KR20200039215A - 이차전지 셀의 저전압 진단 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지 셀의 저전압 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법은, 전지 셀을 프리에이징하는 단계; 전지 셀을 미리 설정된 충전조건에 따라 충전하는 단계; 전지 셀의 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정하는 단계; 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하는 단계; 및 전지 셀이 정상이라고 판단시 포메이션을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

이차전지 셀의 저전압 진단 방법 및 장치{Method for diagnosing a low voltage of a secondary cell and apparatus thereof}
본 발명은 이차전지 셀의 저전압 진단 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래에는 이차전지 생산시 저전압 셀의 출하를 방지하기 위해서 이차전지의 활성화 공정 중 마지막 공정인 출하 충전 후 일정 기간(대략 7일 ~ 50일) 동안 경시변화에 따른 전압 강하를 측정하여 저전압 불량을 진단하였다. 여기서, 저전압 불량이란 전지가 미리 설정된 자가방전율 이상의 전압강하 거동을 보이는 현상을 의미한다.
일반적으로 이차전지에 대한 출하 충전은 SOC(state of charge)가 20~50%가 되도록 하고 있다. 이 경우, 전지 셀은 SOC에 대한 전압 변화율이 크지 않은 영역대에 놓인 상태가 되므로 미세 누설 전류가 전지 셀 내부에서 발생하여도 이를 판별하기 어려웠다.
이로 인해, 저전압 불량 진단(판정) 기간이 길어지고, 진단 비용이 커지는 한편, 진단 정확도도 낮은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이차전지의 활성화 공정 중 프리에이징 공정에서 전지 셀의 SOC에 대한 전압 변화율이 큰 영역대의 특성을 이용하여 전지 셀의 저전압 불량을 조기에 진단할 수 있는 이차전지 셀의 저전압 진단 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법은, 전지 셀을 프리에이징하는 단계; 전지 셀을 미리 설정된 충전조건에 따라 충전하는 단계; 전지 셀의 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정하는 단계; 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하는 단계; 및 전지 셀이 정상이라고 판단시 포메이션을 수행하는 단계를 포함한다.
일례로, 파라미터는 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간일 수 있다. 여기서, 충전 시간은 정전류 모드의 충전 시간이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전류 충전 구간에서의 충전 시간이다.
또는 파라미터는 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 누적 전류량일 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류 모드의 누적 전류량이다.
또는 파라미터는 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압과 전류에 도달하기까지의 누적 전류량일 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류-정전압 모드의 누적 전류량이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전압 충전 구간의 누적 전류량일 수 있다.
또는, 파라미터는 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달한 후 자가방전의 개시시부터 미리 설정된 시간까지의 전지 셀의 전압 강하량일 수 있다.
여기서, 미리 설정된 전압은 SOC에 대한 전압 변화율이 미리 설정된 기준치 이상인 전압으로 설정된다.
또한, 기준 파라미터는 전지 셀의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 장치는, 프리에이징 공정 후로서 포메이션 공정 수행 전의 전지 셀을 미리 설정된 충전조건에 따라 충전하는 충전부; 전지 셀의 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정하는 측정부; 및 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하고, 비교 결과에 기초하여 전지 셀의 저전압 불량 여부를 판정하는 제어부를 포함한다.
일례로, 측정부는, 파라미터로서, 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간을 측정할 수 있다. 여기서, 충전 시간은 정전류 모드의 충전 시간이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전류 충전 구간에서의 충전 시간이다.
또는 측정부는, 파라미터로서, 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정할 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류 모드의 누적 전류량이다.
또는 측정부는, 파라미터로서, 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압과 전류에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정할 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류-정전압 모드의 누적 전류량이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전압 충전 구간의 누적 전류량이다.
또는 측정부는, 파라미터로서, 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달한 후 자가방전의 개시시부터 미리 설정된 시간까지의 전지 셀의 전압 강하량을 측정할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 전압은 SOC에 대한 전압 변화율이 미리 설정된 기준치 이상인 전압으로 설정된다.
본 발명에 의하면, 활성화 공정 중 프리에이징 공정 단계에서 전지 셀의 SOC에 대한 전압 변화율이 큰 영역대의 특성을 이용하여 전지 셀의 저전압 불량을 조기에 진단할 수 있으므로, 종래에 비해 진단 시간, 진단 비용 및 진단 정확도를 높일 수 있다.
본 발명에 의한 다른 효과는, 이후 실시예에 따라 추가적으로 설명하기로 한다.
