KR101777903B1 - 이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법에 관한 것으로서, 일측에 카트리지 삽입홀에 형성된 지그와; 상기 삽입홀에 장착되고 네일이 관통될 수 있는 네일 관통 홀이 형성된 카트리지를 포함하며, 상기 네일 관통 홀의 지름이 서로 다른 상기 카트리지가 복수 개가 구비되어 상기 삽입홀에 선택적으로 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래 대비 다양한 지름의 네일을 이용하여 이차전지 관통 시험을 할 수 있다.

Description

이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법{Apparatus And Method For Penetration Test Of Secondary Battery}

본 발명은 이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 다양한 지름의 네일을 이용하여 이차전지 관통 시험을 할 수 있는 이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법에 관한 것이다.

모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 대표적으로 전지의 형상 면에서는 각형이나 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도와 단위 시간 당 방전 용량이 높은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 이차전지의 안전성을 향상시키는데 잇다. 리튬 이차전지는 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열로 인해 전해질 분해 반응과 열폭주 현상이 발생할 경우, 전지 내부의 압력이 급격히 상승하여 전지의 폭발이 유발될 수 있다. 특히, 리튬 이차전지의 내부 단락은 네일과 같이 날카로운 물체가 이차전지의 외부케이스를 뚫고서 내부의 전극판을 관통하는 직접적인 충격에 의해서 일어날 수 있다. 이 때 단락된 양극판과 음극판에서는 각 전극판에 저장되어 있던 높은 전기 에너지가 순식간에 도전되므로 과충전이나 과방전과 같은 다른 안전 사고와 달리 폭발의 위험이 높다. 폭발은 단순히 이차전지가 파손되는 것 이외에 사용자에게 치명적인 피해를 가할 수 있으므로 이차전지 설계자는 단락에 의한 폭발 현상으로부터 안전성을 확보할 수 있도록 이차전지를 개발할 필요가 있다.

이에 따라 이차전지는 내부 단락으로 인한 폭발 방지 설계가 얼마나 잘 이루어졌는지 평가하기 위하여 다양한 안전성 평가 시험을 거치게 된다. 이차전지 안전성 평가를 위한 시험들 중, 이차전지 관통 시험은 네일이 이차전지를 관통하여 내부 단락을 유발한 후 안전성이 보증될 수 있는지를 확인하는 시험이다.

도 1은 이러한 종래 이차전지 관통 시험 장치를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 이차전지 관통 시험 장치는 챔버(110)와, 챔버(110) 내부에 마련되며 이차전지가 안착되기 위한 안착부(130)와, 안착부(130)에 연직방향으로 마련되고 상승 및 하강 이동이 가능하게 마련되는 지그와(120), 지그(120)와 연결되어 지그(120)의 하강 시 함께 하강하여 이차전지를 관통하는 네일(140)과, 이차전지를 센싱하기 위한 센서(미도시)를 포함한다.

상기와 같이 마련되는 종래 이차전지 관통 시험 장치를 이용한 이차전지 관통 시험은, 우선 챔버(110) 내부의 안착부(130)에 시험하고자 하는 이차전지를 안착시킨다. 이후, 네일(140)이 이차전지를 관통할 때까지 지그(120)를 하강시킨 후, 다시 상승시킨다. 이차전지는 네일(140)에 의한 관통에 따라 내부 단락이 발생하고, 이에 따른 발열에 기초한 이차전지의 온도 및 전압의 변화를 센서(미도시)를 이용하여 측정한다.

그러나, 종래 이차전지 관통 시험 장치는 지그(120)와 네일(140)이 서로 고정되어 있다. 이에, 이차전지 관통 시험에 있어 단일 지름의 네일(140)로 관통 시험이 수행됨에 따라 한정된 조건에서의 평가에 국한되어 있다. 이차전지는 다양한 제품 군에 적용되어 다양한 환경에서 사용된다. 그런데 종래 이차전지 관통 시험은 동일한 조건의 관통 평가 시험만을 정의하고 있으므로 다변하는 이차전지의 사용 환경을 고려한 실질적인 평가가 가능한 시험 장치 및 방법을 제시하고 있다고 볼 수 없다.

