KR102524549B1 - 스웰링포스 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스웰링포스 측정장치에 관한 것으로, 사각형상의 외부 프레임(10)으로 이루어지는 본체부(102)와; 상하부 한 쌍의 내부 프레임(14,15)가 설치되고 구동 플레이트(16), 제1 탄성 플레이트(18) 및 제2 탄성 플레이트(20)에 의해 다수의 수납부들(22,24,26,28)로 구획되는 내측 몸체부(104)와; 상기 외부 프레임(10)의 우측부에 설치되고 상기 구동 플레이트(16)와 연결 설치되어 동작하는 구동부(106)와; 상기 구동 플레이트(16)와 제1 탄성 플레이트(18)의 사이에 배터리 전지 셀을 설치하기 위한 장착부(108)와; 상기 장착부(108)의 후부에 설치되어 탄력적으로 동작하는 강성을 측정하기 위해 제1 탄성 플레이트(18)와 제2 탄성 플레이트(20) 사이에 설치되는 강성부(112)와; 상기 장착부(108)에 설치되고 상기 구동부(106)에 의해 동작되며 충방전시 측정되는 전지 셀의 변화에 따른 변위를 측정하기 위한 제1 센서부(110)와; 상기 강성부(112)의 후부에 설치되고 충방전시 측정되는 전지 셀의 변화에 따른 스웰링포스를 측정하기 위한 상기 제2 센서부(114)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은, 본 발명의 스웰링포스 측정장치는 다양한 조건의 강성하에서 스웰링포스와 변위, 열화율 데이터를 활용하여 열화율에 따른 스웰링포스 증가 추이를 예측하는 효과가 있다.

Description

스웰링포스 측정장치{SWELLING FORCE MEASURING APPARATUS}

본 발명은 스웰링포스 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각형 및 파우치형의 단일셀 또는 다수의 셀들의 충방전 사이클 시험시 셀의 충전율 및 열화율의 변화에 따라 스웰링 현상의 스웰링포스와 변위의 변화를 실시간 측정 및 제어하도록 이루어진 스웰링포스 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 노트북, 핸드폰 등과 같은 휴대용 전자제품의 수요가 급격하게 증대되고 전기 자동차, 드론, 에너지 저장장치, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화함에 따라 반복적으로 충방전이 가능한 고성능 이차전지가 많이 사용되고 있다.

현재 상용화된 이차전지는 리튬 이차전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있는데 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비하여 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

소형 모바일 기기들에는 하나 또는 두개 정도의 이차전지면 충분하나 전기 자동차, 드론 및 중대형 전기장치의 경우에는 용량 및 출력을 만족시킬 수 있는 다량의 이차전지들이 사용되고 이러한 이차전지들을 직렬 및 병렬로 연결한 배터리 모듈을 사용한다.

배터리 모듈은 이차전지셀 들의 집합체인 셀 조립체와 상기 셀 조립체를 수납하도록 마련된 모듈 하우징으로 이루어진다.

최근에는 에너지 밀도가 높으면서 적층이 용이한 리튬-폴리머 파우치형 및 각형 이차전지를 많이 이용하여 셀 조립체를 제작하고 있다.

그런데 특히 리튬-폴리머 파우치형 이차전지는 알루미늄 라미네이트 시트로 전극 조립체를 내장한 형태로 마련되기 때문에 작은 크기와 중량에 비해 에너지 밀도가 높은 장점이 있지만 기계적 강성이 약한 단점이 있다.

리튬 이차전지의 경우, 반복적인 충방전 과정에서 전극이 두꺼워지거나 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 발생하는 가스로 인해 셀 외장재가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생한다.

따라서, 배터리 모듈의 구조 안정성을 유지하기 위해서는 이차전지 셀들의 스웰링 압력을 충분히 견딜 수 있도록 모듈 하우징을 제작하여야 한다. 이에 이차전지 셀을 미리 충방전 테스트하여 스웰링 압력을 정확히 측정하고 그 결과에 기초하여 모듈 하우징의 기계적 강성도를 결정할 필요가 있다.

특히, 최근에 들어서는 고에너지/고용량/장수명의 요구사항이 커지면서 제한된 공간 내에 에너지 밀도를 최대화하기 위한 대안이 필요해지고 있는바, 배터리 스웰링(Swelling) 현상을 고려하여 셀 또는 모듈 간 간격을 적용하였던 설계에 공간적 제약이 발생하고 있는 실정이다.

