KR0172162B1

KR0172162B1 - 싸이클 충전기회로

Info

Publication number: KR0172162B1
Application number: KR1019950048059A
Authority: KR
Inventors: 김득수
Original assignee: 김득수; 주식회사파워트론
Priority date: 1995-12-09
Filing date: 1995-12-09
Publication date: 1999-05-01
Also published as: KR970055048A

Abstract

본 발명은 축전지의 충전시 교류입력 전압에 변동이 있을 때 이의 변동폭을 감지하여 자동적으로 이를 보상할 수 있도록 한 싸이클 충전기 회로에 관한 것이다.

교류입력과 누설변압기(TM) 사이에 1차권선(L₁-L₂)와 제어권선(C₁-C₂)를 가진 제어용 변압기(TL)를 연결하고, 상기 누설변압기(TM)의 1차코일을 2n등분시켜 인출된 2n+1개의 탭을 트라이액의 일측에 연결하고, 트라이액의 타측 단자는 공통으로 이를 펄스폭 제어회로(3)의 출력단자(P₁-P₂)를 통해 제어용 변압기(TL)의 제어단자(C₂)에 연결한다. 출력단자 사이에는 의사부하기(R)을 설치하며, 누설변압기(TM)에 보조트라이액을 추가로 설치할 수도 있다.

이에 따라, 해당 트라이액의 도통에 따라서 교류입력 전압의 변화폭에 상응하여 전압이 가감되므로 누설변압기 1차전압은 교류입력 전압에 상응된 탭을 절환한 경우와 똑같이 일정하게 유지되며, 또 충전말기에는 트랜지스터(Tr)를 펄스폭 제어하므로서 말기충전 전압을 일정하게 하여 최적의 충전을 가능케 한다. 상기 회로는 단상입력인 경우뿐만 아니라 3상입력의 경우에도 입력 전압의 변동에 불구하고 거의 안정된 출력전압을 출력한다.

Description

싸이클 충전기회로

제1도는 준정전압 충전기의 충전특성을 나타낸 그래프.

제2도는 종래의 준정전압 충전기의 주회로도.

제3도는 본 발명에 따른 정전압 충전기의 단상 주회로도.

제4도는 본 발명의 다른 실시예에 따란 정전압 충전기의 회로도.

제5도는 준정전압 충전기와 본 발명에 따른 정전압 충전기의 전압, 전류특성을 비교설명하기 위한 그래프로서, (a)는 전압 - 전류특성 곡선이며, (b)는 전류 - 충전시간특성 곡선이다.

제6도는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 정전압 충전기의 1차가 Y결선된 3상회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 탭제어회로 2 : 게이트 드라이브

3 : 펄스폭 제어회로 Tr : 트랜지스터

R : 의사부하기 TM : 누설변압기

V_R: 1차상간전압 L₁, L₂: 1차권선

C₁, C₂: 제어권선 TL : 제어용 변압기

t₁, t₂… t : 탭 S₁, S₂… S : 트라이액

P₁, P₂: 출력단자 SD₁, SD₂, SD₃, SD₄: 보조트라이액

R_d: 의사부하기

본 발명은 축전지의 충전시 교류입력 전압에 변동이 있을 때 이의 변동폭을 감지하여 자동적으로 이를 보상할 수 있는 싸이클 충전기회로 좀더 상세하게는 충전기의 전극전압 이전인 회복충전기에는 제어용 변압기 및 트라이액을 사용하여 교류입력 전압의 변동을 보상하고 충전기의 전극전압 이후인 말기충전기에는 트라이액과 펄스폭 제어회로를 사용하여, 자동적으로 교류입력 전압의 변동을 보상하는 싸이클 충전기회로에 관한 것이다.

무인차, 골프카트, 청소차 및 전동 지게차등의 동력원으로 주로 사용되고 있는 전기차용 축전지의 충전에는 회로가 간단하여 비교적 값이 저렴하고 보수유지가 용이한 준정전압 충전기를 채택하고 있는 바, 이의 충전 특성을 살펴보면 제1도에서 보는 바와같이 축전지의 단자 전압이 충전이 진행됨에 따라 증가되고 충전 전류는 감소하기 시작하며(이 기간을 회복충전기라 함) 전극전압(A점) 이후 충전말기에는 축전지의 전류가 유입되더라도 단자 전압은 더 이상 상승하지 않고 거의 일정하게 된다. 따라서, 기존의 준정전압 충전기로써 충전시, 충전입력 전압이 5%정도 상승되면, 충전말기에 있어서는 축전지에 유입되는 충전전류는 2배이상 급격히 증가하나, 증가된 전류는 대부분 축전지에 내부저항에 의하여 열로 발생되고 이 열로 인하여 증류수가 다량 증발되므로 과충전 상태가 되며, 이로 인하여 충전 효율이 저하되고 축전지가 손상되거나 축전지의 수명이 단축되게 된다.

