KR20220020123A - 배터리 셀들의 등급 판정 및 배터리 모듈에 대한 탑재 공정을 통합 수행하기 위한 배터리 셀의 공정 자동화 장치 - Google Patents

배터리 셀들의 등급 판정 및 배터리 모듈에 대한 탑재 공정을 통합 수행하기 위한 배터리 셀의 공정 자동화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치는 QR 코드를 구비한 배터리 셀들을 이동시키는 셀 이송유닛; 미리 정해진 개수 단위로 각 상기 배터리 셀의 개방전압을 측정하고 양품 여부를 판정하는 제어부를 구비하고, 상기 QR 코드를 스캔하여 각 상기 배터리 셀 별로 개방전압 값을 서버로 전송하는 셀 검사유닛; 상기 개방전압 값이 미리 설정된 범위에 속하는 것으로 판정된 양품 배터리 셀들이 탑재되는 배터리 모듈의 프레임들을 이동시키는 프레임 이송유닛; 상기 개방전압 값이 미리 설정된 범위를 벗어나는 것으로 판정된 불량 배터리 셀들이 적재 및 배출되는 장소로 제공되는 셀 배출유닛; 및 상기 셀 검사유닛과 연동하고 하나 이상의 상기 배터리 셀을 픽업하여 운반할 수 있게 마련된 그립퍼 유닛을 포함할 수 있다.

Description

배터리 셀들의 등급 판정 및 배터리 모듈에 대한 탑재 공정을 통합 수행하기 위한 배터리 셀의 공정 자동화 장치{automation apparatus for grading battery cells and inserting the battery cells into a battery module}
본 발명은 배터리 셀의 공정 자동화 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 각 배터리 셀의 전압등급 판정과 판정 결과에 기초해 양품 배터리 셀들을 배터리 모듈의 모듈 프레임에 조립하는 작업을 수행할 수 있는 배터리 셀의 공정 자동화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.5V~3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 형성되어 상기 양극과 음극을 절연하는 분리막을 포함하는 전극 조립체를 구비하며, 포메이션(formation) 공정과 에이징(aging) 공정을 수행하여 형성되는데, 공정 중에 다양한 원인에 의해 불량이 발생하는 경우가 많아 이러한 불량을 정확하게 선별하는 것이 중요하다. 최근 이차 전지의 불량을 선별하기 위해 활성화 공정 시 이차 전지의 저전압 불량을 선별하는 방식이 사용되고 있다.
그러나 활성화 공정 시에는 정상으로 판정되었으나, 활성화 공정이 종료된 후 이차 전지가 배터리 모듈에 조립되는 시점까지의 보관 기간을 거치면서 추가적으로 이차 전지의 불량이 발생할 수 있다. 또한, 저전압 불량으로 판정되어야 할 제품이 정상 제품으로 잘못 판정되어 배터리 모듈에 조립되는 경우가 있다.
배터리 모듈은 다수의 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 구성되는데 상기 배터리 셀들의 성능과 용량이 다를 경우, 최하급 배터리 셀의 성능에 의해 배터리 모듈의 품질이 결정될 수 있다. 이러한 배터리 모듈은 수명이 짧고 성능이 제각각이어서 제품 신뢰도가 떨어진다.
이에 본 출원인은 한국 공개특허 제10-2015-0049527호에 개시한 바와 같이, 배터리 셀을 용량별로 분류할 수 있는 배터리 셀 등급 분류 시스템을 도입하였고 특정 배터리 모듈에 탑재되는 배터리 셀들은 용량이 실질적으로 동일하게 관리하고 있다.
배터리 셀 등급 분류 설비는 도 1에 도시한 바와 같이, 셀 공급 라인(11)과 개방 전압 검사 장비(12), 그리고 등급별로 분류하여 배출하기 위한 복수의 셀 배출 라인(13...17)으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(20)들은 개방전압 값에 각각 1~4등급 그리고 불량으로 분류된다. 이 같은 배터리 셀 등급 분류 설비를 거친 등급별 배터리 셀들은 별도의 적재 트레이에 담겨 배터리 모듈 조립 공정 설비가 있는 곳으로 물류 이동된다.
그런데 최근 배터리 셀 공정 효율을 개선하기 위한 연구가 이슈화되고 있고 그 일환으로서 배터리 셀 공정 중 필수 공정이라 할 수 있는 상기 배터리 셀 등급 분류 공정과 배터리 모듈의 조립 공정을 하나의 설비로 통합 수행할 수 있는 설비 개발이 요구되고 있다.
