KR20120047643A - 온도 측정 패드가 부착된 이차 전지 및 그 보호 장치 - Google Patents

온도 측정 패드가 부착된 이차 전지 및 그 보호 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 측정 패드가 구비된 이차 전지 및 그 보호 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 이차 전지는, 반대 극성의 전극 리드가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리; 상기 전극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 포장하는 전지 외장재; 및 적어도 어느 한 쪽 극성의 전극 리드에 부착된 온도 측정 패드를 포함하고, 상기 전극 리드의 저항 보다 상기 온도 측정 패드의 저항이 큰 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 이차 전지의 과열 상황을 미리 예측하여 선제적인 보호 조치를 취하는 것이 가능하다.

Description

온도 측정 패드가 부착된 이차 전지 및 그 보호 장치{Secondary battery having temperature measuring pad and Protection apparatus for the same}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과열 상황의 사전 감지가 가능한 이차 전지와 이를 이용한 이차 전지 보호 장치에 관한 것이다.
오늘날 지구 온난화, 자원 고갈 등의 문제로 인하여, 대체 에너지에 대한 연구가 활발해지고 있는 추세이다. 특히, 대기오염의 주범으로 지적되는 자동차 에너지원에 대한 연구가 활발하다.
이러한 연구 중에서, 대표적인 것은 자동차 에너지원인 화석원료를 전기 에너지로 대체하는 전기 자동차 연구 분야이다. 전기 자동차는 화석원료 대신에 이차 전지의 전원을 동력으로 공급받아 주행하는 차량으로서, 주행거리가 점점 늘어가고 속력도 향상되고 있는 추세이다. 이러한 전기 자동차는 화석연료 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 수단으로서 부각되고 있으며, 차세대 이동수단으로 자리매김하고 있다.
더불어, 화석원료와 이차 전지 중 어느 하나를 선택하여 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차(hybrid car)가 상용화되어 출시되고 있다. 상기 하이브리드 자동차는 화석원료가 부족하면 이차 전지의 전원을 동력원으로 이용하여 주행하고, 또는 이차 전지가 방전된 경우 화석원료를 동력원으로 이용하여 주행한다.
전기 자동차와 하이브리드 자동차와 같은 전기 구동 자동차(이하, 용어 통일함)에 사용될 수 있는 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로 이차 전지는 외장이나 적용 형태에 따라 캔형 이차 전지와 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지를 조립한 상태의 정면 투시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 파우치형 이차 전지(10)는 셀 어셈블리(30)와, 셀 어셈블리(30)로부터 연장되어 있는 복수의 전극 탭들(40, 50)과, 전극 탭들(40, 50)에 용접되어 결합된 전극 리드(60, 70)와, 셀 어셈블리(30)를 수용하는 파우치 외장재(20)를 포함하여 구성된다.
상기 셀 어셈블리(30)는 풀 셀 또는 바이 셀 구조를 가진 단위 셀의 적층 구조물이다. 각 단위 셀은 분리막이 개재된 상태에서 반대 극성을 가지는 양극판과 음극판이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 상기 셀 어셈블리(30)는 단위 셀들을 적층하는 방식에 따라 스택형, 젤리-롤형 또는 스택/폴딩형 구조 등으로 구분된다. 상기 탭들(40, 50)은 셀 어셈블리(30)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극 리드(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(40, 50)과 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되며, 파우치 외장재(20)의 외부로 일부 노출된 형태로 결합된다. 또한, 전극 리드(60, 70)의 일부에는 파우치 외장재(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착될 수 있다.
상기 파우치 외장재(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 이루어지며, 전극 조립체(30)를 수용할 수 있는 공간이 형성되어 있으며, 전체적으로 파우치 형상을 갖는다. 이러한 파우치 외장재(20)는 상부 시트(20a)와 하부 시트(20b)로 구성되어 있으며, 각각의 상부 및 하부 시트(20a, 20b)는 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 열융착층(21)과, 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 알루미늄 금속층(22)과, 기재 및 보호재로 작용하는 보호층(23)이 적층된 다층 구조로 이루어진다. 도면에는, 상부 및 하부 시트(20a, 20b)가 연결된 것으로 도시되어 있으나, 상부 및 하부 시트(20a, 20b)는 분리되어 있을 수도 있다.
