KR20090061925A - 자동차 보조배터리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차와 자동차에서 사용되어 지는 전기 장치들의 성능을 향상시키기 위한 자동차 보조배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전시간과 방전시간이 매우 빠른 고용량 전기 이중 층 콘덴서 (이하 EDLC 표기;Electric Double Layer Capacitor)를 사용하여 자동차의 배터리에 병렬로 연결해 줌으로서 전기 장치에 전기에너지를 원활하게 공급해주고 순간 높은 전기에너지가 필요한 때에 EDLC의 빠른 방전특성을 이용하여 필요한 전기에너지를 공급해 줌으로서 자동차와 전기 장치들의 성능을 향상시켜 주는데 그 목적이 있다. 하지만 EDLC는 충전시간이 매우 짧아 수초 이내에 많은 전기에너지를 흡수하게 되어 자동차 배터리에 전기적인 충격을 주게 된다. 이를 해결하기 위하여 EDLC의 충전시간을 제어할 필요가 있으며 콘덴서의 특성상 주위 온도, 사용 전압등 에 따른 보호회로가 필요하다.

전기 이중 층 콘덴서, 부 온도계수소자 열 가변저항기, 정 온도계수소자 열 가변저항기

Description

자동차 보조배터리{AUTOMOBILE SECOND BATTERY}

본 발명은 자동차 보조배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전시간과 방전시간이 매우 빠른 고용량 EDLC(EDLC ; Electric Double Layer Capacitor)를 사용하여 자동차의 배터리에 병렬로 연결해 줌으로서 전기 장치에 전기를 원활하게 공급해주고 순간 많은 전기에너지가 필요할 때에 EDLC의 빠른 방전특성을 이용하여 필요한 전기에너지를 공급해 줌으로서 자동차와 전기장치들의 성능을 향상시켜 주는데 그 목적이 있다.

[문헌 1] 대한민국 특허 등록번호 326815호 "내연기관의 완전연소를 위한 전압강화 장치"

[문헌 2] 대한민국 특허 공개번호 2004-21707호 " 교류발전기의 전압 안정화 장치"

[문헌 3] 대한민국 실용신안 등록번호 367089호 "차량 정격 전압유지 및 연료 절감장치"

[문헌 4] 대한민국 특허 공개번호 2007-0091489호 "자동차 순시 피크 전압 안정화 장치"

자동차의 성능을 향상시키기 위해 많은 검토가 이루어지고 있다. 여러 가지 방법중에서 자동차의 전기에너지를 원활하게 공급해 주는 방법이 가장 많이 검토되고 있다. 전기에너지를 원활하게 공급해주기 위한 방법 중 자동차의 점화 능력을 향상시키는 방법, 자동차에 장착되어 있는 교류발전기의 성능을 향상시키는 방법, 자동차 배터리에 펄스를 가하여 배터리의 성능을 유지시켜주는 방법 그리고 가장 최근에 검토되어 지고 있는 자동차의 순시 피크 전압을 안정화시키는 방법 등은 기존의 배터리의 성능을 유지 또는 향상시켜 주는데 그 목적이 있기 때문에 자동차의 성능을 향상시키는데 그 한계가 있다. 그래서 EDLC를 자동차 배터리에 병렬로 연결하여 전기에너지의 용량을 극대화해 전기에너지를 공급해 줌으로서 전기에너지가 부족하여 발생하는 문제를 모두 해결해주는 방법이 개발되었다. 하지만 종래의 EDLC를 사용하는 방법은 자동차의 배터리와 EDLC를 직접 연결함으로 서 자동차 배터리에 병렬 연결시 EDLC의 순간 충전 현상으로 인해 자동차 배터리에 전기적인 충격을 주었고 과전압, 과열 상태 등 문제 발생에 따라 EDLC를 보호해주지 못하였다.

