KR101699579B1 - 커패시터들의 직렬 모듈을 모니터링하고 밸런싱하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

울트라커패시터 및 직렬로 연결된 다수의 울트라커패시터를 포함하는 모듈 - 모듈은 다른 모듈들과 직렬 또는 병렬로 연결 가능함 - 의 모니터링 및 밸런싱하는 장치가 개시된다. 장치는, 마이크로컨트롤러와 같이 울트라커패시터 및/또는 모듈을 모니터링하고 밸런싱하기 위한 프로그램을 실행하는 디지털 제어 및/또는 명령 수단을 포함한다. 커패시터들의 상대 커패시턴스가 측정되고, 이 정보는 특정 커패시터의 제어된 방전을 언제 수행할지 결정하는데 이용된다. 온도 정보 또한 특정 커패시터의 제어된 방전을 언제 수행할지 결정하는데 이용된다. 이러한 방법으로 특정 커패시터의 수명은 바람직하게는 모듈 내 다른 더 긴 수명의 커패시터보다 연장된다.

Description

커패시터들의 직렬 모듈을 모니터링하고 밸런싱하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MONITORING AND BALANCING A SERIES MODULE OF CAPACITORS}

울트라커패시터 및 직렬로 연결된 다수의 울트라커패시터를 포함하는 모듈 - 모듈은 다른 모듈들과 직렬 또는 병렬로 연결 가능함 - 의 모니터링 및 밸런싱하는 장치 및 방법이 개시된다.

커패시터들, 구체적으로는 울트라커패시터들(ultracapacitors) 및 수퍼커패시터들은 최근 다양한 고전력(high power) 응용들에 사용되게 되었고, 구체적으로는 전기화학적(electrochemical) 셀(cells)과 사용되는 경우 시너지를 제공한다. 이러한 응용에서 사용되는 커패시터들은 일반적으로 직렬 모듈(series modules)들에 채용되고, 각 직렬 모듈들은 몇 개의 정해진 개수의 커패시터들이 직렬로 포함되어 있다.

커패시터들의 직렬 모듈 내에서, 하나의 커패시터가 주변 이웃들에 비해 훨씬 일찍 수명을 다하는(fail) 경우, 아마도 상기 모듈은 더 이상 동작하지 못하게 된다. 각 커패시터의 수명이 어떤 방법으로든 주변 이웃들 중 가장 수명이 긴 것과 매치될 수만 있다면 매우 바람직할 것이다.

이와 같이, 커패시터의 직렬 모듈 몇 개를 구비하는 시스템 내에서, 하나의 모듈이 주변 이웃들에 비해 훨씬 일찍 수명을 다하는 경우, 아마도 상기 모듈은 더 이상 동작하지 못하게 된다. 각 모듈의 수명이 어떤 방법으로든 주변 이웃들 중 가장 수명이 긴 것과 매치될 수만 있다면 매우 바람직할 것이다.

엄청난 양의 시간과 노력이 이러한 목적을 위해 소요되었고, 이에 비해 아주 제한된 성공만이 있어 왔다. 하나의 예로서, 이러한 커패시터들(정확한 커패시턴스의)의 특징을 측정하고, 그들을 규격화(bin)하는, 다시 말해서 측정된 특징들에 따라 커패시터들을 그룹화하는(그들을 빈 내에 놓는) 많은 노력이 있었다. 이러한 커패시터들이 규격화된 다음, 각 모듈은 단일 빈(bin)에 속하는 커패시터들을 사용하여 조립된다. 이러한 규격화가 도움이 될 수 있으나, 추후의 이벤트가 하나의 커패시터를 다른 것들보다 더 빠르게 노후화시키는 것을 포함하는 많은 이유로, 위의 문제점을 해결하는데는 다소 부족하다.

이와 같이, 많은 시간과 노력을 기울여 전기화학(electrochemical) 셀들을 위해 유사한 결과를 얻기 위해 시도해 왔으나, 일관된 성공이 보장되지 않았다. 전기화학적 셀에 도움이 되는 여하한 접근 방법도 동일하게 커패시터에 도움이 되거나, 그 역도 마찬가지라는 추론이 있었으나, 커패시터들과 전기화학적 셀 간에는 이러한 추론을 불가능하게 하는 많은 차이가 있다. 셀-수명 모델은 전기화학적 및 정전식(electrostatic) 셀들 사이에 하나로 볼 수 없는 차이가 있다. 저장된 전하량와 전압 사이의 관계는 일반적으로 커패시터에 대해 거의 선형(linear)이고, 다른 것으로서 전기화학적 셀에 대해서는 결정적으로 극단적인(extremely) 비선형(non-linear)이다.

가능한 역사적인 흥미를 위한 참조물들은 다음의 특허 및 공개 특허 출원을 포함한다: 미국특허 제5,479,083호(Brainard), 미국특허 제5,952,815호(Rouillard), 미국특허 제6,764,037호(Jacobs), 미국특허 제5,713,426호(Okanura), 미국특허 제6,087,799호(Turner), 미국특허 제3,602,795호(Gunn), 미국특허 제6,726,552A호(Okamura), 유럽특허 제1081824호(Rufer), 미국공개 2008/197806(Ridder), 미국공개 2008/0272735A1(Roessler), WO2007/145460A1(Oh), WO2007/145463A1(Oh), WO2007/145464A1(Oh), 미국공개 2004/251934(Yano), 미국공개 2006/221516(Daboussi), 미국공개 2007/001651(Harvey), DE 10 2008 056962 A1(Herke), 및 EP1035627A1(Ohta).

경험적으로, 용량(capacity)의 감소 및 내부 저항(internal resistance)의 증가로 정의 또는 특징지워지는 울트라커패시터의 노화는 그들의 단자(terminal)에 인가되는 전압, 충전 시 온도 증가, 모듈 내부의 주변 온도에 의해 가속화된다. 다시 말하면, 셀-수명 모델은 적어도 부분적으로 인가되는 전압의 이력(history) 및 셀 온도의 이력에 의존하여 개발되어 왔다.

따라서, 눈치 빠른 독자라면 가능한 한 온도와 전압을 모니터링하고, 가능한 한 각 울트라커패시터에 걸리는 전압 부하를 제어하는 것이 매우 도움이 됨을 인식할 것이다. 직렬 또는 병렬로 연결된 모듈의 어셈블리(assembly)에서, 이러한 요소들은 한 편으로는 상기 어셈블리를 구성하는 다른 모듈들 사이 및 다른 한편으로는 특정 모듈을 구성하는 서로 다른 울트라커패시터들 사이에 차이가 있을 수 있다. 이러한 요소들을 단일 모듈 내, 모듈들 사이에서 일정하게 만들고, 울트라커패시터의 너무 빠른(premature) 노화, 이로 인한 모듈의 너무 빠른 노화, 차례로 이로 인한 어셈블리의 너무 빠른 노화를 방지하도록 노력하는 것이 바람직할 것이다.

