KR101178109B1

KR101178109B1 - 납축전지 통합관리장치

Info

Publication number: KR101178109B1
Application number: KR20110085753A
Authority: KR
Inventors: 김한주; 육영재; 정환명; 홍경미
Original assignee: (주) 퓨리켐
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2012-08-30

Abstract

본 발명은 교류 전원을 공급하는 전원부;와, 상기 전원부로부터 교류 전원을 공급받아 납축전지의 전압보다 높은 전압을 발생시키는 직류전원공급부;와, 상기 직류전원공급부로부터 출력된 전력을 저장하는 커패시터 뱅크;와, 상기 커패시터 뱅크와 납축전지를 연결하는 회로 선의 일정 지점에 설치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제1스위치와, 상기 제1스위치 후단에서 분리되는 회로선의 일정 지점에서부터 전류제어부까지 연결되는 어느 일정 지점에 위치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제2스위치를 포함하는 스위치부;와, 상기 납축전지의 전압을 감지하는 전압감지부;와, 상기 전압감지부에 의해 감지된 전압에 따른 납축전지의 상태를 표시하는 디스플레이부와, 상기 디스플레이부에 표시된 납축전지의 상태에 따라 납축전지의 충전전압 값을 입력할 수 있는 입력부와, 상기 입력부를 통해 입력된 값에 따라 D/A 컨버터 전류제어부를 통해 전류기준 값을 발생시키고, 동작모드의 실행에 따른 납축전지의 전압, 전류 등의 상태를 표시하도록 하는 제어부와, 상기 제어부로부터 입력받은 전류기준 값에 따라 납축전지의 전류를 제어함으로써 각종 모드로 동작하도록 하는 전류제어부;와, 충?방전시 전류의 역류를 방지하기 위한 제1다이오드와 제2다이오드를 포함하는 다이오드부;를 포함하여 이루어지는 납축전지 통합관리장치를 주요 기술적 구성으로 한다.

Description

납축전지 통합관리장치{A INTEGRATION MANAGEMENT DEVICE FOR LEAD STORAGE BATTERY}

본 발명은 납축전지 성능 저하 원인인 전극 상의 황산납(PbSO₄) 피막을 측정한 후에 그 측정된 값에 따라 납축전지를 폐기처분할 것인지 아니면 성능을 강화시켜 재생할 것인지에 대해 판단을 하고, 성능 강화가 필요한 경우, 펄스파워를 이용하여 전극 상의 황산납(PbSO₄) 피막을 제거함으로써 납축전지의 재생을 가능케 하는 충전, 방전, 진단 또는 재생 기능(성능 강화) 중 선택되는 어느 2종 이상의 기능을 혼합한 복합기능을 갖는 납축전지 통합관리장치에 관한 것이다.

납축전지는 방전시 양극과 음극 판에서 황산염이 생성되고, 충전시 황산염이 제거되게 된다.

그러나 방전 후 방치하거나 또는 불충분한 충전을 하는 경우, 충전 후에 장기 보관할 경우에 황산염이 극판에 생성되며 그 부분만큼 전기적으로 극 판 역할을 못하여 성능 발현이 제대로 이루어지지 않아 납축전지를 폐기하게 된다.

상기 황산염은 전기적으로 개선 가능한 황산염(sulfation)일 경우 soft sulfation 이라 하고, 전기적으로 개선 또는 제거가 안 되는 수준의 황산염을 hard sulfation 이라 하며, hard sulfation인 경우에는 약품 투입을 하여야 한다.

그러나 약품 투입에 의한 경우에는 일시적으로 회복하는 것에 지나지 않으며 전극 전해질의 비중을 과도히 상승시키거나 전극 표면을 손상하며 납축전지 자체의 수명 복구가 어렵다는 문제가 있다.

현재 전극에 생성되는 황산 막을 제거하기 위한 연구는 다양하게 진행되고 있으며, 그 예로써 대한민국등록특허 10-0000333(등록일자 2000년01월15일), 대한민국등록특허 10-0067384(등록일자 2009년06월25일)에 납축전지 재생을 위한 전해액 제조 및 투입에 관한 기술이 개시된 바 있고, 유사한 목적으로 납축전지 성능 강화를 위한 발명으로서, 대한민국등록특허 10-0117175(등록일자 2010년11월03일)와 일본등록특허 JP-P-00315069(등록일자 2002년09월24일)에 전기화학적인 방법을 통한 황산막 제거와 관련된 기술이 개시된 바 있다.

