KR101332642B1 - 배터리 급속 충전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리 급속 충전 장치에 관한 것으로, 태양광 또는 상용전원으로부터 입력되는 충전 전압을 출력하는 전원부, 상기 전원부로부터 입력되는 충전 전압을 바탕으로 최고 충전 전압 및 최고 충전 전류를 배터리로 출력하여 상기 배터리가 충전되도록 하고, 상기 배터리의 충전용량이 미리 설정된 단계에 도달하면 상기 배터리로 출력되는 충전 전압을 가변하여 상기 배터리로 출력되는 충전 전류가 단계적으로 변화되도록 제어하는 배터리 충전부를 포함한다.
이를 통해 본 발명은 충전 전압을 가변하여 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리 충전이 이루어지도록 함으로써, 배터리 충전 때 형성된 이온층이 전해질로 확산 분해되어 배터리 수명이 길어지면서 빠르게 배터리가 충전되도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 태양광을 바탕으로 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리를 충전이 이루어지도록 함으로써, 낮시간 동안 빠르게 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.
이를 통해 본 발명은 충전 전압을 가변하여 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리 충전이 이루어지도록 함으로써, 배터리 충전 때 형성된 이온층이 전해질로 확산 분해되어 배터리 수명이 길어지면서 빠르게 배터리가 충전되도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 태양광을 바탕으로 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리를 충전이 이루어지도록 함으로써, 낮시간 동안 빠르게 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 배터리 급속 충전장치에 관한 것으로, 특히 배터리의 수명을 늘리면서 배터리를 빠르게 충전하기 위한 배터리 급속 충전장치에 관한 것이다.
근래에는, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 지게차, 전동카트, 전동 휠체어, 전동 자전거 등의 수요도 늘어남에 따라 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전 에너지를 이용하여 차량 구동력을 얻기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 많은 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다.
따라서 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 핵심적 부품인 차량용 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있으며, 더불어 배터리를 빠르게 충전할 수 있는 급속충전 기술개발이 시급하다.
하지만 종래의 배터리 충전방식은 충전 초기부터 완료까지 일정한 전류로 충전을 행하는 정전류 충전방식, 충전 초기부터 완료까지 일정한 전압으로 충전을 행하는 정전압 충전방식 및 충전 초기에는 일정한 전류로 충전하고, 충전 말기에는 일정한 전압으로 충전하는 정전류-정전압 충전방식이 사용된다.
정전류 충전방식은 충전 초기에는 배터리와 전지의 전압차가 커서 대전류가 흐르며 충전이 진행됨에 따라 전류가 감소한다. 충전이 빨리 완료된다는 점에서만 보면 충전 전류가 클수록 좋지만 연속적으로 큰 전류로 충전하면 충전효율이 저하되고 배터리의 수명에도 영향을 끼친다.
또한 정전류 충전방식은 충전이 완료되더라도 충전 초기와 같은 전류가 배터리로 계속 흐르므로 충전 완료시 신속하게 충전기와 배터리를 분리시켜야하는 불편함이 있다.
또한 정전압 충전방식은 배터리의 충전이 완료되면 단자 전압이 온도변화와 배터리 자체의 발열에 의해 크게 변화되어 정전압 값을 미리 설정하기 곤란한 단점이 있으며, 일반적으로 15.5v~16v 정도로 20~24시간 배터리를 충전하므로, 충전시간이 오래 걸리는 불편함이 있다.
