KR100230586B1 - 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 장치 및 고속 충전 방법 - Google Patents

니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 장치 및 고속 충전 방법 Download PDF

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스튜어트 닐 시몬즈
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후미오 스즈끼
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Abstract

본 발명은 2C 보다 높은 전류로 니켈-카드뮴 배터리를 충전하기 위한 장치 및 방법이다. 전지온도 또는 그 온도 및 전압모두가 모니터되고, 충전동작은 전지의 온도상승률이 측정되기 바로 전에 측정된 온도상승률보다 적어도 2배가 될 때, 또는 전술한 현상이 일어나는 순간 그리고 전압상승률은 전압상승률이 계속 상승하는 동안의 주기에 즉시 후속하여 기울어지는 순간을 검사할 때 중지된다.

Description

니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 장치 및 고속 충전 방법
도1은 0.1C 율로 충전 및 방전한 배터리에 대한 등가 전기회로도.
도2는 4C 율로 충전한 배터리에 대한 등가의 전기회로도.
도3은 방전중인 배터리에 대한 등가의 전기회로도.
도4는 과충전한 배터리에 대한 등가의 전기회로도.
도5는 도2의 배터리 충전 등가회로에 대하여, 초 단위의 시간과의 관계에 있어서, 섭씨의 배터리 온도(하부곡선) 및 전압(상부곡선)을 대비하여 도시한 그래프도.
도6은 도5와 유사하지만 재충전하기 전에 도5에 설명된 경우에 사용된 배터리의 초기온도보다 높은 초기 배터리온도의 경우를 설명한 도시도.
도7은 도5와 도6의 온도곡선의 변형된 확대도.
도8은 도5와 도6의 데이타를 겹쳐놓은 도면.
도9는 본 발명에 따라 2차 전지를 급속하게 재충전할 수 있는 배터리충전기의 전자 회로 개략도.
도10은 전지의 표피(skin) 온도를 측정하는 본 발명에서 사용된 측정소자의 개략도.
도11은 전지의 외부단자전압을 측정함으로써 전지온도를 측정하는 본 발명에서 사용된 측정소자의 개략도.
도12는 본 발명의 충전장치내의 계산수단(6)의 구성을 설명한 블록도.
도13 내지 도16은 본 발명의 충전장치를 사용하여 충전되는 동안 니켈-카드뮴 전지의 온도 및 전압을 측정하여 도시한 그래프.
도17 및 도18은 니켈-카드뮴전지가 통상적인 충전방법에 의하여 충전될 시에 온도 및 전압의 변화를 도시한 그래프.
도19는 도17 및 도18에 도시되어 있는 측정된 데이타에 의한 온도상승률 및 전압상승률을 계산 처리한 결과를 도시한 그래프.
도20 및 도21은 도13 내지 도16에 도시되어 있는 측정 데이터에 의한 온도 상승률 및 전압 상승률을 계산 처리한 결과를 도시한 그래프.
도22는 본 발명에 따른 충전방법의 시퀀스(sequence)의 한 예를 설명한 플로우 챠트.
도23은 본 발명의 충전장치의 회로구성을 도시한 블록도.
도24는 본 발명의 충전장치내의 전원부분의 회로구성을 도시한 블록도.
도25는 본 발명의 충전장치내에서 온도측정회로 및 그 계산처리회로 회로구성을 도시한 블록도.
도26은 본 발명의 충전장치내에서 전압측정회로 및 그 계산처리회로의 회로구성을 도시한 블록도.
도27 내지 도43은 본 발명의 충전방법을 실시하기 위한 다른 동작 시퀀스를 설명한 플로우챠트.
본 발명은 2차 전지(second cell)의 급속한 재충전에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 장치 및, 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따르면 니켈-카드뮴 배터리의 온도 및 전압은 재충전 조작을 하는 동안 모니터된다 이러한 재충전 작업은 온도 또는, 모니터되는 온도 및 전압이 특이한 상황을 나타내는 시점에서 종료되도록 구성되어 있다.
니켈-카드뮴 배터리와 같은 2차전지는 그 사용수명내내 수. 회 재충전될 수 있다. 재충전 작업은 조심스럽게 제어됨으로써 당업자에게 잘 알려진 배터리의 유해한 효과를 최소화한다(예를 들어, 1989년 4월, 셀룰러 비지니스 페이지 44 내지 49, 밥 윌리암스에 의한 "배터리충전, 즉 수명 용량의 연장"을 참조바람). 초창기 2차전지 재충전 기술에서, 재충전 작업은 몇 시간이 걸렸다. 2차전지에 의하여 전원이 공급되는 소모 디바이스의 보급증가로, 수 시간대신에 몇 분 안에 2차전지를 재충전할 수 있는 시스템이 요구되어 왔다. 2차전지를 계속 "고속 충전"할 수 있지만, 이는 배터리에 대한 손상을 방지하도록 배터리 재충전 프로세스의 더욱 세심한 모니터 및 제어를 필요로 한다(예를 들어, 1990년 11월 영국 런던 카드뮴 협회의 브뤼셀 세미나에서 1990년 9월 보고된 "니켈-카드뮴 배터리 최신데이타 90" 참조바람).
선행 기술은 2차전지를 급속하게 재충전할 수 있는 다양한 2차전지 재충전 시스템을 개발해왔다. 이러한 시스템에는, 통상적으로 재충전 중인 배터리의 전압 및/또는 온도를 모니터하고, 배터리의 온도 또는 전압이 예정된 레벨에 도달한 시점에서 배터리에 대한 충전전류의 인가를 중지 및/또는 변화시키는 전기회로를 포함한다. 캐토티 등에 의한 미국특허 제4,006,397호는 선행 기술중 대표적인 것이다.
일본 공개특허공고 제62-23528호 및 제62-23529호는 니켈-카드뮴 배터리와 같은 2차 배터리를 재충전하는 방법을 기술하고 있는데, 여기서, 재충전 동작중에 전지의 전압 파형의 변화에 주목하고, 전압 파형에서 나타난 다수의 굴곡점(inflection point)은 미리 기억시켜두고, 기억된 다수의 굴곡점이 예정된 순서를 따라 발생하는 경우에 충전 동작이 중단된다. 그러나, 상기 방법에 따르면, 각종 배터리의 개별 충전동작 중의 전압 파형의 변화율을 미리 기억시키고, 재충전할 필요가 있는 배터리의 종류에 따라 충전동작을 실행하기 전에 기억된 내용을 당해 전지에 대응하는 것으로 재입력하는 동작이 필요하여, 동작이 번거롭고, 충전 동작의 환경(environmemt) 및 배터리의 히스테리시스(hysteresis) 등에 의하여 전압 출력 파형이 기억된 대로의 순서나 크기를 나타내지 않는 경우가 있으므로, 전지의 성능을 악화시키지 않고 고속 충전동작을 실행하기가 어려웠다.
즉, 종래의 2차 배터리, 특히, 니켈-카드뮴 배터리의 재충전동작에, 통상 6시간 내지 가장 긴 경우 16시간이 소요되었다. 비교적 단시간에 재충전하는 방법인 소위 고속 재충전의 경우에도 1 내지 2시간이 소요되었다.
소위 재충전 가능 전지, 축전지 및 전지를 재충전하여 소정의 목적에 사용하는 경우, 가능한 짧은 시간에 재충전되는 것이 바람직하다. 그러나, 2차 배터리 내부의 화학반응 때문에 온도가 상승하고, 내부압력이 상승하는 애로점(bottleneck)이 존재한다. 단시간에 대량의 전류를 전지에 흘려보내 충전하는 것은, 전지에 손상을 입힐 뿐만 아니라 출력특성 및 충전특성과 같은 전지특성을 저하시켜, 사용되지 않았다.
그러나, 최근 2차 배터리에 대한 수요가 각 산업계의 다방면에서 증대되고, 특히, 기기의 사용현장, 의료기기류가 사용되는 병원 및 휴대폰을 포함한 통신사업 분야에서는, 작동도중에 전원의 소모는 가능한 한 피하고, 바람직하게는 순간 재충전이 가능한 2차 전지에 대한 요망이 증대되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 종래 기술에서의 고유결점을 개선하고, 대략 수 분 내지 20분 이내의 단시간에 2차 배터리, 특히 니켈-카드뮴 배터리의 재충전을 용이하게 하는데 있다.
이러한 매우 빠른 속도의 재충전은 비교적 저속인 종래 기술의 재충전시스템에 있어서 중요하지 않은 소정의 파라미터의 중요성을 증대시킨다. 그러나, 이러한 파라미터는 배터리에 유해한 부작용을 낳지 않고 안전하고, 신속한 재충전시스템을 만들어 낼 수 있도록 유효하게 처리할 수 있음을 알게 되었다.
전술된 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이하에 기술되는 기술적인 구성을 사용한다. 즉, 니켈-카드뮴 배터리를 신속하게 충전하기 위한 장치는, 충전을 필요로 하는 전지에 충전 전류를 공급하는 전류 공급수단, 전지의 온도를 측정하는 온도측정수단, 전지의 온도를 측정하여, 그의 데이타를 저장하거나 그의 데이타를 계산 수단으로 출력시키는 샘플링수단, 샘플링수단에 의하여 얻어진 전지의 온도데이타를 계산하고, 충전동작을 중단할 시기를 나타내는 제어신호를 출력시키는 계산수단, 계산수단에서의 출력에 응답하여 전류공급수단에서의 전지에 전류공급을 중단하는 스위칭수단 및, 상기 각 수단을 제어하는 제어수단을 구비하는데, 니켈 카드뮴 전지의 충전장치로서, 충전장치내의 전류공급수단은 충전동작동안 적어도 2C의 전류를 전지에 공급하고, 계산수단은 온도측정수단을 통해 샘플링수단에 의하여 얻어진 전지의 온도데이타로부터 전지의 온도상승률을 산출하는 제1계산기능, 제1주기내의 전지의 온도상승률을 제2주기내의 전지의 온도상승률과 비교함으로써 변화율을 산출하는 제2계산기능 및, 제2주기내의 전지의 온도상승률이 1주기내의 전지의 온도 상승률보다 2배이상 더 큰지 판단하고, 그 판단결과를 근거로 전지에 충전전류의 공급을 중단하는 신호를 출력시키는 제3기능을 가진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 또한, 니켈-카드뮴 배터리를 신속하게 충전하는 장치가 제공되는데, 상기 장치는, 전지의 출력전압을 측정하는 전압측정수단, 전지의 전압을 측정하여, 그의 데이타를 기억시켜두거나 그의 데이타를 계산수단으로 출력시키는 샘플링수단 및, 샘플링수단에 의하여 얻어진 전지의 전압데이타를 계산하는 계산수단을 포함하는데 상기 계산수단은 전압측정수단을 통하여 샘플링수단에 의하여 얻어진 전지의 전압데이타로 부터 전지의 전압상승율을 산출하는 제4계산기능 및, 전압상승률이 소정 기간 계속 증가한 후 처음으로 나타나는 전압상승률의 감소를 검출하는 제5기능을 가지며, 상기 계산수단은 제2주기내의 전지의 온도상승률이 제1주기내의 전지의 온도상승률보다 2배 이상 크게되는 제3기능의 정보와 전압의 상승률의 최초의 감소를 검출하는 제5기능의 정보에 근거하여 전지에 대한 충전전류의 공급을 중단시키는 신호를 출력시킨다.
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 니켈-카드뮴 배터리와 같은 2차 전지의 온도가 모니터되면서, 충전 전류는 전지에 인가되는 2차 전지의 재충전 방법을 제공하는 것이다.
