KR20130083365A

KR20130083365A - 이차전지를 이용한 전원장치 및 상기 전원장치의 충방전 모드 전환방법

Info

Publication number: KR20130083365A
Application number: KR1020120139310A
Authority: KR
Inventors: 주진관
Original assignee: 주진관
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-07-22
Also published as: KR20130100940A; KR20130083366A; US9590443B2; JP6201006B2; JP2015505237A; IL233560A0; US20150002073A1; CN104160584B; IL233560A; KR101297148B1; KR20130083367A; CN104160584A; KR101297150B1; JP2016192895A; KR101297149B1

Abstract

본 발명은 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 축전지의 에너지 효율을 향상시키고 이를 통해 한 번의 만충전으로 이차전지를 사용할 수 있는 시간(방전시간)을 늘릴 수 있는 안전한 이차전지를 이용한 전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명에 따른 이차전지를 이용한 전원장치는, 충방전이 가능한 2 이상의 이차전지; 상기 2 이상의 이차전지의 어느 하나의 이차전지가 방전되도록 할 경우에 상기 방전모드의 이차전지의 DC 출력전압을 부하에 전달하는 인버터; 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지를 상기 인버터에 연결하여 주며, 다른 시점에서는 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드와 상이한 다른 이차전지를 상기 인버터에 연결하여 주도록 절환을 행하는 릴레이; 및 상기 릴레이의 절환 동작을 제어하여 상기 인버터를 통한 상기 부하에 상기 2 이상의 이차전지의 전력을 교대로 공급하도록 하는 제어부; 를 포함하며, 각 DC 단자의 (+) 및 (-) 단자 중에서 동일한 일측 극성의 단자들이 상호 고정 연결되어 있으며, 고정연결되지 않은 타측 극성의 단자를 각각 스위칭하여 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지를 이용한 전원장치 및 상기 전원장치의 배터리 모드 전환방법{POWER UNIT USING SECONDARY BATTERY AND THE METHOD FOR INTERCHANGING THE BATTERY MODE}

본 발명은 이차전지를 이용한 전원장치 및 상기 전원장치의 배터리 모드 전환방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 일부 출력은 부하에 전원을 공급하면서 동시에 다른 일부 출력은 다른 하나 이상의 이차전지 충전에 이용함으로써 축전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 이차전지를 이용한 전원장치 및 상기 전원장치의 배터리 모드 전환방법에 관한 것이다.

일반적으로, 2차 배터리는 한 번 사용하고 나면 못쓰는 1차 배터리와는 달리, 사용 후 전원을 연결하여 충전하면 가역 반응을 거쳐 재사용할 수 있는 충전 가능한 배터리를 말한다.

그런데, 이러한 2차 배터리는 배터리의 충전 용량에 의해 한번 충전하고 난 후 일정시간이 경과하고 나면 방전이 되어 다시 충전해야 하는데, 2차 배터리의 충전 도중에는 방전이 불가능하거나 현저하게 충방전 효율이 떨어지므로, 대부분의 경우에는 이차전지를 2개 이상 구비하여 둘을 병렬로 연결하여 사용하거나, 하나의 이차전지를 별도의 장치로 충전하는 동안, 다른 이차 전지를 방전하여 연속적으로 사용하게 된다.

더욱이, 이러한 2차 전지의 경우에는 통상 정격전류로 계속해서 방전을 하게 될 경우, 제조사에서 이상적인 사용시간보다 실제 사용시간은 현저하게 짧아진다는 공통된 문제점이 있다.

일예로, 2차납축전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 방전과 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어주는 충전의 사이클을 통해 배터리의 기능을 한다.

통상, 상기 2차납축전지는 방전시 황산염(sulfate, SO₄)이 극판과 결합함으로써 물이 생성되어 비중이 낮아지고, 다시 충전시에는 결합된 황산염이 전해액으로 돌아와 비중이 커지게 된다.

즉, 2차납축전지로서 진한 황산 수용액에 담근 납(Pb)과 이산화납(PbO₂)의 전극으로 구성되어 결국,

양극: Pb(s) + HSO₄- →PbSO₄(s) + H⁺+ 2e^-

음극: PbO₂(s) + HSO₄ ^- + 3H⁺ + 2e^- →PbSO₄(s) + 2H₂O

2차납축전지: Pb(s) + Pbo₂(s) + 2HSO₄ ^- + 2H⁺ →2PbSO₄(s) + 2H₂O

와 같이 전지반응이 일어난다.

두 전극반응은 불용성인 PbSO₄를 생성하여 이것이 두 전극에 부착된다.

상기 2차납축전지가 방전시 황산이 소모되고 물이 생성되며, 이 물의 밀도는 황산용액 밀도의 약 70퍼센트가 되기 때문에 전지의 충전상태는 전해액의 밀도를 측정하여 알 수 있으며, 2차납축전지가 재충전될 때 전극반응은 상기 반응의 역반응이 된다.

그러나 오랜 기간 동안의 충/방전 사이클을 거치는 동안 방전(자가방전 포함)시 두 전극에 달라 붙어있던 황산염이 충전시에 이탈되지 아니하고 그대로 달라붙어 있는 경우가 발생하는데, 이것을 황산화(황산염화) 현상이라 부른다.

이러한 황산화 현상은 2차납축전지가 보다 많이 방전될수록 심해지며, 이에 기인하여 화학, 전기반응의 통로가 차단되고 절연 기능을 하게 되어 2차납축전지의 전압, 용량 및 비중도를 떨어뜨린다.

이에 의해 2차납축전지의 효율이 떨어져 한 번의 2차납축전지 만충전으로 사용할 수 있는 시간(방전시간)이 현저하게 단축되는 문제점이 있었다.

실제로 통상 자동차용으로 많이 사용되는 델코 배터리의 경우, 납 축전지 하나의 용량은 12V, 100A로서, 전력은 1200W가 되고, 이 납축전지 2개를 병렬로 연결하면 총 전력은 2400W가 되는바, 이 납축전지 2개를 병렬로 연결하여 300W의 부하에 전력을 공급하면, 이론상으로 8시간을 사용하여야 하지만, 실제로는 연속방전시 그에 훨씬 못 미치는 1.5시간 정도밖에 사용할 수 없다.

이는, 다음의 <표 1>에서도 확인할 수 있는바, <표 1>은 DC12V, 100A 출력의 납축전지 2개를 병렬 연결하여 전원을 구성하고, 1200W 인버터(모델 SI-1000A)를 통해, 300W 짜리 백열전구인 부하를 연결하여 연속방전시킨 경우, 납축전지의 전압과 인버터의 전압을 10분 단위로 체크한 시험결과이다.

<표 1>에서 보는 바와 같이, 포장마차에서 300W 짜리 전등을 계속 켜 놓았을 때와 같은 연속방전의 경우, 시간에 지나감에 따라 배터리 출력전압이 급속히 떨어짐을 알 수 있으며, 결국 1.5시간(90분) 후에는 배터리 출력전압이 10.64V 이하로 떨어져 더 이상 사용할 수 없게 됨을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 이와 같은 현상은 중간 충전없이 계속 방전하는 과정에서 (+)극과 (-)극 표면이 황산납으로 코팅되면서 반응속도가 줄어듦으로써 배터리의 효율이 떨어져 원래 배터리가 가지고 있던 용량(2.4kWh)의 극히 일부(0.49kWh)만 사용 가능하였기 때문이다.

