KR102585721B1 - 충전 장치 - Google Patents

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KR102585721B1
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유병길
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(주)케이엔씨
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Abstract

본 발명은, 지그(Jig)에 접촉 결합된 이차전지를 충방전하는 충방전 모듈, 상기 이차전지의 충방전 시, 상기 지그 및 상기 이차전지 사이의 접촉면에서 발생하는 접촉 저항을 측정하는 저항측정 모듈 및 상기 이차전지의 충방전 중 상기 접촉 저항 및 설정된 기준 접촉 저항을 기반으로 결정한 상기 이차전지의 충방전 지속 여부에 따라 상기 충방전 모듈의 동작을 제어하는 제어 모듈을 포함하는 충전 장치를 제공한다.

Description

충전 장치{Charging device}
본 발명은 충전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 화성 공정(Formation) 시, 지그(Jig)와 이차전지 사이의 발열을 방지하기 용이한 충전 장치에 관한 것이다.
재생 에너지원, 특히, 태양광 발전이나 풍력 발전에 기초하여 전기 에너지를 생산함에 있어서, 저장된 전기 에너지를 필요한 때에 필요한 만큼 활용 가능하도록 하기 위해 그 발생된 에너지를 효율적으로 저장하는 것을 점점 요구하는 쪽으로 방향이 전환되고 있다.
일반적으로, 이차 전지로 알려진 리튬 이온 배터리는 충전 사이클의 수가 높으며 긴 수명 및 높은 저장 용량을 가지고 있다.
리튬 이온 배터리는 설계에 따라 그 용량의 30%까지 방전된다. 즉, 그 임계치인 30% 이하로 배터리를 방전하게 되면 리튬 이온 배터리는 돌이킬 수 없는 상태로 파손되기 때문에, 배터리에 저장된 고유 에너지 30%는 사용자에게 활용되지 못한다. 배터리가 이 임계치 이하로 방전되면, 이온들은 전극 재료(구리, A1)로부터 분리될 수 있으며, 이로 인해 전극이 파괴될 수 있다.
리튬 이온 배터리 등 배터리를 생산하여 출고하기 위해서는 몇 가지의 공정을 거치게 되는데 Aging, 화성공정(Formation), OCV(Open Circuit Voltage) 검사, IR(내부저항) 검사, Grading 등이 있다.
이들 공정 중 화성공정(Formation)은 생산된 O 볼트(Volt)의 배터리를 셀 전압 4.2 V로 충전하고 다시 2.7 V로 방전하는 과정을 수차례 반복하여 최종 3.7 V로 출하한다. 따라서, 배터리의 특성 및 품질이 이 공정에서 결정되므로, 화성공정(Formation)은 배터리의 품질을 결정짓는 매우 중요한 공정이다.
하지만, 화성공정 시, 리튬 이온 배터리는 용량의 80%까지만 충전되는데, 그 이유는, 충전 종단 전압(end-of-charge voltage)에 도달할 때 정상적으로 전류는 제한을 받으며, 그래서, 용량의 나머지 20%는 더 적은 암페어에서 충전되어 시간적인 관점에서 더 적은 에너지가 전지로 저장 또는 쌓이게 되므로, 전지가 100 %까지 충전되려면, 기하 급수적으로 더 많은 시간이 걸리게 된다.
최근 들어, 화성 공정 시 고(high) 전류로 충전 및 방전을 수행하여 배터리의 특성 및 품질을 높이는 추세이며, 고 전류로 충전 및 방전을 함에 있어 지그(Jig)와 이차 전지의 접촉 영역에 발생되는 발열로 인한 발화 등을 발생될 수 있으므로, 발열에 대응하는 지그와 이차 전지 사이의 접촉 저항에 따라 충전 및 방전을 조절하기 위한 연구를 진행하고 있다.
