임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사 방법{Battery-pack inspection method using Impedance measurement technology}

본 발명은 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어셀의 품질확인 및 보호회로의 기능검사와 더불어 배터리팩의 성능검사는 물론, 상기 보호회로 내부에 구성된 특정소자에 대한 이상유무를 확인하여 배터리팩의 안정성을 도모하는 동시에, 소비자들에게 정확한 일회충전 사용시간과 라이프사이클을 제공하여 제품의 신뢰도를 향상시키고, 기업이미지를 상승시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로, 휴대용 이동 단말기 등에 사용되는 배터리팩은, 그 외형을 결정하는 케이스의 내부에 코어셀과 보호회로 등이 구성되며, 이러한 배터리팩이 사용되는 이동 단말기는 휴대용이라는 점으로 인하여 배터리팩의 안정성을 도모하는 동시에, 소형화와 일회충전 사용시간 및 라이프 사이클의 향상과 더불어 상기 배터리팩의 일회충전 사용시간과 라이프 사이클을 정확히 판단하는 것이 중요한 기술적 과제이다.

특히, 코어셀과 보호회로 등이 내장되어 생산된 배터리팩이 판매될 때, 소비자들에게 정확한 사용시간과 수명 등을 알려줌으로써, 제품의 안정성과 신뢰도를향상시키는 것이 매우 중요함은 당연하다 할 것이다.

종래에는 셀의 경우, I/R과 OCV만을 측정함으로써 셀의 정상과 불량(비정상)의 판단기준으로 사용하고 있다. 또한 배터래팩의 검사 항목은 전압, I/R, 충전(차단, 해지), 방전(차단, 해지), 단락(복귀), V/F, C/F 검사 등 생산라인공정에서 팩을 검사한다. 이 경우 배터리팩을 구성하고 있는 셀 또는 PCM(Protection circuit module)의 이상 유무를 정확히 평가할 수 없다.

또한 종래 PCM 검사방법은 과충전 차단전압, 과충전 해지전압, 과방전 차단 전압, 과방전 해지전압, 과전류 차단 전류항목을 통하여 검사가 이루어지고 있다.

그러나, 이미 전수한 PCM의 경우 초음파 융착시 예기치 않은 고조파 노이즈로 인하여 부품에 손상이 가는 경우 제품의 신뢰도가 저하되는 문제점이 있다. 이때 기존의 배터리팩 검사방법의 경우 부품에 대한 크랙, 셀의 마이크로 쇼트가 발생되었을 때 이에 대한 검출결과가 양품으로 판정되는 경우가 발생하며, 그 결과 충방전 사이클이 진행됨에 따라 셀의 성능열화로 인한 수명 단축을 초래할 우려가 있으며, 휴대용 장치의 오동작의 원인이 될 수 있다.

일반적으로 동일 OCV를 가진 셀 자체의 임피던스를 측정하였을 경우에 동일 종류의 모델에 따라서 임피던스 차이가 크게는 30%의 오차를 가지고 있다. 이 경우 편차가 큰 셀의 충방전 사이클 시험을 통하여 셀의 수명을 예측할 수가 있으며, 이는 이미 실험적으로 증명된 결과값으로 다른 종류의 셀에도 동일하게 적용될 수가 있다. 또한 PCM의 기능을 시험하는 경우 회로의 소자에 대한 파손 여부를 정확히 판단할 수 없다. 그러나, PCM에 주파수를 인가하여 임피던스 스펙트럼을 분석하면각각의 부품에 대한 이상 유무를 정확히 판단할 수 있다.

배터리팩의 경우 셀과 PCM의 복합적인 결합 구조를 가지고 있으며, 셀과 PCM의 기능 불량에 대한 판단이 불가능하다. 하지만 셀에 대한 임피던스 스펙트럼과 셀과 PCM이 결합된 배터리팩의 임피던스 스펙트럼을 분석하면 셀 불량인지, PCM 불량인지를 정확히 판단할 수가 있다.

