KR20060060519A - 2차 전지의 충전장치 - Google Patents

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Abstract

2차 전지의 종류나 사이즈 등에 관계없이 어떠한 2차 전지라도 충전률이 약 100%가 되도록 충전할 수 있는 2차 전지의 충전장치를 제공하는 것을 목적으로 하며, 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 낮은 최저 체크 전압값으로부터 소정 분할폭의 전압값으로 체크 전압값을 증가시켜 가는 전압값 증분장치와, 충전 전압을 소정의 충전 인가 전압값 또는 체크 전압값으로 절환하는 절환 스위치(58)와, 전류검출부(46)에 의해 검출된 전류값이 판정 기준값 이하가 되었는지 아닌지를 판정하는 제 1판정수단과, 제 1판정수단에 의한 전회(前回)의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 2배를 넘었는지 아닌지를 판정하는 제 2판정수단을 포함하는 2차 전지의 충전장치(1)를 제공한다.

Description

2차 전지의 충전장치{secondary battery charger}
본 발명은 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 금속 전지, 납축전지 등의 2차 전지를 충전하기 위한 충전장치에 관한 것이다.
2차 전지의 충전에 있어서는, 충전 과정 중에 2차 전지가 갖는 축전 용량에 대해 어느 정도까지 충전되어 있는가를 아는 것이 중요하다.
그러나, 종래에는 이것을 알 수 있는 기술이 없었으며, 종래의 2차 전지 충전장치는 2차 전지 내에서 발생하는 이상 현상(온도 상승, -ΔV 특성 등)을 검출함으로써, 2차 전지의 충전을 정지하고 있다(예를 들어, 특허문헌 1참조).
하지만, 이와 같은 충전 방법에서는 2차 전지가 과도하게 충전되어 충전/방전의 반복에 필요한 2차 전지의 내부 구조에 결함이 생기며, 그 결과 2차 전지의 사이클 수명이 줄어든다는 문제점이 있었다.
그래서, 이와 같은 문제점에 착안하여 본 출원과 동일한 출원인에 의해, 2차 전지가 완전히 충전된 상태(충전률이 100%인 상태)에 도달했는지를 정기적으로 체크하면서, 2차 전지의 내부 구조에 손상을 입히지 않으며 적절히 그리고 급속하게 충전할 수 있는 2차 전지의 충전장치가 발명되어 있다(특허문헌 2참조).
이 2차 전지의 충전장치는 2차 전지에 대전류를 흘려주는 주충전(主充電)과 2차 전지의 완전 충전 상태 체크를 교대로 반복하면서 2차 전지를 충전하고 있다.
주충전에서는, 2차 전지에 완전 충전 평형 전압값(완전 충전 상태(충전률이 100%)의 2차 전지 양극과 가변 전원의 양극을 접속하고, 이 2차 전지의 음극과 가변 전원의 음극을 접속해서, 이 2차 전지와 가변 전원의 사이에 전류 검출계를 개재한 회로를 만들고, 이 전류 검출계에 의한 검출 전류가 ±0mA가 되도록 가변 전원을 조정했을 때에, 이 가변 전원으로부터 공급되는 전압값과 평형을 이루는 2차 전지의 기전력)보다도 높은 소정의 충전 인가 전압값(충전률이 약 0%인 2차 전지에 전압을 인가해서 인가 전압을 상승시켜갈 때에, 이 인가 전압에 대한 충전 전류의 증가률이 감소해 가고, 충전 전류가 상승하지 않았을 때의 불가역 화학반응 영역 외의 전류 피크값에 대응하는 소정의 충전 인가 전압값)을 소정 시간 인가해서 2차 전지를 충전한다.
또한, 2차 전지의 완전 충전 상태 체크에서는, 2차 전지에 완전 충전 평형 전압값을 미소(微小) 시간 인가하고 있는 동안에, 2차 전지에 흐르고 있는 전류값을 검출하고, 이 전류값과 충전 완료 판정 기준값을 비교해서, 2차 전지가 완전 충전 상태에 도달했는지 아닌지를 체크한다.
그래서, 검출된 전류값이 충전 완료 판정 기준값보다 클 경우에는 2차 전지가 아직 완전 충전 상태에 도달해 있지 않다고 판정해서 다시 주충전을 실시하는 한편, 검출된 전류값이 충전 완료 판정 기준값 이하일 경우에는 2차 전지가 완전 충전 상태에 도달했다고 판정해서, 여기서 2차 전지의 충전을 정지하고 있다.
　　[특허 문헌 1]　일본 특개평 8-9563호 공보
　　[특허 문헌 2]　일본 특허 제3430439호 공보
이상과 같이, 특허 문헌 2에 개시되어 있는 충전장치는 정기적으로 2차 전지에 완전 충전 평형 전압값을 인가해서 2차 전지의 충전률이 100%에 도달해 있는지아닌지를 체크하면서 2차 전지를 충전하고 있지만, 다음과 같은 이유로 인해 동일한 종류(예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 금속 전지 등)이며 동일한 사이즈(예를 들면, AA형이나 AAA형 등)의 2차 전지라도, 충전률이 100%에 도달하지 않는 것이 있다는 것을 나중에 알았다.
그 이유는 동일한 종류와 사이즈의 2차 전지라도 제조사의 차이, 기종의 차이, 사용 이력의 차이 등에 의해 그 축전 용량이나 완전 충전 평형 전압값이 미묘하게 다르며, 또한 외국에서 제조된 2차 전지 중에는 종류, 사이즈, 제조사, 기종 등이 완전히 동일하더라도 그 축전 용량이나 완전 충전 평형 전압값이 다른 것도 있다. 따라서, 특허 문헌 2에 개시되어 있는 충전장치로 동일 종류, 동일 사이즈의 2차 전지를 충전한 경우에, 그 2차 전지가 갖는 실제의 완전 충전 평형 전압값과, 충전장치에 설정되어 있는 완전 충전 평형 전압값이 미묘하게 달라서, 어느 2차 전지는 충전률이 90% 정도까지 밖에 충전되어 있지 않고, 어느 2차 전지에서는 충전률이 100% 이상으로 과충전되어 있는 경우도 있었다.
그래서, 본 발명에서는 상기와 같은 점에 착안하여 2차 전지의 종류나 사이즈 등에 관계 없이 어떠한 2차 전지라도 충전률이 약 100%가 되도록 충전할 수 있는 2차 전지의 충전장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
이상이 발명이 해결하고자 하는 과제이며, 이어서 이 과제를 해결하기 위한 수단을 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 제 1 태양의 2차 전지 충전장치는, 충전 대상이 되는 어떠한 종류의 2차 전지의 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 낮은 최저 체크 전압값으로부터 소정 분할폭의 전압값으로 체크 전압값을 증가시켜 가는 전압값 증분수단, 2차 전지에 충전 대상이 되는 어떠한 종류의 2차 전지의 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 높지만, 불가역 화학반응 영역에는 도달하지 않는 소정의 충전 인가 전압값을 공급하는 충전 전압 공급수단, 2차 전지에 인가하는 전압값을 상기 충전 전압 공급수단으로부터 공급되는 소정의 충전 인가 전압값, 또는 상기 전압값 증분수단으로부터 공급되는 체크 전압값으로 절환하는 절환수단, 2차 전지에 체크 전압값을 인가하고 있는 동안에, 2차 전지에 통전되어 있는 전류값을 검출하는 전류검출수단, 상기 전류검출수단에 의해 검출된 전류값이 미리 입력 설정된 판정 기준값 이하가 되었는지 아닌지를 판정하는 제 1판정수단, 및 상기 제 1판정수단에 의한 전회(前回)의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이, 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 r(r은 1 이상의 실수)배를 넘었는지 아닌지를 판정하는 제 2판정수단을 구비하고, 이하의 제 1 단계부터 제 7 단계를 따라서 2차 전지의 충전을 제어한다.
(제 1 단계)상기 최저 체크 전압값으로 2차 전지를 미소 시간 인가해서, 이 미소 시간 동안에, 상기 전류검출수단에 의해 2차 전지에 통전되어 있는 전류값을 검출한다.
(제 2 단계)상기 제 1판정수단으로 상기 검출된 전류값의 판정을 실시하고, 이 전류값이 상기 판정 기준값을 넘고 있으면, 다음의 제 3 단계로 이동하고, 한편 이 전류값이 상기 판정 기준값 이하로 되어 있으면, 제 4 단계로 점프한다.
(제 3 단계)상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값으로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값으로 2차 전지를 소정 시간 인가한 후, 상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 최저 체크 전압값으로 절환하고, 상기 제 1 단계로 돌아간다.
(제 4 단계)상기 전압값 증분수단에 의해, 그때까지의 체크 전압값에 상기 소정 분할폭의 전압값을 증가시킨 새로운 체크 전압값을 설정한다.
(제 5 단계)상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값으로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값으로 2차 전지를 소정 시간 인가한 후, 상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 새로운 체크 전압값으로 절환하고, 이 새로운 체크 전압값으로 2차 전지를 미소 시간 인가하고 있는 동안에, 상기 전류검출수단에 의해 2차 전지에 통전되어 있는 전류값을 검출한다.
(제 6 단계)상기 제 1판정수단에 의해 상기 검출된 전류값의 판정을 실시하고, 이 전류값이 상기 판정 기준값을 넘고 있으면, 상기 제 5 단계로 돌아가고, 한편 이 전류값이 상기 판정 기준값 이하로 되어 있으면, 다음 제 7 단계로 이동한다.
(제 7 단계)상기 제 2판정수단에 의해 상기 제 1판정수단에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간 판정을 실시하고, 상기 제 1판정수단에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 r배 이하이라면, 상기 제 4 단계로 돌아가고, 한편 상기 제 1판정수단에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 r배를 넘고 있으면, 충전 정지 신호를 출력한다.
또한, 본 발명의 제 2 태양에 따른 2차전지의 충전장치는, 상기 제 7 단계에서, 상기 충전 정지 신호가 출력되면, 상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값으로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값으로 2차 전지를 제 2 소정 시간 인가한 후, 2차 전지의 충전을 완료한다.