반대로 충전입력 전압이 낮게 되면 충전전류는 급격히 감소되므로 장시간 충전하더라도 만충전이 될 수 없게 되어 부족 충전상태가 되게 된다.

또, 회복충전기간중에도 입력 전압이 상승되면, 충전전류가 증가되어 액온이 과다 상승되며, 입력 전압이 낮게 되면 충전전류가 감소하게 되어 부족 충전이 되거나 충전에 장시간이 소요되게 되는 문제점이 있었다.

위와 같이 충전 기간중의 충전 전압은 충전 특성을 크게 좌우하게 되므로 교류입력전압이 변동되더라도 충전기간중의 전압을 충전특성에 맞게 안정화시킬 필요가 있는바, 종래에는 제2도에서와 같이 준정전압 충전기의 누설변압기(TM)의 1차측에 교류입력전압 변동에 따라 대응할 수 있도록 통상, 정격입력전압의 +10%, +5%, -5%, -10%에 해당되는 탭과 교류입력 전원사이에 전자접촉기를 연결하여, 교류입력 전압의 변동시, 해당 입력 전압 탭에 연결된 전자접촉기만을 ON시켜(예로서 교류입력 전압이 정격의 +10%높게 인가되면 +10% 탭에 연결함) 교류입력 전압의 변동시에 출력 전압을 안정화시킬 수 있도록 하였으나, 이는 탭간 전압 차를 줄이기 위하여 수개의 전자 접촉기를 변압기 1차권선의 해당 탭에 연결하여 구동시켜야 하므로 회로가 복잡하고 제조원가가 상승되는 단점이 있었다.

또한, 종래의 철공진 변압기를 이용한 충전기를 채택할 수 있느나, 이는 제조공법이 어렵고 양산시 변압기코아의 특성에 따라 출력특성이 변동되며 공진형 콘덴사가 추가로 필요하게 되는 불편이 있었다.

또, 직류비상 전원장치의 축전지 충전용으로 근래에 흔히 사용하고 있는 SCR위상 제어방식을 사용할수도 있는바, 이는 충전 특성은 우수하나, 위상제어를 시킴으로써 리플 전류가 증가되므로 필터 쵸크가 추가로 필요하며 궤환제어회로 및 SCR 위상 제어회로등 전자 제어회로가 추가로 필요하여 회로가 복잡하고 고가로 되며 또한 고장시 보수가 힘들고 보수비용이 증가되어야 하는 단점이 있었다.

본 발명은 종래의 이러한 제반 문제점을 개선하기 위한 것으로 준정전압 충전기의 누설변압기(TM) 1차측에 직렬로 제어용 변압기를 연결하고, 상기 변압기의 2차코일은 트라이액(양방향 제어소자)을 통하여, 누설변압기(TM)의 1차코일을 2n 등분시켜 인출된 (2n+1)의 탭에 각각 연결시키면 해당 트라이액의 도통에 의하여 교류입력 전압의 변동폭에 상응하여 전압이 가감되므로, 누설변압기(TM)의 1차측 전압은 교류입력 전압에 상응하는 탭을 절환한 경우와 똑같이 일정하게 유지되며, 더우기 충전말기에는 축전지 용량이 다소 상이하더라도 트랜지스터(Tr)를 펄스폭(PWM) 제어함으로써 말기충전 전압을 일정하게 하여 최적의 충전을 일정하게 하여 최적의 충전을 가능케 하는바, 이를 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도에서와 같이, 공지의 누설변압기(TM)의 1차상간전압(V_R)의 교류입력 전압 허용범위가 ±N% (일반적으로 ±10%임)인 경우에, 정격 전압을 V_R× N%로 정하고 1차권선(L₁-L₂)과 제어권선(C₁-C₂)과의 권선비가 N : 50으로 설계된 제어용 변압기(TL)의 1차권선(L₁-L₂)의 양단이 각각 교류입력과 누설변압기(TM) 입력단자에 연결되고, 제어단자(C₂)가 누설변압기(TM)의 1차권선 중앙탭(to)에 연결되며, 또한 누설변압기(TM)의 1차권선을 2n등분하여 권선 시작점으로부터 차례로 (2n+1)개의 탭(t₁, t₂, … t_n, t_o, t_n', …t₂', t₁')을 추가로 인출하여 트라이액(S₁, S₂, … S_n, S_o, S_n', …S₂', S₁')의 한쪽 단자에 연결하고 트라이액의 다른 한쪽 단자는 전부 공통으로 연결하여 이를 펄스폭(PWM) 제어회로(3)의 출력단자(P₁, P₂)를 통해 제어용 변압기(TL)의 제어단자(C₂)에 연결시켜 본회로를 구성한다. 이때 출력단자(P₁, P₂)사이에는 저항과 인덕터의 조합으로 구성된 의사부하기(R)를 설치하고 제어단자(C₁, C₂) 사이에는 의사부하기(R_d)를 설치하여 트랜지스터(Tr)가 OFF되거나, 트라이액이 전부 OFF되어 있어 제어용 변압기(TL)의 1차권선이 철심을 가진 인덕터로 작용할 때 누설변압기(TM)의 무부하 전류가 원만하게 흐를수 있도록 하는 역할을 하도록 한다. 이와같이 구성된 싸이클 충전기 회로는 전극전압 이전인 회복충전 기간중에는 우선 트랜지스터(Tr)을 도통시켜 펄스폭 제어회로(3)의 출력단자(P₁, P₂)을 단락(Short)되도록 하는데, 이때 누설변압기(TM)의 1차권선을 4등분한 경우를 들어 제어용 변압기(TL) 및 트라이액의 동작원리에 관하여 설명하면 다음과 같다.

