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KR100280308B1 - 배터리의 충전, 융해 및 포맷 방법 및 장치 - Google Patents

배터리의 충전, 융해 및 포맷 방법 및 장치 Download PDF

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KR100280308B1
KR100280308B1 KR1019940702529A KR19940702529A KR100280308B1 KR 100280308 B1 KR100280308 B1 KR 100280308B1 KR 1019940702529 A KR1019940702529 A KR 1019940702529A KR 19940702529 A KR19940702529 A KR 19940702529A KR 100280308 B1 KR100280308 B1 KR 100280308B1
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pulse
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charging
discharge
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포드라잔스키 유리
다불류 포프 필립
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리차아드 코프
엔레브 코포레이션
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Abstract

배터리를 급속히 충전하기 위한 방법 및 장치. 바람직한 충전 방법은 만약 한 개 이상의 충전 펄스가 존재한다면 마지막 충전 펄스 다음에 제2대기시간(CW2)이 오는 대기시간(CW1)에 의해 분리된 한 개 이상의 충전 펄스(C1,C2)를 인가하는 것을 포함한다. 다음에 대기시간(DW1,DW2)에 의해 분리된 일련의 방전 펼스(D1,D2,D3)가 오고, 다음에 다음의 충전 펄스(C1)가 발생하기 전에 마지막 대기시간(DW3)이 온다. 이 방전 펄스는 바람직하게 충전 펄스와 거의 같은 크기이지만, 충전 펄스의 지속시간 보다 크게 작은 지속시간을 갖는 크기를 갖는다. 또한 공개되는 것은 동결된 배터리를 융해하고 충전하며, 새로운 배터리를 형성하며, 배터리의 형성 상태를 판단하며, 배터리의 충전 상태를 판단하는 방법 및 장치이다.

Description

[발명의 명칭]
배터리의 충전, 융해 및 포맷 방법 및 장치
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 배터리 충전기에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리를 급속히 충전하고, 냉동 배터리를 급속히 충전하고, 배터리를 급속히 형성하고, 배터리의 형성 상태를 판단하고, 배터리의 충전 상태를 판단하는 것을 공개한다.
[발명의 배경]
배터리를 재충전하는 총체적인 기술은 잘 공지되어 있는 데, 이것은 배터리에 전류를 강제로 인가하는 것이다. 그러나, 이 기술이 비록 간단하지만 배터리의 지나친 열 발생 및 지나친 개스화를 초래하고, 배터리를 완전히 충전시키는데 많은 시간이 요구된다. 배터리를 재충전시키는 데 필요한 시간은 Burkett 등에 의한 미국특허 제3,597,673호에 공개되어 있는 바와 같이 펄스 간에 탈분극화(방전) 펄스를 인가함으로서 감소될 수 있다. 배터리의 충전 시간 및 열 발생의 더욱 감소는 다음의 충전 펄스를 인가하기 전 방전 펄스가 끝난 후에 특정 주기 동안 대기함으로서 달성될 수 있다. 이 기술은 Podrazhansky 등에 의한 미국특허 제4,829,225호에 공개되어 있다. 그러나, 배터리의 열 발생과 충전 시간을 더욱 감소시키는 것이 요망된다.
재충전가능한 배터리는 일단 방전되면 배터리의 에너지를 재충전시킬 필요가 있다. 종래의 배터리 충전기는 배터리를 과열시키지 않고 높은 충전 전류를 인가할 수 없기 때문에 배터리를 재충전하는 데에는 전형적으로 몇 시간 이상이 소요된다. 그래서, 배터리를 과열시키지 않고 높은 충전 전류를 공급함으로서 배터리를 신속하게 재충전시키는 배터리 충전기가 필요하다.
배터리가 충전될 때, 양이온이 음극판으로 이동하고 음이온이 양극판으로 이동함으로서 확산 층이 생성되어 배터리 내부에 내부 저항이 발생된다. 종종 듀푸네이 층(Duffney layer)라고 불리우는 이 확산 층은 없애기가 힘들고, 이온 흐름에 대해 높은 내부 저항을 발생한다. 배터리가 냉동될 때, 이 내부 저항은 이온의 속도가 감소하여 더욱 증가된다. 이와 같이 높은 내부 저항은 냉동된 배터리를 충전시키는 것을 거의 불가능하게 한다. 그래서, 직류를 이용하여 냉동된 배터리를 충전시키는 것은 극히 어렵고, 많은 시간이 걸린다. 그래서 냉동 배터리의 충전시간을 감소시킬 필요가 있다.
납 산성(lead acid) 배터리와 같은 특정 유형의 배터리는, 단순히 배터리 전압을 측정함으로서 충전 상태가 결정될 수 있다. 특히, 배터리 전압은 배터리가 완전히 충전될 때까지 상승한 후, 배터리 전압이 강하할 것이다. 납 산성 배터리에서 강하는 쉽게 검출할 수 있다. 그래서, 충전 시스템은 이와 같은 전압의 변화에 기초하여 충전을 종료할 때를 판단할 수 있고, 배터리의 불필요한 에너지 소지와 손상을 피할 수 있다. 그러나 일부 다른 유형의 배터리에서, 이 강하는 너무 작아 배터리 전압의 노이즈 또는 정상적인 변화로서 용이하게 표지될 수 있다. NiCad와 NiFe와 같은 일부 배터리 유형은, 충전 상태를 판단하는 데 이용될 수 있는 공지된 표시기가 존재하지 않는다. 그래서, 종래의 배터리 충전 시스템은 충전을 종료하는데 필요한 최적의 시점을 판단할 수 없다. 그래서, 배터리의 불필요한 에너지 소비 및 손상을 피하기 위해 다른 유형의 배터리는 물론 NiCad와 NiFe의 충전 상태를 판단할 필요가 있다.
신규하게 구성된 배터리를 형성(충전)시킬 것을 필요로 한다. 배터리의 유형 및 크기에 따라, 이것은 12 시간 내지 며칠이 필요할 수 있다. 전해액이 배터리에 놓여지고 일부 전해액은 판에 의해 흡수된다. 초기의 화학 작용으로 많은 열이 발생하고 배터리 온도는 170℉에 쉽게 도달한다. 일단 전해액이 판에 의해 흡수되면, 온도가 강하하기 시작하여, 흡수(피클링(pickling)) 시간이 초과하고 배터리가 형성할 준비가 되어 있다는 것을 가리킨다. 배터리 형성(battery formation)을 위해 135℉ 내지 145℉의 전해액 온도가 바람직하다. 형성 시간을 줄이기 위해 높은 충전 전류가 필요하다. 그러나, 충전 전류는 소정의 배터리 온도를 유지하는 데 필요한 것 또는 배터리의 과열 및 손상을 유발시킬 수 있는 것 보다 커서는 안된다. 그래서, 배터리를 과열시키지 않고 형성 시간을 최소로 하는 충전 전류를 공급하는 배터리 충전기가 필요하다.
