JP7258408B2 - 二次電池及びその二次電池を含む電池モジュール - Google Patents
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Description
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年４月１７日付け韓国特許出願第１０－２０１９－００４４９９１号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、二次電池及びその二次電池を含む電池モジュールに関し、二次電池の温度が一定値を超過する場合、電流を遮断することができる構造を有する二次電池及びその二次電池を含む電池モジュールに関する。
繰り返し充電及び放電が可能な二次電池は、非正常な動作が発生する場合、発火又は爆発が起こらないように安定性が確保される必要がある。例えば、二次電池の短絡などにより二次電池内部の温度が一定値を超過する場合、二次電池に電流が流れることを遮断する必要がある。
一方、二次電池は、その構造又は製造方法によって円筒状二次電池、角形二次電池、パウチ型二次電池等に区分され得る。このうち、パウチ型二次電池は、シート形態のパウチ外装材内に電極と分離膜が交互に配置された構造を有する電極組立体が収容された構造を有する。特に、パウチ型二次電池は、製造に必要な工程が比較的簡単で製造コストが低いため、広く用いられている。
しかし、従来の技術によれば、パウチ型二次電池には、二次電池内部の温度が非正常に上昇したとき電流を遮断することができる構成が備えられていないので、安全性の確保に問題があった。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、パウチ型二次電池で、二次電池内部の温度が非正常に上昇したとき電流を遮断することにより安全性を向上させることである。
前記目的を達成するための本発明の一側面によれば、電極組立体；前記電極組立体を収容するシート型外装材；及び、前記外装材に隣接するように備えられ、前記外装材の一領域の温度を感知する複数の温度感知部；を含み、前記温度感知部のうち１つ以上は、ＰＴＣ素子；及び、ＮＴＣ素子；を含む二次電池が提供される。
外部に突出された形状を有する電極リード；をさらに含み、前記ＮＴＣ素子は、前記複数の温度感知部のうち前記電極リードに隣接した温度感知部に備えられてよい。
前記電極リードは、正極リード及び負極リードを含み、前記ＮＴＣ素子は、前記複数の温度感知部のうち前記負極リードに隣接した温度感知部に備えられてよい。
前記複数の温度感知部は、前記外装材の主面（ｍａｉｎ ｐｌａｎｅ）である上面又は下面に付着されてよい。
前記複数の温度感知部は、前記外装材の側面に付着されてよい。
前記外装材は、前記電極組立体が収容される内部空間が形成される本体部；及び、前記本体部の前記内部空間を外部から密封するシーリング部；を含み、前記複数の温度感知部は、前記シーリング部に付着され、前記シーリング部は折り曲げられて前記外装材の側面に密着されてよい。
前記外装材の表面のうち一部に接着される接着部；をさらに含み、前記複数の温度感知部は、前記接着部に付着されてよい。
前記外装材は、前記外装材が収容される内部空間が形成される本体部；及び、前記本体部の前記内部空間を外部から密封するシーリング部；を含み、前記接着部は、前記シーリング部が折り曲げられて前記外装材の側面に密着されるように前記シーリング部及び前記本体部にともに接着されてよい。
前記接着部は、前記外装材の主面（ｍａｉｎ ｐｌａｎｅ）である上面又は下面の全体にのみ付着されてよい。
前記複数の温度感知部を互いに連結する回路は、前記複数の温度感知部をジグザグに連結することができる。
前記目的を達成するための本発明の他の側面によれば、前記二次電池；及び、前記二次電池の前記温度感知部が付着された領域で前記外装材の温度に関する情報の提供を受ける制御部；を含み、前記温度感知部が付着された領域のうち一部領域の温度が一定値を超過する場合、制御部で、（ｉ）前記二次電池の電流を遮断するか、（ｉｉ）外部に警告信号を送る電池モジュールが提供される。
