KR20200069775A - 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 설정된 온도 하에서 배터리를 테스트할 수 있도록 형성된 챔버; 설정된 방전 조건으로 상기 배터리를 방전시키는 배터리 과방전 테스트부; 설정된 온도를 확인하기 위하여 챔버 내부의 온도를 측정할 수 있는 챔버 내부 온도 측정 센서와 상기 배터리의 온도 변화를 측정하기 위한 배터리 온도 측정 센서를 포함하는 온도 측정부; 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부; 상기 온도 측정부 및 상기 전압 측정부와 연결되어 측정된 값을 수집하고, 표시하는 데이터 수집부; 및 상기 과방전된 배터리에 충전과 방전을 반복하는 충방전 사이클을 설정된 횟수만큼 수행하여 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하는 테스트를 수행하는 배터리 충방전 사이클 테스트부;를 포함하는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치를 제공할 수 있다.

Description

배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치 및 방법 {BATTERY CHARGE-DISCHARGE CYCLE TEST AFTER BATTERY OVER-DISCHARGE TEST APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 배터리가 실생활에서 발생할 수 있는 정도의 과방전을 일으킨 후 배터리 충방전 사이클 테스트를 수행할 수 있는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치 및 방법에 관한 것이다.
2000년대 들어 배터리의 발전 및 연구가 지속됨에 따라서, 배터리가 에너지원으로 사용되는 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC 등의 휴대기기의 보급이 증가되고 있다.
특히 리튬이온 배터리는 충방전을 통해서 반복 재사용이 가능한 2차 전지이며, 높은 전압 및 높은 전류 밀도를 얻을 수 있어 모바일 기기 및 전기자동차 등의 전원 공급원으로 주로 사용된다. 이와 같이 리튬이온 배터리는 고에너지 고밀도의 효율적인 에너지원이지만, 이와 같은 특성 때문에 발화 및 폭발 위험이 존재한다.
실생활에서 배터리가 충전기 등의 오작동으로 과방전이 된 후 발화되지 않은 상태로 소비자가 계속하여 충방전을 반복하여 지속적으로 사용할 경우, 배터리 전극 표면에 생기는 결정인 덴드라이트(dendrite) 현상 발생, 분리막 천공, 전해액 기화 현상 등으로 배터리가 발화할 수 있다. 따라서, 배터리가 일상 생활에서 사용 중 과방전된 경우에도 충방전 사이클 테스트를 거쳐 안전성을 확인하여야 한다.
한국등록특허 제10-1220910호(2013.01.04.)
본 발명의 실시예들은 배터리가 실생활에서 충전기 또는 배터리 모듈 등의 오작동으로 과방전이 된 후에 배터리를 지속적으로 충방전하여 사용하는 경우 배터리의 안전성을 파악할 수 있는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 설정된 온도 하에서 배터리를 테스트할 수 있도록 형성된 챔버, 설정된 방전 조건으로 상기 배터리를 과방전시키는 배터리 과방전 테스트부, 설정된 온도를 확인하기 위하여 챔버 내부의 온도를 측정할 수 있는 챔버 내부 온도 측정 센서와 상기 배터리의 온도 변화를 측정하기 위한 배터리 온도 측정 센서를 포함하는 온도 측정부, 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부, 상기 온도 측정부 및 상기 전압 측정부와 연결되어 측정된 값을 수집하고, 표시하는 데이터 수집부 및 상기 과방전된 배터리에 충전과 방전을 반복하는 충방전 사이클을 설정된 횟수만큼 수행하여 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하는 테스트를 수행하는 배터리 충방전 사이클 테스트부를 포함하는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치를 제공할 수 있다.
이때, 상기 배터리 충방전 사이클 테스트부는 상기 과방전된 배터리를 충전시키는 충전부, 상기 과방전된 배터리에 전류를 공급하여 방전시키는 방전부 및 충방전 사이클의 설정된 횟수와 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하여 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 설정된 온도는 15°C 내지 25°C 범위 내일 수 있다.