도 1은 저전압 검사 시기를 설명하기 위한 이차전지 제조의 활성화 공정을 나타내는 도면으로서, 도 1의 (a)는 종래에 따른 이차전지 제조의 활성화 공정을 나타내고, 도 1의 (b)는 본 발명에 따른 이차전지 제조의 활성화 공정을 나타낸다.
도 2의 (a)는 이차전지 셀의 SOC에 대한 전압 특성을 나타내는 그래프이며, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 그래프 중 SOC가 0~8%인 구간을 확대한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 개략적인 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 5에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 충전 시간을 비교하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 7에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 누적 전류를 비교하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 도 9에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 충전 후 전압 강하량을 비교하는 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 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 1을 이용하여, 이차전지 제조의 활성화 공정을 설명하기로 한다.
도 1은 저전압 검사 시기를 설명하기 위한 이차전지 제조의 활성화 공정을 나타내는 도면으로서, 도 1의 (a)는 종래에 따른 이차전지 제조의 활성화 공정을 나타내고, 도 1의 (b)는 본 발명에 따른 이차전지 제조의 활성화 공정을 나타낸다.
도 1에서와 같이, 이차전지 제조의 활성화 공정은, 프리에이징(Pre-aging) 공정, 포메이션(Formation) 공정, 에이징(Aging) 공정, 디게싱(Degas) 공정, 출하 충전 공정을 포함할 수 있다.
일반적으로, 프리에이징은 전극조립체를 전지 용기에 수납한 후 전해액을 주입하고 전지 용기를 밀봉하여 전지 셀(즉, 베어셀)을 제조하는 공정이다. 포메이션은 프리 에이징된 전지 셀을 미리 설정된 전압 조건(예로써, 음극의 SEI 피막형성 이상의 전압)으로 초기 충전하는 공정이다. 에이징은 미리 설정된 전압 조건(예로써, 3.4-3.6V) 및 온도 조건(예로써, 50도-70도)에서 전지 셀이 일정한 상태로 안정되기까지 전지 셀을 보존하여 두는 공정이다. 여기서, 프리에이징 공정, 포메이션 공정 및 에이징 공정은 웨팅(wetting) 기간에 해당한다. 디게싱은 에이징된 전지 셀에서 불필요한 가스를 제거하는 공정이다. 일례로, 이차전지가 원형, 각형인 경우에는 디게싱 공정은 생략될 수 있다. 출하 충전은 출하 전 전지 셀을 미리 설정된 전압 조건(예로써, SOC 20~50%)으로 충전하는 공정으로서, 출하 충전시에서는 해당 전지 셀에 대하여 미리 설정된 특성 검사(예로써, 셀 저항, 출력, 충/방전 용량 등)가 수행될 수 있다. 이어서, 종래에는 도 1의 (a)에서와 같이, 출하 충전 공정 이후에 OCV(Open Circuit Voltage) 트랙킹(tracking)을 통해서 저전압 검사를 수행하였다.
그러나, 본 발명은, 도 1의 (b)에서와 같이, 프리에이징 공정과 포메이션 공정의 사이에서 조기에 저전압 진단을 수행하는 것이다. 다만, 도 1의 (b)에서는 OCV 트랙킹을 생략하였으나, 필요에 따라 추가적으로 더 수행될 수도 있다.
이어서, 도 2의 (a) 및 (b)를 이용하여 프리에이징 공정과 포메이션 공정의 사이에서 조기에 저전압 진단이 가능한 이유를 설명하기로 한다. 도 2의 (a)는 이차전지 셀의 SOC에 대한 전압 특성을 나타내는 그래프이며, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 그래프 중 SOC가 0~8%인 구간을 확대한 그래프이다.
도 2의 (a) 및 (b)에서는, 이차전지의 활성화 공정 중 프리에이징 공정 구간에서 전지 셀 충전시 전지 셀의 SOC에 대한 양극(anode), 음극(cathode) 및 셀 전압(cell voltage)의 변화를 나타내고 있다. 이중, SOC에 대한 셀 전압의 변화를 살펴보면, 예로써, 도 2의 (a)에서와 같이, SOC가 대략 20~50%인 영역대에서는 전압이 대략 3.5~3.8V로 전압 변화율이 상대적으로 작다. 그러나, 도 2의 (b)에서와 같이, SOC가 대략 0.2% 이하인 영역대에서는 전압이 대략 0~2.5V로 전압 변화율이 상대적으로 매우 크다. 즉, 충전량이 대략 0.2% 이하일 때에는 SOC의 변화에 대한 셀 전압의 변화량이 극대화된다.
