JP6736814B2 - エンドプレートテスト装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンドプレートをテストするための装置及び方法に関し、より詳しくは、バッテリーモジュールの製作に用いられる一対のエンドプレートをテストするための装置及び方法に関する。

本出願は、２０１７年４月１３日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００４８０６４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。

最近、ノートブックＰＣ、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急増し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、反復的な充放電の可能な高性能二次電池についての研究が活発に進行しつつある。

現在、商用化した二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあり、このうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリー効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。

特に、電気自動車やエネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ）などに用いられるバッテリーモジュールは、高出力及び大容量のために複数のバッテリーセルを含む。また、バッテリーモジュールに備えられる一対のエンドプレートは、複数のバッテリーセルが積層された部分である積層体を両方で支持することで、積層体の動きを制限すると共に外力などから積層体を保護する。

一方、バッテリーセルは、その内部で発生したガスまたは負極に充填されるリチウムの濃度差によって膨らむスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）が発生し得る。スウェリングは、バッテリーセルの外形変形を誘発する。即ち、バッテリーセルは、充放電の反復によって増加するガスの量によって厚さが次第に増加する。したがって、積層体を構成するバッテリーセルの退化が進むほど、積層体から一対のエンドプレートに伝達される荷重が大きくなるしかない。さらに、バッテリーセルの温度、充電状態及び開放電圧（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；ＯＣＶ）が高いほど、スウェリングが募る。

因みに、エンドプレートの剛性が低すぎる場合、電池積層体の変形によってエンドプレートが破損しやすい。また、一対のエンドプレートの剛性が大きすぎる場合、電池積層体に含まれたバッテリーセルのスウェリングが余りに抑えられ、バッテリーセルが爆発する危険がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、エンドプレートがバッテリーモジュールの積層体を両方向で支持するのに適合した剛性を有するかをテストするための装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。

上記の課題を達成するため、本発明の多様な実施例は、次のようである。

本発明の一面によるテスト装置は、バッテリーモジュールに装着されるエンドプレートをテストするためのものである。前記テスト装置は、前記バッテリーモジュールに含まれたバッテリーセルの個数を示す第１パラメータ、バッテリーセルのスプリング定数を示す第２パラメータ及び前記エンドプレートのスプリング定数を示す第３パラメータを保存するメモリ部と、前記第１パラメータに基づいて前記バッテリーモジュールに関わる一次元モデルを生成し、前記第２パラメータ、前記第３パラメータ及び前記一次元モデルに基づいて第１Ｆ−Ｄカーブを算出し、前記第１Ｆ−Ｄカーブを示す第１基準データを前記メモリ部に保存する制御部と、を含む。ここで、前記第１Ｆ−Ｄカーブは、前記第１パラメータが示す個数のバッテリーセルによる前記エンドプレートの変形量と荷重との関係に対応する。

また、前記一次元モデルは、前記第１パラメータが示す個数のバッテリーセルが順次積層された電池積層体の前面及び後面が、前記エンドプレートによって支持される構造を模写する。

また、前記制御部は、
＜数学式１＞

前記数学式１を用いて、前記一次元モデルの等価スプリング定数を算出し、
Ｋｅｑが前記等価スプリング定数であり、ｎが前記バッテリーセルの個数であり、Ｋ１が前記バッテリーセルのスプリング定数であり、Ｋ２が前記エンドプレートのスプリング定数である。

また、前記制御部は、
＜数学式２＞

前記数学式２を用いて、前記第１Ｆ−Ｄカーブを算出し、Ｆが前記エンドプレートに印加される荷重であり、Δｘ_ｃが前記バッテリーセルの変形量であり、Δｘ_ｅが前記エンドプレートの変形量である。

また、前記メモリ部は、第２Ｆ−Ｄカーブを示す第２基準データをさらに保存し得る。前記制御部は、前記第１パラメータ及び前記第２Ｆ−Ｄカーブに基づいて第３Ｆ−Ｄカーブを算出し得る。この場合、前記第２Ｆ−Ｄカーブは、前記バッテリーセルの変形量と反力との関係に対応し、前記第３Ｆ−Ｄカーブは、前記電池積層体の変形量と反力との関係に対応する。

また、前記制御部は、前記第１Ｆ−Ｄカーブと前記第３Ｆ−Ｄカーブとの交点座標を算出し、前記交点座標に基づいて前記第１パラメータが示す個数のバッテリーセルのスウェリングによる前記エンドプレートの変形量及び荷重を決定し得る。

また、前記制御部は、前記交点座標が予め決められた基準範囲内である場合、第１テスト結果信号を出力し得る。前記第１テスト結果信号は、前記エンドプレートが所定の設計基準を満たすことを通知するためのものであり得る。

