KR100726757B1 - 대용량 리튬계 전지의 충전장치 - Google Patents

대용량 리튬계 전지의 충전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬계 전지의 충전장치는, 태양 에너지를 이용하여 리튬계 전지의 충전에 필요한 전압을 출력하는 기본 태양전지판과, 상기 기본 태양전지판의 출력전압이 충전하기에 부족한 경우, 부족한 전압을 보충하여 출력하는 보조 태양전지판과, 상기 기본 태양전지판에서 출력되는 전압을 감지하여 부족한 경우, 보조 태양전지판을 기본 태양전지판에 직렬 연결하여 충전에 필요한 적정 전압을 공급하는 제어부와, 상기 제어부로부터 적정 전압을 공급받아 리튬계 전지의 충전을 수행하는 충전모듈 및 상기 충전모듈과 리튬계 전지를 연결하는 충전단자를 포함한다.
상기한 구성에 의하면, 태양에너지를 이용하여 충전할 때 흐린 날과 같이 기본 태양전지판으로만 충전하기에 태양 에너지가 부족한 경우, 제어부에서 이를 감지하여 보조 태양전지판을 자동으로 직렬 연결시켜 전압을 상승시켜줌으로써 흐린 날씨에도 충전작업을 수행할 수 있다.
대용량, 리튬전지, 태양전지, 상용 교류전원, 충전모듈

Description

대용량 리튬계 전지의 충전장치 {Charge apparatus for Lithium series battery of large capacity}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 충전장치의 대략적인 블록도,
도 2는 도 1에 나타낸 기본 태양전지판과 보조 태양전지판의 연결관계를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 나타낸 휴대용 케이스에 부착된 제어유닛의 상세 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 제어부 110: 기본 태양전지판
120: 보조 태양전지판 130: 전원변환회로
140: 충전모듈 150: 충전단자
160: 표시부 170: 휴대용 케이스
180: 전원공급부 200: 리튬계 전지
본 발명은 대용량 리튬계 전지의 충전장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 촬영 및 조명장비에 사용되는 대용량 리튬계 전지를 태양전지와 상용의 교류전원을 이용하여 선택적으로 충전할 수 있는 충전장치에 관한 것이다.
종래 방송촬영용 카메라 및 휴대용 조명장비의 전원으로 니켈수소 전지가 사용된다.
니켈수소 전지는 메모리 효과라고 하는 고유한 특성이 있는데, 메모리 효과란 니켈수소 전지의 잔류 용량이 남아 있는 상태에서 계속하여 충전을 하게 되면 결과적으로 남아 있던 잔류 용량만큼은 더 이상 충전의 기능이 상실되어 그만큼 전지의 충전 용량이 줄어들게 된다.
이에 따라 근래에는 방송촬영용 카메라 및 휴대용 조명장비의 전원으로 충전시 메모리 현상이 없고 무게가 가벼우며 사용시간이 오래가는 대용량(5A 이상)의 리튬계전지(리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지 등)가 대체되어 사용된다.
이러한 리튬계 전지는 일정시간을 사용하면 재충전을 하여야 하는데, 일반 상용 교류전원이 공급되는 지역에서는 리튬계 전지의 전용 충전기로 충전할 수 있지만, 방송촬영의 특성상 열대우림, 사막, 산악지대 등의 오지 촬영인 경우, 충전에 필요한 발전기와 발전기용 연료를 휴대하고 다니기에는 많은 어려움이 따른다.
리튬계 전지는 무게가 가볍고 부피가 작으며 충전시 전지의 수명이 단축되는 메모리 현상이 전혀 없을 뿐만 아니라, 단위 용량당 충전량이 많아(니켈수소 전지 = 1.2V, 리튬계 전지 = 3.6V) 편리하다.
그러나 리튬계 전지의 특성상 기본 셀만 조합하는 니켈수소 전지와는 달리 리튬계 전지는 그 구성 재료에 있어서 가연성 물질(Li-CIC, 전해액 등)이 사용되고 있기 때문에 발화, 폭발 등의 위험이 상존해 있으므로 기본 셀을 조합한 후, 보호 회로(PCM: Protection Circuit Module)를 구비하여야 하며 일반 건전지 혹은 니켈수소 전지와는 달리 충전기 자체에 리튬계 전지의 상태를 검사하면서 최적으로 충전할 수 있는 충전모듈이 반드시 필요하다.
