KR101088570B1 - 배터리 충전장치 - Google Patents

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KR101088570B1
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안창덕
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Abstract

본 발명은, 배터리를 정전류 충전하기 위한 충전전류를 생성하는 전류원과, 상기 전류원으로부터 공급되는 상기 충전전류에 따라 충전되는 상기 배터리의 단자 전압을 검출하는 검출부와, 상기 충전전류 공급에 따라 증가하는 배터리 단자 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하는 전압 비교부와, 상기 전압 비교부로부터의 일치 신호에 따라, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지시키는 충전전류 제어부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.

Description

배터리 충전장치{Lead storage battery charging method}
본 발명은 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 자동차, 골프카, 전기 지게차, 그 밖의 운송기구 또는 비상전원, 설비의 예비 전원 등으로 사용되는 배터리를 충전하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리가 소정 전압(예를 들어, 전기분해에 의한 가스 발생 전압)에 도달함에 따라, 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지해서 휴지기를 둔 후 적절한 시간 경과 후에 충전전류를 소정 값으로 감소시킴으로써, 배터리의 충전효율을 향상시키도록 된 배터리 충전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 납축전지(이하, 배터리라 함)란 화학적 에너지를 전기적 에너지로 바꿔주는 방전과 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어주는 충전의 사이클을 통해 배터리의 기능을 수행하는 것으로, 이온화 경향이 다른 두 개의 전극(양극, 음극)과 액체(전해액)로 폐회로를 만들어 두 금속과 전해액의 화학반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 것이다.
여기서, 상기 전극은 반응에 참여하는 활성물질과 전자가 이동할 수 있는 경로를 제공하는 전도체로 구성되며, 용액은 이온이 이동하는 경로가 된다. 전자이든 이온이든 모두 전기적 성질을 가지므로 전위에 의한 반응이 일어나는데 두 전극 사이에서의 전위차에 의한 반응으로 한쪽의 반응은 산화되고 다른쪽의 반응은 환원되는 구조로 이루어져 충전과 방전이 이루어진다.
한편, 상기 납축전지에서의 반응과정을 살펴보면,
방전 : 양극에서는 이산화 납이 전해액인 황산기(SO4-)와 결합하여 황산납이 되고, 음극에서는 스펀지상의 납이 황산기(SO4-)와 결합하여 황산납이 되며, 전해액의 수소(H+)기는 양극의 산소(O-)기와 반응하여 전해액의 농도는 묽게 된다(도 6 참조). 이와 같은 반응은 극판의 경화와 전해액의 농도의 변화를 가져오게 되어 결국에는 배터리의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
충전 : 양극판에서는 황산납의 황산은 전해액으로 돌아가고 이산화납이 되며, 음극판에서는 황산납의 황산이 전해액으로 돌아가게 되어 스펀지상의 납이 되며, 전해액의 양극에서 되돌아 온 황산기에 의해서 묽은 황산으로 변한다(도 7 참조).
여기서, 상기와 같은 배터리의 충전은 통상 정전압 충전방식 또는 정전류 충전방식에 의해 수행되거나, 정전류 충전 후 정전압 충전하는 방식이 사용된다.
상기 정전압 충전방식은 교류(AC) 전원을 정류한 후 배터리의 정격 전압으로 변환하여 배터리의 충전전원으로 공급하며, 배터리의 충전상태에 따라 충전전원의 공급을 제어한다.
한편, 정전류 충전방식은 배터리의 충전동작이 진행됨에 따라 상승하는 배터리의 단자 전압의 상승과 무관하게 항상 일정한 전류를 공급하면서 충전하는 방식이다. 이러한 정전류 충전방식은 항상 일정한 전류로 배터리의 충전을 수행할 수 있어, 배터리가 충전전압에 도달하는데 걸리는 충전시간이 줄어들고, 충분한 충전을 할 수 있는 반면, 충전전압에 도달한 배터리에 계속적으로 전류를 공급하면 과충전과 함께 전기분해에 따른 가스가 발생되어 배터리를 열화시키는 등의 문제점이 있다.
여기서, 일반적인 배터리에서 충전중 가스가 발생되는 전압 범위는 배터리의 종류에 따라 다양하며, 일례로서 2.15V~2.8V이며, 2.2V~2.4V에서 가장 일반적으로 가스가 발생한다.
상기 문제점을 보완하기 위해, 본 발명의 출원인은 특허출원 제10-2010-0070010호(2010.07.20)에서, 가스 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있는 스텝 정전류 충전방식을 제안한 바 있다. 하지만, 상기 특허출원에 있어서는, 정전류 충전 중 스텝 변화 후(즉, 단계적으로 감소하는 정전류 충전 단계에 있어서, 높은 전류 값에 의한 이전 충전 단계로부터 낮은 전류 값에 의한 다음 충전 단계로 넘어간 후), 가스 발생 전압에 일찍 도달하게 되어, 가능한 작은 전류로 충전을 해야한 하는 문제점이 있었다.
