KR20100033999A - 전지의 내부 단락 검지 장치와 방법, 및 전지 팩 - Google Patents

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다쿠야 나카시마
도시유키 나카츠지
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Abstract

전지의 내부 단락 검지 장치는, 전지의 단자 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 전지의 방전 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전압 검출부의 검출 결과에 응답하여, 전지의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 전압 저하 복귀 검출부와, 상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이에 상기 전류 검출부에서 검출된 방전 전류의 최대값이 임계값 전류 이하일 때에, 내부 단락이 발생한 것으로 판정하는 판정부를 구비하고 있다.

Description

전지의 내부 단락 검지 장치와 방법, 및 전지 팩{IN-CELL SHORTCIRCUIT DETECTION DEVICE AND METHOD AND CELL PACK}
본 발명은, 음극과 양극 사이에 수지 결착제와 무기 산화물 충전재를 포함하는 다공성 보호막 등으로 이루어지는 내열층을 갖는 비수계(非水系) 전해질 2차 전지나, 극판 저항이 4Ω·㎠ 이상을 갖는 비수계 전해질 올리빈형 인산철 리튬 2차 전지 등의 비수계 전해질 2차 전지의 내부 단락을 검지하기 위한 장치 및 방법, 및 전지 팩에 관한 것이다.
음극과 양극 사이에, 수지 결착제와 무기 산화물 충전재를 포함하는 다공성 보호막을 갖는 비수계 전해질 2차 전지가, 예컨대 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에 기재되어 있다. 이러한 다공성 보호막을 갖는 비수계 전해질 2차 전지의 구조에 의하면, 제조시에, 전극으로부터 벗겨져 떨어지는 활물질(活物質)이나 재단 공정에서의 부스러기 등이 전극 표면에 부착되어도, 그 후에 내부 단락이 발생하는 것이 억제되어 있다. 그러나, 그와 같은 구조 때문에, 혹시 내부 단락이 발생한 경우, 다공성 보호막을 갖지 않는 종래 구조의 셀에서 사용되는 종래의 방법으로는, 내부 단락의 발생을 검지할 수 없다고 하는 문제가 있다.
상기의 문제를 설명하기 위해, 우선, 다공성 보호막을 갖지 않는 종래 구조의 셀에서 사용되는 종래의 방법에 대하여 이하에 기재한다.
즉, 다공성 보호막을 갖지 않는 종래 구조의 셀의 경우는, 내부 단락이 발생하면, 도 3에서 나타내는 바와 같이 셀 전압은 단숨에 저하되어 버리고, 그 후, 전압은 복귀하지 않는다. 그래서, 적당한 주기로 셀 전압을 모니터하거나, 단락 전류에 의한 급격한 온도 상승을 검지하는 것으로, 내부 단락을 검지할 수 있다.
이것은, 이하와 같은 메커니즘에 의한다. 예컨대, 제조 공정에서 벗겨져 떨어진 전극 재료나 부스러기 등의 금속 이물질에 의해서, 우선 도 4(a)에 나타내는 바와 같은 내부 단락이 생기면, 그 단락에 의해 발생하는 열에 의해서, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 단락부의 양극 알루미늄 심재가 용융한다. 계속해서, 그것에 의한 열에 의해서, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이 폴리에틸렌 등의 고분자 재료로 이루어지는 세퍼레이터가 용융하여 수축하고, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이 단락 구멍이 확대하는 것으로 단락 면적이 확대한다. 그 후, 도 4(e)에 나타내는 바와 같이 단락 부분이 용융하고, 그 열에 의해서 다시 도 4(c)에 나타내는 용융(단락 구멍)의 확대부터 반복한다. 이렇게 해서, 셀 전압이 단숨에 저하됨과 동시에, 열 폭주에 의해서 셀 온도가 단숨에 상승한다는 것이다.