본 발명은 EDLC를 자동차의 배터리에 병렬로 연결하여 전기에너지의 용량을 극대화해 전기를 공급해 줌으로서 전기에너지가 부족하여 발생하는 문제를 해결해 주는 방법에 있어 EDLC를 자동차의 배터리와 연결시 순간 충전 현상이 발생하여 자 동차 배터리에 전기적인 충격을 주지 않도록 충전 전류를 제어하여 충전시간을 제어하고 자동차 배터리와 직접 연결되지 않고 고용량 스위치를 통해 연결되어 과전압, 과열 상태 등 문제 발생에 따라 EDLC를 보호해 줌으로서 EDLC의 수명과 성능을 향상시키는 것이 특징이다.

본 발명은 종래의 EDLC를 자동차 배터리와 직접 연결하여 사용하고 이를 통해 성능을 향상시키는 제품들과 달리 자동차 배터리와 직접 연결을 하지 않고 고 용량 스위치를 통해 연결하기 때문에 과전압, 과열등 문제 발생에 따라 EDLC를 보호해주고 자동차 배터리와 연결시 발생하는 순간 충전 현상을 방지하여 자동차 배터리의 성능과 수명을 향상시킨다.

본 발명은 EDLC를 자동차 배터리에 병렬로 연결하여 전기에너지를 극대화해 자동차와 전기장치들의 성능을 향상시키기 위한 자동차보조배터리에 관한 것이다.

보다 자세한 내용은 첨부된 도면에 따라 설명한다.

도 1은 종래의 EDLC를 사용하여 제작된 보조배터리를 자동차 배터리에 병렬로 연결하는 구성도이다. EDLC의 내 전압을 자동차의 배터리 전압보다 높게 하기 위해서 다수 개의 EDLC를 직렬로 연결하고 EDLC의 (+)극과 GND를 자동차 배터리에 연결함으로서 전기에너지의 용량을 극대화하였다. 하지만 종래의 방법은 자동차 배터리 연결시 EDLC의 순간 충전 현상으로 인해 자동차 배터리에 전기적인 충격을 주어 자동차 배터리의 성능과 수명에 좋지 않은 영향을 주었다. 그리고 사용환경이 매우 좋지 않은 자동차 엔진룸 내부에서 사용함에 있어 과전압이나 과열 상태등 문제 발생에 대하여 무방비 상태로 사용되어 EDLC의 성능과 수명에 좋지 않은 영향을 주었다. 또한 EDLC에 문제가 발생하였을 경우 그 영향이 자동차 배터리에 그대로 영향을 주어 자동차 배터리의 상태가 급속하게 나빠지는 경우가 발생하였다.

도 2는 본 발명에 따른 자동차 보조배터리의 동작 구성도이다. 자동차 배터리와 EDLC를 주전원 스위치 제어부의 고용량 스위치를 통해 연결함으로 서 사용 중 문제 발생시 보호회로가 동작하여 자동차 배터리와 EDLC의 연결 상태를 분리해 줌으로서 EDLC를 보호한다. EDLC를 보호하기 위한 구성은 순간 발생하는 서지 전압에 대하여 이를 보호하기 위한 서지전압보호부, 자동차 배터리와 병렬 연결시 부주의 로 인해 (+)극과 GND를 반대로 연결할 경우 발생하는 문제로부터 보조배터리의 회로와 EDLC를 보호해 주기 위한 역전압감지부, 주위 온도나 입력 전압이 기준보다 높을 경우 이를 보호하기 위한 과열온도감지부, 과전압감지부와 직렬 연결된 EDLC에 문제가 발생하였을 때 자동차 배터리에 전기적인 충격을 방지하고 순간 충전 현상을 제어하기 위한 셀 전압감지부, EDLC의 충전 전류를 제어하기 위한 저항기와 보조전원 스위치 제어부로 구성된다.

