[go: up one dir, main page]

KR100675366B1 - 전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법 - Google Patents

전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100675366B1
KR100675366B1 KR1020020086299A KR20020086299A KR100675366B1 KR 100675366 B1 KR100675366 B1 KR 100675366B1 KR 1020020086299 A KR1020020086299 A KR 1020020086299A KR 20020086299 A KR20020086299 A KR 20020086299A KR 100675366 B1 KR100675366 B1 KR 100675366B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
energy storage
storage device
electrical energy
voltage
capacity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
KR1020020086299A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040059796A (ko
Inventor
김성민
이희영
정용호
김희수
박성철
이하영
김은실
Original Assignee
주식회사 네스캡
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 네스캡 filed Critical 주식회사 네스캡
Priority to KR1020020086299A priority Critical patent/KR100675366B1/ko
Priority to PCT/KR2003/002744 priority patent/WO2004059815A1/en
Priority to US10/540,919 priority patent/US7660084B2/en
Priority to EP03777437A priority patent/EP1590868A4/en
Priority to AU2003286947A priority patent/AU2003286947A1/en
Publication of KR20040059796A publication Critical patent/KR20040059796A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100675366B1 publication Critical patent/KR100675366B1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • 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
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00306—Overdischarge protection
    • 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
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00308—Overvoltage protection

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

용량 대비 가격이 저렴하면서도 싸이클 특성, 온도 특성 등이 우수한 전기에너지 저장장치와 에너지 저장장치의 용량을 최대로 활용할 수 있는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법이 개시되어 있다. 제 1 전기에너지 저장장치와 전기용량이 제 1 전기에너지 저장장치의 전기용량의 4 배 이상이고 100배 이하이며 제 1 전기에너지 저장장치에 직렬로 연결되어 있는 제 2 전기에너지 저장장치를 포함하는 전기에너지 저장장치를 제공한다. 또한 상술한 전기에너지 저장장치의 제 1 전기에너지 저장장치가 전기이중층 캐페시터인 경우 제 1 전기에너지 저장장치를 0 V 이하까지 사용하여 가용 에너지를 증가시킬 수 있는 충방전 방법을 제공한다. 이러한 에너지 저장장치를 산, 바다 등의 야외나 도로 등 신속한 유지보수가 용이하지 않은 곳에서의 전원으로 사용하는 경우 유지보수 비용을 대폭 절감할 수 있고, 안정적인 전원의 제공이 가능해진다.