이러한 다층의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치 외장재(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 셀 어셈블리(30)를 수납하고 상부 및 하부 시트(20a, 20b)의 열융착층(21)을 서로 대면시킨 후, 실링부(25)를 열융착시켜 셀 어셈블리(30)를 긴밀하게 밀봉시킨다.
열융착시에는 이차 전지의 작동을 위해 필요한 전해액을 주입할 수 있는 부위를 제외한 나머지 부분을 1차 융착한 후 전해액 주액을 마치고 나서 전해액 주입 부위를 2차 융착한다. 다른 대안으로, 셀 어셈블리(30)가 이미 전해액을 함침하고 있는 경우는 곧 바로 실링부(25) 전체를 융착시킨다.
이러한 파우치형 이차 전지(10)는 캔형 이차 전지보다 전지의 제조비가 저렴하고, 무게를 현저히 줄일 수 있고, 용이한 형태 변형 등의 장점이 있다.
한편, 파우치형 이차 전지(10)는 높은 온도에 매우 취약하다. 즉, 파우치형 이차 전지(10)가 과열되면, 내부에서 가스가 발생하여 외장재(20)가 부풀어 오른다. 또한, 부풀어 오름이 극에 달하면 이차 전지(10)가 폭발할 가능성도 있다. 그리고 이차 전지(10)의 온도가 단락 전류로 인해 급격하게 상승하면 외장재(20) 내부에서 생긴 가스가 발화하여 폭발과 함께 화재 사고를 일으키기도 한다.
따라서 종래에는 이차 전지(10)가 과열되는 것을 방지하기 위해 이차 전지(10)의 온도를 측정하고 만약 온도가 과도하게 상승하면 이차 전지(10)의 충/방전을 곧 바로 중단시키는 보호 장치가 널리 사용되고 있다.
통상적인 이차 전지 보호 장치는 이차 전지(10)의 표면, 즉 파우치 외장재(20)의 표면 온도를 측정하여 그 값을 모니터한다. 그런데 이러한 방식으로 이차 전지(10)의 온도를 모니터하면 사후적 조치만 가능하고 사전적 조치가 사실 상 어려운 단점이 있다.
즉, 이차 전지(10)의 온도가 급격하게 상승하는 대표적인 원인은 단락 전류가 흐르는 경우이다. 단락 전류는 침상 물체의 관통 등으로 이차 전지(10) 내부에서 단락이 발생되거나 이차 전지(10)가 접속된 장치에서 단락이 발생한 경우 주로 생긴다.
이차 전지에 단락 전류가 흐르면 전류 흐름 경로 상에 위치한 금속, 주로 전극 리드(60, 70)와 셀 어셈블리(30)에 포함된 단위 셀의 극판에서 열이 발생된다. 이렇게 발생된 열은 주변 물질로 전도되며 이러한 열의 전도에 의해 파우치 외장재(20)의 표면 온도가 상승하게 된다.
이러한 열의 발생 및 전도 메커니즘을 감안할 때, 일단 과전류가 발생된 시점을 기준으로 파우치 외장재(20) 표면의 온도가 급상승하기 까지는 어느 정도의 시간 차이가 생길 수 밖에 없다. 이차 전지(10)를 구성하는 금속에서 발생된 열이 파우치 외장재(20) 표면까지 전도되기 까지는 어느 정도의 시간이 소요되기 때문이다. 따라서 이차 전지 보호 장치가 파우치 외장재(20)의 과열을 감지한 시점은 단락전류가 이미 상당히 흘러 이차 전지의 안전성에 문제가 야기된 이후가 되는 것이다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해서는, 이차 전지가 과전류의 흐름에 의해 과열되는 상황에 놓일 수 있는 가능성을 보다 빠르게 예측하고 이를 토대로 선제적인 보호 조치를 취할 수 있는 방안이 무엇보다 절실히 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 배경 하에서 안출된 것으로서, 과전류와 같은 이상 발생 시 이를 조속히 감지할 수 있도록 새로운 온도 측정 구조가 도입된 이차 전지와 이를 이용한 이차 전지의 보호 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 이상 징후를 미리 감지하여 선제적 조치를 취함으로써 화재나 폭발과 같은 안전 사고의 발생을 미연에 예방할 수 있는 새로운 온도 측정 구조가 도입된 이차 전지와 이를 이용한 이차 전지의 보호 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 온도 측정 패드가 구비된 이차 전지는, 반대 극성의 전극 리드가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리; 상기 전극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 포장하는 전지 외장재; 및 적어도 어느 한 쪽 극성의 전극 리드에 부착된 온도 측정 패드를 포함하고, 상기 전극 리드의 저항 보다 상기 온도 측정 패드의 저항이 큰 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 