JP2018523273A - 二次電池の釘貫通試験装置及び方法 - Google Patents

二次電池の釘貫通試験装置及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、二次電池の釘貫通試験装置及びその方法に関する。本発明による釘貫通試験装置は、釘貫通試験の対象になる二次電池を固定するステージ；釘昇降手段を含む釘貫通部；釘貫通試験の実行中に二次電池の短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する電圧測定部；並びに前記電圧測定部と動作可能に結合された制御部を含む。前記制御部は、前記電圧測定部から短絡電圧の入力を周期的に受けて、前記短絡電圧が入力される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路の最外側ノードの間に前記入力された短絡電圧を形成する短絡電流を決定し、前記決定された短絡電流に対する値の経時的変化をディスプレイ部を通じて視覚的に出力する。【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池の釘貫通試験装置及び方法に関し、より詳しくは、二次電池の等価回路を用いて二次電池に釘が貫通したとき、内部に流れる短絡電流の変化様相を容易に予測できる釘貫通試験装置及び方法に関する。
本出願は、２０１５年９月９日出願の韓国特許出願第１０−２０１５−０１２７８３９号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
二次電池は、電気化学的な酸化及び還元反応を通じて電気エネルギーを生成するものであって、幅広い範囲で多様な用途で用いられる。例えば、携帯電話、ラップトップパソコン、デジカメ、ビデオカメラ、タブレットパソコン、電動工具などのように持ち運び可能な装置；電気自転車、電気バイク、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気船、電気飛行機などのような各種電気駆動動力装置；新再生エネルギーを用いて発電した電力や余剰発電電力を貯蔵するときに使用される電力貯蔵装置；サーバーコンピューターと通信用基地局を含む各種情報通信装置に電力を安定的に供給するための無停電電源供給装置などに至るまで、二次電池の使用領域はますます拡がっている。
二次電池は、外装材内に電極組立体を電解質とともに封止し、極性の異なる２個の電極端子を外部に露出させた構造を有する。前記電極組立体は複数の単位セルを含み、単位セルは少なくとも多孔性の分離膜が介在された負極板と正極板を含む。前記負極板及び正極板には活物質がコーティングされ、活物質と電解質との電気化学的反応によって二次電池が充電または放電する。
一方、二次電池は金属材質の尖った物体から大きい衝撃が加えられたとき、該当物体が外装材を貫通し、電極組立体内の異なる極性の電極板まで貫通することがある。この場合、異なる極性の電極板が金属物体によって電気的に連結されて短絡回路が形成され、非常に大きい短絡電流が金属物体とそれによって貫通された電極板との間で数秒以内に流れるようになる。短絡電流が流れれば、電極板から多量の熱が発生し、該熱によって電解質が急激に分解されながら多量のガスが発生する。電解質の分解反応は発熱反応に該当するため、釘が貫通した地点を中心に二次電池の温度が局所的に急上昇し、結局二次電池が発火し燃焼するようになる。
したがって、新たな二次電池が開発されれば、商用化の前に釘貫通試験を通じて二次電池の貫通安全性を検証する。釘貫通試験は、二次電池の温度と電圧を測定可能な試験装置に二次電池をロードした後、予め用意した多様な直径の尖った金属釘で二次電池を貫通して意図的に二次電池の内部に短絡を誘発させ、釘の直径と貫通速度による二次電池の温度や電圧の変化を測定し、二次電池の発火如何を目視で確認する試験である。
しかし、従来の釘貫通試験装置は、二次電池が如何なる貫通条件で発火するかを確認するため、相当数の二次電池を不要に破損しなければならないという問題がある。
また、二次電池の発火メカニズムを正確に究明するためには、釘が貫通した地点で流れる短絡電流の大きさの変化を経時的に測定して、短絡電流のために生じた熱の変化を定量的に計算しなければならない。
また、貫通地点で発生する熱と二次電池の熱伝導特性を考慮して、釘が貫通した地点の温度が発火温度まで急激に上昇可能であるか否かを熱力学的に解釈してみる必要がある。
しかし、短絡電流は釘が貫通した地点を通じて二次電池の内部で非常に短時間のみ局所的に流れるため、直接的な測定が事実上不可能である。
したがって、従来の釘貫通試験装置は、二次電池が金属物体によって貫通されたときの発火メカニズムを正確に究明するには限界があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、二次電池の釘貫通試験において、二次電池の内部に流れる短絡電流の大きさの変化を予測し、釘貫通地点における発熱特性を定量的に解釈できる二次電池の釘貫通試験装置及びその方法を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明による二次電池の釘貫通試験装置は、釘貫通試験の対象になる二次電池を固定するステージ；前記二次電池を貫通する釘及び前記釘を上昇または下降させる釘昇降手段を含む釘貫通部；前記二次電池の電極に結合され、釘貫通試験の実行中に、二次電池の短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する電圧測定部；並びに前記電圧測定部と動作可能に結合された制御部を含み、前記制御部は、前記釘貫通部を制御して前記釘を下降させて二次電池を貫通させ、前記電圧測定部から短絡電圧の入力を周期的に受けて、前記短絡電圧が入力される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記入力された短絡電圧を形成する短絡電流を決定し、前記決定された短絡電流に対する値の経時的な変化様相を視覚的に出力する。
望ましくは、前記等価回路は、複数の回路要素として、直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び二次電池の充電状態に応じて電圧が変化する開放電圧源を含み、前記複数の回路要素は相互直列で連結することができる。
望ましくは、前記制御部は、下記〔数式１〕によって二次電池の短絡電流を決定することができる。
ｉshort＝（Ｖshort−ＶRC−ＶOCV）／Ｒ0 〔数式１〕
（ここで、ｉshortは短絡電流、Ｖshortは前記電圧測定部によって測定された短絡電圧、ＶRCは前記ＲＣ回路によって形成される電圧、ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧、Ｒ0は前記直列抵抗の抵抗値である。）
望ましくは、前記制御部は、下記〔数式１〕のＶRCを下記〔数式２〕によって時間アップデートすることができる。
上記の課題を達成するため、本発明による二次電池の釘貫通試験装置は、釘貫通試験の対象になる二次電池を固定するステージ；前記二次電池を貫通する釘及び前記釘を上昇または下降させる釘昇降手段を含む釘貫通部；前記二次電池の電極に結合され、釘貫通試験の実行中に、二次電池の短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する電圧測定部；並びに前記電圧測定部と動作可能に結合された制御部を含み、前記制御部は、前記釘貫通部を制御して前記釘を下降させて二次電池を貫通させ、前記電圧測定部から短絡電圧の入力を周期的に受けて、前記短絡電圧が入力される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記入力された短絡電圧を形成する短絡電流を決定し、前記決定された短絡電流に対する値の経時的な変化様相を視覚的に出力する。
望ましくは、前記等価回路は、複数の回路要素として、直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び二次電池の充電状態に応じて電圧が変化する開放電圧源を含み、前記複数の回路要素は相互直列で連結することができる。
望ましくは、前記制御部は、下記〔数式１〕によって二次電池の短絡電流を決定することができる。
ｉshort＝（Ｖshort−ＶRC−ＶOCV）／Ｒ0 〔数式１〕
（ここで、ｉshortは短絡電流、Ｖshortは前記電圧測定部によって測定された短絡電圧、ＶRCは前記ＲＣ回路によって形成される電圧、ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧、Ｒ0は前記直列抵抗の抵抗値である。）
望ましくは、前記制御部は、下記〔数式１〕のＶRCを下記〔数式２〕によって時間アップデートすることができる。
ＶRC［ｋ＋１］＝ＶRC［ｋ］ｅ-Δt/R*C＋ （１−ｅ-Δt/R*C）ｉshort［ｋ］
〔数式１〕
（ここで、ｋは時間インデックス、ＶRC［ｋ］は時間アップデート直前のＶRC値、ＶRC［ｋ＋１］は時間アップデートされたＶRC値、ΔｔはＶRCの時間アップデート周期、ＲとＣはそれぞれＲＣ回路に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値とキャパシタンス値、ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流の予測値である。）
