KR100354636B1 - 신호 대 잡음 응답형 강하 전압 기울기 충전 종료를 구비한 밧데리 재충전 시스템 - Google Patents

Abstract

강하 전압 기울기 충전 종료 루틴은 신호 대 잡음 비가 비교적 높은 충전 사이클의 구간들 동안에 수행된다. 강하 전압 기울기 충전 종료 기술은 신호 대 잡음 비가 비교적 낮을 때의 시간들 동안 자동적으로 디스에이블되거나 잡음에 덜 민감하게 한다. 이러한 방법으로, 정밀한 충전 종료는 에라없이 달성되며 그렇지 않으면 충전하는 동안 전압 잡음이 유도된다. 충전 종료 기술은 잡음의 영향들을 무시하기 위한 신호 평균이 최소화 또는 제거될 수 있으므로, 충전된 밧데리 표시에 신속하게 반응한다.

Description

신호 대 잡음 응답형 강하 전압 기울기 충전 종료를 구비한 밧데리 재충전 시스템

본 발명은 일반적으로 재충전 가능한 밧데리 및 재충전 가능한 밧데리를 충전하기 위한 전자 회로에 관한 것이다.

재충전 가능한 밧데리는 전자 장비, 파워 툴, 휴대용 컴퓨터, 무선 전화, 어린이 장난감, 등등에서 사용하는 곳에 상당히 널리 보급되고 있다. 실제로 재충전 가능한 밧데리를 사용하는 모든 사용자는 가능한한 신속하게 재충전할 능력을 원한다. 더욱이, 어떤 사용자들은 언제라도 재충전 가능한 밧데리를 충전기 내에 놓아둘 수 있고, 따라서 완전히 충전된 밧데리를 항상 사용할 수 있도록 하는 편리함을 선호한다. 전자의 요구 조건을 수용하는, 이용 가능한 많은 쾌속 충전 밧데리 충전기들이 있다. 후자의 요구 조건을 수용하는, 이용 가능한 많은 세류(trickle) 충전 밧데리 충전기들이 있다.

밧데리 충전기가 쾌속 충전기로서 설계되든 또는 세류 충전기로서 설계되든, 과충전을 피하는 것이 그 무엇보다도 요구된다. 과충전을 하게되면 바람직하지 않은 열 발생 및 고안이 생성되어 이들에 의해서 물리적 및 화학적으로 밧데리 셀들이 변경될 수 있고 전하를 유지하는 밧데리 용량이 낮아 질 수 있다. 이 문제는 특히 쾌속 충전 밧데리 충전기가 사용될 때 더욱 그러하다. 쾌속 충전 밧데리 충전기는 통상 고 충전 전류를 전달하는데, 이 전류는 일단 완전히 충전된 상태에 이르게되었을 때 충전 전류를 흐르지 않게 하거나 또는 크게 감소시키지 않을 경우 밧데리를 급속하게 과열시킬 수 있다.

고 충전 전류를 언제 흐르지 않게 할 것인가를 정밀하게 결정한다는 것이 단순히 밧데리 전압이 완전히 충전된 레벨에 도달할 때를 감지하는 문제가 아니다. 대부분의 밧데리에 있어서, 충전 전류가 인가될 때 전압은 비선형 형태로 상승하며, 완전히 충전된 전압에 도달된 때를 정확히 감지 또는 예견한다는 것은 대부분 용이하지 않다.

본 출원인의 양수인은 충전 전류가 인가될 때 재충전 가능한 밧데리의 전압 특성을 해석하는데 상당한 노력을 기울였다. 현재 알려진 것은 밧데리 전압은 충전 전류가 인가될 때 시간에 관해서 증가한다는 것과 전압-시간 곡선에서 시간에 따른 전압 변화의 1차 미분 곡선의 기울기는 실제로 양에서 음으로 또는 음에서 양으로 변하는 여러 변곡점들을 나타낸다는 것이다. 본 발명의 양수인에게 양도된 사르 등에 의한 미합중국 특허 4,388,582호 및 4,392,101호에서는 재충전 가능한 밧데리용 급속 충전 시스템에 있어서의 상기한 변곡점들에 대해서 기술하고 있다.

사르 등에 의한 특허에서 기술된 변곡점 해석 기술이 상당히 성공적이었으나, 여전히 더 개선의 여지가 있다. 오늘날 사르 등에 의한 기술은 통상 마이크로프로세서 또는 마이크로콘트롤러 회로를 사용하여 구현되고 있는데, 이는 충전동안에 밧데리 전압을 주기적으로 샘플하고 변곡점 해석을 수행하는데에 샘플 데이타를 사용한다. 아날로그-디지탈 변환기들이 밧데리 전압 데이타를 샘플링을 취하고, 이 데이타를 마이크로컴퓨터가 조작하는 디지탈 값들로 변환하는데 사용된다. 양수인의 현재의 기술에서는 이러한 목적을 위해서 대수(logarithmic) 아날로그 디지탈 변환기를 사용하고 있다.

사르 변곡점 해석 기술에 의한 사용 목적으로 샘플된 전압 데이타가 이미 얻어지고 있는 한, 다른 충전 종료(termination) 기술들을 수행하는데 또한 상기 데이타를 사용할 수 있다. 이러한 기술 중 하나는 전압-시간 곡선의 기울기가 음이 될 때 충전 전류를 종료시키려고 하는 음 기울기 기술이다. 강하(falling)기울기 기술이 사르 변곡점 기술 대신으로 사용될 수 있으며, 또는 이 기술은 사르 기술을 보강하는데 사용될 수 있다. 강하 전압 기술 또는 음 기울기 기술에서의 한가지 문제는 잡음에 매우 민감할 수 있다는 것이다. 잡음은 전압-시간 곡선의 평탄한 부분에서 특히 문제가 되는 것으로 잡음에 기인한 전압의 순간적인 강하는 강하 전압 또는 음 기울기로서 잘못 해석될 수 있다.

