KR102490791B1 - 산업용물류장비 및 이모빌리티 장비 공용사용이 가능한 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치 - Google Patents
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Abstract
이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치는 220V 단상의 교류전원을 공급받아 고주파로 스위칭하여 충전용 직류전원을 생성하는 배터리 충전부와, 배터리 충전부의 내부동작을 제어하고, 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 중 미리 등록된 종류의 배터리의 충전을 선택할 수 있도록 제어하며, 배터리 충전부에서 생성하는 상기 충전용 직류전원의 최대 전류량을 조절함에 있어서, 선택된 배터리의 종류에 따라 최대 전류량을 자동조절하고, 최소자승법을 이용하여 온도 변화의 추이를 검출하는 충전 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 단상 220V 이차전지 리튬배터리용 급속 고주파충전기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 산업용물류장비 및 이모빌리티 장비 공용사용이 가능한 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치에 관한 것이다.
전동 지게차의 경우 24V 또는 48V의 납축전지(셀당 2V, 12개 또는 24개)로 구성된 배터리를 이용하여 운용되고 있다. 전동 지게차는 화석 연료를 동력원으로 하지 않고, 배터리에 저장된 전력을 동력원으로 이용하는 지게차로 정의된다.
전동 지게차의 배터리는 통상적으로 사용한지 2~3년이 지나면 사용 지속시간이 절반 이하로 줄어들어, 한 번 충전으로 5시간을 사용하던 배터리를 2시간 정도마다 충전해야 하고, 사용시간이 줄어든 배터리는 결국 폐기 처분하게 된다.
납축전지로 이루어진 배터리는 안정적인 전압 출력을 유지하는 장점이 있으나, 과충전/과방전시 배터리 수명이 급격히 단축된다. 특히 과방전 상태가 지속될 경우 배터리 수명에 치명적이다.
특히, 충전기에서 공급되는 전원의 안정성에 따라 배터리의 수명이 단축될 수도 있으므로, 배터리 충전기에서 공급되는 충전용 직류전원을 안정적으로 제어할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
한편, 산업용 배터리의 경우, 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리가 주로 사용되고 있는데 현재의 경우 배터리의 종류에 따라 각각 전용 충전기를 사용하고 있다.
따라서 산업현장에서 서로 다른 종류의 배터리를 사용할 경우 해당 배터리에 맞는 전용 충전기로 충전해야 하는 불편함이 있으며, 전용 충전기에 적용되지 않는 배터리를 충전할 경우 충전기에 과부하가 가해지거나 배터리의 수명이 단축되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 2880W급 출력전압 2V~130V, 출력전류 1A~60A를 달성하는 납산 및 리튬배터리 공용 소형 충전기를 제공한다.
또한, 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 등과 같은 배터리의 종류를 고려하여 공급할 수 있는 최대 전류량을 조절함으로서 충전용 직류전원을 안정적으로 공급할 수 있는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치를 제공한다.
또한, 보안설정에 의해 미리 등록된 종류의 배터리만을 선택하여 충전할 수 있도록 구성되는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치를 제공한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 220V 단상의 교류전원을 공급받아 고주파로 스위칭하여 충전용 직류전원을 생성하는 배터리 충전부와, 배터리 충전부의 내부동작을 제어하고, 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 중 미리 등록된 종류의 배터리의 충전을 선택할 수 있도록 제어하며, 배터리 충전부에서 생성하는 상기 충전용 직류전원의 최대 전류량을 조절함에 있어서, 선택된 배터리의 종류에 따라 최대 전류량을 자동조절하고, 최소자승법을 이용하여 온도 변화의 추이를 검출하는 충전 제어부를 포함하는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 포함되는 충전 제어부는, 미리 저장된 배터리 충전 고유코드에 대응되는 종류의 배터리만을 선택할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 포함되는 충전 제어부는, 배터리 충전 고유코드에 대응되지 않는 종류의 배터리의 선택이 소정횟수 이상 시도될 경우, 소정의 시간동안 충전동작이 진행되도록 제어하되, 미리 지정된 관리서버로 충전상태 데이터를 송신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치는, 2880W급 출력전압 2V~130V, 출력전류 1A~60A를 달성하는 납산 및 리튬배터리 공용 소형 충전기를 제공하고,
납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 등과 같은 배터리의 종류를 고려하여 공급할 수 있는 최대 전류량을 조절함으로서 충전용 직류전원을 안정적으로 공급할 수 있고, 보안설정에 의해 미리 등록된 종류의 배터리만을 선택하여 충전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 구성도
도 2는 보호 케이스의 예시도
도 3은 도 1의 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 사시도
도 4는 도 1의 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 정면도
도 2는 보호 케이스의 예시도
도 3은 도 1의 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 사시도
도 4는 도 1의 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 정면도
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 구성도이고, 도 2는 보호 케이스의 예시도이고, 도 3은 도 1의 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 사시도이고, 도 4는 도 1의 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 정면도이다.
