KR20090067054A - 전지 시험 장치 및 전지 시험 방법 - Google Patents

전지 시험 장치 및 전지 시험 방법 Download PDF

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KR20090067054A
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타카유키 카나이
하루오 우에무라
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가부시키가이샤 엔티티 도코모
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Abstract

본 발명은 휴대 전화기의 실제의 사용 형태에 의거하여 이차 전지의 충전 및 방전을 함으로써 부하를 주고, 충전 접속중의 휴대 전화기에 있어서의 이차 전지의 성능을 보다 정확하게 시험할 수 있는 상태로 한다.
AC 어댑터(1)에 의해 리튬 이온 전지(2)에 대하여 입력되는 입력 전력을 제어하는 충전 제어 회로(3)와, 리튬 이온 전지(2)로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 리튬 이온 전지(2)의 방전을 하는 무선 회로(4)를 구비하고, 리튬 이온 전지(2)가 만(滿)충전 상태에 달한 경우에, 충전 제어 회로(3)가 AC 어댑터(1)를 사용한 상기 리튬 이온 전지(2)의 충전을 정지시키면서 무선 회로(4)가 방전을 개시시키고, 리튬 이온 전지(2)가 소정의 충전 상태에 달한 경우에, 무선 회로(4)가 상기 리튬 이온 전지(2)의 방전을 정지시키면서 충전 제어 회로(3)가 AC 어댑터(1)를 사용한 상기 리튬 이온 전지(2)의 충전을 개시시킨다.
Figure P1020080127801
이차 전지, 리튬 이온 전지, 충전 수단, 출력 제어 수단, 온도 조정 수단

Description

전지 시험 장치 및 전지 시험 방법{Battery test apparatus and battery test method}
본 발명은, 충전 가능한 이차 전지에 대하여, 상기 이차 전지의 충전을 하는 충전수단을 사용한 충전과, 상기 이차 전지의 방전을 행하여 부하를 주어 시험하기 위한 전지 시험 장치 및 전지 시험 방법에 관한 것이다.
휴대 전화기의 멀티미디어 기능(예를 들면 메일의 송수신이나 텔레비전의 시청 등이 향상됨에 따라 휴대 전화기의 장시간 사용을 가능하게 하기 위해서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 휴대 전화기에 충전기(즉 AC 어댑터)를 접속함으로써, 충전하면서 동시에 사용하는 형태가 보인다. 도 1은 휴대 전화기(90)에 AC 어댑터(91)를 접속한 상태의 모식도이다. AC 어댑터(91)는, 다른쪽에 상용 전원(99)과 접속되어 있다. 대부분의 휴대 전화기(90)는, 이차 전지 팩으로서의 리튬 이온 전지(92)와, 충전 제어 회로(93)와, 전지의 방전을 하는 부하장치로서의 무선 회로(94)를 내부에 구비하고 있다.
휴대 전화기(90) 등의 대부분의 전자기기에 내장되어 있는 리튬 이온 전지(92)는, 전자기기의 사용 상태(예를 들면 충전 빈도나, 사용 횟수나, 사용 시의 주위 온도 등)에 따라서, 전지 용량이 저하(즉 전지의 용량 열화)하는 경향이나, 전지 내부의 물질(즉 활물질)의 열적 안정성이 저하되고, 전지 내부가 고온으로 된 경우 등에 열 폭주하기 쉬워지는 경향이 있다.
예를 들면, 상기한 바와 같이, 휴대 전화기(90)에 AC 어댑터(91)를 접속하여 충전하면서 사용하는 경우, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전압이 약 4.0V 내지 약 4.2V의 범위 내에 있는 것과 같은 높은 충전 상태가 유지된 채로 충전과 방전이 반복되기 때문에, 충전 가능량의 100%를 충전하는 데 필요한 충전량이 서서히 감소하고, 이차 전지로서의 리튬 이온 전지(92)의 용량 열화가 진행된다. 도 2는, 충전 접속중의 리튬 이온 전지(92)내에서 충전과 방전이 반복되는 경우의 전지 전압의 변화의 일례를 나타내는 그래프이다. 이렇게 충전 접속하면서 사용하는 경우, 전지 내에서는, 충전이 완료하면, 상기 무선 회로(94)의 작동에 필요한 전력이 리튬 이온 전지(92)로부터 무선 회로(94)에 대하여 방전된다. 그 결과, 전지 전압이 저하되고, 소정의 재충전 개시 전압 Vstart(예를 들면 도 2에서는 약 4.0V)에 달한 시점에서 충전이 재개되고, 이 사이클이 반복된다.
종래, 상기한 바와 같은 이차 전지의 용량 열화의 정도 등 이차 전지의 성능을 평가하는 시험을 하는 경우, 이차 전지의 완전 방전(즉 100% 방전)과 완전 충전(즉 100% 충전)을 하나의 사이클로 하고, 이 사이클을 반복하는 것에 의한 이차 전지 성능 시험은, 예를 들면, 특허문헌 1에 기재한 바와 같은 시험장치를 사용하여 행하여져 왔다.
