KR102125057B1 - 차량용 점프스타트 장치 - Google Patents

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y02T10/7005—
    • Y02T10/7022—

Abstract

본 발명은 차량용 점프스타트 장치에 관한 것으로서, 1차 전지 또는 2차 전지로 형성되는 배터리; 상기 배터리와 승압 충전 회로로 연결되어 승압 충전되는 슈퍼커패시터; 상기 슈퍼커패시터와 차량 배터리 사이에 연결되며, 차량의 시동시 발생되는 차량 배터리 전압 강하를 감지하여 상기 슈퍼커패시터를 차량 배터리에 연결시키는 스위치 회로부;로 구성되어 차량 시동시에만 상기 슈퍼커패시터가 상기 차량 배터리에 연결되어 전류보상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여, 자동차 배터리가 방전되는 비상시, 저렴하고 간편하게 타인의 도움이나 요청을 하지 않고도 자동차를 시동할 수 있는 차량용 점프스타트 장치가 제공되는 이점이 있다.

Description

차량용 점프스타트 장치{Jump start device for vehicle}
본 발명은 차량용 점프스타트 장치에 관한 것으로서, 차량 배터리 방전으로 시동이 곤란한 경우, 슈퍼커패시터를 충전용 소자로 사용하면서, 차량 배터리에 연결시키면 차량 시동시에만 상기 슈퍼커패시터가 차량 배터리에 연결되어, 차량 배터리로 전류가 역류되는 현상을 차단시키는 차량용 점프스타트 장치에 관한 것이다.
자동차의 전원장치는 배터리와 엔진에 의해 직결구동되는 발전기가 있는데, 엔진이 작동하고 있을 때는 발전기가 각 전장품에 전력을 공급하며, 엔진이 정지하고 있거나 시동할 때는 배터리에서 필요 전력이 공급된다.
자동차 배터리는 연결된 부하에 의해 방전되지만, 무부하 상태로 장시간 방치된 경우에도 자기 방전되며, 이러한 방전으로 인하여 배터리의 전력이 충분치 못하면 엔진을 시동할 수 없게 된다.
이와 같은 자동차 배터리의 방전 사고시 대처방법으로서는 다른 자동차의 배터리를 이용하여 시동을 거는 방법과 배터리의 재충전 방법으로 구분할 수 있다.
자동차 배터리의 방전으로 자동차 시동이 불가한 경우, 일반적으로 다른 사람의 자동차를 방전된 자동차 앞에 주차시킨 후, 점프케이블을 양쪽의 배터리에 연결시켜서 엔진을 시동하는 방법은 널리 알려져 있다.
즉, 다른 자동차의 배터리를 엔진시동에 필요한 전원으로 대신 사용하는 방법으로서, 엔진이 시동된 이후에는 자체 충전장치에 의해 자동차 배터리가 자동충전되므로 재사용할 수 있다.
그러나, 이러한 방법은 반드시 배터리가 방전되지 않은 타인의 자동차와 양쪽 자동차의 배터리를 연결시켜야 점프케이블이 있어야만 하는 문제점이 있다.
자동차 배터리의 방전으로 자동차 시동이 불가능할 경우, 또 다른 대처 수단으로는 자동차 배터리를 재충전시켜 발전기 모터를 구동시키는 방법이 있다.
대한민국 실용신안등록 20-0243113 '비상용 자동차 배터리 충전장치'는 자동차 배터리 방전 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자동차 배터리를 재충전시키는 장치로서 개시되었다.
상기 대한민국 실용신안등록 20-0243113 '비상용 자동차 배터리 충전장치'는 자동차 배터리(battery)가 방전되었을 때 간편하게 충전시킬 수 있는 비상용 자동차 배터리 충전기에 관한 것으로서, 특히 일반 건전지로 충전회로를 구성하고 자동차의 운전석에 설치되어 있는 시가라이터 잭(cigarette lighter jack)을 통해 자동차 배터리와 접속하는 특징이 있다.
이와 같이 방전된 자동차 배터리를 충전하기 위한 외부전원으로는, 직류전원을 사용해야 하는데, 일반적으로는 교류전원을 정류하여 직류전원을 공급하는 실리콘충전기가 많이 사용된다.
이밖에도 다른 배터리를 직렬 및/또는 병렬로 접속한 급속충전기 등의 충전설비들이 알려져 있다.
그러나 이와 같은 충전설비는 매우 고가이고 사용방법도 까다로와 전문 서비스업체에만 사용되고 있다.
우리나라 1년 긴급출동 발생 건은 약 1500만 건으로 이 중 약 40%가 배터리 방전으로 인한 긴급출동이다.
우리나라는 면적이 작은 편이라 긴급출동 서비스가 잘 발달해 있으나, 출동에 걸리는 시간은 전국 평균 27분, 겨울철의 경우 배터리의 방전이 더 쉽게 발생하므로 긴급 출동 서비스를 받기 위해 1시간 이상 기다려야 한다.
미국의 경우는 긴급 견인 출동 서비스가 기본 보험이 아니며, 도시와 도시 간거리도 굉장히 멀어 시간이 많이 소요된다.
또한 가격도 비싸, 스스로 고쳐서 쓰는 경우가 많다.