Description

전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법{ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE AND METHOD OF CHARGING AND DISCHARGING THE SAME}
도 1은 전기이중층캐페시터의 싸이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 전기이중층캐페시터의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 납축전지의 온도특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 충방전특성을 나타내는 그래프이다.
도 6는 도 5의 에너지저장장치의 온도특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 5의 에너지저장장치의 싸이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실예에 따른 전기에너지 저장장치의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 제 1 전기에너지 저장장치 20 : 제 2 전기에너지 저장장치
30 : 과전압 방지장치 32 : 전압비교기
34 : 스위치 36 : 브리드 저항
본 발명은 전기에너지 저장장치 및 전기에너지 저장장치의 충방전 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 온도 특성 및 싸이클 특성이 서로 상이하고, 용량 차이가 나는 두 에너지 저장장치를 직렬로 연결한 전기에너지 저장장치 및 이 전기에너지 저장장치의 충방전 방법에 관한 것이다.
캐페시터(condenser, capacitor)는 전기용량을 얻기 위한 장치로서, 축전지(storage battery) 등과 더불어 전기에너지 저장장치의 일종이라 할 수 있다. 최근 전기이중층 캐페시터(Electric Double Layer Capacitor: EDLC), 금속산화물 의사캐페시터, 또는 축전지와 전기이중층 캐페시터를 결합한 형태인 하이브리드 캐페시터같은 울트라캐페시터(ultracapacitor, supercapacitor)는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 태양에너지용 전원장치, 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply: UPS)와 같은 산업용 전원장치 등에 사용이 확대되고 있다.
울트라캐페시터는 활성탄소 또는 금속산화물에 물리적 반응 또는 반응속도가 빠른 전기화학 반응을 이용하여 전기에너지를 저장하는 전기에너지 저장장치로서 기존의 축전지에 비해 싸이클 특성 및 온도 특성이 우수하다.
도 1은 울트라캐페시터의 일종인 전기이중층 캐페시터의 싸이클 특성을 나타내는 그래프이고, 도 2는 울트라캐페시터의 일종인 전기이중층 캐페시터의 온도 특성을 나타내는 그래프이다. 상기 도 1 및 도 2에서 구체적으로 확인할 수 있는 바 와 같이 울트라캐페시터는 100,000회 이상의 싸이클 수명을 갖는 등 거의 반영구적인 수명을 가지며, -45 내지 60℃의 넓은 범위에서 우수한 온도 특성을 나타내므로 저온에서 자동차엔진 시동용 등으로 사용되고 있다.
그러나 울트라캐페시터의 가격은 20,000원/Wh 정도로 납축전지의 가격 60원/Wh 에 비하여 비싸기 때문에, 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 보급이 더디게 진행되고 있다. 하지만, 축전지의 경우 수명이 2~3년 정도에 지나지 않기 때문에 많은 유지보수비용이 소요된다. 특히 도로나 야외에서 사용되는 표시등용 태양전지 전원의 경우 현재 축전지가 많이 사용되고 있지만 과다한 유지보수비용 문제로 인하여 울트라캐페시터의 사용이 확대되고 있다.
한편 향상된 에너지밀도 및 싸이클 수명을 가지면서, 동시에 가격은 저렴한 울트라캐페시터에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 예를 들면, 한쪽 전극은 활물질로 전기이중층 캐페시터에서 사용되는 활성탄소를 사용하고, 다른 한쪽 전극은 리튬이온전지에 사용되는 리튬이 인터칼레이션(intercalation)된 흑연을 사용하거나 Li4Ti5O12같이 용량이 큰 이차전지에서 사용되는 전극을 사용하여 하이브리드 캐페시터를 제작함으로써, 활성탄소의 용량 활용률을 증가시키고 충방전시 이차전지 전극의 충방전심도를 작게 하여 이차전지의 단점인 싸이클 수명 문제를 해결할 수 있는 방법들이 연구되고 있다. 그러나 한가지 전해질로 캐페시터의 특성과 이차전지의 특성을 동시에 만족시키기는 쉽지 않다.
일반적으로 이차전지는 용량 대비 저렴한 가격과 높은 에너지밀도를 가지지 만 전기에너지를 저장하기 위해 전기화학반응을 이용하기 때문에 온도에 따른 특성변화가 크며, 충방전 싸이클이 진행됨에 따라 전극이 열화되기 때문에 싸이클 수명이 짧은 편이다. 이를 도면을 참고하여 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 납축전지의 온도 특성을 나타내는 그래프이다. 도 3에 나타난 바와 같이 가장 많이 사용되는 이차전지인 납축전지의 경우, 25℃의 용량을 기준으로 할때 0℃의 용량은 62%이고 -25℃일 때의 용량은 33%에 그친다. 따라서 납축전지 등의 이차전지는 온도 특성, 특히 저온특성이 열악한 편이며 싸이클 수명이 300 싸이클 정도에 불과하다. 즉 납축전지를 차량용으로 사용하는 경우 열악한 저온특성으로 인하여 영하의 기온에서 시동실패가 발생하며 태양전지용으로 사용하는 경우 용량 저하와 충전성능 저하로 시스템의 동작에 있어서 문제를 야기시킨다. 이 가운데 태양전지용으로 사용하는 경우, 이러한 문제를 해결하기 위해 용량이 큰 납축전지를 사용하면 충전이 잘되지 않은 상황에서 시스템의 동작기간을 연장시킬 수 있지만, 용량이 크기 때문에 일단 방전된 후에는 저온에서 충전성능은 더욱 열악해진다. 이러한 현상은 납축전지에 국한된 문제가 아닌 이차전지의 일반적인 특성이다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 캐페시터와 이차전지를 병렬로 연결함으로써 캐페시터의 우수한 동력특성을 활용하여 피크파워를 캐페시터에서 감당케 함으로써 이차전지의 부하를 경감시켜 수명을 증가시키고 동력특성을 향상시키는 방식이 널리 이용되고 있다.
그러나 이러한 방법을 이용하면 이차전지의 수명을 증가시키고 동력특성을 향상시킬 수는 있지만, 용량 대비 가격을 감소시키는 방법은 아니다.
또한 이차전지와 캐페시터 같은 전기에너지 저장장치들을 직렬로 연결하는 경우라도, 셀 간의 전압편차를 줄이기 위해 용량이 거의 같은 동종의 이차전지 또는 캐페시터를 사용하는 것이 일반적이다.
따라서 본 발명의 제 1 목적은 용량 대비 가격이 저렴하면서도 싸이클 특성, 온도 특성 등이 우수한 전기에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 상기 에너지 저장장치의 용량을 최대로 활용할 수 있는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 전기에너지 저장장치 및 전기용량이 제 1 전기에너지 저장장치 전기용량의 약 4 내지 100 배이고, 제 1 전기에너지 저장장치에 직렬로 연결되어 있는 제 2 전기에너지 저장장치를 포함하는 전기에너지 저장장치를 제공한다.
여기서 제 1 전기에너지 저장장치 및 제 2 전기에너지 저장장치로 2차 전지나 울트라캐페시터 같은 에너지 저장장치를 사용할 수 있다. 예를 들면, 2차 전지로는 납축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소 전지, 또는 리튬이온 전지 등을 사용할 수 있고, 울트라캐페시터로는 전기이중층 캐페시터, 금속산화물 의사캐페시터, 또는 하이브리드 캐페시터 등을 사용할 수 있다. 또한, 제 1 전기에너지 저장장치 양단에 과전압 방지장치를 더 포함하거나 제 2 전기에너지 저장장치 양단 에 과방전 방지장치를 더 포함할 수 있는데, 과전압 방지장치로는 제너다이오드(Zener diode), 션트 레귤레이터(shunt regulator) 같은 부품을 사용하거나 설정전압과 인가전압을 비교하는 전압비교기, 상기 전압비교기에서의 전압비교결과 인가전압이 설정전압을 초과하는 경우 통전시키는 스위치, 및 상기 스위치가 통전되는 경우 에너지 저장장치를 방전시키는 브리드 저항로 구성된 과전압방지회로 등도 사용이 가능하다.
상술한 본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 전기에너지 저장장치, 및 전기용량이 제 1 전기에너지 저장장치 전기 용량의 4 내지 100 배이고, 제 1 전기에너지 저장장치에 직렬로 연결되어 있는 제 2 전기에너지 저장장치를 포함하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법에 있어서, 제 1 전기에너지 저장장치의 전압을 0 V이하까지 방전하여 사용할 수 있는 에너지를 증가시킬 수 있는 충방전 방법을 제공한다.
이때 제 1 전기에너지 저장장치로는 전기이중층 캐페시터를 사용할 수 있고, 제 2 전기에너지 저장장치로는 납축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소전지, 또는 리튬이온 전지를 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 싸이클 수명과 온도 특성을 향상시켜 전기에너지 저장장치의 수명을 연장시킬 수 있고, 온도에 관계없이 시스템의 원활한 동작이 가능하며, 동시에 용량 또는 에너지 대비 가격이 저렴한 경제적인 전기에너지 저장장치를 제공할 수 있으며, 이러한 에너지 저장장치를 산, 바다 등의 야외나 도로 등 신속한 유지보수가 용이하지 않은 곳에서의 전원으로 사용하는 경우 유지보수 비용을 대폭 절감할 수 있고, 안정적인 전원의 제공이 가능해진다.