또한, 종래 태양전지를 이용한 충전장치는 일반 2차전지(니켈수소 등)의 소용량 충전에는 적합하지만 리튬계 전지의 충전에서 필수적으로 필요한 충전모듈이 설치되어 있지 않아 기존의 태양전지를 이용한 충전장치로 충전을 하였을 경우 리튬계 전지의 막대한 손상을 가져올 수 있고 심한 경우에는 리튬계 전지의 폭발을 유도할 수 있다.
또한, 태양전지를 이용한 충전장치 자체의 용량이 800mA 정도로 작아 3A 이상을 요구하는 대용량 리튬계 전지를 충전하기에는 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양에너지를 이용하여 충전할 때 흐린 날과 같이 기본 태양전지판으로만 충전하기에 태양 에너지가 부족한 경우 제어부에서 이를 감지하여 보조 태양전지판을 자동으로 직렬 연결시켜 전압을 상승시켜줌으로써 흐린 날씨에도 충전작업을 수행할 수 있는 대용량 리튬계 전지의 충전장치를 제공하는 데 주목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 태양전지판과 함께 전원변환장치를 구비하여 태양에너지를 이용할 수 없는 경우나, 상용 교류전원을 이용할 수 있는 경우에 전원변환장치를 이용하여 전력사정이 다른 국가에 관계없이 충전작업을 수행할 수 있는 대용량 리튬계 전지의 충전장치를 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 대용량 리튬계 전지의 충전장치는, 태양 에너지를 이용하여 리튬계 전지의 충전에 필요한 전압을 출력하는 기본 태양전지판, 상기 기본 태양전지판의 출력전압이 충전하기에 부족한 경우, 부족한 전압을 보충하는 보조 태양전지판, 상기 기본 태양전지판에서 출력되는 전압을 감지하여 부족한 경우, 보조 태양전지판을 기본 태양전지판에 직렬 연결하여 충전에 필요한 적정 전압을 공급하는 제어부, 상기 제어부로부터 적정 전압을 공급받아 리튬계 전지의 충전을 수행하는 충전모듈 및 상기 충전모듈과 리튬계 전지를 연결하는 충전단자를 포함한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 충전장치의 대략적인 블록도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 기본 태양전지판과 보조 태양전지판의 연결관계를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 제어부(100), 기본 태양전지판(110), 보조 태양전지판(120), 충전모듈(140), 충전단자(150)를 포함하여 구성할 수 있다.
상기한 구성에 전원변환회로(110), 표시부(160), 휴대용 케이스(170)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
기본 태양전지판(110)을 구성하는 단위 태양전지판(112)은 다수의 태양전지(116)가 인쇄회로기판(PCB,114) 상에 직, 병렬로 연결되어 이루어지고, 이 단위 태 양전지판(112)은 태양 에너지를 이용해 DC의 단위전압(예를 들어 DC 3V)을 생성하여 출력한다.
상기 단위 태양전지판(112) 다수(예를 들어 8개)가 직렬로 연결되어 기본 태양전지판(110)을 이루고 기본 태양전지판(110)은 충전에 필요한 DC 기본전압(예를 들어 DC 24)을 생성하여 출력한다.
보조 태양전지판(120)은 기본 태양전지판이 태양 에너지를 이용하여 충전에 필요한 충분한 DC 기본전압을 출력할 수 없는 경우에 추가로 전압을 상승시킨다.
이 보조 태양전지판(120)을 구성하는 단위 태양전지판(122a,…,122d)은 다수의 태양전지(126)가 인쇄회로기판(124)) 상에 직, 병렬로 연결되어 이루어지고, 이 단위 태양전지판(112)은 태양 에너지를 이용해 DC의 단위전압(예를 들어 DC 3V)을 생성하여 출력한다.
상기한 단위 태양전지판(122a,…,122d) 다수 개가 선택적으로 직렬로 연결되어, 기본 태양전지판(110)에 출력하는 DC 기본전압이 부족한 경우 DC 보조전압을 출력한다.
상기 다수의 태양전지(116,126)는 직, 병렬로 인쇄회로기판(114,124) 상에 연결되고, 각각의 태양전지 사이와 테두리 부분에 태양전지의 보호를 위하여 아크릴판과 같은 소정 두께의 측면 보호판을 설치한 후, 태양전지 파손의 방지와 광 흡수율을 높이기 위하여 측면 보호판 상부에 투명 재질의 커버를 덮는다.
