KR20230115046A - 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

인덕터와 스위칭 소자를 적용하여 가장 높은 전압의 셀로부터 에너지가 인덕터를 거쳐 전체 셀을 충전시키는 과정을 반복함으로써 점진적으로 전압 평형점을 찾아가는 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치가 개시된다. 상기 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치는, 다수의 슈퍼 커패시터 셀, 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 저장하는 인덕터, 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀를 각각 차단 또는 도통하여 상기 전압 에너지를 상기 인덕터에 저장하고, 상기 인덕터로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀로 상기 전압 에너지를 분배하는 다수의 스위칭부, 및 다수의 상기 스위칭부의 온오프를 제어하여 셀 평형을 유지하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치 및 이의 제어 방법{Active type Super-capacitor Cell Balancer and Method for controlling the same}
본 발명은 직렬 연결된 슈퍼커패시터 셀 간의 전압 평형을 유지시키는 셀 평형 유지 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전압이 가장 높은 셀의 에너지를 인덕터를 거쳐 전체 셀에 나누어 충전시킴으로써 전체 셀의 전압이 능동적으로 평형을 이루도록 하는 효과를 가진 슈퍼커패시터 셀 평형유지 장치 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.
또한, 본 발명은 다수의 스위칭 소자를 PWM(Pulse Width Modulation)으로 제어하여 전압이 가장 높은 셀로부터 에너지를 인덕터로 유도하여 임시 저장하였다가 전체 셀에 공급 또는 충전하여 전체 셀 간의 전압 불평형을 해소하는 셀 평형유지 장치 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.
기존 커패시터 성능 중 특히 전기 용량을 중점적으로 강화시킨 슈퍼 커패시터는 1995년 일본, 러시아, 미국 등에서 상용화되기 시작하여 소형에서 대형에 이르기까지 그 응용 분야가 다양하게 확대되고 있다.
최근에는 신재생 에너지 발전원의 획기적인 증가에 따라 신재생 에너지 발전원뿐만 아니라 신재생 에너지를 포함하는 전력계통의 안정화 목적으로 에너지 저장장치로써 주목받고 있다.
특히, 급격한 충방전이 가능하고 매우 높은 충방전 싸이클 수명 특징을 가짐에 따라 빈번한 충방전 운전이 가능한 슈퍼 커패시터 ESS(Energy Storage System)는 다른 특징을 가지는 에너지 저장 장치와의 상호보완적인 운전을 통해 기존 에너지 저장 장치의 성능 및/또는 경제성을 개선시킬 수 있는 기술로 관심이 높아지고 있다.
이러한 슈퍼 커패시터 ESS는 적용되고자 하는 신재생 에너지 및 전력계통에 따라 요구하는 높은 전압 및 전기 용량을 충족시킬 수 있도록 구성되어야 한다.
먼저, 높은 전압을 얻기 위하여 다수의 슈퍼 커패시터 단위 셀을 직렬로 연결하여 단위 모듈을 구성하고, 다시 다수의 모듈을 직렬로 연결하여 단위 랙을 구성한다. 요구되는 전기 용량은 슈퍼 커패시터 단위 랙을 병렬로 연결함으로써 얻는다.
상기 다수의 셀의 직렬연결로 구성된 슈퍼 커패시터 ESS는 빈번한 충방전 운전을 반복하게 되고 시간이 지나감에 따라 각 셀의 열화 정도 및 자가 방전율의 차이로 인하여 같은 운전조건에서 셀 간의 충전상태가 달라지게 된다. 이는 전압의 차이 또는 불평형상태로 나타나게 된다.
상기의 셀 간의 불평형상태에서 충전 또는 방전이 지속되면, 일부 셀에서 과충전 또는 과방전이 발생할 수 있다. 이는 해당 셀 및 셀을 포함하는 모듈의 열화 정도를 악화시켜 전기 용량을 감소시킬뿐만 아니라 수명을 감소시키고, 나아가 전체 슈퍼커패시터 시스템의 안정적인 운전을 방해하는 요인이 된다.