前記制御部は、前記ＰＴＣ素子及び前記ＮＴＣ素子がともに備えられた温度感知部からそれぞれ温度に関する情報の提供を受けて、前記ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第１基準温度を超過する場合、前記制御部は外部に警告信号を送ることができる。
前記ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第２基準温度を超過して、前記ＰＴＣ素子から供給を受けた温度が第３基準温度を超過する場合、前記制御部は、前記二次電池の電流を遮断することができる。
前記第２基準温度は、前記第１基準温度より大きくてよい。
前記第２基準温度は、前記第３基準温度と同一であってよい。
本発明によれば、パウチ型二次電池で二次電池内部の温度が非正常に上昇したとき電流を遮断することで安全性が向上され得る。
以下、図を参考にして本発明による二次電池及び電池モジュールの構造を説明する。
(二次電池)
図１は、本発明の第１実施形態による二次電池の構造を示した平面図で、図２は、本発明の第２実施形態による二次電池の構造を示した平面図である。そして、図３は、本発明の第３実施形態による二次電池の構造を示した側面図である。
図１は、本発明の第１実施形態による二次電池の構造を示した平面図で、図２は、本発明の第２実施形態による二次電池の構造を示した平面図である。そして、図３は、本発明の第３実施形態による二次電池の構造を示した側面図である。
本発明による二次電池１０は、電極組立体（図示せず）及び電極組立体を収容するシート型外装材２００（以下、「外装材」と称する）を含んでよい。電極組立体は、電極と分離膜が交互に配置された構造を有してよい。
図１及び図２に示されたとおり、外装材２００は、電極組立体が収容される内部空間が形成される本体部２１０、及び本体部２１０の内部空間を外部から密封するシーリング部２２０を含んでよい。シーリング部２２０は２枚のシートが互いに接合される構造を有してよい。
一方、本明細書では、外装材２００の本体部２１０の表面のうち最も大きい面積を有する面を「主面（ｍａｉｎ ｐｌａｎｅ）」と称し、主面の周囲に形成される面を「側面」と称する。図１から図３を参考にすれば、外装部の本体部２１０のうち、図１及び図２で示す領域が外装材２００の主面であり、外装部の本体部２１０のうち、図３で示す領域が外装材２００の側面となる。外装材の主面は外装材の上面又は下面として理解されてもよい。
また、本発明による二次電池１０は、外部に突出された形状を有する電極リード１００を含んでよい。電極リード１００は、正極リード１００ａ及び負極リード１００ｂを含んでよい。
図１に示されたとおり、本発明の第１実施形態によれば、正極リード１００ａ及び負極リード１００ｂは、外装材２００の一側部に形成されることにより、同一の方向に突出されてよい。しかし、図２に示されたとおり、本発明の第２実施形態によれば、正極リード１００ａ及び負極リード１００ｂは外装材２００の一側部と一側部の反対側に形成される他の側部にそれぞれ形成されることで、互いに反対方向に突出されてもよい。
一方、本発明による二次電池１０は、外装材２００に隣接するように備えられる複数の温度感知部３００を含んでよい。本発明による温度感知部３００は、外装材２００の一領域の温度を感知する構成であってよい。後述のとおり、温度感知部３００で感知された外装材２００の一領域での温度に関する情報は、制御部２０（図１０参照）に提供されてよい。図１及び図２には、温度感知部３００が外装材２００の主面に３×３状に備えられ、ただし、温度感知部３００を互いに連結する回路が温度感知部３００をジグザグに連結する様子が示されている。図３には、温度感知部３００が外装材２００の側面に並んで３つが備えられた様子が示されている。
複数の温度感知部３００は、外装材２００の一面に直接付着されてよい。このとき、図１及び図２に示されたとおり、温度感知部３００は外装材２００の主面である上面又は下面に付着されてよく、図３に示されたとおり、温度感知部３００は外装材２００の側面に付着されてもよい。
