KR101586827B1 - 하이브리드형 배터리 충전기 및 이를 이용한 충전방법 - Google Patents

하이브리드형 배터리 충전기 및 이를 이용한 충전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 준정전압정전류 충전과 정전압정전류 충전을 순차적으로 수행하는 하이브리드형 충전기를 개시한다. 본 발명에 따른 하이브리드형 충전기는, 입력교류전원에 연결된 변압기를 포함하는 전력변환부; 상기 전력변환부의 교류출력을 직류로 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력을 고주파로 변환하는 고주파충전부; 상기 정류부의 출력과 상기 고주파충전부의 출력을 선택적으로 배터리에 공급하는 충전절환부; 상기 고주파충전부와 상기 충전절환부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면 외부 입력전압에 변동이 있더라도 과충전 또는 부족충전 없이 일정한 충전량을 확보할 수 있고, 충전과정에서 배터리의 온도상승도 방지할 수 있으므로 배터리의 수명단축과 정격용량의 감소를 방지할 수 있다.

Description

하이브리드형 배터리 충전기 및 이를 이용한 충전방법{Hybrid type battery charger and charging method using the same}
본 발명은 전동지게차, 전기자동차 등의 배터리를 충전하는 충전기에 관한 것으로서, 구체적으로는 준정전압정전류 충전과 고주파 충전을 순차적으로 수행할 수 있는 하이브리드형 충전기에 관한 것이다.
최근 높은 유가와 환경문제 등으로 인하여 배터리를 동력으로 하는 전기차의 수요가 크게 늘어나고 있고, 이로 인해 배터리 충전을 위한 충전기의 중요성도 갈수록 커지고 있다.
한편 골프카트, 청소차, 전동 지게차, 무인운반차 등에 주로 사용되는 배터리는 납축전지인데, 이러한 납축전지의 충전을 위해 사용되는 충전기는 크게 준정전압정전류 방식과 정전압정전류 방식으로 구분될 수 있다.
준정전압정전류 충전기는 특허문헌 1에 개시된 바와 같이 누설변압기(leakage transformer)를 이용하는 것으로서, 가격이 저렴하고 유지보수가 편리한 장점이 있으나, 입력전압의 변동에 따른 출력전압의 변동으로 인해 부족충전 또는 과충전 현상이 발생하는 단점이 있다. 이와 같이 부족충전 또는 과충전 현상이 발생하면 납축전지의 수명이 단축되는 것은 물론이고 전기차의 운전시간이 정격에 미달하는 문제가 발생할 수 있다.
반면에 정전압정전류 충전기는 반도체소자를 이용하는 것으로서, 충전전압 및 전류를 비교적 정확하게 제어할 수 있는 장점은 있으나, 고가의 대전력 반도체를 사용해야 하므로 가격경쟁력이 크게 떨어지는 단점이 있다.
또한 준정전압정전류 충전기는 충전초기에 약 150A의 충전전류를 출력할 수 있고 이를 통해 충전시간을 단축시킬 수 있다. 정전압정전류 충전기에도 이 정도의 대전류를 제어할 수 있는 전력반도체를 사용하면 충전시간을 단축시킬 수 있으나, 이 정도의 대용량 전력반도체는 너무 고가이어서 상용화 충전기에 사용하기 어렵다. 또한 대부분의 정전압정전류 충전기는 상대적으로 저렴한 저용량의 전력반도체를 사용하고 있는데, 용량이 작기 때문에 누설변압기를 이용하는 방식보다 충전시간이 훨씬 긴 단점이 있다.
한편 도 1의 개략도에 나타낸 바와 같이, 납축전지는 충전량이 약80% 정도에 이른 시점부터 온도가 급격히 상승하는 것으로 알려져 있다. 납축전지의 온도가 상승하면 전해액이 증발하여 배터리의 수명이 단축되고 정격용량이 감소하게 되는데, 현재는 전해액을 주기적으로 보충해 주는 것 이외에는 별다른 해결책이 없는 실정이다.
