KR101802088B1 - 누설 변압기와 scr을 이용하여 충전전력을 제어하는 배터리 충전기 및 이를 이용한 충전방법 - Google Patents

누설 변압기와 scr을 이용하여 충전전력을 제어하는 배터리 충전기 및 이를 이용한 충전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 누설변압기와 SCR을 이용하여 충전전력을 제어하는 충전기를 개시한다. 본 발명에 따른 충전기는, 1차측으로 입력된 3상 입력전원(Ri,Si,Ti)을 권선비에 따라 변환하여 2차측으로 출력하는 누설변압기; 상기 누설변압기의 2차측에 연결되고 적어도 하나의 SCR을 포함하는 정류부; 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)에 연결된 전원검출부; 상기 전원검출부의 검출결과에 따라 상기 SCR을 제어하여 상기 입력전원의 3상 중에서 적어도 한 상의 전원을 차단하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면 누설변압기의 출력을 SCR로 제어하되 종래의 정전압 정전류 충전기처럼 복잡한 제어를 하지 않고 간단한 제어만으로 입력변동에 대응하여 출력전압을 안정적으로 유지할 수 있는 충전기를 제공할 수 있다. 구체적으로는 SCR에 인가되는 제어신호의 주파수나 듀티비를 제어하여 입력전원의 각 상(R,S,T)을 위상제어하는 방식이 아니라 SCR을 이용하여 3상 입력전원에서 적어도 한 상을 선택적으로 차단하는 방식이므로 제어알고리즘이 매우 간단하며, 따라서 종래의 정전압 정전류 충전기에 비하여 제조비용을 크게 절감할 수 있다.

Description

누설 변압기와 SCR을 이용하여 충전전력을 제어하는 배터리 충전기 및 이를 이용한 충전방법{Battery charger controlling charging power by using leakage transformer and SCR and battery charging method using the same}
본 발명은 전동지게차, 전기자동차 등의 배터리를 충전하는 충전기에 관한 것으로서, 구체적으로는 누설변압기(leakage transformer)와 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifier, 이하 'SCR'이라 한다)를 이용하여 충전전력을 제어하는 충전기에 관한 것이다.
일반적으로 골프카트, 청소차, 전동 지게차, 무인운반차 등에는 납축전지가 주로 사용되며, 납축전지용 충전기는 대부분 누설변압기를 이용하여 준정전압, 준정전류 방식으로 충전전력을 제어하고 있다.
도 1은 준정전압, 준정전류 충전기(10)의 회로도를 예시한 것으로서, 입력전원(Ri,Si,Ti)을 권선비에 따라 변환하여 2차측으로 출력하는 누설변압기(12), 다이오드 등을 이용하여 누설변압기(12)의 2차측 출력을 정류하는 정류부(14) 등을 포함하며, 정류부(14)의 출력단에 배터리(30)가 연결된다.
한편 누설변압기(12)는 1차측 코일과 2차측 코일 사이에 형성된 간극으로 인해 누설자속이 발생하며, 이로 인해 이상변압기(ideal transformer)에 비하여 매우 큰 누설 리액턴스를 가진다. 그런데 이러한 누설 리액턴스는 부하 임피던스가 변동해도 2차측 전류를 거의 일정하게 유지시키는 역할을 하며, 이 때문에 안정적인 출력이 요구되는 충전기, 네온사인, 아크용접기 등에 누설변압기가 널리 사용되고 있다.
특히 누설변압기(12)의 2차측 전압 파형은 누설 리액턴스로 인해 이상변압기와 큰 차이가 있다. 즉, 누설변압기와 이상변압기의 R상 출력전압을 대비한 도 2에 나타낸 바와 같이, 이상변압기의 2차측 출력전압은 일반적인 사인파 파형인데 반하여 누설변압기의 2차측 출력전압은 구형파와 유사한 파형을 가진다.
따라서 이상변압기를 사용하는 충전기는 이상변압기의 사인파 출력을 전파정류하는 정류회로에 평활회로를 추가해야 하고, 정전압 정전류 제어를 위해서는 반도체 스위칭소자(SCR 등)을 이용한 위상제어를 해야 한다. 그러나 위상제어를 위해서는 스위칭소자에 인가되는 제어신호의 주파수, 듀티비 등을 실시간으로 제어해야 하므로 제어알고리즘이 복잡하고 이로 인해 충전기 제조비용이 증가하는 문제가 있다.
