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KR101440030B1 - 2차 전지의 열화 진단 장치 및 방법, 그 2차 전지를 위한 충전 장치 - Google Patents

2차 전지의 열화 진단 장치 및 방법, 그 2차 전지를 위한 충전 장치 Download PDF

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KR101440030B1
KR101440030B1 KR1020130036770A KR20130036770A KR101440030B1 KR 101440030 B1 KR101440030 B1 KR 101440030B1 KR 1020130036770 A KR1020130036770 A KR 1020130036770A KR 20130036770 A KR20130036770 A KR 20130036770A KR 101440030 B1 KR101440030 B1 KR 101440030B1
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KR
South Korea
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secondary battery
current
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deterioration
terminal voltage
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다카오 가와히라
야스히로 우치야마
준페이 코지마
토루 가츠라이
코지 가와타
도시유키 고바야시
타츠오 니시나
Original Assignee
아이엠브이 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명은 회로 구성을 복잡하게 하지 않고, 계측 시간을 짧게 할 수 있는 진단 장치를 제공한다.
충전 회로(2)는 2차 전지(10)에 대하여 전류를 공급하고, 충전을 행하기 위한 회로이다. 충전 전류 차단 수단(4)은 충전중 혹은 방전중의 2차 전지(10)에 대하여, 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하는 제어를 실시하는 것이다. 전압 계측부(6)는 전류 차단 직후의 2차 전지(10)의 단자 전압을 계측한다. 진단 수단(8)은 계측한 전압에 의거하여, 2차 전지(10)의 열화 유무를 판단한다. 열화된 2차 전지(10)는 열화되지 않은 2차 전지(10)에 비해, 전류 차단 직후의 전압 변화가 험난하다. 진단 수단(8)은 이것에 의거하여 2차 전지(10)의 열화 유무를 판단한다.

Description

2차 전지의 열화 진단 장치 및 방법, 그 2차 전지를 위한 충전 장치 {Apparatus and method for detecting deterioration of secondary battery, charging apparatus for secondary battery thereof}
본 발명은 2차 전지의 열화 진단 기술에 관한 것이다.
리튬 이온 2차 전지 등을 반복 사용하면, 열화되고, 이것이 진행되면 2차 전지로서 사용할 수 없게 된다. 따라서, 2차 전지의 열화를 진단하는 기술이 제안되고 있다.
예를 들어, 2차 전지에 전원을 접속하여 교류 전압 혹은 교류 전류를 인가하고, 전압·전류를 계측하여, 2차 전지의 임피던스를 측정함으로써, 열화를 판단하는 방법이 있다(교류 임피던스법). 상기 인가하는 주파수를, 저주파에서 고주파까지 변화시키고, 이 때의 임피던스를 복소 평면 상에 플롯한다(콜 콜 플롯（Cole-Cole Plot）이라고 불린다).
콜 콜 플롯의 예를, 도 13에 나타낸다. 반원으로 나타내고 있는 것이, 주파수를 변화시켰을 때의 2차 전지의 임피던스의 궤적이다. 이 플롯을 건강한 전지와 열화 전지에서 비교함으로써, 열화 상태를 판단할 수 있다. 상기와 같은 열화 진단이 일반적으로 검토되고 있다.
또한, 비특허 문헌 1에는 방전을 휴지(休止)시킨 후의 전압 변화 ΔV에 따라, 내부 저항을 계측하는 수법이 개시되어 있다.
야다 야스쿠니 「고성능 축전지 -설계 기초 연구로부터 개발·평가까지- 제1편, 제2장, 2.전지의 충방전 성능과 안전성 평가법」207페이지~213페이지, 가부시키가이샤 엔티에스
그러나, 비특허 문헌 1에 기재된 기술에서는 2차 전지의 열화 진단을 실시하기 위한 수법이 개시되어 있지 않다.
또한, 교류 임피던스법에 의한 진단 방법에서는 다음과 같은 문제가 있었다. 교류 전류를 인가해야 하기 때문에, 통상의 충전 전류를 공급하는 회로와는 별도로 교류 전류를 인가·계측하기 위한 회로가 필요하여, 회로가 복잡하게 된다는 문제가 있었다.
