KR101331924B1

KR101331924B1 - 배터리 충전/재생 장치

Info

Publication number: KR101331924B1
Application number: KR1020120116248A
Authority: KR
Inventors: 박왕재
Original assignee: 성호그린테크주식회사
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2013-11-21

Abstract

본 발명은 배터리 충전/재생 장치에 관한 것으로서, 교류전원을 정류하는 1차 정류부와, 1차 정류부에 의해 정류된 1차 직류전원을 제어신호에 따른 스위칭 온/오프에 의해 트랜스포커의 1차권선을 통해 전류를 도통 또는 차단할 수 있도록 된 인버터와, 인버터의 구동을 제어하는 인버터 드라이버와, 트랜스포머의 2차권선에 유기된 전력을 정류하여 출력단자를 통해 접속된 배터리로 공급할 수 있도록 된 2차 정류부와, 2차정류부의 상기 출력단자로 이어지는 출력경로상에 설치되어 접속된 배터리로 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 설치된 메인 스위칭소자와, 2차 권선의 전류도통경로상에 설치된 리액터와, 출력단자를 통해 공급되는 전압을 검출하는 전압검출부와, 메인 스위칭소자를 온/오프 구동하는 재생/충전 구동부와, 배터리에 대한 충전모드 또는 재생모드 중 어느 하나를 선택할 수 있도록 된 입력부와, 전압검출부의 출력신호를 수신받아 메인 스위칭 소자가 스위치 오프 상태일 때 2차 정류부에서 생성되는 전압이 설정된 제1전압범위 내에 있도록 인버터 드라이버를 구동하고, 재생모드로 선택되면 메인 스위칭 소자를 설정된 듀티로 온/오프 반복 되게 제어하는 메인 제어부를 구비한다. 이러한 배터리 충전/재생 장치에 의하면, 충전과 재생을 동시에 수행할 수 있으면서, 공진 주파수를 찾아 재생이 이루어지도록 함으로써 재생효율을 높일 수 있는 장점을 제공한다.

Description

배터리 충전/재생 장치{apparatus for recycling and charging battery}

본 발명은 배터리 충전/재생장치에 관한 것으로서, 상세하게는 충전과 재생을 동시에 수행할 수 있는 배터리/충전 재생장치에 관한 것이다.

일반적으로 배터리는 전기적 에너지를 화학적 에너지로 충전하고, 충전된 화학적 에너지를 전기적 에너지로 방전할 수 있도록 된 것을 말한다.

이러한 배터리 중 납배터리는 묽은 황산과 이온화 경향이 다른 양극판과 음극판을 사용하여 충방전이 이루어질 수 있도록 되어 있다.

그런데, 이러한 납배터리는 충전과 방전을 반복하는 과정에서 황산염이 장기간에 걸쳐 양극판과 음극판에 고착화되면서 내부저항을 증가시켜 배터리의 성능을저하시킨다.

통상적으로 정상 상태의 배터리의 최초 내부저장이 사용반복에 의해 20%정도 증가하면 충방전이 원할하게 이루어지지 않게 되며, 이 보다 더 증가하면 사용불능 상태에 이르게 된다.

이러한 성능저하된 배터리 또는 폐배터리를 재활용하기 위한 재생방법이 국내 공개특허 제2012-0088957호 등 다양하게 개시되어 있다.

이러한 종래의 배터리 재생장치는 대부분 펄스신호를 인가하는 방식에 의해 극판에 고착된 황산염을 제거하는 방식을 적용하고 있고 충전과 재생을 동시에 수행하는 방식이 아니어서 재생후에 다시 충전을 수행해야 하는 불편함이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 충전과 재생을 동시에 수행할 수 있는 배터리 충전/재생 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 재생을 위해 인가되는 펄스에 대해 재생효율이 높은 공진 주파수를 찾아 재생을 자동으로 수행할 수 있는 배터리 충전/재생 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 배터리 충전/재생 장치는 상용 교류전원을 정류하는 1차 정류부와; 1차권선과 2차권선이 상호 커플링된 트랜스포머와; 상기 1차 정류부에 의해 정류된 1차 직류전원을 제어신호에 따른 스위칭 온/오프에 의해 상기 1차권선을 통해 전류를 도통 또는 차단할 수 있도록 된 인버터와; 상기 인버터의 구동을 제어하는 인버터 드라이버와; 상기 2차권선에 유기된 전력을 정류하여 출력단자를 통해 접속된 배터리로 공급할 수 있도록 된 2차 정류부와; 상기 2차정류부의 상기 출력단자로 이어지는 출력경로상에 설치되어 접속된 상기 배터리로 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 설치된 메인 스위칭소자와; 상기 2차 권선의 전류도통경로상에 설치된 리액터와; 상기 출력단자를 통해 공급되는 전압을 검출하는 전압검출부와; 상기 메인 스위칭소자를 온/오프 구동하는 재생/충전 구동부와; 상기 배터리에 대한 충전모드 또는 재생모드 중 어느 하나를 선택할 수 있도록 된 입력부와; 상기 전압검출부의 출력신호를 수신받아 상기 메인 스위칭 소자가 스위치 오프 상태일 때 상기 2차 정류부에서 생성되는 전압이 설정된 제1전압범위 내에 있도록 상기 인버터 드라이버를 구동하고, 상기 입력부로부터 재생모드로 선택되면 상기 메인 스위칭 소자를 설정된 듀티로 온/오프 반복 되게 제어하는 메인 제어부;를 구비한다.

