KR19990032389U - 니카드 배터리 충방전 회로 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 니카드(Ni-Cd) 배터리 충방전 회로에 관한 것으로서, 특히 니카드 배터리를 충전용 전원으로 사용하는 장치에 필요한 트리클 충전 방식의 충방전 회로에 관한 것이다.
본 고안은 교류 전원을 공급받아 출력 부하 전압과 충전 회로 전원 전압을 생성하는 스위칭 전원부, 상기 출력 부하 전압 또는 배터리의 충전 전압을 공급받는 부하, 부하로 충전 전압을 공급하는 충방전 배터리, 상기 충전 회로 전원 전압을 공급받아 정전압과 정전류 상태를 유지시키는 정전압/정전류 충전 회로, 상기 정전압/정전류 회로로부터 정전압/정전류 상태의 신호를 공급받아 과방전 차단 회로로 전달하는 역전류 방지 다이오드, 상기 역전류 방지 다이오드와 연결되어 있으며 상기 배터리의 전압을 감시하여 충방전 동작을 제어하는 과방전 차단 회로부 및 상기 과방전 회로부로부터 전해진 배터리 전압을 부하로 공급하는 무순단 절체 다이오드를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 고안은 정전압/정전류 회로를 사용하여 최적의 충전 상태를 유지하며, 과방전 차단 회로부를 사용하여 배터리의 완전 방전을 차단하고 저연 방전 상태로 차단 상태를 유지할 수 있다.

Description

니카드 배터리 충방전 회로
본 고안은 니카드(Ni-Cd) 배터리(Battery) 충방전 회로에 관한 것으로서, 특히 니카드 배터리를 충전용 전원으로 사용하는 장치에 필요한 트리클 충전 방식의 충방전 회로에 관한 것이다.
도 1 은 종래 기술에 의한 충방전 회로의 구성도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하여 종래 기술에 의한 니카드 배터리의 충전 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다. 교류 입력을 통해 공급된 교류 신호는 스위칭 전원부에 통해서 정류된 다음 변압되어, +VO라는 직류 전압을 생성한다. 생성된 직류 전압은 부하에 공급된다. 동시에 직류 전압은 전류 제한 저항 R1을 거쳐서 배터리에 인가된다. 배터리에는 충전 전류 I1이 인가되어 충전된다.
또한 상기 도 1을 참조하여 종래 기술에 의한 니카드 배터리의 방전 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다. 충전 상태에서 교류 전원이 오프(OFF)되면, 스위칭 전원이 동작되지 않으므로 직류 전원 +VO가 공급되지 않는다. 그러면 배터리에 충전된 전원 VB가 무순단으로 D2를 거치면서 부하에 방전 전류 I2를 공급한다.
상기한 바와 같이 종래 기술에 의한 충방전 회로는, 출력 부하 전압인 +VO과, 배터리 전압인 VB, 충전 전류인 I1, 방전 전류인 I2, 전류 제한 저항인 R1, 무순단 절체 다이오드인 D1과 니카드 배터리 및 스위칭 전원부로 구성된다.
종래 기술에 의한 충방전 회로의 충전시 다음과 같은 문제점이 발생된다.
첫 번째, 출력 전압 +VO가 전류 제한 저항 R1을 거쳐서 배터리를 충전시킬 때, 배터리의 충전 전류값은 +VO전압과 배터리 전압 VB간의 전압 차에 따라 R1에 흐르는 전류값에 의해 결정된다. 그러므로 일정한 전류값이 아니고 배터리 전압 VB에 의해 변동된다. 즉, 충전 전류가 어떤 범위를 가지고 변동되면서 충전된다. 트리클 충전 방식에서는 충전 전류가 정전류 상태가 될 때 최적의 충전 상태를 유지하게 되는데, 종래의 기술에서는 상기와 같은 이유로 최적의 충전 상태를 가지지 못한다.
두 번째, 배터리가 수명이 다해서 배터리 내부 셀의 단락 현상이 일어나면 배터리의 전압이 낮아지면서 전류는 증가하게 된다. 이때, 설정 충전 전류 범위가 보다 커지게 되므로, 스위칭 전원부에 전체 전류(충전 전류+부하 전류) 부담이 커지게 된다. 그러므로 부하에 전원을 공급할 때 악영향을 주게되며 심한 경우 과부하로 스위칭 전원부가 다운되는 현상이 일어날 수 있다. 또한 배터리로 흐르는 전류값이 증가함에 따라 R1에서 소비되는 전력도 비례하여 증가하게 된다. 결국 R1에 과부하가 걸려 저항이 파손되는 경우도 발생할 수 있다.
