KR101490335B1

KR101490335B1 - 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치와 이를 이용한 축전지의 충방전 방법

Info

Publication number: KR101490335B1
Application number: KR20130026365A
Authority: KR
Inventors: 임우종
Original assignee: 임우종
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2015-02-05
Also published as: KR20140111889A

Abstract

본 발명은 축전지의 성능을 회복시키는 축전지의 충방전 장치(1000)에 있어서, 전원입력단(100)을 통하여 외부로부터 공급되는 상용 교류전원을 축전지 충전용 전원으로 변압하고 그리고 축전지의 전기에너지를 전원입력단(100)을 통하여 외부로 반환하도록 제공되는 충전/방전용 절연 트랜스(300)와; 상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)를 통하여 변압된 교류 전원을 전파 정류한 후 SCR 위상 제어하여 한 주기 동안의 교류 전원을 2개의 펄스 파형 전원으로 변환하는 충전부 SCR 소자(410)와 그리고 교류 전원의 위상 타이밍에 맞추어 축전지의 전위를 낮춤으로써 축전지의 전기에너지를 펄스 파형 전원으로 변환하여 상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)에 제공하도록 설치되는 방전부 SCR 소자(420)를 포함하여 이루어지는 SCR 구동부(400)와; 상기 SCR 구동부(400)의 구동을 제어하는 SCR 제어부(600)와; 상기 축전지의 충전 및 방전 동작 환경을 설정하고 표시하도록 제공되는 설정조작부(910) 및 표시부(920)와; 상기 축전지의 충전 시간과 방전 시간의 측정과 비교를 통하여 축전지 상태를 측정하는 마이컴(800)과; 그리고 상기 마이컴(800)으로부터 축전지 상태 정보를 수신받아 표시하는 축전지 상태정보 표시부(925)를 포함하는 축전지 충방전 장치를 제공한다.

Description

축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치와 이를 이용한 축전지의 충방전 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR ELELCTRICAL CHARGING AND DISCHARGING A BATTERY TO ENHANCE THE PERFORMANCE OF IT}

본 발명은 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충·방전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차 전지인 축전기의 전극판에 SCR 위상제어를 통하여 펄스 전류를 공급하여 축전지 전극판에 형성된 황산염을 제거함으로써 축전지의 성능 향성을 도모할 수 있도록 하고, 나아가 축전지(배터리)를 충전/방전시키는 동안에 축전지의 성능 측정도 가능하도록 하면서 축전지에 충전된 전기 에너지를 원하는 전류 레벨로 원하는 시간 동안에 회수하는 작업이 용이하게 수행될 수 있도록 하는 축전지의 충·방전 장치와 이를 이용한 축전지의 충방전 방법에 관한 것이다.

2차 전지인 축전지는 자동차 배터리, 선박용 배터리, UPS 배터리 등 전원을 필요로 하는 다양한 분야에서 전원공급장치로 널리 활용되고 있다.

축전지는 전기적 에너지를 화학적 에너지로 변환하는 충전과 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 방전을 반복하면서 기능을 수행하게 되는데, 이러한 축전지는 사용기간이 장기간 경과하면 그 성능이 떨어져 폐기되는 과정을 거치게 된다.

축전지의 성능이 떨어져 폐기되는 원인은 축전지 전극판에 황산화 현상이 발생하여 축전지 내부의 저항이 증가하기 때문인데, 황산화 현상은 충전 및 방전을 반복하는 동안 방전시 전극판에 달라붙어 있던 황산염이 충전시에 이탈되지 아니하고 그대로 전극판에 달라붙어 있는 현상을 말한다. 이러한 황산화 현상에 따라 축전지 전극판에 절연 피막이 형성되어 화학 전기 반응의 통로를 차단하게 되며, 이러한 절연기능은 축전지의 전압 용량 및 비중도를 떨어뜨리고 전해질을 비효율적으로 만들어 축전지의 성능을 떨어뜨리게 된다.

이러한 문제점을 따라 축전지의 전극판에 달라붙는 황산염을 제거하기 위한 방법으로 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0057544호 "납축전지에 발생하는 황산납피막의 제거장치"가 제안되었다.

상기 공개특허는 납축전지의 전극상에 생성되는 황산납피막을 제거하기 위해 표피효과를 수반하는 1μ초 이하의 짧은 펄스폭의 펄스 전류를 출력하여 상기 피막의 표층부를 집중적으로 분해하여 황산납피막을 제거할 수 있도록 하고 있다.

하지만, 상기 공개특허는 1μ초 이하의 짧은 펄스폭을 만들기 위하여 별도의 발진기와 증폭기, 파형정형 회로, 네거티브 펄스전류발생기 등이 구비되어야 하기 때문에 회로의 구성 및 동작이 복잡하고 제작 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

한편, 축전지의 전극판에 달라붙는 황산염을 제거하기 위한 다른 방법으로 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0090939호 "연축전지 재생장치 및 그 재생방법"이 제안되었는데, 상기 공개특허는 폐 연축전지의 음극전극 및 양극전극에 1200V~1400V 펄스를 인가하여 주고, 펄스인가 시간을 9시간 동안 인가시킴으로써 황산납의 표면에 결착된 산화막을 제거하도록 하고 있다.

하지만, 상기 공개특허는 고압의 펄스를 일정시간 동안 축전지 전극에 가해야 하기 때문에 고압 펄스를 생성하기 위한 펄스 발생부가 구비되어야 하고, 펄스 발생부로부터 발생된 전압을 정류부를 통하여 직류로 변환시켜야 하므로 회로의 구성및 동작이 복잡한 문제점이 있었다.

