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WO2020080630A1 - 자동차 배터리 비상 충전 장치 및 방법 - Google Patents

자동차 배터리 비상 충전 장치 및 방법 Download PDF

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WO2020080630A1
WO2020080630A1 PCT/KR2019/005489 KR2019005489W WO2020080630A1 WO 2020080630 A1 WO2020080630 A1 WO 2020080630A1 KR 2019005489 W KR2019005489 W KR 2019005489W WO 2020080630 A1 WO2020080630 A1 WO 2020080630A1
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WO
WIPO (PCT)
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super capacitor
vehicle battery
emergency charging
charging
battery
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2019/005489
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English (en)
French (fr)
Inventor
김동휘
이영재
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to an emergency charging device and method that can be used when discharging a vehicle battery.
  • Korean Patent No. 10-1571110 uses a high-capacitance storage device (for example, a super capacitor, an ultra capacitor, and an electric double layer capacitor) that has a small resistance and is capable of rapid charging and discharging.
  • a high-capacitance storage device for example, a super capacitor, an ultra capacitor, and an electric double layer capacitor
  • Disclosed is a technology that receives a current from a battery and charges a voltage and provides current to a battery of a vehicle that has been discharged again through high-power discharge.
  • the portable emergency power supply 100 is a high-capacitance storage device 101, two positive terminals (103a, 103b), one negative terminal 105, voltage measurement It comprises a portion 107 and a resistor 109, the vehicle is composed of a vehicle battery 130 and the rod 150, that is, a starter.
  • the positive terminal 103a and the negative terminal 105 are connected to the vehicle battery.
  • a current flows from the vehicle battery 130 to the high-capacitance storage device 101 to charge the high-capacitance storage device.
  • the positive terminal 103b and the negative terminal 105 are connected to both ends of the vehicle battery 130. In this way, a current flows from the high capacitance storage device 101 to the vehicle battery 130 to charge the vehicle battery.
  • the present invention uses an electric double layer capacitor (EDLC) (hereinafter referred to as a 'super capacitor') called a supercapacitor or ultracapacitor as one of a high-capacitance storage device, so that a battery mounted in a vehicle cannot start.
  • EDLC electric double layer capacitor
  • An object of the present invention is to provide an emergency charging device and method for charging a vehicle battery when discharged to a state, when the voltage of the vehicle battery is lower than the voltage of the super capacitor, and even when both the vehicle battery and the super capacitor are discharged. .
  • an emergency charging device for a vehicle battery includes a supercapacitor composed of a plurality of units, and a relay for switching a current flow between the supercapacitor and the vehicle battery according to a charging or discharging mode , A control unit for controlling the relay according to a charging mode or a discharging mode, in the charging mode, charging the supercapacitor using the vehicle battery or a separate external power source, and in the discharging mode, discharging the supercapacitor
  • a vehicle battery emergency charging device for charging the vehicle battery through an emergency charging mode for charging the super capacitor using residual power of the vehicle battery when the super capacitor and the vehicle battery are discharged below a certain level. Be equipped.
  • the emergency charging device may further include a DC-DC converter that boosts the residual voltage of the vehicle battery in the emergency charging mode and applies it to the super capacitor.
  • the emergency charging device further includes an emergency charging switch for initiating the emergency charging mode, and the control unit controls the step-up operation of the DC-DC converter according to the operation of the emergency charging switch. .
  • the emergency charging device is characterized in that the energy charged in the super capacitor in the emergency charging mode is equal to or higher than the energy required to start the start motor connected to the vehicle battery for a predetermined short time.
  • the emergency charging method for a vehicle battery is a supercapacitor composed of a plurality of units, and switches the current flow between the supercapacitor and the vehicle battery according to a charging or discharging mode
  • the performing of the emergency charging mode further includes boosting the residual voltage of the vehicle battery using a DC-DC converter and applying it to the super capacitor.