그러나, 상기 등록특허들에서 개시된 기술들은 전해액을 이용하여 황산납을 제거하기 때문에 용액을 주기적으로 투입해줘야 하는 번거로움뿐만 아니라 전극 하부에 낙하하고 있던 황산납 피막이 점차 용액 중에 환원되어 비중이 과도하게 상승 하고, 전극표면을 손상시키거나 또는 전극 전체를 파괴하여 오히려 납축전지 자체의 수명을 짧게 하여 재생효과를 일시적으로만 볼 수 있다는 문제가 있다.

한편, 상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여 전기 화학적인 분해 방식에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그 내용으로는 전극 표면에 강한 전압이나 전류를 가해줌으로써 전극 내부 또는 표면에 형성되어 저항체로 작용하는 황산염 피막을 황산 이온 및 납 이온으로 이온화시킴으로써, 납축전지 성능을 개선하고자 하는 것이다.

그러나 이 전기 화학적인 분해방식은 앞서 언급한 전해액 투입방식에 비해 그 효과가 장기적이지만 재생되지 않는 현상이 발생함에 따라 산업상 이용가능성이 떨어지기 때문에 기술의 신뢰성에 문제가 있다.

이 기술의 신뢰성 문제는 폐 납축전지의 상태를 고려하지 않고 재생함에 따른 것으로, 폐 납축전지의 성능 저하에는 전극 반응의 열화 증발에 의한 전해액 부족, 전극 파괴, 황산염 피막 생성에 의한 것 등이 있다. 전체 요인의 약 75%를 자치하는 요인은 황산염 피막 생성에 의한 것으로 황산염 피막 상태에 따라 soft 상태와 hard 상태로 나눠지는데 전기화학적으로 성능 개선이 가능한 범위는 soft 한 상태로 보며, 이를 장치를 이용해 성능 개선이 가능한 납축전지를 선별하여 성능 개선 작업을 통해야만 신뢰성 있는 재생효과를 확인할 수 있다.

대한민국등록특허 10-0000333(등록일자 2000년01월15일) 대한민국등록특허 10-0067384(등록일자 2009년06월25일) 대한민국등록특허 10-0117175(등록일자 2010년11월03일) 일본등록특허 JP-P-00315069(등록일자 2002년09월24일)

상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 납축전지의 성능 저하 원인으로 작용하는 전극 상의 황산납(PbSO₄) 피막을 측정하여, 그 측정된 값에 따라 납축전지의 성능 개선 여부를 가늠할 수 있도록 하여, 성능 개선이 필요한 경우, 펄스파워를 이용하여 황산납(PbSO₄) 피막을 이온 상태(Pb² ⁺, SO₄ ² ^-)로 되돌려 용해시켜 제거함으로써 납축전지의 성능 개선할 수 있는 충전, 방전, 진단, 재생 기능(성능 강화 기능) 및 복합기능을 갖는 납축전지 통합관리장치를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 교류 전원을 공급하는 전원부;와,

상기 전원부로부터 교류 전원을 공급받아 납축전지의 전압보다 높은 3V ~ 23V 전압을 발생시키는 직류전원공급부;와,

상기 직류전원공급부로부터 출력된 전력을 저장하는 커패시터 뱅크;와,

상기 커패시터 뱅크와 납축전지를 연결하는 회로 선의 일정 지점에 설치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제1스위치와, 상기 제1스위치 후단에서 분리되는 회로선의 일정 지점에서부터 전류제어부까지 연결되는 어느 일정 지점에 위치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제2스위치를 포함하는 스위치부;와,

상기 납축전지의 전압을 감지하는 전압감지부;와,

상기 전압감지부에 의해 감지된 전압에 따른 납축전지의 상태를 표시하는 디스플레이부와,

상기 디스플레이부에 표시된 납축전지의 상태에 따라 충전, 방전, 진단, 재생, 복합모드별로 납축전지의 충전전압 값을 입력할 수 있는 입력부와,

상기 입력부를 통해 입력된 값에 따라 D/A 컨버터 전류제어부를 통해 전류기준 값을 발생시키고, 동작모드의 실행에 따른 납축전지의 전압, 전류 등의 상태를 표시하도록 하는 제어부와,

상기 제어부로부터 입력받은 전류기준 값에 따라 납축전지의 전류를 제어함으로써 충전모드, 방전모드, 진단모드, 재생모드 중 어느 하나를 선택적으로 하여 단일모드로 동작하거나, 또는 각각의 모드를 순환하도록 하는 복합모드로 동작하도록 하는 전류제어부;와,

충?방전시 전류의 역류를 방지하기 위한 제1다이오드와 제2다이오드를 포함하는 다이오드부;를 포함하여 이루어지는 납축전지 통합관리장치를 주요 기술적 구성으로 한다.

