KR0163909B1 - 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로 - Google Patents

충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로 Download PDF

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Abstract

이 발명은 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로에 관한 것으로, 공급전원이 인가되면, 전자 유도의 작용에 의해 그 신호를 입력받아, 전지를 충전하는 충전수단과, 상기 충전수단에 의해 충전되는 전지의 충전 상태를 감지하여 상기 전지가 완충되었는지의 여부를 판단하고, 그에 따라 해당하는 신호를 출력하는 완충 판단수단과, 상기 완충 판단수단으로부터 출력되는 신호에 따라 동작하여, 상기 충전수단의 충전 형태를 급속 충전 또는 미세 충전으로 제어하는 충전 형태 제어수단으로 이루어져 있으며, 니켈카드뮴 또는 니켈금속수소화물 전지를 급속하게 충전하는데에 있어서, 전지의 충전이 끝난 뒤, 전류 형태의 펄스폭 변조를 이용하여 전지에 공급되는 전류에 따라 충전이 완료되었음을 감지하여 공급전류의 최고값을 제한함으로써 2차측에 공급되는 미세 전류를 제어하여 누설 방전에 따른 전지의 충전 손실을 보상할 수 있는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로에 관한 것이다.

Description

충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로
제1도는 이 발명의 실시예에 따른 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로를 적용한 회로도이고,
제2도의 (a)(c)는 제1도에서 각 부분에서의 파형도이고,
제3(a), (b)도는 제1도에서 급속 충전과 미세 충전을 비교한 파형도이다.
이 발명은 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴(NiCd, Nickel Cadmium)/니켈금속수소화물(NiMH, Nickel Metal Hydride) 전지 충전회로에 관한 것으로서, 더 상세히 말하자면, 니켈카드뮴 또는 니켈금속수소화물 전지의 충전이 끝난 뒤 미세한 양의 전류를 공급함으로써 누설 방전에 따른 전지의 충전 손실을 보상할 수 있는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로에 관한 것이다.
니켈카드뮴 전지는, 전지의 양극에 수산화 니켈(화학식 NI(OH)3)을, 음극에 카드뮴(화학식 Cd)을, 그리고 전해액으로 수산화칼륨(화학식 KOH)을 사용한 알칼리(alkali) 축전지의 일종으로, 단자 전압은 1.3볼트(volt)이며, 극판에 소결판을 사용하는 소결식은 활성 물질과 전해액과의 접촉 면적이 매우 넓으므로 내부 저항이 낮고, 대전류의 방전에 적합하다.
상기 니켈카드뮴 전지는 충전 시간이 짧고 사용 범위가 넓은 데다가 장시간 방치나 과충전에 강한 특징을 갖고 있는데, 활성 물질의 양을 가감하여 가스(gas)의 발생을 억제한 완전 밀폐식 니켈카드뮴 전지는 건전지 대신으로 라디오(radio)나 테이프(tape) 녹음기 등에 널리 사용되고 있다.
상기 니켈카드뮴 전지 또는 니켈금속수소화물 전지의 급속 충전이 끝난 뒤, 상기 전지의 누설 전류를 방지하기 위해서는 최소한의 전류를 공급해주어야 한다.
이때, 상기 전지에 공급되는 전류의 양은, 통상 전지의 용량을 1쿨롱(coulomb)으로 기준할 때 약 1/201/30 쿨롱 정도이며, 이는 약 2030밀리암페어(mA)의 양이다.
