KR20210149795A - 이차전지 검사 방법 및 이차전지 검사 장치 - Google Patents

이차전지 검사 방법 및 이차전지 검사 장치 Download PDF

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이치로 무나카타
사토시 타노
히데키 쇼지
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도요시스템 가부시키가이샤
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Abstract

이차전지의 검사의 용이를 도모하면서도 검사 정밀도의 향상을 도모할 수 있는 이차전지 검사 장치 등을 제공한다. 샘플링 주기(T)에 기초하여, 이차전지 모델의 모델 파라미터의 값이 동정된다. 이차전지 모델에 의해, IIR 전달 함수 및 FIR 전달 함수에 의해 이차전지(200)의 내부 저항의 임피던스가 표현되어 있다. 모델 파라미터의 값이 동정된 이차전지 모델인 지정 모델에 대해 임펄스 전류(I(t))가 입력되었을 때 상기 지정 모델로부터 출력되는 전압의 변화 양태로서의 모델 출력 전압이 추정된다. 이차전지(200)에 임펄스 전류(I(t))가 흐른 때의 상기 이차전지(200)의 전압의 계측 결과, 및 지정 모델 출력 전압에 기초하여, 샘플링 주기(T)에 따른 이차전지(200)의 성능이 평가된다.

Description

이차전지 검사 방법 및 이차전지 검사 장치
본 발명은 리튬 이온 배터리 등의 이차전지를 검사하는 기술에 관한 것이다.
이차전지의 내부 상태를 검사하는 방법으로서 주파수 응답 해석법(FRA: Frequency Response Analysis)에 기초하는 AC 임피던스 해석법이 잘 알려져 있고, 등가 회로의 모델을 적용하여 여러 개의 시정수 요소로 분해하여 이차전지의 다양한 내부 반응을 해석하는 방법이 확립되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 제5924617호 공보
그러나 AC 임피던스 해석을 위해서는 10kHz 정도의 고주파수 대역부터 10mHz~100mHz 정도의 저주파수 대역까지의 다점 계측이 필요하다. 따라서 이차전지의 검사에 긴 시간이 소요된다. 또한 전용의 계측 장치가 필요하므로 양산 라인 등의 짧은 택트 시간이 전제 조건으로 되어 있는 경우에 실제로 사용하기 어려웠다. 이차전지의 양산 출하 검사나 제품 인수 검사시에는 단시간에 어느 정도의 정밀도를 갖는 검사기를 필요로 하나, 전지는 그 동작 상태(전압(SOC), 동작 전류, 전지 온도) 등에 의해 특성이 변화하고 있어 조건을 일정하게 설정하여 검사를 수행해야 하며 재현성 좋은 검사 장치가 요구되고 있다. 양산 라인 등에서는 통계적인 모집단 분포로부터 양부 판별 기준을 설정하나, 검사 조건을 고정화한 경우만 가능하여 출시된 이차전지의 양부(양부(良否))를 간단하게 판별할 수 있는 방법은 거의 없었다.
이에 본 발명은 이차전지의 검사의 용이를 도모하면서도 검사 정밀도의 향상을 도모할 수 있는 이차전지 검사 장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 이차전지 검사 장치는,
이차전지에 임펄스 전류가 흐른 때의 상기 이차전지의 전압의 계측 결과를 인식하는 전압 인식 요소와,
샘플링 주기에 기초하여, IIR 시스템 및 FIR 시스템 각각을 나타내는 전달 함수에 의해 상기 이차전지의 내부 저항의 임피던스가 표현되어 있는 이차전지 모델의 모델 파라미터의 값을 동정하는 모델 파라미터 설정 요소와,
상기 모델 파라미터 설정 요소에 의해 상기 모델 파라미터의 값이 동정된 상기 이차전지 모델인 지정 모델에 대해 상기 임펄스 전류가 입력되었을 때 상기 지정 모델로부터 출력되는 전압의 변화 양태로서의 모델 출력 전압을 추정하는 전압 추정 요소와,
상기 전압 인식 요소에 의해 인식된 상기 이차전지의 전압의 계측 결과, 및 상기 전압 추정 요소에 의해 추정된 상기 지정 모델 출력 전압에 기초하여, 상기 샘플링 주기에 따른 상기 이차전지의 성능을 평가하는 평가 요소,
를 구비하고 있다.
