KR19990028876A - Control and Termination of Battery Charging Process - Google Patents
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Abstract
배터리의 과열 또는 손상을 피하면서, 가능한한 신속히 배터리를 충전하도록 배터리 충전과정을 조정하기 위한 방법 및 장치. 방법은 평균 충전 전류를 제공하는 충전 펄스(C1)를 인가하고, 제 1 탈분극 펄스(D1)를 인가하며, 제 1 휴지기(DW1)를 대기하며, 제 1 휴지기내의 예정 시점에서 전압(V1)을 측정하며, 제 2 탈분극 펄스(D2)를 인가하며, 제 2 휴지기(DW2)를 대기하며, 제 2 휴지기내의 예정 시점에서 전압(V2)을 측정하며, 전압(V1)과 전압(V2)간의 차이를 측정한 다음, 차이가 예정량 보다 클 경우 평균 충전 전류를 감소시키는 단계를 제공한다. 본 발명은 또한 배터리가 물에 있어 낮은 수준에 있는지 여부를 측정하는 방법도 제공한다.A method and apparatus for adjusting the battery charging process to charge the battery as quickly as possible while avoiding overheating or damaging the battery. The method applies a charging pulse C1 that provides an average charging current, applies a first depolarization pulse D1, waits for the first resting period DW1, and applies the voltage V1 at a predetermined point in time within the first resting period. Measure, apply a second depolarization pulse D2, wait for the second pause DW2, measure the voltage V2 at a predetermined time within the second pause, and measure the difference between the voltage V1 and the voltage V2. And then the average charging current is reduced if the difference is greater than the predetermined amount. The invention also provides a method of measuring whether a battery is at a low level in water.
Description
몇몇 배터리 충전방법 및 몇몇 배터리 충전과정 종결시기 측정 방법이 있다. 이들 방법은 모두 동일한 문제점을 안고 있는데: 배터리를 과충전시키게 된다는 점이다. 배터리가 과충전되면, 양극에 산소가 생성되게 된다. 이러한 산소는 이어서 음극에 의하여 소모되고 배터리는 가열되게 된다. 과충전에 따른 배터리에 대한 일부 손상의 위험성은 대부분의 충전 기술에 있어 정상적인 절차이다. 배터리 제조업자는 어느 정도까지는 이러한 점을 감안하여, 여분의 음극 재료를 갖춘 배터리를 디자인한다. 그러나, 과충전은 불가피하게도 음극을 소모하고, 일단 여분의 물질이 소모되면, 이에 따라 후속 과충전은 전하 저장에 이용될 수 있는 음극의 양을 감소시키게 될 것이며 그렇게 되면 배터리의 용량이 감소하게 된다.There are several methods for charging the battery and some methods for measuring the end of the battery charging process. These methods all have the same problem: the battery is overcharged. When the battery is overcharged, oxygen is produced at the anode. This oxygen is then consumed by the cathode and the battery is heated. The risk of some damage to the battery due to overcharging is a normal procedure for most charging technologies. To some extent, battery manufacturers take this into account and design batteries with extra negative material. However, overcharge inevitably consumes a negative electrode, and once excess material is consumed, subsequent overcharge will reduce the amount of negative electrode that can be used for charge storage, which in turn reduces the capacity of the battery.
특히, 직류 충전을 이용한 과충전의 잘 문서화된 효과는 배터리 전압이 감소하게 된다는 사실이다. 배터리 전압에 있어 이러한 감소는 자주 마이너스 델타 V 또는 네가티브 델타 V로 언급되고 있다. 충전상태의 측정방법 중 하나는 마이너스 델타 V의 발생을 검출하고 이러한 현상이 발생할 때 충전과정을 종결하는 것이다. 그러나, 이러한 방법은, 과도한 양의 산소가 양극에 의하여 생성되고 음극에 의하여 소모되는 경우에 마이너스 델타 V가 발생하기 때문에 배터리 수명을 단축시키게 된다. 결과적으로, 이러한 방법은 배터리 온도를 상승시키게 되고 또한 배터리 내부에 압력을 증강시키게 된다.In particular, a well documented effect of overcharging with direct current charging is the fact that the battery voltage is reduced. This reduction in battery voltage is often referred to as negative delta V or negative delta V. One method of measuring the state of charge is to detect the occurrence of negative delta V and terminate the charging process when this occurs. However, this method shortens battery life because negative delta V occurs when excessive amounts of oxygen are produced by the positive electrode and consumed by the negative electrode. As a result, this method raises the battery temperature and also increases the pressure inside the battery.
충전과정 종결시기 측정의 다른 방법은 배터리를 통해 전류의 펄스를 강제하고 각각의 충전 펄스 후에 방전 펄스를 인가함으로써 배터리를 충전시킬 때 사용되어 왔다. 이러한 방법에 있어서, 충전과정은 방전 펄스 동안의 평균 방전 전류에 응답하여 또는 선행 충전 펄스 동안에 배터리에 제공된 에너지와 비교된 방전 펄스에 의하여 제거된 에너지 비에 응답하여 종결된다. 그러나, 방전 전압치와 배터리 충전상태간에는 밀접한 관계가 존재하지 않는다.Another method of measuring the end of charge process has been used to charge the battery by forcing a pulse of current through the battery and applying a discharge pulse after each charge pulse. In this method, the charging process is terminated in response to the average discharge current during the discharge pulse or in response to the energy ratio removed by the discharge pulse compared to the energy provided to the battery during the preceding charge pulse. However, there is no close relationship between the discharge voltage value and the state of charge of the battery.
또 다른 하나의 충전과정 종결 방법은 충전 개시 후 설정 시간에서의 충전 펄스 간의 배터리 단자 전압의 샘플링을 제공한다.Another charging process termination method provides sampling of the battery terminal voltage between charge pulses at a set time after charging commences.
다른 방법은 충전 전류 인가시의 배터리 전압 측정 및 방전 전류 동안의 배터리 전압 측정을 제공한다. 두 전압 측정치를 비교하고 이들 전압 간에 예정된 차이가 존재할 때 충전과정을 종결한다. 그러나, 예정된 차이는 충전시킬 배터리 유형과 충전시킬 배터리 용량에 따라 선택되어야 한다. 더욱이, 이러한 방법은 배터리의 충전상태를 정확히 측정하지 않기 때문에 과충전과 함께 일어나는 산소의 발생을 방지하지는 못한다. 이러한 이유는 배터리가 빠른 충전 속도로 충전되고, 이어서 긴 방전 펄스가 존재하게 될 경우, 니켈-카드뮴(NiCd) 또는 니켈-금속-하이드라이드(NiMH) 배터리가 가열되고 배터리 온도의 변화로 인해 충전 전압의 진폭이 변화되기 때문이다. 따라서, 이러한 방법은 대형 배터리를 고속 충전으로 충전하기에는 정밀하지가 않은데, 그 이유는 배터리 상태의 측정에 있어 사소한 실수로도 배터리에 손상을 일으킬 수 있기 때문이다. 더욱 복잡한 문제로는, 배터리 특성이 충전 사이클 중에 변하고 배터리에 따라 다양하다는 것이다.Another method provides battery voltage measurement during charging current application and battery voltage measurement during discharge current. Compare the two voltage measurements and terminate the charging process when a predetermined difference exists between these voltages. However, the predetermined difference should be selected according to the type of battery to be charged and the capacity of the battery to be charged. Moreover, this method does not accurately measure the state of charge of the battery and does not prevent the generation of oxygen with overcharge. This is because if the battery is charged at a fast charge rate, and then a long discharge pulse is present, the nickel-cadmium (NiCd) or nickel-metal-hydride (NiMH) battery is heated and the charge voltage is due to a change in battery temperature. This is because the amplitude of is changed. Thus, this method is not precise for charging large batteries with fast charging, because even minor mistakes in measuring battery condition can damage the battery. A more complex problem is that battery characteristics change during the charge cycle and vary from battery to battery.