그런데, 종래의 급속 충전회로에서는 전지를 급속 충전한 후 누설 전류를 방지하기 위한 정전류를 공급하는 데에 있어서, 전압 형태(Voltage-Mode)의 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 함에 따라 2030밀리암페어의 전류를 전지에 공급하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서 이 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 니켈카드뮴 또는 니켈금속수소화물 전지를 급속하게 충전하는 데에 있어서, 전지의 충전이 끝난 뒤, 전류 형태의 펄스폭 변조를 이용하여 전지에 공급되는 전류에 따라 충전이 완료되었음을 감지하여 공급전류의 최고값을 제한함으로써 2차측에 공급되는 미세 전류를 제어하여 누설 방전에 따른 전지의 충전 손실을 보상할 수 있는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 이 발명의 구성은,
공급전원이 인가되면, 전자 유도의 작용에 의해 그 신호를 입력받아, 전지를 충전하는 충전수단과;
상기 충전수단에 의해 충전되는 전지의 충전 상태를 감지하여 상기 전지가 완충되었는지의 여부를 판단하고, 그에 따라 해당하는 신호를 출력하는 완충 판단수단과;
상기 완충 판단수단으로부터 출력되는 신호에 따라 동작하여, 상기 충전수단의 충전 형태를 급속 충전 또는 미세 충전으로 제어하는 충전 형태 제어수단으로 이루어져 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 설명한다.
제1도는 이 발명의 실시예에 따른 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로를 적용한 회로도이고,
제2도의 (a)(c)는 제1도에서 각 부분에서의 파형도이고,
제3(a), (b)도는 제1도에서 급속 충전과 미세 충전을 비교한 파형도이다.
제1도에 도시되어 있듯이 이 발명의 실시예에 따른 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로의 구성은,
공급전원이 인가되면, 전자 유도의 작용에 의해 그 신호를 입력받아, 전지를 충전하는 충전부(100)와;
상기 충전부(100)에 의해 충전되는 전지의 충전 상태를 감지하여 상기 전지가 완충되었는지의 여부를 판단하고, 그에 따라 해당하는 신호를 출력하는 완충판단부(200)와;
상기 완충 판단부(200)로부터 출력되는 신호에 따라 동작하여, 상기 충전수단의 충전 형태를 급속 충전 또는 미세 충전으로 제어하는 충전 형태 제어부(300)로 이루어져 있다.
상기 충전부(100)의 구성은,
인가되는 공급전원(VCC)이 일측단자로 입력되는 1차코일(coli, L101)과,
상기 1차코일(L101)에서 유도되는 전류를 입력받아 출력하며, 일측단자가 접지되어 있는 2차코일(L102)과,
상기 2차코일(L102)의 타측단자가 애노드(anode)로 연결되고 전지(BAT)의 양극단자가 캐소드(cathode)로 연결되어 있는 다이오드(diode, D101)와,
상기 전지(BAT)의 양극단자가 양극단자로 연결되고 음극단자가 접지되어 있는 커패시터(capacitor, C101)와,
상기 전지(BAT)의 음극단자가 일측단자로 연결되고 타측단자가 접지되어 있는 저항(R101)로 이루어져 있다.
상기 완충 판단부(200)의 구성은,
상기 충전부(100)의 전압을 감지하여 제1기준전압과 비교함으로써 전지의 충전 정도에 따른 신호를 출력하는 충전 비교부(210)와;
상기 전지(BAT)의 충전 전압을 감지하여 그에 따라 충전이 완료되었다는 신호를 출력하는 충전상태 검출부(220)와;
상기 충전 비교부(210)와 충전상태 검출부(220)로부터 출력되는 신호를 입력받아, 전지(BAT)의 충전이 완료되었을 경우, 미세 충전으로 전환하는 신호를 출력하는 충전 형태 변화부(230)로 이루어져 있다.
상기 충전 비교부(201)의 구성은,
상기 충전부(100)의 저항(R101)의 일측단자가 반전 입력단자로 연결되고 제1기준전압(Vref1)이 비반전 입력단자로 입력되는 제1비교기(COMP211)와,
상기 제1비교기(COMP211)의 반전 입력단자가 일측단자로 연결되고 출력단자가 타측단자로 연결되어 있는 임피던스(impedence, Z211)로 이루어져 있다.
상기 충전 형태 변환부(230)의 구성은,
상기 충전 비교부(210)의 출력신호가 일측단자로 입력되는 제1저항(R231)과,
상기 제1저항(R231)의 타측단자가 일측단자로 연결되어 있는 제2저항(R232)과,
상기 제2저항(R232)의 타측단자가 일측단자로 연결되고 타측단자가 접지되어 있는 제3저항(R233)과,
상기 충전상태 검출부(220)의 출력신호가 베이스로 입력되고 에미터가 접지되어 있는 트랜지스터(Q231)와,
상기 제1저항(R231)의 타측단자가 입력단자로 연결되고 상기 트랜지스터(Q231)의 컬렉터가 출력단자로 연결되어 있는 기준전압 발생기(Vs231)로 이루어져 있다.
