KR102929552B1 - 비선형성을 개선한 병렬 고강성 스프링 지그 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고강성 스프링 지그는 로드셀; 상기 로드셀의 하부에서 상기 로드셀을 지지하도록 마련되는 베이스 플레이트; 상기 로드셀의 상부에 배치되고 이차전지 셀을 지지하며 상기 로드셀을 하방 가압하도록 마련되는 가압 플레이트; 및 상기 이차전지 셀을 사이에 두고 상기 가압 플레이트의 상부에 배치되고 상기 이차전지 셀의 팽창시 탄성 압축되는 고강성 스프링을 구비하는 탄성 변위측정 모듈을 포함하고, 상기 탄성 변위측정 모듈은, 병렬로 배치되는 복수의 고강성 스프링들과, 상기 복수 개의 고강성 스프링들의 하부와 상부에 각각 위치하고 셀 테스트 이전에 상기 고강성 스프링들이 미리 소정의 길이만큼 일괄 압축되도록 상호 간의 이격 거리가 조절되게 마련되는 스프링 바텀 플레이트와 스프링 탑 플레이트를 포함할 수 있다.

Description

비선형성을 개선한 병렬 고강성 스프링 지그{Parallel High Rigidity Spring Jig with improved it's nonlinearity}

본 발명은 파우치형 이차전지의 스웰링 시 하중 및 변위 특성을 평가하기 위한 장치에 관한 것이다.

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

소형 모바일 기기들에는 하나 또는 두서너 개의 이차전지면 충분하나, 전기 자동차 또는 중대형 디바이스의 경우, 이에 요구되는 용량 및 출력을 만족시키려면 많은 개수의 이차전지들을 직렬 및/또는 병렬한 이차전지들의 집합체인 배터리 모듈을 사용한다. 배터리 모듈은 상기 이차전지셀들의 집합체인 셀 조립체와 상기 셀 조립체를 수납하도록 마련된 모듈 하우징을 포함하여 구성될 수 있다. 최근에는 에너지 밀도가 높으면서 적층이 용이한 장점 때문에 리튬-폴리머 파우치형 이차전지를 많이 이용하여 셀 조립체 제작하고 있다.

그런데 리튬-폴리머 파우치형 이차전지는 일반적으로 알루미늄 라미네이트 시트로 전극 조립체를 내장한 형태로 마련되기 때문에 작은 크기와 중량에 비해 에너지 밀도가 높은 장점이 있지만, 기계적 강성이 약한 단점이 있다. 특히, 리튬-폴리머 파우치형 이차전지의 경우, 반복적인 충방전 과정에서 전극이 두꺼워지거나, 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 발생하는 가스로 인해 파우치 외장재가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 일어난다. 따라서 상기 이차전지 셀들의 스웰링 압력을 충분히 견딜 수 있도록 배터리 모듈을 제작하여야 한다.

배터리 모듈의 스웰링 평가는 이차전지 셀 단위 스웰링 평가에 비해 시간 및 비용이 많이 발생하기 때문에, 이차전지 셀 단위의 스웰링 평가를 통해서 배터리 모듈의 스웰링을 예측하는 기술이 연구되어 왔다. 이차전지 셀 단위의 스웰링 평가에는 스프링 지그가 사용되며, 스프링 지그는 예측하고자 하는 배터리 모듈의 강성에 따라 유사한 스프링 상수 값을 구현하여 제작된다. 따라서 강성이 높거나 많은 이차전지 셀들로 구성된 고강성 또는 대용량 배터리 모듈의 경우, 이차전지 셀 단위의 스웰링 평가를 위해 높은 스프링 상수를 갖는 고강성 스프링이 필요하다.

한 개의 스프링에서 스프링 상수를 높이기 위해서는 스프링 직경, 유효 권수, 중심경 등을 증가시키거나 탄성계수가 높은 재질을 사용해야 한다. 하지만 설계 및 제작에 제약이 있기 때문에 한 개의 스프링으로는 원하는 스프링 상수를 구현하기 쉽지 않다. 따라서 여러 개의 스프링을 병렬 연결하여 높은 스프링 상수 값을 구현하는 것이 효과적이다.

