WO2022211146A1 - 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법 Download PDF

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WO2022211146A1
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voltage
charging
supercapacitor
unit
output voltage
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김제은
김제호
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주식회사 유시테크놀로지
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage

Definitions

  • the present invention relates to a supercapacitor fast charging control apparatus and a control method therefor, and more particularly, by adjusting the output voltage according to the voltage charged in the supercapacitor during fast charging of the supercapacitor, the supercapacitor can be stably charged. It relates to a supercapacitor fast charging control device and a control method therefor.
  • Fossil fuels have been used continuously since the Industrial Revolution, but recently, problems such as price surges, environmental pollution, and global warming due to the depletion of fossil fuels continue to emerge. Accordingly, eco-friendly renewable energy industries such as solar power, solar heat, wind power, tidal power, and fuel cells are gradually expanding their fields.
  • Supercapacitors store energy through physical action, so charging time is fast, voltage drop is small even at high output, and charging/discharging lifespan is very long (more than 20,000 cycles).
  • Renewable energy generation such as fuel cell power generation, solar power generation, and wind power generation responds sensitively to changes in energy sources or loads. can
  • Supercapacitors are classified into electric double layer capacitors (EDLC) using porous electrodes such as activated carbon, pseudo capacitors using metal oxide electrodes, hybrid capacitors using asymmetric electrodes, and the like.
  • EDLC electric double layer capacitors
  • a high-capacity supercapacitor has a large capacity, so a fast charging device is required. On the other hand, since damage to the supercapacitor may occur during fast charging, research on a stable fast charging device capable of preventing this is required.
  • Capacitor fast charging device regulates the excessive deterioration current of the protection circuit (smooth circuit) when charging the capacitor, enabling rapid charging and long-term storage of charging energy
  • the capacitor charging device includes: a phase modulator; with a rectifier; classifier; a module current supply; a current control element; capacitors; resistance and; comparator; variable resistance; OP AMP 1 amplifies the symmetric value of the voltage regulated by the variable resistor, OP AMP 2 amplifies the current value supplied from the shunt, and OP AMP 3 amplifies the voltage across the capacitor at the resistor.
  • an AVR (or MCU) having a secondary automatic protection circuit function for checking the initial and final voltage of the capacitor;
  • the capacitor is rapidly charged by comparing it with the current value adjusted by the variable resistor, and the waveform of the signal pulse transmitted from the AVR is automatically controlled
  • the case includes a PWM generator that controls the fast charging of the capacitor according to the phase-modulated current value according to the signal output from the comparator, thereby securing stability according to the fast charging of the capacitor.
  • the energy storage element charging device includes a voltage measuring unit for measuring the sustain voltage of the energy storage element, and when the sustain voltage is lower than a threshold voltage by analyzing the measurement result, the energy storage element is charged in a fast charging mode, and the sustain voltage is the and a charging/discharging control unit for charging the energy storage element in a low-speed charging mode when it is equal to or greater than a threshold voltage.
  • the charge/discharge control unit supplies a first input voltage and a first input current to the energy storage element in the fast charging mode to increase the sustain voltage to the threshold voltage, and to the energy storage element in the low-speed charging mode.
  • a second input voltage having a magnitude smaller than the first input voltage and a second input current having a magnitude smaller than the first input current are supplied.
  • Another object of the present invention is to provide a supercapacitor fast charging control apparatus and a control method thereof, which can be stably charged without overcurrent flowing in the supercapacitor.
  • Another object of the present invention is to provide a supercapacitor fast charging control apparatus and a control method thereof, which are easy to manufacture by having a simple structure.
  • a control device for rapidly charging a supercapacitor comprising: a control unit 500 for generating an output voltage Vo; a voltage drop unit 600 for supplying a charging voltage (Vc) of the supercapacitor by lowering the output voltage by a predetermined voltage; a charging voltage comparison unit 700 that receives the charging voltage of the supercapacitor and compares the output voltage Vo with a potential difference Vd obtained by dividing the voltage at a preset ratio; and a feedback unit 400 that transmits the output of the charging voltage comparison unit to the control unit.
  • the control unit 500 in the signal transmitted from the feedback unit 400, when the charging voltage Vc is greater than a potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio, the output The voltage Vo is increased, and when the charging voltage Vc is smaller than a potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio, the output voltage Vo is adjusted to be lowered.
  • the control device for rapidly charging the supercapacitor includes: an input unit 200 receiving power from an external power source; and a maximum voltage comparison unit 300 that receives the charging voltage Vc of the supercapacitor, compares it with a preset maximum voltage Vm, and transmits it to the feedback unit 400 .
  • the control unit 500 may adjust the output voltage Vo to be lowered when the charging voltage Vc is greater than the maximum voltage Vm in the signal transmitted from the feedback unit 400 .
  • the voltage drop unit 600 may include a Schottky diode.
  • the charging voltage comparator 700 receives the charging voltage Vc at a (-) input, and inputs a potential difference (Vd) value obtained by dividing the output voltage Vo at a preset ratio at a (+) input. receiving op-amp; and a feedback capacitor positioned between the (-) input and the output of the OP-amplifier.
  • the feedback unit 400 may include a photo coupler.
