WO2014065573A1

WO2014065573A1 - 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치

Info

Publication number: WO2014065573A1
Application number: PCT/KR2013/009441
Authority: WO
Inventors: 권혁남
Original assignee: (주)우전시스템
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-05-01
Also published as: KR101253715B1

Abstract

본 발명은 대용량을 포함하는 다양한 종류의 축전지에 효과적으로 대응하기 위하여 축전지의 셀을 단위로 그 상태와 용량에 따라 상이한 방식으로 펄스를 제공하여 수명 연장 효율을 높이도록 한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치에 관한 것으로, 대용량 축전지를 구성하는 단위 셀에 각각 개별적으로 장착되어 해당 축전지 셀 자체의 전원만을 이용하여 축전지 사용에 무관하게 각각 독립적으로 동작하여 황산화납 생성을 예방하고 기 형성된 황산화납을 제거하기 위한 펄스를 제공하되, 해당 셀의 용량과 효율에 따라 상이한 펄스를 제공하며, 충전 상태에 따라 펄스의 전류 크기를 조절하도록 함으로써 축전지에 부가되어 그 수명을 지속적이면서 효율적으로 연장시킬 수 있어 축전지의 교체 주기를 크게 연장할 수 있는 효과가 있다.

Description

셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치

본 발명은 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치에 관한 것으로, 특히 대용량을 포함하는 다양한 종류의 축전지에 효과적으로 대응하기 위하여 축전지의 셀을 단위로 그 상태와 용량에 따라 상이한 방식으로 펄스를 제공하여 수명 연장 효율을 높이도록 한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치에 관한 것이다.

일반적으로 2차 전지인 축전지는 화학적 에너지를 전기적으로 변환하거나 전기적 에너지를 화학적으로 변환하여 방전과 충전이 모두 가능한 장치로서, 다양한 용도와 목적에 따라 적절한 용량과 출력전압을 제공하도록 구성되어 사용되고 있다.

현재 일반적으로 사용되고 있는 축전지는 방전 시 축전지의 전극판에 황산화 현상이 발생하게 되는데, 이러한 황산화 현상에 따라 방전시 전극판에 달라붙는 황산염이 충전시에도 이탈되지 않고 잔류하여 축전지 전극판에 절연 피막을 형성하게 된다. 이러한 절연 특성에 의해 축전지 내부의 저항이 증가하며 이러한 내부 저항이 20% 이상 증가하게 되면 해당 축전지는 더 이상 사용하지 못하게 되어 폐기되기에 이른다.

따라서, 축전지의 전극판에 형성되는 황산염을 제거하기 위한 다양한 방법들이 등장하였는데, 예를 들어 한국 공개특허공보 제 10-2006-0090939호 "연축전지 재생장치 및 그 재생방법"은 폐연축전지의 음극전극 및 양극전극에 1200V~1400V의 펄스를 9시간 동안 인가하여 황산화납 표면의 산화막을 제거하는 기술을 개시하고 있다. 하지만, 이는 고압의 펄스를 오랜 시간 동안 배터리 전극에 가해야 하기 때문에 복잡한 펄스 발생부를 구성해야 하며 전력 소모가 심한 문제가 있다.

또한, 한국 등록특허 10-0931510호 "축전지의 재생 장치"는 전극판에 SCR 위상제어를 통해 충전 펄스를 제공하는 것으로 충전과 재생이 동시에 이루어지도록 한 것이다. 하지만, 이 경우 역시 축전지에 펄스를 제공하기 위한 구성이 복잡하고, 동일한 펄스를 지속적으로 제공하기 때문에 축전지 상태에 따라 재생 효율이 낮아지는 문제가 있다.

즉, 기존의 축전지 재생장치들은 모두 특정한 재생 과정을 통해 배터리의 전극에 이미 형성된 황산화납을 짧은 시간 내에 효과적으로 제거하여 전체 축전지를 '재생'하는 것을 목적으로 하기 때문에 사용중인 축전지를 분리하여 별도로 마련된 재생장치에 적용한 후 외부 전력을 이용하여 기 설정된 강한 충격을 가함으로써 축전지 전체 전극의 황산화납 결정체를 활물질로 환원시키는 재생을 실시하게 된다. 결국, 개별 축전지의 상태를 고려하지 않기 때문에 재생 효율 편차가 심하고 과도한 충격에 의해 축전지 전체 혹은 축전지를 이루는 셀 중 일부가 파손되는 경우도 발생하게 된다.