납축전지는 승용차부터 골프 카트에 이르는 동력기계의 필수장치로 축전지 중에 가장 널리 사용되고 있으며, 그와 동시에 폐기되는 양도 상당하다.

구체적으로 국내에서만 연간 3,000 만개의 폐 납축전지가 버려지고 있으며, 이에 상응하여 매년 사용량이 늘어가는 추세이다.

특히, 자동차 등에 사용되는 납축전지는 대부분 2~3년 사용 후 성능 저하로 인해 폐기 처분되기 때문에 경제적 면 외에 환경적으로 많은 문제가 되고 있으며, 이와 같은 문제를 해결하고자 자원으로의 재활용을 위해 납을 분해하여 원자재로 재생산하기도 하나, 이와 같은 방법을 따르는 데에는 많은 에너지, 시간 및 비용을 필요로 한다는 문제가 있다.

현 사안에 대해, 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치는 폐 납축전지를 신제품의 80% 수준까지 재생하여 사용기간을 연장함으로써 재생산에 따른 비용절감과 폐기 처분에 따른 비용절감 효과를 가짐으로써 매우 경제적이며,

또한 폐기물인 폐 납축전지의 발생량을 줄여줌으로써 환경오염 개선의 효과를 갖는다.

그리고 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치는 충전기능, 방전기능, 진단기능, 재생기능 및 상기 각각의 기능을 모두 수행하는 복합기능의 5가지 기능을 포함하고 있어, 황산염 피막 상태에 따라 성능 강화가 가능한 배터리를 선별한 다음에 성능을 강화시킴으로써 성능에 대한 신뢰성을 높일 수 있고, 복구된 충전장치의 상태를 바로 확인할 수 있는 통합형 장치라는 장점을 갖는다.

도 1은 펄스파워를 이용해 황산납 피막을 제거하는 반응을 도시한 모식도.
도 2(a, b)는 펄스파워 발생원리를 도시한 도면
도 3은 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치의 블럭도.
도 4는 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치가 충전모드일 경우의 전류 흐름을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치가 방전모드일 경우의 전류 흐름을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치의 전류제어부의 구성을 보인 도면.
도 7은 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치를 통한 폐 납축전지의 성능 강화 전후의 방전 그래프.

상기의 기술 구성을 도면과 함께 구체적으로 살펴보고자 한다.

도 1은 펄스파워를 이용한 황산납 피막 제거반응을 도시한 모식도로서, 납축전지의 방전에 대한 산화환원반응은 다음과 같다.

Cathode : PbO₂ + SO₄ ² ^- + 4H⁺ + 2e^- ↔ PbSO₄ + 2H₂O E⁰= 1.70V

Anode : Pb + SO₄ ² ^- ↔ PbSO₄ + 2e^- E⁰=-0.355V

상기 산화환원반응에서와 같이, 납축전지에서 방전시 양극판과 음극판에서 황산염이 생성되며, 반대로 충전시 황산염이 제거된다.

그러나 방전 후 방치하거나 또는 불충분한 충전을 하게 될 경우, 충전 후에 장기 보관에 따른 자연방전이 발생함에 따라 황산염이 극판에 생성되며, 이때 황산염이 생성된 극판이 차지하는 부분만큼은 전기적으로 극판 역할을 못하기 때문에 전체적으로 납축전지의 성능을 제대로 발휘할 수 없게 된다.

따라서, 납축전지의 성능이 제대로 발휘될 수 있도록 하기 위한 방법으로서, 강력한 펄스파워를 이용할 경우 전극표면에 생성된 황산납이 이온화(Pb² ⁺, SO₄ ² ^-)되어 납이온(Pb²⁺)이 본래 전극 상태의 납(Pb)으로 안정화되고, 황산이온(SO₄ ^2-)은 전해질 상태로 되돌아갈 수 있게 된다. 이때 펄스파워는 100Hz ~ 990Hz의 범위 내에서 사용하게 되며, 상기 펄스파워가 100Hz 미만인 경우에는 황산납 피막이 제대로 제거되지 않기 때문에 납축전지의 성능 개선 기능이 떨어지므로, 상기 펄스파워는 100Hz ~ 990Hz의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 펄스파워의 발생 원리를 도 2에 도시된 내용에 기초하여 살펴보고자 한다. 도 2(a)에 도시하고 있는 바와 같이, 정전용량 C인 콘덴서를 직류 고전압 전원에 의하여 전압 V로 충전하면 콘덴서에는 CV2/2의 정전 에너지가 축적된다. 보통 직류 고전압 전원의 출력 전류는 그다지 크지 않으므로 큰 에너지를 축적하는 데는 시간이 꽤 걸린다. 콘덴서의 전압이 V로 되었을 때 스위치 S를 닫으면 저항 R이 작은 경우에는 R을 통해서 순간적으로 큰 전류가 흘러 R의 단자 간에 펄스파워가 발생하게 된다. 즉, 스위치 S를 닫음으로써 순간적으로 큰 전력이 발생하게 되는 것이다.

