KR20100016344A - 전원 시스템 및 배터리 팩의 충전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2차 전지로 이루어지는 전원 시스템 및 배터리 팩의 충전 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 간이한 정전압 충전기를 이용하더라도 전원인 배터리 팩을 열화시키지 않는 기술에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 단위 중량당 에너지 밀도가 납 축전지보다 높은 2차 전지를 정전압으로 충전하는 경우에 있어서, 과충전에 의해 2차 전지가 변형할 우려를 저감하고, 안전성을 향상시킬 수 있는 전원 시스템, 및 충전 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은, 복수의 소전지가 직렬로 접속된 배터리 팩과, 상기 배터리 팩에, 일정한 정격 충전 전압 Vc을 인가하여 충전하는 정전압 충전기를 구비한 전원 시스템 및 배터리 팩의 충전 방법에 있어서, 상기 복수의 소전지에 있어서의 각각의 평균 방전 전압의 합계인 합계 전압 Vx, 및 상기 정격 충전 전압 Vc을, 0.98Vx≤Vc≤1.15Vx의 관계를 만족시키도록 설정하는 것이다.
Description
본 발명은 2차 전지로 이루어지는 전원 시스템 및 배터리 팩(battery pack)의 충전 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 간이한 정전압 충전기를 이용하더라도 전원인 배터리 팩을 열화시키지 않는 기술에 관한 것이다.
니켈 수소 축전지나 니켈 카드뮴 축전지 등의 알칼리 축전지, 및 리튬 이온 2차 전지나 리튬 폴리머 2차 전지 등의 비수전해질 2차 전지는, 납 축전지보다 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에, 차량이나 휴대기기 등의 이동체가 구비하는 전원으로서 주목되고 있다. 특히 최근, 상술한 2차 전지를 직렬로 접속하여 배터리 팩을 구성하고, 레이싱용 차량 등의 전원으로서 활용하는 작업이 이루어지고 있다.
차량용 전원은, 시동시에 셀 스타터로서 대전류로 방전되는 한편, 차량의 운전시에 발전기(정전압 충전기)로부터 보내어지는 전류를 받아들여 충전된다. 납 축전지는 비교적 대전류에 의한 충방전에 적합한 반응 기구를 갖고 있지만, 상술한 2차 전지는 반응 기구의 관계상, 대전류에 의한 충방전에 적합하다고는 말하기 어렵 다. 구체적으로는 이들의 2차 전지는 충전 말기에서 각각 이하와 같은 약점을 갖는다.
우선 니켈 수소 축전지나 니켈 카드뮴 축전지 등의 알칼리 축전지의 경우, 충전 말기에 양극으로부터 산소 가스가 발생한다. 또한, 분위기 온도가 높아지면 양극으로부터 산소 가스가 발생하는 전압(산소 과전압)이 저하된다. 가령 산소 과전압이 V1까지 저하된 n개의 알칼리 축전지를 정전압 충전기(정격 충전 전압 V2)가 충전할 때에, V2>nV1의 관계를 만족시켜 버리면, 충전이 종료하지 않고 산소 가스가 계속 발생하고, 배터리 팩을 구성하는 개개의 2차 전지(소전지(unit cell))가 전지 내압 상승에 의해 변형할 우려가 있다.
다음으로 리튬 이온 2차 전지나 리튬 폴리머 2차 전지 등의 비수전해질 2차 전지의 경우, 충전 말기에 비수전해질을 포함하는 전해액이 분해하기 쉽게 된다. 또한, 분위기 온도가 높아지면 이 경향이 현저해지고, 배터리 팩을 구성하는 소전지(unit cell)가 전지 내압 상승에 의해 변형할 우려가 있다.
이러한 2차 전지를 과충전에 의한 변형으로부터 보호하기 위해서, 2차 전지의 단자 전압이나 온도를 감시하여, 단자 전압이나 온도가 소정의 판정값을 초과한 경우에, 2차 전지의 충방전 경로를 차단하는 것으로, 2차 전지를 보호하는 안전 회로가 알려져 있다. 그러나 차량용 전원으로서 사용되는 2차 전지의 경우, 하기의 이유에 의해 충방전 경로를 차단하는 것이 허용되지 않는다.
즉, 차량용 전원으로서 사용되는 2차 전지는, 차량에 탑재되어 있는 발전기 에 의해 충전된다. 차량에 탑재된 발전기의 발전량은 차량의 주행 상태에 따라 변동한다. 그 때문에, 차량용의 2차 전지는, 발전기의 발전량이 과잉으로 되었을 때는, 과잉의 전력을 충전하는 것으로 과잉의 전력을 흡수하고, 차량내의 부하 회로로 공급되는 전압을 안정화시키는 역할을 갖고 있다. 또한, 엔진을 운전할 때에, 스파크 플러그의 점화용 전력도 2차 전지로부터 공급된다.
그 때문에, 2차 전지의 과충전을 방지하기 위해서 2차 전지의 충방전 경로를 차단하면, 발전기의 발전량이 과잉으로 되었을 때에, 과잉의 전력이 흡수되지 않고 전압이 상승하여 차량 내의 부하 회로로 공급되고, 부하 회로를 손상하거나, 엔진이 정지하여 버리거나 할 우려가 있다. 이러한 이유에 의해, 차량용의 전원으로서 사용되는 2차 전지의 경우, 충방전 경로를 차단하는 것이 허용되지 않는다.
이러한 과제를 해결하기 위해서는, 특허문헌 1에 나타낸 바와 같이, 전원으로서 이용하는 배터리 팩의 충전이 완료한 시점에서, 그 이상의 전류를 별도의 회로(측류 회로)로 통과시키는 것이 유효하다고 생각된다.
차량탑재 기술로서 특허문헌 1을 전용하는 경우, 측류 회로는 이하의 2개의 형태로서 구현화할 수 있다. 제 1 형태는, 차량탑재된 다른 전동기기(램프나 카 스테레오, 카 쿨러 등)로 전류를 공여하는 형태로 측류 회로를 구성하는 형태이다. 제 2 형태는, 단지 전류를 소비하는 저항체로 전류를 공여하는 형태로 측류 회로를 구성하는 형태이다.
그러나, 특허문헌 1에 기재의 기술에서는, 제 1 형태를 채용하면, 정전압 충전기가 상술한 전동기기에 과도한 전류를 공급하여 이들 전동기기를 고장낼 우려가 있다. 또한 제 2 형태를 채용하면, 저항체가 전류를 소비할 때에 발생시키는 열이 상술한 2차 전지의 분위기 온도를 높이게 되기 때문에, 소전지가 변형할 우려가 증대한다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제07-059266호 공보
본 발명의 목적은, 단위 중량당 에너지 밀도가 납 축전지보다 높은 2차 전지를 정전압으로 충전하는 경우에 있어서, 과충전에 의해 2차 전지가 변형할 우려를 저감하고, 안전성을 향상시킬 수 있는 전원 시스템, 및 충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전원 시스템은, 복수의 소전지가 직렬로 접속된 배터리 팩과, 상기 배터리 팩에, 일정한 정격 충전 전압 VC를 인가하여 충전하는 정전압 충전기를 구비하고, 상기 복수의 소전지에 있어서의 각각의 평균 방전 전압의 합계인 합계 전압 Vx, 및 상기 정격 충전 전압 VC는, 0.98Vx≤VC≤1.15Vx의 관계를 만족시키도록 설정되어 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 복수의 소전지가 직렬로 접속되고, 상기 복수의 소전지에 있어서의 각각의 평균 방전 전압의 합계가 합계 전압 Vx인 배터리 팩을, 0.98Vx≤VC≤1.15Vx의 관계를 만족시키는 일정한 정격 충전 전압 VC에 의해 충전한다.
