KR100968002B1 - 소형 충전밧데리용 충전기의 충전방법 및 그 충전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형밧데리용 충전기에 채용되는 충전방법 그리고 그 충전기에 관한 것이다.

소형밧데리 특히 니켈카드뮴(Ni/Cd),니켈수소(NiMH)전지의 경우 전압추적방식(d2²/vdt2², -△V, Vmax=피크검출방식), 온도추적방식(△T, dT/dt)등이 이용되고 있으나 이중에서 가장 흔하면서도 정확한 방식이 기본전압강하값(-△V)의 추적에 의한 충전완료를 찾아내는 방식이다.

그러나 충전전압의 변화, 충전밧데리의 고유한 제작사별 충전특성, 충전기 자체의 특성등의 여러가지 변수에 의하여 이들 추적방식이 정확하지 못하여 대개 15%내외의 밧데리가 완전충전이 되지 못하고 충전완료신호가 검출되어버리면서 충전이 제대로 이루어지지 못하고 있다.

이러한 단점을 개선하고자 충전만료직전에 공급되는 충전전압이 발열에너지로 전환되면서 고열을 발생하는 점에 착안하여 특허제284646호에서는 만충전직전에 급속한 온도상승을 피하고자 마무리충전단계와 세류충전단계를 설정하여 온도의 급격한 상승방지를 방지한 전류충전시간을 1/4로 감소시켜 마무리충전을 이루도록 하고 있다. 이러한 온도상승지점을 체크하여 충전전류를 감소시켜 온도상승을 방지하도록 하는 것이 나름 대로 장점이 있으나 만충전완료 시점을 정확히 발견하여 충전을 완료하지 못하고 온도상승 하나에만 의존하여 충전조절이 이루어져 충분한 충전이 이루어지지 않는다.

이러한 단점을 개선하여 본 발명자는 특허출원 2005-2782호에서는 만충전완료전압강하값이 기존에는 위 지적한 -△V의 한개의 단위로 고정되어오던 것을 피하고, -△V ×n=NΔV과 같이 기본전압강하값(-△V)의 n배로 능동적으로 확대 혹은 축소처리하여주었다. 이 전압강하값의 조정은 피충전밧데리가 충전이 진행되면서 내부전압의 상승에 따라 반비례적으로 조절하도록 하였다. 또한 더나아가서 온도추적방식을 이용하되 검출되는 데이터를 일정주기를 갖고 반복 검출하도록 하도록 하고, 동시에 최대충전시간, 최대충전전압, 온도, 만충전완료전압, 기준전압등의 다양한 변수를 동시에 충전완료를 판단하는 변수로 이용토록하였다. 따라서 어떤 한두가지 변수에 의하여 판단하던 만충전검출을 이들 변수의 복합적이고 크로스대조에 의하여 정확한 만충전완료시점을 구하도록 하여 보다 충실한 충전기능을 발휘토록하였다.

위 본 발명자의 2005-2782호의 경우, 보다 정밀하고 정확한 만충전동작이 이루어지게 하였으나 만충전직전의 급격한 온도상승으로 부분적이지만 밧데리와 충전기에 따라서는 소자의 손실등이 발생하였다.

본 발명은 위 기본전압강하값(-△V)를 마이크로프로세서에 의하여 계속 스캔하면서 추적하여 그 기본전압강하값(-△V)을 충전변화에 따라 능동적으로 변화토록 하며, 특히 만충전직전에 발생하는 급격한 온도상승현상을 방지하기 위하여 만충전직전에 발생하는 새롭게 설정한 변동기준전압값(N△V)의 변화율이 일정한 기준이상인 경우 만충전완료시간을 만충전종료의 여부를 판단하는 최대충전허용전압(Vmax), 충전목표전압(Vf), 기본전압강하값(-ΔV), 만충전완료시간(T), 최대충전허용시간(Tmax)등의 기준값들에 의존하지 않고 충전완료시간을 능동적으로 설정토록 하였다. 그 결과 기존의 방식에 비하여 충전시 밧데리의 상승온도를 10내지 20도 가량 낮추면서도 정확한 만충전이 가능하게 되었다. 특히 만충전이 거의 100%가까운 정도로 이루어지면서도 발열이 종전의 것보다 20%이상 감소하여 발열에 의한 기기손상 밧데리손상등의 문제를 근본적으로 해소하고, 충전밧데리의 충방전의 사용반복에 따라 점차 만충전 이루어지지 못하고 성능이 열화하는 현상을 없애고 초기 구입시의 밧데리성능을 계속 유지할 수 있는 충전방법을 개발하였다.

Description

소형 충전밧데리용 충전기의 충전방법 및 그 충전기{Battery recharging process for the small size rechargable battery and its recharger}

도 1 은 충전이 정상적으로 진행되는 경우의 시간과 전압간의 충전특성그래프,

도 2 는 충전이 되기 전에 기본전압강하값(-△V)이 검출되어 충전이 종료되는 경우의 충전특성그래프,

도 3 은 만충전 되기전에 기본전압강하값(-△V)이 검출되어지지 않은 채 최대충전허용시간을 초과하므로서 미충전상태로 되는 충전특성그래프,

도 4 는 본 발명의 충전기 내부 회로 구성도,

도 5 는 실제 충전시 충전특성 그래프의 펄스신호와 합성시 발생되는 상승,하강의 변화상태를 보여주는 그래프,

도 6 은 충전중 밧데리에서 발생하는 온도변화와 충전작동에 따른 충전특성함께 도시한 그래프,

도 7 은 본 발명의 온도변화에 따른 충전특성그래프,

도 8 은 피충전 밧데리로 부터 측정된 신호의 확대그래프,

도 9 는 본 발명의 만충전완료 조건인 Tspan조건에 해당하는 단계와 충전시 디지트 신호값의 변화단계를 측정한 충전특성 그래프,

도 10 은 본 발명의 도 9의 A부분 확대도,

도 11 은 충전 초기 상태에서 과도한 상승전압이 발생한 경우의 충전특성을 도시한 그래프임.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