望ましくは、前記制御部は、下記〔数式３〕によって二次電池の充電状態であるＳＯＣを時間アップデートすることができる。また、前記制御部は、前記時間アップデートされた充電状態と予め定義された「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて前記時間アップデートされた充電状態に対応する二次電池の開放電圧ＶOCVを決定することができる。
ＳＯＣ［ｋ＋１］＝ＳＯＣ［ｋ］＋１００＊ｉshort［ｋ］△ｔ／Ｑcell
〔数式３〕
（ここで、ｋは時間インデックス、ＳＯＣ［ｋ］は時間アップデート直前の充電状態、ＳＯＣ［ｋ＋１］は時間アップデートされた充電状態、ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流、Δｔは充電状態ＳＯＣの時間アップデート周期、Ｑcellは二次電池の容量である。）
一態様によれば、前記制御部は、下記〔数式４〕を用いて釘が貫通した地点の短絡抵抗であるＲshortを決定でき、前記短絡抵抗の経時的な変化様相を視覚的に出力することができる。
Ｒshort＝Ｖshort／ｉshort 〔数式４〕
（ここで、Ｒshortは釘が貫通した地点の短絡抵抗、Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧、ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。）
他の態様によれば、前記制御部は、下記〔数式５〕を用いて釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であるＱshortを決定し、前記短絡ジュール熱の経時的な変化様相を視覚的に出力することができる。
Ｑshort＝ｉshort＊Ｖshort 〔数式５〕
（ここで、Ｑshortは釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱、Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧、ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。）
さらに他の態様によれば、前記制御部は、下記〔数式６〕を用いて二次電池の貫通地点で二次電池の抵抗特性から発生する抵抗ジュール熱であるＱcellを決定し、前記抵抗ジュール熱の経時的な変化様相を視覚的に出力することができる。
Ｑcell＝ｉshort＊｜Ｖshort−ＶOCV｜ 〔数式６〕
（ここで、Ｑcellは釘が貫通した地点で二次電池の抵抗特性から発生するジュール熱、Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧、ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値、ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧の予測値である。）
望ましくは、本発明による装置は、前記制御部と動作可能に結合されたディスプレイ部をさらに含み、前記制御部は、前記ディスプレイ部を通じて短絡電圧、短絡電流、短絡抵抗、短絡ジュール熱及び抵抗ジュール熱からなる群より選択された少なくとも１つの経時的な変化様相を視覚的に出力することができる。
望ましくは、本発明による装置は、前記制御部と動作可能に結合されたメモリ部をさらに含み、前記制御部は、短絡電圧、短絡電流、短絡抵抗、短絡ジュール熱及び抵抗ジュール熱に対するデータを前記メモリ部に累積して保存することができる。
上記の課題を達成するため、本発明による二次電池の釘貫通試験方法は、二次電池をステージに固定する段階；二次電池を釘で貫通させる段階；二次電池の電極を通じて短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する段階；短絡電圧が測定される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記測定された短絡電圧を形成する短絡電流を決定する段階；及び前記決定された短絡電流に対する経時的な変化様相を視覚的に出力する段階を含むことができる。
選択的に、本発明による方法は、前記短絡電圧の経時的な変化様相を視覚的に出力する段階をさらに含むことができる。
選択的に、本発明による方法は、前記短絡電圧及び前記短絡電流から決定された短絡抵抗の経時的な変化様相を視覚的に出力する段階をさらに含むことができる。
選択的に、本発明による方法は、前記短絡電圧及び前記短絡電流から決定された短絡ジュール熱に対する経時的な変化様相を視覚的に出力する段階をさらに含むことができる。
選択的に、本発明による方法は、前記短絡電圧、前記短絡電流、及び前記短絡電流を積算して得た充電状態から計算された開放電圧を用いて抵抗ジュール熱を計算し、前記抵抗ジュール熱の経時的な変化様相を視覚的に出力する段階をさらに含むことができる。
上記の課題は、本発明による二次電池の釘貫通試験方法をプログラム化して書き込んだコンピューター可読の記録媒体によっても達成することができる。
本発明によれば、二次電池が釘によって貫通されたとき、電池内部で発生する短絡電流の大きさの変化を定量的に究明することができる。また、予測された短絡電流を用いて釘が貫通した地点の短絡抵抗または短絡ジュール熱の変化、若しくは二次電池の抵抗から発生する抵抗ジュール熱の変化も定量的に計算することができる。
したがって、本発明は、二次電池が尖った物体によって貫通されたとき、貫通地点の熱的挙動と熱の発生原因、そして熱量の変化様相を定量的に究明し、さらに二次電池の貫通事故に備えた冷却メカニズムを開発するのに有用に活用することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の一実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例による二次電池の釘貫通試験装置の構成を概略的に示したブロック図である。 釘貫通試験の対象になる二次電池の等価回路を示した回路図である。 本発明の実施例によって、制御部が図２の等価回路を用いて釘が二次電池を貫通した直後に二次電池の内部に流れる短絡電流を決定する過程を示したフロー図である。 本発明の実施例によって、制御部が図２の等価回路を用いて釘が二次電池を貫通した直後に二次電池の内部に流れる短絡電流を決定する過程を示したフロー図である。 本発明の実験例において、釘が二次電池を貫通した後１０秒間測定した短絡電圧（Ｖshort）のプロファイル（実線）、及び等価回路を用いて１０秒間予測した短絡電流（ｉshort）のプロファイル（点線）を示したグラフである。 本発明の実験例において、１０秒間予測した短絡抵抗（Ｒshort）の経時的な変化を示した短絡抵抗プロファイルである。 本発明の実験例において、１０秒間予測した短絡ジュール熱（Ｑshort）の経時的な変化を示した短絡ジュール熱プロファイルである。 本発明の実験例において、１０秒間予測した抵抗ジュール熱（Ｑcell）の経時的な変化を示した抵抗ジュール熱プロファイルである。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図１は、本発明の一実施例による二次電池の釘貫通試験装置１００の構成を概略的に示したブロック図である。
図１を参照すれば、本発明による釘貫通試験装置１００は、釘貫通試験の対象になる二次電池Ｂが載置されるステージ１１０を含む。前記ステージ１１０は、支持フレーム１１１上に設けられ、中央部位に貫通窓１１２を備えることができる。前記貫通窓１１２は、二次電池Ｂを貫通した釘１２１の先端が通過する空間を提供する。前記ステージ１１０は上部に釘貫通試験の対象になる二次電池Ｂを選択的に固定する複数のクランプ手段１１３を含むことができる。
また、本発明による釘貫通試験装置１００は、前記ステージ１１０の上部に先端が尖った釘１２１を二次電池Ｂに貫通させる釘貫通部１２０を含む。
前記釘貫通部１２０は、二次電池Ｂを貫通する釘１２１、及び前記釘１２１を速い速度で下降させて前記ステージ１１０に固定された二次電池Ｂを貫通させ、釘貫通試験の終了後には釘１２１を本来の位置に復帰させる釘昇降手段１２２を含む。
一実施例において、前記釘昇降手段１２２は、釘１２１の上端部が固定される固定フレームブロック１２２１、固定フレームブロック１２２１が取り付けられて摺動する昇降レール１２２２、前記固定フレームブロック１２２１を昇降レール１２２２上で所望の速度で上昇または下降させるリニアモーター１２２３、前記リニアモーター１２２３の回転ＲＰＭと回転方向を制御するモーター制御機１２２４を含む。
一方、本発明は、釘昇降手段１２２の具体的な構成によって限定されないため、前記リニアモーター１２２３はリニアアクチュエーターなどで代替されても良い。