  • the performing of the emergency charging mode further includes charging the vehicle battery by applying a current from the super capacitor to the vehicle battery when the super capacitor is charged to a predetermined level or higher.
  • the present invention uses a supercapacitor mounted on a vehicle at all times, when the battery installed in the vehicle is discharged in a state in which it cannot be started, when the voltage of the vehicle battery is lower than the voltage of the supercapacitor, and the vehicle battery and the supercapacitor It is possible to provide an emergency charging device and method for charging a vehicle battery even when all of them are discharged.
  • FIG. 1 shows a portable emergency power supply according to the prior art.
  • FIG. 2 is a block diagram of an emergency charging device for a vehicle battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows a charging mode of an emergency charging device for a vehicle battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a discharge mode of an emergency charging device for a vehicle battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates an emergency charging mode of an emergency charging device for a vehicle battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an emergency charging device for a vehicle battery according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle battery emergency charging device 200 includes a supercapacitor 210, a relay 220, a circuit board 230, a switch 240, and a connector 250 composed of a plurality (eg, 5) units. It is configured to include, and a jump line including a connection jack 260 and a clamp 270 is separately provided.
  • the supercapacitor 210 is composed of, for example, a plurality of units having a rated charging voltage of 3 (V), and in the charging mode, receives a current from the vehicle battery 390 through the relay 220 to charge itself, and discharge mode. Estimates to apply the current to the vehicle battery 390 through the relay 220 to charge the vehicle battery 390.
  • V rated charging voltage
  • the relay 220 switches the flow of current according to the charging or discharging mode under the control of the control unit 330.
  • the control unit 330 configured in the circuit board includes a super capacitor 310
  • the relay 320 is controlled so that current flows from a component at a high potential to a component at a low potential among the vehicle batteries 390.
  • the circuit board 230 is configured to include at least a control unit 330 and a DC-DC converter 335 and is embedded in one side of the housing.
  • the switch 240 is operated by a user to turn on / off the power and initiate an emergency charging mode.
  • the switch 240 may be configured as a separate power switch 340 and an emergency charging switch 345.
  • the connector 250 is an input / output unit for connecting the capacitor 310 and the vehicle battery 390, and is connectable to a jump line including a connection jack 260, a connection line, and a clamp 270.
  • FIG. 3 illustrates a charging mode of an emergency charging device for a vehicle battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 illustrates a discharge mode.
  • the red arrow indicates the flow of the control signal
  • the black arrow indicates the flow of the current.
  • the super capacitor 310 is charged using the vehicle battery 390 or a separate external power source.
  • the super capacitor in the vehicle battery 390 by the relay 320 The current flows to 310 and the supercapacitor 310 is automatically charged.
  • the vehicle battery 390 is charged using the super capacitor 310.
  • the operation of the relay 320 according to the charging or discharging mode is controlled by the control unit 330.
  • the control unit 330 may be configured from a component having a high potential among the super capacitor 310 and the car battery 390.
  • the relay 320 is controlled so that current flows to a component at a low potential.
  • a balancer (not shown) may be provided in the control unit 330 to prevent overcurrent from flowing into the supercapacitor 310 and the vehicle battery 390 or to apply an overvoltage, such that the abnormality of the vehicle battery emergency charging device 300 is abnormal. It can prevent movement.
  • the DC-DC converter 335 included in the same circuit board does not operate in a normal charging or discharging mode.
  • FIG. 5 illustrates an emergency charging mode of an emergency charging device for a vehicle battery according to an embodiment of the present invention.
  • the red arrow indicates the flow of the control signal
  • the black arrow indicates the flow of the current.
  • an emergency charging mode is required to charge the super capacitor 310 using the residual power of the battery 390 discharged through the emergency charging mode.
  • the emergency charging mode is a mode in which the user operates the emergency charging switch 345 separate from the power switch 340 to cause the controller 330 to operate the DC-DC converter 335.