한국 공개특허 제10-2015-0049527호 주식회사 엘지화학 (2015.05.08)
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀 등급 판정과 배터리 모듈의 조립을 하나의 설비로 구현할 수 있는 배터리 셀 공정 자동화 장치를 제공하는데 일 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치는, QR 코드를 구비한 배터리 셀들을 이동시키는 셀 이송유닛; 미리 정해진 개수 단위로 각 상기 배터리 셀의 개방전압을 측정하고 양품 여부를 판정하는 제어부를 구비하고, 상기 QR 코드를 스캔하여 각 상기 배터리 셀 별로 개방전압 값을 서버로 전송하는 셀 검사유닛; 상기 개방전압 값이 미리 설정된 범위에 속하는 것으로 판정된 양품 배터리 셀들이 탑재되는 배터리 모듈의 프레임들을 이동시키는 프레임 이송유닛; 상기 개방전압 값이 미리 설정된 범위를 벗어나는 것으로 판정된 불량 배터리 셀들이 적재 및 배출되는 장소로 제공되는 셀 배출유닛; 및 상기 셀 검사유닛과 연동하고 하나 이상의 상기 배터리 셀을 픽업하여 운반할 수 있게 마련된 그립퍼 유닛을 포함할 수 있다.
상기 셀 검사유닛은, 각 상기 배터리 셀의 개방전압을 측정하는 전압 측정기;와 각 상기 배터리 셀의 QR코드 스캐너를 포함할 수 있다.
상기 셀 검사유닛은, 가장자리에 둘레방향을 따라 배치되는 셀 홀더들을 구비하고 시계 또는 반시계 방향으로 회전 가능하게 마련된 턴 테이블을 더 포함하고, 상기 전압 측정기와 상기 QR 코드 스캐너는 상기 턴 테이블을 사이에 두고 서로 맞은 편에 배치될 수 있다.
상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀이며, 상기 셀 검사유닛은, 상기 턴 테이블의 일측 가장자리 상부에 배치되고 상기 셀 홀더들에 삽입 개재되는 배터리 셀들 중 하나 이상의 배터리 셀의 상하를 반전시키는 셀 반전기를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 반전기는, 상기 셀 홀더에 개재된 배터리 셀들 중 적어도 하나를 파지할 수 있게 마련된 클램프;와 상기 클램프를 ±180도 회전시키는 로테이터; 및 상기 로테이터와 연결되고 상하 방향으로 이동 가능하게 마련된 무빙블럭을 포함할 수 있다.
상기 셀 홀더들은 4개이며 상기 턴 테이블 상에서 사각 구도를 이루도록 배치되고, 상기 턴 테이블이 회전하여 각 셀 홀더에 장착된 상기 배터리 셀들의 전압 측정, QR 코드 스캔, 상하 반전이 수행되게 구성될 수 있다.
상기 프레임 이송유닛은 상호 나란히 연장 배치되는 제1 프레임 이송유닛과 제2 프레임 이송유닛을 포함하고, 상기 셀 검사유닛은 상기 제1 프레임 이송유닛과 상기 제2 프레임 이송유닛 사이에 배치될 수 있다.
상기 제어부는 상기 양품 배터리 셀을 상기 개방전압 값의 미리 설정된 범위 중 제1 설정 범위에 속하는 제1 양품 배터리 셀과 제2 설정 범위에 속하는 제2 양품 배터리 셀로 구분하게 구성되고, 상기 제1 양품 배터리 셀 또는 상기 제2 양품 배터리 셀을 임시로 적재하기 위한 임시 적재유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 양품 배터리 셀이 상기 제1 프레임 이송유닛에 공급되고 상기 제2 양품 배터리 셀은 상기 제2 프레임 이송유닛에 공급되게 상기 그럽퍼 유닛을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 셀 배출유닛은 상기 제1 프레임 이송유닛과 상기 제2 프레임 이송유닛 사이에 배치되고, 상기 불량 배터리 셀들을 수납할 수 있게 마련된 배출 트레이를 이동시키는 컨베이어를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀 등급 판정과 배터리 모듈의 조립을 한 장소에서 수행할 수 있는 통합 설비의 구현으로 설비 효율 개선과 물류이동을 개선할 수 있다.