  • a control method for rapidly charging a supercapacitor comprising the steps of: (a) generating an output voltage Vo; (b) supplying a charging voltage (Vc) of the supercapacitor by lowering the output voltage (Vo) by a predetermined voltage; (c) comparing the charging voltage (Vc) of the supercapacitor and the potential difference (Vd) obtained by dividing the output voltage (Vo) by a predetermined ratio; and (d) when the charging voltage Vc is greater than a potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio, the output voltage Vo is increased, and the charging voltage Vc is and adjusting the output voltage Vo to be lowered when it is smaller than a potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio.
  • the control method for rapidly charging the supercapacitor includes the steps of: (e) connecting a load during discharging of the supercapacitor to a charging unit; (f) setting a maximum voltage (Vm) applied when the supercapacitor is discharged; (g) connecting the supercapacitor to the charging unit; (h) comparing the charging voltage (Vc) of the supercapacitor with a preset maximum voltage (Vm); and (i) adjusting the output voltage Vo to be lowered when the charging voltage Vc is greater than the maximum voltage Vm.
  • Supercapacitor fast charging control apparatus and control method according to the present invention by controlling the output voltage according to the voltage charged in the supercapacitor, stably fast charging is possible.
  • Supercapacitor fast charging control apparatus and control method according to the present invention by controlling so that overcurrent does not flow in the discharged supercapacitor, stably fast charging is possible.
  • Supercapacitor fast charging control apparatus and control method according to the present invention is implemented with a simple structure, the manufacturing cost is low, and maintenance is easy.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the overall configuration of a supercapacitor fast charging control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram specifically showing the overall configuration of a supercapacitor fast charging control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a photograph showing a state in which a supercapacitor fast charging control device according to an embodiment of the present invention is manufactured using a PCB substrate.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration of a charging voltage comparison unit of a supercapacitor fast charging control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Vc charging voltage
  • Vm maximum voltage
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of adjusting the output voltage Vo according to the charging voltage Vc in the supercapacitor fast charging control method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the overall configuration of a supercapacitor fast charging control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the input unit 200, the maximum voltage comparison unit 300, the feedback unit 400, the control unit 500, the voltage drop unit 600, charging It includes a voltage comparison unit 700 and a charging unit 800 .
  • the input unit 200 receives power from an external power source.
  • the supplied power is transferred to the charging unit 800 through the control unit 500 and the voltage drop unit 600 .
  • the supercapacitor 900 is connected to the charging unit 800 to receive power required for charging.
  • the maximum voltage comparison unit 300 receives the charging voltage Vc of the supercapacitor, compares it with a preset maximum voltage Vm, and transmits the result to the feedback unit 400 .
  • the maximum voltage comparator 300 may include a constant voltage regulator to input a preset maximum voltage (Vm) value.
  • the maximum voltage comparison unit 300 may use a comparator or an integrator using an op-amp as a voltage comparison device.
  • the feedback unit 400 transmits the output signal of the maximum voltage comparison unit 300 to the control unit 500 .
  • the feedback unit 400 includes a photo coupler and the like to transmit the voltage comparison result to the control unit.
  • the control unit 500 generates an output voltage Vo by using the power transmitted through the input unit 200 .
  • the control unit 500 may include a PWM module to change the output voltage Vo by adjusting a pulse width or duty.
  • the control unit 500 controls the output voltage Vo to prevent overcurrent from flowing in the supercapacitor 900 .
  • the pulse width or duty can be adjusted to lower .
  • the voltage drop unit 600 lowers the output voltage Vo by a predetermined voltage and supplies it to the charging unit 800 as the charging voltage Vc of the supercapacitor.
  • the voltage drop unit 600 is used to distinguish the output voltage Vo and the charging voltage Vc. It is preferable to use a diode that consumes less power than a resistor for the voltage drop unit 600, and in particular, it is more preferable to use a linear Schottky diode having a small internal resistance. When a Schottky diode is used, it is easy to distinguish between the output voltage and the charging voltage, and sufficient power can be supplied with little loss.
  • the supercapacitor 900 Since the supercapacitor 900 has very low internal resistance in a discharged state, when a high voltage is applied, an excessive current may suddenly flow and be damaged or the charging performance may be deteriorated. In order to prevent this, it is preferable to charge while gradually increasing the output voltage Vo in accordance with the charging voltage Vc of the supercapacitor of the charging unit 800 .
  • the charging voltage comparator 700 receives the charging voltage Vc of the supercapacitor, compares the output voltage Vo with the potential difference Vd obtained by dividing the voltage at a preset ratio, and returns the result to the feedback unit 400 transmit
  • the charging voltage comparison unit 700 may use a comparator or an integrator using an op-amp as a voltage comparison device.
  • the feedback unit 400 transmits not only the output signal of the maximum voltage comparison unit 300 but also the output signal of the charging voltage comparison unit 700 to the control unit.
  • the feedback unit 400 includes a photo coupler and the like to transmit the comparison result of the charging voltage to the control unit.
  • the control unit 500 in the signal transmitted from the feedback unit 400, when the charging voltage Vc is greater than the potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio, the output voltage Vo and adjusts to lower the output voltage Vo when the charging voltage Vc is smaller than the potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio.
  • the charging voltage Vc lowered by the output voltage Vo output from the control unit 500 through the voltage drop unit 600 is applied to the charging unit 800 .