상기 인버터는 상기 1차 정류부의 양단에 직렬상으로 접속되며 상기 인버터 드라이버에 의해 스위칭 온/오프되는 제1 및 제2 스위칭 소자와; 상기 1차 정류부의 양단에 직렬상으로 접속되며 상기 인버터 드라이버에 의해 스위칭 온/오프되는 제3 및 제4 스위칭 소자;를 구비하고, 상기 1차권선은 일단이 상기 제1 및 제2스위칭 소자를 상호 연결하는 제1 중단간에 접속되어 있고, 타단은 상기 제3 및 제4스위칭 소자를 상호 연결하는 제2중간단에 접속되어 있다.

바람직하게는 상기 2차 정류부의 출력단자를 통해 공급되는 전류를 검출하는 전류검출부;를 더 구비하고, 상기 메인 제어부는 상기 재생모드시 상기 메인 스위칭 소자의 온/오프 구동주기를 설정된 초기 구동 주파수에서부터 종단 구동 주파수까지 단계적으로 구동주파수를 가변시키면서 초기 구동 주파수에서 상기 전류검출부에서 검출되는 제1전류보다 전류가 1.5 내지 내지 3배 범위에 해당하는 상승전류값이 검출되면 해당 구동주기를 공진주파수로 판단하고, 공진 주파수로 상기 메인 스위칭 소자를 구동한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 초기 구동주파수는 60Hz이고, 상기 종단 구동주파수는 900KHz가 적용될 수 있다.

또한, 상기 2차 정류부는 상기 2차권선의 중간에서 상기 리액터의 일단과 직렬접속된 중간탭과; 상기 출력단자와 병렬상으로 접속되되 일단은 상기 리액터의 타단과 접속된 2차 커패시터와; 상기 2차 권선의 일단에서 상기 2차 커패시터로 전류가 도통되게 순방향으로 접속된 제1다이오드와; 상기 2차 권선의 타단에서 상기 2차 커패시터로 전류가 도통되게 순방향으로 접속된 제2다이오드;를 구비한다.

본 발명에 따른 배터리 충전/재생 장치에 의하면, 충전과 재생을 동시에 수행할 수 있으면서, 공진 주파수를 찾아 재생이 이루어지도록 함으로써 재생효율을 높일 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 충전/재생 장치를 나타내 보인 회로도이고,
도 2는 도 1의 배터리 충전/재생 장치에 의한 재생모드 수행과정을 나타내 보인 플로우도이고,
도 3은 재생모드시 도 1의 출력단자를 통해 인가되는 전압 파형을 나타내 보인 파형도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 충전/재생 장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 충전/재생 장치를 나타내 보인 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 충전/재생장치(100)는 1차 정류부(110), 인버터(120), 트랜스포머(130), 2차 정류부(140), 리액터(151), 전압검출부(171), 전류검출부(173), 메인 스위칭소자(175), 재생/충전구동부(181), 메인 제어부(185)를 구비한다.

1차 정류부(110)는 상용 교류전원(10)을 풀브리지 다이오드에 의해 정류하고, 충전 커패시터(115)를 통해 충전하여 1차 직류전원을 생성한다.

인버터(120)는 1차 정류부(110)에 의해 정류되어 생성된 1차 직류전원을 인버터 드라이버(125)의 제어신호에 따른 스위칭 온/오프에 의해 후술되는 트랜스포커(130)의 1차권선(131)을 통해 전류를 도통 또는 차단할 수 있도록 되어 있다.

도시된 예에서 인버터(120)는 제1 내지 제4스위칭소자(121 내지 124)로 된 풀브리지 방식으로 되어 있다.