[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 제(평)8-136600호
그러나, 이러한 종래의 전지 성능 시험에서는, 상기한 바와 같은 휴대 전화기에 AC 어댑터를 접속하여 충전 접속하면서 휴대 전화기를 사용하는 것과 같은 실제의 사용 형태는 고려되어 있지 않고, 이러한 종래의 전지 성능 시험에 의한 시험에서는 실제의 성능보다도 좋은 결과가 나와 버리기 때문에, 이차 전지의 성능을 보다 정확하게 평가할 수 없었다.
그래서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 휴대 전화기의 실제의 사용 형태에 의거하여 이차 전지의 충전 및 방전을 함으로써 부하를 주고, 충전 접속중의 휴대 전화기에 있어서의 이차 전지의 성능을 보다 정확하게 시험할 수 있는 상태로 하는 전지 시험 장치 및 전지 시험 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 전지 시험 장치는, 충전 가능한 이차 전지에 대하여, 상기 이차 전지의 충전을 하는 충전수단을 사용하여 충전할 수 있는 전지 시험 장치로서, 충전수단에 의해 이차 전지에 대하여 입력되는 입력 전력을 제어하는 입력 제어 수단과, 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 출력 제어 수단을 구비하고, 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에, 입력 제어 수단이 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 정지시키면서 출력 제어 수단이 상기 이차 전지의 방전을 개시시키고, 이차 전지가 소정의 충전 상태에 달한 경우에, 출력 제어 수단이 상기 이차 전지의 방전을 정지시키면서 입력 제어 수단이 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 개시시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전지 시험 장치에서는, 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에, 입력 제어 수단이 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 정지시키면서 출력 제어 수단이 상기 이차 전지의 방전을 개시시키고, 이차 전지가 소정의 충전 상태에 달한 경우에, 출력 제어 수단이 상기 이차 전지의 방전을 정지시키면서 입력 제어 수단이 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 개시시킨다. 이로써, 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에 이차 전지의 방전이 개시하고, 한편, 이차 전지가 소정의 충전 상태에 달한 경우에 이차 전지의 충전이 개시하고, 이 사이클이 반복된다. 따라서, 휴대 전화기에 예를 들면 AC 어댑터 등의 충전수단을 접속하여 충전하면서 사용하는 것과 같은 실제의 사용 형태에 의거하여 이차 전지의 충전 및 방전을 함으로써 부하를 주고, 충전 접속중의 휴대 전화기에 있어서의 이차 전지의 성능을 보다 정확하게 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다.
또한, 출력 제어 수단은, 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에, 만충전 상태의 전지 용량의 95%의 상태가 될 때까지 상기 이차 전지의 방전을 하는 것도 바람직하다. 이로써, 만충전 상태와, 만충전 상태의 전지 용량의 95%라는 높은 충전 상태와의 사이에서, 충전 및 방전이 반복되기 때문에, 이차 전지의 용량 열화가 보다 빨리 진행한다. 따라서, 보다 짧은 시간으로, 이차 전지의 성능을 보다 정확하게 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다.
또한, 이차 전지의 온도를 조정하는 온도 조정 수단을 더 구비하고, 입력 제어 수단은, 온도 조정 수단에 의해 조정된 온도의 이차 전지에 대하여 충전수단을 사용하여 입력되는 입력 전력을 제어하고, 출력 제어 수단은, 온도 조정 수단에 의해 조정된 온도의 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 것도 바람직하다. 이로써, 온도 조정 수단에 의해 조정된 온도의 이차 전지에 대한 입력 전력의 제어와, 출력 전력의 제어가 행하여진다. 따라서, 이차 전지의 성능에 대하여 주는 온도의 영향을 보다 정확하게 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다.
또한, 온도 조정 수단은, 이차 전지의 온도를 50℃로 유지하는 조정을 하고, 입력 제어 수단은 온도 조정 수단에 의해 조정된 50℃의 이차 전지에 대하여 충전수단을 사용하여 입력되는 입력 전력을 제어하고, 출력 제어 수단은, 온도 조정 수단에 의해 조정된 50℃의 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 것도 바람직하다. 이로써, 온도 조정 수단에 의해 조정된 5O℃의 이차 전지에 대한 입력 전력의 제어와, 출력 전력의 제어가 행하여진다. 따라서, 이차 전지의 성능에 대하여 주는 50℃라는 비교적 고온의 영향을 더욱 정확하게 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다.
또한, 출력 제어 수단에 의한 이차 전지의 방전과, 입력 제어 수단에 의한 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전이 반복됨으로써 상기 이차 전지의 전지 용량이 소정 용량에 달한 경우에, 온도 조정 수단은, 이차 전지의 온도를 150℃에서 3시간 유지하는 조정을 하는 것도 바람직하다. 이로써, 이차 전지의 방전 및 충전이 반복됨으로써 전지 용량이 소정 용량에 달한 경우에, 이차 전지의 온도가 150℃에서 3시간 유지된다. 따라서, 이러한 환경 하에 있는 이차 전지의 모양을 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다.
또한, 이차 전지의 방전과 충전이 반복됨으로써 상기 이차 전지의 전지 용량이, 상기 이차 전지와 동종류의 미사용 이차 전지의 전지 용량의 75%, 50%, 또는 25%의 어느 하나에 달한 경우에, 온도 조정 수단은, 상기 이차 전지의 온도를 150℃로 3시간 유지하는 조정을 하는 것도 바람직하다. 이로써, 이차 전지의 방전 및 충전이 반복됨으로써 전지 용량이 미사용 이차 전지의 전지 용량의 75%, 50%, 또는 25%의 어느 하나에 달한 경우에, 이차 전지의 온도가 150℃로 3시간 유지된다. 따라서, 이러한 환경 하에 있는 이차 전지의 모양을 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다.
