KR102458882B1 - 전지셀 열화 판단 시스템 및 이를 사용하여 전지셀 열화를 판단하는 방법 - Google Patents

전지셀 열화 판단 시스템 및 이를 사용하여 전지셀 열화를 판단하는 방법 Download PDF

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Abstract

전지셀 열화 판단 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템은 적어도 하나 이상의 전지셀의 적어도 상면 및 측면에 밀착되어 있고, 일 측 단부가 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장되어 있는 복수개의 부피팽창감지선들, 상기 복수개의 부피팽창감지선들이 각각 상기 전지셀의 외면의 변곡점을 따라 절곡되는 부위들 및 상기 복수개의 부피팽창감지선들이 각각 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장되는 부위들에 위치하는 적어도 둘 이상의 방향전환부재 및 상기 복수개의 부피팽창감지선들이 각각 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장된 일 측 단부들에 위치하여 길이가 신장 또는 수축하는 적어도 둘 이상의 스프링 부재를 포함함으로써, 전지셀들의 체적 변화에 따른 두께 변화를 물리적 측정할 수 있다.

Description

전지셀 열화 판단 시스템 및 이를 사용하여 전지셀 열화를 판단하는 방법 {System for Checking Deterioration of Battery Cell and Method for Checking Deterioration of Battery Cell Using the Same}
본 발명의 실시예들은 전지셀 열화 판단 시스템 및 이를 사용하여 전지셀 열화를 판단하는 방법과 관련된다.
충방전이 가능한 이차전지는 소형 모바일 기기뿐만 아니라 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 장치의 동력원으로도 사용이 확대되고 있다. 그러한 중대형 장치의 동력원으로 사용될 때, 다수의 단위전지(이차전지)들을 직렬 또는 직렬/병렬로 연결하여 고출력을 제공하는 전지모듈(들)로 제작된다.
따라서, 전지모듈에는 다수의 이차전지들이 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.
중대형 전지모듈의 단위전지(전지셀)로는 현재까지 니켈수소 이차전지가 많이 사용되고 있으나, 최근에는 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 관심이 집중되고 있다.
전지모듈은 다수의 전지셀들을 포함하는 구조로 이루어져 있으므로, 개개의 전지셀들의 작동상태를 확인하여 제어하는 것이 요구된다. 예를 들어, 각 전지셀의 전압, 온도 등의 물리적 작동상태를 검출하여 최적의 작동 상태 및 안전성을 확보하는 것이 필요하다.
이러한 물리적 작동상태의 확인은, 측정 대상인 전지셀에 전압 측정을 위한 와이어 등의 접속부재를 각각 제어부에 연결하는 구성, 측정 대상인 전지셀의 외면 또는 인근에 온도 센서를 설치하고 이들의 검출신호를 접속부재를 사용하여 각각 제어부에 연결하는 구성으로 달성된다.
따라서, 전지모듈을 구성하는 전지셀의 수가 증가함에 따라, 물리적 작동상태의 확인을 위한 검출수단과 제어부와의 연결 구조가 매우 복잡해 진다. 전지셀의 전압을 측정하는 구성은 그것의 특성상 전압을 검출하여 제어부로 검출신호를 송부하는 과정이 개별적으로 이루어져 함에 반하여, 전지셀의 온도 측정은 개선의 여지가 있다.
한편, 전지모듈의 단위전지로서 앞서 설명한 바와 같은 리튬 이차전지를 사용하는 경우에 전지모듈의 안전성 문제는 더욱 신중하게 고려되어야 한다. 리튬 이차전지는 리튬이온이 음극에서 흡장 및 방출되는 과정에서 상대적으로 큰 부피 변화를 겪게 된다.
