KR20230055030A - 스웰링 감지 수단을 구비한 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스웰링을 조기에 감지하기 위하여 전극 리드를 구비한 복수의 배터리 셀, 상기 복수의 배터리 셀을 수납하는 모듈 케이스, 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바를 구비한 ICB 조립체 및 상기 배터리 셀의 스웰링을 감지하는 스웰링 감지 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

스웰링 감지 수단을 구비한 배터리 모듈{Battery module with swelling detection means}
본 발명은 스웰링 감지 수단을 구비하여 배터리 셀의 스웰링 발생 시 이를 조기에 감지할 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 전지 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 전지 셀을 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 셀 모듈 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 전지 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 전지 팩을 제작하는 것이 일반적이다.
이와 같은 전지 셀은 과충전, 과열, 충격, 단락 등의 문제가 생기면 전지 셀 내부에서 가스가 발생하여 전지 셀이 부풀어 오르는 스웰링(Swelling) 현상이 일어날 수 있다.
이러한 스웰링 현상은 전지 셀의 화재 또는 폭발의 전 단계에서 발생하는 것이 일반적이다.
따라서, 전지 셀에서 화재 또는 폭발이 발생하기 전에 미리 감지하기 위하여 스웰링 현상을 감지하는 다양한 방법들이 고안되었다.
특허문헌 1은 배터리 팩(200)에 관한 것으로, 배터리 셀(10)은 모듈 케이스(50)에 수납 적층되고, 상기 모듈 케이스(50)의 벽면이 틀어지는 것을 판단할 수 있는 수평 감지 센서(70)를 구비하고 있다.
수평 감지 센서(70)는 배터리 셀(10)의 스웰링 발생 시 팽창된 배터리 셀(10)의 측면부에 의해서 모듈 케이스(50)가 틀어지는 것을 감지할 수 있고, 이를 바탕으로 제어부(80)에서 소화 약제(60)를 분사하도록 분사장치(62)에 신호를 전송하여 소화 약제를 배출하게 된다.
그러나, 특허문헌 1의 배터리 팩과는 달리 에너지 밀도를 높이기 위하여 배터리 셀들 사이에 수평을 감지할 수 있는 모듈 케이스 등이 존재하지 않거나, 빈 공간 없이 치밀하게 적층된 배터리 팩/모듈의 경우에는 수평 감지 센서로 스웰링을 감지하기 어려운 문제가 있다.
특히, 배터리 셀들 사이에 빈 공간 없이 치밀하게 적층된 배터리 팩 또는 모듈의 경우에는 특정 배터리 셀에서 가스가 발생하더라도, 이웃하는 배터리 셀들과 밀착되어 있는 측면부는 압력에 의하여 쉽게 팽창되지 못하고, 오히려, 배터리 셀 중 전극 리드가 돌출되는 실링부 쪽에서 먼저 부풀어 오르는 현상이 발생하게 된다.
따라서, 배터리 셀들의 측면부가 밀착되어 있는 배터리 팩 또는 모듈의 스웰링을 조기에 감지하기 위해서는 이와 같은 현상을 활용하는 감지 수단이 필요하다.
