KR20220145055A

KR20220145055A - 열화상 카메라를 포함하는 용접 검사 장치

Info

Publication number: KR20220145055A
Application number: KR1020210051665A
Authority: KR
Inventors: 오현민; 정석원; 박건태; 강춘권
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-10-28
Also published as: US20240151589A1; EP4327975A1; JP2024507211A; CN116867602A; WO2022225345A1

Abstract

본 발명은, 검사 대상인 전지모듈이 배치되는 베이스부, 상기 전지모듈의 충전과 방전을 위해 연결하는 양극 커넥터 및 음극 커넥터, 상기 전지모듈의 용접부를 촬영하는 열화상 카메라, 및 상기 열화상 카메라를 이동시키는 구동부를 포함하는 용접 검사 장치에 대한 것으로, 비파괴 검사 방법으로 용접부의 불량 여부를 확인할 수 있다.

Description

열화상 카메라를 포함하는 용접 검사 장치 {Welding Inspection Device Comprising Thermal Imaging Camera}

본원발명은 열화상 카메라를 이용한 용접 검사 장치에 대한 것이다. 구체적으로, 전지모듈을 구성하는 전지셀들의 용접 불량 여부를 비파괴 검사 방법으로 판단할 수 있도록 열화상 카메라를 포함하는 용접 검사 장치에 대한 것이다.

충방전이 가능한 리튬 이차전지의 안전성 향상과 용량 증가가 빠르게 이루어지고 있는 바, 상기 리튬 이차전지를 에너지원으로 사용하는 디바이스의 종류가 증가하고 있다.

예를 들어, 상기 리튬 이차전지는, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 신체에 착용하는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 대기 오염을 유발하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.

상기 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 또는 각형의 금속 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 이차전지 및 각형 이차전지와, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류된다. 그 중 원통형 이차전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점이 있다.

상기 중대형 전지팩을 제조하기 위하여, 복수의 원통형 전지셀들을 전기적으로 연결하는 과정이 필요한 바, 예를 들어 상기 원통형 전지셀들의 양극단자 및 음극단자를 와이어 본딩으로 연결할 수 있다.

상기 와이어 본딩을 이용할 때, 상기 양극단자 및 음극단자에 결합된 와이어에 약용접이 일어나면, 상기 와이어의 결합력이 약하기 때문에 작은 힘에도 쉽게 떨어질 수 있다.

이와 같이 와이어 본딩된 용접부의 용접 상태를 미리 확인하여 상기와 같은 문제가 일어나는 것을 방지할 필요가 있다.

이와 관련하여, 특허문헌 1은 전지셀들의 전극 단자와 버스바 사이에 접촉 불량이 발생하면 아크 방전이나 접촉 저항 증가에 의해 이차전지 모듈의 출력 전압이 저하되거나 발열 등의 결함이 발생하는 점을 이용하여, 이차전지 모듈 전체 전압을 취득하는 전체 전압 취득부, 상기 이차전지 모듈이 구비하는 복수의 전지셀들 각각의 전압을 취득하는 개별 전압 취득부, 및 상기 개별 전압 취득부가 취득한 전압의 총합과 상기 전체 전압 취득부가 취득한 전압과의 차이를 고려하여 전지셀의 접속 부분에 접촉 불량이 발생했는지 여부를 판정하는 접촉 불량 판정부를 구비하는 접촉 불량 검지 장치를 개시한다.

특허문헌 1은 전지모듈 내부의 전지셀에서 아크 방전이 일어났는지 여부를 확인하기 위하여, 온도 센서인 서미스터를 이용하고 있으며, 전극 단자와 버스바 연결 부분의 접촉 불량 여부를 확인하는 방법을 제시하고 있다. 따라서, 특허문헌 1은 전극 단자들이 와이어 본딩으로 결합되는 경우에 접촉 불량을 판정하는 방법을 제시하지는 못하고 있다.

