KR101389129B1

KR101389129B1 - 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치

Info

Publication number: KR101389129B1
Application number: KR1020130078466A
Authority: KR
Inventors: 조성관
Original assignee: 주식회사 이비오테크
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2014-04-25

Abstract

본 발명은 대용량을 포함하는 다양한 종류의 축전지에 효과적으로 대응하기 위하여 축전지의 셀을 단위로 그 상태와 용량에 따라 최적화된 펄스를 제공하여 수명 연장 효율을 높이도록 한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치에 관한 것으로, 대용량 축전지를 구성하는 단위 셀에 각각 개별적으로 장착되어 해당 축전지 셀 자체의 전원만을 이용하여 축전지 사용에 무관하게 각각 독립적으로 동작하여 황산화납 생성을 예방하고 기 형성된 황산화납을 제거하기 위한 펄스를 제공하되, 모든 종류의 축전지 셀에 대해 듀티비를 고정한 상태에서 해당 셀의 전압과 용량에 따라 전류와 PWM 주파수를 적절하게 설정한 후 해당 설정에 따라 균일한 황산화납 제거 펄스를 제공하도록 하며, 구형파 펄스를 직접 제공하는 대신 해당 구형파 펄스에 대응하여 진동하면서 줄어드는 정현파를 제공함으로 셀의 다양한 상태에 대응하여 충격을 분산하면서 황산염 제거 효율을 높이는 효과가 있으며, 셀 별 편차를 줄이는 효과가 있다.

Description

진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치{Life continuation apparatus for storage battery cell using fine oscillation}

본 발명은 축전지 수명 연장 장치에 관한 것으로, 특히 대용량을 포함하는 다양한 종류의 축전지에 효과적으로 대응하기 위하여 축전지의 셀을 단위로 그 상태와 용량에 따라 최적화된 펄스를 제공하여 수명 연장 효율을 높이도록 한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치에 관한 것이다.

일반적으로 2차 전지인 축전지는 화학적 에너지를 전기적으로 변환하거나 전기적 에너지를 화학적으로 변환하여 방전과 충전이 모두 가능한 장치로서, 다양한 용도와 목적에 따라 적절한 용량과 출력전압을 제공하도록 구성되어 사용되고 있다.

현재 일반적으로 사용되고 있는 축전지는 방전 시 축전지의 전극판에 황산화 현상이 발생하게 되는데, 이러한 황산화 현상에 따라 방전시 전극판에 달라붙는 황산염이 충전시에도 이탈되지 않고 잔류하여 축전지 전극판에 절연 피막을 형성하게 된다. 이러한 절연 특성에 의해 축전지 내부의 저항이 증가하며 이러한 내부 저항이 20% 이상 증가하게 되면 해당 축전지는 더 이상 사용하지 못하게 되어 폐기되기에 이른다.

따라서, 축전지의 전극판에 형성되는 황산염을 제거하기 위한 다양한 방법들이 등장하였는데, 예를 들어 한국 공개특허공보 제 10-2006-0090939호 "연축전지 재생장치 및 그 재생방법"은 폐연축전지의 음극전극 및 양극전극에 1200V~1400V의 펄스를 9시간 동안 인가하여 황산화납 표면의 산화막을 제거하는 기술을 개시하고 있다. 하지만, 이는 고압의 펄스를 오랜 시간 동안 배터리 전극에 가해야 하기 때문에 복잡한 펄스 발생부를 구성해야 하며 전력 소모가 심한 문제가 있다.

또한, 한국 등록특허 10-0931510호 "축전지의 재생 장치"는 전극판에 SCR 위상제어를 통해 충전 펄스를 제공하는 것으로 충전과 재생이 동시에 이루어지도록 한 것이다. 하지만, 이 경우 역시 축전지에 펄스를 제공하기 위한 구성이 복잡하고, 동일한 펄스를 지속적으로 제공하기 때문에 축전지 상태에 따라 재생 효율이 낮아지는 문제가 있다.

즉, 기존의 축전지 재생장치들은 모두 특정한 재생 과정을 통해 배터리의 전극에 이미 형성된 황산화납을 짧은 시간 내에 효과적으로 제거하여 전체 축전지를 '재생'하는 것을 목적으로 하기 때문에 사용중인 축전지를 분리하여 별도로 마련된 재생장치에 적용한 후 외부 전력을 이용하여 기 설정된 강한 충격을 가함으로써 축전지 전체 전극의 황산화납 결정체를 활물질로 환원시키는 재생을 실시하게 된다. 결국, 개별 축전지의 상태를 고려하지 않기 때문에 재생 효율 편차가 심하고 과도한 충격에 의해 축전지 전체 혹은 축전지를 이루는 셀 중 일부가 파손되는 경우도 발생하게 된다.