배터리의 형성 상태를 판단하는 공지된 방법이 존재하지 않는다. 배터리의 형성 상태를 판단하지 못함으로서 배터리이 형성을 종료하기 위한 최적의 시점을 판단하는 것이 어렵게 된다. 그래서, 배터리가 형성되었다고 가정하기 위해 정해진 시간 동안 전형적으로 배터리가 충전된다. 그러나, 이것은 일반적으로 배터리의 과충전을 초래하여, 에너지를 소비하고, 물의 전기분해로 인해 개스화가 유발되며, 형성 시간이 길어지게 된다. 만약 개스화가 일어나지 않도록 하기 위해 짧은 시간이 사용된다면, 배터리는 완전히 형성되거나 또는 충전되지 않을 수 있다. 그래서, 배터리가 완전히 형성되도록 보장하기 위해, 불필요한 에너지 소비를 피하기 위해 그리고 형성과정을 위한 시간을 줄이기 위해 배터리의 형성 상태를 판단할 필요가 있다.
[발명의 요약]
본 발명은 배터리를 급속히 충전하고, 냉동 배터리를 급속히 충전하고, 배터리를 급속히 형성하고, 배터리의 형성 상태를 판단하고, 배터리의 충전 상태를 판단하는 것을 공개한다. 배터리를 충전하기 위해, 본 발명은 충전 펄스 또는 일련이 충전 펄스를 배터리에 인가하고, 일련의 탈분극(방전) 펄스를 배터리에 인가하고, 여기서 펄스는 대기 시간에 의해 구분되며, 그리고 배터리가 완전히 충전될 때까지 충전 및 방전 절차를 반복한다. 방전 펄스는 배터리에 부하를 인가함으로서 발생된다. 방전 펄스는 전형적으로 충전 펄스의 지속시간 보다 크게 짧다. 막간의 대기시간은 다른 지속시간의 지속시간과 같으며, 방전 펄스의 지속시간과 다른 값일 수 있다. 대기 시간으로 구분된 복수의 방전 펄스가 뒤에 오는 충전 펄스 또는 일련의 충전 펄스를 인가함으로서 배터리를 매우 신속히 충전시키고 최소의 열을 발생시킨다.
대기 시간으로 구분된 복수의 방전 펄스를 인가함으로서 단일 방전 펄스 보다 많은 이용가능한 이온을 생성하게 된다. 충전 펄스는 일반적으로 이용가능한 모든 이온을 이용하고 그래서 보다 많은 이온이 보다 많은 충전 전류를 인가하게 된다. 또한 이용가능한 이온이 증가되어 배터리의 내부 저항이 감소됨에 따라 배터리의 열이 최소화될 수 있다.
그래서 본 발명의 목적은 배터리의 열을 최소로 하면서 배터리를 급속히 재충전시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 냉동 배터리를 급속히 충전하기 위한 방법 및 장치를 더 제공한다. 본 발명은 대기시간이 펄스로 구분되어 있는 한 개 이상의 충전 펄스를 인가한 후, 한 개 이상의 방전 펄스를 인가하고, 배터리가 용해하여 충분히 충전될 때까지 충전 및 방전 과정을 반복한다. 배터리에 충전 및 방전 펄스가 인가됨에 따라, 발생된 물과 배터리 내에서 발생하는 열로 인한 화학 작용때문에 배터리가 용해할 것이다.
그래서, 본 발명의 다른 목적은 냉동 배터리를 급속히 융해하고 충전하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
급속한 충전 과정 동안의 고전류때문에, 배터리의 과충전이 배터리를 손상하게 되는 결과가 된다. 그래서 본 발명은 배터리의 충전 상태를 판단하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 방전 펄스 후 개회로 출력 전압 곡선하의 영역이 측정된다. 이 영역은 배터리가 충전되면 정상 상태 값에 도달한다. 그래서 이 영역은 급속한 충전 과정을 종료하는 시간을 판단하는데 사용된다.
그래서, 본 발명의 다른 목적은 배터리의 충전 상태를 판단하는 것이다.
또한 본 발명은 새로운 배터리를 급속히 형성하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 배터리를 형성하기 위해, 본 발명은 대기 시간이 복수의 방전 및 충전 펄스를 구분하는 충전 펄스 또는 일련의 충전 펄스, 다음에 일련의 방전 펄스를 인가하고, 배터리가 완전히 충전될 때까지 이 절차를 반복한다. 배터리 형성을 위해 최적으로 결정된 온도 범위내에서 전해액의 온도를 유지하기 위해 충전 펄스의 지속시간, 수 및 크기가 제어된다. 형성 과정 동안 발생하는 열로 인한 화학 작용 때문에 그리고 충전 과정 동안 배터리의 내부 저항 변화때문에 이 온도 제어가 필요하다.
그래서, 본 발명의 다른 목적은 새로운 배터리를 급속히 충전하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 배터리가 형성 상태를 판단하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 형성 과정 동안, 충전 펄스의 초기에 그리고 방전 펄스의 초기에 전압 파형에 전압 스파이크(voltage spikes)가 나타날 것이다. 스파이크의 크기는 양극 및 음극판에서 재료의 변환(형성) 상태를 가리키는 것이다. 충전 펄스 초기의 전압 스파이크는 음극 판에서 재료가 완전히 변환될 때 최대의 정상 상태 값에 도달하고, 방전 펄스 초기의 전압 스파이크는 양극 판에서 재료가 완전히 변환될 때 최대 값에 도달할 것이다.
그래서, 본 발명의 다른 목적은 배터리의 형성 상태를 판단하는 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 블럭도.
제2도는 충전 펄스/대기 시간/방전 펄스/대기 시간 과정에 대한 도면.
제3도는 배터리 충전 상태의 판단 방법을 도시하는 파형도.
제4도는 배터리 형성 상태의 판단 방법을 도시하는 파형도.
제5도는 제어기에 의해 구현된 배터리 충전 과정의 순서도.
[발명의 상세한 설명]
지금부터 도면을 참조하면, 제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 블럭도이다. 배터리 충전, 방전, 및 용해 회로(10)는 키패드(12), 제어기(13), 디스플레이(14), 충전회로(15), 탈분극(방전)회로(16), 및 전류 감시 회로(20)를 구비한다. 캐피드(12)는 제어기(13)의 “K”입력에 연결되고, 사용자로 하여금 배터리 유형(납 산성, NiCad, NiFe 등)과 같은 특정 변수와 공칭적인 배터리 전압 또는 직렬인 셀의 수와 관련있는 다른 정보를 입력할 수 있게 한다. 키패드(12)는 키보드, 다이얼 패드, 스위치 어레이, 또는 정보를 입력하기 위한 다른 장치일 수 있다. 사용자에 의한 작동을 간단히 하기 위해, 제어기(13)는 복수의 배터리 유형에 대한 변수로서 미리 프로그램될 수 있다. 사용자가 모델 번호와 같은 배터리 유형을 단순히 입력하는 경우, 제어기(13)는 배터리 유형에 적합한 변수를 자동으로 사용할 것이다. 디스플레이(14)는 제어기(13)의 “S”출력에 연결되고, 조작자에 대해 정보, 선택, 변수 등을 디스플레이 한다.