또한, 교류 성분의 주파수를 저주파에서 고주파까지 변화시켜서 계측을 실시하기 때문에, 계측을 위한 시간을 필요로 한다는 문제가 있었다. 물론, 시간을 가하면 콜 콜 플롯을 비교함으로써, 열화의 추정은 가능하지만, 특히, 저주파 영역에 있어서는 1주기가 길기 때문에, 본질적으로 계측 시간이 길어지지 않을 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 회로 구성을 복잡하게 하지 않고, 계측 시간을 짧게 할 수 있는 진단 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명에 따른 열화 진단 장치는 2차 전지의 열화 진단 장치이며, 충전 회로 또는 방전 회로에 접속된 충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하는 전류 차단 수단과, 상기 전류 차단 수단에 의해 충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하는 전압 계측부와, 상기 전압 계측부에 의해 계측된 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하는 진단 수단을 구비하고 있다.
따라서, 신속히 2차 전지의 열화 유무를 정확하게 판단할 수 있다.
(2) 본 발명에 따른 충전 장치는 2차 전지를 위한 충전 장치이며, 2차 전지에 대하여 충전 전류를 인가하기 위한 충전 회로와, 상기 충전 회로 또는 방전 회로에 접속된 충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하는 전류 차단 수단과, 상기 전류 차단 수단에 의해 충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하는 전압 계측부와, 상기 전압 취득부에 의해 계측된 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하는 진단 수단을 구비하고 있다.
따라서, 신속히 2차 전지의 열화 유무를 정확하게 판단하면서, 충전을 실시할 수 있다. 게다가 교류 임피던스법과 비교하여 회로 구성을 간소화할 수 있다는 효과가 있다.
(3) 본 발명에 따른 열화 진단 장치는 진단 수단이, 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도에 의거하여, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 2차 전지의 열화 유무를 보다 정확하게 판단할 수 있다.
(4) 본 발명에 따른 열화 진단 장치는 진단 수단이, 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 건강한 2차 전지에 대하여 단자 전압을 측정하지 않고, 진단 대상의 2차 전지의 열화 유무를 판단할 수 있다.
(5) 본 발명에 따른 열화 진단 장치는 진단 수단이, 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간에 의거하여, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 2차 전지의 열화 유무를 보다 정확하게 판단할 수 있다.
(6) 본 발명에 따른 열화 진단 장치는 상기 진단 수단이, 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을 이것과 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 건강한 2차 전지에 대하여 단자 전압을 측정하지 않고, 진단 대상의 2차 전지의 열화 유무를 판단할 수 있다.
(7) 본 발명에 따른 열화 진단 방법은 2차 전지의 열화 진단 방법이며, 충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하고, 충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하고, 상기 계측한 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 2차 전지의 열화 유무를 정확하게 판단할 수 있다.
"전류 차단 수단"은 실시 형태에 있어서는 스텝 S5, 스텝 S15가 이것에 대응한다.
"전압 계측부"는 실시형태에 있어서는 전압·전류계(42)가 이것에 대응한다.
"진단 수단"은 실시형태에 있어서는 스텝 S7, 스텝 S17가 이것에 대응한다.
"프로그램"이란, CPU에 의해 직접 실행 가능한 프로그램뿐만 아니라, 소스 형식의 프로그램, 압축 처리가 된 프로그램, 암호화된 프로그램 등을 포함한 개념이다.
2차 전지의 열화 진단 장치 및 방법, 그 2차 전지를 위한 충전 장치에 따르면, 2차 전지의 열화 유무를 보다 정확하게 판단할 수 있고, 건강한 2차 전지에 대하여 단자 전압을 측정하지 않고, 진단 대상의 2차 전지의 열화 유무를 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 열화 진단 장치의 기능 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 열화 진단 장치의 하드웨어 구성이다.
도 3은 진단 프로그램(46)의 플로차트다.
도 4는 진단 프로그램(46)의 플로차트다.
도 5는 진단 프로그램(46)의 플로차트다.
도 6은 진단 프로그램(46)의 플로차트다.
도 7은 진단 프로그램(46)의 플로차트다.