이러한 목표를 향한 알려진 접근 방식들, 특히 울트라커패시터의 충전 중 단자에서의 전압을 제어하는 방식의 접근들은 아래를 포함한다:

수동(passive) 밸런싱(balancing)

울트라커패시터에 특화된 최대 전압 근처에서 선정된 전압 값으로부터 클리핑(clipping)하는 것

주변 이웃 울트라커패시터들에 대해 울트라커패시터의 전압 및 충전 밸런싱

이들 마지막 2개의 기술은 전형적으로 아날로그 전자 보드(electronic board)를 사용한다. 이러한 울트라커패시터와 관련된 아날로그 전자 기술의 하나의 단점은 자기 진단(self-diagnosis) 능력이 없다는 것이다. 시스템이 점점 더 복잡해 질수록, 콤포넌트의 수가 커지게 되고, 이로 인해 상기 아날로그 전자 기술관련 오류가 더 빈번해 진다.

커패시터에서, 저장된 전하 Q와 전압 V사이의 관계(동적 범위 내에서)는 Q=CV의 공식의 계수 C로 거의 선형적이라는 점을 기억할 것이다. 모듈 내에 직렬로 연결된 다수 개의 울트라 커패시터가 존재하는 특정 경우를 모델링하는데 이 공식을 사용할 수 있다. 키르히호프(Kirchhof)의 법칙으로부터 단순 충전 레짐(regime)에서 직렬 스트링(string) 내의 각 커패시터를 통과한 전류는 동일하고, 따라서, 상기 직렬 스트링 내 각 커패시터에 전달된 전하량(charge)은 (상기 전류의 시간 적분에서) 동일하다. 각 커패시터가 주변 이웃과 동일한 커패시턴스(capacitance) C를 갖는 경우라면, 어떠한 주어진 순간에서 각 커패시터는 자체에 축적된(accumulated) 거의 동일한 전압을 가지는 것으로 기대할 수 있다.

이제, 논의를 위해, 모듈 내의 하나의 울트라커패시터가 모듈 내의 다른 울트라커패시터의 평균 용량보다 더 작은 용량을 갖게 된 경우를 가정해 본다. 이 경우, 하나 이상의 충전 전류 및 방전 전류 사이클을 가정하고, 적은 용량 셀 상의 전압은 충전 중 더 높게 올라가고, 방전 중 더 낮게 떨어지는 경향을 갖게 된다.

위에서 언급한 바와 같이, 이러한 직렬 커패서티브(capacitive) 배열(array)에 밸런싱 디바이스를 제공하는 시도가 있었다. 상기 밸런싱 디바이스는, 예를 들면 (어느 정도까지는) 주어진 모멘트에서, 상기 모듈의 평균보다 더 높은 전압에 있는 어떠한 커패시터를 방전시키는, 단순한 알고리즘을 따를 수 있다. 실제적인 결과는, 평균 이하(lower-than-average) 커패시턴스를 갖는 특정 커패시터에 대해, 그것이 높은 전압에 있는 경우 방전될 것이고, 이와 같이 평균 이상(higher-than-average) 커패시턴스를 갖는 특정 커패시터는 그것이 낮은 전압에 있는 경우 방전된다는 것이다. 이로 인해 불필요한 에너지 소모가 야기된다.

지금까지 시도된 다른 접근 방법으로는, 단순히 모듈을 충전시키는 회로 요소(circuitry)에 의해 모듈에 인가되는 전압을 제어(또는 제한)하는 방법이다. 관련되었지만 다소 거리가 있는 접근으로는, 이와 같이 모듈을 충전시키는 회로 요소를 이용하여 모듈로 인가되는 전하량을 단순히 제어(또는 제한)하는 방법이다. 이러한 두 가지 접근 방법은 상기 모듈의 모든 울트라커패시터들에게 영향을 주게 되고, 상기 모듈 내의 셀들의 비-동일(non-identical) 특성들에 대해서는 고려하지 않은 것이다.

본 발명에 따른 시스템의 예시적인 실시예에 따르면, 모듈 내 또는 시스템 내의 모듈, 또는 두 경우 모두의 울트라커패시터의 모니터링 및/또는 밸런싱을 위한 프로그램을 실행하는 마이크로컨트롤러와 같은 디지털 제어 및/또는 명령 수단을 포함하는 전자 보드(electronic board)가 제공된다. 이하 논의 되는 방식으로 동작되는 전자 장비(electronics)는, 각 울트라커패시터의 단자(terminals)에서 전압 제어에 더 적합하고, 컨버터(converter)에 의한 울트라커패시터의 전압 부하를 올리고 내리는 원리보다는 특정 울트라커패시터 환경에 기반한 엔드오브차지(end-of-charge) 프로토콜을 구현하도록 해 준다. 더우기, 마이크로컨트롤러는 아날로그 획득(acquisition), 울트라커패시터들의 능동(active) 밸런싱, 직렬 또는 병렬로 위치하는 다른 모듈들과의 통신, 결함(defect) 기억(memorizing), 또는 통계치 생성을 가능하게 하는 동작 데이터 기억을 가능하게 한다.

실시예에 따르면, 전자 보드는 상기 모듈에 포함된 다수의 울트라커패시터들 중 적어도 하나의 그룹으로부터 시작되는(originating) 신호들의 아날로그 포메팅을 위한 몇 개의 수단을 포함한다. 이러한 전제는 울트라커패시터들로부터 시작되어 전자 보드의 다른 콤포넌트로 향하는 신호를 수용하도록 하고, 이들은 사용될 수 있다. 장점이 될 수 있도록, 울트러커패시터들은 다른 그룹의 울트라커패시터들에 대해 교대로(alternately) 정렬된 각 울트라커패시터를 포함하는 그룹을 형성한다.

밸런싱을 달성하기 위한 한 가지 방법은 수동(passive) 밸런싱 수단을 사용하는 것이다. 상기 모듈의 이러한 수동 밸런싱 수단은 모듈의 울트라커패시트 각각과 병렬로(in parallel) 연결된 저항(resistor)을 포함한다. 이러한 제안(provision)을 통해, 밸런싱 수단은 최대 전압 동안 울트라커패시터들의 단자(terminal)에서 일어나는 최대 전압 디스패리티(disparities)를 줄이도록 하고, 상기 전자 보드가 더 이상 동작을 할 수 없는 매우 낮은 전압에서도 밸런싱 수단이 유지되도록 한다.

밸런싱을 달성하기 위한 또 다른 방법은 능동(active) 밸런싱 수단을 사용하는 것이다. 이러한 능동 밸런싱 수단은 각 커패시터의 단자에서 전압이 너무 높은 경우 스스로 전압 충전을 줄이도록 동작한다. 예시적인 실시예에서, 저항과 같은 소모성(dissipative) 장비가 트랜지스터와 같은 능동 스위치와 직렬로 배치되고, 상기 모듈의 울트라커패시터들 각각과 병렬로 배치된다. 이때, 마이크로컨트롤러는 각 트랜지스터의 개폐를 제어한다. 트랜지스터는 전력(power) 트랜지스터일 수 있고, 일례로 NPN형의 바이폴라(bipolar) 트랜지스터일 수 있다. 밸런싱 전자기기(electronics)는 상기 전자기기에 전력을 공급하는 내부 서플라이를 포함하여 상기 모듈의 울트라커패시터들로부터 전력을 인출(draw)한다.

