KR101973364B1 - 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치 및 방법 - Google Patents

교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 충방전 가능한 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 전기적으로 연결된 부하부; 상기 부하부와 직렬로 연결되어, 상기 배터리부의 양극과 연결된 제1 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제2 접속부를 포함하고, 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부의 접속 및 분리를 반복함으로써 직렬아크를 발생시키는 직렬아크 생성부; 상기 부하부와 병렬로 연결되어, 상기 배터리부의 양극과 연결된 제3 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제4 접속부를 포함하고, 상기 제3 접속부와 상기 제4 접속부의 접속을 통한 단락을 통하여 병렬아크를 발생시키는 병렬아크 생성부; 상기 배터리부의 양단의 전압, 상기 직렬아크 생성부와 상기 병렬아크 생성부의 양단의 전압 및 전류를 측정할 수 있는 전기측정부; 상기 배터리부, 상기 직렬아크 생성부 및 상기 병렬아크 생성부의 온도를 측정할 수 있는 온도측정부; 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부에서 산출한 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 시각화하여 출력하는 시각화부;를 포함하는 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치를 제공한다.

Description

교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치 및 방법{EDUCATIONAL EXTERNAL SHORT-CIRCUIT CHARACTERISTICS OF BATTERY VISUALIZATION APPARATUS AND METHOD}
본 발명의 실시예들은 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치 및 방법에 관한 것이다.
정보 통신 기술의 발달과 함께 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC 등의 휴대기기의 보급이 증가되고 있다. 이와 같은 휴대기기의 전원 공급원으로 사용되는 배터리의 지속적인 연구 개발을 통하여 우리나라의 스마트폰 보급률은 세계적으로 높은 순위를 기록하고 있으며, 배터리를 전원 공급원으로 하는 전기자동차의 상용화를 눈앞에 두고 있다.
특히, 리튬이온 배터리는 충방전을 통해서 반복 재사용이 가능한 2차 전지이며, 높은 전압 및 높은 전류 밀도를 얻을 수 있어 모바일 기기 및 전기자동차 등의 전원 공급원으로 주로 사용된다. 이와 같이 리튬이온 배터리는 고에너지 고밀도의 효율적인 에너지원이지만, 이와 같은 특성 때문에 발화 및 폭발 위험이 존재한다.
한편, 전기적 발열을 통한 발화 현상은 발열 또는 불꽃 등에 의해 주변의 가연물에 착화되면서 시작된다. 이와 같이 전기적으로 양극의 일정한 간격에서 전류를 통하는 경우 불꽃 방전이 일어나는 것을 아크(arc) 현상이라고 한다. 이와 같은 아크의 발생은 전류의 경로에 따라 직렬아크와 병렬아크로 구분할 수 있다. 직렬아크의 경우 전류의 경로의 불완전 접속이나 반단선 등으로 발생할 수 있으며, 병렬아크의 경우 전류의 경로 상에서 합선이 되어 많은 전류가 흐르게 되는 단락을 통하여 발생할 수 있다.
배터리의 단락 현상은, 배터리의 내부 단락(internal short-circuit)과 배터리의 외부 단락(external short-circuit)으로 구분된다. 배터리의 내부 단락은 배터리 내부의 분리막이 파손되어 배터리 내부에서 양극과 음극이 직접 접촉하는 경우에 발생하고, 배터리의 외부 단락은 배터리의 외부에서 배터리의 양극과 음극을 직접 연결시킬 경우에 발생한다. 이와 같은 배터리의 외부 단락 특성으로 기인하여 아크 현상이 발생될 수 있으며, 배터리를 사용하는 기기에 발화 및 소손을 일으킬 수 있다.
한국등록특허공보 제10-0919293호 (2009.09.21.)