따라서, 한국 등록특허 제 10-0585426호 "축전상태에 따라 펄스전류의 크기를 조절하는 축전지의 수명연장 장치"와 같이 차량용 축전지의 수명을 연상시키기 위해서 축전지의 상태를 양호, 보통, 불량으로 구분하여 해당 상태에 따라 황산화납 제거를 위한 펄스 전류의 크기를 달리하도록 함으로써 수명 연장 효율을 높이도록 하는 방식이 등장하였다.

그러나, 상기 개시된 구성은 차량의 종류에 따라 달리 사용되는 축전지의 출력에 맞춘 동작을 제공하기 위해 동작전압에 대한 외부 설정이 요구되고, 300A 이하의 소용량 축전지를 대상으로 하는 것일 뿐만 아니라 양품과 불량에 따라 단순히 펄스의 크기만을 조절하도록 구성되었으므로 대용량 축전지에 적용할 경우 용량에 따른 특성이 반영되지 않아 황산화납 제거 효율이 극히 낮아져 적용이 불가능한 문제가 존재한다.

결국, 현재까지 제공된 대부분의 축전지 수명 연장 장치의 경우 축전지 전체를 재생 동작을 위한 제어 단위로 하기 때문에 실제 축전지를 구성하고 있는 복수의 셀에 대한 개별적인 상태가 반영되지 않고 축전지 전체 상태를 기준으로 황산화납 제거를 위한 펄스가 제공되기 때문에 효율이 높지 않아 수명 연장에 실패하는 경우가 빈번하다. 또한, 충전 시 재생을 위한 펄스를 제공하거나, 재생만을 위한 고출력 펄스를 제공하는 등 외부 전원을 이용하기 때문에 작은 제어 오류에도 축전지에 충격이 가해져 축전지가 파손될 수 있으며 재생을 위한 전력 소모가 심하고 수명 연장을 위한 설비가 복잡할 수밖에 없다.

따라서, 이미 황산화납이 형성된 상황뿐만 아니라 황산화납이 형성될 수 있는 일반 사용 중에도 이러한 황산화납 형성 자체를 예방해 줄 수 있도록 하며 이를 위해서 별도의 외부 전원이 이용하지 않도록 하는 새로운 개념의 축전지 수명 연장 장치가 요구되고 있는 실정이다.

전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시예들의 목적은 대용량 축전지를 구성하는 단위 셀에 각각 개별적으로 장착되어 해당 축전지 셀 자체의 전원만을 이용하여 축전지 사용에 무관하게 각각 독립적으로 동작하여 황산화납 생성을 예방하고 기 형성된 황산화납을 제거하기 위한 펄스를 제공하되, 해당 셀의 용량과 효율에 따라 상이한 펄스를 제공하며, 충전 상태에 따라 펄스의 전류 크기를 조절하도록 함으로써 축전지에 부가되어 그 수명을 지속적이면서 효율적으로 연장시킬 수 있도록 한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 다른 목적은 축전지의 단위 셀 전압이 동일하다는 점에서 별도의 설정 없이도 정확한 셀의 상태를 파악하도록 구성하되, 용량별로 상이한 펄스 설정 정보를 데이터베이스로 구성한 후 해당 데이터베이스를 내장하여 해당 데이터베이스를 기준으로 용량에 최적화된 펄스를 제공하도록 함으로써 축전지 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있도록 한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 축전지의 셀마다 설치하여 이러한 셀의 직병렬 연결에 따른 축전지 구성과 그 사용 및 충전에 무관하게 지속적으로 독립 동작하며, 셀의 내부 저항에 따른 효율을 기준으로 제공 펄스의 주파수와 듀티비를 설정하되 용량에 따라 적합하게 가변 설정하며, 충방전상태에 따라 제공할 펄스의 전류크기를 설정하도록 함으로써, 용량, 효율 및 충전 상태를 모두 고려하여 최적화된 수명연장 동작이 가능하도록 한 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 축전지를 구성하는 개별 셀에 장착되어 축전지의 방전과 충전에 무관하게 독립적으로 해당 셀에 대한 수명 연장 동작을 지속하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치로서, 상기 장착된 셀로부터 얻어진 배터리 전원으로 수명 연장 장치의 전원을 생성하는 전압 안정화부와; 상기 셀의 용량에 대응하도록 기 구성된 펄스 관련 설정 정보를 저장하는 설정 데이터베이스부와; 상기 전압 안정화부가 생성하는 전원을 통해 기준 전압을 생성하고 상기 셀의 배터리 전원으로부터 상태 확인을 위한 과충전 및 과방전 기준 전압을 생성하는 기준 생성부와; 상기 기준 생성부를 통해 생성된 전압과 상기 배터리 전원으로부터 셀의 과다 충방전 여부와 내부 저항을 파악하는 전압 비교부와; 상기 전압 비교부의 결과와 상기 설정 데이터베이스를 기준으로 장착된 셀에 제공하기 위한 펄스의 주파수, 듀티비, 전류 크기를 설정하는 제어부와; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 장착된 셀에 제공할 펄스를 생성하는 펄스 신호 생성부를 포함하여 이루어진다.

