KR20010003921A - 이차전지 충방전장치용 전원장치 - Google Patents

Abstract

종래의 전력회생방식은 전지의 방전전류인 직류를 교류로 변환하고 있기 때문에 정상적인 정현파(正弦波)를 얻는 것이 어렵고, 그 때문에 고도한 제어회로를 필요로 하여 장비 등이 고가(高價)이었다. 제어회로를 간략화하면, 회생 AC전력은 변형이 큰 파형이거나 하여 고품위인 전력을 필요로 하는 용도로는 부적당하였다.

이차전지로 된 보조전지(2)를 구비하고 시험전지(1)의 방전전력으로 보조전지(2)를 충전하여 보조전지(2)의 방전전력을 시험전지(1)의 충전에 사용한다. 이 시험전지(1)와 보조전지(2)의 전류공급경로 사이에는 DC-DC컨버터(7) 등의 승압수단을 개재시킨다. 또, 시험전지(1) 및 보조전지(2)의 충방전 상태를 관리함으로써 시험전지(1)의 방전전력을 보조전지(2) 및(또는) 방전용 부하로 적절하게 공급한다. 또한, 시험전지(1) 및 보조전지(2)의 충전은 직류전원으로도 적절히 행하도록 하였다.

Description

이차전지 충방전장치용 전원장치{Power supply unit for charge-discharge device of secondary cell}

본 발명은 이차전지의 충방전장치용 전원장치에 관한 것으로, 특히 시험전지의 방전전력을 회생하여 시험전지의 충전전력으로서 사용하는 것을 특징으로 한 이차전지의 충방전장치용 전원장치에 관한 것이다.

근래 휴대기기가 급격히 보급되고, 또 전기자동차의 개발이 진행되는 등, 이차전지의 수요가 매우 증대되고 있다. 이들 이차전지는 많은 경우 방전상태의 활물질(活物質)을 사용하여 전극을 제조한 전지가 조립되어 있기 때문에 반드시 출하전에 전지를 충전하거나 또는 전지의 활성화나 검사를 위한 충방전을 반복할 필요가 있다.

종래 이차전지를 충방전할 때의 전원장치로서는 충전에는 외부공급에 기초한 교류(AC)전원을 직류(DC)로 변환한 직류전원이, 한편 방전에는 부하저항 또는 전자부하가 사용되고 있다.

즉, 이들 방식에서는 충전에서 축전된 전기에너지를 방전용 부하에 의해 소비하고 있기 때문에 매우 에너지의 낭비가 많아 바람직한 방식이라고는 할 수 없었다.

그래서 최근 에너지절약의 관점에서 예를 들면 일본국 특허공개 평2-261020호 공보나 일본국 특허공개 평7-222369호 공보에 개시되어 있는 바와 같이 전지의 방전에너지를 회생하여 AC전원으로 피드백시킴으로써 전지의 축전(蓄電)에너지를 유효하게 이용하는 것이 시도되고 있다.

그러나, 이 방법으로는 전지의 방전전류인 직류를 인버터 등에 의해서 교류로 변환하고 있기 때문에 정상적인 정현파(正弦波)를 얻기가 어렵고, 그 때문에 고도한 제어회로를 필요로 하여 설비 등이 고가(高價)인 것으로 되는 문제가 있었다.

그래서 많은 경우 제어회로를 간략화하여 행해지고 있었지만, 이 회생된 AC전력은 변형이 큰 파형이었거나 순간적으로 고전압 노이즈가 발생하기도 하여 컴퓨터나 자동기 등의 고품위인 전력을 필요로 하는 용도로는 부적당하여 그 이용방법에 문제가 있었다.

그래서 본 발명은 상기 과제에 착안하여 발명한 것으로, 주위의 기기에 악영향을 미치지 않고 유효하고 효과적으로 이차전지 방전시의 축전에너지를 회생이용하여 에너지절약화를 꾀하는 것을 목적으로 한 새롭고 진보한 이차전지 충방전장치용 전원장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 실시형태의 충방전장치용 전원장치의 구성을 나타낸 블록도,

도 2는 AA형 Ni-Cd전지의 방전 심도와 사이클 수명의 관계를 실측치로 나타낸 도면이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 시험전지 2 : 보조전지

3 : 전류전압 측정수단(시험전지의) 4 : 전류전압 측정수단(보조전지의)

5 : DC전원/부하장치 6 : DC전원/부하 절환수단

7 : 컨버터(DC-DC컨버터) 8 : 컨버터 입출력 절환수단

9 : 마이컴 제어수단 a : 전류전압 측정수단(3)에서의 측정치

b : 전류전압 측정수단(4)에서의 측정치

x : 컨버터 절환수단(8)으로의 제어신호

y : DC전원 절환수단(6)으로의 제어신호

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명 이차전지 충방전장치용 전원장치는 다음과 같이 구성되어 있다.