본 발명의 목적은, 방전 상태의 이차 전지에 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성하기 용이한 충전 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 화성 공정(Formation) 시, 지그(Jig)와 이차전지 사이의 발열을 방지하기 용이한 충전 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 충전 장치는, 지그(Jig)에 접촉 결합된 이차전지를 충방전하는 충방전 모듈, 상기 이차전지의 충방전 시, 상기 지그 및 상기 이차전지 사이의 접촉면에서 발생하는 접촉 저항을 측정하는 저항측정 모듈 및 상기 이차전지의 충방전 중 상기 접촉 저항 및 설정된 기준 접촉 저항을 기반으로 결정한 상기 이차전지의 충방전 지속 여부에 따라 상기 충방전 모듈의 동작을 제어하는 제어 모듈을 포함할 수 있다.
상기 충방전 모듈은, 상기 이차전지의 충전시 충전 펄스들의 충전 전류를 출력하며, 상기 이차전지의 방전시 방전 펄스들의 방전 전류를 출력할 수 있다.
상기 충전 전류는, 상기 이차전지의 정격 전류 대비 1배 내지 3배이고, 상기 방전 전류는, 상기 이차전지의 정격 전류 대비 0.2배 내지 0.5일 수 있다.
상기 저항측정 모듈은, 상기 이차전지의 충방전 시 상기 충방전 모듈의 출력단 전압을 제1 차동 전압으로 증폭하는 제1 증폭기, 상기 이차전지의 충방전 시 상기 이차전지의 양단 전압을 제2 차동 전압으로 증폭하는 제2 증폭기 및 상기 충전 전류, 상기 방전 전류 및 상기 제1, 2 차동 전압을 기반으로, 상기 접촉 저항을 측정하는 저항 측정기를 포함할 수 있다.
상기 제1, 2 증폭기는, 차동 증폭기 및 인스트루먼테이션 증폭기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 이차전지가 충전 중인 경우, 상기 저항 측정기는, 에 의해 충전 접촉 저항(R1)을 측정하며, V1은 제1 차동 전압, V2는 제2 차동 전압 및 I1은 충전 전류일 수 있다.
상기 이차전지가 방전 중인 경우, 상기 저항 측정기는, 에 의해 방전 접촉 저항(R2)을 측정하며, V1은 제1 차동 전압, V2는 제2 차동 전압 및 I2은 방전 전류일 수 있다.
상기 저항 측정기는, 상기 충전 접촉 저항 및 상기 방전 접촉 저항의 평균값으로 상기 접촉 저항을 측정할 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 접촉 저항이 상기 기준 접촉 저항보다 낮으면 상기 이차전지의 충방전이 지속되게 상기 충방전 모듈을 제어하고, 상기 접촉 저항이 상기 기준 접촉 저항보다 높으면 상기 이차전지의 충방전이 차단되게 상기 충방전 모듈을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 충전 장치는, 이차 전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하기 위해 이차 전지의 정격 전류보다 최대 3배로 높은 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 매우 짧은 시간동안 번갈아 공급하도록 함으로써, 이차 전지의 수명 및 용량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 충전 장치는, 이차전지의 충방전 상태에서 이차전지의 접촉 저항에 따라 충방전을 일시 중단하도록 함으로써, 발열에 의한 이차전지의 파손을 방지할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 화성 공정(Formation)을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전 장치의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 충방전 모듈에서 출력되는 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 나타낸 타이밍도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 충전 장치를 자세하게 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전 장치의 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 충전 장치의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 충전 장치를 자세하게 나타낸 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 화성 공정(Formation)을 나타낸 도이다.
도 1(a)는 리튬 이차 전지가 제조된 후 전기적인 특성을 지니지 않은 상태이며, 도 1(b)는 화성 공정(Formation)이며, 리튬 이차 전지에 전기적인 특성을 갖도록 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하는 상태이며, 도 1(c)는 화성 공정이 완료된 후 전기적인 특성을 갖는 리튬 이차 전지를 나타낸다.
여기서, 고체 전해질 중간물질층(SEI)은 리튬 이차 전지의 전기 용량, 성능 및 수명을 결정하는 중요한 요소입니다.
즉, 도 1(b)는 리튬 이차 전지를 활성화시키기 위해, 캐소드 및 애노드로 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 서로 번갈아 공급하여 애노드 측에 고체 전해질 중간물질층(SEI)을 생성할 수 있다.
여기서, 전해질 중간물질층(SEI)은 차후 리튬 이차 전지의 충전 시 애노드에서 리튬 이온(Li+)과 다른 물질이 반응하는 것을 막아줄 수 있다.