또한, 온도 조정 수단은, 이차 전지의 온도를 150℃로 3시간 유지하는 조정을 하는 동안에 상기 이차 전지의 온도가 160℃ 이상으로 상승하는지 여부를 판정하고, 이 판정의 결과를 외부에 표시하는 것도 바람직하다. 이로써, 150℃ 근방이 되면 전지 구성 재료의 열분해가 개시하여 열 폭주가 단숨에 개시함으로써 160℃ 이상의 고온 상태가 되는 이차 전지에 관하여, 열분해가 개시하였는지 여부를 판정하여 판정 결과를 표시함으로써 160℃ 이상으로 상승하였는지 여부를 평가하는 것이 가능하게 된다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 전지 시험 방법은, 충전 가능한 이차 전지에 대하여, 상기 이차 전지의 충전을 하는 충전수단을 사용하여 충전 할 수 있는 전지 시험 방법으로서, 충전수단에 의해 이차 전지에 대하여 입력되는 입력 전력을 제어하는 입력 제어 스텝과, 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 출력 제어 스텝을 갖고, 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에, 입력 제어 스텝에서는 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 정지시키면서 출력 제어 스텝에서는 상기 이차 전지의 방전을 개시시키고, 이차 전지가 소정의 충전 상태에 달하는 경우에, 출력 제어 스텝에서는 상기 이차 전지의 방전을 정지시키면서 입력 제어 스텝에서는 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 개시시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전지 시험 방법에서는, 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에, 입력 제어 스텝에서는 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 정지시키면서 출력 제어 스텝에서는 상기 이차 전지의 방전을 개시시키고, 이차 전지가 소정의 충전 상태에 달한 경우에, 출력 제어 스텝에서는 상기 이차 전지의 방전을 정지시키면서 입력 제어 스텝에서는 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 개시시킨다. 이로써, 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에 이차 전지의 방전이 개시하고, 한편, 이차 전지가 소정의 충전 상태에 도달한 경우에 이차 전지의 충전이 개시하고, 이 사이클이 반복된다. 따라서, 휴대 전화기에 예를 들면 AC 어댑터 등의 충전수단을 접속하여 충전하면서 사용하는 것과 같은 실제의 사용 형태에 의거하여 이차 전지의 충전 및 방전을 함으로써 부하를 주고, 충전 접속중의 휴대 전화기에 있어서의 이차 전지의 성능을 더욱 정확하게 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 휴대 전화기의 실제의 사용 형태에 의거하여 이차 전지의 충전 및 방전을 함으로써 부하를 주고, 충전 접속중의 휴대 전화기에 있어서의 이차 전지의 성능을 보다 정확하게 평가할 수 있는 상태로 하는 전지 시험 장치 및 전지 시험 방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태를 설명한다. 또, 도면의 설명에 있어서 동일 요소에는 동일 부호를 붙이고, 중복하는 설명을 생략한다.
우선, 본 실시형태에 따른 전지 시험 장치(100)의 구성에 관해서, 도 3를 사용하여 설명한다. 도 3은 전지 시험 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 구성도이다. 전지 시험 장치(100)는, 리튬 이온 전지(2; 이차 전지)에 대하여, 이 리튬 이온 전지(2)의 충전을 하는 AC 어댑터(1; 충전수단)를 사용한 충전과, 이 리튬 이온 전지(2)의 방전을 행하여 부하를 주고, 충전 접속중의 리튬 이온 전지(2)의 성능을 보다 정확하게 시험할 수 있는 상태로 하기 위한 장치이다. 또, AC 어댑터(1)는, 한쪽에서 휴대 전화기(10)와 접속됨과 동시에, 다른쪽에 상용 전원(9)과 접속된다. 전지 시험 장치(100)는, 충전 제어 회로(3; 입력 제어 수단)와, 무선 회로(4; 출력 제어 수단)와, 온도 조정 장치(5; 온도 조정 수단)를 구비하고 있다.
리튬 이온 전지(2)는 충전 가능한 이차 전지이다. 리튬 이온 전지(2)의 대신에, 충전 가능한 이차 전지로서 리튬 중합체 전지 등을 사용하여도 좋다.
충전 제어 회로(3)는, 상용 전원(9)으로부터 AC 어댑터(1)에 의해서 리튬 이온 전지(2)에 대하여 입력되는 직류 전력(P2; 입력 전력)을 제어하는 회로이다. 충전 제어 회로(3)에 의한 직류 전력(P2)의 제어방식의 상세한 것에 대해서는 후술한다. 충전 제어 회로(3)는, AC 어댑터(1)로부터 출력되는 직류 전력(P1)중 직류 전력(P2)을, 리튬 이온 전지(2)에 대하여 입력시킨다.
무선 회로(4)는, 리튬 이온 전지(2)로부터 출력되는 출력 전력(P3)을 제어하여 리튬 이온 전지(2)의 방전을 하는 부하장치로서의 회로이다. 무선 회로(4)에 의한 출력 전력(P3)의 제어방식의 상세한 것에 대해서는, 후술한다. 무선 회로(4) 대신에, 부하 변동의 조정을 실현하는 회로(즉 저항 부하를 갖는 회로)로 하여도 좋다.