  • the power switch 340 and the emergency charging switch 345 are shown as separate components, but may be divided into on / off / emergency, etc., and may be integrated into a single switch capable of multi-stage connection.
  • the DC-CD converter 335 is an element also called a linear regulator or a switching regulator, and is a component that converts direct current into direct current of a different voltage. In the case of boosting the voltage, it is also referred to as a boost converter, booster converter, or step-up converter.
  • the DC-DC converter 335 of FIG. 5 boosts the voltage input from the vehicle battery 390 until its output voltage becomes a voltage sufficient to charge the supercapacitor 310, which is applied to high-speed interruption of the internal switching element. Is performed by.
  • the car battery 390 charges the car battery 390 with a voltage of around 14V while the car is driving, and through this, the car battery 390 restores discharged energy.
  • the rated voltage of the vehicle battery 390 must be able to flow a current of a predetermined amount or more to the start motor while the proper voltage is maintained, and the voltage of the vehicle battery 390 is approximately 9 V or less. When it is lowered, even the minimum energy cannot be supplied, and the vehicle cannot be started.
  • the DC-DC converter 335 operates according to the operation of the emergency charging switch 345 to boost the input voltage (for example, 2V) from the vehicle battery 390 to a supercapacitor rated voltage, for example, 2.85V.
  • the operation of charging the super capacitor 310 is performed.
  • the rated voltage of a commercially available supercapacitor unit is generally 2.5 to 3V, and in the embodiment of FIG. 2, a supercapacitor unit of 2.85V is exemplarily applied.
  • the energy charged in the super capacitor in the emergency charging mode is 60,000 (J) or more, there is no problem in supplying or jumping the electric energy required for starting the car for about 5 seconds to the discharged car battery 390, and intermittent for 1 or 2 seconds. In case of starting, it can be done 2 ⁇ 5 times.
  • the super capacitor unit is connected in series to configure the alternator to maintain a charging voltage equal to or higher than the voltage supplied to the vehicle battery, and the DC (DC converter) 335 is used to discharge the discharged vehicle battery 390 voltage (for example, 9V). It is important to step up to the required charging voltage (e.g. 14.25V) and supply it across the super capacitor.
  • emergency discharge is performed from the super capacitor 310 to the vehicle battery 390, thereby enabling the vehicle to start.
  • the emergency discharge in this case is meaningful to transfer the minimum energy required for starting to the vehicle battery 390, unlike the conventional discharge in FIG. 4.

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Abstract

복수의 유닛으로 구성된 슈퍼 커패시터, 상기 슈퍼 커패시터와 자동차 배터리 사이의 전류의 흐름을 충전 또는 방전 모드에 따라 전환하는 릴레이, 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 상기 릴레이를 제어하는 제어부를 구비하는 자동차 배터리 비상 충전 장치 및 이를 이용한 자동차 배터리 비상 충전 방법은, 상기 슈퍼 커패시터와 상기 자동차 배터리가 각기 일정 수준 이하로 방전된 경우에 상기 자동차 배터리의 잔류 전원을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 비상 충전 모드를 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 배터리 비상 충전 장치 및 방법
본 발명은 자동차 배터리 방전시 이용가능한 비상 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
자동차 배터리 방전시 이용가능한 종래의 방법으로는, 다른 차량의 배터리와 점프선을 통해 차량의 시동을 거는 방법, 전용 배터리 충전기를 이용하여 자동차 배터리를 충전하는 방법 등이 통상적으로 이용되고 있으나, 다른 차량이나 전용 배터리가 없는 상황에서는 문제 해결이 불가능한 단점이 있다.
이런 문제를 해결하기 위한 종래기술로서, 대한민국 특허 제10-1571110호는 저항이 작고 급속 충방전이 가능한 고 정전용량 저장 장치(예를 들어, 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 전기이중층 커패시터)를 이용하여 방전된 배터리로부터 전류를 받아 전압을 충전하고 고출력 방전을 통해 다시 방전된 차량의 배터리에 전류를 제공하는 기술을 개시하고 있다.
