KR20220050379A - 배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법 - Google Patents

배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법 Download PDF

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윤현준
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현대자동차주식회사
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Abstract

배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른, 배터리 모듈에 복수로 조립된 배터리 셀의 리드와 버스바의 용접부 상태를 검사하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템은, 복수의 프로브 모듈을 배터리 셀의 용접부 길이방향을 따라 접촉하여 와전류의 변화를 측정하는 와전류 탐상 센서부; 상기 와전류 탐상 센서부에 연결되어 상기 와전류의 변화에 따라 측정된 페이즈 딜레이(Phase Delay) 신호를 수신하는 인터페이스부; 및 상기 인터페이스부를 통해 수신된 상기 페이즈 딜레이 신호의 파형을 분석하여 양품 파형 기준의 정상 영역 이내에 존재하는지 여부에 따른 상기 용접부의 양불 상태를 판정하는 제어부;를 포함한다.

Description

배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR BATTERY MODULE WELDING INSPECTION}
본 발명은 배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 라인에서 조립된 배터리 모듈의 전기적 연결부의 용접 공정 후 그 용접 비드의 상태를 검사하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 친환경 차량용 배터리 팩은 복수의 배터리 셀을 조립하여 배터리 모듈을 구성하고, 복수의 배터리 모듈을 조립하여 최종적으로 차량에 장착되는 배터리 팩의 형태로 제작된다.
상기 배터리 모듈은 배터리 셀을 일정 수량 접합 후 조립하여 필요한 용량의 모듈로 구성되며, 배터리 셀과 셀 사이의 전기적 연결을 위해 레이저 용접 공정 및 용접 검사 공정이 진행된다.
예컨대, 배터리 셀의 리드(Lead)와 모듈 간 버스바(Busbar)의 겹치기 레이저 용접 이후, 해당 용접의 품질 보증을 위한 용접 검사가 진행되며, 상기 용접 검사는 주로 육안/비전 검사를 통해 용접 비드의 길이, 폭, 관통 여부 등 외관 검사를 위주로 진행되고 있다.
도 1은 종래의 배터리 모듈의 레이저 용접 시 발생되는 다양한 이상 상태를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 배터리 모듈 연결부의 전기적 용접 시에는 정상상태와 같이 용접되는 것이 바람직하지만 이와 다르게 기공, 손실, 갭 발생, 크랙 및 심부족의 이상 상태가 발생될 수 있다.
그러나, 종래의 육안/비전 검사로는 용접 비드의 길이, 폭, 관통 유무의 외관 확인 가능하며 모재 간 갭 발생, 심도 부족, 내부 기공 과다 등 모재 내측의 이슈에서 기인한 이상상태(즉, 불량)을 검출할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 용접 공정 중의 이상상태를 포토 다이오드(Photo diode) 등으로 반사광/플라즈마를 감지하는 방식이 검토된바 있으나 이는 온도, 정전기, 전파, 부품 공차, 송풍기(Air blower) 등 외부 노이즈의 영향을 많이 받아 양/불 검출력 신뢰도가 저하되는 문제점이 있다.
예컨대, 외부 노이즈 영향 최소화를 위하여 스펙 레인지(spec range)를 좁히면 과검출 사례가 빈번하게 발생되거나 실제 양품도 불량으로 판정되는 사례가 발생되어 생산 라인 가동율 저하를 유발하며, 반대로 상기 스펙 레인지를 넓히면 불량 유출일 발생될 수 있어 품질 경쟁력 저하가 발생되는 트레이드오프(Trade-off) 관계의 문제점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 복수의 프로브 모듈이 장착된 와전류 탐상 센서부를 활용한 와전류 탐상 검사를 통해 배터리 모듈 용접부의 외관과 내측의 다양한 이상 상태를 종합적으로 검사할 수 있는 배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 온도, 정전기, 습도, 부품 공차 등의 외부 요인에 영향 없이 배터리 모듈의 전기적 연결부의 용접부를 검사할 수 있는 배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈에 복수로 조립된 배터리 셀의 리드와 버스바의 용접부 상태를 검사하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템은, 복수의 프로브 모듈을 배터리 셀의 용접부 길이방향을 따라 접촉하여 와전류의 변화를 측정하는 와전류 탐상 센서부; 상기 와전류 탐상 센서부에 연결되어 상기 와전류의 변화에 따라 측정된 페이즈 딜레이(Phase Delay) 신호를 수신하는 인터페이스부; 및 상기 인터페이스부를 통해 수신된 상기 페이즈 딜레이 신호의 파형을 분석하여 양품 파형 기준의 정상 영역 이내에 존재하는지 여부에 따른 상기 용접부의 양불 상태를 판정하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 와전류 탐상 센서부는 슬롯 다이의 일면에 일정 간격으로 나란히 고정 설치된 복수의 프로브 모듈을 포함하며, 상기 프로브 모듈은 각각 프로브 바디에 형성된 날개부가 상기 슬롯 다이에 형성된 슬롯에 순차적으로 삽입된 상태에서 고정 볼트를 통해 고정 장착될 수 있다.