2차 전지, 즉, 최소한 한 주기(즉, 제1주기) 내의 니켈-카드뮴 배터리의 최소한의 온도 상승률은 다른 주기, 즉, 제1주기에 후속하는 제2주기내의 2차 전지의 온도상승률과 비교되고, 제2주기내의 전지의 온도상승률 1주기내의 온도상승률보다 2배 이상일 때 충전전류는 인가되지 않는다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 충전된 2차 전지의 온도를 검출하고, 전지가 거의 100%로 충전될 시에 온도상승률이 급격히 증가한 사실을 이용하여 충전동작이 중단된다. 따라서, 높은 전류로 전지를 고속으로 재충전시킬 수 있다. 게다가, 더욱 효과적이고 정확하게 본 발명의 목적을 수행하기 위하여, 전지의 온도를 검출함으로써 얻어진 온도특성을 식별하는 것 이외에, 2차 전지의 충전동작중에 출력전압을 검출한다. 그 전압이 전지의 충전율이 100%에 가까워지면 계속 증가되던 전압상승률의 값이 네가티브증가로 역전되고, 즉, 상승률이 최초로 감소하는 특성을 보이는 것을 이용하여, 두 특성이 동시에 발생하는 순간에 전지에 대한 재충전용 전류의 공급을 중지한다.
즉, 본 발명에 따르면, 2차 전지에 대한 규격으로서 일반화되어 있는 전류의 크기를 나타내는 C-율(C-rate)로 표시되는데, 재충전동작은 높은 전류를 의미하는 2C 이상의 전류를 사용하고, 재충전 동작을 실행함에 있어서, 고속, 대량의 전류로 충전동작중에 나타나는 전지의 온도 특성을 정확하게 체크하여, 소정의 온도 특성을 나타내는 시점에 재충전동작을 중지함으로써, 종래 문제가 되어 온 온도의 상승, 내부 압력의 상승과 같은 문제를 완전하게 제거할 수 있어, 고속 충전이 가능해진 것이다.
본 발명에 따르면, 온도를 측정하면서 전지의 출력전압을 동시에 측정함으로써, 전지에 대한 충전동작을 중단하는 순간을 더욱 정확하게 파악할 수 있고, 안전하고 정확한 재충전동작을 수행할 수 있으며, 이를 통하여 2차 전지의 출력특성과 충전특성을 저하시키지 않으면서 2차 전지의 수명을 증대시킬 수 있다.
즉, 본 발명은 전지의 출력 전압 뿐만 아니라 전지의 온도를 모니터하는 한편, 충전전류를 전지에 인가하는 2차 전지의 재충전하는 방법을 제공한다. 충전 전류의 인가는 전압상승률이 계속 상승하는 주기 직후의 축전지의 전압상승률의 저하 검출 시점에 중단된다.
또한, 본 발명에 있어서의 충전 전류의 인가는, 적어도 배터리온도의 상승률의 2배 및, 전압상승률이 연속적으로 상승한 시기 직후의 배터리의 전압상승률의 저하를 동시에 검출한 시점에서 중단된다.
본 발명은 또한 2차 전지를 재충전하기 위한 장치를 제공한다. 이런 장치는 전지에 충전전류를 인가하기 위한 전원, 전지의 온도를 감지하여, 그것을 나타내는 출력신호를 생성하기 위한 온도센서, 출력신호를 모니터하여, 소정의 상승률이 검출되는 시점에 차단(cutoff) 신호를 발생하기 위한 신호프로세서 및, 차단 신호에 응답하여 전원으로부터 전지를 분리하기 위한 스위치를 포함한다. 온도센서는 전지 양단에 병렬로 연결된 서미스터 분압기(thermistor voltage divider)일 수 있다.
본 발명은 선택적으로, 2차 전지 재충전 장치를 제공하는데, 상기 장치는 전지에 충전전류를 인가하기 위한 전원, 전지의 출력전압을 감지하여, 그를 나타내는 출력신호를 발생하기 위한 전압센서, 출력신호를 모니터하여, 그의 선정된 상승률을 검출함과 동시에 차단신호를 발생하기 위한 신호 프로세서 및, 전원으로부터 전지는 차단하기 위한 차단 신호에 대한 응답성을 가진 스위치를 포함한다. 온도 센서는 전지를 횡단하여 병렬로 접속되는 서미스터 분압기이면 된다.
본 발명은 대체적으로, 전지에 충전 전류를 인가하기 위한 전원, 전지의 출력전압을 감지하여, 이를 나타내는 전압출력신호를 생성하기 위한 전압센서, 출력신호를 모니터하여, 소정의 상승률이 감지되는 시점에 차단신호를 생성하기 위한 신호 프로세서 및, 전원으로부터 전지를 차단하기 위한 차단 신호에 대한 응답성을 가진 스위치를 2차 전지 재충전 장치를 제공한다.
본 발명은 전지에 충전전류를 인가하기 위한 전원, 전지의 온도를 감지하여 이를 나타내는 온도 출력 신호를 생성하기 위한 온도 센서, 전지의 출력 전압을 감지하고 이를 나타내는 전압 출력 신호를 생성하기 위한 전압 센서, 출력신호를 모니터하고 이를 소정의 관계를 검출한 시점에서 차단신호를 생성하기 위한 신호 프로세서 및 전원으로부터 전지를 차단하기 위한 차단 신호에 대한 응답성을 가지는 스위치를 구비한 2차 전지 재충전 장치를 제공한다.
본 발명의 니켈-카드뮴 배터리의 기본적인 특성, 본 발명의 니켈-카드뮴 배터리를 고속 충전 장치 및 고속 충전하는 방법의 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
니켈-카드뮴 배터리는 수산화 니켈로 이루어진 양전극 및, 카드뮴 화합물로 이루어진 음전극을 가진다. 전해질로는 수산화 칼륨이 사용된다. 충전하는 동안, 아래 반응식이 일어난다.
2Ni(OH)2+ Cd(OH)2→ 2NiOOH + Cd + 2H2O (1)
양전극에서, 수산화 니켈은 산수산화 니켈(nickel oxyhydroxide)로 변환된다. 음전극에서, 수산화카드뮴이 카드뮴으로 변환된다. 이에 의하여 다음과 같은 전체 전위차(기전력)가 발생한다.
(+0.52 볼트) - (-0.80 볼트) = +1.32볼트
방전하는 동안, 아래의 반응식이 일어난다.
2NiOOH + Cd + 2H2O → 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2(2)
따라서, 방전하는 동안, 화학반응식은 충전 중에 일어나는 것과 반대이다. 방전 중에 일어나는 기전력도 마찬가지로 충전하는 동안 일어나는 것과 반대이다.
배터리가 완전히 충전되면, 전해질내에 포함된 물은 전해되고, 산소 기체는 양전극에서 발생되고, 수소 기체는 음 전극에서 발생된다는 것이 잘 알려져 있다. 그 결과 전해질내의 물이 감소한다. 더욱이, 생성된 기체는 배터리 용기(casing)내의 내부압력을 높인다. 잠재적인 폭발을 막기 위하여, 용기에는 발생된 기체가 안전한 레벨 이상으로 축적될 경우에 이를 방출할 수 있는 압력 방출 배기구(pressure relief vent)가 구비되어 있다. 현재의 배터리 제조기술은 또한 배터리의 음전극에서의 활성이 강한 물질(active material)을 양전극에서 보다 더 많이 제공함으로써 배터리내 기체 발생을 최소화하고 있다. 이렇게 함으로써 양전극은 음전극이 완전히 충전되기 전에 최대한으로 충전된 상태가 된다. 이 때, 산소 기체만은 아래의 방식으로 발생된다.
4OH → 2H2O + O2+ 4e (3)
산소는 음전극으로 이동하는데, 여기서 (산소 기체의 발생 없이) 카드뮴과 재결합하여 수산화 카드뮴을 생성한다. 수산화 카드뮴은 원래 음전극의 방전 생성물이다. 음전극에서의 충전 반응율이 산소 재결합 반응율과 일치하는 점까지 증가할 경우, 균형이 이루어진다. 따라서 음전극은 항상 완전하게 충전되지 않지만, 수소 기체는 발생되지 않는다. 배터리는 전술한 일치가 이루어진 시점에서 최대한으로 충전된다. 그 이상의 충전은 "과충전"이라 칭한다.
전술한 것은 과충전전류가 대략 0.3C 율(즉, 1000 밀리암페어-시간("mAh") 배터리에 인가되는 300 밀리암페어-시간("mA")와 등가의 충전전류)로 제한되는 경우에만 해당한다. 이러한 충전율에서는, 배터리의 내부압력은 1기압으로 유지된다. 그러나, 과충전 전류가 1C 율(즉, 1000 mAh 배터리에 인가된 1000 mA와 등가의 충전전류)로 증대될 경우, 배터리의 내부압력은 10기압으로 상승된다. 1C 과충전율을 초과하는 충전율에서, 배터리의 내부압력은 더욱 커지게 된다. 따라서, 상승된 충전율로 충전하는 동안 배터리의 과충전을 막는 것이 중요하다.
본 발명을 어떤 이론으로 제한하는 것은 바람직하지 않지만, 본 발명자는 아래의 이론적인 설명으로 당업자들이 본 발명을 이해하는데 더욱 쉽게 하였다.
배터리는 전기 화학 소자로서, 그 목적은 전기에너지를 저장하는데 있다. 배터리 내에서 일어나는 다양한 조건을 입증하기 위하여 등가 전기회로를 사용할 수 있다. 배터리내 화학반응이 변화할 때는 언제든지 다른 등가회로를 사용해야 한다는 점을 유의하여야 한다.
도1은 0.1C 율로 충전 및 방전할 시에 배터리에 대한 등가 전기회로이고, 가장 일반적으로 사용되고 있는 전기모델이다. 배터리의 내부저항(Rinternal)은 배터리내 에너지의 레벨에 반비례하는 저항값을 가진 가변저항으로 표시된다. 배터리가 충전될 때에, Rinternal은 처음에는 크지만, 배터리가 충전 상태가 됨에 따라 감소한다. 키르히호프(Kirchhoff's)의 전압법칙을 적용하면, Rinternal이 클 경우, 대부분의 인가된 충전전압은 Rinternal양단에서 강하(drop)되고, 배터리의 양단에서 강하되는 전압은 극히 적다는 것을 알 수 있다. Rinternal이 감소할 시에, 대부분의 인가된 충전전압은 배터리 양단에서 강하하고, Rinternal양단에서 강하하는 전압은 극히 적다. 배터리가 방전할 시에, Rinternal는 처음에는 적지만, 배터리의 에너지 레벨이 소모될 시에 증가한다. 따라서, Rinternal양단에 초기 전압 강하가 거의 없지만 이런 전압강하는 배터리의 에너지레벨이 감소할 시에 증가한다.
배터리내의 전력소산(dissipation)의 효과(effect)는 분석될 수 있다. Rinternal는 배터리를 충전 및 방전이 일어나는 사이에 전력을 소산시킨다. 전력소산의 예상결과로서 열이 발생하지만, 흡열화학반응은 Rinternal내에 전력소산의 열효과를 상쇄(counterbalance)시켜, 순수한 열은 거의 발생하지 않는다. 과충전 동안이라도, 배터리는 유해한 효과 없이 최고 0.3C 율까지 과잉 에너지를 수용할 수 있다. 그러나, 충전/과충전율이 0.3C를 초과할 시에, 배터리내의 화학반응의 고유균형(inherent balance)에 영향을 주는 다른 요인을 고려하여야만 한다.
