KR101521604B1

KR101521604B1 - 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치

Info

Publication number: KR101521604B1
Application number: KR1020140121138A
Authority: KR
Inventors: 류영준
Original assignee: (주)리파워텍
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2015-05-20

Abstract

본 발명은 교차 발생된 고주파 정역펄스를 통해 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)을 발생시켜 배터리의 노폐물을 떨어내고 배터리 폭발의 가능성을 경감하면서 안정적이고 효율적인 배터리 복원이 가능한 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치에 관한 것이다.
종래에는 일정한 전류 값을 통해 배터리를 복원하거나, 정펄스만을 통해 배터리를 복원함으로써 복원효율이 떨어지는 단점이 있는 바, 이를 개선하기 위해 제안된 본 발명은 에스엠피에스(SMPS)의 전원에 의해 스위칭펄스 생성부에서는 컨트롤러의 제어신호에 따라 일정한 주기로 고주파 정역펄스신호를 교차로 발생하여 충전전압 제어부에서 전달하고, 보호회로부에서는 상기 스위칭펄스 생성부에 변동된 전류 값이 기준치를 초과하여 배터리에 전달되는 것을 방지하도록 구성된 배터리 복원장치에 있어서, 상기 컨트롤러는 충전전압 측정부의 출력값에 따라 충전전압 제어부를 피드백 제어하고, 씨피유(CPU)에서는 배터리의 용량 및 충전상태에 따라 스위칭 주파수 제어부를 피드백 제어하며, 전류 제어부에서는 상기 스위칭 주파수 제어부의 제어신호에 따라 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)가 발생할 수 있도록 스위칭펄스 생성부의 전류 값을 조절하고, 배터리전압 전류 측정부에서는 상기 스위칭펄스 생성부에서 전달되는 전원에 의해 충전되는 배터리의 전압 및 전류 값을 측정하며, 상기 씨피유는 배터리복원 알고리즘 데이터베이스와 연동되어 스위칭 주파수 제어부를 조절하고, 그 조절 및 복원상태에 기록은 복원로그 기록부에 저장하고, 상기 배터리복원 알고리즘 데이터베이스에는 배터리의 용량 및 스펙에 따라 충전시간, 충전전압 값, 충전전류 값이 미리 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리 복원장치를 제안한다.
본 발명에 의한 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치는 고주파 정역펄스를 교차로 발생하여 배터리에 전달되는 전류 값을 변동시키고, 상기 변동되는 전류 값에 의해 충방전이 교차되면서 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)를 발생시켜 배터리에 부착된 산화물을 떨어내고 배터리 폭발의 가능성을 경감하면서 안정적이고 효율적인 배터리 복원이 가능한 효과가 있으며, 컨트롤러의 씨피유에서는 스위칭 주파수 제어부(25)를 조절하여 가변주파수를 구현함으로써, 다양한 용량 및 스펙을 갖는 배터리에 모두 적용할 수 있는 장점이 있다.

Description

고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치{Apparatus for recycling and charging a battery using of high frequency cross pulse generator}

본 발명은 배터리 복원장치에 관한 것으로, 특히 고주파 정역펄스를 교차로 발생하여 배터리에 전달되는 전류 값을 변동시키고, 상기 변동되는 전류 값에 의해 충방전이 교차되면서 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)을 발생시켜 배터리의 노폐물을 떨어내고 배터리 폭발의 가능성을 경감하면서 안정적이고 효율적인 배터리 복원이 가능한 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치에 관한 것이다.

일반적으로 충방전이 가능한 2차전지의 배터리는 과산화납으로 이루어진 양극판과 납으로 이루어진 음극판을 포함하는 전극판과 묽은 황산으로 이루어진 전해액이 화학 반응을 일으켜 전기를 발생시키게 되는데, 방전될 경우 충전하게 되면 다시 배터리의 기능을 회복할 수 있다.

이를 위해 배터리는 얇은 판 여러 장을 병렬로 접속하는 방식으로 양극판과 음극판이 서로 마주보도록 배치하여 극판과 전해액의 접촉 면적이 최대화하도록 설계되며, 전기 방전 시 황산이 소모되어 생성된 황산염(PbSO₄)과 물이 생성되고, PbSO₄는 양극판과 음극판에 부착되며, 생성된 물로 인해 배터리 전해액의 밀도는 낮아지게 된다. 전기 충전 시에는 전극반응은 역반응이 일어나게 된다.