상기 제어부는 상기 셀의 내부 저항을 통해 파악되는 효율에 따라 제공할 펄스를 주파수와 듀티비 범위로 구분한 복수의 상이한 펄스 종류로 나누며, 지속적으로 셀의 효율을 파악하여 그에 따라 적용할 펄스 종류를 선택한다.

상기 제어부는 상기 전압 비교부를 통해 얻어진 과충전 혹은 과방전 여부에 따라 상기 선택한 펄스 종류의 전류 크기를 가변한다.

또한, 상기 제어부는 상기 설정 데이터베이스의 설정 정보를 기준으로 상기 펄스 종류에 대한 주파수, 듀티비 및 초기 전류 크기를 결정할 수 있다.

더하여, 상기 제어부는 상기 셀의 내부 저항을 기 설정된 기간을 단위로 측정하여 그 변화를 기준으로 상기 구분된 펄스 종류의 주파수와 듀티비 및 전류 크기 중 적어도 하나를 기 설정된 패턴에 맞추어 가변시킬 수 있다.

상기 전압 안정화부는 상기 셀로부터 얻어지는 배터리 전원에 대한 고주파 노이즈를 제거하는 복수의 직렬 연결된 인덕터와 평활을 위해 복수 종류로 적용되는 커패시터를 포함하여 전원을 안정화시켜 상기 기준 생성부와 전압 비교부 및 제어부에 이용될 수명 연장 장치의 전원을 생성한다.

상기 기준 생성부는 상기 전압 안정화부가 생성하는 전원을 전류 제한 저항을 통해 정전압 유닛에 제공하여 그 출력을 평활 커패시터로 안정화시켜 상기 셀의 전압이 가변되더라도 상기 셀의 출력 전압에 비해 낮게 설정된 기준 전압(REF_Volt)이 일정하게 유지되도록 한 기준 전압 생성부를 포함한다.

상기 기준 생성부는 상기 셀의 배터리 전압을 상이한 저항 비로 구성되는 한 쌍의 전압 분배 회로를 이용하여 과충전시 상기 기준 전압을 초과하는 과충전 신호가 출력되고 과방전 시 상기 기준 전압에 미달하는 과방전 신호가 출력되도록 구성한 과충전/과방전 기준전압 생성부를 포함한다.

상기 설정 데이터베이스의 펄스 관련 설정 정보는 셀의 용량에 따라 동일한 셀의 내부저항이나 그에 따른 효율 범위라 하더라도 주파수, 듀티비, 전류의 크기 중 적어도 하나가 상이하도록 설정된다.

상기 설정 데이터베이스의 펄스 관련 설정 정보는 셀의 용량이 클수록 주파수, 듀티비 중 온 상태의 비율, 전류의 크기 중 적어도 하나를 더 크게 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명 실시예에 따른 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 대용량 축전지를 구성하는 단위 셀에 각각 개별적으로 장착되어 해당 축전지 셀 자체의 전원만을 이용하여 축전지 사용에 무관하게 각각 독립적으로 동작하여 황산화납 생성을 예방하고 기 형성된 황산화납을 제거하기 위한 펄스를 제공하되, 해당 셀의 용량과 효율에 따라 상이한 펄스를 제공하며, 충전 상태에 따라 펄스의 전류 크기를 조절하도록 함으로써 축전지에 부가되어 그 수명을 지속적이면서 효율적으로 연장시킬 수 있어 축전지의 교체 주기를 크게 연장할 수 있는 효과가 있다.

본 발명 실시예에 따른 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 축전지의 단위 셀 전압이 동일하다는 점에서 별도의 설정 없이도 정확한 셀의 상태를 파악하도록 구성하되, 용량별로 상이한 펄스 설정 정보를 데이터베이스로 구성한 후 해당 데이터베이스를 내장하여 해당 데이터베이스를 기준으로 용량에 최적화된 펄스를 제공하도록 함으로써 축전지 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명 실시예에 따른 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치는 축전지의 셀마다 설치하여 이러한 셀의 직병렬 연결에 따른 축전지 구성과 그 사용 및 충전에 무관하게 지속적으로 독립 동작하며, 셀의 내부 저항에 따른 효율을 기준으로 제공 펄스의 주파수와 듀티비를 설정하되 용량에 따라 적합하게 가변 설정하며, 충방전상태에 따라 제공할 펄스의 전류크기를 설정하도록 함으로써, 용량, 효율 및 충전 상태를 모두 고려하여 최적화된 수명연장 동작이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수명연장 장치의 구성도.