한편, 배터리 모듈은 탄성 구간에서 선형 강성을 갖기 때문에, 예측 정확도를 높이기 위해서는 여러 개의 스프링들을 사용하더라도 전체 등가 스프링 상수 값은 선형 특성을 가져야 한다. 즉, 상기 배터리 모듈의 스프링 상수 값이 Keq이고 스프링 지그에 사용될 여러 개의 스프링들 각각의 스프링 상수 값이 K1+K2+K3+…라고 했을 때, F=Keq×X = (K1+K2+K3+…)×X의 관계가 만족해야 스프링 지그를 이용한 배터리 모듈의 스웰링 예측 정확도가 높아질 수 있다.

그런데, 종래 스프링 지그에 사용되는 스프링들은 저마다 가공 오차가 있고 여러 개의 스프링을 조립하면서 조립 공차도 생기기 때문에 상기 관계식이 만족되지 않는 단점이 있다. 이를테면 셀 스웰링시 스프링 지그의 1번,2번,3번 스프링의 압축되기 시작하는 시점이 저마다 다를 수 있어, 도 1에 도시한 바와 같이 병렬 등가 스프링이 비선형 탄성 거동을 보이고 이 때문에 배터리 모듈의 스웰링 예측 정확도가 떨어지게 되는 문제점이 지적되고 있다.

따라서 스프링 지그에 있어서, 병렬 스프링들의 비선형 탄성 거동을 개선할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

한국 공개특허공보 제10-2018-0087040호 (2018.08.01) 주식회사 엘지화학

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 높은 스프링 상수를 갖도록 충분히 많은 개수의 고강성 스프링들을 병렬로 배열할 수 있으면서도 상기 병열 배열된 고강성 스프링들이 스웰링 평가 대상 배터리 모듈과 같이 선형적 탄성 거동을 갖도록 구현된 고강성 스프링 지그를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고강성 스프링 지그는, 로드셀; 상기 로드셀의 하부에서 상기 로드셀을 지지하도록 마련되는 베이스 플레이트; 상기 로드셀의 상부에 배치되고 이차전지 셀을 지지하며 상기 로드셀을 하방 가압하도록 마련되는 가압 플레이트; 및 상기 이차전지 셀을 사이에 두고 상기 가압 플레이트의 상부에 배치되고 상기 이차전지 셀의 팽창시 탄성 압축되는 고강성 스프링을 구비하는 탄성 변위측정 모듈을 포함하고, 상기 탄성 변위측정 모듈은, 병렬로 배치되는 복수의 고강성 스프링들과, 상기 복수 개의 고강성 스프링들의 하부와 상부에 각각 위치하고 셀 테스트 이전에 상기 고강성 스프링들이 미리 소정의 길이만큼 일괄 압축되도록 상호 간의 이격 거리가 조절되게 마련되는 스프링 바텀 플레이트와 스프링 탑 플레이트를 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 고강성 스프링들의 등가 스프링 상수가 분석 대상 배터리 모듈의 스프링 상수에 대응하는 값을 갖도록 상기 복수 개의 고강성 스프링들의 개수가 정해질 수 있다.

상기 탄성 변위측정 모듈은, 상기 스프링 바텀 플레이트와 상기 스프링 탑 플레이트에 수직하게 연결되는 거리조절 샤프트;와 상기 거리조절 샤프트를 정방향 또는 역방향으로 회전시킬 수 있게 마련되는 핸들로 구성되는 간격 조절부재를 포함하고, 상기 스프링 바텀 플레이트 및 상기 스프링 탑 플레이트 중 어느 하나는 상기 거리조절 샤프트와 스크류 결합되어 상하 방향으로 이동 가능하게 마련될 수 있다.

상기 간격 조절부재는 상기 스프링 바텀 플레이트와 상기 스프링 탑 플레이트의 길이 방향 양쪽 단부를 연결하도록 해당 부분에 하나씩 2개가 구비될 수 있다.

상기 거리조절 샤프트는 나사산이 형성된 상부 영역과, 나사산이 없는 하부 영역을 구비하고 상기 하부 영역의 끝단에는 상기 하부 영역의 직경보다 큰 판형의 플랜지부가 형성되며, 상기 스프링 탑 플레이트는 상기 나사산과 스크류 결합되는 스크류 홀을 구비하고 상기 거리조절 샤프트의 상부 영역에서 상하로 이동하고, 상기 스프링 바텀 플레이트는 상기 플랜지부에 의해 하면이 지지될 수 있다.