한편, 2차 전지의 충방전 사용회수는 제한되어 있으며, 상기 납축전지와 같은 배터리의 경우 일례로 300 사이클로 제한되어 있으며, 매일 1회 정도 충방전의 경우 배터리의 수명은 1년 정도로 정해져 있다.

이는 충방전을 거듭할수록 충전 및 방전을 통해 사용할 수 있는 1회 용량이 감소하기 때문인바, 일예로 델코 12V 100A 배터리 2개의 경우, 1회 사용시에는 1.5시간 정도를 사용하여 이론상 최대 용량의 16.6%를 사용할 수 있었으나, 3회 충방전을 하였을 시에는 1.2시간(1시간 12분) 사용으로 15% 정도만 사용가능하고, 다시 6회 사용시에는 1시간 7분 가량으로 13.9% 정도만을 사용가능하며, 그 %값이 계속 줄어들어 300회 사용시에는 의미가 없어지기 때문이다.

추가적으로, 상기 납축전지의 경우, 과부하로 인한 기기파손 및 폭파의 우려로 인하여, 2차납축전지의 특성상 충전중에는 부하에 절대적으로 사용하지 못하도록 규정하고 있어, 통상적으로 충전중에는 2차납축전지를 사용하지 못하는 문제점이 있었으며, 통상 연속방전시에는 1.5시간 정도 밖에 사용할 수 없으나, 충전시에는 10시간 정도가 소요되므로, 야간에 연속방전을 하여야 하는 포장마차의 경우, 전날 여러 대의 배터리를 미리 충전을 해 놓아야 하므로 시간적 경제적으로 많은 불편함이 있었다.

한편, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 2개 이상의 배터리를 교대로 방전하면서 부하에 전력을 공급하고, 방전하고 있는 전력의 일부를 다른 배터리의 충전전압으로 사용하는 기술이 대한민국 특허공개 제2006-111499호로 개시된바 있다.

즉, 상기 종래기술은, 배터리 전력 사용을 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는바, 제 1 배터리가 제 2 배터리를 재충전하기 위해 전력을 제공하면서 외부 부하에 전력을 제공하게 한다. 지정된 시간에, 상기 스위칭 시스템 및 방법은 제 1 배터리 및 제 2 배터리들 임무들을 변경하게 한다. 즉, 지정된 시간에, 제 2 배터리는 또한 제 1 배터리를 충전하기 위해 전력을 제공하는 동안 외부 부하에 전력을 제공하기 시작할 수 있다. 상기 스위칭 시스템 및 방법은 제 1 배터리 및 제2 배터리로 하여금 외부 부하에 전력의 전달을 중단하지 않고 임무들을 변경하게 한다.

상기 종래기술의 제1 실시예를 도 1에 도시하였는바, 제1 배터리(1)를 교환기 플레이트(25, 33) 상에서 스위칭하며, 제2 배터리(2)를 교환기 플레이트(26, 34) 상에서 스위칭하여, 각각 방전 모드와 충전 모드로 사용하면서, 교대로 인버터(45)를 통해 부하에 전력을 공급하게 된다.

상기 스위칭 시스템의 제1 실시예를 도 1을 참조하여 더 상세히 설명하면, 도 1은 두 개의 배터리들(1 및 2)을 포함하는 발전기(100)의 기계적 교환기 스위치(65)의 사용을 도시한다. 상기 실시예는 연장된 시간 기간 동안 2000 내지 6000 와트의 통상적인 가정용 또는 다른 독립된 환경을 제공할 수 있는 전기 발전기(100)이다.

도 1에서와 같이, 제1 배터리(1)는 교환기 스위치(65)에 결합되고 전력 소스로서 사용하기 위한 직류 전류를 제공한다. 제1 배터리(1)의 단자들은 제1 하부 교환기 플레이트(34)상 플레이트들(46 및 49)에 결합된다. 제1 상부 교환기 플레이트(26)가 하부 교환기 플레이트(34)와 접촉할때, 직류 전류는 플레이트들(27 및 28) 및 인버터(45)에 공급된다. 인버터(45)는 배터리(1)로부터의 직류 전류를 브레이커(37) 및 전력 외부 부하(도시되지 않음)에 공급된 교류 전류로 변환한다.

한편, 상기 실시예에서, 인버터(45)로부터의 교류 전류는 컨버터 박스(36)에 공급되고 기어 모터(35)를 동작시키기 위하여 사용된다. 기어 모터(35)는 상부 교환기 플레이트들(25 및 26)의 이동을 구동한다. 기어 모터(35)는 각각의 방향으로 플레이트들을 이동시키기 위한 두 개의 솔레노이드들(53 및 54)에 결합된다. 두 개의 솔레노이드들(53 및 54)은 상부 교환기 플레이트들(25 및 26)의 이동 방향을 변경하는 두 개의 기계적 스위치들(51 및 52)에 결합된다. 상기 실시예에서, 기계적 교환기 스위치(65)는 타이밍 시퀀스에서 동작한다. 다시 말해서, 상부 교환기 플레이트들(25 및 26)이 기어 모터(35)에 의해 우측으로 이동될때, 상기 플레이트들은 상부 교환기 플레이트들(25 및 26)이 반대 방향(도 1에서 좌측)으로 이동되게 하는 스위치(51)를 작동시킬 것이다. 상부 교환기 플레이트들(25 및 26)은 상기 플레이트들이 스위치(52)를 작동시키고 그 다음 우측으로 다시 움직이기 시작할 때까지 좌측으로 계속 이동할 것이다. 상부 교환기 플레이트들(25 및 26)이 측면으로 슬라이드하는 속도는 제1 배터리(1)가 전력 공급 모드에서 재충전 모드로 스위칭하는 빈도를 제어한다.

제1 상부 교환기 플레이트(26)가 도 1에서 좌측으로 이동할때, 직류 전류는 제2 배터리(2)로부터 제1 하부 교환기 플레이트(34)상 플레이트들(47 및 48)을 통하여 플레이트들(27 및 28)에 공급된다. 제1 상부 교환기 플레이트(26)가 좌측 위치에 있을때, 제2 배터리(2)가 전력을 제공하고 제1 배터리(1)는 재충전 모드에 있게 된다.

결국, 상기 종래기술의 실시예에서 표현된 바와 같이, 다중 배터리들에 의해 제공된 전력을 효율적으로 사용하고 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 교환기 스위치는 단일 배터리가 빠르게 소모되지 않도록 두 개 이상의 배터리들 사이에서 변경하도록 설정될 수 있다. 하나의 배터리가 전력을 손실하기 시작할때, 교환기 스위치는 다른 배터리로부터 전력을 인출하기 시작한다. 다른 배터리는 제일 약한 배터리에 재충전 전류를 제공할 수 있다. 교환기 스위치는 두 개 이상의 배터리들 사이에서 스위칭을 지원할 수 있다. 전력 공급 시스템의 교환기 스위치 구현은 배터리 전력을 효율적으로 사용함으로써 결과적으로 배터리들의 사용 수명을 증가시킨다.

그러나, 이상의 도 1의 종래기술의 경우, 이론상으로는 가능하나 치명적인 문제점이 존재하여, 실제로 제품으로 사용되지 못하였는바,그 이유는 다음과 같다. 참고로 상기 종래기술의 제외국 특허출원도 모두 취하 혹은 포기되었다.

