KR20230000616A - 슈퍼캐패시터용 보호 회로 - Google Patents

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Abstract

리튬이온용 셀의 PCM에, OD핀과 Q2(MOSFET) 사이에 방전 제어수단을 포함하는 슈퍼캐패시터용 보호 회로 제공하여, 충전가능한 최저 전압까지 OD핀을 HIGH로 유지한다. 따라서 슈퍼캐패시터는 방전을 위한 제어를 더 낮은 전압까지 하여 더 많은 전력을 사용 할 수 있다.

Description

슈퍼캐패시터용 보호 회로{Protection Circuit Module for Super capacitor}
본 발명은 슈퍼캐패시터용 PCM(Protection Circuit Module) 또는 BMS(Battery Management System)에 관련된 것으로, 특히 슈퍼캐패시터의 방전을 더 낮은 전압까지 제어하는 더 많은 전력을 사용할 수 있는 슈퍼캐패시터용 보호 회로에 관한 것이다.
캐패시터는 콘덴서라고도 하며 전하를 축적시키는 소자라고 할 수 있다. 슈퍼캐패시터는 낮은 전압에서 더 많은 전하량이 축적되어 있는 전기 부품으로 배터리의 목적으로 사용한다. 일반적인 캐피시터보다 단위 부피 또는 질량 당 10~100배 더 많은 에너지를 저장하고, 훨씬 빨리 충전되며, 많은 충전과 방전 사이클을 견딜 수 있다. 따라서 슈퍼캐패시터는 급속 충전/방전 사이클을 필요로 하는 장치에 많이 사용되고 있다.
급속 충전/ 방전 사이클 횟수를 증가시키기 위해서는 슈퍼캐패시터의 셀(cell)의 수명을 증대시키기 위해서 셀의 최대 충전과 방전을 일정 전압으로 제한하기 위한 PCM(Protection Circuit Module)이나 Cell Balance 기능을 추가한 BMS(Battery Management System)을 사용한다.
특허 공개번호 10-2014-0055011(공개일자 2014년05월09일)의 "캐패시터 충방전 관리 장치 및 그 방법"에서는 캐패시터의 충전시에는 병렬회로 방전시에는 직렬 회로로 구성을 달리 함으로써 충방전 효율을 극대화 할 수 있게 한다.
등록번호 10-1837548(등록일자 2018년03월06일)의 "캐패시터 관리 시스템"는 셀중 고전압으로 충전되는 것과 저 전압으로 방전되는 경우를 관리할 수 있고, 또한 셀중 저 전압으로 방전되는 것을 감지하여 보호함으로써 셀의 수명을 연장하고 있다.
그리고 통상적으로, 셀의 과충전(과전류) 및 셀의 과방전을 방지하여 슈퍼캐패시터의 수명을 연장하는 기술에 대해서 도 1을 참고로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 기존의 1CELL용의 리튬이온(리튬폴리머)전지의 PCM를 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기존 PCM에서 충전은 OC핀이 HIGH로 되어서 충전이 이루어지고 완충(약 4.2 정도)이 되면 OC핀이 LOW가 되어 Q2를 OFF 시킴으로 충전이 일정전압까지만 되게 된다. 반면 방전은 OD핀이 HIGH가 되어 방전이 이루어지나 일정전압(전지의 수명이 OUT되기 이전의 전압으로 약 2.6V 정도)이하로 되면 OD핀이 LOW가 되어 방전을 중지하게 된다. 따라서 기존의 PCM에 있어서는 리튬이온(리튬폴리머)전지의 화학적 특성에 맞는 충방전 제한이 PCM에 의해 이루어지고 있다. 그러므로 사용할 수 있는 전압은 완충시 약 4.2V - 방전시 약 2.5V= 1.7V이다. 이 경우에는 충전/방전 사이클 횟수는 약 500 정도, 즉 수명이 이정도 이다.
통상적으로 하나의 셀이 사용되는 것이 아니라 다중 집적 셀이 사용된다. 기존의 4CELL용 보호회로와 방전전압 제어를 위한 기능이 들어간 4셀 직렬연결한 회로를 나타낸다. 이 경우에도 사용가능한 전압은 1.7V×4= 약 6.8V밖에 되지 않는다.
기존의 리튬이온전지나 리튬폴리머전지용 PCM(또는 BMS)를 사용하면 최소 방전전압(약 2.6V)의 제한으로 그 기능을 최대한 활용할 수 없으므로 이를 개선 하여 필요전압까지 방전을 할 수 있는 보호 회로가 필요하다. 여기서 최소 방전 전압은 이 값이하로 떨어지면, 재충전불가능하므로, 충전가능한 최소 전압으로 언급되며 또는 이값까지 방전할 수 있다는 의미에서 방전가능한 최소 전압으로 언급될 수 있다.
