KR20240098475A - 자동차용 전지 모듈 프레임의 용접부 가속피로 평가장치 - Google Patents

자동차용 전지 모듈 프레임의 용접부 가속피로 평가장치 Download PDF

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Abstract

개시되는 발명은 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치에 관한 것으로서, 하나의 예에서, ∪-프레임의 상면과 양측면에 각각 탑 플레이트와 엔드 프레임을 용접한 모듈 프레임에 대해, 용접되지 않은 ∪-프레임의 저면을 개방한 시험용 모듈 프레임;과, 상기 시험용 모듈 프레임의 전면과 후면을 지지하도록 연결되는 센터 지그;와, 상기 시험용 모듈 프레임의 엔드 프레임을 하방 지지하는 가이드 블록 지그;와, 상기 시험용 모듈 프레임 안으로 진입하여 상기 탑 플레이트 내면에 대해 반복하중을 가하는 피스톤;과, 상기 피스톤과 탑 플레이트 내면 사이에 개재된 적어도 하나 이상의 전지 셀; 및 상기 탑 플레이트의 외면 중앙에서의 변형을 측정하는 변위센서를 포함한다.

Description

자동차용 전지 모듈 프레임의 용접부 가속피로 평가장치{ACCELERATED FATIGUE TESTING APPARATUS FOR BATTERY MODULE FRAME OF VEHICLE}
본 발명은 자동차용 전지 모듈 프레임의 용접부에 대해 전지 셀의 스웰링 거동을 모사한 반복하중을 가함으로써 용접부의 가속피로 파괴에 대한 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있는 모듈 프레임의 용접부 가속피로 평가장치에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.
전기자동차와 같이 이차전지가 대용량으로 요구되는 경우에는, 다수의 전지 셀이 직렬 및/또는 병렬연결을 통해 집합된 구조를 이룸으로써 필요한 용량조건을 충족시키게 된다. 다수의 이차전지를 수납하기 위한 케이스로서 모듈 프레임이 마련되며, 모듈 프레임 내부에 직육면체 형태로 형성된 수용공간에 다수의 전지 셀이 가지런히 적층되어 수납된다.
모듈 프레임은 여러 개의 플레이트들 용접하여 제작되는 것이 보편적인데, 도 1에는 이러한 모듈 프레임의 일례가 도시되어 있다. 모듈 프레임은 ∪자 형태로 절곡된 ∪-프레임의 좌우로 엔드 프레임이 용접되고, 모듈 프레임의 상면을 형성하는 나머지 한 면에는 탑 플레이트가 용접됨으로써 완성된다.
모듈 프레임 안에 수납된 복수의 전지 셀은 충방전을 반복하는 과정에서 전지 셀 안의 전극조립체에는 스웰링 현상이 발생한다. 전극조립체가 충방전에 의해 팽창과 수축을 반복하면서 부풀어오르는 스웰링 현상에 의해 전지 셀에도 국부적인 팽창 현상이 일어나며, 전지 셀의 팽창에 의해 모듈 프레임은 지속적인 압력을 받게 된다.
모듈 프레임은 전지 모듈의 수명까지 그 내구성을 유지해야 하므로, 전지 모듈의 설계 초기단계에서 모듈 프레임의 구조 안정성에 대한 평가가 반드시 필요하다. 그러나, 실제 전지 셀의 충방전을 반복하면서 모듈 프레임의 구조 안정성을 평가하기에는 오랜 시간이 소요되므로, 시험시간을 단축할 수 있는 모사 실험이 진행된다.
도 1의 모듈 프레임에서 피로파괴가 가장 우려되는 것은 탑 플레이트의 용접부 영역이다. 차곡차곡 쌓인 전지 셀이 팽창하면 그 변형에 의한 힘이 상하방향으로 작용하는데, 모듈 프레임의 하면은 일체형 절곡 구조이기 때문에 상대적으로 탑 플레이트의 용접부가 구조적으로 취약하다. 따라서, 반복하중에 의한 피로파괴에 의해 탑 플레이트의 용접부에 크랙이 발생하여 용접부를 따라 전파됨으로써 탑 플레이트가 파손되는 경우가 예상되므로, 이에 대한 평가를 진행하게 된다.
