JP7381029B2 - バッテリセルおよびこれを含むバッテリシステム - Google Patents
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Description
関連出願との相互参照
本出願は、２０２０年５月１３日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００５６９５２号に基づく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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０２０年５月１３日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００５６９５２号に基づく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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本開示は、バッテリセルおよびこれを含むバッテリシステムに関する。
内外部の特異事項などによって発生するバッテリの変化は正確な確認が困難である。ベント（ｖｅｎｔ）が発生した後も持続的にバッテリが作動して、空気中にバッテリセルの内部が露出した状態でバッテリが運営されることがある。また、電気自動車の運行中にバッテリセルの異常によりガスが発生して、バッテリが作動を止めて事故が発生することがある。
このように、バッテリセルの状態を正確に把握しにくいことから、多様な問題が発生しうる。
バッテリの異常兆候を検知できるバッテリセルおよびバッテリシステムを提供しようとする。
本発明の一つの特徴によるバッテリセルは、電極組立体と、前記電極組立体を収納するケースと、前記電極組立体の２つの電極タブの少なくともいずれか１つに電気的に連結されている第１リード電極と、前記第１リード電極の一面に接触した一面を含む導電性ポリマーと、前記導電性ポリマーの他面に接触した一面を含む第２リード電極とを含み、前記第１リード電極および前記第２リード電極の間が広がる時、前記第１リード電極および前記第２リード電極の間の抵抗が増加する。
前記バッテリセルは、前記第１リード電極、前記導電性ポリマー、および前記第２リード電極が重なった部分を含む領域を囲むフィルムをさらに含むことができる。
前記第２リード電極は、前記ケースの一側の外部に突出してバスバーに連結される。
発明の他の特徴によるバッテリシステムは、複数のバッテリセルと、バッテリ管理システムとを含み、前記複数のバッテリセルそれぞれは、電極組立体と、前記電極組立体を収納するケースと、前記電極組立体の２つの電極タブの少なくともいずれか１つに電気的に連結されている第１リード電極と、前記第１リード電極の一面に接触した一面を含む導電性ポリマーと、前記導電性ポリマーの他面に接触した一面を含む第２リード電極とを含み、前記バッテリ管理システムは、前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの抵抗が増加することを検知して、異常の有無を診断することができる。
前記バッテリ管理システムは、前記少なくとも１つの抵抗の増加速度が第１基準値以下で所定の閾値に到達した場合、点検信号を発生させることができる。
前記バッテリ管理システムは、前記少なくとも１つの抵抗の増加速度が前記第１基準値より速い速度で前記所定の閾値に到達した場合、警告信号を発生させることができる。
前記バッテリ管理システムは、前記少なくとも１つの抵抗の増加速度が前記第１基準値より大きい第２基準値以上で前記所定の閾値に到達した場合、避難警告信号を発生させることができる。
前記複数のバッテリセルそれぞれは、前記第１リード電極、前記導電性ポリマー、および前記第２リード電極が重なった部分を含む領域を囲むフィルムをさらに含むことができる。
前記第２リード電極は、前記ケースの一側の外部に突出してバスバーに連結される。
前記バッテリ管理システムは、前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの両端に診断電圧を供給し、前記少なくとも１つに流れる診断電流を測定して、前記少なくとも１つの抵抗を算出することができる。
バッテリセルの異常兆候に対する警告を提供したバッテリセルおよびバッテリシステムを提供する。
