KR101041430B1 - 배터리 재생/충전 장치 - Google Patents

배터리 재생/충전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 재생/충전 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 상용전원이 입력되는 상용전원입력부(20); 상기 상용전원입력부(20)에서 생성된 전압을 이용하여 상기 배터리(1)를 충전하는 충전부(40); 상기 배터리(1)를 방전시키는 방전부(70); 상기 상용전원입력부(20)에서 생성된 전압을 이용하여 피크펄스를 20~30KHz 발생시켜 상기 배터리(1)에 제공하여 황산화 현상을 제거하는 재생부(50); 및 상기 배터리(1)의 전압, 상기 배터리(1)의 콜드크랭킹 전류, 배터리 내부저항 및 상기 상용전원입력부(20)에서 제공되는 입력전압을 감지하여 충전부(40), 재생부(50) 및 방전부(70)의 작동을 제어하는 마이콤(60)을 포함한다.

Description

배터리 재생/충전 장치{BATTERY RECOVERY/CHARGING SYSTEM}
본 발명은 배터리 재생/충전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 배터리는 양극판(PbO2), 음극판(Pb), 및 전해액(H2SO4)으로 구성되어 전기 화학적 작용을 이용하여 활성화 물질에 포함된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다.
또한 방전 반응은 양극의 이산화납과 음극의 납이 황산납이 되는 과정이다.
화학적 수식은 PbO₂+ Pb +2HSO₄ + 2H→2PbSO₄+ 2H₂O
충전반응은 황산납이 양극에 이산화납 음극에 납으로 돌아가는 과정이다.
화학적 수식은 2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂+ 2H₂SO₄
반응 시이트는 음극 : PbSO₄ + 2e → Pb + SO₄², 양극 : PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂+ 4H + SO4 + 2e가 된다.
이러한, 배터리는 방전시에 황산염(SO4)이 전극과 결합함으로써 물이 생성되어 비중이 낮아지고, 충전시에는 결합된 황산염이 전해액으로 돌아와서 비중이 높아지며 화학작용도 활발하게 활성화된다.
그런데, 배터리에서 충/방전을 반복하는 동안 방전 시 전극에 결합되는 황산염이 충전 및 방전시에도 떨어지지 아니하고 그대로 붙어 있음으로써 절연층을 형성하는 황산화 현상이 발생하게 된다.
이때, 배터리의 충/방전 횟수가 거듭 됨으로써 전극 표면에 황산염이 과다하게 축적되면서 화학/전기 반응의 통로가 차단되고 전기에너지 저장능력이 저하되어 배터리의 성능이 저하되어 배터리기능을 상실함으로써 재생없이 지속 사용하므로 약400 사이클을 사용하면 방전 종지 전압에 이르게 되고 더 이상 사용할 수 없어 폐기처분에 이르게 된다.
이러한, 황산화 현상으로 인해 성능이 현저하게 떨어지고 배터리를 극판 수명이 1000 사이클인 6년에서 9년에 못 미치는 사용기간으로 조기에 폐기시키는 것은 소요예산 낭비와 심각한 환경오염을 유발하는 문제와 성능이 저하되어 긴급장비 및 전투장비에 즉각적인 가동이 안 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 배터리 전극에 축적되는 황산염을 제거하여 배터리의 수명을 연장시키고, 배터리의 화학작용을 활성화하여 배터리 성능이 향상되도록 충전할 수 있는 배터리 재생/충전 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 재생/충전 장치는 상용전원이 입력되는 상용전원입력부; 상기 상용전원입력부에서 생성된 전압을 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충전부; 상기 배터리를 방전시키는 방전부; 상기 상용전원입력부에서 생성된 전압을 이용하여 배터리에 재생 펄스를 공급하여 배터리에 생성된 황산염을 제거하는 재생부; 및 상기 배터리의 전압, 상기 배터리의 콜드크랭킹전류, 배터리의 내부저항, 각 셀의 단락 상태 판단하는 신호 및 상기 상용전원입력부에서 제공되는 입력전압을 감지하여 충전부, 방전부의 작동을 제어하는 재생부를 제어하는 마이콤을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리전극에 축적되는 황산염을 제거하여 배터리의 수명을 연장시키고, 배터리의 화학작용을 활성화 하여 배터리의 건강상태 (HEALTH : 충전상태, 전극의 상태, 전해액의 활성화상태 등을 종합판단)를 향상할 수 있는 이점이 있다.