또한, 상기 충전 과정을 개략적으로 설명한 도 7에 나타낸 바와 같이, 양극판 방전 시 생성된 PbSO4은 충전 중에 Pb2 +와 SO4 2 -로 이온화되고, SO4 2 - 이온은 극판 기공 내에서 극판표면으로 확산이 되며, 다시 극판표면에서 외부의 전해액으로 확산이 일어난다. 더욱이, 양극 방전 생성물인 PbSO4에서 PbO2로의 전기화학반응은 매우 빠르게 진행되며, 충전 속도는 SO4 2 - 이온이 극판 표면의 전해액으로 확산되는 속도와 극판 표면에서 외부 전해액으로 확산되는 속도, 극판 표면의 전해액에서 수화된 OH- 이온이 극판 기공 안쪽으로 확산되어 오는 속도에 의해 결정된다.
한편, 확산 속도를 결정하는 가장 큰 요인은 이온의 농도차이이며, 충전 및 확산 속도를 최대로 높일 수 있는 상태는 농도차이가 가장 크게 나는 시점이 된다.
음극판에서도 양극판에서와 같은 현상이 일어나는데, 음극 충전 시 생성된 SO42- 이온은 양극판과 같이 극판 기공에서 극판표면으로 확산되고, 극판 표면의 SO42- 이온은 극판 외부의 전해액으로 확산된다. 또한, 음극판 역시 급속충전이 이루어지기 위해서는 양극판과 같이 빠른 확산이 필요하며, 극판 기공 내에서 극판 표면, 극판 표면에서 외부로의 큰 이온 농도 차이를 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 상황을 고려하여 발명된 것으로서, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 자동차, 골프카, 전기 지게차, 그 밖의 운송기구 또는 비상전원, 설비의 예비 전원 등으로 사용되는 배터리를 정전류 및 정전압 충전하는데 있어서, 충전 중의 배터리가 상기 가스 발생 전압에 도달했는지 여부를 판단하며, 배터리가 상기 가스 발생 전압에 도달할 때마다, 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지해서 휴지기를 둔 후 적절한 시간 경과 후에 충전전류를 소정 값으로 감소시킴으로써, 배터리 전압을 상기 가스 발생 전압 이하로 유지시키면서 충전할 수 있도록 됨에 따라, 충전성능이 향상된 배터리 충전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 초기에 대전류로 충전하기 때문에 극판 표면의 황산 이온부터 전기화학반응에 참여하게 되고, 가스 발생 전압 도달시 극판 표면의 황산 이온의 농도는 이미 상당히 감소하게 되며, 이 상태에서 일정 시간의 휴지기를 둠으로써 극판 내부의 황산 이온이 극판 표면으로의 확산이 가능하게 함에 따라, 충전성능이 향상되도록 한 배터리 충전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 양극판과 음극판 이온의 빠른 확산 이동을 위해서, 이온이 최대 농도차이를 가질 때 충전 휴지기를 주어 빠른 확산이 이루어지도록 하는 배터리 충전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 배터리를 정전류 충전하기 위한 충전전류를 생성하는 전류원과, 상기 전류원으로부터 공급되는 상기 충전전류에 따라 충전되는 상기 배터리의 단자 전압을 검출하는 검출부와, 상기 충전전류 공급에 따라 증가하는 배터리 단자 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하는 전압 비교부와, 상기 전압 비교부로부터의 일치 신호에 따라, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류 공급을 정지해서 휴지기를 두는 동시에, 상기 휴지기 이후 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 레벨로 감소시키는 충전전류 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 배터리를 정전류 충전하기 위한 충전전류를 생성하는 전류원과, 상기 전류원으로부터 공급되는 상기 충전전류에 따라 충전되는 상기 배터리의 단자 전압을 검출하는 검출부와, 상기 충전전류 공급에 따라 증가하는 배터리 단자 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하는 전압 비교부와, 상기 전압 비교부로부터의 일치 신호에 따라, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지시키는 충전전류 제어부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 기준 전압은, 상기 배터리에 대한 충전전류 인가에 따라, 배터리로부터 전기분해에 의한 가스가 발생할 수 있는 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 검출부는 배터리의 단자 전압을 실시간으로 검출하여, 상기 전압 비교부로 전송하고, 상기 전압 비교부는 상기 기준 전압과 상기 단자 전압이 일치할 때, 상기 충전전류 제어부로 상기 일치 신호를 전송하며, 상기 충전전류 제어부는 상기 일치 신호가 전송될 때, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 정전압 인가를 위한 전압원을 더 구비하여 구성되며, 상기 충전전류 제어부는, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나, 전류 공급을 정지시키거나 또는, 전류 공급을 정지시킨 후, 상기 전압원으로부터 상기 배터리로 충전용 정전압이 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 일치 신호를 카운트하는 카운터를 더 구비하여 구성되고, 상기 충전전류 제어부는 