만일 각 모듈이 각자의 밸런싱 전자기기를 구비하고 있다면, 몇 개의 모듈들이 관련된 상황에서, 각 밸런싱 전자기기들은, 바람직하게는 옵토커플러(optocoupler)와 같은 갈배닉(galvanic) 아이솔레이션을 구비한 통신 인터페이스를 구비하고, 다른 모듈들에 대한 모니터링 및 밸런싱을 제공하는 다른 밸런싱 전자기기들과의 통신을 가능하게 한다. 후술하는 바와 같이, 각 밸런싱 전자기기들은 바람직하게 비휘발성(nonvolatile) 데이터 저장수단을 구비하고, 울트라커패시터 및 모듈의 서비스 수명 동안 모니터링이 가능하도록 한다.

주어진 모듈 내에서, 상기 모듈의 충전 기간 동안, 밸런싱 전자기기의 마이크로컨트롤러는 고전압에서 계산된 모듈의 전압 평균 보다 더 큰 전압을 갖는 작은 커패시티(capacity) 울트라커패시터의 방전(discharge)을 제어한다.

어떤 커패시터가 더 작은 커패시티를 갖는지 알기 위해, 몇몇 알고리즘 중 하나가 사용될 수 있다. 하나의 알고리즘을 가지고, 커패시터의 단자(terminals)에서의 전압 진폭이 0.5V에서 1V 사이에 있는 쓰레쉬홀드(threshold) 보다 더 큰 값을 갖는지를 측정한다. 이 제안은 더이상 적절하게 충전하지 않는 울트라커패시터를 보유한 불운한 오류(faulty) 모듈을 탐지하도록 해 준다.

예시적인 실시예에서, 각 커패시터는 근방에 제어 전자기기에 연결된 써미스터(thermistor)를 구비한다. 다른 예시적인 실시예에서, 각 모듈은 근방에 개별(respective) 제어 전자기기에 연결된 써미스터를 구비한다.

직렬 모듈들 내의 커패시터들의 수명을 최대화한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 직렬로 연결된 다수의 커패시터들을 구비하는 모듈 - 상기 커패시터들 중 어느 하나는 k번째 커패시터로 정의됨 -; 10Hz와 100Hz 사이에서 커패시터에서의 전압을 샘플링하는 수단 - 상기 전압의 진폭(amplitude)은 커패시터 별로 미리 정의된(predetermined) 쓰레쉬홀드(threshold)를 넘도록 변동함 -; 및 상기 샘플링이 수행되는 경우 시간 구간 △t_i 동안 상기 모듈의 k번째 커페시터에 대한 △v_i 및 상기 전체 모듈에 대한 △v_i를 평가(evaluating)하는 수단을 포함하고, 상기 모듈의 상기 k번째 커패시터의 상기 △v_i와 상기 전체 모듈에 대한 △v_i의 비율(ratio)로 상기 k번째 커패시터의 측정된(measured) 상대 커패시티(relative capacity)가 정의되는 장치가 개시된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 직렬로 연결된 다수의 커패시터를 구비하되, 상기 커패시터들 중 하나가 k번째 커패시터로 정의되는 모듈을 포함하는 장치를 사용하는 방법에 있어서, 10Hz와 100Hz 사이에서 커패시터에서의 전압의 샘플링을 수행하는 단계 - 상기 전압의 진폭(amplitude)은 커패시터 별로 미리 정의된(predetermined) 쓰레쉬홀드(threshold)를 넘도록 변동함 -; 상기 샘플링이 수행되는 경우 시간 구간 △t_i 동안, 상기 모듈의 k번째 커페시터에 대한 △v_i 및 상기 전체 모듈에 대한 △v_i를 평가(evaluating)하는 단계; 및 상기 모듈의 상기 k번째 커패시터에 대한 상기 △v_i와 상기 전체 모듈에 대한 △v_i의 비율(ratio)을 계산하고, 이를 통해 상기 k번째 커패시터의 측정된(measured) 상대 커패시티(relative capacity)를 정의하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.

직렬 모듈들 내의 커패시터들의 수명을 최대화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일반적인 의미에서의 모니터링 및 밸런싱 디바이스의 서로 다른 부품들의 배선(wiring) 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 디바이스에 대해 울트라커패시터에서 생성된 신호의 아날로그 컨디셔닝을 상술하는 도면이다.
도 3은 도 1의 디바이스에서의 능동 밸런싱을 상술하는 도면이다.
도 4는 울트라커패시터의 충전 및 방전을 제어하는 기반이 되는 마이크로컨트롤러에서의 알고리즘의 하나를 설명하는 그래프이다.
도 5는 울트라커패시터의 충전 및 방전을 제어하는 기반이 되는 마이크로컨트롤러에서의 알고리즘의 다른 하나를 설명하는 그래프이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 가능한 경우, 동일한 참조번호는 도면들 중에서 동일한 요소를 나타내도록 선정되었다.

도 1에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 다수의 울트라커패시터(3)를 포함하는 모듈(4)을 모니터링하고 밸런싱하는 디바이스(1)는 전자 보드(2)(도면에서 점선으로 표시됨)를 포함한다.

전자 보드(2)는, 모듈(4)의 울트라커패시터(3)들로부터 직접 공급 전력(supply power)을 받아 전자 보드(2)의 다른 콤포넌트들의 동작에 필요한 전력 공급을 제공하는 내부 서플라이(6)로부터 전력을 공급받는, 마이크로컨트롤러(5)를 포함한다

전자 보드(2)는 마이크로컨트롤러(5)에 연결된 데이터 저장 수단(9)을 더 포함한다.

전자 보드(2)에 연결된 써미스터(7)는 모듈(4)의 온도를 모니터링하기 위해 모듈(4)의 근방에 배열된다. 써미스터(7)에서 생성된 신호는 포메팅되고, 마이크로컨트롤러(5)의 AN2 입력(아날로그 입력)으로 연결된다.

전자 보드(2)는 특이한 기능을 갖는 몇 개의 파트들을 포함한다:

● 모듈(4)의 울트라커패시터(3)들 각각으로부터 생성된 신호의 멀티플렉싱 및 아날로그 포메팅을 수행하는 제1 파트(10)

● 울트라커패시터(3)들의 수동 밸런싱을 수행하는 제2 파트(20)

● 울트라커패시터(3)들의 능동 밸런싱을 수행하는 제3 파트(30)

제1 파트(10)

제1 파트(10)은 도 2에 상세히 도시되어 있다. 제1 파트(10)는 각 울트라커패시터(3)에서 생성된 신호들의 포메팅을 하는데, 후술하는 바와 같이 이를 통해 각 단자(terminal)에서의 전압을 측정한다.

설명을 간략하게 하기 위해, 짝수(even)의 커패시터(3)를 가정하고, 커패시터의 직렬 스트링(string) 상에서 그들을 "홀수(odd)" 및 "짝수(even)"로 지칭한다.

모듈(4)의 모든 짝수 개의 울트라커패시터(3)으로 구성된 울트라커패시터(3)들의 제1 그룹(11)으로 시작하여, 제1 그룹(11)의 제1 울트라커패시터(3)의 저항(RP1)과 직렬인 트랜지스터(QP1)은 제1 그룹(11)의 울트라커패시터(3)들의 트랜지스터(QP_2K) 및 저항(RP_2K)의 전체 어셈블리와 같은, "짝수"로 참조되는 측정 라인(101) 방향으로 놓인다.