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 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 셀 등급 분류 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치의 주요 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 배터리 셀 공정 자동화 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 검사유닛의 전압 측정기 영역을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 검사유닛의 QR 코드 스케너 영역을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 검사유닛의 셀 반전기 영역을 나타낸 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 등급 판정 및 조립 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 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.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치(10)는 셀 이송유닛(100), 셀 검사유닛(200), 모듈 프레임 이송유닛(300), 그립퍼 유닛(400) 및 셀 배출유닛(500)을 포함한다.
이하에서 설명할 본 실시예에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치(10)는 배터리 셀(20)의 등급 판정과 분류 및 배터리 모듈의 조립 공정 중 상기 배터리 셀(20)을 모듈 프레임(30)에 삽입하는 공정을 수행하는데 적용될 수 있다.
본 실시예에서 배터리 셀(20)은 원통형 배터리 셀을 지칭한다. 그러나 본 발명의 권리범위가 반드시 원통형 배터리 셀에 한정 해석되어야 하는 것은 아니다. 예컨대, 상기 배터리 셀(20)은 각형이거나 파우치형일 수도 있고, 이 경우 해당 배터리 셀들의 유형에 맞게 상기 배터리 셀(20)들을 수납하기 위한 트레이 형상이나 모듈 프레임의 형상을 본 실시예와 다르게 구성하면 된다.
셀 이송유닛(100)은 배터리 셀(20)들을 이동시키기 위한 수단으로서 컨베이어로 구현될 수 있다. 배터리 셀(20)들은 트레이(40)에 담겨 상기 컨베이어를 따라 셀 검사유닛(200)에 인접하게 이동될 수 있다.
셀 이송유닛(100)은 전압 등급판정 전의 배터리 셀(20)들을 셀 검사유닛(200)으로 공급하기 수단으로서 물류를 안정적으로 이동시킬 수 있는 작동 메카니즘을 갖춘 장치라면 컨베이어가 아닌 다른 장치로 대체될 수 있다.
셀 검사유닛(200)은, 셀 이송유닛(100)으로부터 배터리 셀(20)들을 공급받아 상기 배터리 셀(20)들의 개방전압(OCV, Open Ciruit Voltage)을 측정하고 미리 설정된 개방전압의 범위를 기초로 각 배터리 셀(20)의 등급을 판정하여 등급별로 배터리 셀(20)들이 분류 및 핸들링한다. 상기 셀 검사유닛은 각 배터리 셀의 등급 판정시 상기 개방전압 이외 내부저항(IR,Internal Resistance), K-value 등과 같은 관리 지표를 추가로 검사할 수도 있다.
또한, 상기 셀 검사유닛(200)은 상기 QR 코드(20a)를 통해 각 배터리 셀(20)을 식별하고 식별한 배터리 셀(20)들의 개방전압(OCV), 내부저항(IR) 등과 같은 정보를 서버에 전송하도록 구성될 수 있다.
이러한 셀 검사유닛(200)은, 턴 테이블(210), 전압 측정기(220), QR 코드 스캐너(230), 셀 반전기(240) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
턴 테이블(210)은 중심부에 결합된 회전축(210a)과 상기 회전축(210a)에 연결된 서보모터(미도시) 조합에 의해 시계 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 상기 서보모터는 제어부에 의해 제어될 수 있다.
상기 턴 테이블(210)의 가장자리에는 둘레방향을 따라 셀 홀더(211)들이 소정 간격 떨어진 위치에 구비될 수 있다. 상기 셀 홀더(211)는 소정 개수의 배터리 셀(20)들을 각각 꽂을 수 있는 소켓 형태로 제공될 수 있다.
본 실시예는 4개의 셀 홀더(211)들이 상기 턴 테이블(210) 상에서 사각 구도를 이루도록 배치되고 각 셀 홀더(211)는 한 열에 7개의 배터리 셀(20)을 장착할 수 있게 구성된다. 물론, 필요에 따라 상기 셀 홀더(211)는 하나 이상의 열을 가지며, 각 열당 6개 이하 또는 8개 이상의 배터리 셀(20)을 장착할 수 있게 구성될 수도 있다.
