KR20140131716A - 이차전지, 이를 포함하는 이차전지 모듈 및 이차전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 전극판을 가로질러 형성된 적어도 하나의 무지부 통로를 구비하는 단위 셀을 포함하는 셀 어셈블리; 상기 무지부 통로 내에 위치하는 온도 감지부 및 상기 온도 감지부로부터 연장되는 센서 리드를 포함하는 온도 센서; 및 상기 셀 어셈블리를 수용하되 상기 센서 리드가 외부로 인출된 상태로 밀봉되는 전지 케이스를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있어 온도 변화에 따른 이차전지의 제어를 보다 정밀하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 이차전지의 충방전 과정에서 전지 케이스의 내부에 발생되는 가스를 셀 어셈블리의 주변 영역으로 용이하게 배출함으로써 전지 효율 저하 현상을 방지할 수 있다.

Description

이차전지, 이를 포함하는 이차전지 모듈 및 이차전지 팩{SECONDARY BATTERY, AND SECONDARY BATTERY MODULE AND SECONDARY BATTERY PACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 이차전지, 및 이를 포함하는 이차전지 모듈과 이차전지 팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 배출 통로 및 온도 센서를 구비하는 이차전지, 및 이를 포함하는 이차전지 모듈과 이차전지 팩에 관한 것이다.
최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다.
이에 따라 모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가하여 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히 전기차나 하이브리드 자동차에 사용되는 이차전지는 고출력, 대용량 이차전지로서, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 그 사용량이 증가하고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 또한, 이차전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류된다.
이차전지의 일 예인 파우치형 이차전지는, 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스와, 상기 파우치형 케이스 내부에 수납되고 양극판/분리 필름/음극판을 포함하는 전기화학 셀이 다중으로 적층된 셀 어셈블리를 포함한다. 이러한 파우치형 이차전지는 캔 형 이차전지보다 전지의 제조비가 저렴하고, 무게를 현저히 줄일 수 있고, 용이한 형태 변형 등의 장점이 있다.
그러나, 파우치형 이차전지는 높은 온도에 매우 취약하다. 즉, 파우치형 이차전지가 과열되면, 내부에서 가스가 발생하여 외장재인 파우치형 케이스가 부풀어 오른다. 또한, 부풀어 오름이 극에 달하면 이차전지가 폭발할 가능성도 있다. 그리고 이차전지의 온도가 단락 전류로 인해 급격하게 상승하면 외장재 내부에서 생긴 가스가 발화하여 폭발과 함께 화재 사고를 일으키기도 한다.
따라서 종래에는 이차전지가 과열되는 것을 방지하기 위해 이차전지의 온도 변화를 측정하고 만약 온도가 과도하게 상승하면 이차전지의 충방전을 곧바로 중단시키는 보호 장치가 널리 사용되고 있다.
통상적인 이차전지 보호 장치는 이차전지의 표면, 즉 파우치 외장재의 표면 온도를 측정하여 그 값을 모니터한다. 그런데 이러한 방식으로 이차전지의 온도 변화를 모니터하면 사후적 조치만 가능하고 사전적 조치가 사실상 어려운 단점이 있다.
즉, 이차전지의 온도가 급격하게 상승하는 대표적인 원인은 단락 전류가 흐르는 경우이다. 단락 전류는 침상 물체의 관통 등으로 이차전지 내부에서 단락이 발생되거나 이차전지와 연결된 전자기기 등에서 단락이 발생한 경우 주로 생긴다.
이차전지에 단락 현상이 발생하면 양극판 및 음극판에서 급격한 전기화학반응이 일어나 열이 발생된다. 이렇게 발생된 열은 주변 물질로 전도되며 이러한 열의 전도에 의해 파우치 외장재의 표면 온도가 빠른 속도로 상승하게 된다.
이러한 열의 발생 및 열전도 메커니즘을 감안할 때, 단락 현상이 발생된 시점을 기준으로 파우치 외장재 표면의 온도가 급상승하기까지는 어느 정도의 시간 차이가 생길 수밖에 없다. 이차전지의 양극판 및 음극판에서 발생된 열이 파우치 외장재 표면까지 전도되기까지는 어느 정도의 시간이 소요되기 때문이다.