또한, 상기 프로브 모듈은 상기 용접부의 시작점(P#1), 중앙점(P#2) 및 종료점(P#3)에 대응되게 배치될 수 있다.
또한, 상기 프로브 모듈은 원통형상으로 내부에 와전류 인가에 따른 자기장을 생성하는 코일이 구성된 프로브; 입력된 전류에 따른 AC 파형을 생성하여 상기 코일의 일단에 인가하는 오실레이터와 상기 코일의 타단에 연결되어 전류를 측정하는 전류 센서를 내장하는 프로브 하우징; 및 외주면 양측에 슬롯 다이의 슬롯에 삽입되는 날개부가 형성된 프로브 바디;를 포함하며, 원통형상의 상기 프로브, 프로브 하우징 및 프로브 바디가 단계적으로 조립될 수 있다.
또한, 상기 프로브 하우징은 상기 프로브 바디에 삽입되는 부분의 외주면에 외측으로 돌출된 스토퍼를 포함하고, 상기 프로브 바디는 내측에서 상기 프로브 하우징의 끝단과 접촉되어 상기 프로브와 용접부의 접촉 시 완충작용을 하는 스프링 및 상기 스토퍼를 외부로 노출시키는 가이드 홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리 모듈이 로딩되면 다축 이동 수단에 장착된 상기 와전류 탐상 센서부를 상기 배터리 모듈의 용접부 검사 위치로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 복수의 프로브 모듈을 상기 배터리 모듈에 구성된 각 배터리 셀의 용접부에 순차적으로 접촉시키고 와류 탐상 검사를 실시하여 상기 정상 영역을 벗어나는 이상 상태의 파형을 검출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 페이즈 딜레이 신호의 파형 중 상기 와전류 탐상 센서부의 진입 시 급격한 자속 변화로 인한 꼭지점부의 값은 분석에서 제외시키고, 상기 꼭지점 부 이후 평탄화 구간의 값을 대표값으로 하여 분석을 진행할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 3개로 구성된 프로브 모듈을 통해 접촉된 상기 용접부의 3점(Point)을 측정한 파형의 평균값을 산출하여 상기 양불 상태를 판정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 5개로 구성된 프로브 모듈을 통해 접촉된 상기 용접부의 5점(Point)을 측정한 파형 중에서 최고점과 최저점은 헌팅 데이터로 제외하고, 나머지 3점(Point)에서 측정된 파형의 평균값을 산출하여 상기 양불 상태를 판정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 용접부 내측의 기공, 손실, 모재간 갭, 크랙 및 심부족 중 적어도 하나에 따른 이상패턴 판정을 위해 모델링된 기준 데이터를 저장하고, 상기 상기 페이즈 딜레이 신호의 파형을 분석하여 이상 상태의 원인을 진단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 배터리 모듈 용접 검사 시스템의 제어부가 배터리 모듈에 복수로 조립된 배터리 셀의 리드와 버스바의 용접부 상태를 검사하는 배터리 모듈 용접 검사 방법은, a) 복수의 프로브 모듈이 장착된 와전류 탐상 센서부를 로딩된 배터리 모듈의 배터리 셀의 검사 위치로 이동하는 단계; b) 상기 복수의 프로브 모듈을 상기 배터리 셀의 용접부에 접촉하고 와전류를 인가하여 복수의 페이즈 딜레이 신호를 측정하는 단계; c) 상기 복수의 페이즈 딜레이 신호의 평균값을 산출하여 기준 데이터의 양품 파형 기준 정상 영역 이내에 존재하는지 여부를 비교하는 단계; 및 d) 상기 평균값이 상기 정상 영역에서 벗어나면 이상 상태 발생에 따른 불량으로 판정하여 디스플레이에 표시하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 a) 단계는, 상기 복수의 프로브 모듈을 상기 배터리 셀의 용접부 길이방향을 따라 나란히 정렬하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계는, 3개의 프로브 모듈을 통해 상기 용접부의 시작점(P#1), 중앙점(P#2) 및 종료점(P#3)에서의 각 페이즈 딜레이 신호를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계 이후에, 상기 이상 상태의 파형을 기준 데이터의 파형 패턴과 비교하여 상기 용접부의 기공, 손실, 모재간 갭, 크랙 및 심부족 중 적어도 하나의 발생 원인을 진단하여 표시하고 이전 공정의 레이저 용접 공정 설비로 피드백 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 상기 평균값이 정상 영역에 존재하면 상기 배터리 셀의 용접 상태를 정상으로 판정하는 단계; 및 상기 배터리 모듈에 구성된 모든 배터리 셀의 측정이 완료될 때 까지 상기 와전류 탐상 센서부를 다음 배터리 셀의 검사 위치로 이동하여 측정을 반복하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계는, 5개의 프로브 모듈을 통해 상기 용접부의 5점(Point)을 측정한 파형 중에서 최고점과 최저점은 헌팅 데이터로 제외하고, 나머지 3점(Point)에서 측정된 파형의 평균값을 산출하여 상기 정상 영역 이내에 존재하는지 여부를 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 복수의 프로브 모듈을 활용한 와전류 탐상 검사를 통해 배터리 모듈 용접부의 외관과 내측의 다양한 이상상태를 종합적으로 검사함으로써 검사 신뢰도와 제품 불량을 예방할 수 있는 효과가 있다.
