KR20150001397A - 배터리의 충전용량 복원방법 및 이를 위한 충전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리의 충전용량 복원방법 및 충전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 충전과 방전을 제어하는 중앙제어부와, 배터리를 충전시키는 충전부와, 배터리를 방전시키는 방전부 및 외부전원입력부를 포함하여 구성되는 통상의 배터리 충전장치에 있어서, 상기 충전장치는 상기 방전부를 제어하는 방전제어부가 더 포함되며, 상기 방전제어부는, 상기 중앙제어부 및 방전부와 각각 연결되고, 상기 중앙제어부의 제어신호에 따라 배터리의 방전을 수행하도록 방전부에 방전신호를 송신하며, 펄스파를 생성하여 방전부를 통하여 배터리에 전달하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 개시한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 충전용량이 현저히 저하된 배터리를 방전하는 과정 중에서 별도로 펄스파를 배터리에 인가하여 전극을 개질함으로써 배터리의 충전용량을 보다 용이하고 효과적으로 복원시키도록 하는 작용효과가 기대된다.

Description

배터리의 충전용량 복원방법 및 이를 위한 충전장치{Recovering method for charging capacity of battery and the charging device}

본 발명은 배터리의 충전용량 복원방법 및 충전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 충전식의 배터리에 대한 관리 또는 사용방법의 오류에 따라 성능이 저하된 배터리의 충전용량을 복원하는 방법으로서, 정전류/정전압 충전법에 의한 배터리 충전과 정전류 방전과 동시에 특정 펄스파를 배터리에 인가함으로써, 배터리의 종류에 따라서 전극판에 고착된 황산염을 환원 제거하거나 또는 메모리 효과를 줄여주며, 따라서, 전극판을 활성화시켜 충전효율을 향상시키는 배터리의 충전용량 복원방법 및 충전장치에 관한 것이다.

이차전지(secondary cell),축전지(storage battery)와 같은 종류의 배터리는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 전지를 의미한다.

위와 같은 종류의 배터리 중 주로 사용되는 배터리로는 납- 산축전지,니켈-카드뮴전지(Ni-Cd),니켈-수소축전지(Ni-MH),리튬-이온전지(Li-ion),리튬-폴리머전지(Li-ion polymer) 등이 있다.

일반적으로 재사용이 가능한 배터리는 전기적 에너지를 화학적 에너지로 변환하는 충전과 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 방전을 반복하면서 배터리로서의 기능을 수행한다.

이러한 배터리는 제조사에서 사용목적에 따라 충방전 횟수에 따른 수명을 정해 놓는데, 이러한 수명은 배터리를 이론에 따라 완벽하게 사용하였을 때 산출될 수 있는 것이다.

배터리는 최초에 전기전자장치나 기기 등에 장착되어 사용되다가 소정 전압이하로 방전이 되면, 전기전자장치나 기기를 정상적으로 동작시키지 못하게 된다. 이때, 소정 전압이하로 방전된 배터리를 재사용하기 위하여 충전장치에 장착하여 충전하게 된다.

그러나, 상기 방전된 배터리를 충전시키기 위하여 충전장치에 배터리를 삽입한 다음에 충전을 하게 되면, 배터리는 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전이 이루어져 완전히 충전이 이루어진 후에도 배터리는 일정전압 이상을 유지하지 못하게 되는 메모리 효과를 가지게 된다.

다시 말해서, 배터리가 최초에 충전된 상태에서 전기전자장치나 기기에서 사용될 경우에는 정상적인 전압을 출력하여 일정시간동안 지속적인 전압을 출력하지만, 소정 회수이상으로 충전 및 방전을 되풀이하는 경우에 배터리는 메모리효과에 의해서 만충전이 되지 않고, 소정 전압이하로 충전이 되어 일정시간동안 지속적인 전압을 출력하지 못하거나 설정된 기준전압이하로만 충전이 되어 전기전자장치나 기기를 정상적으로 구동시키지 못하게 된다.

이는 전기전자장치나 기기에 사용된 배터리가 소정 전압이하로 방전이 된 상태에서 재충전을 하게 되면, 배터리는 소정 전압이상에서만 재충전이 일어나게 되고, 이로써 배터리는 계속 그 전압상태만을 기억하고 있는 상태가 된다.

따라서, 배터리를 재충전할 경우에는 완전방전을 시킨 후에 재충전을 하게 되면 메모리효과가 최소화되기 때문에 완전방전을 시켜야 하지만, 전기전자장치나 기기에 장착된 배터리는 소정 전압이하가 되면 정상적인 작동을 하지 못하는 상태에서 재충전을 하기 때문에 메모리효과가 발생될 뿐만 아니라, 이로 인하여 충전이 가능한 배터리의 수명이 단축되는 문제가 있었다.