이를 단순화시킨 도 2(b)에 따르면, 전력 P₀로 τ₀초 걸려 충전한 에너지가 τ초간(τ₀ >>τ)에 전부 방출된다고 할 경우, 그때의 발생 전력의 평균값 P는 P=P₀τ₀/τ가 된다. 따라서 발생 전력은 충전 전력의 시간적 압축에 의해 얻어진다고 말할 수 있으며, 이렇게 해서 펄스화된 전력을 펄스파워(Pulsed Power)라 한다.

이하, 본 발명의 전극 상의 황산납(PbSO₄) 피막을 측정한 후, 그 측정값에 따라 납축전지의 성능 개선이 가능한 납축전지 통합관리장치의 구체적인 내용에 대해 살펴보고자 한다.

본 발명의 납축전지 통합관리장치는 황산납(PbSO₄) 피막의 측정 값에 따라 납축전지를 폐기처분할 것인지 성능을 개선하여 재생할 것인지 여부를 판단할 수 있으며, 그 기준 값은 전극 고유의 OCV의 값은 10.5V이고, 전극 내부의 DC 임피던스 값은 50mΩ이다.

즉, 납축전지 통합관리장치의 디스플레이부에서 확인되는 납축전지의 상태가 전극 고유의 OCV의 값이 11.5V 이상이거나 전극 내부 DC 임피던스 값이 3mΩ 이하의 경우에는 'Good'으로, 별도의 성능 개선이 필요하지 않고,

전극 고유의 OCV의 값이 10.5V 이하이거나 전극 내부 DC 임피던스 값이 50mΩ 이상의 경우에는 'Bad'로서 별도의 재생과정을 거치지 않고 폐기처분하며,

전극 고유의 OCV의 값이 11.5 ~ 10.5V 이거나 DC 임피던스 값이 3 ~ 50mΩ인 경우에는 'Recycle'로 표시되어 펄스파워에 의한 성능 개선과정을 거치게 된다.

상기 전극 상의 황산납(PbSO₄) 피막 측정값에 따른 충전모드, 방전모드, 진단모드, 재생모드 중 어느 하나를 선택적으로 하여 단일모드로 동작하거나, 또는 각각의 모드를 순환하도록 하는 복합모드를 수행하기 위한, 납축전지 통합관리장치의 기술 구성은 도 3에 도시된 바와 같이,

교류 전원을 공급하는 전원부(10);와,

상기 전원부(10)로부터 교류 전원을 공급받아 납축전지의 전압보다 높은 3V ~ 23V 전압을 발생시키는 직류전원공급부(20);와,

상기 직류전원공급부(20)로부터 출력된 전력을 저장하는 커패시터 뱅크(30);와,

상기 커패시터 뱅크(30)와 납축전지를 연결하는 회로 선의 일정 지점에 설치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제1스위치(41)와, 상기 제1스위치(41) 후단에서 분리되는 회로선의 일정 지점에서부터 전류제어부까지 연결되는 어느 일정 지점에 위치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제2스위치(42)를 포함하는 스위치부(40);와,

상기 납축전지의 전압을 감지하는 전압감지부(50);와,

상기 전압감지부(50)에 의해 감지된 전압에 따른 납축전지의 상태를 표시하는 디스플레이부(60)와,

상기 디스플레이부(60)에 표시된 납축전지의 상태에 따라 충전, 방전, 진단, 재생, 복합모드별로 납축전지의 충전전압 값을 입력할 수 있는 입력부(70)와,

상기 입력부(70)를 통해 입력된 값에 따라 D/A 컨버터 전류제어부를 통해 전류기준 값을 발생시키고, 동작모드의 실행에 따른 납축전지의 전압, 전류 등의 상태를 표시하도록 하는 제어부(80)와,

상기 제어부(80)로부터 입력받은 전류기준 값에 따라 납축전지의 전류를 제어함으로써 충전모드, 방전모드, 진단모드, 재생모드 중 어느 하나를 선택적으로 하는 단일모드로 동작하거나, 또는 각각의 모드를 순환하도록 하는 복합모드로 동작하도록 하는 전류제어부(90);와,

충?방전시 전류의 역류를 방지하기 위한 제1다이오드(101)와 제2다이오드(102)를 포함하는 다이오드부(100);를 포함하여 이루어진다.