도 1에서, 제2 배터리의 (+)단자가 8번 플레이트에 접속되며, 동시에 33번 플레이트에 접속되고 이는 다시 9번 플레이트의 13번 단자에 접속되고, 제2 배터리의 (-)단자가 25번 플레이트에 접속되며, 동시에 25번 플레이트의 30번 단자에 접속된다. 아울러, 제1 배터리의 (+)단자가 7번 플레이트에 접속되며, 동시에 34번 플레이트에 접속되고, 제2 배터리의 (-)단자가 33번 플레이트에 접속되고 이는 다시 9번 플레이트의 33번 단자에 접속되며, 동시에 34번 플레이트에 접속된다.

따라서, 일예로 제2 배터리(2)에서 제1 배터리로의 전환시, 상기 13번 단자에서 제2 배터리의 (+) 단자가 제1 배터리의 (-) 단자와 순간적으로 접촉되므로, 여기에서 강한 서지 전류 및 스파크가 발생하며, 이는 배터리 폭발의 원인이 된다. 그리고 이는 아무리 전환시점을 좋게 잡는다 하더라도 100A 정도의 강한 전류가 단속되는 상황에서 피할 수 없는 치명적인 문제점이기도 하다.

한편, 도 2 및 도 3a는 상기 종래기술의 제2 실시예 및 제3 실시예인바, 해당 실시예의 설명에서는 아예 그러한 전환 단자에 관하여 침묵하고 있으며, 구체적인 설명도 없다.

아울러, 도 3b는 상기 종래기술의 제3 실시예의 교환기 스위치의 동작을 흐름도로 나타내고 있는바, 역시 장전용 배터리의 전압 강하를 검출시, 스위칭 절환을 말하고 있을 뿐, 앞서 지적한 상기 제1 종래기술의 치명적인 문제점에 대해서는 아무런 해답을 주지 못하고 있으며, 이러한 문제점은 실제로 강한 DC 전류의 스위칭에서는 본질적인 문제점이기도 하다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 축전지의 에너지 효율을 향상시키고 이를 통해 한 번의 만충전으로 이차전지를 사용할 수 있는 시간(방전시간)을 늘릴 수 있는 안전한 이차전지를 이용한 전원장치 및 상기 전원장치의 배터리 모드 전환방법를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 이차전지를 충전하는 중에도 다른 하나의 이차전지를 부하의 전원으로 사용하여 과부하 및 기기파손 또는 폭파없이 안전하게 에너지를 보충 저장할 수 있는 이차전지를 이용한 전원장치 및 상기 전원장치의 배터리 모드 전환방법를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 이차전지를 이용한 전원장치는, 충방전이 가능한 2 이상의 이차전지; 상기 2 이상의 이차전지의 어느 하나의 이차전지가 방전되도록 할 경우에 상기 방전모드의 이차전지의 DC 출력전압을 부하에 전달하는 인버터; 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지를 상기 인버터에 연결하여 주며, 다른 시점에서는 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드와 상이한 다른 이차전지를 상기 인버터에 연결하여 주도록 절환을 행하는 릴레이; 및 상기 릴레이의 절환 동작을 제어하여 상기 인버터를 통한 상기 부하에 상기 2 이상의 이차전지의 전력을 교대로 공급하도록 하는 제어부; 를 포함하며, 각 DC 단자의 (+) 및 (-) 단자 중에서 동일한 일측 극성의 단자들이 상호 고정 연결되어 있으며, 고정연결되지 않은 타측 극성의 단자를 각각 스위칭하여 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지의 출력의 일부를 가지고 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지와 상이한 이차전지가 충전모드로 되도록 상기 충전모드의 이차전지를 충전하는 충전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지와 상이한 이차전지를 충전하기 위한 상용 AC 전원이 제4 스위치(SW4)에 연결될 수 있으며, 혹은 상기 충전모드의 이차전지를 직접 충전하기 위한 외부솔라셀(60) 등의 외부 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 2 이상의 이차전지의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)는 2개가 한 쌍을 이루는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 각 DC 단자의 (+) 단자들이 상호 고정 연결되어 있으며, (-) 단자를 각각 스위칭하여 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 릴레이부는, 각 이차전지의 상기 타측 극성의 단자에 각각 연결되는 배터리 연결판(15, 16); 상기 각 배터리 연결판(15, 16)에 가동단자가 연결되는 릴레이부(11, 12); 상기 릴레이부의 제1 고정단자(111,121)에 공통 접속되는 충전기 연결판(13); 및 상기 릴레이부의 제2 고정단자(112,122)에 공통 접속되는 인버터 연결판(14); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

가장 바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 이차전지의 전원이 입력되는 배터리 전원 입력부(210); 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 상기 이차전지 전압의 크기를 출력하는 배터리 전압표시부(260, 270); 상기 릴레이부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 릴레이 제어신호 출력부(250); 및 상기 이차전지의 전압의 크기를 검출하여 상기 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 릴레이 제어신호를 출력하는 제어 IC를 포함하는 처리부(240); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이차전지를 이용한 전원장치의 배터리 모드 전환방법은, (a) 상기 이차전지의 순간 전압을 측정하고 각 전압 표시부(260, 270)를 통해 출력하는 단계(S1, S2); (b) 상기 측정된 이차전지의 순간 전압(V_B1, V_B2)을 비교하는 단계(S3); (c) 상기 측정된 이차전지의 순간 전압(V_B1)이 가장 큰 이차전지를 방전모드로 하고, 순간 전압(V_B1)이 가장 작은 이차전지를 충전모드로 지정하는 단계; (d) 상기 방전모드에 있는 이차전지의 전압 강하가 미리 정해진 기준치 이상 하강하였는가 여부를 판단하는 단계(S5); 및 (e) 상기 전압 강하가 미리 정해진 기준치 이상이면 방전 모드에 있는 이차전지를 충전모드로, 그리고 충전모드에 있던 어느 이차전지를 방전 모드로 전환하는 단계(S8); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 안전하게 이용함으로써 축전지의 에너지 효율을 향상시키고 이를 통해 한 번의 만충전으로 이차전지를 사용할 수 있는 시간(방전시간)을 늘릴 수 있다.

또한, 이차전지를 2개 이상 구비하여 하나의 이차전지를 이용해 대부분의 출력은 부하에 전원을 공급하면서 나머지 출력은 다른 하나의 이차전지 충전에 이용함으로써 이차전지를 충전하는 중에도 다른 이차전지를 부하의 전원으로 사용하여 과부하 및 기기파손 또는 폭파염려 없이 안전하게 에너지를 보충 저장할 수 있다.

