KR20020045472A

KR20020045472A - 디지털 충전장치

Info

Publication number: KR20020045472A
Application number: KR1020000078102A
Authority: KR
Inventors: 김동완; 서만호; 황기현; 남징락; 우정인; 황현준
Original assignee: 김동완; 서만호
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-06-19

Abstract

본 발명은 디지털 충전장치의 개발에 관한 것이다.

기존의 일반적인 충전기는 한계값을 기준으로 충전상태를 검지하고 이를 PI(비례, 적분)제어기에 의하여 제어한 후 SCR(Silicon Controlled Rectifier)에 의해 전원을 공급하는 것이 일반적이다. 따라서, 진동성분을 가지는 전원을 공급하기 때문에 축전지의 수명단축, 폐축전지의 다량배출 등 많은 문제점이 제기되고 있다.

따라서 발명하고자 하는 디지털 충전장치는 충전상태의 검출전류가 0.1∼0.3[mA]의 범위까지 정확하게 검출되도록 고기능ㆍ저가형 전자회로로 설계함으로써 검출의 정밀도가 뛰어나며, 이를 마이크로 프로세서에 의한 주 CPU(Central Process Unit)가 지능기법(유전알고리즘)을 이용한 PI(비례, 적분)제어기로 설계되기 때문에 PWM(Pulse Width Modulation)인버터가 미세한 펄스신호를 가하여 미세 진동이 없는 양질의 전원을 공급하고, LCD(Liquid Crystal Display)를 사용하여 전원공급 상태에 대한 감시기능과 충전상태 및 급충전 요구상태까지 표시할 수 있어 충전의 효율성을 가지고 있으며 15[v]와 0.4[v] 등의 혼용의 사용으로 인한 노이즈의 영향에 대한 보호 및 스위칭회로의 보호 등을 위한 보호장치를 가지고 있어 안정성을 가진 디지털 충전장치를 개발하고자 한다. 개발된 디지털 충전장치는 축전지를 이용한 여러가지 형태의 Utility Car (전기자동차, 골프카, 지게차, 전동대차 등)와 무정전공급장치(UPS), 고정밀 통신기기, 태양에너지를 이용한 축전설비 등에 사용한다.

Description

디지털 충전장치{Digital Charger Equipment}

본 발명은 디지털 충전장치의 개발에 관한 것으로, 충전상태의 검출을 0.1∼0.3[mA]의 범위까지 정확히 검출하는 회로를 설계하여 이를 마이크로 프로세서에 의한 CPU에서 지능기법인 유전알고리즘을 이용한 PI(비례, 적분)제어기로 미세한 펄스신호를 가하기 때문에 미세 진동이 없는 양질의 전원을 공급하는 것에 관한 것이다. 특히, LCD에 의한 전원의 공급상태 및 충전ㆍ급충전 상태를 표시하는 기능을 지님으로써 운용의 효용성을 가지며, 양질의 전원공급으로 인해 축전지의 수명연장과 에너지 절약 및 연속운전을 통한 경제적 효과가 높을 것이다.

기존의 일반적인 충전기는 대부분 계전기 방식으로 한계 값을 기준으로 충전상태를 검지하고, 이를 PI(비례, 적분)제어기에 의하여 제어한 후 사이리스터에 의해 전원을 공급하는 것을 사용하고 있다. 그러므로 상기 기존의 일반적인 충전기는 진동성분을 가지는 전원을 공급하기 때문에 축전지의 수명단축, 폐축전지의 다량배출 등 많은 문제점이 제기되고 있다.

이는 종래 기술 자체가 계전기(Relay) 방식에 의존하여 충전상태를 검지하고, 이것을 SCR에 의해 전원을 공급하므로 교류를 직류로 변환하는 과정에서 진동성분을 가지게 된다. 이러한 충전기는 회로 구성상, 대부분 대형화 형태로 이루어져 있기 때문에 전체 구성을 위한 단가 자체가 고가형으로 되어 있다. 반면 정밀도는 아주 낮은 레벨로 이루어져 있으며, 고장 시에도 수리비용이 많이 소요된다.

