KR20220008643A - 스웰링 측정 정확도가 향상된 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 스웰링을 상황에 따라 정확하게 감지할 수 있는 배터리 팩을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 전극 조립체, 전해질, 전지 케이스 및 전극 단자를 구비하는 배터리 셀; 적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 전지 케이스의 외면에 부착되어 상기 전지 케이스의 변형 여부를 측정하도록 구성된 변형 측정 유닛; 상기 배터리 셀의 전극 단자에 연결되어 상기 배터리 셀 내부의 임피던스를 측정하도록 구성된 임피던스 측정 유닛; 및 상기 변형 측정 유닛에 의한 변형 측정 결과와 상기 임피던스 측정 유닛에 의한 임피던스 측정 결과를 이용하여 상기 배터리 셀의 스웰링 여부를 판단하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.

Description

스웰링 측정 정확도가 향상된 배터리 팩{Battery Pack with improved accuracy of swelling measurement}
본 발명은 배터리 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 팩 내부에 구비된 배터리 셀의 스웰링 상황을 보다 정확하게 검출할 수 있는 기술에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
이러한 이차 전지, 즉 배터리와 관련하여, 가장 중요한 사항 중 하나가 안전성이라 할 수 있다. 특히, 이차 전지는, 사용 중에 가스 등이 발생하여 부풀게 되는 스웰링 현상이 발생할 수 있다. 이러한 스웰링 현상은 비정상적인 상황에서 주로 발생할 수 있는데, 스웰링 현상을 제대로 감지하지 못하게 되면, 이차 전지의 발화나 폭발로 이어져, 큰 문제가 발생할 수 있다.
지금까지 이러한 스웰링 현상을 감지하기 위한 여러 기술이 제안되고 있기는 하나, 신속하면서도 정확한 스웰링 감지 기술이 완전하게 확보되었다고 보기는 어렵다. 특히, 일부 스웰링 감지 구성의 경우, 오작동이나 접촉 불량 등으로 인해 전지의 스웰링이 정확하게 감지되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 내부에 포함된 배터리 셀의 스웰링을 상황에 따라 정확하게 감지할 수 있는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전극 조립체, 전해질, 전지 케이스 및 전극 단자를 구비하는 배터리 셀; 적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 전지 케이스의 외면에 부착되어 상기 전지 케이스의 변형 여부를 측정하도록 구성된 변형 측정 유닛; 상기 배터리 셀의 전극 단자에 연결되어 상기 배터리 셀 내부의 임피던스를 측정하도록 구성된 임피던스 측정 유닛; 및 상기 변형 측정 유닛에 의한 변형 측정 결과와 상기 임피던스 측정 유닛에 의한 임피던스 측정 결과를 이용하여 상기 배터리 셀의 스웰링 여부를 판단하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다.
여기서, 상기 제어 유닛은, 상기 변형 측정 유닛에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상인 경우에도, 상기 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 미만인 경우, 상기 배터리 셀의 스웰링이 발생하지 않은 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛은, 상기 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 미만인 경우, 임피던스의 증가 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛은, 상기 변형 측정 유닛에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상인 경우, 상기 임피던스 측정 유닛으로 임피던스 측정 개시 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀의 주변에 위치하여 상기 배터리 셀의 온도를 측정하도록 구성된 온도 측정 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 온도 측정 유닛에 의한 온도 측정 결과를 더 고려하여 상기 배터리 셀의 스웰링 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛은, 상기 변형 측정 유닛에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상이고, 상기 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 이상이며, 상기 온도 측정 유닛에 의해 측정된 온도가 기준 온도 이상인 경우에만, 상기 배터리 셀이 스웰링된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀은, 파우치형 전지로서, 상기 전극 조립체 및 상기 전해질이 수납된 수납부 및 상기 수납부의 주위에 배치되는 실링부를 구비하고, 상기 변형 측정 유닛은, 적어도 일부분이 상기 수납부에 부착되며, 상기 임피던스 측정 유닛은, 적어도 일부분이 상기 실링부에 안착되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀은, 상기 실링부의 적어도 일부분이 상기 수납부 측으로 폴딩된 형태로 구성되고, 상기 임피던스 측정 유닛은, 적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 수납부와 폴딩된 실링부 사이에 개재된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 변형 측정 유닛은, 일 방향으로 길게 연장되되 일부가 절곡된 형태로 구성되며 일단이 상기 인쇄회로기판 상에 부착되고, 타단이 상기 배터리 셀의 수납부 상에 부착될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 팩 내부에 구비된 배터리 셀의 스웰링 상황이 정확하게 감지될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 변형 측정과 임피던스 측정이 함께 수행되어, 배터리 셀의 스웰링 여부가 보다 정확하게 판단될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 스트레인게이지와 같은 변형 측정 구성에 오동작이 발생하더라도, 임피던스 측정 유닛에 의해 오동작 여부가 검증될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 임피던스 측정 시 자기장의 영향을 감소시킴으로써, 보다 정확한 임피던스 측정이 가능해질 수 있다. 따라서, 이로 인해 배터리 셀의 스웰링 감지 구성의 정확도가 보다 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 임피던스 측정 구성과 온도 측정 구성이 함께 수행되고, 그 측정 결과가 상호 비교됨으로써, 배터리 셀의 스웰링 감지 성능이 더욱 향상될 수 있다.
이외에도 본 발명에 따른 여러 실시 구성의 효과가 달성될 수 있으며, 다른 효과들에 대해서는 각 실시예에서 후술하도록 한다.
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 배터리 팩의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 측정 유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 도 5의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.
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 아니되며, 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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다. 또한, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 연결 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 셀(100), 변형 측정 유닛(200), 임피던스 측정 유닛(300) 및 제어 유닛(400)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(100)은, 배터리 팩의 충방전 경로(C)에 연결되며, 충전 및 방전을 반복적으로 수행하여, 전기적 에너지를 보유 및 방출할 수 있는 구성요소로서, 하나의 이차 전지를 의미할 수 있다. 상기 배터리 셀(100)은, 전극 조립체, 전해질, 전지 케이스 및 전극 단자를 구비할 수 있다. 여기서, 전극 조립체는, 전극과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 전극 조립체는, 전해질과 함께 전지 케이스의 내부에 수납될 수 있다. 또한, 전지 케이스의 외부 측으로는 전극 단자가 노출될 수 있으며, 이러한 전극 단자의 내측 단부는 전지 케이스의 내부에 수납된 전극 조립체에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 배터리 셀(100)은, 배터리 팩에 하나 이상 구비될 수 있다.