본 실시예에 따른 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치(100)는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치(100)는 배터리 충전부(110), 충전 제어부(120), 디스플레이부(130) 및 보호 케이스(140)를 구비한다.
상기와 같이 구성되는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치(100)의 주요동작은 다음과 같이 이루어진다.
배터리 충전부(110)는 220V 단상의 교류전원을 공급받아 고주파로 스위칭하여 충전용 직류전원을 생성한다. 배터리 충전부(110)는 220V 단상의 교류전원을 사용할 수 있도록 구성된다. 참고적으로, 배터리 충전부(110)는 입력전원이 단상의 교류전원인지 삼상의 교류전원인지를 자동 검출하는 감지회로가 구비될 수도 있다.
배터리 충전부(110)는 고전압의 교류전원을 공급받으므로, 입력단에 베리스터(varistor) 및 퓨즈, 전자기 노이즈 필터, 과전류 제한회로, 고주파 생성위한 IGBT 전력소자 등이 배치된다.
특히, 정류회로의 트랜지스터 및 다이오드는 많은 열을 방출하므로, 히트싱크가 부착될 수 있다. 또한, 정류회로의 소자가 과열될 경우 전류량이 급격하게 증가하여 정류회로가 손상될 수 있으므로, 배터리 충전부(110)에 포함된 소자, 특히 정류회로의 소자의 온도값을 토대로 최대 전류값을 제한하도록 구성된다.
또한, 충전 제어부(120)는 배터리 충전부(110)의 내부동작을 제어하는데, 특히 배터리 충전부(110)에서 생성하는 충전용 직류전원의 최대 전류량을 조절함에 있어서, 배터리 충전부(110)에 포함된 소자의 온도값을 토대로 출력될 수 있는 최대 전류량을 조절할 수 있다.
충전 제어부(120)는 소자의 온도값이 기준온도 이하일 경우에는 배터리 충전부(110)가 생성할 수 있는 최대 전류량(정격 전류)을 출력할 수 있도록 제어하고, 소자의 온도값이 기준온도 이상일 경우에는 온도 증가에 대응하여 배터리 충전부(110)가 생성할 수 있는 최대 전류량(정격 전류)을 점차 감소시키는 동작을 진행할 수 있다.
충전 제어부(120)는 소자의 온도값에 최소자승법을 적용함으로써 온도 변화의 추이를 검출한다. 즉, 온도 변화량(변화추이)에 따른 정상동작 여부를 확인 할 수 있다.
즉, 측정된 온도값을 최소자승법을 이용하여 최근 1시간동안의 변화량, 30분 동안의 변화량, 15분 동안의 변화량 등으로 세분화하여 변화량을 계산하고 계산된 결과에서 최종적인 온도 변화량을 감지하여 설정한 허용범위를 벗어날 경우 알람을 줄 수 있도록 구성된다.
최소자승법(Method of Least Squares)은 측정값을 기초로 하여 적당한 제곱합을 만들고 그것을 최소로 하는 값을 구하여 측정결과를 처리하는 방법으로 실험을 N회 실시하여 측정된 N개의 데이터를 확보하고 이 데이터 사이의 규칙성을 찾아내어 상관관계를 함수로 표현할 수 있는 방법이다.
또한, 배터리의 충전상태 및 현재의 동작상태를 확인할 수 있는 디스플레이부(130)가 배치되는데, 디스플레이부(130)는 기호 또는 문자로 충전이 진행되고 있는지, 에러가 발생했는지, 충전이 종료되었는지, 어느 모드로 동작하고 있는지를 표시할 수 있다. 참고적으로 디스플레이부(130)는 터치 스크린 형태의 평판형 디스플레이 장치로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 충전 제어부(120)는 배터리 충전부(110)의 내부동작을 제어하고, 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 중 미리 등록된 종류의 배터리의 충전을 선택할 수 있도록 제어하며, 선택된 배터리의 종류에 따라 배터리 충전부(110)에서 생성하는 최대 전류량을 자동 조절할 수 있다.
납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리는 각각 단위 셀의 기전력의 차이가 있으며 단위 셀의 최대 충전전압의 차이가 존재한다. 따라서 충전 제어부(120)는 선택된 배터리의 종류에 따라 배터리 충전부(110)에서 생성하는 최대 전류량을 자동 조절하여 충전효율을 향상시킨다.
또한, 배터리 충전부(110)는 충전시간 단축 및 장치의 소형화를 달성하기 위해 IGBT 전력소자에 의한 40,000Hz~70,000Hz의 고주파를 발생시키는 회로가 적용된다.