반면에 도 1과 같이 누설변압기(12)를 사용하는 충전기(10)는 누설변압기(12)의 2차측 출력이 구형파이므로 다이오드 등으로 전파정류만 하여도 준정전압, 정전류 출력을 얻을 수 있어 제조비용이 크게 절감되는 이점이 있다.
또한 납축전지는 도 3에 나타낸 바와 같이, 배터리의 충전전압이 높아지면 충전전류가 감소하는 충전특성을 가지는데, 누설변압기(12)의 출력특성이 납축전지의 이러한 충전특성에 잘 부합되는 것으로 알려져 있어 누설변압기(12)가 납축전지용 충전기에 널리 사용되고 있다.
다만 누설변압기(12)를 사용하는 충전기(10)의 경우 전자적인 제어를 하지 않으므로 입력전원(Ri,Si,Ti)의 전압변동이 있는 경우에 부품손상 또는 충전효율이 저하되는 문제가 있다.
실제로 산업현장에서는 입력전원(Ri,Si,Ti)의 전압이 시간대에 따라 기준전압 대비 약 5 내지 10% 정도 변하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 입력변동에 대비하기 위하여 종래의 준정전압 방식 충전기(10)는 누설변압기(12)의 권선비를 조절할 수 있는 다수의 전압 탭(Tap)을 포함하고 있다.
예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 누설변압기(12)의 1차 측에 구비된 R상 입력단에는 R1,R2,R3의 3개 탭이 구비되고, S상 입력단에는 S1,S2,S3의 3개 탭이 구비되고, T상 입력단에는 T1,T2,T3의 3개 탭이 구비된다.
따라서 예를 들어 380V의 기준전압이 입력되면 입력전원(Ri,Si,Ti)의 각 상을 R2,S2,T2탭에 각각 연결하고, 기준전압보다 낮은 전압(예, 360V)이 입력되면 입력전원(Ri,Si,Ti)의 각 상을 R3,S3,T3탭에 각각 연결하고, 기준전압보다 높은 전압(예,400V)이 입력되면 입력전원(Ri,Si,Ti)의 각 상을 R1,S1,T1탭에 각각 연결한다.
그런데 이러한 방식은 다음과 같은 몇 가지 문제점이 있다.
첫째, 입력전원(Ri,Si,Ti)의 전압이 변동할 때마다 일일이 탭을 절환해야 하므로 작업자의 불편이 큰 단점이 있다.
둘째, 누설변압기(12)의 1차측에 연결할 수 있는 탭의 개수는 매우 제한적이므로 연결된 탭이 입력전원의 전압에 정확히 대응하지 않을 뿐만 아니라 항상 변동하는 입력전원에 대응하여 탭을 실시간으로 절환하는 것도 불가능하다. 따라서 누설변압기(12)의 권선비가 입력전압에 대해 정확하게 대응된 상태에서 충전기(10)가 동작하는 경우가 매우 드물고 이로 인해 충전기(10)의 사용수명이 단축되거나 충전효율이 저하되는 문제가 있다.
예를 들어 누설변압기(12)의 권선비가 입력전원에 정확히 대응하는 경우에 도 4(a)에 나타낸 바와 같은 충전곡선을 가진다면, 입력전원이 380V 임에도 누설변압기(12)의 탭이 360V로 설정되어 있는 경우(즉, 연결된 전압 탭 대비 입력전원이 높은 경우)에는 충전전류가 10~15% 증가하여 누설변압기(12) 및 정류부(14)의 다이오드의 온도가 급격히 상승하고 이로 인해 부품이 손상되는 경우가 있다.
또한 입력전원이 380V 임에도 누설변압기(12)의 탭이 400V로 설정되어 있는 경우(즉, 연결된 탭 대비 입력전원이 낮은 경우)에는 충전전류가 10~15% 감소하여 충전시간이 크게 늘어나는 것으로 알려져 있다.
등록특허 제10-0905525호(2009.07.01공고)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 누설변압기를 사용하되 누설변압기의 입력단에 다수의 탭을 설치하지 않고도 입력전원의 변동에 대응하여 출력전압을 안정적으로 유지할 수 있는 충전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 입력전원의 전압변동에 의해 누설변압기 또는 다이오드가 손상되거나 사용수명이 단축되는 것을 방지하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 1차측으로 입력된 3상 입력전원(Ri,Si,Ti)을 권선비에 따라 변환하여 2차측으로 출력하는 누설변압기; 상기 누설변압기의 2차측에 연결되고 적어도 하나의 SCR을 포함하는 정류부; 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)에 연결된 전원검출부; 상기 전원검출부의 검출결과에 따라 상기 SCR을 제어하여 상기 입력전원의 3상 중에서 적어도 한 상의 전원을 차단하는 제어부를 포함하는 충전기를 제공한다.