본 발명은 더 높은 잡음 면역(immunity)을 얻기 위해서 전압-시간 곡선에서 평탄한 부분 동안에 유효 샘플링 비를 자동적으로 변경시킴으로써 잡음 문제를 해결한다. 잡음 면역을 개선하기 위한 샘플링 비의 조절은 전압-시간 곡선의 기울기를 감지하고 곡선의 샐로우(shallow) 부분에 다가갈 때 샘플링 비를 자동적으로 감소시킴으로써 실행될 수 있다. 본 발명의 한 특징에 따라서, 샘플링 비는 곡선의 평탄한 부분에 대응하는 소정의 충전 구간 동안에 강하 전압 기울기 종료 기술을 스위치 오프함으로써 효과적으로 감소될 수 있다. 이러한 방식으로 충전 종료 루틴의 턴 오프를 행하는 것은 곡선의 평탄 부분보다 긴 시간으로 샘플링 간격을 증가시키는 효자를 갖게 한다. 따라서 임의의 어떤 잡음 유입된 강하 전압 변동들은 상기 구간 동안에 무시될 수 있다.

본 발명의 또다른 특징에 따라서, 곡선의 평탄 부분 동안의 샘플링 비는 마이크로프로세서의 메모리 스택에 저장되어 있는 전압을 적당한 조작으로 독출함으로써 감소될 수 있다. 이 기술을 사용하여, 밧데리 전압의 샘플들은 소정의 간격들로 연속적으로 취해지며 스택 상에 저장된다. 느린 샘플링 비는 이 샘플링 비 조절을 달성하기 위해서 모든 다른 저장된 값, 모든 세번째 기억된 값, 모든 4번째 기억된 값, 등등을 사용함으로써 곡선의 평탄 부분 동안에 실행될 수 있다. 요구된다면, 인접 스택 값들에 대해 평균을 취할 수 있고 따라서 잡음 효과들을 더 완화시킬 수 있다.

따라서, 가장 단순한 형태로, 본 발명은 신호 대 잡음 비가 좋지 않을 때(즉, 전압-시간 곡선이 비교적 평탄할 때) 상기 기술을 자동적으로 디스에이블시킴으로써 강하 전압 기울기 종료 기술에 관련된 언급된 문제를 해결한다. 다른때는 강하 전압 기울기 기술이 인에이블되어, 밧데리에 완전이 충전될 때 및 전압이 떨어지기 시작할 때 밧데리 충전을 종료시키도록 한다. 이러한 방식으로, 강하 전압 기울기 기술은 사르 변곡점 기술에 따라서 또는 이 기술에 대한 대치로서 사용될 수 있다.

본 발명의 보다 완벽한 이해를 돕기 위해서, 본 발명의 목적들 및 잇점들에 대해서 다음의 설명 및 첨부된 도면을 참고한다.

고속 밧데리 충전에 관련한 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명은 본질적으로 단순히 예를 들기 위한 것이며 본 발명 또는 이의 응용이나 사용들을 제한하려는 의도에 의한 것이 아니다.

사르 등의 특허들에 개시된 바와 같이, 닉켈 카드뮴(NiCad) 밧데리의 충전 시퀀스에 관한 통상의 전압-시간 곡선이 제1도에 도시되어 있다. 여기 기술된 것은 단일의 밧데리에 대한 것임에 유의할 것이나, 밧데리 팩 내에 있게 될 일련의 밧데리들에 똑같이 적용될 수 있다. 밧데리가 충전되고 있을 때, 전압은 곡선으로 나타낸 바와 같이 요구되는 최대 충전 점에 도달할 때까지 연속적으로 상승하게 된다. 곡선의 특정 값들이 밧데리 마다 다를지라도, 곡선의 전반적인 형태는 모든 닉켈 카드뮴 밧데리들에 대해서는 전형적인 것이다. 마찬가지로, 이 분야에서 알려져 있는 다른 타입의 재충전 가능한 밧데리 각각은 그 타입을 나타내는 전형적인 전압-시간 곡선을 갖게 될 것이며, 그 자체로서 이하 기술되는 프로세스를 상기한 임의의 다른 타입의 밧데리에 적용할 수 있다.

도시된 바와 같이, 전압-시간 곡선은 적어도 4개의 다른 영역들로 분리될 수 있다. 영역 I은 밧데리가 충전기에 초기에 부착되어 충전이 이제 막 개시된 후 충전 시퀀스의 시작을 나타낸다. 이 영역은 이 영역에서의 전압 특성이 밧데리의 충전 및 방전된 이전 이력과 방전의 현 상태에 따라 밧데리 마다 다를 수 있고 다소 신뢰성이 없다는 사실에 기인하여 점선으로 표현되었다. 더욱이, 이 영역은 충전 시퀀스의 개시후에 비교적 짧은 시간 구간(통상 20 내지 120초 범위 내)내에서 통상 지나쳐 버리므로 충전 시퀀스에서는 거의 중요성이 없다.

충전 시퀀스가 영역 1을 거쳐 지나간 후에, 충전 곡선은 더 안정한 영역 II에 진입할 것이다. 영역 II은 일반적으로 충전 시퀀스 중에서 가장 긴 영역이며,밧데리 자신 이내의 대부분의 내부 화학적 변환에 의해서 특징지어진다. 이러한 것 때문에, 밧데리의 전압은 실제적으로 영역 II에 걸쳐서 증가하지 않으며, 따라서 이 영역은 충전 곡선에서 평탄 영역을 나타낸다. 영역 II의 끝은 곡선에서 점 A로 표시되었다. 변곡점 A는 영역 II에서 영역 III으로의 천이를 나타내며, 이 점에 의해서 곡선의 기울기가 감소하는 비에서 증가하는 비로 변하는 곳임에 유의한다.

