KR101032866B1 - 리튬티오닐 전지의 보호회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Li/SOCl₂ 전지의 초기 전압지연시간의 낮은 방전전압에도 불구하고 정상적인 보호동작이 이루어지며, 방전 말기에 발생되는 과방전으로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있도록 Li/SOCl₂ 전지에 병렬로 연결되어 개회로시에 충전되어진 캐퍼시터에 의해 방전초기의 초기전압 지연시간동안에는 동작이 가능하도록 캐퍼시터를 비롯한 스위칭소자들을 이용하여 보호회로를 구성 하는 것이다.

리튬티오닐 전지, 초기지연시간, 과방전, 캐퍼시터

Description

리튬티오닐 전지의 보호회로{protecting circuit for lithium thionyl chloride battery}

본 발명은 리튬 염화 티오닐(Li/SOCl₂) 전지의 초기 전압지연시간동안에 캐퍼시터에 충전된 전압을 출력하도록 하고, 과방전을 방지하도록 하는 Li/SOCl₂ 전지의 보호회로에 관한 것이다.

전지에서 과방전은 전지의 작동전압이 허용 전압범위를 벗어나 과하게 방전되는 것을 의미하며, Li/SOCl₂ 전지의 경우 2.0V∼3.6V의 허용 전압범위를 갖고 전지 사용 중 작동전압이 2.0V이하일 때 과방전 상태라 하며, 과방전 상태가 지속될 때는 Li/SOCl₂ 전지의 내부단락을 유발시켜 폭발 위험이 있기 때문에 이러한 과방전 상태는 차단 보호되어야 한다.

통상적인 전지의 과방전 상태를 차단 보호하기 위한 보호회로는 보호회로에 입력되는 전압이 일정 전압 이하인 경우에 출력이 차단되는 입력전압과 기준전압을 비교하는 비교기로 구성된다.

그러나, Li/SOCl₂ 전지에서는 부하 접속 초기에 도 1에서와 같이 작동전압이 2.0V로 떨어지는 초기 전압지연현상이 발생하게 되고, 통상적인 보호회로를 Li/SOCl₂ 전지에 설치하게 되면 접속 초기의 초기 전압지연현상을 과방전 상태로 인식하기 때문에 초기 전압지연시간이 경과된 정상작동 시에도 보호회로가 전압을 차단하게 됨으로써 부하에 전원을 공급할 수 없게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이 Li/SOCl₂ 전지가 개회로 상태인 경우에는 3.6V의 개회로 전압(OCV)을 나타내지만 부하가 연결된 방전초기에는 음극 부품인 Li 전극 표면의 비전도성 부동화 막이 제거되는 시간인 초기 전압지연시간 동안에는 일시적으로 전압이 하강하여 TMV(Transition Minimum Voltage)까지 하강한 후에 정상 작동전압(CCV)으로 회복되게 된다.

따라서 통상적인 보호회로를 Li/SOCl₂ 전지에 연결하는 경우에는 초기 전압지연시간 동안의 전압 하강을 과방전 상태로 인식하고, 초기 전압지연시간이 경과된 후에도 여전히 Li/SOCl₂ 전지로부터 부하에 전원이 공급되는 것을 차단하게 되기 때문에 Li/SOCl₂ 전지의 보호회로는 과방전을 차단하는 기능이 제거된 충전보호와 과열보호를 위하여 다이오드와 퓨즈만으로 구성된 단순구조로 이루어진다.

도 2는 종래에 보호회로 없이 전지를 과방전한 후 부하를 해제한 상태의 전지의 거동을 나타내는 그래프이다.

전지를 강제 과방전시키게 되면 내부단락이 발생하기 때문에 부하해제 구간 에서 전지의 개회로 전압은 3.6V로 회복되지 못하고 0.0V로 된다. 또한, 과방전상태가 일정시간 지속되면 내부단락으로 인하여 전지의 표면온도가 급격히 상승하여 전지의 안전 배기구가 벤팅하거나 파괴되어 전지의 사용은 불가능하게 된다.