그래서, 예컨대 특허 문헌 3에는, 내부 단락 등에 의해서 온도 상승이 생기면, 그것을 기억해 둠으로써, 비동작시에 있어서의 내부 단락 등을 검지 가능하다는 것 개시되어 있다. 또한, 상기 특허 문헌 3에는, 대폭적인 전압 저하에 대하여, 대폭적인 온도 상승이 검출되었을 때에, 내부 단락으로 판정하는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 4에는, 전압, 압력, 온도, 소리 등으로부터, 내부 단락을 검지하는 것이 개시되어 있다. 또, 특허 문헌 5에는, 전극으로부터 복수의 주파수의 신호를 부여하여 내부 단락을 검지하는 것이 개시되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 공보 제 3371301 호
특허 문헌 2 : 국제 공개 WO 05/098997호 팜플렛
특허 문헌 3 : 일본 공개 특허 공보 평 8-83630 호
특허 문헌 4 : 일본 공개 특허 공보 2002-8631 호
특허 문헌 5 : 일본 공개 특허 공보 2003-317810 호
이것에 대하여, 상기 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2와 같은 다공성 보호막을 갖는 구조에서는, 제조 공정에서 벗겨져 떨어진 전극 재료나 부스러기 등의 금속 이물질에 의해서, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 내부 단락이 생긴 경우, 다음과 같이 된다. 즉, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 단락부의 양극 알루미늄 심재가 용융하여도, 상기 다공성 보호막에 의해서 양극 알루미늄 심재와 음극 합제의 접촉이 회피된다. 이 때문에, 도 5(b) 내지 도 5(d)에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터가 용융하는 것은, 상기 금속 이물질이 존재하는 영역 부근에만 머물러, 단락의 확대가 저지된다. 그 후, 셀 전압도 거의 회복하여, 미소(微少) 단락의 상태로 사용가능해진다. 이 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2와 같은 구조에서의 내부 단락 발생시의 셀 전압의 변화를 도 6에 나타낸다. 따라서, 상기 특허 문헌 3 ~ 5의 방법으로는, 내부 단락을 검지하기 어렵다고 하는 문제가 있다.
또한, 양극 재료로서 올리빈형 인산철 리튬(LiFePO4)을 이용한 2차 전지는, 열적·화학적 안정성이 높고, 더구나 저렴하여, 코발트산 리튬(LiCoO2)을 이용한 2차 전지로 교체하는 것으로 기대되고 있다. 그러나, 이 양극 재료로서 올리빈형 인산철 리튬(LiFePO4)을 이용한 2차 전지는, 도전성이 낮고, 또한 리튬 이온의 확산속도도 매우 느리기 때문에, 내부 단락시에 상기 특허 문헌 3 ~ 5의 방법으로는, 검출할 수 없다고 하는, 상기 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2와 같은 다공성 보호막을 갖는 구조의 2차 전지와 마찬가지의 문제를 포함하고 있다.
본 발명은, 내부 단락이 발생하여도 전지의 전압이 단숨에 저하되지 않는 전지에 있어서도, 내부 단락을 확실히 검지할 수 있는 전지의 내부 단락 검지 장치 및 방법, 및 전지 팩을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 1 측면에 따른 전지의 내부 단락 검지 장치는, 상기 전지의 단자 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 전지의 방전 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전압 검출부의 검출 결과에 응답하여, 전지의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 전압 저하 복귀 검출부와, 상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이에 상기 전류 검출부에서 검출된 방전 전류의 최대값이 임계값 전류 이하일 때에, 내부 단락이 발생한 것으로 판정하는 판정부를 포함하고 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 전지의 내부 단락 검지 방법은, 전지의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 검출 공정과, 상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이의 방전 전류의 최대값이 임계값 전류 이하일 때에, 내부 단락이 발생한 것으로 판정하는 판정 공정을 포함하고 있다.
이들의 구성에 따르면, 내부 단락이 발생하여도 전지의 전압이 단숨에 저하되지 않는 전지에 있어서도, 이하에 설명하는 바와 같이, 확실히 내부 단락을 검지할 수 있다.
즉, 전지의 전압에 순간적인 저하가 생기고, 그 후에 거의 저하 전의 전압으로 복귀했다라고 하는 것은, 상기 전지에, 전술한 메커니즘에 의한 내부 단락이 발생하고, 그 확대가 저지된 상태의 증거이다. 또한, 상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이의 방전 전류(즉, 전지의 외부로 흘러나오는 전류)의 최대값이 미리 정한 임계값 전류 이하이면, 앞선 순간적인 저하가 부하로의 과대한 방전이나 외부에서의 단락(소프트 단락도 포함)에 의한 것이 아니라고 말할 수 있다. 따라서, 전지의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 동시에, 상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이의 방전 전류의 최대값이 임계값 전류 이하로 된 것을 사용하여, 내부 단락을 확실히 판정할 수 있다.