また、前記制御部は、前記交点座標が前記基準範囲外である場合、第２テスト結果信号を出力し得る。前記第２テスト結果信号は、前記エンドプレートが所定の設計基準を満たさないことを通知するためのものであり得る。

また、前記制御部は、前記交点座標が前記基準範囲外である場合、前記第１パラメータを調整し得る。

また、前記制御部は、前記交点座標が前記基準範囲外である場合、前記第３パラメータを調整し得る。

本発明の実施例のうち少なくとも一つによれば、バッテリーモジュールを実際に製作しなくても、エンドプレートが積層体に含まれた複数のバッテリーセルのスウェリングによる荷重に耐える剛性を有するかを判定することができる。

また、本発明の実施例のうち少なくとも一つによれば、バッテリーモジュールを実際に製作しなくても、積層体に含まれた複数のバッテリーセルのスウェリングによるエンドプレートの変形量を予め確認することができる。

なお、本発明の効果は前述の効果に制限されず、言及していないさらに他の効果は、請求範囲の記載から当業者にとって明確に理解されるであろう。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい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バッテリーモジュールを概略的に示す図である。 図１の線Ａ−Ａ'に沿って見たバッテリーセルの断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施例によるテスト装置の構成を概略的に示す図である。 図１の線Ｂ−Ｂ'に沿って見たバッテリーモジュールの断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの変形を模写する一次元モデルを概略的に示す図である。 限界状態にある単一バッテリーセルの厚さ変形量と反力との関係に対応する第２Ｆ−Ｄカーブを示したグラフである。 電池積層体の厚さ変形量と反力との関係を示すグラフである。 本発明の一実施例によるテスト装置がエンドプレートをテストする動作に関わる図である。 本発明の他の実施例によるエンドプレートのテスト方法を概略的に示すフローチャートである。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい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。

また、本発明に関連する公知の機能または構成についての具体的な説明が、本発明の要旨をぼやかすと判断される場合、その説明を省略する。

第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちいずれか一つを残りと区別する目的として使用され、このような用語によって構成要素が限定されることではない。

なお、明細書の全体にかけて、ある部分が、ある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載の「制御ユニット」のような用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を示し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの結合せにより具現され得る。

さらに、明細書の全体に亘って、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されているとするとき、これは、「直接的に連結（接続）」されている場合のみならず、その中間に他の素子を介して「間接的に（接続）」されている場合も含む。

図１は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１００を概略的に示す図である。

図１を参照すれば、バッテリーモジュール１００は、電池積層体１１０及びケース１２０を含む。バッテリーモジュール１００は、ハイブリッド自動車などのような車両に搭載され、車両に備えられた電気モーターの駆動のための電気エネルギーを供給することができる。勿論、バッテリーモジュール１００は、その他のエネルギー貯蔵システム、スマートフォンなどにも搭載可能である。

図１において、Ｈ１軸は、バッテリーモジュール１００の幅方向及びバッテリーセル１１１の厚さ方向に対応し、Ｈ２軸は、バッテリーモジュール１００の高さ方向、Ｈ３軸は、バッテリーモジュール１００の長手方向に対応することに仮定する。

電池積層体１１０は、複数のバッテリーセル１１１を含む。電池積層体１１０内において、複数のバッテリーセル１１１は、所定の方向（例えば、Ｈ１軸）に沿って順次積層される。このために、電池積層体１１０は、選択的にカートリッジをさらに含み得る。

電池積層体１１０に含まれるバッテリーセル１１１の種類は、特に限定されない。バッテリーセル１１１は、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などのような再充電が可能なものであれば、いずれでもよい。また、バッテリーセル１１１は、外装材の種類によって、パウチ型、円筒型、角形などに分けられる。電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１は、直列構造、並列構造、または直列と並列との混合構造で相互電気的に接続し得る。

カートリッジ各々は、少なくとも一つのバッテリーセル１１１と物理的に結合し、バッテリーセル１１１が電池積層体１１０内で安定的に固定する構造を提供する。また、カートリッジは、隣接した他のカートリッジと直接またはボルトなどによって締結可能な外形を有し得る。

モジュールケース１２０は、一対のエンドプレート１２１−１、１２１−２及び少なくとも一つのストラップ１２５を含む。各エンドプレート１２１と各ストラップ１２５とは、多様な方式（例えば、溶接、ボルトなど）によって相互締結され得る。または、モジュールケース１２０は、インサート射出方式などによって一体で製作され得る。

モジュールケース１２０は、その内部に空間を備え、このような空間に電池積層体１１０を収納する構造を提供する。そして、モジュールケース１２０の開放部分を通じて電池積層体１１０が挿入または交替可能に提供され得る。