그리고, 본 발명의 제 3 태양에 따른 2차전지의 충전장치는, 상기 소요 시간은 상기 절환수단에 의한 상기 체크 전압값으로의 절환 횟수를 카운트함으로써 계측된다.
또한, 본 발명의 제 4 태양에 따른 2차전지의 충전장치는, 상기 전압값 증분수단은, 1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하는 마이크로 컴퓨터와, 상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값과 최소값을 반전하고, 이 반전된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 반전된 펄스파의 진폭의 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와, 상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값으로부터 감산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하고, 상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 증가시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 간다.
그리고, 본 발명의 제 5 태양에 따른 2차전지의 충전장치는, 상기 전압값 증분수단은, 1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하는 마이크로 컴퓨터와, 상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와, 상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값에 가산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하고, 상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 증가시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 간다.
또한, 본 발명의 제 6 태양에 따른 2차전지의 충전장치는, 상기 전압값 증분수단은, 1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하는 마이크로 컴퓨터와, 상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값과 최소값을 반전하고, 이 반전된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 반전된 펄스파의 진폭의 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와, 상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값에 가산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하고, 상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 감소시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 간다.
또한, 본 발명의 제 7 태양에 따른 2차전지의 충전장치는, 상기 전압값 증분수단은, 1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하는 마이크로 컴퓨터와, 상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와, 상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값으로부터 감산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하고, 상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 감소시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 간다.
도 1은 2차 전지 충전장치의 제어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 2차 전지의 충전률에 따른 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 종래의 2차 전지 충전장치(1)에 의한 충전 제어를 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 본 발명에 따른 2차 전지 충전장치(1)의 충전제어회로(5)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 전압값 증분장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 제 1실시예에 따른 전압값 증분회로(50A)에서의 출력을 나타내는 표이다.
도 7은 제 1실시예에 따른 전압값 증분회로(50A)의 상하한 전압값 공급회로(51A)의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 8은 제 1실시예에 따른 전압값 증분회로(50A)의 상하한 전압값 설정회로(52A)와 연산회로(53A)의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 9는 제 2실시예에 따른 전압값 증분회로(50B)에서의 출력을 나타내는 표이다.
도 10은 제 3실시예에 따른 전압값 증분회로(50C)에서의 출력을 나타내는 표이다.
도 11은 제 4실시예에 따른 전압값 증분회로(50D)에서의 출력을 나타내는 표이다.
도 12는 도 2의 P부분을 확대한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 2차 전지 충전장치(1)에 의한 충전 제어를 나타내는 플로우차트이다.
도 14a 내지 도 14c는 일정치에 근접하는 점근(漸近) 특성을 갖는 함수를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 14a에 도시한 함수의 점근 특성을 나타내는 도면이다.
도 16은 도 14a에 도시한 함수의 점근 특성을 나타내는 도면이다.
도 17은 체크 전압값을 증가시키고 있었을 때의 충전 종료 상태의 판정을 나타내는 표이다.
도 18은 도 14c에 도시한 함수의 점근 특성을 나타내는 도면이다.
도 19는 체크 전압값을 증가시키고 있었을 때의 충전 종료 상태의 판정을 나타내는 표이다.
<주요 참조부호에 대한 간단한 설명>
1..충전장치 2..전원부 4..원칩 마이컴
5..충전제어회로 10..2차 전지 40..MPU
41..ROM 42..RAM 43..PWM
46..전류검출부 48..PWM 출력단자 50..전압값 증분회로
51A..상하한 전압값 공급회로 52A..상하한 전압값 설정회로
53A..연산회로 51B..상하한 전압값 공급회로
52B..상하한 전압값 설정회로 53B..연산회로
51C..상하한 전압값 공급회로 52C..상하한 전압값 설정회로
53C..연산회로 51D..상하한 전압값 공급회로
52D..상하한 전압값 설정회로 53D..연산회로
56..충전 전압 공급회로 57..체크 전압 공급회로
58..절환 스위치
이하 설명하는 2차 전지의 충전장치(1)는, 충전시에는 2차 전지의 내부 구조 를 손상시키지 않도록 불가역 화학반응 영역(D) 밖에서 가장 높은 인가 전압(소정의 충전 인가 전압값) Es를 인가해서 2차 전지(10)에 대전류를 흐르게 하고, 정기적으로, 인가 전압을 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 절환해서 2차 전지(10)가 완전 충전 상태에 도달했는지를 체크하면서 충전을 실시하는 것에 특징이 있다. 이 완전 충전 평형 전압값 Eeq에서의 완전 충전 상태 체크는 짧은 시간에 정확하게 완전 충전 상태를 판정할 수 있으며, 이 충전장치(1)에 의하면 충전 완료까지의 시간을 30분 정도까지 단축할 수 있다. 또한, 과도한 화학반응(산화 환원 반응)을 일으키지 않고 완전 충전 상태까지 적정하게 충전할 수 있으므로, 그 결과 2차 전지의 내부 구조를 손상시키지 않고 사이클 수명을 5000회 이상으로 향상시킬 수 있다.
이어서, 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시형태를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 2차 전지의 충전장치(1)는 상업용 교류 전력을 직류로 절환하는 변압, 정류 회로를 포함하는 전원부(2)와, 사용자가 스타트 조작 등을 수행하는 조작수단으로서의 조작 스위치(6)와, 2차 전지(10)의 충전을 제어하는 제어수단인 원칩 마이크로 컴퓨터(이하, "원칩 마이컴"이라 함)(4)와, 2차 전지(10)를 완전 충전 평형 전압값 Eeq 또는 이 완전 충전 평형 전압값 Eeq보다도 높은 소정의 충전 인가 전압값 Es로 충전하는 충전수단인 충전제어회로(5)와, 충전중 또는 충전 완료 등을 표시하는 통지수단인 LED(Light Emitting Diode)램프(7)와, 다수의 입출력 단자 등(미도시)을 구비하고, 상기 원칩 마이컴(4)은 상기 입출력 단자를 통해 전원부(2), 조작 스위치(6), 충전제어회로(5), LED 램프(7)에 접속되어 있다.
한편, 본 실시 형태에서는 통지수단의 일례로서 LED 램프(7)에 의한 시각을 통해서 사용자에게 충전 완료 등을 알리도록 구성되어 있지만, 음성 등에 의해 통지하도록 구성해도 되며, 이러한 통지수단의 구성은 특히 한정되지 않는 것으로 한다.
상기 원칩 마이컴(4)은 중앙연산장치인 마이크로 프로세싱 유닛(이하, MPU)(40)과, 기억수단인　리드 온리 메모리(이하, ROM)(41) 및 랜덤 액세스 메모리(이하, RAM)(42)와, 펄스폭 변조제어를 실시하는 PWM(43)과, 시간계측수단인 타이머(44)와, 계산수단인 카운터(45), 및 전류검출수단인 전류검출부(46) 등을 구비하고 있다.
RAM(42)에는 2차 전지(10)의 완전 충전 평형 전압값 Eeq(도 2 참조)와, 이 2차 전지(10)의 완전 충전 평형 전압값 Eeq를 초과하는 소정의 충전 인가 전압값 Es(도 2 참조, 충전률이 약 0%인 2차 전지(10)에 인가된 전압을 상승시키는 중에 인가 전압의 상승에 대한 충전 전류의 증가 비율(ΔI／ΔE)이 감소해서 이 충전 전류가 상승하지 않게 되었을 때의 불가역 화학반응 영역(D) 밖에서의 전류 피크값 Iso에 대응하는 전압값)가 기억되어 있으며, ROM(41)에는 2차 전지(10)가 완전 충전 상태에 도달했는지 아닌지를 판정하는 판정 프로그램 등이 저장되어 있다.
충전제어회로(5)는 전원부(2)로부터의 전압을 소정의 충전 인가 전압값 Es로 낮추어서 2차 전지(10)에 공급하는 충전전압 공급회로와, 전원부(2)로부터의 전압을 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 낮추어서 2차 전지(10)에 공급하는 체크전압 공급회로와, 2차 전지(10)에 인가하는 전압값을 이 충전전압 공급회로로부터 공급되는 소정의 충전 인가 전압값 Es 또는 이 체크전압 공급회로로부터 공급되는 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 절환하는 절환 스위치를 구비한다. 그래서, 원칩 마이컴(4)의 어느 1개의 출력단자가 전압절환신호를 출력하는 단자(전압절환신호 출력단자)로 설정 되어서, 상기 절환수단인 절환 스위치로 이 전압절환신호 출력단자로부터의 전압절환신호를 수신하면, 2차 전지(10)에 인가하는 전압값이 소정의 충전 인가 전압값 Es 또는 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 절환되도록 구성되어 있다.
상기 체크전압 공급회로에는 체크 전류 검출 저항이 개재되어 있으며, 이 체크 전류 검출 저항의 입력측 분기부와 출력측 분기부가 각각 원칩 마이컴(4)의 어느 2개의 입력단자(전류입력단자)와 접속되어서, 상기 원칩 마이컴(4)의 전류검출부(46)에서 이 2개의 전류입력단자로부터 입력되는 전류값의 차를 검출함으로써, 2차 전지(10)에 통전되어 있는 충전 전류의 전류값(체크 전류값)을 검출하고 있다. 즉, 상기 절환 스위치를 상기 체크전압 공급회로측으로 절환해서, 2차 전지(10)를 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 인가하고 있을 때에, 전류검출부(46)에서 검출되는 2개의 전류입력단자로부터의 전류값 차로 인해 2차 전지(10)에 통전되어 있는 전류값(체크 전류값)이 검출되고 있다.
이어서, 본 발명의 충전 방법을 설명하는 데에 기본이 되는 2차 전지(10)의 충전 전압과 충전 전류의 특성에 관하여 도 2의 그래프를 참조해서 설명한다.
도 2에 있어서, 그래프의 횡축은 전지 단자전압(인가 전압) E(V)이고, 종축은 충전 전류 I(mA)로서, 충전률이 다른 2차 전지(10)의 전압-전류 특성을 각각 나타내고 있다.
