KR20220111587A - 배터리 검사 장치 및 배터리 검사 방법 - Google Patents

배터리 검사 장치 및 배터리 검사 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 검사 장치는, 외장재 및 상기 외장재 내에서 서로 병렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하고, 충방전 중 수축과 팽창이 반복되는 스웰링 특성을 가지는 배터리를 위한 것이다. 상기 배터리 검사 장치는, 상기 배터리를 충전 또는 방전시키는 충방전 디바이스; 상기 배터리의 배터리 전압의 검출값을 나타내는 전압 신호를 생성하는 전압 검출 디바이스; 및 상기 배터리가 충전되는 충전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브를 생성하는 제어 디바이스를 포함한다. 상기 제어 디바이스는, 상기 제1 전압 커브가 두 전압 상승 구간 사이에 끼인 전압 강하 구간을 포함하는 경우, 상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간의 전압 강하량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정한다.

Description

배터리 검사 장치 및 배터리 검사 방법{BATTERY INSPECTION APPARATUS AND BATTERY INSPECTION METHOD}
본 발명은, 병렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 비정상 상태를 검출하는 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 차량, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리의 이상을 검출하는 데에 이용되는 가장 보편적인 방식은, 배터리의 충방전 중에 취득되는 배터리 전압의 변화 거동을 분석하는 것이다.
종래에는, 충전, 방전 또는 휴지 중에 취득되는 배터리 전압 및 전류를 기초로, 배터리의 SOC(State Of Charge), 내부 저항 및/또는 완전 충전 용량을 연산하고, 연산된 각각의 값을 미리 주어진 기준값과 비교하는 복잡한 과정을 거쳐, 특정 유형(예, 내부 단락)의 비정상 상태만을 진단 가능하다.
한편, 배터리는, 복수의 배터리 셀의 병렬 접속체를 전해질과 함께 외장재 내에 동봉함으로써 제조될 수 있다. 본 발명의 발명자는, 복수의 배터리 셀에 내부 단락이 없더라도, 복수의 배터리 셀 간의 병렬 연결 상태가 불량인 경우, 배터리의 충전 중에 검출되는 배터리 전압이 일시적으로 강하하거나 배터리의 방전 중에 검출되는 배터리 전압이 일시적으로 상승하는 비정상적인 현상을 발견하였다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 충전 기간 및/또는 방전 기간에 취득되는 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 전압 커브를 기초로, 배터리 내에 배치된 복수의 배터리 셀의 병렬 접속체의 비정상 상태를 검출하는 배터리 검사 장치 및 배터리 검사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 검사 장치는, 외장재 및 상기 외장재 내에서 서로 병렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하고, 충방전 중 수축과 팽창이 반복되는 스웰링 특성을 가지는 배터리를 위한 것이다. 상기 배터리 검사 장치는, 상기 배터리를 충전 또는 방전시키도록 구성되는 충방전 디바이스; 상기 배터리의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압의 검출값을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 검출 디바이스; 및 상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 충전되는 충전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 충전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브를 생성하도록 구성되는 제어 디바이스를 포함한다. 상기 제어 디바이스는, 상기 제1 전압 커브가 두 전압 상승 구간 사이에 끼인 전압 강하 구간을 포함하는 경우, 상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간의 전압 강하량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하도록 구성된다. 상기 비정상 상태는, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 배터리 셀이 나머지 배터리 셀로부터 단선된 상태이다.
상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제1 변화율 이하인 기간일 수 있다. 상기 제1 전압 커브의 상기 전압 상승 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제2 변화율 이상인 기간일 수 있다.
상기 제어 디바이스는, 상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간의 상기 전압 강하량이 제1 기준치 이상인 경우, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는 것으로 판정하도록 구성될 수 있다.
상기 충방전 디바이스는, 상기 충전 기간 동안, 제1 전류 레이트의 충전 전류를 이용하여 상기 배터리를 정전류 충전시키도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 검사 장치는, 상기 배터리를 진동시키도록 구성되는 진동 발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 디바이스는, 상기 충전 기간 동안 상기 진동 발생기를 동작시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어 디바이스는, 상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 방전되는 방전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 방전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 디바이스는, 상기 제2 전압 커브가 두 전압 강하 구간 사이에 끼인 전압 상승 구간을 포함하는 경우, 상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간의 전압 상승량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 전압 커브의 상기 전압 하강 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제3 변화율 이하인 기간일 수 있다. 상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제4 변화율 이상인 기간일 수 있다.
