KR102361317B1 - 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템 및 이를 이용한 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법 - Google Patents

중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템 및 이를 이용한 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법은, 예측하고자 하는 중대형 셀 모듈의 충전량(SOC)에 따른 발생 온도의 프로파일(SOC-온도 프로파일)을 도출하는 단계(S100); 폭발 압력 측정 장치의 내부에 소형 셀을 장착하는 단계(S200); 상기 (S100)단계에서 도출한 SOC-온도 프로파일과 동일하게 상기 소형 셀을 가열하며 폭발 시까지 과충전하는 단계(S300); 상기 소형 셀의 폭발 시 압력을 측정하는 단계(S400); 및 상기 측정된 소형 셀의 폭발 시 압력을 중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 단계(S500)를 포함한다.

Description

중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템 및 이를 이용한 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법{EXPLOSIVE PRESSURE MEASUREMENT SYSTEM FOR MIDDLE OR LARGE SIZED CELL AND METHOD FOR MEASURING EXPLOSIVE PRESSURE OF MIDDLE OR LARGE SIZED CELL MODULE USING THE SAME}
본 발명은 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템을 이용하여 소형 셀의 폭발 압력을 예측하고 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 환산 및 예측하는 방법에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목 받고 있다.
휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 이차전지 셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용됨에 반하여, 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 이차전지 셀들을 병렬 및/또는 직렬로 연결한 전지팩이 팩킹되어 있는 중형 또는 대형 전지팩이 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 그 중 전해액의 누액 가능성이 적으며, 제조가 용이한 리튬이온 폴리머 전지의 사용량이 늘어나고 있다.
한편, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있음에 반해 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에서의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스를 발생하고, 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
이러한 리튬 이차전지의 안전성 문제는 멀티-셀 구조의 중대형 셀 모듈에서 더욱 심각하다. 멀티-셀 구조의 셀 모듈에서는 다수의 전지 셀들이 사용됨으로써, 일부 전지 셀에서의 작동 이상은 다른 전지 셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있으며, 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고로 초래할 수 있기 때문이다.
이로 인하여, 중대형 셀 모듈의 과충전, 고온 노출 등에 따른 안전성 평가에 대한 필요성이 점점 커지고 있으며, 특히 중대형 셀 모듈의 폭발 시 압력 등에 대한 측정의 필요성이 대두되고 있다. 그러나, 이러한 중대형 셀 모듈의 폭발은 전술한 바와 같은 연쇄반응에 의해 대형 사고로 초래할 수 있는 위험이 따르게 될 뿐 아니라, 측정 장치의 구조적 변형이 일어나 이로 인하여 폭발 시 압력 등의 측정이 어려운 문제점이 있다.
이에, 중대형 셀 모듈의 폭발 시 압력 등을 측정함에 있어서, 전지의 과충전 및 고온 노출 적용 시 전지의 발화, 폭발 등의 위험성으로부터 측정자 및 측정 장치의 안전성 확보를 할 수 있는 방안이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 소형 셀로을 이용하여 중대형 셀의 안전성 조건과 동일한 상태에서 모사하면서 소형 셀의 폭발 시 압력을 측정하여, 중대형 셀의 폭발압을 예측할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 시스템을 이용하여 소형 셀의 폭발 압력을 측정한 후, 상기 측정된 폭발 압력으로부터 중대형 셀 모듈의 폭발 압력으로 환산함으로써, 중대형 셀 모듈의 발화, 폭발 등에 따른 사고, 측정 장치의 구조적 변형을 방지할 수 있는 방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법은, 예측하고자 하는 중대형 셀 모듈의 충전량(SOC)에 따른 발생 온도의 프로파일(SOC-온도 프로파일)을 도출하는 단계(S100); 폭발 압력 측정 장치의 내부에 소형 셀을 장착하는 단계(S200); 상기 (S100)단계에서 도출한 SOC-온도 프로파일과 동일하게 상기 소형 셀을 가열하며 폭발 시까지 과충전하는 단계(S300); 상기 소형 셀의 폭발 시 압력을 측정하는 단계(S400); 및 상기 측정된 소형 셀의 폭발 시 압력을 중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 단계(S500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 (S500)의 환산 단계에서, 중대형 셀 모듈의 폭발 압력은, 하기 수학식에 의해 환산될 수 있다.
[수학식]
Figure 112018105501993-pat00001
상기 수학식에서, Pmd는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력, Ps는 소형 셀의 폭발 시 압력, Cml은 중대형 셀의 용량, Cs는 소형 셀의 용량, Nmd는 중대형 셀 모듈의 셀 개수이다.