도 2의 파선으로 나타낸 그래프 α는 충전률이 약 0%인 2차 전지(10)의 충전시 전압-전류 특성을 나타내고 있으며, 이 경우 표준 전압 E0(공칭 전압)보다 낮은 전압 Eα를 인가하더라도 충전 전류가 흘러나온다. 이 충전 전류가 흘러나올 때의 인가 전압(전지단자전압)이 개방 전압이며, 이 개방 전압은 충전률이 높을 수록 높아진다.
도 2의 1점 쇄선으로 나타낸 그래프 β는 충전률이 약 50%인 2차 전지(10)의 충전시 전압-전류 특성을 나타내고 있으며, 인가 전압을(0V부터) 상승시키고 있었을 때에 2차 전지(10)에 충전 전류가 흐르기 시작하는 개방 전압 Eβ는 충전률이 약 0%인 2차 전지(10)의 개방 전압 Eα보다 높아진다.
도 2의 2점 쇄선으로 나타낸 그래프 γ는 충전률이 약 90%인 2차 전지(10)의 충전시 전압-전류 특성을 나타내고 있으며, 개방 전압은 Eγ(Eγ＞Eβ)이다. 또한, 도 2의 실선으로 나타낸 그래프 δ는 충전률이 약 100%(100% 미만)인 2차 전지(10)의 충전시 전압-전류 특성을 나타내고 있으며, 개방 전압은 Eδ(Eδ＞Eγ)이다. 그리고, 충전률이 100%(완전 충전 상태)인 2차 전지(10)의 개방 전압값이 완전 충전 평형 전압값 Eeq(Eeq＞Eδ)이다.
2차 전지(10)는 충전률에서 따른 개방 전압 Eα, Eβ, Eγ, Eδ 등을 초과하면, 대략 인가 전압에 비례해서 충전 전류가 증대해 가고, 소정 전압(전압-전류 곡선에 있어서의 변곡점)을 지나면 인가 전압에 대한 충전 전류의 증가률(ΔI／ΔE)은 감소하며, 이윽고 인가 전압을 상승시키더라도 충전 전류는 전혀 상승하지 않게 되어 충전 전류는 전류 피크값 Iso에 도달한다.
이와 같이, 인가 전압에 대한 충전 전류의 증가률(ΔI／ΔE)이 0이 되었을 때의 전류 피크값 Iso에 대응하는 인가 전압값은 Es가 되고, 이 소정의 충전 인가 전압값 Es는 2차 전지(10)의 종류나 2차 전지(10)의 열화 상태 등에 의해 정해지는 2차 전지(10)의 고유 전압값이 된다.
상기 소정의 충전 인가 전압값 Es를 초과하는 전압이 인가되면, 2차 전지(10)는 내부에서 활물질의 산화 환원 반응이 더욱 진행되어 전기 분해 반응을 야기하고, 음성 저항 특성이 나타나서, 의도하지 않는 발열 반응이나 팽창 등의 이상에 의해 자칫하면 2차 전지(10)의 내부 구조 파괴로 이어질 우려가 있다. 또한, 여기까지는 이르지 않는다고 하더라도, 불가역 화학반응이 확장되어 2차 전지(10)의 사이클 수명에 큰 영향을 미치게 된다. 이와 같이 2차 전지(10)에 악영향을 미치는 불가역 화학반응이 발생하는 것과 같은 충전 전류와 인가 전압의 관계로 획정되는 영역이 도 2에서 사선으로 나타낸 불가역 화학반응 영역(D)이다.
따라서, 2차 전지(10)의 충전에 있어서는, 2차 전지(10)가 완전 충전(충전 률 100%)에 도달하기까지 인가 전압에 대한 충전 전류의 상대값이 반응 분수령(Ld)을 넘어서 불가역 화학반응 영역(D)으로 들어가지 않도록 인가 전압을 제어할 필요가 있다.
그런데, 2차 전지(10)의 축전 용량은 충전 전류와 충전 시간의 곱으로 구해 진다. 따라서, 충전 시간을 단축하려고 한다면, 충전 전류를 증가시킬 필요가 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 충전률이 약 0%인 2차 전지(10)에 완전 충전 평형 전압값 Eeq를 인가하면, 충전률이 상승함에 따라 2차 전지(10)에 흐르는 충전 전류는 Ieqo(＜Iso)로부터 감소해 간다. 또한, 2차 전지(10)가 완전 충전 상태(충전률 100%)에 도달했을 때에는 충전 전류가 0mA가 되기 때문에, 완전 충전 상태의 판정이 용이하다. 그러나, 이 완전 충전 평형 전위 Eeq에 의한 충전에서는 상기 소정의 충전 인가 전압값 Es에 의한 충전과 비교해 볼 때, 충전 전류가 낮고 충전 시간이 상당히 길어져 버린다.
그래서, 주충전에서는, 2차 전지(10)에, 불가역 화학반응 영역(D) 밖에서 가장 높은 충전 전류(전류 피크값 Iso)를 흐르게 할 수 있는 소정의 충전 인가 전압값 Es를 인가해서, 이 2차 전지(10)에 대전류를 흐르게 하고, 그리고 정기적으로, 2차 전지(10)에 인가하는 전압값을 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 절환해서 2차 전지(10)가 완전 충전 상태에 도달했는지 아닌지의 체크를 실시하도록 한다.
여기서, 대전류 충전을 위한 인가 전압값은 전류 피크값 Iso에 대응하는 상기 소정의 충전 인가 전압값 Es에 한정하지 않고, 이것보다 약간 낮은 전류값에 대응하는 전압값(＜Es)이어도 된다.
다음으로, 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)로 개량되기 전의, 종래의 2차 전지 충전장치(1)에 관하여 설명한다.
이 종래의 2차 전지 충전장치(1)는 후술하는 본 발명의 2차 전지 충전장치 (1)의 기본 구성이 된다.
이 종래의 2차 전지의 충전장치(1)는 도 1에 도시한 바와 같이 구성되어 있으며, 원칩 마이컴(4)의 ROM(41)에는 2차 전지(10)를 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 인가하는 중에 전류검출부(46)에서 검출된 체크 전류값 i와, 미리 입력 설정된 충전 완료 판정 기준값 J(예를 들면, 10mA)를 비교 판정하는 판정수단인 판정 프로그램이 저장되어 있다.
이어서, 도 3을 참조하면서 종래의 2차 전지 충전장치(1)에 따른 충전 흐름을 설명한다.
우선, 사용자가 조작 스위치(6)를 절환해서 지금부터 충전할 2차 전지(10)의 종류를 원칩 마이컴(4)에 입력하면, 이 원칩 마이컴(4) 중의 RAM(42)에 미리 기억 설정된 테이블 중에서 이 2차 전지(10)의 종류에 상당하는 소정의 충전 인가 전압값 Es와 완전 충전 평형 전압값 Eeq가 각각 선택된다.
상기 소정의 충전 인가 전압값 Es와 완전 충전 평형 전압값 Eeq란 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 등의 2차 전지의 종류나 축전 용량, 사이즈 등에 의해 정해지는 고유한 값으로, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지의 경우, 완전 충전 평형 전압값 Eeq는 약 1.41V, 소정의 충전 인가 전압값 Es는 그보다도 높은 약 1.80V로 선택된다.
이어서, 사용자가 조작 스위치(6)을 누르면, 충전이 시작되어(단계 A1) 2차 전지(10)는 소정의 충전 인가 전압값 Es로 소정 시간 T1(예를 들면, 55초) 지속해서 인가된다(단계 A2). 그리고, 타이머(44)로 이 소정 시간 T1의 경과가 계측되면, 인가 전압이 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 절환되고(단계 A3), 이 완전 충전 평형 전압값 Eeq로 2차 전지(10)를 미소 시간 T2(예를 들면, 5초) 인가하고 있는 동안에, 원칩 마이컴(4)의 ROM(41) 내의 전류검출부(46)에 의해 2차 전지(10)에 흐르고 있는 전류값 i가 검출된다(단계 A4).
그리고, ROM(41) 내의 판정 프로그램에 의해, 이 검출된 전류값 i와, 판정 기준값 J를 비교해서(단계 A5), 이 전류값 i가 판정 기준값 J보다 크면, 상기 단계 A2로 돌아가서 상술한 플로우(충전 제어)를 반복하고, 한편 이 전류값 i가 판정 기준값 J 이하이면, 2차 전지(10)가 완전 충전 상태에 도달해 있다고 판단해서, 여기서 충전을 정지한다(단계 A6).
이상과 같이, 종래의 2차 전지 충전장치(1)에 의하면, 2차 전지(10)의 내부에서 과도한 화학반응(산화 환원 반응)을 일으키지 않고 2차 전지(10)를 완전 충전 상태까지 적정하게 충전할 수 있다. 또한, 이 충전장치(1)에 의하면, 2차 전지(10)의 내부 구조에 손상을 입히는 것을 방지할 수 있기 때문에, 사이클 수명을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 나아가, 이 충전장치(1)는 주된 충전에서, 2차 전지(10)에 완전 충전 평형 전압값 Eeq 이상의 소정 충전 인가 전압값 Es를 인가해서, 이 2차 전지(10)에 상당히 큰 충전 전류를 흐르게 하고 있으며, 이로 인해 충전 시간을 대폭적으로 단축할 수 있다.
이상과 같이, 종래의 2차 전지 충전장치(1)는 정기적으로 2차 전지(10)에 완 전 충전 평형 전압값 Eeq를 인가해서 그 충전률이 100%에 도달하고 있는지 아닌지를 체크하면서 2차 전지(10)를 충전하고 있는데, 그러나 다음과 같은 이유로부터 동일한 종류(예를 들어, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 금속 전지 등)이고 동일한 사이즈(예를 들면, AAA형이나 AA형 등)의 2차 전지(10)라도 충전률이 100%에 도달하고 있지 않은 것이 있다는 것을 나중에 알았다.