また、本発明による釘貫通試験装置１００は、二次電池Ｂが釘１２１によって貫通された直後に、前記二次電池Ｂの正極Ｐと負極Ｎとの間に印加される端子電圧を周期的に測定し、測定された端子電圧に対応する電圧測定信号を出力する電圧測定部１３０を含む。以下、前記端子電圧は短絡電圧とも称する。前記電圧測定部１３０は電圧計（ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ）であり得るが、本発明が電圧測定を行う装置の種類によって限定されることはない。
また、本発明による釘貫通試験装置１００は、二次電池Ｂが釘１２１によって貫通された後、前記電圧測定部１３０から電圧測定信号の入力を受けて二次電池Ｂの短絡電圧を決定し、二次電池Ｂの等価回路を用いて前記短絡電圧が前記等価回路の最外側ノードの間に形成されると仮定するとき、前記等価回路に流れる短絡電流を計算し、前記短絡電流の経時的な変化を示した短絡電流プロファイルを生成する制御部１４０を含む。
前記制御部１４０は、選択的に、前記決定された端子電圧及び短絡電流から釘１２１が貫通した地点の短絡抵抗を決定し、前記短絡抵抗の経時的な変化を示した短絡抵抗プロファイルを生成することができる。
また、前記制御部１４０は、選択的に、前記決定された端子電圧及び短絡電流から釘貫通地点で発生する局所的な短絡ジュール熱を決定し、前記短絡ジュール熱の経時的な変化を示した短絡ジュール熱プロファイルを生成することができる。
また、前記制御部１４０は、前記決定された短絡電流を積算して二次電池の充電状態を決定した後、予め定義された「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を参照して充電状態に対応する開放電圧を決定し、決定された開放電圧、短絡電圧及び短絡電流から二次電池の抵抗特性から発生する抵抗ジュール熱を決定し、前記抵抗ジュール熱の経時的な変化を示した抵抗ジュール熱プロファイルを生成することができる。
前記制御部１４０は、後述する多様な制御ロジッグを実行するために当業界に周知されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、他のチップセット、論理回路、レジスタ、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含み得る。
また、前記制御ロジッグがソフトウェアとして具現されるとき、前記制御部１４０はプログラムモジュールとして具現され得る。このとき、前記プログラムモジュールは記録媒体に記録され、プロセッサによって実行され得る。前記記録媒体はプロセッサの内部または外部にあり得、周知された多様なデータ送受信手段でプロセッサと連結され得る。
また、本発明による釘貫通試験装置１００は、前記制御部１４０の制御ロジッグを含む釘貫通試験プログラムを保存し、前記制御ロジッグの実行過程で生成されるデータが保存されるメモリ部１５０を含む。
前記制御部１４０は、周期的に二次電池の短絡電圧が測定される度に、前記電圧測定部１３０から短絡電圧に対応する電圧信号の入力を受けた後、短絡電圧を決定し、そこから計算される短絡電流とともにメモリ部１５０に保存でき、前記メモリ部１５０に保存された複数の短絡電圧データと複数の短絡電流データを読み出して短絡電圧プロファイルと短絡電流プロファイルを生成することができる。
また、前記制御部１４０は、前記端子電圧及び短絡電流が周期的に決定される度に、オームの法則に従って短絡抵抗を決定してメモリ部１５０に保存でき、前記メモリ部１５０に保存された複数の短絡抵抗データを読み出して短絡抵抗プロファイルを生成することができる。
また、前記制御部１４０は、前記端子電圧及び短絡電流が周期的に決定される度に、熱量計算式を用いて釘貫通地点で発生する局所的な短絡ジュール熱を決定してメモリ部１５０に保存でき、前記メモリ部１５０に保存された複数の短絡ジュール熱データを読み出して短絡ジュール熱プロファイルを生成することができる。
また、前記制御部１４０は、前記短絡電流が決定される度に、前記短絡電流を積算して二次電池Ｂの充電状態を決定し、「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を参照して決定された充電状態に対応する二次電池の開放電圧を決定して、決定された開放電圧、短絡電圧及び短絡電流から二次電池の抵抗特性から発生する抵抗ジュール熱を決定してメモリ部１５０に保存し、前記メモリ部１５０に保存された複数の抵抗ジュール熱データを読み出して抵抗ジュール熱プロファイルを生成することができる。
前記メモリ部１５０は半導体メモリ素子であって、前記制御部１４０によって実行されるプログラムコードをローディングし、前記制御部１４０が各種制御ロジッグを実行する間に生成されるデータを記録、消去または更新することができる。前記プログラムコードは、前記制御部１４０によってアクセス可能な別途の電磁気的または光学的記録媒体に収録されていても良い。
前記メモリ部１５０は、当業界に周知された半導体メモリ素子であれば、その種類に特に制限がない。一例として、前記メモリ部１５０は、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスタなどであり得る。前記メモリ部１５０は、制御部１４０と物理的に分離されていても良く、前記制御部１４０と一体に統合されていても良い。
また、本発明による釘貫通試験装置１００は、ディスプレイ部１６０をさらに含むことができる。前記ディスプレイ部１６０は、液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）または有機発光ダイオードディスプレイ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）であり得る。しかし、本発明が必ずしもこれらに限定されることはない。したがって、当業界で情報を視覚的に表示できると知られたディスプレイ装置であれば、前記ディスプレイ部１６０の範疇に含まれ得る。
前記制御部１４０は、オペレータの要請に応じて前記メモリ部１５０に保存されたデータを用いて短絡電圧プロファイル、短絡電流プロファイル、短絡抵抗プロファイル、短絡ジュール熱プロファイル及び抵抗ジュール熱プロファイルから選択された少なくとも１つを生成し、前記ディスプレイ部１６０を通じて視覚的に表示することができる。
図示していないが、本発明による釘貫通試験装置１００は、オペレータが釘貫通試験に必要な多様な制御命令を入力できる入力装置をさらに含むことができる。前記入力装置は、制御部１４０と動作可能に結合され得る。前記入力装置はキーボードとマウスを含み得るが、本発明はこれらに限定されない。
また、前記釘貫通試験装置１００は、オペレータが多様な制御命令を入力できるようにソフトウェアで具現されたユーザインターフェースを提供することができる。
オペレータはユーザインターフェース上で釘貫通試験の条件を設定し、制御部１４０によって計算されたデータの経時的変化についての視覚的出力を要請して、ディスプレイ部１６０を通じて該当データの経時的変化を確認することができる。
釘貫通試験の条件は、釘の昇降速度、短絡電流の予測に用いられる回路モデルを構成する回路素子の電気的パラメータ、例えば抵抗値、キャパシタンス値など、及び充電状態−開放電圧ルックアップテーブルを含む。
図２は、釘貫通試験の対象になる二次電池Ｂの等価回路２００を示した回路図である。
図２を参照すれば、本発明の実施例による等価回路２００は、二次電池Ｂの自体抵抗をモデリングする直列抵抗（Ｒ０）２１０、二次電池Ｂを通じて電流が流れるとき、電極の分極特性をモデリングする少なくとも１つのＲＣ回路２２０ａ、２２０ｂ、二次電池Ｂの充電状態（ＳＯＣ）に応じて固有に決定される二次電池Ｂの開放電圧をモデリングする開放電圧源２３０を含む。
望ましくは、前記等価回路２００は、二次電池Ｂの正極と負極に対する分極特性を独立的にモデリングするため、２つのＲＣ回路を含むことができる。勿論、ＲＣ回路の数は１つに減らしても良く、３つ以上に増やしても良い。
以下では、説明の便宜上、左側のＲＣ回路は正極の分極特性をモデリングするための回路であって第１のＲＣ回路２２０ａと称し、右側のＲＣ回路は負極の分極特性をモデリングするための回路であって第２のＲＣ回路２２０ｂと称することにする。
前記等価回路２００を構成する回路成分の抵抗値またはキャパシタンス値などは二次電池Ｂの種類によって変わり、実験を通じて適切にチューニングすることができる。また、開放電圧源２３０によって形成される電圧は、放電実験を通じて定義される「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて決定することができる。ここで、前記放電実験は、二次電池Ｂを満充電した後、定電流で放電しながら充電状態毎に開放電圧を測定する実験である。また、前記「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」は充電状態毎に対応する開放電圧をマッピングするか、又は、逆に開放電圧毎に充電状態をマッピングできるテーブル形態のデータ構造を有する。
本発明は、二次電池Ｂが釘によって貫通されたとき、前記等価回路２００を通じても二次電池Ｂの内部に流れる短絡電流（ｉshort）が同様に流れると仮定する。また、短絡電流（ｉshort）が流れる間、二次電池Ｂの正極と負極との間で測定される短絡電圧（Ｖshort）が前記等価回路２００の最外側ノードの間にも同様に印加されると仮定する。
