KR20010079839A - 니켈-카드뮴 배터리에 있어서 메모리 효과를 검출하기위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 니켈 카드뮴(NiCd)배터리(24)에 메모리 효과가 유도되었는지를 시간을 절약하면서 결정하는 방법을 제공한다. 테스트하에서 완전 충전된 NiCd 배터리("테스트 배터리")에는, 계속적으로 배터리 터미날 전압(44)를 모니터링하면서, 양의 기울기를 갖는 전류 공급 램프(42)를 적용한 다음 음의 기울기를 갖는 전류 공급 램프(46)를 적용한다. 그 테스트 배터리(24)의 최대 측정 전압을, 같은 공칭 전압 및 용량을 갖고 메모리 효과를 갖지 않는 것으로 알려진 NiCd 배터리("표준"배터리)의 측정 터미날 전압(44)과 비교한다. 만약, 테스트 배터리의 최대 전압이 표준 배터리의 최대 전압을 초과하면, NiCd 배터리는 메모리 효과를 갖는 것으로 결정한다.

Description

니켈-카드뮴 배터리에 있어서 메모리 효과를 검출하기 위한 장치 및 방법{Apparatus And Method For Detecting Memory Effect In Nickel-Cadmium Batteries}

니켈-카드뮴 배터리들은 흔히 메모리 효과라는 현상을 겪는다.

상기 메모리 효과는 전기적 특성을 시간의 확대된 기간 동안 받기 쉬운 소정 듀티 사이클(duty cycle)로 조절하기 위한 배터리의 경향(tendency)이다.

[T.R. Crompton, Battery Reference Book, 2nd Edition, CHAPTER 19, page 11( Reed Educational Aand Professional Publishing, Ltd) 참조]

상기 배터리는 듀티 사이클을 넘겨 사용되는 경우에는 저전압에서 전력을 공급한다.

결과적으로, 이러한 저 전력 사용은 배터리로부터 이용 가능한 유용 에너지를 제한한다.

상기 메모리 효과는 서너 부분 방전사이클후에 배터리의 총 용량을 사용하기위해 시도할 때만 단지 실제 사용에서 인지되지만, 수용 전압을 갖는 배터리 사용시간은 부하(load)상태에서 저전압에 의해 제한된다.

지금까지, 니켈 카드뮴 배터리가 완전히 방전됨이 없이 메모리 효과가 유도(stricken)되는지 여부를 결정하는 방법은 없다.

따라서, 완전한 방전을 수행함이 없이 완전히 충전된 니켈 카드뮴 배터리에 에서 메모리 효과를 검출할 필요가 있다.

본 발명은 재충전가능한 배터리(rechargeable battery)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메모리 효과에 대하여 니켈 카드뮴 배터리들을 분석하는 것에 관한 것이다.

도 1은 배터리 충전 및 분석회로의 개략도

도 2는 배터리 충전동안의 전압 및 전류곡선을 나타내는 그래프

도 3a는 본 발명의 평가 사이클에서의 전압 및 전류곡선을 나타내는 그래프

도 3b는 다른 전류충전곡선

도 4는 20Ah NiCd 배터리의 다수의 평가 사이클의 결과를 나타내는 그래프

도 5는 20 Ah 메모리 효과 배터리 및 표준 배터리에 대한 최대 충전전류를 나타내는 그래프

도 6은 10Ah NiCd 배터리의 다수의 평가 사이클의 결과를 나타내는 그래프

도 7은 10Ah 메모리 효과 배터리 및 표준 배터리에 대한 최대 충전전류를 나타내는 그래프

본 발명은 니켈 카드뮴(NiCd)배터리가 메모리 효과를 유도하는지 여부를 결정하는 시간절약방법을 제공한다.

시험상태의 완전히 충전된 NiCd 배터리(시험 배터리)는 배터리 터미날 전압을 연속적으로 모니터링하면서 양의 기울기를 갖는 전류 전하 램프를 적용받은 다음, 음의 기울기를 갖는 전류 전하 램프를 적용받는다.