즉, 외부공급에 기초한 직류전원과 방전용 부하를 구비하고, 이차전지인 시험전지를 충방전시키는 이처전지 충방전장치용 전원장치에 있어서, 이차전지로 이루어진 보조전지를 구비하고, 시험전지의 방전전력으로 보조전지를 충전하여 이 보조전지의 방전전력을 시험전지의 충전에 사용하도록 하였다.

이 시험전지와 보조전지의 전류공급경로 사이에는 DC-DC컨버터(이하, 「컨버터」) 등의 승압수단을 개재시키고 있다.

또 보조전지의 효율적 이용 및 초기성능의 장기간 유지의 관점에서 시험전지 및 보조전지의 충방전 상태를 관리함으로써 시험전지의 방전전력을 보조전지 및(또는) 방전용 부하로 적절히 공급하도록 하였다.

관계된 관리하에 시험전지의 충전을 보조전지의 방전전력 및(또는) 직류전원으로 적절히 행하도록 하였다.

또한 보조전지의 충전을 시험전지의 방전전력 및(또는) 직류전원으로 적절히 행하도록 하였다.

상기 시험전지 및 보조전지 충방전 상태의 관리는 각각의 전지에 접속된 전류전압 측정수단에 의해 각 전류치·전압치를 측정하고, 이 측정치와 미리 선정한 설정치를 연산비교하여 제어하도록 하고 있다. 즉, 마이크로컴퓨터(이하,「마이컴」)를 사용하여 미리 메모리에 보존된 설정치와 비교함으로써 컨버터의 입출력 경로의 절환, 직류전원과 방전용 부하의 절환 및 보조전지 충전전원의 절환을 적절히 조절하는 제어를 행하는 것이다.

여기서 사용되는 보조전지는 연축전지(鉛蓄電池), Ni-Cd축전지, Ni-MH축전지 또는 리튬이온축전지 등의 이차전지가 사용될 수 있지만, 컨버터의 기능을 고려하면 시험전지와 동일 계통의 보조전지를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 보조전지의 용량은 어느 것이라도 좋지만, 방전 심도가 80%를 넘으면 극히 내구성이 악화되어 실용상 문제가 있기 때문에 80% 이하로 하는 것이 바람직하고, 특히 25∼50%로 하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성된 이차전지 충방전장치용 전원장치는 다음과 같이 작용한다.

이차전지인 시험전지는 보조전지에 축적된 전기에너지로 충전되고, 충전된 시험전지의 방전전력으로 보조전지가 충전된다.

시험전지 및 보조전지의 충방전 상태는 항상 감시되고, 이 측정치를 미리 설정된 설정치와 비교연산하여 최적의 방전량 및 충전량이 되도록 적절히 제어가 행해진다.

다음에 본 발명의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 실시형태의 충방전장치용 전원장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

본 전원장치(이라「본 장치」라 약칭)는 이하의 구성요소로 이루어진다.

도면 중 시험전지(1)는 충방전의 목적물인 이차전지이고, 보조전지(2)는 뒤에 설명하는 컨버터(7)를 통하여 시험전지(1)로부터 방전전류의 수급 및 시험전지(1)로의 충전전류의 공급을 행하는 축전지이다.

전류전압 측정수단(3)은 시험전지(1)의 전류·전압 상태를 검출하는 회로이고, 같은 전류전압 측정수단(4)은 보조전지(2)의 전류·전압 상태를 검출하는 회로이다.

또 DC전원/부하장치(5)는 외부전원을 DC변환하여 시험전지(1) 및 보조전지(2)로 충전전류를 공급하는 수단과, 시험전지(1)를 방전시키는 부하수단으로 이루어진다.

DC전원/부하 절환수단(6)은 DC전원/부하장치(5)와 시험전지(1)의 접속 및 DC전원/부하장치(5)와 보조전지(2)의 접속을 뒤에 설명하는 마이컴 제어수단(9)으로부터의 신호에 기초하여 적절히 절환하는 수단이다.

컨버터(7)는 시험전지(1)와 보조전지(2)의 전류공급경로 사이에 배치되어 전류왕래에서의 승압수단이고, 뒤에 설명하는 마이컴 제어수단(9)에 의해서 제어되는 컨버터 입출력 절환수단(8)에 의해 적절히 절환된다.