즉, 리튬 이차전지는 반복적인 충방전 과정에서 팽창 및 수축을 반복하게 되는데, 이러한 팽창 및 수축 과정에서 내부 저항이 증가하여 전지의 성능이 크게 감소할 뿐만아니라, 지나친 팽창으로 인해 전지케이스가 분리되면서 전해액이 누출되어 화재가 초래되거나 또는 폭발에 이르는 경우가 발생할 수 있다. 더욱이, 일부 전지셀에서 유발된 발화 또는 폭발은 다른 전지셀로 연속적으로 전달되어 심각한 상태를 초래할 수 있으며, 특히 전지셀의 일부분에 열화가 발생된 상황에 대해서 정확히 판단하는 것이 필요하다.
따라서, 이러한 문제점을 고려할 때, 리튬 이차전지를 단위전지로서 사용하는 중대형 전지모듈에서는 각 단위전지들의 팽창 상태를 확인하는 것이 필요할 수 있으며, 일부 선행기술에서는 전지셀의 표면에 압전소자 또는 기타 팽창도를 측정할 수 있는 수단을 장착하는 기술을 제시하고 있다.
그러나, 전지셀의 부피 팽창도를 확인하기 위하여 상기와 같은 검출수단 및 접속부재를 추가로 장착하는 경우, 전지셀의 물리적 작동 상태를 확인하는 구조는 더욱 복잡해진다.
따라서, 각 전지셀들에 대한 정보를 검출할 수 있고, 그러한 검출신호를 제어부로 송부하기 위한 구성이 간단한 새로운 구조의 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2001-0046873호 (2011.06.15.)
본 발명의 실시예들은 전지셀들의 체적 변화에 따른 두께 변화를 물리적 측정 구조를 통해 측정하는 전지셀 열화 판단 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 크기 및 형태의 전지셀들에 대해 두께 변화 측정이 실시간으로 가능한 구조를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 두께 변화 측정 과정에서 체적 변화가 있는 부위를 측정하여 전지셀들의 열화를 판단할 수 있는 전지셀 열화 판단 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나 이상의 전지셀의 적어도 일면에 밀착되어 있고, 적어도 일 측 단부가 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장되어 있는 복수개의 부피팽창감지선들 및 상기 복수개의 부피팽창감지선들이 각각 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장된 일 측 단부들에 위치하여 길이가 신장 또는 수축하는 적어도 하나 이상의 스프링 부재를 포함하는, 전지셀 열화 판단 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 부피팽창감지선들은 상기 전지셀의 적어도 상면 및 측면에 밀착되어 있으며, 상기 부피팽창감지선들 및 상기 스프링 부재 사이에서 상기 전지셀의 외면의 변곡점을 따라 절곡되는 부위들 및 상기 복수개의 부피팽창감지선들이 각각 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장되는 부위들에 위치하는 적어도 하나 이상의 방향전환부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전지셀은, 적어도 둘 이상의 전지셀들이 두께 방향으로 적층되어 있는 구조로 배치될 수 있다.
또한, 상기 전지셀은 외면 형상이 판상형 구조, 단차형 구조, 원형 구조, 각형 구조, 대칭형 구조 및 비대칭형 구조 중에서 하나 이상의 형상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 부피팽창감지선들은, 상기 전지셀의 가로를 기준으로 외면에 감겨지는 적어도 하나 이상의 가로부피팽창감지선 및 상기 전지셀의 세로를 기준으로 외면에 감겨지는 적어도 하나 이상의 세로부피팽창감지선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 부피팽창감지선들은, 소정의 신축성 및 강성을 갖는 플라스틱 소재 또는 실리콘 소재일 수 있다.
또한, 상기 복수개의 부피팽창감지선들은, 내부에 상기 플라스틱 소재 또는 실리콘 소재가 위치하고, 외부에 완충소재가 피복된 구조일 수 있다.
