KR102507734B1 - 배터리 상태 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 배터리 상태 검출 장치에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(104)의 출력 전류를 검출하는 전류센서(107); 상기 전류센서(107)와 연결된 제1 접점 및 제2 접점으로 구성된 릴레이(Relay)(110); 상기 릴레이(Relay)(110)와 병렬로 연결된 P형 FET(Field Effect Transistor)(108) 및 충전검출 다이오드(109); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제2 접점과 연결된 전압센서(111); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 상기 배터리(114)의 상태를 판단하기 위한 펄스 주입회로(105)를 포함하는 배터리 상태 검출 장치를 제안한다.

Description

배터리 상태 검출 장치 및 방법{Battery Status Detection Apparatus and Method}
본 발명은 전기자동차, 전동킥보드, 전동휠체어, 전기오토바이, 전기자전거 및 호보버드 등의 급속충전을 위한 배터리 상태 검출 장치 및 방법을 제안하고자 한다. 무엇보다 급속충전 방식은 완속충전과 비교하여 배터리의 충전 전류량이 높다는 것이 특징이다. 특히 초기 배터리 충전시 과전류를 효과적으로 저감시키며, 충전장치에 배터리가 연결되어 있는지 여부의 검출, 배터리가 없는 경우 충전기의 출력을 발생시키지 않는 배터리 상태 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
배터리의 경우, 과전류가 배터리의 열화를 초래하며, 초기 배터리 충전시 과전류를 방지하기 위한 다양한 발명 및 선행문헌이 제시되고 있다.
관련된 선행문헌으로 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0121640호 (공개일 2016. 10. 20.)(이하 [특허문헌1]이라함) "전력변환기를 이용한 배터리의 초기 충전시 과부하 방지 장치"를 제안하였다. 상기 [특허문헌1]은, 전력변환기; 배터리; 커패시터; 제1,2 스위칭부; 커패시터 측으로 전류 흐름을 제안하는 전류 제한부를 포함하는 과부하 방지 장치를 특징으로 하며, 배터리의 초기 과전류를 제안하는 과부하 방지 장치를 공개하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1815876호 (공고일 2018. 01. 08.)(이하 [특허문헌2]라함)에서는, 전지 셀; 전기적으로 연결하는 커넥터; 커넥터 일측(一側)에 위치한 전압센싱라인; 상기 전압센싱라인에 타측(他測)에 연결된 퓨즈를 포함하는 과전류 방지 장치를 포함하는 배터리 팩을 제안하였다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0010015호 (공개일 2019. 01. 30.)(이하 [특허문헌3]이라함)에서는, 배터리; 보호칩; 제1,2 패턴저항; 과전류 판단부; 충방전 차단 FET; 제1,2 와이어 저항을 포함하는 과전류 방지 장치를 제시하였다.
상기 [특허문헌1] 내지 [특허문헌3]의 배터리의 충전시 과전류를 방지하는 방법에 대하여 다양한 기술을 공개하였다. 하지만, 첫째, 충전장치에서 배터리의 연결여부를 판단하고, 둘째, 충전장치의 전압이 배터리의 전압보다 현격하게 낮은 경우에 기존의 충전장치는 배터리의 전압을 과충전하여 폭발 및 화재가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0121640호 (공개일 2016. 10. 20.) 대한민국 등록특허공보 제10-1815876호 (공고일 2018. 01. 08.) 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0010015호 (공개일 2019. 01. 30.)