상기 충전 형태 제어부(300)의 구성은,
상기 충전 변화 판단부(200)로부터 출력되는 신호에 따라 동작하여, 충전형태를 급속 또는 저속으로 변환시키는 구동신호를 생성하여 출력하는 형태변환 신호발생부(310)와;
상기 신호발생부(310)로부터 출력되는 신호에 따라 동작하여 상기 충전부(100)의 공급전원(VCC)의 공급여부를 제어하는 공급전원 제어부(320)로 이루어져 있다.
상기 공급전원 제어부(320)의 구성은,
상기 신호발생부(310)의 출력신호가 게이트(gate)로 입력되고 상기 충전부(100)의 1차코일(L101)의 타측단자가 드레인(drain)으로 연결되어 있는 엔모스(NMOS, MN321)와,
상기 엔모스(MN321)의 소스(source)가 일측단자로 연결되고 타측단자가 접지되어 있는 저항(R321)으로 이루어져 있다.
상기 신호발생부(310)의 구성은,
상기 충전 형태 변환부(230)의 출력신호가 비반전 입력단자로 입력되고 상기 공급전원 제어부(320)의 엔모스(MN331)의 소소가 반전 입력단자로 연결되어 있는 제2비교기(COMP311)와,
상기 제2비교기(COMP311)로부터 출력되어 입력되는 신호에 따라 동작하여 상기 공급전원 제어부(320)의 엔모스(MN321)를 구동시키는 신호를 출력하는 구동부(312)로 이루어져 있다.
상기와 같이 이루어져 있는 이 발명의 동작은 다음과 같다.
니켈카드뮴 또는 니켈금소수소화물 전지를 급속하게 충전하기 위해, 제1도에서 보는 바와 같이 충전부(100)의 커패시터(C101)와는 병렬로 되고 저항(R101)과는 직렬로 되게 전지(BAT)를 연결하고 공급전원(VCC)을 인가하면, 1차코일(L101)과 2차코일(L102)의 유도작용에 의해 공급되는 전류가 커패시터(C101)에 축적되었다가 상기 전지(BAT)를 충전시킨다.
초기에는 급속 충전 상태로, 상기 전지(BAT)에 항상 일정한 전류를 공급하는데, 이를 위하여 저항(R101) 양단에 일정한 전압이 걸리도록 하는 전류 형태(Current-Mode)의 펄스폭 변조 제어 방식을 이용하여 구현하였다.
급속 충전 상태에서는 충전부(100)의 저항(R101)의 전압이 작은데, 상기 저항(R101)의 전압을 반전 입력단자로 입력받는 완충 판단부(200)의 충전 비교부(210)의 제1비교기(COMP211)는 제1기준전압(Vref1)의 값이 더 크기 때문에 하이 (high)를 출력한다.
그리고, 충전상태 검출부(220)는 상기 전지(BAT)가 충전되지 않았기 때문에, 로우(low)의 신호를 출력하고, 그에 따라 충전 형태 변환부(230)의 트랜지스터(Q231)가 오프(off) 상태를 유지한다.
따라서, 상기 충전 형태 변환부(230)는 상기 충전 비교부(210)의 출력신호인 하이를 출력한다.
충전 형태 제어부(300)의 제2비교기(COMP311)는 상기충전 형태 변환부(230)로부터 출력되는 신호를 비반전 입력단자를 통해 입력받아, 하이를 출력한다.
구동부(312)는 상기 제2비교기(COMP311)로부터 출력되는 신호에 따라 하이의 신호를 출력하여 공급전원 제어부(320)의 엔모스(MN321)를 온시킨다.
상기 엔모스(MN321)가 온됨에 따라 상기 충전부(100)의 1차코일(L101)과 2차코일(L102)의 유도작용을 이용해 상기 전지(BAT)를 충전하기 시작한다.