이하, 상기 납축전지 통합관리장치의 각 부 기술 구성을 살펴보면 다음과 같다.

전원부(10)

상기 전원부(10)는 직류전원공급부(20)의 전원입력부를 의미하는 것으로서, 여기에서 전원이란 통상의 교류 상용전원을 의미하는 것으로 85 ~ 265V의 전압과 50 ~ 60Hz의 주파수범위를 갖는다.

직류전원공급부 (20)

상기 직류전원공급부(20)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치로써, 출력전압은 적용된 납축전지의 전압 정격에 따라 제어부에서 결정하며 제어부의 출력 전압기준 값에 따른 직류전압을 출력하게 된다.

커패시터 뱅크(30)

상기 커패시터 뱅크(30)는 직류전원공급부(20)로부터 출력된 전력을 저장하는 역할을 하는 것으로서, 재생모드에서 펄스형의 대전류를 납축전지에 공급하게 된다. 상기 커패시터 뱅크(30)는 슈퍼커패시터, 전해커패시터를 병렬사용하여 구성할 수 있다.

스위치부 (40)

상기 스위치부(40)는 충전모드와 방전모드에서의 직류전원공급부(20), 납축전지와 전류제어부(90)의 전류방향에 따라 동작한다.

납축전지의 충전모드인 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1스위치(41)는 닫히고, 제2스위치(42)가 열린 상태로 유지되며, 이때 전류는 상기 직류전원공급부(20)에서 납축전지와 전류제어부(90)를 통해 흐르게 된다.

그리고, 방전모드인 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1스위치(41)는 열리고, 제2스위치(402)가 닫힌 상태로 유지되며, 이때 전류는 납축전지와 전류제어부(90)를 통해 흐르게 된다.

상기 스위치부(40)에 사용하는 스위치는 릴레이, 래치형릴레이, 수은릴레이, 마그네틱 스위치(Magnetic Contactor), 전력모스펫(Power MOSFET), 파워 트랜지스터(Power Transistor) 중 선택되는 어느 1종을 사용한다.

전압감지부 (50)

상기 전압감지부(50)는 납축전지의 전압을 감지하는 역할을 하는 것으로서, 상기 납축전지 연결도선의 라인드롭과 제어부(80) 전원에 의한 간섭을 배제하고 정확한 전압을 측정하기 위하여 연산 증폭기(OP-amp, Operational amplifier)를 사용한 차동증폭회로로 구성하며, 상기 차동증폭회로의 입력부분을 배터리 단자까지 인출할 수 있도록 하는 것이 가장 바람직하나, 경우에 따라서는 장치 내부에서 입력을 받고 전류의 크기에 따라 보상하는 방법을 사용할 수도 있다.

디스플레이부 (60)

상기 전압감지부(50)에서 감지된 납축전지의 전압 상태를 표시하거나, 동작모드에 따라 납축전지의 전압, 전류 등의 상태를 확인할 수 있도록 표시하는 기능을 갖는다.

입력부 (70)

상기 입력부(70)는 상기 디스플레이부(60)에 표시된 납축전지의 상태에 따라 충전, 방전, 진단, 재생, 복합모드별로 납축전지의 충전전압 값을 입력할 수 있도록 한다.

제어부(80)

상기 제어부(80)는 마이크로 컨트롤러 유닛(Multi Controller Unit)과 D/A 컨버터회로로 구성되는 것으로서, 상기 전압감지부(50)에서 감지된 납축전지의 전압 상태는 디스플레이부(60)에 표시되며, 이와 같이 디스플레이부(60)에서 표시된 납축전지의 상태에 따라, 충전, 방전, 진단, 재생, 복합모드를 선택하여 입력부(70)에서 명령을 실행하게 되면, 상기 제어부(80)에서는 동작모드에 따라 디스플레이부(60)에서 납축전지의 전압, 전류 등의 상태를 표시하도록 하고, D/A 컨버터 전류제어부를 통해 전류 기준 값을 발생시키는 기능을 수행하게 된다.