따라서, 한국 등록특허 제 10-0585426호 "축전상태에 따라 펄스전류의 크기를 조절하는 축전지의 수명연장 장치"와 같이 차량용 축전지의 수명을 연상시키기 위해서 축전지의 상태를 양호, 보통, 불량으로 구분하여 해당 상태에 따라 황산화납 제거를 위한 펄스 전류의 크기를 달리하도록 함으로써 수명 연장 효율을 높이도록 하는 방식이 등장하였다.

그러나, 상기 개시된 구성은 차량의 종류에 따라 달리 사용되는 축전지의 출력에 맞춘 동작을 제공하기 위해 동작전압에 대한 외부 설정이 요구되고, 300A 이하의 소용량 축전지를 대상으로 하는 것일 뿐만 아니라 양품과 불량에 따라 단순히 펄스의 크기만을 조절하도록 구성되었으므로 대용량 축전지에 적용할 경우 용량에 따른 특성이 반영되지 않아 황산화납 제거 효율이 극히 낮아져 적용이 불가능한 문제가 존재한다.

결국, 현재까지 제공된 대부분의 축전지 수명 연장 장치의 경우 '축전지 전체'를 재생 동작을 위한 제어 단위로 하기 때문에 실제 축전지를 구성하고 있는 복수의 셀에 대한 개별적인 상태가 반영되지 않고 축전지 전체 상태를 기준으로 황산화납 제거를 위한 펄스가 제공되기 때문에 효율이 높지 않아 수명 연장에 실패하는 경우가 빈번하다. 또한, 충전 시 재생을 위한 펄스를 제공하거나, 재생만을 위한 고출력 펄스를 제공하는 등 외부 전원을 이용하기 때문에 작은 제어 오류에도 축전지에 충격이 가해져 축전지가 파손될 수 있으며 재생을 위한 전력 소모가 심하고 수명 연장을 위한 설비가 복잡할 수밖에 없다.

이와 같은 기존의 문제점을 해결하기 위해 최근 등록된 한국 등록 특허 10-1253715호 "셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치"는 축전지의 각 셀에 장착되어 해당 셀이 제공하는 배터리 전압을 통해 동작하면서 축전지의 용량과 상태에 따라 양호, 보통, 불량으로 구분하여 황산염 제거를 위한 펄스 전류와 듀티 등을 조절하는 수명 연장 장치를 제공함으로써 축전지 전극판에 충격을 주지 않으면서 수명연장 효율을 높이는 방식을 제시하고 있다.

그러나, 축전지 제조사별로 그 특성이 상이하며 축전지 상태에 따라서도 그 특성이 예측 범위를 벗어날 수 있어 축전지 상태를 정확하게 파악하지 못하는 치명적인 문제가 있으며 상태에 따라 3가지의 상이한 모드로 동작하게 되므로 각 셀별 편차가 심하여 복수의 셀들로 구성된 축전지에 대한 관리가 어려운 상황이 발생하게 된다.

한편, 축전지 전원만을 이용하여 축전지 수명 연장 장치의 제어부를 구성하는 마이크로 콘트롤러에 전원을 공급하고 황산염 제거를 위한 펄스를 제공해야하는데, 2V에서 24V에 이르는 다양한 전원에 대응해야 하며 특히 고용량 2V 셀에 대응해야하기 때문에 저전압에서 동작하는 마이크로 콘트롤러를 이용하게 된다. 그러나, 저전압에서 동작하는 마이크로 콘트롤러를 이용할 경우 전원에 대단히 민감하게 되는데 축전지 사용 환경에 따라 전원 변동이 심할 경우 상당한 스트레스를 받아 오류가 발생하거나 출력 펄스가 불규칙해지는 상황이 발생한다. 이는 더욱 심각한 편차를 유발하여 관리 부담을 증가시키며, 수명 연장 장치에 대한 신뢰성을 악화시키는 문제가 된다.

따라서, 셀의 자체 전원을 이용하면서도 보다 신뢰성 있으면서 효율 편차를 줄이기 위한 새로운 축전지 수명 연장 장치가 요구되고 있다.

