KR20160114533A - 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치는, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터 셀로 형성된 커패시터-셀 배터리이다. 커패시터 셀은 각각, 수퍼 커패시터와 셰도 커패시터를 포함한다. 수퍼 커패시터는, 세퍼레이터를 내부적으로 가지는 무극성 커패시터이고, 셰도 커패시터는, 극성 전기화학적 커패시터이다. 수퍼 커패시터와 셰도 커패시터는, 전기적으로 병렬로 연결되어 있다. 수퍼 커패시터는, 셰도 커패시터에 근접 또는 동일한 용량을 가진다. 커패시터-셀 배터리를 충전할 때, 모든 커패시터 셀 내의 수퍼 커패시터는 분극효과를 산출하고, 이로써, 전기에너지가 전압의 결과로서 충전된다. 그리고 수퍼 커패시터와 셰도 커패시터 사이의 포텐셜 균형으로 인해, 수퍼 커패시터 내에 충전된 전기에너지는, 급속히 전류로 변환되어 셰도 커패시터 내로 흘러들어가서 저장된다.

Description

댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치 {ELECTRICAL ENERGY STORAGE DEVICE WITH DAMPING FUNCTION}
본 발명은, 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터 셀로 형성되는 커패시터-셀 배터리에 관한 것이다.
셀은, 전기에너지 저장장치인 배터리를 구성하는 기본유닛이다. 다른 것들도 있지만, 리튬-이온 배터리는, 현재 가장 인기가 있는 배터리 장치이다. 하지만, 리튬-이온 배터리는, 아주 안정적 장치는 아니라서, 사용상 위험과 제한이 있다. 예컨대, 사용 중인 리튬-이온 배터리는, 과충전되거나 과도하게 방전되어선 안 된다; 위반시는 배터리가 손상되거나 사용불가능하게 된다. 게다가, 리튬-이온 배터리는, 미리 설정된 온도범위보다 높은 환경온도에서 충전되어서는 안 된다. 리튬-이온 배터리는, 상이한 온도에서 방전되면, 상이한 방전곡선, 방전전압 및 방전시간을 가지게 된다.
커패시터는 전기에너지를 일시적으로 저장하는 속성을 가지지만, 전기에너지 저장장치로서 사용될 수는 없다. 도 1a는, 무극성 커패시터(60)를 나타내고, 이는 전기 커플링 회로에 통상 사용된다; 도 1B는, 극성 커패시터(61)를 나타내고, 이는 필터링과 버퍼링용 회로에서 통상 사용된다; 도 1c는, 극성 수퍼 커패시터(62)를 나타내고, 이는 일시적 전기에너지 저장용 회로에 통상 사용되지만, 실제로는 전기에너지 저장장치가 아니다; 도 1d는, 무극성 수퍼 커패시터(63)를 나타내고, 이는 회로 내에서 분극될 수 있고, 일시적 전기에너지 저장용 회로에 통상 사용되지만, 실제로는 전기에너지 저장장치가 아니다; 도 1e는, 극성 셰도(pseudo) 커패시터(64)를 나타내고, 이는 큰 직류(DC) 트랜스미션용 필터로서 회로내에서 대개 사용된다. 상기 5가지 형태의 커패시터 중 아무 것도 전기에너지 저장용 장치로서 실제 사용될 수 없고, 이들은 배터리 또는 재충전형 배터리의 기능을 제공하지 않는다.
리튬-이온 배터리는, 그 높은 고유(specific) 에너지에 의해 특징이 규정된다. 이는 또한 높은 내부저항 또는 높은 직류저항(DCR)으로 귀결되며, 따라서 고속충전 및 고속방전용으로 적합하지 않다. 사용에 있어서 리튬-이온 배터리와 셰도 커패시터를 병렬로 연결하는 사람들도 있다. 셰도 커패시터는, 거의 배터리만큼 높은 많은 용량을 가질 수 있다. 셰도 커패시터는, 아이솔레이팅(isolating) DC의 특성을 가지고, 이로 인해 충전하는데 어느 정도 어려움을 가진다. 사용에 있어서 리튬-이온 배터리와 셰도 커패시터가 병렬로 연결되면, 그렇게 형성된 회로는 높은 전압에 의해 충전될 때 순시 단락회로의 위험에 처하게 된다. 그래서 동작 안정성이 열악하다.