따라서, 슈퍼 커패시터 모듈 단위에서 포함하는 셀들을 효과적으로 관리하여 셀 간의 전압(또는 충전상태)이 평형이 되도록 조절하여 그 차이가 허용가능한 범위 내로 유지하는 것은 중요한 문제이다.
셀들의 전압이 평형 및 유지되도록 하는 기존의 방법에는, 전압이 낮은 셀을 기준으로 상대적으로 전압이 높은 셀들의 에너지를 저항을 이용하여 소비하도록 하는 수동형 방법, 각 셀의 전압으로부터 전압 평형유지 목표를 산정하고 목표 전압에 가까워지도록 각 셀을 충방전시키는 능동형 방법 등이 있다.
하지만, 상기 수동형 방법은 저항을 통해 소비되는 에너지 손실로 인하여 슈퍼 커패시터의 충방전 효율이 감소되는 단점이 있으며, 상기 능동형 방법은 각 셀의 충방전 동작을 달리 제어하기 위하여 회로 구성 또는 제어가 복잡해지는 단점이 있다.
1. 대한민국 공개특허번호 제10-2010-0099421호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해, 인덕터와 스위칭 소자를 적용하여 가장 높은 전압의 셀로부터 에너지가 인덕터를 거쳐 전체 셀을 충전시키는 과정을 반복함으로써 점진적으로 전압 평형점을 찾아가는 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 다수의 스위칭 소자를 PWM(Pulse Width Modulation)으로 제어하여 전압이 가장 높은 셀로부터 에너지를 인덕터로 유도하여 임시 저장하였다가 전체 셀에 공급 또는 충전하여 전체 셀 간의 전압 불평형을 해소할 수 있는 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 인덕터와 스위칭 소자를 적용하여 가장 높은 전압의 셀로부터 에너지가 인덕터를 거쳐 전체 셀을 충전시키는 과정을 반복함으로써 점진적으로 전압 평형점을 찾아가는 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치를 제공한다.
상기 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치는,
다수의 슈퍼 커패시터 셀;
다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 저장하는 인덕터;
다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀을 각각 차단 또는 도통하여 상기 전압 에너지를 상기 인덕터에 저장하고, 상기 인덕터로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀로 상기 전압 에너지를 분배하는 다수의 스위칭부; 및
다수의 상기 스위칭부의 온오프를 제어하여 셀 평형을 유지하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 장치는, 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 갖는 하나를 선택하고, 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 상기 인덕터에 저장하고, 저장된 상기 전압 에너지를 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 전체에 분배하여 전체 슈퍼 커패시터 셀의 전압을 평형하게 유지하도록 상기 온오프를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는 초기에 다수의 상기 스위칭부를 모두 오프하고, 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 미리 설정되는 평형 유지 조건의 만족여부를 확인하고, 상기 평형 유지 조건을 만족하면 다수의 상기 스위칭부를 선택적으로 온하여 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 상기 인덕터에 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 평형 유지 조건은 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지가 미리 설정되는 밸런싱 시작전압보다 크고, 미리 설정된 밸런싱 종료전압보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 상기 인덕터에 저장한후, 다수의 상기 스위칭부를 선택적으로 오프하여 상기 전압 에너지를 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 전체에 분배하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다수의 상기 스위칭부 중 제 1 스위칭부는 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 중 제 1 슈퍼 커패시터 셀과 제 2 슈퍼 커패시터 셀사이에 연결되며 상기 인덕터의 입력단에 배치되고, 다수의 상기 스위칭부 중 제 2 스위칭부는 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 중 제 2 슈퍼 커패시터 셀과 제 3 슈퍼 커패시터 셀사이에 연결되며, 상기 인덕터와 상기 제 2 스위칭부 사이에 다수의 상기 스위칭부 중 제 3 스위칭부가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 슈퍼 커패시터 셀과 상기 인덕터의 출력단 사이에 역방향으로 제 1 다이오드가 배치되며, 상기 제 3 슈퍼 커패시터 셀과 상기 인덕터의 입력단사이에 정방향으로 제 2 다이오드가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 다수의 상기 스위칭부는 스위칭 소자 및 역방향시 단락 방지를 위한 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위칭 소자 중 제 1 스위칭 소자의 출력단에는 정방향쪽으로 제 3 다이오드가 배치되고, 상기 스위칭 소자 중 제 2 스위칭 소자의 출력단에는 역방향쪽으로 제 4 다이오드가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동부는 다수의 상기 스위칭부의 온오프를 위해 다수의 상기 스위칭부에 각각 대응하는 포토 커플러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 다수의 상기 스위칭부는 P채널 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 및 n채널 MOSFET로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온오프는 PWM(pulse width modulation) 방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀은 다공성 탄소 소재를 이용하여 전극을 구성한 대칭형 전기 이중충 슈퍼 커패시터인 것을 특징으로 한다.