또한, 상기 스프링 부재들 각각의 일 측 단부에는, 상기 전지셀의 두께 변화에 따른 상기 스프링 부재의 신장 및 수축 범위를 감지하는 적어도 하나 이상의 센서부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서부는, 상기 전지셀의 두께 변화에 따른 상기 스프링 부재들 각각의 신장 및 수축 패턴을 감지하고 BMS(battery management system)가 상기 전지셀의 부분 열화를 파악할 수 있다.
또한, 상기 센서부는, 상기 전지셀의 두께 변화에 따른 상기 스프링 부재들 각각의 신장 및 수축 패턴을 감지하고 BMS가 상기 전지셀의 열화를 파악하여 EOL(end of life)를 판단할 수 있다.
또한, 상기 전지셀의 적어도 일면에 접촉되도록 개재되어 있는 적어도 하나 이상의 냉각 플레이트를 추가로 포함하며, 상기 부피팽창감지선들이, 상기 전지셀과 상기 냉각 플레이트 사이에 위치하는 구조일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전지셀 열화 판단 시스템을 포함하는 전지모듈을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전지셀 두께 열화 판단 시스템을 사용하여 전지셀의 열화 여부를 판단하는 방법에 있어서, 상기 전지셀 외면에 대응하는 길이로 감겨져 밀착되어 있는 상기 복수개의 부피팽창감지선들이 상기 전지셀의 두께 팽창에 대응하여 위치가 변화하고, 상기 위치변화에 따라 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장된 일 측 단부들에 위치하는 상기 스프링 부재들의 길이가 신장 또는 수축하며, 상기 스프링 부재들의 신장 및 수축 범위를 감지한 상기 센서부가 상기 BMS에 상기 전지셀의 두께 변화율을 전달하고, 상기 BMS는 상기 전지셀의 두께 변화율에 따라 열화 여부 또는 부분 열화 여부를 판단하는, 전지셀 열화 판단 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전지셀의 열화 여부는, 상기 스프링 부재들의 신장 또는 수축 범위가 정상범위를 10% 이상 벗어나는 경우, 열화 상태로 판단하고, 상기 스프링 부재들의 신장 또는 수축 범위가 정상범위 내에 있는 경우, 비 열화 상태로 판단할 수 있다.
또한, 상기 정상범위는, 상기 전지셀의 SOH(state of helth)이 100%일 때를 기준으로, 상기 스프링 부재들의 신장 값이 SOC(state of charge) 0%에서 최소 값을 가지고, SOC 100%에서 최대값을 가질 수 있다.
또한, 상기 전지셀의 부분 열화 여부는, 상기 스프링 부재들 중 일부에만 정상범위를 벗어나는 신장 또는 수축 범위가 발생하는 경우로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀 열화 판단 시스템으로서, 부피팽창감지선들이 전지셀의 외면에 밀착되어 있고, 부피팽창감지선들의 일 측 단부들에 위치하고 전지셀들의 팽창에 대응하여 길이가 신장 또는 수축하는 스프링 부재를 포함함으로써, 전지셀들의 체적 변화에 따른 두께 변화를 물리적 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀 열화 판단 방법으로서, 전지셀들의 팽창에 대응하여 길이가 신장 또는 수축하는 스프링 부재의 신장 또는 수축 범위를 통해 열화 발생 지점을 판단하는 과정을 포함함으로써, 두께 변화 측정 과정에서 체적 변화가 있는 부위를 측정하여 전지셀들의 열화를 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템의 상단면을 나타내는 모식도이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템의 측면을 나타내는 모식도이다
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 시스템을 포함하는 전지셀의 정상범위 상태를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 시스템을 포함하는 전지셀의 열화 상태를 나타내는 모식도이다
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 시스템을 포함하는 전지셀의 부분 열화 상태를 나타내는 모식도이다
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템의 측면을 나타내는 모식도이다
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템의 상단면을 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템의 측면을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템(100)은, 적어도 하나 이상의 전지셀(110)의 적어도 일면에 밀착되어 있고, 적어도 일 측 단부가 전지셀(110)의 외측 방향으로 연장되어 있는 복수개의 부피팽창감지선들(120), 복수개의 부피팽창감지선들(120)이 각각 전지셀(110)의 외면의 변곡점을 따라 절곡되는 부위들 및 복수개의 부피팽창감지선들(120)이 각각 전지셀(110)의 외측 방향으로 연장되는 부위들에 위치하는 적어도 하나 이상의 방향전환부재(130)를 포함할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 복수개의 부피팽창감지선들(120)이 각각 전지셀(110)의 외측 방향으로 연장된 단부에는 길이가 신장 또는 수축하는 적어도 둘 이상의 스프링 부재(140)가 위치할 수 있다.