그뿐만 아니라, 주간에는 태양광을 이용하고 야간에는 상용전원을 이용하여 배터리의 재생과 충전에 필요한 전원을 공급하고 배터리의 콜드크랭킹 전류와 내부저항을 분석하여 배터리의 황산염의 고착을 판단하여 재생 및 방전을 통해 고착된 황산염을 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명은 배터리 극판의 황산염 고착을 방지하고 고착된 황산염을 제거하여 배터리 성능의 향상, 수명연장 및 안정화를 이룰 수 있는 매우 유용한 발명이다.
또한, 본 발명은 마이콤의 작동기간 설정 기능을 통해 제품의 판매뿐만 아니라 대여를 이용한 매출을 제공할 줄 수 있는 또 다른 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 배터리 재생/충전 장치의 구성을 나타낸 기능블록도.
도 2는 도 1에 따른 배터리 재생/충전 장치 중 마이콤의 구성을 나타낸 기능블록도.
도 3은 도 1에 따른 배터리 재생/충전 장치 중 마이콤의 다른 구성을 나타낸 블록도.
도 4는 도 1에 따른 배터리 재생/충전 장치 재생펄스의 파형을 나타낸 도면이다.
특정 실시예의 후술되는 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예의 여러 설명을 제공한다. 그러나, 본 발명은 청구범위에 의해 한정되고 커버되는 다수의 여러 방법으로 구현될 수 있다. 본 상세한 설명은 동일한 참조 번호가 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타내는 도면을 참조하여 설명된다.
본 명세서에서 제공되는 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단순히 본 발명의 특정 실시예의 상세한 설명을 위해 사용된 것이기 때문에 본 발명을 특정 방법으로 제한하거나 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 나아가, 본 발명의 실시예는, 전체적으로 본 발명의 바람직한 속성들을 나타내거나 본 명세서에 제공된 발명을 실시하는데 필수적인 여러 신규한 특징을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 이용하여 설명하면 아래와 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 상용전원입력부(20), 충전부(40), 재생부(50), 마이콤(60) 및 방전부(70)을 포함하며, 솔라전원입력부(10) 및 선택부(30)를 더 포함할 수 있다.
상용전원입력부(20)는 입력되는 상용전원을 충전부(40)로 제공한다.
충전부(40)는 상용전원입력부(20)에서 생성된 전압을 이용하여 상기 배터리(1)를 충전한다.
한편, 방전부(70)는 배터리(1)를 방전시킨다.
그리고, 재생부(50)는 상용전원입력부(20)에서 생성된 전압을 이용하여 20~30KHz 의 피크 펄스를 발생시켜 배터리(1)에 제공하여 황산염을 제거한다.
한편, 마이콤(60)은 배터리(1)의 전압, 전류, 배터리(1)의 콜드크랭킹 전류, 배터리(1) 내부저항 및 상용전원입력부(20)에서 제공되는 입력전압을 감지하여 충전부(40), 재생부(50) 및 방전부(70)의 작동을 제어할 수 있다.
또한, 마이콤(60)은 도 3에 도시된 바와 같이 사용기간 설정부(67)와 잠금 기능 처리부(68)을 더 구비한다.
사용기간 설정부(67)는 기 설정된 기간 동안 동작 후 작동을 중지시킨다.
그리고, 잠금 기능 처리부(68)는 기 설정된 입력에 따라 사용기간 설정부(67)를 통해 중지된 재생 및 충전 기능을 회복시킬 수 있다. 일반적으로 잠금 기능 처리부(68)는 비밀번호 기능을 통해 구현할 수 있다. 또한, 횟수에 따른 비밀번호를 미리 입력해 두고 그에 맞는 비밀번호를 제공함으로써 잠금 기능 처리부(68)의 기능을 제공할 수 있다.
반면에, 솔라전원입력부(10)는 태양광을 흡수하여 광 기전력 효과에 의해 전기 에너지로 변환된 전원을 제공한다.
선택부(30)는 솔라전원입력부(10) 및 상용전원입력부(20) 중 입력되는 입력전원을 선택하여 충전부(40) 또는 재생부(50)로 제공한다.
