KR20220095730A - 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템에 관한 것으로, 전극, 전극 탭 또는 용접부 상에 발생한 균열의 유무와 위치 등을 용이하게 검출할 수 있다.

Description

와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템{SYSTEM FOR DETECTING CRACK OF BATTERY CELL USING THE EDDY CURRENT SENSOR}

본 발명은 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템에 관한 것이다.

화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품등에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는데, 대표적으로는 긴 시트형의 양극들과 음극들은 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막에 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell) 등의 단위셀들을 권취한 구조의 스택-폴딩형 전극 조립체 등을 들 수 있다.

또한, 이차전지는 전극조립체가 전지 용기에 수납된 상태에서 액체 전해질인 전해액을 주입하고, 전지 용기를 실링함으로써 제조된다. 위와 같은 전극의 제조공정이나 전극조립체의 조립 공정 중에는, 유지부와 무지부의 연신율 차이, 용접에 의한 물리적 외력 등의 이유로 전극, 탭, 용접부 상에 균열이 발생할 수 있고, 나아가 이 같은 균열은 저전압 불량을 야기한다.

그러나, 스택-폴딩형 전지 셀의 경우, 스택-폴딩 공정 특성 상, 폴딩 공정 중에 발생하는 조립 결함은 폴딩 셀 내부에 크랙이 생김으로 인해 비전 검사를 통해 불량 선별이 어렵다. 이에, 전지 셀의 금속부의 결함을 비파괴적으로 검사할 수 있는 센서가 개발되었다.

도 1은 종래에 전지 셀의 금속부 결함을 검사하는 삽입형 와전류 센서를 나타내는 모식도이며, 도 2는 종래의 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 금속부 결함을 검사하는 과정을 나타내는 사진이다. 종래의 와전류 센서(10)는 송신 코일 및 수신 코일이 권취되어 있는 영역에 삽입 홈(11)이 형성되어 있다. 특히, 상기 와전류 센서(10)의 삽입 홈(11)에는 전지 셀(1)의 전극 리드를 삽입시키고, 와전류를 발생시켜, 전지 셀(1)의 금속부 결함을 비파괴적으로 검사하였다.

그러나, 상기 삽입형 와전류 센서(10)는 전지 셀(1)의 용접 부위 전체의 신호를 용이하게 센싱할 수 있으나, 전지 셀(1) 소정 부위 예를 들면, 전극 탭 영역의 결함을 센싱하기 어려운 문제가 있었다. 구체적으로, 종래의 삽입형 와전류 센서(10)는 만들어지는 자기장의 방향과 동일한 방향으로 전극 리드가 삽입되어 있어, 상기 전극 리드로부터 정확한 신호 모양을 판독하기 어려운 문제가 있다.

이에, 전지 셀 내부의 크랙 등의 결함을 정확하게 검출할 수 있는 장치 및 방법에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.

한국 등록특허 제10-2023739호

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 전지 셀의 균열을 비파괴적으로 검출할 수 있는 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템를 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템은 교류 전류인 입력 전류가 인가되어 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일과 상기 송신 코일에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 유도기전력을 생성하는 수신 코일을 포함하는 와전류 센서부; 와전류 센서부에서 생성된 유도기전력의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부; 교류 전류와 출력 전압을 근거로 임피던스 값을 산출하고, 상기 임피던스 값에서 실수부와 허수부를 분리하여 판별 함수에 입력하고 판별 함수에서 판별 값을 출력하는 임피던스 분석부; 및 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값을 근거로 평가 대상이 되는 전지 셀의 불량 여부를 판단하는 데이터 처리부를 포함한다. 이때, 상기 와전류 센서부는 평가 대상이 되는 전지 셀과 비접촉식으로 배치되며, 상기 송신 코일과 수신 코일은 하나의 프로브에 소정 간격 이격되어 권취되는 구조를 갖는다.