도 2는 본 발명의 실시예가 적용된 축전지의 예.

도 3은 본 발명의 실시예가 적용된 축전지의 다른 예.

도 4는 본 발명 실시예에 따른 기준전압 생성부의 구성예.

도 5는 본 발명 실시예에 따른 과충전/과방전 기준전압 생성부의 구성예.

도 6은 본 발명 실시예에 따른 전압 안정화부의 구성예.

도 7은 본 발명 실시예에 따른 수명연장 장치의 동작 예를 설명하기 위한 순서도.

상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치(200)의 구성 블록도로서, 도시한 바와 같이 복수의 단위 셀(110)이 직병렬 연결되어 구성되는 축전지(100)에 대해서, 단위 셀(110)에 개별적으로 연결되는 수명 연장 장치(200)의 구성이 예시되어 있다.

본 발명 실시예에 따른 수명 연장 장치(200)는 도시한 바와 같이 상기 단위 셀(110)을 통해 얻어지는 배터리 전압으로부터 상기 수명 연장 장치(200)의 동작에 필요한 전원을 안정적으로 얻기 위하여 과전류 보호부(270) 및 전압 안정화부(280)를 구비한다.

더불어, 상기 수명 연장 장치(200)는 상기 셀(110)의 용량에 대응하도록 기 구성된 펄스 관련 설정 정보를 저장하는 설정 데이터베이스부(260)와, 상기 전압 안정화부(280)가 생성하는 전원을 통해 기준 전압(REF_Volt)을 생성하고 상기 셀(110)이 제공하는 배터리 전원으로부터 상태 확인을 위한 과충전 및 과방전 기준 전압을 생성하는 기준 생성부(210)와, 상기 기준 생성부(210)를 통해 생성된 전압과 상기 배터리 전원으로부터 셀(210)의 과다 충방전 여부와 내부 저항을 파악하는 전압 비교부(220)와, 상기 전압 비교부(220)의 결과와 상기 설정 데이터베이스(260)를 기준으로 장착된 셀(110)에 제공하기 위한 펄스의 주파수, 듀티비(duty cycle) 및 전류 크기를 설정하는 제어부(230)와, 상기 제어부(230)의 제어에 따라 상기 장착된 셀에 제공할 펄스를 생성하는 펄스 신호 생성부(240)와, 상기 제어부(230)가 상기 셀의 상태나 재생 상태를 사용자에게 표시하기 위한 사용자 인터페이스(250)를 포함한다.

여기서, 상기 사용자 인터페이스(250)는 단순한 표시 소자일 수 있으나, 필요한 경우 사용자가 셀의 용량 혹은 셀의 제품명 등과 같은 축전지 셀의 종류를 선택하는 입력을 제어부(230)에 제공하도록 하는 기능을 더 구비할 수 있다. 이 경우 상기 제어부(230)는 상기 셀의 용량이나 제품명 등을 기준으로 상기 설정 데이터베이스(260)를 참조하여 제어 방식을 가변할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서, 수명 연장 장치(200)는 축전지를 구성하는 개별 셀마다 장착되어 해당 축전지의 수명이 다할 때까지 교체 없이 적용되는 방식으로 활용되므로 축전지 셀의 종류에 따라 전용으로 만들어지는 것이 비용면에서 효율적이다. 따라서, 설정 데이터베이스(260)에는 고정된 축전지 셀의 종류(용량, 제품)에 대한 펄스 관련 설정 정보만 구성하고 상기 사용자 인터페이스(250)는 LED 등과 같은 표시부만으로 구성하는 것으로 경제성을 높일 수 있다.

상기 수명 연장 장치(200)는 축전지의 단위 셀에 각각 개별적으로 장착되어 해당 축전지 셀 자체의 전원만을 이용하여 축전지 사용에 무관하게 각각 독립적으로 동작하는 것으로 황산화납 생성을 예방하고 기 설정된 황산화납을 제거하기 위한 펄스를 제공한다. 여기서, 상기 수명 연장 장치(200)는 장착된 셀의 용량과 효율에 따라 상이한 주파수와 듀티비 및 초기 전류 크기를 가지는 펄스를 제공하며, 과다 충방전 상태에 따라 펄스의 전력 크기를 조절하도록 함으로써 축전지 수명을 지속적이면서 효과적으로 연장시킨다.