사용에 있어서 리튬-이온 배터리와 수퍼 커패시터를 병렬로 연결하는 사람들도 있다. 수퍼 커패시터는, 충전될 때에 강력한 정전계를 산출하는, 즉 분극효과를 내는 경향이 있다. 또한, 커패시터의 특성으로서, 그 용량성 리액턴스에 의해 커패시터의 충전이 지연되어, 그 포텐셜과 온도를 상승시켜서, 리튬-이온 배터리에 불리한 환경온도를 만든다. 즉, 병렬로 연결된 리튬-이온 배터리와 셰도 커패시터나 병렬로 연결된 리튬-이온 배터리와 수퍼 커패시터는 모두, 리튬-이온 배터리의 열등한 동작 안정성의 문제를 제거할 수가 없다.
본 발명의 주된 목적은, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터 셀로 형성되는 커패시터-셀 배터리로서, 적절히 매치된 충전기로 고속으로 충전 및 방전될 수 있는, 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 충전되거나 방전될 때에 순시 단락회로의 위험이 없이, 상대적으로 낮은 내부저항 또는 직류저항(DCR)과 높은 동작 안정성을 가지는, 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 및 기타 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따라 제공되는 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치는, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터 셀로 형성되는 커패시터-셀 배터리이다. 커패시터 셀 각각은, 수퍼 커패시터 및 셰도 커패시터를 포함한다. 수퍼 커패시터는, 내부적으로 세퍼레이터를 가지는 무극성 커패시터이고, 셰도 커패시터는, 극성 전기화학 커패시터이다. 수퍼 커패시터 및 셰도 커패시터는, 전기적으로 병렬로 연결되어 있다. 수퍼 커패시터는, 셰도 커패시터와 근접하는 또는 동일한 용량을 가진다. 커패시터-셀 배터리를 충전할 때, 모든 커패시터 셀 내의 수퍼 커패시터는, 분극효과를 산출하고, 이로써 전기에너지가 그 내부에 전압의 결과로서 충전된다. 그리고 수퍼 커패시터와 셰도 커패시터 사이의 포텐셜 균형으로 인해, 수퍼 커패시터 속에 충전되는 전기에너지는, 셰도 커패시터 속으로 흘러들어 저장되는 전류로 신속히 변환된다. 이 조건을 댐핑효과라고도 한다.
본 발명에 의하면, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터 셀로 형성되는 커패시터-셀 배터리로서, 적절히 매치된 충전기로 고속으로 충전 및 방전될 수 있는, 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치가 제공된다.
또, 충전되거나 방전될 때에 순시 단락회로의 위험이 없이, 상대적으로 낮은 내부저항 또는 직류저항(DCR)과 높은 동작 안정성을 가지는, 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치가 제공된다.
상기 및 기타 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의해 채용되는 구성 및 기술적 수단은, 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명 및 첨부도면을 참조함으로써 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는, 무극성 커패시터를 나타낸다;
도 1b는, 극성 커패시터를 나타낸다;
도 1c는, 극성 수퍼 커패시터를 나타낸다;
도 1d는, 무극성 수퍼 커패시터를 나타낸다;
도 1e는, 극성 셰도 커패시터를 나타낸다;
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치의 구조를 나타낸다;
도 3은, 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예를 형성하는 하나의 커패시터 셀의 구조적 도면이다.
도 4는, 댐핑 충전장치로 충전되는 본 발명을 나타내는 블럭도이다;
도 5는, 본 발명의 등가회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조한다. 본 발명의 실시예에 따른 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치는, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터 셀(11)로 형성되는 커패시터-셀 배터리(10)이다. 간결성의 목적으로, 본 발명은, 전기에너지 저장장치라 간략히 부르기로 한다. 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는, 대만 실용신안 제M484854호에 개시된 댐핑 충전장치와 같이, 댐핑기능을 가지는 충전장치로 충전되어야 한다.