전류제어부(90)

상기 전류제어부(90)는 도 6에 도시된 바와 같이, 기준전류발생기(901), 연산 증폭기(OP-amp)(902), 전계효과 트렌지스터(MOSFET)(903) 및 전류센싱저항(904)를 포함하여 이루어지는 것으로서, 상기 연산 증폭기(902)는 전류기준 값과 전류센싱저항에 의해 피드백된 값의 편차를 출력하게 되며, 이렇게 출력된 전압은 전계효과 트렌지스터(MOSFET)의 gate에 연결되어 편차를 줄이는 방향으로 증감하게 된다. 결국 제어부(80)로부터 입력받은 전류기준 값에 따라 납축전지의 전류를 제어할 수 있게 되는 것이다. 여기서 MOSFET는 Transistor로 변경하여 구성하는 것도 가능하다.

도 6은 전체 동작모드에서 상기 제어부(80)와 전류제어부(90)를 통해 납축전지(100)의 전류를 제어하는 원리의 일례를 보인 것으로서, 기준전류발생기(901)에서의 기준전류(I_ref)는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)에 의한 D/A 컨버터 출력을 의미한다. 즉, 제어부(80)에서 전류기준 값을 발생시키면, 이와 같이 발생한 전류기준 값은 전류제어부(90)에 입력되게 된다.

상기 기준전류발생기(901)는 기준 전류 생성회로를 기반으로 만들어지는 것으로서, 상기 기준 전류 생성회로는 공급전압과 공정변화에 둔감하게 일정한 전류를 생성시켜야 하나 온도에 대하여는 꼭 일정할 필요가 없다.

온도에 대한 기준전류의 변화는 필요에 따라 또는 사용목적에 따라 여러 형태로 존재하며, 그 종류로는 절대 온도에 비례하는 전류를 생성시키기 위한 PTAT(proportional to absolute temperature) 전류 생성 회로, 절대 온도에 따라 감소하는 전류를 공급하는 CTAT(complimentary to absolute tmeperature) 전류 생성 회로, 절대 온도와 무관하게 일정 전류를 만들어 내는 회로가 있으며, 이외에도 특정 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 일정하게 유지시켜주는 전류를 생성하는 constant-gm 회로와 절대 온도의 제곱에 비례하는 전류를 생성하는 PTAT2 전류 생성 회로 등 필요에 따라 여러 가지 형태로 구분되며, 본 발명에서는 상기의 회로 중 선택되는 어느 1종의 전류생성회로를 사용한다.

상기 전계효과 트랜지스터(903)는 게이트 전극을 기판바닥에 형성하고(Bottom Gate), 게이트 절연막과 활성 영역층, 소스/드레인을 차례로 형성시킨 (Top Contact) 구조를 갖는 유기 전계 효과 트랜지스터를 사용한다.

정상 동작 모드에서는 TEST 신호가 '0'이 되고, 이때 기준 전류 생성블럭은 기준 전류를 생성하지 않는다. 그리고 테스트 모드에서의 TEST 신호는 '1'이 되고, 이때 전류 감지 회로와 시험대상 회로를 격리시키는 역할을 하는 트랜지스터는 turn-on이 되고, 결함전류를 전압으로 변환시켜주는 트랜지스터를 통하여 결함전류가 전압으로 변환되어 트랜지스터 게이트단에 인가된다.

그리고 기준 전류 생성 블록에서 생성된 기준전류(I_ref)를 전압으로 변환시켜주는 트랜지스터를 통하여 기준전류를 전압 값으로 변환하여 상기 트랜지스터 게이트단에 인가된다. 이때 기준전류는 시험대상 회로가 결함이 있는지 없는지를 판단하는 상수 전류 값이다.

다이오드부 (100)

상기 다이오드부(100)는 재생모드에서 동작 주파수가 1kHz에 달하며 피크성 전류를 도통하여야 하기 때문에 역방향회복시간(reverse recovery time)이 낮거나 없는 형태를 사용하여야 하며 FR(Faset Recovery) type, UF(Ultra Fast), 쇼트키배리어 타입의 다이오드를 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 납축전지 통합관리장치 모듈의 동작과정에 대하여 상세히 살펴보고자 한다.

도 4는 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치의 충전모드에 따른 전류 흐름을 도시하고 있는 것으로서, 직류전원공급부(20)는 전원부(10)로부터 교류전원을 공급받아 납축전지의 전압보다 높은 3V에서 23V의 전압을 발생시킨다.