이러한 과방전으로 인한 문제점을 극복하기 위해서는 과방전을 검지하는 검지부를 구비하는 보호회로가 필수적으로 설치되어져야 하나 이러한 보호회로가 정상작동하기 위해서는 Li/SOCl₂ 전지의 전압이 2.0V로 떨어지는 경우에 이 전압강하의 원인이 초기 전압지연 현상에 따른 전압강하인지 과방전에 의한 전압강하인지를 판단하고, 초기 전압지연 현상에 의한 전압강하인 경우에는 전원 공급의 차단 없이 일정 시간이 경과되도록 하고, 과방전에 의한 전압강하인 경우에는 전원 공급을 차단하도록 하는 이중적인 구성을 채택할 수 밖에 없으며, 이로 인해서 복잡한 회로의 채택이 불가피하여 제조공정이 복잡하고, 제조원가가 상승되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점들을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 Li/SOCl₂ 전지의 특성상 발생되는 초기 전압지연 시에도 일정시간 동안 안정적으로 전원을 공급할 수 있으며, Li/SOCl₂ 전지에서 발생되는 초기전압 지연현상이 발생함에도 불구하고 연속적인 전원공급, 과방전, 외부단락, 내부단락, 충전으로부터 Li/SOCl₂ 전지를 보호할 수 있도록 하는 Li/SOCl₂ 전지의 보호회로를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 Li/SOCl₂ 전지를 보호하기 위한 Li/SOCl₂ 전지 보호회로에 있어서: 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압을 충전하는 캐퍼시터; 상기 Li/SOCl₂ 전지의 방전 초기시에 초기 전압지연시간이 경과되기 전에는 상기 캐퍼시터의 전압을 부하측에 인가하고, 상기 Li/SOCl₂ 전지의 초기 전압지연시간이 경과되면 상기 부하에 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압을 부하측에 인가하고, 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압이 부하측에 인가되는 중에 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압이 기설정된 전압 이하로 떨어지면 부하측에 전압이 인가되지 않도록 하는 보호부를 포함하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 해결수단은 Li/SOCl₂ 전지를 보호하기 위한 Li/SOCl₂ 전지 보호회로에 있어서: 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압에 의하여 충전되도록 상기 Li/SOCl₂ 전지에 병렬 설치되는 캐퍼시터(C); 상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C)의 전압 중 어느 하나가 기설정된 전압 이상인 경우에 상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C) 중 어느 하나로부터 출력단자에 연결된 부하에 전력을 공급하고, 상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C)의 전압 모두 상기 기설정된 전압 미만인 경우에 상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C)로부터 상기 부하에 전원이 공급되는 것을 차단하는 보호부를 포함하고, 상기 보호부는 상기 Li/SOCl₂ 전지에 병렬 연결되는 분압회로와, 상기 분압회로에 인가되는 전압이 기설정전압이상일 때 동작되는 제1스위칭소자; 상기 Li/SOCl₂ 전지와 출력단자 사이에 직렬로 설치되어 상기 제1스위칭 소자가 동작될 때 동작되어 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압이 상기 부하에 인가되도록 하는 제2스위칭 소자를 포함하는 것이다.

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상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면, 방전초기에 초기 전압지연시간이 갖는 Li/SOCl₂ 전지에서 방전초기에는 개회로시에 Li/SOCl₂ 전지에 의하여 충전된 캐퍼시터에 의하여 전원을 보호부에 인가함으로써 보호부가 안정적으로 동 작하도록 하고, 초기 전압지연시간이 경과되어 Li/SOCl₂ 전지가 정상동작전압을 발생하게 되면 Li/SOCl₂ 전지에 의하여 부하측에 전원을 공급하도록 하고, Li/SOCl₂ 전지가 과방전상태가 되면 Li/SOCl₂ 전지의 방전을 차단하도록 함으로써 Li/SOCl₂ 전지의 초기 전압지연동작과 과방전을 극복할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에서는 지극히 간단한 두 개의 스위칭 소자로 이루어진 보호부와 캐퍼시터를 이용한 보호회로를 형성함으로써 단순한 회로구조를 달성할 수 있어 제조원가와 고장율을 낮추도록 하기 위한 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예를 설명하는 회로도이다.

Li/SOCl₂ 전지(V)가 보호회로(1)에 연결되고, 보호회로(1)는 전지(V)의 +극, -극 사이에 설치되는 캐퍼시터(C)와, 캐퍼시터(C)와 병렬 연결되는 스위칭소자를 중심으로 구성되는 보호부(3)로 이루어진다. 이때, 보호부(3)는 전지(V)의 양단 전압이 일정 전압 이하로 하강하면 전류의 흐름을 차단하는 스위칭소자들(FET1), (FET2)과 이들을 구동하는 저항소자(R1), (R2), (R3)로 이루어진다. 또한, 보호부(1)와 캐퍼시터(C)의 일단은 전지(V)의 음극에 연결된 정전압 다이오드(D1)에 연결되어 안정되게 동작되는 것이 바람직하다.

도 3의 회로는 보호부(1)와 캐퍼시터(C)의 일단은 전지(V)의 음극에 연결된 정전압 다이오드(D1)에 연결된 것을 도시한 것으로, 캐퍼시터(C)는 전지(V)의 +극, 다이오드(D)의 애노우드에 연결되고, 저항(R1), (R2)은 전지(V)의 +극과 다이오드(D)의 애노우드에 연결되며, 전지(V)의 +극과 스위칭소자(FET1)의 드레인은 스위칭소자(FET1)의 게이트에는 저항(R1), (R2)의 접속점이 연결되며, 스위칭소자(FET1)의 소스는 다이오드(D)의 애노우드에 연결되며, 스위칭소자(FET1)의 드레인은 스위칭소자(FET2)의 게이트에 연결되고, 스위칭소자(FET2)의 드레인은 전지(V)의 +극과 연결되며, 스위칭소자(FET2)의 소스는 출력단자(+) 역할을 수행한다.