이하, 본 발명을 첨부하는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기에너지 저장장치를 나타내는 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 제 1 전기에너지 저장장치(10)를 포함한다. 상기 제 1 전기에너지 저장장치(10)로는 2차 전지나 캐페시터를 사용할 수 있는데, 후술하는 제 2 전기에너지 저장장치(20) 보다 상대적으로 싸이클 특성이나 온도 특성은 우수하지만, 전기용량이 적은 에너지 저장장치가 사용된다.
따라서 제 2 전기에너지 저장장치(20)로 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소전지, 또는 리튬이온 전지 등의 이차전지를 사용하는 경우 상기 제 1 전기에너지 저장장치(10)로는 일반적으로 제 2 전기에너지 저장장치보다 온도 특성 및 싸이클 특성이 우수하지만, 용량이 적은 전기이중층 캐페시터, 금속산화물 의사캐페시터, 또는 하이브리드캐페시터 같은 울트라캐페시터를 사용할 수 있다. 이외에도, 2 차 전지간의 연결이나 캐페시터간의 연결인 경우, 제 1 전기에너지 저장장치는 온도 특성 및 사이클 특성이 제 2 전기에너지 저장장치(20)에 비하여 우수하면서 용량이 적은 조건을 만족시키면 채용 가능하다.
본 발명의 전기에너지 저장장치는 상기 제 1 전기에너지 저장장치에 직렬로 연결된 제 2 전기에너지 저장장치(20)를 포함한다.
상기 제 2 전기에너지 저장장치(20)로는 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소전지, 리튬이온 전지 등과 같은 2 차 전지 또는 전기이중층 캐페시터, 금속산 화물 의사캐페시터, 또는 하이브리드캐페시터 같은 울트라캐페시터를 사용할 수 있다. 이 때 제 2 전기에너지 저장장치(20)의 용량은 상기 제 1 전기에너지 저장장치의 전기용량보다 약 4 배 이상이고 약 100 배 이하이며, 온도 특성이나 싸이클 특성은 상기 제 1 전기에너지 저장장치(10)보다 열등하더라도 가격이 저렴한 것이 선택된다. 전기용량 차이가 큰 전기에너지 저장장치를 직렬로 연결함으로써 전압편차의 해결이 용이해지며 온도 특성 및 싸이클 특성이 개선되고 경제적인 측면에서도 우수하다. 여기에서 용량이 큰 제 2 전기에너지 저장장치(20)는 전압버퍼 역할을 하게 된다.
구체적으로, 본 발명의 전기에너지 저장장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
일반적으로 n개의 캐페시터를 직렬 연결하는 경우 용량은 다음과 같은 (식 1)에 의해 계산된다.
Figure 112002043569014-pat00001
상기 (식 1)에서 C는 캐페시터 용량을 나타낸다.
이때 직렬로 연결된 캐페시터를 충전하면 각 캐페시터에 인가되는 전압은 하기 (식 2)에 의하여 표시되며, 캐페시터의 용량에 반비례한다.
Figure 112002043569014-pat00002
상기 (식 2)에서 i는 전류, t는 시간, C는 캐페시터 용량을 나타낸다.
예를 들어, 용량이 1 F인 캐페시터와 용량이 10 F인 캐페시터를 직렬로 연결 하여 11 V로 충전하면 용량이 1 F인 캐페시터에 10 V가 인가되고 용량이 10 F인 캐페시터에 1 V의 전위가 인가되며 전체용량은 0.91F이 된다. 즉 용량차가 크면 클수록 직렬 연결시 전체용량은 용량이 작은 캐페시터에 수렴한다. 일반적으로 캐페시터나 이차전지를 직렬 연결하는데 있어서 전압편차를 줄이기 위해 동일한 종류의 용량이 같은 전기에너지 저장장치를 사용하지만 용량차가 크면 클수록 오히려 직렬 연결이 쉬워지는 측면도 있다. 예를 들어, 용량이 100배 차이인 캐페시터를 직렬로 연결하면 용량이 100배인 캐페시터에 인가전압 전체의 1 %가 인가되고 용량이 작은 캐페시터에 인가전압 전체의 99 %가 인가되기 때문에 전압편차해결이 오히려 쉬워진다.
온도 특성의 관점에서, 이렇게 용량차가 큰 캐페시터들을 제 1 전기에너지 저장장치(10) 및 제 2 전기에너지 저장장치(20)로 하여 직렬로 연결하면 온도 특성이 개선되는 측면도 기대할 수 있다.
예를 들어, -25℃와 상온에서 용량이 1 F으로 동일한 캐페시터와 -25℃에서의 용량이 상온의 30%인 용량이 10 F인 캐페시터를 직렬로 연결하였을 때 상온에서의 용량은 0.91 F이며 -25℃에서 용량은 0.75 F으로 용량편차는 17.6%이다.
그러나 -25℃와 상온에서 용량이 동일한, 즉 온도 특성이 우수한 1 F 용량의 캐페시터를 제 1 전기에너지 저장장치(10)로 하고, -25℃에서의 용량이 상온의 30%인, 즉 온도 특성이 열악한 100 F 캐페시터를 제 2 전기에너지 저장장치(20)로 하여 두 개의 전기에너지 저장장치를 직렬로 연결하였을 때 상온에서의 용량은 0.99 F이며 -25℃에서 용량은 0.97 F으로 용량편차는 2%에 불과하다. 즉 온도 특성이 열세인 캐페시터와 온도 특성이 우수한 캐페시터를 직렬 연결할 때 온도 특성이 열세인 캐페시터의 용량을 증가시킬수록 온도 특성은 개선된다는 것이다.
싸이클 특성 관점에서 본 발명의 전기에너지 저장장치를 살펴보면 다음과 같다. 예를 들어, 10,000 싸이클 후 용량감소가 5%인 1 F 캐페시터와 용량감소가 50 %인 10 F 용량의 캐페시터를 직렬 연결하였을 때 초기용량은 0.91 F이며 10,000 싸이클 후 용량은 0.8 F으로 용량저하는 12.1%이다. 그러나 10,000 싸이클 후 용량감소가 5%인, 즉 싸이클 특성이 우수한 용량이 1 F 캐페시터를 제 1 전기에너지 저장장치(10)로 하고, 10,000싸이클 후 용량감소가 50%인 용량이 즉, 싸이클 특성이 열세인 100 F 캐페시터를 제 2 전기에너지 저장장치(20)로 하여 직렬 연결하였을 때 초기용량은 0.99 F이며 10,000 싸이클 후 용량은 0.93 F으로 용량저하는 6.5%에 불과하여, 싸이클 특성의 개선효과를 기대할 수 있다.
또한 용량차가 크면 클수록 용량이 크고 싸이클 수명이 열세인 제 2 전기에너지 저장장치(20)의 전압변화는 작아지므로 충방전 심도가 작아지게 되어 용량감소율은 더 작아지게 된다. 즉 용량이 큰 제 2 전기에너지 저장장치(20)는 전압버퍼(buffer, booster) 역할을 하게 된다. 이러한 효과는 캐페시터끼리의 직렬 연결뿐만 아니라 캐페시터와 이차전지 또는 서로 다른 종류의 이차전지 직렬 연결에서도 여전히 유효하다. 예를 들어, 캐페시터의 경우 정전류 충방전시 전압변화가 선형적이지만, 이차전지의 경우 공칭전압부근에서 전압변화율이 작고 공칭전압 이상과 이하에서 전압변화율이 큰 비선형적이라는 점의 차이만 있으므로, 용량이 큰 이차전지를 제 2 전기에너지 저장장치(20)로 하고, 용량이 작은 캐페시터를 제 1 전 기에너지 저장장치(10)로 하여 두 개의 전기에너지 저장장치를 직렬로 연결하는 경우 이차전지는 전압변화가 거의 없는 전압 버퍼역할을 하는 셈이다.
경제성의 측면에서, 이러한 방식의 전기에너지 저장장치는 단지 싸이클 수명과 온도 특성을 증가시키는 역할만 하는 것이 아니라 가격이 싸고 용량이 큰 전기에너지 저장장치를 전압버퍼로 사용함으로써 전체전압을 증가시킬 수 있고, 따라서 에너지 대비 가격이 우수한 전기에너지 저장장치라고 할 수 있다.
일반적으로 용량이 동일한 캐페시터를 직렬 연결하면 전압은 상승하지만 용량은 직렬 연결 수에 반비례하여 감소한다. 즉 용량이 동일한 두 개의 캐페시터를 직렬로 연결하면 전압은 2배 상승하고 용량은 절반으로 감소한다.
그러나 본 발명의 전기에너지 저장장치와 같이 용량이 큰 전기에너지 저장장치와 용량이 작은 전기에너지 저장장치를 직렬로 연결하면 위의 캐페시터를 이용한 계산결과에서 나타나듯이 전체용량은 용량이 작은 전기에너지 저장장치 용량에 근접한다. 즉 용량이 작은 제 1 전기에너지 저장장치(10)의 용량활용률을 높일 수 있고, 제 1 전기에너지 저장장치의 가격이 비쌀 경우 경제적으로도 큰 장점을 가진다.
또한, 상기 전기에너지 저장장치는 빠른 충방전 속도를 가진다. 일반적으로 이차전지의 단점 중의 하나는 전기에너지를 저장하기 위해 전기화학반응을 이용함에 따라 수반되는 느린 충전속도이며, 특히 저온에서의 충전속도는 상온과 비교하면 더욱 느리다. 납축전지의 경우 충전에 소요되는 시간은 8시간이상이며 빠른 충전을 위해 충전전류를 증가시킬 경우 수명이 단축된다. 그러나 울트라캐페시터 중 에서 특히 전기이중층 캐페시터의 경우 전극에 물리적으로 전기에너지를 저장하기 때문에 빠른 충방전속도 및 높은 동력특성을 나타낸다. 상기 제작된 전기에너지 저장장치의 경우 전체특성이 울트라캐페시터와 유사해지므로 빠른 충방전속도를 나타낸다.
상기 제 1 전기에너지 저장장치와 제 2 전기에너지 저장장치를 직렬로 연결하는 경우 전체용량이 성능이 우수한 전기에너지 저장장치의 용량의 80%이상이 되도록 하기 위해서는 제2 전기에너지 저장장치의 용량이 제1 전기에너지 저장장치의 적어도 4배 이상이 되어야 한다. 또한 위의 계산에서 나타나듯이 제 2 전기에너지 저장장치의 용량이 제 1 전기에너지 저장장치에 비해 크면 클수록 성능향상의 효과를 기대할 수 있지만 100 배이면 제 1 전기에너지 저장장치 용량의 99%를 활용할 수 있으며 그 이상에서는 용량증가의 효과는 미미해지므로 최대 100 배 정도면 충분하다. 이때 두 가지 저장장치의 용량비는 응용분야별 요구사항에 따라 변할 수 있다.
이러한 각각의 작용을 보다 구체적으로 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
캐페시터에서 저장할 수 있는 전기에너지양(E)은 하기 (식 3)으로 표시되는 바와 같이 캐페시터의 용량(C)에 비례하고 전압(V)의 제곱에 비례한다.
Figure 112002043569014-pat00003