  • the supercapacitor 900 connected to the charging unit 800 is charged by the charging unit voltage, and the charging voltage Vc is continuously increased by the charging of the supercapacitor.
  • the supercapacitor 900 may be an electric double layer capacitor (EDLC) using an activated carbon electrode, a pseudo capacitor using a metal oxide electrode, a hybrid capacitor using an asymmetric electrode, and the like.
  • EDLC electric double layer capacitor
  • NEP New Energy Pack refers to the supercapacitor 900 .
  • FIG. 2 is a circuit diagram specifically showing the overall configuration of a supercapacitor fast charging control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the maximum voltage comparison unit 300 receives the charging voltage Vc of the supercapacitor, compares it with a preset maximum voltage Vm, and transmits the result to the feedback unit 400 .
  • the maximum voltage comparison unit 300 may use a comparator or an integrator using the op-amp 310 as a voltage comparison device.
  • a feedback capacitor 330 may be used for the op-amp 310 .
  • the feedback capacitor 330 is used to reduce hysteresis according to the transient response.
  • the (+) input of the OP-amplifier 310 is connected to the charging unit 800 to receive a charging voltage Vc.
  • the (-) input of the op-amp 310 is connected to the variable resistor 350 .
  • the variable resistor may be connected to a constant voltage regulator.
  • the maximum voltage Vm may be set by adjusting the variable resistor 350 .
  • the charging voltage Vc applied to the charging unit 800 may limit the charging voltage Vc applied to the charging unit 800 to a preset maximum voltage Vm or less.
  • the maximum voltage Vm may be set to a voltage at which the supercapacitor is not damaged by the flowing current when a load corresponding to the internal resistance of the supercapacitor is applied to the charging unit 800 .
  • the maximum voltage (Vm) can be set to 36 [V].
  • the maximum voltage (Vm) can be set to 4.0 [V].
  • the feedback unit 400 transmits the signals of the maximum voltage comparison unit 300 and the charging voltage comparison unit 700 to the control unit 500, and uses a photo coupler to prevent a Load Effect.
  • the voltage drop unit 600 lowers the output voltage Vo by a predetermined voltage and supplies it to the charging unit 800 as the charging voltage Vc of the supercapacitor.
  • the voltage drop unit 600 is used to distinguish the output voltage Vo and the charging voltage Vc.
  • the voltage drop unit 600 uses a small internal resistance and a linear Schottky diode.
  • the supercapacitor 900 Since the supercapacitor 900 has a very low internal resistance in a discharged state, when a high voltage is suddenly applied, an excessive current flows and may be damaged or the charging performance may be deteriorated. In order to prevent this, it is preferable to start charging the output voltage Vo output from the control unit 500 to a value close to the charging voltage Vc charged in the supercapacitor.
  • the charging voltage comparator 700 receives the charging voltage Vc of the supercapacitor, compares the output voltage Vo with the potential difference Vd obtained by dividing the voltage at a preset ratio, and returns the result to the feedback unit 400 transmit
  • the charging voltage comparison unit 700 may use a comparator or an integrator using the op-amp 710 as a voltage comparison device.
  • a feedback capacitor 730 may be used for the op-amp 710 .
  • the feedback capacitor 730 is used to reduce hysteresis according to the transient response.
  • the feedback capacitor 730 is positioned between the (-) input and the output (Vf) of the op-amp 710 .
  • the (-) input of the OP-amplifier 710 is connected to the charging unit 800 to receive the charging voltage Vc.
  • the (+) input of the OP-amplifier 710 is connected to the output voltage Vo connected to the variable resistor 750 .
  • the potential difference Vd may be set by adjusting the variable resistor 750
  • the control unit 500 in the signal transmitted from the feedback unit 400, when the charging voltage Vc is greater than the potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio, the output voltage Vo and adjusts to lower the output voltage Vo when the charging voltage Vc is smaller than the potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio.
  • the charging voltage Vc lowered by the output voltage Vo output from the control unit 500 through the voltage drop unit 600 is applied to the charging unit 800 .
  • the supercapacitor 900 connected to the charging unit 800 is charged by the charging unit voltage, the charging voltage Vc continuously increases by charging of the supercapacitor, and when the charging voltage Vc increases, the charging voltage comparison unit ( 700), a signal for increasing the output voltage Vo is generated.
  • FIG. 3 is a photograph showing a state in which a supercapacitor fast charging control device according to an embodiment of the present invention is manufactured using a PCB substrate.
  • the input unit 200, the maximum voltage comparison unit 300, the feedback unit 400, the control unit 500, the charging voltage comparison unit 700, and the charging unit 800 are visible in the lower PCB of the drawing, and the voltage drop unit 600 is a heat sink. hidden below The same PCB is also provided in the upper part of the drawing, so the device of FIG. 3 can charge two supercapacitor packs at the same time.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration of a charging voltage comparison unit of a supercapacitor fast charging control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the output voltage Vo from the control unit 500 is transferred to the charging unit as a charging voltage Vc through the voltage drop unit 610 to charge the supercapacitor pack 910 .
  • the charging voltage comparator 700 includes an op-amp 710 , a feedback capacitor 730 , and a variable resistor 750 .