상기 임계값 전류는, 예컨대 상기 전지의 온도로부터 추측되는 상기 전지의 내부 저항값 및 상기 전지의 단자 전압에 근거하여 결정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 전지의 온도로부터 추측되는 상기 전지의 내부 저항값을 r로 하고, 상기 전압 저하시의 미리 정한 기간에 있어서의 단자 전압의 변화량을 ΔV1라고 할 때, ΔV1/r, 혹은 그것에 소정의 계수를 승산하는 등을 행한 상기 ΔV1/r에 근거하여 결정하는 것이 바람직하다.
이것에 의해, 전지의 온도에 따라 적절한 임계값 전류를 결정할 수 있어, 내부 단락의 검지 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 목적, 특징 및 이점은, 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의하여, 더 명백해 진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 전해질 2차 전지의 내부 단락 검지 장치인 전자기기 시스템의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 단락 판정 동작을 자세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 종래 구조의 2차 전지 셀에 있어서의 내부 단락시의 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 상기 종래 구조의 2차 전지 셀에 있어서의 내부 단락 부분의 현상을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다.
도 5는 음극과 양극 사이에 수지 결착제와 무기 산화물 충전재를 포함하는 다공성 보호막으로 이루어지는 내열층을 갖는 비수계 전해질 2차 전지 셀에 있어서의 내부 단락 부분의 현상을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다.
도 6은 상기 음극과 양극 사이에 수지 결착제와 무기 산화물 충전재를 포함하는 다공성 보호막으로 이루어지는 내열층을 갖는 비수계 전해질 2차 전지 셀에 있어서의 내부 단락시의 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 내부 단락 검지 장치의 기능 블록도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기기 시스템의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다. 이 전자기기 시스템은, 전지 팩(1)에, 그것에 의하여 전원 공급되는 부하 기기(2)를 구비하여 구성되지만, 상기 전지 팩(1)은, 도시하지 않는 충전기에 의해서 충전된다. 그 충전시에, 전지 팩(1)은 상기 부하 기기(2)에 장착되어, 상기 부하 기기(2)를 통해서 충전이 행하여지더라도 좋다. 전지 팩(1) 및 부하 기기(2)는, 급전을 행하는 직류 하이(high) 측의 단자(T11, T21)와, 통신 신호의 단자(T12, T22)와, 급전 및 통신 신호를 위한 GND 단자(T13, T23)에 의해 서로 접속된다. 상기 충전기에도, 마찬가지의 3개의 단자가 설치된다.
상기 전지 팩(1) 내에서, 상기 단자(T11)로부터 연장되는 직류 하이(high) 측의 충방전 경로(11)에는, 충전용과 방전용으로, 서로 도전(導電) 형식이 다른 FET(12, 13)가 개재되어 있고, 그 충방전 경로(11)가 2차 전지(14)의 하이(high) 측 단자에 접속된다. 상기 2차 전지(14)의 로우(Low) 측 단자는 직류 로우(Low) 측의 충방전 경로(15)를 통해서 상기 GND 단자(T13)에 접속되고, 이 충방전 경로(15)에는, 충전 전류 및 방전 전류를 전압값으로 변환하는 전류 검출 저항(16)이 개재되어 있다.
상기 2차 전지(14)는 복수의 셀이 직병렬로 접속되어 이루어지고, 그 셀의 온도는 온도 센서(17)에 의해 검출되어, 제어 IC(18) 내의 아날로그/디지털 변환기(19)에 입력된다. 또한, 상기 각 셀의 단자간 전압은 전압 검출 회로(20)에 의해서 판독되어, 상기 제어 IC(18) 내의 아날로그/디지털 변환기(19)에 입력된다. 또한, 상기 전류 검출 저항(16)에 의해서 검출된 전류값도, 상기 제어 IC(18) 내의 아날로그/디지털 변환기(19)에 입력된다. 상기 아날로그/디지털 변환기(19)는, 각 입력값을 디지털값으로 변환하여, 제어 판정부(21)로 출력한다.
상기 제어 판정부(21)는 마이크로컴퓨터 및 그 주변 회로 등을 구비하고 있다. 이 제어 판정부(21)는 상기 아날로그/디지털 변환기(19)로부터의 각 입력값에 응답하여, 2차 전지(14)의 잔량이 만충전시의 몇 %인가를 연산하여, 통신부(22)로부터 단자(T12, T22 ; T13, T23)를 통해서 부하 기기(2)로 송신한다. 또한, 상기 제어 판정부(21)는, 상기 아날로그/디지털 변환기(19)로부터의 각 입력값으로부터, 충전기에 대하여, 출력을 요구하는 충전 전류의 전압값 및 전류값을 연산하여, 통신부(22)로부터 단자(T12)를 통해서 송신한다. 또한, 상기 제어 판정부(21)는, 상기 각 입력값으로부터, 단자(T11, T13) 사이의 단락이나 충전기로부터의 이상 전류 등의 전지 팩(1)의 외부에 있어서의 이상을 검지하는 동시에, 2차 전지(14)의 내부 단락 등의 이상을 검지한다. 그리고, 상기 제어 판정부(21)는, 이들의 이상을 검지했을 때, 상기 FET(12, 13)를 차단하는 등의 보호 동작을 행한다.
