JP2024054061A - 溶接状態自動検査装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2024054061000001
【課題】電池の溶接状態を非破壊方式で自動的に評価できる溶接状態自動検査装置を提供する。
【解決手段】本発明は溶接状態の品質検査に関するものであり、より具体的には二次電池のリード溶接を検査するための装置に関する。本発明のいくつかの実施形態によれば、電気的連結のための複数のリードが溶接される電池モジュールの溶接状態自動検査装置は、前記リードの溶接部に渦電流を印加することによる内部貫通検査に基づいて前記溶接部の溶接状態を判断するように構成される。
【選択図】図7a

Description

本発明は溶接状態の品質検査に関するものであり、より詳しくは二次電池のリード溶接を検査するための装置に関する。
二次電池はエネルギー貯蔵装置であり、多様な分野に用いられている。例えば、二次電池は近年に注目されている電気車の駆動に必要なエネルギーを提供するように構成される。電気車に含まれる二次電池は、車両の駆動に必要な高電圧及び高容量の具現のために、複数の電池セルからモジュールが構成され、複数の電池モジュールが組み立てられて最終的に車両に装着される電池パックの形態に製作されている。電池モジュールは複数の電池セルが組み立てられることで構成される。ここで、通電のために、電池セルの間は溶接される。具体的には、それぞれのセルのリードが折り曲げられて接合され、接合されたリードはレーザー源によってレーザー溶接される。組立工程において、溶接品質は電池の性能の側面で非常に重要な影響を与えるので、溶接品質管理に多くの努力を注がなければならない。
韓国登録特許第10-2242248号公報
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、電池の溶接状態を非破壊方式で自動的に評価することができる溶接状態自動検査装置を提供することにある。また、本発明他の目的は、正確で一律的な結果が得られる溶接状態自動検査装置を提供することにある。本発明の目的は上記で言及した目的に限定されず、言及しなかった他の目的は以下の記載によって本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者(以下、「当業者」という)に明らかに理解可能であろう。
前述の本発明の目的を達成し、後述する本発明の特徴的な機能を果たすための本発明の特徴は次のようである。
本発明による電池モジュールの溶接状態自動検査装置は、電池モジュールの溶接状態自動検査装置であって、前記電池モジュールには複数の電池セルが組み立てられ、それぞれの電池セルに連結されるリードはバスバーに溶接されて互いに通電するように構成され、前記電池モジュールの溶接状態自動検査装置はそれぞれの電池セルのリードとバスバーとの溶接部を検査するように構成され、前記溶接部に渦電流を印加して前記溶接部の深さによる渦電流の変化信号を測定するように構成されるセンサー組立体であって、一体に移動可能に構成される複数のセンシング部分を含み、それぞれのセンシング部分は同時にそれぞれの電池セルの溶接部と接触するように構成されるセンサー組立体と、前記センサー組立体によって獲得された前記渦電流の変化信号を受信し、前記渦電流の変化信号に基づいて前記溶接部の良否を判断するように構成される制御器とを含むことを特徴とする。
本発明によれば、電池の溶接状態を非破壊方式で自動的に評価することができる溶接状態自動検査装置を提供できる。本発明によれば、正確で一律的な結果が得られる溶接状態自動検査装置が提供できる。本発明の効果は前述したものに限定されず、言及しなかった他の効果は以下の記載から通常の技術者に明らかに認識可能であろう。