다이오드(D101)는 유도되는 전류가 없을 때, 상기 커패시터(C101)에 축적되었던 전하가 상기 2차코일(L102)로 다시 빠져나가지 않도록 하는 역할을 한다.
상기 엔모스(MN321)가 온되면서 저항(R321)의 전압도 커지기 시작하는데, 제2(a)도에 도시된 바와 같이, 상기 저항(R321)의 전압(VR321)이 상기 충전 형태 변환부(230)의 출력전압과 같아지면, 제2(b)도에 같이 상기 신호발생부(210)의 제2비교기(COMP311)의 출력신호가 로우로 전환된다.
그리고, 구동부(312)는 상기 제2비교기(COMP311)의 출력신호가 하이일 때, 제2(c)도와 같이 로우로 전환되어 상기 공급전원 제어부(320)의 엔모스(MN321)를 오프시킨다.
따라서, 상기 공급전원 제어부(320)의 저항(R321)의 양단에 걸리는 전압의 크기는 '0'으로 떨어지고, 상기 제2비교기(COMP311)의 출력신호는 다시 하이로 전환된다.
그리고, 상기 구동부(312)는 상기 제2비교기(COMP311)의 출력신호가 하이로 전환됨에 따라 상기 공급전원 제어부(320)의 엔모스(MN321)를 온시키고, 그에 따라 상기 저항(R321)의 양단에 걸리는 전압은 점차적으로 증가한다.
상기와 같은 동작을 반복하여 전지(BAT)를 충전시키며, 초기에 급속 충전의 상태일 때에는 상기 완충 판단부(200)의 출력신호가 하이이므로 제3(a)도와 같은 파형을 나타내며, 충전 동작이 진행된다.
그러다가, 상기 전지(BAT)가 완충되었을 때에는 상기 충전상태 검출부(220)에서 충전이 완료되었음을 알리는 신호를 출력하고, 그에 따라 충전 형태 변환부(230)의 트랜지스터(Q231)를 온시킨다.
그에 따라 미세 충전시의 완충 판단부(200)의 출력신호가 기준전압 발생기(Vs231)에서 출력되는 제2기준전압(Vref2)과 상기 트랜지스터(Q231)의 포화상태의 컬렉터-에미터 전압값으로 한정되며, 제2저항(R232) 및 제3저항(R233)에 따라 값이 분배되어 아래의 식 (1)과 같이 된다.
따라서, 충전 형태 제어부(300)는 제3(b)도와 같은 파형을 가지며 전지(BAT)를 충전하는데, 이는 급속 충전에 따라 충전이 완료된 전지가 누설 방전에 따른 손실이 되는 것을 보상하는 역할을 한다.
그리고, 상기 충전부(100)의 1차코일(L101)에 흐르는 전류는 아래의 식 (2)와 같이 됨으로써, 상기 1차코일(L101) 및 2차코일(L102)의 값이 일정한 상태에서는 입력되는 공급전원(VCC)이 증가하면 전류의 기울기도 증가하고, 그에 따라 효율은 감소하게 되어 결과적으로 입력전력에는 변화가 없게 된다.
즉, 구동전원(VCC)의 변화에 관계없이 상기 전지(BAT)에 일정한 전력을 공급하게 된다.
따라서, 상기와 같이 동작하는 이 발명의 효과는, 니켈카드뮴 또는 니켈금속수소화물 전지를 급속하게 충전하는 데에 있어서, 전지의 충전이 끝난 뒤, 전류 형태의 펄스폭 변조를 이용하여 전지에 공급되는 전류에 따라 충전이 완료되었음을 감지하여 공급전류의 최고값을 제한함으로써 2차측에 공급되는 미세 전류를 제어하여 누설 방전에 따른 전지의 충전 손실을 보상할 수 있는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로를 제공하도록 한 것이다.