도 1은 종래기술의 제1 실시예에 따른 두 개의 배터리들 및 교환기 스위치를 가진 발전기를 도시하는 도면.
도 2는 종래기술의 제2 실시예에 따른 전자 교환기 스위치를 도시하는 개략도.
도 3a는 종래기술의 제3 실시예에 따른 3개의 배터리들 및 교환기 스위치들을 가진 발전기를 도시하는 개략도.
도 3b는 종래기술의 제3 실시예에 따른 교환기 스위치를 동작시키기 위한 방법을 도시하는 논리 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 전원장치의 전체 구성도.
도 5는 도 1의 릴레이의 전방 사시사진.
도 6은 도 1의 릴레이의 후방 사시사진.
도 7은 도 1의 릴레이의 측면 사진.
도 8은 도 1의 릴레이의 부분 단면도.
도 9는 도 1의 제어부의 회로도.
도 10은 도 9의 제어부의 제어 동작을 나타내는 흐름도.
도 11a는 본 발명의 전원장치의 배터리 1이 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 2의 충전 정도가 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진.
도 11b는 본 발명의 전원장치의 배터리 2가 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 1의 충전 전압이 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 전원장치의 전체 구성도이고, 도 5는 도 1의 릴레이의 전방 사시사진이고, 도 6은 도 1의 릴레이의 후방 사시사진이고, 도 7은 도 1의 릴레이의 측면 사진이고, 도 8은 도 1의 릴레이의 부분 단면도이고, 도 9는 도 1의 제어부의 회로도이고, 도 10은 도 9의 제어부의 제어 동작을 나타내는 흐름도이고, 도 11a는 본 발명의 전원장치의 배터리 1이 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 2의 충전 정도가 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진이며, 도 11b는 본 발명의 전원장치의 배터리 2가 방전상태인 경우의 외관 사진으로서 배터리 1의 충전 전압이 디스플레이되고 있는 상태의 실제 동작 사진이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전원장치는, 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2), 방전모드의 배터리의 DC 전압을 AC로 인버팅하여 부하(50)에 전원을 공급하는 인버터(30),인버터(30)의 출력 교류 혹은 상용 교류 전원을 DC로 정류하여 충전모드의 배터리를 충전하는 충전기(40) 및 이들을 제어하는 제어부(20), 그리고 상기 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)를 방전모드 혹은 충전모드로 각각 지정해주는 상기 제어부(20)의 제어동작에 따라 배터리를 인버터나 충전기에 연결하여주는 릴레이부(10)를 포함한다.

경우에 따라, 직접 배터리를 충전하기 위한 상용 AC 전원이 제4 스위치(SW4)에 연결될 수 있으며, 혹은 직접 배터리를 충전하기 위한 외부솔라셀(60) 등의 외부 전원을 더 포함할 수 있다.

상기 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)는 2개가 한 쌍을 이루는 것이 바람직하나, 반드시 2개에 한정되는 것은 아니며, 3개 이상이어도 된다. 이차전지로서의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 각각은 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 방전과 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어주는 충전의 사이클을 통해 배터리의 기능을 수행하고, 제어부(20)의 제어에 의해 하나의 이차전지가 방전되는 동안에 다른 하나의 이차전지가 충전하는 과정을 교대로 반복 수행한다.

솔라셀(60)은 반도체의 성질을 이용하여 태양 빛(photons)을 전기 에너지로 변환시켜 DC 전압을 제어부(20)의 스위칭 동작에 의해 배터리에 공급함으로써, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)의 충전이나 부하(50)의 전원에 보조적으로 사용할 수 있도록 한다. 이때 상기 보조전원으로서는 반드시 솔라셀에 한정되는 것은 아니고, 풍력발전기나 경수력 발전기 등의 다른 보조전원이 가능하다.

상기 제어부(20)는 2개 이상의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 중 하나의 이차전지에서 출력되는 DC 전압의 크기를 감지하여 기준전압 이하이면 다른 하나의 이차전지로 전환하여 다른 하나의 이차전지에서 DC 전압을 출력할 수 있도록 하고, 이때 다른 하나의 이차전지에서 출력되는 DC 전압의 크기를 감지하여 기준전압 이하이면 하나의 이차전지로 전환하여 하나의 이차전지에서 DC 전압을 출력할 수 있도록 자동으로 제어한다.

또한, 상기 제어부(20)는 인버터(30)를 제어하여 인버터(30)에 출력되는 AC전력의 대부분을 부하(50)의 전원으로 사용할 수 있도록 제어하고, 나머지 AC전력은 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2) 충전에 사용할 수 있도록 충전기(40)에 출력되도록 제어한다.

또한, 상기 제어부(20)는 충전기(40)를 제어하여 방전중인 하나의 이차전지를 부하의 전원으로 사용하는 경우 충전기(40)에 공급되는 AC전력을 다른 하나의 이차전지로 출력하여 충전할 수 있도록 한다.

또한, 상기 제어부(20)는 충전기(40)를 제어하여 상용 AC전원을 두 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)에 출력하여 같이 충전할 수 있도록 한다. 상기 제어부(20)의 구성 및 동작에 대해서는 도 9 및 도 10을 참조하여 추후 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 가장 큰 특징은, 각종 스위치를 제외하고, 각 DC 단자의 (+) 단자가 상호 고정 연결되어 있으며, (-) 단자를 스위칭하여 제어가 이루어진다 점이다. 이는 일반적으로 (-)극을 접지로 사용하고, (+)극의 연결을 스위칭함으로써 동작을 제어하는 일반적인 방식과 정반대되는 방식인바, 그 이유는 (-)전극을 스위칭함으로써 절환시 서지 전류 및 스파크 발생을 최소화하여 배터리를 폭발의 위험으로부터 보호하기 위함이다.

즉, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2), 인버터(30), 충전기(40)는 물론, 제어부(20)의 (+) 단자들이 상호 고정적으로 연결되어 있다.

한편, 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)의 (-)단자는 각각, 릴레이부(10)의 제1 배터리 연결단자(15) 및 제2 배터리 연결단자(16)에 각각 접속되며, 이는 다시 제1 릴레이(11)의 가동접점(110) 및 제2 릴레이(12)의 가동접점(120)에 접속되며, 제어부(20)의 제1 배터리 연결단자(B1) 및 제2 배터리 연결단자(B2)의 (-)단자에 접속된다. 다만, 상기 릴레이부(10)의 제1 배터리 연결단자(15) 및 제2 배터리 연결단자(16)와 상기 제어부(20)의 제1 배터리 연결단자(B1) 및 제2 배터리 연결단자(B2)는 전원스위치(SW0)를 통해 연결됨으로써, 전원스위치를 넣었을 때에만 제어부에 파워가 공급되어 제어부가 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 상기 릴레이부(10)의 동작을 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다. 릴레이부(10)는 베이스(10a) 상에 제1 릴레이(11) 및 제2 릴레이(12)가 구비되는바, 각 릴레이는 기부로서의 각각의 플레이트(110b, 120b) 상에 구비되며, 다시 각 플레이트의 전면에 부도체의 지지대(110c, 120c)가 일례로 수직방향으로 고정 설치된다.

각 릴레이의 지지대 상에는 수평방향으로 충전기 연결판(13)과 인버터 연결판(14)이 가로질러 고정설치되는바, 충전기 연결판(13)과 인버터 연결판(14)은 각각 전기적으로 분리되어 있고, 한편으로는 상기 충전기 연결판(13)은 제1 릴레이(11)의 제1 고정단자(111) 및 제2 릴레이(12)의 제1 고정단자(121)가 전기적으로 접속되며, 상기 인버터 연결판(14)은 제1 릴레이(11)의 제2 고정단자(112) 및 제2 릴레이(12)의 제2 고정단자(122)가 전기적으로 접속된다.