セル積層体の斜視図である。 セル積層体の各セルのリードを示す図である。 セル積層体が組み立てられた電池モジュールを示す図である。 電池モジュールを成すセルのリードとバスバーとの溶接を示す概念図である。 本発明による溶接状態自動検査装置の作動の流れを示すフローチャートである。 本発明による溶接状態自動検査装置の構成を示すブロック図である。 本発明による溶接状態自動検査装置のセンサーを示す図である。 本発明による溶接状態自動検査装置の側面図である。 本発明による溶接状態自動検査装置の検査対象である電池モジュールがプレートに装着された状態を示す図である。 それぞれアルミニウムリードのための側面センサーの直径と銅リードのための側面センサーの直径とを比較した図である。 それぞれアルミニウムリードのための側面センサーの直径と銅リードのための側面センサーの直径とを比較した図である。 本発明による溶接状態自動検査装置の平面図である。 本発明による溶接状態自動検査装置の部分平面図である。 図6の円で示した部分の拡大図である。 本発明による溶接状態自動検査装置のセンサーの平面図である。 本発明による溶接状態自動検査装置の検査対象である電池モジュールがプレートに装着された状態を示す図である。 本発明による溶接状態自動検査装置のノイズ除去過程を示す図である。 本発明による溶接状態自動検査装置のノイズ除去過程を示す図である。 本発明による溶接状態自動検査装置のノイズ除去過程を示す図である。 ノイズ除去アルゴリズムによって処理された信号の比較結果を示す図である。
本発明の実施例で提示する特定の構造や機能の説明は、本発明の概念による実施例を説明するための目的で例示するものであり、本発明の概念による実施例は多様な形態に実施可能である。また、本明細書で説明する実施例によって本発明が限定されるものと解釈されてはいけなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更物、均等物及び代替物を含むものと理解されなければならない。
一方、本発明で、第1及び/または第2などの用語は多様な構成要素を説明するために使用し、前記構成要素は前記用語によって限定されない。前記用語は一構成要素を他の構成要素と区別する目的で使われる。例えば、本発明の概念による権利範囲から逸脱しない範囲内で、第1構成要素は第2構成要素と名付けることができ、同様に第2構成要素は第1構成要素と名付けることができる。
ある構成要素が他の構成要素に「連結」されているかまたは「接続」されていると言及されたとき、その他の構成要素に直接的に連結されるか接続されることもできるが、中間に他の構成要素が存在することもできると理解されなければならないであろう。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結」されているかまたは「直接接触」していると言及されたとき、中間に他の構成要素が存在しないものと理解されなければならないであろう。構成要素との関係を説明するための他の表現、すなわち「~の間に」及び「すぐ~の間に」または「~に隣接する」及び「~に直接隣接する」などの表現も同様に解釈されなければならない。
明細書全般にわたって同じ参照番号は同じ構成要素を示す。本明細書で使用する用語は実施例を説明するためのものであり、本発明を限定しようとするものではない。本明細書で、単数型は、文句で特に言及しない限り、複数型も含む。明細書で使用する「含む(comprises)」及び/または「含む(comprising)」は言及された構成要素、段階、動作及び/または素子が一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び/または素子の存在または追加を排除しない。
以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図1aに示すように、電池モジュールMの組立のために、一定の数量のセルCが積層してセル積層体Aを成す。そして、図1bのように、それぞれのセルCには、電気的連結のために、リードLが連結されて折り曲げられる。折り曲げられたリードLはバスバーBと溶接されることで、電池モジュールM全体が通電する。
電池において、電池モジュールMのそれぞれのセルCごとに多数の部分が溶接されている。例えば、一つの電池モジュールMに12個のセルCが含まれる場合、12個のセルは、24箇所で(セルの前面及び後面のそれぞれに12個ずつ)バスバーとリードとが溶接される。この溶接には、最外側セルのリードを側面に折り曲げてから遂行する側面溶接が含まれる(W2部分)。また、図1cに示すように、電池モジュールMへの組立のために、カバー2を組み立てる。ここで、W1で示すように、クランプ溶接も要求されている。この溶接としては、一般的にレーザー溶接を使っている。図1dは、セルCのリードLが折り曲げられてバスバーBと溶接されることによって溶接部Wが形成されることを概略的に示す。