상기 턴 테이블(210)은 전압 측정기(220), QR 코드 스캐너(230), 셀 반전기(240)가 있는 위치에 각 셀 홀더(211)가 순차적으로 위치하게 소정 각도씩 회전할 수 있다. 이를테면, 각 셀 홀더(211) 단위로 배터리 셀(20)들에 어떤 작업이 끝나면 턴 테이블(210)이 회전하여 다음 작업이 수행되도록 턴 테이블(210)이 제어될 수 있다.
이러한 턴 테이블(210)은 일정 개수의 배터리 셀(20)들을 회전시켜 가면서 여러 가지 작업을 동시에 수행할 수 있게 해주어 설비를 공간 효율적으로 구현하는데 유용하게 기능할 수 있다.
전압 측정기(220)는 배터리 셀(20)들의 개방전압을 측정하기 위한 수단으로서, 상부 측정핀(221)들과 하부 측정핀(222)들 그리고 이들을 승,하강 또는 전,후진 이동시키는 측정기 구동부재(223)를 포함하여 구성될 수 있다.
셀 이송유닛(100)으로부터 공급된 배터리 셀(20)들은 셀 홀더(211)에 각각 장착되고, 도 4에 도시된 바와 같이, 전압 측정기(220)가 작동해 상부 측정핀(221)들과 하부 측정핀(222)들이 각 배터리 셀(20)의 상단과 하단에 접촉해 각 배터리 셀(20)의 개방전압이 측정될 수 있고 측정된 각 배터리 셀(20)의 개방전압 값은 제어부에 전송되어 배터리 셀(20)의 양품 여부 및 등급 판정이 이루어질 수 있다.
여기서 상기 상부 측정핀(221)들과 하부 측정핀(222)들은 일체로 또는 개별적으로 작동하게 구성될 수 있다. 따라서 셀 홀더(211)에 장착된 모든 배터리 셀(20)들의 개방전압을 동시에 측정하거나, 일부 배터리 셀(20)들은 측정하고 나머지 배터리 셀(20)들의 개방전압은 측정하지 않게 구동될 수도 있다.
상기 배터리 셀(20)은 QR 코드(20a) 내지 바코드를 구비한다. 상기 QR 코드(20a) 내지 바코드에는 각 배터리 셀(20)의 제조년월, 용량, 스펙, 고유번호 등과 같은 제품정보가 저장될 수 있다.
QR 코드 스캐너(230)는, 도 5와 같이, 각 배터리 셀(20)들의 QR 코드(20a)를 스캐닝하기 위한 수단으로서, 투명 스크린(231)과 각 배터리 셀(20)의 QR 코드(20a)를 스캔하는 카메라(233)를 포함하고 각 배터리 셀(20)의 이력관리를 위한 데이터 저장서버(미도시) 및 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되게 구성된다.
상기 QR 코드 스캐너(230)는 각 배터리 셀(20)의 QR 코드(20a)에 저장된 고유번호를 통해 각 배터리 셀(20)을 식별하고 각 배터리 셀(20)별로 개방전압 값을 상기 데이터 저장 서버로 전송한다.
이러한 QR 코드 스캐너(230)는 턴 테이블(210)을 사이에 두고 전압 측정기(220)에 대해 맞은 편에 배치될 수 있다. 이는 후술할 복수의 프레임 이송유닛(300)의 배치에 따른 작업 공간 효율을 높이기 위한 배치 구조라 할 수 있다. 따라서 모듈 프레임(30)의 이송유닛의 배치 또는 텐 테이블(210) 상에서 검사 항목을 추가하고자 하는 경우, 상기 전압 측정기(220)와 QR 코드 스캐너(230)의 위치는 본 실시예와 달리 조정될 수도 있다.
셀 반전기(240)는 전압 검사 및 검사 결과를 저장 후 배터리 셀(20)들을 배터리 모듈의 모듈 프레임(30)에 바로 삽입할 수 있게 특정 배터리 셀(20)의 극성을 바뀌는 작업을 수행하기 위한 수단이다. 상기 셀 반전기(240)는 턴 테이블(210)의 일측 가장자리 상부에 배치되고 상기 셀 홀더(211)들에 삽입 개재되는 배터리 셀(20)들 중 하나 이상의 배터리 셀(20)의 상하를 반전시킬 수 있게 구성된다.
참고로 일반적으로 원통형 배터리 셀(20)들로 구성된 배터리 모듈은 직렬 및 병렬연결을 수월하게 하기 위해 배터리 셀(20)들을 모듈 프레임(30)에 삽입할 때, 일군의 배터리 셀(20) 그룹과 이웃한 다른 일군의 배터리 셀(20) 그룹을 서로 극성이 반대되게 삽입한다.