온도 측정 패드의 저항이 상기 전극 리드의 저항 보다 5 내지 20 배 크다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 리드와 상기 온도 측정 패드 사이에 단열층이 개재되고, 상기 전극 리드와 상기 온도 측정 패드를 전기적으로 연결하는 전기 도선이 더 포함될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 이차 전지의 보호 장치는, 이차 전지의 전극 리드와 연결되어 충전 또는 방전 전류가 흐르는 메인 배선; 상기 메인 배선 상에 설치되어 전류의 흐름을 온 오프시키는 스위치; 이차 전지의 전극 리드에 부착된 온도 측정 패드; 상기 온도 측정 패드 상에 부착된 온도 센서; 및 상기 온도 센서로부터 온도 측정 값을 입력 받은 후, 온도 측정 값이 과전류 기준 온도보다 높으면 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 제어부는, 상기 온도 측정 값이 과전류 기준 온도 보다 높고, 이전 시점과 현재 시점을 기준으로 한 온도 측정 값의 변화율이 임계 치 이상인 경우 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 온도 측정 값이 과전류 기준 온도 보다 높고 온도 측정 값의 온도 변화 프로파일의 기울기가 증가 추세에 있는 경우 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 온도 변화 프로파일의 기울기 증가 폭이 현재 온도 측정 시점에 가까울수록 증가하는 경우 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전류의 변화에 대해 민감하게 온도가 변화되는 고저항 물질로 이루어진 온도 측정 패드를 이차 전지의 전극 리드에 부착하고 온도 측정 패드를 통해 이차 전지의 온도를 모니터함으로써 과전류 발생을 미리 예측하여 보호 동작을 선제적으로 취할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 온도 변화 프로파일의 선형 변화도 함께 고려하여 이차 전지의 온도를 모니터함으로써 과전류 발생의 예측 정확도를 보다 향상시켜 선제적 보호 조치의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 구조를 보인 분해 사시도이다.
도 2는 일반적인 파우치형 이차 전지의 투영 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구조를 전극 리드 부위를 중심으로 도시한 부분 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A' 선에 따른 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구조를 도 3의 A-A' 선을 기준으로 도시한 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 보호 장치의 구성을 도시한 장치 구성도이다.
도 7은 온도 측정 패드의 온도 변화 프로파일 일부를 발췌 도시한 그래프이다.
도 8은 이차 전지에 단락전류가 흘렀을 경우 파우치 외장재, 전극 리드 및 온도 측정 패드에서 측정한 온도를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구조를 전극 리드 부위를 중심으로 도시한 부분 사시도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지(100)는, 반대 극성의 전극 리드(110, 120)가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리(130)와, 상기 전극 리드(110, 120)의 일부가 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리(130)를 포장하는 외장재(140)와, 적어도 어느 한 쪽 극성의 전극 리드(110, 120)에 부착된 온도 측정 패드(150)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(130)는 충방전이 가능한 단위 셀이 적층된 구조를 가진다. 단위 셀은 풀 셀 또는 바이 셀 구조를 가진다. 여기서, 풀 셀 구조는 최외곽에 위치하는 극판의 극성이 다른 구조(예: 음극/분리막/양극)를, 바이 셀 구조는 최외곽에 위치하는 극판의 극성이 동일한 구조(예: 음극/분리막/양극/분리막/음극)를 의미한다. 상기 셀 어셈블리(130)는 복수의 단위 셀들을 적층하는 방식에 따라 단순 적층형, 젤리-롤형, 스택-폴딩형 구조 등을 가질 수 있다.