또한, 전해질 중간물질층(SEI)은 일종의 이온 터널기능을 수행하며, 리튬 이온(Li+) 만을 통과시킬 수 있다.
즉, 고체 전해질 중간물질층(SEI)은 화성 공정(Formation), 즉 리튬 이차 전지의 최초 충전 공정으로 방전 상태의 셀을 활성화시키는 공정에서 생성할 수 있다.
먼저, 리튬 이차 전지의 충전 시, 리튬 이차 전지로 충전 펄스가 공급되는 경우, 리튬 이온(Li+)는 리튬 이차 전지의 캐소드에서 애노드로 넘어가고, 음극 전해액 내의 첨가물과 반응을 일으켜 애노드 계면의 앞쪽에 얇은 고체 전해질 중간물질층(SEI)을 생성할 수 있다.
즉, 고체 전해질 중간물질층(SEI)은 전지의 이온 이동량이 많아질때 형성되는 부도체이며, 일단 형성이 되면 차후 전지 충전시 애노드에서 리튬 이온(Li+)과 다른 물질이 반응하지 않도록 막아줄 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전 장치의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도 및 도 3은 도 2에 나타낸 충방전 모듈에서 출력되는 충전 펄스들 및 방전 펄스들을 나타낸 타이밍도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 충전 장치(100)는 입력 모듈(110), 충방전 모듈(120), 저항측정 모듈(130) 및 제어 모듈(140)을 포함할 수 있다.
실시 예에서, 충전 장치(100)는 이차전지, 예를 들어 리튬 이차전지를 활성화시키기 위한 화성 공정(Formaition)에 적용되는 것으로 설명하지만, 이에 한정을 두지 않는다.
입력 모듈(110)는 전기적 특징이 없는 이차전지의 정격 용량 정보 및 상기 이차전지의 활성화 시작 명령을 입력할 수 있다.
먼저, 상기 이차전지의 정격 용량 정보는 상기 이차전지의 최대 충전 용량 및 정격 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
여기서, 상기 활성화 시작 명령은 상기 이차전지의 최초 충방전을 시작하는 명령일 수 있다.
결과적으로, 입력 모듈(110)은 상기 이차전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하는 상기 활성화 시작 명령을 입력할 수 있다.
충방전 모듈(120)은 제어 모듈(130)의 제어에 따라 지그(Jig))에 접촉 결합된 상기 이차전지로 충전을 위한 충전 펄스들(cp) 및 방전을 위한 방전 펄스들(dp)을 공급할 수 있다.
저항측정 모듈(130)은 상기 이차전지의 충방전 시, 상기 지그 및 상기 이차전지 사이의 접촉면에서 발생하는 접촉 저항(R)을 측정할 수 있다.
여기서, 저항측정 모듈(130)은 제1, 2 증폭기(132, 134) 및 저항 측정기(136)를 포함할 수 있다.
제1 증폭기(132)는 상기 이차전지의 충방전 시 충방전 모듈(120)의 출력단 전압(Vcc)을 제1 차동 전압(V1)으로 증폭할 수 있다.
제2 증폭기(134)는 상기 이차전지의 충방전 시 상기 이차전지의 양단 전압(Vbat)을 제2 차동 전압(V2)으로 증폭할 수 있다.
여기서, 제1, 2 증폭기(132, 134)는 Op-Amp 증폭기로 차동 증폭기 및 인스트루먼테이션 증폭기 중 적어도 하나일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
즉, 제1, 2 증폭기(132, 134) 각각은 상기 이차전지와 상기 지그 사이의 접촉면에서의 접촉 저항(R)을 측정하기 위해 충방전 모듈(120)의 출력단 전압 및 사이 이차전지의 양단 전압 각각을 차동 증폭할 수 있다.
저항 측정기(136)는 충전 펄스들(cp)의 충전 전류, 방전 펄스들(dp)의 방전 전류 및 제1, 2 차동 전압(V1, V2)로 접촉 저항(R)을 연산 측정할 수 있다.
먼저, 저항 측정기(136)는 상기 이차전지의 충전 중 하기의 [수학식 1]로 충전 접촉 저항(R1)을 측정할 수 있다.