온도 조정 장치(5)는, 리튬 이온 전지(2)의 온도(동작 온도)를, 미리 설정된 임의의 온도로 유지하는 것과 같은 온도 조정(냉각 기능 및 가열 기능을 포함함)을 하는 장치이다. 온도 조정 장치(5)는, 서미스터(6) 및 온도 표시 장치(7)를 갖고 있다. 서미스터(6)는, 리튬 이온 전지(2)의 온도를 측정하는 장치이다. 또한, 온도 표시 장치(7)는, 서미스터(6)에 의해서 측정된 리튬 이온 전지(2)의 온도를 표시하는 장치이다.
다음에, 충전 제어 회로(3) 및 무선 회로(4)의 각각에 의한 전력제어방식에 관해서, 도 3을 사용하여 설명한다. 전지 시험 장치(100)에 끼워져 들어간 리튬 이온 전지(2)에 대하여 충전 제어 회로(3)로부터 직류 전력(P2)이 입력되어 충전이 행하여지고 있는 동안(입력 제어 스텝), 리튬 이온 전지(2)가 만충전 상태에 달한 경우에, 충전 제어 회로(3)가 AC 어댑터(1)를 사용한 리튬 이온 전지(2)의 충전을 정지시키면서, 충전 제어 회로(3)가 무선 회로(4)에 대하여 방전 개시 신호 Sdis를 송신하여 이것을 수신한 무선 회로(4)가 리튬 이온 전지(2)의 전력(P3)의 방전을 개시시킨다(출력 제어 스텝).
또 이 후에, 리튬 이온 전지(2)의 전압 Vb가 소정의 전압(상기한 재충전 개시 전압 Vstart) 상태에 달한 경우에, 충전 제어 회로(3)가 무선 회로(4)에 대하여 방전 정지 신호 Sdisstop을 송신하여 이것을 수신한 무선 회로(4)가 리튬 이온 전지(2)의 방전을 정지시키면서, 충전 제어 회로(3)가 AC 어댑터(1)를 사용한 리튬 이온 전지(2)의 충전을 개시시킨다. 여기에서, 소정의 전압(재충전 개시 전압 Vstart) 상태란, 리튬 이온 전지(2)의 충전을 개시시킬 필요가 생긴 상태이다.
이와 같이, 무선 회로(4)에 의한 리튬 이온 전지(2)의 방전과, 충전 제어 회로(3)에 의한 AC 어댑터(1)를 사용한 리튬 이온 전지(2)의 충전과의 각각이 1회씩 행하여지는 것을 하나의 사이클로 하고, 이 사이클이 반복된다.
다음에, 도 3에 의해서 도시되는 전력(P1 내지 P3)이나, 리튬 이온 전지(2)의 전지 전압 Vb(V) 및 충전 비율(즉 충전 상태) Qb(%) 등 각 지표의 변화에 관해서, 도 4를 사용하여 설명한다. 도 4는 이들 각 지표의 변화(동작 파형)를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 동작 시간을 나타내고, 종축은 각 지표의 크기를 나타낸다. 여기에서, 도 4에 있어서의 전지 전압 Vstart는, 리튬 이온 전지(2)의 재충전이 개시되는 전압이고, 전지 전압 Vstop은, 리튬 이온 전지(2)가 만충전 상태에 달한 경우의 최대 전압이고, 전력 Pstop은, 리튬 이온 전지(2)의 충전 종료의 타이 밍이 되는 충전 종지 전력이다.
우선, 리튬 이온 전지(2)가 만충전 상태에 달한 직후(타이밍 Ta)로부터, 만충전 상태의 전지 용량(즉 충전 용량)의 95%의 충전 상태가 되는 (타이밍 Tb)까지 리튬 이온 전지(2)의 방전이 행하여진다. 즉, 이 방전 기간(타이밍 Ta 내지 Tb)을 거쳐서, 만충전 상태(즉 Qb=100%)로부터, 전지 용량이 5%만큼 방전된 상태(즉 Qb=95%)로 되어 있다. 또, 만충전 상태로부터 5%만 방전하는 것을 DOD5%라고 정의하기로 한다.(DOD:Depth of Discharge 즉 방전 심도).
여기에서, 리튬 이온 전지(2)의 충방전 조건으로서, 재충전 개시 전압 Vstart는 약 4.0V(전지 용량 95%에 상당)이고, 리튬 이온 전지(2)의 충전 방법(정전류 CC+정전압 CV에 의한 2단계 충전)에 있어서의 정전류 CC 기간의 최대 전압 Vstop(즉 만충전 상태에 달한 경우의 최대 전압)는 약 4.2V이고, 정전압 CV 기간 종료 시에 있어서의 충전 종지 전력 Pstop는 약 0.21W(=4.2V×50mA, 여기에서 50mA는 정전압 CV 기간에 있어서의 일반적인 전지의 종지전류)이다.
또한, 리튬 이온 전지(2)의 전압이 재충전 개시 전압 Vstart인 약 4.0V까지 저하하면(타이밍 Tb), 충전 제어 회로(3)가, AC 어댑터(1)에 의해서 리튬 이온 전지(2)에 대하여 입력되는 직류 전력(P2)을 제어하고, 리튬 이온 전지(2)의 충전을 개시한다. 그리고, 리튬 이온 전지(2)의 전압은, 정전류 CC 기간에 있어서, 약 4.0V로부터 약 4.2V까지 상승하여 가기 때문에, 리튬 이온 전지(2)에 대하여 입력되는 직류 전력(P2)의 값도 상승해간다.