또한, 상기 (S100)의 SOC-온도 프로파일 도출 단계는, 중대형 셀 모듈의 용량 별로 SOC-온도 프로파일이 상이할 수 있다.
상기 소형 셀의 용량은 1.0Ah이하일 수 있으며, 상기 중대형 셀 모듈은 20Ah 이상의 용량을 가지는 중대형 셀을 하나 이상 포함하고, 상기 중대형 셀들은 서로 전기적으로 연결되어 있는 것일 수 있다.
또한, 상기 (S300)의 과충전 단계에서, 상기 전류를 인가함과 동시에 실시간으로 상기 소형 셀의 전압을 측정할 수 있다.
상기 중대형 셀 모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용되는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템은, 내부에 가열 부재가 배치되어 있고, 상기 가열 부재 상에 소형 셀을 장착하기 위한 장착부를 포함하는 챔버; 상기 가열 부재와 연결되어 상기 가열 부재의 온도를 조절하는 온도 조절 장치; 상기 소형 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부; 및 상기 챔버의 일측에 위치하는 압력 측정 센서를 포함할 수 있으며, 상기 폭발 압력 예측 방법에 사용될 수 있다.
여기서, 상기 가열 부재는 제1 히팅 플레이트 및 제2 히팅 플레이트를 포함하며, 상기 제1 히팅 플레이트 및 제2 히팅 플레이트 사이에 장착부를 포함할 수 있다.
또, 상기 챔버는 일측에 관통부가 형성되어 있고, 상기 관통부를 통해 상기 압력 측정 센서와 연결될 수 있다.
또한, 상기 챔버는 상부가 개방된 중공형 구조인 챔버 본체; 및 상기 장착된 소형 셀을 밀폐하기 위해 챔버 본체의 개방부와 결합되는 챔버 커버를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 폭발 압력 예측 시스템은 상기 온도 조절 장치, 상기 충방전부 및 상기 압력 측정 센서를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 대상 중대형 셀 모듈의 SOC-온도 프로파일과 동일하게, 소형 셀을 가열할 수 있도록 상기 충방전부 및 상기 온도 조절 장치를 제어하는 것일 수 있다.
아울러, 상기 폭발 압력 예측 시스템은 상기 압력 측정 센서에 의해 측정된 소형 셀의 압력을 중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 예측 방법 및 예측 시스템은 소형 셀을 중대형 셀 모듈의 안전성 조건과 동일한 상태에서 모사할 수 있는 시스템 및 방법에 따라, 소형 셀의 폭발 시 압력을 측정하고, 이를 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 값으로 환산함으로써, 중대형 셀 모듈의 폭발압을 예측할 수 있으므로, 중대형 셀 모듈의 폭발압을 직접 측정하지 않고도 중대형 셀 모듈의 폭발 시 압력을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 직접 측정하는 경우에서 발생할 수 있는 폭발 등에 따른 사고, 측정 장치의 구조적 변형 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 소형 셀로부터 중대형 셀 및 모듈의 안전성 조건 모사가 가능함에 따라, 셀의 폭발 시 압력 측정 외의 안전성 평가와 관련된 실험이나, 셀의 발화, 폭발 이후의 특정 시점까지의 평가 및 분석에도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 측정 시스템의 모식도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 측정 시스템을 나타내는 사시도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 측정 시스템의 단면도이다.
도 5는 실시예 1,3 및 참조예 1의 충전량에 따른 전압 및 온도 프로파일 등을 도시한 것이다.
도 6은 실시예 2의 충전량에 따른 전압 및 온도 프로파일을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템(1000)을 이용하여 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법에 대하여 설명한다.
이때, 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법에 사용되는 시스템의 일 예로 후술하는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템(1000)을 들어 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템(1000)의 모식도이고, 도 2 및 도 3은 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템(1000)의 사시도이며, 도 4는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템(1000)의 단면도이다. 이때, 도 2 내지 4는 폭발 압력 예측 시스템(1000)의 온도 조절 장치(120), 충방전부(130), 제어부(150) 및 출력부(160)는 도면에서 제외하고 일부분만을 도시하였다.