영역 III은 밧데리 전압이 시간에 관하여 급속히 증가하기 시작하는 영역이며, 따라서 급속 전압 상승 영역을 나타내고 있다. 밧데리 전압이 영역 III 동안 밧데리의 완전히 충전된 상태로 증가할 때, 밧데리의 내부 압력 및 온도 또한 증가한다. 밧데리 내부의 온도 및 압력 효과가 나타나기 시작할 때, 밧데리 전압의 증가는 점진적으로 줄어들기 시작한다. 이러한 점진적으로 줄어드는 효과는 변곡점 B로 알 수 있으며, 전압 미분 곡선 dV/dt에서의 첨예한 강하에 의해서 또한 특징화 된다.

영역 IV는 변곡점 B와 점 C로 표현된 충전 종료 타겟을 포함하는 영역 간의 완전히 충전된 영역을 나타낸다. 충전 전압은 매우 짧은 시간 동안 점 C에서만 안정화된다. 결과적으로, 충전이 계속된다면, 밧데리 내부의 부가적인 발열이 발생할 것이며 이에 따라 밧데리 전압이 감소되며 또한 밧데리에 손상을 입힐 수 있다.

사르 등의 특허들에서는 고속 충전 과정을 종료시키는데 적당한 시간을 결정하기 위해서 곡선에서 변곡점들을 검출함으로써 시간에 대한 밧데리 전압 충전 곡선을 분석하는 방법을 개시하고 있다. 소정의 샘플링 비로 충전 곡선의 기울기를 측정함으로써, 먼저 변곡점 A를 결정하고 이어서 변곡점 B를 찾는 것을 시작할 수있다. 샘플링 주기가 일정하다면, 기울기의 계산은 단순히 이전 전압의 샘플로부터 가장 최근의 전압 샘플을 차감하는 것이다. 그러나, 일단 변곡점 B의 발생이 검출되면, 밧데리 전압은 실제적으로 변곡점 B을 넘어서고 있다. 따라서, 제2 변곡점 B의 검출시 충전을 종료함으로써, 실제적으로 밧데리 전압은 충전이 불연속될 때의 곡선 상의 점 C에 근사한 한 점에 있게 된다. 따라서, 이러한 충전 제어 처리과정에 의해서 곡선의 영역 IV로 밧데리의 과충전이 되지 않음을 알 수 있을 것이다.

변곡점 분석 고속 밧데리 충전기에서 사용 가능한 기본 회로 성분들에 대해서 먼저 설명한다. 이들 성분들은 다른 회로 구성에도 마찬가지로 적용 가능할 것이므로 한정하지 않으려는 일예로서 예를 든 것이다. 제2도에 있어서, 하프(half) 브리지 전원 공급 회로(10)가 블록 회로도로 도시되었다. 회로(10)는 회로(10)의 일부 성분들에 고전압을 공급하는 고전압 입력 회로(12), 회로(10)의 다른 일부 성분들에 저전압 공급을 위한 저전압 전원 공급 회로(14), 고전압 회로(12)에 대한 제어 입력으로서 사용될 고주파 출력을 발생하는 펄스 폭 변조 발진기 회로(16), 충전될 밧데리(22)에 일정 전류 공급을 제공하는 일정 전류 공급 회로(18), 및 밧데리(22)의 충전 전류 비를 모니터하며 고전압 회로(12)에 제공되는 제어 신호를 요구하는 대로 변경시키기 위해서 펄스 폭 변조 회로(16)에 피드백 신호를 제공하는 충전 전류 모니터링 회로(20)를 포함한다. 마이크로컴퓨터(24)는 충전 과정을 제어하기 위해 함께 포함된다. 회로(10)의 다른 회로 성분들은 밧데리(22)의 온도를 모니터하는 취사 선택 성분으로서의 온도 체크 회로(26), 및 충전 과정에 관한 여러가지 파라미터들을 조작자에게 표시하여 알리기 위한 디지탈 디스플레이회로(30)를 포함한다. 이외에도, 밧데리(22)로부터의 아날로그 밧데리 전압 신호를 마이크로컴퓨터(24)에서 처리하기에 적합한 디지탈 신호로 변환하기 위한 아날로그 디지탈 변환기(28)가 제공된다.

고진압 회로(12)는 통상 표준 콘센트로부터 120 볼트의 교류 전류(AC)를 받는다. 교류 입력 신호는 정류 및 필터되어 대략 150 볼트의 평탄한 DC 전압이 출력된다. AC 입력 신호는 또한 트랜스포머(도시 없음)를 거쳐 라인(13)을 따라 저전압 공급 회로(14)에 인가된다. 저전압 공급 회로(14)는 AC신호를 정류하고 이를 임의의 전압 조절기 회로들(도시 없음)에 인가하여 다른 회로 성분들에 5 볼트 및 15볼트의 조절된 출력을 제공한다. 회로의 다른 회로 성분들에 이어지는 5 볼트 및 15 볼트 긴급하는 여러 라인들은 명확성을 위해 생략하였다.

펄스 폭 변조(PWM) 발진기 회로(16)는 라인(15)을 따라 저전압 공급 회로 (14)로부더 15 볼트 신호를 받으며, 일반적으로 사각파 형태로 라인(17)을 따라 고전압 회로(12)로 펄스 주파수 신호를 제공한다. 발진기 회로(16)의 사각파 신호는 커플링 트랜스포머(도시 없음)를 거쳐 한쌍의 전력 스위칭 트랜지스터(도시 없음)에 공급되는데, 상기 한쌍의 전력 스위칭 트랜지스터는 일반적인 위상 제어기술을 사용하여, 공급 전원의 전압을 낮추는 트랜스포머의 일차 코일에 공급되는 전류의 양을 AC 파형의 반 사이클 동안 매번 조절한다. 전압 강하 트랜스포머는 이의 일차 코일 상의 고전압 신호를 이차 코일에서의 저전압, 고전류 신호로 변환하며 이 신호를 라인(19)을 따라 일정 전류 공급 회로(18)에 인가한다. 따라서 발진기 회로(16)로부터 펄스 폭 변조기 신호의 듀티 사이클이 밧데리(22)에 인가된 충전전류의 레벨을 제어한다. 펄스 폭 변조 방식은 필요로 되는 고전류를 전류 공급 회로(18)에 공급하는데 요구된 전압 강하 트랜스포머의 크기를 최소화한다. PWM 발진기 회로(16)는 또한 충전 시퀀스가 개시될 때 PWM 발진기 회로(16)의 듀티 사이클을 점진적으로 상승시키는(ramping up) 소프트 기동 회로(도시없음)를 포함한다.