그러나, 장기간 반복적인 충방전이 있는 경우, 전극판에 달라붙어 있던 황산염이 충전 시에 이탈되지 않고 그대로 달라붙어있는 황산화 현상이 발생하며, 이러한 황산화 현상은 전극판의 전기 반응의 통로가 차단되어 절연기능을 하게 되므로 배터리의 전압, 용량 및 비중도를 저하시키는 문제점이 발생하게 된다.

이를 개선하기 위해 제안된 특허등록 제10-0931510호(발명의 명칭 : 축전기의 재생장치)(이하, 선행발명1)에서는 축전기의 전극판에 SCR 위상제어를 통하여 펄스 전류를 공급하여 축전지 전극판에 형성된 황산염을 제거한다고 기술하고 있으나, 위 선행발명1은 저주파를 이용한 방식으로서, 펄스신호 생성을 위한 회로구성이 복잡하며 정방향 펄스신호만을 공급하여 황산염 제거 효율이 극히 떨어지게 된다.

또한, 특허등록 제10-1189122(발명의 명칭 : 배터리의 재생과 충전을 동시에 하는 장치 및 그 방법)(이하, 선행발명2)에서도 충전과 방전을 교차로 실행함으로써 황산염을 제거하기 위한 기술을 소개하고 있으나, 선행발명2 역시 정방향 펄스신호만을 공급하는 방식에 한정되어 있다.

상기 선행발명1의 저주파 펄스방식 및 선행발명2의 정방향 펄스방식은 큰 펄스를 배터리에 인가하는 것이므로 자칫 배터리의 반발력에 의하여 SCR이나 FET에 치명적인 손상을 줄 수 있고, 이로 인해 최대한 펄스크기를 죽여서 배터리로 전달해야 하므로, 그 효율이 떨어질 수밖에 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고주파 정역펄스를 교차로 발생하여 배터리에 전달되는 전류 값을 변동시키고, 상기 변동되는 전류 값에 의해 충방전이 교차되면서 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)을 발생시켜 배터리의 노폐물을 떨어내고 배터리 폭발의 가능성을 경감하면서 안정적이고 효율적인 배터리 복원이 가능한 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치는 에스엠피에스(SMPS)의 전원에 의해 스위칭펄스 생성부에서는 컨트롤러의 제어신호에 따라 일정한 주기로 고주파 정역펄스신호를 교차로 발생하여 충전전압 제어부에서 전달하고, 보호회로부에서는 상기 스위칭펄스 생성부에 변동된 전류 값이 기준치를 초과하여 배터리에 전달되는 것을 방지하도록 구성된 배터리 복원장치에 있어서, 상기 컨트롤러는 충전전압 측정부의 출력값에 따라 충전전압 제어부를 피드백 제어하고, 씨피유(CPU)에서는 배터리의 용량 및 충전상태에 따라 스위칭 주파수 제어부를 피드백 제어하며, 전류 제어부에서는 상기 스위칭 주파수 제어부의 제어신호에 따라 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)가 발생할 수 있도록 스위칭펄스 생성부의 전류 값을 조절하고, 배터리전압 전류 측정부에서는 상기 스위칭펄스 생성부에서 전달되는 전원에 의해 충전되는 배터리의 전압 및 전류 값을 측정하며, 상기 씨피유는 배터리복원 알고리즘 데이터베이스와 연동되어 스위칭 주파수 제어부를 조절하고, 그 조절 및 복원상태에 기록은 복원로그 기록부에 저장하고, 상기 배터리복원 알고리즘 데이터베이스에는 배터리의 용량 및 스펙에 따라 충전시간, 충전전압 값, 충전전류 값이 미리 저장되어 있는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리복원장치는 고주파 정역펄스를 교차로 발생하여 배터리에 전달되는 전류 값을 변동시키고, 상기 변동되는 전류 값에 의해 충방전이 교차되면서 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)을 발생시켜 배터리에 부착된 산화물을 떨어내고 배터리 폭발의 가능성을 경감하면서 안정적이고 효율적인 배터리 복원이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 컨트롤러의 씨피유에서는 스위칭 주파수 제어부(25)를 조절하여 가변주파수를 구현함으로써, 다양한 용량 및 스펙을 갖는 배터리에 모두 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 배터리 복원장치에서 일정한 전류 값에 따라 배터리를 충전하는 것을 나타내는 전류/주파수 파형도,
도 2는 본 발명에 의한 고주파 정역펄스를 이용한 배터리 복원장치에서 일정주기마다 정역펄스를 교차로 발생하여 강한 정전류 및 역전류에 의해 배터리를 충전하는 것을 나타내는 실시 예,
도 3은 본 발명의 배터리 복원장치에서 일정주기마다 정역펄스를 교차로 발생하여 약한 정전류 및 역전류에 의해 배터리를 충전하는 것을 나타내는 다른 실시 예,
도 4는 본 발명에 의한 고주파 정역펄스를 이용한 배터리의 복원장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 배터리의 복원과정이 진행되는 배터리의 전압/주파수 파형도.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.