또한, 본원발명의 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치(100)는 12bit A/D 컨버터 채택, 130Volt 인가전압 시 0.03Volt(130Volt/4096step)의 고품질, 고정밀도 분해 능력이 우수하여 배터리 충전전압4.2Volt 이내 제어로 배터리의 폭발, 화재의 위험성을 원천적으로 배제되었다.
또한, 본 발명에서 충전 제어부(120)는 미리 저장된 배터리 충전 고유코드에 대응되는 종류의 배터리만을 선택할 수 있도록 제어한다. 배터리 충전 고유코드는 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리를 구분하는 코드와, 충전장치 식별데이터를 포함하고 있으므로 충전 제어부(120)는 배터리 충전 고유코드를 기준으로 충전이 허가된 배터리 종류를 파악할 수 있다.
또한, 충전 제어부(120)는 배터리 충전 고유코드에 대응되지 않는 종류의 배터리의 선택이 디스플레이부(130)를 통해 소정횟수 이상 시도될 경우, 소정의 시간동안 충전동작이 진행되도록 제어하되, 미리 지정된 관리서버로 충전상태 데이터를 송신한다. 이때, 충전 제어부(120)는 소정의 시간동안 관리서버로부터 피드백 데이터가 도착하지 않을 경우 허가되지 않은 배터리 종류(납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리)에 대한 충전시간을 지속적으로 감소시킨다.
도 2는 보호 케이스의 예시도이다.
이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치(100)는 충전 제어부의 제어에 따라 동작하는 냉각장치(히터씽크/강제 냉각팬)가 구비되며, 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치(100)를 수용하는 보호 케이스의 통풍구를 통해 열을 배출하도록 동작한다. 냉각팬의 회전속도는 내부에 구비된 온도센서의 절대 온도 및 온도 변화량에 비례하여 조절된다. 특히 절대 온도가 상대적으로 낮더라도 온도 변화량이 급격하게 상승할 경우, 충전 제어부가 냉각팬의 회전속도를 상승시켜 미리 케이스의 통풍구로 열을 배출시키는 동작이 수행된다.
보호 케이스(140)의 통풍구(141)에는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치의 회로를 수분으로부터 보호하기 위한 분리막이 삽입될 수 있다.
보호 케이스에는 휘발성 유기 화합물을 감지하기 위한 감지센서가 추가로 구비되어 있는데,
감지센서가 동작할 경우, 충전 제어부는 소정의 시간동안 배터리 충전동작을 중지하고 냉각팬을 역회전시켜 외부공기를 분리막을 경유하여 흡입하고, 감지센서가 휘발성 유기 화합물의 농도를 측정한 후 소정의 값 이상 검출될 경우, 표시부에 표시하여 주변의 대기환경 상태를 알려줄 수 있다.
참고적으로 본 발명에서 보호 케이스의 통풍구에 형성된 분리막은 가스투과성 막(Gas permeable membrane)으로 정의될 수 있으며, 기본적으로 수분을 차단하고 휘발성 유기 화합물을 통과시키는 재질로 형성된다.
제 1 실시예에 따른 분리막은 다공성 지지체와 상기 다공성 지지체에 코팅액이 도포 및 함침되어 형성된다.
상기 다공성 지지체는 내부에 기공이 형성되며, 내부 기공을 따라 휘발성 유기화합물이 확산시키는 역할을 수행한다.
이때, 상기 다공성 지지체는 폴리이미드, 폴리디메틸페닐렌 옥사이드, 폴리설폰, 폴리에스터설폰, 폴리에터이미드, 폴리비닐리덴플루라이드 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 고분자를 사용할 수 있다.
상기 코팅액은 휘발성 유기화합물과 친화도가 높고, 높은 자유용적을 가져 휘발성 유기화합물의 확산을 용이하게 한다.
이때, 상기 코팅액은 폴리디메틸실록산(PDMS), poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) (PTMSP), 폴리에테르블록아미드(PEBAX) 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 제 2 실시예에 따른 분리막은 상기 제 1 실시예 따른 분리막에 다공성 무기입자를 더 포함하는 것으로, 상기 다공성 무기입자는 코팅액에 혼합되어 다공성 지지체에 도포 및 함침된다. 상기 다공성 무기입자는 실리카, 제올라이트, 알루미나, 이산화티탄 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 제 3 실시예에 따른 분리막은 제 1 실시예에 따른 분리막 또는 제2 실시예에 따른 분리막의 선단에 수분흡수막을 더 포함하는 복합형 분리막으로 휘발성 유기 화합물을 감지하기에 앞서 수분을 감소 및 제거하여 노이즈를 줄이고, 분리막의 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기 수분흡수막은 상술된 다공성 지지체에 친수성 고분자가 코팅되거나 플라즈마를 통해 친수성 개질처리된 것으로, 상기 친수성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA, 폴리아크릴산(PAA), 폴리메타크릴산(PMAA), 셀룰로스계 고분자, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG) 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
플라즈마 처리시에는 카르복실기, 하이드록실기, 아민기 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 친수성기를 도입할 수 있다.