이 구성에 의하면, 단위 중량당 에너지 밀도가 납 축전지보다 높은 2차 전지를 정전압으로 충전하는 경우에 있어서, 과충전에 의해 2차 전지가 변형할 우려를 저감하여, 안전성을 향상시킬 수 있는 전원 시스템, 및 충전 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상술한 관계를 만족시키도록 전원 시스템을 구축하고, 또는 배터리 팩을 충전함으로써, 단위 중량당 에너지 밀도는 높지만 충전 말기에 과제를 갖는 2차 전지를, 간이한 정전압 충전기와 무리없이 조합하여 활용할 수 있게 된다.
도 1은 니켈 수소 축전지의 상온에서의 충방전시의 단자 전압의 거동을 나타내는 도면,
도 2는 리튬 이온 2차 전지의 상온에서의 충방전시의 단자 전압의 거동을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전원 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대하여, 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은 양극 활물질로서 수산화니켈을 이용하고, 음극 활물질로서 수소흡장합금(水素吸藏合金)을 이용한 니켈 수소 축전지의 상온(20℃~25℃)에서의 충방전 시의 단자 전압의 거동을 나타내는 도면이다. 도 2는 양극 활물질로서 코발트산리튬을 이용하여, 음극 활물질로서 흑연을 이용한 리튬 이온 2차 전지의 상온에서의 충방전시의 단자 전압의 거동을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전원 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 3에 나타내는 전원 시스템(3)은, 예컨대, 차량탑재용의 전원 시스템이다. 전원 시스템(3)은, 정전압 충전기(1)에 배터리 팩(2)이 접속되어 구성되어 있다. 그리고, 전원 시스템(3)에 접속된 차량탑재 기기(4)로 정전압 충전기(1) 및 배터리 팩(2)의 출력 전압이 공급되게 되어 있다.
정전압 충전기(1)는, 예컨대, 차량에 탑재된 발전기이다. 그리고, 정전압 충전기(1)는, 발전된 전압을 안정화하여, 미리 설정된 정격 충전 전압 VC로서, 배터리 팩(2), 및 차량탑재 기기(4)로 공급한다.
배터리 팩(2)은, 소전지가 복수 직렬 접속되어 구성되어 있다. 또, 각 소전지는, 각각 복수의 소전지가 병렬 접속된 것이더라도 좋다. 그리고, 정전압 충전기(1)의 발전 전력에 잉여가 있을 때는, 배터리 팩(2)의 양단에, 정전압 충전기(1)로부터 출력된 정격 충전 전압 VC가 인가되어, 배터리 팩(2)이 정전압 충전되게 되어 있다. 또한, 정전압 충전기(1)의 발전 전력이 부족할 때는, 배터리 팩(2)으로부터 차량탑재 기기(4)로 전력이 공급되게 되어 있다.
차량탑재 기기(4)는, 예컨대, 차량의 엔진을 시동시키기 위한 셀 스타터나, 라이트, 카 내비게이션 장치 등의 부하 장치이다.
이하, 후술하는 제 1~제 20 실시형태에 따른 전원 시스템은, 도 3에 나타내는 전원 시스템(3)에 있어서, 배터리 팩(2)을 구성하는 소전지의 종류, 개수, 및 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압 VC를, 적절히 설정하는 것에 의해 구성되어 있다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전원 시스템은, 배터리 팩(2)과, 배터리 팩(2)을 충전하는 정전압 충전기(1)를 포함하는 전원 시스템으로서, 배터리 팩(2)을 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개 직렬로 된 구성으로 하고, 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압 VC를 0.98nAVA≤VC≤1.15nAVA의 범위로 하는 것이다.
이 경우, nAVA가 합계 전압 Vx의 일례에 상당하고 있다.
도 1에서, 그래프 G1은 충전시의 거동을 나타내고, 그래프 G2는 방전시의 거동을 나타내고 있다. 또한, 그래프 G1에 있어서의 충전 전류, 및 그래프 G2에 있어서의 방전 전류는 모두 1It이다.
니켈 수소 축전지는 충전 깊이(SOC)가 20%로 낮은 영역으로부터 80%로 높은 영역까지, 비교적 평탄한 충방전 전압을 나타낸다. SOC가 90%를 초과하는 충전 말기에 달하면 충전 전압은 급격히 상승하지만, 100% 근방에서는 오히려 충전 전압은 저하된다. 이 현상은 양극(陽極)으로부터 과충전시에 산소 가스를 발생시키는 현상에 따르는 것이며, 산소 과전압이라고 불린다. 상술한 바와 같이 분위기 온도의 상승에 따라 산소 과전압은 하강하는 경향이 있다.
즉, 충전 전압의 급격한 상승이 생긴 후, 충전 전압이 저하되기 시작할 때에 는, 이미, 산소 가스가 발생하고 있다. 이렇게 하여 끊임없이 산소 가스가 발생하는 것에 의한 내부 압력의 증대에 의해, 소전지가 변형하는 것을 회피하기 위해서는, 상온에 있어서 평탄한 충전 전압을 나타내는 SOC의 범위 내에서, 정전압 충전기(1)에 의한 충전을 정지해야 한다.
도 2에서, 그래프 G3는 충전시의 단자 전압의 거동을 나타내고, 그래프 G4는 방전시의 단자 전압의 거동을 나타내고 있다. 또한, 그래프 G3에서의 충전 전류, 및 그래프 G4에 있어서의 방전 전류는 모두 1It이다.
리튬 이온 2차 전지는 SOC가 10%로 낮은 영역에서 80%로 높은 영역까지, SOC가 증대함에 따라 충방전 전압이 비교적 완만히 상승한다. 그리고, SOC가 90%를 초과하는 충전 말기에 달하면 충전 전압은 급격히 상승하고, 비수전해질을 포함하는 전해액의 성분(주로 카보네이트)가 분해하기 쉽게 된다. 상술한 바와 같이 분위기 온도의 상승에 따라 전해액의 성분은 더 분해하기 쉽게 되는 경향이 있다.