도 3은 본 발명에 따른 자동차 보조배터리의 실시 예를 도시한 회로도이다. 도 2에서 설명한 본 발명의 구성에 따라 이를 동작시키기 위한 회로도로서 자동차 배터리와 EDLC를 주전원 스위치 제어부의 고용량 릴레이 RL1, RL2 로서 분리하여 제어한다. RL1과 RL2와 같이 스위치로서 자동차 배터리와 EDLC의 연결을 차단하는 데 있어 도3과 같이 TR 응용회로를 대표적으로 설계했지만 비용 절감 및 기능 구현 에 있어 유리할 수 있는 프로그램 제어나 기타 스위치 소자를 이용하는 방법도 있지만 구동 원리는 동일하다. 이에 대표적인 TR 응용회로로서 기능을 구현하여 설명하도록 한다.

사용자가 자동차 배터리와 보조배터리를 병렬로 연결할 때 부주의로 인해 (+)극과 GND를 서로 역방향으로 연결시 보조배터리에 역 전압이 인가된다. 이때 역 전압 방지용 다이오드 D1, D3, D4, D5, D6, D7, D8가 회로에 역 전압이 공급되는 것을 차단하여 회로 부품들을 보호하고 릴레이 RL1, RL2가 연결 차단 상태를 유지하도록 하여 보조배터리의 회로와 EDLC를 보호해 준다.

바리스터(VARISTOR) RV1은 기준 전압보다 높은 서지 전압이 보조배터리에 인가되면 RV1이 순간 도통하여 서지 전압을 제거해 보조배터리의 회로와 EDLC를 보호한다.

보조배터리를 자동차 배터리에 병렬로 연결할 때 발생하는 EDLC의 순간 충전 현상을 방지하기 위하여 초기 연결시 저항 R6을 통해 Q7은 ON이 되고 보조전원 스위치 제어부의 릴레이 RL3를 구동시킨다. RL3가 구동되면 릴레이의 접점이 붙게 되고 R11이 충전 전류를 제어하여 RL3의 접점을 통해 EDLC를 충전하게 된다. EDLC가제너다이오드(D9)의 기준 전압 이상으로 충전이 되면 D9가 도통되고 Q3가 ON이 된다. 이때 Q3의 컬렉터는 LOW 상태로 되어 Q4와 Q7를 OFF 시킨다. 이때 Q4의 컬렉터는 R7에 의해 HIGH 상태가 되어 Q5와 Q6를 ON시킨다. 이때 주전원 스위치제어부의 RL1, RL2가 구동하여 접점이 붙게 되고 자동차 배터리와 EDLC를 연결하게 된다. Q7은 OFF가 되어 릴레이 RL3의 구동을 정지시키고 접점이 떨어진다.

EDLC등 콘덴서 류는 인가전압이나 사용되는 온도에 따라 제품의 수명이 매우 유동적이다. 그래서 과열, 과전압 상태 발생시 이를 보호해 주는 장치가 반드시 필요하다.

이에 구동되고 있는 주위 온도가 사용 기준 온도보다 높은 과열 상태가 되면 EDLC를 보호하기 위하여 온도가 상승하면 저항값이 낮아지는 부 온도계수소자 열 가변저항기(NTC ; Negative Temperature Coefficient thermistor) RT1과 R2의 분배 전압에 의해 OFF 상태를 유지하는 Q1은 RT1의 저항값이 낮아져 Q1이 ON상태로 구동되고 Q1의 컬렉터가 LOW가 상태가 되어 Q1의 컬렉터에 베이스가 연결되어 진 Q3는 OFF가 된다. Q3가 OFF되면 Q3의 컬렉터는 R6에 의해 HIGH 상태가 되고 이에 따라 Q4는 ON이 되어 Q5와 Q6을 OFF 시킨다. 이때 RL1과 RL2는 구동을 정지하고 접점에 의해 연결된 자동차 배터리와 EDLC의 연결을 차단한다. 그리고 Q3와 R6에 의해 ON이 된 Q7은 RL3를 구동시켜 릴레이의 접점을 통해 전류를 공급하지만 온도와 인가 전압이 상승하면 저항값이 상승하여 부성 전류 특성을 나타내는 정 온도계수소자 열 가변저항기(PTC ; Positive Temperature Coefficient thermistor) RT2가 EDLC로 공급되는 전류를 차단한다.

