KR20070001965A - 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법 및 수명 판정 장치 - Google Patents

니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법 및 수명 판정 장치 Download PDF

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Abstract

방전시에 축전지에 인가되는 부하전력의 값 및 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 미리 준비한다. 다음에, 축전지의 방전시의 부하전력과 환경온도를 측정하여, 이들 측정치에 대응하는 수명을 상기 데이터로부터 선택하여 기대 수명치로 한다. 다음에 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하여, 상기 기대 수명치와 제1 수명 저하량과의 차이를 잔존 수명치로서, 니켈·수소 축전지의 수명을 판정한다. 이 방법에 의해, 니켈·수소 축전지 고유의 현상에 기초한 보정을 실시하면서, 백업 전원으로서 니켈·수소 축전지의 수명을 정확하게 판정할 수 있다.
축전지, 수명판정, 니켈 수소 축전지

Description

니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법 및 수명 판정 장치{NICKEL-HYDRIDE BATTERY LIFE DETERMINING METHOD AND LIFE DETERMINING APPARATUS}
본 발명은, 무정전 전원장치 등에 이용하는 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법 및 그 방법을 채택한 수명 판정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 니켈·수소 축전지 독자의 거동에 기초한 고정밀의 수명 판정 방법에 관한 것이다.
무정전 전원장치(UPS) 등과 같이, 백업용 축전지를 내장한 장치에 있어서는, 축전지의 수명을 검지하는 것이 보수 점검상 중요하다. 니켈·수소 축전지의 수명의 열화는, 일반적으로 음극의 수소흡장합금의 부식이 주요인이 되지만, 사용온도, 방전횟수(回數), 방전시의 부하전력의 크기 등의 요인에 의해 영향을 받는 경우도 많다. 이와 같이 수명을 판정하는 요소는 다양하고, 사용중의 축전지의 수명을 정확하게 판정하는 것은 용이하지 않다.
종래, 니켈·수소 축전지의 용량이나 수명을 판정하기 위해서, 수명 말기의 내부 저항 증가나, 방전시의 전압 변화를, 수명을 판정하는 파라미터로서 이용하는 것이 제안되어 있다. 일례로서 복수의 방전 전류치에 대응하는 방전 전압치의 분 포에 기초하여 그 구배를 연산하여 열화 판정을 실시하는 장치(예를 들면, 특허문헌 1), 방전 중에 측정하는 내부 저항이나 전지 전압을 초기와 상대 비교하여 열화 판정을 실시하는 장치(예를 들면, 특허문헌 2)가 개시되어 있다. 이러한 수명 판정 방법은, 축전지의 내부 저항과 이것에 의해 초래되는 전압 변화 및, 니켈·수소 축전지의 수명과의 상관관계에 착안한 것으로, 단기간에 어느 정도의 수명을 예측할 수 있다고 하는 점에서는 효과가 있다.
한편, 방전 부하전력치로부터 기대 수명치를 산출하여, 이 기대 수명치와, 방전횟수를 변수로 하는 일차 함수로서 산출한 수명 저하량과의 차이를 잔존 수명치로 하여 축전지의 수명을 판정하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3). 이 방법은, 축전지를 강제적으로 방전시키지 않고도, 정밀도가 높은 기대 수명치를 적절히 보정하면서 활용할 수 있으므로, 납축전지 등에서는 효과가 있다.
특허문헌 1 : 일본특허공개공보 평성8-138759호
특허문헌 2 : 일본특허공개공보 2000-215923호
특허문헌 3 : 일본특허공개공보 2000-243459호
그러나, 특허문헌 1 및 2의 방법에서는, 내부 저항이 어느 정도 상승하지 않으면 수명을 판정할 수 없는 데다가, 수명 열화의 요인이 되는 방전 빈도, 축전지 온도 등이 고려되어 있지 않다. 또한, 특허 문헌 3의 방법에서는, 니켈·수소 축전지 독자의 열화 거동(음극의 수소흡장합금의 부식) 때문에, 수명 판정에 이용하는 식은 방전횟수를 변수로 하는 일차 함수는 되지 않는다. 이 때문에, 어느 경우에나 잔존 수명치가 실적치로부터 크게 벗어난다고 하는 문제가 있었다.
본 발명의 주된 목적은, 니켈·수소 축전지의 수명을 정확하게 판정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명의 제1의 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법은 이하의 각 단계를 포함하는 것이다.