상기 제어 디바이스는, 상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간의 상기 전압 상승량이 제2 기준치 이상인 경우, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는 것으로 판정하도록 구성될 수 있다.
상기 충방전 디바이스는, 상기 방전 기간 동안, 제2 전류 레이트의 방전 전류를 이용하여 상기 배터리를 정전류 방전시키도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 검사 장치는, 상기 배터리를 진동시키도록 구성되는 진동 발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 디바이스는, 상기 방전 기간 동안 상기 진동 발생기를 동작시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 검사 방법은, 상기 배터리 검사 장치에 의해 실행 가능하다. 상기 배터리 검사 방법은, 상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 충전되는 충전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 충전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브를 생성하는 단계; 및 상기 제1 전압 커브가 두 전압 상승 구간 사이에 끼인 전압 강하 구간을 포함하는 경우, 상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간의 전압 강하량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 검사 방법은, 상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 방전되는 방전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 방전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브를 생성하는 단계; 및 상기 제2 전압 커브가 두 전압 강하 구간 사이에 끼인 전압 상승 구간을 포함하는 경우, 상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간의 전압 상승량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 충전 기간 및/또는 방전 기간에 취득되는 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 전압 커브를 기초로, 배터리 내에 배치된 복수의 배터리 셀의 병렬 접속체의 비정상 상태를 검출할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 검사 장치(100)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 충전 기간에서의 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브(300)를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 4는 방전 기간에서의 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프.
도 5 및 도 6은 배터리의 충방전 중 스웰링 특성과 배터리 셀 간의 관계를 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 검사 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 검사 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 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.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 검사 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 검사 장치(100)는, 배터리(B)의 비정상 여부를 판정하도록 구성된다.
배터리 검사 장치(100)는, 충방전 디바이스(110), 전압 검출 디바이스(120) 및 제어 디바이스(130)를 포함한다.
충방전 디바이스(110)는, 배터리(B)의 양단에 전기적으로 결합된다. 즉, 충방전 디바이스(110)의 한 쌍의 전력 라인은 배터리(B)의 양극 리드 및 음극 리드에 각각 연결된다. 충방전 디바이스(110)는, 제어 디바이스(130)로부터의 충전 명령에 응답하여, 배터리(B)를 충전시키도록 구성된다. 충전 명령은, 충전 전류 및/또는 충전 전압을 설정하는 충전 조건 데이터를 포함한다. 충방전 디바이스(110)는, 제어 디바이스(130)로부터의 방전 명령에 응답하여, 배터리(B)를 방전시키도록 구성된다. 방전 명령은, 방전 전류 및/또는 방전 전압을 설정하는 방전 조건 데이터를 포함한다. 예컨대, 공지의 DC-DC 컨버터, DC-AC 컨버터, 정전류 공급 회로 또는 이들의 조합이 충방전 디바이스(110)로서 이용될 수 있다.
전압 검출 디바이스(120)는, 배터리(B)의 양단에 전기적으로 결합된다. 즉, 전압 검출 디바이스(120)의 한 쌍의 센싱 라인은 배터리(B)의 양극 리드 및 음극 리드에 각각 연결된다. 전압 검출 디바이스(120)는, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압을 검출하고, 배터리 전압의 검출값을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
제어 디바이스(130)는, 충방전 디바이스(110) 및 전압 검출 디바이스(120)에 동작 가능하게 결합된다. 두 구성이 동작 가능하게 결합된다는 것은, 단방향 또는 양방향으로 신호를 송수신 가능하도록 두 구성이 직간접적으로 연결되어 있음을 의미한다.
제어 디바이스(130)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어 디바이스(130)는, 메모리 디바이스를 가질 수 있다. 메모리 디바이스는, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 메모리 디바이스는, 제어 디바이스(130)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리 디바이스는, 제어 디바이스(130)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
배터리 검사 장치(100)가 배터리(B)의 제조 공정들(예, 활성화 공정)에 활용되는 경우, 제어 디바이스(130)는, 미리 정해진 충방전 스케쥴에 맞춰, 충방전 디바이스(110)를 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리(B)의 활성화 공정에서는, 제1 전류 레이트(예, 0.3 C-rate)로 상한 전압(예, 4.0V)까지 정전류 충전하는 충전 이벤트, 제1 시간(예, 2시간)에 걸친 휴지 이벤트, 제2 전류 레이트(예, 0.2 C-rate)로 하한 전압(예, 3.0V)까지 정전류 방전하는 방전 이벤트 및 제2 시간(예, 2시간)에 걸친 휴지 이벤트의 4 단계를 1회의 충방전 사이클로 하여, 충방전 사이클이 소정 횟수 반복될 수 있다. 충방전 디바이스(110)는, 제어 디바이스(130)에 의해 요구되는 충방전 사이클의 각 단계에 맞춰, 배터리(B)를 충전, 휴지 또는 방전할 수 있다.
