WO2021107407A1 - 열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 줄열(Joule Heat)을 이용하여 용접부(300)를 가열하며, 용접부(300)의 온도 상승변화로부터 불량여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에 관한 것이다.

Description

열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법

본 출원은 2019년 11월 27일자 한국 특허 출원 제2019-0153866호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 발명은 열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접부의 온도 상승과 하강 패턴을 열화상으로 감지하고 분석한 결과로부터 용접부의 불량여부를 판단하는 열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법에 관한 것이다.

휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등에 적용되고 있어, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 갈수록 높아지고 있는 상황이다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

한편, 소형 기기에 이용되는 이차 전지는 수개의 전지 셀들이 배치되지만, 자동차등에는 다수개의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈이 이용된다. 이러한 전지 모듈에는 다수개의 전지 셀들이 서로 직렬 및 병렬로 연결됨으로써 용량과 출력을 향상시키며, 이들 전지 셀들 간의 전기적 연결을 위하여 버스 바(Busbar)가 이용된다.

이때 버스 바(Busbar)와 전지 셀의 리드들은 전기가 통하는 금속이기 때문에 통상 용접하는 방법으로 연결하고 있다.

종래에는 이들을 서로 용접할 때, 약용접, 과용접 등 모든 용접 불량에 대한 검출기술이 없어서 용접 품질을 향상시키는데 한계가 있었다. 즉, 저항 용접 후에 육안 검사를 실시할 경우에는 과용접에 대한 일부 검출은 가능하나 약용접에 대한 검출은 불가능하고, 용접 부분을 당겨서 미용접을 검출하는 스틱(Stick) 검사를 할 경우에는 일부 약용접이나 미용접 검출은 가능하지만 이때에는 리드나 버스 바(Busbar)에 직접적으로 힘을 가하게 되므로 전지 셀이 손상되는 등의 위험이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

일본공개특허공보 제2000-131254호에는, 서로 용접된 2개의 금속 부재인 탭 단자부재와 버스바의 패턴 부분 중에서, 탭 단자부재의 선단부를 가열 지그에서 협지하고 탭 단자부재에서 용접부를 통해 버스바의 패턴 부분에 전열시켜, 버스바의 패턴 부분 이면에서 방사 온도계로 최고 온도나 온도 분포 등을 측정하고, 측정한 최고 온도 또는 소정온도 이상의 영역 면적을 미리 구한 비교치와 비교하여 용접부의 불량여부를 판단하는 기술이 개시되어 있다.

상기 선행문헌에 의하면, 용접부를 파괴하지 않고 용접부의 불량여부를 어느 정도 판단할 수 있다는 이점이 있으나, 전열을 위한 별도의 장비와 전원이 필요하기 때문에 검사를 위한 장치가 복잡하고 이에 따른 검사비용이 증가할 수 밖에 없다는 문제점이 있다.

(선행기술문헌)

(특허문헌 1)일본공개특허공보 제2000-131254호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접부의 불량여부를 정확하게 확인할 수 있는 용접부 검사방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서는 별도의 외부 전원 없이 용접부의 불량여부를 확인할 수 있는 용접부 검사방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서는 설비가 간단한 용접부 검사방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법은, 줄열(Joule Heat)을 이용하여 용접부(300)를 가열하며, 용접부(300)의 온도 상승패턴으로부터 불량여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 줄열(Joule Heat)은 버스 바(200)와 용접되어 있는 배터리 셀(100)로부터 공급되는 전류에 의해 발생하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 배터리 셀(100)은 출하 전 패킹된 상태인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 가열된 용접부(300)를 냉각하며, 용접부(300)의 온도 하강패턴으로부터 불량여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 냉각은 배터리 셀(100)로부터 공급되는 전류의 차단에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 온도 상승패턴은, 소정 온도까지 도달하는데 걸리는 시간, 시간에 따른 온도 증가율, 및 최고 온도 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 온도 하강패턴은, 소정 온도에서 초기 온도까지 도달하는데 걸리는 시간 및 시간에 따른 온도 감소율 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 온도 상승패턴 및/또는 하강패턴은, 용접부 및 상기 용접부 인근영역을 소정 개수로 분할한 영역들을 대상으로 하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 2개 이상의 배터리 셀(100) 리드부(110)와 버스 바(200)를 용접하여 용접부(300)를 형성시키는 제1 단계, 상기 배터리 셀(100)들이 통전될 수 있도록 스위치를 온(ON) 상태로 조작하는 제2 단계, 상기 용접부(300)의 온도변화를 연속적으로 측정하는 제3 단계, 및 온도변화 결과로부터 용접부(300)의 불량여부를 판단하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 제2 단계는 배터리 셀(100)들이 방전된 이후에도 소정 시간동안 유지되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법에서, 상기 제3 단계는, 상기 배터리 셀(100)들이 방전될 때까지 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법에 의하면, 용접부에서의 발열특성과 냉각특성을 함께 고려하여 용접부의 불량여부를 판단하기 때문에 한층 정확한 판단이 가능하다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법에 의하면, 검사가 요구되는 배터리 셀 자체의 전원을 이용하기 때문에 별도의 전원이 필요 없고, 게다가 검사를 위한 부대 장비를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 용접부 검사를 위한 배치 구성도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 용접부의 검사방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3은 전류 인가 시 용접부의 발열 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.

