KR20200042044A - 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치 - Google Patents

열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 검사대상인 배터리의 방전특성을 나타내는 특성전압을 설정받는 설정부와, 상기 배터리로부터 전류를 공급받아 방열하는 복수의 제1 열전소자와 흡열하는 복수의 제2 열전소자가 서로 교차하여 배열되어 열을 상쇄하면서 상기 배터리를 방전시키는 방전부와, 상기 배터리의 전압을 감지하여 상기 특성전압에 도달하기까지의 시간을 분석하여 상기 배터리의 성능열화를 판단하고, 상기 방전부의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.
이에 따라, 배터리의 방전성능을 시험하기 위해 복수의 열전소자를 교차하여 배열함으로써 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

Description

열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치{APPARATUS FOR MONINTORING AND DISCHARGING OF BATTERY USING THERMOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리를 전열소자와 연결하여 방전시 방출되는 열을 최소화시키는 기술이 개시된다.
일반적으로 이차전지(배터리)는 충방전에 의해 내부 활물질이 산화-환원되는 전기화학적 반응을 통해 화학 에너지와 전기 에너지 간의 변환이 이루어진다. 이러한 이차 전지의 성능은 충전 방법, 방전 깊이, 보관 및 사용시의 온도, 부하율(load level) 및 충방전 횟수 등에 영향을 받는다. 또한, 최근의 이차 전지는 높은 에너지 밀도와 가벼운 질량을 갖는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 또는 연료 전지쪽으로 주로 개발되고 있으며, 산업용, 자동차용, 휴대용 또는 이동용 전원 장치에 다양하게 사용되고 있다.
종래의 기술 중 대한민국 등록특허공보 제10-0686794호(2007년 2월 23일 공고)는 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 온도에 따른 이차전지의 실제 방전 용량 또는 충전 용량을 정확히 계산하여 외부 시스템에 알려줌으로써, 배터리팩을 최적의 상태로 유지 및 사용할 수 있는 기술이 개시된다.
그러나 상기 종래의 기술은 배터리의 성능을 평가하기 위해 일정시간 전열기를 이용하여 배터리를 방전시키는 것으로, 이러한 방전을 이용한 배터리 성능평가의 경우 고온이 발생하여 화재가 발생할 위험이 있거나, 실험실에 냉각장치를 구비해야 하는 등 설비가 추가되어야 하는 한계가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리의 방전성능을 시험하기 위해 복수의 열전소자를 교차하여 배열함으로써 온도를 일정하게 유지할 수 있는 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치를 제공하기 위함이다.
또한, 복수의 히트싱크를 적층하고 서로 대향하는 면에 방열 및 흡열하는 열전소자를 배열하여 열을 상쇄시킴으로써 내부 온도를 일정하게 유지하면서 소모전력을 높일 수 있는 배터리 방전검사장치를 제공하기 위함이다.
또한, 히트싱크의 개구된 양 측면에 방열팬을 위치시켜 열전소자의 상쇄되는 열교환 이외에 방열팬에 의해 내부 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 배터리 방전검사장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 실시예에 따른 검사대상인 배터리의 방전특성을 나타내는 특성전압을 설정받는 설정부와, 상기 배터리로부터 전류를 공급받아 방열하는 복수의 제1 열전소자와 흡열하는 복수의 제2 열전소자가 서로 교차하여 배열되어 열을 상쇄하면서 상기 배터리를 방전시키는 방전부와, 상기 배터리의 전압을 감지하여 상기 특성전압에 도달하기까지의 시간을 분석하여 상기 배터리의 성능열화를 판단하고, 상기 방전부의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 방전부는, 서로 이격되어 적층되는 복수의 히트싱크와, 상기 히트싱크의 일면에 형성되어 서로 이격되어 배열되어 방열하는 복수의 상기 제1 열전소자와, 상기 히트실크의 일면에 형성되되, 복수의 상기 제1 열전소자 사이에 배열되어 흡열하는 복수의 상기 제2 열전소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방전부는, 서로 이격되어 적층되는 복수의 히트싱크와, 상기 히트싱크의 양면에 각각 서로 이격되어 배열되고, 상기 히트싱크의 양면에 서로 비대칭으로 배열되어 방열하는 복수의 상기 제1 열전소자와, 상기 히트실크의 양면에 복수의 상기 제1 열전소자 사이에 배열되어 흡열하는 복수의 상기 제2 열전소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방전부 내부의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 방전부 내부의 온도에 따라 상기 제1 열전소자 및 상기 제2 열전소자의 출력량을 가변시킬 수 있다.