상기 종래기술을 도 1을 참조하여 설명하면, 휴대용 비상전원 공급장치(100)는 고 정전용량 저장장치(101), 두 개의 양극 단자(103a, 103b), 하나의 음극 단자(105), 전압 측정부(107) 및 저항(109)을 포함하여 구성되며, 차량은 차량 배터리(130)와 로드(150) 즉, 스타터로 구성된다.
차량이 주행 중이거나 차량의 배터리(130) 전압이 전압 측정부(107)에 의해 측정되는 고 정전용량 저장장치(101)의 전압보다 높을 때에는 양극 단자(103a)와 음극 단자(105)를 차량 배터리(130)의 양단에 연결함에 의해 차량 배터리(130)로부터 고 정정용량 저장장치(101)로 전류를 흘려 고 정전용량 저장장치를 충전한다.
이와 반대로, 차량의 배터리가 방전되어 고 정정용량 저장장치(101)의 전압이 차량 배터리(130) 전압보다 높을 때에는 양극 단자(103b)와 음극 단자(105)를 차량 배터리(130)의 양단에 연결함에 의해 고 정전용량 저장장치(101)로부터 차량 배터리(130)로 전류가 흐르게 하여 차량 배터리를 충전한다.
그러나, 도 1의 종래기술에서 차량에 장착된 배터리가 시동을 걸 수 없는 상태로 방전된 경우처럼 차량 배터리(130)의 전압이 고 정전용량 저장장치(101)의 전압보다 낮으면 고 정전용량 저장장치(101)를 충전할 수 없게 되고, 또 차량 배터리(130)와 고 정전용량 저장장치(101) 모두가 방전된 경우에는 아무런 조치도 취할 수 없게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 고 정전용량 저장장치의 하나로서 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터 등으로 불리우는 전기이중층 커패시터(EDLC)(이하, '슈퍼 커패시터'라 함)를 이용하여, 차량에 장착된 배터리가 시동을 걸 수 없는 상태로 방전된 경우, 차량 배터리의 전압이 슈퍼 커패시터의 전압보다 낮은 경우, 및 차량 배터리와 슈퍼 커패시터가 모두 방전된 경우에도 자동차 배터리를 충전할 수 있는 비상 충전 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치는, 복수의 유닛으로 구성된 슈퍼 커패시터, 상기 슈퍼 커패시터와 자동차 배터리 사이의 전류의 흐름을 충전 또는 방전 모드에 따라 전환하는 릴레이, 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 상기 릴레이를 제어하는 제어부를 구비하며, 상기 충전 모드에서는 상기 자동차 배터리 또는 별도의 외부 전원을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하며, 상기 방전 모드에서는 상기 슈퍼 커패시터의 방전을 통해 상기 자동차 배터리를 충전하는 자동차 배터리 비상 충전 장치로서, 상기 슈퍼 커패시터와 상기 자동차 배터리가 각기 일정 수준 이하로 방전된 경우에 상기 자동차 배터리의 잔류 전원을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 비상 충전 모드를 구비한다.