따라서, 전해액의 분해에 의해 발생하는 가스에 의한 소전지의 변형을 회피하기 위해서는, 충전 전압이 급격히 상승하기 전에, 상온에 있어서 평탄한 충전 전압을 나타내는 SOC의 범위 내에서, 정전압 충전기에 의한 충전을 정지해야 한다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전원 시스템은, 평균 방전 전압이 VA인 2차 전지의 소전지 A가 nA개 직렬로 접속된 배터리 팩(2)과, 배터리 팩(2)에, 일정한 정격 충전 전압 VC를 인가하여 정전압 충전하는 정전압 충전기(1)를 구비하고 있다. 그리고, 소전지 A의 개수 nA, 및 정격 충전 전압 VC는, 0.98nAVA≤VC≤1.15nAVA의 관 계를 만족시키도록 설정되어 있다.
이러한 구성에 의해, 제 1 실시형태에 따른 전원 시스템에서는, 예컨대, 안전 회로를 이용하여 배터리 팩(2)의 외부에서 충방전 경로를 차단하거나 하지 않고, 배터리 팩(2)의 단자 전압과 정격 충전 전압 VC의 밸런스에 의해, 자동적으로 충전이 정지하게 되어 있다.
따라서, 정전압 충전기(1)로서, 과충전의 방지 기능을 갖지 않는 발전기나 정전압 전원 등의 간이한 정전압 충전기를 이용하여 배터리 팩(2)을 정전압으로 충전한 경우이더라도, 과충전에 의해 2차 전지가 변형할 우려를 저감하고, 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제 1 실시형태에 따른 전원 시스템은, 배터리 팩(2)의 충방전 경로를 차단하지 않고, 과충전에 의해 2차 전지가 변형할 우려를 저감할 수 있기 때문에, 차량탑재용의 전원 시스템에 적합하다.
일례로서, 도 1에 나타내는 니켈 수소 축전지(평균 방전 전압 VA=1.23V)를 10개 직렬로 접속한 배터리 팩(2)으로 이루어지는 전원 시스템에서는, 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압 VC가, 12.1V~14.1V의 범위로 설정되어 있다. 이 구성에 있어서, 혹시 가령 정격 충전 전압 VC가 12.1V(0.98nAVA에 상당) 미만의 정전압 충전기를 이용한 경우, 전지 하나당 충전 전압이 1.21V 미만으로 되어, 배터리 팩(2)을 거의 충전할 수 없게 될 우려가 있는 것을 실험적으로 발견했다.
반대로 이 구성에 있어서, 혹시 가령 정격 충전 전압 VC가 14.1V(1.15nAVA에 상당)를 초과하는 정전압 충전기(1)를 이용한 경우, 배터리 팩(2)을 구성하는 소전지가 고온하에서 전지 내압의 상승에 따라 변형, 누액할 우려가 있는 것을 실험적으로 발견했다.
마찬가지로 일례로서, 도 2에 나타내는 리튬 이온 2차 전지(평균 방전 전압 VA=3.58V)을 3개 직렬로 접속한 배터리 팩(2)으로 이루어지는 전원 시스템(3)에서는, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC가 10.5V~12.4V의 범위로 설정된다. 이 구성에 있어서, 혹시 가령 정격 충전 전압 VC가 10.5V(0.98nAVA에 상당) 미만의 정전압 충전기를 이용한 경우, 전지 하나당 충전 전압이 3.5V 미만으로 되어, 배터리 팩을 거의 충전할 수 없게 될 우려가 있는 것을 실험적으로 발견했다.
반대로 이 구성에 있어서 정격 충전 전압 VC가 12.4V(1.15nAVA에 상당)을 초과하는 정전압 충전기를 이용한 경우, 배터리 팩을 구성하는 소전지가 고온하에서 전지 내압의 상승에 따라 변형, 누액할 우려가 있는 것을 실험적으로 발견했다.
또한, 도 1 및, 도 2로부터 알 수 있듯이, 니켈 수소 축전지나 리튬 이온 2차 전지 등의 소전지의 방전 전압은 충전 전압과의 상관성이 높고, 또한 SOC이 20~80%의 영역이면 충전 종지 전압이 5% 정도 변화되더라도 평균 방전 전압은 거의 변화하지 않다. 이와 같이, 평균 방전 전압에는, 이들의 전지의 종류마다의 특성이 잘 반영되어 있기 때문에, 평균 방전 전압을, 과충전에 의해 2차 전지가 변형할 우려를 저감하는 것이 가능한 정격 충전 전압 VC를 설정하기 위한 기준값으로서 적합 하게 이용할 수 있다.
이하에 소전지의 평균 방전 전압을 구하는 방법의 일례를 나타낸다. 소전지로서 알칼리 축전지를 이용하는 경우, 이 소전지를 1ItA(여기서 1ItA는 전지의 이론 용량을 1시간으로 나누어 얻어지는 전류값)의 전류값으로 SOC 120%에 도달할 때까지 정전류 충전을 행하고, 그 후에 1ItA에서 1V에 도달할 때까지 정전류 방전을 행하여 방전 용량을 구하고, 이 방전 용량이 50%의 시점에서의 방전 전압을 평균 방전 전압으로서 규정할 수 있다.
또한 소전지로서 비수전해질 2차 전지를 이용하는 경우, 이 소전지를 1ItA의 전류값으로 4.2V에 도달할 때까지 정전류 충전을 행하고, 그 후에 1ItA에서 3V에 도달할 때까지 정전류 방전을 행하여 방전 용량을 구하고, 이 방전 용량이 50%의 시점에서의 방전 전압을 평균 방전 전압으로서 규정할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전원 시스템은, 제 1 실시형태에 있어서, 평균 방전 전압 VA의 대신에, 소전지 A의 공칭전압(公稱電壓)을 이용한다. 전지 제조업자가 공표하고 있는 각 전지의 공칭전압은, 평균 방전 전압 VA와 거의 같기 때문에, 평균 방전 전압 VA의 대신에 공칭전압을 이용한 경우이더라도, 거의 같은 효과가 얻어진다.
본 발명의 제 3 실시형태에 따른 전원 시스템은, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 소전지 A로서 니켈 수소 축전지 및/또는 니켈 카드뮴 축전지를 이용한 전원 시스템이다. 상술한 알칼리 축전지는 납 축전지보다 중량당 에너지 밀도가 높고 또한 전압이 평탄한 SOC 영역이 넓고 비수전해질 2차 전지보다 급속 충방전 특성이 우수하다고 하는 이점을 갖는다.
본 발명의 제 4 실시형태에 따른 전원 시스템은, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 배터리 팩(2)을 구성하는 소전지 A로서 비수전해질 2차 전지를 이용한 전원 시스템이다. 비수전해질 2차 전지는 납 축전지뿐만 아니라 알칼리 축전지보다 중량당 에너지 밀도가 높고 또한, 전압이 평탄한 SOC 영역이 넓다고 하는 이점을 갖는다.
본 발명의 제 5 실시형태에 따른 전원 시스템은, 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용한 전원 시스템이다. 코발트산리튬 등의 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 양극의 활물질로 이용한 비수전해질 2차 전지는, 전압이 평탄한 SOC 영역이 매우 넓고, 또한 방전 전압이 높다고 하는 이점을 갖는다.