또한, 와전류 탐삼 검사를 통한 페이즈 딜레이 신호의 파형을 기준 데이터를 통해 분석하여 용접부 내측의 기공, 손실, 갭 발생, 크랙 및 심부족의 이상 상태를 진단하고 선행 공정의 레이저 용접 공정 설비로 피드백 함으로써 불량 검출 및 그 원인을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 온도, 정전기, 습도, 부품 공차 등의 외부 요인에 영향 없이 배터리 모듈의 용접부를 검사함으로써 검사 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 배터리 모듈의 레이저 용접 시 발생되는 다양한 이상 상태를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 에에 다른 배터리 모듈 용접 검사 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 와전류 탐상 센서부의 조립 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 프로브 모듈의 내부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프로브 모듈의 대기 상태와 프로브 접촉 상태를 비교하여 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 와전류 변화 분석 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다양한 용접 조건 실험에 따른 검증 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 에에 다른 배터리 모듈 용접 검사 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 9는 도 8의 설명에 참조하기 위한 단계별 상태를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 추가 실시 예에 따른 와전류 탐상 센서부의 조립 구성을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 추가 실시 예에 따른 배터리 모듈 용접 검사 방법을 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 용접 검사 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 에에 다른 배터리 모듈 용접 검사 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 와전류 탐상 센서부의 조립 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 프로브 모듈의 내부 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 용접 검사 시스템(1)은 배터리 모듈(2)의 레이저 용접 후 검사 공정 라인에 설치되는 설비로써 와전류 탐상 센서부(10), 인터페이스부(20) 및 제어부(30)를 포함한다.
배터리 모듈(2)은 정해진 용량에 따라 조립된 복수의 배터리 셀(2a)을 포함하며, 이전 레이저 용접 공정에서 배터리 셀(2a)의 박막형태의 리드(Lead, 2b)와 셀 간 전기적 연결을 위한 버스바(Busbar, 2c)의 용접에 따른 용접부(2d)가 형성된다. 이하, 상기 용접부(2d)는 레이저 용접 시 형성되는 용접 비드와 동일한 의미를 가지며 버스바(2c)와 겹치기 용접된 리드(2b)의 길이방향을 따라 형성된다.
생산라인의 이송장치(미도시)를 통해 검사 위치로 로딩될 수 있다. 예컨대, 상기 이송장치는 컨베이어 또는 지그 스테이션을 통해 로딩될 수 있다.
와전류 탐상 센서부(10)는 일렬로 장착된 복수의 프로브 모듈(11)을 상기 배터리 셀(2a) 용접부(14)의 길이방향으로 따라 접촉하여 와전류의 변화를 측정한다. 구체적으로, 복수의 프로브 모듈(11)은 각자 용접부(14)의 접촉된 지점에 와전류를 인가하여 피드백 되는 페이즈 딜레이(Phase Delay) 신호를 측정하고, 각각 고유 신호라인(L)을 통해 제어부(30)로 전송할 수 있다.
와전류 탐상 센서부(10)는 슬롯 다이(12)의 일면에 일정 간격으로 나란히 설치된 3개의 프로브 모듈(11)을 포함한다.
3개의 프로브 모듈(11)은 슬롯 다이(12)에 형성된 슬롯(121)에 순차적으로 삽입된 상태에서 고정 볼트(122)를 통해 고정 설치된다. 여기서, 상기 3개의 프로브 모듈(11)은 동일한 구성으로 설치된 순서에 따라 제1 프로브 모듈(11#1), 제2 프로브 모듈(11#2) 및 제3 프로브 모듈(11#3)로 구분될 수 있다.