도2는 배터리를 4C 율로 충전하기 위한 등가 전기회로이다. 이 도면은 병렬인 두 내부 저항, 즉 고정 저항 Rint1및 가변 저항 Rint2을 도시한 것이다. Rint2는Rint2의 저항값은 배터리의 에너지 레벨에 반비례한다는 점에서 도1의 Rinternal에 대응한다. 이와 유사하게, Rint2내에 전력소산에 의하여 유발되는 열은 화학반응의 흡열효과에 의하여 상쇄된다. Rint1은 Rint1의 저항값이 고정된 배터리 내에서 발생한 어떠한 화학 반응과도 관계가 없다는 점에서, Rint2에서 분리한 잔여 저항 성분을 나타낸다. Rint1의 저항값이 비교적 낮고, 충전 중에 가지는 효과는 모두 배터리의 전체온도의 증가가 있다 하더라도 최소한으로만 증가시킨다. 배터리가 완전히 충전된 상태가 됨에 따라, Rint2의 저항은 Rint1의 값보다 낮은 값까지 감소하고, Rint1의 효과는 지배적으로 된다. 이런 시점에서, 많은 양의 열이 Rint1에 의하여 생성되어 배터리의 전체온도를 사실상 상승시킨다.
도3은 배터리 방전 동안에 Rint1및 Rint2간의 관계를 설명한 것이다. Rint1의 저항값은 초기에 지배적이며(즉, Rint2의 저항값을 크게 상회한다), 그로 인하여 모든 내부 열 또는 단자 전압 감소는 먼저 Rint1에 의하여 유발된다. 배터리의 에너지 레벨이 감소함에 따라 Rint2는 증가한다. 경우에 따라서는 Rint2의 저항 값이 너무 높아져, 모든 배터리 전압은 Rint1및 Rint2양단에서 강하되고, 어느 것도 배터리 양단에서는 강하되지 않는다(즉, 배터리 단자 양단에서 제로 출력 전압이 발생한다).
도4는 배터리를 과충전한 배터리에 대한 전기 등가 회로이다. 배터리가 최대한 충전될 경우, Rint2의 저항값은 실제로 0옴이다. 따라서, 배터리 내에 남아있는 유일한 저항은 Rint1으로 표시된다. Rint1에 의하여 유발된 열은 0.3C 충전율까지의 충전율에서 최소로 된다는 것이 알려져 있다. 0.3C 이상의 충전율에서는, Rint1에 전력소산에 의하여 생성된 열은 충전율의 증가에 비례하여 증가한다. 높은 충전율에서는 과도한 양의 산소가 발생된다. 산소는 음전극에서 카드뮴과 재결합하여, 전지 전압을 감소시킨다. 이는 역으로 Rint1에 의하여 소산된 전력을 증가시키고, 또한 열을 증가시켜, 열적 폭주 조건이 일어난다. 따라서, 전술된 바와 같이, 높은 충전율로 충전하는 동안 배터리 과충전을 방지하는 것이 중요하다.
도5 내지 도8은 4C 율로 충전되는 니켈-카드뮴 배터리 상에서의 온도 및 전압효과를 도시한 것이다. 도5와 도6은 서로 다른 초기 배터리온도에 대하여 배터리의 단자전압 및 그 표면(skin) 온도간의 관계를 도시한 것이다. 특히, 도5는 4C 율로 충전하고, 섭씨 38.8도의 초기온도를 가진 배터리에 대하여 초단위 시간과 섭씨로 표시한 배터리 온도("TEMP 1"로 표시된 하부곡선)의 배터리 온도 및 전압("VOLT 1"로 표시된 상부곡선)의 관계를 도시한 것이다. 도6은 각각의 배터리 온도 및 전압곡선이 "TEMP 2" 및 "VOLT 2"로 표시되어 있고, 배터리의 초기온도는 섭씨 23.3도인 것을 제외하고는 도5와 유사한 도이다. 도7은 도5 및 도6의 온도곡선을 확대하여 도시한 것이다.
충전중의 배터리 전압을 분석하면, 충전 사이클의 완료 경에 전압상승률의 급격한 증대 및 연이은 감소를 나타낸다. 도5 및 도6을 참조하면, 배터리의 전압 상승률이 처음 9분(0초에서 540초)동안 초당 약 1밀리볼트에서 다음 90초(600초에서 690초) 동안 초당 약 4밀리볼트, 그리고 다음 90초(690초에서 780초)동안 초당 약 8밀리볼트까지 상승하는 것을 알 수 있다. 그 후, 배터리의 전압은 계속 증가하지만, 그 상승률은 경우에 따라 830초인 시점에서 초당 약 2밀리볼트까지 감소한다. 4C 율로 인가된 대략 830초 동안 충전한 후, 배터리는 더 이상 에너지를 받아들일 수 없으며, 최대한 충전된 것으로 간주할 수 있다.
도5, 도6 및 도7의 배터리온도곡선을 분석하면 충전 사이클의 종결시점을 제외하고는 곡선사이에 전혀 유사성이 없다는 것을 알 수 있다. 0초에서 660초까지는 "TEMP 1" 곡선은 초당 섭씨 0.0097도의 온도의 증가를 도시하는 반면, "TEMP 2" 곡선은 실제로 초당 섭씨 0.0057도의 온도의 감소를 도시한 것이다. 660초에서 830초까지, 온도상승률은 제각기 초당 섭씨 0.038도(TEMP 1 곡선) 및, 초당 섭씨 0.01도(TEMP 2 곡선)까지 상승한다. 이는 배터리가 거의 완전히 충전되는 지점에서 온도상승률의 적어도 두 배 증가(즉, 배증)를 증명한 것이다.
본 발명의 목적중 하나인 급속한, 고율 충전은 매우 빠르게 일어나고, 배터리에 회복 불가능한 손상을 유발시킬 수 있는 유해한 조건을 피하도록 충전량을 정확하게 제어할 필요가 있다. 최고 1C 율의 율로 배터리를 충전할 수 있는 종래 충전기술은 배터리가 1C 율 이상의 충전율로 사용될 시에 결점을 가진다. 특히, 전술된 바와 같이, 과잉충전이 일어나 배터리내 과도한 열발생을 유발시킨다. 이는 용량 및 싸이클 수명을 감소시키게 할 수 있고, 전지의 가스 누출을 일으킬 가능성을 갖게 한다. 1C 율을 초과하는 충전율에서의 요구된 정확한 제어는 배터리 전압 및 배터리 온도 또는 그 둘 모두를 주의 깊게 모니터함으로써 성취될 수 있다.
배터리전압은 배터리가 95% 내지 100%로 충전되는 시점에서만 일어나는 독특한 특성을 나타낸다. 이 특성은 배터리의 전압 상승률이 계속 상승하는 기간 직후의 축전지의 전압 상승률의 저하이다. 높은 충전율은 이런 저하가 검출된 경우, 배터리가 과충전되는 것을 방지하도록 중단되어야 한다.
배터리 온도도 배터리가 95% 내지 100%로 충전되는 시점에서 일어나는 독특한 특성을 나타낸다. 이 특성은 배터리의 온도상승률의 적어도 2배의 급격한 증가이다. 이러한 급격한 증가는 배터리가 거의 최대한으로 충전되어 있다는 것과 높은 충전율을 중단해야한다는 것을 의미한다.
전술된 전압 혹은 온도조건중 어느 하나가 검출된 시점에 높은 충전율을 중단하는 대신에, 두 조건을 동시 검출한 시점에 높은 충전율을 중단할 수 있다.
전술한 바와 같이 높은 율의 배터리충전을 정확하게 제어함으로써, 배터리를 바람직하지 않은 과충전 효과에 노출시키지 않고, 그 용량의 약 95%에서 100%내로 배터리를 고속으로 충전할 수 있다.
본 발명에 따라 니켈-카드뮴 배터리를 고속으로 충전하는 장치의 구체적인 실시예를 첨부 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.
도9는 본 발명의 제1실시예에 따른 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전장치(1)의 구체적인 구성을 설명한 블록 다이어그램으로서, 상기 장치는 충전될 필요가 있는 전지(2)에 충전전류를 공급하는 전류공급수단(3), 전지(2)의 온도를 측정하는 온도측정수단(4), 전지의 온도를 측정하고 그 데이타를 기억해두거나, 그 데이타를 계산수단으로 출력하는 샘플링수단(5), 샘플링수단(5)에 의하여 얻어진 전지의 온도데이타를 계산하여, 충전동작을 중단하여야하는 시기를 나타내는 제어신호를 출력하는 계산수단(6), 계산수단(6)으로부터의 출력에 응답하여 전류공급수단(3)으로부터 전지(2)에 대한 전류공급을 중단하는 스위치수단(7) 및, 각 수단을 제어하는 제어수단(8)을 구비하는데, 상기 충전장치(1)내의 전류공급수단(3)은 충전동작 동안 전지에 적어도 2C의 전류를 전지에 공급하며, 계산수단(6)은 온도 측정 수단(4)을 통하여 샘플링수단(5)에 의하여 얻어진 전지의 온도데이타로부터 전지의 온도상승률을 산출하는 제1계산기능, 제1주기내의 전지의 온도상승률과 제2주기내의 전지의 온도상승률을 비교함으로써 변화율을 산출하는 제2계산기능 및, 제2주기내의 전지의 온도상승률과 1주기내의 전지의 온도상승률을 비교하여, 제2주기내의 전지의 온도상승률 1주기내의 전지의 온도상승률보다 2배이상 큰지를 판단하고, 그 판단결과를 근거로 전지에 대한 충전전류의 공급을 중단하는 신호를 출력하는 제3기능을 가진다.
도9에 도시된 기초적인 구성에 부가하여, 본 발명에 따른 니켈-카드뮴 배터리를 고속으로 충전하는 장치(1)는 전지(2)의 출력전압을 측정하는 전압측정수단(41), 전지의 전압을 측정하여, 그 데이타를 기억해 두거나, 그 데이타를 계산수단으로 출력하는 샘플링수단(51) 및, 샘플링수단(51)에 의하여 얻어지고 계산수단(6)에 공동으로 제공되는 전지(2)의 전압데이타를 계산하는 계산수단이 포함되는데, 상기 계산수단(6)은 전압측정수단(41)을 통하여 샘플링수단(51)에 의하여 얻어진 전지의 전압 데이타로 부터 전지의 전압상승률을 산출하는 제4계산기능과, 전압상승률이 소정 기간 연속 상승한 후 최초의 전압상승률의 감소를 검출하는 제5기능을 가지며, 상기 계산수단(6)은, 제2주기동안 전지의 온도상승률이 제1주기의 전지의 온도상승률보다 2배이상 크다는 제3기능의 정보 및 전압상승률의 최초의 감소를 검출하였다는 제5기능의 정보를 근거로 하여 전지에 대한 충전전류의 공급을 중단하기 위한 신호를 출력하도록 구성되어 있다.
본 발명의 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 장치에 있어서는, 고전류를 공급하면서 소정의 2차 전지 즉, 니켈-카드뮴 전지를 충전하는 것으로 통상적인 충전 동작에서의 전류에 관련된 조건과는 완전히 다르며, 적어도 2C 율 이상의 고전류를 니켈-카드뮴 전지에 공급하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 각각의 니켈-카드뮴 배터리의 정격전류로 2C 또는 그 이상의 즉, 3C, 4C 혹은 5C 등의 전류를 공급하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 충전동작을 필요로 하는 니켈-카드뮴 배터리의 구성, 출력전압 및 출력전류를 포함한 전지의 정격값 및, 다양한 특성, 잔류 용량, 충전-방전 히스테리시스 등에 의하여, 충전동작시에 전지에 공급된 전류의 양을 최적상태로 조정할 필요가 있고, 이를 위하여, 본 발명의 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 장치에 있어서는 전류율(C 율)을 변경하는 전류율 변화 수단(9)이 제공되는 것이 바람직하다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 니켈-카드뮴 배터리의 전지온도는 높은 전류가 공급되는 동안 적당한 온도센서로 구성된 온도측정수단(4)을 사용하여 측정된다. 여기서, 측정된 온도는 표면온도(전지의 표피온도) 및 전지단자에서의 온도의 내부온도 중 어느 하나일 것이다. 필요에 따라 적절한 태양이 선택되고, 온도가 측정된다.
