KR100502587B1

KR100502587B1 - 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 잔존용량 검출방법

Info

Publication number: KR100502587B1
Application number: KR10-1999-7004723A
Authority: KR
Inventors: 기무라다다오; 무라카미유사이; 요네모토마사루; 나카니시도시아키
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2005-07-22
Also published as: EP0973224A4; DE69837381T2; EP0973224B1; CN1168173C; US6265877B1; DE69837381D1; JPH11111348A; JP4121098B2; WO1999017392A1; KR20000069174A; CN1241304A; EP0973224A1

Abstract

수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 방전 말기에 있어서의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 판정 전압값을, 제 1회째의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 전압값(V₁) 뿐만아니라 제 2회째 이후의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 메모리 효과에 따라 차례로 낮아지는 전압값까지도 고려하여 제 1회째의 방전시의 상기 전압값(V₁)보다 낮은 값(V₀)으로 결정하고, 이 결정된 판정 전압값(V₀)에 기초하여 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정한다.

Description

수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 잔존용량 검출방법{METHOD FOR MEASURING RESIDUAL CAPACITY OF SECONDARY CELL HAVING NICKEL HYDROXIDE POSITIVE PLATE}

본 발명은 니켈수소 2차 전지, 니켈 카드뮴 2차 전지 등의 수산화니켈을 양극 활성물질로서 이용한 2차 전지의 잔존용량 검출방법에 관한 것이다.

2차 전지를 전원으로서 이용하는 기기에 있어서는 과방전·과충전이 되지 않도록 2차 전지의 잔존 용량을 검출하여 적정한 잔존 용량의 범위 내에서 사용할 필요가 있다.

2차 전지의 잔존 용량은 전지 용량에 대하여 축전된 전기량의 비율을 나타내는 SOC(State of Charge)로 나타낼 수 있다. 이 SOC는 전압값으로 구할 수 있는데, 그 이유는 충방전 전류 및 온도에 각각 대응하는 충방전 특성곡선을 실험으로 구할 수 있기 때문이다. 어떤 전류값 및 온도값일 때의 전압을 검출하고, 상기 전류값, 온도값일 때의 충방전 특성곡선을 이용함으로써 SOC 나아가서는 전지의 잔존 용량을 구할 수 있다.

따라서 2차전지의 방전 말기에서의 잔존 용량이 허용 하한(예를 들면 SOC 20%)에 도달했는지의 여부를 2차 전지의 전압을 측정함으로써 검출하는 것이 가능하다. 그 결과에 따라 그 이상의 방전은 과방전 상태가 된다고 판정하여 방전을 정지하고 충전으로 전환하는 제어를 실행할 수 있다.

상기 잔존 용량이 허용 하한에 도달했는지의 여부를 판정하기 위한 판정 전압값은 종래에는 다음과 같이 정해져 있었다. 즉 완전방전시(제 1 회째의 방전시)에 얻어지는 SOC와 전압과의 관계를 나타내는 방전 특성곡선(완전방전 특성곡선)에 기초하여, 예를 들면 도 1의 실선으로 나타내는 방전 특성곡선 A의 경우, SOC 20%에 대응하는 전압이 1.237V이므로 그 전압값을 판정 전압값으로 하고 있었다.

그러나 양극으로서 수산화니켈을 사용하는 니켈 수소 2차 전지 혹은 니켈 카드뮴 2차 전지 등의 경우, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이 완전 방전이 되지 않는 충방전을 반복하면 방전 특성곡선의 SOC에 대응하는 전압이 충방전 횟수(「1」∼ 「10」은 횟수를 나타냄)에 따라 낮아지고, 특히 방전 말기에서 전압 저하가 현저한 메모리 효과가 발생된다. 이런 이유로 완전방전 특성곡선에 기초하여 상기 판정 전압값을 정해 두면, 도 3에 도시된 바와 같이 충방전 횟수가 많은 경우에는 실제로는 잔존 용량이 충분히 있는데(예를 들면 SOC가 30%), 잔존 용량이 허용 하한(예를 들면 SOC가 20%)에 도달했다고 오판정된다는 문제가 생긴다. 본 발명이 목적으로 하는 점은 방전 말기에서도 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 그 전압을 측정함으로써 정확히 판정할 수 있는 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 잔존용량 검출방법을 제공하는 것에 있다.