본 발명의 실시예들은 배터리의 외부 단락 특성에 대한 이해 및 교육을 위한 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치는, 충방전 가능한 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리부, 상기 배터리부와 전기적으로 연결된 부하부, 상기 부하부와 직렬로 연결되어, 상기 배터리부의 양극과 연결된 제1 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제2 접속부를 포함하고, 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부의 접속 및 분리를 반복함으로써 직렬아크를 발생시키는 직렬아크 생성부, 상기 부하부와 병렬로 연결되어, 상기 배터리부의 양극과 연결된 제3 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제4 접속부를 포함하고, 상기 제3 접속부와 상기 제4 접속부의 접속을 통한 단락을 통하여 병렬아크를 발생시키는 병렬아크 생성부, 상기 배터리부의 양단의 전압, 상기 직렬아크 생성부와 상기 병렬아크 생성부의 양단의 전압 및 전류를 측정할 수 있는 전기측정부, 상기 배터리부, 상기 직렬아크 생성부 및 상기 병렬아크 생성부의 온도를 측정할 수 있는 온도측정부, 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부에서 산출한 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 시각화하여 출력하는 시각화부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 배터리부는 전기적으로 연결되는 배터리 셀의 개수를 가변할 수 있다.
이때, 상기 배터리부는 배터리 셀이 직렬, 병렬 또는 직병렬 중 어느 하나의 배열 형태로 연결될 수 있다.
이때, 상기 배터리부가 상기 직렬아크 생성부, 상기 병렬아크 생성부 및 상기 부하부와 전기적으로 연결되지 않은 상태 또는 연결된 상태에서 상기 배터리부를 충전시킬 수 있는 충전부를 더 포함할 수 있다.
이때, 적어도 일면이 투명한 재질로 이루어지며, 내부에 상기 배터리부, 상기 부하부, 상기 직렬아크 생성부 및 상기 병렬아크 생성부를 배치시키는 챔버를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 부하부는 열선, 시멘트 저항, 커패시터, 모터 또는 솔레노이드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 방법은, 충전부에서 충방전 가능한 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리부를 충전시키는 충전 단계, 상기 배터리부와 전기적으로 연결된 부하부와 직렬로 연결된 직렬아크 생성부에서 상기 배터리부의 양극과 연결된 제1 접속부와 상기 배터리부의 음극과 연결된 제2 접속부의 접속 및 분리를 반복함으로써 직렬아크를 발생시키는 단계 또는 상기 부하부와 병렬로 연결된 병렬아크 생성부에서 상기 배터리부의 양극과 연결된 제3 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제4 접속부의 접속을 통한 단락을 통하여 병렬아크를 발생시키는 단계, 전기측정부에서 상기 배터리부의 양단의 전압과 상기 직렬아크 생성부 또는 상기 병렬아크 생성부의 양단의 전압 및 전류를 측정하고, 온도측정부에서 배터리부와 상기 직렬아크 생성부 또는 상기 병렬아크 생성부의 온도를 측정하는 측정 단계, 연산부에서 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 산출하는 연산 단계, 시각화부에서 상기 연산부에서 산출한 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 시각화하여 출력하는 시각화 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 시각화 단계 이후에, 상기 배터리부에서 전기적으로 연결되는 배터리 셀의 개수를 가변하면서, 상기 측정 단계, 상기 연산 단계 및 상기 시각화 단계를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치는 배터리의 외부 단락 특성에 의하여 발생하는 직렬아크 및 병렬아크의 발생 과정에서 나타나는 전압, 전류 및 온도의 변화 과정을 피교육자에게 시각적으로 제공함으로써, 배터리의 외부 단락 특성을 피교육자에게 효과적으로 교육시킬 수 있다. 또한, 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치는 상대적으로 적은 전압을 제공하는 배터리 연결 회로의 경우에도 직렬아크 및 병렬아크가 발생함을 시각적으로 보임으로써, 배터리 사용기기의 발화의 위험성을 피교육자에게 효과적으로 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 직렬아크 생성부의 배치를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 3은 도 1의 병렬아크 생성부의 배치를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 시각화부를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치(10)를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 2는 도 1의 직렬아크 생성부의 배치를 개략적으로 도시한 회로도이며, 도 3은 도 1의 병렬아크 생성부의 배치를 개략적으로 도시한 회로도이다. 도 4는 본 발명의 시각화부를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치(10)는 배터리부(100), 부하부(130), 직렬아크 생성부(110), 병렬아크 생성부(120), 전기측정부(140), 온도측정부(150), 연산부(160) 및 시각화부(170)를 포함하고, 충전부(180)를 더 포함할 수 있다.