자동차가 구동되면 내부 발전기에 의해 전기에너지가 생성되고 이를 정류하여 배터리와 자동차 전기장치에 전기에너지를 공급하게 된다. 이때 발전기에 문제가 발생하거나 이를 제어하는 부분에 문제가 발생하면 발전되는 전기에너지를 제어할 수 없게 되어 자동차 배터리를 과충전하게 되고 전압이 상승하게 된다. 이때 병렬로 연결되어 진 보조배터리에도 과충전에 의한 과전압이 인가된다. 과전압이 인 가되면 기준 전압 이상일 경우 도통이 되는 제너다이오드(D2)에 의해 Q2가 ON이 되어 Q2의 컬렉터는 LOW 상태가 된다. 그리고 Q2에 의해 Q3는 OFF가 된다. Q3가 OFF되면 Q3의 컬렉터는 HIGH 상태가 되고 이에 따라 Q4는 ON이 되어 Q5와 Q6을 OFF 시킨다. 이때 RL1과 RL2는 구동을 정지하고 접점에 의해 연결된 자동차 배터리와 EDLC의 연결을 차단한다. 그리고 Q3에 의해 ON이 된 Q7은 RL3를 구동시켜 릴레이의 접점을 통해 EDLC에 전류를 공급하지만 온도와 인가 전압이 상승하면 저항값이 상승하여 부성 전류 특성을 나타내는 RT2가 EDLC로 공급되는 전류를 차단한다.

도 4는 본 발명에 따른 보조배터리를 자동차 배터리에 병렬로 연결할 때 발생하는 전기적인 현상을 비교한 그래프이다. 도 4a는 자동차 시동시 발생하는 자동차 배터리의 전압 강하 현상을 도시한 그래프로서 자동차는 시동시 가장 많은 전기에너지를 소모한다. 이에 순간 많은 전기에너지를 공급해야 하는 배터리는 전압이 급격하게 떨어지게 되고 시동이 완료되면 배터리의 용량 특성과 자동차의 발전기에 의해 다시 충전되어 본래의 전압 상태로 되고 충전에 의해 배터리의 전압이 상승하게 된다. 도 4b는 본 발명에 따른 보조배터리를 자동차 배터리에 연결하고 시동을 실시한 후 발생하는 자동차 배터리의 전압 상태를 도시한 그래프로서 도 4a의 상태보다 전압 강하 현상이 적게 발생하고 본래의 전압 상태로 회복되는 시간이 짧아져 자동차 배터리에 가해지는 전기적 충격을 감소시키고 자동차 시동이 향상되는 것을 도시하였다. 도 4c는 겨울철 온도에 의해 자동차 배터리의 성능이 떨어졌을 경우와 자동차 배터리의 상태가 좋지 못할 때 발생하는 시동 불량 현상을 나타낸 그래프이다. 도 4d는 본 발명의 보조배터리를 성능이 떨어진 자동차 배터리에 연결 후 시동 을 실시한 후 발생하는 자동차 배터리의 전압 상태를 도시한 그래프로서 자동차 시동이 향상되는 것을 도시하였다. 도 4e는 자동차 운행 중 자동차 전기 장치 사용시 발생하는 전압 강하 현상을 일 예로서 도시한 그래프이며 많은 전기에너지를 소모하는 전기 장치 사용시 발생하는 전압강하 현상을 본 고안에 의한 보조배터리 연결시 전압강하 현상이 현저하게 줄어든 것을 도 4f에서 도시하였다.