실제 미국에서 Jump Starter는 120~130 달러에 굉장히 많이 판매되었다.
현재 우리나라에서도 자동차 Jump Starter 시장은 외국에서 수입된 제품과 외국제품을 모방한 제품들이 약6만개 정도 판매가 되었으며, 평균 23만 원대 고가에 팔리고 있으며 24V 배터리를 사용하는 대형 차량의 경우 50만 원 이상의 가격으로 구성되어 있다.
기존 제품들은 납축전지 혹은 리튬폴리머배터리로 이루어져있는데 각각 부피가 크고 무거우며, 급한 상황에서도 충전을 필요로 한다는 단점을 가지고 있으며 공통적으로 가격이 비싸다는 단점이 있다.
도 1은 방전배터리와 시동모터의 연결 회로도이며, 도 2는 스타터모터 시동시 필요한 전류 거동 그래프이다.
도 1과 도 2는 방전 배터리의 문제점과 해결방안을 나타내기 위한 것으로서, 방전된 배터리(50')는 낮은 전압 VLOW로 형성이 된다.
도 2를 참고하여 살펴보면 차량의 스타트모터(60') 구동을 위해서는 시동시간(△t) 동안 IMAX인 큰 전류가 흘러야 한다.
그러나 방전된 배터리에서 공급해줄 수 있는 전류 Ibatt는 ILOW이므로, 방전된 배터리로는 스타트모터를 돌릴 수 없다.
따라서, 스타트모터(60')의 구동을 위해서는 순간적으로 시동시간(△t) 동안필요한 전류량 Isupply을 외부에서 공급해줘야 한다.
도 3는 기존 점프스타터를 회로도로 나타낸 것이다.
종래기술방식에서는 도 3에 도시된 바와 같이 순간적으로 필요한 전류량을 공급해주기 위해서 다른 차량의 배터리 혹은 보조배터리(10')를 연결하여 사용하였다.
이와 같은 기존의 방식은 수학식 1과 같이 전류량 Isupply이 공급되어 IL 전류를 스타터모터(60')에 보충해준다.
Figure 112018116991819-pat00001
이와 같은 종래기술방식에 의하면, 스타트모터(60')의 기동은 가능하나 RLOW는 매우 낮은 값이므로 Isupply가 과다하게 흘러 spark가 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 이때 사용되는 다른 차량의 배터리 혹은 보조배터리(10') VHIGH는 부피가 크고 무겁기 때문에 편의성이 떨어진다.
만일, 보조배터리(10') VHIGH를 폴리머 배터리를 사용한다면 에너지밀도가 높아 부피 저감은 가능할 수 있으나, 리튬폴리머를 사용한 제품은 80% 이상이 충전되어있어야 제품 작동이 가능한 문제점이 있으며, 100% 충전 시에 소요되는 시간은 7시간이며, 충전해놓고 사용하지 않더라도 자가 방전이 발생하기 때문에 3개월마다 충전이 필요하다.
배터리 방전은 갑작스럽게 발생하는 것이기에 충전이 되어있지 않다면 제품 충전을 하는데도 많은 시간이 소요된다.
또한, 리튬폴리머 배터리는 폭발의 위험이 있으며, 대형 차량의 경우에는 리튬폴리머를 사용한 제품으로는 시동을 걸 수 없는 문제점이 있다.
[0001] 대한민국 실용신안등록 20-0243113 비상용 자동차 배터리 충전장치
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자동차 배터리가 방전되는 비상시, 저렴하고 간편하게 타인의 도움이나 요청을 하지 않고도 자동차를 시동할 수 있으며, 시동시 스파크 발생 문제가 해결되고 대형 차량의 시동이 가능한차량용 점프스타트 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 1차 전지 또는 2차 전지로 형성되는 배터리; 상기 배터리와 승압 충전 회로로 연결되어 승압 충전되는 슈퍼커패시터; 상기 슈퍼커패시터와 차량 배터리 사이에 연결되며, 차량의 시동시 발생되는 차량 배터리 전압 강하를 감지하여 상기 슈퍼커패시터를 차량 배터리에 연결시키는 스위치 회로부;로 구성되며, 상기 승압충전회로, 슈퍼캐패시터, 스위치 회로부로 형성되는 단위 점프회로가 상기 배터리와 차량 배터리 사이에 복수 개 병렬 연결되고, 상기 스위치 회로부는 상기 차량 배터리 전압 강하 크기에 따라 구분 구동되게 하여 차량 시동시 차량 배터리에서 크기가 다른 전압 강하가 순차 다단 발생되는 경우, 상기 단위 점프회로를 순차 차량 배터리에 연결시켜 전류 보상되어 차량 시동시에만 상기 슈퍼커패시터가 상기 차량 배터리에 연결되어 전류보상시키는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치를 기술적 요지로 한다.
