KR101927257B1 - 이차 전지의 못 관통 시험 장치 및 방법 - Google Patents

이차 전지의 못 관통 시험 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 이차 전지의 못 관통 시험 장치 및 그 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 못 관통 시험 장치는, 못 관통 시험의 대상이 되는 이차 전지가 고정되는 스테이지; 상기 이차 전지를 관통시키는 못과 상기 못을 승강 또는 하강시키는 못 승하강 수단을 포함하는 못 관통부; 상기 이차 전지의 전극에 결합되어 못 관통 시험이 진행되는 동안 이차 전지의 단락 전압을 시간 간격을 두고 반복 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부와 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 못 관통부를 제어하여 상기 못을 하강시켜 이차 전지를 관통시키고, 상기 전압 측정부로부터 단락 전압을 주기적으로 입력 받고, 상기 단락 전압이 입력될 때마다 상기 이차 전지를 모델링한 등가 회로에 기초하여 상기 등가 회로의 최외측 노드 사이에 상기 입력된 단락 전압이 형성되도록 하는 단락 전류를 결정하고, 상기 결정된 단락 전류에 대한 값의 변화 양상을 시각적으로 출력한다.

Description

이차 전지의 못 관통 시험 장치 및 방법 {Apparatus of Testing Secondary Battery by Nail Penetration and Method thereof}
본 발명은 이차 전지의 못 관통 시험 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 등가 회로를 이용하여 이차 전지에 못이 관통되었을 때 내부에서 흐르는 단락 전류의 변화 양상을 용이하게 예측할 수 있는 못 관통 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 전기화학적인 산화 및 환원 반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 것으로서, 광범위하게 다양한 용도로 이용된다. 예를 들어, 이차 전지는 휴대 전화, 랩탑 컴퓨터, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 태블릿 컴퓨터, 전동 공구 등과 같이 사람의 손에 휴대할 수 있는 장치; 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 배, 전기 비행기 등과 같은 각종 전기구동 동력 장치; 신재생 에너지를 통해 발전된 전력이나 잉여 발전 전력을 저장하는데 사용되는 전력 저장 장치; 서버 컴퓨터와 통신용 기지국을 비롯한 각종 정보 통신 장치에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 무정전 전원 공급 장치 등에 이르기까지 사용 영역이 점차 확대되고 있다.
이차 전지는 외장재 내에 전극 조립체를 전해질과 함께 밀봉하고 극성이 서로 다른 2개의 전극 단자를 외부에 노출시킨 구조를 가진다. 상기 전극 조립체는 복수의 단위 셀을 포함하고, 단위 셀은 적어도 다공성의 분리막이 개재된 음극판과 양극판을 포함한다. 상기 음극판과 양극판에는 활물질이 코팅되어 있으며, 활물질과 전해질의 전기화학적 반응에 의해 이차 전지가 충전 또는 방전된다.
한편, 이차 전지는 금속 재질의 뽀족한 물체로부터 큰 충격이 가해졌을 때 해당 물체가 외장재를 관통하여 전극 조립체에 포함되어 있는 서로 다른 극성의 전극판들까지 관통할 수 있다. 이 경우, 서로 다른 극성의 전극판들이 금속 물체에 의해 전기적으로 연결되면서 단락 회로가 형성되고, 아주 큰 단락 전류가 금속 물체와 이것을 통해 관통된 전극판들 사이에서 수초 이내에 흐르게 된다. 단락 전류가 흐르면, 전극판들에서 다량의 열이 발생되고 이러한 열에 의해 전해질이 급격하게 분해되면서 다량의 가스가 발생한다. 전해질의 분해 반응은 발열 반응에 해당하기 때문에 못이 관통된 지점을 중심으로 이차 전지의 온도가 국소적으로 급격하게 상승하며, 급기야는 이차 전지가 발화하면서 연소하게 된다.
따라서, 새로운 이차 전지가 개발되면 상용화를 진행하기 전에 못 관통 시험을 통해 이차 전지의 관통 안전성을 검증한다. 못 관통 시험은 이차 전지의 온도와 전압을 측정할 수 있는 시험 장치에 이차 전지를 로딩한 후 미리 준비한 다양한 직경을 가진 뽀족한 금속 못으로 이차 전지를 관통시켜 의도적으로 이차 전지 내부에 단락을 유발한 후 못의 직경과 관통 속도에 따라 이차 전지의 온도나 전압 변화를 측정하고, 이차 전지의 발화 여부를 육안으로 확인해 보는 시험이다.
그런데 종래의 못 관통 시험 장치는 이차 전지가 어떠한 관통 조건에서 발화를 일으시키지 확인하기 위해 상당수의 이차 전지를 불필요하게 파손해야 하는 문제가 있다.
또한, 이차 전지의 발화 메커니즘을 정확하게 규명하기 위해서는 못이 관통된 지점에서 흐르는 단락 전류의 크기 변화를 시간에 따라 측정하여 단락 전류 때문에 생긴 열의 변화를 정량적으로 계산해야 한다.
또한, 관통 지점에서 발생되는 열과 이차 전지의 열 전도 특성을 고려하여 못이 관통된 지점의 온도가 발화 온도까지 급격하게 상승될 수 있는지 여부를 열역학적으로 해석해 볼 필요가 있다.
하지만, 단락 전류는 못이 관통된 지점을 통해서 이차 전지 내부에서 아주 짧은 시간 동안만 국소적으로 흐르기 때문에 직접적인 측정이 사실상 불가능하다.
따라서, 종래의 못 관통 시험 장치는 이차 전지가 금속 물체에 의해 관통되었을 때 발화 메커니즘을 정확하게 규명하는데 한계를 가진다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 이차 전지의 못 관통 시험에서 이차 전지의 내부에서 흐르는 단락 전류의 크기 변화를 예측하고 못 관통 지점에서의 발열 특성을 정량적으로 해석할 수 있는 이차 전지의 못 관통 시험 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 못 관통 시험 장치는, 못 관통 시험의 대상이 되는 이차 전지가 고정되는 스테이지; 상기 이차 전지를 관통시키는 못과 상기 못을 승강 또는 하강시키는 못 승하강 수단을 포함하는 못 관통부; 상기 이차 전지의 전극에 결합되어 못 관통 시험이 진행되는 동안 이차 전지의 단락 전압을 시간 간격을 두고 반복 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부와 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 못 관통부를 제어하여 상기 못을 하강시켜 이차 전지를 관통시키고, 상기 전압 측정부로부터 단락 전압을 주기적으로 입력 받고, 상기 단락 전압이 입력될 때마다 상기 이차 전지를 모델링한 등가 회로에 기초하여 상기 등가 회로의 최외측 노드 사이에 상기 입력된 단락 전압이 형성되게 하는 단락 전류를 결정하고, 상기 결정된 단락 전류에 대한 값의 변화 양상을 시각적으로 출력한다.