등록특허 제10-0701611호(2007.03.29공고)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외부 입력전압의 변동에도 불구하고 과충전 또는 부족충전 없이 일정한 충전량을 확보할 수 있는 충전기를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 충전과정에서 배터리의 온도상승을 방지하고 이를 통해 배터리의 수명단축과 정격용량의 감소를 방지하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 입력교류전원에 연결된 변압기를 포함하는 전력변환부; 상기 전력변환부의 교류출력을 직류로 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력을 고주파로 변환하는 고주파충전부; 상기 정류부의 출력과 상기 고주파충전부의 출력을 선택적으로 배터리에 공급하는 충전절환부; 상기 고주파충전부와 상기 충전절환부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 하이드브리드형 충전기를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 하이브리드형 충전기에 있어서, 상기 고주파충전부는, 충전기의 (+)출력단과 상기 정류부를 연결하는 (+)전원선에 캐소드가 연결된 다이오드(D); 제1단자는 상기 다이오드의 애노드에 연결되고, 제2단자는 상기 정류부와 충전기의 (-)출력단을 연결하는 (-)전원선에 연결되며, 제1단자와 제2단자 사이의 도통을 제어하는 제3단자는 상기 제어부에 연결된 스위칭소자(Q1); 일단은 상기 다이오드(D)와 상기 스위칭소자(Q1)의 사이에 연결되고, 타단은 상기 (-)출력단에 연결되는 코일(L)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 충전절환부는, 제1단자가 상기 (-)출력단에 대해 상기 코일(L)과 병렬로 연결되고, 제2단자가 상기 (-)전원선에 연결되며, 제1단자와 제2단자 사이의 도통을 제어하는 제3단자가 상기 제어부에 연결되는 스위칭소자(Q2)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 하이브리드형 충전기는, 상기 배터리의 상태정보를 관리자단말로 전송하는 통신수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은, 전술한 하이드브리드형 충전기를 이용한 배터리 충전방법에 있어서, (a) 상기 정류부의 출력을 배터리로 공급하는 준정전압정전류 충전단계; (b) 배터리의 전압이 설정값에 도달하면, 상기 충전절환부와 상기 고주파충전부를 제어하여 상기 고주파충전부의 출력을 배터리로 공급하는 정전압정전류 충전단계; (c) 배터리의 전압이 목표전압에 도달하면 충전을 종료하는 단계를 포함하는 배터리 충전방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 외부 입력전압에 변동이 있더라도 과충전 또는 부족충전 없이 일정한 충전량을 확보할 수 있고, 충전과정에서 배터리의 온도상승도 방지할 수 있으므로 배터리의 수명단축과 정격용량의 감소를 방지할 수 있다.
도 1은 시간에 따른 충전전압, 충전전류 및 온도의 변화를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기의 블록도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기의 회로도를 예시한 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기의 동작을 나타낸 흐름도
도 5 및 도 6은 준정전압정전류 충전과 고주파 충전의 전류흐름을 각각 나타낸 회로도
도 7은 PWM제어전압에 따른 충전전류(iH)의 파형을 대비한 도면
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전기의 동작을 나타낸 흐름도
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 충전기(100)는 도 2의 블록도에 도시된 바와 같이, 입력교류전원을 변환하는 전력변환부(110), 전력변환부(110)에서 출력된 교류를 직류로 정류하는 정류부(120), 반도체소자의 고속스위칭 동작을 통해 정류부(120)의 출력을 고주파출력으로 변환하는 고주파충전부(130), 정류부(120)의 출력과 고주파충전부(130)의 출력을 선택적으로 배터리(10)로 공급하는 충전절환부(140), 고주파충전부(130)와 충전절환부(140)의 동작을 제어하는 제어부(150)를 포함한다.
전력변환부(110)는 누설변압기(도면에는 나타내지 않았음)를 포함하며, 누설변압기의 1차측 권선은 입력교류전원에 연결되고 2차측 권선은 정류부(120)에 연결된다.
정류부(120)는 풀브릿지 다이오드, 콘덴서 등을 이용하여 전력변환부(110)의 2차측 출력을 전파정류한다.
도 3의 회로도에 나타낸 바와 같이, 정류부(120)의 (+)출력단은 (+)전원선(51)을 통해 충전기(100)의 (+)출력단에 연결되고, 정류부(120)의 (-)출력단은 (-)전원선(52)에 의해 충전기(100)의 (-)출력단에 연결된다. 특히 (-)전원선(52)에 충전절환부(140)가 설치되므로 정류부(120)의 출력은 선택적으로 배터리(10)로 공급된다.