즉, 도2에 도시한 바와 같이 동일한 OCV를 가진 배터리일지라도 배터리의 임피던스 스펙트럼을 분석하면 임피던스값 차이가 발생되며, 충방전 사이클을 반복하였을 경우 배터리의 용량이 현저하게 차이가 발생됨을 알 수 있다.따라서, 임피던스 스펙트럼 분석에 의해 배터리 수명을 예측할 수 있다.

그러나, 종래의 배터리팩 검사 장치 또는 검사 방법은 개방회로전압(OCV : Open Circuit Voltage)의 변화에 따른 임피던스 차이에 의한 기술적 문제점을 극복할 수가 없었고, 특히 동일 OCV라 할지라도 임피던스값의 차이로 인한 충방전 시험 후(통상적으로 사이클횟수, 휴대폰의 경우 500사이클을 수명으로 간주함)용량 편차가 발생하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 코어셀의 품질확인 및 보호회로의 기능검사와 더불어 배터리팩의 성능검사는 물론, 상기 보호회로 내부에 구성된 특정소자에 대한 이상유무를 확인하여 배터리팩의 안정성을 도모하는 동시에, 소형화와 일회충전 사용시간 및 라이프 사이클의 향상과 더불어 상기 배터리팩의 일회충전 사용시간과 라이프 사이클을 정확히 판단할 수있도록 하는 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 배터리 자체(코어 셀)에 대한 임피던스 차이로 셀의 이상유무를 정확히 판별하고, PCM이 비정상(임피던스 스펙트럼의 변이가 발생됨)인 경우, 임피던스 스펙트럼을 분석하여 PCM의 각 부위별 이상유무를 정확히 판별함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 소신호 교류(AC)전압 또는 전류를 배터리, PCM, 배터리팩에 인가하여 피드백된 전압과 전류를 FFT/Laplace 변환을 통하여 주파수 평면에서 등가임피던스를 측정함으로써 배터리, PCM 및 배터리팩 상태에 대한 보다 정확한 판단 기준을 제공함에 있다.

도1은 동일 OCV를 가진 셀의 임피던스 스펙트럼 분석 그래프이다.

도2는 임피던스 차이가 발생된 셀의 신뢰성 시험 그래프이다.

도3은 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사 방법의 흐름도이다.

도4a 및 도 4b는 종래의 배터리팩 검사방법의 상세흐름도이다.

도 5a 및 도5b는 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 셀의 스펙트럼 분석 그래프이다.

도 6은 배터리팩에 설치되는 보호회로의 회로도이다.

도 7a 내지 도 7b는 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 보호회로의 스펙트럼 분석 그래프이다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 소프트팩의 스펙트럼 분석 그래프이다.

도9는 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사공정을 나타낸 도면이다.

도10a 내지 도10b는 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩진단 예를 나타낸 도면이다.

도11은 본 발명에 관련된 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치의 블록도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사 방법은, 코어셀의 품질을 확인하는 셀 검사 단계(S100)와,

상기 셀 검사 후 임피던스 차이로 인한 용량의 변화를 판별하여 배터리팩의 수명을 예측하는 소팅(Sorting) 단계(S200)와, 소프트 팩상태에서 PCM 및 셀의 이상유무를 판별하는 단계(S300)와, 상기 PCM의 부위별 이상유무를 임피던스 스펙트럼을 분석하여 검색하는 단계(S400) 및 상기 코어셀과 보호회로가 내장된 배터리팩에 대한 성능 및 안전성 등을 검사하는 팩 어셈블리 검사 단계(S600)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 셀 검사 단계(S100) 및 소팅 단계(S200)와 동시에, 과충전 과방전 및 과전류의 입력에 대한 보호회로의 동작을 확인하는 보호회로 검사 단계(S500)를수행하는 것 특징으로 한다.