이때 상기 수분흡수막은 고흡수성 고분자(Super Absorbtion Polymer, SAP)입자를 더 포함하여, 수분흡수 및 보유특성을 더욱 향상시키는 것도 가능하다.
이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치(100)의 디스플레이부(130)는 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 중 어떤 배터리를 선택할 수 있는지 선택화면을 표시하거나, 충전모드를 선택할 수 있는 화면을 표시하거나, 충전이 진행 중인 상태를 표시할 수 있다.
참고적으로 디스플레이부(130)에는 지문센서가 내장될 수 있다. 지문센서는 사용자가 디스플레이부(130)에 손가락을 터치할 경우 사용자의 지문을 읽는 동작을 수행하며 초음파 방식 또는 광학방식이 적용될 수 있다. 충전 제어부(120)는 지문센서의 동작을 제어하고 사용자의 인증동작을 처리하는데, 등록된 사용자의 지문이 인식된 이후에만 배터리 충전을 선택할 수 있는 메뉴를 표시할 수 있다. 또한, 충전 제어부(120)는 등록된 사용자의 지문을 통해 배터리 충전을 선택할 수 있는 메뉴를 표시할 때, 각각의 사용자 마다 선택할 수 있는 배터리의 종류(납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리)를 개별 설정할 수 있으며, 각각의 배터리를 충전할 수 있는 횟수, 배터리 충전가능시간, 사용가능 충전 전력량 등을 개별적으로 설정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치는, 2880W급 출력전압 2V~130V, 출력전류 1A~60A를 달성하는 납산 및 리튬배터리 공용 소형 충전기를 제공하고,
납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 등과 같은 배터리의 종류를 고려하여 공급할 수 있는 최대 전류량을 조절함으로서 충전용 직류전원을 안정적으로 공급할 수 있고, 보안설정에 의해 미리 등록된 종류의 배터리만을 선택하여 충전할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치
110 : 배터리 충전부
120 : 충전 제어부
130 : 디스플레이부
110 : 배터리 충전부
120 : 충전 제어부
130 : 디스플레이부
Claims (3)
- 220V 단상의 교류전원을 공급받아 고주파로 스위칭하여 충전용 직류전원을 생성하는 배터리 충전부;
상기 배터리 충전부의 내부동작을 제어하고, 납산배터리, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철배터리 중 미리 등록된 종류의 배터리의 충전을 선택할 수 있도록 제어하며, 상기 배터리 충전부에서 생성하는 상기 충전용 직류전원의 최대 전류량을 조절함에 있어서, 선택된 배터리의 종류에 따라 최대 전류량을 자동조절하고, 최소자승법을 이용하여 온도 변화의 추이를 검출하는 충전 제어부;
휘발성 유기 화합물 감지센서 및 통풍구가 구비되며 상기 배터리 충전부 및 상기 충전 제어부를 수용하는 보호 케이스; 및
상기 보호 케이스의 내부에 구비된 온도센서의 절대 온도 또는 온도 변화량에 비례하여 회전속도가 조절되면서 상기 통풍구를 통해 열을 배출하는 냉각팬;을 포함하고,
상기 보호 케이스의 통풍구에는 수분을 차단하고 휘발성 유기 화합물을 통과시키는 분리막이 삽입되고, 상기 제어부는 상기 휘발성 유기 화합물 감지센서의 동작시에 상기 냉각팬을 역회전시켜 외부공기를 상기 분리막을 경유하여 흡입시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치.
- 제1항에 있어서,
상기 충전 제어부는,
미리 저장된 배터리 충전 고유코드에 대응되는 종류의 배터리만을 선택할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치.
- 제2항에 있어서,
상기 충전 제어부는,
상기 배터리 충전 고유코드에 대응되지 않는 종류의 배터리의 선택이 소정횟수 이상 시도될 경우, 소정의 시간동안 충전동작이 진행되도록 제어하되, 미리 지정된 관리서버로 충전상태 데이터를 송신하는 것을 특징으로 하는 이차전지 공용 급속 고주파 단상 충전장치.
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| KR102490791B1 true KR102490791B1 (ko) | 2023-01-20 |
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| KR20070103961A (ko) | 2006-04-20 | 2007-10-25 | 주식회사 로템 | 배터리 과온 방지를 위한 제어전원 분리형 배터리 충전기 |
| KR102186804B1 (ko) * | 2020-07-29 | 2020-12-04 | (주)동은전지 | 이차전지 공용 고주파 충전장치 및 이를 포함하는 충전 관리시스템 |
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