-△V:기본전압강하값 NΔV:변동기준전압값, Tspan:규정시간 Vs1:만충전예정값 T1 :변압부 C0:정류부 C:분지부 MC:배압정류부 C2:정방향다이오드 C3:역방향다이오드C4:콘덴서 V2:정전압부 Mic:마이크로프로세서

본 발명은 니켈카드뮴, 니켈수소 혹은 리튬이온 등으로 구성되는 소형 충전밧데리(2차전지)용 충전기의 충전방법 및 그 충전기에 관한 것이다.

일반적으로, 니켈-카드뮴 또는 니켈-수소 등의 2차 전지는 밧데리 충전기를 사용하여 충전시켜 다시 사용하는데, 이때 상기 밧데리에 일정한 연속전류를 흐르게 하여 이를 충전시키는 것으로서, 75%∼90% 정도의 충전(전압피크 부근)시(이하, 만충전이라 함)까지 급속충전을 하고 나머지는 충전전류를 줄여서 충전을 한다.

이처럼, 밧데리를 충전시킬 때, 밧데리가 정상적으로 만충전(滿充電)되도록 하기 위해 만충전을 검출하는 여러 가지 방법이 제안되고 있다.

즉, 충전 시작 후 일정시간동안 충전시키는 타이머 방법과, 밧데리 전압의 하강반전전압을 검출하여 충전을 멈추게 하는 하강반전전압(=기본전압강하값(- ΔV), -△V라 함) 검출방법과, 일정한 온도에 도달하면 충전을 멈추게 하는 온도 검출방법과, 전압상승의 기울기변화를 측정하여 미리 설정된 전압상승의 기울기변화가 발생하면 충전을 멈추게 하는 전압상승의 기울기변화 검출방법 등을 사용하고 있다.

이러한 방법들중에서 가장 많이 사용되는 방법은 하강반전전압 검출방법으로서, 도 1은 정상적인 밧데리의 충전 상태선도로서, 니켈-카드뮴 또는 니켈-수소 밧데리의 전압은 충전시간에 따라 증가하여 피크전압에 도달될 때까지 충전상태가 진행된다.

상기 피크전압에 도달한 후, 니켈-카드뮴 또는 니켈-수소 밧데리는 자체의 특이한 현상으로 인해 충전전압이 더 이상 증가하지 않고 오히려 약간 감소하기 시작하는데, 하강반전전압 검출방법에서는 미리 설정되어 있는 니켈-카드뮴 또는 니켈-수소 밧데리 전압의 -△V를 감지하여 즉시 급속충전을 중단하거나 미세전류에 의한 충전으로 전환한다.

즉, 니켈-카드뮴 또는 니켈-수소 밧데리의 특성으로 인해 만충전후 발생하는 -△V를 감지하여 상기 밧데리의 충전상태가 만충상태임을 알 수 있게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 밧데리 만충전 검출방법에 있어서, -△V를 이용한 방법은 니켈-카드뮴 또는 니켈-수소 밧데리를 오랫동안 사용하지 않고 충전을 시키면 도 2에 도시된 선도와 같이 충전초기에 -△V가 발생되어 충전을 멈추게 되고, 충전의 중간과정에서 밧데리 전압이 완만하게 떨어지는 현상이 발생될 때에도 도 3에 도시된 선도와 같이 -△V가 발생되어 충전을 멈추게 되어 실질적 으로 미충전상태에서 밧데리의 충전이 중단되는 문제점이 있었다.

또한, 일정시간동안 충전시키는 타이머 방법에서도 주변온도와 밧데리의 잔량에 따라 충전량의 차이가 발생됨은 물론 충전기에 장착하였을 때에도 밧데리의 충전상태에 관계없이 설정된 시간만큼 충전을 하므로 과충전이 발생되는 문제점도 있었다.

그리고, 일정온도에 도달함을 검출하여 충전을 제어하는 온도 검출방법도 도 5에 도시하듯이 주변온도변화와 충전기의 발열온도의 영향을 받음에 따라 실제 만충전이 되기가 어렵다.

또한, 전압 상승의 기울기변화를 검출하는 방법은 -△V를 이용하는 방법과 병행하여 사용하므로 초기 피크전압발생 또는 충전중간과정에서의 -△V 발생시에 충전이 중단되는 문제점이 있고, 한편 충전중 밧데리의 온도가 상승하고 이는 밧데리의 수명을 단축하는 요인이 되었다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 특허제216627호에서는 충전기 공급전압과 충전용 밧데리 단자전압을 시간을 달리하여 측정하는 단계와, 상기 측정전압의 차이를 시간변화율로 계산하여 밧데리 내부저항상승의 기울기를 산출하는 단계와, 이 내부저항상승의 기울기를 미리 설정된 기울기와 비교하여 내부저항상승의 기울기가 설정된 기울기보다 높은 경우 만충전상태임을 감지하는 것을 특징으로 하는 충전용 밧데리의 만충전 검출방법을 제시하고, 여기서 충전기에 의한 전류공급을 단속적으로 행하는 것을 특징으로 하는 충전용 밧데리의 만충전 검출방법 그리고 충전전류의 공급시간과 공급휴지시간을 7:1로 하는 것을 특징으로 하는 충전용 밧데리의 만 충전 검출방법등도 함께 제시하고 있다.

