KR20240011935A - 이차전지의 절연 평가장치 - Google Patents

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이주경
윤승범
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Abstract

본 발명은 이차전지의 절연 평가장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 파우치형 셀의 절연성을 평가하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 이차전지의 절연 평가장치는, 상기 이차전지의 전지 셀에 교류전압을 인가하고, 인가된 교류전압에 대한 출력 신호에 기초하여 획득되는 임피던스를 통해 상기 전지 셀의 절연 여부를 판단하도록 구성된다.

Description

이차전지의 절연 평가장치{DEVICE FOR EVALUATING INSULATION OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지의 절연 평가장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 전지 셀의 절연성을 평가하기 위한 장치에 관한 것이다.
근래 엔진을 대신하여 모터에 의해 구동되는 전기차에 대한 관심이 높아지고 있다. 전기차의 핵심적인 구성요소 중 하나인 이차전지는 모터에 전력을 공급하도록 구성된다.
고전압, 고용량을 갖도록 전기차의 이차전지는 복수의 단위 셀이 모듈, 팩 형태로 조립된다. 단위 셀은 포장재의 유형에 따라 파우치형, 각형, 원통형 등으로 분류될 수 있다.
예를 들어, 이 중 파우치형 셀은 공간 효율이 우수하여 에너지 밀도가 높은 이점이 있어 널리 사용되고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 셀(C)은 분리막(10), 양극(20) 및 음극(30)이 포장재(40) 내에 수용되고, 전해액이 주입된 뒤 실링된다. 그리고 파우치형 셀(C)의 포장재(40)는 외측 절연층(42), 알루미늄층(44) 및 내측 절연층(46)을 포함한다.
외측 절연층(42)은 셀(C)을 외부의 충격으로부터 보호하도록 마련되고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 수지를 포함할 수 있다. 알루미늄층(44)은 기계적 강도를 유지하고, 산소와 수분에 대한 배리어층의 역할을 한다. 내측 절연층(46)은 실링을 하고, 예를 들어, 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 등을 포함할 수 있다.
파우치형 셀(C) 제작 중 여러 이유로 포장재(40)의 알루미늄층(44)이 손상될 수 있다. 예를 들어, 전극을 위한 형상 형성을 위해 포장재(40)의 성형을 진행하게 되는데, 불량 셀의 경우 내측 절연층(46)이 녹는 현상이 발생한다. 또는, 완성된 전극(20, 30)을 셀(C)에 삽입하여 셀 조립 시 내측 절연층(46)이 손상(스크래치가 발생)되거나 밀봉 시 내측 절연층(46)이 녹는 현상이 발생하기도 한다. 이때 알루미늄층(44)과 접착층이 박리가 되면서 포장재(40)의 절연이 파괴되고, 전극(20, 30)과 포장재(40)간 단락이 발생하게 된다.
셀(C) 조립 시 알루미늄층(44)이 노출되는 경우 알루미늄층(44)과 셀(C)의 전극(20, 30) 간에 접촉이 이루어질 수 있다. 만일 전극(20, 30)과 포장재(40) 사이가 절연이 되지 않으면 이차전지의 충방전 시 알루미늄층(44)의 부식 현상이 진행된다. 알루미늄층(44)이 부식되면 누전이 발생할 수 있고, 다수의 셀들이 접촉하고 있는 전기차 이차전지의 경우 안전성에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이에 제작 시 파우치형 셀의 절연저항 검사가 이루어지고 있다.
등록특허공보 제10-1021706호 (등록일자: 2011.03.04)
본 발명은 측정 신뢰도가 향상된 절연 평가장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 이차전지의 절연 평가장치는, 상기 이차전지의 전지 셀에 교류전압을 인가하고, 인가된 교류전압에 대한 출력 신호에 기초하여 획득되는 임피던스를 통해 상기 전지 셀의 절연 여부를 판단하도록 구성된다.