따라서 이차전지 보호 장치가 파우치 외장재의 과열을 감지한 시점은 단락전류가 이미 상당한 시간동안 흘러 이차전지의 안전성에 문제가 야기된 이후가 되는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 이차전지의 내부 온도를 직접 측정함으로써 비정상적인 온도 변화를 빠르고 정확하게 감지할 수 있는 방안이 요구된다.
한편, 이차전지의 충/방전 과정에서 전지 케이스 내부에는 화학 반응에 의한 가스가 발생하게 되는데, 이러한 가스는 서로 밀착되어 있는 전극판 사이에 압력을 가하여 전극판이 들뜨는 현상을 일으키게 된다. 이러한 전극판의 들뜸 현상은 이차전지의 에너지 효율의 측면에서 손실을 일으키게 된다.
따라서, 이차전지의 온도 변화에 대한 정확하고 신속한 측정과 더불어 가스 발생에 의한 들뜸 현상의 방지 또한 가능하게 하는 구조를 갖는 이차전지의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술을 고려하여 창안된 것으로서, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 이차전지의 충/방전 과정에서 발생되는 가스를 셀 어셈블리의 주변 영역으로 용이하게 배출할 수 있는 구조를 갖는 이차전지 및 이를 포함하는 이차전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 전극판을 가로질러 형성된 적어도 하나의 무지부 통로를 구비하는 단위 셀을 포함하는 셀 어셈블리; 상기 무지부 통로 내에 위치하는 온도 감지부 및 상기 온도 감지부로부터 연장되는 센서 리드를 포함하는 온도 센서; 및 상기 셀 어셈블리를 수용하되 상기 센서 리드가 외부로 인출된 상태로 밀봉되는 전지 케이스를 포함한다.
상기 셀 어셈블리는 복수의 단위 셀을 포함하며, 상기 온도 감지부는 상기 복수의 단위 셀 중 상기 셀 어셈블리의 중앙에 위치하는 단위 셀에 형성된 상기 무지부 통로 내에 위치할 수 있다.
상기 단위 셀은, 양극 탭을 구비하는 양극판; 음극 탭을 구비하는 음극판; 및 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리 필름을 포함할 수 있다.
상기 무지부 통로는, 상기 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 하나와 대응되는 위치에 상기 양극 탭 및 음극 탭의 연장 방향과 나란한 방향으로 형성될 수 있다.
상기 온도 감지부는, 상기 무지부 통로 내에 부착되되 상기 양극 탭 또는 음극 탭에 인접한 위치에 부착될 수 있다.
상기 이차전지는, 상기 셀 어셈블리와 연결되어 상기 전지 케이스의 외부로 인출되는 한 쌍의 전극 리드를 더 포함할 수 있다.
상기 센싱 리드는, 상기 전지 케이스의 테두리 영역 중 상기 전극 리드가 인출되는 영역을 제외한 영역을 통해 상기 전지 케이스의 외부로 인출될 수 있다.
상기 온도 감지부는, 절연 필름으로 코팅될 수 있다.
상기 절연 필름은, 상기 분리 필름과 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 절연 필름은, 상기 분리 필름보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
상기 온도 감지부는, RTD, 서머커플러 및 서미스터 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 이차전지 모듈에 의해서도 달성될 수 있는데 이러한 본 발명에 따른 이차전지 모듈은, 상기 이차전지; 및 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 이차전지 내부의 온도가 임계 온도를 초과하는 경우 상기 이차전지의 동작을 중단시키는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 이차전지 팩에 의해서도 달성될 수 있는데, 이러한 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 상기 이차전지 모듈을 2 이상 포함하여 구현된다.
아울러, 상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 배터리 구동 시스템에 의해서도 달성될 수 있는데, 이러한 본 발명에 따른 배터리 구동 시스템은, 상기 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하를 포함한다.