다른 또 하나의 충전 사이클 제어 방법은 "무저항 전압" 판독을 이용한다. 배터리의 무부하 ("무저항") 단자 전압을 충전 펄스의 종료 후에 측정한다. 이러한 전압은 충전 전류를 측정하기 위하여 기준전압과 비교된다. 기준전압은 예를 들면, 주위 온도, 내부 온도, 내부 압력, 충전 전류, 또는 충전 전류치의 변화에 좌우될 수 있다. 그러나, 무저항 전압의 측정은 배터리내의 모든 셀이 평형모드로 있게 될 때 일어나야 한다. 평형 상태가 달성되지 않으면 이에 따라 개방회로 전압의 전압 측정은 선행 충전 펄스의 종료로부터의 시간에 따라 상이하게 될 수 있다. 평형 시간은 충전 전류 및 배터리의 질량 이동능에 따라 좌우된다. 무저항 전압의 측정 정확성은 배터리내 전해질의 농도 및 배터리의 사용기간에 따라 좌우될 것이다. 전해질의 농도는 플레이트 표면의 다공성 구조에 기인하여 변화할 것이며, 이에 따라 충전 펄스의 종료 후 개방회로 전압 밀리세컨드의 측정은 정확한 결과를 부여하지 않을 것이다. 따라서, 배터리는 과열되거나 파괴될 수 있다. 더욱이, 배터리간의 차이, 배터리 유형간의 차이, 및 충전 사이클 동안에 발생하는 단일 배터리에 있어서의 차이도 존재한다. 따라서, 적당한 기준전압의 선택이 곤란해질 수 있거나 매우 시간이 소모된다.Another charge cycle control method uses a "resistance-free voltage" readout. The no-load ("no resistance") terminal voltage of the battery is measured after the end of the charge pulse. This voltage is compared with a reference voltage to measure the charging current. The reference voltage may depend, for example, on changes in ambient temperature, internal temperature, internal pressure, charging current, or charging current value. However, the measurement of non-resistance voltage should occur when all cells in the battery are in equilibrium mode. If an equilibrium condition is not achieved, the voltage measurement of the open circuit voltage may thus be different over time from the end of the preceding charge pulse. Equilibration time depends on the charge current and the mass transfer capacity of the battery. The measurement accuracy of the resistivity voltage will depend on the concentration of the electrolyte in the battery and the age of the battery. The concentration of the electrolyte will change due to the porous structure of the plate surface, so the measurement of the open circuit voltage milliseconds after the end of the charge pulse will not give accurate results. Thus, the battery may be overheated or destroyed. Moreover, there are differences between batteries, between battery types, and differences in a single battery that occur during a charge cycle. Therefore, selection of a suitable reference voltage can be difficult or very time consuming.
배터리를 신속히 충전하는 여타의 방법도 내부저항, 분극저항, 질량이동 조건 및 온도와 같이 배터리의 항구적으로 변하는 파라미터를 고려하여야 한다. 신속한 충전 시스템은 과충전상태를 피하고 가스 생성을 피하기 위하여 전형적으로 테이퍼링 전류를 사용한다. 미국 특허 제 5,307,000 호는 각 충전 펄스간의 다중 방전 펄스의 사용에 대하여 기술하고 있으며 셀 당 한계전압 및 열 생성없이, 배터리를 장기간 동안 고 방전 펄스 전류로 신속히 충전하는 방법을 제공한다. 복수개의 탈분극 펄스없이, 배터리상의 전압은 전극 주위의 전해질의 신속한 농도 증가에 기인하여 특히 충전 펄스의 말미에서 매우 신속히 상승하게 될 것이다.Other methods of quickly charging the battery should also take into account the permanently changing parameters of the battery, such as internal resistance, polarization resistance, mass transfer conditions and temperature. Rapid charging systems typically use a tapering current to avoid overcharge and gas generation. U.S. Patent 5,307,000 describes the use of multiple discharge pulses between each charge pulse and provides a method of rapidly charging a battery with high discharge pulse current for a long time without limit voltage and heat generation per cell. Without a plurality of depolarization pulses, the voltage on the battery will rise very quickly, especially at the end of the charge pulse, due to the rapid increase in concentration of the electrolyte around the electrode.
급속 충전과정은 신뢰할 만하고 정확한 충전제어 및 충전종료 방법을 토대로 하여야 한다. 일부 기존의 충전방법은 온도 컷오프에 의존하거나, 다른 방법은 모든 유형의 배터리에 적당 및/또는 균일하지는 않으며, 심지어 동일 배터리 유형(납-산, NiCd, NiMH)의 충전에 사용될 때 조차도 배터리 용량의 선택을 요하는 방법도 있다. 기타 종래의 충전방법은 전압 컷오프에 의존하였다. 그러나, 고정 전압 역치는 믿을만하지가 못한데 그 이유는 배터리의 상태, 온도, 배터리의 사전 사용 및 충전이력에 따라 적정 전압 역치가 변화하기 때문이다.The fast charging process should be based on reliable and accurate charging control and charging termination methods. Some conventional charging methods rely on temperature cutoff, or other methods are not suitable and / or uniform for all types of batteries, even when used for charging the same battery type (lead-acid, NiCd, NiMH). There are ways to make choices. Other conventional charging methods have relied on voltage cutoff. However, the fixed voltage threshold is unreliable because the proper voltage threshold changes depending on the condition, temperature of the battery, pre-use of the battery and charging history.
선행기술에 공지되어 있는 바와 같이, 급속 배터리 충전을 위한 바람직한 기술은 바람직하게는 일련의 충전 및 탈분극 펄스를 배터리에 인가함으로써 고 충전 전류를 배터리 중으로 강제하는 과정을 수반한다. 충전과정이 더욱 신속해지고 순간 충전 전류가 더 높아짐에 따라, 배터리가 완전 충전되고 충전과정의 종료 또는 변경을 위한 최적 시간이 발생하는 시기를 결정하기란 더욱 곤란해진다. 배터리가 완전 충전되는 시기를 정확히 인지하지 않고는, 배터리의 과충전에 기인하여 충전시간 및 에너지 모두 낭비된다.As is known in the art, the preferred technique for rapid battery charging involves the process of forcing a high charge current into the battery, preferably by applying a series of charge and depolarization pulses to the battery. As the charging process becomes faster and the instantaneous charging current is higher, it becomes more difficult to determine when the battery is fully charged and the optimal time for termination or change of the charging process occurs. Without knowing exactly when the battery is fully charged, both charging time and energy are wasted due to overcharging of the battery.
그러나, 전술한 바와 같이, 과충전은 가스발생을 초래하고 열을 발생시키며 배터리내 압력을 증가시키며, 이에 따라 배터리에 손상을 초래하거나 잠정적으로는 배터리내에 파국적 열 폭주 상태를 개시한다. 일정한 전압 충전 모드 동안 점진적인 감소 후에 충전 전류가 안정화되거나 증가하기 시작할 때 배터리가 충전됨이 알려져있다. 그러나, 이러한 방법은 배터리가 열 폭주 상태에 근접해 있는 경우 일어나는 배터리의 단자 특성의 변화에 의존한다. 따라서, 배터리가 열 폭주 상태로의 돌입에 근접하지 않은 채 배터리의 충전 여부를 측정하는 것이 바람직하다.However, as mentioned above, overcharging causes gas generation, generates heat, and increases pressure in the battery, thereby causing damage to the battery or potentially initiating a catastrophic thermal runaway condition in the battery. It is known that the battery is charged when the charging current stabilizes or begins to increase after a gradual decrease during the constant voltage charge mode. However, this method relies on changes in the terminal characteristics of the battery that occur when the battery is in a thermal runaway state. Therefore, it is desirable to measure whether the battery is charged without approaching the rush into the thermal runaway state.
충전 전류를 감소시키고, 충전시간을 연장하거나, 일부 선택된 기준, 예를 들면, 충전과정이 적용된 시간의 양, 배터리 중으로 강제된 충전의 암페어-시간, 또는 배터리 온도를 토대로하여 조기에 급속 충전과정을 종결함으로써 가스생성, 가열, 열 폭주, 및 배터리에 대한 기타 손상의 문제점을 피할 수 있다. 그러나, 이들 방법은 충전과정을 때 이르게 종결시킬 수 있고, 이에 따라 배터리는 덜 충전된 상태로 있게되거나, 배터리를 완전 충전시키기 위해 트리클(trickle) 충전과 같은 후속 방법에 요구되는 시간을 상당히 연장시키게 된다. 또한, 배터리는 고 충전 펄스 전류를 감당할 수 없기 때문에, 배터리에 급속 충전과정이 적용될 경우 측정기준으로서 충전의 시간 또는 암페어-시간의 이용은 완전 충전되거나 거의 완전 충전된 배터리에 대한 파국적 실패를 초래하게 될 것이다. 이러한 경우에, 배터리의 가스생성 및 과도한 가열이 거의 즉시에 일어나기 시작할 것이다.Reduce charging current, prolong charging time, or prematurely fast charge based on some selected criteria, such as the amount of time the charging process has been applied, ampere-hour of charge forced into the battery, or battery temperature. By terminating, problems of gas generation, heating, thermal runaway, and other damage to the battery can be avoided. However, these methods can terminate the charging process prematurely, thereby allowing the battery to remain in a less charged state or significantly extending the time required for subsequent methods such as trickle charging to fully charge the battery. do. In addition, because the battery cannot tolerate high charge pulse currents, the use of the time of charge or amper-hour as a measure when the fast charging process is applied to the battery will result in catastrophic failure for a fully charged or nearly fully charged battery. Will be. In this case, gas generation and excessive heating of the battery will begin to occur almost immediately.