상기 비상 충전 장치는, 상기 비상 충전 모드에서 상기 자동차 배터리의 잔류 전압을 승압하여 상기 슈퍼 커패시터에 인가하는 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비상 충전 장치는, 상기 비상 충전 모드를 개시하기 위한 비상충전 스위치를 더 포함하며, 상기 비상충전 스위치의 조작에 따라 상기 제어부는 상기 DC-DC 컨버터의 승압 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비상 충전 장치는, 상기 비상 충전 모드에서 상기 슈퍼 커패시터에 충전되는 에너지는 상기 자동차 배터리에 연결된 스타트 모터를 소정의 단시간 동안 시동하는데 필요한 에너지와 동일 또는 그 이상인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 방법은, 복수의 유닛으로 구성된 슈퍼 커패시터, 상기 슈퍼 커패시터와 자동차 배터리 사이의 전류의 흐름을 충전 또는 방전 모드에 따라 전환하는 릴레이, 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 상기 릴레이를 제어하는 제어부를 구비하는 자동차 배터리 비상 충전 장치를 이용한 자동차 배터리 비상 충전 방법으로서, 상기 슈퍼 커패시터와 상기 자동차 배터리가 각기 일정 수준 이하로 방전된 경우에 상기 자동차 배터리의 잔류 전원을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 비상 충전 모드를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 자동차 배터리 비상 충전 방법에서 상기 비상 충전 모드의 수행 단계는 DC-DC 컨버터를 이용하여 상기 자동차 배터리의 잔류 전압을 승압하여 상기 슈퍼 커패시터에 인가하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 비상 충전 모드의 수행 단계는 상기 슈퍼 커패시터가 소정 수준 이상으로 충전된 경우에 상기 슈퍼 커패시터에서 상기 자동차 배터리로 전류를 인가하여 상기 자동차 배터리를 충전하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 자동차에 상시 탑재된 슈퍼 커패시터를 이용하여, 차량에 장착된 배터리가 시동을 걸 수 없는 상태로 방전된 경우, 차량 배터리의 전압이 슈퍼 커패시터의 전압보다 낮은 경우, 및 차량 배터리와 슈퍼 커패시터가 모두 방전된 경우에도 자동차 배터리를 충전할 수 있는 비상 충전 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 휴대용 비상전원 공급장치를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치의 충전 모드를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치의 방전 모드를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치의 비상 충전 모드를 도시하고 있다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치의 구성도를 도시하고 있다.
도 2에서, 자동차 배터리 비상 충전 장치(200)는 복수(예컨대, 5개)의 유닛으로 구성된 슈퍼 커패시터(210), 릴레이(220), 회로기판(230), 스위치(240), 커넥터(250)를 포함하여 구성되며, 연결잭(260)과 클램프(270)를 포함하는 점프선이 별도로 구비된다.
슈퍼 커패시터(210)는 예컨대, 정격 충전 전압이 3(V)인 복수의 유닛으로 구성되며, 충전 모드에서는 릴레이(220)를 통해 자동차 배터리(390)로부터 전류를 인가받아 자체 충전을 하고, 방전 모드에서는 릴레이(220)를 통해 자동차 배터리(390)에 전류를 인가하여 자동차 배터리(390)를 충전한다.
릴레이(220)는 제어부(330)의 제어에 따라 충전 또는 방전 모드에 따른 전류의 흐름을 전환한다. 구체적으로는, 자동차 배터리 비상 충전 장치(300)의 전원 스위치(340)를 사용자가 스위치 온으로 조작함에 의해 회로기판에 전원이 인가되면, 회로기판에 구성된 제어부(330)는 슈퍼 커패시터(310)와 자동차 배터리(390) 중 고전위에 있는 구성요소로부터 저전위에 있는 구성요소로 전류가 흐르도록 릴레이(320)를 제어한다.
회로기판(230)은 적어도 제어부(330)와 DC-DC 컨버터(335)를 포함하도록 구성되어 하우징의 일측에 내장된다.
스위치(240)는 사용자에 의해 조작되어 전원을 온/오프하고 비상 충전 모드를 개시는데 사용되며, 경우에 따라 전원 스위치(340)와 비상충전 스위치(345)로 분리되어 구성될 수 있다.
커넥터(250)는 커패시터(310)와 자동차 배터리(390)를 연결하기 위한 입출력부로서, 연결잭(260), 연결선, 클램프(270)를 포함하는 점프선에 연결가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치의 충전 모드를 도시하고, 도 4는 방전 모드를 도시하고 있다.
적색 화살표는 제어 신호의 흐름을 나타내고, 흑색 화살표는 전류의 흐름을 나타낸다.