세 번째, 배터리 충전 전압은 출력전압 +VO에 의해 결정되므로 부하 특성에 의해 +VO가 변동되는 경우 충전 전압 VB가 같이 변동하여 충전 특성에 영향을 줄 수 있다.
종래 기술에 의한 충방전 회로의 방전시 다음과 같은 문제점이 발생된다.
배터리 전압 VB가 D1을 통해 부하에 공급되면 처음 풀(Full) 충전 전압(+VO≒VB)에서 서서히 방전하기 시작하여 VB가 서서히 낮아지게 된다. VB가 계속 낮아져서 배터리 종지 전압에 도달하면 배터리를 차단하여 회로를 보호해야 한다. 그러나 종래 기술에 의한 배터리 충방전 회로는 이러한 차단 기능을 가지고 있지 않으므로 배터리가 완전 방전되어 재충전이 되지 않는 현상이 발생할 수 있다.
따라서 본 고안은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 배터리의 트리클 충전 방식에 따른 회로를 개선하여 충전 전류와 충전 전압을 유지시켜 최적의 충전 상태를 유지하며, 방전시 배터리 특성에 따른 보호 및 제어 기능이 추가된 니카드 배터리 충방전 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 종래 기술에 의한 충방전 회로의 구성도.
도 2 는 본 고안에 의한 배터리 충방전 회로의 구성도.
도 3 은 본 고안에 의한 정전압/정전류 회로의 내부 구조도.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 고안된 본 고안의 바람직한 일 실시예는,
교류 전원을 공급받아 출력 부하 전압과 충전 회로 전원 전압을 생성하는 스위칭 전원부와;
상기 출력 부하 전압 또는 배터리의 충전 전압을 공급받는 부하;
부하로 충전 전압을 공급하는 충방전 배터리;
상기 충전 회로 전원 전압을 공급받아 정전압과 정전류 상태를 유지시키는 정전압/정전류 충전 회로;
상기 정전압/정전류 회로로부터 정전압/정전류 상태의 신호를 공급받아 과방전 차단 회로로 전달하는 역전류 방지 다이오드;
상기 역전류 방지 다이오드와 연결되어 있으며 상기 배터리의 전압을 감시하여 충방전 동작을 제어하는 과방전 차단 회로부; 및
상기 과방전 회로부로부터 전해진 배터리 전압을 부하로 공급하는 무순단 절체 다이오드를 포함한다.
본 고안의 일 실시예에 있어서, 상기 정전압/정전류 회로부는, 입력단에 연결된 저항 R10과 R11에 의하여 분배된 신호를 베이스에 제공받아 입력 신호의 정전압을 유지시키는 트랜지스터 Q3와; 출력단에 연결된 저항 R8과 R9에 의하여 분배된 신호를 통해서 캐소드의 전류를 제어하며, 저항 R10 및 R11을 접지로 연결하는 제너 다이오드; 상기 Q3의 베이스 전류를 입력받아, 베이스 전류에 의하여 입력 신호의 정전류를 유지시키는 트랜지스터 Q4; 및 상기 트랜지스터2의 컬렉터를 통해 출력되는 정전압/정전류 신호를 검출하여 상기 Q4의 베이스로 인가하는 전류 감지 저항을 포함하는 것이 바람직하며,
상기 정전압/정전류 회로는 배터리로 유입되는 충전 전류를 항상 일정하게 유지시킴으로써 최적의 충전 상태를 유지시키는 것이 바람직하며,
상기 정전압/정전류 회로는 배터리로 유입되는 충전 전압을 항상 일정하게 유지시킴으로써 충전 전압 특성을 안정화하여, 배터리 내부의 단락 현상을 방지하고 배터리의 수명을 최대화 하는 것이 바람직하며,
상기 과방전 차단 회로부는, 상기 충전 회로 전원 전압 입력단에 연결된 저항 R3과 R4를 통해서 분배된 신호를 베이스에 제공받아, 저항 R5를 통해 연결된 릴레이 소자를 구동하는 트랜지스터 Q1; 정전압/정전류 상태의 신호 입력단에 연결된 R1과 R2를 통해서 분배된 신호를 베이스에 제공받으며, 저항 R5를 통해 연결된 릴레이 소자를 구동하는 트랜지스터 Q2; 및 상기 Q1 및 Q2가 모두 오프되었을 때 릴레이 스위치를 오프하는 릴레이 소자를 포함하는 것이 바람직하며,