상기 전극 리드(110, 120)는 셀 어셈블리(130)에 포함된 극판으로부터 연장된 동일한 극성의 탭들과 용접을 통해 전기적으로 접속된다. 이러한 구조는 도 2에 도시된 전극 리드의 접속 방식과 실질적으로 동일하다. 또한, 상기 단위 셀이나 상기 셀 어셈블리(130)에 대한 구성은 이차 전지 기술분야에서 공지된 구성이라면 어떠한 것이라도 채용 가능하다.
상기 외장재(140)는 파우치 외장재이다. 파우치 외장재에 대한 구성은 도 1을 참조하여 이미 설명한 바 있으므로 반복적인 설명은 생략한다. 상기 셀 어셈블리(130)는 실링 공정을 통해 상기 외장재(140) 내에 밀봉된다. 실링 공정의 진행 시에는, 이차 전지의 동작을 위해 필요한 전해 물질이 외장재(140) 내에 주입될 수 있으며, 셀 어셈블리(130)가 전해 물질을 함침하고 있는 경우는 전해물질의 함침 공정은 생략 가능하다.
상기 전극 리드(110, 120)는 금속 플레이트로 이루어진다. 금속 플레이트의 재질로는 여러 가지가 채용될 수 있다. 예를 들어, 금속 플레이트의 재질로는, 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸, 티타늄, 금 및 은으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 이들의 합금일 수 있다. 또한 필수적인 것은 아니지만 상기 금속판의 표면에는 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 표면 처리층이 구비될 수 있다. 하지만 본 발명은 금속판의 재질에 의해 한정되지 않으므로 도전성이 우수하고 부식 내성이 있다고 알려진 물질이라면 어떠한 것이라도 금속판의 재질로 채용이 가능하다.
상기 온도 측정 패드(150)는 이차 전지(100)의 온도 측정 지점을 정의한다. 바람직하게, 상기 온도 측정 패드(150)는 전극 리드(120)보다 저항이 큰 물질로 이루어진다. 저항의 크기는 전극 리드(120)의 저항보다 5 내지 20배 수준인 것이 바람직하다. 이러한 조건을 만족하는 물질로는, 철, 주석 납 등이 있다. 하지만 본 발명이 온도 측정 패드(150)의 물질 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
이차 전지(100)가 동작할 때에는 충전 또는 방전 전류(이하, 전류라고 통칭함)가 전극 리드(120)를 통해 흐른다. 따라서 전극 리드(120)를 통해 흐르는 전류 중 일부는 온도 측정 패드(150)로 바이패스되어 동시에 흐르게 된다.
저항을 가진 물질에 전류가 흐르면 I2R에 비례하는 주울열이 발생하면서 물질의 온도가 상승한다. 여기서, I는 전류의 크기를, R은 물질의 저항이다. 그런데 온도 측정 패드(150)는 전극 리드(120)보다 저항이 상대적으로 크므로, 전극 리드(120)보다 항상 높은 온도를 유지한다. 또한, 전류의 크기가 변화되었을 때 그에 따른 온도 변화량 또한 온도 측정 패드(150) 쪽이 더 크다. 즉 전극 리드(120)에 흐르는 전류의 크기가 증가하면 온도 측정 패드(150)의 온도가 더 민감하게 반응하면서 빠르게 증가한다. 따라서 온도 측정 패드(150)의 온도를 모니터하면 과전류로 인한 이차 전지(100)의 과열을 사전에 미리 예측하는 것이 가능하다.
도 4는 도 3의 A-A' 선에 따른 부분 단면도로서, 온도 측정 패드(150)가 부착된 부위의 구조를 보다 구체적으로 보여준다.
도면을 참조하면, 상기 온도 측정 패드(150)는 그 하부 면이 전극 리드(120)의 표면과 접한다. 그리고 상기 온도 측정 패드(150)의 상부 표면에는 이차 전지(100)의 온도를 모니터하기 위해 온도 센서(160)가 부착되는 영역이 구비된다. 상기 온도 센서(160)는 열전대(thermostat)와 같은 통상의 온도 센서일 수 있는데, 본 발명이 온도 센서(160)의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 온도 측정 패드(150)는 도전성 접착제를 사용하여 전극 리드(120)의 표면에 부착하거나 통상적으로 사용되는 용접법, 예컨대 초음파 용접법에 의해 전극 리그(120)에 부착될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구조를 도 3의 A-A' 선을 기준으로 도시한 부분 단면도이다.