본 발명의 제 6 실시형태에 따른 전원 시스템은, 배터리 팩(2)과, 배터리 팩(2)을 충전하는 정전압 충전기(1)를 포함하는 전원 시스템이다. 그리고, 배터리 팩(2)은, 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개와 평균 방전 전압 VB의 소전지 B가 nB개 직렬로 접속되어 구성되어 있다. 또한, 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압 VC가 0.98(nAVA+nBVB)≤VC≤1.15(nAVA+nBVB)의 범위로 설정되어 있다.
이 경우, (nAVA+nBVB)가, 합계 전압 Vx의 일례에 상당하고 있다.
이와 같이 구성된 전원 시스템에 의하면, 제 1 실시형태와 같은 효과가 얻어 진다. 또한, 상술의 제 1 실시형태와 같이, 단일의 전지계만으로 배터리 팩(2)을 구성하는 것이 아니고, 평균 방전 전압이 서로 다른 전지계를 병용함으로써, 조합에 의해 얻어지는 정격 충전 전압 VC의 전압 범위의 선택의 폭이 넓어지기 때문에, 예컨대, 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압이 미리 고정적으로 결정되어 있는 경우에도, 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압에 적합하게 하여, 여러가지의 출력 전압을 갖는 배터리 팩(2)을 구성할 수 있다.
제 6 실시형태에 따른 전원 시스템의 일례는, 도 1에 나타내는 니켈 수소 축전지(평균 방전 전압 VA=1.23V)를 3개와, 도 2에 나타내는 리튬 이온 2차 전지(평균 방전 전압 VB =3.58V)를 2개 직렬로 접속한 배터리 팩(2)으로 이루어지는 전원 시스템이다.
이와 같이 구성된 전원 시스템에서는, 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압 VC가 10.6V~12.5V의 범위로 설정된다. 이 구성에 있어서 정격 충전 전압 VC가 10.6V(0.98(nAVA+nBVB)에 상당) 미만인 정전압 충전기(1)를 이용한 경우, 배터리 팩(2)을 거의 충전할 수 없게 될 우려가 있는 것을 실험적으로 발견했다.
또한, 반대로 이 구성에 있어서 정격 충전 전압 VC가 12.5V(1.15(nAVA+nBVB)에 상당)을 초과하는 정전압 충전기(1)를 이용한 경우, 배터리 팩(2)을 구성하는 소전지가 고온하에서 전지 내압의 상승에 따라 변형, 누액할 우려가 있는 것을 실험적으로 발견했다.
본 발명의 제 7 실시형태에 따른 전원 시스템은, 본 발명의 제 6 실시형태에 있어서, 평균 방전 전압 VA, VB의 대신에, 소전지 A, B의 공칭전압을 이용한다. 전지 제조업자 AB가 공표하고 있는 각 전지의 공칭전압은, 평균 방전 전압 VA, VB와 거의 같기 때문에, 평균 방전 전압 VA, VB의 대신에 소전지 A, B의 공칭전압을 이용한 경우에도, 제 6 실시형태와 거의 같은 효과가 얻어진다.
본 발명의 제 8 실시형태에 따른 전원 시스템은, 제 6 실시형태에 있어서, 소전지 A로서 니켈 수소 축전지 및/또는 니켈 카드뮴 축전지를 이용한다. 제 8 실시형태의 효과는 제 3 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 9 실시형태에 따른 전원 시스템은, 제 6 실시형태에 있어서, 소전지 B로서 비수전해질 2차 전지를 이용한 전원 시스템이다. 제 9 실시형태의 효과는 제 4 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 10 실시형태에 따른 전원 시스템은, 제 9 실시형태에 있어서, 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용한 전원 시스템이다. 제 10 실시형태의 효과는 제 5 실시형태와 마찬가지다.
이상, 도 3에 나타내는, 제 1 내지 제 10 실시형태에 따른 전원 시스템(3)에 의하면, 정전압 충전기(1)로부터 비교적 큰 발전 전력이 출력되더라도, 배터리 팩(2)이 그 일부를 충전할 수 있기 때문에, 정전압 충전기(1)로부터 출력된 전력의 전부를, 차량탑재 기기(4)와 배터리 팩(2)에서 흡수할 수 있다. 그 때문에, 잉여 전력이 생겨 차량탑재 기기(4)에 과대한 전압이 인가되는 것이 방지되고, 차량탑재 기기(4)가 고장나는 것을 방지할 수 있다. 여기서 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압 VC는, 예컨대, 시판되는 것이면 그 표시값으로 좋고, 부하의 편차를 고려한 최대 정격 전압일 필요는 없다.
본 발명의 제 11 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개 직렬로 된 배터리 팩을, 0.98nAVA≤VC≤1.15nAVA의 관계를 만족하도록 정격 충전 전압 VC로 충전하는 것이다. 제 11 실시형태의 구성 및 효과는 제 1 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 12 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 11 실시형태에 있어서, 평균 방전 전압 VA의 대신에, 소전지 A의 공칭전압을 이용한다. 제 12 실시형태에 있어서의 효과는 제 2 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 13 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 11 실시형태에 있어서, 소전지 A로서 니켈 수소 축전지 및/또는 니켈 카드뮴 축전지를 이용한다. 제 13 실시형태의 효과는 제 3 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 14 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 11 실시형태에 있어서, 소전지 A로서 비수전해질 2차 전지를 이용한다. 제 14 실시형태의 효과는 제 4 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 15 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 14 실시형태에 있어서, 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용한다. 본 발명의 제 15 실시형태의 효과는 제 5 실시형태와 마찬가지 다.
본 발명의 제 16 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개와 평균 방전 전압 VB의 소전지 B가 nB개 직렬로 된 배터리 팩을, 0.98(nAVA+nBVB)≤VC≤1.15(nAVA+nBVB)의 관계를 만족하도록 정격 충전 전압 VC로 충전하는 충전 방법이다. 제 16 실시형태의 효과는 제 6 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 17 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 16 실시형태에 있어서, 평균 방전 전압 VA, VB의 대신에, 소전지 A, B의 공칭전압을 이용하는 충전 방법이다. 제 17 실시형태의 효과는 제 2 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 18 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 16 실시형태에 있어서, 소전지 A로서 니켈 수소 축전지 및/또는 니켈 카드뮴 축전지를 이용하는 배터리 팩의 충전 방법이다. 제 18 실시형태의 효과는 제 3 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 19 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 16 실시형태에 있어서, 소전지 B로서 비수전해질 2차 전지를 이용하는 배터리 팩의 충전 방법이다. 제 19 실시형태의 효과는 제 4 실시형태와 마찬가지다.
본 발명의 제 20 실시형태에 따른 배터리 팩의 충전 방법은, 제 19 실시형태에 있어서, 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용한 충전 방법이다. 제 20 실시형태의 효과는 제 5 실시형태와 마찬가지다.