먼저, 자동차 배터리 비상 충전 장치(300)의 충전 모드에서는 자동차 배터리(390) 또는 별도의 외부 전원을 이용하여 슈퍼 커패시터(310)를 충전하게 된다.
자동차가 주행 중인 경우, 자동차에 시동이 걸려 있는 경우를 포함하여 자동차 배터리(390)의 양단 전압이 슈퍼 커패시터(310)의 양단 전압보다 높을 경우 릴레이(320)에 의해 자동차 배터리(390)에서 슈퍼 커패시터(310)로 전류가 흘러 슈퍼 커패시터(310)가 자동 충전된다. 이와 달리, 비상용 배터리와 같은 별도의 외부 전원을 이용하여 슈퍼 커패시터(310)를 충전하는 것도 가능하다.
반대로, 자동차 배터리 비상 충전 장치(300)의 방전 모드에서는 슈퍼 커패시터(310)를 이용하여 자동차 배터리(390)를 충전하게 된다.
자동차 배터리(390)가 방전되어 슈퍼 커패시터(310)의 전압이 자동차 배터리(130) 전압보다 더 높을 때에는 릴레이(320)에 의해 슈퍼 커패시터(310)에서 자동차 배터리(390)로 전류가 흘러 자동차 배터리(390)가 자동 충전된다.
충전 또는 방전 모드에 따른 릴레이(320)의 동작은 제어부(330)에 의해 제어된다. 자동차 배터리 비상 충전 장치(300)의 전원 스위치(340)를 사용자가 조작함에 의해 회로기판에 전원이 인가되면 제어부(330)는 슈퍼 커패시터(310)와 자동차 배터리(390) 중 고전위에 있는 구성요소로부터 저전위에 있는 구성요소로 전류가 흐르도록 릴레이(320)를 제어한다.
또한, 슈퍼 커패시터(310)와 자동차 배터리(390)에 과전류가 흐르거나 과전압이 인가되지 않도록 하는 밸런서(미도시)가 제어부(330)에 구비될 수 있어서, 자동차 배터리 비상 충전 장치(300)의 비정상적인 동작을 예방할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 동일 회로기판에 포함된 DC-DC 컨버터(335)는 정상적인 충전 또는 방전 모드에서는 동작하지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 배터리 비상 충전 장치의 비상 충전 모드를 도시하고 있다.
적색 화살표는 제어 신호의 흐름을 나타내고, 흑색 화살표는 전류의 흐름을 나타낸다.
자동차 배터리(390)가 시동을 걸 수 없는 상태로 방전된 경우에 자동차 배터리(390)의 전압이 슈퍼 커패시터(310)의 전압보다 낮아지게 되어 슈퍼 커패시터를 충전할 수 없는 상황에서 슈퍼 커패시터(310) 마저 방전되어 버리면, 도 3 또는 도 4의 충전 또는 방전 모드를 통해 정상적인 충방전을 진행할 수 없게 된다.
이와 같이, 자동차 배터리(390)와 슈퍼 커패시터(310)가 동시에 방전된 경우, 비상 충전 모드를 통해 방전된 배터리(390)의 잔류 전원을 이용하여 슈퍼 커패시터(310)를 충전하는 비상 충전 모드가 필요하다.
비상 충전 모드는 전원 스위치(340)와는 별도의 비상충전 스위치(345)를 사용자가 조작함에 의해 개시되어 제어부(330)로 하여금 DC-DC 컨버터(335)를 동작시키는 모드이다. 도 5에서는 전원 스위치(340)와 비상충전 스위치(345)가 별도의 구성요소로 도시되었지만 온/오프/비상 등으로 나누어 다단 접속이 가능한 단일 스위치로 통합되어도 좋다.
