KR20030020933A - 배터리 팩의 방전 재생 회로 - Google Patents

Abstract

납 축전지 배터리 팩을 위한 충전 회로는 납 축전지를 충전하는데 요구되는 것보다 낮은 전압을 가지며, 전력 변환기의 입력 단자에 걸쳐서 연결되는 희생 배터리를 포함하며, 여기서 상기 전력 변환기는 희생 배터리 전압을 배터리 팩을 충전하는데 충분한 출력 전압으로 상승시킨다. 저장된 프로그램의 제어 하에 작동하는 프로세서는 납 축전지에 걸쳐서 연결되고, 그 전압을 모니터 하며, 이러한 전압이 소정 수준보다 낮게 저하되면, 출력 신호를 생성함으로써, 전력 변환기가 그 증가된 전압을 납 축전지의 충전에 적용하도록 유발하게 된다. 상기 프로세서 프로그램은 납 축전지에 의해 동력이 공급되는 관련된 장치의 일반적인 동작 중에 일어나는 통상적인 배터리 전압의 변화 상태를 무시하고, 상기 납 축전지의 전압이 현저히 낮은 수준에 이르렀거나, 충분히 긴 시간 동안 낮은 수준에 이르러 있어서, 납 축전지가 과방전 상태에 있는 경우에만, 전력 변환기를 활성화시킨다.

Description

배터리 팩의 방전 재생 회로{BATTERY PACK DISCHARGE RECOVERY CIRCUIT}

씬 메탈 필름 셀(thin metal film cell)과 같이, 무선 전력 툴에 동력을 공급하기 위해 사용되는 형태의 납 축전지 셀에 있어서는 과방전(deep discharge)이 허용되지 않는다. 실제로, 이러한 셀이 일정 기간 이상동안 과방전의 상태에 놓여지는 경우에는 항구적인 손상을 입게 되는 경향이 있다.

납 축전지에서 충전을 회복시키거나, 유지하기 위한 재충전 장치가 알려져 있다. 이러한 장치 중 일부는 통상적으로 재충전될 배터리에 필적하는 크기와 출력을 가지는 보조 배터리를 삽입하게 된다. 그런데, 무선 전력 툴에 동력을 공급하기 위해 사용되는 형태의 배터리 팩의 경우 비교적 작은 크기와 중량을 가져야 하므로, 상기와 같은 재충전 장치는 이러한 배터리 팩에는 적당하지 아니하다. 또한,무선 전력 툴의 일반적인 작동 중에 배터리에 걸리는 부하에 따라, 배터리 팩 단자 전압이 순간적으로 현격히 저하될 수 있게 된다. 예를 들어, 툴의 전원을 켜면, 그 모터가 작동 속도에 다다를 때까지, 수분의 1초 동안 약 20 암페어의 전류가 요구된다. 더구나, 임팩트 렌치와 같은 임팩트 툴의 경우, 임팩트 상태에 있는 동안, 일반적인 잠금구 설치 기간(fastener installation peiode)인 5초에 걸쳐, 약 15 암페어의 전류가 요구되는 것이다. 너트 드라이버 또는 스크류 드라이버 툴에 있어서도, 스톨 상태(stall phase)에 있는 동안 마찬가지로 큰 부하가 걸리게 된다. 이와 같은 큰 전류 부하가 걸리는 동안, 배터리 단자 전압은, 실제로는 과방전의 상태에 있지 않음에도 불구하고, 과방전을 나타내는 전압 수준보다 낮게 강하될 수 있다. 따라서, 배터리 단자 전압에 의존하여 과방전 상태를 판단하는 과방전 재생 회로는 이러한 일반적이고, 순간적인 전압 강하와 과방전 상태를 구분할 수 있어야만 한다.

본 발명은 무선 전력 핸드 툴(hand tool) 등에 동력을 공급하기 위해 사용되는 형태의 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 위한 재충전 회로에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 납 축전지 셀(lead-acid battery cell)이 삽입된 배터리 팩에 관한 것이다.

본 발명에 의해 보호될 대상물에 대한 이해를 쉽게 하기 위한 목적으로, 첨부한 도면에 위 대상물의 실시예가 설명되어 있으며, 이러한 도면을 참고하여, 하기의 상세한 설명에 기재된 본 발명에서 보호될 대상물을 고찰하면, 그 구조 및 작용과 많은 장점이 쉽게 이해될 수 있다.