전지셀(110)은, 도 1 및 2에 예시되어 있는 바와 같이, 적어도 둘 이상의 전지셀(110)이 두께 방향으로 적층되어 있는 구조로 배치될 수 있으나, 이러한 구조만으로 한정되는 것은 아니며, 부피팽창감지선들(120)이 적층되어 있는 전지셀(110) 외면에 밀착되어 있는 구조로서, 개별적인 전지셀(110) 마다 부피팽창감지선들(120)이 밀착되어 있는 구조 또한 가능하다.
또한, 전지셀(110)은, 도 1 및 2에 예시되어 있는 바와 같이, 외면 형상이 판상형 구조로 이루어져 질 수 있으나, 판상형 구조, 단차형 구조, 원형 구조, 각형 구조, 대칭형 구조 및 비대칭형 구조 중에서 하나 이상의 형상을 포함할 수 있다.
한편, 부피팽창감지선들(120)은 방향전환부재(130)에 의해 전지셀(110)의 외면에 밀착될 수 있으며, 구체적으로, 전지셀(110)의 상면에 밀착되어 있는 상태에서, 전지셀(110)의 상면으로부터 측면으로 이어지는 변곡점에 방향전환부재(130)가 위치하여 부피팽창감지선들(120)이 전지셀(110)의 외면에 밀착된 상태로 이어지는 구조일 수 있다.
따라서, 부피팽창감지선들(120)은 전지셀(110)의 적어도 상면 및 측면에 대해서 방향전환부재(130)에 의해 전지셀(110)의 외면에 밀착되어 있는 바, 전지셀(110)의 체적 변화에 대응하여 부피팽창감지선들(120)이 당겨지게 되고, 부피팽창감지선들(120)에 연결되어 있는 스프링 부재(140)의 길이가 신장되며, 이러한 스프링 부재(140)의 신장 길이에 따라 전지셀(110)의 부피 팽창 정도를 실시간으로 측정할 수 있다.
부피팽창감지선들(120)의 배치구조 또는 배치개수는 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 전지셀(110)의 가로를 기준으로 외면에 감겨지는 적어도 하나 이상의 가로부피팽창감지선(121) 및 전지셀(110)의 세로를 기준으로 외면에 감겨지는 적어도 하나 이상의 세로부피팽창감지선(122)을 포함할 수 있다.
즉, 가로부피팽창감지선(121) 및 세로부피팽창감지선(122)을 소정의 개수로 전지셀(110) 외면에 밀착하게 배치하고, 전지셀(110)의 체적 변화에 대응하여 가로부피팽창감지선(121) 및 세로부피팽창감지선(122)이 당겨지게 되며, 가로부피팽창감지선(121) 및 세로부피팽창감지선(122) 각각에 연결되어 있는 스프링 부재(140)의 신장 길이를 측정하여, 측정 위치를 지나는 가로부피팽창감지선(121) 및 세로부피팽창감지선(122)을 기준으로 부분적인 부피 팽창이 일어나는지 여부를 판단할 수 있다.
이때, 부피팽창감지선들(120)은 전지셀(110)의 체적 변화에 대응하여 당겨질 수 있도록 끊어지지 않는 소재이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 소정의 신축성 및 강성을 갖는 플라스틱 소재 또는 실리콘 소재일 수 있다.