예를 들면, 정격전압이 2.7 V이고 용량이 5000 F (3.75 Ah/5.06 Wh)인 울트라캐페시터에 저장할 수 있는 전기에너지는 18225 J이다. 그러나 이러한 울트라캐 페시터를 제 1 전기에너지 저장장치(10)로 하고 전압이 12 V이고 용량이 65Ah(780Wh)인 납축전지를 제 2 전기에너지 저장장치(20)로 하여 직렬로 연결하면, 전체용량은 울트라캐페시터 용량의 94.5%인 3.545Ah이며 납축전지의 용량이 울트라캐페시터의 17.3배에 이르므로 충방전시 납축전지의 전압은 크게 변하지 않고 대부분의 전압변화는 울트라캐페시터에서 나타나게 된다. 따라서 캐페시터와 축전지를 직렬 연결하였음에도 불구하고 전체적인 충방전특성은 캐페시터특성을 나타내고, 전체용량이 울트라캐페시터 용량의 94.5%인 4727F인 캐페시터의 역할을 하게된다. 즉 이렇게 울트라캐페시터와 납축전지를 직렬 연결하고 납축전지의 전압 12 V에 울트라캐페시터 정격전압 2.7 V를 더한 14.7 V까지 충전하고 12 V까지 방전하면 동작전압이 14.7 V이고 용량이 4727 F인 캐페시터가 되는 셈이다.
따라서 상기 직렬 연결 전기에너지 저장장치는 용량이 4727 F이고 사용전압구간이 12.0 ~ 14.7 V인 전기에너지 저장장치이며, 전압이 12 ~ 14.7 V 구간에서 방전되는 전기에너지는 상기 (식 3)에 의하면, 170,385J(47.3Wh)이다. 즉 울트라캐페시터를 단독으로 사용하는 경우보다 본 발명과 같이 납축전지와 울트라캐페시터를 직렬로 연결하여 사용하면, 9.4배에 해당되는 전기에너지를 얻을 수 있다.
동작전압이 2.7 V이고 용량이 5000 F인 울트라캐페시터 5개를 직렬로 연결하였을 때 동작전압이 13.5V이고 용량이 1000F인 것을 감안하면 납축전지와 울트라캐페시터의 직렬 연결이 매우 효과적임을 알 수 있다.
위에서처럼 울트라캐페시터와 납축전지를 직렬 연결하여 전기에너지 저장장치를 구성하면 울트라캐페시터만으로 50 Wh 용량의 전기에너지 저장장치를 구성하 는데 비해 가격이 15%에 불과하다. 울트라캐페시터 입장에서 보면 가격이 싸고 용량이 큰 납축전지가 직렬로 연결됨에 따라 동작전압이 2.7 V ~ 0 V에서 14.7 V ~ 12.0 V로 12 V만큼 증가한 셈이며 이 때 납축전지가 전압버퍼로 작용하는 셈이다. 물론 납축전지만을 사용하여 전기에너지 저장장치를 구성하는데 소요되는 비용에 비해서는 가격이 비싸지만 납축전지만을 사용하는 경우에 비해 싸이클 수명과 저온특성을 향상시켜 온도에 관계없이 시스템의 원할한 동작을 보장하고 전기에너지 저장장치의 수명을 연장시킴으로써 유지보수비용을 절감시키는 효과를 가진다. 특히 전기에너지 저장장치가 도로, 바다, 산과 같이 야외에 설치되는 경우 유지보수비용은 납축전지값을 훨씬 상회한다.
본 발명의 전기에너지 저장장치는 제 1 전기에너지 저장장치(10)의 양단에 연결된 과전압 방지장치(30)를 더 포함하거나 제 2 전기에너지 저장장치 양단에 과방전방지장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
과전압방지장치는 제 1 전기에너지 저장장치 양단에 제너다이오드(Zener diode)를 역방향으로 연결하거나 션트 레귤레이터(shunt regulator)를 연결하여 사용할 수도 있고, 도 4와 같이 설정전압과 인가전압을 비교하는 전압비교기(32), 상기 전압비교기에서의 전압비교결과 인가전압이 설정전압을 초과하는 경우 통전시키는 스위치(34), 및 상기 스위치가 통전되는 경우 상기 제 1 전기에너지 저장장치를 방전시키는 브리드 저항(36)으로 구성된 과전압방지회로 등을 사용할 수 있다.
용량이 작은 전기에너지 저장장치인 제 1 전기에너지 저장장치(10)와 용량이 큰 전기에너지 저장장치인 제 2 전기에너지 저장장치(20)를 직렬로 연결하여 전원 모듈을 구성하는데 있어서, 제 2 전기에너지 저장장치가 이차전지인 경우 자가방전과 충방전과정에서 100 %미만인 충방전효율로 인하여 제 2 전기에너지 저장장치의 전압은 점진적으로 강하하며, 직렬 연결된 전원모듈의 충전전압을 일정하게 유지하면 제 2 전기에너지 저장장치의 전압이 강하한 만큼 충전시 제 1 전기에너지 저장장치(10)에 인가되는 전압이 증가하게 된다.
이러한 거동으로 인하여 결국 제 1 전기에너지 저장장치(10)에 정격전압을 초과하는 전압이 인가되고 이는 전기에너지 저장장치의 열화를 가속시켜 전기에너지 저장장치의 수명을 단축시킨다. 또한 이차전지의 경우 허용된 범위내의 전압을 유지하면 비교적 긴 수명을 나타내지만 허용전압 이하로 과방전되면 수명이 짧아지고 심한 경우 이차전지로써 기능을 상실하게 된다.
따라서 제 1 전기에너지 저장장치(10)와 제 2 전기에너지 저장장치(20)가 적절한 전압구간 내에서 동작하도록 함으로서 직렬 연결된 전원모듈의 수명을 증가시킬 수 있다. 이를 위해서는 제 2 전기에너지 저장장치가 이차전지인 경우 특정전압이하로 방전되면 이차전지를 충전하거나, 제 1 전기에너지 저장장치에 일정전압이상이 인가되면 용량이 작은 전기에너지 저장장치를 방전시키는 기능이 필요하다.
상기 과전압방지장치에서 제너다이오드를 사용하는 것은 제너다이오드에 역방향전압이 인가되면 항복(breakdown)전압까지는 거의 전류가 흐르지 않다가 항복전압에 도달하면 전류가 흐르는 특성을 이용하는 방법으로, 제 1 전기에너지 저장장치의 설정전압과 동일한 항복전압을 갖는 제너다이오드를 사용하면 제 1 전기에너지 저장장치가 설정전압 이상으로 충전되는 것을 방지할 수 있다.
과전압 방지장치로 사용될 수 있는 션트 레귤레이터는 전자기기에서 정전압 공급장치로 사용되는 것으로 션트 레귤레이터에 일정전압이상이 인가될 때 전류가 흐르는 특성을 이용한 것이다. 따라서 션트 레귤레이터의 입력단에 제 1 전기에너지 저장장치를 연결한 경우, 제 1 전기에너지 저장장치가 설정전압 이상으로 충전되면 션트 레귤레이터에 전류가 흐르기 시작하므로 제 1 전기에너지 저장장치는 설정전압 이하로 방전된다.
또한, 도 4에 도시한 과전압 방지회로(30)는 상기 제너다이오드 또는 션트 레귤레이터와 유사한 기능을 수행하는 것으로, 제 1 전기에너지 저장장치(10)에 설정된 전압이상이 인가되면 전압비교기(32)가 이를 검출하여 브리드저항에 직렬로 연결된 스위치(34)를 통전시켜 브리드 저항(36)을 통해 전기에너지 저장장치가 방전되고 전기에너지 저장장치가 설정전압 이하 방전되면 스위치가 차단되어 전기에너지 저장장치가 설정전압이상으로 충전되는 것을 방지한다.
예를 들어, 납축전지(2.5Ah/2.0V)와 울트라캐페시터(100F/2.7V/0.075Ah)를 직렬 연결하고 울트라캐페시터에 설정전압이 2.7 V인 보호회로를 부착하여 전원모듈을 구성하여 2.2 ~ 4.7 V 영역에서 사용하는 경우 전원모듈에 4.7 V의 전압을 인가하면 납축전지가 2.0 V이하로 방전되어 있을 경우 울트라캐페시터에 2.7 V이상이 인가되므로 울트라캐페시터 보호회로가 동작하여 울트라캐페시터 전압이 2.7 V이하로 방전되면서 납축전지가 2.0 V이상으로 충전되므로 납축전지와 울트라캐페시터를 동시에 보호할 수 있다.
또한 직렬연결된 전기에너지 저장장치를 적절하게 동작시키기 위해 제 2 전 기에너지 저장장치 양단에 과방전 방지장치(미도시)를 부착할 수도 있다. 전술한 바와 같이 자가방전 및 100%미만의 충방전효율로 인하여 제 2 전기에너지 저장장치의 전압이 설정전압 이하로 강하하는 것을 방지하기 위해 제 2 전기에너지 저장장치의 전압이 설정전압 이하로 방전되면 이를 설정전압 이상으로 다시 충전하는 과방전 방지장치를 사용함으로써 결국은 상기 과전압방지장치(30)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명은 상기 전기에너지 저장장치의 충방전방법을 제공한다.
상기 전기에너지 저장장치의 충방전방법은 우선 전기에너지 저장장치를 제 1 전기에너지 저장장치(10)의 동작전압 및 제 2 전기에너지 저장장치의 공칭전압의 전압합까지 충전한 후, 상기 전기에너지 저장장치에서 제 1 전기에너지 저장장치(10)를 0 V 이하로 방전시킴으로써 실시된다.
통상적으로, 울트라캐페시터의 사용가능한 전압구간은 0 V부터 정격전압까지이지만, 정전력방전시 전압이 낮아질수록 전류가 기하급수적으로 증가하는 특성으로 인하여 실제 사용가능한 전압영역은 정격전압의 1/2부터 정격전압까지이다. 그러나 울트라캐페시터와 이차전지를 직렬로 연결하여 사용하는 경우 울트라캐페시터를 0 V이하까지도 사용할 수 있다.
예를 들어, 울트라캐페시터(100 F/2.7 V, 75mAh)만을 사용할 경우 실용적으로 사용가능한 구간은 일반적으로 1.35 ~ 2.7 V이고, 사용할 수 있는 전기에너지는 1/2×100×(2.72-1.352)=273.4 J이지만, 울트라캐페시터(100 F/2.7 V)와 리튬이차전 지(3.7V, 1100 mAh)를 직렬로 연결한 전원모듈을 6.4 V까지 충전한 후 3.7 V까지 방전시키면 이때 전체용량은 93.6F이며 대부분의 전압변화는 울트라캐페시터에서 발생된다. 이때 방전된 전기에너지는 1/2×93.6×(6.42-3.72)=1276J이다.
한편 본 발명의 충방전 방법에 따라 전원모듈을 6.4 V까지 충전한 후 3.0V까지 방전할 때 방전된 에너지는 1/2×93.6×(6.42-3.02)=1496J이다. 이것은 울트라캐페시터의 5.5배에 이르는 양이다. 즉 울트라캐페시터의 동작전압구간이 넓어짐에 따라 전체 전원모듈의 동작전압구간이 넓어지고, 따라서 사용할 수 있는 에너지양을 증가시킬 수 있는 것이다.
직렬 연결된 전원모듈을 3 W로 정전력방전하는 경우 전압이 6.4 V인 방전초기에는 0.47A의 전류가 흐르지만 전압이 3 V인 방전종료전압에서는 1A가 흐른다. 만약 정격전압이 2.7V인 울트라캐페시터를 2.7 V부터 -0.7 V까지 3 W로 정전력방전하면 초기에는 1.1A가 흐르지만 전압이 0V에 가까워짐에 따라 전류가 무한대가 되기 때문에 전압이 0V인 부분은 실제사용이 곤란하다. 그리고 대부분의 실제상황에서는 정전력 방전이 사용된다.
또 다른 예로서, 12 V/65 Ah 납축전지와 5000 F/2.7V 울트라캐페시터를 직렬 연결하여 전원모듈을 구성하고 전원모듈을 14.7 V까지 충전한 후 납축전지의 공칭전압인 12 V까지 방전하면 이때 방전된 에너지는 1/2×4727×(14.72-122)=170,385J (47.3Wh)이다.