상기한 특허의 방식은 내부저항을 측정하여 가능한한 만충전시점을 정확히 검출하는 데에 특징이 있다. 그러나 밧데리의 제작사가 천차만별이고, 그 제작사별로 제작된 밧데리는 내부저항의 변화 역시 천차만별이다. 즉, 어느 획일된 내부저항변화값의 측정에 의지하는 경우 정확한 만충전시점의 검출이 기대한 것보다 훨씬 못미치는 것이 현실이다.

이외에 특허284646호에서는 밧데리의 온도상승이 급격히 진행되는 시점직전에 마무리충전단계, 이어서 아주 짧은 충전전류시간에 의하여 충전을 진행하는 세류충전단계등을 도입하도록 하여 만충전직전에 보다 정밀한 충전전류의 제어로 안정된 만충전효과를 이루도록하고 있다.

그러나 이러한 방식도 역시 온도상승만에 의지하여 다른 충전변수들이 종속되어지므로 충전환경에 너무나 많은 영향을 받으며, 특히 계절별 주변 온도차이가 보통 10에서 20도 이상이 되므로 다양한 밧데리 종류 별로 일률적으로 적용시 많은 충전에러를 발생하게 된다.

또한 밧데리가 소형이라 하여도 500㎃에서 부터 2500㎃이상으로 그 충전용량이 다양하며, 그 결과 각 각의 밧데리 별 만충전검출변수의 범위 역시 그 용량별로 변화하여야 하는 것은 저가의 소형 충전기로서는 사실상 부품가격의 상승으로 거의 불가능한 것이 현실이다.

특히 가장 문제로 지적되는 것은 소형충전밧데리가 보통 고속충전시(예, 2시간에서 4시간 )는 대개 급격한 전압변화값이 10-20mV가 측정된다. 그러나 실제 충 전시 기본전압강하값(-ΔV)이 대개 2㎷에서 많아야 5㎷정도로 설정되어져 있어 충전이 다 되지 못하였는데 불구하고 충전동작이 중지되어 버린다. 즉, 1.2V에서 AA형 혹은 AAA형 소형밧데리에서 이같은 미미한 기본전압강하값(-ΔV)의 전압변화는 너무나 다양한 원인에 의하여 발생하게 된다. 이는 충전전압의 미세한 흔들림, 충전장치의 외부의 물리적 진동에 의해서도 발생하는 경우도 있고, 또한 밧데리의 생산자별 밧데리특성에 따라 너무나 다양하게 발생하고 있다. 그 결과 실제 90%이상 만충전이 이루어지지 못하고 소형충전밧데리의 경우 거의 50%에 이르는 미충전 혹은 충전상태로 머물게 된다. 특히 문제로 되는 것은 이러한 현상이 몇 차례 반복되어감에 따라 밧데리는 열화하고, 미충전상태를 반복하게 된다. 그 결과 니카드밧데리의 메모리 특성에 따라 밧데리가 항시 미충전상태를 만충전으로 인식하여 성능이 나빠지면서 얼마 사용하지 못하고 폐기하게 된다.

본 발명은 만충전전압에 근접함에 따라 일정 전압이하에서는 변동기준전압값(NΔV)의 측정시간을 밧데리의 충전상태에 따라 변화시키면서 다중측정토록 하는 동시에 만충전완료전압강하값을 현재 충전중인 밧데리의 충전전압의 상승에 따라 함께 변동시켜주므로서 충전이 불완전함에도 불구하고 기본전압강하값(-ΔV)이 검출되어 충전이 종료되던가 혹은 검출자체가 안되어 과충전되면서 밧데리 수명단축 혹은 안전사고 발생 등의 문제점을 해소하고자 한다.

본 발명은 특히 충전기의 시장이 경쟁이 심화됨에 따라, 사용부품을 최소화하면서도 최적의 충전동작이 가능한 충전기를 제공하고자 한다.

특히 충전되는 밧데리의 거치 수에 따라 전압이 달라지더라도 그것을 능동적으로 감지하여 최적의 충전이 가능하게 하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한 밧데리가 사용중에 용량이 증가된 경우 그 용량증가를 스스로 판단하여 만충전을 검출하기 위한 여러가지 검출변수를 변화시켜 밧데리에 따른 능동적인 충전용량자동변환가능한 충전기를 제공하고자한다.

본 발명은 소형밧데리가 충전이 진행됨에 따라 밧데리 전압이 서서히 상승하게 되며, 이 상승률과 비례하여 초기에는 기본전압강하값(-ΔV)을 일정한 값으로 고정하지 않고 충전의 진행에 따라 일정주기별로 변동기준전압값(NΔV)을 충전된 용량에 따라 능동적으로 변화하도록 하고, 충전이 완료되기 직전 일정시점에 도달시 일정 범위의 시간내에 변동기준전압값(NΔV)의 변화회수가 정하여진 기준회수이상인 경우 별도로 기본전압강하값(-ΔV)에 의지하지않고 충전만료시점을 설정토록 하는 충전방법에 관한 것이다.

