 신호 발생부(310)는 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)에 대응하는 제1 포토 커플러(PC1) 및 제1 게이트 드라이버(GD1)를 포함할 수 있다. 상기 제1 포토 커플러(PC1)는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압 및 상기 기준 전압의 비교 결과에 대응하는 제1 비교 신호를 상기 제1 게이트 드라이버(GD1)에 전달한다. 상기 제1 게이트 드라이버(GD1)는 상기 제1 비교 신호를 기초로 제1 구동 신호를 생성한다. 예를 들어, 상기 제1 포토 커플러(PC1)는 상기 제1 비교 신호를 절연하여 상기 제1 게이트 드라이버(GD1)에 전달하는 절연 회로 소자일 수 있다.
이와 마찬가지로, 상기 구동 신호 발생부(310)는 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)에 대응하는 제2 포토 커플러(PC2) 및 제2 게이트 드라이버(GD2)를 포함할 수 있다. 상기 제2 포토 커플러(PC2)는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압 및 상기 기준 전압의 비교 결과에 대응하는 제2 비교 신호를 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)에 전달한다. 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)는 상기 제2 비교 신호를 기초로 제2 구동 신호를 생성한다.
상기 구동 신호 전원부(320)는 상기 구동 신호 발생부(310)로부터 상기 구동 신호를 수신하고, 상기 전압 밸런싱부 회로로부터 상기 울트라 커패시터 셀(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 수신하여, 상기 구동 신호에 전원을 공급한다.
상기 구동 신호 전원부(320)는 상기 울트라 커패시터 셀(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 저장하는 전원 커패시터(CA1, CA2, CA3, CA4, CA5) 및 상기 울트라 커패시터 셀(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 상기 전원 커패시터(CA1, CA2, CA3, CA4, CA5)로 흘려 보내는 전원 다이오드(DA1, DA2, DA3, DA4, DA5)를 포함할 수 있다.
상기 구동 신호 전원부(320)는 상기 게이트 드라이버(GD1, GD2, GD3, GD4, GD5)의 구동 신호에 전원을 공급하여 상기 전압 밸런싱 회로(340)의 상기 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5)의 제어 단자에 전달한다.
상기 구동 신호 전원부(320)는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 저장하는 제1 전원 커패시터(CA1) 및 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 상기 제1 전원 커패시터(CA1)로 흘려 보내는 제1 전원 다이오드(DA1)를 포함할 수 있다.
이와 마찬가지로, 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압을 저장하는 제2 전원 커패시터(CA2) 및 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압을 상기 제2 전원 커패시터(CA2)로 흘려 보내는 제2 전원 다이오드(DA2)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 상기 제1 비교 신호는 하이 레벨을 갖고, 상기 제1 비교 신호는 상기 제1 포토 커플러(PC1)에 의해 절연되어 상기 제1 게이트 드라이버(GD1)에 전달된다. 상기 제1 게이트 드라이버(GD1)는 하이 레벨을 갖는 제1 구동 신호를 생성하며, 상기 제1 구동 신호는 상기 제1 전원 커패시터(CA1)에 저장된 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 기초로 전원을 공급받아, 상기 제1 스위치(Q1)의 제어 단자에 입력된다. 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 나머지 상기 제2 내지 제5 울트라 커패시터 셀들(UC2 내지 UC5)로 배분하여 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)이 급격히 노화되는 것을 방지할 수 있다.
이와 마찬가지로, 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 상기 제2 비교 신호는 하이 레벨을 갖고, 상기 제2 비교 신호는 상기 제2 포토 커플러(PC2)에 의해 절연되어 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)에 전달된다. 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)는 하이 레벨을 갖는 제2 구동 신호를 생성하며, 상기 제2 구동 신호는 상기 제2 전원 커패시터(CA2)에 저장된 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압을 기초로 전원을 공급받아, 상기 제2 스위치(Q2)의 제어 단자에 입력된다. 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압을 나머지 상기 제1 및 제3 내지 제5 울트라 커패시터 셀들(UC1, UC3, UC4, UC5)로 배분하여 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)이 급격히 노화되는 것을 방지할 수 있다.
상기 전원 밸런싱 회로(330)의 동작에 대해서는 도 3a 및 도 3b를 참조하여 이하 상세히 설명한다.
도 3a는 도 2의 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴 온 될 때, 도 2의 전압 밸런싱 회로(330) 및 울트라 커패시터부(340)의 동작을 나타내는 회로도이다. 도 3b는 도 2의 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴 오프 될 때, 도 2의 전압 밸런싱 회로(330) 및 울트라 커패시터부(340)의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 상기 울트라 커패시터부(340)의 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우를 예시하여 상기 전압 밸런싱 회로(330)의 동작을 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 3a를 참조하면, 상기 제2 센서(S2)에서 센싱된 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압이 상기 기준 전압 생성부(360)에서 생성된 기준 전압 이상인 경우, 상기 제2 비교기(CM2)의 제2 비교 신호는 하이 레벨을 갖는다.