종래에는 탑 플레이트에 피스톤 유압으로 일정한 하중을 반복하여 가하는 방식으로 시험을 진행해 왔다. 그런데, 전지 셀의 중앙부분이 가장 많이 팽창하는 특성을 모사하기 위해 피스톤은 그 중앙영역이 완만히 튀어나온 볼록형태를 이루고 있는데, 그 볼록형태의 크기나 모양에 따라 실험 결과에 큰 차이가 나타남을 발견했다.
또한, 피스톤에 인가되는 유압은 수명말기(EOL, End Of Life)에서의 하중조건을 따르고 있었는데, 초기부터 너무 가혹한 조건으로 시험이 진행됨으로써 모듈 프레임의 실제 수명에 대한 신뢰성 있는 결과를 얻기 어려웠다.
한국공개특허 제2022-0037635호(2022.03.25 공개)
본 발명은 모듈 프레임에 수납되는 전지 셀의 스웰링 거동을 모사한 반복하중을 실제에 유사한 조건으로 가함으로써 용접부의 가속피로 파괴에 대한 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있는 가속피로 평가장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치에 관한 것으로서, 하나의 예에서, ∪-프레임의 상면과 양측면에 각각 탑 플레이트와 엔드 프레임을 용접한 모듈 프레임에 대해, 용접되지 않은 ∪-프레임의 저면을 개방한 시험용 모듈 프레임;과, 상기 시험용 모듈 프레임의 전면과 후면을 지지하도록 연결되는 센터 지그;와, 상기 시험용 모듈 프레임의 엔드 프레임을 하방 지지하는 가이드 블록 지그;와, 상기 시험용 모듈 프레임 안으로 진입하여 상기 탑 플레이트 내면에 대해 반복하중을 가하는 피스톤;과, 상기 피스톤과 탑 플레이트 내면 사이에 개재된 적어도 하나 이상의 전지 셀; 및 상기 탑 플레이트의 외면 중앙에서의 변형을 측정하는 변위센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전지 셀은, 상기 모듈 프레임에 탑재되는 전지 셀과 동일 사양일 수 있다.
예를 들어, 상기 전지 셀은 파우치 셀일 수 있으며, 상기 파우치 셀은 완전 방전상태에서 상기 피스톤과 탑 플레이트 내면 사이에 개재되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 가이드 블록 지그는 상기 엔드 프레임의 용접부를 침범하지 않도록 그 모서리를 하방 지지하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 피스톤이 상기 전지 셀을 매개로 하여 상기 탑 플레이트에 인가하는 반복하중은, 상기 전지 셀의 충방전 사이클의 진행에 따른 스웰링 팽창과 수축의 변위를 모사한 프로파일로서 인가될 수 있다.
예를 들어, 상기 피스톤이 상기 전지 셀을 매개로 하여 상기 탑 플레이트에 인가하는 반복하중은, 상기 전지 셀의 충방전 사이클의 진행에 따른 스웰링 팽창과 수축의 변위를 하중으로 변환한 하중-사이클 프로파일로서 인가될 수 있다.
상기 하중-사이클 프로파일은, 충전시 하중과 방전시 하중이 사이클의 진행에 따라 커지는 양상을 가질 수 있다.
또한, 상기 하중-사이클 프로파일은, 충전시 하중과 방전시 하중 사이의 차이값이 사이클의 진행에 따라 커지는 양상을 가질 수 있다.
그리고, 상기 변위센서에서 측정한 상기 탑 플레이트의 변형량이 선형적인 증가 양상에서 벗어나 순간적으로 급격 증가하는 사이클에서 상기 탑 플레이트의 용접부가 파괴된 것으로 판단할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치는, 센터 지그와 가이드 블록 지그에 의해 차량에 탑재된 모듈 프레임의 구속조건을 모사하는 한편 피스톤이 탑 플레이트 내면에 대해 반복하중을 가함으로써 모듈 프레임 내부에서 전지 셀이 스웰링 거동을 하는 가압조건을 모사할 수 있고, 이를 통해 모듈 프레임 용접부의 가속피로에 대한 평가를 신뢰성 있게 수행할 수 있다.
또한, 피스톤의 반복하중이 탑 플레이트의 내면 사이로 개재된 전지 셀을 통해 탑 플레이트의 용접부에 작용하게 되고, 이를 통해 실제 조건에서 전지 셀이 탑 플레이트에 힘을 가하는 조건에 더욱 유사하게 접근할 수 있으며, 피스톤의 형상에 의해 평가결과에 편차가 발생하는 일이 방지된다.
