KR20100117746A - 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력용 리튬이차전지를 구성하는 적층형 전극과 외부 전지케이스의 밀봉부 외측으로 돌출되어있는 전극 조립체의 전극단자를 연결하기 위하여 수행되는 저항 용접에 대한 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 피용접재에 대전류를 인가하여 용접을 수행하는 용접기와, 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간, 발열량에 관한 기준 파라미터 및 분리막의 용융 온도가 저장된 메모리부와, 용접 시 인가되는 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간의 검출 파라미터를 측정하기 위한 제1측정부와, 용접 시 용접 지점에서 발생되는 최대 온도를 측정하는 제2측정부와, 상기 분리막의 용융 온도와 측정된 용접 지점의 최대 온도를 비교하여 비교 결과에 따라 새로운 기준 파라미터가 설정되도록 피드백 제어하는 제어부로 이루어지는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치를 제공한다.
이에 따라, 본 발명에서는 리튬 이차 전지 제조 시 저항 용접 공정에 관하여 미리 작성된 최적 용접 조건에 대한 기준 파라미터를 저장하고, 이를 통하여 실제 용접에 따라 출력되는 물리량에 대한 정보를 취득하여 분리막의 용융온도와 비교함으로써 전극의 분리막이 용융 온도 이상으로 가열되는 것을 방지할 수 있으며, 최소 용접 강도에 관한 파라미터와의 비교를 통하여 일정 수준 이상의 용접력을 확보할 수 있도록 구성된 제어 방법 및 장치를 제공한다.
리튬이온전지, 전극 용접, 전극 리드탭, 저항 용접, 분리막, 분리막 손상

Description

리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법{Device and method for controlling resistance welding in lithium secondary battery}
본 발명은 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력용 리튬이차전지를 구성하는 적층형 전극과 외부 전지케이스의 밀봉부 외측으로 돌출되어있는 전극 조립체의 전극단자를 연결하기 위하여 수행되는 저항 용접에 대한 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치에 관한 것이다.
최근 전기 에너지를 이용한 다양한 형태의 휴대용 전자기기가 개발되고, 이송 수단으로서 친환경 자동차로 분류되는 전기 자동차가 각광받으면서, 이러한 휴대용 전자기기 및 전기 자동차의 성능향상과 관련하여 전기 에너지를 저장 및 공급하는 전지의 성능 문제가 중요하게 부각되고 있다. 특히, 이러한 기기들에 사용되는 전지들 가운데, 전지의 수명이 길며, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수한 장점을 갖는 리튬이차전지가 주목받고 있다.
이러한 리튬이차 전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머 전지로 구분된다. 이 중, 리튬폴리머 전지는 비교적 전지의 안정성 및 형상의 자유도가 뛰어난 장점이 있으며, 집전체(集電體)에 활물질이 도포된 양극 및 음극의 전극 사이에 얇은 다공성 고분자 분리막이 위치한 구조로 이루어진다.
이 경우, 상기 분리막은 높은 기계적 강도와 이온 투과도를 가지고 있는 절연성 박막으로서, 양극과 음극의 전자 단락(short circuit)을 방지하고 리튬 이온의 삽입과 탈리를 위한 경로(path) 역할을 수행하도록 구성된다. 이러한 분리막의 재질은 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)을 기본 구조로 이들 간의 혼합형태 또는 부직포로 이루어진다.
또한, 상기 집전체(集電體)는 양극 및 음극용으로 전도성이 높은 재질이 각각 사용되며, 이는 전기화학적 부반응에 의한 재료의 용해(dissolution)를 고려하여 구분 사용된다. 상용화된 일반적인 재질의 형태는 양극용으로는 알루미늄, 스테인리스 스틸이 적용되고, 음극용으로는 구리 등이 적용되며, 도포되는 활물질의 접착력등을 강화하기 위해 그물(net), 격자(grid) 형상의 집전체가 가능하다. 이때 상기 분리막을 사이에 두고 적층된 양·음극은 또 다시 대면구조를 갖는 양·음극 및 분리막과 함께 하나의 적층군을 이루게 된다. 이렇게 적층된 전극은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 열융착을 통해 장착되고, 적층 구조의 전극체는 전극 리드탭에 용접을 위하여 외측으로 돌출되는 구조를 갖는다.