또한 정전류-정전압 충전방식은 충전기의 충전 능력에 적합한 조건으로 충전해야 하며, 환기가 잘되고 상온이 약 25℃인 곳에서 충전해야 한다. 또한 배터리에 과충전이 일어날 경우 배터리의 극판을 손상시켜 배터리 수명이 줄어드므로 과충전이 일어나지 않도록 조심해야하는 불편함이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 충전 전압을 가변하여 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리 충전이 이루어지도록 함으로써, 배터리 충전 때 형성된 이온층이 전해질로 확산 분해되어 배터리 수명이 길어지면서 빠르게 배터리가 충전되도록 하는 배터리 급속충전장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 태양광을 바탕으로 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리를 충전이 이루어지도록 함으로써, 낮시간 동안 빠르게 배터리를 충전할 수 있는 배터리 급속 충전장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 배터리 급속충전장치는 태양광 또는 상용전원으로부터 입력되는 충전 전압을 출력하는 전원부, 상기 전원부로부터 입력되는 충전 전압을 바탕으로 최고 충전 전압 및 최고 충전 전류를 배터리로 출력하여 상기 배터리가 충전되도록 하고, 상기 배터리의 충전용량이 미리 설정된 단계에 도달하면 상기 배터리로 출력되는 충전 전압을 가변하여 상기 배터리로 출력되는 충전 전류가 단계적으로 변화되도록 제어하는 배터리 충전부을 포함한다.
또한 상기 배터리 충전부는 100%의 최대 충전 전압 및 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 중에 상기 배터리가 최대 용량의 80% 충전된 경우 상기 배터리로 출력되는 충전 전압을 가변하여 최대 전류의 50%에 해당하는 충전 전류가 상기 배터리로 출력되도록 하고, 상기 배터리가 최대 용량의 90% 충전된 경우 상기 배터리로 출력되는 충전 전압을 가변하여 최대 전류의 25%에 해당하는 충전 전류가 상기 배터리로 출력되도록 한다.
또한 상기 배터리 충전부는 상기 배터리의 전압은 100%충전되고, 상기 배터리의 전류는 100% 충전되지 않았을 경우 상기 배터리로 최고 충전 전압을 출력하여 상기 배터리의 미세 전류가 더 충전되도록 한다.
또한 상기 배터리 충전부는 상기 배터리의 충전용량이 미리 설정된 단계에 도달하면 상기 배터리로 출력되는 충전 전압을 최저 충전 전압으로 떨어뜨렸다가 다시 최고 충전 전압으로 올려서 출력되도록 제어한다.
또한 상기 전원부는 태양광을 집광하여 충전 전압을 출력하는 태양광전원부, 상용전원을 입력받아 충전 전압으로 출력하는 상용전원부를 구비한다.
또한 상기 태양광전원부는 태양광을 집광하는 태양광 판넬, 상기 태양광 판넬로부터 입력되는 디지털 전압을 변환하여 출력하는 DC-DC컨버터를 포함한다.
또한 상기 상용전원부는 콘덴서를 통해 입력되는 아날로그 전압의 간섭 노이즈를 감쇄시키는 EMI필터, 상기 EMI필터를 통해 출력되는 아날로그 전압을 역률보상된 디지털 전압으로 변환하여 출력하는 PFC를 포함한다.
또한 배터리의 충전 상태 및 상기 배터리로 출력되는 충전 전압 및 충전 전류의 값을 배터리 감시서버로 전달하는 통신부를 더 포함하되, 상기 배터리 감시서버는 상기 배터리의 수명을 체크하고, 상기 배터리로 출력되는 충전 전압 및 충전 전류의 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
본 발명은 충전 전압을 가변하여 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리 충전이 이루어지도록 함으로써, 배터리 충전 때 형성된 이온층이 전해질로 확산 분해되어 배터리 수명이 길어지면서 빠르게 배터리가 충전되도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 태양광을 바탕으로 충전 전류가 단계적으로 조절되면서 배터리를 충전이 이루어지도록 함으로써, 낮시간 동안 빠르게 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치의 내부 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시키는 과정을 나타낸 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시킬 때 충전 전류와 충전 전압의 변화를 실제로 측정한 그래프를 나타낸 도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시킬 때 충전 전류와 충전 전압의 변화를 예측한 그래프를 나타낸 도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시키는 과정을 나타낸 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시킬 때 충전 전류와 충전 전압의 변화를 실제로 측정한 그래프를 나타낸 도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시킬 때 충전 전류와 충전 전압의 변화를 예측한 그래프를 나타낸 도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치의 내부 구성도이다.