일 실시예에 따른 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법은,
예측하고자 하는 중대형 셀 모듈의 충전량(SOC)에 따른 발생 온도의 프로파일(SOC-온도 프로파일)을 도출하는 단계(S100); 폭발 압력 측정 장치의 내부에 소형 셀을 장착하는 단계(S200); 상기 (S100)단계에서 도출한 SOC-온도 프로파일과 동일하게 상기 소형셀을 가열하며 폭발 시까지 충전하는 단계(S300); 상기 소형 셀의 폭발 시 압력을 측정하는 단계(S400); 및 상기 측정된 소형 셀의 폭발 시 압력을 중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 단계(S500)를 포함한다.
일반적으로, 멀티-셀 구조의 중대형 셀 모듈에서는 다수의 전지 셀들이 사용됨으로써, 일부 전지 셀에서의 작동 이상은 다른 전지 셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있으며, 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고로 초래할 수 있다. 이로 인하여, 중대형 셀 모듈의 과충전, 고온 노출 등에 따른 안전성 평가에 대한 필요성이 점점 커지고 있으며, 특히 중대형 셀 모듈의 폭발 시 압력 등에 대한 측정의 필요성이 대두되고 있다. 그러나, 이러한 중대형 셀 모듈의 폭발은 전술한 바와 같은 연쇄반응에 의해 대형 사고로 초래할 수 있는 위험이 따르게 될 뿐 아니라, 측정 장치의 구조적 변형이 일어나 이로 인하여 폭발 시 압력 등의 측정이 어려운 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 직접 측정하는 것이 아니라, 소형 셀의 폭발 압력으로부터 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 예측하는 것으로써, 구체적으로는 소형 셀의 폭발을 유도하기 위한 과충전 시, 중대형 셀 모듈을 모사하기 위해 소형 셀을 가열시키며 과충전하여 소형 셀의 폭발 시 압력을 측정한 후, 측정된 폭발 압력을 중대형 셀 모듈의 폭발 압력으로 환산함으로써, 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 예측하는 것이다. 따라서 본 발명은, 중대형 셀 모듈의 발화, 폭발 등에 따른 사고, 측정 장치의 구조적 변형 등을 방지할 수 있다.
본 발명은, 소형 셀에 충전 전류를 인가하여 과충전하는 단계(S300)에서, 소형 셀을 가열시키는데, 이때 중대형 셀 모듈을 모사하기 위해서는, 소형 셀의 SOC에 따른 온도 조건을, 예측하고자 하는 중대형 셀 모듈의 충전량(SOC)에 따른 발생 온도의 프로파일(SOC-온도 프로파일)과 동일하게 조절하는 것이 중요하다.
일반적으로 1.0Ah 이하의 용량을 가지는 소형 셀은 과충전만으로는 폭발이 일어나지 않는다. 소형 셀을 중대형 셀 모듈로 모사하기 위해서는, 중대형 셀 모듈의 SOC에 따른 온도 또는 전압 프로파일과 동일하거나 유사한 조건으로 과충전해야 하는 것이다. 본 발명에서는 제어하기가 용이한 충전량에 따른 온도 조건을 조절함으로써 소형 셀을 중대형 셀의 과충전을 모사하는 것이다.
따라서, 본 발명의 예측 방법에 따라 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 예측하기 위해서는, 예측하고자 하는 중대형 셀 모듈의 충전량에 따른 온도 프로파일(SOC-온도 프로파일)을 우선적으로 도출하는 단계가 필요한 것이다. 이에 본 발명은 소형 셀을 압력 측정 장치에 장착하는 단계(S200) 이전에 중대형 셀 모듈의 충전량(SOC)에 따른 발생 온도의 프로파일(SOC-온도 프로파일)을 도출하는 단계(S100)를 필요로 한다.
폭발 압력 측정 장치의 내부에 소형 셀을 장착하는 단계(S200)는 본 발명의 폭발 압력 예측 시스템(1000)의 내부에 폭발 압력 예측 대상이 되는 중대형 셀 모듈의 모사를 위한 소형 셀(10)을 장착하는 단계일 수 있다.
소형 셀(10)은 휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에 사용되는 것으로, 1.0Ah 이하의 용량을 가진 셀일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 셀의 외형은 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치형, 코인형 등이 될 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 폭발 압력 예측 시스템(1000)은 내부에 가열 부재(110)가 배치되어 있고, 가열 부재(110) 상에 소형 셀(10)을 장착하기 위한 장착부(113)를 포함하는 챔버(100)를 포함할 수 있다. 이때, 소형 셀(10)은 장착부(113)에 장착될 수 있다.
