KR101802002B1 - 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템 및 그 방법 - Google Patents

이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 이차전지의 저전압 불량을 조기에 감지할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템은 이차전지의 포메이션 공정 후 에이징 공정 시작점과 안정화 공정의 종료점에서 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 에이징 공정 시작점에서 상기 안정화 공정의 종료점의 제 1 전압 변화값을 산출하는 전압 변화값 산출부; 및 상기 제 1 전압 변화값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지 판단하는 불량 판단부; 상기 불량 판단부에서 판단한 결과를 기준으로 전체 셀의 제 1 불량률을 산출하는 불량률 산출부; 및 상기 제 1 불량률과 미리 정한 기준 불량률을 비교하여 최종 불량률을 예측하는 불량률 예측부를 포함할 수 있다.

Description

이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템 및 그 방법{System for early checking a fail rate by low voltage in a secondary battery and method thereof}
본 발명은 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 이차전지의 저전압 불량을 조기에 감지할 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬이차전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연 기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 전기자동차(EV) 등이 제시되고 있는데, 리튬 이차전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 형성되어 상기 양극과 음극을 절연하는 분리막을 포함하는 전극 조립체를 구비하며, 에이징(aging) 공정과 포메이션(formation) 공정을 수행하여 형성되는데, 공정중에 다양한 원인에 의해 불량이 발생하는 경우가 많아 이러한 불량을 미리 감지하고 빨리 대응하는 것이 중요하다.
본 발명의 목적은 이차전지의 저전압 불량률을 조기에 예측할 수 있는 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템은 이차전지의 포메이션 공정 후 에이징 공정 시작점과 안정화 공정의 종료점에서 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 에이징 공정 시작점에서 상기 안정화 공정의 종료점의 제 1 전압 변화값을 산출하는 전압 변화값 산출부; 및 상기 제 1 전압 변화값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지 판단하는 불량 판단부; 상기 불량 판단부에서 판단한 결과를 기준으로 전체 셀의 제 1 불량률을 산출하는 불량률 산출부; 및 상기 제 1 불량률과 미리 정한 기준 불량률을 비교하여 최종 불량률을 예측하는 불량률 예측부를 포함할 수 있다.
본 기술은 이차전지의 저전압 불량률을 조기에 예측하여 불량 원인을 파악하고 대응하도록 함으로써 불량에 따른 리스크(Risk)를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 저전압 불량률 감지 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 저전압 불량률 감지 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2의 제 1 저전압 선별 단계를 구체화한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 이차전지의 저전압 불량률 감지 방법을 설명하기 위해 이차전지 공정 구간을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 저전압 불량률 감지시스템 및 그 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 저전압 불량률 감지시스템의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 이차전지의 저전압 불량률 감지시스템은 이차전지 공정 제어부(110), 전압 측정부(120), 전압값 저장부(130), 전압 변화값 산출부(140), 불량 판단부(150), 기준값 저장부(160), 불량률 산출부(170), 불량률 저장부(180), 및 불량률 예측부(190)를 포함한다.
이차전지 공정 제어부(110)는 이차전지의 공정 전반에 대해 제어를 수행한다. 즉, 이차전지 공정 제어부(110)는 미리 정한 공정 레시피에 따라 공정이 수행하도록 제어한다. 이때, 공정은 도 4에 도시된 바와 같이, 1차 에이징 공정, 2차 에이징 공정, 포메이션 공정, 3차 에이징 공정, 안정화 공정의 순으로 수행된다. 에이징 공정은 일정온도 및 일정 습도로 이루어질 수 있으며 그 기간은 0.5일 내지 2일일 수 있다. 포메이션 공정은 이차전지의 수명의 안정성을 확보하기 위하여 진행하게 되며, 이차 전지를 대상으로 반충전 또는 만충전, 반방전 또는 완전 방전을 1회 이상 반복적으로 수행하는 방법에 의하여 진행된다.
전압 측정부(120)는 이차전지 공정 제어부(110)의 제어하에 포메이션 공정 후 에이징 공정의 시작점과 안정화 공정의 종료점에서 이차전지의 전압값을 측정한다.
전압값 저장부(130)는 전압 측정부(120)에서 측정된 이차전지의 전압값을 저장한다.