본 발명은 단순하게 배터리의 충전시 과전류를 방지하는 것을 넘어서 급속 충전을 위한 충전기에 배터리가 연결되어 있는지 여부를 먼저 판단하며, 상기 배터리가 연결되어 있지 않거나, 일정(一定) 전압 이하의 경우, 충전기에서 출력전압을 발생시키지 않으며, 급속 충전장치에서 배터리의 전압을 검출하는 새로운 장치를 제안하고, 배터리의 전압과 일치시키도록 급속 충전장치의 전압을 조정하는 배터리 상태 검출 장치 및 방법을 제안한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르는 배터리 상태 검출 장치는, 상기 DC-DC 컨버터(104)의 출력 전류를 검출하는 전류센서(107); 상기 전류센서(107)와 연결된 제1 접점 및 제2 접점으로 구성된 릴레이(Relay)(110); 상기 릴레이(Relay)(110)와 병렬로 연결된 P형 FET(Field Effect Transistor)(108) 및 충전검출 다이오드(109); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제2 접점과 연결된 전압센서(111); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 상기 배터리(114)의 상태를 판단하기 위한 펄스 주입회로(105)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르는 배터리 상태 검출 장치는, 제1 접점 및 제2 접점으로 구성된 릴레이(Relay)(110); 상기 릴레이(Relay)(110)와 병렬로 연결된 P형 FET(Field Effect Transistor)(108) 및 충전검출 다이오드(109); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 상기 배터리(114)의 연결을 판단하기 위한 펄스 주입회로(105)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 펄스 주입회로(105)에서 생성된 펄스(Pulse)는 약 15[V]이며, 10[초]의 주기로 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 펄스 주입회로(105)에서 생성된 펄스(Pulse)는 마이크로프로세서에 의해 생성된 10[초]의 주기의 펄스가 제1, 제2 N형 트랜지스터(121,122) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 제1 펄스 구동회로(123)를 통하여 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 전압센서(111)에서 상기 배터리(114)의 전압 정보 및 상기 전류센서(107)에서 상기 배터리 상태 검출 장치에서 출력되는 전류 정보를 검출 받아서 제어하는 주제어기(112)를 포함한다.
더욱 바람직하게는, 상기 주제어기(112)는 역률개선 AC-DC 컨버터(103) 및 DC-DC 컨버터(104)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 배터리(114)가 연결되지 않는 경우, 상기 릴레이(Relay)(110)가 턴온(Turn on)되지 못하며, 상기 배터리 상태 검출 장치의 출력단자(113)에 아무런 충전전압이 발생되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 배터리 상태 검출 장치의 출력 전압보다 상기 배터리(114)의 정격전압이 일정(一定) 이하로 낮은 경우, 상기 릴레이(Relay)(110)가 턴온(Turn on)되지 못하며, 상기 배터리 상태 검출 장치의 출력단자(113)에 아무런 충전전압이 발생되지 않는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 주제어기(112)는 상기 릴레이(Relay)(110)가 턴온(Turn on)되는 이후에 상기 배터리(114)의 충전전류를 점진적으로 증가시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
다른 한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또다른 측면에 따르는 배터리 상태 검출 방법은, 전압센서(111)를 통하여 배터리(114)의 전압을 검출하는 제1 단계; 상기 제1 단계 이후에 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 펄스(Pulse)를 주입하며, 동시에 P형 FET(Field Effect Transistor)(108)를 동기화하여 턴온(Turn-on)시키는 제2 단계; 상기 제2 단계 이후에 상기 펄스(Pulse)의 최대 전압이 상기 배터리(114) 전압 이상(以上)인지 확인하는 제3 단계; 상기 제3 단계 이후에 펄스(Pulse)가 P형 FET(108) 및 충전검출 다이오드(109)를 통하여 상기 배터리(114)로 흐르는 전류가 일정(一定) 전류 이상(以上)인지 확인하는 제4 단계; 상기 제4 단계 이후에 배터리 상태 검출 장치의 출력 전압과 상기 배터리(114)의 전압이 동일(同一)하게 되는지 확인하고 상기 릴레이(Relay)(110)를 턴온(Turn-on)시키는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제5 단계 이후에 주제어기(112)는 출력전류를 점차 선형적으로 증가시키는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제6 단계 이후에 상기 주제어기(112)는 충전시 최대 출력전류에 도달하는 경우 배터리의 충전전류를 점차적으로 감소시키면서 충전하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 배터리 상태 검출 장치 및 방법은 첫째, 급속 충전을 위한 충전기에 배터리가 연결되어 있는지 여부를 판단하고, 만약 배터리가 연결되어 있지 않거나 일정(一定) 전압 이하이면, 충전기의 출력전압을 발생시키지 않으며, 둘째, 배터리의 전압과 일치시키도록 급속 충전장치의 전압을 조정하는 과정을 가지며, 셋째, 과전류가 발생하지 않도록 천천히 전류의 기울기를 가지고 충전시킴을 통하여 급속충전에서도 배터리에 충격을 주지 않게 과전류를 효과적으로 차단시키며, 배터리가 충전기와 분리되어 있을 경우, 출력전압을 발생시키지 않아서 전기적인 안정성이 매우 향상되며, 넷째, 충전기에 배터리를 잘못 연결하거나, 충전기의 출력전압과 전혀 맞지 않는 배터리를 연결 시에 충전이 되지 않으며 과충전이 되지 않아서 배터리의 폭발 및 화재가 방지되는 상승된 효과가 있다.
