KR20230083577A - 스웰링 가속 시험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치는, 파우치 케이스를 포함하고 일 방향으로 적층되는 더미 셀들을 포함하는 더미 셀 적층체; 상기 더미 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 상기 더미 셀과 연결되어, 상기 파우치 케이스의 내부에 유체를 공급하는 펌프; 및 상기 모듈 프레임의 제1 측면부의 외측과 제2 측면부의 외측에 배치되는 센서부들을 포함한다. 상기 더미 셀들은, 상기 파우치 케이스의 내부가 비어 있는 상태에서 그 외주변을 밀봉한 형태이다.

Description

스웰링 가속 시험 장치{SWELLING ACCELERATION TEST DEVICE}

본 발명은 스웰링 가속 시험 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전지셀의 실제 스웰링 현상을 유사하게 모사할 수 있는 스웰링 가속 시험 장치에 관한 것이다.

현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.

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 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 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.

최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 중대형 장치에 대한 적용을 목적으로, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 파우치형 이차 전지는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 더욱 널리 이용되는 추세에 있다.

파우치형 이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 파우치 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 파우치 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조될 수 있다.

이차 전지는, 충전과 방전이 반복됨에 따라 퇴화 등으로 인해 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 그리고, 이처럼 내부에서 가스가 발생한 경우, 내압이 증가함으로써, 외장재의 적어도 일부분이 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지의 경우, 캔형 이차 전지에 비해, 외장재의 구조적 강성이 약해서 스웰링 현상은 더욱 심하게 발생할 수 있다.

이처럼, 이차 전지에 스웰링 현상이 발생하면, 전지 내부의 압력이 높아지고 부피가 증가하여, 전지 모듈의 구조적 안정성에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 더욱이, 전지 모듈에는 다수의 이차 전지가 포함되는 경우가 많다. 특히, 자동차나 에너지 저장 장치(ESS) 등에 사용되는 중대형 전지 모듈의 경우, 높은 출력 내지 높은 용량을 위해 매우 많은 수의 이차 전지가 포함되어 상호 연결될 수 있다. 이때, 각 이차 전지의 스웰링으로 인해 약간씩만 부피가 증가한다 하더라도, 전지 모듈 전체적으로는 각 이차 전지의 부피 변화가 합산되어 변형 정도가 심각한 수준에 이를 수 있다. 특히, 다수의 이차 전지를 수납하는 모듈 프레임에 변형이 일어나거나 모듈 프레임의 용접 부분에 파손이 발생할 수 있다. 즉, 각 이차 전지의 스웰링에 따른 부피 팽창 현상은, 전지 모듈의 구조적 안정성을 전반적으로 저하시킬 수 있다.

따라서, 이차 전지의 스웰링 정도를 예측하고, 스웰링 정도를 제어할 수 있는 모듈 프레임의 강성, 두께, 용접 심도 등을 정밀하게 고려한 후, 전지 모듈이 설계되어야 한다. 이를 위해서는, 실제의 전지 모듈에서의 스웰링 환경과 유사한 환경을 제공하여, 전지셀의 스웰링 정도에 따른 모듈 프레임의 여러 요소들을 평가할 수 있는 장치가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 실제의 전지 모듈에서의 스웰링 발생 환경과 유사한 환경을 구현할 수 있어, 보다 정밀한 평가가 가능한 스웰링 가속 시험 장치를 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치는, 파우치 케이스를 포함하고 일 방향으로 적층되는 더미 셀들을 포함하는 더미 셀 적층체; 상기 더미 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 상기 더미 셀과 연결되어, 상기 파우치 케이스의 내부에 유체를 공급하는 펌프; 및 상기 모듈 프레임의 제1 측면부의 외측과 제2 측면부의 외측에 배치되는 센서부들을 포함한다. 상기 더미 셀들은, 상기 파우치 케이스의 내부가 비어 있는 상태에서 그 외주변을 밀봉한 형태이다.

상기 더미 셀들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부로부터 상기 제2 측면부까지의 방향인 상기 모듈 프레임의 너비 방향을 따라 적층될 수 있다.

상기 더미 셀들은 장방형의 시트 형태이고, 상기 더미 셀들의 본체 일면이나 타면이 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부와 평행하도록 상기 더미 셀들이 적층될 수 있다.