여기서, V1은 제1 차동 전압, V2는 제2 차동 전압 및 I1은 충전 전류일 수 있다.
또한, 저항 측정기(136)는 상기 이차전지의 충전 중 하기의 [수학식 2]로 방전 접촉 저항(R2)을 측정할 수 있다.
여기서, V1은 제1 차동 전압, V2는 제2 차동 전압 및 I2은 방전 전류일 수 있다.
저항 측정기(136)는 충전 접촉 저항(R1) 및 방전 접촉 저항(R2)의 평균값으로 접촉 저항(R)을 측정할 수 있다.
여기서, 저항 측정기(136)는 제1, 2 증폭기(132, 134) 각각에서 출력된 아날로그 타입의 제1, 2 차동 전압(V1, V2)을 디지털 타입으로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(Analog Digital Converter, ADC)를 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
제어 모듈(140)은 상기 정력 용량 정보에 따라 충전 펄스들(cp)의 충전 전류(Ic) 및 방전 펄스들(dp)의 방전 전류(Id)를 설정할 수 있다.
이후, 상기 활성화 시작 명령이 입력되는 경우, 제어 모듈(140)은 활성화 시작 시점(TP)부터 상기 이차전지로 고전류의 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 서로 번갈아 공급되게 충방전 모듈(120)을 제어할 수 있다.
여기서, 제어 모듈(140)은 상기 정격 전류를 기반으로 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)를 설정 결정할 수 있다.
먼저, 충전 전류(I1)는 상기 정격 전류 대비 1배 내지 3배일 수 있으며, 상기 정격 전류 대비 1배 미만인 경우 상기 이차전지의 충전 시간이 길어지며, 상기 정격 전류 대비 3배 보다 큰 경우 상기 이차전지의 충전 시간이 짧아질 수 있으나 과 충전으로 인한 염 반응이 발생될 수 있다.
또한, 방전 전류(I2)는 상기 정격 전류 대비 0.2배 내지 0.5배일 수 있음, 상기 정격 전류 대비 0.2배 미만인 경우 상기 이차전지의 방전 시간이 길어지며, 상기 정격 전류 대비 0.5배 보다 큰 경우 상기 이차전지의 방전 시간이 짧아질 수 있으나 과 장전으로 염이 발생될 수 있다.
이때, 제어 모듈(140)은 충전 전류(I1)에 따라 충전 유지 시간(ct)을 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 정격 전류 대비 3배인 경우, 충전 전류(I1)의 충전 유지 시간(ct)은 충전 전류(I1)가 상기 정격 전류 대비 1배인 경우보다 긴 시간을 유지할 수 있다.
충전 전류(I1)의 충전 유지 시간(ct)는 20 ms 내지 100 ms일 수 있으며, 20ms 보다 빠른 경우 충전 전류(I1)가 상기 정격 전류 대비 3배보다 크게 되어 과 충전이 될 수 있으며, 100 ms 보다 긴 경우 충전 전류(I1)가 상기 정격 전류 대비 1배 미만이므로 충전 시간이 길어질 수 있다.
또한, 제어 모듈(140)은 방전 전류(I2)에 따라 방전 유지 시간(dt)을 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 정격 전류 대비 0.5배인 경우, 방전 전류(I2)의 방전 유지 시간(dt)은 방전 전류(I2)가 상기 정격 전류 대비 0.2배인 경우보다 짧은 시간을 유지할 수 있다.
방전 전류(I2)의 방전 유지 시간(dt)는 5ms 내지 30ms일 수 있으며, 5ms 보다 빠른 경우 방전 전류(I2)에 의한 방전 효과가 낮아지며, 30 ms 보다 긴 경우 방전 전류(I2)의 방전 시간이 길어질 수 있다.
또한, 충전 펄스들(cp)의 충전 유지 시간(ct)은 방전 펄스들(dp)의 방전 유지 시간(dt) 대비 1.5배 내지 5배일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
그리고, 방전 펄스들(dp) 각각의 방전량은 충전 펄스들(cp) 각각의 충전량 대비 0.04배 내지 0.16배일 수 있다.