한편, 알루미늄 등으로 형성되는 양극의 경우, 비교적 쉽게 용접이 이루어지 는 반면에, 음극에서는 니켈 및 구리 또는 니켈이 코팅된 구리 재질의 전극 리드탭이 용접되게 되고, 이러한 전극 리드탭은 적층된 전극체의 양·음극 집전체 재질과 다른 금속 재질로 이루어지며, 산화억제를 위한 얇은 피막코팅처리가 되어있어, 용접에 어려움이 존재한다. 따라서, 집전체와 전극 리드탭을 용접하기 위해 전극 리드탭에 초음파 용접이 사용되는 것이 일반적이나, 이종금속이 용접되는 음극 전극의 리드 탭은 용접강도를 높이기 위해 점용접(spot welding), 프로젝션 용접(projection welding), 심 용접(seam welding), 버트 용접(butt welding), 플래쉬 버트 용접(flash butt welding) 방법이 적용되고 있다.
한편, 고출력용 리튬이차전지 경우 응용분야가 광범위하게 전개되어 전동공구 및 특히 전기자동차용으로 응용이 확대되고 있고, 특히 전기자동차 및 하이브리드에 적용시 차량에 실장 후 자동차의 사용환경에 견디도록 내진동설계가 요구되는데, 진동에 의한 이차전지 내 적층형 전극군과 전극 리드탭간의 용접력이 리튬이차전지의 안전성 및 신뢰성에 대한 중요한 요소로 작용한다. 특히 음극 전지 리드탭의 경우 일반적으로 구리 및 니켈이 코팅된 구리를 사용하며, 용접되는 이종금속 간의 용접력을 확보하기 위하여 저항 용접 방식을 사용하게 된다.
일반적으로 알려진 저항 용접은 도체에 흐르는 전류에 대한 내부의 전기 저항에 의하여 줄열(Q)이 발생되고, 이를 압력을 가한 상태에서 큰 전류를 흘려주어 금속 또는 이종 금속간의 접촉면에서 발생되는 접촉저항과 금속의 고유저항에 의해 열을 얻고 이로 인해 금속이 가열 또는 용융하면 가해진 압력에 의해 접합이 이루어지는 공법으로서, 이러한 원리는 아래와 같이 전류밀도의 항으로 표현된다.
Figure 112009025286422-PAT00001
하지만, 저항용접시 고유저항에 의한 발열과 용접봉과 피용접재 표면 사이의 발열, 너깃(5)으로부터의 열전도로 인해 피용접재(6)의 피크 온도가 600℃ ~ 1500℃ 까지 상승하도록 발열함에 따라, 전지의 양·음극의 분리막까지 열전도되어 분리막 소재인 폴리에틸렌(Polyethylene, Mp=135℃), 폴리프로필렌(Polypropylene, Mp=165℃)의 융점을 넘어서게 되므로, 용융으로 인한 치명적인 전지의 안전성 문제를 야기하게 된다.
한편, 종래의 리튬이차전지에 대한 저항 용접 기술과 관련하여, 일본특허공개 제 1990-0007992호, 대한민국 특허출원 제2004-7012454호에서는 초기 설정 또는 인가된 전류 정보를 기억, 연산회로를 통해 기준전류치와 비교하여 용접전류의 크기를 저항용접 전·후에 대해 판단하고 있으며, 대한민국 특허출원 제2003-0081032호에서는 저항용접시 인가된 전류, 전압, 압력의 물리량을 검출하여 이를 통계 처리 제어(Statistical Process Control: SPC)에 의하여 검출 관리하는 방법을 제안하고 있다.
즉, 저항용접은 용접재 및 피용접재의 고온에서의 마모나 변형, 전기적 손실 그리고 산화물이나 표면재질과 상태, 용접조건 및 단위시간당 용접횟수등에 따라 크게 좌우되며, 용접성에 대한 3대 입력 파라미터인 용접전류, 인가시간 및 인가압력을 적절하게 설정 및 모니터링하여 이 요소들을 최적으로 제어하여 균일한 용접강도를 유지하고 있는 실정이다. 하지만 이러한 종래의 기술은 균일한 용접력을 얻 기 위해 전류, 시간, 압력의 물리량을 검출, 비교, 연산하는 기술로만 한정되어있어, 용접 과정에서 용접 부위에서 과도하게 상승된 온도가 분리막으로 전도됨에 따라 발생하는 분리막의 용융(melting), 즉, 600℃ ~ 1500℃에 해당하는 발열에 의한 리튬이차전지의 다공성 폴리머인 분리막에 대한 손상 문제를 극복하기 어려운 문제가 있으며, 적층된 전극체의 전극과 리드탭내 수개의 연속적인 용접개소별 변동 물리량을 검출하지 못하여 용접개소 별 최적의 용접성을 제공하지 못하는 문제점을 안고 있다.
