KR100397359B1 - 축전지 선별에 의한 조전지 구성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조전지를 구성하는 복수의 축전지가 균일한 동작 특성을 갖도록 함으로써 성능을 향상시키기 위해서 축전지를 선별하는 방법을 제시하였다.

방법에 있어서 임의의 방전상태에 있는 축전지를 소정의 시간동안 방전 또는 충전하는 과정에서 전압의 변화를 시간의 함수로 측정한다. 전압 변화 실측데이터를 멱함수에 최적화하여 비례상수를 구하고 비례상수의 값이 서로 유사한 복수의 축전지를 선별하여 조전지를 구성하는 방법에 관한 발명임.

Description

축전지 선별에 의한 조전지 구성 방법{omitted}

본 발명은 휴대폰, 캠코더, 노트북 PC, 전기자동차등 각종 이동 전원으로 사용되는 조전지를 구성하는 복수의 축전지가 균일한 동작 특성을 갖도록 축전지를 선별하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 축전지가 제조되면 축전지의 용량 및 충전, 방전 특성을 알기 위해 축전지 작동 영역 전체에 걸쳐 충전과 방전의 과정을 반복하고 이 과정에서 획득한 자료를 바탕으로 균일한 동작 특성을 갖는 축전지끼리 선별하여 조전지를 만든다.

균일한 동작 특성을 갖지 않는 조전지는 충전 또는 방전시 각각의 축전지 충·방전 특성의 불균형으로 인하여 전체 조전지 성능을 저하시키고 용량을 감소시켜 조전지 이용률을 떨어뜨리게 된다. 특히 내부저항이 상이한 축전지로 구성된 조전지는 충·방전이 진행됨에 따라 부하가 일부 축전지에 편중되는 경향이 있어 축전지를 손상시키고 전체 조전지의 특성 또한 저하시킨다. 또 균일한 동작 특성을 갖는 축전지를 선별하기 위해서는 많은 시간과 비용이 요구되는 충전과 방전 과정을 반복하는 문제점이 있다.

성능이 우수한 조전지 구성을 위해서는 용량 뿐 아니라 충방전 특성이 유사한 축전지를 선별해야 하는데, 종래에는 작동 전압영역 전체에 대한 충방전 실험을 통한 용량별 선별방법을 사용하고 있다. 부분 충방전을 통해 짧은 시간의 측정으로 용량별, 충방전 특성별 선별에 의한 조전지 구성방법은 현재까지 보고되어 있지 않다.

본 발명은 상기한 문제점을 극복하기 위해 발명한 것으로서, 조전지를 구성하는 복수의 축전지가 균일한 동작 특성을 갖도록 축전지를 선별하고자 하는데 발명의 목적이 있다.

상기의 목적을 실현하기 위해 본 발명은 임의의 방전상태에 있는 축전지를 충방전기를 이용해 짧은 시간동안 방전 또는 충전하는 과정에서 전압의 변화를 시간의 함수로 측정하여 이를 멱함수에 근사하여 비례상수를 구하고 구해진 비례상수의 값이 유사한 복수의 축전지를 선별하여 성능이 우수한 조전지의 조합을 구성하는 것이다.

도 1은 멱함수 최적화를 통해 얻은 각 축전지의 비례상수 A와 각 축전지의 용량과의 관계를 나타낸 도면.

도 2는 멱함수 최적화를 통해 얻은 각 축전지의 비례상수 A와 동일 방전 상태에 있는 각 축전지를 15분간 200mA 정전류 방전시 각 전지 전압강하의 관계를 나타낸 도면.

도 3은 실제 방전곡선(가)와 멱함수의 지수를 ½로 채택하여 최적화곡선(나)을 비교한 도면.

도 4는 조전지 구성에 있어 비례상수 A가 그룹을 이루는 축전지 선별후 조전지 구성(가)과 임의의 선택에 의한 조전지 구성(나)의 예를 나타낸 도면.

도 5는 조전지 (가)와 (나)의 방전시 용량을 비교한 도면.