이에 따라 네일을 이용한 이차전지 관통 시험 시, 다양한 네일을 관통시켜 그에 따른 이차전지의 저항 증가 정도와 발열 정도를 평가할 수 있는 관통 시험 장치 및 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다양한 지름의 네일을 이용하여 이차전지 관통 시험을 할 수 있는 이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치는, 일측에 카트리지 삽입홀에 형성된 지그와; 상기 삽입홀에 장착되고 네일이 관통될 수 있는 네일 관통 홀이 형성된 카트리지를 포함하며, 상기 네일 관통 홀의 지름이 서로 다른 상기 카트리지가 복수 개가 구비되어 상기 삽입홀에 선택적으로 장착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 카트리지는 상기 네일 관통 홀이 형성됨에 따라 원통형으로 구비되며 상기 삽입홀에 삽입되는 카트리지 몸체와, 상기 카트리지 몸체 상부로부터 연장 형성되고 상기 지그에 밀착되어 상기 카트리지 몸체를 지지하는 카트리지 날개를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 네일 관통 홀은 2 ~ 10mm 의 지름으로 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 지그는 상기 카트리지 삽입 홀이 일측에 형성되는 몸체와, 상기 몸체의 양측과 연결되어 상기 몸체를 연직 방향으로 지지하는 다리를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 다리는 상기 몸체에 착탈 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 몸체는 상기 다리에 높낮이가 조절되며 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 다리의 끝단에 연결되어 상기 이차전지를 양측으로 가압하여 고정하는 고정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 고정부는 상기 다리와 착탈 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 이차전지가 안착되기 위한 안착부를 더 포함하며, 상기 안착부에 상기 이차전지와 연직 방향으로 상기 지그가 장착되고, 상기 안착부에는 상기 지그로부터 하강한 상기 네일이 상기 이차전지를 완전 관통하여 삽입되는 관통 홀이 마련되는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법에 따르면, 다양한 지름의 네일을 이용하여 이차전지 관통 시험을 할 수 있다.

도 1은 종래 이차전지 관통 시험 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 카트리지를 측면에서 바라본 모습을 도시한 도면.
도 4는 도 2의 카트리지를 위에서 바라본 모습을 도시한 도면.
도 5는 도 2의 카트리지를 아래에서 바라본 모습을 도시한 도면.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 관통 시험 장치를 도시한 도면.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지 관통 시험 장치를 도시한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 관통 시험 방법의 순서를 도시한 도면.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치 및 관통 시험 방법에 대하여 상세히 설명한다. 우선 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치를 설명한 후, 관통 시험 방법에 대하여 후술하도록 한다.

<관통 시험 장치>

도 2는 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치는, 일측에 카트리지 삽입 홀(21)에 형성된 지그(20)와; 카트리지 삽입 홀(21)에 장착되고, 네일(40) 관통 홀(31)이 형성된 카트리지(10)를 포함한다.

지그(20)는 카트리지 삽입 홀(21)이 일측에 형성되는 몸체(25)와, 몸체(25)의 양측 끝단에 연결되어 몸체(25)를 연직 방향으로 지지하는 다리(27)를 포함한다. 몸체(25)와 다리(27)는 일체로 마련되거나 착탈 가능하게 마련될 수 있다. 다리(27)는 지그(20)의 양측 끝단과 각각 연결되고, 두 개의 다리(27)는 서로 마주보도록 마련된다. 이에, 몸체(25)와 연결되는 두 개의 다리(27) 사이에 시험대상인 이차전지가 안착될 수 있다.