아울러, 이러한 완전방전 등의 문제 뿐 아니라, 실제 배터리의 사용에 있어서는 통상 과충전, 부족충전 등 사용상 오류가 발생되고 있어, 이론수명에 해당되는 전지의 설계수명을 다하지 못하고 용도폐기되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 배터리의 방전중에 펄스파를 배터리에 인가하여 배터리의 충전용량을 보다 용이하고 효과적으로 복원시키도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리의 종류, 용량, 충전계수, 방전계수 등을 입력하도록 하여 해당 배터리에 최적화된 충전용량을 복원 및 확보하도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 펄스파를 방전시 전류량을 고려하여 자동으로 조정하여 인가함으로써 충전용량의 복원을 보다 빠르고 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 배터리의 충전과 방전을 제어하는 중앙제어부와, 배터리를 충전시키는 충전부와, 배터리를 방전시키는 방전부 및 외부전원입력부를 포함하여 구성되는 통상의 배터리 충전장치에 있어서, 상기 충전장치는 상기 방전부를 제어하는 방전제어부가 더 포함되며, 상기 방전제어부는, 상기 중앙제어부 및 방전부와 각각 연결되고, 상기 중앙제어부의 제어신호에 따라 배터리의 방전을 수행하도록 방전부에 방전신호를 송신하며, 이 때 펄스파를 생성하여 방전부를 통하여 배터리에 전달하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치를 제공한다.

일단은 상기 중앙제어부에, 타단은 배터리에 연결되며, 배터리의 전압을 실시간으로 측정하여 그 값을 상기 중앙제어부로 송신하는 배터리 전압검출부; 일단은 상기 중앙제어부에, 타단은 배터리에 연결되며, 배터리의 충전 또는 방전시에 배터리에 가해지는 전류값을 실시간으로 측정하여 그 값을 중앙제어부로 송신하는 배터리 전류검출부; 및 상기 중앙제어부 및 충전부에 각각 연결되며, 상기 중앙제어부의 제어를 받아 상기 충전부를 전기적으로 제어하는 충전제어부;를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

키패드 또는 터치패드 형식으로 제공되며, 배터리의 정보를 입력받고, 배터리 충전용량 복원과정의 수행을 개시하도록 하는 조작부; 상기 조작부를 통해 입력된 배터리 정보 또는 복원진행상황을 상기 중앙제어부의 제어를 받아 표시하는 외부표시부; 및 외부 단말기와 충전장치가 상호 데이터를 전송할 수 있도록 매개하는 통신부;를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 중앙제어부는 메모리를 포함하여, 상기 입력된 배터리 정보는 중앙제어부의 메모리에 저장되는 것이 바람직하다.

상기 배터리 정보는 배터리의 종류, 용량, 셀수, 충전계수 또는 방전계수를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 통신부와 연결되는 외부단말기에는 충전상태 프로그램이 탑재 및 구동되며, 상기 충전상태 프로그램에서는 상기 통신부를 통하여 수신되는 배터리의 전압, 전류, 충전 또는 방전량값을 그래프로 표시되도록 지원하는 것이 바람직하다.

상기 통신부와 연결되는 외부단말기에는 배터리관리 프로그램이 탑재 및 구동되며, 상기 배터리관리 프로그램에서는 상기 통신부를 통하여 수신되는 배터리의 종류에 대하여 충전 및 방전에 필요한 설정값을 수정하여 중앙제어부로 송신하는 것이 바람직하다.

상기 설정값은 방전종지전압, 충전종지전압, 텔타피크전압을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 펄스파는 방전제어부에서 증폭된 펄스파인 1차 펄스파와, 상기 1차 펄스파를 통해 방전 제어부 주변 회로로 부터 유도된 펄스파인 2차 펄스파로 구분되며, 2차 펄스파의 최대전압은 1차 펄스파의 최대전압을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 1차 피크전압에서 복원이 이루어지고 다시 한번 2차 피크전압에서 복원이 이루어진다. 이것은 한주기에 2회의 피크전압으로 배터리를 복원한다. 1차 펄스파와 2차 펄스파의 차이는 배터리 복원과 복원후 배너리 성능의 지속성을 위한 펄스파이다. 1차 펄스파는 배터리 복원을 위한 펄스파이며, 2차 펄스파는 복원후 성능 유지를 위한 펄스파이다.

또한 본 발명은, 방전제어부와 방전부를 포함하는 배터리 충방전장치에 의해 구동되며, 배터리가 충전장치의 배터리 수용부에 수용되는 단계; 상기 방전제어부에 의해 방전신호가 방전부에 전송되는 단계; 및 상기 방전신호에 따라서 방전부에 의해 배터리의 방전이 수행되는 단계;를 포함하여 구성되되, 상기 방전신호에 따라서 방전부에 의해 배터리의 방전이 수행되는 단계에서는, 방전제어부에 의해 발생된 펄스파가 배터리에 입력되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법을 제공한다.

상기 배터리의 방전이 수행되는 단계;에서는 배터리의 방전상태 및 펄스파가 입력되는 상태가 외부표시부에 의해 디스플레이되는 것이 바람직하다.