마이컴 제어수단(9)은 시험전지(1)의 전류전압 측정수단(3)에서의 측정치(a) 및 보조전지(2)의 전류전압 측정수단(4)에서의 측정치(b)를 미리 메모리에 격납된 충방전 조건의 설정치와 비교연산하여 DC전원 절환수단(6)으로의 제어신호(y) 및 컨버터 입출력 절환수단(8)의 제어신호(x)로서 출력시키는 제어회로이다.

다음에, 본 장치의 충방전 작동과 제어에 대하여 설명한다.

[시험전지(1)의 충전과정]

우선 DC전원/부하장치(5)와 컨버터(7)로부터의 출력에 의해서 시험전지(1)의 충전이 개시된다. 이 때 시험전지(1)로의 전류공급은 보조전지(2)에서 컨버터(7)를 통하여 행해지지만, 보조전지(2)의 상태에 따라서는 적절히 DC전원(5)에서도 동시에 또는 선택적으로 시험전지(1)로 전류공급이 행해진다. 이 적절한 제어는 마이컴 제어수단(9)으로부터의 신호에 의해 컨버터 입출력 절환수단(8) 및 DC전원/부하 절환수단(6)을 제어함으로써 행해진다.

또 컨버터(7)는 보조전지(2)로부터의 전압을 승압하여 시험전지(1)로 공급하는 동작을 하고 있고, 보조전지(2)의 충방전 상태는 보조전지의 전압과 전류를 전류전압 측정수단(4)으로 측정함으로써 감시되고 있다.

다음에 보조전지(2)의 방전상태가 소정의 방전종지 상태에 도달한 것을 마이컴 제어수단(9)이 감지하면, 컨버터 입출력 절환수단(8)을 제어하여 보조전지(2)에서 시험전지(1)로 전원의 공급을 정지함과 동시에 DC전원/부하 절환수단(6)이 작동하여 DC전원/부하장치(5)에서 시험전지(1)로 충전전류를 공급하게 된다.

또한 보조전지(2)의 방전 심도가 80%를 넘으면 극히 내구성이 악화되어 실용상 문제가 있기 때문에 80% 이하로 하는 것이 바람직하고, 특히 25∼50%로 하는 것이 바람직한 것에서, 적절히 필요에 따라 DC전원/부하장치(5)에서 보조전지(2)로도 전원을 공급하여 충전함으로써 보조전지(2)의 충방전 성능을 장기간에 걸쳐 유지하도록 노력하고 있다.

[시험전지(1)의 방전과정]

다음에 시험전지(1)의 방전이 개시되면, DC전원/부하 절환수단(6)에 의해 DC전원/부하장치(5)의 DC전원 공급이 끊어짐과 동시에 컨버터 입출력 절환수단(8)에 의해 시험전지(1)에서 컨버터(7)를 통하여 보조전지(2)로 전류가 공급된다. 그에 따라 시험전지(1)의 방전전류는 컨버터(7)로 승압되어서 보조전지(2)의 충전전류로 된다.

그리고 보조전지(2)의 충전상태는 감시되고 있기 때문에 소정의 충전종지 상태에 도달한 것을 마이컴 제어수단(9)이 감지하면, 컨버터 입출력 절환장치(8)가 작동하여 시험전지(1)로부터 컨버터(7)로의 입력이 차단되어 방전용 부하에 의해서만 방전되게 된다.

또한 필요에 따라 시험전지(1)의 방전전류는 컨버터(7)를 통한 상기 보조전지(2)로의 공급과 DC전원/부하장치(5)의 방전용 부하로의 공급을 적절히 선택하거나 또는 분배하여 행하도록 하여도 된다. 즉, 전류전압 측정수단(4)으로 보조전지(2)의 상태를 감시하면서 보조전지(2)의 최적 충전상태 유지 및 전지수명 성능의 유지를 고려하여 적절히 선택 설정되는 것이다.

본 장치는 상기한 바와 같이 동작하기 때문에 시험전지(1)의 방전전류에 의해서 보조전지(2)를 충전한 전기량에 거의 상당하는 전기에너지를 절약할 수 있다. 따라서 보조전지(2)의 용량은 시험전지(1)의 용량보다도 크게 하는 것이 효과적이다. 또 컨버터(7)로의 입출력을 절환함으로써 시험전지(1)와 보조전지(2)의 충방전을 행하고 있기 때문에 시험전지(1)와 보조전지(2)의 기전력(起電力)은 거의 동일하게 하여 두는 것이 바람직하다.

[실시예]

다음에 도 2는 AA형 Ni-Cd전지의 방전 심도와 사이클 수명의 관계를 나타낸 실측치이다.

이 전지의 정격용량은 700㎃H이고, 시험은 1C전류로 -10mV까지의 충전과 1C전류로 방전 심도 100%는 1V까지, 다른 심도는 정격용량에 대한 소정의 심도까지의 방전을 반복함으로써 행해졌다.