그러나 본 발명의 충방전 방법과 같이, 전원모듈을 14.7 V까지 충전한 후 9.3 V까지 방전하면 즉 울트라캐페시터를 2.7 V부터 -2.7 V까지 사용하면 이때 방전된 에너지는 1/2×4727×(14.72-9.32)=306,310 J (85 Wh)이며 이는 12 V까지 방전하는 경우에 비해 방전에너지가 1.8배에 이른다. 이는 울트라캐페시터만을 사용하는 경우에는 구현하기 어려우며 울트라캐페시터와 직렬 연결된 이차전지가 전압부스터역할을 하기 때문에 가능하다.
상술한 제 1 전기에너지 저장장치로는 전기이중층 캐페시터를, 제 2 전기에너지 저장장치로는 납축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소전지, 또는 리튬이온 전지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 충방전이 실시되는 전기에너지 저장장치는 상기 과전압 또는 과방전 방지장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
울트라캐페시터와 이차전지가 직렬로 연결된 전원모듈에서 용량이 작은 전기에너지 저장장치를 0 V이하까지 사용하여 울트라캐페시터의 전압변화폭을 확대하기 위해서는 울트라캐페시터에 역전압이 인가될 때 전기화학적 안정성여부가 관건이며, 따라서 전기화학반응을 사용하는 이차전지는 적당하지 않고, 울트라캐페시터 중에서도 전기에너지를 물리적으로 저장하는 전기이중층 캐페시터의 경우에 가능하다. 그런데 현재 생산되고 있는 전기이중층 캐페시터 계열의 울트라캐페시터의 역전위 가능영역은 -0.7 ~ -1.0 V이므로, 현재 상품화된 전기이중층 캐페시터의 동작가능한 전압영역은 -1.0 ~ 2.7 V이다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예를 통하여 본 발명을 보다 자세히 설명하기로 한다.
[실시예 1]
전기에너지 저장장치의 제작
용량이 2.5Ah, 공칭전압이 2.0 V인 납축전지를 제 2 전기에너지 저장장치로, 용량이 105.4 F이고 정격전압이 2.7 V인 전기이중층 캐페시터를 제 1 전기에너지 저장장치로 선택하고, 상기 납축전지 및 상기 전기이중층 캐페시터를 직렬로 연결하여 전기에너지 저장장치를 제작하였다.
충방전 특성
상기 제작된 전기에너지 저장장치를 납축전지의 공칭전압인 2.0 V에 전기이중층 캐페시터의 정격전압인 2.7 V를 더한 값인 4.7 V까지 3A로 정전류 충전 후 4.7V에서 30 분 동안 정전압 충전을 실시한 후 2.2 V까지 1A로 정전류 방전시킨 후 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 충방전시 대부분의 전압변화는 울트라캐페시터에서 일어나고 납축전지의 전압변화는 작기 때문에, 상기 제작된 전기에너지 저장장치의 충방전특성은 캐페시터와 같이 선형적인 특성을 나타내었다. 또한, 울트라캐페시터를 단독으로 사용하는 경우 용량이 105.4 F인데 비해 납축전지와 울트라캐페시터를 직렬 연결하여 제작한 에너지 저장장치의 경우 용량은 102.3 F이었다. 이는 (식 1)에 의해 계산된 이론값인 102.2 F과 큰 차이가 없음을 확인 할 수 있었고, 이에 의하면 (식 1)이 캐페시터뿐만 아니라 캐페시터와 축전지가 조합된 경우에도 여전히 유효함을 알 수 있었다.
실제 실험에서 사용된 울트라캐페시터의 용량은 105.4F이며 이를 납축전지와 직렬 연결하였을 때 용량은 102.3 F이지만 그 차이는 3%에 불과하여, 계산의 편의상 용량을 100 F으로 사용하더라도 발명의 효과를 충분히 증명할 수 있으므로, 이하에서는 울트라 캐페시터와 울트라캐페시터와 납축전지가 직렬 연결된 전기에너지 저장장치의 용량을 100 F으로 계산하였다.
또한, 도 5에 나타난 바와 같이 상기 제작된 전기에너지 저장장치를 3 A로 충전시키는 것은 40 C(1C; X-Ah 용량의 전기에너지 저장장치를 X-A로 충방전)에 해당되는 것이다. 이는 이차전지입장에서 보면 매우 높은 충방전속도에 해당되는 것이었다.
전기에너지
울트라캐페시터(100F/2.7V)에 저장할 수 있는 전기에너지는 1/2×100×2.72=364.5 J(0.1Wh)이지만 일반적으로 시스템에 사용되는 부품들의 동작전압과 정전력방전시 전압이 감소함에 따라 전류가 증가하는 특성 때문에 실용적으로 동작가능한 전압구간은 정격전압부터 정격전압의 절반 정도까지이므로 이용할 수 있는 전기에너지는 1/2×100×(2.72-1.352)=273.4 J (0.076 Wh)이다.
한편 상기 제작된 전기에너지 저장장치의 경우 2.2 V ~ 4.7 V 구간에서 사용되면 이용할 수 있는 전기에너지는 1/2×100×(4.72-2.22)=862.5J(0.24Wh)이었다. 이는 울트라캐페시터(100F/2.7V)만을 사용하는 경우에 비해 3.2배에 이르는 양이다.
온도 특성
상기 제작된 전기에너지 저장장치를 25℃ , 0℃ , 및 -25℃ 에서 각각 4.7 V까지 0.1 A로 정전류 충전하고, 4.7 V에서 1 시간 동안 정전압 충전을 실시한 후 2.2 V까지 0.1 A로 정전류방전을 실시하였다. 상기 과정에서 각 온도별 용량을 측정하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 25℃, 0℃, 및 -25℃일 때 용량변화는 각각 103.8 F, 101.9 F, 및 97.2 F 이었고, 이를 근거로 계산하면, -25℃ 일 때의 용량이 25℃ 일 때의 용량의 93.6% 로서 용량 편차는 6.4 %에 불과하였다.
즉, 온도 특성이 열세이고 용량이 큰 전기에너지 저장장치인 납축전지와 온도 특성이 우수하고 상대적으로 용량이 작은 전기에너지 저장장치인 전기이중층 캐페시터를 직렬 연결한 전기에너지 저장장치의 경우 온도에 따른 특성 변화가 미미한 것을 이론적으로 확인한 것처럼 실험적으로도 확인할 수 있었다.
싸이클 특성
상기 제작된 전기에너지 저장장치를 4.7 V까지 3A (40C)로 정전류 충전하고, 4.7 V에서 1 분 동안 정전압 충전을 실시한 후, 2.2 V까지 3 A(40C)로 정전류 방전 후 1분 동안 휴지기를 두는 것을 1회 싸이클로 하는 연속 싸이클 시험을 실시하였고, 그 결과를 도 7에 도시하였다.
도 7에서 싸이클에 따른 용량감소를 살펴보면, 초기에 102.3 F, 500싸이클 후에는 99.5 F, 1000 싸이클 후에는 98.4 F이었고, 2000 싸이클 경과 후에는 97.7 F이었다. 이를 초기 전기용량에 대한 백분율로 나타내면, 500 싸이클일 때 97.3%, 1,000 싸이클일 때 96.2%이었고, 2,000 싸이클일 때 95.5%이었다.
즉 2,000 싸이클을 인가한 후 용량감소는 초기치의 4.5 %에 불과하여, 싸이클 수명이 우수하고 용량이 작은 전기에너지 저장장치인 울트라캐페시터를 제 1 전기에너지 저장장치로, 싸이클 수명이 열세이고 상대적으로 용량이 큰 전기에너지 저장장치인 납축전지를 제 2 전기에너지 저장장치로 사용하여 직렬 연결한 전기에너지 저장장치의 싸이클 수명은 크게 개선됨을 이론적으로는 물론 실험적으로도 알 수 있었다.
[실시예 2]
전기에너지 저장장치의 제작
공칭전압이 3.7 V이고, 용량이 1100 mAh인 리튬이온이차전지와 100 F/2.7 V인 전기이중층 캐페시터를 직렬 연결하여 전원모듈을 구성하였다.
충방전 실험
상기 제작된 전기에너지 저장장치에 리튬이온이차전지의 공칭전압 3.7 V와 울트라캐페시터의 동작전압 2.7 V를 더한 값인 6.4 V까지 1A로 정전류 충전하고 6.4V에서 30분동안 정전압 충전을 실시한 후 0.1A로 3.0 V까지 정전류방전하였고, 시간에 따른 전압변화를 도 8에 도시하였다.
도 8을 참조하면, 전원모듈의 충방전특성이 캐페시터특성을 나타내고 있으며, 전원모듈을 6.4 V로 충전시 울트라캐페시터의 전압은 2.627 V이며 전원모듈을 3.0 V로 방전시 울트라캐페시터의 전압은 -0.666 V이었다. 이때 전기이중층 캐페시터의 전압변화폭은 3.293 V로 전기이중층 캐페시터만을 단독으로 사용할 때 최대전압변화폭인 2.7 V에 비해 전압변화폭을 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
리튬이온이차전지와 울트라캐페시터(100F/2.7V)를 직렬 연결한 전기에너지 저장장치의 최대전압은 리튬이온전지의 최대충전전압인 4.2 V에 울트라캐페시터의 정격전압 2.7V를 더한 6.9 V이며 본 실험에서 사용된 리튬이온전지(1100mAh)와 울트라캐페시터(100F/2.7V)를 직렬 연결한 전원모듈의 전체중량이 53 g이므로 본 실험에서 사용된 전원모듈(110.2F)의 에너지밀도는 13.75 Wh/kg에 이르며 이는 현재 상품화된 울트라캐페시터중 가장 우수한 제품이 에너지밀도가 6.0 Wh/kg정도인 것을 감안하면 에너지밀도를 증가시키는 방법인 것을 알 수 있었다.
본 발명에 의하면, 싸이클 수명이 우수한 전기에너지 저장장치의 충방전심도를 크게 하고 용량이 크지만 싸이클 수명이 열세인 전기에너지 저장장치의 충방전심도를 작게하여 용량이 큰 전기에너지 저장장치를 전압버퍼로 사용함으로써, 전기에너지 저장장치의 싸이클 수명과 온도 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서 수명을 연장시킬 수 있고, 온도에 관계없이 시스템의 원활한 동작이 가능하며, 동시에 용량 또는 에너지 대비 가격이 저렴한 경제적인 전기에너지 저장장치를 제공할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 이러한 에너지 저장장치를 산, 바다 등 유지보수가 용이하지 않은 야외에서의 전원으로 사용하는 경우 유지보수 비용을 대폭절감하고, 안정적인 전원제공의 효과를 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 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.