즉, 와전류 탐상 센서부(10)는 배터리 모듈(2)을 구성하는 각 배터리 셀(2a)의 용접부(2d) 상태를 균일하게 측정하기 위해 길이방향으로 대표적인 3개 포인트에 대한 용접검사를 수행할 수 있도록 프로브를 배치한다. 예컨대, 제1 프로브 모듈(11#1)은 용접부의 시작점(P#1), 제2 프로브 모듈(11#2)은 중앙점(P#2) 및 제3 프로브 모듈(11#3)은 종료점(P#3)에 대응되게 배치될 수 있다.
프로브 모듈(11)은 원통형상의 프로브(111), 프로브 하우징(112) 및 프로브 바디(113)를 포함하여 단계적으로 조립된다.
프로브(111)는 내부에 와전류 인가에 따른 자기장을 생성하는 코일(111a)이 구성된다.
프로브 하우징(112)은 내부에 입력된 전류에 따른 AC 파형을 생성하여 상기 코일(111a)의 일단에 인가하는 오실레이터(111b)와 상기 코일(111a)의 타단에 연결되어 전류를 측정하는 전류 센서(111c)가 내장된다.
또한, 프로브 하우징(112)은 프로브 바디(113)에 삽입되는 부분의 외주면에 외측으로 돌출된 스토퍼(112a)를 형성한다.
프로브 바디(113)는 외주면 양측에 슬롯 다이(12)의 슬롯(121)에 삽입되는 날개부(113a), 내측에서 프로브 하우징(112)과 접촉되어 프로브(111)와 용접부(2d)의 접촉 시 완충작용을 하는 스프링(113b) 및 상기 스토퍼(112a)를 외부로 노출시키는 가이드 홀(113c)을 포함한다.
와전류 탐상 센서부(10)는 비접촉 스캐닝 측정 방식을 사용할 수 있는 투과형 및 비접촉 스캐닝 측정 방식과 접촉 포인트 측정 방식 모두 사용 가능한 반사형 방식을 선택적으로 적용하여 구현할 수 있다.
다만, 상기 투과형 및 반사형 방식을 적용하여 실험을 한 결과 비접촉 스캐닝 시의 피검사물(시료)과의 갭(gap)은 max 100um, 검사 속도는 max 40mm/s를 충족하는 것이 바람직한 반면에 와전류 탐상 센서부(10)는 포고 핀 방식이 적용되는 특성상 복수의 프로브 모듈(11)과 용접부(2d) 간의 갭에 오차가 발생되는 경우 각 모듈 별 측정 오차가 발생될 수 있다.
그러므로, 와전류 탐상 센서부(10)는 포고 핀 방식이 적용되는 특성상 반사형 방식에서의 접촉 포인트 방식을 적용하여 프로브 모듈(11)과 용접부(2d) 간의 일정 거리 측정을 보증함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
예컨대, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프로브 모듈의 대기 상태와 프로브 접촉 상태를 비교하여 나타낸다.
도 5를 참조하면, 프로브 모듈(11)은 배터리 셀(2a)의 용접부(2d) 앞에 위치한 측정 대기 상태에서는 스프링(113b)이 미작동되므로 가이드 홀(113c) 내의 스토퍼(112a)가 전진한 상태를 보여준다.
이어서, 프로브 모듈(11)의 전진에 따른 프로브 접촉 상태에서는 스프링(113b) 작동에 따른 스토퍼(112a)가 가이드 홀(113c)의 홀 길이만큼 후진된 후 멈추게 된다.
이러한 프로브 모듈(11)은 기본적으로 프로브(111)와 용접부(2d)의 접촉 충격을 줄여 부품이나 제품이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 프로브 모듈(11)은 포고 핀 방식이 적용되는 특성상 설치 오차나 배터리 셀(2a)과의 정렬 오차(예; 상하 각도 틀어짐)로 인해 각 프로브(111)와 용접부(2d) 간의 간격(gap)이 서로 다르더라도 스프링(113b) 및 스토퍼(112a) 작동을 통해 프로브(111) 미접촉 발생을 예방한다. 이를 통해 모든 측정 지점(P#1, P#2, P#3)에 대하여 일정한 거리 측정을 보증하는 페이즈 딜레이(Phase Delay) 신호를 한번에 측정할 수 있는 효과가 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 인터페이스부(20)는 와전류 탐상 센서부(10)와 제어부(30)를 각각 고유 신호라인을 통해 연결하고 와전류의 변화에 따라 측정된 페이즈 딜레이 신호를 수신하여 제어부(30)로 전달한다.
