KR20240005523A - 배터리 검사 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치는, 배터리 셀의 전극과 연결되는 연결부; 상기 연결부를 통해 상기 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부; 상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력하고 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 초음파 센싱부; 및 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 컨트롤러를 포함한다.
Description
본 문서에 개시된 실시예들은 배터리 검사 장치 및 상기 배터리 검사 장치의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등과 최근의 리튬 이온 배터리를 모두 포함하는 의미이다. 이 중에서도 리튬 이온 배터리는 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 리튬 이온 배터리는 소형, 경량으로 제작할 수 있어 이동 기기의 전원으로 널리 사용되며, 최근에는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
충방전 테스트는 배터리를 충전 또는 방전시키면서 얻어지는 배터리의 상태 파라미터(예컨대, 전압, 전류, 온도, 저항 변화 등)를 이용해 배터리의 상태를 검사하는 방법으로서, 비파괴적인 방식으로 배터리 셀의 잔존 수명 또는 결함 여부를 모니터링할 수 있어 널리 활용되고 있다. 충방전 테스트에서 배터리 셀의 전극 리드와 충방전기를 전기적으로 연결하기 위한 그리퍼(gripper)가 사용되는데, 기존의 그리퍼는 단순히 배터리 셀에 전류를 흘려 보내기 위한 부재로서 배터리 셀의 내부 상태를 진단하기 위한 부가적인 기능은 갖고 있지 않았다.
본 문서에 개시된 실시예들의 일 목적은, 배터리 셀의 충방전 테스트를 진행하면서 셀을 통과하는 초음파 신호의 특성 변화를 모니터링하고, 이에 기초하여 배터리 셀의 상태를 판단할 수 있는 배터리 검사 장치를 제공하는 것이다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치는, 배터리 셀의 전극과 연결되는 연결부; 상기 연결부를 통해 상기 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부; 상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력하고 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 초음파 센싱부; 및 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 컨트롤러를 포함한다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치에 있어서, 상기 초음파 센싱부는, 상기 배터리 셀의 일측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치하며, 상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 및 상기 배터리 셀의 반대측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치하며, 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 속도 변화 및 진폭 변화 중 적어도 하나에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀 내부의 리튬 석출 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 전극 리드의 결함 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 특성 및 상기 배터리 셀의 충방전 데이터에 기초하여 상기 배터리 셀의 충전 상태(State of Charge) 및 건강 상태(State of Health) 중 적어도 하나를 산출할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치에 있어서, 상기 배터리 셀의 전극 리드와 상기 연결부 사이에 초음파 매질층을 형성하기 위한 용액 주입부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법은, 배터리 셀의 전극과 연결된 연결부를 통해 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 단계; 상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력하는 단계; 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 단계; 및 상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력하는 단계는, 상기 배터리 셀의 일측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치한 초음파 송신부에 의해 수행되고, 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 단계는, 상기 배터리 셀의 반대측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치한 초음파 수신부에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 속도 변화 및 진폭 변화 중 적어도 하나에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀 내부의 리튬 석출 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 전극 리드의 결함 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 특성 및 상기 배터리 셀의 충방전 데이터에 기초하여 상기 배터리 셀의 충전 상태(State of Charge) 및 건강 상태(State of Health) 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법은, 상기 배터리 셀의 전극 리드와 상기 연결부 사이에 초음파 매질층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시예의 배터리 검사 장치에 따르면, 배터리 셀의 전극과 연결된 연결부(예컨대, 그리퍼)를 통해 배터리를 충전/방전시키면서, 상기 연결부에 구비된 초음파 트랜스듀서 및 초음파 센서를 이용하여 배터리 셀의 상태를 판단할 수 있다.
종래의 충방전 테스트기는 배터리 셀의 전기적 파라미터만을 이용하여 배터리 상태를 추정하였으나, 실시예에 따르면 전기적 파라미터 뿐만 아니라 배터리 셀을 통과하는 초음파 신호의 특성을 활용하여 셀의 상태, 예컨대 충전 상태(State of Charge), 건강 상태(State of Health), 리튬 석출 여부, 전극 리드의 결함 여부 등을 보다 정밀하게 추정할 수 있다.