그 이유는 동일한 종류이며 동일한 사이즈의 2차 전지(10)라도 제조사의 차이, 기종의 차이, 사용 이력의 차이 등에 의해 그 축전 용량이나 완전 충전 평형 전압값이 미묘하게 다르고, 또한 외국에서 제조된 2차 전지(10) 중에는 종류, 사이즈, 제조사, 기종 등이 전부 동일하다 하더라도 그 축전 용량이나 완전 충전 평형 전압값 Eeq가 다른 것도 있다. 따라서, 종래의 2차 전지 충전장치(1)에 의해, 동일한 종류, 동일한 사이즈의 2차 전지(10)를 충전한 경우에, 그 2차 전지(10)가 갖는 실제의 완전 충전 평형 전압값과, 충전장치(1)에 설정되고 있는 완전 충전 평형 전압값 Eeq가 미묘하게 달라서, 어느 2차 전지(10)는 충전률이 90% 정도까지 밖에 충전되어 있지 않고, 어느 2차 전지(10)는 충전률이 100% 이상 과충전되어 있는 경우도 있었다.
그래서, 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)는 상기와 같은 점을 감안하여 다음과 같은 개량을 도모하고 있다.
본 발명의 2차 전지 충전장치(1)도 도 1에 도시한 바와 같이 구성되어 있으며, 원칩 마이컴(4)과 충전제어회로(5) 이외의 구성은 상기 종래의 2차 전지 충전장치(1)와 대략 마찬가지이다.
본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에서는, 원칩 마이컴(4)의 RAM(42)에 충전 대상이 되는 어느 2차 전지(10)의 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 낮은 최저 체크 전압값 E0와, 충전 대상이 되는 어느 2차 전지(10)의 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 높은 최고 체크 전압값 En과, 이 완전 충전 평형 전압값을 초과하지만 충전 대상이 되는 어느 2차 전지(10)도 불가역 화학반응 영역(D)에는 도달하지 않은 소정의 충전 인가 전압값 Et(≤Es)와, 소정 분할폭의 전압값 ΔE가 기억되어 있다.
또한, 원칩 마이컴(4)의 ROM(41)에는 상기 PWM(43)에서의 펄스폭 변조 제어에 부설되는 서브루틴 프로그램이 저장되어 있다. PWM(43)에서는 1주기를 n(= (En - E0)／ΔE)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c=1, 2, …, n)로 해서 펄스폭 c·w의 펄스파로 변조를 행하고, 서브루틴 프로그램에서는 후술할 조건이 만족된 경우에, 변수 c를 1부터 n까지 1씩 증가시켜(또는 감소시켜)감으로써, 펄스파의 펄스폭 c·w를 단계적으로 폭 확대(또는 감소)시키고 있다. 여기서, n은 2 이상의 정수가 되도록 최고 체크 전압값 En, 최저 체크 전압값 E0, 소정 분할폭의 전압값 ΔE가 선택되어 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 원칩 마이컴(4)은 다수의 입출력 단자를 가지며, 이 중 어느 1개의 단자가 PWM 출력단자(48)로서 설정되어, 이 PWM 출력단자(48)로부터 상기 PWM(43)으로 펄스폭 c·w로 변조된 펄스파가 출력되도록 구성되어 있다.
상기 충전제어회로(5)는 상기 전원부(2)로부터의 전압을 소정의 충전 인가 전압값 Et로 낮추어서 2차 전지(10)에 공급하는 충전전압 공급회로(56)와, 체크 전압값 Ec를 최저 체크 전압값 E0로부터 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가시켜가는 전압값 증분회로(50)와, 이 전압값 증분회로(50)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec를 그 값으로 2차 전지(10)에 공급하는 체크전압 공급회로(57)와, 2차 전지(10)에 인가하는 전압값을 이 충전전압 공급회로(56)로부터 공급되는 소정의 충전 인가 전압값 Et 또는 이 체크전압 공급회로(57)로부터 공급되는 체크 전압값 Ec로 절환하는 절환 스위치(58)를 구비한다. 그래서, 원칩 마이컴(4)의 어느 1개의 출력단자가 전압절환신호를 출력하는 단자(전압절환신호 출력단자)로 설정되어서, 상기 절환수단인 절환 스위치(58)에서 이 전압절환신호 출력단자로부터의 전압절환신호를 수신하면, 2차 전지(10)에 인가하는 전압값이 소정의 충전 인가 전압값 Et 또는 체크 전압값 Ec로 절환되도록 구성되어 있다.
또한, 상기 체크전압 공급회로(57)에는 체크 전류 검출 저항이 개재되어 있으며, 이 체크 전류 검출 저항의 입력측 분기부와 출력측 분기부가 각각 원칩 마이컴(4)의 어느 2개의 입력단자(전류입력단자)와 접속되어서, 상기 원칩 마이컴(4)의 전류검출부(46)에서 이 2개의 전류입력단자로부터 입력되는 전류값의 차를 검출함으로써, 2차 전지(10)에 통전되어 있는 충전 전류의 전류값(체크 전류값)을 검출하고 있다. 즉, 상기 절환 스위치(58)를 상기 체크전압 공급회로(57) 측으로 절환해서, 2차 전지(10)를 체크 전압값 Ec로 인가하고 있을 때에, 전류검출부(46)에서 검 출되는 2개의 전류입력단자로부터의 전류값의 차로 인해, 2차 전지(10)에 통전되어 있는 전류값(체크 전류값)이 검출되고 있다.
이어서, 체크 전압값 Ec를 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가시켜가는 전압값 증분수단인 본 발명의 전압값 증분장치에 관해서 설명한다.
본 발명의 전압값 증분장치는 상기 펄스파의 펄스폭 c·w를 단계적으로 변화시켜 PWM 출력단자(48)로부터 출력하는 원칩 마이컴(4) 및 전압값 증분회로(50)로 구성되고 있으며, 소용량의 원칩 마이컴(4)을 이용해서 매우 정밀하게 소부하의 전압값 증가 동작을 실현하고 있다.
먼저, 이 전압값 증분장치가 발명된 배경을 설명하면, 종래에도 원칩 마이컴을 이용해서 전압값을 증가시키는 전압값 증분장치가 있었지만, 종래의 전압값 증분장치는 후술하는 바와 같이 단자수가 많은 대용량의 원칩 마이컴으로 구성되어 있었다.
종래의 전압값 증분장치는 전압값의 증가 제어를 원칩 마이컴의 복수개의 출력단자로 설정하고 있으며, 예를 들어 하한 전압값으로부터 상한 전압값까지 소정 분할폭의 전압값으로 30단계에 걸쳐 증가가 이루어지도록 구성되어 있는 경우, 25 = 32(≥30)이기 때문에, 원칩 마이컴의 5개의 출력단자로 전압값의 증가 제어가 설정되어서, 이 5개의 출력단자로부터 30가지 조합의 ON/OFF 신호가 출력되어, 이 ON/OFF 신호에 근거해서 30단계로 전압값을 증가시키고 있었다.
그러나, 이와 같이 전압값의 증가 제어를 5, 6개의 출력 단자로 설정하면, 원칩 마이컴에 걸리는 부하가 커지며, 소용량의 원칩 마이컴에서는 다른 충전 제어에 따른 처리 속도에도 영향을 미쳐서, 이로 인해 종래의 2차 전지 전압값 증분장치는 대용량의 원칩 마이컴으로 구성되어 있었다. 그러나, 대용량의 원칩 마이컴은 가격이 비싸 비용면에 있어서도 불리하다.
그래서, 이와 같은 점을 감안하여 소용량의 원칩 마이컴(4)을 이용하며, 고정밀도로 소부하의 전압값 증가 동작을 실현하는 본 발명의 전압값 증분장치가 발명된 것이다.
상기와 같이 본 발명의 전압값 증분장치는 상기 펄스파의 펄스폭 c·w를 단계적으로 변화시켜서 PWM 출력단자(48)로부터 출력하는 원칩 마이컴(4) 및 전압값 증분회로(50)로 구성되어 있으며, 이 전압값 증분회로(50)는 예컨대, 다음과 같이 구성되어 있다.
먼저, 전압값 증분회로(50A)의 제 1실시예부터 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제 1실시예에 따른 전압값 증분회로(50A)는 상한 전압값 EH와 하한 전압값 EL을 공급하는 상하한 전압값 공급회로(51A)와, 원칩 마이컴(4)의 PWM 출력단자(48)로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값과 최소값을 반전하고, 이 반전된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값 EH로 설정함과 동시에, 반전된 펄스파의 진폭의 최소값을 하한 전압값 EL로 설정하는 상하한 전압값 설정회로(52A), 및 이 상하한 전압값 설정회로(52A)로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값으로부터 감산한 전압값을 출력하는 연산 회로(53A)를 구비하며, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 증가시켜감으로써, 상기 연산회로(53A)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec를 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가시키고 있다.
여기서, 상기 하한 전압값 EL은 상기 최고 체크 전압값 En으로 설정되고(EL = En), 상기 상한 전압값 EH는 최고 체크 전압값 En과 최저 체크 전압값 E 0와의 전압차 Ed를 Ed = En - E0라고 하면 EH = En + Ed로 설정되고, 또한 상기 기준 전압값 EB는 상기 하한 체크 전압값 EL로 설정되어 있다(EB = EL = En).
또한, 상기 n은 n = (En - E0)/ΔE이고, 상기의 설정에 의해, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 1부터 n까지 1씩 증가시켜감으로써, 상기 연산회로(53A)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 최저 체크 전압값 E0로부터 최고 체크 전압값 En까지 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가되도록 구성되어 있다.
한편, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 감소시켜 가면, 상기 연산회로(53A)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 감소된다.
도 7은 상기 전압값 증분회로(50A)의 상하한 전압값 공급회로(51A)의 일례로서, 이 상하한 전압값 공급회로(51A)는 션트 레귤레이터(shunt regulator)(510)와, 제 1연산 증폭기(511), 및 제 2연산 증폭기(512)로 이루어지고, 이 션트 레귤레이터(510)로의 입력단자(70)에는 상기 전원부(2)로부터 소정의 전압값(예를 들면, 5V)이 공급되고 있다. 션트 레귤레이터(510)에서는 이 소정의 전압값으로부터 상기 상한 전압값 EH와 하한 전압값 EL이 만들어져서, 이 션트 레귤레이터(510)의 일측 출력단자(71)로부터 상한 전압값 EH가 출력되고, 타측 출력단자로부터 하한 전압값 EL이 출력되도록 되어 있다.