전압 변화값 산출부(140)는 전압 측정부(120)에서 측정된 포메이션 공정 후 에이징 공정의 시작점의 전압값과 안정화 공정의 종료점의 전압값을 비교하여 전압 변화값을 산출한다. 즉 전압 변화값 산출부(140)는 에이징 공정의 시작점의 전압값과 안정화 공정의 종료점(제 1 저전압 선별구간)의 전압값을 비교하여 제 1 전압 변화값을 산출하고, 안정화 공정 이후(제 2 저전압 선별구간)의 제 2 전압 변화값을 산출한다. 이때, 제 2 전압 변화값은 저전압 선별에 바로 이용되는 것이 아니고 제 1 전압 변화값과의 비율정보로 환산되어 추후 제 1 전압 변화값만으로 제 2 전압 변화값을 추정할 수 있도록 한다.
불량 판단부(150)는 제 1 전압 변화값 및 제 2 전압 변화값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지를 판단하여 만족하는 경우 정상으로 판단하고 기준값의 범위를 만족하지 않는 경우 불량으로 판단한다.
기준값 저장부(160)는 불량을 판단하기 위한 기준값을 저장한다. 이때, 기준값은 실험을 통해 구해질 수 있으며, 상기 전압 변화값 산출부(140)에서 저전압 조기선별을 위해 포메이션 공정 후 에이징 공정의 시작점과 안정화 공정의 종료점까지의 변화된 전압 변화값과 안정화 공정 후의 전압 변화값의 비율을 실험치로 환산하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 포메이션 공정 후 에이징 공정의 시작점과 안정화 공정의 종료점까지(1차 저전압 선별구간)의 변화된 전압 변화값이 2V이고 안정화 공정 후(2차 저전압 선별구간)의 전압 변화값이 8V인 경우 포메이션 공정 후 에이징 공정의 시작점과 안정화 공정의 종료점까지의 변화된 전압 변화값과 안정화 공정 후의 전압 변화값의 비율이 1:4가 된다. 이에, 기준값 저장부(160)는 1차 저전압 선별구간과 2차 저전압 선별구간의 전압 변화값의 비율이 저장하고, 2차 저전압 선별구간에서 불량으로 판단하는 전압 변화값을 저장한다.
이에, 비율이 1:4이고, 2차 저전압 선별구간에서 불량으로 판단하는 전압 변화값이 14V 이상으로 정한 경우, 1차 저전압 선별구간에서의 전압 변화값이 4V로 측정된 경우 2차 저전압 선별구간에서 4V의 4배인 16V가 될 것으로 예측할 수 있고 16V는 기준값인 14V보다 크므로 불량으로 판단할 수 있다.
한편, 불량률 산출부(170)는 불량 판단부(150)에서 단위 셀에 대해 판단한 불량에 대한 결과들을 이용하여 복수개의 셀 전체에 대한 불량률을 산출한다. 예를 들어, 전체 셀이 100개인데 저전압 불량으로 선별된 셀이 30개인 경우 불량률은 30%가 된다.
불량률 저장부(180)는 불량 판단부(150)에서 판단한 단위 셀별 불량 판단 결과, 불량률 산출부(170)에서 산출한 불량률 데이터, 기준 불량률을 저장한다. 이때, 기준 불량률은 도 4에서 제 2 저전압 선별구간에서의 불량률과 제 1 저전압 선별구간에서의 불량률의 비율을 포함한다.
불량률 예측부(190)는 불량률 산출부(170)에서 산출한 제 1 저전압 선별구간에서의 불량률과 불량률 저장부(180)에 저장되어 있는 기준 불량률을 매칭하여 최종 불량률을 예측한다.
예를 들어, 제 1 저전압 선별구간에서 불량률이 0.25%인 경우 제 2 저전압 선별구간에서 불량률이 0.8%인 경우 제 1 저전압 선별구간과 제 2 저전압 선별구간의 불량률의 비율이 1:4가 된다. 이에, 불량예측부(190)는 불량률 산출부(170)에서 산출한 제 1 저전압 선별구간에서의 불량률이 0.3%이면 최종 불량률이 4배수인 1.2%가 될 것으로 예측하고 불량률이 높으므로 그에 따른 대처를 할 수 있도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 제조 공정이 완료되는 안정화 공정 후가 아닌 에이징 공정과 안정화 공정 사이에서 저전압 선별을 하여 미리 불량을 예측하고, 불량이 예측된 모든 단위셀들에 대한 불량률을 산출하여 최종 불량률을 예측할수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하여, 이차전지의 저전압 불량률 감지방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 이차전지는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판의 전기적 절연을 위하여 물리적인 이격 공간을 형성하기 위한 분리막 또는 세퍼레이터(separator) 등으로 이루어진 구조체를 이루며, 실시형태에 따라 추가적인 구성이 채용될 수 있다. 이러한 구조체를 형성한 이차전지에 전해액을 주입하고 케이스 외장재를 소정의 방법으로 실링하게 되면 기본적인 이차전지 구조가 형성된다. 이때, 전해액은 양극 활물질로부터 나온 리튬 이온이 음극활물질, 예를 들어 카본 입자 내에 삽입되고 방전시 다시 탈리되는 등 양 전극을 왕복하면서 에너지를 전달할 수 있도록 하는 매개체로서의 기능을 수행하게 된다.