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또한, 상기 단위 점프회로는 저압용 점프회로와 고압용 점프회로로 2개 병렬 연결되고, 상기 저압용 점프회로의 스위치 회로부는 상기 차량 배터리가 전압 강하 크기가 저압일 때 구동되게 하며, 상기 고압용 점프회로의 스위치 회로부는 상기 차량 배터리 전압 강하 크기가 고압일 때 구동되게 하여, 대형 차량의 시동시 저압과 고압으로 순차 발생되는 배터리 전압 강하에 대하여 상기 저압용 점프회로와 고압용 점프회로의 슈퍼커패시터가 순차 연결되게 하는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스위치 회로부는 상기 슈퍼커패시터와 차량 배터리 단자 양단을 상기 승압 충전회로와 병렬 연결시키며, 드레인이 상기 슈퍼커패시터에 연결되고, 소스가 상기 차량 배터리에 연결되는 P채널 MOSFET 소자 S2와 전류 역류를 방지시키는 다이오드가 직렬 연결된 제1 방전 선로; 상기 P채널 MOSFET 소자 S2의 게이트와 저항 Rz를 사이에 두고 드레인이 연결되고, 소스가 접지 연결되는 N채널 MOSFET 소자 S3로 형성된 제1 스위칭 선로; 상기 N채널 MOSFET 소자 S3의 게이트에 출력단이 연결되는 타이머 555; 및 상기 차량 배터리에 연결되어 차량 배터리 전압 강하신호가 형성되면, 상기 타이머 555에 트리거 펄스를 형성시켜 입력시키는 펄스 발생회로와 상기 타이머 555의 Threshold 단자에 차량 배터리 전압 강하신호 시간 동안 펄스폭 제어 신호를 형성시켜 입력시키는 Threshold 신호 발생회로로 구성되는 타이머 555 구동회로;로 구성되어 차량 시동시 차량 배터리의 전압 강하가 발생되면, 상기 타이머 555에 의해 N채널 MOSFET 소자 S3와 P채널 MOSFET 소자 S2를 순차 구동시켜 상기 슈퍼커패시터를 차량 배터리에 연결시키는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스위치 회로부는 상기 슈퍼커패시터와 차량 배터리 단자 양단을 상기 승압 충전회로와 병렬 연결시키며, 드레인이 상기 슈퍼커패시터에 연결되고, 소스가 상기 차량 배터리에 연결되는 P채널 MOSFET 소자 S2와 전류 역류를 방지시키는 다이오드가 직렬 연결된 제2 방전 선로; 상기 차량 배터리 단자에 병렬 연결되며, 3개의 저항 Ra, Rb, Rc 가 순차 직렬 연결되는 차량 배터리 전압 감지 선로; 상기 Ra와 Rb 사이의 노드에 연결된 저항 Rx, Ry가 순차 직렬 연결되고, 상기 Rx와 Ry 사이의 노드에 콜렉터가 연결되며 이미터는 접지된 트랜지스터 소자와, 상기 Rb와 Rc 사이의 노드에 비반전 입력단자가 연결되고, 반전 입력단자에는 작동 기준전압(Vref1)이 연결되며 출력단이 상기 트랜지스터 소자의 베이스에 연결되는 연산증폭기로 형성되는 차량 배터리 반응선로; 및 상기 P채널 MOSFET 소자 S2의 게이트에 연결되는 저항 Rz와, 드레인이 상기 저항 Rz에 소스가 접지에 게이트가 상기 저항 Ry에 연결되는 N채널 MOSFET 소자 S3로 형성된 제2 스위칭 선로;로 구성되어 차량 시동 모터의 구동으로 차량 배터리가 강압되어 상기 연산증폭기의 비반전 입력단자 전압이 반전 입력단자 전압보다 낮아지면, 상기 트랜지스터 소자, N채널 MOSFET 소자 S3, P채널 MOSFET 소자 S2가 순차 on되어 상기 슈퍼커패시터 전압이 차량 배터리측으로 전달되는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치로 되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명에 의하여, 자동차 배터리가 방전되는 비상시, 저렴하고 간편하게 타인의 도움이나 요청을 하지 않고도 자동차를 시동할 수 있는 차량용 점프스타트 장치가 제공되는 이점이 있다.
도 1은 방전배터리와 시동모터의 연결 회로도
도 2는 스타터모터 시동시 필요한 전류 거동 그래프
도 3는 기존 점프스타터 사용 등가 회로도
도 4는 본 발명의 회로 블럭도
도 5는 본 발명의 승압 충전회로의 일실시예에 대한 회로도
도 6은 도 5의 구체적 회로도
도 7은 차량 시동시 배터리에 나타나는 순차 전압강하 형태 예시 그래프
도 8은 본 발명의 일실시예의 회로 블럭도
도 9는 대형 차량 시동시 배터리 전압 강하 형태의 예시 그래프
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 회로 블럭도
도 11은 대형 차량용 본 발명의 회로도로서, 도 10의 회로 블럭도가 구체화된 회로도
도 12는 본 발명의 제1 스위치 회로부에 대한 구체적 회로도
도 13은 제1 스위치 회로부에 사용되는 펄스발생 회로부의 일실시예 회로도
도 14는 본 발명의 제1 스위치 회로부의 OFF 활성 선로를 표시한 회로도
도 15는 본 발명의 제1 스위치 회로부의 ON 활성 선로를 표시한 회로도
도 16은 본 발명이 소형 자동차에 적용된 때의 전압 거동 그래프
도 17은 본 발명의 제2 스위치 회로부의 회로도
도 18은 본 발명의 제2 스위치 회로부의 OFF 활성 선로를 표시한 회로도
도 19는 본 발명의 제2 스위치 회로부의 ON 활성 선로를 표시한 회로도
도 20은 소형 자동차용 본 발명의 회로도로서, 도 4의 회로 블럭도가 구체화된 회로도
도 21은 대형 차량 시동시 배터리 전압 강하 거동 그래프
이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명은 차량용 점프스타트 장치에 관한 것으로서, 크게 배터리(10), 승압 충전 회로(20), 슈퍼커패시터(30), 스위치 회로부(40), 차량 배터리(50), 스타터모터(60)로 구성된다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 상기 배터리(10)는 1차 전지 또는 2차 전지로 형성되는 공지의 배터리로서, 차량 점프를 위해서 상기 1차 전지를 사용하는 경우 별도의 충전 회로가 필요없으나, 2차 전지를 사용하는 경우 2차 전지 충전회로를 추가하여 사용할 수 있다.