유사하게, 모듈(4)의 모든 홀수 개의 울트라커패시터(3)으로 구성된 울트라커패시터(3)들의 제2 그룹(12)으로 시작하여, 제2 그룹(12)의 제1 울트라커패시터(3)의 저항(RI1)과 직렬인 트랜지스터(QI1)은 제2 그룹(12)의 울트라커패시터(3)들의 트랜지스터(QI_2K+1) 및 저항(RI_2K+1)의 전체 어셈블리와 같은, "홀수"로 참조되는 측정 라인(102) 방향으로 놓인다.

"짝수" 및 "홀수" 측정 라인들(101 및 102)은, 짝수 및 홀수 각각 울트라커패시터(3)들의 단자들에서의 전압으로 표시되고(representative), 트랜지스터(QP2 및 QI2)들은 한편으로는 매스(mass)와의 전압을 차동(differential) 측정하도록 하기 위해, 다른 한편으로는 트랜지스터(QP1 및 QI1)들과 각각 통신하기 위해 배열된다.

트랜지스터(QP2 및 QI2)들의 베이스(base)는 마이크로컨트롤러(5)와 연결되고, 이를 통해 각 울트라커패시터(3)의 단자들에서의 전압 측정을 제어한다.

"짝수" 및 "홀수" 측정 라인에서 생성된 각 전압은, 각각 비율 R1/RP1 및 R2/R11에 비례하는 증폭 비율(amplification ratio)을 갖는 반전(inverting) 증폭기로서 마운트된(mounted) 연산(operational) 증폭기에 의해 각각 버퍼링된다.

연산 증폭기(A1)의 출력은 제1 아날로그 멀티플렉서(M1)의 입력(S1) 및 제2 아날로그 멀티플렉서(M2)의 입력(S2)으로 연결된다. 유사하게, 연산 증폭기(A2)의 출력은 제1 아날로그 멀티플렉서(M1)의 입력(S2) 및 제2 아날로그 멀티플렉서(M2)의 입력(S1)으로 연결된다. 각 멀티플렉서(M1, M2)는 다른 멀티플렉서(M1, M2)의 입력(C)와 연결된 입력(C)를 구비한다. 이러한 2개의 입력(C)은 로직 출력 신호(I/O)를 통하여 증폭기(A1, A2)의 다수의 출력 전압의 반전(reversal) 중 선택하는 마이크로컨트롤러(5)의 출력과 연결된다. 따라서, 2개의 아날로그 멀티플렉서(M1, M2)의 입력(C)에서 로직 신호가 0과 동일한 경우, 아날로그 멀티플렉서(M2)의 출력 신호(D)는 출력 신호(A1)과 동일하고, 반면에 아날로그 멀티플렉서(M2)의 출력 신호(D)는 출력 신호(A2)와 동일하다. 역으로, 2개의 아날로그 멀티플렉서(M1, M2)의 입력(C)에서 로직 신호가 1과 동일한 경우,아날로그 멀티플렉서(M1)의 출력 신호(D)는 출력 신호(A2)와 동일하고, 반면에 아날로그 멀티플렉서(M2)의 출력 신호(D)는 출력 신호(A1)과 동일하다.

2개의 아날로그 멀티플렉서(M1, M2)의 이러한 2개의 출력 신호(D)는 감산기(subtractor)로 구현된 연산 증폭기(A3)에 의해 비교된다. 이러한 감산기의 출력 전압은 아날로그 멀티플렉서(M1)에서 생성된 신호와 아날로그 멀티플렉서(M2)에서 생성된 신호의 차에 비례한다.

이러한 출력 전압은 시간 t에서 "짝수" 울트라커패시터(3)과 "홀수" 울트라커패시터(3) 간에 존재하는 울트라커패시터(3)의 단자에서의 전압 차를 나타낸다. 이 전압은, 마이크로컨트롤러(5)의 입력(AN1)으로 디지타이즈된(digitized) 신호를 송신하는 A/D 컨버터로 전송된다.

이러한 디지털 신호의 값들은 저장 수단(9)에 저장될 수 있고, 향후 울트라커패시터(3)의 2개의 그룹에 대한 충전 전압 스윙(swings)에 대한 n 통계값 생성에 이용될 수 있다.

울트라커패시터들에 대한 전압 측정은 수백 볼트(the hundredth of a volt) 근처의 레벨에 이를 수도 있으나, 콤포넌트(A1, A2, A3, M1, 및 M2)는 결과적으로 ±5에서 ±15V 사이의 전압을 공급 받는다. 따라서, 감쇄 비율(attenuation ratio) R1/RP1 및 R2/RI1은 동작 구역(operational zone) 내에 머물도록 선택된다. 증폭 비율(amplification ratio) R5/R3 및 R6/R4는 연산 증폭기(A3)의 출력에서 울트라커패시터(3)의 측정 스케일(measuring scale)로 회복(reinstate)된다.

제2 파트(20)

제2 파트(20)은 저항(RPK)을 각 울트라커패시터(3)에 대해 병렬로 배치되어 구성된다. 이 저항은 매우 높은 저항값(resistence)으로 선택되고, 이로 인해 울트라커패시터(3)는 이 저항(RPK)를 통해 매우 느리게 방전된다. 이러한 방식으로, 커패시터(3)이 "런다운(run down)" 되더라도, 다시 말해 전자 기기(electronics)(10,30)에 전력을 줄 만큼 충분한 전압을 전달하지 못하더라도, 여전히 어느 정도의 밸런싱이 수행될 수 있다.

제3 파트(30)

제3 파트(30)는 도 3에 상세히 설명되어 있다. 이 파트는 저항(R_K1)에 의한 울트라커패시터(3)의 방전 원리에 기초하여, 울트라커패시터(SC_K)(3)저항(RPK)을 각 울트라커패시터(3)에 대해 병렬로 배치되어 구성된다. 예시적인 실시예에서, 저항(R_K1)은 5Ω 값을 갖고, 울트라커패시터(3)과 병렬로 연결되어 스위치로 구성된 NPN 형의 전력 트랜지스터(Q_K1)에 의해 스위칭된다.

트랜지스터(Q_K1)의 제어를 위한 베이스 전류는 또 다른 트랜지스터(Q_K2)에 의해 결정된 울트라커패시터(3)으로부터 직접 인가되고, 트랜지스터(Q_K2)는 마이크로컨트롤러(5)에서 생성된 디지털 출력 전압(V_CK)에 의해 제어되는 제3 트랜지스터(Q_K3)에 의해 제어된다.

마이크로컨트롤러(5)에서 생성(originate)된 명령(command)은 Q_K3 및 R_K5에 의해 제어되는 전류(I_CK)로 변환된다. 이 전류(I_CK)는 작은 값을 갖고, 이에 따라 능동 밸런싱에서 야기되는 방전에 의해 영향 받지 않아야 되는 울트라커패시터(3)과 간섭을 일으키지 않는다.