도 8은 방전 전류 차단 후의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 방전 전류 차단 후의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 충전 전류 차단 후의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 충전 전류 차단 후의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 2차 전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 임피던스 측정에 의한 열화 진단의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
1. 발명의 배경
발명자들은 2차 전지의 충전시 혹은 방전시에 전류를 차단했을 때, 건강한 것과 열화된 것에서, 차단 직후의 전압 변화 곡선이 상이하다는 것을 발견했다. 즉, 열화된 2차 전지는 충전시의 전류 차단 직후의 극히 빠른 시간에서의 전압 저하가 평온하게 되고, 방전시의 전류 차단 직후의 극히 빠른 시간에서의 전압 상승이 평온하게 되는 것을 발견했다. 본 발명은 이러한 발명자들의 새로운 발견에 의거하는 것이다.
2. 열화 진단 장치의 기능 블럭도
도 1에, 본 발명의 일실시형태에 따른 열화 진단 장치(12)의 기능 블럭도를 나타낸다. 충방전 회로(2)는 2차 전지(10)에 대하여 전류를 공급하고 충전을 실시하거나, 2차 전지(10)를 방전하기 위한 회로이다. 또한, 충전중 또는 방전중의 2차 전지(10)의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단한다. 전압 계측부(6)는 전류 차단 직후의 2차 전지(10)의 단자 전압을 계측한다. 진단 수단(8)은 계측한 전압에 의거하여, 2차 전지(10)의 열화 유무를 판단한다.
열화된 2차 전지(10)는 열화되지 않은 2차 전지(10)에 비하여, 전류 차단 직후의 전압 변화가 험준하다. 진단 수단(8)은 이것에 의거하여 2차 전지(10)의 열화 유무를 판단한다.
3. 하드웨어 구성
도 2에, 본 발명의 일실시형태에 따른 열화 진단 장치(12)의 하드웨어 구성을 나타낸다.
충방전 회로(2)는 상용 전원(20)을 받아서 강압·정류·평활 등을 실시하여 2차 전지(10)에 대하여 충전 전류를 인가한다. 또한, 2차 전지(10)를 방전하도록 제어한다. 게다가 충전중 또는 방전중에, 충전 전류 또는 방전 전류를 차단한다.
CPU(30)에는 메모리(32), 디스플레이(34), I/O 인터페이스(36), A/D 변환기(38), 기록부(40)가 접속되어 있다.
I/O 인터페이스(36)에는 전압 제어 회로(22)가 접속되고 있으며, CPU(30)는 I/O 인터페이스(36)를 통하여, 전압 제어 회로(22)를 제어한다.
전압·전류 모니터 회로(24)는 2차 전지(10)의 단자 전압, 충전 전류(방전 전류)를 계측한다. 전압·전류 모니터 회로(24)의 출력은 A/D 변환기(38)에 의해 디지탈 데이터로 된다. CPU(30)는 이에 따라, 2차 전지(10)의 단자 전압 데이터를 얻을 수 있다. 기록부(40)에는 진단 프로그램(46)이 기록되어 있다.
4. 진단 프로그램
도 3~도 7에, 진단 프로그램(46)의 플로차트를 나타낸다. 충방전 회로(2)에는 2차 전지(10)가 접속되어 있다. 여기에서는, 이 2차 전지(10)의 초기적인 충전 상태는 모르는 것으로 한다.
CPU(30)는 스텝 S1에 있어서, 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)에 대한 충전을 개시한다. 다음으로, CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(24)의 출력을 A/D 변환기(38)을 통하여 취득하고, 2차 전지(10)의 단자 전압을 감시한다. CPU(30)는 이 전압을 감시하여, 2차 전지(10)이 만충전이 되었는지의 여부를 판단한다(스텝 S2). 2차 전지(10)의 전압이 소정 전압에 이르러, 만충전이 되면, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 방전을 개시한다(스텝 S3).
CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42)에 의해 계측된 방전 전류를, A/D 변환기(38)를 통하여, 방전 전류값 데이터로서 취득한다. CPU(30)는 방전 전류값 데이터를 시간으로 적산한다(스텝 S4). 즉, 방전 전류값에 방전 시간을 곱하여, 방전 용량을 산출한다. 그리고, 만충전의 용량으로부터, 적산한 방전 용량을 감산하고, 남은 용량을 산출한다.
CPU(30)는 이 남은 용량이 50%를 밑돌았는지를 판단한다(스텝 S5). 예를 들어, 만충전으로 1000mAH의 2차 전지(10)이라면, 남은 용량이 500mAH를 밑돌았는지를 판단한다.
