KR101528813B1 - 이차 전지의 축전 능력 열화 방지와 재생 및 축전량 계측 장치 - Google Patents

이차 전지의 축전 능력 열화 방지와 재생 및 축전량 계측 장치 Download PDF

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Abstract

[과제] 2차 전지는 방전 회수의 증가에 의해 전지 전극면이 불량 도체 불활성화물인 박막으로 덮이고, 박막은 시간의 경과함에 따라 결정화하고, 결정화는 충전 전류에 의해 전기 화학 분해하는 충전로를 끊어, 재충전에 의해 정극과 음극이 재생하지 않고, 축전 능력이 열화한다. 이 사이클 수명에 의한 열화를 방지하고, 재생하는 기술이 필요하고, 2차 전지 완전 충전 종료와 축전 잔량 정보는 에너지 유효 이용을 위해 필요하다.
[해결수단] 2차 전지의 축전 능력의 열화 원인인 충방전에 근거하는 전극 절연체 불활성화 피막을 유전 완화손해에 의해 발생하는 열기계 효과로 재생하고, 2차 전지에 대한 개개의 유전 완화 손실 주파수를 고주파 의존 충전 전류의 증가로 자동 탐색하여, 절연체 불활성 피막을 선택적으로 분해하고, 부대적으로 축전지의 충전 종료를 유전 완화 손실 주파수의 절단과 접속으로 알아, 유전 완화 손실 주파수의 전류 컨덕턴스는 충전 상태인 축전량을 주는 장치를 제공한다.

Description

이차 전지의 축전 능력 열화 방지와 재생 및 축전량 계측 장치{APPARATUS FOR PREVENTING DETERIORATION OF STORAGE CAPACITY OF RECHARGEABLE BATTERY, REGENERATING THE SAME, AND MEASURING STORAGE QUANTITY}
이차 전지의 열화 방지와 재생을 방전에 근거하는 전극 부도체 불활성화 물질 생성을 불활성화 물질의 유전 손실 주파수에서 유전 가열 미세화하고, 충전 전류에 의해 전기 화학 분해하는 전지 재생에 관한 장치로, 동시에 얻어지는 유전 가열 전류 값은 축전량을 가하는, 즉 방전량에 비례하는 전극 부도체 불활성화 물질량인 유전 다이폴(dipole) 양은 유전 손실 피크 주파수 컨덕턴스(conductance)에 비례하기 때문에 방전량이 알려져, 정격 축전량에서 현시점의 방전 용량을 공제한, 충전 상태(SOC:state of charge)인 축전량을 측정하는 장치에 관한 것이다.
이차 전지는 방전 횟수의 증가에 의해 전지 전극면이 불량 도체 불활성화 물질인 박막으로 덮히고, 박막은 시간의 경과에 따라 결정화하며, 결정화는 충전 전류에 의한 전기 화학 분해하는 충전로를 끊고, 재충전에 의해 양극과 음극이 재생되지 않아 축전능력이 열화한다. 오늘날, 자연에너지, 태양광이나 풍력 등의 불안정 발전 전력을 출력 안정화와 동시에 저장하는 소위 스마트 그리드에 저렴한 이차 전지의 장수명화는 필수적이며, 충방전 사이클에 의한 축전 능력의 열화 방지와 재생 기술이 필요하고, SOC 정보인 축전량 계측은 축전 전력 유효 이용을 위해 필수이다.
현재 이차 축전 전지의 축전 능력의 열화 방지 및 재생 기술은, 납 축전지 열화 방지와 재생에만 한정하고 고주파 전류를 흘리고, 전극 표면에 성장한 황산 납 피막에 유전 손실 가열을 가하고, 황산납 절연체 불활성 피막을 제거하는 장치가 본 특허 발명 출원인에 의한 일본 특허 제4565362호에 알려져 있지만, 이차 축전 전지 일반에 대한 개개의 유전 완화 손실 피크 주파수를 자동검색하는 열화 방지와 재생 기술 및 축전 잔량 계측 장치는 특허 청구가 이루어지고 있지 않다.
특허문헌 1 : 일본특허번호 제4565362호
상기 문헌은 납황산 전지에 한하여, 열화 방지와 재생을 방전에 근거하는 전극 부도체 불활성화 유산납 결정 생성을 불활성화 물질의 유전 손실 주파수로 유전가열 미세화하여, 충전 전류에 의해 전기 화학 분해하는 전지 재생에 관한 장치로 유산납 미결정의 파괴를 목표로 하고 있다.