따라서, 각 울트라커패시터(3)는 마이크로컨트롤러(5)에서 유입되는 로직 신호(V_CK) 전송의 결과로서, 저항(RK1)과 션트(shunted) 되어 개별적으로 방전될 수 있다.

이러한 방법으로, 동일 모듈의 다른 울트라커패시터(3)의 전압 보다 더 큰 전압을 갖는 울트라커패시터(3)의 충전 전압은 내부 모듈(intra-module) 밸런싱을 수행하기 위해 방전될 수 있다.

통상적으로 다양한 직렬, 병렬, 또는 직/병렬 연결에서, 하나의 모듈이 아니라 다수 개의 모듈이 존재한다. 모듈(4)의 마이크로컨트롤러(5)는 모듈 간 통신의 갈배닉(galvanic) 아이솔레이션(isolation)을 가능하게 하는 옵토커플러(optocoupler)(8)에 의해, 모듈(4)와 직렬 또는 병렬로 연결된 또 다른 모듈과 통신한다.

마이크로컨트롤러(5)는 통신을 하는 인접(adjacent) 모듈의 단자들에서의 전압을 고려하여, 인접 모듈의 전압과 비교함으로써 모듈(4)의 단자에서 전압을 밸런싱한다.

또 다른 모듈의 단자들에서 측정된 낮은 충전 전압은 모듈(4)의 전자 보드(2)의 마이크로컨트롤러(5)의 명령에 의해 모듈(4)의 단자들에서의 충전 전압을 낮추게 된다. 이러한 방식으로, 모듈(4)의 울트라커패시터(3)들의 직렬 스트링의 전압은 모듈 간(inter-module) 밸런싱을 수행하기 위해 낮춰 질 수 있다.

이에 따라, 모듈(4) 내의 울트라커패시터(3)들 각각의 밸런싱과 함께, 모듈들 간의 밸런싱이 가능하다.

전형적인 모듈들은 직렬로 연결된 6부터 32까지의 울트라커패시터(3) 중 어느 부분의 스트링도 포함할 수 있다.

상대 커패시턴스(relative capacitance) 측정

상술한 바와 같이, 디바이스(1)는 어떤 커패시터가 낮은 커패시턴스를 갖는지, 어떤 커패시터가 큰 커패시터를 갖는지를 트랙킹(track) 하고, 낮은 커패시턴스를 갖는 커패시터들만 방전시키는데, 이러한 커패시터들이 높은 전압에 있을 때(또는 근접할 때)만 수행한다. 이는 모듈이 전압 충전/방전 사이클에 있는지 여부와 독립적으로 수행된다. 따라서, 소비되는(dissipated) 에너지는 밸런싱을 수행하는 것이 강하게 요구되는 경우와 대비하여 그 이하(no greater than)가 된다.

그러나, 눈치 빠른 독자라면, 이러한 종류의 밸런싱에서, 셀(cell)들의 직렬 스트링 내의 다른 이웃(neighbor)들과 대비하여 모듈(4)의 울트라커패시터(3)들 각각의 상대 커패시턴스를 아는 것이 필요하다는 것을 이해할 것이다.

2가지의 구별되는 알고리즘이 설명될 것이다. 이 방법들은 상대 커패시턴스를 알아내는데 도움이 될 것이다.

제1 알고리즘.

각 셀들의 상대 커패시턴스를 추정하는 제1 알고리즘은 다양한 시간에서 울트라커패시터(3) 각각의 단자들에서 전압을 분석하는 것에 기반한다.

도 4에는 충전 및 방전 사이클(종종 라이프 사이클이라고 불림)의 시간 대비 모듈(4)의 단자들에서 측정된 전압(수직 축 상에 V_MODULE로 표시)이 도시되어 있고, 수평 축 상에 시간 흐름이 표시되어 있다.

모듈(4)의 전압은 10Hz 및 100Hz 사이의 주파수에서 획득된다. 이는 초 당 10번에서 초당 100번 사이에서 샘플링이 수행됨을 의미한다.

이러한 샘플링이 되면, △V_i 및 기울기 △V_i/△t_i가 계산된다. 이 비율이 양의 값(positive)인 경우, 모듈(4)는 충전되고 있음을, 이 비율이 음의 값(negative)인 경우 모듈(4)는 방전되고 있음을 의미한다.

충전 또는 방전 사이클은 커패시티(capacity) 측정에 대해 아래의 경우 또는 아래의 경우에만 유효하다:

● △V_i/△t_i < RI, RI는 모듈(4)의 전체 커패시티로부터 계산되는 상수(constant)이고, 신뢰있는(reliable) 측정을 하는데 충분히 낮은 전류 레벨과 대응한다.

● 사이클의 전압 진폭은 울트라커패시터(3) 당 0.5 및 1V 사이의 쓰레쉬홀드보다 더 크다.

이러한 조건 하에서, 특정 모듈(4)의 각 울트라커패시터(3)의 상대 커패시티는 아래의 공식에 의해 계산된다.

측정된 상대 커패시턴스를 이용하는(drawing on) 제2 알고리즘

본 발명의 또 다른 실시예에서, 각 커패시터에서의 전압 측정에 의해 각 커패시터의 개별 상대 커패시턴스에 대한 추정(estimate)에 도달할 수 있다. 직렬 모듈 내의 제1 커패시터는 직렬 모듈 내의 제2 커패시터의 추정된 상대 커패시턴스보다 더 작은 추정된 상대 커패시턴스를 갖는 것으로 식별될 수 있다. 제1 커패시터는 제2 커패시터의 개별 충전 레벨보다 더 낮은 개별 충전 레벨로 충전되게 된다. 더 작은 커패시턴스 커패시터의 서비스 수명은 이에 따라 연장될 수 있다. 본 명세서의 다른 예시들에서와 같이, 상기 커패시터들은 울트라커패시터일 수 있다.

제1 커패시터가 제2 커패시터의 개별 충전 레벨 보다 더 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 한 가지 방법으로, 몇(some) 주기(duration) 동안 제1 커패시터에 저항을 연결할 수 있고, 이로 인해 제1 커패시터의 충전을 줄일 수 있다.

각 커패시터의 개별 상대 커패시티(capacity)를 어떻게 추정할 수 있는지 설명하는 것이 도움이 되겠다. 예시적인 단계 시퀀스(sequence)에서, 커패시터들 각각에서 전압 측정을 하여 수행될 수 있고, 특히 다수의(a multiplicity of) 상대 커패시티 측정 및 상기 상대 커패시티 측정을 평균화하여 수행될 수 있다.

상대 커패시티 측정은 다음의 단계를 통해 수행될 수 있다.