따라서, 가능한 한 장기간 급속 충전과정이 사용될 수 있고, 이에 따라 배터리를 완전 또는 거의 완전 충전상태로 이끌고, 그러나 배터리에 손상이 일어나기 전 시점에서 급속 충전과정이 종결되도록, 특히 급속 충전과정 동안 배터리의 충전상태를 정확히 측정하는 방법이 필요하다.Therefore, the fast charging process can be used as long as possible, thus bringing the battery to a full or near full charge state, but charging the battery, especially during the fast charging process, to terminate the fast charging process before the battery is damaged. You need a way to accurately measure the condition.
또한, 급속 충전과정 동안, 배터리가 실질적으로 충전되는 일부 시점에서 배터리는 충전 펄스로부터의 완전 전류를 수용할 수 없을 수도 있다. 따라서, 충전 펄스 동안 전달된 충전 전류 중 일부는 가스생성 및 가열을 초래한다. 그러나, 이 시점에서의 급속 충전과정의 종결은 시기상조가 되는 데 그 이유는 배터리가 완전 충전되지 않고 비록 더 낮은 충전 전류에서지만 여전히 급속 충전과정을 받을 여지가 있기 때문이다. 따라서, 배터리가 충전됨에 따라 효율적인 방식으로 배터리의 급속충전을 지속하도록 급속 충전과정을 변형시키는 방법이 필요하다.In addition, during the fast charging process, at some point during which the battery is substantially charged, the battery may not be able to accept full current from the charge pulse. Thus, some of the charging current delivered during the charging pulse results in gas generation and heating. However, the termination of the fast charge process at this point is premature because the battery is not fully charged and there is still room for a fast charge process even at lower charge currents. Accordingly, there is a need for a method of modifying the fast charging process to continue rapid charging of the battery in an efficient manner as the battery is charged.
따라서, 배터리가 충전됨에 따라 효율적인 방식으로 배터리의 급속충전을 지속하도록 급속 충전과정을 변형시키는 방법이 필요하다.Accordingly, there is a need for a method of modifying the fast charging process to continue rapid charging of the battery in an efficient manner as the battery is charged.
발명의 개요Summary of the Invention
본 발명은 배터리 충전시기를 정확히 측정하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법으로 해서 급속 충전과정이 가능한 한 오래도록 사용되게 되고, 이에 따라 배터리가 실질적으로 충전되지만, 배터리의 과충전을 피하고 따라서 충전시간 및 에너지 낭비 및 배터리 손상을 피하는 시점에서 급속 충전과정을 종결하게 된다.The present invention relates to a method for accurately measuring the battery charging time. In this way, the fast charging process is used for as long as possible, so that the battery is substantially charged, but the fast charging process is terminated at the time of avoiding overcharging of the battery and thus avoiding charging time and energy waste and battery damage.
본 발명에 있어서, 배터리 충전 시기를 측정하기 위하여, 충전 펄스가 배터리에 인가되고 이어서 적어도 2 개의 방전(탈분극) 펄스가 배터리에 인가된다. 배터리 전압은 제 1 탈분극 펄스 후 휴지(대기)기에서의 예정 시점에서 및 제 2 탈분극 펄스 후 휴지기에서의 동일한 상대 시점에서 측정된다. 탈분극 펄스는 배터리 단자를 가로질러 부하를 걸어줌으로써 생성되고 전형적으로 충전 펄스보다 지속기간이 상당히 더 짧다.In the present invention, in order to measure the battery charging timing, a charging pulse is applied to the battery followed by at least two discharge (depolarization) pulses. The battery voltage is measured at a predetermined time in the resting (standby) phase after the first depolarization pulse and at the same relative time in the resting period after the second depolarization pulse. Depolarization pulses are generated by loading across a battery terminal and are typically significantly shorter in duration than charging pulses.
충전 펄스가 납-산 배터리에 인가될 때, 배터리 용액중의 황산납은 납, 산화납, 전해질 이온으로 전환된다. 납과 산화납은 각각의 전극에 침착된다. 전해질 이온이 전극에 형성되고 전극을 에워싼다. 이들 전해질 이온은 전극 주변의 이온 농도 및 용액내 이온 농도의 차이에 기인한 수송 현상에 의하여 분산된다.When a charge pulse is applied to a lead-acid battery, lead sulfate in the battery solution is converted to lead, lead oxide, and electrolyte ions. Lead and lead oxide are deposited on each electrode. Electrolyte ions are formed on the electrode and surround the electrode. These electrolyte ions are dispersed by the transport phenomenon due to the difference in the ion concentration around the electrode and the ion concentration in the solution.
배터리가 거의 충전되지 않을 경우, 진해질 농도는 낮다, 따라서, 전극 주변에 형성된 전해질 이온은 용액 중으로 급속히 분산된다. 그러나, 배터리가 거의 충전된 경우, 농도차는 적고 이에 따라 이온은 더욱 서서히 분산된다. 이온이 분산될 때까지, 황산납은 전극 부근으로 이동할 수 없다. 따라서, 이온은 전극 주위에 장벽을 형성하고 전극이 다른 하나의 충전 펄스를 효율적으로 수용하는 것을 방지한다. 더욱이, 충전과정에 의하여 전환될 수 있는 용액은 더 소량이다. 일단 이러한 현상이 발생하면, 배터리가 동량의 충전 전류를 수용하도록 충전 전압을 증가시켜야 한다. 그러나, 충전 전압의 증가는 배터리내 물의 수소가스와 산소가스로의 해리를 초래한다. 산소 가스는 용액 중으로 신속히 재흡수된다. 그러나, 수소 가스는 매우 서서히 흡수되고 따라서 배터리 내부 압력이 증강된다. 누출이 일어나면 수소 가스가 소실되고 이에 따라 배터리는 물을 소실한다. 이러한 일이 너무 자주 일어나면 배터리는 못쓰게 된다. 또한, 배터리 충전에 필요한 고 전압은 배터리의 원치않는 가열을 초래하고 과도한 가열은 배터리를 못쓰게 만들 수도 있다.When the battery is rarely charged, the concentration to be concentrated is low, so that the electrolyte ions formed around the electrode rapidly disperse into the solution. However, when the battery is almost charged, the concentration difference is small and thus ions are dispersed more slowly. Lead ions cannot move near the electrode until the ions are dispersed. Thus, ions form a barrier around the electrode and prevent the electrode from efficiently receiving the other charge pulse. Moreover, a smaller amount of solution can be converted by the filling process. Once this occurs, the charge voltage must be increased to allow the battery to accept the same amount of charge current. However, an increase in charge voltage results in the dissociation of water in the battery into hydrogen gas and oxygen gas. Oxygen gas is quickly reabsorbed into the solution. However, hydrogen gas is absorbed very slowly and thus the pressure inside the battery is increased. In the event of a leak, hydrogen gas is lost, which causes the battery to lose water. If this happens too often, the battery will be dead. In addition, the high voltages required to charge the battery can result in unwanted heating of the battery and excessive heating can render the battery unusable.
본 발명은 배터리의 충전상태, 즉, 용액내 전해질 농도가 방전 펄스 뒤에 따르는 휴지기 동안 배터리의 개방회로 전압을 측정함으로써 측정될 수 있음을 기술한다. 개방 회로 전압이 1 번의 휴지기에서 후속 휴지기까지 대략 동일하면, 배터리는 과충전되지 않은 것이며 따라서 충전 전류는 변화시킬 필요가 없다. 개방 회로 전압이 1 번의 휴지기에서 후속 휴지기에 걸쳐 감소하면, 배터리는 과충전되거나 배터리가 수용할 수 있는 것보다 더 높은 비율로 충전된 것이며 따라서 충전 전류를 감소시키거나 충전과정을 종결하여야 한다.The present invention describes that the state of charge of the battery, ie the electrolyte concentration in solution, can be measured by measuring the open circuit voltage of the battery during the rest period following the discharge pulse. If the open circuit voltage is approximately equal from one rest period to the next rest period, the battery is not overcharged and therefore the charging current does not need to be changed. If the open circuit voltage decreases from one pause to the next, the battery is overcharged or charged at a higher rate than the battery can accept and therefore must reduce the charging current or terminate the charging process.
따라서, 배터리가 충전되기 시작할 때, 충전 전류는 배터리가 효율적으로 수용하게 될 수준으로 감소시켜야 한다.Therefore, when the battery begins to charge, the charging current must be reduced to a level that the battery will accept efficiently.
본 발명에 있어서, 배터리는 효율적으로 충전을 허용하도록 측정되며 제 2 전압 측정치가 제 1 전압 측정치와 대략 동일한 한 충전 전류는 변화시킬 필요가 없다.In the present invention, the battery is measured to allow charging efficiently and the charging current need not change as long as the second voltage measurement is approximately equal to the first voltage measurement.