도 5에 도시된 다른 실시예에 따르면, 상기 온도 측정 패드(150)와 전극 리드(120) 사이의 계면에 단열층(180)이 개재되고, 온도 측정 패드(150)와 전극 리드(120)를 전기적으로 연결하는 전기 배선(170)이 온도 측정 패드(150)의 양 단에 구비될 수 있다.
상기 단열층(180)은 온도 측정 패드(150)에서 발생된 열이 전극 리드(120)로 전도되는 것을 방지하는 작용을 한다. 상기 단열층(180)이 개재되면, 온도 측정 패드(150)에서 발생된 열이 전극 리드(120)를 통해 셀 어셈블리(130)로 전도되는 것을 방지할 수 있고, 상기 온도 측정 패드(150)의 온도 변화가 열 전도에 의해 약화되는 것을 최대한 방지할 수 있다. 즉, 동일한 전류가 전극 리드(120)에 흐른다고 가정할 때 단열층(180)이 있는 편이 온도 측정 패드(150)의 온도 상승 정도를 더 크게 할 수 있다. 상기 단열층(180)은 세라믹 코팅층으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 단열층(180)의 재질에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 전기 배선(170)은 전극 리드(120)에 흐르는 전류가 온도 측정 패드(150)를 통해서도 동시에 흐를 수 있도록 전류의 입 출입 경로를 제공한다.
그러면, 이하에서는 상술한 온도 측정 패드(150)를 사용하여 이차 전지(100)의 온도를 모니터하고 과전류에 의한 이차 전지(100)의 과열에 대한 보호 조치를 선제적으로 취할 수 있는 이차 전지 보호 장치의 구성을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 보호 장치의 구성을 도시한 장치 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지 보호 장치(200)는, 이차 전지(100)의 전극 리드에 연결되어 충전 또는 방전 전류가 흐르는 경로를 제공하는 메인 배선(210)과, 상기 메인 배선(210) 상에 설치되어 전류의 흐름을 선택적으로 온 오프시키는 스위치(220)와, 상기 이차 전지(100)의 전극 리드에 부착되어 있는 온도 측정 패드(150)와, 상기 온도 측정 패드(150) 상에 부착된 온도 센서(160)와, 상기 온도 센서(160)로부터 온도 측정 값을 입력 받아 온도 측정 값이 과전류 기준 온도보다 높으면 상기 스위치(220)를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 제어부(230)를 포함한다. 도면에서는, 복수의 이차 전지(100)가 직렬로 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이차 전지(100)의 수나 전기적 연결 방식에 의해 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 상기 제어부(230)는 온도 센서(160)로부터 주기적으로 온도 측정 값을 입력 받고, 온도 측정 값(Tn)을 온도 측정 시점(tn)과 함께 메모리(240)에 저장한다. 여기서, n은 온도 측정 회차를 의미한다. 온도 측정 주기는 제어부(230)의 성능을 고려하여 임의로 설정이 가능한데, 예를 들어 수십 ms 수준으로 설정할 수 있다. 상기 메모리(240)는 온도 측정 값 및 온도 측정 시간뿐만 아니라 과전류 기준 온도(Tmax)에 대한 데이터와 본 발명에 따른 이차 전지(100)의 보호 동작을 수행하는데 필요한 프로그램을 저장하고 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제어부(230)는 현재 시점(tn)에서 온도 센서(160)로부터 입력 받은 온도 측정 값(Tn)이 과전류 기준 온도(Tmax)보다 높고 이전 시점(tn-1)과 현재 시점(tn)을 기준으로 한 온도 측정 값의 변화율(Tn/Tn-1)이 임계치 이상(예: 1.2)인 경우 스위치(220)를 제어하여 메인 배선(210)에 흐르는 전류를 차단할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(230)는 현재 시점(tn)에서 온도 센서(160)로부터 입력 받은 온도 측정 값(Tn)이 과전류 기준 온도(Tmax)보다 높고 온도 측정 값의 온도 변화 프로파일(f(tn, Tn))의 기울기가 증가 추세에 있는 경우 스위치(220)를 제어하여 메인 배선(210)에 흐르는 전류를 차단할 수 있다.