Claims (19)

  1. 제 1 전기에너지 저장장치; 및
    전기용량이 상기 제 1 전기에너지 저장장치 전기 용량의 4 내지 100 배이고, 상기 제 1 전기에너지 저장장치에 도체를 통하여 직렬로 연결되어 있는 제 2 전기에너지 저장장치를 포함하며,
    상기 제 1 전기에너지 저장장치의 온도 변화에 따른 전기용량 저하 및 충/방전 반복에 따른 전기용량 저하가 각각 상기 제 2 전기에너지 저장장치의 온도 변화에 따른 전기용량 저하 및 충/방전 반복에 따른 전기용량 저하보다 적은 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전기에너지 저장장치 및 제 2 전기에너지 저장장치가 각각 2 차 전지인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 2 차 전지가 납축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소전지, 또는 리튬이온 전지인 것을 특징으로 전기에너지 저장장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전기에너지 저장장치가 캐페시터이고, 상기 제 2 전기에너지 저장장치가 2 차 전지인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 2차 전지는 납축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소전지, 또는 리튬이온 전지이고, 상기 캐페시터는 전기 이중층 캐페시터, 금속산화물 의사캐페시터, 또는 하이브리드 캐페시터인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전기에너지 저장장치 및 상기 제 2 전기에너지 저장장치가 각각 캐페시터인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 캐페시터가 전기이중층 캐페시터, 금속산화물 의사캐페시터 또는 하이브리드 캐페시터인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전기에너지 저장장치의 양단에 연결되어 있는 과전압 방지장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 과전압 방지장치가 설정전압과 인가전압을 비교하는 전압비교기, 상기 전압비교기에서의 전압비교결과 인가전압이 설정전압을 초과하는 경우 통전시키는 스위치, 및 상기 스위치가 통전되는 경우 상기 제 1 전기에너지 저장장치를 방전시키는 브리드 저항을 포함하는 과전압 방지회로인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 과전압 방지장치가 제너다이오드인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 과전압 방지장치가 션트 레귤레이터인 것을 특징으 로 하는 전기에너지 저장장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전기에너지 저장장치의 양단에 연결되어 있는 과방전 방지장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  13. 제 1 전기에너지 저장장치, 및 전기용량이 상기 제 1 전기에너지 저장장치 전기용량의 4 내지 100 배이고, 상기 제 1 전기에너지 저장장치에 도체를 통하여 직렬로 연결되어 있는 제 2 전기에너지 저장장치를 포함하며, 상기 제 1 전기에너지 저장장치의 온도 변화에 따른 전기용량 저하 및 충/방전 반복에 따른 전기용량 저하가 각각 상기 제 2 전기에너지 저장장치의 온도 변화에 따른 전기용량 저하 및 충/방전 반복에 따른 전기용량 저하보다 적은 전기에너지 저장장치에 있어서, 상기 제 1 전기에너지 저장장치를 0V 이하까지 방전시키는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 전기에너지 저장장치는 전기이중층 캐페시터이고, 상기 제 2 전기에너지 저장장치는 납축전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소전지, 또는 리튬이온 전지인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 전기에너지 저장장치의 양단에 연결된 과전압 방지장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 과전압 방지장치가 설정전압과 인가전압을 비교하 는 전압비교기, 상기 전압비교기에서의 전압비교결과 인가전압이 설정전압을 초과하는 경우 통전시키는 스위치, 및 상기 스위치가 통전되는 경우 상기 제 1 전기에너지 저장장치를 방전시키는 브리드 저항을 포함하는 과전압 방지회로인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 과전압 방지장치가 제너다이오드인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 과전압 방지장치가 션트 레귤레이터인 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 전기에너지 저장장치의 양단에 연결된 과방전 방지장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치의 충방전 방법.
KR1020020086299A 2002-12-30 2002-12-30 전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법 Expired - Fee Related KR100675366B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020020086299A KR100675366B1 (ko) 2002-12-30 2002-12-30 전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법
PCT/KR2003/002744 WO2004059815A1 (en) 2002-12-30 2003-12-13 Electric energy storage device and method of charging and discharging the same
US10/540,919 US7660084B2 (en) 2002-12-30 2003-12-13 Electric energy storage device and method of charging and discharging the same
EP03777437A EP1590868A4 (en) 2002-12-30 2003-12-13 ELECTRICAL ENERGY STORAGE DEVICE AND DEVICE FOR LOADING AND UNLOADING THE SAME
AU2003286947A AU2003286947A1 (en) 2002-12-30 2003-12-13 Electric energy storage device and method of charging and discharging the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020020086299A KR100675366B1 (ko) 2002-12-30 2002-12-30 전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040059796A KR20040059796A (ko) 2004-07-06
KR100675366B1 true KR100675366B1 (ko) 2007-01-29