시험 배터리의 최대 측정 터미날 전압은 동일한 공칭 전압 및 용량을 갖고 메모리효과를 갖는 것으로 알려져 있지 않는 NiCd 배터리[표준 배터리(normal battery )의 측정터미날전압(동일한 전류 챠지 램프 및 전압측정을 수행한 것임)과 비교된다.

NiCd 배터리는 시험 배터리의 최대 전압이 표준 배터리의 최대 전압을 초과하면 메모리 효과를 갖는 것으로 결정된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

예시적인 충전 시스템이 도 1에 나타나 있다.

NiCd 배터리 충전 시스템(10)은, 내셔날 인스트로먼트 SCXI 데이타 취득 시스템과 같은 데이타 취득 시스템(14)을 수반하는 마이크로프로세서(12)를 포함한다. 상기 데이타 취득 시스템(14)의 구성 성분들로는, 랩뷰4.0 소프트웨어, 디지탈-아날로그 변환기와 아날로그-디지탈 변환기를 갖는 내셔널 인스트로먼트 신호조절 시스템과 같은 신호조절 유닛, 그리고 열전쌍 모듈이 있다.

또한 시스템(10)은 프로그램가능 전원장치(16), 릴레이(18), 전류측정용 50A,50mV 분류기(20), 온도측정용 열전쌍(21), 이 경우 24V NiCd 배터리하에서의 테스트유닛(22), 및 전원장치 보호용 다이오드(24)를 포함한다.

작동시, 마이크로프로세서는, 랩뷰4.0을 이용하여 전원장치(16)의 전류 출력을 제어하고, 배터리(22)를 전기적으로 연결/단절시키는 릴레이(18)를 닫음/오픈하도록 프로그램된다. 상기 마이크로프로세서(12)는 데이타 취득 하드웨어에 의해 얻은 전압, 전류 및 온도 데이타를 저장한다.

충전 시스템(10)에 부착하자 마자, 배터리(22)는 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이, 완전 용량, 즉 100% 챠지상태로 충전된다.

이것은 정전류(constant cerrent)(26)을 배터리에 적용함에 의해 행해진다. 배터리가 이러한 정전류전하를 받게됨에 따라, 전압은 세가지 상, 즉, 시간 구간 28에 표시된 바와 같이, 충전 반응을 나타내는 점진적인 전압상승, 시간 구간 30에 표시된 바와 같이, 가스반응의 개시를 나타내는 급격한 전압상승, 및 시간구간 32에 표시된 바와 같이, 가스반응과 충전반응을 동시에 나타내는 플래토구역(plateau region)을 통과한다.

시간구간 28동안, 배터리 전압은, 배터리로 전달되는 누적 전하(charge)가 배터리 충전 용량의 약 80~90%로 될 때까지 점진적으로 상승한다. 이 점에서, 배터리의 용량의 적어도 73%는 방전에 의해 일반적으로 이용가능하다. 또한 시간구간 30동안 충전할 때는, 배터리가 충전공정의 종점을 향해 가스를 방출하기 시작하면서 배터리 전압은 급격히 증가한다. 상기 배터리 전압은, 배터리가 시간구간 32의 종점에서 완전히 충전될 때까지 안정화하려는 경향이 있다. 시간구간 34에서, 배터리 전압은 전하의 과충전부(overcharge portion)에서 점진적으로 감소한다. 과충전시 15mV의 감소가 감지된 후, 전류의 공급은 36지점에서 종료되고 배터리는 오픈 회로인 시간구간 38로 유지되어 완전히 충전된다.

배터리(22)가 온도 및 오픈 회로 전압의 측면에서 안정화된 상태로 된 후, 도 3a에 나타난 바와 같이 평가 싸이클(evaluation cycle)이 적용된다. 테스트 싸이클을 시작하기 전, 안전 전압 및 전류 한계는 배터리 제조자에 의해 발표된 배터리특성들로부터 설정된다. 이 평가 싸이클 동안, 증가하는 충전전류(42)는 배터리에 적용된다. 바람직하게는, 상기 충전전류는 0에서 시작되어, 충전 시스템이 출력할 수 있는 최대 전류 또는 정의된 안전 배터리 전압 및 전류 한계 중 어느 것이든 보다 낮은 값까지 선형적으로 증가하는 것이다. 실제 실행에서, 충전 전류(charge current)는 프로그램된 값에 비해 전원장치의 출력 지체시간(lag time)으로 인해 도 3a에 나타난 바와 같이 될 것이다. 이 증가하는 전류 전하는, 그것이 공지의 시간 함수로 증가하는 한 선형일 필요는 없다. 한편, 도 3b에 나타난 바와 같이, 램프 테스트동안 증가하는 전류 진폭을 갖는 연속펄스를 사용할 수도 있다.