도 4에서 상기 슈퍼커패시터(30)(Supercapacitor)는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로서 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 것이다.
상기 슈퍼커패시터(30)(Supercapacitor)는 급속 방충전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용되고 있다.
상기 슈퍼커패시터(30)는 전력밀도가 높고, 충방전 속도가 빠르며, 충방전 사이클 수명이 50만 사이클 이상으로 매우 길다는 특성을 갖고 있어, 부하응답 특성이 느린 신재생에너지 발전시스템에 슈퍼커패시터(30)를 사용하면 발전된 전력과 부하전력 사이의 차이를 슈퍼커패시터(30)가 흡수 또는 방출함으로써 전력품질을 확보하는데 기여한다.
도 4에서 본 발명의 상기 승압 충전 회로(20)는 이와 같은 슈퍼커패시터(30)의 특성을 이용하여 슈퍼커패시터(30)를 배터리(10) 전원보다 승압하여 충전시키는 기본 부스터 회로이다.
도 5는 상기 슈퍼커페시터에 사용되는 승압 충전 회로(20)의 일 실시예이다.
도 5는 CCM 동작 변환을 위한 DC-DC 변환기를 나타내는 부스터 컨버터로서,
Figure 112018116991819-pat00002
수학식 2과 같이 CCM 동작으로 권선비 1-D:1인 DC Transform이며,
Figure 112018116991819-pat00003
수학식 3과 같이 듀티가 정의된다.
본 발명에서는 이와 같이 상기 승압 충전 회로(20)로 도 5와 같은 공지의 부스트 컨버터를 도입하여 전력 소비 저감 및 적은 직렬 개수의 건전지로도 슈퍼커패시터(30)의 승압 충전이 가능하다.
건전지는 내부 저항이 커서 회로에 연결하였을 경우 큰 전류가 흐르지 못하고 전류 제한이 되기 때문에, 상기 부스트 컨버터의 경우 도 5의 실시예와 같이 건전지를 사용하면 전류 제어를 포함하지 않아도 되는 이점이 있다.
도 6은 도 5의 콘트롤러(200)로서 IC TL494를 이용한 것의 회로도로서, 상기 부스트 컨버터 회로에 1.5V 건전지 8개를 직렬 연결(12V)하여 50F/27V 11s2p로 연결한 슈퍼커패시터(30)를 승압한 출력 전압(36V)으로 충전한다.
도 6에서 출력단에 사용된 저항 R1과 R2에 의해 출력전압 Vo가 다음 식과 같이 분배 된다.
Figure 112018116991819-pat00004
전압 분배된 Vcv와 Vref에 의해 연산증폭기 op2에서 출력된 결과값과 Vsaw가 입력된 비교기 op1의 출력 파형으로 S1의 스위치 신호를 인가시키고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 스위치 회로부(40)는 상기 슈퍼커패시터(30)와 차량 배터리(50) 사이에 연결되는 회로부로서, 차량의 시동시 발생되는 차량 배터리 전압 강하를 감지하여 상기 슈퍼커패시터(30)를 차량 배터리(50)에 연결시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 방전된 자동차의 배터리 전압은 10.3V에서 시동을 거는 순간 약 5V로 전압강하가 되는 것을 실험으로 확인하고 이를 이용한 것으로서, 본 발명은 이와 같이 방전된 자동차의 시동시 전압강하를 감지하여 상기 슈퍼커패시터(30)를 상기 차량 배터리(50)에 연결시켜 스타터모터(60)에 시동전류가 보충되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그런데, 소형 자동차의 경우에 시동시 한번의 배터리 전압 강하만 발생되지만, 대형 차량은 도 9에 도시된 바와 같이 소형 차량과 달리 마그네틱 스위치와 기동 준비 하는 장치들을 구동하기 위해 1차 전력 소모가 발생하고 마그네틱 스위치가 ON 되면 약 2초 뒤 스타트 모터가 동작되면서 2차 전력 소모가 발생한다.
이와 같이 차량의 종류에 따라, 차량의 시동시 전력소모가 도 7에 도시된 바와 같이 다단 순차 발생되는 경우가 있으므로, 본 발명은 이에 대비하기 위하여 다단 전력소모에 대응하여 전류를 보충시키는 다단 구동회로를 마련한다.