그러나, 축전 잔량 계측은 행해지지 않은데다가, 납황산 축전지로 한정된 유전가열 분해 재생과 열화 방지 밖에 특허 청구되어 있지 않다.
본 발명은 상술의 문제를 감안해서 이루어진 것으로, 2차 전지 모두에 응용할 수 있는 열화 방지 및 재생과 동시에 축전 잔량 계측을 실시하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 2차 전지에 대한 개개의 유전 완화 손실 피크 주파수를 자동 탐색하는 열화 방지와 재생 기술 및 축전 잔량 계측 장치의 발명이다.
2차 전지의 충방전에 의한 사이클 수명은 전극에 전기 화학적 불활성 절연체를 축적하는 것에 의해 일어난다. 일반적으로 절연체는 유전 완화 손실이 있고, 예를 들면 리튬 이온 전지의 탄산 리튬이나 탄산 알킬리튬 표면 피막 등의 유전 완화 주파수 전압으로 구동하면, 유전 손실열로 절연체 결정을 열기계적으로 일그러지게 하여, 결정에 미세 균열을 형성하고, 이 결과 전기 도통화하여, 충전 전류에 의해 전기 화학 분해하여, 축전 능력을 재생 부활할 수 있다. 절연체로 덮이지 않은 전극 표면에서의 전기 전도도는 작다. 왜냐하면 금속 전극면의 전기 전도도는 이온 확산 전류가 주로, 이온 전류의 응답 속도가 수백 kHz 이하이기 때문에, 금속 도통 전극면의 전기 전도도는 축전 불활성 유전체 완화 주파수 MHz 대에서는 작다. 따라서 고주파 영역에서는 유전율이 높은 고주파 절연체막 표면을 전류는 선택적, 집중적으로 흐른다.
방전에 의한 전극의 산화막 절연체량은 패러데이의 법칙에 의해 방전 전기량 에 비례하므로, 충전시에 중복 구동하는 정전압 유전가열 전류는 아직도 결정화하지 않는 용충전 가능 유전체 다이폴과 결정화한 불활성 다이폴의 수가 고주파 전류량이 되어, 컨덕턴스를 주고 소비 축전량을 준다. 즉 방전량에 비례하는 전극 부도체 물질량인 유전 다이폴 수는 유전 완화 손실 피크 양주파수의 컨덕턴스에 비례하므로 방전량이 알려져, 정격축전량으로부터 현시점의 방전량을 공제하여, 축전량이 판명된다. 불특정의 2차 전지에 있어서, 유전 완화 손실 피크 주파수는 알려지지 않았으나, 정전압 혹은 정전류 직류 충전중에 정전압 구동 고주파를 주파수 소인(掃引)하면, 전극의 전기 화학적 불활성 절연체가 유전 완화 손분해(損分解)하는 가장 유효한 주파수는 충전 직류 전류가 최대가 될 때, 혹은 정전류에서는 충전 전압의 저하로 판명된다. 정전압 충전중에 2차 전지는 만충전에서도 상당한 암전류가 흘러 충전 완료는 명확하게 알기 어렵다. 완전 충전 종료는 불활성 유전 완화 손실 구동 피크 주파수의 절단과 접속으로 충전 전류가 변화하지 않는 것으로 명확하게 판명된다. 이 충전 상태, SOC는 스마트 그리드 등으로부터 충전되는 무효 충전 전력을 정확하게 제어할 수 있어, 축전 잔량이 명확하게 판명된다.
본 발명에 의해, 불특정 원리 2차 전지의 재충전을 방해하는 전극의 전기 화학적 불활성 절연체 결정막이 선택되어, 열기계적으로 미세 분해되므로, 반영구적으로 불특정 원리 2차 전지의 충방전 열화를 방지하는 동시에 재생하는 것이 가능해진다.
2차 전지의 완전 충전 종료의 명확한 정보는 암전류로서 충전되는 무효 충전 전력을 정확하게 제어할 수 있다. 방전에 의해 가능한 유전 결정화 및 비결정화 양다이폴 완화 손실 피크 주파수에서의 컨덕턴스는 유전 완화 강도이며, 방전량 정보를 주어 정격축전량으로부터 현시점의 방전량을 공제하여, 정확한 잔축전량이 판명된다. 완전 충전 종료의 명확한 정보와 정확한 잔축전량은 충전 상태, SOC로 불리고 스마트 그리드 등 2차 전지 이용 기술에 필수 정보이다.
도 1은 불특정 축전지 열화 방지와 재생장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 규산 납축전지의 유전 손실 전류의 주파수에 대한 특성을 나타내는 도이다.