제어부(150)는 배터리(10)에 설치된 온도센서(12), 수위센서(14), 전압센서(16) 등의 측정값을 이용하여 충전기(100)의 동작을 제어하며, 고주파충전부(130)의 동작을 제어하는 PWM제어부(152)와, 충전절환부(140)의 절환동작을 제어하는 절환제어부(154)를 포함할 수 있다. 이러한 제어를 위하여 배터리(10)의 각 센서(12,14,16)를 충전기(100)의 제어부(150)와 연결하는 통신수단을 설치할 수 있다.
한편 고주파충전부(130)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1스위칭소자(Q1), 다이오드(D), 코일(L) 등을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 전계효과트랜지스터(FET)를 제1스위칭소자(Q1)로 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니므로 IGBT 등 다른 종류의 전력반도체가 사용될 수도 있다.
구체적으로 살펴보면, 다이오드(D)는 (+)전원선(51)에 캐소드가 연결되고 제1스위칭소자(Q1)의 제1단자(예, 드레인)에 애노드가 연결된다. 또한 제1스위칭소자(Q1)의 제2단자(예, 소스)는 제1노드(N1)에서 (-)전원선(52)에 연결되고, 제1스위칭소자(Q1)의 제3단자(예, 게이트)는 제1단자와 제2단자 사이의 도통을 제어하는 것으로서 PWM제어부(152)에 연결된다.
또한 코일(L)의 일단은 다이오드(D)와 제1스위칭소자(Q1) 사이의 제2노드(N2)에 연결되고, 코일(L)의 타단은 충전기(100)의 (-)출력단에 연결된다.
제1노드(N1)와 정류부(140) 사이에 설치된 저항(R)은 전류감지를 위한 것이다.
충전절환부(140)는 제어부(150)에 의해 제어되는 제2스위칭소자(Q2)를 포함한다. 제2스위칭소자(Q2)는 제1노드(N1)와 충전기(100)의 (-)출력단 사이에 설치되며, 구체적으로 살펴보면, 제2스위칭소자(Q2)의 제1단자(예, 드레인)는 충전기(100)의 (-)출력단에 대해 코일(L)과 병렬로 연결되고, 제2단자(예, 소스)는 제1노드(N1)에 연결되며, 제3단자(예, 게이트)는 절환제어부(154) 에 연결된다.
본 발명의 실시예에서는 전계효과트랜지스터(FET)를 제2스위칭소자(Q2)로 사용하였으나 이에 한정되는 것은 아니므로 IGBT 등 다른 종류의 전력반도체가 사용될 수도 있다. 또한 충전절환부(140)에 반드시 반도체소자가 사용되어야 하는 것은 아니므로, 릴레이, 마그네틱 스위치 등과 같이 기계적 또는 전자기적 스위칭수단이 충전절환부(140)로 사용될 수도 있다.
이하에서는 도 4의 흐름도를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 충전기(100)를 이용하여 배터리(10)를 충전하는 방법을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 충전기(100)는 충전초기에는 준정전압정전류 방식으로 충전을 진행하고, 충전말기에는 설정된 조건이 충족되면 고주파충전부(130)를 통해 정전압정전류 충전을 진행하는 점에 특징이 있다.
먼저 외부 교류전원이 연결된 충전기(100)의 출력단에 배터리(10)를 연결한 상태에서 동작스위치를 온(ON)시키면, 충전절환부(140)는 온(ON)상태가 되고 고주파충전부(130)는 오프(OFF)상태가 된다.
절환제어부(154)에서 제2스위칭소자(Q2)의 제3단자(예, 게이트)에 제어전압 펄스를 인가함으로써 충전절환부(140)를 온(ON)시킬 수 있다.
이렇게 하면 도 5에 나타낸 바와 같이 누설변압기를 거쳐 정류부(120)에서 전파정류된 충전전류(iL)가 그대로 배터리(10)로 공급된다. (ST11)
충전이 진행됨에 따라 배터리(10)의 전압은 점차 상승하고 배터리(10)의 전압은 전압센서(16)로부터 제어부(150)로 피드백된다. 제어부(150)의 절환제어부(154)는 전압센서(16)에서 검출된 값이 설정값 이상인지 여부를 지속적으로 확인하고, 이를 근거로 충전방식의 절환여부를 판단한다.
본 발명의 실시예에서는 목표전압의 80%에 도달하면 충전방식을 절환하는 것으로 설정하였으나, 절환기준이 이에 한정되지 않음은 물론이다. (ST12)
절환제어부(154)는 배터리 전압이 설정값 이상인 것으로 확인되면 제2스위칭소자(Q2)를 오프(OFF)시키고, PWM제어부(152)로 하여금 제1스위칭소자(Q1)를 제어하여 고주파충전을 하도록 제어한다.