도 7은 온도 변화 프로파일의 기울기 추세를 감안하여 전류 차단 여부를 결정하는 실시예를 설명하기 위한 온도 변화 프로파일의 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(230)는 온도 변화 프로파일 f(tn, Tn)에서, (tn, Tn) 및 (tn-1, Tn-1) 좌표를 연결하는 직선의 기울기(Ln)가 (tn-1, Tn-1) 및 (tn-2, Tn-2) 좌표를 연결한 직선의 기울기(Ln-1)보다 일정 비율 큰 경우, 상기 스위치(220)를 제어하여 메인 배선(210)에 흐르는 전류를 차단할 수 있다. 다른 예로, 상기 제어부(230)는 상기와 유사한 방식으로 기울기 Ln-2 를 추가로 계산하고 Ln > Ln-1> Ln-2의 조건이 만족될 때 스위치를 제어하여 전류를 차단할 수 있다. 이 경우, 기울기의 증가 폭이 현재 시점에 가까울수록 증가하는 경우 과전류가 발생될 가능성이 있다고 보는 것이 바람직하다. 하지만 본 발명은 이에 한하는 것은 아니므로 기울기의 증가 추세를 판단하기 위해 고려하는 좌표 간 기울기의 수는 4개 이상으로 얼마든지 확장할 수 있음은 자명하다.
도 8은 이차 전지에 단락전류가 흘렀을 경우 파우치 외장재, 전극 리드 및 온도 측정 패드에서 측정한 온도의 변화를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 8은, 이차 전지에 흐르는 전류가 t0 시점을 기준으로 갑자기 증가하여 전극 리드에 과전류가 흘렀을 때 이차 전지의 외장재, 전극 리드 및 온도 측정 패드의 온도 변화 프로파일을 보여주고 있다.
그래프를 참조하면, 전극 리드에 흐르는 전류의 크기가 변화되었을 때 이차 전지 외장재의 온도 변화(①)보다는 전극 리드의 온도 변화(②)가 더 크고, 전극 리드의 온도 변화(②)보다는 온도 측정 패드(③)의 온도 변화가 더 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 온도 측정 패드의 경우는 그 온도가 이차 전지의 과열 기준 온도(Tmax)에 이르는 시간이 t1으로서 가장 빠르다. 그리고 시점 t1은 과전류가 본격적으로 흐르기 시작하는 tc 시점보다도 앞선다. 따라서 제어부(230)가 시점 t1에서 과전류에 대한 보호 동작을 개시하면 과전류가 본격적으로 흐르기도 전에 과전류 발생을 미리 예상하여 선제적 조치를 취하는 것이 가능하다. 또한, 상술한 바와 같이, 온도 측정 패드를 통해 측정된 온도가 Tmax 이상이 되는 조건과 함께 온도 변화율과 온도 변화 프로파일 상에서의 기울기 증가 추세 등을 함께 고려하여 과전류 보호 동작을 개시하면 보호동작의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
반면, 전극 리드와 이차 전지 외장재의 경우는 과전류가 본격적으로 흐르기 시작하는 시점 tc 이후인 t2 및 t3 이후에 그 온도가 과열 기준 온도(Tmax)에 도달하는 것을 알 수 있다. 따라서 전극 리드와 이차 전지 외장재의 온도를 모니터하여 과전류 보호 동작을 시작하면 사후적 조치만이 가능하다는 것을 알 수 있다.
한편, 과전류에 대한 선제적 보호 조치가 취해지는 t1 시점은 온도 측정 패드를 구성하는 물질의 저항 값에 따라 변화된다. 즉, 저항 값과 t1 시점은 서로 반비례 관계에 있다. 따라서 시점 t1을 앞당기기 위해서는 온도 측정 패드의 저항 값이 큰 것이 바람직하다. 하지만 온도 측정 패드의 저항 값이 커지면 온도 변화의 민감도가 너무 커서 보호 동작의 신뢰성이 저하될 가능성이 있다. 또한, 온도 측정 패드에서 발생된 고열이 전극 리드를 통해 셀 어셈블리에 전도되어 셀 어셈블리의 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 온도 측정 패드의 저항은 이러한 점들을 적절하게 고려하여 선택하는 것이 바람직하다.