(a) 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 미리 준비하는 단계
(b) 상기 축전지의 방전시의 부하전력 및 환경온도를 측정하는 단계
(c) 상기 부하전력 및 환경온도의 측정치에 대응하는 수명을 상기 데이터로부터 선택하여 기대 수명치로 하는 단계
(d) 상기 축전지의 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하는 단계
(e) 상기 기대 수명치로부터 상기 제1 수명 저하량을 뺀 값을 잔존 수명치로 하는 단계
상술한 바와 같이, 니켈·수소 축전지의 수명은, 음극의 수소흡장합금의 부식이 주요인이 된다. 수소흡장합금은 초기의 충전방전시에 수소의 흡장·방출에 수반하는 체적 변화에 기인하여, 급격하게 자기(自己)분쇄된다. 이 때, 수소흡장합금의 부식은 가속되지만, 어느 정도 방전횟수가 중복되면, 자기 분쇄의 침정(沈靜)에 따라 부식은 억제된다. 따라서, 납축전지 등과 같이 활물질이 용해 석출하는 것에 의해서 충전방전이 반복되는 전지계와는 달리, 니켈·수소 축전지 특유의 거동으로서, 수명 열화는 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로서 나타난다.
본 발명은 이 거동에 착안한 것으로, 니켈·수소 축전지의 수명을 정확하게 판정할 수 있는 수명 판정 방법을 제공한다.
구체적으로는, 기대 수명치를 L0, 방전횟수를 N, 제1 수명 저하량을 L1, 잔존 수명치를 L로 한 경우, 이하에 나타낸 바와 같이, 제1 수명 저하량은 식(1)로, 잔존 수명치는 식(2)로 표시된다.
Figure 112006060411899-PCT00001
…(1)
Figure 112006060411899-PCT00002
…(2)
여기서 a, b, c는 정수이다. 또한 ln는 자연로그함수인 것을 나타낸다.
수명 저하량은, 음극의 수소흡장합금의 부식 정도에 따라서 증가하므로, 전지 구성 조건을 변경하여 부식을 억제하거나, 부식의 영향을 받기 어렵게 하거나 할 경우, L1은 작아진다. 한편, 정수 a, b, c 중 a, b의 값은 니켈·수소 축전지의 구조, 예를 들면 세퍼레이터의 두께에 따라서 바뀌지만, c의 값은 니켈·수소 축전지에 있어서 거의 일정하다.
본 발명의 제2의 수명 판정 방법은, 니켈·수소 축전지의 수명을 보다 정확하게 판정할 수 있는 방법이며, 상술한 제1의 방법에 있어서, 일정한 시간 간격으로 측정된 충전방전시 혹은 휴지(休止)시의 축전지 온도의 평균치를 산출하여, 이 축전지 온도의 평균치와 환경온도의 측정치와의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 방전횟수의 곱으로부터 제2 수명 저하량을 산출하고, 상기 기대 수명치로부터 제1 및 제2 수명 저하량을 뺀 값을 잔존 수명치로 하여 수명을 판정하는 것이다.
니켈·수소 축전지의 수명은, 전지 자신의 온도 상승에 따라 지수함수적으로 저하한다. 이것은 고온하에서, 수소흡장합금의 부식이 상온하에서보다도 가속되기 때문이다. 이 요소를 본 발명의 제1의 방법에 더함으로써, 니켈·수소 축전지의 수명을 보다 정확하게 판정할 수 있다.
구체적으로는, 기대 수명치를 L0, 제1 수명 저하량을 L1, 방전횟수를 N, 일정한 시간간격에서 측정한 충전방전시 혹은 휴지시의 축전지 온도의 평균치를 Tm, 기대 수명치 산출시의 환경온도를 T0, 제2 수명 저하량을 L2, 잔존 수명치를 L로 한 경우, 이하에 나타낸 바와 같이, 제2 수명 저하량은 식(3)으로, 잔존 수명치는 식(4)로 각각 표시된다.
L2 = d × N × 2[( Tm - T0 )/10] … (3)
L = L0 - (L1 + L2) … (4)
여기서, d는 정수이다.
제2 수명 저하량 L2는, 축전지 온도의 평균치에 따라서 변동하므로, 전지의 구성 조건을 변경하여 발열을 억제하거나 방열성을 향상시키거나 할 경우, L2는 작아진다. 한편, 정수 d는 축전지의 종류에 따라서 거의 일정한 값이 된다.
본 발명의 제3의 수명 판정 방법은, 니켈·수소 축전지의 수명을 더욱 더 정확하게 판정할 수 있는 방법이며, 상술한 제2의 방법에 있어서, 환경온도의 측정치와 축전지온도의 평균치와의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 초기의 기대 수명치와의 곱으로부터 수시 기대 수명치를 산출하여, 상기 수시 기대 수명치로부터 제1 및 제2 수명 저하량을 뺀 값을 잔존 수명치로 하여 수명을 판정하는 것이다.