이때, 상기 설정된 방전 조건은 상기 배터리의 방전율을 0.2C-rate으로 설정하여, 상기 배터리의 전압을 0.0V내지 2.5V 사이의 값에 도달하도록 방전시킬 수 있다.
이때, 상기 충방전 사이클의 설정된 횟수는 100회 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 챔버 내부를 15°C 내지 25°C 범위 내의 온도로 설정하여 내부에 배터리 과방전 테스트부와 배터리 충방전 사이클 테스트부를 설치하는 준비 단계, 배터리 과방전 테스트부에서 설정된 방전 조건으로 상기 배터리를 과방전시키는 과방전 단계 및 배터리 충방전 사이클 테스트부에서 상기 과방전된 배터리에 충전과 방전을 반복하는 충방전 사이클을 100회 이상 수행하여 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하는 충방전 사이클 테스트를 수행하는 단계를 포함하는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 방법을 제공할 수 있다.
이때, 상기 설정된 방전 조건은 상기 배터리의 방전율을 0.2C-rate으로 설정하여, 상기 배터리의 전압을 0.0V내지 2.5V 사이의 값에 도달하도록 방전시킬 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치 및 방법은, 현실적으로 실생활에서 배터리를 사용하다가 충전기, 배터리 모듈 등이 오작동이 되어 과방전 된 후 배터리가 발화되지 않은 상태로 계속적으로 사용할 경우에 배터리의 안전성을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치(10)를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치(10)는 챔버(100), 배터리 과방전 테스트부(300), 온도 측정부(400), 전압 측정부(500), 데이터 수집부(600), 배터리 충방전 사이클 테스트부(700)를 포함할 수 있다.
챔버(100)는 설정된 온도 하에서 배터리(200)를 테스트할 수 있도록 형성될 수 있다. 챔버(100)의 형태에는 제한이 없으며, 설정된 온도 하에서 배터리(200)에 관한 테스트를 수행하도록 적절한 크기로 형성될 수 있다. 챔버(100)는 내부에서 발생할 수 있는 발열 및 폭발 사고를 대비하여 사용자의 안전을 보호하고, 위험을 최소화할 수 있도록 내구성을 확보한 재질 및 구조로 이루어질 수 있다.
배터리(200)는 각형, 원통형, 파우치형 등 특정 형태에 국한되지 않고, 어떠한 형태를 가져도 무관하다. 적용기기의 대상이 되는 형태의 배터리(200)를 사용하여 테스트를 할 수 있다. 이때, 배터리(200)는 1개 또는 복수 개일 수 있다.
배터리 과방전 테스트부(300)는 설정된 방전 조건으로 배터리(200)를 과방전시킬 수 있다.
설정된 방전 조건은 배터리(200)의 방전율을 0.2C-rate으로 설정하여, 배터리(200)의 전압을 0.0V 내지 2.5V 사이의 값에 도달하도록 방전시킬 수 있다.
배터리(200)의 방전율을 0.2C-rate으로 설정하고, 방전을 진행하여, 최종적으로 도달하는 배터리(200)의 전압을 0.0V 내지 2.5V 사이의 값에 이르도록 한다. 이때 배터리(200)의 방전을 진행하여 최종적으로 도달하는 전압값은 배터리(200)가 발화나 폭발이 되지 않을 정도의 값이어야 한다. 실생활에서 배터리(200)가 과방전된 이후에도 배터리(200)에서 누액이나, 폭발, 발화 등이 관찰되지 않아서, 배터리(200)를 지속적으로 계속 사용할 수 있는 경우에 대하여 배터리의 안전성을 확인할 수 있어야 하기 때문이다.