한국 공개특허공보 제2017-0061582호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 배터리 셀과 ICB 사이의 빈 공간에 감지 포켓을 구비한 스웰링 감지 수단을 포함하여, 스웰링을 조기에 감지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 전극 리드를 구비한 복수의 배터리 셀, 상기 복수의 배터리 셀을 수납하는 모듈 케이스, 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바를 구비한 ICB(Interconnect Board) 조립체 및 상기 배터리 셀의 스웰링(Swelling)을 감지하는 스웰링 감지 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 배터리 셀이 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 스웰링 감지 수단이 내부에 기체 또는 액체가 주입되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 스웰링 감지 수단이 복수의 감지 포켓, 상기 복수의 감지 포켓을 연결하는 연결부 및 상기 내부에 기체 또는 액체를 주입하기 위한 주입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 복수의 감지 포켓이 상기 ICB 조립체와 상기 배터리 셀 사이의 공간에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 복수의 감지 포켓, 상기 연결부 및 상기 주입부가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 스웰링 감지 수단이 탄성을 가진 고분자 소재로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 고분자 소재가 천연 고무(Natural Rubber, NR), 부타디엔 고무(Butadiene Rubber, BR), 스틸렌부타디엔 고무(Stylrene Butadiene Rubber, SBR), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR), 수소화니트릴부타디엔 고무(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber, H-NBR), 클로로프렌 고무(Chloroprene Rubber, CR), 에틸렌 프로필렌 고무(Ethylene Propylene Rubber, EPDM), 부틸 고무(Isobutylene Isoprene Rubber, IIR), 아크릴 고무(Acrylic Rubber, ANM/ACM), 실리콘 고무(Silicone Rubber), 불소 고무(Fluoro Rubber, FKM/FPM), 우레탄 고무(Urethane Rubber, AU/EU) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 스웰링 감지 수단이 내부의 압력 변화를 모니터링하여 상기 배터리 셀의 스웰링을 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은 본 발명의 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 디바이스는 본 발명의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 모듈은 스웰링 감지 수단을 구비하여, 배터리 셀들이 밀착되어 적층된 경우에도 스웰링 현상을 조기에 감지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈은 스웰링 현상을 조기에 감지하여 대응함으로써, 배터리 셀의 화재나 폭발 등의 위험을 억제할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 배터리 팩의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 감지 수단이 구비되기 전의 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 감지 수단이 구비된 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 감지 수단을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 현상이 발생한 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 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, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우만이 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 감지 수단이 구비되기 전의 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 감지 수단이 구비된 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈(1000)에 관하여 살펴보면, 배터리 모듈(1000)은 적층된 복수의 배터리 셀(100), 모듈 케이스(200), ICB 조립체(300) 및 스웰링 감지 수단(400)을 포함하고 있다.
먼저, 배터리 셀(100)은 케이스의 형상에 따라 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀 및 파우치형 배터리 셀로 분류될 수 있고, 본 발명의 배터리 셀(100)은 파우치형 배터리 셀(100)인 것이 바람직하다.
파우치형 배터리 셀(100)이란, 일반적으로 전극조립체를 수납하는 전지 케이스가 파우치 케이스인 배터리 셀(100)을 의미한다.
여기서, 파우치 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다.
이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 박막을 사용할 수 있다.
그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기 투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일 예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
또한, 배터리 셀(100)은 양극과 음극의 전극 리드(110)가 파우치 케이스 외부로 돌출/연장 되어 있는 것이 일반적이며, 전극 리드(110)가 돌출되는 방향은 양극과 음극 리드가 동일한 방향으로 돌출될 수도 있고, 서로 다른 방향으로 돌출되는 것도 가능하다.
이와 같은 파우치형 배터리 셀(100)은 파우치 케이스 내부에 전극조립체를 수납하고, 전해액을 주입 후 밀봉하는 공정을 거쳐서 제조하게 되고, 이러한 파우치형 배터리 셀(100)은 통상적으로 전극 리드(110)가 돌출된 부분을 포함하여 3면 또는 4면의 외곽에 실링부(120)가 형성되게 된다.
모듈 케이스(200)는 복수의 배터리 셀(100)이 수납되고, 이들을 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 하는 것으로, 공지의 다양한 모듈 케이스(200)가 적용 가능하다.
다음으로, ICB(Interconnect Board) 조립체(300)는 일반적으로 버스바(310)를 구비하여 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 버스바(310)를 전기적으로 연결하는 역할을 한다.
또한, 배터리 셀(100)의 충방전 동안에 배터리 셀(100)의 온도 또는 전압 등에 대응되는 각종 정기 신호를 배터리 관리 시스템(BMS) 등에 전달하는 기능을 하기도 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 감지 수단을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 스웰링 감지 수단(400)에 대하여 살펴보면, 스웰링 감지 수단(400)은 감지 포켓(410), 연결부(420) 및 주입부(430)를 포함하여 형성된다.