배터리부(100)는 충방전이 가능하고, 복수 개의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 일반적으로 리튬 계열 배터리가 적용될 수 있으며, 원통형 배터리가 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 장방형의 각형 배터리와 같이 다양한 형태의 배터리가 적용될 수 있고, 어느 하나의 형태에 한정될 필요는 없다. 배터리부(100)는 전기적으로 연결되는 배터리 셀의 개수를 가변할 수 있다. 이와 같이 배터리 셀의 개수를 가변하여, 배터리부(100)에서 출력하는 전압의 크기에 따라 아크 방전 현상에서 관찰되는 전압, 전류, 온도 등의 결과의 차이를 확인할 수 있다. 또한, 배터리부(100)에서 배터리 셀이 직렬, 병렬 또는 직병렬 중 어느 하나의 배열 형태로 서로 연결될 수 있다. 이에 따라 각각의 배열 상태에 따른 아크 방전 현상에서 관찰되는 전압, 전류, 온도 등의 결과의 차이를 확인할 수 있다.
부하부(130)는 배터리부(100)와 전기적으로 연결되어 배터리부(100)의 에너지를 소모하게 할 수 있다. 이때, 부하부(130)는 열선, 시멘트 저항, 커패시터(Capacitor), 모터 또는 솔레노이드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 열선, 시멘트 저항은 전체 회로에서 저항(Resistor)의 역할을 할 수 있으며, 모터 및 솔레노이드는 인덕터(Inductor)의 역할을 할 수 있다.
직렬아크 생성부(110)는 제1 접속부(111)와 제2 접속부(113)를 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 직렬아크 생성부(110)는 배터리부(100)와 부하부(130) 사이에서 부하부(130)와 직렬로 연결되고, 배터리부(100)의 양극과 연결된 제1 접속부(111)와 배터리부(100)의 음극과 연결된 제2 접속부(113)를 포함할 수 있다. 직렬아크 생성부(110)에서는 제1 접속부(111)와 제2 접속부(113)의 접속 및 분리를 반복함으로써 직렬아크를 발생시킨다. 제1 접속부(111)와 제2 접속부(113)를 접속시킬 때, 서로 접속되는 부분이 도체로 이루어져 접속을 통해 전기적인 연결이 이루어진다. 제1 접속부(111)와 제2 접속부(113)의 접속 및 분리를 반복함으로써, 전선의 불완전 접속 상태를 구현하여 직렬아크를 발생시킬 수 있다.
병렬아크 생성부(120)는 제3 접속부(121)와 제4 접속부(123)를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 병렬아크 생성부(120)는 배터리부(100)와 부하부(130) 사이에서 부하부(130)와 병렬로 연결되고, 배터리부(100)의 양극과 연결된 제3 접속부(121)와 배터리부(100)의 음극과 연결된 제4 접속부(123)를 포함할 수 있다. 제3 접속부(121)와 제4 접속부(123)를 접속시킬 때, 서로 접속되는 부분이 도체로 이루어져 접속을 통해 전기적인 연결이 이루어진다. 병렬아크 생성부(120)에서는 제3 접속부(121)와 제4 접속부(123)의 완전한 접속을 통한 단락 상태를 구현하여, 선로 상에 단락 전류가 흐름에 따라 병렬아크를 발생시킬 수 있다. 한편, 직렬아크 발생 시에는 직렬아크 생성부(110)에서 발생하는 아크 전류가 부하부(130)에 흐르는 부하 전류 이내로 제한이 되어, 병렬아크 발생 시에 흐르는 아크 전류에 비하여 상대적으로 적은 전류가 흐르게 된다.
전기측정부(140)는 배터리부(100), 직렬아크 생성부(110) 및 병렬아크 생성부(120)와 연결되어, 배터리부(100)의 양단의 전압, 직렬아크 생성부(110)와 병렬아크 생성부(120)의 양단의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 필요에 따라서 전기측정부(140)는 부하부(130)와 연결될 수 있으며, 부하부(130) 양단의 전압이나 전류의 상태를 측정하여 관찰할 수 있다.