바람직하게, 상기 등가 회로는, 복수의 회로 요소로서, 직렬 저항, 적어도 하나의 RC 회로 및 이차 전지의 충전 상태에 따라 전압이 가변되는 개방 전압원을 포함하고, 상기 복수의 회로 요소들은 서로 직렬 연결되어 있을 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 하기 수식 ①에 의해 이차 전지의 단락 전류를 결정할 수 있다.
ishort = (Vshort - VRC - VOCV)/R0 ---①
(여기서, ishort는 단락 전류, Vshort는 상기 전압 측정부에 의해 측정된 단락 전압, VRC는 상기 RC 회로에 의해 형성되는 전압, VOCV는 이차 전지의 충전 상태에 따른 개방 전압, R0는 상기 직렬 저항의 저항 값임)
바람직하게, 상기 제어부는 상기 수식 ①의 VRC를 하기 수식 ②에 의해 시간 업데이트할 수 있다.
VRC[k+1] =VRC(k)e- Δt /R*C + R(1- e- Δt /R*C) ishort[k] ----②
(여기서, k는 시간 인덱스이고, VRC[k]는 시간 업데이트 직전의 VRC 값이고, VRC[k+1]은 시간 업데이트된 VRC 값이고, Δt는 VRC의 시간 업데이트 주기이고, R과 C는 각각 RC 회로에 포함된 저항과 콘덴서의 저항값 및 커패시턴스값이고, ishort는 직전 계산 주기에서 결정된 단락 전류의 예측 값임)
바람직하게, 상기 제어부는 하기 수식 ③에 의해 이차 전지의 충전 상태인 SOC를 시간 업데이트할 수 있다. 또한, 상기 제어부는, 상기 시간 업데이트된 충전 상태와 미리 정의된 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 이용하여 상기 시간 업데이트된 충전 상태에 대응되는 이차 전지의 개방 전압 VOCV를 결정할 수 있다.
SOC[k+1] = SOC[k] + 100*ishort[k]△t/Qcell ---③
(여기서, k는 시간 인덱스이고, SOC[k]는 시간 업데이트 직전의 충전 상태이고, SOC[k+1]은 시간 업데이트된 충전 상태이고, ishort는 직전 계산 주기에서 결정된 단락 전류이고, Δt는 충전 상태 SOC의 시간 업데이트 주기이고, Qcell은 이차 전지의 용량임)
일 측면에 따르면, 상기 제어부는, 하기 수식 ④를 이용하여 못이 관통된 지점의 단락 저항인 Rshort를 결정할 수 있고, 상기 단락 저항의 변화 양상을 시각적으로 출력할 수 있다.
Rshort = Vshort/ishort ---④
(여기서, Rshort는 못이 관통된 지점의 단락 저항이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값임)
다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 하기 수식 ⑤를 이용하여 못이 관통된 지점에서 발생하는 단락 주울 열인 Qshort를 결정하고, 상기 단락 주울 열의 변화 양상을 시각적으로 출력할 수 있다.
Qshort = ishort*Vshort ---⑤
(여기서, Qshort는 못이 관통된 지점에서 발생되는 단락 주울 열이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값임)
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 하기 수식 ⑥을 이용하여 이차 전지의 관통 지점에서 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 저항 주울열인 Qcell을 결정하고, 상기 저항 주울 열의 변화 양상을 시각적으로 출력할 수 있다.
Qcell = ishort*|Vshort - VOCV| ---⑥
(여기서, Qcell은 못이 관통된 지점에서 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 주울 열이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값이고, VOCV는 이차 전지의 충전 상태에 따른 개방 전압의 예측 값임)
바람직하게, 본 발명에 따른 장치는, 상기 제어부와 동작 가능하게 결합된 디스플레이부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 디스플레이부를 통해 단락 전압, 단락 전류, 단락 저항, 단락 주울 열 및 저항 주울 열로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 변화 양상을 시각적으로 출력할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 장치는, 상기 제어부와 동작 가능하게 결합된 메모리부를 더 포함하고, 상기 제어부는 단락 전압, 단락, 전류, 단락 저항, 단락 주울 열 및 저항 주울 열에 대한 데이터를 상기 메모리부에 누적해서 저장할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지의 못 관통 시험 방법은, 이차 전지를 스테이지에 고정하는 단계; 이차 전지를 못으로 관통하는 단계; 이차 전지의 전극을 통해 단락 전압을 시간 간격을 두고 반복적으로 측정하는 단계; 단락 전압이 측정될 때마다 상기 이차 전지를 모델링한 등가 회로에 기초하여 상기 등가 회로의 최외측 노드 사이에 상기 측정된 단락 전압이 형성되도록 하는 단락 전류를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 단락 전류에 대한 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 방법은, 상기 단락 전압의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 방법은, 상기 단락 전압과 상기 단락 전류로부터 결정된 단락 저항의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 방법은, 상기 단락 전압과 상기 단락 전류로부터 결정된 단락 주울 열에 대한 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 방법은, 상기 단락 전압과 상기 단락 전류, 그리고 상기 단락 전류를 적산하여 구한 충전 상태로부터 계산된 개방 전압을 이용하여 저항 주울 열을 계산하고, 상기 저항 주울 열의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 이차 전지의 못 관통 시험 방법을 프로그램화하여 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차 전지가 못에 의해 관통되었을 때 전지 내부에서 발생되는 단락 전류의 크기 변화를 정량적으로 규명할 수 있다. 또한, 예측된 단락 전류를 이용하여 못이 관통된 지점의 단락 저항 변화 또는 단락 주울 열의 변화 또는 이차 전지의 저항으로부터 발생되는 저항 주울 열의 변화도 정량적으로 계산할 수 있다.