전지의 온도를 측정하는데 사용되는 온도측정수단(4)의 온도센서를 구성은 특별히 한정되는 것은 아니나, 도10에 도시된 바와 같이 전지(2)의 몸체 표면부에 예를 들어, NPN 트랜지스터 또는 서미스터로 구성된 온도 센서(45)를 예를 들어 접착 테이프(46) 등을 사용하여 전지(3)의 본체부 표면부에 접촉되게 할 수 있다.
본 발명의 충전장치내에 전지(2)를 삽입하여 충전동작이 수행될 때에, 도10에 도시된 바와같이 양전극은 전지의 한 단자에 접속되고, 음전극은 전지의 나머지 단자에 접속된다.
도11은 본 발명의 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 장치 내에 이용된 전지 온도 측정 수단의 다른 실시예를 설명한 다이어그램이다. 이런 실시예에 있어서, 온도는 충전된 전지(2)의 출력단자에서 측정된다. 도11에서, 충전전류가 충전 동작 동안에 충전 전류가 공급되도록 예를 들어, 스프링을 내장한 접속 단자(43)가 전지(2)의 플러스측(plus-side)단자(31)에 접속하고, 전류가 마이너스측 단자로부터 접지쪽으로 흐르도록 스프링을 내장한 금속으로 제조된 충전 단자(42)가 마이너스측 단자(32)에 접속된다. 전술한 것과 동일한 기능을 가진 온도 센서(4)는 충전단자(42)의 일부에 장착되어 전지의 출력단자에서 온도를 측정한다.
측정된 온도데이타는 적절한 전압값으로 변환되어, 이하에서 설명될 적당한 계산 처리 수단에 공급된다.
본 발명의 계산 수단(6)의 제5기능을 기초로 하는 충전 전류 중단 신호는, 제5기능이 전지(2)의 전압상승률의 최초의 저하를 검출한 후에, 적어도 여러 번 계속 전지(2)의 전압상승률의 저하가 검출될 시에만 출력되도록 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에 있어서, 전지(2)의 전압상승률은 도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 전지(2)에 대한 충전 동작이 시작될 때부터 충전 동작이 거의 완료될 때까지 계속 상승하는 경향을 보이며, 따라서, 전지의 전압 레벨의 변화를 미분한 값인 변화도(degree)는 양의 값이 되며, 상기 값을 다시 미분함으로써 얻어진 변화율은 0 또는 양의 값으로 나타난다. 그러나, 전지에 대한 충전이 진행되어, 거의 100% 충전율로 충전될 경우에, 전압은 급격히 반전하여 감소하기 시작하므로, 따라서, 전압 상승률은 음의 값으로 변한다.
즉, 본 발명에 있어서, 전지 전압을 측정하는 경우에는, 그 전압의 변화가 소정 기간 연속하여 상승을 나타내는 경우에, 그 연속되는 전압의 상승기간후 최초의 전압상승률의 저하를 검출하고, 전지가 100% 충전 또는 거의 100% 충전되었음을 판단하여, 충전동작을 중지시키는 제어신호는 제어수단(8)으로 보내고, 스위치 수단(7)을 동작시켜 전지공급수단(3)으로부터 소정의 충전전류가 전지 내로 흐르지 않도록 제어한다.
여기서, 전압레벨의 변화는 특히 전지의 충전율이 100%에 근접할 때 민감한(delicate) 상태에 있으므로, 안전성을 고려하여, 전압 상승률이 최초로 음으로 변화한 후에 충전 동작을 즉시 중단하기 위한 제어 신호를 쉽게 발생시키지 않고, 한 두번 더 샘플링을 실행하여, 전압상승률을 확인한 후에 충전동작을 중지시키는 제어신호를 발생시키도록 구성하는 것이 바람직하다.
예컨대, 전압 상승률이 음으로 변화한 후에 전압저하가 연속 세번 검출될 경우에, 충전 동작을 중지시키는 제어신호를 발생시키는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되고 있는 계산수단의 구성을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도12는 계산수단(6)의 기능 및 회로 구성뿐만 아니라, 본 발명의 샘플링 수단(4 또는 41) 내의 메모리 회로를 설명한 다이아그램이며, 전지 온도를 측정하여 그 결과를 계산하는 장치를 설명한 블록다이어그램이다. 즉, 니켈-카드뮴 배터리의 급속 충전 장치는, 전지(2)의 온도를 측정하는 온도측정수단(4)에 의하여 소정 시간 간격으로 샘플링한 전지의 온도 데이타를 저장하는 제1메모리수단(61), 상기 제1기억수단(61)내에 저장된 적어도 두 개의 온도 데이터로부터 소정 시간내에 전지 온도의 평균값을 산출하는 제1계산수단(62), 제1계산수단(62)에 의하여 계산된 전지온도의 평균값을 저장하는 제2메모리수단(63), 제2메모리수단(63)내에 저장된 전지 온도의 평균값 데이타를 근거로, 이웃한 소정 시간 내에서 전지온도의 증가 혹은 감소에 관한 변화를 계산하거나, 예를 들어 5초 동안의 변화율을 계산하기 위하여, 상기 제2메모리수단(63)내에 저장된 데이타로부터 충전동작 동안에 적당한 주기인 제1주기(예컨대, 5초)내에서 전지의 온도 상승률을 계산하는 제2계산수단, 상기 제1주기 내에 후속하는 제2주기(예컨대, 5초)내에서 전지의 온도 상승률을 계산하는 제3계산 수단(65) 및, 제3계산수단(65)에 의하여 얻어진 제2주기내의 전지의 온도 상승률이 상기 제2계산수단(64)에 의하여 얻어진 제1주기내의 전지의 온도 상승률보다 적어도 2배가 넘는 지를 판단하는 제4계산수단(66)으로 구성된다.
본 발명의 충전장치에 있어서, 제2 및 제3계산수단(64 및 65)은 공동으로 제공될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 있어서 측정된 데이타를 계산하는 처리 과정에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에서는, 하기에 기재된 바와 같이, 전지의 온도를 측정하여 충전동작을 제어한다.
중앙제어수단(8)으로부터, 소정의 간격으로 발진되는 클럭신호에 응답하여, 온도측정수단(4)은 예컨대 전지의 표피온도를 측정하여, 그 데이타를 제1메모리수단(61)내에 일단 저장한다.
앞에서 언급한 바와 같은 적절한 센서를 사용함으로써, 전지의 온도는 전압으로 변환된다.
본 발명에 있어서, 클럭신호마다 온도 측정 데이타가 얻어지므로, 소정 기간에 다수의 온도 데이타가 상기 제1메모리수단(61)내에 저장된다.
본 발명의 클럭신호의 주기는 샘플링 주기에 상응하는 것으로, 어느 특정한 주기로 제한되지는 않지만, 예를 들어, 초당 10 내지 50정도의 데이타를 샘플링하도록 구성할 수 있다.
제1메모리수단(61)은 소정의 메모리용량을 가지며, 예를 들면 적어도 5초동안 250개의 데이타를 저장하도록 구성하는 것이 바람직하다.
다음, 본 발명에 있어서, 제1메모리수단(61)내에 저장된 다수의 온도데이타를 근거로, 제1계산수단(62)에 의하여 소정 시간 간격으로 그 온도데이타의 평균값을 산출한다.
그러한 평균값은 적어도 2개의 온도데이타를 근거로 하여, 연속 얻어진 샘플링 값인 전지 온도의 평균값(TAV1, TAV2, …, TVN)을 산출하도록 한 것이거나, 소정 시간 내에, 예를 들어, 5초내에 10 내지 50개의 데이타로부터 평균값을 산출하도록 한 것도 가능하다.
메모리 수단으로서는 예를 들어 FIFO(선입선출)형의 메모리장치를 사용할 수 있다.
제1계산수단(62)에 의하여 계산된 전지 온도의 평균값(TAV1, TAV2, …, TVN)은 제2메모리수단(63)내에 일단 저장된다.
다음으로, 제2메모리수단(63)내에 저장된 전지온도의 데이타 평균값(TAV1, TAV2, …, TVN)을 근거로 이웃한 소정 시간내, 예를 들어 5초 내에 전지온도의 증가 혹은 감소에 관한 변화의 정도 즉 변화율을 계산한다.
즉, 온도의 평균값의 변화율(VT1, VT2)은 선택된 주기 내에서 제1주기, 즉, 처음 5초 동안의 평균값(TAV1)과 제2주기, 즉 제1주기에 후속하는 5초 동안의 평균값(TAV2) 및 제3주기, 즉, 제2주기에 후속하는 5초 동안의 평균값(TAV3)에 대하여 제2계산수단(64) 및 제3계산수단(65)에 의하여 다음과 같이 계산된다.
TAV2- TAV1= VT1
TAV3- TAV2= VT2
이와 유사하게, 충전동작 동안 소정 기간마다 온도의 평균값의 변화량(VT1, VT2)을 계산 처리한다.
여기서, 상기 각 값은 5초동안에 온도의 변화율을 나타내므로, 그 데이터를 그대로 그 비율로 사용할 수 있으나, 단위 시간당 변화율을 정확하게 나타내면, 예를 들어 아래와 같이 초당 변화율로서 표시될 수 있다.
VT1/ 5 = RVT1
VT2/ 5 = RVT2
본 발명에 있어서, 제4계산수단(66)은, 제3계산수단(65)에 의하여 얻어진 제2주기내의 전지의 온도 상승률(RVT2)과 제2계산수단(64)에 의하여 얻어진 제1주기내의 전지의 온도 상승률(VT1혹은 RVT1)간의 관계를 계산하고 판단한다.
즉, 앞서 언급한 본 발명에 있어서, 충전동작 동안 니켈-카드뮴 배터리의 온도는 충전율이 100%에 근접할 시에 급격하게 증가한다는 것이 실험적으로 확인되었다. 즉, 가능한 빨리 그런 상태를 검출하여 충전 동작을 중단하지 않으면 전지를 파괴하게 되거나 전지성능이 저하된다. 따라서 본 발명에 따르면, 상기 언급된 바와 같이 전지의 온도 상승률의 변화를 모니터하고, 이 때에 측정된 전지의 온도 상승률이 앞서 측정된 전지의 온도 상승률보다 2배보다 클시에 전지의 충전율은 100%에 도달하거나 거의 100%에 도달하였다고 판단하여, 충전동작을 중지하는 제어신호를 발생시킨다.
따라서, 구체적으로 제4계산수단(66)은 제2주기내의 전지의 온도 상승률(VT2혹은 RVT2)이 제1주기내의 전지의 온도 상승률(VT1혹은 RVT1)보다 적어도 2배 큰지를 즉, 2VT1＜ VT2인가를 판단한다.
더욱이, 본 발명이 제2실시예에 따르면, 에 있어서, 전술한 계산처리에 부가한 고속 충전동작 동안 전지 전압을 측정하고, 전압의 상승률과 함께 충전동작을 중지시킨다. 전지의 전압측정에 관련된 계산수단(6)의 구성 및 그의 처리과정에 대하여 아래에 설명한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 전지 전압을 측정하여, 전압 데이타를 계산하는 계산처리수단은 상기한 계산수단(6)과 대부분 공통으로 사용한다. 따라서, 이러한 공통처리수단에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 전압데이타에 특별히 관련된 부분만 설명한다.