상기 방전제어부에 의해 방전신호가 방전부에 전송되는 단계; 이전에 상기 배터리의 종류를 포함하는 배터리 정보가 입력되는 단계;가 더 수행되는 것이 바람직하다.

상기 배터리의 방전이 수행되는 단계;에서는 상기 충전장치에 마련된 통신부를 통하여 외부 단말기에 연결되며, 상기 외부 단말기에서는 배터리의 방전상태 및 배터리 정보가 디스플레이되는 것이 바람직하다.

방전이 수행되는 단계에서, 방전되는 전류량은 펄스파의 조정에 의해 보정되는 것이 바람직하다.

상기 방전되는 전류량의 보정은, 배터리에 대해서 설정된 전류량과 실제 전류량의 차이가 미리 정해진 값 이상으로 차이가 나는 경우를 감지하여 펄스파의 주파수를 조정하는 것에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 방전이 수행되는 단계;에서는 정전류 방전과 정전압 방전에 의해 방전수행되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 충전용량이 현저히 저하된 배터리를 방전하는 과정 중에서 별도로 펄스파를 배터리에 인가하여 전극을 개질함으로써 배터리의 충전용량을 보다 용이하고 효과적으로 복원시키도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 배터리의 기본정보인 배터리의 종류, 용량, 충전계수, 방전계수 등을 상세히 입력하도록 하여 해당 배터리에 최적화된 충전용량을 복원 및 확보하도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 펄스파의 파형과 배터리의 종류 또는 배터리로부터 측정되는 전류량을 연동함으로써 배터리 충전용량의 복원효율의 향상을 꾀할 수 있도록 하는 작용효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전장치의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전용량 복원방법의 순서를 나타내는 순서도이다.
도 3은 튜티비에 따른 펄스파와 톱니파의 파형을 구분하여 나타낸 것으로, (a)는 튜티비 10%의 펄스파와 톱니파를 각각 나타낸 것이며, (b)는 튜티비 90%의 펄스파와 톱니파를 각각 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전용량 복원방법에 사용되는 펄스파의 1차 펄스파와 2차 펄스파가 포함된 파형도를 나타내는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리의 복원 전과 복원 후의 전극의 상태를 나타내는 사진이다.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전장치의 계통도를 나타내었다. 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전장치는 중앙제어부, 배터리 전압검출부, 배터리 전류검출부, 방전부, 방전제어부, 충전부, 충전제어부, 외부표시부, 조작부, 통신부, 외부전원 입력부를 포함하여 구성된다.

여기서는 충전장치의 하드웨어적 구성인 하우징, 연결 플러그, 배터리 수용부 등과 같은 구성은 통상적인 구성에 해당되므로 별도의 설명은 생략하기로 한다.

상기 중앙제어부는 배터리 전압검출부, 배터리 전류검출부, 방전제어부, 충전제어부, 외부표시부, 조작부, 통신부, 외부전원 입력부 등과 직접 또는 간접적으로 연결되어 이들 구성부를 전반적으로 제어관리하는 기능을 하는 모듈이다.

상기 중앙제어부에는 메모리가 구비되어 있으며, 상기 메모리에는 후술하는 바와 같은 배터리의 기본정보, 충전장치의 제품정보, 각 배터리에 따른 충방전 설정값 등이 저장되며, 외부 입력수단에 의하여 새로운 정보를 입력받아 저장할 수 있다. 외부 입력수단은 후술하는 바와 같이 조작부와 같은 내장형 수단일 수 있으며, 또한 통신부를 통하여 연결된 외부 단말기와 같이 외장형 수단일 수도 있다.

또한, 상기 배터리 전압검출부는 충전제어부 또는 방전제어부와 연결되어 배터리의 전압을 실시간으로 측정하고, 한편 중앙제어부와 연결되어 측정된 값을 중앙제어부로 전송한다.

상기 배터리 전압검출부는 충전 및 방전과정 중 또는 충방전이 이루어지지 않는 상태에서도 배터리의 전압을 검출하며, 충전제어부 또는 방전제어부는 위 전압값을 참고하여 충전 또는 방전을 제어한다.

또한, 상기 배터리 전류검출부는 충전제어부 또는 방전제어부와 연결되어 충전 또는 방전시에 배터리에 가해지는 전류값을 실시간으로 측정하고, 한편 중앙제어부와 연결되어 측정된 값을 중앙제어부로 전송한다.

상기 배터리 전류검출부는 충전 및 방전과정 중에 배터리의 전류를 검출하며, 충전제어부 또는 방전제어부는 위 전류값을 참고하여 충전 또는 방전을 제어한다.

또한, 상기 방전제어부는 방전부와 연결되며, 상기 방전부를 제어하는 기능을 수행하는데, 중앙제어부와 연결되어, 조작부를 통하여 방전명령이 입력되면 중앙제어부로부터 송신되는 방전신호를 받아 방전부에 방전신호를 전달함으로써 방전이 수행되도록 하며, 펄스파를 발생하여 방전부를 통해 배터리에 전달한다.