이하에, 본 발명의 실시예에 대하여 상술한다.
(실시예 1)
(실시예 1-1)
니켈로 이루어지는 삼차원 다공체에 수산화니켈 및 수산화코발트, 산화아연과의 혼합물로 이루어지는 페이스트를 충전하여 건조하고, 또한 롤프레스기로 압연하여, 양극을 제작했다. 한편, 니켈을 도금한 강판에 천공한 펀칭메탈에, 수소흡장합금(조성식 MmNi3 .55Co0 .75Al0 .3Mn0 .4(Mm은 경 희토류원소의 혼합물)과 결착제의 혼합물)로 이루어지는 페이스트를 증착하여 건조하고, 또한 롤프레스기로 압연하여, 음극을 제작했다.
이 양극 및 음극을, 설폰화 처리된 폴리프로필렌부직포로 이루어지는 세퍼레이터를 통해서 나선 형상으로 감고, 금속제의 바닥이 있는 케이스(내경 23.5mm, 높이 43mm)의 속에 수용했다. 또한 전해액으로서, 수산화칼륨을 주성분으로 하는 비중 1.3의 알칼리 수용액을 주입하여, 케이스의 개구한 단면을, 밸브 작동압이 2 MPa의 안전밸브를 구비한 밀봉판에 의해서 밀봉함으로써 니켈 수소 축전지(이론 용량 3Ah)을 제작했다.
이 니켈 수소 축전지를 0.1ItA의 전류값으로 15시간 충전하고, 계속해서 0.5ItA의 전류값으로 전지 전압이 1V에 도달할 때까지 방전했다. 이 충방전 사이클을 3회 반복함으로써 활성화를 행했다. 또한 이 니켈 수소 축전지를 1ItA의 전류값으로 SOC 120%에 도달할 때까지 정전류 충전을 행하고, 그 후에 1ItA에서 1V에 도 달할 때까지 정전류 방전을 행하여 방전 용량을 구하고, 이 방전 용량이 50%인 시점에서의 방전 전압(평균 방전 전압, 1.23V)을 평균 방전 전압 VA로 했다.
이 니켈 수소 축전지를, 소전지 A로서 10개 직렬로 접속하여 배터리 팩(nAVA=12.3V)을 구성하고, 이 배터리 팩을 정격 충전 전압 VC가 12.1V(VC=0.98nAVA)의 정전압 충전기를 구비한 충방전 장치와 접속하여 전원 시스템을 구축했다. 이것을 실시예 1-1로 한다.
(실시예 1-2, 1-3)
실시예 1-1에 대하여, 정격 충전 전압 VC가 12.9V(실시예 1-2: VC=1.05nAVA)및 14.1V(실시예 1-3: VC=1.15nAVA)의 정전압 충전기를 이용한 것 이외에는, 실시예 1-1과 같은 전원 시스템을 구축했다.
(비교예 1-1, 1-2)
실시예 1-1에 대하여, 정격 충전 전압 VC가 11.7V(비교예 1-1: VC=0.95nAVA) 및 14.8V(비교예 1-2: VC=1.2nAVA)의 정전압 충전기를 이용한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지의 전원 시스템을 구축했다.
이상의 전원 시스템에 대하여, 이하의 시험을 했다. 결과를 (표 1)에 나타낸다. 또, 이하의 시험은 후술하는 실시예 2, 3에 관해서도 마찬가지로 행하고, 그 결과를 (표 2), (표 3)에 나타내었다.
(상온 충전 특성)
각각의 정전압 충전기로부터 1시간 충전 전류가 흐르도록 한 후, 1ItA의 전류값으로 1V에 도달할 때까지 방전을 행했다. 이 때의 방전 용량을 상온 충전 특성의 지표로서 (표 1)에 기재했다.
(고온 충전 특성)
각각의 전원 시스템을, 45℃ 분위기 하에서 2시간 충전 전류가 흐르도록 했다. 이후의 배터리 팩에 있어서의 소전지의 이상을 육안으로 확인하고, 그 상태를 고온 충전 특성의 지표로서 (표 1)에 기재했다.
(충방전 반복)
도 3에 나타내는 전원 시스템(3)의 구성에 있어서, 차량탑재 기기(4)의 대신에 더미 부하를 접속하고, 정전압 충전기(1)(발전기) 및 배터리 팩(2)으로부터 더미 부하로, 36A의 전류가 공급되도록 했다. 그리고, 모든 소전지를 완전 방전시켰다(소전지가 리튬 이온 2차 전지인 경우, 1It에서 소전지의 단자 전압이 3V가 될 때까지 방전, 소전지가 니켈수소 2차 전지인 경우, 1It에서 소전지의 단자 전압이 1V가 될 때까지 방전).
이렇게 하여 완전 방전시킨 소전지를 이용하여 배터리 팩(2)을 구성하고, 배터리 팩(2)이 정전압 충전기(1)의 정격 충전 전압 VC에서 충전되도록 했다. 또한, 더미 부하와 직렬로 전류계를 접속하고, 더미 부하에 흐르는 전류를 측정했다.
그리고, 도시 생략된 스위치를 개폐하는 것으로, 정전압 충전기(1)로부터 배 터리 팩(2)으로의 전류 공급과, 전류 공급의 정지를, 0.01초 간격으로 20회 반복했다(도시 생략된 스위치를, 0.01초간 온(on)한 후 0.01초간 오프(off)하는 온, 오프 동작을 20회 반복했다).
그리고, 상기 스위치를 오프했을 때에, 상술의 전류계에 의해서 측정되는 전류값이 대폭 변화된(반 이하로 된) 회수를, 「전류계의 바늘의 진동 회수」로서 계수했다.
이 경우, 「전류계의 바늘의 진동 회수」가 0이면, 정전압 충전기(1)로부터의 전류 공급이 끊어지더라도, 배터리 팩(2)의 방전에 의해서, 차량탑재 기기(4)에 상당하는 더미 부하로 안정하게 전력을 공급할 수 있던 것을 나타내게 된다.
배터리 팩의 정격 전압(nAVA)과 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC의 관계가 VC<O.98nAVA인 비교예 1-1은, 상온에서 전혀 충전되지 않았다. 이 이유로서, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC가, 배터리 팩의 충전 개시 전압보다 낮은 것을 들 수 있다. 이러한 전원 시스템을 도 3에 나타내는 것 같은 차량탑재용의 전원 시스템(3)으로서 이용하면, 정전압 충전기(1)에서 발전된 잉여 전력이 배터리 팩(2)으로 흡수되지 않기 때문에, 발전된 전력의 모두가 차량탑재 기기(4)에 공급되어 차량탑재 기기(4)가 고장날 우려가 있다.