또한, 상기 방전부 내부의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하고, 상기 방전부는 상기 복수의 히트싱크의 측면에 배열되어 팬을 이용하여 외부의 공기를 주입하여 배출시키는 방열팬을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 방전부 내부의 온도에 따라 상기 제1 열전소자 및 상기 제2 열전소자의 출력량을 가변시키되, 기준온도를 초과하는 경우 상기 방열팬을 구동시킬 수 있다.
이에 따라, 배터리의 방전성능을 시험하기 위해 복수의 열전소자를 교차하여 배열함으로써 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 복수의 히트싱크를 적층하고 서로 대향하는 면에 방열 및 흡열하는 열전소자를 배열하여 열을 상쇄시킴으로써 내부 온도를 일정하게 유지하면서 소모전력을 높일 수 있다.
또한, 히트싱크의 개구된 양 측면에 방열팬을 위치시켜 열전소자의 상쇄되는 열교환 이외에 방열팬에 의해 내부 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치의 예시도이다.
도 2는 도 1에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치 중 설정부의 개략적인 기능을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 4는 도 1에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치 중 방전부의 세부 구성도이다.
도 5는 도 4에 따른 방전부 중 열전소자의 평면배열을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 4에 따른 방전부 중 열전소자의 상하배열을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치의 예시도이고, 도 2는 도 1에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치(100)는 설정부(110), 방전부(120) 및 제어부(130)를 포함한다. 배터리 방전검사장치(100)는 제1 하우징(101)과 제2 하우징(102)의 결합되며, 내부에 설정부(110), 방전부(120) 및 제어부(130)를 수용한다. 배터리 방전검사장치(100)는 외부의 검사대상 배터리(10)와 연결된다. 배터리 방전검사장치(100)는 일측에 손잡이가 형성되고, 타측에 바퀴가 형성되어 휴대하여 사용하기 용이할 수 있다.
설정부(110)는 검사대상 배터리(10)의 방전특성을 나타내는 특성전압을 설정받는다. 여기서, 특성전압은 배터리(10)의 종류나 용량에 따라 다르게 설정될 수 있다. 설정부(110)는 입력부(111)를 통해 검사대상 배터리(10)가 방전에 이르게 되는 특성전압 외에 방전전류를 설정하는 것도 가능하다. 설정부(110)는 사용자가 설정한 특성전압에 이르게 되기까지의 시간을 측정하여 표시부(112)를 통해 출력할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 육안으로 현재 배터리(10)의 방전상태를 확인할 수 있다. 설정부(110)는 배터리(10)가 특성전압에 이르기까지의 시간을 제어부(130)로 출력한다.
방전부(120)는 복수의 열전소자(121)를 이용하여 배터리(10)로부터 전류를 공급받아 배터리(10)를 방전시킨다. 이 경우, 복수의 열전소자(121)의 소모전류는 설정된 특성전압이나 방전전류에 따라 달라진다. 복수의 열전소자(121)는 전기를 통해 방열 또는 흡열하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 열전소자(121)는 제1 열전소자(121-1)와 제2 열전소자(121-2)로 구성된다. 제1 열전소자(121-1)는 배터리(10)로부터 전류를 공급받아 방열한다. 제2 열전소자(121-2)는 배터리(10)로부터 전류를 공급받아 흡열한다. 이러한 열전소자(121)는 펠티어 효과(Peltier effect)를 가지는 소자로 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 방전부(120)는 복수의 열전소자(121)를 히트싱크(122) 상에 배열하여 배터리 방전검사장치(100)가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 이 경우, 내부가 중공된 복수의 히트싱크(122)를 적층하여 열을 외부로 방출하기 용이한 구조로 형성될 수 있다. 복수의 히트싱크(122)를 적층하여 타워형으로 형성하여 부피를 최소화할 수 있다. 복수의 열전도소자는 히트싱크(122)의 평면 상에 배열된다. 이 경우, 복수의 열전도소자는 일면 또는 양면에 형성될 수 있다.