온도 측정부(400)는 챔버 내부 온도 측정 센서와 배터리 온도 측정 센서를 포함할 수 있다. 챔버 내부 온도 측정 센서는 설정된 온도를 확인하기 위하여 챔버 내부의 온도를 측정할 수 있다. 챔버 내부 온도 측정 센서는 챔버(100) 내부의 온도가 설정된 온도에 해당하는지 여부 및 시간의 경과에 따라 설정된 온도를 유지하는지 여부 등을 확인할 수 있다. 배터리 온도 측정 센서는 배터리(200)의 시간에 따른 온도 변화를 각각 측정하여 과방전된 전후의 상태 변화를 확인할 수 있다. 배터리(200) 표면에 배터리 온도 측정 센서를 부착할 경우, 폴리 카보네이트 필름(Poly Carbonate film)을 사용하여 표면에 손상이 없도록 한다. 또한, 배터리 충방전 사이클 테스트부(700)에서 충방전 사이클 테스트를 수행한 이후의 온도 변화도 측정할 수 있다.
전압 측정부(500)는 배터리(200)의 시간에 따른 전압 변화를 각각 측정할 수 있으며, 과방전 전후의 배터리(200)의 전압의 변화 상태를 측정할 수 있다. 또한, 배터리(200)가 배터리 충방전 사이클 테스트부(700)에서 충방전 사이클 테스트를 수행한 이후의 전압의 변화 상태를 측정할 수 있다.
데이터 수집부(600)는 온도 측정부(400) 및 전압 측정부(500)와 연결되어 측정된 값을 수집하여, 표시할 수 있다. 설정된 시간 간격으로 배터리(200)의 온도 및 전압 측정값을 수집하여 표시할 수 있다.
배터리 충방전 사이클 테스트부(700)는 과방전된 배터리(200)에 충전과 방전을 반복하는 충방전 사이클을 설정된 횟수만큼 수행하여 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하는 테스트를 수행할 수 있다. 배터리 충방전 사이클 테스트부(700)는 충전부, 방전부 및 표시부를 포함할 수 있다. 충전부는 과방전된 배터리(200)를 충전시킬 수 있고, 방전부는 과방전된 배터리(200)에 전류를 공급하여 방전시킬 수 있다. 표시부는 충방전 사이클의 설정된 횟수와 그에 따라 측정된 배터리 용량 측정 결과를 산출하여 표시할 수 있다. 충방전 사이클의 설정된 횟수는 100회 이상인 것이 바람직하다.
예를 들어, 정전류 시험법으로 충방전 사이클 테스트를 하는 경우 배터리(200)에 정전류를 인가하여 시간에 따른 배터리의 시간에 따른 전압의 변화를 측정하여 특성을 확인할 수 있다. 배터리(200)가 리튬 이온 배터리일 경우, 충전의 경우 배터리(200)의 전압이 상승하며, 방전의 경우 배터리(200)의 전압이 하강한다. 통상적으로 충전 전압은 전해질 분해 및 전극물질 안전성을 위하여 4.3V 이하의 전압을 이용하며, 방전전압의 경우 방전전압의 경우 3V 정도까지 측정하여 과방전(over-discharge)에 의한 전극 물질의 손상을 막게 된다. 이와 같이 배터리(200)가 특정 전압을 나타내는 범위 내에서 충전과 방전을 반복하는 사이클 과정을 수행하여, 이에 따라 배터리가 가진 용량 측정 결과를 산출하여 테스트를 수행하게 된다.
한편, 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치(10)는 배터리(200)의 테스트 과정 상에서 발화나 폭발의 가능성이 있을 수 있으므로, 유독가스 등을 별도로 배출할 수 있는 공기 필터부를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 방법을 설명한다.
S100 단계는, 챔버(200) 내부를 15°C 내지 25°C 범위 내의 온도로 설정하여 내부에 배터리 과방전 테스트부(300)와 배터리 충방전 사이클 테스트부(400)를 설치하는 준비 단계이다.