モジュールケース１２０に電池積層体１１０が収納された状態で、一対のエンドプレート１２１−１、１２１−２のいずれか一つ１２１−１は、電池積層体１１０の第１面に接し、残りの一つ１２１−２は、電池積層体１１０の第２面に接する。この際、電池積層体１１０の第１面と第２面とは相互反対方向に向け得る。これによって、一対のエンドプレート１２１−１、１２１−２の各々は、電池積層体１１０の両方向で加圧することで、電池積層体１１０を支持する。即ち、エンドプレート１２１−１は、電池積層体１１０の第１面を第２面に向けて加圧でき、エンドプレート１２１−２は、電池積層体１１０の第２面を第１面に向けて加圧できる。

図２は、本発明の一実施例に係わるバッテリーセル１１１の変形を示す図である。図２は、図１の線Ａ−Ａ'に沿って電池積層体１１０を切開したときのバッテリーセル１１１の断面を示す。

図２を参照すれば、各々のバッテリーセル１１１は、安定状態で第１厚さＬ１を有し、限界状態では、第２厚さＬ２を有し得る。ここで、バッテリーセル１１１の厚さとは、電池積層体１１０の積層方向（即ち、図１のＨ１軸）への単一バッテリーセル１１１の最大長さを意味すると言える。

また、安定状態とは、スウェリングによるバッテリーセル１１１の膨張が無いか、非常に微々たる状態を意味し得る。例えば、健康状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）が所定範囲内（例えば、８０％以上）であり、充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が所定範囲（例えば、７０％未満）内であり、温度が所定範囲（例えば、３０℃未満）内であれば、バッテリーセル１１１が安定状態にあると言える。

また、限界状態とは、スウェリングによってバッテリーセル１１１が最大に膨張した状態を意味し得る。例えば、ＳＯＨが所定範囲内（例えば、８０％未満）であり、ＳＯＣが所定範囲（例えば、７０％以上）内であり、温度が所定範囲（例えば、４５℃以上）であれば、バッテリーセル１１１が限界状態にあると言える。第１厚さＬ１及び第２厚さＬ２は、所定個数のバッテリーセル１１１に対する事前実験などによって予め決定できる。

バッテリーセル１１１が安定状態から限界状態へ進むほど、バッテリーセル１１１の中央部分が次第に脹れ上がり、バッテリーセル１１１の厚さ変形量の最大値はＬ２−Ｌ１になり得る。

バッテリーセル１１１が安定状態にある間には、バッテリーセル１１１の膨張によってエンドプレート１２１に加えられる荷重は、無いか無視可能な程度であって非常に小さい。一方、バッテリーセル１１１が限界状態へ次第に進む場合、バッテリーセル１１１の膨張によってエンドプレート１２１に加えられる荷重は次第に大きくなり、無視できない程度となる。

したがって、エンジニアによって設計されたエンドプレート１２１を実際に製作することに先立ち、エンドプレート１２１が電池積層体１１０を適切に加圧できるか否かを予めチェックすることが求められる。

図３は、本発明の一実施例によるテスト装置２００の構成を概略的に示す図である。

図３を参照すれば、テスト装置２００は、図１に示したように、バッテリーモジュール１００に装着されるエンドプレート１２１が電池積層体１１０を支持するための適切な強度を有するか否かをテストするためのものであって、インタフェース部２１０、メモリ部２２０及び制御部２３０を含む。

インタフェース部２１０は、ユーザのＰＣなどのような外部装置と通信接続し、外部装置とデータを送受信する。インタフェース部２１０は、選択的な構成であって、必要に応じてテスト装置２００から省略可能である。インタフェース部２１０が外部装置から受信するデータは、メモリ部２２０に保存され得る。

メモリ部２２０は、エンドプレート１２１をテストする動作に係わる各種ソフトウェア及びデータを保存するように構成される。メモリ部２２０に保存される全体データの少なくとも一部は、インタフェース部２１０を介して外部装置から提供されるものであり得る。メモリ部２２０は、フラッシュメモリタイプ（ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ ｔｙｐｅ）、ハードディスクタイプ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、ＳＳＤタイプ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、ＳＤＤタイプ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ ｔｙｐｅ）、マルチメディアカードマイクロタイプ（ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃａｒｄ ｍｉｃｒｏ ｔｙｐｅ）、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）のうち少なくとも一つのタイプの保存媒体を含み得る。