상기한 종래 기술에 따른 축전지 재생장치의 문제점을 해결하기 위한 시도로서, 본원 발명자가 발명하여 출원된 특허등록 제 10-0931510호의 축전지의 재생 장치가 제안되기도 하였는데, 이에 따른 축전지 재생장치의 경우에는 회로의 구성 및 동작이 간단하여 전력 소비가 적으면서도 축전지를 재생하는 과정에서 축전지에서 방전되는 전원을 소비하지 않고 전력공사에 반환할 수 있도록 하여 전기 절감 효과를 가질 수 있도록 하는 구성을 제안하기는 하였지만, 축전지의 방전 과정을 수행하는 동안에 원하는 전류 수준으로 회수할 수 있는 방안과 이를 수행할 수 있는 적절한 수단이 제공되지 않아서 그 실용성이 제한적이라는 문제점이 있으며, 충방전시에 발생할 수 있는 서지 전압을 흡수할 수 있는 리액터를 충방전용 SCR 소자 구동부에 직접 배치하는 구조를 채용함으로써 구조적인 한계점을 가지고 있으며, 또한 축전지 재생 과정 전후의 축전지의 상태를 간단하게 비교할 수 있는 적절한 수단이 제공되지 못하여 작업자의 기술적인 판단에 의존하여야 하는데 작업자가 전문적인 지식이 없는 경우에 판단 오류의 가능성을 배체할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 축전지를 충방전시키는 회로의 구성 및 동작이 간단하여 전력 소비가 적으면서 기기의 내구성도 보장할 수 있도록 하는 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충·방전 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 축전지를 충전하는 동작에서 축전지가 일정한 수준의 충전 전압에 도달한 이후에 그 전압 상태가 안정화될 수 있도록 충전 상태를 지속할 수 있도록 하는 추가 대기 시간을 설정할 수 있도록 하는 등의 구체적인 조건 설정이 용이하도록 하는 제어 구조를 제시하면서, 축전지의 방전 과정을 수행하는 동안에는 원하는 전류 수준으로 회수할 수 있는 수단을 제공하면서, 또한 충방전시에 발생할 수 있는 서지 전압을 흡수할 수 있도록 제공되는 보호 수단의 경우에는 장치 구조적인 안정성을 확보할 수 있도록 충방전용 SCR 소자 구동부 이외에 배치하는 구조를 제공하며, 축전지 충방전 과정 전후의 축전지의 상태를 간단하게 비교할 수 있는 적절한 수단을 구비한 축전지 충·방전 장치를 제공하는 데 있다.

나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 축전지를 방전시키는 과정에서 축전지에서 방전되는 전기 에너지를 소비하지 않고 전력 공급 라인에 반환할 수 있도록 하여 전기 절감 효과를 가질 수 있도록 하면서도, 원하는 수준의 전압 및 전류 레벨에서 축전지로부터 전기 에너지를 회수할 수 있도록 하는 축전지의 충·방전 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축전지의 충·방전 장치는,

전원입력단으로부터 공급되는 상용 교류전원을 충·방전 장치를 구성하는 부품들의 구동 제어를 위한 전원으로 변압하는 장치 제어용 동기 트랜스를 포함하는 장치 제어용 변압부와;

전원입력단을 통하여 외부로부터 공급되는 상용 교류전원을 축전지 충전용 전원으로 변압하고 그리고 축전지의 전기에너지를 전원입력단을 통하여 외부로 반환하도록 제공되는 충전/방전용 절연 트랜스와;

상기 충전/방전용 절연 트랜스를 통하여 변압된 교류 전원을 전파 정류한 후 SCR 위상 제어하여 한 주기 동안의 교류 전원을 2개의 펄스 파형 전원으로 변환하는 충전부 SCR 소자와 그리고 교류 전원의 위상 타이밍에 맞추어 축전지의 전위를 낮춤으로써 축전지의 전기에너지를 펄스 파형 전원으로 변환하여 상기 충전/방전용 절연 트랜스에 제공하도록 설치되는 방전부 SCR 소자를 포함하여 이루어지는 SCR 구동부와;

상기 축전지의 전극판과 접촉하여 상기 SCR 구동부를 통하여 생성된 펄스 전원을 축전지의 전극판에 공급하여 축전지를 충전시키고 그리고 축전지에 충전된 전기 에너지를 상기 SCR 구동부측으로 방전시키도록 축전지와 연결되는 축전지 접속부와;

상기 SCR 구동부의 구동을 제어하는 SCR 제어부와;

상기 축전지의 충전 및 방전 동작 환경을 설정하고 표시하도록 제공되는 설정조작부 및 표시부와;

상기 축전지의 전압을 측정하는 전압검출부와 그리고 상기 축전지로 충전되고 상기 축전지로부터 방전되는 전류를 측정하는 전류검출부를 포함하는 전압/전류검출부와;

상기 각 구성부의 동작을 제어하고, 상기 축전지의 충전 시간과 방전 시간의 측정과 비교를 통하여 축전지 상태를 측정하는 마이컴과; 그리고

상기 마이컴으로부터 축전지 상태 정보를 수신받아 표시하는 축전지 상태정보 표시부를 포함하여 이루어진다.

여기에서, 축전지 상태정보 표시부는 상기 표시부에 추가적으로 포함될 수 있다.