도 1은 관련된 배터리 팩과 연결된 과방전 재생 회로의 일부를 나타낸 개략적인 회로 구성도이고;

도 2는 도 1의 회로에 포함된 전력 변환기의 개략적인 회로도이며;

도 3은 도 1의 회로의 작동을 제어하기 위한 소프트웨어의 차례를 나타낸 순서도이다.

요약

본 발명은 부가적인 구조적 장점 및 작동에 있어서의 장점을 제공하면서도, 종래의 배터리 팩 재충전 회로의 문제점을 해결한 시스템에 대해 기술하고 있다.

따라서, 본 발명은 재충전될 배터리의 전압보다 실질적으로 작은 명목상의출력 전압을 가지는 재충전 셀을 사용하여, 과방전 상태의 배터리 팩을 재충전 시킬 수 있는 회로를 제공함을 일 특징으로 한다.

또한, 배터리 팩에 의해 동력이 제공되는 형태의 무선 전력 툴과 연결되도록 조절되고, 상기 툴의 일반적인 작동 중에 일어나는 순간적인 배터리 팩 전압 강하를 무시할 수 있는 상기에서 기술된 바와 같은 회로를 제공함을 다른 특징으로 한다.

본 발명은 또한 간단하고 경제적인 구조를 가지는 상기에서 기술된 바와 같은 회로를 제공함을 또 다른 특징으로 한다.

이러한 특징 또는 다른 특징들 중 일정한 것들은 배터리에 걸쳐서 연결되어 있으며, 배터리 전압을 모니터하기 위한 저장 프로그램의 제어 하에 작동하고, 제어 출력에서 제어 신호를 생성하는 프로세서와; 복수의 전력 입력 단자, 제어 출력과 연결 가능한 제어 입력 및 배터리 단자들과 각각 연결되는 복수의 전력 출력 단자를 가지는 전력 변환기와; 상기 전력 입력 단자에 걸쳐서 연결되며, 배터리를 충전하는데 필요한 것보다 실질적으로 낮은 셀 전압을 가지는 희생 배터리 셀을 포함하여 구성되는, 양과 음의 단자를 가지는 배터리 팩의 납 축전지를 위한 충전 회로에 있어서, 상기 프로세서는 미리 결정된 수준보다 낮게 떨어진 배터리 전압에 반응하여 제어 신호를 생성시키고, 상기 변환기는 제어 신호에 반응하여, 상기 셀 전압을 배터리를 충전하는데 충분한 출력 전압으로 증가시키고, 전력 출력 단자에서 상기 출력 전압을 제공함을 특징으로 하는 충전 회로를 제공함으로써 달성될 수 있다.

도 1을 참조하면, 하나 또는 그 이상의 납 축전지 셀을 포함할 수 있으며, 각각 양과 음의 단자(12, 13)를 가지는 배터리 팩(11)을 충전하기 위한 것으로, 일반적으로 숫자 10으로 지정된 충전 회로가 예시되어 있다. 상기 회로(10)는 상기 단자(12, 13)들에 걸쳐서 연결되고, 저장된 프로그램의 제어 하에 작동하는 전압 모니터/제어기(14)를 포함한다. 상기 전압 모니터/제어기(14)는 상업적으로 이용 가능한 형태의 마이크로컨트롤러가 될 수 있으며, 상기 단자(12, 13)들에 걸쳐서 연결된 전력 변환기(20)의 제어 입력과 15의 위치에서 연결되어 있는 제어 출력을 포함한다. 보다 명확히는, 상기 전력 변환기(20)는 각각 단자(12, 13)에 연결된 양과 음의 전력 출력 단자(18(+V_out), 19(-V_out))를 가진다. 상기 전력 변환기(20)는 또한 전력 입력 단자(21(+V_in), 22(-V_in))를 가진다.

상기 전력 변환기(20)는 DC/DC 변환기이고, 도 2에 개시된 형태의 MOSFET 전압 스텝-업 발진 회로(MOSFET voltage step-up oscillator circuit)로 될 수 있다. DIP-패키지화된, 이러한 회로의 상업적으로 사용 가능한 형태는 Datel, Inc.에 의하여, XWR 시리즈로 판매된다. 도 2를 참조하면, 전력 변환기(20)는 전력 입력 단자(21-22)와 연결되고, 병렬 캐패시터(23 및 24)와 일련의 유도자(25; inductor)를 포함하는 입력 파이 필터(input pi filter)를 포함한다. 상기 변환기는 또한, 유도자(25) 및 MOSFET(27)과 직렬로 연결된 1차 권선을 구비하며, 상기 MOSFET(27)은 15의 위치에서 제어 입력과 연결된 컨트롤 게이트 단자를 구비하게 되는 스텝-업 변압기(26)를 포함한다. 상기 변압기(26)의 2차 권선은 전압 출력 단자(18, 19,)에 걸쳐서 정류 다이오드(28)와 직렬로 연결되어 있다. 필터 캐패시터(29)는 또한 단자(18, 19)에 걸쳐서 연결되어 있다.