メモリ部２２０は、第１パラメータ、第２パラメータ及び第３パラメータを保存する。第１パラメータは、電池積層体１１０に含ませようとするバッテリーセル１１１の個数を示す。第２パラメータは、単一バッテリーセル１１１のスプリング定数を示す。第３パラメータは、エンドプレート１２１のスプリング定数を示す。メモリ部２２０は、後述する第２基準データをさらに保存することができ、第２基準データは、第２Ｆ−Ｄカーブ（ｆｏｒｃｅ−ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｕｒｖｅ）を示す。この際、第２Ｆ−Ｄカーブは、限界状態にある単一バッテリーセル１１１の変形量と反力との関係に対応する。

制御部２３０は、インタフェース部２１０及びメモリ部２２０と通信可能に連結され、インタフェース部２１０を介したデータの送受信を管理し、メモリ部２２０から提供されるデータに基づき、エンドプレート１２１に対するテスト動作を行う。制御部２３０は、ハードウェア的に、ＡＳＩＣｓ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、ＤＳＰｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＤＳＰＤｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＰＬＤｓ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）、 ＦＰＧＡｓ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ）、マイクロコントローラー（ｍｉｃｒｏ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）、マイクロプロセッサー（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、その他の機能を行うための電気的ユニットのうち少なくとも一つを用いて具現され得る。

詳しくは、制御部２３０は、第１パラメータに基づき、バッテリーモジュール１００に対応する一次元モデルを生成する。一次元モデルについては、図６を参照して以下でより詳しく説明する。

また、制御部２３０は、第２パラメータ、第３パラメータ及び一次元モデルに基づいて第１Ｆ−Ｄカーブを算出する。第１Ｆ−Ｄカーブは、第１パラメータが示す個数のバッテリーセル１１１によるエンドプレート１２１の変形量と荷重との関係に対応するものであり得る。即ち、第１Ｆ−Ｄカーブは、電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１のスウェリングによって、電池積層体からエンドプレート１２１に伝達される荷重と、それによってエンドプレート１２１にある程度の反り変形が発生するかを定義するものであり得る。制御部２３０は、算出された第１Ｆ−Ｄカーブを示す第１基準データをメモリ部２２０に保存し得る。

図４は、図１の線Ｂ−Ｂ'によるバッテリーモジュール１００の断面を概略的に示す図である。図４を参照すれば、図１に示した電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１のスウェリングによるエンドプレート１２１−１、１２１−２の変形をより容易に理解することができる。

個々のバッテリーセル１１１がスウェリングによって膨張する場合、バッテリーセル１１１の中央部分が他の部分に比べて多く変形するため、一対のエンドプレート１２１も中央部分で最も多い変形が起こる。即ち、各エンドプレート１２１の中央部分で反り変形が発生する。

図４のＩ１は、電池積層体１１０からエンドプレート１２１に伝達される荷重に係わり、Ｉ２はＩ１によるエンドプレート１２１の変形に係わる。また、図４のＷ１は、電池電極体に含まれたバッテリーセル１１１が安定状態にある間のモジュールケース１２０の幅を示し、図４のＷ２は、電池電極体に含まれたバッテリーセル１１１が限界状態にある間のモジュールケース１２０の幅を示す。即ち、バッテリーセル１１１が安定状態から限界状態に到達すれば、各エンドプレート１２１は、Δｘ_ｅだけずつ変形され得る。電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１の個数が増加するほど、Ｗ２とＷ１との差も増加することは当業者にとって自明である。

もし、エンドプレート１２１の剛性が非常に大きい場合、電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１が限界状態に達しても、バッテリーモジュール１００の全体的な幅の変化は無いか、または非常に小さいはずである。即ち、電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１の変形が過度に制限され、これによってバッテリーセル１１１の急な爆発などが発生し得る。

逆に、エンドプレート１２１の剛性が非常に小さい場合、エンドプレート１２１は、電池積層体１１０の厚さ変化を充分制限できない。即ち、電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１が限界状態に達する場合、バッテリーモジュール１００の幅が変形しすぎて、電極組立体に含まれたバッテリーセル１１１同士の電気的接続が切れるなどの問題が発生し得る。

図５は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール１００の変形を模写する一次元モデルを概略的に示す図である。

本発明において、一次元モデルは、第１パラメータが示す個数のバッテリーセル１１１が順次積層された電池積層体１１０の前面（図１の第１面）及び後面（図１の第２面）が二つのエンドプレート１２１−１、１２１−２によって各々支持される構造を模写したものである。

このような一次元モデルは、第１パラメータが示す個数のバッテリーセル１１１に対応するスプリングＳＣが一対のエンドプレート１２１−１、１２１−２に対応する二つのスプリングＳＥの間で直列接続する基本構造を有し得る。以下では、説明の便宜のために、ｎ個のバッテリーセル１１１が電池積層体１１０を構成すると仮定する。