이 외에도 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예 또는 종래 기술의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 위한 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 도면의 일부 구성요소들에 대한 표현이 과장되거나 생략될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치를 이용해 배터리 셀을 검사하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 연결부의 평면도를 나타낸다.
도 4a는 초음파 신호가 배터리 셀을 통과하는데 걸리는 시간(Time of Flight) 변화를 충방전 사이클 횟수에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4b는 배터리 셀을 통과하는 초음파 신호의 진폭 변화를 충방전 사이클 횟수에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 검사 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여준다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치를 이용해 배터리 셀을 검사하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 연결부의 평면도를 나타낸다.
도 4a는 초음파 신호가 배터리 셀을 통과하는데 걸리는 시간(Time of Flight) 변화를 충방전 사이클 횟수에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4b는 배터리 셀을 통과하는 초음파 신호의 진폭 변화를 충방전 사이클 횟수에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 배터리 검사 방법을 실행하는 컴퓨팅 시스템을 보여준다.
이하, 본 문서에 개시된 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 문서에 개시된 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 문서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 문서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다. 또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
이하에서는 도면들을 참조하여 배터리 검사 장치 및 이의 동작 방법의 바람직한 실시예들을 설명한다.
블록도에 도시된 구성요소들은 각각의 기능과 역할에 따라 구분된 것으로서, 각 블록이 반드시 독립된 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되어야 하는 것은 아니다. 예컨대, 구분된 구성요소들이 실제로는 하나의 장치 또는 프로그램으로 구현될 수 있으며, 또는 하나의 구성요소가 여러 장치 및 프로그램이 결합된 것으로 구현될 수도 있다. 또한, 본 문서에서 "제1의", "제2의"와 같은 표현은 구성요소를 서로 구분하기 위해 사용한 것으로서 구성요소 간의 순위나 서열을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 상기 배터리 검사 장치를 이용해 배터리 셀을 검사하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 검사 장치(10)는, 배터리 셀(20)의 전극과 연결되는 연결부(110), 상기 연결부(110)를 통해 배터리 셀(20)을 충전 또는 방전시키는 충방전부(120), 배터리 셀(20)을 향해 초음파 신호를 출력하고 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 초음파 센싱부(130), 및 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀(20)의 상태를 판단하는 컨트롤러(140)를 포함한다. 도시하지는 않았으나, 배터리 검사 장치(10)는 배터리의 충방전 테스트를 실시하기 위한 기본적인 구성요소들(예컨대, 충전을 위한 전원, 방전을 위한 로드, 배터리 셀과 구성요소들 간의 전기적 연결을 위한 전선, 장치의 제어를 위한 제어회로 등)을 더 포함할 수 있다.
배터리 셀(20)은 다양한 형태일 수 있으며, 본 명세서에 개시된 기술이 적용되는 배터리는 특정 형태나 구조로 한정되지 아니한다. 예컨대, 배터리 셀(20)은 복수의 모노셀(양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전지 기본 단위)들을 적층하여 파우치 또는 케이스로 감싼 구조로 이루어질 수 있으며, 배터리 셀의 양극과 음극을 외부 기기와 전기적으로 연결하기 위한 전극 리드를 구비할 수 있다. 도 2에는 배터리 셀(20)과 그 외부로 돌출된 전극 리드(201, 202)가 도시되어 있다.
연결부(110)는 배터리 셀(20)의 전극 리드(201, 202)와 접촉하여 배터리 검사 장치(10)와 배터리 셀(20)을 전기적으로 연결하기 위한 부재이다. 도 2에 도시된 것처럼, 연결부는 전극 리드(201, 202)에 각각 접촉하는 제1 접촉부(111)와 제2 접촉부(112)로 구성될 수 있으며, 전극 리드와 접촉하는 부위는 전류가 통하는 금속 재질일 수 있다.