그 다음, 상기 전류 램프는, 전류가 0에 도달할 때까지 어떠한 음의 기울기(46)로 감소된다. 바람직하게는, 상기 감소하는 전류의 기울기가 전류(42)와 같은 기울기이면 좋다. 전류상태(42) 및 (46)동안, 배터리 터미널 전압(44)은 계속적으로 측정 및 기록된다.

최대 측정 테스트 배터리 전압은 측정되고 동일한 전류램프테스트를 받는 표준배터리의 최대측정전압과 비교된다.

메모리 효과를 갖는 NiCd 배터리는 표준배터리상에서 측정된 최대값보다 더 높은 전류램프사이클동안 44에서 측정된 최대전압을 경험하게 된다.

메모리 효과를 평가하기 위한 다른 방법은 전류전하램프사이클중 배터리 전압곡선의 기울기를 조사하는 것이다.

우리는 배터리가 메모리 효과를 유도할 때 배터리 전압곡선이 보다 격한 기울기를 나타낸다는 것을 증명하였다.

메모리 효과를 측정하기 위한 또 다른 방법은 전류전하램프 사이클에서 최대 전압에 도달하는데 요구되는 최대전류를 측정하는 것이다.

우리는 메모리 효과를 받은 배터리에 대한 최대 전류는 표준 배터리 것 보다 낮다는 것을 입증하였다.

실시예 1

20Ah, 24V NiCd 배터리를 상기한 방법론을 사용하여 완전히 충전시킨 다음, 배터리의 용량을 측정하기 위하여 완전히 방전시켰다.

방전동안에, 정전류는 배터리 전압이 이러한 목적을 위하여 임의 값인 18.05V 에 도달될 때 까지 배터리로부터 빠져나간다.

배터리의 용량은 배터리로부터 빠져나간 전류와 18.05V에 도달되는데 요구되는 시간을 곱하므로써 구해진다.

3번의 충전/방전 사이클를 완료하고, 평균 배터리 용량을 구하였다.

다음에, 배터리를 충전의 50%상태로 방전하는데 걸리는 시간을 배터리의 평균용량으로부터 측정한다.

배터리는 배터리를 충전의 50%상태로 방전하고 다음에 도 2에 나타난 상기 절차에 의해 충분한 용량으로 재충전하므로써 다섯 번 사이클을 적용시켰다.

각각의 재충전사이클후에, 배터리는 전류전하램프테스트(도 3)를 받았다.

램프 사이클를 위해 사용된 전류 기울기는 500밀리세컨드(millsesond) 마다 (every) 0.22A스텝(step)이었다

시험은 27.55V의 전압한계 및 30A의 전류한계로 수행되었다.

다음에, 상기 20Ah 배터리는 제 6의 50%듀티 사이클을 적용받고, 이 때 배터리는 메모리 효과 배터리의 특성을 갖는다.

다음에, 18.05V로 왼전히 방전된 배터리를 재생(reconditioned)하였다.

도 4에 의하면, 곡선 50은 전류는 전류전하램프테스트(current charge ramp test)동안에 메모리 효과를 받은 배터리의 거동을 나타낸다.

배터리는 상기한 바와 같이 다섯 번의 50% 듀티 사이클을 받을 때 메모리 효과가 발생하였다.

곡선 52 및 곡선 54는 메모리 효과를 유도하기 전과 메모리 효과를 측정하기 위해 배터리를 재생한 후의 배터리 전압거동을 각각 나타낸다.

곡선 50의 기울기는 곡선 52 및 54의 기울기 보다 급격하다는 것을 알 수 있다.