본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 절연 평가장치의 작동방법은 측정모듈의 측정 프로브를 전지 셀에 연결하는 단계; 측정모듈에 의해 상기 전지 셀에 교류전압이 인가되는 단계; 제어기에 의해 인가된 교류전압에 대한 출력신호가 분석되는 단계; 분석된 상기 출력신호에 기초하여 임피던스를 산출하는 단계; 및 산출된 상기 임피던스에 기반하여 상기 전지 셀의 절연 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 교류전압을 사용하여 측정 신뢰도가 향상된 절연 평가장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 기존 검사장치의 간소화를 통해 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 절연 평가장치가 제시된다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 파우치형 전지 셀의 단면도를 도시하고,
도 2a는 파우치형 셀의 절연전압 검사의 개략적인 레이아웃을 도시하고,
도 2b는 파우치형 셀의 절연저항 검사의 개략적인 레이아웃을 도시하고,
도 2c는 본 발명에 따른 절연 평가시의 개략적인 레이아웃을 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 절연 평가장치의 구성도를 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 절연 평가장치에 의한 절연성 측정을 설명하기 위한 파우치형 셀의 단면도를 도시하고,
도 5a 및 5b는, 각각, 절연된 정상 셀의 등가회로와 나이퀴스트 선도를 도시하고,
도 6a 내지 6c는, 각각, 전극과 알루미늄층간 절연이 파괴된 셀의 등가회로와 나이퀴스트 선도를 도시하고,
도 7a 및 7b는 손상 정도가 서로 다른 포장재의 셀에 본 발명에 따른 절연 평가를 실행한 결과를 보드선도로 도시하고,
도 7c는 손상 정도가 서로 다른 포장재의 셀에 본 발명에 따른 절연 평가를 실행한 결과를 나이퀴스트 선도로 도시하고,
도 8a 및 8b는, 각각, 셀에 추가저항이 연결된 경우의 등가회로와 나이퀴스트 선도를 도시하고,
도 9는 본 발명에 따른 절연 평가장치의 작동 흐름도를 도시한다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
앞서 설명한 바와 같이, 이차전지의 절연저항 및 절연전압 검사는 이차전지의 안전성과 직결되는 매우 중요한 검사항목 중 하나이다.
도 2a 내지 2b를 참조하면, 종래 검사방법으로 절연전압 및 절연저항 측정이 있다. 셀 조립단계 중 디가스(degas) 단계에서의 절연측정방법은 셀(C)의 가스방(50)을 천공(piercing)하여 천공부(52)를 형성한다. 프로브(60)를 통해 직류전압을 인가하여 양극(20)의 경우에는 천공부(52)와 양극 탭(22)간 절연전압(V)이 측정되며, 음극(30)에서는 천공부(52)와 음극 탭(32)간 절연저항(R)이 측정된다. 셀 조립이 완성된 후 절연검사가 추가적으로 이루어질 수 있다. 절연전압의 경우 저장된 전하량에 따라 측정값의 오차가 발생하고, 절연저항의 경우 측정시간, 측정방식, 설비 구성에 따라 오차가 발생할 수 있다.
이처럼 현존기술에서는 절연저항 및 절연전압 검사 시 개별적으로 별도의 검사장치가 필요하다. 또한, 현존 방식으로는 양극 탭(22) 또는 음극 탭(32)의 접촉으로 포장재(40)가 양극(20) 또는 음극(30)의 전위를 띠게 될 경우 전해액이 내측 절연층(46)에서 손상된 부분에 침투하여 전위가 측정 가능할 때만 검출이 가능하다. 즉, 포장재(40)의 손상 부위가 미세하여 손상부위에 전해액이 닿지 않았을 경우에는 검출이 불가능하다. 그리고 전지 셀 내부의 절연저항에 영향을 주는 인자로는 내측 절연층(46)의 저항과, 알루미늄층(44)과 양극 및 음극 사이 전하 저장용량의 인자가 있다. 다만, 현존 측정법으로는 절연층의 저항값과 포장재(40)의 전하 저장용량의 값을 분리해서 찾아내기가 곤란하다는 문제가 있다.