배터리 검사 장치(100)는, 진동 발생기(140) 및 정보 출력 디바이스(150) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
진동 발생기(140)는, 제어 디바이스(130)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 진동 발생기(140)는, 동작 중, 배터리(B)에 진동을 인가하도록 구성된다. 진동 발생기(140)는, 배터리(B)의 외장재(13)의 특정 부분에 직접 접하거나 임의의 매개체를 통해 간접적으로 접하도록 배치될 수 있다. 제어 디바이스(130)는, 배터리(B)의 충전 또는 방전 중, 진동 발생기(140)를 선택적으로 동작시킬 수 있다. 진동 발생기(140)와 배터리 검사 간의 관계를 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
정보 출력 디바이스(150)는, 제어 디바이스(130)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 정보 출력 디바이스(150)는, 제어 디바이스(130)로부터의 명령에 대응하는 메시지를 사용자가 인식 가능한 형태로 출력할 수 있다. 일 예로, 정보 출력 디바이스(150)는, 디스플레이 및 스피커 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리(B)는, 복수의 배터리 셀(C1~Cm, m은 2 이상의 자연수), 양극 리드(11), 음극 리드(12) 및 외장재(13)를 포함한다.
복수의 배터리 셀(C1~Cm)은, 외장재(13) 내에서 서로 병렬로 연결된다. 이하에서는, 복수의 배터리(C1~Cm)의 공통된 내용을 설명함에 있어서, 배터리 셀를 지칭하는 참조부호로 'C'를 사용하겠다. 배터리 셀(C)은, 반복적인 충방전이 가능한 축전 소자로서, 일 예로 리튬-이온 셀일 수 있다.
복수의 배터리 셀(C1~Cm) 각각은, 절연 부재(23) 및 절연 부재(23)에 의해 상호 전기적으로 절연되는 양극판(21) 및 음극판(22)을 포함한다. 복수의 배터리 셀(C1~Cm)은, 적어도 하나의 세퍼레이터(미도시)를 통해, 상호 전기적으로 절연된 상태로 정렬될 수 있다. 일 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(B)는, 동일 배터리 셀(C)의 양극판(21)과 음극판(22) 간에 절연 부재(23)가 배치되고, 인접하게 정렬된 두 배터리 셀(C) 사이마다 추가적인 절연 부재가 배치된 적층 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 배터리(B)는, 단일의 긴 세퍼레이터 상에 복수의 양극판(21)과 복수의 음극판(22)을 교대로 배치한 다음, 세퍼레이터가 지그재그 형태로 접혀진 이른파 스택-폴딩 구조를 가질 수 있다. 스택-폴딩 구조에서, 배터리 셀(C)의 양극판(21)과 음극판(22)에 개재되는 절연 부재(23)는, 세퍼레이터의 일부분일 수 있다. 물론, 복수의 배터리 셀(C1~Cm)이 양극 리드(11)와 음극 리드(12) 간에 병렬 연결되는 것이라면, 배터리(B)가 다른 배치 구조를 가져도 무방하다.
복수의 배터리 셀(C1~Cm)은, 양극 리드(11)와 음극 리드(12) 사이에서 서로 병렬 연결된다. 즉, 배터리 셀(C)의 양극판(21)으로부터 돌출된 부분인 양극탭(31)은 용접 등을 통해 양극 리드(11)의 일단에 결합되고, 배터리 셀(C)의 음극판(22)으로부터 돌출된 부분인 음극탭(32)은 용접 등을 통해 음극 리드(12)의 일단에 결합된다.
외장재(13)는, 복수의 배터리 셀(C1~Cm) 각각의 양극탭(31)과 음극탭(32)이 양극 리드(11) 및 음극 리드(12) 각각의 일단에 결합된 상태에서, 복수의 배터리 셀(C1~Cm)을 전해질과 함께 수용한다. 이에 따라, 배터리(B)는, 양극 리드(11) 및 음극 리드(12) 각각의 타단이 외장재(13)의 외부로 노출된 구조를 가지게 된다.