부하 기기(2)에서는, 상기 2차 전지(14)의 잔량을 제어 IC(30)의 통신부(32)로 수신하고, 제어부(31)가 각종 부하 회로(33)의 소비 전력으로부터, 전지 팩(1)의 남은 사용 시간을 연산하여, 표시 패널(34)에 표시한다. 또한, 상기 제어부(31)는, 도시하지 않는 입력 조작 장치의 입력 등에 응답하여, 상기 각종 부하 회로(33)를 제어한다.
상술한 바와 같이 구성되는 전지 팩(1)에 있어서, 본 실시예에서는, 2차 전지(14)가, 도 5에 나타내는 바와 같은 음극과 양극 사이에 내열층(다공성 보호막)을 갖는 비수계 전해질 2차 전지나, 극판 저항이 4Ω·㎠ 이상을 갖는 비수계 전해질 올리빈형 인산철 리튬 2차 전지로 이루어진다. 그리고, 주목해야 할 것은, 제어 판정부(21)(전압 저하 복귀 검출부, 판정부)가, 대기시 및 방전시에, 전압 검출 회로(20)(전압 검출부), 전류 검출 저항(16)(전류 검출부) 및 온도 센서(17)의 검출 결과에 응답하여, 아래와 같이 하여 2차 전지(14)에 내부 단락이 생기고 있는지 여부를 판정하는 것이다.
상기 제어 판정부(21)의 기능 블록도를 도 7에 나타내고 있다. 상기 제어 판정부(21)는 이하에 설명하는 전압 저하 복귀 검출부(35), 판정부(36) 및 메모리(37)를 구비하고 있다.
상기 전압 저하 복귀 검출부(35)는, 상기 전압 검출 회로(20)의 검출 결과에 응답하여, 2차 전지(14)의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 기능을 갖는다. 상기 판정부(36)는, 상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이에 상기 전류 검출 저항(16)에서 검출된 방전 전류의 최대값이 임계값 전류(Ith) 이하일 때에, 내부 단락이 발생한 것으로 판정하는 기능을 갖는다. 상기 메모리(37)는, 후술하는 제 1 임계값 전압(-Vth1)의 데이터나 동작 프로그램을 기억한다. 또한, 상기 메모리(37)는, 상기 전압 저하 복귀 검출부(35)나 판정부(36)에 있어서의 연산 결과 데이터 등의 각종 데이터를 일시 기억하는 기억 영역을 갖는다.
그리고, 상기 전압 저하 복귀 검출부(35)는, 전압 저하 판단부(38) 및 복귀 판단부(39)를 구비하고 있다. 상기 전압 저하 판단부(38)는, 미리 정한 기간 동안 에 있어서의 상기 단자 전압의 변화량(ΔV1)을 검출하고, 상기 단자 전압의 변화량(ΔV1)의 절대값이 제 1 임계값 전압의 절대값(Vth1)을 초과했을 때에, 순간적인 전압 저하가 발생한 것으로 판단하는 기능을 갖는다. 또한, 상기 복귀 판단부(39)는, 상기 전압 저하의 발생 후에, 단자 전압이 제 2 임계값 전압(Vth2)을 초과했을 때에 전압 저하로부터 복귀한 것으로 판단하는 기능을 갖는다.
또한, 상기 복귀 판단부(39)는, 전압 저하 개시 시점의 전압에 미리 정한 계수를 승산하여, 복귀 판정을 위해 이용하는 상기 제 2 임계값 전압(Vth2)을 결정하는 제 2 임계값 전압 결정부(40)를 포함하고 있다.
