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KR100665968B1 - 충전지의 내부저항의 검출장치를 수용하는 충전지팩 및검사용 충전지의 내부저항 검출용 프로그램이 기억된 매체 - Google Patents

충전지의 내부저항의 검출장치를 수용하는 충전지팩 및검사용 충전지의 내부저항 검출용 프로그램이 기억된 매체 Download PDF

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KR100665968B1
KR100665968B1 KR1020050114529A KR20050114529A KR100665968B1 KR 100665968 B1 KR100665968 B1 KR 100665968B1 KR 1020050114529 A KR1020050114529 A KR 1020050114529A KR 20050114529 A KR20050114529 A KR 20050114529A KR 100665968 B1 KR100665968 B1 KR 100665968B1
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South Korea
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rechargeable battery
charging
internal resistance
constant voltage
charging mode
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KR1020050114529A
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소이치로 카와카미
야스사브로 데구라
Original Assignee
캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명에 의하면, 정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax로 상기 정전압 충전모드로 충전을 충전종료시까지 행하는 정전류-정전압 충전방식에 의해 검사용 충전지를 충전하는 경우에, (i) 상기 검사용 충전지의 전압을 측정하는 수단과, (ii) 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 수단과, (iii) 정전압 충전모드에의 전량과 증감될 때의 내부저항 또는 증감된 크기의 관계에 따라서, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 기억하는 수단과, (iv) 상기 수단 (ii)에 의해 획득된 정전압 충전모드에서의 상기 검사용 충전지의 상기 충전량에 대해 상기 수단 (iii)으로부터의 정보를 참조하는 수단을 적어도 구비하여, 상기 검사용 충전지의 내부저항이 상기 수단 (iv)에서의 정보로부터 검출되는 검사용 충전지의 내부저항의 검출장치가 수납되어 있는 충전지팩이 제공된다. 또, 본 발명에 의하면, 충전지의 내부저항의 검출방법이 내포되어 있는 프로그램이 저장된 메모리 매체도 제공된다.

Description

충전지의 내부저항의 검출장치를 수용하는 충전지팩 및 검사용 충전지의 내부저항 검출용 프로그램이 기억된 매체{RECHARGEABLE BATTERY PACK ACCOMMODATING DETECTING APPARATUS FOR DETECTING INTERNAL RESISTANCE OF RECHARGEABLE BATTERY, AND MEDIUM IN WHICH PROGRAM FOR DETECTING INTERNAL RESISTANCE OF RECHARGEABLE BATTERY IS STORED}
도 1은, 본 발명의 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출방법의 실시예를 예시한 순서도를 도시한 도면.
도 2는, 본 발명의 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출방법의 다른 실시예를 예시한 순서도를 도시한 도면.
도 3은, 100%의 방전심도로부터, 상기 충전지가 소정의 정전류값에서 소정의 전기량으로 충전된 간헐적 충전동작 후, 충전지가 완전충전되는 경우 충전지의 충전특성을 예시한 도면.
도 4는, 축적된 충전지전압, 도 3에서 획득된 충전량과의 관계와, 상기 축적되고 도 3에서 획득된 충전지전압과 개방회로 전압, 충전량과의 관계를 서로 예시한 도면.
도 5는, 정상의 충전지의 충전량과 개방회로 전압간의 관계와, 사이클로 인해 열화된 충전지의 충전량과 개방회로전압간의 관계를 서로 예시하고, 횡축의 방향(충전량의 방향)으로 개방회로전압 곡선 사이클로 인해 열화된 충전지가 1/D로 승산되는 경우(여기서, D는 전지축적용량의 감소율임), 정상의 충전지의 곡선에 일치되는 그래프를 도시한 도면.
도 6은, 정전류-정전압 충전에서 정상의 충전지의 충전시간과 상기 정상의 충전지의 충전전류값간의 관계 및 정전류-정전압 충전에서 사이클로 인해 열화된 충전지의 충전시간과 상기 사이클로 인해 열화된 충전지의 충전전류값간의 관계와, 상기 사이클로 인해 열화된 충전지의 상기 충전시간을 1/D(=1/0.84 = 1.19)로 승산함으로써 획득한 충전시간과 상기 사이클로 인해 열화된 충전지의 상기 충전전류값간의 관계를 도시한 도면.
도 7은, 본 발명의 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출장치의 주요구성부로서 전기회로의 일례를 도시한 개략도.
도 8은, 본 발명의 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출장치가 부가된 충전지팩의 일례를 도시한 개략도.
도 9는, 증가된 내부저항을 가지는 충전지 모델에 상기 충전지를 직렬접속으로 구성하는 내부저항이 R1인 정상의 충전지에 저항기 (rs)가 접속되고 충전기가 상기 충전지에 접속된 회로를 도시한 개략도.
도 10은, 충전지가 정전류-정전압 충전 방식에 의해 충전되어 저항기 (rs)의 저항값이 변화될 때 도 9에 도시한 충전지의 충전시간에 대한 충전전압의 변화곡선을 예시한 그래프의 일례를 도시한 도면.
도 11은, 충전지가 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전되어 저항기 (rs)의 저항값이 변화될 때 도 9에 도시한 충전지의 충전량(=충전용량)에 대한 충전전류의 변화곡선을 예시한 그래프의 일례를 도시한 도면.
도 12는, 저항기 (rs)가 생략된 경우에 정전류-정전압 충전으로 소정의 정전압에 이르는 시간에 충전이 종료될 때 충전의 종료 후 경과한 시간에 대한 도 9에 도시한 충전지의 충전지전압의 변화곡선을 예시한 도면.
도 13은, 정전압 충전모드의 충전량과 증감될 때의 내부저항 또는 증감된 크기간의 관계에 대한 충전지의 데이터의 일례를 도시한 도면.
도 14는, 상기 충전지의 내부저항에 대한 소정의 전지온도 T(=27℃)와 소정의 충전전류 I(=1.70A)에서 획득된 충전지의 충전량(=충전용량)에 대한 보정효율에 관한 데이터의 일례를 도시한 도면.
도 15는, 충전지전압이 정전류-정전압 충전에서 소정의 정전압에 이를 때 상기 사이클로 인해 열화된 충전지의 충전의 종료 후 경과된 시간에 대한 사이클로 인해 열화된 충전지의 충전지전압의 변화곡선을 예시한 도면.
도 16은, 도 15의 세로축의 충전지전압(=개방회로 전압(Voc))을 Voc0이 되도록 하고 나중에 설명할 식(1)의 계산을 행함으로써 획득한 곡선을 예시한 도면.
도 17은, 도 16의 세로축의 저항값이 R0가 되도록 하고 나중에 설명할 식(11)의 계산을 행함으로써 획득한 곡선을 예시한 도면.
본 발명은, 온오프(ON-OFF) 제어를 행할 수 있는 충전용 스위칭소자와, 방전용 스위칭소자와, 충방전 전류값을 검출하기 위한 검출소자 중 1개 이상이 충전지의 충방전 통로에 수용된 제어회로를 가지는 충전지팩내에 수용된 검사대상 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 검출장치가 수용되어 있는 충전지팩에 관한 것이다.
본 발명은 검사용 충전지의 내부저항의 검출방법을 내포하고 있는 검사용 충전지의 내부저항 검출프로그램이 기억되어 있는 메모리 매체에 관한 것이다.
본 발명에서 내부저항을 검출하는 검사대상 충전지를 이하 "검사용 충전지"로 칭한다.
최근에, 반도체 소자의 발전과 소형화의 발전에 따라, 저중량 고성능의 충전지와, 휴대용 개인 컴퓨터, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 휴대폰, 팜탑 PC를 포함하는 휴대용 개인정보 단말기 등의 이동기기는 급속도로 발전되고 있다.
또한, 최근에, 대기중의 CO2가스의 함유량이 증가하는 이른바 온실효과에 의한 지구의 온난화를 예상하고 있다. 예를 들면, 화력발전소에서, 화석연료를 연소함으로써 획득한 열에너지는 전기 에너지로 변환되고, 상기 화석연료가 연소함에 따라, 다수의 CO2가스가 대기중에 배출된다. 따라서, 이러한 상황을 억제하기 위하여, 화력발전소를 신규로 설립하는 것을 금지하는 경향이 있다. 이러한 상황 아래에서, 이른바 부하평준화실험(load leveling practice)은 화력발전소 등의 전력생성기에 의해 생성된 전력을 효과적으로 이용하도록 제안되고 있고, 거기에 설치된 충전지를 가지는 부하조절기를 사용하는데 있어서, 밤에 사용되지 않는 잉여전력을 일반 가정에 설치된 충전지에 저장하고, 저장된 전력은 전력에 대한 수요가 증가되는 낮에 사용함으로써, 전력소비를 평준화한다.
또한, 최근에, 충전지를 가지고 또한 어떠한 오염물질도 배출하지 않는 전동차가 제안되고 있다. 이외에, 충전지와 내부연소엔진 또는 연료셀의 혼합이 사용되는 혼성전력의 자동차가 사용되고, 오염물질의 소모억제를 제안하면서 연료효율이 증대된다. 이들 전동차와 혼성전력의 자동차에 사용된 충전지로서, 고에너지밀도를 가지는 고성능 충전지가 개발되는 것을 기대하고 있다.
또한, 이동기구와, 부하평준화의 부하조절기와, 상기 설명한 바와 같이 충전지가 사용되는 전동차 또는 혼성연료의 자동차에서, 전지가 수용된 장치 내부의 전지의 내부저항에 좌우하여 충전지로부터 출력되는 전력을 적절하게 제어함으로써 작동시간을 최대로 연장하는 것이 가능하고, 또는 전지의 내부저항으로부터 획득되는 전지의 수명에 관련된 정보에 의거하여 전지의 교환에 필요한 시간을 미리 인지하여 불시의 작동 정지의 발생을 회피할 수 있다. 따라서, 이동기구, 부하조절기, 전동차 또는 혼성전력의 자동차의 작동을 불시의 정지로부터 방지하기 위하여, 거기에 사용된 충전지의 내부저항을 정밀하게 검출하는 것이 매우 중요하다.
또한, 이동기구, 부하조절기, 전동차 또는 혼성전력의 자동차에서, 충전지를 가지고, 또한 온오프(ON-OFF) 제어를 행할 수 있는 충전용 스위칭소자와, 방전용 스위칭소자와, 충방전 전류값을 검출하기 위한 검출소자 중 1개 이상이 상기 충전지의 충방전 통로에 수용된 제어회로를 가지는 충전지팩을 종종 사용한다. 이 경우, 충전지뿐만 아니라 충전지팩의 각각의 소자의 비정상 또는 열화로 인한 전체 충전지의 내부저항 관련정보를 정밀하게 검출할 수 있는 것이 또한 매우 중요하다.
일본국 특개평 9(1997)-134742호 공보(이하, 문헌 1로 칭함)는, 충전지에 대하여, 충전지가 그 성능에 대하여 열화되었는지의 여부를 판단하도록 교류전류를 흘리면서, 방전종료전압에 이르기 직전에 내부임피던스가 임피던스 측정기구에 의해 측정되는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 문헌 1에 개시된 방법은, 임피던스를 측정하는 임피던스 측정기구가 교류전류 발생회로를 가지는 것을 요구하고 이 때문에 상기 장치는 사이즈가 증가되는 것을 피할 수 없고, 또한, 충전지가 동작하는 동안, 측정을 행할 수 없고, 충방전 동작에 대하여 전압강하(IR 손실)의 크기로서 측정된 내부저항성분 R에 상기 측정된 임피던스가 항상 부합하지 않아서 실제로 적용할 수 없다.
일본국 특허공개 제 2002-142379호 공보(이하, 문헌 2로 칭함)는, 충전지의 내부저항이 펄스충전동작에 대한 전압강하의 크기로부터 검출되는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 문헌 2에 개시된 방법은, 하기 설명하는 바와 같은 문제를 가진다. 통상의 충전기가 채용된 동작과는 상이한 특정한 동작이 요구된다. 펄스폭(펄스시간)에 좌우하여 상이하더라도, 펄스충전에서, 일반적으로, 충전영역의 충전전류값에 대한 개방회로전압으로부터의 전압증가율이, 충전이 연속적으로 동작하여 종료영역의 충전지전압이 소정의 개방회로전압까지 감소되지 않는 경우와 비교하여 작고, 여기서 이 경우의 전압차이에 좌우하여 충전지의 내부저항을 검출할 때, 검출된 내부저항의 값은 충방전 동작시에 전압강하(IR 손실)의 크기로서 검출된 내부저항성분 R보다 작게 된다.
일본국 특개평 7(1995)-240235호 공보(이하, 문헌 3으로 칭함)는, 충전지의 내부저항이 충전동작을 종료함으로써 측정되는 충전지의 전압강하의 크기로부터 검출되는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 문헌 3에 개시된 방법은, 하기 설명하는 바와 같은 문제를 가진다. 상기 문헌 2에서 설명한 방법의 경우와 마찬가지로, 통상의 충전지가 채용된 동작과는 상이한 특정한 동작이 요구된다. 또한, 충전지의 전압강하의 크기를 정밀하게 측정하기 위하여 긴 시간 동안 충전동작을 중지하는 것이 요구되고, 여기서 충전지를 완전충전하는데 필요한 시간은 피할 수 없이 연장되고, 이것은 작업능률의 불편과 저하를 초래한다.
상기 설명한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여, 일본국 특개공개 제 2002-50410호 공보(이하, 문헌 4로 칭함)는, 축전용량, 전지온도 및 전류흐름의 요소로 표현되는 축전용량과 내부저항의 요소로 표현되는 개방회로전압에 대하여, 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 참조함으로써, 충전지의 충전지전압과 거기에 흐르는 전류로부터 축전용량, 내부저항 등에 대한 검사용 충전지의 내부상태를 정밀하게 검출하는 방법을 개시하고 있다. 상기 문헌 4에 개시된 방법이, 상기 검사용 충전지의 내부상태를 극도의 고정밀도로 예상할 수 있다는 이점이 있지만, 다양한 조건 아래에서 충전지의 기본 데이터가 획득되는 것이 요구되고 상기 데이터의 획득에 많은 노동력이 요구되는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 검사용 충전지의 내부저항을 검출하는 종래기술에서 제안된 방법의 상기 문제를 해결하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 충전동작 동안 특정한 동작을 사용할 필요없이 그리고 검출에 대한 특정한 시간을 소비함이 없이 상기 충전지가 충전지팩 내에서 충전되는 동안, 고정밀도로 충전지의 내부저항을 효율적으로 검출할 수 있는 검출방법과 검출장치를 제공하는 데 있다.