  • the (-) input of the OP-amplifier 710 is connected to the charging unit 800 to receive a charging voltage (Vc), and the (+) input of the OP-amplifier 710 is an output voltage ( Vo) is connected.
  • the (+) input of the OP-amplifier 710 divides the output voltage Vo into the upper resistor 751 and the lower resistor 753 of the variable resistor, and the potential difference (Vd) applied to the lower resistor 753 to be.
  • a desired potential difference Vd may be set by adjusting the variable resistor 750 .
  • the control unit 500 in the signal transmitted from the feedback unit 400, when the charging voltage Vc is greater than the potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio, the output voltage Vo and adjusts to lower the output voltage Vo when the charging voltage Vc is smaller than the potential difference Vd obtained by dividing the output voltage Vo by a preset ratio.
  • Vc charging voltage
  • Vm maximum voltage
  • a load equal to the resistance value when the supercapacitor is discharged is connected to the charging unit ( S110 ). Since damage to the supercapacitor may occur due to overvoltage or overcurrent during setting of the maximum voltage, it is preferable to use a load such as a resistor.
  • a maximum voltage (Vm) applied during discharging of the supercapacitor is set (S120).
  • the maximum voltage setting may be set by adjusting the variable resistance of the maximum voltage comparator 300 .
  • the charging voltage Vc of the supercapacitor is measured (S140) and the charging voltage Vc is compared with a preset maximum voltage Vm (S150).
  • the output duty of the PWM module of the control unit may be adjusted (S155) to lower the output voltage Vo or the charging may be terminated.
  • the charging voltage Vc is less than the maximum voltage Vm, charging may be continued or the output voltage Vo may be adjusted to increase.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of adjusting the output voltage Vo according to the charging voltage Vc in the supercapacitor fast charging control method according to an embodiment of the present invention.
  • a load equal to a resistance value during discharging of the supercapacitor is connected to the charging unit (S210). Since the supercapacitor may be damaged due to overvoltage or overcurrent during voltage setting of the discharged supercapacitor, it is preferable to use a load such as a resistor.
  • Vd potential difference
  • the load is removed from the charging unit, and a supercapacitor is connected to the charging unit (S230).
  • the control unit generates the output voltage Vo, and the voltage drop unit lowers the output voltage Vo by a certain voltage and supplies it to the charging unit as the charging voltage Vc of the supercapacitor.
  • the charging voltage (Vc) of the supercapacitor is measured (S240).
  • a potential difference Vd is obtained by dividing the output voltage Vo at a preset ratio (S245).
  • the charging voltage Vc and the potential difference Vd are compared (S250).
  • the output voltage (Vo) is increased by adjusting the duty of the output pulse of the PWM module (S255). If the charging voltage (Vc) is smaller than the potential difference (Vd) value obtained by dividing the output voltage (Vo) by a preset ratio, continue charging or adjust the duty of the output pulse of the PWM module to lower the output voltage (Vo). After adjustment, you can charge.

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Abstract

본 발명에서는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치는, 출력전압(Vo)을 발생시키는 제어부(500)와, 출력전압을 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 전압강하부(600)와, 슈퍼커패시터의 충전전압을 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 충전전압비교부(700)와, 충전전압비교부의 출력을 제어부로 전달하는 피드백부(400)를 포함한다. 제어부(500)는, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주어, 슈퍼커패시터에 충전되는 전압에 맞추어 충전할 수 있으므로 안정적으로 급속 충전할 수 있다.

Description

슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법
본 발명은 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슈퍼커패시터의 급속 충전시에 슈퍼커패시터에 충전된 전압에 맞추어 출력전압을 조절함으로써, 슈퍼커패시터를 안정적으로 충전할 수 있는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
산업혁명 이후 화석연료가 지속적으로 사용되어 왔으나, 최근 화석연료 고갈로 인한 가격 급등 및 환경오염, 지구온난화 등의 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 따라서 태양광, 태양열, 풍력, 조력, 연료 전지 등 친환경적인 신재생에너지 산업이 점점 그 영역을 확장하고 있다.
최근 이산화탄소 저감 및 환경오염 에너지 시책에 따라 화석 원료 절감을 위한 많은 에너지정책이 시행되고 있으며, 친환경 전기자동차, 스마트그리드 등이 주목 받으면서 배터리 등의 에너지 저장장치 산업이 급성장하고 있다.
현재 가장 많이 적용되고 있는 에너지 저장 장치로는 니켈수소 이차전지와 리튬 이차전지가 사용되고 있으나, 이차 전지의 경우 화학반응에 의하여 충전시간이 길고, 고출력 방전시 전압이 낮아지며, 반복사용시 수명이 줄어들어 2~3년 주기로 교체가 필요한 점이 문제로 지적되고 있다.
최근에 이차전지의 문제점을 극복하기 위해 슈퍼커패시터에 대한 연구가 증가하고 있다. 슈퍼커패시터는 물리적인 작용으로 에너지를 저장하여 충전시간이 빠르고, 고출력에도 전압강하가 적으며, 충방전 수명이 2만 사이클 이상으로 매우 긴 장점이 있다. 연료전지발전, 태양광발전, 풍력발전 등의 신재생에너지 발전은 에너지원이나 부하의 변동에 민감하게 반응하므로, 발전된 전력과 부하전력 사이의 차이를 슈퍼커패시터가 흡수 또는 방출함으로써 전력품질을 확보할 수 있다.