상기 베이스 플레이트에서 상기 가압 플레이트, 상기 스프링 바텀 플레이트, 상기 스프링 탑 플레이트를 관통하여 수직으로 연장되는 복수 개의 가이드 봉들을 더 포함할 수 있다.

상기 가이드 봉의 둘레를 감싸며 상기 가압 플레이트에 수직하게 결합되는 환형의 베어링 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 가이드 봉들의 상단에 결합되어 상기 스프링 탑 플레이트의 이탈을 제한하는 스토퍼 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 스토퍼 부재는, 상기 가이드 봉들의 상단에 스크류 결합되는 너트일 수 있다.

상기 고강성 스프링들 중 일부 고강성 스프링은 상기 가이드 봉에 연결되고 나머지 고강성 스프링은 상기 가이드 봉에 연결되지 않은 상태로 상기 스프링 바텀 플레이트와 상기 스프링 탑 플레이트 사이 공간에 배치될 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 스웰링 평가 대상 배터리 모듈의 스프링 상수와 같이 선형 특성을 갖는 병렬 배치된 고강성 스프링을 구비한 스프링 지그가 제공될 수 있다. 따라서 단위 이차전지 셀의 스웰링 평가를 통해 배터리 모듈의 스웰링 특성을 보다 정확히 예측할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 가이드 봉에 스프링을 연결하는 기존의 스프링 지그와 달리, 스프링 바텀 플레이트와 스프링 탑 플레이트 사이라면 특별한 제약없이 고강성 스프링을 추가할 수 있어 높은 스프링 상수를 갖는 고강성 스프링 지그를 구현하는 것이 매우 용이할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 스프링 지그를 사용하여 셀 스웰링 테스트 진행시 병렬 스프링들의 비선형성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강성 스프링 지그의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2의 정면도이다.
도 4는 도 2의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강성 스프링들의 병렬 배열 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 부분 확대도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 스웰링 테스트 전에 고강성 스프링들을 일괄적으로 미리 압축해 놓는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 도 8과 같이 병렬 고강성 스프링들이 사전 압축됨으로써 셀 스웰링 테스트 진행시 비선형성 구간을 회피할 수 있음을 설명하기 위한 참고도이다.
도 10은 셀 스웰링 테스트 과정에서 셀 팽창시 고강성 스프링 지그의 작동예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 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 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강성 스프링 지그의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 2의 정면도이며, 도 4는 도 2의 측면도이다.

이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고강성 스프링 지그는 로드셀(10), 베이스 플레이트(20), 가압 플레이트(30), 탄성 변위측정 모듈(40) 및 상기 베이스 플레이트(20)에서 수직하게 연장되어 상기 가압 플레이트(30)와 탄성 변위측정 모듈(40)을 일체로 지지하고 이들의 상하 방향 평행 이동을 가이드하는 복수 개의 가이드 봉(50)들을 포함할 수 있다.

로드셀(10)은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성체와 이를 전기적인 신호로 바꾸어주는 스트레인 게이지를 이용한 하중 감지센서로서, 베이스 플레이트(20)와 가압 플레이트(30) 사이에 위치하고 이차전지 셀(C)의 스웰링 시 가압 플레이트(30)에 의해 가해지는 이차전지 셀(C)의 하중을 측정할 수 있다.

예컨대, 로드셀(10)의 로드 버튼에 하중이 가해지면 응력에 비례한 변형이 발생하고, 그 변형에 따라서 스트레인 게이지의 전기 저항이 변화하고 이에 따른 전류 변화가 디지털의 신호로 바꾸어 상기 하중 값이 숫자로 표시될 수 있다. 도시하지 않았으나, 로드셀(10)은 외부 장치와 케이블로 연결될 수 있고, 상기 전기 신호는 외부장치에서 숫자로 표시될 수 있다.

본 실시예는 셀 스웰링 시 가압 플레이트(30)가 뒤틀림 없이 수평하게 상하 방향으로 하강하게 구성되어 있어 로드셀(10)은 베이스 플레이트(20)의 가운데 하나만 있으면 충분하다. 다만, 본 발명의 권리범위가 이러한 사항으로 제한되는 것은 아니다. 즉, 로드셀(10)의 개수는 복수 개이고 베이스 플레이트(20)의 여러 곳에 분산 배치될 수도 있다.

