WO2018139834A2 - 배터리 모듈 변형 예측 장치 - Google Patents

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WO2018139834A2
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김동연
공진학
최용석
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a technique for predicting deformation of a battery module, and more particularly, to an apparatus capable of effectively and accurately predicting a degree of change of a battery module by swelling due to use or degradation of a secondary battery.
  • водородн ⁇ е ⁇ е ⁇ ество Commercially available secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, nickel zinc batteries, and lithium secondary batteries. Among them, lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, and thus are free of charge and discharge. The self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with the positive electrode active material and the negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and a packaging material that seals the electrode assembly together with the electrolyte solution, that is, a battery case.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • secondary batteries are widely used not only in small devices such as portable electronic devices but also in medium and large devices such as automobiles and power storage devices.
  • a large number of secondary cells can be electrically connected to increase capacity and output.
  • the pouch type secondary battery has a tendency to be more widely used due to the advantages such as easy lamination and light weight.
  • a pouch type secondary battery may be generally manufactured by injecting an electrolyte solution in a state in which an electrode assembly is accommodated in a pouch sheath and sealing the pouch sheath.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a configuration of a general pouch type secondary battery
  • FIG. 2 is a coupling diagram of the pouch type secondary battery of FIG. 1.
  • the pouch type secondary battery C may include an electrode assembly 20 and a pouch packaging material 30 containing the electrode assembly 20.
  • the electrode assembly 20 has a positive electrode plate and a negative electrode plate, and a separator interposed therebetween, and may be accommodated in an internal space formed in the pouch packaging material 30.
  • the pouch exterior material 30 may be formed of an upper pouch 31 and a lower pouch 32.
  • the outer circumferential surfaces of the upper pouch 31 and the lower pouch 32 are provided with a sealing part such that the sealing parts are bonded to each other.
  • the inner space in which the electrode assembly 20 is accommodated may be sealed.
  • one or more positive electrode tabs 21 and negative electrode tabs 22 may extend from the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively.
  • the positive electrode tab 21 and the negative electrode tab 22 may be coupled to the electrode lead 10 having a plate shape, that is, the positive electrode lead 11 having a plate shape and the negative electrode lead 12 having a plate shape, respectively.
  • a portion of the anode lead 11 and the cathode lead 12 may be exposed to the outside of the pouch sheath 30 to provide an electrode terminal to be electrically connected to an external configuration of the secondary battery, such as another secondary battery or an external device. have.
  • gas may be generated inside due to degradation.
  • an internal pressure increases, and a swelling phenomenon in which at least a portion of the exterior material swells may occur.
  • the swelling phenomenon may occur more severely because the structural rigidity of the packaging material formed in the pouch form is weaker than that of the can type secondary battery.
  • the battery module often includes a plurality of secondary batteries.
  • a large number of secondary batteries may be included and interconnected for high output to high capacity.
  • the volume expansion phenomenon due to the swelling of each secondary battery may lower the overall structural stability of the battery module.
  • an object of the present invention is to provide an apparatus capable of effectively and accurately predicting the degree of deformation of a battery module caused by swelling of a secondary battery.
  • Battery module deformation prediction apparatus for achieving the above object, in the battery module having at least one secondary battery in the module case, as a device for predicting the deformation of the battery module by the swelling of the secondary battery
  • a cell evaluation module for deriving a relationship between a thickness change and a reaction force for one secondary battery
  • a case evaluation module for deriving a relationship between a load applied to the module case and a width change amount of the module case
  • the cell evaluation module And a prediction module that predicts the deformation amount of the battery module by using the relationship between the amount of change in thickness of the battery and the reaction force derived by and the relationship between the load and width change amount of the module case derived by the case evaluation module.
  • the cell evaluation module may derive the relationship between the thickness change amount and the reaction force in one curved form.
  • the case evaluation module may derive the relationship between the load and the width change amount of the module case in one curved form.
  • the prediction module may identify an intersection point of one curve derived by the cell evaluation module and one curve derived by the case evaluation module, and predict the deformation amount of the battery module using the identified intersection point. have.
  • the battery module may include a plurality of secondary batteries, and the prediction module may include a relationship between a thickness change amount and a reaction force with respect to one secondary battery derived by the cell evaluation module to a total secondary battery provided in the battery module.
  • the deformation amount of the battery module may be predicted using the relationship between the thickness change amount and the reaction force with respect to the entire secondary battery.
  • the secondary battery is arranged in a vertical direction in the module case in a vertically oriented manner, and the case evaluation module is capable of deriving a relationship between an applied load and a width change amount of the left and right side portions of the module case. Can be.
  • the module case may include two end plates each having a plate shape and positioned at both ends of the secondary battery in the stacking direction, and the case evaluation module may provide a relationship between a load applied to the end plate and a width change amount. Can be derived.
  • the prediction module may predict the width change amount of the battery module and the load applied to the module case as the deformation amount of the battery module.
  • the battery module deformation prediction apparatus may further include a verification module for comparing the deformation amount of the battery module predicted by the prediction module with a previously stored reference value.
  • the gas when the charging and discharging is repeated by the use of the secondary battery, the gas is generated in the secondary battery, when the swelling phenomenon that the volume of the secondary battery is expanded by the production of such a gas, the resulting battery
  • the deformation of the module can be estimated more accurately, efficiently and quickly.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a general pouch type secondary battery.
  • FIG. 2 is a coupling diagram of the pouch type secondary battery of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a battery module deformation prediction apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a thickness variation measurement configuration of a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing a reaction force curve according to the thickness change amount derived by the cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of a module case included in the battery module.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a configuration for measuring width variation of a module case according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 schematically illustrates a configuration for converting a relationship between a thickness change amount and reaction force for one secondary battery into a relationship between thickness change amount and reaction force for all secondary batteries included in a battery module according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing.
  • FIG. 10 is a graph schematically illustrating a deformation amount prediction configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 11 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery module including two end plates as a module case.
  • FIG. 12 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing the configuration of a fixing jig of a cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is an example of a graph showing a result of measuring a change amount of reaction force as a cycle increases by a fixing jig of a cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a perspective view schematically showing the configuration of the variable jig of the cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is an example of a graph showing reaction force and thickness variation according to charge and discharge measured by a variable jig of a cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a diagram schematically showing a configuration in which a relationship between a deformation amount of a secondary battery and a reaction force is derived by a derivation unit of a cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a graph illustrating a reaction force change according to a cycle of various cases in which elastic members having different spring constants are coupled in a variable jig of a cell evaluation module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a graph illustrating thickness variation according to cycles of various cases in which elastic members having different spring constants are coupled in a variable jig of a cell evaluation module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 20 is a graph showing the relationship between the deformation amount and the reaction force obtained by using various cases where the spring constant is changed in the variable jig of the cell evaluation module according to an embodiment of the present invention.
  • the deformation prediction apparatus of the battery module according to the present invention may predict deformation of the battery module due to swelling of the secondary battery with respect to the battery module including one or more secondary batteries in the module case.
  • the deformation prediction apparatus of the battery module according to the present invention can be more effectively applied to a battery module having a pouch type secondary battery.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a battery module deformation prediction apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module deformation prediction apparatus may include a cell evaluation module 100, a case evaluation module 200, and a prediction module 300.
  • the cell evaluation module 100 may derive a relationship between a thickness variation and reaction force for a single cell, that is, one secondary battery. For example, when 10 cells (secondary cells) are included in the battery module, the cell evaluation module 100 may derive a relationship between the thickness change amount and the reaction force for one of the cells.
  • the thickness change amount and reaction force of the cell may be the thickness change amount and reaction force formed by such swelling when gas is generated inside the secondary battery according to charging and discharging of the secondary battery, and a swelling phenomenon occurs.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a thickness variation measurement configuration of a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the secondary battery may have a thickness as indicated by L1 immediately after manufacture.
  • the thickness of the secondary battery can be said to mean the maximum length of the battery in the direction in which the two pouches are stacked.
  • the secondary battery is indicated by a dotted line due to the gas generated therein.
  • the central portion can swell considerably. Therefore, the maximum thickness of the secondary battery at this EOL time point can be extended to L2.
  • the thickness change amount of the cell may be represented by L2 minus L1, that is, 'L2-L1'.
  • the battery module when the battery module is provided with a secondary battery, there may be a component surrounding the secondary battery, for example, a structure such as a module case or an end plate, a cartridge, and the like.
  • a component surrounding the secondary battery for example, a structure such as a module case or an end plate, a cartridge, and the like.
  • the expansion of the secondary battery may be limited or allowed according to the surrounding structure, and the degree of acceptance may be different even if the expansion of the secondary battery is allowed.
  • whether or not tolerance of the secondary battery can be determined according to the rigidity of the surrounding structure of the secondary battery.
  • a reaction force may be applied to the secondary battery.
  • the cell evaluation module 100 may evaluate the cell expansion characteristic of the reaction force with respect to the cell, how much the reaction force is with respect to the predetermined thickness variation, or how much the thickness variation is with respect to the predetermined reaction force.
  • the plurality of secondary batteries may all be the same kind. That is, many secondary batteries included in the battery module have the same materials, shapes, and the like, and the swelling characteristics are almost the same or similar. Therefore, in this case, the cell evaluation module 100 may evaluate only the expansion characteristics of one cell.
  • the cell evaluation module 100 may derive the relationship between the thickness change amount and the reaction force with respect to the secondary battery in one curved form.
  • FIG. 5 is a graph showing a reaction force curve according to the thickness change amount derived by the cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows the relationship between the thickness change amount and the reaction force at a cycle time point known in advance at the battery EOL time point.
  • the cell evaluation module 100 includes one coordinate system in which the x-axis is a thickness change amount according to the swelling of the secondary battery, and the y-axis is a reaction force (load) generated according to the swelling of the secondary battery.
  • a curve can be obtained.
  • the unit of the x-axis may be a unit of length, such as 'mm'
  • the unit of the y-axis may be a unit of force or weight, such as 'kgf'.
  • Such a curve can be obtained by varying the load on the secondary battery according to the configuration of the battery module surrounding the secondary battery, for example, the rigidity of the module case or the cartridge.
  • the rigidity of the module case or cartridge surrounding the secondary battery is changed to 0, 50kgf, 100kgf, 200kgf, 10000kgf, and the like, and the force applied to the secondary battery according to the charge / discharge cycle and the charge / discharge cycle It can obtain by measuring.
  • the battery module generally may be provided with a module case in the form of accommodating one or more secondary batteries.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of a module case included in the battery module.
  • the module case M may be configured to include an empty space therein and to accommodate one or more secondary batteries in the empty space.
  • the module case may be configured in such a manner that at least one side thereof is opened to allow the secondary battery to be drawn in or drawn out through the open portion.
  • the open portion may be closed through deformation of the module case or coupling of another cover.
  • a portion denoted by G is opened, and a plurality of secondary batteries may be accommodated through the open portion. That is, the secondary battery may be drawn into the inner space of the module case along the arrow G direction in the drawing. 6, only one secondary battery is illustrated for convenience of description, but a plurality of secondary batteries may be inserted into an internal space of the module case.
  • the module case M has a top, bottom, left and right portions formed in a sealed form at least partially around the space in which the secondary battery is accommodated, and the upper, lower, and left sides of the secondary battery housed in the inner space. , It can be prevented from escaping in the right direction.
  • each of the up, down, left, and right directions is a direction with respect to the module case in the direction indicated by G. That is, in the configuration of FIG. 6, the right side may refer to the H1 direction, and the left side may refer to the opposite direction of the H1.
  • the module case M may be said to have an upper case M1, a lower case M2, a left case M3, and a right case M4 as a unit case.
  • the case evaluation module 200 may derive a relationship between the load applied to the module case M and the deformation amount of the module case M.
  • the case evaluation module 200 may derive a relationship between the load applied to the module case and the width change amount of the module case.
  • the width of the module case can be said to mean the length in the same direction as the thickness direction of the secondary battery.
  • the secondary battery may be stored inside the module case in a form in which two wide surfaces face left and right sides.
  • the thickness direction of the secondary battery may be an H1 direction, that is, a left and right direction.
  • the width direction of the module case may also be referred to as the H1 direction, that is, the left and right directions.
  • the secondary batteries may be stacked in such a manner that large surfaces face each other inside the module case.
  • the width of the module case can be said to mean the length in the stacking direction of the secondary battery in the battery module.
  • the width change amount may be an amount indicating how much the width direction length of the module case changes depending on the width direction load of the module case.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a configuration for measuring width variation of a module case according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 may be referred to as a form of the module case configuration of FIG. 6 viewed from the front in the G direction.
  • the width of the module case is as indicated by W1.
  • the left case M3 and the right case M4 of the module case move in the direction of arrow I2, and are dotted. It may be bent outward as shown by.
  • the maximum width of the module case at this time is as indicated by W2.
  • the width change amount of the module case may be expressed as a value obtained by subtracting the original width W1 from the changed maximum width W2 of the module case, that is, 'W2-W1'.
  • the case evaluation module 200 may measure an amount of change in width according to a load applied to the module case.
  • the case evaluation module 200 may measure the width change amounts W2-W1 of the module cases due to different pressures applied in the I1 direction in the configuration of FIG. 7.
  • case evaluation module 200 when applying a load to the module case, it is possible to apply a relatively more load to the central portion than the upper and lower.
  • the highest load is at the center portions of the left case M3 and the right case M4, as indicated by the length of arrow I1. This can be applied and relatively less loads can be applied to the top and bottom.
  • the case evaluation module 200 may allow the greatest force to be transmitted to the center portions of the left case M3 and the right case M4 so that such a situation may be well reflected.
  • the case evaluation module 200 may derive the relationship between the load of the module case and the width change amount in one curved form.
  • the y axis is a load applied to the module case, for example, the left case M3 and the right case M4 of FIG. 7, and the x axis is the change amount of the width of the module case.
  • One curve can be obtained from the coordinate system.
  • the unit of the x-axis may be a unit of length, such as 'cm'
  • the unit of the y-axis may be a unit of force or weight, such as 'kgf'.
  • Such curves can be obtained through several actual tests or simulations.
  • the curve as shown in FIG. 8 repeats the process of applying the actual force to the module case and actually measuring the amount of deformation of the module case according to the aforementioned change while changing the applied force. Can be derived.
  • the secondary battery When the secondary battery is repeatedly charged and discharged, and gas is generated therein to increase the internal pressure, the secondary battery may expand in a direction in which two wide surfaces protrude. Therefore, deformation of the battery module may be concentrated in the stacking direction of the secondary battery, that is, in the width direction of the battery module. Therefore, the case evaluation module 200 may derive a relationship regarding how much the width of the module case changes according to the load corresponding to the swelling of the secondary battery.
  • the prediction module 300 may estimate the deformation amount of the battery module by using the expansion characteristics of the battery derived by the cell evaluation module 100 and the deformation characteristics of the module case derived by the case evaluation module 200. have. That is, the prediction module 300 may include a relationship between the amount of change in thickness of the battery derived by the cell evaluation module 100 and the reaction force, and the amount of change in load and width of the module case derived by the case evaluation module 200. Using the relationship, the amount of deformation of the battery module can be predicted.
  • the present invention it is possible to reflect the predicted deformation of the battery module when designing the battery module.
  • the prediction module 300 may predict the width change amount of the battery module and the load applied to the module case as the deformation amount of the battery module.
  • the prediction module 300 may predict the value of the width change amount W2-W1 in the configuration shown in FIG. 7. Therefore, the designer of the battery module or the battery pack can design the configuration outside the battery module in view of the predicted width variation.
  • various electrical components such as a battery management system (BMS), a fuse, a relay, and the like may be provided outside the battery module, and the battery module and the electrical components are all provided in the inner space of the pack case. This can be configured. In this case, the designer may determine the arrangement of electrical components outside the battery module in consideration of the predicted width variation of the battery module.
  • BMS battery management system
  • the designer may determine the arrangement of electrical components outside the battery module in consideration of the predicted width variation of the battery module.
  • the inner space between the pack case and the module case is too narrow without considering the deformation of the battery module due to the swelling of the secondary battery, thereby preventing the electrical components located therebetween from being damaged or deformed to the pack case. have.
  • the internal space between the pack case and the module case is too wide in preparation for the deformation of the battery module, a problem that the volume of the battery pack may be unnecessarily large may occur, thereby preventing this problem.
  • the designer of the battery module or the battery pack may design the module case to have a suitable rigidity in consideration of the prediction load.
  • the designer may configure the module case as a material capable of withstanding such a load in consideration of the load predicted by the prediction module 300.
  • the designer may consider the load predicted by the prediction module 300 to thicken the corresponding part of the module case or add a reinforcement plate to withstand such load.