커패시터-셀 배터리(10) 내의 각 커패시터 셀(11)은, 수퍼 커패시터(12)와 셰도 커패시터(13)를 포함한다. 수퍼 커패시터(12)는, 세퍼레이터를 내부적으로 가지는 무극성 커패시터이고; 셰도 커패시터(13)는, 극성 전기화학 커패시터이다. 수퍼 커패시터(12)와 셰도 커패시터(13)는, 전기적으로 병렬로 연결되어 있지만, 이들은 무형적으로 물리적으로는 직렬로 연결(분극)되어 있다. 수퍼 커패시터(12)는, 셰도 커패시터(13)와 근접 또는 동일한 용량을 가진다. 현실적 구현에 있어서, 수퍼 커패시터(12)는, 셰도 커패시터(13)의 약 90 내지 110%의 용량을 가진다. 커패시터-셀 배터리(10)를 충전할 때, 모든 커패시터 셀(11) 내의 수퍼 커패시터(12)는, 분극효과를 산출하고, 이로써, 그 내부로 전압의 결과로서 전기에너지가 충전된다. 수퍼 커패시터와 셰도 커패시터 사이의 포텐셜 균형으로 인해, 수퍼 커패시터(12) 내로 충전된 전기에너지는, 급속히 전류로 변환되어, 셰도 커패시터(13) 내로 흘러들어 저장된다. 이는, 수퍼 커패시터와 셰도 커패시터의 전기 포텐셜이 점차 서로 근접하고 최종적으로는 동일하게 되도록 한다. 이 조건을 공진 천지를 위한 댐핑효과라고 한다.
도 4를 참조한다. 댐핑기능을 가지는 충전장치를 간략히 충전장치라 하고, 참조번호 20으로 나타내는데, 이것으로 커패시터-셀 배터리(10)를 충전할 때, 커패시터 셀(11) 내의 수퍼 커패시터(12)는, 매우 강력한 분극효과를 산출할 수 있으므로, 전기에너지는, 커패시터 셀(11)의 수퍼 커패시터(12) 내에 충전되게 된다. 수퍼 커패시터(12) 내에 충전된 전기에너지는, 셰도 커패시터(13) 내에 저장되는 전류로 급속히 변환된다. 충전장치(20)는, 파워 출력유닛(21), 컨트롤 회로(22), 댐핑 인덕터(23), 및 고주파 발진스위치(24)를 포함한다. 파워 출력유닛(21)은, 전기에너지 발생장치(30)에 연결될 수 있고, 전기에너지 발생장치(30)에 의한 전기에너지 출력의 전압을 증가 또는 감소시켜서, 전압-레귤레이트 된 전기 파워를 출력하는데 사용된다. 커패시터-셀 배터리(10)는, 댐핑 인덕터(23)에 대한 애노드와 고주파 발진스위치(24)에 대한 캐소드에 연결되어 있다. 전기에너지 발생장치(30)는, 재생가능 에너지 제너레이터 또는 그리드 전원일 수 있다. 충전장치(20)의 고주파 발진스위치(24)가 작동되면, 댐핑 인덕터(23)가 고주파로 교류적으로 전기에너지를 저장하고 방출하게 된다. 고주파 발진스위치(24)가 ON이면, 댐핑 인덕터(23)는, 전기에너지를 저장하게 된다. 한편, 고주파 발진스위치(24)가 OFF이면, 댐핑 인덕터(23)는, 저장된 전기에너지를 방출하여 커패시터-셀 배터리(10)를 충전하게 된다. 따라서, 댐핑 인덕터(23)에서 방출된 전기에너지는, 주파수 응답을 가지는 전기에너지이다.