[문헌 1] 한국 공개특허공보 제 10-2006-0090939호 [문헌 2] 한국 등록특허 제10-0931510호 [문헌 3] 한국 등록특허 제10-0585426호 [문헌 4] 한국 등록특허 제10-1253715호

전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시예들의 목적은 대용량 축전지를 구성하는 단위 셀에 각각 개별적으로 장착되어 해당 축전지 셀 자체의 전원만을 이용하여 축전지 사용에 무관하게 각각 독립적으로 동작하여 황산화납 생성을 예방하고 기 형성된 황산화납을 제거하기 위한 펄스를 제공하되, 모든 종류의 축전지 셀에 대해 듀티비를 고정한 상태에서 해당 셀의 전압과 용량에 따라 전류와 PWM 주파수를 적절하게 설정한 후 해당 설정에 따라 균일한 황산화납 제거 펄스를 제공하도록 하며, 구형파 펄스를 직접 제공하는 대신 해당 구형파 펄스에 대응하여 진동하면서 줄어드는 정현파를 제공함으로 셀의 다양한 상태에 대응하여 충격을 분산하면서 황산염 제거 효율을 높이도록 한 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 전원으로 이용하는 축전지 셀의 전압 크기와 전압 변동에 따른 스트레스에 강한 5V 마이크로 콘트롤러를 수명 연장 장치의 제어부로 이용하면서, 이러한 마이크로 콘트롤러의 전원을 안정적으로 제공하기 위해 셀 전압을 펌핑하여 정전압을 생성하도록 하는 부스팅 레귤레이터부를 적용한 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 황산화납 제거를 위한 펄스를 진동하면서 줄어드는 정현파로 제공하도록 하면서, 상기 정현파 제공을 위한 구형파의 듀티비를 1% 이하로 하여 양호, 보통, 불량 등으로 구분되는 다양한 축전지 상태에 두루 적용되면서 해당 수명 연장 장치 적용에 따른 효과 편차를 줄이도록 한 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 축전지를 구성하는 개별 셀에 장착되어 독립적으로 해당 셀에 대한 수명 연장 동작을 지속하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치로서, 상기 장착된 셀로부터 얻어진 배터리 전원을 펌핑하여 전압을 높인 후 기 설정된 전원 전압으로 레귤레이팅하여 안정적 전원을 제공하는 부스팅 레귤레이터부와; 기 설정된 설정 정보에 따라 대응 셀의 전압과 용량에 따른 PWM 주파수와 전류의 크기를 결정하는 제어부와; 상기 제어부가 제공하는 주파수와 전류 크기를 반영하여 고정된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부와; 상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 PWM 신호의 구형파 펄스에 대응하여 크기가 점차 줄어들면서 진동하는 정현파 펄스를 상기 셀에 제공하는 충격 펄스 발생부를 포함한다.

상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 PWM 신호의 듀티비는 1% 이하이며, 바람직하게는 0.8%이다.

상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 PWM 신호의 주파수는 10kHz 내지 15kHz 사이에서 결정되는 것이 바람직하다.

상기 충격 펄스 발생부가 제공하는 전류는 12V 셀의 경우 30 내지 40mA에서 결정되고, 2V 셀의 경우 5 내지 20mA 사이에서 결정되는 것이 바람직하다.

상기 부스팅 레귤레이터부는 셀의 배터리 전압에 무관하게 5V 전압을 출력하는 것이 바람직하다.

상기 셀과 상기 부스팅 레귤레이터부 사이에 구성되어 상기 셀이 제공하는 배터리 전원의 전류가 기 설정된 기준 전류 값을 초과할 경우 셀과의 부스팅 레귤레이터부 사이의 연결을 차단하는 과전류 보호부를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 과전류 보호부를 통해 제공되는 배터리 전원의 전압을 감지하여 그 결과를 상기 제어부에 제공하는 전압 감시부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전압 감시부가 제공하는 감시 결과에 따라 상기 PWM 신호 생성부의 동작을 중단시킬 수 있다.

또한, 상기 셀이나 상기 수명 연장 장치의 상태를 표시하는 표시부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전압 감시부의 감시 결과에 따라 상기 표시부를 제어할 수 있다.

상기 충격 펄스 발생부는 엔피엔 타입 전계효과 트랜지스터(FET)를 포함하며, 상기 전계효과 트랜지스터는 게이트를 통해 상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 펄스를 제공받아 드레인을 통해 발생한 배전압을 셀에 제공하도록 구성될 수 있다.

본 발명 실시예에 따른 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 대용량 축전지를 구성하는 단위 셀에 각각 개별적으로 장착되어 해당 축전지 셀 자체의 전원만을 이용하여 축전지 사용에 무관하게 각각 독립적으로 동작하여 황산화납 생성을 예방하고 기 형성된 황산화납을 제거하기 위한 펄스를 제공하되, 모든 종류의 축전지 셀에 대해 듀티비를 고정한 상태에서 해당 셀의 전압과 용량에 따라 전류와 PWM 주파수를 적절하게 설정한 후 해당 설정에 따라 균일한 황산화납 제거 펄스를 제공하도록 하며, 구형파 펄스를 직접 제공하는 대신 해당 구형파 펄스에 대응하여 진동하면서 줄어드는 정현파를 제공함으로 셀의 다양한 상태에 대응하여 충격을 분산하면서 황산염 제거 효율을 높이는 효과가 있다.