상술한 제1 및 제2의 방법에 있어서의 기대 수명치 L0(초기 기대 수명치와 같은 의미)는, 엄밀하게는 축전지의 온도 이력에 의해 지수함수적으로 변화한다. 이 요소를 본 발명의 제2의 방법에 가함으로써, 니켈·수소 축전지의 수명을 더욱 정확하게 판정할 수 있다.
구체적으로는, 초기 기대 수명치를 L0, 수시 기대 수명치를 Lm, 제1 수명 저하량을 L1, 초기 기대 수명치 산출시의 환경온도를 T0, 충전방전시 혹은 휴지시의 축전지 온도의 평균치를 Tm, 제2 수명 저하량을 L2, 잔존 수명치를 L로 한 경우, 이하에 나타낸 바와 같이, 수시 기대 수명치는 식(5)로, 잔존 수명치는 식(6)으로 표시된다.
Lm = L0 × 2[( T0 - Tm )/10] … (5)
L = Lm - (L1 + L2) … (6)
상기 본 발명의 제3의 방법에 의하면, 방전시에 니켈·수소 축전지에 인가되는 부하전력치로부터 수명치를 산출하는데에, 미리 부하전력 및 환경온도와 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 준비하고, 이 데이터로부터 부하전력과 환경온도의 측정치에 대응하는 수명을 선택하여 기대 수명치로 하므로, 수명을 정확하게 예측할 수 있다. 게다가, 실제의 정전에 의해서 축전지가 본래의 백업 기능을 발휘하여 방전하고 있는 경우에는, 그 방전에 의해 열화하는 축전지의 수명을 보정하므로, 니켈·수소 축전지의 수명을 정확히 정밀하게 판정할 수 있다.
다음에, 본 발명의 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치는,
방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지의 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 기억하는 기억수단과, 상기 축전지에 인가되는 부하전력을 측정하는 부하전력 측정수단과,
상기 환경온도를 측정하는 환경온도 측정수단과,
상기 기억수단에 기억된 데이터로부터, 측정된 부하전력 및 환경온도에 대응하는 수명을 기대 수명치로 하여 선택하는 기대 수명치 선택수단과,
상기 축전지의 방전횟수를 계수하는 방전횟수 계수수단과,
상기 방전횟수 계수수단으로 계수된 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하는 제1 수명 저하량 산출수단과,
상기 기대 수명치와 제1 수명 저하량과의 차이로부터 잔존 수명치를 산출하는 잔존 수명치 산출수단을 구비한 것이다.
상기 본 발명의 수명 판정 장치에서는, 제1 수명 저하량을 활용함으로써, 정전시의 백업 방전이 축전지의 수명에 미치는 영향을, 니켈·수소 축전지의 수명 판정에 반영시킬 수 있다.
본 발명의 수명 판정 장치는, 상기 구성에,
충전방전시 혹은 휴지시의 축전지 온도를 일정한 시간 간격으로 측정하는 축전지 온도 측정수단과,
측정한 축전지 온도와 그 측정횟수로부터 축전지 온도의 평균치를 산출하는 평균치 산출수단과,
상기 축전지 온도의 평균치와 환경온도와의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과 방전횟수와의 곱으로부터 제2 수명 저하량을 산출하는 제2 수명 저하량 산출수단을 더한 것이다.
상기 본 발명의 수명 판정 장치에서는, 상기 기대 수명치와 제1 수명 저하량 및 제2 수명 저하량과의 차이로부터 잔존 수명치를 산출함으로써, 축전지 온도를 반영시킬 수 있으므로, 잔존 수명치의 정밀도가 향상한다.
본 발명의 수명 판정 장치는, 상기 구성에,
기억수단에 기억된 데이터로부터, 측정된 부하전력 및 환경온도에 대응하는 축전지의 수명을 선택하여 초기 기대 수명치로 하고, 환경온도와 축전지 온도의 평균치의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 초기 기대 수명치와의 곱으로부터 수시 기대 수명치를 산출하는 수시 기대 수명치 산출수단을 더한 것이다.
상기 본 발명의 수명 판정 장치에서는, 상기 수시 기대 수명치 및 제1 수명 저하량 및 제2 수명 저하량으로부터 잔존 수명치를 산출함으로써, 기대 수명치를 수시 적정화할 수 있으므로, 잔존 수명치의 정밀도가 더욱 향상한다.
상술한 본 발명의 수명 판정 장치에 있어서, 수명 판정 부분의 각 수단을 축전지와 일체화시킴으로써, 또는 잔존 수명치를 표시하는 수단, 잔존 수명치를 통신하는 수단, 혹은 잔존 수명치에 의해 축전지의 충전을 제어하는 수단을 부여함으로써, 보다 효율적인 시스템으로서 기능시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법의 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법의 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법의 플로우차트이다.