또한, 본 발명에 있어서, 배터리는 거의 충전되도록 측정되며 제 2 전압 측정치가 제 1 전압 측정치보다 예측 전압차(ΔV) 만큼 더 적을 때 충전 전류는 감소시켜야 한다.In addition, in the present invention, the battery is measured to be almost charged and the charging current should be reduced when the second voltage measurement is smaller by the predicted voltage difference ΔV than the first voltage measurement.
따라서, 본 발명은 급속 충전과정에 있어서의 배터리의 충전상태를 정확히 측정하고 충전과정을 제어하거나 종결하여 배터리 손상을 피하는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method of accurately measuring the state of charge of a battery in a fast charging process and controlling or terminating the charging process to avoid battery damage.
따라서, 본 발명의 목적은 상이한 휴지기 간의 배터리 전압을 비교함으로써 배터리의 충전상태를 한층 더 정확히 측정하는 방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a method for measuring the state of charge of a battery more accurately by comparing battery voltages between different idle periods.
본 발명은 배터리 충전방법을 제공한다. 이러한 방법은 평균 충전 전류를 제공하는 충전 펄스를 인가하고, 제 1 탈분극 펄스를 인가하며, 제 1 휴지기를 대기하며, 제 1 휴지기내의 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 2 탈분극 펄스를 인가하며, 제 2 휴지기를 대기하며, 제 2 휴지기내의 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 1 휴지기내 예정 시점에서의 전압과 제 2 휴지기내 예정 시점에서의 전압간의 차이를 측정한 다음, 이러한 차이의 양과 극성에 따라 평균 충전 전류를 변화시키는 단계를 포함한다.The present invention provides a battery charging method. This method applies a charge pulse that provides an average charge current, applies a first depolarization pulse, waits for a first rest period, measures the voltage of the battery at a predetermined time within the first rest period, and applies a second depolarization pulse. And waiting for a second pause, measuring a voltage of the battery at a predetermined time in the second pause, measuring a difference between the voltage at a predetermined time in the first pause and a predetermined time in the second pause, and then Varying the average charging current according to the amount and polarity of the difference.
본 발명의 일 양태로서, 차이가 규정 범위내에 있는 경우, 충전 펄스 인가, 제 1 및 제 2 탈분극 펄스의 인가, 제 1 및 제 2 휴지기의 대기, 및 제 1 및 제 2 휴지기에서의 전압 측정을 반복한다.As an aspect of the present invention, when the difference is within the prescribed range, application of a charging pulse, application of the first and second depolarization pulses, waiting of the first and second resting phases, and measurement of voltage at the first and second resting phases are performed. Repeat.
본 발명의 다른 양태로서, 충전 펄스는 소정의 충전 펄스 지속기간을 가지며 평균 충전 전류 변화단계는 충전 펄스 지속기간의 변화를 포함한다.In another aspect of the invention, the charge pulse has a predetermined charge pulse duration and the average charge current change step includes a change in charge pulse duration.
본 발명의 또 다른 양태로서, 충전 펄스는 소정의 충전 펄스 전류 진폭을 가지며 평균 충전 전류의 변화 단계는 충전 펄스 전류 진폭 변화 과정을 포함한다.In another aspect of the present invention, the charging pulse has a predetermined charging pulse current amplitude and the step of changing the average charging current includes changing the charging pulse current amplitude.
본 발명의 다른 또 하나의 양태로서, 충전 펄스는 소정의 충전 펄스 반복률을 가지며 평균 충전 전류의 변화 단계는 풍전 펄스 반복률 변화를 포함한다.As yet another aspect of the present invention, the charge pulse has a predetermined charge pulse repetition rate and the step of changing the average charge current includes a change in the wind power pulse repetition rate.
본 발명의 추가 양태로서, 각각의 탈분극 펄스는 소정의 탈분극 펄스 전류 진폭을 가지며 방법은 평균 충전 전류가 변화될 때 탈분극 펄스 전류 진폭을 변화시키는 과정을 추가로 포함한다.As a further aspect of the present invention, each depolarized pulse has a predetermined depolarized pulse current amplitude and the method further comprises changing the depolarized pulse current amplitude when the average charging current is changed.
본 발명의 다른 추가 양태로서, 각각의 탈분극 펄스는 소정의 탈분극 펄스 지속기간을 가지며 방법은 평균 충전 전류가 변화될 때 탈분극 펄스 지속기간을 변화시키는 과정을 추가로 포함한다.In another further aspect of the invention, each depolarized pulse has a predetermined depolarized pulse duration and the method further comprises changing the depolarized pulse duration when the average charging current is changed.
본 발명의 다른 양태로서, 다수의 탈분극 펄스가 각각의 충전 펄스 뒤에 따르고 방법은 평균 충전 펄스가 변화될 때 탈분극 펄스의 수를 변화시키는 과정을 추가로 포함한다.In another aspect of the present invention, a plurality of depolarized pulses follow each charge pulse and the method further includes changing the number of depolarized pulses when the average charge pulse changes.
본 발명은 또한 펄스 충전과정에 의한 배터리 충전방법을 제공한다. 방법은 충전 펄스를 인가하고, 제 1 탈분극 펄스를 인가하며, 제 1 휴지기를 대기하며, 제 1 휴지기내의 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 2 탈분극 펄스를 인가하며, 제 2 휴지기를 대기하며, 제 2 휴지기내의 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 1 휴지기내 예정 시점에서의 전압과 제 2 휴지기내 예정 시점에서의 전압간의 차이를 측정한 다음, 차이가 예정 역치보다 클 경우 펄스 충전과정을 종결하는 단계를 포함한다.The present invention also provides a battery charging method by a pulse charging process. The method applies a charge pulse, applies a first depolarized pulse, waits for a first rest period, measures the voltage of the battery at a predetermined point in the first rest period, applies a second depolarized pulse, and waits for a second rest period. Measure the voltage of the battery at a predetermined time in the second pause, measure the difference between the voltage at the scheduled time in the first pause and the predetermined time in the second pause, and then pulse if the difference is greater than the predetermined threshold. Terminating the filling process.
본 발명은 배터리 상태의 측정 방법 또한 제공한다. 방법은 충전 펄스를 배터리에 인가하고, 제 1 탈분극 펄스를 배터리에 인가하며, 제 1 휴지기를 대기하며, 제 1 휴지기내의 제 1 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 1 휴지기내의 제 2 예정 시점에서 배터리 전압을 측정하며, 제 2 탈분극 펄스를 배터리에 인가하며, 제 2 휴지기를 대기하며, 제 1 예정 시점에서의 전압과 제 2 예정 시점에서의 전압간의 차이를 측정한 다음, 차이가 예정 역치보다 클 경우 물이 배터리에 첨가되어야 함을 표시하는 단계를 포함한다.The present invention also provides a method of measuring battery status. The method applies a charging pulse to the battery, applies a first depolarization pulse to the battery, waits for a first rest period, measures the voltage of the battery at a first predetermined time point in the first rest period, and measures a second predetermined time in the first rest period. The battery voltage is measured at the time point, the second depolarization pulse is applied to the battery, the second pause is waited, the difference between the voltage at the first predetermined time point and the voltage at the second predetermined time point is measured, and then the difference is scheduled. If greater than the threshold, indicating that water should be added to the battery.
본 발명은 또한 배터리 충전과정 종결방법을 제공한다. 방법은 충전 펄스를 배터리에 인가하고, 제 1 탈분극 펄스를 배터리에 인가하며, 제 1 휴지기를 대기하며, 제 1 휴지기내의 제 1 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 1 휴지기내의 제 2 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 2 탈분극 펄스를 배터리에 인가하며, 제 2 휴지기를 대기하며, 제 2 휴지기내의 제 1 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 2 휴지기내의 제 2 예정 시점에서 배터리의 전압을 측정하며, 제 1 휴지기내 제 1 예정 시점에서의 전압과 제 1 휴지기내 제 2 예정 시점에서의 전압간의 제 2 차이를 측정하며, 제 2 휴지기내 제 1 예정 시점에서의 전압과 제 2 휴지기내 제 2 예정 시점에서의 전압간의 제 1 차이를 측정 다음, 제 1 차이가 예정 역치보다 크고 제 2 차이가 예정 역치보다 클 경우 충전과정을 종결하는 단계를 포함한다.The present invention also provides a method for terminating a battery charging process. The method applies a charging pulse to the battery, applies a first depolarization pulse to the battery, waits for a first rest period, measures the voltage of the battery at a first predetermined time point in the first rest period, and measures a second predetermined time in the first rest period. Measuring the voltage of the battery at a time point, applying a second depolarization pulse to the battery, waiting for a second rest period, measuring a voltage of the battery at a first predetermined time point in the second resting time, and a second predetermined time point in the second resting time Measures a voltage of the battery, measures a second difference between the voltage at the first predetermined time point in the first resting period and the voltage at the second predetermined time point in the first resting time, and the voltage at the first predetermined time point in the second resting time. And measuring a first difference between the voltage at the second scheduled time in the second idle time and then terminating the charging process if the first difference is greater than the predetermined threshold and the second difference is greater than the predetermined threshold. do.