챔버(100)는 챔버 본체(101) 및 챔버 커버(102)를 포함할 수 있다. 이때, 챔버 본체(101)는 상부가 개방된 중공형 구조일 수 있다. 또한, 챔버 본체(101)는 평면상 형상 및 크기는 제한되지 않으며, 내부에 가열 부재(110) 및 소형 셀(10)의 장착되는 형상 및 크기로 정육면체 또는 직육면체 형상일 수 있다. 챔버 커버(102)는 챔버 본체(101) 내부에 장착된 소형 셀(10)을 밀폐하기 위하여 챔버 본체(101)의 개방부와 결합될 수 있다. 챔버 본체(101) 및 챔버 커버(102)는 단단히 결합될 수 있는 수단이면 특별히 한정되지 않으나, 고정핀, 나사, 볼트 등의 고정 수단으로 결합될 수 있다. 또한, 챔버 본체(101) 및 챔버 커버(102)의 결합력을 높이기 위해 챔버 본체(101)와 챔버 커버(102) 사이에 O-ring 등이 추가로 사용될 수 있다. 이러한 챔버(100)의 내부면은 절연성, 단열성의 물질이면서도 고온 고압에 내구성이 있는 물질일 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 베이클라이트(bakelite), 테플론(teflon), 에어로졸(aerosol) 등일 수 있다. 내부면을 둘러싼 외부면은 스테인레스 스틸, 금속 등의 재질로 이루어질 수 있다. 한편, 보다 정확한 결과값을 도출할 수 있도록 챔버(100) 내부는 진공 상태로 조성될 수 있다.
소형 셀(10)을 가열하며 폭발 시까지 과충전하는 단계(S300)는, 소형 셀(10)에 충전 전류를 인가하여 소형 셀(10)의 폭발을 유도하는 단계로써, 중대형 셀 모듈을 모사하기 위해, 상기 S100 단계의 SOC-온도 프로파일을 도출하는 단계에서 얻어진 프로파일과 동일한 조건으로 소형 셀의 가열 온도를 조절하는 것이 특징이다. 그리고 소형 셀(10)의 폭발 시까지 과충전을 수행할 수 있다.
이때, 과충전은 폭발 압력 예측 시스템(1000)의 충방전부(130)에 의해 수행될 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 충방전부(130)는 전원부 및 측정부를 포함할 수 있다. 전원부는 충방전 단자들(131, 132)을 통해 소형 셀(10)과 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 챔버(100)의 일측에 충방전 단자들(131, 132)이 구비되며, 충방전 단자들(131, 132)이 장착되는 소형 셀(10)의 전극과 전기적으로 연결되어 충방전이 수행될 수 있다. 또한, 측정부는 소형 셀(10)의 충전율 및/또는 충방전된 전압을 측정할 수 있다. 이에, 과충전하는 단계(S300)에서 소형 셀(10)에 전류를 인가함과 동시에 실시간으로 소형 셀(10)의 충전량(SOC) 및 또는 전압을 측정할 수 있다. 이러한 충방전부(130)는 제어부(150)에 의하여 제어되도록 구성될 수 있으며, 제어부(150)에 입력된 사용자 신호에 의해 충방전 및 측정이 수행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 가열을 하지 않고 단순 과충전을 수행한 소형 셀의 경우, 중대형 모듈 전압과 다른 경향을 보이며, 중대형 모듈의 폭발 시점 이후에도 폭발이 일어나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 소형 셀을 중대형 모듈과 동일한 SOC-온도 프로파일 및/또는 SOC-전압 프로파일을 갖도록 중대형 모듈의 온도 프로파일과 동일하게 소형 셀의 온도를 조절하는 것을 특징으로 한다. 상기 S100 단계에서 도출된 중대형 셀 모듈의 SOC-온도 프로파일과 동일하게 충전량에 따라 가열 부재(110)의 온도를 조절함으로써, 소형 셀의 충전량에 따른 온도는, 상기 S100 단계에서 도출된 SOC-온도 프로파일 및 또는 SOC-전압 프로파일과 동일해진다. 그 결과 중대형 셀 모듈의 모사가 가능해져, 소형 셀을 통해 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 예측할 수 있게 된다.
이때 조절 온도는 압력 예측 대상인 중대형 셀 모듈의 온도 프로파일에 따라 변경될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서 소형 셀(10) 및 중대형 셀 모듈의 폭발이 일어날 수 있는 온도 범위인 20~150℃로 가열되도록 조절될 수 있다.