그 후, 전해액의 함침이나 성능의 안정화를 위하여 일정 온도 환경에서 상기 공정이 완료된 이차 전지를 노출시키는 1차, 2차 (Aging) 공정을 순차적으로 수행한다(S110). 1차 에이징 공정은 상온에서 2일간 수행될 수 있고 2차 에이징 공정은 고온에서 1일간 수행될 수 있으며, 상온에서의 에이징 공정을 추가할 수도 있다.
이어서, 이차 전지를 대상으로 포메이션(formation)공정을 진행하게 되는데, 포메이션 공정은 전지로서의 기능 활성화를 실현하며, 수명의 안정성을 확보하기 위하여 진행하게 되며, 이차 전지를 대상으로 반충전 또는 만충전, 반방전 또는 완전 방전을 1회 이상 반복적으로 수행하는 방법에 의하여 진행된다(S120).
그 후, 일정 온도와 습도 환경에 노출시키는 3차 에이징 공정을 수행한다(S130). 이때, 3차 에이징 공정은 고온에서 2일간 진행하는 것이 바람직하다.
실시형태에 따라서 에이징 공정은 포메이션 공정 전과 후에 걸쳐 실시될 수 있으며, 포메이션 공정 이전에만 제한적으로 실시될 수도 있다.
상기 에이징은 균일 함침, 수명 특성, 전지 팽창률 억제 등과 같이 여러 가지 실효성의 확보를 위하여 고온 환경에서 진행되는 것이 일반적이며, 60도 이상에서 진행되는 경우 분리막에 코팅된 폴리머 등이 변성되어 충방전 등의 전지 성능에 영향을 줄 수 있으므로 상온에서 60도 이하의 온도 범위에서 에이징 공정이 진행되는 것이 바람직하다.
그 후, 이차전지의 전압 레벨을 안정화시키는 안정화 공정을 수행한다(S140). 이때 안정화 공정은 0.5일간 수행할 수 있다.
이때, 불량 판단부(150)는 3차 에이징 공정 및 안정화 공정 구간에서 제 1 저전압 선별을 수행하고 그 결과를 저장한다(S150). 제 1 저전압 선별구간은 도 4에서 A-B 구간이다. 이어서, 불랑률 산출부(170)는 저장된 제 1 저전압 선별 구간의 저전압 선별 결과를 이용하여 전체 셀에 대한 제 1 불량률을 산출하고 저장한다(S160).
그 후, 불량률 예측부(190)는 제 1 저전압 선별구간에서의 제 1 불량률을 통해 최종 불량률을 미리 예측한다(S170).
그 후, 불량 판단부(150)는 안정화 공정 종료 후 제 2 저전압 선별을 수행하고 결과를 저장한다(S180). 제 2 저전압 선별구간은 도 4에서 B-C 구간이다. 이때, 제 2 저전압 선별을 수행하는 과정은 최종 불량여부를 판단하는 것으로 본 발명에서는 제 1 저전압 선별 구간에서 미리 저전압 불량을 선별하지만 기준값에 대한 실험치를 얻기 위해 제 2 저전압 선별과정을 수행하는 것이 바람직하다.
이어서, 불량 예측부(190)는 제 2 저전압 선별과정에서 산출된 결과를 이용하여 모든 셀에 대한 제 2 불량률을 산출하고 저장한다(S190). 본 발명에서는 제 1 저전압 선별 구간에서 미리 제 1 불량률을 산출하여 최종 불량률(제 2 불량률)을 예측하므로 제 2 불량률 산출을 하지 않아도 되나, 제 1 저전압 선별 구간에서의 불량률과 제 2 저전압 선별 구간에서의 불량률에 대한 비율값을 실험치로 얻기 위해 제 2 불량률을 산출하는 것이 바람직하다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 도 2의 제 1 저전압 선별을 수행하는 단계(S150)을 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저 전압 측정부(120)는 3차 에이징 공정 시작점(도 4에서 A)에서 이차전지에 대해 제 1 전압을 측정한 후 그 결과를 저장한다(S151).