또한, 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀은 다공성 탄소 소재를 이용하여 전극을 구성한 비대칭형 리튬 이온 슈퍼 커패시터인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다수의 슈퍼 커패시터 셀; 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 저장하는 인덕터; 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀을 각각 차단 또는 도통하여 상기 전압 에너지를 상기 인덕터에 저장하고, 상기 인덕터로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀로 상기 전압 에너지를 분배하는 다수의 스위칭부; 및 다수의 상기 스위칭부의 온오프를 제어하여 셀 평형을 유지하는 하나의 커플러;를 포함하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치를 제공한다.
이때, 다수의 상기 스위칭부는 동일 채널의 스위칭 소자인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동일 채널의 스위칭 소자는 n채널 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일시시예는, (a) 제어기가 다수의 슈퍼 커패시터 셀 중 가장 높은 전압 에너지를 갖는 슈퍼 커패시터 셀을 선택하는 단계; (b) 상기 제어기가 구동부를 이용하여 다수의 스위칭부의 온오프를 제어함에 따라 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀을 각각 차단 또는 도통하여 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 인덕터에 저장하는 단계; 및 (c) 상기 제어기가 셀 평형을 유지하기 위해 다수의 상기 스위칭부의 온오프를 제어하여 상기 인덕터로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀로 상기 전압 에너지를 분배하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 셀 전압 평형 과정에서 높은 전압을 가지는 셀의 에너지를 저항을 통해 소비하지 않고, 인덕터를 거쳐 전체 셀을 다시 충전시키는 데에 사용함으로써 에너지 손실을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 목표 전압을 추종하기 위하여 각 셀의 충방전을 개별 제어하는 방식이 아닌 하나의 셀로부터의 에너지를 전체 셀로 나누어 충전해가면서 전압 평형점을 찾아감에 따라 비교적 간단한 회로 구성 및 제어가 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 회로도 예시이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 동작 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 실행예시이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치 및 이의 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 타입의 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치(100)의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치(100)는, 다수의 슈퍼 커패시터 셀(110), 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110) 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 저장하는 인덕터(150), 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110)을 각각 차단 또는 도통하여 상기 전압 에너지를 상기 인덕터(150)에 저장하고, 상기 인덕터(150)로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110)로 상기 전압 에너지를 분배하는 다수의 스위칭부(120,130), 다수의 상기 스위칭부(120,130)의 온오프를 제어하여 셀 평형을 유지하는 구동부(미도시), 역방향 전류 흐름을 방지하는 역방향 방지 소자(160,170) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
슈퍼 커패시터 셀(110)은 제 1 내지 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3) 중 하나를 나타내며, 제 1 내지 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3)은 직렬 연결로 표시되어 있으나, 병렬 연결도 가능하다. 또한, 슈퍼 커패시터 셀(110)은 하나의 슈퍼 커패시터 단위 셀로 이루어질 수도 있지만, 직렬 및/또는 병렬의 단위 셀로도 이루어질 수 있다.
다수의 스위칭부(120,130)(U1,U2)는 제 1 내지 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3)로부터 전압 에너지를 인덕터(150)에 저장하기 위해 온오프된다. 예를 들어, 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압이 가장 높은 경우, 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)로부터 에너지를 인덕터(150)(L1)에 저장하기 위하여, 제 1 내지 제 3 스위칭부(120,130)(U1,U2,U3)는 모두 ON(또는 단락) 된다.