니켈-카드뮴 전지(2)의 단자에 출력전압 측정수단인 적당한 전압측정 센서를 설치하고, 온도를 측정하는 경우와 같이, 중앙 제어 수단(8)으로부터 소정의 간격으로 발진되는 클럭 신호에 응답하여, 전압측정수단(41)이 그 전지의 전압을 측정하고, 그 데이타를 제1메모리수단(61)에 일단 저장한다.
이하에서, 제3계산수단(65)에 이르는 데이타 처리 과정은 상기한 온도데이타 처리 과정과 동일하다.
즉, 전압 데이타로부터 전지 전압의 평균값(VAV1, VAV2, …, VVn)을 산출하고, 제1주기 및 제2주기내의 전압의 평균값의 변화량(VV1, VV2)은 아래와 같이 계산된다.
VAV2- VAV1= VV1
VAV3- VAV2= VV2
상기 각 데이타로부터, 필요한 경우, 초당 온도 변화율은 아래와 같이 계산된다.
VV1/ 5 = RVV1
VV2/ 5 = RVV2
본 발명에 있어서, 제4계산수단(66)은, 제3계산수단에 의하여 얻어진 제2주기내의 전지의 온도 상승률(VV2또는 RVV2)이 제2계산수단(64)에 의하여 얻어진 제1주기내의 전지의 전압 상승률(VV1혹은 RVV1)에 대하여 어떤 관계에 있는지를 판단한다.
즉, 전술한 바와 같은 본 발명에 있어서, 충전동작 중의 니켈-카드뮴 배터리의 전압은 초기단계동안 충전시간의 증가에 따라 완만하게 증가하며, 전압은 충전율이 100%에 근접하면 급격하게 상승하고, 충전율이 100%에 도달하거나 100%에 매우 접근하면 갑자기 강하한다는 것이 실험적으로 확인되었다. 따라서, 가능한 빨리 그런 상태를 검출하여 충전 동작을 중단하여야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이러한 목적을 위하여, 전지의 전압 상승률에서의 변화를 모니터하고, 전압 상승률이 충전동작의 소정 주기를 통하여 계속 상승되는 상태가 이어지다가 전압이 최초로 저하된 순간, 즉, 음의 상태를 나타내는 순간에 전지의 충전율은 100%에 도달하거나 거의 100%에 도달하였다고 판단하고, 충전동작을 중단시키는 제어 신호를 발생시키도록 한 것이다.
따라서, 구체적으로 제2 주기내의 전지의 전압 상승률(VV2또는 RVV2)은 제1 주기내의 전지의 전압상승률(VV1또는 RVV1)에 대하여 아래와 같은 관계를 갖는지를 판단한다.
VV2- VV1＜ 0
더욱이 본, 발명에 따르면, 상기 계산처리의 결과로부터 바로 충전 동작을 중지하는 제어신호를 출력할 수도 있지만, 계속적인 계산 처리를 통하여 여러번 전압 데이타를 모니터하여, 전압 강하가 계속되는 것을 확인한 후에 충전동작을 중단하는 제어신호를 출력하여도 된다.
도13 내지 도18은 본 발명에 따라 충전동작을 실시한 경우의 니켈-카드뮴 배터리의 온도 및 전압의 변화율과 종래 기술을 따라 충전한 경우의 변화율을 비교하여 설명한 것이다.
도13은 본 발명에 따라 3C 율로 고전류 고속 충전 처리를 한 경우의 니켈-카드뮴 배터리의 전지 온도의 변화율을 도시한 파형도이고, 도14는 전압의 변화를 도시한 파형도이다.
도15는 본 발명에 따라 5C 율로 고속 충전 처리를 실시한 경우의 다이어그램이다. 이들 도면으로부터 이해되는 바와 같이 종래의 충전동작에 따르면, 전지가 완전한 충전 상태로 되돌아가게 하기 위하여서는 적어도 40분이 필요하다. 더욱이, 니켈-카드뮴 배터리의 충전율이 100%에 근접하였을 시에 조차, 전지의 온도 및 전압의 변화율은 비교적 낮아, 충전동작을 중단시킬 시점을 정확하고 신속하게 판단할 수가 없었다.
게다가, 종래의 충전 동작에 따르면, 본 발명의 목적으로 하는, 전지의 충전율을 100%에 달성하기 위한 시간은 20분 미만, 바람직하게는 10분 미만으로 하였으나, 그런 주기에서, 어떠한 두드러진 변화도 파형에서는 인식되지 않으며, 충전동작을 계속하거나 중단하는 것을 판단할 근거가 전혀 없다.
그러나, 본 발명에 따르면, 20분내 특히, 4C 또는 5C 율에서는 14분내에 100% 충전율을 달성할 수 있다.
표1 내지 표3은 본 발명의 충전동작에 있어서, 도13 내지 도18에 도시된 파형을 위한 기초 데이터인 충전된 전지의 온도 및 전압의 실제 측정예를 도시한 것이다.
표1은, 종래의 고속 충전 방법인 1.5C 율을 사용하여 산요 덴키 캄파니(Sanyo Denki Co.)사에서 제조된 니켈-카드뮴 배터리(모델 KR-1200AE)를 충전동작하고, 온도 및 전압 데이터를, 샘플링 주기를 초당 50개로 측정하였으며, 5초마다 얻어진 샘플링 데이터를 평균값으로 표시한 것이다.
표2 및 표3은 표1의 데이타와 같이 동일하게 측정된 데이타이지만, 3C 율 및 5C 율에서 여기서는 마쓰시다 덴코 캄파니(Matsushita Denko Co.)사에 의하여 제조된 배터리(모델 P60AARM)를 사용하여 충전 동작한 경우의 예를 도시한 것이다.
도19내지 도21은 전술한 정의에 기초하여 표1 내지 표3의 데이타와 관련한 온도 및 전압 상승률을 산출하여 그래프화한 것이다.
도19는 표1의 데이터를 근거로 한 온도 및 전압 상승률을 산출하여 그래프화한 것이며, 이로부터 온도 및 전압 상승률은 충전 시간이 40분에 근접할 때까지 거의 변하지는 않으나 계속하여 동일한 율로 상승하며, 온도 상승률은 충전시간이 40분에 근접할 시에 약간 증가한다는 것을 알 수 있다. 전압도, 충전동작시간이 40분을 넘을 때까지 거의 변하지 않고 계속하여 거의 동일한 상승률로 상승하지만, 충전시간이 40분에 근접할 때에 갑자기 급격하게 저하된다.
다른 한편으로, 도20은 본 발명에 따라, 표2에 대응하는 온도 및 전압 상승률을 산출하여 그래프화 한 것이며, 도21은 표3의 데이타를 근거로 한 온도 및 전압 상승률을 산출하여 그래프화한 것으로, 이들 표로부터, 온도 상승률은 20분내에 현저하게 증가하며, 전압 상승률은 충전율이 100%에 근접해감에 따라 현저하게 커지고, 전압은 충전율이 100%에 근접할 시에 전압상승률이 저하되어 전압은 급격하게 저하된다는 것을 알 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 충전동작에서의 계산처리방법의 처리과정을 도22의 플로우챠트에 의하여 설명하면 다음과 같다.
개시후, 우선, 단계(1)는 니켈-카드뮴 배터리의 특성을 체크하여, 니켈-카드뮴 배터리를 충전하는 환경(environment)을 설정한다.
즉, 본 발명에 있어서, 니켈-카드뮴 배터리는 -10도 내지 +45도의 온도 범위 내에서 충전하는 것이 바람직하다. 따라서, 온도는 먼저 그러한 온도 환경이 설정되었는지 아닌지를 먼저 측정하고, 충전동작이 정상적으로 실행될 수 있는 환경을 설정한다.
그 후, 단계(2)는 충전동작에 알맞은 환경이 설정되었는지 아닌지를 판단하고, 응답이 "아니오"일 시에, 처리과정은 단계(1)로 복귀하고, 응답이 "예"일 시에, 처리과정은 단계(3)로 진행하며, 온도와 전압 쌍방을 측정하기 위한(즉, 니켈-카드뮴 배터리의 온도만을 측정하는 것이 아님), 샘플링 주기가 설정되어 있는 지를 판단한다. 응답이 "아니오"일 시에, 처리 과정은 단계(1)로 돌아가 상기 동작을 반복하고, 응답이 "예"일 시에, 처리과정은 단계(4)로 진행하여, 니켈-카드뮴 배터리의 온도 및/또는 전압을 샘플링주기와 동기하여 출력하는 클럭 신호와 동기하여 측정한다.
온도 및 전압에 관한 측정된 데이터는 예를 들어 샘플링 수단내에 제공된 메모리수단이나, 계산 수단(6)내에 제공된 메모리수단에 일단 저장된다.
그때, 단계(5)는 소정 충전 동작 시간이 경과했는지, 예를 들어, 5초가 경과했는지를 판단한다. 응답이 "아니오"일 시에, 처리과정은 단계(4)로 되돌아가고, 응답이 "예"일 시에, 단계(6)로 넘어가서, 5초 동안 측정된 온도 및 전압 데이타의 평균값을 계산한다.
즉, 5초동안 전지온도의 평균값(TAV1, TAV2, …, TVn) 및 전지전압의 평균값(VAV1, VAV2, …, VVn)이 산출되어, 제2메모리수단(63)내에 저장된다.
그때, 처리과정은 단계(7)로 넘어가, 단계(6)에서 산출된 각 평균값으로부터 이웃한 주기내의 온도 및 전압의 평균값의 변화를 산출한다.
즉, 온도에 대하여, 제1주기 즉, 최초 5초 주기 내의 평균값(TAV1), 제1주기에 후속하여 5초 동안 지속하는 제2주기내의 평균값(TAV2) 및, 제2주기에 후속하여 5초 동안 지속하는 제3주기내의 평균값(TAV3)에 대하여, 그 기간의 온도 평균값의 변화량(VT1, VT2)은 아래와 같이 계산되며, 그 결과가 제3메모리 수단(65)에 메모리된다.
TAV2- TAV1= VT1
TAV3- TAV2= VT2
전압의 경우, 온도의 평균값의 변화량(VV1, VV2)은 제1주기내의 평균값(VAV1), 제2주기내의 평균값(VAV2) 및, 제3주기내의 평균값(VAV3)에 대하여 아래와 같이 계산되며, 그 결과도 마찬가지로 제3메모리수단(65)내에 저장된다.
VAV2- VAV1= VV1
VAV3- VAV2= VV2
본 발명에 있어서, 처리 과정은 단계(8)로 진행하는데, 여기서, 계산된 데이타는 온도에 관한 것인지 아닌지를 판단한다. 응답이 "예"일 시에, 처리과정은 단계(9)로 진행하여, 온도 상승률이 상승하는지 아닌지를 판단한다. 응답이 "아니오"일 시에, 처리과정은 단계(8)로 되돌아가고, 응답이 "예"일 시에, 처리과정은 단계(10)로 진행하여, 전지의 온도 상승률이 앞선 시간에 측정된 전지의 온도상승률의 2배이상인지를 판단한다. 응답이 "예"일 시에, 처리과정은 단계(11)로 진행하여 충전동작의 중단을 지시하는 제어 신호를 발생하고, 단계(16)에서 실제 충전동작을 중지한다. 그러나, 응답이 "아니오"일 시에, 단계(9)로 되돌아가 전술한 동작을 반복한다.