한편, 가열 부재(110)의 온도는 가열 부재(110)와 연결되는 온도 조절 장치(120)에 의해 조절될 수 있다. 이때, 가열 부재(110)는 단자들(121, 122)을 통해 온도 조절 장치(120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 온도 조절 장치(120)는 제어부(150) 또는 데이터 저장 장치(미도시)에 미리 저장된 측정 대상인 중대형 셀 모듈의 충전량에 따른 발생 온도 프로파일과 동일한 거동을 갖도록 온도를 조절할 수 있으며, 이는 제어부(150)에 입력된 사용자 신호에 의해 조절될 수 있다. 전술한 바와 같이, 충전량에 따라 가열 부재(110)의 온도를 조절하여야 하므로, 과충전이 시작됨과 동시에 가열 부재(110)의 가열은 시작될 수 있으며, 과충전과 가열 부재(110)의 온도 조절은 동시에 수행될 수 있다.
가열 부재(110)는 제1 히팅 플레이트(111) 및 제2 히팅 플레이트(112)를 포함할 수 있으며, 제1 히팅 플레이트(111) 및 제2 히팅 플레이트(112)는 소형 셀(10)이 장착되는 장착부(113)를 사이에 두고 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 히팅 플레이트(111)는 장착된 소형 셀(10)의 일면과 접하도록 배치되고, 제2 히팅 플레이트(112)는 장착된 소형 셀(10)의 타면과 접하도록 배치될 수 있다.
도 4에는 챔버(100) 하부면으로부터 제1 히팅 플레이트(111), 장착부(113), 제2 히팅 플레이트(112)의 순으로 배치된 구조로 도시되어 있으나, 챔버(100)의 측면으로부터 순차적으로 배치된 구조일 수도 있으며, 이의 장착 위치가 변경될 수 있다. 다만, 제1 히팅 플레이트(111), 장착부(113), 제2 히팅 플레이트(112)의 장착 위치가 변경됨에 따라, 제1 히팅 플레이트(111) 및 제2 히팅 플레이트(112)와 연결되는 온도 조절 장치(120), 장착부(113)에 장착되는 소형 셀(10)과 연결되는 충방전부(130)의 장착 위치가 변경될 수도 있다.
이러한 제1 히팅 플레이트(111) 및 제2 히팅 플레이트(112)는 장착되는 소형 셀(10)이 접하는 면이 평면으로 형성되어 있는 판상형의 플레이트일 수 있다. 이때, 제1 히팅 플레이트(111)와 제2 히팅 플레이트(112)는 이들과 접하는 소형 셀(10)의 폭과 동일하거나 더 큰 폭을 가질 수 있다. 또한, 제1 히팅 플레이트(111) 및 제2 히팅 플레이트(112)는 금속 소재로 형성될 수 있으며, 금속 소재의 비제한적인 예로는 알루미늄, 알루미늄 합금 등의 다양한 금속일 수 있다. 또한, 제1 히팅 플레이트(111) 및 제2 히팅 플레이트(112)의 발열은 각각 내부에 열선이 내장된 구조로써 수행될 수 있으며, 장착부(113)에 장착되는 소형 셀(10)에 열을 인가하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 압력을 측정하는 단계(S400)는 소형 셀(10)의 폭발에 의한 부피 변화에 따른 압력을 측정하는 단계일 수 있다. 이전 단계에서, 소형 셀(10)의 과충전 및 가열함에 따라, 셀 내부의 활물질, 전극, 전해액 등의 전기 화학적 반응에 의하여 충전이 구동되며, 과충전 및 가열이 수행되는 동안 내부 전기 화학적 반응에 의하여 소형 셀(10)은 발화, 폭발 등이 발생하게 된다. 결과적으로, 소형 셀(10)은 폭발하게 되며, 폭발 시 소형 셀(10)이 받는 압력을 압력 측정 센서(140)에 의해 측정할 수 있다.
압력 측정 센서(140)는 챔버(100)의 일측에 위치할 수 있으며, 도 2 및 도 3에는, 챔버 커버(102)의 상부에 형성된 관통부를 통해 압력 측정 센서(140)가 삽입되어 챔버(100) 내부와 연결된 것으로 도시되어 있으나, 소형 셀(10) 및/또는 챔버(100) 내부와 밀착된 배치라면 제한되지 않는다. 이로 인하여 압력 측정 센서(140)는 소형 셀(10) 및 챔버(100) 내부의 부피 변화에 따른 압력을 민감하게 감지할 수 있으며, 소형 셀(10)의 폭발 시 순간 압력을 측정할 수 있다. 측정된 압력은 제어부(150)로 제공될 수 있으며, 제어부(150)에 의해 압력 정보는 저장될 수 있다. 이러한 압력 측정 센서(140)는 소형 셀(10) 및/또는 챔버(100) 내부의 압력을 감지하여 압력 변화를 감지하는 종류라면 특별히 제한되지 않는다.