상기 릴레이 소자는, 과방전 차단 릴레이 스위치와 릴레이 코일 및 릴레이 코일의 역기전력 흡수 다이오드로 이루어져 있는 것이 바람직하며,
상기 과방전 차단 회로부는 상기 배터리 전압이 방전 종지 전압 이상이 되면 릴레이 스위치를 온시켜 충전을 시작하며, 상기 배터리 전압이 방전 종지 전압 이하가 되면 릴레이 스위치를 오프시켜 방전을 차단하는 것이 바람직하며,
상기 과방전 차단 회로부는, 상기 배터리 전압이 방전 종지 전압이 되어 방전이 차단되면 배터리 누설 전류 값을 자연 방전 상태로 유지하여 차단 상태를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
본 고안은 니카드 배터리를 충전(Backup)하여 사용하는 기기의 충방전 회로에 있어서, 배터리의 트리클 충전 방식에 따른 회로를 구성할 때 종전의 방식보다 충방전 특성을 개선한다. 또한 배터리 특성에 따른 보호 및 제어 기능을 최적 설계하여 배터리를 사용하는데 있어서 고신뢰성의 충방전 회로를 설계한다.
본 고안의 주된 기능은 다음과 같다.
(1) 정전류 회로를 구성하여 충전 전류(트리클 충전 전류값)가 항상 일정하게 흐르도록 하여 트리클 충전 방식에서 최적의 충전 상태를 유지한다.
(2) 정전압 회로를 구성하여 풀 충전시 배터리 충전 전압을 항상 일정한 값으로 유지시켜 충전 전압 특성을 안정화 시키고 배터리의 수명을 최대화한다.
(3) 배터리 내부 셀 단락 현상으로 충전 전류가 증가되는 것을 제한한다. 또한 최악의 경우 배터리 양단 단락시에도 전류를 제한한다.
(4) 수동 소자인 저항 대신 능동 소자인 트랜지스터를 사용한 정전압 정전류 회로를 구성하여 손실을 최소화하고 신뢰성을 향상시킨다.
(5) 교류 전원의 오프시 배터리가 방전되어 배터리 전압이 부하로 공급될 때 배터리 전압이 풀 충전 전압에서 서서히 방전되어 방전 종지 전압에 도달하였을 때, 배터리의 방전을 차단하여 배터리가 완전 방전되지 않도록 하는 보호 회로를 구성한다.
(6) 방전 종지 전압에서 배터리의 방전이 차단된 상태에서, 배터리의 누설 전류 값은 자연 방전 상태로 차단 회로를 구성한다. 즉, 완전 차단하여 공기중 방전 상태를 만든다.
도 2 는 본 고안에 의한 배터리 충방전 회로의 구성도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 교류 입력을 사용하여 직류 출력 전압 +VO1과 직류 충전 회로 전원 전압 +VO2을 공급하는 스위칭 전원부와; 상기 +VO2를 입력으로 하는 정전압/정전류 충전 회로부; 과방전(방전 종지 전압) 차단 회로부; 방전시 역전류 방지 다이오드 D2; 무순단 절체 다이오드 D1; 충방전을 위한 니카드 배터리; 과방전 차단 릴레이 소자인 RL1; 릴레이 코일의 역기전력 흡수 다이오드인 D5를 포함한다.
상기 스위칭 전원부는 병렬로 구성된 다이오드(D3,D4)와 캐패시터(C1,C2)를 사용하여 출력 전압 +V1 과 충전 전원 +V2 을 정류한다. 상기 D3와 C1은 출력 전압 +V1 의 정류 평활 소자이며, 상기 D4와 C2는 충전 전원 +V2 의 정류 평활 소자이다.
이하 도 1을 참조하여 본 고안에 의한 배터리 충방전 회로의 충전시 동작에 대하여 상세히 설명한다.
교류 입력으로 교류 전원이 공급되면 스위칭 전원부에서 출력 전압 +V1 , +V2 를 공급한다. 이때 출력 전압 +V1 은 부하에 공급되고, +V2 는 정전압/정전류 충전 회로에 인가된다. 정전압/정전류 충전 회로를 통과한 +V2 는 역전류 방지 다이오드인 D2를 거쳐 릴레이 스위치를 통해 충전 전류 I1을 흐르게 한다. 충전 전류 I1은 배터리를 충전시킨다.