  • the prediction module 300 the relationship between the thickness change amount and the reaction force for the one secondary battery derived by the cell evaluation module 100, the thickness change amount and reaction force for the entire secondary battery provided in the battery module The relationship between the derivations can be derived.
  • the prediction module 300 may predict the deformation amount of the battery module by using the relationship between the thickness change amount and the reaction force with respect to the entire secondary battery converted and derived as described above.
  • the cell evaluation module 100 may derive a relationship between a thickness change amount and a reaction force with respect to the secondary battery. However, when this relationship is for one secondary cell and the battery module includes a large number of such secondary cells, the prediction module 300 sets this relationship as the relationship between the thickness variation and the reaction force for the entire secondary battery included in the battery module. Can be converted to
  • FIG. 9 schematically illustrates a configuration for converting a relationship between a thickness change amount and reaction force for one secondary battery into a relationship between thickness change amount and reaction force for all secondary batteries included in a battery module according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing.
  • the unit of the x-axis may be a unit of length, such as 'cm'
  • the unit of the y-axis may be a unit of force or weight, such as 'kgf'.
  • the relationship between the thickness change amount and the reaction force for one secondary battery derived by the cell evaluation module 100 is equal to the curve indicated by J1.
  • swelling may occur in several secondary batteries.
  • swelling may occur in most secondary batteries at an EOL point of time. Therefore, in this case, the reaction force and magnitude change amount due to this swelling may be increased to be displayed as a curve J2.
  • the secondary batteries may be arranged in a form where the wide surfaces are in contact with each other.
  • the swelling of each secondary battery may be doubled by the number included in the battery module.
  • the width variation of the entire module may be almost 10 times the thickness variation of the secondary battery.
  • the load applied to the module case or the reaction force of the outermost secondary battery may also increase significantly.
  • the prediction module 300 reflects the relationship between the thickness variation of the cell and the reaction force by the cell evaluation module 100, and the relation between the thickness variation of the entire module, that is, the width variation and the reaction force of the entire module. Can be converted to
  • the cell evaluation module 100 has been described centering on the configuration of deriving the relationship between the thickness change amount and the reaction force for one secondary battery, the cell evaluation module 100 is applied to a plurality of secondary batteries It can also be configured to derive the relationship between the thickness variation and the reaction force. In addition, the cell evaluation module 100 may directly derive a relationship between the thickness change amount and the reaction force with respect to the entire secondary battery included in the battery module.
  • the prediction module 300 can predict the deformation amount of the battery module by using the relationship between the thickness change amount and the reaction force derived by the cell evaluation module 100 without being converted separately.
  • the prediction module 300 may identify the intersection point of the curve derived by the cell evaluation module 100 and the curve derived by the case evaluation module 200. In addition, the prediction module 300 may predict the deformation amount of the battery module by using the intersection point thus identified. This will be described in more detail with reference to FIG. 10.
  • FIG. 10 is a graph schematically illustrating a deformation amount prediction configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the x-axis represents the width variation of the battery module
  • the y-axis represents the load or reaction force
  • the unit of the x-axis may be a length unit, for example 'cm' unit
  • the unit of the y-axis may be a force or weight unit, such as 'kgf'.
  • the prediction module 300 may represent a relationship between the amount of change in thickness of the battery and the reaction force derived by the cell evaluation module 100 on the coordinate plane.
  • the prediction module 300 is converted into a form for the entire secondary battery.
  • the prediction module 300 converts the J1 curve into the J2 curve, and thus, the relationship between the thickness variation amount and the reaction force for one secondary battery is included in the battery module. It can be converted into the relationship between the thickness change amount (width change amount) and reaction force with respect to the secondary battery, and can be displayed as curve K1 of FIG. In this case, curve K1 of FIG. 10 can be said to employ curve J2 of FIG.
  • the prediction module 300 may represent the relationship between the load and the width change amount of the module case derived by the case evaluation module 200 on the same coordinate plane.
  • the relationship between the load of the module case and the width change amount is equal to the curve indicated by K2 in FIG. 10. That is, the K2 curve in FIG. 10 is a relationship between the load and the width change amount of the module case derived by the case evaluation module 200, for example, the same as the curve shown in FIG. 8.
  • the prediction module 300 may identify the intersection point Kp of the K1 curve and the K2 curve.
  • Such an intersection point Kp may be a point in which a force due to cell swelling and a resistive force due to the rigidity of the module case are balanced.
  • the prediction module 300 may predict the width change amount of the battery module and its load (reaction force) at a specific cycle time, for example, an end of life (EOL) time point, using the intersection point.
  • the prediction module 300 may check the coordinates xp and yp of the intersection point Kp of the two curves.
  • the x coordinate xp of the intersection may be referred to as the width change amount of the module due to swelling of the secondary battery.
  • xp may be a predicted value of a change in module width at an EOL time point of a cell included in a battery module. For example, when xp is 15 cm, the prediction module 300 may predict that the width of the module will increase by 15 cm at the time of EOL.
  • the y coordinate yp of an intersection point can be said to be the load applied to the module by the swelling of a secondary battery.
  • yp may be the pressure or force applied to the module case at the EOL time point.
  • the prediction module 300 may predict that a force of 10 kgf will be applied to the module case at the EOL time point.
  • the secondary battery as described above, may be arranged in a left and right direction in the module case in a form standing in the vertical direction.
  • the secondary battery may be stored inside the module case in a form of standing up and down.
  • a plurality of secondary batteries may be accommodated in the module case in a form in which the secondary batteries face each other in a direction indicated by H1, that is, in a left and right direction.
  • the case evaluation module 200 may derive a relationship between the load applied to the left and right side portions of the module case and the width change amount. For example, in the configuration of FIGS. 6 and 7, the case evaluation module 200 changes the width of the secondary battery according to the load applied to the left side portion M3 and the right side portion M4 (W2). -W1) can be derived.
  • the module case M of the battery module may be configured in various other forms, unlike the embodiment of FIG. 6.
  • the module case may be configured to have two end plates.
  • Fig. 11 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a battery module including two end plates as a module case.
  • the battery module includes a plurality of pouch-type secondary batteries C, and the secondary batteries may be stably stacked in the vertical direction in a horizontally laid-down manner through the stacking cartridge R. Referring to FIG. .
  • upper and lower portions of the stack of the secondary battery C and the cartridge R may be provided with end plates Q formed in a plate shape, respectively.
  • the end plate Q may provide a mechanical support force to the battery module, and may serve to protect the secondary battery from external shocks and the like at the upper and lower portions of the secondary battery.
  • the end plate (Q) may be made of a metal material such as steel to improve the rigidity.
  • the case evaluation module 200 can derive the relationship between the load applied to the end plate and the width change amount. That is, the case evaluation module 200 may apply a load from the inside of the secondary battery to the outward direction, and measure how much of each end plate is deformed according to the applied load.
  • the case evaluation module 200 applies a load in an upper direction to a lower direction with respect to the upper end plate and the lower end plate in the configuration of FIG. 11, and the maximum distance between the upper end plate and the lower end plate.
  • the amount of change in can be measured.
  • the battery module deformation prediction apparatus may further include a verification module 400, as shown in FIG.
  • the verification module 400 may compare the deformation amount of the battery module predicted by the prediction module 300 with a reference value stored in advance.
  • the deformation amount of the battery module may be a width change amount of the battery module and / or a load applied to the module case.
  • the verification module 400 may compare the width change amount of the battery module predicted by the prediction module 300 with a width reference value previously stored in a memory or the like.
  • the verification module 400 may compare the load applied to the battery module predicted by the prediction module 300 with a load reference value stored in advance.
  • the verification module 400 may provide the comparison information to the user, such as a designer, based on the comparison result.
  • the verification module 400 may store a range of 10 cm in advance as a reference value for the width change amount of the battery module. In addition, the verification module 400 may compare and determine whether the width change amount of the battery module predicted by the prediction module 300 is smaller or larger than 10 cm. If the width change amount of the battery module predicted by the prediction module 300 is 14 cm, the verification module 400 provides the warning information to the battery module or the battery pack designer since the estimated change amount of the battery module is a dangerous level. can do. Then, the designer may redesign or reinforce the material or structure of the module case by reflecting the width variation of the battery module.
  • the cell evaluation module 100 may be configured in various forms to derive the relationship between the thickness change amount and the reaction force for one secondary battery.
  • FIG. 12 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the cell evaluation module 100 may include a fixed jig 110, a variable jig 120, and a derivation unit 130.
  • the fixing jig 110 may be configured to hold a secondary battery by having a storage space of the secondary battery.
  • the fixing jig 110 may be configured such that the pouch type secondary battery is held in a flatly laid down form.
  • the fixing jig 110 may be configured to limit the expansion of the retained secondary battery. That is, even if gas is generated inside the secondary battery to increase the internal pressure, the fixing jig 110 may be configured not to allow the secondary battery to expand.
  • the fixing jig 110 may limit the expansion in the upper and lower directions of the retained secondary battery. That is, the fixing jig 110 may limit the expansion of the secondary battery having a flat shape in the plane direction (the upper and lower directions of FIG. 2).
  • the fixing jig 110 may measure a change in reaction force according to the charge / discharge cycle of the rechargeable secondary battery. An example of a specific configuration of the fixing jig 110 will be described with reference to FIG. 13.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing the configuration of the fixing jig 110 of the cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fixing jig 110 may include a fixing upper jig 111, a fixing lower jig 112, a fixing base member 113, and a fixing measuring member 114.
  • the fixed upper jig 111 may be positioned above the space in which the secondary battery C is held in the fixed jig 110. That is, when the secondary battery C is accommodated in the fixed jig 110, the fixed upper jig 111 may be positioned above the secondary battery C. Furthermore, the fixed upper jig 111 may be configured to face and face the wide upper surface of the secondary battery.
  • the fixed upper jig 111 may be configured to fix a position.
  • the fixed upper jig 111 may be configured such that the vertical position is fixed without moving in the vertical direction. Accordingly, the fixed upper jig 111 may maintain its position even when swelling occurs in the secondary battery according to charging and discharging of the secondary battery C.
  • the fixing jig 110 may limit the expansion of the secondary battery C in the upper direction.
  • the fixed lower jig 112 may be positioned below the fixed upper jig 111.
  • the fixed lower jig 112 may be spaced apart from the fixed upper jig 111 by a predetermined distance to form a storage space of the secondary battery, that is, a space in which the secondary battery may be accommodated.
  • the secondary battery may be accommodated in a holding space between the fixed upper jig 111 and the fixed lower jig 112.
  • the pouch-type secondary battery may be seated between the fixed upper jig 111 and the fixed lower jig 112 in a form of lying flat so that two wide surfaces face in the upper and lower directions.
  • the fixed lower jig 112 may be configured to face the wide bottom surface of the secondary battery.
  • the fixed base member 113 may be positioned below the fixed lower jig 112.
  • the fixed base member 113 may be configured to be spaced apart from the fixed lower jig 112 by a predetermined distance.
  • the fixed base member 113 may be mutually coupled with the fixed upper jig 111 and the fixed lower jig 112.
  • the fixed upper jig 111, the fixed lower jig 112, and the fixed base member 113 are formed by passing through a plurality of fastening members such as bolts L. Can be combined.
  • the fixed base member 113 and the fixed upper jig 111 may be coupled so that the separation distance between each other does not exceed a predetermined level.
  • the top and bottom of the four bolts L protrude to the top of the fixed upper jig 111 and the bottom of the fixed base member 113, respectively, and the nut N is provided at each of these protrusions.
  • the fixed upper jig 111 and the fixed base member 113 may not be further separated from each other based on the portion where the nut N is fastened.
  • the fixed lower jig 112 may be configured to be movable in the vertical direction while the bolt is penetrated.
  • at least one through hole may be formed in the fixed lower jig 112, and the bolt L penetrating the fixed upper jig 111 and the fixed base member 113 may pass through the through hole.
  • the fixed lower jig 112 may be configured to be movable up and down along the bolt in a state where the bolt is penetrated.
  • the fixed measuring member 114 is positioned below the fixed lower jig 112 to prevent the position of the fixed lower jig 112 from moving downward.
  • the fixed measuring member 114 may be interposed in a space between the fixed base member 113 and the fixed lower jig 112. In addition, the fixed measuring member 114 may measure the reaction force due to the swelling of the secondary battery. In the secondary battery, as charging and discharging are performed, gas may be generated therein, thereby increasing the internal pressure, and the fixed measuring member 114 may be applied to the fixed lower jig 112 by such an increase in the internal pressure. The load can be measured as a reaction force.
  • the fixed lower jig 112 may move downward, and may press the fixed measuring member 114 positioned below the secondary battery. Then, the fixed measuring member 114 may measure the reaction force according to the degree of pressure and quantify it. In this case, the fixed measuring member 114 may be configured such that its thickness does not change even when it is pressed. And, due to this, even if the internal pressure of the secondary battery increases, the fixed lower jig 112 may not substantially move downward. Therefore, in this case, the thickness of the secondary battery in the fixing jig 110 may not change.
  • the fixed measuring member 114 may be implemented as a load cell.
  • the load cell may be deformed by compression or the like by the reaction force applied to the fixed lower jig 112, and the applied pressure may be measured by quantifying the degree of deformation.
  • FIG. 14 is an example of a graph showing a result of measuring a change amount of reaction force with increasing cycle by the fixing jig 110 of the cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the x-axis is a charge / discharge cycle, and the unit may be 'time'.
  • the y-axis is a reaction force, and the unit may be 'kgf'.
  • the degree of expansion may be further increased.
  • the reaction force (load) measured by the fixed measuring member 114 of the fixed jig 110 may continue to increase.
  • the fixed measuring member 114 of the fixed jig 110 can measure the reaction force due to expansion periodically or aperiodically.
  • the reaction force measured by the fixed measuring member 114 of the fixed jig 110 may be obtained in a graph form, as shown in FIG. 14.
  • the fixed upper jig 111, the fixed lower jig 112, and / or the fixed base member 113 may be configured in the form of a flat plate.
  • the vertical size of the jig can be reduced, and can stably and uniformly contact the secondary battery through a wide and flat surface.
  • the cell evaluation module 100 according to the present invention can perform an evaluation on a pouch-type secondary battery.
  • the pouch-type secondary battery may be configured in a flat shape having a substantially rectangular shape having two wide surfaces. . In this case, in the pouch type secondary battery, two wide surfaces may contact the lower surface of the fixed upper jig 111 and the upper surface of the fixed lower jig 112. In this case, a wider contact area may be formed.
  • the variable jig 120 may be configured to hold a secondary battery by including a storage space of the secondary battery.
  • the variable jig 120 may be configured such that the pouch-type secondary battery is held in a flatly laid down form.
  • variable jig 120 may be configured to allow expansion of the retained secondary battery. Furthermore, the variable jig 120 may be configured to allow upward expansion of the secondary battery. That is, unlike the fixing jig 110, the variable jig 120 may be configured to allow the secondary battery to expand in a plane direction, particularly in an upward direction when gas is generated inside the secondary battery and the internal pressure increases. Can be.
  • the variable jig 120 may measure an amount of reaction force and thickness change according to the charge / discharge cycle of the rechargeable secondary battery. In particular, since the variable jig 120 allows expansion of the secondary battery, the variable jig 120 may measure an amount of change in the thickness of the secondary battery together with reaction force caused by the secondary battery. An example of a specific configuration of the variable jig 120 will be described in more detail with reference to FIG. 15.
  • 15 is a perspective view schematically showing the configuration of the variable jig 120 of the cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • variable jig 120 may include a variable upper jig 121, a variable lower jig 122, a variable base member 123, a variable measuring member 124, and an elastic member 125. Can be.
  • variable upper jig 121 may be positioned above the space in which the secondary battery is held in the variable jig 120. That is, when the secondary battery is accommodated in the variable jig 120, the variable upper jig 121 may be positioned above the secondary battery.
  • variable upper jig 121 may be configured to move the position.
  • the variable upper jig 121 may be configured to be movable in the vertical direction.
  • the variable upper jig 121 may move upward. Therefore, when swelling occurs in the secondary battery due to charging and discharging of the secondary battery and the volume thereof expands, the variable upper jig 121 may move in an upward direction as shown by the arrow E. FIG. . That is, since the variable upper jig 121 may move in position, the variable jig 120 may allow the secondary battery to expand upward.
  • the variable lower jig 122 may be positioned below the variable upper jig 121.
  • the variable lower jig 122 may be spaced apart from the variable upper jig 121 by a predetermined distance to form a storage space of the secondary battery.
  • the secondary battery may be accommodated in a storage space between the variable upper jig 121 and the variable lower jig 122.