このような仮定によれば、短絡電圧（Ｖshort）は、下記〔数式１〕のように、直列抵抗２１０に形成される電圧ＶR0、第１のＲＣ回路２２０ａに形成される電圧ＶRC1、第２のＲＣ回路２２０ｂに形成される電圧ＶRC2及び開放電圧源２３０に形成される電圧ＶOCVの和によって計算することができる。
Ｖshort＝ＶR0＋ＶRC1＋ＶRC2＋ＶOCV 〔数式１〕
上記〔数式１〕でＶR0はｉshort＊Ｒ0であるため、上記〔数式１〕をｉshortに対して整理すれば、下記〔数式２〕が得られる。
ｉshort ＝ （Ｖshort − ＶRC1− ＶRC2−ＶOCV）／Ｒ0 〔数式２〕
上記〔数式２〕において、Ｖshortは二次電池Ｂの正極と負極との間で周期的に測定される電圧値を割り当てて測定アップデートすることができる。
〔数式２〕において、ＶRC1及びＶRC2は離散時間モデル（Ｔｉｍｅ−Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｍｏｄｅｌ）を適用して下記〔数式３〕によって時間アップデートすることができる。
ＶRC1［ｋ＋１］＝ＶRC1［ｋ］ｅ-Δt/R1*C1＋Ｒ1（１−ｅ-Δt/R1*C1）ｉshort［ｋ］
ＶRC2［ｋ＋１］＝ＶRC2［ｋ］ｅ-Δt/R2*C2＋Ｒ2（１−ｅ-Δt/R2*C2）ｉshort［ｋ］
〔数式３〕
〔数式３〕において、Δｔは時間アップデート周期であり、ｋとｋ＋１は時間インデックスである。ＶRC1［ｋ］及びＶRC2［ｋ］は時間アップデートされる直前の電圧値であり、ＶRC1［ｋ＋１］及びＶRC2［ｋ＋１］は時間アップデートされた後の電圧値である。Ｒ１とＣ１は第１のＲＣ回路２２０ａに含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値とキャパシタンス値であって、実験を通じて適切な値にチューニングすることができる。同様に、Ｒ２とＣ２は第２のＲＣ回路２２０ｂに含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値とキャパシタンス値であって、実験を通じて適切な値にチューニングすることができる。ｉshort［ｋ］は時間アップデートされる直前に予測された短絡電流値である。
釘が二次電池Ｂを貫通した直後は短絡電流が無視できるほど小さいため、ＶRC1［１］、ＶRC2［１］、ｉshort［１］を０に初期化することができる。
〔数式２〕において、ＶOCVは、下記〔数式４〕を用いて等価回路２００を通じて流れる短絡電流を積算することで二次電池Ｂの充電状態を時間アップデートし、「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を参照して充電状態に対応する開放電圧をルックアップする方式で決定することができる。
ＳＯＣ［ｋ＋１］＝ＳＯＣ［ｋ］＋１００＊ｉshort［ｋ］△ｔ／Ｑcell
〔数式４〕
〔数式４〕において、Δｔは充電状態の時間アップデート周期であり、Ｑcellは二次電池Ｂの容量である。釘が二次電池Ｂを貫通した直後は短絡電流が無視できるほど小さい。したがって、初期条件に該当するＳＯＣ［１］には、釘が二次電池Ｂを貫通する前に測定した二次電池Ｂの開放電圧を用いて「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」から得た充電状態を初期値として割り当てる。そして、ＳＯＣ［２］からは〔数式２〕で得た短絡電流を〔数式４〕に代入して充電状態を時間アップデートして決定する。
以下、二次電池Ｂが釘によって貫通されたとき、制御部１４０が上記〔数式〕を用いて周期的に等価回路２００に流れる短絡電流を決定する過程をより具体的に説明する。
図３及び図４は、本発明の実施例によって制御部１４０が図２の等価回路２００を用いて、釘が二次電池Ｂを貫通した直後に二次電池Ｂの内部に流れる短絡電流を決定する過程を示したフロー図である。
図示されたように、まず釘貫通試験が始まれば、前記制御部１４０は電圧測定部１３０を用いてステージ１１０の上部に固定された二次電池Ｂの開放電圧を測定し、測定された開放電圧をメモリ部１５０に保存する（Ｓ１００）。その後、前記制御部１４０は測定された開放電圧をＶOCVの初期値として割り当てる（Ｓ１１５）。
次いで、前記制御部１４０は、時間インデックスｋを１に初期化し（Ｓ１１０）、等価回路２００の第１のＲＣ回路２２０ａに形成される電圧ＶRC1、第２のＲＣ回路２２０ｂに形成される電圧ＶRC2及び等価回路２００に流れる短絡電流（ｉshort）の初期値として０を割り当て、段階Ｓ１００で測定した二次電池Ｂの開放電圧と「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて二次電池Ｂの充電状態であるＳＯＣを初期化する（Ｓ１２０）。
次いで、前記制御部１４０は、オペレータが設定した釘貫通速度に従って釘貫通部１２０を制御し、ステージ１１０上に固定された二次電池Ｂに向かって釘を下降させて二次電池Ｂを貫通させる（Ｓ１３０）。
次いで、前記制御部１４０は、貫通時点を基準に予め設定された時間Δｔが経過したか否かを判断する（Ｓ１４０）。ここで、Δｔは実質的に短絡電流の計算周期に該当し、例えば１００ｍｓ以下の時間値を有し得る。
もし、段階Ｓ１４０でΔｔが経過していないと判断されれば、前記制御部１４０はプロセスの進行を待機する。一方、段階Ｓ１４０でΔｔが経過したと判断されれば、前記制御部１４０は段階Ｓ１５０に進む。
段階Ｓ１５０において、前記制御部１４０は、電圧測定部１３０を用いて二次電池Ｂの短絡電圧を測定してメモリ部１５０に保存し、測定された短絡電圧をＶshort値に割り当てる。
次いで、前記制御部１４０は、段階Ｓ１５０で決定されたＶshort値、段階Ｓ１１５で決定されたＶOCV値、段階Ｓ１２０で初期化されたＶRC1及びＶRC2値を〔数式２〕に代入して短絡電流（ｉshort）を決定する（Ｓ１６０）。
次いで、前記制御部１４０は、予め設定された釘貫通試験時間が経過したか否かを判断する（Ｓ１７０）。一例として、前記釘貫通試験時間は数十秒以内に設定できる。
もし、段階Ｓ１７０で釘貫通試験時間が経過したと判断されれば、前記制御部１４０は本発明によるプロセスを終了する。一方、段階Ｓ１７０で釘貫通試験時間が経過していない場合は、前記制御部１４０は段階Ｓ１８０（図４を参照）に進む。
段階Ｓ１８０において、前記制御部１４０は、段階Ｓ１２０で決定されたＶRC1及びＶRC2の初期値、段階Ｓ１６０で決定されたｉshort値を〔数式３〕に代入して、第１のＲＣ回路２２０ａに形成される電圧ＶRC1及び第２のＲＣ回路２２０ｂに形成される電圧ＶRC2をそれぞれ時間アップデートする。
ＶRC1［２］＝ＶRC1［１］ｅ-Δt/R1*C1＋Ｒ1（１−ｅ-Δt/R1*C1）ｉshort［１］
ＶRC2［２］＝ＶRC2［１］ｅ-Δt/R2*C2＋Ｒ2（１−ｅ-Δt/R2*C2）ｉshort［１］
〔数式３〕
次いで、前記制御部１４０は、段階Ｓ１６０で決定されたｉshort値及びＳ１２０段階で決定された二次電池Ｂの充電状態ＳＯＣの初期値を〔数式４〕に代入して二次電池Ｂの充電状態ＳＯＣを時間アップデートする（Ｓ１９０）。
ＳＯＣ［２］＝ＳＯＣ［１］＋１００＊ｉshort［１］△ｔ／Ｑcell
〔数式４〕
次いで、前記制御部１４０は、段階Ｓ１９０で決定されたＳＯＣの時間アップデート値及び「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて時間アップデートされたＳＯＣに対応する開放電圧を決定し、決定された開放電圧を用いてＶOCV値を時間アップデートする（Ｓ２００）。
次いで、前記制御部１４０は時間インデックスｋを１ほど増加させ（Ｓ２１０）、プロセスを段階Ｓ１４０に戻す。その後、前記制御部１４０は時間Δｔの経過条件が再び満たされれば、電圧測定部１３０を用いて二次電池Ｂの短絡電圧を再び測定してメモリ部１５０に保存し、Ｖshort値を新たに測定された短絡電圧値をもって測定アップデートする。
次いで、前記制御部１４０は、段階Ｓ１８０及び段階Ｓ２００で時間アップデートされたＶRC1、ＶRC2及びＶOCV、段階Ｓ１５０で測定アップデートされたＶshortを〔数式２〕に再び代入して、現在の時間インデックスを基準にした二次電池Ｂの短絡電流（ｉshort）を決定する（Ｓ１６０）。
このようにして決定された短絡電流（ｉshort）は、段階Ｓ１７０で釘貫通試験時間の経過条件が成立しない以上、段階Ｓ１８０、Ｓ１９０及びＳ２００でＶRC1、ＶRC2、ＳＯＣ及びＶOCVを時間アップデートするのに用いられる。
上述した〔数式３〕及び〔数式４〕を活用したＶRC1、ＶRC2、ＳＯＣ及びＶOCVの時間アップデート、そして二次電池Ｂの短絡電圧測定を通じたＶshort値の測定アップデートは、釘貫通試験時間が経過するまで時間インデックスｋが増加しながら周期的に繰り返され、アップデートされた電圧値、すなわちＶRC1、ＶRC2及びＶshortが〔数式２〕に代入される度に二次電池Ｂの短絡電流（ｉshort）値が時間アップデートされる。