본 발명의 고주파 정역펄스를 이용한 배터리의 복원장치는 배터리와 전원장치 사이에 연결되고, 전원장치에서 공급된 전원을 제어하여 충전률이 미약한 배터리를 복원하기 위한 것이다.

전술한 바와 같이, 충전용 배터리를 일정시간 이상 사용하면, 전극판에 황산염이 부착되면서 충전효율이 급격하게 떨어지게 되는 바, 본 발명에서는 부착된 황산염을 효과적으로 제거할 수 있도록 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 새로운 방식을 제안한다.

선행발명1, 2와 같은 방식은 충전 또는 복원을 위해 배터리로 정전류를 넣을 경우 배터리의 셀에서 발생하는 기포는 부피가 크고 강한 응집력이 있으므로 인접한 기포끼리 뭉치면서 빠른 시간 내에 더 큰 기포로 성장하는 현상이 발생하게 된다. (배터리의 상측에서 볼 때 큰 기포가 상측으로 올라오는 모습이 관찰됨)

따라서, 크게 성장한 기포는 상승압력에 의해 빠르게 배터리의 황산 용액 밖으로 빠져 나오게 되고, 기포가 미처 황산과 납에 반응할 시간이 부족하여 전극판에 부착된 황산염 제거효율이 떨어지게 된다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위해 본 발명에서는 고주파 정역 펄스를 교차로 발생함으로써 배터리의 셀에서 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble))를 생성하게 된다.

이러한 미세기포(Micro Bubble)는 종래 선행발명1 및 2의 정전류에서 발생하는 기포에 비하여 그 부피가 아주 미세하고 전체 표면적이 넓기때문에 화학반응의 효율성을 획기적으로 증가시키게 됨으로써 충전 및 복원이 더 원활하게 된다.

또한 미세기포는 상승압력도 약하게 되어 황산액 밖으로 빠져나오는 시간이 선행발명의 정전류 충전방식보다 훨씬 지연되고, 이로 인해 충분한 화학반응 시간을 제공함으로써 충전 및 복원효율이 높아지게 된다.

즉, 본 발명은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 일정주기마다 (+)신호인 정펄스, (-)신호인 역펄스를 교차하여 발생함으로써, 배터리 복원률을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 도 2는 정역을 1:1 비율로 조정하는 강한전류로 배터리 복원하는 경우이고, 도 3은 정역을 4: 1의 비율로 조정하는 약한 전류로 배터리를 복원하는 경우를 구분하여 도시한 것이다.

본 발명의 고주파 정역펄스를 이용한 배터리 복원장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 외부의 전원을 소정의 제어과정을 거쳐 배터리에 안정적으로 공급하는 에스엠피에스(SMPS)(1)와, 컨트롤러(20)를 구성하는 각 회로에 전원을 공급하는 컨트롤러 전원부(3)와, 상기 컨트롤러(20)에 의해 에스엠피에스(1)에서 전달된 전원을 제어하여 충전하는 배터리(40)를 포함하여 구성된다.

먼저, 외부의 AC 80V에서 240V의 외부전압은 에스엠피에스(1)에서 DC 0V에서 최대 130V와 0A 에서 최대 60A의 전류를 발생할 수 있는 상태로 변환되며, 에스엠피에스(1)의 전원은 다시 충전전압 제어부(2)에서 복원하고자 하고자하는 배터리(40)에 적합한 DC전압으로 조정된다.

또한, 상기 컨트롤러 전원부(3)는 외부의 교류전원을 ㅁ12V, +5V로 변환하여 내부의 각 회로에 안정적으로 전달한다.