베이스 플레이트(20)는 상기 로드셀(10)의 하부에서 로드셀(10)을 수평하게 지지할 수 있도록 구성될 수 있다. 이를테면 상기 베이스 플레이트(20)의 상면은 정반의 판상체 형상으로 마련될 수 있다. 본 실시예는 직사사각 판형으로 베이스 플레이트(20)를 구현하였으나, 로드셀(10)을 수평하게 지지할 수 있고 시험 대상인 리튬-폴리머 파우치형 이차전지보다 큰 면적을 갖는 것이라면 그 형상에 제한은 없다. 또한, 베이스 플레이트(20)는 이차전지 셀(C)의 스웰링 압력을 충분히 견딜 수 있도록 금속 또는 금속 합금으로 제작하는 것이 바람직하나, 강성이 우수한 강화플라스틱, 강화세라믹, 탄소강 등으로 제작해도 좋다.

가압 플레이트(30)는 베이스 플레이트(20)와 면적이 동일한 직사사각 판형으로 마련되고 로드셀(10)과 베이스 플레이트(20)의 상부에서 베이스 플레이트(20)와 평행하게 배치될 수 있으며 그 상면은 이차전지 셀(C)을 반듯하게 눕혀 놓을 수 있게 마련될 수 있다.

또한, 상기 가압 플레이트(30)는 이차전지 셀(C)의 스웰링 시 압력으로 하방으로 이동할 수 있게 마련될 수 있다. 이를테면, 가압 플레이트(30)는 가이드 봉(50)들을 따라 상하 방향으로 슬라이드 이동할 수 있게 마련될 수 있다. 이때, 상기 가압 플레이트(30)는 4개의 코너 부분과 양쪽 장변 가운데 부분에 하나씩 총 6개의 가이드 봉(50)들에 의해 지지되게 구성되어 있어 상하 방향 이동시 뒤틀림 현상이 거의 없다.

참고로, 가압 플레이트(30)가 이동시 뒤틀리게 되면, 로드셀(10)에 하중 측정 오차가 발생할 수 있음으로 가압 플레이트(30)의 상하 방향으로 평행 이동이 중요하다. 이에 본 실시예는 가압 플레이트(30)에 베어링 부재(70)를 결합하여 가압 플레이트(30)와 가이드 봉(50) 간의 마찰을 줄이고 유격을 보상할 수 있도록 하였다. 상기 베어링 부재(70)는 환 형상으로 상기 가이드 봉(50)의 둘레를 감싸며 가압 플레이트(30)의 하부에 수직하게 결합될 수 있다.

예컨대, 이차전지 셀(C)의 스웰링 압력이 가압 플레이트(30)의 좌우에 불균등하게 작용할 경우, 또는 가압 플레이트(30)의 두께가 얇을 경우, 그 상하 방향 이동시 좌우 수평을 유지하기 쉽지 않으나, 베어링 부재(70)를 추가로 사용함으로써 위와 같은 경우에도 상기 베어링 부재(70)가 가압 플레이트(30)의 좌우 뒤틀림을 잡아줄 수 있다.

이러한 가압 플레이트(30)의 하부 방향 이동은 로드 버튼을 갖는 로드셀(10)을 사용하는 경우를 전제한 것이나, 변형이 없는 로드셀(10)을 가압 플레이트(30)의 하부에 배치할 경우 가압 플레이트(30)가 하부 방향으로 이동하지 않을 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 고강성 스프링 지그는 이차전지 셀(C)의 팽창시 탄성 압축되는 복수 개의 고강성 스프링(43)들을 구비한 탄성 변위측정 모듈(40)을 포함하고 있어 이차전지 셀(C)의 스웰링 시 하중뿐만 아니라 상기 하중과 동시에 이차전지 셀(C)의 변형량을 평가할 수 있다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 탄성 변위측정 모듈(40)은, 고강성 스프링(43)들의 하부와 상부에 각각 위치하는 스프링 바텀 플레이트(41)와 스프링 탑 플레이트(42), 그리고 이차전지 셀(C)에 대한 충방전 실시 전에 상기 고강성 스프링(43)들이 미리 소정의 길이만큼 일괄 압축되도록 상기 스프링 바텀 플레이트(41)와 상기 스프링 탑 플레이트(42)의 간격을 조절하기 위한 간격 조절부재(45)를 포함할 수 있다. 전술한 6개의 가이드 봉(50)들은 상기 스프링 바텀 플레이트(41)와 상기 스프링 탑 플레이트(42)를 관통하여 상기 스프링 탑 플레이트(42) 위로 까지 연장될 수 있으며, 이러한 6개의 가이드 봉(50)들의 상단에는 스토퍼 부재(60)가 체결될 수 있다.