본 발명 실시예에 따른 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 전원으로 이용하는 축전지 셀의 전압 크기와 전압 변동에 따른 스트레스에 강한 5V 마이크로 콘트롤러를 수명 연장 장치의 제어부로 이용하면서, 이러한 마이크로 콘트롤러의 전원을 안정적으로 제공하기 위해 셀 전압을 펌핑하여 정전압을 생성하도록 하는 부스팅 레귤레이터부를 적용함으로써 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명 실시예에 따른 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 황산화납 제거를 위한 펄스를 진동하면서 줄어드는 정현파로 제공하도록 하면서, 상기 정현파 제공을 위한 구형파의 듀티비를 1% 이하로 하여 양호, 보통, 불량 등으로 구분되는 다양한 축전지 상태에 두루 적용되면서 해당 수명 연장 장치 적용에 따른 셀 별 효과 편차를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수명연장 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예가 적용된 축전지의 예.
도 3은 본 발명의 실시예가 적용된 축전지의 다른 예.
도 4는 본 발명 실시예에 따른 부스팅 레귤레이터부의 구성예.
도 5는 본 발명 실시예에 따라 생성되는 PWM 신호의 예.
도 6은 본 발명 실시예에 따른 미세충격 펄스 발생부의 구성예.
도 7은 본 발명 실시예에 따른 미세충격 펄스의 신호 예.

상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치(200)의 구성 블록도로서, 도시한 바와 같이 복수의 단위 셀(110)이 직병렬 연결되어 구성되는 축전지(100)에 대해서, 단위 셀(110)에 개별적으로 연결되는 수명 연장 장치(200)의 구성이 예시되어 있다.

본 발명 실시예에 따른 수명 연장 장치(200)는 도시한 바와 같이 상기 단위 셀(110)을 통해 얻어지는 배터리 전압으로부터 상기 수명 연장 장치(200)의 동작에 필요한 전원을 안정적으로 얻기 위하여 과전류 보호부(210) 및 부스팅 레귤레이터부(220)를 포함한다.

또한, 기 설정된 설정 정보에 따라 대응 셀의 전압과 용량에 따른 PWM 주파수와 전류의 크기를 결정하는 제어부(262)와, 상기 제어부(262)가 제공하는 주파수와 전류 크기를 반영하여 고정된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부(263)를 포함하며, 상기 PWM 신호 생성부(263)가 제공하는 PWM 신호의 구형파 펄스에 대응하여 크기가 점차 줄어들면서 진동하는 정현파 미세 펄스를 상기 셀에 제공하는 미세충격 펄스 발생부(230)를 포함한다.

더하여, 상기 수명 연장 장치(200)는 상기 과전류 보호부(210)를 통해 제공되는 배터리 전원의 전압을 과전압 보호부(250)를 통해 수신 및 감지하여 그 결과를 상기 제어부에 제공하는 전압 감시부(261)를 더 포함하며, 상기 제어부(262)는 상기 전압 감시부(261)가 제공하는 감시 결과에 따라 상기 PWM 신호 생성부(263)의 동작을 시작 혹은 중단한다. 또한, 상기 수명 연장 장치(200)는 상기 셀(110)이나 상기 수명 연장 장치의 상태를 표시하는 상태 표시부(240)를 더 포함하며, 상기 제어부(262)는 상기 전압 감시부(261)의 감시 결과에 따라 상기 상태 표시부(240)를 제어하여 그 상태를 구분할 수 있도록 한다. 상기 상태 표시부(240)는 복수의 발광부나 LCD 패널 등 다양한 표시 수단이 적용될 수 있다.

여기서, 상기 제어부(262)는 상기 전압 감시부(261)의 감시 결과에 따라 과충전, 충/방전, 부동충전, 균일충전 등의 다양한 상황 중 필요한 일부 상황을 사용자가 인식할 수 있도록 상기 표시부(240)를 통해 표시할 수 있고, 상기 황산화납 제거 펄스를 제공할 것인지 그 제공을 중단할 것인지에 대한 상황을 판단하여 상기 PWM 신호 생성부(263)의 동작 여부를 결정하며 그 결과 역시 상기 표시부(240)를 통해서 표시할 수도 있다. 상기 전압 감시부(261)는 아날로그 디지털 변환부를 포함할 수 있으며, 상기 과전압 보호부(250)는 상기 전압 감시부(261)의 허용 전압 이상의 전압이 인가되지 않도록 하여 상기 전압 감시부(261)를 보호한다.