이와 같이, 구성되는 보호회로에서 개회로 상태에서는 전지(V)의 전압은 캐퍼시터(C)에 인가되어 충전되게 되고, 전지(V)에 출력단자(+), (-)에 부하가 연결되면, 초기 전압지연시간 동안에는 캐퍼시터(C)로부터 충전된 전압이 저항(R1), (R2), 다이오드(D)에 인가되게 되고, 저항(R1), (R2)에 의하여 분압된 전압이 스위칭소자(FET1)의 게이트에 인가되게 됨으로써 스위칭소자(FET1)는 동작되게 되어 저항(R3)에 전류가 흐르게 되고, 이로 인하여 스위칭 소자(FET2)가 동작되게 됨으로써 스위칭 소자(FET2)의 드레인으로부터 소스에 전류가 흐르게 되어 결국 캐퍼시터(C)의 전압이 출력단자(+), (-)에 인가되게 된다.

이와 같이 캐퍼시터(C)의 방전 중에 전지(V)의 초기 전압지연시간이 경과되게 되면 전지(V)의 정상 작동전압이 인가되게 된다. 이때 캐퍼시터(C)의 양단의 전압도 전지(V)의 정상 작동전압에 비례되게 된다.

전지(V)의 장시간 사용으로 인하여 과방전 상태에 도달하게 되어 전압이 낮아지게 되면, 저항(R1), (R2)의 분압 전압도 낮아지게 되어 스위칭소자(FET1)가 작동전압 이하로 되게 되면 결국 스위칭소자(FET1)가 불통되게 되고 따라서 스위칭 소자(FET2)도 불통되게 된다. 이때 캐퍼시터(C)의 충전전압도 과방전 이하의 전압로 되기 때문에 출력단자(+), (-)에서 부하로 전력이 공급되지 않고 차단되어 전지(V)는 보호되게 된다.

도 4는 본 발명의 보호회로 설치시에 전지의 온도 및 출력전압상태를 도시한 그래프이다.

전지(V)에 캐퍼시터(C)를 적용한 보호회로를 설치한 경우에 2.0V 이상의 정상전압이 공급되는 중에 부하단이 2.0V 이하로 되는 과방전 전압(V3) 상태로 되는 강제 과방전 상태가 되는 경우에는 보호회로에 의하여 전류가 차단되게 되어 결국 출력단자(+), (-)의 전압은 0V로 되고, 전지(V)는 개회로시에 V2(3.6V)를 유지하게 된다. 이 상태에서 과방전 상태를 해제하게 되면 전지(V)는 보호회로에 의하여 보호되어 내부단락이 발생되지 않았기 때문에 정상적인 개회로 전압(3.6V)이 유지되게 된다.

또한, 과방전 상태 해제 후에 상온에서 전지(V)를 방치하는 경우에도 전지의 내부단락이 없기 때문에 급격한 온도상승이 이루어지지 않기 때문에 종래처럼 전지가 벤팅되거나 파열되는 위험이 없어지게 된다.

도 1은 일반적인 Li/SOCl₂ 전지의 방전시에 전압곡선이다.

도 2는 종래에 보호회로 없이 전지를 과방전한 후 부하를 해제한 상태의 전지의 거동을 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일실시예를 설명하는 회로도이다.

도 4는 본 발명의 보호회로 설치시에 전지의 온도 및 출력전압상태를 도시한 그래프이다.

Claims (3)

1. Li/SOCl₂ 전지를 보호하기 위한 Li/SOCl₂ 전지 보호회로에 있어서:

   상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압을 충전하는 캐퍼시터;

   상기 Li/SOCl₂ 전지의 방전 초기시에 초기 전압지연시간이 경과되기 전에는 상기 캐퍼시터의 전압을 부하측에 인가하고, 상기 Li/SOCl₂ 전지의 초기 전압지연시간이 경과되면 상기 부하에 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압을 부하측에 인가하고, 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압이 부하측에 인가되는 중에 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압이 기설정된 전압 이하로 떨어지면 부하측에 전압이 인가되지 않도록 하는 보호부를 포함하는 것을 특징으로 하는 Li/SOCl₂ 전지 보호회로.
2. Li/SOCl₂ 전지를 보호하기 위한 Li/SOCl₂ 전지 보호회로에 있어서:

   상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압에 의하여 충전되도록 상기 Li/SOCl₂ 전지에 병렬 설치되는 캐퍼시터(C);

   상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C)의 전압 중 어느 하나가 기설정된 전압 이상인 경우에 상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C) 중 어느 하나로부터 출력단자에 연결된 부하에 전력을 공급하고, 상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C)의 전압 모두 상기 기설정된 전압 미만인 경우에 상기 Li/SOCl₂ 전지와 상기 캐퍼시터(C)로부터 상기 부하에 전원이 공급되는 것을 차단하는 보호부를 포함하고,

   상기 보호부는 상기 Li/SOCl₂ 전지에 병렬 연결되는 분압회로와, 상기 분압회로에 인가되는 전압이 기설정전압이상일 때 동작되는 제1스위칭소자;

   상기 Li/SOCl₂ 전지와 출력단자 사이에 직렬로 설치되어 상기 제1스위칭 소자가 동작될 때 동작되어 상기 Li/SOCl₂ 전지의 전압이 상기 부하에 인가되도록 하는 제2스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 Li/SOCl₂ 전지 보호회로.
3. 삭제

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