一方、図１から図３に示されたとおり、本発明の二次電池１０は、外装材２００の表面に備えられ、複数の温度感知部３００のうち何れか１つと回路により連結される端子部４００をさらに含んでよい。図１から図３には、電極リード１００が形成される外装材２００の一側に端子部４００が備えられた場合が示されている。
一方、本発明によれば、二次電池１０に備えられた複数の温度感知部３００は、それぞれＰＴＣ素子を含んでよい。また、複数の温度感知部３００のうち１つ以上は、ＮＴＣ素子を含んでよい。よって、本発明によれば、複数の温度感知部３００のうち１つ以上は、ＰＴＣ素子及びＮＴＣ素子を含んでよい。
ＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子は、温度が上昇すれば電気抵抗が急激に増加する素子であり、ＮＴＣ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子は、温度が下降すれば電気抵抗が増加する素子を意味する。
本発明によれば、複数の温度感知部のうち１つ以上にＰＴＣ素子及びＮＴＣ素子がともに備えられることにより、外装材の特定領域での温度に対してより信頼性が高い情報を得ることができる。
すなわち、温度感知部に一種類の温度測定素子のみが備えられる場合には、外装材の特定領域の温度情報が一種類の温度測定素子のみから得た情報に限られる。よって、一種類の温度測定素子から得た温度情報が誤っていたとしても、その情報が誤っていたということが分からず、外装材の特定領域の温度情報の信頼性が落ちるしかない。
しかし、本発明によれば、少なくとも１つの温度感知部に２種類の温度測定素子が備えられるので、外装材の特定領域の温度情報も２つの経路を介して得ることができる。よって、一種類の温度測定素子から得た温度に関する情報が誤っている場合、他の種類の温度測定素子から得た温度情報による交差検証を介して温度情報の誤りが分かるようになる。したがって、本発明によれば、外装材の特定領域の温度に関する情報の信頼性が向上され得る。
一方、複数の温度感知部がそれぞれＮＴＣ素子を含み、複数の温度感知部のうち１つ以上にＰＴＣ素子を含むことも考慮してみることができるが、通常、ＮＴＣ素子の場合、ＰＴＣ素子に比べて高価なので、温度感知部をそのように構成することは経済的な側面において好ましくない。
一方、二次電池の温度に対する安全性の側面で、複数の温度感知部のうち２種類の温度測定素子が備えられる温度感知部は、二次電池内でも普段温度が高いところに備えられることが好ましい。普段発熱が多いところで、非正常な温度上昇が発生する可能性もやはり高いからである。
一方、二次電池で、電極組立体と電極リードが連結される領域で相対的に温度が高いことが一般的である。電極組立体と電極リードが連結されるためには溶接過程を経ることになるところ、溶接される領域で発熱が多く発生し、相対的に大きな幅を有する電極組立体を流れていた電流が相対的に狭い幅を有する電極リードで集中されるからである。
したがって、本発明によれば、ＮＴＣ素子は、複数の温度感知部３００のうち電極リードに隣接した温度感知部に備えられてよい。図１及び図２を参考にすれば、ＮＴＣ素子は、複数の温度感知部３００のうち電極リード１００と最も隣接した、上部の温度感知部３００のうち１つ以上に備えられてよい。
一方、通常、負極リードに用いられる材料（ｅｘ．銅）の熱伝導度が、正極リードに用いられる材料（ｅｘ．アルミニウム）の熱伝導度より大きいので、負極リードで発熱が大きく生じるのが一般的である。また、二次電池の放電時、電荷が負極リードから正極リードの方向に流れるようになるので、電極リードのうちでも特に、負極リードと電極組立体が電気的に連結される領域で相対的に温度が高いことが一般的である。
したがって、本発明によれば、ＮＴＣ素子は、複数の温度感知部３００のうち負極リード１００ｂに隣接した温度感知部に備えられてよい。図２を参考にすれば、ＮＴＣ素子は、複数の温度感知部３００のうち負極リード１００ｂに最も隣接した、上部の温度感知部３００のうち中央に備えられた温度感知部に備えられてよい。
図４は、本発明の第４実施形態による二次電池の構造を示した平面図であり、図５は、本発明の第５実施形態による二次電池の構造を示した平面図である。そして、図６は、本発明の第６実施形態による二次電池の構造を示した側面図である。