도 2와 도 3은 상기 수명 연장 장치(200)를 축전지(100)의 각 셀(110)에 적용한 구성을 보인 예로써, 일반적으로 200A 이하의 차량용 축전지뿐만 아니라 600A, 1000A, 1500A, 1800A, 2000A, 3000A 등과 같은 대용량 산업용 축전지(주로 통신용 장비나 무정전전원장치(UPS) 등에 활용)에 대응하기 위한 경우를 보인 것이다. 이러한 대용량 산업용 축전지의 경우 2V의 단위 셀들을 직병렬 연결하여 원하는 수준의 축전지를 구성하는데, 이러한 개별 2V 단위 셀의 용량이 크기 때문에 가격이 상당하여 이러한 2V 단위 셀을 높은 효율로 오랫동안 사용할 수 있다면 축전지 관리 비용을 크게 낮추는 것은 물론이고 축전지 폐기물에 의한 환경 오염도 줄일 수 있게 된다.

이러한 대용량 2V 셀들을 이용한 산업용 축전지의 경우 그 용량이 다양하며 그 용량 차이의 편차가 크기 때문에 전체 축전지의 크기와 용량은 대단히 다양하게 구성될 수 있다. 도시된 도 2의 경우 사용 전압에 따라 축전지를 6개, 12개, 24개의 수로 직렬 연결하여 12V, 24V, 48V를 구성할 수 있으며, 그 외에도 다양한 전압과 용량에 대응할 수 있다. 도시된 도 3의 경우는 24개의 축전지를 연결하여 48V의 출력 전압을 구성한 경우의 구성 중 일부를 보인 것이다. 따라서, 기존에 알려져 있는 단순한 축전지 전체에 대한 수명 연장 방식을 적용할 경우 용량 차이에 의해 제공 펄스에 따른 효과가 미비하거나 충격이 발생할 수 있다. 즉, 산업용 대용량 축전지의 경우 용량에 대한 고려가 필수적이며, 이를 가장 효과적으로 반영하기 위해서 본 발명에서는 단위 셀마다 수명 연장 장치(200)를 구성하여 단위 셀에 대한 용량을 고려한 수명 연장 기능이 이루어지도록 한다.

더불어, 이러한 2V 단위 셀이 제공하는 배터리 전원만으로 동작하도록 함과 아울러, 이러한 단위 셀들의 직병렬 연결과 그 동작에 무관하게 항상 상기 수명 연장 장치(200)가 동작하도록 함으로써 황산화납의 생성 자체를 예방함과 아울러 생성된 황산화납을 지속적으로 제거하여 축전지의 수명은 물론이고 그 효율(내부 저항)을 높은 상태로 유지하도록 한다.

상기와 같은 용량을 고려한 지속적이고 독립적인 수명 연장 장치(200)의 동작을 위한 구성을 도 1을 참조하여 좀 더 살펴본다.

먼저, 상기 수명 연장 장치(200)에 적용되는 상기 과전류 보호부(210)는 상기 셀(110)과 상기 부스팅 레귤레이터부(220) 사이에 구성되어 상기 셀(110)이 제공하는 배터리 전원의 전류가 기 설정된 기준 전류 값을 초과할 경우 셀(110)과의 부스팅 레귤레이터부(220) 사이의 연결을 차단한다. 바람직하게는 상기 과전류 보호부(210)는 상기 셀(110)과 상기 수명 연장 장치(200) 사이의 연결을 물리적이거나 전기적으로 차단한다. 이러한 차단 소자의 예로서 단순한 퓨즈가 적용될 수도 있으나, 폴리 스위치(poly switch)와 같이 과전류에 의해 온도가 높아지면 고저항체로 변화되고 과전류 요인이 해소되어 온도가 낮아지면 저항이 낮아지는 소자를 적용하여 수명 연장 장치(200)의 안전성과 신뢰성을 유지할 수도 있다.

상기 부스팅 레귤레이터부(220)는 상기 과전류 보호부(210)에 의해 안전하게 전달되는 상기 셀(110)로부터 얻어지는 배터리 전원을 인가받아 상기 배터리 전원을 펌핑하여 전압을 높인 후 기 설정된 전원 전압으로 레귤레이팅하여 상기 수명 연장 장치(200)를 위한 안정적 전원을 제공한다.