단계(8)에서 응답이 "아니오"일 시에, 처리과정은 단계(13)로 진행하는데, 그 전압 상승률이 소정 기간 연속적으로 증가한 후 최초로 감소하는 지를 판단한다. 응답이 "아니오"일 시에, 처리과정은 단계(8)로 되돌아가고, 응답이 "예"일 시에는 단계(14)로 진행하여, 전압 상승률의 감소가 연속 세번 검출되는 지를 판단한다. 응답이 "아니오"일 시에, 단계(13)로 되돌아가 상기 각 공정을 반복하고, 응답이 "예"일 시에 단계(15)로 진행하여 충전동작의 중단을 명령할 제어신호를 발생시키고, 단계(12)로 진행한다.
단계(12)는, 온도 상승률의 변화를 판단하는 단계(11)에서 보내온 출력신호가 선택적으로 입력되며, 전압의 변화를 판단하는 단계(15)로부터의 신호를 AND 논리를 적용하여, 충전동작을 중단하기 위한 제어신호를 출력하도록 구성된 것이다.
다음으로, 본 발명에서 사용된 충전장치의 회로구성의 구체적인 예에 대하여 설명한다.
도23은 본 발명에 관한 충전장치의 회로구성의 구체적인 예를 설명한 다이어그램이고, 본 발명에 따라 2C 율 이상의 고전류율로 2차 전지를 고속으로 재충전할 수 있는 배터리 충전기의 전자회로 개요도이다. 상기 회로는 배터리 전압 및/또는 온도를 감지하여, 미리 정해진 파라미터에 따라 배터리에 대한 충전 전류의 인가를 제어하고, 배터리 전압 및 온도의 실시간 디스플레이를 제공한다.
상기 회로는 다음과 같은 역할을 수행한다. BT1는 R1을 통하여 전력 MOSFET Q1(MOS 전계 효과 트랜지스터)에 의하여 공급된 충전 전류를 통하여 재충전될 수 있는 배터리(도9의 2)를 나타낸다. 배터리의 용기에 결합된 온도감지 서미스터(BT1)인 온도 측정 수단(4)은 배터리(2)의 온도를 나타내는 온도 출력신호(Tsense)를 발생시킨다. Tsense는 아날로그 증폭기(U1)에 의하여 증폭되고, 저항(R2)과 조합되어 RT1의 저항값이 배터리의 온도의 변화에 비례하여 변화하는 분압기 네트워크를 형성한다. 10-채널식 아날로그 디지털 변환기(U2)의 제1채널(AD0)은 배터리(2)의 전압을 나타내는 전기 입력 신호(+BATT)를 수신한다. 제2채널(AD1)은 아날로그 증폭기(U1)에 의하여 출력되는 증폭된 온도-표시 신호를 수신한다. 아날로그 디지털 변환기(U2)의 기타 채널은 사용되지 않는다.
아날로그 디지털 변환기(U2)는 그 입력신호를 아날로그형으로부터, 내장(on-board) RAM, ROM 및 I/O포트를 가진 본 발명이 계산수단(6) 및 중앙 제어수단(8)에 대응하는, 집적회로 마이크로 제어기(U3)에 대한 입력에 적당한 디지털형으로 변환시킨다. 이런 집적회로 마이크로제어기(U3)는 아날로그 디지털 변환기(U2)로부터 디지털 데이타 신호를 판독하고, 데이타를 처리하며, 아래에 기술되는 바와 같이 MOSFET Q1을 제어하도록 프로그램되어 있다.
본 실시예에서, 도6 또는 도12 등에서 설명한 각종 메모리 수단은, 계산 수단인 집적회로 마이크로제어기(U3)내에 모두 제공된다.
마이크로제어기(U3)는 또한 2×28 문자 액정 디스플레이 장치(100)에 배터리 전압 및 온도의 실시간 데이터를 디지털방식(representations)으로 표시하기 위하여 적당한 신호를 출력시킨다.
고정 전압 조정기(U4)는 회로에 전력을 공급하도록 조정된 전압신호(Vcc)를 공급한다. PNP 트랜지스터(Q2)는 배터리(BT1)가 제공될 시에 단자(+Vin및 GND)양단에 공급된 입력 전력을 전압 조절기(U4)에 결합시키는 스위치로서 작동하고, 배터리가 없을 때에는, U4로부터 입력전력결합을 해제(decouple)한다.
아래의표는 도23에 도시되고, 여기에 기술된 회로구성요소에 대한 전자부품 사양을 제공한 것이다.
참조부호 설명
Q1국제정류기 IRF350 전력 mosfet(MOS 전계효과 트랜지스터)
Q2모토롤라 2N3906 PNP 트랜지스터
RT1펜웰 192-303KET-A01 서미스터
R15 옴, 25 와트, 10%
R230K 옴, 1/4 와트
R310K 옴, 1/4 와트
R410K 옴, 1/4 와트
R510K 옴, 1/4 와트
R6510 옴, 1/4 와트
R7100 옴, 1/4 와트
R810K 옴, 1/4 와트
R91M 옴, 1/4 와트
C11 μF, 35 볼트 전해 캐패시터
C222 pF, 35 볼트 전해 캐패시터
C322 pF, 35 볼트 전해 캐패시터
C410 μF, 35 볼트 전해 캐패시터
C51 μF, 35 볼트 전해 캐패시터
C60.1 μF, 35 볼트 전해 캐패시터
U1모토롤라 uA741 계산증폭기
U2모토롤라 145051 A/D 변환기
U3모토롤라 68HC705C8 마이크로 프로세서
U4모토롤라 LM7805 전압조절기
디스플레이 장치 옵트렉스 DMC16230 액정 디스플레이 장치
도24 내지 도26을 참조로 아래에 본 발명에 따른 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치의 회로구성의 다른 실시예에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도24는 본 발명에 따른 충전장치의 배터리 접속부, 전원 공급부 및 클럭 발생부의 회로구성을 설명한 블록 다이어그램이다.
도24에 있어서, 참조번호(122)는 충전되어질 니켈-카드뮴 배터리(2차 배터리)(120)의 전압 입력 단자를 나타내며, (121)은 접지단자를 나타낸다.
참조번호(123)는 전지 온도 측정 수단(4)의 양 전위 단자(127)에 접속된 단자를 나타내고, 참조번호(125)는 배터리의 접지단자(121)에 접속된 온도측정 수단의 음전위 단자를 나타내는데, 상기 배터리의 접지단자(121)는 접지된 저전위 전원단자(133)에 접속된다.
더욱이, 배터리의 양 및 음전압 입력단자(122 및 121)에 제각기 배터리의 출력전압을 측정하는 전압측정수단(41)의 양 및 음단자(124 및 126)가 접속된다.
또한, 배터리의 양전압(고전위 전원) 입력단자(122)에는, 소정 고전위전원(132)에 접속된 전원 제어회로(103)의 출력이 접속된다.
전원 제어회로(103)는 두개의 트랜지스터(Q2, Q3)와 저항(R3, R6)으로 구성된다. 트랜지스터(Q2, Q3)는 이하에 설명되어질 배터리의 온도 측정 데이타 및 전압 측정 데이타에 근거하여 배터리에 공급되는 충전전류를 중단시키는 스위칭 기능을 나타낸다.
참조번호(101)는 예컨대, NE555 집적회로칩으로 구성된 클럭발생회로를 나타내며, 그 출력단자(126)으로부터 소정 충격비(duty ratio)를 가진 클럭을 발생시킨다.
클럭발생회로(101)에서 출력되는 클럭 신호의 예로는, 예를 들어, 0.5초 동안 ON 상태가 되는 펄스 폭을 가진 펄스를 5초에 한 번 발생시키거나, 또는 예컨대, 0.2 Hz의 주파수를 유지하면서, 5% (5%/95%)의 충격비를 가진 펄스를 출력할 수 있다.
다음, 도25는 온도측정 및 전술한 계산처리를 실행하는 계산처리회로를 구체적으로 설명한 블록다이어그램이다.
도25에 있어서, 배터리(120)에 접속된 온도측정 수단(4)의 단자(127, 125)로부터의 전압 데이타는 차동 증폭기(U9, U1)에 의하여 구성된 전압 버퍼수단(140)을 통하여 소정 전압으로 조절되어, 데이타처리회로(150)에 입력되는데, 상기 데이타처리회로(150)는 본 발명에 이용된 샘플링된 온도 또는 전압데이타를 저장하는 제1메모리수단(61), 제1의 메모리수단(61)에 기억된 온도 또는 전압데이타로부터, 소정 시간, 예를 들어, 5초 동안의 데이타의 평균값을 계산하는 계산처리수단(62) 및, 계산처리수단(62)에 의하여 계산된 소정시간 주기마다 평균값을 저장하는 제2메모리수단(62)으로 구성된다.
한편, 도24의 클럭신호 발생수단(101)에서 출력된 전술한 클럭 신호는 단자(126)에 입력되고, 릴레이(K1)로 구성된 전환(change-over)회로(160)에 입력되며, 또한 전술된 제2메모리수단(63)에 입력된다.
릴레이(K1)로 구성된 전환회로(160)는 대개 오프상태이며, 펄스가 입력되지 않을 시에 오프상태로 유지된다.
5초 내에 한번씩 펄스를 발생하는 클럭 신호가 입력되면, 제2메모리수단(63)으로부터 예를 들면, 이미 계산 처리되어 저장되어 있는 매 5초 동안의 온도 또는 전압의 평균값의 최초의 평균값 데이타(TAV1)는, 클럭 신호와 동기하여 출력되고, 차동증폭기(U4)로 구성된 본 발명의 소위 제2계산수단(64)을 구성하는 계산 회로(151)에 입력되며, 이 시점에서, 전환 회로(160)가 온이되어 있으므로, 평균값 데이타(TAV1)는 전환 회로(160)를 통과하여, 차동 증폭기(U2, U3) 및 캐패시터(C1)로 구성된 임시 메모리회로내에 저장된다.
임시 메모리 회로(152)의 출력은 계산회로를 구성하는 차동 증폭기(U4)의 비반전 입력단자에 입력되며, 반전 단자에 입력된 제2메모리수단(63)으로부터의 출력과의 차는 계산 처리된다.
클럭 신호의 펄스가 오프로 될 때, 전환회로(160)는 오프로 되므로, 최초로 출력된 온도데이타(TAV1)는 임시 메모리 회로(152)내에 저장된다.
다음, 제2클럭 신호 펄스가 입력되면, 제2메모리수단(63)으로부터 제2평균값(TAV2)이 제2계산수단(151)에 입력되고, 상기 임시 메모리회로(152)내에 저장된 온도데이타(TAV1)와의 차(TAV2- TAV1)가 계산되며, 제1주기내의 온도변화율은 결정된다.
동시에 임시 메모리회로(152)내에 저장된 지난 번의 온도데이타는 이번 평균값(TAV2)으로 대체된다.
그때, 다음 클럭 신호 펄스가 입력되는 것과 마찬가지로, 제2메모리수단(63)으로부터 세번째 평균값(TAV3)이 제2계산수단(151)으로 입력되고, 상기임시 메모리회로(152)내에 저장된 온도데이타(TAV2)와의 차(TAV3- TAV2)가 계산되어, 제2주기내의 온도 변화율을 결정한다.
즉, 상기 실시예에서는, 제2계산수단(64) 및 제3계산수단(65)은 공동회로(151)내에서 계산처리를 수행한다.
제2계산회로(151)의 출력(TAV2- TAV1)은 차동 증폭기(U5)로 구성된 버퍼(153)와, 차동증폭기(U8)로 구성된 본 발명의 제4계산수단(66)을 구성하는 계산회로(155)로 입력된다.