이에, 도 2c와 같이, 본 발명은 교류전압(AC)의 인가를 통해 손상부를 보다 정밀하게 구분할 수 있는 이차전지의 절연 평가장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면, 절연성 평가를 위해 종래 이용되는 전압 검사장치 및 저항 검사장치를 하나의 장치로 통합하여 분석가능하게 함으로써, 비용을 절감시키고 생산성 향상에 기여할 수 있는 이차전지 절연 평가장치 및 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 절연 평가는 젤리 롤 상태, 셀 제조 시뿐만 아니라 완성 셀(노후화된 셀 포함), 모듈, 팩 및 배터리에도 사용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 3 내지 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지의 절연 평가장치는 고정장치(110), 측정모듈(120) 및 제어기(160)를 포함한다.
고정장치(110)는 검사대상인 셀(C)을 안착하고 고정하도록 구성된다. 고정장치(110)는 검사 중 셀(C)이 움직이지 않도록 고정시킴으로써 검사 중 오차를 최소화할 수 있게 구성된다.
측정모듈(120)은 절연성 판단을 위한 입력 신호를 생성하고, 입력 신호에 대한 셀(C)의 응답인 출력 신호를 수집하도록 구성된다. 측정모듈(120)은 알루미늄층(44)과 탭(22, 32)의 절연 및 전해액 노출 여부를 측정하도록 구성된다.
본 발명의 구현예에 따르면, 측정모듈(120)은 측정 프로브(130), 신호 생성부(140), 출력 수집부(150)를 포함한다.
측정모듈(120)은 셀(C)에 연결가능하게 구성된다. 구체적으로, 측정 프로브(130)는 측정모듈(120)과 셀(C)을 전기적으로 연결한다. 비제한적인 예로서, 측정 프로브(130)는 통전고무, 메탈 폼(금속 패브릭 폼) 또는 금속으로 구성될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 측정 프로브(130)는 적어도 두 개의 측정 프로브(130)를 포함할 수 있다. 적어도 두 개의 측정 프로브(130) 중 하나의 측정 프로브(130)는 전지 셀(C)의 양극 탭(22) 및 음극 탭(32) 중 하나에 연결되고, 적어도 두 개의 측정 프로브(130) 중 다른 하나의 측정 프로브(130)는 포장재(40)의 알루미늄층(44)에 접촉된다. 셀(C)의 제조 중에는 셀(C)의 가스방을 천공하여 측정 프로브(130)를 알루미늄층(44)에 접촉시킬 수도 있고, 포장재(40)의 단부에 노출되는 알루미늄층(44)에 측정 프로브(130)를 접촉시켜 측정을 수행할 수도 있다. 그리고 완성된 셀(C), 전지 모듈 단계 또는 전지 팩 단계에서는 각 셀(C)의 단부에 노출되는 알루미늄층(44)에 측정 프로브(130)를 접촉시켜 비파괴 검사를 수행할 수 있다.
신호 생성부(140)는 교류전압을 생성하고, 생성된 교류전압은 셀(C)에 인가된다. 신호 생성부(140)는, 특히, 높은 주파수에서부터 낮은 주파수로 변경하면서 교류전압을 인가할 수 있다. 비제한적인 예로서, 주파수는 500KHz부터 100mHz까지 감소되며 인가될 수 있다. 다른 비제한적인 예로서, 교류전압의 진폭은 1mV 내지 500mV까지 변경될 수 있다. 포장재(40)와 전극 탭 사이를 충방전하여 일정 전압(예를 들어, 2 내지 5V)을 유지시키면서 교류전압이 인가될 수도 있다. 본 발명에 따르면, 교류의 전기적 특성을 이용하여 셀(C)의 손상여부를 해석한다. 교류에서는 인가된 전압에 따라 전류의 진폭과 위상이 변화한다. 본 발명은 이를 이용하여 등가회로로 해석함으로써, 내부의 전기적 특성을 쉽게 파악할 수 있다.