마이크로컴퓨터(24)에서 라인(23)으로 신호를 전류 공급 회로(18)에 인가함으로써 충전 시퀀스를 개시할 때, 충전 전류는 저전압 일정 전류 공급 회로(18)를 거쳐 라인(21)을 따라 밧데리(22)에 인가된다. 전류 공급 회로(18)는 바람직하기로는 밧데리(22)가 역방향으로 삽입되는 경우 회로(10)에 손상이 가해지지 않도록 역 극성 검출 회로(도시 없음)를 포함한다. 밧데리 전류는 라인(25)을 따라서 충전 전류 모니터링 회로(20)에 의해서 감지된다. 충전 전류가 소정의 레벨에서 변하면, 충전 전류 모니터링 회로(20)는 출력을 라인(27)으로 PWN 발진기 회로(16)에 공급할 것이다. PWN 발진기 회로(16)는 이 때 전류 충전 전류를 적절하게 변경시키기 위해서 고전압 회로(12)에 공급하는 사각파 신호의 듀티 사이클을 변경시킬 것이다. 마찬가지로, 고전류 충전 시퀀스 끝에서, 마이크로컴퓨터(24)는 세류 충전 모드로 스위치하도록 충전/세류 라인(29)으로 신호를 출력한다.

온도 체크 회로(26)는 밧데리 온도를 모니터하기 위한 회로를 제공한다. 온도 체크 회로(26)에 이은 점선(31)은 열 감지 장치, 예를 들면 써미스터를 표현하는 것으로 이 장치는 밧데리(22)를 감지하기 위해서 충전기 내에 넣어질 때 물리적으로 밧데리(22)의 위치에 인접하여 배치된다. 온도 체크 회로(26)는 밧데리 온도가 소정의 임계치를 초과하는 때를 결정하고 이 경우가 발생하면 신호를 라인(33)을 따라 마이크로컴퓨터(24)에 보내다. 마이크로컴퓨터(24)는 이 때 충전 과정을 중지시키도록 신호를 라인(23) 상에 보낸다.

제1도의 충전 곡선에서 변곡점들을 결정하기 위해서 마이크로컴퓨터(24)를 인에이블시켜 충전 시퀀스를 모니터하도록 하기 위해서는 아날로그 전압 신호를 디지탈 신호로 변환할 필요가 있다. 그러므로, 아날로그 디지탈 변환기(28)는 라인(29)으로 아날로그 밧데리 전압을 받으며 라인(37)으로 디지탈 신호를 출력하여 마이크로컴퓨터(24)가 밧데리 전압값을 결정하는데 사용하게 한다. 요구된다면, 디지탈 신호는 클럭 펄스들이 출력되어 전압을 표현하는 디지탈 "카운트" 값들을 출력하도록 카운트된 타이밍 신호 형태일 수 있다.

충전 곡선의 변곡점들은 기울기가 최소값 또는 최대값에 도달하는 시기, 즉 기울기 변화율이 음의 값에서 양의 값으로 또는 양의 값에서 음의 값으로 변하는 시기를 검출하기 위해서 곡선의 기울기를 모니터(곡선의 일차 미분 또는 시간 변화율)함으로써 결정된다. 실제, 이것은 독취된 연속한 전압값간의 차를 취하고 이 차가 최소 또는 최대값이 도달하는 때를 결정함으로써 달성된다.

제1를 참조하여, 제2 변곡점 B에서 전압 미분 곡선 dV/dt은 증가하다가 감소하는 것이 도시되어 있다. 그러므로, 밧데리 전압이 영역Ⅰ에 있을 때 밧데리 충전 동작이 개시되면, 밧데리 전압은-변곡점 A 및 B 모두를 거치게 된다. 한편, 밧데리 충전 동장이 영역 III에서 시작할 만큼 이미 부분적으로 충전된 경우, 변곡점 A에는 결코 도달할 수 없다. 그러나 한편, 어느 경우에나 변곡점 B가 검출된 후에는 이것은 완전히 충전된 상태를 나타내기 때문에 밧데리 충전 동작은 종료되도록 해야 한다. 실제 충전 종료 점 C에 도달한 후 즉시 밧데리 전압은 실제적으로 떨어지기 시작함에 유의한다. 그러므로 이 영역은 과열 및 고압 상태가 이들 스스로 나타나기 시작하는 영역이기 때문에 이 영역은 피해야 한다.

본 발명은 평탄한 기울기 또는 음의 기울기 충전 종료 시스템을 신뢰성 있게 구현되도록 한다. "기울기 검출"로 언급되는 평탄한 기울기 또는 마이너스 기울기 시스템은 사르의 이중 변곡점 분석에 따라 또는 이에 대체로서 사용될 수 있다. 기울기 검출 기술은 특히 금속 닉켈 하이드라이드 밧데리들에 잘 적용되고 있다.