상기 변형 측정 유닛(200)은, 배터리 셀(100)의 변형 여부를 측정하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 변형 측정 유닛(200)은, 배터리 셀(100)의 전지 케이스의 외형이 변화되었는지 여부를 측정하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 변형 측정 유닛(200)은, 배터리 셀(100)의 특정 지점이나 부분의 변위를 측정하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 변형 측정 유닛(200)은, 배터리 셀(100)의 전지 케이스의 적어도 일부분이 외측으로 돌출되거나 오목되도록 변형되었는지, 또는 길이가 팽창되거나 축소되도록 변형되었는지, 또는 위치가 변화된 형태로 변형되었는지 등에 대하여 측정 가능하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 변형 측정 유닛(200)은, 적어도 일부분이 배터리 셀(100)의 전지 케이스의 외면에 부착되도록 구성될 수 있다.
상기 변형 측정 유닛(200)은, 스트레인게이지 센서를 구비하거나 스트레인게이지 센서로 구성될 수 있다. 이러한 스트레인게이지 센서의 경우, 외력에 대하여 변형을 측정하는 센서로서, 전지 케이스 외면에 부착되는 경우, 전지 케이스의 외형 변화를 측정할 수 있다. 스트레인게이지 센서는, 스트레인게이지의 전기적 저항의 변화를 통해 변형률을 측정하는 전기식 스트레인게이지 센서와 두 점 사이의 거리변화를 기계적으로 측정하여 구조체의 변형률을 측정하는 기계식 스트레인게이지 센서 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명은, 변형 측정 유닛(200)으로서, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 스트레인게이지 센서를 채용할 수 있다.
상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 배터리 셀(100) 내부의 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 배터리 셀(100)의 전극 단자 양측에 연결되어 배터리 셀(100)의 양단 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 전압 센서를 구비할 수 있다. 그리고, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 전류 센서를 구비하여 배터리 셀(100)에 흐르는 전류를 직접 측정하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 전류 센서를 직접 구비하지 않고, 배터리 팩 내에 구비된 다른 전류 센서 등으로부터 배터리 셀(100)에 흐르는 전류에 대한 정보를 수신하도록 구성될 수도 있다. 그리고, 이와 같이 측정 또는 수신된 전압 및 전류 정보를 바탕으로 배터리 셀(100)의 내부 임피던스를 측정할 수 있다. 여기서, 임피던스 측정 유닛(300)은, 배터리 셀(100)의 임피던스로서 실수 부분인 저항만을 측정하거나 저항과 리액턴스를 모두 측정하도록 구성될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 측정 유닛(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 배터리 셀(100) 양단에 연결된 저항 소자(310)를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 저항 소자(310)와 배터리 셀(100) 사이의 연결 경로에 스위칭 소자(320)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 임피던스 컨트롤러(330)를 구비하여, 스위칭 소자(320)를 온오프시키도록 구성될 수 있다. 이러한 스위칭 소자(320)의 온오프에 의해, 저항 소자(310)로 배터리 셀(100)의 전원이 공급되거나 차단될 수 있다. 또한, 임피던스 컨트롤러(330)는, 저항 소자(310) 양단의 전압을 센싱하도록 구성될 수 있다. 그리고, 임피던스 컨트롤러(330)는, 이러한 저항 소자(310) 양단의 전압 센싱을 통해, 저항 소자(310)에 흐르는 전류의 크기를 결정할 수 있다. 이때, 저항 소자(310)의 저항값은 임피던스 컨트롤러(330)나 저장 유닛(500) 등에 미리 저장될 수 있다. 그리고, 이와 같이 결정된 전류의 크기는 배터리 셀(100)에 흐르는 전류의 크기와 같다고 할 수 있다. 또한, 임피던스 컨트롤러(330)는, 스위칭 소자(320)가 턴온되어 저항 소자(310)로 전류가 흐를 때, 배터리 셀(100) 양단 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 측정된 배터리 셀(100) 양단 전압과 상기 결정된 배터리 셀(100)의 전류를 이용하여 배터리 셀(100)의 내부 임피던스를 측정할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 임피던스 컨트롤러(330)는 스위칭 소자(320)를 턴온 상태로 유지시킨 상태에서, 저항 소자(310)의 양단 전압 및 배터리 셀(100)에 흐르는 전류를 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 임피던스 측정 유닛(300)은, 배터리 셀(100)에 직류 전류가 흐르는 상태에서, 배터리 셀(100)의 임피던스로서 저항을 측정하도록 구성된다고 할 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에서, 임피던스 컨트롤러(330)는 스위칭 소자(320)를 반복적으로 온오프시키면서, 배터리 셀(100)에 흐르는 전류 및 양단 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 임피던스 측정 유닛(300)은, 배터리 셀(100)에 교류 전류가 흐르는 상태에서, 배터리 셀(100)의 임피던스로서 저항과 리액턴스를 측정하도록 구성된다고 할 수 있다.
상기 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 임피던스를 측정하기 위해 별도의 전원 공급 유닛을 필요로 하지 않으며, 배터리 셀(100) 자체의 전위를 이용하여 임피던스 측정이 가능해질 수 있다. 뿐만 아니라, 스위칭 소자(320)와 저항 소자(310)라는 간단한 소자 구성만으로도 배터리 셀(100)의 임피던스 측정이 가능해질 수 있다. 또한, 상기 실시 구성의 경우, 직류 상황과 교류 상황 모두에 대하여 배터리 셀(100)의 임피던스 측정이 이루어질 수 있다.
이 밖에도, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 배터리 셀(100)의 충방전 경로(C)에 충전 또는 방전 전류가 흐르는 상황에서 배터리 셀(100)의 임피던스를 측정하거나, 별도로 교류 전원 또는 직류 전원을 배터리 셀(100)로 공급함으로써 배터리 셀(100)의 임피던스를 측정하도록 구성될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 임피던스 측정 유닛(300)은, 4단자쌍 임피던스 측정 방식 등, 본원 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 임피던스 측정 방식을 채용할 수도 있다.