또한, 부피팽창감지선들(120)은, 내부에 상기 플라스틱 소재 또는 실리콘 소재가 위치하고, 외부에 완충소재가 피복된 구조일 수 있으며, 완충소재의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니며, 옐를 들어, 고무 등의 소재를 사용하여 전지셀(110)의 외면이 부피팽창감지선들(120)에 의해 지나치게 가압되는 것을 방지할 수 있는 소재라면 한정되는 것은 아니다.
또한, 방향전환부재(130)는 부피팽창감지선들(120)이 전지셀(110) 외면에 밀착된 상태로 당겨지는 힘을 최종적으로 스프링 부재(140)에 전달되기 위한 구조면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 도르래일 수 있으나, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 부피팽창감지선들(120)이 전지셀(110)의 체적 변화에 대응하여 당겨질 때, 스프링 부재(140)가 신장하는 길이를 측정하기 위한 수단을 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들어, 스프링 부재들(140) 각각의 일 측 단부에, 전지셀(110)의 두께 변화에 따른 스프링 부재(140)의 신장 및 수축 범위를 감지하는 적어도 하나 이상의 센서부(150)를 포함할 수 있다.
따라서, 센서부(150)는, 전지셀(110)의 두께 변화에 따른 스프링 부재(140)들 각각의 신장 및 수축 패턴을 감지하여 BMS(도시하지 않음)에 정보를 전달하고, BMS가 전지셀(110)의 열화 또는 부분 열화를 판단할 수 있다.
또한, 센서부(150)는, 전지셀(110)의 두께 변화에 따른 스프링 부재(140)들 각각의 신장 및 수축 패턴을 감지하여 BMS에 정보를 전달하며, BMS가 전지셀(110)의 열화를 판단하여 최종적으로 EOL(end of life)를 판단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템(100)은 앞서 설명한 바와 같이, 전지셀(110)이 두께 방향으로 적층되어 있는 구조로 배치된 전지모듈(도시하지 않음)에 적용될 수 있으며, 예를 들어 전지셀 열화 판단 시스템(110)을 포함하는 전지모듈을 제공할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도가 도시되어 있다. 도시된 흐름도에서는 전지셀 열화 판단 방법을 복수 개의 단계로 나누어 기재하였으나, 적어도 일부의 단계들은 순서를 바꾸어 수행되거나, 다른 단계와 결합되어 함께 수행되거나, 생략되거나, 세부 단계들로 나뉘어 수행되거나, 또는 도시되지 않은 하나 이상의 단계가 부가되어 수행될 수 있다.
또한, 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 시스템을 포함하는 전지셀의 정상범위 상태를 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 시스템을 포함하는 전지셀의 열화 상태를 나타내는 모식도가 도시되어 있으며, 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 시스템을 포함하는 전지셀의 부분 열화 상태를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
먼저, 도 3을 도 1 및 2와 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 방법은 전지셀(110) 외면에 대응하는 길이로 감겨져 밀착되어 있는 복수개의 부피팽창감지선들(120)이 전지셀(110)의 두께 팽창에 대응하여 위치가 변화하는 과정(201), 위치변화에 따라 전지셀(110)의 외측 방향으로 연장된 일 측 단부들에 위치하는 스프링 부재들(140)의 길이가 신장 또는 수축하는 과정(202), 스프링 부재들(140)의 신장 및 수축 범위를 감지한 센서부(150)가 BMS에 전지셀(110)의 두께 변화율을 전달하는 과정(203), BMS가 전지셀(110)의 두께 변화율에 따라 열화 여부 또는 부분 열화 여부를 판단하는 과정(204)을 포함할 수 있다.