출력 수집부(150)는 입력된 교류전압 대한 셀(C)의 응답을 수집하도록 구성된다. 구체적으로, 출력 수집부(150)는 셀(C)을 통해 출력되는 출력 신호의 진폭과 위상 변화를 측정한다.
출력 수집부(150)에 의해 수집된 측정 데이터는 기억부(170)에 저장된다. 일부 구현예에서, 기억부(170)는 측정모듈(120) 내에 마련되는 저장소일 수 있다. 일부 구현예에서, 기억부(170)는 측정모듈(120)과는 별개로 마련되는 저장소일 수 있다. 기억부(170)는 비휘발성 메모리일 수 있다. 또한, 기억부(170)는 제어기(160)와 통신가능하게 구성되어, 제어기(160)는 기억부(170)에 저장된 측정 데이터에 접근가능하게 구성된다. 일부 구현예에서, 기억부(170)는 제어기(160)에 포함될 수 있다.
제어기(160)는 측정 데이터를 처리하도록 구성된다. 구체적으로, 제어기(160)는 인가된 교류전압에 대한 전류의 응답특성을 해석하여 저항, 전기용량을 산출하고, 임피던스를 산출하도록 구성된다.
또한, 제어기(160)는 산출된 임피던스를 시각화하여 제공한다. 예를 들어, 산출된 데이터는 보데선도, 나이퀴스트선도로 시각화될 수 있고, 시각화된 데이터는 모니터와 같은 출력부(180)에 표시될 수 있다. 예를 들어, 주파수 응답 해석 중 나이퀴스트 또는 보데 선도화하여 보게 되면 특정 주파수 구간에서 저항성분과 전기용량의 성분이 쉽게 구분될 수 있고, 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
전지의 저항성분과 포장재의 손상으로 발생된 전기용량은 각각의 주파수에서 진폭과 위상이 변화한다. 이를 이용하여 전기적 특성을 임피던스 분석을 통해 전자회로와 같은 표준 모델로 등가하여 해석하면 전기적 특성을 쉽게 파악할 수 있다. 본 발명은 주파수 대역별로 포장재(40)의 절연층의 실링 부분으로 흐르는 전류와, 포장재(40)와 전극 사이에 저장되는 전류를 분리하여 분석할 수 있다.
셀(C)의 절연저항은 포장재(40)의 알루미늄층(44)과 탭 사이의 절연층의 저항과 포장재(40)의 전하 저장용량으로 구성되고, 포장재(40)와 전극 사이에 저장되는 전류는 축전기(capacitor)의 특성을 지닌다.
이하에서는 본 발명에 따른 절연 평가방법을 설명하기로 한다.
절연 평가를 위하여 측정모듈(120)에 의해 셀(C)에는 고주파수로부터 저주파수의 교류전압이 인가된다. 주파수 응답의 해석 중 나이퀴스트 선도를 통해 살펴보기로 한다. 도 5a, 6a에는 나이퀴스트 선도가 도시되어 있으며, 가로축은 임피던스의 실수부(Re, Z')를, 세로축은 임피던스의 허수부(Im, -Z”)를 가리킨다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 셀(C)의 절연이 정상인 경우, 나이퀴스트 선도는 저주파수로 갈수록 -Z”축 또는 Im축을 따라 수직 상승한다. 절연상태가 우수할수록 -Z”축 또는 Im축 방향을 따라서 특정 저항값에서 수직 상승하는 그래프로 변화하게 된다. 즉, 절연이 정상인 셀(C)의 경우, 임피던스의 위상각은 실질적으로 90° 또는 90°에 근접하게 된다.
절연이 정상인 셀(C)의 등가회로는 도 5b와 같이 도식화될 수 있다. 즉, 상기 등가회로는 측정 프로브(130), 포장재(40)의 알루미늄층(44) 접촉부 등의 측정기구 자체저항(R1)과, 알루미늄층(44)과 탭(22, 32) 사이의 절연저항(R2) 및 포장재(40)의 전하 저장용량(C1)으로 이루어질 수 있다.