또한, 상기 SCR 제어부는,

SCR 구동부의 SCR 소자에 연결된 선택 스위치에 접점 신호를 전송하는 릴레이제어부와;

SCR 소자의 게이트 제어를 위하여 상기 릴레이제어부에서 발생되는 게이트 제어 펄스 신호의 폭을 제어하도록 제공되는 PWM 비교기를 구비한 PWM 신호 발생부를 포함하여 이루어지고,

상기 PWM 신호 발생부의 PWM 비교기의 2개의 비교되는 입력 펄스 신호를 제공하기 위하여,

상용 교류 전원의 동기 신호로부터 PWM 비교기의 제1 입력 펄스 신호가 되는 동기 펄스 신호를 형성하는 PWM 제너레이터와;

클록 신호로부터 타이밍 신호를 생성하는 타이머 및 디지털 펄스 선택 신호를 아날로그 전압 신호 형태의 펄스 선택 신호로 변환하는 DAC 컨버터를 포함하여 이루어지는 MCU와; 그리고

상기 MCU의 상기 타이머로부터 출력되는 타이밍 신호와 상기 DAC 컨버터로부터 출력되는 아날로그 전압 신호 형태의 펄스 선택 신호로부터 PWM 비교기의 제2 입력 펄스 신호가 되는 기준 펄스 신호(예컨대, 2.56V)를 생성하도록 하는 전압 콘트롤부가 제공된다.

또한, 상기 마이컴은 외부 장치와 통신을 수행하는 통신부와, 상기 SCR 제어부에 코드 출력 및 제어 신호를 전송하는 SCR 제어 구동부와, 상기 전압검출부로부터 전압 신호를 입력받는 전압검출 입력부와, 상기 전류검출부로부터 전류 신호를 입력받는 전류검출 입력부와, 충방전 시간 비교를 통한 축전지 상태를 점검하여 상태를 축전지 상태정보 표시부에 출력하는 축전지상태 점검부와, 그리고 설정 조작부에 의한 설정 조건에 따라 각 구성부의 동작을 제어하는 제어부로서 축전지의 충방전 동작 중에 설정 전압에 도달하더라도 추가 설정 시간 동안 충방전 동작을 지속하도록 구성되는 중앙제어부를 포함하여 이루어진다.

여기에서, 상기 축전지 접속부는, 상기 충전부 SCR 소자 및 상기 방전부 SCR 소자를 연결하는 수단으로서 제공되는 출력 스위치와; 축전지 단자에 연결되는 출력 단자부를 포함하여 이루어지고, 그리고 상기 출력 단자부는 축전지 연결 커넥터, 단자 케이블, 축전지 단자에 연결되는 단자 집게, 및 이들과 상기 출력 스위치 사이의 과전류를 차단하는 과전류 차단스위치를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 충전/방전용 절연 트랜스는 축전지의 충방전시에 발생할 수 있는 서지 전압을 흡수할 수 있도록 트랜스 코어를 형성하는 규소 강판을 감고 있는 1차 권선 코일과 2차 권선 코일 사이에 포화 유도 자로 규소강판을 추가적으로 구비하는 것이 더욱 바람직하고, 이로써 상기 SCR 구동부에 리액터를 반드시 사용하여야 하는 종래 기술에 따른 충방전 장치의 한계점을 극복할 수 있으며, 과전류에 의한 트랜스 손상을 예방하면서 트랜스의 과열로 발생할 수 있는 화재를 방지하는 효과를 제공한다.

본 발명에 따른 축전지의 충방전 장치는 상용 교류 전원을 SCR 위상제어를 통하여 펄스 전원으로 변환한 후 축전기의 전극판에 펄스 전원을 공급하여 축전지 전극판에 형성된 황산염을 제거하도록 함으로써 장치의 구성이 간단하여 제작 비용이 적게 소요되며 전력 소비가 적으면서도 축전지를 효율적으로 재생시킬 수 있는 효과가 있으며, 충방전 동작 중에 최적화된 펄스 폭의 선택을 위한 간단한 펄스 폭 변조(Pulse With Modulation) 회로 장치를 제공하는 효과를 가지고 있다.

본 발명에 따른 축전지 충방전 장치의 경우에는, 축전지를 충전하는 동작에서 축전지가 일정한 수준의 충전 전압에 도달한 이후에 그 전압 상태가 안정화될 수 있도록 충전 상태를 지속할 수 있도록 하는 추가 대기 시간을 설정할 수 있도록 함로써 충전 품질을 향상시키는 효과를 제공하며, 축전지의 충방전 작동 과정 진행 결과로부터 축전지의 상태를 용이하게 판단할 수 있는 효율적인 수단을 제공한다.

본 발명에 따른 축전지 충방전 장치를 구성하는 충전/방전용 절연 트랜스로서 포화 유도 자로 규소강판을 추가적으로 구비한 절연 트랜스의 경우에는 축전지의 충방전시에 발생할 수 있는 서지 전압을 흡수할 수 있도록 할 뿐만 아니라, SCR 구동부에 별도의 리액터를 사용하는 구조의 종래 기술에 따른 장치와 비교하여 과전류에 의한 트랜스 손상도 예방하면서 트랜스의 과열로 발생할 수 있는 화재를 방지하는 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치는 축전지에서 방전되는 전원을 전력공사에 반환할 수 있도록 하여 전기를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치의 전체적인 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축전지 충방전 장치의 전체적인 회로 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 구동부를 통하여 생성되는 과정을 도시한 전원의 파형 다이아그램이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 제어부의 블록 구성도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 제어부를 구성하는 주요부의 구성 회로도이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압검출부 및 전류검출부의 구성 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이컴의 블록 구성도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치를 구성하는 충전/방전용 절연 트랜스의 구체적인 일 실시예를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치의 동작 환경을 설정하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1a와 도 1b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 축전지 충방전 장치의 사시도이고, 도 2는 전체 블록 구성도이다.