상기 모델 파라미터 설정 요소가, 복수의 샘플링 주기 각각에 기초하여 상기 모델 파라미터의 값을 개별적으로 동정하고,
상기 전압 추정 요소가, 상기 모델 파라미터 설정 요소에 의해 상기 모델 파라미터의 값이 동정된 개별의 상기 이차전지 모델인 복수의 상기 지정 모델에 대해 상기 임펄스 전류가 입력되었을 때 상기 복수의 지정 모델 각각으로부터 출력되는 전압의 변화 양태로서의 복수의 모델 출력 전압을 추정하고,
상기 평가 요소가, 상기 전압 인식 요소에 의해 인식된 상기 이차전지의 전압의 계측 결과, 및 상기 전압 추정 요소에 의해 추정된 상기 복수의 지정 모델 출력 전압의 각각에 기초하여, 상기 복수의 샘플링 주기 각각에 따른 상기 이차전지의 복수의 성능의 각각을 평가하는 것이 바람직하다.
상기 이차전지 검사 장치가, 상기 이차전지의 온도의 계측 결과를 인식하는 온도 보상 요소를 더 구비하고,
상기 모델 파라미터 설정 요소가, 상기 온도 보상 요소에 의해 인식된 상기 이차전지의 온도의 계측 결과에 기초하여 상기 모델 파라미터의 값을 보정하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태로서의 이차전지 검사 장치의 구성에 관한 설명도이고,
도 2A는 이차전지의 내부 저항의 등가 회로의 제1 예시도이고,
도 2B는 이차전지의 내부 저항의 등가 회로의 제2 예시도이고,
도 2C는 이차전지의 내부 저항의 등가 회로의 제3 예시도이고,
도 2D는 이차전지의 내부 저항의 등가 회로의 제4 예시도이고,
도 3A는 이차전지의 접속 저항 성분(R0)의 전달 함수를 나타낸 다이어그램이고,
도 3B는 전하 이동 저항(Ri) 및 캐패시터(Ci)로 이루어지는 제i RC 병렬 회로의 IIR 전달 함수를 나타낸 다이어그램이고,
도 3C는 인덕턴스 성분(L)의 IIR 전달 함수를 나타낸 다이어그램이고,
도 3D는 와버그 임피던스(W0)의 FIR 전달 함수를 나타낸 다이어그램이고,
도 4는 이차전지의 나이퀴스트 플롯에 관한 설명도이고,
도 5A는 제1 샘플링 주기에 따른 제1 평가 지수에 관한 설명도이고,
도 5B는 제1 샘플링 주기에 따른 제2 평가 지수에 관한 설명도이고,
도 5C는 제2 샘플링 주기에 따른 제3 평가 지수에 관한 설명도이다.
(이차전지 검사 장치의 구성)
도 1에 도시되어 있는 본 발명의 일 실시형태로서의 이차전지 검사 장치(100)는 프로세서(연산 처리 장치), 메모리(기억 장치) 및 I/O 회로 등에 의해 구성되어 있다. 메모리 또는 이와는 별개의 기억장치에는 이차전지 모델을 정의하기 위한 파라미터 등의 다양한 데이터 외에도 프로그램(소프트웨어)이 기억 보존되어 있다. 예를 들어 이차전지 또는 이것이 탑재되어 있는 대상기 요소의 종류(규격 및 제원(諸元)에 의해 특정됨)를 식별하기 위한 복수의 식별자 각각과 복수의 이차전지 모델 각각이 서로 대응되어 메모리에 기억 보존되어 있다. 프로세서가 메모리로부터 필요한 프로그램 및 데이터를 읽어 이 데이터에 기초하여 상기 프로그램에 따른 연산 처리를 실행함으로써 후술하는 연산 처리 또는 태스크가 실행된다.
이차전지 검사 장치(100)는 OCV 검출 요소(102)와, 감산기(104)와, 온도 보상 요소(110)와, 제1 샘플링 주기 출력 요소(111)와, 제1 모델 파라미터 설정 요소(112)와, 제1 전압 추정 요소(114)와, 제1 제산 요소(116)와, 제2 샘플링 주기 출력 요소(121)와, 제2 모델 파라미터 설정 요소(122)와, 제2 전압 추정 요소(124)와, 제2 제산 요소(126)와, 제1 평가 요소(142)와, 제2 평가 요소(144)와, 제3 평가 요소(146), 를 구비하고 있다.
(이차전지 모델)
이차전지 모델은 전류 I(t)가 이차전지(200)로 입력되었을 때 이 이차전지(200)로부터 출력되는 전압 V(t)를 나타내는 모델이다. 이차전지(200)의 개방 전압 OCV 및 내부 저항의 전달 함수 H(t)를 이용하여 관계식 (01)에 의해 정의된다.
V(t)=OCV＋H(t)·I(t) ‥ (01)
이차전지의 내부 저항의 등가 회로 모델의 전달 함수 H(t)는 관계식 (02)에 의해 정의된다.
[수학식 1]
Figure pct00001
'H0(t)', 'Hi(t)', 'HW(t)' 및 'HL(t)'는 이차전지의 내부 저항의 특성을 나타내는 파라미터에 의해 정의되어 있다.