도 1은 방전시의 SOC와 전압과의 관계를 도시한 방전 특성곡선의 일부분을 확대하여 도시한 그래프

도 2는 방전시의 SOC와 전압과의 관계를 도시한 방전 특성곡선의 그래프

도 3은 충방전시의 SOC와 전압과의 관계를 도시한 충방전 특성곡선의 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 출원의 제 1 발명은 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 방전 말기에서의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 판정 전압값을 이하와 같이 결정하는 것을 특징으로 한다. 즉 제 1회째의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 전압값 뿐만아니라, 제 2회째 이후의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 메모리 효과에 의해 차례로 낮아지는 전압값까지도 고려하여 제 1회째 방전시의 상기 전압값보다 낮은 값으로 결정한다. 또 이 결정된 판정 전압값에 기초하여 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 발명에 의하면 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지에 생기는 메모리 효과를 고려하여, 제 1회째의 방전시에 허용 하한에 도달했을 때의 전압값보다 낮은 값이 되도록 판정 전압값을 결정하고 있다. 이런 이유로 충방전 횟수가 많은 경우에도 상기 허용 하한에 도달했다고 판정되었을 때의 실제의 잔존 용량을, 판정 기준으로 하는 잔존 용량 하한값에 가까운 것으로 할 수 있다.

상기 판정 전압값은 1셀(단전지)당 제 1회째의 방전시에 허용 하한에 도달할 때의 전압값보다 0.01∼0.10V 낮은 것으로 설정하는 것이 바람직하다.

또 상기 목적을 달성하기 위한 본 출원의 제 2의 발명은, 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 방전 말기에서의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 판정 전압값을 이하와 같이 결정하는 것을 특징으로 한다. 즉 제 1회째의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 전압값 뿐만아니라, 제 2회째 이후의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 메모리 효과에 따라 차례로 저하하는 전압값까지도 고려하여 충방전 횟수에 따른 가변값으로 결정한다. 또 이 결정된 판정 전압값에 기초하여 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2의 발명에 의하면, 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지에 생기는 메모리 효과를 고려하여 충방전 횟수에 따라 상기 판정 전압값을 결정하고 있다. 이런 이유로 각 회째의 어떤 방전시에도 상기 허용 하한에 도달했다고 판정되었을 때의 실제 잔존 용량을, 판정 기준으로 하는 잔존 용량 하한값에 매우 가까운 것으로 할 수 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명하여 본 발명의 이해를 돕는다. 본 실시예는 전기자동차 혹은 모터와 엔진에 의한 주행 구동을 병용하는 하이브리드차의 주행 구동 전원으로서 이용되는 니켈 수소 2차 전지에 대한 것이며, 이 니켈 수소 2차 전지가 과방전 상태가 되지 않고 적정 사용 영역 내에 유지되도록 충방전 제어를 실행하기 위한 잔존 용량 검출 방법이다.

상기 니켈 수소 2차 전지와 같이 수산화니켈을 양극 활성물질로서 사용하는 2차 전지에 있어서, 완전 방전에는 이르지 않는 충방전을 반복하면 도 2에 도시된 바와 같이 상기 SOC와 전압과의 관계를 나타내는 방전 특성곡선에서의 전압값이 제 1회째의 방전시에서의 전압값으로부터 충방전의 횟수에 따라 저하되는 메모리 효과가 발생된다. 2차 전지는 과방전에 의한 셀 파괴를 방지하기 위해 방전 말기에서의 잔존 용량이 허용 하한값(예를 들면 SOC 20%)이 되었을 때 방전을 정지하고, 충전 상태가 되도록 충방전 제어된다. 이와 같은 사용 상태에서는 완전 방전에는 이르지 않으므로 상기 메모리 효과의 발생은 피할 수 없다.

상기 방전 특성곡선은 방전 전류와 전지 온도에 따라 변화하므로 미리 각 방전 전류, 전지 온도에 대응하는 다수의 방전 특성곡선이 구해져 있다.