버퍼(153)에 입력된 제2계산회로(151)의 출력(TAV2- TAV1)은 턴온된 전환회로(160)를 통과하여 차동증폭기(U6, U7) 및 캐패시터(C2)로 구성된 각 임시 메모리 회로(154)내에 저장된다.
버퍼(153)의 이득을 2로 설정하여 둠으로써, 버퍼(153)로부터 출력된 온도데이타는 2(TAV2- TAV1)이 되므로, 각 임시 메모리 회로(154)내에 저장된 제1주기의 온도 변화율에 관련된 데이타는 2(TAV2- TAV1)이 된다.
더욱이, 상기 출력은 계산회로(155)의 반전입력단자에 입력되어, 제2계산수단(151)으로부터 출력된 다음 주기, 즉, 제2주기내의 온도 변화율로부터의 차가 계산 처리된다.
즉, 계산회로(155)는 다음과 같이 계산처리를 실행한다.
(TAV3- TAV2) - 2(TAV2- TAV1) ＞ 0
즉, 제4계산 처리 수단(66)으로부터 제2주기내의 온도변화율이 5초 전에 샘플링으로 얻어진 제1주기내의 온도변화율의 2배를 초과하여 크게 상승한 경우에, 양전압이 출력되고, 이에 따라 니켈-카드뮴 배터리의 충전율이 거의 100%에 도달하였다고 판단하여, 그 충전동작을 중지시키는 것이다.
즉, 전술한 조건하에서, 제4계산 처리 수단(66)의 출력이 출력단자(156)로부터 도24의 전원 제어회로(103)의 입력단자(131)로 입력되어, 전원 제어회로(103)를 구성하는 트랜지스터(Q2)를 오프시킴으로써, 전원(132)으로부터 니켈-카드뮴 배터리(120)로 공급된 전류를 차단한다.
도26은 본 발명에 있어서, 온도 측정 수단과 병용하여 사용되는 니켈 카드뮴 전지의 고속 충전 동작 중에 있어서, 출력 전압을 측정하는 계산 처리회로의 구성을 설명한 블록다이어그램이다.
도26에 있어서, 전압 측정 수단의 회로 구성은, 기본적으로는 전술한 온도 측정 수단과 동일하다.
즉, 도26에서, 배터리(120)에 접속된 전압 측정 수단(41)의 단자(124 및 126)로부터의 전압 데이타는 차동 증폭기(U1)로 구성된 전압 버퍼 수단(141)을 통하여 소정 전압으로 조절되어, 데이타 처리 회로(150)로 입력되는데, 상기 데이타 처리 회로(150)는, 본 발명에서 이용된 샘플 전압 데이타를 저장하는 제1메모리수단(61), 제1의 메모리수단(61)내에 저장된 전압으로부터 소정 시간, 예를 들어, 5초 동안의 데이타의 평균값을 계산하는 계산 처리 수단(62) 및, 계산 처리 수단(62)에 의하여 계산된 소정 기간마다의 평균값을 저장하는 제2메모리수단(63)으로 구성된다.
다른 한편으로는, 도24의 클럭 신호 발생 수단(101)으로 부터 출력된 예를 들면, 상기한 바와 같은 클럭신호는 단자(126)에 입력되어, 릴레이(K1)로 구성된 전환회로(160)에 입력됨과 동시에 상기 제2메모리 수단(63)으로도 입력된다.
릴레이(K1)로 구성된 전환 회로(160)는 일반적으로 오프된 구성을 취하는 것으로, 펄스가 입력되지 않을 때는 오프상태로 되어 있다.
5초에 한번 펄스를 발생시키는 클럭 신호가 입력되면, 제2메모리 수단(63)으로부터 예를 들면, 이미 계산 처리되어 저장되어 있는 매 5초 동안의 전압의 평균값의 최초의 평균값 데이타 VAV1가 클럭 신호와 동기하여 출력되고, 차동 증폭기(U4)로 구성된 본 발명의 소위 제2계산수단(64)을 구성하는 계산 회로(151)에 입력된다. 이 시점에서는, 전환 회로(160)가 온으로 되어 있기 때문에, 평균데이타(VAV1)는 전환 회로(160)를 통하여, 차동 증폭기(U2, U3) 및 캐패시터(C1)로 구성된 임시 메모리 회로(152)내에 저장된다.
임시 메모리 회로(152)의 출력은 상기한 계산회로를 구성하는 차동 증폭기(U4)의 비반전 입력 단자에 입력되고, 반전 단자에 입력된 제2메모리 수단(63)의 출력차는 계산 처리된다.
클럭 신호의 펄스가 오프로 될 시에, 전환 회로(160)는 오프로 되므로, 최초로 출력되는 전압 데이타(VAV1)는 임시 메모리 회로(152)내에 저장된다.
다음, 제2클럭 신호 펄스가 입력되면, 제2메모리수단(63)내의 제2평균값(VAV2)은 제2계산회로(151)에 입력되고, 임시 메모리 회로(152)내에 저장된 전압 데이타(VAV1)와의 차(VAV2- VAV1)가 계산되며, 제1주기내의 전압 변화율은 결정된다.
동시에, 임시 메모리 회로(152)내에 저장된 지난번의 전압 데이타는 이번 평균값(VAV2)으로 대체된다.
그때, 다음 클럭 신호 펄스가 입력될 때에, 마찬가지로 제2메모리 수단(63)으로부터 제3평균값(VAV3)이 제2계산수단(151)로 입력되고, 임시 메모리 회로(152)내에 저장된 전압 데이타(VAV2)와의 차(VAV3- VAV2)가 계산되어, 제2주기내의 전압 변화율이 결정된다.
제2계산회로(151)의 출력(VAV2- VAV1)은 차동 증폭기(U5)로 구성된 버퍼(153)에 입력됨과 동시에 차동 증폭기(U8)로 구성된 본 발명의 소위 제4계산수단(66)에 대응하는 계산 회로(155)에 입력된다.
버퍼(153)에 입력된 제2계산회로(151)의 출력(VAV2- VAV1)은 전환회로(160)가 온된 상태에 그 전환회로(160)를 통과하고, 차동 증폭기(U6, U7)와 캐패시터(C2)로 구성된 각 임시 메모리 회로(154)내에 저장된다.
더욱이, 출력은 계산회로(155)의 반전 입력 단자에 입력되어, 계산회로(153)로부터 출력된 다음 주기, 즉, 제2주기내의 전압변화율로부터의 차를 계산 처리한다. 즉, 계산회로(155)는 다음과 같은 계산처리를 실행한다.
즉, (VAV3- VAV2) - (VAV2- VAV1) ＜ 0
즉, 제4계산 처리 수단(66)은 제2주기내의 전압변화율이 5초 전에 샘플링으로 얻어진 제1주기의 전압변화율보다 저하되어 전압변화율 그 자체가 음의 상태를 나타내는 경우에 양전압이 출력되어, 니켈-카드뮴 배터리의 충전율이 거의 100%에 도달하였는지를 판단하고, AND 논리를 취하여, 상기 데이터와 온도 측정 수단으로부터의 데이터 양자가 모두 온 상태가 되었을 때, 충전동작을 중지한다.
즉, 상기 조건하에서, 제4계산 처리 수단(66)의 출력은 출력단자(157)로부터 도24의 전원 제어 회로(103)의 입력 단자(130)로 입력되어, 전원 제어회로(103)를 구성하는 트랜지스터(Q2)를 오프시킴으로써, 전원(132)으로부터 니켈-카드뮴 배터리(120)에 공급되는 전류를 차단하게 된다.
도24에 도시한 바와 같이 이를 위하여, 온도 측정을 위한 출력단자(156)가 접속된 전원 제어 회로(103)의 입력단자(131)는 적절한 모드 선택 회로(162)를 경유하여 전원 제어 회로(103)의 트랜지스터(Q2)에 접속되며, 온도측정출력 단자(156)가 접속되는 전원 제어 회로(103)의 입력단자(131) 및, 전압측정을 위한 출력 단자(157)가 접속된 전원 제어 회로(103)의 입력 단자(130)는 모두 AND회로(161)에 입력되고, 또한 모드 선택 회로(162)를 경유하여 전원 제어 회로(103)의 트랜지스터(Q2)에 접속되도록 구성하는 것이 바람직하다.
도24 내지 도26의 회로의 부품은 아래에 구체적으로 설명되어 있다.
도24의 회로구성에 있어서,
C110 μF
C20.1 μF
Q1NPN 트랜지스터
Q22N4403 트랜지스터
Q32N3055 트랜지스터
R1576 킬로 옴
R272 킬로 옴
R3, R4470 옴
R51 킬로 옴
R62R0 25 와트
U1NE555
도25의 회로구성에 있어서,
C1, C21.0 μF
K1릴레이 DPDT
R150 킬로 옴
R2, R4, R5, R6, R7, R810 킬로 옴
R9, R10, R12, R13
R3, R11, R15, R17, R18100 킬로 옴
R14110 킬로 옴
R162.7 킬로 옴
U1, U2, U3, U4, U5, U6 741
U7, U8, U9
도26의 회로구성에 있어서,
C1, C21.0 μF
K1릴레이 DPDT
R1, R2, R4, R5, R6, R7, R810 킬로 옴
R9, R10, R12, R13
R3, R11, 100 킬로 옴
U1, U2, U3, U4, U5, U6 741
U7, U8
본 발명에 따른 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전 방법을 실행하기 위한 다른 계산처리동작의 플로우챠트는 이하 간단하게 설명하고, 또한 도27 내지 도50에 도시한다.
즉, 도23에 있어서, 마이크로 제어기(U3)는 당업자들에게는 공지의 방법으로 다음의 기능을 수행하기 위하여 프로그램되어 있다. (1) US로부터 배터리 전압 및 배터리 온도를 나타내는 디지털로 부호화된 전압신호를 판독하고, (2) 배터리 온도 상승률의 2배 증가, 또는 배터리의 전압상승률이 연속 상승한 주기 직후의 배터리의 전압 상승률의 저하, 또는 둘 다를 검출하도록 입력신호의 연속적인 샘플을 연속적으로 모니터하며, (3) 전술한 조건 중 어느 하나 또는 양자를 검출하는 시점에, 또는 배터리의 온도 또는 전압 사양을 상회하는 경우에, 배터리의 고속 충전을 중단시키도록 Q1을 오프로 전환시키며, 그리고 (4) 배터리의 실시간 전압 및/또는 온도의 디지털 표현방식을 표시하는 기능이다.
도27 내지 도43은 마이크로제어기(U3)가 실행하도록 프로그램되어 있는 일련의 동작을 더욱 상세히 설명한 소프트웨어 플로우챠트이다. 도27은 소프트웨어가 후에 사용되도록 각종 작업(working) 레지스터가 설정된 초기화 시퀀스를 설명한 것이다. 도 28은 데이터 테이블, 포인터 등이 설정되는 다른 초기화 시퀀스를 설명한 것이다.
도29(a)와 도29(b)는 2진 데이타가 버퍼 내로 적재하기 위하여 Ascii 포맷으로 변환된 디스플레이 서브루틴으로 구성된다. 도30은 액정 표시 출력장치 상에 버퍼 내용을 표시하는 서브루틴이다.
도31은 본 발명에 따른 배터리를 충전하는데 필요한 총 시간을 계산하기 위하여 사용되는 카운터 서브루틴이다. 도32, 도33 및 도34는 아날로그 디지털 변환기로부터 얻어진 평균값이 본 발명의 충전기준을 충족시키고 있는지를 결정하도록 검사되는 서브루틴이다.