슈퍼커패시터는 활성탄 등의 다공성 전극을 이용하는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 금속 산화물 전극을 이용하는 슈도 커패시터(Pseudo Capacitor), 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitor) 등으로 구분된다.
고용량 슈퍼커패시터는 용량이 크므로 급속 충전장치가 필요하다. 한편, 급속 충전시 슈퍼커패시터의 손상이 발생할 수 있으므로, 이를 방지할 수 있는 안정적인 급속 충전장치에 대한 연구가 필요하다.
등록특허공보 제10-1780919호 “커패시터 급속충전 장치”(2017년09월15일 등록)에서는 커패시터 충전 시 보호회로(평활회로)의 과도한 열화 전류를 단속함으로써, 급속충전 및 충전에너지를 장시간 저장 가능하도록 한 커패시터 급속충전 장치에 관하여 개시하고 있다. 커패시터 충전 장치는, 위상변조기와; 정류기와; 분류기와; 모듈전류공급기와; 전류제어소자와; 커패시터와; 저항과; 비교기와; 가변저항과; 상기 가변저항에 의해 조절된 전압의 대칭 값을 증폭시키는 OP AMP 1과 상기 분류기에서 공급되는 전류값을 증폭시키는 OP AMP 2 및 상기 저항에서 커패시터 양단의 전압을 증폭시킨 OP AMP 3의 신호를 수신 받아 상기 커패시터의 충전 초기전압 및 종지전압을 확인하는 2차적으로 자동 보호회로 기능을 갖는 AVR(혹은 MCU)과; 상기 AVR에서 전송된 신호 펄스의 파형이 수동 제어일 경우는, 상기 가변저항에서 조절된 전류 값과 비교하여 상기 커패시터의 급속충전이 이루어지도록 하고, 상기 AVR에서 전송된 신호 펄스의 파형이 자동 제어인 경우는, 상기 비교기에서 출력된 신호에 따라 위상 변조된 전류값에 따라 커패시터의 급속충전 제어가 이루어지도록 하여 3차적으로는 커패시터의 급속충전에 따른 안정성을 확보하도록 하는 PWM 발생기를 포함한다.
등록특허공보 제10-1855631호 “에너지 저장소자 충전장치”(2018년04월30일 등록)에서는 에너지 저장소자가 파손되지 않는 범위 내의 최대한의 전력을 공급하여 에너지 저장소자를 급속으로 충전할 수 있는 에너지 저장소자 충전장치에 관하여 개시하고 있다. 에너지 저장소자 충전장치는, 에너지 저장소자의 유지 전압을 측정하는 전압측정부와, 측정 결과를 분석하여 상기 유지 전압이 임계 전압보다 낮은 경우 고속 충전 모드로 상기 에너지 저장소자를 충전하고, 상기 유지 전압이 상기 임계 전압과 같거나 큰 경우 저속 충전 모드로 상기 에너지 저장소자를 충전하는 충방전 제어부를 포함한다. 여기에서 충방전 제어부는, 상기 고속 충전 모드시 상기 에너지 저장소자에 제1 입력 전압과 제1 입력 전류를 공급하여 상기 유지 전압을 상기 임계 전압까지 상승시키고, 상기 저속 충전 모드시 상기 에너지 저장소자에 상기 제1 입력 전압보다 작은 크기를 갖는 제2 입력 전압과, 상기 제1 입력 전류보다 작은 크기를 갖는 제2 입력 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적은, 슈퍼커패시터에 충전된 전압에 맞추어 출력전압을 제어할 수 있는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 수퍼커패시터에 과전류가 흐르지 않고 안정적으로 충전할 수 있는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 간단한 구조를 하여 제조가 용이한 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어장치에 있어서, 출력전압(Vo)을 발생시키는 제어부(500); 상기 출력전압에서 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 전압강하부(600); 슈퍼커패시터의 충전전압을 입력받아서, 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 충전전압비교부(700); 및 상기 충전전압비교부의 출력을 제어부로 전달하는 피드백부(400);를 포함한다.
상기 제어부(500)는, 상기 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 높여주고, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
상기 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어장치는, 외부 전원으로부터 전력을 공급받는 입력부(200); 및 상기 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여, 상기 피드백부(400)로 전달하는 최대전압비교부(300);를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부(500)는, 상기 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 상기 충전전압(Vc)이 상기 최대전압(Vm)보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정할 수 있다.
상기 전압강하부(600)는, 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 포함할 수 있다.
상기 충전전압비교부(700)는, (-)입력에 상기 충전전압(Vc)을 입력받고, (+)입력에 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값을 입력받는 OP-앰프; 및 상기 OP-앰프의 (-)입력과 출력 사이에 위치하는 피드백 커패시터;를 포함할 수 있다.
상기 피드백부(400)는, 포토커플러(Photo Coupler)를 포함할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법에 있어서, (a) 출력전압(Vo)을 발생시키는 단계; (b) 출력전압(Vo)에서 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 단계; (c) 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)과, 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 단계; 및 (d) 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 높여주고, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 단계;를 포함한다.