구체적으로 본 실시예에 따른 상기 셀 반전기(240)는 각 배터리 셀(20)을 선택적으로 파지할 수 있게 마련된 클램프(241), 상기 클램프(241)를 ±180도 회전시키는 로테이터(243), 상기 로테이터(243)와 연결되고 상하 방향으로 이동 가능하게 마련된 무빙블럭(245)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여 셀 반전기(240)의 작동을 살펴보면, 클램프(241)가 셀 홀더(211)의 상부에 있다가 하강해서 반전이 요구되는 배터리 셀(20)들만을 파지하고 다시 상승한다. 이때, 클램프(241)의 승강 구동은 무빙블럭(245)의 움직임에 연동한다.
그 다음 로테이터(243)로 클램프(241)를 180도 회전시킨다. 이에 따라 클램프(241)에 파지된 배터리 셀(20)들은 탑 캡이 아래를 향하도록 반전된다. 이 상태에서 무빙블럭(245)이 작동하여 클램프(241)가 하강하고 셀 홀더(211)에 반전시킨 배터리 셀(20)들을 놓아 안착시킨다.
이 같이, 상기 셀 반전기(240)를 통해 배터리 셀(20)들의 반전이 이루어지면 배터리 모듈의 모듈 프레임(30)에 배터리 셀(20)들을 바로 삽입시킬 수 있다.
상기 모듈 프레임(30)은 배터리 모듈의 구성요소이며, 배터리 셀(20)들을 고정하고 충격으로부터 보호하기 위한 구조물이라 할 수 있다. 배터리 모듈은 상기 모듈 프레임(30)에 배터리 셀(20)들이 삽입 배치한 후 메탈 플레이트(미도시)를 사용해 배터리 셀(20)들을 전기적으로 연결하고 BMS 등을 조립 후 상기 모듈 프레임(30)의 상부에 하우징 커버(미도시)를 결합하는 형태로 제작될 수 있다.
셀 검사유닛(200)에서 선별한 양품 배터리 셀(21,22)들은 모듈 프레임(30)에 삽입되게 되는데, 상기 모듈 프레임(30)은 프레임 이송유닛(300)에 의해 이송될 수 있다.
상기 프레임 이송유닛(300)은 모듈 프레임(30)들을 지지하며 이동시키기 위한 수단으로서 예컨대 컨베이어로 구현될 수 있다. 물론, 프레임 이송유닛(300)은 컨베이어 이외에도 물류 이동을 안정적으로 할 수 있는 것이라면 다른 장치로 대체될 수도 있다.
다시, 도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 프레임 이송유닛(300)은 셀 검사유닛(200)을 사이에 두고 상호 나란하게 연장 배치되는 제1 프레임 이송유닛(310)과 제2 프레임 이송유닛(320)을 포함한다.
프레임 이송유닛(300)을 복수 개로 구현함으로써 물류 라인을 이원화할 수 있다는 장점이 있으며 특히, 제1 프레임 이송유닛(310) 상의 모듈 프레임(30)들과, 제2 프레임 이송유닛(320) 상에 모듈 프레임(30)에 등급이 다른 양품 배터리 셀(21,22)을 삽입해 배터리 모듈의 용량 편차를 더 줄일 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치는 셀 검사유닛(200)에서 제어부가 전압 측정기(220)에서 측정된 각 배터리 셀(20)의 개방전압 값과 미리 설정된 개방전압 값의 범위를 비교하여 측정된 각 배터리 셀(20)의 개방전압 값이 상기 미리 설정된 범위에 속하면 양품 배터리 셀(21,22)로 판정하고 배터리 모듈의 모듈 프레임(30)에 바로 탑재될 수 있도록 관리하며, 개방전압 값이 상기 미리 설정된 범위에서 벗어나는 배터리 셀(20)들은 불량 판정하고 별도로 배출될 수 있도록 관리한다.