본 발명은 특히 충전 완료 직전 일정 시점에 도달하여 피충전 밧데리의 내부전압이 일정수준에 도달하면 계속 공급되어오는 충전전압을 감당하지 못하고 열에너지로 변환하면서 밧데리와 주변장치에 고열을 발생시키는 종래의 충전장치와 달리 만충전 시점을 정확히 판단하게 되어 종래 충전장치에 비하여 10 내지 20도에 이르는 온도강하효과를 얻는 충전방법을 제공하고자한다.
본 발명은 상기한 충전방법을 설치한 충전기도 함께 제공하고자 한다.

본 발명은 위 제시한 충전방식외에도 기존에 널리 이용되는 최대충전허용전 압(Vmax), 충전목표전압(V₀), 기본전압강하값(-ΔV), 만충전완료시간(T), 최대충전허용시간(Tmax)등의 밧데리만충전을 판단하는 기준값들에 기초한 만충전 완료 판단은 그대로 유지토록 하여 본 발명의 방법에 의하여도 만충전이 검출되지 않는 경우라 하여도 이들 기준값들에 의하여 충전을 종료토록 하여 발생가능한 오작동으로 인한 밧데리 발열문제도 해결하였다.

이하 본 발명을 첨부한 도면에 기초하여 구체적인 일실시예로 설명한다.

본 발명에서 도 4 는 밧데리 충전기기의 내부 구성을 보여주는 블록도,

도 5 는 실제 충전시 충전특성 그래프의 펄스신호와 합성시 발생되는 상승,하강의 변화상태를 보여주는 그래프,

도 6 은 충전중 밧데리에서 발생하는 온도변화와 충전작동에 따른 충전특성함께 도시한 그래프,

도 7 은 본 발명의 온도변화에 따른 충전특성그래프,

도 8 은 피충전 밧데리로 부터 측정된 신호의 확대그래프,

도 9 는 본 발명의 만충전완료 조건인 Tspan조건에 해당하는 단계와 충전시 디지트 신호값의 변화단계를 측정한 충전특성 그래프,

도 10 은 본 발명의 도 9의 A부분 확대도,

도 11 은 충전 초기 상태에서 과도한 상승전압이 발생한 경우의 충전특성을 도시한 그래프이다.

본 발명은 외부교류전원을 충전가능한 전원으로 변압시켜 공급하는 변압부, 충전입출력제어와 표시부들에 대한 제어를 하는마이크로프로세서, 밧데리충전부 그리고 충전상태를 육안식별가능하게하는 표시부로 구성되는 소형 배터리 충전기에 있어서, 표시부 동작을 위한 전압강하 그리고 밧데리충전부에 대한 충전전압을 위한 또 다른 전압조정 동작이 필요없이 동작가능하게 구성하였다.
보다 구체적으로는 정류부로부터 공급된 전류를 출력전압조절부의 조절작동에 의하여 출력스위치부를 통하여 밧데리충전부(Bat)에 거치된 밧데리에 충전토록하고, 충전상태등을 표시부(LD1)로 출력하도록 하면서, 피충전밧데리의 전압을 검사하여 신호값이 기준으로 하는 최대충전허용전압(Vmax), 충전목표전압(Vf), 기본전압강하값(-ΔV), 만충전완료시간(T), 최대충전허용시간(Tmax)등의 밧데리만충전을 판단하는 기준값들과 매칭되는 경우 충전을 종료하도록 구성되는 니켈카드뮴 혹은 니켈수소등의 소형 밧데리충전장치에 있어서,

변압부(T1)의 양단부에 정류부(C0)를 배치하면서, 이 정류부와 연결되기 직전에 분지부(C)에 의하여 배압정류부(MC)로 연결토록 하며,

정류부를 통과한 전원선은 스위치부(Q1)(Q2)에 의하여 충전부(Bat)에 충전전원이 공급하도록 구성하였다.

본 발명에서 분지부(C)에 의하여 연결된 배압정류부는 정방향다이오드(C2)와역방향 다이오드(C3)로 연결되면서 정방향다이오드에는 콘덴서(C4)를 연결하여 공급된 전원을 배압 정류하도록 하였다.

상기한 배압정류부는 중간에 정전압부(V2)에 의하여 일정하게 전압을 유지하면서 마이크로프로세서(Mic)에 공급되며, 이렇게 공급된 전원은 마이크로프로세서의 출력부에 연결된 표시부(LD1)와 스위치부(Q1)과(Q2)를 구동하도록 한다.

보다 구체적으로는 일반적으로 소형 충전 밧데리 AA, AAA 형은 공칭전압이 1.2V에 불과하므로, 스위치부(Q1)(Q2)을 통과하는 전압은 1.7V를 넘지 않도록 하는 반면, 표시부(LD1)에 공급되는 전원은 적어도 2.5V이상이다. 마찬가지로 마이크로프로세서의 구동전압도 이와 유사하게 공급이 되도록 하므로, 이들 표시부와 마이 크로프로세서는 동작이 원활하게 이루어지며, 충전부의 전원도 충분하게 공급이 된다.

그 결과 종래의 충전기처럼 표시부 동작을 위한 전압강하 그리고 밧데리충전부에 대한 충전전압을 위한 또다른 전압조정 동작이 없이 그대로 공급이 되므로 충전 효율이 2, 3배 증가하게 되는 것이다.

