การรู้ว่าเมื่อใดควรหยุด: การค้นหาจุดพีคที่บอกว่าเต็ม

**US 5,196,780**, David R. Pacholok, ยื่นคำขอเมื่อ **10 กันยายน 1991**, ได้รับการอนุมัติเมื่อ **23 มีนาคม 1993**, หมดอายุแล้ว รูปในหน้านี้คือแผ่นที่ 1 ของสิทธิบัตรนั้นเอง: FIG. 1 คือเส้นโค้งแรงดันเทียบกับเวลาที่มีจุดยอดระบุไว้ และ FIG. 2 คือไดอะแกรมบล็อก — FAST CHARGE และ SLOW CHARGE บล็อก เครือข่าย RC ที่ต่อเข้าคอมพาราเตอร์ และที่ด้านล่าง **TH** และ **TIMER**. เขียนการยุติทั้งสามแบบออกมาก่อนสร้างอะไรก็ตาม เพราะการจัดวางคือสิ่งประดิษฐ์ ไม่ใช่แค่วิธีใดวิธีหนึ่ง: 1. **−ΔV** ตรวจจับโดยตัวเก็บประจุที่ถูกชาร์จผ่านตัวต้านทานจากขั้วแบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุจะตามหลัง เมื่อมัน *แซง* แรงดันแบตเตอรี่ แสดงว่าแบตเตอรี่ต้องเปลี่ยนทิศทางแล้ว ไม่มีตัวหาอนุพันธ์ ไม่มีปัญหาสัญญาณรบกวน 2. **ตัวจับเวลา** ประมาณสิบแปดนาทีในการชาร์จเร็ว หากสัญญาณแรงดันไม่เคยมาถึง การชาร์จก็ยังจะสิ้นสุดลง 3. **เทอร์โมสตัท** ตั้งไว้ระหว่าง **40 °C ถึง 60 °C** ที่ตัวเซลล์เอง หากเซลล์ร้อนขึ้นด้วยเหตุผลใดก็ตาม การชาร์จจะสิ้นสุดลง จากนั้นให้สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้นหลังการยุติ: วงจรไม่ได้ปิดตัวลง แต่จะลดลงเป็น **การชาร์จช้า** ซึ่งชดเชยการคายประจุเองโดยไม่ทำให้เกิดการชาร์จเกิน เครื่องชาร์จที่หยุดเฉยๆ จะทำให้แบตเตอรี่แพ็กหมดอีกครั้งภายในวันพฤหัสบดี แหล่งอ้างอิงสำหรับเรื่องนี้สะอาดและตัวเลขได้รับการยืนยันแล้ว ในกรณีที่ขั้นถัดไประบุว่าไม่สามารถระบุตัวเลขได้ นั่นเป็นข้อความเกี่ยวกับขั้นนั้นเท่านั้น ไม่ใช่นิสัย

คุณไม่สามารถสร้างตัวตรวจจับสำหรับสัญญาณที่คุณไม่เคยเห็นได้อย่างสมเหตุสมผล บันทึกสัญญาณนั้นก่อน ใส่เซลล์ NiMH ที่คายประจุแล้วหนึ่งก้อนลงในที่ยึด ตั้งแหล่งจ่ายไฟบนโต๊ะทดลองเป็นกระแสคงที่ที่ **1C** — 2 A สำหรับเซลล์ 2,000 mAh — โดยตั้งขีดจำกัดแรงดันที่ 1.8 V เพื่อไม่ให้การเชื่อมต่อที่ไม่ดีก่อให้เกิดเหตุการณ์ที่ไม่คาดคิด ติดเทอร์โมคัปเปิลไว้กับตัวเซลล์ด้วยเทป บันทึกแรงดันขั้วไฟฟ้าให้มีความละเอียด **สี่หลัก** และอุณหภูมิตัวเซลล์ทุกหนึ่งนาที การใช้สี่หลักไม่ใช่เรื่องจุกจิก เพราะสัญญาณทั้งหมดที่คุณกำลังมองหามีขนาดประมาณ 10 mV ดังนั้นมิเตอร์สามหลักที่อ่านได้ 1.48 V จะไม่สามารถเห็นมันได้เลย คาดว่าจะเห็นสิ่งต่อไปนี้ในช่วงประมาณหนึ่งชั่วโมง: - แรงดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่นาทีแรกขณะที่เซลล์เกิดโพลาไรซ์; - ช่วงกลางที่ยาวและค่อย ๆ เพิ่มขึ้น; - **จุดพีค** จากนั้นแรงดันลดลงประมาณ 5–15 mV สำหรับเซลล์เดียว; - **อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว** เริ่มตั้งแต่ช่วงเวลาใกล้เคียงกัน หยุดที่จุดพีค หรือที่ 45 °C แล้วแต่อย่างใดจะเกิดก่อน ทำเครื่องหมายในบันทึกของคุณว่าจุดพีคอยู่ตรงไหน และแรงดันลดลงกี่มิลลิโวลต์ นี่คือค่าที่วงจรของคุณต้องแยกให้ได้ และในแพ็กเซลล์สิบสองก้อนค่านี้จะใหญ่กว่าเป็นสิบสองเท่า ซึ่งเป็นเหตุผลที่การยุติด้วย −ΔV ทำงานได้ดีกว่ามากในแพ็กมากกว่าในเซลล์เดียว