이로 인하여 배터리 셀이 열화하면서 스웰링이 증가하는 것을 보완해주지 못함으로써 내부 압력이 급격하게 증가하여 벤트가 아닌 곳의 외함파열이 발생하여 가연성 가스가 모듈/팩 외부로 배출되지 못하고 내부에 잔존하여 발화의 원인이 되거나 인접 셀로의 연쇄 열폭주를 일으키는 등의 폭발력의 위험성이 커지는 문제점이 있었고, 셀의 내부저항이 증가하면서 배터리의 출력 및 충방전 효율이 떨어지고 이로 인해 배터리 요구 성능을 만족시키지 못하였으며 내부저항 증가로 인한 발열반응으로 인해 온도가 상승하면서 셀 내부 이상 반응이 일어나면서 수명이 급속도록 급락하는 문제점이 있었다.

그리고, 배터리 셀의 열화로 인해 스웰링 포스(Swelling Force)가 증가하면서 모듈/팩 외함에 가해지는 하중이 증가하고, 이로 인해 외함의 변형이 발생하고 열화가 지속적으로 증가하여 항복점을 넘으면 외함파열과 외부단락으로 인하여 인접 모듈에 영향을 주게되어 안전성에 큰 문제가 발생하였다.

또한, 모듈/팩에서 셀과 셀 사이에 이중 절연을 위해 절연시트를 삽입하거나 셀간 간격을 유지하여 물리적 단절을 통하여 절연이 이루어지는데 상기와 같이 열폭주가 발생하여 인접셀로 열이 전도되면 연쇄적으로 열폭주가 발생하여 절연 및 단열 시트층이 파괴되어 시트의 기능이 저하되거나 절연 및 단열성능을 상실하는 문제점이 있었다.

이와 같은 여러가지 문제점으로 인하여 배터리 셀, 모듈/ 팩에 있어서 스웰링 현상과 스웰링 포스를 저감하기 위한 설계가 필요하였고 본 출원인은 이러한 문제점을 해결하고자 스웰링포스 측정장치를 개발하게 되었다.

한국공개특허 제10-2021-0055363호(공개 2021년 5월 17일) 한국공개특허 제10-2021-0113753호(공개 2021년 09월 17일)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 각형 및 파우치형의 단일 셀 또는 셀들의 다수 배열구조를 충전-방전 사이클 시험을 진행하면서 셀의 충전율 및 열화율 변화에 따라 발생하는 스웰링(Swelling) 현상의 힘과 변위 변화를 실시간 측정 및 제어하기 위한 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 충전-방전 사이클 시험 중 실시간으로 스웰링 포스를 측정할 수 있고 단일 셀 뿐만 아니라 모듈 단위까지 측정이 가능하도록 이루어진 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 측정되는 충방전 데이터와 스웰링포스, 변위 간 실시간 동기화를 통하여 데이터의 실시간 확인 및 분석이 가능하도록 이루어진 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 항온챔버에 설치하여 온도를 포함한 충전-방전 조건, 스프링 강성, 서보모터를 활용한 외력, 변위 또는 변수로 설정하여 여러 시험 조건에서의 열화율과 스웰링포스, 변위 측정값을 실시간으로 측정하여 획득할 수 있는 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 배터리 장착부 4 점의 위치를 변위센서로 측정하여 평균한 값을 실제 배터리의 스웰링에 의한 변위로 인식하고 이를 모터에서 인식한 변위값에 동기화시켜서 백래쉬를 보정한 값을 측정할 수 있는 변위센서와 서보모터를 통한 백래쉬의 보정이 가능한 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 최소 3대 이상의 측정장치를 사용하여 각각의 측정장치에 각각 다른 강성부 강성을 적용하고여 충전-방전 사이클 시험을 실시하여 특정 열화율에서의 스웰링포스와 변위 관계 곡선을 획득할 수 있는 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 스웰링포스와 변위는 셀 내부 이상 반응이 발생하지 않는 한 선형적으로 증가하는 경향을 보이므로 다양한 강성 하에서 셀의 열화율과 스웰링포스와 변위를 예측할 수 있는 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 셀의 열화율이 목표한 종료 수명까지 도달하지 않더라도 추정을 통해 예측할 수 있으며 또한 실제 시험을 진행한 강성부 강성과 다른 강성부 강성에서의 스웰링포스와 변위도 예측할 수 있는 스웰링포스 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 목적 및 그 기술적 과제는 앞서 기재한 기술적 과제에 한정되는 것이 아니다. 따라서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 사각형상의 외부 프레임(10)으로 이루어지는 본체부(102)와; 상하부 한 쌍의 내부 프레임(14,15)가 설치되고 구동 플레이트(16), 제1 탄성 플레이트(18) 및 제2 탄성 플레이트(20)에 의해 다수의 수납부들(22,24,26,28)로 구획되는 내측 몸체부(104)와; 상기 외부 프레임(10)의 우측부에 설치되고 상기 구동 플레이트(16)와 연결 설치되어 동작하는 구동부(106)와; 상기 구동 플레이트(16)와 제1 탄성 플레이트(18)의 사이에 배터리 전지 셀을 설치하기 위한 장착부(108)와; 상기 장착부(108)의 후부에 설치되어 탄력적으로 동작하는 강성을 측정하기 위해 제1 탄성 플레이트(18)와 제2 탄성 플레이트(20) 사이에 설치되는 강성부(112)와; 상기 장착부(108)에 설치되고 상기 구동부(106)에 의해 동작되며 충방전시 측정되는 전지 셀의 변화에 따른 변위를 측정하기 위한 제1 센서부(110)와; 상기 강성부(112)의 후부에 설치되고 충방전시 측정되는 전지 셀의 변화에 따른 스웰링포스를 측정하기 위한 상기 제2 센서부(114)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 상기 제1 센서부(110)는,