특허문헌 2는 미소지름 와이어 본딩의 양부를 그 접합부의 접합 면적에서 판정하는 방법으로서, 미소 스폿 지름의 레이저로 상기 미소지름 와이어를 가열하는 가열 공정, 상기 미소지름 와이어의 접합부의 피가열부에서 방사되는 미소량의 적외선에서 방사율을 보정해 고속으로 온도 변이를 측정하는 온도 측정 공정, 상기 온도 측정 공정에서의 측정 결과를 레이저의 흡수율에 관해 보정하는 보정 공정, 및 상기 보정 공정에서 보정된 측정 온도를 기초로 그 보정 후의 온도 변이 내지 그 온도 변이에서 얻어진 접합 면적과 상관이 있는 수치를 비교 선별함으로써 본딩의 양부를 판정하는 양부 판정 공정을 포함하는 양부 판정 방법에 대한 것이다.

특허문헌 2는 와이어 본딩으로 접합된 접합부의 온도를 측정하기 위하여 미소 스폿 지름의 레이저로 미소지름 와이어를 가열하는 공정을 포함하고, 온도 측정 공정에서 측정된 결과를 레이저의 흡수율에 관해 보정하는 공정과 접합부의 접합 면적과 상관이 있는 수치를 비교 선별하는 과정 등을 포함하는 바, 레이저 등의 추가적인 장비가 필요하고, 와이어 본딩의 양부를 판정하는 방법이 복잡한 문제가 있다.

따라서, 와이어 본딩으로 전지셀들을 전기적으로 연결한 전지모듈에서 전극단자 용접부의 접촉 불량 여부를 쉽게 확인할 수 있는 기술이 필요하다.

일본 공개특허공보 제2015-109148호 (2015.06.11) 일본 공개특허공보 제2011-191232호 (2011.09.29)

본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 전지셀들이 와이어 본딩으로 연결된 전지모듈에서, 전극단자에 와이어가 결합된 부분의 불량 여부를 쉽게 확인할 수 있도록, 열화상 카메라를 이용한 용접 검사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 용접 검사 장치는, 검사 대상인 전지모듈이 배치되는 베이스부, 상기 전지모듈의 충전과 방전을 위해 연결하는 양극 커넥터 및 음극 커넥터, 상기 전지모듈의 용접부를 촬영하는 열화상 카메라, 및 상기 열화상 카메라를 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

상기 전지모듈은 원통형 전지셀들을 포함할 수 있다.

상기 상기 원통형 전지셀들은 와이어 본딩에 의해 전기적으로 연결되어 있고, 상기 열화상 카메라는 상기 원통형 전지셀들의 양극단자 및 음극단자의 용접부의 온도를 측정할 수 있다.

상기 전지모듈의 충전과 방전은 2회 이상 진행할 수 있다.

상기 열화상 카메라는 2개 이상이 인접하게 배치된 형태일 수 있다.

상기 열화상 카메라는 상기 구동부에 의해 x축, y축 및 z축의 3축 방향 이동이 가능한 형태일 수 있다.

상기 전지모듈이 상기 베이스부 상에 위치한 상태에서, 상기 열화상 카메라가 상기 전지모듈의 상부를 이동하면서 용접부를 촬영할 수 있다.

상기 열화상 카메라에서 측정한 용접부의 온도가 정상 범위인지를 판단하는 방법으로 차영상(difference image) 알고리즘을 사용할 수 있다.

상기 열화상 카메라에서 측정한 프레임들 가운데 온도증가가 없는 상태의 프레임과 특정한 프레임 간에 발생한 온도 차이를 기준으로 정상 온도 범위를 도출할 수 있다.

상기 특정한 프레임은 모든 프레임들 가운데 온도 변화가 급격하게 나타나는 프레임일 수 있다.

상기 정상 온도 범위로서, 양극 용접부와 음극 용접부 각각에서 정상 충전 범위와 정상 방전 범위를 도출할 수 있다.

본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 용접 검사 장치는 전지모듈의 외관을 열화상 카메라로 관찰하는 방법을 통해 용접부의 불량 여부를 확인할 수 있는 바, 종래의 검사 방법과 같이 용접부를 손상시키지 않는 비파괴 검사방법을 제공한다.