상기 제2 비교 신호는 상기 구동 신호 발생부(310)의 제2 포토 커플러(PC2)로 전달된다. 상기 제2 포토 커플러(PC2)는 상기 제2 비교 신호를 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)로 전달하고, 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)는 하이 레벨의 제2 구동 신호를 생성한다. 상기 제2 구동 신호는 상기 제2 전원 커패시터(CA2)에 의해 전원을 공급받아, 상기 제2 스위치(Q2)의 제어 단자에 전달된다.
상기 제2 스위치(Q2)는 하이 레벨의 상기 제2 구동 신호에 의해 턴 온된다. 상기 제2 스위치(Q2)가 턴 온되면, 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 에너지가 인접한 제1 및 제2 인덕터들(L1, L2)로 이동하게 된다.
상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 에너지가 인접한 상기 제1 및 제2 인덕터들(L1, L2)로 이동하게 되면, 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압은 서서히 감소하게 된다. 시간이 지나면, 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압이 상기 기준 전압 미만으로 감소하게 된다.
도 1, 도 2 및 도 3b를 참조하면, 상기 제2 센서(S2)에서 센싱된 상기 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 전압이 상기 기준 전압 생성부(360)에서 생성된 기준 전압 미만인 경우, 상기 제2 비교기(CM2)의 제2 비교 신호는 로우 레벨을 갖는다.
상기 제2 비교 신호는 상기 구동 신호 발생부(310)의 제2 포토 커플러(PC2)로 전달된다. 상기 제2 포토 커플러(PC2)는 상기 제2 비교 신호를 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)로 전달하고, 상기 제2 게이트 드라이버(GD2)는 로우 레벨의 제2 구동 신호를 생성한다. 상기 제2 구동 신호는 상기 제2 전원 커패시터(CA2)에 의해 전원을 공급받아, 상기 제2 스위치(Q2)의 제어 단자에 전달된다.
상기 제2 스위치(Q2)는 로우 레벨의 상기 제2 구동 신호에 의해 턴 오프된다. 상기 제2 스위치(Q2)가 턴 오프되면, 인덕턴스의 전류가 급격히 변하지 못하는 성질에 의해, 상기 제1 인덕터(L1)에 흐르던 전류는 상기 제1 스위치(Q1)에 병렬로 연결된 상기 제1 다이오드(D1)로 흐르고, 상기 제2 인덕터(L2)에 흐르던 전류는 상기 제3 스위치(Q3)에 병렬로 연결된 상기 제3 다이오드(D3)로 흐른다.
상기 제1 다이오드(D1)로 흐르는 전류는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 증가시키고, 상기 제3 다이오드(D3)로 흐르는 전류는 상기 제3 울트라 커패시터 셀(UC3)의 전압을 증가시킨다.
또한 도시하지 않았으나, 상기 제1 다이오드(D1)로 흐르는 전류 및 상기 제3 다이오드(D3)로 흐르는 전류는 제4 및 제5 울트라 커패시터 셀(UC4, UC5) 방향으로도 흘러 상기 제4 및 제5 울트라 커패시터 셀(UC4, UC5)의 전압을 함께 증가시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 울트라 커패시터 모듈(300)의 전압 밸런싱 방법을 나타내는 흐름도이다.
상기 셀 전압 센싱부(350)는 각 울트라 커패시터 셀들(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압을 센싱하고, 상기 기준 전압 생성부(360)는 상기 울트라 커패시터 셀들(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 평균 전압에 문턱 전압을 합산하여 기준 전압을 생성한다 (단계 S100).
상기 비교부(370)는 상기 각 셀들(UC1, UC2, UC3, UC4, UC5)의 전압과 상기 기준 전압을 비교한다 (단계 S200).
상기 셀 전압이 상기 기준 전압보다 크거나 같은 경우에 상기 전압 밸런싱 회로(330)가 동작하여 상기 셀 전압이 상기 기준 전압보다 큰 셀의 전압을 나머지 셀들로 분배한다.
상기 셀 전압이 상기 기준 전압보다 크지 않은 경우에 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 동작하지 않는다.
도 5는 전압 밸런싱 회로가 적용되지 않은 울트라 커패시터 모듈의 셀 전압을 나타내는 파형도이다. 도 6은 도 1의 울트라 커패시터 모듈의 셀 전압, 제어 필요 구간 및 구동 신호를 나타내는 파형도이다.
도 5 및 도 6에서는 설명의 편의 상 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1) 및 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압만을 도시하였다.
도 5를 참조하면, 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 셀 전압(VUC1)은 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압(VUC2)보다 높은 값을 갖는다. 울트라 커패시터 모듈의 시동 시에 상기 울트라 커패시터 셀에 서로 다른 전압이 충전될 수 있다.