図４から図６に示されたとおり、本発明の第４実施形態から第６実施形態による二次電池１０は、外装材２００の表面のうち一部に接着される接着部５００をさらに含んでよく、複数の温度感知部３００は、接着部５００に付着されてよい。本発明の第４実施形態及び第５実施形態によれば、複数の温度感知部３００が付着された接着部５００が外装材の表面に接着されるので、接着部５００により複数の温度感知部３００が外装材２００の表面に密着して備えられてよい。
このとき、接着部５００は、多様な方式で二次電池１０に備えられてよい。図４、図５、図７及び図８に示されたとおり、接着部５００は、シーリング部２２０が折り曲げられて外装材２００の側面に密着され得るよう、シーリング部２２０及び本体部２１０にともに接着されてよい。このとき、図４に示されたとおり、本発明の第４実施形態によれば、接着部５００は、外装材２００の主面の幅方向に沿って延長され、本体部２１０の表面、及び本体部２１０の両側にそれぞれ形成された２つのシーリング部２２０の表面にともに接着されてよい。又は、図５に示されたとおり、本発明の第５実施形態によれば、接着部５００は、外装材２００の主面、及び本体部２１０の一側に形成された１つのシーリング部２２０の表面にともに接着されてよい。図４には、３つの接着部５００が備えられ、ただし、各接着部５００のうち、外装材２００の主面に接着される領域にそれぞれ３つの温度感知部３００が備えられる場合が示されており、図５には、６つの接着部が備えられ、ただし、各接着部５００のうち外装材２００の主面に接着される領域にそれぞれ１つの温度感知部３００が備えられる場合が示されている。
しかし、これと異なり温度感知部３００は、接着部５００のうち外装材２００の側面に接着される領域に備えられてもよい。すなわち、図６及び図９に示されたとおり、本発明の第６実施形態によれば、接着部５００は、シーリング部２２０が折り曲げられて外装材２００の側面に密着され得るよう、シーリング部２２０及び本体部２１０にともに接着されてよく、この際、各接着部５００のうちシーリング部２２０の表面に接着される領域にそれぞれ１つの温度感知部３００が備えられてよい。よって、本発明の第６実施形態によれば、接着部５００によってシーリング部２２０は折り曲げられて外装材２２０の側面に密着されてよく、各接着部５００に付着された複数の温度感知部３００はシーリング部２００に付着されることにより、温度感知部３００が外装材２００の側面に隣接するように備えられてよい。
しかし、これと異なり、複数の温度感知部が付着された接着部は、外装材の主面である上面又は下面の全体にのみ付着されてもよい。この場合、複数の温度感知部が備えられた二次電池の構造は、図１及び図２の構造と実質的に同一であってよい。
(電池モジュール)
図１０は、本発明による電池モジュールの構造を示した平面図である。図１０に示されたとおり、本発明による電池モジュール１は、複数の二次電池１０を含んでよい。二次電池１０の構造に対する内容は、前述の説明で代替する。
図１０は、本発明による電池モジュールの構造を示した平面図である。図１０に示されたとおり、本発明による電池モジュール１は、複数の二次電池１０を含んでよい。二次電池１０の構造に対する内容は、前述の説明で代替する。
また、本発明による電池モジュール１は、二次電池１０の温度感知部３００（図１から図９参照）が付着された領域から外装材の温度に関する情報の提供を受ける制御部２０を含んでよい。
本発明によれば、複数の二次電池１０に装着された温度感知部では、温度感知部が付着された領域での外装材の温度を感知し、その情報を制御部２０に送るようになる。その後、複数の二次電池１０に付着された温度感知部が付着された領域のうち一部領域の温度が一定値を超過する場合、制御部では、（ｉ）前記一定値を超過する温度に関する情報を送った温度感知部が付着された二次電池の電流を遮断するか、（ｉｉ）外部に警告信号を送ることができる。本発明による電池モジュールにおいて、制御部の制御方式に対しより詳細に説明する。
電池モジュール１の制御部２０は、二次電池１０で温度感知部に備えられたＰＴＣ素子及びＮＴＣ素子からそれぞれ温度に関する情報の提供を受ける。