여기서 더 나아가 상기 제어부는 상기 미리 설정된 범위를 다시 제1 설정 범위와 제2 설정 범위로 구분하고, 양품 배터리 셀(21,22)은 다시 상기 제1 설정 범위에 속하는 제1 양품 배터리 셀(21)과 제2 설정 범위에 속하는 제2 양품 배터리 셀(22)로 구분하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 리튬이온 원통형 배터리 셀(20)의 개방전압 값의 미리 설정된 범위를 3.58V~3.50V라고 하면 제1 설정 범위는 3.58V~3.54V이고 제2 설정 범위는 3.5399V~3.5V로 다시 구분될 수 있다. 이 경우 제1 양품 배터리 셀(21)은 개방전압 값이 3.58V~3.54V 이내인 배터리 셀(20)이고 제2 양품 배터리 셀(22)은 개방전압 값이 3.5399V~3.5V 이내인 배터리 셀(20)을 의미한다.
제어부는 그립퍼 유닛(400)을 구동시켜 상기 제1 양품 배터리 셀(21)들이 제1 프레임 이송유닛(310)으로 공급되도록 하고 상기 제2 양품 배터리 셀(22)들은 상기 제2 프레임 이송유닛(320)으로 공급되도록 한다.
이처럼 양품 배터리 셀(21,22)들을 등급을 나누어 모듈 프레임(30)에 조립하면 각 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀(20)들의 용량 차이가 거의 나지 않음으로, 배터리 모듈의 품질과 수명 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 개방전압 값이 미리 설정된 범위를 벗어나는 것으로 판정된 불량 배터리 셀(23)들은 모듈 프레임(30)에 조립하지 않고 따로 배출하여 관리한다. 이를 위해 본 발명의 배터리 셀 공정 자동화 장치(10)는 불량 배터리 셀(23)들의 적재 및 배출을 위한 셀 배출유닛(500)을 더 포함한다.
상기 셀 배출유닛(500)은 상기 제1 프레임 이송유닛(310)과 상기 제2 프레임 이송유닛(320) 사이에 배치되고, 상기 불량 배터리 셀(23)들을 수납할 수 있게 마련된 배출 트레이(40)를 이동시키는 컨베이어를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치(10)는 위와 같이, 제1 양품 배터리 셀(21)과 제2 양품 배터리 셀(22)을 분류하여 제1 프레임 이송유닛(310) 또는 제2 프레임 이송유닛(320)에 공급하기 위해 상기 제1 양품 배터리 셀(21) 또는 상기 제2 양품 배터리 셀(22)을 임시로 적재할 수 있는 임시 적재유닛(600)을 더 포함할 수 있다. 상기 임시 적재유닛(600)에 대한 설명은 후술하기로 한다.
그립퍼 유닛(400)은 상술한 셀 이송유닛(100), 셀 검사유닛(200), 프레임 이송유닛(300), 셀 배출유닛(500) 간에 배터리 셀(20)들 운반하기 위한 수단으로서 상기 셀 검사유닛(200)과 연동하고 하나 이상의 상기 배터리 셀(20)을 픽업하여 운반할 수 있게 마련될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 그립퍼 유닛(400)은 배터리 셀(20)을 픽업하는 복수 개의 핑거(410)들과 상기 복수 개의 핑거(410)들이 X-Y-Z 축으로 이동할 수 있게 상기 복수 개의 핑거(410)들에 연결된 복수의 링크 암(420)과, 도면의 편의상 미도시 하였으나 구동을 위한 실린더와 리니어 모터, 사물 인식을 위한 센서 등의 조합을 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에서 7개로 구성된 핑거(410)들은 각각 개별적으로 그립 동작이 가능하게 구성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 7개의 핑거(410)는 한 번에 7개의 배터리 셀(20)을 픽업하여 운반하는 것 이외 예컨대 2~3개의 배터리 셀(20)들만 선택해서 운반하는 것도 가능하게 구성될 수 있다.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치(10)에 따른 배터리 셀(20)의 등급 분류 및 등급 분류된 배터리 셀(20)이 모듈 프레임(30)에 삽입되는 과정을 보충 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 셀 이송유닛(100) 상의 적재 트레이(40)에서 7개의 배터리 셀(20)이 그립퍼 유닛(400)으로 픽업되어 전압 측정기(220)가 위치한 쪽의 텐 테이블(210) 상의 셀 홀더(211)에 삽입된다. (이하에서 턴 테이블(210)에서 전압 측정기(220) 쪽에 위치한 곳을 제1 구역이라 하고 그 다음 시계 방향으로 90도 마다 제2 구역,제3 구역,제4 구역이라고 지칭하기로 한다.)