하나의 예에서, 와전류 센서부의 송신 코일에 인가되는 입력 전류는 서로 다른 설정 주파수를 갖는 복수의 교류 전류이다.

하나의 예에서, 와전류 센서부에서, 프로브의 폭(W)은 20 내지 60 mm 범위이다.

다른 하나의 예에서, 와전류 센서부에서, 송신 코일이 권취되는 프로브의 폭(S1)과 수신 코일이 권취되는 프로브의 폭(R1)의 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위이다.

하나의 예에서, 임피던스 분석부는, 출력 전압 전압(V) 에서 입력 전류(I)를 나눠 임피던스 값(V/I) 을 산출하는 임피던스 산출 수단을 더 포함한다. 구체적인 예에서, 임피던스 산출 수단에서 산출되는 임피던스 값은 각각의 설정 주파수에 대응하는 복수의 임피던스를 포함한다.

나아가, 상기 임피던스 분석부는, 평가 대상이 되는 전지 셀에 설정 주파수의 개수에 대응되는 복수개의 판별 값을 출력할 수 있다.

하나의 예에서, 데이터 처리부는, 임피던스 분석부에서 출력되는 복수개의 판별 값을 비교하여, 평가 대상이 되는 전지 셀의 불량 여부를 판단한다.

다른 하나의 예에서, 데이터 처리부는, 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값이 기준 값 이상인 경우, 평가 대상이 되는 전지 셀은 정상 전지 셀로 판정한다. 또는, 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값이 기준 값 미만인 경우, 평가 대상이 되는 전지 셀은 비정상 전지 셀로 판정할 수 있다.

하나의 예에서, 전지 셀의 균열 검사 시스템은, 임피던스 분석부에서의 판별 값을 출력하는 출력부 및 상기 판별 값을 저장하는 저장부를 더 포함한다.

본 발명의 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템에 따르면, 전극, 전극 탭 또는 용접부 상에 발생한 균열의 유무와 위치 등을 용이하게 검출할 수 있다.

도 1은 종래에 전지 셀의 금속부 결함을 검사하는 삽입형 와전류 센서를 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래의 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 금속부 결함을 검사하는 과정을 나타내는 사진이다.
도 3은 와전류를 이용한 균열 검출 원리를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템의 와전류 센서부에 대한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템을 이용하여 전지 셀의 균열 검사한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템을 이용하여 전지 셀의 균열 검사한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 종래의 삽입형 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템의 와전류 센서부에 대한 모식도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.

본 발명은 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템을 제공한다.

종래의 와전류 센서는 송신 코일 및 수신 코일이 권취되어 있는 영역에 삽입 홈이 형성되어 있다. 특히, 상기 와전류 센서의 삽입 홈에는 전지 셀의 전극 리드를 삽입시키고, 상기 삽입된 전극 리드에 와전류를 발생시켜, 전지 셀의 금속부 결함을 비파괴적으로 검사하였다. 그러나, 종래의 삽입형 와전류 센서는 만들어지는 자기장의 방향과 동일한 방향으로 전극 리드가 삽입되어 있어, 상기 전극 리드로부터 정확한 신호 모양을 판독하기 어려운 문제가 있었다.

이에, 본 발명에서는 전지 셀의 균열을 비파괴적으로 검출할 수 있는 비접촉식의 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템은 비접촉식의 와전류 센서를 이용함으로써, 전지 셀 내부의 크랙 등의 결함을 정확하게 검출할 수 있는 이점이 있다. 나아가, 상기 와전류 센서는 하나의 프로브에 송신 코일과 수신 코일을 모두 포함하고 있어, 전지 셀의 균열 검사시 정확도 등을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하, 와전류 센서를 이용한 전지 셀의 균열 검사 시스템을 상세하게 설명한다.

본 발명은 와전류를 이용한 균열 검출 원리를 이용한 것이다. 도 3은 와전류를 이용한 균열 검출 원리를 도시한 개략도이다.