상기 커버의 재질로는 투명하고 단단하여 내충격성이 우수한 수지의 폴리카보네이트인 것이 바람직하다.
상기 인쇄회로기판(114,124)에 연결 커넥터(118,128)를 설치하여 단위 태양전지판(112,122a,…,122d)과 단위 태양전지판 간에 직렬 연결한다.
또한, 각각의 단위 태양전지판은 경첩(119,129)이 설치된 천 등을 이용해서 마감 처리하여 사용하지 않는 경우에는 절첩해서 보관하거나 운반하고, 사용하는 경우에는 펼쳐서 사용함으로써 이동시 부피를 줄일 수 있다.
제어부(100)는 기본 태양전지판(110)과 보조 태양전지판(120)에서 출력되는 전원을 자동으로 조정하여 충전모듈(140)에 충전에 필요한 전압을 공급하고, 각 구성부를 제어한다.
상기 제어부(100)는 A/D 컨버터가 내장된 마이크로프로세서(102)에 탑재된 프로그램에 의하여 기본 태양전지판(110)에서 공급되는 전압에 따라 보조 태양전지판(120)을 이루는 다수의 단위 태양전지판((112,122a,…,122d) 자동으로 가감 연결하여, 태양 에너지의 효율이 50% 이하로 떨어지더라도 충전모듈(140)의 충전에 필요한 DC 전압의 전원을 일정하게 공급한다.
즉, 날씨가 좋은 경우 기본 태양전지판(110)만으로 충전모듈(140)에서 리튬계 전지(200)를 충전하지만, 날씨가 좋지 않은 경우, 제어부(100)는 기본 태양전지판(110)에서 출력하는 DC 기본전압을 측정하여 출력된 DC 기본전압이 충전하기에 부족한 경우, 보조 태양전지판(120)의 단위 태양전지판(112,122a,…,122d)을 1개씩 추가로 연결하여 적정 전압을 조정함으로써 충전모듈(140)에서 필요한 전압을 안정적으로 공급한다.
충전모듈(140)은 상기 제어부(100)로부터 안정된 전압을 공급받아 충전단자 (150)를 통해 리튬계 전지(200)를 검사하면서 충전작업을 수행한다.
상기 충전단자(150)는 동시에 2개의 리튬계 전지를 충전할 수 있도록 2개 구비한다.
상기 충전단자(150)에는 사진센서(152)가 구비되어 충전을 위하여 리튬계 전지의 충전용 커넥터가 충전단자(150)에 삽입되는 지를 감지하여 충전용 커넥터의 삽입 여부를 제어부(100)에 전송하고, 제어부(100)에서는 커넥터 삽입 여부를 표시할 수 있도록 제어한다.
또한, 제어부(100)에서는 충전용 커넥터가 삽입된 경우에만 충전모듈(140)을 동작하도록 제어하여 충전용 커넥터가 삽입되지 않은 상태에서의 쇼트를 방지함으로써 장비를 보호한다.
상기한 구성에, 상기 기본 태양전지판(110) 및 보조 태양전지판(120)과 함께 전원공급부(180)를 구성하는 전원변환회로(130)가 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전원변환회로(130)는 상용 교류전원을 직류로 변환하는 회로로, SMPS로 구성되며 주파수 50/60Hz, 전압 90～270V의 상용 교류전원을 충전에 필요한 DC 전압(DC 20～28V)으로 변환한다.
상기 전원변환회로(130)는 태양 에너지를 사용하지 않고 상용 교류전원으로 충전할 경우에 충전모듈(140)에 전원을 공급한다.
상기한 구성에, 충전모듈(140)에 공급되는 전압과 리튬계 전지(200)의 충전 진행도를 제어부(100)의 제어에 의해 표시하는 표시부(160)를 더 구성할 수도 있다.
상기한 구성에, 전원변환회로(130), 기본 태양전지판(110), 보조 태양전지판(120), 제어부(100), 충전모듈(140)을 수납하고, 표시부(160)와 충전단자(150)를 일면에 구비하는 휴대용 케이스(170)를 더 구성할 수도 있다.