먼저, 본 발명은 외부 배터리(1)와 연결하기 위한 케이블연결잭(도시하지 않음)이 설치되어 있고, 일측에는 충전상태를 %로 표시하는 표시부(도시하지 않음)와 재생상태를 판단하여 %로 표시하고 과충전 방지회로와 배터리의 재생, 충전, 폐기처리로 판단하는 시험기능이 설치되어 있고 역극성과 단락 시 회로보호기능, 회로진단기능, 출력쇼트보호, 출력역극성 보호, 과부하 과충전보호, 과열보호 냉각팬 작동 및 자동자단기능, 재생완료시 재생충전기의 전원 차단기능과, 배터리 전원이 낮아 충전 및 재생 불가시 강제 충전 터보 충전기능, 재생 시간 조절기능, 재생 검사기능이 포함되어 있다.
여기서, 솔라전원입력부(10)에는 태양광 전압이 기준 전압이 낮을 경우 전압을 승압시키는 승압부(11)가 구비될 수 있다.
승압부(11)는 태양광 입력전압이 날씨와 시간대 별로 변하더라도 항상 일정한 전압을 유지시킬 수 있다. 이때, 승압부(21)의 승압전압은 13~15V 또는 26~30V의 직류전압이 바람직하다.
또한, 솔라전원입력부(10)는 솔라셀이 다수 배열된 집광판(도시생략)을 포함하는 솔라모듈과 연결될 수 있다.
여기서, 솔라모듈의 장점은 솔라 출력전압이 배터리(1)의 정격전압보다 낮더라도 최소입력허용전압보다 크면 충전이 되어 태양광의 입사량이 미세할 경우에도 충분히 필요한 전압을 발생시킬 수 있다.
따라서, 공칭전압보다 높은 잉여전압을 태양광 입사율이 상대적으로 미약한 시간대에 배터리(1)에 효율적으로 공급하도록 저장함으로써 에너지효율과 충전효율을 극대화할 수 있다.
또한, 상용전원입력부(20)에는 상용전원의 전압을 조정하는 조정부(21)가 구비될 수 있다. 이때, 조정부(21)에 의해 강하되는 전압은 13~15V 또는 26~30V의 직류전압이 바람직하다. 즉, 조정부(21)는 배터리(1)의 정격전압에 맞도록 입력전원의 전압을 강하시키는 것이다.
또한, 선택부(30)는 스위칭수단으로써 상용전원입력부(20)와 솔라전원입력부(10)의 전압을 비교하여 그 중 어느 하나의 입력전압을 선택할 수 있다. 이때, 전압값설정부(31)가 12V 또는 24V를 선택하고 입력전원의 전압이 12V 또는 24V이상이면 재생 및 방전되고, 12V 또는 24V이하이면 충전만 될 수 있다. 즉, 사용자가 선택부(30)를 통해 주간/야간을 선택할 수 있다,
한편, 자동 모드를 선택하면 배터리(1)는 주/야간동안 지속적으로 재생 및 충전된다. 이때, 자동 모드는 배터리(1)의 재생을 수행한 후 재생이 되지 않을 경우 터보충전을 수행하여 일반 재생이 될 때 까지만 수행한다. 이후, 일반재생을 수행하여 배터리(1)의 재생이 완료되면 충전 모드로 넘어가 충전을 수행하고 충전을 완료할 수 있다.
그리고 충전부(40), 재생부(50) 및 방전부(70)는 마이콤(60)의 제어에 의해 상기 솔라전원입력부(10) 또는 사용전원입력부(20)로부터 제공되는 전압을 배터리(1)에 충전할 수 있다.
이때, 충전부(40)는 과충전을 방지하는 과충전 보호부(41)와, 과방전을 보호하는 과방전 보호부(42)와, 역 극성연결 및 단락시 회로를 보호하는 회로보호장치와 경고 지시장치가 더 구비될 수 있다.
또한, 재생부(50)는 도 4에 도시된 바와 같이 배터리(1)의 양극과 음극에 20~30KHz의 재생펄스를 지속적으로 공급하여 배터리(1)의 극판에 고착되는 황산염을 제거한다. 한편, 터보충전부(80)는 방전종지전압 이하 8.5VDC 이하로써 사용 불가능한 배터리(1)의 경우, 충전 작용이 미흡함에 따라 충전과 방전을 주기적으로 수행하는 재생펄스를 제공하여 성능이 낮은 배터리도 재생할 수 있다.