상기 전원부(10)로부터 출력된 전류는 닫힌 상태를 유지하는 제1스위치(41), 충전대상인 납축전지, 제1다이오드(101) 및 전류제어부(90)를 거쳐 전원부(10)로 흐름으로써 상기 납축전지가 충전된다. 이때 전류제어부(90)는 제어부(80)로부터 받은 전류기준 값을 제어하게 된다.

이와 같은 충전모드 동작에 따른 납축전지의 전압은 상기 납축전지에 연결되어 있는 전압감지부(50)에 의해 감지되며, 이와 같이 감지된 전압은 디스플레이부(60)에 표시된다.

또한, 입력부(70)를 통해 전압을 입력함으로써, 납축전지의 충전전압을 일정하게 유지하도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치의 방전모드에 따른 전류 흐름을 도시하고 있는 것으로서, 방전모드에서는 충전모드와 달리 제1스위치(41)는 열린 상태를 유지하고, 제2스위치(42)는 닫힌 상태를 유지하게 된다.

따라서, 전류는 납축전지로부터 제2스위치(42), 전류제어부(90), 제2다이오드(102)를 거쳐 납축전지로 흐르게 된다.

이때 전류제어부(90)의 전류기준 값은 충전모드에서와 동일하게 제어부(80)에 의해 발생한다. 그리고 방전모드에서 방전종지전압은 납축전지의 방전종지전압인 1.75V로 한다.

납축전지 통합관리장치의 진단모드에 따른 전류 흐름은 도 5의 방전모드와 동일하다.

다만 진단모드에서는 방전 전?후의 30초 전후로 제어부(80)는 전압감지부(50)로부터 납축전지의 전압을 피드백 받아서 방전 전?후의 전압의 차이에 의한 납축전지의 열화를 진단하는 특징이 있다는 점에 있어 상이하다.

진단모드에서 제어부(80)는 방전과 전압감지를 지속적으로 수행하게 되며 진단모드가 종료되면 디스플레이부(60)를 통해 그 진단결과를 표시하게 된다.

상기 진단결과는 납축전지의 상태에 따라, 'Good', 'Bad', 'Recycle'로 표시되게 되며, 진단결과가 'Good'으로 나타난 경우는 납축전지로써 향후 지속하여 사용할 수 있는 배터리를 의미하며, 'Bad'인 경우는 납축전지의 성능이 다하여 성능 강화가 불가한 폐 배터리를 의미한다. 그리고 진단결과가 'Recycle'인 경우에는 납축전지가 현재 상태에서 사용할 수는 있으나, 재생모드에 의한 성능을 개선하여 사용할 수 있는 배터리를 의미하게 된다.

상기 진단결과를 'Good', 'Bad', 'Recycle'로 표시하는 기준 값으로는, 전극 고유의 OCV의 값이 11.5V 이상이거나 전극 내부 DC 임피던스 값이 3mΩ 이하의 경우에는 'Good'으로, 전극 고유의 OCV의 값이 10.5V 이하이거나 전극 내부 DC 임피던스 값이 50mΩ 이상의 경우에는 'Bad'로, 전극 고유의 OCV의 값이 11.5 ~ 10.5V 이거나 DC 임피던스 값이 3 ~ 50mΩ인 경우에는 'Recycle'로 표시한다.

납축전지 통합관리장치의 재생모드에 따른 전류 흐름은 도 4의 방전모드와 동일하다.

다만, 전류제어부(90)에 입력되는 전류기준 값은 펄스형태로 나타나며, 전류의 흐름은 펄스형으로 나타나게 된다. 펄스의 폭과 주파수 크기는 입력부(70)에 의해 입력되며 입력된 결과는 디스플레이부(60)에서 표시된다. 상기 디스플레이부(60)에 표시되는 주파수 크기의 구체적인 예로는 100 ~ 1,000Hz이다.

납축전지의 상태는 사용환경이나 조건에 따라 열화의 상태가 매우 다양하게 나타나게 되며 따라서 충?방전이나 재생특성도 마찬가지로 다르게 나타난다.

결과적으로 재생시간과 펄스 폭과 펄스의 크기도 다양해지며 재생확인을 위한 충?방전도 여러 회를 반복할 필요가 있다. 이러한 경우 복합모드의 사용은 납축전지를 효과적으로 재생하는 데 유용할 것이다.

도 7은 본 발명의 납축전지 통합관리장치를 통한 폐 납축전지의 성능 강화 전?후의 방전 그래프를 나타낸 것으로서, 12V-4Ah 납축전지를 이용하여 재생모드에서 실험을 진행하였다.