도 4는 전류 인가 또는 차단 시 용접부의 온도 변화를 설명하기 위한 개념도이다.

도 5는 용접부를 포함한 인근 영역에서의 온도 분포 이미지 결과의 일 예시이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 용접부 검사를 위한 배치 구성도이다.

본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 열화상 감지를 이용한 용접부 검사방법에 관하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 용접부 검사를 위한 배치구성도이다. 도 1을 참조하면, 2개의 배터리 셀(100) 각각으로부터 연장된 리드부(110)와, 이들 리드부(110)를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바(200), 리드부(110)와 버스 바(200)를 고정하는 용접부(300) 그리고 용접부(300)의 온도 변화를 측정하기 위하여 열화상카메라(500)가 구비된다.

2개의 배터리 셀(100)은 제품 출하를 위하여 용접부 등 각종 성능을 만족하는지 점검이 요구되는 셀들이며, 버스 바(200)는 이들 배터리 셀(100)들 중 어느 하나의 셀로부터 연장된 음극 리드와 일측이 연결되고, 나머지 하나의 배터리 셀(100)에서 연장된 양극 리드와 타측이 연결되어, 배터리 셀(100)들을 전기적으로 연결될 수 있다.

일반적으로, 금속들로 이루어진 리드부(110)와 버스 바(200)는 저항용접 등과 같은 용접에 의해 서로 연결되며, 이때 리드부(110)에서부터 버스 바(200)로 이어지는 용접부(300)가 형성된다.

한편, 버스 바(200)와 연결되지 않은 배터리 셀(100)들의 일측 리드부들, 즉 도 1에서 왼쪽에 위치하는 배터리 셀(100)의 양극 리드와, 오른쪽에 위치하는 배터리 셀(100)의 음극 리드 사이에는 이들을 전기적으로 연결하거나 차단하기 위한 스위치(400)가 구비된다.

또 리드부(110)와 버스 바(200)를 서로 고정하고 있는 용접부(300) 인근에는 열화상카메라(500)가 설치된다. 열화상카메라는 발열을 추적, 탐지하여 온도에 따라 다른 색으로 표현하는 카메라로서, 이미 여러 분야에서 널리 알려져 있는 기술에 해당되므로 작동원리나 기능 등 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 도 1에서와 같은 구성으로 이루어진 용접부 검사 배치구성도에서 용접부를 검사하는 방법에 관해 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 용접부의 검사방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 전류 인가 시 용접부의 발열 메커니즘을 설명하기 위한 개념도, 도 4는 전류 인가 또는 차단 시 용접부의 온도 변화를 설명하기 위한 개념도 그리고 도 5는 용접부를 포함한 인근 영역에서의 온도 분포 이미지 결과의 일 예시이다.

본 발명에 따른 용접부의 검사방법은, 2개 이상의 배터리 셀(100) 리드부(110)와 버스 바(200)를 용접하여 용접부(300)를 형성시키는 제1 단계, 상기 배터리 셀(100)들이 통전될 수 있도록 스위치를 온(ON) 상태로 조작하는 제2 단계, 상기 용접부(300)의 온도변화를 연속적으로 측정하는 제3 단계, 및 온도변화 결과로부터 용접부(300)의 불량여부를 판단하는 제4 단계를 포함하여 이루어진다.