본 발명의 기타 목적, 특징, 및 장점은 첨부 도면과 청구의 범위와 함께 취하여 바람직한 양태의 하기 설명을 숙독함으로써 자명해진다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent upon reading the following description of the preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings and claims.
본 발명은 배터리 충전기, 특히 배터리 충전과정의 제어 및 충전과정의 종결 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a battery charger, in particular to a method and apparatus for controlling and charging a battery charging process.
도 1은 본 발명에 사용된 배터리 충전 회로의 블록 다이아그램도.1 is a block diagram of a battery charging circuit used in the present invention.
도 2a-2b는 배터리 충전과정 및 상이한 휴지기에서 취한 전압 측정치를 비교함으로써 배터리의 충전상태가 어떻게 측정되는지를 설명하는 파형도.2A-2B are waveform diagrams illustrating how the state of charge of a battery is measured by comparing the battery charging process and voltage measurements taken at different rest periods.
도 3은 배터리 충전상태 측정 과정의 설명 흐름도.3 is a flowchart illustrating a process of measuring a battery charge state.
도 4는 배터리 충전과정 및 배터리의 상태가 어떻게 측정되는지를 설명하는 파형도.4 is a waveform diagram illustrating a battery charging process and how the state of the battery is measured.
도 5는 배터리 상태의 측정 방법을 설명하는 도 3의 흐름도의 변형도.5 is a modified view of the flowchart of FIG. 3 illustrating a method of measuring a battery condition.
도면에 있어서, 도 1은 본 발명에 사용된 배터리 충전 회로의 블록 다이아그램도이다. 배터리 충전 및 방전 회로(10)는 키패드(12), 컨트롤러(13), 디스플레이(14), 충전 회로(15), 방전 (탈분극) 회로(16), 및 전류 모니터 회로(20)를 포함한다. 키패드(12)는 컨트롤러(13)의 입력부 "K"에 연결되며 사용자로 하여금 배터리 유형(납 산, NiCd, NiMH 등)과 같은 규정 파라미터 및 배터리 공칭 전압 또는 시리즈로 있는 셀의 수와 같은 기타 해당 정보를 입력하게 한다. 키패드(12)는 키보드, 다이얼 패드, 스위치 배열, 또는 정보를 입력하기 위한 기타 장치일 수 있다. 사용자에 의한 조작을 단순화하기 위하여, 컨트롤러(13)는 다수의 배터리 유형에 대한 파라미터로 사전에 프로그래밍할 수 있다. 이러한 경우에, 사용자는 단순히 모델 번호와 같은 배터리 유형을 입력할 것이며, 컨트롤러(13)는 그 배터리 유형에 적합한 파라미터를 자동적으로 사용하게 된다. 딜레이(14)는 컨트롤러(13)의 출력부 "S"에 연결되어 있으며 조작자를 위한 정보, 선택, 파라미터 등을 표시하며 가청 및 가시 경보를 제공하거나 조작자에게 경보한다.1 is a block diagram of a battery charging circuit used in the present invention. The battery charging and discharging circuit 10 includes a keypad 12, a controller 13, a display 14, a charging circuit 15, a discharge (depolarization) circuit 16, and a current monitor circuit 20. The keypad 12 is connected to the input “K” of the controller 13 and allows the user to specify regulatory parameters such as battery type (lead acid, NiCd, NiMH, etc.) and other corresponding values such as the battery nominal voltage or the number of cells in the series. Ask for information. Keypad 12 may be a keyboard, dial pad, switch arrangement, or other device for entering information. In order to simplify the operation by the user, the controller 13 can be pre-programmed with parameters for multiple battery types. In this case, the user will simply enter a battery type, such as a model number, and the controller 13 will automatically use the parameters appropriate for that battery type. Delay 14 is connected to the output " S " of controller 13 and displays information, selections, parameters, etc. for the operator and provides an audible and visible alarm or alerts the operator.
컨트롤러(13)의 출력부 "C"는 충전 회로(15)에 연결되어 있다. 충전 회로(15)는 배터리(11)에 대한 충전 전류를 제공한다. 적용방식에 따라, 충전 회로(15)는 일정한 전압원으로서 또는 일정한 전류원으로서 수행되도록 컨트롤러(13)에 의하여 조형될 수 있다. 컨트롤러(13)의 출력부 "D"는 배터리(11)에 일정한 탈분극 전류를 제공하도록 컨트롤러(13)에 의하여 조형될 수 있는 방전 (탈분극) 회로(16)에 연결되며, 배터리(11)에 선택된 부하를 적용하거나, 배터리(11)에 더 낮은 전압 또는 역 전압을 인가한다. 회로(15, 16)에 의하여 제공된 펄스의 펄스폭은 컨트롤러(13)에 의하여 제어된다. 충전 회로(15) 및 방전 회로(16)의 출력부는 컨덕터(21)를 통해 배터리(11)의 양극단자에 연결되어 있다. 배터리(11)의 음극단자는 전류 모니터 레지스터(20)를 통해 회로 접지에 연결되어 있다. 따라서, 배터리(11) 안으로 또는 밖으로 흐르는 전류는 컨덕터(22)상에서 전류 모니터 레지스터(20)를 가로지르는 전압을 측정함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 전류 모니터 레지스터(20)는 전류 모니터 및 전류 제한기로서 작용한다. 물론, 다른 장치가 배터리 전류 측정에 사용될 수도 있다.The output portion "C" of the controller 13 is connected to the charging circuit 15. The charging circuit 15 provides a charging current for the battery 11. Depending on the application, the charging circuit 15 can be modeled by the controller 13 to be performed as a constant voltage source or as a constant current source. The output " D " of the controller 13 is connected to a discharge (depolarization) circuit 16 which can be modeled by the controller 13 to provide a constant depolarization current to the battery 11. Apply a load or apply a lower or reverse voltage to the battery 11. The pulse width of the pulses provided by the circuits 15 and 16 is controlled by the controller 13. The outputs of the charging circuit 15 and the discharge circuit 16 are connected to the positive terminal of the battery 11 via the conductor 21. The negative terminal of the battery 11 is connected to the circuit ground through the current monitor resistor 20. Thus, the current flowing into or out of battery 11 can be determined by measuring the voltage across current monitor resistor 20 on conductor 22. Thus, the current monitor resistor 20 acts as a current monitor and current limiter. Of course, other devices may be used to measure battery current.
배터리 전압은 컨덕터(21)와 회로 접지간의 전압을 측정함으로써 모니터된다. 전류 모니터 레지스터의 영향은 컨덕터(21,22)간의 전압을 측정하거나, 컨덕터(21)상의 전압에서 컨덕터(22)상에서의 전압을 감함으로써 제거시킬 수 있다. 컨덕터(21, 22)는 컨트롤러(13)의 입력부 "V" 및 "T"에 각각 연결되어 있다.The battery voltage is monitored by measuring the voltage between conductor 21 and circuit ground. The influence of the current monitor resistor can be removed by measuring the voltage between the conductors 21 and 22, or by subtracting the voltage on the conductor 22 from the voltage on the conductor 21. The conductors 21 and 22 are connected to the inputs "V" and "T" of the controller 13, respectively.
배터리의 존재 유무는 충전 회로(15)를 작동시키고 전류 모니터 레지스터(20)의 출력을 모니터하여 충전 전류가 흐르는지 여부를 측정하고, 방전 회로(16)를 작동시키고 전류 모니터 레지스터(20)의 출력을 모니터하여 충전 전류가 흐르는지 여부를 측정하며, 작동정지시킨 두 회로(15, 16) 모두로 전압을 모니터하여 배터리가 존재하는지 여부 등을 측정함으로써 측정될 수 있다.The presence or absence of a battery operates the charging circuit 15 and monitors the output of the current monitor resistor 20 to measure whether the charging current flows, the operating the discharge circuit 16 and the output of the current monitor resistor 20. It can be measured by monitoring whether or not the charging current flows, and by monitoring the voltage with both circuits 15 and 16 which are inactive and measuring whether or not the battery is present.
온도 센서(23)는 목적하는 배터리 온도를 유지하기 위하여 컨트롤러(13)가 충전 펄스 및 탈분극 펄스의 진폭, 수 및 지속기간 및 휴지기의 지속기간을 조정할 수 있도록 배터리(11)의 온도를 모니터한다. 비록 도면에는 하나만 도시되어 있지만, 온도 센서(23)는 바람직하게는 배터리 내부온도를 정확히 보고하도록 각 배터리의 전해질 용액에 침지된다. 온도 센서(23)는 써머스탯, 써미스터, 열전쌍 등일 수 있고 컨트롤러(13)의 입력부 "T"에 연결되어 있다.The temperature sensor 23 monitors the temperature of the battery 11 so that the controller 13 can adjust the amplitude, number and duration of charge pulses and depolarization pulses and duration of rest periods to maintain the desired battery temperature. Although only one is shown in the figure, the temperature sensor 23 is preferably immersed in the electrolyte solution of each battery to accurately report the battery internal temperature. The temperature sensor 23 may be a thermostat, thermistor, thermocouple, or the like, and is connected to the input “T” of the controller 13.