표 1은 각 전지별 비례상수 A에 대하여 용량과 전압 강하 실측자료를 나타낸 표.

전자기기의 휴대용 제품이 다양화되고 그 사용이 증가하면서 축전지의 사용요구가 급격히 증가하고 있는 실정이다. 휴대용 전자기기에 사용되는 축전지는 에너지 밀도가 높은 이차 전지를 사용하게 되는데 이들의 특징은 충·방전을 통해 일정 전압 영역에서만 사용되어야 하며 기술적으로 과충전, 과방전을 피해야 한다. 이런 문제를 극복하기 위해 보호회로가 부착된다.

이때 전원으로의 축전지 사용 개수에 따라 구분하기도 하는데 복수의 축전지를 직,병렬로 연결 사용한 경우를 조전지라 한다. 전자기기의 사용 전압과 전류가 적은 경우에는 단전지 만으로 충분한 운전시간을 보장할 수 있으나 휴대용 컴퓨터, 전기 자동차와 같은 고전압 대전류 사용기기는 조전지를 사용해야 한다.

그런데 조전지의 경우 충·방전 특성이 상이한 축전지로 구성되면 충전 및 방전시 각각의 축전지 충·방전 특성의 불균형으로 인하여 전체 조전지 성능을 저하시키고 용량을 감소시켜 조전지 이용률을 떨어뜨리게 된다. 특히 내부저항이 상이한 축전지로 구성된 조전지는 충·방전이 진행됨에 따라 부하가 일부 축전지에 편중되는 경향이 있어 축전지를 손상시키고 전체 조전지의 특성 또한 저하시킨다. 그러므로 조전지 구성시 충·방전 특성이 유사한 축전지를 분류하여 사용하는 것은 매우 중요하다. 이와 같이 충·방전 특성이 유사한 축전지를 분류하는 작업은 조전지 구성에 꼭 필요한 작업이기는 하나 적지 않은 시간과 비용을 요구한다.

현재의 일반적인 방법은 충방전기를 이용하여 임의의 상태의 축전지를 만충전시킨 후에 수 시간에 걸친 방전을 수행하여 방전곡선과 용량을 얻게 되는데, 이는 시간이 오래 걸리며 특성을 나타내는 지표로 전환되지 못하므로 이용에는 한계가 있다.

본 특허에서는 생산에 이어 축전지 출하시 또는 출하된 축전지 입고시 전용량의 약 1/10에서 1/20 정도의 부분 충전 또는 방전 실험 데이터를 이용해 용량 및 충방전특성을 바탕으로 축전지를 선별하여 조전지를 구성할 수 있는 기준을 제공하는 것이다. 이런 짧은 시간의 충·방전 데이터를 이용해 용량 및 충방전 특성별 선별이 가능한 이유는 다음 사실을 근거로 한다. 첫째, 충전 또는 방전시 전압 변화율과 용량은 명백한 반비례 함수관계가 있다. 둘째, 충전 또는 방전시 전압 변화율과 전압강하는 명백한 비례 함수관계가 있다.

위의 두 사항에 근거하여 명확한 전압 변화율을 구하기 위해 충전 또는 방전시 전압(V)의 변화를 시간(t)의 함수로 측정하여 이를 식(1)에 근사하여 비례상수 A를 구한다.

V(t)=A t ^p 식(1)

분석목적에 따라 0＜p≤1 범위의 지수 값을 사용할 수 있으며p=1 또는p=½을 채택하여 구한 A는 실제적으로 각각 미분전기용량 및 확산계수의 의미를 갖는다.

충전 및 방전의 제어방법은 정전류, 정저항, 그리고 정전력 모드로 할 수 있으며 이는 각각 충·방전시 전류를 일정하게, 부하를 일정하게, 전력을 일정하게 하는 충전 및 방전 조건 설정이다. 임의의 충전상태의 축전기에 적용할 수 있도록 하기 위해 축전지의 개방회로전압을 측정하여 축전지의 충전상태에 따라 개방회로 전압의 값으로 보정된 비례상수 A를 적용할 수 있다. 또, 축전기의 충·방전 특성은 온도에 매우 민감하게 영향을 받으므로 온도를 측정하여 보정된 비례상수 A를 적용할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 알고자 하는 축전지와 같은 종류의 축전지에 대하여 미리 식(1)의 비례상수 A값에 대하여 용량과 방전 특성을 측정하여 표 1 과 같은 참조데이터로 이용한다.