또한, 상기 판정부(36)는, 내부 저항값 취득부(41) 및 임계값 전류 결정부(42)를 구비하고 있다. 상기 내부 저항값 취득부(41)는, 상기 온도 센서(17)가 검출하는 상기 2차 전지(14)의 온도로부터 상기 2차 전지(14)의 내부 저항값(r)을 구하는 기능을 갖는다. 또한, 상기 임계값 전류 결정부(42)는, 상기 내부 저항값 취득부(41)에서 구해진 저항값(r) 및 상기 전지의 단자 전압에 근거하여, 상기 임계값 전류(Ith)를 결정하는 기능을 갖는다.
상기 제어 판정부(21)의 각 기능은, 마이크로컴퓨터의 CPU나 기억 장치(ROM, RAM) 등으로 실현되고 있다.
도 2는 상기 제어 판정부(21)의 판정 동작을 자세히 설명하기 위한 흐름도이다. 제어 판정부(21)는, 단계(S1)에서, 아날로그/디지털 변환기(19)를 통해서, 전압 검출 회로(20)의 검출 결과를 취입하여, 전압(Vo)으로서 기억한다. 또한, 제어 판정부(21)는, 단계(S2)에서는, 이번에 기억한 전압(Vo)과, 전번에 기억해 둔 전압(Vo-1)과의 변화량(ΔV1)을 구한다. 그리고, 제어 판정부(21)는, 단계(S3)에서는, 상기 변화량(ΔV1)이 미리 정한 제 1 임계값 전압(-Vth1) 이하인지 여부를 판단한다. 만약에, 단계(S3)에서 NO인 경우에는, 단계(S4)로 이동하여 이번의 전압(Vo)을 전번의 전압(Vo-1)으로 갱신하고, 그 후에 상기 단계(S1)로 되돌아간다. 한편, 단계(S3)에서 YES인 경우에는, 상기 변화량(ΔV1)의 절대값이 제 1 임계값 전압의 절대값(Vth1)을 초과하는 순간적인 전압 저하가 발생한 것으로 판단하여 단계(S11)로 이동한다.
이상의 각 단계는, 도 7에 나타내는 전압 저하 복귀 검출부(35)의 전압 저하 판단부(38)에서 실행되는 것이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 단계(S11)에서는, 후술하는 최대 전류값(Imax)이 0으로 초기화되고, 단계(S12)에서는, 상기 이번의 전압(Vo)이 전번의 전압(Vi-1)으로 갱신된다. 단계(S13)에서는, 상기 전압 검출 회로(20)의 검출 결과를 다시 취입하여, 전압(Vi)으로서 기억함과 동시에, 단계(14)에서는, 상기 단계(S2)와 마찬가지로, 이번에 기억한 전압(Vi)과, 전번에 기억해 둔 전압(Vi-1)과의 차분(ΔV2)을 구한다.
다음 단계(S15)에서는, 전류 검출 저항(16)에 의해서 전류값(I)이 검출되고, 그 후, 단계(S16)에서, 이번의 전류값(I)이 과거의 최대 전류값(Imax)을 초과하는지 여부가 판단된다. 상기 단계(S16)에서 YES인 경우에는, 단계(S17)에서 그 전류값(I)이 최대 전류값(Imax)으로 갱신된 후에 단계(S18)로 이동한다. 한편, 단계(S3)에서 NO인 경우에는, 상기 최대 전류값(Imax)의 갱신을 행하지 않고 직접 단계(S18)로 이동한다.
상기 단계(S18)에서는, 상기 차분(ΔV2)이 0보다 큰지 여부, 즉 저하된 전압이 복귀로 전환되었는지 여부가 판단된다. 상기 단계(S18)에서 NO인 경우에는, 전압 저하가 계속되고 있는 것으로 판단하여, 단계(S19)로 이동하여 이번의 전압(Vi)을 전번의 전압(Vi-1)으로 갱신하고, 그 후, 상기 단계(S13)로 되돌아간다. 한편, 상기 단계(S18)에서 YES인 경우에는, 전압이 복귀로 전환하고 있는 것으로 판단하여 단계(S21)로 이동한다.