여기서, 상기 충전량 및 상기 방전량은 전류 및 유지 시간에 의해 결정될 수 있으며, 상기 이차전지의 정격 용량에 따라 조절될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
이와 같이, 충전 장치(100)는 전기적 특성을 갖지 않은 상기 이차전지로 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 순차적으로 공급하도록 함으로써, 상기 이차전지 내에 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성하여 상기 이차전지의 전기적 특성을 갖도록 할 수 있다.
또한, 충전 장치(100)는 고 전류의 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 매우 짧은 시간 내에 공급하도록 함으로써, 흡열 및 발열 반응이 낮아지고 과 충전으로 인한 염 발생이 낮아지며, 음극 표면에 형성되는 고체 전해질 중간물질이 두꺼워져 수명이 증가될 수 있다.
상기 이차전지의 충방전 상태에서, 제어 모듈(140)은 저항측정 모듈(130)에서 측정한 접촉 저항(R) 및 설정된 기준 접촉 저항을 기반으로 상기 이차전지의 충방전 지속 여부를 결정하고, 충방전 모듈(120)의 동작을 제어할 수 있다.
즉, 제어 모듈(140)은 상기 이차전지의 활성화를 위해 상기 이차전지의 충방전 중에서 상기 지그와 상기 이차전지의 접촉면에서 발생되는 접촉 저항(R)에 의한 발열을 방지하기 위해 충방전 모듈(120)의 동작을 제어할 수 있다.
제어 모듈(140)은 접촉 저항(R)이 상기 기준 접촉 저항보다 낮으면 상기 이차전지의 충방전이 지속되게 충방전 모듈(120)을 제어하고, 접촉 저항(R)이 상기 기준 접촉 저항보다 높으면 상기 이차전지의 충방전이 차단되게 충방전 모듈(120)을 제어할 수 있다.
즉, 제어 모듈(140)은 상술한 바와 같이 고 전류의 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)에 접촉 저항(R)이 높아지는 경우 발열을 방지하기 위해 충방전 모듈(120)의 동작을 제어함으로써, 발열로 인한 사고를 미연에 방지하도록 할 수 있다.
도 4는 도 2에 나타낸 충전 장치를 자세하게 나타낸 회로도이다.
여기서, 도 4는 도 2에 나타낸 저항측정 모듈(130)의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 저항측정 모듈(130)은 제1, 2 증폭기(132, 134) 및 저항 측정기(136)를 포함할 수 있다.
제1 증폭기(132)는 충방전 모듈(120)에서 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)를 출력하는 출력단(미도시)과 그라운드(GND) 사이의 출력단 전압(Vcc)을 차동 증폭한 제1 차동 전압(V1)을 출력할 수 있다.
즉, 제1 증폭기(132)는 충방전 모듈(120)과 이차전지(BAT)의 애노드(Anode)에 접촉 결합된 지그(Jig)의 제1 결합단자(미도시)와 연결된 제1 라인(line1) 및 이차전지(BAT)의 캐소드(Cathode)에 접촉 결합된 지그(Jig)의 제2 결합단자(미도시)와 그라운드(GND)를 연결하는 제2 라인(line2)에서 출력단 전압(Vcc)을 차동 증폭하여 제1 차동 전압(V1)을 출력할 수 있다.
제2 증폭기(134)는 이차전지(BAT)의 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode) 사이의 양단 전압(Vbat)을 차동 증폭한 제2 차동 전압(V2)을 출력할 수 있다.
여기서, 제1, 2 증폭기(132, 134)는 제1, 2 라인(line1)의 선저항, 이차 전지(BAT)의 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)와 지그(Jig)의 제1, 2 결합단자 각각의 접촉면(S)의 저항을 포함하는 접촉 저항(R)을 측정하기 위해, 충방전 모듈(120)의 출력단 전압(Vcc)와 이차전지(BAT)의 양단 전압(Vbat))를 증폭할 수 있다.
저항 측정기(136)는 제1, 2 증폭기(132, 134)에서 출력된 제1, 2 차동 전압(V1, V2)와 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)를 기반으로 접촉 저항(R)을 연산 측정할 수 있다.