S200 단계는, 배터리 과방전 테스트부(300)에서 설정된 방전 조건으로 배터리(200)를 과방전시키는 과방전 단계이다. 이때 설정된 방전 조건은 배터리(200)의 방전율을 0.2C-rate으로 설정하여, 배터리(200)의 전압을 0.0V 내지 2.5V 사이의 값에 도달하도록 방전시킬 수 있다. 이는 배터리(200)가 발화나 폭발이 되지 않을 정도에 해당되어, 이후의 단계를 진행할 수 있어야 한다. 실생활에서 배터리(200)가 과방전된 이후에도 배터리(200)에서 누액이나, 폭발, 발화 등이 관찰되지 않아서, 배터리(200)를 지속적으로 계속 사용할 수 있는 경우에 대하여 배터리의 안전성을 확인할 수 있어야 하기 때문이다.
S300 단계는, 배터리 충방전 사이클 테스트부(700)에서 과방전된 배터리(200)에 충전과 방전을 반복하는 충방전 사이클을 100회 이상 수행하여 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하는 충방전 사이클 테스트를 수행하는 단계이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치(10) 및 측정 방법은 실생활에서 배터리를 사용하는 경우 일상적인 사용 환경에서 과방전이 발생한 경우에도 계속 배터리를 사용한 상태의 배터리에 대해 충방전 테스트를 진행하여, 배터리의 안전성을 확인할 수 있다. 따라서, 배터리에서 과방전이 발생한 경우에도 일상에서 계속적으로 사용하는 경우의 환경을 상정하여 배터리의 안전성을 테스트할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치
100 : 챔버
200 : 배터리
300 : 배터리 과방전 테스트부
400 : 온도 측정부
500 : 전압 측정부
600 : 데이터 수집부
700 : 배터리 충방전 사이클 테스트부

Claims (7)

  1. 설정된 온도 하에서 배터리를 테스트할 수 있도록 형성된 챔버;
    설정된 방전 조건으로 상기 배터리를 과방전시키는 배터리 과방전 테스트부;
    설정된 온도를 확인하기 위하여 챔버 내부의 온도를 측정할 수 있는 챔버 내부 온도 측정 센서와 상기 배터리의 온도 변화를 측정하기 위한 배터리 온도 측정 센서를 포함하는 온도 측정부;
    상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부;
    상기 온도 측정부 및 상기 전압 측정부와 연결되어 측정된 값을 수집하고, 표시하는 데이터 수집부; 및
    상기 과방전된 배터리에 충전과 방전을 반복하는 충방전 사이클을 설정된 횟수만큼 수행하여 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하는 테스트를 수행하는 배터리 충방전 사이클 테스트부;를 포함하는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 충방전 사이클 테스트부는
    상기 과방전된 배터리를 충전시키는 충전부, 상기 과방전된 배터리에 전류를 공급하여 방전시키는 방전부 및 충방전 사이클의 설정된 횟수와 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하여 표시하는 표시부를 포함하는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 설정된 온도는 15°C 내지 25°C 범위 내인, 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 설정된 방전 조건은 상기 배터리의 방전율을 0.2C-rate으로 설정하여, 상기 배터리의 전압을 0.0V내지 2.5V 사이의 값에 도달하도록 방전시키는, 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 충방전 사이클의 설정된 횟수는 100회 이상인, 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 장치.
  6. 챔버 내부를 15°C 내지 25°C 범위 내의 온도로 설정하여 내부에 배터리 과방전 테스트부와 배터리 충방전 사이클 테스트부를 설치하는 준비 단계;
    배터리 과방전 테스트부에서 설정된 방전 조건으로 상기 배터리를 과방전시키는 과방전 단계; 및
    배터리 충방전 사이클 테스트부에서 상기 과방전된 배터리에 충전과 방전을 반복하는 충방전 사이클을 100회 이상 수행하여 그에 따른 배터리 용량 측정 결과를 산출하는 충방전 사이클 테스트를 수행하는 단계;를 포함하는 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 설정된 방전 조건은 상기 배터리의 방전율을 0.2C-rate으로 설정하여, 상기 배터리의 전압을 0.0V내지 2.5V 사이의 값에 도달하도록 방전시키는, 배터리 과방전 테스트 후 충방전 사이클 테스트 방법.
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