상기 장착부(108)의 양 측부에 각각 설치되는 변위센서(38,39)를 구비하고, 상기 장착부(108)의 충방전시 변화되는 변위를 측정하기 위한 것이 바람직하다.

상기 강성부(112)는,

다수의 스프링(40)으로 이루어지고, 상기 스프링(40)을 제1 탄성 플레이트(18)와 제2 탄성 플레이트(20) 사이에 배열 설치하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제2 센서부(114)는,

상기 제2 탄성 플레이트(20)의 후부와 상기 외부 프레임(10)의 내측부 사이에 설치되어 배터리 전지 셀의 충방전시 발생하는 스웰링포스의 변화에 따른 힘을 측정하기 위한 로드셀(44)을 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 외부 프레임(10)의 변형 및 모터의 나사산에 의한 백래쉬의 발생시 상기 제1 센서부(110)가 측정된 값을 상기 서보모터(30)로 송신하고 상기 서보모터(30)가 수신한 후, 상기 서보모터(30)가 상기 구동 플레이트(16)를 동작시켜서 백래쉬를 보정하는 것이 바람직하다.

이와 같은, 본 발명의 스웰링포스 측정장치는 다양한 조건의 강성하에서 스웰링포스와 변위, 열화율 데이터를 활용하여 열화율에 따른 스웰링포스 증가 추이를 예측하는 효과가 있다.

그리고 본 발명의 스웰링포스 측정장치는 단일셀 또는 모듈/팩의 외함 강성설계 데이터로서 활용할 수 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 구조를 보여주는 사시도
도 2는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 구조를 보여주는 평면도
도 3은 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 구조를 보여주는 단면도
도 4는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 시험절차를 보여주는 플로우차트
도 5는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 스웰링포스와 변위와의 관계를 보여주는 그래프
도 6은 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 측정방법을 보여주는 블럭도
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 스웰링포스 측정장치를 이용한 백래쉬 보정방법을 이용했을 때의 그래프

이하의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'으로 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 스웰링포스 측정장치에 따른 구체적인 실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 구조를 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 구조를 보여주는 평면도이며, 도 3은 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 구조를 보여주는 단면도이다.

그리고, 도 4는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 시험절차를 보여주는 플로우차트이고, 도 5는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 스웰링포스와 변위와의 관계를 보여주는 그래프이다.

또한, 도 6은 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 측정방법을 보여주는 블럭도이고, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 스웰링포스 측정장치를 이용한 백래쉬 보정방법을 이용했을 때의 그래프이다.

도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 스웰링포스 측정장치를 설명하여 보면, 먼저 도 1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스웰링포스 측정장치(100)는, 본체부(102), 내부 몸체부(104), 구동부(106), 장착부(108), 제1 센서부(110), 강성부(112) 및 제2 센서부(114)를 포함한다.

상기 제1 센서부(110)는 셀 스웰링포스에 따라 외부 프레임의 변형에 따라 변위값을 측정하는 변위센서로서 변동치수를 측정하는 변동치수 변위센서(39)와, 고정치수를 측정하는 고정치수 변위센서(41)를 포함한다.

상기 본체부(102)는 직사각형상으로 형성된 강성소재의 금속재로서 장비의 외함을 구성하며 전지셀의 스웰링 또는 구동부(106)의 서보모터(30)의 구동에 따른 변형이 생기지 않도록 기계구조용탄소강을 사용하고, 상기 본체부(102)의 두께를 30-50mm 범위로 형성한다.

상기 본체부(102)의 내측부에는 상기 내측 몸체부(104)가 설치되고 상기 내측 몸체부(104)에 의해 다수의 수납부들로 구획되어 있다.

상기 본체부(102)의 우측부에는 서보모터(30)를 구비한 구동부(106)가 구비되어 있다.

상기 본체부(102)의 내측에 설치되는 내측 몸체부(104)는 다수의 수납부로 형성되는바, 상기 수납부들은 제1 수납부(22),제2 수납부(24), 제3 수납부(26) 및 제4 수납부(28)로 이루어진다.