도 2와 도 3은 상기 수명 연장 장치(200)를 축전지(100)의 각 셀(110)에 적용한 구성을 보인 예로써, 일반적으로 200A 이하의 차량용 축전지뿐만 아니라 600A, 1000A, 1500A, 1800A, 2000A, 3000A 등과 같은 대용량 산업용 축전지(주로 통신용 장비나 무정전전원장치(UPS) 등에 활용)에 대응하기 위한 경우를 보인 것이다. 이러한 대용량 산업용 축전지의 경우 2V의 단위 셀들을 직병렬 연결하여 원하는 수준의 축전지를 구성하는데, 이러한 개별 2V 단위 셀의 용량이 크기 때문에 가격이 상당하여 이러한 2V 단위 셀을 높은 효율로 오랫동안 사용할 수 있다면 축전지 관리 비용을 크게 낮추는 것은 물론이고 축전지 폐기물에 의한 환경 오염도 줄일 수 있게 된다.

이러한 대용량 2V 셀들을 이용한 산업용 축전지의 경우 그 용량이 다양하며 그 용량 차이의 편차가 크기 때문에 전체 축전지의 크기와 용량은 대단히 다양하게 구성될 수 있다. 도시된 도 2의 경우 사용 전압에 따라 축전지를 6개, 12개, 24개의 수로 직렬 연결하여 12V, 24V, 48V를 구성할 수 있으며, 그 외에도 다양한 전압과 용량에 대응할 수 있다. 도시된 도 3의 경우는 24개의 축전지를 연결하여 48V의 출력 전압을 구성한 경우이다. 따라서, 기존에 알려져 있는 단순한 축전지 전체에 대한 수명 연장 방식을 적용할 경우 용량 차이에 의해 제공 펄스에 따른 효과가 미비하거나 충격이 발생할 수 있다. 즉, 산업용 대용량 축전지의 경우 용량에 대한 고려가 필수적이며, 이를 가장 효과적으로 반영하기 위해서 본 발명에서는 단위 셀마다 수명 연장 장치(200)를 구성하여 단위 셀에 대한 용량을 고려한 수명 연장 기능이 이루어지도록 한다.

더불어, 이러한 2V 단위 셀이 제공하는 배터리 전원만으로 동작하도록 함과 아울러, 이러한 단위 셀들의 직병렬 연결과 그 방전 혹은 충전 동작과 무관하게 항상 상기 수명 연장 장치(200)가 동작하도록 함으로써 황산화납의 생성 자체를 예방함과 아울러 생성된 황산화납을 지속적으로 제거하여 축전지의 수명은 물론이고 그 효율(내부 저항)을 높은 상태로 유지하도록 한다.

상기와 같은 용량을 고려한 지속적이고 독립적인 수명 연장 장치(200)의 동작을 위한 구성을 도 1을 참조하여 좀 더 살펴본다.

먼저, 과전류 보호부(270)는 과전류에 의한 내부 회로를 보호하기 위한 것으로 예를 들어 폴리 스위치(poly switch)와 같이 과전류에 의해 온도가 높아지면 고저항체로 변화되고 과전류 요인이 해소되어 온도가 낮아지면 저항이 낮아지는 소자를 적용하여 수명 연장 장치(200)의 안전성과 신뢰성을 유지한다.

상기 전압 안정화부(280)는 상기 과전류 보호부(270)에 의해 안전하게 전달되는 상기 셀(110)로부터 얻어지는 배터리 전원을 인가받아 그로부터 고주파 노이즈를 제거하고 전원을 평활하여 안정적인 수명 연장 장치(200) 전원(Vcc)를 생성한다.

도 6은 전압 안정화부(280)의 예를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 인가되는 셀의 배터리 전압이 직렬 연결되는 복수의 인덕터(L1, L2)를 통과하도록 하여 고주파 노이즈를 제거하고, 복수 종류의 커패시터들(C4, C5, C6, C7, C8)을 통해서 전원을 평활함으로써 안정적 전원 제공이 이루어질 수 있도록 한다.

기본적으로 2V 셀의 출력 전압은 1.8~2.4V 사이가 되며 1.8V 미만이 되면 자체적으로 출력이 차단되므로 셀이 제공하는 배터리 전압은 적어도 1.8V 이상이 되며 이를 도 6과 같은 전압 안정화부(280)를 통해 안정화시키면 수명 연장 장치(200)의 기준 생성부, 전압 비교부 및 제어부의 안정적 동작을 담보할 수 있다.

이제, 상기 수명 연장 장치(200)의 실질적인 수명 연장을 위한 제어 구성, 즉 적절한 펄스 출력을 상기 셀에 제공하도록 하는 구성을 살펴보도록 한다.