상기 카운터가 소정 개수의 일치 신호를 카운트 함에 따라, 상기 전류원으로부터 상기 배터리로의 단계적인 전류 공급을 중단시킨 후, 상기 전압원으로부터 상기 배터리에 충전용 정전압을 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 정전압 공급에 따른 배터리의 전류값 변화를 검출하는 배터리 전류값 측정부를 더 구비하여 구성되며, 상기 배터리 전류값 측정부로부터 측정된 전류값 변화율이 0일 때, 또는 설정된 전류값에 도달할 때, 상기 배터리로의 정전압 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 일치 신호 전송에 따라 점등되는 표시장치를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 충전되는 배터리의 가스 발생 전압을 기준 전압 Vr로 설정하는 단계(S51)와, 배터리의 단자 전압 값 Vb를 실시간으로 검출하는 단계(S53)와, 상기 기준 전압 값 Vr과 배터리의 단자 전압 값 Vb를 실시간으로 비교하는 단계(S54)와, 상기 기준 전압 값 Vr과 상기 배터리 단자 전압 값 Vb가 일치할 경우, 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류 값 Ich를 감소시키거나 또는 소정의 휴지기 후 감소시키는 단계(S55)와, 상기 단계 S53에서 상기 단계 S55를 복수 회 반복하는 단계(S56)와, 상기 전류원으로부터의 정전류 공급을 차단하고, 전압원으로부터 상기 배터리로 정전압을 인가하는 단계(S57)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 정전압 인가에 따른 배터리의 전류 값 변화를 감지하며, 전류 값 변화율이 0일 경우 또는 설정된 전류값에 도달할 때, 상기 배터리 충전을 종료하는 단계(S58)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전방법을 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하면, 배터리 충전장치에 있어서, 배터리의 충전 전압(단자 전압)이 미리 설정된 가스 발생 전압에 도달했는지 여부를 용이하게 판단하고, 정전류 충전 중 상기 배터리 충전 전압이 가스 발생 전압에 도달할 때마다, 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지해서 휴지기를 둔 후 적절한 시간 경과 후에 충전 전류를 소정 값으로 감소시킴으로써, 가스 발생 없이 배터리의 정전류 충전을 가능하게 하는 효과를 나타낸다.
또한, 정전류 충전 중, 초기에 고율충전 또는 대전류로 충전함에 따라 충전 시간을 단축할 수 있고, 휴지기를 두는 경우, 연속적인 스텝 충전에 비해 상대적으로 큰 전류에 의한 충전이 이루어져 충전시간의 단축 효과를 볼 수 있다. 또한, 분극현상에 의한 내부저항의 증가를 억제함으로써, 배터리의 물리적, 화학적 열화를 방지하여 배터리 수명을 최대한 연장할 수 있다.
또한, 사용자가 배터리 충전상태를 감각적으로 용이하게 파악할 수 있는 효과를 나타낸다.
더욱이, 연속 충전에 있어서, 단계적인 충전 전류 감소 중, 휴지기를 둠에 따라, 연속 충전에 의한 배터리 내의 열축적을 방지할 수 있게 된다.
또한, 급속 충전에 따른 극판 표면의 급격한 SO4 2 - 이온 농도의 증가에 따라, 휴지기 동안 극판 표면 외부의 전해액으로 빠른 속도로 확산될 수 있게 된다. 또한, 단계적인 충전 전류 감소 중, 가스발생 전압에 도달할 때마다, 휴지기를 둠으로써 재충전 시 충전 수입성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 배터리 충전장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명에 따른 배터리 충전장치에 의해 충전전류 및 단자 전압이 단계적으로 변하는 상태를 나타낸 그래프로, 도 2(a)는 충전전류가 가스발생 전압에 도달할 때마다 감소하는 상태를 나타내고, 도 2(b)는 단자 전압이 가스발생 전압에 도달할 때마다 충전전류 공급을 정지해서 휴지기를 두는 동시에, 휴지기 이후 충전전류가 감소되는 상태를 나타내며,
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 배터리 충전장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이고,
도 4는 본 발명의 실시예3에 따른 배터리 충전장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이며,
도 5는 본 발명에 따른 배터리 충전장치에 의한 충전 방법에 대해서 설명하는 순서도이고,
도 6은 부하에 대한 납축전지의 방전에 따른 이온의 이동을 개념적으로 나타낸 개념도이며,
도 7은 DC소스를 이용해서 납축전지를 충전함에 따른 이온의 이동을 개념적으로 나타낸 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명은 일실시예로서 이해되어야 한다. 먼저, 본 발명에 기재된 배터리는, 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 자동차, 골프카, 전기 지게차, 그 밖의 운송기구 또는 비상전원, 설비의 예비 전원 등으로 사용되는 충방전 가능한 배터리를 의미한다. 더욱이, Ni-Cd, Ni-MH, 연축전지 등의 수용성 전해액을 사용하는 모든 배터리를 의미한다.
[실시예1]
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 배터리 충전장치의 개략적인 블록구성도이다.