상기와 같이 형성된 내측 몸체부(104)의 제2 수납부(24)에는 상기 장착부(108) 및 제1 센서부(110)가 설치되고, 제3 수납부(26)에는 상기 강성부(112)가 설치되며, 상기 제4 수납부(28)에는 제2 센서부(114)가 설치되어 있다.

상기 장착부(108)는 다양한 종류의 전지셀들을 장착하는 부분으로 바닥부에 구성전지 셀의 배열에 따라 위치를 고정해 줄 수 있도록 장착몸체(34) 및 받침틀(36)을 구비한다.

상기 장착부(108)의 좌우측부, 도1 및 도3에 도시된 바에 의하면 상부 및 하부에는 변위를 측정하기 위한 제1 센서부(110)가 설치되어 있고 상기 장착부(108)의 후부에는 강성부(112)가 설치되어 있다.

상기 강성부(112)는 다수의 코일형 스프링을 병렬식으로 설치하여 강성을 조절한다.

그리고 상기 강성부(112)의 후부에는 전지셀의 스웰링 현상에 따른 힘(Force)의 변화를 실시간 측정할 수 있도록 제2 센서부(114)가 설치되어 있다.

상기 제1 센서부(110)는 스웰링포스의 증가에 따라 외부 프레임(10)의 변형이 발생하며, 이때 도 3에 도시된 바와 같이, 고정치수(A)의 변화가 발생된다.

상기 제1 센서부(110)는 변동치수(B)를 측정하는 변동치수 변위센서(39)와, 고정치수(A)를 측정하는 고정치수 변위센서(41)가 설치되어 있고, 상기 외부 프레임(10)의 변형에 따라 변화된 값을 측정한다. 즉 스웰링포스가 증가함에 따라 상기 외부 프레임(10)이 변형이 발생하면 상기 제1 센서부(110)이 변동치수 변위센서(39)와 고정치수 변위센서(41)가 감지하여 측정이 이루어진다.

도 4는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 시험절차를 보여주는 플로우차트로서, 좀 더 구체적으로 설명하여 보면, 상기 본체부(102)는 소정의 폭 또는 두께를 갖는 직사각형상의 외부 프레임(10)으로 이루어지고 상기 외부 프레임(10)의 내측부에는 수납공간(12)이 형성되어 있다.

그리고 상기 수납공간(12)에는 내부 몸체부(104)가 설치되어 있는바, 상기 내부 몸체부(104)는, 상기 외부 프레임(10)의 내측 상부에 가로방향으로 설치되는 내부 프레임(14)과 상기 외부 프레임(10)의 내측 하부에 가로방향으로 설치되고 상기 내부 프레임(14)과 대칭으로 설치되는 내부 프레임(15)의 한 쌍으로 이루어지고, 상기 한 쌍의 내부 프레임(14)과 내부 프레임(15)의 우측부에 세로방향으로 구동 플레이트(16)가 설치되고 상기 내부 프레임(14)과 내부 프레임(15)의 중간부에 세로방향으로 제1 탄성 플레이트(18)가 설치되며, 상기 제1 탄성 플레이트(18)의 좌측부에는 소정의 거리만큼 이격되어 제2 탄성 플레이트(20)가 설치되어 있다.

이때, 상기 내부 프레임(14,15)에 설치된 구동 플레이트(16)와 외부 프레임(10)의 사이에는 제1 수납부(22)가 구획 형성되고 상기 제1 구동 플레이트(16)와 제1 탄성 플레이트(18)의 사이에는 제2 수납부(24)가 구획 형성되고, 상기 제1 탄성 플레이트(18)와 제2 탄성 플레이트(20)의 사이에는 제3 수납부(26)가 구획 형성되며 상기 제2 탄성 플레이트(20)와 내부 프레임(14)의 좌측부 사이에는 제4 수납부(28)가 구획 형성되어 있다.

이어서, 상기 본체부(102)의 우측부에는 구동부(206)가 설치되는바, 상기 구동부(106)는 서보모터(30)와, 상기 서보모터(30)의 일측부에 연결 설치되어 회전하는 구동축(32)을 포함한다.

상기 서보모터(30)는 상기 본체부(1020의 외부 프레임(10)의 우측면부에 고정 설치되어 있고 상기 구동축(32)은 상기 외부 프레임(10)을 관통하도록 좌측방향으로 연장 설치되고 상기 제1 수납부(22)에 위치되며 상기 구동축(32)의 좌측단부는 상기 구동 플레이트(16)에 연결 고정되도로 설치된다.

상기와 같이 설치된 구동부(106)는 상기 서보모터(30)의 동작에 따라 상기 구동축(32)이 회전하고 상기 구동축(32)에 연결된 구동 플레이트(15)가 전진 및 후진동작되도록 설치되어 있다.