이 경우, 제 1 및 제 2 역방향 방지 소자(160,170)(D1,D2)는 각각 역 바이어스 상태가 되어 전류가 흐르지 않고, 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)에서 인덕터(150)(L1)로 전류가 흘러 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지는 감소하고 인덕터(L1)은 에너지가 저장된다.
인덕터(150)에 저장된 전압 에너지를 다시 전체 셀로 충전시키기 위하여 제 1 내지 제 3 스위칭부(120,130)(U1,U2,U3)를 모두 OFF시킨다. 이 경우, 역방향 방지 소자(160,170)는 각각 순 바이어스 상태가 되고 C1, C2, C3 및 L1으로 구성된 회로를 형성하여 전류가 흘러 충전되고 C1, C2, C3의 전압이 상승하게 된다. 상기 방법을 적절한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 반복 수행하면 결과적으로 C2셀의 에너지를 전체 셀에 골고루 전달하여 전압 평형점을 찾아가게 된다.
제 1 슈퍼 커패시터 셀(C1)의 전압이 가장 높은 경우, 제 1 슈퍼 커패시터 셀(C1)로부터 전압 에너지를 인덕터(150)(L1)에 저장하기 위하여, 제 1 스위칭부(120)(U1)은 ON, 제 2 및 제 3 스위칭부(130)(U2,U3)은 OFF된다.
이 경우, C1과 L1 그리고 D1로 회로가 형성되어 C1에서 L1으로 전류가 흘러 C1의 전압은 감소하고 L1은 에너지가 저장된다.
제 3 슈퍼 커패시터 셀(C3)의 전압이 가장 높은 경우, 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C3)로부터 전압 에너지를 인덕터(150)(L1)에 저장하기 위하여, 제 1 스위칭부(120)(U1)은 OFF, 제 2 및 제 3 스위칭부(130)(U2,U3)은 ON 된다. 이 경우, C3과 L1 그리고 D2로 회로가 형성되어 C3에서 L1으로 전류가 흘러 C3의 전압은 감소하고 L1은 에너지가 저장된다.
제 1 내지 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3)은 다공성 탄소 소재를 이용하여 전극을 구성한 대칭형 전기 이중충 슈퍼 커패시터 또는 다공성 탄소 소재를 이용하여 전극을 구성한 비대칭형 리튬 이온 커패시터가 될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치(100)의 회로도 예시이다. 도 2를 참조하면, 제 1 내지 제 2 스위칭부(120,130)는 스위칭 소자, 다이오드, 저항 등을 포함하여 구성될 수 있다. 부연하면, 제 1 및 제 2 스위칭부(120,130)는 제 1 및 제 2 스위칭 소자(M1,M2) 및 제 3 및 제 4 다이오드(D3,D4)로 구성될 수 있다.
스위칭 소자(M1,M2)는 주로 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor), 파워 정류 다이오드 등과 같은 반도체 스위칭 소자, 사이리스터, GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터, TRIAC(Triode for alternating current), SCR(Silicon Controlled Rectifier), I.C(Integrated Circuit) 회로 등이 사용될 수 있다. 특히, 반도체 소자의 경우 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다.
도 2를 참조하면, 제 1 스위칭부(120)의 경우, 스위칭 소자(M1)의 소스쪽에 정방향으로 다이오드(D3)가 배치된다. 따라서, 정방향으로 전류가 흐르고 역방향으로 전류가 흐르지 않는다. 제 2 스위칭부(130)의 경우, 스위칭 소자(M2)의 소스쪽에 역방향으로 다이오드(D4)가 배치된다. 따라서, 정방향으로 전류가 흐르지 않고 역방향으로 전류가 흐른다. 제 1 및 제 2 스위칭부(120,130)의 드레인과 게이트가 연결된다. 제 1 스위칭부(120)는 p채널 MOSFET이고, 제 2 스위칭부(130)는 n채널 MOSFET이다.
구동부(220)는 제어기(210)로부터 제어 신호를 받아 제 1 내지 제 3 스위칭부(120,130)의 온오프를 수행한다. 이를 위해, 구동부(220)에는 포토 커플러(221)가 구성된다. 포토 커플러(221)는 제 1 내지 제 2 스위칭부(120,130)에 대응되게 2개가 구성될 수 있다.