이러한 스웰링 감지 수단(400)은 배터리 모듈(1000)에 장착 후 내부에 기체 또는 액체를 주입하여 사용하게 된다.
감지 포켓(410)은 배터리 셀(100)과 이웃하는 배터리 셀(100) 사이의 공간, 구체적으로는 하나의 배터리 셀(100)의 전극 리드(110) 및 전극 리드(110)를 감싸고 있는 실링부(120)와 이웃하는 배터리 셀(100)의 전극 리드(110) 및 전극 리드(110)를 감싸고 있는 실링부(120) 사이의 빈 공간에 하나씩 위치하는 것으로, 적층된 배터리 셀(100)의 개수에 따라 복수의 감지 포켓(410)이 구비될 수 있다.
다른 관점에서 보면, 감지 포켓(410)의 위치는 도 3에서는 생략되어 있는 도 2의 ICB 조립체(300)와 배터리 셀(100) 사이의 공간에 위치하게 된다.
연결부(420)는 이러한 복수의 감지 포켓(410)을 연결하고, 감지 포켓(410)에 기체 또는 액체를 주입하는 통로로서 활용된다.
이어서, 주입부(430)는 감지 포켓(410) 및 연결부(420)에 기체 또는 액체를 주입하기 위한 출입구의 역할을 하는 것으로, 모듈 케이스(200)의 외부에 위치하여 스웰링 감지 수단(400)을 장착하고 배터리 모듈(1000)을 형성한 후에 외부에서 기체 또는 액체를 주입하는 역할을 한다.
또한, 주입부(430)는 스웰링 감지 수단(400) 내부의 압력 변화를 모니터링하기 위한 센서 등과 연결될 수 있다.
이러한 감지 포켓(410), 연결부(420) 및 주입부(430)는 내부에 기체 또는 액체가 주입되기 위하여 일체로 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 스웰링에 의하여 팽창된 배터리 셀(100)의 가압을 잘 센싱하기 위하여 탄성을 가진 고분자 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 고분자 소재로는 특히, 천연 고무(Natural Rubber, NR), 부타디엔 고무(Butadiene Rubber, BR), 스틸렌부타디엔 고무(Stylrene Butadiene Rubber, SBR), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR), 수소화니트릴부타디엔 고무(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber, H-NBR), 클로로프렌 고무(Chloroprene Rubber, CR), 에틸렌 프로필렌 고무(Ethylene Propylene Rubber, EPDM), 부틸 고무(Isobutylene Isoprene Rubber, IIR), 아크릴 고무(Acrylic Rubber, ANM/ACM), 실리콘 고무(Silicone Rubber), 불소 고무(Fluoro Rubber, FKM/FPM), 우레탄 고무(Urethane Rubber, AU/EU) 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 포함된 복합 소재일 수 있다.
스웰링 감지 수단(400)은 위와 같은 고분자 소재들을 공지의 다양한 성형 방법을 사용함으로써 일체로 형성될 수 있다.
이러한 스웰링 감지 수단(400)에 주입되는 기체 또는 액체로는 스웰링에 의하여 팽창된 배터리 셀(100)을 센싱할 수 있는 공지의 다양한 기체 또는 액체를 사용할 수 있다.
예를 들면, 공기 또는 물이 가장 쉽게 구비할 수 있고 저렴하게 사용할 수 있는 유체들이며, 스웰링 감지 수단(400)이 단순히 스웰링을 감지하는 역할 만을 하는 것이 아니라 내부의 기체 또는 액체를 이용하여 화재 발생 시 소화하는 역할을 할 수 있도록 내부에 소화액을 주입할 수도 있다.