도 2A에는 이차전지(200)의 내부 저항의 등가 회로의 일례가 도시되어 있다. 이 예에서는, 내부 저항의 등가 회로는 접속 저항 성분 R0, 전하 이동 저항 Ri 및 캐패시터 Ci로 이루어지는 제i RC 병렬 회로(i=1, 2,‥, m), 와버그 임피던스 W0, 및 코일(L)의 직렬 회로에 의해 정의되어 있다. 도 2A에서는 직렬 접속되는 RC 병렬 회로의 수 m이 '4'이다. 도 2B에 도시된 바와 같이, 직렬 접속되는 RC 병렬 회로의 수 m은 4보다 작을 수도 있고 4보다 클 수도 있다. 도 2C 및 도 2D 각각에 도시된 바와 같이, 와버그 임피던스 W0는 적어도 어느 하나의 RC 병렬 회로(예를 들어 제1 RC 병렬 회로)에 있어서 저항(R)과 직렬 접속되어 있을 수도 있다. 캐패시터 C가 CPE(Constant Phase Element)로 치환되어 있을 수도 있다. 코일(L)이 생략되어 있을 수도 있다.
저항 R0의 전달 함수 H0(z)는 관계식 (10)에 의해 정의되어 있다. 도 3A에는 저항 R0의 전달 함수 H0(z)를 나타내는 블록 다이어그램이 도시되어 있다.
H0(z)=R0 ‥ (10)
R0의 온도 Θ에 대한 의존성은, 서로 다른 온도 Θ 각각에서의 기준 이차전지의 나이퀴스트 플롯의 실측 결과(도 4 참조)에 기초하여 관계식 (10)에 따라 미리 구해져 있다. 즉, 저항 R0의 전달 함수 H0(z)를 정의하는 계수 R0는 온도 Θ를 주(主)변수로 하는 종(從)변수 또는 함수로서 정의되어 있다.
제i RC 병렬 회로의 전달 함수 Hi(z)는 IIR(Infinite Impulse Response) 시스템(무한 임펄스 응답 시스템)의 전달 함수로서 관계식 (20)에 의해 정의되어 있다. 도 3B에는 제i RC 병렬 회로의 전달 함수 Hi(z)를 나타내는 블록 다이어그램이 도시되어 있다.
Hi(z)=(b0＋biz-1)/(1＋aiz-1) ‥ (20)
s영역에서 제i RC 병렬 회로의 전달 함수 Hi(s)는 관계식 (21)에 의해 나타난다.
Hi(s)=Ri/(1＋τis)(여기서, τi=1/RiCi)‥ (21)
전달 함수 Hi(s)가 쌍일차 변환((bilinear transformation)되면(s→(2/T)(1-z-1)/(1＋z-1)(T는 샘플링 주기임)), z영역에서 제i RC 병렬 회로의 전달 함수 Hi(z)는 관계식 (22)에 의해 나타난다.
Hi(z)=｛Ri/(1＋2τi/T)＋Ri/(1＋2τi/T) z-1｝/｛1＋(1-2τi/T)/(1＋2τi/T) z-1｝ ‥ (22)
관계식 (20) 및 (22)를 대비하면, IIR 전달 함수의 계수 b0, bi 및 ai 각각이 관계식 (221)~(223) 각각에 의해 정의된다.
b0=Ri/(1＋2τi/T) ‥ (221)
bi=Ri/(1＋2τi/T) ‥ (222)
ai=-｛1＋(1-2τi/T)/(1＋2τi/T)｝ ‥ (223)
Ri 및 Ci의 온도 Θ에 대한 의존성은 서로 다른 온도 Θ 각각에서의 기준 이차전지의 나이퀴스트 플롯의 실측 결과(도 4 참조)에 기초하여 관계식 (21)에 따라 미리 구해져 있다. 즉, 제i RC 병렬 회로의 전달 함수 Hi(z)를 정의하는 계수 b0, bi 및 ai 각각은, 온도 Θ 및 샘플링 주파수 T를 주변수로 하는 종변수 또는 다변수 함수로서 정의되어 있다.
코일 L의 전달 함수 HL(z)는 IIR 시스템의 전달 함수로서 관계식 (30)에 의해 정의되어 있다. 도 3C에는 코일 L의 전달 함수 HL(z)를 나타내는 블록 다이어그램이 도시되어 있다.
HL(z)=(2L0/T)(1-z-1)/(1＋z-1) ‥ (30)
s영역에서 코일 L의 전달 함수 HL(s)는 관계식 (31)에 의해 나타난다.
HL(s)=sL0 ‥ (31)
전달 함수 HL(s)가 쌍일차 변환되면 z영역에서 코일 L의 전달 함수 HL(z)는 관계식 (32)에 의해 나타난다.