제어기(210)는 제 1 내지 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3)간의 전압차를 비교하여 가장큰 전압 에너지를 갖는 슈퍼 커패시터 셀을 선택하고, 선택된 슈퍼 커패시터 셀로부터 전압 에너지를 인덕터(150)에 저장하고 전체 셀에 분배하여 전체 셀의 전압이 능동적으로 평형을 이루도록 하는 알고리즘을 실행한다.
이를 위해, 제어기(210)는 마이크로프로세서, 마이콤, 메모리, 전류/전압 센서 등을 포함하여 구성될 수 있다. 물론, 전류/전압 센서는 제어기(210)와 별도로 구성되어 전기적으로 연결되는 형태로 구성될 수도 있다.
메모리는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD(Secure Digital) 또는 XD(eXtreme Digital) 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 인터넷(internet)상에서 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage), 클라우드 서버와 관련되어 동작할 수도 있다.
또한, 제어기(210)는 셀 평형 전압이 조정되도록 PWM(pulse width modulation) 방식을 이용하여 구동부(220)를 제어한다. 셀 평형 전압이 조정되도록 PWM(pulse width modulation)의 동작이 1회 이상으로 구성될 수 있다.
제 1 스위칭부(120)는 제 1 슈퍼 커패시터 셀(C1)과 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)사이에 연결되며 상기 인덕터(150)의 입력단에 배치되고, 다수의 상기 스위칭부(120,130) 중 제 2 스위칭부(120)는 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)과 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C3)사이에 연결된다.
또한, 제 1 슈퍼 커패시터 셀(C1)과 상기 인덕터(150)의 출력단 사이에 역방향으로 제 1 다이오드(D1)가 배치되며, 상기 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C3)과 상기 인덕터(150)의 입력단사이에 정방향으로 제 2 다이오드(D2)가 배치된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치(100)의 동작 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 초기에 스위칭부(120,130)(U1,U2)가 OFF(개방)된다(단계 S310).
이후, 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3)중 최대전압인 슈퍼 커패시터 셀을 결정하여 선정한다(단계 S320). 도 3에서는 최대전압인 슈퍼 커패시터 셀이 C2인 것으로 가정한다.
이후, 선정된 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지가 미리 설정된 밸런싱 시작전압(Vstart)보다 작은지를 판단한다(단계 S330).
단계 S330에서, 판단결과, 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지가 미리 설정된 밸런싱 시작전압(Vstart)보다 작으면, 프로세스는 종료된다.
이와 달리, 단계 S330에서, 판단결과, 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지가 미리 설정된 밸런싱 시작전압(Vstart)보다 크면, 셀밸런싱 모드가 시작된다.
셀밸런싱 모드에서 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지가 미리 설정된 밸런싱 종료전압(Vstop)보다 작은지를 판단한다(단계 S340).
단계 S340에서, 판단결과, 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지가 미리 설정된 밸런싱 종료전압(Vstop)보다 작으면, 셀 밸런싱 모드에서 탈출한다. 셀밸런싱 모드가 아닌 경우 종료전압 이하라고 하더라도 셀밸런싱모드가 시작되는 것은 아니다.
이와 달리, 단계 S340에서, 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지가 미리 설정된 밸런싱 종료전압(Vstop)보다 크면, 스위칭부(120,130)(U1,U2)를 모두 온하여 슈퍼 커패시터 셀(C2)에 대한 전압 에너지를 인덕터(150)에 저장한다(단계 S350,S360). 즉, IL1 = -IC2가 된다. 이는 슈퍼 커패시터 셀(C2)의 전압 에너지는 감소되고, 인덕터(150)의 전압 에너지는 증가됨을 의미한다.
이후, 스위칭부(120,130)(U1,U2)를 OFF시켜 인덕터(150)에 저장된 전압 에너지를 전체 셀에 나누어준다(단계 S370,S380). IC123은 C1,C2,C3의 전체 셀 전류를 나타낸다. 이후, 프로세스는 단계 S340으로 진행된다.