한편, 저전압 불량의 셀의 경우 양극과 음극을 절연하고 있는 분리막 자체의 결함이나 조립 중 충격이나 이물 삽입으로 인한 분리막 파손 등에 의한 절연 저항 약화로 인해 누설 전류가 지속적으로 발생되어 정상 셀에 비해 누설 전류량이 많다. 그러나, 저전압 불량의 셀이라고 하여도 정상 셀에 비하여 누설 전류량이 많을 뿐으로, 절대적인 누설 전류량 자체가 매우 적어서, 감지하는 것이 어렵다. 특히, 종래와 같이 출하 충전시 SOC가 20~50%가 되도록 하는 경우에는, 미세 누설 전류가 전지 셀 내부에서 발생하여도 SOC에 비해 누설 전류량이 매우 작기 때문에 이를 판별하기가 더욱 어렵다. 여기서, 저전압 불량이란, 앞에서 설명한 바와 같이, 전지 셀이 미리 설정된 자가방전율 이상의 전압강하 거동을 보이는 현상을 의미한다.
그런데, 절연 저항이 약화된 저전압 불량의 셀의 경우, 도 2의 (b)에서와 같이, SOC 변화에 따른 셀 전압의 변화가 극대화된 전압 영역(예로써, 대략 2V~2.5V 영역)까지 예를 들면, 미세전류로 충전할 시(IR 드롭 억제) 음극으로 충전되어야 할 전자들이 절연이 약한 곳을 통하여 양극으로 다시 흐르게 되어 충전량 및 충전 시간이 증가하게 되는 것을 알았다. 또한, 정전류-정전압 모드로 충전하는 경우, 정전압 모드에서는 누설 전류로 인해 전압 유지시 누적 충전 전류량이 커지는 것을 알았다. 또한, 정전류 충전 후 일정 휴지 기간 동안에 누설 전류로 인해 전압 강하량이 커지는 것을 알았다.
이것은, 프리에이징 공정 구간에서 충전시 SOC 변화에 따른 셀 전압의 변화가 극대화된 전압 영역(예로써, 대략 2V~2.5V 영역)에서는 SOC가 매우 작은 값이므로, 상대적으로 누설 전류의 변화로 인한 SOC의 변화를 쉽게 판단할 수 있기 때문이다.
이에 따라, 본 발명은 활성화 공정 중 프리에이징 공정 단계에서 전지 셀의 양극과 음극 사이의 캐패시터 영역에 있어서 SOC에 대한 전압 변화율이 큰 영역대의 특성을 이용하여 전지 셀의 저전압 불량을 조기 진단하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 발명에서의 저전압 불량은 전지 셀의 절연 저항 불량으로 이해될 수도 있다.
이제 구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 장치 및 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 3을 이용하여, 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 장치를 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 장치는, 충전부(10), 측정부(20) 및 제어부(30)를 포함한다.
충전부(10)는 프리에이징 공정 후의 전지 셀을 미리 설정된 충전조건에 따라 충전하는 구성이다. 예를 들면, 프리에이징 공정으로서 전극 조립체를 전지 용기에 수납한 후 전해액을 주입하고 일정 기간의 전극 웨팅 기간을 거친다. 이때, 전지 모델에 따라 웨팅 기간은 다르게 설정될 수 있다. 이어서, 전극 웨팅 기간을 거친 전극 셀에 미세전류(예로써, 1/100C 미만)를 미리 설정된 목표 전압(예로써, 2V)까지 인가한다. 여기서, 미세전류는 목표 전압까지 일정하게 인가되는 전류이다. 또한, 미세전류는 정전압 모드 구간에서는 목표 전압이 유지될 때에 유입되는 전류를 지칭할 수 있다. 이때, 충전부(10)는, 전지 셀을 정전류 모드 또는 정전류-정전압 모드로 충전할 수 있다. 예를 들면, 정전류 모드에 의해 정전류로 미리 설정된 전압까지 충전하거나, 정전류-정전압 모드에 의해 정전류로 미리 설정된 전압까지 충전한 후 정전압으로 미리 설정된 전류까지 충전할 수 있다.
이어서, 측정부(20)는 전지 셀의 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정하는 구성이다. 측정부(20)는 전지 셀의 충전 기간 동안 혹은 자가 방전 기간 동안 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정할 수 있다.
예를 들면, 측정부(20)는, 저전압 불량 판정용 파라미터로서 전지 셀의 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간을 측정할 수 있다. 여기서, 충전 시간은 정전류 모드의 충전 시간이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전류 충전 구간에서의 충전 시간이다. 일례로, 정전류 모드로만 충전되는 경우에는, 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간을 측정할 수 있다. 또한, 정전류-정전압 모드로 충전되는 경우, 정전류 충전 구간에서 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간(또는 충전 전류량)을 측정할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 전압(즉, 목표 전압)은 SOC에 대한 전압 변화율이 미리 설정된 기준치 이상인 전압으로 설정된다. 예로써, 2.5V 이하로 설정된다.