도 1은 하나의 실시예에 따른 용접 검사 장치의 개략적인 형태를 도시한 사시도이다.
도 2는 다른 하나의 실시예에 따른 용접 검사 장치에서 열화상 카메라의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 특정한 영역의 특정 패턴에서 촬영한 음극의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 양극과 음극 각각의 충전 3σ 스펙과 방전 3σ 스펙의 그래프와 수치 범위를 나타내고 있다.
도 5는 전지모듈을 구획한 특정한 영역에서 전지셀들의 음극에 용접된 와이어 용접부의 온도를 10패턴 동안 측정하여 0프레임과 40프레임의 차영상에서 얻은 ΔT를 나타내는 표이다.
도 6은 전지모듈을 구획한 특정한 영역에서 전지셀들의 양극에 용접된 와이어 용접부의 온도를 10패턴 동안 측정하여 0프레임과 40프레임의 차영상에서 얻은 ΔT를 나타내는 표이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.

또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.

본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.

도 1은 하나의 실시예에 따른 용접 검사 장치의 개략적인 형태를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본원발명에 따른 용접 검사 장치는 검사 대상인 전지모듈(100)이 배치되는 베이스부(200), 전지모듈(100)의 충전과 방전을 위해 전지모듈(100)에 연결하는 양극 커넥터(310) 및 음극 커넥터(320), 전지모듈(100)의 용접부를 촬영하는 열화상 카메라(400), 및 열화상 카메라(400)를 이동시키는 구동부(500)를 포함한다.

전지모듈(100)은 원통형 전지셀들(101)을 포함한다. 원통형 전지셀(101)의 탑 캡은 양극단자(110)로 기능하고, 클림핑부는 음극단자(120)로 기능하는 바, 양극단자(110)와 음극단자(120)에 전기전도성 소재로 이루어진 와이어(150)가 와이어 본딩에 의해 결합되어 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.

와이어(150)로는 우수한 전기전도성을 갖는 소재를 사용할 수 있는 바, 예를 들어, 금, 은, 구리 등을 사용할 수 있다.

복수의 원통형 전지셀들을 직렬연결 또는 병렬연결하기 위하여 필요에 따라 전도성 플레이트(140)를 사용할 수 있는 바, 와이어(150)의 일측 끝단은 전극단자에 1차 본딩하고, 타측 끝단은 전도성 플레이트에 결합하는 방법으로, 복수의 원통형 전지셀들의 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.

원통형 전지셀들의 배치는 전도성 플레이트의 형태에 따라 다양하게 구성될 수 있는 바, 도 1에 도시한 바와 같이, 모든 원통형 전지셀들의 탑 캡이 상부를 향하도록 배치할 수 있다. 또는, 도 1에 도시한 바와 달리, 일부 원통형 전지셀들은 탑 캡이 상부를 향하도록 배치하고 나머지 원통형 전지셀들은 탑 캡이 하부를 향하도록 배치할 수 있음은 물론이다.

또는, 모든 원통형 전지셀들을 탑 캡이 상부를 향하도록 배치하고, 모든 탑 캡은 상부에서 와이어 본딩을 하여 양극 병렬연결을 하고, 모든 원통형 전지셀들의 바닥에 와이어 본딩을 하여 음극 병렬연결을 할 수 있다.

상기 전도성 플레이트는 형태의 제한 없이 다양한 형태로 사용 가능하며, 일반적으로 전기전도성이 있는 소재로서, 알루미늄, 구리, 니켈, 철 및 이들의 합금 등의 금속으로 이루어질 수 있다.

베이스부(200)는, 베이스부(200)의 상면에 전지모듈(100)이 배치된 상태에서 전지모듈(100)이 흔들림 없이 위치 고정될 수 있도록, 상면이 평평하고 평면상 면적이 전지모듈(100)의 면적보다 크게 형성될 수 있다. 선택적으로, 전지모듈이 배치되는 위치를 가이드할 수 있도록 베이스부 상면의 외주변에 상향 돌출된 측벽과 같은 구조가 형성될 수 있다.

또한, 전지모듈(100)을 촬영하는 열화상 카메라(400)는 전지모듈 상부를 이동하면서 와이어가 결합된 용접부의 온도를 측정하는 바, 열화상 카메라(400)는 구동부(500)에 결합된 상태로 x축, y축 및 z축의 3축 방향 이동이 가능한 형태일 수 있다. 구동부(500)는 베이스부(100)에 장착된 형태일 수 있고, 또는, 베이스부(100)와 분리된 별개의 구조일 수 있다.