望ましくは、前記制御部１４０は、段階Ｓ１５０で周期的に測定アップデートされるＶshort値をメモリ部１５０に累積して保存することができる。また、前記制御部１４０は、オペレータの要請がある場合、前記メモリ部１５０に保存された複数の短絡電圧（Ｖshort）データを用いて短絡電圧プロファイルを生成し、生成された短絡電圧プロファイルをディスプレイ部１６０を通じて視覚的に表示することができる。
また、前記制御部１４０は、段階Ｓ１６０で〔数式２〕を用いて周期的に時間アップデートされる短絡電流（ｉshort）値をメモリ部１５０に累積して保存することができる。また、前記制御部１４０は、オペレータの要請がある場合、前記メモリ部１５０に保存された複数の短絡電流（ｉshort）データを用いて短絡電流プロファイルを生成し、生成された短絡電流プロファイルをディスプレイ部１６０を通じて視覚的に表示することができる。
一方、前記制御部１４０は、選択的に、二次電池Ｂの貫通地点を基準で短絡抵抗を予測し、その変化をプロファイルとして生成することができる。
すなわち、前記制御部１４０は、段階Ｓ１５０で測定アップデートされた短絡電圧（Ｖshort）値と段階Ｓ１６０で時間アップデートされた短絡電流（ｉshort）値を用いて、時間インデックスが増加する度に下記〔数式５〕によって貫通地点の短絡抵抗を決定し、決定された短絡抵抗値をメモリ部１５０に累積して保存することができる。
Ｒshort＝Ｖshort／ｉshort 〔数式５〕
また、前記制御部１４０は、オペレータの要請がある場合、前記メモリ部１５０に保存された複数の短絡抵抗（Ｒshort）データを用いて短絡抵抗プロファイルを生成し、生成された短絡抵抗プロファイルをディスプレイ部１６０を通じて視覚的に表示することができる。
また、前記制御部１４０は、選択的に、二次電池Ｂの貫通地点で発生する短絡ジュール熱を予測して、その変化をプロファイルとして生成することができる。
すなわち、前記制御部１４０は、段階Ｓ１５０で測定アップデートされた短絡電圧（Ｖshort）値と段階Ｓ１６０で時間アップデートされた短絡電流（ｉshort）値を用いて、時間インデックスが増加する度に下記〔数式６〕によって短絡ジュール熱を決定し、決定された短絡ジュール熱値をメモリ部１５０に累積して保存することができる。
Ｑshort＝ｉshort＊Ｖshort 〔数式６〕
また、前記制御部１４０は、オペレータの要請がある場合、前記メモリ部１５０に保存された複数の短絡ジュール熱（Ｑshort）データを用いて短絡ジュール熱プロファイルを生成し、生成された短絡ジュール熱プロファイルをディスプレイ部１６０を通じて視覚的に表示することができる。
また、前記制御部１４０は、選択的に、二次電池Ｂの釘貫通試験時の二次電池の抵抗、すなわち直列抵抗２１０、第１及び第２のＲＣ回路２２０ａ、２２０ｂに含まれた抵抗によって発生する抵抗ジュール熱を予測して、その変化をプロファイルとして生成することができる。
すなわち、前記制御部１４０は、段階Ｓ１５０で測定アップデートされた短絡電圧（Ｖshort）値、段階Ｓ１６０で時間アップデートされた短絡電流（ｉshort）値、そして段階Ｓ２００で時間アップデートされたＶOCV値を用いて、時間インデックスが増加する度に下記〔数式７〕によって抵抗ジュール熱を決定し、決定された抵抗ジュール熱値をメモリ部１５０に累積して保存することができる。
Ｑcell＝ｉshort＊｜Ｖshort−ＶOCV｜ 〔数式７〕
一方、前記制御部１４０によって行われる上述した制御ロジッグは少なくとも１つが組み合わせられ、組み合わせられた制御ロジッグはコンピューター可読のコード体系に作成されてコンピューター可読の記録媒体に書き込まれ得る。前記記録媒体はコンピューターに含まれたプロセッサによってアクセス可能なものであれば、その種類に特に制限がない。一例として、前記記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスタ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピーディスク及び光データ記録装置を含む群から選択された少なくとも１つを含む。また、前記コード体系はキャリア信号で変調されて特定時点に通信キャリアに含まれ得、ネットワークで連結されたコンピューターに分散して保存されて実行され得る。また、前記組み合わせられた制御ロジッグを具現するための機能的なプログラム、コード及びコードセグメントは本発明が属する技術分野のプログラマーによって容易に推論できる。
＜実験例＞
以下、実験例を挙げて本発明の効果を説明する。本明細書で説明する実験例は本発明の理解を助けるためのものであって、本発明の範囲が実験例によって限定されないことは自明である。
まず、容量が３７Ａｈ、充電状態が８０％であるパウチ型リチウムポリマー二次電池を用意した。その後、用意した二次電池を本発明による釘貫通試験装置のステージにロードしてクランプ手段で固定した。そして、二次電池の正極と負極を電圧測定部（電圧計）に連結した。その後、断面が円形であって、直径が６ｍｍである鋼鉄材質の釘を釘貫通部に装着し、２０ｍｍ／ｓの速度で下降させて二次電池を貫通させてその状態を２０秒間維持した。
釘貫通試験が行われる間、前記電圧計を用いて１００ｍｓ周期で二次電池の短絡電圧（Ｖshort）を繰り返して測定してメモリ部１５０に累積保存し、短絡電圧が測定される度に図３及び図４に示されたアルゴリズムを実行して、時間インデックスが増加する度に二次電池の短絡電流（ｉshort）、短絡抵抗（Ｒshort）、短絡ジュール熱（Ｑshort）及び抵抗ジュール熱（Ｑcell）を決定してそれぞれのデータをメモリ部に累積保存した。本実験例において、各パラメータの計算周期は短絡電圧の測定周期と実質的に同様に設定した。
本実験例で使用された等価回路において、直列抵抗値は０．００１０２Ωにチューニングした。また、第１のＲＣ回路に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値とキャパシタンス値は、それぞれ０．０００３Ωと６６７Ｆにそれぞれチューニングした。また、第２のＲＣ回路に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値とキャパシタンス値は、それぞれ０．００１０Ωと２０００Ｆにそれぞれチューニングした。
＜実験結果＞
図５は、釘が二次電池を貫通した後、１０秒間測定した短絡電圧（Ｖshort）の経時的な変化を示したプロファイル（実線）と、等価回路を用いて１０秒間予測した短絡電流（ｉshort）の経時的な変化を示したプロファイル（点線）を示したグラフである。
図５を参照すれば、釘が二次電池を貫通した１秒後に短絡電流（ｉshort）が急激に増加してから、２秒後に安定化することが確認できる。このような短絡電流（ｉshort）の変化様相は短絡電圧（Ｖshort）の変化様相と逆である。すなわち、短絡電圧（Ｖshort）は１秒後に急激に減少してから２秒後に安定化するが、短絡電圧（Ｖshort）が急激に減少する区間は短絡電流（ｉshort）が急激に増加する区間と一致する。このような実験結果は、等価回路を用いて予測した短絡電流（ｉshort）が実際釘が貫通した部位で流れる短絡電流をよく模写できることを示している。
図６は１０秒間予測した短絡抵抗（Ｒshort）の経時的な変化を示した短絡抵抗プロファイルであり、図７は１０秒間予測した短絡ジュール熱（Ｑshort）の経時的な変化を示した短絡ジュール熱プロファイルであり、図８は１０秒間予測した抵抗ジュール熱（Ｑcell）の経時的な変化を示した抵抗ジュール熱プロファイルである。
図６〜図８を参照すれば、短絡抵抗（Ｒshort）は短絡電流（ｉshort）が急激に増加する時間区間で急激に減少するパターンを見せる。また、短絡ジュール熱（Ｑshort）と抵抗ジュール熱（Ｑcell）も短絡電流（ｉshort）が急激に増加する時間区間で急激に増加することが確認できる。さらに、抵抗ジュール熱（Ｑcell）は短絡ジュール熱（Ｑshort）と比べて１／１００水準に小さいことが確認できる。
このような実験結果は、二次電池が尖った物体によって貫通されたとき、貫通地点の熱的挙動と熱の発生原因、そして熱量の変化様相を定量的に究明し、さらには二次電池の貫通事故に備えた冷却メカニズムを開発するのに本発明による釘貫通試験装置が有用に活用できることを示唆している。
本出願の多様な実施様態の説明において、「〜部」と称した構成要素は物理的に区分される要素ではなく、機能的に区分される要素であると理解せねばならない。したがって、それぞれの構成要素は他の構成要素と選択的に統合されるか、又は、それぞれの構成要素が制御ロジッグの効率的な実行のためにサブ構成要素に分割され得る。しかし、構成要素が統合または分割されても機能の同一性が認められれば、統合または分割された構成要素も本発明の範囲内に属すると解釈されねばならないことは当業者にとって自明である。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
本発明によれば、二次電池が釘によって貫通されたとき、電池内部で発生する短絡電流の大きさの変化を定量的に究明することができる。また、予測された短絡電流を用いて釘が貫通した地点の短絡抵抗または短絡ジュール熱の変化、若しくは二次電池の抵抗から発生する抵抗ジュール熱の変化も定量的に計算することができる。