따라서, 제1 스위치(SW1)가 ON 상태일 경우(

='LOW')에는, 상기 제1 플레이트(110b) 상의 가동단자 지지판(115)에 지지되어 있는 상기 제1 릴레이의 가동단자(110)는, 솔레노이드(114)의 동작에 의해 제2 고정단자(112) 및 인버터 연결판(14)에 접속되고, 따라서 제1 배터리(1)를 인버터(30)에 연결하여 줌으로써 상기 제1 배터리가 방전모드로 동작하도록 한다 (도 4의 실선 표시 부분 참조).

이때, 제2 스위치(SW2)는 OFF 상태이여야 하며(

='HIGH'), 상기 제2 플레이트(120b) 상의 가동단자 지지판(125)에 지지되어 있는 상기 제2 릴레이의 가동단자(120)는, 탄지 스프링(126)에 의해 탄지되므로 제1 고정단자(122) 및 충전기 연결판(13)에 접속되고, 따라서 제2 배터리(2)를 충전기(40)에 연결하여 줌으로써 상기 제2 배터리가 충전모드로 동작하도록 한다 (도 4의 실선 표시 부분 참조).

그리하여, 상기 인버터(30)는 제1 배터리로부터 출력되는 DC 전원을 내부 회로에 의해 AC로 인버팅하며, 제1 출력용 콘센트(30a) 및 제2 출력용 콘센트(30b)로 교류 전원을 출력하게 된다. 따라서, 사용자는 부하(일례로 300W 전구)의 플러그(SW3)를 상기 제1 콘센트에 접속하여, 전구를 밝힐 수 있게 된다.

아울러, 상기 인버터(30)의 제2 출력용 콘센트(30b)에 상기 충전기(40)의 플러그(SW4)를 접속하면, 인버터의 교류 출력의 일부(바람직하게는 15~35%)가 충전기로 출력되는바, 충전기는 이를 정류하는 등의 방식으로 DC로 바꾸어 현재 충전모드에 있는 제2 배터리(2)로 보내어, 제2 배터리(2)를 충전하게 된다.

이 경우, 추가로 설명하면, 충전기의 (-) 단자가 충전기 연결판(13), 제2 릴레이의 제1 고정단자(121) 및 제2 릴레이의 가동단자(120)를 통해, 제2 배터리 연결단자(16)를 통해 제2 배터리의 (-)단자에 접속되기 때문에, 제2 배터리가 충전모드로 동작가능한 것이다.

한편, 상기 충전기의 플러그인 상기 제4 스위치(SW4)는 인버터의 제2 콘센트(30b)에 접속될 수도 있으나, 미도시된 교류 상용전원(120V, 60Hz)의 콘센트에 접속되도록 할 수도 있으며, 혹은 보조발전기로서의 소형 유류발전기나 소수력 발전기등의 보조 교류전원에 접속되도록 하는 것도 가능하다.

한편, 상기 릴레이부의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)는 제어부(20)의 제1 및 제2 제어신호 출력단자(HD1, HD2)에 접속되어, 각각의 제1 및 제2 제어신호(

,

)에 의해 스위칭이 이루어지는바, 역시 각 제어신호 출력단(HD1, HD2)의 (+)단자는 +12V에 고정접속되고, 각 제어신호 출력단의 (-)단자를 통해 출력되는 상기 제어신호에 의해 동작하는 제1 및 제2 솔레노이드(114, 124)에 의하여 가동접점의 절환이 이루어진다.

즉, 제1 (

)가 'LOW'이고 제2 제어신호(

)가 'HIGH'이어서, 제1 솔레노이드(114)가 '온'이고 제2 솔레노이드(124)가 '오프'이면 (도 4의 실선 표시 부분), 제1 배터리(1)의 (-)단자가 '제1 배터리 연결판(15)-제1 릴레이 가동단자(110)-제1 릴레이 제2 고정단자(112)-인버터 연결판(14)-인버터(30)'를 통해 부하(50)에 연결되며 (인버터와 충전기는 유도결합으로 결합되나 전기적으로는 단절됨), 제2 배터리(2)의 (-)단자는 '제2 배터리 연결판(16)-제2 릴레이 가동단자(120)-제2 릴레이 제1 고정단자(121)-충전기 연결판(13)'을 통해 충전기(40)에 연결되며, 제1 배터리는 방전모드로 그리고 제2 배터리는 충전모드에 있게 된다. 참고로 도 4에서 화살표는 전류의 방향이 아니고, 에너지의 전달방향을 나타내는 것이다.

반대로 제1 (

)가 'HIGH'이고 제2 제어신호(

)가 'LOW'이어서, 제1 솔레노이드(114)가 '오프'이고 제2 솔레노이드(124)가 '온'이면 (도 4의 점선 표시 부분), 제1 배터리(1)의 (-)단자가 '제1 배터리 연결판(15)-제1 릴레이 가동단자(110)-제1 릴레이 제1 고정단자(111)-충전기 연결판(13)'을 통해 충전기(40)에 연결되며, 제2 배터리(2)의 (-)단자는 '제2 배터리 연결판(16)-제2 릴레이 가동단자(120)-제2 릴레이 제2 고정단자(122)-인버터 연결판(14)-인버터(30)'를 통해 부하(50)에 연결되며, 제1 배터리는 충전모드로 그리고 제2 배터리는 방전모드에 있게 된다.

미설명 참조부호 113 및 123은 제1 및 제2 배터리 접속단자(15, 16)와 각 릴레이의 가동단자(110, 120)를 연결하는 전선이며, 확실한 접속을 위해, 좌우 두 개씩의 단자가 동일한 형태로 구비되며 각 단자에 각각 2개의 전선으로 접속하여 총 4개의 전선으로, 각 배터리 접속단자(15, 16)를 해당 릴레이의 가동단자와 접속하게 된다. 미설명 참조부호 110a 및 120a는 각 릴레이의 가동접점(110, 120) 고정부이다. 미설명부호 127은 제2 릴레이의 제어신호 단자이다.

이제, 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 제어부(20)의 구성 및 동작을 설명한다.

도 9에 도시된 바와 같이 상기 제어부(20)는, 제1 및 제2 배터리의 전원이 입력되는 배터리 전원 입력부(210), 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 배터리의 전압(+12V 혹은 +24V)을 컨버팅하여 +5V 및 +12V의 정전압을 발생하는 정전압 회로부(220), 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 제1 및 제2 배터리의 전압의 크기를 출력하는 제1 배터리 전압표시부(260) 및 제2 배터리 전압표시부(270), 상기 릴레이부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 릴레이 제어신호 출력부(250) 및 상기 제1 및 제2 배터리의 전압의 크기를 검출하여 상기 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 릴레이 제어신호를 출력하는 제어 IC를 포함하는 처리부(240)를 포함한다.

추가로, 상기 제어부는 옵션설정부(290)를 더 포함할 수 있는바, 이를 통해 제1 및 제2 배터리의 충방전 모드를 전환하는 기준치를 임의로 변경하는 것이 가능하다.

미설명 부호 230은 제어 IC의 리셋부이며, 280은 추가적인 입출력단자로 사용가능한 예비단자부이다.

먼저, 배터리전원 입력부(210)를 설명하면, 제1 배터리(1)의 DC 전압(V_B1)을 분압저항 R37, R33을 통해 검출하여 제어 IC(Q1)의 V_BA 단자를 통해 입력하며, 제2 배터리(2)의 DC 전압(V_B2)을 분압저항 R41, R34를 통해 검출하여 제어 IC(Q1)의 V_BB 단자를 통해 입력한다. 참고로, C14 및 C13은 노이즈 필터링용 커패시터이다.