상기 스프링 바텀 플레이트(41)는 가압 플레이트(30)의 상부에 배치되되, 셀 테스트 시에는 이차전지 셀(C)의 상면과 접촉하게 위치될 수 있다. 그리고 상기 스프링 탑 플레이트(42)는 상기 고강성 스프링(43)들을 사이에 두고 상기 스프링 바텀 플레이트(41)의 상부에 배치되되, 셀 테스트 시에는 스토퍼 부재(60)에 의해 상부 방향 이동이 제한될 수 있다. 즉, 상기 스토퍼 부재(60)는 가이드 봉(50)들의 상단에 결합되어 스프링 탑 플레이트(42)를 하방 가압할 수 있게 구성될 수 있다.

이를테면, 상기 스프링 바텀 플레이트(41)와 상기 스프링 탑 플레이트(42)는, 전술한 가압 플레이트(30)와 마찬가지로 가이드 봉(50)들에 연결되되 상기 가이드 봉(50)들을 따라 슬라이드 이동하게 마련될 수 있고, 가이드 봉(50)들은 상단이 상기 스프링 탑 플레이트(42)를 관통하여 스프링 탑 플레이트(42)의 상부로 돌출하며 상기 상단에서 아래쪽으로 소정 위치까지 나사산이 형성될 수 있다. 본 실시예의 스토퍼 부재(60)로는 상기 가이드 봉(50)들의 상단부 나사산에 체결될 수 있는 너트(60)가 채용될 수 있다. 상기 너트(60)를 상기 가이드 보의 상단에 조여서 스프링 탑 플레이트(42)와 스프링 바텀 플레이트(41)의 높낮이 조절 및 셀 스웰링 테스트 시 셀 스웰링 압력을 받더라도 상기 스프링 탑 플레이트(42)가 상부 방향으로 이동하지 않도록 고정시킬 수 있다.

본 발명의 이러한 구성으로 충방전 사이클을 반복함에 따라 이차전지 셀(C)이 팽창하면 스프링 바텀 플레이트(41)와 스프링 탑 플레이트(42) 사이의 고강성 스프링(43)들이 압축되고, 이때의 고강성 스프링(43)들의 압축량을 측정해서 상기 이차전지 셀(C)들로 구성되는 배터리 모듈에 대한 강성이나 탄성을 예측할 수 있다.

부연하면, 이차전지 셀(C)들은 모듈 케이스에 수납될 수 있는데, 상기 모듈 케이스는 소정 수준의 탄성을 가질 수 있다. 이러한 모듈 케이스는 본 발명의 고강성 스프링(43)들로 구현이 가능하다. 따라서 이차전지 셀(C)의 스웰링시 그 하중과 고강성 스프링(43)의 압축량을 분석함으로써, 간접적으로 실제 배터리 모듈에서 이차전지 셀(C)들이 스웰링할 때 모듈 케이스에 작용하는 하중과 그에 따른 변형량을 예측할 수 있다.

위와 같은 방식의 배터리 모듈의 스웰링 평가가 신뢰성을 얻으려면, 배터리 모듈 즉 모듈 케이스의 스프링 상수와 거의 일치하는 고강성 스프링(43)이 사용될 것을 전제로 한다.

그러므로 본 발명은 복수 개의 고강성 스프링(43)들의 등가 스프링 상수가 분석 대상 배터리 모듈의 스프링 상수에 대응하는 값을 갖도록 복수 개의 고강성 스프링(43)들의 개수가 미리 정해질 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 복수 개의 고강성 스프링(43)들은 스프링 탑 플레이트(42) 전체 면적에 걸쳐 병렬로 배치될 수 있다. 상기 고강성 스프링(43)들은 그 일단이 스프링 탑 플레이트(42)의 일면에 접착, 용접, 억지 끼움 장착 등의 방식으로 고정될 수 있다.