이에 본 발명에서는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법에 있어서, 용접 개소별 변동 물리량을 반영할 수 있도록 실측된 기준치에 대하여, 각 용접 개소에 대하여 인가되는 물리량을 검출 및 비교 연산하고 각 물리량의 정보를 피드백함으로써, 각 용접 개소에 대해 일정 수준 이상의 용접 강도를 제공하면서 분리막의 용융을 방지하여 안전성을 확보하여, 최적의 조건에서 용접을 수행할 수 있도록 제어할 수 있는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제공한다.
본 발명은 피용접재에 대전류를 인가하여 용접을 수행하는 용접기와; 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간, 발열량에 관한 기준 파라미터 및 분리막의 용융 온도가 저장된 메모리부와; 용접 시 인가되는 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간의 검출 파라미터를 측정하기 위한 제1측정부와; 용접 시 용접 지점에서 발생되는 최대 온도를 측정하는 제2측정부와; 상기 분리막의 용융 온도와 측정된 용접 지점의 최대 온도를 비교하여, 비교 결과에 따라 새로운 기준 파라미터가 설정되도록 피드백 제어하는 제어부로 이루어지는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치를 제공한다.
또한, 상기 제1측정부로에서 측정된 정보로부터 용접에 따른 발열량을 연산하는 연산 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제 어 장치를 제공한다.
여기서, 상기 연산 처리부는 상기 기준 파라미터와 상기 검출 파라미터를 비교하도록 구성되며, 비교된 결과를 측정된 상기 검출 파라미터 및 상기 발열량의 정보와 함께 외부로 출력하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치를 제공한다.
이 경우, 상기 제2측정부는 상기 용접기 내부에 형성된 코어에 위치하여 용접에 따른 최대 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치를 제공한다.
한편, 본 발명은 a) 각 용접개소에 따른 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간 및 분리막의 용융 온도에 관한 기본 정보들이 입력되는 단계와; b) 상기 기본 정보들로부터 용접 공정에 대한 최적 조건을 산출하는 단계와; c) 산출된 최적 조건에 대한 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간 및 발열량의 정보를 기준 파라미터로 저장하는 단계와; d) 상기 기준 파라미터에 의하여 용접을 수행하는 단계와; e) 수행된 용접에 대한 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력, 발열량의 검출 파라미터 및 용접 지점의 피크 온도를 검출하는 단계와; f) 상기 검출 파라미터와 상기 용접 지점의 피크 온도로부터 상기 기준 파라미터 및 분리막의 용융 온도와의 비교를 수행하는 단계와; g) 상기 분리막의 용융 온도가 초과될 것으로 판단되는 경우, 감쇠된 인가 전류를 포함하는 새로운 기준 파라미터를 설정하고 저장하는 단계로 이루어지는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법를 제공한다.