컨트롤러(13)는 마이크로프로세서, 적어도 자체의 일부가 컨트롤러(13)에 대한 작동 지시를 담고 있는 메모리, 타이머, 및 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다. 마이크로프로세서-기본 컨트롤러를 사용하는 것이 유리한데 그 이유는 마이크로프로세서가 매우 신속한 결정을 내리고, 전압 및 전류 측정 데이터를 저장하며, 평균내기, 비교, 및 피크 검출과 같은 데이터에 대한 계산을 수행할 수 있기 때문이다. 분리되어 있거나 마이크로프로세서에 의하여 구비될 수 있는 타이머는 충전 펄스, 탈분극 펄스, 또는 휴지기의 지속기간의 제어 및 연속 탈분극 펄스 또는 휴지기 간의 시간 기준을 제공하는 데 사용될 수 있다. 별도로 분리되어 있을 수 있거나 마이크로프로세서에 의하여 구비될 수 있는 아날로그-디지털 컨버터는 전압 또는 전류 시그널을 디지털 마이크로프로세서에 의하여 사용될 수 있는 형태로 전환시키는 데 사용될 수 있다. 바람직한 양태이기 때문에 디지털 컨트롤러가 논의되지만, 아날로그 컨트롤러를 본 발명의 실행에 사용할 수도 있다.The controller 13 includes a microprocessor, a memory at least part of which contains operating instructions for the controller 13, a timer, and an analog-to-digital converter. Using a microprocessor-based controller is advantageous because it allows the microprocessor to make very fast decisions, store voltage and current measurement data, and perform calculations on data such as averaging, comparing, and peak detection. Because there is. The timer, which may be isolated or provided by a microprocessor, may be used to provide control of the duration of charge pulses, depolarization pulses, or pauses, and to provide a time reference between successive depolarization pulses or pauses. Analog-to-digital converters, which may be separate or provided by a microprocessor, may be used to convert a voltage or current signal into a form that may be used by the digital microprocessor. Although a digital controller is discussed because it is a preferred aspect, analog controllers may be used in the practice of the present invention.
도 2a-2b는 배터리 충전과정 및 배터리 충전상태가 어떻게 측정되는지를 설명하는 파형이다. 충전상태는 상이한 휴지기에서 취한 전압 측정치를 비교함으로써 측정된다. 전압 및 전류 파형은 일반적으로 하나 이상의 충전 펄스(C1)(바람직하게는 뒤이어 휴지기 CW1이 뒤따른다) 및 다수의 탈분극 펄스 (D1-D3)(각각의 탈분극 펄스(D1-D3) 뒤에는 바람직하게는 각각 휴지기 (DW1-DW3)가 뒤따른다)를 인가한다.2A and 2B are waveforms illustrating the battery charging process and how the battery is charged. The state of charge is measured by comparing voltage measurements taken at different resting periods. The voltage and current waveforms are generally one or more charge pulses C1 (preferably followed by resting phase CW1) and a plurality of depolarized pulses D1-D3 (each depolarized pulse D1-D3 preferably after each Apply the resting phase (DW1-DW3).
설명의 편의를 위하여, 충전 펄스 및 탈분극 펄스는 정방형 펄스로서 설명되지만 실질적인 실행에 있어서는 종종 맞지않는 경우도 있고 따라서 본 발명은 정방형 파형을 포함하되 이에 국한되지 않음을 감지하여야 한다. 또한, 제한하고자 하는 것이 아니라 단지 편의상, 충전 펄스 (C1, C1′)는 동일한 펄스폭 및 동일한 충전 전류 진폭(IA)를 갖는 것으로 도시하였으며, 탈분극 펄스 (D1-D3)는 동일 펄스폭 및 동일 방전 전류 진폭(IB)을 갖는 것으로 도시하였다. 추가로, 도시된 탈분극 펄스의 수는 순전히 편의를 위한 것이며 이에 제한되지는 않는다. 휴지기 (CW1) 및 (DW1-DW3)은 단지 편의상 동일 지속기간인 것으로 도시하였으며 이에 제한되지는 않는다. 컨트롤러(13)는 배터리 충전상태의 모니터된 변화를 토대로 이러한 휴지기의 지속기간을 변경시킬 수 있다.For convenience of explanation, charge pulses and depolarization pulses are described as square pulses, although in practical practice they are often not suitable and therefore it should be appreciated that the present invention includes, but is not limited to, square waveforms. Also, not intended to be limiting but merely for convenience, the charging pulses C1, C1 'are shown as having the same pulse width and the same charging current amplitude IA, while the depolarized pulses D1-D3 have the same pulse width and the same discharge. It is shown as having a current amplitude (IB). In addition, the number of depolarized pulses shown is purely for convenience and not limiting. Resting periods (CW1) and (DW1-DW3) are shown for convenience only and are not limited thereto. The controller 13 can change the duration of this rest period based on the monitored change in battery state of charge.
우선, 상이한 휴지기에서 취한 전압 측정치의 비교와 관련하여, 특정 전압 측정치 (V1) 및 (V2)를 도 2a-2b에 전압 파형상에 도시하였다. (V1) 및 (V2)는 휴지기 (DW1) 및 (DW2) 각각 동안 배터리가 개방 회로 형태로 있을 때 취한 배터리의 출력 전압 측정치이다. 후속 출력 전압 측정치 (V2)를 다음번 휴지기 (DW2)내 동일한 상대 시점에서 취하는 한, 제 1 출력 전압 측정치 (V1)은 휴지기 (DW1)의 초기, 중기, 또는 말기에 이루어질 수 있다. 본 발명에 의하여 휴지기 (DW1-DW3) 동안의 전압레벨이 측정되고 평가된다.First, with respect to the comparison of voltage measurements taken at different resting periods, specific voltage measurements V1 and V2 are shown on the voltage waveforms in FIGS. 2A-2B. (V1) and (V2) are output voltage measurements of the battery taken when the battery is in open circuit form during the resting periods DW1 and DW2, respectively. As long as the subsequent output voltage measurement V2 is taken at the same relative time point in the next resting period DW2, the first output voltage measurement V1 can be made at the beginning, middle, or end of the resting period DW1. According to the present invention, the voltage level during the resting periods DW1-DW3 is measured and evaluated.
도 2a에 있어서, 전압 (V1)이 대략 전압 (V2)와 동일함을 보여준다. 전압에 있어 이러한 대략적인 동등성은 배터리가 과충전되지 않음을 표시한다. 따라서, 충전 전류 (IA)는 조정될 필요가 없다.In FIG. 2A, it is shown that voltage V1 is approximately equal to voltage V2. This approximate equivalence in voltage indicates that the battery is not overcharged. Thus, the charging current IA does not need to be adjusted.
도 2b에 있어서, 전압 (V1)은 전압 (V2)보다 크다. 도 2b에서 (V1) 및 (V2)간의 차이가 10 mV/셀 이하이면, 충전 전류 (IA)는 조정할 필요가 없다. 그러나, 도 2b에서 (V1) 및 (V2)간의 차이가 10 mV/셀 이상이면, 전압에 있어 (V1)에서 (V2)로의 이러한 감소는 배터리가 과충전 되었음을 시사한다. 이러한 현상은 완전 충전에도달하는 배터리에 기인하거나 배터리가 어떤 이유로 해서 지속기간 (C1)에 대한 완전 충전 전류 (IA)를 수용할 수 없게 됨에 기인할 수도 있다. 따라서, 충전 전류 (IA)는 차이가 10 mV/셀 이하가 될 때까지 감소시켜야 한다.In FIG. 2B, the voltage V1 is greater than the voltage V2. If the difference between (V1) and (V2) in FIG. 2B is 10 mV / cell or less, the charging current IA need not be adjusted. However, if the difference between (V1) and (V2) in FIG. 2B is 10 mV / cell or more, this decrease in (V1) to (V2) in voltage suggests that the battery is overcharged. This may be due to the battery reaching full charge or due to the battery being unable to accept the full charge current IA for the duration C1 for some reason. Therefore, the charging current IA must be reduced until the difference is less than 10 mV / cell.