  • the pouch-type secondary battery may be seated between the variable upper jig 121 and the variable lower jig 122 in a state in which two wide surfaces are laid flat so as to face in the upper and lower directions.
  • variable base member 123 may be located below the variable lower jig 122. In addition, the variable base member 123 may be configured to be spaced apart from the variable lower jig 122 by a predetermined distance.
  • variable base member 123 may be coupled to the variable upper jig 121 and the variable lower jig 122.
  • the variable upper jig 121, the variable lower jig 122, and the variable base member 123 are formed in a form in which a plurality of fastening members such as bolts L are penetrated. Can be combined.
  • variable lower jig 122 may be configured to be movable in the vertical direction while the bolt L penetrates.
  • six through holes may be formed in the variable lower jig 122, and bolts penetrating through the variable upper jig 121 and the variable base member 123 may pass through the through holes.
  • the through hole may be formed at the corner portion of the variable lower jig rather than the center portion. According to this configuration of the present invention, it is possible to secure a wide mounting space of the secondary battery at the upper part of the variable lower jig, and to reduce the limitation of the mounting space of the secondary battery by the bolt passing through the through hole.
  • variable upper jig 121 and / or the variable lower jig 122 may be configured such that it is not easily bent by an external force such as a rigid body.
  • the variable upper jig 121 and / or the variable lower jig 122 may be configured not to be bent by expansion of the secondary battery or pressure of the elastic member 125. In this case, the force due to the expansion of the secondary battery or the pressing of the elastic member 125 is evenly transmitted to the variable upper jig 121 or the variable lower jig 122, so that more accurate deformation amount and reaction force measurement can be possible.
  • variable measuring member 124 may be interposed in a space between the variable base member 123 and the variable lower jig 122.
  • the variable measuring member 124 may measure the reaction force due to the swelling of the secondary battery C. That is, when gas is generated in the secondary battery and the secondary battery is expanded, the variable measuring member 124 may measure the magnitude of the pressing force due to the expansion.
  • variable lower jig 122 may move downward, and may press the variable measuring member 124 positioned below the secondary battery. Then, the variable measuring member 124 can measure and quantify the reaction force according to the pressed degree.
  • the variable measuring member 124 like the fixed measuring member 114, may be implemented as a load cell. In addition, the variable measuring member 124 may be configured such that its thickness does not change. Therefore, even when the secondary battery is expanded, the variable lower jig 122 may not substantially move downward.
  • variable measuring member 124 may measure the amount of change in thickness according to the charge / discharge cycle of the secondary battery. That is, when gas is generated inside the secondary battery and the volume is expanded, the variable measuring member 124 may measure the degree of thickness deformation caused by the expansion of the secondary battery. For example, when the secondary battery is expanded and the variable upper jig 121 moves upward and the variable lower jig 122 moves downward, the variable measuring member 124 is variable with the variable upper jig 121. By measuring the distance between the lower jig 122, it is possible to measure the thickness change of the secondary battery.
  • the elastic member 125 may be coupled to the variable upper jig 121.
  • the elastic member 125 may be formed of a structure or a material having elasticity.
  • the elastic member 125 may be configured in the form of a spring of a metal material.
  • the elastic member 125 may be made of a rubber material.
  • the elastic member 125 may be configured such that a restoring force is formed in the opposite direction with respect to the movement of the variable upper jig 121.
  • a restoring force is formed in the opposite direction with respect to the movement of the variable upper jig 121.
  • the elastic member 125 increases the elastic energy and tries to return to the opposite direction, that is, the lower direction.
  • the restoring force can be formed.
  • the secondary battery when measuring the reaction force and the thickness change amount according to the swelling of the secondary battery by the variable jig 120, it is possible to similarly implement the stiffness or elasticity of the peripheral structure of the secondary battery.
  • the secondary battery may be wrapped by a case or cartridge, which may have a certain level of elasticity.
  • the elastic member 125, the case or the cartridge can be implemented, the expansion characteristics of the secondary battery in the actual battery module, more accurately and easily grasp in consideration of the stiffness of the surrounding structures, etc. Can be.
  • the elastic member 125 may be located above the variable upper jig 121.
  • the elastic member 125 may be positioned above the variable upper jig 121.
  • the lower end of the elastic member 125 may be configured to contact the variable upper jig 121. Therefore, when the variable upper jig 121 moves upward due to expansion of the secondary battery, the lower end of the elastic member 125 may move upward.
  • the upper end of the variable upper jig 121 is configured to be movable, when the upper direction of the variable upper jig 121 moves, the upper end of the elastic member 125 also moves upward, so that the elastic member 125 is appropriately compressed. It's hard to be. Therefore, it is preferable that the upper end of the elastic member 125 is fixed at a fixed position.
  • the upper end of the elastic member 125 may be fixedly coupled to the variable base member 123.
  • the distance between the elastic member 125 and the variable base member 123 may be kept constant. Therefore, even when the secondary battery is expanded and the variable upper jig 121 moves upward and the lower end of the elastic member 125 moves upward, the upper end of the elastic member 125 may be fixed at a predetermined position. Therefore, the elastic member 125 may be compressed by increasing the distance between the upper end and the lower end, thereby increasing elastic energy, and a force to be restored in the opposite direction may be formed.
  • variable jig 120 may include one or more bolts.
  • the variable jig 120 may include a plurality of bolts N in a form extending in the vertical direction.
  • the bolt may be configured to sequentially pass through the variable base member 123, the variable lower jig 122, the variable upper jig 121, and the elastic member 125 from the bottom to the upper direction.
  • variable base member 123 variable lower jig 122, variable upper jig 121, and elasticity
  • bolt elastic.
  • Member 125 may be coupled to each other. Furthermore, since the bolts are configured to penetrate each of these components, the exposure of the components to join them can be minimized and the overall volume can be reduced.
  • the elastic member 125 may include a lower plate, a spring, and an upper plate.
  • variable jig 120 includes six elastic members 125, and each of the elastic members 125 includes a lower plate F1, a spring S, and an upper plate F2. It may be configured in the form having a).
  • the lower plate F1 may be configured in a flat plate shape and may have a lower surface contacting the upper surface of the variable upper jig 121.
  • the lower plate may be configured to penetrate the bolt.
  • the spring (S) is seated on the upper plate, for example, may be formed of a metal material.
  • the spring is formed in a spiral shape, the bolt may be configured to pass through the hollow.
  • the upper plate F2 may be configured in the form of a flat plate and positioned above the spring.
  • the top plate may be configured to be fixedly coupled with the bolt.
  • the upper plate may have a variable base member 123, a variable lower jig 122, a variable upper jig 121, a lower plate and a bolt penetrating the spring to expose an upper end thereof, and an exposed portion of the bolt.
  • the nut (N) is coupled to the upper plate may be fixed to the bolt.
  • the upper portion of the spring can be stably fixed by the top plate. Also, in this case, when the variable upper jig 121 moves upward due to the expansion of the secondary battery, the pressing force applied to the spring may be evenly transmitted to the lower portion of the spring by the lower plate. Therefore, it is possible to prevent irregular detachment or deformation of the spring due to the pressing force when the secondary battery is expanded.
  • 16 is an example of a graph showing reaction force and thickness variation according to charge and discharge measured by the variable jig 120 of the cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the x-axis is a charge / discharge cycle, and the unit may be 'time'.
  • the y-axis is a reaction force or thickness change amount, the unit may be 'kgf' or 'mm'.
  • the reaction force measured by the variable measuring member 124 of the variable jig 120 may continue to increase as the secondary battery charges and discharges.
  • the variable measuring member 124 of the variable jig 120 also measures the reaction force caused by expansion periodically or non-periodically several times, thereby changing the change of reaction force as indicated by A1 in FIG. 16. It can be obtained in the form of a curve.
  • the secondary battery may expand and generate gas therein as charging and discharging are repeated. Therefore, the thickness of the secondary battery may gradually increase as the charge / discharge cycle increases. Therefore, the deformation amount, that is, the thickness change amount of the battery measured by the variable jig 120 may have a curved shape that gradually increases with time as indicated by A2 in FIG. 16.
  • the derivation unit 130 may derive the relationship between the thickness change of the secondary battery and the reaction force by using the reaction force measured by the fixing jig 110 and the reaction force and thickness change measured by the variable jig 120. Can be.
  • the derivation unit 130 may include a reaction force at a predetermined time point of the reaction force measured by the fixing jig 110, a reaction force at a predetermined time point of the reaction force and thickness variation measured by the variable jig 120, and The thickness change amount can be used to derive the relationship between the thickness change amount of the secondary battery and the reaction force.
  • the derivation unit 130 may derive a relationship between the change amount of the thickness of the secondary battery and the reaction force on the basis of the same charging / discharging cycle time point. That is, the derivation unit 130 uses the reaction force measured by the fixed jig 110, the reaction force measured by the variable jig 120, and the thickness change amount measured by the variable jig 120 at the same charging / discharging cycle time point. The relationship between the amount of change and the reaction force can be derived.
  • the derivation unit 130 may obtain the y coordinate value a0 at the time point T1 on the reaction force graph of the secondary battery obtained by the fixing jig 110.
  • This y coordinate value a0 is a reaction force value of the secondary battery at T1.
  • the derivation unit 130 may obtain the y coordinate value a11 at the time T1 on the reaction force graph A1 obtained by the variable jig 120.
  • the derivation unit 130 may obtain the y coordinate value b11 at the time point T1 on the strain graph B1 of the secondary battery obtained by the variable jig 120.
  • the derivation unit 130 calculates the relationship between the thickness change amount and the reaction force of the secondary battery using the reaction force value and the deformation amount (thickness change amount) value obtained at a predetermined time point through the fixed jig 110 and the variable jig 120. Can be derived.
  • the derivation unit 130 may derive a relationship between the change amount of the thickness of the secondary battery and the reaction force on the basis of the point of time when the reaction force measured by the fixing jig 110 becomes the maximum.
  • the point in time at which the reaction force of the battery becomes maximum may be referred to as T1. Therefore, when the cycle time point T1 at which the reaction force of the battery is maximized by the fixing jig 110 is determined, the reaction force and thickness variation values measured by the variable jig 120 are determined based on the time point T1. Can be extracted.
  • the secondary battery may have a roughly predicted or determined life from the manufacture of the battery. Therefore, the predicted reaction force and thickness change prediction time may be determined based on the predicted or determined life.
  • the time point T1 may be set to 5000 cycles in the graphs of FIGS. 14 and 16. Therefore, in this case, the reaction force of the secondary battery due to the fixing jig 110 and the reaction force and thickness variation of the secondary battery due to the variable jig 120 may be extracted at the time when the cycle becomes 5000 cycles.
  • the derivation unit 130 may derive a graph of the reaction force according to the thickness change amount of the secondary battery.
  • the derivation unit 130 may derive a graph on a coordinate plane in which the deformation amount of the secondary battery, that is, the thickness change amount is the x axis, and the reaction force of the secondary battery is the y axis.
  • the derivation unit 130 uses the reaction force value at the predetermined time point obtained by the fixed jig 110, and the reaction force value and deformation amount value at the predetermined time point obtained by the variable jig 120.
  • the strain-reaction graph can be derived.
  • 17 is a diagram schematically illustrating a configuration in which the relationship between the deformation amount of the secondary battery and the reaction force is derived by the derivation unit 130 of the cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the derivation unit 130 may set a coordinate plane in which the x-axis is the thickness variation of the secondary battery and the y-axis is the reaction force of the secondary battery.
  • the unit of the x-axis may be a unit of length, such as 'mm'
  • the unit of the y-axis may be a unit of force or weight, such as 'kgf'.
  • the derivation unit 130 may be displayed as a point using the reaction force value at the time point T1 obtained by the fixing jig 110.
  • a0 which is a reaction force value at a time T1
  • the x coordinate at this time may be zero. Therefore, the derivation unit 130 can obtain the coordinate point P0 of (0, a0) by the fixing jig 110. That is, the derivation unit 130 may allow the reaction force obtained by the fixing jig 110 to be input as a y-intercept on the deformation amount-reaction coordinate plane.
  • the derivation unit 130 may display at least one point in the coordinate plane by using the deformation amount value and the reaction force value at the time point T1 obtained by the variable jig 120.
  • the derivation unit 130 may display at least one point in the coordinate plane by using the deformation amount value and the reaction force value at the time point T1 obtained by the variable jig 120.
  • b11 which is a thickness change amount (strain amount) value at time T1, as x coordinate
  • a11 which is reaction force value at time T1, as y coordinate.
  • the point P1 can be obtained.
  • the derivation unit 130 can obtain one line by using the two points P0 and P1 obtained by the fixed jig 110 and the variable jig 120. That is, the derivation unit 130 may obtain one graph by connecting the points obtained by the fixed jig 110 and the variable jig 120 with each other.
  • variable jig 120 includes an elastic member 125, which may be configured to be replaceable.
  • variable upper jig 121 is coupled with the elastic member 125, and the variable upper jig 121 may be configured to replace the elastic member 125. .
  • variable jig 120 may be configured to be replaced with another type of elastic member 125.
  • the variable jig 120 may be configured such that the spring constant is replaced with another elastic member 125.
  • the variable upper jig 121 and the elastic member 125 included in the variable jig 120 may be separated and fastened by being coupled to each other by a hook coupling structure.
  • the variable upper jig 121 and the elastic member 125 may be configured to be detachable and fastened by being coupled to each other by a fitting coupling structure.
  • an insertion groove is formed on the upper portion of the variable upper jig 121 in a size and shape corresponding to a lower outer shape of the elastic member 125, and the lower portion of the elastic member 125 may be inserted into the insertion groove.
  • the elastic member 125 may be implemented in the form of a spring formed in a spiral shape of a metal material.
  • a spring elastic body having different spring constants may be coupled to the variable upper jig 121 while being replaced.
  • the elastic member 125 may be positioned above the variable upper jig 121 and may be coupled to the variable upper jig 121. In this case, the elastic member 125 may be replaced more easily.
  • variable jig 120 when the elastic members 125 having different spring constants are coupled to the variable jig 120, the variable jig 120 may be configured such that each of the elastic members 125 is connected to the variable jig 120. For each combined case, reaction force and thickness variation according to charge and discharge cycles of the secondary battery may be measured.
  • FIG. 18 is a graph illustrating a reaction force change according to a cycle of various cases in which elastic members 125 having different spring constants are coupled in a variable jig of the cell evaluation module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a graph showing an amount of thickness change according to various cycles in which elastic members 125 having different spring constants are coupled.
  • the x-axis is a charge / discharge cycle, and the unit may be 'time'.
  • the y-axis is a reaction force, the unit may be 'kgf'.
  • the x-axis is a charge / discharge cycle, and the unit may be 'time'.
  • the y-axis is the thickness change amount, the unit may be 'mm'.
  • the reaction force graph A1 and the deformation amount graph B1 are shown in the same form as shown in FIG.
  • the reaction force value of A1 and the deformation amount value of B1 may be referred to as a11 and b11, respectively.
  • the coordinate points (b11, a11) can be obtained (P1), as described above with reference to FIG. 17.
  • the reaction force graph is A1. It can be obtained in the form of an A2 graph having a reaction force value lower than that of. And, as the spring constant is lowered, the thickness variation of the battery is larger. As shown in FIG. 19, the strain graph may be obtained in the form of a B2 graph having a higher thickness variation than the case of B1. In this case, the thickness change amount and the reaction force value at the time T1 can be derived as b12 and a12. Therefore, a coordinate point of one point (b12, a12) of the thickness variation-reaction coordinate plane can be obtained from this (P2).
  • the elastic jig 120 having a lower spring constant is included in the variable jig 120 than when the graphs of A2 and B2 are derived, as in the graphs indicated by A3 and B3 in FIGS.
  • a graph can be obtained in which the value becomes smaller and the thickness change amount value becomes larger.
  • the thickness change amount and the reaction force value at the time T1 can be derived as b13 and a13. Therefore, a coordinate point of one point (b13, a13) of the thickness variation-reaction coordinate plane can be obtained from this (P3).
  • the reaction force value becomes smaller as indicated by A4 and B4 in FIGS. 18 and 19.
  • a larger graph can be obtained.
  • the thickness change amount and the reaction force value at the time T1 can be derived as b14 and a14. Therefore, a coordinate point (b14, a14) of the thickness change amount-reaction coordinate plane can be obtained from this (P4).
  • the derivation unit 130 may obtain a thickness variation-reaction graph using these coordinate points. That is, when the reaction force and the thickness change amount according to the charge / discharge cycles are measured for each case in which the plurality of elastic members 125 having different spring constants are coupled by the variable jig 120, the derivation unit 130 may determine this. The relationship between the thickness change amount and the reaction force of the secondary battery can be derived.