도 3은 규산 납축전지의 5시간 방전율에서의 재생 실시 비교를 나타내는 도이다.
도 4는 규산 축전지 고주파 재생 충전중의 직류 충전 컨덕턴스도이다.
도 5는 규산 축전지 고주파 재생 충전중의 고주파 컨덕턴스도이다.
도 6은 리튬 이온 전지의 고주파 컨덕턴스도이다.
도 7은 리튬 이온 전지의 방전 특성을 나타낸 도이다.
도 8은 니켈수소전지의 고주파 컨덕턴스도이다.
도 9는 니켈수소전지의 방전 특성도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태로서 하나의 실시예를 도 1 내지 도 9에 근거하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태와 관련되는 불특정 축전지 열화 방지와 재생장치의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다. 축전지 재생장치 제어 MPU(마이크로 프로세서)(21), MPU(21)에 의한 충전 전압 지령 D/A 컨버터(22), 충전 전압 파워앰프(23), 고주파 차단 코일(24), 축전지(25), 축전지 단자전압 측정 A/D 컨버터(26), 유전 손실(dielectric loss) 주파수 소인(sweeping) 신시사이저(synthesizer)(27), 유전 손실 주파수 전력 증폭기(28), 직류 전류 차단 콘덴서(29), 충전 전류 검출기(30), 유전 손실 주파수 전류 검출기(31), 유전 손실 주파수 전류 측정 A/D 컨버터(32), 충전 전류 측정 A/D 컨버터(33), 충전 전류 귀환로(34)로 이루어진다.
도 2는 전지 열화 방지와 재생장치를 사용하여, 열화이기 때문에 폐기된 전동 이륜차 12 볼트 규산 납축전지의 재생을 실시했다. 규산연(珪酸鉛) 유전 손실 주파수를 찾기 위해서 유전 컨덕턴스의 피크를 찾았다.
곡선(36)은 재생 충전 전의 미충전 상태의 규산 축전지 고주파 의존 컨덕턴스 곡선으로, 유전 손실 피크(44, 45 및 46)는 3개가 있고, 곡선(37)은 직류 통상 충전 컨덕턴스 주파수 스펙트럼 곡선으로, 41, 42 및 43의 유전 손실 피크가 보인다. 곡선(35)은 유전 손실 주파수 자동 추적 충전 재생 후의 규산 축전지의 고주파 의존 컨덕턴스 곡선이며, 41, 42, 43, 44, 45와 46의 유전 손실 피크는 소실했다.
불특정 축전지 유전 손실 주파수 자동 추적 충전 재생 방법은, 축전지(25)의 전압은 A/D 컨버터(26)으로 측정하여, MPU(21)에 입력된다. MPU(21)는 축전지(25)의 개방 전압이 설정치 이하를 검출한 경우는 축전지 재생 모드에 진입하여, 유전 손실 주파수 소인 오실레이터(Oscillator:27)로부터 고주파 전류를 발생하고, 고주파 전력 증폭기(28)로 증폭하여, 직류 차단 콘덴서(29)를 통해, 축전지(25)에 유전 손실 가열 교류 전류를 흘린다. MPU(21)는 D/A 컨버터(22)로부터 전력 앰프(23)로 증폭하여, 고주파 차단기(24)를 통해, 축전지에 충전 전류 검출기(30)로 규정 충전 전류를 보면서 충전을 개시한다. MPU(21)는 유전 손실 주파수를 소인하여, 축전지(25)의 충전 전류는 항상 측정되고 충전 전류의 증가 피크점을 찾아, 충전 불활성 물질의 유전가열 분해 종료는 유전 손실 주파수 전력 증폭기(28)의 출력을 온 오프해도 충전 전류가 불변인 때이다. 완전 재생 충전 종료 판정은 유전 손실 주파수 대역을 모두 주파수 소인하여 판단한다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이 완전 재생 충전 종료 판정은 유전 손실 주파수 전대역 소인하고, 유전 손실 주파수 전류 검출기(31)에서 유전 완화 피크의 소실 확인으로 가능하다.
도 3의 곡선(44)은 도 2의 곡선(36)의 직류 전류만의 충전의 5시간 방전율로, 3시간 50분에 방전 종료하였다. 그린세이버 SP27-12S의 규격은 32Ahr로 6.5 A/hr이지만, 유전 손실 주파수 자동 추적 충전 재생을 충분히 실시한 후의 방전 곡선(45)은 5시간 50분이며, 완전하게 축전지는 재생할 수 있었다.