도 3을 참조하여 설명하면, 코일에 교류 전류를 흘려 보내면 코일 주위에 1차 자기장(primary magnetic field)이 발생한다. 상기 1차 자기장을 형성하는 송신 코일을 전도체(conductor)에 가져가면 전자기유도(electromagnetic induction) 현상에 의해 전도체 내에 유도기전력(induced electromotive force)이 발생하고, 이 유도기전력은 렌츠의 법칙(Lenz's law)에 따라 1차 자기장을 방해하는 전류를 흐르게 하는데, 이 전류를 와전류(eddy current)라고 한다. 상기 와전류에 의해 1차 자기장을 방해하는 2차 자기장(secondary magnetic field)이 발생한다. 이때 전도체의 상태, 위치, 결함, 재질 등의 변화에 따라 상기 와전류가 변화하며, 이는 2차 자기장의 변화를 가져오며, 2차 자기장의 변화는 수신 코일 측에서 유도기전력 및 임피던스(impedance)의 변화를 가져온다. 이 변화를 측정하여 기 설정된 유도기전력 또는 임피던스 변화값과 대조하거나 통계적으로 구해진 소정의 판별함수에 상기 변화값을 대입하여 판별값을 구하면 전도체, 예컨대 전지 셀 내부의 결함 여부를 판단할 수 있다.

한편, 본 발명에서, 전지셀 내부의 균열이란, 전극, 전극 탭, 용접부 상에 발생한 균열(Crack)을 의미한다. 구체적인 예에서, 상기 전극의 균열이란, 집전체 상에 전극 활물질, 바인더, 도전재 등을 포함하는 전극 합제가 도포된 후, 건조 및 압연 등의 전극 공정을 거쳐 제조된 전극이, 상기 전극 공정 중, 집전체와 전극 합제의 연신율 차이 등의 원인으로 발생한 집전체 상의 균열을 의미한다. 아울러, 전극 탭의 균열이란 유지부와 무지부 사이의 연신율 차이로 발생한 전극 너울, 경계부의 주름에 응력이 쌓여 용접 시 진동이나 외력으로 인해 발생한 균열일 수 있다. 아가, 용접부 상의 균열이란, 용접 시 용접이 충분치 못해 생긴 미용접부나, 용접 공정 중 발생한 균열일 수 있다.

상기 열거한 전극, 전극 탭, 용접부 상에 발생한 균열들은, 전극조립체를 라미네이트 시트와 같은 전지케이스로 밀봉하는 실링 공정을 거치면, 전지케이스에 의해 전지셀 내부가 가려져 있으므로, 전지셀의 외부에서 관찰할 수 없는 균열들이다. 그러나, 본 발명의 와전류를 이용한 균열 검출 장치를 이용하면, 상기 균열들을 검출할 수 있는 효과가 있다.

하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템은 교류 전류인 입력 전류가 인가되어 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일과 상기 송신 코일에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 유도기전력을 생성하는 수신 코일을 포함하는 와전류 센서부; 와전류 센서부에서 생성된 유도기전력의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부; 교류 전류와 출력 전압을 근거로 임피던스 값을 산출하고, 상기 임피던스 값에서 실수부와 허수부를 분리하여 판별 함수에 입력하고 판별 함수에서 판별 값을 출력하는 임피던스 분석부; 및 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값을 근거로 평가 대상이 되는 전지 셀의 불량 여부를 판단하는 데이터 처리부를 포함한다.

이때, 상기 와전류 센서부는 평가 대상이 되는 전지 셀과 비접촉식으로 배치되며, 상기 송신 코일과 수신 코일은 하나의 프로브에 소정 간격 이격되어 권취되는 구조를 갖는다. 구체적인 예에서, 와전류 센서부는 와전류 센서를 의미하는 것으로, 평가 대상이 되는 전지 셀과 비접촉식으로 배치될 수 있으며, 직육면체의 프로브에 송신 코일과 수신 코일을 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 와전류 센서부는 하나의 프로브에 송신 코일과 수신 코일이 소정 간격 이격되는 구조로 권취될 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템에서 와전류 센서부의 송신 코일에 인가되는 입력 전류는 서로 다른 설정 주파수를 갖는 복수의 교류 전류로, 서로 다른 설정 주파수를 입력 전류에 입력하여 전지 셀의 균열 정도 또는 깊이별 정보를 용이하게 얻을 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 전지 셀 내부의 균열 검사를 위한 와전류 센서의 다양한 형태에 대해서 상세히 설명하도록 한다.