도 3은 충전 기간에서의 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이고, 도 4는 방전 기간에서의 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
제어 디바이스(130)는, 충방전 디바이스(110)에 의해 배터리(B)가 충전되는 충전 기간 동안 전압 신호를 소정 시간(예, 0.1초)마다 주기적으로 수집하여, 충전 기간에 걸친 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브(300)를 생성한다. 일 예로, 충전 기간 동안, 충방전 디바이스(110)는 제1 전류 레이트의 충전 전류로 배터리(B)를 정전류 충전할 수 있다. 물론, 충전 기간에서는, 정전류 충전 대신 정전압 충전 또는 정전류 충전과 정전압 충전의 조합에 의해 배터리(B)가 충전될 수 있다. 제어 디바이스(130)는, 충방전 디바이스(110)에 의해 배터리(B)가 방전되는 방전 기간 동안 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 방전 기간에 걸친 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브(400)를 생성한다. 일 예로, 방전 기간 동안, 충방전 디바이스(110)는 제2 전류 레이트의 방전 전류로 배터리를 정전류 방전할 수 있다. 물론, 방전 기간에서는, 정전류 방전 대신 정전압 방전 또는 정전류 방전과 정전압 방전의 조합에 의해 배터리(B)가 방전될 수 있다.
먼저, 도 3의 제1 전압 커브(300)에서, tA < t1 < t2 < t3 < t4 < tB이고, tA는 충전 기간의 시작, tB는 충전 기간의 종료, t1 및 t3은 배터리 전압이 상승으로부터 강하로 돌연 전환되는 시점이고, t2 및 t4는 배터리 전압이 강하로부터 상승으로 재전환되는 시점이다. 즉, tA~t1의 기간, t2~t3의 기간 및 t4~tB의 기간 각각에서는 배터리 전압이 지속 증가해나가는 반면, t1~t2의 기간 및 t3~t4의 기간 각각에서는 배터리 전압이 일시적으로 감소해나간다.
배터리(B)의 충전 중에는 배터리 전압이 지속 증가하는 것이 정상이므로, 제1 전압 커브(300)에 t1~t2의 기간 및 t3~t4의 기간이 존재하는 것은, 배터리(B)가 비정상 상태를 가지고 있는 징후이다.
제어 디바이스(130)는, 제1 전압 커브(300)가 두 전압 상승 구간 사이에 끼인 전압 강하 구간을 포함하는지 여부를 판정한다. 제1 전압 커브(300)의 전압 강하 구간은 배터리 전압의 변화율이 제1 변화율(예, -0.1V/초) 이하인 기간이고, 제1 전압 커브(300)의 전압 상승 구간은, 배터리 전압의 변화율이 제2 변화율(예, +0.02V/초) 이상인 기간이다. 제1 변화율 및 제2 변화율은, 배터리(B)와 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제조된 다른 배터리(B)에 대한 정전류 충전 테스트의 결과 등을 고려하여 미리 정해진다. 제1 변화율의 절대값은, 제2 변화율보다 클 수 있다.
배터리 전압의 변화율은, 다음의 수식 1에 의해 소정 시간(예, 0.1초)마다 결정될 수 있다.
<수식 1>
Figure pat00001
수식 1에서, Δt는 소정 시간, v[t]는 시점 t에서의 배터리 전압, v[t-Δt]는 시점 t-Δt에서의 배터리 전압이다.
t1~t2의 기간 및 t3~t4의 기간 각각에서의 전압 변화율이 제1 변화율 이하이고, tA~t1의 기간, t2~t3의 기간 및 t4~tB의 기간 각각에서의 전압 변화율이 제2 변화율 이상이라고 가정해보자.
그러면, tA~t1의 기간, t2~t3의 기간 및 t4~tB의 기간 각각은 전압 상승 구간이고, t1~t2의 기간 및 t3~t4 기간 각각은 전압 하강 구간이다. 또한, 전압 하강 구간(t1~t2)은 두 전압 상승 구간(tA~t1의 기간, t3~t4 기간)의 사이에 끼여있고, 전압 하강 구간(t3~t4)은 두 전압 상승 구간(t2~t3의 기간, t4~tB 기간)의 사이에 끼여있다.
제어 디바이스(130)는, 전압 하강 구간(t1~t2)의 전압 강하량(ΔV1) 및 전압 하강 구간(t3~t4)의 전압 강하량(ΔV2) 중 적어도 하나를 기초로, 배터리(B)가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정한다. 전압 하강 구간의 전압 강하량은, 전압 하강 구간에서의 최대 배터리 전압과 최소 배터리 전압 간의 차이이다.