이상의 본 발명의 충전회로 중에 마이크로프로세서에 의한 충전 방법은 아래와 같이 동작한다

본 발명은 정류부로부터 공급된 전류를 출력전압조절부의 조절작동에 의하여 출력스위치부를 통하여 밧데리충전부에 거치된 밧데리에 충전토록하고, 충전상태등을 표시부로 출력하도록 하며, 피충전밧데리의 전압을 검사하여 신호값이 기준으로 하는 최대충전허용전압(Vmax), 충전목표전압(Vf), 기본전압강하값(-ΔV), 만충전완료시간(T), 최대충전허용시간(Tmax)등의 밧데리만충전을 판단하는 기준값들과 매칭되는 경우 충전을 종료하도록 구성되는 니켈카드뮴 혹은 니켈수소 밧데리충전장치에 있어서,

밧데리충전부(Bat)에 거치된 피충전밧데리의 전압이 충전초기전압(Vi)인 동시에 충전목표전압(V₀)보다 낮은 전압인 지를 검출하는 충전밧데리의 잔류전압측정단계,

상기한 단계로부터 피충전밧데리의 측정전압이 충전초기전압(Vi)보다 낮게 검출되거나 전압자체의 검출이 안되는 경우 밧데리 재생단계로 진행하며, 충전초기 전압(Vi)과 충전목표전압(V₀)의 사이로 전압이 검출된 경우 마이크로프로세서(Mic)에서 펄스형태의 출력신호를 주어 출력스위치부(Q1)(Q2)를 통하여 전원을 밧데리충전부(Bat)에 공급하도록 하는 충전개시단계,

상기한 충전개시단계에 의하여 충전밧데리의 전압이 증가함에 따라 충전중인 피충전밧데리에 일정시간의 주기(Ti)로 피충전밧데리의 현재 전압값을 측정하되, 측정되어온 측정전압변동값(Vd)이 설정된 변동기준전압값(N△V)과의 차이가 1디지트값이상으로 n회 이상 측정시 마이크로프로세서에서 설정한 1디지트값(dt)만큼 변동기준전압값(N△V)을 상승시켜주는 기준전압값 재설정단계,

상기한 기준전압값 재설정단계를 진행하면서 계속 충전하면서 규정시간(Tspan)의 범위 안에서 상기한 기준전압값 재설정단계가 2회 이상 반복되는 경우 규정시간(Tspan)내에 측정된 기준전압값 재설정의 현재 설정시점(Tp)와 전시점(Tp-1)의 시간 차이만큼을 연산하여 그 측정된 시간차이값(Tdef)의 2내지 6배수에 해당하는 시간을 충전 만료시간을 설정하는 충전만료시간 설정단계,

상기한 충전만료시간 설정단계에서 충전만료시간이 설정되었음에도 규정시간(Tspan)의 범위안에서 상기한 기준전압값 재설정단계가 2회이상 반복되는 경우 다시 현재 설정시점(Tp)과 전시점(Tp-1)의 시간 차이만큼을 연산하여 그 측정된 시간차이값(Tdef)의 2 내지 6배수에 해당하는 시간을 충전 만료시간을 다시 설정하는 충전만료시간 재설정단계,

상기한 충전만료시간의 재설정을 반복하며, 규정시간(Tspan)의 범위안에서 상기한 기준전압값 재설정단계가 2회이상 반복되지 않으면 최종 설정된 충전만료시간이 경과하는 것을 비교연산하여 충전만료시간 경과시 충전을 종료하도록 출력스위치부에 대한 오프신호로 전원공급을 차단하는 동시에 육안식별부에 만충전완료신호를 출력토록 하는 충전완료단계로 구성하는 것을 특징으로 하는 소형 충전밧데리용 충전기의 충전방법으로 구성된다.

충전만료 시간 재설정은 2배보다 적게 설정하면 충전만료 시점이 너무 일찍 발생하여 만충전이 되지 못하며, 6배보다 많게 하면 실제 만충전이 되고나서도 충전 동작이 계속되어 과충전에 의한 밧데리 발열 등으로 밧데리 열화의 문제점이 발생한다.

본 발명에서 상기한 기준전압재설정단계에서 피충전밧데리의 현재전압을 측정하는 측정주기(Ti)는 2초 내지 3초로 한다. 이 측정주기는 짧을수록 보다 정밀하고 정확한 충전 상태의 파악이 가능하지만 그만큼 충전시간이 연장되기 때문에 2초미만으로 하는 경우 사실상 2초 내지 3초로 할 때와 별단의 효과는 없다.

본 발명의 또 다른 특징으로 기준전압재설정단계에서 1디지트값(dt)이 2.5 내지 5mV으로 설정하는 것이다. 즉 일정 조건하에 n회 이상 측정값이 상승값을 기록하는 경우 종래 설정된 기준전압값에 대하여 상기한 전압값만큼 상승한 것으로 기준전압값을 재설정하여 준다.

본 발명에서 n회 이상은 바람직하게는 5 내지 15회이며, 실제 측정하여 실험한 결과로는 8 내지 12회 정도의 범위로 설정하여 주는 것이 가장 최적의 효과를 보여주었다. 이는 도 8에 도시하듯이 잡음신호값과 정상신호값의 사이에 1디지트 값(dt)이 적어도 5개 내지 10여 개가 포함되어 질 정도로 심하게 발생하기 때문에 이 측정값을 이와 같이 설정하는 것이다.