한편, 상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 제1 및 제2 배터리의 전압은 다이오드(D11, D12)에 의해 믹싱되어 정전압 회로부(220)의 DC-DC 컨버터(221)로 입력되는바, DC-DC 컨버터(221)는 릴레이 구동용 정전압(+12V) 및 본 제어회로용 정전압(+9V)을 출력하게 된다. 추가로, 상기 DC-DC 컨버터(221)에서 출력되는 제어회로용 정전압(+9V)은 정전압 IC(Q5)에서 다시 +5V의 정전압으로 조정되어진다.

이제, 처리부(240)의 제어 IC(Q1)는 제1 배터리의 순간 전압의 크기를 제1 배터리 전압표시부(260)의 LED들(L1~L23)을 통해, 그리고 제2 배터리의 순간 전압의 크기를 제2 배터리 전압표시부(270)의 LED들(L6~L25)을 통해 출력하게 된다. 일례로 상기 제어 IC(U1)는 PIC16F877A 가 사용될 수 있다.

아울러, 상기 제1 및 제2 배터리의 순간 전압의 크기를 비교하여 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 상기 릴레이부(10)의 온/오프를 제어하게 된다.

예를들어, 제1 릴레이의 제어신호를 출력하는 단자(S1)를 통해, '하이'신호를 출력하게 되면, 스위칭용 트랜지스터(Q2)가 턴온되며, 따라서 제1 릴레이 제어신호 출력단(HD1)의 제어단자 신호(

)가 'LOW'가 되므로, 제1 릴레이 제어신호 출력단(HD1)의 상위 전원단자를 통해 제1 릴레이(11)의 솔레노이드(도 4의 SW1)(도 6의 114)로 출력된 +12V 전압이 상기 출력단(HD1)의 하위 전원단자를 통해 통전되므로, 결국 제1 솔레노이드(114)가 동작하여, 상기 제1 릴레이의 가동단자(110)를 제2 고정단자(112) 측으로 접속되게 함으로써, 결국 제1 배터리의 (-)단자가 인버터 연결판(13)을 통해 인버터(30)의 (-)단자에 접속되도록 함으로써, 결국 제1 배터리(1)가 방전모드로 동작하게 된다. 이 경우, 제1 릴레이 동작 표시용 다이오드(L3) 역시 통전되므로, 제1 릴레이가 동작하는 상태를 보이게 된다 (도 11a 좌측 LED 참조).

반대로, 이때 제2 릴레이의 제어신호를 출력하는 단자(S2)를 통해, '로우'신호를 출력하게 되면, 스위칭용 트랜지스터(Q3)가 턴오프되며, 따라서 제2 릴레이 제어신호 출력단(HD2)의 제어단자 신호(

)가 'HIGH'가 되므로, 제2 릴레이 제어신호 출력단(HD2)의 상위 전원단자를 통해 제2 릴레이(12)의 솔레노이드(도 4의 SW2)(도 6의 124)로 출력된 +12V 전압이 상기 출력단(HD2)의 하위 전원단자를 통해 통전되지 않게 되므로, 결국 제2 솔레노이드(124)가 동작하지 않게 되어, 상기 제2 릴레이의 가동단자(120)를 제1 고정단자(121) 측으로 접속되게 함으로서, 결국 제2 배터리의 (-)단자가 충전기 연결판(13)을 통해 충전기(40)의 (-)단자에 접속되도록 함으로써, 결국 제2 배터리(2)가 충전모드로 동작하게 된다. 이 경우, 제2 릴레이 동작 표시용 다이오드(L5) 역시 통전되지 않게 되므로, 제2 릴레이가 동작하지 않는 상태를 보이게 된다 (도 11a 우측 LED 참조).

이후, 제1 배터리 전압은 계속 감소하게 되며, 제1 배터리는 충전 도중에 있게 되는바, 도 11a에서는 제2 배터리의 충전 상태가 80%임을 알 수 있다.

더 진행하여, 이제 제1 배터리의 전압이 일정 이상 떨어지거나 전류가 감소하거나 혹은 정해진 시간이 경과하여 충방전을 전환할 필요가 있을 경우, 제어부(20)는 릴레이 제어신호를 반대로 하게 되며, 도 11b에서 보는 바와 같이, 역으로 제2 릴레이가 방전 모드로 되며, 제1 릴레이가 충전모드로 되는바, 한편 도 11b에서는 현재 제1 배터리의 충전상태 전압이 14.3V임을 나타내고 있는 실제 동작 사진이다.

계속해서, 이상의 상기 제어 IC의 기본적인 제어 동작을 도 10을 참조하여 설명하면, 먼저 제1 배터리 및 제2 배터리의 순간 전압을 측정하고 각 전압 표시부(260, 270)를 통해 출력하며(S1, S2), 이후 측정된 양 배터리의 순간 전압(V_B1, V_B2)을 비교하여(S3), 만약 제1 배터리의 순간 전압(V_B1)이 제2 배터리의 순간 전압(V_B2) 보다 크면, 제1 릴레이를 턴온시켜 제1 배터리를 방전모드로 하고, 제2 릴레이를 턴오프시켜 제2 배터리를 충전모드로 한다(S4)(도 11a 참조).

이후, 방전 모드에 있는 제1 배터리(1)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S5), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제2 배터리의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S4 내지 S6 단계를 반복한다.

한편, 상기 S5 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제1 배터리(1)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 반대로 스위칭하여 제1 배터리를 충전모드로, 제2 배터리를 방전 모드로 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).

역으로, 상기 S3 단계에서의 판단 결과, 제1 배터리의 순간 전압(V_B1)이 제2 배터리의 순간 전압(V_B2) 보다 작으면, 제2 릴레이를 턴온시켜 제2 배터리를 방전모드로 하고, 제1 릴레이를 턴오프시켜 제1 배터리를 충전모드로 한다(S14)(도 11b 참조).

역시 이후, 방전 모드에 있는 제2 배터리(2)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였는가 여부를 판단하여(S15), 그렇지 않으면 제1 및 제2 배터리 전압을 측정하여 표시하고 충전모드에 있는 제1 배터리의 충전 정도 및 충전 전압을 측정하여 표시하고, 계속해서 S14 내지 S16 단계를 반복한다.

한편, 상기 S15 단계에서의 판단 결과, 방전 모드에 있는 제2 배터리(2)의 전압 강하가 기준치(일예로 0.2V) 이상 하강하였다고 판단되면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 반대로 스위칭하여 제2 배터리를 충전모드로, 제1 배터리를 방전 모드로 다시 전환하게 되며(S7), 처음으로 리턴하여 이상을 반복하게 된다(S8).

아울러, 이상은 제1 및 제2 배터리의 동작모드의 전환 기준을 도 9의 DIP 스위치(DIP1)의 조작을 통해 배터리의 전압 강하(0.2V)로만 세팅하였을 경우의 실시예를 설명한 것이며, 경우에 따라 배터리 전압 이외에 배터리 전류나 혹은 충방전 전환 시간을 도 9의 DIP 스위치(DIP1)의 조작을 통해 미리 다르게 세팅하여 행할 수 있도록 설정하는 것도 가능하다.