이어서, 도 4의 제2 전압 커브(400)에서, tC < t5 < t6 < tD이고, tC는 방전 기간의 시작, tD는 방전 기간의 종료, t5는 배터리 전압이 강하로부터 상승으로 돌연 전환되는 시점이고, t6은 배터리 전압이 상승로부터 강하로 재전환되는 시점이다. 즉, tC~t5의 기간 t6~tD의 기간 각각에서는 배터리 전압이 지속 감소해나가는 반면, t5~t6의 기간에서는 배터리 전압이 일시적으로 증가해나간다.
배터리(B)의 방전 중에는 배터리 전압이 지속 감소하는 것이 정상이므로, 제2 전압 커브(400)에 t5~t6의 기간이 존재하는 것은, 배터리(B)가 비정상 상태를 가지고 있는 징후이다.
제어 디바이스(130)는, 제2 전압 커브(400)가 두 전압 강하 구간 사이에 끼인 전압 상승 구간을 포함하는지 여부를 판정한다. 제2 전압 커브(400)의 전압 하강 구간은 배터리 전압의 변화율이 제3 변화율(예, -0.02V/초) 이하인 기간이고, 제2 전압 커브(400)의 전압 상승 구간은 배터리 전압의 변화율이 제4 변화율(예, +0.1V/초) 이상인 기간이다. 제3 변화율 및 제4 변화율은, 배터리(B)와 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제조된 다른 배터리(B)에 대한 정전류 방전 테스트의 결과 등을 고려하여 미리 정해진다. 제3 변화율의 절대값은, 제2 변화율과 동일할 수 있다. 제4 변화율은, 제1 변화율의 절대값과 동일할 수 있다.
tC~t5의 기간 및 t6~tD의 기간 각각에서의 전압 변화율이 제3 변화율 이하이고, t5~t6의 기간에서의 전압 변화율이 제4 변화율 이상라고 가정해보자.
그러면, tC~t5의 기간 및 t6~tD의 기간 각각은 전압 강하 구간이고, t5~t6 기간은 전압 상승 구간이다. 또한, 전압 상승 구간(t5~t6)은 두 전압 강하 구간(tC~t5의 기간, t6~tD의 기간)의 사이에 끼여있다.
제어 디바이스(130)는, 전압 상승 구간(t5~t6)의 전압 상승량(ΔV3)을 기초로, 배터리(B)가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정한다. 전압 상승 구간의 전압 상승량은, 전압 상승 구간에서의 최대 배터리 전압과 최소 배터리 전압 간의 차이이다.
본 명세서에 있어서, 배터리(B)의 비정상 상태란, 복수의 배터리 셀(C1~Cm) 중 적어도 하나의 배터리 셀(예, C1)이 나머지 배터리 셀(예, C2~Cm)로부터 단선된 상태를 칭한다. 배터리(B)가 비정상 상태를 가지는 경우, 배터리 셀(예, C1)과 나머지 배터리 셀(예, C2~Cm) 간의 병렬 연결은 스웰링 특성에 크게 의존한다. 스웰링 특성은, 배터리(B)의 충방전 중, 외장재(13) 내부에서 발생되는 가스 및 배터리 셀(C)에서의 충방전 반응에 의해, 외장재(13)가 팽창과 수축을 반복하는 것이다. 따라서, 배터리(B)의 충전 기간 또는 방전 기간 동안, 배터리(B)의 스웰링 특성으로 인해, 배터리 전압이 상승과 강하를 비정상적으로 반복하는 현상이 나타난다.
지금부터, 도 2, 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하여, 배터리(B)가 충전 중임에도 불구하고, 전압 하강 구간(t1~t2) 및 전압 하강 구간(t3~t4)이 제1 전압 커브(300)에 나타나는 이유에 대하여 상세히 설명하겠다. 도 5 및 도 6은 각각 도 2의 영역(W)의 확대도이다.