상기 구동 플레이트(16)는 시험 셋팅 단계에서 시험 조건에서 정의된 최초 압력 또는 변위를 세팅하기 위해 사전 설정하는 것이 바람직하고, 시험이 시작된 후, 전지 셀에 인가되는 압력 또는 변위를 시험 조건에 따라 변경 또는 일정하게 유지하기 위해 사전에 설정압력 또는 변위 값으로 서보모터(30)에 의해 자동으로 실시간 변경되도록 설치됨이 바람직하며, 이때, 상기와 같이 해당 기능을 사용하지 않는 경우, 전지가 열화됨에 따라 스웰링포스와 변위는 지속적으로 증가한다.

그리고 충방전 사이클 시험이 연속되면 스웰링포스가 크게 증가하는데 이때 모터 백래쉬, 외부 프레임(10)의 변형 등으로 인해 측정값이 왜곡이 발생할 수 있는바, 후술되는 변위센서(38)(39)가 측정 중인 변위값과 서보모터(30)가 측정한 변위값의 차이가 발생한 경우, 변위센서가 측정중인 변위값으로 실시간 동기화하며 서보모터(30)가 동작하도록 설치하여 모터 백래쉬에 의한 측정 데이타의 왜곡을 보정하도록 설치함이 바람직하다.

상기와 같은 서보모터(30)는 사전 설정된 조건으로 상기 구동부(106)를 움직이기 위해 변위센서에서 측정되는 데이터를 기준으로 사전 설정된 값과의 차이를 지속적으로 비교하며, 차이가 발생하는 경우 작동하여 데이터의 왜곡을 보정한다.

계속해서, 상기 구동 플레이트(16)와 제1 탄성 플레이트(18)의 사이에는 제2 수납부(24)가 형성되고 상기 제2 수납부(24)에는 장착부(108) 및 제1 센서부(110)가 설치되어 있다.

상기 장착부(108)는, 상기 본체부(102)의 바닥면에 고정 설치되는 장착몸체(34)와, 받침틀(36)을 포함한다.

상기 받침틀(36)의 상부에 장착몸체(36)가 설치되고 상기 장착몸체(36)에는 충방전 사이클 시험을 하기 위해 다수의 전지셀을 삽입 설치할 수 있도록 이루어진다.

상기 장착몸체(36)는 전지셀들의 다양한 종류, 크기 수량들을 장착하는 부위로 다수의 결합 설치공을 구비하고 상기 받침틀(36)은 구성 전지셀의 배열에 따라 위치를 고정할 수 있도록 함과 동시에 절연이 가능한 소재로서 세라믹, 베이클라이트 등을 사용함이 바람직하다.

한편, 상기 장착부(108)의 상부 및 하부에는 제1 센서부(110)가 설치되고 상기 제1 센서부(110)는 상부의 변위센서(38)와, 상기 변위센서(38)와 대칭으로 설치되는 하부의 변위센서(39)를 포함한다.

상기 변위센서(38,39)는 상기 배터리 또는 전지셀을 장착하는 장착부(108) 내 전지셀의 스웰링 현상으로 발생하는 변위의 변화를 4접점으로 측정 후, 평균값으로 환산하여 스웰링 현상으로 인한 전지 셀 또는 전지 셀 배열의 실제 두께 변화를 실시간 측정한다.

또한, 상기 제1 탄성 플레이트(18)와 제2 탄성 플레이트(20)의 사이에는 제3수납부(26)가 형성되고 상기 제3 수납부(26)에는 강성부(112)가 설치된다.

상기 강성부(112)는 다수의 코일 스프링(40)을 구비한다.

상기 다수의 코일 스프링(40)을 병렬로 배치하여 강성을 조절한다.

이때, 상기 장착부(108)에 설치되는 전지 셀에 가해지는 압력을 정량화하기 위해 상기 스프링(40)을 직렬, 병렬, 직병렬, 지그재그 타입 등 다양하게 배치하여 여러 조건의 강성 하에서 스웰링포스와 변위의 변화를 측정할 수 있도록 설치함이 바람직하다.

상기 강성부(112)의 강성은 설계하고자 하는 모듈/팩 외함의 강성을 모사하도록 비례적으로 스프링(40)을 설치하는 것이 바람직하다.

상기 강성부(112)의 스프링(40)은 그 일단이 상기 제1 탄성 플레이트(18)에 고정되고 타단은 상기 제2 탄성 플레이트(30)에 고정되어 탄력적으로 늘어나고 줄어들도록 설치되고 적어도 하나 이상을 설치하는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 제2 탄성 플레이트(20)와 상기 외부 프레임(10)의 좌측부 내면 사이에는 제2 센서부(114)가 설치되어 있고 상기 제2 센서부(114)는 고정 브라켓(42)과 로드셀(44)을 포함한다.