열화상 카메라(400)는 양극단자(110) 및 음극단자(120)의 용접부의 온도를 측정할 수 있는 바, 양극 커넥터(310) 및 음극 커넥터(320)가 전지모듈과 결합된 상태로 전지모듈을 충전 및 방전시키는 과정에서 용접부의 온도를 지속적으로 측정한다.

전지모듈은 충전과 방전이 반복될수록 온도가 점차 증가하는 경향이 나타나고, 또한 충방전 사이클에 따라 최고온도와 최저온도의 차이도 달라질 수 있으며, 충방전 중에 급격한 온도 변화가 나타날 수 있다.

따라서, 이와 같은 온도 변화를 고려하여 용접부의 정상 여부를 판단할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 전지모듈에 수용된 원통형 전지셀의 개수가 많은 경우로서, 열화상 카메라의 화면 안에 전체 원통형 전지셀들을 담기 어려울 때는, 전지모듈을 복수의 구역으로 구획한 후, 열화상 카메라가 각 구역을 순차적으로 이동하면서 원통형 전지셀들의 용접부 온도를 측정할 수 있다.

예를 들어, 하나의 구역에서 상기 열화상 카메라를 이용한 검출로직은, 'Rest-충전-Rest-방전'을 하나의 패턴으로 하고, Rest 시간은 1초이며, 충전 시간과 방전 시간은 각각 2초로 할 수 있다.

구체적으로, 전지모듈의 특정 구역에 열화상 카메라가 배치된 상태에서, 예를 들어, 상기 패턴이 10회 진행되면서 용접부의 온도를 측정할 수 있다. 즉, Rest를 포함하여 10회의 충전과 10회의 방전을 진행하면서 용접부의 온도를 측정할 수 있다. 상기 특정 구역에서 10패턴 측정이 끝난 후, 일정한 시간이 경과한 후에, 열화상 카메라의 위치를 다음 구역으로 이동하고 다시 동일한 방법으로 충방전을 진행하면서 10패턴 동안 온도를 측정한다.

열화상 카메라를 다음 구역으로 이동하기 전에 일정한 시간 동안 충방전을 정지하기 때문에, 이전 구역에서 온도가 증가했던 전지셀들의 온도가 충방전 이전 수준으로 낮아질 수 있다.

전지모듈의 크기 및 전지셀의 개수에 따라 구획되는 모든 구역을 이동하면서, 상기의 과정을 반복하여 모든 전지셀들에 대한 용접부의 온도를 측정함으로써 용접부의 불량 여부를 확인할 수 있다.

다만, 처음의 1패턴과 2패턴에는 용접부의 온도 증가 폭이 크지 않기 때문에 온도를 측정하지 않고 3패턴부터 측정된 온도를 정상 온도 범위를 구하는 데에 사용할 수 있다.

상기 열화상 카메라에서 측정한 용접부의 온도가 정상 범위인지를 판단하는 방법으로 차영상 알고리즘(difference image algorithim)을 사용할 수 있다. 상기 차영상 알고리즘은, 2개의 영상들 가운데 다른 부분을 찾아서 비교할 수 있는 방법으로, 본 명세서에서는 기준이 되는 영상으로서 온도 변화가 시작되기 전의 영상을 비교 영상이라 하고 온도 증가가 측정된 영상을 목표 영상이라고 한다.

구체적으로, 상기 열화상 카메라는 1초에 50프레임을 촬영할 수 있으며, 각 2초 동안 진행되는 충전과 방전 동안 각각 100프레임을 촬영할 수 있다. 이하에서는, 충방전을 진행하기 전에 촬영된 영상을 0프레임으로 하고, 2초 동안 촬영한 100개의 프레임 중 n번째 프레임을 n프레임으로 명명한다.

충전 및 방전을 진행하는 동안 초기에는 온도 증가가 급격히 일어나고 초반 이후에 온도 증가 폭이 줄어드는 경향을 나타내는 바, 각 프레임의 온도를 표시한 그래프에서 기울기가 감소하는 프레임을 n프레임으로 할 때, 0프레임이 비교 영상이고 n프레임이 목표 영상이 되며, 이들 간의 차영상에서 최대 온도 픽셀의 위치를 도출할 수 있다.

