KR101131664B1

KR101131664B1 - 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치

Info

Publication number: KR101131664B1
Application number: KR1020100007785A
Authority: KR
Inventors: 장석호
Original assignee: 장석호
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2012-03-28
Also published as: US20120293134A1; WO2011093643A2; US9728996B2; WO2011093643A3; MX2012008601A; CN102870312B; ZA201205654B; JP2013518541A; WO2011093643A9; KR20110088057A; EP2530806A4; CN102870312A; JP5492310B2; EP2530806A2

Abstract

본 발명은 충전을 위한 전원의 공급원인 전원과, 발진 주파수를 지정하고 이에 대응하는 전기적 자기발진신호를 출력하는 속도 지정부와, 속도 지정부로부터 공급되는 전기적 자기발진신호에 의해 구동되는 다수의 스위치를 가지는 스위칭부 및 스위칭부의 다수의 스위치의 구동상태에 따라 전원을 수 회 충전하고 이를 한번에 방전시켜 배터리에 공급하는 전력 송출부로 구성된 것으로서 차량 등에 사용되는 연, 니켈 등의 배터리의 충전효율을 높이고 충전시간을 단축할 수 있도록 하는 것이다.

Description

스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치 {Charging equipment using switching arrangement and charging/discharging}

본 발명은 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 시차를 달리는 충전과 방전을 이용하여 배터리의 충전효율을 높이고 충전시간을 단축할 수 있도록 하는 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량 등에 장착되는 연(납), 니켈 배터리는 화학적 성능에 의해 충전시간을 단축할 수 있는 리튬 배터리와 달리 대략 4～7시간 정도의 충전시간을 필요로 한다. 이는 충전 초기에는 급격한 과부하로 인해 공급 측의 전위가 낮게 충전이 되고, 중간 이상 충전된 후에는 역기전하에 의해 충전효율이 떨어지기 때문이다.

차량에 장착되는 연 배터리는 가격이 저렴하다는 장점 이외에 중량이 많이 나가고 충전효율이 떨어지며 50% 이상 방전된 후에 바로 충전하지 않으면 기능(수명)이 저하되는 결점이 있다. 또한 니켈 배터리는 연 배터리에 비해 충전시간이 4시간 정도로 줄었으나, 연 배터리에 비해 동일 용량 배터리의 방전의 힘이 약하기 때문에 높은 전력이 요구되는 동력장비에는 사용을 기피하고 있는 추세이다.

위에서도 언급했듯이 리튬 배터리를 이용하는 경우 충전효율을 다소나마 개선할 수 있으나, 너무 비싸고 안전성이 떨어지는 문제점이 있다.

도1은 일반적인 충전방식의 차량 등의 배터리 충전회로로서 AC 전원이 정류소자(101)를 통해 배터리(102)에 공급되어 충전되도록 구성되어 있다. 여기서, 배터리의 정격전압보다 약 1.5% 상승된 AC 리플이 다소 있는 맥류를 배터리(102)에 공급함으로써 충전효율증가를 꾀하고 있다. 이때 배터리(102)에 공급되는 전원이 정격전압보다 1.5% 이상 높게 되면 충전시간은 단축되지만 배터리의 수명은 단축된다.

특히, 방전된 배터리의 충전 초기에는 도1에서와 같이 DC 전원이 방전된 배터리(102)에 공급 전원이 직접 접속됨으로써 공급 전원이 방전된 배터리(102) 전위로 하강하면서 순식간에 과부하상태가 됨으로써 효율적인 충전이 이루어지지 않는다.

또한 배터리에 전원이 중간 이상 충전된 경우 즉, 초기 충전시에는 충전액의 화학적 반응에 의해 어느 정도는 충전이 되지만 배터리에 전원이 중간이상 충전된 경우에는 같은 전하끼리 반발하는 작용이 발생하여 충전효율이 낮아지면서 충전시간이 길어지게 된다.