도 5는 EDLC의 충전에 따른 자동차 배터리의 전압 강하 현상을 비교한 그래프이다. 도 5a와 도 5b는 자동차 배터리에 EDLC를 장착할 때 발생하는 EDLC의 순간 충전 현상과 이에 따른 자동차 배터리의 전압 강하 현상을 도시한 그래프이다. EDLC는 충전속도가 매우 빠르기 때문에 자동차 배터리에 연결하는 즉시 EDLC가 보유할 수 있는 전기에너지를 순간 충전하여 자동차 배터리에 심각한 전기적 충격을 주게 되고 자동차 배터리의 수명과 성능을 저하시키는 현상이 발생되었다. 도 5c와 도 5d는 본 발명에 따른 보조배터리를 장착하여 EDLC가 충전될 때 나타나는 전압 강하 현상을 도시한 그래프이다. 본 발명은 EDLC를 충전할때 EDLC에 공급해 주는 충전 전류량을 제어하여 EDLC를 충전하기 때문에 자동차 배터리에 전기적인 충격을 최소화해 준다.

본 발명에 의한 보조배터리는 순간 전기에너지를 많이 소모하는 자동차나 기타 대용량 모터를 구동하는 전원의 보조배터리로 사용할 수 있다.

전기자전거, 장애인용 전동 휠체어, 골프 카트, 선박, 원동기, 전동 지게차 등 대용량 배터리를 사용하는 모든 제품에 적용이 가능하며 그 기능은 상기에서 설 명한 바와 같이 동일한 성능을 보여준다. 특히 자동차의 대다수 제어가 전자로서 제어되기 때문에 전기에너지를 사용하는 모든 제어 장치의 성능이 향상되고 자동차의 연비와 성능이 향상된다.

또한 본 발명의 보조배터리 사용시 배터리의 용량이 확대 됨으로서 장시간 사용이 가능해지고 전기 장치들에 충분한 전기에너지를 공급해 줌으로서 전기장치의 성능과 수명을 향상시켜준다.

도 1은 종래의 EDLC를 사용하여 제작된 보조배터리를 자동차 배터리에 병렬로 연결하는 구성도

도 2는 본 발명에 따른 자동차 보조배터리의 동작 구성도

도 3은 본 발명에 따른 자동차 보조배터리의 실시 예를 도시한 회로도

도 4는 본 발명에 따른 보조배터리를 자동차 배터리에 병렬로 연결할 때 발생하는 전기적인 현상을 비교한 그래프

도 5는 EDLC의 충전에 따른 자동차 배터리의 전압강하 현상을 비교한 그래프

Claims (7)

1. 자동차 배터리와 보조배터리의 EDLC 연결 상태를 고 용량 스위치로서 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차보조배터리.
2. 제 1항에 있어서, 보조배터리의 EDLC를 충전하기 위해 충전 전류를 제어할 수 있는 저항기 및 충전 전류를 도통하고 차단할 수 있는 스위치로서 EDLC의 충전 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 자동차보조배터리.
3. 제 1항에 있어서, 상기 보조배터리의 EDLC를 과전압으로부터 보호하기 위하여 과전압감지부를 통해 고 용량 스위치의 연결 상태를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차보조배터리.
4. 제 1항에 있어서, 상기 보조배터리의 EDLC를 과열 온도로부터 보호하기 위하여 과열온도감지부를 통해 고 용량 스위치의 연결 상태를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차보조배터리.
5. 제 1항에 있어서, 상기 보조배터리의 제어 회로와 EDLC를 역 전압으로부터 보호하기 위하여 역전압감지부를 통해 고 용량 스위치의 연결 상태를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차보조배터리.
6. 제 1항에 있어서, EDLC의 문제로 인해 발생하는 현상으로부터 자동차 배터리를 보호하기 위하여 셀 전압감지부를 통해 고 용량 스위치의 연결 상태를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차보조배터리.
7. 제 2항에 있어서, EDLC의 충전을 PTC를 통해 사용 온도와 인가 전압에 따라 EDLC로 공급되는 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 자동차보조배터리.

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