제1 단계와 관련하여서는 도 1을 참조하면서 상세하게 설명하였으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

제2 단계는 배터리 셀(100)들이 통전될 수 있도록 스위치(400)를 온(ON) 상태로 조작하는 단계이며, 이때 용접부(300)를 중심으로 열이 발생한다.

발열과 관련하여 도 3에 나타내었듯이, 배터리 셀(100)의 음극 단자로부터 공급되는 전자(e)는 버스 바(200)를 경유한 후 타측 배터리 셀(100)의 양극 단자로 이동하며, 이때 용접부(300)에서는 이종 금속간의 결합과 조직 변화에 따른 저항으로 인해 식 1과 같은 줄열(Joule Heat)이 발생한다.

식 1)

여기서, Q는 줄열, I는 전류, R은 저항, t는 시간이다

한편, 용접부(300)의 줄열을 발생시키는 전원은 외부로부터 별도 전원을 공급하는 것도 가능하지만, 버스 바(200)와 직접적으로 연결되어 있는 배터리 셀(100)의 전원을 사용하는 것이 바람직하다.

통상 배터리 셀(100)은 전해액을 주입한 후 활성화단계를 거쳐 완성되는데, 이러한 배터리 셀(100)에는 일정량이 충전되어 있는 상태이므로, 이를 이용하는 것이 유리하다. 즉, 외부 전원을 이용할 시에는 별도의 전원이 필요할 뿐만 아니라 외부 전원과 버스 바(200)를 전기적으로 연결하기 위한 추가적인 배선 등이 필요한데 반해, 버스 바(200)와 연결된 상태의 배터리 셀(100)에 충전된 전원을 이용하면 상기와 같은 단점을 극복할 수 있기 때문이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 배터리 셀(100)에 충전되어 있는 전류를 흘려보내면, 전류 인가 시간이 길어짐에 따라 발열로 인해 용접부(300)에서는 온도가 올라가게 되고, 배터리 셀(100)이 방전되면 더 이상 전류가 이동하지 않으므로 용접부(300)의 온도는 낮아진다.

제3 단계는 용접부(300)의 온도변화를 측정하는 단계로서, 배터리 셀(100)들을 서로 통전시키는 제2 단계와 동시에 수행되는 것도 가능하다.

상기 온도변화는 열화상카메라(500)를 이용하여 용접부(300) 인근의열복사 에너지를 전자적으로 스캔하여 전류 인가 시간에 따른 위치 별 온도 분포 데이터를 생성한다.

즉, 도 5에 도시한 바와 같이 용접부를 포함한 그 주변 온도에 대해 복수개의 단위 영역으로 분할하고, 이들 각 영역별 온도 데이터를 확보한다.

마지막으로 제4 단계는 온도변화 결과로부터 용접부(300)의 불량여부를 판단하는 단계로서, 온도변화가 정상범위에 해당되는지를 비교 검토한다.

일 예로, 도 4에서 전류가 흐를 때 측정한 온도 값이 정상 범위(도 4의 A영역) 이내로 상승할 시에는 해당 용접부(300)는 정상적으로 용접된 것으로 판단하고, 반면, 정상 범위를 벗어나면서 상승하는 경우라면 용접불량인 것으로 간주한다.

또 배터리 셀(100)이 완전히 방전된 이후, 소정 시간 방치해 두면 가열되었던 용접부(300)는 식게 되고, 마찬가지로 측정한 용접부(300)에서의 온도 하강 패턴이 정상범위(도 4의 B영역) 이내에서 변화하고 있는지 비교하여 불량여부를 결정한다.

온도 상승은 전류 인가에 의한 강제 가열로 짧은 시간에 내부의 열이 축적됨에 따라 발생하는 반면, 냉각 시에는 축적된 열이 자연적으로 내/외부로 전달되는 현상이다.