그리고, 충방전 사이클에 따른 실제 전지 셀의 스웰링 거동을 분석하여 이를 피스톤에 인가되는 반복하중의 사이클로 적용함으로써, 시험 초기부터 수명말기의 하중조건을 적용함에 따른 과다 추정에서 벗어나, 보다 현실적이고 신뢰성 있는 시험결과를 도출할 수 있게 된다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 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 자동차용 전지 모듈 프레임의 일례를 도시한 도면.
도 2는 시험용 모듈 프레임에 센터 지그와 가이드 블록 지그를 설치하는 구조를 도시한 도면.
도 3은 시험용 모듈 프레임에 센터 지그와 가이드 블록 지그가 설치된 상태를 도시한 도면.
도 4는 도 2의 시험용 모듈 프레임을 포함하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치를 도시한 도면.
도 5는 충방전 사이클에 따른 전지 셀의 스웰링 거동에 대한 일례를 도시한 도면.
도 6은 도 5의 스웰링 거동을 하중-사이클 프로파일로 변환한 일례를 도시한 도면.
도 7은 도 4의 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치를 이용한 피로시험의 결과에 대한 일례를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 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 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치에 관한 것으로서, 하나의 예에서, ∪-프레임의 상면과 양측면에 각각 탑 플레이트와 엔드 프레임을 용접한 모듈 프레임에 대해, 용접되지 않은 ∪-프레임의 저면을 개방한 시험용 모듈 프레임;과, 상기 시험용 모듈 프레임의 전면과 후면을 지지하도록 연결되는 센터 지그;와, 상기 시험용 모듈 프레임의 엔드 프레임을 하방 지지하는 가이드 블록 지그;와, 상기 시험용 모듈 프레임 안으로 진입하여 상기 탑 플레이트 내면에 대해 반복하중을 가하는 피스톤;과, 상기 피스톤과 탑 플레이트 내면 사이에 개재된 적어도 하나 이상의 전지 셀; 및 상기 탑 플레이트의 외면 중앙에서의 변형을 측정하는 변위센서를 포함한다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치는, 센터 지그와 가이드 블록 지그에 의해 차량에 탑재된 모듈 프레임의 구속조건을 모사하는 한편 피스톤이 탑 플레이트 내면에 대해 반복하중을 가함으로써 모듈 프레임 내부에서 전지 셀이 스웰링 거동을 하는 가압조건을 모사할 수 있고, 이를 통해 모듈 프레임 용접부의 가속피로에 대한 평가를 신뢰성 있게 수행할 수 있다.
또한, 피스톤의 반복하중이 탑 플레이트의 내면 사이로 개재된 전지 셀을 통해 탑 플레이트의 용접부에 작용하게 되고, 이를 통해 실제 조건에서 전지 셀이 탑 플레이트에 힘을 가하는 조건에 더욱 유사하게 접근할 수 있으며, 피스톤의 형상에 의해 평가결과에 편차가 발생하는 일이 방지된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
본 발명에 따른 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치(10)(이하에서는, 간략히 "용접부의 가속피로 평가장치"라 함)는 시험용 모듈 프레임(100')과 이를 지지하기 위한 센터 지그(200) 및 가이드 블록 지그(300), 유압으로 작동하는 피스톤(400)과 전지 셀(500), 그리고 변위센서(600)를 포함한다.
용접부의 피로파괴를 위해 마련되는 시험용 모듈 프레임(100')은 도 1의 모듈 프레임(100)을 가공하여 만들어진다. 모듈 프레임(100)은 ∪자 형태로 절곡된 ∪-프레임(110)의 좌우로 엔드 프레임(120)이 용접되고, 모듈 프레임(100)의 상면을 형성하는 나머지 한 면에는 탑 플레이트(130)가 용접됨으로써 완성된다. 여기서, 모듈 프레임(100)에서 피로파괴가 가장 우려되는 것은 탑 플레이트(130)의 용접부 영역이므로, 용접되지 않은 ∪-프레임(110)의 저면을 절단하여 개방시켜 놓음으로써 시험용 모듈 프레임(100')을 준비한다.