또한, 인터페이스부(20)는 도면에서는 생략되었으나 용접부의 외관을 검사하는 비전 센서 및 다축 이동 수단 등의 외부 기기와 제어부(30)를 연결하는 복수의 통신 수단이나 통신 포트를 더 포함할 수 있다.
제어부(30)는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 용접 검사를 위한 상기 각부의 전반적인 동작을 제어하는 컴퓨터 시스템으로써, 중앙처리장치(CPU) 및 메모리, 디스플레이 등을 포함하는 하드웨어와 그 운용을 위한 각종 소프트웨어 및 데이터를 포함한다.
제어부(30)는 검사 대상인 배터리 모듈(2)이 검사 위치에 로딩되면 다축 이동 수단에 장착된 와전류 탐상 센서부(10)를 배터리 모듈(2)의 용접부(14) 검사를 위해 이동시킨다. 상기 다축 이동 수단은 LM(Linear Motion) 시스템이나 다관절 로봇으로 구성될 수 있으며 용접부(14) 검사를 위해 전, 후, 좌, 우로 이동될 수 있다.
제어부(30)는 와전류 탐상 센서부(10)에 구성된 복수의 프로브 모듈(11)을 배터리 셀(110) 용접부(14)에 접촉시키고 와류 탐상 검사를 실시하여 와전류 변화를 측정하고 이를 분석하여 양품 파형 기준의 정상 영역을 벗어나는 이상 상태의 파형을 검출한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 와전류 변화 분석 방법을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(30)에서 와전류 변화를 측정에 따라 수신된 페이즈 딜레이 신호의 로데이터(Raw data) 분석 방법을 보여준다.
제어부(30)는 와전류 탐상 센서부(10)에서 수신된 신호의 로데이터 파형 중에서 꼭지점부의 값(165.67)은 와전류 탐상 센서부(10)의 진입 시 급격한 자속 변화로 인한 파형이므로 분석에서 제외시키고, 이후 안정화된 평탄화 구간의 값(165.67)을 대표값으로 환산하여 분석을 진행한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다양한 용접 조건 실험에 따른 검증 결과를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 배터리셀(2a)의 리드(2b)와 버스바(2c)와 동일한 시편을 다양한 조건의 실험으로 레이저 용접한 후 시편당 용접부의 중앙점(1 point)에 대하여 접촉방식으로 페이즈 딜레이 신호의 파형을 측정한 결과를 보여준다.
상기 실험 조건은 레이저 용접 강도를 정상 출력, 10% 저출력 및 15% 저출력 등으로 조절한 조건과 시편(즉, 리드과 버스바)을 완전 밀착한 조건 및 일정한 갭(0.2mm) 설정 조건을 상호 조합하였으며, 파형 측정 결과 용접 조건 및 용접부의 파단 강도 결과가 유사한 경향을 보이므로 이를 토대로 정상 용접 기준을 설정할 수 있다.
예컨대, 제어부(30)는 정상 출력 및 완전 밀착 조건으로 측정된 파형을 토대로 양품 기준의 정상 영역을 설정하고, 이를 기준으로 용접부의 양불 여부(PASS/FAIL)를 판정할 수 있다.
다만, 도 7에서 시편 2-5의 경우 파형이 정상 영역에 존재하지만, 10% 저출력 및 완전 밀착 조건에 해당하는 것으로 용접 강도 측정결과 정상 용접 대비 약용접에 해당하는 바, 한 점(1 point)의 파형 측정만으로는 신뢰성이 떨어질 수 있다.
그러므로, 제어부(30)는 용접부(2d)에서 측정된 용접 강도의 대표성 및 신뢰성 확보를 위해 용접부(2d)의 시작점(P#1), 중앙점(P#2) 및 종료점(P#3)을 포함하는 3점 이상을 측정한 평균값을 산출하여 상기 정상 영역 이내에 존재하는지 여부에 따른 양/불 상태를 판정할 수 있다.
또한, 제어부(30)는 단계별 저출력 조건 및 완전 밀착 조건으로 측정된 약용접 영역, 상기 정상 출력 조건 및 갭 설정 조건에 따른 갭 발생 영역 등을 더 설정하여 상기 이상 상태의 파형 값의 발생원인을 진단 할 수 있다.
나아가, 배터리 셀(2a) 용접부(2d)의 외관뿐 아니라 내측(내부)에 이상발생시 파형이 다르게 나타나는 점을 고려한 파형 패턴분석을 통해 용접부(2d) 내측의 기공, 손실, 모재간 갭, 크랙 및 심부족 중 적어도 하나의 이상 상태를 파악할 수 있다. 이를 위해, 제어부(30)는 각 이상패턴 판정을 위해 모델링된 기준 데이터를 저장할 수 있다.