이 후, 리튬 이온 전지(2)의 전압이, 약 4.2V까지 상승한 시점에서 정전압 CV 기간으로 이행하고, 전압은 약 4.2V인 채로 일정하게 유지되면서, 리튬 이온 전지(2)에 대하여 직류 전력(P2)이 입력되는 충전 제어가 행하여진다. 이 때, 직류 전력(P2)은, 일정한 구배로 저하하여 가고, 충전 종지 전력 Pstop(= 0.21W)로 된 시점(타이밍 Tc)에서, 충전 제어가 정지한다. 여기에서, 충전 제어 회로(3)가 무선 회로(4)에 대하여 방전 개시 신호 Sdis를 송신하여(즉 ON으로 하여) 이것을 수신한 무선 회로(4)가 리튬 이온 전지(2)의 전력(P3)의 방전을 개시시킨다. 이 방전 기간(타이밍 Tc 내지 Td)에 있어서, 리튬 이온 전지(2)의 전압 Vb는 약 4.2V로부터 저하해 가고, 전압 Vb가 재충전 개시 전압 Vstart인 약 4.0V로 된 시점(타이밍 Td)에서, 충전 제어 회로(3)가 무선 회로(4)에 대하여 방전 정지 신호 Sdisstop를 송신하여(즉 Sdis를 OFF로 하고) 이것을 수신한 무선 회로(4)가 리튬 이온 전지(2)의 방전을 정지시키면서, 충전 제어 회로(3)가 AC 어댑터(1)를 사용한 리튬 이온 전지(2)의 충전을 개시시킨다.
이렇게, 무선 회로(4)에 의한 리튬 이온 전지(2)의 방전과, 충전 제어 회로(3)에 의한 AC 어댑터(1)를 사용한 리튬 이온 전지(2)의 충전과의 각각이 1회씩 행하여지는 것을 하나의 사이클로 하여, 이 사이클이 반복된다.
다음에, 도 3에 도시하는 전지 시험 장치(100)의 구성을 실현하기 위한 구체적인 회로 구성에 관해서, 도 5를 사용하여 설명한다. 도 5는 전지 시험 장치(100)의 구성을 실현하기 위한 구체적인 회로 구성을 설명하기 위한 회로도이다. 전지 시험 장치(100)의 구성을 실현하기 위해서, 스위치(21, 24), FET22(Field-Effect Transistor), 및 전류 검출 저항(23)이 형성되어 있다.
다음에, 도 5에 의해서 도시되는 전류 I1 내지 I3(A)나, 전압 V1, V2a, V2b(V)나, 리튬 이온 전지(2)의 전지 전압 Vb(V) 및 충전 비율(즉 충전 상태) Qb(%) 등 각 지표의 변화에 대하여, 도 6을 사용하여 설명한다. 도 6은 이들 각 지표의 변화(동작 파형)를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 동작시간을 나타내고, 종축은 각 지표의 크기를 나타내고 있다. 여기에서, 도 6에 있어서의 전지 전압 Vstart는, 리튬 이온 전지(2)의 재충전이 개시되는 전압이고, 전지 전압 Vstop은, 리튬 이온 전지(2)가 만충전 상태에 달한 경우의 최대 전압이다.
다음에, 리튬 이온 전지(2)의 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의 전지 용량의 저하(즉 전지의 용량 열화)의 정도에 대하여, 도 7을 사용하여 설명한다. 도 7은 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 1년간 행한 경우의 전지 용량의 정도를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 방전 심도(즉 DOD)를 나타내고, 열화 정도(%)를 나타내고 있다. 또, 여기에서는, 온도 조정 장치(5)를 사용하여, 리튬 이온 전지(2)의 온도를 약 50℃로 유지하고, 이것을 시험 온도로 하였다.
여기에서, 도 7은 방전 심도(즉 DOD)를 일정하게 한 사이클 시험 중에 있어서의 전지 용량의 저하 정도를 도시한다. 방전 심도는 5%로부터 100% 까지의 사이에 있어서 수단계의 값이 준비되고, 각각의 값으로 시험은 행하여졌다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 방전 심도(즉 방전량)가 작을수록(즉 5%에 근접할수록), 리튬 이온 전지(2)의 용량 열화의 정도(즉 열화량)가 커진다. 따라서, 방전 심도를 5%(즉 전지 용량이 만충전 상태인 경우의 95%까지 방전)로 하여 사이클 시험을 한 경우의 리튬 이온 전지(2)를, 용량 열화 정도가 최악으로 되는 최악치를 갖는 리튬 이온 전지(2)로서 규정할 수 있다.
다음에, 리튬 이온 전지(2)의 전지 전압 Vb(V)과 충전 비율(즉 충전 상태) Qb(%)와의 관계에 관해서, 도 8을 사용하여 설명한다. 도 8은 리튬 이온 전지(2)의 전지 전압 Vb(V)과 충전 비율(즉 충전 상태) Qb(%)와의 관계를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 동작 시간을 나타내고, 종축은 전지 전압 Vb 및 충전 비율 Qb의 크기를 나타내고 있다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 충전 비율 Qb가 95%(즉 DOD5%)에 상당하는 전압 Vb(예를 들면 약 4.0V)가 결정되면 , 이 전압 Vb가 재충전 개시 전압 Vstart가 된다.