상기 고정 브라켓(42)은 상기 본체부(102)의 바닥면에 고정 설치되고 상기 로드셀(44)을 안정적으로 받쳐주고 고정하도록 설치하는 것이 바람직하다.

상기 로드셀(44)은 상기 장착부(108)의 내측에 설치된 전지 셀의 스웰링 현상으로 발생하는 힘(Force)의 변화를 실시간으로 측정한다.

상기와 같이 설치된 스웰링포스 측정장치(100)의 시험방법은 먼저, 원하는 강성 유지 조건을 만족하기 위한 스프링(40)의 강성과 병렬 배치를 강성부(112)에 장착한다.

상기 스프링(40)의 병렬 배치시 전지셀의 중심부와 상기 스프링(40) 배열의 중심 간 일치 여부를 확인한다.

상기 스프링(40)의 설정 강성은 모듈/팩의 외함 강성을 모사하여 설정한다.

이때, 해당 시험을 반복 수행할 수 있다면 여러 조건의 강성하에서 스웰링포스와 변위(Displacement), 열화율 데이터를 활용하여 열화율에 따른 스웰링포스 증가 추이를 예측할 수 있다.

그리고 상기 배터리가 설치되는 장착부(108)에 단일 셀 또는 셀 배열을 장착한다. 이때 시험 목적이 단일 셀용인지 모듈용인지를 구분하여 설치함이 바람직하다.

상기 서보모터(30)는 수동조작을 통해 상기 구동 플레이트(16)을 움직여서 로드셀(44)에 가해지는 최초의 압력 또는 변위조건을 세팅한다.

또한, 충전-방전 사이클 시험 조건을 서렁하고 로드셀(44)의 양극, 음극 단자와 충반전 기기를 상호 연결하고 충전-방전 사이클 시험을 한다.

이때, 압력 또는 변위 유지 조건의 여부에 따라 상기 서보모터(30)를 자동으로 가동할 것인지 여부를 결정한다.

이어서, 압력 또는 변위 유지 조건일 경우, 실시간으로 측정되는 스웰링포스와 변위(Displacement) 값과 상기 서보모터(30)를 동기화하여 목표값으로 유지하기 위해 상기 서보모터(30)를 자동으로 가동한다.

그리고, 목표값 도달 시 상기 서보모터(30)는 정지하며 다시 목표값 대비 변화가 생길 경우, 상기 서보모터(30)를 자동으로 가동한다.

한편, 상기 서보모터(30)의 백래쉬 현상 또는 외부 프레임(100)의 변형으로 인해 압력 또는 변위(DIsplacement) 값이 실제와 달라지는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우 상기 서보모터(30)는 상기 장착부(108)에 장착된 변위센서(38,39)에서 읽어오는 스웰링포스와 변위(Displacement) 값을 기준으로 왜곡된 값을 자동으로 보정한다.

계속해서, 사이클 시험 간 충전-방전 데이터와 힘(Force), 변위(Displacement) 데이터를 실시간 동기화하여 취득하고 해당 사이클 시험은 시험 종료 조건까지 반복 수행한다.

도 5는 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 스웰링포스와 변위와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 상기 강성부(112)의 변경된 강성 하에서 상기 스프링(40)의 강성과 배치 조합을 변경한 조건으로 시험을 진행하면서 스웰링포스와 변위를 측정해야 한다.

이때 최소 3대 이상의 스웰링포스 측정장치(100)를 활용하여 다양한 강성부(112)의 강성 하에서 시험을 동시에 수행한다.

도5에 도시된 바와 같이, 힘(Force)-변위(Displacement) 그래프와 같이 열화율(State of Health, SOH)이 증가함에 따라 상기 강성부(112) 강성(Spring constant)의 슬로프(Slope) 상에서 힘(Force)와 변위(Displacement)가 증가하는 경향을 확인할 수 있다.

이 경우, 특정 열화율에 도달하였을 때의 힘(Force)과 변위(Displacement)를 정의할 수 있다.

그래프에 도시된 바와 같이, A, B, C, D 총 4 가지의 강성부 강성하에서 시험을 수행하였고 이때 열화율이 5%씩 증가하는 시점의 힘(Force)과 변위(Displacement)의 변화를 측정하였으며, A, B, C, D 각각의 강성부 강성 슬로프(Slope)를 따라 힘(Force)과 변위(Displacement)가 증가하는 경향을 확인할 수 있다.

동일 열화율에서의 데이터를 서로 연결하였을 때, 해당 열화율에서의 힘(Force)-변위(Displacement) 관계 곡선을 획득할 수 있으며 실제 시험을 통해 도출한 A,B,C,D 4가지 강성부 강성 데이터 외 다른 강성부 강성에서 얻을 수 있는 데이터는 도5에서 보여주는 관계 곡선 위에 있을 것으로 알 수 있다.