상기 목적 및 효과 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 1은 제안하는 배터리 상태 검출 장치의 구성도이다.
도 2는 제안하는 배터리 상태 검출 장치의 세부 회로도이다.
도 3은 제안하는 배터리 상태 검출부에서 발생하는 전압펄스 및 전류펄스 파형이다.
도 4는 제안된 배터리 상태 검출부의 동작모드이다.
도 5는 기존의 배터리 충전장치에서 충전 시작시 배터리 전압 및 배터리 충전전류 파형이다.
도 6은 제안된 배터리 충전장치에서 충전 시작시 배터리 전압 및 배터리 충전전류 파형이다.
도 7은 제안된 배터리 충전 장치 사진이다.
도 8은 제안된 배터리 상태 검출부 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 다만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정하여 해석되어서는 안 되며, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 제안하는 배터리 상태 검출 장치의 구성도이고, 도 2는 제안하는 배터리 상태 검출 장치의 세부 회로도이고, 도 3은 제안하는 배터리 상태 검출부에서 발생하는 전압펄스 및 전류펄스 파형이며, 도 4는 제안된 배터리 상태 검출부의 동작모드이다.
도 5는 기존의 배터리 충전장치에서 충전 시작시 배터리 전압 및 배터리 충전전류 파형이고, 도 6은 제안된 배터리 충전장치에서 충전 시작시 배터리 전압 및 배터리 충전전류 파형이다.
도 7은 제안된 배터리 충전 장치 사진이고, 도 8은 제안된 배터리 상태 검출부 사진이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 제안하는 배터리 상태 검출 장치의 구성도이다.
상기 배터리 상태 검출 장치는 교류전원(101)에서 갑작스럽게 충전기로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 돌입전류 제한회로(102)가 있으며, 상기 돌입전류 제한회로(102)와 연결되어 충전기의 입력단 역률을 개선시키는 역률개선 AC-DC 컨버터(103)가 있다. 상기 역률개선 AC-DC 컨버터(103)의 출력을 받아서 충전기에서 원하는 전력으로 변환시키는 DC-DC 컨버터(104)가 있다. 본 발명의 가장 특징적인 부분은 상기 DC-DC 컨버터(104)의 출력을 바로 출력단자(113)를 통하여 배터리(114)에 직접 전달하는 것이 아니며, 배터리 상태 검출부(120)를 통하여 첫째, 상기 배터리(114)가 충전기에 부착되어 있는지 여부를 먼저 판단하고, 둘째, 상기 배터리(114)가 충전기에 부착되어 있지 않거나 일정(一定) 전압 이하이면, 충전기에서 아무런 출력 전압을 발생시키지 않으며, 상기 배터리(114)가 충전하기 적합한 최저 및 최고의 전압에서만 충전시키는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 상기 배터리 상태 검출부(120)는 보다 세부적으로 다음의 구성을 가진다. 제1 접점 및 제2 접점으로 구성된 릴레이(Relay)(110); 상기 릴레이(Relay)(110)와 병렬로 연결된 P형 FET(Field Effect Transistor)(108) 및 충전검출 다이오드(109); 상기 릴레이(Relay)(110)의 상기 제1 접점과 연결된 전류센서(107); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제2 접점과 연결된 전압센서(111); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 출력전압 판단을 위한 펄스 주입회로(105)를 가지는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