제어 신호가 15의 위치에서 제어 입력에 존재하는 경우, 상기 MOSFET(27)은 전류가 변압기(26)의 1차 권선을 통하여 흐를 수 있도록 허용 하면서, 전도성을 띄게 되고, 이는 출력 단자(18, 19)를 거쳐서 입력 단자(21, 22)에서의 입력 전압을 더 높은 수준의 출력 전압으로 상승시키게 된다. 이러한 관점에서, 상기 충전 회로(10)는 또한, 전력 변환기(20)의 전압 입력 단자(21, 22)에 걸쳐서 연결된 희생 배터리 셀(30)을 포함한다. 상기 희생 셀(30)은 납 축전지 셀과 같은 재충전 가능한 셀 또는 알칼라인 셀과 같은 교환 가능한 셀로 될 수 있으며, 다만, 이는 배터리 팩(11)을 충전하는데 필요한 전압보다 실질적으로 작은 명목상의 출력 전압을 가지게 될 것이다. 예를 들어, 배터리 팩에서 부하가 없는 경우의 명목상의 전압이 12.6볼트라면, 희생 셀(30)은 1.5볼트만큼 낮은 부하가 없는 경우의 명목상 전압을 가지게 된다.

예시된 실시예에 있어서, 상기 전압 모니터/제어기(14)의 제어 출력에서의 제어 신호는 펄스-폭-변조된 발진 신호이다. 상기 펄스 폭은 출력 단자(18, 19)에서 나타나는 전압 수준에 반응하여 상기 전압 모니터/제어기(14)의 프로그램에 의해 조절됨으로써, 배터리 팩(11)을 충전하기에 충분한 바람직한 수준의 조절된 출력 전압을 제공하게 된다. 선택적으로, 상기 제어 신호는 단순히, 전력 변환기(20)의 일부를 형성하는 PWM 컨트롤러 회로(PWM controller circuit)의 작동을 유발하는 트리거 신호(trigger signal)로 될 수 있으며, 이러한 배열은 전술한 바와 같은 Datel 변환기 회로에 포함된다.

통상적으로, 배터리 팩 단자(12, 13)는 적절한 트리거 스위치 장치를 통하여 관련된 파워 핸드 툴(도시되지 않음)의 모터와 연결되어 있으며, 이에 따라, 상기 트리거가 작동하면, 주지의 방법으로 상기 배터리 팩(11)이 툴에 동력을 공급하게 된다. 이러한 경우, 충전 회로(10)를 상기 관련된 파워 툴 안에 붙박이로 만들 수도 있다. 전압 모니터/제어기(14)는 "정지 상태(sleep mode)"에서 작동할 수 있으며, 보통은 비활성화되고 있다가, 주기적으로 및/또는 툴 모터에 의해 배터리 팩(11)에 부하가 걸리는 경우에 나타나는 단자(12, 13)에서의 전압 수준의 변화와같은 소정의 자극에 반응하여, 짧은 시간 동안 활성화되게 된다. 따라서, 충전 회로(10)는 배터리 팩(11)에서 최소한의 배출만을 허용하게 된다.