상용전원부(100)는 EMI필터(101) 및 PFC(102)를 포함한다.
EMI필터(101)는 아날로그 입력 전압(220v)의 전자기적 간섭 노이즈를 감쇄시켜 PFC(102)로 전달한다.
PFC(Power Factor Compensation)(102)는 EMI필터(101)로부터 입력되는 아날로그 입력 전압(220v)을 역률 보상된 디지털 출력 전압(350v)으로 변환하여 배터리 충전부(120)로 전달한다.
태양광전원부(110)는 태양광 판넬(111)과 DC-DC컨버터(112)를 포함한다.
태양광 판넬(111)은 태양광을 집광하는 장치로 솔라판넬로 구성될 수 있으며, 30~40v에 해당하는 직류 저압을 DC-DC컨버터(112)로 전달한다.
DC-DC컨버터(112)는 태양광 판넬(111)로부터 입력되는 불규칙한 직류저압을 안정된 직류고압(400v)으로 절연변환하여 배터리 충전부(120)로 전달한다.
한편 본 발명의 배터리 급속 충전장치는 상용전원부(100)와 태양광전원부(110)를 모두 구비하며, 평소에는 태양광전원부(110)를 통해 태양광 에너지로 배터리를 충전하다가, 태양광을 통한 충전 전력이 부족한 경우 상용전원부(100)를 통해 배터리를 충전한다.
배터리 충전부(120)는 상용전원부(100) 또는 태양광전원부(110)로 부터 전압을 입력받고, 배터리(130)로 출력되는 충전 전압을 충전 전류가 단계적으로 변화되도록 조절하여 배터리(130)가 충전되도록 한다.
배터리(130)는 배터리 충전부(120)로부터 전달받은 충전 전류 및 충전 전압을 전기 에너지로 저장한다.
통신부(140)는 배터리 충전부(120)로부터 배터리(120)의 상태정보를 전달받아 배터리 감시서버(200)로 전달하고, 배터리 감시서버(200)로부터 감시신호를 전달받아 배터리 충전부(120)로 전달한다.
배터리 감시서버(200)는 배터리(130) 충전이 원활하게 진행되도록 배터리 충전부(120)를 통해 배터리(130)의 상태를 감시하고, 배터리(130)가 빠르게 충전될 수 있도록 배터리 충전부(120)를 제어하여 배터리(130)로 출력되는 충전 전압 및 충전 전류의 양을 조절한다.
또한 배터리 감시서버(200)는 배터리(130)가 1분동안 방전되는 상태를 점검하여 배터리(130) 수명을 체크할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시키는 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시킬 때 충전 전류와 충전 전압의 변화를 실제로 측정한 그래프를 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 급속 충전장치에서 배터리를 빠르게 충전시킬 때 충전 전류와 충전 전압의 변화를 예측한 그래프를 나타낸 도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 배터리 충전부(120)는 S201단계에서 배터리 충전이 시작되면 S202단계에서 배터리(130)의 잔여용량 및 온도를 측정한다.
이때 배터리 충전부(120)는 배터리(130)의 온도에 따라 충전 전압의 크기를 조절한다. 일반적으로 배터리(130)는 25℃에서 충전이 이루어지는 것이 바람직하나, 배터리(130)의 온도가 너무 높거나, 너무 낮을 경우에는 배터리(130)가 충전되면서 온도가 상승할 것을 고려하여 충전 전압의 크기를 조절할 수 있다.
배터리 충전부(120)는 배터리(130)의 잔여 전압이 다단계 방식으로 충전을 해야하는 양 즉 미리 설정된 잔여량보다 많이 남아 있으면 S204단계에서 일정한 충전 전류 또는 일정한 충전 전압으로 배터리(130)가 충전되도록 하는 방식을 이용하여 배터리(130)를 충전한다.