고주파충전부(130)의 제1스위칭소자(Q1)는 PWM제어부(152)에서 인가되는 제어전압의 펄스에 의해 도 6에 나타낸 바와 같은 충전전류(iH)를 출력한다.
한편 도 7은 PWM제어부(152)에서 제1스위칭소자(Q1)로 인가되는 제어전압과 고주파충전부(130)에서 생성된 충전전류(iH)의 파형을 대비한 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, PWM제어부(152)에서 제1스위칭소자(Q1)에 인가되는 제어전압은 구형파 형태이며, 이러한 구형파가 인가되면 제1스위칭소자(Q1)가 도통되면서 삼각파형의 충전전류(iH)가 생성된다.
구형파의 펄스가 온(ON)되면 제1스위칭소자(Q1)의 제1단자에 연결된 코일(L)의 작용으로 인해 충전전류(iH)는 구형파의 펄스보다 늦게 증가하고, 구형파의 펄스가 오프(OFF)되면 코일(L)에 충전된 에너지가 다이오드(D)를 통해 방전되기 때문에 구형파의 펄스보다 늦게 감소하며, 이로 인해 삼각파형의 충전전류(iH)가 생성되는 것이다.
이와 같이 PWM제어를 수행하면, 제어전압(구형파)의 주파수나 듀티비를 적절히 조절함으로써 정전압정전류 충전이 가능해지게 된다.
한편, 배터리전압이 목표전압의 80% 정도에 이르면 도 1에 나타낸 바와 같이 충전초기에 비해 충전전류가 크게 낮아지며, 이와 같이 작아진 충전전류는 상대적으로 저렴한 저용량의 전력반도체를 사용하여 PWM제어할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 충전말기에 큰 비용증가 없이 정전압정전류 충전을 수행할 수 있고, 이를 통해 과충전이나 부족충전을 방지할 수 있게 된다.
또한 충전말기에 이르러 정전압정전류 충전을 수행하므로 이로 인한 충전시간의 지연을 최소화할 수 있다. 또한 입력교류전압에 변동이 있더라도 검출되는 입력전압의 변화에 대응하여 구형파의 주파수나 듀티비를 적절히 조절하여 정전압정전류 충전을 할 수 있으므로, 입력변동으로 인한 과충전이나 부족충전을 방지할 수 있게 된다. (ST13)
이상과 같은 정전압정전류 충전 중에도 제어부(150)는 배터리의 전압센서(16)를 통하여 배터리의 전압을 지속적으로 감시하며, 배터리 전압이 목표전압에 도달하면 고주파충전부(130)와 충전절환부(140)를 모두 오프(OFF)시키고 충전을 종료한다. (ST14)
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.
예를 들어 전술한 실시예에서는, 제어부(150)의 절환제어부(154)가 배터리(10)의 전압을 피드백하여 충전절환 여부를 판단하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니므로 배터리(10)의 온도를 피드백하여 충전절환 여부를 판단할 수도 있다.
즉, 도 8의 흐름도에 나타낸 바와 같이, 충전절환부(140)를 온(ON)시켜서 준정전압정전류 충전을 진행하다가 배터리(10)의 온도가 설정값 이상이면 충전절환부(140)를 오프(OFF)시키고 고주파충전부(130)를 통한 충전을 실시할 수도 있다.
다만, 이 경우에도 충전종료여부는 배터리 전압이 목표전압에 도달하였는지 여부를 기준으로 판단하는 것이 바람직하다.
또한 도면에는 나타내지 않았으나, 배터리(10)의 상태를 원격에서 확인할 수 있도록 관리자단말(휴대용 단말, 관제용 컴퓨터 등)과 유선 또는 무선으로 통신할 수 있는 통신수단을 충전기(100)에 설치할 수도 있다. 이를 통해 배터리(10)의 온도센서(12), 수위센서(14), 전압센서(16) 등으로부터 검출된 배터리 상태정보를 원격에서 확인할 수 있으므로 배터리(10)의 적절한 관리를 통해 수명단축을 방지할 수 있다. 또한 충전기(100)에 배터리(10)의 온도센서(12), 수위센서(14), 전압센서(16) 등으로부터 검출한 배터리 상태정보를 시각적으로 확인할 수 있는 디스플레이를 설치하거나, 경고음 발생수단을 설치할 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.