이때, 전지셀(110)의 정상범위 상태는, 예를 들어, 도 4에 예시되어 있는 바와 같이, SOH(state of helth)이 100%일 때를 기준으로, 스프링 부재들(140)의 신장 값이 SOC(state of charge) 0%에서 최소 값을 가지고, SOC 100%에서 최대값을 가지는 경우로 정의할 수 있다.
즉, 도 4(a)에 예시되어 있는 바와 같이, SOC 0%인 상태에서, 스프링 부재들(140)의 신장 값이 최소값이 되고, 도 4(b)에 예시되어 있는 바와 같이, SOC 100%에서 일정한 수준으로 팽창하여 스프링 부재들(140)의 신장 값이 최대값이 되는 상태를 전지셀(110)의 정상범위 상태로서 정의할 수 있으며, 이때, 전지셀(110)의 정상범위에서 전지셀(110)의 팽창 정도는 SOC 0%인 상태 대비 SOC 100% 상태가 대략 5% 두께 변화를 가질 수 있다.
반면에, 전지셀(110)의 반복적인 충전 및 방전에 의해 SOH가 줄어드는 경우, 전지셀(110) 정상범위 상태의 팽창 정도에 비하여 전지셀(110)의 비 정상 상태는 대략적으로 10% 이상 두께 변화가 차이가 날 수 있다.
따라서, 전지셀(110)의 열화 여부는, 도 5에 예시되어 있는 바와 같이, 전지셀(110) 정상범위에서의 스프링 부재들(140)의 신장 및 수축 범위 대비 스프링 부재들(140)의 신장 및 수축 범위가 10% 이상 벗어나는 경우, 전지셀(110)의 열화를 판단할 수 있다.
즉, 도 5(a)에 예시되어 있는 바와 같이, SOC 0%인 상태에서, 스프링 부재들(140)의 신장 값이 전지셀(110)의 정상범위 상태에서 비하여 10% 이상 벗어나거나, 도 5(b)에 예시되어 있는 바와 같이, SOC 100%인 상태에서 스프링 부재들(140)의 신장 값이 전지셀(110)의 정상범위 상태에서 비하여 10% 이상 벗어나는 경우, 열화를 판단할 수 있다.
앞서 설명한 전지셀(110)의 정상범위는, 적용되는 전지셀(110)의 종류 또는 성능에 따라 차이가 발생할 수 있는 바, 열화여부를 판단하기 위한 구체적인 수치 범위는 제한되는 것이 아니며, 이에 따라 EOL의 판단 또한 적용되는 전지셀(110)의 종류 또는 성능에 따라 차이가 발생할 수 있음은 물론이다.
한편, 전지셀(110)의 부분 열화의 기준은, 전지셀(110) 외면에 배치되는 다수의 부피팽창감지선들(130) 및 이와 연결되는 복수개의 스프링 부재들(140)의 길이가 전반적으로 신장되는 경우가 아닌, 도 6에 예시되어 있는 바와 같이, 일부의 스프링 부재(140)에서만 지나친 길이 신장이 발생했을 때로 판단할 수 있다.
즉, 도 6(a)에 예시되어 있는 바와 같이, SOC 0%인 상태에서, 특정 스프링 부재들(140)의 신장 값이 전지셀(110)의 정상범위 상태에서 비하여 10% 이상 벗어나거나, 도 6(b)에 예시되어 있는 바와 같이, SOC 100%인 상태에서 특정 스프링 부재들(140)의 신장 값이 전지셀(110)의 정상범위 상태에서 비하여 10% 이상 벗어나는 경우, 전지셀(110)의 특정부위에서 열화가 발생했음을 판단할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템의 측면을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 열화 판단 시스템(200)은 제 1 전지셀(211)의 적어도 상면 및 측면에 밀착되어 있고, 일 측 단부가 제 1 전지셀(211)의 외측 방향으로 연장되어 있는 복수개의 제 1 부피팽창감지선들(221), 복수개의 제 1 부피팽창감지선들(221)이 각각 제 1 전지셀(211)의 외면의 변곡점을 따라 절곡되는 부위들 및 복수개의 제 1 부피팽창감지선들(211)이 각각 제 1 전지셀(211)의 외측 방향으로 연장되는 부위들에 위치하는 적어도 둘 이상의 제 1 방향전환부재(231)를 포함할 수 있다.