온도측정부(150)는 배터리부(100), 직렬아크 생성부(110) 및 병렬아크 생성부(120)의 온도를 측정할 수 있다. 필요에 따라 온도측정부(150)는 부하부(130)의 온도를 측정하여 관찰할 수 있다. 예를 들어, 온도측정부(150)가 열화상 카메라인 경우 배터리부(100), 직렬아크 생성부(110) 및 병렬아크 생성부(120)에 인접하게 위치되어 각각의 온도를 감지하여 열화상 이미지를 생성할 수 있다. 온도 측정부(150)는 열화상 카메라 등의 비접촉식 기기일 수 있으나, 서모커플(thermocouple)과 같은 접촉식 기기일 수 있으며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
연산부(160)는 일정 시간 동안 측정된 배터리부(100)의 양단의 전압, 직렬아크 생성부(110)와 병렬아크 생성부(120)의 양단의 전압 및 전류를 이용하여, 전압과 시간과의 관계, 전류와 시간과의 관계, 온도와 시간과의 관계를 산출할 수 있다. 구체적으로, 연산부(160)는 전기측정부(140) 및 온도측정부(150)로부터 전압, 전류 및 온도의 값을 연속적으로 제공받을 수 있다. 그러나, 연산부(160)는 반 연속적으로 전압, 전류 및 온도의 값을 제공받을 필요는 없으며, 사전에 설정된 시간 간격에 따라 전압, 전류 및 온도의 값을 제공받아 전압과 시간과의 관계, 전류와 시간과의 관계, 온도와 시간과의 관계를 산출할 수도 있다. 연산부(160)는 전압과 시간과의 관계, 전류와 시간과의 관계 및 온도와 시간과의 관계를 수식을 통한 관계식으로 산출할 수도 있고, 각각의 관계를 랩뷰(LabVIEW, Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 등의 프로그램을 이용하여 시각적으로 그래프로 나타낼 수도 있다.
시각화부(170)는 연산부(160)에서 산출한 전압과 시간과의 관계, 전류와 시간과의 관계 및 온도와 시간과의 관계를 시각화하여 출력한다. 도 4를 참조하면, 시각화부(170)는 전압과 시간과의 관계 그래프(171), 전류와 시간과의 관계 그래프(173), 온도와 시간과의 관계 그래프(175)를 각각 표시할 수 있다. 예를 들어, 병렬아크 생성부(120)에서 제3 접속부(121)와 제4 접속부(123)의 완전한 접속으로, 단락에 의한 병렬아크가 발생하는 경우 병렬아크 생성부(120)에서 측정되는 전압, 전류, 온도의 변화를 각각 표시할 수 있다. 이때, 시각화부(170)는 열화상 카메라 등에서 생성된 열화상 이미지를 전류와 시간과의 관계, 전류와 시간과의 관계, 온도와 시간과의 관계와 함께 표시할 수 있다. 여기서, 시각화부(170)는 예를 들어 액정표시장치(LCD), 발광다이오드(LED) 등으로 이루어질 수 있다.
충전부(180)는 일반적으로 가정 등에 공급되는 교류를 배터리부(100)의 충전에 사용할 수 있도록 내부에서 직류로 정류하여 배터리부(100)에 공급하는 장치이다. 충전부(180)는 배터리부(100)를 설정된 전압값으로 충전이 가능하도록 상용 또는 별도 설계가 된 파워서플라이(Power Supply)인 것이 바람직하다. 이때, 충전부(180)는 배터리부(100)가 직렬아크 생성부(110), 병렬아크 생성부(120) 및 부하부(130)와 전기적으로 연결되지 않은 상태에서 배터리부(100)를 일정한 전압값에 도달할 때까지 충전시킬 수 있다. 이와 같이 충전된 배터리부(100)를 직렬아크 생성부(110), 병렬아크 생성부(120) 및 부하부(130)와 전기적으로 연결시켜, 아크 현상을 발생시켜 전압, 전류, 온도를 측정할 수 있다. 한편, 충전부(180)는 배터리부(100)가 직렬아크 생성부(110), 병렬아크 생성부(120) 및 부하부(130)와 전기적으로 연결된 상태에서 배터리부(100)를 충전시킬 수도 있다. 이와 같이 충전 중인 배터리부(100)가 직렬아크 생성부(110), 병렬아크 생성부(120) 및 부하부(130)와 연결되어 아크 현상을 발생시킬 수 있다. 이때 충전 중인 배터리부(100)에서 아크 현상이 발생되어 발화의 위험성이 있는 점을 피교육자에게 교육시킬 수 있다.
