완전 충전을 알리는 피크를 찾아 멈출 시점 알기

**US 5,196,780**, David R. Pacholok, **1991년 9월 10일** 출원, **1993년 3월 23일** 허여, 만료. 이 페이지의 도면은 독립된 시트 1: FIG입니다. 1은 피크가 표시된 전압-시간 곡선이며, FIG입니다. 2는 블록 다이어그램으로 FAST CHARGE 및 SLOW CHARGE 블록, 비교기로 연결되는 RC 회로망, 그리고 하단을 따라 **TH**와 **TIMER**가 있습니다. 아무것도 만들기 전에 세 가지 종료 방식을 적어 두십시오. 발명의 핵심은 어느 하나가 아니라 그 배열이기 때문입니다: 1. **−ΔV**, 배터리 단자에서 저항을 통해 충전되는 커패시터로 검출합니다. 커패시터는 지연됩니다. 배터리 전압을 *추월*하면, 배터리가 이미 전환된 것입니다. 미분기가 없으므로 잡음 문제도 없습니다. 2. **타이머**, 급속 충전 시 약 18분입니다. 전압 신호가 전혀 오지 않더라도 충전은 끝납니다. 3. **써모스탯**, 셀 자체에 **40 °C에서 60 °C** 사이로 설정합니다. 어떤 이유로든 셀이 뜨거워지면 충전이 끝납니다. 그다음 종료 후에 무슨 일이 일어나는지 확인하십시오. 회로는 꺼지지 않고 **저속 충전**으로 전환되어, 과충전 없이 자기방전을 보충합니다. 단순히 멈추기만 하는 충전기는 목요일쯤이면 다시 방전된 배터리 팩을 남깁니다. 이 건의 출처는 명확하며 수치도 검증되었습니다. 나중 단계에서 어떤 수치를 특정할 수 없었다고 하는 경우, 그것은 그 단계에 대한 진술이지 습관이 아닙니다.

본 적 없는 신호를 위한 검출기를 제대로 설계할 수는 없습니다. 먼저 신호를 기록하세요. 방전된 NiMH 셀 하나를 홀더에 넣으세요. 전원 공급기를 정전류 모드로 설정하고 **1C** — 2,000 mAh 셀의 경우 2 A — 로 맞추며, 전압 제한은 1.8 V로 설정해 잘못된 연결로 인해 예기치 않은 상황이 생기지 않도록 하세요. 열전대를 캔에 테이프로 고정하세요. 단자 전압은 **네 자리**까지 기록하고, 캔 온도는 1분마다 기록하세요. 네 자리가 필요한 것은 까다로워서가 아닙니다. 찾고자 하는 신호 전체가 약 10 mV 수준이므로, 1.48 V를 표시하는 세 자리 측정기로는 이를 전혀 감지할 수 없습니다. 약 1시간 동안 다음을 예상하세요: - 셀이 분극되면서 처음 몇 분 동안 빠르게 상승; - 길고 천천히 상승하는 중간 구간; - **피크**, 이후 단일 셀 기준 약 5–15 mV 정도의 하강; - 거의 같은 시점부터 **온도가 급격히 상승**. 피크 지점이나 45 °C 중 먼저 도달하는 시점에서 중지하세요. 기록지에 피크가 발생한 위치와 하강한 mV 값을 표시하세요. 이것이 회로가 분해해야 하는 수치이며, 12셀 팩에서는 이 값이 12배 커지므로 단일 셀보다 팩에서 −ΔV 종료 방식이 훨씬 잘 작동하는 이유입니다.

이제 브레드보드에 Pacholok의 감지기를 만드십시오. 네 부분으로 구성됩니다. 1. **RC 회로.** 배터리 단자에서 저항을 거쳐 커패시터로, 그리고 커패시터에서 접지로 연결합니다. R×C가 4단계에서 선택한 시간 상수가 되도록 R과 C를 고르십시오. 470 kΩ과 470 µF를 쓰면 약 220초, 거의 4분이 됩니다. 필름 커패시터나 누설 전류가 적은 전해 커패시터를 사용하십시오. 누설이 있는 커패시터는 계획에 없던 두 번째 저항이 되어 복사본을 영구적으로 눌러 버립니다. 2. **비교기.** LM393를 사용합니다. 한쪽 입력에는 배터리 전압을, 다른 쪽 입력에는 커패시터를 연결합니다. 커패시터 전압이 우위를 차지하는 순간 출력이 전환됩니다. 3. **약간의 히스테리시스.** 출력에서 비반전 입력으로 고저항(약 1 MΩ)을 연결하십시오. 그러면 교차점에서 출력이 떨리지 않고 확실하게 전환됩니다. 이것이 없으면 밀리볼트 잡음에도 반복적으로 트리거됩니다. 4. **스위치.** 비교기 출력은 충전 전류를 흘려보내는 로직 레벨 MOSFET의 게이트를 구동합니다. 로직 레벨이 중요합니다. 일반 MOSFET는 5 V 게이트에서 완전히 켜지지 않아 차이만큼 열로 소모됩니다. 먼저 배터리 없이 테스트하십시오. 입력에 함수 발생기를 연결하고 매우 느린 삼각파, 즉 주기당 몇 분, 피크 대 피크 1~2 V를 가합니다. 출력이 각 정점 직후에 전환되고 그 전에는 전환되지 않는지 확인하십시오. 한 시간에 한 번 뒤집히는 전지보다, 원하는 대로 뒤집을 수 있는 신호 발생기가 훨씬 좋은 시험 도구입니다. 그다음 기록한 전지 곡선을 실제로 입력하십시오. 한 스코프 채널에서는 커패시터 전압을, 다른 채널에서는 전지를 관찰하십시오. 교차점이 보이며, 이것이 회로의 핵심입니다.