이를 통해, 제어부(30)는 동일한 이상 상태가 주기적으로 반복되는 원인을 진단하여 운영자에게 알람 및 선행 공정의 레이저 용접 공정 설비로 피드백 함으로써 불량 검출 및 그 원인을 개선시킬 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시 에에 다른 배터리 모듈 용접 검사 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 9는 도 8의 설명에 참조하기 위한 단계별 상태를 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 용접 검사 시스템(1)의 제어부(30)는 레이저 용접된 배터리 모듈(2)이 로딩되면, 와전류 탐상 센서부(10)를 배터리 모듈(2)의 배터리 셀(2a)의 검사 위치로 이동시킨다(S2). 이 때, 와전류 탐상 센서부(10)는 복수의 프로브 모듈(11)을 배터리 셀(110) 용접부(14)의 길이방향을 따라 나란히 정렬할 수 있다.
제어부(30)는 와전류 탐상 센서부(10)를 전진하여 복수의 프로브 모듈(11)을 배터리 셀(110)의 용접부(14)에 접촉시키고(S3), 와전류를 인가하여 3점에 대한 페이즈 딜레이 신호를 측정한다(S4). 예컨대, 제어부(30)는 도 8에서와 같이 상기 복수의 프로브 모듈(11)을 통해 용접부(2d)의 시작점(P#1), 중앙점(P#2) 및 종료점(P#3)에서 각각 페이즈 딜레이 신호를 측정할 수 있다.
제어부(30)는 용접부(2d)의 시작점(P#1), 중앙점(P#2) 및 종료점(P#3)에서 각각 측정된 페이즈 딜레이 신호의 평균값을 산출하여 기준 데이터의 양품 파형 기준 정상 영역 이내에 존재하는지 여부를 비교한다(S5).
이 때, 제어부(30)는 상기 평균값이 정상 영역에 존재하면(S6; 예), 해당 배터리 셀(2a)의 용접 상태를 정상(PASS)으로 판정한다.
제어부(30)는 배터리 모듈(2)에 구성된 모든 배터리 셀(2a)의 측정이 완료되지 않았으면(S7; 아니오), 상기 S2 단계로 돌아가 와전류 탐상 센서부(10)를 다음 배터리 셀(2a)의 검사 위치로 이동한 후 측정을 반복한다.
이후, 제어부(30)는 상기 모든 배터리 셀(2a)의 측정이 완료되면(S7; 예), 해당 배터리 모듈(2)을 최종 양품으로 판정하고 그 양품 판정 결과를 디스플레이를 통해 표시한다(S8).
한편, 상기 S6 단계에서, 제어부(30)는 상기 평균값이 정상 영역에서 벗어나면(S6; 아니오), 이상 상태 발생에 따른 불량(FAIL)으로 판정하고 그 불량 판정 결과를 디스플레이를 통해 표시한다(S9). 이 때, 제어부(30)는 상기 이상 상태의 파형을 기준 데이터의 파형 패턴과 비교하여 용접부 내측의 기공, 손실, 모재간 갭, 크랙 및 심부족 중 적어도 하나의 발생원인을 진단하여 표시할 수 있다.
또한, 제어부(30)는 동일한 이상 상태가 주기적으로 반복되는 원인을 진단하여 운영자에게 알람하거나 이전 공정의 레이저 용접 공정 설비로 전송할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.
예컨대, 전술한 본 발명의 실시 예에서는 와전류 탐상 센서부(10)에 3개의 프로브 모듈(11)이 설치된 3점 파형 분석 방식으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 와전류 탐상 센서부(10)는 5개의 프로브 모듈(11)을 설치하고 5점 파형 분석 방식을 실시 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 추가 실시 예에 따른 와전류 탐상 센서부의 조립 구성을 나타낸다.
또한, 도 11은 본 발명의 추가 실시 예에 따른 배터리 모듈 용접 검사 방법을 나타낸다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 추가 실시 예에 따른 와전류 탐상 센서부(10)는 슬롯 다이(12)의 일면에 일정 간격으로 나란히 설치된 5개의 프로브 모듈(11)을 포함한다. 여기서, 상기 5개의 프로브 모듈(11)은 앞선 실시 예와 동일한 구성으로 설치되며 순서에 따라 제1 프로브 모듈(11#1) 내지 제5 프로브 모듈(11#5)로 구분될 수 있다.
이러한, 본 발명의 추가 실시 예는 전술한 실시 예와 프로브 모듈(11)의 구성 개수와 그에 따른 불량여부 판정 방법만 다르므로 중복되는 설명은 생략하고 다른 점을 위주로 설명한다.