수명의 종료는 방전 심도 100%는 정격용량의 60%, 다른 심도는 전지용량이 소정의 심도 이하의 용량으로 된 사이클로 하였다.

도 2에서 전지의 사이클 내구성은 방전 심도에 크게 의존하는 것을 알 수 있지만, 이 경향은 시험전지(1)에 공통이고 실용성을 고려하면 보조전지(2)는 방전심도가 80%를 넘지 않도록 관리하여 시험전지(1)의 2∼4배 이상의 용량으로 하는 것이 바람직하다.

다음에 실시예의 충방전장치를 사용하여 효과를 확인한 결과에 대하여 설명한다.

보조전지(2)로서 4/3A형 3000㎃H의 Ni-MH전지를 사용하고, 입력전압을 2배로 승압하여 출력하는 컨버터(7)를 사용하여 12CH의 충방전장치를 구성하였다.

이 충방전장치 및 보조전지(2)를 사용하지 않은 종래의 충방전장치를 사용하여 AA형 1200㎃H인 Ni-MH전지의 사이클 수명시험을 실시하였다.

시험은 120㎃로 -10mV까지의 충전과 120㎃로 1V까지의 방전을 500사이클 반복함으로써 행해졌다.

이 수명시험에서의 직류전원/부하의 소비전력을 적산(積算)하였더니 종래의 충방전장치는 27KWH이고, 본 발명의 충방전장치는 13KWH이었다.

본 실시예의 충방전장치용 전원장치는 이차전지 제조공정에서의 출하검사 등의 충방전시험장치로서 사용하는 것도 가능하다.

따라서 예를 들면 이차전지인 시험전지를 복수개로 한 구성으로서, 시험전지에 대해서는 각각 제어하도록 하고, 복수 시험전지의 방전전력에 의해서 하나의 보조전지를 충전함과 더불어 이 보조전지의 방전전력에 의해 복수의 시험전지를 충전하도록 하여도 된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 구성함으로써 다음에 열거하는 효과를 얻을 수 있다.

(1)시험전지의 방전전력을 보조전지에 축전하고, 이 축전에너지를 시험전지의 충전전력으로서 사용하도록 하고 있기 때문에 직류전원은 보조전지의 용량 부족분을 보충할 뿐만 아니라 AC전원(외부공급)의 사용량을 줄일 수 있고, 또 방전용의 부하는 보조전지가 만충전으로 된 경우에 사용될 뿐이므로 에너지의 낭비를 극히 적게 할 수 있어 효과적인 에너지절약화를 도모할 수 있다.

(2)또 시험전지에 축적된 전기에너지는 AC전원으로 회생되지 않기 때문에 주위의 기기에 노이즈 등의 악영향을 미치지 않는다.

(3)또한 보조전지의 종류 및 용량을 적당히 선택하여 적정한 사용환경이 되도록 보조전지의 충방전상태를 관리함으로써 보조전지의 내구성을 현저히 신장시킬 수 있기 때문에 장치의 러닝코스트(running cost)를 줄일 수 있다.

(4)특히 본원 발명의 충방전장치용 전원장치를 이차전지의 제조공정에서의 출하검사시 등의 충방전 시험장치로서 사용함으로써 소비전력을 대폭으로 억제하는 것이 가능한 등, 그 산업적 효과는 현저한 것이다.

Claims (6)

1. 외부공급에 기초한 직류전원과 방전용 부하를 구비하고, 이차전지인 시험전지를 충방전시키는 이차전지 충방전장치용 전원장치에 있어서, 이차전지로 이루어진 보조전지를 구비하고, 시험전지의 방전전력으로 보조전지를 충전하여 이 보조전지의 방전전력을 시험전지의 충전에 사용하도록 한 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전장치용 전원장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 시험전지와 보조전지의 전류공급경로 사이에 승압수단을 개재시킨 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전장치용 전원장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시험전지 및 보조전지의 충방전상태를 관리함으로써 시험전지의 방전전력을 보조전지 및(또는) 방전용 부하로 적절히 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전장치용 전원장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시험전지 및 보조전지의 충방전 상태를 관리함으로써 시험전지의 충전을 보조전지의 방전전력 및(또는) 직류전원으로 적절히 행하도록 한 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전장치용 전원장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시험전지 및 보조전지의 충방전 상태를 관리함으로써 보조전지의 충전을 시험전지의 방전전력 및(또는) 직류전원으로 적절히 행하도록 한 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전장치용 전원장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조전지의 방전 심도가 80% 이하로 되도록 보조전지의 충전상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 이차전지 충방전장치용 전원장치.