그런데, 자동차용의 전원으로서 사용되는 전원 시스템(3)에서는, 예컨대, 제동이 걸려 차량이 급속히 감속할 때 등, 엔진의 구동에 의해서 발전을 행하는 정전압 충전기(1)의 출력 전력이 펄스적으로 저하되는 일이 있다. 이 때, 배터리 팩(2)에 충전되어 있는 전기량이 불충분하기 때문에, 배터리 팩(2)으로부터 차량탑재 기기(4)로 전류를 공급할 수 없으면, 스파크 플러그나 엔진의 제어 회로 등의 차량탑재 기기(4)가 동작을 정지하여, 자동차가 정지할 우려가 있다.
이와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 자동차를 정지시키지 않기 위해 배터리 팩(2)이 차량탑재 기기(4)로 공급해야 하는 전류는 5A~40A 정도이다. 그러나 이러한 펄스적인 출력 전력 저하는, 1회당 0.01초정도로 단시간이기 때문에, 배터리 팩(2)이 차량탑재 기기(4)로 공급할 필요가 있는 방전 전기량은 1회당 0.01mAh~0.1mAh 정도로 된다.
따라서, 배터리 팩(2)은, 0.1mAh 이상의 전기량이 충전되어 있으면, 상술한 바와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 충분한 전력을 차량탑재 기기(4)로 공급할 수 있다.
여기서, 비교예 1-1에서는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 「전류계의 바늘의 진동 회수」가 20회로 되고, 정전압 충전기(1)로부터의 전류 공급이 끊어졌을 때에, 배터리 팩(2)으로부터 차량탑재 기기(4)로 전류를 공급할 수 없었다. 따라서, VC<0.98nAVA인 비교예 1-1은 자동차용의 전원으로서 사용되는 전원 시스템으로서 적합하지 않다.
한편, 정격 충전 전압 VC=0.98nAVA인 실시예 1-1에서는, 상온 충전 특성 시험에서, 방전 용량이 2mAh였다. 즉, 실시예 1-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 0.1mAh 이상의 전기량이 충전되기 때문에, 상술한 바와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 충분한 전력을 차량탑재 기기(4)로 공급할 수 있다.
이 경우, 방전 용량이 2mAh이면, 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 방전할 필요가 있는 0.1mAh의 20배의 전기 용량이 충전되어 있게 되기 때문에, 20회 정도의 펄스 방전이 가능해진다. 자동차에서는, 실 사용상은, 이러한 펄스 방전의 직후부터 배터리 팩(2)이 충전되기 때문에, 20회 연속으로 0.1mAh의 펄스 방전이 가능하면, 예컨대, 가장 가혹한 레이싱 용도에 있어서도, 상술한 바와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 충분한 전력을 차량탑재 기기(4)로 공급할 수 있다.
또한, 실시예 1-1에서는, 충방전 반복 시험에 있어서, 「전류계의 바늘의 진동 회수」가 0이었다. 즉, 실시예 1-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 정전압 충전기(1)로부터의 전류 공급이 펄스적으로 20회 끊어지더라도, 배터리 팩(2)의 방전에 의해서, 차량탑재 기기(4)에 상당하는 더미 부하로 안정하게 전력을 공급할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기의 관계가 VC>1.15nAVA인 비교예 1-2는, 소전지의 변형을 피하기 위해 마련한 안전밸브가 완전히 작동하여 전해액이 누액하고 있고, 고온 충전 특성이 저레벨이었다. 이 이유로서, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC가 지나치게 높기 때문에 배터리 팩이 지나치게 충전되고, 산소 가스가 대량으로 발생하여 전지의 내부 압력을 높인 것을 들 수 있다.
이들 비교예에 대하여, 본 발명의 실시예 1-1, 1-2, 1-3은, 상온에서 충전이 가능하고, 또한 고온 충전 특성도 양호했다.
또 실시예 1에서는 알칼리 축전지로서 니켈 수소 축전지를 이용한 예를 나타냈지만, 카드뮴을 활물질로 한 음극을 이용하여 이루어지는 니켈 카드뮴 축전지를 이용하더라도, 마찬가지의 결과가 얻어졌다.
(실시예 2)
(실시예 2-1)
알루미늄박에 코발트산리튬 및 아세틸렌블랙, 폴리불화바이닐리덴과의 혼합물로 이루어지는 페이스트를 도포하여 건조하고, 또한 롤프레스기로 압연하여, 양극을 제작했다. 한편, 동박(銅箔)에 인조흑연 및 스타이렌-뷰타다이엔공중합체, 카복시메틸셀롤유도체와의 혼합물로 이루어지는 페이스트를 도포하여 건조하고, 또한 롤프레스기로 압연하여, 음극을 제작했다. 이 양극 및 음극을, 폴리프로필렌 미세다공막으로 이루어지는 세퍼레이터를 통해 나선 형상으로 감고, 금속제의 바닥이 있는 케이스(내경 26mm, 높이 65mm)의 속에 수용했다.
또 전해액으로서, 에틸렌카보네이트와 에틸메틸카보네이트의 혼합 용매에 LiPF6를 녹여 이루어지는 전해액을 주입하여, 케이스의 개구한 단면을, 밸브 작동압이 2MPa의 안전밸브를 구비한 밀봉판에 의해 밀봉함으로써 리튬 이온 2차 전지(이론 용량 2.6Ah)를 제작했다.
이 리튬 이온 2차 전지를 1ItA의 전류값으로 4.05V에 도달할 때까지 충전하고, 계속해서 0.5ItA의 전류값으로 전지 전압이 3V에 도달할 때까지 방전했다. 이 충방전 사이클을 3회 반복함으로써 활성화를 행했다. 또 이 리튬 이온 2차 전지를 1ItA의 전류값으로 4.2V에 도달할 때까지 정전류 충전을 행하고, 그 후에 1ItA에서 3V에 도달할 때까지 정전류 방전을 행하여 방전 용량을 구하고, 이 방전 용량이 50%의 시점에서의 방전 전압(평균 방전 전압, 3.58V)을 평균 방전 전압 VA로 했다.
이 리튬 이온 2차 전지를, 소전지 B로서 3개 직렬로 접속하고 배터리 팩(nBVB=10.74V)을 구성하고, 이 배터리 팩 B를 정격 충전 전압 VC가 10.5V(VC=0.98nBVB)의 정전압 충전기를 구비한 충방전 장치와 접속하여 전원 시스템을 구축했다. 이것을 실시예 2-1로 한다.
(실시예 2-2, 2-3)
실시예 2-1에 대하여, 정격 충전 전압 VC가 11.3V(실시예 2-2: VC=1.05nBVB) 및 12.4V(실시예 2-3: VC=1.15nBVB)의 정전압 충전기를 이용한 것 이외에는, 실시예 2-1과 같은 전원 시스템을 구축했다.
(비교예 2-1, 2-2)
실시예 2-1에 대하여, 정격 충전 전압 VC가 10.2V(비교예 2-1: VC=0.95nBVB) 및 12.9V(비교예 2-2: VC=1.2nBVB)의 정전압 충전기를 이용한 것 이외는, 실시예 2-1과 같은 전원 시스템을 구축했다.