즉, 중앙제어부에서 송신되는 방전신호에는 방전전류량과 펄스파형의 정보를 가지고 있으며, 방전제어부는 수신한 방전신호를 증폭하여 방전부로 송신한다. 펄스파는 방전신호를 이루는 하나의 파형이다.

중앙제어부의 방전신호는 배터리의 전압이 방전종지전압에 이를 때까지 계속된다. 방전종지전압은 전압검출부를 통하여 배터리의 전압상태를 0.1초 간격으로 검사한다.

또한, 상기 방전부는 방전제어부와 연결되어 배터리의 방전과 관련하여 제어되며, 배터리를 방전시키고, 상기 방전제어부에서 생성되는 펄스파를 배터리에 전달한다.

또한, 상기 충전제어부는 충전부와 연결되며, 상기 충전부를 제어하는 기능을 수행하는데, 중앙제어부와 연결되어, 조작부를 통하여 충전명령이 입력되면 중앙제어부로부터 송신되는 충전신호를 받아 충전부에 충전신호를 전달함으로써 충전이 수행되도록 한다.

또한, 상기 충전부는 충전제어부와 연결되어 배터리의 충전과 관련하여 제어되며, 배터리를 충전시킨다.

또한, 상기 외부전원 입력부는 외부 직류전원의 입력단자이며, 이곳을 통해 충전시 전력과 장치의 운영전원으로 이용한다.

또한, 상기 외부표시부는 후술하는 조작부를 통해 입력된 배터리 정보를 표시하고, 복원과정중에 있는 배터리에 대한 진행상황을 중앙제어부의 제어를 받아 디스플레이 화면을 통하여 표시한다.

한편, 외부표시부는 후술하는 통신부를 통하여 연결되는 외부단말기의 조작에 의하여 필요한 정보를 디스플레이 화면을 통해 표시할 수도 있다. 상기 외부표시부는 디스플레이 화면인 것이 바람직하다고 할 것이나, 점등, 점멸, 소등 등의 기능을 수행하는 단순 전기표시장치일 수도 있다.

또한, 조작부는 복원하려는 배터리의 정보를 입력받고, 복원과정을 실행시키는 역할을 한다. 여기서, 조작부는 복원기능 이외에도 충전장치의 구동이 가능하도록 하는 모든 조작기능을 포함하며, 예를 들어 충전과정, 방전과정, 충전중지, 방전중지, 배터리 추가명령 등이 입력되도록 기능키를 마련할 수 있다.

상기 입력된 배터리 정보는 중앙제어부의 메모리에 저장될 수 있으며, 중앙제어부는 저장된 배터리 정보에 따라서 설정된 설정값에 의거하여 충전, 방전, 또는 복원기능을 수행한다. 여기서, 배터리의 정보란 배터리의 종류, 용량, 셀수, 충전계수, 방전계수, 제조원 등을 의미하며, 그 밖에 배터리가 표시할 수 있는 모든 정보를 포괄한다.

여기서, 충전계수는 배터리 충전시 시간당 충전시키는 전류의 계수이다. 예를 들면 12V 40Ah의 납산배터리를 시간당 4Ah의 전류로 충전시키고자 한다면, 충전계수는 0.1이 된다. 다만, 배터리 종류에 따라 적정수치가 있으므로 배터리의 종류를 확인하고 결정해야 한다. 그러나, 배터리의 종류를 입력하면 중앙제어부의 메모리에 저장된 정보에 의해 자동으로 지정될 수도 있다.

또한, 방전계수는 배터리 방전시 시간당 방전시키는 전류의 계수이다. 예를 들면 12V 40Ah의 납산배터리를 시간당 8Ah의 전류로 방전시키고자 한다면, 방전계수는 0.1이 된다. 다만, 이 경우에도 배터리 종류에 따라 적정수치가 있으므로 배터리의 종류를 확인하고 결정해야 하며, 메모리에 저장하거나 저장된 값을 지정한다.

하기 표 1에서는 배터리 종류에 따른 기준전압, 충전종지전압, 방전종지전압, 충전계수와 방전계수 등 배터리 특성을 나타내었다.

또한, 상기 통신부는 데스크탑, 스마트 폰 등 외부 단말기와 연결되거나, 외부 통신수단과 네트워크를 형성하며, 이러한 외부 단말기에 충전장치 및 배터리에 대한 실시간 정보를 제공하도록 매개하거나, 외부 단말기로부터 소정 명령을 입력받아 이를 수행하도록 매개한다. 예를 들어 배터리에 대한 실시간 정보로서, 복원중인 배터리의 상태를 외부단말기로 보내며, 외부단말기에 탑재되어 충전장치와 연동되도록 구성되는 소위 배터리 상태 프로그램에 의하여, 충전장치로부터 전송되는 배터리의 전압, 전류, 충전 또는 방전량을 그래프 등 시각적 자료로 표시할 수 있다.