중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 단계(S500)는 측정된 소형 셀(10)의 폭발 시 압력을 중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 단계일 수 있다. 이때, 중대형 셀 모듈의 압력은 하기 수학식에 의해 환산될 수 있다.
[수학식]
Figure 112018105501993-pat00002
상기 수학식에서, Pmd는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력, Ps는 소형 셀의 폭발 시 압력, Cml은 중대형 셀의 용량, Cs는 소형 셀의 용량, Nmd는 중대형 셀 모듈의 셀 개수이다.
여기서, 중대형 셀 모듈의 셀 개수가 하나일 경우, 중대형 셀 자체의 폭발 압력을 예측할 수 있으며, 셀 개수가 두 개 이상일 경우 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 예측할 수 있어, 중대형 셀 뿐만 아니라 모듈까지 소형 셀로 안전성 모사가 가능하며 폭발 압력도 예측할 수 있다.
이전 단계에서 압력 측정 센서(140)에 의해 측정된 소형 셀(10)의 폭발 압력은 제어부에 의하여 출력부(160)로 전송될 수 있다. 출력부(160)는 전송된 소형 셀(10)의 폭발 압력을 수학식에 대입하여 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 환산하게 되며, 이를 사용자가 확인하게 된다.
한편, 중대형 셀 모듈은 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에 사용되는 것으로, 각각 20Ah 이상의 용량을 가지는 하나 이상의 중대형 셀들을 병렬 및/또는 직렬로 연결된 것일 수 있다. 이러한 중대형 셀 모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용되는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다, 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
61Ah 용량을 가진 셀 12개가 직렬로 연결된 중대형 셀 모듈을 준비하였다. 중대형 셀 모듈에 충전 전류를 인가하여 과충전을 진행하면서, 충전량(SOC)에 따른 발생 온도와 전압을 측정하여, 도 5에 도시된 바와 같이 SOC-온도 프로파일을 얻었다(도 5의 4번 프로파일)
[실시예 2]
73Ah 용량을 가진 셀 12개가 직렬로 연결된 중대형 셀 모듈을 준비하였다. 중대형 셀 모듈에 충전 전류를 인가하여 과충전을 진행하면서, 충전량(SOC)에 따른 발생 온도를 측정하여 도 6에 도시된 바와 같이 SOC-온도 프로파일을 얻었다(도 6의 2'번 프로파일).
도 5 및 도 6을 참조하면, 중대형 셀 모듈의 용량이 달라짐에 따라, SOC-온도 프로파일이 상이함을 알 수 있다. 이는 소형 셀의 폭발 압력을 이용해 중대형 셀의 폭발 압력을 예측하는 본 발명에 있어서, 해당 중대형 셀 모듈의 용량이 달라짐에 따라, 모사 조건이 달라지는 것을 의미한다 할 것이다. 즉, 중대형 셀 모듈의 모사 조건인 온도 조건이 중대형 셀 모듈의 용량에 따라 달라지므로, 본 발명의 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 예측하기 위해서는 우선적으로, 예측하고자 하는 중대형 셀 모듈의 용량에 따른 해당 SOC-온도 프로파일을 얻어야 하는 것이다.
[실시예 3]
1Ah 용량을 가진 소형 셀(1Ah)을 준비한 후, 본 발명의 폭발 압력 측정 시스템의 챔버 내부 장착부에 장착하였다. 이후, 상기 실시예 1에서 수득한 SOC-온도 프로파일을 제어부에 입력하였다. 이후 충방전부를 조작해 상기 소형 셀에 충전 전류를 인가하며 과충전을 실시하되, 동시에 가열 부재인 제1 히팅 플레이트 및 제2 히팅 플레이트의 온도를 상기 SOC-온도 프로파일과 동일하게 가열하면서 소형 셀의 폭발 시까지 과충전을 실시하였다(도 5의 5번 프로파일과 같이 충전량 별로 히팅 플레이트의 온도를 조절하며 과충전).