  • the unit of the x-axis may be a unit of length, such as 'mm'
  • the unit of the y-axis may be a unit of force or weight, such as 'kgf'.
  • the derivation unit 130 uses the coordinate points (0, a0) obtained by the fixing jig 110 in the embodiment of FIG. 14 in the deformation amount-reaction coordinate plane.
  • One point P0 can be displayed.
  • the derivation unit 130 coordinates four coordinate points P1, P2, P3, and P4 obtained by varying the spring constant by the variable jig 120 in the embodiment of FIGS. 18 and 19. It can be displayed on.
  • the derivation unit 130 may obtain one line V using the five points P0 to P5 displayed as described above.
  • the derivation unit 130 may derive one curve V using these five points.
  • the curve V derived as described above is a graph of the relationship between the deformation amount of the secondary battery and the reaction force.
  • the graph of FIG. 11 may be the graph of FIG. 5 described above.
  • the derivation unit 130 can obtain a more accurate curve as the coordinate points in the case where the spring constant is different.
  • the cell evaluation module 100 may be configured in various forms to derive a relationship between the load applied to the module case and the width change amount of the module case.
  • the cell evaluation module 100 may include a load applying unit and a change amount measuring unit.
  • the load application unit can apply a load to the module case. Furthermore, the load application unit can apply a load from the inside of the module case to the outside direction. For example, the load applying unit may apply a load to the module case, as indicated by arrow I1 in FIG. 7.
  • the load applying unit can apply a load to the module case while changing the magnitude of the load.
  • the load applying unit may apply a load to each part with a variation without applying the same load to the module case as a whole.
  • the load applying unit may allow more load than the central portion of the module case to be applied to, for example, an outer portion, such as an upper portion or a lower portion. In this case, it is possible to reflect the form in which the expansion of the secondary battery occurs a lot in the center portion.
  • the change amount measuring unit may measure the degree to which the module case changes as a load is applied by the load applying unit.
  • the load application unit can measure the amount of change in the overall width of the module case.
  • the change amount measuring unit may measure a difference between W2 and W1 in FIG. 7.
  • variable jig variable jig
  • variable upper jig variable upper jig
  • 122 variable lower jig
  • 123 variable base member
  • 124 variable measuring member
  • 125 elastic member

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Abstract

본 발명은 이차 전지의 스웰링에 따른 배터리 모듈의 변형 정도를 효과적이고 정확하게 예측할 수 있는 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치는, 하나 이상의 이차 전지를 모듈 케이스 내에 구비하는 배터리 모듈에서, 상기 이차 전지의 스웰링에 의한 배터리 모듈의 변형을 예측하는 장치로서, 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출하는 셀 평가 모듈, 상기 모듈 케이스에 인가되는 하중과 상기 모듈 케이스의 폭 변화량 사이의 관계를 도출하는 케이스 평가 모듈, 및 상기 셀 평가 모듈에 의해 도출된 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계 및 상기 케이스 평가 모듈에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 이용하여, 배터리 모듈의 변형량을 예측하는 예측 모듈을 포함한다.

Description

배터리 모듈 변형 예측 장치
본 출원은 2017년 1월 24일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2017-0011229호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 모듈의 변형을 예측하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차 전지의 사용 내지 퇴화에 따른 스웰링에 의해 배터리 모듈이 변화하는 정도를 효과적이고 정확하게 예측할 수 있는 장치에 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.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 배터리 팩에 대해서는, 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.
도 1은 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 파우치형 이차 전지(C)는, 전극 조립체(20)와 상기 전극 조립체(20)를 수용하는 파우치 외장재(30)를 포함할 수 있다.
여기서, 전극 조립체(20)는, 양극판과 음극판, 그리고 그 사이에 개재된 세퍼레이터를 기본 구조로 가지며, 파우치 외장재(30)에 형성된 내부 공간에 수용될 수 있다. 이때, 파우치 외장재(30)는 상부 파우치(31)와 하부 파우치(32)로 형성될 수 있으며, 이러한 상부 파우치(31)와 하부 파우치(32)의 외주면에는 실링부가 구비되어 이러한 실링부가 서로 접착됨으로써 전극 조립체(20)가 수용된 내부 공간은 밀폐될 수 있다.
여기서, 양극판과 음극판으로부터는, 각각 하나 이상의 양극 탭(21)과 음극 탭(22)이 연장될 수 있다. 그리고, 이러한 양극 탭(21)과 음극 탭(22)은 각각 플레이트 형태의 전극 리드(10), 즉 플레이트 형태의 양극 리드(11) 및 플레이트 형태의 음극 리드(12)와 결합될 수 있다. 그리고, 양극 리드(11)와 음극 리드(12)의 일부는 파우치 외장재(30)의 외부로 노출됨으로써 이차 전지의 외부 구성, 이를테면 다른 이차 전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있도록 전극 단자를 제공할 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, 파우치 형태로 구성된 외장재의 구조적 강성이 약해서 이러한 스웰링 현상은 더욱 심하게 발생할 수 있다.
이처럼, 이차 전지에 스웰링 현상이 발생하면, 전지 내부의 압력이 높아지고 부피가 증가하여, 배터리 모듈의 구조적 안정성에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 더욱이, 배터리 모듈에는 다수의 이차 전지가 포함되는 경우가 많다. 특히, 자동차나 에너지 저장 장치(ESS) 등에 사용되는 중대형 배터리 모듈의 경우, 높은 출력 내지 높은 용량을 위해 매우 많은 수의 이차 전지가 포함되어 상호 연결될 수 있다. 이때, 각 이차 전지에서 스웰링으로 인해 약간씩만 부피가 증가한다 하더라도, 배터리 모듈 전체적으로는 각 이차 전지의 부피 변화가 합산되어 변형량은 심각한 수준에 이를 수 있다. 때문에, 각 이차 전지의 스웰링에 따른 부피 팽창 현상은, 배터리 모듈의 구조적 안정성을 전반적으로 저하시킬 수 있다.
배터리 모듈의 구조적 안정성의 저하를 방지하기 위해서는, 이러한 이차 전지의 스웰링에 의한 변형량을 미리 예측하여 배터리 모듈 설계에 반영할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 이차 전지의 스웰링에 따른 배터리 모듈의 변형 정도를 효과적이고 정확하게 예측할 수 있는 장치를 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 모듈 변형 예측 장치는, 하나 이상의 이차 전지를 모듈 케이스 내에 구비하는 배터리 모듈에서, 상기 이차 전지의 스웰링에 의한 배터리 모듈의 변형을 예측하는 장치로서, 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출하는 셀 평가 모듈, 상기 모듈 케이스에 인가되는 하중과 상기 모듈 케이스의 폭 변화량 사이의 관계를 도출하는 케이스 평가 모듈, 및 상기 셀 평가 모듈에 의해 도출된 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계 및 상기 케이스 평가 모듈에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 이용하여, 배터리 모듈의 변형량을 예측하는 예측 모듈을 포함한다.
여기서, 상기 셀 평가 모듈은, 상기 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 1개의 곡선 형태로 도출할 수 있다.
또한, 상기 케이스 평가 모듈은, 상기 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 1개의 곡선 형태로 도출할 수 있다.
또한, 상기 예측 모듈은, 상기 셀 평가 모듈에 의해 도출된 1개의 곡선과 상기 케이스 평가 모듈에 의해 도출된 1개의 곡선의 교차점을 확인하고, 확인된 교차점을 이용하여 상기 배터리 모듈의 변형량을 예측할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈은 다수의 이차 전지를 구비하고, 상기 예측 모듈은, 상기 셀 평가 모듈에 의해 도출된 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 배터리 모듈에 구비된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계로 변환 도출하고, 변환 도출된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 이용하여, 상기 배터리 모듈의 변형량을 예측할 수 있다.
또한, 상기 이차 전지는, 상하 방향으로 세워진 형태로 상기 모듈 케이스 내부에서 좌우 방향으로 적층 배열되고, 상기 케이스 평가 모듈은, 상기 모듈 케이스의 좌우 측면부에 대한 인가 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 도출할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 판상으로 구성되어 상기 이차 전지의 적층 방향 양단에 각각 위치하는 2개의 엔드 플레이트를 구비하고, 상기 케이스 평가 모듈은, 상기 엔드 플레이트에 인가되는 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 도출할 수 있다.
또한, 상기 예측 모듈은, 상기 배터리 모듈의 변형량으로서, 상기 배터리 모듈의 폭 변화량 및 상기 모듈 케이스에 인가되는 하중을 예측할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치는, 상기 예측 모듈에 의해 예측된 배터리 모듈의 변형량을 미리 저장된 참조값과 비교하는 검증 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지의 사용으로 충방전이 반복됨에 따라 이차 전지의 내부에서 가스가 생성되고, 이러한 가스 생성으로 이차 전지의 부피가 팽창하는 스웰링 현상이 발생한 경우, 이로 인한 배터리 모듈의 변형량을 보다 정확하고 효율적이며 신속하게 예측할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 예측된 변형량을 배터리 모듈 설계에 반영하여, 보다 안정적인 배터리 모듈 구조를 도출할 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, 일반적인 파우치형 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는, 도 1의 파우치형 이차 전지의 결합도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 두께 변화량 측정 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈에 의해 도출된 두께 변화량에 따른 반력 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 배터리 모듈에 구비되는 모듈 케이스의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 케이스의 폭 변화량 측정 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 평가 모듈에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 변형량 사이의 관계를 나타내는 곡선 그래프이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 배터리 모듈에 포함된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계로 변환하는 구성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 변형량 예측 구성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 11은, 모듈 케이스로서 2개의 엔드 플레이트를 구비하는 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 고정 지그의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 고정 지그에 의해 싸이클이 증가함에 따른 반력의 변화량을 측정한 결과를 나타내는 그래프의 일례이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 가변 지그의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 가변 지그에 의해 측정된 충방전에 따른 반력과 두께 변화량을 나타내는 그래프의 일례이다.
도 17은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 도출 유닛에 의해 이차 전지의 변형량과 반력 사이의 관계가 도출되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 가변 지그에서 스프링 상수가 서로 다른 탄성 부재가 결합된 여러 경우의 싸이클에 따른 반력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 19는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈의 가변 지그에서 스프링 상수가 서로 다른 탄성 부재가 결합된 여러 경우의 싸이클에 따른 두께 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 20은, 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 평가 모듈의 가변 지그에서 스프링 상수를 달리한 여러 경우를 이용하여 얻어진 변형량과 반력 사이의 관계를 나타내는 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 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.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 변형 예측 장치는, 하나 이상의 이차 전지를 모듈 케이스 내에 구비하는 배터리 모듈에 대하여, 이차 전지의 스웰링에 따른 배터리 모듈의 변형을 예측할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 변형 예측 장치는, 파우치형 이차 전지를 구비하는 배터리 모듈에 보다 효과적으로 적용될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치는, 셀 평가 모듈(100), 케이스 평가 모듈(200) 및 예측 모듈(300)을 포함할 수 있다.
상기 셀 평가 모듈(100)은, 단일 셀, 즉 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈에 10개의 셀(이차 전지)이 포함된 경우, 상기 셀 평가 모듈(100)은, 그 중 1개의 셀에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다.
여기서, 셀의 두께 변화량 및 반력은, 이차 전지의 충방전에 따라 이차 전지 내부에서 가스가 생성되어 스웰링 현상이 발생한 경우, 그러한 스웰링에 의해 형성된 두께 변화량 및 반력일 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 두께 변화량 측정 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 이차 전지는 제조 직후 L1으로 표시된 바와 같은 두께를 가질 수 있다. 여기서, 이차 전지의 두께란 2개의 파우치가 서로 적층되는 방향으로의 전지의 최대 길이를 의미한다고 할 수 있다. 그런데, 이차 전지의 충방전이 많이 반복되면, 예를 들어 이차 전지의 수명 종료 시점(EOL: End Of Life)까지 이차 전지가 사용되면, 내부에서 발생한 가스로 인해, 이차 전지는, 점선으로 표시된 바와 같이, 중앙 부분이 상당히 부풀어오를 수 있다. 따라서, 이러한 EOL 시점에서의 이차 전지의 최대 두께는, L2로까지 늘어날 수 있다. 이러한 도 4의 구성에서 셀의 두께 변화량은, L2에서 L1을 뺀 값, 즉 'L2-L1'으로 표시될 수 있다.
한편, 배터리 모듈에 이차 전지가 구비될 때, 이러한 이차 전지의 주변에는 이차 전지를 감싸는 구성요소, 이를테면 모듈 케이스나 엔드 플레이트, 카트리지 등의 구조물이 존재할 수 있다. 이 경우, 이러한 주변 구조물에 따라 이차 전지의 팽창이 제한되거나 허용될 수 있으며, 또한 이차 전지의 팽창이 허용되더라도 허용 정도가 다를 수 있다. 더욱이, 이차 전지의 주변 구조물의 강성에 따라 이러한 이차 전지의 팽창에 대한 허용 여부 내지 허용 정도가 결정될 수 있다. 그리고, 이차 전지의 주변 구조물에 의해 이차 전지의 팽창이 제한되거나 어느 정도까지만 허용되는 경우, 이차 전지에는 반력이 가해질 수 있다.
상기 셀 평가 모듈(100)은, 셀과 관련하여, 소정 두께 변화량에 대하여 반력은 어느 정도인지, 또는 소정 반력에 대하여 두께 변화량이 어느 정도인지 등에 대한 셀 팽창 특성을 평가할 수 있다.
더욱이, 배터리 모듈에 다수의 이차 전지가 포함될 때, 이러한 다수의 이차 전지는 모두 동일한 종류일 수 있다. 즉, 배터리 모듈에 포함된 다수의 이차 전지는, 소재나 형태 등이 모두 동일하게 구성되어, 스웰링 특성도 거의 동일 내지 유사하다고 할 수 있다. 따라서, 이 경우, 상기 셀 평가 모듈(100)은 하나의 셀에 대한 팽창 특성만을 평가할 수 있다.
바람직하게는, 상기 셀 평가 모듈(100)은, 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 1개의 곡선 형태로 도출할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 두께 변화량에 따른 반력 곡선을 나타내는 그래프이다. 이를테면, 도 5는, 전지의 EOL 시점으로 미리 알려진 싸이클 시점에서의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 나타낸다고 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 셀 평가 모듈(100)은, x축이 이차 전지의 스웰링에 따른 두께 변화량이고, y축이 이차 전지의 스웰링에 따라 생성된 반력(하중)인 좌표계에서 1개의 곡선을 얻을 수 있다. 여기서, x축의 단위는 길이의 단위, 이를테면 'mm'이고, y축의 단위는 힘 또는 무게의 단위, 이를테면 'kgf'일 수 있다.
이와 같은 곡선은, 이차 전지를 감싸고 있는 배터리 모듈의 구성, 이를테면 모듈 케이스나 카트리지의 강성에 따라 이차 전지에 가해지는 하중을 달리함으로써 얻을 수 있다. 예를 들어, 이차 전지를 감싸고 있는 모듈 케이스나 카트리지의 강성이 0, 50kgf, 100kgf, 200kgf, 10000kgf 등으로 변화시켜 가면서, 충방전 싸이클에 따른 반력과 충방전 싸이클에 따른 이차 전지에 가해지는 하중을 측정함으로써 얻을 수 있다.
한편, 배터리 모듈에는, 일반적으로 하나 이상의 이차 전지를 수납하는 형태로 모듈 케이스가 구비될 수 있다.
도 6은, 배터리 모듈에 구비되는 모듈 케이스의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 내부에 빈 공간을 구비하여, 이러한 빈 공간에 하나 이상의 이차 전지를 수납하는 형태로 모듈 케이스(M)가 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 모듈 케이스는 적어도 일 측면이 개방되는 형태로 구성되어, 이러한 개방 부분을 통해 이차 전지가 인입 내지 인출되도록 할 수 있다. 그리고, 이러한 개방 부분은 모듈 케이스의 변형 내지 다른 커버의 결합 등을 통해 밀폐될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6의 구성을 살펴보면, 모듈 케이스(M)는, G로 표시된 부분이 개방되어, 이러한 개방 부분을 통해 다수의 이차 전지가 수납될 수 있다. 즉, 이차 전지는, 도면에서 화살표 G 방향을 따라 모듈 케이스의 내부 공간으로 인입될 수 있다. 다만, 도 6에서는, 설명의 편의를 위해 하나의 이차 전지만 도시되어 있으나, 모듈 케이스의 내부 공간으로는 다수의 이차 전지가 인입될 수 있다.