상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)으로부터 변형 측정 결과를 수신할 수 있다. 또한, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 유닛(300)으로부터 임피던스 측정 결과를 수신할 수 있다. 이를 위해, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200) 및 임피던스 측정 유닛(300)과 연결되어 이들과 신호를 송수신하도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 제어 유닛(400)은, 이와 같이 수신된 변형 측정 결과 및 임피던스 측정 결과를 이용하여 배터리 셀(100)의 스웰링 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의한 변형 측정 결과나 임피던스 측정 유닛(300)에 의한 임피던스 측정 결과 중, 어느 하나만으로부터 배터리 셀(100)의 스웰링 여부를 판단하는 것이 아니라, 배터리 셀(100)의 변형 측정 결과와 임피던스 측정 결과를 함께 고려하여 배터리 셀(100)의 스웰링 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 스웰링 여부가 보다 정확하게 감지될 수 있다. 예를 들어, 스트레인게이지 센서와 같은 변형 측정 유닛(200)에 의해 배터리 셀(100)의 스웰링이 감지된 경우, 이러한 스웰링 감지가 실제 배터리 셀(100)의 팽창 내지 변형에 의한 것인지, 아니면 스트레인게이지 센서 등의 고장이나 오작동, 접촉이나 연결 불량 등에 의한 것인지 검증될 수 있다. 특히, 배터리 팩이 자동차 등의 장치에 장착되는 경우, 스트레인게이지 센서 등에는 진동이나 충격 등이 가해지는 경우가 많은데, 이 과정에서 스트레인게이지 센서가 오작동하거나 접촉이 불량해지는 등의 문제가 많이 발생할 수 있다. 하지만, 상기 본원발명의 구성에 의할 경우, 스트레인게이지 센서 등 변형 측정 유닛(200)뿐 아니라, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 배터리 셀(100)의 스웰링이 함께 검증됨으로써, 그 정확성이 향상될 수 있다.
한편, 상기 제어 유닛(400)이나 임피던스 컨트롤러(330)와 같은 제어 소자는, 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어 유닛(400) 등은 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 더욱이, 배터리 팩에는 MCU(Micro Controller Unit) 내지 BMS(Battery Management System)와 같은 용어로 지칭되는 제어 모듈이 포함되는 경우가 많다. 상기 제어 유닛(400) 등은, 이러한 종래 배터리 팩에 구비된 MCU나 BMS 등의 구성요소에 의해 적어도 일부분이 구현될 수도 있다.
특히, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량과 기준 변형량을 비교하도록 구성될 수 있다. 여기서, 기준 변형량은, 배터리 셀(100)의 변형 여부를 결정하는 기준이 되는 변형값이거나, 배터리 셀(100)의 변형이 어느 정도 이루어졌는지를 나타내는 각 단계를 구분짓는 변형값일 수 있다. 예를 들어, 기준 변형량은, 배터리 셀(100)이 스웰링되었다고 판단될 수 있는 변형량의 최소값일 수 있다. 이때, 기준 변형량은, 스트레인게이지의 변형률 내지 변화율 형태로 나타날 수 있다. 특히, 기준 변형량은, 전기식 스트레인게이지 센서의 경우 휘트스톤 브리지의 저항값의 변화율 등으로 나타날 수 있다. 또는, 전기식 스트레인게이지 센서에서, 기준 변형량은 저항값 자체로 나타낼 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스와 기준 임피던스를 비교하도록 구성될 수 있다. 여기서, 기준 임피던스는, 배터리 셀(100)의 스웰링 상황 여부를 결정할 수 있는 내부 임피던스의 기준이 되는 값일 수 있다. 이러한 기준 임피던스는, 하나의 특정 임계값일 수도 있고, 수치가 서로 다른 여러 임계값 형태일 수도 있다. 특히, 여러 임계값 형태인 경우, 각각의 기준 임피던스는, 배터리 셀(100)의 스웰링 상황이 어느 정도 진행되고 있는지를 나타내는 복수 단계에 대한 경계값일 수 있다. 즉, 기준 임피던스는, 배터리 셀(100)의 스웰링 여부나 스웰링 정도를 판단할 수 있는 최소값 내지 최대값일 수 있다. 예를 들어, 기준 임피던스는, 배터리 셀(100)의 BOL(Bottom Of Life) 시점이나 배터리 팩의 제조 시점 등, 배터리 셀(100)이 정상적인 상태에서의 임피던스를 기준으로 소정의 차이를 값는 임피던스값일 수 있다.
한편, 이러한 측정 변형량 및 임피던스 측정값과 비교되기 위한 기준 변형량 및 기준 임피던스는, 미리 저장될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 도 1에 도시된 바와 같이, 저장 유닛(500)을 포함할 수 있다. 이 경우, 기준 변형량 및 기준 임피던스는, 저장 유닛(500)에 미리 저장되어 있을 수 있다.
또한, 이러한 저장 유닛(500)에는, 기준 변형량 및 기준 임피던스 이외에, 배터리 팩의 적어도 일부 구성요소, 이를테면 제어 유닛(400)이 그 기능을 수행하기 위해 필요한 프로그램 등을 저장할 수 있다. 상기 저장 유닛(500)은, 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 이를테면, 저장 유닛(500)은, RAM(Random Access Memory), SRAM(static random access memory), 플래쉬 메모리, 하드디스크, ROM(Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 레지스터, SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), 멀티미디어 카드 마이크로(multimedia card micro) 등의 정보 저장 수단으로 구현되거나 이들 중 적어도 하나를 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상인지 판단하도록 구성될 수 있다. 여기서, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이란, 어느 한 시점, 이를테면 배터리 셀(100)이 퇴화되지 않은 초기 상태(BOL)나 배터리 팩이 제조된 시점 대비 변형된 정도를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 이상인지 판단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량과 기준 변형량 사이의 비교 결과 및 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스와 기준 임피던스 사이의 비교 결과를 모두 고려하여 배터리 셀(100)의 스웰링 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상이고, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 이상인 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 반면, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상이라 하더라도, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 미만인 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
예를 들어, 기준 변형량이 1.3이고 기준 임피던스가 1.0mΩ일 때, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이 1.4이고 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스 변화량이 2.0mΩ인 경우, 제어 유닛(400)은 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 반면, 기준 변형량과 기준 임피던스가 상기 실시예와 동일한 상황에서, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이 1.4이나 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스 변화량이 0.5mΩ인 경우, 제어 유닛(400)은 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 변형 측정 유닛(200)에 의해 배터리 셀(100)의 스웰링이 감지된 상황에서, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 배터리 셀(100)의 스웰링이 다시 한 번 검증됨으로써, 배터리 셀(100)의 스웰링 검출에 대한 정확성이 보다 향상될 수 있다. 특히, 스트레인게이지 센서와 같은 변형 측정 유닛(200)의 경우, 외형 변화 등을 감지하는 과정에서, 오작동이나 접촉 불량 등으로 인한 오류 등이 발생할 가능성이 높다. 하지만, 상기 실시 구성에 의하면, 변형 측정 유닛(200)의 스웰링 감지가, 오류에 의한 것인지 아니면 배터리 셀(100)의 스웰링에 의한 정상적 감지인지 여부가 보다 정확하게 판단될 수 있다.