다음에, 리튬 이온 전지(2)의 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 온도 변화에 의한 전지 용량의 저하(즉 전지의 용량 열화)의 정도의 변화에 관해서, 도 9를 사용하여 설명한다. 도 9는 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 1년간 행한 경우의, 온도 변화에 의한 전지 용량의 저하의 정도의 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 리튬 이온 전지(2)의 온도를 나타내고, 종축은 열화 정도(%)를 나타낸다. 여기에서는, DOD5%를 시험 조건으로 하고, 온도를 약 20℃, 약 30℃, 약 40℃, 및 약 50℃의 각각으로 유지하여 시험을 하였다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 약 20℃, 약 30℃, 및 약 40℃의 각각까지 상승시킨 경우에는 전지의 용량 열화는 거의 진행하지 않지만, 약 50℃의 경우에는 전지의 용량 열화는 급격하게 진행한다. 따라서, 리튬 이온 전지(2)의 온도를 약 50℃로 유지하여 시험함으로써, 전지의 용량 열화를 급격하게 진행시키는 것이 가능해진다.
다음에, 리튬 이온 전지(2)의 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경 우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지(2)의 온도 변화에 관해서, 도 10을 사용하여 설명한다. 도 10은 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지(2)의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 시험 시간을 나타내고, 종축은 온도 조정 장치(5)에 의한 설정 온도를 나타낸다. 여기에서는, 리튬 이온 전지(2)의 전지 용량이, 미사용 상태의 리튬 이온 전지(2)의 전지 용량(100%로 함)의 소정의 비율(예를 들면 75%)의 용량까지 용량 열화한 시점에서, 온도 조정 장치(5)가, 리튬 이온 전지(2)의 온도를 통상 시험 온도인 약 50℃로부터 약 150℃까지 상승시킨 후에, 3시간 유지하는 조정을 하고 있다. 여기에서, 리튬 이온 전지(2)의 온도가 자발적으로 변화하는 경우에 관한 설명에 대해서는 후술한다.
다음에, 리튬 이온 전지(2)의 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지(2)의 전지 용량의 변화에 관해서, 도 11을 사용하여 설명한다. 도 11은 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지(2)의 전지 용량의 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 시험 시간을 나타내고, 종축은 온도 조정 장치(5)에 의한 설정 온도를 나타내고 있다. 여기에서는, DOD5%를 시험 조건으로 하고, 온도를 약 50℃로 유지하여 시험을 하였다. 또한, 리튬 이온 전지(2)의 전지 용량이, 이 리튬 이온 전지(2)와 동일 종류 또한 동형(同型)의 미사용(즉 같은 형의 신품의) 리튬 이온 전지의 전지 용량의 75%, 50%, 또는 25%의 어느 하나에 달한 후에, 온도 조정 장치(5)가, 이 리튬 이온 전지(2)의 온도를 약 150℃로 3시간 유지하는 조정을 하고 있다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 미사용 전지의 상태(전지 용량을 100%로 함)로부터 대략 반년 경과하면 만충전 상태의 전지 용량에 비하여 전지 용량은 75%가 되어 열화하고, 미사용 전지의 상태로부터 약 1년 경과하면 만충전 상태의 전지 용량에 비하여 전지 용량은 50%가 되어 열화하고, 미사용 전지의 상태로부터 약 2년 경과하면 만충전 상태의 전지 용량에 비하여 전지 용량은 25%가 되어 열화한다. 따라서, 시험 시간을 조정함으로써, 전지의 용량 열화의 정도를 조정할 수 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 리튬 이온 전지(2)의 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지(2)의 온도 변화에 관해서, 도 12를 사용하여 설명한다. 도 12는 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지(2)의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이고, 횡축은 시험 시간을 나타내고, 종축은 온도 조정 장치(5)에 의한 설정 온도와, 전지 전압을 나타내고 있다. 여기에서는, 리튬 이온 전지(2)의 전지 용량이, 미사용 상태의 전지 용량(100%로 함)의 75%, 50%, 및 25%의 어느 한 각각의 충전 상태까지 용량 열화한 시점에서, 온도 조정 장치(5)가, 리튬 이온 전지(2)의 온도를 통상 시험 온도인 약 50℃로부터 약 150℃까지 상승시킨 후에, 3시간 유지하는 조정을 하고 있다.
여기에서, 온도 조정 장치(5)는, 리튬 이온 전지(2)의 온도를 약 150℃로 3시간 유지하는 조정을 하는 동안에, 이 리튬 이온 전지(2)의 온도가 약 160℃ 이상 으로 상승하는지의 여부를, 서미스터(6)를 사용하여 판정한다. 온도 조정 장치(5)는, 온도가 약 160℃ 이상으로 상승한 리튬 이온 전지(2)를, 휴대 전화기(10)에 사용하기에 부적격한 NG 전지로서 구별하여 그러한 내용을 온도 표시 장치(7)에 표시하고, 한편, 온도가 약 160℃ 이상으로 상승하지 않는(즉, 상승하더라도 약 160℃ 미만) 리튬 이온 전지(2)를, 휴대 전화기(10)에 사용하기에 적합한 OK 전지로서 구별하여 그러한 내용을 온도 표시 장치(7)에 표시한다.