근본적으로, 기울기 검출 기술은 기울기가 제로(평탄한 기울기)로 또는 음으로 가는 전압-시간 곡선 상의 점을 찾는다. 제1도를 참조하여, 참조 부호 P로 지시된 첨두 전압에서 기울기 dV/dt가 제로로 가는 것이 도시되었다. 점 P는 점 C에 근접하나 반드시 일치할 필요는 없음에 유의한다. 점 C는 사르의 이중 변곡점 분석이 실제로 충전 전류를 종료시키는 점임이 앞서 지적된 바 있다. 실제로, 정밀한 사르 종료 점 C는 시스템의 응답 시간 및 채용된 디지탈 필터링 차수에 의존한다. 환언하여, 점 C는 변곡점 B가 발생하고 시스템이 이 발생에 응답하는 시간을 가진 후에 언젠가에 발생한다. 그러므로, 실제 실현에 있어, 평탄 기울기 또는 제로 기울기 기술에 의해 검출된 점 P와 사르 기술에서 사용된 점 C는 사실 일치될 수 있으며, 혹은 어느 점이든지 서로에 약간 전에 발생할 수 있다. 따라서 평탄 기울기 또는 마이너스 기울기 검출 기술은 사르 시스템이 주어진 밧데리에 대해 충분히 신속하게 반응하지 않는 경우 양호한 백업 시스템으로 작용될 수 있다.

평탄 기울기 또는 강하 기울기 기술에서의 한가지 어려움은 제1도에서 II로지시된 곡선의 평탄 영역에서 마주친다. 금속 닉켈 하이드라이드 밧데리들의 경우 이 영역에서 어려움에 당면하기는 덜한데 그 이유는 이러한 밧데리들의 전압-시간 곡선은 예시한 닉켈 카드뮴 밧데리의 곡선보다 더 급격히 상승하기 때문이다. 실제로, 전압-시간 곡선의 기울기가 영역 II에서 상승하고 있는 동안, 양의 일차 미분 dV/dt에 의해서 증거되듯이, 전압은 매우 급속하게 상승하지 않는다. 따라서, 이 영역에서 의사 잡음 변동들에 의해서 잘못된 트리거가 생성되는 것이 가능하다. 제1도에서 발생 가능한 잡음 변동의 형태를 나타내는 X로 지시된 약간의 요동이 있음에 유의한다. 이들 요동 중 하나가 제로 기울기 또는 강하 기울기(dV/at ≤ 0)로서 나타났다면, 평탄한 기울기 또는 강하 기울기 종료 기술은 아마 밧데리 충전 전류의 종료를 너무 앞서 일으킬 것이다.

이 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 샘플링 비 조절 기술 또는 기울기 검출 디스에이블하는 기술을 채용하여, 이들에 의해서 곡선의 평탄한 부분 동안 취해진 독취된 데이타들에 의해서 잘못하여 트리거되지 않도록 하게 한다. 이들 기술들은 여러가지 방법으로 구현될 수 있다. 이중 몇가지를 여기 예시한다.

샘플링 비 조절을 할 수 있도록 하는 한가지 기술은 스택 조작에 의해서 디지탈적으로 조절을 수행하는 것이다. 현재 사르 기술을 구현하는 충전 종료 루틴들은 디지탈적으로 샘플 전압 독취된 것들을 저장, 평균 및 처리하기 위해 스택과 같은 데이타 구조를 사용한다는 점을 스택 조작 기술에 이용한다. 제3A-3C도(총괄하여 제3도로 언급함)를 참조하여, 스택과 같은 데이타 구조는 100으로 예시되었다. 현재 바람직한 실시예는 아날로그 디지탈 변환기(28)에 의해서 공급된 8개의 디지탈 값들을 저장할 수 있는 데이타 구조를 채용한다. 각각의 샘플은 아날로그 디지탈 변환기에 의해서 취해지기 때문에, 대응하는 디지탈 값은 스택(100)으로 푸쉬되어 위치(AD₀)를 점유한다. 이 동작에 의해서 이미 들어있는 AD₀는 아래의 위치(AD₁)로, AD₁는 AD₂로 등등해서 푸쉬된다. 데이타 구조의 반대 끝의 말단 값(AD₇)은 다이어그램식으로 예시된 비트 버켓(bit bucket:102)에 의해서 간단히 무시된다. 이 데이타 구조는 사르 기술을 구현하는데에 사용된다. 이와 동일한 데이타 구조는 평탄한 기울기 또는 음 기울기 검출 기술을 구현하는데 또한 사용될 수 있다. 이러한 면에서, 사르 기술 및 기울기 검출 기술은 전압-시간 곡선의 기울기를 반영하는 값들을 끌어낸다.

예시를 통하여, 기울기 독출을 출력하는데에 있어 스택(100) 상에 저장된 8개의 값들 모두가 어떻게 처리 및 사용될 수 있는가에 대해서 예시된 제3A도를 참조한다. 다이어그램식으로 예시된 바와 같이, 스택 상에 가장 최근의 4개의 값들은 서로 가산되며, 이와 유사하게 이전의 4개의 값들도 서로 가산된다. 결과로 나타난 합 M 및 N 각각은 기울기를 나타내는 값 N-M을 출력하도록 차감된다. 이러한 면에서, 기울기는 전압의 시간 변화율(dV/dt)로서 이해될 것이다. 샘플링 비는 알고 있고, 이 경우에는 일정하므로 결과로 나타난 N-M 차는 기울기를 나타낸다.

기울기 검출 종료 기술은 기울기 값 N-M을 모니터한다. 이 값이 제로 또는 음으로 갈 때, 충전 전류의 종료가 트리거 된다.