또한, 상기 구성에 의하면, 변형 측정 유닛(200)에 오류가 발생하지 않은 상황이라 하더라도, 배터리 셀(100)의 스웰링이 심하게 발생하는 상황을 보다 명확하게 검출할 수 있다. 이에 대하여, 보다 구체적으로 살펴보면, 배터리 셀(100)의 스웰링이 심하게 발생하는 상황에서는, 배터리 셀(100) 내부에 구비된 전기적 연결 구성이 끊어지는 상황이 발생할 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀(100)의 내부에서는 다수의 전극판에 구비된 다수의 전극 탭과 이러한 다수의 전극 탭에 연결된 전극 리드를 구비할 수 있다. 만일, 배터리 셀(100)의 스웰링이 심하게 발생하는 상황에서는, 배터리 셀(100) 내부에서, 하나 또는 그 이상의 전극 탭과 전극 리드 사이의 연결이 끊어지는 상황이 발생할 수 있다. 또는, 다수의 바이셀이 포함된 배터리 셀(100)의 경우, 각 바이셀 사이를 연결하는 전극 탭이 끊어지는 상황이 발생할 수도 있다. 그리고, 이러한 전극 탭과 전극 리드 사이의 일부 연결, 또는 전극 탭 사이의 일부 연결이 끊어지는 경우, 배터리 셀 내부의 임피던스가 증가할 수 있다. 이는, 병렬로 연결된 복수의 저항 중 일부 저항의 연결이 끊어지는 상황과 유사하다고 할 수 있다. 그러므로, 이러한 임피던스가 기준 임피던스를 넘어설 만큼 증가한 경우, 배터리 셀(100) 내부에서 적어도 일부 전극 탭의 연결이 끊어진 상황이라고 예측할 수 있다. 따라서, 상기 제어 유닛(400)은, 이러한 임피던스 변화와 물리적 변위의 변화를 함께 고려함으로써, 배터리 셀(100)의 스웰링 여부를 판단할 수 있다.
더욱이, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스의 증가 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 제어 유닛(400)은, 현재 측정된 임피던스가 이전에 측정된 임피던스와 비교하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 제어 유닛(400)은, 현재 측정된 임피던스가 이전에 측정된 임피던스 대비 증가하였는지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다. 더 나아가, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스의 변화 경향, 즉, 임피던스가 증가하고 있는지, 감소하고 있는지, 아니면 일정 상태를 유지하고 있는지 여부 등을 판단하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 현재 측정된 임피던스가 0.8mΩ이고, 이전에 측정된 임피던스가 0.6mΩ인 경우, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스가 증가 경향에 있다고 판단할 수 있다. 반면, 이전에 측정된 임피던스가 0.8mΩ인 경우, 상기 제어 유닛(400)은 임피던스가 일정하게 유지되고 있다고 판단할 수 있다. 더욱이, 상기 제어 유닛(400)은, 서로 다른 시점에 측정된 3회 이상의 임피던스 측정 결과를 바탕으로, 임피던스의 증감 경향을 추정할 수 있다.
특히, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스가 증가하고 있는 상황이라고 판단되는 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링이 점차적으로 진행되고 있는 상황이라고 판단할 수 있다. 이는, 배터리 셀(100) 내부에서 전극 탭의 끊어진 개수가 점차 많아지는 것으로 인한 결과라고 추정될 수 있다.
더욱이, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 미만인 경우, 이러한 임피던스의 증가 여부 판단을 수행하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 임피던스가 기준 임피던스 미만이어서 아직까지 배터리 셀(100)의 스웰링 상황 내지 배터리 셀(100)의 스웰링에 의한 위험 상황이라고 판단하지는 않는다 하더라도, 장차 배터리 셀(100)의 스웰링이 심각한 상황에 도달할 것임이 예측될 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 배터리 셀(100)의 스웰링 상황을 미리 예측하여, 제어 유닛(400)에 의해 배터리 셀(100)의 스웰링이 심화되지 않도록 하기 위한 조치나 배터리 셀(100)의 스웰링에 대한 사전 대비를 수행하도록 할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)의 스웰링 상황이 도래할 것임이 예측된 경우, 상기 제어 유닛(400)은, 해당 배터리 셀(100)의 사용을 중지 또는 감소시키거나, 디스플레이 유닛 등을 통해 사용자, 이를테면 자동차 운전자 등에게 경고하도록 구성될 수 있다.
한편, 임피던스가 이전에 측정된 값에 비해 일정 수준 이상으로 감소한 경우, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 유닛(300)의 일시적 오류로 판단할 수도 있다.
또한, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 증가 상황에 있는 경우, 임피던스 측정 유닛(300) 및/또는 변형 측정 유닛(200)의 측정 주기를 단축시키도록 구성될 수 있다. 특히, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 미만인 상황에서, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 증가하는 추세라면, 상기 제어 유닛(400)은, 보다 자주 임피던스 및/또는 변형의 측정이 이루어지도록 할 수 있다.