상기 부스팅 레귤레이터부(220)의 구성 예를 도 4를 참조하여 살펴보면, 도시한 바와 같이 배터리 전원을 인가받아 노이즈 필터 회로부(211)를 통해 노이즈를 필터링한 후 해당 배터리 전원의 전압을 전압 펌핑 소자부(212)를 통해 펌핑하여 원하는 전원(Vcc) 전압을 초과하는 펌핑 전압을 생성한 후 이를 정전압 유닛(213)을 통해 레귤레이팅(예를 들어 5V)하여 전압이 일정하게 유지되도록 하며, 해당 정전압 유닛(213)의 출력을 다시 한번 충전 소자 등을 이용하는 출력 안정 회로부(214)를 통해 안정화하여 균일한 전원 전압(Vcc, 5V)을 출력한다.

여기서, 상기 정전압 유닛(213)은 단순 전압 레귤레이터가 사용될 수도 있으나 효율적인 구성을 위해 전압 펌핑 기능을 더 구비한 유닛을 이용할 수 있는데, 이 경우 상기 전압 펌핑 소자부(212)는 상기 정전압 유닛(213)의 전압 펌핑 상태 구성을 위한 수동 소자들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상기 부스팅 레귤레이터부(220)가 제공하는 전원 전압(Vcc)은 5V인 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 상기 제어부(262)와 PWM 신호 생성부(263) 및 전압 감시부(261)는 실질적으로 마이크로 콘트롤러(260)를 통해서 구현될 수 있으며, 상기 부스팅 레귤레이터부(220)가 제공하는 정전압은 상기 마이크로 콘트롤러(260)의 동작 전압을 기준으로 제공되는데 바람직하게 5V를 이용한다.

일반적으로 충전지의 셀은 2V나 12V가 주로 사용(물론, 다른 전압도 존재)되는데, 셀 전압을 이용하여 동작하는 기존의 수명 연장 장치에 적용되는 마이크로 콘트롤러는 전력 소모를 줄이며 2V 셀에도 대응하기 위해 낮은 전원 전압(예를 들어 1.8V ~ 3.6V)을 이용하는 것이 사용되었는데, 이 경우 축전지 사용에 따라 셀의 배터리 전압이 변동될 경우 전원 전압의 균일성에도 문제가 발생하게 된다. 예를 들어, 셀의 배터리 전압이 1V 정도만 변화되더라도 기존 저전압 전원을 이용하는 마이크로 콘트롤러의 경우 콘트롤러 동작에 오류가 발생하여 리셋을 필요로 하는 상태가 되기도 하며, 출력 역시 균일하지 못하게 된다. 하지만 도시된 본 발명의 실시예는 마이크로 콘트롤러 전원 전압으로 5V를 이용하므로 셀의 배터리 전압이 1V 정도 변화되더라도 콘트롤러의 동작에 미치는 영향이 크지 않다. 더욱, 본 발명의 경우 인가되는 배터리 전압을 펌핑을 통해 높인 후 이를 레귤레이팅하여 출력 전원을 일정하게 유지하는 부스팅 레귤레이터부(220)를 이용하므로 배터리 전압 변화는 전압 펌핑 과정에서 무시될 수 있어 마이크로 콘트롤러(260)의 전원을 안정적으로 제공할 수 있다.

이제, 상기 수명 연장 장치(200)의 실질적인 수명 연장을 위한 제어 구성, 즉 적절한 펄스 출력을 상기 셀에 제공하도록 하는 구성을 살펴보도록 한다.

도 1에 도시된 PWM 신호 생성부(263)는 기 설정된 설정 정보에 따라 대응 셀의 전압과 용량에 따른 PWM 주파수와 전류의 크기를 결정하는 제어부의 제어를 통해 적절한 주파수와 듀티비를 가지는 PWM 신호를 생성하게 되는데, 본 발명의 실시예는 축전지를 구성하는 복수의 셀들 간 효율 편차를 줄이기 위해서 같은 종류의 셀에는 동일한 PWM 펄스 출력을 제공한다. PWM 신호 생성부(263)는 상기 PWM 펄스 를 실질적으로 출력하는 포트의 수를 통해 전류의 크기를 조절할 수 있으며, 다른 종류의 전류 조절 방식을 이용할 수도 있다.

즉, 셀의 상태를 양호, 보통, 불량 등으로 구분하여 상이한 출력을 제공할 경우 셀 별 편차에 의해 관리 부담이 증가하게 되며 이러한 편차는 전체 축전지의 성능을 열화시키는 원인이 될 수도 있다. 따라서, 셀의 여러 상태를 감안하여 충격에 대한 부담은 줄이면서 황산화납 제거 효율을 소정 수준으로 유지할 수 있는 황산화납 제거용 펄스를 균일하게 제공하여 셀별 편차를 줄여야만 한다.