압력 측정 센서는 소형 셀의 폭발 시 발생하는 압력을 측정하고, 측정된 압력 값을 제어부 및 출력부에 전송하여 하기 수학식에 의하여 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 환산하였다. 측정된 소형 셀의 폭발 압력은 0.2bar로 측정되었으며, 이를 수학식에 의하여 환산된 중대형 셀 모듈의 폭발 압력은 146bar였다.
[수학식]
Figure 112018105501993-pat00003
상기 수학식에서, Pmd는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력, Ps는 소형 셀의 폭발 시 압력, Cml은 중대형 셀의 용량, Cs는 소형 셀의 용량, Nmd는 중대형 셀 모듈의 셀 개수이다.
[참조예 1]
1Ah 용량을 가진 소형 셀(1Ah)을 준비한 후, 일반적인 폭발 압력 측정 장치에 장착하였다. 이후, 상기 소형 셀에 충전 전류를 인가하며 과충전을 실시하였다.
[참조예 2]
1.5Ah 용량을 가진 소형 셀을 준비한 후, 상기 소형 셀을 실시예 3과 동일한 장치 및 동일한 조건으로 과충전을 실시하여, 폭발 시 압력을 측정하였다. 측정된 소형 셀의 폭발 압력은 0.3bar였다.
[실험예] 충전량에 따른 전압 프로파일 측정(SOC-전압 프로파일)
상기 실시예 1 내지 3 및 참조예 1에서 과충전 수행시, 충전량에 따른 전압을 측정하였고 그 결과를 도 5에 각각 나타내었다.
도 5의 1번 프로파일은 소형 셀에 단순 과충전을 실시한 참조예 1의 SOC-전압 프로파일로써, 이를 참조하면, 셀을 가열하지 않은 채 단순 과충전만으로는 소형 셀이 폭발하지 않음을 알 수 있다.
도 5의 2번 프로파일은 실시예 3의 중대형 셀 모듈 모사 조건 하에서 과충전을 수행한 소형 셀의 SOC-전압 프로파일이고, 도 5의 3번 프로파일은 실시예 1의 중대형 셀 모듈의 SOC-전압 프로파일로써, 이들을 참조하면 2,3의 프로파일 거동이 거의 동일함을 확인할 수 있다. 이는 소형 셀을 중대형 셀의 SOC-온도 프로파일과 동일한 조건으로 가열하며 충전한 경우에, 중대형 셀의 SOC-전압 프로파일 거동이 나타난 것을 의미한다. 따라서, 중대형 셀의 폭발 압력을 직접 측정하지 않더라도, 소형 셀을 이용해 중대형 셀의 폭발 압력을 예측할 수 있게 되는 것이다.
실시예 1의 중대형 셀 모듈의 SOC-전압 프로파일인 도 5의 3번 프로파일을 참조하면, 실시예 1의 중대형 셀 모듈은, 약 SOC 147%인 지점에서 폭발하였음을 알 수 있고, 이를 모사한 실시예 3의 소형 셀의 SOC-전압 프로파일인 도 5의 2번 프로파일을 참조하면, 실시예 3의 소형 셀 역시 SOC 147%인 지점에서 폭발이 발생했음을 알 수 있다. 그리고, 실시예 2의 중대형 셀 모듈의 SOC-전압 프로파일인 도 6의 1'번 프로파일을 참조하면, 실시예 2의 중대형 셀 모듈은 약 SOC 122%인 지점에서 폭발이 일어났음을 알 수 있다.
한편, 참조예 2의 1.5Ah 용량을 가지는 소형 셀의 폭발 압력은 0.3bar로써, 이는 실시예 3의 1Ah 용량을 가지는 소형 셀의 폭발 압력인 0.2bar의 1.5배가 되는바, 폭발 압력이 셀의 용량에 비례한다는 점을 확인할 수 있었다. 소형 셀을 이용하여 중대형 셀의 폭발 압력을 예측하는 본 발명의 정확도를 확인하기 위해서는 실제로 중대형 셀의 폭발 압력을 측정하여 본 발명을 이용한 예측 값과 실제로 측정된 값을 비교해야 하는 것이 바람직하겠으나, 상기 안전상의 문제로 실시예와 같이 큰 용량을 가진 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 측정할 수 없는 현실적인 제약이 있고, 폭발 시 폭발 측정 장치의 구조적 변형으로 인해 정확한 측정이 어려울 수 있으므로, 상기 내용으로 본 발명의 폭발 압력 예측(측정)방법에 대한 정확도에 대한 설명을 갈음하기로 한다.