이를 위하여 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이 상기 승압 충전 회로(20), 슈퍼커패시터(30), 스위치 회로부(40)로 단위 점프회로(100)를 형성시키고, 상기 배터리(10)와 차량 배터리(50) 사이에 상기 단위 점프회로(100)를 복수 개(100-1, 100-2, 100-3...) 병렬 연결시켜 구성할 수 있다.
이때, 상기 단위 점프회로(100)들의 스위치 회로부(40)들은 상기 차량 배터리(50) 전압 강하 크기에 따라 구분 구동되게 하여, 차량 시동시 차량 배터리(50)에서 도 7에 도시된 바와 같이 크기가 다른 전압 강하가 순차 다단 발생되는 경우, 상기 단위 점프회로(100)들을 이에 각각 반응하게 형성시켜 차량 배터리(50)에 순차 연결되게 한다.
구체적인 실시예로서는 대형 차량의 경우, 도 9와 도 21에 도시된 바와 같이 차량의 시동시 마그네틱 스위치와 기동 준비 하는 장치들을 구동하기 위해 1차 전력 소모가 발생하고 마그네틱 스위치가 ON 되면 약 2초 뒤 스타트 모터가 동작되면서 2차 전력 소모가 발생되고 있으므로, 상기 단위 점프회로(100)는 도 10에 도시된 바와 같이 저압용 점프회로(100-a)와 고압용 점프회로(100-b)로 구분하여 2개 병렬 연결할 수 있다.
이때, 상기 저압용 점프회로(100-a)의 스위치 회로부(40-a)는 상기 차량 배터리(50)가 전압 강하 크기가 저압일 때 구동되게 하며, 상기 고압용 점프회로(100-b)의 스위치 회로부(40-b)는 상기 차량 배터리(50) 전압 강하 크기가 고압일 때 구동되게 하여, 대형 차량의 시동시 저압과 고압으로 순차 발생되는 배터리 전압 강하에 대하여 상기 저압용 점프회로(100-a)와 고압용 점프회로(100-b)의 슈퍼커패시터(30-a, 30-b)가 순차 연결되게 한다.
상기 스위치 회로부(40)의 일실시예로서는 도 11에 도시된 타이머 555(410)를 사용하는 제1 스위치 회로부(40-1)를 들 수 있다.
상기 제1 스위치 회로부(40-1)는 타이머 555(410)를 사용하는 회로부로서, 도 12에 도시된 바와 같이 제1 방전선로(41)와 제1 스위칭 선로(42), 타이머 555(410), 펄스 발생회로(430), Threshold 신호 발생회로(420)로 구성되는 타이머 555 구동회로(43)로 구성된다.
도 11을 참고하여 살펴보면, 상기 제1 방전선로(41)는 상기 승압 충전 회로(20-1)와 슈퍼커패시터(30-1)에 병렬 연결된 선로로서, 비접지 선로에서 드레인이 상기 슈퍼커패시터(30)에 연결되고, 소스가 상기 차량 배터리(50)에 연결되는 P채널 MOSFET 소자 S2-1와 전류 역류를 방지시키는 다이오드 D2-1가 직렬 연결된 선로이다.
상기 제1 스위칭 선로(42)는 상기 P채널 MOSFET 소자 S2-1의 게이트와 저항 Rz-1를 사이에 두고 드레인이 연결되고, 소스가 접지 연결되는 N채널 MOSFET 소자 S3로 형성된 선로이다.
상기 N채널 MOSFET 소자 S3-1의 게이트에는 타이머 555(410)의 출력단이 연결되어 타이머 555(410)의 펄스 신호에 의해 상기 N채널 MOSFET 소자 S3-1와 P채널 MOSFET 소자 S2-1가 순차 구동하여 상기 슈퍼커패시터(30-1)가 차량 배터리(50)에 연결되게 한다.
상기 펄스 발생회로(430)는 상기 타이머 555(410)의 트리거 단자와 상기 차량 배터리(50) 사이에 연결되어 차량 시동시 차량 배터리 전압 강하신호가 형성되면, 상기 타이머 555(410)에 트리거 펄스를 형성시키는 회로부이다.
본 발명의 일실시예에서 상기 펄스 발생회로(430)는 도 13에 도시된 바와 같이 비교기(431)와 차동증폭기(432)를 순차 연결시켜 형성되며, 상기 차동증폭기(432)의 반전입력단자에는 차량 배터리(50)에 저항과 연결시켜 배터리 전압 파형과 동기파형이 입력되게 하고, 비반전 입력단자에는 차량 배터리(50)에 RC 연결하여 파형을 늘려주었다.
상기 차동증폭기(432)의 출력을 상기 비교기(431)의 반전입력단자에 연결시키면, 펄스 신호가 발생된다.