HL(z)=｛2L0/T-2L0/Tz-1｝/(1＋z-1) ‥ (32)
관계식 (30) 및 (32)를 대비하면, IIR 전달 함수의 계수 b0, bi 및 ai 각각이 관계식 (321)~(323) 각각에 의해 정의된다.
b0=2L0/T ‥ (321)
bi=-2L0/T ‥ (322)
ai=-1 ‥ (323)
L0의 온도 Θ에 대한 의존성은, 서로 다른 온도 Θ 각각에서의 기준 이차전지의 나이퀴스트 플롯의 실측 결과(도 4 참조)에 기초하여 관계식 (31)에 따라 미리 구해져 있다. 즉, 코일 L의 전달 함수 Hi(z)를 정의하는 계수 b0 및 bi 각각은 온도 Θ 및 샘플링 주파수 T를 주변수로 하는 종변수 또는 다변수 함수로서 정의되어 있다.
와버그 임피던스 W0의 전달 함수 HW(z)는 FIR(Finite Impulse Response) 시스템(유한 임펄스 응답 시스템)의 전달 함수로서 관계식 (40)에 의해 정의되어 있다. 도 3D에는 와버그 임피던스 W0의 전달 함수 HW(z)를 나타내는 블록 다이어그램이 도시되어 있다.
[수학식 2]
Figure pct00002
s영역에서 와버그 임피던스 W0의 전달 함수 HW(s)는 관계식 (41)에 의해 나타난다.
HW(s)=RWtanh(sTW)p/(sTW)p ‥ (41)
전달 함수 HL(s)가 쌍일차 변환되면 z영역에서 와버그 임피던스 W0의 전달 함수 HW(z)는 관계식 (42)에 의해 나타난다.
HW(z)=RWtanh［(2TW/T)(1-z-1)/(1＋z-1)］p/｛(2TW/T)(1-z-1)/(1＋z-1)p ‥ (42)
그러나 관계식 (40) 및 (42)을 대비함으로써 IIR 전달 함수의 계수 b0, bi 및 ai의 각각을 구하기가 어렵다. 이에, RW, TW 및 p의 온도 Θ에 대한 의존성이, 서로 다른 온도 Θ 각각에서의 기준 이차전지의 나이퀴스트 플롯의 실측 결과(도 4 참조)에 기초하여 관계식 (41)에 따라 구해진다. 나아가 관계식 (42)을 역FFT 변환하여 지연 요소 zk(k=0~n, 여기서 n은 예를 들어 수 10~1000 정도)의 계수로서 추출되고, 와버그 임피던스 W0의 전달 함수 HW(z)가 관계식 (40)와 같이 FIR 전달 함수로서 근사적으로 정의된다. 이것은 나이퀴스트 플롯에서 와버그 임피던스 W0의 영향이 저주파수측에 반영되는 것에 유래하고 있다. 즉, 와버그 임피던스 W0의 전달 함수 HW(z)를 정의하는 계수 hk 각각은, 온도 Θ 및 샘플링 주파수 T를 주변수로 하는 종변수 또는 다변수 함수로서 정의되어 있다.
도 4에는 이차전지(200)의 복소 임피던스 Z의 실측 결과를 나타내는 나이퀴스트 플롯의 일례가 이 플롯의 근사 곡선과 함께 도시되어 있다. 가로축은 복소 임피던스 Z의 실부 ReZ이고, 세로축은 복소 임피던스 Z의 허부 -ImZ이다. -ImZ>0인 영역에서 ReZ가 커질수록 저주파수의 복소 임피던스 Z를 나타내고 있다.
-ImZ=0에서의 ReZ의 값(도 4(제1 평가 구간))은 이차전지(200)의 접속 저항 성분 R0에 상당한다(도 3A참조). 도 4에서 1점쇄선으로 둘러싸여 있는 -ImZ<0인 영역에서의 부분(제1 평가 구간)은 이차전지(200)의 전극 등의 배선 인덕턴스 L0의 임피던스에 상당한다(도 3B 참조). 도 4에서 2점쇄선으로 둘러싸여 있는 -ImZ>0인 영역에서의 찌그러진 반원 형상의 부분(제2 평가 구간)은 이차전지(200)의 전극 계면에서의 반응 저항과 전기 이중층(제1~제m RC 병렬 회로의 임피던스)에 상당한다(도 3C 참조). 그 반경은 이차전지(200)의 온도 T가 고온이 될수록 작아지는 경향이 있다. 도 4에서 파선으로 둘러싸여 있는 ImZ>0인 영역에서, 저주파수 영역에서 약 45°로 상승하는 대략 직선형의 부분(제3 평가 구간)에는 이차전지(200)의 와버그 임피던스 W0의 영향이 반영되어 있다(도 3D 참조).