특히 냉각 과정에서는 표면을 통한 대류, 방사 및 내부 전도는 용접부의 표면 상태와 기공, 그레인 크기 및 형성 구조 등과 같은 내부 조직 구조에 따라 냉각 패턴이 상이할 수 있고, 따라서 냉각시 온도 하강 패턴으로부터 용접부의 상태를 판단하는 것이 가능하다.

한편, 온도 상승 패턴의 구체예로서는 특정 온도까지 도달하는데 걸리는 시간, 온도 증가율(온도변화/시간), 최고 온도 일수 있고, 또 냉각 패턴은 최고 온도에서 원래의 온도까지 도달하는데 걸리는 시간, 온도 감소율(온도변화/시간) 일 수 있다.

그리고 상기와 같은 온도 상승 패턴과 냉각 패턴의 각 구체예는 단일 또는 복수개의 인자를 동시에 활용하는 것이 바람직하고, 특히 즉, 도 5와 같이 복수개로 분할한 모든 영역에 상기 인자들을 적용하는 것이 보다 바람직하다.

물론, 용접의 불량여부를 검출하기 위해 일반적으로 실시하던 육안검사, 스틱 검사 등과 함께 용접부에서의 온도 변화 분포 결과를 매칭하여, 정상 상태에서의 용접부 온도 변화결과를 확보해 두어야 함은 자명하다.

도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 용접부 검사를 위한 배치 구성도이다.

제2 실시예서는 4개의 배터리 셀(100)이 직렬로 연결되어 있으며, 이때 각 인근하는 배터리 셀(100)들을 전기적으로 연결하기 위하여 3개의 버스 바(200)가 사용되고 있는 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일하다.

즉, 전류가 이동할 수 있도록 스위치(400)를 연결하고, 각 버스 바(200)에 형성되어 있는 용접부(300)들을 열화상카메라(500)로 스캔 및 온도 데이터를 분석함으로써, 특정 버스 바(200)에 형성된 용접부(300)의 불량여부를 판단할 수 있다.

비록 도면에서는 하나의 열화상카메라(500)를 사용하는 것으로 도시하고 있으나, 복수개의 열화상카메라(500)를 이용하는 것도 가능하다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

(부호의 설명)

100 : 배터리 셀

110 : 리드부

200 : 버스 바

300 : 용접부

400 : 스위치

500 : 열화상카메라

Claims (11)

1. 배터리 셀(100) 리드부(110)와 버스 바(200)의 용접부(300)를 검사하는 방법으로서,

   줄열(Joule Heat)을 이용하여 용접부(300)를 가열하며, 용접부(300)의 온도 상승패턴으로부터 불량여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 줄열(Joule Heat)은 버스 바(200)와 용접되어 있는 배터리 셀(100)로부터 공급되는 전류에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 배터리 셀(100)은 출하 전 패킹된 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
4. 제2항에 있어서,

   가열된 용접부(300)를 냉각하며, 용접부(300)의 온도 하강패턴으로부터 불량여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 냉각은 배터리 셀(100)로부터 공급되는 전류의 차단에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 온도 상승패턴은, 소정 온도까지 도달하는데 걸리는 시간, 시간에 따른 온도 증가율, 및 최고 온도 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 온도 하강패턴은, 소정 온도에서 초기 온도까지 도달하는데 걸리는 시간 및 시간에 따른 온도 감소율 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
8. 제4항에 있어서,

   상기 온도 상승패턴 및/또는 하강패턴은, 용접부 및 상기 용접부 인근영역을 소정 개수로 분할한 영역들을 대상으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
9. 제1항에 있어서,

   2개 이상의 배터리 셀(100) 리드부(110)와 버스 바(200)를 용접하여 용접부(300)를 형성시키는 제1 단계;

   상기 배터리 셀(100)들이 통전될 수 있도록 스위치를 온(ON) 상태로 조작하는 제2 단계;

   상기 용접부(300)의 온도변화를 연속적으로 측정하는 제3 단계; 및

   온도변화 결과로부터 용접부(300)의 불량여부를 판단하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제2 단계는 배터리 셀(100)들이 방전된 이후에도 소정 시간동안 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제3 단계는, 상기 배터리 셀(100)들이 방전될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 리드부와 버스 바의 용접부 검사방법.

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