따라서, 본 발명은 이차 전지가 뽀족한 물체에 의해 관통되었을 때 관통 지점의 열적 거동과 열의 발생 원인, 그리고 열량의 변화 양상을 정량적으로 규명하고 나아가 이차 전지의 관통 사고에 대비한 냉각 메커니즘을 개발하는데 유용하게 활용될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 못 관통 시험 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 못 관통 시험의 대상이 되는 이차 전지의 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제어부가 도 2의 등가 회로를 이용하여 못이 이차 전지를 관통한 직후에 이차 전지의 내부에서 흐르는 단락 전류를 결정하는 과정을 도시한 순서도들이다.
도 5는 본 발명의 실험예에서 못이 이차 전지를 관통한 이후 10초 동안 측정한 단락 전압(Vshort)의 프로파일(실선)과, 등가 회로를 이용하여 10초 동안 예측한 단락 전류(ishort) 프로파일(점선)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예에서 10초 동안 예측한 단락 저항(Rshort)의 변화를 보여주는 단락 저항 프로파일이다.
도 7은 본 발명의 실험예에서 10초 동안 예측한 단락 주울 열(Qshort)의 변화를 보여주는 단락 주울 열 프로파일이다.
도 8은 본 발명의 실험예에서 10초 동안 예측한 저항 주울 열(Qcell)의 변화를 보여주는 저항 주울 열 프로파일이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 못 관통 시험 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 못 관통 시험 장치(100)는, 못 관통 시험의 대상이 되는 이차 전지(B)가 거치되는 스테이지(110)를 포함한다. 상기 스테이지(110)는 지지 프레임(111) 상에 설치될 수 있고, 중앙 부위에 관통창(112)이 구비될 수 있다. 상기 관통창(112)은 이차 전지(B)를 관통한 못(121)의 첨두가 통과하는 공간을 제공한다. 상기 스테이지(110)는 상부에 못 관통 시험의 대상이 되는 이차 전지(B)를 선택적으로 고정시키는 복수의 클램핑 수단(113)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 못 관통 시험 장치(100)는, 또한 상기 스테이지(110)의 상부에 단부가 날까로운 못(121)을 이차 전지(B)를 통해 관통시키는 못 관통부(120)를 포함한다.
상기 못 관통부(120)는 이차 전지(B)를 관통시키는 못(121)과, 상기 못(121)을 빠른 속도로 하강시켜 상기 스테이지(110)에 고정된 이차 전지(B)를 관통시키고 못 관통 시험이 종료된 후 못(121)을 원래의 위치로 복귀시키는 못 승하강 수단(122)을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 못 승하강 수단(122)은 못(121)의 상단부가 고정되는 고정 프레임 블록(1221)과, 고정 프레임 블록(1221)이 안착되어 슬라이딩 이동되는 승하강 레일(1222)과, 상기 고정 프레임 블록(1221)을 승하강 레일(1222) 상에서 원하는 속도로 승강 또는 하강시키는 리니어 모터(1223)와, 상기 리니어 모터(1223)의 회전 RPM과 회전 방향을 제어하는 모터 제어기(1224)를 포함한다.
한편, 본 발명은 못 승하강 수단(122)의 구체적인 구성에 의해 한정되지 않으므로 상기 리니어 모터(1223)는 선형 엑츄에이터 등으로 얼마든지 대체될 수 있다.
본 발명에 따른 못 관통 시험 장치(100)는, 또한 이차 전지(B)가 못(121)에 의해 관통된 직후에 상기 이차 전지(B)의 양극(P)과 음극(N) 사이에 인가되는 단자 전압을 주기적으로 측정하고 측정된 단자 전압에 대응되는 전압 측정 신호를 출력하는 전압 측정부(130)를 포함한다. 이하, 상기 단자 전압은 단락 전압이라고 명명하기로 한다. 상기 전압 측정부(130)는 볼트 미터(voltmeter)일 수 있는데, 본 발명은 전압 측정을 수행하는 디바이스의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 못 관통 시험 장치(100)는, 또한 이차 전지(B)가 못(121)에 의해 관통된 이후에 상기 전압 측정부(130)로부터 전압 측정 신호를 입력 받아 이차 전지(B)의 단락 전압을 결정하고, 이차 전지(B)의 등가 회로를 이용하여 상기 단락 전압이 상기 등가 회로의 최외측 노드들 사이에 형성된다고 가정할 때 상기 등기 회로에 흐르는 단락 전류를 계산하고 상기 단락 전류의 경시적 변화를 보여주는 단락 전류 프로파일을 생성하는 제어부(140)를 포함한다.
상기 제어부(140)는, 선택적으로(optionally), 상기 결정된 단자 전압 및 단락 전류로부터 못(121)이 관통된 지점의 단락 저항을 결정하고, 상기 단락 저항의 경시적 변화를 보여주는 단락 저항 프로파일을 생성할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는, 선택적으로(optionally), 상기 결정된 단자 전압 및 단락 전류로부터 못 관통 지점에서 발생되는 국부적인 단락 주울 열을 결정하고, 상기 단락 주울 열의 경시적 변화를 보여주는 단락 주울 열 프로파일을 생성할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는, 상기 결정된 단락 전류를 적산하여 이차 전지의 충전 상태를 결정한 후 미리 정의된 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 참조하여 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 결정하고, 결정된 개방 전압, 단락 전압 및 단락 전류로부터 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 저항 주울 열을 결정하고, 상기 저항 주울 열의 경시적 변화를 보여주는 저항 주울 열 프로파일을 생성할 수 있다.
상기 제어부(140)는, 이후에 개시되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 로직들이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(140)는 프로그램 모듈로 구현될 수 있다. 이 때, 상기 프로그램 모듈은 저장매체에 기록되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 저장매체는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 데이터 송수신 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 못 관통 시험 장치(100)는, 또한 상기 제어부(140)의 제어 로직들을 포함하는 못 관통 시험 프로그램을 저장하고 상기 제어 로직들의 실행 과정에서 생성되는 데이터들이 저장되는 메모리부(150)를 포함한다.
상기 제어부(140)는, 주기적으로 이차 전지의 단락 전압이 측정될 때마다 상기 전압 측정부(130)로부터 단락 전압에 대응되는 전압 신호를 입력받은 후 단락 전압을 결정하고 이로부터 계산되는 단락 전류와 함께 메모리부(150)에 저장할 수 있고, 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 단락 전압 데이터와 복수의 단락 전류 데이터를 독출(read out)하여 단락 전압 프로파일과 단락 전류 프로파일을 생성할 수 있다.