정격 전압보다 높은 교류입력 전압이 제어용 변압기(TL)을 거쳐 누설변압기(TM)에 인가되면, 공지의 탭제어회로(1) 및 게이트 드라이브(2)를 통해 교류입력 전압의 상승치의 크기에 맞춰 트라이액 S₁또는 S₂가 도통되어 제어용 변압기(TL)의 제어권선(C₁-C₂)의 전압은 누설변압기(TM)의 1차코일의 to에서 t₁또는 t₂간의 전압과 같게 되어지므로, 제어용 변압기(TL)의 1차코일(L₁-L₂)간에는 N% 또는 N/2%의 전압이 교류입력 전압과 감하는 방향으로 유기된다. 예를들면, 제어용 변압기(TL)의 권선비가 10 : 50인 경우에 교류입력 전압이 +10%이상 높으면 트라이액 S₁을 도통시키고, +5%이상 높으면 트라이액 S₂를 도통시키는 것으로 제어용 변압기(TL)의 권선(L₁-L₂)의 역할에 의하여 정격 전압의 10% 또는 5%만큼 제어용 변압기(TL)에서 감소되므로, 누설변압기(TM)는 일정한 출력을 유지할 수 있게 되는 것이다.

반대로 교류입력 전압이 정격 전압보다 낮은 경우에는 탭제어회로(1)의 제어에 의하여 트라이액 S₁' 또는 S₂'가 도통되고, 제어용 변압기(TL)의 제어권선(C₁-C₂)의 전압은 누설변압기(TM)의 1차권선의 중앙탭 to에서 t₁' 또는 t₂'간의 전압과 같게 되므로, 제어용 변압기(TL)의 1차권선(L₁-L₂)에는 N% 또는 N/2%의 전압이 교류입력 전압과 더해지는 방향으로 유기되어 누설변압기(TM)는 일정한 출력을 유지할 수 있게 되는 것이다.

더나아가 입력전압 변동시에 더욱 정밀한 정도의 안정된 출력을 얻기 위하여는 변압기(TM)의 1차권선 상에 탭 t₁, t₂, …t₂', t₁'외에 t₃, t₃', t₄,t₄',… t_n, t_n'의 탭을 추가로 설치하고, 트라이액 S₃, S₃', S₄,S₄',… S_n, S_n'을 추가로 결선하는 방법으로 1차권선을 세분화하여 2n등분하면 전술된 원리에 따라단계의 탭 조절기능을 가질수 있게 되므로 입력 전압 변동시에 출력 전압은 더욱더 정밀한 안정도를 유지할 수 있게 된다.

다만, 이때에는 부수적으로 권선의 탭과 트라이액 및 이의 구동회로가 증가하여 복잡하여 지므로, 탭 수효의 증가에 따른 충전 특성의 개선 정도를 고려하여 탭 수효를 적절히 선정할 필요가 있다 할 것이다.