이하에서 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 3은 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사 방법의 흐름도로서, 코어셀의 품질을 확인하는 셀 검사 단계(S100)와, 상기 셀 검사 단계 이후 임피던스 차이로 인한 용량의 변화를 판별하여 배터리팩의 수명을 예측하는 소팅(Sorting) 단계(S200)와, 과충전과 과방전 및 과전류의 입력에 대한 보호회로의 동작을 확인하는 보호회로 검사 단계(S500)를 동시에 수행하고, 상기 S200단계와 S500단계후, 소프트 팩상태에서 PCM 및 셀의 이상유무를 판별하는 단계(S300)와, 상기 PCM의 부위별 이상유무를 임피던스 스펙트럼을 분석하여 검색하는 단계(S400) 및 상기 코어셀과 보호회로가 내장된 배터리팩에 대한 성능 및 안전성 등을 검사하는 팩 어셈블리 검사 단계(S600)로 이루어진다.

먼저 배터리팩의 주요 구성에 하나인 코어셀(Core-Cell)의 품질을 확인하는 셀 검사 단계(S100)에서는 임피던스 측정장치를 이용하여 코어셀의 임피던스를 측정하여 해당 코어셀의 이상유무를 확인한다.

도 5a 및 도 5b의 셀 임피던스 스펙트럼 분석 그래프에서 보는 바와 같이, 동일 셀의 임피던스를 측정하면 두개의 코어셀(PA-1)(PA-3)은 정상적인 임피던스 곡선을 가진다. 즉, OCV와 내부임피던스 값이 일치하지만 코어셀(PA-2)(PA-4)(PA-5)(PA-6)은 임피던스 값이 상당히 큰값으로 나타남을 알 수 있다. 이는 저전압 셀(Cell)에 대한 불량으로 판별할 수 있는 것이다.

따라서, 도 4a에 나타난 바와 같이 내부저항을 측정(S101)함과 더불어 개방회로전압(OCV : Open Circuit Voltage)을 측정(S102)하여, 코어셀의 품질을 결정(S103)하게 되는 종래의 셀 검사방법은 임피던스측정기술을 이용한 셀 검사방법으로 대치될 수 있을 것이다.

다음으로 배터리팩의 주요 구성에 다른 하나인 보호회로의 동작을 확인하는 보호회로 검사 단계(S500)에서는 과충전 전압과 과방전 전압 및 과전류 등을 인가하여 그에 따른 보호회로의 동작을 확인하게 된다.

배터리팩에 내장되는 보호회로는 도 6에 나타나있으며, 이러한 보호회로는 도 4b에 나타낸 바와 같이, 과충전 차단 전압(4.325V±0.025V)과 과충전 해지 전압(4.075V±0.05V)인가 시에 정상적으로 동작하는가를 확인(S201)하고, 과방전 차단 전압(2.50V±0.08V)과 과방전 해지 전압(2.90V±0.1V)인가 시에 정상적으로 동작하는가를 확인(S202)하며, 과전류 차단 전류(3∼5A)에서 보호회로가 정상적으로 동작하는가를 확인(S203)한 후, 내부소자의 이상유무를 확인(S204)한다.

이때, 상기 내부소자의 이상유무 또한 보호회로의 임피던스를 측정하여 이상유무를 판별할 수 있다.

도 7a의 보호회로 임피던스 스펙트럼 분석 그래프에서 보는 바와 같이, 정상일 경우에는 상대적으로 작은 특정한 점 모양으로 스펙트럼이 나타나지만, FET(Field Effect Transistor)와 PCB(Protection Circuit Block)가 비정상일 경우에는 상당히 큰 스펙트럼이 나타나게 된다.

또한, 도 7b에서 보는 바와 같이, 보호회로의 내부소자인 커패시터와 더불어 PCB의 부위별 이상(R1과 C1)과 FET가 비정상일 경우에도 정상적인 스펙트럼과는 현격한 차이가 나타남을 알 수 있다.