전압의 결과로서 전기에너지가 충전된 후, 수퍼 커패시터(12)는, 전기 포텐셜이 증가된다. 이때, 수퍼 커패시터(12) 내에 충전된 전기에너지는, 자연적으로 전류로 변환되어 출력되어, 셰도 커패시터(13) 내로 흘러들어 저장된다. 수퍼 커패시터(12)에 충전된 전기에너지가 셰도 커패시터(13)로 흘러들어간 후, 수퍼 커패시터(12)의 전기 포텐셜은, 다음 충전을 촉진하도록 자연적으로 감소된다. 충전장치(20)로 커패시터-셀 배터리(10) 내로 충전되는 전기에너지는, 주파수 응답을 가지는 전기에너지이므로, 수퍼 커패시터(12)의 전기 포텐셜은, 고주파로 교류적으로 증가 및 감소하게 된다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 충전장치(20)가 커패시터 셀(11)에 주파수 응답을 가지는 전기에너지를 충전할 때, 전기에너지는 충전경로 I1을 따라 흐르고, 이로써, 전기에너지는 수퍼 커패시터(12) 내에 전압의 결과로서 충전된다. 고주파 발진스위치(24)가 일시적으로 턴 오프, 즉, 충전장치(20)가 커패시터-스택 배터리(10)의 충전을 일시적으로 중단하면, 수퍼 커패시터(12)에 충전된 전기에너지는, 저장경로 I2를 따라서 셰도 커패시터(13)에 전류로서 급속히 충전된다. 분극된 전압을 수퍼 커패시터(12)가 셰도 커패시터(13)에 흘러들어가서 저장될 전류로 극속히 변환하는 조건은, 공진 천이 프로세스, 즉 댐핑효과이고, 이는 커패시터 셀(11)이 제로에 근접하는 내부저항(DCR)을 가지도록 한다. 환원하면, 커패시터 셀(11) 내에서, 전압의 결과로서 충전된 전기에너지는, 전류로 변환되어 아무런 에너지손실을 초래하지 않고 저장된다. 더 상세히는, 커패시터 셀(11)은, 정전계의 물리적 현상에서 전기화학계 현상으로 변환된다.
부하가 일 하도록 커패시터-셀 배터리(10)이 방전할 때, 전기에너지는, 모든 커패시터 셀(11)의 셰도 커패시터(13)로부터 방출되어 방전경로 I3를 따라 흐른다. 모든 커패시터 셀(11)에 대한 충전경로 I1과 방전경로 I3는 2개의 상이한 경로이므로, 커패시터 셀(11)의 충전과 방전은 동시에 수행될 수 있다.
도 5는, 본 발명에 따른 커패시터-셀 배터리의 등가회로도이다. 도시된 바와 같이, 커패시터-셀 배터리는, 자동 직렬/병렬 연결스위치(50), 전기적으로 직렬연결된 수퍼 커패시터(51), 전기적으로 병렬연결된 셰도 커패시터(52), 직렬연결된 인덕터(L1), 및 병렬연결된 인덕터(L2)를 포함한다. 자동 직렬/병렬 연결스위치(50)가 직렬연결을 가능하게 하도록 스위칭되면, 전기에너지는 전기적으로 직렬로 연결된 수퍼 커패시터(51) 내로 충전될 수 있고, 이로써 수퍼 커패시터(51)는 증가된 전기 포텐셜을 가져서 충전된 상태에 있게 된다. 그러면, 전기적으로 직렬연결된 수퍼 커패시터(51) 내에 충전된 전기에너지는, 전류로 급속히 변환되어, 전기적으로 병렬연결된 셰도 커패시터(52) 내로 흘러들어가서 저장된다. 한편, 자동 직렬/병렬 연결스위치(50)가 병렬연결 가능하게 스위칭되면, 전기적으로 병렬연결된 셰도 커패시터(52) 내에 저장된 전기에너지가 방출된다. 도 5에 있어서, 저항(R1, R2)은 회로 내의 내부저항이다.
요컨대, 본 발명의 커패시터-셀 배터리(10)는 이하의 특성을 가진다:
(1) 단순한 회로구조: 본 발명의 커패시터-셀 배터리(10)가 충전되면, 수퍼 커패시터(12)가 물리적 유전체 분극효과를 가능하게 하고; 본 발명의 커패시터-셀 배터리(10)가 방전되면, 셰도 커패시터(13)가 화학적 산화-리덕션 효과를 가능하게 한다.
(2) 하이파워 전기 저장에 대한 적합성: 본 발명의 커패시터-셀 배터리(10)의 에너지 저장용량은, 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터 셀(11)의 양에 의해 결정된다. 따라서, 커패시터-셀 배터리(10)는, 충분한 개수의 커패시터 셀(11)로 구성되어 있는 한, 하이파워 전기에너지를 저장하는데 사용될 수 있다.
(3) 수퍼 고주파 응답을 가지는 전기에너지를 저장하여, 공진 천이에 대한 댐핑효과를 산출함: 본 발명에서 사용되는 충전장치(20)는, 주파수 응답을 가지는 전기에너지를 방출할 수 있으므로, 본 발명에 따른 커패시터-셀 배터리(10)는, 응답 천이에 대한 댐핑효과를 내부적으로 산출할 수 있고, 이로써, 증가된 충전효율 뿐 아니라 부드러운 충전과 전기에너지 저장을 가져온다.