상기 단계(S21)에서는, 전압 저하 개시 시점의 전압(Vo)에 미리 정한 계수(α), 예컨대 α= 0.9가 승산되어 복귀 판정의 기준값으로 되는 제 2 임계값 전압(Vth2)이 구해진다. 즉, 전압 저하 개시 시점의 전압(Vo)의 90%에 상당하는 전압을, 제 2 임계값 전압(Vth2)으로 하고 있다. 이것은, 전압 저하 개시 시점의 전압(Vo)이 90%까지 회복하면, 전압 저하로부터 복귀한 상태라고 판단할 수 있기 때문이다. 한편, 본 발명의 실시에서는 α= 0.9로 하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 대상으로 되는 전지의 특성에 따라, 계수(α)를 0.9보다 크게 또는 작게 설정할 수 있다. 이 단계(S21)는, 도 7에 나타내는 복귀 판단부(39)의 제 2 임계값 전압 결정부(40)에서 실행된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 다음 단계(S22)에서는, 이번의 전압(Vi)이 상기 제 2 임계값 전압(Vth2) 이상으로 되었는지 여부가 판단된다. 상기 단계(S22)에서 NO인 경우에는, 상기 단계(S19)로 이동하여, 이번의 전압(Vi)을 전번의 전압(Vi-1)으로 갱신하고, 그 후, 상기 단계(S13)에 되돌아간다. 한편, 상기 단계(S22)에서 YES인 경우에는, 전압 저하로부터 복귀한 것으로 판단하여, 단계(S23)로 이동한다. 이 단계(S21)는 도 7에 나타내는 복귀 판단부(39)에서 실행되는 것이다.
상기 전압(Vo), 차분(ΔV1) 및 제 2 임계값 전압(Vth2)의 관계를 상기 도 6에 나타내고 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 단계(S23)에서는, 상기 온도 센서(17)에 의해서 셀 온도(T)가 검출된다. 그리고, 다음 단계(S24)에서는, 상기 셀 온도(T)로부터 추측되는 2차 전지(14)의 내부 저항값(r)이 구해진다. 또한, 상기 단계(S24)에서는, 구해진 내부 저항값(r) 및 상기 단자 전압의 변화량(ΔV1)(상기 제 1 임계값 전압(Vth1)을 초과하는 전압 저하시의 단자 전압의 변화량(ΔV1))에 근거하여, 외부 단락과 내부 단락을 판정하는 임계값 전류(Ith)가 구해진다. 구체적으로는, ΔV1/r에 근거하여, 상기 임계값 전류(Ith)가 구해진다. 한편, ΔV1/r에 소정의 계수를 승산하는 등의 동작을 행하여, 상기 임계값 전류(Ith)를 구하는 것도 가능하다. 이 단계(S24)는 도 7에 나타내는 내부 저항값 취득부(41) 및 임계값 전류 결정부(42)에서 실행된다.
상기 단계(S24)에 있어서, 상기 셀 온도(T)로부터 2차 전지(14)의 내부 저항값(r)을 구하기 위해서는, 2차 전지(14)의 내부 저항의 온도 계수와, 온도 센서(17)에서 검출된 셀 온도(T)로부터, 상기 내부 저항값(r)을 연산하면 좋다. 또는, 셀 온도(T)와 내부 저항값(r)의 대응 관계를 나타내는 룩업 테이블을 메모리(37) 내에 기억해 두고, 온도 센서(17)로 검출된 셀 온도(T)에 대응하는 내부 저항값(r)을 상기 룩업 테이블로부터 취득하도록 하여도 좋다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 다음 단계(S25)에서는, 전압 저하로부터 복귀까지의 기간(W)(도 6 참조)에 있어서의 방전 전류가 상기 임계값 전류(Ith) 이하인지 여부가 판단된다. 상기 단계(S25)에서 NO인 경우(즉, 최대 전류값(Imax)이 임계값 전류(Ith)를 초과하면), 부하 기기(2)가 급격한 전력 소비, 혹 단자(T11, T13) 사이의 단락(소프트 단락도 포함)이다고 판정하고, 상기 단계(S4)로 이동하여 이번의 전압(Vi)을 전번의 전압(Vo-1)으로 갱신하고, 그 후, 상기 단계(S1)로 되돌아간다. 한편, 상기 단계(S25)에서 YES인 경우, 상기 도 5에 나타내는 바와 같은 내부 단락이 발생하고 있는 것으로 판단하고, 단계(S26)로 이동하여 상기 FET(12, 13)를 OFF로 하는 보호 동작을 행한다. 이 경우, 또한, 통신부(22, 32)를 통해서 부하 기기(2)에 내부 단락의 발생을 통보하거나, 혹은 도시하지 않는 표시기(indicator) 등이 설치되어 있는 경우에는 그 표시기에 표시하거나 하여, 경보 동작을 행하는 것이 바람직하다.