상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부 각각에 이격되어 위치하는 한 쌍의 지지벽들을 더 포함할 수 있다. 상기 센서부들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 지지벽들 중 하나의 사이 및 상기 모듈 프레임의 상기 타 측변부와 상기 지지벽들 중 다른 하나 사이에 배치될 수 있다.

상기 센서부들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부에서, 상기 모듈 프레임의 너비 방향과 수직한 길이 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

상기 센서부들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부에서, 상기 모듈 프레임의 상기 길이 방향에 따른 중앙부 및 상기 중앙부와 상기 모듈 프레임의 상기 길이 방향에 따른 양 단부 사이에 배치될 수 있다.

상기 스웰링 가속 시험 장치는, 상기 모듈 프레임의 개방된 일측과 타측에 각각 위치하는 엔드 플레이트들을 더 포함할 수 있고, 상기 모듈 프레임과 상기 엔드 플레이트의 대응하는 모서리들이 서로 용접 접합되어 용접부가 형성될 수 있다.

상기 모듈 프레임의 일면에 관통구가 형성될 수 있고, 상기 펌프는, 상기 관통구를 통해 상기 파우치 케이스와 연결될 수 있다.

상기 더미 셀 적층체는, 전극 조립체가 파우치 케이스에 수납된 전지셀들을 더 포함할 수 있고, 상기 전지셀들은 상기 더미 셀들과 함께 적층될 수 있다.

상기 펌프는, 상기 더미 셀들 각각에 대해, 상기 파우치 케이스의 내부에 공급되는 유체의 양을 개별적으로 컨트롤할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 내부가 비어 있는 파우치 케이스에 유체를 주입하는 방식을 적용한 스웰링 가속 시험 장치를 통해, 실제의 전지 모듈에서의 스웰링 발생 환경과 유사한 환경을 제공할 수 있어, 스웰링 환경에서의 여러 요소들에 대한 정확한 평가가 가능하다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 스웰링 가속 시험 장치 중 더미 셀 적층체, 모듈 프레임 및 엔드 플레이트를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 더미 셀 적층체에 포함된 더미 셀을 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모듈 프레임을 나타낸 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치에 포함되는 전지셀을 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치를 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치의 개략적인 사시도이다 도 2는 도 1의 스웰링 가속 시험 장치 중 더미 셀 적층체, 모듈 프레임 및 엔드 플레이트를 나타낸 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 더미 셀 적층체에 포함된 더미 셀을 나타낸 평면도이다. 설명의 편의를 위해 도 2에서는 스웰링 가속 시험 장치 중 후술하는 센서부와 지지부에 대한 도시를 생략하였다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는, 파우치 케이스(310)를 포함하고 일 방향으로 적층되는 더미 셀(dummy cell, 300)들을 포함하는 더미 셀 적층체(300ST), 더미 셀 적층체(300ST)를 수용하는 모듈 프레임(200), 더미 셀(300)과 연결되어 파우치 케이스(310)의 내부에 유체를 공급하는 펌프 및 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)의 외측과 제2 측면부(220)의 외측에 배치되는 센서부(500)들을 포함한다.

본 발명에서 스웰링 가속 시험 장치(SWELLING ACCELERATION TEST DEVICE, 100)는, 다수의 전지셀들을 포함하는 전지 모듈에서의 스웰링 가속화 상황을 유사하게 모사할 수 있어, 전지 모듈의 스웰링 상황과 관련된 여러 요소들을 평가하고 데이터를 얻을 수 있는 장치를 의미한다.

우선, 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5를 참고하여, 본 실시예에 따른 구성요소 들 중 더미 셀(300)들에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 4는 도 3의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 도 5는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 설명의 편의를 위해 도 5에서는 더미 셀들과 연결되는 펌프의 구성을 추가 도시하였다.

도 2, 도 3, 도 4 및 도 5를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 더미 셀(300)들은 파우치 케이스(310)의 내부가 비어있는 상태에서 그 외주변을 밀봉한 형태일 수 있다.