도 1a 및 도 1b와 그리고 도 2의 블록도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치(1000)는 몸체(10) 하면에 장치의 이동을 위한 바퀴와 고정단이 설치되고, 평면과 양측면 및 후면에는 내부에서 발생하는 열을 방출하기 위한 방열판이 형성된다. 또한, 몸체(10) 전면 상부에는 동작 환경을 설정하고 표시하는 설정조작부(910) 및 표시부(920)가 설치되고, 그 하부의 몸체(10) 외측에는 외부로부터 상용전원을 공급받는 전원 코드에 연결된 전원입력단(100; 도 2 참조)을 구성하는 상용전원 연결단(110) 및 입력 스위치(120), 그리고 축전지와 연결되기 위한 출력 단자부(520)로서 축전지의 전극판과 착탈 가능하게 결합되어 충전 전원을 공급하도록 제공되는 축전지 연결 커넥터(522), 단자 케이블(523), 및 축전지 단자에 연결되는 단자 집게(524)와, 이들과 출력 스위치(510) 사이의 과전류를 차단하는 과전류 차단스위치(521)가 설치되고, 비상 스위치(130)가 몸체(10) 전면에 부가 설치될 수 있다.

여기에서, 상기 과전류 차단스위치(521) 및 상기 출력 단자부(520)가 도 2에 도시된 바와 같이 출력 스위치(510)와 더불어 축전지 접속부(500)를 구성하게 된다.

그리고, 상기 몸체의 내측에는 전원입력단(100) 및 변압부의 충전/방전용 절연 트랜스(300)를 통하여 공급되는 전원을 전파 정류한 후에 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 위상 제어를 통하여 펄스 전원으로 변환하고 이를 출력 단자부(500)를 구성하는 출력 스위치(510)를 통하여 축전지에 공급하고, 그리고 축전지에 충전되어 있는 전기에너지를 펄스 전원으로 변환하여 회수할 수 있도록 축전지의 충방전 작동을 수행하는 축전지 충방전 회로가 설치된다.

이하에서는, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에 따른 축전지 충방전 회로의 상세 구성과 그 동작에 대하여 살펴보기로 한다.

이러한 충방전 회로는, 전원입력단(100)으로부터 공급되는 상용 교류전원을 충·방전 장치를 구성하는 부품들의 구동 제어를 위한 전원으로 변압하는 장치 제어용 동기 트랜스(210)를 포함하는 장치 제어용 변압부(200)와; 전원입력단(100)을 통하여 외부로부터 공급되는 상용 교류전원을 축전지 충전용 전원으로 변압하고 그리고 축전지의 전기에너지를 전원입력단(100)을 통하여 외부로 반환하도록 제공되는 충전/방전용 절연 트랜스(300)와; 상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)를 통하여 변압된 교류 전원을 SCR 위상 제어하여 한 주기 동안의 교류 전원을 하나의 펄스 파형 전원으로 변환하는 충전부 SCR 소자(410)와 그리고 교류 전원의 위상 타이밍에 맞추어 축전지의 전위를 낮춤으로써 축전지의 전기에너지를 펄스 파형 전원으로 변환하여 상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)에 제공하도록 설치되는 방전부 SCR 소자(420)를 포함하여 이루어지는 SCR 구동부(400)와; 상기 축전지의 전극판과 접촉하여 상기 SCR 구동부(400)를 통하여 생성된 펄스 전원을 축전지의 전극판에 공급하여 축전지를 충전시키고 그리고 축전지에 충전된 전기 에너지를 상기 SCR 구동부(400)측으로 방전시키도록 축전지와 연결되는 축전지 접속부(500)와; 상기 SCR 구동부(400)의 구동을 제어하는 SCR 제어부(600)와; 상기 축전지의 전압을 측정하는 전압검출부(710)와 그리고 상기 축전지로 충전되고 상기 축전지로부터 방전되는 전류를 측정하는 전류검출부(720)를 포함하는 전압/전류검출부(700)와; 그리고 상기 각 구성부의 동작을 제어하고, 상기 축전지의 충전 시간과 방전 시간의 측정과 비교를 통하여 축전지 상태를 측정하는 마이컴(800)을 포함하여 이루어진다.

한편, 몸체의 외부에 설치되는 상기 표시부(920) 내에는 장치의 설정 상황이나 시간 등의 장보가 디스플레이되는 부분 뿐만 아니라, 상기 마이컴(800)으로부터 축전지 상태 정보를 수신받아 표시하는 축전지 상태정보 표시부(925)가 제공되고, 그리고 몸체 내부의 상술한 마이컴(800)과 상기 몸체 외부의 표시부(920)을 연결하는 통신 케이블(950)이 제공된다.

여기에서, 상기 전원입력단(100)은 외부로부터 공급되는 교류 220V, 60Hz의 상용 교류전원을 입력받는 전원입력장치이다.

상기 전원입력단(100)으로부터 공급되는 상용 교류전원을 변환하는 변압기 (Transformer)로서 제공되는 상기 장치 제어용 변압부(200)는 예컨대 12V의 마이컴(800) 구동 전원, 5V의 전압검출부(710) 및 전류검출부(720) 구동 전원 등의 각종 부품용 구동 전원으로 변환하는 기능을 수행하는 장치 제어용 동기 트랜스(210)를 포함하고, 이 구동 전원은 정류 과정을 통하여 DC 전원으로 변환되어 각종 회로에 공급된다.

또한, 상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)는 상용 교류전원을 축전지 충전을 위한 충전용 전원으로 변환하는 기능을 수행하게 되는데, 이를 통하여 상용 교류 전원은 축전지의 충전 용량에 따른 적절한 교류 전원으로 변환되어 상기 SCR 구동부(400)에 공급된다.

그리고, 상기 SCR 구동부(400)는 상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)를 통하여 변환된 교류 전원(도 4의 (a) 참조)을 도 4의 (b) 다이아그램에 도시된 바와 같이 전파 정류한 후 SCR 위상 제어하여 펄스 전원 신호로 변환하여 축전지 접속부(500)의 출력 스위치(510)에 공급하도록 충전부 SCR 소자(410)를 구비하고 있으며, 또한 교류 전원의 위상 타이밍에 맞추어 축전지의 전위를 낮춤으로써 축전지의 전기에너지를 축전지 접속부(500)의 출력 스위치(510)를 통하여 공급받아서 펄스 파형 전원으로 변환하여 충전/방전용 절연 트랜스(300)에 제공하도록 설치되는 방전부 SCR 소자(420)를 구비하고 있다.