따라서, 양극 용접부와 음극 용접부 등 전지셀의 외면 중 특정부의 온도 변화를 확인할 수 있으며, 이와 같이 얻은 0프레임과 n프레임 중 특정부의 온도 편차인 ΔT를 3σ 수준으로 분석하여 양극 용접부와 음극 용접부의 정상 온도 범위를 도출할 수 있다.

상기 정상 온도 범위는 충전과 방전을 진행한 모든 패턴에서 0프레임과 n프레임 중 특정부의 온도 편차인 ΔT 기준으로 도출할 수 있는 바, 모든 패턴에서 측정된 특정부의 n 프레임의 ΔT가 상기 정상 온도 범위를 벗어나는 경우에 용접 불량으로 판정할 수 있다.

또한, 양극 용접부와 음극 용접부의 온도 변화는 충전시 및 방전시 각각에 다른 양상으로 나타날 수 있는 바, 양극과 음극 각각에서 정상 충전 범위와 정상 방전 범위를 구할 수 있다.

상기와 같이 온도 변화가 급격하게 발생하는 프레임을 기준으로 ΔT를 구하는 경우에는 온도 측정 범위 내에서 오측정 확률이 낮은 장점이 있다.

또는, 0프레임에서 100프레임까지의 전 구간에서 최대 온도를 측정하는 경우에는, 100프레임에서의 온도가 최대 온도일 수 있는 바 최대 온도 변화 데이터를 분석하여 활용할 수 있는 장점이 있다.

열화상 카메라(400)와 와이어(150) 간의 거리가 멀어지면 하나의 와이어를 측정하는 픽셀(pixel) 수가 줄어들게 되는 바, 검출력이 현저히 낮아지게 된다. 따라서, 하나의 와이어 당 최소 2픽셀이 들어갈 수 있도록 열화상 카메라의 작동 거리(working distance)를 조절할 필요가 있다.

예를 들어, 굵기가 0.5 ㎜인 와이어를 사용할 때, 하나의 와이어에 3픽셀이 들어가도록, 열화상 카메라와 와이어 간의 거리를 250 ㎜로 설정할 수 있다.

도 1에는 다관절 로봇 팔 형태의 구동부를 이용하여 열화상 카메라가 이동되는 형태를 도시하고 있다.

열화상 카메라는 2개 이상이 인접하게 배치된 형태일 수 있는 바, 각각의 열화상 카메라가 전지모듈 외면을 중첩되지 않게 촬영하는 경우, 넓은 범위를 한 번에 촬영할 수 있으므로, 검사 속도를 높일 수 있다.

한편, 전지모듈 상면을 구획한 개수만큼 열화상 카메라를 구비하여, 전체 면적을 동시에 촬영할 수 있을 정도로 열화상 카메라를 여러 개 구비하는 경우에는, 열화상 카메라의 이동 없이 정지된 상태에서 복수의 패턴으로 용접부 온도를 측정할 수 있다. 즉, 열화상 카메라들이 구획된 영역을 이동할 때 충방전을 정지하는 시간의 생략이 가능한 바, 전체 용접부들의 불량 검사를 빠르게 진행할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 본원발명에 따른 용접 검사 장치는 열화상 카메라에서 측정한 용접부의 온도 변화를 시간의 변화에 따라 그래프로 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.

이와 같이, 용접부의 온도 변화를 시각적으로 표시해주는 표시부를 포함하기 때문에 용접부의 불량 여부를 쉽고 빠르게 인식할 수 있다.

도 2는 다른 하나의 실시예에 따른 용접 검사 장치에서 열화상 카메라의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 2를 참조하면, 베이스부(210)의 상부에는 프레임(501)이 설치되어 있다. 프레임(501)의 내측에 전지모듈(도시하지 않음)이 배치될 수 있으며, 구동부(510)는 프레임(501)에 장착되어 x축 방향으로 이동 가능한 형태이다.