즉, 도1의 배터리 충전회로는 배터리(102)에 충전되는 전하가 증가하는 만큼 배터리에 공급되는 전하를 받아들이지 않으려는 반발력이 커지면서 초기와 같은 충전효율을 유지하지 못하는 결점이 있다.

상기한 바와 같은 결점을 해결하기 위한 본 발명은 차량 등에 사용되는 연, 니켈 배터리의 충전효율을 높이고 충전시간을 단축할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치는, 충전을 위한 전원; 발진 주파수를 지정하고 이에 대응하는 주파수를 가지는 전기적 자기발진신호를 출력하는 속도 지정부; 상기 속도 지정부로부터 공급되는 전기적 자기발진신호에 의해 구동되는 다수의 스위치를 가지는 스위칭부; 및 상기 스위칭부의 다수의 스위치의 구동상태에 따라 상기 전원을 수 차례에 거쳐 충전하고 이를 한번에 방전시켜 배터리에 공급하는 전력 송출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 스위칭부를 구성하는 다수의 스위치는 상기 속도 지정부의 전기적 자기발진신호에 의해 시차별로 구동되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 전력 송출부는 전원의 충방전을 제어하는 것으로서 상기 스위칭부의 스위치를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 상기 전원을 콘덴서에 1차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주고, 상기 스위칭부의 스위치를 통한 스위칭신호와 콘덴서에 의해 구동되어 상기 전원을 콘덴서에 2차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET; 상기 스위칭부의 스위치를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 상기 전원을 콘덴서에 3차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET; 및 상기 스위칭부의 스위치를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 콘덴서와 배터리 그리고 배터리와 전원을 연결시켜 주는 충전을 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 스위칭부를 구성하는 다수의 스위치는 시차를 두고 반복적으로 구동되어 3회 충전과 1회 방전이 반복적으로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 콘덴서로는 전해 콘덴서를 사용하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 의하면, 본 발명은 충전 초기나 중반 이후에도 동일하게 충실한 충전이 이루어지도록 하여 충전시간을 단축할 수 있고, 충방전 제어를 위한 시차별 스위칭 작용을 통해 전류를 배터리에 일정하게 공급해 줌으로써 고효율의 충전과 충전시간 단축을 유도할 수 있으며, 충전시 부하로 공급 측에 주는 데미지가 50% 이상 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 공급 측 전력의 20배수 용량의 배터리를 충전하는 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도1은 일반적인 충전방식의 충전회로도이다.
도2는 본 발명에 의한 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치의 개략도이다.
도3은 전해 콘덴서의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.

도2는 본 발명에 의한 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치를 보인 것으로서, 충전을 위한 전원의 공급원인 전원(10)과, 발진 주파수를 지정하고 이에 대응하는 주파수를 가지는 전기적 자기발진신호를 출력하는 속도 지정부(20)와, 속도 지정부(20)로부터 공급되는 전기적 자기발진신호에 의해 구동되는 다수의 스위치(S1～S4)를 가지는 스위칭부(30) 그리고 스위칭부(30)의 다수의 스위치(S1～S4)의 구동상태에 따라 전원(10)을 수 회 충전하고 이를 한번에 방전시켜 배터리(50)에 공급하는 전력 송출부(40)로 구성되어 있다.

여기서 스위칭부(30)를 구성하는 다수의 스위치(S1～S4)는 속도 지정부(20)로부터 공급되는 전기적 자기발진신호의 주파수에 의해 시차별로 구동될 수 있다.

또한 전력 송출부(40)는 스위칭부(30)의 스위치(S1)를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 전원(10)을 콘덴서(C2)에 1차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주고, 스위칭부(30)의 스위치(S2)를 통한 스위칭신호와 콘덴서(C1)에 의해 구동되어 전원(10)을 콘덴서(C2)에 2차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET(T1)와, 스위칭부(30)의 스위치(S3)를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 전원(10)을 콘덴서(C2)에 3차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET(T2) 및 스위칭부(30)의 스위치(S4)를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 콘덴서(C2)와 배터리(50) 그리고 배터리(50)와 전원(10)을 연결시켜 주는 충전을 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET(T3)로 구성된다.