본 발명의 상세한 설명에서는 S204단계에 해당하는 충전방식은 종래기술에 해당하므로 자세한 설명은 생략한다.
한편 배터리 충전부(120)는 배터리(130)가 처음 충전되는 것이거나, 방전 종지 전압에 도달했거나 또는 다단계 충전방식을 통해 배터리(130)를 충전한 시점이 30일 정도 경과된 경우에는 다단계 충전방식을 통해 배터리(130)를 충전한다.
배터리 충전부(120)는 S202단계에서 배터리(130)가 방전 종지 전압에 도달한 것으로 판단되면 S205단계에서 1단계 정전류 충전방식으로 배터리(130)를 충전한다.
1단계 정전류 충전 방식은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 최대 충전 전류의 100%에 해당하는 충전 전류(401)로 배터리(130)를 충전하는 것으로, 최대 충전 전압(301) 및 최대 충전 전류(401)로 배터리(130)를 충전한다.
이때 배터리(130) 충전 전압을 최대 충전 전압으로 높이는 이유는 다수의 배터리(130)가 직렬로 연결된 상태일 경우 충전 전압을 최고로 높여주어야 다수의 배터리(130) 전압이 일정하게 맞춰지기 때문이며, 이는 균등하게 다수의 배터리(130)를 충전하기 위한 종래기술에 해당하므로, 자세한 설명은 생략한다.
배터리 충전부(120)는 배터리 용량의 80%(T0-T2 )가 충전될 때까지 1단계 정전류 충전 방식으로 배터리(130)를 충전한다.
그리고 배터리 충전부(120)는 S206단계에서 배터리 용량의 전체 80%에 해당하는 양이 충전되었으면 S207단계에서 2단계 정전류 충전 방식으로 배터리(130)가 충전되도록 한다.
2단계 정전류 충전 방식은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 최대 전류 50%에 해당하는 충전 전류(402)로 배터리(130)를 충전하는 것으로, 배터리 충전부(120)는 도 3 및 도 4의 T2-T3에 도시된 바와 같이 배터리(130)로 출력되는 전압을 최저 충전 전압으로 내렸다가 다시 최고 충전 전압으로 올려서 충전한다.
이렇게 하면 충전 전류는 최대 충전 전류의 50%에 해당하는 전류로 떨어지게 된다.
배터리 충전부(120)는 S208단계에서 최대 충전 전류의 50%에 해당하는 전류로 배터리(130)를 충전하는 중에 배터리 용량의 90%가 충전되었으면 S209단계에서 3단계 정전류 충전 방식으로 배터리(130)를 충전한다.
3단계 정전류 충전 방식은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 최대 전류의 25%에 해당하는 충전 전류(403)로 배터리(130)를 충전한다.
이렇게 하기 위해 배터리 충전부(120)는 3 및 도 4의 T3-T4에 도시된 바와 같이 배터리(130)로 출력되는 전압을 최저 충전 전압으로 내렸다가 다시 최고 충전 전압으로 올려서 충전한다.
이후 배터리 충전부(120)는 3단계 정전류 충전 방식으로 배터리 용량의 100%가 충전될 때까지 충전을 수행한다.
이후 배터리 충전부(120)는 S210단계에서 배터리 용량의 100%가 충전되었으면 S211단계에서 4단계 정전압 충전 방식으로 배터리(130)를 충전한다.
배터리 충전부(120)는 배터리 용량의 100%가 충전되었으면 배터리(130)의 미세 전류를 충전하기 위해 S212단계에서 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 최고 전압으로 배터리(130)가 충전되도록 하고, S213단계에서 미세 전류까지 충전이 완료되었으면 충전 완료 신호를 통신부(140)를 통해 배터리 감시서버(200)로 전달하거나 알림음을 출력하여 배터리(130) 충전이 완료되었음을 알린다.