도 7에 도시된 그래프에 따르면, 실험 전?후로, 1C로 급속 충?방전을 하여 재생모드 실험 전보다 실험 후 방전 시간이 4.5배 증가하는 것을 통해 납축전지 성능 강화 효과를 확인하였다. 이는 일반적으로 0.1C로 충?방전을 하는 납축전지 기준으로 하였을 경우, 정상 방전 실험에서는 10배 이상의 성능강화를 보인 것이다.

본 발명에 따른 납축전지 통합관리장치는 납축전지의 상태를 측정하여 성능을 강화시킬 것인지, 그대로 사용할 것인지 또는 폐기처분 할 것인지 사전에 판단할 수 있어 효율적인 납축전지의 사용이 가능하여 납축전지 사용에 있어 신뢰성을 높일 수 있어, 골프카 전 차종, 전동지게차 및 전동차 산업, 통신 장비 UPS 및 Sever UPS(유, 무선, 통신업체 UPS 배터리), 버스 및 자동차 사업에서의 자동차 배터리에 적용이 가능함에 따라 높은 산업상 이용가능성을 갖는다.

10: 전원부
20: 직류전원공급부
30: 커패시터 뱅크
40: 스위치부
50: 전압감지부
60: 디스플레이부
70: 입력부
80: 제어부
90: 전류제어부
100:다이오드부

Claims

교류 전원을 공급하는 전원부(10);와,
상기 전원부(10)로부터 교류 전원을 공급받아 납축전지의 전압보다 높은 3V ~ 23V 전압을 발생시키는 직류전원공급부(20);와,
상기 직류전원공급부(20)로부터 출력된 전력을 저장하는 커패시터 뱅크(30);와,
상기 커패시터 뱅크(30)와 납축전지를 연결하는 회로 선의 일정 지점에 설치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제1스위치(41)와, 상기 제1스위치(41) 후단에서 분리되는 회로선의 일정 지점에서부터 전류제어부까지 연결되는 어느 일정 지점에 위치하여 충?방전시 회로의 절체 기능을 갖는 제2스위치(42)를 포함하는 스위치부(40);와,
상기 납축전지의 전압을 감지하는 전압감지부(50);와,
상기 전압감지부(50)에 의해 감지된 전압에 따른 납축전지의 상태를 표시하는 디스플레이부(60)와,
상기 디스플레이부(60)에 표시된 납축전지의 상태에 따라 충전, 방전, 진단, 재생, 복합모드별로 납축전지의 충전전압 값을 입력할 수 있는 입력부(70)와,
상기 입력부(70)를 통해 입력된 값에 따라 D/A 컨버터 전류제어부를 통해 전류기준 값을 발생시키고, 동작모드의 실행에 따른 납축전지의 전압, 전류 등의 상태를 표시하도록 하는 제어부(80)와,
상기 제어부(80)로부터 입력받은 전류기준 값에 따라 납축전지의 전류를 제어함으로써 충전모드, 방전모드, 진단모드, 재생모드 중 어느 하나를 선택적으로 하여 단일모드로 동작하거나, 또는 각각의 모드를 순환하도록 하는 복합모드로 동작하도록 하는 전류제어부(90);와,
충?방전시 전류의 역류를 방지하기 위한 제1다이오드(101)와 제2다이오드(102)를 포함하는 다이오드부(100);를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 납축전지 통합관리장치.
청구항 1에 있어서,
디스플레이부(60)는 납축전지의 상태가 전극 고유의 OCV의 값이 11.5V이상이거나 전극 내부 DC 임피던스 값이 3mΩ 이하의 경우에는 'Good'을 표시하고,
전극 고유의 OCV의 값이 10.5V 이하이거나 DC 임피던스 값이 50mΩ 이상의 경우에는 'Bad'를 표시하고,
전극 고유의 OCV의 값이 11.5~10.5V 이거나 DC 임피던스 값이 3~50mΩ인 경우에는 'Recycle'로 표시하는 것임을 특징으로 하는 납축전지 통합관리장치.
청구항 1에 있어서,
전류제어부(90)는 제어부(80)로부터 입력받은 전류기준 값에 따라 납축전지의 전류를 제어하여 충전모드, 방전모드, 진단모드, 재생모드 중 어느 하나를 선택적으로 하여 단일모드로 동작하거나, 또는 각각의 모드를 순환하도록 하는 복합모드로 동작하도록 하는 것임을 특징으로 하는 납축전지 통합관리장치.