KR20020068228A - 부분 충(방)전에 의한 축전지 특성선별 및 조전지 구성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충방전기를 이용하여 임의의 충방전 상태에 있는 복수개의 축전지에 대해 부분충전 및 개방 또는 부분방전 및 개방 실험을 통해 전압의 변화를 시간의 함수로 측정하고 전압변화를 복수의 지수성분으로 구성된 함수에 근사하여 축전지 반응인자를 구하고 반응인자의 전부 혹은 일부의 값 중 서로 유사한 정도에 따라 축전지의 특성별로 선별하고 선별된 복수의 축전지로 조전지를 구성하여 동작 특성이 균일하고 성능이 향상된 조전지 구성방법에 관한 발명임.

Description

부분 충(방)전에 의한 축전지 특성선별 및 조전지 구성방법{omitted}

본 발명은 휴대폰, 캠코더, 노트북 PC, 전기자동차등 각종 이동 전원으로 사용되는 조전지를 구성하는데 있어서 균일한 동작 특성을 갖는 복수의 축전지로 조전지가 이루어지도록 축전지를 선별하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 축전지가 제조되면 축전지 불량의 선별을 위해서 뿐만 아니라 축전지의 용량을 측정하기 위해 축전지 작동 영역 전체에 걸쳐 충전 및 방전 과정을수행하고 이 과정에서 획득한 자료를 바탕으로 일정용량 범위의 축전지중 임의로 선별하여 조전지를 만든다.

균일한 충방전 특성을 갖지 않는 축전지로 이루어진 조전지는 충전 또는 방전시 각각의 축전지 충(방)전 특성의 불균형으로 인하여 전체 조전지 성능을 저하시키고 용량을 감소시켜 조전지 이용률을 떨어뜨리게 된다. 특히 내부저항이 상이한 축전지로 구성된 조전지는 충(방)전이 진행됨에 따라 부하가 일부 축전지에 편중되는 경향이 있어 축전지를 손상시키고 전체 조전지의 특성 또한 저하시킨다.

성능이 우수한 조전지 구성을 위해서는 용량 뿐 아니라 충방전 특성이 유사한 축전지를 선별해야 하는데, 종래에는 작동 전압영역 전체에 대한 방전 실험을 통한 용량 선별방법을 사용하고 있다. 축전지 용량을 작동 전압영역 전체에서 실측하는데는 수 시간이 걸리므로 이러한 방법은 시간적으로 매우 소모적이다.

본 발명은 축전지의 부분 충(방)전을 통하여 짧은 시간내에 축전지의 특성을 선별하고 유사한 특성을 갖는 축전지 조합을 구성하는 방법에 관한 것이다. 부분 충(방)전 및 개방 적용시 전압의 변화를 시간의 함수로 측정하고 복수의 지수함수 선형결합에 최적화시켜 축전지의 반응인자를 구하고 반응인자와 용량과의 상관관계를 이용한 용량별, 충방전 특성별 선별에 의한 조전지 구성방법은 현재까지 보고되어 있지 않다.

본 발명은 충(방)전 및 개방적용동안 시간에 따른 축전지 전압변화 실측 데이터를 지수함수의 계수와 시상수를 갖는 복수의 지수함수 선형결합에 근사하여 축전지별 반응인자로 지수함수의 계수와 시상수를 계산하여 축전지를 보다 정확히 반응인자별로 분류하고 그 반응인자와 용량과의 상관관계를 이용하여 반응인자를 기준으로 축전지를 분류하고 조전지를 구성함으로써 조전지의 이용률을 높이는데 있다.

도 1 은 방전 및 개방에 따른 전압변화 실측 데이터를 두 개의 지수함수로 근사한 도면.

도 2 는 표 1의 반응인자와 용량과의 관계를 나타낸 도면.

도 3 은 반응인자가 그룹을 이루는 축전지 선별후 조전지 구성(가)과 임의의 선택에 의한 조전지 구성(나)의 예를 나타낸 도면.

도 4 는 도 3 의 조전지 (가)와 (나)의 방전용량을 비교한 도면.

표 1 은 지수함수 최적화를 통해 얻은 반응인자중A ₂와 용량과의 관계를 나타낸 표.

전자기기의 휴대용 제품이 다양화되고 그 사용이 증가하면서 축전지의 사용요구가 급격히 증가하고 있는 실정이다. 휴대용 전자기기에 사용되는 축전지는 에너지 밀도가 높은 이차 전지를 사용하게 되는데 이들의 특징은 일정 전압 영역 내에서 충(방)전을 통해 사용되어야 하며 기술적으로 과충전, 과방전을 피해야 한다. 이런 문제를 극복하기 위해 보호회로가 부착된다.