本発明によれば、制御部は、ＮＴＣ素子から提供を受けた温度が（ｉ）第１基準温度と同じであるか第１基準温度未満なのか、（ｉｉ）第１基準温度を超過し、ただし、第１基準温度より大きい値を有する第２基準温度と同じであるか第２基準温度未満なのか、（ｉｉｉ）第２基準温度を超過するのか否かを判断するようになる。
また、本発明によれば、制御部は、ＰＴＣ素子から供給を受けた温度が（ｉ）第３基準温度と同じであるか第３基準温度未満なのか、（ｉｉ）第３基準温度を超過するのか否かを判断するようになる。
このとき、制御部は、ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第１基準温度を超過する場合には外部に１次警告信号を送るようになる。その後、ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第２基準温度も超過する場合、制御部は、前記ＮＴＣ素子が備えられた温度感知部のＰＴＣ素子から供給を受けた温度により次のように作動するようになる。
ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第２基準温度を超過するとともに、ＰＴＣ素子から供給を受けた温度が第３基準温度を超過する場合、制御部は、そのＮＴＣ素子とＰＴＣ素子を含む温度感知部が備えられた二次電池の電流を遮断するようになる。
一方、ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第２基準温度を超過するとともに、ＰＴＣ素子から供給を受けた温度が第３基準温度と同じであるか第３基準温度未満である場合、制御部は、外部に２次警告信号を送るようになる。
一方、前記第２基準温度と前記第３基準温度は互いに同一であってよい。第２基準温度と第３基準温度が同一である場合、二次電池の電流が遮断される基準となる温度が１つになるので、制御部の安定的な制御及び簡素化された制御が可能となり得る。このとき、第２基準温度と第３基準温度が互いに「同一」であるとのことは、第２基準温度が第３基準温度と数値上で完全に同一であるのみならず、第２基準温度と第３基準温度の間の差が些細なので、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が２つの温度が実質的に同一であると判断することができる場合を含むものとして解釈すべきである。しかし、これと異なり、第２基準温度は第３基準温度より大きくてもよい。
本発明による電池モジュールで、前述した制御部の作動は、ＰＴＣ素子及びＮＴＣ素子がいずれも備えられた温度感知部から温度に関する情報の提供を受ける場合に関する。よって、ＰＴＣ素子のみが備えられた温度感知部から温度に関する情報の提供を受ける場合、制御部は次のように作動し得る。
ＰＴＣ素子から供給を受けた温度が前記第３基準温度を超過する場合、制御部は、そのＰＴＣ素子を含む温度感知部が備えられた二次電池の電流を遮断することができる。又は、制御部は、外部に警告信号を送ることができる。
一方、本発明による電池モジュールで、前記アルゴリズムにより二次電池の電流が遮断されるとき、かかる遮断は永久的又は一時的になされてよい。二次電池の電流が永久的に遮断されるとのことは、その二次電池の温度が正常に戻ってくるとしても依然として電流が遮断された状態を維持することを意味してよい。また、二次電池の電流が一時的に遮断なされるとのことは、その二次電池の温度が正常に戻ってくる場合、二次電池の電流が再度外部に流れることを意味してよい。
本発明によれば、電池モジュールをなす複数の二次電池のそれぞれにはＰＴＣ素子とＮＴＣ素子がともに備えられた温度感知部が１つ以上備えられるので、ＰＴＣ素子とＮＴＣ素子から提供を受けた温度に関する情報に基づいて、二次電池に対する制御の信頼性が向上され得る。
以上、本発明は、たとえ限定された実施形態と図により説明されたが、本発明はこれにより限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能なことはもちろんである。
１ 電池モジュール
１０ 二次電池
２０ 制御部
１００ 電極リード
１００ａ 正極リード
１００ｂ 負極リード