先ず、図５の（ａ）は、バッテリーセル１１１が安定状態にある場合の一次元モデルを例示する。この場合、Ｈ１軸（図１参照）によって、各スプリングＳＣは第１基本長さを有し、各スプリングＳＥは第２基本長さを有し得る。また、Ｋ１は、第２パラメータが示すスプリングＳｃのスプリング定数であり、Ｋ２は、第３パラメータが示すスプリングＳＥのスプリング定数であり得る。

次に、図５の（ｂ）は、電池積層体１１０内のバッテリーセル１１１が限界状態にある場合の一次元モデルを例示する。この場合、スプリングＳＥ各々は、第２基本長さに維持される一方、スプリングＳｃの各々は、第１基本長さよりもΔｘ_ｃだけ増加した長さを有するようになる。即ち、Δｘ_ｃは、エンドプレート１２１からの荷重が作用しない状態で各バッテリーセル１１１が安定状態にあるときと、限界状態にあるときとの厚さ差であり得る。これによって、電池積層体１１０の総変形量は、（ｎ×Δｘ_ｃ）になる。

続いて、図５の（ｃ）は、バッテリーセル１１１が限界状態にある間に、いずれか一つのエンドプレート１２１から他のエンドプレート１２１に向ける力（Ｆ）が印加されることによって、各スプリングＳｃが第１基本長さに戻った場合の一次元モデルを例示する。即ち、力（Ｆ）は、図５の（ｂ）に示したような状態の電池積層体１１０を（ｎ×Δｘ_ｃ）だけ圧縮するのに要求される力と同一であり得る。

一方、一次元モデル内で直列接続するスプリングとスプリングとが直列接続する場合、制御部２３０は、下記の数学式１を用いて、一次元モデルの等価スプリング定数を算出することができる。
＜数学式１＞

数学式１のＫ_ｅｑは、一次元モデルの等価スプリング定数を示す。

一方、図６の（ｃ）の荷重Ｆは、下記の数学式２を用いて算出することができる。
＜数学式２＞

エンドプレート１２１の変形量であるΔｘ_ｅは、数学式１及び数学式２から下記の数学式３のように表すことができる。
＜数学式３＞

制御部２３０は、数学式２及び数学式３からエンドプレート１２１の変形量と荷重との関係に対応する第１Ｆ−Ｄカーブ（図８参照）を算出することができる。

図６は、限界状態にある単一バッテリーセル１１１の厚さ変形量と反力との関係に対応する第２Ｆ−Ｄカーブを示すグラフであり、図７は、電池積層体１１０の厚さ変形量と反力との関係を示すグラフである。

単一バッテリーセル１１１の反力の大きさは、単一バッテリーセル１１１からエンドプレート１２１に加えられる荷重の大きさと同一であり得る。

図６に示したグラフのｘ軸は、単一バッテリーセル１１１の厚さ変形量であって、単一バッテリーセル１１１が限界状態にあることから、厚さ変形量の最小値は０であり、最大値はＬ２−Ｌ１であり得る。また、図６に示したグラフのｙ軸は、単一バッテリーセル１１１の反力であって、単一バッテリーセル１１１の厚さ変形量が０であるときに最大値Ｆ１となり、単一バッテリーセル１１１の厚さ変形量がＬ２−Ｌ１であるとき、０になる。即ち、限界状態にある単一バッテリーセル１１１の厚さ変形量が０であるというのは、電池積層体１１０を両方向で加圧するエンドプレート１２１の剛性が非常に高くて、単一バッテリーセル１１１の膨張を完全に制限することを意味する。

また、限界状態にある単一バッテリーセル１１１の反力が０であるというのは、エンドプレート１２１の剛性が非常に低くて、単一バッテリーセル１１１の第１厚さＬ１から第２厚さＬ２までの膨張に何らの影響も及ばないことを意味する。ここで、ｘ軸の単位は、長さの単位、例えば、「ｍｍ」であり、ｙ軸の単位は、力または重さの単位、例えば、「ｋｇｆ」であり得る。

図６に示した第２Ｆ−ＤカーブＣ２は、限界状態にある複数のバッテリーセル１１１各々に加えられる荷重を連続的または離散的に増減させながらその厚さを測定する過程を繰り返すことで得ることができる。

図７のグラフは、第３Ｆ−ＤカーブＣ３を示したものであって、図６の第２Ｆ−Ｄカーブを電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１の総個数（＝ｎ）に基づいて補正した結果に対応し得る。即ち、電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１の個数が２以上である場合、電池積層体１１０の厚さ変形量の最大値Ｍは、単一バッテリーセル１１１の厚さ変形量の最大値 Ｌ２−Ｌ１より大きく、電池積層体１１０の反力の最大値Ｆ２は、単一バッテリーセル１１１の反力の最大値Ｆ１（図６参照）よりも大きいということは自明である。