도 5의 울트라 커패시터 모듈은 상기 전압 밸런싱 회로를 포함하지 않으므로, 정상적인 동작에서도 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 셀 전압(VUC1)은 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압(VUC2)보다 계속하여 높은 값을 유지한다. 상기 울트라 커패시터 모듈이 계속하여 동작되면서 상기 울트라 커패시터 셀 전압의 차이(VUC2-VUC1)는 더욱 커질 수 있고, 결과적으로 특정 울트라 커패시터 셀의 고장으로 발전할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 5와 마찬가지로 시동 시에 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 셀 전압(VUC1)은 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압(VUC2)보다 높은 값을 갖는다.
본 실시예의 울트라 커패시터 모듈(300)은 전압 밸런싱 회로(330)를 포함한다. 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 셀 전압(VUC1)은 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압(VUC2)의 차이가 인지되는 제어 필요 구간에서, 상기 전압 밸런싱 회로(330)가 동작하게 된다.
상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압(VUC1)이 기준 전압 이상인 경우, 상기 제1 게이트 드라이버(GD1)는 제1 구동 신호 펄스를 생성한다. 상기 제1 구동 신호 펄스에 응답하여 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 전압을 나머지 울트라 커패시터 셀들(예컨대, UC2)로 배분한다. 따라서, 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 셀 전압(VUC1)은 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압(VUC2)의 차이는 감소하게 된다.
상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 셀 전압(VUC1)은 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압(VUC2)의 차이가 인지되지 않는 구간에서는 상기 전압 밸런싱 회로(330)가 동작하지 않는다. 다시, 상기 제1 울트라 커패시터 셀(UC1)의 셀 전압(VUC1)은 제2 울트라 커패시터 셀(UC2)의 셀 전압(VUC2)의 차이가 인지되면 상기 전압 밸런싱 회로(330)가 동작하여 상기 울트라 커패시터 셀들 간의 셀 전압의 차이를 감소시키게 된다.
본 실시예에 따르면, 상기 전압 밸런싱 회로(330)는 제N 울트라 커패시터 셀의 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 제N 울트라 커패시터 셀의 전압을 감소시키고, 상기 제N 울트라 커패시터 셀을 제외한 울트라 커패시터 셀의 전압을 증가시켜, 상기 제N 울트라 커패시터 셀의 전압이 급격히 노화되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 울트라 커패시터 모듈(300)의 수명을 연장할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 엔진 보조 모터 150: 엔진 보조 모터 컨버터
200: 선회 모터 250: 선회 모터 인버터
300: 울트라 커패시터 모듈 310: 구동 신호 발생부
320: 구동 신호 전원부 330: 전압 밸런싱 회로
340: 울트라 커패시터부 350: 셀 전압 센싱부
360: 기준 전압 생성부 370: 전압 비교부
400: 울트라 커패시터 컨버터

Claims (8)

  1. 직렬로 연결되는 복수의 울트라 커패시터 셀을 포함하는 울트라 커패시터부; 및
    상기 울트라 커패시터부와 병렬로 연결되어 상기 울트라 커패시터 셀들의 전압을 균등하게 조절하는 전압 밸런싱 회로를 포함하는 울트라 커패시터 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 울트라 커패시터 셀들의 전압을 센싱하는 셀 전압 센싱부;
    기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부; 및
    상기 울트라 커패시터 셀들의 전압을 상기 기준 전압과 비교하는 전압 비교부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전압 밸런싱 회로는 제N 울트라 커패시터 셀의 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 제N 울트라 커패시터 셀의 전압을 감소시키고, 상기 제N 울트라 커패시터 셀을 제외한 울트라 커패시터 셀의 전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 기준 전압은 상기 울트라 커패시터 셀들의 평균 전압에 문턱 전압을 더하여 생성되는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈.
  5. 제2항에 있어서, 상기 전압 비교부의 비교 신호를 수신하여 구동 신호를 발생시키는 구동 신호 발생부를 더 포함하고,
    상기 구동 신호 발생부는 포토 커플러 및 게이트 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구동 신호 발생부로부터 상기 구동 신호를 수신하고, 상기 전압 밸런싱부 회로로부터 상기 울트라 커패시터 셀의 전압을 수신하여, 상기 구동 신호에 전원을 공급하는 구동 신호 전원부를 더 포함하고,
    상기 구동 신호 전원부는
    상기 울트라 커패시터 셀의 전압을 저장하는 전원 커패시터; 및
    상기 울트라 커패시터 셀의 전압을 상기 전원 커패시터로 흘려 보내는 전원 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 상기 울트라 커패시터 셀은 복수의 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전압 밸런싱 회로는
    서로 병렬로 연결되는 스위치 및 다이오드; 및
    상기 스위치와 상기 울트라 커패시터 셀 사이에 배치되는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라 커패시터 모듈.
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