또, 제4도는 본 발명의 다른 실시예로서, 트라이액 및 이의 구동회로의 수를 줄이면서, 정밀한 탭 조절기능을 갖는 회로인바, 주트라이액 S₁도통시 보조트라이액 SD₁, SD₂, SD₃, SD₄를 입력 전압의 크기에 따라 선별 도통하도록 연결하면, 주트라이액 1개 탭에 대하여 4단계의 탭변경이 가능하므로 주트라이액이 4개인 경우에 16(4X4=16)단계의 탭조절기능을 갖출 수 있어 보다 더 정밀한 안정도를 갖는 출력을 얻을 수 있으며, 또한 본 회로의 보조트라이액(SD₁, SD₂, SD₃, SD₄)을 축전지 용량에 맞게 적절히 선택하여 도통시켜 충전전류를 조절할 수 있다. 그러나, 이 방안은 누설변압기(TM)의 1차권선 이외에 보조트라이액용의 별도 절연된 보조권선이 추가로 필요하게 되므로 이 방안을 선택시에는 누설변압기(TM)의 제조원가가 상승되는 단점을 고려하여야 할 것이다.

충전기의 회복충전기간중에는 상기와 같이 트랜지스터(Tr)을 도통시켜 펄스폭 제어회로(3)의 출력단자(P₁, P₂)이 단락(Short)되어 펄스폭 제어회로(3)가 동작하지 않아도 최적의 충전이 가능하다. 즉, 회복충전기간인 전극전압 이전에는 충전 전압이 5% 이내에서 증가되면 충전전류가 다소 증가(10-20%)되어 충전이 빨리 진행되기 때문에 최적의 충전상태를 유지할수 있으나, 충전이 진행되어 전극 전압이후 충전말기에 도달되면 축전지 단자 전압은 더 이상 상승하지 아니하므로, 충전전압이 상승되면 축전지에 유입되는 전류가 급격히 상승되고, 전류의 대부분은 축전지 내부저항에 의하여 열로 발산하게 된다.

더욱이, 축전지의 적정한 말기 전류는 축전지 용량의 크기에 따라 규정되며, 동일 축전지의 경우에도, 충방전 싸이클이 많아짐에 따라 점점 용량이 저하되게 되는데, 이런 경우에도 충전말기 전류의 크기에 관계없이 말기 전압은 항상 일정하게 유지되어야 할 필요가 있는바, 제5도에서 알 수 있는 바와같이 기존의 누설변압기(TM)만을 채택한 준정전압 충전기에 있어서는 충전전류가 감소되면 충전 전압은 상승되나 본 발명에 의한 상기의 충전기 회로는 펄스폭 제어회로(3)에 의하여 충전말기의 전압이 일정하게 유지되며 전류는 급속히 감소된다.

즉, 전극전압 이후의 충전말기에 이르면 본 발명의 충전기 회로는 충전말기의 충전 전압을 일정하게 제어하는 기능을 가지며 이의 동작원리를 설명하면 아래와 같다.

누설변압기의 탭 t₁, t₂, t_O, t₂', t₁'에 각각 연결된 트라이액의 도통에 따라 선택되어진 탭과 중앙탭 to간의 전압은 펄스폭(PWM) 제어회로 단자(P₁, P₂)를 거쳐 제어용 변압기 제어권선(C₁-C₂)에 인가되는데, 상기 전압은 펄스폭 제어회로(3)의 단상 전파 정류회로를 통과하여 정류회로 출력의 +-단자에 각각 연결된 트랜지스터(Tr)의 콜렉터와 에미터를 통하여 흐르도록 되어있다.

트랜지스터(Tr)의 베이스와 에미터간에 상용주파수의 수십배 되는 수 KHz의 펄스폭 제어 신호를 인가하여 트랜지스터(Tr)를 스윗칭시키면 제어용 변압기 제어권선(C₁-C₂)의 부하 인피던스는 트랜지스터(Tr)의 ON기간 중에는 0에 가깝게, OFF기간중에는 무한대에 가깝게 바뀌게 되어, 상기 트랜지스터(Tr)의 OFF기간 중에는 제어용 변압기의 제어권선(C₁-C₂)이 OPEN 상태가 되고 제어용 변압기 1차권선(L₁-L₂)은 단지 철심을 가진 인덕터로써 작용하므로, 교류입력 전압은 제어용 변압기(TL)의 1차권선에서 인덕턴스 값만큼 강하된다.

따라서, 전극전압 이후인 충전말기에는 입력 전압의 변동 폭에 따라, 트라이액 S₁, S₂, S_O,또는 S₁', S₂'을 선택 도통시키며, 또한 트랜지스터의 베이스에 인가되는 펄스폭 신호의 ON-OFF시간 비를 병행 조정하므로써, 제어용 변압기 1차권선(L₁-L₂)에서 OFF시간 동안 강하되는 펄스폭 전압치를 정교하게 조정하여 출력 전압은 충전 전류의 크기에 관계없이 일정 전압을 유지할수 있게 되고 충전전류는 트리클 충전에 필요한 전류가 흐를수 있도록 하는 것이다.