도 9의 옵션 설정부(290)는, 제어 IC의 단자에 접속된 풀업 어레이 저항(RA2)과 DIP 스위치(DIP1)로 구성되는바, DIP 스위치(DIP1)를 통해 설정이 가능하다. 일예로, DIP 스위치의 1번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.1V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.2V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 및 2번 스위치를 모두 올리면, 방전모드 배터리의 0.3V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 3번 스위치만을 올리면, 방전모드 배터리의 0.4V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 1번 내지 3번 스위치를 모두 올리면, 방전모드 배터리의 0.7V 전압강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다. 아울러, DIP 스위치의 4번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 전압이 100A에서 5A 전류강하시 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다. 혹은, DIP 스위치의 5번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 2.5분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 6번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 5분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 7번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 10분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정되며, DIP 스위치의 8번 스위치를 올리면, 방전모드 배터리의 방전 시간이 20분 경과하였을 경우에 충반전 모드 전환을 하도록 설정될 수 있다.

혹은 이들 전압, 전류 및 경과시간을 조합하여 충반전 모드 전환을 결정하도록 프로그래밍할 수도 있다.

최종적으로, 방전 중인 배터리의 전압이 10.7V 미만으로 되면, 모든 동작을 중지시킬 필요가 있는바, 통상 10.5V 미만에서도 계속해서 방전시에는 과방전으로 인하여 배터리의 재충전이 불가능하도록 되어 버릴 가능성이 있기 때문이다. 이 경우, 도 10의 흐름도에서, S4 단계 바로 이전에, 제1 배터리의 전압(V_B1)이 10.7V 미만인지를 판단하는 단계가 추가되어야 하며, 제1 배터리의 전압(V_B1)이 10.7V 이상일 경우에, S4 단계로 이행하고, 만약 제1 배터리의 전압(V_B1)이 10.7V 미만일 경우에는 충방전 프로그램을 전면 중지하는 단계로 가야하며, 역시 S14 단계 바로 이전에도, 제2 배터리의 전압(V_B2)이 10.7V 미만인지를 판단하는 단계가 추가되어야 하며, 제2 배터리의 전압(V_B2)이 10.7V 이상일 경우에, S14 단계로 이행하고, 만약 제2 배터리의 전압(V_B2)이 10.7V 미만일 경우에는 충방전 프로그램을 전면 중지하는 단계로 가야한다.

추가적으로, S5 및 S15 단계에서도 각각, 방전모드인 배터리의 전압 강하가 기준치(여기서는 0.2V) 이상인지와, 방전모드인 배터리의 전류 강하가 기준치(일예로 5A) 이상인지와, 방전모드인 배터리의 연속방전 경과시간이 기준치(일예로 5분) 이상인지의 조건 중에서 어느 한가지 조건이 충족되었는지, 혹은 2가지 조건 이상이 충적되었는지, 혹은 3가지 조건이 모두 충족되었는지 여부를 가지고 충반전 모드 전환을 시도하는 것처럼 흐름도를 변경하는 것이 가능하다.

한편, 이상의 본 발명의 작용효과를 이하 상술한다.

주지하였다시피, 이차전지는 가역적인 전기화학반응을 이용하는 축전지로서, 일예로 납축전지의 경우에는 과산화납을 양극으로, 납을 음극으로 사용하고 전해액으로 묽은 황산을 사용한다.

상기 이차전지는 방전하는 동안 전극물질과 전해질 사이에 화학반응이 일어나는데, (－)극에서는 순수한 납원자(Pb)가 전해질의 황산이온(SO₄ ²)과 반응하고, 황산(H₂SO₄)은 물에 녹아 음전하를 띤 황산이온과 양전하를 띤 수소이온(H^＋)으로 되며, 납원자는 황산이온과 결합하면서 전자를 두 개 잃고 황산납(PbSO₄)이 된다.

상기 이차전지를 사용(방전)할수록 황산이 소모되고 물이 생겨서 황산이 점점 묽어지게 되며, 이때 충전기를 이용해 충전하게 된다.

충전기는 강제로 상기 방전 과정의 반대 방향으로 전자를 흐르게 해서 역반응이 일어나게 하며 방전 과정의 반대 방향으로 반응이 일어나면 전극물질이 원래대로 바뀌고, 황산의 양도 다시 증가하여 충전된 이차전지를 이용해 다시 전원을 공급할 수 있게 된다.

즉, 방전이 진행되면 (－)극과 (＋)극은 모두 황산납으로 변화하여 반응속도가 줄어들고 부산물로 물이 생성되어 전해액의 농도가 낮아지게 되나, 가역적인 화학반응을 이용하여 충전을 하게 되는 것이다.

본 발명은 2개 이상의 이차전지를 이용하여 충방전을 반복하는 과정에서, (+)극과 (-)극이 황산납으로 변화하는 속도를 줄임으로써 이차전지의 효율이 서서히 떨어져 이차전지의 만충전으로 사용할 수 있는 방전시간을 늘릴 수 있는 것이다.

예를들면, 양 배터리가 모두 12.7V일 경우, 제1 배터리를 방전시켜 부하에 전력을 공급하다가, 12.5V가 되면 모드를 전환하게 되고, 제2 배터리를 방전 모드로 및 제1 배터리를 충전 모드로 하게 되어, 일예로 제2 배터리의 전압이 12.5V일 시점에서 제1 배터리는 12.6V로 재충전이 되어짐으로써, 비록 나중에는 모두 10.7V 미만으로 되어 방전을 전면 금지시켜야 하겠지만, 어쨋든 부하를 동작시키는 시간을 늘릴 수가 있는 것이다.

한편, 정격전압 12V 납축전지의 경우, 완전충전시 14.5~13.5V 정도의 배터리 전압이 관찰되며, 방전을 하게 됨에 따라 전압이 계속해서 낮아지며, 12V까지는 큰 변화가 없으나, 12V 미만으로 떨어질 시에는 배터리의 성능이 급격히 감소하게 된다 (이는 각 배터리의 특성에 따라 다소 차이가 있으나, 모든 배터리의 성능이 비례적으로 감소하지 않고 어느 시점에서 급격하게 성능이 덜어지는 클리프 현상을 갖는 것은 일반적이다). 이는 방전으로 인한 황산염 물질이 셀 간의 전극에 들러붙어 배터리의 성능을 크게 떨어뜨리기 때문인바, 본 발명에서는 충전과 방전을 교대로 자주 행함으로써, 황산염과 납 간의 가역 반응이 자주 빈번하게 일어나고, 결국 황산염 물질이 전극에 들러붙는 것을 최대한 지연시키기 때문인 것으로 추정된다. 즉, 동일한 조건에서 동일한 시간이 흐르지만, 흐르는 물에서는 이끼가 거의 끼지 않는 것과 비슷한 현상인 것으로 추측된다.

<표 2>는 <표 1>과 동일한 배터리를 가지고 동일한 조건에서 본 발명에 의한 충방전 방식을 사용하여 방전을 시켰을 경우에, 배터리 전압의 변화 및 사용시간에 대한 실제 실험결과이다.

상기 <표 2>에서 보는 바와 같이, 한번의 납축전지 만충전으로 약 3시간 14분을 사용할 수 있음을 알 수 있고, 방전하는 동안에도 배터리의 출력전압과 인버터 출력전압이 서서히 감소하는 현상을 볼 수 있으며, 결국 충방전을 반복하는 과정에서 (+)극과 (-)극이 변화하는 속도를 줄임으로써 배터리의 효율이 서서히 떨어져 원래 배터리가 가지고 있던 이상적인 고유 용량(2.4kWh)을 연속방전시(0.49kWh)보다 많이 사용(0.95kWh)하였기 때문이다.

