개요: DS2711 및 DS2712 루즈 셀 NiMH 충전기(1개 또는 2개의 AA 또는 AAA NiMH "루즈" 셀을 위해 설계됨)는 알칼라인 1차 셀을 검출하고 이 셀의 충전을 방지한다. 이 애플리케이션 노트에서는 다양한 제조업체의 다양한 이미 사용된 셀과 새로운 셀을 특성화하고 이 충전기 IC가 NiMH 재충전용 셀과 알칼라인 1차 셀을 어떻게 구분할 수 있는지 설명한다.
개요
DS2711과 DS2712 루즈 셀 NiMH 충전기는 한두 개의 AA 또는 AAA NiMH "루즈" 셀을 충전하기 위한 이상적인 솔루션을 제공한다. 이 충전기들은 알칼라인 1차 셀을 검출하여 충전을 방지하는 능력을 갖추고 있다. (알칼라인 1차 셀 제조업체들은 자사 셀의 충전을 권장하지 않으며, 따라서 충전기가 안전하게 충전할 수 있는 셀과 그렇지 않은 셀을 구분할 수 있는 능력이 중요하다).
이 애플리케이션 노트에서는 이러한 소자들이 NiMH 재충전 셀과 알칼라인 1차 셀을 구분할 수 있는 능력을 보여주는 데이터를 제시한다. 이 노트는 다양한 제조회사의 다양한 이미 사용된 셀 및 새로운 셀을 특성화한다.
셀 준비
새로운 셀과 노후화된 NiMH 재충전용 셀, 그리고 알칼라인 1차 셀이 수집되었다. 각 셀은 DS2711로 연결되었고, 이 소자가 배터리 화학성분과 셀 충전 여부를 식별하였다.
NiMH 셀로는 Maxell, Panasonic, Rayovac, Sanyo 및 Sony의 AA 및 AAA 셀이 선택되었다. 1차 셀로는 Duracell Ultra, Rayovac Maximum Plus, Energizer Max, Energizer e² Lithium 및 Energizer e² Titanium이 선택되었다. 노후화된 셀은 최장 1년 정도 오래된 것이으로 수많은 충방전을 거친 것이다.
모든 NiMH 셀은 DS2711을 사용하여 충전된 후 목표 충전 상태로 방전되었다. 알칼라인 셀은 완전히 새것이었으며, 포장에서 꺼내어져 원하는 충전 상태로 방전되었다.
셀의 임피던스는 잔량, 즉 충전 상태에 따라 달라질 것이다. 이 애플리케이션 노트에서는 만충전(Full), 저충전(Low), 비어있음(Empty) 및 고갈(Depleted)의 4가지 충전 상태가 선택되었다.
"만충전(Full)"은 NiMH 셀이 DS2711에 의해 완전히 충전되었음을 나타낸다. 알칼라인 셀의 경우, "만충전"은 셀이 "포장에서 꺼낸" 상태로 남아 있었다는 것을 의미한다. "저충전(Low)"은 셀이 50mA 부하에서 1.2V까지 방전되었음을 나타낸다. "비어있음(Empty)"은 셀이 50mA 부하에서 0.8V까지 방전되었음을 나타낸다. "고갈(Depleted)"은 셀이 50mA 부하에서 0.0V까지 방전되었음을 나타낸다.
임피던스 데이터
일단 셀이 원하는 충전 상태까지 방전된 후 각 셀의 임피던스를 계산하기 위해 측정이 이루어졌다. 이것은 먼저 각 셀의 개방 회로 전압(VOFF)을 측정하여 이루어졌다. 그 다음, 500mA 충전 전류가 셀에 적용되었고 전압(VON)이 0.5초 후에 측정되었다. 그 다음 옴 법칙을 사용하여 임피던스가 계산되었다.
표 1은 각 충전 상태에서 모든 AA 셀에 대해 계산된 임피던스를 나타낸 것이다. 표 2는 모든 AAA 셀에 대한 동일한 데이터를 나타낸 것이다.