그 다음, 전압 측정기(220)에 의해 제1 구역의 셀 홀더(211)에 장착된 7개의 배터리 셀(20)들의 개방전압이 측정되고, 측정된 각 배터리 셀(20)의 개방전압 값과 미리 설정된 전압 범위를 바탕으로 상기 7개의 배터리 셀(20)의 등급이 판정된다.
상기 배터리 셀(20)의 등급 판정 결과에 따라 본 실시예의 배터리 셀 공정 자동화 장치(10)의 다음의 3가지 케이스로 작동될 수 있다.
첫째, 전압 측정 결과 모든 배터리 셀(20)이 제1 양품 배터리 셀(21)(또는 제2 양품 배터리 셀(22))일 경우이다. 이 경우, 턴 테이블(210)은 순차적으로 90도씩 시계방향으로 회전하면서 개방전압 측정, QR 코드(20a) 스캔, 서버에 각 배터리 셀(20)별 개방전압 저장, 일부 배터리 셀(20)들의 반전 작업 및 제1 프레임 이송유닛(310) 상의 모듈 프레임(30)에 조립 작업 순으로 공정이 반복 수행된다.
참고로, 셀 반전 작업이 이루어지는 제4 구역에 놓인 셀 홀더(211)는 제4 구역에서 모든 제1 양품 배터리 셀(21)들이 픽업되어 제1 프레임 이송유닛(310)으로 옮겨져서 턴 테이블(210)이 회전하여 제1 구역으로 돌아올 때 빈 상태가 된다.
둘째, 전압 측정 결과 제1 양품 배터리 셀(21)(또는 제2 양품 배터리 셀(22))과 불량 배터리 셀(23)이 섞여 있는 경우이다. 이 경우 그립퍼 유닛(400)으로 해당 불량 배터리 셀(23)들만 솎아내어 셀 배출유닛(500)에 적재한다. 그리고 불량 배터리 셀(23)들이 솎아내어진 자리에는 새로운 배터리 셀(20)이 채워지게 되고, 상기 채워진 배터리 셀(20)들만 전압 측정을 다시 한다. 전압 측정 결과 제1 양품 배터리 셀(21)(또는 제2 양품 배터리 셀(22))로 판정나면 첫번째 경우와 같이 턴 테이블(210)을 회전시켜 후속 작업을 진행한다.
셋째, 전압 측정 결과 제1 양품 배터리 셀(21), 제2 양품 배터리 셀(22), 불량 배터리 셀(23)이 섞여 있는 경우이다. 이 경우, 그립퍼 유닛(400)으로 불량 배터리 셀(23)을 셀 배출유닛(500)에 적재하고 제2 양품 배터리 셀(22)은 임시 적재유닛(600)에 적재한다.
상기 셀 홀더(211)에서 상기 불량 배터리 셀(23)과 제2 양품 배터리 셀(22)을 솎아낸 자리에는 새로운 배터리 셀(20)이 채워지게 되고, 상기 채워진 배터리 셀(20)들만 전압 측정을 다시 한다. 이 과정은 상기 셀 홀더(211)에 채워진 배터리 셀(20)들이 모두 제1 양품 배터리 셀(21)일 때까지 반복될 수 있다. 이렇게 제1 구역의 셀 홀더(211)가 제1 양품 배터리 셀(21)로 모두 채워지면 턴 테이블(210)을 순차적으로 회전시켜 후속 작업을 진행한다.
이와 같은 패턴을 계속 반복하게 되면, 임시 적재유닛(600)에 제2 양품 배터리 셀(22)들의 개수가 늘어나게 된다. 따라서 제2 양품 배터리 셀(22)들의 개수가 임시 적재유닛(600)에 충분히 채워지면, 턴 테이블(210)이 한 바퀴 돌아 셀 홀더(211)가 제1 구역에 빈 상태로 돌아올 때, 셀 이송유닛(100)이 아닌 상기 임시 적재유닛(600)에서 제2 양품 배터리 셀(22)들을 상기 셀 홀더(211)에 옮겨와 공정을 진행한다.