또한, 제 2 전지셀(212)의 적어도 하면 및 측면에 밀착되어 있고, 일 측 단부가 제 2 전지셀(212)의 외측 방향으로 연장되어 있는 복수개의 제 2 부피팽창감지선들(222), 복수개의 제 2 부피팽창감지선들(222)이 각각 제 2 전지셀(212)의 외면의 변곡점을 따라 절곡되는 부위들 및 복수개의 제 2 부피팽창감지선들(212)이 각각 제 2 전지셀(212)의 외측 방향으로 연장되는 부위들에 위치하는 적어도 둘 이상의 제 2 방향전환부재(232)를 포함할 수 있다.
이때, 제 1 전지셀(211) 및 제 2 전지셀(212) 외측에는 각각 제 1 냉각 플레이트(261) 및 제 2 냉각 플레이트(262)가 위치하는 구조일 수 있으며, 제 1 부피팽창감지선들(221)이 제 1 전지셀(211)과 제 1 냉각 플레이트(261) 사이에 위치하고, 제 2 부피팽창감지선들(222)이 제 2 전지셀(212)과 제 2 냉각 플레이트(262) 사이에 위치하는 구조일 수 있다.
이러한 구조는 도 2에 예시되어 있는 전지셀들(110)의 적층 구조와 달리 전지셀들(211, 212)의 적층 구조 사이에 냉각 플레이트들(261, 262)이 삽입된 구조로서, 도 7에서는 설명의 편의를 위하여 제 1 전지셀(211) 및 제 2 전지셀(212) 외측에 제 1 냉각 플레이트(261) 및 제 2 냉각 플레이트(262)가 위치하는 구조로 설명하고 있으나, 1 단위 또는 2 단위의 전지셀들(211, 212)이 반복적으로 적층되어 있고, 이들 사이에 냉각 플레이트(261, 262)들이 삽입되는 구조로서, 전지셀들(211, 212)과 냉각 플레이트들(261, 262) 사이에 부피팽창감지선들(221, 222)이 위치하는 구조일 수 있다.
또한, 도 7에서는 전지셀들(211, 212)의 가로 방향에 대해서만 부피팽창감지선들(221, 222)이 위치하는 것으로 설명하고 있으나, 도 2에서 예시되어 있는 바와 같이, 가로 및 세로 방향에 대해서 복수의 부피팽창감지선들(221, 222)이 위치하는 구조일 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 전지셀 열화 판단 시스템
110: 전지셀
120: 부피팽창감지선
121: 가로부피팽창감지선
122: 세로부피팽창감지선
130: 방향전환부재
140: 스프링 부재
150: 센서부
211: 제 1 전지셀
212: 제 2 전지셀
221: 제 1 부피팽창감지선
222: 제 2 부피팽창감지선
231: 제 1 방향전환부재
232: 제2 방향전환부재
261: 제 1 냉각플레이트
262: 제 2 냉각플레이트

Claims (16)

  1. 적어도 하나 이상의 전지셀의 적어도 일면에 밀착되어 있고, 적어도 일 측 단부가 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장되어 있는 복수개의 부피팽창감지선들; 및
    상기 복수개의 부피팽창감지선들이 각각 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장된 일 측 단부들에 위치하여 길이가 신장 또는 수축하는 적어도 하나 이상의 스프링 부재;
    를 포함하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부피팽창감지선들은 상기 전지셀의 적어도 상면 및 측면에 밀착되어 있으며,
    상기 부피팽창감지선들 및 상기 스프링 부재 사이에서 상기 전지셀의 외면의 변곡점을 따라 절곡되는 부위들 및 상기 복수개의 부피팽창감지선들이 각각 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장되는 부위들에 위치하는 적어도 하나 이상의 방향전환부재를 포함하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지셀은, 적어도 둘 이상의 전지셀들이 두께 방향으로 적층되어 있는 구조로 배치되는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지셀은 외면 형상이 판상형 구조, 단차형 구조, 원형 구조, 각형 