제어기(13)의 “C”출력은 충전 회로(15)에 연결된다. 충전 회로(15)는 배터리에 충전 전류를 공급한다. 인가함에 따라, 충전 회로(15)가 제어기(13)로서 컨피그되어 배터리에 일정한 탈분극화 전류를 공급하거나 또는 선정된 부하를 인가할 수 있다. 회로(15와 16)에 의해 공급된 펄스의 펄스 폭은 제어기(13)로서 제어된다. 충전 회로(15)의 출력과 탈분극화 회로(16)의 출력은 전도체(21)를 거쳐 배터리(11)의 양극 단자에 연결된다. 배터리(11)의 음극 단자는 0.01ohm의 공칭값을 갖는 저항기(20)를 통해 회로 접지에 연결된다. 배터리(11)를 들어가고 나가는 전류는 저항기(20)를 반드시 거쳐야 한다. 그래서 배터리(11)를 통한 전류는 전도체(22) 상의 저항기(20) 양단 전압을 측정함으로서 결정될 수 있다. 그래서 저항기(20)는 전류 모니터로서의 기능을 하고, 또한 전류 리미터로서의 기능을 한다. 물론, 배터리 전류를 판단하기 위해 홀(Hall) 효과 소자와 같은 다른 소자가 사용될 수 있다.
전도체(21)와 회로 전지 간의 전압을 측정함으로서 배터리 전압이 모니터될 수 있다. 저항기(20)의 효과는 전도체(21과 22)간의 전압을 측정함으로서 또는 전도체(21) 상의 전압으로부터 전도체(22) 상의 전압을 뺌으로서 제거될 수 있다. 만약 제어기(13)가 마이크로프로세서와 같은 논리 소자라면 아날로그-디지탈 변환기와 같은 제어기(13)로서 사용할 수 있는 형태로 신호가 변환되어야만 한다.
배터리 존재는 충전 전류가 흐르는 지를 판단하기 위해 충전 회로(15)를 활성화시켜 전류 모니터(20)의 출력을 모니터함으로서, 방전 전류가 흐르는 지를 판단하기 위해 탈분극화 회로(16)를 활성화시켜 전류 모니터(20)이 출력을 모니터함으로서, 배터리가 존재하는 지를 판단하기 위해 충전 회로(15)와 탈분극화 회로(16) 모두를 탈활성화시켜 전압을 모니터함으로서 결정될 수 있다.
제어기(13)가 충전 전류 펄스 및 탈분극화(방전) 전류 펄스의 크기, 수 및 지속시간과, 소정의 배터리 온도를 유지하기 위해 정지 시간의 지속시간을 조정할 수 있도록 온도 감지기(23)는 배터리(11)의 온도를 모니터한다. 감지기(23)는 서머스탯과 같은 스냅 동작(snap action) 소자 또는 서미스터 또는 서모커플과 같은 아날로그 소자일 수 있다. 내부 배터리 온도를 정확하게 보고할 수 있도록 배터리(11)의 셀중 한 개 셀의 전해액에 감지기(23)를 담그는 것이 바람직하다. 온도 감지기(23)는 제어기(13)의 “T”입력으로 변환된다. 외부 셀이 주변의 분위기 또는 구조로 열을 보다 잘 전달할 수 있기때문에 배터리의 내부 셀은 전형적으로 외부 셀 보다 뜨겁다. 그래서, 비록 한개의 소자(23)만이 도시되었지만, 배터리(11)의 각 셀에 대해 개별적인 온도 감지기가 사용되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 제어기(13)는 마이크로프로세서, 적어도 그 일부가 제어기(13)를 위한 동작 명령을 포함하고 있는 메모리, 타이머 및 카운터를 구비한다. 단속적인 소자 또는 마이크로프로세서의 이루일 수 있는 타이머는 충전 펄스 지속 시간, 방전 펄스 지속시간 또는 대기 주기 지속시간을 제어하고, 전압 스파이크 또는 전류 스파이크 등의 지속시간을 측정하는 데 사용될 수 있다. 전형적으로 마이크로프로세서 내에 일체화되거나 또는 그것으로서 구현되는 카운터는 배터리에 공급된 총 충전의 표시를 제공하기 위해 충전 전류를 통합하고, 배터리로부터 취한 충전이 표시를 제공하기 위해 방전 전류를 통합하는 데 사용된다.
제2도는 충전 펄스/대기 시간/방전 펄스/대기 시간 과정을 도시한다. 제1도의 장치는 그 목적을 위해 사용될 수 있다. 간단히 도시하기 위해 충전 펄스와 방전펄스는 장방형 펄스로서 도시되었지만, 이것은 실제 경우에 통상적인 경우가 아니라는 것을 알 수 있고, 본 발명은 이것을 포함하지만 이와 같은 장방형 파형을 필요로 하지 않는다는 것을 알아야 한다. 또한, 충전 펄스(C1과 C1)는 편의상 그리고 어떠한 제약을 가하는 것이 아닌 동일한 펄스 폭과 동일한 전류 진폭(IA)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 필요하다면, 펄스는 다른 전류 진폭을 가질 수 있고, 충전 펄스 동안 변할 수 있다. 게다가, 펄스(C1과 C2)를 충전시키기 위한 전류 진폭은 모니터된 배터리 온도, 배터리 전압, 및 배터리의 충전 또는 형성 상태의 변화에 기초하여 충전 주기 동안 변할 수 있다. 이와 유사하게, 방전 펄스(D1 내지 D3)는 편의상 그리고 제한을 가하는 것이 아닌 동일한 펄스 폭과 동일한 일정한 방전 전류 진폭을 갖는 것으로 도시되어 있다. 필요하다면, 펄스는 다른 전류 진폭을 가질 수 있고, 전류는 방전 펄스 동안 변할 수 있다. 게다가, 펄스(D1 내지 D3)를 방전시키기 위한 전류 진폭은 모니터된 배터리 온도, 배터리 전압 및 배터리의 충전 또는 형성 상태 변화에 기초하여 변할 수 있다. 도시된 방전 펄스의 수는 순전히 편의상이고 제한을 가하려는 것은 아니다. 이와 유사하게, 대기 시간(CW1,CW2, 및 DW1-DW3)은 편의상 그리고 제한을 가하는 것이 아닌 동일한 지속시간을 갖는 것으로 도시되어 있다. 대기 시간은 충전 또는 방전 전류의 진폭을 바꾸기 위해 회로(15 또는 16)에 필요한 지속시간뿐일 수 있다. 더욱이, 각 대기시간의 지속시간은 모니터된 배터리의 상태 변화에 기초하여 충전 주기 동안 변할 수 있다.
본 발명의 바람직한 동작 모드에서, 제어기(13)는 충전 펄스(C1)와 같은 한개의 충전 펄스가 배터리에 인가되게 한후, 대기시간(CW1)이 오게 한다. 첫 번째 대기시간(CW1) 후에 대기시단(DW1 과 DW2)에 의해 구분되고 다음에 대기시간(DW3)이 오는 일련의 방전 펄스(D1,D2,D3)가 배터리에 인가될 것이다. 마지막 대기시간(DW3)의 종단에서, 프로세스는 반복, 즉 다른 충전 펄스(C1)가 배터리에 인가된 후, 다시 첫 번째 대기시간(CW1) 등이 올 것이다. 충전 펄스, 방전 펄스 및 대기시간(또한 정지 시간이라고 함)의 지속시간은 재충전되는 배터리 유형에 따른다. 납산성 배터리의 경우, 충전 펄스(C1)는 1/10초 내지 몇 초의 지속시간을 가질 수 있다. 그러나, 각 방전 펄스(D1,D2,D3)의 지속시간은 충전 펄스의 지속시간 보다 크게 짧을 수 있다. 바람직한 동작 모드에서, 방전 펄스 총 지속시간(D1+D2+D3)은 충전 펄스(C1) 지속시간의 0.05% 내지 3% 범위이어야 한다. 방전 펄스의 총 지속시간은 몇 몇 배터리 유형에 대해 더 길 수 있다. 만약 방전 펄스의 총 지속시간이 지나치다면, 방전 펄스가 배터리로부터 일부 에너지를 제거함으로서, 전반적인 충전 시간을 증가시킨다. 방전 펄스의 크기(IB)는 적어도 충전 펄스의 크기(IA)와 같아야 한다.