제1 및 제2 스위칭 소자(121)(122)는 1차 정류부(110)의 1차 직류전원단인 충전 커패시터(115) 양단에 직렬상으로 상호 접속되어 있고, 인버터 드라이버(125)에 의해 스위칭 온/오프된다.

제3 및 제4 스위칭 소자(123)(124)도 1차 정류부(110)의 1차 직류전원단인 충전 커패시터(115) 양단에 직렬상으로 상호 접속되어 있고, 인버터 드라이버(125)에 의해 스위칭 온/오프된다.

이러한 인버터(120)는 제1 및 제4스위칭소자(121)(124)가 동시에 턴온되거나, 제2 및 제3스위칭소자(122)(123)가 동시에 턴온되는 과정에 의해 후술되는 트랜스 포머(130)의 1차권선(131)을 통해 정역으로 전류를 도통시킨다.

제1 내지 제4스위칭 소자는 전력용 반도체 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자가 적용되는 것이 바람직하다.

트랜스포머(130)는 1차권선(131)과 2차권선(132)이 상호 커플링되어, 1차 권선(131)을 통해 흐르는 전류를 권선비에 대응하여 2차권선(132)을 통해 유기시킬 수 있도록 되어 있다.

1차 권선(131)의 일단은 인버터(120)의 제1 및 제2스위칭 소자(121)(122)를 상호 연결하는 제1 중단간(127)에 접속되어 있고, 타단은 제3 및 제4스위칭 소자(123)(124)를 상호 연결하는 제2중간단(128)에 접속되어 있다.

인버터 드라이버(125)는 후술되는 메인 제어부(185)에 제어되어 인버터(120)의 구동을 제어한다.

2차 정류부(140)는 2차권선(132)에 유기된 전력을 정류하여 출력단자(161)(162)를 통해 접속된 배터리(200)로 공급할 수 있도록 되어 있다.

2차 정류부(140)는 2차 권선(132)의 중간에서 후술되는 리액터(151)의 일단과 직렬접속된 중간탭(142)과, 2차 권선(132)의 양단에서 발생되는 전력을 정류할 수 있도록 되어 있다.

2차 정류부(140)는 제1 및 제2 다이오드(143)(144) 및 2차 커패시터(145)를 구비한다.

2차 커패시터(145)는 출력단자(161)(162)와 병렬상으로 접속되되 일단은 리액터(151)의 타단과 접속되어 있다.

제1다이오드(143)는 2차 권선(132)의 일단에서 2차 커패시터(145)로 전류가 도통되게 순방향으로 접속되어 있고, 제2다이오드(144)는 2차 권선(132)의 타단에서 2차 커패시터(145)로 전류가 도통되게 순방향으로 접속되어 있다.

따라서, 2차 권선(132)을 통해 유기된 전력은 전류방향에 따라 제1다이오드(143)를 통해 2차 커패시터(145) 및 중간탭(142)을 통해 전류가 도통되거나, 제2다이오드(144)를 통해 2차 커패시터(145) 및 중간탭(142)을 통해 전류가 도통되면서 2차 커패시터(145)에 정류된 전기 에너지를 충전하여 2차 직류전압을 생성한다.

리액터(151)는 2차 권선(132)의 중간탭(142)을 지난 전류도통경로상에 설치되어 있고, 재생모드시 후술되는 메인 스위칭 소자(175)의 온/오프 스위칭시 축적된 에너지를 방출하면서 승압 기능을 수행하기 위해 적용된 것이다.

전압검출부(171)는 2차 커패시터(145)와 병렬상으로 접속되어 출력단자(161)(162)를 통해 출력되는 전압을 검출하여 메인 제어부(185)에 제공한다.

전류검출부(173)는 두 개의 출력단자(161)(162) 중 어느 하나의 출력단자(162)를 통해 공급되는 전류를 검출하여 메인 제어부(185)에 제공한다.

메인 스위칭 소자(175)는 2차정류부(140)의 출력단자(161)(162)로 이어지는 출력경로상에 설치되어 출력단자(161)(162)에 접속된 배터리(200)로 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 설치되어 있다.

메인 스위칭소자(175)는 IGBT소자를 적용하는 것이 바람직하다.

재생/충전 구동부(181)는 메인 제어부(185)에 제어되어 메인 스위칭소자(175)를 온/오프 구동한다.

온도 검출부(187)는 인버터(120)의 제1 내지 제4 스위칭 소자(121 내지 124)의 온도를 검출하여 메인 제어부(185)에 제공한다.

여기서 온도 검출부(187)는 제1 내지 제4 스위칭 소자(121 내지 124)의 작동 상태를 검출하기 위해 적용한 것이다.