또는, 측정부(20)는, 저전압 불량 판정용 파라미터로서 누적 전류량을 측정할 수도 있다.
일례로, 측정부(20)는, 저전압 불량 판정용 파라미터로서 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정할 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류 모드의 누적 전류량이다. 다시 말해, 정전류 모드로만 충전되는 경우에는, 측정부(20)는 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정한다.
또는, 측정부(20)는, 저전압 불량 판정용 파라미터로서 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압과 전류에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정할 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류-정전압 모드의 누적 전류량이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전압 충전 구간의 누적 전류량이다. 다시 말해, 정전류-정전압 모드로 충전되는 경우에는, 측정부(20)는 정전류 모드에서의 누적 전류량과 정전압 모드에서의 누적 전류량을 각각 측정하여 이를 합산 누적 전류량으로 측정하거나, 또는 정전압 모드에서의 누적 전류량만을 측정할 수도 있다. 예를 들어, 정전압 모드에서의 누적 전류량의 측정은, 정전류 모드에서 정전류 충전에 의해 목표 전압까지 충전한 후 정전압 모드로 전환시, 정전압 충전의 개시시부터 전지 셀의 충전 전류가 미리 설정된 전류에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정하는 것이다.
다른 예로써, 측정부(20)는, 저전압 불량 판정용 파라미터로서 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달한 후 자가방전의 개시시부터 미리 설정된 시간까지의 전지 셀의 전압 강하량(즉, 전압 변화량)을 측정할 수 있다. 일례로, 정전류 모드로 미리 설정된 전압까지 충전 후 미리 설정된 시간 동안 자가 방전시켜서 자가 방전 기간(즉, 휴지 기간) 동안의 전압 강하량을 측정할 수 있다. 자가 방전 기간 즉 미리 설정된 시간은 24시간 이내로 설정될 수 있다. 또는 자가 방전 기간은 적어도 종래 출하 충전시에 OCV를 측정하는데 걸리는 시간보다 짧은 시간으로 설정될 수 있다. 여기서, 전압 강하량의 측정은 정전류 모드에서의 충전을 예시하였으나, 필요에 따라 정전류-정전압 모드에서의 충전을 적용해도 된다.
또한, 측정부(20)는 저전압 불량 판정용 파라미터를 둘 이상 측정하여 저전압 불량 진단에 이용할 수 있다. 예를 들면, 정전류-정전압 모드로 충전되는 경우, 정전류 모드에서 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간과, 정전압 모드에서의 누적 전류량을 측정할 수 있다. 또는, 정전류 모드로만 충전되는 경우에는, 정전류 모드에서 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간과, 자가 방전 기간 동안의 전압 강하량을 측정할 수 있다.
다시 말해, 측정부(20)는 충전 시간, 누적 전류량 및 전압 강하량 중 적어도 하나 이상을 측정하고 이를 저전압 불량 진단에 활용할 수 있다.
이어서, 제어부(30)는 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하고, 비교 결과에 기초하여 전지 셀의 저전압 불량 여부를 판정하는 구성이다. 여기서, 기준 파라미터는, 저전압 불량 판정 비교를 위해 설정된 기준값으로서, 예를 들면, 절연 저항이 정상인 전지 셀과 절연 저항이 약화된 전지 셀(또는 저전압 불량인 전지 셀)로부터 측정된 각각의 파라미터(즉, 충전 시간, 누적 전류량 및 전압 강하량)에 기초하여 설정될 수 있다. 이와 같은, 기준 파라미터는 전지 셀의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
일례로, 제어부(30)는 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하여 소정 조건을 만족하는지 여부를 판단하여 정상의 전지 셀인지 불량의 전지 셀인지를 판단할 수 있다.
예를 들어, 파라미터가 충전 시간인 경우, 측정된 충전 시간이 기준 충전 시간의 10% 미만이면 정상 전지 셀이라고 판단하고, 10% 이상이면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단할 수 있다. 다시 말해, 측정된 충전 시간과 기준 충전 시간의 차이가 소정 기준치 미만이면 정상 전지 셀이라고 판단하고, 소정 기준치 이상이면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단할 수 있다.
또는, 파라미터가 누적 전류량인 경우, 예로써, 측정된 누적 전류량이 기준 누적 전류량의 140% 미만이면 정상 전지 셀이라고 판단하고, 140% 이상이면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단할 수 있다. 다시 말해 측정된 누적 전류량과 기준 누적 전류량의 차이가 소정 기준치 미만이면 정상 전지 셀이라고 판단하고, 소정 기준치 이상이면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단할 수 있다.