상기 충전지 팩은, 검사용 충전지와, 온오프(ON-OFF) 제어를 행할 수 있는 충전용 스위칭소자, 방전용 스위칭소자 및 충방전 전류값을 검출하기 위한 검출소자 중 1개 이상이 상기 충전지의 충방전 통로에 수용되는 제어회로를 포함한다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 검출장치가 수용되는 충전지팩을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 검출장치가 설치된 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 검출방법이 내포된 프로그램과 상기 프로그램이 저장된 메모리 매체를 제공하는 데 있다.
참고로, 본 발명의 검출방법에 의하면, 검사용 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출방법에 있어서, 상기 정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고, 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 상기 검사용 충전지의 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax의 상기 정전압 충전모드로 충전을 충전종료시까지 행하는 정전류-정전압 충전방식에 의해 검사용 충전지를 충전하는 경우에,
정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 단계(a)와, 상기 단계(a)의 정전압 충전모드에서 획득한 상기 검사용 충전지의 상기 충전량은, 정전압 충전모드의 축적된 충전량과 증감할 때의 내부저항 또는 증감된 크기의 관계에 대하여, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 참조하는 단계(b)를 적어도 포함한다.
상기 검사용 충전지의 축전용량이 상기 정상의 충전지의 D배의 크기로 감소되는 경우(여기서, D는 0 < D ≤1의 상수임), 상기 검출방법은 상기 단계(a)와 상기 단계(b) 사이에, 상기 단계(a)의 정전압 충전모드에서 획득된 상기 검사용 충전지의 상기 충전량은 상기 충전량을 1/D배로 승산하여 정정하고, 또한 단계(b)에서 설명된 상기 관계를 참조하는 추가단계를 가질 수 있다.
참고로, 본 발명의 검출장치에 의하면, 검사용 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출장치에 있어서, 정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고, 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax로 상기 정전압 충전모드로 충전을 충전종료시까지 행하는 정전류-정전압 충전방식에 의해 검사용 충전지를 충전이 행해질 경우,
적어도 (i) 상기 검사용 충전지의 전압을 측정하는 수단과, (ii) 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 수단과, (iii) 정전압 충전모드에서 충전량과 증감될 때의 내부저항 또는 증감된 크기의 관계에 따라서, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 기억하는 수단과, (iv) 상기 수단 (ii)에 의해 획득된 정전압 충전모드에서의 상기 검사용 충전지의 상기 충전량에 대해 상기 수단 (iii)으로부터의 정보를 참조하는 수단을 가지고, 상기 검사용 충전지의 내부저항은 상기 수단 (iv)에서의 정보로부터 검출된다.
상기 검사용 충전지의 축전용량이 상기 정상의 충전지의 D배의 크기로 감소되는 경우(여기서, D는 0 < D ≤1의 상수임), 상기 검출장치는 상기 수단 (iii)으로부터의 상기 정보를 참조하기 전에 상기 충전량을 1/D배로 승산함으로써 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 상기 충전량을 정정하는 수단을 부가하여 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 1개 이상의 충전지를 가지고 또한 상기 검출장치가 부가된 충전지팩이 제공된다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 검출장치를 가지는 장치를 부가하여 제공한다. 상기 장치는, 검사용 충전지가 양호한지 또는 불량한지의 여부를 검사하는 검사장치와, 충전지를 충전하는 충전기와, 휴대폰, 휴대용 개인정보 단말기, 휴대용 컴퓨터을 포함하는 휴대용 기기와, 오토바이, 자동차, 선박, 항공기, 우주비행체를 포함하는 이동체를 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 검출방법이 통합된 검사용 충전지의 내부저항을 검출하는 프로그램과 상기 프로그램이 저장된 매체를 제공한다.
본 발명에서 내부저항의 검출을 행할 검사용 충전지는, 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전되는 충전지를 포함한다. 그러한 충전지의 특정한 예로서, 리튬의 산화환원 반응이 사용된 리튬 이온 충전지를 포함하는 리튬 충전지를 언급할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 내부저항의 검출을 행할 검사용 충전지는 상기 리튬 충전지로 한정되는 것이 아니다.
또한, 달리 설명하지 않는 한, 명세서 내의 "정전압 충전모드"란 용어는, 충전지가 정전압으로 충전되는 상태 또는 충전지가 비제어 컴퓨터 프로그램 측으로부터 정전압으로 충전되는 경우를 나타내는 표현이다. 상기 "정전압 충전모드"는, "충전이 정전압으로 충전되는 상태"와 동일한 의미이다. 한편, "정전류 충전모드"란 용어는, 충전지가 정전류값으로 충전되는 상태 또는 경우를 의미한다.
본 발명에서 충전지의 내부저항의 "검출"은 예상에 의거한다.
본 발명을 하기 더욱 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 검사용 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출방법은, 정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 상기 검사용 충전지의 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax의 상기 정전압 충전모드로 충전을 충전종료시까지 행하는 정전류-정전압 충전방식에 의해 검사용 충전지의 충전이 행해질 경우에, 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 단계(a)와, 상기 단계(a)의 정전압 충전모드에서 획득한 상기 검사용 충전지의 상기 충전량은, 정전압 충전모드의 축적된 충전량과 증감할 때의 내부저항 또는 증감된 크기의 관계에 대하여, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 참조하는 단계(b)를 적어도 포함한다.
상기 검사용 충전지의 축전용량이 상기 정상의 충전지의 D배의 크기로 감소되는 경우(여기서, D는 0 < D ≤1의 상수임), 상기 검출방법은 상기 단계(a)와 상기 단계(b) 사이에, 상기 단계(a)의 정전압 충전모드에서 획득된 상기 검사용 충전지의 상기 충전량은 상기 충전량을 1/D배로 승산하여 정정하고, 또한 단계(b)에서 설명된 상기 관계를 참조하는 추가단계를 가질 수 있다.
참고로, 상기 검출장치는, 대표적으로, 검사용 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 검출장치에 있어서, 정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax로 상기 정전압 충전모드 충전을 충전종료시까지 행하는, 정전류-정전압 충전방식에 의해 검사용 충전지의 충전이 행해질 경우,
적어도 (i) 상기 검사용 충전지의 전압을 측정하는 수단과, (ii) 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 수단과, (iii) 정전압 충전모드에서 충전량과 증감될 때의 내부저항 또는 증감된 크기의 관계에 따라서, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 기억하는 수단과, (iv) 상기 수단 (ii)에 의해 획득된 정전압 충전모드에서의 상기 검사용 충전지의 상기 충전량에 대해 상기 수단 (iii)으로부터의 정보를 참조하는 수단을 가지고, 상기 검사용 충전지의 내부저항은 상기 수단 (iv)에서의 정보로부터 검출된다.
상기 검사용 충전지의 축전용량이 상기 정상의 충전지의 D배의 크기로 감소되는 경우(여기서, D는 0 < D ≤1의 상수임), 상기 검출장치는 상기 수단 (iii)으로부터의 상기 정보를 참조하기 전에 상기 충전량을 1/D배로 승산함으로써 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 상기 충전량을 정정하는 수단을 부가하여 가질 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 내부저항의 검출을 행하는 상기 검사용 충전지는, 온오프(ON-OFF) 제어를 행할 수 있는 충전용 스위칭소자와, 방전용 스위칭소자와, 충방전 전류값을 검출하기 위한 검출소자의 1개 이상이 상기 충전지의 충방전 통로에 수용되는 제어회로를 가지는 충전지팩에 수용된 충전지를 포함한다.
도 1과 도 2를 참조하여 상기 검사용 충전지의 내부저항의 검출방법의 실시형태를 설명한다.
도 1은 정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하는 정전류-정전압 충전방식(CCCV 충전방식)으로 상기 충전지를 충전하는 경우, 본 발명의 충전지의 내부저항을 검출하는 검출방법의 일례의 순서도를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 실시예와 마찬가지로 CCCV 충전방식으로 상기 충전지를 충전하는 경우, 본 발명의 충전지의 내부저항을 검출하는 검출방법의 다른 실시예의 순서도를 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 실시예는, 도 2에 도시한 실시예를 제외하고 도 1에 도시한 것과 동일하고, 충전지(즉, 내부저항이 검출되는 검사용 충전지)의 축전용량이 상기 검사용 충전지에 상당하는 정상의 충전지의 D배의 크기로 감소되는 경우, 축전용량에 대하여 검사용 충전지에 정정을 행한다.
상기 검출방법은 이들 실시형태로 한정하는 것이 아님을 인지해야 한다.
도 1의 S1 내지 S9와 도 2의 S1 내지 S10의 "S"는, "단계(step)"를 나타내고, 그 숫자는 "단계 번호"를 나타낸다.
먼저, 도 1에 도시한 순서도에 따라서 검출방법을 설명한다.
시작으로서, 내부저항의 검출을 행할 검사용 충전지를 제공한다.
CCCV 충전방식으로 검사용 충전지를 충전하는 것을, 단계 1에서 개시한다. 특히, 검사용 충전지는 정전류 충전모드로 충전된다(단계 2).
검사용 충전지의 충전지전압이 소정의 전압에 이를 때(단계 3), 정전류 충전모드는 정전압 충전모드로 시프트되고(단계 4), 여기서 충전전류값과 충전시간이 측정된다(단계 5).
충전이 종료되는 조건을 만족할 때(단계 6), 검사용 충전지의 충전이 종료된다(단계 7).
단계 8에서, 정전압 충전모드에 의한 검사용 충전지의 충전량(=충전용량)은, 단계 5에서 획득된 충전전류값과 충전 시간으로부터 계산된다.
단계 9에서, 단계 8에서 획득된 검사용 충전지의 충전량은, 정전압 충전모드의 충전량과 증감될 때의 내부저항 또는 증감된 크기간의 관계에 대하여, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지(축전용량이 감소되지 않음)의 데이터를 참조함으로써, 검사용 충전지의 내부저항을 검출한다.
정전압 충전모드에서 축전용량이 감소되지 않는 상기 설명한 충전지의 충전량과 내부저항은, 1:1의 대응을 가진다.
정전압 충전모드에서 충전량을 측정함으로써 상기 충전지의 내부저항이 예상될 수 있는 이유는 다음의 요소에 의해서이다.
여기서, "축전용량"은 완전충전량과 동일하고, 주어진 전지가 저장할 수 있는 최대 전기량을 나타낸다. 충전지의 경우, 축전용량(=완전충전량)은, 100%의 방전심도(즉, 더 방전될 수 없는 상태)까지 방전될 수 있는 전체 전기량을 의미한다. 더욱 상세하게는, 충전지가 완전충전된 상태로부터 방전되는 경우, 충전지의 축전용량(=완전충전량)은 방전전류값의 변화를 방전시간으로 적분하여 획득한 값, 즉, 방전시간의 변화에 대한 방전전류값의 변화와 방전시간축의 관계를 도시하여 형성된 방전전류 곡선으로 둘러싸인 영역과 동일하다.
또한, 충전에 사용된 전기량이 충전지에 완전하게(100%) 저장된 경우, 100%의 방전심도로부터 완전충전 상태까지의 충전량은 충전지의 축전용량(=완전충전량)이 된다.
정전류-정전압 충전방식에 의한 충전에서, 충전량이 완전충전량에 이르는 시 점은 방전전류가 충분히 흐르는 것으로부터 종료된 시점이다.
축전용량이 감소되지 않는(내부저항이 증가된 경우 문제가 안됨) 검사용 충전지의 축전용량(=완전충전량)은, 검사용 충전지에 상당하는 정상의 충전지와 동일하다. 이에 대하여, 내부저항만이 증가된 검사용 충전지의 경우, 방전전류값과 방전시간축에 의해 형성된 방전전류곡선에 의해 둘러싸인 검사용 충전지의 영역은 정상의 충전지와 대략 동일하게 된다.
축전용량이 감소되지 않고 상기 검사용 충전지에 상당하는 정상의 충전지보다 내부저항이 크게 증가되는 검사용 충전지가, 100%의 방전심도로부터 완전충전된 상태에 도달할 때까지 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전되는 경우에, 정상의 충전지와 비교하여, 정전류 충전모드의 검사용 충전지의 충전시간은 단축되고, 상기 정전류 충전모드는 정전압 충전모드의 충전시간이 상대적으로 길게 되는 초기 단계에서 정전압 충전으로 시프트된다. 이것은, 내부저항이 증가되는 충전지의 경우, 정전압 충전모드의 충전량은 내부저항이 증가되는 것과 같이 완전충전되는 시간까지 증가되는 것을 의미한다. 이것은, 축전용량이 감소되지 않는 주어진 충전지에 대하여, 정전압 충전모드의 완전충전된 상태를 미리 인지하기 전까지 충전량을 나타내고, 내부저항을 예상하는 것이 가능하다. 이 방법에 의하면, 잔류 전기의 소정량을 가지는 충전지가 충전되는 경우에도, 즉, 추가적으로 충전되는 경우에도, 정전류 충전모드에 의한 충전으로부터 충전이 개시되는 한, 내부저항을 예상하는 것이 가능하다.
지금, 상기 검출방법에서, 검사용 충전지의 내부저항이 정전류-정전압 충전 방식(CCCV 충전방식)의 정전압 충전모드의 충전량으로부터 검출되기 때문에, 100%의 방전심도로부터 정전류 충전모드의 충전량에 관련된 정보를 필요로 하지 않는다. 즉, 검사용 충전지가 특정의 잔류 전기량을 가지고 또한 상기 검사용 충전지가 추가적으로 충전되는 경우에도, 상기 검출방법은 내부저항을 검출할 수 있다.
달리 설명하지 않는 한, 본 발명의 "100%의 방전심도"는 충분히 출력될 수 있는 전기량이 없는 상태, 즉, 방전이 계속 지속되는 상태를 의미하고, 충전지전압이 갑자기 감소되어 출력될 수 있는 전기량이 충분히 변화되지 않는다.
[정전압 충전모드의 충전량과 내부저항간의 관계에 대한 정상의 충전지의 데이터의 획득실험]
도 9 내지 도 12를 참조하여, 주어진 검사용 충전지의 내부저항을 검출하기 위하여 정전압 충전모드의 주어진 정상의 충전지의 충전량과 증감할 때의 내부저항 또는 증감된 크기간의 관계의 데이터를 획득할 수 있는 실험을 설명한다.