예를 들어, 충전 전류(I1)가 이차전지(BAT)로 공급되는 경우, 저항 측정기(136)는 제1, 2 증폭기(132, 134)로부터 입력된 제1, 2 차동 전압(V1, V2) 및 충전 전류(I1)를 상술한 [수학식 1]에 나타낸 옴의 법칙에 따라 접촉 저항(R)을 측정할 수 있다.
또한, 방전 전류(I2)가 이차전지(BAT)로 공급되는 경우, 저항 측정기(136)는 제1, 2 증폭기(132, 134)로부터 입력된 제1, 2 차동 전압(V1, V2) 및 방전 전류(I2)를 상술한 [수학식 2]에 나타낸 옴의 법칙에 따라 접촉 저항(R)을 측정할 수 있다.
제어 모듈(140)은 저항 측정기(136)로부터 측정된 접촉 저항(R)과 설정된 기준 접촉 저항을 비교할 있다.
접촉 저항(R)이 기준 접촉 저항 미만인 경우, 제어 모듈(140)은 충방전 모듈(120)에서 이차전지(BAT)로 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)가 지속적으로 출력되게 제어할 수 있다.
또한, 접촉 저항(R)이 기준 접촉 저항 보다 큰 경우, 제어 모듈(140)은 충방전 모듈(120)에서 이차전지(BAT)로 출력되는 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)가 차단되게 충방전 모듈(120)을 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 충전 장치(100)는 이차전지(BAT)의 충전 및 방전 시 접촉 저항(R)에 의한 접촉면(S)에서 발생되는 발열을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전 장치의 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 충전 장치(100)는 이차 전지의 정격 용량 정보 및 활성화 시작 명령이 입력될 수 있다(S110).
충전 장치(100)는 상기 정격 용량 정보에 따라 충전 펄스들(cp)의 충전 전류(I1) 및 방전 펄스들(dp)의 방전 전류(Id)를 설정할 수 있다(S120).
즉, 충전 장치(100)의 제어 모듈(140)은 상기 정력 용량 정보에 따라 충전 펄스들(cp)의 충전 전류(Ic) 및 방전 펄스들(dp)의 방전 전류(I2)를 설정할 수 있다.
상기 이차 전지의 정격 용량 정보는 상기 이차 전지의 최대 충전 용량 및 정격 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
제어 모듈(140)은 상기 정격 전류를 기반으로 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)를 설정 결정할 수 있다. 또한, 제어 모듈(140)는 충전 전류(I1)에 따라 충전 유지 시간(ct) 및 방전 전류(I2)에 따라 방전 유지 시간(dt)을 결정할 수 있다.
충전 장치(100)는 상기 활성화 시작 명령에 따라 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 번갈아 공급하여 충방전을 수행할 수 있다(S130).
즉, 제어 모듈(140)은 지그(Jig))에 접촉 결합된 상기 이차전지로 충전을 위한 충전 펄스들(cp) 및 방전을 위한 방전 펄스들(dp)을 공급하도록 함으로써, 상기 이차전지 내에 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성하여 상기 이차전지의 전기적 특성을 갖도록 할 수 있다.
충전 장치(100)는 상기 이차전지의 충방전 시, 상기 지그 및 상기 이차전지 사이의 접촉면에서 발생하는 접촉 저항(R)을 측정할 수 있다(S140).
즉, 충전 장치(100)에 포함된 저항측정 모듈(130)은 상기 이차전지의 충방전 시 충방전 모듈(120)의 출력단 전압(Vcc)을 증폭한 제1 차동 전압(V1) 및 상기 이차전지의 충방전 시 상기 이차전지의 양단 전압(Vbat)을 증폭한 제2 차동 전압(V2)을 기반으로 접촉 저항(R)을 측정할 수 잇다.
저항측정 모듈(130)은 충전 펄스들(cp)의 충전 전류, 방전 펄스들(dp)의 방전 전류 및 제1, 2 차동 전압(V1, V2)로 접촉 저항(R)을 연산 측정할 수 있다.
충전 장치(100)는 접촉 저항(R)이 설정된 기준 접촉 저항보다 미만인지 판단하고(S150), 접촉 저항(R)이 기준 접촉 저항 미만이면 상기 이차전지로 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 (S130) 단계에 따라 지속적으로 공급할 수 있다.