입력부(183)는 배터리(200)에 대한 충전모드 또는 재생모드 중 어느 하나를 선택할 수 있도록 되어 있다.

또한, 입력부(183)는 재생모드시 후술되는 초기 구동주파수, 종단 구동 주파수, 단계적 증가 주파수 등을 설정할 수 있도록 지원하는 것이 바람직하다.

표시부(184)는 메인제어부(185)에 제어되어 표시정보를 표시한다.

메인 제어부(185)는 전압검출부(1710의 출력신호를 수신받아 메인 스위칭 소자(181)가 스위치 오프 상태일 때 2차 정류부(140)에서 생성되는 전압이 설정된 제1전압범위 내에 있도록 인버터 드라이버(125)를 구동하고, 입력부(183)로부터 재생모드로 선택되면 메인 스위칭 소자(175)를 설정된 듀티로 온/오프 되게 제어한다.

일 예로서, 2차 정류부(140)에서 48볼트의 전압이 생성되도록 구축되어 있고, 상기 제1전압범위가 47.5볼트 내지 48.5볼트로 설정된 경우 메인 제어부(185)는 전압검출부(171)의 출력신호를 이용하여 48볼트의 전압이 생성되도록 인버터 드라이버(125)를 제어한다.

이러한 상태에서, 입력부(183)를 통해 충전모드로 설정되면, 메인 제어부(185)는 메인 스위칭 소자(175)가 턴온되게 재생/충전 구동부(181)를 제어하고, 설정된 충전시간 또는 입력부(183)를 통해 입력된 충전시간 동안 충전이 되게 처리한다.

이와는 다르게, 입력부(183)를 통해 재생모드로 설정되면, 메인 제어부(185)는 메인 스위칭 소자(175)를 설정된 듀티로 온/오프가 반복되게 제어한다. 듀티는 구동주기 동안 스위치 온되는 시간의 비이며, 일 예로서 50%로 설정될 수 있다.

이러한 재생모드는 도 3에 도시된 바와 같이 충전전압인 48볼트를 유지한 상태에서 리액터(151)의 온/오프 주기에 대응한 에너지 방전싸이클에 따라 승압된 전압이 주기적으로 인가됨으로써 충전과 재생이 함께 이루어진다.

바람직하게는 메인 제어부(185)는 재생모드시 메인 스위칭 소자(175)의 온/오프 구동주기를 설정된 초기 구동 주파수에서부터 종단 구동 주파수까지 단계적으로 구동주파수를 가변시키면서 초기 구동 주파수에서 전류검출부(171)에서 검출되는 제1전류보다 전류가 1.5 내지 내지 3배 범위에 해당하는 상승전류값이 검출되면 해당 구동주기를 공진주파수로 판단하고, 공진 주파수로 메인 스위칭 소자(175)를 구동한다.

즉, 초기 구동주파수가 60Hz로 설정되어 있고, 동일 주파수에 대해 3초씩 가동하도록 되어 있으며, 단계적으로 가산되는 증가 주파수는 10Hz로 종단 구동주파수는 900KHz로 설정된 경우, 메인 제어부는 60Hz로 3초동안 메인 스위칭 소자(175)를 설정된 듀티로 온/오프 구동하면서 제1전류를 측정하고, 이후 70Hz로 3초 동안 메인 스위칭 소자(175)를 설정된 듀티로 온/오프 구동하면서 다음 전류를 측정하는 과정을 계속 수행하면서 제1전류보다 1.5배 이상 3배 범위내의 상승 전류가 측정되면 해당 상승 전류가 측정된 주파수를 공진 주파수로 판단하고, 공진 주파수에서 설정된 듀티로 구동한다.

이러한 과정을 도 2을 참조하여 설명하면, 메인 제어부(185)는 재생모드인지를 판단하고(단계 210), 재생모드로 판단되면, 구동펄스의 주파수를 앞서 설명된 바와 같이 가변하는 과정을 수행하고(단계 220), 제1전류보다 상승된 전류상승 주파수가 검출됐는지를 판단한다(단계 230).

단계 230에서 제1전류보다 1.5 배 이상 전류가 검출된 전류상승 주파수가 검출됐다고 판단되면 검출된 공진주파수로 구동펄스가 발생되게 메인 스위칭 소자(175)를 구동한다(단계 240).

이와는 다르게, 단계 210에서 재생모드가 아닌것으로 판단되면, 단계 250에서 충전모드인지를 판단하고, 충전모드로 판단되면 메인 스위칭 소자(175)를 온상태로 지속시켜 배터리로 전력을 공급한다(단계 260).