배터리(B)의 외장재(13)가 팽창하는 경우, 외장재(13)의 소정 영역에 접착되어 있는 양극 리드(11)와 음극 리드(12)가 배터리 셀(C)로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 복수의 배터리 셀(C1~Cm) 중 적어도 하나의 양극탭(31) 또는 음극탭(32)에 큰 신장력이 가해져, 배터리 셀(C)의 양극탭(31)과 양극 리드(11) 간의 연결 및 음극탭(32)과 음극 리드(12) 간의 연결이 파괴될 수 된다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(C1)의 양극탭(31)이 두 부분(41, 42)으로 끊어져 서로 미접촉 상태로 될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(C1)의 충방전은 불가하며, 나머지 배터리 셀(C2~Cm)만의 충방전 가능하다. 따라서, 도 3의 시점 t1 전의 미지의 시점(tX)에 배터리 셀(C1)의 양극탭(31) 및/또는 음극탭(32)이 단선되어 있는 경우, 배터리 셀(C1)의 전압은 시점 t1까지 거의 일정한 반면, 나머지 배터리 셀(C2~Cm)의 전압은 지속 증가하게 된다.
반대로, 배터리(B)의 외장재(13)가 수축하는 경우, 양극 리드(11) 및 음극 리드(12)가 복수의 배터리 셀(C1~Cm)에 가까워지는 방향으로 이동하면서, 배터리 셀(C)의 양극탭(31)과 음극탭(32)에 가해지던 신장력이 약화된다. 이에 따라, 외장재(13)의 팽창 시에 이미 절단되어 있는 배터리 셀(C)의 양극탭(31) 또는 음극탭(32)이 양극 리드(11) 또는 음극 리드(12)에 일시적으로 다시 접촉하게 된다. 예를 들어, 배터리 셀(C1)의 양극탭(31)이 실제로는 두 부분(41, 42)으로 절단되어 있음에도, 도 6에 도시된 바와 같이, 외장재(13)가 수축함에 따라 두 부분(41, 42)이 서로 맞닿게 될 수 있다. 따라서, 도 2의 시점 t1에서 배터리 셀(C)의 양극탭(31)의 두 부분(41, 42)이 도 6에서와 같이 접촉하게 될 수 있다. 즉, 시점 t1에 배터리 셀(C)이 나머지 배터리 셀(C)에 다시 병렬 연결되는 것이다. 이 경우, 배터리 셀(C)과 나머지 배터리 셀(C) 간의 전압차로 인해 전압 밸런싱 현상이 일어나, 시점 t1부터 배터리 전압이 돌연 강하하는 것이다. 시점 t2는 배터리 셀(C1)과 나머지 배터리 셀(C2~Cm) 간의 전압차가 해소되는 시점이다. 전압 하강 구간(t1~t2)에 대해 전술된 설명은, 전압 하강 구간(t3~t4)에도 공통적으로 적용된다.
제어 디바이스(130)는, 전압 강하량(ΔV1) 또는 전압 강하량(ΔV2)이 제1 기준치 이상인 경우, 배터리(B)가 비정상 상태를 가지는 것으로 판정할 수 있다. 제1 기준치는, 충전 전류의 전류 레이트 및 전압 검출 디바이스(120)의 전압 분해능 등을 고려하여 미리 정해진다.
이어서, 도 2 및 도 4 내지 6을 참조하여, 배터리(B)가 방전 중임에도 불구하고, 전압 상승 구간(t5~t6)이 제2 전압 커브(400)에 나타나는 이유에 대하여 상세히 설명하겠다. 도 5 및 도 6은 각각 도 2의 영역(W)의 확대도이다.
배터리(B)의 방전 중 배터리(B)의 외장재(13)가 팽창하는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(C1)의 양극탭(31)이 두 부분(41, 42)으로 끊어져 서로 미접촉 상태로 될 수 있다. 따라서, 도 4의 시점 tC 전의 미지의 시점(tY)에 배터리 셀(C)의 양극탭(31) 및/또는 음극탭(32)이 단선되어 있는 경우, 배터리 셀(C1의 전압은 시점 t1까지 거의 일정한 반면, 나머지 배터리 셀(C2~Cm)의 전압은 지속 감소하게 된다.
반대로, 배터리(B)의 외장재(13)가 수축하는 경우, 도 4의 시점 t5에서 배터리 셀(C)의 양극탭(31)의 두 부분(41, 42)이 도 6에서와 같이 접촉하게 될 수 있다. 즉, 시점 t5에 배터리 셀(C1)이 나머지 배터리 셀(C2~Cm)에 다시 병렬 연결되는 것이다. 이 경우, 배터리 셀(C1)과 나머지 배터리 셀(C2~Cm) 간의 전압차로 인해 전압 밸런싱 현상이 일어나, 시점 t5부터 배터리 전압이 돌연 상승하는 것이다. 시점 t6은 배터리 셀(C1)과 나머지 배터리 셀(C2~Cm) 간의 전압차가 해소되는 시점이다.