본 발명의 실시에에서는 이를 위해서 각 셀의 전압과 용량을 기준으로 적절한 출력 펄스 생성을 위한 PWM 신호를 결정하되, 셀의 전압과 용량에 무관하게 듀티비를 고정한 후 셀의 전압과 용량에 따라 PWM 주파수와 전류에 대해서만 설정하여 셀의 특성을 반영하도록 한다. 더불어, 각 셀의 상이한 상태에 대해서 제공하는 황산화납 제거용 펄스의 충격을 줄이고 효율을 높이기 위해 구형파 펄스를 직접 제공하지 않고 이를 크기가 점차 줄어드는 정현파 펄스로 변환하여 제공하는 방식을 이용한다.

상기 제어부(262)는 초기 동작시 기 설정된 설정 정보에 따라 대응 셀의 전압과 용량에 따른 PWM 주파수와 전류의 크기를 결정하는데, 이는 해당 수명 연장 장치(200)를 적용할 셀에 따라 고정된 값이 미리 결정될 수 있다.

효율적으로 황산화납을 제거하기 위한 PWM 펄스는 다음의 표 1과 표 2와 같은 예시적 값으로 결정될 수 있다.

12V 축전지 셀에 제공되는 PWM 펄스
용량	80AH 미만	80~130AH	130AH 초과
주파수	10kHz	13kHz	13kHz
듀티비	0.8% 온	0.8% 온	0.8% 온
전류	30mA	30mA	40mA

2V 축전지 셀에 제공되는 PWM 펄스
용량	600AH 미만	600~1000AH	1000~1500AH	1500~2000AH	2000AH 초과
주파수	10kHz	10kHz	10kHz	13kHz	15kHz
듀티비	0.8% 온	0.8% 온	0.8% 온	0.8% 온	0.8% 온
전류	9mA	11mA	13mA	13mA	15mA

상기 표 1 및 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서, 상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 PWM 신호의 듀티비는 1% 이하, 바람직하게는 0.8%로 고정한다. 즉, 기존에는 셀의 상태에 따라 듀티비가 수~수십%의 비율로 변화되었는데 이러한 강한 충격은 황산화납의 제거에 효율적일 수 있으나 셀별 효율이 달라질 경우 편차를 급격히 증가시키게 되며 오랜 시간 동안 지속적으로 해당 펄스를 제공해야 한다는 점에서 본 발명의 실시예와 같이 1% 이하로 듀티비를 설정한 경우에 비해 효율 차이도 크지 않다.

한편, 상기 미세충격 펄스 발생부가 제공하는 전류는 12V 셀의 경우 30 내지 40mA에서 결정되고, 2V 셀의 경우 5 내지 20mA 사이에서 결정되는 것이 바람직하다.

여기서, PWM 신호를 생성하기 위한 주파수는 10kHz 내지 15kHz 사이에서 결정되도록 구성되는데, 이는 0.8%로 온되는 듀티비를 유지할 경우 해당 온되는 시간의 타이밍 관리나 황산화납 제거를 위한 효율적 주파수를 고려했을 때 최적의 범위를 산출한 것이다.

도 5는 본 발명 실시예에 따라 PWM 신호 생성부(263)를 통해 생성되는 PWM 신호의 예로서, 실질적으로 PWM 주기(d2)에 비해 온되는 펄스의 길이(d1)는 0.8%에 불과하지만 용이한 식별을 위해 도시된 바와 같이 온되는 펄스의 길이를 더 크게 왜곡하여 나타냈음에 주의한다.

예를 들어, 상기 PWM 신호가 2V 800AH 충전지 셀을 위한 것이라면 상기 PWM 신호는 10kHz 주파수를 가지므로 상기 d2는 100㎲의 길이를 가진다. 여기서, 실질적으로 황산화납 제거를 위한 펄스의 길이 d1은 800㎱의 길이를 가지게 되며, 극히 순간적인 펄스가 제공됨을 알 수 있다. 도시된 실시예에서, 황산화납 제거를 위한 PWM 주파수는 10kHz ~ 15kHz이므로 펄스의 길이는 800㎱ ~ 533㎱가 된다.

하지만, 이러한 구형파 신호를 직접 셀에 제공할 경우 그 시간이 극히 짧기 때문에 효율이 제한될 수밖에 없다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 도 6에 도시한 바와 같은 미세충격 펄스 발생부(230)를 적용한다.