물론, 상기 임시 적재유닛(600)에 제2 양품 배터리 셀(22) 대신 제1 양품 배터리 셀(21)을 임시로 적재하였다가 상기 제1 양품 배터리 셀(21)들만을 턴 테이블(210)로 옮겨오는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 셀 공정 자동화 장치(10)의 구성과 작동에 따르면, 배터리 셀(20)들의 등급 판정과 배터리 모듈의 조립 작업이 하나의 설비로 수행이 가능해 공정 효율과 물류 이동이 현저히 개선될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10 : 공정 자동화 장치 20 : 배터리 셀
100 : 셀 이송유닛 200 : 셀 검사유닛
210 : 턴 테이블 211 : 셀 홀더
220 : 전압 측정기 221 : 상부 측정핀
222 : 하부 측정핀 230 : QR 코드 스캐너
240 : 셀 반전기 241 : 클램프
243 : 로테이터 245 : 무빙블럭
300 : 프레임 이송유닛 310 : 제1 프레임 이송유닛
320 : 제2 프레임 이송유닛 400 : 그립퍼 유닛
410 : 핑거 420 : 링크암
500 : 셀 배출유닛 600 : 임시 적재유닛

Claims (10)

  1. QR 코드를 구비한 배터리 셀들을 이동시키는 셀 이송유닛;
    미리 정해진 개수 단위로 각 상기 배터리 셀의 개방전압을 측정하고 양품 여부를 판정하는 제어부를 구비하고, 상기 QR 코드를 스캔하여 각 상기 배터리 셀 별로 개방전압 값을 서버로 전송하는 셀 검사유닛;
    상기 개방전압 값이 미리 설정된 범위에 속하는 것으로 판정된 양품 배터리 셀들이 탑재되는 배터리 모듈의 프레임들을 이동시키는 프레임 이송유닛;
    상기 개방전압 값이 미리 설정된 범위를 벗어나는 것으로 판정된 불량 배터리 셀들이 적재 및 배출되는 장소로 제공되는 셀 배출유닛; 및
    상기 셀 검사유닛과 연동하고 하나 이상의 상기 배터리 셀을 픽업하여 운반할 수 있게 마련된 그립퍼 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 검사유닛은,
    각 상기 배터리 셀의 개방전압을 측정하는 전압 측정기;와 각 상기 배터리 셀의 QR 코드 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 검사유닛은,
    가장자리에 둘레방향을 따라 배치되는 셀 홀더들을 구비하고 시계 또는 반시계 방향으로 회전 가능하게 마련된 턴 테이블을 더 포함하고,
    상기 전압 측정기와 상기 QR 코드 스캐너는 상기 턴 테이블을 사이에 두고 서로 맞은 편에 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀이며,
    상기 셀 검사유닛은,
    상기 턴 테이블의 일측 가장자리 상부에 배치되고 상기 셀 홀더들에 삽입 개재되는 배터리 셀들 중 하나 이상의 배터리 셀의 상하를 반전시키는 셀 반전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀 반전기는,
    상기 셀 홀더에 개재된 배터리 셀들 중 적어도 하나를 파지할 수 있게 마련된 클램프;와 상기 클램프를 ±180도 회전시키는 로테이터; 및 상기 로테이터와 연결되고 상하 방향으로 이동 가능하게 마련된 무빙블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 셀 홀더들은 4개이며 상기 턴 테이블 상에서 사각 구도를 이루도록 배치되고, 상기 턴 테이블이 회전하여 각 셀 홀더에 장착된 상기 배터리 셀들의 전압 측정, QR 코드 스캔, 상하 반전이 수행되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 이송유닛은 상호 나란히 연장 배치되는 제1 프레임 이송유닛과 제2 프레임 이송유닛을 포함하고,
    상기 셀 검사유닛은 상기 제1 프레임 이송유닛과 상기 제2 프레임 이송유닛 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 양품 배터리 셀을 상기 개방전압 값의 미리 설정된 범위 중 제1 설정 범위에 속하는 제1 양품 배터리 셀과 제2 설정 범위에 속하는 제2 양품 배터리 셀로 구분하게 구성되고,
    상기 제1 양품 배터리 셀 또는 상기 제2 양품 배터리 셀을 임시로 적재하기 위한 임시 적재유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 양품 배터리 셀이 상기 제1 프레임 이송유닛에 공급되고 상기 제2 양품 배터리 셀은 상기 제2 프레임 이송유닛에 공급되게 상기 그립퍼 유닛을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 셀 배출유닛은 상기 제1 프레임 이송유닛과 상기 제2 프레임 이송유닛 사이에 배치되고, 상기 불량 배터리 셀들을 수납할 수 있게 마련된 배출 트레이를 이동시키는 컨베이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 공정 자동화 장치.



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