본 발명에서 기준전압값재설정단계에서 변동기준전압값(N△V)이란 도 7과 같이 충전동작이 이루어지면서 기준이 되는 충전 곡선으로 실제로는 도 8과 같이 측정되는 값은 잡음신호와 정상신호가 함께 검출되어지게 되므로 이들을 그대로 적용하여서는 적절한 기준값을 산출할 수 없다. 따라서 본 발명은 이들 신호를 기준전압값재설정단계에 설명하듯이 일정한 일정시간의 주기(Ti)로 측정하여, 그 측정결과값이 상승값으로 모두 표시된경우에 한하여 하나의 digit(dt)만큼 기준전압값을 상승시켜주었다. 따라서 중간에 발생하는 잡음신호에 의한 측정신호의 요동변화를 충분히 상쇄시켜 기준전압값을 피충전 밧데리의 충전 상태에 따라 정확하게 측정하여 설정하게 하였다.

본 발명의 충전 만료시간 재설정단계란 도 9 에 도시하듯이 충전이 어느 정도 진행이 되면 밧데리전압이 급상승하는 단계로 되며, 그 단계가 바로 원형으로 포괄시킨 A부분에 해당된다. 이 충전 시점에서는 피충전 밧데리의 충전 전압이 급상승하므로 결국 상기한 기준 전압값재설정단계에서 측정되는 기준전압값의 재설정 시간이 급격하게 단축되어지는 특성을 보인다. 본 발명은 이러한 특성이 모든 밧데리에 동일하게 발생하고 그 시점에서 측정되는 재설정 회수가 일정시간안에 2회이상 측정된 경우 이 측정 시점을 기준으로 만충전 완료시간을 최대충전허용전압(Vmax), 충전목표전압(Vf), 기본전압강하값(-ΔV), 만충전완료시간(T), 최대충전허용시간(Tmax)와 같은 값을 측정하지않고 스스로 설정하도록 한 것이다. 그결과 위와 같은 측정 기준값이 밧데리별로 변화하고, 오류가 발생할 염려없이 정확한 만충전 시점에 충전이 종료될 수 있게 한 것이다. 특히 충전 최종단계에서 발생되는 열을 20%이상 낮추게 되어 밧데리 수명연장과 함께 충전특성을 크게 향상시키게 되었다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기한 충전 만료시간 재설정단계에 있어서, 종래의 경우 규정시간(Tspan)을 대개 4분 내지 8분으로 설정한 고정값을 부여하도록 하는 대신에 규정시간을 8분에서부터 40분까지 가변적으로 변화하도록 하였다.

규정시간(Tspan)을 일정하게 고정하는 경우 낮은 전류로 충전하는 경우( 즉, 밧데리 충전부에 거치(据置)되는 밧데리의 수가 1, 2 개의 셀일 경우)라면 별 문제가 없으나 3, 4 개의 셀이 거치되어 충전동작이 이루어지는 경우에는 충전전류가 그 거치된 밧데리의 수 만큼 낮아지므로 종래의 규정시간(Tspan)의 동작이 불확실하고, 충전전압상승값도 매우 완만하게 진행된다.

이러한 고정된 값은 충전되는 밧데리의 종류나 숫자가 일정할 경우에는 아무 문제가 없으나 충전될 밧데리의 거치숫자가 변화하면 그 숫자만큼 측정되는 전압값이 변화하므로 일정한 값으로 고정되는 경우 충전이 완벽하게 이루어 지지 않는 경우가 종종 발생하였다, 그러나 측정전압변동값(Vd)도 거치된 밧데리의 수가 1,2 개에서 3,4 개로 증가하면 그 측정전압값도 낮아지게 되므로 전압변동도 심하게 되면서 실제 고정된 규정시간으로는 충분한 충전이 이루어지지 못하는 경우가 많았다.

본 발명은 이러한 문제를 없애기 위하여 충전시간이 경과하면서 총 충전시간 의 20 내지 30%가 경과하며, 기존에 설정된 표준규정시간(STspan)을 변화하도록 하였다. 보다 구체적으로는 하기 식 Ⅰ과 Ⅱ에 의하여 규정시간을 변화하도록 하였다. 하기 식에서 식 Ⅰ)은 밧데리충전부에서 측정되는 전압이 1.4V보다 작은 경우에 해당하며, 1.4V 보다 큰 경우에는 식 Ⅱ)가 적용된다.

식 Ⅰ)

STspan +

(STspan_{1 /2} + STspan_{1 /4})

식 Ⅱ)

STspan +

STspan_1/4

(위 식에서

STspan은 새로운 연산이 되기 전 기존에 설정된 표준규정시간이며,

STspan_{1 /2} 은 3 내지 5 분의 범위이며, STspan_{1 /4} 1 내지 3분의 범위를 갖으며,

T 는 남은 전체 충전시간, T_{1 /2} 는 남은 충전시간의 40 내지 60%의 시간,

STspan_{1 /2} 는 STspan의 절반 값이다.)

구체적으로 예를 들면 남은 충전시간이 7시간인 경우, 위 밧데리 전압이 1.4V이하에서는 초기 STspan을 8분으로 설정할 수 있으며, 나머지 STspan_{1 /2} 과 STspan_1/4 은 4분과 2분으로 설정되어 진다. 이렇게 하여 약 28 내지 32분 정도가 되며, 밧데리 전압이 1.4V 이상이라면 24분 정도가 된다.