기울기 검출 기술을 8개 샘플의 누적 효과에 기초하는 것은 실제적으로 과충전을 방지할 만큼 빠르지 않을 수 있다. 본 바람직한 실시예는 매 16초 마다 전압 샘플들을 취한다. 따라서 4개 수자들의 그룹을 차감함으로써 검출 과정은 4 X 16, 즉 64 초 만큼 지연된다. 이러한 시간 지연은 너무 길어 과충전을 피할 수 없게 된다. 제3B도는 상기 64초 시간 지연을 반으로 줄일 수 있는 스택 조작기술을 예시한 것이다. 제3B도에서, 도시된 바와 같이 디지탈 값들의 쌍이 서로 가산되고 이어서 감해진다. 제3B도에서 값(AD₀및 AD₁)이 서로 가산되어 중간 값(M)이 되고 값(AD₂및 AD₃)이 서로 가산되어 중간 값(N)이 된다. 중간 값들은 전과 같이 감해져 기울기 독취하게 된다. 두개의 독취들로 된 그룹들이 4개로 된 그룹들을 대신하므로, 시간 지연은 2 × 16, 즉 32 초로 감소된다.

심지어 더 빠른 응답 시간에 대해서도, 제3도는 기울기 독취를 출력하는데 직접 사용된 두개의 개별적인 독취값(AD₀및 AD₁)을 예시하고 있다. 이 경우, 개별적인 독취값들이 직접 사용되므로, 기울기 값은 단지 16초 지연된다.

이와같은 것을 염두에 두고 의사 전압 독취가 어떻게 오종료하게 할 수 있는 가를 보다 잘 이해할 수 있을 것이다. 제3A도에 예시된 신호 처리가 사용될 때, 단일의 잘못되어 낮은 독취값은 결과에 영향을 미치지 않을 것이다. 이것은 단일의 독취값이 다른 시간에 취해졌던 3개의 다른 모든 독취값들과 실제로 평균되기 때문이다. 따라서 제3A도에 예시된 처리의 평균하는 효과는 오종료가 발생하도록 하지는 않게 한다.

이것을 제3C도에 예시된 처리와 대비하도록 한다. 여기서, 두개의 개개의 독출값들은 기울기 값을 출력하도록 사용된다. 그러므로 잘못 독취된 값은 기울기가 제로 또는 음으로 갔다는 잘못된 표시를 생성할 수 있다.

본 발명은 신호 대 잡음 비가 높을 때에는 고속의 응답 시간을 생성하고 신호 대 잡음 비가 낮을 때에는 국부 전압 변동들을 평균해 내거나 또는 무시하도록 유효 샘플링 비를 조절한다. 이를 달성하는 일 실시예는 제4도에 예시되었다. 제1도에서 영역 II로 나타낸 전압-시간의 평탄한 부분에서 충전기가 동작하고 있는지 여부를 결정하기 위한 테스트가 제4도의 스텝 150에서 수행된다. 그렇다면, 스텝 152에서, 유효 샘플링 비는 제3A도의 많은 값이 평균되는 비교적 느리게 응답하는 샘플링 기술을 사용하도록 조절된다. 한편, 충전기가 곡선의 평탄한 부분에서 동작하고 있지 않다면, 제어는 스텝 154로 진행하여 이곳에서 제3C도의 기술과 같이(또는 선택적으로 제3B도의 기술) 고속으로 동작하는, 몇개의 적은 값이 평균되는 샘플링 기술이 사용된다.

다음에, 스텝 156 및 158에서, 두개의 연속한 독취(M 및 N)가 취해진다. 이어서, 스텝 160에서 N-M이 제로보다 작거나 또는 제로이면, 충전은 스텝 162에서 종료된다. 아니면, 제어는 예시된 바와 같이 스텝 150으로 다시 되돌아간다.

밧데리 충전기가 곡선의 평탄한 부분에서 동작하고 있는지를 결정하는 몇가지 방법이 있다. 한 방법은 개개의 전압 독취값을 모니터하는것이다. 개개의 독취값들이 임계치 이하이면, 충전기는 곡선의 평탄한 부분에서 동작하고 있는 것으로 가정될 수 있다. 또다른 기술은 단순히 밧데리 충전기가 현재까지 동작되고 있는 경과된 시간을 측정하는 것이다. 대부분의 경우, 밧데리 충전 곡선은 전체 충전 사이클의 약 15%가 경과된 후에 곡선의 평탄한 부분에 충전기 놓여 있다고 가정될 수 있을 만큼 충분히 안정하다.

본 발명의 다른 예가 제5도에 예시되었다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 기울기 검출 기술은 충전기가 곡선의 평탄한 부분에서 동작하고 있을 때 디스에이블된다. 제5도를 참조하여, 아날로그 디지탈 독취값들은 스텝 200 및 202에서 연속한 독취값들(N 및 M)를 구하기 위해서 채용되는데, 상기 독취값 각각은 전압-시간 곡선을 따라 상이한 점들에서의 밧데리 전압을 나타낸다. 다음에, 스텝 204에서, 이들 값들은 이를 테면 N-M 감산을 행하므로써 비교되어, 곡선의 기울기가 제로(평탄) 또는 음으로 갔는지를 결정한다. 아니면, 루틴은 스텝 200로 복귀하여 상기 과정이 반복된다. 한편, 기울기가 제로 또는 음으로 가면, 제어는 스텝 206으로 진행하여 여기서 충전기가 현재 곡선의 평탄한 부분에 있는지 결정된다. 이것은 제4도와 관련하여 상기 기술된 기술들 중 임의의 기술을 사용하여 행해질 수 있다. 충전기가 곡선의 평탄한 부분에 있다면, 제어는 간단히 스텝 200으로 복귀하여 여기서 상기 스텝들이 다시 반복된다. 환언하여, 곡선의 평탄한 부분에서 음 기울기 또는 제로 기울기는 단순히 무시된다. 한편, 스텝 206에서 충전기가 곡선의 평탄한 부분에 있지 않다면, 제어는 스텝 207로 진행하여 여기서 기울기가 이전에 강하되고 있었는지 여부를 결정하기 위해서 플래그를 테스트한다. 그렇다면, 충전은 스텝 208에서 종료된다. 아니면, 플래그를 세트하도록 스텝 209가 수행됨에 따라서 다음의 평탄한 기울기 또는 강하하는 기울기 상태에 의해서 충전이 종료하게 될 것이다. 따라서 제4도의 루틴은 충전 종료가 트리거되기 전에 평탄한 기울기 또는 강하하는 기울기의 두 검출들을 요구함으로써 부가적인 필터링을 제공한다. 당연히, 요구된다면, 상기 필터링 기술은 두개의 기울기 검출 이상을 요구하는데에로 확장될 수 있다. 이 필터링 기술은 상기 기술된 다른 실시예에서 또한 사용될 수 있다.