したがって、本発明は、二次電池が尖った物体によって貫通されたとき、貫通地点の熱的挙動と熱の発生原因、そして熱量の変化様相を定量的に究明し、さらに二次電池の貫通事故に備えた冷却メカニズムを開発するのに有用に活用することができる。
上記の課題を達成するため、本発明による二次電池の釘貫通試験装置は、釘貫通試験の対象になる二次電池を固定するステージ；前記二次電池を貫通する釘及び前記釘を上昇または下降させる釘昇降手段を含む釘貫通部；前記二次電池の電極に結合され、釘貫通試験の実行中に、二次電池の短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する電圧測定部；並びに前記電圧測定部と動作可能に結合された制御部を含み、前記制御部は、前記釘貫通部を制御して前記釘を下降させて二次電池を貫通させ、前記電圧測定部から短絡電圧の入力を周期的に受けて、前記短絡電圧が入力される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記入力された短絡電圧を形成する短絡電流を決定し、前記決定された短絡電流に対する値の経時的な変化様相を視覚的に出力する。
＜本発明の一の態様＞
〔１〕 二次電池の釘貫通試験装置であって、
釘貫通試験の対象になる二次電池を固定するステージと、
前記二次電池を貫通する釘及び前記釘を上昇または下降させる釘昇降手段を含む釘貫通部と、
前記二次電池の電極に結合され、釘貫通試験の実行中に、二次電池の短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する電圧測定部と、
視覚的に情報を表示するディスプレイ部と、
前記電圧測定部と動作可能に結合された制御部とを備えてなり、
前記制御部は、
前記釘貫通部を制御して前記釘を下降させて二次電池を貫通させ、
前記電圧測定部から短絡電圧の入力を周期的に受けて、前記短絡電圧が入力される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記入力された短絡電圧を形成する短絡電流を決定し、
前記決定された短絡電流に対する値の経時的な変化様相を、前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されてなることを特徴とする、二次電池の釘貫通試験装置。
〔２〕 前記等価回路は、複数の回路要素として、直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び二次電池の充電状態に応じて電圧が変化する開放電圧源を備えてなり、
前記複数の回路要素は相互直列で連結されていることを特徴とする、〔１〕に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
〔３〕 前記制御部は、下記〔数式８〕により、二次電池の短絡電流を決定するように構成されてなることを特徴とする、〔２〕に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
ｉshort＝（Ｖshort−ＶRC−ＶOCV）／Ｒ0 〔数式８〕
〔上記数式８において、
ｉshortは短絡電流であり、
Ｖshortは前記電圧測定部によって測定された短絡電圧であり、
ＶRCは前記ＲＣ回路によって形成される電圧であり、
ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧であり、
Ｒ0は前記直列抵抗の抵抗値である。〕
〔４〕 前記制御部は、前記ＶRCを下記〔数式９〕により、時間アップデートするように構成されてなり、
前記制御部は、下記〔数式１０〕により、二次電池の充電状態であるＳＯＣを時間アップデートするように構成されてなり、
前記制御部は、前記時間アップデートされた充電状態と予め定義された「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて前記時間アップデートされた充電状態に対応する二次電池の開放電圧ＶOCVを決定するように構成されたてなることを特徴とする、〔３〕に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
ＶRC［ｋ＋１］＝ＶRC［ｋ］ｅ-Δt/R*C＋Ｒ（１−ｅ-Δt/R*C）ｉshort［ｋ］
〔数式９〕
〔上記数式９において、
ｋは時間インデックスであり、
ＶRC［ｋ］は時間アップデート直前のＶRC値であり、
ＶRC［ｋ＋１］は時間アップデートされたＶRC値であり、
ΔｔはＶRCの時間アップデート周期であり、
ＲとＣはそれぞれＲＣ回路に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値及びキャパシタンス値であり、
ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流の予測値である。〕
ＳＯＣ［ｋ＋１］＝ＳＯＣ［ｋ］＋１００＊ｉshort［ｋ］△ｔ／Ｑcell
〔数式１０〕
〔上記数式１０において、
ｋは時間インデックスであり、
ＳＯＣ［ｋ］は時間アップデート直前の充電状態であり、
ＳＯＣ［ｋ＋１］は時間アップデートされた充電状態であり、
ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流であり、
Δｔは充電状態ＳＯＣの時間アップデート周期であり、
Ｑcellは二次電池の容量である。〕
〔５〕 前記制御部は、下記〔数式１１〕を用いて、釘が貫通した地点の短絡抵抗であるＲshortを決定し、
前記短絡抵抗の経時的な変化様相を前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されたことを特徴とする、〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
Ｒshort＝Ｖshort／ｉshort 〔数式１１〕
〔上記数式１１において、
Ｒshortは釘が貫通した地点の短絡抵抗であり、
Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
〔６〕 前記制御部は、下記〔数式１２〕を用いて、釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であるＱshortを決定し、
前記短絡ジュール熱の経時的な変化様相を前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されたことを特徴とする〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
Ｑshort＝ｉshort＊Ｖshort 〔数式１２〕
〔上記数式１２において、
Ｑshortは釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であり、
Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
〔７〕 前記制御部は、下記〔数式１３〕を用いて、二次電池の貫通地点で二次電池の抵抗特性から発生する抵抗ジュール熱であるＱcellを決定し、
前記抵抗ジュール熱の経時的な変化様相を前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されたことを特徴とする、〔１〕〜〔６〕の何れか一項に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
Ｑcell＝ｉshort＊｜Ｖshort−ＶOCV｜ 〔数式１３〕
〔上記数式１３において、
Ｑcellは釘が貫通した地点で二次電池の抵抗特性から発生するジュール熱であり、
Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値であり、
ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧の予測値である。〕
〔８〕 二次電池の釘貫通試験方法であって、
（ａ）二次電池をステージに固定する段階と、
（ｂ）二次電池を釘で貫通させる段階と、
（ｃ）二次電池の電極を通じて短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する段階と、
（ｄ）短絡電圧が測定される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記測定された短絡電圧を形成する短絡電流を決定する段階と、
（ｅ）前記決定された短絡電流に対する変化様相を視覚的に出力する段階とを含んでなることを特徴とする、二次電池の釘貫通試験方法。
〔９〕 前記等価回路は、複数の回路要素として、直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び二次電池の充電状態に応じて電圧が変化する開放電圧源を備えてなり、
前記複数の回路要素は相互直列で連結されていることを特徴とする、〔８〕に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
