전압, 온도 및 델타-V: NiMH 셀의 완전 충전 표시기
- NiMH 배터리 개요
니켈 수소 배터리(NiMH)는 다음을 사용하는 충전식 배터리의 일종입니다. 수산화 니켈(NiOOH) 를 양극(음극)으로, 수소 흡수 합금을 음극(양극)으로 사용합니다.
니켈 카드뮴(NiCd) 배터리와 비교했을 때 NiMH 배터리는 몇 가지 뚜렷한 장점이 있습니다:
- 더 큰 용량를 사용하면 기기 사용 시간을 연장할 수 있습니다.
- 환경 영향 감소에는 독성 중금속인 카드뮴이 포함되어 있지 않습니다.
- 환경 친화적 사용과 폐기 모두에 적용됩니다.
이러한 특성 덕분에 NiMH 배터리는 다음과 같은 많은 최신 전자기기와 차량에 널리 사용되고 있습니다:
- 디지털 카메라
- 무선 전화기
- 전자 장난감
- 하이브리드 차량
NiMH 배터리
- NiMH 배터리의 완전 충전 확인 원리
완전 충전 확인의 몇 가지 지표는 다음과 같습니다. 니켈-금속 수 소화물(NiMH) 배터리는 완전 충전에 가까워질수록 배터리 내에서 발생하는 물리적 및 전기화학적 변화를 기반으로 합니다. 충전 과정에서 몇 가지 특징적인 지표를 모니터링하여 배터리가 최대 용량에 도달한 시점을 파악합니다:
- 네거티브 델타-V(-ΔV) 현상:
배터리가 완전 충전에 가까워지면 각 셀의 전압이 피크까지 상승한 다음 약간 떨어짐 내부 이온 재분배 및 과충전 상태의 시작으로 인해 전압 강하가 발생합니다. 이 전압 강하는 일반적으로 다음과 같은 범위에서 발생합니다. 셀당 5~15mV-많은 스마트 충전기에서 완전 충전 지점을 감지하는 데 사용됩니다. - 온도 상승:
배터리가 거의 가득 차면 전기 에너지를 화학 에너지로 효율적으로 변환하는 능력이 떨어집니다. 초과 에너지는 대신 열로 변환되어 다음과 같은 결과를 초래합니다. 세포 온도의 급격한 상승. 이 상승은 온도 센서를 사용하여 감지할 수 있으며 완전 충전을 나타내는 신뢰할 수 있는 지표로 간주됩니다. - 전압 임계값 감지:
충전 과정이 끝날 무렵, 셀 전압은 일반적으로 다음과 같은 수준에 도달합니다. 1.4V 및 1.5V. 전압만으로는 완전 충전의 결정적인 지표는 아니지만 다른 지표와 결합하면 유용한 데이터를 제공합니다. - 이론적 충전 시간 계산:
배터리의 정격 용량(mAh 단위) 및 충전 전류(mA)를 사용하여 예상 완전 충전 시간을 추정할 수 있습니다. 이 방법은 종종 안전 차단 또는 충전기 설계의 보조 참고 자료입니다.
정전류 충전 중 NiMH 전압 그래프
다음은 NiMH 배터리의 충전 곡선으로, 두 가지를 모두 보여줍니다:
🔵셀당 전압: 완전 충전 후 상승했다가 약간 떨어짐(-ΔV)
🔴온도: 천천히 상승하다가 다음과 같이 급격히 상승합니다. 충전 완전 충전(-90분 표시) 이후에도 계속됩니다.
- NiMH 배터리의 완전 충전 감지를 위한 아빈 인스트루먼트의 애플리케이션
테스트 대상:
- NiMH 배터리 팩(7S1P, 8.4V, 4.5Ah)
확인에 사용되는 완전 충전 표시기가 있다고 가정합니다:
- 네거티브 델타 V 종단: V - Vpeak = -60mV
- 10분 연속 전압 강하
- 안전장치 최대 충전 시간: 3시간
- 안전 전압 제한: 10.5V
이 문제를 해결하기 위해 Arbin 엔지니어는 아래 이미지와 같이 1단계 제어 유형(CC-정전류 1.8A)과 일부 단계 제한이 포함된 2단계 스케줄을 작성했습니다:
테스트 일정
루프 단계의 핵심은 "10분 연속 전압 강하" 조건에 대한 것입니다. CC 단계에서 전압이 떨어지기 시작하면(dV/dt<0), 이 단계로 넘어가 루프 단계로 이동합니다.
이 단계의 최대 시간은 10분입니다. 이 10분 동안 dV/dt가 0을 초과할 때마다 전압 10분 연속 강하 조건이 실패했음을 의미하며, 10분의 다른 슬롯을 모니터링하기 위해 클럭킹을 시작해야 하고 다시 CC 단계로 돌아가야 합니다.
10분 후에도 dV/dt >=0 조건이 충족되지 않으면 전압이 10분 연속으로 강하된 것입니다.
이 단계에서 다른 3가지 조건이 충족될 때마다(네거티브 델타 V 종단: V - V피크 = -60mV, 안전장치 최대 충전 시간: 3시간 안전 전압 제한: 10.5V)인 경우에도 배터리가 완전히 충전된 것으로 간주합니다.
이 일정의 테스트 흐름도
이 일정에서는 CC 제어 유형(1.8A):
- 안전 전압 제한: 10.5V => 현재 채널 전압(PV_CHAN_VOLTAGE)이 10.5V에 도달하면 테스트는 충전 종료 단계로 이동합니다.
- 안전장치 최대 충전 시간: 3시간 => => 총 테스트 시간(PV_CHAN_Test_Time)이 3시간에 도달하면 테스트는 충전 종료 단계로 이동합니다.
- 네거티브 델타 V 종단: -dV/dT, -60mV => 아래 이미지와 같이 F_A 수식을 포함하는 단계 제한을 만들었습니다.
NiMH 델타 공식
NiMH 델타 공식 2
이 공식 함수에서는 현재 전압 값과 이 사이클에서 가장 높은 전압 값의 차이를 계산하는 공식 F_A를 만들었습니다. 이 공식의 결과가 -0.06보다 작거나 같으면 테스트가 충전 종료 단계로 이동합니다.
- -dV 타이머: 10분 연속 전압 강하 => 다음과 같은 경우 단계 제한을 만들었습니다.
- 채널 dV/dt의 현재 값이 0보다 작으면(PV_CHAN_dV/dt<0) 테스트가 LOOP 단계로 이동합니다.
- 채널 dV/dt의 현재 값이 0보다 크지 않은 경우, 테스트는 다른 조건(PV_CHAN_VOLTAGE 또는 PV_CHAN_Test_Time 또는 F_A)에 따라 최종 충전 단계로 넘어갈지 여부를 결정합니다.