이상의 구성에 있어서, 2차 전지(14)로서, 음극과 양극 사이에 수지 결착제와 무기 산화물 충전재를 포함하는 다공성 보호막 등으로 이루어지는 내열층을 갖는 비수계 전해질 2차 전지나, 극판 저항이 4Ω·㎠ 이상을 갖는 비수계 전해질 올리빈형 인산철 리튬 2차 전지를 이용한 경우, 내부 단락이 발생하여도, 통상의 2차 전지와 같이 셀 전압이 급격히 저하되어 버리는 상태는 발생하지 않는다. 따라서, 종래의 방법으로는, 2차 전지의 전압, 전류, 온도 등의 데이터의 샘플값으로부터는 내부 단락의 검지는 곤란했다.
이것에 대하여, 본 실시예에 따른 전지의 내부 단락 검지 장치 또는 방법은, 상술한 바와 같이, 2차 전지(14)의 전압의 시간 경과에 따른 변화(구체적으로는, 셀 전압(Vo)에 순간적인 저하가 생기고, 그 후에 거의 저하 전의 전압(Vth2)으로 복귀한다고 하는 시간 경과에 따른 변화)를 검지함과 동시에, 상기 시간 경과에 따른 변화 중의 방전 전류(Ii)가 미리 정한 임계값 전류(Ith) 이하인 것을 검지하여, 내부 단락으로 판정하기 때문에, 가령 내부 단락이 발생하여도 전지의 전압이 급격히 저하되지 않는 전지에 있어서도, 내부 단락을 확실히 검지할 수 있다.
또한, 상기 내부 저항을 경유하여 흐르는 전류는, 2차 전지(14)의 외부로 흘러나오는 전류이기 때문에, 상기한 바와 같이 셀 온도(T)로부터 추측되는 (연산 등의 동작을 행하여 구해지는) 2차 전지(14)의 내부 저항값으로 셀 전압(Vo, Vi)을 제산하는 것으로, 외부로 흘러나오는 전류값을 구할 수 있고, 그 전류값에 소정의 계수를 승산하는 등의 동작을 행하여, 상기 임계값 전류(Ith)를 결정하는 것으로, 외부 단락과 내부 단락을 정확히 구별하여 판정하고, 내부 단락의 판정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예의 전지의 내부 단락 검지 장치 또는 방법은, 음극과 양극 사이에 내열층을 갖는 비수계 전해질 2차 전지 및 극판 저항이 4Ω·㎠ 이상을 갖는 비수계 전해질 2차 전지에 적합하게 이용할 수 있지만 이것에 한정되는 것이 아니다. 즉, 내부 단락이 발생하여도 전지의 전압이 급격히 저하되지 않는 전지이면, 적합하게 이용하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시예는, 전지의 내부 단락 검출 장치가 전지 팩에 내장된 형태를 나타내고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 상기 내부 단락 검출 장치가 부하기기에 취입된 형태라도 좋다.
본 발명은, 휴대형 퍼스널 컴퓨터나 디지털 카메라, 휴대 전화기 등의 전자기기, 전기 자동차나 하이브리드 카 등의 차량 등의 전지 탑재 장치로서 사용되는 충전 시스템, 이들 전지 탑재 장치의 전원으로서 사용되는 전지 팩, 및 이러한 전지 팩을 충전하는 충전 장치에 적합하게 이용할 수 있다.