일반적으로 축전지의 수명은 잦은 충ㆍ방전의 횟수에 따라 그 수명이 좌우되며, 특히, 충분한 충전이나 방전이 이루어지지 않은 상태에서 추가로 충전이나 방전을 행할 경우에는 수명이 단축된다. 그런데도 불구하고 축전지에 대한 자가진단 기능이 없으므로 충전상태에 대한 정도를 확인할 수가 없으며, 축전지에 남아있는 잔류상태의 인식미비로 인한 운전불능 상태까지 초래함으로써 운용에 많은 불편을 겪고 있다. 이는 기존의 방식이 아주 낮은 형태의 기술로 이루어져 있음으로 해서 유틸리티 카 등이 불연속적인 작업운용으로 말미암아 작업 능률의 저하 및 비경제적인 요소들이 많이 발생하고 있음을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 충전상태의 검출전류가 0.1∼0.3[mA]의 범위까지 정확하게 검출되도록 고기능ㆍ저가형 전자회로로 설계함으로써 검출의 정밀도가 뛰어나며, 이를 저가형 Micro processor인 PIC에 의한 Main CPU가 지능기법인 유전알고리즘을 이용한 PI제어기로 설계되기 때문에 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터가 미세한 펄스신호를 가함으로써 리플율(ripple ratio)이 ±1%이내로 미세 진동이 없는 양질의 전원을 공급하고, 만충전 상태의 오차율이 ±1%이내, 전압안정도가 ±0.1V, 전압검출의 정확성이 ±0.5V이내인 디지털 충전장치를 발명하고자 한다. 또한 LCD를 장착하여 전원공급 상태의 감시기능과 충전상태 및 급충전 요구상태를 Display하는 기능을 부가함으로써 충전상태의 효율적 운용이 가능하며, 양질의 전원으로 충전함으로써 축전지의 수명연장과 효율적인 사용에 의한 Energy saving 및 연속운전을 통한 경제적인 효과가 가능하도록 한 것으로, 본 발명의 목적은 충전기의 디지털화를 통한 성능개선 및 고기능ㆍ저가형 충전기를 제공하는데 있다.

도 1 은 디지털 충전장치의 전체 구성도이고

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 충전장치의 입출력제어신호를 출력하기 위해 연산을 수행하는 마이크로 프로세서부이고,

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 충전장치의 배터리의 충전전류 및 충전전압을 검출하여 배터리의 충전상태를 검출하는 전압 및 전류검출 회로부이고,

도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 충전장치의 배터리 충전신호를 발생하는 펄스폭변조 파형발생 및 구동회로부이고,

도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 충전장치에서 3상전원을 정류하여 상기 펄스폭 변조파형 발생 및 구동회로부에 보내는 정류회로부이고,

도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 충전장치에서 충전개시신호를 출력하는 충전시작부 및 충전상태를 표시하는 충전상태 표시부를 포함하는 충전조작부이다.

< 도면의 주요부분에 대한 설명 >

도2 : 마이크로 프로세서부(PIC) 도3 : 전압 및 전류 검출회로

도4 : 펄스폭변조 파형발생 및 구동회로부 도5 : 정류회로부

도6 : 충전시작부 및 충전상태 표시부를 포함하는 충전조작부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지털 충전장치는 사용자의 조작에 의해 충전개시신호를 출력하는 충전시작부 및 충전상태를 표시하는 충전상태표시부를 포함하는 충전조작부와 ;

입력신호로서 충전개시신호와 패널부의 기준전압, 기준신호와 전압 및 전류검출 회로부의 검출신호를 입력하고,

출력신호로서 상기 충전조작부에 상태표시신호와 펄스폭변조파형 발생 및 구동회로부에 내보내는,

입출력제어신호를 출력하기 위해 연산을 수행하는 마이크로 프로세서부와 ;

배터리 충전신호를 발생하는 펄스폭변조 파형발생 및 구동회로부와 ;

3상전원을 정류하여 상기 펄스폭 변조파형 발생 및 구동회로부에 보내는 정류회로부와 ;

배터리의 충전전류 및 충전전압을 검출하여 배터리의 충전상태를 검출하는 전압 및 전류검출회로부 ;

를 포함하는 디지털 충전장치로 구성되는 것에 특징이 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 디지털 충전장치는 축전지에 미세 진동이 거의 발생하지 않는 전원을 공급하는 전원 입력부와 충전상태의 검출전류가 0.1∼0.3[mA]의 범위까지 정확하게 검출되도록 고기능ㆍ저가형 전자회로로 설계함으로써 검출의 정밀도가 뛰어나며, 이를 Micro-processor에 의한 Main CPU가 지능기법인 유전알고리즘을 이용한 PI제어기로 설계하여 정밀도를 높임과 동시에 소형화를 이룰 수 있으며, 또한 LCD를 사용하여 전원공급 상태에 대한 감시기능과 충전상태 및 급 충전요구 상태까지 표시할 수 있는 고기능성 디지털 충전장치이다.