소정의 시간동안 방전 또는 충전하는 과정에서 전압의 변화를 시간의 함수로 측정한다. 시간의 함수로 측정한 전압의 변화데이터를 멱함수, 식(1)에 최적화시켜 비례상수를 구하고 참조데이터를 이용해 비례상수대 용량 및 비례상수대 전압강하를 구한다.

식(1)의 비례상수 A값을 기준으로 일정범위의 A값을 갖는 축전지를 선별하여그룹을 이루는 축전지로 조전지를 구성한다.

[실시예]

이하에 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

충·방전 특성이 상이한 각형 리튬 이온전지 26개를 만 충전 상태에서부터 200mA로 300분간 방전시켜 각 축전지별 용량을 표로 구하였다. 이후 개방 회로 전압이 3.77V에서 3.79V 범위로 충전된 각 축전지를 200mA로 15분간 방전 실험하여 데이터를 식(1)의 멱함수에 최적화시켜 비례상수를 구하고 비례상수대 용량 및 비례상수대 전압강하를 구하였다. 표 1 은 각 축전지에 대하여 비례상수, 용량, 그리고 전압강하에 대한 데이터를 기록하였다. 도 1은 비례상수 A가 증가하면 용량이 감소하는 명백한 상관관계를 보여준다. 도 2는 비례상수 A가 증가하면 전압강하가 증가하는 명백한 상관관계를 보여준다. 도 3은 멱함수에p=½를 채택하여 실측데이터 (가)에 최적화 시킨(나) 도면이다. 도 4 에서 (가)는 축전지 번호 6번의 비례상수A 값을 기준으로 일정범위의 A값을 갖는 축전지를 선별하여 직병렬 조전지를 구성한 경우이고 (나)는 임의의 축전지로 조전지를 구성한 경우이다. 각 축전지 번호는 표 1 의 축전지 번호에 대응한다. 비례상수 최적화에 사용한 모델은 식(1)이며 위의 실시 예에서 사용한 지수(p) 값은 ½이다. 도 5 는 조전지 (가)와 (나)의 방전곡선을 나타냈다. 조전지 (가)는 운전한계 10.8V에서 조전지 (나)에 비해 약 10%의 용량이득을 보인다.

상기한 바와 같이 본 발명은 내부특성인자가 고려된 용량별 선별을 단시간(30분 이내)내에 수행하고 이를 바탕으로 서로 균일한 동작 특성을 갖는 조전지를 구성함으로서 조전지의 용량을 증가하고, 충·방전 특성을 향상시키고, 과충전, 과방전에 대한 안정성을 향상시킨다.

Claims (6)

1. 조전지를 구성하는 복수의 축전지가 균일한 동작 특성을 갖도록 축전지를 선별하는 방법에 있어서,

   임의의 방전상태에 있는 축전지를 소정의 시간동안 방전 또는 충전하는 과정에서 전압(V)의 변화를 시간(t)의 함수로 측정하여 이를 멱함수(V(t)=A t ^p )에 근사하여 비례상수를 구하고,

   구해진 비례상수의 값이 서로 유사한 복수의 축전지를 선별하여 조전지를 구성하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 축전지를 방전 또는 충전하는 과정이;

   정전류, 정저항 또는 정전력 방식의 충전 및 방전 과정임을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 축전지를 방전 또는 충전하는 시간이;

   30분을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 시간에 대한 멱함수의 지수(p)의 값이;

   0보다 크고 1보다 크지 않는 값(0＜p≤1)임을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 멱함수에 대한 비례상수는;

   축전지의 개방회로전압을 측정하여 그 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 멱함수에 대한 비례상수는;

   축전지의 온도를 측정하여 그 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.