납 산성 배터리의 경우, 충전 펄스 동안, 납(Pb)와 납 과산화물(PbO2)의 결정은 판 상에서 성장할 것이다. 이것은 배터리 판의 표면을 크게 하여 배터리의 임피던스를 떨어뜨리고 메모리 작용을 감소시키기 때문에 결정이 좀 더 작은 크기를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 날카로운 에지를 갖지 않는 좀 더 작은 크기의 결정을 만들기 때문에 짧은 지속시간의 충전 펄스가 바람직하다. 방전 전류는 결정의 정지에 호응하여 결정의 날카로운 에지를 제거하는 경향이 있다. 그래서, 심지어 좀 더 긴 지속시간의 충전 펄스로서 방전 펄스의 크기(IB)를 충전 펄스의 크기(IA) 이상으로 설정함으로서 좀 더 작은 크기의 결정을 달성할 수 있다. 만약 전류 크기(IB)가 전류 크기(IA) 보다 작다면, 방전 전류를 감소시키기 위해 제거하기 위한 날카로운 에지가 보다 적도록 결정 크기 및 결정 상의 날카로운 에지를 최소화기 위해 충전 펄스의 지속시간이 감소되어야 한다.
NiCad와 NiFe와 같은 다른 유형의 배터리도 결정 형성에 유사한 작용이 미치는 데, 이 결정은 NiCad 배터리에 대해 NiOOH와 Ni, 및 NiFe 배터리에 대해 Fe 및 FeOOH이다.
또한 제2도는 복수의 충전 펄스(C1 과 C2)가 사용될 수 있다는 것을 도시한다. 이 경우 첫 번째 대기시간(CW1)은 두 개의 충전 펄스(C1과 C2) 사이에 삽입되고, 두 번째 대기시간(CW2)은 바람직하게 충전 펄스(C2)와 방전 펄스(D1) 사이에 삽입된다. 그러나, 만약 복수이 충전 펄스(C1,C2) 등이 사용된다면, 소정의 결정 크기를 달성하고 결정에 날카로운 에지의 형성을 최소로 하기 위해, 방전 펄스의 지속시간과 수와 결합하여 각 충전 펄스의 지속시간과 충전 펄스의 총 지속시간이 선택되어야 한다.
일련의 방전 펄스에서 방전 펄스의 수는 배터리의 특정 변수의 함수이다. 방전 펄스의 지속시간과 수는 이온의 이용가능성을 최대로 하고, 소정의 결정 크기를 달성하고, 결정에 날카로운 에지의 형성을 최소로하도록 선택되어야 한다. 방전 펄스에 선행하고, 방전 펄스 사이에 삽입되어 있으며, 다음에 방전 펄스가 오는 대기시간의 지속시간은 이온의 가용성을 최대로 하도록 선택되어야 한다. 각 대기시간의 지속시간은 충전 또는 방전 전류의 진폭을 바꾸기 위해 회로(15 또는 16)에 필요한 지속시간 만큼 짧을 수 있다.
배터리가 충전됨에 따라, 전해액의 물이 화학 반응에 사용됨으로서, 전해액의 산성 농도가 증가하고 이용가능한 이온이 감소하게 된다. 방전 펄스는 배터리의 내부 저항을 감소시키는 부수적인 이온을 생성한다. 방전 펄스 동안, 배터리의 음극판은 음극판에서 발생하는 화학 작용이 양극 판에서 발생하는 작용보다 빠르다는 점에서 양극 판보다 빨리 방전한다. 그래서, 방전 펄스 동안, 방전 화학 작용은 주로 음극 판에서 발생하고, 전해액과 혼합하는 물을 만들어 충전 반응에 이용할 수 있는 이온을 만든다. 전해액이 물과 혼합하는 시간과 이용가능한 이온을 만드는 반응을 제공하기 위해 펄스를 분리하는 대기시간이 필요하다. 대기시간의 지속시간은 배터리의 충전을 불필요하게 지연시키지 않고 전해액과 물이 혼합하는 데 충분한 시간을 제공하도록 선택된다.
충전 전류가 배터리(11)에 인가될 때, 판의 납 황산염은 납 이온과 황산 이온으로 분해된다. 더욱이, 전류는 물을 수소이온과 수산화물(OH)로 분리한다. 양으로 대전된 이온은 음극 판쪽으로 이동하고, 음으로 대전된 양극 판쪽으로 이동한다. 판 둘레에 이온이 축적됨으로서 판을 보호하고 경향이 있고, 초기에 생성된 이온이 판을 벗어나 이동할 때까지 추가적인 이온의 이동을 방지한다. 방전(탈분극화) 펄스는 새로이 생성된 이온이 판쪽으로 용이하게 이동할 수 있도록 하기 위해 이온을 판의 바로 근처로부터 강제로 벗어나게 하는 역할을 한다. 방전 펄스 후의 대기시간은 이온으로 하여금 판 사이의 본래 위치쪽으로 드리프트하고 이동하게 하는 데, 이것은 전해액 용액의 다른 화학 및 전하 농도에 의해 유발된 경사에 의해서만 유도된다. 복수의 방전 펄스는 판이 바로 근처에 있는 이온이 보호 작용을 더욱 제거하는 역할을 한다. 이것은 이전이 충전 펄스 상에서 만들어진 이온으로부터의 최소보호 작용으로 다음 충전 펄스로 하여금 많은 이온을 생성하게 한다.
한 개의 충전 펄스와 복수의 방전 펄스를 사용하는 납 산성 배터리의 경우, 전형적인 변수는 다음과 같다:충전 펄스(C1)는 50amps의 전류값(IA)과 250msec의 펄스 지속시간을 갖는다. 대기시간(CW1)은 1msec의 지속시간을 갖는다. 방전 펄스(D1,D2,D3) 각각은 50amps의 전류값(IB)와 1msec의 펄스 지속시간을 갖는다. 대기시간(DW1과 DW2) 각각은 2msec의 지속시간을 갖는다. 대기시간(DW3)은 6msec의 지속시간을 갖는다.
기상 조건에의 노출로 인해 납 산성 배터리와 같은 배터리가 냉동될 때, 배터리의 내부 저항은 이온의 속도가 감소되어 증가한다. 그래서, 직류를 인가하여 충전할 가능성은 작다. 더욱이, 만약 양 이온이 음극 판으로 이동하고 음 이온이 음극 판으로 이동한다면, 파괴하기 힘들고 배터리를 충전하는 데 매우 힘든 확산층이 생성된다. 그러나, 높은 방전 전류가 확산층을 파괴하고 대기시간이 이와 같은 이온이 판을 벗어나 이동할 수 있게 함으로서, 판은 높은 충전 전류 펄스를 용이하게 수용할 것이다. 동결된 배터리를 충전하는 데 사용된 파형이 제2도에 도시되어 있다. 즉, 분리되어 있는 한 개 이상의 충전 펄스(C1,C2)는 다음에 오는 대기시간(CW1,CW2)에 의해 분리되어 있고, 다음에 오는 방전 펄스(D1,D2,D3)는 다음에 오는 대기시간(DW1,DW2,DW3)에 의해 분리되어 있다.