이하, 본 발명에 따른 디지털 충전장치의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하겠다.

도 1은 본 발명에 따른 디지털 충전장치의 전체 구성도이다.

사용자의 조작에 의해 충전개시신호를 출력하는 충전시작부 및 충전상태를 표시하는 충전상태표시부를 포함하는 충전조작부와 입력신호로서 충전개시신호와 패널부의 기준전압, 기준신호와 전압 및 전류검출 회로부의 검출신호를 입력하고 출력신호로서 상기 충전조작부에 상태표시신호와 펄스폭변조파형 발생 및 구동회로부에 내보내는 입출력제어신호를 출력하기위해 연산을 수행하는 마이크로 프로세서부와 배터리 충전신호를 발생하는 펄스폭변조파형발생과 구동회로부와 3상전원을 정류하여 상기 펄스폭변조파형 발생 및 구동회로부에 보내는 정류회로부와 배터리의 충전전류 및 충전전압을 검출하여 배터리의 충전상태를 검출하는 전압 및 전류검출 회로부를 포함하는 디지털 충전장치로 구성되어있고,

외부의 패널에서 충전하고자 하는 전류 및 전압의 레벨을 가하면 이 명령신호는 PIC에 가해지고 동시에 축전지의 현재 충전상태 즉 전류 및 전압을 검출하여 PIC에 보내진다. 이 두 신호의 차이를 보정하는 방향으로 제어신호가 만들어지며 이러한 제어신호는 PIC에 내장된 프로그램에 의해 지능기법인 유전알고리즘에 의해출력전압이 입력의 충전희망전압과 진동성분이 없이 완전히 일치될 수 있는 제어신호를 만들어 내는 PI제어기의 게인을 자동으로 결정한다. 이 PI제어기에서 나온 제어신호는 PWM 및 구동회로에 가해져서 디지털신호를 만들어 내며 이것이 축전지에 가해지고 원하는 충전상태로 될 때까지 충전이 계속된다. 또한 이러한 충전과정은 PIC에 내장된 프로그램에 의해 LCD(액정)에 디스플레이되며 이 과정에서 생길 수 있는 잡음과 노이즈는 잡음 및 노이즈방지장치에 의해 방지되어 충전장치의 동작이 정확히 이루어질 수 있도록 한다. 상기의 과정이 원하는 충전상태로 될 때까지 반복된다.

도 2는 본 발명의 주 제어장치인 입출력제어신호를 출력하기 위해 연산을 수행하는 마이크로 프로세서부(PIC : 원칩 마이컴)에 관한 회로도이다.

PIC(원칩 마이컴)는 저가형 마이크로 프로세서로서 성능은 고기능성을 발휘하는 소자이며, 입ㆍ출력제어를 행할 수 있다. PWM파형발생 및 구동회로에 전원을 공급하고 축전지로부터 전압 및 전류검출 신호를 받아 최적 충전상태를 유지한다. 또한 충전상태를 신호처리를 통하여 LCD에 공급하여 줌으로써 충전상태를 표시하게 한다.