제어 디바이스(130)는, 전압 상승량(ΔV3)이 제2 기준치 이상인 경우, 배터리(B)가 비정상 상태를 가지는 것으로 판정할 수 있다. 제2 기준치는, 방전 전류의 전류 레이트 및 전압 검출 디바이스(120)의 전압 분해능 등을 고려하여 미리 정해진다.
한편, 외장재(13)의 수축이나 팽창의 정도가 미미한 경우, 제어 디바이스(130)는 제1 전압 커브(300)로부터 전압 하강 구간(t1~t2) 및 전압 하강 구간(t3~t4)의 검출에 실패하거나, 제2 전압 커브(400)로부터 전압 상승 구간(t5~t6)의 검출에 실패할 수 있다. 일 예로, 배터리 셀(C)의 양극탭(31)이 실제로는 두 부분(41, 42)으로 절단되어 있음에도, 충전 기간 또는 방전 기간 동안 도 6과 같이 두 부분(41, 42)이 서로 접촉된 상태로 줄곧 유지되는 거짓 연결 상태를 가질 경우, 제1 전압 커브(300) 및 제2 전압 커브(400)를 기초로 배터리(B)의 비정상 상태가 검출되지 않을 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 대책으로서, 제어 디바이스(130)는, 충전 기간 또는 방전 기간에서, 주기적 또는 비주기적으로 진동 발생기(140)를 동작시킬 수 있다. 진동 발생기(140)에 의해 배터리(B)에 인가되는 진동은, 외장재(13)를 통해 복수의 배터리 셀(C1~Cm)에 전달된다. 이에 따라, 배터리 셀(C)의 양극탭(31) 및 음극탭(32)이 흔들리면서, 배터리(B)의 거짓 연결 상태가 일시적으로나마 해소될 수 있다. 일 예로, 진동이 인가되는 동안, 배터리 셀(C1)의 양극탭(31)의 두 부분(41, 42)은 도 5와 같은 미접촉 상태와 도 6과 같은 접촉 상태 간에서 여러번 강제적으로 전환될 수 있다. 진동 발생기(140)에 의해 발생되는 진동의 세기는, 정상인 배터리 셀(C)의 양극탭(31)과 음극탭(32)에 손상을 끼치지 않을 정도의 수준으로 미리 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 검사 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 7의 방법은 배터리(B)의 충전 중에 감시된 배터리 전압의 시계열로부터 비정상 상태를 검출하기 위한 것이다.
도 1 내지 도 3 및 도 5 내지 도 7을 참조하면, 단계 S710에서, 제어 디바이스(130)는, 배터리(B)가 충전되는 충전 기간(tA~tB) 동안 전압 검출 회로(120)로부터의 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 충전 기간(tA~tB)에 걸친 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브(300)를 생성한다.
단계 S720에서, 제어 디바이스(130)는, 제1 전압 커브(300)가 두 전압 상승 구간 사이에 끼인 전압 강하 구간(t1~t2, t3~t4)을 포함하는지 여부를 판정한다. 단계 S720의 값이 "예"인 경우, 단계 S730으로 진행된다.
단계 S730에서, 제어 디바이스는, 제1 전압 커브(300)의 전압 강하 구간(t1~t2, t3~t4)의 전압 강하량(ΔV1, ΔV2)이 제1 기준치 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S730의 값이 "예"인 경우, 단계 S740으로 진행된다.
단계 S740에서, 제어 디바이스는, 배터리(B)가 비정상 상태임을 나타내는 메시지를 출력한다.
도 7에 방법을 실행함에 있어서, 제어 회로(130)는 충전 기간(tA~tB) 내에 진동 발생기(140)를 1회 이상 동작시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 검사 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 8의 방법은 배터리(B)의 방전 중에 감시된 배터리 전압의 시계열로부터 비정상 상태를 검출하기 위한 것이다.
도 1, 도 2, 도4 내지 도 6 및 도 8을 참조하면, 단계 S810에서, 제어 디바이스(130)는, 배터리(B)가 방전되는 방전 기간(tC~tD) 동안 전압 검출 회로(120)로부터의 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 방전 기간(tC~tD)에 걸친 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브(400)를 생성한다.
단계 S820에서, 제어 디바이스(130)는, 제2 전압 커브(400)가 두 전압 강하 구간 사이에 끼인 전압 상승 구간(t5~t6)을 포함하는지 여부를 판정한다. 단계 S820의 값이 "예"인 경우, 단계 S830으로 진행된다.