몸체(25)에 관통 형성된 카트리지 삽입 홀(21)에는 카트리지(10)가 착탈 가능하게 장착된다. 도 3 내지 도 5는 카트리지를 측면에서 바라본 모습, 위에서 바라본 모습, 아래에서 바라본 모습을 각각 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 카트리지(10)는 네일 관통 홀(11)이 형성된 카트리지 몸체(13)와, 카트리지(10)가 지그(20)에 장착될 때, 카트리지(10) 전체를 지지하는 카트리지 날개(15)를 포함한다.

카트리지 몸체(13)는 중앙에 네일 관통 홀(11)이 형성됨으로써 원통형 형상으로 구비된다. 네일 관통 홀(11)은 네일(40)이 삽입되기 위한 홀로, 카트리지 몸체(13)는 삽입되는 네일(40)이 지그(20) 아래 장착된 이차전지를 향하도록 가이드한다. 네일 관통 홀(11)은 삽입되는 네일(40)의 지름과 대응되는 지름으로 형성된다.

한편, 다양한 지름의 네일(40)이 관통 가능하도록, 카트리지(10)는 복수 개가 구비되되 각 네일 관통 홀(11)의 지름은 서로 다르다. 즉, 복수 개의 카트리지(10) 각각의 카트리지 몸체(13)는 동일한 크기와 형상으로 마련되고, 카트리지 몸체(13)의 네일 관통 홀(11)의 크기만 변화된다. 이에, 몸체(25)의 카트리지 삽입 홀(21)에 원하는 지름의 네일 관통 홀(11)이 형성된 카트리지(10)를 선택적으로 장착할 수 있다. 복수 개의 카트리지(10)의 네일 관통 홀(11)은 각각 2 ~ 10mm의 지름으로 마련되는 것이 바람직하다. 이에 따라 2 ~ 10mm 지름을 갖는 다양한 네일(40)이 이차전지를 관통하기 위하여 지그(20)에 장착될 수 있다.

카트리지 날개(15)는 카트리지 몸체(13) 상부에 마련되며, 원통형 형상으로 구비되는 카트리지 몸체(13) 전체의 지름보다 큰 지름으로 마련된다. 이에 지그(20)의 카트리지 삽입 홀(21)로 카트리지(10)의 삽입 시, 카트리지 몸체(13)는 카트리지 삽입 홀(21)을 통과하여 삽입되고 카트리지 날개(15)는 카트리지 삽입 홀(21)을 통과하지 못하고 몸체(25)에 걸려 몸체(25) 면에 밀착하여 카트리지(10) 전체를 몸체(25)에 장착되도록 지지한다.

한편, 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치는 별도의 챔버가 마련되지 않고, 시험 대상인 이차전지의 상부에 지그(20)를 정렬시킨 후 네일(40)을 이용하여 이차전지 관통 시험을 진행할 수 있으므로, 시험 대상 이차전지의 크기에 관계없이 단위 셀(1) 및 이차전지 모듈(5) 모두 시험할 수 있다.

상기와 같이 마련되는 본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 장치는 형상에 따라 실시예를 구분할 수 있다. 이하에서는 형상에 따라 구분한 각 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

-제1 실시예-

도 2 및 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차전지 관통 시험 장치는 지그(20)의 몸체(25)와 다리(27)가 일체로 구비된다. 이에, 시험 대상인 이차전지를 지그(20) 아래에 안착시켜 원하는 지름의 네일 관통 홀(21)이 형성된 카트리지(10)를 지그(20)에 장착하여 관통 시험을 진행할 수 있다.

-제2 실시예-

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차전지 관통 시험 장치는 지그(20)의 몸체(25)와 다리(27)가 착탈 가능하게 구비된다. 또한, 관통 시험의 대상인 이차전지가 안착되기 위한 안착부(30)가 더 마련될 수 있다.