예를 들어, 기준 임피던스가 1.0mΩ이고, 측정 임피던스가 0.6mΩ, 0.7mΩ, 0.8mΩ과 같이 점차 증가하고 있는 경우, 현재 임피던스가 아직 기준 임피던스 미만이기는 하지만, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 주기 및/변형 측정 유닛(200)의 측정 주기를 30분에서 20분으로 단축하도록 임피던스 측정 유닛(300) 및/또는 변형 측정 유닛(200)을 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 스웰링이 임박하거나 점차 진행되고 있는 상황에서, 최종 스웰링 상태로 판단받기 전에, 임피던스나 물리적 변형 측정이 보다 자주 이루어지도록 함으로써, 보다 정밀한 스웰링 감지가 가능해질 수 있다. 특히, 상기 실시 구성의 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링 상황 발생 시, 즉각적인 검출이 가능해져 보다 신속한 조치가 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛(400)은, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스를 기초로, 배터리 셀(100) 내부의 전극 탭의 끊어짐 여부나 정도를 판단하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 제어 유닛(400)이나 저장 유닛(500) 등에는 복수의 임피던스값에 대응되는 전극 탭의 끊어진 개수를 나타내는 정보를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어 유닛(400) 등은, 1.2mΩ, 1.4mΩ, 1.6mΩ, ...의 임피던스 변화량에 각각 대응되는 전극 탭의 끊어진 개수로서 1개, 2개, 3개, ...라는 정보를 저장할 수 있다. 그리고, 상기 제어 유닛(400)은, 이와 같이 저장된 정보와 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스값을 상호 대응시켜, 현재 배터리 셀(100)에서 전극 탭이 몇 개 정도 끊어졌는지 판단할 수 있다.
더욱이, 상기 제어 유닛(400)은, 이러한 전극 탭의 끊어진 개수를 기초로 배터리 셀(100)의 스웰링이 심화되고 있는지 여부 등을 판단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 유닛(400)은, 전극 탭의 끊어진 개수가 2개, 3개, 4개로 점차 증가하는 것으로 판단되는 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링이 점차 심화되고 있다고 추정할 수 있다. 그리고, 제어 유닛(400)은, 이러한 배터리 셀(100)의 스웰링 정도에 따라 배터리 셀(100)의 충방전 등을 차등 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 유닛(400)은, 1개의 전극 탭이 끊어진 상태로 판단되는 경우, 배터리 셀(100)의 충방전은 유지하되, 사용자에게 경고 정보 등을 전송할 수 있다. 반면, 상기 제어 유닛(400)은, 2개의 전극 탭이 끊어진 상태로 판단되는 경우, 충방전 스위치를 턴오프시켜, 배터리 셀(100)의 충방전이 차단되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상인 경우, 임피던스 측정 유닛(300)으로 임피던스 측정 개시 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛(400)은 임피던스 측정 유닛(300)을 제어하여, 배터리 셀(100)의 변형량이 일정 수준 이상, 이를테면 기준 변형량을 넘어서는 경우, 임피던스가 측정되도록 할 수 있다.
예를 들어, 기준 변형량이 1.2인 상황에서, 측정된 변형량이 1.1인 경우, 임피던스 측정 유닛(300)은 임피던스 측정을 하지 않을 수 있다. 그러나, 측정 변형량이 기준 변형량 이상, 이를테면 1.3인 경우, 상기 제어 유닛(400)은 임피던스 측정 유닛(300)으로 하여금 배터리 셀(100)의 임피던스가 측정되도록 할 수 있다. 그리고, 이러한 임피던스 측정 유닛(300)에 의한 임피던스 측정값이 기준 임피던스를 넘어서는 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 임피던스 측정 유닛(300)의 측정 동작에 의한 자원 소모를 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 구성에 의하면, 임피던스 측정 유닛(300)의 불필요한 임피던스 측정 동작을 줄임으로써, 임피던스 측정을 위해 공급되는 전원 소모나 임피던스 측정을 위해 수행되는 프로세싱 동작을 감소 내지 생략시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 온도 측정 유닛(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 온도 측정 유닛(600)은, 배터리 셀(100)의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 온도 측정 유닛(600)은, 배터리 팩의 내부, 특히 배터리 셀(100)의 주변에 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 온도 측정 유닛(600)은, 배터리 셀(100)의 전극 단자나 전지 케이스에 부착되거나 그 주변에 위치하도록 구성될 수 있다. 이러한 온도 측정 유닛(600)은, 온도 센서, 이를테면 써미스터와 같은 공지의 온도 측정 소자를 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 온도 측정 소자가 본 발명의 온도 측정 유닛(600)의 일부 또는 전부로 채용될 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 상기 제어 유닛(400)은, 배터리 셀(100)의 스웰링 여부를 판단할 때, 온도 측정 유닛(600)에 의한 온도 측정 결과를 더 고려하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스 및 온도 측정 유닛(600)에 의해 측정된 온도를 함께 고려하여, 배터리 셀(100)의 스웰링 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 제어 유닛(400)은, 변형량 측정값, 임피던스 측정값 및 온도 측정값을, 각각의 기준값과 비교하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량을 기준 변형량과 비교하고, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스를 기준 임피던스와 비교하며, 온도 측정 유닛(600)에 의해 측정된 온도를 기준 온도와 비교하도록 구성될 수 있다.
여기서, 기준 온도는, 정상적인 배터리 셀(100)에서 측정될 수 있는 온도 범위로부터 일정 수준 이상 벗어난 값일 수 있다. 예를 들어, 기준 온도는, 배터리 셀(100)의 BOL 시점의 온도 측정값으로부터 일정 수준 이상 벗어난 값으로서, 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생한 것으로 판단될 수 있을 만한 온도값을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩의 정상적인 작동 상황 하에서 배터리 셀(100)의 온도가 20~45℃인 경우, 기준 온도는 이러한 범위를 벗어나는 값, 이를테면 50℃로 설정될 수 있다.
더욱이, 상기 제어 유닛(400)은, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상이고, 임피던스 측정 유닛(300)에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 이상이며, 온도 측정 유닛(600)에 의해 측정된 온도가 기준 온도 이상인 경우에만, 배터리 셀(100)이 스웰링된 것으로 판단하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛(400)은, 측정된 변형량, 측정된 임피던스 및 측정된 온도 모두가 기준값 이상인 경우에만 배터리 셀(100)이 스웰링된 것으로 판단하고, 이러한 값들 중 어느 하나라도 기준값을 넘지 않는 경우에는 배터리 셀(100)이 스웰링되지 않은 것으로 판단할 수 있다.