Family

ID=32677807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020020086299A Expired - Fee Related KR100675366B1 (ko) 2002-12-30 2002-12-30 전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7660084B2 (ko)
EP (1) EP1590868A4 (ko)
KR (1) KR100675366B1 (ko)
AU (1) AU2003286947A1 (ko)
WO (1) WO2004059815A1 (ko)

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK2084802T3 (da) 2006-10-25 2019-05-13 Hoffmann La Roche Uafbrydelig strømforsyning til medicinsk apparat
US20110089908A1 (en) * 2009-10-21 2011-04-21 K2 Energy Solutions, Inc. Circuitry for balancing charging of series connected battery cells
JP5016121B2 (ja) * 2010-02-19 2012-09-05 Ｊｆｅエンジニアリング株式会社 急速充電装置及び移動式充電装置
EP2586113A4 (en) * 2010-06-28 2016-01-06 Maxwell Technologies Inc INCREASING THE LIFETIME OF CAPACITORS IN SERIAL MODULES
US9214709B2 (en) 2010-12-21 2015-12-15 CastCAP Systems Corporation Battery-capacitor hybrid energy storage system for high temperature applications
US8760851B2 (en) 2010-12-21 2014-06-24 Fastcap Systems Corporation Electrochemical double-layer capacitor for high temperature applications
US12215572B2 (en) 2010-12-21 2025-02-04 Fastcap Ultracapacitors Llc Power system for high temperature applications with rechargeable energy storage
US9001495B2 (en) 2011-02-23 2015-04-07 Fastcap Systems Corporation High power and high energy electrodes using carbon nanotubes
WO2012125963A2 (en) 2011-03-16 2012-09-20 Johnson Controls Technology Company Energy source devices and systems having a battery and an ultracapacitor
CA2838558C (en) 2011-05-24 2022-08-30 Fastcap Systems Corporation Power system for high temperature applications with rechargeable energy storage
CA2838557C (en) 2011-06-07 2021-08-24 Fastcap Systems Corporation Energy storage media for ultracapacitors
US9558894B2 (en) 2011-07-08 2017-01-31 Fastcap Systems Corporation Advanced electrolyte systems and their use in energy storage devices
US10714271B2 (en) 2011-07-08 2020-07-14 Fastcap Systems Corporation High temperature energy storage device
CN104024573B (zh) 2011-11-03 2018-05-15 快帽系统公司 生产测井仪
CN104025225B (zh) 2011-11-03 2017-06-09 英特尔公司 储能结构、制造用于储能结构的支承结构的方法及包含储能结构的微电子组件和系统
WO2013100932A1 (en) * 2011-12-28 2013-07-04 Intel Corporation Ultra-capacitor based energy storage in a battery form factor
US8816465B1 (en) 2013-02-22 2014-08-26 Intel Corporation Energy conversion and storage device and mobile electronic device containing same
US10872737B2 (en) 2013-10-09 2020-12-22 Fastcap Systems Corporation Advanced electrolytes for high temperature energy storage device
FR3012267B1 (fr) * 2013-10-23 2017-05-05 Somfy Sas Dispositif d’alimentation comprenant un dispositif de delestage
US11270850B2 (en) 2013-12-20 2022-03-08 Fastcap Systems Corporation Ultracapacitors with high frequency response
EA038707B1 (ru) 2013-12-20 2021-10-07 Фасткэп Системз Корпорейшн Устройство электромагнитной телеметрии
CN113539696B (zh) 2014-10-09 2024-12-03 快帽系统公司 用于储能装置的纳米结构化电极
KR102668693B1 (ko) 2015-01-27 2024-05-27 패스트캡 시스템즈 코포레이션 넓은 온도 범위 울트라커패시터
US10174736B2 (en) * 2015-04-10 2019-01-08 Lei Zhang Emergency starting device and emergency starting method
MY192979A (en) 2016-05-20 2022-09-20 Kyocera Avx Components Corp System and method for charging a capacitor
CA3045460A1 (en) 2016-12-02 2018-06-07 Fastcap Systems Corporation Composite electrode
CN108257643B (zh) * 2016-12-28 2021-02-09 上海宝存信息科技有限公司 数据储存装置以及其备用电力来源的储电能力监控方法
CN110809811B (zh) 2017-06-30 2021-11-30 阿维科斯公司 用于超级电容器模块的平衡电路
US10879720B2 (en) 2017-07-21 2020-12-29 Avx Corporation Balancing circuit for an electrical energy storage device
US11557765B2 (en) 2019-07-05 2023-01-17 Fastcap Systems Corporation Electrodes for energy storage devices
KR20230018430A (ko) 2020-06-02 2023-02-07 교세라 에이브이엑스 컴포넌츠 코포레이션 울트라커패시터 어셈블리
EP4143594A4 (en) 2020-06-02 2024-08-07 KYOCERA AVX Components Corporation SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING ONE OR MORE CHARACTERISTICS OF AN ULTRACAPACITOR
EP4154379A4 (en) * 2020-06-30 2024-07-24 KYOCERA AVX Components Corporation System and method for balancing ultracapacitors