ตอนนี้สร้างตัวตรวจจับของ Pacholok บนเบรดบอร์ด ประกอบด้วยสี่ส่วน 1. **วงจร RC** ตัวต้านทานต่อจากขั้วแบตเตอรี่ไปยังตัวเก็บประจุที่ต่อลงกราวด์ เลือก R และ C ให้ R×C เท่ากับค่าคงที่เวลาที่คุณเลือกในขั้นตอนที่ 4 เช่น 470 kΩ กับ 470 µF จะได้ประมาณ 220 วินาที หรือเกือบสี่นาที ใช้ตัวเก็บประจุชนิดฟิล์มหรืออิเล็กโทรไลต์ที่มีกระแสรั่วต่ำ เพราะตัวเก็บประจุที่รั่วจะกลายเป็นตัวต้านทานตัวที่สองที่คุณไม่ได้วางแผนไว้ และมันจะดึงค่าสำเนาให้ต่ำลงตลอดไป 2. **ตัวเปรียบเทียบ** ใช้ LM393 โดยให้แรงดันแบตเตอรี่เข้าอินพุตหนึ่ง และตัวเก็บประจุเข้าอีกอินพุตหนึ่ง เอาต์พุตจะสลับทันทีที่ตัวเก็บประจุมีแรงดันเหนือกว่า 3. **ฮิสเทอรีซิสเล็กน้อย** ใช้ตัวต้านทานค่าสูงต่อจากเอาต์พุตกลับไปยังอินพุตไม่กลับเฟส ประมาณหนึ่งเมกะโอห์ เพื่อให้เอาต์พุตสลับอย่างฉับพลันแทนที่จะสั่นไปมาที่จุดตัด หากไม่มีส่วนนี้ วงจรจะตัดการทำงานซ้ำ ๆ จากสัญญาณรบกวนระดับมิลลิโวลต์ 4. **สวิตช์** เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบขับเกตของ MOSFET ระดับลอจิกซึ่งทำหน้าที่จ่ายกระแสประจุ ระดับลอจิกมีความสำคัญ เพราะ MOSFET ทั่วไปจะไม่เปิดเต็มที่จากเกต 5 V และจะกระจายส่วนต่างเป็นความร้อน ทดสอบโดยไม่ใช้แบตเตอรี่ก่อน ต่อเครื่องกำเนิดฟังก์ชันเข้าอินพุตด้วยสัญญาณสามเหลี่ยมที่ช้ามาก ประมาณไม่กี่นาทีต่อรอบ แอมพลิจูดหนึ่งถึงสองโวลต์พีคทูพีค และตรวจสอบว่าเอาต์พุตสลับทันทีหลังจากจุดยอดแต่ละจุด ไม่ใช่ก่อนหน้านั้น เครื่องกำเนิดสัญญาณที่คุณสามารถหมุนกลับได้ตามต้องการเป็นการทดสอบที่ดีกว่าเซลล์ที่พลิกกลับเพียงชั่วโมงละครั้งมาก จากนั้นนำเส้นโค้งเซลล์ที่บันทึกไว้มาป้อนให้วงจรจริง ดูแรงดันตัวเก็บประจุบนช่องหนึ่งของออสซิลโลสโคป และเซลล์บนอีกช่องหนึ่ง จุดตัดจะมองเห็นได้ และนั่นคือจุดประสงค์ทั้งหมดของวงจร