도 2는 어떤 방전 전류, 전지 온도에 대응하는 방전 특성곡선을 실험으로 구한 것으로, 제 1회째 방전시의 것(이 경우는 완전방전 특성곡성과 일치함)뿐만아니라, 충방전 횟수가 제 2회째 이후 제 10회째에 이르는 방전 특성곡선까지도 구하고 있다(도 2에 「1」∼「10」으로 충방전 횟수를 나타냄). 방전 말기에서의 잔존 용량의 허용 하한을 SOC 20%로 설정했을 때 다음의 표 1에 나타낸 바와 같이 충방전 횟수가 많아질수록 상기 허용 하한에 대응하는 전압이 낮아진다.

충방전횟수	SOC 20%일 때의 전압
1	1.237V	V₀₁
2	1.222V	V₀₂
3	1.212V	V₀₃
4	1.205V	V₀₄
5	1.197V	V₀₅
6	1.190V	V₀₆
7	1.186V	V₀₇
8	1.180V	V₀₈
9	1.175V	V₀₉
10	1.169V	V₀₁₀

따라서 종래예와 같이 제 1회째의 방전시의 방전 특성곡선(완전방전 특성곡선과 일치함)에 기초하여, SOC 20%를 잔존 용량의 허용 하한으로 했을 때의 판정 전압값은 1.237V가 된다. 그러나 이 1.237V를 판정 전압값으로서 이용하는 것은 상기 메모리 효과를 고려하면 매우 불합리한 것이다. 예를 들면 제 10회째의 방전시의 SOC 20%에 도달했을 때의 방전 특성곡선 상의 전압은 1.169V로 되어 판정 전압값 1.237V와의 사이에 커다란 차가 생긴다.

도 1은 제 1회째의 방전시의 방전 특성곡선 A와 제 10회째의 방전 특성곡선 B를 도시한 것으로, 종래예와 같이 SOC 20%의 판정 전압값을 1.237V로 했을 때 제 1회째의 방전시에 있어서는 정확하게 SOC 20%일 때(Q₁로 나타냄)에 잔존 용량이 허용 하한에 도달했다고 판정할 수 있지만, 제 10회째의 방전시에 있어서는 SOC가 30% 이상일 때(Q₁₀으로 나타냄)에 잔존 용량이 허용 하한에 도달했다고 오판정된다.

본 실시예는 상기 사항을 감안하여, 상기 판정 전압값을 제 1회째 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 전압값(V₁) 뿐만아니라, 제 2회째 이후의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 전압값(V₁₀등)까지도 고려하여 제 1회째의 방전시의 전압값(V₁)보다 낮은 값(V₀)으로 결정하고 있다. 구체적으로는 도 1에 도시된 경우의 판정 전압값(V₀)을 1.210V로 하고 있다. 이와 같이 결정하면 제 1회째의 방전시에 있어서 상기 허용 하한에 도달했다고 판정되었을 때의 실제의 SOC(P₁로 나타냄)는 16∼17%이다. 한편 제 10회째의 방전시에 있어서, 상기 허용 하한에 도달했다고 판정되었을 때의 실제의 SOC(P₁₀으로 나타냄)는 23∼24%이며, 어떤 경우에도 기준으로 하는 SOC 20%에 대한 어긋남의 양을 작게 할 수 있다. 이 어긋남의 양은 ±5% 이내로 할 수 있으면 바람직하며, 도 1에 도시된 경우는 이 ±5% 이내를 실현할 수 있는 판정 전압값(V₀)으로 되어 있다.

또 상기 판정 전압값(V₀)은 제 1회째의 방전시에 허용 하한에 도달할 때의 전압값(V₁)보다 1셀당 0.01∼0.10V 낮은 것인 것이 바람직하다.

또 상기 방전 특성곡선의 메모리 효과에 의한 전압 저하는 충방전 횟수를 거듭할 때마다 전압 저하량이 점차 감소하고, 예를 들면 제 20회째의 방전시의 것과 제 10회째의 방전시의 것 사이에는 큰 차이가 없다. 따라서 상기 판정 전압값(V₀)을 정하기 위한 기초 데이터는 제 1회로부터 제 10회째 정도까지의 방전 특성곡선에 기초한 것으로 충분하다.