그리고 스위칭부(30)의 스위치(S1～S4)는 시차를 두고 반복적으로 구동되어 3회 충전과 1회 방전이 반복적으로 이루어지도록 한다. 상기 콘덴서(C2)로는 전해 콘덴서가 사용된다.

이하, 본 발명의 동작 즉, 방전된 차량 등의 배터리(50)에 충전하는 과정을 설명한다.

완전히 방전된 차량 등의 배터리(50)에 전원을 충전하는 경우 낮아진 배터리(50)의 전위의 영향을 적게 받고 충전을 효과적으로 수행할 수 있도록 하기 위해, 도2에서와 같이 스위칭소자 역할을 하는 FET(T2)(T3)를 이용하여 전원(10)과 배터리(50)를 연결하는 폐루프를 형성시킴으로써 부하력을 상쇄시킬 수 있다. 다시 말하면, 전원(10)이 공급되면, 속도 지정부(20)와 스위칭부(30)가 먼저 작동되어 전력 송출부(40)를 구성하는 다수의 FET(T1～T3)를 작동시킴으로써 기동부하가 급작스럽게 발생하지 않는다.

더욱 상세하게는 전원(10)을 공급받은 속도 지정부(20)는 지정된 속도 즉, 지정된 주파수를 가지는 전기적 자기발진신호를 스위칭부(30)에 전달한다. 상기 스위칭부(30)는 속도 지정부(20)로부터 공급받은 전기적 자기발진신호에 의해 다수의 스위치(S1～S4)가 순차적으로 구동된다.

먼저, 스위칭부(30)의 스위치(S1)가 구동되어 저항(R1)을 통해 스위칭신호가 FET(T1)의 게이트(G)에 가해지는 경우 FET(T1)의 드레인(D)으로부터 소스(S) 측으로 전류가 흘러 콘덴서(C2)에 충전되게 된다.

다음으로 스위칭부(30)의 스위치(S1)가 원상 복귀되고 스위치(S2)가 구동되는 경우에도 위와 같은 동작을 수행하는데, 이때 스위치(S2)에 접속된 콘덴서(C1)는 스위치(S1)가 구동되었을 때보다 많은 파형 전원을 공급하여 콘덴서(C2)에 충전하기 위한 것이다.

여기서 콘덴서(C2) 즉, 전해 콘덴서의 작동원리를 보면, 도3의 (a)에서와 같이 잔여 전하가 없고 무부하 상태에서 전압을 주입하는 경우 급작스런 충전 대전이 되어 공급 측에 데미지를 준다. 도3의 (b)에서와 같이 잔여 전하가 있는 경우 잔여 전하가 있는 만큼 급충전 대전이 완화됨으로써 공급 측의 전기적 부하 데이지를 완화시켜 준다. 도3의 (c)에서와 같이 잔여 전하가 많은 경우 잔여 전하가 늘어나는 만큼 충전 데미지는 줄어든다.

위에서 도3을 참조하여 설명된 통상의 전해 콘덴서의 급충전 대전기능을 이용하여 최초의 급충전시 부하 데미지 완화를 위하여 도2에서와 같이 FET(T3)를 통해 방전된 콘덴서(C2)는 잔여전류를 담고, 도3의 (b)의 단계로부터 출발하여 스위치(S3)까지 충전하고 전력송출은 콘덴서(C2)의 대전 전하를 FET(T3)가 방전 스위칭하여 전기적인 충전효과를 콘덴서(C2)와 FET(T3)가 담당함으로써 공급전력에 영향을 주지 않고 배터리(50)의 상태에 영향을 받지 않고 일정하게 충전을 수행할 수 있는 것이다.