다리(27)는 몸체(25)의 양측 끝단에 각각 착탈 가능하게 연결되며, 다리(27)의 끝단에는 고정부(23)가 연결되어 있다. 고정부(23)는 이차전지를 양측으로 가압하여 고정함과 동시에, 지그(20)를 안착부(30)에 연결하기 위한 것으로, 고정부(23)는 다리(27)와 착탈 가능하게 연결되는 것이 바람직하다. 고정부(23)는 다리(27)의 끝단에 연결되므로, 몸체(25)와 연결되는 두 개의 다리(27) 사이의 너비에 따라서 고정부(23) 사이의 간격도 조절된다. 이를 위하여 몸체(25)에는 다리(27)를 고정하기 위한 다리 고정 홀(53)이 형성되어 있다. 다리 고정 홀(53)은 몸체(25)에 다리(27)를 연결하기 위한 홀로, 다리(27)를 연결하고자 하는 위치의 다리 고정 홀(53)과 대응되도록 위치시킨 후 다리 고정 홀(53)에 볼트와 같은 연결부재(미도시)를 삽입하여 조립함으로써 몸체(25)에 다리(27)를 고정시킨다. 도 에 도시된 바와 같이, 다리 고정 홀(53)은 양측 다리(27) 사이의 간격을 조절할 수 있도록 다리(27)가 연결되는 몸체(25)의 양측 끝단을 연결하는 선을 따라 복수 개가 일정하게 정렬되도록 형성된다. 이에, 몸체(25)와 다리(27)가 연결되는 위치를 조절함으로써 다리(27) 사이의 간격 및 고정부(23) 사이의 간격을 조절할 수 있다.

이와 함께, 몸체(25)와 다리(27)는 높낮이가 조절되며 서로 연결될 수 있다. 이를 위하여 다리(27)에는 높낮이 조절을 위하여 예를 들면 높이 방향을 따라 복수 개의 단턱(미도시)과 같은 부재가 마련된다. 이에, 다리(27)의 단턱(미도시)에 몸체(25)가 안착되어 연결될 때 높낮이를 조절할 수 있다.

한편, 고정부(23)에는 지그(20)와 안착부(30)의 연결을 위한 지그 고정 홀(51)이 복수 개 형성된다. 지그 고정 홀(51)은 후술할 안착부(30)의 지그 안착 홀(59)에 대응되도록 위치시킨 후, 지그 고정 홀(51)과 지그 안착 홀(59)에 볼트와 같은 연결부재(미도시)를 삽입하여 조립함으로써 지그(20)와 안착부(30)를 고정시킬 수 있다.

안착부(30)는 관통 시험의 대상인 이차전지가 안착되기 위한 곳이며, 지그(20)가 착탈 가능하게 장착된다. 안착부(30)에는 지그(20)를 고정하기 위한 지그 안착 홀(59)이 복수 개 형성되어 있다. 지그 안착 홀(59)은 지그(20)의 다리(27) 사이의 너비 방향을 따라 복수 개가 일정한 정렬을 이루도록 형성된다. 지그 안착 홀(59)은 고정부(23)의 지그 고정 홀(51)과 대응되도록 형성되어, 지그 고정 홀(51)과 지그 안착 홀(59)을 관통하도록 연결부재(미도시)를 삽입하여 지그(20)를 안착부(30)에 착탈 가능하게 연결시킨다.

한편, 이와 같은 안착부(30)의 일측에는 네일(40)이 완전 관통하는 것을 대비한 관통 홀(31)이 마련된다. 관통 홀(31)은 네일(40)이 지그(20)로부터 하강하여 시험 대상인 이차전지를 완전 관통한 후 위치하는 곳으로, 네일(40)이 하강하여 이차전지의 바닥면까지 확실하게 완전 관통하도록 할 수 있다.

<관통 시험 방법>

본 발명에 따른 이차전지 관통 시험 방법은 도 11에 도시된 바와 같이, 지그 정렬 단계(S1), 카트리지 장착 단계(S2), 네일 하강 단계(S3), 센싱 단계(S4) 및 네일 상승 단계(S5)를 포함한다.