밑돌지 않으면, CPU(30)는 방전을 계속한다. 밑돌고 있으면, CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42), A/D 변환기(38)로부터 취득한 전압값 데이터의, 기록부(40)에의 기록을 개시한다(스텝 S6).
다음으로, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 방전 전류를 차단한다(스텝 S7). 즉, 2차 전지(10)의 단자를 개방 상태로 한다. CPU(30)는 방전 전류를 차단하고 나서, 소정의 계측 시간(예를 들어 4sec1 /2)이 경과했는지의 여부를 판단한다(스텝 S8). 소정의 계측 시간이 경과하면, 기록하고 있던 전압값 데이터의, 차단 직후의 기울기로부터, 열화 유무를 판단한다(스텝 S9).
도 8에, 방전 전류를 차단한 직후의 전압 변화의 일례를 나타낸다. 세로축은 전압, 가로축은 시간(시간의 평방근)이다. 건강한 데이터는 건강한 2차 전지의 전압 변화를 나타내고 있다. 열화 데이터는 열화된 2차 전지의 전압 변화를 나타내고 있다.
차단 직후에 있어서는 건강한 데이터는 3.72V, 열화 데이터는 3.64V이다. 건강한 데이터는 극히 빨라서 3.76V에 이르고 있다. 열화 데이터는 1.5sec1 /2 후에 3.76V에 이르고 있다. 이와 같이, 열화된 2차 전지의 쪽이, 차단 직후의 전압 상승이 완만(상승 속도가 늦다)하다.
예를 들어, 전압 상승이 소정값(예를 들어 0.1V)에 이를 때까지의 시간(즉 상승 속도)이, 소정값(예를 들어, 1sec1 /2)보다 큰지의 여부에 따라, 열화 유무를 판단할 수 있다. 또한, 이와 같은 판단 기준은 건강한 2차 전지 및 열화된 2차 전지에 대하여 계측을 실시한 결과에 의거하여, 미리 기록해 둘 수 있다.
다음으로, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 방전을 재개한다(스텝 S10). CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42)에 의해 계측된 방전 전류를, A/D 변환기(38)를 통하여, 방전 전류값 데이터로서 취득한다. CPU(30)는 방전 전류값 데이터를 시간으로 적산한다(스텝 S11). 즉, 방전 전류값에 방전 시간을 곱하여, 방전 용량을 산출한다. 그리고, 만충전의 용량으로부터, 적산한 방전 용량을 감산하고, 남은 용량을 산출한다.
CPU(30)는 이 남은 용량이 0%가 되었는지의 여부를 판단한다(스텝 S12). 예를 들어, 만충전으로 1000mAH의 2차 전지(10)이라면, 남은 용량이 0mAH가 되었는지의 여부를 판단한다.
남은 용량이 0으로 되어 있지 않으면, CPU(30)는 방전을 계속한다. 0이 되면, CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42), A/D변환기(38)로부터 취득한 전압값 데이터의, 기록부(40)에의 기록을 개시한다(스텝 S13).
다음으로, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 방전 전류를 차단한다(스텝 S14). CPU(30)는 방전 전류를 차단하고 나서, 소정의 계측 시간(예를 들어 4 sec1/2)이 경과했는지의 여부를 판단한다(스텝 S15). 소정의 계측 시간이 경과하면, 기록하고 있던 전압값 데이터의, 차단 직후의 기울기로부터, 열화 유무를 판단한다(스텝 S16).
도 9에, 방전 전류를 차단한 직후의 전압 변화의 일례를 나타낸다. 차단 직후에 있어서는 건강한 데이터는 3.05V, 열화 데이터는 3.0V이다. 그 후, 건강한 데이터는 1sec1 /2를 가하여 3.2V까지 상승하고, 그 후, 상승의 기울기가 완만하게 되어 있다. 이와 같이, 열화 데이터는 2.5sec1 /2를 가하여 3.35V까지 상승하고, 그 후, 상승의 기울기가 완만하게 되어 있다. 이와 같이, 열화된 2차 전지가, 상승의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간이 길다.