힌편, SCR 구동부(400)의 일측에는 전압/전류검출부(700)를 구성하는 전압검출부(710)와 전류검출부(720)가 설치되고, 그 검출값은 마이컴(800)에 제공되어서 SCR 제어부(600)를 제어하는 제어 데이터를 제공하게 된다.

여기에서, 상기 SCR 구동부(400)를 구성하는 충전부 SCR 소자(410)와 방전부 SCR 소자(420)의 제어는 SCR 제어부(600)가 담당하고 있는데, 도 4의 (c) 다이아그램에 도시된 바와 같이 상기 SCR 구동부(400)는 SCR 제어부(600)의 제어에 의해 교류 전원의 일부 파형만을 선택하여 펄스 파형의 전원으로 변환하게 되는데, SCR 위상 제어에 따라 매우 세분화되어 선택된 교류 펄스 파형(sp)이 생성된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SCR 제어부의 블록 구성도이고, 도 6a 및 도 6b는 SCR 제어부를 구성하는 주요부의 회로도이다.

도 5, 도 6a, 및 도 6b에 도시된 바와 같이, SCR 제어부(600)는, SCR 구동부(400)의 SCR 소자에 연결된 선택 스위치(640)에 접점 신호를 전송하는 릴레이제어부(610)와; SCR 소자의 게이트 제어를 위하여 상기 릴레이제어부(610)에서 발생되는 게이트 제어 펄스 신호의 폭을 제어하도록 제공되는 PWM(Pulse Width Modualtion) 비교기(622)를 구비한 PWM 신호 발생부(620)를 포함하여 이루어지는데, 바람직하기로 상기 PWM 신호 발생부(620)의 PWM 비교기(622)의 2개의 비교되는 입력 펄스 신호를 제공하기 위하여, 상용 교류 전원의 동기 신호로부터 PWM 비교기(622)의 제1 입력 펄스 신호가 되는 동기 펄스 신호를 형성하는 PWM 제너레이터(621)와; 클록 신호로부터 타이밍 신호를 생성하는 타이머(651) 및 디지털 펄스 선택 신호(예컨대, 2¹²개의 선택 신호; 한 주기의 교류 파형을 1/2¹²로 세분화시켜 위상 제어가 가능하도록 제공)를 아날로그 전압 신호로 변환하는 (예컨대, 12 bit) DAC 컨버터(652)를 포함하여 이루어지는 MCU(650)와; 그리고 상기 MCU(650)의 상기 타이머(651)로부터 출력되는 타이밍 신호(PD7)와 상기 DAC 컨버터(652)로부터 출력되는 아날로그 전압 신호 형태의 펄스 선택 신호(DA0)로부터 PWM 비교기(652)의 제2 입력 펄스 신호가 되는 기준 펄스 신호(예컨대, 2.56V)를 생성하도록 하는 전압 콘트롤부(630)가 제공된다.

여기에서, 상기 MCU(650)가 타이머(651) 및 DAC 컨버터(652)에 해당하는 기능부를 포함하여 이루어지는 것으로 설명되었지만, 이들 기능부는 각기 다른 부품으로 분리 형성될 수 있으며, 나아가 일반적으로 MCU 지칭되면 시판되는 전자 부품에 다른 제어 기능(예컨대, 마이컴(800)의 SCR 제어 구동부(830) 등)이 통합 형성될 수도 있다.

한편, 이와 같은 펄스 선택 신호는 마이컴(800)의 SCR 제어 구동부(830)의 명령에 의해 파형을 선택하게 된다. 따라서, 마이컴(800)의 설정에 따라 출력 파형의 위상을 선택함으로써 출력 전원의 크기를 간편하게 조절할 수 있게 되는데, 이러한 SCR 위상 제어를 통하여 출력 전원의 파형 선택은 교류를 직류로 변환하는 별도의 과정을 거치지 않아 회로의 구성을 단순화할 수 있으며, 보다 세분화된 펄스 파형의 선택이 가능하도록 해준다. 상기 SCR 구동부(400)에 의해 발생하는 펄스 파형 전원은 출력 스위치(510) 등을 통하여 축전지의 전극판에 공급되어 전극판에 진동을 주어 전극판에 형성된 황산염을 제거함과 동시에 황산염 부유물질을 용해시켜 충전지의 황산비중을 원 상태로 복귀시켜 축전지의 내부저항이 감소되어 축전지의 성능 향상도 도모할 수 있게 된다.

반면, 축전지의 방전시에는 도 3에 도시된 Q7~Q11에 해당되는 충전용 SCR 소자(410)의 구동이 차단되고 Q1~Q6에 해당되는 방전용 SCR 소자(420)가 구동되어 역으로 방전용 SCR 소자(420)의 구동에 따라 선택된 파형의 전원이 역으로 충전/방전용 절연 트랜스(300)에 공급되는데, 이 역으로 공급되는 전원은 전력 공사에 반환되어 전원의 절감 효과를 가져오게 된다. 상기 방전용 SCR 소자(420)의 구동시 펄스 파형은 도 4의 (a)와 (b)의 다이아그램의 위상과는 반대인 마이너스 값을 갖게 된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이컴의 블록 구성도이다.