지그 정렬 단계(S1)는 관통 시험 대상인 이차전지와 연직 방향으로 이차전지 관통 시험 장치의 지그(20)를 정렬하는 단계이다. 지그 정렬 단계(S1)는 안착부(30)를 향해 네일(40)이 하강하여 관통 시험 대상인 이차전지를 관통할 수 있도록 지그(20)를 정렬시킨 후 안착부(30)와 고정시킨다.

카트리지 장착 단계(S2)는 지그(20)에 형성된 카트리지 삽입 홀(21)에 원하는 지름의 네일 관통 홀(11)이 형성된 카트리지(10)를 장착하는 단계이다. 카트리지(10)는 복수 개 구비되며, 각 네일 관통 홀(11)의 지름은 서로 다르게 구비된다. 이에, 이차전지 관통 시험 시, 관통시키고자 하는 네일(40)의 지름과 대응되는 지름의 네일 관통 홀(11)이 형성된 카트리지(10)를 지그(20)의 카트리지 삽입 홀(21)에 선택적으로 장착함으로써, 다양한 지름의 네일(40)을 이용하여 관통 시험을 할 수 있다.

네일 하강 단계(S3)는 네일(40)이 네일 관통 홀(11)을 통하여 지그(20)의 아래에 위치한 이차전지로 하강하는 단계이다. 네일 하강 단계(S3) 시, 네일(40)은 이차전지가 안착된 안착부(30)에 형성된 관통 홀(31)까지 하강하여, 시험 대상인 이차전지를 완전 관통하도록 한다.

센싱 단계(S4)는 네일(40)이 이차전지를 관통함에 따라 변화하는 이차전지의 상태를 센서(미도시)를 이용하여 센싱하는 단계이다. 특히, 이차전지의 전압 및 온도 변화를 센싱함으로써 이차전지의 저항 증가 증도 및 발열 가능성에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이 때, 네일(40)은 여전히 이차전지를 관통한 상태를 유지하며 센서(미도시)를 이용하여 이차전지의 전압 및 온도 변화를 실시간으로 센싱한다.

네일 상승 단계(S5)는 이차전지의 상태 변화 센싱이 완료된 후, 네일(40)이 카느리지(10)의 네일 관통 홀(11)을 통과하며 상승하는 단계이다. 즉, 네일(40)이 이차전지를 관통함에 따라 변화하는 이차전지의 상태의 센싱이 모두 완료된 후 네일(40)은 이차전지를 관통하여 다시 상승하여 이차전지 관통 시험이 완료된다.

전술된 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 카트리지
11: 네일 관통 홀
20: 지그
40: 네일

Claims (15)

1. 일측에 카트리지 삽입홀이 형성된 지그와;
   상기 삽입홀에 삽입되며 네일이 관통될 수 있는 관통 홀이 형성된 원통형의 카트리지 몸체와, 상기 카트리지 몸체 상부로부터 연장 형성되고 상기 지그에 밀착되어 상기 카트리지 몸체를 지지하는 카트리지 날개를 포함하는 카트리지를 포함하며,
   상기 네일 관통 홀의 지름이 서로 다른 상기 카트리지가 복수 개가 구비되어 상기 삽입홀에 선택적으로 장착되는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 네일 관통 홀은 2 ~ 10mm 의 지름으로 마련되는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 지그는 상기 카트리지 삽입 홀이 일측에 형성되는 몸체와,
   상기 몸체의 양측과 연결되어 상기 몸체를 연직 방향으로 지지하는 다리를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 다리는 상기 몸체에 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 몸체는 상기 다리에 높낮이가 조절되며 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 다리의 끝단에 연결되어 상기 이차전지를 양측으로 가압하여 고정하는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 고정부는 상기 다리와 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 이차전지가 안착되기 위한 안착부를 더 포함하며,
   상기 안착부에 상기 이차전지와 연직 방향으로 상기 지그가 장착되고,
   상기 안착부에는 상기 지그로부터 하강한 상기 네일이 상기 이차전지를 완전 관통하여 삽입되는 관통 홀이 마련되는 것을 특징으로 하는 이차전지 관통 시험 장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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