이러한 배터리 충전/재생 장치(100)는 충전만 하는 충전모드와, 충전과 재생을 동시에 하는 재생모드 중 어느 하나를 선택하여 구동할 수 있고, 재생모드시에도 극판으로부터 이물질의 분리 효율이 좋은 공진 주파수를 찾아 설정된 듀티로 구동할 수 있어 재생을 위해 소요되는 시간을 포함한 재생효율도 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

110: 1차 정류부 120: 인버터
130: 트랜스포머 140: 2차 정류부
151: 리액터 171: 전압검출부
173: 전류검출부 175: 메인 스위칭소자
181: 재생/충전구동부 185: 메인 제어부

Claims

상용 교류전원을 정류하는 1차 정류부와;
1차권선과 2차권선이 상호 커플링된 트랜스포머와;
상기 1차 정류부에 의해 정류된 1차 직류전원을 제어신호에 따른 스위칭 온/오프에 의해 상기 1차권선을 통해 전류를 도통 또는 차단할 수 있도록 상기 1차정류부와 상기 트랜스포머의 상기 1차 권선 사이에 접속된 인버터와;
상기 제어신호를 발생시켜 상기 인버터의 스위칭 온/오프 구동을 제어하는 인버터 드라이버와;
상기 2차권선에 유기된 전력을 정류하여 출력단자를 통해 접속된 배터리로 공급할 수 있도록 된 2차 정류부와;
상기 2차정류부의 상기 출력단자로 이어지는 출력경로상에 설치되어 접속된 상기 배터리로 전력을 공급 또는 차단할 수 있도록 설치된 메인 스위칭소자와;
상기 2차 권선의 전류도통경로상에 설치된 리액터와;
상기 출력단자를 통해 공급되는 전압을 검출하는 전압검출부와;
상기 메인 스위칭소자를 온/오프 구동하는 재생/충전 구동부와;
상기 배터리에 대한 충전모드 또는 재생모드 중 어느 하나를 선택할 수 있도록 된 입력부와;
상기 전압검출부의 출력신호를 수신받아 상기 메인 스위칭 소자가 스위치 오프 상태일 때 상기 2차 정류부에서 생성되는 전압이 설정된 제1전압범위 내에 있도록 상기 인버터 드라이버를 구동하고, 상기 입력부로부터 재생모드로 선택되면 상기 메인 스위칭 소자를 설정된 듀티로 온/오프 반복 되게 제어하는 메인 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전/재생 장치.
제1항에 있어서, 상기 인버터는
상기 1차 정류부의 양단에 직렬상으로 접속되며 상기 인버터 드라이버에 의해 스위칭 온/오프되는 제1 및 제2 스위칭 소자와;
상기 1차 정류부의 양단에 직렬상으로 접속되며 상기 인버터 드라이버에 의해 스위칭 온/오프되는 제3 및 제4 스위칭 소자;를 구비하고,
상기 1차권선은 일단이 상기 제1 및 제2스위칭 소자를 상호 연결하는 제1 중단간에 접속되어 있고, 타단은 상기 제3 및 제4스위칭 소자를 상호 연결하는 제2중간단에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 충전/재생 장치.
제1항에 있어서, 상기 2차 정류부의 출력단자를 통해 공급되는 전류를 검출하는 전류검출부;를 더 구비하고,
상기 메인 제어부는 상기 재생모드시 상기 메인 스위칭 소자의 온/오프 구동주기를 설정된 초기 구동 주파수에서부터 종단 구동 주파수까지 단계적으로 구동주파수를 가변시키면서 초기 구동 주파수에서 상기 전류검출부에서 검출되는 제1전류보다 1.5 내지 내지 3배 범위에 해당하는 상승전류값이 검출되면 해당 구동주기를 공진주파수로 판단하고, 공진 주파수로 상기 메인 스위칭 소자를 구동하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전/재생장치.
제3항에 있어서, 상기 초기 구동주파수는 60Hz이고, 상기 종단 구동주파수는 900KHz인 것을 특징으로 하는 배터리 충전/재생장치.
제3항에 있어서, 상기 2차 정류부는
상기 2차권선의 중간에서 상기 리액터의 일단과 직렬접속된 중간탭과;
상기 출력단자와 병렬상으로 접속되되 일단은 상기 리액터의 타단과 접속된 2차 커패시터와;
상기 2차 권선의 일단에서 상기 2차 커패시터로 전류가 도통되게 순방향으로 접속된 제1다이오드와;
상기 2차 권선의 타단에서 상기 2차 커패시터로 전류가 도통되게 순방향으로 접속된 제2다이오드;를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전/재생 장치.