２００ 外装材
２１０ 本体部
２２０ シーリング部
３００ 温度感知部
４００ 端子部
５００ 接着部
１０ 二次電池
２０ 制御部
１００ 電極リード
１００ａ 正極リード
１００ｂ 負極リード
２００ 外装材
２１０ 本体部
２２０ シーリング部
３００ 温度感知部
４００ 端子部
５００ 接着部
Claims (15)
- 電極組立体；
前記電極組立体を収容するシート型の外装材；及び
前記外装材に隣接するように備えられ、前記外装材の一領域の温度を感知する複数の温度感知部；を含み、
前記温度感知部のうち１つ以上は、
ＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)素子；及び
ＮＴＣ(Negative Temperature Coefficient)素子；を含み、
前記ＰＴＣ素子及び前記ＮＴＣ素子のそれぞれから前記温度の情報が交差検証されて前記温度の情報の誤りを判断する、二次電池。 - 外部に突出された形状を有する電極リード；をさらに含み、
前記ＮＴＣ素子は、
前記複数の温度感知部のうち前記電極リードに隣接した前記温度感知部に備えられる、請求項１に記載の二次電池。 - 前記電極リードは、正極リード及び負極リードを含み、
前記ＮＴＣ素子は、
前記複数の温度感知部のうち前記負極リードに隣接した前記温度感知部に備えられる、請求項２に記載の二次電池。 - 前記複数の温度感知部は、前記外装材の主面（ｍａｉｎ ｐｌａｎｅ）である上面又は下面に付着される、請求項１～３の何れか一項に記載の二次電池。
- 前記複数の温度感知部は、前記外装材の側面に付着される、請求項１～４の何れか一項に記載の二次電池。
- 前記外装材は、
前記電極組立体が収容される内部空間が形成される本体部；及び
前記本体部の前記内部空間を外部から密封するシーリング部；を含み、
前記複数の温度感知部は、前記シーリング部に付着され、
前記シーリング部は折り曲げられて前記外装材の側面に密着される、請求項１～５の何れか一項に記載の二次電池。 - 前記外装材の表面のうち一部に接着される接着部；をさらに含み、
前記複数の温度感知部は、前記接着部に付着される、請求項１～６の何れか一項に記載の二次電池。 - 前記外装材は、
前記外装材が収容される内部空間が形成される本体部；及び
前記本体部の前記内部空間を外部から密封するシーリング部；を含み、
前記接着部は、
前記シーリング部が折り曲げられて前記外装材の側面に密着されるように前記シーリング部及び前記本体部にともに接着される、請求項７に記載の二次電池。 - 前記接着部は、
前記外装材の主面（ｍａｉｎ ｐｌａｎｅ）である上面又は下面の全体にのみ付着される、請求項７に記載の二次電池。 - 前記複数の温度感知部を互いに連結する回路は、前記複数の温度感知部をジグザグに連結する、請求項１～９の何れか一項に記載の二次電池。
- 請求項１～１０の何れか一項に記載の二次電池；及び
前記二次電池の前記温度感知部が付着された領域で前記外装材の温度に関する情報の提供を受ける制御部；を含み、
前記温度感知部が付着された領域のうち一部領域の温度が一定値を超過する場合、前記制御部で、（ｉ）前記二次電池の電流を遮断するか、（ｉｉ）外部に警告信号を送る電池モジュール。 - 前記制御部は、
前記ＰＴＣ素子及び前記ＮＴＣ素子がともに備えられた前記温度感知部からそれぞれ温度に関する情報の提供を受けて、
前記ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第１基準温度を超過する場合、前記制御部は外部に警告信号を送る、請求項１１に記載の電池モジュール。 - 前記ＮＴＣ素子から供給を受けた温度が第２基準温度を超過して、前記ＰＴＣ素子から供給を受けた温度が第３基準温度を超過する場合、前記制御部は前記二次電池の電流を遮断する、請求項１２に記載の電池モジュール。
- 前記第２基準温度は、前記第１基準温度より大きい、請求項１３に記載の電池モジュール。
- 前記第２基準温度は、前記第３基準温度と同一である、請求項１３に記載の電池モジュール。
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