상기 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법은, (e) 충전부에 슈퍼커패시터 방전시의 부하를 연결하는 단계; (f) 슈퍼커패시터 방전시에 인가되는 최대전압(Vm)을 설정하는 단계; (g) 슈퍼커패시터를 충전부에 연결하는 단계; (h) 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)과, 미리 설정된 최대전압(Vm)을 비교하는 단계; 및 (i) 상기 충전전압(Vc)이 상기 최대전압(Vm)보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법은, 슈퍼커패시터에 충전된 전압에 맞추어 출력전압을 제어함으로써, 안정적으로 급속충전이 가능하다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법은, 방전된 슈퍼커패시터에 과전류가 흐르지 않도록 제어하여, 안정적으로 급속충전이 가능하다.
본 발명에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법은, 간단한 구조로 구현하여 제조 단가가 저렴하고, 유지보수가 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 구체적으로 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치를 PCB기판으로 제작한 모습을 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 충전전압비교부의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)을 최대전압(Vm)으로 제한하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)에 맞추어 출력전압(Vo)을 조정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치 및 그 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치(100)는, 입력부(200), 최대전압비교부(300), 피드백부(400), 제어부(500), 전압강하부(600), 충전전압비교부(700), 충전부(800)를 포함한다.
입력부(200)는 외부 전원으로부터 전력을 공급받는다. 공급된 전력은 제어부(500)와 전압강하부(600)를 거쳐서 충전부(800)로 전달된다. 슈퍼커패시터(900)는 충전부(800)에 연결되어 충전에 필요한 전력을 공급받는다.
슈퍼커패시터(900)에 과도한 고전압을 인가하는 경우 과도한 전류가 흘러 슈퍼커패시터가 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전부(800)에 걸리는 충전전압(Vc)을 미리 설정한 최대전압(Vm) 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
최대전압비교부(300)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 최대전압비교부(300)는 미리 설정된 최대전압(Vm) 값을 입력하기 위하여 정전압 레귤레이터(Voltage Regulator)를 포함할 수 있다. 최대전압비교부(300)는 전압비교 장치로 OP-앰프를 이용한 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다.
피드백부(400)는 최대전압비교부(300)의 출력 신호를 제어부(500)로 전달한다. 최대전압비교부(300)의 출력 전압을 제어부 직접 공급하는 경우 부하효과(Load Effect)가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 피드백부(400)는 포토커플러(Photo Coupler) 등을 구비하여 전압 비교 결과를 제어부로 전달하는 것이 바람직하다.
제어부(500)는 입력부(200)를 통해 전달된 전력을 이용하여 출력전압(Vo)을 발생시킨다. 제어부(500)는 PWM모듈을 포함하여, 펄스폭 또는 듀티(duty)를 조절하여 출력전압(Vo)을 변경할 수 있다.
제어부(500)는 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서 충전전압(Vc)이 미리 설정된 최대전압(Vm)보다 큰 경우, 슈퍼커패시터(900)에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 출력전압(Vo)을 낮추도록 펄스폭 또는 듀티를 조절할 수 있다.
전압강하부(600)는 출력전압(Vo)을 일정한 전압만큼 낮추어 충전부(800)에 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급한다. 전압강하부(600)는 출력전압(Vo)과 충전전압(Vc)을 구별하기 위해 사용한다. 전압강하부(600)는 저항보다 소비전력이 적은 다이오드를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 내부 저항이 적고 선형적인 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 쇼트키 다이오드를 사용하는 경우 출력전압과 충전전압의 구별이 용이하고, 적은 손실로 충분한 전력 공급이 가능하다.
슈퍼커패시터(900)는 방전상태에서 내부저항이 매우 낮기 때문에, 고전압을 인가하는 경우 갑자기 과도한 전류가 흘러 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전부(800)의 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)에 맞추어 출력전압(Vo)을 서서히 증가시키며 충전하는 것이 바람직하다.
충전전압비교부(700)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 충전전압비교부(700)는 전압비교 장치로 OP-앰프를 이용한 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다.
피드백부(400)는 최대전압비교부(300)의 출력 신호 뿐만 아니라, 충전전압비교부(700)의 출력 신호도 제어부로 전달한다. 충전전압비교부(700)의 출력 전압을 제어부 직접 공급하는 경우 부하효과(Load Effect)가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 피드백부(400)는 포토커플러(Photo Coupler) 등을 구비하여 충전전압의 비교 결과를 제어부로 전달하는 것이 바람직하다.
제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주고, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
충전부(800)에는 제어부(500)에서 출력된 출력전압(Vo)이 전압강하부(600)를 거쳐서 낮아진 충전전압(Vc)이 인가된다. 충전부(800)에 연결되는 슈퍼커패시터(900)는 충전부 전압에 의해 충전되며, 슈퍼커패시터의 충전에 의해 충전전압(Vc)은 지속적으로 상승하게 된다.
슈퍼커패시터(900)는 활성탄 전극을 이용하는 전기이중층 커패시터(EDLC), 금속 산화물 전극을 이용하는 슈도 커패시터(Pseudo Capacitor), 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitor) 등을 사용할 수 있다. 본 출원에서 NEP(New Energy Pack)는 슈퍼커패시터(900)를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 전체적인 구성을 구체적으로 나타내는 회로도이다.