이하에 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 한편 본 발명은 그 요점을 변경하지 않는 범위에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 수명 판정 장치의 블록도이다. 도 1에 있어서, 수명 판정 장치(1)는 수명 판정부(2)와 무정전 전원장치에 내장하고 있는 니켈·수소 축전지(3)에 의해 구성된다.
수명 판정부(2)에는, 부하전력의 값을 측정하는 부하전력 측정수단(4)과, 일정 간격의 환경온도마다 부하전력과 축전지 수명과의 관계를 미리 구한 데이터를 부하전력-축전지 수명 테이블의 형태로 기억하는 기억수단(5)과, 축전지(3)가 설치된 장소의 환경온도를 측정하는 환경온도 측정수단(6)과, 부하전력 측정수단(4)으로 측정된 부하전력 및 환경온도 측정수단(6)으로 측정된 환경온도를 기초로, 기억수단(5)에 기억된 수명 데이터로부터 기대 수명치를 선택하는 기대 수명치 산출수단(7)과, 축전지(3)의 방전횟수를 계수하는 방전횟수 계수수단(8)과, 일정한 시간 간격으로 축전지 온도를 측정하는 축전지 온도 측정수단(9)과, 축전지 온도 측정수단(9)으로 측정된 축전지 온도의 합을 측정횟수로 나누어 평균치를 산출하는 평균치 산출수단(10)과, 잔존 수명을 표시하는 잔존 수명 표시수단(11)과, 제어부(12)와, 충전제어수단(13)과, 통신수단(14)이 내장되어 있다.
제어부(12)는, 방전횟수를 계수하는 방전횟수 계수수단(6)으로부터의 정보를 수명 저하량으로 환산하는 제1 수명 저하량 산출수단(12a)과, 평균치 산출수단(10)으로 구해진 축전지 온도의 평균치 및 방전횟수 측정수단(8)으로부터의 정보를 수명 저하량으로 환산하는 제2 수명 저하량 산출수단(12b)과, 기억수단(5)으로부터 읽어낸 초기 기대 수명치에 평균치 산출수단(10)으로부터의 정보를 가미하여 수시 기대 수명치를 산출하는 수시 기대 수명치 산출수단(12c)과, 잔존 수명치 산출수 단(12d)을 구비하고 있다. 한편, 부호 15는 무정전 전원장치 본체이다.
다음에, 상기 수명 판정 장치를 이용한 본 발명의 각 수명 판정 방법에 대하여, 플로우차트에 기초하여 구체적으로 설명한다.
(실시형태 1)
도 2는 본 발명의 제1의 수명 판정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
무정전 전원장치에 내장하고 있는 니켈·수소 축전지(3)가 방전을 시작하면, 수명 판정 장치(1)가 작동을 개시하여, 초기 기대 수명치 L0를 구하는 동작(루트 A)과 제1 수명 저하량 L1을 구하는 동작(루트 B)이 작동한다.
루트 A의 동작을 설명한다. 미리, 일정 간격의 환경온도마다, 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력과 축전지 수명과의 관계를 구하여 이 데이터를 메모리 등의 기억수단(5)에 부하전력-축전지 수명 테이블(20)로서 기억해 둔다.
제일 먼저, 환경온도 측정수단(6)으로 축전지(3)가 설치되어 있는 장소의 환경온도 T0을 측정하고(단계 S21), 다음에 부하전력 측정수단(4)으로 부하전력의 값을 측정한다(S22). 통상, 부하전력의 값은, 방전 레이트를 표시하는 방전 전류의 시간율로 나타낸다.
다음에, 부하전력의 측정치를, 기억수단(5)에 기억되어 있는 부하전력-축전지 수명 테이블(20)의 값과 조합하여(S23), S21에서 측정한 환경온도에 가장 가까운 테이블에서 부하전력치에 따른 기대 수명치 L0을 구하여 제어부(12)에 출력한다(S24).
다음에, 루트 B의 동작을 설명한다. 방전횟수 계수수단(6)에 의해 축전지(3)의 방전횟수 N을 구하고(S25), 이 값 N을 제어부(12)에 출력하여, 제1 수명 저하량 산출수단(12a)에 의해, 식(1)로부터 방전횟수 N을 변수로 하는 자연로그함수로서 제1 수명 저하량 L1를 구하여 출력한다(S26). 그리고, 구해진 초기 기대 수명치 L0와 제1 수명 저하량 L1에 기초하여, 잔존 수명치 산출수단(12d)에 있어서 식(2)로부터 잔존 수명치 L을 산출한다(S27).