그리고, 모듈 케이스(M)는, 이차 전지가 수납되는 공간을 중심으로, 상부와 하부, 좌측부와 우측부는 적어도 일부분이 밀폐된 형태로 구성되어, 내부 공간에 수납된 이차 전지의 상, 하, 좌, 우 방향으로 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 상, 하, 좌, 우의 각 방향은, G로 표시된 방향으로 모듈 케이스를 바라볼 때를 기준으로 한 방향이다. 즉, 도 6의 구성에서 우측은 H1 방향을 의미하고, 좌측은 H1의 반대 방향을 의미한다고 할 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 모듈 케이스(M)는, 단위 케이스로서 상부 케이스(M1), 하부 케이스(M2), 좌측 케이스(M3) 및 우측 케이스(M4)를 구비한다고 할 수 있다.
상기 케이스 평가 모듈(200)은, 모듈 케이스(M)에 인가되는 하중과 모듈 케이스(M)의 변형량 사이의 관계를 도출할 수 있다. 특히, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 모듈 케이스에 인가되는 하중과 모듈 케이스의 폭 변화량 사이의 관계를 도출할 수 있다.
여기서, 모듈 케이스의 폭이란, 이차 전지의 두께 방향과 동일한 방향으로의 길이를 의미한다고 할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 이차 전지는, 넓은 2개의 표면이 좌측과 우측을 향하도록 세워진 형태로 모듈 케이스 내부에 수납될 수 있다. 이때, 이차 전지의 두께 방향은, H1 방향, 즉 좌우 방향일 수 있다. 그리고, 모듈 케이스의 폭 방향 역시, H1 방향, 즉 좌우 방향이라 할 수 있다.
더욱이, 이차 전지는, 모듈 케이스 내부에서 넓은 표면이 상호 대면되는 형태로 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 다수의 이차 전지가 세워진 형태로 모듈 케이스 내부에 수납되는 경우, 좌우 측면에 넓은 표면이 위치하므로, 다수의 이차 전지들은 서로 좌우 방향으로 적층될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스의 폭이란, 배터리 모듈에서 이차 전지의 적층 방향으로의 길이를 의미한다고 할 수 있다.
폭 변화량이란, 모듈 케이스의 폭 방향 하중에 의해 모듈 케이스의 폭 방향 길이가 어느 정도 변화하는지를 나타내는 양이라 할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 케이스의 폭 변화량 측정 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 7은, 도 6의 모듈 케이스 구성을 G 방향으로 정면에서 바라본 형태라 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 아무런 힘이 가해지지 않은 상태에서, 모듈 케이스의 폭은 W1으로 표시된 바와 같다.
하지만, 모듈 케이스의 내측에서 외측 방향, 다시 말해 화살표 I1으로 표시된 방향으로 하중(압력)이 인가되면, 모듈 케이스의 좌측 케이스(M3)와 우측 케이스(M4)는, 화살표 I2 방향으로 이동하여, 점선으로 표시된 바와 같이 외측으로 휘어질 수 있다. 그리고, 이때의 모듈 케이스의 최대 폭은 W2로 표시된 바와 같다.
모듈 케이스의 폭 변화량이란, 이러한 모듈 케이스의 변화된 최대 폭 W2에서 원래의 폭 W1을 뺀 값, 다시 말해 'W2-W1'으로 표시될 수 있다.
상기 케이스 평가 모듈(200)은, 모듈 케이스에 인가되는 하중에 따른 폭 변화량을 측정할 수 있다.
예를 들어, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 상기 도 7의 구성에서 I1 방향으로 인가되는 압력을 달리하면서, 그로 인한 모듈 케이스의 폭 변화량(W2-W1)을 각각 측정할 수 있다.
또한, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 모듈 케이스에 하중을 인가할 때, 상부 및 하부보다 중앙 부분에 상대적으로 많은 하중이 인가되도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 7의 구성을 참조하면, 내측에서 외측 방향으로 하중이 인가될 때, 화살표 I1의 길이로서 나타낸 바와 같이, 좌측 케이스(M3) 및 우측 케이스(M4)의 중앙 부분에서 가장 높은 하중이 가해지고, 상부와 하부에는 상대적으로 그보다 적은 하중이 가해지도록 할 수 있다.
세워진 형태의 이차 전지에서 스웰링 현상이 발생하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지의 중앙 부분에서 상대적으로 변형이 많이 일어나므로, 좌측 케이스와 우측 케이스는 중앙 부분에서 가장 큰 힘을 받을 수 있다. 따라서, 이러한 상황이 잘 반영될 수 있도록, 케이스 평가 모듈(200)은, 좌측 케이스(M3) 및 우측 케이스(M4)의 중앙 부분에 가장 큰 힘이 전달되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 1개의 곡선 형태로 도출할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 평가 모듈(200)에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 변형량 사이의 관계를 나타내는 곡선 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, y축이 모듈 케이스, 이를테면 도 7의 좌측 케이스(M3) 및 우측 케이스(M4)에 가해지는 하중이고, x축이 모듈 케이스의 폭 변화량인 좌표계에서 1개의 곡선을 얻을 수 있다. 여기서, x축의 단위는 길이의 단위, 이를테면 'cm'이고, y축의 단위는 힘 또는 무게의 단위, 이를테면 'kgf'일 수 있다.
이와 같은 곡선은, 수회의 실제 테스트 또는 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 곡선은, 앞서 설명한 바와 같이, 모듈 케이스에 실제 힘을 인가하고 이에 따른 모듈 케이스의 폭 변형량을 실제 측정하는 과정을, 인가되는 힘을 변화시켜가면서 반복 수행함으로써 도출해낼 수 있다.
이차 전지가 충방전이 반복되어, 내부에서 가스가 발생하여 내압이 증가하는 경우, 이차 전지는 2개의 넓은 표면이 돌출되는 방향으로 팽창할 수 있다. 따라서, 이차 전지의 적층 방향, 즉 배터리 모듈의 폭 방향으로 배터리 모듈의 변형이 집중적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 이차 전지의 스웰링에 상응하는 하중에 따라 모듈 케이스의 폭이 어느 정도로 변화하는지에 대한 관계를 도출할 수 있다.
상기 예측 모듈(300)은, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 전지의 팽창 특성과, 케이스 평가 모듈(200)에 의해 도출된 모듈 케이스의 변형 특성을 이용하여, 배터리 모듈의 변형량을 예측할 수 있다. 즉, 상기 예측 모듈(300)은, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계, 그리고 케이스 평가 모듈(200)에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 이용하여, 배터리 모듈의 변형량을 예측할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 배터리 모듈 설계 시, 이러한 배터리 모듈의 예측된 변형량을 반영하도록 할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지의 스웰링이 최대가 되는 시점, 이를테면 이차 전지의 수명이 종료되는 EOL 시점에서 배터리 모듈의 변형량을 예측하고, 이를 모듈 설계시 고려하도록 할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의하면, 이차 전지의 퇴화 등에 따른 스웰링에 최적화된 배터리 모듈 설계가 이루어져, 스웰링에 대하여 안정적인 배터리 모듈 구조가 도출될 수 있다.
특히, 상기 예측 모듈(300)은, 배터리 모듈의 변형량으로서, 배터리 모듈의 폭 변화량 및 모듈 케이스에 인가되는 하중을 예측할 수 있다.
예를 들어, 상기 예측 모듈(300)은, 도 7에 도시된 구성에서, 폭 변화량인 W2-W1의 값을 예측할 수 있다. 그러므로, 배터리 모듈이나 배터리 팩의 설계자는, 이와 같이 예측된 폭 변화량을 감안하여 배터리 모듈 외부의 구성을 설계할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈의 외부에는 BMS(Battery Management System)나 퓨즈, 릴레이 등과 같은 다양한 전장부품이 구비될 수 있으며, 이러한 배터리 모듈과 전장부품은 모두 팩 케이스의 내부 공간에 구비되는 형태로 배터리 팩이 구성될 수 있다. 이때, 설계자는, 배터리 모듈의 예측되는 폭 변화량을 고려하여 배터리 모듈 외부의 전장부품의 배치를 결정할 수 있다. 따라서, 이차 전지의 스웰링에 의한 배터리 모듈의 변형을 고려하지 않고 팩 케이스와 모듈 케이스 사이의 내부 공간을 지나치게 좁게 하여, 그 사이에 위치한 전장부품이 파손되거나, 팩 케이스까지 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 변형에 대비하여 팩 케이스와 모듈 케이스 사이의 내부 공간을 지나치게 넓게 하는 경우, 배터리 팩의 부피가 불필요하게 커지는 문제가 발생할 수 있으므로, 이러한 문제를 예방할 수 있다.
또한, 상기 예측 모듈(300)은, 모듈 케이스에 인가되는 하중을 예측할 수 있으므로, 배터리 모듈이나 배터리 팩의 설계자는, 이러한 예측 하중을 고려하여 그에 적합한 강성을 갖도록 모듈 케이스를 설계할 수 있다. 예를 들어, 설계자는, 예측 모듈(300)에 의해 예측된 하중을 고려하여, 그러한 하중을 견딜 수 있는 재질로서 모듈 케이스를 구성할 수 있다. 또는, 설계자는, 예측 모듈(300)에 의해 예측된 하중을 고려하여, 그러한 하중을 견딜 수 있도록 모듈 케이스의 해당 부분의 두께를 두껍게 하거나, 보강판을 덧댈 수 있다.
바람직하게는, 상기 예측 모듈(300)은, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 배터리 모듈에 구비된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계로 변환 도출할 수 있다. 그리고, 상기 예측 모듈(300)은, 이와 같이 변환 도출된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 이용하여, 배터리 모듈의 변형량을 예측할 수 있다.
예를 들어, 셀 평가 모듈(100)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다. 다만, 이러한 관계가 1개의 이차 전지에 대한 것이고 배터리 모듈에 이러한 이차 전지가 다수 포함된 경우, 예측 모듈(300)은 이러한 관계를 배터리 모듈에 포함된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계로 변환할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 배터리 모듈에 포함된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계로 변환하는 구성을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 여기서, x축의 단위는 길이의 단위, 이를테면 'cm'이고, y축의 단위는 힘 또는 무게의 단위, 이를테면 'kgf'일 수 있다.
도 9를 참조하면, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계는 J1으로 표시된 곡선과 같다. 하지만, 배터리 모듈에 다수의 이차 전지가 포함된 경우, 여러 이차 전지에서 스웰링이 발생할 수 있으며, 특히 이차 전지의 EOL 시점에서는 대부분의 이차 전지에서 스웰링이 발생할 수 있다. 따라서, 이 경우, 이러한 스웰링에 따른 반력과 크기 변화량은 증가하여, 곡선 J2와 같이 표시될 수 있다.
더욱이, 배터리 모듈에서 이차 전지는 넓은 면이 상호 접촉된 형태로 배치될 수 있는데, 이 경우, 각 이차 전지의 스웰링은 배터리 모듈에 포함된 개수만큼 배가될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스 내부에 10개의 이차 전지가 상호 접촉된 상태로 수납된 경우, 이차 전지의 스웰링 발생 시, 모듈 전체의 폭 변화량은 이차 전지의 두께 변화량의 거의 10배가 될 수 있다. 또한, 각 이차 전지의 스웰링이 더해지면, 모듈 케이스에 가해지는 하중이나 최외곽에 위치한 이차 전지가 받는 반력 역시 크게 증가할 수 있다.
상기 예측 모듈(300)은, 이러한 상황을 반영하여, 셀 평가 모듈(100)에 의한 셀의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 모듈 전체의 두께 변화량, 다시 말해 모듈 전체의 폭 변화량과 반력 사이의 관계로 변환할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 셀 평가 모듈(100)이 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출하는 구성을 중심으로 설명되었으나, 셀 평가 모듈(100)은, 다수의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출하도록 구성될 수도 있다. 더욱이, 상기 셀 평가 모듈(100)은, 배터리 모듈에 포함된 이차 전지 전체에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 직접 도출할 수도 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 예측 모듈(300)은, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 별도로 변환하지 않고 그대로 이용하여, 배터리 모듈의 변형량을 예측할 수 있다.
바람직하게는, 상기 예측 모듈(300)은, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 곡선과 케이스 평가 모듈(200)에 의해 도출된 곡선의 교차점을 확인할 수 있다. 그리고, 상기 예측 모듈(300)은, 이와 같이 확인된 교차점을 이용하여 배터리 모듈의 변형량을 예측할 수 있다. 이에 대해서는, 도 10을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 변형량 예측 구성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, x축은 배터리 모듈의 폭 변화량을 나타내고, y축은 하중 내지 반력을 나타낸다고 할 수 있다. 여기서, x축의 단위는 길이 단위, 이를테면 'cm' 단위일 수 있고, y축의 단위는 힘이나 무게 단위, 이를테면 'kgf'일 수 있다.
상기 예측 모듈(300)은, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 이러한 좌표 평면상에 나타낼 수 있다. 여기서, 셀 평가 모듈(100)에 의해 도출된 관계가 1개의 이차 전지에 대한 관계이고, 배터리 모듈에 다수의 이차 전지가 포함된 경우, 상기 예측 모듈(300)은 전체 이차 전지에 대한 형태로 변환하여 그래프 상에 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 예측 모듈(300)은, 상기 도 9의 실시예에서 J1 곡선을 J2 곡선으로 변환한 바와 같이, 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 배터리 모듈에 포함된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량(폭 변화량)과 반력 사이의 관계로 변환하여, 도 10의 곡선 K1으로서 표시할 수 있다. 이 경우, 도 10의 곡선 K1은 도 9의 곡선 J2를 채용한 것이라 할 수 있다.
또한, 상기 예측 모듈(300)은, 케이스 평가 모듈(200)에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 동일한 좌표 평면상에 나타낼 수 있다. 그리고, 이러한 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계는, 도 10에서 K2로 표시된 곡선과 같다. 즉, 도 10에서 K2 곡선은, 케이스 평가 모듈(200)에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계로서, 이를테면 도 8에 도시된 곡선과 같다.
그리고 나서, 상기 예측 모듈(300)은, K1 곡선과 K2 곡선의 교차점(Kp)을 확인할 수 있다. 이러한 교차점(Kp)은, 셀 스웰링에 의한 힘과 모듈 케이스의 강성에 의한 저항하는 힘이 평형을 이루는 점이라 할 수 있다. 예측 모듈(300)은, 이러한 교차점을 이용하여 특정 싸이클 시점, 이를테면 이차 전지의 EOL(End Of Life) 시점에서 배터리 모듈의 폭 변화량 내지 그에 의한 하중(반력)을 예측할 수 있다.
즉, 도 10에 도시된 바를 참조하면, 상기 예측 모듈(300)은, 두 곡선의 교차점(Kp)의 좌표(xp, yp)를 확인할 수 있다. 여기서, 교차점의 x좌표(xp)는, 이차 전지의 스웰링에 의한 모듈의 폭 변화량이라 할 수 있다. 예를 들어, K1 곡선이 EOL로 지정된 시점을 기준으로 도출된 것이라면, xp는 배터리 모듈에 포함된 셀의 EOL 시점에서 모듈 폭 변화량의 예측값이라 할 수 있다. 이를테면, xp가 15cm인 경우, 상기 예측 모듈(300)은, EOL 시점에서 모듈의 폭이 15cm만큼 늘어날 것이라 예측할 수 있다.
또한, 교차점의 y좌표(yp)는, 이차 전지의 스웰링에 의한 모듈에 가해지는 하중이라 할 수 있다. 예를 들어, K1 곡선이 EOL 시점을 기준으로 도출된 것이라면, yp는 EOL 시점에서 모듈 케이스에 인가되는 압력 내지 힘이라 할 수 있다. 이를테면, yp가 10kgf인 경우, 상기 예측 모듈(300)은, EOL 시점에서 모듈 케이스에는 10kgf의 힘이 가해질 것이라 예측할 수 있다.
특히, 상기 이차 전지는, 앞서 설명한 바와 같이, 상하 방향으로 세워진 형태로 모듈 케이스 내부에서 좌우 방향으로 적층 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에 도시된 바와 같이, 이차 전지는, 상하 방향으로 세워진 형태로 모듈 케이스 내부에 수납될 수 있다. 그리고, 이차 전지는, 도 6의 구성에서 H1으로 표시된 방향, 즉 좌우 방향으로 상호 대면되는 형태로 모듈 케이스 내부에 다수 수납될 수 있다.
이 경우, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 모듈 케이스의 좌우 측면부에 대한 인가 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 도출할 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7의 구성에서, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 좌측 측면부(M3)와 우측 측면부(M4)에 인가되는 하중에 따라, 이차 전지의 폭이 얼마나 변화하는지(W2-W1)에 대한 관계를 도출할 수 있다.
