KR101778348B1 - 이차 전지의 용량 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 용량 측정 방법은 다수의 이차 전지의 용량을 측정하는 공정에 있어서, 2차 충전을 진행하여 일정 전압까지 충전 전위를 균일화시키는 단계와, 충전 전위가 균일화된 2차 전지에 대해 3차 충전을 진행하는 단계와, 4차 충전을 진행하는 단계와, 상기 3차 충전 시 충전량과 상기 4차 충전 시 충전량을 합산하여 이차 전지의 용량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차 전지의 용량 측정 시스템 및 측정 방법{SYSTEM CAPACITY MEASURE OF SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MEASURING CAPACITY OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지의 용량 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로, 특히, 이차 전지의 충전량의 합산 값을 기준으로 이차 전지의 용량 불량 셀을 선별하는 방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능하고 가벼우면서도 에너지 밀도 및 출력 밀도가 높은 리튬이차전지가 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 기존 내연 기관 자동차의 대기오염 및 온실가스 문제를 해결하기 위한 대체방안으로 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV), 배터리 전기자동차(BEV), 전기자동차(EV) 등이 제시되고 있는데, 리튬 이차전지는 이러한 내연기관 대체 자동차의 동력원으로서도 주목받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 형성되어 상기 양극과 음극을 절연하는 분리막을 포함하는 전극 조립체를 구비하며, 에이징(aging) 공정과 포메이션(formation) 공정을 수행하여 형성되는데, 공정 중에 다양한 원인에 의해 불량이 발생하는 경우가 많아 이러한 불량을 정확하게 선별하는 것이 중요하다.
본 발명의 목적은 이차전지의 용량 측정의 신뢰도를 향상시키는 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 용량 측정 방법은 다수의 이차 전지의 용량을 측정하는 공정에 있어서, 2차 충전을 진행하여 일정 전압까지 충전 전위를 균일화시키는 단계와, 충전 전위가 균일화된 2차 전지에 대해 3차 충전을 진행하는 단계와, 4차 충전을 진행하는 단계와, 상기 3차 충전 시 충전량과 상기 4차 충전 시 충전량을 합산하여 이차 전지의 용량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 각각의 2차 충전, 3차 충전 및 4차 충전 단계 이전에 에이징 공정을 진행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
2차 에이징 공정을 진행하는 단계 이전에, 1차 에이징 공정을 진행하는 단계와, 1차 충전을 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 2차 충전은 설계 용량의 10 ~ 20 %의 범위까지 진행하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 이차 전지의 용량을 측정한 후 측정된 이차 전지의 용량 값을 이용하여 이차전지의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 미만일 경우 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 이상일 경우 정상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 이차 전지의 용량 측정 시스템은 이차 전지의 충전량을 측정하는 충전량 측정부와, 충전량 측정부에서 측정된 충전량을 저장하는 충전량 저장부와, 충전량 저장부에 저장된 충전량을 합산하여 상기 이차 전지의 용량을 측정하는 충전량 합산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 이차 전지의 불량 여부를 판단하기 위해 미리 설정된 기준값을 저장하는 기준값 저장부와, 충전량 합산부에서 측정된 이차 전지의 용량이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지 판단하는 용량 불량 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 불량 판단부는 상기 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 이상일 경우 정상으로 판단하고, 불량 판단부는 상기 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 미만일 경우 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본원발명은 충전 전위를 균일화하는 단계를 수행한 후 후속으로 추가적인 충전 단계을 진행하고, 이 충전 단계에서 충전된 충전량을 합산하여 이차 전지의 용량을 측정함으로써, 이차 전지의 용량 측정 신뢰도 및 이차 전지의 불량 선별 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 용량 측정을 위한 시스템의 전체 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 불량 선별 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 용량 측정을 위한 활성화 공정을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 종래 기술에 따른 아치 전지의 제품 검사 용량의 상관성을 도시한 그래프이다.
도 4b는 본 발명에 따른 이차 전지의 제품 검사 용량의 상관성을 도시한 그래프이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 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 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이차 전지의 용량 측정 시스템 및 용량 측정 방법에 관하여 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 용량 측정을 위한 시스템의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 이차전지의 용량 측정을 위한 시스템(100)은 이차전지 공정 제어부(110), 충전량 측정부(120), 충전량 합산부(130), 충전량 저장부(140), 기준값 저장부(150) 및 불량 판단부(160)를 포함한다.
이차전지 공정 제어부(110)는 이차전지의 공정 전반에 대해 제어를 수행한다. 즉, 이차전지 공정 제어부(110)는 미리 정한 공정 레시피에 따라 공정이 수행되도록 제어한다. 이때, 공정은 1차 에이징 공정, 1차 충전 공정, 2차 에이징 공정, 2차 충전 공정, 3차 충전 공정, 3차 에이징 공정, 4차 충전 공정 등이 수행될 수 있다. 여기서, 에이징 공정은 일정 온도 및 일정 습도로 이루어질 수 있으며, 에이징 공정 시 자연 방전이 발생할 수 있다.