반대로, 포장재(40)에 손상이 있는 경우 등 셀(C)의 절연이 파괴된 경우, 도 6a에 도시된 바와 같이, 저항성분에 의해 Z'축 또는 Re축 방향을 따른 변화가 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이로 인해 반원형태로 나이퀴스트 선도가 그려진다. 그리고 임피던스의 위상각은 90°보다 작아지게 된다.
절연이 파괴된 셀(C)에서는 포장재(40)의 내측 절연층(46)의 크랙이 발생한 부분으로 전류(i)가 흐르면서 또 다른 저항성분(R3)이 생겨나거나(도 6b 참조) 기존의 저장용량(C1)의 값이 다른 값(C1')으로 달라진다(도 6c 참조).
이러한 절연 평가 결과는 특정 주파수에서 임피던스의 절대값과 위상각의 정량 값으로 표현될 수 있고, 절연 파괴뿐만 아니라 포장재(40)의 내측 절연층(46)의 손상정도나 가스발생의 진행성 불량유형도 구분이 가능하며, 측정 횟수, 측정 기구 구성에 무관하여 측정 저항값은 동일하다.
예를 들어, 도 7a 내지 7c와 같이, 포장재(40)의 손상 정도가 심해질수록 측정된 주파수 범위에서의 특정 주파수에서 절대값 임피던스의 값은 증가하고, 위상각은 90°보다 점차 작아지게 된다. 아래 표의 각 값은 도 7a에 도시된 보드선도에서 획득되었다.
위상각
정상 셀 89.7 -89.0
1회 눌림 87.9 -85.2
2회 눌림 90.7 -75.1
3회 눌림 102.5 -28.8
포장재 찢김 223.3 -21.4
또한, 도 8a 내지 8b를 참조하여 본 발명에 따르면 추가저항(190)이 포함될 수 있다. 보다 정량화된 자료 확보를 위하여 측정 시 추가저항(190)을 연결하여 포장재(40)의 단락 정도를 정량화할 수 있다. 추가저항(190)은 검사 중 측정 프로브(130)를 연결하도록 장착될 수 있다. 결국 절연 파괴 시 포장재(40)의 손상 정도에 따라 저항 성분의 크기가 달라지며 그래프 상에서 내부 발생 저항만큼 추가저항에서 저항값이 감소된다.
본 발명에 따르면, 특히, 절연평가 시 교류전압이 사용된다. 직류 절연전압은 계측기 내부 고저항 소자에 의해 극 미세전류 발생 중 회로에 걸리는 전압을 측정하는 것으로 포장재와 전극 사이에 저장된 전하량에 의해 전압값이 측정된다. 하지만 저장된 전하량에 따라 측정값의 오차가 발생한다. 예시적으로, 포장재에 손상이 없는 경우 직류전압으로 각 측정부의 전압을 측정했을 때 양극의 전압은 3.7V가 측정되고 파우치 전압은 2.4V가 측정된다. 따라서, 전압은 이들의 차이 1.3V가 측정되어야 하지만 직류전압을 사용하는 경우 절연전압이 절연상태인 1.3V보다 낮게 측정되는 경향이 있다. 또한, 양극과 포장재 사이 단락 발생이나 음극과 포장재 사이 단락 시 0V 또는 약 3.55V의 값이 측정되어야 하지만 실제로는 정확한 값으로 측정되지 않는다. 이는 측정 시 실제 값이 아니라 단락의 정도에 따라 셀 내의 전기용량이 측정되면서 발생되는 오류일 가능성이 높다. 따라서, 직류전압 측정 시 단락의 정도를 쉽게 구분하지 못하지만, 본 발명에 따르면 교류전압이 사용됨으로써 전기용량 성분을 쉽게 구분할 수 있다. 직류 절연저항은 고전압 인가 후 회로에 흐르는 전류 측정 후 저항으로 환산되는 값으로, 절연층을 흐르는 전류와 포장재와 전극 사이에 저장되는 전류가 합쳐진 전류가 측정된다. 따라서, 직류 절연저항의 경우 두 전류에 의한 영향의 구분이 불가능하며, 측정시간, 측정방식 및/또는 설비 구성에 따라 오차가 발생될 수 있다.
