KR100221797B1 - 산업용차량의 배터리충전장치 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명은 배터리를 구동전원으로 사용하는 산업차량에서 배터리를 충전하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 입력된 교류전압의 전위 주파수 또는 위상에 무관하게 입력되는 교류전압을 증폭시켜 직류전압으로 변환하고 상기 직류전압의 듀티비를 조정하여 상기 배터리로 인가하고, 상기 배터리의 고유한 특성 및 배터리에 따른 충전시간과 충전모드를 설정하며, 배터리의 현재 상태에 따라 상기 듀티비를 제어하기 배터리로 공급되는 전압을 제어한다.

따라서, 본 발명은 입력되는 교류전압의 전위, 주파수 혹은 위상에 무관하게 일정한 충전전압을 배터리로 공급하는 효과를 제공하는데 있다.

Description

산업용차량의 배터리충전장치

본 발명은 배터리를 구동전원으로 사용하는 산업차량에서 배터리를 충전하는 장치에 관한 것이다.

일반적인 자동차는 물론, 특수한 용도의 산업용 차량에서는 시동 및 전기장치의 전력공급으로서 배터리를 기본적으로 사용하며, 이러한 배터리를 충전시키는 장치를 갖고 있다. 종래의 주로 사용되어온 배터리충전장치로는 준정전압방식과 정전압/정전류방식이 있다.

그러나, 준정전압방식에서는 누설형 변압기를 사용함으로 인하여, 누설형 변압기의 동작특성상 불가피한 전력손실을 감안하여 대량의 변압기를 사용하여야 한다. 또한 누설형변압기를 사용하는 준정전압방식의 충전장치에 있어서는 입력전원의 전압이나 주파수, 또는 위상이 각각 다른 경우에 대하여 각각 별도의 충전장치를 제작하여 사용하여야 하고, 입력전원이 전압이나 주파수에 따라 불안하게 변동하는 경우에는 과충전 또는 미충전되는 현상이 발생된다.

한편, 정전압/정전류방식의 충전장치에서는 스위칭형 변압기를 사용하기 때문에, 전술한 누설형 변압기를 사용하는 경우와 마찬가지로 각기 다른 전압이나 주파수 혹은 위상을 가진 각각의 입력전원에 대하여 각기 별도의 충전기를 사용하여야 하고, 이것에 더하여 1 내지 10KHZ의 고주파소음이 발생되는 단점을 지니고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 입력전원의 전압이나 주파수 또는 위상의 변동과는 무관하게 범용으로 사용 가능한 배터리충전장치를 제공함에 있다.

본 발명은 다른 목적은 입력전원의 변동과는 상관없이 적정한 충전상태를 유지시킬 수 있는 배터리 충전 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 고주파소음이 발생되지 않는 배터리충전장치를 제공함에 있다.

제1도는 본 발명에 따른 배터리충전장치의 블록도.

제2도는 제1도의 직류컨트롤러의 출력특성을 보여주는 그래프.

제3도는 제1도의 직류쵸퍼의 동작특성을 보여주는 그래프.

제4도는 충전모드에 따른 전압특성을 보여주는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명

1 : 교류입력부 3 : 교류입력검사부

5 : 스위치 7 : 변압부

9 : 정류부 11 : 직류탱크

13 : 직류쵸퍼 15 : 전압안정부

17 : 휴즈부 19 : 배터리

23 : 마이크로프로세서 25 : 직류출력검사부

27 : 응급스위치 29 : 디스플레이부

31 : 모드선택부 32 : 배터리의 용량입력부

33 : 시간조정부 40 : 보조전원발생부

41 : 보조변압부 42 : 보조정류부

43 : 보조직류탱크 45 : 보조직류쵸퍼

46 : 보조전압안정부 48 : 직류전압제어부

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리충전장치는, 입력된 교류전압의 전위, 주파수 또는 위상에 무관하게 입력되는 교류전압을 증폭시켜 직류전압으로 변환하고 상기 직류전압의 듀티비를 조정하여 상기 배터리로 인가하고, 상기 배터리의 고유한 특성 및 배터리에 따른 충전시간과 충전모드를 설정하며, 배터리의 현재 상태에 따라 상기 듀티비를 제어하여 배터리로 공급되는 전압을 제어함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제1도를 참조하면, 단상 또는 3상교류전원을 입력하는 교류입력부(1)의 출력단은 교류입력검사부(3)의 입력단에 연결된다. 교류입력검사부(3)는 입력된 교류전압이 단상인지 3상인지를 판별한 다음 이를 마이크로프로세서에(23) 알려주고, 마이크로프로세서(23)은 교류입력검사부(3)으로부터 입력된 교류입력의 위상에 관한 정보를 인식하고 이것에 따라 교류입력검사부(3)과 변압부(7)사이에 연결된 스위치(5)의 접속상태를 제어한다. 즉, 입력된 교류전압이 단상인 경우에는 스위치(5)의 단자쌍들 중 상하단자쌍을 접속시키고 3상인 경우는 3개의 단자쌍들을 모두 접속시킨다. 변압부(7)로부터 출력된 변압된 교류전압은 정류부(9)에서 직류전압으로 변환된 다음 직류탱크(11)에서 안정된 직류전압으로 저장된다.