한편, 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치(10)는 챔버(미도시)를 더 포함할 수 있다.
챔버는 적어도 일면이 투명한 재질로 이루어질 수 있으며, 챔버의 내부에 배터리부(100), 부하부(130), 직렬아크 생성부(110) 및 병렬아크 생성부(120)를 배치시킬 수 있다.
챔버는 내부 영역이 투시되어 내부의 아크 및 발화 현상 등의 관찰이 가능하도록 적어도 일면이 아크릴 또는 강화유리와 같은 투명 재질로 이루어질 수 있다. 챔버의 형태에는 제한이 없으며, 직육면체 형태로 이루어질 수도 있고, 원통형으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 챔버가 직육면체 형태일 때 직육면체의 일면의 일부가 투명 재질로 이루어지는 경우, 투명 재질로 이루어진 면에 대향되는 반대면은 불투명한 유색의 면일 수 있으며, 내부에서 아크 현상이 일어나 발화되는 과정을 선명하게 시각화시킬 수 있다. 챔버는 내부의 아크 현상 발생시 사용자의 안전을 보호하고, 위험을 최소화할 수 있도록 내구성을 확보한 단열 재질 및 구조로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 방법을 나타낸 순서도이다.
S100단계는 충전부(180)에서 충방전 가능한 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리부(100)를 충전시키는 충전 단계이다. 이때, 배터리부(100)의 충전이 종료된 이후 이하의 단계를 수행할 수 있으며, 충전 과정 중에 이하의 단계를 수행할 수도 있다. 배터리부(100)의 충전 과정 중 이하의 단계를 수행하는 경우, 피교육자에게 충전 과정 상의 아크 현상 발생을 관찰하도록 할 수 있어, 아크 현상 발생의 위험성을 인식시킬 수 있다.
S200단계는 배터리부(100)와 전기적으로 연결된 부하부(130)와 직렬로 연결된 직렬아크 생성부(110)에서 배터리부(100)의 양극과 연결된 제1 접속부(111)와 배터리부(100)의 음극과 연결된 제2 접속부(113)의 접속 및 분리를 반복함으로써 직렬아크를 발생시키는 단계 또는 부하부(130)와 병렬로 연결된 병렬아크 생성부(120)에서 배터리부(100)의 양극과 연결된 제3 접속부(121) 및 배터리부(100)의 음극과 연결된 제4 접속부(123)의 접속을 통한 단락을 통하여 병렬아크를 발생시키는 단계이다.
S300단계는 전기측정부(140)에서 배터리부(100)의 양단의 전압과 직렬아크 생성부(110) 또는 병렬아크 생성부(120)의 양단의 전압 및 전류를 측정하고, 온도측정부(150)에서 배터리부(100)와 직렬아크 생성부(110) 또는 병렬아크 생성부(120)의 온도를 측정하는 측정 단계이다.
S400단계는 연산부(160)에서 전압과 시간과의 관계, 전류와 시간과의 관계 및 온도와 시간과의 관계를 산출하는 연산 단계이다.
S500단계는 시각화부(170)에서 연산부(160)에서 산출한 전압과 시간과의 관계, 전류와 시간과의 관계 및 온도와 시간과의 관계를 시각화하여 출력하는 시각화 단계이다.