구동부(510)에는 2개의 열화상 카메라(410, 420)들이 장착되어 있으며, 열화상 카메라(410, 420)들은 구동부(510) 내에서 z축 방향으로 독립적으로 또는 동시에 이동이 가능한 형태일 수 있다.

열화상 카메라(410, 420)들은 y축 방향으로 길이가 길어지거나 짧아질 수 있는 형태일 수 있는 바, 전지모듈에 포함된 원통형 전지셀들의 용접부 위치에 따라 x축, y축 및 z축의 3축 방향으로 자유로운 이동이 가능할 수 있다.

열화상 카메라(410, 420)를 이용한 검출로직과 그 외에 용접 검사 장치를 구성하는 다른 구성 요소들에 대한 설명은 상기 도 1의 설명에 기재된 내용을 도 2에 도시된 용접 검사 장치에 대한 설명에 동일하게 적용할 수 있다.

본원발명에 따른 열화상 카메라는 전지모듈 상면의 온도를 촬영한 화면에서 특정부의 온도를 추출할 수 있는 바, 하나의 프레임에서 복수의 특정부들의 온도를 측정할 수 있다.

이하에서는, 본원발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본원발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

전극 단자들이 와이어 용접으로 전기적으로 연결된 원통형 전지셀들을 수용하는 전지모듈을 베이스부에 배치하고 양극 커넥터와 음극 커넥터에 전지모듈을 연결한다.

열화상 카메라 2대를 준비하고 구동부에 고정하여 전지모듈 상부에서 전극단자를 촬영하도록 배치하였다. 열화상 카메라의 해상도는 와이어 하나가 적어도 2픽셀 이상에 표시되도록 열화상 카메라 2개를 세팅하였다.

열화상 카메라는 Fire 사의 A655sc 제품을 사용하였다.

1개의 열화상 카메라에 16개의 전지셀들이 측정될 수 있도록 하여 2개의 열화상 카메라로 동시에 32개의 전지셀들의 온도를 측정하였다.

전지모듈의 전폭방향과 전장방향을 따라 배치된 전지셀의 개수에 따라 모든 구역에서 동일한 개수의 전지셀이 측정되지 않을 수 있지만, 전체 전지셀들의 온도가 측정될 수 있도록 열화상 카메라를 배치하고 이동하면서 모든 전지셀들의 온도를 측정하였다.

첫번째 구역에서, 열화상 카메라의 'Rest-충전-Rest-방전'을 하나의 패턴으로 하여, 10패턴까지 휴지기(rest)를 포함하여 충전과 방전을 진행하며 용접부의 온도를 측정하였다.

상기 Rest는 1초 동안 진행하고 상기 충전과 방전은 각각 2초씩 진행하였다.

열화상 카메라는 1초 동안 50프레임을 촬영하여 2초 동안 100프레임을 촬영하였다.

이와 같이 모든 구역 마다 10패턴 동안 충방전을 진행하면서 전지셀들의 온도 변화를 측정하였다.

도 3은 특정한 영역의 특정 패턴에서 촬영한 음극의 온도 변화를 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 가로축은 프레임 숫자를 나타내고 세로축은 온도를 나타내고 있는 바, 40프레임까지 온도가 급격히 증가하고 그 후에는 온도 그래프의 기울기가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

전지모듈을 구획한 모든 영역의 모든 전지셀들에 대해, 각 영역 마다 10패턴으로 충방전을 진행하면서 영상을 촬영하였고, 모든 패턴의 영상들 중 0프레임을 비교 영상으로하고 40프레임을 목표 영상으로 한 차영상을 구하여 온도 편차인 ΔT를 구하고, 상기 ΔT를 3σ 수준으로 분석하여 모든 전지셀들에 용접된 와이어 용접부의 정상 온도 범위를 도출하였다.

도 4는 양극과 음극 각각의 충전 3σ 스펙과 방전 3σ 스펙의 그래프와 수치 범위를 도시하고 있다.

즉, 정상 용접으로 판단하는 ΔT의 범위는, 양극 충전시 0.44 ℃ 내지 1.62 ℃이고, 양극 방전시 0.81 ℃ 내지 2.44 ℃이며, 음극 충전시 1.22 ℃ 내지 4.41℃이고, 음극 방전시 0.64 ℃ 내지 3.16℃이다. 따라서, 상기 차영상에서 얻은 ΔT가 상기 범위를 벗어나는 경우, 용접부 불량으로 판정한다.