상기 모듈을 관통하는(passing through) 상기 전류가 제1 선정(predetermined) 쓰레쉬홀드(threshold) 보다 작은 값인 제1 시간에, 상기 각각의 커패시터들에서의 상기 개별 전압을 측정하여 상기 직렬 모듈을 가로지르는(across) 전압을 나타내는(representing) 상기 전압의 합(sum)을 정의하는(define) 단계;

상기 모듈을 통과한 상기 전류가 상기 제1 선정 쓰레쉬홀드를 초과했다가 상기 제1 선정 쓰레쉬홀드보다 작은 값으로 떨어진 이후인 제2 시간에, 상기 각각의 커패시터들에서의 상기 개별 전압을 다시 측정하여, 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압을 나타내는 상기 전압의 총합을 다시 정의하는 단계;

각 커패시터에 대해, 상기 제1 시간에서의 상기 개별 전압과 상기 제2 시간에서의 상기 개별 전압의 차이로 개별(respective) 전압 변동(change)을 정의하는 단계;

상기 직렬 어레이에 대해, 상기 제1 시간에서 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압과 상기 제2 시간에서 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압의 차이로 상기 직렬 모듈에 대한 개별 전압 변동을 정의하는 단계; 및

각 커패시터에 대해, 이들의 개별 전압 변동의 상기 직렬 모듈 내의 상기 전압 변동에 대한 비율로 상기 각 상대 커패시티 측정을 정의하는 단계

전압 측정이 수행되는 동안, 제1 커패시터가 제2 커패시터의 개별 충전 레벨 보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 활동(activity)이 수행되는 것을 회피하는 것이 바람직한 것으로 여겨진다. 다르게 설명하면, 제 커패시터가 제2 커패시터의 개별 충전 레벨 보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 단계가 수행되는 때에는 전압 측정을 수행하는 것을 회피하는 것이 바람직한 것으로 여겨진다. 더 쉽게 설명하면, 밸런싱이 수행될 때 샘플링을 하지 않는 것이 좋고, 또는 샘플링이 수행될 때는 밸런싱을 수행하지 않는 것이 좋다.

어떠한 이유로 상기 직렬 어레이를 흐르는 전류가 상대적으로 작을 때 전압 측정이 수행되는지를 설명하는 것이 도움이 될 것이다. 직관적으로, 커패시터 각각은 내부 저항을 갖는다. 전압 측정 시에 전류가 높다면, 내부 저항 단의 IR 드롭(drop)으로 인해 전압 판독이 어렵다(throw off). 따라서, 전류가 상대적으로 작을 때 전압 측정을 수행하는 것이 바람직하게 여겨진다.

이러한 알고리즘에 관한 한, 전압 측정을 할 수 있는 한 가지 방법으로, 멀티플렉서(multiplexer)(도 1의 박스 10 내 몇 회로들의 역할)를 각 커패시터 하나하나 씩을 도 2에 도시된 것과 같은 아날로그 회로로 선택적으로 연결하는데 이용할 수 있고, 도 2에 도시된 아날로그 회로는 차례로(in turn) 도 1의 아날로그-디지털(analog-to-digital) 입력(AN1)으로 통한다(pass).

도 5로 돌아가면, 이 알고리즘은 그림으로 설명될 수 있다.

상단 수직 축(vertical axis)은 전체 모듈을 가로지르는(across) 전압(커패시터의 직렬 스트링을 가로지르는 전압)을 묘사한다.

하부 수직 축은 충전 또는 방전 중 모듈을 통과하는 전류를 묘사한다.

수평 축(horizontal axis)은 시간의 흐름, 충전 구간(interval) 및 그 후의 방전 구간을 묘사한다.

상당한 범위(considerable range)에 걸쳐 저장된 충전(stored charge)에 대해 선형적인 관계의 전압을 갖는 커패시터 내의 스토리지(storage)로 인해, 하부 커브(전류)는 대략 상위 커브(전압)의 제1 시간 도함수(derivative)이다. 다시 말하면, 상위 커브(전압)는 하부 커브(전류)에 대해 거의 적분 또는 커브 아래 영역 넓이(area)이다.

하부 수직 축 상에는, 상대적으로 작은, 0 전류에 거의 가까운, 전류에 대한 선정된 쓰레쉬홀드가 도시되어 있다 이러한 구간은 위에서 언급한 상황, 다시 말하면 커패시터 내 IR 드롭이 상대적으로 적을 때 전압 판독을 수행하는 것이 바람직한 것과 관련된다.

상부 커브에서 원형으로 표시된 구역(명확하게 보이기 위해 확대하였음)은, 모듈을 흐르는 전류가 상대적으로 작을 때(하부 커부에 도시된 것과 같이) 측정된 델타(delta)-V 측정을 도시한다. 이러한 델타-V 값(시간 구간 델타-t에 걸쳐)은 셀들의 직렬 어레이 내의 특정 셀에 대해 측정된다. 중요하게, 바로 이전 또는 이후, 또는 이전 이후 모두, 유사한 델타-V 값이 셀들의 직렬 어레이 내의 다른 셀들에 대해 측정된다. 이러한 델타-V 값들은 전체 직렬 어레이에 걸쳐 전체 전압에 도달하도록 합산된다.

예시적인 장치에서, 각 셀 전압 측정은 150 마이크로초 소요된다. 예를 들어 전형적인 18 셀의 직렬 스트링에 대해서, 대략 3 밀리초 이내에 19번의 측정이 수행된다는 것이다.

상대 커패시턴스 측정은 더 자세히 논의될 것이다. 본질을 명확히 하기 위해, 계산(calculation)은 모듈의 단자에서의, 셀 전압과 비교된 전압 변동(variation)에 기초한다.

모듈 내의 셀 n에 대해, 예로서 모듈 내 17개의 cell을 가정하면, 상대 커패시턴스 Cn(셀 모두의 평균 커패시턴스의 퍼센티지로 표현됨)은,

C_n[%] = △(V_module / 17) / △V_n

여기에서, V_module은 모듈의 단자에서의 전압을, V_n은 셀 n의 셀 전압을 의미한다.

유효한 전압 측정을 얻기 위해, 우리는 다음의 기준을 적용한다:

△V_module > 0.5V * 17 = 8.5V

│I_module│ < 7A

제1 기준은 각 셀은 적어도 0.5V 만큼 자신의 전압을 변동시킬 것이라는 목표에 의해 착상된다. 다시, 모듈 당 17개의 셀을 가정하면, 모듈에 대한 △V는 8.5V를 초과했음을 의미한다.

제2 기준은 전압 샘플링 시에 모듈을 지나는 전류(절대값)는 7A를 넘지 않을 것이라는 목표에 의해 착상된다.

각 커패시터의 커패시턴스가 178 패럿(Farad)이고, 시간 구간 △t가 1초인 경우를 가정하면, 전류 측정은 7A 보다 작은데 이는 △V_module < 40mV 임을 의미한다.

상대 커패시턴스 계산의 입력 중 하나는 스트링을 가로지르는 전체 전압일 수 있다. 이는 장치가 전체 스트링을 가로지르는 전체 전압을 측정하기 위한 몇 수단들을 포함하여야 되는지에 대한 의문을 낳는다. 전체 스트링을 가로지르는 전압을 독립적으로 측정하는 장치가 셋업되는 것도 가능하지만, 전체 스트링을 가로지르는 전압에 이를 수 있도록 개별 셀들을 거쳐 전압들을 단순히 합산하는 것이 더 적합할 것이다.