또한, 방전부(120)의 제1 열전소자(121-1)와 제2 열전소자(121-2)는 서로 교차하여 배열됨에 따라 방열과 흡열하는 기능을 통해 전체적인 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 제1 열전소자(121-1)는 전류의 방향이 바뀌는 경우 제2 열전소자(121-2)로 전환될 수 있으며, 제2 열전소자(121-2) 역시 전류의 방향이 바뀌는 경우 제1 열전소자(121-1)로 전환될 수 있다. 이는 배터리 방전검사장치(100)의 온도 상황에 따라 제1 열전소자(121-1) 및 제2 열전소자(121-2)의 배열 및 개수를 변경할 수 있다.
또한, 방전부(120)는 방열팬(123)을 더 포함할 수 있다. 방열팬(123)은 히트싱크(122)와 더불어 배터리 방전검사장치(100)의 내부 온도를 조절한다. 방열팬(123)은 히트싱크(122)의 관통된 양면에 각각 형성될 수 있다. 히트싱크(122)의 일단에 위치한 방열팬(123)은 외부의 공기를 히트싱크(122)로 흡입시키는 역할을 한다. 히트싱크(122)의 타단에 위치한 방열팬(123)은 히트싱크(122)로부터 공기를 흡입하여 외부로 배출하는 역할을 한다. 이에 따라, 배터리 방전검사장치(100) 내부의 온도를 유지시킬 수 있다.
제어부(130)는 배터리(10)의 전압을 감지하여 특성전압에 도달하기까지의 시간을 분석하여 배터리(10)의 성능열화를 판단한다. 제어부(130)는 기 설정된 배터리(10)별 성능에 대한 특성곡선을 이용하여 특성전압에 도달하는 시간이 단축되는 경우에는 성능열화를 판단할 수 있다. 제어부(130)는 완충된 배터리(10)를 방전시켜 특성전압에 도달하는 시간을 수차례 반복하여 측정하고, 이에 대한 평균값을 계산하여 성능열화를 판단하는 것도 가능하다. 제어부(130)는 배터리(10)의 성능에 대한 값을 표시부(112)를 통해 외부에 표시할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 방전부(120)의 구동을 제어할 수 있다. 제어부(130)는 방전부(120) 중 복수의 열전도소자의 전류의 방향이나 출력세기를 조절한다. 예를 들어, 제어부(130)는 복수의 열전도소자 중 전류의 방향을 스위칭하여 방열하는 제1 열전도소자와 흡열하는 제2 열전도소자로 구동시킬 수 있다. 제어부(130)는 방전부(120) 내부의 온도에 따라 제1 열전소자(121-1) 및 제2 열전소자(121-2)의 출력량을 가변시킬 수 있다.
또한, 제어부(130)는 방열팬(123)의 구동을 조절하여 방전부(120)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 제어부(130)는 방전부(120) 내부의 온도에 따라 제1 열전소자(121-1) 및 제2 열전소자(121-2)의 출력량을 가변시키되, 기준온도를 초과하는 경우 방열팬(123)을 구동시킬 수 있다. 이는 히트싱크(122)와 제1 열전소자(121-1)와 제2 열전소자(121-2) 간의 열교환으로도 온도가 낮아지지 않는 경우 외부의 공기를 주입하여 온도를 낮출 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치(100)는 온도감지부(140)를 더 포함할 수 있다. 온도감지부(140)는 방전부(120) 내부의 온도를 감지한다. 온도감지부(140)는 기 설정된 시간 주기로 방전기 내부의 평균온도를 감지할 수 있다. 온도감지부(140)는 방전부(120) 내부의 온도의 변화가 기 설정치를 초과하는지 여부를 감지하고, 온도정보를 제어부(130)로 출력한다. 이 경우, 제어부(130)는 방전부(120) 내부의 온도에 따라 제1 열전소자(121-1) 및 제2 열전소자(121-2)의 출력량을 가변시켜 온도를 조절할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 제1 열전소자(121-1)나 제2 열전소자(121-2)의 배열을 가변시켜 온도를 조절하는 것도 가능하다. 또한, 제어부(130)는 방열팬(123)을 추가로 구동시켜 온도를 조절하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치(100)는 소리감지부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 소리감지부는 배터리 방전검사장치(100) 내부의 소음을 기 설정된 시간 주기로 감지할 수 있다. 소리감지부는 주파수를 판단하여 내부에 방열팬(123)의 주파수가 기 설정치를 초과하는 경우 이에 대한 화제신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 방전부(120)의 구동을 중단하거나, 열전소자(121)의 구동을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 방열팬(123)의 소음이 기 설정치를 초과하는 경우, 소음을 줄이거나 화재를 예방하기 위해 복수의 열전소자(121) 중 방열하는 제1 열전소자(121-1)의 개수를 줄이고, 흡열하는 제2 열전소자(121-2)의 개수를 증가시킬 수 있다.