구조, 대칭형 구조 및 비대칭형 구조 중에서 하나 이상의 형상을 포함하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 부피팽창감지선들은, 상기 전지셀의 가로를 기준으로 외면에 감겨지는 적어도 하나 이상의 가로부피팽창감지선 및 상기 전지셀의 세로를 기준으로 외면에 감겨지는 적어도 하나 이상의 세로부피팽창감지선을 포함하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 부피팽창감지선들은, 소정의 신축성 및 강성을 갖는 플라스틱 소재 또는 실리콘 소재인, 전지셀 열화 판단 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 부피팽창감지선들은, 내부에 상기 플라스틱 소재 또는 실리콘 소재가 위치하고, 외부에 완충소재가 피복된, 전지셀 열화 판단 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 스프링 부재들 각각의 일 측 단부에는, 상기 전지셀의 두께 변화에 따른 상기 스프링 부재의 신장 및 수축 범위를 감지하는 적어도 하나 이상의 센서부를 포함하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 전지셀의 두께 변화에 따른 상기 스프링 부재들 각각의 신장 및 수축 패턴을 감지하고 BMS(battery management system)가 상기 전지셀의 부분 열화를 파악하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 전지셀의 두께 변화에 따른 상기 스프링 부재들 각각의 신장 및 수축 패턴을 감지하고 BMS가 상기 전지셀의 열화를 파악하여 EOL(end of life)를 판단하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지셀의 적어도 일면에 접촉되도록 개재되어 있는 적어도 하나 이상의 냉각 플레이트를 추가로 포함하며, 상기 부피팽창감지선들이, 상기 전지셀과 상기 냉각 플레이트 사이에 위치하는, 전지셀 열화 판단 시스템.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 하나에 따른 전지셀 열화 판단 시스템을 포함하는 전지모듈.
  13. 복수개의 부피팽창감지선들이 전지셀의 외면에 밀착되게 감기고,
    스프링 부재들이 상기 전지셀의 외측 방향으로 연장된 상기 부피팽창감지선들의 일 측 단부들에 각각 연결되고,
    상기 전지셀의 부피가 변하면, 상기 스프링 부재들은 상기 부피팽창감지선들의 이동에 의해 신장 또는 수축되고,
    상기 스프링 부재들의 신장 및 수축 범위를 감지한 센서부가 BMS에 상기 전지셀의 두께 변화율을 전달하면,
    상기 BMS는 상기 전지셀의 두께 변화율에 따라 상기 전지셀의 열화 여부 또는 부분 열화 여부를 판단하는, 전지셀 열화 판단 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전지셀의 열화 여부는, 상기 스프링 부재들의 신장 또는 수축 범위가 정상범위를 10% 이상 벗어나는 경우, 열화 상태로 판단하고,
    상기 스프링 부재들의 신장 또는 수축 범위가 정상범위 내에 있는 경우, 비 열화 상태로 판단하는, 전지셀 열화 판단 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 정상범위는, 상기 전지셀의 SOH(state of helth)이 100%일 때를 기준으로, 상기 스프링 부재들의 신장 값이 SOC(state of charge) 0%에서 최소 값을 가지고, SOC 100%에서 최대값을 가지는, 전지셀 열화 판단 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 전지셀의 부분 열화 여부는, 상기 스프링 부재들 중 일부에만 정상범위를 벗어나는 신장 또는 수축 범위가 발생하는 경우로 판단하는, 전지셀 열화 판단 방법.
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