그리고, 상기 출력단자(71)와 제 1연산 증폭기(511)의 플러스 입력단자가 접속되고, 이 제 1연산 증폭기(511)의 마이너스 입력단자와 출력단자가 접속되며, 이 제 1연산 증폭기(511)의 출력단자와 단자(73)가 접속되어서, 션트 레귤레이터(510)로부터 출력된 상한 전압값 EH는 제 1연산 증폭기(511)에 의해 그 전압값이 안정화되어, 상기 단자(73)로부터 상한 전압값 EH가 독출되도록 되어 있다.
마찬가지로, 상기 출력단자(72)와 제 2연산 증폭기(512)의 플러스 입력단자가 접속되고, 이 제 2연산 증폭기(512)의 마이너스 입력단자와 출력단자가 접속되며, 이 제 2연산 증폭기(512)의 출력단자와 단자(74)가 접속되어서, 션트 레귤레이터(510)로부터 출력된 하한 전압값 EL은 제 2연산 증폭기(512)에 의해 그 전압값이 안정화되어, 상기 단자(74)로부터 하한 전압값 EL이 독출되도록 되어 있다.
도 8은 상기 전압값 증분회로(50A)의 상하한 전압값 설정회로(52A)와 연산회로(53A)의 일례로서, 상기 상하한 전압값 공급회로(51A)로부터 이 상하한 전압값 설정회로(52A)로 상한 전압값 EH와 하한 전압값 EL이 공급된다.
상하한 전압값 설정회로(52A)는 N형 전계효과 트랜지스터(521)와 전기저항(522)으로 이루어지며, 이 트랜지스터(521)의 게이트는 전기저항(75)을 개재하여 원칩 마이컴(4)의 PWM 출력단자(48)에 접속되고, 이 트랜지스터(521)의 소스는 상기 단자(74)에 접속되며, 이 트랜지스터(521)의 드레인은 상기 전기저항(522)을 개재하여 상기 단자(73)에 접속되어 있다.
이상과 같은 구성으로, 원칩 마이컴(4)의 PWM 출력단자(48)로부터 트랜지스터(521)의 게이트로 펄스폭 c·w의 펄스파가 공급되고, 상기 단자(73)로부터 트랜지스터(521)의 드레인으로 상한 전압값 EH가 공급되며, 상기 단자(74)로부터 트랜지스터(521)의 소스로 하한 전압값 EL이 공급되어서, 상기 트랜지스터(521)에서 상기 펄스파의 진폭의 최대값과 최소값을 반전하고, 이 반전된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값 EH로 설정함과 동시에, 반전된 펄스파의 진폭의 최소값을 하한 전압값 EL로 설정하고 있다.
또한, 상기 연산회로(53A)는 연산 증폭기(531)와, 이 연산 증폭기(531)의 마이너스 입력단자와 출력단자 사이에 병렬로 접속되는 전기저항(532)과 콘덴서(533)와, 이 연산 증폭기(531)의 마이너스 입력단자에 직렬로 접속되는 전기저항(534)으로 이루어지고, 이 전기저항(534)이 상기 트랜지스터(521)의 드레인과 상기 저항(522) 사이의 분기부(77)에 접속되어 있다. 또한, 연산 증폭기(531)의 출력단자는 상기 체크전압 공급회로(57)에 접속되는 단자(79)에 접속되고, 이 연산 증폭기(531)의 플러스 입력단자는 상기 트랜지스터(521)의 소스와 상기 단자(74) 사이의 분기부(78)에 접속되어서 기준 전압값 EB가 하한 전압값 EL로 설정되고 있다.
이와 같은 구성으로, 연산회로(53A)에서는 상기 상하한 전압값 설정회로(52A)로부터 입력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 하한 전압값 EL로부터 감산한 전압값을 출력해서, 이 전압값을 체크 전압값 Ec로서 체크전압 공급회로(57)에 공급하고 있다.
다음으로, 전압값 증분회로(50B)의 제 2실시예에 관하여 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제 2실시예에 따른 전압값 증분회로(50B)는 상한 전압값 EH와 하한 전압값 EL을 공급하는 상하한 전압값 공급회로(51B)와, 원칩 마이컴(4)의 PWM 출력단자(48)로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값 EH로 설정함과 동시에, 최소값을 하한 전압값 EL로 설정하는 상하한 전압값 설정회로(52B)와, 이 상하한 전압값 설정회로(52B)로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값 EB에 가산한 전압값을 출력하는 연산회로(53B)를 구비하고, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 증가시켜감으로써, 상기 연산회로(53B)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec를 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가시키고 있다.
여기에서, 상기 하한 전압값 EL은 상기 최저 체크 전압값 E0로 설정되고(EL = E0), 상기 상한 전압값 EH는 상기 최고 체크 전압값 En으로 설정되며(E H = En), 또한 상기 기준 전압값 EB는 상기 최저 체크 전압값 E0로 설정되어 있다(EB = E0).
또한, 상기 n은 n = (En - E0)/ΔE이며, 상기의 설정에 의해 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 1부터 n까지 1씩 증가시켜감으로써, 상기 연산회로(53B)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 최저 체크 전압값 E0로부터 최고 체크 전압값 En까지 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가되도록 구성되어 있다.
또한, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 감소시켜 가면, 상기 연산회로(53B)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 감소된다.
다음으로, 전압값 증분회로(50C)의 제 3실시예에 관하여 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제 3실시예에 따른 전압값 증분회로(50C)는 상한 전압값 EH와 하한 전압값 EL을 공급하는 상하한 전압값 공급회로(51C)와, 원칩 마이컴(4)의 PWM 출력단자(48)로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값과 최소값을 반전하고, 이 반전된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값 EH로 설정함과 동시에, 반전된 펄스파의 진폭의 최소값을 하한 전압값 EL로 설정하는 상하한 전압값 설정회로(52C)와, 이 상하한 전압값 설정회로(52C)로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화 함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값 EB에 가산한 전압값을 출력하는 연산회로(53C)를 구비하고, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 감소시켜감으로써, 상기 연산회로(53C)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec를 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가시키고 있다.
여기에서, 상기 하한 전압값 EL은 상기 최저 체크 전압값 E0로 설정되고(EL = E0), 상기 상한 전압값 EH는 상기 최고 체크 전압값 En으로 설정되며(E H = En), 또한 상기 기준 전압값 EB는 상기 최저 체크 전압값 E0로 설정되어 있다(EB = E0).
또한, 상기 n은 n = (En - E0)/ΔE이고, 상기의 설정에 의해 도 10에 도시한 바와 같이, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 n으로부터 1까지 1씩 감소시켜감으로써, 상기 연산회로(53C)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 최저 체크 전압값 E0로부터 최고 체크 전압값 En까지 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가되도록 구성되어 있다.
상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 증가시켜 가면, 상기 연산회로(53C)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 감소된다.
다음으로, 전압값 증분회로(50D)의 제 4실시예에 관하여 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제 4실시예에 따른 전압값 증분회로(50D)는 상한 전압값 EH와 하한 전압값 EL을 공급하는 상하한 전압값 공급회로(51D)와, 원칩 마이컴(4)의 PWM 출력단자(48)로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값 EH로 설정함과 동시에, 최소값을 하한 전압값 EL로 설정하는 상하한 전압값 설정회로(52D), 및 이 상하한 전압값 설정회로(52D)로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값 EB로부터 감산한 전압값을 출력하는 연산회로(53D)를 구비하고, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 감소시켜감으로써, 상기 연산회로(53D)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec를 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가시키고 있다.
여기에서, 상기 하한 전압값 EL은 상기 최고 체크 전압값 En으로 설정되고(E L = En), 상기 상한 전압값 EH는 최고 체크 전압값 En과 최저 체크 전압값 E0와의 전압차 Ed를 Ed = En - E0라고 하면 EH = En + Ed로 설정되고, 또한 상기 기준 전압값 EB는 상기 하한 체크 전압값 EL로 설정되어 있다(EB = EL = En).
또한, 상기 n은 n = (En - E0)/ΔE이고, 상기의 설정에 의해, 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 n으로부터 1까지 1씩 감소시켜감으로써, 상기 연산회로(53D)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 최저 체크 전압값 E0로부터 최고 체크 전압값 En까지 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가되도록 구성되어 있다.
또한, 상기 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 증가시켜가면, 상기 연산회로(53D)로부터 출력되는 체크 전압값 Ec가 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 감소된다.
이상과 같이 전압값 증분장치가 구성되고 있으며, 후술하는 조건이 만족된 경우에 원칩 마이컴(4)의 PWM(43)에 있어서 상기 변수 c를 증가 또는 감소시켜감으로써, 체크 전압값 Ec를 최저 체크 전압값 E0로부터 소정 분할폭의 전압값 ΔE로 증가시킬 수 있도록 구성되어 있다.
바꿔 말하면, 이 전압값 증분장치에 의해, 후술하는 조건이 만족된 경우에, 그때까지의 체크 전압값 Ec-1에 소정 분할폭의 전압값 ΔE가 가산되어 새로운 체크 전압값 Ec(= Ec-1 + ΔE)가 설정되도록 구성되어 있다.
여기서, 체크 전압값 Ec는 최저 체크 전압값 E0에서 전압값 ΔE를 c회 증가시킨 전압값으로, Ec = E0 + c·ΔE로 나타내는 것도 가능하다.
이 전압값 증분장치에서는 원칩 마이컴(4)의 어느 1개의 출력단자만을 이용해서 전압값을 증가시키도록 구성했기 때문에, 원칩 마이컴(4)에 걸리는 부하를 경감할 수 있으며, 소용량의 원칩 마이컴(4)으로 매우 정밀하게 소부하의 전압값 증가 동작을 실현할 수 있다.