또한, 열화율이 로드셀의 이상 반응 등으로 인해 급속하게 빨라지는 수명 급락 현상이 발생하지 않는 이상 힘(Force)과 변위(Displacement)는 선형적으로 증가하는 경향을 보이기 때문에 실제 시험에서는 도달하지 않은 열화율에서의 스웰링포스와 변위(Displacement)값을 추정을 통해 알 수 있다.

도5에 도시된 그래프는 열화율 95%, 90%, 85% 까지는 실제 시험 데이터를 통해 도출하였으며 열화율 80%, 75% 영역은 추정을 통해 예측한 값이다.

이와 같이, 해당 데이터는 실제 수개월이 소요되는 시험기간을 단축하여 해당 셀의 목표한 수명 종료 열화율에 도달하였을 때의 스웰링포스와 변위(Displacement)의 변화를 예측하는데 활용할 수 있는 가치가 있다.

또한, 도 6은 본 발명의 스웰링포스 측정장치의 측정방법을 보여주는 블럭도로서, 본 발명의 스웰링포스 측정장치(100)의 측정방법은 먼저, 상기 스프링(40)을 구비하는 강성부(112)를 설치하는 단계(S10)와, 배터리, 단위셀, 모듈/팩 등의 전지를 설치하는 단계(S20)와, 구동부(106)를 셋팅하는 단계(S30)와, 충방전 사이클을 설치하는 단계(S40)와, 충방전 사이클 평가 단계(S50)와, 데이터 획득 단계(S60)와, 충방전 사이클 종료 단계(S70)를 포함한다.

이어서, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 스웰링포스 측정장치를 이용한 백래쉬 보정방법을 이용했을 때의 그래프를 보여주는 도면으로서, 도 7a에 도시된 바에 의하면 본 발명의 스웰링 포스 측정장치를 이용하여 백래쉬를 보정하였을 경우, 스웰링 포스의 변화를 보여주고, 도 7b에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 스웰링포스 측정장치를 이용하여 백래쉬를 보정하였을 경우, 변위값의 변화를 보여주고 있다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 전지셀을 장착시키고 실험을 하면 상기 셀 스웰링포스가 증가하고 스웰링포스가 증가함에 따라 상기 외부 프레임(10)의 변형이 발생한다.

이때 도 3에서와 같이, 고정치수(A)로 표현된 치수의 변화가 발생한다.

하지만 고정치수(A)는 상기 제2 탄성 플레이트(20)와 상기 구동 플레이트(16) 사이의 거리를 측정하는 있는 값으로 셀 스웰링이 발생하여도 값의 변화가 발생하면 안되는 고정된 치수값이다. 즉, 전지 셀이 스웰링 되면서 값의 변화가 발생하는 치수는 상기 변동치수(B)로써 상기 제1 탄성플레이트(18)와 상기 구동 플레이트(16) 사이의 치수가 되는 것이다.

상기 변위센서(39,41) 중 대각에 위치한 2개의 변동치수 변위센서(39)는 변동치수를 각각 측정하여 평균변위를 표시하고, 나머지 대각에 위치한 2개의 고정치수 변위센서(41)는 고정치수를 측정하여 평균변위를 표시한다.

그리고 상기 고정치수(A)를 측정하는 고정치수 변위센서(41)의 평균변위는 변하지 않고 고정된 값이어야 함으로 만약 상기 외부 프레임(10)의 변형이 발생하여 고정치수(A)에 변화가 생겼을 경우 상기 서보모터(30)에 변화가 발생하였다는 신호를 제1 센서부(110)가 송신하게 된다.

상기 제1 센서부(110)에 의해 고정치수(A)가 변화되었음을 수신한 상기 서보모터(30)는 최초 설정된 고정치수(A) 값을 맞추기 위해 자동으로 구동하여 상기 구동플레이트(16)를 압착하게 되며, 상기 구동플레이트(16)가 압착되어 고정치수(A)가 최초 설정된 고정치수(A) 값과 동일해지면 자동으로 종료된다.

한편, 백래쉬 현상이 발생한 경우도 마찬가지로 모터 나사산의 공차로 인하여 셀 스웰링포스에 의해 상기 구동 플레이트(16)가 뒤로 밀리면서 고정치수(A)에 변화가 발생하게 되고 상기 고정치수(A)의 변화 신호를 서보모터(30)에 보낸 후, 신호를 수신한 서보모터(30)가 자동으로 압착 동작을 실시하게 된다.

이와 같은 외부 프레임 및 백래쉬 보정에 의한 효과는 도7(a) 및 도7(b)에 도시된 바와 같이 그래프로 나타난다.

상기 외부 프레임(10) 및 백래쉬를 상기 서보모터(30)를 이용하여 보정하지 않았을 경우에는 사이클이 반복됨에 따라 기울기가 낮은 경사도를 그리며 상승하는 반면에, 상기 서보모터(30)를 이용하여 보정한 경우에는 사이클이 반복됨에 따라서 기울기가 큰 경사도를 그리면서 나타난다.