도 9를 참조하여 본 발명에 따른 이차전지의 절연 평가장치를 이용한 절연 평가방법에 관하여 설명한다.
먼저 단계 S10에서 고정장치(110)에 검사대상인 셀(C)을 안착시키고, 고정장치(110)에 마련되는 체결부재로 견고하게 셀(C)을 고정시킨다.
그리고 단계 S20에서 측정모듈(120)의 측정 프로브(130)를 각각 양극 탭(22) 또는 음극 탭(32)과 알루미늄층(44)에 연결한다. 앞서 설명한 바와 같이, 측정 프로브(130)는 가스방의 천공을 통해 알루미늄층(44)에 접촉되거나 포장재(40)의 단부에 노출되는 알루미늄층(44)에 접촉될 수 있다.
다음 측정모듈(120)의 신호 생성부(140)로 하여금 연결된 셀(C)에 교류전압을 인가하도록 한다(S30). 이때 높은 주파수부터 낮은 주파수로 교류전압이 인가되도록 구성된다.
그 다음 측정모듈(120)은 인가된 교류전압에 대한 출력신호를 수집하고, 제어기(160)로 하여금 이를 분석하도록 한다(S40).
제어기(160)는 출력신호에 기초하여 임피던스를 산출하고(S50), 산출된 결과를 보데플롯, 나이퀴스트 플롯 등으로 시각화하여(S60) 출력부(180)를 통해 사용자에게 제공된다. 즉, 주파수 응답 분석 결과 임피던스의 위상각이 고주파수에서 저주파수로 갈수록 90°에 근접하는 경우, 해당 셀은 정상으로 판정될 수 있다. 반대로, 임피던스의 위상각이 고주파수에서 저주파수로 갈수록 90°보다 작은 값, 예를 들어, 0 내지 85°로 수렴하는 경우 해당 셀은 절연이 파괴된 것으로 판정될 수 있다.
이상에서는 전지 셀 중 파우치형 셀을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 절연 평가장치는 비단 파우치형 셀 뿐만 아니라, 각형 셀, 원통형 셀에도 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 교류전압이 사용되어 데이터를 임피던스로 확보함으로써, 저항값의 신뢰도를 높일 수 있는 절연 평가장치가 제공된다.
본 발명에 따른 절연 평가장치는 종래 절연전압 및 절연저항 측정장치를 하나로 통합함으로써 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 비파괴검사 방식이 사용되므로 이차전지 조립 직후나 일정 동안 사용 후에도 측정이 가능하다는 이점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10: 분리막 20: 양극
22: 양극 탭 30: 음극
32: 음극 탭 40: 포장재
42: 외측 절연층 44: 알루미늄층
46: 내측 절연층 50: 가스방
52: 천공부 60: 프로브
110: 고정장치 120: 측정모듈
130: 측정 프로브 140: 신호 생성부
150: 출력 수집부 160: 제어기
170: 기억부 180: 출력부
190: 추가저항

Claims (18)

  1. 이차전지의 절연 평가장치로서,
    상기 이차전지의 전지 셀에 교류전압을 인가하고, 인가된 교류전압에 대한 출력 신호에 기초하여 획득되는 임피던스를 통해 상기 전지 셀의 절연 여부를 판단하도록 구성되는 것인 평가장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전지 셀은,
    포장재;
    상기 포장재 내 밀봉되고, 분리막에 의해 서로 분리되고 서로 적층되는 양극 및 음극; 및
    상기 포장재 내 충진되어 밀봉되는 전해액;
    을 포함하는 것인 평가장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 평가장치는 상기 포장재를 통한 상기 포장재의 내부와 외부 사이의 절연 파괴 여부를 평가하도록 구성되는 것인 평가장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 포장재는,
    상기 전지 셀의 외부와 접하는 외측 절연층;
    상기 전지 셀의 내부와 접하는 내측 절연층; 및