본 발명에 따른 배터리 충전장치는, 배터리를 충전하기 위한 충전전류를 생성하는 전류원(10)과, 이 전류원으로부터 공급되는 상기 충전전류 Ich로 충전되는 상기 배터리(100)의 배터리 단자 전압 Vb을 검출하는 배터리 전압 검출부(20)와, 상기 충전전류 공급에 따라 증가하는 배터리 전압(배터리 단자 전압) Vb와 미리 설정된 기준 전압 Vr을 비교하는 전압 비교부(30)와, 상기 전압 비교부(30)의 비교 결과, 상기 배터리 전압 Vb와 기준 전압 Vr이 일치할 때, 상기 전류원으로부터 상기 배터리로 공급되는 충전전류 Ich를 제어하는 충전전류 제어부(40) 및, 충전장치 구동용의 전압 및 상기 배터리(100)에 충전용의 정전압 Vch를 제공하는 전원(50)을 더 구비하여 구성된다. 한편, 본 발명에 따른 배터리 충전장치의 상기 및 이하 개시되는 구성요소들은 마이컴 및 이 마이컴에 수반되는 프로그램 등을 포함하여 구현될 수 있는 도시 생략된 장치 제어부에 의해 제어된다.
여기서, 상기 전원(50)은 통상 교류 전원으로, 정류 및 변압회로를 경유하여 정류 및 정압된 후, 충전전류를 생성하기 위해서 상기 전류원(10)으로 공급된다. 더욱이, 기준 전압 Vr을 생성하여, 상기 전압 비교부(30)로 공급한다. 또한, 상기 배터리(100) 충전전압 Vch를 생성하여, 상기 배터리(100)로 공급한다.
여기서, 상기 전류원(10)은 상기 전원(50)으로부터 공급되는 전압에 따라, 충전용의 정전류 Ich를 생성하여 상기 배터리(100)로 공급한다.
따라서, 상기 배터리(100)는, 상기 전류원(10)으로부터의 전류 공급에 따른 정전류 방식의 충전동작에 의해 그 단자 전압이 상승하게 된다. 한편, 비교를 위해 상기 전원(50)으로부터 상기 전압 비교부(30)로 공급되는 기준 전압 Vr은, 상기 배터리 내에서 가스가 발생되는 전압 범위가 2.15V~2.8V인 점을 고려하여, 예를 들어 2.5V를 기준 전압으로 설정할 수 있지만, 배터리 종류에 따라 상기 가스 발생 전압 범위가 다양하게 설정됨에 따라, 기준 전압도 다양하게 설정될 수 있다.
여기서, 상기 배터리 전압 검출부(20)는, 상기 배터리와 병렬 접속되어 배터리 단자 전압을 실시간으로 검출하는 가변저항 및 단자 저항을 포함하여 이루어지는 전압계로 구현될 수 있다.
또한, 상기 전압 비교부(30)는 OP앰프를 포함하는 회로부 또는 AND 논리회로로 구현될 수 있으며, 상기 전압 검출부(20)로부터 입력되는 배터리의 단자 전압 Vb와 상기 전원(50)으로부터 공급되는 미리 설정된 기준 전압 Vr을 비교하여, 전압의 일치 여부를 비교하게 된다(Vb=Vr).
예를 들어, 상기 전압 비교부(30)는 상기 Vb=Vr일 경우, 0의 오프셋 값을 생성하며, 이 값을 상기 충전전류 제어부(40)로 전송한다.
여기서, 상기 충전전류 제어부(40)는, 상기 전압 비교부(30)로부터 전송되는 Vb=Vr를 나타내는 신호 S(=1,2..)에 따라 상기 전류원(10)으로부터의 전류공급을 단계적으로 저감시킨다(도 2(a) 참조). 더욱이, 상기 충전전류 제어부(40)는 상기 각각의 저감 단계마다 휴지기 tr을 두어 전류 공급을 정지시킬 수 있다.
한편, 상기 충전전류 제어부(40)에 의한 상기 전류원(10)의 단계적인 전류 공급이 종료된 후, 상기 도시생략된 장치 제어부는 상기 전원(50)을 제어하여, 상기 배터리(100)에 충전 전압 Vch가 인가되도록 한다.
이하, 본 발명의 배터리 충전장치에 의한 충전 동작을 상세히 설명한다. 먼저, 일례에 따른 제어 방법에 있어서는, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 충전의 초기단계 t0~t1에서는, 상기 전류원(10)으로부터 상대적으로 높은 충전전류 Ich1이 배터리로 공급되도록 제어한다. 이에 따라, 상기 배터리(100)의 단자 전압 Vb는 기준 전압 이하로부터 순차적으로 상승하며, 배터리(100)로의 계속적인 충전전류 Ich1의 공급에 따라, 시점 t1에서 기준 전압 Vr에 도달하게 된다.
이때, 상기 전압 비교부(30)는 상기 배터리 단자 전압 Vb와 기준 전압 Vr을 비교하여, Vb=Vr인 S1 신호를 상기 충전전류 제어부(40)로 전송한다.