일반적으로, 파우치형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 이러한 전지셀은 장방형 시트 구조로 형성될 수 있다. 이 때, 본 실시예에 따른 더미 셀(300)들은, 전극 조립체가 없이 내부가 비어 있는 파우치 케이스의 외주변을 밀봉한 형태일 수 있다. 즉, 더미 셀(300)은, 파우치 전지셀에서 전극 조립체와 전해액을 제거한 것과 동일하여, 파우치 케이스(310) 내부에 빈 공간(S)이 마련될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 더미 셀(300)은 파우치 케이스(310)에 전극 조립체 등을 수납하지 않은 상태에서, 파우치 케이스(310)의 양 단부(310a, 310b)와 이들을 연결하는 일측부(310c)에 열 또는 압력을 인가하여 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 셀(300)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부(310d)는 융착이 가해지지 않는 연결부로로 이루어질 수 있다. 도 4에 도시된 것처럼, 더미 셀(300)의 본체 일면(312)과 본체 타면(313) 사이에 내부 공간(S)이 마련된 상태에서, 파우치 케이스(310)의 양 단부(310a, 310b) 및 일측부(310c)를 융착하여 파우치 케이스(310)를 밀봉할 수 있다.

이러한 더미 셀(300)은 복수개로 구성된다. 복수의 더미 셀(300)들은 일 방향으로 적층되어 더미 셀 적층체(300ST)를 형성한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 더미 셀(300)들이 적층되어 더미 셀 적층체(300ST)를 형성할 수 있다.

본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 내부에 더미 셀 적층체(300ST)를 수용하는 부재로써, 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240)를 포함할 수 있다. 또한, 모듈 프레임(200)의 일측(x축 방향)과 타측(-x축 방향)은 개방된 형태일 수 있고, 개방된 상기 일측 또는 상기 타측을 통해 더미 셀 적층체(300ST)가 수납될 수 있다. 모듈 프레임(200)은 내부 전장품을 보호하기 위해, 소정의 강도를 갖는 금속 소재를 포함할 수 있다.

도 2에 도시된 모듈 프레임(200)은, 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240)가 일체화된 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, 압출 성형으로 제조되어 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240)가 일체화된 형태일 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는, 모듈 프레임(200)의 개방된 상기 일측과 상기 타측에 각각 위치하는 엔드 플레이트(700)들을 더 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(700)들은, 모듈 프레임(200)의 개방된 상기 일측과 상기 타측에서 더미 셀 적층체(300ST)를 커버하도록 위치할 수 있다. 각 엔드 플레이트(700)들의 모서리들은 모듈 프레임(200)과 대응하는 모서리들과 용접의 방법으로 접합되어 용접부(W)를 형성할 수 있다. 도 1에는 각 엔드 플레이트(700)들이 모듈 프레임(200)과 용접된 부분인 용접부(W)가 음영으로 표시되어 있다. 엔드 플레이트(700)들은, 소정의 강도를 갖는 금속 소재를 포함할 수 있고, 외부 충격으로부터 더미 셀 적층체(300ST) 및 기타 전장품을 보호할 수 있다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 함께 참고하여, 본 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치에 포함된 펌프 및 센서부들에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는, 상술한 바 대로, 더미 셀(300)과 연결되어 파우치 케이스(310)의 내부에 유체를 공급하는 펌프(400) 및 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)의 외측과 제2 측면부(220)의 외측에 배치되는 센서부(500)들을 포함한다.

먼저, 더미 셀(300)들의 적층 방향, 모듈 프레임(200) 및 센서부(500)들의 위치에 대한 관계를 살펴보면, 더미 셀(300)들은, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)로부터 제2 측면부(220)까지의 방향인 모듈 프레임(200)의 너비 방향을 따라 적층될 수 있다. 즉, 도 1 및 도 5에서 모듈 프레임(200)의 너비 방향은, y축 방향 또는 -y축 방향일 수 있다. 더미 셀(300)들은 장방형의 시트 형태이고, 더미 셀(300)들의 본체 일면(312)이나 본체 타면(313)이 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210) 및 제2 측면부(220)와 평행하도록 더미 셀(300)들이 모듈 프레임(200)의 너비 방향을 따라 적층될 수 있다.