시험용 모듈 프레임(100')은 센터 지그(200)와 가이드 블록 지그(300)에 의해 시험용 정반(도면 미도시) 위에 설치된다. 특히, 시험용 모듈 프레임(100')은, 실제 모듈 프레임(100)이 차량에 장착된 상태를 모사한 구속구조로서 설치되는 것이 바람직하다.
도 1의 모듈 프레임(100)을 보면, 양측면의 엔드 프레임(120)에는 장착용 브래킷(122)이 구비되어 있다. 따라서, 엔드 프레임(120)의 장착용 브래킷(122)을 활용하여 시험용 정반 위에 설치할 수도 있지만, 실제 차량에서는 모듈 프레임(100)의 전후면이 연직방향을 향하도록 눕혀서 설치되기 때문에 장착용 브래킷(122)을 활용하여 상하로 세워서 설치하는 것은 실제 상황에 부합하는 것도 아니고, 시험시간을 단축하기 위해 한 사이클에 걸리는 시간을 현저히 줄인 가속피로 평가를 진행하게 되면 장착용 브래킷(122)이 변형되어 피스톤(400)의 하중이 어긋나게 작용함에 따라 시험이 실패할 우려가 높다.
이러한 사정을 고려하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 센터 지그(200)를 이용하여 시험용 모듈 프레임(100')의 전면과 후면을 지지하는 한편, 가이드 블록 지그(300)로서 시험용 모듈 프레임(100')의 엔드 프레임(120)을 하방 지지하도록 구성하고 있다.
여기서, 시험용 모듈 프레임(100')을 지탱하는 네 개의 다리 역할을 하는 센터 지그(200)를 시험용 모듈 프레임(100')의 전후면에 직접 결속하는 경우에는 시험용 모듈 프레임(100')에 작용하는 힘(피스톤 하중에 대한 반력)이 좁은 영역에 집중되어 ∪-프레임(110)이 변형됨으로써 탑 플레이트(130)의 용접부 강도에 영향을 미칠 수 있다. 이는 순연히 실제 상황에서처럼 전지 셀(500)의 스웰링 거동에 따른 용접부의 피로파괴를 모사하기 위한 목적에는 부합하지 않는다.
이러한 점을 고려하여, 센터 지그(200)는 강화 플레이트(210)를 매개로 하여 시험용 모듈 프레임(100')의 전후면에 연결된다. 강화 플레이트(210)는 시험용 모듈 프레임(100')의 전후면 표면적의 대략 60% 이상에 해당하는 면적을 이루고 있으며, 균등 배치되는 다수의 볼트(240)와 너트(250)에 의해 시험용 모듈 프레임(100')의 전후면에 각각 장착된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 강화 플레이트(210)와 ∪-프레임(110)의 전후면에 각각 형성된 다수의 관통 홀(220)에 대해 볼트(240)와 너트(250)로 체결됨으로써 상호 견고하게 결합하게 된다.
그리고, 센터 지그(200)와 강화 플레이트(210)에는 상호 대응하는 체결 홀(230)이 형성되어 있으며, 체결 홀(230)을 통해 센터 지그(200)와 강화 플레이트(210)을 볼트(240) 체결함으로써 센터 지그(200)의 지지구조가 만들어진다. 이와 같이, 강화 플레이트(210)를 매개로 하여 센터 지그(200)가 ∪-프레임(110)의 전후면을 지지함으로써 탑 플레이트(130)에는 피스톤(400)의 반복하중이 온전히 작용하게 된다.
그리고, 센터 지그(200)에 작용하는 힘을 적절히 분산하여 부담하도록, 가이드 블록 지그(300)로서 시험용 모듈 프레임(100')의 엔드 프레임(120)을 하방 지지한다. 여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 가이드 블록 지그(300)는 엔드 프레임(120)의 용접부를 침범하지 않도록 그 모서리를 하방 지지하고 있다. 시험용 모듈 프레임(100')의 상면에서 엔드 프레임(120)의 용접부와 탑 플레이트(130)의 용접부는 서로 붙어 있으므로, 가이드 블록 지그(300)가 엔드 프레임(120)의 용접부를 침범하게 되면 결과적으로 가이드 블록 지그(300)가 탑 플레이트(130)의 용접부 일부를 지지하게 된다. 이렇게 되면, 전지 셀(500)의 스웰링 거동에 의한 탑 플레이트(130) 용접부의 피로파괴에 가이드 블록 지그(300)가 영향을 미치게 되므로, 이를 피하도록 가이드 블록 지그(300)는 엔드 프레임(120)의 용접부 밖의 모서리 일부를 하방 지지하도록 그 위치가 설정된다.