이 신호 S1 수신에 따라, 상기 충전전류 제어부(40)는, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 상기 전류원(10)으로부터 배터리로 공급되는 충전전류 Ich1을 소정 레벨 감소시켜 충전전류 Ich2를 발생시킨다.
이러한 충전전류 감소에 따라, 상기 배터리의 단자 전압은 t1의 시점에서 일시적으로 하강한다. 그리고, 계속적인 전류 Ich2의 공급에 따라 배터리 단자 전압은 다시 상승하게 되고, 시점 t2에서 다시 상기 기준 전압 Vr과 일치하게 된다(단계 t1~t2).
여기서, 상기 전압 비교부(30)는, 다시 상기 배터리 단자 전압 Vb와 기준 전압 Vr를 비교하고, Vb=Vr를 나타내는 S2 신호를 다시 상기 충전전류 제어부(40)로 전송하며, 상기 충전전류 제어부(40)는, 상기 전류원(10)의 충전전류 Ich2를 다시 소정 레벨 감소시켜 충전전류 Ich3를 발생시킨다.
한편, 상기 충전전류 Ich2의 감소에 따라, 상기 배터리의 단자 전압은 다시 하강한다. 그리고, 계속적인 충전전류 Ich3의 공급에 따라 단자 전압은 다시 상승하여 시점 t3에서 상기 기준 전압과 일치하게 된다(단계 t2~t3).
이에 따라, 상기 전압 비교부(30)는 상기 배터리 단자 전압 Vb와 기준 전압 Vr이 일치한다는 S3 신호를 다시 상기 충전전류 제어부(40)로 전송하게 되며, 상기 충전전류 제어부(40)는 상기 전류원(10)으로부터의 전류 공급을 상기 Ich3보다 작고 0값보다 큰 정전압 충전 유지 전류 Ich4 수준으로 감소시키는 동시에, 상기 전원(50)으로부터 상기 배터리에 정전압 Vch을 인가함으로써, 정전압 충전을 실시한다(단계 t3~t4). 한편, 상기 전류원(10)과 배터리를 개방시킴으로써, 상기 충전전류 Ich4를 0으로 설정할 수도 있다. 또한, 충전전류 Ich4를 이용해서 계속적으로 정전류 충전할 수도 있다.
또한, 다른 예에 따른 제어 방법에 있어서는, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 충전의 초기단계 t0~t1에서는, 상기 전류원(10)으로부터 상대적으로 높은 충전전류 Ich1이 배터리로 공급되도록 제어한다. 이에 따라, 상기 배터리(100) 단자부의 전압 Vb는 기준 전압 이하로부터 순차적으로 상승하며, 배터리(100)로의 계속적인 충전전류 Ich1의 공급에 따라, 시점 t1에서 기준 전압 Vr에 도달하게 된다.
이때, 상기 전압 비교부(30)는 상기 배터리 단자 전압 Vb와 기준 전압 Vr을 비교하여, Vb=Vr인 S1 신호를 상기 충전전류 제어부(40)로 전송한다.
이 신호 S1 수신에 따라, 상기 충전전류 제어부(40)는, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 전류원(10)의 충전전류 Ich1의 공급을 멈추고 소정 시간 경과 후에(휴지기 t1~tr 후에) 상기 전류원(10)의 충전전류 Ich1를 소정 레벨 감소시켜 충전전류 Ich2를 발생시킬 수 있다.
이러한 충전전류의 공급 정지에 따라, 상기 배터리의 단자 전압은 상기 휴지기 t1~tr 동안 일시적으로 하강한다. 그리고, 계속적인 전류 Ich2의 공급에 따라 배터리 단자 전압은 상승하게 되고, 시점 t2에서 다시 상기 기준 전압과 일치하게 된다. 한편, 상기 휴지기 t1~tr 동안, 극판 내부의 SO4 - 이온을 빠른 속도로 극판 표면 외부 전해액으로 확산시킨다.
여기서, 상기 전압 비교부(30)는, 다시 상기 배터리 단자 전압 Vb와 기준 전압 Vr를 비교하고, Vb=Vr를 나타내는 S2 신호를 다시 상기 충전전류 제어부(40)로 전송하며, 상기 충전전류 제어부(40)는, 상기 S2 신호 입력에 따라, 상기 전류원(10)의 충전전류 Ich2 공급을 멈추고, 소정 시간 경과 후에(휴지기 t2~tr 후에) 상기 전류원(10)의 충전전류를 소정 레벨 감소시켜 충전전류 Ich3를 발생시킨다.
한편, 상기 충전전류 Ich2의 공급 정지에 따라, 즉 상기 휴지기 t2~tr 동안, 상기 배터리의 단자 전압은 다시 하강한다. 그리고, 계속적인 충전전류 Ich3의 공급에 따라 단자 전압은 다시 상승하여 시점 t3에서 상기 기준 전압과 일치하게 된다(단계 t2~t3).