PIC(원칩 마이컴)에 내장된 지능기법인 유전알고리즘을 이용한 PI제어기에 의한 제어신호의 발생부는 PIC내부의 기억소자에 기억된 프로그램에 의해서 주변 장치들을 제어하는 장치이다. 특히 정밀한 충전을 위해 지능기법에 의한 PI제어방법을 사용하여 필요한 신호에 대한 명령을 한다. 지능기법이란 스스로 임의의 상태를 판단하여 적절한 동작을 행할 수 있는 최적화방법으로 현재 신경회로망기법(인간의 뇌의 신호체계와 유사함)과 퍼지기법(기존의 0과 1의 개념에서 탈피하여 0과 1외에 0.1, 0.3 등을 포함한 퍼지집합을 사용함으로서 임의의 신호분석이 더욱 정밀하게 될 수 있는 특성이 있음)과 유전 알고리즘(적자생존에 따른 확률적인 방법에 의해 최적해를 찾아가는 강력한 최적화 기법중의 하나로서 복제, 교배, 돌연변이의 3개의 유전연산자를 사용하여 최적해를 찾아가는 방법) 및 진화전략, 진화프로그램, 문화연산 등이 있다. 본 발명에서는 비례 적분제어기의 게인의 최적값을 찾는 과정에서 유전 알고리즘을 이용하여 그 정밀성을 향상 시켰다. 즉 축전지에 가해지는 전류 및 전압파형이 미세진동이 없는 일정하고 안정된 전원이 될 수 있도록 유전알고리즘이 PI제어기의 게인을 전압 및 전류검출장치에서 검출된 값과 외부에서 가해지는 지정된 충전전압값이 진동없이 완전히 일치될 수 있도록 최적화시킨다. 유전알고리즘의 각단계에서 필요한 문자열의 크기, 해집단의 크기, 세대수, 교배확률 및 돌연변이 확률 등은 경험적인 방법으로 적절히 선정한다. 유전알고리즘은 적자생존에 따른 확률적인 방법에 의해 최적해를 찾아가는 최적화기법 중의 하나로서 수렴속도가 빠른 룰렛힐(Roulette Wheel Seletion) 방법과 정확성이 뛰어난 토너먼트(Tournament Selection)방법이 있으며 본 연구에서는 토너먼트방법을 사용한다. 또한 유전알고리즘은 기존의 최적화 기법과는 다르게 다음의 특징이 있다. 즉 연속미분가능과 같은 목적함수에 대한 제한이 없으며, 문자열에 대한 부호화를 통해 다수의 변수들을 동시에 최적화할 수 있고, 개별 문자열에 대한 적합도(fitness)외에 다른 정보가 필요없다. 이러한 유전알고리즘을 사용하여 PI의 최적게인을 결정함으로서 충전을 위해 축전지에 가해지는 전류 및 전압의 파형은정밀하고 안정성을 가진 신호가 되어 축전지의 수명연장 및 에너지 절약의 효과가 있다.

도3은 배터리의 충전전류 및 충전전압을 검출하여 배터리의 충전상태를 검출하는 전압 및 전류검출 회로부이다.

축전지의 정밀한 충전을 위한 포토커풀러(photo couple) 및 홀센서(hall sensor)를 이용한 전압 및 전류검출부는 충전상태를 검출하는 장치이다. 전압 및 전류의 검출은 축전지로부터 포토커풀러및 홀센서를 통하여 감지함으로써 검출의 정밀도가 전압검출인 경우 ±0.5[V], 전류검출인 경우 0.1∼03[mA]로 뛰어나며, 각각 독립된 회로를 구성함으로써 절연의 정도가 우수하도록 설계를 하였다. 또한, 충전상태의 정확한 감지를 통해 만충전 외에는 충전을 하지 않도록 하여 축전지의 수명을 연장할 수 있도록 한다. 충전의 정확한 상태를 읽기 위해 피드백으로 축전지의 전류 및 전압상태을 홀센서를 사용하여 체크한다. 이러한 신호도 역시 PIC에 가해지고 이를 체크하여 적절한 충전신호를 새롭게 발생하도록 한다.

도4는 배터리 충전신호를 발생하는 펄스폭변조 파형발생 및 구동회로부이다.

제어신호에 의한 PWM인버터에 의한 충전신호 발생부는 PIC에서 나온 제어명령에 의해 펄스폭변조파형을 만들어 축전지에 공급하는 장치이다.

PWM인버터는 교류의 제어를 위해 펄스폭을 미세하게 조정하여 대상에 가해지는 전압 또는 전류의 평균치를 제어하는 방법이며, PWM은 변조파와 기준신호를 통하여 출력파형의 주기 내 펄스를 복수개로 분할해서, 각각의 펄스폭을 제어함으로써 출력파형의 제어와 파형개선(저차고조파의 저감)을 행하게 된다. 본 발명에서는PIC에서 지능기법에 의한 PI제어기에서 나온 제어신호에 따라 우리가 원하는 입력값과의 오차를 최소화하는 펄스파형을 만들기 위해 PWM인버터를 사용하였다. 따라서, 미세한 펄스신호를 가함으로써 리플율(ripple ratio)이 ±0.1V 이내로 미세진동이 없는 양질의 전원을 공급하고 만충전의 오차율이 ±0.1%이내가 되도록 한다..

도5는 3상전원을 정류하여 펄스폭 변조파형 발생 및 구동회로부에 보내는 정류회로부이다.