상기 제어부(140)는, 또한 상기 단자 전압 및 단락 전류가 주기적으로 결정될 때마다 오옴의 법칙에 따라 단락 저항을 결정하여 메모리부(150)에 저장할 수 있고, 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 단락 저항 데이터를 독출하여 단락 저항 프로파일을 생성할 수 있다.
상기 제어부(140)는, 또한 상기 단자 전압 및 단락 전류가 주기적으로 결정될 때마다 열량 계산식을 이용하여 못 관통 지점에서 발생되는 국부적인 단락 주울 열을 결정하여 메모리부(150)에 저장할 수 있고 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 단락 주울 열 데이터를 독출하여 단락 주울 열 프로파일을 생성할 수 있다.
상기 제어부(140)는, 또한 상기 단락 전류가 결정될 때마다 상기 단락 전류를 적산하여 이차 전지(B)의 충전 상태를 결정하고 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 참조하여 결정된 충전 상태에 대응되는 이차 전지의 개방 전압을 결정하고, 결정된 개방 전압, 단락 전압 및 단락 전류로부터 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 저항 주울 열을 결정하여 메모리부(150)에 저장하고 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 저항 주울 열 데이터를 독출하여 저항 주울 열 프로파일을 생성할 수 있다.
상기 메모리부(150)는 반도체 메모리 소자로서, 상기 제어부(140)에 의해 실행되는 프로그램 코드를 로딩하고, 상기 제어부(140)가 각종 제어 로직을 실행하는 동안 생성되는 데이터를 기록, 소거 또는 갱신할 수 있다. 상기 프로그램 코드는 상기 제어부(140)에 의해 엑세스 가능한 별도의 전자기적 또는 광학적 기록매체에 수록되어 있을 수 있다.
상기 메모리부(150)는 당업계에 알려진 반도체 메모리 소자라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 메모리부(150)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 상기 메모리부(150)는 제어부(140)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 상기 제어부(140)와 일체로 통합되어 있을 수도 있다.
본 발명에 따른 못 관통 시험 장치(100)는, 또한 디스플레이부(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 디스플레이부(160)는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display) 또는 유기 발광 다이오드 디스플레이(Organic Light Emitting Diode Display)일 수 있다. 하지만, 본 발명이 반드시 이에 한하는 것은 아니다. 따라서, 당업계에서 정보를 시각적으로 표출할 수 있다고 알려진 디스플레이 디바이스라면 상기 디스플레이부(160)의 범주에 포함될 수 있다.
상기 제어부(140)는 오퍼레이터의 요청에 따라 상기 메모리부(140)에 저장된 데이터를 활용하여 단락 전압 프로파일, 단락 전류 프로파일, 단락 저항 프로파일, 단락 주울 열 프로파일, 저항 주울 열 프로파일 중에서 선택된 적어도 하나를 생성하여 상기 디스플레이부(160)를 통해 시각적으로 표출할 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 본 발명에 따른 못 관통 시험 장치(100)는 오퍼레이터가 못 관통 시험에 필요한 다양한 제어 명령을 입력할 수 있는 입력 디바이스를 더 포함할 수 있다. 상기 입력 디바이스는 제어부(140)와 동작 가능하게 결합될 수 있다. 상기 입력 디바이스는 키보드와 마우스를 포함할 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 못 관통 시험의 대상이 되는 이차 전지(B)의 등가 회로(200)를 나타낸 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 등가 회로(200)는 이차 전지(B)의 자체 저항을 모델링하는 직렬 저항(R0, 210)과, 이차 전지(B)를 통해 전류가 흐를 때 전극의 분극 특성을 모델링하는 적어도 하나 이상의 RC 회로(220a, 220b)와, 이차 전지(B)의 충전 상태(SOC)에 따라 고유하게 결정되는 이차 전지(B)의 개방 전압을 모델링하는 개방 전압원(230)을 포함한다.
바람직하게, 상기 등가 회로(200)는 이차 전지(B)의 양극과 음극에 대한 분극 특성을 독립적으로 모델링하기 위해 2개의 RC 회로를 포함할 수 있다. 물론, RC 회로의 수는 하나로 감소시킬 수도 있고, 3개 이상으로 증가시킬 수도 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 왼쪽의 RC 회로는 양극의 분극 특성을 모델링하기 위한 회로로서 제1RC 회로(220a)로 명명하고, 오른 쪽의 RC 회로는 음극의 분극 특성을 모델링하기 위한 회로로서 제2RC 회로(220b)라고 명명하기로 한다.
상기 등가 회로(200)를 구성하는 회로 성분들의 저항값 또는 커패시턴스 값 등은 이차 전지(B)의 종류에 따라 달라지며 실험을 통해 적절하게 튜닝될 수 있다. 또한, 개방 전압원(230)에 의해 형성되는 전압은 방전 실험을 통하여 정의되는 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 이용하여 결정할 수 있다. 여기서, 상기 방전 실험은 이차 전지(B)를 만충전 시킨 후 정전류로 방전을 시키면서 충전 상태 별로 개방 전압을 측정하는 실험을 의미한다. 또한, 상기 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"은 충전 상태 별로 대응되는 개방 전압을 맵핑하거나, 반대로 개방 전압 별로 충전 상태를 맵핑할 수 있는 테이블 형태의 데이터 구조를 가진다.
본 발명은 이차 전지(B)가 못에 의해 관통되었을 때 상기 등가 회로(200)를 통해서도 이차 전지(B)의 내부에 흐르는 단락 전류(ishort)가 동일하게 흐른다고 가정한다. 또한, 단락 전류(ishort)가 흐르는 동안 이차 전지(B)의 양극과 음극 사이에서 측정되는 단락 전압(Vshort)은 상기 등가 회로(200)의 최외측 노드들 사이에도 동일하게 인가된다고 가정한다.
상기 가정에 의하면, 단락 전압 Vshort은 다음 수식 1과 같이 직렬 저항(210)에 형성되는 전압 VR0, 제1RC 회로(220a)에 형성되는 전압 VRC1, 제2RC 회로(220b)에 형성되는 전압 VRC2 및 개방 전압원(230)에 형성되는 전압 VOCV의 합에 의해 계산될 수 있다.
<수식 1>
Vshort = VR0 + VRC1 + VRC2 + VOCV
상기 수식 1에 있어서 VR0는 ishort*R0이므로, 수식 1을 ishort에 대해 정리하면 다음 수식 2를 얻을 수 있다.