게다가. 메모리 효과를 갖는 배터리는 램프 사이클 동안에 최대 28.4V 전압을 갖는 반면에, 배터리의 초기 및 재생된 상태는 27.9V보다 작은 피크 전압을 나타낸다는 것이 입증되었다.

또한, 중요한 것은 메모리 효과를 유도하기 위하여 배터리가 반복되는 50%듀티 사이클을 받는 경우 피크 전압이 각각의 연속 전류전하 램프사이클동안에 증가한다는 것을 나타내는 것이다.

도 5는 전류램프 사이클동안에 전류전하크기의 변화를 나타낸다.

배터리는 초기, 메모리 효과, 및 재생상태에서 27.55V의 전압한계를 갖는 전류전하 램프 사이클을 적용받는다.

최대 전압에 이르면, 전류 램프의 기울기는 방향이 변화하게 될 것이다(도 3). 측정된 배터리 터미날 전압이 메모리 효과 상태에서 보다 빠르게 증가하기 때문에, 전압한계는 보다 빠르게 도달된다.

따라서, 이것은 배터리에 메모리효과가 있을 때 램프 테스트 동안 최대전류를 제한한다.

도 5에 나타난 바와 같이, 메모리 효과 배터리는 배터리의 초기 및 재생 상태에서의 최대 전류 전하(각각 곡선 72 및 74) 와 비교하여 가장 작은 최대 전하 전류 최대값[곡선(70)]을 갖는다.

실시예 2

10Ah NiCd 배터리에 대하여 동일한 절차 및 테스트를 행하였다.

도 6에 따르면, 곡선 60은 10Ah 메모리 효과 배터리가 시간상으로 보다 일찍 전압상승을 가져오고 그리고 또한 초기 전압곡선 62 보다 더 급격한 기울기를 나타낸다는 것을 알 수 있다.

또한, 테스트하에서 메모리 효과를 받은 배터리는 램프 테스트 동안에 28.2V의 최대 전압을 갖는 반면에, 초기 및 재생된 배터리 상태는 28.0V보다 작은 피크 전압을 나타냄을 알 수 있다.

도 7은 메모리 효과 배터리가 초기 배터리 상태(곡선 82)에 비하여 램프 사이클동안의 보다 작은 최대전류값(곡선 80)에 도달한다는 것을 나타낸다.

램프 테스트 사이클동안 시스템에 부과되는 안전 전압 및 전류한계가 배터리 전압에 주요하게 영향을 준다.

따라서, 중요한 것은 니켈 카드뮴 배터리에 대하여 소정 범위내에서 다른 값들에서 이들 한계를 세팅할 수 있고 그리고 다른 보정곡선(calibration curve)들을 만들수 있다는 것을 아는 것이다.

그 용량이 측정되어야 하는 배터리가 보정곡선을 측정하기 위하여 사용되는 배터리와 동일한 조건을 적용받는 한, 그 결과는 개시된 것을 되풀이하게 된다.

예를 들면, 니켈-카드뮴 배터리에 대한 안전전압한계는 셀당1.3에서 1.65볼트의 범위내에서 세팅될 수 있다.

상기한 특정 실시예들은 본 발명의 원리의 단지 예시이고, 그리고 다양한 변경이 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위및 사상을 벗어남이 없이 당업자에 의해 만들어 질 수 있다.

본 발명은 니켈 카드뮴(NiCd)배터리가 메모리 효과를 유도하는지 여부를 결정하는데 적절히 이용될 수 있는 것이다.

Claims (10)