도 3을 참조하면, 전력 변환기(20)의 작동을 조절하기 위한 전압 모니터/제어기(14)의 프로그램에 대한 순서도가 예시되어 있다. 이에 따르면, 40에 표시된 전압 모니터/제어기(14)의 활동 개시 시점(wake-up)에서, 타이머 A가 시작되며, 이후, 41에서 상기 타이머 A가 소정의 시간 간격 T1과 같거나, 이보다 큰 지 여부를 대조한다. 크거나 같지 않다면, 타이머에 대한 모니터를 계속하기 위하여 다시 41의 위치로 돌아간다. 만일, 소정의 시간 간격 T1이 경과하면, 42에서 타이머 A를 초기화시키고, 배터리 팩(11)의 전압 V_B를 모니터하기 시작한다. 상기 타이머 A 에 의하여 도입되는 시간의 지연은 단지 수분의 1초로 될 수 있으며, 이는 툴 모터의 전원이 켜진 순간에 일어날 수 있는 배터리 전압의 순간적인 강하를, 회로 소자가 무시하는데 충분한 시간이다. 다음으로는, 43에서 상기 배터리 전압이 소정의 전압 수준 V1 또는 이보다 낮은 수준에 있는지 여부를 대조하게 되며, 여기사 상기의 전압 수준은 배터리 팩(11)이 과방전의 상태에 있음을 알리는 척도가 된다. 만일, 배터리의 전압이 상기 V1 또는 이보다 낮은 수준에 있는 경우, 상기 프로그램은 즉시 44로 이동하여, 15의 위치에 있는 제어 출력에서 제어 신호를 생성함으로써 전력 변환기(20)를 작동시키게 된다. 이는 전력 변환기가 즉시, 배터리 팩(11)을 충전하기에 충분한 출력 전압을 배터리 팩에 생성시킬 수 있도록 한다. 만일, 43에서 배터리 전압이 아직 V1의 수준으로 강하되지 않았다면, 다음으로는, 45에서 상기 배터리 전압이 소정의 전압 수준 V2보다 낮은지 혹은 높은지 여부를 대조하게 된다. 여기서 상기의 전압 수준 V2는 임팩트 툴의 임팩트 상태 중에 통상적으로 나타나는 형태의 부하 전류에 대응하는 것이다. 상기 배터리 전압이 아직 V2의 수준에 다다르지 않았다면, 46에서 타이머 B를 초기화시키고, 배터리 전압을 계속 모니터 하기 위하여, 42로 돌아간다. 만일, 45에서, 배터리 전압이 V2 보다 낮은 수준으로 저하되었다면, 47에서, 타이머 B가 켜졌는지 여부를 검사한다. 만일, 타이머 B가 켜지지 않았다면, 48에서 타이머 B가 시작되며, 프로그램은 다시 43으로 돌아간다. 만일 타이머 B가 이미 켜져 있는 상태라면, 49에서 타이머 B가 임팩트 툴의 임팩트 상태 중에 포함되는 통상적인 잠금구 설치 기간(fastener installation periode), 예를 들어, 약 5 초,에 대응하는 소정의 시간 간격 T2보다 큰지 여부를 대조한다. 만일 상기의 시간 간격이 아직 경과되지 않았다면, 43으로 다시 돌아가서 배터리의 전압을 계속 모니터하게 된다. 만일, 49에서, 일반적인 잠금구 설치 기간 이상의 시간 동안 배터리 전압이 V2보다 낮은 수준에 있음을 나타내어, 타이머 B가 소정의 시간 간격 T2보다 크게 된다면, 프로그램은 다시 44로 돌아가서 전력 변환기(20)를 활성화시키게 된다. 따라서, 이러한 프로그램에서는 관련된 핸드 툴의 통상적인 동작 중에 일어나는 일반적인 배터리의 전압 상태를 무시하게 되며, 배터리 전압이 현저히 낮은 수준에 이르거나, 충분히 긴 시간 동안 낮은 수준에 이르게 되어, 배터리 팩(11)이 과방전 상태에 있게 되는 경우에만, 전력 변환기를 활성화시키게 된다.

저장된 프로그램의 제어 하에 작동되는 마이크로컨트롤러의 사용에 의하여,상기 충전 회로(10)는 최소한의 구성 요소만을 사용하고, 다양한 툴 크기 및 동력 범위에 적용하기 위한 재프로그래밍이 쉽게 된다. 그러나, 상기 충전 회로는 또한 여러 가지 다른 아날로그 및/또는 디지털 전자 하드웨어 장치가 선택적으로 사용됨으로써, 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 예시된 실시예에 있어서, 전력 변환기(20)는 MOSFET 전압 스텝-업 발진 회로이나, 이러한 변환기의 작용은 요구되는 전압과 전류를 다룰 수 있는 적당한 양극성 고체-상태의 장치를 사용하여 달성될 수도 있다.

상술한 내용으로부터, 관련된 납 축전지의 상태를 모니터 하여, 축전지가 과방전 상태에 이른 경우, 일반적으로 충전이 요구되는 배터리 팩보다 실질적으로 작은 크기 및 출력의 희생 셀을 사용함으로써 상기 축전지를 재충전할 수 있는 진보된 충전 회로가 제공됨을 알 수 있다.