또는, 파라미터가 전압 강하량인 경우, 예로써, 측정된 전압 강하량이 기준 전압 강하량보다 0.3V 미만으로 차이가 나면 정상 전지 셀이라고 판단하고, 0.3V 이상으로 차이가 나면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단할 수 있다. 다시 말해 측정된 전압 강하량과 기준 전압 강하량의 차이가 소정 기준치 미만이면 정상 전지 셀이라고 판단하고, 소정 기준치 이상이면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단할 수 있다.
일례로, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 장치는, 측정 파라미터를 저장하기 위한 제1 저장부(40)와, 기준 파라미터를 저장하기 위한 제2 저장부(50)를 더 구비할 수 있다. 물론, 제1 저장부(40)와 제2 저장부(50)는 하나의 기억 장치로서 구성될 수도 있다.
또한, 제2 저장부(50)는 전지 셀의 종류마다 기준 파라미터를 각각 저장하고 있을 수 있다.
한편, 제어부(30)는 이차전지의 제조 공정 즉 활성화 공정을 제어하는 처리부로서, 기능할 수도 있다.
이어서, 도 4를 이용하여, 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법은, 먼저, 전지 셀을 프리에이징한다(S10). 구체적으로 전극 조립체를 전지 용기에 수납한 후 전해액을 주입하고 일정 기간의 전극 웨팅 기간을 거쳐 전지 셀을 제조한다.
이어서, 프리에이징 공정 후의 전지 셀을 미리 설정된 충전조건에 따라 충전한다(S20). 예를 들면, 충전부(10)에 의해 정전류 모드에 의해 정전류로 미리 설정된 전압까지 충전하거나, 정전류-정전압 모드에 의해 정전류로 미리 설정된 전압까지 충전한 후 정전압으로 미리 설정된 전류까지 충전할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 전압(즉, 목표 전압)은 SOC에 대한 전압 변화율이 미리 설정된 기준치 이상인 전압으로 설정된다. 예로써, 2.5V 이하로 설정된다.
이어서, 전지 셀의 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정한다(S30). 예를 들면, 측정부(20)에 의해 전지 셀의 충전 기간 동안 혹은 자가 방전 기간 동안 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정할 수 있다.
여기서, 파라미터는 전지 셀의 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간일 수 있다.
또는, 파라미터는 누적 전류량일 수 있다. 예를 들면, 파라미터는 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 누적 전류량일 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류 모드의 누적 전류량이다. 또는, 충전의 개시시부터 전지 셀이 미리 설정된 전압과 전류에 도달하기까지의 누적 전류량일 수 있다. 여기서, 누적 전류량은 정전류-정전압 모드의 누적 전류량이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전압 충전 구간의 누적 전류량이다.
또는, 파라미터는 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달한 후 자가방전의 개시시부터 미리 설정된 시간까지의 전지 셀의 전압 강하량(즉, 전압 변화량)일 수 있다.
또는 파라미터는 충전 시간, 누적 전류량 및 전압 강하량 중 둘 이상일 수 있다.
이어서, 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교한다(S40). 여기서, 기준 파라미터는, 저전압 불량 판정 비교를 위해 설정된 기준값으로서, 예를 들면, 절연 저항이 정상인 전지 셀과 절연 저항이 약화된 전지 셀(또는 저전압 불량인 전지 셀)로부터 측정된 각각의 파라미터(즉, 충전 시간, 누적 전류량 및 전압 강하량) 범위에 기초하여 설정될 수 있다. 이와 같은, 기준 파라미터는 전지 셀의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
또한, 비교 단계(S40)는 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하여 소정 조건을 만족하는지 여부를 판단하여 정상의 전지 셀인지 불량의 전지 셀인지를 판단할 수 있다. 이와 같은 비교 단계(S40)는 제어부(30)에 의해 수행될 수 있다.