여기서, 상면과 저면의 기준은 도 1의 모듈 프레임(100)을 기준으로 하며, 이에 따라 도 2 및 도 3과 같이 시험용 모듈 프레임(100')은 상하가 반전되어 설치되지만 피스톤(400)의 반복하중이 인가되는 탑 플레이트(130)의 면을 상면이라 지칭한 것이다.
그리고, 유압 실린더(410)에 연결된 피스톤(400)은, 개방된 시험용 모듈 프레임(100')의 저면을 통해 안으로 진입하여 탑 플레이트(130) 내면에 대해 반복하중을 가한다. 여기서, 본 발명의 용접부의 가속피로 평가장치(10)는, 피스톤(400)과 탑 플레이트(130) 내면 사이에 적어도 하나 이상의 전지 셀(500)이 개재된다.
피스톤(400)의 반복하중이 탑 플레이트(130)의 내면 사이로 개재된 전지 셀(500)을 통해 탑 플레이트(130)의 용접부에 작용하게 됨으로써, 실제에 있어서 스웰링 현상에 의해 팽창한 전지 셀(500)이 탑 플레이트(130)에 힘을 가하는 조건에 더욱 유사하게 접근할 수 있게 된다. 또한, 피스톤(400)의 하중 전달 경로에 전지 셀(500)이 개입됨으로써 피스톤(400)의 형상에 의해 평가결과에 편차가 발생하는 일이 방지된다.
이러한 점에서, 본 발명의 일 실시형태에서, 시험용 모듈 프레임(100') 안에 들어가는 전지 셀(500)은 실제 모듈 프레임(100)에 탑재되는 전지 셀(500)과 동일 사양인 것이 바람직할 수 있다. 이는 실제 상황에 더욱 근접한 조건 하에서 용접부의 가속피로를 평가할 수 있는 것은 물론, 실제 전지 셀(500)의 사이즈가 시험용 모듈 프레임(100')에 정확히 부하ㅈ하기 때문이다. 시험에 사용되는 전지 셀(500)의 개수는 적절히 선정될 수 있으며, 대략 시험용 모듈 프레임(100')의 절반 높이에 약간 못미치는 정도의 개수가 사용될 수 있다.
예를 들어, 가속피로 시험에 사용하는 전지 셀(500)은 파우치 셀일 수 있으며, 파우치 셀은 유연한 라미네이트 시트로 제작된 파우치가 케이스를 이루고 있으므로, 피스톤(400)의 반복하중이 탑 플레이트(130)의 용접부에 고르게 작용하게 된다. 이때, 파우치 셀은 완전 방전상태에서 피스톤(400)과 탑 플레이트(130) 내면 사이에 개재되는 것이 바람직하다. 이는 피스톤(400)의 하중 인가에 의해 만약의 경우 파우치 셀에서 전해액이 누액되었을 때의 화재 위험을 고려할 필요가 있기 때문이다.
그리고, 본 발명의 용접부의 가속피로 평가장치(10)는, 탑 플레이트(130)의 외면 중앙에서의 변형을 측정하는 변위센서(600)를 포함한다. 변위센서(600)의 센싱부(610)는 탑 플레이트(130)의 외면 중앙에 접촉해 있으며, 센싱부(610)의 변위를 통해 탑 플레이트(130)의 변형량을 측정한다. 대체로 변위센서(600)의 정밀도가 1/100㎜ 정도의 수준을 가지면 충분히 정확하게 탑 플레이트(130)의 변형량을 파악할 수 있다.
제어부(700)는 유압 실린더(410)를 제어하여 피스톤(400)의 반복하중이 정해진 전략에 따라 인가되도록 하는 한편, 변위센서(600)의 측정신호를 입력받아 탑 플레이트(130)의 변형량을 실시간으로 관찰하고 저장하는 역할을 한다. 제어부(700)는 통상적인 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있다.
[제2 실시형태]
본 발명의 제1 실시형태에서는 용접부의 가속피로 평가장치(10)의 하드웨어적인 구성에 대해 상세히 설명하였으며, 이하에서는 피스톤(400)에 인가되는 반복하중을 어떻게 설정하는 것이 바람직할 것인지에 대해 설명한다.