생각해보면 스텝 204의 결과를 무시하게 함은 곡선의 영역 II(제1도)의 주기 보다 긴 주기로 샘플링 비를 감소시키는 효과를 낳는다는 것을 알게 될 것이다. 다르게 표현하여, 곡선의 영역 II 동안에 얻어진 데이타의 결과들은 영역 II 주기 동안에 어떠한 샘플도 만들어 지지 않도록 샘플링 비를 확장함으로써 효과적으로 무시될 수 있다.

곡선의 평탄한 부분에서의 잡음 효과를 차단하기 위해서 샘플링 비를 조절하기 위한 상기 기술된 기술들은 곡선의 평탄한 영역에 도달될 때 소정의 샘플링 비조절 기술이 자동적으로 사용된다는 점에서 정적인 기술이다. 요구된다면, 조절기술은 또는 동적으로 사용될 수 있는데, 여기서는 샘플링 비 조절의 정도를 감지된 신호 대 잡음 비에 근거하여 능동적으로 선택한다. 이러한 동적 기술의 일 실시예가 제6도에 예시되었다. 제6도에서, 밧데리 전압은 스텝 250, 252 및 254에서 몇몇의 소정의 레벨들에 비교된다. 이 비교에 근거하여, 적당한 샘플링 비가 각각 스텝 256, 258, 및 260에서 선택된다. 이들 상이한 샘플링 비들은 제 3A-3C도에 예시된 스택 조작 기술들을 사용하여 실행될 수 있다. 예를 들면, 저 전압에 대해서는 제3A도의 기술이 샘플링 비 #1용으로 사용될 수 있다. 중간 전압에 대해서는 제3B도의 샘플링 비 기술이 샘플링 비 #2용으로 사용될 수 있다. 고전압에 대해서는 제3C도의 샘플링 비 기술이 샘플링 비 #3용으로 사용될 수 있다.

적당한 샘플링 비가 선택된 후에, 적당한 독취값들이 스텝 262 및 264에서 취해져 값(M 및 N)를 구한다. 제3A-3C도에 예시된 스택과 같은 데이타 구조를 사용하여, 상기 M 및 N값들은 스택으로부터 적당한 개수를 선택함으로써 얻어질 수 있다. 일단 얻어지면, M 및 N값들은 스텝 266에서 비교되며, 여기서 기울기(N-M)이 제로 또는 음이면 충전 종료가 스텝 268에서 트리거된다. 아니면, 제어는 시작점으로 복귀되어 상기 과정이 반복된다.

제6도의 실시예는 실제 측정된 상태에 기초하여 적당한 샘플링 비를 동적으로 선택한다. 간단한 전압 측정이 스텝 250, 252 및 254에서 사용되는 반면, 다른 적당한 기술들이 또한 사용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 기울기 검출 기술들이 개별적으로나 또는 사르 기술과 같은 다른 기술들에 따라 사용될 수 있도록 하는 메카니즘을 제공함을 이해할 것이다. 본 발명은 전압-시간 곡선의 평탄한 영역들에서의 잡음에 기인하여 잘못 트리기하는 문제를 해결한다. 그러므로, 본 발명은 비교적 평탄한 기울기 부분을 나타내는 닉켈 카드뮴 밧데리들과 같은 밧데리들에 사용될 때 가장 효과적이다.

본 발명에 대해 바람직한 실시예에 따라 기술하였으나, 첨부된 청구의 범위에 개시된 본 발명의 정신에서 벗어남이 없이 예시된 실시예에 임의의 수정들이 행해질 수 있음을 이해할 것이다.

제1도는 일예로 A 및 B에서 변곡점을 보이는 닉켈 카드뮴 밧데리에 대한 전압-시간 곡선의 일예를 도시한 도면.

제2도는 고속 밧데리 충전 시스템의 주요 동작 제어 회로를 도시한 개략적인 블록도.

제3A도 내지 제3C도(이들을 제3도로 언급함)는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 데이타 구조의 예를 도시한 도면.

제4도는 본 발명에 따른 바람직한 충전 종료 과정의 예를 도시한 흐름도.

제5도는 본 발명에 따른 또다른 충전 종료 과정의 예를 도시한 흐름도.

제6도는 본 발명의 적응형 실시예를 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 전원 공급 회로 12 : 고전압 입력 회로

14 : 저전압 전원 공급 회로 16 : 펄스 폭 변조 발진기 회로

18 : 일정 전류 공급 회로 20 : 충전 전류 모니터링 회로

22 : 밧데리 24 : 마이크로컴퓨터

26 : 온도 체크 회로 28 : 아날로그 디지탈 변환기

30 : 디지탈 디스플레이 회로

Claims (23)

1. 밧데리를 충전하는 방법에 있어서,

   상기 밧데리에 충전 전류를 인가하는 단계,

   제1 시간 간격 동안, 시간과 함수로시 밧데리 전압 데이타를 얻기 위해서 밧데리를 테스트하며 상기 제1 시간 간격 동안 상기 전압의 시간 변화율이 양이 아닌지를 결정하기 위해서 상기 데이타를 평가하는 단계,