制御部２３０は、図６に示した第２Ｆ−ＤカーブＣ２を示すデータ及び電池積層体１１０に含まれるバッテリーセル１１１の個数に基づき、図７に示した第３Ｆ−ＤカーブＣ３を示すデータを生成し得る。例えば、第１パラメータがｎである場合、図６に示した第２Ｆ−Ｄカーブのｘ切片とｙ切片とを各々ｎ倍した二つの点Ｆ２とＭとを通る線が図７の第３Ｆ−Ｄカーブであり得る。

一方、図６及び図７においては、第２Ｆ−ＤカーブＣ２と第３Ｆ−ＤカーブＣ３とが各々直線形状を有するように示されているが、これは、例示的であるだけで、バッテリーセル１１１の構造と材質などによって第２Ｆ−ＤカーブＣ２及び第３Ｆ−ＤカーブＣ３の形状は変わり得る。

図８は、本発明の一実施例によるテスト装置２００がエンドプレート１２１をテストする動作に関わる図である。即ち、図８は、エンドプレート１２１が電池積層体１１０を両方向で支持するのに適正な範囲の剛性を有するか否かを評価する動作を説明するために参照される。

図８を参照すれば、例示的な第１Ｆ−ＤカーブＣ１と図７に示した第３Ｆ−ＤカーブＣ３との関係を確認することができる。前述のように、第１Ｆ−ＤカーブＣ１は、エンドプレート１２１の変形量と荷重との関係を示し、エンドプレート１２１の変形量とエンドプレート１２１に加えられる荷重とは、比例関係を有し得る。また、第３Ｆ−ＤカーブＣ３は、電池積層体１１０の変形量と反力との関係を示し、電池積層体１１０の変形量と電池積層体１１０との反力は、反比例関係を有し得る。

したがって、図７に示したように、第１Ｆ−Ｄカーブと第３Ｆ−Ｄカーブとは、ある一点Ｐで交差する。第１Ｆ−Ｄカーブと第３Ｆ−Ｄカーブとが相互交差する点Ｐで、電池積層体１１０からエンドプレート１２１に加えられる荷重とエンドプレート１２１から電池積層体１１０に加えられる荷重とが平衡を成すようになる。

制御部２３０は、第１Ｆ−ＤカーブＣ１と第３Ｆ−ＤカーブＣ３とが相互交差する点Ｐの座標を算出することができる。また、制御部２３０は、算出された交点Ｐの座標に基づき、第１パラメータが示すｎ個のバッテリーセル１１１が限界状態にありながら電池積層体１１０とエンドプレート１２１とが平衡をなしている間に、エンドプレート１２１に加えられる荷重とそれによるエンドプレート１２１の変形量を各々決定することができる。即ち、交点Ｐの座標のｘ値は、エンドプレート１２１の変形量であり、ｙ値は、エンドプレート１２１に加えられる荷重である。

制御部２３０は、交点Ｐの座標を基準範囲と比較することができる。即ち、制御部２３０は、基準範囲内に交点Ｐが位置するかを判定することができる。メモリ部２２０には、エンドプレート１２１の強度評価に活用するための第１基準範囲及び第２基準範囲の少なくとも一つについての情報が保存され得る。第１基準範囲は、エンドプレート１２１の変形量に関わる下限値Ｇ１及び上限値Ｇ２によって定義され、第２基準範囲は、エンドプレート１２１に加えられる荷重に関わる下限値Ｊ１及び上限値Ｊ２によって定義され得る。即ち、交点Ｐのｘ値が第１基準範囲内に位置しながら交点Ｐのｙ値が第２基準範囲内に位置する場合は、エンドプレート１２１が設計基準を満たす剛性を有し、その外の場合は、エンドプレート１２１が設計基準を満たさない剛性を有するといえる。勿論、第１基準範囲についての情報のみがメモリ部２２０に保存された場合、交点Ｐのｙ値とは関係なく、プロセッサ２３０は交点Ｐのｘ値が第１基準範囲内に位置すれば、エンドプレート１２１が設計基準を満たす剛性を有すると判定することができる。

もし、交点Ｐの座標が予め決められた第１及び第２基準範囲内である場合、制御部２３０は、第１テスト結果信号を出力し得る。第１テスト結果信号は、エンドプレート１２１が所定の設計基準を満たすことを通知するためのものであり得る。

一方、交点Ｐの座標が第１基準範囲または第２基準範囲外である場合、制御部２３０は、第２テスト結果信号を出力し得る。第２テスト結果信号は、エンドプレート１２１が所定の設計基準を満たさないことを通知するためのものであり得る。