<수식 2>
ishort = (Vshort - VRC1- VRC2- VOCV)/R0
상기 수식 2에 있어서, Vshort은 이차 전지(B)의 양극과 음극 사이에서 주기적으로 측정되는 전압 값을 할당하여 측정 업데이트될 수 있다.
상기 수식 2에 있어서, VRC1 및 VRC2는 이산 시간 모델(Time-Discrete Model)을 적용하여 다음 수식 3에 의해 시간 업데이트할 수 있다.
<수식 3>
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]
상기 수식 3에 있어서, Δt는 시간 업데이트 주기이고, k와 k+1은 시간 인덱스이다. VRC1[k] 및 VRC2[k]는 시간 업데이트되기 직전의 전압 값이고, VRC1[k+1] 및 VRC2[k+1]은 시간 업데이트가 이루어진 이후의 전압 값이다. R1과 C1은 제1RC 회로(220a)에 포함된 저항과 콘덴서의 저항값과 커패시턴스 값으로서 실험을 통하여 적절한 값으로 튜닝될 수 있다. 유사하게, R2와 C2는 제2RC 회로(220b)에 포함된 저항과 콘덴서의 저항값과 커패시턴스 값으로서 실험을 통하여 적절한 값으로 튜닝될 수 있다.
못이 이차 전지(B)를 관통한 직후에는 단락 전류가 무시할 정도로 작으므로 VRC1[1], VRC2[1], ishort[1]은 0으로 초기화할 수 있다.
상기 수식 2에 있어서, VOCV는 다음 수식 4를 이용하여 등가 회로(200)를 통해 흐르는 단락 전류를 적산함으로써 이차 전지(B)의 충전 상태를 시간 업데이트하고, "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 참조하여 충전 상태에 대응되는 개방 전압을 룩업하는 방식으로 결정할 수 있다.
<수식 4>
SOC[k+1]= SOC[k] + 100*ishort[k]△t/Qcell
상기 수식 4에 있어서, Δt는 충전 상태의 시간 업데이트 주기이고 Qcell은 이차 전지(B)의 용량이다. 못이 이차 전지(B)를 관통한 직후에는 단락 전류가 무시할 정도로 작다. 따라서, 초기 조건에 해당하는 SOC[1]에는 못이 이차 전지(B)를 관통하기 전에 측정한 이차 전지(B)의 개방 전압을 이용하여 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"로부터 얻은 충전 상태를 초기값으로 할당한다. 그리고, SOC[2]부터는 수식 2에서 구한 단락 전류를 수식 4에 대입하여 충전 상태를 시간 업데이트하여 결정한다.
그러면, 이하에서는 이차 전지(B)가 못에 의해 관통되었을 때 제어부(140)가 상기 수식들을 이용하여 주기적으로 등가 회로(200)에 흐르는 단락 전류를 결정하는 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제어부(140)가 도 2의 등가 회로(200)를 이용하여 못이 이차 전지(B)를 관통한 직후에 이차 전지(B)의 내부에서 흐르는 단락 전류를 결정하는 과정을 도시한 순서도들이다.
도시된 바와 같이, 먼저 못 관통 시험이 시작되면, 상기 제어부(140)는 전압 측정부(130)를 이용하여 스테이지(110)의 상부에 고정된 이차 전지(B)의 개방 전압을 측정하고, 측정된 개방 전압을 메모리부(150)에 저장한다(S100). 그런 다음, 상기 제어부(140)는 측정된 개방 전압을 VOCV의 초기 값으로 할당한다(S115).
이어서, 상기 제어부(140)는 시간 인덱스 k를 1로 초기화하고(S110), 등가 회로(200)의 제1RC 회로(220a)에 형성되는 전압 VRC1과 제2RC 회로(220b)에 형성되는 전압 VRC2와 등가 회로(200)에 흐르는 단락 전류 ishort의 초기 값으로 0을 할당하고, 단계 S100에서 측정한 이차 전지(B)의 개방 전압과 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 이용하여 이차 전지(B)의 충전 상태인 SOC를 초기화한다(S120).
이어서, 상기 제어부(140)는 오퍼레이터가 설정한 못 관통 속도에 따라 못 관통부(120)를 제어하여 스테이지(110) 상에 고정된 이차 전지(B)를 향해 못을 하강시켜 이차 전지(B)를 관통시킨다(S130).
이어서, 상기 제어부(140)는 관통 시점을 기준으로 미리 설정된 시간 Δt가 경과되었는지 판별한다(S140). 여기서, Δt는 실질적으로 단락 전류의 계산 주기에 해당하며, 예컨대 100ms 이하의 시간 값을 가질 수 있다.
만약, 단계 S140에서 Δt가 경과되지 않았다고 판단되면 상기 제어부(140)는 프로세스의 진행을 대기한다. 반면, 단계 S140에서 Δt가 경과되었다고 판단되면 상기 제어부(140)는 단계 S150을 진행한다.
단계 S150에서, 상기 제어부(140)는 전압 측정부(130)를 이용하여 이차 전지(B)의 단락 전압을 측정하여 메모리부(150)에 저장하고, 측정된 단락 전압을 Vshort 값으로 할당한다.
이어서, 상기 제어부(140)는 단계 S150에서 결정된 Vshort값과, 단계 S115에서 결정된 VOCV 값과 단계 S120에서 초기화된 VRC1 및 VRC2 값을 수식 2에 대입하여 단락 전류 ishort 를 결정한다(S160).
이어서, 상기 제어부(140)는 미리 설정된 못 관통 시험 시간이 경과되었는지 판별한다(S170). 일 예로, 상기 못 관통 시험 시간은 수십 초 이내로 설정할 수 있다.
만약, 단계 S170에서 못 관통 시험 시간이 경과되었다고 판단되면, 상기 제어부(140)는 본 발명에 따른 프로세스를 종료한다. 반면, 단계 S170에서 못 관통 시험 시간이 경과되지 않았으면 상기 제어부(140)는 단계 S180(도 4 참조)을 진행한다.
단계 S180에서, 상기 제어부(140)는 단계 S120에서 결정된 VRC1 및 VRC2의 초기값과 단계 S160에서 결정된 ishort 값을 수식 3에 대입하여 제1RC 회로(220a)에 형성되는 전압 VRC1과, 제2RC 회로(220b)에 형성되는 전압 VRC2를 각각 시간 업데이트한다.