본 발명에 따른 충전기에서, 상기 정류부는 제1, 제2, 및 제3 다이오드(D1,D2,D3)와, 제1, 제2, 및 제3 SCR(S1,S2,S3)을 포함하고, 상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드와 상기 제1 SCR(S1)의 애노드는 상기 누설변압기의 제1 출력단(Ro)에 서로 병렬로 연결되고, 상기 제2 다이오드(D2)의 캐소드와 제2 SCR(S2)의 애노드는 상기 누설변압기의 제2 출력단(So)에 서로 병렬로 연결되며, 상기 제3 다이오드(D3)의 캐소드와 상기 제3 SCR(S3)의 애노드는 상기 누설변압기의 제3 출력단(To)에 서로 병렬로 연결되며, 상기 제1, 제2, 및 제3 다이오드(D1,D2,D3)의 애노드는 충전기의 (-)출력단자에 서로 병렬로 연결되고, 상기 제1, 제2, 및 제3 SCR(S1,S2,S3)의 캐소드는 충전기의 (+)출력단자에 서로 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 양상은, 1차측으로 입력된 3상 입력전원(Ri,Si,Ti)을 권선비에 따라 변환하여 2차측으로 출력하는 누설변압기; 상기 누설변압기의 2차측에 연결되고 적어도 하나의 SCR을 포함하는 정류부; 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)에 연결된 전원검출부; 상기 정류부의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 충전기를 이용한 충전방법에 있어서, 상기 제어부가 상기 전원검출부를 통해 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)의 전압을 판단하는 단계; 상기 제어부가 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)의 전압에 대응하여 상기 정류부의 상기 SCR에 스위칭신호를 인가하여 상기 입력전원의 3상 중에서 적어도 한 상의 전원을 차단함으로써 상기 정류부의 출력을 설정 기준으로 유지하는 단계; 배터리의 전압이 목표전압에 도달하면 충전을 종료하는 단계를 포함하는 배터리 충전방법을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 충전 방법에서, 상기 충전을 종료하는 단계에서는 상기 제어부가 상기 입력전원의 3상 전원에 각각 대응하는 3개의 SCR을 모두 오프시켜 상기 입력전원의 3상 전원을 모두 차단할 수 있다.
본 발명에 따르면 누설변압기의 출력을 SCR로 제어하되 종래의 정전압 정전류 충전기처럼 복잡한 제어를 하지 않고 간단한 제어만으로 입력변동에 대응하여 출력전압을 안정적으로 유지할 수 있는 충전기를 제공할 수 있다.
구체적으로는 SCR에 인가되는 제어신호의 주파수나 듀티비를 제어하여 입력전원의 각 상(R,S,T)을 위상제어하는 방식이 아니라 SCR을 이용하여 3상 입력전원에서 적어도 한 상을 선택적으로 차단하는 방식이므로 제어알고리즘이 매우 간단하며, 따라서 종래의 정전압 정전류 충전기에 비하여 제조비용을 크게 절감할 수 있다.
또한 SCR을 이용하여 입력변동에 실시간으로 대응할 수 있으므로 누설변압기 및 다이오드의 손상이나 사용수명단축을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 준정전압 준정전류 충전기의 회로도를 예시한 도면
도 2는 누설변압기와 이상변압기의 R상 출력전압을 대비한 도면
도 3은 납축전지의 충전곡선을 예시한 도면
도 4는 종래의 충전기에서 전압 탭 설정과 충전전류 및 충전시간의 관계를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기의 회로도를 예시한 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기의 다양한 출력파형을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전기의 회로도를 예시한 도면
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
참고로 본 명세서에서 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 경우는, 다른 구성요소와 직접적으로 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 경우뿐만 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 경우도 포함한다.