본 발명의 목적은 모듈 프레임(100)에 수납되는 전지 셀(500)의 스웰링 거동을 모사한 반복하중을 실제에 유사한 조건으로 가함으로써 용접부의 가속피로 파괴에 대한 신뢰성 있는 결과를 얻는 것에 있다. 따라서, 피스톤(400)이 탑 플레이트(130)의 용접부에 인가하는 반복하중은, 실제 전지 셀(500)의 스웰링 거동에 수반되는 전지 셀(500)의 변형을 모사하는 것이 바람직하다.
도 5는 충방전 사이클에 따른 전지 셀(500)의 스웰링 거동에 대한 일례를 도시한 도면이다. 도 5의 그래프에서 위쪽에 위치한 실선은 전지 셀(500)이 완충되었을 때(SOC 98.3%) 전지 셀(500) 모듈의 전폭 변화량(㎜)을 충방전 사이클의 진행에 따라 표시한 것이고, 아래쪽의 파선은 완전방전되었을 때(SOC 0%) 전지 셀(500) 모듈의 전폭 변화량(㎜)을 충방전 사이클의 진행에 따라 표시한 것이다.
전지 셀(500) 모듈은 하나의 모듈 프레임(100) 안에 수용되는 복수의 전지 셀(500)을 지칭하는 것으로서, 개개 전지 셀(500)의 스웰링 거동이 모듈 단위로 확장되었을 때의 전폭 변화량으로 이해할 수 있다. 대체적으로 보았을 때, 전지 셀(500) 모듈의 전폭 변화량은 충방전 사이클이 진행될수록 증가하는 양상을 보인다.
따라서, 본 발명은 피스톤(400)이 전지 셀(500)을 매개로 하여 탑 플레이트(130)에 인가하는 반복하중이, 도 5와 같은 전지 셀(500)의 충방전 사이클의 진행에 따른 스웰링 팽창과 수축의 변위를 모사한 프로파일로서 인가되도록 구성함으로써, 더욱 신뢰성 있는 가속피로 시험이 결과를 얻을 수 있게 된다. 즉, 피스톤(400)의 반복하중은, 도 5의 전지 셀(500) 모듈의 전폭 변화량 추이에 대응하여, 사이클 누적에 따라 두 개의 변화량 곡선 사이를 오가면서 하중을 증가하고 감소함을 반복함으로써 충방전 사이클을 실제에 가깝게 모사하게 된다.
다만, 실제 피로파괴 시험에 있어서는 변위량을 제어하는 것보다는 하중을 제어하는 것이 간편하기 때문에, 피스톤(400)의 반복하중은 전지 셀(500)의 충방전 사이클의 진행에 따른 스웰링 팽창과 수축의 변위를 하중으로 변환한 하중-사이클 프로파일로서 인가될 수 있다. 이러한 피스톤(400)의 반복하중에 대한 하중-사이클 프로파일의 일례가 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 살펴보면, 하중-사이클 프로파일은, 충전시 하중과 방전시 하중이 각각 사이클의 진행에 따라 커지는 양상을 가지고 있다. 또한, 하중-사이클 프로파일은, 충전시 하중과 방전시 하중 사이의 차이값 역시 사이클의 진행에 따라 커지는 양상을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 여기서, 한 사이클에 소요되는 시간은, 가속피로 시험으로서 전체 시험시간을 단축한다는 것과, 짧은 간격으로 사이클을 반복하면 실제의 스웰링 거동과는 차이가 커짐으로써 시험결과에 오차가 발생할 위험이 있다는 트레이드오프 관계를 고려하여 적절히 선정될 수 있다. 예를 들어, 한 사이클 당 20초의 시간(0.05㎐)으로 반복하중을 인가할 수 있다.