10: 배터리 12: 온도센서
14: 수위센서 16: 전압센서
51: (+)전원선 52: (-)전원선
100: 하이브리드 충전기 110: 전력변환부
120: 정류부 130: 고주파충전부
140: 충전절환부 150: 제어부
152: PWM제어부 154: 절환제어부

Claims (6)

  1. 입력교류전원에 연결된 누설변압기를 포함하는 전력변환부;
    상기 누설변압기의 2차측 교류출력을 직류로 정류하는 정류부;
    상기 정류부의 출력을 고주파로 변환하는 고주파충전부;
    상기 정류부의 출력과 상기 고주파충전부의 출력을 선택적으로 배터리에 공급하기 위하여 절환동작을 수행하는 충전절환부;
    상기 고주파충전부와 상기 충전절환부의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하며, 상기 제어부는, 충전초기에는 상기 고주파충전부를 오프(OFF)시킨 상태에서 상기 정류부의 출력을 상기 배터리로 공급하여 준정전압정전류 충전을 진행하고, 설정된 조건이 충족되면 상기 고주파충전부를 온(ON)시켜 상기 고주파충전부의 출력을 상기 배터리로 공급하여 고주파 충전을 진행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 충전기
  2. 제1항에 있어서, 상기 고주파충전부는,
    충전기의 (+)출력단과 상기 정류부를 연결하는 (+)전원선에 캐소드가 연결된 다이오드(D);
    제1단자는 상기 다이오드의 애노드에 연결되고, 제2단자는 상기 정류부와 충전기의 (-)출력단을 연결하는 (-)전원선에 연결되며, 제1단자와 제2단자 사이의 도통을 제어하는 제3단자는 상기 제어부에 연결된 스위칭소자(Q1);
    일단은 상기 다이오드(D)와 상기 스위칭소자(Q1)의 사이에 연결되고, 타단은 상기 (-)출력단에 연결되는 코일(L)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 충전기
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전절환부는, 제1단자가 상기 (-)출력단에 대해 상기 코일(L)과 병렬로 연결되고, 제2단자가 상기 (-)전원선에 연결되며, 제1단자와 제2단자 사이의 도통을 제어하는 제3단자가 상기 제어부에 연결되는 스위칭소자(Q2)인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 충전기
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 상태정보를 관리자단말로 전송하는 통신수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 충전기
  5. 입력교류전원에 연결된 누설변압기를 포함하는 전력변환부; 상기 누설변압기의 2차측 교류출력을 직류로 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력을 고주파로 변환하는 고주파충전부; 상기 정류부의 출력과 상기 고주파충전부의 출력을 선택적으로 배터리에 공급하기 위하여 절환동작을 수행하는 충전절환부; 상기 고주파충전부와 상기 충전절환부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 하이브리드형 충전기를 이용한 배터리 충전방법에 있어서,
    (a) 상기 고주파충전부를 오프(OFF)시킨 상태에서 상기 정류부의 출력을 배터리로 공급하는 준정전압정전류 충전단계;
    (b) 배터리의 전압이 설정값에 도달하면, 상기 고주파충전부를 온(ON)시키고 상기 충전절환부를 제어하여 상기 고주파충전부의 출력을 배터리로 공급하는 고주파 충전단계;
    (c) 배터리의 전압이 목표전압에 도달하면 충전을 종료하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전방법
  6. 입력교류전원에 연결된 누설 변압기를 포함하는 전력변환부; 상기 누설변압기의 2차측 교류출력을 직류로 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력을 고주파로 변환하는 고주파충전부; 상기 정류부의 출력과 상기 고주파충전부의 출력을 선택적으로 배터리에 공급하기 위하여 절환동작을 수행하는 충전절환부; 상기 고주파충전부와 상기 충전절환부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 하이브리드형 충전기를 이용한 배터리 충전방법에 있어서,
    (a) 상기 고주파충전부를 오프(OFF)시킨 상태에서 상기 정류부의 출력을 배터리로 공급하는 준정전압정전류 충전단계;
    (b) 배터리의 온도가 설정값에 도달하면, 상기 고주파충전부를 온(ON)시키고 상기 충전절환부를 제어하여 상기 고주파충전부의 출력을 배터리로 공급하는 고주파 충전단계;
    (c) 배터리의 전압이 목표전압에 도달하면 충전을 종료하는 단계
    를 포함하는 배터리 충전방법
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