이상의 전원 시스템에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 상온 충전 특성과 고온 충전 특성을 평가했다. 결과를 (표 2)에 나타낸다.
배터리 팩의 정격 전압(nAVA)과 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC의 관계가 VC<O.98nAVA인 비교예 2-1은, 상온에서 전혀 충전되지 않았다. 이 이유로서, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC가, 배터리 팩의 충전 개시 전압보다 낮았던 것을 들 수 있다. 이러한 전원 시스템을 도 3에 나타내는 것 같은 차량탑재용의 전원 시스템(3)으로서 이용하면, 정전압 충전기(1)에서 발전된 잉여 전력이 배터리 팩(2)으로 흡수되지 않기 때문에, 발전한 전력의 모두가 차량탑재 기기(4)에 공급되어 차량탑재 기기(4)가 고장날 우려가 있다.
여기서, 비교예 2-1에서는, 표 2에 나타낸 바와 같이, 「전류계의 바늘의 진동 회수」가 20회로 되고, 정전압 충전기(1)로부터의 전류 공급이 끊어졌을 때에, 배터리 팩(2)으로부터 차량탑재 기기(4)로 전류를 공급할 수 없었다. 따라서, VC<0.98nAVA인 비교예 2-1은, 자동차용의 전원으로서 사용되는 전원 시스템으로서 적합하지 않다.
한편, 정격 충전 전압 VC=0.98nAVA인 실시예 2-1에서는, 상온 충전 특성 시험에서, 방전 용량이 3mAh였다. 즉, 실시예 2-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 0.1mAh 이상의 전기량이 충전되기 때문에, 상술한 바와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 충분한 전력을 차량탑재 기기(4)로 공급할 수 있다.
이 경우, 방전 용량이 3mAh이면, 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 방전할 필요가 있는 0.1mAh의 30배의 전기 용량이 충전되어 있게 되기 때문에, 30회 정도의 펄스 방전이 가능해진다. 그렇게 하면, 실시예 1-1의 경우와 마찬가지로, 실시예 2-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 예컨대, 가장 가혹한 레이싱 용도에 있어서도, 상술한 바와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 충분한 전력을 차량탑재 기기(4)로 공급할 수 있다.
또한, 실시예 2-1에서는, 충방전 반복 시험에 있어서, 「전류계의 바늘의 진동 회수」가 0이었다. 즉, 실시예 2-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 정전압 충전기(1)로부터의 전류 공급이 펄스적으로 20회 끊어지더라도, 배터리 팩(2)의 방전에 의해서, 차량탑재 기기(4)에 상당하는 더미 부하로 안정하게 전력을 공급할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기의 관계가 VC>1.15nAVA인 비교예 2-2는, 소전지의 변형을 피하기 위해 마련한 안전밸브가 완전히 작동하여 전해액이 누액하고 있고, 고온 충전 특성이 저레벨이었다. 이 이유로서, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC가 지나치게 높기 때문에 배터리 팩이 지나치게 충전되고, 산소 가스가 대량으로 발생하여 전지의 내부 압력을 높인 것을 들 수 있다.
이들의 비교예에 대하여, 본 발명의 실시예 2-1, 2-2, 2-3은, 상온에서 충전이 가능하고, 또한 고온 충전 특성도 양호했다.
또 실시예 2에서는 비수전해질 2차 전지로서 리튬 이온 2차 전지를 이용한 예를 나타냈지만, 전해액을 겔형상으로 한 리튬 폴리머 2차 전지를 이용하더라도, 같은 결과가 얻어졌다.
(실시예 3)
(실시예 3-1)
실시예 1-1과 같은 소전지 A를 3개(nAVA=3.69V)와 실시예 2-1과 같은 소전지 B를 2개(nBVB=7.16V)를 직렬로 접속하여 배터리 팩(nAVA+nBVB=10.85V)을 구성하고, 이 배터리 팩을 정격 충전 전압 VC가 10.6V(VC=0.98(nAVA+nBVB))의 정전압 충전기를 구비한 충방전 장치와 접속하여 전원 시스템을 구축했다. 이것을 실시예 3-1로 한다.
(실시예 3-2, 3-3)
실시예 3-1에 대하여, 정격 충전 전압 VC가 11.4V(실시예 3-2: VC=1.05(nAVA+nBVB)) 및 12.5V(실시예 3-3: VC=1.15(nAVA+nBVB))의 정전압 충전기를 이용한 것 이외는, 실시예 3-1과 같은 전원 시스템을 구축했다.
(비교예 3-1, 3-2)
실시예 3-1에 대하여, 정격 충전 전압 VC가 10.3V(비교예 3-1: V=0.95(nAVA+nBVB)) 및 13.0V (비교예 3-2: VC=1.2(nAVA+nBVB))의 정전압 충전기를 이용한 것 이외는, 실시예 3-1과 같은 전원 시스템을 구축했다.
이상의 전원 시스템에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 상온 충전 특성과 고온 충전 특성을 평가했다. 이하의 시험을 했다. 결과를 (표 3)에 나타낸다.
배터리 팩의 정격 전압(nAVA+nBVB)과 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC와의 관계가 VC<0.98(nAVA+nBVB)인 비교예 3-1은, 대전류 방전 특성이 저레벨이었다. 이 이유로서, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC가 지나치게 낮기 때문에 배터리 팩이 충분히 충전되지 않고, 대전류 방전에 견딜 수 있는 용량을 갖고 있지 않던 것을 들 수 있다. 이러한 전원 시스템을, 도 3에 나타내는 것 같은 차량탑재용의 전원 시스템(3)으로서 이용하면, 정전압 충전기(1)에서 발전된 잉여 전력이 배터리 팩(2)으로 흡수되지 않기 때문에, 발전된 전력의 모두가 차량탑재 기기(4)에 공급되어 차량탑재 기기(4)가 고장날 우려가 있다.
여기서, 비교예 3-1에서는, 표 3에 나타낸 바와 같이, 「전류계의 바늘의 진동 회수」가 20회로 되고, 정전압 충전기(1)로부터의 전류 공급이 끊어졌을 때에, 배터리 팩(2)으로부터 차량탑재 기기(4)로 전류를 공급할 수 없었다. 따라서, VC<0.98nAVA인 비교예 3-1은, 자동차용의 전원으로서 사용되는 전원 시스템으로서 적합하지 않다.
한편, 정격 충전 전압 VC=0.98nAVA인 실시예 3-1에서는, 상온 충전 특성 시험에서, 방전 용량이 2mAh이었다. 즉, 실시예 3-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 0.1mAh 이상의 전기량이 충전되기 때문에, 상술한 바와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 충분한 전력을 차량탑재 기기(4)로 공급할 수 있다.
이 경우, 방전 용량이 2mAh이면, 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 방전할 필요가 있는 0.1mAh의 20배의 전기 용량이 충전되어 있게 되기 때문에, 20회 정도의 펄스 방전이 가능해진다. 그렇게 하면, 실시예 1-1의 경우와 마찬가지로, 실시예 3-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 예컨대, 가장 가혹한 레이싱 용도에 있어서도, 상술한 바와 같은 정전압 충전기(1)의 펄스적인 출력 전력 저하가 일어났을 때에, 충분한 전력을 차량탑재 기기(4)로 공급할 수 있다.