이에 따라, 상기 전압 비교부(30)는 상기 배터리 단자 전압 Vb와 기준 전압 Vr이 일치한다는 S3 신호를 다시 상기 충전전류 제어부(40)로 전송하게 되며, 상기 충전전류 제어부(40)는 상기 전류원(10)으로부터의 전류 공급을 상기 Ich3보다 작고 0값보다 큰 정전압 충전 유지 전류 Ich4 수준으로 감소시키는 동시에, 상기 전원(50)으로부터 상기 배터리에 정전압 Vch을 인가함으로써, 정전압 충전을 실시한다(단계 t3~t4: 최종 충전 단계). 한편, 이러한 정전압 충전 단계는 생략되어, 본 발명에 따른 충전 단계가 상기 복수 회의 정전류 충전 단계만으로 이루어질 수도 있다.
여기서, 상기 전류원(10)과 배터리를 개방시킴으로써, 상기 충전전류 Ich4를 0으로 설정할 수도 있다. 또한, 상기 시점 t3 이후 휴지기(예를 들어 t3~tr)를 두고, 이 휴지기 이후에 상기 정전압 Vch 및 정전압 충전 유지 전류 Ich4의 인가 동작을 수행할 수도 있다.
한편, 상기 도 2에 따른 정전류 충전에 수반되는 정전압 충전의 종료는, 배터리(100)의 전류값을 측정하여, 그 변화율이 0 또는 0에 근접할 경우, 종료되도록 한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 충전장치는, 배터리(100)의 전류값 측정을 위한 배터리 전류값 측정부(예를 들어, 전류계로 구현됨)와, 측정된 배터리 전류값의 변화율이 0 또는 0에 근접할 경우, 상기 전원 및 전류원과 배터리 간의 접속을 차단시키는(개방시키는) 개폐회로부를 더 구비하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 정전압 공급에 따라서 상기 배터리 전류값은 미세 범위 내에서 요동칠 수 있음에 따라, 정확한 종료 시점 판단을 위해서, 전류값 변화율이 있을 때와 없을 때 각각 "1", "0"의 신호를 발생시키는 통상의 슈미트 트리거 회로를 채용함으로써, 상기 변화율이 0인 시점을 명확히 판단하도록 할 수도 있다.
따라서, 상기와 같은 충전 방식에 의하면, 배터리 단자 전압 Vb가 가스가 발생하는 기준 전압 Vr과 일치하는 시점(t1,t2,t3)에서 배터리 단자에 공급되는 충전전류 Ich를 감소시킴에 따라, 배터리가 과도하게 충전되지 않도록 하고, 더욱이 배터리로의 과도전류 공급에 따른 배터리 내에서의 전기분해 발생을 방지하며, 이에 따라 배터리로부터 충전중 가스가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에 따른 충전의 종료는, 상기 배터리의 전체 충전 시간이나, 상기 정전압 충전 또는 정전류 충전이 될 수 있는 최종 충전 단계의 경과 시간이나, 배터리의 소정의 충전 용량을 고려하여 수행하거나, 또는 상기 최종 충전 단계에서의 배터리의 전압값의 상승 변화율이 0 또는 0에 근접할 때 수행하도록 된다.
한편, 상기 정전류 충전 단계 t0~t1, t1~t2, t2~t3의 충전전류 Ich1 내지 Ich3는 임의의 크기로 설정될 수 있다. 또한, 상기 정전류 충전 단계 또한 3단계 이상으로 설정될 수 있다. 또한, 휴지기(t1~tr 또는 t2~tr)는 배터리의 종류 및 타입에 따라 다수 및 다른 시간 길이로 설정될 수 있지만, 바람직하게는 극판 내부의 SO4가 전기화학반응에 참여하도록 극판 표면으로 확산하는 시간을 고려하여 20분 이내로 설정한다.
여기서, 상기 Ich1 내지 Ich4는, Ich=k·Ih(k는 전지 종류에 따른 충전 계수, Ih는 h 시간율에 해당하는 전류의 크기)의 관계식으로부터 얻어지는데, 배터리의 종류에 따라 그 값은 다양하게 설정될 수 있다.
일례로서, 상기 Ich1은 1~2 시간율 전류로 결정된다. 예를 들어, 겔 타입(gel type) 전지에 있어서 k=2, h=2일 경우, 상기 Ich1=2·(0.5C)=1C(여기서, C(capacity)는 배터리 용량이다)로 결정된다.
또한, 상기 Ich2은 2~5 시간율 전류로 결정하고, 상기 Ich3은 5시간율 전류 이하로 결정하며, 상기 Ich4는 상기 초기 전류 Ich1의 1~5% 사이의 값으로 결정함으로써 설정할 수 있다.
[실시예2]
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 배터리 충전장치의 개략적인 구성도로, 실시예2에 따른 배터리 충전장치에는, 상기 전압 비교부(30)로부터 충전전류 제어부(40)로 전송되는 신호 S(=Vb=Vr=S1,S2,...)의 개수를 카운트하는 카운터(60)가 더 구비되어 구성된다.