최대전압비교부(300)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 최대전압비교부(300)는 전압비교 장치로 OP-앰프(310)를 이용하는 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다. OP-앰프(310)에는 피드백 커패시터(330)를 사용할 수 있다. 피드백 커패시터(330)는 과도응답에 따른 히스테리시스를 감소시키기 위해 사용한다. OP-앰프(310)의 (+)입력은 충전부(800)와 연결되어 충전전압(Vc)이 입력된다. OP-앰프(310)의 (-)입력은 가변저항(350)에 연결된다. 가변저항은 정전압 레귤레이터(Voltage Regulator)에 연결될 수 있다. 가변저항(350)을 조절하여 최대전압(Vm)을 설정할 수 있다.
슈퍼커패시터(900)에 과도한 고전압을 인가하는 경우 과도한 전류가 흘러 슈퍼커패시터가 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전부(800)에 걸리는 충전전압(Vc)을 미리 설정한 최대전압(Vm) 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 최대전압(Vm)은, 충전부(800)에 슈퍼커패시터의 내부저항에 해당하는 부하를 인가할 때, 흐르는 전류에 의해 슈퍼커패시터가 손상되지 않는 전압으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 내부 저항이 2 [Ω]이고, 전류 한계가 18 [A]인 경우, 최대전압(Vm)을 36 [V]로 설정할 수 있다. 한편, 내부 저항이 0.1 [Ω]이고, 전류 한계가 40 [A]인 경우, 최대전압(Vm)을 4.0 [V]로 설정할 수 있다.
피드백부(400)는 최대전압비교부(300)와 충전전압비교부(700)의 신호를 제어부(500)로 전달하며, 부하효과(Load Effect)를 방지하기 위하여 포토커플러(Photo Coupler)를 사용한다.
전압강하부(600)는 출력전압(Vo)을 일정한 전압만큼 낮추어 충전부(800)에 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급한다. 전압강하부(600)는 출력전압(Vo)과 충전전압(Vc)을 구별하기 위해 사용한다. 전압강하부(600)는 내부 저항이 적고 선형적인 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 사용한다.
슈퍼커패시터(900)는 방전상태에서 내부저항이 매우 낮기 때문에, 갑자기 고전압을 인가하는 경우 과도한 전류가 흘러 파손되거나 충전 성능이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 충전을 위해 제어부(500)에서 출력하는 출력전압(Vo)을 슈퍼커패시터에 충전된 충전전압(Vc)에 가까운 값으로 충전을 시작하는 것이 바람직하다.
충전전압비교부(700)는 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하여, 그 결과를 피드백부(400)로 전달한다. 충전전압비교부(700)는 전압비교 장치로 OP-앰프(710)를 이용한 비교기 또는 적분기를 사용할 수 있다. OP-앰프(710)에는 피드백 커패시터(730)를 사용할 수 있다. 피드백 커패시터(730)는 과도응답에 따른 히스테리시스를 감소시키기 위해 사용한다. 피드백 커패시터(730)는 OP-앰프(710)의 (-)입력과 출력(Vf) 사이에 위치한다. OP-앰프(710)의 (-)입력은 충전부(800)에 연결되어 충전전압(Vc)이 입력된다. OP-앰프(710)의 (+)입력은 가변저항(750)과 연결된 출력전압(Vo)과 연결된다. 가변저항(750)을 조절하여 전위차(Vd)를 설정할 수 있다.
제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주고, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
충전부(800)에는 제어부(500)에서 출력된 출력전압(Vo)이 전압강하부(600)를 거쳐서 낮아진 충전전압(Vc)이 인가된다. 충전부(800)에 연결되는 슈퍼커패시터(900)는 충전부 전압에 의해 충전되며, 슈퍼커패시터의 충전에 의해 충전전압(Vc)은 지속적으로 상승하게 되고, 충전전압(Vc)이 증가하면 충전전압비교부(700)에서 출력전압(Vo)을 증가시키는 신호를 발생한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치를 PCB기판으로 제작한 모습을 나타내는 사진이다.
도면의 아래쪽 PCB에서 입력부(200), 최대전압비교부(300), 피드백부(400), 제어부(500), 충전전압비교부(700), 충전부(800)가 보이고, 전압강하부(600)는 방열판 아래 가려져있다. 도면의 위쪽에도 동일한 PCB를 구비하고 있어서, 도 3의 장치는 슈퍼커패시터 팩 2개를 동시에 충전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치의 충전전압비교부의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4(a)를 참조하면, 제어부(500)로부터의 출력전압(Vo)은 전압강하부(610)를 거쳐서 충전부에 충전전압(Vc)으로 전달되고 슈퍼커패시터팩(910)을 충전시킨다. 충전전압비교부(700)는 OP-앰프(710), 피드백 커패시터(730), 가변저항(750)을 포함한다. OP-앰프(710)의 (-)입력은 충전부(800)에 연결되어 충전전압(Vc)이 입력되고, OP-앰프(710)의 (+)입력은 가변저항(750)을 통해서 출력전압(Vo)과 연결된다. 즉, OP-앰프(710)의 (+)입력은 출력전압(Vo)을 가변저항의 위쪽 저항(751)과 아래쪽 저항(753)으로 전압분배하여 아래쪽 저항(753)에 인가되는 전위차(Vd)이다. 가변저항(750)을 조절하여 원하는 전위차(Vd)를 설정할 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 전위차(Vd)는 출력전압(Vo)에서 전압강하부(610)의 전압(Vs)과 가변저항의 위쪽 저항(755)에 인가되는 전압(Vu)을 뺀 값이다. 즉, 전위차(Vd) = 출력전압(Vo) - 전압강하부 전압(Vs) - 가변저항 위쪽 전압(Vu)이다.