도 8a에서 보는바와 같이, 소프트 팩상태에서 정상적인 팩과 C1, R1, R2가 비정상적일 때의 임피던스 스펙트럼을 나타낸다. 여기서, C1, R1에 대한 이상유무는 확인할 수 있으나, R2가 비정상적인 경우에는 정상적인 팩의 임피던스 스펙트럼과 동일함을 알 수 있다. 그러나, R2의 이상유무를 확인하는 방법으로는 보호회로에 과전류를 공급하여 확인할 수 있으며, 정상일 경우에는 도 8b에서 보는 바와 같이, 과전류 I(t)가 공급되면 일정시간이 지난 후에 차단되는 것을 확인할 수 있으나, R2가 단락(Short)되거나 R2가 단선(Open)되면 전류의 차단이 이루어지지 않고 전압 V(t)가 계속적으로 상승됨을 알 수 있다. 또한, 과전압인가시 임피던스 스펙트럼을 분석해보면 도 8c에서 보는바와 같이, 정상적인 배터리팩의 스펙트럼과 차이가 발생됨을 알 수 있다.

마지막으로, 상기와 같은 방법으로 정상임이 판별된 코어셀과 보호회로가 배터리팩에 내장되면, 도 10에 나타난 바와 같이, 임피던스를 측정하여 이상유무를 확인하며, 배터리팩의 외관이나 이물질 침투여부, 변형이나 부식, 누액이나 단락 등의 기타 배터리팩의 안정성을 확인하게 된다.

도 9는 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 검사공정을 나타낸 도면으로서, 각각 셀 1차 시험(Cell Pre-test), PCM 1차 시험(PCM Pre-test)후 팩을 조립(Pack Assembly)한 후 BPS 시험을 행하여 출하(Pack Shipping)한다.

도10a 및 도 10b는 본 발명에 의한 임피던스 측정기술을 이용한 배터리팩 진단 예를 나타낸 그래프로서, 도10a는 코어셀과 보호회로를 내장한 배터리팩 상태에서 각각에 대한 임피던스 스펙트럼을 나타낸다. 이때 도 10a에서 (PA-2)는 배터리팩 상태가 비정상적인 경우를 나타내며, (PA-1)과 (PA-3)은 정상적인 배터리팩 상태를 나타낸다. 또한, 도10b의 경우 모든 배터리팩이 정상적이며, 여기서 셀이 비정상적인 경우에는 임피던스가 높게 나타나며, 셀이 정상적인 경우 임피던스 스펙트럼의 위상이동만 됨을 알 수 있다. 그리고, 셀이 정상이고 PCM이 비정상적일 경우 도 8에서 보는바와 같이 임피던스 스펙트럼의 변이가 발생되어 PCM의 각 부위별 이상유무를 판단할 수 있다.

도 11은 본 발명에 관련된 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치의 블록도로서, 처리장치(1)에 서 구동특성을 측정하기 위한 축전지(B)에 인가되는 인가신호, 예를 들어 사인신호·펄스신호·스텝신호 등의 크기 등을 선택하여 출력장치(2)에서 출력되는 인가신호의 출력을 제어한다.

이때, 상기 처리장치(1)에서 출력되는 신호는 비동기 FIFO/게인 및 옵션 에러 보정기(8)를 거쳐 출력장치(2)로 인가되며, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)은 데이터의 고속전송을 원할히 하며 게인 및 옵셋 에러를 보정한다.

상기 처리장치(1)의 제어에 의하여 출력장치(2)의 교류발생기(21)에서는 인가신호의 교류성분을 생성하고, 바이어스공급기(26)에서는 인가신호의 직류성분을 생성한다.

이때, 상기 교류발생기(21)에서 발생되는 교류성분의 PP(Peak to peak)전압은 수십 mV 단위이며, 필요에 따라 감쇠를 해야 하므로 PP전압을 감쇠하기 위한 감쇠기(22)를 거치게 된다.

또한, 상기 바이어스공급기(26)에서 발생되는 직류성분은 축전지(B)의 가상동작점을 설정하거나 DC옵셋을 '0'으로 설정하기 위한 것이며, 안정화시간(settling time)동안 오실레이션(oscillation)하기 때문에 이 부분을 제거하기 위한 슬로프 리미터(27)를 거치게 된다.