본 발명에 따른 축전지 충방전 장치의 바람직한 일 실시예를 구성하는 마이컴(800)은 도 7에 예시된 바와 같이, 외부 장치와 통신을 수행하는 통신부(820)와, 상기 SCR 제어부(600)에 코드 출력 및 제어 신호를 전송하는 SCR 제어 구동부(830)와, 상기 전압검출부(710)로부터 전압 신호를 입력받는 전압검출 입력부(840)와, 상기 전류검출부(720)로부터 전류 신호를 입력받는 전류검출 입력부(850)와, 충방전 시간 비교를 통한 축전지 상태를 점검하여 상태를 축전지 상태정보 표시부(925)에 출력하는 축전지상태 점검부(860)와, 그리고 설정 조작부(910)에 의한 설정 조건에 따라 각 구성부의 동작을 제어하는 제어부로서 축전지의 충방전 동작 중에 설정 전압에 도달하더라도 추가 설정 시간 동안 충방전 동작을 지속하도록 구성되는 중앙제어부(810)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 중앙제어부(810)는 설정 조작부(910)의 설정에 따라 설정 조건에 따른 제어 신호를 생성하여 SCR 제어 구동부(830)를 통하여 SCR 제어부(600)에 전송하며, 전압검출부(710)와 연결된 전압검출 입력부(840) 및 전류검출부(720)와 연결된 전류검출 입력부(850)를 통하여 입력되는 전압/전류 신호를 파악하고 표시부(910)에 표시하고, 이에 기초하여 장치 각 구성부의 작동을 제어하게 된다.

상기 설정 조작부(910)는 축전지 충방전 장치의 동작 환경을 설정하는 입력장치로서, 축전지 충전/방전 선택버튼, 동작 버튼, 정지 버튼, 모드 설정 스위치, 전압 설정 스위치, 전류 설정 스위치, 시간 설정 스위치 등이 구비된다.

상기 표시부(920)에는 마이컴(800)에 의해 파악되는 동작 환경이 표시되는 LCD 창과, 이 표시부(920)에는 전원이 표시되는 전원램프, 충전상태를 나타내는 충전램프, 및 방전상태를 나타내는 방전램프 등이 구비되며, 바람직하기로 충방전 시간 비교를 통한 축전지 상태를 점검하여 그 상태를 출력하는 축전지 상태정보 표시부(925)가 추가적으로 제공된다.

도 6c에 도시된 바와 같은 일례의 회로 구성을 가진 상기 전류검출부(720)는 도 7에 도시된 바와 같이 SCR 구동부(400)와 출력 스위치(510) 사이에 직렬로 설치되어 축전지의 전류를 검출하여 마이컴(800)의 전류검출 입력부(850)에 전송하는 전류검출회로이고, 그리고 도 6c에 도시된 바와 같은 일례의 회로 구성을 가진 상기 전압검출부(710)는 도 7에 도시된 바와 같이 SCR 구동부(400)와 출력 스위치(510) 사이에 병렬로 설치되어 전압을 검출하여 마이컴(800)의 전압검출 입력부(840)에 전송하는 전압검출회로이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 충전/방전용 절연 트랜스(300)의 세부 구성도이다.

본 발명에 따른 축전지 충방전 장치의 바람직한 일 실시예를 구성하는 충전/방전용 절연 트랜스(300)는, 트랜스 코어를 형성하는 규소 강판(330)을 감고 있는 1차 권선 코일(310)과 2차 권선 코일(320) 사이에 포화 유도 자로 규소강판(340)을 추가적으로 포함하여 이루어지도록 함으로써 축전지의 충방전시에 발생할 수 있는 서지 전압을 흡수할 수 있도록 하면서, 충방전 장치 내부 회로의 단락 등에 의해 발생할 수 있는 과전류에 의한 트랜스의 손상과 화재를 방지할 수 있도록 한다.

이하에서는, 도 9 및 도 10의 흐름도를 참조하여 상술한 구성으로 이루어진 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치의 동작 과정에 대하여 설명한다.

먼저, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 축전지 충방전 장치의 사전 설정 과정을 나타낸 흐름도이다.

이에 따르면, 단계 (S100)에서 축전지 충방전 장치에 전원이 공급되어 시스템이 턴온되면, 연결된 축전지의 전압이 표시부(920)를 통하여 표시되게 된다(S200).

그리고는, 현재 시간 설정 단계(S310)가 진행되는데, 먼저 표시부(920)를 통하여 현재 시간을 확인하고(S320), 일치하지 않은 경우에 설정 조작부(910)를 통하여 정확한 현재 시간을 설정(S330)하게 된다.

다음으로, 설정 조작부(910)를 통하여 예컨대 5가지 모드의 충방전 작동 모드에 대한 모드별 설정 단계(S400)가 진행되는데, 각 모드별로 전압 설정 및 전류 설정 단계(S500)를 거친 후에 대기 시간 설정 단계(S600)를 거치게 된다.

상기 모드별 설정 단계(S400)가 1차적으로 완료되면 재설정 여부를 확인하는 단계(S700)를 거친 후에 동작 단계(S800)에 진입하게 된다.

이후로는, 도 10에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 축전지 충방전 장치의 작동 상태 흐름도를 참조하여 설명하기로 한다.

마이컴(800)이 동작 명령을 받게 되면(S900), 각각의 설정 모드별로 설정 모드값을 인출하고(S1000), 인출된 모드값과 측정된 축전지값을 비교하여 충전 또는 방전 동작을 선택하는 단계(S1100)와, 그리고 인출된 모드값에 따라 충전을 진행하는 충전 단계(S1210)와 충전 전류 및 충전 전압과 충전시간을 측정하는 단계(S1215) 또는 인출된 모드값에 따라 방전을 진행하는 방전 단계(S1220)와 방전 전류 및 방전 전압과 방전시간을 측정하는 단계(S1225)가 진행되게 된다.