또한, 상기 g) 단계의 경우, 최소 용접 강도에 대하여 미리 설정된 인가 전 류, 인가 압력, 인가 시간의 제한 조건에 대하여 상기 새로운 기준 파라미터를 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법은 저항 용접시 발생되는 높은 줄열로 인하여, 활물질이 도포된 양극과 음극 사이의 다공성 고분자 분리막에 발생할 수 있는 국부 용융(melting)의 위험을 사전에 제거하여, 양극과 음극의 직접적인 단락(short circuit)을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법은 최소한의 용접 강도에 대한 조건에 대한 피드백을 설정함으로써, 항상 일정 수준 이상의 용접 성능을 보장할 수 있는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법을 제공하는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 의한 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법은 최적 조건에서 용접을 수행함은 물론, 용접에 따른 전지의 발화 및 폭발의 위험성을 제거하여 전지의 안전성을 확보하는 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 리튬 이차 전지 제조 시 저항 용접 공정에서 최적 용접 조건에 관하여 미리 설정된 기준 파라미터를 작성·저장하 고, 이를 통하여 실제 용접에 따라 출력되는 물리량에 대한 정보를 취득하여 분리막의 용융온도와 비교함으로써 전극의 분리막이 용융 온도 이상으로 가열되는 것을 방지할 수 있으며, 최소 용접 강도에 관한 파라미터와의 비교를 통하여 일정 수준 이상의 용접력을 확보할 수 있도록 구성된 제어 방법 및 장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어가 적용되는 용접재 및 피용접재의 용접이 수행되는 모습을 도시하고 있는 사시도이다. 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 용접을 수행하는 용접재(용접봉)와, 상기 용접재에 대응하는 피용접재로서, 양극(11)과 음극(12), 그리고, 둘 사이에 적층된 얇은 다공성 고분자 분리막(13)을 포함하며 상기 양극(11), 분리막(13), 음극(12)이 반복하여 교대로 적층된 형상을 갖는 복합 전극체(10) 및 전극 리드탭(30)이 용접을 위한 정위치에 위치한다. 따라서, 양극 및 음극용 집전체의 각각에 대하여 외부로 돌출되어 형성된 돌출부(14) 상에 위치한 전극 리드탭(30)이 용접봉(20)에 의하여 용접부위에서 너겟(31)을 형성하며 순차적인 용접이 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치는 용접재 및 피용접재사이에서 발열에 따른 피크 온도를 검출하기 위하여 열전대(thermocouple; 25)와 같은 온도 측정 수단을 포함하며, 도시되지는 않았으나, 용접 공정에서 인가되는 전류 및 압력을 측정하기 위한 측정 수단(미도시) 및 타이머와 같은 인가 시간에 대한 측정 수단(미도시)을 포함한다. 이 경우, 용접재 및 피용접재 간 피크 온도를 측정하기 위한 열전대는 도 1에 도시된 바와 같이, 용접봉 내측에 가공된 코어 내측에 삽입된 형태로 구성할 수 있으며, 상기 열전대는 실온(room temperature)에 영향을 받지 않는 있는 위치에서 온도 보정 편차를 최대한 줄일 수 있는 구조라면 충분히 적용 가능하다. 또한, 경우에 따라서는 온도의 보정편차를 고려하지 않고, 분리막의 끝단에 열센서를 위치시킨 다음, 용접 후 전이되는 온도를 측정하는 것도 가능하다.
이러한 구성으로부터 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법에서는 용접이 수행되는 과정에서 상기 열전대(25)로부터 측정되는 용접재와 피용접재 간의 피크 온도에 의하여, 용접에 따라 분리막이 용융 온도를 초과하는지 여부에 관한 정보를 얻을 수 있으며, 도시되지는 않았으나, 연산 처리부로부터 입력된 정보에 의하여 계산된 용접 지점의 발열량에 관한 정보를 얻음으로써 분리막의 용융 온도 초과 여부를 판단할 수 있도록 구성할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명에 따라 실제 용접이 수행되는 경우, 실제 용접이 일어나고 있는 용접 부분의 단면을 도시하고 있는 단면도로서, 도 1에 도시된 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치에 의하여 실제 용접이 일어나는 부분을 확대 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 저항 용접 과정에서, 용접이 발생할 수 있도록 대전류 및 높은 압력이 용접봉(20)을 통하여 인가하게 되며, 이러한 대전류 및 고압력으로 인하여 용접 부분은 움푹 파여진 형태의 너겟(5)이 형성됨과 동시에 발생하는 큰 열에너지가 복합 전극체의 분리막으로 전도된다.