이러한 고강성 스프링(43)들 중 일부 고강성 스프링(43)은, 가이드 봉(50)이 고강성 스프링(43)의 내경을 통과하는 형태로, 상기 가이드 봉(50)과 연결되는 상태로 그리고 나머지 고강성 스프링(43)은 가이드 봉(50)과 연결되지 않은 상태로 상기 스프링 바텀 플레이트(41)와 상기 스프링 탑 플레이트(42) 사이 공간에 배치될 수 있다.

예컨대, 기존의 스프링 지그는 스프링을 조립하기 위해 샤프트와 같은 지지 구조물이 필요한 구조여서 스프링의 개수를 추가하는데 제약이 따르지만, 본 발명은 고강성 스프링(43)들이 넓은 면적을 갖고 서로 대면하는 스프링 바텀 플레이트(41)와 스프링 탑 플레이트(42) 사이 공간에 배치되는 구조이므로 상기 공간 안이라면 고강성 스프링(43)들을 얼마든지 추가하는 것이 가능하다. 이 같은 본 발명의 구성에 따르면 고강성 스프링(43)의 개수를 용이하게 증감시킬 수 있어 스프링 상수 값이 다른 여러 종류의 배터리 모듈에 대한 스웰링 평가가 보다 쉽게 수행될 수 있다.

한편, 고강성 스프링(43)들은 저마다 가공 및 조립 공차가 있어 예컨대, 도 6에 도시한 바와 같이, 스프링 탑 플레이트(42)의 일면을 기준으로 각각의 길이가 T1, T2, T3로 상이할 수 있다. 이러한 상태에서 스프링 탑 플레이트(42)를 스프링 바텀 플레이트(41)의 상부에 배치하고 외력을 가해 상기 고강성 스프링(43)들을 압축하면 길이가 T1인 고강성 스프링(43)이 가장 먼저 압축되기 시작하고, 그 다음 T2, T3 고강성 스프링(43)이 순차적으로 압축되기 시작한다.

이론적으로 병렬 배열한 동일한 고강성 스프링(43)들에 작용하는 외력은 F=Keq(K+K+K...)×X 이므로 선형성을 가져야 하지만 위와 같이 초기 스프링의 길이가 다를 경우, 외력이 작용해 각각의 고강성 스프링(43)이 압축되는 시점 상에 오차가 있기 때문에 병렬 배열된 고강성 스프링(43)들 모두가 외력을 받아 압축되기 전까지는 등가 고강성 스프링(43)에 작용하는 외력이 비선형성을 띄는 경향을 보인다.

즉, 병렬 배열되는 고강성 스프링(43)들은 모든 고강성 스프링(43)들이 압축되기 전/후를 기준으로 등가 고강성 스프링(43)에 작용하는 하중이 비선형 구간과 선형 구간으로 구분될 수 있다. 이러한 비선형 구간을 갖는 병렬 배열된 고강성 스프링(43)들을 그대로 이용할 경우 배터리 모듈의 변형량 예측이 불정확해질 수 있다.

이에 본 발명에 따른 고강성 스프링 지그는, 상기 비선형 구간을 회피하기 위한 방안으로서, 이차전지 셀(C)의 충방전을 실시하기 전에 병렬 배열된 복수 개의 고강성 스프링(43)들이 미리 소정의 길이만큼 일괄 압축된 상태가 될 수 있도록 상기 스프링 바텀 플레이트(41)와 상기 스프링 탑 플레이트(42) 간의 이격 거리를 조절할 수 있도록 간격 조절부재(45)를 더 포함한다.

다시 도 3 및 도 4와 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 간격 조절부재(45)는 상기 스프링 바텀 플레이트(41)와 상기 스프링 탑 플레이트(42)의 단변 가장자리에 수직하게 연결되는 거리조절 샤프트(45a,45b) 및 상기 거리조절 샤프트(45a,45b)를 정방향 또는 역방향으로 회전시킬 수 있게 마련되는 핸들(45c)을 포함한다.

상기 거리조절 샤프트(45a,45b)는 나사산이 형성된 상부영역(45a)과, 나사산이 없는 하부영역(45b)을 구비하고 상기 하부영역(45b)의 끝단에는 상기 하부영역(45b)의 직경보다 큰 판형의 플랜지부(45d)가 형성될 수 있다.