도 1에 도시된 기준 생성부(210)는 셀의 과충전과 과방전을 파악하기 위한 기준 전압을 제공하도록 구성되는데, 이를 위해서 비교의 기준이 되는 기준 전압(REF_Volt)를 생성하는 기준전압 생성부(212)와 셀의 배터리 전압을 기 설정된 분배 규칙에 따라 분배하여 낮춘 과충전 기준전압(MAX_Sig) 및 과방전 기준전압(MIN_Sig)을 생성하는 과충전/과방전 기준전압 생성부(211)를 포함한다.

도 4는 상기 기준전압 생성부(212)의 구성예를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 상기 전압 안정화부(280)를 통해 안정화된 전원(Vcc)을 전류 제한 저항(R1)을 통해 정전압 유닛(U1)에 제공하여 그 출력을 평활 커패시터(C1)로 안정화시켜 상기 셀의 전압이 가변 되더라도 상기 셀의 출력 전압에 비해 낮게 설정된 기준 전압 (REF_Volt)이 일정하게 유지되도록 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서 상기 기준 전압(REF_Volt)은 1.2~1.25V 사이의 소정 전압이 일정하게 출력되도록 설정한다.

도 5는 상기 기준 생성부(210)의 과충전/과방전 기준전압 생성부(211)의 구성예를 보인 것으로, 상기 셀의 배터리 전압을 상이한 저항 비율로 구성되는 한 쌍의 전압 분배 회로를 이용하여 과충전시 상기 기준 전압을 초과하는 과충전 신호(MAX_Sig)가 출력되고 과방전 시 상기 기준 전압에 미달하는 과방전 신호(MIN_Sig)가 출력되도록 구성한 것이다. 도시된 구성은 R2 내지 R4를 이용하여 과방전 신호(MAX_Sig) 출력을 위한 전압 분배 비율을 설정하고, R6 내지 R8을 이용하여 과충전 신호(MIN_Sig) 출력을 위한 전압 분배 비율을 설정하며, 각각 R5와 C2, R9와 C3를 이용하여 상기 출력 신호들을 안정적으로 출력한다.

도 1의 전압 비교부(220)는 상기 기준 생성부(210)의 과충전/과방전 기준전압을 상기 기준 전압(REF_Volt)과 비교하여 현재 셀의 상태를 파악하며, 이러한 정보를 수신한 제어부(230)는 생성할 펄스의 전류 크기를 조절한다. 예를 들어 과방전 시 펄스 전류의 크기를 증가시키고 과충전 시 펄스 전류의 크기를 감소시킬 수 있다.

한편, 상기 전압 비교부(220)는 상기 셀의 배터리 전압을 이용하여 내부저항을 파악하는데, 이러한 내부저항은 해당 셀의 효율을 의미한다. 즉, 사용에 따라 황산화납이 생성될수록 내부저항이 증가하게 되므로 내부저항에 따라 상기 셀에 가하는 펄스의 주파수와 듀티비 및 기본적인 전류 크기를 결정한다. 이를 위해서 상기 제어부(230)는 상기 설정 데이터베이스(260)에 기 설정된 셀 종류(용량이나 제품)에 따른 펄스 관련 설정 정보를 참조하게 된다. 상기 설정 데이터베이스(260)는 효율 범위에 따른 펄스 주파수, 듀티비, 전류 크기 정보가 저장되며, 좀 더 나은 효율을 위한 부가 제어나 미세 제어를 위해 셀의 특성에 따른 주파수나 듀티비 혹은 전류의 세부적 가변 정보, 동작 패턴 정보 등이 더 포함될 수도 있다.

상기 제어부(230)는 기본적으로 상기 셀의 내부 저항을 통해 파악되는 효율에 따라 제공할 펄스를 복수의 상이한 펄스 종류로 나누며, 동작 중 셀의 효율을 파악하여 상기 복수의 펄스 종류 중 하나를 선택할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 3가지 종류의 펄스를 기 설정한 후 효율 범위에 따라 이들 중 하나를 선택한다.

다음의 표 1은 1000A 용량의 셀에 대한 효율 범위별 3종류 펄스의 예를 보인 것이고, 표 2는 2000A 용량의 셀에 대한 효율 범위별 3종류 펄스들의 설정 정보를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 용량이 커질수록 동일한 효율 범위에 대해서 더 높은 주파수와 듀티비 및 전류 크기를 제공해야 효율적인 황산화납 제거 및 생성 억제가 가능함을 알 수 있다.