도 3은 하나 이상의 휴지기 동안 취한 전압 측정치를 비교함으로써 배터리 충전여부를 측정하는 흐름도이다. 단계 (301)에서, 배터리 전압 또는 배터리내 셀의 수 및 배터리에 대한 방전률(C)과 같은 초기 충전 파라미터는 사용자에 의하여 설정된다. 이어서, 컨트롤러(13)는 배터리에 대한 충전 전류 (IA) 및 탈분극 전류 (IB)를 측정한다. 이러한 절차는 바람직하게는 조사표 또는 공식을 토대로 할 수 있다.3 is a flow chart of measuring battery charge by comparing voltage measurements taken during one or more idle periods. In step 301, an initial charging parameter such as the battery voltage or the number of cells in the battery and the discharge rate C for the battery is set by the user. The controller 13 then measures the charge current IA and the depolarization current IB for the battery. This procedure may preferably be based on a lookup table or a formula.
단계(303)에 있어서, 컨트롤러(13)는 전류 진폭 (IA)의 충전 펄스(C1)을 배터리에 인가한 다음(바람직하게는 휴지기(CW1)가 뒤따르지만, 반드시 그럴 필요는 없다) 탈분극 펄스(D1)를 전류 진폭(IB)의 배터리에 인가한다. 컨트롤러(13)는 시간 (DW1)의 예정된 기간을 대기하고 휴지기(DW1)내 예정 시점에서 배터리의 출력 전압(V1)을 측정한다. 이어서, 컨트롤러(13)는 전류 진폭 (IB)의 다른 탈분극 펄스(D2)를 배터리에 인가한다. 컨트롤러는 다시 시간(DW2)의 예정된 기간을 대기하고 제 2 휴지기(DW2)내 상응하는 예정 시점에서 배터리의 다른 출력 전압(V2)를 측정한다. 후속 출력 전압 측정치(V2)가 다음번 휴지기(DW2)에서 휴지기의 개시에 대하여 동일 상대 시점에서 취하는 한, 제 1 출력 전압 측정(V1)은 제 1 휴지기(DW1)의 개시, 중간, 또는 말미에 수행될 수 있다.In step 303, the controller 13 applies a charging pulse C1 of current amplitude IA to the battery (preferably but not necessarily followed by the resting period CW1) and then depolarizing pulse ( D1) is applied to the battery of current amplitude IB. The controller 13 waits for a predetermined period of time DW1 and measures the output voltage V1 of the battery at a predetermined time in the resting period DW1. The controller 13 then applies another depolarized pulse D2 of current amplitude IB to the battery. The controller again waits for a predetermined period of time DW2 and measures the other output voltage V2 of the battery at the corresponding scheduled time in the second resting period DW2. The first output voltage measurement V1 is performed at the beginning, middle, or end of the first resting period DW1 as long as the subsequent output voltage measurement V2 takes at the same relative time point to the beginning of the resting period in the next resting period DW2. Can be.
결정(309)는 차이(V1-V2)가 일부 최대 차이 전압(VDMAX)보다 큰지 여부를 시험한다. 그렇지 않은 경우, 배터리는 아직 충전되지 않은 것이며 평균 충전 전류는 조정되어야 할 필요가 없다. 이러한 경우에 있어서, 컨트롤러(13)는 단계(313)로 진행할 것이다.Decision 309 tests whether the difference V1 -V2 is greater than some maximum difference voltage VDMAX. If not, the battery is not yet charged and the average charge current does not need to be adjusted. In this case, the controller 13 will proceed to step 313.
VD>VDMAX일 경우, 배터리는 과충전되거나 배터리가 적절히 수용할 수 있는 것 보다 큰 비율로 충전된다. 따라서, 단계(311)에서 컨트롤러(13)는 평균 충전 전류를 감소시킨다. 이어서, 컨트롤러(13)는 단계(313)로 진행한다.If VD> VDMAX, the battery is overcharged or charged at a greater rate than the battery can adequately accommodate. Thus, in step 311 the controller 13 reduces the average charge current. The controller 13 then proceeds to step 313.
단계(313)에 있어서, 컨트롤러(13)는 펄스 충전과정의 종결 여부를 결정한다. 펄스 충전 사이클은 여러 가지 이유 중 하나로 종결될 수 있다. 예를 들면, 사용자에 의하여 세팅된 충전시간이 만료될 수 있거나, 배터리 온도가 허용범위 밖에 있을 수 있거나, 충전 전류(IA)의 진폭이 C/10 이하로 감소될 수 있다.In step 313, the controller 13 determines whether or not to terminate the pulse charging process. The pulse charge cycle can end for one of several reasons. For example, the charging time set by the user may expire, the battery temperature may be outside the acceptable range, or the amplitude of the charging current IA may be reduced below C / 10.
펄스 충전과정의 종결 이유가 단계(315)에서 발생하였을 경우, 컨트롤러(13)는 펄스 충전과정을 종결하고 다른 충전과정, 예를 들면, 충전 전류가 C/10이기 때문에 종결되는 경우 트리클 충전으로 스위칭하거나, 컨트롤러(13)는 예를 들면, 시간이 다 되거나 온도가 허용될 수 없는 이유로 종결이 일어난 경우, 충전과정을 완전히 정지할 것이다. 또한, 충전과정 종결의 가시 또는 가청 표시가 조작자에게 제공될 수 있다.If the reason for the termination of the pulse charging process occurs in step 315, the controller 13 terminates the pulse charging process and switches to trickle charging when the other charging process is terminated, for example, because the charging current is C / 10. Alternatively, the controller 13 will completely stop the charging process if, for example, the time has expired or the termination has occurred for reasons that temperature is unacceptable. In addition, a visual or audible indication of the end of the filling process may be provided to the operator.
단계(313)에서, 컨트롤러(13)는 펄스 충전과정이 종결되지 않았음을 측정하고 이에 따라 컨트롤러(13)가 단계(303)로 귀환한다.In step 313, the controller 13 measures that the pulse charging process is not terminated and the controller 13 returns to step 303 accordingly.
도 4는 배터리 충전과정과 배터리 상태가 측정되는 방법을 설명하는 파형을 도시한다. 이러한 절차에서, 개방 회로 배터리 전압은 휴지기의 초기 및 말미에 측정된다. 제한의 목적이 아니라 설명의 편의를 위하여, 전압은 휴지기 동안 본질적으로 일정한 것으로 나타냈다. 그러나, 실행시, 전압은 휴지기 동안 다양할 수 있고 이는 배터리, 특히 납-산 및 NiCd 배터리의 상태에 관한 추가 정보를 제공한다. 전압이 휴지기 동안의 예정량(VD1 = V5-V6 및 VD1>VD1MAX) 이상으로 강하할 경우, 전해질 농도는 정상보다 높고 물을 배터리에 첨가하여야 한다. 가청 및 가시 경보를 사용하여 조작자에게 이러한 상태에 대한 경보를 줄 수 있으며 충전과정은 자동적으로 종결될 수 있다. 바람직하게는, 측정은 제 1 휴지기(DW1) 동안에 수행된다.4 shows waveforms illustrating the battery charging process and how the battery condition is measured. In this procedure, the open circuit battery voltage is measured at the beginning and end of the resting period. For convenience of explanation, not for the purpose of limitation, the voltage has been shown to be essentially constant during the rest period. However, in practice, the voltage may vary during the rest period, which provides additional information regarding the state of the battery, in particular lead-acid and NiCd batteries. If the voltage drops above a predetermined amount during the resting period (VD1 = V5-V6 and VD1> VD1MAX), the electrolyte concentration is higher than normal and water must be added to the battery. Audible and visible alarms can be used to alert the operator to this condition and the charging process can be terminated automatically. Preferably, the measurement is performed during the first rest period DW1.
또한, 하나의 휴지기의 개시 및 말미에서의 전압 측정치(각각 V5 및 V5)가 특정의 예정량(VD1 =V5-V6 및 VD1>VD2MAX) 이상으로 상이하고, 후속 휴지기의 초기 및 말미에서의 전압 측정치(각각 V7 및 V8, 또는 각각 V9 및 V10) 또한 예정량(VD2=V7-V8 및 VD2>VD2MAX) 이상으로 상이할 때, 이러한 결과는 배터리가 충전을 적절하게 받지 않고 있으며 따라서 충전과정이 종결되어야 함을 지시한다.In addition, voltage measurements at the beginning and end of one resting period (V5 and V5, respectively) differ by more than a certain predetermined amount (VD1 = V5-V6 and VD1> VD2MAX), and voltage measurements at the beginning and end of subsequent resting periods ( When V7 and V8, or V9 and V10, respectively) also differ by more than a predetermined amount (VD2 = V7-V8 and VD2> VD2MAX), this result indicates that the battery is not properly charged and therefore the charging process must be terminated. Instruct.
도 5는 배터리 상태를 측정하는 방법의 별법을 설명하는 흐름도이다. 도 5의 과정은 단계(503)가 단계(303)를 대체하는 것을 제외하고는 도 3의 과정과 동일하고, 결정(513)은 결정(313)의 종결 단계 중 일부를 설명한다. 단계(513)에서, 추가의 전압 측정치(V5, V6, V7, V8)를 취하고 전압차 (VD1) 및 (VD2)를 측정한다.5 is a flowchart illustrating an alternative method of measuring a battery condition. The process of FIG. 5 is the same as that of FIG. 3 except that step 503 replaces step 303, and decision 513 illustrates some of the terminating steps of decision 313. In step 513, additional voltage measurements V5, V6, V7, V8 are taken and the voltage differences VD1 and VD2 are measured.