방전 펄스를 인가함으로서 화학 작용에 의해 물이 생성되게 된다. 산성과 혼합된 물은 열을 발생시킨다. 충전 펄스의 인가도 역시 열을 발생시킨다. 발생된 열이 배터리를 용해하게 함으로서, 배터리의 내부 저항이 떨어지게 된다. 그래서, 배터리는 더 많은 충전 전류를 수용할 수 있게 되고, 이것은 배터리의 용해와 배터리를 신속하게 충전시키는 결과가 된다.
종래의 충전기를 이용한 동결 배터리의 충전력과 본 발명을 이용한 동결 배터리를 이용한 충전력이 비교된다. 0℉에서 배터리의 경우, 종래의 배터리 충전기로부터 0.3amps의 충전전류를 수용할 수 있을 것이다. 본 발명을 이용하고 단일 충전 펄스 및 단일 방전 펄스를 연속적으로 반복하여 인가한 0℉에서 배터리의 경우, 배터리가 용해되어 좀 더 쉽게 전하를 수용할 수 있게 됨에 따라 충전 전류는 6amps에서 시작되어 35amps까지 점점 증가되었다. 본 발명의 충전/복수의 방전 기술을 이용한 0℉의 동결 배터리의 경우, 충전전류는 40amps에서 시작되어 배터리가 융해되고 충전 전류를 좀 더 용이하게 수용할 수 있게 됨에 따라 60amps까지 점점 증가되었다. 본 발명의 충전/복수의 방전 기술을 이용하여, 동결된 배터리가 융해되어 6분안에 충전 전류를 용이하게 수용하였다.
납 산성 배터리의 경우, 제2도의 파형에 대한 전형적인 초기값은 다음과 같다. 충전 펄스(C1)는 35amps이 전류값(IA)과 250msec의 지속시간을 갖는다. 대기시간(CW1)은 2msec이 지속시간을 갖는다. 방전펄스(D1)는 70msec의 전류값(IB)과 2msec의 지속시간을 갖는다. 그리고 대기시간(DW1)은 4msec의 지속시간을 갖는다.
적어도 NiCad와 NiFe 배터리에 대한 배터리의 충전 상태를 측정하는 방법은 제3도에 도시된 바와 같이 총체적인 파형에 기초한다. 이 방법에서 개회로 배터리 전압은 예를 들면 대기시간(DW1,DW2,DW3)와 같이 방전 펄스가 바로 다음에 오는 대기시간 동안 측정되어 통합된다. 배터리는 통합된 전압값이 대기조건 상태에 도달할 때 완전히 충전되는 것으로 간주된다. 예를 들면, 본 측정에 의한 값은 이전의 측정에 의한 통합된 전압값과 거의 동일하거나 또는 같다. 문제의 영역(A)은 대기시간 동안 개회로 전압 곡선 아래의 영역이고, 더 상세하게는 최소 전압(V7) 이상 개회로 전압 아래의 영역이다. 다시 말하면, V7 내지 V6 범위 전압 곡선 아래의 영역이다. 예를 들면, A영역은 대기시간 동안 개회로 출력 전압 곡선 아래의 전체 영역 측정에 의해 결정되고, 영역의 감산하면 V7이 대기시간 동안 최소 전압이고 영역의 측정 시간 동안 T가 있는 곳에 대기시간 처럼 V7xT로서 나타난다. 측정된 영역은 다음 충전 펄스가 오는 대기시간과 일치하는 영역과 비교된다. 예를 들면, 충전 펄스(C1)가 다음에 오는 대기시간(DW1)과 연관된 영역은 충전 펄스(C1)이 다음에 오는 (도시되어 있지 않은) 대기시간(DW1)과 연관된 영역과 비교될 수 있다. 이와 유사하게, 충전 펄스(C1)가 다음에 오는 대기시간(DW2)과 연관된 영역은 충전펄스(C1)가 다음에 오는(도시되어 있지 않은) 대기시간(DW2)과 비교될 수 있다. 이와 유사하게, 대기시간(DW3)과 연관된 영역은 네 개 이상의 방전 펄스가 충전 펄스 사이에서 사용된다면, (도시되어 있지 않은) 방전 펄스 대기시간이 발생할 수 있는 바와 같이 비유된다. A영역은 작을 것이고, 배터리가 충전되는 것처럼 영역이 증가될 것이다. 배터리는 영역이 예정된 값에 도달하거나 또는 일정한 상태 조건에 도달하였을 때 완전히 충전된 것으로 간주된다. 예를 들면, 배터리는 충전펄스(C1)가 다음에 오는 대기시간(DW1)과 연관된 영역과 거의 동일한 충전펄스(C1)가 다음에 오는 대기시간(DW1)과 연관될 때 완전히 충전된 것으로 간주된다.
충전 상태는 또한 출력 전압의 기울기(V6-V7)/T에 의해 측정될 수 있는데, 여기서 T는 탈분극화 대기시간(DW)과 같은 측정 시간이다. 초기에 기울기는 V7이 V6과 거의 같은 것처럼 얕을 것이다. 배터리의 충전에 따라 V7은 V6보다 크게 낮아지고 기울기는 임의의 일정한 상태 조건이나 최소값에 근접할 것이다. 일단 기울기가 일정한 상태 조건에 도달하면, 즉, 그 최대값에 도달하고 주기에서 주기로 약간 변하거나 또는 선정된 값이상이면 배터리는 완전히 충전된다. 기울기는 또한 각도 ARCTANGENT((V6-V7)/T)를 판단하는 데 사용될 수 있다. 각도가 일단 정상상태조건에 도달하면, 그 최대값에 도달하고 주기에서 주기로 약간 변하거나 또는 임의의 선정된 값 이상이면 배터리는 완전히 충전된다.
납 산성 배터리와 같은 배터리가 처음에 만들어질 때, 예를 들면 납 황산염을 납과 납 과산화물로 변환하기 위해 형성이 필요하다. 전해액은 배터리내에 놓이고 초기의 화학 반응은 많은 양의 열을 발생할 수 있다. 이것은 배터리 온도가 쉽게 170℉에 도달하게 할 수 있다. 일단 판이 매우 많은 전해액을 흡수하면, 온도가 감소하기 시작할 것이다. 초기의 온도가 약 140℉로 떨어지면 초기의 전하가 배터리에 인가될 것이다. 초기에 배터리의 저항은 많은 자유이온으로 인해 매우 낮다. 그래서 배터리는 많은 충전 전류를 수용할 수 있다. 이미 높은 온도이외에 발생된 열이 배터리를 손상시킬 수 있기 때문에 이때 배터리를 통해 많은 전류를 흐르게 하는 것은 바람직하지 않다. 그래서 충전 펄스의 지속시간, 수 및 크기는 배터리의 온도에 응답하여 변할 것이다.
한개의 충전 펄스와 복수의 방전 펄스를 이용하여 내부의 배터리 온도를 140℉로 유지하는 납 산성 배터리의 경우, 제2도의 파형에 대한 초기의 변수는 예를 들면 다음과 같을 수 있다:충전 펄스(C1)는 25amps의 전류값(IA)와 150msec의 지속시간을 갖는다. 대기시간(W1)은 1msec의 지속시간을 갖는다. 방전펄스(D1,D2,D3)는 각각 250amps의 전류값(IB)과 1msec의 지속시간을 갖는다. 그리고 대기시간(DW1-DW3)는 각각 6msec의 지속시간을 갖는다.