또한, 배터리부(100)에서 전기적으로 연결되는 배터리 셀의 개수를 가변하면서, 측정 단계(S300), 연산 단계(S400) 및 시각화 단계(S500)를 반복할 수 있다(S600). S600단계를 통하여 배터리부(100)는 전기적으로 연결되는 배터리 셀의 개수를 가변하여, 배터리부(100)에서 출력하는 전압의 크기에 따라 아크 방전 현상에서 관찰되는 전압, 전류, 온도 등의 결과의 차이를 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 교육용 배터리의 외부 단락 시각화 장치(10) 및 방법은 배터리의 외부 단락 특성에 의하여 발생하는 직렬아크 및 병렬아크의 발생 과정에서 나타나는 전류, 전압 및 온도의 변화 과정을 피교육자에게 시각적으로 제공하여, 효과적으로 교육시킬 수 있다. 이와 같이 사용기기의 전원이 배터리인 경우에도 불완전 접속에 의한 직렬아크 및 단락에 의한 병렬아크가 발생하는 것을 피교육자에게 시각적으로 확인시킴으로써, 배터리 사용기기의 위험성을 효과적으로 전달할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치
100 : 배터리부
110 : 직렬아크 생성부
120 : 병렬아크 생성부
130 : 부하부
140 : 전기측정부
150 : 온도측정부
160 : 연산부
170 : 시각화부
180 : 충전부

Claims (8)

  1. 충방전 가능한 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리부;
    상기 배터리부와 전기적으로 연결된 부하부;
    상기 부하부와 직렬로 연결되어, 상기 배터리부의 양극과 연결된 제1 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제2 접속부를 포함하고, 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부의 접속 및 분리를 반복함으로써 직렬아크를 발생시키는 직렬아크 생성부;
    상기 부하부와 병렬로 연결되어, 상기 배터리부의 양극과 연결된 제3 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제4 접속부를 포함하고, 상기 제3 접속부와 상기 제4 접속부의 접속을 통한 단락을 통하여 병렬아크를 발생시키는 병렬아크 생성부;
    상기 배터리부의 양단의 전압, 상기 직렬아크 생성부와 상기 병렬아크 생성부의 양단의 전압 및 전류를 측정할 수 있는 전기측정부;
    상기 배터리부, 상기 직렬아크 생성부 및 상기 병렬아크 생성부의 온도를 측정할 수 있는 온도측정부;
    상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 산출하는 연산부; 및
    상기 연산부에서 산출한 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 시각화하여 출력하는 시각화부;를 포함하는 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리부는 전기적으로 연결되는 배터리 셀의 개수를 가변할 수 있는, 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리부는 배터리 셀이 직렬, 병렬 또는 직병렬 중 어느 하나의 배열 형태로 연결되는 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리부가 상기 직렬아크 생성부, 상기 병렬아크 생성부 및 상기 부하부와 전기적으로 연결되지 않은 상태 또는 연결된 상태에서 상기 배터리부를 충전시킬 수 있는 충전부;를 더 포함하는 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    적어도 일면이 투명한 재질로 이루어지며, 내부에 상기 배터리부, 상기 부하부, 상기 직렬아크 생성부 및 상기 병렬아크 생성부를 배치시키는 챔버;를 더 포함하는 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 부하부는 열선, 시멘트 저항, 커패시터, 모터 또는 솔레노이드 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 장치.
  7. 충전부에서 충방전 가능한 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리부를 충전시키는 충전 단계;
    상기 배터리부와 전기적으로 연결된 부하부와 직렬로 연결된 직렬아크 생성부에서 상기 배터리부의 양극과 연결된 제1 접속부와 상기 배터리부의 음극과 연결된 제2 접속부의 접속 및 분리를 반복함으로써 직렬아크를 발생시키는 단계 또는 상기 부하부와 병렬로 연결된 병렬아크 생성부에서 상기 배터리부의 양극과 연결된 제3 접속부 및 상기 배터리부의 음극과 연결된 제4 접속부의 접속을 통한 단락을 통하여 병렬아크를 발생시키는 단계;
    전기측정부에서 상기 배터리부의 양단의 전압과 상기 직렬아크 생성부 또는 상기 병렬아크 생성부의 양단의 전압 및 전류를 측정하고, 온도측정부에서 배터리부와 상기 직렬아크 생성부 또는 상기 병렬아크 생성부의 온도를 측정하는 측정 단계;
    연산부에서 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 산출하는 연산 단계;
    시각화부에서 상기 연산부에서 산출한 상기 전압과 시간과의 관계, 상기 전류와 시간과의 관계 및 상기 온도와 시간과의 관계를 시각화하여 출력하는 시각화 단계;를 포함하는 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 시각화 단계 이후에,
    상기 배터리부에서 전기적으로 연결되는 배터리 셀의 개수를 가변하면서, 상기 측정 단계, 상기 연산 단계 및 상기 시각화 단계를 반복하는 단계;를 더 포함하는 교육용 배터리의 외부 단락 특성 시각화 방법.


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