상기한 구성에 의해 태양 에너지를 이용하여 충전하는 경우에는 기본 태양전지판(110)과 보조 태양전지판(120)을 꺼내어 펼쳐서 사용하고, 사용하지 않는 경우에는 태양전지판(110,120)을 절첩해서 휴대용 케이스(170)에 수납해서 부피를 줄여, 운반을 용이하게 할 수 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 휴대용 케이스에 부착된 제어유닛의 상세 도면이다.
휴대용 케이스(170)의 제어유닛에는 입력단자(191,192)와 충전단자(150), 충전 선택스위치(193), 다수의 LED(161,…,164)와 LCD(165)로 이루어지는 표시부(160)를 구비한다.
입력단자(191)는 기본 태양전지판(110)과 보조 태양전지판(120)으로부터 입력을 받는 2개의 입력단자(191a,191b), 상용 교류전원을 입력으로 받는 입력단자(192)로 이루어진다.
충전단자(150)는 리튬계 전지(200)의 충전을 태양전지판과 상용 교류전원을 이용해 동시에 충전할 수 있도록 2개(150a,150b)가 구비된다.
충전 선택스위치(193)는 태양전지판을 이용하여 충전할지, 상용교류 전원을 이용하여 충전할지 선택하는 스위치이다.
LED는 기본 태양전지판(110)의 동작 상태를 알려주는 LED(191), 보조 태양전지판(120)의 동작 상태를 알려주는 다수의 LED(162a,…,162d), 상기 충전선택 스위 치(193)의 선택을 알려주는 충전선택 LED(163a,163b), 충전의 진행정도를 알려주는 충전진행 LED(164a,164b)로 이루어진다.
상기 충전진행 LED는 완료 LED(164a)와 상태 LED(164b)로 이루어진다.
LCD(165)는 충전모듈(140)에 공급되는 전압과 리튬계 전지(200)의 충전 진행도를 표시한다.
충전선택 스위치(193)로 태양전지판 충전을 선택하고, 기본 태양전지판(110)을 이용하여 충전을 하는 경우, 기본 태양전지판의 동작 상태를 알려주는 LED(161)가 점등되고, LCD(165)에는 현재 기본 태양전지판(110)에서 출력되어 충전모듈(140)에 공급되는 전압이 표시되어 이를 확인할 수 있다.
만약 날씨가 흐려져 기본 태양전지판(110)에서 출력되는 전압이 부족할 경우에는 제어부(100)에서 이를 감지하여 자동으로 보조 태양전지판의 단위 태양전지판(122a,…,122d)을 충전에 필요한 적정한 전압이 될 때까지 순차적으로 연결시켜 충전모듈(140)에 적정한 전압을 공급한다.
이때 보조 태양전지판(120)의 동작 상태를 알려주는 다수의 LED(162a,…,162d)가 순차적으로 점등하므로 현재 동작하는 보조 태양전지판(120)을 확인할 수 있다.
또한, 기본 태양전지판(110)과 보조 태양전지판(120)에서 출력되어 충전모듈(140)에 공급되는 전압을 LCD(150)를 통해 확인할 수 있다.
이때 충전의 진행정도는 LCD(165)에 % 단위로 표시되는 충전정도를 보고 확인할 수도 있고, 충전진행 LED(164a,164b)로도 확인할 수 있다.
초기 충전이 진행될 때에는 급속충전 모드로 완료 LED(164a)는 소등된 상태이고, 상태 LED(164b)만 점등되어 충전이 진행되다, 리튬계 전지(200)에 어느 정도 충전이 되면, 제어부(100)는 리튬계 전지(200)의 상태를 확인하고, 충전되는 방식을 트리거 방식으로 전환하여 완료 LED(164a)와 상태 LED(164b)가 모두 점등된 상태로 된다.
충전이 되면서 충전 정도에 따라 상태 LED(164b)의 점등 밝기는 약해지고, 완료 LED(164a)의 점등 밝아지다가, 충전이 완료되면 상태 LED(164b)는 완전 소등이 되고 완료 LED(164a)는 점등된 상태를 유지한다.
태양전지판(110,120)을 이용하여 충전하지 않고 전원변환회로(130)를 이용하여 충전을 하는 경우, 충전 선택스위치(193)로 AC 충전을 선택하면 태양전지판(110,120)을 이용하지 않고 직접 리튬계 전지(200)를 충전할 수 있다.