스트링 내의 커패시터들 각각의 상대 커패시턴스에 대한 알고리즘이 기재된다. 이것(단순한 상대 커패시턴스)은 어떤 커패시터가 "블리드(bleed)" 하는지를 선택하도록 허락하여 너무 높은 전압으로 충전되는 위험을 줄이는 것으로도 충분할 것이다. 몇 장치에서, 정확한 전류 측정, 스트링을 통과하는 전류를 측정하는 것이 가능할 수 있다. 그렇다면, 쿨로메트리(coulometry)도 가능할 것이다. 이는, 정확한 전압 측정과 함께, 스트링 내의 다양한 커패시터들의 실제(또는 절대) 커패시턴스를 측정하거나, 적어도 추정하는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 마찬가지로, 어떤 커패시터가 "블리드"하는지 선택하도록 하여 너무 높은 전압으로 충전되는 위험을 낮추도록 하는데 절대 커패시턴스가 채용될 수 있다. 이것이 수행된다면, 2개의 절대 커패시턴스의 상대 값들이 상대 커패시턴스를 제공한다고 이해될 수 있고, 상술한 프로시져들은 필요 부분만 다소 수정하여(mutatis mutandis) 수행될 수 있으며, 이에 따라 특정 커패시터들에 대한 수명 연장 이득을 제공할 수 있게 된다.

여전히, 신뢰성 있는 전류 센서가 모듈에 적용 가능하다면, 모듈의 수명을 연장하기 위한 또 다른 접근법이 가능하다. 이러한 접근 법은 모듈을 흐르는 높은 전류가 모듈의 서비스 수명을 열화시킬 수 있다는 것을 가정한 서비스-수명 모델을 이용(draw upon)한다. 이러한 모델을 가정하면, 이러한 보호(protective) 단계는, 가능한한 높은 전류(몇 쓰레쉬홀드를 초과하는 전류)가 탐지된 순간들마다 모듈(커패시터들의 직렬 스트링)을 가로지르는 전압을 낮추거나 제한하는 것이다.

이러한 접근법의 더 복잡한 변종은 전류 및 전압 공간(space)을 정의하고, 전류와 전압의 특정 조합들 중 어느 하나가 출현하는 경우 모듈을 가로지르는 전압을 낮추거나 제한하는 방법이다.

온도 측정 및 셀들의 수명 연장

본 발명의 또 다른 실시예에서, 직렬 모듈 내의 각 커패시터들의 온도가 측정된다. 직렬 모듈 내의 제1 커패시터는 직렬 모듈 내의 제2 커패시터 보다 높은 온도를 갖는 것으로 식별된다. 제1 커패시터는 제2 커패시터의 개별 전압 보다 낮은 개별 전압으로 충전되게 된다. 상술한 바와 같이, 이러한 작업을 하는 한 가지 방법은 제1 커패시터에 몇 주기(duration) 동안 저항을 연결하는 것이고, 이를 통해 제1 커패시터의 전압을 줄일 수 있다. 관련하여 다른 예로서, 커패시터는 울트라커패시터일 수 있다. 더 따뜻한(warmer) 커패시터의 서비스 수명은 이로 인해 연장될 것으로 기대된다.

이러한 접근 방법의 다양한 변종은 커패시터로 구성된 다수의 직렬 모듈들 - 각 모듈은 개별 온도를 갖음 - 에 적용된다. 각 모듈의 온도는 측정된다. 제1 모듈은 제2 모듈 보다 높은 온도를 갖는 것으로 식별된다. 제1 모듈은 제2 모듈의 개별 전압 보다 낮은 개별 전압으로 충전되게 된다. 이는 제1 모듈에 몇 주기(duration) 동안 저항을 연결하는 것이고, 이를 통해 제1 모듈의 전압을 줄일 수 있다. 더욱 우아하게는, 제1 모듈에 제2 모듈보다 더 작은 충전 전류를 인가하거나, 제1 모듈에 제2 모듈로의 충전 전류의 인가 주기보다 더 짧은 주기로 충전 전류를 인가하는 방법으로 수행될 수 있다. 다른 실시예들과 마찬가지로, 커패시터는 울트라커패시터일 수 있다. 더 따뜻한(warmer) 모듈의 서비스 수명은 이로 인해 연장될 것으로 기대된다.

본 명세서를 본 눈치빠른 독자라면, 본 발명의 무수히 자명한 개선 사항 및 변경은 어렵지 않을 것이고, 이러한 모든 것은 특허청구범위에 기재된 청구항의 범위에 속한다.

2: 전자 보드
3: 울트라커패시터
10: 제1 파트
20: 제2 파트
30: 제3 파트

Claims (43)

1. 커패시터들의 직렬 모듈을 모니터링하고 밸런싱하는 장치에 있어서,
   - 상기 커패시터들의 모듈 중 어느 하나는 k번째 커패시터로 정의됨 -;
   10Hz와 100Hz 사이에서 커패시터에서의 전압을 샘플링하는 수단 - 상기 전압의 진폭(amplitude)은 커패시터 별로 선정된(predetermined) 쓰레쉬홀드(threshold)를 넘도록 변동함 -; 및
   상기 샘플링이 수행되는 경우 시간 구간 △t_i 동안 상기 모듈의 k번째 커패시터에 대한 △v_i 및 상기 전체 모듈에 대한 △v_i를 평가(evaluating)하는 수단
   을 포함하고,
   상기 모듈의 상기 k번째 커패시터의 상기 △v_i와 상기 전체 모듈에 대한 △v_i의 비율(ratio)로 상기 k번째 커패시터의 측정된(measured) 상대 커패시티(relative capacity)가 정의되고,
   상기 커패시터들 각각에 대해 개별적으로 측정된 상대 커패시티의 함수(function)로 상기 모듈의 상기 커패시터들 중 특정한 하나 이상의 커패시터를 선택적으로 방전시키는 수단
   을 포함하는 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 선정된 쓰레쉬홀드는 0.5V에서 1V 범위 내의 값인 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 커패시터들은 울트라커패시터(ultracapacitors)인 장치.
   
4. 직렬로 연결된 다수의 커패시터를 구비하되, 상기 커패시터들 중 하나가 k번째 커패시터로 정의되는 모듈을 포함하는 장치를 사용하여 커패시터들의 직렬 모듈을 모니터링하고 밸런싱 하는 방법에 있어서,
   10Hz와 100Hz 사이에서 커패시터에서의 전압의 샘플링을 수행하는 단계 - 상기 전압의 진폭(amplitude)은 커패시터 별로 선정된(predetermined) 쓰레쉬홀드(threshold)를 넘도록 변동함 -;
   상기 샘플링이 수행되는 경우 시간 구간 △t_i 동안, 상기 모듈의 k번째 커패시터에 대한 △v_i 및 상기 전체 모듈에 대한 △v_i를 평가(evaluating)하는 단계; 및
   상기 모듈의 상기 k번째 커패시터에 대한 상기 △v_i와 상기 전체 모듈에 대한 △v_i의 비율(ratio)을 계산하고, 이를 통해 상기 k번째 커패시터의 측정된(measured) 상대 커패시티(relative capacity)를 정의하는 단계
   를 포함하는 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 선정된 쓰레쉬홀드는 0.5V에서 1V 범위 내의 값인 방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 커패시터들 각각에 대해 측정된 개별 상대 커패시티의 함수(function)로 상기 모듈의 상기 커패시터들 중 특정한 하나 이상의 커패시터를 선택적으로 방전시키는 단계
   를 더 포함하는 방법.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 커패시터들은 울트라커패시터(ultracapacitors)인 방법.
   