표 1

A제품(용량 1000A)
효율	80%이하	80%~90%	90%이상
주파수	30kHz	20kHz	10kHz
듀티비	10% 온	5%온	3% 온
전류	40mA 이상	30~40mA	30mA 이하

표 2

B제품(용량 2000A)
효율	80%이하	80~90%	90%이상
주파수	40kHz	30kHz	20kHz
듀티비	20% 온	15% 온	10% 온
전류	50mA 이상	40~50mA	40mA 이하

도시된 표1 및 표2의 경우 각 효율 범위에 대한 주파수와 듀티비 및 전류의 초기치는 고정된 값이 이용되는데, 여기서 상기 전류의 크기는 과충전이나 과방전 여부에 따라 가변될 수 있다.

한편, 상기 표1 및 표2의 경우는 80% 이상 효율에 대한 3가지 종류의 펄스들을 예로 들었으나 효율의 범위가 다르게 설정되거나 혹은 더 많은 종류의 펄스들을 이용하도록 하여 정밀한 제어를 실시할 수도 있다.

상기 표1이나 표2에 도시한 복수 펄스의 설정치는 설정 데이터베이스(260)에 저장될 수 있으며, 효율 범위에 대해서 좀더 세분화된 미세 제어치가 더 저장되어 이를 기반으로 소정 패턴이나 상태 변화에 따라 기 구분된 효율 범위 내에서라도 펄스의 설정치를 일부 가변하여 제어할 있다. 예를 들어, 용량 1000A인 제품의 효율이 81%라면 초기 설정에 따라 20kHz 주파수로 5% 온되는 듀티비의 39mA 전류 펄스가 제공되다가 수십 시간 후 효율을 다시 파악하여 효율이 변화되지 않거나 효율 변화가 더딜 경우 주파수를 25kHz로 증가시키거나 전류를 40mA 이상으로 증가시키는 등의 가변 조정을 기 설정된 시간 동안 실시한 후 복귀시키는 등 기 설정된 소정의 패턴이나 판단을 통한 미세 조정이 가능할 수 있으며, 이는 설정 데이터베이스(260)의 펄스 관련 설정 정보를 참조하여 실시될 수 있다.

한편, 상기 설정 데이터베이스(260)에는 셀의 배터리 전압을 통해 효율을 명확하게 파악하기 위한 제품별 실험 정보들이 더 포함될 수 있는데, 이러한 효율 확인은 단순히 배터리 전압만으로 완벽하게 파악하기는 어렵기 때문에 배터리 전압을 통해 대략적인 효율을 파악하며, 좀 더 구체적인 배터리 전압에 대한 효율은 설정 데이터베이스에 저장된 실제 제품에 대해 누적 실험된 데이터를 활용하여 좀 더 정확하게 파악할 수 있다.

물론, 이러한 미세 조정은 생략될 수 있고, 상기 설정 데이터베이스(260)는 별도의 메모리를 이용하지 않고 수명 연장 장치에 실제 포함되는 마이크로 콘트롤러의 프로그램 내에 룩업 테이블 등으로 삽입될 수도 있다.

실질적으로 도 1에 도시된 구성에서 전압 비교부(220) 및 제어부(230)는 마이크로 콘트롤러와 같은 단일 유닛으로 구성될 수 있으며, 필요한 경우 설정 데이터베이스(260)도 포함할 수 있다. 따라서, 수명 연장 장치(200)는 소형으로 구현할 수 있으므로 충전지의 내부에 내장되거나, 외부에 적용되더라도 충전지 적용 대상의 여유 공간에 충분히 수납될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동작 과정의 예를 보인 것이다.

도시한 바와 같이 수명 연장 장치를 셀과 연결하여 전원을 인가하면, 상기 수명 연장 장치의 제어부는 설정을 초기화하고 타이머를 초기화하는 등의 초기화 과정을 수행한다.

이후 기준 전압과 과충전/과방전 기준 전압을 검출하여 이를 비교하는 것으로 셀의 과다 충방전 여부를 파악한다. 해당 과다 충방전 여부는 제공할 펄스의 전류 크기를 가감하기 위한 정보로 활용된다.

더불어, 셀을 통해 제공되는 배터리 전압을 기준으로 배터리 내부 저항을 파악하며 이를 통해 효율을 확인한다. 이 과정에서 필요한 경우 설정 데이터베이스를 참조할 수 있다.

이러한 효율 정보가 얻어지면 기 설정된 펄스 종류 중 제공할 펄스의 종류를 설정 데이터베이스를 참조하여 파악하고 주파수, 듀티비, 전류크기 등을 설정하여 제공할 펄스 종류에 대한 설정을 실시한다. 도시된 예에서는 3종류의 펄스를 이용하는데, 효율이나 효율 변화 정보(시간당 변화) 및 과다 충방전 여부에 따라 해당 펄스의 제어 범위가 해당 종류의 펄스가 제공할 범위를 기준으로 일부 가변될 수 있다.