이어서, 전지 셀이 정상이라고 판단시 포메이션을 수행한다(S50). 이와 같은 포메이션 수행 공정은, 예를 들면, 이차전지의 제조 공정 즉 활성화 공정을 제어하는 제어부(30)에 의해 수행될 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 6을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시간에 기초한 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 순서도이고, 도 6은 도 5에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 충전 시간을 비교하는 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시간에 기초한 이차전지 셀의 저전압 진단 방법은, 먼저, 전지 셀을 프리에이징한다(S110). 이어서, 전지 셀을 정전류 충전한다(S120). 여기서, 정전류 충전은 정전류 모드의 충전이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전류 모드의 충전일 수 있다. 이때, 충전의 개시시부터 충전시간의 측정을 개시한다(S130). 이어서, 충전전압이 목표전압(미리 설정된 전압, 예로써, 1.5V)에 도달했는지 여부를 판단한다(S140). 충전전압이 목표전압에 도달하지 않은 경우(No)에는, 단계 S140의 판단을 반복한다. 충전전압이 목표전압에 도달한 경우(Yes)에는, 목표전압에 도달하기까지의 충전시간의 측정을 종료한다(S150). 이어서, 측정된 충전시간이 미리 설정된 기준 충전 시간의 범위를 만족하는지 여부를 판단한다(S160). 예로써, 측정된 충전 시간이 기준 충전 시간의 10% 미만이면 저전압 정상인 전지 셀이라고 판단하고(S175), 기준 충전 시간의 10% 이상이면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단한다(S180). 여기서, 기준 충전 시간의 범위는, 예를 들면, 절연 저항이 정상 조건을 만족하는 전지 셀들로부터 얻어진 충전 시간 데이터에 기초하여 사전에 설정되는 값이다. 추가로, 기준 충전 시간의 범위는, 저전압 불량인 전지 셀들로부터 얻어진 충전 시간 데이터를 더 고려하여, 절연 저항이 정상인 전지 셀과 저전압 불량인 전지 셀로부터 측정된 각각의 충전 시간 범위에 기초하여 설정될 수 있다. 이와 같은 기준 충전 시간의 범위는 전지 셀의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 5에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 충전 시간을 비교해보면, 도 6에서와 같이, 정전류 구간에서 양품 #1, #2의 전지 셀이 불량 #1, #2의 전지 셀에 비해 1.5V 전압까지 먼저 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 1.5V 전압에 도달하기까지의 충전 시간이 양품 대비 불량의 전지 셀이 10% 이상 소요된 것을 확인할 수 있었다. 참고로, 도 6은, 정전류-정전압 모드로 충전시, 정전류 모드에서 1/200C로 미세전류를 인가하고, 정전압 모드에서 5uA에서 컷오프하여 얻어진 결과이며, 이차전지 셀의 양품은 절연저항이 정상인 젤리롤을 이용하고, 이차전지 셀의 불량품은 Hi-Pot 테스트 불량의 젤리롤을 이용하였다.
이와 같은 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법에 의하면, 이차 전지의 활성화 공정 중 프리에이징 단계에서의 충전 시간을 이용하여, 종래의 OCV 트랙킹 과정에서의 저전압 검사보다도 조기에 신속하고 정확하게 이차 전지의 저전압 불량을 진단할 수 있다.
이어서, 도 7 및 도 8을 이용하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 누적 전류량에 기초한 이차전지 셀의 저전압방법을 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 순서도이고, 도 8은 도 7에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 누적 전류를 비교하는 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 누적 전류량에 기초한 이차전지 셀의 저전압 진단 방법은, 먼저, 전지 셀을 프리에이징한다(S210). 이어서, 전지 셀을 정전류 충전한다(S220). 이때, 정전류 충전의 개시시부터 전지 셀의 누적 전류량의 측정을 개시한다(S225). 이어서, 전지 셀이 목표 전압에 도달하면 전지 셀을 정전압 충전한다(S230). 참고로, 정전류-정전압 모드의 경우, 정전류 모드로 목표전압까지 도달한 후 정전압 모드에서는 인가 전류 세기가 감소(즉, 변화)하게 된다. 이어서, 정전압 모드에서의 전지 셀의 충전 전류가 미리 설정된 목표 인가 전류에 도달했는지 여부를 판단한다(S240). 충전 전류가 목표 인가 전류에 도달하지 않은 경우(No)에는, 단계 240의 판단을 반복한다. 충전 전류가 목표 인가 전류에 도달한 경우(Yes)에는, 목표 인가 전류에 도달하기까지의 누적 전류량의 측정을 종료한다(S250). 이어서, 측정된 누적 전류량이 미리 설정된 기준 누적 전류량의 범위를 만족하는지 여부를 판단한다(S260). 예로써, 측정된 누적 전류량이 기준 누적 전류량의 140% 미만이면 저전압 정상인 전지 셀이라고 판단하고(S275), 140% 이상이면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단한다(S285). 여기서, 기준 누적 전류량의 범위는, 예를 들면, 절연 저항이 정상 조건을 만족하는 전지 셀들로부터 얻어진 누적 전류량 데이터에 기초하여 사전에 설정되는 값이다. 추가로, 기준 누적 전류량의 범위는, 저전압 불량인 전지 셀들로부터 얻어진 충전 시간 데이터를 더 고려하여, 절연 저항이 정상인 전지 셀과 저전압 불량인 전지 셀로부터 측정된 각각의 누적 전류량 범위에 기초하여 설정될 수 있다. 이와 같은 기준 누적 전류량의 범위는 전지 셀의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
다만, 도 7에서의 누적 전류량은 정전류 모드에서의 누적 전류량과 정전압 모드에서의 누적 전류량의 합산 누적량을 예시한 것이나, 누적 전류량은 정전압 모드에서의 누적 전류량일 수도 있다. 이 경우, 누적 전류량의 측정을 개시하는 단계(S225)는, 단계 S230과 단계 S240의 사이에 위치하여, 정전류 충전에 의해 목표전압에 도달한 후 정전압 충전의 개시시부터 전지 셀의 누적 전류량의 측정을 개시하면 된다. 또한, 누적 전류량은 앞서 설명한 바와 같이, 정전류 모드만으로 충전되는 경우에는 정전류 충전 기간동안의 누적 전류량일 수도 있다.