   
8. 개별적인 상대 커패시턴스(relative capacitance)를 갖고, 특정 모멘트(moment)에서 개별 충전(respective charge) 및 개별 전압을 갖는, 커패시터들의 직렬 모듈을 모니터링하고 밸런싱하는 방법에 있어서,
   상기 커패시터 각각에서 전압을 측정함으로써 각 커패시터의 상기 개별적인 상대 커패시턴스를 추정하는 단계;
   상기 직렬 모듈 내의 추정된 상대 커패시턴스가 상기 직렬 모듈 내의 제2 커패시터의 상기 추정된 상대 커패시턴스 보다 작은 제1 커패시터를 식별하는 단계; 및
   상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 단계
   를 포함하는 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 단계는,
   몇 주기(some duration) 동안 상기 제1 커패시터에 저항(resistor)을 연결하여, 상기 제1 커패시터의 상기 충전을 낮추는(reduce) 단계
   를 포함하는 방법.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 커패시터들은 울트라커패시터(ultracapacitors)인 방법.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 직렬 모듈은 특정 모멘트에서 모듈 내(therethrough)를 관통(pass)하는 개별 전류를 갖고, 다양한 시점에서 상기 개별 전류는 양, 음, 및 0의 값으로 정의되며,
    상기 커패시터 각각에서의 전압을 측정함으로써 각 커패시터의 상기 개별 상대 커패시턴스를 추정하는 상기 단계는,
    다수의(a multipllicity of) 상대 커패시턴스 측정을 수행하는 단계; 및
    상기 상대 커패시턴스 측정을 평균화(average) 하는 단계
    를 포함하되, 상기 각 상대 커패시턴스 측정은,
    상기 직렬 모듈을 관통하는 상기 전류가 제1 선정(predetermined) 쓰레쉬홀드보다 작은 값인 제1 시간에, 상기 각각의 커패시터들에서의 상기 개별 전압을 측정하여 상기 직렬 모듈을 가로지르는(across) 전압을 나타내는(representing) 상기 전압의 합을 정의하는 단계;
    상기 직렬 모듈을 통과한 상기 전류가 상기 제1 선정 쓰레쉬홀드를 초과했다가 상기 제1 선정 쓰레쉬홀드보다 작은 값으로 떨어진 이후인 제2 시간에, 상기 각각의 커패시터들에서의 상기 개별 전압을 다시 측정하여, 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압을 나타내는 상기 전압의 총합을 다시 정의하는 단계;
    각 커패시터에 대해, 상기 제1 시간에서의 상기 개별 전압과 상기 제2 시간에서의 상기 개별 전압의 차이로 개별(respective) 전압 변동(change)을 정의하는 단계;
    상기 직렬 모듈에 대해, 상기 제1 시간에서 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압과 상기 제2 시간에서 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압의 차이로 상기 직렬 모듈에 대한 개별 전압 변동을 정의하는 단계; 및
    각 커패시터에 대해, 이들의 개별 전압 변동의 상기 직렬 모듈 내의 상기 전압 변동에 대한 비율로 상기 각 상대 커패시턴스 측정을 정의하는 단계
    를 통해 수행되는 방법.
    
12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 단계는,
    상기 전압 측정이 일어나는 시간에는 수행되지 않는 방법.
    
13. 제8항에 있어서,
    상기 전압 측정은 상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 상기 단계가 일어나지 않는 시간에만 일어나는 방법.
    
    
14. 개별적인 상대 커패시턴스(relative capacitance)를 갖고, 특정 모멘트(moment)에서 개별 충전(charge) 및 개별 전압을 갖는 커패시터들의 직렬 모듈을 모니터링하고 밸런싱하는 장치에 있어서,
    상기 커패시터 각각에서의 전압을 측정함으로써 각 커패시터의 상기 개별적인 상대 커패시턴스를 추정하는 수단;
    상기 직렬 모듈 내의 추정된 상대 커패시턴스가 상기 직렬 모듈 내의 제2 커패시터의 상기 추정된 상대 커패시턴스 보다 작은 제1 커패시터를 식별하는 수단; 및
    상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 수단
    을 포함하는 장치.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 상기 수단은,
    상기 제1 커패시터와 선택적으로 연결 가능한 저항(resistor)을 포함하여, 상기 제1 커패시터의 상기 충전을 낮추는(reduce) 장치.
    
16. 제14항에 있어서,
    상기 커패시터들은 울트라커패시터인 장치.
    
17. 제14항에 있어서,
    상기 직렬 모듈은 특정 모멘트에서 모듈 내(therethrough)를 관통(pass)하는 개별 전류를 갖고, 다양한 시점에서 상기 개별 전류는 양, 음, 및 0의 값으로 정의되며,
    상기 커패시터 각각에서 전압을 측정함으로써 각 커패시터의 상기 개별적인 상대 커패시턴스를 추정하는 상기 수단은,
    다수의(a multipllicity of) 상대 커패시턴스 측정을 수행하고, 상기 상대 커패시턴스 측정을 평균화(average) 하는 수단
    을 포함하되, 상기 각 상대 커패시턴스 측정은,
    상기 직렬 모듈을 관통하는 상기 전류가 제1 선정(predetermined) 쓰레쉬홀드보다 작은 값인 제1 시간에, 상기 각각의 커패시터들에서의 상기 개별 전압을 측정하여 상기 직렬 모듈을 가로지르는(across) 전압을 나타내는(representing) 상기 전압의 합을 정의하는 단계;
    상기 모듈을 통과한 상기 전류가 상기 제1 선정 쓰레쉬홀드를 초과했다가 상기 제1 선정 쓰레쉬홀드보다 작은 값으로 떨어진 이후인 제2 시간에, 상기 각각의 커패시터들에서의 상기 개별 전압을 다시 측정하여, 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압을 나타내는 상기 전압의 합을 다시 정의하는 단계;
    각 커패시터에 대해, 상기 제1 시간에서의 상기 개별 전압과 상기 제2 시간에서의 상기 개별 전압의 차이로 개별(respective) 전압 변동(change)을 정의하는 단계;
    상기 직렬 모듈에 대해, 상기 제1 시간에서 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압과 상기 제2 시간에서 상기 직렬 모듈을 가로지르는 전압의 차이로 상기 직렬 모듈에 대한 개별 전압 변동을 정의하는 단계; 및
    각 커패시터에 대해, 이들의 개별 전압 변동의 상기 직렬 모듈 내의 상기 전압 변동에 대한 비율로 상기 각 상대 커패시턴스 측정을 정의하는 단계
    를 통해 수행되는 장치.
    
18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 상기 수단은,
    상기 전압 측정을 위한 수단이 전압을 측정하는 시간에는 수행되지 않는 장치.
    
19. 제14항에 있어서,
    상기 전압 측정을 위한 수단이 전압을 측정하는 것은 상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하는 상기 수단이 상기 제1 커패시터가 상기 제2 커패시터의 상기 개별 충전 레벨보다 낮은 개별 충전 레벨로 충전되도록 하지 않을 때만 일어나는 장치.
    
20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터들의 직렬 모듈을 더 포함하는 장치.
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