溶接品質は電池の性能に非常に重要な役割を果たすので、品質検査は必須であると言える。現在、溶接品質は、作業者による全数フリップ(flip)検査によって評価している。フリップ検査は、先端が鋭いドライブのような道具を使って溶接した後、リードの端部の一部を裏返すことで遂行している。ただ、このような作業は、作業者の感性偏差によって真性不良の流出可能性があり、相当量の労動力を要求する。すなわち、作業者による検査方式によっては、正確でありながらも一律的な評価が難しい側面がある。したがって、本発明の目的は、非破壊方式で電池の溶接状態を自動的に評価し、正確性及び一律性を保障することができる溶接状態自動検査装置を提供することにある。
このために、本発明による溶接状態自動検査装置1は、ビジョンカメラによる検査、及び深部貫通検査を含む。図2に示すように、装置1は、リードLを溶接した後(S1)、すぐリードLの溶接状態を検査(S3)することができるように構成される。リードLの溶接状態が基準品質を満たすと判断されれば、次いでクランピング溶接(S5)を実施し、直後にクランピング溶接状態を検査することができる(S7)。本発明によれば、溶接から溶接品質検査まで連続的に自動に具現する。
溶接状態自動検査装置1は、図3に示すように、センサー組立体10、カメラ30、照明50、駆動器70、表示部90、及び制御器100を含む。制御器100は、装置1の各構成要素の作動を制御し、監督するように構成される。
センサー組立体10は深部貫通検査を遂行するように構成される。深部貫通検査は、溶接の後、別途の工程に進入して溶接後の溶融状態を測定するように構成される。特に、深部貫通検査は渦電流の印加によって遂行する。具体的には、センサー組立体10は溶接部Wに渦電流を印加し、溶接部Wの深さによる渦電流の変化を測定するように構成される。
図4に示すように、センサー組立体10は、磁場発生コイル11及びセンシングコイル13を含む。磁場発生コイル11に特定の周波数の電圧を印加すると、1次磁場が形成される。形成された1次磁場は、検査対象物、すなわち、溶接されたリードLの自由電子に対して回転運動を引き起こす。このような回転運動を渦電流という。この渦電流によって2次磁場が発生する。2次磁場によってセンシングコイル13で誘導起電力が発生し、これを処理して数値化する。センサー組立体10内の未説明図面符号15は発振器であり、17はボルトメーターを示す。
渦電流は検査対象物の内部の深さによって減衰し、減衰程度は印加した周波数、及び透磁率、伝導率などの材料の物性に依存する。周波数は定数であるので、溶接状態によって変わるものは材料の物性になる。透磁率及び伝導率は溶接された溶融物の深さや大きさによって変化するので、制御器100はセンサー組立体10の感知結果に基づいて透磁率及び伝導率の変動量を獲得することで、弱溶接であるかを判断する。結局、これらの変動量は位相遅延として獲得することができる。正常溶接の場合、弱溶接より透磁率や伝導率が小さくて位相遅延が弱溶接より小さくなる。
溶接部の標準浸透深さは周波数、透磁率及び伝導率に反比例する。そして、溶接部の任意の深さで位相遅延は標準浸透深さに反比例する。正常溶接の場合、標準浸透深さは弱溶接の場合より大きいので、正常溶接の際の透磁率や伝導率は弱溶接の場合より小さく、よって正常溶接の位相遅延は弱溶接より小さい。このような原理によってセンサー組立体10の感知結果は溶接状態を決定する基礎になる。センサー組立体10は電池モジュールMに備えられるセルCの個数に対応する個数のセンサー組立体を含む。センサー組立体10の各センシング部分10’、10”が同時に複数のセルCのリード溶接状態を検査することができるように、センサー組立体10は複数のセンシング部分を有するように構成される。
図5に示すように、複数のセンシング部分を含むセンサー組立体10は、上下方向(z軸)に移動することができ、溶接されたリードに接触することができるように、前後方向(x軸)に移動することができるように構成される。このために、駆動器70は、z軸駆動器70b及びx軸駆動器70cを含むことができる。駆動器70は、電動シリンダーなどを含む線形駆動器を含む。センサー組立体10は、セルCに溶接されたリード当たりの複数のポイントに検査を遂行する。例えば、図6aで、センサー組立体10は上下方向(z軸)に移動し、溶接されたリードに少なくとも5個のポイントの溶接状態をセンシングする。