직류탱크(11)은 마이크로 프로세서(23)에 의해 정전용량이 제어하는 콘덴서로 구성되며 직류쵸퍼(chopper)(13)에 연결된다. 직류쵸퍼(13)는 배터리(19)용량 및 방전량과 충전모드(하술됨)에 따른 듀티비(duty ratio)를 제공하는 마이크로프로세서(23)에 의해 제어된다. 따라서, 직류쵸퍼(13)을 통과한 전압은 배터리(19)가 충전되기 위한 정격전압으로 되고 전압안정부(15)와 휴즈부(17)을 통과한 다음 배터리(19)에 공급된다.

여기서, 휴즈부(17)를 구성하는 휴즈는 배터리(19)의 용량과 충전모드(하술됨)에 따라 적절한 것으로 선택된다. 또한, 배터리(19)로 공급되는 충전전압은 직류출력검사부(25)로 인가되고, 직류출력검사부(25)에서는 배터리충전전압이 휴즈부(17)에서 현재 사용되는 휴즈의 정격과 부적합한 경우에 휴즈부(17)내에서 다른 적정한 휴즈를 선택하도록 한다. 즉, 배터리충전전압이 휴즈의 정격이상인 경우에는 현재 연결된 휴즈를 끊을 수 있다. 직류출력검사부(25)에서 감지된 배터리충전전압에 관한 신호는 마이크로프로세서(23)로 인가된다.

마이크로프로세서(23)는 교류입력검사부(3) 및 직류출력검사부(25)로부터 인가된 교류전압의 위상과 배터리충전전압의 전위에 관한 신호 이외에, 모드선택부(31)로부터 보통충전모드, 급속충전모드 또는 균등충전모드를 설정하는 신호를 입력받고, 시간조정부(33)으로부터 충전시간을 설정하는 신호를 입력받는다. 여기서, 모드선택부(31)와 시간조정부(33)는 운전자에 의해 조작된다.

또한, 마이크로프로세서(23)에는 응급스위치(27)이 연결되어 있으며, 배터리 충전상태에 관한 상황을 운전자가 볼 수 있도록 하기 위한 디스플레이부(29)가 연결되어 있다. 디스플레이부(29)에는, 입력되는 교류전압 및 전류값과, 사용하는 배터리의 전압 및 충전량과 충전장치의 전원값과, 현재의 충전모드(보통, 급속 또는 균등)와, 가능한 최단충전시간과 급속충전시의 충전예약시간등이 표시된다.

본 발명에 따른 배터리충전장치는 마이크로프레세서(23)과 직류쵸퍼(13)에는 필요한 별도의 보조전원발생부(40)을 갖고 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 보조전원발생부(40)은 교류입력부(1)을 통하여 공급된 교류전압을 입력하는 보조변압부(41)과, 보조변압부(41)에서 변압된 교류전압을 직류전압으로 변환하는 보조정류부(42)와, 보조정류부(42)로부터 생성된 직류전압을 제 1 차 직류전압(VDC1)으로 저장하는 보조직류탱크(43)과, 제 1 차 직류전압 VDC1 제 2 차 직류전압(VDC2)사이에 직렬연결된 보조직류쵸퍼(45) 및 보조전원안정부(46)으로 이루어진다.

제2차 직류전압(VDC2)는 마이크로프로세서(23)와 직류쵸퍼(13)로 공급되는 전원전압이 되며, 입력되는 교류전압에 변동과는 무관한 12V 또는 15V의 전압을 제공한다. 여기서, 제1차 직류전압(VDC1)과 제2차 직류전압(VDC2)은 직류전압제어부(48)에서 비교되고, 직류전압제어부(48)는 그 차이에 따라 보조직류쵸퍼(45)의 듀티비를 제어한다.