본 발명에서는 최적 조건에서 용접을 수행하기 위한 기준 파라미터(일반적으 로, 인가 전류는 4 ~ 6㎄, 인가 시간은 2 ~ 6㎳, 인가 압력은 50 ~ 150㎏/㎠의 범위에서 조절된다.)를 설정함과 아울러, 분리막으로 전도되는 큰 열에너지에 의하여 분리막이 용융되는 것을 방지하기 위하여, 실제 용접 과정에서 검출되는 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력 및 입력되는 정보로부터 연산될 수 있는 발열량으로 이루어지는 검출 파라미터를 측정 하고, 상기 검출 파라미터에 의하여 용접 공정의 조건을 모니터링하게 된다. 또한, 실제 용접에 따라 실측되는 용접 지점에 대한 피크 온도를 검출하고, 검출된 피크 온도에 의하여 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력의 기준 파라미터에 대한 피드백 제어를 구현할 수 있도록 이루어진다. 이 경우, 분리막의 용융 온도와 관계된 인자로써, 용접 지점의 피크 온도가 설정되어 분리막의 용융 온도 초과 여부를 판단할 수 있도록 분리막의 용융 온도와 미리 설정된 관계 데이터를 메모리에 저장하도록 구성할 수 있으며, 보조적으로 용접에 따른 발열량과 분리막의 용융 온도의 관계 데이터를 미리 저장함으로써, 용접 지점의 피크 온도 및 발열량을 토대로 분리막의 용융 여부를 미리 판단할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법에서는 각각의 용접 개소에 대하여, 최적의 용접 조건을 제공하기 위한 인가 전류와 인가 시간 및 인가 압력에 대하여 기준 정보값인 기준 파라미터를 미리 계측·설정하여 초기 설정으로 입력하는 한편, 저항 용접에 따른 분리막의 용융을 제어하기 위하여, 용접 지점의 온도에 대한 정보와 비교할 수 있도록 설정된 분리막의 융점에 관한 정보가 미리 입력 및 저장되도록 구성한다. 용접으로 인한 분리막의 용융을 방지하기 위하여 입력되는 융점의 정보는 리튬이차전지에 실제 사용되는 분리막 소재의 융점 의 정보가 입력되며, 이는 용접 공정의 제한 조건으로 작용한다. 일반적으로, 리튬이차전지에 적용되는 폴리에틸렌(Polyethylene, Mp=135℃) 또는 폴리프로필렌(Polypropylene, Mp=165℃)의 소재에 대한 정보가 상수값으로 저장되며, 복수 개의 융점에 대한 정보가 저장되는 경우, 실제 공정에서 해당되는 분리막 소재에 대한 정보를 선택할 수 있도록 구성한다. 또한, 바람직하게는 분리막 소재의 용융에 관한 파라미터로써 발열량에 관한 정보를 수득할 수 있도록, 피용접재에 대한 고유저항, 전류밀도, 체적의 상수값에 대한 정보를 입력하도록 구성할 수 있으며, 입력되는 피용접재에 관한 정보들은 다음과 같은 관계식에 적용함으로써 연산되는 발열량의 기준 파라미터로 함께 저장될 수 있다.
Figure 112009025286422-PAT00002
(I:인가전류, ρ: 고유저항, L: 길이, As: 단면적, t: 시간, δ: 전류밀도, V: 체적)
따라서, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법에서는 최적의 조건에서 용접공정을 수행하기 위하여 입력된 기준 파라미터로서, 각 용접 개소 별 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간의 3대 정보 및 용접재 및 피용접재의 고유저항과 체적의 상수값과 상수값으로 연산되는 발열량의 정보가 저장되고, 용접 수행을 제한하기 위하여 분리막 소재의 융점에 대한 정보가 저장되어야 한다. 이와 같이 입력된 정보를 바탕으로, 해당 용접 공정에 대하여 설정된 저항 용접 전 최적 용접 조건을 판단하고, 선택된 기준 파라미터에 의한 조건에 따라 용접공정이 수행된다.
그러므로, 최초 선택 입력된 기준 파라미터에 의하여 용접 개소 별 용접 공정이 수행되고, 실측되는 용접 지점의 피크 온도 또는 상기 피크 온도 및 검출 파라미터 중 발열량에 관한 정보로부터 기설정된 분리막의 용융 온도와 비교하여 설계된 피드백 제어를 수행함에 따라 다음 용접 공정이 진행되게 된다. 이 때, 용접 개소 별 저항 용접 공정의 수행되면서 발생하는 용접재와 피용접재 사이의 피크 온도는 열전대로 실측하여 검출하고, 실제 인가된 전류, 시간, 압력값과 연산된 발열량에 관한 검출 파라미터와 함께 출력 물리량의 정보로써 A/D 변환기를 통해 데이터로 취득·저장된다. 이와 같은 출력 물리량의 정보는 통계적 공정 관리(Statistical Process Control; SPC) 측면에서 제품의 생산 공정 조건의 변화 추이를 분석하여, 인가 전류, 시간, 압력의 정확도와 같은 설비적인 문제인지, 전극 리드탭의 두께 편차와 같은 용접재 자체의 산포적 문제인지, 아니면, 피용접재의 마모와 같은 문제인지를 추적 관리하기 위하여 제공된다. 따라서, 취득된 상기 출력 물리량의 데이터는 비교기를 통해 최적 조건에 관한 기준 파라미터에 해당하는 인가전류, 인가시간, 인가압력, 그리고, 발열량의 정보와 비교되고, 각 출력 물리량 및 비교 결과들은 분석을 위하여 작업자에게 디스플레이부를 통하여 출력됨으로써 제공된다.