예를 들어, 전압 상승의 기울기가 소정값 이하(예를 들어 0.05V/sec1 /2)가 될 때까지의 시간(즉 기울기)이, 소정값(예를 들어, 1.5sec1 /2)보다 큰지의 여부에 따라, 열화 유무를 판단할 수 있다.
다음으로, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 충전을 개시한다(스텝 S17). CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42)에 의해 계측된 방전 전류를, A/D 변환기(38)를 통하여, 충전 전류값 데이터로서 취득한다. CPU(30)는 충전 전류값 데이터를 시간으로 적산한다(스텝 S18). 즉, 충전 전류값에 방전 시간을 곱하여, 충전 용량을 산출한다.
CPU(30)는 이 충전 용량이 50%가 되었는지의 여부를 판단한다(스텝 S19). 예를 들어, 만충전으로 1000mAH의 2차 전지(10)이라면, 충전 용량이 500mAH가 되었는지의 여부를 판단한다.
남은 용량이 500mAH로 되어 있지 않으면, CPU(30)는 방전을 계속한다. 500mAH가 되면, CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42), A/D 변환기(38)로부터 취득한 전압값 데이터의, 기록부(40)에의 기록을 개시한다(스텝 S20).
다음으로, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 충전 전류를 차단한다(스텝 S21). 즉, 2차 전지(10)의 단자를 해방한다. CPU(30)는 충전 전류를 차단하고 나서, 소정의 계측 시간(예를 들어 4sec1 /2)이 경과했는지의 여부를 판단한다(스텝 S22). 소정의 계측 시간이 경과하면, 기록하고 있던 전압값 데이터의, 차단 직후의 기울기로부터, 열화 유무를 판단한다(스텝 S23).
도 10에, 충전 전류를 차단한 직후의 전압 변화의 일례를 나타낸다. 차단 직후는 건강한 데이터가 3.94V, 열화 데이터가 3.95V이다. 이 그래프로부터 명백한 바와 같이, 건강한 데이터는 차단과 동시에 3.9V까지 전압이 하강하고 있다. 이와 같이, 열화 데이터는 1sec1 /2 정도의 시간을 가하여 3.9V까지 하강하고 있다. 이와 같이, 열화된 2차 전지의 쪽이, 차단 직후의 전압 저하(저하 속도)가 완만하다.
예를 들어, 전압 저하가 소정값(예를 들어 0.1V)에 이를 때까지의 시간(즉 기울어)이, 소정값(예를 들어, 1sec1/2)보다 큰지의 여부에 따라, 열화 유무를 판단할 수 있다. 또한, 이와 같은 판단 기준은 건강한 2차 전지 및 열화된 2차 전지에 대하여 계측을 실시한 결과에 의거하여, 미리 기록해 둘 수 있다.
다음으로, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 충전을 재개한다(스텝 S24). CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42)에 의해 계측된 충전 전류를, A/D 변환기(38)를 통하여, 충전 전류값 데이터로서 취득한다. CPU(30)는 충전 전류값 데이터를 시간으로 적산한다(스텝 S25). 즉, 충전 전류값에 충전 시간을 곱하여, 충전 용량을 산출한다.
CPU(30)는 이 충전 용량이 100%가 되었는지의 여부를 판단한다(스텝 S26). 예를 들어, 만충전으로 1000mAH의 2차 전지(10)이라면, 충전 용량이 1000mAH가 되었는지의 여부를 판단한다.
충전 용량이 1000mAH로 되어 있지 않으면, CPU(30)는 충전을 계속한다. 1000mAH가 되면, CPU(30)는 전압·전류 모니터 회로(42), A/D 변환기(38)로부터 취득한 전압값 데이터의, 기록부(40)에의 기록을 개시한다(스텝 S27).
다음으로, CPU(30)는 전압 제어 회로(22)를 제어하여, 2차 전지(10)의 충전 전류를 차단한다(스텝 S28). CPU(30)는 충전 전류를 차단하고 나서, 소정의 계측 시간(예를 들어 4sec1 /2)이 경과했는지의 여부를 판단한다(스텝 S29). 소정의 계측 시간이 경과하면, 기록하고 있던 전압값 데이터의, 차단 직후의 기울기로부터, 열화 유무를 판단한다(스텝 S30).