(제1 실시 형태)

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 세의 균열 검사 시스템의 블록이며, 도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템의 와전류 센서부에 대한 모식도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 세의 균열 검사 시스템(100)은 교류 전류인 입력 전류가 인가되어 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일과 상기 송신 코일에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 유도기전력을 생성하는 수신 코일을 포함하는 와전류 센서부(110); 와전류 센서부(110)에서 생성된 유도기전력의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부(120); 교류 전류와 출력 전압을 근거로 임피던스 값을 산출하고, 상기 임피던스 값에서 실수부와 허수부를 분리하여 판별 함수에 입력하고 판별 함수에서 판별 값을 출력하는 임피던스 분석부(130); 및 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값을 근거로 평가 대상이 되는 전지 셀의 불량 여부를 판단하는 데이터 처리부(140)를 포함하여 구성된다.

먼저, 와전류 센서부(110)는 와전류 센서를 의미한다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 와전류 센서부(110)는 평가 대상이 되는 전지 셀과 비접촉식으로 배치되는 것으로, 직육면체의 프로브(111)에 송신 코일(112)과 수신 코일(113)을 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 와전류 센서부(110)는 하나의 프로브(111)에 송신 코일(112)과 수신 코일(113)이 소정 간격 이격되는 구조로 권취된다. 상기 송신 코일(112)에 교류 전류가 가해지면 송신 코일(112) 주위에 1차 자기장이 형성된다. 도면에서, 코일은 스프링 형상이나 이에 한정되는 것은 아니다. 1차 자기장이 형성되는 코일을 검사대상 물체인 전지 셀에 가져가면, 전자기유도 현상에 의해 전지 셀에 유도기전력이 발생하여 1차 자기장을 방해하는 와전류가 흐르게 된다. 이 같이 송신 코일(112)은 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도한다.

그리고, 수신 코일(113)은 송신 코일(112)의 하부에 위치하되, 송신 코일(112) 대비 검사대상 물체인 전지 셀과 더 가깝게 위치한다. 수신 코일(113)은 송신 코일(112)에 의해 유도된 와전류에 의한 유도기전력을 생성한다. 상기 수신 코일(113)은 송신 코일(112)에 의해 유도된 와전류가 검사 대상 물체인 전지 셀의 상태, 위치, 결함, 재질과 같은 요인들로 인하여 형성, 반사, 흡수 등의 감쇠된 와전류 신호를 감지한다.

한편, 상기 송신 코일(112)과 수신 코일(113)이 권취된 프로브(111)의 폭(W)은 20 내지 60 mm 범위이다. 여기서, 프로브(111)의 폭(W)은 와전류 센서부(110)의 너비를 의미한다. 평가 대상이 되는 전지 셀에서 전극 탭의 단선은 일반적으로 20 mm 내외이므로, 프로브(111)의 폭은 상기 범위가 바람직하다. 예를 들어, 프로브(111)의 폭은 40 mm 일 수 있다. 다만, 프로브(111)의 폭이 너무 작거나 큰 경우에는 전지 셀의 금속부 전체 너비에 와전류를 유도하지 못할 수도 있다.

아울러, 상기 와전류 센서부는 평가 대상이 되는 전지 셀에 수직한 방향으로 배치된다. 만일, 상기 와전류 센서부가 전지 셀에 사선 방향으로 신호를 주고 받는 경우에는 균열 여부에 대한 검출력이 떨어질 수 있다.