주제어기(112)는 전류센서(107) 및 전압센서(111)로부터 충전기의 전류 및 전압 정보를 검출 받아 돌입전류 제한회로(102), 역률개선 AC-DC 컨버터(103) 및 DC-DC 컨버터(104)의 동작을 제어한다. 또한, 상기 주제어기(112)는 출력전압 판단을 위한 펄스 주입회로(105)를 동작시키고, 상기 출력전압 판단을 위한 펄스 주입회로(105)는 상기 릴레이(Relay)(110)의 상기 제1 접점에 펄스를 주입한다. 상기 펄스는 일례로 약 15[V]이며, 10[초]의 주기(0.1[Hz]의 주파수)로 지속적으로 제1 접점에 펄스(Pulse)가 주입되며, 동시에 P형 FET(Field Effect Transistor)(108)를 10[초]의 주기(0.1[Hz]의 주파수)로 턴온(Turn-On) 시킨다. 상기 펄스(Pulse)의 전압, 주기 및 주파수는 상황에 따라서 임의로 가변이 가능하다. 상기 릴레이(Relay)(110)의 상기 제1 접점에 주입되는 펄스(Pulse)의 최대 전위가 배터리의 전압과 일정(一定) 범위 이내이면, 상기 릴레이(Relay)(110)를 턴온(Turn-on)시키고 충전기를 통하여 상기 배터리(114)를 충전시키는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
상기 주제어기(112)는 이러한 모든 상황에 대하여 디스플레이를 통하여 배터리를 통하여 공급되는 충전기의 전압, 전류 등 각종 정보를 제공하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 펄스 주입회로(105)의 가장 핵심적인 부분은 충전기의 출력단자(113)에 상기 배터리(114)가 연결되어 있는지 확인하는 역할을 수행하는 것이 가장 큰 부분이다. 기존의 충전기에서는 출력단자에 배터리의 연결여부와 관계없이 출력전압이 생성되지만, 제안된 배터리 상태 검출 장치는 첫째, 출력단자에 배터리가 연결되지 않는 경우, 전압센서(111)에서는 아무런 전압을 검출하지 못하며, 둘째, 출력단자에 배터리가 연결되어 있더라도 배터리 전압이 15[V] 이상 낮은 경우 배터리의 성능이 매우 낮아진 문제점이 있다. 위의 첫째 및 둘째의 경우에서 상기 릴레이(Relay)(110)의 상기 제1 접점에 펄스(Pulse)가 주입되며, 상기 P형 FET(Field Effect Transistor)(108)가 턴온(Turn-on) 동작을 수행하더라도 충전검출 다이오드(109)를 통하여 전류가 흐르지 못한다. 본 발명에서는 배터리(114)의 충전 기준전압 보다 약 15[V] 이상 낮은 배터리의 경우 충전기가 충전하지 못하는 것을 특징으로 한다.
배터리(114)는 충전전압이 매우 높으면, 폭발의 위험성이 있지만, 배터리의 충전전압이 매우 낮으면, 배터리의 물질 특성이 변화됨으로 인하여 배터리의 성능이 저감되고 수명이 매우 낮아지는 문제점이 있다.
예로서 기준전압이 24[V]인 배터리는 9[V] 이하인 경우, 기준전압이 48[V]인 배터리는 33[V] 이하인 경우, 기준전압이 72[V]인 배터리는 58[V] 이하인 경우에서는 배터리의 성능이 매우 저감되는 것으로 판단하고, 본 발명의 주제어기(112)는 릴레이(Relay)(110)의 도통(On)을 기본적으로 수행하지 않는 것을 기술적 특징으로 한다. 본 발명에서 제안하는 배터리 상태 검출 장치는 급속충전을 위한 충전기의 후단에 위치한 장치이며, 먼저 배터리가 정상적으로 충전할 수 있는 전압 범위에 도달했는지 확인하는 것을 기술적 특징으로 한다. 이를 확인하는 가장 정확한 방법인 2가지의 방법을 확인하는 장치가 본 발명에서 제안하는 배터리 상태 검출 장치이다.