상기 스프링 탑 플레이트(42)는 상기 나사산과 스크류 결합되는 스크류 홀(42a)을 구비하고, 상기 핸들(45c)의 정방향 또는 역방향 회전에 의해 거리조절 샤프트(45a,45b)의 상부영역(45a) 범위 내에서 상하로 이동할 수 있다.

상기 스프링 바텀 플레이트(41)는 이차전지 셀(C)의 스웰링에 의해 상부 방향으로 이동이 자유로워야 하므로 거리조절 샤프트(45a,45b)와 스크류 결합 없이 연결되도록 거리조절 샤프트의 하부영역(45b)이 몸체를 통과하고 플랜지부(45d)에 의해 그 하면이 지지될 수 있다.

본 실시예는 스프링 탑 플레이트(42)와 거리조절 샤프트의 상부영역(45a)을 스크류 결합하여 스프링 탑 플레이트(42)가 상하 방향으로 이동하게 구성하였으나, 이와 달리 스프링 바텀 플레이트(41)와 거리조절 샤프트의 하부영역(45b)을 스크류 결합하여 스프링 바텀 플레이트(41)가 상하 방향으로 이동하게 구성하는 것도 가능하다. 이 경우 거리조절 샤프트의 하부영역(45b)에 나사산을 마련하고 상부영역(45a)에는 나사산을 없애면 된다.

상기 간격 조절부재(45)는 상기 스프링 바텀 플레이트(41)와 상기 스프링 탑 플레이트(42)의 길이 방향 양쪽 단부, 즉 단변 영역에 수직으로 연결하도록 해당 부분에 하나씩 2개가 구비될 수 있다.

본 발명은 이러한 간격 조절부재(45)를 사용하여, 도 7과 같이, 가압 플레이트(30)와 스프링 바텀 플레이트(41) 사이에 이차전지 셀(C)의 하면과 상면이 각각 접촉하게 배치하고, 상기 이차전지 셀(C)에 충방전 장치(미도시) 연결하기 전에 도 8과 같이, 핸들(45c)을 정방향(시계방향)으로 돌려 스프링 탑 플레이트(42)를 하강시켜서 상기 스프링 탑 플레이트(42)와 상기 스프링 바텀 플레이트(41) 사이에서 고강성 스프링(43)들이 소정 길이만큼 일괄적으로 미리 압축되도록 한다. 이에 따라 초기 고강성 스프링(43)들의 길이가 저마다 달랐다 하더하도 간격 조절부재(45)에 의한 선 가압에 의해 도 8에서 D1으로 표시한 것처럼 모든 고강성 스프링(43)들의 길이가 동일해질 수 있다.

이 경우, 셀 스웰링 테스트 이전에 병열 배열된 고강성 스프링(43)들이 미리 압축된 상태이므로 도 9의 그래프에서 비선형 구간을 벗어나 있어, 셀 스웰링 테스트 진행 중에는 선형 구간(Active range)에서 탄성 거동하게 된다.

이를테면, 이차전지 셀(C)에 대한 충방전 사이클을 반복 수행함에 따라 도 10에 도시한 바와 같이, 이차전지 셀(C)이 팽창하여 스프링 바텀 플레이트(41)가 상부 방향으로 이동하고 고강성 스프링(43)들이 예컨대 D2로 표시한 길이만큼 더 압축될 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 모든 고강성 스프링(43)들은 간격 조절부재(45)에 의해 셀 스웰링 테스트 전에 이미 길이가 일괄적으로 D1만큼 압축된 상태이므로 상기 이차전지 셀(C)이 팽창하기 시작하는 순간부터 셀의 팽창 압력을 동시에 받는다. 그러므로 셀 스웰링 테스트 진행 중에 병렬 고강성 스프링들에 작용하는 하중이 이론적인 등가 스프링 상수와 비례하는 선형성을 가질 수 있다.