상기 충전전압 제어부(2)에서 조정된 DC전압이 스위칭펄스 생성부(10)에 전달되면, 상기 스위칭펄스 생성부(10)에서는 컨트롤러(20)의 제어신호에 따라 일정한 주기로 고주파 정역펄스신호를 교차로 발생하게 된다.

상기 스위칭펄스 생성부(10)에는 펄스폭변조(PWM)방식에 의해 펄스주파수 15,000∼40,000 ㎐의 펄스를 생성하며, 상기 펄스폭 가변에 의해 전류가 0 ∼ 60A 사이에서 조절된다.

이때, 상기 고주파 정역펄스신호는 펄스폭변조(PWM) 방식에 의해 (+)신호와 (-)신호가 일정하게 교차 발생하는 펄스신호로서, 상기 (+)신호와 (-)신호의 비율은 8:2정도가 바람직하며, 펄스신호에 따라 충전전압 제어부(2)에서 전달된 전류 값이 연동된다.

이와 같이 펄스신호에 연동하는 전류 값은 배터리(40)로 전달되어 복원작업이 개시되는데, 상기 전류 값이 순간적으로 기준치를 초과하게 되면 배터리(40)를 손상시키게 된다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 스위칭펄스 생성부(10)와 배터리(40) 사이에 보호 회로부(30)를 추가하였다. 상기 보호 회로부(30)는 과전류 보호 장치인 퓨즈(Fuse)의 일종으로서 배터리(40)에 전달되는 단락 전류 및 과부하전류를 자동으로 차단한다.

한편, 상기 컨트롤러(20)에 구비된 씨피유(21)에서는 충전전압 측정부(24)의 출력값에 따라 충전전압 제어부(2)를 피드백 제어하고, 배터리(40)의 용량 및 충전상태에 따라 스위칭펄스 생성부(10)를 피드백 제어하게 된다.

즉, 상기 컨트롤러(20)에는 충전전압 제어부(2)의 출력전압이 선택된 전압값으로 출력되는지를 체크하는 충전전압 측정부(24), 주파수 변동을 위한 제어신호를 발생하는 스위칭 주파수 제어부(25), 상기 스위칭 주파수 제어부(25)의 제어신호에 따라 스위칭펄스 생성부(10)의 전류 값을 조절하는 전류 제어부(26), 상기 스위칭펄스 생성부(10)에서 전달되는 전원에 의해 충전되는 배터리(40)의 전압 및 전류값을 측정하는 배터리 전압전류 측정부(27)가 구비되며, 씨피유(24)의 제어에 따라 충전전압 제어부(2)의 전압 값이 결정되며, 씨피유(24)의 제어신호에 따라 스위칭주파수 제어부(25)를 피드백제어하게 되어, 상기 스위칭주파수 제어부에 변동 값은 전류 제어부(26)를 거쳐 스위칭펄스 생성부(10)를 다시 피드백제어하게 된다.

이때, 상기 충전전압 측정부(24)의 출력 전압은 충전 시 배터리(40)의 기준전압보다 높게 형성되어야 하므로, 예를 들어 각 셀당 2V의 배터리를 충전하기 위해서는 2.6∼3.0V의 전압을 발생하게 된다.

특히, 다양한 용량 및 배터리의 스펙에 적용할 수 있도록 본 발명의 스위칭 주파수 제어부(25)는 배터리(40)의 용량에 따라 주파수를 15∼40㎑의 범위에서 가변시킬 수 있다.

상기 전류 제어부(26)에서는 본 발명의 일 실시예로 배터리 복원이 다음의 3단계의 절차로 진행되며, 빠른 배터리 복원이 가능하게 된다.

제1단계 : 펄스의 폭의 긴 장펄스와 기준전류(1/10 AH) 사용하여 황산염이 큰것을 제거한다.

제2단계 : 펄스의 폭이 짧은 단펄스와 기준전류(1/10 AH) 사용하여 황산염이 작은 것을 제거한다.

제3단계 : 펄스의 폭이 짧은 단펄스와 기준전류(1/10 AH) 이하를 사용하여 황산의 비중을 일정하게 한다.

따라서, 본 발명에 의해 복원되는 배터리의 전압은 도 5에 도시된 바와 같이 충전(A), 방전(B)이 약 4 : 1의 비율로 반복되면서, 전극판에 부착된 황산염을 제거함과 동시에 배터리를 효과적으로 충전하게 된다.