첫째 과정은 상기 전압센서(111)를 통하여 배터리의 전압을 검출하는 것이며, 둘째 과정은 상기 릴레이(Relay)(110)의 상기 제1 접점에 약 15[V]이며, 10 [초]의 주기(0.1[Hz]의 주파수)의 펄스(Pulse)를 주입하며, 동시에 상기 P형 FET(Field Effect Transistor)(108)를 동기화하여 턴온(Turn-on)시키는 것이며, 셋째 과정은 상기 펄스(Pulse)의 최대 전압이 상기 배터리(114) 전압 이상인지 확인하며, 넷째 과정은 상기 펄스(Pulse)가 상기 P형 FET(108) 및 충전검출 다이오드(109)를 통하여 상기 배터리(114)로 흐르는 전류가 0.5[A] 이상인지 확인하며, 다섯째 과정은 충전기 전압과 배터리 전압이 동일(同一)하게 되는지 확인한 이후에 상기 릴레이(Relay)(110)를 턴온(Turn-on)시키며, 여섯째 과정은 상기 주제어기(112)는 역률개선 AC-DC 컨버터(103) 및 DC-DC 컨버터(104)를 제어하면서 출력전류를 점차 선형적으로 증가시키며, 일곱째 과정은 상기 주제어기(112)는 충전시 최대 출력전류에 도달하는 경우 배터리의 충전전류를 점차적으로 감소시키면서 급속충전하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 2는 제안하는 배터리 상태 검출 장치의 세부 회로도이다. 특히 릴레이(Relay)(110), P형 FET(108) 충전검출 다이오드(109), 전류센서(107)와 출력전압 판단을 위한 펄스 주입회로(105)의 세부적인 연결 회로를 나타낸다. 상기 릴레이(Relay)(110)와 상기 전류센서(107)가 연결된 부분을 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점이라 하며, 여기에 펄스가 공급된다. 마이크로프로세서(미도시)에 의해서 10[초]의 주기(0.1[Hz]의 주파수)의 펄스(Pulse)가 공급되며, 제1, 제2 N형 트랜지스터(121,122) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 제1 펄스 구동회로(123)를 통해서 펄스의 온(on) 및 오프(off)가 반복된다. 구동전압(VDD)은 제2 저항(R2) 및 제2 N형 트랜지스터(122)를 통하여 펄스 파형을 나타내며, 제4 저항(R4)을 통하여 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 펄스가 공급된다. 또한 제6 저항(R6)을 통하여 상기 P형 FET(108)이 펄스와 동기화되어서 온(on) 및 오프(off) 동작을 수행한다.
만일 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 공급되는 펄스의 최대 전압이 배터리 전압보다 높은 경우, 배터리는 정상적으로 충전이 가능한 전압의 범위에 놓이게 되며, 상기 P형 FET(108) 및 상기 충전검출 다이오드(109)를 통하여 전류가 흐르게 된다. 이 경우, 제9 저항(R9), 제10 저항(R10), 제2 다이오드(D2)로 구성된 전압 피드백 회로(125)는 전압을 검출하며, 제1 집적회로(IC1)에 내장된 제1, 제2 비교기(126,127)를 통하여 상기 P형 FET(108)는 지속적으로 턴온(Turn-on) 신호가 생성된다. 하지만, 만일 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 공급되는 펄스의 최대 전압이 배터리 전압보다 일정(一定) 전압 이하로 낮은 경우, 상기 배터리(114)의 전압은 매우 낮으며, 배터리의 성능이 매우 저감된 것으로 판단하고, 상기 P형 FET(108) 및 상기 충전검출 다이오드(109) 사이의 접점에서 검출된 전압은 제3 N형 트랜지스터(129), 제1 다이오드(D1), 제7 저항(R7)으로 구성된 제2 펄스 구동회로(128)를 통하여 제2 비교기(127)를 통하여 상기 P형 FET(108)를 지속적으로 온(on) 및 오프(off) 동작을 수행하는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 펄스 주입회로(105)를 포함하는 배터리 상태 검출부(120)는 기존의 다른 발명과 분명하게 차별화되는 가장 핵심적인 기술이며, 충전기에서 출력단자(113)를 통하여 배터리(114)로 직접 충전하는 방식이 아니다. 첫째, 배터리(114)가 정상적으로 출력단자(113)에 연결되어 있는지 판단하고, 둘째 배터리(114)가 정상적으로 충전이 가능한 전압이 맞는지 판단한다. 셋째, 배터리(114)의 전압과 충전기의 출력전압을 동일(同一)하게 일치시키며, 넷째, 충전기의 전압이 점진적으로 충전하게 증가하도록 하는 장치를 제안하는 것이 가장 큰 특징이다.