일반적으로 스웰링 현상 발생 시, 파우치 전지셀들은, 파우치 전지셀들의 적층 방향으로 주로 팽창한다. 더미 셀 적층체(300ST)의 관점에서 보면, 더미 셀(300)들의 적층 방향으로 스웰링이 크게 발생한다. 따라서, 실제 파우치 전지셀을 모사하는 본 실시예에 따른 더미 셀(300)들의 팽창에 따른 가압력은 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)에 주로 인가된다.

본 실시예에 따른 센서부(500)들은, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)의 외측과 제2 측면부(220)의 외측에 각각 배치되어, 후술하는 더미 셀(300)의 팽창에 따른 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)의 변화를 실시간으로 측정 및 감지 수 있다.

본 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220) 각각에 이격되어 위치하는 한 쌍의 지지벽(600)들을 더 포함할 수 있다. 센서부(500)들은, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 지지벽(600)들 중 하나의 사이 및 모듈 프레임(200)의 제2 측면부(220)와 지지벽(600)들 중 다른 하나 사이에 배치될 수 있다.

본 실시예에 따른 센서부(500)는 변위 센서 또는 부하 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 센서부(500)가 변위 센서를 포함함에 따라, 파우치 케이스(310)의 팽창에 따른 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)의 변화 정도를 측정할 수 있다. 또한, 센서부(500)가 부하 센서를 포함함에 따라, 파우치 케이스(310)의 팽창에 따라 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)에 인가되는 가압력을 측정할 수 있다.

본 실시예에 따른 펌프(400)는, 모듈 프레임(200) 내부에 수용된 더미 셀(300)들과 연결되어 파우치 케이스(310)의 내부에 유체, 즉 액체나 기체를 공급한다. 밀봉된 파우치 케이스(310)는, 펌프(400)로부터 공급되는 유체에 의해 팽창하며, 이에 따라 더미 셀 적층체(300ST)가 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)나 제2 측면부(220)를 가압할 수 있다.

이러한 펌프(400)는 모듈 프레임(200)의 외측에 구비되며, 파우치 케이스(310)의 내부 빈 공간(S)에 유체를 공급하고 그 공급량을 조절하여, 더미 셀(300)의 팽창 정도를 조절할 수 있다.

펌프(400)와 더미 셀(300) 간의 연결 형태에 특별한 제한은 없으나, 일례로, 모듈 프레임(200)의 일면에 관통구(200H)가 형성될 수 있고, 펌프(400)는 관통구(200H)를 통해 더미 셀(300)의 파우치 케이스(310)의 내부와 연통될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 하나의 예시로써, 파우치 케이스(310)에 구멍이 형성되고, 파우치 케이스(310)의 내부와 연통되는 튜브가 상기 구멍을 통해 돌출되어 펌프(400)와 연결될 수 있다. 다른 예시로써, 파우치 케이스(310)의 내부와 연통되는 튜브를 사이에 두고 파우치 케이스(310)의 라미네이트 시트를 융착한 뒤, 이러한 튜브를 펌프(400)와 연결할 수 있다. 즉, 유체를 공급하기 위해 펌프(400)와 더미 셀(300)들을 연결하는 형태에 특별한 제한은 없으나, 어느 형태라도 더미 셀(300)들이 밀봉 상태가 유지되는 것이 바람직하다.

펌프(400)가 유체를 공급하여 더미 셀(300)들을 팽창시킴으로써, 실제 파우치 전지셀들에 대한 충, 방전을 실시하지 않고서도, 실제 파우치 전지셀의 스웰링이 발생하는 상황과 유사한 상황을 시뮬레이션할 수 있다. 더미 셀(300)들의 팽창으로 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)에 가압력이 작용하고, 센서부(500)는, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)나 제2 측면부(220)의 변형 정도나 인가되는 가압력의 정도를 측정할 수 있다. 특히 본 실시예에 따른 더미 셀(300)은, 실제 파우치 전지셀과 동일하게, 파우치 케이스(310)의 외주변이 밀봉된 형태이기 때문에, 모듈 프레임(200)에 인가되는 압력 분포를 실제 파우치 전지셀들이 스웰링되는 경우와 유사하게 모사할 수 있다. 파우치 전지셀을 직접 사용하지 않고서도, 파우치 전지셀이 적용되는 전지 모듈의 스웰링 상황에 대한 정밀한 데이터를 취득할 수 있다.