상술한 실시예 및 첨부된 도면을 통하여 기술된 대상물은 단지 예시를 위하여 제시된 것으로, 이에 의하여, 본 발명의 권리 범위가 제한되는 것은 아니다. 특정한 실시예가 예시 및 기술되고 있기는 하나, 본원 출원인의 의도를 벗어나지 않고도, 이러한 실시예에 대해 여러 가지 변형을 가할 수 있다는 사실이 당업자에게 자명하다. 종래 기술로부터 전체적으로 살펴볼 때, 본 발명에서 보호되고자 하는 실질적인 권리 범위는 하기의 청구항에 의하여 정의될 것이다.

Claims (15)

1. 배터리에 걸쳐서 연결되어 있으며, 배터리 전압을 모니터하기 위하여 저장된 프로그램의 제어 하에 작동하고, 제어 출력에서 제어 신호를 생성하는 프로세서와;

   복수의 전력 입력 단자, 제어 출력과 연결 가능한 제어 입력 및 배터리 단자들과 각각 연결되는 복수의 전력 출력 단자를 가지는 전력 변환기와;

   상기 전력 입력 단자에 걸쳐서 연결되며, 납 축전지를 충전하는데 필요한 것보다 실질적으로 낮은 전압을 가지는 희생 배터리를 포함하여 구성되는, 양과 음의 단자를 가지는 배터리 팩의 납 축전지를 위한 충전 회로에 있어서,

   상기 프로세서는 미리 결정된 수준보다 낮게 떨어진 납 축전지 전압에 반응하여 제어 신호를 생성시키고,

   상기 변환기는 제어 신호에 반응하여, 희생 배터리의 전압을 납 축전지를 충전하는데 충분한 출력 전압으로 증가시키고, 전력 출력 단자에서 상기 출력 전압을 제공함을 특징으로 하는 충전 회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 배터리는 재충전 가능한 배터리인 배터리 팩
3. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 배터리는 재충전이 불가능하고, 교환 가능한배터리 팩.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는 마이크로컨트롤러인 배터리 팩.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 변환기는 DC/DC 스텝-업 변환기인 배터리 팩.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 변환기는 스탭-업 변압기를 포함하는 배터리 팩.
7. 제 6 항에 있어서, 제어기가 변압기의 1차 권선에 연결된 MOSFET 발진기 및 변압기의 2차 권선에 연결된 정류기를 포함하는 배터리 팩.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서 프로그램은 프로세서가 활성화된 이후 소정의 시간 동안 납 축전지 전압에 대한 모니터의 개시를 지연시키는 루틴을 포함하는 배터리 팩.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는 납 축전지의 전압이 소정의 시간 동안, 소정의 수준보다 낮게 존재할 때까지는 제어 신호의 생성을 지연시키는 루틴을 포함하는 배터리 팩.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 소정의 수준은 제 1 수준이며, 상기 프로세서 프로그램은 납 축전지의 전압이 제 1 수준보다 낮은 소정의 제 2 수준보다도 낮게 저하되면, 즉시 제어 신호를 생성하는 루틴을 포함하는 배터리 팩.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 배터리는 단일 셀인 배터리 팩.
12. 배터리 팩을 충전하는데 요구되는 것보다 실질적으로 낮은 배터리 전압을 가지는 희생 배터리를 제공하는 단계와;

    상기 희생 배터리를 전압을 변환기에 적용하여, 상기 희생 배터리 전압을 배터리 팩을 충전하기에 충분한 출력 전압으로 증가시키는 단계;

    배터리 팩이 부하에 연결되어 있는 동안, 상기 배터리 팩 전압을 모니터하는 단계;

    배터리 팩이 소정 수준보다 낮은 경우, 상기 출력 전압을 배터리 팩에 적용하는 단계를 포함하여 구성되는 납 축전지 배터리 팩을 재충전하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 출력 전압은 희생 배터리가 소모될때까지 배터리 팩에 적용되는 방법.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 출력 전압은 상기 배터리 팩이 소정의 시간 동안, 소정의 수준보다 낮은 배터리 팩 전압을 가지기 전까지는 배터리 팩에 적용되지 않는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 소정의 수준은 제 1 수준이며, 배터리 팩의 전압이 제 1 수준보다 낮은 소정의 제 2 수준보다도 낮게 저하되면, 상기 출력 전압이 즉시 배터리 팩에 적용되는 방법.