도 11에, 충전 전류를 차단한 직후의 전압 변화의 일례를 나타낸다. 차단 직후에 있어서는 건강한 데이터도 열화 데이터도, 거의 4.23V의 전압이다. 이 그래프로부터 명백한 바와 같이, 건강한 데이터는 직후에 4.2V까지 전압이 하강하고 있다. 이에 비하여, 열화 데이터는 1sec1 /2 정도의 시간을 가하여 4.17V까지 하강하고 있다. 이와 같이, 열화된 2차 전지가, 차단 직후의 전압 하강이 완만하다.
예를 들어, 전압 하강이 소정값(예를 들어 0.05V)에 이를 때까지의 시간(즉 기울어)이, 소정값(예를 들어, 1sec1 /2)보다 큰지의 여부에 따라, 열화 유무를 판단할 수 있다.
또한, 50% 방전후일 때와 마찬가지로, 기울기가 완만하게 될 때까지의 시간에 따라, 열화 유무를 판단하도록 해도 무방하다.
CPU(30)는 상기의 각 스텝 S9, S16, S23, S30에 있어서의 판단을 종합하여, 2차 전지(10)의 열화 유무를 판단한다(스텝 S31). 예를 들어, 상기 각 판단 중의 어느 하나에서도, 열화 경향을 나타내고 있으면, 열화되어 있는 것이라고 판단한다. 게다가 CPU(30)는 이와 같이 하여 판단한 결과를, LCD 등의 디스플레이(34)에 표시한다(스텝 S31). 예를 들어, 「건강합니다」 「열화되어 있습니다」등의 표시를 실시한다.
도 8~도 11의 그래프로부터 명백한 바와 같이, 차단 직후의 큰 변화가 끝나고 전압이 안정된 시점에서는 건강한 2차 전지도 열화된 2차 전지도, 전압값에 큰 차이는 보이지 않는다. 따라서, 이러한 전압의 차이에 의해 열화 유무를 판단하는 것은 곤란하다고 말할 수 있다. 이 실시형태에서는 차단 직후의 전압 변화를 보아 열화 유무를 판단하고 있으므로, 보다 정확하게 판단할 수 있다.
발명자들은 충전 전류 차단 후, 방전 전류 차단 후의 전극에 있어서의 전압의 시간적 변화를, 이하의 식에 의해 정확하게 산출할 수 있다는 것을 발견하였다.
Figure 112013029392889-pat00001
상기 식에 있어서, E는 도 12에 있어서의 전극 150 또는 170의 표면(150a, 170a)의 전압이다. E0는 초기 전압이다. ΔE0는 전류 차단 후의 최종 도달 전압과 초기 전압 E0와의 차이이다. l는 도 12의 세퍼레이터(160)의 두께이다. DS는 리튬 이온의 확산 계수이다. t는 전류 차단 후의 경과 시간이다.
건강한 2차 전지의 상기의 각 파라미터가 기지(旣知)이라면, 건강한 2차 전지에 대하여, 실측하지 않더라도 도 8~도 11과 같은 변화를 산출할 수 있다. 따라서, 건강한 2차 전지에 대한 데이터를 취득하지 않더라도, 검사 대상으로 되어 있는 2차 전지의 열화 유무를 판단하는 것이 가능해진다.
5. 기타 실시형태
(1) 상기 실시형태에서는 SOC 50% 방전, SOC 0% 방전, SOC 50% 충전, SOC 100% 충전의 4개의 시점에 있어서 전류를 차단하여, 그 전압 변화에 의거하여 열화 유무를 판단하도록 하고 있다. 그러나, 이들 중 어느 하나의 시점(또는 2개의 시점, 3개의 시점)에 있어서의 전압 변화에 의거하여, 열화 유무를 판단하도록 해도 무방하다.
게다가 SOC 10%, 30%, 70% 등의 방전·충전의 시점에서, 차단하여 판단을 실시하도록 해도 무방하다.
(2) 상기 실시형태에서는 충방전 회로(2)를 이용하여 판단을 실시하도록 하고 있다. 그러나, 충전시의 차단 후 전압에 의거한 판단만을 행하는 것이라면, 충전 회로를 설치하는 것만으로 충분하다. 또한, 방전시의 차단 후 전압에 의거한 판단만을 실시하는 것이라면, 방전 회로를 설치하는 것만으로 충분하다.