예컨대, 연결부(110)는 충방전기에서 배터리 셀 전극과 전기적으로 접촉하기 위해 사용되는 그리퍼(gripper)일 수 있다. 또한, 연결부의 각 접촉부(111, 112)는 전극 리드(201, 202)를 단단히 고정하기 위해 스프링을 구비한 클립이나 클램프 형태일 수 있다. 다만, 도시된 연결부의 형태는 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며 배터리 셀의 모양이나 전극 위치에 따라 다른 적합한 형태로 변형될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 검사 장치(10)는 배터리 셀(20)의 전극 리드(201, 202)와 연결부의 접촉부(111, 112) 사이에 초음파 매질층을 형성하기 위한 용액 주입부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 초음파 신호는 매질에 따라 전달 속도와 크기가 달라지는데, 전극 리드와 연결부(예컨대, 그리퍼)가 밀착되어 있지 않으면 에어 갭(air gap)으로 인해 신호의 특성이 왜곡될 가능성이 높다. 따라서, 용액 주입부는 전극 리드와 연결부 사이에 수용성 커플런트를 주입하여 이들을 압착시키고, 초음파 신호가 왜곡되지 않고 배터리 셀을 통과할 수 있도록 한다.
다시 도 1을 참조하면, 충방전부(120)는 상기 배터리 셀(20)과 접촉된 연결부(110)를 통해 배터리 셀(20)을 충전하거나 방전시킨다. 일 실시예에 따르면, 충방전부(120)는 미리 설정된 C-rate로 배터리 셀(20)을 충전하거나 방전시키면서 상기 배터리 셀(20)의 전기적 파라미터(전류, 전압, 임피던스 등)를 측정할 수 있도록 구성된다. 측정된 파라미터는 컨트롤러(140)에 전달되며 초음파 신호 분석 결과와 함께, 또는 독립적으로 배터리 셀(20)의 상태 추정에 활용될 수 있다.
초음파 센싱부(130)는 배터리 셀(20)을 향해 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부와, 배터리 셀(20)을 통과한 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 초음파 송신부는 전원으로부터 공급 받은 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하는 압전 소자로 구성된 초음파 트랜스듀서일 수 있고, 초음파 수신부는 초음파 신호를 감지하여 전기 신호로 변환하는 초음파 센서일 수 있다. 도시하지는 않았으나, 초음파 센싱부(130)는 트랜스듀서 및 센서를 구동하기 위한 전원, 펄스제네레이터, 오실로스코프, 스위치 및 이들을 제어하기 위한 제어회로 등 부가적인 구성요소들을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 초음파 송신부(131)는 배터리 셀(20)의 일측 전극 리드(201)와 접촉하는 연결부의 제1 접촉부(111) 내부에 위치할 수 있고, 초음파 수신부(132)는 배터리 셀(20)의 반대측 전극 리드(202)와 접촉하는 연결부의 제2 접촉부(112) 내부에 위치할 수 있다. 또는, 연결부의 제1 접촉부(111) 및 제2 접촉부(112) 각각에 초음파 송신부와 초음파 수신부가 모두 포함되어, 대응하는 송신부/수신부를 향해 초음파를 출력하거나 감지하는 구조일 수 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 것처럼 연결부의 제1 접촉부(111)에 초음파 송신부(131)와, 연결부의 제2 접촉부(112)에 위치한 초음파 송신부로부터 출력된 초음파 신호를 감지하는 초음파 수신부(132')가 모두 구비될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 일측 전극 리드(201)에 접촉된 연결부(111) 내 위치한 초음파 송신부(131)에서 배터리 셀(20)을 향해 초음파 신호를 출력하면, 반대측 전극 리드(202)에 접촉된 연결부(112) 내 위치한 초음파 수신부(132)에서 초음파 신호를 감지한다. 초음파 센싱부(130)는, 출력 초음파 신호와 감지된 초음파 신호의 진폭 변화, 초음파 신호가 배터리 셀을 통과하는데 소요되는 시간(Time of Flight) 등 초음파 신호의 특성 정보를 획득하여 컨트롤러(140)에 전송할 수 있다.