<수식 3>
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]
이어서, 상기 제어부(140)는 단계 S160에서 결정된 ishort 값과 S120 단계에서 결정된 이차 전지(B)의 충전 상태 SOC의 초기값을 수식 4에 대입하여 이차 전지(B)의 충전 상태 SOC를 시간 업데이트한다(S190)
<수식 4>
SOC[2] = SOC[1] + 100*ishort[1]△t/Qcell
이어서, 상기 제어부(140)는 단계 S190에서 결정된 SOC의 시간 업데이트 값과 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 이용하여 시간 업데이트된 SOC에 대응되는 개방 전압을 결정하고, 결정된 개방 전압을 이용하여 VOCV 값을 시간 업데이트한다(S200).
이어서, 상기 제어부(140)는 시간 인덱스 k를 1증가시키고(S210), 프로세스를 단계 S140으로 진행한다. 그런 다음, 상기 제어부(140)는 시간 Δt가 경과된 조건이 다시 만족되면, 전압 측정부(130)를 이용하여 이차 전지(B)의 단락 전압을 다시 측정하여 메모리부(150)에 저장하고 Vshort 값을 새로 측정된 단락 전압 값으로 측정 업데이트한다.
이어서, 상기 제어부(140)는 단계 S180 및 S200에서 시간 업데이트된 VRC1, VRC2 및 VOCV와 단계 S150에서 측정 업데이트된 Vshort를 수식 2에 다시 대입하여 현재의 시간 인덱스를 기준으로 한 이차 전지(B)의 단락 전류 ishort를 결정한다(S160).
이렇게 결정된 단락 전류 ishort는 단계 S170에서 못 관통 시험 시간이 경과된 조건이 성립되지 않는 이상 단계 S190, S200 및 S210에서 VRC1, VRC2, SOC 및 VOCV를 시간 업데이트 하는데 이용된다.
상기한 바와 같은 수식 3 및 4를 활용한 VRC1, VRC2, SOC 및 VOCV의 시간 업데이트와 이차 전지(B)의 단락 전압 측정을 통한 Vshort값의 측정 업데이트는 못 관통 시험 시간이 경과될 때까지 시간 인덱스 k가 증가하면서 주기적으로 반복되며, 업데이트된 전압 값들, 즉 VRC1, VRC2 및 Vshort가 수식 2에 대입될 때마다 이차 전지(B)의 단락 전류 ishort 값이 시간 업데이트된다.
바람직하게, 상기 제어부(140)는 단계 S150에서 주기적으로 측정 업데이트되는 Vshort 값을 메모리부(150)에 누적해서 저장할 수 있다. 또한, 상기 제어부(140)는 오퍼레이터의 요청이 있을 경우 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 단락 전압(Vshort) 데이터들을 이용하여 단락 전압 프로파일을 생성하고 생성된 단락 전압 프로파일을 디스플레이부(160)를 통해 시각적으로 표시할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는 단계 S160에서 수식 2를 이용하여 주기적으로 시간 업데이트되는 단락 전류 ishort 값을 메모리부(150)에 누적해서 저장할 수 있다. 또한, 상기 제어부(140)는 오퍼레이터의 요청이 있을 경우 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 단락 전류(ishort) 데이터들을 이용하여 단락 전류 프로파일을 생성하고 생성된 단락 전류 프로파일을 디스플레이부(160)를 통해 시각적으로 표시할 수 있다.
한편, 상기 제어부(140)는, 선택적으로(optionally), 이차 전지(B)의 관통 지점을 기준으로 단락 저항을 예측하고 그 변화를 프로파일로서 생성할 수 있다.
즉, 상기 제어부(140)는 단계 S150에서 측정 업데이트된 단락 전압 Vshort값과 단계 S160에서 시간 업데이트된 단락 전류 ishort값을 이용하여 시간 인덱스가 증가할 때마다 다음 수식 5에 의해 관통 지점의 단락 저항을 결정하고, 결정된 단락 저항 값을 메모리부(150)에 누적 저장할 수 있다.
<수식 5>
Rshort = Vshort/ishort
또한, 상기 제어부(140)는 오퍼레이터의 요청이 있을 경우 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 단락 저항(Rshort) 데이터들을 이용하여 단락 저항 프로파일을 생성하고 생성된 단락 저항 프로파일을 디스플레이부(160)를 통해 시각적으로 표시할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는, 선택적으로(optionally), 이차 전지(B)의 관통 지점에서 발생되는 단락 주울 열을 예측하고 그 변화를 프로파일로서 생성할 수 있다.
즉, 상기 제어부(140)는 단계 S150에서 측정 업데이트된 단락 전압 Vshort값과 단계 S160에서 시간 업데이트된 단락 전류 ishort값을 이용하여 시간 인덱스가 증가할 때마다 다음 수식 6에 의해 단락 주울 열을 결정하고, 결정된 단락 주울 열 값을 메모리부(150)에 누적 저장할 수 있다.
<수식 6>
Qshort = ishort*Vshort
또한, 상기 제어부(140)는 오퍼레이터의 요청이 있을 경우 상기 메모리부(150)에 저장된 복수의 단락 주울 열(Qshort) 데이터들을 이용하여 단락 주울 열 프로파일을 생성하고 생성된 단락 주울 열 프로파일을 디스플레이부(160)를 통해 시각적으로 표시할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는, 선택적으로(optionally), 이차 전지(B)의 못 관통 시험 시 이차 전지의 저항, 즉 직렬 저항(210)과 제1 및 제2RC 회로(220a, 220b)에 포함된 저항에 의해 발생되는 저항 주울 열을 예측하고 그 변화를 프로파일로서 생성할 수 있다.
즉, 상기 제어부(140)는 단계 S150에서 측정 업데이트된 단락 전압 Vshort값, 단계 S160에서 시간 업데이트된 단락 전류 ishort값, 그리고 단계 S200에서 시간 업데이트된 VOCV 값을 이용하여 시간 인덱스가 증가할 때마다 다음 수식 7에 의해 저항 주울 열을 결정하고, 결정된 저항 주울 열 값을 메모리부(150)에 누적 저장할 수 있다.
<수식 7>
Qcell = ishort*|Vshort - VOCV|
한편 상기 제어부(140)에 의해 수행되는 상술한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
<실험예>
그러면, 이하에서는 실험예를 통하여 본 발명의 효과를 설명하기로 한다. 본 명세서에서 설명되는 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이므로 본 발명의 범위가 실험예에서 의해 한정되지 않음은 자명하다.