또한 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 직접 연결 또는 직접 결합되는 경우는 중간에 다른 요소가 개재되지 않는 것을 의미한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함 또는 구비하는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 충전기(100)는 도 5의 회로도에 예시한 바와 같이, 1차측으로 입력된 입력전원(Ri,Si,Ti)을 권선비에 따라 변환하여 2차측으로 출력하는 누설변압기(110), 누설변압기(110)의 2차측에 연결되며 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)을 포함하는 정류부(120), 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)의 각 게이트단자(G1,G2,G3)로 스위칭신호를 신호를 인가하는 제어부(130), 일단은 입력전원(Ri,Si,Ti)의 적어도 2상에 연결되고 타단은 제어부(130)에 연결되는 전원검출부(140) 등을 포함한다.
정류부(120)는 제1 내지 제3 다이오드(D1,D2,D3)와 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)을 이용하여 누설변압기(110)의 각 출력단(Ro,So,To)에서 출력되는 교류전력을 정류하며, 특히 제어부(130)의 스위칭신호에 의해 각각 제어되는 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)을 이용하여 누설변압기(110)에서 출력되는 3상 전원 중에서 적어도 한 상의 전원을 차단하여 충전기(100)의 출력전압을 제어하는 기능을 수행한다.
한편, 정류부(120)의 제1 다이오드(D1)의 캐소드와 제1 SCR(S1)의 애노드는 제1 출력단(Ro)에 서로 병렬로 연결되고, 제2 다이오드(D2)의 캐소드와 제2 SCR(S2)의 애노드는 제2 출력단(So)에 서로 병렬로 연결되며, 제3 다이오드(D3)의 캐소드와 제3 SCR(S3)의 애노드는 제3 출력단(To)에 서로 병렬로 연결된다.
또한 제1 내지 제3 다이오드(D1,D2,D3)의 각 애노드는 충전기의 (-)출력단자에 서로 병렬로 연결되고, 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)의 캐소드는 충전기의 (+)출력단자에 서로 병렬로 연결된다.
한편 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)의 각 게이트단자(G1,G2,G3)는 각각 제어부(130)의 제어단자에 연결된다.
전원검출부(140)는 1차측은 입력전원(Ri,Si,Ti)의 적어도 2상에 연결되고 2차측은 제어부(130)에 연결되는 전력변환 트랜스포머를 포함한다.
제어부(130)는 충전기(100)의 출력전압이 설정된 기준을 유지하도록 정류부(120)를 제어하는 역할을 한다. 제어부(130)는 충전기(100)의 출력전압을 충전초기부터 충전완료시까지 일정하게 유지시킬 수도 있고, 충전진행상태에 따라 충전기(100)의 출력전압을 단계적으로 변동시킬 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 제어부(130)가 정류부(120)로 입력된 3상 전원 중에서 적어도 한 상을 차단함으로써 충전기(100)의 출력전압을 제어한다.
일 예로서, 제어부(130)는 설정된 시간 동안 제2 SCR(S2)을 오프(off)시킴으로써 도 6(a)에 나타낸 바와 같이 S상 전원을 차단하고 R상 및 T상 전원만 출력되도록 제어할 수 있다. 다른 예로서, 제어부(130)는 설정된 시간 동안 제2 및 제3 SCR(S2,S3)를 모두 오프(off)시킴으로써 도 6(b)에 나타낸 바와 같이 R상 전원만 출력되도록 제어할 수 있다.
필요에 따라서는 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)을 순차적으로 또는 설정된 순서대로 온(on) 또는 오프(off) 시킬 수도 있다.
또한 제어부(130)는 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)의 온/오프 시간을 전원검출부(140)를 통해 검출한 입력전압에 따라 실시간으로 설정하거나 변경할 수도 있다.
또한 제어부(130)는 배터리(30)의 전압이 목표전압에 도달하면 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)을 제어하여 R,S,T 상의 모든 출력을 차단함으로써 충전을 종료할 수도 있다. 이를 위해서 제어부(130)는 배터리(30)의 전압을 검출하는 수단을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 종래의 정전압 정전류 충전기에서는 SCR의 게이트 단자에 인가되는 스위칭신호(예, 구형파)의 주파수, 듀티비 등을 조절하여 충전기의 출력을 제어하며. 이러한 제어를 위해서는 제어부(130)의 제어알고리즘이 매우 복잡해지고 이로 인해 제조비용이 증가하는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기(100)는 3상 신호 중에서 적어도 한 상의 신호를 선택적으로 차단하는 간단한 제어 방법을 사용하므로 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)에 복잡한 스위칭신호를 인가할 필요가 없고, 단지 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3) 중에서 선택된 SCR을 설정된 시간 동안 온 또는 오프시키면 되므로 제어알고리즘이 매우 간단하며 따라서 제조비용이 절감되는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.