컨트롤러(140)는, 상기 초음파 센싱부(130)에 의해 감지된 초음파 신호의 특성(예컨대, 초음파 신호의 속도 변화, 진폭 변화 등)에 기초하여, 또는 초음파 신호의 특성과 충방전부(120)에서 획득한 충방전 데이터(예컨대, 배터리 셀의 전류, 전압, 임피던스 데이터 등)에 기초하여 배터리 셀(20)의 상태를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 컨트롤러(140)는 초음파 신호의 특성에 기초하여 배터리 셀 내부의 리튬 석출 여부를 판단하거나, 배터리 셀의 전극 리드의 결함 여부를 판단할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 컨트롤러(140)는 초음파 신호의 특성과 배터리 셀의 충방전 데이터에 기초하여 배터리 셀의 충전 상태(State of Charge), 건강 상태(State of Health) 등 상태 파라미터를 산출할 수 있다.
도 4a는 초음파 신호가 배터리 셀을 통과하는데 걸리는 시간(Time of Flight) 변화를 충방전 사이클 횟수에 따라 나타낸 그래프이다. 상기 ToF는 초음파 센싱부(130)의 초음파 출력 시점과 초음파 감지 시점의 차이에 의해 계산될 수 있다. 도 4a를 참조하면, 충방전 사이클의 횟수가 늘어남에 따라(즉, 배터리의 사용에 의해 잔존 수명이 감소함에 따라) ToF가 전반적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 배터리를 지속적으로 사용함에 따라 셀 내부의 리튬 석출, 임피던스 증가 및 온도 상승 등으로 인해 배터리 셀을 통과하는 초음파 신호의 속도가 증가하기 때문이다.
도 4b는 배터리 셀을 통과하는 초음파 신호의 진폭 변화를 충방전 사이클 횟수에 따라 나타낸 그래프이다. 도 4b를 참조하면, 충방전 사이클의 횟수가 늘어남에 따라(즉, 배터리의 사용에 의해 잔존 수명이 감소함에 따라) 초음파 신호의 진폭이 전반적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 배터리를 지속적으로 사용함에 따라 셀 내부의 리튬 석출, 임피던스 증가 및 온도 상승 등으로 인해 배터리 셀을 통과하는 초음파 신호의 강도가 증가하기 때문이다.
일 실시예에 따르면, 충방전부(120)에 의해 배터리 셀(20)의 충전 또는 방전이 수행되는 동안 초음파 센싱부(130)에서 측정된 초음파 신호의 특성에 기초하여 배터리 셀의 상태를 보다 정밀하게 추정할 수 있다.
구체적으로, 배터리 셀의 초기 리튬 석출과 같은 결함의 경우, 특정 충전 구간에서 관찰될 수 있으나 해당 구간을 지나면 석출된 금속이 용해되어 사라지는 현상이 발생한다. 이 경우, 배터리 셀의 충방전 검사와 별도로 실시되는 일반적인 초음파 검사로는 이상을 진단할 수 없으나, 실시예에 따르면 충방전 테스트용 연결부에 구비된 초음파 센서를 통해 충전 또는 방전과 동시에 초음파 검사를 실시할 수 있어 진단이 용이하다.
이뿐만 아니라, 종래에는 배터리 셀의 바디 부위에 초음파 트랜스듀서를 접촉하여 초음파 검사를 실시하였는데, 이에 따르면, 특히 파우치형 배터리의 경우 트랜스듀서와 배터리의 압착 과정에서 변형으로 인한 내부 결함이 발생할 가능성이 있고, 셀의 표면에 직접 커플런트를 바르는 것은 상품성 측면에서도 바람직하지 않다.
실시예에 따르면, 셀의 표면이 아닌 전극 리드 부분에 그리퍼를 결합하여 초음파 신호를 인가함으로써 상기한 문제점들을 해결할 수 있고, 셀의 내부적 결함뿐만 아니라 전극의 결함이나 다른 구성요소와의 연결 상의 결함도 검사할 수 있다는 기술적인 장점이 있다.
이상에서 설명한 배터리 검사 장치에 의하면, 초음파 센서를 구비한 연결부를 이용해 배터리의 충방전 검사와 동시에 초음파 검사를 실시함으로써, 충방전 데이터 및 초음파 신호의 특성에 따라 배터리 셀의 상태(리튬 석출, 전극 리드 결함 여부, 잔존 수명 등)를 판단할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법을 나타낸 순서도이다. 배터리 검사 장치(10)와 배터리(20)의 구성요소는 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 바와 같다.