도 4의 곡선(46)은 납규산 전지 SP27-12S에 3A 정전류 충전중 고주파를 1 Mhz에서 90Mhz까지 반복하여 소인 인가하고, 고주파 온과 오프에 의한 충전 컨덕턴스 차이의 증가분을 13시간 기록한 것이다. 최소 제곱법의 직선(StraightLine:47)은 충전 후 12시간에 고주파 의존 컨덕턴스는 제로가 된다. 이것은 다이폴인 규산납이 모두 환원 충전된 것을 의미하고, 명확한 충전 종료를 선언한다. 또한 3A 걸리는 12시간은 36Ahr 충전되었지만, 도 3의 재생 충전 후 6.5A 정전류 방전 특성은 10.5V까지 5.6시간을 나타내고, 실제의 축전량은 약 36Ahr이며, 좋은 일치를 나타내고, 군더더기없는 충전 종료 정보를 얻었다. 2차 전지의 완전 충전 종료를 유전 완화 손실 구동 피크 주파수의 절단과 접속으로 충전 전류가 변화하지 않는 것으로 명확하게 알아, 충전되는 무효 암충전 전력을 정확하게 제어하는 장치를 제안할 수 있었다.
도 5의 곡선(48)은 납규산 전지 SP27-12S에 3A 정전류 충전중 고주파를 1 Mhz에서 90Mhz까지 반복하여 소인 인가하고, 다이폴 양을 나타내는 고주파 충전 컨덕턴스를 13시간 기록한 것이다. 최소 제곱법의 직선(49)은 충전 후 12시간으로 고주파 컨덕턴스는 제로가 된다. 이것은 다이폴인 규산납이 모두 환원 충전된 것을 의미하고, 명확한 충전 종료를 선언한다.
최소 제곱법의 직선에 의해, 방전량에 비례하는 전극 결정화 및 비결정 부도체 물질량인 양유전 다이폴 수는 양유전 완화 손실 피크 주파수에서의 컨덕턴스에 비례하므로 방전량이 알려져, 정격축전량으로부터 현시점의 방전량을 공제하여, 충전 상태인 축전 잔량과 완전 충전 종료 신호를 상기 양유전 다이폴 컨덕턴스가 제로가 될 때 출력하는 장치를 제안할 수 있다.
도 6의 곡선(50)은 폐기된 랩탑 컴퓨터의 리튬 이온 전지 US18650의 직류 0.2A 정전류 충전중 고주파를 1MHz에서 200MHz까지 반복하여 소인 인가하고, 세로축은 고주파 온과 오프에 의한 충전 컨덕턴스의 차이를 기록한 것으로 단위는 지멘스(siemens)에서, 충전 잔량 거의 제로 상태의 데이터이다. 횡축은 충전 직류 전압에 중첩하여 더해진 고주파 주파수를 나타낸다.
도 7은 리튬 이온 전지 US18650의 0.5A 방전 재생 특성으로, 종축은 방전 전압을 나타내고, 횡축은 방전 시간을 나타낸다. 곡선(51)은, 직류 정전압 4.5V 만으로 충전되고 만충전이 된 전지의 방전 특성으로, 종축은 전지 전압, 횡축은 방전 경과시간이다. 곡선(52)은, 고주파로 재생 충전되고 만충전된 전지의 방전 특성 곡선으로, US18650의 규격 1.28AHr에 거의 재생되고 있다.
도 6과 도 7의 결과는 리튬 이온 전지의 다이폴 진동 주파수가 고주파에 시프트하는 것만으로 규산 전지와 같게 동작하고, 만충전 예측이나 잔량 계측이 발생하는 것을 나타낸다.
도 8의 곡선(53)은 휴대용 청소기의 폐기된 AMC10V-UE 전지팩 20개들이 중의 한 개의 니켈수소전지를 0.1A 정전류 충전 전압 고주파 의존 특성을 나타낸다.
종축은 정전류 충전 전압의 고주파 부하 있음과 부하 없음의 차이 전압을 나타내고, 횡축은 주파수를 나타낸다. 고주파에 근거한 충전 전압의 저하가 80MHz에서 140MHz대에 있어, 충전 내부 임피던스(impedance)가 저하되어 충전 전극 재생 효과가 보인다. 수소 흡착 전극에 부착하는 염(salt)의 불활성화 다이폴이 유전가열로 박리하여 전극이 활성화하고 있다고 해석할 수 있다.