이와 같이 해서 구해진 잔존 수명치 L는, 제어부(12)로부터 잔존 수명 표시 수단(11)에 출력되고, 예를 들면, LED 등의 점등, 디스플레이 등에의 표시, 혹은 소리 등에 의해, 사용자에게 수명을 고지한다. 잔존 수명치 L은 또한 통신 수단(14)에 의해 무정전 전원장치 본체(15)에 보내지고, 충전 제어 수단(13)에 의해, 방전하고 있는 니켈·수소 축전지(3)의 충전을 제어한다.
한편, 일반적으로 니켈·수소 축전지는 사용자의 눈에 띄기 어려운 장소에 설치되어 있으므로, 무정전 전원장치 본체의 제어부와 같이 사용자의 눈에 띄기 쉬운 부분에 잔존 수명 표시 수단(11)을 설치하는 것이 효과적이다.
(실시형태 2)
도 3은 본 발명의 제2 수명 판정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
제2 수명 판정 방법에서는, 제1 수명 판정 방법에서 설명한 루트 A, B의 동작에 루트 C의 동작이 더해진다. 루트 C의 동작에서는, 루트 A와 마찬가지로, 제일 먼저 환경온도 측정수단(6)으로 환경온도 T0를 측정하고(S31), 축전지 온도 측정 수단(9)으로 일정한 시간 간격마다 축전지 온도를 측정한 후, 평균치 산출수단(10)으로 축전지 온도의 평균치 Tm를 산출한다(S32). 이 축전지 온도의 평균치 Tm와 환경온도 T0 및, 루트 B의 S25에서 측정이 끝난 방전횟수 N을 이용하여 식(3)으로부터 제2 수명 저하량 L2을 구한다(S33). 그리고, 구해진 기대 수명치 L0와 제1 수명 저하량 L1 및 제2 수명 저하량 L2에 기초하여, 잔존 수명치 산출수단(12d)에 의해 식(4)로부터 잔존 수명치 L을 산출한다(S34). 이후의 처리는 실시형태 1과 같기 때문에 생략한다.
(실시형태 3)
도 4는 본 발명의 제3 수명 판정 방법을 나타내는 플로우차트이다.
제3 수명 판정 방법에서는, 루트 A의 동작에 있어서 초기의 기대 수명치 L0를 구하는 스텝(S24)까지는 제1, 제2 수명 판정 방법과 같지만, 그 이후의 동작이 차이가 난다. 구체적으로는, 수시 기대 수명치 산출수단(12c)은, S21에서 측정한 환경온도 T0와 루트 C의 S32에서 산출한 축전지 온도의 평균치 Tm을 이용하여 식(5)로부터 수시 기대 수명치 Lm을 구한다(S41). 그 다음에, 잔존 수명치 산출수단(12d)에 있어서, 구해진 수시 기대 수명치 Lm으로부터 제1 수명 저하량 L1과 제2 수명 저하량 L2를 빼는 것에 의해, 잔존 수명치 L을 산출하여 니켈·수소 축전지의 수명을 판정한다(S42). 이후의 처리는 실시형태 1과 같다.
다음에, 상기 본 발명의 수명 판정 방법에 있어서, 상술한 각 식에 기초하여, 여러가지 조건하에서 잔존 수명치를 산출한 실시예에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
구(球) 형상의 수산화 니켈 분말을 3차원 다공체 니켈에 충전한 양극과, 수소흡장합금 분말을 니켈 도금한 펀칭 메탈에 도포한 음극을, 그들의 이론 용량비가 1/2(양극에 대하여 음극이 2배)이 되도록 조합하여, 술폰화 폴리프로필렌 부직포로 이루어진 세퍼레이터를 사이에 끼우고 감아돌려, 전극군을 구성했다. 이 전극군을 철제로 니켈 도금된 원통캔에 삽입하고, KOH와 NaOH의 수용액으로 이루어진 전해액을 주입한 후, 밀봉판 및 가스켓에 의해 캔의 개구부를 밀봉하였다. 이렇게 해서 직경 17mm, 높이 50mm, 세퍼레이터의 두께 0.18mm, 공칭 용량 1800mAh의 원통형 니켈·수소 축전지 A를 제작하였다.
이 축전지 A를 도 1의 수명 판정 장치에 조립해 넣어, 수명 판정 장치와 일체화시킨 니켈·수소 축전지에 대해서, 충분히 초기 활성화 사이클을 거친 후에, 40℃분위기 하에서 아래와 같은 충전방전시험을 실시하였다. 기대 수명치(초기 기대 수명치) L0는 환경온도와 방전 전류치의 관계로부터 미리 추출한 축전지의 수명 정보를 비교하여 산출하였다.