예를 들어, 기준 변형량이 1.2, 기준 임피던스가 2.0mΩ, 기준 온도가 50℃인 상태에서, 측정 변형량이 1.3, 측정 임피던스가 3.0mΩ과 같이 기준 변형량 및 기준 임피던스를 넘어선다 하더라도, 측정 온도가 40℃로서 기준 온도 미만인 경우, 상기 제어 유닛(400)은 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생하지 않은 것으로 판단하도록 구성될 수 있다. 반면, 상기 실시예에서, 측정 변형량이 1.3, 측정 임피던스가 3.0mΩ, 측정 온도가 55℃로서, 이들 값 모두가 기준값들을 넘어서는 경우, 제어 유닛(400)은 배터리 셀(100)의 스웰링이 발생한 것으로 최종 판단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 변형 정도 및 임피던스 변화 정도와 함께 온도 변화 정도까지 고려하여 배터리 셀(100)의 스웰링을 판단함으로써, 배터리 셀(100)의 스웰링 판단이 보다 정확하게 이루어질 수 있다. 특히, 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 셀(100)의 스웰링 상황이 발생하는 경우, 배터리 셀(100) 내부에서 복수의 전극 탭 중 일부 전극 탭의 끊어짐 현상이 발생할 수 있다. 그리고, 이와 같이 전극 탭의 끊어진 상황이 발생하는 경우, 배터리 셀(100)의 내부 임피던스 뿐 아니라, 배터리 셀(100)의 온도까지 증가할 수 있다. 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 이러한 배터리 셀(100)의 온도 변화 여부가 임피던스 변화 여부와 함께 측정됨으로써, 배터리 셀(100)의 스웰링 현상이 어느 정도로 이루어졌는지 보다 정확하고 용이하게 파악될 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛(400)은, 변형량, 임피던스 및 온도를 기초로, 배터리 셀(100)의 스웰링 상황을 단계적으로 판단하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제어 유닛(400)은, 변형량, 임피던스 및 온도 중 어느 것도 기준값을 넘어서지 않는 경우, 1단계 상황(정상 상황)으로 판단할 수 있다. 다음으로, 상기 제어 유닛(400)은, 변형량, 임피던스 및 온도 중 어느 1개의 인자가 기준값을 넘어서는 경우, 1단계와 구분되는 2단계 상황(경고 상황)으로 판단할 수 있다. 또한, 상기 제어 유닛(400)은, 변형량, 임피던스 및 온도 중 2개의 인자가 기준값을 넘어서는 경우, 2단계보다 높은 3단계 상황(진행 상황)으로 판단할 수 있다. 그리고, 상기 제어 유닛(400)은, 변형량, 임피던스 및 온도 중 3개의 인자가 기준값을 넘어서는 경우, 3단계보다 높은 4단계 상황(위험 상황)으로 판단할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 스웰링의 진행 상황에 따라 보다 세밀한 스웰링 감지 및 예측이 가능해질 수 있다. 따라서, 각 스웰링 정도에 따라, 보다 적합한 대처가 가능해지도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩에서, 상기 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 그리고, 변형 측정 유닛(200)과 임피던스 측정 유닛(300)은, 이러한 파우치형 이차 전지의 일부에 부착되도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지 형태로 구성될 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지는, 전지 케이스가 알루미늄과 같은 금속층이 폴리머층 사이에 개재된 라미네이트 시트 형태로 구성된 형태의 전지로서, 본 발명의 출원 시점에 널리 공지되어 있다. 따라서, 이러한 파우치형 전지의 구체적인 구성에 대해서는 보다 상세한 설명을 생략한다.
이러한 파우치형 전지의 경우, 배터리 셀(100)은 수납부(110)와 실링부(120)를 구비할 수 있다. 여기서, 수납부(110)는 내부에 빈 공간을 구비하여, 외측으로 볼록하게 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 수납부(110)의 내부 공간에는, 전극 조립체 및 전해질이 수납될 수 있다. 또한, 실링부(120)는, 수납부(110)의 주위를 감싸는 형태로, 수납부(110)의 주위에 배치될 수 있다. 특히, 파우치형 배터리 셀(100)은, 상부 파우치 및/또는 하부 파우치의 중앙 부분에 수납부(110)가 형성되고 그러한 수납부(110)에 전극 조립체 및 전해액이 수납된 상태에서 테두리 부분이 열융착 등의 방식으로 실링됨으로써 실링부(120)가 형성될 수 있다. 더욱이, 실링부(120)는, 수납부(110)를 둘러싼 부분에 전체적으로 형성될 수 있으나, 일부에는 형성되지 않을 수도 있다. 이를테면, 수납부(110)를 둘러싸는 4개의 측면 중, 3개의 측면에 실링부(120)가 존재하고, 다른 1개의 측면에는 실링부(120)가 존재하지 않을 수도 있다. 한편, 이러한 파우치형 배터리 셀(100)에는, 전극 단자(130)로서 전극 리드가 파우치 외장재 사이에 개재되어 적어도 일측으로 노출될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 파우치형 전지를 배터리 셀(100)로서 채용할 수 있다.
한편, 도 4에는 1개의 배터리 셀(100)만 도시되어 있으나, 본 발명에 따른 배터리 팩에는 다수의 배터리 셀(100)이 포함될 수 있다. 이 경우, 변형 측정 유닛(200) 및 임피던스 측정 유닛(300) 중 적어도 하나는 각 배터리 셀(100)의 변형량 및 임피던스를 측정하기 위해, 각 배터리 셀(100)마다 구비될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩에 10개의 배터리 셀(100)이 포함된 경우, 10개의 변형 측정 유닛(200) 및 10개의 임피던스 측정 유닛(300)이 포함되어, 10개의 배터리 셀(100) 각각에 대하여, 대응하는 배터리 셀(100)의 변형량 및 임피던스를 각각 별도로 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 복수의 배터리 셀(10) 각각의 변형량 및 임피던스가 정확하게 측정될 수 있다.
더욱이, 상기 변형 측정 유닛(200)은, 배터리 셀(100)의 물리적 변형을 측정하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 일부분이 수납부(110)에 부착될 수 있다. 배터리 셀(100)의 내부에서 가스가 발생하여 스웰링 현상이 일어나는 경우, 수납부(110)는, 실링부(120)보다 먼저, 또는 더 많이 물리적 변형이 일어날 수 있다. 예를 들어, 변형 측정 유닛(200)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 시트 형태로 구성될 수 있으며, 적어도 일부가 수납부(110)에 부착되어, 수납부(110)의 물리적 변형을 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 변형 측정 유닛(200)의 다른 일부는, 변형 측정 유닛(200)에 의해 측정된 변형량 측정 정보를 제어 유닛(400)으로 전송하기 위해, 다른 전기적 부품, 이를테면 인쇄 회로 기판이나 와이어 등에 접속될 수 있다.