도35는 액정 디스플레이에 표시된 값을 0으로 함으로써 액정 디스플레이를 초기화하는 서브루틴이다.
도36은 디스플레이 장치에 전술한 버퍼의 내용을 기록함으로써 디스플레이 장치를 연속적으로 갱신시키는 서브루틴이다.
도37은 디스플레이를 위해 데이타를 적절하게 포맷화하기 위하여 데이터의 평균을 내고, 스케일링(scaling) 및 범위 조정을 수행하는 서브루틴이다.
도38은 마이크로 프로세서의 인터럽트 및 타이머를 초기화하는 서브루틴이다.
도39는 아날로그 디지털 변환기에 의하여 이용되는 샘플 시간 폭을 설정하는 서브루틴이다.
도40은 배터리 충전 과정 중에 달성된 충전 레벨을 도시하여 사용자에게 본 발명의 실행에 대한 시각적인 표시를 제공하도록 하나의 순차적인 "막대그래프"를 형성하는 발광 다이오드의 선택적인 선형 어레이(linear array)(도시하지 않음)를 이용하기 위한 서브루틴이다.
도41은 본 발명에 따라 주요 배터리 충전기능을 실행하는 서브루틴이다.
도42는 최대 및 최소 온도와 전압 값을 설정하는 서브루틴이다.
도43은 각각 아날로그 디지털 변환기를 초기화하고 디스플레이를 위해 클럭 데이터를 포맷하는 한 쌍의 서브루틴이다.
전술한 기술로부터 당업자에게는 명백하듯이, 본 발명의 정신 또는 범위를 일탈하지 않는 한, 본 발명을 실시함에 있어 다양하게 변경 및 수정할 수 있다. 따라서 본, 발명의 범위는 청구범위에 의하여 한정된 내용에 따라 해석되어야 한다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]

Claims (14)

  1. 충전을 필요로 하는 전지에 충전 전류를 공급하는 전류공급수단; 상기 전지의 온도를 측정하는 온도측정수단; 상기 전지의 온도를 측정하고, 그 데이터를 저장하거나 계산수단으로 그 데이터를 저장하거나 계산수단으로 그 데이터를 출력하는 샘플링수단; 상기 샘플링수단에 의하여 얻어진 상기 전지의 온도 데이터를 계산 처리하고, 충전동작을 중단하기 위한 시기를 나타내는 제어신호를 출력하는 계산수단; 상기 계산수단의 출력에 응답하여 전류공급수단으로부터 전지에 전류공급을 중지시키는 스위칭수단; 및 상기 각각의 수단을 제어하는 제어수단; 으로 구성된, 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치에 있어서, 상기 충전장치내의 상기 전류공급수단은 상기 충전동작동안 적어도 2C의 전류를 상기 전지에 공급하고, 상기 계산수단은 상기 샘플링수단에 의하여 온도 측정 수단을 거쳐 얻어진 상기 전지의 온도데이터로부터 상기 전지의 온도상승률을 산출하는 제1계산기능, 제1주기내의 상기 전지의 온도상승률을 후속되는 제2주기내의 상기 전지의 온도상승률과 비교하여 그 변화율을 산출하는 제2계산기능과, 상기 제2주기내의 상기 전지의 온도상승률을 상기 제1주기내의 상기 전지의 온도상승률과 비교하여, 상기 제2주기내의 상기 전지의 온도상승률이 상기 제1주기내의 상기 전지의 온도상승률보다 2배이상 큰지를 판단하여, 상기 판단 결과를 근거로, 상기 전지에 대한 충전 전류의 공급을 정지시키는 신호를 출력하는 제3기능을 갖는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전지의 출력 전압을 측정하는 전압측정수단; 상기 전지의 전압을 측정하고, 그 데이터를 저장하거나 그 데이터를 계산수단으로 출력하는 샘플링수단; 및 상기 샘플링수단에 의하여 얻어진 상기 전지의 전압 데이터를 계산 처리하는 계산수단; 을 더 구비하는, 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치에 있어서, 상기 계산수단은 상기 샘플링수단에 의하여 전압 측정 수단을 통하여 얻어진 상기 전지의 전압데이터로부터 상기 전지의 전압상승률을 산출하는 제4계산기능 및, 전압상승률이 소정기간 연속하여 증가한 후 최초의 상승률 감소를 검출하는 제5기능을 가지며, 상기 계산수단은 제3의 기능에 근거하여, 상기 제2주기내의 상기 전지의 온도상승률이 상기 제1주기내의 상기 전지의 온도상승률보다 2배이상 크다는 데이터와 제5기능의 데이터를 근거로 전압 상승률의 최초의 감소되었다고 검출되는 데이터에 근거하여, 상기 전지에 대한 충전 전류의 공급을 중지시키는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류공급수단은, 전류율을 변경시키는 전류율 변화 수단이 구비되어있는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적당한 온도센서를 사용하여, 전지의 표면온도(표피온도), 내부온도 또는 전지 단자에서의 온도 중 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  5. 제2항에 있어서, 계산수단의 제5기능을 근거로, 충전전류의 공급정지신호는, 상기 제5기능이 전지의 전압상승률이 최초로 저하된 것으로 검출한 후, 적어도 여러 번 연속하여, 전지의 전압상승률의 저하를 검출한 경우에 출력되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 계산수단은 전지의 온도를 측정하는 온도측정수단에 의하여 소정 시간 간격을 유지하는 샘플링된 전지의 온도데이터를 저장하는 제1메모리수단, 상기 제1메모리수단 내에 저장된 소정 시간 간격을 유지하는 적어도 두 개의 온도데이터로부터 소정 시간 내의 전지온도의 평균값을 산출하는 제1계산수단, 제1계산수단에 의하여 산출된 전지온도의 평균값을 저장하는 제2메모리수단, 제2메모리수단 내에 저장된 셀 온도의 평균값의 데이터를 근거로 이웃한 소정 시간주기내의 전지온도의 증가 또는 감소에 관한 변화율을 계산하도록 상기 제2메모리수단 내에 저장된 데이터로부터, 충전동작 동안 제1주기내의 전지의 온도상승률을 계산하는 제2계산수단, 상기 제1주기에 후속하는 제2주기내의 전지의 온도상승률을 계산하는 제3계산수단 및, 상기 제3계산수단에 의하여 얻어진 제2주기내의 전지의 온도상승률이 상기 제2계산수단에 의하여 얻어진 제1주기내의 전지의 온도상승률보다 적어도 2배를 넘는지를 판단하는 제4계산수단 등으로 구성된 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 계산수단은 전지의 전압을 측정하는 전압측정수단에 의하여 소정 시간간격으로 샘플링한 전지의 전압데이터를 저장하는 제3메모리수단, 상기 제3메모리수단내에 저장된 소정 시간간격을 유지하는 적어도 두 개의 전압 데이터로부터 소정 시간주기내의 전지전압의 평균값을 산출하는 제5계산수단, 제5계산수단에 의하여 계산된 전지전압의 평균값을 저장하는 제4메모리수단, 상기 제4메모리수단 내에 저장된 전지 전압의 평균값의 데이터를 근거로 이웃한 소정 시간주기내의 전지전압의 증가 또는 감소에 관련된 변화율을 계산하도록, 상기 제3메모리수단 내에 저장된 데이터로부터 충전동작 동안 제1주기내의 전지의 전압상승률을 계산하는 제6계산수단, 상기 제1주기에 후속하는 제2주기내의 전지의 전압상승률을 계산하는 제7계산수단 및, 전지의 전압상승률이 소정기간 연속하여 증가한 후 최초의 상승률 감소를 검출하는 제8계산수단 등으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  8. 2차 전지(secondary cell)의 온도를 모니터하면서 전지에 적어도 2C의 충전전류를 인가함으로써, 2차 전지를 재충전하는 방법에 있어서, 소정 시간주기동안의 온도상승률이 바로 이전 시간주기동안의 온도상승률보다 2이상 증가한 것이 검출된 시점에서 상기 충전전류의 인가를 중단하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전방법.
  9. 2차 전지(secondary cell)의 온도를 모니터하면서 전지에 적어도 2C의 충전전류를 인가함으로써, 2차 전지를 재충전하는 방법에 있어서, 소정 시간주기동안의 온도상승률이 바로 이전 시간주기동안의 온도상승률보다 2이상 증가한 것이 검출된 시점과, 전압상승률이 연속적으로 상승하다가 배터리의 전압상승률이 최초로 저하되는 시점이 동시에 검출된 경우에, 상기 충전전류의 인가를 중단하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리의 고속 충전방법.
  10. 제1, 2, 5, 6 및 7항중 어느 한항에 있어서, 전지의 충전동작 중에 전지의 온도 또는 전지의 전압 중 적어도 어느 하나의 데이터를 외부로 알리기 위하여, 적당한 디스플레이 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 고속 충전 장치.
  11. 니켈-카드뮴 배터리를 급속하게 충전하는 방법에 있어서, 충전될 필요가 있는 전지에 충전전류를 공급하는 단계; 전지의 온도를 측정하는 단계; 계산수단으로 온도 데이터를 저장하거나 출력하는 단계; 전지의 온도 데이터를 계산하고, 충전동작을 중단하는 시간을 나타내는 제어신호를 출력하는 단계; 및, 상기 전지에 대한 전류공급을 중단하는 단계로 구성되고, 적어도 2C의 충전전류가 충전동작 동안 상기 전지에 공급되고, 상기 전지의 온도 데이터를 계산하고, 상기 제어신호를 출력하는 단계는, 상기 전지의 온도 데이터로부터 전지의 온도상승률을 계산하는 제1단계; 제1주기에서의 전지의 온도상승률과 후속하는 제2주기에서의 전지의 온도 상승률을 비교함으로써 변화율을 계산하는 제2단계; 및 제2주기에서의 전지의 온도상승률 제1주기에서의 전지의 온도상승률을 비교하고, 제2주기에서의 전지의 온도상승률이 제1주기에서의 전지의 온도 상승률의 2배보다 큰지를 판단하며, 판단결과를 근거로 전지에 대한 충전전류의 공급을 중단하기 위한 신호를 출력하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 급속 충전 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전지의 출력전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 출력전압데이터를 계산수단으로 출력하고 저장하는 단계; 전지의 전압데이터를 계산하고, 충전동작을 중지하는 시점을 나타내는 제어신호를 출력하는 단계; 를 추가로 구비하고 있으며, 상기 전지의 전압데이터를 계산하고 제어신호를 출력하는 단계는, 상기 전지의 전압데이터에서 상기 전지의 전압상승률을 계산하는 제4계산단계 및, 전압률이 계속해서 상승하다가 처음으로 감소되는 전압상승률의 최소 감소를 감지하는 제5단계를 추가로 포함하고 있으며, 상기 계산수단은 상기 제2주기에서의 상기 전지의 온도상승률이 상기 제1주기에서의 상기 전지의 온도상승률보다 2배이상 되는 제3단계의 정보 및, 전압상승률의 최초 감소를 감지한 상기 제5단계의 정보를 근거로 상기 전지에 대한 충전전류의 공급을 중단하기 위한 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 급속 충전 방법.
  13. 제3항에 있어서, 적당한 온도센서를 사용하여 전지의 표면온도, 내부온도 또는 전지단자에서의 온도 중 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 급속 충전 장치.
  14. 제4항에 있어서, 전지의 충전동작 동안 전지의 온도 또는 전지의 전압중 하나 이상의 데이터를 외부측에 알리기 위한 적당한 디스플레이 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 니켈-카드뮴 배터리 급속 충전 장치.
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