도 9는 니켈수소전지 1A 방전 특성을 나타낸다. 곡선(55)은, 직류정전압 1.5V만으로 충전되고 만충전된 전지의 방전 특성으로, 종축은 전지 전압, 횡축은 방전 경과시간이다. 곡선(54)은 리튬 이온 전지와 같이, 고주파를 걸어 1A 정전류 충전을 실시한 후의 방전 특성을 나타낸다. 초기 충전 능력 사양 2.9AHr에 부활하고 있음을 알 수 있다.
납축전지는 넓게 사용되고 있어, 자동차, 선박 등의 엔진 시동용이나, 스마트 그리드의 로컬 축전 스테이션용으로서 자연 에너지, 풍력 발전기나 태양전지의 맥동 정류용으로서 이러한 축전지의 사이클 수명의 연장에 공헌할 수 있고, 이용 가능하다.
21 축전지 재생장치 제어 MPU(마이크로 프로세서)
22 MPU(21)에 의한 충전 전압 지령 D/A 컨버터
23 충전 전압 파워 앰프
24 고주파 차단 코일
25 재생되는 축전지
26 축전지 단자전압 측정 A/D 컨버터
27 유전 손실 고주파수 소인 신시사이저
28 유전 손실 고주파 전력 증폭기
29 직류 전류 차단 콘덴서
30 충전 직류 전류 검출기
31 유전 손실 고주파 전류 검출기
32 유전 손실 고주파 전류 측정 A/D 컨버터
33 충전 전류 측정 A/D 컨버터
34 충전 전류 귀환로
41 직류정전압 충전 규산 축전지의 고주파측 유전 손실 피크
42 직류정전압 충전 규산 축전지의 중간 주파측 유전 손실 피크
43 미충전 규산 축전지의 저주파측 유전 손실 피크
44 미충전 규산 축전지의 고주파측 유전 손실 피크
45 미충전 규산 축전지의 중간 주파측 유전 손실 피크
46 미충전 규산 축전지의 저주파측 유전 손실 피크

Claims (7)

  1. 2차 전지의 축전 능력의 열화 원인인 충방전에 근거하는 전극 절연체 불활성화 피막을 전기 화학적으로 제거하는 장치에 있어서,
    충전 전압 검출기, 충전 전류 검출기, 충전 전류 차단기, 고주파 가변 발진기, 고주파 정전압 출력 전력 증폭기, 고주파 전류 검출기, 고주파 전류 차단기를 구비하고,
    유전완화손실에 의해 발생하는 발열 효과를 수반하는 유전 손실 주파수의 고주파 전류를 2차 전지 정부 전극에 인가하고, 2차 전지에 대한 개개의 유전 완화 손실 피크 주파수를 고주파 의존 충전 전류의 증가로 자동 탐색하여, 절연체 불활성 피막을 선택적으로 분해하고, 고주파 교류 전류의 주파수는 해당 2차 전지의 이온 확산 전류의 응답 속도 이상의 고주파수대이며,
    방전량에 비례하는 전극 결정화 및 비결정 부도체 물질량인 양유전 다이폴 수는 양유전 완화 손실 피크 주파수에서의 컨덕턴스에 비례하므로 방전량이 알려져, 정격 축전량으로부터 현시점의 방전량을 공제하여, 충전 상태인 축전 잔량과 완전 충전 종료 신호를 양유전 다이폴 컨덕턴스가 제로가 될 때 출력하는 것을 특징으로 하는 충방전에 근거하는 전극 절연체 불활성화 피막의 제거 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    연속 고주파 전류를 단속 변조하여, 전극 절연체 불활성 피막에 열기계적 충격을 효과적으로 주는 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 충방전에 근거하는 전극 절연체 불활성화 피막의 제거 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    2차 전지의 완전 충전 종료를 유전 완화 손실 구동 피크 주파수의 절단과 접속으로 충전 전류가 변화하지 않는 것으로 명확하게 알고, 충전되는 무효 암충전 전력을 정확하게 제어하는 것을 특징으로 하는 충방전에 근거하는 전극 절연체 불활성화 피막의 제거 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    고주파 교류 전류의 인가와 충전을 교대로 실시하고, 유전 완화 손실 가열 분해한 2차 전지 피막 성분을 충전 전류에 의해 재생 활성화하는 것을 특징으로 하는 충방전에 근거하는 전극 절연체 불활성화 피막의 제거 장치.
  7. 제1항 기재의 충방전에 근거하는 전극 절연체 불활성화 피막의 제거 장치에 있어서,
    특정 축전지에 있어서는 특정 유전율 피크 주파수를 기억장치에 기억하여 특정 정점 고주파를 출력하는 간이 장치.
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