상기 Threshold 신호 발생회로(420)는 상기 타이머 555(410)의 Threshold 단자에 연결되는 회로부로서, 도 12에 도시된 본 발명의 일실시예에서는 op 앰프의 반전입력단자에 되먹임 회로를 형성시키고, 비반전 입력단자에 RC 병렬회로를 연결하여 차량 배터리 전압 강하신호 시간 동안 시정수값에 따라 펄스신호를 입력시키는 펄스폭 제어 신호를 형성시킨다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따르면 차량 시동 전에는 도 14에 도시된 바와 같이 선로 활성화되어 슈퍼커패시터(30-1)의 전류가 차단되고, 차량 시동시 전압강하가 발생되면 도 15에 도시된 바와 같이 트리거 신호와 Threshold 신호에 의해 타이머 555(410)에서 펄스 신호가 출력되어 상기 N채널 MOSFET 소자 S3-1와 P채널 MOSFET 소자 S2-1를 순차 구동시켜 상기 슈퍼커패시터(30-1)가 차량 배터리(50)에 연결된다.
이상과 같이 타이머 555(410)를 사용하는 제1 스위치 회로부(40-1)는 차량 배터리의 전압 강하를 증폭하여 이를 스위칭 신호로 이용하므로 주로 작은 전압 강하에 대한 스위칭 응답 회로로 사용하기 적합하다.
따라서, 본 발명의 저압용 점프회로(100-a)의 스위치 회로부(40-a)는 상기 타이머 555를 사용하는 제1 스위치 회로부(40-1)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 스위치 회로부(40)에 대한 또 다른 일실시예는 도 17에 도시된 바와 같이 제2 방전선로(41'); 차량 배터리 전압 감지 선로(45); 차량 배터리 반응선로(44); 제2 스위칭 선로(42');로 구성되는 제2 스위치 회로부(40-2)가 있다.
도 17의 상기 제2 스위치 회로부(40-2)에서 상기 제2 방전선로(41')는 상기 제1 방전선로(41)와 동일한 구성으로서, 상기 슈퍼커패시터(30)와 차량 배터리(50) 단자 양단을 상기 승압 충전 회로(20)와 병렬 연결시키며, 드레인이 상기 슈퍼커패시터(30)에 연결되고, 소스가 상기 차량 배터리(50)에 연결되는 P채널 MOSFET 소자 S2와 전류 역류를 방지시키는 다이오드 D2가 직렬 연결된다.
상기 차량 배터리 전압 감지 선로(45)는 상기 차량 배터리(50) 단자에 병렬 연결되며, 3개의 저항 Ra, Rb, Rc 가 순차 직렬 연결되는 선로로 구성된다.
상기 차량 배터리 반응선로(44)는 상기 Ra와 Rb 사이의 노드에 연결된 저항 Rx, Ry가 순차 직렬 연결되고, 상기 Rx와 Ry 사이의 노드에 콜렉터가 연결되며 이미터는 접지된 트랜지스터 소자 Tr1와, 상기 Rb와 Rc 사이의 노드에 비반전 입력단자가 연결되고, 반전 입력단자에는 작동 기준전압(Vref1)이 연결되며 출력단이 상기 트랜지스터 소자의 베이스에 연결되는 연산증폭기 op3로 형성된다.
상기 제2 스위칭 선로(42') 역시 상기 제1 스위칭 선로(42)와 동일한 구성으로서, 상기 P채널 MOSFET 소자 S2의 게이트에 연결되는 저항 Rz와, 드레인이 상기 저항 Rz에 소스가 접지에 게이트가 상기 저항 Ry에 연결되는 N채널 MOSFET 소자 S3로 형성된다.
이와 같이 구성되는 제2 스위치 회로부(40-2)에 의하면, 차량 시동 전에는 도 18과 같이 선로가 활성되어 슈퍼커패시터(30)와 차량 배터리(50)의 연결이 끊어지며, 차량 시동 모터의 구동으로 차량 배터리(50)가 강압되어 상기 연산증폭기 op3의 비반전 입력단자 전압이 반전 입력단자 전압 보다 낮아지면, 도 19에 도시된 바와 같이 N채널 MOSFET 소자 S3, P채널 MOSFET 소자 S2가 순차 on되어 슈퍼커패시터 전압이 차량 배터리 측으로 연결된다.
이에 따라, 상기 제2 스위치 회로부(40-2)는 상기 슈퍼커패시터(30)가 충전되기 전 자동차 배터리로 전류가 흐르는 것을 막기 위해 S2가 OFF되어 슈퍼커패시터(30)와 차량 배터리(50) 연결을 방지하면서, 시동이 걸릴 때 순간적으로 전압강하가 생기는 원리를 이용해 배터리(10) 전압을 분압 받아 이를 인지해 S2가 도통되어 배터리로 부족한 전류를 공급하게 된다.
이상과 같이 3개의 저항으로 차량 배터리 전압 감지 선로를 구성하는 제2 스위치 회로부(40-2)는 차량 배터리의 전압 강하를 증폭하여 이를 스위칭 신호로 이용하는 회로보다 상대적으로 큰 전압 강하에 대한 스위칭 응답 회로로 사용하기 적합하다.
따라서, 본 발명의 고압용 점프회로(100-b)의 스위치 회로부(40-b)는 상기 차량 배터리 전압 감지 선로를 사용하는 제2 스위치 회로부(40-2)를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의하면 일반 승용차와 같이 차량의 시동시 1번의 전압 강하가 발생되는 경우, 도 4의 회로 블럭도를 도 20과 같이 회로 구성하면 도 17과 도 18과 같이 시동 전후에 구동되어 슈퍼커패시터(30)가 차량 배터리(50)에 연결된다.