이와 함께, 분리막의 융점 정보에 대하여 실측된 용접 지점의 피크 온도와 발열량이 갖는 관계에 관하여 저장된 데이터에 의한 비교 과정을 수행함으로써, 검 출된 용접 지점의 피크 온도를 통하여 연산된 결과가 분리막의 융점 상한값을 초과하는지 여부를 판단하고, 이를 초과하는 경우, 출력된 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력에 의한 발열량으로부터 이를 감쇠하기 위하여 인가 전류를 소정 단위로 감쇠함으로써, 연산에 의하여 최적의 용접조건을 수행할 수 있는 물리량 즉, 새로운 인가전류, 인가시간, 인가압력, 그리고, 발열량에 해당하는 물리량을 산출하고 이를 다시 기준 파라미터로 제공하도록 구성한다. 이 경우, 인가 전류의 감쇠량은 산출된 기준 파라미터에 대하여 실제 용접에서 발생하는 오차로부터 실험적으로 산출하며, 바람직하게는 인가 전류를 50A 단위로 감쇠시켜 기준 파라미터를 재설정함이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치 및 방법은 최소한의 용접 강도를 확보할 수 있도록, 제품 성능 보장을 위해 최소한도로 요구되는 용접 강도에 관하여 연산된 물리량의 데이터를 미리 설정하고, 용접 공정 수행을 위하여 설정된 기준 파라미터가 용접 강도에 대하여 설정된 제한 조건에 미치지 못하는 경우, 이를 디스플레이를 통하여 외부에 출력하여 용접재와 피용접재의 재설정을 유도할 수 있도록 구성할 수 있다. 이로써 상기 최소 용접 강도에 대한 제한 조건과 분리막의 용융 정보에 대한 제한 조건에 관한 데이터로부터 최적의 용접 제어를 확보할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치에 대한 구성이 저항 용접 공정의 비교, 연산, 저장, 통신을 수행하는 것을 개략적으로 도시하고 있는 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치는 전류 측정부, 압력 측정부, 온도 측정부로부터 측정된 인가전류, 인가시간, 인가압력, 용접 지점의 온도 및 연산 처리부로부터 연산된 발열량에 관한 각 신호를 증폭하고, 아날로그 값을 A/D 모듈로 변환을 수행하고 변환 데이터를 메모리에 저장 후 통신 모듈을 통해 디스플레이부로 출력하며, 저장된 데이터를 시리얼 통신이 가능한 형태로 변환하여 출력하는 통신모듈과 연산결과 및 연산결과에 따른 피드백 제어를 수행하는 제어부로 구성된다. 이 때, 상기 통신 모듈에서 전송되는 데이터는 RS422통신이 가능하도록 변환하여 통신 제어부로 전송하도록 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법이 수행되는 과정을 순서대로 도시하고 있는 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법에서는 최초 각 용접개소 별 파라미터로써 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간 및 분리막에 대한 용융 온도에 관한 기본 정보들이 입력되고(401), 이로부터 당해 용접 공정이 수행되는 용접 개소에 대한 최적 용접 조건을 산출한다.(402)
다음으로, 산출된 최적 용접 조건에 대하여 기입력된 정보로부터 발열량을 연산하고, 상기 발열량에 의하여 분리막의 용융 온도를 초과하게 되는지에 대한 제한 조건을 판단하고(403), 제한 조건을 만족하지 않는 경우 제어를 종료하도록 구성할 수 있다. 판단 결과, 제한 조건을 만족하는 경우에는 기준 파라미터로서 정보를 저장하고(404), 상기 기준 파라미터에 해당하는 인가 전류, 시간, 압력의 데이 터를 토대로 용접을 수행한다.(405)
해당 용접 개소에서 용접이 수행된 다음에는 당해 용접에 대한 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력, 용접 지점의 피크 온도에 대한 출력 물리량에 관한 정보를 검출하고, 검출된 출력 물리량의 정보로부터 발열량을 연산하여, 수행된 용접 공정에서의 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력, 발열량의 검출 파라미터 및 용접 지점의 피크 온도를 수득한다.(406) 이러한 검출 파라미터 및 용접 지점의 피크 온도는 메모리부에 저장되며(408), 작업자에게 제공되도록 디스플레이부를 통하여 외부로 출력된다.(407)