도시된 미세충격 펄스 발생부(230)는 도시한 바와 같이 상기 PWM 신호 생성부(263)가 제공하는 PWM 신호를 이용하여 실제 셀(110)에 제공될 황산화납 제거를 위한 미세 펄스를 생성하여 셀(110)에 제공한다. 실질적으로 상기 PWM 신호 생성부(263)의 PWM 신호는 도시된 바와 같이 저항들(R1, R2)에 의해 분배되어 적절한 크기의 전압이 되어 엔피엔 타입 전계효과 트랜지스터(FET)(Q1)의 게이트(G)에 제공되며, 상기 전계효과 트랜지스터(Q1)는 게이트의 전압을 드레인을 통해 배전압하여 셀의 + 전극에 전달한다. 한편, 도시된 인덕터(L1, L2)와 커패시터(C1, C2)로 노이즈 필터를 구성하여 전계효과 트랜지스터(Q1)를 보호하며 상기 전계효과 트랜지스터(Q1)가 제공하는 출력을 점차 크기가 줄어드는 정현파 신호로 변환하여 셀에 제공한다. 한편, 필요한 경우 정현파 신호 변환을 위한 추가적인 커패시터를 전계효과 트랜지스터의 드레인 측에 더 구성할 수도 있다.

도 7은 상기 미세충격 펄스 발생부(230)를 통해 셀에 제공되는 펄스의 예를 보인 것으로, 0.8% 듀티비의 구형파 PWM 펄스를 일종의 여진이 존재하는 정현파 펄스로 변환하여 황산화납 제거를 위한 펄스로서 셀에 제공한다.

이러한 정현파 펄스면서 여진을 가지는 신호를 제공할 경우 셀에 대한 충격을 완화하고, 1% 이하의 듀티비로도 효과적인 황산화납 제거가 가능하게 된다.

이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

100: 축전지 110: 셀
200: 수명 연장 장치 210: 과전류 보호부
220: 부스팅 레귤레이터 230: 미세충격 펄스 발생부
240: 상태 표시부 250: 과전압 보호부
260: 마이크로 콘트롤러 261: 전압 감시부
262: 제어부 263: PWM 신호 생성부

Claims

축전지를 구성하는 개별 셀에 장착되어 독립적으로 해당 셀에 대한 수명 연장 동작을 지속하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치로서,
상기 장착된 셀로부터 얻어진 배터리 전원을 펌핑하여 전압을 높인 후 기 설정된 전원 전압으로 레귤레이팅하여 안정적 전원을 제공하는 부스팅 레귤레이터부와;
기 설정된 설정 정보에 따라 대응 셀의 전압과 용량에 따른 PWM 주파수와 전류의 크기를 결정하는 제어부와;
상기 제어부가 제공하는 주파수와 전류 크기를 반영하여 고정된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부와;
상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 PWM 신호의 구형파 펄스에 대응하여 크기가 점차 줄어들면서 진동하는 정현파 펄스를 상기 셀에 제공하는 충격 펄스 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 1항에 있어서, 상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 PWM 신호의 듀티비는 1% 이하인 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 2항에 있어서, 상기 PWM 신호의 듀티비는 0.8%인 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 1항에 있어서, 상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 PWM 신호의 주파수는 10kHz 내지 15kHz 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 4항에 있어서, 상기 충격 펄스 발생부가 제공하는 전류는 12V 셀의 경우 30 내지 40mA에서 결정되고, 2V 셀의 경우 5 내지 20mA 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 1항에 있어서, 상기 부스팅 레귤레이터부는 셀의 배터리 전압에 무관하게 5V 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 1항에 있어서, 상기 셀과 상기 부스팅 레귤레이터부 사이에 구성되어 상기 셀이 제공하는 배터리 전원의 전류가 기 설정된 기준 전류 값을 초과할 경우 셀과의 부스팅 레귤레이터부 사이의 연결을 차단하는 과전류 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 7항에 있어서, 상기 과전류 보호부를 통해 제공되는 배터리 전원의 전압을 감지하여 그 결과를 상기 제어부에 제공하는 전압 감시부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전압 감시부가 제공하는 감시 결과에 따라 상기 PWM 신호 생성부의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 8항에 있어서, 상기 셀이나 상기 수명 연장 장치의 상태를 표시하는 표시부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전압 감시부의 감시 결과에 따라 상기 표시부를 제어하는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
제 1항에 있어서, 상기 충격 펄스 발생부는 엔피엔 타입 전계효과 트랜지스터(FET)를 포함하며, 상기 전계효과 트랜지스터는 게이트를 통해 상기 PWM 신호 생성부가 제공하는 펄스를 제공받아 드레인을 통해 발생한 배전압을 셀에 제공하는 것을 특징으로 하는 진동을 이용한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.