交点Ｐのｘ軸値が第１基準範囲の上限値Ｇ２よりも大きいか、または交点Ｐのｙ軸値が第２基準範囲の下限値Ｊ１よりも小さいということは、エンドプレート１２１の剛性が足りないことを意味し得る。したがって、制御部２３０は、交点Ｐのｘ軸値が第１基準範囲の上限値よりも大きいか、交点Ｐのｙ軸値が第２基準範囲の下限値よりも小さい場合、第１パラメータの減少及び第３パラメータの増加の少なくとも一つが必要であることを知らせる第３テスト結果信号を出力し得る。

交点Ｐのｘ軸値が第１基準範囲の下限値Ｇ１よりも小さいか、または交点Ｐのｙ軸値が第２基準範囲の上限値Ｊ２よりも大きいということは、エンドプレート１２１の剛性が過度であることを意味し得る。したがって、制御部２３０は、第１基準範囲の下限値よりも小さいか、交点Ｐのｙ軸値が第２基準範囲の上限値よりも大きい場合、第１パラメータの増加及び第３パラメータの減少の少なくとも一つが必要であることを知らせる第４テスト結果信号を出力し得る。

第２〜第４テスト結果信号を出力する動作と共にまたは別に、制御部２３０は、第１パラメータ及び第３パラメータの少なくとも一つを調整し得る。例えば、制御部２３０は、第３テスト結果信号の出力前後に第１パラメータを第１値だけ減少させるか、第３パラメータを第２値だけ増加させる動作の少なくとも一つを行い得る。他の例で、制御部２３０は、第４テスト結果信号の出力前後に第１パラメータを第３値だけ増加させるか、第３パラメータを第４値だけ減少させる動作の少なくとも一つを行い得る。この際、第１値〜第４値は、正数として予め決められたものであり得る。

図９は、本発明の他の実施例によるエンドプレート１２１のテスト方法を概略的に示したフローチャートである。

段階９１０において、制御部２３０は、第１パラメータに基づいてバッテリーモジュール１００に関わる一次元モデルを生成する。第１パラメータは、バッテリーモジュール１００に含まれたバッテリーセル１１１の個数を示す。また、一次元モデルは、第１パラメータが示す個数のバッテリーセル１１１が順次積層された電池積層体１１０の前面及び後面が、二つのエンドプレート１２１−１、１２１−２によって相互反対側で支持される構造を模写している。

段階９１５において、制御部２３０は、第２パラメータ、第３パラメータ及び一次元モデルに基づき、第１Ｆ−Ｄカーブを算出する。第２パラメータは、単一バッテリーセル１１１のスプリング定数を示し、第３パラメータは、エンドプレート１２１のスプリング定数を示す。また、第１Ｆ−Ｄカーブは、第１パラメータが示す個数のバッテリーセル１１１によるエンドプレート１２１の変形量と荷重との関係に対応する。制御部２３０は、算出された第１Ｆ−Ｄカーブを示す第１基準データをメモリ部２２０に保存し得る。

段階９２０において、制御部２３０は、第１パラメータ及び第２Ｆ−Ｄカーブに基づいて第３Ｆ−Ｄカーブを算出する。制御部２３０は、メモリ部２２０に既に保存されていた第２基準データから第２Ｆ−Ｄカーブを決定し得る。第２Ｆ−Ｄカーブは、単一バッテリーセル１１１の変形量と反力との関係に対応し、第３Ｆ−Ｄカーブは、電池積層体１１０の変形量と反力との関係に対応する。電池積層体１１０の変形量は、電池積層体１１０に含まれたバッテリーセル１１１の個別的なスウェリングが反映された結果である。

段階９２５において、制御部２３０は、第１Ｆ−Ｄカーブと第３Ｆ−Ｄカーブとの交点座標を算出する。交点は、電池積層体１１０の反力とエンドプレート１２１の加圧力とが平衡を成す状態を示す。制御部２３０は、算出された交点座標に基づいて第１パラメータが示す個数のバッテリーセル１１１のスウェリングによるエンドプレート１２１の変形量と荷重とを決定する。エンドプレート１２１の荷重は、電池積層体１１０に対するエンドプレート１２１の加圧力に対応する。

段階９３０において、制御部２３０は、交点が予め決められた基準範囲内に位置するか否かを判定する。

段階９３５において、制御部２３０は、交点座標が予め決められた基準範囲内である場合、第１テスト結果信号を出力する。第１テスト結果信号は、エンドプレート１２１が所定の設計基準を満たすことを通知するためのものであり得る。段階９３５の後、方法は終了する。

段階９４０において、制御部２３０は、交点座標が基準範囲外である場合、第２テスト結果信号を出力する。第２テスト結果信号は、エンドプレート１２１が所定の設計基準を満たさないことを通知するためのものであり得る。