한편, 배터리 모듈의 모듈 케이스(M)는, 앞선 도 6의 실시예와 달리 다른 다양한 형태로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 모듈 케이스는, 2개의 엔드 플레이트를 구비하는 형태로 구성될 수 있다.
도 11은, 모듈 케이스로서 2개의 엔드 플레이트를 구비하는 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 11을 참조하면, 배터리 모듈에는 다수의 파우치형 이차 전지(C)가 구비되고, 이러한 이차 전지는 적층용 카트리지(R)를 통해 수평 방향으로 눕혀진 형태로 상하 방향으로 안정적으로 적층될 수 있다.
그리고, 이러한 이차 전지(C) 및 카트리지(R)의 적층체의 상부 및 하부에는, 판상으로 구성된 엔드 플레이트(Q)가 각각 구비될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(Q)는, 배터리 모듈에 대한 기계적 지지력을 제공하고, 이차 전지의 상부와 하부에서 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 엔드 플레이트(Q)는 강성 향상을 위해 스틸 등의 금속 재질로 구성될 수 있다.
이와 같은 구성의 배터리 모듈에 대하여, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 엔드 플레이트에 인가되는 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 도출할 수 있다. 즉, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 이차 전지의 내측에서 외측 방향으로 하중을 인가하고, 그와 같이 인가된 하중에 따라 각 엔드 플레이트가 어느 정도 변형되는지 측정할 수 있다.
예를 들어, 상기 케이스 평가 모듈(200)은, 도 11의 구성에서 상부 엔드 플레이트와 하부 엔드 플레이트에 대하여 각각 상부 방향 내지 하부 방향으로 하중을 인가하고, 상부 엔드 플레이트와 하부 엔드 플레이트 사이의 최대 거리에 대한 변화량을 측정할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 검증 모듈(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 검증 모듈(400)은, 예측 모듈(300)에 의해 예측된 배터리 모듈의 변형량을 미리 저장된 참조값과 비교할 수 있다. 여기서, 배터리 모듈의 변형량은, 배터리 모듈의 폭 변화량 및/또는 모듈 케이스에 인가되는 하중일 수 있다. 이를테면, 상기 검증 모듈(400)은, 예측 모듈(300)에 의해 예측된 배터리 모듈의 폭 변화량을 메모리 등에 미리 저장된 폭 참조값과 비교할 수 있다. 또한, 상기 검증 모듈(400)은, 예측 모듈(300)에 의해 예측된 배터리 모듈에 인가되는 하중을 미리 저장된 하중 참조값과 비교할 수 있다.
그리고, 상기 검증 모듈(400)은, 이와 같은 비교 결과에 기초하여, 비교 정보를 사용자, 이를테면 설계자에게 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 검증 모듈(400)은, 배터리 모듈의 폭 변화량에 대한 참조값으로서 10cm의 범위를 미리 저장할 수 있다. 그리고, 상기 검증 모듈(400)은, 예측 모듈(300)에 의해 예측된 배터리 모듈의 폭 변화량이 10cm보다 작은지 또는 큰지를 비교 판단할 수 있다. 만일, 예측 모듈(300)에 의해 예측된 배터리 모듈의 폭 변화량이 14cm라면, 상기 검증 모듈(400)은 배터리 모듈의 예측된 변화량이 위험 수준이므로, 배터리 모듈이나 배터리 팩 설계자에게 이러한 경고 정보를 제공할 수 있다. 그러면, 설계자는 이러한 배터리 모듈의 폭 변화량을 반영하여 모듈 케이스의 재질이나 구조 등을 다시 설계하거나 보강할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치에 있어서, 셀 평가 모듈(100)은, 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출하기 위해 다양한 형태로 구성될 수 있다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 셀 평가 모듈(100)은, 고정 지그(110), 가변 지그(120) 및 도출 유닛(130)을 포함할 수 있다.
상기 고정 지그(110)는, 이차 전지의 보유 공간을 구비하여 이차 전지를 보유하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 고정 지그(110)는, 파우치형 이차 전지가 평평하게 눕혀진 형태로 보유되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 고정 지그(110)는, 보유된 이차 전지의 팽창을 제한하도록 구성될 수 있다. 즉, 이차 전지의 내부에서 가스가 발생하여 내압이 증가하더라도, 상기 고정 지그(110)는, 이차 전지가 팽창하는 것을 허용하지 않도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 고정 지그(110)는, 보유된 이차 전지의 상부 및 하부 방향 팽창을 제한할 수 있다. 즉, 상기 고정 지그(110)는 눕혀진 형태의 이차 전지가 면 방향(도 2의 상부 및 하부 방향)으로 팽창하는 것을 제한할 수 있다.
그리고, 상기 고정 지그(110)는, 보유된 이차 전지의 충방전 싸이클에 따른 반력 변화를 측정할 수 있다. 이러한 고정 지그(110)의 구체적인 구성의 일례에 대해서는, 도 13을 참조하여 설명하도록 한다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 고정 지그(110)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13을 참조하면, 상기 고정 지그(110)는, 고정 상부 지그(111), 고정 하부 지그(112), 고정 베이스 부재(113) 및 고정 측정 부재(114)를 포함할 수 있다.
상기 고정 상부 지그(111)는, 고정 지그(110)에서 이차 전지(C)가 보유되는 공간의 상부에 위치할 수 있다. 즉, 이차 전지(C)가 고정 지그(110)에 수용되었을 때, 고정 상부 지그(111)는, 이차 전지(C)의 상부에 위치할 수 있다. 더욱이, 상기 고정 상부 지그(111)는, 이차 전지의 넓은 상부 표면과 대면하여 접촉하도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 고정 상부 지그(111)는, 위치가 고정되도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 고정 상부 지그(111)는, 상하 방향으로 움직이지 않고 상하 방향 위치가 고정되도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 고정 상부 지그(111)는, 이차 전지(C)의 충방전에 따라 이차 전지에 스웰링이 발생하더라도, 그 위치가 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 고정 상부 지그(111)의 위치 고정으로 인해, 고정 지그(110)는 이차 전지(C)의 상부 방향 팽창을 제한할 수 있다.
상기 고정 하부 지그(112)는, 고정 상부 지그(111)의 하부에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 고정 하부 지그(112)는, 고정 상부 지그(111)와 소정 거리 이격되어 이차 전지의 보유 공간, 다시 말해 이차 전지가 수납될 수 있는 공간을 형성할 수 있다. 이차 전지는, 이러한 고정 상부 지그(111)와 고정 하부 지그(112) 사이의 보유 공간에 수용될 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지는, 2개의 넓은 표면이 상부와 하부 방향으로 향하도록 평평하게 눕혀진 형태로 고정 상부 지그(111)와 고정 하부 지그(112) 사이에 안착될 수 있다. 더욱이, 상기 고정 하부 지그(112)는, 이차 전지의 넓은 하부 표면에 대면 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 고정 베이스 부재(113)는, 고정 하부 지그(112)의 하부에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 고정 베이스 부재(113)는, 고정 하부 지그(112)와 소정 거리 이격되게 구성될 수 있다.
또한, 상기 고정 베이스 부재(113)는 고정 상부 지그(111) 및 고정 하부 지그(112)와 상호 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 고정 상부 지그(111), 고정 하부 지그(112) 및 고정 베이스 부재(113)는, 볼트(L)와 같은 다수의 체결 부재가 관통된 형태로 상호 결합될 수 있다.
특히, 상기 고정 베이스 부재(113)와 고정 상부 지그(111)는, 상호 간의 이격 거리가 일정 수준을 넘어서지 않도록 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 13의 구성에서, 4개의 볼트(L) 상단과 하단은 각각 고정 상부 지그(111)의 상단과 고정 베이스 부재(113)의 하단으로 돌출되되, 이러한 돌출 부분에는 각각 너트(N)가 체결될 수 있다. 이 경우, 고정 상부 지그(111)와 고정 베이스 부재(113)는 너트(N)가 체결된 부분을 기준으로 상호 거리가 더 이상 멀어지지 않을 수 있다.
또한, 상기 고정 하부 지그(112)는, 볼트가 관통된 상태로 상하 방향으로 이동 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정 하부 지그(112)에는 하나 이상의 관통홀이 형성되고, 이러한 관통홀에는 고정 상부 지그(111)와 고정 베이스 부재(113)를 관통한 볼트(L)가 관통될 수 있다. 그리고, 고정 하부 지그(112)는, 이처럼 볼트가 관통된 상태에서 볼트를 따라 상하 방향으로 이동 가능하게 구성될 수 있다. 다만, 이러한 고정 하부 지그(112)의 하부에는 고정 측정 부재(114)가 위치하여 고정 하부 지그(112)의 위치가 하부 방향으로 이동하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 상부에 위치한 이차 전지의 내압이 증가하더라도, 고정 상부 지그(111)와 고정 하부 지그(112)의 위치는 고정되어 있으며, 다만 이러한 이차 전지의 증가된 내압은 고정 하부 지그(112)를 통해 고정 측정 부재(114)로 전달될 수 있다.
상기 고정 측정 부재(114)는, 고정 베이스 부재(113)와 고정 하부 지그(112) 사이 공간에 개재될 수 있다. 그리고, 상기 고정 측정 부재(114)는, 이차 전지의 스웰링에 따른 반력을 측정할 수 있다. 이차 전지는, 충전 및 방전이 수행됨에 따라, 내부에서 가스가 발생하고 이로 인해 내압이 증가할 수 있는데, 상기 고정 측정 부재(114)는, 이러한 내압 증가에 의해 고정 하부 지그(112)에 가해지는 하중을 반력으로서 측정할 수 있다.
예를 들어, 이차 전지의 충방전 사이클이 증가함에 따라 이차 전지가 팽창되면, 고정 하부 지그(112)는 하부 방향으로 이동할 수 있으며, 그 하부에 위치한 고정 측정 부재(114)를 가압할 수 있다. 그러면, 고정 측정 부재(114)는, 가압된 정도에 따라 반력을 측정하고 이를 수치화할 수 있다. 이때, 고정 측정 부재(114)는, 가압되더라도 그 자체의 두께는 변화하지 않도록 구성될 수 있다. 그리고, 이로 인해, 이차 전지의 내압이 증가하더라도, 고정 하부 지그(112)는 실질적으로 하부 방향으로 이동하지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우, 고정 지그(110) 내에서 이차 전지의 두께는 변화하지 않을 수 있다.
상기 고정 측정 부재(114)는, 로드셀로 구현될 수 있다. 로드셀은, 고정 하부 지그(112)에 가해지는 반력에 의해 압축 등 변형될 수 있으며, 이러한 변형 정도를 수치화하여 가해진 압력 등을 측정할 수 있다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 고정 지그(110)에 의해 싸이클이 증가함에 따른 반력의 변화량을 측정한 결과를 나타내는 그래프의 일례이다. 도 14에서 x축은 충방전 싸이클로서, 단위는 '회'일 수 있다. 또한, 도 14에서 y축은 반력으로서, 단위는 'kgf'일 수 있다.
도 14를 참조하면, 이차 전지는, 충방전이 반복하여 진행됨에 따라, 즉 충방전 싸이클이 진행됨에 따라, 팽창의 정도가 더욱 증대될 수 있다. 그러면, 고정 지그(110)의 고정 측정 부재(114)에 의해 측정되는 반력(하중)은 계속해서 증가할 수 있다. 특히, 상기 고정 지그(110)의 고정 측정 부재(114)는, 주기적으로 또는 비주기적으로 팽창에 따른 반력을 수회 측정할 수 있다. 이 경우, 고정 지그(110)의 고정 측정 부재(114)에 의해 측정되는 반력은, 도 14에 도시된 바와 같이, 그래프 형태로 구해질 수 있다.
한편, 고정 상부 지그(111), 고정 하부 지그(112) 및/또는 고정 베이스 부재(113)는, 도면에 도시된 바와 같이, 평평한 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 지그의 상하 방향 크기가 감소할 수 있고, 넓고 평평한 표면을 통해 이차 전지와 안정적으로 균일하게 접촉할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 셀 평가 모듈(100)은, 파우치형 이차 전지에 대한 평가를 수행할 수 있는데, 이러한 파우치형 이차 전지는 2개의 넓은 표면을 가진 대략 직사각형 모양의 편평한 형태로 구성될 수 있다. 이때, 파우치형 이차 전지는 2개의 넓은 표면이 고정 상부 지그(111)의 하면과 고정 하부 지그(112)의 상면에 접촉할 수 있으며, 이 경우, 보다 넓은 접촉 면적이 형성될 수 있다.
상기 가변 지그(120)는, 이차 전지의 보유 공간을 구비하여 이차 전지를 보유하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 가변 지그(120)는, 파우치형 이차 전지가 평평하게 눕혀진 형태로 보유되도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 가변 지그(120)는, 보유된 이차 전지의 팽창을 허용하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 가변 지그(120)는, 이차 전지의 상부 방향 팽창을 허용하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 고정 지그(110)와 달리 상기 가변 지그(120)는, 이차 전지의 내부에서 가스가 발생하여 내압이 증가하는 경우, 이차 전지가 면 방향, 특히 상부 방향으로 팽창하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다.
상기 가변 지그(120)는, 보유된 이차 전지의 충방전 싸이클에 따른 반력과 두께 변화량을 측정할 수 있다. 특히, 상기 가변 지그(120)는, 이차 전지의 팽창을 허용하므로, 이차 전지에 의한 반력과 함께 이차 전지의 두께 변화량을 측정할 수 있다. 이러한 가변 지그(120)의 구체적인 구성의 일례에 대해서는, 도 15를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 가변 지그(120)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 15를 참조하면, 상기 가변 지그(120)는, 가변 상부 지그(121), 가변 하부 지그(122), 가변 베이스 부재(123), 가변 측정 부재(124) 및 탄성 부재(125)를 포함할 수 있다.
상기 가변 상부 지그(121)는, 가변 지그(120)에서 이차 전지가 보유되는 공간의 상부에 위치할 수 있다. 즉, 이차 전지가 가변 지그(120)에 수용되었을 때, 가변 상부 지그(121)는, 이차 전지의 상부에 위치할 수 있다.
또한, 가변 상부 지그(121)는, 위치가 움직이도록 구성될 수 있다. 특히, 가변 상부 지그(121)는, 상하 방향으로 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 15에서 화살표 E로 표시된 바와 같이, 가변 상부 지그(121)는, 상부 방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 이차 전지의 충방전에 따라 이차 전지에서 스웰링이 발생하여 그 부피가 팽창한 경우, 그 팽창 정도에 따라 상기 가변 상부 지그(121)는, 화살표 E와 같이 상부 방향으로 위치가 이동할 수 있다. 즉, 가변 상부 지그(121)가 위치 이동할 수 있으므로, 가변 지그(120)는 이차 전지의 상부 방향 팽창을 허용할 수 있다.
상기 가변 하부 지그(122)는, 가변 상부 지그(121)의 하부에 위치할 수 있다. 또한, 상기 가변 하부 지그(122)는, 가변 상부 지그(121)와 소정 거리 이격되어 이차 전지의 보유 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이차 전지는, 가변 상부 지그(121)와 가변 하부 지그(122) 사이의 보유 공간에 수용될 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지는, 2개의 넓은 표면이 상부와 하부 방향으로 향하도록 평평하게 눕혀진 형태로 가변 상부 지그(121)와 가변 하부 지그(122) 사이에 안착될 수 있다.
상기 가변 베이스 부재(123)는, 가변 하부 지그(122)의 하부에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 가변 베이스 부재(123)는, 가변 하부 지그(122)와 소정 거리 이격되게 구성될 수 있다.
또한, 상기 가변 베이스 부재(123)는, 가변 상부 지그(121) 및 가변 하부 지그(122)와 상호 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 가변 상부 지그(121), 가변 하부 지그(122) 및 가변 베이스 부재(123)는, 볼트(L)와 같은 다수의 체결 부재가 관통된 형태로 상호 결합될 수 있다.
이와 같은 구성에서, 상기 가변 하부 지그(122)는, 볼트(L)가 관통된 상태로 상하 방향으로 이동 가능하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 가변 하부 지그(122)에는 6개의 관통홀이 형성되고, 각 관통홀에는 가변 상부 지그(121)와 가변 베이스 부재(123)를 관통한 볼트(L)가 관통될 수 있다. 이때, 상부에 위치한 이차 전지가 팽창되면, 가변 상부 지그(121)는 상부 방향으로 이동하게 되고, 가변 하부 지그(122)는 하부 방향으로 이동할 수 있다. 다만, 관통홀은 가변 하부 지그의 중앙 부분이 아닌 모서리 부분에 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 가변 하부 지그의 상부에서 이차 전지의 안착 공간을 넓게 확보하고, 관통홀을 관통하는 볼트에 의해 이차 전지의 안착 공간이 제한되는 것을 줄일 수 있다.