(S150) 단계 이후, 접촉 저항(R)이 기준 접촉 저항보다 큰 경우, 충전 장치(100)는 상기 이차전지로 공급되는 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 차단할 수 있다(S160).
충전 장치(S160)는 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)이 차단된 상태에서, 소정 시간 경과 후 (S130) 단계를 수행할 수 있다.
즉, 상기 이차전지의 충방전 상태에서, 제어 모듈(140)은 저항측정 모듈(130)에서 측정한 접촉 저항(R) 및 설정된 기준 접촉 저항을 기반으로 상기 이차전지의 충방전 지속 여부를 결정하고, 충방전 모듈(120)의 동작을 제어할 수 있다.
제어 모듈(140)은 상기 이차전지의 활성화를 위해 상기 이차전지의 충방전 중에서 상기 지그와 상기 이차전지의 접촉면에서 발생되는 접촉 저항(R)에 의한 발열을 방지하기 위해 충방전 모듈(120)의 동작을 제어할 수 있다.
먼저, 제어 모듈(140)은 접촉 저항(R)이 상기 기준 접촉 저항보다 낮으면 상기 이차전지의 충방전이 지속되게 충방전 모듈(120)을 제어하고, 접촉 저항(R)이 상기 기준 접촉 저항보다 높으면 상기 이차전지의 충방전이 차단되게 충방전 모듈(120)을 제어할 수 있다.
(S150) 단계 후, 충전 장치(100)는 상기 이차 전지의 충전이 완료되면, 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)의 공급을 차단할 수 있다(S170).
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 충전 장치의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도 및 도 7은 도 6에 나타낸 충전 장치를 자세하게 나타낸 회로도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 충전 장치(200)는 입력 모듈(210), 충방전 모듈(220), 저항측정 모듈(230) 및 제어 모듈(240)을 포함할 수 있다.
입력 모듈(210) 및 충방전 모듈(220)은 도 2에 나타낸 입력 모듈(110) 및 충방전 모듈(120)과 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.
여기서, 저항측정 모듈(230)은 상기 이차전지의 충방전 시, 상기 지그 및 상기 이차전지 사이의 접촉면에서 발생하는 접촉 저항(R)을 측정할 수 있다.
여기서, 저항측정 모듈(230)은 제1, 2, 3 증폭기(232, 234, 236) 및 저항 측정기(238)를 포함할 수 있다.
제1 증폭기(132)는 상기 이차전지의 충방전 시 이차전치(BAT)의 캐소드(Cathode) 및 이차전지(BAT)의 캐소드(Cathode)에 접촉 결합된 지그(Jig)의 제2 결합단자(미도시)와 그라운드(GND)를 연결하는 제2 라인(line2) 사이에서 마이너스 전압(V-)을 차동 증폭한 제1 차동 전압(V1)을 출력할 수 있다.
제2 증폭기(234)는 이차전지(BAT)의 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode) 사이의 양단 전압(Vbat)을 차동 증폭한 제2 차동 전압(V2)을 출력할 수 있다.
제3 증폭기(236)는 충방전 모듈(120)과 이차전지(BAT)의 애노드(Anode)에 접촉 결합된 지그(Jig)의 제1 결합단자(미도시)와 연결된 제1 라인(line1) 및 이차전지(BAT)의 애노드(Anode) 사이에서 플러스 전압(V+)을 차동 증폭한 제3 차동 전압(V3)을 출력할 수 있다.
저항 측정기(238)는 제1 내지 제3 증폭기(232, 234, 236)에서 출력된 제1 내지 제3 차동 전압(V1 내지 V3)과 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)를 기반으로 접촉 저항(R)을 연산 측정할 수 있다.
즉, 저항 측정기(238)는 제1 차동 전압(V1)과 제2 차동 전압(V2)을 기반으로 마이너스 전압에 대한 평균값을 산출하고, 제2 차동 전압(V2)과 제3 차동 전압(V3)을 기반으로 플러스 전압에 대한 평균값을 산출한 후, 산출한 평균값들과 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)를 기반으로 접촉 저항(R)을 연산 측정할 수 있다.