도 7 및 도 11 참조할 때, 제어부(30)는 5개의 프로브 모듈(11)을 배터리 셀(110)의 용접부(14)에 접촉시고 와전류를 인가하여 5점 페이즈 딜레이 신호를 측정한다(S4). 제어부(30)는 상기 복수의 프로브 모듈(11)을 제1점(P#1), 제2점(P#2), 제3점(P#3), 제4점(P#4) 및 제5점(P#5)에서 각각 측정된 페이즈 딜레이 신호를 측정할 수 있다.
이 때, 제어부(30)는 5점 측정값 중 최고점과 최저점은 헌팅 데이터로 가정해 제외하고, 나머지 3점에서 측정된 파형의 평균값을 산출하여 상기 정상 영역 이내에 존재하는지 여부에 따른 양/불 상태를 판정하는 점만 상이하다.
이를 통해, 도 7에서 시편 2-5의 측정파형과 같이 판정결과가 불일치 되는 헌팅 데이터를 제거하고 동일한 경향의 파형들을 활용한 평균값을 사용함으로써 판정 결과의 정확도와 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 와전류 탐상 검사를 통해 배터리 모듈 용접부의 외관과 내측의 다양한 이상상태를 종합적으로 검사함으로써 검사 신뢰도와 제품 불량을 예방할 수 있는 효과가 있다.
또한, 와전류 탐삼 검사를 통한 페이즈 딜레이 신호의 파형을 기준 데이터를 통해 분석하여 용접부 내측의 기공, 손실, 갭 발생, 크랙 및 심부족의 이상 상태를 진단하고 선행 공정의 레이저 용접 공정 설비로 피드백 함으로써 불량 검출 및 그 원인을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 온도, 정전기, 습도, 부품 공차 등의 외부 요인에 영향 없이 배터리 모듈의 용접부를 검사함으로써 검사 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 배터리 모듈 용접 검사 시스템 10: 와전류 탐상 센서부
11: 프로브 모듈 111: 프로브
111a: 코일 111b: 오실레이터
111c: 전류 센서 112: 프로브 항우징
112a: 스토퍼 113: 프로브 바디
113a: 날개부 113b: 스프링
113c: 가이드 홀 20: 인터페이스부
30: 제어부
2: 배터리 모듈 2a: 배터리 셀
2b: 리드 2c: 버스바
2d: 용접부

Claims (17)

  1. 배터리 모듈에 복수로 조립된 배터리 셀의 리드와 버스바의 용접부 상태를 검사하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템에 있어서,
    복수의 프로브 모듈을 배터리 셀의 용접부 길이방향을 따라 접촉하여 와전류의 변화를 측정하는 와전류 탐상 센서부;
    상기 와전류 탐상 센서부에 연결되어 상기 와전류의 변화에 따라 측정된 페이즈 딜레이(Phase Delay) 신호를 수신하는 인터페이스부; 및
    상기 인터페이스부를 통해 수신된 상기 페이즈 딜레이 신호의 파형을 분석하여 양품 파형 기준의 정상 영역 이내에 존재하는지 여부에 따른 상기 용접부의 양불 상태를 판정하는 제어부;
    를 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와전류 탐상 센서부는
    슬롯 다이의 일면에 일정 간격으로 나란히 고정 설치된 복수의 프로브 모듈을 포함하며,
    상기 프로브 모듈은 각각 프로브 바디에 형성된 날개부가 상기 슬롯 다이에 형성된 슬롯에 순차적으로 삽입된 상태에서 고정 볼트를 통해 고정 장착되는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로브 모듈은
    상기 용접부의 시작점(P#1), 중앙점(P#2) 및 종료점(P#3)에 대응되게 배치되는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 프로브 모듈은
    원통형상으로 내부에 와전류 인가에 따른 자기장을 생성하는 코일이 구성된 프로브;
    입력된 전류에 따른 AC 파형을 생성하여 상기 코일의 일단에 인가하는 오실레이터와 상기 코일의 타단에 연결되어 전류를 측정하는 전류 센서를 내장하는 프로브 하우징; 및
    외주면 양측에 슬롯 다이의 슬롯에 삽입되는 날개부가 형성된 프로브 바디;를 포함하며, 원통형상의 상기 프로브, 프로브 하우징 및 프로브 바디가 단계적으로 조립되는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프로브 하우징은 상기 프로브 바디에 삽입되는 부분의 외주면에 외측으로 돌출된 스토퍼를 포함하고,