결정(513A)에서, 컨트롤러(13)는 전압차(VD1)가 예정된 최대차(VD1MAX)보다 큰지 여부를 측정한다. 그러한 경우, 이어서 단계(513B)에서 컨트롤러(13)는 조작자로 하여금 배터리에 물을 가하도록 신호를 주기 위한 경보를 발하며 이어서 바람직하게는 충전과정을 종결한다. 그렇지 않을 경우, 결정(513C)에서 컨트롤러는 (VD1)이 예정된 최대치 (VD2MAX)보다 크고 (VD2) 또한 (VD2MAX)보다 큰지 여부를 측정한다. 두 상태 모두 충족되면 컨트롤러(13)는 충전과정을 종결한다. 컨트롤러(13)는 또한 조작자에게 종결을 신호할 수도 있다. 그렇지 않은 경우, 컨트롤러(13)는 단계(503)로 복귀한다.At decision 513A, the controller 13 measures whether the voltage difference VD1 is greater than the predetermined maximum difference VD1MAX. In that case, then in step 513B the controller 13 issues an alarm to signal the operator to apply water to the battery and then terminates the charging process. Otherwise, at decision 513C, the controller measures whether (VD1) is greater than the predetermined maximum (VD2MAX) and (VD2) and is greater than (VD2MAX). If both conditions are met, the controller 13 terminates the charging process. The controller 13 may also signal the operator to terminate. Otherwise, the controller 13 returns to step 503.
본 발명에 있어서, 전술한 바와 같이, 충전 전류는 (IA)를 조정하거나, 충전 펄스의 지속기간을 조정하거나, 충전 펄스의 반복률을 조정하거나, 탈분극 펄스의 수 또는 지속기간을 조정하거나, 휴지기 (CW1, DW1, DW2 등) 중 하나 이상의 지속기간을 조정함으로써 조정될 수 있다. 바람직하게는, 충전 전류가 조정될 경우, 탈분극 전류도 (IB)의 조정, 탈분극 펄스의 지속기간 조정, 또는 각 충전 펄스간의 탈분극 펄스 수의 조정과 같이 유사하게 조정된다.In the present invention, as described above, the charging current adjusts (IA), adjusts the duration of the charging pulse, adjusts the repetition rate of the charging pulse, adjusts the number or duration of the depolarized pulse, Can be adjusted by adjusting the duration of one or more of CW1, DW1, DW2, etc.). Preferably, when the charging current is adjusted, the depolarization current degree is similarly adjusted, such as adjusting the IB, adjusting the duration of the depolarizing pulse, or adjusting the number of depolarizing pulses between the respective charging pulses.
상기 과정의 일례로서, 0.62 암페어-시간 등급(C=0.62)의 납-산 밀봉 배터리의 경우 IA는 150 밀리세컨드 동안 2.4 암페어, IB는 2 밀리세컨드 동안 5 암페어, 및 DW1 및 DW2는 12 밀리세컨드이며, 충전 펄스의 반복률(초당 대략 2 충전 펄스)은 평균 충전 전류가 0.75 암페어(약 1.2C)가 되도록 하는 값이다. CW1가 사용될 수 있거나 존재하지 않을 수 있다. 이러한 예에서, 평균 충전 전류가 0.0623 암페어(0.1C)로 강하할 때, 펄스 충전과정은 종결될 것이다. 다른 일례로서, 52 암페어-시간 등급(C=52)의 납-산 밀봉 배터리의 경우, IA는 100 암페어이고 IB는 250 암페어이며, 충전 펄스의 지속기간은 평균 충전 전류가 60 암페어(약 1.2C)가 되도록 하는 값이며, 펄스 충전과정은 평균 충전 전류가 5.2 암페어(0.1C)로 강하할 때 종결될 것이다.As an example of this process, for lead-acid sealed batteries with a 0.62 amp-hour rating (C = 0.62), IA is 2.4 amps for 150 milliseconds, IB is 5 amps for 2 milliseconds, and DW1 and DW2 are 12 milliseconds. The repetition rate (approximately 2 charge pulses per second) of the charge pulses is a value such that the average charge current is 0.75 amps (about 1.2 C). CW1 may be used or may not exist. In this example, when the average charging current drops to 0.0623 amps (0.1C), the pulse charging process will terminate. As another example, for a lead-acid sealed battery of 52 amp-hour rating (C = 52), IA is 100 amps and IB is 250 amps, and the duration of the charge pulse is 60 amps (approximately 1.2 C). The pulse charging process will be terminated when the average charging current drops to 5.2 amps (0.1C).
탈분극 펄스 후 연속 휴지기 동안의 측정된 배터리 출력 전압을 비교한 결과 선행기술에서 보다 더 양호한 충전상태 지표가 부여된다. 결과적으로, 이러한 방법은 배터리를 가능한 한 신속하게 충전하고(1), 연속 충전 또는 과충전으로 발생할지도 모르는 배터리의 가열 및 손상을 피하고(2), 배터리의 과충전없이 충전과정의 조기 종결 또는 변형을 허용한다.The comparison of the measured battery output voltage during the continuous rest period after the depolarization pulse gives a better state of charge indicator than in the prior art. As a result, this method charges the battery as quickly as possible (1), avoids heating and damaging the battery which may result from continuous charging or overcharging (2) and allows premature termination or modification of the charging process without overcharging the battery. do.
비록, DW1 및 DW2 동안 측정된 배터리 전압을 사용하는 것이 바람직할 수 있지만, 본 발명은 이에 제한되지는 않는다. 배터리 전압은 충전 펄스에 의해 분리되지 않는 두 번의 연속적이거나 비연속적인 방전 휴지기 동안 측정될 수 있다. 예를 들면, (DW2) 및 (DW3)가 사용돌 수 있거나, (DW1) 및 (DW3)가 사용될 수도 있다.Although it may be desirable to use the battery voltage measured during DW1 and DW2, the present invention is not so limited. The battery voltage can be measured during two consecutive or discontinuous discharge breaks that are not separated by a charge pulse. For example, (DW2) and (DW3) may be used, or (DW1) and (DW3) may be used.
추가로, 탈분극 펄스는 동일한 진폭을 갖거나 상이한 진폭을 가질 수 있다. 이와 마찬가지로, 탈분극 펄스는 동일한 지속기간을 갖거나 상이한 지속기간을 가질 수 있다. 또한, 휴지기도 동일한 지속기간을 갖거나 상이한 지속기간을 가질 수 있다.In addition, the depolarized pulses can have the same amplitude or different amplitudes. Likewise, depolarized pulses can have the same duration or different durations. Resting groups can also have the same duration or different durations.
비록, 본 발명은 특히 밀봉 납-산 배터리에 대하여 상세히 기술하였지만, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 본 발명은 기타 유형의 배터리, 예를 들면, NiCd, NiMH, 니켈-철, 니켈-아연, 은-아연, 리튬-금속 옥사이드, 리튬 이온-금속 옥사이드, 비-밀봉 납-산 등에도 유용하다.Although the invention has been described in detail in particular with respect to sealed lead-acid batteries, the invention is not so limited. The present invention is also useful for other types of batteries such as NiCd, NiMH, nickel-iron, nickel-zinc, silver-zinc, lithium-metal oxides, lithium ion-metal oxides, non-sealed lead-acids and the like.
상술한 설명으로부터, 본 발명이 배터리의 과열을 초래하지 않는 방식으로 배터리를 급속 충전하는 방법 및 장치를 제공함이 감지될 것이다.From the foregoing description, it will be appreciated that the present invention provides a method and apparatus for rapidly charging a battery in a manner that does not result in overheating of the battery.
또한 상술한 기술내용으로부터, 본 발명이 배터리가 손상없이 수용할 수 있는 비율로 배터리를 충전하는 방법 및 장치를 제공함이 감지될 것이다.It will also be appreciated from the foregoing description that the present invention provides a method and apparatus for charging a battery at a rate that the battery can accept without damage.
본 발명은 또한 물을 배터리에 첨가하여야 하는지 여부의 결정을 포함하여, 배터리 상태의 측정방법 및 장치도 제공한다.The present invention also provides a method and apparatus for measuring battery condition, including determining whether water should be added to the battery.
본 발명의 바람직한 양태의 상기 설명을 숙독함으로써, 당해분야의 전문가에게는 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의해서만 한정된다.By reading the above description of the preferred embodiments of the present invention, modifications and variations are possible to those skilled in the art. Accordingly, the scope of the present invention is limited only by the claims.
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