상기 감쇠기(22)와 슬로프리미터(27)를 거친 교류성분과 직류성분은 가산기(25)에서 합성된어 교류성분 및 직류성분을 포함한 인가신호가 출력된다.

상기 가산기(25)에서 출력되는 인가신호는 대역폭제어기(3)로 입력되며, 상기 대역폭제어기(3)는 검출장치(4)에서 검출되는 전압 및 전류의 검출신호를 입력받아 상기 인가신호를 보상하며, 대역폭을 제한 또는 차단하여 과부하로부터 안정한 동작을 하도록 한다.

상기 대역폭제어기(3)에서 보상된 인가신호는 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하기 위한 전력증폭기(6)에서 증폭되어 축전지(B)에 인가되며, 이때 형성되는 축전지(B)의 전압 및 전류는 검출장치(4)의 전압검출기(41)와 전류검출기(46)에서 검출된 전류는 전류/전압변환기(47)에서 전압으로 변환된다.

여기서, 상기 검출장치(4)는 교류입력만을 검출하기 위하여 직류 바이어스 전압 및 전류 성분과 잡음성분을 제거한다.

상기 검출장치(4)에서 검출된 전압 및 전류는 변환장치(5)를 거쳐 디지털신호(Digital signal)로 변환된 후, 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8')를 거쳐 처리장치(1)로 입력되며, 상기 처리장치(1)는 인가신호와 검출신호에 의하여 축전지(B)의 구동특성 데이터를 산출하게 된다.

상기 처리장치(1)는 디지털 전압 및 전류를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스변환 매개함수로 근사화하고, 임피던스 스펙트럼을 발생시켜 연산결과를 분석 및 저장한다.

여기서, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)(8')에 의해 고속처리가 가능하기 때문에 측정범위를 충분히 확장할 수 있다.

그리고, 상기 변환장치(5)는 처리장치(1)로부터 시스템 내부의 오차(잡음, 감쇠 등)에 따른 전압 및 전류 보상테이터를 입력받아, DC 바이어스 전압보상DAC(Digital to Analog Converter)(51)와 DC 바이어스 전류보상DAC(51')에 서 아날로그신호(Analog signal)로 변환되며, 상기 변환된 전압 및 전류 보상테이터는 검출장치(4)에서 검출된 전압 및 전류의 검출신호와 가산기(52)(52')에서 합성된다.

이때, 게인 및 옵셋 에러 보정기(56)(56')에서 측정오차 및 누설분에 대한 보상신호가 출력되어 상기 DC 바이어스 전압보상 DAC(51)와 DC 바이어스 전류보상DAC(51')로 입력된다.

상기 가산기(52)(52')에서 합성된 신호는 증폭기(53)(53')에서 증폭된 후, 저대역 통과필터(54)(54')에서 필터링 되어 고주파성분이 제거되며, 상기 필터링된 신호는 전압ADC(Analog to Digital Converter)(55)와 전류ADC(55')에서 디지털신호로 변환되어 처리장치(1)로 입력된다.

또한, 상기 처리장치(1)에서 인가되는 인가신호와 보상신호 및 측정결과에 따른 데이터 산출방식 등은 처리장치(1)의 내부에 저장이 가능하고, 별도의 출력장치를 구비하여 각종입력신호 및 분석결과를 나타낼 수 있으며, 필요에 따라 원격제어장치(7)에 의하여 원하는 것을 선택할 수 도 있다.

상기 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치의 보다 상세한 동작은 본 출원인이 앞서 제안한 바 있는 특허출원(출원번호 2003-0008243호)의 상세한 설명란에 보다 명확히 명시되어 있다.

상기 본 발명은 당업자의 요구에 따라 기본 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 코어셀의 품질과 보호회로의 동작을 확인함과 더불어 상기 보호회로의 특정소자에 대한 이상유무를 명확히 판단함으로써, 소비자들에게 정확한 일회충전 사용시간과 라이프사이클을 제공하여 배터리팩의 안정성과 제품의 신뢰도를 향상시키고, 기업이미지를 상승시킬 수 있는 효과가 있다.