온도 감지기(23)는 배터리(11)의 초기 온도를 모니터하고, 제어기(13)가 충전회로(15)를 명령하여 충전 전류 진폭이나 펄스 폭을 조정할 수 있도록 제어기(13)에게 이 정보를 공급한다. 또한 제어기(13)는 저항기(20)를 거쳐 전류를 모니터하고 적당한 충전전류가 공급될 수 있도록 충전 전류(15)이 구동을 조정한다. 충전 전류 펄스와 방전 전류 펄스가 지속시간, 수 및 크기는 배터리의 온도가 약 140℉로 유지하고 최적의 충전조건을 유지하도록 설정된다. 배터리 형성에 사용된 파형은 또한 제2도에 도시되어 있다. 즉, 한 개이상이 충전 펄스(C1,C2)는 다음에 오는 대기시간(CW1,CW2,CW3)에 의해 분리되고, 다음에 오는 방전 펄스(D1,D2,D3)는 또한 다음에 오는 대기시간(DW1,DW2,DW3)에 의해 분리된다. 다시 복수의 방전 펄스는 결정이 크기를 제어하고 결정에 날카로운 에지의 형성을 최소로 한다.
지금부터 제4도를 참조하면, 배터리의 형성 상태가 결정되는 방법을 도시한다. 형성 과정 동안 전압 피크는 충전 펄스(C1)의 초기에 발생하고 전압 딥(dip)은 방전 펄스(D1-D3)에서 발생한다. 편의상, 피크와 딥은 모두 스파이크라고 불리우는데, V1과 같은 피크는 양으로 진행하는 스파이크이고 V4와 같은 딥은 음으로 진행하는 스파이크이다. 충전펄스의 초기에 나타나는 전압 스파이크는 배터리의 음극판의 형성 상태를 나타내고, 방전 펄스의 초기에 나타나는 전압 스파이크는 배터리의 양극의 형성 상태를 나타낸다. 전형적으로, 음극판은 양극판 보다 작으며, 양극판 전에 완전히 변환될 것이다. 음극판의 화학 작용이 양극판에서의 화학 작용보다 빠르기 때문에 음극판은 양극판 보다 작게 만들어 질 수 있다. 음극판의 재료가 완전히 전환될 때, 충전 펄스 초기의 전압 스파이크는 일정한 상태 조건에 도달 즉, 그 최대 진폭을 달성하고 그 최대 진폭에서 유지될 것이다. 이와 유사하게 양극판의 재료가 완전히 전환될 때, 방전 펄스이 초기에 나타나는 전압 스파이크는 일정한 상태의 조건에 도달 즉, 그 최대 진폭을 달성하고 이 진폭에서 유지할 것이다. 음극판의 재료는 양극판 보다 빠르게 전환하여 방전 펄스 초기의 전압 스파이크는 방전 펄스 초기의 전압 스파이크가 최대 진폭에 도달하기 전에 최대 진폭에 도달할 것이다. 두 판 모두를 완전히 형성하고 충전하는 것이 필요하다. 만약 방전 펄스가 짧다면 바람직하게 2-3밀리초이하라면, 음극판이 부분적으로 방전함으로서 물을 발생하지만, 양극판은 방전하지 않을 것이다. 그래서, 방전 펄스를 인가하게 되면, 음극판을 과잉충전시키지 않고 양극판이 완전히 충전될 수 있게 된다. 방전펄스 후 이 대기시간은 물이 전해액과 혼합하고 이온을 발생하는 시간으로 이것은 배터리이 충전을 돕는다. 납 산성 배터리에 대한 대기시간은 약 5-6밀리초이다. 도시된 파형은 충전 펄스에 대해 전류(IA)을 공급하기 위해 일정한 전류원을 사용하여 달성된 것이다. 전류 파형인 제4도이 상부 파형은 충전 펄스(C1)을 도시하고 다음에 대기시간(CW1), 다음에 대기시간(DW1,DW2)에 의해 분리되고 다음에 대기시간(DW3)이 오는 방전 펄스(D1,D2,D3)를 도시한다. 다음에 과정은 다음이 충전 펄스(C1′)로 시작하여 반복한다. 하부의 파형은 배터리 전압 파형이다.
전류(IA)가 충전 펄스(C1) 동안 흐를 수 있도록, 충전 회로(15)는 초기에 큰 전압(V1)을 배터리에 인가하여야 한다. 바로 후에, 배터리는 충전 전류를 보다 쉽게 수용함으로서 충전 회로(15)의 출력 전압은 전압(V2)로 강하하여 충전 펄스의 나머지 지속시간(C1) 동안 거의 이 전압에서 유지될 것이다. 충전 펄스(C1)를 종료하게되면, 충전 펄스(15)와 방전 회로(16)가 탈활성화되어 전압(V3)은 배터리(11)의 개회로 전압을 나타낼 것이다. 대기시간(CW1) 후, 방전 회로(16)는 배터리(11)에 부하를 인가하고 배터리(11)의 출력 전압은 전압(V4)로 강하할 것이다. 그 직후 배터리는 방전 전류를 보다 용이하게 공급함으로서 배터리의 출력 전압은 전압(V5)로 증가되어 방전 펄스(D1)의 나머지 지속시간 동안 거의 이 전압에서 유지될 것이다. 방전 펄스(D1)의 끝에서, 방전 회로(16)는 턴오프되고 배터리(11)의 개회로 전압은 대기시간(DW1)의 지속시간 동안 부하가 없는 전압(V3)로 상승할 것이다. 대기시간(DW1)이 완료한 후, 방전 펄스(D2)가 인가되어 배터리 전압은 다시 방전 펄스의 초기에 약 전압(V4)로 강하한 후, 전압(V5)로 상승하여 방전 펄스의 나머지 지속시간 동안 이 전압에서 유지된 다음, 다음 대기시간(DW2)동안 개회로 전압(V3)으로 상승한다. 이 작용은 방전 펄스(D3), 대기시간(DW3), 임의의 부수적인 방전 펄스 또는 다음이 충전 펄스 이전에 존재할 대기시간에 대해 유사하다.
배터리에 충전 펄스와 방전 펄스를 인가를 충분히 반복한 후, 배터리 판의 한쪽 또는 양쪽의 재료는 완전히 전환되게 된다. 이것이 발생할 때, 배터리는 어떠한 부수적인 전하도 수용하지 않으며 충전 전류를 연속적으로 인가하게 되면 일반적으로 배터리의 지나친 전해, 개스화, 및 열 발생을 초래하게 된다. 그래서, 일단 배터리가 완전히 형성되면, 충전/방전 과정은 중단되고 배터리는 서비스를 받아야 하거나 또는 유지보수 충전 과정을 받아야 한다. 만약 배터리가 완전히 형성된다면 다음의 충전 펄스(C1′)가 인가되거나 또는 다음의 방전 펄스(D1 내지 D3)가 인가될 때, 충전 펄스 초기의 전압과 방전 펄스 초기의 전압은 더 이상 변하지 않을 것이다. 전압 스파이크(V1과 V4)의 지속시간은 전형적으로 약 1 내지 2 밀리초이다. 제어기(13)는 배터리(11) 양단의 전압을 모니터 한다. 제어기(13)는 충전 펄스/방전 펄스의 임의의 반복횟수 동안 스파이크 전압에 대한 값(V1과 V4)을 저장하고 평균값을 저장한다. 제어기(13)는 이 과정을 반복하고, 새로운 평균값을 원래의 평균값에 비교한다. 새로운 평균값이 더 이상 변하지 않을 때, 즉, 피크가 더 이상 증가하지 않고 딥이 더 이상 감소하지 않을때, 일정 상태의 조건이 달성되고 제어기(13)는 배터리가 완전히 형성되었는 지를 판단하고, 충전 펄스와 방전 펄스의 인가를 중지한다. 전압 스파이크를 측정하여 배터리의 형성 상태 또는 충전을 판단하는 방법은 납 신성, 적어도 NiCad와 NiFe와 같은 종류의 배터리에 유용하다.