상기 와전류 센서부(110)의 송신 코일에 인가되는 입력 전류는 서로 다른 설정 주파수를 갖는 복수의 교류 전류일 수 있다. 한편, 단일 주파수로 측정된 임피던스 값은 전지 셀(또는 전지 셀의 금속부)의 상태와 직접적인 연관성이 부족하여, 단일 주파수만으로는 불량 또는 정상 상태를 구분하기 어려울 수 있다.

예컨대, 100Hz 내지 수kHz 대역으로부터 복수의 부분 교류 전류 설정 주파수를 선택하고, 이 선택된 주파수의 부분 교류 전류를 순차적으로 송신 코일에 입력하거나, 부분 교류 전류가 모두 합산된 값을 입력 전류로서 송신 코일에 입력할 수 있다. 즉, 입력 전류로서, 모든 부분 교류 전류가 중첩된 값이 송신 코일에 입력될 수 있다. 상기 설정 주파수는 2 내지 16개 일 수 있으며, 예컨대, 8 개의 설정 주파수를 송신 코일에 입력할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템은 서로 다른 설정 주파수를 입력 전류에 입력하여 전지 셀의 균열 정도 또는 깊이별 정보를 용이하게 얻을 수 있다.

구체적으로, 입력 전류로 부분 교류 전류들을 합산한 값을 송신 코일에 입력할 경우, 입력 전류는 하기 수학식 1에 의해서 산출된다.

[수학식 1]

여기서, I는 입력 전류이고, N은 부분 교류 전류 값의 개수이며, I_Pn 은 n 번째 부분 교류 전류의 진폭 및 위상을 나타내는 복소수이고, f_n 은 n번째 부분 교류 전류의 설정 주파수이며, t는 시간이다. N 은 부분 교류 전류 값의 개수이기 때문에 설정 주파수의 개수이기도 하며, 후술한 부분의 임피던스 값의 개수이기도 하다.

한편, 상기 전압 측정부(120)는 와전류 센서에서 생성된 유도기전력의 출력 전압을 측정하는 것으로, 와전류 센서부(110)의 수신 코일(113)과 전기적으로 연결된다.

상기 임피던스 분석부(130)는 교류 전류와 출력 전압을 근거로 임피던스 값을 산출하고, 상기 임피던스 값에서 실수부와 허수부를 분리하여 판별 함수에 입력하고 판별 함수에서 판별 값을 출력한다. 한편, 임피던스 분석부(130)는, 출력 전압 전압(V) 에서 입력 전류(I)를 나눠 임피던스 값(V/I) 을 산출하는 임피던스 산출 수단을 더 포함한다.

상기 임피던스 값은 각각의 설정 주파수에 대응하는 복수의 부분 임피던스를 포함할 수 있다. 즉, 부분 임피던스는 설정 주파수의 개수만큼 마련될 수 있다. 구체적으로, 임피던스는 모든 부분 임피던스의 합일 수 있다. 임피던스와 부분 임피던스의 관계는 하기 수학식 3으로 표현된다.

[수학식 2]

여기서, R_n은 n번째 설정 주파수에 대응하는 부분 임피던스의 실수부이고, X_n은 n 번째 설정 주파수에 대응하는 부분 임피던스 허수부이다. R_n과 X_n은 실수이다.

한편, 상기 임피던스 분석부는 임피던스 값에서 실수부와 허수부를 분리하여 판별 함수에 입력하고 판별 함수에서 판별 값을 출력한다. 예컨대, 상기 판별 함수는 하기 수학식 3과 같이 복수로 마련될 수 있다.

[수학식 3]

여기서, Dm 은 m 번째 판별 함수의 판별 값이고, N은 설정 주파수의 개수이며, R_n 은 n 번째 설정 주파수에 대응하는 부분 임피던스의 실수부이고, Xn 은 n 번째 설정 주파수에 대응하는 부분 임피던스의 허수부이며, C_rm,n 과 C_xm은 m 번째 판별 함수의 n번째 설정 주파수에 대응하는 판결 수이다. 판별 계수는 실수이다. 본 발명에서는 상기 판별 함수들의 출력 값이 판별 값들 간의 상관 관계에 따라 전지 셀의 상태를 판단할 수 있다. 판별 함수는 수학식 3에서와 같이 선형함수로 마련될 수 있다.