여기서, 상기 부하는 전기 구동 수단 또는 전력 변환 회로일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 있으므로, 온도 변화에 따른 이차전지의 제어를 보다 정밀하게 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차전지의 내부 단락, 이상 발열 등이 발생하였을 때, 이차전지의 비정상적인 온도 상승을 보다 정확하고 빠르게 감지할 수 있으므로 열 폭주 현상으로 인한 안전 사고 피해를 줄일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차전지의 충방전 과정에서 전지 케이스의 내부에 발생되는 가스를 셀 어셈블리의 주변 영역으로 용이하게 배출할 수 있게 됨으로써 전극판의 들뜸 현상으로 인해 전지의 효율이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차전지의 온도 측정을 위한 온도 센서가 가스의 배출을 위한 무지부 통로 내에 설치됨으로써 온도 센서의 설치로 인한 유지부 면적의 추가적인 손실 없이 이차전지의 온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 내부 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 이차전지의 내부 구조를 나타내기 위해 A-A' 절단선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 셀 어셈블리를 B-B' 절단선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 내부 구조를 나타내기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 평면 투시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)의 구성 및 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)의 내부 구성을 나타내는 분해 사시도이다. 그리고, 도 3은 상기 도 1에 도시된 이차전지(10)의 내부 구조를 나타내기 위해 A-A' 절단선 따라 절단한 단면도이고, 도 4는 상기 도 2에 도시된 셀 어셈블리(100)를 B-B' 절단선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)는 셀 어셈블리(100), 온도 센서(140) 및 전지 케이스(170)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는 양극판(111), 분리 필름(112) 및 음극판(113)을 포함하는 단위 셀(110)이 적어도 2개 이상 적층된 구조를 가진다. 각 단위 셀(110)의 양극판(111)과 음극판(113)으로부터 돌출된 다수의 양극 탭(121) 및 음극 탭(122)에는 각각 양극 리드(131)와 음극 리드(132)가 전기적으로 접속된다. 상기 양극 탭(121) 및 음극 탭(122)은 각각 양극판(111) 및 음극판(113)이 연장된 형태로 이루어질 수 있으며, 이러한 전극 탭(121,122)은 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역에 해당한다.
본 발명의 도면에서는 상기 전극판(111,113)을 도시함에 있어서 전극 집전체와 전극 활물질을 구별하여 도시하지 않고 있다. 그러나, 이는 도면 도시상의 편의를 위한 것일 뿐, 실제로 양극판(111)은 양극 집전체 및 양극 집전체의 양 면 중 적어도 어느 일 면에 형성되는 양극 활물질을 포함하는 것이며, 음극판(113)은 음극 집전체 및 음극 집전체의 양 면 중 적어도 어느 일 면에 형성되는 음극 활물질을 포함하는 것임을 당업자는 명확히 이해할 수 있을 것이다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 단위 셀(110)들 중 적어도 어느 하나의 양극판(111) 및/또는 음극판(113)은 전극판(111,113)을 가로질러 형성되는 적어도 하나의 무지부 통로(P)를 구비한다. 이하에서는 무지부 통로(P)가 음극판(113)에만 형성된 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 무지부 통로(P)는 양극판(113)을 가로질러 형성되는 무지부 패턴으로서 양극 집전체에 양극 활물질을 도포하지 않음으로써 형성되는 영역이다. 이러한 무지부 통로(P)는 전지 케이스(170) 내에서 일어나는 화학 반응에 의해 발생되는 가스가 셀 어셈블리(100)의 주변 영역으로 용이하게 배출될 수 있도록 한다.