이와 같은 본 발명의 고강성 스프링 지그 구성에 의하면, 이차전지 셀(C)의 팽창 하중은 로드셀(10)로 수치화하여 측정할 수 있고, 셀의 두께 변화는 플레이트들의 이동거리로 알 수 있으며, 특히 셀의 하중에 따른 병렬 고강성 스프링(43)들의 압축량을 분석함으로써 실제 배터리 모듈에 있어서 모듈 케이스의 변형 정도를 보다 정확히 예측할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

10 : 로드셀
20 : 베이스 플레이트
30 : 가압 플레이트
40 : 탄성 변위측정 모듈
41 : 스프링 바텀 플레이트
42 : 스프링 탑 플레이트
43 : 고강성 스프링
45 : 간격 조절부재
45a, 45b : 거리조절 샤프트
45c : 핸들
50 : 가이드 봉
60 : 스토퍼 부재
70 : 베어링 부재

Claims (10)

1. 로드셀; 상기 로드셀의 하부에서 상기 로드셀을 지지하도록 마련되는 베이스 플레이트;
   상기 로드셀의 상부에 배치되고 이차전지 셀을 지지하며 상기 로드셀을 하방 가압하도록 마련되는 가압 플레이트; 및
   상기 이차전지 셀을 사이에 두고 상기 가압 플레이트의 상부에 배치되고 상기 이차전지 셀의 팽창시 탄성 압축되는 고강성 스프링을 구비하는 탄성 변위측정 모듈을 포함하고,
   상기 탄성 변위측정 모듈은,
   병렬로 배치되는 복수 개의 고강성 스프링들과, 상기 복수 개의 고강성 스프링들의 하부와 상부에 각각 위치하고 셀 테스트 이전에 상기 고강성 스프링들이 미리 소정의 길이만큼 일괄 압축되도록 상호 간의 이격 거리가 조절되게 마련되는 스프링 바텀 플레이트와 스프링 탑 플레이트; 및
   상기 스프링 바텀 플레이트와 상기 스프링 탑 플레이트에 수직하게 연결되는 거리조절 샤프트와 상기 거리조절 샤프트를 정방향 또는 역방향으로 회전시킬 수 있게 마련되는 핸들로 구성되는 간격 조절부재를 포함하고,
   상기 스프링 바텀 플레이트 및 상기 스프링 탑 플레이트 중 어느 하나는 상기 거리조절 샤프트와 스크류 결합되어 상하 방향으로 이동 가능하게 마련되고,
   상기 거리조절 샤프트는 나사산이 형성된 상부 영역과, 나사산이 없는 하부 영역을 구비하고 상기 하부 영역의 끝단에는 상기 하부 영역의 직경보다 큰 판형의 플랜지부가 형성되며,
   상기 스프링 탑 플레이트는 상기 나사산과 스크류 결합되는 스크류 홀을 구비하고 상기 거리조절 샤프트의 상부 영역에서 상하로 이동하고, 상기 스프링 바텀 플레이트는 상기 플랜지부에 의해 하면이 지지되는 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수 개의 고강성 스프링들의 등가 스프링 상수가 분석 대상 배터리 모듈의 스프링 상수에 대응하는 값을 갖도록 상기 복수 개의 고강성 스프링들의 개수가 정해지는 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 간격 조절부재는 상기 스프링 바텀 플레이트와 상기 스프링 탑 플레이트의 길이 방향 양쪽 단부를 연결하도록 해당 부분에 하나씩 2개가 구비되는 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 베이스 플레이트에서 상기 가압 플레이트, 상기 스프링 바텀 플레이트, 상기 스프링 탑 플레이트를 관통하여 수직으로 연장되는 복수 개의 가이드 봉들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.
7. 제6항에 있어서,
   상기 가이드 봉의 둘레를 감싸며 상기 가압 플레이트에 수직하게 결합되는 환형의 베어링 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.
8. 제6항에 있어서,
   상기 복수 개의 가이드 봉들의 상단에 결합되어 상기 스프링 탑 플레이트의 이탈을 제한하는 스토퍼 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.
9. 제8항에 있어서,
   상기 스토퍼 부재는,
   상기 가이드 봉들의 상단에 스크류 결합되는 너트인 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.
10. 제6항에 있어서,
    상기 고강성 스프링들 중 일부 고강성 스프링은 상기 가이드 봉에 연결되고 나머지 고강성 스프링은 상기 가이드 봉에 연결되지 않은 상태로 상기 스프링 바텀 플레이트와 상기 스프링 탑 플레이트 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 고강성 스프링 지그.