〔１０〕 前記（ｄ）段階は、二次電池の短絡電流を、下記〔数式８〕を用いて決定する段階であることを特徴とする、〔８〕又は〔９〕に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
ｉshort＝（Ｖshort−ＶRC−ＶOCV）／Ｒ0 〔数式８〕
〔上記数式８において、
ｉshortは短絡電流であり、
Ｖshortは前記電圧測定部によって測定された短絡電圧であり、
ＶRCは前記ＲＣ回路によって形成される電圧であり、
ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧であり、
Ｒ0は前記直列抵抗の抵抗値である。〕
〔１１〕 前記（ｄ）段階は、
（ｄ１）前記ＶRCを下記〔数式９〕によって時間アップデートする段階と、
（ｄ２）二次電池の充電状態であるＳＯＣを下記〔数式１０〕によって時間アップデートする段階と、
（ｄ３）前記時間アップデートされた充電状態と予め定義された「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて前記時間アップデートされた充電状態に対応する二次電池の開放電圧であるＶOCVを決定する段階とを含んでなることを特徴とする、〔１０〕に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
ＶRC［ｋ＋１］＝ＶRC［ｋ］ｅ-Δt/R*C＋Ｒ（１−ｅ-Δt/R*C）ｉshort［ｋ］
〔数式９〕
〔上記数式９において、
ｋは時間インデックスであり、
ＶRC［ｋ］は時間アップデート直前のＶRC値であり、
ＶRC［ｋ＋１］は時間アップデートされたＶRC値であり、
ΔｔはＶRCの時間アップデート周期であり、
ＲとＣはそれぞれＲＣ回路に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値及びキャパシタンス値であり、
ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流の予測値である。〕
ＳＯＣ［ｋ＋１］＝ＳＯＣ［ｋ］＋１００＊ｉshort［ｋ］△ｔ／Ｑcell
〔数式１０〕
〔上記数式１０において、
ｋは時間インデックスであり、
ＳＯＣ［ｋ］は時間アップデート直前の充電状態であり、
ＳＯＣ［ｋ＋１］は時間アップデートされた充電状態であり、
ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流であり、
Δｔは充電状態ＳＯＣの時間アップデート周期であり、
Ｑcellは二次電池の容量である。〕
〔１２〕 釘が貫通した地点の短絡抵抗であるＲshortを下記〔数式１１〕によって決定する段階と、
前記短絡抵抗の変化様相を視覚的に出力する段階とをさらに含んでなることを特徴とする、〔８〕〜〔１１〕の何れか一項に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
Ｒshort＝Ｖshort／ｉshort 〔数式１１〕
〔上記数式１１において、
Ｒshortは釘が貫通した地点の短絡抵抗であり、
Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
〔１３〕 釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であるＱshortを、下記〔数式１２〕を用いて決定する段階と、
前記短絡ジュール熱の変化様相を視覚的に出力する段階とをさらに含んでなることを特徴とする、〔８〕〜〔１２〕の何れか一項に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
Ｑshort＝ｉshort＊Ｖshort 〔数式１２〕
〔上記数式１２において、
Ｑshortは釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であり、
Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
〔１４〕 二次電池の貫通地点で二次電池の抵抗特性から発生する抵抗ジュール熱であるＱcellを、下記〔数式１３〕を用いて決定する段階と、
前記抵抗ジュール熱の変化様相を視覚的に出力する段階と、をさらに含むことを特徴とする、〔８〕〜〔１３〕の何れか一項に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
Ｑcell＝ｉshort＊｜Ｖshort−ＶOCV｜ 〔数式１３〕
〔上記数式１３において、
Ｑcellは釘が貫通した地点で二次電池の抵抗特性から発生するジュール熱であり、
Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値であり、
ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧の予測値である。〕

Claims (14)

  1. 二次電池の釘貫通試験装置であって、
    釘貫通試験の対象になる二次電池を固定するステージと、
    前記二次電池を貫通する釘及び前記釘を上昇または下降させる釘昇降手段を含む釘貫通部と、
    前記二次電池の電極に結合され、釘貫通試験の実行中に、二次電池の短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する電圧測定部と、
    視覚的に情報を表示するディスプレイ部と、
    前記電圧測定部と動作可能に結合された制御部とを備えてなり、
    前記制御部は、
    前記釘貫通部を制御して前記釘を下降させて二次電池を貫通させ、
    前記電圧測定部から短絡電圧の入力を周期的に受けて、前記短絡電圧が入力される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記入力された短絡電圧を形成する短絡電流を決定し、
    前記決定された短絡電流に対する値の経時的な変化様相を、前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されてなることを特徴とする、二次電池の釘貫通試験装置。
  2. 前記等価回路は、複数の回路要素として、直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び二次電池の充電状態に応じて電圧が変化する開放電圧源を備えてなり、
    前記複数の回路要素は相互直列で連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
  3. 前記制御部は、下記〔数式８〕により、二次電池の短絡電流を決定するように構成されてなることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
    ｉshort＝（Ｖshort−ＶRC−ＶOCV）／Ｒ0 〔数式８〕
    〔上記数式８において、
    ｉshortは短絡電流であり、
    Ｖshortは前記電圧測定部によって測定された短絡電圧であり、
    ＶRCは前記ＲＣ回路によって形成される電圧であり、
    ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧であり、
    Ｒ0は前記直列抵抗の抵抗値である。〕
  4. 前記制御部は、前記ＶRCを下記〔数式９〕により、時間アップデートするように構成されてなり、
    前記制御部は、下記〔数式１０〕により、二次電池の充電状態であるＳＯＣを時間アップデートするように構成されてなり、
    前記制御部は、前記時間アップデートされた充電状態と予め定義された「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて前記時間アップデートされた充電状態に対応する二次電池の開放電圧ＶOCVを決定するように構成されたてなることを特徴とする、請求項３に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
    ＶRC［ｋ＋１］＝ＶRC［ｋ］ｅ-Δt/R*C＋Ｒ（１−ｅ-Δt/R*C）ｉshort［ｋ］
    〔数式９〕
    〔上記数式９において、
    ｋは時間インデックスであり、
    ＶRC［ｋ］は時間アップデート直前のＶRC値であり、
    ＶRC［ｋ＋１］は時間アップデートされたＶRC値であり、
    ΔｔはＶRCの時間アップデート周期であり、
    ＲとＣはそれぞれＲＣ回路に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値及びキャパシタンス値であり、
    ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流の予測値である。〕
    ＳＯＣ［ｋ＋１］＝ＳＯＣ［ｋ］＋１００＊ｉshort［ｋ］△ｔ／Ｑcell
    〔数式１０〕
    〔上記数式１０において、
    ｋは時間インデックスであり、
    ＳＯＣ［ｋ］は時間アップデート直前の充電状態であり、
    ＳＯＣ［ｋ＋１］は時間アップデートされた充電状態であり、
    ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流であり、