축전용량이 감소되지 않고 내부저항만이 증가되는 충전지의 경우, 저항기 rs가 정상의 충전지에 직렬접속으로 접속되어 충전지의 내부저항이 의도적으로 증가되고 또한 상기 충전지가 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전되는 전기회로 모델을 사용하여, 충전특성이 변화되는 방법을 발견하기 위하여, 충전전류값의 변화와, 충전전압값의 변화 및 충전량(=충전용량)의 변화가 획득되었다. 다음에, 소정의 충전동작을 행한 후, 충전지는 정전류 충전모드에 의해 충전되었고, 여기서 충전전압이 소정의 전압값에 도달했을 때 충전지의 내부저항을 측정하였다.
도 9는, 저항기 rs가 내부저항 R1을 가지는 정상의 충전지에 직렬로 전기접속되고 충전기가 상기 충전지에 전기적으로 접속된 전기회로의 개략도를 도시한 도면이다. 이 경우, 저항기 rs의 저항값은 충전지의 내부저항의 증가된 크기에 상당하고 충전지의 내부저항 R1과 대략 동일한 차수(order)를 가지는 것이 바람직하다.
도 10은, 도 9의 경우의 그래프를 도시한 도면이고, 명시된 용량이 1680mAh이고 18mm의 직경과 65mm의 높이를 가지는 상업적으로 이용가능한 리튬 이온 충전지를 충전지로 사용하였고, 상기 리튬 이온 충전지는 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전되었고, 상기 그래프는 충전지가 100%의 방전심도로부터 충전전압이 4.2V에 도달되는 시점까지 1.7A의 정전류로 충전지가 충전된 충전전압값 (V)의 변화와 충전시간(hour)의 변화 사이의 관계의 충전전압곡선을 예시하고, 저항기 rs가 상기 리튬 이온 충전지에 접속되지 않은 경우와, 27mΩ의 저항기 rs가 충전지에 접속된 경우와, 39mΩ의 저항기 rs가 충전지에 접속된 경우와, 62mΩ의 저항기 rs가 충전지에 접속된 경우와, 91mΩ의 저항기 rs가 충전지에 접속된 경우와, 110mΩ의 저항기 rs가 충전지에 접속된 경우와, 150mΩ의 저항기 rs가 충전지에 접속된 경우에 대하여, 충전전류가 충전이 종료되는 0.1A로 감소될 때까지 충전지는 4.2V의 정전압으로 연속적으로 충전되었다.
도 11은, 충전전류 (A)의 변화와 도 10의 충전량의 변화간의 관계의 충전전 류곡선을 예시한 도면이다.
도 12는, 충전전압이 4.2V일 때의 개방회로 전압을 측정하기 위하여, 100%의 방전심도로부터 충전지가 1.7A의 일정한 충전전류로 충전되고, 또한 도 10에서 충전한 현재전압이 4.2V에 도달할 때에 충전이 종료되는 충전지에 저항기 rs가 접속되지 않은 경우, 충전의 종료 후에 충전지전압의 변화와 경과된 시간(90초 동안)의 변화간의 관계의 충전지전압곡선을 예시한 도면이다.
도 10에 도시한 충전시간에 대한 충전전압 전류 곡선으로부터, 충전지에 직렬접속으로 접속된 저항기의 저항값이 증가됨에 따라서, 충전전압이 소정의 전압값에 도달할 때까지 시간, 즉, 일정한 충전전류값의 충전시간이 단축되고 충전의 개시 후의 초기단계에서 정전류 충전모드는 정전압 충전모드로 시프트된다는 사실을 얻었다.
도 11에 도시한 충전량에 대한 충전전류곡선으로부터, 하기 사실을 얻었다. 충전지에 직렬접속으로 접속된 저항기의 저항값이 증가함에 따라 정전압 충전모드의 충전량이 증가되어도, 충전의 종료까지 축적된 전기량은, 축전용량에 근접 (충전지의 명시된 용량의 98.5% 내지 99.4%)한 1656 내지 1670 mAh의 범위에 있다.
결과로서 생기는 축적된 충전량이, 접속된 저항기의 저항이 증가함에 따라 감소될 수 있는 것처럼 보이더라도, 이것은 충전전류값이 0.1A가 될 때에 충전이 종료되었기 때문이다. 정전압 충전모드의 충전전류값의 감쇠는, 접속된 저항기의 저항이 작을수록 증대될 수 있다. 이 때문에, 정전압 충전모드에 의한 충전이, 충전전류값이 충분히 제로가 될 때의 충분한 기간동안 지속될 수 있는 경우, 축적된 충전량은, 접속된 저항기의 저항의 크기에 관계없이 특정의 수준으로 충분히 일정하게 된다고 생각된다.
따라서, 주어진 저항기 rs가 충전지에 직렬접속으로 인위적으로 접속하여 충전지의 내부저항을 계획적으로 증가시켜, 정전류-정전압 충전동작을 행하는 경우에도, 충전지의 축전용량 자체는 충분히 변화되지 않는다.
도 12에 도시한 충전지전압곡선으로부터, 1.7A의 정전류값의 정전류 충전의 종료 후, 충전지의 충전지전압은 단계적으로 감소되고, 소정의 시간이 경과할 때, 충전지전압이 특정의 전압값으로 수렴되는 사실을 얻었다. 이 전압값은 충전지의 개방회로전압(Voc)이라고 생각할 수 있다.
또한, 도 12에 도시한 충전지전압곡선으로부터, 1.7A의 정전류 충전에 의한 충전의 종료 후 충전지전압은 단계적으로 감소되고 그 후에 소정의 시간이 경과할 때, 충전지전압은 소정의 전압값으로 수렴되는 것으로 이해된다. 이 전압값은 개방회로전압이라고 생각된다. 충전에 대한 충전지전압 Vc는, 개방회로전압 Voc, 충전전류 I와 전지의 내부저항 R 사이의 관계의 하기 식(1)으로 나타낸다.
Vc = Voc + I ×R -------(1)
충전지의 내부저항을 R1이라 하면, R1은 충전전압 4.2와 개방회로전압간의 차를 충전전류값 1.7로 나눔으로써 획득한 값으로서, R1은 하기 식(2)에 따라서 획득될 수 있다.
R1 = (4.2 V - Voc)/1.7 (A) --------(2)
저항값이 서로 상이한 다양한 저항기 rs의 경우의 각각에서 내부저항 R(= R1 + rs)도 식(2)에 따라서 계산되었다.
상기에서 얻은 결과를 총괄하여 표 1에 나타낸다. 특히, 표 1에서, 충전전류가 0.1A까지 감소되는 경우 충전지에 접속된 저항기, 정전압 충전모드 (CV)에서의 축적된 충전량, 충전전압이 4.2V에 도달할 때의 개방회로전압 및 식(2)로부터 계산된 충전지의 내부저항값에 의거하여 상이한 내부저항에 대하여 100%의 방전심도로부터의 충전량을 도시한다. 표 1에서, 충전지의 내부저항값은 개방회로전압이 측정되는 방식으로 또한 식(2)에 따라서 얻은 것이고, 충전기 또는 저항기에 접속되는 충전지의 내부저항값을 계산한다. 이 경우에, 외부측정기기를 사용하는 것이 가능한 경우, 충전지의 내부저항값은 LCR 미터 등에 의해 직접 측정할 수 있다.
표 1에 도시한 결과에 의거하여, 각각의 경우에서 정전압 충전모드의 내부저항과 충전량간의 관계를 획득하였다. 획득된 결과를 도 13에 도시한다.
도 13에서, 상이한 저항을 가진 저항기를 충전지에 각각 접속함으로써 인위적으로 확립된 다양한 저항값은 충전량에 1:1로 대응하는 것으로 이해되어야 한다.
표 1에 나타난 결과로부터, 저항이 접속되는 충전지의 계산된 R값은, 충전지 본체의 계산된 R값과 저항기의 저항값의 합계와 대략 일치한다. 보다 상세하게는, 표 1에 도시된 값은, 저항기가 접속된 충전지의 저항값을 측정하거나 계산할 필요가 없는 것을 나타내고, 저항기를 접속하기 전에 충전지 본체의 저항값을 미리 얻은 경우에는 저항기가 접속된 충전지의 저항값을 접속된 저항기의 저항값으로부터 용이하게 계산하는 것이 가능하다. 따라서, 검사용 충전지에 대응하고 축전용량이 감소되지 않는 표준충전지의 내부저항값을 측정하고, 상이한 저항값을 가지는 다양한 저항기 중의 한 저항기를 충전기에 접속하면서 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전지에 충전하고, 각각의 경우에 정전압충전모드에서 축적된 충전량를 측정하여 미리 데이터를 획득함으로써, 검사용 축전지의 축전용량이 감소되지 않는 경우에는 일정한 충전모드에서 축적된 충전량의 측정으로부터 검사용 충전지의 내부저항을 예측할 수 있다.
여기서, 정전압 충전모드의 충전량 Q(mAh)에 대한 내부저항 R(mΩ)의 관계의 근사곡선으로부터 함수식 R(Q)를 획득할 수 있다. 함수식 R(Q)는 정전압 충전모드의 충전량 Q의 함수로 기능한다. 함수식 R(Q)는 하기 식(3)으로 나타낼 수 있다고 여겨진다.
R(Q) = Pn x Qn + Pn -1 x Qn -1 + Pn -2 x Qn -2 + ... P1 x Q1 + P0 x Q0 ---(3)
여기서, Pn 내지 P0은, 사용된 충전지의 종류 또는 형태, 명시된 용량 등에 좌우하여 상이한 상수이다.
본 실시예에서, 1680mAh의 공칭 용량과 18mm의 직경과 65mm의 높이를 가지고, 또한 도 13의 곡선 조정으로부터 시판의 리튬 이온 충전지의 미리 획득한 충전특성의 데이터에 의거하여, 내부저항 R은 정전압 충전모드의 충전량 Q의 3차 다항식으로 나타낸다고 가정하고, 충전량 Q에 대한 내부저항 R의 관계 함수식 R(Q)을 획득하였고, 하기 3차 다항식(4)으로 나타낸다.
R(Q) = 〔(0.000000072 x Q3) - (0.0002580011 x Q2)〕+(0.4205795841 x Q) + 7.825572664 ------(4)
R(Q)의 데이터는 3차 다항식(4)에 따라서 획득될 수 있다.
이와 같이 획득된 데이터는 사용된 충전지에 좌우하여 다소 상이하다. 따라서, 종류와 형태의 측면에서 동일한 복수의 충전지에 대해 R(Q)의 데이터가 획득되고 획득된 데이터를 평균하여 사용되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 관계 함수식 R(Q)은 3차 다항식으로 표현되지만 상기 관계의 함수식 R(Q)에 관련한 다항식의 차수는 한정적인 것은 아니다. 마찬가지로, 관계 함수식R(Q)은 차수(n)의 형태로 다항식으로 한정되지는 않는다.
별도로, 본 실시예에서, 관계 함수식R(Q)은 근사 곡선에 의거하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 관계 함수식R(Q)은 데이터 표에 의거하는 것도 가능하다.
일반적으로, 충전지의 축전용량은 충전-방전 사이클의 반복이나 교환시간의 경과에 기인하여 점차적으로 감소된다. 도 1의 흐름도에 도시된 본 발명의 본 실시예 검출 방법에서는, 검사용 충전지가 축전용량이 경미하게 감소되는 것으로 고려되는 충전지인 경우에, 충전지의 내부저항을 고정밀도로 검출(예측)가능하다. 그러나, 축전용량의 감소율은 비교적 큰 것으로 고려되고, 도 2에 도시된 흐름도에서 설명한 바와 같이 감소된 크기의 보정을 행할 필요성이 있다.
도 2에 도시된 흐름도에 의한 검출방법을 설명한다.
도 2에 도시된 스텝 1에서 스텝 8까지의 순서는, 다음의 점을 제외하고는, 도 1에 도시된 스텝 1에서 스텝 8까지의 순서와 마찬가지이다.
즉, 이전에 설명한 바와 같이, 도 2에 도시된 실시예는, 도 2에 도시된 실시예에서, 검사용 충전지의 축전용량이 해당 정상의 충전지의 D배(여기서, D는 0 < D ≤1의 상수임)의 크기로 감소되는 것으로 고려되고, 이 때문에, 상기 축전용량에 대해서 검사용 충전지에 대해 보정해야 한다는 점을 제외하고는, 도 1의 실시예와 마찬가지이다.
특히, 도 2에 도시된 실시예에서, 스텝 8에서 얻어진 검사용 충전지의 충전된 전기용량을 스텝 9에서 1/D을 곱하여 보정한다. 다음에, 도 1에 도시된 본 실시예 뿐만 아니라, 도 2의 스텝 10에서, 이 방식으로 보정된 충전량(충전용량)은, 충전지의 충전용량이 증가하거나 감소한 경우 또는 충전지의 내부저항의 크기가 증가하거나 감소한 경우에, 정전압 충전모드의 충전지의 충전된 전기용량과 충전지의 내부저항간의 관계에 대하여 상기 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 미리 획득한 데이터를 참조하고, 이에 의해 검사용 충전지의 내부저항을 검출한다.
또한, 축전용량의 감소율을 용이하게 검사할 수 있는 방법의 실시예로서, 다음 방법을 언급할 수 있다. 정전류(I0 )-정전압(Vmax)충전모드에 의해 충전지에 대해서 충전을 행하는 경우, 검사용 충전지에 대한 위한 축전용량이 감소될 것으로 고려되는 검사용 충전지에 대해서는, 정전류(I0)에서의 정전류 충전모드가 정전압(Vmax)에서의 정전압 충전모드로 이동되는 이동 시간으로부터 충전 전류가 소정의 전류(IM)에 도달할 때까지 시간을 tM' 으로 하고, 정전압 충전모드의 충전량을 Qcv'로 하고, 정상의 충전지에 대해서 축전용량이 감소되지 않고, 상기 검사용 충전지에 대응하는, 상기 시간은 tM 으로 하고, 상기 충전량을 Qcv로 하면, 상기 검사용 충전지의 감소율(D)은 다음 관계식(5)에 따라서 계산 가능하다.
D = (Qcv' - I0 x tM')/ (Qcv - I0 x tM) --------(5)
상기 식(5)에 의하면, 정상의 충전지의 축전용량을 1.0으로 설정할 경우에, 검사용 충전지의 축전용량의 감소율(D)은 계산 가능하다.