도 3은 도 1에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치 중 설정부의 개략적인 기능을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 설정부(110)는 입력부(111), 표시부(112), 저장부(113) 및 통신부(114) 중 적어도 하나 이상을 포함한다. 입력부(111)는 물리적 버튼 또는 터치패널을 이용하여 구현할 수 있다. 입력부(111)는 특성전압 등을 사용자로부터 입력받는 역할을 한다. 표시부(112)는 설정된 특성전압 및 측정된 전압을 표시할 수 있다. 저장부(113)는 배터리의 방전성능을 기 설정된 시간 주기로 저장한다. 통신부(114)는 배터리의 방전정보를 외부의 사용자 단말(20)로 출력한다. 외부의 사용자 단말(20)은 사용자가 사용하는 단말로 원격에서도 배터리의 방전성능을 테스트하고 그 결과를 확인할 수 있다.
도 4는 도 1에 따른 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치 중 방전부의 세부 구성도이다.
도 4를 참조하면, 방전부(120)는 복수의 열전소자(121), 히트싱크(122) 및 방열팬(123)을 포함한다. 복수의 열전소자(121)는 히트싱크(122) 사이에 배열되어 발열 또는 흡열하는 역할을 한다. 히트싱크(122)는 열전도 성능을 가지는 재질로 형성되어 내부가 중공되어 공기가 통하면서 열을 배출할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 복수의 히트싱크(122)는 적층되어 타워형태로 형성될 수 있다. 히트싱크(122)의 표면에는 복수의 열전소자(121)가 배열된다. 방열팬(123)은 히트싱크(122)의 중공된 양 개구면에 각각 위치하여 공기를 흡입 또는 배출하는 역할을 한다. 이 경우, 복수의 열전소자(121)는 입력부(111)를 통한 설정에 따라 제어부(130)에 의해 구동된다. 제어부(130)는 히트싱크(122)의 일측에 위치하고 부스바(131)(bus bar)를 통해 배터리와 전기적으로 연결된다. 도 4에서 (a)는 입력부(111), 방전부(120) 및 제어부(130)의 구성을 나타내고, (b)는 복수의 히트싱크(122) 사이에 열전소자(121)가 배열되는 것을 나타낸다.