도 3은 C2를 전압 에너지가 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀로 가정한 것으로, C1 또는 C3가 전압 에너지가 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀인 경우에는, 단계 S350 및 단계 S370에서 스위칭부의 온/오프는 선택으로 실행된다. 이에 대해서는 도 1을 참조하여 설명하였음으로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 도 1에 도시된 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치(100)의 실행예시이다. 도 4를 참조하면, 3개의 슈퍼커패시터 셀을 직렬로 연결하고 맨위의 셀부터 C1은 4V 1000F, C2는 2V 1000F, C3은 1.5V 1000F으로 각 셀이 불평형 상태에 있다. MOSFET의 PWM 스위칭 주기는 0.1ms, Duty-0.72, 적용된 인덕터는 1mH이다.
도 4의 그래프에 나타난 바와 같이, C1의 전압이 가장 높으므로 C1로부터 에너지가 인덕터를 거쳐 전체 셀로 나누어 충전되면서 전압 평형점을 찾아가는 것을 확인할 수 있다. C1의 전압이 1분 동안 0.055V 감소하여 3.945V, C2의 전압은 0.0223V 상승하여 2.02223V, C3의 전압은 0.0224V 상승하여 1.5224V로 증가된다. 시간이 지남에 따라 전압 평형점을 찾아가게 된다. 이때, 인덕터 전류는 0.2A 진폭동을 가지고 2A 근방에서 조정된다. PWM 신호를 통하여 전류 진동폭과 전류량 조정이 가능하며 손실이 적다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 개념도이다. 도 5를 참조하면, 다수의 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3), 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3) 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 저장하는 인덕터(L1), 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(C1, C2, C3)을 각각 차단 또는 도통하여 상기 전압 에너지를 상기 인덕터(L1)에 저장하고, 상기 인덕터(L1)로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(C1,C2,C3)로 상기 전압 에너지를 분배하는 다수의 스위칭부(520,530),다수의 상기 스위칭부(520,530)의 온오프를 제어하여 셀 평형을 유지하는 하나의 커플러(510) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 역방향시 단락 방지를 위한 다이오드(D11,D10,D13,D12)가 배치된다. 부연하면, 다이오드(D11)는 슈퍼 커패시터 셀(C1)과 인덕터(L1)의 사이에 배치되고, 다이오드(D10)는 슈퍼 커패시터 셀(C1)과 슈퍼 커패시터 셀(C2)사이와 제 1 스위칭부(520) 사이에 배치되고, 다이오드(D13)는 슈퍼 커패시터 셀(C2)과 슈퍼 커패시터 셀(C3)사이와 제 2 스위칭부(530) 사이에 배치되고, 다이오드(D12)는 슈퍼 커패시터 셀(C3)와 인덕터(L1)의 입력단 사이에 배치된다.
스위치에 PWM 신호를 주어 전압이 낮은 셀전압을 전압이 높은 전체 단자 전압으로 보내는 것을 부스트 회로라고 표현할 수 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM: Read Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치
110: 슈퍼 커패시터 셀
120,130,520,530: 제 1 내지 제 2 스위칭부
150: 인덕터
160,170: 인덕터
210: 제어기
220: 구동부
221,510: 포토 커플러

Claims (16)

  1. 다수의 슈퍼 커패시터 셀(110);
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110) 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 저장하는 인덕터(150);
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110)를 각각 차단 또는 도통하여 상기 전압 에너지를 상기 인덕터(150)에 저장하고, 상기 인덕터(150)로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터셀(110)로 상기 전압 에너지를 분배하는 다수의 스위칭부(120,130); 및
    다수의 상기 스위칭부(120,130)의 온오프를 제어하여 셀 평형을 유지하는 구동부(220);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110) 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 갖는 하나를 선택하고, 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 상기 인덕터(150)에 저장하고, 저장된 상기 전압 에너지를 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110) 전체에 분배하여 전체 슈퍼 커패시터 셀의 전압을 평형하게 유지하도록 상기 온오프를 제어하는 제어기(210);를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기(210)는 초기에 다수의 상기 스위칭부(120,130)를 모두 오프하고, 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 미리 설정되는 평형 유지 조건의 만족여부를 확인하고, 상기 평형 유지 조건을 만족하면 다수의 상기 스위칭부(120,130)를 선택적으로 온하여 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 상기 