또한, 외부단말기에 탑재되는 소위 관리프로그램을 통신부를 경유하여 충전장치와 연동함으로써 배터리 종류에 따라 충전 또는 방전에 필요한 설정값을 수정할 수 있다. 여기서, 설정값은 방전종지전압, 충전종지전압, 텔타피크전압 등을 의미하는데, 그 밖에도 열거되지는 아니하였으나, 배터리의 종류에 따른 충전과 방전에 필요한 데이터를 설정값으로 정의할 수도 있다.

이상과 같은 충전장치에 기초하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리의 충전용량 복원방법은 다음과 같으며, 복원방법에 따른 순서도를 도 2에서와 같이 나타내었다.

먼저, 외부전원 입력부에 직류전원을 연결하고, 배터리 단자에는 배터리를 연결한다(S10). 이때 배터리의 극성을 주의하여 바르게 연결한다.

이후, 조작부를 통하여 배터리의 고유 정보를 입력한다(S11). 이때 입력되는 정보는 배터리의 종류(납산배터리, 리튬배터리, 니켈망간, 니켈카드뮴), 배터리의 용량(40AH, 4000mAH 등), 충방전을 위한 배터리의 셀의 숫자 등이 된다. 납산배터리의 셀당 전압은 2V이며 리튬배터리의 셀당 전압은 3.7V이고, 니켈망간배터리 및 니켈카드뮴배터리의 셀당 전압은 각각 1.2V이다. 따라서 12V 납산배터리의 경우 6셀이 직렬로 연결된 배터리이다.

그리고 계속하여 배터리의 충전계수와 방전계수를 입력한다. 여기서 입력 순서는 바람직하게는 위와 같은 순서로 입력하나, 이와 다른 순서로 입력하는 것도 가능하다. 이와 같이 입력된 배터리 정보는 중앙제어부에 마련된 메모리에 저장되며, 이후에 동일 배터리를 다시 충전 또는 방전할 때, 이를 다시 호출하여 사용할 수 있다. 물론, 상기 메모리에는 이와 같이 입력하여 저장할 수도 있으나, 제품 출고당시 주요 배터리의 고유정보가 미리 입력되어 있을 수도 있다.

중앙제어부는 방전제어부 및 충전제어부와 연결되며, 입력된 배터리 정보를 기준으로 방전제어부와 충전제어부를 제어한다. 제어되는 요소로는 충전시 충전 전압, 충전 전류 그리고 전류의 강하시점, 충전의 종료시점 등이다.

또한, 중앙제어부는 외부 표시부와 연결되어 외부 표시부에 전압, 전류, 충전량, 방전량 등을 표시하도록 제어한다.

배터리 정보의 입력이 완료되면 입력의 완료여부를 묻고, 완료가 확정되면 자동으로 또는 스위치(미도시) 등의 조작에 의하여 충전이 시작되도록 한다(S12). 충전이 시작되면 중앙제어부는 충전제어부에 충전신호를 보내고, 배터리의 전압과 전류의 정보를 각각의 검출부로 받아들이고 이를 기준값과 비교하여 충전제어부에 제어 신호를 보낸다.

충전제어부는 중앙제어부로부터 충전신호를 받아 전압과 전류를 제어하며, 입력된 충전계수에 따라 정전류 충전을 시작한다(S12-1).

이후, 배터리가 일정 전압에 도달하면 충전 전류량을 감소시키며, 전압을 일정하게 유지시키는 정전압 충전을 시작한다(S12-2). 이때 중앙제어부는 배터리의 충전종지전압을 감시하며, 충전종지전압에 이르게 되면 충전종료 신호를 충전제어부에 보내고, 이 신호를 받은 충전제어부는 충전부에 보내는 신호를 차단함으로써 충전을 종료한다(S13).

한편, 방전 관련 운용방법은 다음과 같다.

배터리의 방전은 중앙제어부로부터 시작된 펄스파를 방전제어부를 통해 톱니파로 변형시키고 이를 증폭시켜 방전부로 전달하며, 전달된 톱니파 형태의 방전신호는 방전부의 스위칭소자에 전달되어, 스위칭소자의 온오프를 제어함으로써 배터리의 전류를 흘려보내게 되며, 이로써 전류가 부하저항을 거쳐 열에너지로 방출되는 것이다. 참고로, 방전부는 일 실시예로서 스위칭 소자, 부하저항, 방열부로 구성된다.

먼저, 방전을 위한 배터리 정보의 입력 및 방전을 개시하는 방법은 충전시와 동일하다(S20 ~ S22).

방전 시작명령이 입력되면 중앙제어부는 방전제어부에 방전신호를 보내고, 배터리의 전압과 전류의 정보를 각각의 검출부로부터 받아들이며, 이를 기준값과 비교하여 방전제어부에 제어 신호를 보낸다.

방전제어부는 중앙제어부의 신호를 전송받아 입력된 방전계수에 의하여 방전신호에 펄스파을 실어 방전부로 보낸다. 이에 방전부는 배터리의 정전류 방전을 실행하며, 아울러 펄스파에 의한 배터리 복원을 진행한다(S23). 이때 중앙제어부는 각각의 검출부의 전압과 전류를 감시하며 보정된 값을 방전제어부에 보내고 방전제어부는 방전신호를 재설정하여 방전부로 보낸다.