또한, 스웰링 평가를 위해 파우치 전지셀에 대한 실제 충, 방전을 실시하는 것이 아니기 때문에 평가 공정이 복잡하지 않고, 비용이 절감되며, 발화 위험 없이 스웰링 과정을 모사할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는, 모듈 프레임(200)에 대한 평가 외에도, 팽창 과정에서의 파우치 케이스(310)의 밀봉 터짐 여부나 크랙이 발생하는 시점에 대한 추가적인 정보를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 즉, 더미 셀(300)은 실제 파우치 전지셀과 동일하게 파우치 케이스(310)의 외주변이 밀봉된 형태이기 때문에, 상기와 같은 파우치 케이스(310) 자체에 대한 시뮬레이션 정보도 얻을 수 있다. 만일 유체가 공급되는 보통의 튜브를 적용한 것이라면, 시뮬레이션 과정에서 파우치 케이스(310)의 밀봉 터짐 여부나 크랙이 발생하는 시점에 대한 데이터는 얻을 수 없다.

한편, 상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)의 모서리들은, 엔드 플레이트(700)들의 모서리들과 용접 접합되어 용접부(W)를 형성할 수 있다. 본 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는, 펌프(400)의 유체 공급량을 조절하여 더미 셀(300)들의 팽창과 수축의 반복을 모사하는 과정에서, 용접부(W)에 인가되는 피로누적을 재현할 수 있고, 이러한 피로누적에 의해 용접부(W)에 손상이 발생하는 지 여부도 관찰할 수 있다. 따라서 팽창 정도에 따른 용접부(W) 파손 여부에 대한 시뮬레이션을 통해, 용접부(W)의 재질, 두께, 용접 심도 등을 설계함에 있어, 도움이 되는 데이터를 얻을 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모듈 프레임을 나타낸 분해 사시도이다. 도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모듈 프레임(200’)은, U자형의 하부 프레임(200L)과 상부 커버(200U)를 포함할 수 있다.

하부 프레임(200L)은, 서로 대향하는 일측과 타측뿐만 아니라 상측이 개방된 U자형 프레임일 수 있고, 이러한 하부 프레임(200L)의 개방된 상측을 상부 커버(200U)가 덮을 수 있다. 이 때, 상부 커버(200U)와 하부 프레임(200L)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 모듈 프레임(200)과 최종 형태는 동일할 수 있으나, 엔드 플레이트(700)와의 용접부(W)외에 상부 커버(200U)와 하부 프레임(200L) 간에 용접부가 추가로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 더미 셀(300)들의 팽창과 수축을 반복하여, 모듈 프레임(200’)과 엔드 플레이트(700)간의 용접부 외에도 상부 커버(200U)와 하부 프레임(200L) 간의 용접부에 대한 피로누적 평가를 진행할 수 있다.

한편, 도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 센서부(500)들은, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220) 각각에서 복수로 배치될 수 있다. 예를 들어, 센서부(500)들은, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)에서 모듈 프레임(200)의 너비 방향과 수직한 길이 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 여기서 모듈 프레임(200)의 너비 방향은, 상술한 것처럼, 더미 셀(300)들이 적층되는 방향인 y축 방향 또는 -y축 방향일 수 있고, 모듈 프레임(200)의 길이 방향은 모듈 프레임(200)의 개방된 일측과 타측 사이의 방향인 x축 방향 또는 -x축 방향일 수 있다.

더미 셀(300)은 장방형의 시트일 수 있고, 모듈 프레임(200)의 길이 방향은, 이러한 더미 셀(300) 중 상대적으로 긴 변이 이어지는 방향일 수 있다. 따라서, 더미 셀(300)들이 팽창할 때, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)에서, 변형 정도나 가압력의 정도가 상기 길이 방향을 따른 구역마다 상이할 수 있다. 이에 센서부(500)들이 모듈 프레임(200)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 배치되어, 각 지점에서의 모듈 프레임(200)의 변형 정도나 가압력 정도의 차이를 정밀하게 측정할 수 있다.