즉, 극판의 황산은 2염기산이며 하기의 [수학식 1]을 통해 해리할 수 있다.
Figure 112010014165013-pat00001
->
Figure 112010014165013-pat00002
->
Figure 112010014165013-pat00003
→
Figure 112010014165013-pat00004
와 같다. 즉, 황선염이 -2가 이온이므로 피크파형을 형성한 황산염에 자극을 주면 매우적은 쇼트로부터 황산납의 결정분자를 이완시켜 황산납을 분해하여 전해액에 녹아
Figure 112010014165013-pat00005
의 묽은 황산으로 돌아가므로 극판에 떨어져 극판을 총소(크리닉)하여 배터리의 화학 작용을 돕고 전기발생과 저장 능력을 향상시킨다.
특히, 재생펄스 20 ~ 30KHz이하에서는 고착된 황산염이 분해가 미흡하고 그 이상에서는 황산염의 분해는 잘되나 배터리 전극과 격리판의 손상되므로 20~30 KHz가 적당하다.
따라서 재생부(50)는 전극판의 전기 발생면적을 증대시켜 배터리(1)의 재생여건을 향상시킬 수 있다.
그리고 마이콤(60)은 상기 선택부(30)에서 선택되는 전압을 인식하는 입력전압인식부(61); 상기 입력전압인식부(61)에서 인식된 입력전압을 입력전압값으로 변환하는 전압변환부(62); 비교전압값을 설정하는 비교전압값설정부(63); 상기 입력전압값과 비교전압값을 비교하는 전압비교부(64); 상기 입력전압값이 비교전압값 보다 작으면 배터리(1)에 충전시키고, 비교전압값 보다 크면 배터리(1)에 재생 및 방전시키는 전압판단부(65); 및 배터리(1)의 황산화 현상을 감지하여 특정 펄스를 이용 재생과 방전을 반복하는 재생부(50)와 방전부(70)를 제어하는 재생 제어부(66)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 마이콤(60)은 배터리의 재생 기능, 배터리의 터보 충전 기능 및 배터리의 재생 및 충전 자동 기능을 제공할 수 있다.
이러한 마이콤(60)은 입력전원의 전압이 비교전압값 이상이면 재생 및 방전이 함께 이루어져 전원이 충전되면서 부하에 방전될 수 있다.
또한, 입력전압이 비교전압값 보다 낮으면 충전만 이루어지므로 배터리(1)는 완전충전 될 수 있다.
이때, 마이콤(60)은 콜드크랭킹 전류와 배터리의 내부 저항을 판단하여 방전부(70)를 통해 배터리(1)를 방전하는 동시에 재생부(50)를 제어하여 펄스를 발생시켜 배터리(1)에 공급하게 된다.
따라서, 재생 및 방전이 이루어질 때만 재생부(50)가 작동되므로, 배터리(1)에 충전된 전원은 부하에만 공급될 수 있다.
이에, 배터리(1)의 충전된 전원은 부하 이외의 다른 구성들에 의해 낭비되지 않는다.
한편, 배터리(1)의 방전 시도에 황산염이 전극에 결합되므로, 방전 시에 펄스를 전극에 공급하여 절연층을 형성하는 황산화 현상을 용이하게 제어할 수 있다.
한편, 마이콤(60)의 사용기간 설정부(67)는 기 설정된 기간 동안 동작 후 작동을 중지시킨다.
한편, 마이콤(60)의 잠금 기능 처리부(68)는 기 설정된 입력에 따라 사용기간 설정부(67)를 통해 중지된 재생 및 충전 기능을 회복시킬 수 있다.