이 동작은 충전선택 LED(163b)로 확인할 수 있고, LCD(165)와 충전진행 LED(164a,164b)를 통해 전압과 충전의 진행정도를 확인할 수 있다.
이상 도면과 상세한 설명에서 최적 실시예들이 개시되고, 이상에서 사용된 특정한 용어는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것일 뿐 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것이 아니다.
그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 프리 볼테이지(Free Volt)의 전원변환회로를 내장하고, 기본 태양전지판과 다수 보조 태양전지판의 출력전압을 측정하여 충전모듈에 적정 전압이 입력되도록 제어함으로써 어떠한 환경에서도 리튬계 전지를 충전할 수 있고, 태양에너지의 효율이 50% 이하로 떨어지더라도 리튬계 전지의 충전이 가능하다.
또한, 장치를 구성하는 기본 태양 전지판과 보조 태양전지판 및 전원변환회로 등의 구성부를 휴대용 케이스에 수납시켜 간단하게 이동할 수 있으며 단위 태양전지판의 개수를 변경하여 충전장치의 용량을 사용자의 요구에 맞게 다양하게 주문 생산할 수 있다.

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  7. 태양 에너지를 이용하여 리튬계 전지의 충전에 필요한 전압을 출력하는 기본 태양전지판과;
    상기 기본 태양전지판의 출력전압이 충전하기에 부족한 경우, 부족한 전압을 보충하는 보조 태양전지판과;
    다수의 태양전지가 PCB 상에 직, 병렬로 연결되어 이루어지고, 각각의 태양전지 사이와 테두리 부분에 소정 두께의 측면 보호판이 설치되며, 측면 보호판 상부에 투명 재질의 폴리카보네이트 수지 커버가 덮어져 태양전지를 보호하는 단위 태양전지판과;
    상기 기본 태양전지판과 보조 태양전지판은 단위전압을 출력하는 다수의 단위 태양전지판을 직렬로 연결하며, 상기 기본 태양전지판의 출력전압이 부족한 경우, 보조 태양전지판의 단위 태양전지판을 기본 태양전지판에 적정 개소로 부가하여 직렬 연결하며,
    상기 기본 태양전지판에서 출력되는 전압을 감지하여 부족한 경우, 보조 태양전지판을 기본 태양전지판에 직렬 연결하여 충전에 필요한 적정 전압을 공급하는 제어부와;
    상기 제어부로부터 적정 전압을 공급받아 리튬계 전지의 충전을 수행하며, 충전 수행 도중에 하면서 리튬계 전지의 과충전 등을 검사하는 충전모듈과;
    상기 충전모듈과 리튬계 전지를 연결하는 충전단자와;
    상기 기본 태양전지판 또는 보조 태양전지판에 부가하여 상용 교류전원을 DC 전압으로 변환하는 전원변환회로;
    상기 충전모듈에 공급되는 전압과 리튬계 전지의 충전 진행도를 제어부의 제어에 의해 표시하는 표시부; 및
    상기 기본 태양전지판, 보조 태양전지판, 제어부, 충전모듈 및 전원변환회로를 내부에 수납하고, 표시부와 충전단자를 일면에 구비하는 휴대용 케이스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대용량 리튬계 전지의 충전장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 충전단자가 복수로 구비되어 태양전지판과 전원변환회로를 이용해 동시에 복수의 리튬계 전지를 충전함을 특징으로 하는 대용량 리튬계 전지의 충전장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 충전단자는 감지센서가 구비되어 리튬계 전지의 충전용 커넥터가 충전단자에 삽입되는지를 감지하여 충전용 커넥터의 삽입여부를 제어부에 전송함을 특징으로 하는 대용량 리튬계 전지의 충전장치.
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  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 표시부는 LCD인 것을 특징으로 하는 대용량 리튬계 전지의 충전장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 표시부에는 기본 태양전지판의 동작 상태를 알려주는 LED, 보조 태양전지판의 동작 상태를 알려주는 다수의 LED, 태양 전지판과 상용 교류전원 중 어느 것이 충전 전원으로 선택되었는지를 알려주는 충전선택 LED, 충전의 진행정도를 알려주는 충전진행 LED를 더 구비함을 특징으로 하는 대용량 리튬계 전지의 충전장치.
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