제2도에 보인 그래프는 직류전압제어부(48)의 출력은 듀티비의 특성을 보인 것으로서, 제1차 직류전압에 대하여 듀티비는 지수적으로 반비례하고 있음을 알수 있다. 이와 더불어, 제3도의 그래프는 본 발명에 따른 배터리충전장치에서 사용되는 쵸퍼(13) 및 (45)의 기본적인 동작특성을 시간(t)과 입력되는 직류전압(VDC)과의 관계에 기초하여 보여준다. 제3도에 도시된 바와 같이 쵸퍼(13)로부터 출력되는 전압의 실효값(RMS)은 입력되는 직류전압(VDC)의 일정한 전위에 대하여 듀티비의 크고 작음에 따라 변동함을 알 수 있다. 즉, 직류파형의 주기(T1,T2,T3,T4)가 진행됨에 따라 듀티비(도 3에서 직사각형이 시간폭에 해당함)를 줄이는 만큼 실효값(RMS) 가 낮아지고 있음을 보이고 있다. 이러한 과정에 의해 쵸퍼(13)로부터 출력되는 직류전압의 실효값은 적정하게 조정될 수 있다. 이는, 결과적으로, 입력되는 전압의 위상 또는 주파수가 변동하더라도 항상 일정한 실효전압을 유지시켜 주는 효과를 제공한다.

그러면, 제4도의 상태그래프를 참조하여 본 발명에 따른 배터리충전동작에 따른 충전전류 및 전압의 변화를 충전모드별로 설명한다.

제4도에서 점선으로 표시된 궤적은 급속충전모드에서의 배터리충전전압의 전위변화를 나타내며, 가는 실선으로 표시된 궤적은 보통충전모드에 해당하는 굵은 실선은 균등충전모드에 해당한다. 또한 충전초기의 큰전류를 억제하고 충전말기의 급격한 전압상승을 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 충전과정에 있어서는 충전초기에는 정전류 충전을 행하고 충전말기에는 정전압 충전이 이루어지도록 한다.

급속충전시에는 도 4 에 도시된 바와 같이 도 1의 변압부(7)에서 보통충전모드에서의 전위보다 높은 교류전압을 출력하고 이것에 의한 높은 전위의 충전출력전압을 배터리로 공급한다.

그러면, 충전초기에 일정한 배터리충전전류가 공급되는 동안에는 배터리충전 전압이 변하지 않다가, 배터리충전 전류가 줄어들기 시작하면서부터 배터리충전 전압은 상승하기 시작하고 배터리충전 전류가 거의 줄어든 포화상태에 이른 후에 배터리충전 전압은 시각 t1에서 완전한 충전상태의 전위를 유지하기 시작한다. 보통충전모드에서는 배터리충전 전압이 완전한 충전상태의 전위로 되는 시각이 급속충전모드의 경우보다 지연된 시간(t2)에서 이루어진다.

급속충전모드에서나 보통충전모드에서나 최종적인 배터리충전전압의 전위는 동일하지만 충전완료되는 시각이 다름을 알 수 있다.

배터리(19)가 휴즈부(17)을 통하여 충전출력전압에 접속되고 운전자가 배터리용량을 배터리입력부(32)를 통하여 마이크로프로세서(23)으로 입력시키면, 마이크로프로세서(23)은 최단충전시간을 환산하여 디스플레이부(29)로 이를 표시한다. 따라서, 운전자는 디스플레이부(29)로 표시된 최단충전시간을 기초로 하여 소망하는 충전요구시간(또는 충전예약시간)을 시간조정부(33)을 통하여 입력할 수 있다.

이때, 상술한 최단 충전시간의 환산은 예를 들어, 다음의 방법에 의하여 행해질 수 있다. 마이크로프로세서(23)는 배터리용량입력부(32)로부터 입력된 배터리 용량과 현재의 배터리 전압을 직류출력검사부(25)를 통해 읽어들인 후, 미리 저장 되어 있는 배터리의 전압으로 표시되는 배터리의 방전상태에 따른 최단 소요시간의 시험 데이터를 근거로 하여 현재의 배터리 전압에서의 만충전 가능 최단 시간을 계산하고 이를 디스플레이부(29)로 표시하게 된다.

한편, 조합형 배터리를 사용하는 경우에는 각 배터리들의 용량과 충방전상태가 서로 다르기 때문에 전술한 보통충전모드나, 급속충전모드와는 달리 균등충전모드를 설정하여 주기적인 균등충전을 시행하여 각 배터리들의 용량차이를 보상하여주는 것이 바람직하다.