도 16은 도 20의 회로도에 의한 동작을 나타낸 전압 거동그래프로서, 도 16에서 차량 시동 전에는 도 17과 같은 결선으로 슈퍼커패시터(30)의 전압에 변화가 없지만, 시동시 차량 배터리(50)의 전압 강하에 의하여 도 18과 같이 회로 활성화되어 슈퍼커패시터(30)가 차량 배터리(50)로 연결되어 전류를 보충시키고 있음을 알 수 있다.
자세하게는, 도 16은 소형 차량 시동 ON/OFF 동작 상태에 따른 도통 상태를 나타낸 것으로서, 도 16에서 시동 OFF 상태로 방전된 소형 차량의 배터리는 약 10V이다.
도 16에서 보여지는 바와 같이 차량 시동시 차량 배터리 전압이 순간 강압됨을 알 수 있다.
도 17에서 방전된 배터리 전압이 약 10V 상태인 경우, 분압 받은 전압 Va가 Vref1 보다 큰 경우에는 Tr1은 그라운드로 도통된다.
이에 따라 S2와 S3는 OFF되어 슈퍼커패시터(30)와 차량 배터리(50) 연결을 방지하므로 Jump Starter를 차량 배터리(50)에 연결시켜도 스파크가 발생되지 않는다.
도 16에서 차량 시동이 ON이 되면 차량 배터리에서 전압강하가 발생한다.
이와 같은 전압 강하가 발생하면 분압 받은 전압 Va 또한 낮아져 Vref와 비교되어 Tr1은 OFF된다.
따라서 도 18에 도시된 바와 같이 S2와 S3는 도통되므로 충전된 슈퍼커패시터(30)가 차량 배터리(50)에 부족한 전류를 공급해준다.
또한, 차량 시동시 도 21과 같이 거동하는 대향 차량의 경우, 도 10의 회로도는 도 11과 같이 구성할 수 있다.
도 9와 도 21에 도시된 바와 같이 대형 차량의 시동시 마그네틱 스위치와 기동 준비 하는 장치들을 구동하기 위해 1차 전력 소모가 발생하고 마그네틱 스위치가 ON 되면 약 2초 뒤 스타트 모터가 동작되면서 2차 전력 소모가 발생되고 있으므로, 상기 단위 점프회로(100)는 도 10에 도시된 바와 같이 저압용 점프회로(100-a)와 고압용 점프회로(100-b)로 구분하여 2개 병렬 연결할 수 있다.
도 11에서 상기 저압용 점프회로(100-a)의 스위치 회로부(40-a)는 제1 스위치 회로부(40-1)를 사용하여 상기 차량 배터리(50)가 전압 강하 크기가 저압일 때 구동되게 하며, 상기 고압용 점프회로(100-b)의 스위치 회로부(40-b)는 제2 스위치 회로부(40-2)를 사용하여 상기 차량 배터리(50) 전압 강하 크기가 고압일 때 구동되게 하면, 대형 차량의 시동시 저압과 고압으로 순차 발생되는 배터리 전압 강하에 대하여 상기 저압용 점프회로(100-a)와 고압용 점프회로(100-b)의 슈퍼커패시터(30-1, 30-2)가 순차 연결된다.
이때, 마그네틱 스위치 ON시에는 작은 전력이 소모되므로 작은 용량의 슈퍼 커패시터(0.9F)로 전류 공급이 가능하며, 스타트모터를 위한 구동에는 큰 전력 소모가 발생하므로 많은 전류를 보충해주기 위해 큰 용량의 슈퍼 커패시터 (9F)를 적용할 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 자동차 Jump Starter를 위한 전력변환회로를 제안한 것으로서, 구비해놓기 쉬운 건전지를 통해 회로를 작동시키므로 비상시 방전의 문제가 발생하지 않고, 기존의 리튬폴리머 배터리가 가지고 있는 폭발 및 화재 위험성 문제와 충전 시간 소요의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 대형 차량용의 경우 부스트컨버터를 통해 작은 전력인 건전지로 순간적으로 큰 전류를 흘려줄 수 있는 슈퍼커패시터를 충전함으로 기존 Jump Starter의 비해 크기와 무게 저감이 가능하며, 사용자의 안전성과 편의성이 더 증대될 것으로 기대된다.