이와 같은 동작 과정 중에 설정 전압에 도달(S1300)하게 되고, 이로부터 사전에 설정된 추가 설정 시간이 추가적으로 경과하여 추가 설정시간에 도달(S1400)하게 되면, 마이컴(800)의 축전지상태 점검부(860)는 방전시간과 충전시간의 비교를 통하여 축전지 상태를 측정하고 그 결과를 표시부(920)의 축전지 상태정보 표시부(925)를 통하여 출력하게 되고(S1500), 그리고는 충방전 동작을 종료(S1600)하게 된다.

상기의 과정을 통하여 축전지의 충방전이 이루어지게 되며, 축전지의 방전시에는 축전지에서 방전되는 전기에너지가 전원입력단(100)으로 역공급하여 전원 효율을 높일 수 있게 된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 축전지 충방전 장치와 충방전 방법을 사용하여 하나의 축전지에 대해 충방전을 실시하는 사용예를 살펴보기로 한다.

예컨대 100A(암페어), 12V(볼트) 출력의 축전지(완충 전압 15V)가 10V의 전압 상태로 방전되어 장기간 경과하여 현재 축전지의 온도가 낮은 상태(cold state)에 있는 경우에, 아래의 표 1과 같이 충전/방전 설정 조건을 설정하여 축전지의 성능을 검증하면서 충방전을 수행할 수 있는데, 제1모드의 급속 충전 모드에서는 적절한 충전 전류(예컨대, 10A)를 초과하는 전류(30A)로 일정 시간(30분) 동안 충전하다가, 제2모드의 안정성 충전 모드에서는 축전지의 정격에 적절한 충전 전류(10A)로 일정 시간(1시간) 추가적으로 충전하고, 나머지 제3모드의 안정화 모드에서는 낮은 충전 전류로 최대 피크의 완충 전압(15V)에 도달하도록 추가 설정 시간 동안 충전을 진행하게 된다. 나아가, 제4모드의 방전 테스트 모드에서는 다시 10A의 방전 전류로 축전지 방전을 일정 시간(10분) 동안 진행시키면서 전압 강하를 체크하면서 일정 전압 강하에 소요된 시간(방전시간)과 상기 제2모드에서의 일정 전압 상승에 소요된 시간(충전시간)을 비교하여 축전지의 상태 정보를 파악하고 이를 표시부(920)의 축전지 상태정보 표시부(925)를 통하여 출력할 수 있게 되고, 추가적으로 제5모드에서 안정화 전류로 사전에 설정된 추가 설정 시간이 경과하도록 충전함으로써 최대 안정화 충전 전압에 이르도록 하면서 충방전 작업을 종료하도록 할 수 있다.

모드	설정 전압	설정 전류	설정 시간	비고
제1모드	13.5V	30A	30분	충전
제2모드	13.5V	10A	1시간	충전(전압 상승 체크: 충전시간 체크)
제3모드	15V	1A	1시간	충전 (추가 설정 시간)
제4모드	- (0V)	10A	10분	방전(전압 강하 체크: 방전 시간 체크)
제5모드	15V	1A	30분	충전 (추가 설정 시간): 종료

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예와 사용예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1000: 축전지 충방전 장치 100 : 전원입력단
200: 장치 제어용 변압부 300: 충전/방전용 절연 트랜스
400: SCR 구동부 510: 출력 스위치
520: 출력단자부 600: SCR 제어부
700: 전압/전류 검출부 800: 마이컴
910: 설정 조작부 920: 표시부
925: 축전지 상태정보 표시부