특히, 일반적으로는 10.7V 이하에서는 방전이 불가능하나, 본 발명의 경우에는 이와 같이 황산염 물질이 전극에 끼지 않으므로 9.5V 에서도 방전이 가능한 것으로 관찰되었으며, 다만 재충전을 용이하게 하기 위하여 전술한 바와 같이 10.7V 이하에서는 방전을 정지시키는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명에 의하면, 이상 설명한 바와 같이, 황산염이 전극에 들러붙는 현상을 크게 줄임으로써, 배터리 제조회사에서 규정하고 있는 300사이클 회수보다 훨씬 많은 사이클 만큼 재충전 및 방전이 가능하며, 배터리의 전체 수명을 2~3배 늘릴 수 있다는 추가적인 장점을 갖는다. 즉, 제1회 충전시에 배터리의 효율이 37.7%로 일반적인 연속충전의 경우(16.6%) 보다 효율이 좋음은 물론, 제3회째 충전시에도 배터리의 효율이 43.7%로 일반적인 연속충전의 경우(15%) 보다 효율이 좋으며, 제5회째 충전시에도 배터리의 효율이 56.2%로 일반적인 연속충전의 경우(13.9%) 보다 효율이 좋음을 알 수 있었다.

더욱이, 완전방전 후에 충전하려면 델코 배터리의 경우에 10시간 이상을 충전하여야 하나, 본 발명에 의하면 제1 배터리의 방전 도중에도 아무런 폭발이나 과열 위험없이 제2 배터리를 솔라셀 등의 외부 전원으로도 충전하는 것이 가능하여, 이와 같이 외부 보조전원을 사용하는 경우, 방전시간에 제한이 없게 된다는 추가적인 장점이 있다.

아울러, 본 발명의 효과는 특히 납축전지를 배터리로 사용하는 실시예에서 두드러지나, 반드시 납축전지에만 한정되는 것은 아니며, 리튬 이차 전지는 물론, 기타 이차 전지에서도 유의할만한 효과가 있음을 발견하였으며, 배터리의 개수 또한 2개에 한정되는 것은 아니며 3개 이상의 배터리를 한 쌍으로 묶어 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.

이처럼, 앞에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

1 : 제1 배터리 2 : 제2 배터리
10: 릴레이부 10a: 베이스
11: 제1 릴레이부 11b: 플레이트
11c: 지지대
12: 제2 릴레이부
13: 충전기 연결판 14: 인버터 연결판
15: 제1 배터리 연결판 16: 제2 배터리 연결판
20: 제어부
30: 인버터 40: 충전기
50: 부하 60: 솔라셀
110: 제1 릴레이 가동단자 111: 제1 릴레이 제1 고정단자
112: 제1 릴레이 제2 고정단자 113: 연결선
114: 솔레노이드 115: 가동단자 지지판
116: 스프링
120: 제2 릴레이 가동단자 121: 제2 릴레이 제1 고정단자
122: 제2 릴레이 제2 고정단자 123: 연결선
124: 솔레노이드 125: 가동단자 지지판
126: 스프링 127,128: 제2 릴레이 제어신호 단자
210: 배터리 전원 입력부 220: 정전압 회로부
221: DC-DC 컨버터 230: 리셋부
240: 처리부 250: 릴레이 제어신호 출력부
260: 제1 배터리 전압표시부 270: 제2 배터리 전압표시부
280: 예비단자부 290: 옵션설정부

Claims

충방전이 가능한 2 이상의 이차전지;
상기 2 이상의 이차전지의 어느 하나의 이차전지가 방전되도록 할 경우에 상기 방전모드의 이차전지의 DC 출력전압을 부하에 전달하는 인버터;
상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지를 상기 인버터에 연결하여 주며, 다른 시점에서는 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드와 상이한 다른 이차전지를 상기 인버터에 연결하여 주도록 절환을 행하는 릴레이; 및
상기 릴레이의 절환 동작을 제어하여 상기 인버터를 통한 상기 부하에 상기 2 이상의 이차전지의 전력을 교대로 공급하도록 하는 제어부;
를 포함하며,
각 DC 단자의 (+) 및 (-) 단자 중에서 동일한 일측 극성의 단자들이 상호 고정 연결되어 있으며, 고정연결되지 않은 타측 극성의 단자를 각각 스위칭하여 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치.
제1항에 있어서,
상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지의 출력의 일부를 가지고 상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지와 상이한 이차전지가 충전모드로 되도록 상기 충전모드의 이차전지를 충전하는 충전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치.
제1항에 있어서,
상기 2 이상의 이차전지의 상기 방전모드의 이차전지와 상이한 이차전지를 충전하기 위한 상용 AC 전원이 제4 스위치(SW4)에 연결될 수 있으며, 혹은 상기 충전모드의 이차전지를 직접 충전하기 위한 외부솔라셀(60) 등의 외부 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치.
제1항에 있어서,
상기 2 이상의 이차전지의 제1 배터리(1) 및 제2 배터리(2)는 2개가 한 쌍을 이루는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
각 DC 단자의 (+) 단자들이 상호 고정 연결되어 있으며, (-) 단자를 각각 스위칭하여 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 릴레이부는,
각 이차전지의 상기 타측 극성의 단자에 각각 연결되는 배터리 연결판(15, 16);
상기 각 배터리 연결판(15, 16)에 가동단자가 연결되는 릴레이부(11, 12);
상기 릴레이부의 제1 고정단자(111,121)에 공통 접속되는 충전기 연결판(13); 및
상기 릴레이부의 제2 고정단자(112,122)에 공통 접속되는 인버터 연결판(14);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 이차전지의 전원이 입력되는 배터리 전원 입력부(210);
상기 배터리 전원 입력부(210)로부터 입력된 상기 이차전지 전압의 크기를 출력하는 배터리 전압표시부(260, 270);
상기 릴레이부의 동작을 제어하는 제어신호를 출력하는 릴레이 제어신호 출력부(250); 및
상기 이차전지의 전압의 크기를 검출하여 상기 릴레이 제어신호 출력부(250)를 통해 릴레이 제어신호를 출력하는 제어 IC를 포함하는 처리부(240);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 따른 이차전지를 이용한 전원장치의 배터리 모드 전환방법으로서,
(a) 상기 이차전지의 순간 전압을 측정하고 각 전압 표시부(260, 270)를 통해 출력하는 단계(S1, S2);
(b) 상기 측정된 이차전지의 순간 전압(V_B1, V_B2)을 비교하는 단계(S3);
(c) 상기 측정된 이차전지의 순간 전압(V_B1)이 가장 큰 이차전지를 방전모드로 하고, 순간 전압(V_B1)이 가장 작은 이차전지를 충전모드로 지정하는 단계;
(d) 상기 방전모드에 있는 이차전지의 전압 강하가 미리 정해진 기준치 이상 하강하였는가 여부를 판단하는 단계(S5); 및
(e) 상기 전압 강하가 미리 정해진 기준치 이상이면 방전 모드에 있는 이차전지를 충전모드로, 그리고 충전모드에 있던 어느 이차전지를 방전 모드로 전환하는 단계(S8);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 이용한 전원장치의 배터리 모드 전환방법.