단계 S830에서, 제어 디바이스는, 제2 전압 커브(400)의 전압 강하 구간(t5~t6)의 전압 강하량(ΔV3)이 제2 기준치 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S830의 값이 "예"인 경우, 단계 S840으로 진행된다.
단계 S840에서, 제어 디바이스는, 배터리(B)가 비정상 상태임을 나타내는 메시지를 출력한다.
도 8에 방법을 실행함에 있어서, 제어 회로(130)는 방전 기간(tC~tD) 내에 진동 발생기(140)를 1회 이상 동작시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
B: 배터리 C: 배터리 셀
100: 배터리 검사 장치
110: 충방전 디바이스
120: 전압 검출 디바이스
130: 제어 디바이스
140: 진동 발생기
150: 통신 디바이스

Claims (12)

  1. 외장재 및 상기 외장재 내에서 서로 병렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하고, 충방전 중 수축과 팽창이 반복되는 스웰링 특성을 가지는 배터리를 위한 배터리 검사 장치에 있어서,
    상기 배터리를 충전 또는 방전시키도록 구성되는 충방전 디바이스;
    상기 배터리의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압의 검출값을 나타내는 전압 신호를 생성하도록 구성되는 전압 검출 디바이스; 및
    상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 충전되는 충전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 충전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브를 생성하도록 구성되는 제어 디바이스를 포함하고,
    상기 제어 디바이스는,
    상기 제1 전압 커브가 두 전압 상승 구간 사이에 끼인 전압 강하 구간을 포함하는 경우, 상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간의 전압 강하량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하도록 구성되되,
    상기 비정상 상태는, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 배터리 셀이 나머지 배터리 셀로부터 단선된 상태인 배터리 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제1 변화율 이하인 기간이고,
    상기 제1 전압 커브의 상기 전압 상승 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제2 변화율 이상인 기간인 배터리 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 디바이스는,
    상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간의 상기 전압 강하량이 제1 기준치 이상인 경우, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는 것으로 판정하도록 구성되는 배터리 검사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 디바이스는,
    상기 충전 기간 동안, 제1 전류 레이트의 충전 전류를 이용하여 상기 배터리를 정전류 충전시키도록 구성되는 배터리 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리를 진동시키도록 구성되는 진동 발생기를 더 포함하고,
    상기 제어 디바이스는,
    상기 충전 기간 동안 상기 진동 발생기를 동작시키도록 구성되는 배터리 검사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 디바이스는,
    상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 방전되는 방전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 방전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브를 생성하도록 구성되고,
    상기 제2 전압 커브가 두 전압 강하 구간 사이에 끼인 전압 상승 구간을 포함하는 경우, 상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간의 전압 상승량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하도록 구성되는 배터리 검사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전압 커브의 상기 전압 하강 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제3 변화율 이하인 기간이고,
    상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간은, 상기 배터리 전압의 변화율이 제4 변화율 이상인 기간인 배터리 검사 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 디바이스는,
    상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간의 상기 전압 상승량이 제2 기준치 이상인 경우, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는 것으로 판정하도록 구성되는 배터리 검사 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 충방전 디바이스는,
    상기 방전 기간 동안, 제2 전류 레이트의 방전 전류를 이용하여 상기 배터리를 정전류 방전시키도록 구성되는 배터리 검사 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리를 진동시키도록 구성되는 진동 발생기를 더 포함하고,
    상기 제어 디바이스는,
    상기 방전 기간 동안 상기 진동 발생기를 동작시키도록 구성되는 배터리 검사 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 검사 장치에 의해 실행 가능한 배터리 검사 방법에 있어서,
    상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 충전되는 충전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 충전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제1 전압 커브를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 전압 커브가 두 전압 상승 구간 사이에 끼인 전압 강하 구간을 포함하는 경우, 상기 제1 전압 커브의 상기 전압 강하 구간의 전압 강하량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 배터리 검사 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충방전 디바이스에 의해 상기 배터리가 방전되는 방전 기간 동안 상기 전압 신호를 소정 시간마다 주기적으로 수집하여, 상기 방전 기간에 걸친 상기 배터리 전압의 변화 이력을 나타내는 제2 전압 커브를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 전압 커브가 두 전압 강하 구간 사이에 끼인 전압 상승 구간을 포함하는 경우, 상기 제2 전압 커브의 상기 전압 상승 구간의 전압 상승량을 기초로, 상기 배터리가 비정상 상태를 가지는지 여부를 판정하는 단계를 더 포함하는 배터리 검사 방법.
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