더 많은 용량의 슈퍼캐패시터를 얻기 위해서는 더 많은 셀을 필요로 하고 그로 인해서 슈퍼캐패시터의 중량 및 크기를 증가시킨다. 따라서 본 발명의 주 목적은 동일한 슈퍼캐패시터에서 더 많은 전력을 얻을 수 있게 하는 보호 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존 PCM의 기능을 동시에 수행하는 보호 회로를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 보호 회로로서, 리튬이온용 셀의 PCM에, OD핀과 Q2(MOSFET) 사이에 방전 제어수단을 제공하여, 충전가능한 최저 전압(방전가능한 최저 전압)까지 OD핀을 HIGH로 유지한다.
본 발명의 양호한 실시 예에서는 일정 전압을 공급하는 U1, 일정 고정 전압을 U2 및 U3에 공급하기 위한 R1,R2 및 R3,R4와, 기존의 PCM 기능뿐만아니라, 충전가능한 최소 전압까지 출력할 수 있는 기능을 갖은 U4A를 포함한다. 상기 R1 및 R2에 의한 전압은 PCM이 방전 제어를 위한 OD핀을 정상적인 경우 HIGH에서 비정상적인 경우 LOW로 출력하기 이전의 전압으로 설정하며, 상기 R3 및 R4에 의한 전압은 셀의 충전가능한 최소 전압으로 설정한다.
본 발명의 양호한 실시 예에서는, 본 발명의 방전 제어수단을 포함하는 보호 회로는 하나 이상의 셀이 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터의 PCM 또는 BMS에 제공될 수 있다.
본 발명의 방전 제어수단을 포함하는 보호 회로를 제공하여, 슈퍼캐패시터는 방전을 위한 제어를 더 낮은 전압(양호하게 충전가능한 최소 전압)까지 하여 더 많은 전력을 사용 할 수 있다. 또한 동시에 PCM 또는 BMS의 기능도 유지할 수 있다.
도 1은 기존의 1CELL용의 리튬이온(리튬폴리머)전지의 PCM를 도시한다.
도 2는 기존의 4CELL용 보호회로와 방전전압 제어를 위한 기능이 들어간 4셀 직렬연결한 회로를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 1CELL용의 리튬이온(리튬폴리머)전지의 보호 회로를 도시한다.
도 4는 방전 종료 전압, 즉 충전가능한 최소 전압을 제어하기 위한 4셀 직렬용 방전제어 수단을 포함하는 보호 회로(A)이다.
도 5는 본 발명의 4셀용 보호 회로(A)와 방전전압 제어를 위한 기능이 들어간 4셀 직렬연결한 회로를 나타낸다.
이에 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명자는 슈퍼캐패시턴스와 같은 소자를 전지 대응으로 사용하면 리튬이온(리튬폴리머)에서 제한하는 방전 전압을 슈퍼캐패시터의 충전가능한 최저 전압(양호하게는 1V)으로 설정하면 더 많은 방전 특성을 얻을 수 있다는 점을 착안해서 본 발명을 구현하게 되었다. 그 구현은 도 3에 도시되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 도 1에 도시한 기존의 리튬이온용 셀의 PCM에, OD핀(over discharge pin)과 별도로 방전 제어수단(Discharge control)을 Q2(MOSFET) 사이에 추가하여 셀(슈퍼캐패시턴스)이 충전가능한 최저 전압(양호하게는 1V)까지 OD핀을 HIGH로 유지시킴으로써, 셀에 충전되어 있는 전력을 더 많이 사용할 수 있다. 기존에서는 OD핀은 2.6V까지 HIGH로 유지하고 그 이하로 되면 LOW가 되어 방전을 중단하여 셀을 보호하고 있다.
도 4는 방전 종료 전압, 즉 충전가능한 최소 전압을 제어하기 위한 4셀 직렬용 방전제어 수단을 포함하는 회로(A)이다. 도 4에 도시한 바 같은 회로는 방전 종료 전압을 조절할 수 있는 회로의 한 예를 나타낸다.