인덕터(150)에 저장하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평형 유지 조건은 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지가 미리 설정되는 밸런싱 시작전압(Vstart)보다 크고, 미리 설정된 밸런싱 종료전압(Vstop)보다 큰 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기(210)는 상기 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 상기 인덕터(150)에 저장한후, 다수의 상기 스위칭부(120,130)를 선택적으로 오프하여 상기 전압 에너지를 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110) 전체에 분배하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 스위칭부(120,130) 중 제 1 스위칭부(120)는 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110) 중 제 1 슈퍼 커패시터 셀(C1)과 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)사이에 연결되며 상기 인덕터(150)의 입력단에 배치되고, 다수의 상기 스위칭부(120,130) 중 제 2 스위칭부(130)는 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110) 중 제 2 슈퍼 커패시터 셀(C2)과 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C3)사이에 연결되며, 상기 인덕터(150) 사이에 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 슈퍼 커패시터 셀(C1)과 상기 인덕터(150)의 출력단 사이에 역방향으로 제 1 다이오드(D1)가 배치되며, 상기 제 3 슈퍼 커패시터 셀(C3)과 상기 인덕터(150)의 입력단사이에 정방향으로 제 2 다이오드(D2)가 배치되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    다수의 상기 스위칭부(120,130)는 스위칭 소자(M1,M2) 및 역방향시 단락 방지를 위한 다이오드(D3,D4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자(M1,M2) 중 제 1 스위칭 소자(M1)의 출력단에는 정방향쪽으로 제 3 다이오드(D3)가 배치되고, 상기 스위칭 소자(M1,M2) 중 제 2 스위칭 소자(M2)의 출력단에는 역방향쪽으로 제 4 다이오드(D4)가 배치되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부(220)는 다수의 상기 스위칭부(120,130)의 온오프를 위해 다수의 상기 스위칭부(120,130)에 각각 대응하는 포토 커플러(221)를 포함하며, 다수의 상기 스위칭부(120,130)는 P채널 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 및 n채널 MOSFET로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 온오프는 PWM(pulse width modulation) 방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110)은 다공성 탄소 소재를 이용하여 전극을 구성한 대칭형 전기 이중충 슈퍼 커패시터인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110)은 다공성 탄소 소재를 이용하여 전극을 구성한 비대칭형 리튬 이온 슈퍼 커패시터인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  14. 다수의 슈퍼 커패시터 셀(C6,C4,C5);
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(C6,C4,C5) 중 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 저장하는 인덕터(L1);
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(C6, C4, C5)을 각각 차단 또는 도통하여 상기 전압 에너지를 상기 인덕터(L1)에 저장하고, 상기 인덕터(L1)로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(C6,C4,C5)로 상기 전압 에너지를 분배하는 다수의 스위칭부(520,530); 및
    다수의 상기 스위칭부(520,530)의 온오프를 제어하여 셀 평형을 유지하는 하나의 커플러(510);를 포함하며,
    다수의 상기 스위칭부(520,530)는 동일 채널의 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 동일 채널의 스위칭 소자는 n채널 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치.
  16. (a) 제어기(210)가 다수의 슈퍼 커패시터 셀(110) 중 가장 높은 전압 에너지를 갖는 슈퍼 커패시터 셀을 선택하는 단계;
    (b) 상기 제어기(210)가 구동부(220)를 이용하여 다수의 스위칭부(120,130)의 온오프를 제어함에 따라 다수의 상기 슈퍼 커패시터 셀(110)를 각각 차단 또는 도통하여 가장 높은 슈퍼 커패시터 셀의 전압 에너지를 인덕터(150)에 저장하는 단계; 및
    (c) 상기 제어기(210)가 셀 평형을 유지하기 위해 다수의 상기 스위칭부(120,130)의 온오프를 제어하여 상기 인덕터(150)로부터 다수의 상기 슈퍼 커패시터셀(110)로 상기 전압 에너지를 분배하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터 셀 평형 유지 장치의 제어 방법.

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