특히, 조합형 배터리(예를 들어, 2V의 단배터리를 조합하여 24V 또는 48V 배터리로 사용하는 경우)에는 각 단배처리간의 충방전 특성 차이로 인하여 장시간 사용할 경우의 용량의 변화를 가져 오며, 이러한 상태로 계속 지속이 될 경우에는 단배터리의 부분적인 파손을 야기시켜 전체 조합 배터리의 파손을 가지고 오게된다. 이런 경우 일정시간마다 단배터리간의 용량 차이를 보상시키기 위하여 일정전류(예를 들어, 용량의 5%)를 일정시간(예를 들어, 4시간 정도) 공급하여 충전용량을 균등하게 만들어 주는 것이 바람직하다.

본 발명은 전술한 실시 예와 그것이 참조된 도면에 보인 것들에 한하지 않고 본 발명의 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자가 몇 가지의 구성요소를 용이하게 부가하거나 일부 변형할 수 있는 정도까지 포함하고 있음을 유념하여야 한다.

따라서, 상술한 바와 같이 본 발명은 입력되는 교류전압의 전위, 주파수 혹은 위상에 무관하게 일정한 충전전압을 배터리로 공급하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 충전장치에 의하면 배터리용량에 따라 운전자가 적정한 충전시간을 설정하거나 충전시간을 예약할 수 있음은 물론 충전속도와 배터리수에 따라 적절한 충전모드를 설정할 수 있다.

또한, 본 발명은 배터리의 현재 전압상태를 감지하는 것에 의해 디스플레이부를 통하여 배터리충전 가능량을 운전자가 알수 있고, 변압부의 1, 2차 권선간의 손실이 없으므로, 종래의 누설형 변압기와 같이 큰 용량의 변압기를 사용할 필요가 없다.

Claims (2)

1. 배터리를 충전하는 장치에 있어서, 교류입력부를 통해 입력되는 교류전압의 위상을 판별하고, 그에 대한 신호를 출력하는 교류입력검사부; 배터리의 충전전압의 전위를 검사하는 직류출력검사부; 상기 교류입력검사부에서 입력되는 신호에 응답하여 스위칭 제어신호를 출력하고, 상기 직류출력검사부의 배터리충전전압 전위에 대한 신호 및 외부에서 조작자에 의해 입력되는 모드선택신호, 배터리용량값, 충전시간신호에 따라 전체 시스템을 제어하는 마이크로프로세서; 스위칭 제어신호에 따라 교류전압의 위상에 상응하는 전송경로를 설정하는 스위치; 상기 스위치에 연결되어 교류입력검사부를 통해 출력되는 교류전압을 변압시키는 변압부; 상기 변압부에 의해 변압된 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류부; 상기 마이크로프로세서의 제어의 따라 정전용량이 결정되며, 상기 정류부에 의해 변환된 직류전압을 안정된 직류전압 상태로 저장하는직류탱크; 상기 마이크로프로세서의 제어에 따라 상기 직류탱크로부터 출력되는 전압을 배터리가 충전되기 위한 정격전압으로 변화시키는 직류쵸퍼; 상기 직류쵸퍼에 의해 변환된 정격전압을 안정화시키는 전압안정부; 상기 전압안정부와 상기 배터리 사이에 연결되고 상기 배터리의 현재 전압상태에 따르는 신호에 의해 제어되는 휴즈부; 조작자의 의도에 따라 배터리의 충전모드를 선택하여 모드선택신호를 상기마이크로 프로세서로 출력시키는 모드선택부; 배터리의 용량을 입력하여 상기 마이크로 프로세서로 출력시키는 배터리용량 입력부; 상기 교류입력부에 의해 입력되는 교류전압 및 전류값, 사용하는 배터리의 전압 및 충전량, 충전장치의 전원값, 현재의 충전모드, 최단충전시간, 급속충전시 충전예약시간을 디스플레이하는 디스플레이부; 및 상기 교류입력부에 의해 입력된 교류전압을 듀티비가 조정된 직류전압으로 변환하여 내부 전원으로 공급하는 보조부로 구성된 것을 특징으로 하는 산업용 차량의 배터리 충전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 보조부는, 상기 교류전압을 입력하는 보조변압부; 상기 보조변압부에 연결된 보조정류부; 상기 보조정류부에 연결된 보조직류탱크; 상기 보조직류탱크에 연결된 보조직류쵸퍼; 상기 보조직류쵸퍼에 연결된 보조전압안정부; 상기 보조직류쵸퍼의 입력전압과 상기 보조전압안정부의 출력전압을 입력하여 상기 직류쵸퍼의 듀티비를 조정하는 보조직류전압조정부를 구비함을 특징으로 하는 산업용 차량의 배터리 충전장치.