図6b及び図6cを参照すると、電池モジュールMのリード溶接において、リードは陽極アルミニウムリード及び陰極銅リードを含む(例えば、側面センサー10b、10c)。深部貫通検査において、アルミニウム電極の場合、溶接出力による相関性が確認された。材料の融点の差によってアルミニウムの溶接ビードの幅の差が発生することが確認される。これを補うために、アルミニウム電極リード用側面センサー10bの直径と銅電極リード用側面センサー10cの直径とは互いに異なるように構成される。すなわち、本発明によれば、アルミニウム電極リード用側面センサー10bの直径は銅電極用側面センサー10cの直径より大きく構成される。本発明の具現例で、適用周波数80kHzで、アルミニウム電極リード用側面センサー10bはセンサー直径が1.48mmであり、銅電極リード用側面センサー10cはセンサー直径が1.19mmであり、これにより銅電極用側面センサー10cの分解能が向上することを確認する。
図7a及び図7bを参照すると、装置1に備えられるカメラ30はビジョン検査を遂行するように構成される。カメラ30によって撮像されたイメージに基づいて、溶接の長さ、ビードの幅、気孔の数、大きさなどを評価することができる。カメラ30は少なくとも3個のカメラ30a、30b、30cを含むことができる。側面カメラ30a、30cは電池モジュールMの側面溶接状態を撮像するように構成され、前面カメラ30bは電池モジュールMの前面または後面の溶接状態を撮像することができる。側面溶接に対する検査は前述した追加的に備えられる側面センサー10b、10cによって遂行する。また、カメラ30は、深部貫通検査の際、溶接ビードの中心を決定するように構成される。図8に示すように、カメラ30は、溶接ビードまたは溶接部Wの中心座標をビジョンで数値的に確認した後、センシングすることができる。カメラ30は、溶接ビードWの幅の両側の2ポイント及び中間の1ポイントを数値的に解釈して表示する。
図9を参照すると、センサー組立体10のピッチP(例えば、センシング部分10’及びセンシング部分10”の間)は、溶接の際に決定されたピッチ(隣接した溶接ビードの間の中心ピッチ)を用いる。よって、レーザー溶接の際にレーザービームの照射位置が決定されているので、ピッチPはこれに基づいて決定する。すなわち、センサー組立体10は、このように決定された溶接ビードの中心部分を測定するようにピッチPを予め設定する。ただ、センサー組立体10の間のピッチは任意に調節することができるように、手動操作可能に設計する。例えば、カメラ30によって撮像されたイメージに基づいて決定される溶接部Wの中心座標と比較して、センサー組立体10による各センシング部分が正しく中心座標に位置するかを確認する。
いくつかの具現例で、センサー組立体10はポゴピン型センサーであり得る。溶接ビードとの接触によるセンシングを遂行するので、ポゴピン型センサーを使うことが好ましいが、これに限定されるものではなく、他の類型のセンサーを使う。
図5を再参照すると、照明50は、カメラ30の撮像の際に駆動される。照明50は上下方向(z軸)に移動可能に構成され、内側に作業対象である電池モジュールMを挿入して照明を提供した状態で、カメラ30による撮像がなされるように構成される。照明50はz軸駆動器70aに装着されることで、上下移動可能に制御される。
前述したように、駆動器70は、x軸駆動器70c及びz軸駆動器70a、70bを含む。また、駆動器70は、図面に表示しない追加の駆動器を含む。例えば、電池モジュールMを装着させるためのプレート120は移送レール140上で移動可能に構成される。電池モジュールMが装着されたプレート120を連続的に供給して装置1による検査を遂行することができるので、連続的で自動的な検査ができるようにする。また、プレート120は回転可能に構成される。電池モジュールMの前面のリード溶接を検査した後、プレート120が回転することにより、電池モジュールMの後面のリード溶接を検査する。また、図10のように、サイド溶接W2及びクランプ溶接W1の検査の際、プレート120が回転する。このようなプレート120の駆動は駆動器70によってなされる。駆動器70としては、モーター、電動シリンダーなどの公知の任意の装置を使うことができ、図示の種類に限定されるものではない。