以下、添付した図面を参照して、本明細書に開示された実施例を詳細に説明し、同一または類似の構成要素には同一、類似の図面符号を付し、これに関する重複した説明は省略する。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」および／または「部」は、明細書の作成の容易さだけが考慮されて付与または混用されるものであって、それ自体で互いに区別される意味または役割を有するわけではない。また、本明細書に開示された実施例を説明するにあたり、かかる公知の技術に関する具体的な説明が本明細書に開示された実施例の要旨をあいまいにしうると判断された場合、その詳細な説明を省略する。さらに、添付した図面は本明細書に開示された実施例を容易に理解できるようにするためのものに過ぎず、添付した図面によって本明細書に開示された技術的な思想が制限されず、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物及び代替物を含むことが理解されなければならない。
第１、第２などのような序数を含む用語は多様な構成要素を説明するのに使われるが、前記構成要素は前記用語によって限定されない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるか「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されているかまたは接続されていてもよいが、中間に他の構成要素が存在してもよいと理解されなければならない。これに対し、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるか「直接接続されて」いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないことが理解されなければならない。
本出願において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。
以下、図面を参照して、本発明の一実施例について説明する。
図１は、一実施例によるバッテリシステムを示す図である。
図２は、一実施例によるバッテリセルを示す図である。
図１に示されているように、バッテリシステム１は、複数のバッテリセル１１－１８と、バッテリ管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅ ｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）２０とを含む。図１には、バッテリシステム１が８個のバッテリセル１１－１８を含むものとして示されているが、これは一例であり、発明がこれに限定されない。同時に、図１には、２個のバッテリセルが並列連結された１つのバンク（ｂａｎｋ）を構成することが示されているが、複数のバッテリセル１１－１８が直列連結されるか、３個以上のバッテリセルが並列連結されてバンクを構成することができる。
ＢＭＳ２０は、バッテリシステム１の充放電電流を制御し、複数のバッテリセル１１－１８それぞれのセル電圧を測定してセルバランシング動作を制御し、複数のバッテリセル１１－１８それぞれの温度およびセル電圧に基づいた保護動作を制御することができる。
一実施例によるＢＭＳ２０は、複数のバッテリセル１１－１８のうちベント（ｖｅｎｔ）される可能性がある異常バッテリセルを検知することができ、異常バッテリセルを検知した場合、複数のバッテリセル１１－１８の作動を停止させ、異常兆候があることを外部に警告することができる。
図２に示されているように、バッテリセル１１は、正極層１１７、分離膜１１８、および負極層１１９の順に繰り返し積層された電極組立体と、ケース１１０とを含むことができる。正極層１１７は、正極１１７ａと正極タブ（ｔａｂ）１１７ｂとを含み、正極タブ１１７ｂは、正極１１７ａから延び、ケース１１０の一側に突出して正極リード１１７ｃと連結される。負極層１１９は、負極１１９ａと負極タブ１１９ｂとを含み、負極タブ１１９ｂは、負極１１９ａから延び、ケース１１０の他側に突出して負極リード１１９ｃと連結される。ケース１１０は、電極組立体を収納する。
図１および図２には、正極タブおよび負極タブが互いに反対方向に突出した構造であるが、本発明がこれに限定されるものではない。正極タブおよび負極タブが同一の方向に突出したバッテリセルを含むバッテリシステムにも適用可能である。
正極リード１１７ｃは、リード電極１１３に電気的に連結され、リード電極１１３とリード電極１１１は、導電性ポリマー１１２を介して電気的に連結されており、リード電極１１１は、バスバー３２に電気的に連結されている。