상기 가변 상부 지그(121) 및/또는 상기 가변 하부 지그(122)는, 강체와 같이 외부의 힘에 의해 쉽게 휘어지지 않도록 구성되는 것이 좋다. 특히, 상기 가변 상부 지그(121) 및/또는 상기 가변 하부 지그(122)는, 이차 전지의 팽창이나 탄성 부재(125)의 가압에 의해 휘어지지 않도록 구성될 수 있다. 이 경우, 이차 전지의 팽창이나 탄성 부재(125)의 가압에 의한 힘이 가변 상부 지그(121)나 가변 하부 지그(122)로 고르게 전달되어, 보다 정확한 변형량 및 반력 측정이 가능해질 수 있다.
상기 가변 측정 부재(124)는, 가변 베이스 부재(123)와 가변 하부 지그(122) 사이 공간에 개재될 수 있다. 그리고, 상기 가변 측정 부재(124)는, 이차 전지(C)의 스웰링에 따른 반력을 측정할 수 있다. 즉, 이차 전지 내부에서 가스가 발생하여 이차 전지가 팽창하는 경우, 가변 측정 부재(124)는 팽창에 의한 가압력의 크기를 측정할 수 있다.
예를 들어, 이차 전지의 충방전으로 인해 이차 전지가 팽창되면, 가변 하부 지그(122)는 하부 방향으로 이동하고자 하여, 그 하부에 위치한 가변 측정 부재(124)를 가압할 수 있다. 그러면, 가변 측정 부재(124)는, 가압된 정도에 따라 반력을 측정하여 수치화할 수 있다. 이러한 가변 측정 부재(124)는, 고정 측정 부재(114)와 마찬가지로, 로드셀로 구현될 수 있다. 또한, 가변 측정 부재(124)는, 그 두께가 변하지 않도록 구성될 수 있다. 따라서, 이차 전지가 팽창되더라도 가변 하부 지그(122)는 실질적으로 하부 방향으로 이동하지 못할 수 있다.
또한, 상기 가변 측정 부재(124)는, 이차 전지의 충방전 싸이클에 따른 두께 변화량을 측정할 수 있다. 즉, 이차 전지 내부에서 가스가 발생하여 부피가 팽창한 경우, 상기 가변 측정 부재(124)는 이차 전지의 팽창에 따른 두께 변형 정도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 이차 전지가 팽창하여 가변 상부 지그(121)가 상부로 이동하고 가변 하부 지그(122)가 하부로 이동한 경우, 상기 가변 측정 부재(124)는, 가변 상부 지그(121)와 가변 하부 지그(122) 사이의 거리를 측정하여, 이차 전지의 두께 변화량을 측정할 수 있다.
상기 탄성 부재(125)는, 가변 상부 지그(121)에 결합될 수 있다. 그리고, 상기 탄성 부재(125)는, 탄성을 갖는 구조 내지 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄성 부재(125)는, 금속 재질의 스프링 형태로 구성될 수 있다. 다른 예로, 상기 탄성 부재(125)는, 고무 재질로 구성될 수 있다.
상기 탄성 부재(125)는, 가변 상부 지그(121)의 이동에 대하여 그 반대 방향으로 복원력이 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 15의 구성에서, 가변 상부 지그(121)가 E 방향, 즉 상부 방향으로 이동하면, 탄성 부재(125)는 탄성 에너지가 증가하여, 그에 반대되는 방향, 즉 하부 방향으로 되돌아가고자 하는 복원력이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 가변 지그(120)에 의해 이차 전지의 스웰링에 따른 반력과 두께 변화량을 측정함에 있어서, 이차 전지의 주변 구조물에 대한 강성이나 탄성을 유사하게 구현할 수 있다. 이를테면, 이차 전지는 케이스나 카트리지에 의해 감싸질 수 있는데, 이러한 케이스나 카트리지는 소정 수준의 탄성을 가질 수 있다. 본 발명의 상기 구성에 의하면, 탄성 부재(125)에 의해, 케이스나 카트리지의 구현이 가능하므로, 실제 배터리 모듈에서 이차 전지의 팽창 특성이 주변 구조물들의 강성 등을 고려하여 보다 정확하고 보다 용이하게 파악될 수 있다.
바람직하게는, 상기 탄성 부재(125)는, 가변 상부 지그(121)의 상부에 위치할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 탄성 부재(125)는, 가변 상부 지그(121)의 상부에 위치할 수 있다. 이 경우, 탄성 부재(125)의 하단부는 가변 상부 지그(121)에 접촉하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이차 전지의 팽창으로 가변 상부 지그(121)가 상부 방향으로 이동하면, 탄성 부재(125)의 하단부는 상부 방향으로 이동할 수 있다.
이때, 가변 상부 지그(121)의 상단부가 이동 가능하도록 구성되면 가변 상부 지그(121)의 상부 방향 이동시, 탄성 부재(125)의 상단부 역시 상부 방향으로 이동하여, 탄성 부재(125)가 적절하게 압축되기 어렵다. 따라서, 탄성 부재(125)의 상단부는, 일정한 위치에 고정되는 것이 좋다.
특히, 상기 탄성 부재(125)의 상단부는, 가변 베이스 부재(123)에 결합 고정될 수 있다. 이처럼, 탄성 부재(125)의 상단부가 가변 베이스 부재(123)에 결합 고정되면, 탄성 부재(125)와 가변 베이스 부재(123) 사이의 거리는 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 이차 전지가 팽창하여 가변 상부 지그(121)가 상부 방향으로 이동하여 탄성 부재(125)의 하단부가 상부 방향으로 이동한다 하더라도, 탄성 부재(125)의 상단부는 일정한 위치에 고정될 수 있다. 그러므로, 탄성 부재(125)는 상단부와 하단부의 거리가 가까워져 압축됨으로써 탄성 에너지가 증가하게 되고, 반대 방향으로 복원되고자 하는 힘이 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 탄성 부재(125)의 상단부를 가변 지그(120) 이외에 다른 구조물에 고정시키지 않아도 된다. 따라서, 가변 지그(120)의 독립적 구성이 가능해지고, 이로 인해 가변 지그(120)의 이동이 자유로우며, 가변 지그(120)의 부피도 감소할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 가변 지그(120)는, 하나 이상의 볼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 가변 지그(120)는, 상하 방향으로 길게 연장된 형태로 볼트(N)를 다수 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 볼트는, 하부에서 상부 방향으로 가변 베이스 부재(123), 가변 하부 지그(122), 가변 상부 지그(121) 및 탄성 부재(125)를 순차적으로 모두 관통하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 하나의 구성요소(볼트)로서 가변 지그(120)에 포함되는 여러 구성요소(가변 베이스 부재(123), 가변 하부 지그(122), 가변 상부 지그(121) 및 탄성 부재(125))가 상호 결합되도록 할 수 있다. 더욱이, 볼트는, 이러한 각 구성요소를 관통하는 형태로 구성되므로, 이들을 결합시키기 위한 구성요소의 노출이 최소화되고, 전체적인 부피가 감소할 수 있다.
더욱이, 상기 탄성 부재(125)는, 하판, 스프링 및 상판을 구비할 수 있다.
예를 들어, 도 15의 구성에서, 가변 지그(120)에는 6개의 탄성 부재(125)가 포함되되, 각각의 탄성 부재(125)는 모두, 하판(F1), 스프링(S) 및 상판(F2)을 구비하는 형태로 구성될 수 있다.
여기서, 하판(F1)은, 평평한 플레이트 형태로 구성되며, 하면이 가변 상부 지그(121)의 상면에 접촉하도록 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 하판은, 볼트가 관통되게 구성될 수 있다.
또한, 스프링(S)은, 하판의 상부에 안착되며, 이를테면 금속 재질로 형성될 수 있다. 그리고, 스프링은, 나선 형태로 형성되어, 중공에 볼트가 관통되게 구성될 수 있다.
그리고, 상판(F2)은, 평평한 플레이트 형태로 구성되며, 스프링의 상부에 위치하도록 구성될 수 있다. 또한, 상판은 볼트와 결합 고정되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상판은, 가변 베이스 부재(123), 가변 하부 지그(122), 가변 상부 지그(121), 하판 및 스프링을 관통한 볼트가 관통되어 상단이 상부로 노출되고, 볼트의 노출된 부분에는 너트(N)가 결합됨으로써, 상판은 볼트에 결합 고정될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 스프링의 상부가 상판에 의해 안정적으로 위치 고정될 수 있다. 또한, 이 경우, 이차 전지의 팽창으로 가변 상부 지그(121)가 상부 방향으로 이동할 때, 스프링으로 인가되는 가압력이, 하판에 의해 스프링의 하부로 고르게 전달될 수 있다. 따라서, 이차 전지의 팽창 시 가압력에 의해 스프링의 불규칙한 이탈이나 변형을 방지할 수 있다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 가변 지그(120)에 의해 측정된 충방전에 따른 반력과 두께 변화량을 나타내는 그래프의 일례이다. 도 16에서 x축은 충방전 싸이클로서, 단위는 '회'일 수 있다. 그리고, y축은 반력 또는 두께 변화량으로서, 단위는 'kgf' 또는 'mm'일 수 있다.
도 16을 참조하면, 가변 지그(120)의 가변 측정 부재(124)에 의해 측정되는 반력 역시, 이차 전지의 충방전이 진행됨에 따라 계속해서 증가할 수 있다. 그리고, 이러한 가변 지그(120)의 가변 측정 부재(124)도, 주기적으로 또는 비주기적으로 팽창에 따른 반력을 수회 측정함으로써, 도 16에서 A1으로 표시된 바와 같이 반력의 변화 추이를 하나의 선, 이를테면 곡선 형태로 얻을 수 있다.
또한, 가변 지그(120)에서, 이차 전지는 충방전이 반복됨에 따라 내부에서 가스가 발생하여 팽창할 수 있다. 따라서, 이차 전지의 두께는 충방전 싸이클이 증가함에 따라 점차 증가할 수 있다. 그러므로, 가변 지그(120)에 의해 측정된 전지의 변형량, 즉 두께 변화량은, 도 16에서 A2로 표시된 바와 같이 시간의 증가에 따라 점차 증가하는 곡선 형태를 보일 수 있다.
상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 측정된 반력과, 가변 지그(120)에 의해 측정된 반력 및 두께 변화량을 이용하여, 이차 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다.
예를 들어, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 측정된 반력 중 소정 시점에서의 반력과, 가변 지그(120)에 의해 측정된 반력 및 두께 변화량 중 소정 시점에서의 반력 및 두께 변화량을 이용하여, 이차 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 도출 유닛(130)은, 동일한 충방전 싸이클 시점을 기준으로, 이차 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다. 즉, 상기 도출 유닛(130)은, 동일한 충방전 싸이클 시점에서, 고정 지그(110)에 의해 측정된 반력과, 가변 지그(120)에 의해 측정된 반력 및 두께 변화량을 이용하여, 이차 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다.
예를 들어, 도 14의 그래프에서, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 얻어진 이차 전지의 반력 그래프 상에서 T1 시점에서의 y 좌표값(a0)을 구할 수 있다. 그리고, 이러한 y 좌표값(a0)이 곧 T1에서의 이차 전지의 반력값이라 할 수 있다.
또한, 도 16의 그래프에서, 상기 도출 유닛(130)은, 가변 지그(120)에 의해 얻어진 반력 그래프(A1) 상에서 T1 시점에서의 y 좌표값(a11)을 얻을 수 있다. 그리고, 상기 도출 유닛(130)은, 가변 지그(120)에 의해 얻어진 이차 전지의 변형량 그래프(B1) 상에서 T1 시점에서의 y 좌표값(b11)을 얻을 수 있다.
상기 도출 유닛(130)은, 이와 같이 고정 지그(110)와 가변 지그(120)를 통해 소정 시점에서 얻어진 반력값과 변형량(두께 변화량)값을 이용하여 이차 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다.
여기서, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 측정된 반력이 최대가 되는 시점을 기준으로 이차 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다.
예를 들어, 도 14의 그래프에서, 전지의 반력이 최대가 되는 시점은 T1이라 할 수 있다. 따라서, 이처럼 고정 지그(110)에 의해 전지의 반력이 최대가 되는 싸이클 시점(T1)이 정해지면, 이러한 시점(T1)을 기준으로, 가변 지그(120)에 의해 측정된 반력과 두께 변화량값을 추출할 수 있다.
특히, 이차 전지는, 전지의 제조 시부터 수명이 대략적으로 예측되거나 정해질 수 있다. 따라서, 이와 같이 예측되거나 정해진 수명을 기준으로 반력과 두께 변화량 예측 시점이 정해질 수 있다.
예를 들어, 특정 이차 전지의 사용 수명이 5000 싸이클로 예측된 경우, 해당 이차 전지에 대해서는 상기 도 14 및 도 16의 그래프에서 T1 시점은 5000 싸이클로 설정될 수 있다. 따라서, 이 경우, 5000 싸이클이 되는 시점에서 고정 지그(110)에 의한 이차 전지의 반력 및 가변 지그(120)에 의한 이차 전지의 반력과 두께 변화량이 추출될 수 있다.
상기 도출 유닛(130)은, 이차 전지의 두께 변화량에 따른 반력의 그래프를 도출할 수 있다.
특히, 상기 도출 유닛(130)은, 이차 전지의 변형량, 즉 두께 변화량을 x축으로 하고, 이차 전지의 반력을 y축으로 하는 좌표 평면상에서 그래프를 도출할 수 있다.
이 경우, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 얻어진 소정 시점에서의 반력값, 그리고 가변 지그(120)에 의해 얻어진 소정 시점에서의 반력값과 변형량값을 이용하여 이차 전지의 변형량-반력 그래프를 도출할 수 있다.
도 17은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 도출 유닛(130)에 의해 이차 전지의 변형량과 반력 사이의 관계가 도출되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 상기 도출 유닛(130)은, x축이 이차 전지의 두께 변화량이고, y축이 이차 전지의 반력인 좌표 평면을 설정할 수 있다. 여기서, x축의 단위는 길이의 단위, 이를테면 'mm'이고, y축의 단위는 힘 또는 무게의 단위, 이를테면 'kgf'일 수 있다.
그리고, 이러한 좌표 평면상에서, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 얻어진 T1 시점에서의 반력값을 이용하여 한 점으로 표시되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 14의 그래프에서, T1 시점에서의 반력값인 a0가 y좌표가 될 수 있다. 그리고, 고정 지그(110)에서는 전지의 두께 변화량이 없다고 할 수 있으므로, 이때의 x좌표는 0이 될 수 있다. 그러므로, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 (0, a0)라는 좌표점 P0을 얻을 수 있다. 즉, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)에 의해 얻어진 반력에 대하여, y절편으로서 변형량-반력 좌표 평면상에 입력되도록 할 수 있다.
또한, 상기 도출 유닛(130)은, 가변 지그(120)에 의해 얻어진 T1 시점에서의 변형량값과 반력값을 이용하여 상기 좌표 평면에서 적어도 한 점을 표시할 수 있다. 예를 들어, 도 16의 그래프에서, T1 시점에서의 두께 변화량(변형량)값인 b11을 x좌표로 하고, T1 시점에서의 반력값인 a11을 y좌표로 함으로써, (b11, a11) 좌표를 갖는 하나의 점 P1을 얻을 수 있다.
이처럼, 고정 지그(110)와 가변 지그(120)에 의해 얻어진 두 점(P0, P1)을 이용하여, 상기 도출 유닛(130)은, 하나의 선을 얻을 수 있다. 즉, 상기 도출 유닛(130)은, 고정 지그(110)와 가변 지그(120)에 의해 얻어진 점들을 서로 이음으로써 하나의 그래프를 얻을 수 있다.
특히, 가변 지그(120)는, 탄성 부재(125)를 포함하는데, 이러한 탄성 부재(125)는 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 도 15의 구성에서, 가변 상부 지그(121)는, 탄성 부재(125)와 결합되는데, 가변 상부 지그(121)는, 이러한 탄성 부재(125)를 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 가변 지그(120)는, 다른 종류의 탄성 부재(125)로 교체되도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 가변 지그(120)는, 스프링 상수가 다른 탄성 부재(125)로 교체되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 가변 지그(120)에 포함된 가변 상부 지그(121)와 탄성 부재(125)는, 서로 후크 결합 구조로 결합됨으로써 분리 및 체결 가능하게 구성될 수 있다. 또는, 상기 가변 상부 지그(121)와 탄성 부재(125)는, 서로 끼움 결합 구조로 결합됨으로써 분리 및 체결 가능하게 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 가변 상부 지그(121)의 상부에는 탄성 부재(125)의 하부 외형에 대응되는 크기 및 형태로 삽입홈이 형성되고, 이러한 삽입홈에 탄성 부재(125)의 하부가 삽입되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 탄성 부재(125)는, 금속 재질의 나선 형상으로 구성된 스프링 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 스프링 상수가 서로 다른 종류의 스프링 탄성체가 가변 상부 지그(121)에 교체되면서 결합될 수 있다.