    상기 프로브 바디는 내측에서 상기 프로브 하우징의 끝단과 접촉되어 상기 프로브와 용접부의 접촉 시 완충작용을 하는 스프링 및 상기 스토퍼를 외부로 노출시키는 가이드 홀을 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 모듈이 로딩되면 다축 이동 수단에 장착된 상기 와전류 탐상 센서부를 상기 배터리 모듈의 용접부 검사 위치로 이동시키는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 프로브 모듈을 상기 배터리 모듈에 구성된 각 배터리 셀의 용접부에 순차적으로 접촉시키고 와류 탐상 검사를 실시하여 상기 정상 영역을 벗어나는 이상 상태의 파형을 검출하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 페이즈 딜레이 신호의 파형 중 상기 와전류 탐상 센서부의 진입 시 급격한 자속 변화로 인한 꼭지점부의 값은 분석에서 제외시키고, 상기 꼭지점 부 이후 평탄화 구간의 값을 대표값으로 하여 분석을 진행하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    3개로 구성된 프로브 모듈을 통해 접촉된 상기 용접부의 3점(Point)을 측정한 파형의 평균값을 산출하여 상기 양불 상태를 판정하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    5개로 구성된 프로브 모듈을 통해 접촉된 상기 용접부의 5점(Point)을 측정한 파형 중에서 최고점과 최저점은 헌팅 데이터로 제외하고, 나머지 3점(Point)에서 측정된 파형의 평균값을 산출하여 상기 양불 상태를 판정하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 용접부 내측의 기공, 손실, 모재간 갭, 크랙 및 심부족 중 적어도 하나에 따른 이상패턴 판정을 위해 모델링된 기준 데이터를 저장하고, 상기 상기 페이즈 딜레이 신호의 파형을 분석하여 이상 상태의 원인을 진단하는 배터리 모듈 용접 검사 시스템.
  12. 배터리 모듈 용접 검사 시스템의 제어부가 배터리 모듈에 복수로 조립된 배터리 셀의 리드와 버스바의 용접부 상태를 검사하는 배터리 모듈 용접 검사 방법에 있어서,
    a) 복수의 프로브 모듈이 장착된 와전류 탐상 센서부를 로딩된 배터리 모듈의 배터리 셀의 검사 위치로 이동하는 단계;
    b) 상기 복수의 프로브 모듈을 상기 배터리 셀의 용접부에 접촉하고 와전류를 인가하여 복수의 페이즈 딜레이 신호를 측정하는 단계;
    c) 상기 복수의 페이즈 딜레이 신호의 평균값을 산출하여 기준 데이터의 양품 파형 기준 정상 영역 이내에 존재하는지 여부를 비교하는 단계; 및
    d) 상기 평균값이 상기 정상 영역에서 벗어나면 이상 상태 발생에 따른 불량으로 판정하여 디스플레이에 표시하는 단계;
    를 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    상기 복수의 프로브 모듈을 상기 배터리 셀의 용접부 길이방향을 따라 나란히 정렬하는 단계를 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    3개의 프로브 모듈을 통해 상기 용접부의 시작점(P#1), 중앙점(P#2) 및 종료점(P#3)에서의 각 페이즈 딜레이 신호를 측정하는 단계를 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    상기 이상 상태의 파형을 기준 데이터의 파형 패턴과 비교하여 상기 용접부의 기공, 손실, 모재간 갭, 크랙 및 심부족 중 적어도 하나의 발생 원인을 진단하여 표시하고 이전 공정의 레이저 용접 공정 설비로 피드백 하는 단계를 더 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 평균값이 정상 영역에 존재하면 상기 배터리 셀의 용접 상태를 정상으로 판정하는 단계; 및
    상기 배터리 모듈에 구성된 모든 배터리 셀의 측정이 완료될 때 까지 상기 와전류 탐상 센서부를 다음 배터리 셀의 검사 위치로 이동하여 측정을 반복하는 단계;
    를 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 방법.
  17. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    5개의 프로브 모듈을 통해 상기 용접부의 5점(Point)을 측정한 파형 중에서 최고점과 최저점은 헌팅 데이터로 제외하고, 나머지 3점(Point)에서 측정된 파형의 평균값을 산출하여 상기 정상 영역 이내에 존재하는지 여부를 비교하는 단계를 포함하는 배터리 모듈 용접 검사 방법.
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KR102582562B1 (ko) 2022-06-20 2023-09-22 임미혜 부동산 개발의 분양성 증대를 위한 시행사 통합 관리 시스템
KR102591688B1 (ko) 2023-06-12 2023-10-20 길엔지니어링(주) 배터리모듈에 장착되는 열융착과 레이저 용접이 가능한 센싱블럭 검사장치
DE102022214412A1 (de) 2022-04-22 2023-10-26 Hyundai Mobis Co., Ltd. Leistungshalbleitervorrichtung, leistungshalbleiterchip mit dieser vorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung

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