도 4에 실선으로 나타나 있는 나이퀴스트 플롯에 의해 나타나는 이차전지의 복소 임피던스 Z의 근사 곡선을 구할 때, 관계식 (02)에 따라 이차전지의 내부 저항의 등가 회로 모델의 전달 함수 H(t)가 정의된다는 가정하에서 구해진다. 이에 의해, 각 온도 Θ에서, 파라미터 R0(관계식 (10) 참조), Ri 및 Ci(관계식 (21) 참조), L0(관계식 (31) 참조), 및 RW, TW 및 p(관계식 (41) 참조)의 값이 구해진다. 개방 전압 OCV의 측정값에 의해 이차전지 모델에서의 개방 전압 OCV의 값이 동정된다(관계식 (01) 참조). 그리고, 상기 파라미터의 값에 의해 이차전지 모델이 다양한 종류의 이차전지(200)에 대해 확립된다.
(이차전지 검사 방법)
상기 구성의 이차전지 검사 장치(100)에 의해 실행되는 이차전지(200)의 검사 방법에 대해 설명한다.
전류 센서 S1, 전압 센서 S2 및 온도 센서 S0 각각에 의해, 충방전 장치(300)에 의해 검사 대상이 되는 이차전지(200)로 임펄스 전류 I(t)가 흐르게 되었을 때의, 상기 이차전지(200)의 임펄스 전류 I(t), 전압 V(t) 및 온도 Θ(t)가 계측된다.
이차전지(200)의 온도 Θ(t)의 계측 결과가 온도 보상 요소(110)로 입력되고, 온도 보상 요소(110)에 의해 상기 계측 결과에 따른 온도 보정 모델 파라미터가 출력된다. 구체적으로는 파라미터 R0(관계식 (10) 참조), Ri 및 Ci(관계식 (21) 참조), L0(관계식 (31) 참조), 및 RW 및 TW(관계식 (41) 참조)의, 온도 Θ에 따른 값 R0(Θ), Ri(Θ), Ci(Θ), L0(Θ), RW(Θ), TW(Θ) 및 p(Θ)가 구해진다. 이 모델 파라미터들은 이차전지의 양산품 중에서 우량품의 모집단의 평균값으로서 구해둠으로써 양부 판별의 기준 모델로 할 수 있다.
온도 보정 모델 파라미터가 온도 보상 요소(110)로부터 제1 모델 파라미터 설정 요소(112)로 입력되고, 제1 모델 파라미터 설정 요소(112)에 의해, 제1 샘플링 주기 T1에 따라, 온도 보정 모델 파라미터 Ri(Θ) 및 Ci(Θ)에 기초하여 IIR 모델 파라미터 b0(Θ, T1), bi(Θ, T1) 및 ai(Θ, T1)가 구해진다(관계식 (221)~(223) 참조). 제1 모델 파라미터 설정 요소(112)에 의해, 제1 샘플링 주기 T1에 따라, 온도 보정 모델 파라미터 L0(Θ)에 기초하여 IIR 모델 파라미터 b0(Θ, T1), bi(Θ, T1) 및 ai(Θ, T1)가 구해진다(관계식 (321)~(323) 참조). 제1 모델 파라미터 설정 요소(112)에 의해, 제1 샘플링 주기 T1에 따라, 온도 보정 모델 파라미터 RW(Θ, T1), TW(Θ, T1) 및 p(Θ, T1)에 기초하여 FIR 모델 파라미터 hk(Θ, T1)가 구해진다(관계식 (40) 참조).
제1 전압 추정 요소(114)에 의해, 이차전지(200)의 임펄스 전류 I(t)의 계측 결과에 기초하여, 짧은 주기(예를 들어 10ms 정도)의 제1 샘플링 주기 T1에 따른 전달 함수 H(t)에 의해 정의되는 이차전지 모델에 따라, 이차전지(200)의 전압 V(t)가 추측된다(관계식 (01) 참조). 도 5A 및 도 5B 각각에는 이차전지(200)의 방전시의 전압 V의 계측값이 실선으로 나타나고, 이차전지(200)의 OCV의 제1 샘플링 주기 T1 마다의 계측값을 나타내는 근사 곡선이 파선으로 나타나고, 아울러 제1 전압 추정 요소(114)에 의한 이차전지(200)의 전압 V(t)의 제1 샘플링 주기 T1 마다의 추정 결과를 나타내는 근사 곡선이 실선으로 나타나 있다. 이차전지 모델에서는 개방 전압 OCV가 고려되지 않았으므로, 제1 전압 추정 요소(114)에 의한 이차전지(200)의 전압 V(t)의 제1 샘플링 주기 T1 마다의 추정 결과 D는 OCV를 기준으로 하여 추측된다(도 5A, 도 5B/하향 화살표 D 참조).