상기 검사용 충전지의 축전용량(완전한 충전량)은, 검사용 충전지의 축전용량을 1/D로 곱하여 보정한 경우에, 정상의 충전지의 D배 (여기서 D는 0 < D ≤1)이고, 검사용 충전지의 보정된 축전용량은 정상의 충전지의 축전용량과 일치하게 된다.
방전된 전기량과 충전량의 비가 100% 인 경우에, 완전한 충전량은, 100%의 방전심도로부터 충전량을 축적하거나, 충전시간만큼 전지에 통전된 충전 전류 값의 변화량을 적분함으로써 얻어진 값, 즉 충전전류 곡선과 충전 시간 축으로 둘러싸인 면적에 상당한다.
따라서, 검사용 충전지의 축전용량이 알려지지 않은 경우에도, 충전시간 축의 방향으로 1/D 배만큼 곱한 검사용 충전지의 충전 전류곡선과 충전시간축에 의해 둘러싸인 면적은 정상의 충전지의 충전 전류곡선과 충전시간 축에 의해 둘러싸인 면적과 같게 된다.
상기 설명된 관계로부터, 상기 설명된 식(5)을 얻을 수 있다.
[실험]
본 발명자는 본 발명을 달성하기 위해 실험을 통한 연구를 행하였다. 그 결과, 다음 설명과 같은 실험 결과를 얻었다.
본 발명자는, 이들 실험결과에 의거하여, 충전 작업시에 특별한 작업을 수행할 필요 없이, 또한 검출을 위해 특별한 시간을 소비함이 없이 충전지를 충전하는 동안에 고정밀도로 충전지의 내부저항을 효율적으로 검출할 수 있는 발명을 달성하였다.
본 발명자들이 얻은 실험결과에 대해 각 도면을 참조하면서 설명한다.
도 3은 직경 18 mm, 길이 65 mm, 100 %의 방전심도로부터, 상기 리튬이온 충전지를 0.34 A의 정전류에서 84mAh의 전기용량으로 충전하고, 이후 충전 전압이 4.2V에 도달할 때까지 3시간 정지하는 간헐 충전작업이 반복되고, 상기 충전 전압이 4.2V에 도달한 후에, 리튬이온 충전지를 4.2V의 정전압에서 충전하고, 충전 전류값이 0.1A이하로 감소되는 경우에 충전을 종료하는 공칭용량 1680 mAh를 지니는 시판의 리튬이온 충전지의 충전특성을 예시한 그래프를 도시한다.
도 4는 도 3에서 얻어진 축적된 충전량의 그래프를 도시한다. 특히, 도 4의 그래프는 상기 축적된 충전량에 대하여 충전지 전압의 변화와 정지시 마다 개방 회로전압의 변화와 관계를 예시한다.
도 4에서, 점선은 정지시에 대한 리튬이온 충전지의 개방회로 전압의 궤적 결과를 도시하고, 실선은 간헐 충전 동작 시에 리튬 이온 충전지의 충전전압의 결과의 궤적을 도시하고 각각의 뾰쪽한 부분은 충전동작이 일시정지되고, 충전지가 정지된 때의 지점을 나타낸다.
도 4에서는, 충전 종료시에 축적된 충전량(충전용량)은 리튬이온 충전지의 공칭용량과 동일한 1687mAh 였다. 따라서, 도 4의 점선의 전압곡선은 축적된 충전량(충전용량)과 리튬이온 충전지의 개방전압과의 관계를 나타낸다.
도 4로부터, 상기 개방회로전압은 충전지의 잔류용량(현재의 저장된 전기량)을 반영한 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 상기 개방회로전압은 상기 충전지의 내부저항에 좌우되지 않는다. 이것은, 상기 내부저항이 증가된 검사용 충전지에 대해서 검사용 충전지에 대한 잔류용량과 개방회로전압과의 관계는 정상의 충전지에 대한 잔류용량과 개방회로전압과의 관계와 마찬가지이다.
도 5에는 도 4의 점선이 실선으로 도시되어 있다. 별도로, 간헐 충방전을 200회 반복함으로써 상기 사이클 열화된 이전의 리튬이온 충전지와 동일한 종류 및 동일한 유형의 정상의 리튬이온 충전지에 대해서는, 도 3의 경우에서와 동일한 방식으로 충전량과 개방회로전압 간의 획득된 관계를 실선 및 일점 쇄선에 의해 도 5에 도시한다. 사이클 열화된 충전지의 축적된 충전량(충전용량)은 1419 mAh 였다. 이것은 사이클 열화된 충전지의 충전량은 사이클 열화 이전의, 정상의 충전지의 공칭용량의 0.84(=1419/1687)배로 감소된다는 것을 의미한다.
도 5는 1/0.84(=1.19) 만큼 전압곡선(일점 쇄선)의 가로좌표로 나타난 축적된 충전량을 곱함으로써 얻어진 점선을 도시한다.
도 5에 예시한 바와 같이, 점선은 축적된 충전량과 개방회로전압간의 관계인 전압곡선(실선)과 대략 일치한다. 따라서, 정상의 충전지의 축전용량의 D배로 열화되는 축전용량을 가지는 검사용 충전지에 대해서는(여기서 D는 0< D ≤1의 상수 ), 내부저항에 관계없이, 열화된 충전지의 축전용량에 1/D 배 곱함으로써, 검사용 충전지에 대해서 충전량 및 개방회로 전압의 전압 곡선이 정상의 충전지의 전압곡선과 일치하게 할 수 있다. 환언하면, 잔류용량의 선형함수로서 표현가능한 검사용 충전지의 특성에 1/D 배만큼 곱함으로써, 정상의 충전지의 축전용량의 D배로 열화되는 축전용량을 가지는 검사용 축전지에 대해서는(여기서 D는 0< D ≤1의 상수 ), 단독으로 변화되는 내부저항을 가지는 정상의 충전지 또는 검사용 충전지의 특성을 나타낼 수 있다.
도 6은, 정전압 충전모드의 충전전류 값이 0.1A 이하가 될 때까지 100%의 방전 심도로부터 1.7A의 정전류 및 4.2 V의 최대 충전전압에서 정전류-정전압 충전을 각각 행하는 경우, 상기 정상의 충전지 및 사이클 열화된 충전지의 충전특성을 예시하는 그래프이며, 여기서, 정상의 충전지의 충전특성을 실선으로 도시하고, 사이클 열화된 충전지의 충전 특성을 일점쇄선으로 도시한다.
도 6은, 사이클 열화된 충전지의 일점쇄선의 가로좌표축(충전시간)에 1/D 배만큼, 즉 1/0.84 (=1.19)를 곱함으로써 얻어진 점선을 도시한다.
도 6에는, 가로 좌표축은 충전시간(hour)를 나타내고, 세로좌표축은 충전 전류값을 나타낸다.
도 6에 사이클 열화된 충전지의 충전 전류 곡선 및 충전시간 축에 의해 둘러싸인 면적은 충전량에 상당한다. 이와 같이, 검사용 충전지의 축전용량이 상기 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 축전용량의 D배의 크기로 감소할 경우에(여기서 D는 0< D ≤1의 상수), 검사용 충전지의 충전전류 곡선과 충전시간축에 의해 둘러싸인 면적은 정상의 충전지의 면적의 D배가 된다.
이 상황은 정상의 충전지의 축전용량의 D배의 크기로 감소되는 축전용량을 가지는 검사용 충전지의 충전 전류곡선이 충전시간축의 방향으로 1/D(여기서 D는 0< D ≤1의 상수) 배 만큼 곱해지는 경우에, 검사용 충전지의 충전 전류곡선과 충전시간 축에 의해 둘러싸인 면적이 1/D배만큼 곱해지고, 검사용 충전지의 축전용량은 정상의 충전지의 축전용량과 대략 동일하게 된다. 그리고, 도 6의 실선과 점선을 비교하여 이해할 수 있는 바와 같이, 1/D배만큼 곱함으로써 보정된 충전전류 곡선과 충전시간 축과에 의해 둘러쌓인 면적(완전히 충전된 전기용량)이 정상의 충전지의 면적과 다르지 않은 경우에도, 전자의 충전지의 방전곡선이 후자의 충전지의 방전곡선과 일치하지 않는다. 이와 같이, 검사용 충전지의 충전전류 곡선을 정전압 충전모드의 충전량을 증가시키는 내부저항 만이 증가되는 충전전류 곡선으로 변환하는 것이 가능하다.
따라서, 상기 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 축전용량의 D배만큼의 크기로 감소되는 축전용량을 가지는 검사용 충전지인 경우에, 정전압 충전모드의 검사용 충전지의 충전량에 1/D 만큼 곱하고, 정전압 모드의 충전량과 증감된 내부저항 또는 증감된 크기와의 관계에 대해서 상기 정상의 충전지의 미리 획득한 데이터를 참조함으로써, 상기 검사용 충전지의 내부저항을 검출하는 것이 가능하다.
본 발명에서 D의 값은 검사용 충전지(b)의 축전용량과 상기 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 축전용량과의 비에 상당한다.
D 값은 다음의 방식으로 얻을 수 있다. 우선, 정상의 충전지 및 검사용 충전지에 대해서는, 정상의 충전지(a)의 완전히 충전량 및 검사용 충전지의 완전히 충전량, 즉 정상의 충전지에 대해서 완전히 충전된 상태로부터 100%의 방전심도까지 전체 방전된 전기량(C) 및 검사용 충전지에 대해서 완전히 충전된 상태로부터 100%의 방전심도까지 전체 방전된 전기량(C')을 측정하였다. 다음에, 검사용 충전지의 완전히 충전된 전기용량(C')(=축전용량)과 정상의 충전지의 완전히 충전된 전기용량(C)(=축전용량)과의 비를 계산하여 D값 = C'/C를 얻는다. 이 경우에, 정상의 충전지의 완전히 충전된 전기용량(C)은 공칭 용량으로 대체할 수 있다.
또한, 검사용 충전지 및 정상의 충전지에 대해서, 정전류(I0)-정전압 (Vmax) 충전 방식에 의해 충전을 행하는 경우에는, 정전류 충전모드가 정전압 충전모드로 이동할 때로부터 정상의 충전지에 대해서 소정의 전류 값(IM)에 도달할 때까지의 시간(tM) 및 검사용 충전지에 대해서 소정의 전류 값(IM)에 도달할 때까지의 시간(tM')를 측정하고, 또한, 정상의 충전지에 대해서 정전압 충전모드의 충전량(Qcv) 및 검사용 충전지에 대해서 정전압 충전모드의 충전량(Qcv')를 측정하고, 식(5), 즉 D = (Qcv'- I0 x tM') / (Qcv- I0 x tM)에 따라서 D 값을 얻을 수 있다.
여기서, 전술한 소정의 전류값 (IM)은 정전류(I0)의 1/2 인 것이 한 층 더 바람직하다.
상기 식(5)은 도 6에서 충전시간 축의 방향으로 감소되는 축전용량을 가지는 충전지의 충전곡선에 1/ D 배를 곱함으로써 얻어지는 충전 전류곡선과 충전 시간 축에 의해 둘러싸여진 면적은 정상의 충전지의 충전 전류 곡선과 충전시간 축으로 둘러 싸여진 면적과 동일하다는 사실을 이용하여 유도될 수 있다.
후자의 방법에 의하면, 완전한 충전량을 실제적으로 측정할 필요 없이, 정전류-정전압 충전방식(CCCV 충전방식)의 충전 전류값 및 충전량을 이용하여 D값을 용이하게 계산할 수 있다.
[ 정전압 모드의 충전량]
본 발명의 CCCV 충전방식의 정전압 충전모드의 충전량과 같이, 정전류 충전 모드가 정전압 충전 모드로 이동되는 지점의 시간으로부터 다음의 (1) 내지 (3)의 3 시점 중의 하나의 시점에 도달할 때까지 충전량을 사용가능 하다.
(1) 정전압 충전모드의 충전전류가 소정의 전류값(Imin)으로 충분히 감소되었던 시점.
(2) 정전압 충전모드의 충전전류 값이 소정의 전류값(In)에 도달한 시간 이후 소정의 시간(tn)이 경과하였던 시점.
(3) 정전류 충전모드가 정전압 충전모드로 이동되었던 시간이후 소정의 시간 (tf)이 경과하였던 시점.
여기서, 소정의 시간(tf)은 충전 전류 값이 충분히 작아지는 시점을 의미하며, 그 전류 값은 이전에 행한 시험에 의해 결정된다. 별도로, CCCV 충전방식에 의해 충전하는 경우에는, 정전류 충전모드에 의해 충전을 개시한 이후 경과된 시간이 상기 소정의 시간(tf)이 될 수 있다.
상기 (1) 내지 (3)에서 설명된 어떤 조건에서도 본 발명의 검출모드의 충전을 종료할 수 있다.
상기 (1) 내지 (3) 시점의 어떤 시점에서도 정전압 충전 모드의 충전량은 완전한 충전상태에 도달할 때까지 정전압 충전모드의 충전량으로 간주될 수 있는 이유는 다음의 요인에 기인된다. 즉, (1) 내지 (3) 시점의 어떤 시점에서도, 충전전류는 이미 충분히 감소되어 있다. 따라서, 그 시점 이후에, 충전전류가 대략 0 으로 될 때까지 충전을 더 계속하는 경우, 충전량의 증가는 경미하다. 이것은 본 발명의 검사용 충전지의 내부저항의 검출에 경미한 영향(경미한 오차)만을 끼치며, 무시될 수 있다.
[검출장치]
이하에, 본 발명의 충전지의 내부저항을 검출하는 검출장치의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.
또한, 본 발명의 검출장치에 의해 검출된 내부저항을 가지는 상기 충전지는 상기 충전지를 가지고 ON-OFF 제어를 할 수 있는 하나 이상의 충전용 스위칭 소자, 방전용 스위칭 소자 및 상기 충전지의 충전-방전 통로에 수용된 충전-방전 전류 값을 검출하는 검출소자인 제어회로를 가지는 충전지 팩안에 충전지를 포함한다.
도 7은 상기 검사용 충전지를 정전류-정전압 충전 방식(CCCV 충전방식)에 의해 충전하는 경우, 검사용 충전지의 내부저항을 검출하기 위한 본 발명의 검출장치의 주요 구성부로서 전기회로의 실시예를 설명한 개략도이다. 본 실시예는 설명만을 위한 것이며, 본 발명의 원리를 제한하지 않는 범위 내에서 다양한 방법으로 선택적으로 수정 가능하다.