   상기 시간 변화율이 상기 제1 시간 간격 동안에 양이 아니면 밧데리에 충전 전류의 인가를 종료하는 단계,

   상기 제1 시간 간격의 완료 후에, 제2 시간 간격을 기다리는 단계,

   상기 제2 시간 간격의 완료 후에, 시간의 함수로서 밧데리 전압의 데이타를 얻기 위해서 밧데리를 테스트하며 상기 제2 시간 간격 후 임의의 시간에서 상기 전압의 시간 변화율이 양이 아닌지를 결정하기 위해서 상기 데이타를 평가하는 단계, 및

   상기 시간 변환율이 상기 제2 시간 간격 후 임의의 시간에서 양이 아니면 밧데리에 충전 전류의 인가를 종료하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
2. 제1항에 있어서 , 완전히 방전된 밧데리을 완전히 충전하는데 요구되는 근사 시간을 나타내는 소정의 충전 시간을 설정하는 단계를 더 포함하며 , 상기 제1 시간 간격은 상기 충전 시간의 소정의 백분율인 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 소정의 백분율은 약 15%의 크기인 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 소정의 시간은 밧데리 전압에 대한 상기 데이타에 기초하여 적응형으로 설정되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 소정의 시간은 밧데리 전압에 대한 상기 데이타에 기초하여 적응형으로 설정되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 밧데리 전압이 소정의 전압 이상일 때 상기 제2 시간 간격을 종료하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
7. 밧데리 충전 방법에 있어서,

   상기 밧데리에 충전 전류를 인가하는 단계.

   제1 시간 간격 동안, 시간의 함수로서 밧데리 전압 데이타를 얻기 위해서 제1 소정의 샘플링 비로 밧데리 전압의 샘플들을 얻는 단계.

   상기 제1 시간 간격 완료 후 제2 시간 간격 동안에, 시간의 함수로서 밧데리전압 데이타를 얻기 위해서 상기 제1 비 보다 긴 제2 소정의 샘플링 비로 밧데리 전압의 샘플들을 얻는 단계,

   상기 제2 시간 간격 후에, 제2 비 보다 짧은 제3 소정의 샘플링 비로 밧데리 전압의 샘플들을 얻는 단계.

   상기 제1 시간 간격 동안에 상기 전압의 시간 변화율이 양이 아닌지 여부를 결정하기 위해서 상기 데이타를 평가하는 단계, 및

   상기 제1 시간 간격 동안에 상기 시간 변환율이 양이 아니면 밧데리에 충전 전류의 인가를 종료하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제3 소정의 샘플링 비들은 실제적으로 동일한 것을 특징으로 한느 밧데리 충전 방법.
9. 제7항에 있어서, 완전히 방전된 밧데리을 완전히 충전하는데 요구되는 근사 시간을 나타내는 소정의 충전 시간을 설정하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1 시간 간격은 상기 충전 시간의 소정의 백분율인 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 소정의 백분율은 약 15%의 크기인 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
11. 제7항에 있어서, 밧데리 전압의 상기 데이타를 데이타 구조 내에 저장하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 소정의 샘플링 비는 상기 데이타 구조 내에 저장된 데이타의 선택적 조작에 의해서 상기 제1 소정의 샘플링 비보다 길게 만들어 지는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 제1 소정의 시간은 밧데리 전압에 대한 상기 데이타에 기초하여 적응형으로 설정되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
13. 제7항에 있어서, 상기 제2 소정의 시간은 밧데리 전압에 대한 상기 데이타에 기초하여 적응형으로 설정되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
14. 밧데리를 충전하는 방법에 있어서,

    상기 밧데리에 충전 전류를 공급하는 단계,

    상기 밧데리에의 충전 전류 공급이 종료되어야 할 때를 결정하기 위해 밧데리 전압 대 시간 곡선의 기울기를 측정하는 단계,

    상기 전압 곡선의 기울기가 소정의 값을 초과한 경우 제1 시간 간격에서 제1 샘플링 비로의 상기 측정 단계 동안 밧데리 전압 데이터를 얻는 단계,

    상기 전압 곡선의 기울기가 상기 소정의 값 미만인 경우 제2 시간 간격에서 상기 제1 샘플링 비 미만인 제2 샘플링 비로의 상기 측정 단계 동안 밧데리 전압 데이터를 얻는 단계, 및

    상기 전압 곡선의 기울기가 양이 아닌 경우 충전 전류의 공급을 종료하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1 샘플링 비는, 상기 전압 곡선이 상기 소정의 값 미만인 경우 상기 제2 시간 간격 동안 상기 종료 단계를 스위치-오프함으로써 상기 제2 샘플링 비로 효과적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
16. 제14항에 있어서, 데이터 구조내에 상기 전압 데이터를 저장하고 상기 데이터 구조내에 저장된 상기 데이터의 선택적 조작에 의해 상기 제2 샘플링 비로 감소되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
17. 제14항애 있어서,

    완전히 방전된 밧데리가 완전히 충전하는데 요구되는 근사 시간을 나타내는 소정의 충전 시간이 설정되고,

    상기 제1 시간 간격은 상기 충전 시간의 소정의 백분율인 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
18. 제7항에 있어서, 상기 소정의 백분율은 약 15%인 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
19. 제15항에 있어서, 상기 제1 시간 간격은 밧데리 전압의 상기 데이터에 기초하여 적응형으로 설정되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
20. 제14항에 있어서, 상기 제2 시간 간격은 밧데리 전압의 상기 데이터에 기초하여 적응형으로 설정되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
21. 제14항에 있어서, 상기 제2 시간 간격은, 상기 밧데리 전압이 소정의 전압 이상인 경우 적응형으로 설정되는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
22. 제14항에 있어서, 밧데리 전압은 상기 전압 곡선이 상기 소정의 값을 초과하는 경우 제3 시간 간격에서 상기 제2 샘플링 비보다 고속인 제3 샘플링 비로의 상기 측정 단계 동안 얻어지는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.
23. 제22항에 있어서 , 상기 제1 및 제3 샘플링 비는 동일한 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 방법.