이때 전원으로의 축전지 사용 개수에 따라 구분하기도 하는데 복수의 축전지를 직,병렬로 연결 사용한 경우를 조전지라 한다. 전자기기의 사용 전압과 전류가 적은 경우 단전지 만으로 운전시간을 보장할 수 있으나 휴대용 컴퓨터, 전기자동차와 같은 고전압 대전류 사용기기는 충분한 사용시간을 위해 조전지를 사용해야 한다.

그런데 조전지의 경우 충(방)전 특성이 상이한 축전지로 구성되면 충전 및 방전시 각각의 축전지 충(방)전 특성의 불균형으로 인하여 전체 조전지 성능을 저하시키고 용량을 감소시켜 조전지 이용률을 떨어뜨리게 된다. 특히 내부저항이 상이한 축전지로 구성된 조전지는 충(방)전이 진행됨에 따라 부하가 일부 축전지에 편중되는 경향이 있어 축전지를 손상시키고 전체 조전지의 특성 또한 저하시킨다.그러므로 조전지 구성시 용량별 분류 뿐 아니라 충(방)전 특성이 유사한 축전지를 분류하여 사용하는 것은 매우 중요하다. 이와 같이 충(방)전 특성이 유사한 축전지를 분류하는 작업은 조전지 구성에 꼭 필요한 작업이기는 하나 적지 않은 시간과 비용을 요구한다.

현재의 일반적인 방법은 충방전기를 이용하여 임의의 상태의 축전지를 만 충전시킨 후에 수 시간에 걸친 방전을 수행하여 방전곡선과 용량을 얻게 되는데, 이 방법은 시간이 오래 걸리며 방전용량 이외의 축전지특성을 나타내는 지표로 전환되지 못하므로 이용에는 한계가 있다.

본 특허에서는 생산에 이어 축전지 출하시 또는 출하된 축전지 입고시 전용량의 약 1/10에서 1/20 정도의 부분 충(방)전 실측 데이터 및 전압회복을 위한 전류회로 개방실험 데이터를 바탕으로 축전지를 선별하여 조전지를 구성할 수 있는 기준을 제공하는 것이다. 이런 짧은 시간의 충(방)전 데이터를 이용해 용량 및 충(방)전 특성별 선별이 가능한 이유는 다음 사실을 근거로 한다. 첫째, 충전 및 개방 또는 방전 및 개방 적용시 반응인자중 전압강하폭을 의미하는 지수함수의 계수와 축전지 방전용량은 명백한 상관관계가 있다. 둘째, 충(방)전 및 개방 적용시 반응인자중 축전지 반응속도를 의미하는 지수함수의 시상수는 축전지 방전용량과 명백한 상관관계가 있다.

위의 두 사항에 근거하여 명확한 반응인자를 구하기 위해 충(방)전 및 개방시 전압(V)의 변화를 시간(t)의 함수로 측정하고 식(1)과 같이 전압강하폭과 시간상수를 나타내는 지수함수의 계수,A _i 와 지수함수의 시상수,τ _i 를 갖는 복수의지수함수 선형결합에 근사한다.

충(방)전의 제어방법은 정전류, 정저항, 그리고 정전력 모드로 할 수 있으며 이는 각각 충(방)전시 전류를 일정하게, 부하를 일정하게, 전력을 일정하게 하는 충전 및 방전 조건 설정이다. 임의의 충전상태의 축전기에 적용할 수 있도록 하기 위해 축전지의 개방회로전압을 측정하여 축전지의 충전상태에 따라 개방회로 전압을 보정계수로A _i 와τ _i 를 보정하여 적용할 수 있다. 또, 축전지의 충(방)전 특성은 온도에 매우 민감하게 영향을 받으므로 온도를 보정계수로A _i 와τ _i 를 보정하여 적용할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 알고자 하는 축전지와 같은 종류의 축전지에 대하여 미리A _i 와τ _i 값에 대하여 용량과 방전 특성을 측정하여 참조데이터로 이용한다.

이 후 소정의 시간동안 충(방)전 및 개방 과정의 전압변화를 시간의 함수로 측정한다. 시간의 함수로 측정한 전압의 변화를 복수의 지수함수 선형결합에 최적화시켜 반응인자들을 구하고 참조데이터를 이용해 축전지의 용량을 구한다. 또, 일정범위의 반응인자 값을 갖는 축전지를 선별하고 이들로 조전지를 구성한다.