즉, 백래쉬를 보정하지 않을 경우, 상기 구동 플레이트(16) 또는 상기 제2 탄성 플레이트(20)의 위치 변화 등으로 인하여 측정되는 스웰링포스와 셀의 변위 변화에 왜곡이 발생하게 되고, 이는 사이클 수가 증가할수록 큰 데이터 왜곡으로 이어지게 되는 것이다.

상기와 같이 서보모터(30)를 이용하여 백래쉬를 보정하거나 외부 프레임의 변형 값을 보정함으로써 실제로 작용하는 스웰링포스와 변위값에 일치하는 측정값을 얻을 수 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양하게 실시할 수 있으며 이러한 범위내의 기술적 변경은 본 발명의 범위내에 있다고 할 것이다.

10 : 외부 프레임 12 : 수납공간
14,15 : 내부 프레임 16 : 구동 플레이트
18 : 제1 탄성 플레이트 20 : 제2 탄성 플레이트
22 : 제1 수납부 24 : 제2 수납부
26 : 제3 수납부 28 : 제4 수납부
30 : 서보모터 32 : 구동축
34 : 장착몸체 36 : 받침틀
38,39 : 변위센서 40 : 스프링
42 : 고정 브라켓 44 : 로드셀
100 : 스웰링포스 측정장치 102 : 본체부
104 : 내부 몸체부 106 : 구동부
108 : 장착부 110 : 제1 센서부
112 : 강성부 114 : 제2 센서부
A : 고정치수 B : 변동치수

Claims (5)

1. 사각형상의 외부 프레임(10)으로 이루어지는 본체부(102)와;
   상하부 한 쌍의 내부 프레임(14,15)가 설치되고 구동 플레이트(16), 제1 탄성 플레이트(18) 및 제2 탄성 플레이트(20)에 의해 다수의 수납부들(22,24,26,28)로 구획되는 내측 몸체부(104)와;
   상기 외부 프레임(10)의 우측부에 설치되고 상기 구동 플레이트(16)와 연결 설치되어 동작하는 구동부(106)와;
   상기 구동 플레이트(16)와 제1 탄성 플레이트(18)의 사이에 배터리 전지 셀을 설치하기 위한 장착부(108)와;
   상기 장착부(108)의 후부에 설치되어 탄력적으로 동작하는 강성을 측정하기 위해 제1 탄성 플레이트(18)와 제2 탄성 플레이트(20) 사이에 설치되는 강성부(112)와;
   상기 장착부(108)에 설치되고 상기 구동부(106)에 의해 동작되며 충방전시 측정되는 전지 셀의 변화에 따른 변위를 측정하기 위한 제1 센서부(110)와;
   상기 강성부(112)의 후부에 설치되고 충방전시 측정되는 전지 셀의 변화에 따른 스웰링포스를 측정하기 위한 상기 제2 센서부(114)를 포함하되,
   상기 제1 센서부(110)는,
   상기 장착부(108)의 양 측부에 각각 설치되는 변위센서(38,39)를 구비하고, 상기 장착부(108)의 충방전시 변화되는 변위를 측정하고,
   상기 강성부(112)는,
   다수의 스프링(40)으로 이루어지고, 상기 스프링(40)을 제1 탄성 플레이트(18)와 제2 탄성 플레이트(20) 사이에 배열 설치하고,
   상기 제2 센서부(114)는,
   상기 제2 탄성 플레이트(20)의 후부와 상기 외부 프레임(10)의 내측부 사이에 설치되어 배터리 전지 셀의 충방전시 발생하는 스웰링포스의 변화에 따른 힘을 측정하기 위한 로드셀(44)을 포함하며,
   상기 외부 프레임(10)의 변형 및 모터의 나사산에 의한 백래쉬의 발생시 상기 제1 센서부(110)가 측정된 값을 상기 서보모터(30)로 송신하고 상기 서보모터(30)가 수신한 후, 상기 서보모터(30)가 상기 구동 플레이트(16)를 동작시켜서 상기 외부 프레임(10)의 변형 및 백래쉬를 보정하되,
   상기 제1 센서부(110)는 변동치수(B)를 측정하는 변동치수 변위센서(39)와, 고정치수(A)를 측정하는 고정치수 변위센서(41)가 설치되고, 상기 외부 프레임(10)의 변형에 따라 변화된 값을 측정하며, 스웰링포스가 증가함에 따라 상기 외부 프레임(10)이 변형이 발생하면 상기 제1 센서부(110)의 변동치수 변위센서(39)와 고정치수 변위센서(41)가 감지하여 측정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 스웰링포스 측정장치.
   
   
   
   
   
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