다음으로, 원칩 마이컴(4)의 ROM(41)에 저장되어 있는 프로그램에 관하여 설 명한다.
원칩 마이컴(4)의 ROM(41)에는 2차 전지(10)를 체크 전압값 Ec로 인가하는 중에 전류검출부(46)에서 검출된 전류값 i가 미리 입력 설정된 판정 기준값 K(예를 들면, 1mA) 이하로 되었는지 아닌지를 판정하는 제 1판정 프로그램과, 이 제 1판정 프로그램에 의한 전회(前回)의 긍정 판정(2차 전지(10)에 체크 전압값 Ec-1을 인가하고 있을 때에 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라는 판정)으로부터 이번회의 긍정 판정(2차 전지(10)에 체크 전압값 Ec를 인가하고 있을 때에 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라는 판정)까지의 사이에, 충전제어회로(5)에 의한 체크 전압값 Ec로의 절환 횟수를 상기 카운터(45)로 카운트해서 기록하는 계측 프로그램과, 이 제 1판정 프로그램에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 체크 전압값 Ec로의 절환 횟수가 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 체크 전압값 Ec-1으로의 절환 횟수의 r(r은 1 이상의 실수이며, 체적예는 1≤r≤2)배를 넘었는지 아닌지를 판정하는 제 2판정 프로그램이 저장되어 있다.
다만, 이 계측 프로그램에 의한 절환 횟수의 카운트와 제 2판정 프로그램에 의한 판정은 c≥2의 경우에 실시되는 것으로 한다.
이상과 같이, 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에서는 원칩 마이컴(4)의 ROM(41)에 판정수단인 제 1판정 프로그램 및 제 2판정 프로그램과, 계측수단인 계측 프로그램이 격납되어 있다.
한편, 계측 프로그램과 제 2판정 프로그램은 상기 구성에 한정되지 않으며, 계측 프로그램은 상기 제 1판정 프로그램에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간을 타이머(44)로 계측하는 구성으로 하고, 제 2판정 프로그램은 제 1판정 프로그램에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 r 배를 넘었는지 아닌지를 판정하는 구성으로 해도 된다.
다음으로, 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에서의 충전 개요를 설명한다.
본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 의한 충전을 육상 경기의 도움닫기 높이뛰기에 비유하여 설명하면, 여기 그 높이뛰기 능력을 정확하게 알지 못하는 경기자(완전 충전 평형 전압값을 정확하게 알지 못하는 2차 전지)가 있다고 하자.
먼저, 바의 높이를 최저 높이(최저 체크 전압값 E0)로 설정해서, 경기(충전)를 실시하고, 경기자가 이 최저 높이를 클리어(제 1판정 프로그램에 의한 판정에서, 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라는 판정)하면, 그 클리어까지 필요로 했던 시도 횟수를 기록해 둔다. 통상적인 도움닫기 높이뛰기의 룰에서 시도 횟수는 3회까지이지만, 여기 룰에 있어서의 시도 횟수는 전회의 높이(체크 전압값 Ec-1)에서 그 높이를 클리어 하기까지 필요로 했던 횟수의 r배 이내로 한다. 예를 들어, 이 r은 2로서, 전회의 높이(체크 전압값 Ec-1)로 그 높이를 클리어 하기까지 3회의 시도를 필요로 했던 경우는, 바의 높이(전압값)를 소정 높이(소정 분할폭의 전압값 ΔE) 올린 후의 이번회의 높이(새로운 체크 전압값 Ec)에서는 시도 횟수를 6회까지 로 해서, 6회를 초과하면(제 2판정 프로그램에 의한 판정), 거기서 경기(충전)를 종료하는 것으로 한다.
도 12는 도 2의 P부분을 확대한 도면으로, 니켈-수소 전지를 예로 들어 설명한다.
전압-전류 특성은 충전이 진행됨에 따라(충전률이 상승함에 따라), 도 12의 화살표 방향으로 추이(推移)해 가며, 반응 분수령(Ld)을 따르는 직선이 충전률 100%의 직선이 된다.
우선, 최저 체크 전압값 E0를 1.40V로 설정해서 완전 충전 평형 전압값 Eeq를 초과하지만 불가역 화학반응 영역(D)에는 도달하지 않는 소정의 충전 인가 전압값에 의한 충전과, 이 최저 체크 전압값 E0에 의한 충전 상태의 체크를 반복해 간다. 이 최저 체크 전압값 E0에 의한 체크 횟수가 증가함에 따라 체크 시에 검출되는 전류값 i는 감소해 가고, 도 12의 1.40V 상의 두꺼운 선을 따라 하강해 간다. 그리고, 예를 들어 20회째의 최저 체크 전압값 E0에 의한 체크에서, 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하로 판정된 것으로 한다.
그리하여, 상기 전압값 증분장치에 의해, 다음의 체크 전압값 E1을, 최저 체크 전압값 E0로부터 0.01V 올린 1.41V로 설정한다. 이 체크 전압값 E1에 의한 최초의 충전 상태 체크에서는 니켈-수소 전지에 2mA에 조금 못 미치는 전류가 흐르고, 이 체크 전압값 E1에 의한 체크 횟수가 증가함에 따라서, 체크 시에 검출되는 전류 값 i는 감소해 가며, 도 12의 1.41V 상의 두꺼운 선을 따라서 하강해 간다. 그래서, 예를 들어 3회째의 충전 상태 체크에서, 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하로 판정된 것으로 하면, 이 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라고 판정 되기까지의 체크 횟수(3회)는 전회의 최저 체크 전압값 E0에서 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하로 판정 되기까지의 체크 횟수(20회)보다도 적으므로, 따라서 충전을 더 계속하는 것으로 한다.
그리고, 상기 전압값 증분장치에 의해, 그 다음의 체크 전압값 E2를 체크 전압값 E1으로부터 0.01V 올린 1.42V로 설정한다. 이 체크 전압값 E2에 의한 최초의 충전 상태 체크에서는 니켈-수소 전지에 약 2mA의 전류가 흐르며, 이 체크 전압값 E1에 의한 체크 횟수가 증가함에 따라서, 체크 시에 검출되는 전류값 i는 감소해 가며, 도 12의 1.42V 상의 두꺼운 선을 따라 하강해 간다. 그래서, 예를 들어 3회째의 충전 상태 체크에서, 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하로 판정된 것으로 하면, 이 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라고 판정 되기까지의 체크 횟수(3회)는 전회의 체크 전압값 E1에서 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라고 판정 되기까지의 체크 횟수(3회)와 동일하며, 따라서 이 경우도 충전을 더 계속하는 것으로 한다.
이후, 마찬가지로 충전 상태를 체크해 가고, 1.47V의 체크 전압값에서 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라고 판정 되기까지의 체크 횟수가, 그 전의 1.46V 체크 전압값에서 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라고 판정 되기까지의 체크 횟수의 2배(6회)를 초과하면, 여기서 니켈-수소 전지의 충전을 정지한다. 이와 같이 2차 전지를 충전함으로써, 이 2차 전지의 충전률은 약 100%가 된다.
다음으로, 도 13을 참조하면서 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 의한 충전 흐름을 설명한다.
먼저, 사용자는 충전장치(1)에 2차 전지(10)를 세팅하고 조작 스위치(6)를 조작한다. 그 결과, 2차 전지(10)는 충전장치(1)에 의해 측정 대상이 되는 모든 종류, 모든 사이즈의 2차 전지의 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 낮은 최저 체크 전압값 E0(예를 들어, 1.40V)로 미소 시간 T2(예를 들어, 5초)동안 인가된다(단계 B1).
이 최저 체크 전압값 E0에서 2차 전지(10)를 미소 시간 T2 인가하고 있는 동안에, 전류검출부(46)에 의해 2차 전지(10)에 흐르고 있는 전류값 i를 검출해서(단계 B2), 상기 제 1판정 프로그램에서 상기 검출된 전류값 i의 판정을 실시한다(단계 B3).
이 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K를 넘고 있으면(단계 B3), 절환 스위치(58)에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값 Et로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값 Et로 2차 전지(10)를 소정 시간 T1(예를 들면, 55초)동안 인가한다(단계 B4). 이 소정의 충전 인가 전압값 Et로 2차 전지(10)의 충전을 실시하고, 소정 시간 T1 경과후, 절환 스위치(58)에 의해 충전 전압을 상기 최저 체크 전압값 E0로 절환해서 다시 상기 단계 B1에 돌아간다.
한편, 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하이면(단계 B3), 상기 전압값 증분장치에 의해, 그때까지의 체크 전압값 Ec(최저 체크 전압값 E0를 포함)에 상기 소정 분할폭의 전압값 ΔE(예를 들어, 0.01V)를 가산해서 새로운 체크 전압값 Ec(= Ec-1 + ΔE)를 설정함과 동시에(단계 B5), 절환 스위치(58)에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값 Et로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값 Et로 2차 전지(10)를 소정 시간 T1(예를 들면, 55초)동안 인가한다(단계 B6).
그리고, 소정 시간 T1의 경과후, 절환 스위치(58)에 의해 충전 전압을 이 새로운 체크 전압값 Ec로 절환해서, 이 새로운 체크 전압값 Ec로 2차 전지(10)를 미소 시간 T2 동안 인가하고(단계 B7), 이 미소 시간 T2 동안에 전류검출부(46)에 의해 2차 전지(10)에 흐르고 있는 전류값 i를 검출해서(단계 B8), 상기 제 1판정 프로그램으로 이 검출된 전류값 i의 판정을 실시한다(단계 B9).
이 검출된 전류값 i가 판정 기준값 K를 넘고 있으면(단계 B9), 상기 단계 B5로 돌아가고, 한편 이 전류값 i가 판정 기준값 K 이하로 되어 있으면(단계 B9), 상기 제 2판정 프로그램에 의해 상기 제 1판정 프로그램에 의한 전회의 긍정 판정(검출된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라는 판정)으로부터 이번회의 긍정 판정(검출 된 전류값 i가 판정 기준값 K 이하라는 판정)까지의 사이에서 절환된 체크 전압값 Ec로의 절환 횟수 Nc를 판정한다(단계 B10).