(4) 상이한 충전경로와 방전경로: 본 발명의 커패시터-셀 배터리(10)은 2개의 사이한 경로, 즉 충전경로 I1과 방전경로 I3를 거쳐 충전 및 방전되고, 따라서, 고속충전 및 고속방전에 적합하다.
(5) 높은 동작 안정성: 모든 커패시터 셀에 있어서의 공진으로 인해, 커패시터 셀은, 매우 낮은 내부저항을 가진다. 따라서, 커패시터-셀 배터리(10)는, 충전 또는 방전 프로세스 내에 일시적 회로 단락이 있다 하더라도, 온도상승의 리스크 없이 높은 동작 안정성을 가진다.
(6) 감소된 부피: 본 발명의 커패시터-셀 배터리는, 반도체 프로세스를 통해 제조될 수 있고, 이로써 부피가 감소되어 3C(communication, computer and consumer electronics) 제품용 전기에너지 저장장치로서 사용되기에 적합하다. 커패시터-셀 배터리는, 예컨대 그라핀(graphene) 또는 자기저항(magnetoresistance) 물질로 만들어질 수 있다. 또한, 본 발명에 개시된 기술에 따라 제조된 배터리 제품은, 상이한 전극물질 및 전극 기하적 형상을 사용함으로써 상이한 에너지밀도 및 용량을 가질 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 커패시터-셀 배터리(10)가 상기 댐핑 충전장치(20)로 충전되면, 수퍼 커패시터(12)가 매우 강력한 정전계 분극을 산출하고, 분극된 셰도 커패시터(13)가 매우 높은 에너지 저장용량을 제공하므로, 커패시터-셀 배터리(10)는, 매우 높은 고주파 응답을 가지는 전기에너지를 저장하는데 이용될 수 있고, 댐핑효과를 제공하여, 고속충전 및 높은 동작 안정성을 가능하게 한다.
본 발명이 바람직한 실시예를 가지고 설명되었지만, 이 설명된 실시예 내의 수많은 변경과 변형은 본 발명의 범위와 기술사상의 내에서 이루어질 수 있고, 본 발명은 첨부 청구범위에 의해서만 제한된다는 점을 유의해야 한다.
본 발명은, 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치의 산업에 이용될 수 있다.
10: 커패시터-셀 배터리
11: 커패시터 셀
12: 수퍼 커패시터
13: 셰도 커패시터

Claims (3)

  1. 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치로서,
    직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터 셀로 형성된 커패시터-셀 배터리를 포함하고;
    상기 커패시터 셀은 각각, 수퍼 커패시터와 셰도 커패시터를 포함하고;
    상기 수퍼 커패시터는, 세퍼레이터를 내부적으로 가지는 무극성 커패시터이고, 상기 셰도 커패시터는, 극성 전기화학적 커패시터이고;
    상기 수퍼 커패시터와 상기 셰도 커패시터는, 전기적으로 병렬로 연결되고, 무형적으로 물리적으로 직렬로 분극되어 연결되어 있고;
    상기 수퍼 커패시터는, 상기 셰도 커패시터의 약 90 내지 110%의 용량을 가지고;
    상기 커패시터-셀 배터리를 충전할 때, 모든 상기 커패시터 셀 내의 상기 수퍼 커패시터는, 분극효과를 산출하고, 이로써, 전기에너지가 전압의 결과로서 충전되고;
    상기 수퍼 커패시터와 상기 셰도 커패시터 사이의 포텐셜 균형으로 인해, 상기 수퍼 커패시터 내에 충전된 전기에너지는, 급속히 전류로 변환되어 상기 셰도 커패시터 내로 흘러들어가서 저장되어, 공진 천이에 대한 댐핑효과를 형성함
    을 특징으로 하는 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수퍼 커패시터는, 충전 프로세스 동안에 강력한 정전계를 산출할 수 있는 전기 2중층 커패시터(EDLC)임
    을 특징으로 하는 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 셰도 커패시터는, 충전 프로세스 동안에 방대한 전류를 저장할 수 있는 금속산화물로 만들어진 전기화학적 커패시터임
    을 특징으로 하는 댐핑기능을 가지는 전기에너지 저장장치.
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