具体的には、リード電極１１３の下端面の一部（図２には左側下端面の一部）が正極タブ１１７ｂに接触し、リード電極１１３の下端面の他の一部（図２には右側下端面の一部）とリード電極１１１の上端面の一部（図２には左側上端面の一部）とが互いに重なり、その間に導電性ポリマー１１２が位置する。
負極リード１１９ｃは、リード電極１１５に電気的に連結され、リード電極１１５は、バスバー３６に連結される。
フィルム１１４は、リード電極１１１、リード電極１１３、および導電性ポリマー１１２が重なった部分を含む領域を囲んでいる。フィルム１１６は、リード電極１１５の一部領域を囲んでいる。
ケース１１０は、電極組立体を収納し、ケース１１０の一側開口を介してリード電極１１１が外部に突出してバスバー３２に連結され、ケース１１０の他側開口を介してリード電極１１５がバスバー３６に連結されている。一側開口は、フィルム１１４またはフィルム１１４と密封材によって密封され、他側開口は、フィルム１１６またはフィルム１１６と密封材によって密封される。
複数のバッテリセル１２－１８は、バッテリセル１１と同一の構造で実現できる。
再び図１を参照して、バッテリシステム１について説明する。
バッテリセル１１の正極であるリード電極１１１およびバッテリセル１２の正極であるリード電極１２１は、バスバー３２に連結されており、バスバー３２は、バッテリシステム１の正の電極３１に連結されている。バッテリセル１１、１２の負極であるリード電極１１５、１２５およびバッテリセル１３、１４の正極であるリード電極１３１、１４１は、バスバー３６に連結されており、バッテリセル１３、１４の負極であるリード電極１３５、１４５およびバッテリセル１５、１６の正極であるリード電極１５１、１６１は、バスバー３３に連結されており、バッテリセル１５、１６の負極であるリード電極１５５、１６５およびバッテリセル１７、１８の正極であるリード電極１７１、１８１は、バスバー３５に連結されており、バッテリセル１７、１８の負極であるリード電極１７５、１８５は、バスバー３４に連結されている。バスバー３４は、バッテリシステム１の負の電極３７に連結されている。
ＢＭＳ２０は、複数のバスバー３２－３６のうち２つのバスバーの間に診断電圧を供給し、バッテリバンクの抵抗を測定することができる。先に言及したように、図１には、２つの隣接したバッテリセルが互いに並列連結されて１つのバッテリバンクを構成する。しかし、発明がこれに限定されるものではなく、バッテリバンクの代わりに１つのバッテリセル単位で図１に示された方式のように直列連結されているか、バッテリバンクが少なくとも３個のバッテリセルを含むことができる。
ＢＭＳ２０は、複数のバッテリセル１１－１８のうち２個のバッテリセルを含む複数のバッテリバンクの抵抗を測定し、バッテリバンクの抵抗が所定値以上であれば、当該バッテリバンクに異常があると診断する。
例えば、ＢＭＳ２０が複数のバッテリセル１１－１８のうち２個のバッテリセル１１、１２から構成されたバッテリバンクの抵抗を測定することを説明する。
図３は、複数のバッテリセルのうちの１つに異常が発生したことを示す図である。
図３には、バッテリセル１１にガスが発生して点線ボックス領域ＲＢにおいてケース１１０が表示された点線２００、２０１から表示された実線２０２、２０３に膨張したことが示されている。これは一実施例を説明するための一例であり、本発明がこれに限定されない。
ＢＭＳ２０は、配線４１および配線４５を介してバスバー３２およびバスバー３６の間に診断電圧を供給する。この時、バッテリセル１１、１２に流れる診断電流が合わされて配線４１および配線４５を介して流れ、ＢＭＳ２０は、診断電圧と診断電流を測定して、バッテリバンクの抵抗を算出することができる。
図３に示されているように、バッテリセル１１、１２のうちバッテリセル１１に異常兆候が発生してガスが発生した場合、バッテリバンクの全体抵抗が増加する。バッテリセル１１内部の圧力増加でリード電極１１３とリード電極１１１との間が広がる。これはバッテリセル１１の内部圧力によって、図面の２つの矢印方向に作用する力によるものである。すると、導電性ポリマー１１２が上下両方向に作用する力によって拡張される。２つのリード電極１１１、１１３の間が広がることによって、２つのリード電極の間の抵抗が増加し、ＢＭＳ２０によって算出されたバッテリバンクの抵抗が増加する。