보다 구체적으로는, 센서부(500)들은, 모듈 프레임(200)의 제1 측면부(210)와 제2 측면부(220)에서, 모듈 프레임(200)의 상기 길이 방향에 따른 중앙부 및 상기 중앙부와 모듈 프레임(200)의 길이 방향에 따른 양 단부 사이에 배치될 수 있다. 센서부(500)들이 상기 양 단부의 인접한 지점과 상기 중앙부에 각각 배치됨으로써, 해당 지점에서의 모듈 프레임(200)의 변형 정도나 가압력 정도를 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 상기 양 단부의 인접한 지점 및 상기 중앙부에서, 센서부(500)들이 모듈 프레임(200)의 높이 방향을 따라 추가로 배치될 수 있다. 여기서 높이 방향이라 함은, 상기 너비 방향 및 상기 길이 방향과 모두 수직한 방향으로, z축 또는 -z축 방향일 수 있다. 상기 높이 방향을 따라 센서부(500)들을 추가로 배치하여, 높이 방향에 따른 모듈 프레임(200)의 변형 정도나 가압력 정도의 차이를 정밀하게 측정할 수 있다.

이하에서는, 도 7 및 도 8을 참고하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100’)에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치에 포함되는 전지셀을 나타낸 평면도이다. 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치를 나타낸 단면도이다.

도 7 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100’)는, 더미 셀 적층체(300ST), 모듈 프레임(200), 펌프(400) 및 센서부(500)를 포함한다. 모듈 프레임(200), 펌프(400) 및 센서부(500)에 대한 설명은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략한다.

본 실시예에 따른 더미 셀 적층체(300ST)는, 더미 셀(300)들 뿐만 아니라, 전극 조립체가 파우치 케이스(114)에 수납된 전지셀(110)들을 더 포함할 수 있고, 전지셀(110)들이 더미 셀(300)들과 함께 적층될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 더미 셀 적층체(300ST)는, 더미 셀(300)들만 적층된 것이 아니라, 더미 셀(300)들과 전지셀(110)들이 혼합하여 적층된 형태일 수 있다. 일례로, 도 8에는 더미 셀(300)들과 전지셀(110)들이 번갈아가며 배치되면서 적층된 모습이 도시되어 있다.

이러한 전지셀(110)은 파우치형 전지셀로써, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 파우치 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 파우치 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)은, 파우치 케이스(114) 내부에 전극 조립체가 수납되고 파우치 케이스(114)의 외주변이 밀봉된 형태의 파우치 전지셀일 수 있다. 위에서 설명한 전지셀(110)은 예시적 구조이며, 2개의 전극 리드가 동일한 방향으로 돌출된 단방향 전지셀도 가능함은 물론이다. 더미 셀(300)들은 내부에 유체를 공급받기 위해 펌프(400)와 연결되어야 하는데, 더미 셀(300)들을 모두 펌프(400)에 연결하는 형태가 구성상 복잡할 수 있다. 이에, 본 실시예에서는, 더미 셀 적층체(300ST) 내부에 실제 파우치 전지셀(110)을 일부 배치함으로써, 펌프(400)와의 연결 구조를 단순화하면서도, 실제 전지셀들의 팽창 상황을 유사하게 모사할 수 있다.

한편, 도 5 또는 도 8을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 펌프(400)는, 더미 셀(300)들 각각에 대해, 파우치 케이스(310)의 내부에 공급되는 유체의 양을 개별적으로 컨트롤할 수 있다. 이를 위해, 펌프(400)는, 서로 물리적으로 분리된 복수의 유닛 펌프들을 포함할 수 있다. 실제 스웰링 시 전지 모듈 내에서 전지셀들의 위치마다 팽창하는 정도가 다를 수 있다. 이에 본 실시예에서는 펌프(400)로부터 더미 셀(300)들 각각에 공급되는 유체의 양을 개별적으로 컨트롤하도록 설계하여, 실제 전지 모듈에서 전지셀들이 스웰링되는 환경과 보다 유사한 환경을 만들 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는, 더미 셀 적층체(300ST)와 모듈 프레임(200)의 하면부(240) 사이에 위치한 방열층(800)을 더 포함할 수 있다. 이러한 방열층(800)은, 모듈 프레임(200)의 하면부(240)에 형성된 주입구(200H’)를 통해 써멀 레진(Thermal resin)을 주입하여 형성될 수 있다. 써멀 레진(Thermal resin)은 열전도도가 우수하고 접착성을 띄는 물질로써, 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 또는 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전지 모듈에서, 상기 써멀 레진이 주입 또는 도포 이후에 경화되어, 방열층(800)은, 전지셀들을 고정하는 역할과 동시에 전지셀에서 발생한 열을 전지 모듈의 외부로 배출하는 기능을 수행한다.