온도 보정 모델 파라미터가 온도 보상 요소(110)로부터 제2 모델 파라미터 설정 요소(122)로 입력되고, 제2 모델 파라미터 설정 요소(122)에 의해, 제2 샘플링 주기 T2에 따라, 온도 보정 모델 파라미터 Ri(Θ) 및 Ci(Θ)에 기초하여 IIR 모델 파라미터 b0(Θ, T2), bi(Θ, T2) 및 ai(Θ, T2)가 구해진다(관계식 (221)~(223) 참조). 제2 모델 파라미터 설정 요소(122)에 의해, 제2 샘플링 주기 T2에 따라, 온도 보정 모델 파라미터 L0(Θ)에 기초하여 IIR 모델 파라미터 b0(Θ, T2), bi(Θ, T2) 및 ai(Θ, T2)가 구해진다(관계식 (321)~(323) 참조). 제1 모델 파라미터 설정 요소(112)에 의해, 제2 샘플링 주기 T2에 따라, 온도 보정 모델 파라미터 RW(Θ, T2), TW(Θ, T2) 및 p(Θ, T2)에 기초하여 FIR 모델 파라미터 hk(Θ, T2)가 구해진다(관계식 (40) 참조).
제2 전압 추정 요소(124)에 의해, 이차전지(200)의 임펄스 전류 I(t)의 계측 결과에 기초하여, 긴 주기(예를 들어 1s 정도)의 제2 샘플링 주기 T2에 따른 전달 함수 H(t)에 의해 정의되는 이차전지 모델에 따라, 이차전지(200)의 전압 V(t)가 추측된다(관계식 (01) 참조). 도 5C에는 이차전지(200)의 방전시의 전압 V의 계측값이 실선으로 나타나고, 이차전지(200)의 OCV의 제2 샘플링 주기 T2 마다의 계측값을 나타내는 근사 곡선이 파선으로 나타나고, 아울러 제2 전압 추정 요소(124)에 의한 이차전지(200)의 전압 V(t)의 제2 샘플링 주기 T2 마다의 추정 결과를 나타내는 근사 곡선이 실선으로 나타나 있다. 이차전지 모델에서는 개방 전압 OCV가 고려되지 않았으므로, 제2 전압 추정 요소(124)에 의한 이차전지(200)의 전압 V(t)의 추정 결과 E는 OCV를 기준으로 하여 추측된다(도 5C/하향 화살표 E 참조).
이차전지(200)의 전압 V(t)가 이차전지 검사 장치(100)로 입력되고, 이 입력 A에 기초하여, OCV 검출 요소(102)에 의해 이차전지(200)의 개방 전압 OCV(t)가 검출된다. 감산기(104)에 의해, 입력 A=V(t)와 OCV 검출 요소(102)의 출력 B=OCV(t) 간의 차분 C=A-B가 출력된다. 차분 C는 도 5A, 도 5B 및 도 5C 각각에서 하향 화살표 C로 나타나 있는, 이차전지(200)의 방전시의 전압 V의 계측값(실선) 및 OCV의 계측값(파선)의 차분을 나타내고 있다.
제산 요소(116)에 대해 감산기(104)로부터 차분 C가 입력되고, 아울러 제1 전압 추정 요소(114)로부터 이차전지(200)의 전압 V(t)의 추정 결과 D가 입력되어 두 입력의 비 C/D가 산정된다.
제산 요소(116)로부터 임펄스 전류 I(t)가 흐르기 시작한 직후의 제1 기간(도 5A/파선으로 둘러싸인 영역 참조)에서의 각 시점의 C/D가 제1 평가 요소(142)로 입력되고, 제1 평가 요소(142)에 의해 이 입력의 평균값, 분산값, 편차값, 또는 최대값 및 최소값의 중간값 등의 통계적 지표값에 기초하여 제1 평가 구간에서 이차전지(200)의 접속 저항 성분 R0 및 인덕턴스 요소 L0가 평가된다. 여기서 L0에 의한 기여는 허축 상의 임피던스뿐이어서 저항값으로서는 기여하지 않으므로, 평가되는 성분은 결국 R0뿐이다. C/D가 1에 가까울수록, 이차전지(200)의 접속 저항 성분 R0가 당초의 상태 또는 우량품 모집단과 비교하여 변화가 작다고 평가된다.