제어부(500)는, 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 출력전압(Vo)을 높여주고, 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)을 최대전압(Vm)으로 제한하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법은, 우선 충전부에 슈퍼커패시터 방전시의 저항값과 동일한 부하를 연결한다(S110). 최대전압 설정중에 과전압 또는 과전류에 의한 슈퍼커패시터의 손상이 발생할 수 있으므로, 저항 등의 부하를 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로 슈퍼커패시터 방전시에 인가되는 최대전압(Vm)을 설정한다(S120). 최대전압 설정은 최대전압비교부(300)의 가변저항을 조절하여 설정할 수 있다.
충전부에서 부하를 제거하고, 슈퍼커패시터를 충전부에 연결하고(S130), 충전을 개시한다.
슈퍼커패시터의 충전 중에, 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 측정하고(S140) 충전전압(Vc)과, 미리 설정된 최대전압(Vm)을 비교한다(S150).
충전전압(Vc)이 최대전압(Vm)보다 큰 경우 제어부의 PWM 모듈의 출력 듀티(duty)를 조정하여(S155) 출력전압(Vo)을 낮추거나, 충전을 종료시킬 수 있다. 충전전압(Vc)이 최대전압(Vm)보다 작은 경우 충전을 계속하거나, 출력전압(Vo)을 높이도록 조정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법에서 충전전압(Vc)에 맞추어 출력전압(Vo)을 조정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법은, 충전부에 슈퍼커패시터 방전시의 저항값과 동일한 부하를 연결한다(S210). 방전된 슈퍼커패시터의 전압 설정중에 과전압 또는 과전류에 의한 슈퍼커패시터의 손상이 발생할 수 있으므로, 저항 등의 부하를 이용하는 것이 바람직하다.
충전전압 비교를 위해서, 충전전압비교부(700)의 가변저항을 조절하여 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값을 설정한다.
충전부에서 부하를 제거하고, 슈퍼커패시터를 충전부에 연결한다(S230).
제어부에서 출력전압(Vo)을 발생시키고, 전압강하부에서 출력전압(Vo)을 일정한 전압만큼 낮추어 충전부에 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급한다.
슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 측정한다(S240). 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배하여 전위차(Vd) 값을 구한다(S245). 충전전압(Vc)과 전위차(Vd) 값을 비교한다(S250).
충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 PWM 모듈의 출력 펄스의 Duty를 조정하여 출력전압(Vo)을 높인다(S255). 충전전압(Vc)이 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우, 계속 충전하거나, PWM 모듈의 출력 펄스의 Duty를 조정하여 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정한 후 충전할 수 있다.

Claims (7)

  1. 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어장치에 있어서,
    출력전압(Vo)을 발생시키는 제어부(500);
    상기 출력전압(Vo)에서 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 전압강하부(600);
    슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 충전전압비교부(700); 및
    상기 충전전압비교부의 출력을 제어부로 전달하는 피드백부(400);를 포함하며,
    상기 제어부(500)는, 상기 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 높여주고, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    외부 전원으로부터 전력을 공급받는 입력부(200); 및
    상기 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)을 입력받아서, 미리 설정된 최대전압(Vm)과 비교하여, 상기 피드백부(400)로 전달하는 최대전압비교부(300);를 더 포함하며,
    상기 제어부(500)는, 상기 피드백부(400)로부터 전달되는 신호에서, 상기 충전전압(Vc)이 상기 최대전압(Vm)보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압강하부(600)는, 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전전압비교부(700)는,
    (-)입력에 상기 충전전압(Vc)을 입력받고, (+)입력에 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값을 입력받는 OP-앰프; 및
    상기 OP-앰프의 (-)입력과 출력 사이에 위치하는 피드백 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피드백부(400)는, 포토커플러(Photo Coupler)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어장치.
  6. 슈퍼커패시터를 급속 충전하는 제어방법에 있어서,
    (a) 출력전압(Vo)을 발생시키는 단계;
    (b) 출력전압(Vo)에서 일정한 전압만큼 낮추어 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)으로 공급하는 단계;
    (c) 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)과, 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값과 비교하는 단계; 및
    (d) 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 높여주고, 상기 충전전압(Vc)이 상기 출력전압(Vo)을 미리 설정된 비율로 전압분배한 전위차(Vd) 값보다 작은 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    (e) 충전부에 슈퍼커패시터 방전시의 부하를 연결하는 단계;
    (f) 슈퍼커패시터 방전시에 인가되는 최대전압(Vm)을 설정하는 단계;
    (g) 슈퍼커패시터를 충전부에 연결하는 단계;
    (h) 슈퍼커패시터의 충전전압(Vc)과, 미리 설정된 최대전압(Vm)을 비교하는 단계; 및
    (i) 상기 충전전압(Vc)이 상기 최대전압(Vm)보다 큰 경우 상기 출력전압(Vo)을 낮추도록 조정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 급속 충전 제어방법.
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