충전: 900mA, 최고 도달 전압으로부터 5mV전압 저하시에 충전정지(소위 -△V 제어 방식)
휴지: 3일
이상의 충전 및 휴지를 반복하여, 10사이클에 한번, 방전 전류 1800mA에서 1.0V까지 방전을 실시하였다. 이 방전을 10회, 30회, 및 50회 반복한 시점에서, 도 2의 플로우차트에 기초하여 잔존 수명치 L을 산출하였다. 이 수명 판정 장치는, 니켈·수소 축전지의 잔존 용량이 1080mAh(공칭 용량의 60%)에 이른 시점을 가지고 수명으로 판단하였다.
기대 수명치 L0 및 그것을 산출할 때의 환경온도와 방전 레이트(시간율로 표시), 또한 수명 판정에 이용한 식(1)의 정수 a, b, c의 값을 표 1의 No.1에 나타내고, 잔존 수명치의 산출 결과를 표 2의 No.1에 나타낸다.
(실시예 2)
실시예 1의 수명 판정 장치를 이용하여 방전 레이트를 시간율 ×5 및 시간율 ×0.5에 대신하여 도 2의 플로우차트에 기초하여 잔존 수명치 L을 산출하였다.기대 수명치 L0 산출의 조건, 정수 a, b, c의 값을 표 1의 No.2와 3에, 또한 잔존 수명치 L의 산출 결과를 표 2의 No.2과 3에 각각 나타낸다.
(비교예 1)
실시예 1의 수명 판정 장치 및 축전지를 이용하여, 실시예 1, 2와 같은 조건하에서, 식(1) 및 (2) 대신에 일차 함수 L=L0-N을 이용하여 잔존 수명치를 산출하였다. 잔존 수명치 산출의 조건 및 산출 결과를 표 1 및 표 2의 No.9∼11에 나타낸다.
(실시예 3)
실시예 1의 수명 판정 장치 및 축전지를 이용하고, 도 3의 플로우차트에 기초해서, 식(3), (4)를 이용하여 잔존 수명치 L을 산출하였다. 식(3)의 정수 d의 값을 포함하여 잔존 수명치 산출 조건 및 산출 결과를 표 1 및 표 2의 No.4에 각각 나타낸다.
(실시예 4)
실시예 1의 수명 판정 장치 및 축전지를 이용하여, 도 4의 플로우차트에 기초하여, 식(5), (6)을 이용하여 잔존 수명치 L을 산출하였다. 잔존 수명치 산출의 조건 및 산출 결과를 표 1 및 표 2의 No.5에 각각 나타낸다. 또한 축전지 온도의 평균치 Tm은 표 2에 나타내는 바와 같다.
(실시예 5)
실시예 1의 수명 판정 장치 및 축전지를 이용하여, 환경온도를 35℃로 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 같은 조건으로 잔존 수명치를 산출하였다. 잔존 수명치 산출의 조건 및 산출 결과를 표 1 및 표 2의 No.6에 각각 나타낸다.
(비교예 2)
실시예 5의 수명 판정 장치 및 축전지를 이용하여, 일차 함수 L=L0-N을 이용하여 잔존 수명치를 산출하였다. 잔존 수명치 산출의 조건 및 산출 결과를 표 1 및 표 2의 No.12에 각각 나타낸다.
(실시예 6)
세퍼레이터의 두께가 0.18mm, 공칭 용량이 1600mAh인 점 이외에는, 실시예 1과 같은 구조의 원통형 니켈·수소 축전지 B, 및 세퍼레이터의 두께가 0.26mm, 공칭 용량이 1400mAh의 같은 원통형 니켈·수소 축전지 C를 제작하였다. 이들 축전지에 대해서, 실시예 1과 같은 조건으로 잔존 수명치를 산출하였다. 잔존 수명치 산출의 조건 및 산출 결과를 표 1 및 표 2의 No.7과 8에 나타낸다.
(비교예 3)
실시예 6의 수명 판정 장치 및 축전지를 이용하여, 일차 함수 L=L0-N을 이용하여 잔존 수명치를 산출하였다. 잔존 수명치 산출 조건 및 산출 결과를 표 1 및 표 2의 No.13과 14에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112006060411899-PCT00003
상기 각 실시예 및 비교예에서 구한 잔존 수명치 L의 값과 실측치의 괴리를, 방전횟수 N마다 표 2에 사이클수로 나타내었다.
[표 2]
Figure 112006060411899-PCT00004
표 2로부터, No.9∼14에 나타낸 비교예는 실측치와의 괴리가 현저한 것에 비하여, No.1∼8에 나타낸 실시예는 실측치와의 괴리가 적은 것을 알 수 있다. 이 경향은 방전횟수 N이 증가할수록 강해진다. 이 이유로서 수소흡장합금의 부식은 사이클의 반복에 의해 침정화하기 위해, 자연로그함수에 근사할 수 있기 때문이라고 생각된다.