도 5에서는 누설변압기(110)의 각 출력단(Ro,So,To)에 대해 제1 내지 제3 다이오드(D1,D2,D3)와 제1 내지 제3 SCR(S1,S2,S3)이 서로 쌍을 이루어 병렬로 연결되는 것으로 나타내었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어 도 7에 나타낸 바와 같이 누설변압기(110)의 제1 출력단(Ro)에는 다이오드(D1)의 캐소드와 SCR(S1)의 애노드를 병렬로 연결하고, 제1 및 제3 출력단(So,To)에는 다이오드(D2)의 캐소드와 다이오드(D4)의 애노드, 다이오드(D3)의 캐소드와 다이오드(D5)의 애노드를 각각 병렬로 연결할 수도 있다.
또한 도면에는 나타내지 않았으나, 누설변압기(110)의 제1 및 제 2출력단(Ro, So)에는 도 5와 같이 다이오드(D1)의 캐소드와 SCR(S1)의 애노드, 다이오드(D2)의 캐소드와 SCR(S2)의 애노드를 각각 병렬로 연결하고, 제3 출력단(To)에는 도 7과 같이 다이오드(D3)의 캐소드와 다이오드(D5)의 애노드를 병렬로 연결할 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 구체적인 적용과정에서 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.
30: 배터리 100: 충전기
110: 누설변압기 120: 정류부
130: 제어부 140: 전원검출부

Claims (4)

1차측으로 입력된 3상 입력전원(Ri,Si,Ti)을 권선비에 따라 변환하여 2차측으로 출력하는 누설변압기;
상기 누설변압기의 2차측에 연결되고 적어도 하나의 SCR을 포함하는 정류부;
상기 입력전원(Ri,Si,Ti)에 연결된 전원검출부;
상기 전원검출부의 검출결과에 따라 상기 SCR을 제어하여 상기 입력전원의 3상 중에서 적어도 한 상의 전원을 차단하는 제어부
를 포함하는 충전기
제1항에 있어서,
상기 정류부는 제1, 제2, 및 제3 다이오드(D1,D2,D3)와, 제1, 제2, 및 제3 SCR(S1,S2,S3)을 포함하고,
상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드와 상기 제1 SCR(S1)의 애노드는 상기 누설변압기의 제1 출력단(Ro)에 서로 병렬로 연결되고,
상기 제2 다이오드(D2)의 캐소드와 상기 제2 SCR(S2)의 애노드는 상기 누설변압기의 제2 출력단(So)에 서로 병렬로 연결되며,
상기 제3 다이오드(D3)의 캐소드와 상기 제3 SCR(S3)의 애노드는 상기 누설변압기의 제3 출력단(To)에 서로 병렬로 연결되며,
상기 제1, 제2, 및 제3 다이오드(D1,D2,D3)의 애노드는 충전기의 (-)출력단자에 서로 병렬로 연결되고, 상기 제1, 제2, 및 제3 SCR(S1,S2,S3)의 캐소드는 충전기의 (+)출력단자에 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 충전기
1차측으로 입력된 3상 입력전원(Ri,Si,Ti)을 권선비에 따라 변환하여 2차측으로 출력하는 누설변압기; 상기 누설변압기의 2차측에 연결되고 적어도 하나의 SCR을 포함하는 정류부; 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)에 연결된 전원검출부; 상기 정류부의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 충전기를 이용한 충전방법에 있어서,
상기 제어부가 상기 전원검출부를 통해 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)의 전압을 판단하는 단계;
상기 제어부가 상기 입력전원(Ri,Si,Ti)의 전압에 대응하여 상기 정류부의 상기 SCR에 스위칭신호를 인가하여 상기 입력전원의 3상 중에서 적어도 한 상의 전원을 차단함으로써 상기 정류부의 출력을 설정 기준으로 유지하는 단계;
배터리의 전압이 목표전압에 도달하면 충전을 종료하는 단계
를 포함하는 배터리 충전방법
제3항에 있어서.
상기 충전을 종료하는 단계에서는, 상기 제어부가 상기 입력전원의 3상 전원에 각각 대응하는 3개의 SCR을 모두 오프시켜 상기 입력전원의 3상 전원을 모두 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전방법
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101586827B1 (ko) 2014-09-24 2016-02-02 주식회사 비엠일렉텍 하이브리드형 배터리 충전기 및 이를 이용한 충전방법

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