본 실시예는 상기와 같이 하여 결정된 판정 전압값(V₀)을 이용하여 2차 전지의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 것이다. 판정 대상의 2차 전지의 방전 전류, 전지 온도 및 전압(V)이 측정되면 상기 방전 전류 및 전지 온도에 대응하는 판정 전압값(V₀)이 선택되고, 이것과 전압(V)을 비교하여 V≤V₀일 때 상기 허용 하한에 도달했다고 판정된다.

다음으로 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

본 실시예는 상기 판정 전압값(V₀)을 가변으로 하고, 충방전 횟수에 따른 적정값으로 함으로써, 각 회째의 어느 방전시에 있어서도 상기 허용 하한에 도달했다고 판정되었을 때의 실제의 잔존 용량을 판정 기준으로 하는 잔존용량 하한(예를 들면 SOC 20%)의 값에 매우 가까운 것으로 할 수 있다.

예를 들면 도 2 및 표 1에 나타낸 경우에 있어서, 표 1에 V₀₁∼V₀₁₀으로 나타내는 값을 충방전 횟수에 따른 판정 전압값으로 하면, 상기 허용 하한에 도달했다고 판정되었을 때의 실제의 잔존 용량을 판정 기준으로 하는 잔존용량 하한(SOC 20%)과 거의 동일하게 할 수 있다.

상기 판정 전압값은 상기 표 1에 나타낸 경우와 같이 충방전 횟수의 각 회마다 정해도 되지만 그룹 분류하여 단계적으로 정해도 된다. 예를 들면 다음의 표 2에 나타낸 바와 같이 판정 전압값(V₀₁∼V₀₁₀)을 정할 수 있다.

충방전횟수	판정 전압값
1	V₀₁
2, 3	V₀₂₃
4∼6	V₀₄₆
7∼9	V₀₇₉
10이상	V₀₁₀

본 실시예는 상기와 같이 충방전 횟수에 따라 결정된 판정 전압값을 이용하여 2차 전지의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 것이다. N회째의 방전시에 있어서, 판정 대상의 2차 전지의 방전 전류, 전지 온도 및 전압(V)이 측정되면 상기 방전 전류 및 전지 온도에 대응하고, 또 N회째의 방전시에 적용되는 판정 전압값(V_ON)이 선택되고, 이것과 전압값(V)을 비교하여 V≤V_ON일 때 상기 허용 하한에 도달했다고 판정된다.

본 발명에 의하면 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 방전 말기에 있어서의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 그 전압을 측정함으로써 정확히 판정할 수 있으므로 전지의 과방전·과충전을 피하고 정확하게 충방전 제어하는 데에 유용하다.

Claims

수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 방전 말기에 있어서의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 판정 전압값을, 제 1회째의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 전압값(V₁) 뿐만 아니라, 제 2회째 이후의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 메모리 효과에 따라 차례로 낮아지는 전압값(V₁₀등)까지도 고려에 넣어서, 제 1회째의 방전시의 상기 전압값(V₁)보다 낮은 값(V₀)으로 결정하고, 이 결정된 판정 전압값(V₀)에 기초하여 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 것을 특징으로 하는 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 잔존 용량 검출방법.
제 1항에 있어서,

판정 전압값(V₀)은 제 1회째의 방전시에 허용 하한에 도달할 때의 전압값 (V₁)보다 0.01∼0.10V/셀 낮은 것인 것을 특징으로 하는 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 잔존 용량 검출방법.
수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 방전 말기에 있어서의 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 판정 전압값(V₀)을, 제 1회째의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 전압값(V₁) 뿐만 아니라, 제 2회째 이후의 방전시에 상기 허용 하한에 도달할 때의 메모리 효과에 따라 차례로 낮아지는 전압값까지도 고려에 넣어서, 충방전 횟수에 따른 가변값으로 결정하고, 이 결정된 판정 전압값에 기초하여 잔존 용량이 허용 하한에 도달한 것을 판정하는 것을 특징으로 하는 수산화니켈 양극을 이용한 2차 전지의 잔존 용량 검출방법.