同様の方式により、ＢＭＳ２０は、バッテリセル１３、１４の異常兆候を診断するために、配線４５および配線４２を介してバスバー３６およびバスバー３３の間に診断電圧を供給し、配線４１および配線４５を介して流れる診断電流を測定して、バッテリバンクの抵抗を算出することができる。ＢＭＳ２０は、バッテリセル１５、１６の異常兆候を診断するために、配線４２および配線４４を介してバスバー３３およびバスバー３５の間に診断電圧を供給し、配線４２および配線４４を介して流れる診断電流を測定して、バッテリバンクの抵抗を算出することができる。ＢＭＳ２０は、バッテリセル１７、１８の異常兆候を診断するために、配線４４および配線４３を介してバスバー３５およびバスバー３４の間に診断電圧を供給し、配線４４および配線４３を介して流れる診断電流を測定して、バッテリバンクの抵抗を算出することができる。
ＢＭＳ２０は、測定された診断電流を供給した診断電圧で割って、当該バッテリバンクの抵抗を算出する。この時、ＢＭＳ２０は、バッテリバンクの抵抗の増加速度が遅いものの閾値に到達した場合、点検信号を発生させることができる。増加速度が所定の第１基準値以下の時、抵抗の増加速度が遅いと判断され、所定の基準値は設計により設定可能である。また、ＢＭＳ２０は、バッテリバンクの抵抗が速い増加速度で閾値に到達する場合、警告信号を発生させることができる。増加速度が第１基準値より大きい時、ＢＭＳ２０は、抵抗の増加速度が速いと判断される。同時に、ＢＭＳ２０は、バッテリバンクの抵抗が非常に速い増加速度で閾値に到達した場合、発火の危険性があり、避難警告信号を発生させることができる。増加速度が第１基準値より大きい所定の第２基準値より大きい場合、ＢＭＳ２０は、抵抗の増加速度が非常に速いと判断することができる。
ＢＭＳ２０は、点検信号、警告信号、および避難警告信号に応じてバッテリシステム１の作動を停止し、ＣＡＮ通信により車両を制御する回路に伝送することができ、別途の装置を介して使用者にバッテリシステム１の異常兆候を知らせることができる。点検信号は、使用者にバッテリシステムの点検が必要であることを知らせる信号であり、警告信号は、使用者にバッテリシステムの状態が危険で取替が必要であることを知らせる信号であり、避難警告信号は、使用者に直ちに避難することを警告する信号であってもよい。各信号に応じた対応事項は、設計により適宜設計可能である。
図１～図３には、リード電極、導電性ポリマー、およびリード電極がバッテリセルの正極側に位置するものとして示されているが、発明がこれに限定されない。
図４は、一実施例によるバッテリシステムを示す図である。
図４に示されているように、リード電極５１３は、負極リード５１６に電気的に連結されており、リード電極５１３とリード電極５１５との間に導電性ポリマー５１２が位置し、リード電極５１５は、バスバー３６に連結されている。フィルム５１８は、リード電極５１３、導電性ポリマー５１２、およびリード電極５１５が重なる部分を含む領域を囲んでいる。リード電極５１１は、正極リード５１４とバスバー３２に連結されている。フィルム５１７は、リード電極５１１の一部領域を囲んでいる。
バッテリセル５１の正極であるリード電極５１１およびバッテリセル５２の正極であるリード電極５２１は、バスバー３２に連結されており、バスバー３２は、バッテリシステム１の正の電極３１に連結されている。バッテリセル５１、５２の負極であるリード電極５１５、５２５およびバッテリセル５３、５４の正極であるリード電極５３１、５４１はバスバー３６に連結されており、バッテリセル５３、５４の負極であるリード電極５３５、５４５およびバッテリセル５５、５６の正極であるリード電極５５１、５６１は、バスバー３３に連結されており、バッテリセル５５、５６の負極であるリード電極５５５、５６５およびバッテリセル５７、５８の正極であるリード電極５７１、５８１は、バスバー３５に連結されており、バッテリセル５７、５８の負極であるリード電極５７５、５８５は、バスバー３４に連結されている。バスバー３４は、バッテリシステム１の負の電極３７に連結されている。
図１の一実施例と同様に、図４の一実施例のＢＭＳ２０は、複数のバスバー３２－３６のうち２つのバスバーの間に診断電圧を供給し、バッテリバンクの抵抗を測定することができる。詳しい説明は省略する。
図５は、一実施例によるバッテリシステムを示す図である。