이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10 : 배터리
20 : 승압 충전 회로
30 : 슈퍼커패시터
40 : 스위치 회로부
40-1 : 제1 스위치 회로부
40-2 : 제2 스위치 회로부
41 : 제1 방전선로
41' : 제2 방전선로
42 : 제1 스위칭 선로
42' : 제2 스위칭 선로
43 : 타이머 555 구동회로
44 : 차량 배터리 반응선로
45 : 차량 배터리 전압 감지 선로
50 : 차량 배터리
60 : 스타터모터
100 : 단위 점프회로
100-a : 저압용 점프회로
100-b : 고압용 점프회로
200 : 콘트롤러
410 : 타이머 555
420 : Threshold 신호 발생회로
430 : 펄스 발생회로

Claims (5)

1차 전지 또는 2차 전지로 형성되는 배터리;
상기 배터리와 승압 충전 회로로 연결되어 승압 충전되는 슈퍼커패시터와;
상기 슈퍼커패시터와 차량 배터리 사이에 연결되며, 차량의 시동시 발생되는 차량 배터리 전압 강하를 감지하여 상기 슈퍼커패시터를 차량 배터리에 연결시키는 스위치 회로부;로
구성되며
상기 승압충전회로, 슈퍼캐패시터, 스위치 회로부로 형성되는 단위 점프회로가 상기 배터리와 차량 배터리 사이에 복수 개 병렬 연결되고,
상기 스위치 회로부는 상기 차량 배터리 전압 강하 크기에 따라 구분 구동되게 형성되어
차량 시동시 상기 차량 배터리에서 크기가 다른 전압 강하가 순차 다단 발생되는 경우, 상기 단위 점프회로가 상기 차량 배터리에 순차 다단 연결되어 차량 시동시에만 상기 슈퍼커패시터가 상기 차량 배터리에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치.
제1항에 있어서 상기 단위 점프회로는
저압용 점프회로와 고압용 점프회로로 구분되어 2개 병렬 연결되고
상기 저압용 점프회로의 스위치 회로부는 상기 차량 배터리가 전압 강하 크기가 저압일 때 구동되게 하며
상기 고압용 점프회로의 스위치 회로부는 상기 차량 배터리 전압 강하 크기가 고압일 때 구동되게 하여
대형 차량의 시동시 저압과 고압으로 순차 발생되는 배터리 전압 강하에 대하여 상기 저압용 점프회로와 고압용 점프회로의 슈퍼커패시터가 순차 연결되게 하는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치.
제1항 내지 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서 상기 스위치 회로부는
상기 슈퍼커패시터와 차량 배터리 단자 양단을 상기 승압 충전회로와 병렬 연결시키며, 드레인이 상기 슈퍼커패시터에 연결되고, 소스가 상기 차량 배터리에 연결되는 P채널 MOSFET 소자 S2와 전류 역류를 방지시키는 다이오드가 직렬 연결된 제1 방전 선로;
상기 P채널 MOSFET 소자 S2의 게이트와 저항 Rz를 사이에 두고 드레인이 연결되고, 소스가 접지 연결되는 N채널 MOSFET 소자 S3로 형성된 제1 스위칭 선로;
상기 N채널 MOSFET 소자 S3의 게이트에 출력단이 연결되는 타이머 555; 및
상기 차량 배터리에 연결되어 차량 배터리 전압 강하신호가 형성되면, 상기 타이머 555에 트리거 펄스를 형성시켜 입력시키는 펄스 발생회로와 상기 타이머 555의 Threshold 단자에 차량 배터리 전압 강하신호 시간 동안 펄스폭 제어 신호를 형성시켜 입력시키는 Threshold 신호 발생회로로 구성되는 타이머 555 구동회로;
로 구성되어
차량 시동시 차량 배터리의 전압 강하가 발생되면, 상기 타이머 555에 의해 N채널 MOSFET 소자 S3와 P채널 MOSFET 소자 S2를 순차 구동시켜
상기 슈퍼커패시터를 차량 배터리에 연결시키는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치.
제1항 내지 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서 상기 스위치 회로부는
상기 슈퍼커패시터와 차량 배터리 단자 양단을 상기 승압 충전회로와 병렬 연결시키며, 드레인이 상기 슈퍼커패시터에 연결되고, 소스가 상기 차량 배터리에 연결되는 P채널 MOSFET 소자 S2와 전류 역류를 방지시키는 다이오드가 직렬 연결된 제2 방전 선로;
상기 차량 배터리 단자에 병렬 연결되며, 3개의 저항 Ra, Rb, Rc 가 순차 직렬 연결되는 차량 배터리 전압 감지 선로;
상기 Ra와 Rb 사이의 노드에 연결된 저항 Rx, Ry가 순차 직렬 연결되고, 상기 Rx와 Ry 사이의 노드에 콜렉터가 연결되며 이미터는 접지된 트랜지스터 소자와, 상기 Rb와 Rc 사이의 노드에 비반전 입력단자가 연결되고, 반전 입력단자에는 작동 기준전압(Vref1)이 연결되며 출력단이 상기 트랜지스터 소자의 베이스에 연결되는 연산증폭기로 형성되는 차량 배터리 반응선로; 및
상기 P채널 MOSFET 소자 S2의 게이트에 연결되는 저항 Rz와, 드레인이 상기 저항 Rz에 소스가 접지에 게이트가 상기 저항 Ry에 연결되는 N채널 MOSFET 소자 S3로 형성된 제2 스위칭 선로;
로 구성되어
차량 시동 모터의 구동으로 차량 배터리가 강압되어 상기 연산증폭기의 비반전 입력단자 전압이 반전 입력단자 전압보다 낮아지면, 상기 트랜지스터 소자, N채널 MOSFET 소자 S3, P채널 MOSFET 소자 S2가 순차 on되어 상기 슈퍼커패시터 전압이 차량 배터리측으로 전달되는 것을 특징으로 하는 차량용 점프스타트 장치.
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