Claims (6)

  1. 인가되는 공급전원(VCC)이 일측단자로 입력되는 1차코일(L101)과, 상기 1차코일(L101)에서 유도되는 전류를 입력받아 출력하며, 일측단자가 접지되어 있는 2차코일(L102)과, 상기 2차코일(L102)의 타측단자가 애노드로 연결되고 전지(BAT)의 양극단자가 캐소드로 연결되어 있는 다이오드(D101)와, 상기 전지(BAT)의 양극단자가 양극단자로 연결되고 음극단자가 접지되어 있는 커패시터(C101)와, 상기 전지(BAT)의 음극단자가 일측단자로 연결되고 타측단자가 접지되어 있는 저항(R101)으로 이루어져 있는 상기 전지를 충전하는 충전수단과; 상기 전지와 저항( R101) 사이의 전압을 감지하여 제1기준전압과 비교함으로써 진지의 충전 정도에 따른 신호를 출력하는 축전 비교수단(210)과; 상기 전지(BAT)의 충전 전압을 감지하여 그에 따라 충전이 완료되었다는 신호를 출력하는 충전상태 검출수단(220)과; 상기 충전 비교수단(210)의 출력신호가 일측단자로 입력되는 제1저항(R231)과, 상기 제2저항(R231)의 타측단자가 일측단자로 연결되어 제2저항(R232)과, 상기 제2저항(R232)의 타측단자가 일측단자로 연결되고 타측단자가 접지되어 있는 제3저항(R233)과, 상기 충전상태 검출수단(220)의 출력신호가 베이스로 입력되고 에미터가 접지되어 있는 트랜지스터(Q231)와, 상기 제1저항(R231)의 타측단자가 입력단자로 연결되고 상기 트랜지스터(Q231)의 컬렉터가 출력단자로 연결되어 있는 기준전압 발생수단(Vs231)을 이루어져, 전지(BAT)의 충전이 완료되었을 경우, 미세 충전으로 전환하는 신호를 출력하는 충전 형태 변환수단(230)과; 상기 충전 형태 변환수단(230)으로부터 출력되는 신호에 따라 동작하여, 충전형태를 급속 또는 저속으로 변환시키는 구동신호를 생성하여 출력하는 형태변환 신호발생수단(310)과; 상기 신호발생수단(310)으로부터 출력되는 신호에 따라 동작하여 상기 충전수단의 공급전원의 공급여부를 제어하는 공급전원 제어수단(320)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전 비교수단(210)의 구성은, 상기 충전수단(100)의 저항(R101)의 일측단자가 반전 입력단자로 연결되고 제1기준전압이 비반전 입력단자로 입력되는 제1비교수단(COMP211)과, 상기 제1비교수단(COMP211)의 반전 입력단자가 일측단자로 연결되고 출력단자가 타측단자로 연결되어 있는 임피던스(Z211)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공급전원 제어수단(320)의 구성은 상기 신호발생수단(310)의 출력신호에 따라 온/오프되어 상기 충전수단의 전류 공급을 제어하는 스위칭수단과; 상기 스위칭수단이 온될 때, 그에 따른 전압값을 감지하여 상기 신호발생부(310)로 출력하는 감지수단으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스위칭수단의 구성은, 상기 신호발생부(301)의 출력신호가 게이트로 입력되고 상기 충전수단의 1차코일(L101)의 타측단자가 드레인으로 연결되어 있는 엔모스(MN321)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전 회로.
  5. 제3항에 있어서, 상기 감지수단의 구성은, 상기 엔모스(MN321)의 소스가 일측단자로 연결되고 타측단자가 접지되어 있는 제5저항(R321)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 신호발생수단(310)의 구성은, 상기 충전 형태 변환수단(230)의 출력신호가 비반전 입력단자로 입력되고 상기 공급전원 제어수단(320)의 엔모스(MN331)의 소소가 반전 입력단자로 연결되어 있는 제2비교기(COMP311)와, 상기 제2비교기(COMP311)로부터 출력되어 입력되는 신호에 따라 동작하여 상기 공급전원 제어수단(320)의 엔모스(MN321)를 구동시키는 신호를 출력하는 구동수단(312)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로.
KR1019950029705A 1995-09-12 1995-09-12 충전 형태 변환 제어형 니켈카드뮴/니켈금속수소화물 전지 충전회로 KR0163909B1 (ko)

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