보다 구체적으로는 방전 개시 명령이 입력되면 중앙제어부는 구형파 형태의 방전신호를 방전제어부로 보낸다. 이때 구형파의 튜티비는 10% ~ 90%이며 주파수는 12KHz ~ 35KHz의 특성을 가지고 있다.

이러한 튜티비와 주파수는 배터리의 종류, 전압, 용량, 방전계수에 의하여 적정값이 채택되어 방전신호로 사용된다. 이 방전신호를 받은 방전제어부는 구형파를 톱니파로 변형하여 증폭하여 방전부로 보낸다.

방전부는 이 신호에 따라 스위칭 소자를 개폐하여 배터리의 전류를 부하장치로 보내 전류를 방전시킨다. 이와 동시에 증폭된 펄스파를 배터리에 보내 배터리 복원을 진행한다. 도 3에서는 이와 같이 튜티비에 따른 펄스파와 톱니파의 파형을 구분하여 나타내었다. 도 3의 (a)는 튜티비 10%의 펄스파와 톱니파를 각각 나타낸 것이며, (b)는 튜티비 90%의 펄스파와 톱니파를 각각 나타낸 것이다.

배터리의 복원과 관련하여 다음과 같은 특성이 이해되어야 한다.

이차 전지는 양극(환원전극)과 음극(산화전극) 그리고 전해액으로 구성되며, 이들은 충전화학반응과 방전화학반응에 의하여 충방전이 가능한 화학전지이다. 이러한 이차전지들은 사용 시간이 늘어남에 따라 또는 관리의 부실로 경시적으로 성능이 떨어지게 된다.

이러한 현상을 니켈배터리에서는 메모리효과, 리튬배터리에서는 에이징현상, 납산배터리에서는 황산염화라고 한다. 이러한 현상들은 대부분 부족충전과 과방전 또는 자가방전에 의하여 성능이 떨어지고 그 성능하향의 폭은 시간이 지날수록 더 심화된다. 이러한 현상들을 제거하고 충전용량을 복원하기 위한 방법으로 기존에는 고압의 펄스파를 충전중에 배터리에 가함으로써 사용할 수 없었던 영역에 대해 복원을 시도하였다.

그러나, 이러한 방식의 복원은 단기간의 복원은 가능하지만 배터리 열화현상에 의한 전체적인 수명단축의 문제점이 있다. 그러나, 본 발명은 방전시 펄스파를 인가하는 방식을 제시하며, 정전류 방전을 통해 배터리의 복원 및 배터리의 방전성능측정을 동시에 할 수 있다. 정전류 방전의 잇점은 배터리 내부의 각셀의 극판의 화학반응을 고르게 할 뿐만 아니라 각셀의 성능을 평준화 시킴으로 배터리의 성능 및 수명을 연장시킨다. 또한 방전중에 펄스파를 가하므로 배터리의 열화 현상으로 인한 수명단축이 없으며 안정적인 복원이 가능하다.

전기전자기기에서 펄스파가 흐른다는 것은 인가된 정격전압보다 순간적으로 상당히 높은 전압이 흐르는 것을 말한다. 전기전자기기에 높은 전압이 흐르면 이에 따라 전달되는 전류의 양도 늘어나게 되며 많은 부하를 견디지 못하고 내부 소자들이 파괴된다.

이와 같이 충전중 펄스파를 인가하면 높은 전압과 많은 전류가 배터리에 인가되며, 이를 배터리가 받아들이면 충전이 되고, 받아들이지 못하면 열에너지의 형태로 변화된다. 이때 변환된 열에너지는 배터리의 온도 상승으로 이어지고 온도 상승은 배터리의 내부 저항을 증가시키며, 저항이 증가됨에 따라 배터리는 전류를 받아들이지 못하고 열에너지로 변환되어 배터리에 축적되어 배터리 열화 현상이 발생된다.

또한 배터리의 충전용량을 벗어난 전류가 지속적으로 인가됨으로 과충전이 발생한다. 이러한 열화 현상과 과충전에 의해 배터리의 내부 셀은 손상되어 결과적으로는 배터리 수명에 악영향을 준다.

이와 반대로 방전중 펄스파 인가에 의한 배터리 복원은 상기와 같이 충전중 펄스파에 의한 복원시 나타나는 열화 현상과 과충전으로 인한 배터리 손상이 없으며, 이러한 점에서 본 발명의 특징을 이룬다.

펄스파는 1차 펄스파와 2차 펄스파로 구분되며 이로 인해 복원의 효율을 증가시킬 수 있다. 즉, 펄스파는 방전제어부에서 증폭된 펄스파(1차 펄스파)와 1차 펄스파를 통해 방전 제어부 주변 회로로 부터 유도된 펄스파(2차 펄스파)로 구분된다.