판별 계수들은 복수의 전지 셀에서 측정되는 샘플 임피던스 값과 복수의 전지 셀의 상태 정보 값을 근거로 산출될 수 있다. 샘플 임피던스 값 역시 전지 셀에 대해서 와전류를 유도하고, 유도기전력 측정 및 임피던스 산출과정을 수행하여 얻어지는 임피던스 값일 수 있다.

상기 데이터 처리부(140)는 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값을 근거로 평가 대상이 되는 전지 셀의 불량 여부를 판단한다. 구체적으로, 상기 임피던스 분석부에서의 m 개의 판별 값 중 적어도 둘 이상의 판별 값을 동시에 고려하여 전지 셀의 상태를 판단할 수 있다. 여기서, 전지 셀의 상태라 함은 전지 셀의 금속부를 의미한다. 구체적으로, 판단하고자 하는 상태, 예를 들어, 용접 상태, 통전 상태 등에 따라 복수의 판별 값들 중에서 일부의 판별 값을 선택하고, 판별 값들 간의 상관관계 분석을 통해 전지 셀의 상태를 판단할 수 있다. 그리고, 상기 데이터 처리부는, 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값이 기준 값 이상인 경우, 평가 대상이 되는 전지 셀은 정상 전지 셀로 판정할 수 있으며, 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값이 기준 값 미만인 경우, 평가 대상이 되는 전지 셀은 비정상 전지 셀로 판정할 수 있다.

실험예 1

전지 셀의 균열 검사를 위하여, 자동차에 사용하는 전지 셀을 준비하였으며, 구체적으로 4 개의 정상 전지 셀과 2 개의 비정상 전지 셀을 준비하였다. 비정상 전지 셀 중 2 개는 전극 탭 영역에 각각 10 mm, 20 mm 부분 균열을 형성하였으며, 나머지 1개는 전체 균열을 형성ㄹ하였다.

그리고, 본 발명의 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사를 실시하였다. 구체적으로, 와전류 센서를 측정 대상이 되는 전지 셀과 약 2 mm 간격으로 이격시킨 후, 와전류 센서에 교류 전원을 인가하여 전지 셀 내부의 균열 검사를 실시하였다. 그리고, 그 결과를 도 6과 표 1에 나타내었다.

도 6은 본 발명에 따른 와전류 센서를 이용하여 전지 셀 내부의 균열 검사를 실시한 결과를 보여주는 도면이다. 전지 셀의 균열 검사시 각각 다른 주파수의 다채널에 교류 전류를 인가하였으며, 그 중 2 개 채널(채널 6, 채널 8)에 대한 임피던스 값을 출력하였다. 도 6을 참조하면, 샘플 1, 5 및 6은 기준 임피던스 값보다 낮게 측정되었으며, 샘플 2, 3, 4는 기준 임피던스 값보다 높게 측정되었다. 특히, 샘플 1은 정상 샘플로 분류되었으나, 전지 셀의 균열 검사에서 전극 탭에 단선이 있었던 것을 확인할 수 있었다.

	전지 셀 샘플	비고
1	정상 1	샘플링 중 전극 탭 부분 손상
2	정상 2	정상
3	정상 3	정상
4	정상 4	정상
5	비정상(부분 단선)	전극 탭 20 mm 단선
6	비정상(전체 단선)	전극 탭 1장 전체 단선

실험예 2

전지 셀의 균열 검사를 위하여, 1 개의 정상 전지 셀과 4 개의 비정상 전지 셀을 준비하였다. 비정상 전지 셀은 전극 탭 영역에 각각 10 mm, 20 mm 부분 균열을 형성하였으며, 나머지 1개는 전체 균열을 형성하였다.