[실시예]

이하에 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

충(방)전 특성이 알려지지 않은 각형 리튬 이온전지 26개를 만 충전 상태에서부터 200mA로 300분 동안 방전시켜 각 축전지별 용량을 구하였다. 이후 개방 회로 전압이 3.77V에서 3.79V 범위로 충전된 각 축전지를 200mA로 15분간 방전시키고 이 후 전류회로를 개방하여 전압회복 실험을 통해 시간에 따른 전압 값을 구하고 두개의 지수함수 선형결합으로 각각 방전 및 개방구간에 대해 전압을 최적화시켜 각각 반응인자를 구하고 반응인자중 일부와 용량과의 관계를 구하였다. 도 1 은 방전 및 개방 적용시 시간에 따른 전압변화에 대해 두 개의 지수함수 선형결합을 이용해 최적화 시킨 도면을 보여준다. 표 1 에서 첫 번째 열은 각 축전지의 번호, 두 번째 열은 반응인자중 방전시 전압강하폭을 나타내는A ₂를 나타내고, 세 번째 열은 실측을 통해 얻은 각 축전지별 용량을 나타낸다. 도 2 는 표 1 의A ₂와 용량과의 명백한 상관관계를 보여준다. 방전 중 전압강하가 클수록 용량이 감소함을 알 수 있다. 도 3 에서 (가)는 축전지 번호 6번의 반응인자A ₂의 값을 기준으로 일정범위의 값을 갖는 축전지를 선별하여 직병렬 조전지를 구성한 경우이고 (나)는 임의의 축전지로 조전지를 구성한 경우이다. 각 축전지 번호는 표 1의 축전지 번호에 대응한다 도 4는 도 3의 조전지 (가)와 (나)의 방전곡선을 나타냈다. 조전지 (가)는 운전한계 10.8V에서 조전지 (나)에 비해 약 10%의 용량이득을 보인다.

상기한 바와 같이 본 발명은 축전지 용량뿐 아니라 반응인자가 고려된 축전지 선별을 단시간(30분 이내)내에 수행하고 이를 바탕으로 서로 균일한 동작 특성을 갖는 조전지를 구성함으로서 조전지의 용량을 증가하고, 충(방)전 특성을 향상시키고, 과충전, 과방전에 대한 안정성을 향상시킨다.

Claims (7)

1. 조전지를 구성하는 복수의 축전지가 균일한 동작 특성을 보이도록 하고 조전지의 용량을 증가시키기 위해 축전지를 선별하는 방법에 있어서,

   임의의 방전상태에 있는 복수의 축전지를 소정의 시간동안 부분충(방)전 과정 또는 부분충(방)전과 개방적용 과정에서 전압(V)의 변화를 시간(t)의 함수로 측정하여 이를 지수함수의 계수(A _i ) 와 지수함수의 시상수(τ _i ) 를 갖는 복수의 지수함수 선형결합에 근사하여A _i 와τ _i 를 축전지별 반응인자로 구하고, 구한 반응인자의 전부 혹은 일부 값 중 서로 유사한 값을 갖는 축전지를 선별하는 방법.
2. 복수의 축전지가 균일한 동작 특성을 보이도록 하고 조전지의 용량을 증가시키기 위해 조전지를 구성하는 방법에 있어서,

   임의의 방전상태에 있는 복수의 축전지를 소정의 시간동안 충(방)전과 개방적용과정에서 전압(V)의 변화를 시간(t)의 함수로 측정하여 이를 지수함수의 계수(A _i ) 와 지수함수의 시상수(τ _i ) 를 갖는 복수의 지수함수 선형결합에 근사하여 각 지수함수의 계수 및 시상수를 각 축전지별 반응인자로 구하고, 충(방)전에서 구한 지수함수의 계수A _i 값과 개방적용시 구한A _i 의 비율을 구하거나, 충(방)전에서 구한지수함수의 시상수τ _i 값과 개방적용시 구한τ _i 의 비율을 구하거나, 충(방)전에서 구한A _i (또는τ _i )의 합A(또는τ) 또는 개방 적용시 구한A _i (또는τ _i )의 합A(또는τ)중 서로 유사한 값을 갖는 축전지를 선별하여 조전지를 구성하는 방법.
3. 제 1, 2 항에 있어서, 축전지를 방전 또는 충전하는 과정이;

   정전류, 정저항 또는 정전력 방식의 충전 및 방전 과정임을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.
4. 제 1, 2 항에 있어서, 축전지를 방전 및 개방 또는 충전 및 개방하는 시간이;

   30분을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.
5. 제 1, 2 항에 있어서, 시간에 대한 전압의 변화를 세 개 이하의 지수함수 선형결합으로 근사함을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1, 2 항에 있어서, 지수함수의 반응인자들은 축전지의 개방회로전압을 측정하여 그 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.
7. 제 1, 2 항에 있어서, 지수함수의 반응인자들은 축전지의 온도를 측정하여그 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 축전지 선별 방법.