1차 펄스파와 2차 펄스파는 동시에 방전부로 전달되며, 방전과정이 끝나는 시점까지 항상 짝을 이루어 방전부의 스위칭 소자에 전달하여, 배터리를 방전시키며 펄스파를 배터리에 전달한다. 2차 펄스파는 1차 펄스파의 최대전압을 초과하지 않는 범위에서 발생한다. 도 4의 파형도에 나타나는 것처럼 펄스주기당 2번의 피크전압이 발생하여 펄스에 의한 복원 효율을 증가시킬 수 있다.

또한 정전류방전으로 얻은 데이터를 바탕으로 배터리 제조사에서 제공하는 성능시험표와 비교하여 정확한 복원효율을 알수 있는 장점이 있으며, 이를 통해서 배터리의 방전성능의 정확한 측정이 가능한 것이다.

본 발명은 펄스파를 포함한 정전류방전에 의한 배터리 복원이며, 다만, 충방전 과정이 아닌 상황에서도 펄스파만으로 운용이 가능하다. 즉, 펄스 발생부만 따로 제작하여 배터리의 전원으로 가동되도록 할 수도 있다. 방전시 전류량 계산방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.

방전이 시작되면 중앙제어부는 방전신호를 내보냄과 동시에 배터리 전류 검출부를 통하여 전류량을 측정하고, 배터리 전압 검출부를 통하여 전압을 측정한다.

초기의 전류량은 0에서 시작하여 튜티비와 주파수를 증가시킴으로 방전 전류를 증가시키고, 목표 전류량에 도달하면 펄스파의 듀티비와 주파수를 1차로 고정하여 방전제어부로 보내 배터리를 방전한다. 이때 배터리 전류 검출부는 전류 센서를 통해 0.01초 단위로 배터리의 방전 전류량을 측정한다. 전류 센서는 전자 유도방식을 응용한다. 기준전압을 2.5V로 할때, 충전(정방향)시 전압이 증가하고, 방전(역방향)시 전압이 감소하게 되면 이때 전압의 증감은 전류량에 따라 일정비율이다. 이 전압차를 측정하여 전류량을 계산한다.

V(센서전압) = 2.5 + A(전류에 따른 전압증가치) * B(전류량)

3.3 = 2.5 + 0.04*(+20)...... 충전시

1.7 = 2.5 + 0.04*(-20) .......방전시

배터리의 전압 검출부는 배터리 전압을 일정 비율로 감소시킨후 전압을 측정하여 환산한다.

50V : 5V = 12V : X

실제 운영에 있어서 방전시 전류량의 변화는 지속적으로 일어난다. 이러한 변화의 원인은 배터리 셀의 황산염화와 각기 다른 에이징현상, 활물질 탈락등이 원인이며, 이러한 이유로 전압과 전류를 지속적으로 비교하여 보정해주어야 한다.

방전시 전류량의 보정은 중앙제어부에서 발진하여 충전제어부, 방전제어부로 전달되는 펄스파를 조정함으로써 가능하다. 펄스파는 튜티비와 주파수를 조정함으로 전류량을 조절할수 있게 된다.

예를 들어 설정된 전류량과 실제 전류량의 차이가 50mA/H 이상이 되면 펄스파의 주파수를 증감함으로써 실제적인 조정을 한다. 배터리 전압 검출부와 배터리 전류 검출부를 통해서 중앙제어부는 0.01초 단위로 전류량과 전압을 읽어들이고 설정값과 비교하여 지속적으로 보정을 한다.

방전중 중앙제어부는 배터리의 전압이 방전종지전압에 도달하게 되면, 방전중지 신호를 방전제어부에 보내고 방전제어부는 방전부에 전송하는 신호를 차단함으로 방전을 종료한다. 이 때, 펄스파도 종료한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전장치로 배터리를 복원한 결과 충전과 방전을 1회의 복원이라 할 때, 아래 표 2에 나타낸 바와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 하기 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 1차에서 3차로 갈수록, 즉 회차를 거듭할 수록 배터리의 충전용량이 늘어나는 것을 알 수 있다.

또한, 배터리 내부 상태를 복원 전과 복원 후를 비교하면 도 4에서 나타낸 바와 같이 뚜렷한 차이가 있다. 즉, 도 5의 (a)는 복원 전의 배터리의 전극상태를 나타낸 것이며, (b)는 복원 후의 상태를 나타낸 것인데, 복원 전의 전극에서는 황산염이 하얗게 부착되어 있음을 알 수 있으나, 복원 후의 전극에서는 이러한 황산염이 모두 제거되어 배터리의 상태가 상당부분 사용되기 이전의 상태로 회복되었음을 알 수 있다.

이상과 같은 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 전술한 실시예들은 본 발명의 보호범위를 한정하는 것이 아니며, 그 변형이 가능하고, 변형의 범위는 후술하는 특허청구범위의 해석을 통해 당업자의 수준에서 도출될 수 있는 수준으로 이해될 수 있고, 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 해석에 의하여 특정되어야 한다.