단독으로 쓰이는 −ΔV 검출기는 조용히 고장날 수 있는 회로이며, 그 고장 양상은 충전이 끝나지 않는 것입니다. 나머지 두 가지를 추가하십시오. **온도 조절기.** 3단계의 TH 핀이 있다면 팩 자체의 서미스터를 사용하고, 없다면 셀에 테이프로 붙인 10 kΩ NTC를 사용하십시오. 이를 고정 저항과 함께 분압기로 구성하고, 분압점을 LM393의 두 번째 절반에 연결하십시오. 가변저항으로 기준 전압을 설정하여 비교기가 약 **45 °C**에서 동작하도록 맞추십시오. 가정하지 말고 반드시 보정하십시오. 열풍기를 가장 낮은 설정으로 하여 서미스터를 데우면서 적외선 온도계를 지켜보고, 원하는 지점에서 동작하도록 조정하십시오. 이 비교기의 출력이 −ΔV 측이 무엇을 말하든 **관계없이** MOSFET 게이트를 차단할 수 있도록 배선하십시오. **타이머.** 장기간 RC와 함께 단안정 모드로 동작하는 555 타이머는 Pacholok의 18분을 제공합니다. 그의 값을 그대로 복사하지 말고 자신의 충전 속도에 맞게 R과 C를 계산하십시오. 18분은 그의 충전기가 사용한 속도에 맞는 값이며, 잘못된 속도에 맞춰진 타이머는 정상적인 충전을 모두 조기에 끊어버리므로 아무것도 없는 것보다 나쁩니다. 이제 각각을 **단독으로** 테스트하십시오. −ΔV 측을 분리하고 온도 조절기가 충전을 멈추는지 확인하십시오. 온도 조절기를 분리하고 타이머가 충전을 멈추는지 확인하십시오. 개별적으로 한 번도 테스트하지 않은 이중화는 이중화가 아니라 세 개의 회로와 바람일 뿐입니다. 마지막으로 저속 충전 경로를 추가하십시오. 종료 후에도 약간의 전류가 흐르도록 하는 저항으로, 대략 C/40 정도로 설정하십시오. 측정기로 측정하고 셀 자체의 자기 방전율과 비교하여 확인하십시오.

**출처.** 미국 특허 5,196,780, David R. Pacholok, 1991년 9월 10일 출원, 1993년 3월 23일 허여, 만료. 이 페이지의 그림은 특허 자체의 것입니다. **왜 1961년이 아니라 1991년인가.** −ΔV 효과는 이 특허보다 훨씬 전부터 알려져 있었고, 셀 제조사들은 수년간 응용 노트에서 이를 설명해 왔습니다. 부족했던 것은 1볼트 이상의 신호 위에 실린 수 밀리볼트의 *하강*을, 마이크로컨트롤러 없이 소비자용 충전기에 넣을 만큼 저렴하게 감지하는 방법이었습니다. RC 지연 기법은 '저렴하게'라는 부분에 대한 답이며, 실로 우아한 방법입니다. 잡음을 증폭하는 미분기를 지연 회로로 대체하여 잡음을 억제합니다. **제작자에게 가져온 변화.** 신뢰할 수 있는 종료 방식이 등장하기 전에는, 재결합 사이클이 무기한 흡수할 수 있었기 때문에 안전한 충전 속도가 야간 C/10이었습니다. 이후 급속 충전이 일반화되었고, 급속 충전기는 두 개의 팩을 쓰는 작업 방식을 가능하게 합니다. 하나는 공구에, 다른 하나는 충전기에 넣어 기다림이 없습니다. 3단계의 팩과 이 단계의 충전기는 함께 있을 때만 의미가 있습니다. **솔직한 한계.** −ΔV는 니켈 화학계의 신호이며, 전압이 오직 상승만 하는 리튬이온에는 존재하지 않습니다. 리튬 셀은 정전류-정전압 방식으로 전환된 뒤 전류가 떨어지는 것을 기준으로 종료하며, 이는 완전히 다른 방법입니다. −ΔV는 피크가 평탄해지므로 팩이 노화될수록 더 감지하기 어려워지며, 2단계에서 설명한 이유로 단일 셀에서는 거의 사용할 수 없습니다. 그리고 이 방식 전체는 팩 내 셀들이 함께 완충된다는 가정에 기반하는데, 7단계에서 보여주듯 실제로는 그렇지 않습니다.