그리고, 본 발명의 와전류 센서과 종래의 삽입형 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사를 실시하였다. 그 결과는 도 7과 도 8에 나타내었다. 도 7의 x 축은 전지 셀 샘플을 나타내고, y축은 4.8 kHz 에서의 임피던스 실수부를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사를 실시한 결과, 비정상 전지 셀의 검출이 가능한 것으로 보인다. 참고로, 본 발명에 따른 와전류 센서는 전지 셀의 균열 검사시 판별 확률이 약 96.7 % 였다.

도 8을 참조하면, 종래의 삽입형 와전류 센서의 경우, 본 발명의 와전류 센서 대비 불량 검출 확률이 현저하게 낮은 것으로 판단된다. 특히, 정상의 전지 셀과 비정상의 전지 셀의 위상 값이 구분이 되지 않았다. 종래의 삽입형 와전류 센서는 전지 셀의 균열 검사시 판별 확률이 약 67 % 였다. 종래의 삽입형 와전류 센서는 만들어지는 자기장의 방향과 동일한 방향으로 전극 리드가 삽입되어 있어, 전극 리드의 금속부로부터 정확한 신호 모양을 판독하기 어려운 것으로 판단된다.

(제2 실시 형태)

도 9는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 셀의 균열 검사 시스템의 와전류 센서부에 대한 모식도이다. 도 9를 참조하면, 상기 와전류 센서부(210)는 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일(212)과 상기 송신 코일(212)에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 유도기전력을 생성하는 수신 코일(213)을 포함하여 구성된다.

이때, 와전류 센서부에서, 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)과 수신 코일(213)이 권취되는 프로브(211)의 폭(R1)의 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위이다. 구체적으로, 상기 비율(S1/R1)의 1.6~8 범위, 1.7~6 범위, 1.8~4 범위, 1.9~3 범위일 수 있으며, 예를 들어, 상기 폭의 비율(S1/R1)은 2 일 수 있다. 이때, 상기 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)은 20 내지 60 mm 범위를 갖는 구조이다. 구체적으로, 상기 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)은 평가 대상이 되는 전지 셀의 평가 영역의 길이(L)와 대응되는 구조일 수 있다. 이는, 평가 영역에 와전류를 용이하게 유도 시키기 위함이다.

만일, 상기 폭의 비율(S1/R1)이 상기 범위에서 하한치 미만인 경우에는 송신 코일(212)과 수신 코일(213)이 권취되는 폭이 서로 비슷하여 송신 코일에서 발생하는 자기장의 면적과 수신 코일에서 수신되는 자기장의 면적이 서로 유사하다. 이에 따라, 정상과 불량 신호의 구분이 용이하지 않을 수 있다. 즉, 전지 셀 내부의 균열을 검출하기 어려울 수 있다. 아울러, 상기 폭의 비율(S1/R1)이 상기 범위에서 상하치를 초과하는 경우, 송신 코일(212)의 폭 대비 수신 코일(213)의 폭(R2)이 너무 작아서, 평가 대상이 되는 전지 셀에서 유도된 와전류에 의한 신호 변화 등을 검출하기 어려울 수 있다.

본 발명에 따른 와전류 센서에서, 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)은 20 내지 60 mm 범위를 갖는 구조이다. 예를 들면, 상기 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)은 평가 대상이 되는 전지 셀의 평가 영역의 길이(L)와 대응되는 구조일 수 있다. 이는, 평가 영역에 와전류를 용이하게 유도 시키기 위함이다.

상기 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)은 20 내지 60 mm 범위, 30 내지 40 mm 범위일 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 와전류 센서는 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)은 80 mm 이며, 수신 코일(213)이 권취되는 프로브(211)의 폭(R1)은 40 mm 인 구조일 수 있다.