도 7에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 누적 전류를 비교해 보면, 도 8에서와 같이, 정전류 모드 구간과 정전압 모드 구간의 전류를 적산하였을 때, 양품 대비 불량의 전지 셀이 24시간을 기준으로 약 40%의 전류를 더 소모하는 것을 확인할 수 있었다. 참고로, 도 8은, 정전류-정전압 모드로 충전시, 정전류 모드에서 1/200C로 미세전류를 인가하고, 정전압 모드에서 5uA에서 컷오프하여 얻어진 결과이며, 이차전지 셀의 양품은 절연저항이 정상인 젤리롤을 이용하고, 이차전지 셀의 불량품은 Hi-Pot 테스트 불량의 젤리롤을 이용하였다.
이와 같은 본 발명에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법에 의하면, 이차 전지의 활성화 공정 중 프리에이징 단계에서의 누적 전류량을 이용하여, 종래의 OCV 트랙킹 과정에서의 저전압 검사보다도 조기에 신속하고 정확하게 이차 전지의 저전압 불량을 진단할 수 있다.
이어서, 도 9 및 도 10을 이용하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압 강하량에 기초한 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지 셀의 저전압 진단 방법을 나타내는 순서도이다. 도 10은 도 9에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 충전 후 전압 강하량을 비교하는 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 강하량에 기초한 이차전지 셀의 저전압 진단 방법은, 먼저, 전지 셀을 프리에이징한다(S310). 이어서, 전지 셀을 정전류 충전한다(S320). 이때, 정전류 모드에서 1/200C로 미세전류를 인가하여 충전한다. 이어서, 충전전압이 목표전압(예로써, 2.0V)에 도달했는지 여부를 판단한다(S340). 충전전압이 목표전압에 도달하지 않은 경우(No)에는, 단계 S340의 판단을 반복한다. 충전전압이 목표전압에 도달한 경우(Yes)에는, 전지 셀의 자가방전을 개시한다(S350). 이어서, 자가방전 시간이 미리 설정된 시간(예로써, 24hr)에 도달했는지 여부를 판단한다(S355). 자가방전 시간이 미리 설정된 시간에 도달하지 않은 경우(No)에는, 자가방전을 계속한다. 자가방전 시간이 미리 설정된 시간에 도달한 경우에(Yes)에는, 전지 셀의 전압을 측정한다(S358). 이어서, 측정된 전압의 목표전압에 대한 전압 강하량이 기준 전압 강하량의 범위를 만족하는지 여부를 판단한다(S360). 예로써, 측정된 전압 강하량이 기준 전압 강하량보다 0.3V 미만으로 차이가 나면 저전압 정상인 전지 셀이라고 판단하고(S375), 측정된 전압 강하량이 기준 전압 강하량보다 0.3V 이상으로 차이가 나면 저전압 불량인 전지 셀이라고 판단한다(S385). 여기서, 기준 전압 강하량의 범위는, 예를 들면, 절연 저항이 정상 조건을 만족하는 전지 셀들로부터 얻어진 전압 강하량 데이터에 기초하여 사전에 설정되는 값이다. 추가로, 기준 전압 강하량의 범위는, 저전압 불량인 전지 셀들로부터 얻어진 전압 강하량 데이터를 더 고려하여, 절연 저항이 정상인 전지 셀과 저전압 불량인 전지 셀로부터 측정된 각각의 전압 강하량 범위에 기초하여 설정될 수 있다. 이와 같은 기준 전압 강하량의 범위는 전지 셀의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 9에 따른 방법에 의하여 측정된 이차전지 셀의 양품과 불량품의 전압 강하량을 비교해보면, 도 10에서와 같이, 2.0V까지 충전한 후 24시간동안 자가방전시킨 후의 전압 변동량은, 양품 대비 불량의 전지 셀이 대략 0.3V 이상의 차이를 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 참고로, 도 10에서 이차전지 셀의 양품은 절연저항이 정상인 젤리롤을 이용하고, 이차전지 셀의 불량품은 Hi-Pot 테스트 불량의 젤리롤을 이용하였다. 이와 같은 결과에 의해, 종래의 저전압 진단법에 기초하여 출하 충전한 후 13일 동안 자가방전시킨 경우에는 0.00xV 즉, 소수점 세째자리의 전압변동 단위에서 저전압 불량을 선별하였으나, 본 발명에 의한 저전압 진단시에는 24시간 이내에서 0.xV 즉, 소수점 첫째자리의 전압변동 단위에서 저전압 불량을 선별할 수 있게 되어, 판정의 정확도를 개선할 수 있다.