최근에는 충전기의 출력전압과 전혀 일치하지 않는 배터리를 충전시키는 경우가 종종 있다. 예로서 충전기의 출력전압이 24[V]이고 배터리의 충전전압 정격이 12[V]인 경우에는 배터리가 과전압으로 충전되고 폭발 또는 화재가 발생하는 문제점이 발생한다. (반대로 충전기의 출력전압이 12[V]이고 배터리의 충전전압 정격은 24 [V]인 경우에는 배터리가 충전되지 않으며, 폭발 또는 화재가 발생하지 않는다.) 본 발명에서 제안하는 배터리 상태 검출 장치는 이를 방지하는 매우 상승된 효과를 가지게 되는 것이다.
도 3은 제안하는 배터리 상태 검출부에서 발생하는 전압펄스 및 전류펄스 파형이다. 상기 펄스는 약 15[V]이며, 10[초]의 주기(0.1[Hz]의 주파수)로 지속적으로 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 펄스(Pulse)가 주입되는 것을 특징으로 한다.
도 4는 제안된 배터리 상태 검출 장치의 동작모드이다. 상기 펄스는 약 15[V]이며, 10[초]의 주기(0.1[Hz]의 주파수)로 지속적으로 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 펄스(Pulse)가 주입되며, 릴레이 전단 전압은 배터리의 정격전압 보다 약간 적은 전압으로 프리챠아지(Precharge) 대기 전압을 생성한다. 상기 도 2를 참조하면 24[V] 충전기에서 프리챠아지(Precharge) 대기 전압은 약 14[V]가 생성됨을 확인할 수 있다. 상기 펄스는 P형 FET(108) 및 충전검출 다이오드(109)를 경유하여 전류가 흐르고, 상기 릴레이(Relay)의 제1 접점에서 전압상승이 발생한다. 전류센서(107)에서 전류검출이 0.5[A] 이상이 되면 점차로 배터리(114)의 전압과 충전기의 출력전압을 일치시킨다. 이후에 릴레이(Relay)(110)를 턴온(Turn on)시키며, 주제어기(112)는 역률개선 AC-DC 컨버터(103) 및 DC-DC 컨버터(104)를 통하여 출력전류를 점진적으로 상승시키며, 출력전류가 최대 출력전류에 도달하는 경우 출력전류를 점진적으로 감소시킴을 통하여 배터리(114)에 충전하게 되는 과정을 가지게 된다. 따라서 본 발명은 무엇보다 배터리의 연결 여부, 배터리 전압의 적합 여부 등을 제안하는 배터리 상태 검출 장치를 통하여 검토하게 되며, 급속충전에서 배터리에 손상이 되지 않으며, 충전기 전압과 배터리 전압이 전혀 상이한 경우 충전을 중단시킴을 통하여 배터리 폭발 및 화재를 사전에 방지하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 5는 기존의 배터리 충전장치에서 충전 시작시 배터리 전압 및 배터리 충전전류 파형이다. 기존 충전기의 배터리의 전압과 상관없이 충전전압이 발생하며, 초기에 40[A] 이상의 과전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 기존의 충전기는 배터리에 순간적으로 임펄스(Impulse) 전류를 주입시킴으로 배터리 분리막을 손상시키고 배터리 성능 및 수명을 저감시키는 문제점이 있다. 아울러, 예를 들어서 충전기의 출력 전압이 24[V]이고 배터리 정격 전압이 12[V]와 같이 충전기의 출력 전압과 비교하여 배터리의 정격 전압이 낮은 경우, 정격 전압이 12[V]의 배터리를 충전기의 출력전압 24[V]까지 충전시키는 문제점이 있다. 이 경우 배터리 셀의 폭발 및 화재가 발생하는 문제점이 있다.
도 6은 제안된 배터리 충전장치에서 충전 시작시 배터리 전압 및 배터리 충전전류 파형이다. 상기 도 4에서 세부적인 동작 과정을 가지며 먼저 출력전류는 0.5[A] 이상의 전류 검출을 통하여 충전기의 전압과 배터리의 전압을 동일(同一)하게 일치시킨다. 이후에 배터리의 충전전류를 점차 상승시키며, 최대 전류인 25[A]를 도달하면 점차적으로 배터리의 충전전류를 감소시키는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 7은 제안된 배터리 충전 장치 사진이다. 제안된 충전장치는 24[V], 1500[W]급의 충전기를 나타내며, 제안된 배터리 상태 검출 장치를 적용하여 48[V], 72[V]의 충전기에서도 충분히 적용할 수 있다.