충전 펄스의 초기와 방전 펄스의 초기에 전압 스파이크 크기의 변화는 충전 또는 방전 펄스의 초기에서 높은 배터리 임피던스에 직접 기인한다. 형성 과정 동안 양 및 음극판에서 재료가 전환됨에 따라, 판은 증가하는 전위를 갖는다. 이것은 반대방향으로 대전된 이온을 끌어담김으로서, 소위 디프니 층을 생성한다. 이 전위가 증가함에 따라, 이 디프니 층은 부서지기 힘들게 되며, 그로인해 음극판에서 디프니 층을 깨뜨릴 필요성으로 인해 충전 펄스의 초기에 높은 배터리 임피던스를 생성하게되고 양극판에서 디프니 층을 깨뜨릴 필요성으로 인해 방전 펄스의 초기에 높은 배터리 임피던스를 생성하게 된다. 그래서, 일단 양극판 및 음극판의 거의 모든 재료가 전환되고 형성 과정이 완료되면, 전위와 임피던스는 최대값에 도달한다. 이것은 디프니 층을 깨뜨리는 데 필요한 전압을 최대로 한다.
납 산성 배터리의 경우, 충전 펄스, 방전 펄스, 및 대기시간에 대한 전형적인 값은 제2도의 설명과 관련하여 열거된 바와 같고, 전형적인 전압값은 V1-V2는 5volts이고, V5-V4는 0.1volts이고 V1′-V2는 5.1volts이고 V5-V4′는 0.11volts이다.
제5도는 제어기(13)에 의해 실행된 배터리 충전 과정의 순서도이다. 단계(41)에서, 제어기(13)는 배터리 종류(납 산성, NiCad, NiFe등), 배터리 전압(공칭전압, 셀수, 셀 레이티(rating)당 전압), 배터리 용량(암페어-시간, 최대 암페어), 배터리 모델 번호 등과 같은 사용자 입력에 기초하여 충전 시이퀀스에 대한 초기 변수을 설정한다. 이와 같은 사용자 입력에 응답하여 제어기(13)는 충전 펄스의 수, 지속시간 및 진폭, 및 충전 대기시간의 지속시간, 방전 대기시간의 지속시간, 방전 펄스의 수, 지속시간, 및 진폭, 방전 대기시간의 지속시간을 설정한다. 단계(42)에서, 제어기(13)는 충전 시이퀀스를 실행하는 데, 이것은 한 개이상의 충전 펄스 및 충전 대기시간을 인가하고, 다음에 한 개이상의 방전 펄스 및 방전 대기시간을 인가하는 것을 포함한다. 단계(43)에서, 제어기(13)는 배터리 전압, 배터리 온도 및 배터리 전류와 같은 배터리 변수를 측정하여 처리한다. 비록 펄스 단위로 이들 변수를 측정할 수 있지만, 배터리의 응답은 일반적으로 매우 낮다. 그래서, 값은 선정된 시간 간격 동안 그 변수의 평균값에 기초하거나 또는 그 변수는 예를 들면 지난 5초(배터리에 대한 것과 같은) 내지 10초(배터리 온도에 대한 것과 같은) 동안 선정된 시간 간격에서만 샘플될 수 있다. 그래서, 단계(43)가 실행되거나 또는 단계(43)가 실행되는 동안 단계(42)에서 충전 시이퀀스의 많은 주기가 실행될 수 있다.
판단(44와 45)은 배터리 잔압 및 배터리 온도가 수용가능한 지를 검사한다. 만약 그렇지 않다면, 단계(46)에서, 제어기(13)는 변수를 조정한다. 예를 들면, 만약 배터리 전압 또는 배터리 온도가 너무 높다면, 제어기(13)는 충전 펄스의 수, 지속시간, 및 진폭을 감소시킬 수 있다. 만약 배터리 전압 또는 배터리 온도가 너무 낮다면, 제어기(13)는 충전 펄스의 수, 지속시간, 및 진폭을 증가시킬 수 있다. 이와 유사하게, 제어기(13)는 배터리 전압과 배터리 온도가 소정 범위 이내로 하기 위해 방전 펄스의 수, 지속시간, 및 진폭, 충전 펄스 대기시간 및 방전 펄스 대기시간의 지속시간을 조정할 수 있다. 단계(46)에서 변수가 조정된 후, 제어기(13)는 단계(42)에서 다음의 충전 시이퀀스를 실행한다.
판단(47)은 상술된 스파이크 전압 및 영역 검사를 사용하여 배터리가 충전되었는 지를 검사한다. 만약 배터리가 충전되어 있지 않다면, 제어기(13)는 단계(42)로 복귀할 것이다. 만약 배터리가 충분히 충전되어 있다면, 제어기(13)는 유지 보수 절차(50)로 전환하는 데, 이것은 충전회로(15)로 하여금 약간의 전하를 배터리(11)에 인가하고, 경보를 울리고, 과정이 완료하였고 배터리가 충분히 충전되거나 또는 형성되었다는 것을 디스플레이(14) 상에 가리키게 한다.
비록 특정한 단계가 도시되어 있지 않지만, 충전 전류 또는 온도가 허용가능한 한계값 이내에 있지 않거나 또는 지나친 충전 시간이 경화하였다면, 제어기(13)는 과정을 종료할 것이라는 것을 알 수 있다. 이와 같은 경우 제어기(13)는 경보를 울리거나 또는 특정한 문제가 발생하였다는 것을 디스플레이(14) 상에 가리킬 것이다.
비록 바람직한 실시예가 충전 및 방전 펄스의 크기와 지속시간을 조정할지라도, 대기시간의 지속시간이 조정되어 특정한 결과를 달성할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
비록 본 발명이 납 산성, 니켈-카드뮴, 및 니켈-철 배터리에 사용하기 위해 특정하게 서술되었지만, 본 발명이 여기에 한정되어 있지 않고 니켈-수소화물과 아연-공기 배터리와 같은 것을 물론 여기에 제한되어 있지 않은 종류의 다른 배터리에도 사용할 수 있다.
상기 설명으로부터 본 발명은 배터리를 급속히 충전하고 형성하며, 동결된 배터리를 급속히 융해하고 충전하며, 배터리의 형성 상태를 판단하며, 배터리의 충전상태를 판단하기 위한 방법 및 장치를 서술하고 있다는 것을 알 수 있다. 비록 본 발명이 특정하게 서술되었지만, 기술분야의 숙련자에게는 다양한 변형이 있을 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그래서, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구의 범위에 한정되어 있지 않다.