    Δｔは充電状態ＳＯＣの時間アップデート周期であり、
    Ｑcellは二次電池の容量である。〕
  5. 前記制御部は、下記〔数式１１〕を用いて、釘が貫通した地点の短絡抵抗であるＲshortを決定し、
    前記短絡抵抗の経時的な変化様相を前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
    Ｒshort＝Ｖshort／ｉshort 〔数式１１〕
    〔上記数式１１において、
    Ｒshortは釘が貫通した地点の短絡抵抗であり、
    Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
    ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
  6. 前記制御部は、下記〔数式１２〕を用いて、釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であるＱshortを決定し、
    前記短絡ジュール熱の経時的な変化様相を前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
    Ｑshort＝ｉshort＊Ｖshort 〔数式１２〕
    〔上記数式１２において、
    Ｑshortは釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であり、
    Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
    ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
  7. 前記制御部は、下記〔数式１３〕を用いて、二次電池の貫通地点で二次電池の抵抗特性から発生する抵抗ジュール熱であるＱcellを決定し、
    前記抵抗ジュール熱の経時的な変化様相を前記ディスプレイ部を通じて視覚的に出力するように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の釘貫通試験装置。
    Ｑcell＝ｉshort＊｜Ｖshort−ＶOCV｜ 〔数式１３〕
    〔上記数式１３において、
    Ｑcellは釘が貫通した地点で二次電池の抵抗特性から発生するジュール熱であり、
    Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
    ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値であり、
    ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧の予測値である。〕
  8. 二次電池の釘貫通試験方法であって、
    （ａ）二次電池をステージに固定する段階と、
    （ｂ）二次電池を釘で貫通させる段階と、
    （ｃ）二次電池の電極を通じて短絡電圧を時間間隔を置いて繰り返して測定する段階と、
    （ｄ）短絡電圧が測定される度に、前記二次電池をモデリングした等価回路に基づいて前記等価回路の最外側ノードの間に前記測定された短絡電圧を形成する短絡電流を決定する段階と、
    （ｅ）前記決定された短絡電流に対する変化様相を視覚的に出力する段階とを含んでなることを特徴とする、二次電池の釘貫通試験方法。
  9. 前記等価回路は、複数の回路要素として、直列抵抗、少なくとも１つのＲＣ回路、及び二次電池の充電状態に応じて電圧が変化する開放電圧源を備えてなり、
    前記複数の回路要素は相互直列で連結されていることを特徴とする、請求項８に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
  10. 前記（ｄ）段階は、二次電池の短絡電流を、下記〔数式８〕を用いて決定する段階であることを特徴とする、請求項９に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
    ｉshort＝（Ｖshort−ＶRC−ＶOCV）／Ｒ0 〔数式８〕
    〔上記数式８において、
    ｉshortは短絡電流であり、
    Ｖshortは前記電圧測定部によって測定された短絡電圧であり、
    ＶRCは前記ＲＣ回路によって形成される電圧であり、
    ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧であり、
    Ｒ0は前記直列抵抗の抵抗値である。〕
  11. 前記（ｄ）段階は、
    （ｄ１）前記ＶRCを下記〔数式９〕によって時間アップデートする段階と、
    （ｄ２）二次電池の充電状態であるＳＯＣを下記〔数式１０〕によって時間アップデートする段階と、
    （ｄ３）前記時間アップデートされた充電状態と予め定義された「充電状態−開放電圧ルックアップテーブル」を用いて前記時間アップデートされた充電状態に対応する二次電池の開放電圧であるＶOCVを決定する段階とを含んでなることを特徴とする、請求項１０に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
    ＶRC［ｋ＋１］＝ＶRC［ｋ］ｅ-Δt/R*C＋Ｒ（１−ｅ-Δt/R*C）ｉshort［ｋ］
    〔数式９〕
    〔上記数式９において、
    ｋは時間インデックスであり、
    ＶRC［ｋ］は時間アップデート直前のＶRC値であり、
    ＶRC［ｋ＋１］は時間アップデートされたＶRC値であり、
    ΔｔはＶRCの時間アップデート周期であり、
    ＲとＣはそれぞれＲＣ回路に含まれた抵抗とコンデンサの抵抗値及びキャパシタンス値であり、
    ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流の予測値である。〕
    ＳＯＣ［ｋ＋１］＝ＳＯＣ［ｋ］＋１００＊ｉshort［ｋ］△ｔ／Ｑcell
    〔数式１０〕
    〔上記数式１０において、
    ｋは時間インデックスであり、
    ＳＯＣ［ｋ］は時間アップデート直前の充電状態であり、
    ＳＯＣ［ｋ＋１］は時間アップデートされた充電状態であり、
    ｉshortは直前計算周期で決定された短絡電流であり、
    Δｔは充電状態ＳＯＣの時間アップデート周期であり、
    Ｑcellは二次電池の容量である。〕
  12. 釘が貫通した地点の短絡抵抗であるＲshortを下記〔数式１１〕によって決定する段階と、
    前記短絡抵抗の変化様相を視覚的に出力する段階とをさらに含んでなることを特徴とする、請求項８に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
    Ｒshort＝Ｖshort／ｉshort 〔数式１１〕
    〔上記数式１１において、
    Ｒshortは釘が貫通した地点の短絡抵抗であり、
    Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
    ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
  13. 釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であるＱshortを、下記〔数式１２〕を用いて決定する段階と、
    前記短絡ジュール熱の変化様相を視覚的に出力する段階とをさらに含んでなることを特徴とする、請求項８に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
    Ｑshort＝ｉshort＊Ｖshort 〔数式１２〕
    〔上記数式１２において、
    Ｑshortは釘が貫通した地点で発生する短絡ジュール熱であり、
    Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
    ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値である。〕
  14. 二次電池の貫通地点で二次電池の抵抗特性から発生する抵抗ジュール熱であるＱcellを、下記〔数式１３〕を用いて決定する段階と、
    前記抵抗ジュール熱の変化様相を視覚的に出力する段階と、をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の二次電池の釘貫通試験方法。
    Ｑcell＝ｉshort＊｜Ｖshort−ＶOCV｜ 〔数式１３〕
    〔上記数式１３において、
    Ｑcellは釘が貫通した地点で二次電池の抵抗特性から発生するジュール熱であり、
    Ｖshortは電圧測定部によって周期的に測定される二次電池の短絡電圧であり、
    ｉshortは周期的に測定される二次電池の短絡電圧に対応する短絡電流の予測値であり、
    ＶOCVは二次電池の充電状態に応じた開放電圧の予測値である。〕
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