도 7에 도시된 검출장치에 대해서 설명한다.
본 발명의 검출장치의 전기회로는 기본적으로 검사용 충전지를 장치 본체에 연결하는 한 쌍의 단자(701), 상기 검사용 충전지의 한 쌍의 단자간의 전압(내부 단자 전압)을 검출하는 전지 전압 검출부(702), 상기 검사용 충전지의 충전 전류를 검출하는 충전 전류 검출부(703) 및 제어부(704)를 포함하고 있다.
검출된 전압의 정보가 전지 전압 검출부(702)로부터 제어부(704)로 출력되는 경우에, 전지 전압 검출부(702)는 고입력 임피던스로 검사용 충전지의 양극 및 음극간의 내부 단자 전압을 검출하는 기능을 한다.
검출된 충전 전류의 정보가 충전 전류 검출부(703)로부터 제어부(704)로 출력되는 경우에, 충전 전류 검출부(703)는 저입력 임피던스로 검출된 검사용 충전지의 충전 전류를 검출하는 기능을 한다.
제어부(704)는 내부 또는 외부에 타이머(카운터), 연산유닛을 가진다.
전지 전압 검출부(702)로부터 제공된 전압정보에 의거하여, 제어부(704)는 정전류 충전모드로부터 정전압 충전 모드로 이동하는 기능을 한다.
이동시간 이후의 충전기간은 타이머(카운터)에 의해 측정된다. 충전 전류 검출부(703)로부터 제공된 충전 전류 및 제어부(704)의 타이머(카운터)에서 제공된 충전 기간의 정보에 의거하여, 검사용 충전지의 충전량(충전용량)을 제어부(704)의 연산유닛에 의해서 얻을 수 있다.
상기 제어부(704)는 그 내부 또는 외부에 기억수단으로서 메모리도 가지고 있다. 제어부(704)의 메모리 수단에서는, 정전압 모드의 충전량과 증감된 내부저항 또는 증감된 크기와의 관계에 대해서 대응하는 정상의 충전지의 미리 획득된 데이터를 미리 기억한다.
상기 정상의 충전지는 유형과 종류의 관점에서 검사용 충전지와 동일하다.
상기 제어부(704)의 연산유닛은 메모리 수단으로부터 정상의 충전지의 내부저항과 충전량의 관계의 정보에 대해 정전압 충전 모드의 검사용 충전지의 측정된 충전량을 참조함으로써, 검사용 충전지의 내부저항을 계산하는 기능을 한다.
본 실시예에서 본 발명의 검출장치는 CCCV 충전 방식에 의해 충전을 행하는 검사용 충전지에 접속함으로써 간단히 작동할 수 있다. 이 때, 장치 본체에 필요로 하는 파워에 대해서는, 도면에는 설명되어 있지 않지만, 그 동력원이 외부로부터 공급되도록 하는 방식으로 설계가 가능하다. 대안적으로는, 장치 본체에 접속되는 충전기 또는 검사용 충전지로부터 공급가능하다.
[충전지 팩]
도 8은 도 7에 도시된 전기회로를 가지는 검출장치와 충전지(801)의 조합이 설치된 충전지 팩의 전기회로 구성의 실시예를 예시하는 개략도이다.
도 8에 도시된 검출장치의 회로구성은 도 7에 도시된 회로구성을 일부 수정한 것이다. 따라서, 여기서는, 도 7에 도시되지 않은 구성에 대해서 설명한다.
충전지 팩에서 검사용 충전지로서 충전지(801)의 내부저항을 검출하는 검출장치는 충전지(801)를 충전용으로 사용하는 충전지 팩의 양극 및 음극 단자를 통하여 도 7에 도시된 한 쌍의 단자에 접속되어 있다.
도 8에 도시된 충전지 팩은 전술한 충전지(801), 충전지 팩의 양극 단자(802) 및 음극단자(803), 충전 양극단자(804)(음극단자(803)는 충전음극 단자로서도 기능을 함), 전3지 전압 모니터 출력단자(805), 충전지 팩의 한 쌍의 단자간의 전압(내부전압)을 검출하는 전지 전압 검출부(806), 충전지 팩의 충전 전류 값을 검출하는 충전 전류 검출부(807), 충전지 팩 내의 충전지에 대한 각각의 과방전 방지소자(808) 및 과충전 방지소자(809) 및 도 7에 도시된 제어부와 동일한 제어부(810)를 가지고 있다.
상기 과방전 소자 및 과충전 소자는 기생 다이오드, FET 등을 구비한 MOS를 포함하여도 된다.
도 8에 도시된 충전지 팩은 그곳에 설치된 충전지 하나 만을 가지고 있다. 이것은 단순화를 위한 목적이며, 이에 한정되지는 않는다. 충전지 팩은 그곳에 설치된 복수의 충전지를 가질 수 있다.
전지 전압 검출부(806)는 검사용 축전지로서 축전지의 양극단자(802) 및 음극단자(803)간에 전압을 검출하는 기능을 하며, 여기서 이 전압정보는 제어부(810)로 출력된다. 충전 전류 검출부(807)는 충전지 팩의 충전 전류 값을 검출하는 기능을 하며, 여기서 이 전류값 정보는 제어부(810)로 출력된다. 제어부(810)는 검사용 충전지로서 과방전 방지소자(808) 및 과충전 방지소자(809)에 대해서 충전지 팩의 내부저항을 검출하기 위해 ON-OFF 제어를 행하는 것을 제외하고는 도 7에 도시된 이전에 설명된 제어부가 행하는 것과 기본적으로 마찬가지이다.
[본 발명의 검출장치를 가지는 장치]
도 7에 도시된 검출장치에 의해 나타나는 본 발명의 검출장치는 충전기 내에 수용(또는 수납)된다. 이 경우에, 충전기에서 충전지의 내부저항의 정보는 외부에 표시되거나 또는 출력될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 검출장치에 의해 나타나는 본 발명의 검출장치는 충전지를 동력원으로 사용하는 기타 장치 본체에도 수용된다. 이러한 장치 내에 검출장치를 수용함으로써, 충전지를 수용하는 장치의 측 위에 전지의 내부저항에 의하여 충전지로부터 출력된 출력을 적절히 제어함으로써 작동시간을 최대로 연장할 수 있거나, 또는 충전지의 수명에 대한 내부저항에 의거하여 상기 축전지의 교환해야 할 시기를 미리 인지함으로써, 작업의 돌연한 정지를 회피할 수 있다.
검출장치를 수용함으로써, 상기 설명한 방식으로 개선된 성능을 가지는 장치의 특정한 예제로서는, 셀룰러 폰, 개인용 디지털 보조장치(PDA) 및 모터 사이클, 자동차, 선박, 비행기 및 우주선 등의 이동체를 언급할 수 있다.
이외에도, 본 발명의 검출장치에 수용됨으로써 개선된 성능을 가지는 기타 장치 또는 시스템으로서는, 예를 들면, 충전지 제품이 양품인지 불량품인지 검사하는 검사기기 및 동력저장 시스템을 언급할 수 있다.
또한, 서로 유형은 다르지만 종류는 동일한 복수의 정상의 충전지(예를 들면, 서로 유형은 다르지만 종류는 동일한 복수의 정상의 리튬이온 충전지, 서로 유형은 다르지만 종류는 동일한 복수의 정상의 수소 니켈 금속 충전지, 서로 유형은 다르지만 종류는 같은 복수의 정상의 니켈-카드뮴 충전지, 서로 유형은 다르지만 종류는 동일한 복수의 정상의 납-산 충전지) 각각의 특성의 정보를 메모리 수단에 입력함으로써, 본 발명의 검출장치는 융통성을 가질 수 있다.
이 경우에 검출장치는 검출장치의 주어진 검사용 충전지의 내부저항을 검출하기에 적합한 일반 축전지 유형을 선택하기 위한 유형선택 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우에 유형 선택수단은 예를 들면, 유선 또는 무선 전기신호 또는 광신호에 의해 스위치 입력기능 또는 입력기능을 가져도 된다.
이 경우에, 충전량과 내부저항 간의 관계의 미리 획득한 데이터가 메모리 수단에 기억되고, 상기 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 상기 데이터의 정보를 전술한 유형 선택 수단에 의해 선택하도록 함으로써 충전지의 종류나 유형에 관계없이 정전류-정전압 충전 방식에 의해 충전되는 주어진 검사용 충전지의 내부저항을 검출하는 것이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 어떠한 종류의 검사용 충전지의 내부저항을 검출할 수 있다. 상기 예제에서 리튬 이온 충전지를 설명하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 검사용 충전지는 니켈-수소합금 충전지, 니켈 -카드뮴 충전지 및 납-산 충전지 등의 기타 다른 종류의 충전지를 포함할 수 있다.
[ 검사용 충전지의 내부저항을 검출하는 프로그램]
본 발명은 검사용 충전지의 내부저항을 검출하는 프로그램을 제공한다. 본 발명의 프로그램은 도 1 또는 도 2에 도시된 흐름도에 나타낸 본 발명의 검출방법을 프로그래밍 함으로써 얻어진 프로그램을 포함한다. 상기 프로그램은 정전압 모드의 충전량과 증감된 내부저항 또는 증감된 크기와의 관계에 대해서 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 미리 획득된 데이터를 포함한다.
충전지를 동력원으로서 사용하고 제어부를 가지는 장치의 경우에서는, 정전압 모드의 충전량과 증감된 내부저항 또는 증감된 크기와의 관계에 대해서 상기장치에 제공된 상기 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 미리 획득된 데이터와 함께 상기 장치의 제어부가 본 발명의 전술한 프로그램을 갖도록 함으로써, 상기 장치가 상기 충전지의 내부저항을 검출하기 위해 본 발명에 의한 프로그램을 가질 수 있다.
예를 들면, 충전지를 접속함으로써 사용된 포터블 타입의 개인용 컴퓨터에 경우에는, 장치 본체의 작업에 주로 참여하는 주 제어부 및 주변장치와 교체되어 주로 참여되는 2차 제어부를 가지며, 여기서, 2차 제어부는 동력원으로서 충전지로부터 전류값 및 또는 전압값의 정보를 감시하는 기능을 한다.
정전압 모드의 충전량과 증감된 내부저항 또는 증감된 크기와의 관계에 대해서 상기 컴퓨터에 제공된 상기 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 미리 획득된 데이터와 함께 상기 개인용 컴퓨터의 2차 제어부 또는 주 제어부가 본 발명의 전술한 프로그램을 갖도록 함으로써, 상기 장치의 동력원 제어의 정밀도를 개선하도록 상기 개인용 컴퓨터가 상기 충전지의 내부저항을 검출하기 위해 본 발명에 의한 검출기능을 가질 수 있다. 이 경우에, 충전지의 현재 축적된 에너지의 효율적인 사용이 최적화되어 상기 장치가 성능을 최대로 나타내게 된다.
[본 발명의 프로그램이 저장된 메모리 매체]
본 발명은 상기 설명된 프로그램이 저장된 메모리 매체를 제공한다. 특히, 본 발명의 메모리 매체에서는, 도 1 또는 도 2에 도시된 흐름도에 나타낸 본 발명의 검출방법을 프로그래밍 함으로써, 프로그램을 얻고, 정전압 모드의 충전량과 증감된 내부저항 또는 증감된 크기와의 관계에 대해서 검사용 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 미리 획득된 데이터를 기억한다. 또한, 메모리 매체는 기억되어 있고 계산을 위해 필요한 데이터 및 주어진 충전지의 축전용량의 감소비율을 계산하는 프로그램을 포함하여도 된다.
본 발명의 메모리 매체는 충전지에 메모리 매체를 접속함으로써, 사용되는 충전지의 내부저항을 검출하는 기능을 가지도록 충전 기능을 가지는 장치에 사용가능하다.
이러한 장치는, 예를 들면, 충전기, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 개인용 디지털 보조장치(PDA), 컴퓨터, 각각 충전지를 포함하는 동력을 가지는 전기자동차, 하이브리드 동력 자동차 등의 차량을 포함할 수 있다. 사용된 충전지의 유형 및/또는 종류에서 변화가 발생하는 경우에도, 충전지의 내부저항을 정밀하게 검출할 수 있는 변화에 따를수 있는 적절한 메모리 매체를 제공함으로써, 상기 변화에 대한 보정을 용이하게 행할 수 있다.
[내부저항에 대한 충전지 온도(T) 및 방전전류(Id)에서의 방전전류용 보정계수의 데이터의 획득예제]
충전지의 내부저항은 충전지의 온도와 충전전류에 좌우하여 변화하고, 상기 내부저항의 변화 후에, 방전가능한 현재의 축적전기량(잔류용량)이 변화한다.
따라서, 예를 들면, 충전지를 전원으로서 사용하는 기구에 대해서는, 상기 기구가 동작할 수 있는 동작시간은 추정하도록 의도되어 있고, 동작시간은, 본 발명에 의한 상기 방법에 의해 얻은 충전지의 축전량(잔류용량)의 감소비율 및 내부저항의 정보로부터만 한층 더 정밀하게 추정되는 것이 어렵다.
기구가 동작할 수 있는 동작시간을 한층 더 정밀하게 추정하기 위해서는, 기구에서의 충전지에 대한 방전전류 I와 축전지 온도 T에서의 방전량과 내부저항간의 관계에 대한 보정계수의 데이터를 얻는 것이 바람직하다. 상기 데이터는 예를 들면 다음의 방식으로 얻을 수 있다.
즉, 우선, 검사용 충전지로서 기구에서의 충전지에 대응하는 정상의 충전지의 내부저항은 충전지 온도 To(= 25℃, 즉, 상온)에서 R1으로 추정하고, 또한 본 발명의 검출방법에 의해 얻은 검사용 충전지의 내부저항은 R' = R1 + rs 로 추정한다. 여기서, 주어진 충전지에 대한 방전량의 보정계수는 충전지 온도 T에서의 내부저항 R과 방전 전류에 의해 결정되고 또한 f_T,I(R)로 표현될 수 있다.
이러한 관점에서, 내부저항이 R1인 정상의 충전지의 전체 방전량은 Cd = CN x f_T,I(R1)으로 표현할 수 있고 또한 축전용량의 감소비율에 대한 보정계수가 D인 검사용 충전지의 전체 방전량은 Cd' = CN x f_T,I(R)로 표현할 수 있다.