여기서, 상기 셀 어셈블리(100)의 주변 영역이란, 셀 어셈블리(100)와 전지 케이스(170) 사이의 공간을 의미하는 것이다. 이러한 주변 영역으로 가스가 잘 배출되지 못하는 경우 적층된 전극판(111,113) 사이에 발생되는 압력에 의해 전극판(111,113) 사이의 들뜸 현상이 발생되고 이는 이차전지(10)의 효율 저하로 이어지게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)와 같이 가스의 배출을 위한 무지부 통로(P)를 구비하는 이차전지의 경우, 내부 가스 발생에 따른 불필요한 효율 저하가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지(10)는, 절연 테이프(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 절연 테이프(160)는 전지 케이스(170)와 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)의 접착성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 절연 테이프(160)는, 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)와 전지 케이스(170)의 접착성을 향상시키면서도 절연성이 있는 물질이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
바람직하게, 상기 셀 어셈블리(100)는 스택 폴딩 구조를 가진다. 상기 스택 폴딩 타입의 셀 어셈블리(100)는, 소정의 크기로 절취한 양극판(111)과 음극판(113) 사이에 분리 필름(112)을 개재한 단위 셀(110) 들을 긴 길이의 권취 필름(115)위에 배열한다. 그리고, 상기 권취 필름(115)과 단위 셀(110) 들을 함께 권취시켜 셀 어셈블리(100)를 형성한다. 이러한 구조를 갖는 셀 어셈블리는, 본 출원인의 한국 등록 특허 공보 제0515571호, 0515572호, 0497147호 및 한국 공개 특허 공보 2011-0058657호 등에 개시되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 이차전지(10)는 스택 폴딩 구조의 셀 어셈블리(100)뿐만 아니라, 젤리-롤 타입 및 단순 스택 타입의 셀 어셈블리를 포함할 수도 있으며, 상기 예시된 셀 어셈블리(100)의 구조에 의해 발명이 한정되지 않는다.
상기 온도 센서(140)는 온도 감지부(141)와 센서 리드(142)를 포함하는데, 상기 온도 감지부(141)는 무지부 통로(P)들 중 적어도 어느 한 곳에 부착된다. 상기 온도 감지부(141)는 단위 셀(110)의 온도를 감지하여 이를 전기적 신호로 출력한다. 전기적 신호는 상기 센서 리드(142)를 통해서 이차전지(10)의 외부로 출력된다.
상기 온도 감지부(141)는 RTD(Resistance Thermometer Detector), 서머커플러(Thermocoupler) 또는 서미스터(Thermistor) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. RTD는 온도에 따라서 저항값이 변하는 특성을 이용한 온도 측정 소자로서, 일반적으로 0.02mm백금선을 이용해서 만든다. 서머커플러는 접합된 두 종류의 금속이 온도에 대응하여 기전력을 생성하는 온도 측정 소자이다. 그리고 서미스터는 반도체의 온도 변화에 따른 저항값 변화특성을 이용한 온도 측정 소자이다.
다만, 상기 온도 감지부(141)로 사용되는 온도 측정 소자들은 상기 예시에 한정되지 않으며, 당업자 수준에서 용이하게 적용할 수 있는 모든 온도 측정 소자를 고려할 수 있음은 자명하다.
한편, 상기 온도 감지부(141)는 온도 감지부(141)와 단위 셀(110) 사이의 접착력을 향상시키기 위해 절연 필름(150)으로 코팅될 수 있다. 상기 절연 필름(150)은 상기 온도 감지부(141)와 단위 셀(110)의 접착력을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 온도 감지부(141)가 상기 이차전지(10)내에 충진된 전해질과 불필요한 반응을 일으키거나 전해질에 의해 손상되는 현상을 제한한다. 상기 절연 필름(150)은 필요에 따라 상기 온도 감지부(141)뿐만 아니라 센서 리드(142)까지도 코팅할 수 있다.
상기 절연 필름(150)은 상기 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 절연 필름(150)은 상기 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 절연 필름(150)이 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)과 동일 재질로 이루어진 경우, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 생산이 용이하다. 한편, 상기 절연 필름(150)이 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어진 경우, 상기 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)이 수축현상을 일으키는 온도까지 이차전지(10)의 온도가 상승하더라도, 상기 온도 감지부(141)가 절연 필름(150)의 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 온도 감지부(141)가 일부 단위 셀에만 부착되는 경우, 상기 단위 셀들(110-1 내지 110-5) 중 적어도 셀 어셈블리(100)의 중앙에 위치하는 단위 셀(110-3)에는 부착되는 것이 유리하다. 이는 이차전지(10) 내부의 온도 측정이 정확히 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 셀 어셈블리(100)는 적어도 2개 이상의 단위 셀(110)을 포함하고 있다. 따라서, 각각의 단위 셀(110)이 발열을 하면 셀 어셈블리(100)내에서의 위치에 따라 서로 다른 온도 값을 가질 수 있는데, 중앙에 위치하는 단위 셀(110-3)의 경우 다른 단위 셀(110-1, 110-2, 110-4, 110-5)에 비해 방열이 더욱 제한되므로 온도가 가장 빠르게 상승할 가능성이 크다.