    상기 외측 절연층 및 내측 절연층 사이에 개재되는 알루미늄층을 포함하는 것인 평가장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 평가장치는 측정모듈을 포함하고, 상기 측정모듈은,
    상기 전지 셀과 전기적인 연결을 위한 한 쌍의 프로브; 및
    상기 전지 셀에 인가되는 교류전압을 생성하도록 구성되는 신호 생성부; 및
    인가된 상기 교류전압에 대한 출력 신호를 수집하도록 구성되는 출력 수집부;
    를 포함하는 것인 평가장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 한 쌍의 프로브 중 하나는 상기 포장재에 연결되고, 상기 한 쌍의 프로브 중 다른 하나는 상기 양극 및 음극 중 어느 하나의 탭에 연결되는 것인 평가장치.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 평가장치는,
    인가된 교류전압에 대한 출력 신호를 분석하여 상기 전지 셀의 절연 여부를 판단하도록 구성되는 제어기;
    를 더 포함하는 것인 평가장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제어기는 상기 임피던스로부터 상기 전지 셀의 전기용량 및 저항을 산출하도록 구성되고, 산출된 전기용량과 저항에 기초하여 상기 셀의 절연 여부를 판단하도록 구성되는 것인 평가장치.
  9. 청구항 5에 있어서, 추가저항을 더 포함하고,
    상기 추가저항은 양 단에 상기 한 쌍의 프로브를 각각 연결하도록 장착되는 것인 평가장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 셀을 고정하도록 구성되는 고정장치를 더 포함하는 것인 평가장치.
  11. 측정모듈의 측정 프로브를 전지 셀에 연결하는 단계;
    측정모듈에 의해 상기 전지 셀에 교류전압이 인가되는 단계;
    제어기에 의해 인가된 교류전압에 대한 출력신호가 분석되는 단계;
    분석된 상기 출력신호에 기초하여 임피던스를 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 임피던스에 기반하여 상기 전지 셀의 절연 여부를 판단하는 단계;
    를 포함하는 것인 절연 평가장치의 작동방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 측정 프로브의 연결 전 고정장치에 검사대상인 전지 셀을 고정하는 단계를 더 포함하는 것인 작동방법.
  13. 청구항 11에 있어서, 산출된 상기 임피던스를 시각화하는 단계를 더 포함하고, 상기 시각화는 나이퀴스트 선도 또는 보드 선도로 제공되는 것인 작동방법.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 교류전압이 인가되는 단계에서는,
    기 설정된 주파수의 범위 내에서 큰 주파수의 교류전압으로부터 작은 주파수의 교류전압으로 감소시키며 인가되는 것인 작동방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 절연 여부를 판단하는 단계에서는,
    상기 기 설정된 주파수의 범위 내에서 작은 주파수의 교류전압으로 갈수록 산출된 임피던스의 위상각이 90°에 근접하는 경우, 상기 셀은 절연이 정상인 것으로 판단되는 것인 작동방법.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 절연 여부를 판단하는 단계에서는,
    상기 기 설정된 주파수의 범위 내에서 작은 주파수의 교류전압으로 갈수록 산출된 임피던스의 위상각이 90°보다 작은 값으로 수렴하는 경우, 상기 셀은 절연이 파괴된 것으로 판단되는 것인 작동방법.
  17. 청구항 14에 있어서, 상기 측정 프로브는, 상기 전지 셀의 포장재 중 알루미늄층과 상기 전지 셀의 전극 탭에 각각 연결되는 것인 작동방법.
  18. 청구항 1 또는 11에 있어서, 상기 전지 셀은 파우치형 셀, 각형 셀 및 원통형 셀 중 어느 하나인 것인 평가장치.
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