이와 같은 소화액을 주입함으로써 화재가 이웃하는 배터리 셀(100)로 전이되는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 현상이 발생한 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하여 스웰링 감지 수단(400)을 포함한 배터리 모듈(1000)에서 스웰링의 발생을 감지하는 과정에 관하여 살펴보면, 먼저 특정 배터리 셀(100)에서 스웰링이 발생하면 도 5에 도시된 바와 같이 이웃하는 배터리 셀(100)에 의하여 밀착되어 있는 측면부보다 전극 리드(110)가 돌출된 부분의 실링부(120)에서 먼저 팽창(S)이 일어나게 된다.
이러한 실링부(120)의 팽창에 의하여 전극 리드(110)의 사이에 위치한 스웰링 감지 수단(400)의 가스 포켓(410)이 가압되는 현상에 의하여 내부의 기체 또는 액체의 유동이 발생하고, 이를 주입부(430)에 연결된 센서를 통하여 센싱함으로써 배터리 모듈 내부에 스웰링이 발생한 것을 감지할 수 있게 된다.
이에 따라 배터리 모듈(1000)의 작동을 중지하고, 스웰링이 발생한 배터리 셀(100)을 제거하는 등의 후속 조치를 신속하게 처리할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 기존의 배터리 모듈(1000) 제조 공정과 대비하여 미리 일체로 형성된 스웰링 감지 수단(400)을 빈 공간에 장착하여 제조할 수 있어, 기존 배터리 모듈(1000)의 설계나 생산 공정을 대부분 공유할 수 있어 제조 비용의 상승을 최대한 억제할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이와 같은 본 발명의 배터리 모듈(1000)을 하나 이상 포함하고, BMS 등의 각종 장치들을 부가하여 배터리 팩을 제조할 수 있고, 이러한 배터리 팩 또는 배터리 모듈(1000)은 각종 디바이스의 전력 공급원으로 사용될 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
1000 : 배터리 모듈
100 : 배터리 셀
110 : 전극 리드
120 : 실링부
200 : 모듈 케이스
300 : ICB 조립체
310 : 버스바
400 : 스웰링 감지 수단
410 : 감지 포켓
420 : 연결부
430 : 주입부

Claims (11)

  1. 전극 리드를 구비한 복수의 배터리 셀;
    상기 복수의 배터리 셀을 수납하는 모듈 케이스;
    상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바를 구비한 ICB(Interconnect Board) 조립체; 및
    상기 배터리 셀의 스웰링(Swelling)을 감지하는 스웰링 감지 수단;을 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스웰링 감지 수단은 내부에 기체 또는 액체가 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스웰링 감지 수단은 복수의 감지 포켓, 상기 복수의 감지 포켓을 연결하는 연결부 및 상기 내부에 기체 또는 액체를 주입하기 위한 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 감지 포켓은 상기 ICB 조립체와 상기 배터리 셀 사이의 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복수의 감지 포켓, 상기 연결부 및 상기 주입부는 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제4항에 있어서, 상기 스웰링 감지 수단은 탄성을 가진 고분자 소재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고분자 소재는 천연 고무(Natural Rubber, NR), 부타디엔 고무(Butadiene Rubber, BR), 스틸렌부타디엔 고무(Stylrene Butadiene Rubber, SBR), 아크릴로니트릴부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber, NBR), 수소화니트릴부타디엔 고무(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber, H-NBR), 클로로프렌 고무(Chloroprene Rubber, CR), 에틸렌 프로필렌 고무(Ethylene Propylene Rubber, EPDM), 부틸 고무(Isobutylene Isoprene Rubber, IIR), 아크릴 고무(Acrylic Rubber, ANM/ACM), 실리콘 고무(Silicone Rubber), 불소 고무(Fluoro Rubber, FKM/FPM), 우레탄 고무(Urethane Rubber, AU/EU) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제4항에 있어서, 상기 스웰링 감지 수단은 내부의 압력 변화를 모니터링하여 상기 배터리 셀의 스웰링을 감지하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 따른 배터리 팩을 포함하는 디바이스.
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