이 절환 횟수 Nc는 계측 프로그램에 의해 기록되어 있으며, 제 2판정 프로그램에서, 제 1판정 프로그램에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 체크 전압값 Ec로의 절환 횟수 Nc가 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 체크 전압값 Ec-1으로의 절환 횟수 Nc-1의 r배 이하라고 판정되면(단계 B10), 상기 단계 B6에 돌아가고, 한편 제 2판정 프로그램에서, 제 1판정 프로그램에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 체크 전압값 Ec로의 절환 횟수 Nc가 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 체크 전압값 Ec-1으로의 절환 횟수 Nc-1의 r배를 넘고 있다고 판정되면(단계 B10), 충전 정지 신호가 출력되어(단계 B11) 2차 전지(10)의 충전이 정지된다(단계 B12).
한편, 상기 단계 B11에서, 충전 정지 신호가 출력된 때에는 바로 2차 전지(10)의 충전을 정지해도 되며, 또는 추가 충전을 실시하여 어느 시간이 경과한 후에 2차 전지(10)의 충전을 정지해도 된다. 후자의 경우, 상기 충전 정지 신호가 출력되면, 예컨대 절환 스위치(58)에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값 Et로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값 Et로 2차 전지(10)를 제 2의 소정 시간 T3 동안 인가한 후 2차 전지(10)의 충전을 완료한다. 혹은, 상기 충전 정지 신 호가 출력되면, 상기 소정의 충전 인가 전압값 Et에 의한 소정 시간 T1 동안의 전압 인가와, 상기 체크 전압값 Ec에 의한 미소 시간 T2 동안의 전압 인가로 이루어지는 사이클을 소정 횟수 반복한 후, 2차 전지(10)의 충전을 완료하도록 구성해도 된다.
이와 같이 충전함으로써, 2차 전지(10)의 충전률이 100%에 더욱 근접하도록 충전할 수 있다.
이상과 같은 구성에 의한 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 따르면, 2차 전지(10)의 종류나 사이즈 등에 관계없이 어떠한 2차 전지(10)이더라도 그 2차 전지(10)의 완전 충전 평형 전압값을 찾아 나가면서, 충전률이 약 100%가 되도록 충전할 수 있어 신뢰성이 향상한다. 또한, 이 충전장치(1)는 내부 구조가 일부 파괴되어 열화하고 있는 2차 전지(10)에 대해서도 효과적으로, 그 2차 전지(10)의 현시점의 완전 충전 평형 전압값을 찾아 내어, 현시점의 축전 용량에 대해 충전률이 약 100%가 되도록 충전할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 따른 충전 이론에 관하여 설명한다.
도 14에 도시한 바와 같이, 일정값에 근접하는 점근(漸近) 특성을 갖는 함수의 일반형으로는 3개의 예를 들 수 있다. 이 중 도 14b의 함수에 관해서는, 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 의한 충전에는 맞지 않기 때문에, 도 14a의 함수 및 14c의 함수에 관하여 검토한다.
먼저, 도 14a의 함수에 관하여 설명하면 도 15에 도시한 바와 같이, 충전률 이 100%인 완전 충전 상태의 포화시 전위를 Veq,f라고 하면, 기전 전압 Veq(t)는 식 (a-1)로 나타낸다.
Figure 112004031485953-PCT00001
(a-1)
여기서, 시각 t = t1일 때의 기전 전압을 Veq(t1)이라고 하면, 식 (a-2)가 성립한다.
Figure 112004031485953-PCT00002
(a-2)
이 상태에서 체크 전압값을 ΔV 올려서 새로운 체크 전압값을 설정하고, 전지 기전 전압이 이 새로운 체크 전압값과 평형을 이룰 때까지의 소요 시간을 Δt(tn)으로 하면, 식 (a-3)가 성립한다.
Figure 112004031485953-PCT00003
(a-3)
이 식 (a-3)을 정리하면 식 (a-4)를 얻을 수 있으며, 이 식 (a-4)는 식 (a-2)를 사용하여 식 (a-5)로 나타낼 수 있다.
Figure 112004031485953-PCT00004
(a-4)
Figure 112004031485953-PCT00005
(a-5)
식 (a-3)으로 나타내는 시각 t = t2로부터 2Δt(t1)일 때의 전지 전압 Veq(t 2 + 2Δt(t1))를 산출해서, Veq(t2) + ΔV와 비교한다.
즉, 식 (a-1)에서, t = t1 + 3Δt(t1)을 대입한 식 (a-6)과, 식 (a-1)에 t = t2를 대입해서 ΔV를 더한 식 (a-7)를 비교한다.
Figure 112004031485953-PCT00006
(a-6)
Figure 112004031485953-PCT00007
(a-7)
식 (a-6)이 식 (a-7)보다 크면, 기점은 t = t2가 되고 충전을 속행한다. 한편, 식 (a-6)이 식 (a-7)보다 작으면 충전을 정지하고, 정지된 전지 기전 전압은 식 (a-6)으로 규정된다. 여기서, 식 (a-8)은 식 (a-6)으로부터 식 (a-7)을 뺀 계산 식이다.
Figure 112004031485953-PCT00008
(a-8)
구체적인 예로서, 여기서, 소정의 2차 전지가 다음의 상수를 갖는 것으로 한다.
Veq,f = 1.417V, Veq(t0) = 1.385V, 상수 λ는 충전 전류에 의해 정해지는 상수, 비교 전압의 증가는 ΔV = 0.01V로 한다. 계산의 기점은 도 16의 시간-전압 패턴의 경우, 시각 t = t1이 된다(체크 시작 전압은 1.38V이더라도 제어의 대상이 되는 것은 동 도면의 경우, 시각 t = t1 이후가 된다.)
이들 값을 상기 식 (a-8)에 대입하면 식 (a-9)를 얻을 수 있다.
Figure 112004031485953-PCT00009
(a-9)
이상의 계산식에 근거하여 상기 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 있어서, 제 2판정 프로그램에서의 판정에 관한 상수 r을 r = 2라고 설정했을 때의 실례를 설명한다.
도 17에 도시한 바와 같이, 먼저 최저 체크 전압값을 1.39V로 설정해서, 2차 전지의 충전을 시작한다. 충전이 진행되면서 2차 전지의 기전 전압이 1.39V에 도달하면 평형을 이루어 충전은 정지한다.
이어서, 체크 전압값을 0.01V 올려서 1.40V로 하면, 소정 시간 경과후(도 17의 예에서는, 무차원화된 시간에서 0.463) 전지 기전 전압은 1.40V에 도달한다. 다시, 체크 전압값을 0.01V 올려서 1.41V로 하고, 1.40V로부터 1.41V로 도달하는데 필요한 시간(무차원화된 시간에서 0.887)의 2배의 시간이 경과하면 충전을 종료시킨다. 이때의 전지 기전 전압은 1.4158V가 되며, 본래의 완전 충전시 기전 전압의 99.9%에 도달하고 있다.
이 제어 방식은 2차 전지가 갖는 충전 특성이 상기와 같은 패턴인 한, 기전 전압에 차가 있더라도 올바르게 완전 충전시의 기전 전압에 근접하는 것이 가능하 며, 따라서 2차 전지의 종류에 관계없이 완전 충전이 가능한다.
다음으로, 도 14c의 함수에 관하여 설명한다.
도 18에 도시한 바와 같이 이 경우의 충전의 개요를 설명하면, 시각 t = t1에서 전지 전압이 체크 전압값과 평형을 이루며, 이 때의 전압은 Veq(t1)이 된다. 이어서, 체크 전압값을 ΔV 올려서 새로운 체크 전압값을 설정하여 충전을 지속하고, 평형을 이룰때 까지의 시간을 Δt(t1)로 한다. 여기서의 평형 전압은 Veq(t1) + ΔV이다. 다시, 체크 전압값을 ΔV 올려서 새로운 체크 전압값을 설정하고, 충전을 지속한다. 이때, 2Δt(t1)경과하더라도 평형을 이루지 않을 때는 충전을 종료한다. 평형을 이룰 때 그 시간 경과는 Δt(t2), Veq는 Veq(t1) + 2ΔV가 된다. 그리고, 체크 전압값을 ΔV씩 올려서, 상기의 과정을 반복한다.
상기의 충전 제어를 수학적으로 연역하면, 도 18에 도시한 전위 곡선은 식 (b-1)에 따르게 된다.
Figure 112004031485953-PCT00010
(b-1)
시각 t = t1일 때, 식 (b-1)에 대입하면 식 (b-2)를 얻을 수 있다.
Figure 112004031485953-PCT00011
(b-2)
이 시점부터 전압이 ΔV상승하는데 필요한 시간을 계산한다.
Figure 112004031485953-PCT00012
(b-3)
윗식 (b-3)을 변형하면, 식 (b-3')를 얻을 수 있다.
Figure 112004031485953-PCT00013
(b-3')
또한, 상기의 식 (b-2)를 변형하면 식 (b-2')를 얻을 수 있다.
Figure 112004031485953-PCT00014
(b-2')
이상의 계산식에 근거해서, 상기 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 있어서, 제 2판정 프로그램에서의 판정에 관한 상수 r을 r = 2라 설정했을 때의 실례를 설명한다.
체크 전압값을 0.01V씩 올려 갈 때에, 충전 단계(충전 정도)에 따라 그 바의 높이(체크 전압값)를 클리어하는데 필요로 하는 시간이 다르고, 그 소요 시간이 전의 2배가 됐을 때에, 충전을 종료했을 때의 평형 전압을 계산한다.