이와 같이 제공할 펄스에 대한 설정이 이루어지면 해당 펄스에 대한 정보를 펄스신호 생성부를 통해 생성하여 셀의 전극에 제공하며, 필요한 경우 사용자 인터페이스를 통해서 현재 수명 연장 제어 상태나 셀의 상태를 알릴 수 있다.

한편, 도시되지는 않았으나 앞서 설명한 롱텀 패턴 제어나 상황별 미세 조정 등의 부가적인 제어도 가능하다.

이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

Claims

축전지를 구성하는 개별 셀에 장착되어 축전지의 방전과 충전에 무관하게 독립적으로 해당 셀에 대한 수명 연장 동작을 지속하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치로서,

상기 장착된 셀로부터 얻어진 배터리 전원으로 수명 연장 장치의 전원을 생성하는 전압 안정화부와;

상기 셀의 용량에 대응하도록 기 구성된 펄스 관련 설정 정보를 저장하는 설정 데이터베이스부와;

상기 전압 안정화부가 생성하는 전원을 통해 기준 전압을 생성하고 상기 셀의 배터리 전원으로부터 상태 확인을 위한 과충전 및 과방전 기준 전압을 생성하는 기준 생성부와;

상기 기준 생성부를 통해 생성된 전압과 상기 배터리 전원으로부터 셀의 과다 충방전 여부와 내부 저항을 파악하는 전압 비교부와;

상기 전압 비교부의 결과와 상기 설정 데이터베이스를 기준으로 장착된 셀에 제공하기 위한 펄스의 주파수, 듀티비, 전류 크기를 설정하는 제어부와;

상기 제어부의 제어에 따라 상기 장착된 셀에 제공할 펄스를 생성하는 펄스 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어부는 상기 셀의 내부 저항을 통해 파악되는 효율에 따라 제공할 펄스를 주파수와 듀티비 범위로 구분한 복수의 상이한 펄스 종류로 나누며, 지속적으로 셀의 효율을 파악하여 그에 따라 적용할 펄스 종류를 선택하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 제어부는 상기 전압 비교부를 통해 얻어진 과충전 혹은 과방전 여부에 따라 상기 선택한 펄스 종류의 전류 크기를 가변하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 제어부는 상기 설정 데이터베이스의 설정 정보를 기준으로 상기 펄스 종류에 대한 주파수, 듀티비 및 초기 전류 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 제어부는 상기 셀의 내부 저항을 기 설정된 기간을 단위로 측정하여 그 변화를 기준으로 상기 구분된 펄스 종류의 주파수와 듀티비 및 전류 크기 중 적어도 하나를 기 설정된 패턴에 맞추어 가변시키는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 전압 안정화부는 상기 셀로부터 얻어지는 배터리 전원에 대한 고주파 노이즈를 제거하는 복수의 직렬 연결된 인덕터와 평활을 위해 복수 종류로 적용되는 커패시터를 포함하여 전원을 안정화시켜 상기 기준 생성부와 전압 비교부 및 제어부에 이용될 수명 연장 장치의 전원을 생성하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 기준 생성부는 상기 전압 안정화부가 생성하는 전원을 전류 제한 저항을 통해 정전압 유닛에 제공하여 그 출력을 평활 커패시터로 안정화시켜 상기 셀의 전압이 가변되더라도 상기 셀의 출력 전압에 비해 낮게 설정된 기준 전압(REF_Volt)이 일정하게 유지되도록 한 기준 전압 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 기준 생성부는 상기 셀의 배터리 전압을 상이한 저항 비로 구성되는 한 쌍의 전압 분배 회로를 이용하여 과충전시 상기 기준 전압을 초과하는 과충전 신호가 출력되고 과방전 시 상기 기준 전압에 미달하는 과방전 신호가 출력되도록 구성한 과충전/과방전 기준전압 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 설정 데이터베이스의 펄스 관련 설정 정보는 셀의 용량에 따라 동일한 셀의 내부저항이나 그에 따른 효율 범위라 하더라도 주파수, 듀티비, 전류의 크기 중 적어도 하나가 상이하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 설정 데이터베이스의 펄스 관련 설정 정보는 셀의 용량이 클수록 주파수, 듀티비 중 온 상태의 비율, 전류의 크기 중 적어도 하나를 더 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 셀단위 장착 방식의 축전지 수명 연장 장치.