段階９４５において、制御部２３０は、第１パラメータ及び第３パラメータの少なくとも一つを調整する。この際、第１パラメータまたは第３パラメータの増減量は、交点と基準範囲との関係から制御部２３０によって決定され得る。 段階９４５で第１パラメータが調整された場合、方法は段階９１０に戻る。一方、第３パラメータのみが調整された場合、制御部２３０は、段階９１０でなく段階９１５に戻る。

以上で説明した本発明の実施例は、必ずしも装置及び方法を通じて具現されることではなく、本発明の実施例の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じて具現され得、このような具現は、本発明が属する技術分野における専門家であれば、前述した実施例の記載から容易に具現できるはずである。

以上、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ず、本発明の属する技術分野における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。

また、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述した実施例及び添付された図面によって限定されず、多様な変形のために各実施例の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成され得る。

Claims (10)

1. バッテリーモジュールに装着されるエンドプレートをテストするための装置であって、
   前記バッテリーモジュールに含まれたバッテリーセルの個数を示す第１パラメータ、バッテリーセルのスプリング定数を示す第２パラメータ及び前記エンドプレートのスプリング定数を示す第３パラメータを保存するメモリ部と、
   前記第１パラメータに基づいて前記バッテリーモジュールに関わる一次元モデルを生成し、前記第２パラメータ、前記第３パラメータ及び前記一次元モデルに基づいて第１Ｆ−Ｄカーブを算出し、前記第１Ｆ−Ｄカーブを示す第１基準データを前記メモリ部に保存する制御部と、を含み、
   前記第１Ｆ−Ｄカーブは、前記第１パラメータが示す個数のバッテリーセルによる前記エンドプレートの変形量と荷重との関係に対応する、エンドプレートテスト装置。
2. 前記一次元モデルは、
   前記第１パラメータが示す個数のバッテリーセルが順次積層された電池積層体の前面及び後面が、前記エンドプレートによって支持される構造を模写する、請求項１に記載のエンドプレートテスト装置。
3. 前記制御部は、
   ＜数学式１＞
   

   

   前記数学式１を用いて、前記一次元モデルの等価スプリング定数を算出し、
   Ｋｅｑが前記等価スプリング定数であり、ｎが前記バッテリーセルの個数であり、Ｋ１が前記バッテリーセルのスプリング定数であり、Ｋ２が前記エンドプレートのスプリング定数である、請求項２に記載のエンドプレートテスト装置。
4. 前記制御部は、
   ＜数学式２＞
   

   

   前記数学式２を用いて、前記第１Ｆ−Ｄカーブを算出し、
   Ｆが前記エンドプレートに印加される荷重であり、Δｘ_ｃが前記バッテリーセルの変形量であり、Δｘ_ｅが前記エンドプレートの変形量である、請求項３に記載のエンドプレートテスト装置。
5. 前記メモリ部が、
   第２Ｆ−Ｄカーブを示す第２基準データをさらに保存し、
   前記制御部が、
   前記第１パラメータ及び前記第２Ｆ−Ｄカーブに基づいて第３Ｆ−Ｄカーブを算出し、
   前記第２Ｆ−Ｄカーブが、前記バッテリーセルの変形量と反力との関係に対応し、
   前記第３Ｆ−Ｄカーブが、前記電池積層体の変形量と反力との関係に対応する、請求項４に記載のエンドプレートテスト装置。
6. 前記制御部が、
   前記第１Ｆ−Ｄカーブと前記第３Ｆ−Ｄカーブとの交点座標を算出し、
   前記交点座標に基づいて前記第１パラメータが示す個数のバッテリーセルのスウェリングによる前記エンドプレートの変形量及び荷重を決定する、請求項５に記載のエンドプレートテスト装置。
7. 前記制御部が、
   前記交点座標が予め決められた基準範囲内である場合、第１テスト結果信号を出力し、
   前記第１テスト結果信号は、前記エンドプレートが所定の設計基準を満たすことを通知するためのものである、請求項６に記載のエンドプレートテスト装置。
8. 前記制御部が、
   前記交点座標が予め決められた基準範囲外である場合、第２テスト結果信号を出力し、
   前記第２テスト結果信号は、前記エンドプレートが所定の設計基準を満たさないことを通知するためのものである、請求項６に記載のエンドプレートテスト装置。
9. 前記制御部は、
   前記交点座標が予め決められた基準範囲外である場合、前記第１パラメータを調整する、請求項６に記載のエンドプレートテスト装置。
10. 前記制御部は、
    前記交点座標が予め決められた基準範囲外である場合、前記第３パラメータを調整する、請求項６に記載のエンドプレートテスト装置。

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