충전량 측정부(120)는 이차전지 공정 제어부(110)의 제어하에 진행된 충전 공정 시 충전량을 측정한다. 충전량 저장부(130)는 충전량 측정부(120)에서 측정된 각 단계의 충전량의 값을 저장한다.
충전량 합산부(140)는 충전량 측정부(120)에서 측정된 각 단계의 충전량의 값을 합산하여 충전량 합산 값을 산출한다. 이때, 충전량 합산부(140)에서는 3차 충전 시 측정된 3차 충전량과 4차 충전 시 측정된 4차 충전량의 합산 값을 산출할 수 있다. 이렇게 합산된 값이 이차 전지의 용량 측정 값이 된다.
기준값 저장부(150)는 이차 전지의 불량 여부를 판단하기 위한 기준값이 저장된다.
불량 판단부(160)는 충전량 합산부(140)에서 합산된 충전량 합산값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지를 판단하여 만족하는 경우 정상으로 판단하고 기준값의 범위를 만족하지 않는 경우 불량으로 판단한다. 예컨대, 합산된 충전량 합산값이 기준값 이상일 경우, 정상으로 판정하고, 합산된 충전량이 기준값 미만일 경우 불량으로 선별할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 용량 측정 방법 및 활성화 공정의 진행 순서를 나타내는 순서도 및 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 이차 전지의 용량 측정 방법 및 활성화 공정의 진행 순서를 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 1차 에이징 공정을 진행한다(단계 S10, 도 3의 'A' 참조.)
이후, 1차 충전을 진행한다(단계 S20, 도 3의 'B' 참조. 1차 충전을 진행한 후 2차 에이징 공정을 진행한다(단계 S30, 도 3의 'C' 참조. 에이징 공정은 충전된 이차 전지를 보관하는 공정으로, 충전된 이차 전지가 에이징 공정을 거치면서 충전량의 일부가 자연 방전될 가능성이 있다. 그리고, 이러한 자연 방전은 각각의 셀 마다 그 양이 일정하지 않을 수 있다. 즉, 각각의 셀 들 사이에 전압 편차가 발생할 수 있다.
그 다음, 각각의 셀들이 일정 전압 대에 도달할 때까지 2차 충전을 진행한다(S 40, 도 3의 'D' 참조. 2차 충전은 전압 편차가 발생한 셀 들의 충전 전압을 균일화시키는 공정으로 1차 충전 이후 셀 들 사이에 발생한 충전량의 편차를 줄여주기 위해 진행한다. 이때, 2차 충전은 이차 전지 설계 용량의 10 ~ 20%의 범위 내에서 진행하는 것이 바람직하다.
다음으로, 충전 전압이 균일화된 이차 전지에 대해 3차 충전을 진행한다(단계 S50, 도 3의 'E' 참조. 이때, 충전량 측정부(120)에서 3차 충전 단계 시 충전된 충전량이 측정되고, 이 충전량 값이 충전량 저장부(140)에 저장된다.
다음으로, 3차 에이징 공정을 진행한다(단계 S60, 도 3의 'F' 참조. 2차 에이징 공정 시와 마찬가지로 3차 에이징 공정을 거치면서 충전량의 일부가 자연 방전될 가능성이 있다.
다음으로, 4차 충전을 진행한다(단계 S70, 도 3의 'G' 참조. 3차 충전 단계와 마찬가지로 충전량 측정부(120)에서 4차 충전 단계 시 충전된 충전량이 측정되고, 이 충전량 값이 충전량 저장부(140)에 저장된다.
그 다음, 충전량 합산부(130)에서 충전량 저장부(140)에 저장된 3차 충전 단계의 충전량 및 4차 충전 단계의 충전량이 합산되고, 이 값이 이차 전지의 용량으로 측정된다. 이렇게 측정된 용량을 기준으로 이차 전지의 용량 불량을 선별한다. 충전량 합산부(130)에서 합산된 충전량 값과 기준값 저장부(150)에 저장된 기준값을 비교하여, 이차 전지의 용량 불량 여부를 판단한다(단계 S80).
이때, 3차 충전 단계의 충전량과 4차 충전 단계의 충전량의 합산 값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지를 판단하여 만족하는 경우 정상으로 판단한다(단계 S90). 그러나, 3차 충전 단계의 충전량과 4차 충전 단계의 충전량의 합산 값이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하지 않는 경우 불량으로 판단한다(단계 S100). 예컨대, 합산된 충전량이 기준값 이상일 경우, 정상으로 판정하고, 합산된 충전량이 기준값 미만일 경우 불량으로 선별할 수 있다. 이때, 불량으로 선별된 이차 전지는 정상적인 기능을 발휘하지 못하는 불량 전지이므로 이를 선별하여 폐기처리 등을 하고, 정상으로 판정된 전지는 정상 전지이므로 출고된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 전위 편차가 발생한 다수의 셀들의 전위를 균일화시키는 2차 충전을 진행한 후 3차 충전 및 4차 충전을 진행함에 따라, 3차 충전 시 충전된 충전량과 4차 충전 시 충전된 충전량의 값을 합산하여 이차 전지의 용량을 측정할 수 있으며, 이렇게 측정된 이차 전지의 용량은 종래에 방전량을 통해 측정된 이차 전지의 용량에 비해 용량 측정 신뢰성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 이차 전지의 용량 검사 상관성 분석 결과를 도시한 그래프이다. 도 4a는 종래 기술에 따른 이차 전지의 용량 검사 상관성 분석 결과를 도시한 것이며, 도 4b 및 도 4b는 본 발명에 따른 이차 전지의 용량 검사 상관성 분석 결과를 도시한 것이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하여 이차 전지의 용량 검사 상관성 분석 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 4a를 참조하면, X축은 이차 전지의 만방전 시 측정된 만방전량(X1, mAh)을 나타내며, Y축은 실제 이차 전지의 셀 용량인 제품 검사 용량 값(mAh)을 나타낸 것이다. 205개의 제품으로 만방전량과 제품 용량과의 상관성 테스트를 진행한 결과, 약 57%의 상관성이 있음을 알 수 있다.