따라서, 적층 또는 권취시 셀 어셈블리(100)의 중앙에 위치하는 단위 셀(110-3)에 상기 온도 감지부(141)를 부착하면 이차전지(10)의 온도 변화를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
셀 어셈블리(100) 내의 중앙에 위치하는 단위 셀(110)의 위치는 상기 도면에 도시된 예시에 한정되지 않는다. 상기 단위 셀(110)의 개수는 이차전지(10)의 용량 등에 의해 얼마든지 달라질 수 있으며, 특히 단위 셀(110)의 개수가 짝수개인 경우라면, 중앙에 위치하는 단위 셀(110)은 반드시 정 중앙을 의미하는 것은 아님을 당업자는 명확히 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 이차전지(10)는 복수개의 단위 셀(110) 들에 형성된 무지부 통로(P) 내에 각각 온도 센서(140)가 부착될 수 있는데, 이에 대해 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지(10)의 내부 구조를 나타내기 위해 도 3과 같이 A-A'절단선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 이차전지(10)내에 포함된 각 단위 셀(110)의 온도는 위치에 따라 서로 다를 수 있다. 따라서, 적어도 2개 이상의 단위 셀(110-1, 110-3, 110-5)에 온도 센서(140)를 부착하여 복수의 지점에서 단위 셀(110) 들의 온도를 측정할 수 있다. 이러한 경우, 온도 센서(140)가 부착된 단위 셀(110-1, 110-3, 110-5) 들은 일정한 간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 배치를 통해 이차전지(10)의 국소적인 온도 변화를 빠르고 정밀하게 측정할 수 있으며, 나아가 이차전지(10) 내부의 온도 분포까지 측정할 수 있다.
복수 개의 단위 셀 들에 각각 부착된 온도 감지부(141)에는, 앞서 설명한 절연 필름(150)이 코팅되어 있을 수 있다. 한편, 온도 센서(140)의 개수 및 온도 센서(140)가 부착된 단위 셀(110)의 배치 간격은 상기 도면에 도시된 실시예에 제한되지 않음은 자명하다.
본 발명에 따른 이차전지(10)의 무지부 통로(P)는 전극판(111,113) 상에서 다양한 위치에 형성될 수 있으며, 온도 감지부(141) 역시 이러한 무지부 통로(P) 내에서 다양한 위치에 설치될 수 있다.
도 6은 상기 무지부 통로(P)의 형성 위치 및 온도 감지부(141)의 부착 위치에 대한 일 실시예를 나타내는 이차전지(10)의 평면 투시도이다.
도 6을 참조하면, 상기 무지부 통로(P)는 음극판(113) 상에서 전극 탭(121,122)과 대응되는 위치에 전극 탭(121,122)의 연장 방향과 나란한 방향을 따라 형성될 수 있으며, 온도 감지부(141)는 이러한 무지부 통로(P) 내에 부착될 수 있다. 아울러, 상기 온도 감지부(141)가 무지부 통로(P) 내에서 전극 탭(121,122)에 인접한 위치에 부착되는 경우 이차전지(10) 내부의 온도 상승을 좀 더 신속히 감지하는 것이 가능하다.
즉, 셀 어셈블리(100)가 복수의 단위 셀(110)로 이루어지는 경우 전극 탭(121,122)에서의 발열량이 매우 커질 수 있으므로, 이러한 전극 탭(121,122)에 인접한 위치에 온도 감지부(141)가 설치되는 경우 이차전지(10)에 이상이 발생되었음을 신속히 감지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 이차전지(10)의 센서 리드(142)는 다양한 방향으로 외부에 노출될 수 있다.