도 5를 참조하면, 단계(S100)에서 배터리 셀의 전극과 연결부 사이에 초음파 매질층을 형성할 수 있다. 본 단계(S100)는 배터리 셀의 전극에 연결부를 접촉시키기 전에, 또는 연결부를 접촉시킨 후 용액 주입부에 의해 선택적으로 수행될 수 있다. 초음파 신호는 매질에 따라 전달 속도와 크기가 달라지므로 전극과 연결부가 밀착되어 있지 않으면 에어 갭(air gap)으로 인해 신호의 특성이 왜곡될 가능성이 높다. 따라서, 전극과 연결부 사이에 수용성 커플런트를 주입하여 이들을 압착시키고, 초음파 신호가 왜곡되지 않고 배터리 셀을 통과할 수 있도록 한다.
단계(S200)에서는, 배터리 셀의 전극과 연결된 연결부를 통해 배터리 셀을 충전 또는 방전시킨다. 일 실시예에 따르면, 연결부는 배터리 충방전기에서 배터리 전극과 충방전기를 연결한 상태로 고정되기 위해 사용되는 그리퍼일 수 있고, 전극과 접촉하는 부위는 전류가 통하는 금속 재질로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 충방전부는 미리 설정된 C-rate로 배터리 셀을 충전하거나 방전시키면서 상기 배터리 셀의 전기적 파라미터(전류, 전압, 임피던스 등)를 측정할 수 있다. 측정된 파라미터는 초음파 신호 분석 결과와 함께, 또는 독립적으로 배터리 셀의 상태 판단에 활용될 수 있다.
단계(S300)에서는, 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력한다. 일 실시예에 따르면, 본 단계(S300)는 배터리 셀의 일측 전극 리드에 접촉된 연결부의 제1 접촉부 내부에 위치한 초음파 송신부에 의해 수행될 수 있다(도 2, 3 참조). 초음파 송신부는 전원으로부터 공급 받은 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하는 압전 소자로 구성된 초음파 트랜스듀서일 수 있다.
단계(S400)에서는, 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지한다. 일 실시예에 따르면, 본 단계(S400)는 배터리 셀의 반대측 전극 리드에 접촉된 연결부의 제2 접촉부 내부에 위치한 초음파 수신부에 의해 수행될 수 있다(도 2, 3 참조), 초음파 수신부는 초음파 신호를 감지하여 전기 신호로 변환하는 초음파 센서일 수 있다.
단계(S500)에서는, 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 상기 배터리 셀을 통과하여 감지된 초음파 신호의 특성에 기초하여 배터리 셀의 상태를 판단한다.
일 실시예에 따르면, 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계(S500)는, 초음파 신호의 속도 변화, 진폭 변화 등 초음파 신호의 특성에 기초하여 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 초음파 센싱부는 출력 초음파 신호와 감지된 초음파 신호의 진폭 변화, 초음파 신호가 배터리 셀을 통과하는데 소요되는 시간(Time of Flight) 등 초음파 신호의 특성 정보를 획득할 수 있고, 컨트롤러는 이에 기초하여 배터리 셀의 상태를 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계(S500)는, 초음파 신호의 특성(예컨대, 초음파 신호의 속도 변화, 진폭 변화 등)에 기초하여 배터리 셀 내부의 리튬 석출 여부를 판단하거나, 배터리 셀의 전극 리드의 결함 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 초음파 신호의 특성 및 배터리 셀의 충방전 데이터(예컨대, 배터리 셀의 전류, 전압, 임피던스 데이터 등)에 기초하여 배터리 셀의 충전 상태(State of Charge), 건강 상태(State of Health) 등 상태 파라미터를 산출할 수 있다.