입력전원에 대한 정류를 정밀하게 설계함으로써 전압안정도가 ±0.1V이내로 정밀하게 이루어지도록 하였으며, 축전지의 전원으로 공급되게 된다.

도6은 충전시작부 및 충전상태를 표시하는 충전상태표시부를 포함하는 충전조작부이다.

충전상태의 Display 및 충전장치의 잡음과 서어지를 방지하는 부분은 충전장치에 가해지는 외부 잡음과 노이즈의 방지장치와 충전상태를 디스플레이하는 장치이다. 디지털 충전장치를 소형화하기 위해 보드를 만드는데 보드에 사용된 소자들은 모두 약전소자(약 5V 내외)이므로 전원이 가해져 충전장치가 동작할 때 상호간에 서로 영향을 주게된다. 따라서 이의 방지가 필요하고 이를 위해 photo coupler를 이용하여 전체 회로는 정확히 동작하고 상호간에는 서로 영향이 미치지 않도록 보드를 만들었다. 또한 충전기의 상태를 정확히 디스플레이함으로서 사용자가 충전기의 상태를 수시로 확인하여 불필요한 에너지의 낭비를 막고 에너지의 절약에 기여할 수 있도록 한다. 이러한 디스플레이 기능도 주제어는 PIC에 내장된 프로그램에 의해 이루어지며 디스플레이는 LCD라는 액정화면으로 나타나도록 하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 Micro-processor에 의한 Main CPU(PIC:원칩 마이컴)에 의해 지능기법(유전알고리즘)을 이용한 PI제어기로 제어장치를 설계함으로써 정밀도를 높임과 동시에 소형화를 이룰 수 있다.

또한 축전지에 진동성분이 거의 없는 양질의 전원을 공급함으로써 축전지의 수명을 연장시킬 수 있으며, LCD를 사용하여 전원공급 상태에 대한 감시기능과 충전상태 및 급충전요구 상태까지 Display할 수 있기 때문에 축전지의 잔류상태의 인식미비로 인한 운전불능 상태를 방지할 수 있으며, 연속운전을 통해 작업의 능률이 향상 될 것이기에 그에 따른 경제적 효과는 매우 클 것이며 디지털 충전장치는 국내 중소, 대기업의 유틸리티카 등에 활용하다. 또한 저가형 및 고성능 디지털 충전장치의 발명에 따른 수입대체 및 수출파급 효과가 기대된다.

Claims

사용자의 조작에 의해 충전개시신호를 출력하는 충전시작부 및 충전상태를 표시하는 충전상태표시부를 포함하는 충전조작부와 ;

"입력신호로서 충전개시신호와 패널부의 기준전압, 기준신호와 전압 및 전류검출 회로부의 검출신호를 입력하고"

출력신호로서 상기 충전조작부에 상태표시신호와 펄스폭변조파형 발생 및 구동회로부에 내보내는 입출력제어신호를 출력하기 위해 연산 및 유전알고리즘에 의해 최적화된 게인을 가진 PI제어기에 의해 축전지에 가해지는 진동이 없는 전류 및 전압 제어신호를 출력하는 마이크로프로세서부와 ;

배터리 충전신호를 발생하는 펄스폭변조 파형발생 및 구동회로부와 ;

3상전원을 정류하여 상기 펄스폭 변조파형 발생 및 구동회로부에 보내는 정류회로부와 ;

배터리의 충전전류 및 충전전압을 검출하여 배터리의 충전상태를 검출하는 전압 및 전류검출회로부를 포함하는 디지털 충전장치
제 1 항에 있어서, 마이크로프로세서부는 전압 및 전류검출 회로부의 검출신호와 패널부의 기준전압, 기준신호를 입력받아 제어신호를 출력하는 지능기법(유전알고리즘)에 의한 비례적분제어기와 ;

상기 비례미분제어기의 출력신호를 입력받아 만충전시 전압제어로 변경하는로직 회로부와;

충전개시신호와 로직회로부의 신호를 입력받아서 충전상태표시부에 충전상태신호를 출력하고 펄스폭 변조파형 발생 및 구동회로부에 입출력제어신호를 출력하는 상태표시 및 입출력제어부를 포함하는 디지털 충전장치
제1항에 있어서 상기 충전시작부에서 출력되는 충전개시신호의 잡음을 제거하고 서어지를 방지하는 잡음 및 서어지 방지부를 포함하는 디지털 충전장치