상기 검사용 충전지가 전원용으로 사용되는 기구에 대해서는, 평균 소비전류를 i로 하고, 평균소비전력을 p로 하고, 방전전류값 i로 방전될 때 상기 정상의 충전의 평균방전전압을 Vm으로 하고, 방전전류값 i로 방전될 때 상기 검사용 충전지의 평균방전전압을 Vm'로 하면, 상기 기기가 동작할 수 있는 동작시간 h는 h = Cd'/i 또는 h = (Vm' x Cd')/P의 식에 따라 계산되며, 여기서 Vm' = Vm - i x (R - R1) = Vm - i x rs 이다.
이하에, 축전지의 내부저항이 R' 로 검출된 후에 축전용량 CN을 가지는 검사용 충전지에 대해서는, 충전지 온도 (T) 및 방전 전류(Id)에서의 상기 검사용 충전 지의 방전된 전기량(방전용량)에 대한 보정계수의 데이터를 획득하는 방법을 설명한다.
상기 검사용 충전지가 변화(감소)되지 않고 내부저항 단독으로 증가되는 축전용량을 가지는 충전지일 경우에는, 충전지 온도 (T) 및 방전 전류(Id)에서의 상기 검사용 충전지의 방전된 전기량(방전용량)에 대한 특성을 찾기 위해서는, 저항기(rs)를 충전지의 내부저항이 의도적으로 증가되도록 직렬접속으로 상기 충전지에 접속하여, 상기 충전지는 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전되고 이후, 충전량(충전용량)이 관측되는 경우에, 소정의 전지 온도 (T) 및 소정의 방전 전류(Id)에서 상기 충전지를 방전한다. 다음에, 상기 축전지의 내부저항이 측정된 경우에, 충전전압이 소정의 전압값에 도달할 때까지 정전류 충전모드에 의해 상기 충전지를 충전한다.
도 9를 참조하면서 이전에 설명된 방법에 따라서 이 절차를 행한다.
특히, 이전에 설명한 바와 같이, 도 9는 저항기 (rs)는 충전지에 전기적으로 접속된 직렬접속의 내부저항(R1)을 가지는 정상의 충전지에 전기적으로 접속되어 있고, 충전기가 상기 충전지에 전기적으로 접속되어 있는 전기회로의 개략도이다. 도 9의 정상의 충전지와 같이, 1680mAh의 공칭용량, 18mm 의 직경, 65 mm의 높이를 가지는 시판의 리튬 이온 충전지를 제공한다. 이 리튬이온 축전지는 다음 7가지 경우의 방식으로 사용되었다; 리튬 이온 축전지에 저항기(rs)가 접속되지 않은 경우; 축전지에 27mΩ의 저항기(rs)가 접속된 경우; 축전지에 39mΩ의 저항기(rs)가 접속된 경우; 축전지에 62mΩ의 저항기(rs)가 접속된 경우; 축전지에 91mΩ의 저항기(rs)가 접속된 경우; 축전지에 110mΩ의 저항기(rs)가 접속된 경우; 축전지에 150mΩ의 저항기(rs)가 접속된 경우; 이들 7가지 각각의 경우에서, 상기 충전지는 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전되었다. 특히, 충전지는 충전전압이 100%의 방전 심도로부터 4.2V에 도달할 때까지 1.7A의 정전압에서 충전되고, 계속해서 충전전압이 정전압 충전모드의 0.1A로 감소될 때까지 상기 충전지는 4.2V의 정전압에서 충전된다. 그 후에, 방전된 전기량(방전용량)이 측정되는 경우에, 전지 전압이 3.0 V가 될 때까지 25℃의 전지 전압 및 1.7A의 방전전류에서 충전지는 방전되었다. 이후에, 충전전압이 4.2 V에 도달했을 때 전지 전압(개방 회로전압(Voc))을 측정한 경우에, 1.7A의 정전류에서 정전류 충전모드에 의해 충전지는 충전되었다. 다음에, 이 Voc와 충전지의 내부저항(R)을 이전 식(2)에 따라서 계산되었다.
각 경우의 계산된 내부저항 값(mΩ)은 방전된 전기량(mAh) 및 각 경우의 공칭용량과 내부저항과의 비를 함께 표 2에 나타내었다.
표 2의 결과에 의거하여, 전지전압(개방회로 전압)이 전지 온도 25℃ 및 방전전류 1.7A에서 3.0 V에 도달할 때까지 방전된 전기량(방전 용량)과 공칭용량(1680mAh)의 비와 내부저항(R)과의 관계를 각각의 경우에 대해서 얻었다.
얻어진 결과는 도 14의 그래프에 도시되어 있다.
여기서, 전지전압이 전지 온도 25℃ 및 방전전류 1.7A에서 3.0 V에 도달할 때까지 방전된 전기량(방전 용량)과 공칭용량의 비와, 내부저항과의 관계는 방전된 전기량(방전용량)에 대한 보정 계수로서 기능을 하는 것으로 고려할 수 있다. 이 관점에서, 보정계수는 다음 식(6)에 의해 내부저항의 함수로서 표현될 수 있는 것을 고려할 수 있다.
f_25℃,1.7A(R) = Gn x Rn + Gn -1 x Rn -1 + .... G1 x R1 + G0 x R0 ...(6)
식 (6)에서,Gn 내지 G0 은 사용된 충전지의 종류나 유형, 공칭용량등에 의해 달라지는 상수이다.
이 예제에서는, 1680mAh의 공칭용량, 18 mm의 직경 및 65 mm의 높이를 가지는 시판의 리튬이온 충전지의 충전특성의 미리 획득한 데이터에 의거하고, 도 14의 곡선에 맞추는 것으로부터, 방전 용량 보정계수는 내부저항(R)의 3차 다항식으로 표현되는 것으로 가정하여, 전지전압(개방회로 전압)이 전지 온도 25℃ 및 방전전류 1.7A에서 3.0 V에 도달할 때까지 방전된 전기량(방전 용량)과 공칭용량의 비와 내부저항(R)과의 관계로서 방전용량 계정 계수의 함수식을 얻었으며, 다음의 3차 다항식(7)에 의해 표현된다.
f_25℃,1.7A(R) = [(-0.0000000068 x R3 ) +(0.0000041892 x R2) +(- 0.0010928023 x R) +1.0698074090 ------(7)
f_25℃,1.7A(R) 의 데이터는 상기 3차 다항식(7)에 따라서 획득될 수 있다.
이 방법으로 구한 데이터는 사용된 충전지에 따라서 다소 차이가 날 수 있다.
따라서, 종류와 유형의 면에서 동일한 복수의 충전지에 대해서는, f_25℃,1.7A(R)의 데이터를 얻고, 얻어진 데이터는 사용된 값의 평균인 것이 바람직하다.
본 예제에서는, 전지전압이 전지 온도 25℃ 및 방전전류 1.7A에서 3.0 V에 도달할 때까지 방전된 전기량(방전 용량)과 공칭용량의 비와 내부저항(R)과의 관계의 함수식이 3차 다항식으로 표현되지만, 전술한 관계의 함수식에 대해 다항식의 차수는 이에 한정되지 않는다. 마찬가지로, 상기 관계의 함수식은 차수(n)의 형식으로 이러한 다항식으로 한정되지 않는다.
별도로, 본 예제에서는, 전지 전압 (T) 및 방전전류(Id)에서의 방전용량 보정계수와 내부저항과의 관계의 데이터는 근사 곡선에 의거하여 함수식으로서 설명되었지만, 이것에 한정되지 않는다. 전술한 관계는 데이터 테이블에 의거한다.
상기 설명한 바와 같이, 충전량(충전용량)과 내부저항과의 관계 또는 증감된 그 크기의 관계와, 전지 온도 (T) 및 충전 전류 값(Id)에서 방전용량 보정계수와 내부저항과의 관계는 각각 이전에 측정된 데이터로부터 얻어진 함수식에 한정되지 않는다.
예를 들면, 이러한 함수식과 같이, 정상의 충전지의 양극 및 음극, 그들의 구성, 두께, 밀도, 크기 등의 정보와 상기 충전지의 전해액 또는 전지구조의 정보에 의거한 시뮬레이션에 의해 얻어진 함수식을 사용하는 것이 가능하다. 별도로, 열화 모드 상태의 다양한 충전지로부터 측정한 다수의 데이터에 의거하여 실험식을 이용하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 방법들은 열화된 상태의 다양한 충전지가 미리 제공되어야할 필요성이 있고, 다수 데이터의 조정 및 분석이 필요하고, 그렇게 하기 위해서 상당한 노동력이 필요하기 때문에 실제적이 아니다.
따라서, 내부저항 또는 그 크기의 증감에 대한 정전압 충전모드의 충전량(충전용량)과 보정 계수의 데이터의 관계, 즉 전지온도(T) 및 방전 전류(Id )에서 방전된 전기량(방전용량)과 내부저항과의 관계의 데이터는 도 9를 참조하여, 내부저항(R1)을 가지는 정상의 충전지, 상기 충전지의 내부저항의 차수와 대략 동일한 소정의 저항값을 각각 가지는 복수의 저항기에 대해서는 분리되어 접속된 이전에 설명한 방법에 따라서 획득되고, 이에 의해 상기 충전지의 내부저항을 의도적으로 증가시키는 것이 바람직하다.
다음에, 실시예를 참조하면서 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 예시만을 위한 것이며, 이들 실시예에 의해 본 발명이 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
<실시예 1>
본 실시예에서는, 이하 방식으로 본 발명의 검출방법의 유효성을 조사하였다.
(a) 공칭 용량 1680 mAh , 직경 18mm, 높이 65mm인 시판의 정상의 리튬이온 충전지(a) 및 검사용 충전지의 축전용량이 감소되지 않는 것으로 고려되고, 상기 정상의 충전지(a)와 동일한 종류 및 동일한 유형으로 이루어진 검사용 충전지(b)를 준비하였다.
상기 정상의 충전지(a)에 대해서는, 증감할 때의 내부 저항에 대한 충전량의 관련 데이터 또는 정전류-정전압 충전 방식 중의 정전압 충전모드에서 증감된 크기는 도 9를 참조하면서 이전에 설명한 방법에 따라서 미리 획득하였다.
도 1에 도시된 흐름도에 따라서, 검사용 충전지(b)가 정전류-정전압 방식에 의해 충전되었고 상기 검사용 충전지(b)의 내부저항이 검출(예측)되었다. 이후에, 검사용 충전지(b)의 실제적인 내부저항을 측정하였다.
검출된 내부저항과 실제 내부저항을 비교함으로써, 본 발명의 검출방법의 유효성을 조사하였다.
특히, 충전 전압이 4.2 V에 도달할 때까지 정전류1.7 A로 정전류 충전 모드에 의해 상기 검사용 충전지(b)를 충전한 다음에, 4.2 V에서 정전압 충전모드에 의해 검사용 충전지(b)를 충전하고, 충전전류가 0.1 A로 감소되었을 때, 충전이 종료되었으며 정전압 충전모드의 검사용 충전지의 축적된 전기량을 정전압 충전모드에 의해 충전하는 동안 측정된 전류 값으로부터 계산하였다. 다음에, 증감할 때의 내부저항에 대한 충전량의 관계에 관한 정상의 충전지(a)의 상기 데이터 또는 상기 내부저항의 증감의 크기로부터 얻은 상기 검사용 충전지 (b)의 충전량을, 내부 저항R과 상기 충전량(Q)의 관계인 이전의 함수식(4)에 대입하였고, 이에 의해 검사용 충전지(b)의 내부저항을 측정(예측)하였다.
다음에, 검사용 충전지(b)가 최종의 전압 3.0V 까지 정전류 1.7A로 방전된 다음에, 상기 검사용 충전지(b)는 1.7 A의 정전류로 정전류 충전모드에 의해 충전되어, 충전전압이 4.2 V에 도달할 경우 이 정전류 충전 모드에 의한 충전이 종료되고, 다음에 소정의 시간의 주기가 경과된 이후에, 상기 검사용 충전지(b)의 개방회로전압(전지 전압)이 측정되고, 이전의 식(1)에 따라서 검사용 충전지(b)의 내부저항이 계산되었다.
상기 얻어진 결과는 표 3에 모아서 나타냈다.
표 3에는, 충전량(CV)의 값은 정전류 충전모드에 의해 축적된 충전량이며, 검출된 내부저항의 값은 본 발명의 검출방법에 의해 얻어진 예측된 내부저항 값이고, 상기 개방회로 전압의 값은 충전 종료이후에 소정의 시간의 주기가 경과한 경우 그 때의 전지 전압 값이며, 계산된 내부저항의 값은 이전의 식(1)에서 Vc=4.7 및 I=1.7으로 얻어진 개방회로 전압(Voc)으로부터 계산된 내부저항 값이다.
표 3에 나타낸 결과로부터, 검출된 내부 저항값(145.4 mΩ)과 개방회로 전압에 의거하여 계산된 상기 검사용 충전지의 내부 저항값(144.1 mΩ)의 오차는 다음과 같이 계산된다.
|145.4 - 144.1| / 144.1 x 100 = 0.9 (%) -------------(8)
이와 같이, 상기 오차는 0.9%로 밝혀졌다.
이 결과로부터, 본 발명에 검출방법에 의하면, 정전류-정전압 충전 방식 동안에 검출을 위해 특별한 조작을 행하거나 특별한 주기의 시간을 소비할 필요없이, 정전압 충전 모드에서 검사용 충전지의 충전량의 측정된 값으로부터 고정밀도로 검사용 충전지의 내부저항 값을 용이하게 검출 가능한 것으로 이해될 수 있다.
<실시예 2>
실시예 1과 마찬가지로, 공칭 용량 1680 mAh , 직경 18mm, 높이 65mm인 시판의 정상의 리튬이온 충전지로 이루어진 정상의 충전지(a) 및 상기 정상의 충전지(a)와 동일한 종류 및 동일한 유형의 충전지로 이루어진 검사용 충전지(b)를 준비하였다.
상기 정상의 충전지(a)에 대해서는, 증감할 때의 내부 저항에 대한 충전량의 관련 데이터 또는 정전류-정전압 충전 방식 중의 정전압 충전모드에서 상기 내부저항의 증감된 크기는 도 9를 참조하면서 이전에 설명한 방법에 따라서 미리 획득하였다.
상기 데이터는 내부저항의 크기가 증가되거나 감소되는 것을 포함한 상기 내부저항(R)과 상기 충전량(Q)과의 관계 R(Q)에 대한 이전의 함수 식으로부터 얻어진 데이터를 포함한다.