한편, 폭의 길이가 80 mm 인 전극의 균열 여부를 평가할 때, 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)이 80 mm 인 와전류 센서를 이용하여 전지 셀의 균열 검사를 수행할 수 있다. 나아가, 상기 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)이 20 mm 미만인 경우, 상기 송신 코일(212)이 권취되는 프로브(211)의 폭(S1)이 평가 대상체의 길이 보다 짧을 수 있어, 평가 대상 영역 전체에 자기장을 발생시킬 수 없으며, 송신부의 폭(S2)이 60 mm 를 초과하는 경우에는 상기 송신부의 폭(S2)이 평가 대상체의 길이 대비 너무 커서 검사의 정확도가 낮을 수 있다.

전지 셀의 균열 검사 시스템의 구성에 대한 설명은 전술 하였으며, 각 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1: 전지 셀
10: 와전류 센서
11: 삽입 홈
100: 전지 셀의 균열 검사 시스템
110, 210: 와전류 센서부
111, 211: 프로브
112, 212: 송신 코일
113, 213: 수신 코일
120: 전압 측정부
130: 임피던스 분석부
140: 데이터 처리부

Claims (10)

1. 교류 전류인 입력 전류가 인가되어 평가 대상이 되는 전지 셀에 와전류를 유도시키는 송신 코일과 상기 송신 코일에 의해 전지 셀에 유도된 와전류에 의한 유도기전력을 생성하는 수신 코일을 포함하는 와전류 센서부;
   와전류 센서부에서 생성된 유도기전력의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부;
   교류 전류와 출력 전압을 근거로 임피던스 값을 산출하고, 상기 임피던스 값에서 실수부와 허수부를 분리하여 판별 함수에 입력하고 판별 함수에서 판별 값을 출력하는 임피던스 분석부; 및
   임피던스 분석부에서 출력된 판별 값을 근거로 평가 대상이 되는 전지 셀의 불량 여부를 판단하는 데이터 처리부를 포함하며,
   상기 와전류 센서부는 평가 대상이 되는 전지 셀과 비접촉식으로 배치되며, 상기 송신 코일과 수신 코일은 하나의 프로브에 소정 간격 이격되어 권취되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   와전류 센서부의 송신 코일에 인가되는 입력 전류는 서로 다른 설정 주파수를 갖는 복수의 교류 전류인 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   와전류 센서부에서, 프로브의 폭(W)은 20 내지 60 mm 범위인 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   와전류 센서부에서, 송신 코일이 권취되는 프로브의 폭(S1)과 수신 코일이 권취되는 프로브의 폭(R1)의 비율(S1/R1)은 1.5 내지 10 범위인 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   임피던스 분석부는, 출력 전압 전압(V) 에서 입력 전류(I)를 나눠 임피던스 값(V/I) 을 산출하는 임피던스 산출 수단을 더 포함하는 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   임피던스 산출 수단에서 산출되는 임피던스 값은 각각의 설정 주파수에 대응하는 복수의 임피던스를 포함하는 것인 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   임피던스 분석부는, 평가 대상이 되는 전지 셀에 설정 주파수의 개수에 대응되는 복수개의 판별 값을 출력하는 것인 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   데이터 처리부는, 임피던스 분석부에서 출력되는 복수개의 판별 값을 비교하여, 평가 대상이 되는 전지 셀의 불량 여부를 판단하는 것인 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   데이터 처리부는, 임피던스 분석부에서 출력된 판별 값이 기준 값 이상인 경우, 평가 대상이 되는 전지 셀은 정상 전지 셀로 판정하고,
   임피던스 분석부에서 출력된 판별 값이 기준 값 미만인 경우, 평가 대상이 되는 전지 셀은 비정상 전지 셀로 판정하는 것인 전지 셀의 균열 검사 시스템.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    전지 셀의 균열 검사 시스템은, 임피던스 분석부에서의 판별 값을 출력하는 출력부 및 상기 판별 값을 저장하는 저장부를 더 포함하는 전지 셀의 균열 검사 시스템.

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