본 발명의 또 다른 특징으로는 도 11에 도시하듯이 충전개시단계에서 피충전밧데리의 전압측정값이 만충전전압값에 근접한 만충전예정값(Vs1)까지 상승되어 측정이 된 경우이다. 이러한 경우는 이미 위에 기재하듯이 전압값이 최저전압값(Vs)이상이고, 충전 경과시간이 최소시간(tn)이상인 경우에만 기준전압값을 재설정하도록 하는 것을 기준전압값재설정단계을 충족하는 동시에 이 범위내에서 규정시간(Tspan)의 범위안에서 상기한 기준전압값 재설정단계가 2회 이상 반복되어 측정되어진다. 따라서 이러한 경우에는 위의 경우와 동일하게 시간차이값(Tdef)의 2 내지 6배수에 해당하는 시간을 충전 만료시간을 설정하여 충전을 조기에 종료하는 것이다.

도 11과 같은 경우는 사용자가 현재 충전하고자 하는 밧데리가 이미 충전이 된 것이거나 혹은 방전이 거의 되지않는 상태의 것을 모르고 충전기에 장착하고 충전을 시도하는 경우로,이러한 경우에는 이미 충전이 된 것이므로 불필요하게 충전동작을 할 필요없이 조기에 종료하여 밧데리의 손상을 막고 충전기를 보호하도록 한다.

본 발명은 기존에 최대충전허용전압(Vmax), 충전목표전압(Vf), 기본전압강하값(-ΔV), 만충전완료시간(T), 최대충전허용시간(Tmax)등의 밧데리만충전을 판단하 는 기준값들에 기초하여 밧데리의 충전완료 여부를 판단한 방식이 갖는 충전이 충분히 되지 못하며, 특히, 밧데리가 다종 다양하게 생산되면서 각 밧데리 생산자별로 독특한 충전특성이 있음에도 이들을 모두 만족할 만한 충전기가 없었다.

그러나 본 발명은 마이크로 프로세서에 의한 펄스 신호에 의하여 충전 작동중 기존에 설정된 기본전압강하값(-ΔV)이나 온도변화와는 상관없이 항상 밧데리 충전 동작중 변동기준전압값(N△V)을 피충전 밧데리의 충전 상태에 따라 능동적으로 변화하여 설정토록 하였다. 따라서 밧데리가 용량별 생산자별 혹은 충전특성상 충전동작이 다르다 하여도 피충전 밧데리의 충전전압에 따라 변동기준전압값(N△V)이 설정되므로 에러의 발생위험성이 근본적으로 제거된 것이다.

더나아가서 본 발명은 만충전 판단을 위의 여러가지 기준값에 한정하여 획일적 판단이 아니라 최종 현재 설정시점(Tp)와 전시점(Tp-1)의 시간 차이만큼을 연산하여 그 측정된 시간차이값에 의하여 만료시점을 설정하므로 밧데리의 용량, 생산자별 특성등이 모두 다르다 하여도 아무런 지장이 없이 정확한 만료시점을 찾아낼 수 있어 만충전이 정확하게 이루어진다.

본 발명은 위와 같이 만충전 시점이 정확하게 되므로 만충전 시점 직전에 발생하는 고온의 현상을 없애주어 밧데리가 받는 고열에 의한 충격 그리고 충전기 소자에 대한 고열 충격등을 미연에 방지하고 쓸데없는 과충전등에 의한 에너지 소모등의 단점을 근본적으로 해결하게 되었다.

본 발명에 의하여 실제 밧데리를 설치하고 충전동작을 실험하여 충전곡선을 도시한 것은 아래 그림과 같다.

측정기기 : Yokogawa lr 4110 레코더

수평선 단위 1 구간 =10분, 수직선 단위 1구간의 전압범위 = 20mV로 설정하여 산요 2500 니켈수소 밧데리의 충전동작을 측정한 그래프

위 실측 그래프에 나타나듯이 일정시간이 경과하면 급격한 전압상승곡선을 보이며 이 상승곡선 경사부에서 규정시간(Tspan)이 계속 발생하는 것을 보여준다. 그리고 이 규정시간내에서 새로운 충전만료시간을 설정하여 나가는 과정을 실제 확인가능한 것이다.

상기한 그림은 기존에 흔히 사용하는 기본전압강하값(-ΔV)에 의하여 충전되는 상태를 도시한 그래프이다. 위 그래프에 나타타듯이 기본전압강하값(-ΔV)이 정확하게 나타난다 하여도 아래 갈색 곡선이 온도를 나타내는 곡선으로 충전 종료되기 전 에 이미 온도가 급격히 온도가 상승하는 것을 보여준다. 즉, 이미 충전이 되었지만 기본전압강하값(-ΔV)가 나타나기 전까지는 계속 충전전압이 공급되면서 불필요한 전압에 의한 에너지가 열로 환원되는 현상을 보여준다.

위의 그림은 밧데리의 특성상 기본전압강하값(-ΔV)가 나타나지 않는 경우이다. 즉, 충분히 전압이 상승하였음에도 불구하고 최종 만료시점을 지나고 나서도 기본전압강하값(-ΔV)가 측정되어야할 전압강하가 나타나지 않은 채 계속 고전압을 유지하므로 충전신호가 유지되어진다. 이런 경우 밧데리는 상당히 고온으로 상승하게 되고, 밧데리를 위시한 여러 소자들이 심각한 열화를 받아 본래의 수명을 다하지 못하고 폐기되어버린다.

본 발명은 특히 Tspan도 -ΔV과 함께 변화하여 양 측의 값을 비교 측정하여 정확한 충전 동작이 이루어 지게 되었다.