제산 요소(116)로부터 임펄스 전류 I(t)가 흐르기 시작하고 나서 제1 기간이 경과한 후에 시작되는 상기 제 1 기간보다 긴 제2 기간(도 5B/파선으로 둘러싸인 영역 참조)에서의 각 시점의 C/D가 제2 평가 요소(144)로 입력되고, 제2 평가 요소(144)에 의해 이 입력의 통계적 지표값에 기초하여 제2 평가 구간에서 이차전지(200)의 전극 계면에서의 반응 저항과 전기 이중층(제1~제m RC 병렬 회로의 임피던스)이 평가된다. C/D가 1에 가까울수록, 이차전지(200)의 전극 계면에서의 반응 저항과 전기 이중층(제1~제m RC 병렬 회로의 임피던스)이 당초의 상태 또는 우량품 모집단과 비교하여 변화가 작다고 평가된다. C/D의 산정값에 허용 레벨을 설정함으로써 양부 판정을 할 수 있다.
제산 요소(126)에 대해 감산기(104)로부터 차분(C)이 입력되고, 아울러 제2 전압 추정 요소(124)로부터 이차전지(200)의 전압 V(t)의 추정 결과 E가 입력되어 두 입력의 비 C/E가 산정된다.
제산 요소(126)로부터 임펄스 전류 I(t)가 흐르기 시작하고 나서 제1 기간이 경과한 후 시작되는 제2 기간보다 긴 제3 기간(도 5C/파선으로 둘러싸인 영역 참조)에서의 각 시점의 C/E가 제3 평가 요소(146)로 입력되고, 제3 평가 요소(143)에 의해 이 입력의 통계적 지표값에 기초하여 제3 평가 구간에서 이차전지(200)의 와버그 임피던스 W0가 평가된다. C/E가 1에 가까울수록, 이차전지(200)의 와버그 임피던스 W0가 당초의 상태 또는 우량품 모집단과 비교하여 변화가 작다고 평가된다. C/E의 산정값에 허용 레벨을 설정함으로써 양부 판정을 할 수 있다.
제1 평가 요소(142), 제2 평가 요소(144) 및 제3 평가 요소(146) 각각에 의한 평가 결과가, 이차전지 검사 장치(100)에 유선 또는 무선으로 연결되어 있는 출력 인터페이스로 출력된다.
제1 평가 요소(142), 제2 평가 요소(144) 및 제3 평가 요소(146)는 1회의 계측으로 판정되고, 그 판정 결과의 조합 상태에 의해 이차전지의 구성요소 중 어느 것이 불량의 요인인지 추정 가능하게 된다.
(발명의 효과)
본 발명에 따른 이차전지 검사 장치(100) 및 이에 의해 실행되는 이차전지 검사 방법에 의하면, 예를 들어 표 1에 나타난 바와 같이, 제1 평가 구간에 관해서, C/D의 판정 결과가 제1 판정 기준값 γ1에 대해 관계식 (51)로 나타나는 관계에 있는 경우에는 'OK(셀 구성 재료 저항값이 기준 범위 이내)'로 평가되고, C/D의 판정 결과가 관계식 (51)로 나타나는 관계에 없는 경우에는 'NG(셀 구성 재료 저항값이 기준을 벗어남)'로 평가된다.
1-γ1<C/D<1＋γ1 ‥ (51)
또한 표 1에 나타난 바와 같이, 제2 평가 구간에 관해서, C/D의 판정 결과가 제2 판정 기준값 γ2에 대해 관계식 (52)로 나타나는 관계에 있는 경우에는 'OK(양극, 음극 등의 반응성에 이상이 없음)'로 평가되고, C/D의 판정 결과가 관계식 (52)로 나타나는 관계에 없는 경우에는 'NG(양극, 음극 등의 반응성에 이상이 있음)'로 평가된다.
1-γ2<C/D<1＋γ2 ‥ (52)
나아가 표 1에 나타난 바와 같이, 제3 평가 구간에 관해서, C/E의 판정 결과가 제3 판정 기준값 γ3에 대해 관계식 (53)으로 나타나는 관계에 있는 경우에는 'OK(전해액의 부족, 변질 등이 없음)'로 평가되고, C/E의 판정 결과가 관계식 (53)으로 나타나는 관계에 없는 경우에는 'NG(전해액의 부족, 변질 등이 있음)'로 평가된다.
1-γ3<C/D<1＋γ3 ‥ (53)
이와 같이 본 발명에 따르면 한 번의 측정에 의해 이차전지로서의 양부를 단순히 판정할 뿐 아니라 이차전지의 구성요소 중 무엇에 원인이 있는 바까지 추정 가능하게 된다.
상기 평가 결과가 이차전지 검사 장치(100)로부터 스마트 폰, 태블릿 단말 또는 퍼스널 컴퓨터 등의 클라이언트에 대해 송신되고, 상기 클라이언트를 구성하는 출력 인터페이스(디스플레이)에 출력 표시될 수도 있다. 이에 의해, 이차전지(200)의 검사의 용이를 도모하면서도 불량 요인의 추정도 수행할 수 있으므로 검사 정밀도의 향상 및 생산 공정에 종사하는 상기 클라이언트의 유저에 대해 스무스한 피드백을 도모할 수 있다.