여기서, 상기 카운터(60)는, 예를 들면 상기 신호 S의 발생 개수가 소정 개수(설정 값) 이상일 경우, 상기 충전전류 제어부(40)로 정전류 충전 정지 신호 O를 전송하도록 구성될 수 있다. 이러한 정전류 충전 정지 신호 O 전송에 따라, 상기 충전전류 제어부(40)는 상기 전류원(10)으로부터 상기 배터리로 상기 전류 Ich4가 공급되도록 한다. 한편, 상기 정지 신호 O는 장치 제어부로 전송되며, 정지 신호 O를 수신한 장치 제어부는 상기 전원(50)으로부터 상기 배터리로 정전압의 충전전압을 인가하도록 제어한다.
한편, 도 3에 따른 실시예에 있어서는, 상기 카운터(60)가 3을 카운트함에 따라, 전류원을 이용한 정전류 충전이 정지되고, 전원을 이용한 정전압 충전이 이루어지고 있다.
[실시예3]
도 4는 본 발명의 실시예3에 따른 배터리 충전장치의 개략적인 구성도로, 실시예3에 따른 배터리 충전장치에는, 상기 카운터로부터의 정전류 충전 정지 신호 입력에 따라 점등되는 LED 등으로 구현될 수 있는 표시장치(70: 충전 확인부)가 더 구비된다.
이러한 표시장치(70)가 더 구비됨에 따라, 배터리 충전장치 사용자는 상기 LED의 점등에 따라, 배터리(100)의 충전을 명확히 확인할 수 있게 된다.
한편, 상기 카운터(60)로부터 표시장치(70)로 전송되는 신호는 상기 정지 신호 O 이외에 상기 S1 내지 Sn의 신호를 전송할 수 있으며, 이러한 신호 S1 내지 Sn의 전송에 따라 상기 표시장치(70)가 점멸하도록 구성할 수 있다.
따라서, 충전장치 사용자는 상기 LED의 점등에 따라, 배터리(100)의 정전류 충전상황을 명확히 확인할 수 있게 된다.
[그 밖의 실시예]
이하, 도 5를 참조로, 본 발명에 따른 배터리 충전장치에 의한 충전 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 상기 장치 제어부에 의해, 충전되는 배터리(100)의 가스 발생 전압을 상기 기준 전압 Vr로 설정한다(S51).
이러한 기준 전압 Vr 설정에 따라, 상기 장치 제어부는 상기 전원(50)으로부터 상기 전압 비교부(30)로 기준 전압 값 Vr을 입력하도록 제어한다.
이어서, 상기 장치 제어부는 상기 전류원으로부터 상기 배터리(100)로 충전전류 Ich를 공급하도록 제어한다(S52).
이어서, 상기 장치 제어부는, 배터리 전압 검출부(20)를 구동시킨다. 이에 따라, 전압 검출부(20)는 상기 충전전류 Ich 공급에 따라 증가하는 배터리(100)의 단자 전압 값 Vb를 실시간으로 검출하게 되며, 이 단자 전압 값 Vb는 실시간으로 상기 전압 비교부(30)로 입력된다(S53).
여기서, 상기 전압 비교부(30)는 상기 기준 전압 값 Vr과 배터리의 단자 전압 값 Vb를 실시간으로 비교하게 되며, Vr=Vb를 검출한다(S54).
이어서, 상기 비교 단계에서 Vr=Vb일 경우, 상기 전압 비교부(30)는 일치 신호를 상기 충전전류 제어부(40)로 입력하고, 이 입력에 따라, 상기 충전전류 제어부(40)는 상기 전류원(10)을 제어해서, 충전전류를 소정 레벨 감소시키거나(도 2(a) 참조) 또는, 충전전류 공급을 정지해서 휴지기(t1~tr, t2~tr)를 두는 동시에, 휴지기 이후 전류원(10)으로부터 배터리로 공급되는 충전전류 값 Ich를 소정 레벨 감소시킨다(도 2(a) 참조)(S55).
이러한 충전전류 값 감소에 따라, 상기 배터리 단자 전압은 다시 하강하게 되고, 상기 단계 S52 내지 S55 단계는 복수 회, 예를 들어 3회 반복된다(S56).
여기서, 상기 단계의 반복 회수는, 상기 카운터(60)에 의해 카운트되며, 소정의 설정값 예를 들어 3이 카운트됨에 따라, 종료된다. 즉, 상기 제어부는 카운트 회수 또는 상기 실시간으로 변하는 단자 전압 값 Vb 검출(S53)을 통해서 상기 배터리에 대한 충전량을 계산하게 된다.
한편, 카운트(예를 들어, 3회) 종료에 따라, 상기 충전전류 제어부(40)는 상기 전류원으로부터의 전류 공급을 차단한다. 또한, 이와 동시에 상기 장치 제어부는 상기 전원으로부터 상기 배터리로 정전압이 인가되도록 제어함으로써, 상기 배터리를 정전압 충전시킨다(S57). 여기서, 상기 전류원(10)과 배터리를 개방시킴으로써, 상기 충전전류 Ich를 0으로 설정할 수도 있다.