1 : 전지 팩 2 : 부하 기기
11 : 직류 하이(high) 측의 충방전 경로
12, 13 : FET 14 : 2차 전지
15 : 직류 로우(Low) 측의 충방전 경로
16 : 전류 검출 저항 17 : 온도 센서
18 : 제어 IC 19 : 아날로그/디지털 변환기
20 : 전압 검출 회로 21 : 제어 판정부
22, 32 : 통신부 31 : 제어부
33 : 부하 회로 34 : 표시 패널
35 : 전압 저하 복귀 검출부 36 : 판정부
37 : 메모리 38 : 전압 저하 판단부
39 : 복귀 판단부 40 : 제 2 임계값 전압 결정부
41 : 내부 저항값 취득부 42 : 임계값 전류 결정부

Claims (13)

  1. 전지의 단자 전압을 검출하는 전압 검출부와,
    상기 전지의 방전 전류를 검출하는 전류 검출부와,
    상기 전압 검출부의 검출 결과에 응답하여, 전지의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 전압 저하 복귀 검출부와,
    상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이에 상기 전류 검출부에서 검출된 방전 전류의 최대값이 임계값 전류 이하일 때에, 내부 단락이 발생한 것으로 판정하는 판정부
    를 포함하는 전지의 내부 단락 검지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 저하 복귀 검출부는,
    미리 정한 기간 동안에 있어서의 상기 단자 전압의 변화량을 검출하고, 상기 단자 전압의 변화량이 제 1 임계값 전압을 초과했을 때에, 순간적인 전압 저하가 발생한 것으로 판단하는 전압 저하 판단부와,
    상기 전압 저하의 발생 후에, 단자 전압이 제 2 임계값 전압을 초과했을 때에 전압 저하로부터 복귀한 것으로 판단하는 복귀 판단부
    를 포함하는 전지의 내부 단락 검지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복귀 판단부는, 전압 저하 개시 시점의 전압에 미리 정한 계수를 승산하여, 복귀 판정을 위해 이용하는 상기 제 2 임계값 전압을 결정하는 제 2 임계값 전압 결정부를 포함하는 전지의 내부 단락 검지 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 판정부는, 상기 온도 센서가 검출하는 상기 전지의 온도로부터 상기 전지의 내부 저항값을 구하는 내부 저항값 취득부와, 상기 내부 저항값 취득부에서 구해진 내부 저항값 및 상기 전지의 단자 전압에 근거하여, 상기 임계값 전류를 결정하는 임계값 전류 결정부를 포함하는
    전지의 내부 단락 검지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 임계값 전류 결정부는, 상기 전지의 온도로부터 추측되는 상기 전지의 내부 저항값을 r로 하고, 상기 전압 저하시의 미리 정한 기간에 있어서의 단자 전압의 변화량을 ΔV1로 할 때, ΔV1/r에 근거하여 상기 임계값 전류를 결정하는 전지의 내부 단락 검지 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지는 음극과 양극 사이에 내열층을 갖는 비수계 전해질 2차 전지, 또는 극판 저항이 4Ω·㎠ 이상을 갖는 비수계 전해질 2차 전지인 전지의 내부 단락 검지 장치.
  7. 전지와,
    상기 전지의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과, 방전 전류를 검출하는 전류 검출 수단과, 상기 전압 검출 수단의 검출 결과에 응답하여, 전지의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 전압 저하 복귀 검출 수단과, 상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이에 상기 전류 검출 수단에서 검출된 방전 전류의 최대값이 임계값 전류일 때에 내부 단락이 발생한 것으로 판정하는 판정 수단을 포함하는 내부 단락 검지 장치
    를 포함하는 전지 팩.
  8. 전지의 순간적인 전압 저하 및 그것으로부터의 복귀를 검출하는 검출 공정과,
    상기 전압 저하로부터 복귀까지의 사이의 방전 전류의 최대값이 임계값 전류 이하일 때에, 내부 단락이 발생한 것으로 판정하는 판정 공정
    을 포함하는 전지의 내부 단락 검지 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 검출 공정은,
    미리 정한 기간 동안에 있어서의 상기 전지의 단자 전압의 변화량을 검출하고, 상기 단자 전압의 변화량이 제 1 임계값 전압을 초과했을 때에, 순간적인 전압 저하가 발생한 것으로 판단하는 전압 저하 판단 공정과,
    상기 전압 저하의 발생 후에, 단자 전압이 제 2 임계값 전압을 초과했을 때에, 전압 저하로부터 복귀한 것으로 판단하는 복귀 판단 공정
    을 포함하는 전지의 내부 단락 검지 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복귀 판단 공정은, 전압 저하 개시 시점의 전압에 미리 정한 계수를 승산하여, 복귀 판정을 위해 이용하는 상기 제 2 임계값 전압을 결정하는 공정을 포함하는 전지의 내부 단락 검지 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판정 공정은, 상기 전지의 온도로부터 추측되는 상기 전지의 내부 저항값 및 상기 전지의 단자 전압에 근거하여 상기 임계값 전류를 결정하는 임계값 전류 결정 공정을 포함하는 전지의 내부 단락 검지 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 임계값 전류 결정 공정은, 상기 전지의 온도로부터 추측되는 상기 전지의 내부 저항값을 r로 하고, 상기 전압 저하시의 미리 정한 기간에 있어서의 단자 전압의 변화량을 ΔV1로 할 때, ΔV1/r에 근거하여 상기 임계값 전류를 결정하는 전지의 내부 단락 검지 방법.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지는 음극과 양극 사이에 내열층을 갖는 비수계 전해질 2차 전지, 또는 극판 저항이 4Ω·㎠ 이상을 갖는 비수계 전해질 2차 전지인 전지의 내부 단락 검지 방법.
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