Claims (18)

1. 배터리의 충전과 방전을 제어하는 중앙제어부와, 배터리를 충전시키는 충전부와, 배터리를 방전시키는 방전부 및 외부전원입력부를 포함하여 구성되는 통상의 배터리 충전장치에 있어서,
   상기 충전장치는 상기 방전부를 제어하는 방전제어부가 더 포함되며, 상기 방전제어부는,
   상기 중앙제어부 및 방전부와 각각 연결되고, 상기 중앙제어부의 제어신호에 따라 배터리의 방전을 수행하도록 방전부에 방전신호를 송신하며, 이 때 펄스파를 생성하여 방전부를 통하여 배터리에 전달하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   일단은 상기 중앙제어부에, 타단은 배터리에 연결되며, 배터리의 전압을 실시간으로 측정하여 그 값을 상기 중앙제어부로 송신하는 배터리 전압검출부;
   일단은 상기 중앙제어부에, 타단은 배터리에 연결되며, 배터리의 충전 또는 방전시에 배터리에 가해지는 전류값을 실시간으로 측정하여 그 값을 중앙제어부로 송신하는 배터리 전류검출부; 및
   상기 중앙제어부 및 충전부에 각각 연결되며, 상기 중앙제어부의 제어를 받아 상기 충전부를 전기적으로 제어하는 충전제어부;
   를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   키패드 또는 터치패드 형식으로 제공되며, 배터리의 정보를 입력받고, 배터리 충전용량 복원과정의 수행을 개시하도록 하는 조작부;
   상기 조작부를 통해 입력된 배터리 정보 또는 복원진행상황을 상기 중앙제어부의 제어를 받아 표시하는 외부표시부; 및
   외부 단말기와 충전장치가 상호 데이터를 전송할 수 있도록 매개하는 통신부;
   를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 중앙제어부는 메모리를 포함하여, 상기 입력된 배터리 정보는 중앙제어부의 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 배터리 정보는 배터리의 종류, 용량, 셀수, 충전계수 또는 방전계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 통신부와 연결되는 외부단말기에는 충전상태 프로그램이 탑재 및 구동되며, 상기 충전상태 프로그램에서는 상기 통신부를 통하여 수신되는 배터리의 전압, 전류, 충전 또는 방전량값을 그래프로 표시되도록 지원하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 통신부와 연결되는 외부단말기에는 배터리관리 프로그램이 탑재 및 구동되며, 상기 배터리관리 프로그램에서는 상기 통신부를 통하여 수신되는 배터리의 종류에 대하여 충전 및 방전에 필요한 설정값을 수정하여 중앙제어부로 송신하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 설정값은 방전종지전압, 충전종지전압, 텔타피크전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 펄스파는 방전제어부에서 증폭된 펄스파인 1차 펄스파와, 상기 1차 펄스파를 통해 방전 제어부 주변 회로로 부터 유도된 펄스파인 2차 펄스파로 구분되며, 2차 펄스파의 최대전압은 1차 펄스파의 최대전압을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
10. 방전제어부와 방전부를 포함하는 배터리 충방전장치에 의해 구동되며,
    배터리가 충전장치의 배터리 수용부에 수용되는 단계;
    상기 방전제어부에 의해 방전신호가 방전부에 전송되는 단계; 및
    상기 방전신호에 따라서 방전부에 의해 배터리의 방전이 수행되는 단계;
    를 포함하여 구성되되, 상기 방전신호에 따라서 방전부에 의해 배터리의 방전이 수행되는 단계에서는, 방전제어부에 의해 발생된 펄스파가 배터리에 입력되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리의 방전이 수행되는 단계;에서는 배터리의 방전상태 및 펄스파가 입력되는 상태가 외부표시부에 의해 디스플레이되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 방전제어부에 의해 방전신호가 방전부에 전송되는 단계; 이전에
    상기 배터리의 종류를 포함하는 배터리 정보가 입력되는 단계;가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리의 방전이 수행되는 단계;에서는 상기 충전장치에 마련된 통신부를 통하여 외부 단말기에 연결되며, 상기 외부 단말기에서는 배터리의 방전상태 및 배터리 정보가 디스플레이되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
14. 제 10 항에 있어서,
    방전이 수행되는 단계에서, 방전되는 전류량은 펄스파의 조정에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    사기 방전되는 전류량의 보정은, 배터리에 대해서 설정된 전류량과 실제 전류량의 차이가 미리 정해진 값 이상으로 차이가 나는 경우를 감지하여 펄스파의 주파수를 조정하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
16. 제 10 항에 있어서,
    상기 방전이 수행되는 단계;에서는 정전류 방전과 정전압 방전에 의해 방전수행되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
17. 제 10 항에 있어서,
    상기 펄스파는 방전제어부에서 증폭된 펄스파인 1차 펄스파와, 상기 1차 펄스파를 통해 방전 제어부 주변 회로로 부터 유도된 펄스파인 2차 펄스파로 구분되어 인가되는 것인 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 2차 펄스파의 최대전압은 1차 펄스파의 최대전압을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 배터리의 충전용량 복원방법.
    

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