이로써, 미사용 전지의 상태의 전지 용량의 75%, 50%, 및 25%의 어느 한 각각의 상태까지 용량 열화한 리튬 이온 전지(2)에 관하여, 약 150℃까지 가열한 경우라도 약 160℃ 이상으로 상승하지 않는 양품 전지(OK 전지)를 선별할 수 있다. 또, 미사용 상태의 전지 용량(100%로 함)의 리튬 이온 전지(2)의 경우는, 약 150℃까지의 가열을 즉석으로 행하고, 한편, 미사용 상태의 전지 용량의 75% 이하의 리튬 이온 전지(2)의 경우는, 소정의 전지 용량이 된 시점에서 가열을 개시한다.
여기에서, 리튬 이온 전지(2)의 열적 안정성에 관해서, 현상태의 리튬 이온 전지에서는, 약 150℃ 근방이 되면 전지 구성 재료의 열분해가 개시하여 열 폭주가 단숨에 개시함으로써 약 160℃ 이상의 고온 상태로 되는 경우가 있다. 따라서, 이 리튬 이온 전지(2)에 있어서, 약 150℃까지 가열하더라도, 이 열분해 및 열 폭주가 발생하지 않는(즉, 열분해 및 열 폭주가 발생하는지의 여부의 경계선인 온도 한계가 저하하지 않는) 것을 확인하는 것은, 중요한 안전성 확인 행위가 된다. 또, 리튬 이온 전지(2)가 약 150℃로 되는 경우로서, 예를 들면, 리튬 이온 전지(2)의 내부에서 내부 단락 등의 고장이 발생한 경우나, 리튬 이온 전지(2)의 외부 가열(튀 김기름 투하나, 더운 여름 날씨 하의 차 방치 등)된 경우 등을 들 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 전지 시험 장치(100)에서는, 리튬 이온 전지(2)가 만충전 상태에 달한 경우에, 충전 제어 회로(3)가 AC 어댑터(1)를 사용한 상기 리튬 이온 전지(2)의 충전을 정지시키면서 무선 회로(4)가 상기 리튬 이온 전지(2)의 방전을 개시시키고, 리튬 이온 전지(2)가 소정의 충전 상태에 도달한 경우에, 무선 회로(4)가 상기 리튬 이온 전지(2)의 방전을 정지시키면서 충전 제어 회로(3)가 AC 어댑터(1)를 사용한 상기 리튬 이온 전지(2)의 충전을 개시시킨다.
이로써, 리튬 이온 전지(2)가 만충전 상태에 달한 경우에 리튬 이온 전지(2)의 방전이 개시하고, 한편, 리튬 이온 전지(2)가 소정의 충전 상태에 달한 경우에 리튬 이온 전지(2)의 충전이 개시하고, 이 사이클이 반복된다. 따라서, 휴대 전화기(10)에 예를 들면 AC 어댑터(1)를 접속하여 충전하면서 사용하는 것과 같은 실제의 사용 형태에 의거하여 리튬 이온 전지(2)의 충전 및 방전을 함으로써 부하를 줌으로써, 충전 접속 중의 휴대 전화기(10)에 있어서의 리튬 이온 전지(2)의 성능을 보다 정확하게 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다. 이로써, 이 상태의 리튬 이온 전지(2)를 사용하여 성능을 평가하는 시험이 가능해진다. 또한, 온도 조정 장치(5)에 의해 조정된 온도의 리튬 이온 전지(2)에 대한 입력 전력의 제어와, 출력 전력의 제어가 행하여진다. 따라서, 리튬 이온 전지(2)의 성능에 대하여 주는 온도의 영향을 보다 정확하게 평가할 수 있는 상태로 할 수 있다. 이로써, 이 상태의 리튬 이온 전지(2)를 사용하여 성능을 평가하는 시험이 가능해진다.
또, 실제의 휴대 전화기(10)의 동작에 있어서는, 충전 기간과 방전 기간이 중복하고 있지만, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 등가적으로, 충전기간과 방전 기간을 분리하여 모델화하여 규정하고 있다. 바꿔 말하면, 리튬 이온 전지(2)에 있어서는, 충전 모드와 방전 모드가 분리되어 있고, 또한, 어느 한쪽의 모드에서만 동작하기 때문에, 상기한 바와 같이, 충전 모드와 방전 모드가 분리된 동작 패턴으로서 규정하고 있다.
도 1은 휴대 전화기에 AC 어댑터를 접속한 상태의 모식도.
도 2는 충전 접속중의 리튬 이온 전지 내에서 충전과 방전이 반복되는 경우의 전지 전압의 변화의 일례를 나타내는 그래프.
도 3은 전지 시험 장치의 구성을 설명하기 위한 구성도.
도 4는 전지 성능 시험에 있어서의 각 지표의 변화를 설명하기 위한 그래프.
도 5는 전지 시험 장치의 구성을 실현하기 위한 구체적인 회로 구성을 설명하기 위한 회로도.
도 6은 전지 시험 장치의 구성을 실현하기 위한 구체적인 회로 구성에 있어서의 각 지표의 변화를 설명하기 위한 그래프.