특히 본 실시예의 경우, 음극 이론 용량이 양극 이론 용량의 2배가 되도록 전지를 구성하고 있기 때문에, 전지의 수명 열화 속도가 일차 함수로부터 크게 괴리하고, 보다 자연로그함수에 가까워진 것이 영향을 주었다고 생각된다.
또한, No.1∼3의 판정 결과에 대하여 No.4 및 5의 판정 결과가, 방전횟수 N이 많아질수록 고정밀도로 된 이유로서, 충전방전에 수반하는 전지의 발열이나 환경온도의 변화를 고려하기 쉬워졌기 때문이라고 생각된다.
한편, 본 실시예에서는 비교적 방열성이 높은 금속제의 전지캔을 이용했지만, 방열성이 낮은 수지제의 전조를 이용한 경우, 식(3), (4) 및 식(5), (6)에 의한 판정의 효과가 보다 현저해진다고 생각된다.
또한 본 실시예에서는, 전지의 충전 방법으로서 -ΔV제어 방식의 간헐 충전을 선택했지만, 온도 제어 방식인 dT/dt 제어 방식이나 타이머 제어 방식 등의 간헐 충전, 혹은 트리클(trickle) 충전을 실시하는 경우에도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명의 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법 및 장치는, 무정전 전원장치 에 내장하고 있는 니켈·수소 축전지에 대하여, 방전 전력량, 방전의 빈도, 축전지 온도 등이 다른 경우에도, 정밀하고 정확하게 수명을 판정할 수 있다.
본 발명의 수명 판정 방법 및 장치는, 예를 들면, 무정전 전원장치 등에 이용하는 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법 및 그것을 이용한 수명 판정 장치에 있어서 유용한 것이다.

Claims (18)

  1. (a) 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 미리 준비하는 단계;
    (b) 상기 축전지의 방전시의 부하전력 및 환경온도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 부하전력 및 상기 환경온도의 측정치에 대응하는 수명을 상기 데이터로부터 선택하여 기대 수명치로 하는 단계;
    (d) 상기 축전지의 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하는 단계; 및
    (e) 상기 기대 수명치로부터 상기 제1 수명 저하량을 뺀 값을 잔존 수명치로 하는 단계를 포함하는, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법.
  2. (a) 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 미리 준비하는 단계;
    (b) 상기 축전지의 방전시의 부하전력 및 환경온도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 부하전력 및 환경온도의 측정치에 대응하는 수명을 상기 데이터로부터 선택하여 기대 수명치로 하는 단계;
    (d) 상기 축전지의 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저 하량을 산출하는 단계;
    (e) 일정한 시간 간격으로 측정된 충전방전시 혹은 휴지시의 축전지 온도의 평균치를 산출하여, 이 축전지 온도의 평균치와 상기 환경온도의 측정치와의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 상기 방전횟수와의 곱으로부터 제2 수명 저하량을 산출하는 단계; 및
    (f) 상기 기대 수명치로부터 상기 제1 수명 저하량 및 제2 수명 저하량을 뺀 값을 잔존 수명치로 하는 단계를 포함하는, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법.
  3. (a) 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 미리 준비하는 단계;
    (b) 상기 축전지의 방전시의 부하전력 및 환경온도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 부하전력 및 환경온도의 측정치에 대응하는 수명을 상기 데이터로부터 선택하여 초기 기대 수명치로 하는 단계;
    (d) 일정한 시간 간격으로 측정된 충전방전시 혹은 휴지시의 축전지 온도의 평균치를 산출하여, 상기 환경온도의 측정치와 상기 축전지 온도의 평균치와의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 상기 초기 기대 수명치와의 곱으로부터 수시 기대 수명치를 산출하는 단계;
    (e) 상기 축전지의 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하는 단계;
    (f) 상기 축전지 온도의 평균치와 상기 환경온도의 측정치의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과 상기 방전횟수와의 곱으로부터 제2 수명 저하량을 산출하는 단계; 및
    (g) 상기 수시 기대 수명치로부터 상기 제1 수명 저하량 및 제2 수명 저하량을 뺀 값을 잔존 수명치로 하는 단계를 포함하는, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 방법.