더욱이, 상기 충전전류 제어부(40)는 상기 전류원으로부터의 정전류 공급을 차단하고 소정의 휴지기 후, 전원으로부터 상기 배터리로 정전압을 인가하도록 제어함으로써, 상기 배터리를 정전압 충전시킬 수 있다(S57').
이어서, 상기 장치 제어부는 상기 배터리의 전류 값 변화를 감지하며, 전류 값 변화율이 0 또는 0에 근접할 경우 또는 소정의 전류값에 도달할 때, 상기 배터리 충전을 종료한다(S58). 또한, 상기 충전량을 계산하여 소정의 충전량에 도달할 때, 상기 배터리 충전을 종료할 수도 있다.
10 : 전류원, 20 : 배터리 전압 검출부,
30 : 전압 비교부, 40 : 충전전류 제어부.

Claims (11)

  1. 수용성 전해액을 사용하는 배터리를 정전류 충전하기 위한 충전전류를 생성하는 전류원과,
    상기 전류원으로부터 공급되는 상기 충전전류에 따라 충전되는 상기 배터리의 단자 전압을 검출하는 검출부와,
    상기 충전전류 공급에 따라 증가하는 배터리 단자 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하는 전압 비교부와,
    상기 전압 비교부로부터의 일치 신호에 따라, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류 공급을 정지해서 휴지기를 두는 동시에, 상기 휴지기 이후 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 레벨로 감소시키는 충전전류 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
  2. 수용성 전해액을 사용하는 배터리를 정전류 충전하기 위한 충전전류를 생성하는 전류원과,
    상기 전류원으로부터 공급되는 상기 충전전류에 따라 충전되는 상기 배터리의 단자 전압을 검출하는 검출부와,
    충전되는 배터리의 가스 발생 전압을 기준 전압으로 미리 설정하고, 상기 충전전류 공급에 따라 증가하는 배터리 단자 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 전압 비교부와,
    상기 전압 비교부로부터의 일치 신호에 따라, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지시키는 충전전류 제어부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 검출부는 배터리의 단자 전압을 실시간으로 검출하여, 상기 전압 비교부로 전송하고,
    상기 전압 비교부는 상기 기준 전압과 상기 단자 전압이 일치할 때, 상기 충전전류 제어부로 상기 일치 신호를 전송하며,
    상기 충전전류 제어부는 상기 일치 신호가 전송될 때, 상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나 또는, 전류 공급을 정지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    정전압 인가를 위한 전압원을 더 구비하여 구성되며,
    상기 충전전류 제어부는,
    상기 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류를 소정 값으로 감소시키거나, 전류 공급을 정지시키거나 또는, 전류 공급을 정지시킨 후, 상기 전압원으로부터 상기 배터리로 충전용 정전압이 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일치 신호를 카운트하는 카운터를 더 구비하여 구성되고,
    상기 충전전류 제어부는 상기 카운터가 소정 개수의 일치 신호를 카운트 함에 따라, 상기 전류원으로부터 상기 배터리로의 전류 공급을 중단시킨 후, 상기 전압원으로부터 상기 배터리에 충전용 정전압을 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정전압 공급에 따른 배터리의 전류값 변화를 검출하는 배터리 전류값 측정부를 더 구비하여 구성되며,
    상기 배터리 전류값 측정부로부터 측정된 전류값 변화율이 0 또는 0에 근접할 때, 또는 설정된 전류값에 도달할 때, 상기 배터리로의 정전압 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 일치 신호 전송에 따라 점등되는 표시장치를 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
  9. 충전되는 배터리의 가스 발생 전압을 기준 전압 Vr로 설정하는 단계(S51)와,
    배터리의 단자 전압 값 Vb를 실시간으로 검출하는 단계(S53)와,
    상기 기준 전압 값 Vr과 배터리의 단자 전압 값 Vb를 실시간으로 비교하는 단계(S54)와,
    상기 기준 전압 값 Vr과 상기 배터리 단자 전압 값 Vb가 일치할 경우, 전류원으로부터 배터리로 공급되는 충전전류 값 Ich를 감소시키거나 또는 소정의 휴지기 후 감소시키는 단계(S55)와,
    상기 단계 S53에서 상기 단계 S55를 복수 회 반복하는 단계(S56)와,
    상기 전류원으로부터의 정전류 공급을 차단하고 소정의 휴지기 후, 전압원으로부터 상기 배터리로 정전압을 인가하는 단계(S57')를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 정전압 인가에 따른 배터리의 전류 값 변화를 감지하며, 전류 값 변화율이 0 또는 0에 근접할 경우 또는 설정된 전류값에 도달할 때, 상기 배터리 충전을 종료하는 단계(S58)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전방법.
  11. 삭제
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