เครื่องตรวจจับ −ΔV เพียงอย่างเดียวคือวงจรที่อาจล้มเหลวโดยไม่มีสัญญาณเตือน และโหมดความล้มเหลวคือการชาร์จที่ไม่มีวันหยุด เพิ่มอีกสองตัวที่เหลือ **เทอร์โมสตัท** ใช้เทอร์มิสเตอร์ของแพ็คเองหากคุณมีขา TH จากขั้นที่ 3 หรือใช้ NTC 10 kΩ ติดเทปกับเซลล์ นำมาต่อเป็นตัวแบ่งแรงดันกับตัวต้านทานคงที่ แล้วป้อนจุดต่อเข้าครึ่งที่สองของ LM393 ตั้งแรงดันอ้างอิงด้วยโพเทนชิโอมิเตอร์ เพื่อให้คอมพาราเตอร์ตัดที่ประมาณ **45 °C** ปรับเทียบด้วยตัวเอง อย่าสมมติ: ให้ความร้อนแก่เทอร์มิสเตอร์ด้วยปืนลมร้อนที่ตั้งค่าต่ำสุด ขณะดูเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด แล้วปรับจนการตัดเกิดขึ้นตรงตามที่ต้องการ ต่อเอาต์พุตของคอมพาราเตอร์นี้ให้สามารถตัดเกต MOSFET ได้ **โดยไม่ขึ้นกับ** สิ่งที่ครึ่ง −ΔV กำลังบอกอยู่ **ไทมเมอร์** IC 555 ในโหมดโมโนสเตเบิลที่มี RC ยาวจะให้เวลาสิบแปดนาทีตามของ Pacholok คำนวณค่า R และ C สำหรับอัตราการชาร์จของคุณเอง แทนที่จะคัดลอกของเขา: สิบแปดนาทีถูกต้องสำหรับอัตราที่ที่ชาร์จของเขาใช้ และไทมเมอร์ที่ตั้งค่าผิดอัตราแย่กว่าไม่มีเลย เพราะมันจะตัดการชาร์จที่ดีทุกครั้งก่อนกำหนด ตอนนี้ทดสอบแต่ละตัว **เพียงลำพัง** ถอดครึ่ง −ΔV ออกและพิสูจน์ว่าเทอร์โมสตัทหยุดการชาร์จได้ ถอดเทอร์โมสตัทออกและพิสูจน์ว่าไทมเมอร์ทำได้ ระบบสำรองที่ไม่เคยทดสอบทีละตัวไม่ใช่ระบบสำรอง แต่เป็นวงจรสามชุดกับความหวัง สุดท้าย เพิ่มเส้นทางการชาร์จช้า: ตัวต้านทานที่ทำให้กระแสเล็กน้อยไหลต่อหลังการสิ้นสุด ที่ประมาณ C/40 วัดด้วยมิเตอร์ และตรวจสอบเทียบกับอัตราการคายประจุเองของเซลล์

**การระบุแหล่งที่มา** US 5,196,780 โดย David R. Pacholok ยื่นเมื่อ 10 กันยายน 1991 ได้รับอนุมัติเมื่อ 23 มีนาคม 1993 และหมดอายุแล้ว ภาพวาดในหน้านี้เป็นของสิทธิบัตรเอง **เหตุใดจึงเป็นปี 1991 ไม่ใช่ 1961** ผล −ΔV เป็นที่เข้าใจกันก่อนสิทธิบัตรนี้มานานแล้ว ผู้ผลิตเซลล์ได้อธิบายไว้ในเอกสารแนะนำการใช้งานมาหลายปี สิ่งที่ยังขาดอยู่คือวิธีตรวจจับการ *ลดลง* เพียงไม่กี่มิลลิโวลต์บนสัญญาณที่อยู่เหนือหนึ่งโวลต์ ในราคาที่ถูกพอจะใส่ในที่ชาร์จสำหรับผู้บริโภค โดยไม่ต้องใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ เทคนิค RC-lag คือคำตอบสำหรับส่วน 'ราคาถูกพอ' และเป็นวิธีที่สง่างามจริง ๆ เพราะมันแทนที่ตัวหาอนุพันธ์ ซึ่งขยายสัญญาณรบกวน ด้วยการหน่วงเวลา ซึ่งลดสัญญาณรบกวนลง **สิ่งที่มันเปลี่ยนให้ผู้ทำงาน** ก่อนการตัดจบที่เชื่อถือได้ อัตราการชาร์จที่ปลอดภัยคือ C/10 ข้ามคืน เพราะวงจรการรวมตัวใหม่สามารถดูดซับได้ไม่จำกัด หลังจากนั้น การชาร์จเร็วก็กลายเป็นเรื่องปกติ และที่ชาร์จเร็วคือสิ่งที่ทำให้เวิร์กโฟลว์แบบแบตเตอรี่สองชุดใช้งานได้ ชุดหนึ่งอยู่ในเครื่องมือ อีกชุดอยู่บนที่ชาร์จ โดยไม่ต้องรอ แบตเตอรี่ของขั้นที่ 3 และที่ชาร์จของขั้นนี้จะมีความหมายก็ต่อเมื่อใช้ร่วมกันเท่านั้น **ข้อจำกัดที่ตรงไปตรงมา** −ΔV เป็นสัญญาณของเคมีนิกเกิล และไม่มีในลิเธียมไอออน ซึ่งแรงดันจะเพิ่มขึ้นอย่างเดียว เซลล์ลิเธียมจะตัดจบด้วยการเปลี่ยนจากกระแสคงที่เป็นแรงดันคงที่ แล้วจึงตัดจบเมื่อกระแสลดลง ซึ่งเป็นวิธีที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง −ΔV ยังยากขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ชุดเก่าลง เพราะยอดแรงดันจะแบนราบลง และแทบใช้ไม่ได้กับเซลล์เดียวด้วยเหตุผลที่ขั้นที่ 2 ให้ไว้ และทั้งระบบนี้สร้างอยู่บนสมมติฐานว่าเซลล์ในชุดแบตเตอรี่จะเต็มพร้อมกัน ซึ่ง ดังที่ขั้นที่ 7 แสดงให้เห็น ไม่เป็นเช่นนั้น