또한, 실시예 3-1에서는, 충방전 반복 시험에 있어서, 「전류계의 바늘의 진동 회수」가 0이었다. 즉, 실시예 3-1에 있어서의 배터리 팩(2)은, 정전압 충전기(1)로부터의 전류 공급이 펄스적으로 20회 끊어지더라도, 배터리 팩(2)의 방전에 의해서, 차량탑재 기기(4)에 상당하는 더미 부하로 안정하게 전력을 공급할 수 있는 것이 확인할 수 있었다.
또한, 상기의 관계가 VC>1.15(nAVA+nBVB)인 비교예 3-2는, 소전지의 변형을 피하기 위해 마련한 안전밸브가 완전히 작동하여 전해액이 누액하고 있고, 고온 충전 특성이 저레벨이었다. 이 이유로서, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC가 지나치게 높기 때문에 배터리 팩이 지나치게 충전되고, 전해액 성분이 분해하여 가스가 대량으로 발생하고, 전지의 내부 압력을 높인 것을 들 수 있다.
이들의 비교예에 대하여, 본 발명의 실시예 3-1, 3-2, 3-3는 대전류 방전 특성, 고온 충전 특성 모두 양호했다.
또 실시예 3에서는 알칼리 축전지로서 니켈 수소 축전지를 이용하여, 비수전해질 2차 전지로서 리튬 이온 2차 전지를 이용한 예를 나타냈지만, 알칼리 축전지로서 카드뮴을 활물질로 한 음극을 이용하여 이루어지는 니켈 카드뮴 축전지를 이용하고, 비수전해질 2차 전지로서 전해액을 겔 형상으로 한 리튬 폴리머 2차 전지를 이용하더라도 동일한 결과가 얻어졌다.
상술한 과제에 근거하여, 본 발명의 전원 시스템은, 배터리 팩과, 배터리 팩을 충전하는 정전압 충전기를 포함하고, 배터리 팩을 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개(또는 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개와, 평균 방전 전압 VB의 소전지 B가 nB 개) 직렬로 한 구성으로 하고, 정전압 충전기의 정격 충전 전압 VC를 0.98nAVA≤VC≤1.15nAVA(또는 0.98(nAVA+nBVB)≤VC≤1.15(nAVA+nBVB))의 범위로 했다.
또한 상술한 전원 시스템을 구성하는 배터리 팩의 충전 방법으로서, 본 발명에 따른 충전 방법에서는, 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개(또는 평균 방전 전압 VA의 소전지 A가 nA개와, 평균 방전 전압 VB의 소전지 B가 nB개) 직렬로 된 배터리 팩을, 0.98nAVA≤VC≤1.15nAVA(또는 0.98(nAVA+nBVB)≤VC≤1.15(nAVA+nBVB))의 관계를 만족하도록 정격 충전 전압 VC로 충전한다.
상술한 관계를 만족시키도록 전원 시스템을 구축하고, 또는 배터리 팩을 충전함으로써, 단위 중량당 에너지 밀도가 납 축전지보다 높은 2차 전지를 정전압으로 충전하는 경우에 있어서, 과충전에 의해 2차 전지가 변형할 우려를 저감하고, 안전성을 향상시킬 수 있는 전원 시스템, 및 충전 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 전원 시스템은, 간이한 정전압 충전기를 이용하더라도 성립할 수 있기 때문에, 자동차 등의 전원으로서의 이용 가능성이 높다.
Claims (19)
- 복수의 소전지(unit cell)가 직렬로 접속된 배터리 팩(battery pack)과,상기 배터리 팩에, 일정한 정격 충전 전압 VC를 인가하여 충전하는 정전압 충전기를 구비하고,상기 복수의 소전지에 있어서의 각각의 평균 방전 전압의 합계인 합계 전압 Vx, 및 상기 정격 충전 전압 VC는,0.98Vx≤VC≤1.15Vx의 관계를 만족시키도록 설정되어 있는것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 배터리 팩은, 평균 방전 전압이 VA인 소전지 A가 nA개 직렬로 접속된 것이고,상기 소전지 A의 개수 nA, 및 상기 정격 충전 전압 VC는,0.98nAVA≤VC≤1.15nAVA의 관계를 만족시키도록 설정되어 있는것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 평균 방전 전압으로서 소전지의 공칭전압을 이용하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 소전지로서, 니켈 수소 축전지, 및 니켈 카드뮴 축전지 중 적어도 한쪽을 이용한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 소전지로서 비수전해질 2차 전지를 이용한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 5 항에 있어서,상기 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 배터리 팩은, 상기 nA개의 소전지 A와, 평균 방전 전압이 상기 평균 방전 전압 VA와는 다른 VB인 nB개의 소전지 B가 직렬로 접속되어 있고,상기 소전지 A의 개수 nA, 상기 소전지 B의 개수 nB, 및 상기 정격 충전 전압 VC는,0.98(nAVA+nBVB)≤VC≤1.15(nAVA+nBVB)의 관계를 만족시키도록 설정되어 있는것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 소전지 A로서, 니켈 수소 축전지, 및 니켈 카드뮴 축전지 중 적어도 한쪽을 이용한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,상기 소전지 B로서 비수전해질 2차 전지를 이용한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 제 9 항에 있어서,상기 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용한 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
- 복수의 소전지가 직렬로 접속되고, 상기 복수의 소전지에 있어서의 각각의 평균 방전 전압의 합계가 합계 전압 Vx인 배터리 팩을,0.98Vx≤VC≤1.15Vx의 관계를 만족시키는 일정한 정격 충전 전압 VC로 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 배터리 팩은, 평균 방전 전압이 VA인 소전지 A가 nA개 직렬로 접속된 것이고,상기 배터리 팩을,0.98nAVA≤VC≤1.15nAVA의 관계를 만족시키는 일정한 정격 충전 전압 VC로 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,상기 소전지로서 니켈 수소 축전지, 및 니켈 카드뮴 축전지 중 적어도 한쪽을 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,상기 소전지로서 비수전해질 2차 전지를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 배터리 팩은, 상기 nA개의 소전지 A와, 평균 방전 전압이 상기 평균 방전 전압 VA와는 다른 VB인 nB개의 소전지 B가 직렬로 접속되어 있고,상기 배터리 팩을,0.98(nAVA+nBVB)≤VC≤1.15(nAVA+nBVB)의 관계를 만족시키는 일정한 정격 충전 전압 VC로 충전하는것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 소전지 A로서 니켈 수소 축전지, 및 니켈 카드뮴 축전지 중 적어도 한쪽을 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,상기 소전지 B로서 비수전해질 2차 전지를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 비수전해질 2차 전지의 양극의 활물질로 코발트를 포함하는 리튬 복합 산화물을 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
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