표 1. 각 충전 상태에서 다양한 AA 셀의 계산된 임피던스
Charge States Impedance (mΩ)
Cell Type
Cell Brand
Full
Low
Empty
Depleted
Alkaline - AA
Duracell Ultra
181
451
910
671
Rayovac Maximum Plus
248
761
1282
462
Energizer Max
140
912
1080
524
Energizer e² Lithium
159
174
272
850
Energizer e² Titanium
186
436
486
444
New NiMH - AA
Panasonic (1950 mAh)
42
52
60
448
Rayovac (2000 mAh)
40
48
64
638
Sanyo (1600mAh)
34
54
206
982
Aged NiMH - AA
Maxell (2000 mAh)
58
285
555
629
Rayovac (1800 mAh)
45
55
187
391
Sanyo (2000 mAh)
81
83
131
812
Sony (2000 mAh)
57
116
551
1420
표 2. 각 충전 상태에서 다양한 AAA 셀의 계산된 임피던스
Charge States Impedance (mΩ)
Cell Type
Cell Brand
Full
Low
Empty
Depleted
Alkaline - AAA
Duracell Ultra
282
602
1035
1640
Rayovac Maximum Plus
322
883
1114
1892
Energizer Max
253
367
525
1071
Energizer e² Lithium
222
253
523
834
Energizer e² Titanium
192
442
268
455
New NiMH - AAA
Rayovac (800 mAh)
100
106
152
353
Sanyo (700 mAh)
98
128
128
844
Panasonic (750 mAh)
100
72
142
147
Aged NiMH - AAA
Rayovac (700 mAh)
54
168
144
357
Sanyo (700 mAh)
106
154
507
819
Sony (700 mAh)
62
64
396
712
충전 결과
셀 임피던스 테스트 임계값(CTST)은 CTST 저항(RCTST) 값에 의해 설정된다. RCTST 값은 원하는 임피던스 임계값과 충전 전류에 근거한다. 이 값은 AA와 AAA 모두에 대해 160mΩ의 임계값이 재충전 가능한 NiMH 셀(새것과 오래된 것 모두)이 셀 임피던스 테스트를 통과하도록 허용하고 알칼라인 셀은 테스트에 실패하게 되는 임피던스 데이터로부터 결정된다. RCTST는 다음 등식을 사용하여 결정된다.
이 애플리케이션 노트에서는 500mA 충전 전류를 위해 100kΩ의 RCTST이 사용되었고 1Amp 충전 전류를 위해 50kΩ이 사용되었다.
표 3은 결과 표에 나타난 약어의 범례이다. "NC"는 VOC이 1.75V보다 크기 때문에 충전되지 않았음(Not Charged)을 의미한다. 1.75V는 DS2711이 존재 여부 테스트에서 배터리 삽입 여부를 검출할 수 있는 제한값이다. "PC"는 VOC가 1.0V 미만이었으며 소자가 고속 충전 전류의 ¼에 해당하는 낮은 속도로 셀을 충전하는 충전 전(Pre-Charge) 상태에 진입했다는 것을 나타낸다. 셀의 VOC가 34분 후 1.0V 이상 복구되지 않을 경우, DS2711은 FAULT 상태가 된다. "CTST"는 셀이 셀 임피던스 테스트에 실패했고 DS2711이 FAULT 상태가 된다는 것을 나타낸다. 셀 임피던스 테스트는 31초마다 수행된다. "OV"는 VCH(충전 전류가 적용된 셀 전압)가 1.75V보다 컸으며, 이로 인해 DS2711이 FAULT 상태가 되었다는 것을 의미한다. 과전압 테스트는 충전 중 1초마다 수행된다. "Ch"는 셀이 DS2711에 의해 충전되었음(Charged)을 나타낸다.
결과 표에 포함된 추가 정보는 충전 시작 시점과 DS2711이 FAULT 상태가 된 시점 간의 시간이다. 이 시간은 상황에 따라 "XXs"(초) 또는 "XXm"(분)으로 표시된다. 또한 "X RS"는 완전 충전이 가능하기 전에 충전이 재시작된 횟수를 나타낸다. 완전히 방전된 NiMH 셀의 경우, DS2711은 처음에 임피던스가 너무 높음을 검출할 수 있다. 그러나, 1~2회 시도 후, 임피던스는 셀 임피던스 테스트를 통과할 지점으로 복구되고 올바로 충전한다.
표 3. 표 4~7 결과의 범례
약어
의미
NC
충전 안됨
PC
충전 전
CTST
임피던스 테스트 실패
OV
과전압 테스트 실패
Ch
충전 완료
(XXs)
FAULT 발생까지의 초
(XXm)
FAULT 발생까지의 분
(X RS)
충전이 재시작된 횟수
표 4와 5는 각각의 AA 및 AAA 셀을 병렬 충전 모드에서 DS2711 평가 보드에 위치시키고 최대 500mA 충전 전류를 공급하도록 설정된 외부 충전 소스를 사용한 결과를 포함한다.
표 4. 500mA 충전 전류를 사용한 AA 셀 충전 결과
Charge StatesCharge Results for 500mA Current
Cell Type
Cell Brand
Full
Low
Empty
Depleted
Alkaline - AA
Duracell Ultra
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
PC (34m)
Rayovac Maximum Plus
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
Energizer Max
OV (155s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
Energizer e² Lithium
NC
OV (295m)
CTST (25m)
PC (34m)
Energizer e² Titanium
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
New NiMH - AA
Panasonic (1950 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Rayovac (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Sanyo (1600mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch (2 RS)
Aged NiMH - AA
Maxell (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Ch (2 RS)
Rayovac (1800 mAh)
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Ch (1 RS)
Sanyo (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Sanyo (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
표 5. 500mA 충전 전류를 사용한 AAA 셀 충전 결과
Charge StatesCharge Results for 500mA Current
Cell Type
Cell Brand
Full
Low
Empty
Depleted
Alkaline - AAA
Duracell Ultra
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
Rayovac Maximum Plus
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
Energizer Max
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
Energizer e² Lithium
NC
CTST (20m)
PC (34m)
PC (34m)
Energizer e² Titanium
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
New NiMH - AAA
Rayovac (800 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sanyo (700 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Panasonic (750 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Aged NiMH - AAA
Rayovac (700 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sanyo (700 mAh)
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Ch (1 RS)
Sony (700 mAh)
Ch
Ch
Ch (1 RS)
Ch (1 RS)
표 6. 1A 충전 전류를 사용한 AA 셀 충전 결과
Charge StatesCharge Results for 1A Current
Cell Type
Cell Brand
Full
Low
Empty
Depleted
Alkaline - AA
Duracell Ultra
OV (7s)
OV (7s)
OV (3s)
CTST (31s)
Rayovac Maximum Plus
OV (3s)
OV (3s)
OV (2s)
OV (22s)
Energizer Max
OV (11s)
OV (3s)
OV (3s)
OV (3s)
Energizer e² Lithium
NC
OV (237m)
CTST (400s)
OV (2s)
Energizer e² Titanium
OV (14s)
CTST (31s)
CTST (31s)
CTST (31s)
New NiMH - AA
Panasonic (1950 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Rayovac (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sanyo (1600mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Aged NiMH - AA
Maxell (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Rayovac (1800 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sanyo (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sony (2000 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
표 7. 1A 충전 전류를 사용한 AAA 셀 충전 결과
?