또한, 스위칭부(30)의 스위치(S3)를 통한 스위칭신호에 의해 구동되는 FET(T2) 역시 위에서 설명한 2단계에 이은 3단계의 충전작용을 한다. 이때 콘덴서(C2)의 충전 유인력에 의해 어느 정도의 전류가 다이오드(D)를 통해 배터러(50)에 충전되지만 배터리(50)의 (-)측이 부하상태를 유지하고 있지 못하고 콘덴서(C2)의 대전전류 역시 완전한 부하상태가 되지 못한 상태를 유지하다가 스위칭부(30)의 스위치(S4)를 통해 공급되는 스위칭신호에 의해 FET(T3)가 구동되는 순간 전원(10)과 배터리(50)의 (-)측이 연결되면서 콘덴서(C2)에 부하가 걸려 콘덴서(C2)의 방전과 함께 배터리(50)의 충전이 이루어지게 된다.

여기서, 스위치(S1～S3)를 통해 콘덴서(C2)에 3단계에 거쳐 전원을 반복해서 충전하는 이유는 전해물질로 제작된 전해 콘덴서 즉, 콘덴서(C2)는 순간적인 충전-대전능력과 방전 능력을 가지고 있기 때문이다. 또한 순간 충전시 공급 측에 데미지를 주는 문제를 해소하기 위하여, FET(T3) 구동시 방전된 후 잔여전류를 담재하고 스위치에 도달하는 작은 전류도 충격 없이 1차 충전을 시도하게 하여 최초 충격을 상쇄시키는 것이다.

따라서 본 발명에 의한 충전장치에 의하면, 카운팅에 의한 스위칭 작용을 통한 펄스전류를 공급하여 이미 배터리에 충진되어 있는 전하와의 역기전 간섭을 최소화함으로써 충전 시작부터 충전이 종료될 때까지 안정적이면서 우수한 충전효율을 얻을 수 있는 것이다.

10 : 전원 20 : 속도 지정부
30 : 스위칭부 40 : 전력 송출부
50 : 배터리 T1～T3 : FET
C1, C2 : 콘덴서

Claims

충전을 위한 전원의 공급원인 전원(10);
발진 주파수를 지정하고 이에 대응하는 주파수를 가지는 전기적 자기발진신호를 출력하는 속도 지정부(20);
상기 속도 지정부(20)로부터 공급되는 전기적 자기발진신호에 의해 구동되는 다수의 스위치(S1～S4)를 가지는 스위칭부(30); 및
상기 스위칭부(30)의 다수의 스위치(S1～S4)의 구동상태에 따라 상기 전원(10)을 수 회 충전하고 이를 한번에 방전시켜 배터리(50)에 공급하는 전력 송출부(40);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치.
제1항에 있어서,
상기 스위칭부(30)를 구성하는 다수의 스위치(S1～S4)는 상기 속도 지정부(20)의 전기적 자기발진신호에 의해 시차별로 구동되는 것을 특징으로 하는 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치.
제1항에 있어서,
상기 전력 송출부(40)는, 상기 스위칭부(30)의 스위치(S1)를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 상기 전원(10)을 콘덴서(C2)에 1차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주고, 상기 스위칭부(30)의 스위치(S2)를 통한 스위칭신호와 콘덴서(C1)에 의해 구동되어 상기 전원(10)을 콘덴서(C2)에 2차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET(T1);
상기 스위칭부(30)의 스위치(S3)를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 상기 전원(10)을 콘덴서(C2)에 3차로 충전시키기 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET(T2); 및
상기 스위칭부(30)의 스위치(S4)를 통한 스위칭신호에 의해 구동되어 콘덴서(C2)와 배터리(50) 그리고 배터리(50)와 전원(10)을 연결시켜 주는 충전을 위한 폐루프를 형성시켜 주는 FET(T3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치.
제3항에 있어서,
상기 스위칭부(30)의 스위치(S1～S4)는 시차를 두고 반복적으로 구동되어 3회 충전과 1회 방전이 반복적으로 이루어지면서 배터리(50)에 전원을 충전하도록 하는 것을 특징으로 하는 스위칭배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치.
제3항에 있어서,
상기 콘덴서(C2)는 전해 콘덴서인 것을 특징으로 하는 스위치배열과 충방전을 이용한 고효율 충전장치.