그 후 전압 측정부(120)는 안정화 공정 종료점(도 4에서 B)에서 제 2 전압을 측정하고 저장한다(S152).
이어서, 전압 변화값 산출부(130)는 제 1 전압과 제 2 전압의 전압차를 산출하여 전압 변화값을 산출한다(S153).
그 후 불량 판단부(150)는 산출된 전압 변화값이 미리 정한 기준값을 만족하는지를 판단하여(S154), 기준값을 만족하는 경우에는 정상으로 판단하고(S155), 기준값을 만족하지 않는 경우에는 불량으로 판단한다(S156).
이와 같이, 본 발명은 제조 공정이 완료되는 안정화 공정 후가 아닌 에이징 공정과 안정화 공정 사이에서 저전압 선별을 미리 하여 조기에 불량을 예측할 수 있어, 조기에 불량에 대응할 수 있어 불량 위험도를 감소시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110 : 이차전지 공정 제어부
120 : 전압 측정부
130 : 전압값 저장부
140 : 전압 변화값 산출부
150 : 불량 판단부
160 : 기준값 저장부
170 : 불량률 산출부
180 : 불량률 저장부
190 : 불량률 예측부

Claims (8)

  1. 이차전지의 포메이션 공정 후 에이징 공정 시작점과 안정화 공정의 종료점(제 1 저전압 선별구간)에서 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 에이징 공정 시작점에서 상기 안정화 공정의 종료점까지(제 1 저전압 선별구간)의 제 1 전압 변화값을 산출하고 상기 안정화 공정 종료점 이후(제 2 저전압 선별 구간)의 제 2 전압 변화값을 산출하는 전압 변화값 산출부; 및
    상기 제 1 전압 변화값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지 판단하고, 상기 제 2 전압변화값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지를 판단하는 불량 판단부;
    상기 불량 판단부에서 판단한 결과를 기준으로 전체 셀에 대해 상기 제 1 저전압 선별구간에서의 제 1 불량률 및 상기 제 2 저전압 선별 구간에서의 제 2 불량율을 산출하는 불량률 산출부;
    상기 제 1 불량률, 상기 제 2 불량률, 및 상기 제 1 불량률과 및 상기 제 2 불량률의 비율인 기준 불량률을 저장하는 불량률 저장부; 및
    상기 제 1 불량률을 미리 정한 기준 불량률에 적용하여 최종 불량률을 예측하는 불량률 예측부
    를 포함하는 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압 측정부에서 측정한 전압값을 저장하는 전압값 저장부; 및
    상기 이차전지의 불량여부를 판단하기 위해 미리 설정된 기준값을 저장하는 기준값 저장부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차전지에 대한 에이징 공정 및 포메이션 공정을 제어하는 이차전지 공정 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 시스템.
  5. 이차전지의 에이징 공정 시작점과 안정화 공정의 종료점(제 1 저전압 선별구간)의 제 1 불량률과 상기 안정화 공정 이후(제 2 저전압 선별구간)의 제 2 불량률의 비율을 기준 불량률로 미리 저장하는 단계;
    상기 이차전지에 대한 1, 2차 에이징 공정, 포메이션 공정을 수행하는 단계;
    상기 포메이션 공정 후 3차 에이징 공정 및 안정화 공정을 순차적으로 수행하는 단계;
    상기 3차 에이징 공정과 상기 안정화 공정 중에 제 1 저전압 불량을 선별하고 그 결과를 저장하는 단계;
    상기 제 1 저전압 선별 불량 결과를 이용하여 제 1 불량률을 산출하는 단계; 및
    상기 제 1 불량률을 상기 기준 불량률에 적용하여 제 2 불량률인 최종 불량률을 예측하는 단계
    를 포함하는 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 안정화 공정 후 미리 정한 구간에서의 전압 변화값을 산출하여 제 2 저전압 불량을 선별하는 단계; 및
    상기 제 2 저전압 불량 선별 결과로부터 제 2 불량률을 산출하여 저장하는 단계를 더 포함하는 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 1 저전압 불량을 선별하는 단계는,
    상기 3차 에이징 공정의 시작점에서 전압값을 측정하는 단계;
    상기 안정화 공정의 종료점에서 전압값을 측정하는 단계;
    상기 3차 에이징 공정의 시작점과 상기 안정화 공정의 종료점 간의 전압 변화값을 산출하는 단계; 및
    상기 전압 변화값이 미리 정한 기준값 범위를 만족하는지 판단하여 상기 제 1 저전압 불량을 선별하는 단계
    를 포함하는 이차전지 저전압 불량률 조기 감지 방법.
  8. 삭제
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