DC-CD 컨버터(335)는 리니어 레귤레이터 또는 스위칭 레귤레이터라고도 불리는 소자로서 직류를 다른 전압의 직류로 변환하는 구성요소이다. 전압을 승압하는 경우에는 이를 승압 컨버터, 부스터 컨버터 또는 스텝업 컨버터로 부르기도 한다.
도 5의 DC-DC 컨버터(335)는 그 출력 전압이 슈퍼 커패시터(310)의 충전에 충분한 전압이 될 때까지 자동차 배터리(390)로부터 입력되는 전압을 승압하며, 이는 내부 스위칭 소자의 고속 단속에 의해 수행된다.
예시적으로, 자동차 배터리(390)의 정격 전압이 12V이고 출력이 1kW인 경우 시동을 걸기 위해 X초간 스타트 모터로 전류를 흘려주기 위해서는 대략 1,000W * 12V * Xsec = X * 12,000J(Joule, 줄)의 전기에너지가 소모되므로, 예를 들어 1, 2, 3초간 스타트모터로 전류를 흘려주기 위해서는 각각 12,000J, 24,000J, 36,000J(줄)의 전기에너지가 소모된다. 이러한 과정을 통해 자동차에 시동이 걸리면, 자동차 주행 중 알티네이터가 14V 전후의 전압으로 자동차 배터리(390)를 충전시키게 되며 이를 통해 자동차 배터리(390)는 방전된 에너지를 복구한다.
이와 같이 시동을 걸 수 있기 위해서는 자동차 배터리(390)의 정격 전압이 적정 수준으로 유지된 상태에서 소정량 이상의 전류를 스타트 모터로 흘려 줄 수 있어야 하는데, 자동차 배터리(390)의 전압이 대략 9V 이하로 저하되어 버리면 최소 에너지조차 공급할 수 없게 되어 자동차의 시동을 걸 수 없는 상황이 된다.
이러한 경우, 비상충전 스위치(345)의 조작에 따라 DC-DC 컨버터(335)가 동작하여 자동차 배터리(390)로부터의 입력 전압(예컨대, 2V)을 슈퍼 커패시터 정격 전압에 가까이 예컨대 2.85V로 승압하여 슈퍼 커패시터(310)를 충전하는 동작이 수행된다.
시중에서 구입가능한 슈퍼 커패시터 유닛의 정격 전압은 대체로 2.5~3V 이며, 도 2의 실시예에서는 예시적으로 2.85V의 슈퍼 커패시터 유닛을 적용하였다.
도 2에서와 같이 5개의 슈퍼 커패시터 유닛이 직렬 연결되어 있는 경우, 각 유닛의 용량이 3,000F(패럿)이라 하면, 슈퍼 커패시터 양단 전압은 14.25V이므로, 슈퍼 커패시터에 충전되는 전체 에너지는 아래의 식에 의해 계산된다.
QT = 1/2 * CT * VT 2
CT는 1/CT = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + 1/C4 + 1/C5 = 5/Cn
CT = Cn/5 = 600(F)
QT = 0.5 * 600 * 14.252 ≒ 60,920(J)
비상 충전 모드에서 슈퍼 커패시터에 충전되는 에너지가 60,000(J) 이상이므로, 약 5초간 자동차 시동에 필요한 전기 에너지를 방전된 자동차 배터리(390)에 공급 또는 점프하는데 아무 문제가 없으며, 1 또는 2초간 단속적으로 시동을 거는 경우에는 2~5회까지 가능하게 된다.
슈퍼 커패시터 유닛을 직렬 연결하여 알티네이터가 자동차 배터리에 공급하는 전압 이상의 충전 전압을 유지하도록 구성하고, DC-DC 컨버터(335)를 이용하여 방전된 자동차 배터리(390)의 전압(예컨대, 9V)을 필요 충전 전압(예컨대, 14.25V)으로 승압하여 슈퍼 커패시터 양단에 공급하는 것이 중요하다.