먼저, 용량이 37Ah이고 충전 상태가 80%인 파우치 타입의 리튬 폴리머 이차 전지를 준비하였다. 그런 다음, 준비된 이차 전지를 본 발명에 따른 못 시험 관통 장치의 스테이지에 로딩하고 클램핑 수단으로 고정시켰다. 그리고, 이차 전지의 양극과 음극을 전압 측정부(볼트 미터)에 연결하였다. 그런 다음, 단면이 원형이고 직경이 6mm인 강철 재질의 못을 못 관통부에 장착한 후 20mm/s의 속도로 하강시켜 이차 전지를 관통하고 그 상태를 20초 동안 유지하였다.
못 관통 시험이 진행되는 동안, 상기 볼트 미터를 이용하여 100ms를 주기로 이차 전지의 단락 전압 Vshort을 반복적으로 측정하여 메모리부(150)에 누적 저장하였으며, 단락 전압이 측정될 때마다 도 3 및 도 4에 도시된 알고리즘을 실행하여 시간 인덱스가 증가할 때마다 이차 전지의 단락 전류 ishort, 단락 저항 Rshort, 단락 주울 열 Qshort, 및 저항 주울 열 Qcell을 결정하고 각각의 데이터들을 메모리부에 누적 저장하였다. 본 실험예에서, 각 파라미터들의 계산 주기는 단락 전압의 측정 주기와 실질적으로 동일하게 설정하였다.
본 실험예에서 사용된 등가 회로에 있어서, 직렬 저항 값은 0.00102Ω으로 튜닝하였다. 또한, 제1RC 회로에 포함된 저항과 콘덴서의 저항 값과 커패시턴스 값은 각각 0.0003Ω 및 667F으로 각각 튜닝하였다. 또한, 제2RC 회로에 포함된 저항과 콘덴서의 저항 값과 커패시턴스 값은 각각 0.0010Ω 및 2000F으로 각각 튜닝하였다.
<실험 결과>
도 5는 못이 이차 전지를 관통한 이후 10초 동안 측정한 단락 전압(Vshort)의 프로파일(실선)과, 등가 회로를 이용하여 10초 동안 예측한 단락 전류(ishort) 프로파일(점선)을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 단락 전류(ishort)가 못이 이차 전지를 관통한 후 1초 이후에 급격하게 증가하였다가 2초 이후에 안정화된 것을 확인할 수 있다. 이러한 단락 전류(ishort)의 변화 양상은 단락 전압(Vshort)의 변화 양상과 반대이다. 즉, 단락 전압(Vshort)은 1초 이후에 급격하게 감소하였다가 2초 이후에 안정화된 것을 확인할 수 있는데, 단락 전압(Vshort)이 급격하게 감소하는 구간은 단락 전류(ishort)가 급격하게 증가하는 구간과 일치한다. 이러한 실험 결과는, 등가 회로를 이용하여 예측된 단락 전류(ishort)가 실제 못이 관통된 부위에서 흐르는 단락 전류를 잘 모사할 수 있음을 보여준다.
도 6은 10초 동안 예측한 단락 저항(Rshort)의 변화를 보여주는 단락 저항 프로파일이고, 도 7은 10초 동안 예측한 단락 주울 열(Qshort)의 변화를 보여주는 단락 주울 열 프로파일이고, 도 8은 10초 동안 예측한 저항 주울 열(Qcell)의 변화를 보여주는 저항 주울 열 프로파일이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 단락 저항(Rshort)은 단락 전류(ishort)가 급격하게 증가하는 시간 구간에서 급격하게 감소하는 패턴을 보인다. 또한, 단락 주울 열(Qshort)과 저항 주울 열(Qcell)도 단락 전류(ishort)가 급격하게 증가하는 시간 구간에서 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 아울러, 저항 주울 열(Qcell)은 단락 주울 열(Qshort)과 비교하여 1/100의 수준으로 작다는 것을 확인할 수 있다.
이러한 실험 결과는, 이차 전지가 뽀족한 물체에 의해 관통되었을 때 관통 지점의 열적 거동과 열의 발생 원인, 그리고 열량의 변화 양상을 정량적으로 규명하고 나아가 이차 전지의 관통 사고에 대비한 냉각 메커니즘을 개발하는데 본 발명에 따른 못 관통 시험 장치가 유용하게 활용될 수 있음을 시사해 준다.
본 출원의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 출원의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 출원은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 출원은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 출원의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (18)

  1. 못 관통 시험의 대상이 되는 이차 전지가 고정되는 스테이지;
    상기 이차 전지를 관통시키는 못과 상기 못을 승강 또는 하강시키는 못 승하강 수단을 포함하는 못 관통부;
    상기 이차 전지의 전극에 결합되어 못 관통 시험이 진행되는 동안 이차 전지의 단락 전압을 시간 간격을 두고 반복 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부와 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 못 관통부를 제어하여 상기 못을 하강시켜 이차 전지를 관통시키고, 상기 전압 측정부로부터 단락 전압을 주기적으로 입력 받고, 상기 단락 전압이 입력될 때마다 상기 이차 전지를 모델링한 등가 회로에 기초하여 상기 등가 회로의 최외측 노드 사이에 상기 입력된 단락 전압이 인가된다고 할 때 등가회로를 통해 흐르는 전류를 산출하여 단락 전류로서 결정하고, 상기 결정된 단락 전류에 대한 값의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 등가 회로는, 복수의 회로 요소로서, 직렬 저항, 적어도 하나의 RC 회로 및 이차 전지의 충전 상태에 따라 전압이 가변되는 개방 전압원을 포함하고,
    상기 복수의 회로 요소들은 서로 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 하기 수식에 의해 이차 전지의 단락 전류를 결정하는 것을
    ishort = (Vshort - VRC - VOCV)/R0
    (여기서, ishort는 단락 전류, Vshort는 상기 전압 측정부에 의해 측정된 단락 전압, VRC는 상기 RC 회로에 의해 형성되는 전압, VOCV는 이차 전지의 충전 상태에 따른 개방 전압, R0는 상기 직렬 저항의 저항 값임)
    특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 VRC를 하기 수식에 의해 시간 업데이트하는 것을
    VRC[k+1] = VRC[k]e- Δt /R*C + R(1- e- Δt /R*C) ishort[k]
    (여기서, k는 시간 인덱스이고, VRC[k]는 시간 업데이트 직전의 VRC 값이고, VRC[k+1]은 시간 업데이트된 VRC 값이고, Δt는 VRC의 시간 업데이트 주기이고, R과 C는 각각 RC 회로에 포함된 저항과 콘덴서의 저항값 및 커패시턴스값이고, ishort는 직전 계산 주기에서 결정된 단락 전류의 예측 값임)
    특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 하기 수식에 의해 이차 전지의 충전 상태인 SOC를 시간 업데이트하고,
    SOC[k+1] = SOC[k] + 100*ishort[k]△t/Qcell
    (여기서, k는 시간 인덱스이고, SOC[k]는 시간 업데이트 직전의 충전 상태이고, SOC[k+1]은 시간 업데이트된 충전 상태이고, ishort는 직전 계산 주기에서 결정된 단락 전류이고, Δt는 충전 상태 SOC의 시간 업데이트 주기이고, Qcell은 이차 전지의 용량임)