また、装置1は、表示部90をさらに含む。表示部90は作業者とのインターフェース空間であり、ビジョン検査及び深部貫通検査の結果を作業者に提供する。そして、溶接状態が不良の場合、警報を発生し、該当セルを表示して提供する。制御器100は装置1の各構成要素を制御し、表示部90を介して検査結果を出力するように構成される。いくつかの具現例で、制御器100は、センサー組立体10のセンシング及び移動を制御する。いくつかの具現例で、制御器100は、カメラ30による撮像を指示し、照明50の照射及び移動を制御する。いくつかの具現例で、制御器100は、駆動器70を駆動することで、関連した構成要素を移動または回転させる。
また、制御器100は、検査信号または獲得された位相遅延信号からノイズを除去することで、より正確な結果を提供する。図11aのように、検査信号において尖っている部分はノイズ成分になる。制御器100は、グラフのゼロ交差点(zero-crossing point)を用いて、周期信号が正常に繰り返されるように区間を切るデータクロップ(crop)を遂行する。そして、図11bのように、制御器100は、クロップされたデータに対して高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform、FFT)を遂行し、最大周波数成分を検出する。検出された周波数を除き、全部0に制御して、検出された周波数を抽出するように構成される。そして、図11cのように、制御器100は、逆高速フーリエ変換(Inverse Fast Fourier Transform、iFFT)によって周波数成分を復元した後、元の信号と比較する。制御器100によるこのようなノイズ除去アルゴリズムが適用された測定データと適用されなかった測定データとの比較結果を図12に示す。
装置1は以下のように駆動される。検査対象物である電池モジュールMはプレート120に配置される。プレート120は移送レール140に配置され、装置1に移動する。移送レール140には複数のプレート120が一定の間隔で離隔して配置され、検査のために装置1に順次移送する。そして、電池モジュールMの前面のリード溶接状態をカメラ30によって撮像する。カメラ30によって撮像されたイメージに基づき、検査される溶接ビードの中心部分を決定する。
制御器100は、センサー組立体10の駆動器70によってセンサー組立体10を移動させ、センサー組立体10を作動させることで、決定された溶接ビードの中心部分の複数のポイントの溶接状態を検査するように構成される。センサー組立体10のリーディングは制御器100に伝達して分析を遂行する。
そして、制御器100は、プレート120を180度回転させる。これにより、電池モジュールMの後面のリード溶接状態を検査するようにする。前面検査と同様に、カメラ30によって電池モジュールMの後面のリード溶接状態を撮像し、撮像されたイメージに基づき、検査される溶接ビードの中心部分を決定する。
制御器100は、センサー組立体10にとって決定された溶接ビード中心部分の複数のポイントを検査するようにし、結果は制御器100に送信する。追加として、センサー10b、10cを介して電池モジュールMの左右面の溶接状態を判断する。制御器100は、検査結果を表示部90に出力し、溶接状態不良の該当セルCを作業者に知らせる。
このように、本発明による溶接状態自動検査装置は、溶接ビードの外観だけでなく溶接(溶融)状態を自動に検査する。本発明によれば、労動力及び関連の費用を節減することができる溶接状態自動検査装置が提供される。本発明によれば、正確で信頼性ある結果を提供することができる溶接状態自動検査装置が提供される。
以上で説明した本発明は、前述した実施例及び添付図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であることは本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者にとって明らかであろう。
A セル積層体
B バスバー
C セル
M モジュール
L リード
P ピッチ
W 溶接部、溶接ビード
W1 クランプ溶接
W2 サイド溶接
1 装置
2 カバー
10 センサー組立体
10b アルミニウム電極リード用側面センサー
10c 銅電極用側面センサー
10’、10” センシング部分
11 磁場発生コイル
13 センシングコイル
15 発振器
17 ボルトメーター
30 カメラ
30a 側面カメラ
30b 前面カメラ
30c 側面カメラ
50 照明
50a、50b、50c 照明
70 駆動器
70a (照明の)z軸駆動器