도 4b를 참조하면, X축은 3차 충전량(도 3의 'X3'과 4차 충전량(도 4의 'X4')을 합산한 충전량 값(X2=X3+X4, mAh)을 나타내며, Y축은 실제 이차 전지의 셀 용량인 제품 검사 용량 값(mAh)을 나타낸 것이다. 205개의 제품으로 3차 충전량(X3)과 4차 충전량(X4)을 합산한 충전량(X2)과 제품 용량의 상관성 테스트를 진행한 결과, 약 74.1% 정도의 상관성이 있음을 알 수 있다.
일반적으로 제품 용량의 상관성 테스트는 74% 이상일 경우 신뢰도가 높다고 판단하는데, 본원발명과 같이 3차 충전량(X3)과 4차 충전량(X4)을 합산한 충전량(X2)으로 용량 측정을 진행하게 되면 종래에 비해 높은 신뢰도를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 전위 편차가 발생한 다수의 셀들의 전위를 균일화시키는 2차 충전을 진행한 후 3차 충전 및 4차 충전을 진행함에 따라, 3차 충전 시 충전된 충전량과 4차 충전 시 충전된 충전량의 값을 합산하여 이차 전지의 용량을 측정할 수 있으며, 이렇게 측정된 이차 전지의 용량은 종래에 방전량을 통해 측정된 이차 전지의 용량에 비해 용량 측정 신뢰성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
110 : 이차전지 공정 제어부 120 : 충전량 측정부
130 : 충전량 합산부 140 : 충전량 저장부
150 : 기준값 저장부 160 : 불량 판단부
X1 : 방전량 X2 : 3차 충전량 + 4차 충전량
X3 : 3차 충전량 X4 : 4차 충전량

Claims (11)

  1. 다수의 이차 전지의 용량을 측정하는 공정에 있어서,
    2차 충전을 진행하여 일정 전압까지 충전 전위를 균일화시키는 단계;
    충전 전위가 균일화된 이차 전지들에 대해 3차 충전을 진행하는 단계;
    상기 3차 충전 후 에이징을 수행하여 상기 이차 전지들이 자연 방전되도록 하는 단계;
    상기 에이징 후 4차 충전을 진행하는 단계; 및
    상기 3차 충전 시 충전량과 상기 4차 충전 시 충전량을 합산하여 이차 전지의 용량을 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 용량 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 각각의 2차 충전 및 3차 충전 이전에 에이징 공정을 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 용량 측정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 충전을 진행하는 단계 이전에,
    1차 에이징 공정을 진행하는 단계; 및
    1차 충전을 진행하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 용량 측정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 충전은 설계 용량의 10 ~ 20 %의 범위까지 진행하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 용량 측정 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차 전지의 용량을 측정한 후
    상기 측정된 이차 전지의 용량 값을 이용하여 상기 이차전지의 불량 여부를 판단하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 용량 측정 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 미만일 경우 불량으로 판단하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 용량 측정 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 이상일 경우 정상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 용량 측정 방법.
  8. 이차 전지들에 대해, 제 1 충전 기간 및 상기 제 1 충전 기간 후 일정 시간의 에이징 기간이 경과한 제 2 충전 기간의 충전량을 각각 측정하는 충전량 측정부;
    상기 충전량 측정부에서 측정된 상기 제 1 충전 기간의 충전량과 상기 제 2 충전 기간의 충전량을 저장하는 충전량 저장부; 및
    상기 충전량 저장부에 저장된 상기 제 1 충전 기간의 충전량과 상기 제 2 충전 기간의 충전량을 합산하여 상기 이차 전지의 용량을 측정하는 충전량 합산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 용량 측정 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 이차 전지의 불량 여부를 판단하기 위해 미리 설정된 기준값을 저장하는 기준값 저장부; 및
    상기 충전량 합산부에서 측정된 이차 전지의 용량이 미리 정한 기준값의 범위를 만족하는지 판단하는 용량 불량 판단부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용량 측정 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 불량 판단부는 상기 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 이상일 경우 정상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용량 측정 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 불량 판단부는 상기 측정된 이차 전지의 용량이 기준 값 미만일 경우 불량으로 판단하는 것을 특징으로 하는 이차전지 용량 측정 시스템.
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