개별 이상 내용 제1 평가구간 판정 결과 제2 평가구간 판정 결과 제3 평가구간 판정 결과 상정 요인
판정 기준 γ1 판정 기준 γ2 판정 기준 γ3
Ro의 이상 NG NG NG 셀 구성재 저항의 증가(접속 불량, 전기 저항)
Rn, Cn의 이상 OK NG NG 양극, 음극 등의 반응성 이상
WO의 이상 OK OK NG 전해액의 부족, 변질 등 전극 내 이온 확산 반응
100‥이차전지 검사 장치, 102‥OCV 검출 요소(전압 인식 요소), 104‥감산기, 110‥온도 보상 요소, 112‥제1 모델 파라미터 설정 요소, 114‥제1 전압 추정 요소, 122‥제2 모델 파라미터 설정 요소, 124‥제2 전압 추정 요소, 200‥이차전지, 300‥충방전 장치

Claims (4)

  1. 이차전지에 임펄스 전류가 흐른 때의 상기 이차전지의 전압의 계측 결과를 인식하는 전압 인식 요소와,
    샘플링 주기에 기초하여, IIR 시스템 및 FIR 시스템 각각을 나타내는 전달 함수에 의해 상기 이차전지의 내부 저항의 임피던스가 표현되어 있는 이차전지 모델의 모델 파라미터의 값을 동정하는 모델 파라미터 설정 요소와,
    상기 모델 파라미터 설정 요소에 의해 상기 모델 파라미터의 값이 동정된 상기 이차전지 모델인 지정 모델에 대해 상기 임펄스 전류가 입력되었을 때 상기 지정 모델로부터 출력되는 전압의 변화 양태로서의 모델 출력 전압을 추정하는 전압 추정 요소와,
    상기 전압 인식 요소에 의해 인식된 상기 이차전지의 전압의 계측 결과, 및 상기 전압 추정 요소에 의해 추정된 상기 지정 모델 출력 전압에 기초하여, 상기 샘플링 주기에 따른 상기 이차전지의 성능을 평가하는 평가 요소,
    를 구비하고 있는 이차전지 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모델 파라미터 설정 요소가, 복수의 샘플링 주기 각각에 기초하여 상기 모델 파라미터의 값을 개별적으로 동정하고,
    상기 전압 추정 요소가, 상기 모델 파라미터 설정 요소에 의해 상기 모델 파라미터의 값이 동정된 개별의 상기 이차전지 모델인 복수의 상기 지정 모델에 대해 상기 임펄스 전류가 입력되었을 때 상기 복수의 지정 모델 각각으로부터 출력되는 전압의 변화 양태로서의 복수의 모델 출력 전압을 추정하고,
    상기 평가 요소가, 상기 전압 인식 요소에 의해 인식된 상기 이차전지의 전압의 계측 결과, 및 상기 전압 추정 요소에 의해 추정된 상기 복수의 지정 모델 출력 전압의 각각에 기초하여, 상기 복수의 샘플링 주기 각각에 따른 상기 이차전지의 복수의 성능의 각각을 평가하는
    이차전지 검사 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이차전지의 온도의 계측 결과를 인식하는 온도 보상 요소를 더 구비하고,
    상기 모델 파라미터 설정 요소가, 상기 온도 보상 요소에 의해 인식된 상기 이차전지의 온도의 계측 결과에 기초하여 상기 모델 파라미터의 값을 보정하는
    이차전지 검사 장치.
  4. 이차전지에 임펄스 전류가 흐른 때의 상기 이차전지의 전압의 계측 결과를 인식하는 전압 인식 공정과,
    샘플링 주기에 기초하여, IIR 시스템 및 FIR 시스템 각각을 나타내는 전달 함수에 의해 상기 이차전지의 내부 저항의 임피던스가 표현되어 있는 이차전지 모델의 모델 파라미터의 값을 동정하는 모델 파라미터 설정 공정과,
    상기 모델 파라미터 설정 공정에 의해 상기 모델 파라미터의 값이 동정된 상기 이차전지 모델인 지정 모델에 대해 상기 임펄스 전류가 입력되었을 때 상기 지정 모델로부터 출력되는 전압의 변화 양태로서의 모델 출력 전압을 추정하는 전압 추정 공정과,
    상기 전압 인식 공정에 의해 인식된 상기 이차전지의 전압의 계측 결과, 및 상기 전압 추정 공정에 의해 추정된 상기 지정 모델 출력 전압에 기초하여, 상기 샘플링 주기에 따른 상기 이차전지의 성능을 평가하는 평가 공정,
    을 포함하는 이차전지 검사 방법.
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