S4는 마지막 셀의 +단자로 LDO(Low DropOut) REGULATOR인 U1에 접속되며 B-는 배터리의 -단자로 U1에 접속된다. S1은 첫번째 셀의 + 단자로, 도 3의 Q1,Q2에 해당되는 비교기(U2, U3)에 접속된다. U2, U3는 회로에서 슈퍼캐패시터에서 외부로 나가는 전원을 차단해주고, 외부에서 들어오는 전원을 차단한다. U2는 슈퍼캐패시터에서 전압이 1V 전까지는 방전하여(OD-out) 사용하고 1V로 떨어지면 전원을 차단해서 방전을 중단한다. U4A는 TTL IC(transistor transistor logic integrated circuit)로 U3와 OD핀에 접속되어 있으며, 기존의 PCM 기능, 즉 과전류 감지, 이상 감지등인 경우에 2.6V의 전압으로 떨어지면, 슈퍼캐패시터의 방전을 중단하여, 회로를 보호하고, 통상적인 방전인 경우에 1V까지 출력한다.
다시 말하면, U1은 REGULATOR로 동작 중 동작을 위한 일정전압을 공급하며 R1,R2 및 R3,R4에 의하여 일정 고정전압을 비교기인 U2 및 U3의 입력으로 설정되며, R1 및 R2에 의한 전압은 PCM이 방전 제어를 위한 OD핀을 정상적인 경우 HIGH에서 비정상적인 경우 LOW로 출력하기 이전의 전압으로 설정하며, R3 및 R4에 의한 전압은 셀의 방전 종료 전압, 즉 충전가능한 최소 전압으로 설정한다. 기존 리튬이온밧데리의 경우 충전가능한 최소 전압 이전의 전압에서 과전류나 비정상에 의하여 OD핀이 HIGH에서 LOW로 출력될 수 있기 때문에, 이러한 경우에도 방전이 제어가 되어야 한다. 따라서, 본 발명의 U4A는 기존의 PCM 기능뿐만아니라, 충전가능한 최소 전압까지 출력할 수 있는 기능을 선택적으로 판단해서 출력할 수 있다. 또한 R3 및 R4에 의하여 설정된 전압은 충전가능한 최소 전압에서 방전 중지를 위한 전압으로 셀이 이 전압에 다다르면 OD_OUT핀을 HIGH에서 LOW로 출력하여 방전을 종료하게 된다.
도 5는 본 발명의 4셀용 보호 회로(A)와 방전전압 제어를 위한 기능이 들어간 4셀 직렬연결한 회로를 나타낸다. 도 5에 도시한 바와 같이 4셀용 전력 보호회로(A)는 OD핀에 접속되어 있다. 4셀용 전력 보호회로(A)의 단자들, S4, S1 및 B-는 도시한 바와 같은 수퍼캐피시터의 단자 S4, S1 및 B-에서 분기된다.
도면에서 알 수 있듯이 OD핀(과방전핀)에 추가로 보호회로(A)를 설치하고 있다. 여기서 사용할 수 있는 전압은 완충시 약 4.2V - 방전시 약 1V= 3.2V이다. 이 경우에는 충전/방전 사이클 횟수는 약 400 정도이지만, 사용가능한 전압은 12.8V이며, 종래의 약 6.8V에 비해서 두 배 이상의 전력을 더 사용할 수 있다.
본 발명의 회로는 기존의 리튬이온 보호회로에서 과전류감지, 이상감지등의 기능을 정상적으로 수행하면서 충전가능한 최소 전압만 원하는 전압, 즉 도시한 바와 같이 1V으로 낮춘 슈퍼캐패시턴스와 같이 방전의 폭이 큰 저장소자를 사용할 경우에 적용할 수 있는 보호회로이다.
도 5에 도시한 예는 4셀을 직렬로 연결하였지만 이와같이 동일한 방법으로 20셀 이상의 직렬 회로에 대해서 보호회로(A)를 연결하여 방전 전압을 제어할 수 있다
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 슈퍼캐패시터용 보호 회로로서, 리튬이온용 셀의 PCM 또는 BMS에, OD핀과 Q2(MOSFET) 사이에 방전 제어수단을 제공하여, 충전가능한 최저 전압까지 OD핀을 HIGH로 유지하는 슈퍼캐패시터용 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호 회로가 일정 전압을 공급하는 U1, 일정 고정 전압을 U2 및 U3에 공급하기 위한 R1,R2 및 R3,R4와, PCM 또는 BMS 기능뿐만아니라, 충전가능한 최소 전압까지 출력할 수 있는 기능을 갖은 U4A를 포함하며, 상기 R1 및 R2에 의한 전압은 PCM이 방전 제어를 위한 OD핀을 정상적인 경우 HIGH에서, 비정상적인 경우 LOW로 출력하기 이전의 전압으로 설정하며, 상기 R3 및 R4에 의한 전압은 셀의 충전가능한 최소 전압으로 설정하는 슈퍼캐패시터용 보호 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 셀이 직렬로 연결된 슈퍼캐패시터의 PCM 또는 BMS에 제공되어진 슈퍼캐패시터용 보호 회로.
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