Claims (2)

1. 정류부로부터 공급된 전류를 출력전압조절부의 조절작동에 의하여 출력스위치부를 통하여 밧데리충전부에 거치된 밧데리에 충전토록하며 육안표시부와 사운드표시부로 현재 충전상태를 표시하며, 피충전밧데리의 전압을 검사하여 신호값이 기준으로 하는 최대충전허용전압(Vmax), 충전목표전압(Vf), 기본전압강하값(-ΔV), 만충전완료시간(T), 최대충전허용시간(Tmax)등의 밧데리만충전을 판단하는 기준값들과 매칭되는 경우 충전을 종료하도록 구성되는 소형 충전 밧데리용 충전장치에 있어서,

   밧데리충전부에 거치된 피충전밧데리의 전압이 충전초기전압(Vi)인 동시에 충전목표전압(V₀)보다 낮은 전압인 지를 검출하는 충전밧데리의 잔류전압측정단계,

   상기한 단계로 부터 피충전밧데리의 측정전압이 충전초기전압(Vi)보다 낮게 검출되거나 전압자체의 검출이 안되는 경우 밧데리 재생단계로 진행하며, 충전초기전압(Vi)과 충전목표전압(V₀)의 사이로 전압이 검출된 경우 마이크로프로세서(Mic)에서 출력전압조절부에 펄스형태의 출력신호를 주어 출력스위치부(Q1)(Q2)를 통하여 전원을 밧데리충전부(Bat)에 공급하도록 하는 충전개시단계,

   상기한 충전개시단계에 의하여 충전밧데리의 전압이 증가함에 따라 충전중인 피충전밧데리에 일정시간의 주기(Ti)로 피충전밧데리의 현재 전압값을 측정하되, 측정되어온 측정전압변동값(Vd)이 변동기준전압값(N△V)보다 큰 값으로 n(n은 5 내지 15임)회 이상 측정시 마이크로프로세서에서 설정한 1디지트값(dt)만큼 변동기준전압값(N△V)을 상승시켜 기준전압값을 상승시켜주는 기준전압값 재설정단계,

   상기한 기준전압값 재설정단계를 진행하면서 계속 충전하면서 규정시간(Tspan)의 범위안에서 상기한 기준전압값 재설정단계가 2회이상 반복되는 경우 규정시간(Tspan)내에 측정된 기준전압값 재설정의 현재 설정시점(Tp)와 전시점(Tp-1)의 시간 차이만큼을 연산하여 그 측정된 시간차이값(Tdef)의 2 내지 6배수에 해당하는 시간을 충전 만료시간으로 설정하는 충전만료시간 설정단계,

   상기한 충전만료시간 설정단계에서 충전만료시간이 설정되었음에도 규정시간(Tspan)의 범위안에서 상기한 기준전압값 재설정단계가 2회이상 반복되는 경우 다시 현재 설정시점(Tp)와 전시점(Tp-1)의 시간 차이만큼을 연산하여 그 측정된 시간차이값(Tdef)의 3내지 6배수에 해당하는 시간을 충전 만료시간을 다시 설정하는 충전만료시간 재설정단계,

   최대충전허용시간(Tmax)의 20 내지 30%가 경과하면 밧데리충전부에서 측정되어오는 전압이 1.4V 보다 작은 경우에는 하기 식 Ⅰ을, 1.4V 보다 큰 경우에는 하기식 Ⅱ에 의하여 규정시간을 재설정하는 단계,

   상기한 충전만료시간의 재설정을 반복하며, 규정시간(Tspan)의 범위안에서 상기한 기준전압값 재설정단계가 2회 이상 반복되지 않으면 최종 설정된 충전만료시간이 경과하는 것을 비교연산하여 충전만료시간 경과시 충전을 종료하도록 출력스위치부에 대한 오프신호로 전원공급을 차단하는 동시에 육안식별부에 만충전완료신호를 출력토록 하는 충전완료단계로 구성하는 것을 특징으로 하는 소형 충전밧데리용 충전기의 충전방법.

   식 Ⅰ)

   STspan +

   

   (STspan_1/2 + STspan_1/4)

   식 Ⅱ)

   STspan +

   

   STspan_1/4

   (위 식에서

   STspan은 새로운 연산이 되기 전 기존에 설정된 표준규정시간이며,

   STspan_1/2 은 3 내지 5 분의 범위이며, STspan_1/4 1 내지 3분의 범위를 갖으며,

   T 는 남은 전체 충전시간, T_1/2 는 남은 충전시간의 40 내지 60%의 시간,

   STspan_1/2 는 STspan의 절반 값이다.)
2. 외부교류전원을 충전가능한 전원으로 변압시켜 공급하는 변압부, 충전입출력제어와 표시부들에 대한 제어를 하는마이크로프로세서, 밧데리충전부 그리고 충전상태를 육안식별가능하게하는 표시부로 구성되는 소형 배터리 충전기에 있어서

   변압부(T1)의 양단부에 정류부(C0)를 배치하면서, 이 정류부와 연결되기 직전에 분지부(C)에 의하여 배압정류부(MC)로 연결토록 하며,

   상기한 배압정류부는 정방향다이오드(C2)와 역방향 다이오드(C3)로 연결되면서 정방향다이오드에는 콘덴서(C4)를 연결하여 공급된 전원을 정전압부(V2)에 의하여 마이크로프로세서(Mic)에 공급하며,

   상기한 마이크로프로세서의 출력포트(P1)에 의하여 출력스위치부(Q1)(Q2)과 표시부(LD1)의 온오프신호를 출력하도록 하는 것을 특징으로 하는 소형충전 밧데리용 충전기.

Images