또한, 상기 씨피유(21)는 배터리복원 알고리즘 데이터베이스(22)와 연동되어 스위칭 주파수 제어부(25)를 조절하고, 그 조절 및 복원상태에 기록은 복원 로그(LOG) 기록부(23)에 저장하게 된다.

이때, 상기 배터리복원 알고리즘 데이터베이스(22)에는 배터리의 용량 및 스펙에 따라 충전시간, 충전전압 값, 충전전류 값이 미리 저장되어 있으며, 상기 복원로그 기록부(23)의 데이터는 필요시 외부로 출력가능하다.

또한, 상기 컨트롤러(20)는 연결된 배터리(40)의 기본 데이터를 입력할 수 있도록 터치 입력부(50) 및 디스플레이부(51)가 구비되고, 외부에서 컨트롤러(20)를 원격 제어할 수 있도록 통신 회로부(60)가 더 구비된다.

따라서, 관리자는 터치 입력부(50)를 통해 배터리(40)의 용량 및 스펙을 선택하고, 상기 선택된 결과에 따라 충전전압이 조정되며, 상기 선택된 값과 충전전압 및 기타 복원의 진행상황을 디스플레이(51)에 실시간으로 표시됨으로써 사용자 편의성이 향상된다.

또한, 상기 통신 회로부(60)를 통해 외부에 설치된 피씨(PC)(도면미표시)에서 복원되는 과정을 실시간으로 모니터링하고, 피씨를 통해 컨트롤러를 원격 제어할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

1 : 에스엠피에스(SMPS) 2 : 충전전압 제어부
3 : 컨트롤러 전원부
10 : 스위칭펄스 생성부 20 : 컨트롤러
21 : 씨피유(CPU) 22 : 배터리복원 알고리즘 데이타베이스
23 : 복원로그 기록부 24 : 충전전압 측정부
25 : 스위칭 주파수 제어부 26 : 전류 제어부
27 : 배터리전압전류 측정부
30 : 보호 회로부 40 : 배터리
50 : 터치 입력부 51 : 디스플레이부
60 : 통신 회로부

Claims

에스엠피에스(SMPS)의 전원에 의해 스위칭펄스 생성부에서는 컨트롤러의 제어신호에 따라 일정한 주기로 고주파 정역펄스신호를 교차로 발생하여 충전전압 제어부에서 전달하고, 보호회로부에서는 상기 스위칭펄스 생성부에 변동된 전류 값이 기준치를 초과하여 배터리에 전달되는 것을 방지하도록 구성된 배터리 복원장치에 있어서,
상기 컨트롤러(20)는 충전전압 측정부(24)의 출력값에 따라 충전전압 제어부(2)를 피드백 제어하고, 씨피유(CPU)(21)에서는 배터리(40)의 용량 및 충전상태에 따라 스위칭 주파수 제어부(25)를 피드백 제어하며, 전류 제어부(26)에서는 상기 스위칭 주파수 제어부(25)의 제어신호에 따라 미세기포(마이크로 버블; Micro Bubble)가 발생할 수 있도록 스위칭펄스 생성부(10)의 전류 값을 조절하고, 배터리전압 전류 측정부(27)에서는 상기 스위칭펄스 생성부(10)에서 전달되는 전원에 의해 충전되는 배터리(40)의 전압 및 전류 값을 측정하며,
상기 씨피유(21)는 배터리복원 알고리즘 데이터베이스(22)와 연동되어 스위칭 주파수 제어부(25)를 조절하고, 그 조절 및 복원상태에 기록은 복원로그 기록부(23)에 저장하고, 상기 배터리복원 알고리즘 데이터베이스(22)에는 배터리의 용량 및 스펙에 따라 충전시간, 충전전압 값, 충전전류 값이 미리 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리 복원장치.
제 1항에 있어서,
상기 스위칭 주파수 제어부(25)는 배터리(40)의 용량에 따라 주파수를 15∼40㎑의 범위에서 가변시키는 것을 특징으로 하는 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리 복원장치.
제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러(20)는 연결된 배터리(40)의 기본 데이터를 입력할 수 있도록 터치 입력부(50) 및 디스플레이부(51)가 구비되고,
외부에서 컨트롤러(20)를 원격 제어할 수 있도록 통신 회로부(60)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고주파 정역펄스를 교차 발생하는 배터리 복원장치.
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