그리고, 상기 임피던스 측정 유닛(300)은, 적어도 일부분이 실링부(120)에 안착되도록 구성될 수 있다. 특히, 임피던스 측정 유닛(300)은, 도면에서 P로 표시된 바와 같은 인쇄회로기판 상에 구비되거나, 인쇄회로기판(P)을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 임피던스 측정 유닛(300)은, 인쇄회로기판을 구비하고, 이러한 인쇄회로기판(P)에 형성된 도체 패턴을 통해 임피던스 측정을 위한 경로가 구현되도록 구성될 수 있다. 그리고, 앞서 도 3의 실시예에서 설명한 스위칭 소자(320)나 저항 소자(310), 임피던스 컨트롤러(330) 등의 구성요소는, 이러한 인쇄회로기판 상에 장착된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 이러한 임피던스 측정 유닛(300)을 구현하기 위한 인쇄회로기판은, 배터리 셀(100)의 전극 단자(130)(전극 리드), 즉 양극 리드 및 음극 리드까지 연장된 형태로 구성되어, 양극 리드와 음극 리드 사이의 양단 전압이 측정되도록 할 수 있다. 그리고, 이러한 임피던스 측정 유닛(300)을 형성하는 인쇄회로기판(P)은, 실링부(120) 상에 안착될 수 있다. 특히, 이러한 임피던스 측정 유닛(300)의 인쇄회로기판(P)은, 실링부(120)에 부착될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 임피던스 측정 유닛(300)이 배터리 셀(100)의 실링부(120) 상에 안착된 형태로 구성되어, 임피던스 측정 유닛(300)이 존재하기 위한 공간을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 임피던스 측정 유닛(300)을 포함시키면서도 배터리 팩의 부피가 크게 증가하지 않도록 할 수 있다. 더욱이, 배터리 팩에 다수의 이차 전지가 포함되는 경우, 다수의 이차 전지는 수납부(110)가 서로 대면되는 형태로 적층되는 경우가 많은데, 이러한 구성에서도, 임피던스 측정 유닛(300) 등의 구성으로 인해 배터리 팩의 부피가 증가하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 구성에 의하면, 임피던스 측정 유닛(300)이 배터리 셀(100)에 인접하게 위치하므로, 전류에 의한 자기장으로 인해 임피던스 측정의 정확도가 떨어지는 것을 감소시킬 수 있다. 즉, 임피던스 측정 시 배터리 셀(100)에 흐르는 전류와 임피던스 측정 경로(도 3의 저항 소자(310) 측 경로)에 흐르는 전류로 인해 자기장이 형성될 수 있는데, 상기 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(100)에 흐르는 전류와 임피던스 측정 경로 사이의 거리가 가까워질 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)에 흐르는 전류와 임피던스 측정 경로에 흐르는 전류로 인한 자기장이 상쇄되어, 임피던스 측정의 정확도가 향상될 수 있다. 특히, 도 3의 실시 구성에서, 스위칭 소자(320) 및 저항 소자(310)를 경유하는 형태로 임피던스 측정 경로가 형성될 수 있는데, 저항 소자(310)를 흐르는 전류의 방향은 배터리 셀(100)을 흐르는 전류의 방향과 반대가 될 수 있다. 그리고, 이러한 저항 소자(310)와 배터리 셀(100) 사이의 거리가 가까워지는 경우, 서로 반대 방향으로 흐르는 전류에 의해 자기장 상쇄 효과가 더 증가할 수 있다.
한편, 상기 실시예와 같이, 임피던스 측정 유닛(300)이 인쇄회로기판(P)을 구비하거나 이를 이용하는 형태로 구성된 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(400)도 이러한 인쇄회로기판(P) 상에 장착되는 형태로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 제어 유닛(400)에 의해 배터리 팩의 부피가 크게 증가하는 것을 방지할 수 있으며, 임피던스 측정 유닛(300)과 제어 유닛(400) 사이의 신호 전송 길이도 줄일 수 있다. 따라서, 임피던스 측정의 정확도가 보다 향상될 수 있다.
또한, 이러한 실시 구성에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 변형 측정 유닛(200)의 일부는 인쇄회로기판(P)에 연결될 수 있다. 그리고, 인쇄회로기판(P)에 구비된 도체 패턴을 통해 변형 측정 유닛(200)의 측정 정보가 제어 유닛(400)으로 전송될 수 있다. 그리고, 상기 실시 구성에서, 온도 측정 유닛(600)도 인쇄회로기판(P) 상에 장착될 수 있다. 특히, 온도 측정 유닛(600)은, 인쇄회로기판(P) 중 전극 단자(130)에 접촉된 부분 상에 위치할 수 있다. 배터리 셀(100)의 온도는, 전극 단자(130) 측에서 크게 증가하며, 외부 온도에 의한 영향을 최소화할 수 있으므로, 이 경우, 온도 측정 정확도가 보다 향상될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 변형 측정 유닛(200)이나 온도 측정 유닛(600)과 같이 다른 구성요소와 제어 유닛(400) 사이의 거리도 줄일 수 있다. 그러므로, 배터리 팩의 소형화에 유리할 뿐 아니라, 신호 전송 시 노이즈에 의한 영향도 감소할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 5의 A1-A1'선에 대한 단면도이다. 다만, 도 6의 단면도에는, 설명의 편의를 위해, 전극 조립체 등의 전지 내부 구성은 생략되도록 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 배터리 셀(100)은, 파우치형 이차 전지로서, 실링부(120)의 적어도 일부분이 수납부(110) 측으로 폴딩된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 수납부(110)를 중심으로 주변에 위치한 4개의 실링부(120) 중, 전극 리드가 위치하지 않는 2개의 측부 실링부(120)가 수납부(110) 측으로 폴딩될 수 있다. 이와 같은 구성에서, 임피던스 측정 유닛(300)은, 적어도 일부분이 배터리 셀(100)의 수납부(110)와 폴딩된 실링부(120) 사이에 개재된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 임피던스 측정 유닛(300)이 인쇄회로기판을 이용한 형태로 구성된 경우, 인쇄회로기판은 배터리 셀(100)의 수납부(110)와 실링부(120) 사이에서 세워진 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 팩의 부피를 더욱 줄일 수 있음은 물론이고, 임피던스 측정 시 자기장에 의한 영향이 더욱 감소할 수 있다. 즉, 상기 구성에 의하면, 임피던스 측정 유닛(300), 특히 임피던스 측정 경로가 배터리 셀(100)의 수납부(110)와 더욱 가까워질 수 있다. 따라서, 자기장의 상쇄 효과가 증대되어, 자기장에 의한 임피던스 측정 방해를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 폴딩된 실링부(120) 내측에 임피던스 측정 유닛(300)이 위치하게 되므로, 폴딩된 실링부(120)로 인해 배터리 셀(100)의 외부에서 형성된 자기장이 임피던스 측정 유닛(300)에 영향을 미치는 것을 줄일 수 있다.