1. 완전히 충전된 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성(memory effect electrical property)를 갖는지 여부를 결정하는 방법에 있어서,

   a). 배터리를 증가하는 전류전하(increasing current charge)에 적용한 다음, 감소하는 전류전하(decreasing current charge)에 적용하는 단계;

   b). 상기 a) 단계동안에 배터리 터미날 전압을 측정하는 단계; 및

   c). 최대 전압과 초기 값(threshold value)을 비교하여 단계를 포함하여 최대 전압이 상기 초기 값보다 크면 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는 것으로 결정하도록 구성되는 충전 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성를 갖는지 여부를 결정하는 방법
2. 제1항에 있어서, 상기 증가하는 전류전하는 시간의 함수로서 증가하는 것을 특징으로 하는 방법
3. 제 1항에 있어서, 상기 증가하는 전류전하는, 각각 그 다음의 전류 펄스가 선행 전류 펄스보다 높은 전류 크기를 갖는 전류펄스(current pulse)인 것을 특징으로 하는 방법
4. 제1항에 있어서, 상기 감소하는 전류전하는, 상기 증가하는 전류전하와 같은정도이지만 음의 비율로 감소하는 것을 특징으로 하는 방법
5. 제 1항에 있어서, 상기 감소하는 전류전하는, 각각 그 다음의 전류 펄스가 선행 전류 펄스보다 낮은 전류 크기를 갖는 전류펄스인 것을 특징으로 하는 방법
6. 제2항에 있어서, 상기 전류전하의 속도(rate)는 0.22A/500밀리세컨드 스텝(milisecond step)인 것을 특징으로 하는 방법
7. 제1의 충전니켈 카드뮴 배터리가 전기적 특성을 조절하는지를 결정하는 방법에 있어서,

   a). 배터리를 증가하는 전류전하를 적용한 다음, 감소하는 전류전하를 적용하는 단계;

   b). 메모리 효과 전기적 특성 없이 제2의 완전히 충전된 니켈 카드뮴 배터리를 증가하는 전류전하에 적용한 다음, 감소하는 전류전하에 적용하는 단계;

   c). 상기 a) 및 b) 단계동안에 제1 및 제2 배터리 터미날 전압을 측정하는 단계; 및

   d). 제1 배터리와 제2 배터리의 최대 전압을 비교하는 단계를 포함하여 제1 배터리의 최대 전압이 제2 배터리의 최대값보다 크면 제1 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는 것으로 결정하도록 구성되는 충전니켈 카드뮴 배터리가 전기적 특성을 조절하는지를 결정하는 방법
8. 완전히 충전된 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는지 여부를 결정하는 장치에 있어서

   a). 배터리에 적용되는 증가하는 전류 전하를 생성하는 전류 수단;

   b). 증가하는 전류 전하다음에 적용되는 감소하는 전류 전하를 생성하는 전류 수단;

   c). 전류전하의 적용중에 배터리 터미날 전압을 감지하기 위한 전압감지수단; 및

   d). 최대 배터리 전압과 초기 값을 비교하기 위한 비교수단을 포함하여

   최대 전압이 상기 초기 값보다 크면 배터리가 메모리 효과 특성을 갖는 것으로 결정하도록 구성되는 충전 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는지 여부를 결정하는 장치
9. 완전히 충전된 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는지 여부를 결정하는 방법에 있어서

   a). 상기 배터리를 증가하는 전류전하에 적용한 다음, 감소하는 전류전하에 적용하는 단계;

   b). 상기 a) 단계동안에 배터리 터미날 전압을 측정하고, 그리고 시간과 함께 측정된 전압의 변화율을 측정하는 단계; 및

   c). 측정된 전압의 변화율과 초기 값(threshold value)을 비교하는 단계를포함하여 측정된 전압 변화율이 상기 초기 값보다 크면 배터리가 전기적 메모리 효과 특성을 갖는 것으로 결정하도록 구성되는 충전 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는지 여부를 결정하는 방법
10. 주어진 공칭전압정격(given nominal voltage rating)을 갖는 완전히 충전된 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는지 여부를 결정하는 방법에 있어서

    a). 배터리 공칭 전압이 공칭전압정격보다 큰 선정된 값에 도달될 때 까지 상기 배터리를 증가하는 전류전하에 적용한 다음, 감소하는 전류전하에 적용하는 단계;

    b). 상기 a) 단계동안 전류크기를 측정하는 단계; 및

    c). 전류크기와 초기 값을 비교하는 단계를 포함하여 측정된 전류크기가 상기 초기 값보다 작으면 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는 것으로 결정하도록 구성되는 충전 니켈 카드뮴 배터리가 메모리 효과 전기적 특성을 갖는지 여부를 결정하는 방법