이때 릴레이를 온(ON)시키기 위해서, R3와 R4에 의해 Q1의 베이스(Base)에 전압을 인가한다. Q1이 도통되면 릴레이 코일의 전류는 +V1 에서 릴레이 코일과 R5를 통해서 Q1의 에미터(Emitter)로 전류가 흐르게 되어 결과적으로 릴레이 스위치를 온시킨다.
배터리 전압이 방전 종지 전압 이상으로 충전되면 R1과 R2에 의해 Q2가 도통된다. 그러면 R5를 통해 흐르는 전류는, Q1과 Q2를 통해 병렬로 분배되어 흐르므로 릴레이는 온 상태를 유지한다. 이 상태에서 배터리에 인가되는 전원은 정전압 정전류 상태로 배터리를 충전한다.
또한 상기 도 1을 참조하여 본 고안에 의한 배터리 충방전 회로의 방전시 동작에 대하여 상세히 설명한다.
교류 전원이 오프되면 스위칭 전원부의 동작이 정지된다. 그러면 교류 전원에 의한 +V1 , +V2 가 오프됨과 동시에 무순단으로 배터리 전원 +VB 가 릴레이를 거쳐 D1으로 전류 I2를 흐르게 한다. 전류 I2는 부하에 전원을 공급한다. 이때 Q1은 +V2 가 오프 상태이므로 베이스에 전압이 인가되지 않아 오프 상태이다. 그러나 Q2는 방전 종지 전압 전까지는 도통 상태를 유지하므로 릴레이는 계속해서 온 상태를 유지한다.
배터리가 방전되어 부하에 전원을 계속 공급하면, 배터리 전압이 서서히 내려가 방전 종지 전압에 다다르게 된다. 그러므로 Q2가 오프되어 릴레이 코일에 흐르던 전류가 오프된다. 결국 릴레이 스위치가 오프되어 +VB 가 부하로부터 차단되고 방전이 중단된다.
다시 교류 전원이 온되면 본 고안에 의한 배터리 충방전 회로는 충전시의 동작을 반복한다.
상기 도 2 에 나타낸 정전압/정전류 회로는 교류 전원을 받아들여 정전압과 정전류 상태를 유지한다. 도 3 은 본 고안에 의한 정전압/정전류 회로의 내부 구조도를 나타낸 것이다. 이하 본 고안에 의한 정전압/정전류 회로의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
본 고안에 의한 정전압/정전류 회로에서, 정전압 회로의 동작은 R10을 통해 R11을 거쳐 U1의 캐소드(Cathode)로 흐르는 전류를 제어하여 이루어진다. 즉 Q3의 베이스 전류를 제어하여 정전압을 유지한다. 이때의 정전압은 R8과 R9에 의해 결정되며, U1의 3번 단자로 피드백되어 U1의 캐소드에 흐르는 전류를 제어한다.
또한 정전류 회로의 동작은 D2로 공급되는 충전 전류를 전류 감지 저항 R5로 검출하여 R6와 R7에 인가함으로써 Q4의 베이스 전류가 제어된다. 따라서 Q4의 컬렉터 전류가 제어되어 Q3의 베이스 전류를 제어함으로써 정전류를 유지하게 된다. 정전류값은 R5에 의해 결정된다.
상기한 바와 같이 동작하는 본 고안으로부터 얻을 수 있는 배터리의 충전 동작시의 효과는 다음과 같다.
첫 번째, 정전류 회로를 적용하여 트리클 충전 방식으로 최적의 충전 상태를 구현한다. 두 번째, 정전압 회로를 적용하여 충전 전압을 일정하게 유지시킴으로써 충전 전압 특성을 안정화하여 배터리의 수명을 최대화한다. 세 번째, 배터리 내부 셀 단락 현상으로 과 충전 전류 발생시 전류를 제한하여 과전류가 흐르지 않게 한다. 배터리 양단의 단락시에도 전류가 제한되어 과전류가 흐르지 않게 한다. 네 번째, 전용 충전 전원 +V2 로 충전 회로를 구현하여 부하 특성에 영향을 받지 않으므로 충전 특성을 개선한다.
또한 본 고안으로부터 얻을 수 있는 배터리의 방전 동작시의 효과는 다음과 같다.