한편, 상기한 바와같이, 회복충전 기간인 전극전압 이전에도 상기와 같은 제어방법을 택하여 입력전압의 변동폭에 따라 트라이액 S₁, S₂, S_O, S₂', S₁'를 선택 도통시켜 탭간의 전압 변동을 보상받는 동시에, 탭간전압(보통 ±5% 정도임)내에서 트랜지스터(Tr)을 펄스폭 제어함으로써 출력전류를 일정하게 제어하는 방법으로 충전 특성을 개선할 수도 있으나, 이때에는 펄스폭 제어회로의 트랜지스터 스윗칭 손실이 증가되고 따라서 트랜지스터의 용량을 증가시킬 필요가 있게 된다.

또한, 펄스폭 제어회로(3)을 설치하지 않고 트라이액의 타측 단자를 공통으로 제어용 변압기(TL)의 제어단자(C₁)에 직접 연결하는 등 공지의 방법으로 출력(P₁, P₂)을 항상 단락(Short)하여 사용할수도 있다.

상기에서 설명한 것은 충전기 입력이 단상인 경우에 한하였으나, 충전기 입력이 3상인 경우에도 제3도 및 제4도의 단상주회로 3조를 3상결선하면 동일하게 작동되는 것이나, 이렇게 결선하게 되면 제어회로(1), 드라이브 회로(2), 펄스폭 제어회로(3)가 각각 3조 필요하여 복잡하게 되어지게 되므로, 제6도와 같이 S상은 제어용 변압기(TL)의 1차권선만을 설치하여 이의 양단을 교류입력과 누설변압기(TM) 사이에 연결하면, 이때 제어용 변압기(TL)는 3배 OPEN 델타(△)결선이므로 제어용 변압기(TL)의 S상의 전압은 R상의 Vector전압[TL(R)]과 Vector전압[TL(T)]의 합과 같게 되고, 따라서 제어용 변압기(TL)의 R상과 T상에만 제어권선을 설치하여 이 양상(2相)의 제어회로를 조절함으로써 S상의 1차 전압도 안정하게 유지할수 있는 것이다.

제6도의 3상결선된 싸이클 충전기의 회로를 제작하여 펄스폭 제어회로(3)의 출력(P₁, P₂)를 단락한 상태에서 입력 전압을 정격의 +10%, +5%, -5%, -10%을 가변하여 충전기 출력 전압을 측정한 경우 다음표와 같이 출력 전압이 거의 안정되게 출력되고 있음을 알수 있다.

표 3.상 입력전압 가변에 의한 출력전압측정치

(시험조건 펄스폭 제어출력(P₁, - P₂)는 단락 조건임.)

위 표에서 알수 있는 바와같이 교류입력 전압이 240V에서 200V변동시 DC출력전압은 ±1.5% 이내로 안정됨을 알수 있다.

Claims

교류입력과 누설변압기(TM) 사이에 1차권선(L₁-L₂)과 제어권선(C₁-C₂)을 가진 제어용 변압기(TL)를 연결하고, 제어단자(C₂)는 누설변압기(TM)의 1차권선 중앙탭(t₀)에 연결되며, 상기 누설변압기(TM)의 1차권선을 2n등분시켜 인출된 (2n+1)의 탭을 트라이액의 일측 단자에 각각 연결하고 트라이액의 타측 단자는 공통으로 이를 펄스폭 제어회로(1)의 출력단자(P₂, P₁)를 통해 제어용 변압기(TL)의 제어단자(C₁)에 연결하며, 출력단자(P₁, P₂)사이에 의사부하기(R)를 설치한 것을 특징으로 하는 싸이클 충전기회로.
청구범위 제1항에 있어서, 누설변압기(TM)에 보조권선을 두어 보조트라이액을 추가 설치한 것을 특징으로 하는 싸이클 충전기회로.
청구범위 제1항 또는 제2항에 있어서, 트라이액의 타측 단자는 공통으로 제어용 변압기(TL)의 제어단자(C₁)에 직접 연결하는 등 공지의 방법으로서 펄스폭 제어회로의 출력단자(P₁- P₂)을 항상 단락(Short)되도록 한 것을 특징으로 하는 싸이클 충전기회로.
청구범위 제1항 또는 제2항에 있어서, 제어용 변압기(TL)의 S상에 1차권선만을 설치하고, R상과 T상의 제어권선(C₁-C₂)에 연결된 제어회로가 조절되도록 누설변압기(TM)를 3상 결선한 것을 특징으로 하는 싸이클 충전기회로.