    상기 시간 업데이트된 충전 상태와 미리 정의된 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 이용하여 상기 시간 업데이트된 충전 상태에 대응되는 이차 전지의 개방 전압 VOCV를 결정하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 하기 수식을 이용하여 못이 관통된 지점의 단락 저항인 Rshort를 결정하고,
    Rshort = Vshort/ishort
    (여기서, Rshort는 못이 관통된 지점의 단락 저항이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값임)
    상기 단락 저항의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 하기 수식을 이용하여 못이 관통된 지점에서 발생하는 단락 주울 열인 Qshort를 결정하고,
    Qshort = ishort*Vshort
    (여기서, Qshort는 못이 관통된 지점에서 발생되는 단락 주울 열이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값임)
    상기 단락 주울 열의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 하기 수식을 이용하여 이차 전지의 관통 지점에서 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 저항 주울열인 Qcell을 결정하고,
    Qcell = ishort*|Vshort - VOCV|
    (여기서, Qcell은 못이 관통된 지점에서 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 주울 열이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값이고, VOCV는 이차 전지의 충전 상태에 따른 개방 전압의 예측 값임)
    상기 저항 주울 열의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 동작 가능하게 결합된 디스플레이부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 디스플레이부를 통해 단락 전류의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 동작 가능하게 결합된 메모리부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 복수의 단락 전류에 대한 데이터를 상기 메모리부에 저장하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 장치.
  11. (a) 이차 전지를 스테이지에 고정하는 단계;
    (b) 이차 전지를 못으로 관통하는 단계;
    (c) 이차 전지의 전극을 통해 단락 전압을 시간 간격을 두고 반복적으로 측정하는 단계;
    (d) 단락 전압이 측정될 때마다 상기 이차 전지를 모델링한 등가 회로에 기초하여 상기 등가 회로의 최외측 노드 사이에 상기 측정된 단락 전압이 인가된다고 할 때 상기 등가회로를 통해 흐르는 전류를 산출하여 단락 전류로서 결정하는 단계; 및
    (e) 상기 결정된 단락 전류에 대한 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 등가 회로는, 복수의 회로 요소로서, 직렬 저항, 적어도 하나의 RC 회로 및 이차 전지의 충전 상태에 따라 전압이 가변되는 개방 전압원을 포함하고, 상기 복수의 회로 요소들은 서로 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    이차 전지의 단락 전류를 하기 수식을 이용하여 결정하는 단계임을
    ishort = (Vshort - VRC - VOCV)/R0
    (여기서, ishort는 단락 전류, Vshort는 상기 전압 측정부에 의해 측정된 단락 전압, VRC는 상기 RC 회로에 의해 형성되는 전압, VOCV는 이차 전지의 충전 상태에 따른 개방 전압, R0는 상기 직렬 저항의 저항 값임)
    특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    상기 VRC를 하기 수식에 의해 시간 업데이트하는 단계를
    VRC[k+1] = VRC[k]e- Δt /R*C + R(1- e- Δt /R*C) ishort(k)
    (여기서, k는 시간 인덱스이고, VRC[k]는 시간 업데이트 직전의 VRC 값이고, VRC[k+1]은 시간 업데이트된 VRC 값이고, Δt는 VRC의 시간 업데이트 주기이고, R과 C는 각각 RC 회로에 포함된 저항과 콘덴서의 저항값 및 커패시턴스 값이고, ishort는 직전 계산 주기에서 결정된 단락 전류의 예측 값임)
    포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    이차 전지의 충전 상태인 SOC를 하기 수식에 의해 시간 업데이트하는 단계;
    SOC[k+1] = SOC[k] + 100*ishort[k]△t/Qcell
    (여기서, k는 시간 인덱스이고, SOC[k]는 시간 업데이트 직전의 충전 상태이고, SOC[k+1]은 시간 업데이트된 충전 상태이고, ishort는 직전 계산 주기에서 결정된 단락 전류이고, Δt는 충전 상태 SOC의 시간 업데이트 주기이고, Qcell은 이차 전지의 용량임); 및
    상기 시간 업데이트된 충전 상태와 미리 정의된 "충전 상태-개방 전압 룩업 테이블"을 이용하여 상기 시간 업데이트된 충전 상태에 대응되는 이차 전지의 개방 전압인 VOCV를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    못이 관통된 지점의 단락 저항인 Rshort를 하기 수식에 의해 결정하는 단계;
    Rshort = Vshort/ishort
    (여기서, Rshort는 못이 관통된 지점의 단락 저항이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값임); 및
    상기 단락 저항의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    못이 관통된 지점에서 발생하는 단락 주울 열인 Qshort를 하기 수식을 이용하여 결정하는 단계

    Qshort = ishort*Vshort
    (여기서, Qshort는 못이 관통된 지점에서 발생되는 단락 주울 열이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값임); 및
    상기 단락 주울 열의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    이차 전지의 관통 지점에서 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 저항 주울열인 Qcell을 하기 수식을 이용하여 결정하는 단계

    Qcell = ishort*|Vshort - VOCV|
    (여기서, Qcell은 못이 관통된 지점에서 이차 전지의 저항 특성으로부터 발생되는 주울 열이고, Vshort는 전압 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압이고, ishort는 주기적으로 측정되는 이차 전지의 단락 전압에 대응되는 단락 전류의 예측 값이고, VOCV는 이차 전지의 충전 상태에 따른 개방 전압의 예측 값임); 및
    상기 저항 주울 열의 변화 양상을 시각적으로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 못 관통 시험 방법.
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