이 구간은 배터리(130)의 전압 충전은 모두 완료된 상태에서 남아있는 미세 전류까지 충전하기 위한 구간으로, 최저 충전 전압으로 배터리(130)를 충전하면 미세 전류 충전이 잘 이루어지지 않아 최고 충전 전압으로 배터리(130)를 충전하는 것이 바람직하다.
또한 종래에는 배터리(130)의 전압이 모두 충전되면 충전이 완료된 것으로 설정하였으나, 본 발명에서는 전압이 모두 충전되었을 때와 전류가 모두 충전되었을 때를 나누어 사용자에게 알리도록 설정할 수 있다.
이럴 경우 급속충전장치에 각기 다른 두 개의 LED를 설치하여 전압이 충전되었을 때와 전류가 충전되었을 때 각각 표시되도록 할 수 있다.
이렇게 배터리(130) 충전 전압을 최저 충전전압과 최저 충전전압으로 가변하면서 배터리(130)가 충전되도록 함으로써, 단계적으로 충전 전류가 변화되도록 조절할 수 있어, 배터리(130) 내에 충,방전으로 생기는 불순물을 제거할 수 있다.
때문에 배터리(130)의 수명이 늘어나고, 배터리(130)도 급속도로 충전되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 충전 전류가 변화되는 단계를 4단계로 설정하였으나, 직렬로 연결된 배터리의 양과 온도에 따라 충전 전류가 변화되는 단계를 조절할 수 있음은 물론이다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 상용전원부 101: EMI필터
102: PFC 110: 태양광 전원부
111: 태양광판넬 112: DC-DC컨버터
120: 배터리 충전부 130: 배터리
140: 통신부 200: 배터리 감시서버
102: PFC 110: 태양광 전원부
111: 태양광판넬 112: DC-DC컨버터
120: 배터리 충전부 130: 배터리
140: 통신부 200: 배터리 감시서버
Claims (8)
- 상용전원을 입력하여 배터리 충전전압을 발생시키는 상용전원부와;
태양광 에너지를 배터리 충전전압으로 변환하여 출력하는 태양광 전원부와;
상기 상용전원부 또는 태양광 전원부로부터 출력되는 충전전압을 바탕으로 최고 충전전압 및 최고 충전전류로 배터리를 충전시키되, 상기 배터리의 충전값이 미리 설정된 값들에 순차적으로 도달하면 상기 배터리로 출력되는 충전 전압을 최저 충전전압으로 내렸다가 다시 최고 충전전압으로 가변하면서 충전하되 각 충전단계에서의 충전전류는 단계적으로 감소 되도록 제어하는 배터리 충전부와;
상기 배터리 충전부로부터 배터리 상태정보를 전달받아 외부장치로 전달하기 위한 통신부와;
상기 배터리 충전부와 통신부를 통해 배터리 상태를 감시하고, 상기 배터리 충전부를 제어하여 상기 배터리로 출력되는 충전 전압 및 충전전류의 양을 조절하는 배터리 감시서버;를 포함함을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 충전부는 상기 배터리 감시서버의 제어에 따라 100%의 최대 충전 전압 및 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 중에 상기 배터리의 충전값이 최대 충전용량의 80% 충전되었다면 상기 최고 충전전류의 50%에 해당하는 충전 전류가 상기 배터리로 출력되도록 하고, 상기 배터리가 최대 충전용량의 90% 충전되었다면 상기 최고 충전전류의 25%에 해당하는 충전전류가 상기 배터리로 출력되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 충전부는 상기 배터리 감시서버의 제어에 따라 상기 배터리의 전압이 100% 충전되고, 상기 배터리의 전류가 100% 충전되지 않았다면 상기 배터리로 최고 충전 전압을 출력하여 상기 배터리의 미세 전류가 더 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
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