검사용 충전지(b)에 대해서는, 160회의 충전 및 방전 사이클을 반복함으로써 사이클 열화된다.
도 2에 도시된 다음의 흐름도에는, 사이클 열화된 검사용 충전지가 정전류-정전압 방식에 의해 충전되었고 상기 검사용 충전지(b)의 내부저항이 검출(예측)되 었다. 이후에, 검사용 충전지(b)의 실제 내부저항을 측정하였다.
검출된 내부저항과 실제 내부저항을 비교함으로써, 본 발명의 검출방법의 유효성을 조사하였다.
특히, 충전 전압이 4.2 V에 도달할 때까지 1.7 A의 정전류에서 정전류 충전에 의해 상기 검사용 충전지(b)를 충전하였고, 이 다음에, 4.2 V에서 정전압 충전모드에 의해 검사용 충전지(b)를 충전하여, 충전전류가 0.1 A로 감소되었을 경우 충전이 종료되었으며, 정전압 충전모드의 검사용 충전지의 충전량(Qcv')을 계산하였다. 그 이후에, 상기 검사용 충전지(b)의 충전량(Qcv')을 1/D 곱하고(D는 검사용 충전지의 축전용량의 감소율), 충전량에 1/D를 곱함으로써 얻어진 값을, 상기 내부저항이 증가되거나 감소된 것을 포함한 상기 내부저항과 정전류 충전모드의 충전량(Q)간의 관계식인 이전의 함수식 (4)의 Q에 대입하여, 정상의 충전지(a)의 이전 데이터에 포함된 함수식(4)로부터 데이터를 얻고, 이에 의해 검사용 충전지(b)의 내부저항(R)을 측정하였다(예측하였다).
이후에, 검사용 충전지(b)가 최종의 3.0V 까지 0.17A의 정전류에서 방전되고, 다음에, 상기 검사용 충전지(b)는 1.7 A의 정전류에서 정전류 충전모드에 의해 충전되어, 충전전압이 4.2 V에 도달할 경우 이 정전류 충전 모드에 의한 충전이 종료되고, 소정의 시간의 주기가 경과된 이후에, 상기 검사용 충전지(b)의 개방회로전압(V)이 측정되고, 이전의 식(1)에 따라서 검사용 충전지(b)의 내부저항(R)이 계산된다.
상기 얻어진 결과는 표 4에 모아서 나타냈다.
표 4에 나타낸 결과로부터, 검출된 내부 저항값(203.6 mΩ)과 개방회로 전압에 의거하여 계산된 상기 검사용 충전지의 내부 저항값(205.9 mΩ)의 오차는 다음의 식(9)와 같이 계산된다.
|203.6 - 205.9| / 205.9 x 100 = 1.1 (%) -------------(9)
이와 같이, 상기 오차는 1.1%로 밝혀졌다.
여기서, 표 4의 검사용 충전지(b)의 축전 용량에서의 감소율(D)은 다음의 방식으로 얻어진다.
상기 검사용 충전지(b)에 대한 상기의 충전 동작에서, 1.7 A에서의 정전류 충전모드가 4.2 V에서의 정전압 충전모드로 이동되는 시간으로부터 정전압 충전 모드의 충전 전류값이 0.85A가 되는 기간(tM') 및 정전압충전모드에서의 충전량(Qcv')을 측정하였다. 여기서, 정상의 충전지 (a)의 충전량(Qcv)과 기간(tM)은, 식(5)에서 사용하여 미리 얻은 데이터로부터 알 수 있다. 따라서, 상기 검사용 충전지의 Qcv' 와 tM' 및 상기 정상의 충전지(b)의 Qcv 와 tM를 상기 식(5)에 대입함으로써, D값을 얻었다.
상기 얻어진 결과는 표5에 모아서 나타냈다.
여기서, 식(5)의 (I0 )가 정전류 충전 모드에서 1.7 A의 충전 전류값이 되기 때문에, 상기 검사용 충전지(b)의 축전용량의 감소율로서 (D)값은 다음의 식(10)에 따라서 계산될 수 있다.
D = (0.6231 - 1.7 x 0.308) / (0.4038 - 1.7 x 0.170) --(10)
본 발명의 검출방법을 이용하지 않고 검사용 충전지의 내부저항 값을 예측적으로 검출하는 경우와 상기 검사용 충전지의 개방회로 전압을 측정하여 이전의 식(1)에 따라서 내부저항을 계산한 경우를 비교하고, 전자의 경우의 내부 저항과 후자의 경우의 내부저항을 비교함으로써 본 발명의 검출방법의 효율을 검사한다.
도 15는 검사용 충전지를 1,7A에서의 정전류 충전모에 의해 충전한 경우 상기 검사용 충전지(b)에 대해서 충전종료 이후 120분 동안 경과된 시간까지 사이클 열화된 검사용 충전지의 전지 전압의 변화곡선을 도시하고, 상기 충전 전압이 4.2 V에 도달하는 경우 충전이 종료된다. 도 15에 도시된 곡선이 예시하는 바와 같이, 전지 전압은 점차적으로 감소되고 90분간의 시간이 경과된 후에, 상기 전지 전압은 3.85 V에 수렴한다.
도 16은, 도 15의 세로좌표 축의 전압값을 이전의 식(1)의 Voc0 에 입력하여 Vd = 4.2 및 I = 1.7의 조건하에서 상기 결과 내부 저항 값을 작도한 방식에 의해 형성된 곡선을 도시한다.
도 16에 도시된 곡선은, 검사용 충전지의 내부저항을 각각의 시간에서 개방회로 전압이 되는 전지 전압으로 간주함으로써 계산된 경우에 얻어진 값을 예시한다.
90분이 경과된 후에 개방회로 전압 값이 상기의 3.85 V 전압 값이라고 가정하는 경우에, 상기 3.85 V는 이상적인 개방회로 전압에 대응하고 205.09(mΩ)은 실제 내부저항(R)이다.
도 17은, 경과 시간에 대해서 (R0)가 되는 상기 전지 전압으로부터 계산되고 가로축인 경과된 시간과 관련하여 세로좌표의 축에 계산된 결과를 작도한 도 16의 세로좌표의 축을 내부저항으로 설정함으로써 다음식(11)의 계산 방식에 의해 작성된 곡선을 도시한다.
|R0 - R| / R x 100 -----(11)
도 17에 도시된 곡선은, 검사용 충전지의 내부저항을 각각의 시간에서 개방회로 전압이 되는 전지 전압으로 간주함으로써 계산된 경우에 실제 내부 저항(R)으로부터 벗어난 오차를 예시한다.
도 17에 도시된 곡선에 관련하여, 이전의 식(9)로부터 얻어진 정밀도의 상기 설명된 오차 1.1%는 80분 이상 정지시간이 주어지는 경우에 정밀도의 오차와 전적으로 상당히 유사한 것으로 이해되어야 한다. 이것은 본 발명의 검출방법을 채택할 경우에, 내부저항을 계산하기 위해 개방회로전압을 측정하는 80분간 시간의 주기가 필요하지 않다는 것을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명의 검출방법에 의하면, 상기 검사용 충전지가 사이클 열화된 경우에도, 정전류-정전압 충전 방식동안에 특별한 동작을 행하거나 또는 검출을 위해 특별한 주기의 시간을 소비할 필요없이, 정전압 충전 모드에서 검사용 충전지의 충전량의 측정된 값으로부터 고정밀도로 검사용 충전지의 내부저항 값을 용이하게 검출 가능한 것으로 이해될 수 있다.
<실시예 3>
실시예 1과 마찬가지로, 공칭 용량 1680 mAh , 직경 18mm, 높이 65mm의 시판의 정상의 리튬이온 충전지로 이루어진 정상의 충전지(a) 및 상기 정상의 충전지(a)와 동일한 종류 및 동일한 유형의 충전지로 이루어진 검사용 충전지(b)가 제공되었다. 상기 정상의 충전지(a)에 대해서는, 증감할 때의 내부 저항에 대한 충전량의 관련 데이터 또는 정전류-정전압 충전 방식 중의 정전압 충전모드에서 상기 내부저항의 증감된 크기는 도 9를 참조하면서 이전에 설명한 방법에 따라서 미리 획득하였다.
상기 데이터는 내부저항의 크기가 증가되거나 감소되는 것을 포함한 상기 내부저항(R)과 상기 충전량(Q)과의 관계 R(Q)에 대한 이전의 함수식(4)로부터 얻어진 데이터를 포함한다.
검사용 충전지(b)에 대해서는, 10일 동안 80℃의 온도로 분위기를 유지함으로써 열화 된다.
도 2에 도시된 다음의 흐름도에는, 열화된 검사용 충전지가 정전류-정전압 방식에 의해 충전되었고 상기 검사용 충전지(b)의 내부저항이 검출되었다(예측되었다). 이후에, 검사용 충전지(b)의 실제 내부저항을 측정하였다.
검출된 내부저항과 실제 내부저항을 비교함으로써, 본 발명의 검출방법의 유효성을 조사하였다.
특히, 충전 전압이 4.2 V에 도달할 때까지 1.7 A의 정전류에서 정전류 충전모드에 의해 상기 검사용 충전지(b)를 충전하였고, 이 다음에, 4.2 V의 일정한 전압 값에서 정전압 충전모드에 의해 검사용 충전지(b)를 충전하여, 충전전류가 0.1A로 감소되었을 경우 충전이 종료되었으며, 정전압 충전모드의 검사용 충전지의 충전량(Qcv')을 측정하였다. 그 이후에, 상기 검사용 충전지(b)의 충전량(Qcv')을 1/D 곱하고(D는 검사용 충전지의 축전용량의 감소율), 충전량에 1/D를 곱함으로써 얻어진 값을, 상기 내부저항이 증가되거나 감소된 것을 포함한 상기 내부저항과 정전류 충전모드의 충전량(Q)간의 관계식인 이전의 함수식 (4)의 Q에 대입하여 데이터를 얻었다.
여기서, D값은, 식(5)에서 사용되는 검사용 충전지(b)의 측정된 데이터 및 식(5)에서 사용되는 정상의 충전지의 미리 얻은 데이터를 사용하여 식(5)의 계산을 행함으로써 실시예 2의 경우와 마찬가지로 얻었다.
이에 의해, 검사용 충전지(b)의 내부저항(R)을 검출(예측)하였다.
이후에, 검사용 충전지(b)가 최종의 3.0V 까지 0.17A의 정전류에서 방전되고, 다음에, 상기 검사용 충전지(b)는 1.7 A의 정전류에서 정전류 충전보드에 의해 충전되어, 충전전압이 4.2 V에 도달할 경우 이 정전류 충전 모드에 의한 충전이 종료되고, 소정의 시간의 주기가 경과된 이후에, 상기 검사용 충전지(b)의 개방회로전압(V)이 측정되고, 이전의 식(1)에 따라서 검사용 충전지(b)의 내부저항(R)이 계산된다.
상기 얻어진 결과는 표 6에 모아서 나타냈다.
표 6에는, CV에 의한 충전량(Qcv')의 값은 정전압 충전모드에 의해 충전된 충전량이며, 검출된 내부저항(mΩ)의 값은 본 발명의 검출방법에 의해 얻어진 예측된 내부저항 값이고, 상기 개방회로 전압(V)의 값은 충전 종료이후에 소정의 시간의 주기가 경과한 경우 그 때의 개방전압 값이며, 계산된 내부저항(mΩ)의 값은 식 (1)에서 Vc=4.7 및 I=1.7으로 계산된 개방회로 전압(Voc)으로부터 계산된 내부저항 값이다.
표 6에 나타낸 결과로부터, 검출된 내부 저항값(305.8 mΩ)과 상기 검사용 충전지의 계산된 내부 저항값(311.8 mΩ)의 오차는 다음과 같이 계산된다.
|305.8 - 311.8| / 311.8 x 100 = 1.9 (%) -------------(12)
이와 같이, 상기 오차는 1.9%로 밝혀졌다.
여기서, 표 6의 검사용 충전지(b)의 축전 용량에서의 감소율(D)은 다음의 방식으로 얻어진다.
상기 검사용 충전지(b)에 대한 상기의 충전 동작에서, 1.7 A에서의 정전류 충전모드가 4.2 V에서의 정전압 충전모드로 이동되는 시간으로부터 정전압 충전 모드의 충전 전류값이 0.85A가 될 때까지의 기간(tM') 및 그 때 정전압 충전모드의 충전량(Qcv')을 측정하였다.
여기서, 정상의 충전지(a)의 충전량(Qcv) 및 기간(tM)은 식(5)에서 사용되어 미리 얻은 데이터로부터 알 수 있다. 따라서, 상기 검사용 충전지의 Qcv' 와 tM' 및 상기 정상의 충전지(b)의 Qcv 와 tM를 상기 식(5)에 대입함으로써, D값을 얻었다.
상기 얻어진 결과는 표 7에 모아서 나타냈다.
여기서, 식(1)의 (I)가 정전류 충전 모드에서 1.7 A의 충전 전류값이 되기 때문에, 상기 검사용 충전지(b)의 축전용량의 감소율로서 (D)값은 다음의 식(13)에 따라서 계산될 수 있다.
D = (1.1705 - 1.7 x 0.637)/(0.4038 - 1.7 x 0.170) ..... (13)
도 17로부터, 상기 오차 1.9%는 45분 동안 경과 시간 후에 개방회로 전압 값으로부터 얻어진 내부 저항값과 상당히 유사한 정밀도가 되는 것을 알았다.
이와 같이, 본 발명의 검출방법에 의하면,
장기간에 걸쳐서 고온의 분위기에서의 축적 때문에 상기 검사용 충전지가 열화가 된 경우에도 정전류-정전압 충전 방식동안에 특별한 작업을 수행함이 없이, 또는 검출을 위해 특별한 주기의 시간을 소비할 필요없이 정전압 충전 모드에서 검사용 충전지의 충전량의 측정된 값으로부터 고정밀도로 검사용 충전지의 내부저항값을 용이하게 검출할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
< 실시예 4 >
공칭 용량 1680 mAh , 직경 18mm, 높이 65mm인 시판의 정상의 리튬이온 충전지로 이루어진 정상의 충전지(a)가 제공되었다.
상기 정상의 충전지(a)에 대해서, 정전류-정전압 충전방식의 정전압 충전모드에서 증감시의 내부저항에 대한 충전량과의 관련 데이터 또는 증감된 상기 내부저항의 크기는 도9를 참조하여 이전에 설명된 방법에 따라서 이미 획득하였다.