  4. 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 기억하는 기억수단과,
    상기 축전지에 인가되는 부하전력을 측정하는 부하전력 측정수단과,
    상기 환경온도를 측정하는 환경온도 측정수단과,
    상기 기억수단에 기억된 데이터로부터 상기 부하전력 측정수단으로 측정된 부하전력 및 상기 환경온도 측정수단으로 측정된 환경온도에 대응하는 수명을 기대 수명치로서 선택하는 기대 수명치 선택수단과,
    상기 축전지의 방전횟수를 계수하는 방전횟수 계수수단과,
    상기 방전횟수 계수수단으로 계수된 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하는 제1 수명 저하량 산출수단과,
    상기 기대 수명치 선택수단으로 선택한 기대 수명치 및 상기 제1 수명 저하량 산출수단으로 산출한 제1 수명 저하량으로부터 잔존 수명치를 산출하는 잔존 수명치 산출수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각 수단이 상기 축전지와 일체로 설치된, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치를 표시하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치를 통신하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치에 의해 상기 축전지의 충전을 제어하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  9. 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 기억하는 기억수단과,
    상기 축전지에 인가되는 부하전력의 값을 측정하는 부하전력 측정수단과,
    상기 환경온도를 측정하는 환경온도 측정수단과,
    상기 기억수단에 기억된 데이터로부터 상기 부하전력 측정수단으로 측정된 부하전력 및 상기 환경온도 측정수단으로 측정된 환경온도에 대응하는 수명을 기대 수명치로서 선택하는 기대 수명치 선택수단과,
    상기 축전지의 방전횟수를 계수하는 방전횟수 계수수단과,
    상기 방전횟수 계수수단으로 계수된 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하는 제1 수명 저하량 산출수단과,
    충전방전시 혹은 휴지시의 축전지 온도를 일정한 시간 간격으로 측정하는 축전지 온도 측정수단과,
    상기 축전지 온도 측정수단으로 측정된 축전지 온도와 측정 횟수로부터 축전지 온도의 평균치를 산출하는 평균치 산출수단과,
    상기 평균치 산출수단으로 산출된 축전지 온도의 평균치와 상기 환경온도 측정수단으로 측정된 환경온도와의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 상기 방전횟수 계수수단으로 계수된 방전횟수와의 곱으로부터 제2 수명 저하량을 산출하는 제2 수명 저하량 산출수단과,
    상기 기대 수명치 선택수단으로 선택된 기대 수명치로부터 상기 제1 수명 저하량 산출수단으로 산출된 제1 수명 저하량 및 상기 제2 수명 저하량 산출수단으로 산출된 제2 수명 저하량을 빼서 잔존 수명치를 산출하는 잔존 수명치 산출수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 각 수단이 상기 축전지와 일체로 설치된, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치를 표시하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치를 통신하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치에 의해 상기 축전지의 충전을 제어하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  14. 방전시에 축전지에 인가되는 부하전력 및 상기 축전지가 설치된 장소의 환경온도와, 상기 축전지의 수명과의 관계를 나타내는 데이터를 기억하는 기억수단과,
    상기 축전지에 인가되는 부하전력의 값을 측정하는 부하전력 측정수단과,
    상기 환경온도를 측정하는 환경온도 측정수단과,
    상기 기억수단에 기억된 데이터로부터 상기 부하전력 측정수단으로 측정된 부하전력 및 상기 환경온도 측정수단으로 측정된 환경온도에 대응하는 수명을 초기 기대 수명치로서 선택하는 기대 수명치 선택수단과,
    상기 축전지의 방전횟수를 계수하는 방전횟수 계수수단과,
    상기 방전횟수 계수수단으로 계수된 방전횟수를 변수로 하는 자연로그함수로부터 제1 수명 저하량을 산출하는 제1 수명 저하량 산출수단과,
    충전방전시 혹은 휴지시의 축전지 온도를 일정한 시간 간격으로 측정하는 축전지 온도 측정수단과,
    상기 축전지 온도 측정수단으로 측정된 축전지 온도와 측정 횟수로부터 축전지 온도의 평균치를 산출하는 평균치 산출수단과,
    상기 환경온도 측정수단으로 측정된 환경온도와 상기 평균치 산출수단으로 산출된 축전지 온도의 평균치의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 상기 기대 수명치 선택수단으로 선택된 초기 기대 수명치와의 곱으로부터 수시 기대 수명치를 산출하는 수시 기대 수명치 산출수단과,
    상기 평균치 산출수단으로 산출된 축전지 온도의 평균치와 상기 환경온도 측정수단으로 측정된 환경온도와의 차이를 변수로 하는 지수함수의 값과, 상기 방전횟수 계수수단으로 계수된 방전횟수와의 곱으로부터 제2 수명 저하량을 산출하는 제2 수명 저하량 산출수단과,
    상기 수시 기대 수명치 산출수단으로 산출된 수시 기대 수명치로부터 상기 제1 수명 저하량 산출수단으로 산출된 제1 수명 저하량 및 상기 제2 수명 저하량 산출수단으로 산출된 제2 수명 저하량을 빼서 잔존 수명치를 산출하는 잔존 수명치 산출수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 각 수단이 상기 축전지와 일체로 설치된, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치를 표시하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치를 통신하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 잔존 수명치에 의해 상기 축전지의 충전을 제어하는 수단을 구비한, 니켈·수소 축전지의 수명 판정 장치.
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