도 7은 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의 전지 용량의 저하의 정도를 설명하기 위한 그래프.
도 8은 리튬 이온 전지의 전지 전압 Vb와 충전 비율 Qb의 관계를 설명하기 위한 그래프.
도 9는 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 온도 변화에 의한 전지 용량의 저하의 정도의 변화를 설명하기 위한 그래프.
도 10은 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프.
도 11은 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지의 전지 용량의 변화를 설명하기 위한 그래프.
도 12는 충전과 방전을 반복하는 사이클 시험을 한 경우의, 시험 시간의 변화에 의한 리튬 이온 전지의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1, 91: AC 어댑터 2, 92: 리튬 이온 전지
3, 93: 충전 제어 회로 4, 94: 무선 회로
5: 온도 조정 장치 6: 서미스터
7: 온도 표시 장치 9, 99: 상용 전원
10, 90: 휴대 전화기 21, 24: 스위치
23: 전류 검출 저항 100: 전지 시험 장치
Sdis: 방전 개시 신호 Sdisstop: 방전 정지 신호
Ta 내지 Td: 타이밍

Claims (8)

  1. 충전 가능한 이차 전지에 대하여, 상기 이차 전지의 충전을 하는 충전수단을 사용하여 충전할 수 있는 전지 시험 장치로서,
    상기 충전수단에 의해 상기 이차 전지에 대하여 입력되는 입력 전력을 제어하는 입력 제어 수단과,
    상기 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 출력 제어 수단을 구비하고,
    상기 이차 전지가 만(滿)충전 상태에 달한 경우에, 상기 입력 제어 수단이 상기 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 정지시키면서 상기 출력 제어 수단이 상기 이차 전지의 방전을 개시시키고,
    상기 이차 전지가 소정의 충전 상태에 달한 경우에, 상기 출력 제어 수단이 상기 이차 전지의 방전을 정지시키면서 상기 입력 제어 수단이 상기 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 개시시키는 것을 특징으로 하는 전지 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 제어 수단은, 상기 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에, 만충전 상태의 전지 용량의 95%의 상태가 될 때까지 상기 이차 전지의 방전을 하는 것을 특징으로 하는, 전지 시험 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 온도의 조정을 하는 온도 조정 수단을 더 구비하고,
    상기 입력 제어 수단은, 상기 온도 조정 수단에 의해 조정된 온도의 상기 이차 전지에 대하여 상기 충전수단을 사용하여 입력되는 입력 전력을 제어하고,
    상기 출력 제어 수단은, 상기 온도 조정 수단에 의해 조정된 온도의 상기 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 것을 특징으로 하는, 전지 시험 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도 조정 수단은, 상기 이차 전지의 온도를 50℃로 유지하는 조정을 하고,
    상기 입력 제어 수단은, 상기 온도 조정 수단에 의해 조정된 50℃의 상기 이차 전지에 대하여 상기 충전수단을 사용하여 입력되는 입력 전력을 제어하고,
    상기 출력 제어 수단은, 상기 온도 조정 수단에 의해 조정된 50℃의 상기 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 것을 특징으로 하는, 전지 시험 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 출력 제어 수단에 의한 상기 이차 전지의 방전과, 상기 입력 제어 수단에 의한 상기 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전이 반복됨으로써 상기 이차 전지의 전지 용량이 소정 용량에 달한 경우에, 상기 온도 조정 수단은, 상기 이차 전지의 온도를 150℃로 3시간 유지하는 조정을 하는 것을 특징으로 하는, 전지 시험 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 방전과 충전이 반복됨으로써 상기 이차 전지의 전지 용량이, 상기 이차 전지와 동종류의 미사용 이차 전지의 전지 용량의 75%, 50%, 또는 25%의 어느 하나에 달한 경우에, 상기 온도 조정 수단은, 상기 이차 전지의 온도를 150℃로 3시간 유지하는 조정을 하는 것을 특징으로 하는, 전지 시험 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 온도 조정 수단은, 상기 이차 전지의 온도를 150℃로 3시간 유지하는 조정을 하는 동안에 상기 이차 전지의 온도가 160℃ 이상으로 상승하는지 여부를 판정하고, 이 판정의 결과를 외부에 표시하는 것을 특징으로 하는, 전지 시험 장치.
  8. 충전 가능한 이차 전지에 대하여, 상기 이차 전지의 충전을 하는 충전수단을 사용하여 충전할 수 있는 전지 시험 방법으로서,
    상기 충전수단에 의해 상기 이차 전지에 대하여 입력되는 입력 전력을 제어하는 입력 제어 스텝과,
    상기 이차 전지로부터 출력되는 출력 전력을 제어하여 상기 이차 전지의 방전을 하는 출력 제어 스텝을 갖고,
    상기 이차 전지가 만충전 상태에 달한 경우에, 상기 입력 제어 스텝에서는 상기 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 정지시키면서 상기 출력 제어 스텝로서는 상기 이차 전지의 방전을 개시시키고,
    상기 이차 전지가 소정의 충전 상태에 달한 경우에, 상기 출력 제어 스텝에서는 상기 이차 전지의 방전을 정지시키면서 상기 입력 제어 스텝에서는 상기 충전수단을 사용한 상기 이차 전지의 충전을 개시시키는 것을 특징으로 하는 전지 시험 방법.
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