이와 같이, 비상 충전 모드에서 슈퍼 커패시터(310)가 충전되면, 슈퍼 커패시터(310)에서 자동차 배터리(390)로 비상 방전이 수행되고 이에 의해 자동차의 시동을 걸 수 있게 된다. 이 경우의 비상 방전은 도 4에서의 통상적인 방전과 달리 시동에 필요한 최소한의 에너지를 자동차 배터리(390)에 전달하는데 의의가 있다.
이상에서 본 발명의 예시적인 실시예를 통해 예시적인 목적으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구범위에 기재된 바와 같은 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고서 다양한 수정, 추가 및 대체가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예들로 한정되지 않으며, 청구된 발명의 범위는 특허청구범위에 기재된 발명뿐이 아니라 그들의 등가물들에 의해 결정되어야 한다. 본 명세서 및 도면들에서 사용된 특정 용어들은 단지 설명의 목적으로 사용된 것이며, 어떠한 부분도 본 발명에 대한 제한으로 간주되지 않아야 한다.

Claims (9)

  1. 복수의 유닛으로 구성된 슈퍼 커패시터, 상기 슈퍼 커패시터와 자동차 배터리 사이의 전류의 흐름을 충전 또는 방전 모드에 따라 전환하는 릴레이, 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 상기 릴레이를 제어하는 제어부를 구비하며, 상기 충전 모드에서는 상기 자동차 배터리 또는 별도의 외부 전원을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하며, 상기 방전 모드에서는 상기 슈퍼 커패시터의 방전을 통해 상기 자동차 배터리를 충전하는 자동차 배터리 비상 충전 장치로서,
    상기 슈퍼 커패시터와 상기 자동차 배터리가 각기 일정 수준 이하로 방전된 경우에 상기 자동차 배터리의 잔류 전원을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 비상 충전 모드를 구비하는,
    자동차 배터리 비상 충전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비상 충전 모드에서 상기 자동차 배터리의 잔류 전압을 승압하여 상기 슈퍼 커패시터에 인가하는 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    자동차 배터리 비상 충전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터의 각 유닛은 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는,
    자동차 배터리 비상 충전 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 비상 충전 모드에서 상기 슈퍼 커패시터에 충전되는 에너지는 상기 자동차 배터리에 연결된 스타트 모터를 소정의 단시간 동안 시동하는데 필요한 에너지와 동일 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는,
    자동차 배터리 비상 충전 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 비상 충전 모드에서 상기 슈퍼 커패시터에 인가되는 전압은 자동차의 알티네이터가 상기 자동차 배터리에 공급하는 통상 전압 이상인 것을 특징으로 하는,
    자동차 배터리 비상 충전 장치.
  6. 복수의 유닛으로 구성된 슈퍼 커패시터, 상기 슈퍼 커패시터와 자동차 배터리 사이의 전류의 흐름을 충전 또는 방전 모드에 따라 전환하는 릴레이, 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 상기 릴레이를 제어하는 제어부를 구비하는 자동차 배터리 비상 충전 장치를 이용한 자동차 배터리 비상 충전 방법으로서,
    상기 슈퍼 커패시터와 상기 자동차 배터리가 각기 일정 수준 이하로 방전된 경우에 상기 자동차 배터리의 잔류 전원을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 비상 충전 모드를 수행하는 단계를 포함하는,
    자동차 배터리 비상 충전 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 비상 충전 모드의 수행 단계는 DC-DC 컨버터를 이용하여 상기 자동차 배터리의 잔류 전압을 승압하여 상기 슈퍼 커패시터에 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    자동차 배터리 비상 충전 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 비상 충전 모드의 수행 단계는 상기 슈퍼 커패시터가 소정 수준 이상으로 충전된 경우에 상기 슈퍼 커패시터에서 상기 자동차 배터리로 전류를 인가하여 상기 자동차 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    자동차 배터리 비상 충전 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터의 각 유닛은 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는,
    자동차 배터리 비상 충전 방법.
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