70b (センサー組立体の)z軸駆動器
70c (センサー組立体の)x軸駆動器
90 表示部
100 制御器
120 プレート
140 移送レール

Claims (10)

  1. 電池モジュールの溶接状態自動検査装置であって、
    前記電池モジュールには複数の電池セルが組み立てられ、それぞれの電池セルに連結されるリードはバスバーに溶接されて互いに通電するように構成され、前記電池モジュールの溶接状態自動検査装置はそれぞれの電池セルのリードとバスバーとの溶接部を検査するように構成され、
    前記溶接部に渦電流を印加して前記溶接部の深さによる渦電流の変化信号を測定するように構成されるセンサー組立体であって、一体に移動可能に構成される複数のセンシング部分を含み、それぞれのセンシング部分は同時にそれぞれの電池セルの溶接部と接触するように構成されるセンサー組立体と、
    前記センサー組立体によって獲得された前記渦電流の変化信号を受信し、前記渦電流の変化信号に基づいて前記溶接部の良否を判断するように構成される制御器と、
    を含むことを特徴とする電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  2. 前記センシング部分は、それぞれの電池セルの溶接部の長手方向に沿って同時に移動しながら前記溶接部の複数の地点に対して測定するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  3. 前記センサー組立体は、前記電池セルの両側にそれぞれ配置される側面センサーを含み、前記側面センサーはそれぞれ前記電池セルの側面でバスバーと溶接される銅からなる銅リード及びアルミニウムからなるアルミニウムリードの溶接状態を測定するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  4. 前記銅リードのための側面センサーは、前記アルミニウムリードのための側面センサーのセンサー直径より小さいセンサー直径を有するように構成されることを特徴とする請求項3に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  5. 前記溶接部を撮像するように構成されるカメラを含み、前記カメラによって撮像されたイメージに基づいて前記溶接部の外観検査を遂行することを特徴とする請求項2に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  6. 前記制御器は、前記カメラによって撮像された前記イメージに基づき、前記センサー組立体がセンシングする前記溶接部の中心部分を決定するように構成されることを特徴とする請求項5に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  7. 前記センサー組立体は、決定された前記中心部分に沿って移動しながら前記溶接部を測定するように構成されることを特徴とする請求項6に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  8. 前記渦電流の変化信号は位相遅延信号として処理され、前記制御器は、前記位相遅延信号に基づいて前記溶接部の良否を判断するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  9. 前記制御器は、前記位相遅延信号からノイズを除去することで、補正された位相遅延信号を獲得し、前記補正された位相遅延信号に基づいて前記溶接部の良否を判断するように構成されることを特徴とする請求項8に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
  10. 前記制御器は、
    前記位相遅延信号のゼロ交差点を選択し、選択されたゼロ交差点を基準に位相遅延信号をクロップ(crop)し、
    クロップされた前記位相遅延信号にフーリエ変換を適用して既設定の周波数成分のみを抽出し、前記抽出された周波数成分以外の成分は消去し、
    逆フーリエ変換を適用して消去された成分を復元した後、前記位相遅延信号と比較して補正された位相遅延信号を獲得するように構成されることを特徴とする請求項9に記載の電池モジュールの溶接状態自動検査装置。
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