(3) 상기 실시형태에서는 열화 진단 장치로서의 예를 나타냈다. 그러나, 충전 장치에 이 열화 진단 장치의 기능을 병합하도록 해도 무방하다. 예를 들어, 충전 회로(2)에 의해 충전을 실시하는 도중에, 일시적으로 충전 전류를 차단하고, 열화 유무를 판단하도록 해도 무방하다. 열화 유무를 판단한 후, 다시, 충전 전류를 인가하여 충전을 실시하도록 한다. 이와 같이 하면, 충전 동작 중에서, 아울러, 열화 유무의 판단을 행할 수 있다.
(4) 또한, 상기 실시형태에서는 열화 유무를 판단하도록 하고 있다. 그러나, 소정의 전압 변화가 있을 때까지의 시간(즉 기울기)에 따라서, 열화의 정도를 판단하도록 해도 무방하다. 시간이 길수록, 열화가 진행되고 있다고 판단한다.
(5) 또한, 판단한 열화 유무나 정도를, 충전 장치에 제공하도록 해도 무방하다. 이에 따라, 충전 장치는 열화의 정도 등에 따라, 충전 시간의 조정 등을 실시할 수 있다.
2: 충방전 회로 4: 충전 전류 차단 수단
6: 전압 계측부 8: 진단 수단
10: 2차 전지 22: 전압 제어 회로
24: 전압·전류 모니터 회로 10: 2차 전지
32: 메모리 34: 디스플레이
46: 진단 프로그램

Claims (7)

  1. 2차 전지의 열화 진단 장치이며,
    충전 회로 또는 방전 회로에 접속된 충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하는 전류 차단 수단과,
    상기 전류 차단 수단에 의해 충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하는 전압 계측부와,
    상기 전압 계측부에 의해 계측된 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하는 진단 수단을 구비하고,
    상기 진단 수단은 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를 이것과 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 열화 진단 장치.
  2. 2차 전지를 위한 충전 장치이며,
    2차 전지에 대하여 충전 전류를 인가하기 위한 충전 회로와,
    상기 충전 회로 또는 방전 회로에 접속된 충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하는 전류 차단 수단과,
    상기 전류 차단 수단에 의해 충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하는 전압 계측부와,
    상기 전압 취득부에 의해 계측된 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하는 진단 수단을 구비하고,
    상기 진단 수단은 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를 이것과 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 2차 전지를 위한 충전 장치.
  3. 2차 전지의 열화 진단 장치이며,
    충전 회로 또는 방전 회로에 접속된 충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하는 전류 차단 수단과,
    상기 전류 차단 수단에 의해 충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하는 전압 계측부와,
    상기 전압 계측부에 의해 계측된 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하는 진단 수단을 구비하고,
    상기 진단 수단은 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을 이것과 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 열화 진단 장치.
  4. 2차 전지를 위한 충전 장치이며,
    2차 전지에 대하여 충전 전류를 인가하기 위한 충전 회로와,
    상기 충전 회로 또는 방전 회로에 접속된 충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하는 전류 차단 수단과,
    상기 전류 차단 수단에 의해 충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하는 전압 계측부와,
    상기 전압 취득부에 의해 계측된 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하는 진단 수단을 구비하고,
    상기 진단 수단은 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을 이것과 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 2차 전지를 위한 충전 장치.
  5. 2차 전지의 열화 진단 방법이며,
    충전중 또는 방전중의 2차 전지의 충전 전류 또는 방전 전류를 차단하고,
    충전 전류 또는 방전 전류가 차단된 2차 전지의 단자 전압을 계측하고,
    상기 계측한 단자 전압의 시간적 변화에 의거하여, 해당 2차 전지의 열화를 진단하며,
    2차 전지의 열화를 진단할 때, 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압의 하강 속도 또는 상승 속도를 이것과 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것, 또는 2차 전지의 열화를 진단할 때, 건강한 2차 전지에 있어서의, 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을, 세퍼레이터의 두께와 이온의 확산 계수에 의거하여 산출하고, 진단 대상의 2차 전지에 대하여 실측한 전류 차단 직후의 단자 전압 변화의 기울기가 소정의 완만함이 될 때까지의 시간을 이것과 비교함으로써, 열화 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 열화 진단 방법.
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