즉, 상기 센서 리드(142)는 도 1에 도시된 바와 같이 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)와 동일한 방향으로 외부에 노출될 수 있다. 또한, 상기 센서 리드(142)는 도 6에 도시된 바와 같이 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)와 다른 방향으로 외부에 노출될 수 있다. 나아가, 도 7에 도시된 바와 같이, 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)가 서로 다른 방향으로 인출된 형태를 갖는 이차전지(10)에서는 양극 리드(131)와 동일한 방향으로 적어도 하나 이상의 센서 리드(142)가 노출될 수 있다. 물론, 도시된 바와 달리, 센서 리드(142)가 음극 리드(132)와 동일한 방향으로 노출될 수도 있음은 자명하다.
상기 센서 리드(142)의 노출 방향은 본 발명에 따른 이차전지(10)의 제조환경, 온도 센서(140)의 개수, 상기 이차전지(10)가 사용되는 환경, 상기 이차전지(10)를 제어하기 위한 BMS의 연결 위치 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다. 따라서, 상기 센서 리드(142)의 노출 방향은 상기 예시에 한정되지 않는다.
다만, 상기 센서 리드(142)가 전지 케이스(170)의 테두리 영역(171) 중 전극 리드(131,132)가 인출되는 영역을 통해서 전지 케이스(170)의 외부로 인출되는 경우에는 테두리 영역(171)의 밀봉성이 떨어지는 문제점이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 센서 리드(142)는 전지 케이스(170)의 테두리 영역(171) 중 전극 리드(131,132)가 인출되는 영역을 제외한 영역을 통해서 인출되는 것이 좀 더 유리할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)는 무지부 통로(P)를 구비함으로써 전극판(111,113) 사이의 들뜸 현상으로 인한 전지 효율의 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전지 케이스(170) 내부에 온도 센서(140)를 구비함으로써 이차전지(10)의 온도를 좀 더 정확히 측정할 수 있다.
특히, 상기 이차전지(10)는 온도 감지부(141)가 무지부 통로(P) 내에 부착되는 구조를 가짐으로써 온도 감지부(141)가 차지하는 별도의 공간 마련을 위해 추가적인 무지부를 형성할 필요가 없다. 즉, 상기 이차전지(10)는 온도 감지부(141)의 부착을 위해 추가적으로 활물질의 양을 감소시킬 필요가 없는 구조를 갖는 것이므로 우수한 에너지 밀도를 유지할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 상기 이차전지(10)의 동작을 제어하는 제어부(30)를 포함하는 이차전지 모듈(20)의 구성 요소가 될 수도 있다.
도 8은 본 발명에 따른 이차전지(10)를 포함하는 이차전지 모듈(20)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 센서 리드(142)는 제어부(30)에 연결될 수 있다. 상기 제어부(30)는 상기 이차전지(10)의 동작 중에 상기 센서 리드(142)를 통해 출력되는 온도 감지 신호를 수신한다. 그러면, 상기 제어부(30)는 온도 감지 신호를 이용하여 전지 케이스(170) 내부의 적어도 하나 이상의 지점에 대한 온도를 모니터한다. 이때, 적어도 어느 한 지점의 온도가 미리 설정된 임계 온도를 초과할 경우 상기 이차전지 모듈(20)의 충전 또는 방전 동작을 중단시킨다.
상기 제어부(30)는 상기 이차전지(10)의 고전위 단자(V+) 또는/및 저전위 단자(V-)에 연결된 스위치부(40)를 제어하여 상기 이차전지(10)의 충전 또는 방전 동작을 중단시킬 수 있다. 그러나 상기 제어부(30)가 상기 이차전지(10)를 제어하는 방법은 상기 예시에 한하지 않으며, 이차전지(10)의 사용을 제어하는 공지 기술 및 공지 기술로부터 당업자가 용이하게 안출할 수 있는 모든 제어 방법을 포함한다.