図５に示されているように、リード電極６１３は、正極リード６１７に電気的に連結されており、リード電極６１３とリード電極６１１との間に導電性ポリマー６１２が位置し、リード電極６１１は、バスバー３２に連結されている。リード電極６１６は、負極リード６１８に電気的に連結されており、リード電極６１６とリード電極６１５との間に導電性ポリマー６１４が位置し、リード電極６１５は、バスバー３６に連結されている。フィルム６１９ａは、リード電極６１３、導電性ポリマー６１２、およびリード電極６１１が重なる部分を含む領域を囲んでおり、フィルム６１９ｂは、リード電極６１６、導電性ポリマー６１４、およびリード電極６１５が重なる部分を含む領域を囲んでいる。
バッテリセル６１の正極であるリード電極６１１およびバッテリセル６２の正極であるリード電極６２１は、バスバー３２に連結されており、バスバー３２は、バッテリシステム１の正の電極３１に連結されている。バッテリセル６１、６２の負極であるリード電極６１５、６２５およびバッテリセル６３、６４の正極であるリード電極６３１、６４１は、バスバー３６に連結されており、バッテリセル６３、６４の負極であるリード電極６３５、６４５およびバッテリセル６５、６６の正極であるリード電極６５１、６６１は、バスバー３３に連結されており、バッテリセル６５、６６の負極であるリード電極６５５、６６５およびバッテリセル６７、６８の正極であるリード電極６７１、６８１は、バスバー３５に連結されており、バッテリセル６７、６８の負極であるリード電極６７５、６８５は、バスバー３４に連結されている。バスバー３４は、バッテリシステム１の負の電極３７に連結されている。
図１の一実施例と同様に、図５の一実施例のＢＭＳ２０は、複数のバスバー３２－３６のうち２つのバスバーの間に診断電圧を供給し、バッテリバンクの抵抗を測定することができる。詳しい説明は省略する。
これまで説明した一実施例において、ＢＭＳ２０は、抵抗の増加速度に基づいて異常兆候を検知したが、発明がこれに限定されるものではなく、他のバッテリセルまたはバッテリバンクに比べて抵抗値が所定の閾値以上に大きいバッテリセルまたはバッテリバンクに異常があると検知することができる。
一実施例によるバッテリシステムは、車両だけでなく、ＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）にも適用可能であり、ＢＭＳ２０で発生した信号が消防装備と連動してＥＳＳの異常による発火時に火災鎮圧動作が行われてもよい。例えば、火災警報器が作動し、防火扉が作動することが可能である。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者が多様に変形および改良した形態も本発明の権利範囲に属する。
Claims (4)
- 複数のバッテリセルと、
バッテリ管理システムとを含み、
前記複数のバッテリセルそれぞれは、
電極組立体と、
前記電極組立体の２つの電極タブの少なくともいずれか１つに電気的に連結されている第１リード電極と、
前記第１リード電極の一面に接触した一面を含む導電性ポリマーと、
前記導電性ポリマーの他面に接触した一面を含む第２リード電極とを含み、
前記バッテリ管理システムは、
前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの抵抗が前記導電性ポリマーが拡張することによって増加することを検知して、異常の有無を診断し、
前記少なくとも１つの抵抗の増加速度が第１基準値以下で所定の閾値に到達した場合、点検信号を発生させ、
前記少なくとも１つの抵抗の増加速度が前記第１基準値より大きく前記第１基準値より大きい第２基準値より小さい速度で前記所定の閾値に到達した場合、警告信号を発生させ、
前記少なくとも１つの抵抗の増加速度が前記第２基準値以上で前記所定の閾値に到達した場合、避難警告信号を発生させる、バッテリシステム。 - 前記複数のバッテリセルそれぞれは、
前記第１リード電極、前記導電性ポリマー、および前記第２リード電極が重なった部分を含む領域を囲むフィルムをさらに含む、請求項１に記載のバッテリシステム。 - 前記第２リード電極は、
前記電極組立体を収納するケースの一側の外部に突出してバスバーに連結される、請求項１または２に記載のバッテリシステム。 - 前記バッテリ管理システムは、
前記複数のバッテリセルの少なくとも１つの両端に診断電圧を供給し、前記少なくとも１つに流れる診断電流を測定して、前記少なくとも１つの抵抗を算出する、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリシステム。
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