제어 모듈(240)은 저항 측정기(238)로부터 측정된 접촉 저항(R)과 설정된 기준 접촉 저항을 비교할 있다.
접촉 저항(R)이 기준 접촉 저항 미만인 경우, 제어 모듈(240)은 충방전 모듈(220)에서 이차전지(BAT)로 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)가 지속적으로 출력되게 제어할 수 있다.
또한, 접촉 저항(R)이 기준 접촉 저항 보다 큰 경우, 제어 모듈(240)은 충방전 모듈(220)에서 이차전지(BAT)로 출력되는 충전 전류(I1) 및 방전 전류(I2)가 차단되게 충방전 모듈(220)을 제어할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 이차전지의 방전 상태에서 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층의 형성을 시작하는 활성화 시작 명령을 입력하는 입력 모듈;
    지그(Jig)에 접촉 결합된 이차전지를 충방전하는 충방전 모듈;
    상기 이차전지의 충방전 시, 상기 지그 및 상기 이차전지 사이의 접촉면에서 발생하는 접촉 저항을 측정하는 저항측정 모듈; 및
    상기 이차전지의 충방전 중 상기 접촉 저항 및 설정된 기준 접촉 저항을 기반으로 결정한 상기 이차전지의 충방전 지속 여부에 따라 상기 충방전 모듈의 동작을 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층은 이차 전지의 충전 시 애노드에서 리튬 이온(Li+)과 다른 물질이 반응하는 것을 막아주면서 리튬 이온(Li+) 만을 통과시킬 수 있는 이온 터널 기능을 수행하며,
    상기 제어 모듈은,
    상기 접촉 저항이 상기 기준 접촉 저항보다 낮으면 상기 이차전지의 충방전이 지속되게 상기 충방전 모듈을 제어하고,
    상기 접촉 저항이 상기 기준 접촉 저항보다 높으면 상기 이차전지의 충방전이 차단되게 상기 충방전 모듈을 제어하며,
    상기 제어 모듈은 상기 입력 모듈을 통해 상기 활성화 시작 명령이 입력되는 경우, 활성화 시작 시점(TP)부터 상기 이차전지로 고전류의 충전 펄스들(cp) 및 방전 펄스들(dp)을 서로 번갈아 공급되게 상기 충방전 모듈을 제어함으로써 이차전지 내에 상기 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase)층을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충방전 모듈은,
    상기 이차전지의 충전시 충전 펄스들의 충전 전류를 출력하며, 상기 이차전지의 방전시 방전 펄스들의 방전 전류를 출력하는,
    충전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전 전류는,
    상기 이차전지의 정격 전류 대비 1배 내지 3배이고,
    상기 방전 전류는,
    상기 이차전지의 정격 전류 대비 0.2배 내지 0.5인,
    충전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항측정 모듈은,
    상기 이차전지의 충방전 시 상기 충방전 모듈의 출력단 전압을 제1 차동 전압으로 증폭하는 제1 증폭기;
    상기 이차전지의 충방전 시 상기 이차전지의 양단 전압을 제2 차동 전압으로 증폭하는 제2 증폭기; 및
    상기 충전 전류, 상기 방전 전류 및 상기 제1, 2 차동 전압을 기반으로, 상기 접촉 저항을 측정하는 저항 측정기를 포함하는,
    충전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1, 2 증폭기는,
    차동 증폭기 및 인스트루먼테이션 증폭기 중 적어도 하나를 포함하는,
    충전 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 이차전지가 충전 중인 경우,
    상기 저항 측정기는,
    에 의해 충전 접촉 저항(R1)을 측정하며, V1은 제1 차동 전압, V2는 제2 차동 전압 및 I1은 충전 전류인,
    충전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이차전지가 방전 중인 경우,
    상기 저항 측정기는,
    에 의해 방전 접촉 저항(R2)을 측정하며, V1은 제1 차동 전압, V2는 제2 차동 전압 및 I2은 방전 전류인,
    충전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 저항 측정기는,
    상기 충전 접촉 저항 및 상기 방전 접촉 저항의 평균값으로 상기 접촉 저항을 측정하는,
    충전 장치.
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KR101644095B1 (ko) * 2016-01-05 2016-08-01 (주)갑진 충방전용 프로브

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