상기 제어부(30)는 본 발명에 따른 이차전지 모듈(20)의 제어를 위해 프로그램 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수 있다. 대안적으로, 상기 제어부(30)는 본 발명에 따른 이차전지 모듈(20)의 제어를 위해 제어 흐름을 논리 회로로 구현한 반도체 칩으로도 구성할 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 상기 이차전지 모듈(20)을 2 이상 포함하는 배터리 팩의 일 구성이 될 수 있다.
근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 복수 개의 이차전지 모듈(20)을 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결하여 멀티 모듈 구조를 가지는 배터리 팩이 보편적으로 이용되고 있다.
일반적으로 상기 배터리 팩은 전류, 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 알고리즘이 적용되어 이차전지(10)의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS (Battery Management System) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다. 이 경우, 상기 이차전지 모듈(20)의 제어부(30)는 상기 BMS에 포함되거나 별도의 회로로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 상기 배터리 팩 및 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성이 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템의 예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있다.
또한, 상기 부하의 예로는 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받아 회전력을 발생시키는 전기 구동 수단(예: 모터) 또는 배터리 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 있으므로, 온도 변화에 따른 이차전지의 제어를 보다 정밀하게 할 수 있다. 또한, 이차전지의 내부 단락, 이상 발열 등이 발생하였을 때, 이차전지의 내부 온도가 급상승하는 것을 보다 빠르게 감지할 수 있으므로 열 폭주 현상으로 인한 안전 사고 피해를 줄일 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.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 도 8 등에 도시된 본 발명의 이차전지 모듈(20)에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
10 : 이차전지 20 : 이차전지 모듈
30 : 제어부 40 : 스위치부
100 : 셀 어셈블리 110 : 단위 셀
111 : 양극판 112 : 분리 필름
113 : 음극판 115 : 권취 필름
121 : 양극 탭 122 : 음극 탭
131 : 양극 리드 132 : 음극 리드
140 : 온도 센서 141 : 온도 감지부
142 : 센서 리드 150 : 절연 필름
160 : 절연 테이프 170 : 전지 케이스
171 : 테두리 영역 V+ : 고전위 단자
V- : 저전위 단자

Claims (15)

  1. 전극판을 가로질러 형성된 적어도 하나의 무지부 통로를 구비하는 단위 셀을 포함하는 셀 어셈블리;
    상기 무지부 통로 내에 위치하는 온도 감지부 및 상기 온도 감지부로부터 연장되는 센서 리드를 포함하는 온도 센서; 및
    상기 셀 어셈블리를 수용하되 상기 센서 리드가 외부로 인출된 상태로 밀봉되는 전지 케이스를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는 복수의 단위 셀을 포함하며,
    상기 온도 감지부는 상기 복수의 단위 셀 중 상기 셀 어셈블리의 중앙에 위치하는 단위 셀에 형성된 상기 무지부 통로 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은,
    양극 탭을 구비하는 양극판;
    음극 탭을 구비하는 음극판; 및
    상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 분리 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무지부 통로는,
    상기 양극 탭 및 음극 탭 중 적어도 하나와 대응되는 위치에 상기 양극 탭 및 음극 탭의 연장 방향과 나란한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도 감지부는,
    상기 무지부 통로 내에 부착되되 상기 양극 탭 또는 음극 탭에 인접한 위치에 부착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리와 연결되어 상기 전지 케이스의 외부로 인출되는 한 쌍의 전극 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센싱 리드는,
    상기 전지 케이스의 테두리 영역 중 상기 전극 리드가 인출되는 영역을 제외한 영역을 통해 상기 전지 케이스의 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 온도 감지부는,
    절연 필름으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연 필름은,
    상기 분리 필름과 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 절연 필름은,
    상기 분리 필름보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 온도 감지부는,
    RTD, 서머커플러 및 서미스터 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 이차전지; 및
    상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 이차전지 내부의 온도가 임계 온도를 초과하는 경우 상기 이차전지의 동작을 중단시키는 제어부를 포함하는 이차전지 모듈.
  13. 제12항에 따른 이차전지 모듈을 2 이상 포함하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 따른 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 부하는,
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받아 동작하는 전기 구동 수단 또는 전력 변환 회로임을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
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