도 5는 전지모듈을 구획한 특정한 영역에서 전지셀들의 음극에 용접된 와이어 용접부의 온도를 10패턴 동안 측정하여 0프레임과 40프레임의 차영상에서 얻은 ΔT를 나타내는 표이고, 도 6은 전지모듈을 구획한 특정한 영역에서 전지셀들의 양극에 용접된 와이어 용접부의 온도를 10패턴 동안 측정하여 0프레임과 40프레임의 차영상에서 얻은 ΔT를 나타내는 표이다.

도 5를 참조하면, 상기 음극 충전시 기준과 음극 방전시 기준에 따를 때, 2번 카메라의 셀12와 셀13에서 정상 온도 범위를 벗어난 온도가 측정된 것을 확인할 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 양극 충전시 기준과 양극 방전시 기준에 따를 때 1번 카메라의 셀1은 10패턴 충전시 정상 온도 범위의 상한을 벗어나는 온도를 나타내고 있으며, 2번 카메라의 셀15에서 5패턴 및 7패턴 이후의 충전 및/또는 방전에서 정상 온도 범위를 초과하는 온도를 나타내고 있다.

이와 같이, 정상 온도 범위에서 벗어난 온도를 나타내는 전지셀에 대해서는 불량으로 판정하여, 제거함으로써 불량 전지셀을 포함하는 완제품에서 일어나는 문제를 미리 방지할 수 있다.

또한, 본원발명에 따른 용접 검사 장치를 사용하는 경우에는 비파괴 방법을 사용하여 실시간으로 용접부의 불량 여부를 판정할 수 있다.

본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

100: 전지모듈
101: 원통형 전지셀
110: 양극단자
120: 음극단자
140: 전도성 플레이트
150: 와이어
200, 210: 베이스부
310: 양극 커넥터
320: 음극 커넥터
400, 410, 420: 열화상 카메라
500, 510: 구동부
501: 프레임

Claims

검사 대상인 전지모듈이 배치되는 베이스부;
상기 전지모듈의 충전과 방전을 위해 연결하는 양극 커넥터 및 음극 커넥터;
상기 전지모듈의 용접부를 촬영하는 열화상 카메라; 및
상기 열화상 카메라를 이동시키는 구동부;
를 포함하는 용접 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 전지모듈은 원통형 전지셀들을 포함하는 용접 검사 장치.
제2항에 있어서, 상기 원통형 전지셀들은 와이어 본딩에 의해 전기적으로 연결되어 있고,
상기 열화상 카메라는 상기 원통형 전지셀들의 양극단자 및 음극단자의 용접부의 온도를 측정하는 용접 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 전지모듈의 충전과 방전은 2회 이상 진행하는 용접 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화상 카메라는 2개 이상이 인접하게 배치된 형태인 용접 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화상 카메라는 상기 구동부에 의해 x축, y축 및 z축의 3축 방향 이동이 가능한 형태인 용접 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 전지모듈이 상기 베이스부 상에 위치한 상태에서, 상기 열화상 카메라가 상기 전지모듈의 상부를 이동하면서 용접부를 촬영하는 용접 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 열화상 카메라에서 측정한 용접부의 온도가 정상 범위인지를 판단하는 방법으로 차영상(difference image) 알고리즘을 사용하는 용접 검사 장치.
제8항에 있어서, 상기 열화상 카메라에서 측정한 프레임들 가운데 온도증가가 없는 상태의 프레임과 특정한 프레임 간에 발생한 온도 차이를 기준으로 정상 온도 범위를 도출하는 용접 검사 장치.
제8항에 있어서, 상기 특정한 프레임은 모든 프레임들 가운데 온도 변화가 급격하게 나타나는 프레임인 용접 검사 장치.
제9에 있어서, 상기 정상 온도 범위로서, 양극 용접부와 음극 용접부 각각에서 정상 충전 범위와 정상 방전 범위를 도출하는 용접 검사 장치.