Claims

축전지의 충방전 장치(1000)에 있어서,
전원입력단(100)으로부터 공급되는 상용 교류전원을 충·방전 장치를 구성하는 부품들의 구동 제어를 위한 전원으로 변압하는 장치 제어용 동기 트랜스(210)를 포함하는 장치 제어용 변압부(200)와;
전원입력단(100)을 통하여 외부로부터 공급되는 상용 교류전원을 축전지 충전용 전원으로 변압하고 그리고 축전지의 전기에너지를 전원입력단(100)을 통하여 외부로 반환하도록 제공되는 충전/방전용 절연 트랜스(300)와;
상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)를 통하여 변압된 교류 전원을 전파 정류한 후 SCR 위상 제어하여 한 주기 동안의 교류 전원을 2개의 펄스 파형 전원으로 변환하는 충전부 SCR 소자(410)와 그리고 교류 전원의 위상 타이밍에 맞추어 축전지의 전위를 낮춤으로써 축전지의 전기에너지를 펄스 파형 전원으로 변환하여 상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)에 제공하도록 설치되는 방전부 SCR 소자(420)를 포함하여 이루어지는 SCR 구동부(400)와;
상기 축전지의 전극판과 접촉하여 상기 SCR 구동부(400)를 통하여 생성된 펄스 전원을 축전지의 전극판에 공급하여 축전지를 충전시키고 그리고 축전지에 충전된 전기 에너지를 상기 SCR 구동부(400)측으로 방전시키도록 축전지와 연결되는 축전지 접속부(500)와;
상기 SCR 구동부(400)의 구동을 제어하는 SCR 제어부(600)와;
상기 축전지의 충전 및 방전 동작 환경을 설정하고 표시하도록 제공되는 설정조작부(910) 및 표시부(920)와;
상기 축전지의 전압을 측정하는 전압검출부(710)와 그리고 상기 축전지로 충전되고 상기 축전지로부터 방전되는 전류를 측정하는 전류검출부(720)를 포함하는 전압/전류검출부(700)와;
상기 각 구성부의 동작을 제어하고, 상기 축전지의 충전 시간과 방전 시간의 측정과 비교를 통하여 축전지 상태를 측정하는 마이컴(800)과; 그리고
상기 마이컴(800)으로부터 축전지 상태 정보를 수신받아 표시하는 축전지 상태정보 표시부(925)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치.
제1항에 있어서,
상기 SCR 제어부(600)는,
상기 SCR 구동부(400)의 SCR 소자에 연결된 선택 스위치(640)에 접점 신호를 전송하는 릴레이제어부(610)와;
SCR 소자의 게이트 제어를 위하여 상기 릴레이제어부(610)에서 발생되는 게이트 제어 펄스 신호의 폭을 제어하도록 제공되는 PWM 비교기(622)를 구비한 PWM 신호 발생부(620)를 포함하여 이루어지고,
상기 PWM 신호 발생부(620)의 PWM 비교기(622)의 2개의 비교되는 입력 펄스 신호를 제공하기 위하여,
상용 교류 전원의 동기 신호로부터 PWM 비교기(622)의 제1 입력 펄스 신호가 되는 동기 펄스 신호를 형성하는 PWM 제너레이터(621)와;
클록 신호로부터 타이밍 신호(PD7)를 생성하는 타이머(651) 및 디지털 펄스 선택 신호를 아날로그 전압 신호 형태의 펄스 선택 신호(DA0)로 변환하는 DAC 컨버터(652)를 포함하여 이루어지는 MCU(650)와; 그리고
상기 MCU(650)의 상기 타이머(651)로부터 출력되는 타이밍 신호(PD7)와 상기 DAC 컨버터(652)로부터 출력되는 아날로그 전압 신호 형태의 펄스 선택 신호(DA0)로부터 PWM 비교기(652)의 제2 입력 펄스 신호가 되는 기준 펄스 신호를 생성하도록 하는 전압 콘트롤부(630)가 제공되는 것을 특징으로 하는 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치.
제2항에 있어서, 상기 마이컴(800)은,
외부 장치와 통신을 수행하는 통신부(820)와, 상기 SCR 제어부(600)에 코드 출력 및 제어 신호를 전송하는 SCR 제어 구동부(830)와, 상기 전압검출부(710)로부터 전압 신호를 입력받는 전압검출 입력부(840)와, 상기 전류검출부(720)로부터 전류 신호를 입력받는 전류검출 입력부(850)와, 충방전 시간 비교를 통한 축전지 상태를 점검하여 상태를 축전지 상태정보 표시부(925)에 출력하는 축전지상태 점검부(860)와, 그리고 설정 조작부(910)에 의한 설정 조건에 따라 각 구성부의 동작을 제어하는 제어부로서 축전지의 충방전 동작 중에 설정 전압에 도달하더라도 추가 설정 시간 동안 충방전 동작을 지속하도록 구성되는 중앙제어부(810)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치.
제1항에 있어서, 상기 축전지 접속부(500)는,
상기 충전부 SCR 소자(410) 및 상기 방전부 SCR 소자(420)를 연결하는 수단으로서 제공되는 출력 스위치(510)와;
축전지 단자에 연결되는 출력 단자부(520)를 포함하여 이루어지고, 그리고
상기 출력 단자부(520)는, 축전지 연결 커넥터(522), 단자 케이블(523), 축전지 단자에 연결되는 단자 집게(524), 및 이들과 상기 출력 스위치(510) 사이의 과전류를 차단하는 과전류 차단스위치(521)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 충전/방전용 절연 트랜스(300)는 축전지의 충방전시에 발생할 수 있는 서지 전압을 흡수할 수 있도록 트랜스 코어를 형성하는 규소 강판(330)을 감고 있는 1차 권선 코일(310)과 2차 권선 코일(320) 사이에 포화 유도 자로 규소강판(340)을 추가적으로 포함하여 이루어지는 특징으로 하는 축전지의 성능 향상을 위한 축전지 충방전 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 축전지의 성능 향성을 위한 축전지 충방전 장치를 이용하여 축전지를 충방전하는 방법으로서,
축전지 충방전 장치에 전원이 공급되어 시스템이 턴온되면(S100),
연결된 축전지의 전압이 표시부(920)를 통하여 표시되고(S200),
현재 시간 설정 단계(S310)가 진행되는데, 먼저 표시부(920)를 통하여 현재 시간을 확인하고(S320), 일치하지 않은 경우에 설정 조작부(910)를 통하여 정확한 현재 시간을 설정(S330)하게 되며,
설정 조작부(910)를 통하여 다수개의 충방전 작동 모드에 대한 모드별 설정 단계(S400)가 진행되는데, 각 모드별로 전압 설정 및 전류 설정 단계(S500)를 거친 후에 대기 시간 설정 단계(S600)를 거치게 되며,
재설정 여부를 확인하는 단계(S700)를 거친 후에 동작 단계(S800)에 진입하며, 그리고는
마이컴(800)이 동작 명령을 받게 되면(S900), 각각의 설정 모드별로 설정 모드값을 인출하고(S1000),
인출된 모드값과 측정된 축전지값을 비교하여 충전 또는 방전 동작을 선택하고(S1100),
인출된 모드값에 따라 충전을 진행하는 충전 단계(S1210)와 충전 전류 및 충전 전압과 충전시간을 측정하는 단계(S1215) 또는 인출된 모드값에 따라 방전을 진행하는 방전 단계(S1220)와 방전 전류 및 방전 전압과 방전시간을 측정하는 단계(S1225)가 진행되며,
설정 전압에 도달(S1300)하게 되고, 이로부터 사전에 설정된 추가 설정 시간이 추가적으로 경과하여 추가 설정시간에 도달(S1400)하게 되면, 마이컴(800)의 축전지상태 점검부(860)는 방전시간과 충전시간의 비교를 통하여 축전지 상태를 측정하고 그 결과를 표시부(920)의 축전지 상태정보 표시부(925)를 통하여 출력하게 되는(S1500) 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지의 충방전 방법.