상기 정상의 충전지(a)에 대해서는, 소정의 전지온도(T) 및 소정의 방전 전류(Id)에서의 방전용량 보정 계수와 상기 내부 저항과의 관계의 데이터는 방전전기량에 대한 보정 계수 데이터의 이전의 습득 실시예에서 설명된 방법에 따라서 획득되었다.
정상의 충전지와 동일한 종류 및 동일한 유형의 충전지를 가지고, 또한, 기생 다이오드를 구비한 MOS, EFT(상표명: FY8ABJ-03, 미쯔비시 전기(주)제조)를 포함하는 과방전 방지소자 및 방전 전류 검출용 저항기 WSL-2512(20mΩ)(Vishay Intertechnology사 제조)를 포함하는 과충전 방지소자가 상기 충전지의 충전 및 방전 통로에 수용된 충전지 팩(충전지팩의 축전용량은 감소량으로부터 자유로운 것으로 고려됨)이 검사용 충전지(b)로서 제공되었다.
이 충전용 전지팩을 이후 "검사용 충전지(b)"로 칭한다.
도 1에 도시된 다음의 흐름도에는, 검사용 충전지(b)가 정전류-정전압 방식에 의해 충전되었고 상기 검사용 충전지(b)의 내부저항이 검출되었다(예측되었다). 이후에, 검사용 충전지(b)의 실제 내부저항을 측정하였다.
검출된 내부저항과 실제 내부저항을 비교함으로써, 본 발명의 검출방법의 유효성을 조사하였다.
특히, 충전 전압이 4.2 V에 도달할 때까지 1.7 A의 정전류에서 정전류 충전에 의해 상기 검사용 충전지(b)를 충전하였고, 이 다음에, 4.2 V의 정전압 값에서의 정전압 충전모드에 의해 검사용 충전지(b)를 충전하여, 충전전류가 0.1 A로 감소되었을 경우 충전이 종료되었고, 정전압 충전모드의 검사용 충전지의 충전량을 측정하였다.
다음에, 증감할 때의 내부저항에 대한 충전량의 관계에 관한 정상의 충전지(a)의 상기 데이터 또는 상기 내부저항의 증감의 크기로부터 얻은 상기 검사용 충전지 (b)의 충전량을, 내부 저항R과 상기 충전량(Q)의 관계R(Q)인 이전의 함수식(4)의 Q에 대입하였고, 이에 의해 검사용 충전지(b)의 내부저항을 측정(예측)하였다.
전지 온도 25℃에서 전지 전압이 3.0V에 도달하는 때까지 방전된 전기량, (즉 방전용량)과 공칭용량에 대한 1.7 A의 방전 전류의 비율과의 관계에 대한 방전 용량 보정 계수의 실시예인 이전 함수식(7)에 검출된 내부저항 값을 대입함으로써, 전지 온도 25℃에서 전지 전압이 도달하는 때까지 방전용량과 공칭 용량에 대한 1.7 A의 방전 전류의 비율이 측정되고, 상기 측정된 값으로부터 방전을 행할 수 있는 동안의 시간이 예측되었다.
이후에, 방전의 개시로부터 최종 전압으로서 전지 전압이 3.0 V에 도달한 때까지의 방전시간을 측정한 경우에, 최종 전압 3.0 V 까지 검사용 충전지(b)를 전지 온도 25℃ 및 방전 전류 값 1.7 A에서 방전한다. 다음에, 상기 검사용 충전지(b)는 1.7 A의 정전류에서 정전류 충전모드에 의해 충전되어, 충전전압이 4.2 V에 도달할 경우 이 정전류 충전 모드에 의한 충전이 종료되고, 소정의 시간의 주기가 경과된 이후에, 상기 검사용 충전지(b)의 개방회로전압(전지 전압)이 측정되고, 이전의 식(1)에 따라서 검사용 충전지(b)의 내부저항이 계산된다.
상기 얻어진 내부저항에 관련된 결과는 표 8에 모아서 나타냈으며, 상기 얻어진 충전시간에 관련된 결과는 표 9에 모아서 나타냈다.
표 8에 나타낸 결과로부터, 검출된 내부 저항값(233.1 mΩ)과 개방회로 전압에 의거하여 계산된 상기 검사용 충전지의 내부 저항값(235.3 mΩ)의 오차는 다음의 식(9)와 같이 계산된다.
|233.1 - 235.5| / 235.3 x 100 = 0.9 (%) -------------(14)
이와 같이, 검출된 내부저항과 계산된 내부저항간의 상기 오차는 0.9%로 밝혀졌다.
별도로, 표 9에 나타낸 결과로부터, 전지 온도 25℃와 1.7 A의 방전전류에서 상기 검사용 충전지(b)의 전지 전압이 3.0V에 도달할 때까지의 방전시간에 관하여 예측시간[56.7min]과 측정시간[57.1min]간의 오차는 다음 식(15)에 나타낸 바와 같이 계산된다.
|56.7 - 57.1| / 57.1 x 100 = 0.7 (%) -------------(15)
상기 충전시간에 관하여 예측 값과 측정 값의 상기 오차는 0.7%로 밝혀졌다.
상기 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 검사용 충전지가, ON-OFF 제어를 행할 수 있는 충전을 하기 위한 스위칭 소자, 방전용 스위칭 소자 및 충방전 전류값을 검출하기 위한 검출소자의 1개 이상이 상기 충전지의 충전 및 방전 통로에 수용되어 있는 제어회로를 갖춘 충전지 팩 내의 충전지인 경우에도, 정전압 충전모드에서 충전량의 측정값으로부터 정전류-정전압 충전 방식 동안에 특별한 작업을 수햄함이 없이 또는 검출을 위해 특별한 주기의 시간을 소비할 필요없이 고정밀도로 상기 충전지 팩의 내부저항을 용이하게 검출 가능하다.
실시예 1 내지 4의 평가된 결과로부터, 본 발명의 검출방법에 의하면, 정전류-정전압 충전 방식 동안에 특별한 작업을 수행함이 없이 또는 검출을 위해 특별한 주기의 시간을 소비할 필요 없이, 지극히 간단한 방법에 의해 고정도로 주어진 충전지의 내부저항을 검출 가능하다.
또한, 실시예 1 내지 4에서 한 종류의 시판의 리튬이온 충전지가 사용되었지만 이것에 제한되지는 않는다. 정전압-정전류 충전 방식에 의해 충전 가능한 한 본 발명의 검출방법에 의해 다양한 크기, 다양한 종류 또는 다양한 타입의 어떠한 충전지도 내부저항 검출용으로 사용 가능하다. 또한, 실시예 1 내지 4에서, 단일 셀의 내부저항을 검출하는 예를 설명하였다. 그러나, 이것에 제한되지 않는다. 본 발명의 검출방법에 의하면, 복수의 셀이 직렬 및 병렬이나 직렬 또는 병렬로 접속된 다양한 전지 팩에 대해서는, 그들의 내부저항은 전지팩용 참조 규격이 될 수 있는 정상의 충전지에 대응하는 미리 획득한 데이터에 의거하여 고정밀도로 검출 가능하다.
상기 설명에서, 별도로 본 발명은 다양한 실시예 및 다양한 실시예를 예시함으로써 설명하였다. 본 발명의 범위는 이들 실시예 및 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 이들 실시예 및 이들 실시예는 본 발명의 원리를 방해하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 가능하다.
접속저항 (mΩ) 축적된 충전량(mAh) CV에 의한 충전량(mAh) 개방회로 전압(V) 계산된 내부 저항(mΩ)
0 1678.1 403.8 3.96 141.2
27 1669.8 544.3 3.91 170.6
39 1669.0 601.3 3.89 182.2
62 1663.9 729.3 3.85 205.9
91 1658.4 924.9 3.80 235.3
110 1654.2 1106.9 3.77 252.9
150 1650.8 1394.4 3.71 288.2
CV: 정전압 충전
접속저항 (mΩ) 계산된 내부저항(mΩ) 17A에서의 충전량(mAh) 1.0으로 설정된 경우의 공칭용량에 대한 비율
0 141.2 1646.4 0.980
27 170.6 1632.1 0.972
39 182.2 1627.6 0.969
62 205.9 1617.9 0.963
91 235.3 1068.1 0.957
110 252.9 1597.7 0.951
150 288.2 1580.4 0.941
CV에 의한 충전량(mAh) 424.6
검출된 내부저항(mΩ) 145.4
개방회로 전압(V) 3.955
계산된 내부저항(mΩ) 144.1
CV에 의한 충전량(Qcv') 623.1
축전용량의 감소율(D) 0.867
Qcv'x 1/D(mAh) 718.9
검출된 내부저항(mΩ) 203.6
개방회로 전압(V) 3.850
계산된 내부저항(mΩ) 205.9
주: Qcv'는 검사용 충전지의 용량임.
정상의 충전지 검사용 충전지
CV(Ah)에 의한 충전량(Qcv) 0.4038 -
CV(Ah)에 의한 충전량(Qcv') - 0.6231
0.85A에 도달할 때까지의 시간(tm)(시간) 0.170 -
0.85A에 도달할 때까지의 시간(tm')(시간) - 0.308
주: Qcv는 정상의 충전지의 용량임.
CV(mAh)에 의한 충전량(Qcv') 1170.5
축전용량의 감소율 0.763
Qcv'x 1/D(mAh) 1534.0
검출된 내부저항(mΩ) 305.8
개방회로 전압(V) 3.670
계산된 내부저항(mΩ) 311.8
정상의 충전지 검사용충전지
CV(Ah)에 의한 충전량(Qcv) 0.4038 -
CV(Ah)에 의한 충전량(Qcv') - 1.1705
0.85A에 도달할 때까지의 시간(tm)(시간) 0.170 -
0.85A에 도달할 때까지의 시간(tm')(시간) - 0.637
CV에 의한 충전량(mAh) 924.9
검출된 내부저항(mΩ) 233.1
개방회로 전압(V) 3.800
계산된 내부저항(mΩ) 235.3
검출된 내부저항(mΩ) 233.1
방전될 예측전기량에 대한 보정계수 0.957
1.7A로 방전 가능한 예측전기량(mAh) 1607.0
1.7A로 수행 가능한 방전 예측기간(분) 56.7
1.7A로 수행한 방전 측정기간(분) 57.1
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 충전동작 동안 특정한 동작을 사용할 필요없이 그리고 검출에 대한 특정한 시간을 소비함이 없이 상기 충전지가 충전되는 동안, 고정밀도로 충전지의 내부저항을 효율적으로 검출할 수 있는 검출장치를 구비한 충전지팩을 제공할 수 있다. 그 외에도, 본 발명에 의하면, 상기 충전지의 내부저항을 효율적으로 검출할 수 있는 검출방법을 내포하는 프로그램이 기억되어 있는 매체를 제공하는 것이 가능하다. 본 발명의 기타 효과는 실시예에 기재되어 있다.

Claims (4)

  1. 충전지팩에 수용된 검사용 충전지의 내부저항의 검출장치에 있어서,
    상기 검출장치는,
    정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax로 상기 정전압 충전모드로 충전을 충전종료시까지 행하는 정전류-정전압 충전방식에 의해 충전지팩에 수용된 검사용 충전지를 충전하는 경우에,
    (i) 상기 검사용 충전지의 전압을 측정하는 수단과,
    (ii) 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 수단과,
    (iii) 정전압 충전모드에의 전량과 증감될 때의 내부저항 또는 증감된 크기의 관계에 따라서, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 기억하는 수단과,
    (iv) 상기 수단 (ii)에 의해 획득된 정전압 충전모드에서의 상기 검사용 충전지의 상기 충전량에 대해 상기 수단 (iii)으로부터의 정보를 참조하는 수단을 적어도 구비하고,
    상기 검사용 충전지의 내부저항이 상기 수단 (iv)에서의 정보로부터 검출되는 것을 특징으로 하는, 충전지팩에 수용된 검사용 충전지의 내부저항의 검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충전지팩은 충전지와, 온오프(ON-OFF) 제어를 행할 수 있는 충전용 스위칭소자, 방전용 스위칭소자 및 충방전 전류값을 검출하기 위한 검출소자 중의 1개 이상이 상기 충전지의 충방전 통로에 수용된 제어회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 충전지팩에 수용된 검사용 충전지의 내부저항의 검출장치.
  3. 검사용 충전지의 내부저항의 검출장치가 수용되어 있는 충전지팩에 있어서, 상기 검출장치는
    정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax로 상기 정전압 충전모드로 충전을 충전종료시까지 행하는 정전류-정전압 충전방식에 의해 검사용 충전지를 충전하는 경우에,
    (i) 상기 검사용 충전지의 전압을 측정하는 수단과,
    (ii) 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 수단과,
    (iii) 정전압 충전모드에의 전량과 증감될 때의 내부저항 또는 증감된 크기의 관계에 따라서, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 기억하는 수단과,
    (iv) 상기 수단 (ii)에 의해 획득된 정전압 충전모드에서의 상기 검사용 충전지의 상기 충전량에 대해 상기 수단 (iii)으로부터의 정보를 참조하는 수단을 적어도 구비하여, 상기 검사용 충전지의 내부저항이 상기 수단 (iv)에서의 정보로부터 검출되는 것을 특징으로 하는 검사용 충전지의 내부저항의 검출장치가 수용되어 있는 충전지팩.
  4. 정전류 충전모드와 정전압 충전모드를 포함하고, 정전류값 I0으로 상기 정전류 충전모드에 의해 충전이 개시되어 상기 검사용 충전지의 충전지전압이 소정의 전압값 Vmax에 도달한 후 정전압 Vmax의 상기 정전압 충전모드로 충전을 충전종료시까지 행하는 정전류-정전압 충전방식에 의해 검사용 충전지를 충전하는 경우에, 정전압 충전모드에서 상기 검사용 충전지의 축적된 충전량을 획득하는 단계(a)와, 상기 단계(a)의 정전압 충전모드에서 획득한 상기 검사용 충전지의 상기 충전량은, 증감할 때의 내부저항 또는 정전압 충전모드에서 증감된 크기에 대한 충전량 Qcv의 관계에 대하여, 상기 검사용 충전지에 상당하는 미리 획득된 정상의 충전지의 데이터를 참조하는 단계(b)를 적어도 포함하는 검사용 충전지의 내부저항의 검출방법을 내포하고 있는 검사용 충전지의 내부저항 검출프로그램이 기억되어 있는 메모리 매체.
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