첫 번째, 배터리 방전 종지 전압에서 차단 회로를 구현하여 배터리가 완전 방전 상태가 되지 않도록 함으로써 배터리의 완전 방전으로 인한 고장이 발생하지 않도록 한다. 두 번째, 배터리 과방전 차단 상태에서 누설 전류 값이 자연 방전 상태를 유지하도록 하여 차단 회로를 구현한다. 세 번째, 과방전 차단후 교류 전원이 온되어 충전시켜 주지 않으면 어떠한 경우라도 차단 상태를 유지한다.

Claims (8)

  1. 교류 전원을 공급받아 출력 부하 전압과 충전 회로 전원 전압을 생성하는 스위칭 전원부와;
    상기 출력 부하 전압 또는 배터리의 충전 전압을 공급받는 부하;
    부하로 충전 전압을 공급하는 충방전 배터리;
    상기 충전 회로 전원 전압을 공급받아 정전압과 정전류 상태를 유지시키는 정전압/정전류 충전 회로;
    상기 정전압/정전류 회로로부터 정전압/정전류 상태의 신호를 공급받아 과방전 차단 회로로 전달하는 역전류 방지 다이오드;
    상기 역전류 방지 다이오드와 연결되어 있으며 상기 배터리의 전압을 감시하여 충방전 동작을 제어하는 과방전 차단 회로부; 및
    상기 과방전 회로부로부터 전해진 배터리 전압을 부하로 공급하는 무순단 절체 다이오드를 포함하는, 니카드 배터리 충방전 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정전압/정전류 회로부는,
    입력단에 연결된 저항 R10과 R11에 의하여 분배된 신호를 베이스에 제공받아 입력 신호의 정전압을 유지시키는 트랜지스터 Q3와;
    출력단에 연결된 저항 R8과 R9에 의하여 분배된 신호를 통해서 캐소드의 전류를 제어하며, 저항 R10 및 R11을 접지로 연결하는 제너 다이오드;
    상기 Q3의 베이스 전류를 입력받아, 베이스 전류에 의하여 입력 신호의 정전류를 유지시키는 트랜지스터 Q4; 및
    상기 트랜지스터2의 컬렉터를 통해 출력되는 정전압/정전류 신호를 검출하여 상기 Q4의 베이스로 인가하는 전류 감지 저항을 포함하는, 니카드 배터리 충방전 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 정전압/정전류 회로는 배터리로 유입되는 충전 전류를 항상 일정하게 유지시킴으로써 최적의 충전 상태를 유지시키는, 니카드 배터리 충방전 회로.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 정전압/정전류 회로는 배터리로 유입되는 충전 전압을 항상 일정하게 유지시 킴으로써 충전 전압 특성을 안정화하여, 배터리 내부의 단락 현상을 방지하고 배터리의 수명을 최대화 하는, 니카드 배터리 충방전 회로.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 과방전 차단 회로부는,
    상기 충전 회로 전원 전압 입력단에 연결된 저항 R3과 R4를 통해서 분배된 신호를 베이스에 제공받아, 저항 R5를 통해 연결된 릴레이 소자를 구동하는 트랜지스터 Q1;
    정전압/정전류 상태의 신호 입력단에 연결된 R1과 R2를 통해서 분배된 신호를 베이스에 제공받으며, 저항 R5를 통해 연결된 릴레이 소자를 구동하는 트랜지스터 Q2; 및
    상기 Q1 및 Q2가 모두 오프되었을 때 릴레이 스위치를 오프하는 릴레이 소자를 포함하는, 니카드 배터리 충방전 회로.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 릴레이 소자는,
    과방전 차단 릴레이 스위치와 릴레이 코일 및 릴레이 코일의 역기전력 흡수 다이오드로 이루어져 있는, 니카드 배터리 충방전 회로.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 과방전 차단 회로부는 상기 배터리 전압이 방전 종지 전압 이상이 되면 릴레이 스위치를 온시켜 충전을 시작하며, 상기 배터리 전압이 방전 종지 전압 이하가 되면 릴레이 스위치를 오프시켜 방전을 차단하는, 니카드 배터리 충방전 회로.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 과방전 차단 회로부는, 상기 배터리 전압이 방전 종지 전압이 되어 방전이 차단되면 배터리 누설 전류 값을 자연 방전 상태로 유지하여 차단 상태를 유지하도록 하는, 니카드 배터리 충방전 회로.
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