도 8은 제안된 배터리 상태 검출부 사진이다. 배터리 상태 검출부(120) 내부에 릴레이(Relay)(110) 및 펄스 주입회로(105)가 내장되어 있음을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에서 제안하는 배터리 상태 검출 장치는 다음과 같다.
배터리 상태 검출 장치에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(104)의 출력 전류를 검출하는 전류센서(107); 상기 전류센서(107)와 연결된 제1 접점 및 제2 접점으로 구성된 릴레이(Relay)(110); 상기 릴레이(Relay)(110)와 병렬로 연결된 P형 FET(Field Effect Transistor)(108) 및 충전검출 다이오드(109); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제2 접점과 연결된 전압센서(111); 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 상기 배터리(114)의 상태를 판단하기 위한 펄스 주입회로(105)를 포함하는 배터리 상태 검출 장치를 제안하고자 한다.
또한 본 발명에서 제안하는 배터리 상태 검출 방법은 다음과 같다.
배터리 상태 검출 방법에 있어서, 전압센서(111)를 통하여 배터리(114)의 전압을 검출하는 제1 단계; 상기 제1 단계 이후에 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 펄스(Pulse)를 주입하며, 동시에 P형 FET(Field Effect Transistor)(108)를 동기화하여 턴온(Turn-on)시키는 제2 단계; 상기 제2 단계 이후에 상기 펄스(Pulse)의 최대 전압이 상기 배터리(114) 전압 이상(以上)인지 확인하는 제3 단계; 상기 제3 단계 이후에 펄스(Pulse)가 P형 FET(108) 및 충전검출 다이오드(109)를 통하여 상기 배터리(114)로 흐르는 전류가 일정(一定) 전류 이상(以上)인지 확인하는 제4 단계; 상기 제4 단계 이후에 상기 배터리 상태 검출 장치의 출력 전압과 상기 배터리(114)의 전압이 동일(同一)하게 되는지 확인하고 상기 릴레이(Relay)(110)를 턴온(Turn-on)시키는 제5 단계를 포함하는 배터리 상태 검출 방법을 제안하고자 한다.
이상에서는 본 발명을 최적 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하며, 본 발명의 권리범위는 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
101 : 교류전원
102 : 돌입전류 제한회로
103 : 역률개선 AC-DC 컨버터
104 : DC-DC 컨버터
105 : 펄스 주입회로
106 : 디스플레이
107 : 전류센서
108 : P형 FET(Field Effect Transistor)
109 : 충전검출 다이오드
110 : 릴레이(Relay)
111 : 전압센서
112 : 주제어기
113 : 출력단자
114 : 배터리
120 : 배터리 상태 검출부
121 : 제1 N형 트랜지스터
122 : 제2 N형 트랜지스터
123 : 제1 펄스 구동회로
125 : 전압 피드백 회로
126 : 제1 비교기
127 : 제2 비교기
128 : 제2 펄스 구동회로
129 : 제3 N형 트랜지스터
C1 : 제1 커패시터
C2 : 제2 커패시터
D1 : 제1 다이오드
D2 : 제2 다이오드
IC1 : 제1 집적회로
Pulse : 펄스 파형
R1 : 제1 저항
R2 : 제2 저항
R3 : 제3 저항
R4 : 제4 저항
R5 : 제5 저항
R6 : 제6 저항
R7 : 제7 저항
R8 : 제8 저항
R9 : 제9 저항
R10 : 제10 저항
VDD : 구동전압
Vpulse : 펄스전압
Ipulse : 펄스전류

Claims (12)

  1. 배터리 상태 검출 장치에 있어서,
    DC-DC 컨버터(104)의 출력 전류를 검출하는 전류센서(107);
    상기 전류센서(107)와 연결된 제1 접점 및 제2 접점으로 구성된 릴레이(Relay)(110);
    상기 릴레이(Relay)(110)와 병렬로 연결된 P형 FET(Field Effect Transistor)(108) 및 충전검출 다이오드(109);
    상기 릴레이(Relay)(110)의 제2 접점과 연결된 전압센서(111); 및
    상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 상기 배터리(114)의 상태를 판단하기 위한 펄스 주입회로(105);
    를 포함하며,
    상기 펄스 주입회로(105)에서 생성된 펄스(Pulse)는 제1, 제2 N형 트랜지스터(121,122) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 제1 펄스 구동회로(123)를 통하여 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 공급되는 배터리 상태 검출 장치.