온도 측정 패드의 저항 값은 이차 전지의 규격, 전극 리드의 물질 종류 등에 따라 달라진다. 따라서 과전류 인가 시험을 반복적으로 시행하여 신뢰성 있는 과전류 보호 동작이 가능하면서도 과전류가 본격적으로 인가되는 시점보다 먼저 과전류 기준 온도에 도달하는 조건을 충족하는 저항 값을 시행 착오법을 통해 결정하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(230)는 전술한 여러 가지 기능을 수행하기 위해 마이크로프로세서를 포함하는 PCB 보드로 구현될 수도 있고, ASIC 칩과 같은 원 칩 형태로 구현되어도 무방하다. 또한, 상기 제어부(230)가 수행하는 기능은 컴퓨터가 판독 가능한 프로그램으로 코팅되어 상기 제어부(230)의 기능을 구현하는 하드웨어 장치의 기억수단에 기록되어 실행될 수 있다. 또한 상기 제어부(230)가 수행하는 기능은 아날로그 또는 디지털 로직 회로로 구현되는 것도 가능하다. 상기 제어부(230)가 수행하는 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 부품을 작동 가능하게 결합하고 마이크로프로세서의 동작을 위해 필요한 각종 프로그램을 설치하는 것은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명에 따르면, 전류의 변화에 대해 민감하게 온도가 변화되는 고저항 물질로 이루어진 온도 측정 패드를 이차 전지의 전극 리드에 부착하고 온도 측정 패드를 통해 이차 전지의 온도를 모니터함으로써 과전류 발생을 미리 예측하여 보호 동작을 선제적으로 취할 수 있다. 또한, 온도 변화 프로파일의 선형 변화도 함께 고려하여 이차 전지의 온도를 모니터함으로써 과전류 발생의 예측 정확도를 보다 향상시켜 선제적 보호 조치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 이차 전지 110, 120: 전극 리드
130: 셀 어셈블리 140: 외장재
150: 온도 측정 패드 160: 온도 센서
170: 전기 도선 180: 단열층
200: 이차 전지 보호 장치
210: 메인 배선 220: 스위치
230: 제어부 240: 메모리
Tmax: 과전류 기준 온도

Claims (9)

  1. 반대 극성의 전극 리드가 전기적으로 접속된 셀 어셈블리;
    상기 전극 리드의 일부가 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리를 포장하는 전지 외장재; 및
    적어도 어느 한 쪽 극성의 전극 리드에 부착된 온도 측정 패드를 포함하고,
    상기 전극 리드의 저항 보다 상기 온도 측정 패드의 저항이 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 측정 패드의 저항이 상기 전극 리드의 저항 보다 5 내지 20 배 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드와 상기 온도 측정 패드 사이에 단열층이 개재되고,
    상기 전극 리드와 상기 온도 측정 패드를 전기적으로 연결하는 전기 도선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 이차 전지의 전극 리드와 연결되어 충전 또는 방전 전류가 흐르는 메인 배선;
    상기 메인 배선 상에 설치되어 전류의 흐름을 온 오프시키는 스위치;
    이차 전지의 전극 리드에 부착된 온도 측정 패드;
    상기 온도 측정 패드 상에 부착된 온도 센서; 및
    상기 온도 센서로부터 온도 측정 값을 입력 받은 후, 온도 측정 값이 과전류 기준 온도보다 높으면 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 보호 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도 측정 패드의 저항이 상기 전극 리드의 저항 보다 5 내지 20배 큰 것을 특징으로 하는 이차 전지의 보호 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전극 리드와 상기 온도 측정 패드 사이에 단열층이 개재되고,
    상기 전극 리드와 상기 온도 측정 패드를 전기적으로 연결하는 전기 도선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 보호 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 온도 측정 값이 과전류 기준 온도 보다 높고, 이전 시점과 현재 시점을 기준으로 한 온도 측정 값의 변화율이 임계 치 이상인 경우 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 보호 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 온도 측정 값이 과전류 기준 온도 보다 높고 온도 측정 값의 온도 변화 프로파일의 기울기가 증가 추세에 있는 경우 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 보호 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 온도 변화 프로파일의 기울기 증가 폭이 현재 온도 측정 시점에 가까울수록 증가하는 경우 상기 스위치를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 보호 장치.
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