한편, 본 실시예예 따른 스웰링 가속 시험 장치(100)는 더미 셀(300)들 사이에 위치하는 압축 패드(900)를 포함할 수 있다. 전지 모듈에서, 전지셀들 사이에 폼(Foam) 형태의 압축 패드(900)가 개재되어, 전지셀들의 팽창을 일부 흡수할 수 있다.

방열층(800)이나 압축 패드(900)는 각각 실제 전지 모듈 내에 적용되는 구성요소들로써, 이들을 스웰링 가속 시험 장치(100)에 그대로 적용함으로써, 실제의 전지 모듈에서의 스웰링 환경과 유사한 환경을 제공할 수 있다.

본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100, 100’: 스웰링 가속 시험 장치
200: 모듈 프레임
300: 더미 셀
300ST: 더미 셀 적층체
310: 파우치 케이스
400: 펌프
500: 센서부

Claims (10)

1. 파우치 케이스를 포함하고 일 방향으로 적층되는 더미 셀들을 포함하는 더미 셀 적층체;
   상기 더미 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임;
   상기 더미 셀과 연결되어, 상기 파우치 케이스의 내부에 유체를 공급하는 펌프; 및
   상기 모듈 프레임의 제1 측면부의 외측과 제2 측면부의 외측에 배치되는 센서부들을 포함하고,
   상기 더미 셀들은, 상기 파우치 케이스의 내부가 비어 있는 상태에서 그 외주변을 밀봉한 형태인 스웰링 가속 시험 장치.
2. 제1항에서,
   상기 더미 셀들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부로부터 상기 제2 측면부까지의 방향인 상기 모듈 프레임의 너비 방향을 따라 적층되는 스웰링 가속 시험 장치.
3. 제2항에서,
   상기 더미 셀들은 장방형의 시트 형태이고,
   상기 더미 셀들의 본체 일면이나 타면이 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부와 평행하도록 상기 더미 셀들이 적층되는 스웰링 가속 시험 장치.
4. 제2항에서,
   상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부 각각에 이격되어 위치하는 한 쌍의 지지벽들을 더 포함하고,
   상기 센서부들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 지지벽들 중 하나의 사이 및 상기 모듈 프레임의 상기 타 측변부와 상기 지지벽들 중 다른 하나 사이에 배치되는 스웰링 가속 시험 장치.
5. 제2항에서,
   상기 센서부들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부에서, 상기 모듈 프레임의 너비 방향과 수직한 길이 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 배치되는 스웰링 가속 시험 장치.
6. 제5항에서,
   상기 센서부들은, 상기 모듈 프레임의 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부에서, 상기 모듈 프레임의 상기 길이 방향에 따른 중앙부 및 상기 중앙부와 상기 모듈 프레임의 상기 길이 방향에 따른 양 단부 사이에 배치되는 스웰링 가속 시험 장치.
7. 제1항에서,
   상기 모듈 프레임의 개방된 일측과 타측에 각각 위치하는 엔드 플레이트들을 더 포함하고,
   상기 모듈 프레임과 상기 엔드 플레이트의 대응하는 모서리들이 서로 용접 접합되어 용접부가 형성되는 스웰링 가속 시험 장치.
8. 제1항에서,
   상기 모듈 프레임의 일면에 관통구가 형성되고,
   상기 펌프는, 상기 관통구를 통해 상기 파우치 케이스와 연결되는 스웰링 가속 시험 장치.
9. 제1항에서,
   상기 더미 셀 적층체는, 전극 조립체가 파우치 케이스에 수납된 전지셀들을 더 포함하고, 상기 전지셀들은 상기 더미 셀들과 함께 적층되는 스웰링 가속 시험 장치.
10. 제1항에서,
    상기 펌프는, 상기 더미 셀들 각각에 대해, 상기 파우치 케이스의 내부에 공급되는 유체의 양을 개별적으로 컨트롤하는 스웰링 가속 시험 장치.

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