  2. 배터리 상태 검출 장치에 있어서,
    제1 접점 및 제2 접점으로 구성된 릴레이(Relay)(110);
    상기 릴레이(Relay)(110)와 병렬로 연결된 P형 FET(Field Effect Transistor)(108) 및 충전검출 다이오드(109); 및
    상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 상기 배터리(114)의 연결을 판단하기 위한 펄스 주입회로(105);
    를 포함하며,
    상기 펄스 주입회로(105)에서 생성된 펄스(Pulse)는 제1, 제2 N형 트랜지스터(121,122) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 제1 펄스 구동회로(123)를 통하여 상기 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 공급되는 배터리 상태 검출 장치.
  3. 청구항 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 펄스 주입회로(105)에서 생성된 펄스(Pulse)는 15[V]이며, 10[초]의 주기로 발생하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 검출 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 전압센서(111)에서 상기 배터리(114)의 전압 정보 및 상기 전류센서(107)에서 상기 배터리 상태 검출 장치에서 출력되는 전류 정보를 검출 받아서 제어하는 주제어기(112)를 포함하는 배터리 상태 검출 장치.
  6. 청구항 제5항에 있어서,
    상기 주제어기(112)는 역률개선 AC-DC 컨버터(103) 및 DC-DC 컨버터(104)를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 검출 장치.
  7. 청구항 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배터리(114)가 연결되지 않는 경우, 상기 릴레이(Relay)(110)가 턴온(Turn on)되지 못하며, 상기 배터리 상태 검출 장치의 출력단자(113)에 아무런 충전전압이 발생되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 검출 장치.
  8. 청구항 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배터리 상태 검출 장치의 출력 전압보다 상기 배터리(114)의 정격전압이 일정(一定) 이하로 낮은 경우, 상기 릴레이(Relay)(110)가 턴온(Turn on)되지 못하며, 상기 배터리 상태 검출 장치의 출력단자(113)에 아무런 충전전압이 발생되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 검출 장치.
  9. 청구항 제5항에 있어서,
    상기 주제어기(112)는 상기 릴레이(Relay)(110)가 턴온(Turn on)되는 이후에 상기 배터리(114)의 충전전류를 점진적으로 증가시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 검출 장치.
  10. 배터리 상태 검출 방법에 있어서,
    전압센서(111)를 통하여 배터리(114)의 전압을 검출하는 제1 단계;
    상기 제1 단계 이후에 릴레이(Relay)(110)의 제1 접점에 펄스(Pulse)를 주입하며, 동시에 P형 FET(Field Effect Transistor)(108)를 동기화하여 턴온(Turn-on)시키는 제2 단계;
    상기 제2 단계 이후에 상기 펄스(Pulse)의 최대 전압이 상기 배터리(114) 전압 이상(以上)인지 확인하는 제3 단계;
    상기 제3 단계 이후에 펄스(Pulse)가 P형 FET(108) 및 충전검출 다이오드(109)를 통하여 상기 배터리(114)로 흐르는 전류가 일정(一定) 전류 이상(以上)인지 확인하는 제4 단계; 및
    상기 제4 단계 이후에 배터리 상태 검출 장치의 출력 전압과 상기 배터리(114)의 전압이 동일(同一)하게 되는지 확인하고 상기 릴레이(Relay)(110)를 턴온(Turn-on)시키는 제5 단계;
    를 포함하는 배터리 상태 검출 방법.
  11. 청구항 제10항에 있어서,
    상기 제5 단계 이후에 주제어기(112)는 출력전류를 점차 선형적으로 증가시키는 제6 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 검출 방법.
  12. 청구항 제11항에 있어서,
    상기 제6 단계 이후에 상기 주제어기(112)는 충전시 최대 출력전류에 도달하는 경우 배터리의 충전전류를 점차적으로 감소시키면서 충전하는 제7 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 검출 방법.
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