한편, 변형 측정 유닛(200)은, 일 방향으로 길게 연장된 시트 형태로 구성될 수 있다. 이때, 변형 측정 유닛(200)은, 중앙 부분 중 어느 일부분이 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바를 참조하면, 변형 측정 유닛(200)은, 좌우 방향(x축 방향)으로 연장된 수평부와 상하 방향(z축 방향)으로 연장된 수직부를 구비할 수 있다. 그리고, 수직부의 적어도 일부는 인쇄회로기판(P) 상에 부착되어, 인쇄회로기판(P) 상의 도체 패턴에 접속될 수 있다. 또한, 수평부의 적어도 일부는 배터리 셀(100)의 수납부(110) 상에 부착되어 배터리 셀(100)의 변형, 특히 배터리 셀(100)의 스웰링을 감지할 수 있다. 특히, 전기식 스트레인게이지 센서로 형태로 변형 측정 유닛(200)이 구성된 경우, 저항선의 대부분은 수평부 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 변형 측정 유닛(200)에 의한 배터리 셀(100)의 스웰링 감지 성능이 안정적으로 확보되면서도 부피 증가를 최소화할 수 있다. 또한, 이 경우, 변형 측정 유닛(200)의 신호 전달 경로를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 실시 구성과 같이, 임피던스 측정 유닛(300)이 인쇄회로기판(P)을 이용하는 형태로 구성된 경우, 인쇄회로기판은 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)일 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 형태에 따라 인쇄회로기판(P)이 쉽게 절곡될 수 있으므로, 임피던스 측정 유닛(300) 등의 구성요소가 배터리 셀(100) 상에 보다 용이하게 장착될 수 있다. 특히, 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 임피던스 측정 유닛(300)은, 대부분 수납부(110)와 실링부(120) 사이에 세워진 형태로 구성되되, 배터리 셀(100)의 전극 리드와 접촉되기 위해서는 수평 방향으로 눕혀진 형태로 구성되는 것이 좋다. 따라서, 임피던스 측정 유닛(300)의 일부는 세워진 형태이고, 다른 일부는 눕혀진 형태로 구성될 수 있도록, 임피던스 측정 유닛(300)을 형성하는 인쇄회로기판은 절곡이 용이한 FPCB로 구성되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기 설명한 구성요소 이외에, 배터리 팩에 통상적으로 포함되는 여러 구성요소들을 더 포함할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 팩 케이스는 물론이고, 배터리 팩의 충방전 경로 상에 버스바나 전류 센서, 릴레이, 퓨즈 등의 여러 전장 부품 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 팩의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 BMS 등을 별도로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 자동차에는, 상술한 본 발명에 따른 배터리 팩 이외에, 자동차에 탑재되는 공지의 부품, 이를테면 모터와 같은 구동 장치, 라디오나 네비게이션과 같은 전장 부품, 차체, ECU(Electronic Control Unit)와 같은 제어 장치 등을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 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: 배터리 셀
110: 수납부, 120: 실링부, 130: 전극 단자
200: 변형 측정 유닛
300: 임피던스 측정 유닛
310: 저항 소자, 320: 스위칭 소자, 330: 임피던스 컨트롤러
400: 제어 유닛
500: 저장 유닛
600: 온도 측정 유닛

Claims (10)

  1. 전극 조립체, 전해질, 전지 케이스 및 전극 단자를 구비하는 배터리 셀;
    적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 전지 케이스의 외면에 부착되어 상기 전지 케이스의 변형 여부를 측정하도록 구성된 변형 측정 유닛;
    상기 배터리 셀의 전극 단자에 연결되어 상기 배터리 셀 내부의 임피던스를 측정하도록 구성된 임피던스 측정 유닛; 및
    상기 변형 측정 유닛에 의한 변형 측정 결과와 상기 임피던스 측정 유닛에 의한 임피던스 측정 결과를 이용하여 상기 배터리 셀의 스웰링 여부를 판단하도록 구성된 제어 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 변형 측정 유닛에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상인 경우에도, 상기 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 미만인 경우, 상기 배터리 셀의 스웰링이 발생하지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 미만인 경우, 임피던스의 증가 여부를 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 변형 측정 유닛에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상인 경우, 상기 임피던스 측정 유닛으로 임피던스 측정 개시 신호를 전송하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 주변에 위치하여 상기 배터리 셀의 온도를 측정하도록 구성된 온도 측정 유닛을 더 포함하고,
    상기 제어 유닛은, 상기 온도 측정 유닛에 의한 온도 측정 결과를 더 고려하여 상기 배터리 셀의 스웰링 여부를 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 변형 측정 유닛에 의해 측정된 변형량이 기준 변형량 이상이고, 상기 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스가 기준 임피던스 이상이며, 상기 온도 측정 유닛에 의해 측정된 온도가 기준 온도 이상인 경우에만, 상기 배터리 셀이 스웰링된 것으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은, 파우치형 전지로서, 상기 전극 조립체 및 상기 전해질이 수납된 수납부 및 상기 수납부의 주위에 배치되는 실링부를 구비하고,
    상기 변형 측정 유닛은, 적어도 일부분이 상기 수납부에 부착되며,
    상기 임피던스 측정 유닛은, 적어도 일부분이 상기 실링부에 안착되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 셀은, 상기 실링부의 적어도 일부분이 상기 수납부 측으로 폴딩된 형태로 구성되고,
    상기 임피던스 측정 유닛은, 적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 수납부와 폴딩된 실링부 사이에 개재된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 변형 측정 유닛은, 일 방향으로 길게 연장되되 일부가 절곡된 형태로 구성되며 일단이 상기 인쇄회로기판 상에 부착되고, 타단이 상기 배터리 셀의 수납부 상에 부착된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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