본 발명에 의하면, 이차 전지의 활성화 공정 중 프리에이징 공정 단계에서 전지 셀의 SOC에 대한 전압 변화율이 큰 영역대의 특성을 이용하여 전지 셀의 저전압 불량을 조기에 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 종래의 저전압 판정 기간이 최소 7일~ 14일정도 소요되는 것에 비해 대략 24시간 이내에 저전압 판정이 가능하므로 진단 시간을 최소화 할 수 있으며, 또한 조기에 진단이 이루어짐으로써 저전압 불량인 전지 셀에 대한 후속 공정을 생략할 수 있고 해당 진단 시간도 단축시킬 수 있어서 진단 비용을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라, 프리에이징 공정 단계에서 전지 셀의 SOC에 대한 전압 변화율이 큰 영역대의 특성을 이용함으로써 진단 정확도를 높일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
10: 충전부 20: 측정부
30: 제어부
40: 제1 저장부 50: 제2 저장부

Claims (19)

  1. 전지 셀을 프리에이징하는 단계;
    상기 전지 셀을 미리 설정된 충전조건에 따라 충전하는 단계;
    상기 전지 셀의 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정하는 단계;
    상기 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하는 단계; 및
    상기 전지 셀이 정상이라고 판단시 포메이션을 수행하는 단계를 포함하는 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 충전의 개시시부터 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간인 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 충전 시간은 정전류 모드의 충전 시간이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전류 충전 구간에서의 충전 시간인 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 충전의 개시시부터 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 누적 전류량인 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 누적 전류량은 정전류 모드의 누적 전류량인 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 충전의 개시시부터 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압과 전류에 도달하기까지의 누적 전류량인 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 누적 전류량은 정전류-정전압 모드의 누적 전류량이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전압 충전 구간의 누적 전류량인 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달한 후 자가방전의 개시시부터 상기 미리 설정된 시간까지의 상기 전지 셀의 전압 강하량인 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  9. 청구항 2 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 전압은 SOC에 대한 전압 변화율이 미리 설정된 기준치 이상인 전압으로 설정되는 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준 파라미터는 상기 전지 셀의 종류에 따라 다르게 설정되는 이차전지 셀의 저전압 진단 방법.
  11. 프리에이징 공정 후로서 포메이션 공정 수행 전의 전지 셀을 미리 설정된 충전조건에 따라 충전하는 충전부;
    상기 전지 셀의 저전압 불량 판정용 파라미터를 측정하는 측정부; 및
    상기 측정된 파라미터를 기준 파라미터와 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전지 셀의 저전압 불량 여부를 판정하는 제어부를 포함하는 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정부는 상기 파라미터로서 상기 충전의 개시시부터 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 충전 시간을 측정하는 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 충전 시간은 정전류 모드의 충전 시간이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전류 충전 구간에서의 충전 시간인 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정부는 상기 파라미터로서 상기 충전의 개시시부터 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정하는 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 누적 전류량은 정전류 모드의 누적 전류량인 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정부는 상기 파라미터로서 상기 충전의 개시시부터 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압과 전류에 도달하기까지의 누적 전류량을 측정하는 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 누적 전류량은 정전류-정전압 모드의 누적 전류량이거나, 정전류-정전압 모드 중 정전압 충전 구간의 누적 전류량인 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정부는 상기 파라미터로서 상기 전지 셀이 미리 설정된 전압에 도달한 후 자가방전의 개시시부터 상기 미리 설정된 시간까지의 상기 전지 셀의 전압 강하량을 측정하는 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
  19. 청구항 12 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 전압은 SOC에 대한 전압 변화율이 미리 설정된 기준치 이상인 전압으로 설정되는 이차전지 셀의 저전압 진단 장치.
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