또한 방전 시에도 재생펄스를 공급하여 황산염 분해와 황산화 현상을 용이하게 제거할 수 있다
전술된 상세한 설명이 구성도나 실시예에 적용된 바와 같이 본 발명의 기본적인 신규한 특징들을 도시하고 기술하고 언급하였지만, 예시된 시스템의 구성 및 상세 사항에 대해 본 발명의 의도를 벗어남이 없이 여러 생략, 교체 및 변경이 이 기술 분야에 숙련된 자에 의해 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 솔라전원입력부 20 : 상용전원입력부
30 : 선택부 40 : 충전부
50 : 재생부 60 : 마이콤
61 : 입력전압인식부 62 : 전압변환부
63 : 비교전압값설정부 64 : 전압비교부
65 : 전압판단부 66 : 재생 제어부
67 : 사용기간 설정부 68 : 잠금 기능 처리부
70 : 방전부 80 : 터보 충전부

Claims (8)

  1. 배터리 재생/충전 장치에 있어서,
    상용전원이 입력되는 상용전원입력부(20);
    상기 상용전원입력부(20)에서 생성된 전류를 이용하여 상기 배터리(1)를 충전하는 충전부(40);
    상기 배터리(1)를 방전시키는 방전부(70);
    상기 상용전원입력부(20)에서 생성된 전압을 이용하여 배터리(1)에 재생 펄스를 공급하여 배터리에 생성된 황산염을 제거하는 재생부(50);
    태양광을 흡수하여 광기전력효과에 의해 전기 에너지로 변환된 전원을 제공하는 솔라전원입력부(10);
    상기 솔라전원입력부(10) 및 상용전원입력부(20) 중 입력되는 입력전원을 선택하여 상기 충전부(40) 또는 상기 재생부(50)로 제공하는 선택부(30); 및
    상기 배터리(1)의 전압, 상기 배터리(1)의 콜드크랭킹전류, 배터리(1)의 내부저항, 각 셀의 단락 상태 판단하는 신호 및 상기 상용전원입력부(20)에서 제공되는 입력전압을 감지하여 충전부(40), 방전부(70)의 작동을 제어하는 재생부(50)를 제어하고, 방전 종지 전압이하로 사용 불가능한 배터리(1)에 대하여 상기 재생부(50)를 통해 재생 펄스를 인가한 후 충전시키는 터보충전부(80)와, 상기 선택부(30)에서 선택되는 전압을 인식하는 입력전압인식부(61)와, 상기 입력전압인식부(61)에서 인식된 입력전압을 입력 전압값으로 변환하는 전압변환부(62)와, 비교전압값을 설정하는 비교전압값설정부(63)와, 상기 입력전압값과 비교 전압값을 비교하는 전압비교부(64)와, 상기 입력전압값이 비교 전압값 보다 작으면 배터리(1)에 충전시키고, 비교전압값 보다 크면 배터리(1)에 재생 및 방전시키는 전압판단부(65)와, 배터리(1)의 황산화 현상을 감지하고 배터리(1)의 내부저항과 각셀의 단락을 분석하여 재생과 충전을 판단 작동하는 재생부(50)와 방전부(70)를 제어하는 재생 제어부(66)를 포함하는 마이콤(60);으로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 재생/충전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 재생부(50)를 통해 제공되는 재생 펄스는,
    20~30khz 인 것을 특징으로 하는 배터리 재생/충전 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 마이콤(60)은,
    강제 배터리의 충전기능, 배터리의 터보 충전 기능 및 배터리의 극판 황산화 상태, 전해액의 활성화, 전극의 단선, 단락 및 충전 상태를 종합하여 건강상태(health) 판단하여 재생 및 충전 자동 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 재생/충전 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 마이콤(60)은,
    기 설정된 기간 동안 동작 후 작동을 중지하는 사용기간 설정부(67); 및
    기 설정된 입력에 따라 상기 사용기간 설정부(67)를 통해 중지된 재생 및 충전 기능을 회복시키는 잠금 기능 처리부(68)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 재생/충전장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 마이콤은,
    전원과 태양전지를 선택하여 배터리(1)를 재생시키는 재생 모드와,
    배터리(1)를 충전시키는 충전 모드와,
    배터리(1)의 재생을 수행한 후 재생이 되지 않을 경우 터보충전을 수행하여 일반 재생이 될 때 까지만 수행한 후 일반재생을 수행하여 배터리(1)의 재생이 완료되면 충전 모드로 넘어가 충전을 수행하고 충전을 완료하는 재생과 충전기능을 자동으로 수행하는 자동 모드를 포함하는 배터리 재생/충전장치.
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