도 4a 및 4b를 참조하여 전술한 바와 같이, 초음파 신호의 특성은 배터리 셀의 충방전 사이클의 횟수가 늘어남에 따라(즉, 배터리의 사용에 의해 잔존 수명이 감소함에 따라) 달라지므로, 초음파 신호가 배터리 셀을 통과하는데 소요되는 시간(ToF), 진폭의 변화 등 특성 정보와 충방전 데이터를 활용하여 배터리 셀의 상태를 보다 정밀하게 추정할 수 있다.
구체적으로, 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 동안 초음파 신호의 변화를 분석함으로써, 초기 리튬 석출과 같이 일부 충전 구간에서만 관찰될 수 있는 이상을 검출할 수 있다. 이 경우, 배터리 셀의 충방전 검사와 별도로 실시되는 일반적인 초음파 검사로는 이상을 진단할 수 없으나, 실시예의 검사 방법에 따르면 충방전 테스트용 연결부에 구비된 초음파 센서를 통해 충전 또는 방전과 동시에 초음파 검사를 실시할 수 있어 진단이 용이하다.
도 6은 일 실시예에 다른 배터리 검사 장치의 하드웨어 구성을 나타낸다
도 6을 참조하면, 배터리 검사 장치(10)는, 각종 처리 및 각 구성을 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU; 1010)와, 운영체제 프로그램 및 각종 프로그램 등이 기록되는 메모리(1020)와, 배터리 셀 모듈 및/또는 반도체 스위칭 소자와의 사이에서 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 제공하는 입출력 인터페이스(1030)와, 유무선 통신망을 통해 외부와 통신 가능한 통신 인터페이스(1040)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 배터리 검사 장치의 실행을 위한 컴퓨터 프로그램은 메모리(1020)에 기록되고, 마이크로 컨트롤러(1010)에 의해 처리됨으로써 예를 들면 도 1 및 도 2에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수 있다.
상기한 실시예에 따른 배터리 검사 장치의 동작 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
이상에서, 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었으나, 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 목적 범위 안에서라면 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술 사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 문서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (14)
- 배터리 셀의 전극과 연결되는 연결부;
상기 연결부를 통해 상기 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 충방전부;
상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력하고 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 초음파 센싱부; 및
상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 컨트롤러를 포함하는, 배터리 검사 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 초음파 센싱부는,
상기 배터리 셀의 일측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치하며, 상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 송신하는 초음파 송신부; 및
상기 배터리 셀의 반대측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치하며, 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 속도 변화 및 진폭 변화 중 적어도 하나에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀 내부의 리튬 석출 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 전극 리드의 결함 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 초음파 신호의 특성 및 상기 배터리 셀의 충방전 데이터에 기초하여 상기 배터리 셀의 충전 상태(State of Charge) 및 건강 상태(State of Health) 중 적어도 하나를 산출하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 배터리 셀의 전극 리드와 상기 연결부 사이에 초음파 매질층을 형성하기 위한 용액 주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치. - 배터리 셀의 전극과 연결되는 연결부를 통해 배터리 셀을 충전 또는 방전시키는 단계;
상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력하는 단계;
상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 단계; 및
상기 배터리 셀이 충전 또는 방전되는 동안 상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계를 포함하는, 배터리 검사 장치의 동작 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 배터리 셀을 향해 초음파 신호를 출력하는 단계는, 상기 배터리 셀의 일측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치한 초음파 송신부에 의해 수행되고,
상기 배터리 셀을 통과한 초음파 신호를 감지하는 단계는, 상기 배터리 셀의 반대측 전극 리드와 접촉하는 상기 연결부 내부에 위치한 초음파 수신부에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치의 동작 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 속도 변화 및 진폭 변화 중 적어도 하나에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치의 동작 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀 내부의 리튬 석출 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치의 동작 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 특성에 기초하여 상기 배터리 셀의 전극 리드의 결함 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치의 동작 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 배터리 셀의 상태를 판단하는 단계는, 상기 초음파 신호의 특성 및 상기 배터리 셀의 충방전 데이터에 기초하여 상기 배터리 셀의 충전 상태(State of Charge) 및 건강 상태(State of Health) 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치의 동작 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 배터리 셀의 전극 리드와 상기 연결부 사이에 초음파 매질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 검사 장치의 동작 방법.
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