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3277565B2 (ja) * 1992-09-17 2002-04-22 ソニー株式会社 バッテリー保護回路
JP3277566B2 (ja) 1992-09-17 2002-04-22 ソニー株式会社 バッテリー保護回路
US5530336A (en) * 1992-09-17 1996-06-25 Sony Corporation Battery protection circuit
JPH06343225A (ja) * 1993-05-28 1994-12-13 Asahi Glass Co Ltd 蓄電電源装置
US5545933A (en) * 1993-09-28 1996-08-13 Okamura Laboratory Inc. Electric power storage apparatus
JP3421519B2 (ja) * 1996-02-13 2003-06-30 三洋電機株式会社 過充電防止回路、過放電防止回路及び充放電制御回路
US5982050A (en) * 1996-03-14 1999-11-09 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Power supply unit for automotive vehicle
JP3247618B2 (ja) 1996-09-12 2002-01-21 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 充電装置及び充電機能付き電子機器
KR19980028518A (ko) 1996-10-22 1998-07-15 김영귀 차량의 충전지 과충전 방지 방지 장치 및 방법
KR19980024172U (ko) * 1996-10-31 1998-07-25 양재신 자동차용 프론트 론지튜디널의 보강부재
KR0139023Y1 (ko) * 1996-11-22 1999-04-01 대우자동차주식회사 자동차의 도어 침입 방지구조
JP3380766B2 (ja) * 1999-03-18 2003-02-24 富士通株式会社 保護方法及び制御回路並びに電池ユニット
US6518725B2 (en) * 2000-01-28 2003-02-11 Semtech Corporation Charge balancing system
AUPQ750500A0 (en) * 2000-05-15 2000-06-08 Energy Storage Systems Pty Ltd A power supply
US6556067B2 (en) * 2000-06-13 2003-04-29 Linfinity Microelectronics Charge pump regulator with load current control
JP2002058176A (ja) * 2000-08-10 2002-02-22 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
US6323608B1 (en) * 2000-08-31 2001-11-27 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Dual voltage battery for a motor vehicle
WO2002046608A1 (de) * 2000-12-04 2002-06-13 Epcos Ag Elektrische betriebsschaltung für einen anlasser
JP3896258B2 (ja) * 2001-04-25 2007-03-22 株式会社日立製作所 自動車電源装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20080013224A1 (en) 2008-01-17
WO2004059815A1 (en) 2004-07-15
EP1590868A1 (en) 2005-11-02
US7660084B2 (en) 2010-02-09
AU2003286947A1 (en) 2004-07-22
KR20040059796A (ko) 2004-07-06
EP1590868A4 (en) 2006-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100675366B1 (ko) 전기에너지 저장장치 및 이의 충방전 방법
Oyedotun et al. New trends in supercapacitors applications
US9786877B2 (en) Battery pack of electric power tool
Du Pasquier et al. Characteristics and performance of 500 F asymmetric hybrid advanced supercapacitor prototypes
US6617830B2 (en) Capacitor system for a vehicle
US20190027790A1 (en) Leadless starting accumulator battery, processing method and its use, particularly for combustion engines and motor vehicles
US20110181245A1 (en) Unitized charging and discharging battery management system and programmable battery management module thereof
Barker Ultracapacitors for use in power quality and distributed resource applications
CN101958437B (zh) 锂离子电池组的充电管理方法及充电机
EP1172916A2 (en) Power control device with electric double layer capacitor unit cells
WO2006065364A3 (en) Hybrid fuel cell system with battery capacitor energy storage system
JP2001218381A (ja) 蓄電装置
CN108141059A (zh) 供电系统
CN106059047B (zh) 一种带有超级电容的12v24v双输出应急启动电源
Burke The present and projected performance and cost of double-layer pseudo-capacitive ultracapacitors for hybrid vehicle applications
Reema et al. Comparative analysis of CC-CV/CC charging and charge redistribution in supercapacitors
CN203135551U (zh) 一种具有大电流输出高能量密度的移动工具锂电容加锂电池混合电源系统
CN206004392U (zh) 一种带有超级电容的12v和24v双输出应急启动电源
Soni et al. Analysis of battery-super capacitor based storage for electrical vehicle
Vasile et al. EDLC hybrid system with increased lifespan for supplying an UPS
KR100733394B1 (ko) 전기에너지 저장장치의 충전 및 방전방법
CN105634102B (zh) 一种用于启动汽车的电源装置及其启动控制方法
Artal et al. ULISES: AUTONOMOUS MOBILE ROBOT USING ULTRACAPACITORS-STORAGE ENERGY SYSTEM.
KR100910428B1 (ko) 균등 충전 단자를 포함한 울트라 커패시터 모듈
Kim et al. Modeling, design, and control of a fuel cell/battery/ultra-capacitor electric vehicle energy storage system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20021230

PA0201 Request for examination
PG1501 Laying open of application
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20041124

Patent event code: PE09021S01D

AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20050322

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20041124

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I

J201 Request for trial against refusal decision
PJ0201 Trial against decision of rejection

Patent event date: 20050420

Comment text: Request for Trial against Decision on Refusal

Patent event code: PJ02012R01D

Patent event date: 20050322

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PJ02011S01I

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal

Decision date: 20061114

Appeal identifier: 2005101002416

Request date: 20050420

AMND Amendment
PB0901 Examination by re-examination before a trial

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20050513

Patent event code: PB09011R02I

Comment text: Request for Trial against Decision on Refusal

Patent event date: 20050420

Patent event code: PB09011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20050119

Patent event code: PB09011R02I

E801 Decision on dismissal of amendment
PE0801 Dismissal of amendment

Patent event code: PE08012E01D

Comment text: Decision on Dismissal of Amendment

Patent event date: 20050630

Patent event code: PE08011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20050513

Patent event code: PE08011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20050119

B601 Maintenance of original decision after re-examination before a trial
PB0601 Maintenance of original decision after re-examination before a trial
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20050420

Effective date: 20061114

PJ1301 Trial decision

Patent event code: PJ13011S01D

Patent event date: 20061114

Comment text: Trial Decision on Objection to Decision on Refusal

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal

Request date: 20050420

Decision date: 20061114

Appeal identifier: 2005101002416

PS0901 Examination by remand of revocation
S901 Examination by remand of revocation
GRNO Decision to grant (after opposition)
PS0701 Decision of registration after remand of revocation

Patent event date: 20061213

Patent event code: PS07012S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20061121

Patent event code: PS07011S01I

Comment text: Notice of Trial Decision (Remand of Revocation)

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20070122

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20070123

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20091221

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20101122

Start annual number: 5

End annual number: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20120117

Start annual number: 6

End annual number: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121109

Year of fee payment: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20121109

Start annual number: 7

End annual number: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131209

Year of fee payment: 8

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20131209

Start annual number: 8

End annual number: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141222

Year of fee payment: 9

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20141222

Start annual number: 9

End annual number: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160107

Year of fee payment: 10

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20160107

Start annual number: 10

End annual number: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170104

Year of fee payment: 11

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20170104

Start annual number: 11

End annual number: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171219

Year of fee payment: 12

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20171219

Start annual number: 12

End annual number: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190103

Year of fee payment: 13

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20190103

Start annual number: 13

End annual number: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200103

Year of fee payment: 14

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20200103

Start annual number: 14

End annual number: 14

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20210111

Start annual number: 15

End annual number: 15

PC1903 Unpaid annual fee

Termination category: Default of registration fee

Termination date: 20221102