저장된 상기 검출 파라미터로서 용접 수행으로 검출된 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력, 발열량에 대한 정보들은 기준 파라미터들과 비교되며, 검출된 피크 온도에 관한 정보는 최적 용접 조건에 관한 정보와 비교한다.(409) 즉, 기준 파라미터에 대한 검출 파라미터의 비교와 함께, 분리막의 용융 온도를 초과하는지 여부를 발열량의 정보를 참조하여 용접 지점의 피크 온도와 비교함으로써 판단하고, 만일 분리막의 용융 온도를 초과하는 것으로 판단된다면, 감쇠 제어된 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력을 새로운 기준 파라미터로 입력하게 된다. 또한, 용접 강도를 보장할 수 있도록, 설정된 기준 파라미터를 최소 용접 강도에 대한 제한 조건과 비교하여 최소 용접 강도 이하로 판단될 경우, 용접을 종료하고 새로운 설정을 구현한다. 이러한 비교 결과들은 작업자에게 제공될 수 있도록 외부로 디스플레이된다.(410)
최적 용접 조건을 충족하는 경우, 혹은 최적 용접 조건을 충족하도록 감쇠 제어된 새로운 기준 파라미터를 설정하는 하는 경우에는 다음 용접 지점에 대한 용접이 수행되며, 이러한 검출, 비교 단계 등을 용접 종료시까지 반복하게 된다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치에 의하여 실제 용접이 수행되고 있는 모습을 도시하고 있는 사시도.
도 2는 본 발명에 의하여 실제 용접이 일어나고 있는 용접 부분의 단면을 도시하고 있는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치에 대한 구성을 개략적으로 도시하고 있는 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법을 순서대로 도시하고 있는 순서도.
< 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명 >
10: 복합 전극체 11: 양극
12: 음극 13: 분리막
20: 용접봉 25: 열전대
30: 전극 리드탭

Claims (6)

  1. 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치에 있어서,
    인가 전류, 인가 압력, 인가 시간, 발열량에 관한 기준 파라미터 및 분리막의 용융 온도가 저장된 메모리부와;
    용접 시 인가되는 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간의 검출 파라미터를 측정하기 위한 제1측정부와;
    용접 시 용접 지점에서 발생되는 피크 온도를 측정하는 제2측정부와;
    상기 분리막의 용융 온도와 측정된 용접 지점의 피크 온도를 비교하여, 비교 결과에 따라 새로운 기준 파라미터가 설정되도록 피드백 제어하는 제어부로;
    이루어지는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1측정부에서 측정된 정보로부터 용접에 따른 발열량을 연산하는 연산 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 기준 파라미터와 상기 검출 파라미터를 비교하도록 구성되며, 비교된 결과를 측정된 상기 검출 파라미터 및 상기 발열량의 정보와 함께 외부로 출력하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2측정부는 용접기 내부에 형성된 코어에 위치하여 용접에 따른 피크 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 장치.
  5. a) 각 용접개소에 따른 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간 및 분리막의 용융 온도에 관한 기본 정보들이 입력되는 단계와;
    b) 상기 기본 정보들로부터 용접 공정에 대한 최적 조건을 산출하는 단계와;
    c) 산출된 최적 조건에 대한 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간 및 발열량의 정보를 기준 파라미터로 저장하는 단계와;
    d) 상기 기준 파라미터에 의하여 용접을 수행하는 단계와;
    e) 수행된 용접에 대한 인가 전류, 인가 시간, 인가 압력, 발열량의 검출 파라미터 및 용접 지점의 피크 온도를 검출하는 단계와;
    f) 상기 검출 파라미터와 상기 용접 지점의 피크 온도로부터 상기 기준 파라미터 및 분리막의 용융 온도와의 비교를 수행하는 단계와;
    g) 상기 분리막의 용융 온도가 초과될 것으로 판단되는 경우, 감쇠된 인가 전류를 포함하는 새로운 기준 파라미터를 설정하고 저장하는 단계;로
    이루어지는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법.
  6. 청구항 6에 있어서, 상기 g) 단계의 경우, 최소 용접 강도에 대하여 미리 설정된 인가 전류, 인가 압력, 인가 시간의 제한 조건에 대하여 상기 새로운 기준 파라미터를 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 저항 용접 제어 방법.
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