이에, 본 발명은 소형 셀을 중대형 셀의 모사 조건으로 폭발을 일으켜, 폭발 시 압력을 측정하고, 상기 측정된 압력 값을 중대형 셀 모듈의 폭발 압력으로 환산하여, 중대형 셀 모듈의 폭발 압력을 예측할 수 있음에 따라, 중대형 셀 모듈의 안전성 테스트 시 발생할 수 있는 발화, 폭발 등에 따른 사고, 측정 장치의 구조적 변형을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
1000: 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 측정 시스템
10: 셀
100: 챔버
110: 가열 부재
120: 온도 조절 장치
130: 충방전부
140: 압력 측정 센서
1: 참조예 1의 SOC-전압 프로파일
2: 실시예 3의 소형 셀의 SOC-전압 프로파일
3: 실시예 1의 중대형 셀 모듈의 SOC-전압 프로파일
4: 실시예 1의 중대형 셀 모듈의 SOC-온도 프로파일
5: 실시예 3의 소형 셀의 SOC-Heating 온도
1': 실시예 2의 중대형 셀 모듈의 SOC-전압 프로파일
2': 실시예 2의 중대형 셀 모듈의 SOC-온도 프로파일

Claims (14)

  1. 예측하고자 하는 중대형 셀 모듈의 충전량(SOC)에 따른 발생 온도의 프로파일(SOC-온도 프로파일)을 도출하는 단계(S100);
    폭발 압력 측정 장치의 내부에 소형 셀을 장착하는 단계(S200);
    상기 (S100)단계에서 도출한 SOC-온도 프로파일과 동일하게 상기 소형 셀을 가열하며 폭발 시까지 과충전하는 단계(S300);
    상기 소형 셀의 폭발 시 압력을 측정하는 단계(S400); 및
    상기 측정된 소형 셀의 폭발 시 압력을 중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 단계(S500)를 포함하는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (S500)의 환산 단계에서, 상기 측정된 소형 셀의 폭발 시 압력을 하기 수학식에 대입하여 중대형 셀 모듈의 압력을 환산하는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법.
    [수학식]
    Figure 112018105501993-pat00004

    (상기 수학식에서, Pmd는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력, Ps는 소형 셀의 폭발 시 압력, Cml은 중대형 셀의 용량, Cs는 소형 셀의 용량, Nmd는 중대형 셀 모듈의 셀 개수이다.)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (S100)의 SOC-온도 프로파일 도출 단계는, 중대형 셀 모듈의 용량 별로 SOC-온도 프로파일이 상이한 것을 특징으로 한 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소형 셀의 용량은 1.0Ah이하인 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중대형 셀 모듈은 20Ah 이상의 용량을 가지는 중대형 셀을 하나 이상 포함하며, 상기 중대형 셀들은 서로 전기적으로 연결되어 있는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (S300)의 과충전 단계에서, 충전 전류를 인가함과 동시에 실시간으로 상기 소형 셀의 전압을 측정하는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중대형 셀 모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용되는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 방법.
  8. 내부에 가열 부재가 배치되어 있고, 상기 가열 부재 상에 소형 셀을 장착하기 위한 장착부를 포함하는 챔버;
    상기 가열 부재와 연결되어 상기 가열 부재의 온도를 조절하는 온도 조절 장치;
    상기 소형 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부;
    상기 챔버의 일측에 위치하는 압력 측정 센서; 및
    상기 온도 조절 장치, 상기 충방전부 및 상기 압력 측정 센서를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 대상 중대형 셀 모듈의 SOC-온도 프로파일과 동일하게, 소형 셀을 가열할 수 있도록 상기 충방전부 및 상기 온도 조절 장치를 제어하는 것을 특징으로 한 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가열 부재는 제1 히팅 플레이트 및 제2 히팅 플레이트를 포함하며,
    상기 제1 히팅 플레이트 및 제2 히팅 플레이트 사이에 장착부를 포함하는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 챔버는 일측에 관통부가 형성되어 있고, 상기 관통부를 통해 상기 압력 측정 센서와 연결되는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 챔버는 상부가 개방된 중공형 구조인 챔버 본체; 및 상기 장착된 소형 셀을 밀폐하기 위해 챔버 본체의 개방부와 결합되는 챔버 커버를 포함하는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서,
    상기 압력 측정 센서에 의해 측정된 소형 셀의 압력을 중대형 셀 모듈의 압력으로 환산하는 출력부를 더 포함하는 중대형 셀 모듈의 폭발 압력 예측 시스템.
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