Claims (32)

  1. 하기의 단계들로 구성되는 배터리 충전 방법:주로 충전 펄스 중에서만 충전 전류를 수용하는 상기 배터리에 실질적으로 150 밀리세컨드 이상의 펄스를 갖는 충전 펄스를 인가하는 단계, 제1방전 펄스를 상기 배터리에 인가하는 단계, 상기 배터리가 실질적으로 충전되지도 않고 방전되지도 않는 제1대기시간 동안 대기하는 단계, 주로 방전 펄스 중에서만 방전 전류를 제공하는 상기 배터리에 제2방전 펄스를 인가하는 단계, 및 선택된 변수가 달성될 때까지 상기 단계를 반복하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방전 펄스를 인가하는 단계는 상기 베터리에 부하를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1방전 펄스는 제1지속기간을 가지며, 상기 제2방전 펄스는 제2지속기간을 가지며, 상기 제1지속시간은 상기 제2지속시간과 거의 같은 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충전 펄스는 충전 전류 진폭을 가지며, 상기 방전 펄스 각각은 방전 전류 진폭을 가지며, 상기 방전 펄스중 하나 이상의 펄스의 상기 방전 전류 진폭은 상기 충전 전류 진폭 보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1방전 펄스를 인가하기 전에 상기 충전 펄스를 인가한 후 제2대기시간 동안 대기하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 층전 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계를 반복하기 전에 상기 제2방전 펄스 후에 제2대기시간 동안 대기하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1대기시간은 상기 제2대기시간의 지속시간과 거의 같은 지속시간을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 선택된 변수는 상기 배터리의 충전 정도이고, 상기 충전 방법은 상기 배터리의 전하도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전하도는 상기 충전 펄스가 인가될 때에 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 충전 펄스는 상기 배터리에서 양으로 진행하는 스파이크 전압이 나타나게 하며 상기 전하도를 측정하는 단계는 상기 배터리의 양으로 진행하는 스파이크 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 양으로 진행하는 스파이크 전압은 충전 펄스의 초기에 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전하도를 측정하는 단계는 상기 양으로 진행하는 스파이크 전압이 일정한 상태 조건에 도달하였는 지를 판단하는 단계를 더 포함하는것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전하도를 측정하는 단계는 방전 펄스 후 대기시간 동안 배터리의 전압의 피크 진폭을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 측정 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 전하도는 상기 방전 펄스가 인가되는 때에 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 방전 펄스는 상기 배터리에서 음으로 진행하는 스파이크 전압이 나타나게 하며 상기 전하도의 측정 단계는 상기 배터리의 음으로 진행하는 스파이크 전압을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 음으로 진행하는 스파이크 전압은 방전 펄스의 초기에 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 전하도의 측정 단계는 상기 음으로 진행하는 스파이크 전압이 일정한 상태 조건에 도달하였는 지를 판단하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  18. 제8항에 있어서, 상기 전하도는 방전 펄스가 다음에 오는 대기시간 동안 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  19. 제8항에 있어서, 상기 전하도를 측정하는 단계는, 진폭을 측정하기 위해 상기 배터리의 전압 진폭을 측정하는 단계, 통합된 진폭 신호를 제공하기 위해 상기 대기 주기의 선정된 시간 주기에 걸쳐 상기 진폭 측정을 통합하는 단계 및, 상기 통합된 진폭 신호을 평가 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전하도 측정 단계는 상기 통합된 진폭 신호가 정상 상태 조건에 도달하였는 지를 판단하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 전하도 측정 단계는 상기 대기 주기의 선정된 기간내에 상기 배터리 전압의 변화속도를 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 전하도 측정 단계는 상기 변화속도가 정상 상태에 도달하였는 지를 판단하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  23. 하기로 구성된 배터리 충전 장치:주로 충전 펄스 중에서만 충전 전류를 수용하는 상기 배터리에 실질적으로 150밀리세컨드 이상의 펄스폭을 갖는 충전 펄스를 인가하는 충전 수단, 주로 방전 펄스 중에서만 방전 전류를 제공하는 상기 배터리에 제2방전 펄스를 인가하는 방전 수단, 및 반복적으로 상기 충전 수단이 하나이상의 제1충전 펄스를 인가하게 하고, 상기 방전 수단이 제1방전 펄스를 인가하게 하고, 배터리가 실질적으로 충전되지도 않고 실질적으로 방전되지도 않는 대기시간 동안 대기하게 하며, 상기 방전 수단이 하나이상의 제2방전 펄스를 인가하게 하는, 시간 측정 수단을 포함하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 충전 수단이 다음의 상기 제1충전 펄스를 인가하게 하기 전에 상기 제2방전 펄스 후 제2대기시간 동안 대기하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 제1충전 펄스 후에 제2대기시간 동안 대기한 다음, 상기 방전 수단이 상기 제1방전 펄스를 인가하게 하기 전에 상기 충전 수단이 제2충전 펄스를 인가하게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  26. 제23항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 배터리의 선정된 변수를 모니터하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 선정된 변수는 상기 배터리의 온도이고, 상기 제어 수단은 상기 온도에 응답하여 상기 충전 펄스의 지속시간, 충전 펄스의 수, 상기 방전 펄스의 지속시간, 방전 펄스의 수, 상기 대기시간의 지속시간, 상기 충전 펄스의 크기, 상기 방전 펄스의 크기중 하나이상을 조정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 선정된 변수는 배터리 전압이고, 상기 제어 수단은 상기 배터리 전압에 응답하여 상기 충전 펄스의 지속시간, 충전 펄스의 수, 상기 방전 펄스의 지속시간, 방전 펄스의 수, 상기 대기시간의 지속시간, 상기 충전 펄스의 크기, 방전 펄스의 크기중 하나이상을 조정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  29. 제26항에 있어서, 상기 충전 펄스는 양으로 진행하는 스파이크 전압이 상기 배터리에서 나타나게 하고, 상기 선정된 변수는 상기 충전 펄스 동안 양으로 진행하는 스파이크 전압이고, 상기 제어 수단은 정상 상태 조건에 도달하는 상기 양으로 진행하는 스파이크 전압에 응답하여 상기 배터리의 상기 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  30. 제26항에 있어서, 상기 방전 펄스는 음으로 진행하는 스파이크 전압이 상기 배터리에서 나타나게 하고, 상기 선정된 변수는 상기 방전 펄스 동안 음으로 진행하는 스파이크 전압이고, 상기 제어 수단은 정상 상태 조건에 도달하는 상기 음으로 진행하는 스파이크 전압에 응답하여 상기 배터리의 상기 충전을 종료하는 것을 륵징으로 하는 배터리 충전 장치.
  31. 제26항에 있어서, 상기 선정된 변수는 상기 방전 펄스가 다음에 오는 상기 대기시간의 선정된 기간 동안 배터리 전압의 적분(intergal)이고, 상기 제어 수단은 정상 상태조건에 도달하는 상기 적분에 응답하여 상기 배터리의 상기 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  32. 제26항에 있어서, 상기 선정된 변수는 상기 방전 펄스가 다음에 오는 상기 대기시간의 선정된 기간중에 측정된 배터리 전압의 기울기(slope)이고, 상기 제어 수단은 정상 상태 조건에 도달하는 상기 기울기에 응답하여 상기 배터리의 상기 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
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