도 7은 위와 같은 가속피로 평가 과정 중에 변위센서(600)에서 측정한 탑 플레이트(130)의 변형량(㎜)을 도시한 그래프 도면이다. 사이클을 진행하며 충전시 하중과 방전시 하중을 각각 가했을 때의 변형량은 대체로 선형적인 증가 양상을 보여주다가, 어느 횟수의 사이클을 진행하였을 때 선형적인 증가에서 벗어나 계단처럼 순간적으로 급격이 변형량이 증가하게 된다. 이 시점에서 탑 플레이트(130)의 용접부가 파괴된 것으로 판단할 수 있으며, 가속피로 시험의 결과로 도출된 용접부가 파괴된 사이클 횟수를 실제 충방전 사이클의 시간으로 환산함으로써 모듈 프레임(100)의 피로파괴 수명을 예측할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 용접부의 가속피로 평가장치(10)는 충방전 사이클에 따른 실제 전지 셀(500)의 스웰링 거동을 분석하여 이를 피스톤(400)에 인가되는 반복하중의 사이클로 적용함으로써, 시험 초기부터 수명말기의 하중조건을 적용함에 따른 과다 추정에서 벗어나, 보다 현실적이고 신뢰성 있는 시험결과를 도출할 수 있게 된다.
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.
10: 용접부의 가속피로 평가장치 100: 모듈 프레임
100': 시험용 모듈 프레임 110: ∪-프레임
120: 엔드 프레임 122: 장착용 브래킷
130: 탑 플레이트 200: 센터 지그
210: 강화 플레이트 220: 관통 홀
230: 체결 홀 240: 볼트
250: 너트 300: 가이드 블록 지그
400: 피스톤 410: 유압 실린더
500: 전지 셀 600: 변위센서
610: 센싱부 700: 제어부

Claims (10)

  1. ∪-프레임의 상면과 양측면에 각각 탑 플레이트와 엔드 프레임을 용접한 모듈 프레임에 대해, 용접되지 않은 ∪-프레임의 저면을 개방한 시험용 모듈 프레임;
    상기 시험용 모듈 프레임의 전면과 후면을 지지하도록 연결되는 센터 지그;
    상기 시험용 모듈 프레임의 엔드 프레임을 하방 지지하는 가이드 블록 지그;
    상기 시험용 모듈 프레임 안으로 진입하여 상기 탑 플레이트 내면에 대해 반복하중을 가하는 피스톤;
    상기 피스톤과 탑 플레이트 내면 사이에 개재된 적어도 하나 이상의 전지 셀; 및
    상기 탑 플레이트의 외면 중앙에서의 변형을 측정하는 변위센서;
    를 포함하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀은,
    상기 모듈 프레임에 탑재되는 전지 셀과 동일 사양인 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전지 셀은, 파우치 셀인 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파우치 셀은 완전 방전상태인 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 블록 지그는 상기 엔드 프레임의 용접부를 침범하지 않도록 그 모서리를 하방 지지하는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤이 상기 전지 셀을 매개로 하여 상기 탑 플레이트에 인가하는 반복하중은,
    상기 전지 셀의 충방전 사이클의 진행에 따른 스웰링 팽창과 수축의 변위를 모사한 프로파일로서 인가되는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 피스톤이 상기 전지 셀을 매개로 하여 상기 탑 플레이트에 인가하는 반복하중은,
    상기 전지 셀의 충방전 사이클의 진행에 따른 스웰링 팽창과 수축의 변위를 하중으로 변환한 하중-사이클 프로파일로서 인가되는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하중-사이클 프로파일은,
    충전시 하중과 방전시 하중이 사이클의 진행에 따라 커지는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하중-사이클 프로파일은,
    충전시 하중과 방전시 하중 사이의 차이값이 사이클의 진행에 따라 커지는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변위센서에서 측정한 상기 탑 플레이트의 변형량이 선형적인 증가 양상에서 벗어나 순간적으로 급격 증가하는 사이클에서 상기 탑 플레이트의 용접부가 피로파괴된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 모듈 프레임 용접부의 가속피로 평가장치.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210055363A (ko) * 2019-11-07 2021-05-17 주식회사 엘지화학 셀 스웰링 압력 측정 지그
KR20210073898A (ko) * 2019-12-11 2021-06-21 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 모듈
KR20220063611A (ko) * 2020-11-10 2022-05-17 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 모듈의 하우징 용접부에 대한 피로파손 검증 장치
KR102454249B1 (ko) * 2022-04-29 2022-10-17 주식회사 파인텍 이차전지 캔 리크 검사장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220037635A (ko) 2020-09-18 2022-03-25 주식회사 엘지에너지솔루션 자동차용 전지 모듈 프레임의 내구성 평가 장치 및 평가 방법

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