?
Charge StatesCharge Results for 1A Current
Cell Type
Cell Brand
Full
Low
Empty
Depleted
Alkaline - AAA
Duracell Ultra
OV (3s)
OV (3s)
OV (3s)
OV (2s)
Rayovac Maximum Plus
OV (2s)
OV (3s)
OV (3s)
OV (3s)
Energizer Max
OV (2s)
OV (21s)
OV (2s)
OV (2s)
Energizer e² Lithium
NC
CTST (32m)
PC (34m)
PC (34m)
Energizer e² Titanium
OV (2s)
OV (10s)
CTST (31s)
CTST (31s)
New NiMH - AAA
Rayovac (800 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sanyo (700 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Panasonic (750 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Aged NiMH - AAA
Rayovac (700 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sanyo (700 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
Sony (700 mAh)
Ch
Ch
Ch
Ch
요약
결과 표(표 4~7)는 DS2711과 DS2712가 알칼라인 1차 셀을 검출하고 충전을 방지할 수 있음을 보여준다. 500mA 충전률에서 대부분의 알칼라인 셀의 셀은 셀 임피던스 테스트에 실패하여 충전이 중단될 때까지 31초 동안 충전되었다. 1Amp의 더 높은 충전 속도로 충전될 경우, 대부분의 알칼라인 1차 셀은 처음 10초 간 충전 이내에 과전압 테스트에 실패하였고, 따라서 충전이 중단되었다.
Energizer e² Lithium 셀은 즉시 검출되지 않는 유일한 1차 셀이다. 이 셀들은 1차 셀을 위해 매우 낮은 임피던스 값을 가지고 있어 검출하기가 더 어렵다. 새로운 셀들은 약 1.8V의 개방 회로 전압(VOC)을 가지므로 존재 여부 테스트에 실패하기 때문에 쉽게 충전이 방지된다. 고갈 충전 상태의 AA 및 AAA 셀(비어있음 충전 상태의 AAA 셀을 포함)은 1.0V 미만의 VOC을 가지므로 이러한 셀들은 충전 전 시간인 34분 동안 저속 충전 전 속도에 머물게 되며, 충전은 셀에 눈에 띌만한 영향을 주지 않고 종료된다.
저충전 상태의 Energizer e² Lithium AA 및 AAA 셀(비어있음 충전 상태의 AA 셀 포함)은 DS2711에 의해 충전되었지만, 누설 또는 폭발의 징후는 보이지 않았다. 눈에 띄는 유일한 효과는 충전이 완료되기 전 셀이 실온보다 약 10°C 가열된 것이었다. 모든 1차 셀의 경우와 마찬가지로, 이 셀의 제조사도 충전을 권장하지 않는다.
Energizer e² Lithium 셀은 충전된 후 초기 충전 상태로 방전되었으며, 그 상태에 매우 빠르게 도달하였고, 이는 충전 전류가 셀의 실제 용량으로 거의 변환되지 않았음을 의미한다.
일부 비어있음 또는 고갈 상태의 재충전 가능 NiMH 셀들은 임피던스가 충분히 복구되어 셀 임피던스 테스트를 통과할 수 있기 전 한두 번 충전을 다시 시작해야 했다. 이 재시작은 1mA 충전 속도보다는 500mA 충전 속도에서 발생했으며, 그 이유는 1mA 충전이 셀에 충분한 용량을 공급하여 처음 31초 이내에 셀 임피던스 임계값 미만으로 임피던스를 감소시키기 때문이다. 500mA에서 충전할 경우, 셀을 수용 가능한 임피던스 수준으로 복구하는 데 두 배의 시간이 걸린다.
이 애플리케이션 노트에 실린 데이터는 DS2711과 DS2712가 1차 셀 제조사들이 권장하는 것처럼 알칼라인 1차 셀을 효과적으로 검출하고 충전을 방지할 수 있는 능력이 있는 한편, NiMH 재충전 가능 셀은 제대로 충전할 수 있음을 보여준다.
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