도 19에서는, 처음의 바 높이인 최저 체크 전압값을 1.40V로 설정하고, 1.40V로부터 1.41V로 체크 전압값을 올리면, 이것을 클리어 하는데 무차원화된 시 간으로 1.299를 필요로 하고 있다. 또한, 1.43V로부터 1.44V에는 도 19의 표 중의 최저 시간(무차원화된 시간으로 0.673)으로 클리어 하고, 체크 전압값을 더욱 올리면 그 체크 전압값을 클리어 하는데 필요로 하는 시간이 길어지며, 결과적으로는 아무리 시간이 경과하더라도 클리어 할 수 없게 된다. 그래서, 마지막으로 클리어 한 소요 시간의 2배를 한도로 충전을 종료 시킬 경우의 목표값 달성도를 계산한 것이 도 19의 표 최하단의 값이 된다. 이 표로부터 알 수 있듯이, 이 충전 방법에 의하면, 충전 종료시에 본래의 완전 충전시 기전 전압의 99.97%에 도달해 있다.
이상은, 상기 본 발명의 2차 전지 충전장치(1)에 있어서, 제 2판정 프로그램에서의 판정에 관한 상수 r을 r = 2라 설정한 경우의 설명이다. 이 상수 r의 설정은 1 이상이라면, 특히 한정되는 것은 아니다. 이 상수 r을 r = 1이라고 설정한 경우에는, 도 18에 있어서 전압 곡선의 변곡점(시각 t = tc에서의 전압값) 부근에서 충전이 정지하고, 충전 종료시의 2차 전지 충전률은 약 80%가 되어 있다. 이와 같은 설정의 충전 방법도 효과적이며, 불가역 반응 영역(D)에 결코 도달하지 않고 충전을 할 수가 있어서, 사이클 수명을 5000회를 넘길 때까지 비약적으로 연장시킬 수 있다.
발명의 효과
이어서, 본 발명에 따른 효과를 설명한다.
먼저, 본 발명의 제 1태양의 2차 전지 충전장치에 의하면, 2차 전지의 종류나 사이즈 등에 관계없이, 어떠한 2차 전지라도 그 2차 전지의 완전 충전 평형 전 압값을 찾아 내면서 충전률이 약 100%가 되도록 충전할 수 있어 신뢰성이 향상한다. 또한, 이 충전장치는 내부 구조가 일부 파괴되어 열화되어 있는 2차 전지에 대해서도 효과적으로, 그 2차 전지의 현시점의 완전 충전 평형 전압값을 찾아내어 현시점의 축전 용량에 대해 충전률이 약 100%가 되도록 충전할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제 2태양의 2차 전지 충전장치에 의하면, 본 발명의 제 1태양의 2차 전지 충전장치와 동일한 효과를 가질 뿐만 아니라, 충전률이 100%에 더욱 근접하도록 충전할 수 있어 신뢰성이 향상한다.
또한, 본 발명의 제 3태양의 2차 전지 충전장치에 의해서도, 본 발명의 제 1태양의 2차 전지 충전장치 또는 본 발명의 제 2태양의 2차 전지 충전장치와 마찬가지의 효과를 가진다.
그리고, 본 발명의 제 4태양의 2차 전지 충전장치에 의하면, 전압값 증분수단을 마이크로 컴퓨터의 어느 1개의 출력단자만을 이용해서 전압값의 증가를 수행하는 구성으로 했기 때문에, 마이크로 컴퓨터에 걸리는 부하를 경감할 수 있으며, 소용량의 마이크로 컴퓨터로 매우 정밀하게 소부하의 전압값 증가 동작을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 5태양의 2차 전지 충전장치에 의하면, 전압값 증분수단을, 마이크로 컴퓨터의 어느 1개의 출력단자만을 이용해서 전압값의 증가를 수행하는 구성으로 했기 때문에, 마이크로 컴퓨터에 걸리는 부하를 경감할 수 있으며, 소용량의 마이크로 컴퓨터로 매우 정밀하게 소부하의 전압값 증가 동작을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 6태양의 2차 전지 충전장치에 의하면, 전압값 증분수단을, 마이크로 컴퓨터의 어느 1개의 출력단자만을 이용해서 전압값의 증가를 수행하는 구성으로 했기 때문에, 마이크로 컴퓨터에 걸리는 부하를 경감할 수 있으며, 소용량의 마이크로 컴퓨터로 매우 정밀하게 소부하의 전압값 증가 동작을 실현할 수 있다.
그래서, 본 발명의 제 7태양의 2차 전지 충전장치에 의하면, 전압값 증분수단을, 마이크로 컴퓨터의 어느 1개의 출력단자만을 이용해서 전압값의 증가를 수행하는 구성으로 했기 때문에, 마이크로 컴퓨터에 걸리는 부하를 경감할 수 있으며, 소용량의 마이크로 컴퓨터로 매우 정밀하게 소부하의 전압값 증가 동작을 실현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 충전 대상이 되는 어떠한 종류의 2차 전지의 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 낮은 최저 체크 전압값으로부터 소정 분할폭의 전압값으로 체크 전압값을 증가시켜 가는 전압값 증분수단;
    2차 전지에 충전 대상이 되는 어떠한 종류의 2차 전지의 정격 완전 충전 평형 전압값보다도 높지만, 불가역 화학반응 영역에는 도달하지 않는 소정의 충전 인가 전압값을 공급하는 충전 전압 공급수단;
    2차 전지에 인가하는 전압값을 상기 충전 전압 공급수단으로부터 공급되는 소정의 충전 인가 전압값, 또는 상기 전압값 증분수단으로부터 공급되는 체크 전압값으로 절환하는 절환수단;
    2차 전지에 체크 전압값을 인가하고 있는 동안에, 2차 전지에 통전되어 있는 전류값을 검출하는 전류검출수단;
    상기 전류검출수단에 의해 검출된 전류값이 미리 입력 설정된 판정 기준값 이하가 되었는지 아닌지를 판정하는 제 1판정수단;
    상기 제 1판정수단에 의한 전회(前回)의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이, 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 r(r은 1 이상의 실수)배를 넘었는지 아닌지를 판정하는 제 2판정수단;을 구비하고,
    이하의 제 1 단계부터 제 7 단계를 따라서 2차 전지의 충전을 제어하는 2차 전지의 충전장치.
    (제 1 단계)상기 최저 체크 전압값으로 2차 전지를 미소 시간 인가해서, 이 미소 시간 동안에, 상기 전류검출수단에 의해 2차 전지에 통전되어 있는 전류값을 검출한다.
    (제 2 단계)상기 제 1판정수단으로 상기 검출된 전류값의 판정을 실시하고, 이 전류값이 상기 판정 기준값을 넘고 있으면, 다음의 제 3 단계로 이동하고, 한편 이 전류값이 상기 판정 기준값 이하로 되어 있으면, 제 4 단계로 점프한다.
    (제 3 단계)상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값으로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값으로 2차 전지를 소정 시간 인가한 후, 상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 최저 체크 전압값으로 절환하고, 상기 제 1 단계로 돌아간다.
    (제 4 단계)상기 전압값 증분수단에 의해, 그때까지의 체크 전압값에 상기 소정 분할폭의 전압값을 증가시킨 새로운 체크 전압값을 설정한다.
    (제 5 단계)상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값으로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값으로 2차 전지를 소정 시간 인가한 후, 상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 새로운 체크 전압값으로 절환하고, 이 새로운 체크 전압값으로 2차 전지를 미소 시간 인가하고 있는 동안에, 상기 전류검출수단에 의해 2차 전지에 통전되어 있는 전류값을 검출한다.
    (제 6 단계)상기 제 1판정수단에 의해 상기 검출된 전류값의 판정을 실시하고, 이 전류값이 상기 판정 기준값을 넘고 있으면, 상기 제 5 단계로 돌아가고, 한 편 이 전류값이 상기 판정 기준값 이하로 되어 있으면, 다음 제 7 단계로 이동한다.
    (제 7 단계)상기 제 2판정수단에 의해 상기 제 1판정수단에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간 판정을 실시하고, 상기 제 1판정수단에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 r배 이하이라면, 상기 제 4 단계로 돌아가고, 한편 상기 제 1판정수단에 의한 전회의 긍정 판정으로부터 이번회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간이 전전회의 긍정 판정으로부터 전회의 긍정 판정까지 사이의 소요 시간의 r배를 넘고 있으면, 충전 정지 신호를 출력한다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 7 단계에서, 상기 충전 정지 신호가 출력되면, 상기 절환수단에 의해 충전 전압을 상기 소정의 충전 인가 전압값으로 절환해서, 이 소정의 충전 인가 전압값으로 2차 전지를 제 2 소정 시간 인가한 후, 2차 전지의 충전을 완료하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충전장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 소요 시간은 상기 절환수단에 의한 상기 체크 전압값으로의 절환 횟수를 카운트함으로써 계측되는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충전장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압값 증분수단은,
    1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하는 마이크로 컴퓨터와,
    상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값과 최소값을 반전하고, 이 반전된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 반전된 펄스파의 진폭의 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와,
    상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값으로부터 감산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하고,
    상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 증가시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 가는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충전장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압값 증분수단은,
    1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하 는 마이크로 컴퓨터와,
    상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와,
    상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값에 가산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하고,
    상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 증가시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 가는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충전장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압값 증분수단은,
    1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하는 마이크로 컴퓨터와,
    상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값과 최소값을 반전하고, 이 반전된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 반전된 펄스파의 진폭의 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와,
    상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값에 가산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하 고,
    상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 감소시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 가는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충전장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압값 증분수단은,
    1주기를 n(n은 2 이상의 정수)등분한 시간 분할폭을 w로 하고, 변수를 c(c = 1, 2, …, n)로 해서, 펄스폭 c·w의 펄스파를 어느 1개의 출력단자로부터 출력하는 마이크로 컴퓨터와,
    상기 출력단자로부터 출력된 펄스파의 진폭의 최대값을 상한 전압값으로 설정함과 동시에, 최소값을 하한 전압값으로 설정하는 상하한 전압값 설정회로와,
    상기 상하한 전압값 설정회로로부터 출력된 펄스파의 전압값을 평균화함과 동시에, 그 평균값을 기준 전압값으로부터 감산한 전압값을 출력하는 연산회로를 구비하고,
    상기 마이크로 컴퓨터에 있어서, 상기 변수 c를 감소시켜감으로써, 상기 연산회로로부터 출력되는 전압값을 소정 분할폭의 전압값으로 증가시켜 가는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충전장치.
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