도 5는 도 4에 따른 방전부 중 열전소자의 평면배열을 설명하기 위한 예시도이고, 도 6은 도 4에 따른 방전부 중 열전소자의 상하배열을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5를 참조하면, 평면 상에 배열되는 제1 열전소자(121-1) 및 제2 열전소자(121-2)를 나타낸다. 제1 열전소자(121-1)와 제2 열전소자(121-2)는 서로 이격되어 나란하게 배열된다. 이 경우, 제1 열전소자(121-1)와 이웃하는 위치에는 제2 열전소자(121-2)가 위한다. 제1 열전소자(121-1)는 방열을 하고, 제2 열전소자(121-2)는 흡열을 한다. 제1 열전소자(121-1)와 제2 열전소자(121-2)가 동시에 구동되는 경우 배터리의 전력을 소모하면서 제1 열전소자(121-1)에서 방열된 열을 제2 열전소자(121-2)에서 흡열함으로써 전체적인 온도는 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 장시간 배터리의 방전시험에도 온도가 일정하게 유지되어 화재의 위험성을 줄일 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 히트싱크(122-1)와 제2 히트싱크(122-2)가 서로 적층되는 경우에 상하로 배열되는 열전도소자를 나타낸다. 제1 히트싱크(122-1) 및 제2 히트싱크(122-2)의 평면에는 도 5와 같이 제1 열전소자(121-1)와 제2 열전소자(121-2)가 교차하여 배열된다. 이 경우, 제1 히트싱크(122-1) 및 제2 히트싱크(122-2)가 서로 대향하는 면에는 제1 히트싱크(122-1)의 제1 열전소자(121-1)와 제2 히트싱크(122-2)의 제2 열전소자(121-2)가 서로 대향하도록 형성된다. 이는 평면 외에 상하로 서로 반대되는 성질의 열전소자(121)를 배열하여 열을 상쇄시키기 위함이다. 이에 따라, 복수의 히트싱크를 이용하여 제1 열전소자(121-1) 및 제2 열전소자(121-2)를 교차하여 배열시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
10 : 배터리
20 : 사용자 단말
100 : 배터리 방전검사장치
101 : 제1 하우징
102 : 제2 하우징
110 : 설정부
111 : 입력부
112 : 표시부
113 : 저장부
114 : 통신부
120 : 방전부
121 : 열전소자
121-1 : 제1 열전소자
121-2 : 제2 열전소자
122 : 히트싱크
122-1 : 제1 히트싱크
122-2 : 제2 히트싱크
123 : 방열팬
130 : 제어부
131 : 부스바
140 : 온도감지부

Claims (5)

  1. 검사대상인 배터리의 방전특성을 나타내는 특성전압을 설정받는 설정부;
    상기 배터리로부터 전류를 공급받아 방열하는 복수의 제1 열전소자와 흡열하는 복수의 제2 열전소자가 서로 교차하여 배열되어 열을 상쇄하면서 상기 배터리를 방전시키는 방전부; 및
    상기 배터리의 전압을 감지하여 상기 특성전압에 도달하기까지의 시간을 분석하여 상기 배터리의 성능열화를 판단하고, 상기 방전부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전부는,
    서로 이격되어 적층되는 복수의 히트싱크;
    상기 히트싱크의 일면에 형성되어 서로 이격되어 배열되어 방열하는 복수의 상기 제1 열전소자; 및
    상기 히트실크의 일면에 형성되되, 복수의 상기 제1 열전소자 사이에 배열되어 흡열하는 복수의 상기 제2 열전소자를 포함하는 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방전부는,
    서로 이격되어 적층되는 복수의 히트싱크;
    상기 히트싱크의 양면에 각각 서로 이격되어 배열되고, 상기 히트싱크의 양면에 서로 비대칭으로 배열되어 방열하는 복수의 상기 제1 열전소자;
    상기 히트실크의 양면에 복수의 상기 제1 열전소자 사이에 배열되어 흡열하는 복수의 상기 제2 열전소자를 포함하는 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 방전부 내부의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 방전부 내부의 온도에 따라 상기 제1 열전소자 및 상기 제2 열전소자의 출력량을 가변시키는 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 방전부 내부의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하고,
    상기 방전부는,
    상기 복수의 히트싱크의 측면에 배열되어 팬을 이용하여 외부의 공기를 주입하여 배출시키는 방열팬을 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 방전부 내부의 온도에 따라 상기 제1 열전소자 및 상기 제2 열전소자의 출력량을 가변시키되, 기준온도를 초과하는 경우 상기 방열팬을 구동시키는 열전소자를 이용한 배터리 방전검사장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022019532A1 (ko) * 2020-07-21 2022-01-27 주식회사 엘지에너지솔루션 전지셀 용량 측정 장치 및 전지셀 용량 측정 방법
KR20230001105U (ko) * 2021-11-24 2023-05-31 주식회사 한국가스기술공사 축전지 방전용 부하기
KR20230115700A (ko) 2022-01-27 2023-08-03 현대자동차주식회사 비파괴 방식 배터리 열화도 진단장치 및 진단방법

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