특히, 상기 탄성 부재(125)는, 가변 상부 지그(121)의 상부에 위치하여 가변 상부 지그(121)와 결합할 수 있다. 이 경우, 탄성 부재(125)의 교체가 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
이와 같이 탄성 부재(125)가 교체 가능하도록 형성된 구성에서, 가변 지그(120)에 스프링 상수가 서로 다른 탄성 부재(125)가 결합되면, 상기 가변 지그(120)는, 각 탄성 부재(125)가 결합된 각각의 경우에 대하여, 이차 전지의 충방전 싸이클에 따른 반력과 두께 변화량을 측정할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 가변 지그에서 스프링 상수가 서로 다른 탄성 부재(125)가 결합된 여러 경우의 싸이클에 따른 반력 변화를 나타내는 그래프이고, 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)의 가변 지그에서 스프링 상수가 서로 다른 탄성 부재(125)가 결합된 여러 경우의 싸이클에 따른 두께 변화량을 나타내는 그래프이다. 도 18에서 x축은 충방전 싸이클로서, 단위는 '회'일 수 있다. 그리고, y축은 반력으로서, 단위는 'kgf'일 수 있다. 또한, 도 19에서 x축은 충방전 싸이클로서, 단위는 '회'일 수 있다. 그리고, y축은 두께 변화량으로서, 단위는 'mm'일 수 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 먼저, 도 16에 도시된 것과 동일한 형태로 반력 그래프 A1 및 변형량 그래프 B1이 도시되어 있다. 그리고, T1 시점에서 이러한 A1의 반력값과 B1의 변형량값은 각각 a11과 b11이라 할 수 있다. 따라서, x축이 변형량값이고 y축이 반력값인 변형량-반력 좌표 평면에서, (b11, a11) 좌표점이 얻어질 수 있으며(P1), 이는 앞서 도 17에서 살펴본 바와 같다.
그런데, 이러한 A1 및 B1의 그래프가 도출된 경우보다 낮은 스프링 상수를 갖는 탄성 부재(125)가 가변 지그(120)에 포함되면, 반력이 낮아지므로, 도 18에 도시된 바와 같이, 반력 그래프는 A1의 경우보다 낮은 반력값을 갖는 A2 그래프와 같은 형태로 얻어질 수 있다. 그리고, 스프링 상수가 낮아질수록 전지의 두께 변화량은 커지므로, 도 19에 도시된 바와 같이, 변형량 그래프는 B1의 경우보다 높은 두께 변화량값을 갖는 B2 그래프와 같은 형태로 얻어질 수 있다. 이 경우, T1 시점에서의 두께 변화량값 및 반력값이 b12 및 a12로 도출될 수 있다. 따라서, 이로부터 두께 변화량-반력 좌표 평면의 한 점 (b12, a12) 좌표점이 얻어질 수 있다(P2).
이와 마찬가지로, 이러한 A2 및 B2의 그래프가 도출된 경우보다 낮은 스프링 상수를 갖는 탄성 부재(125)가 가변 지그(120)에 포함되면, 도 18 및 도 19에서 A3 및 B3로 표시된 그래프와 같이, 반력값은 더욱 작아지고, 두께 변화량값은 더욱 커지는 그래프가 얻어질 수 있다. 이 경우, T1 시점에서의 두께 변화량값 및 반력값이 b13 및 a13으로 도출될 수 있다. 따라서, 이로부터 두께 변화량-반력 좌표 평면의 한 점 (b13, a13) 좌표점이 얻어질 수 있다(P3).
그리고, 이러한 A3 및 B3의 경우보다 더욱 낮은 스프링 상수를 갖는 탄성 부재(125)가 가변 지그(120)에 포함되면, 도 18 및 도 19에서 A4 및 B4로 표시된 바와 같이, 반력값은 더 작아지고, 두께 변화량값은 더 커지는 그래프가 얻어질 수 있다. 이 경우, T1 시점에서의 두께 변화량값 및 반력값이 b14 및 a14로 도출될 수 있다. 따라서, 이로부터 두께 변화량-반력 좌표 평면의 한 점 (b14, a14) 좌표점이 얻어질 수 있다(P4).
그리고, 이처럼, 스프링 상수를 달리함으로써 다수의 좌표점이 얻어지면, 상기 도출 유닛(130)은, 이러한 좌표점을 이용하여 두께 변화량-반력 그래프를 얻을 수 있다. 즉, 가변 지그(120)에 의해, 스프링 상수가 다른 다수의 탄성 부재(125)가 결합된 각 경우에 대하여 충방전 싸이클에 따른 반력과 두께 변화량이 측정되면, 상기 도출 유닛(130)은, 이를 이용하여, 이차 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출할 수 있다.
도 20은, 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 평가 모듈(100)의 가변 지그에서 스프링 상수를 달리한 여러 경우를 이용하여 얻어진 변형량과 반력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기서, x축의 단위는 길이의 단위, 이를테면 'mm'이고, y축의 단위는 힘 또는 무게의 단위, 이를테면 'kgf'일 수 있다.
도 20을 참조하면, 상기 도출 유닛(130)은, 변형량-반력 좌표 평면에서, 상기 도 14의 실시예에서 고정 지그(110)에 의해 얻어진 좌표점 (0, a0)를 이용하여 y 좌표축 상에 한 점(P0)을 표시할 수 있다. 또한, 상기 도출 유닛(130)은, 상기 도 18 및 도 19의 실시예에서 가변 지그(120)에 의해 스프링 상수를 각각 달리하면서 얻어진 4개의 좌표점(P1, P2, P3, P4)을 좌표 평면상에 표시할 수 있다.
그리고, 상기 도출 유닛(130)은, 이와 같이 표시된 5개의 점(P0~P5)을 이용하여 하나의 선(V)을 얻을 수 있다. 특히, 상기 도출 유닛(130)은, 이러한 5개의 점을 이용하여 하나의 곡선(V)을 도출할 수 있다. 그리고, 이와 같이 도출된 곡선(V)이 곧, 이차 전지의 변형량과 반력 사이의 관계 그래프라 할 수 있다. 이를테면, 도 11의 그래프가 곧, 앞서 살펴본 도 5의 그래프가 될 수 있다. 더욱이, 이러한 도출 유닛(130)은, 스프링 상수를 달리한 경우의 좌표점이 많을수록 보다 정확한 곡선을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈 변형 예측 장치에 있어서, 셀 평가 모듈(100)은, 모듈 케이스에 인가되는 하중과 모듈 케이스의 폭 변화량 사이의 관계를 도출하기 위해 다양한 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 평가 모듈(100)은, 하중 인가 유닛 및 변화량 측정 유닛을 구비할 수 있다.
여기서, 하중 인가 유닛은, 모듈 케이스로 하중을 인가할 수 있다. 더욱이, 상기 하중 인가 유닛은, 모듈 케이스의 내측에서 외측 방향으로 하중을 인가할 수 있다. 예를 들어, 상기 하중 인가 유닛은, 도 7에서 화살표 I1으로 표시된 바와 같이, 모듈 케이스에 하중을 인가할 수 있다.
또한, 상기 하중 인가 유닛은, 하중의 크기를 변화시키면서 모듈 케이스로 하중을 인가할 수 있다. 그리고, 상기 하중 인가 유닛은, 모듈 케이스에 전반적으로 동일한 하중을 인가하지 않고, 부분마다 편차를 두고 하중을 인가할 수 있다. 예를 들어, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 하중 인가 유닛은, 모듈 케이스의 중앙 부분이 외곽 부분, 이를테면 상부나 하부보다 많은 하중이 인가되도록 할 수 있다. 이 경우, 이차 전지의 팽창이 중앙 부분에서 많이 일어나는 형태를 잘 반영할 수 있다.
상기 변화량 측정 유닛은, 하중 인가 유닛에 의해 하중이 인가됨에 따라, 모듈 케이스가 변화하는 정도를 측정할 수 있다. 특히, 상기 하중 인가 유닛은, 모듈 케이스의 전체 폭이 변화하는 양을 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 변화량 측정 유닛은, 도 7에서 W2와 W1의 차이를 측정할 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.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
[부호의 설명]
100: 셀 평가 모듈
110: 고정 지그
111: 고정 상부 지그, 112: 고정 하부 지그, 113: 고정 베이스 부재, 114: 고정 측정 부재
120: 가변 지그
121: 가변 상부 지그, 122: 가변 하부 지그, 123: 가변 베이스 부재, 124: 가변 측정 부재, 125: 탄성 부재
130: 도출 유닛
200: 케이스 평가 모듈
300: 예측 모듈
400: 검증 모듈

Claims (9)

  1. 하나 이상의 이차 전지를 모듈 케이스 내에 구비하는 배터리 모듈에서, 상기 이차 전지의 스웰링에 의한 배터리 모듈의 변형을 예측하는 장치에 있어서,
    1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 도출하는 셀 평가 모듈;
    상기 모듈 케이스에 인가되는 하중과 상기 모듈 케이스의 폭 변화량 사이의 관계를 도출하는 케이스 평가 모듈; 및
    상기 셀 평가 모듈에 의해 도출된 전지의 두께 변화량과 반력 사이의 관계 및 상기 케이스 평가 모듈에 의해 도출된 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 이용하여, 배터리 모듈의 변형량을 예측하는 예측 모듈
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 평가 모듈은, 상기 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 1개의 곡선 형태로 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이스 평가 모듈은, 상기 모듈 케이스의 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 1개의 곡선 형태로 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 예측 모듈은, 상기 셀 평가 모듈에 의해 도출된 1개의 곡선과 상기 케이스 평가 모듈에 의해 도출된 1개의 곡선의 교차점을 확인하고, 확인된 교차점을 이용하여 상기 배터리 모듈의 변형량을 예측하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 다수의 이차 전지를 구비하고,
    상기 예측 모듈은, 상기 셀 평가 모듈에 의해 도출된 1개의 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 배터리 모듈에 구비된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계로 변환 도출하고, 변환 도출된 전체 이차 전지에 대한 두께 변화량과 반력 사이의 관계를 이용하여, 상기 배터리 모듈의 변형량을 예측하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 상하 방향으로 세워진 형태로 상기 모듈 케이스 내부에서 좌우 방향으로 적층 배열되고,
    상기 케이스 평가 모듈은, 상기 모듈 케이스의 좌우 측면부에 대한 인가 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, 판상으로 구성되어 상기 이차 전지의 적층 방향 양단에 각각 위치하는 2개의 엔드 플레이트를 구비하고,
    상기 케이스 평가 모듈은, 상기 엔드 플레이트에 인가되는 하중과 폭 변화량 사이의 관계를 도출하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 예측 모듈은, 상기 배터리 모듈의 변형량으로서, 상기 배터리 모듈의 폭 변화량 및 상기 모듈 케이스에 인가되는 하중을 예측하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 예측 모듈에 의해 예측된 배터리 모듈의 변형량을 미리 저장된 참조값과 비교하는 검증 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 변형 예측 장치.
PCT/KR2018/001013 2017-01-24 2018-01-23 배터리 모듈 변형 예측 장치 WO2018139834A2 (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113985293A (zh) * 2021-10-26 2022-01-28 远景动力技术(江苏)有限公司 锂离子电池膨胀率预测方法和装置、电子设备及存储介质

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020149557A1 (ko) 2019-01-18 2020-07-23 주식회사 엘지화학 배터리 관리 장치 및 방법
KR102453502B1 (ko) * 2019-12-06 2022-10-11 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 케이스 분석 장치
US20230046208A1 (en) * 2020-03-12 2023-02-16 Lg Energy Solution, Ltd. Apparatus for inspecting swelling of battery cell
KR20210117829A (ko) * 2020-03-20 2021-09-29 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 스웰링 검사 장치
CN111537126B (zh) * 2020-04-28 2022-12-13 苏州清陶新能源科技有限公司 用于确定软包电池预紧力的工装、确定软包电池预紧力和模组装配的方法
KR102679708B1 (ko) * 2020-10-14 2024-06-27 주식회사 엘지에너지솔루션 모듈 변형도 추정 장치 및 방법
KR20220060815A (ko) * 2020-11-05 2022-05-12 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지 모듈의 셀 가압력 범위 설정방법
KR20230005534A (ko) 2021-07-01 2023-01-10 주식회사 엘지에너지솔루션 전지셀의 벤트 발생시점 예측 시스템 및 예측방법
KR102683147B1 (ko) 2021-09-27 2024-07-09 한국기계연구원 충방전 시험에서 발생하는 원통형 배터리 변형량 측정 장치
CN114308709A (zh) * 2021-12-28 2022-04-12 傲普(上海)新能源有限公司 一种电芯极片叠片对位检测方法
CN116611010A (zh) * 2023-04-06 2023-08-18 重庆三峡时代能源科技有限公司 锂离子电池形变的预测方法、装置、设备及存储介质

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3575087B2 (ja) 1994-12-07 2004-10-06 三菱電機株式会社 放電加工装置
US6177799B1 (en) 2000-01-21 2001-01-23 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Natural Resources Rechargeable battery electrode testing device
US7118827B2 (en) * 2003-08-06 2006-10-10 Delphi Technologies, Inc. Battery assembly and method of making same
JP4581481B2 (ja) * 2004-05-26 2010-11-17 トヨタ自動車株式会社 電池モジュールの製造方法
US7989104B2 (en) * 2004-10-28 2011-08-02 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery module
KR100932227B1 (ko) * 2005-09-02 2009-12-16 주식회사 엘지화학 이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈
JP2008288168A (ja) 2007-05-21 2008-11-27 Toyota Motor Corp 組電池、組電池システム、及び組電池システムの運転方法
JP2009048949A (ja) * 2007-08-22 2009-03-05 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5444762B2 (ja) * 2008-07-02 2014-03-19 トヨタ自動車株式会社 圧力測定装置及び厚み測定装置
JP2012059491A (ja) 2010-09-08 2012-03-22 Panasonic Corp 扁平形二次電池用電極群およびこれを用いた扁平形二次電池
DE102011100605A1 (de) 2011-05-05 2012-11-08 Li-Tec Battery Gmbh Messverfahren für eine elektrochemische Energiespeichereinrichtung und Messvorrichtung
JP6265900B2 (ja) * 2011-09-20 2018-01-24 エルジー ケム． エルティーディ． 多孔性構造の電極組立体及びこれを含む二次電池
JP5733146B2 (ja) 2011-10-04 2015-06-10 トヨタ自動車株式会社 二次電池の測定方法および測定システム
JP5605344B2 (ja) 2011-10-14 2014-10-15 トヨタ自動車株式会社 電池の評価用治具および電池の評価方法
CN103173432B (zh) * 2011-12-22 2020-08-04 通用电气公司 分离核酸的方法及装置
JP5724921B2 (ja) 2012-03-23 2015-05-27 トヨタ自動車株式会社 拘束機構の強度設定方法および蓄電装置
US9316699B2 (en) * 2012-04-05 2016-04-19 Samsung Sdi Co., Ltd. System for predicting lifetime of battery
JP2013251085A (ja) * 2012-05-31 2013-12-12 Energy Control Ltd 複数の立方状二次電池を組付け可能なケース
JP2014127341A (ja) * 2012-12-26 2014-07-07 Nissan Motor Co Ltd 電池状態検知システム及び電池状態検知方法
US9620809B2 (en) 2013-03-14 2017-04-11 Enevate Corporation Clamping device for an electrochemical cell stack
KR102108279B1 (ko) * 2013-05-22 2020-05-07 삼성에스디아이 주식회사 배터리의 두께 예측 시스템 및 배터리의 두께 예측 방법
WO2015023820A2 (en) * 2013-08-15 2015-02-19 University Of Maryland College Park Systems, methods, and devices for health monitoring of an energy storage device
JP2015090970A (ja) * 2013-11-07 2015-05-11 旭化成Ｆｄｋエナジーデバイス株式会社 膨張検知機構
JP6255970B2 (ja) 2013-12-16 2018-01-10 日産自動車株式会社 電池システム
US10833376B2 (en) * 2014-01-02 2020-11-10 Cps Technology Holdings Llc Battery with life estimation
EP3128600A4 (en) 2014-03-31 2017-10-11 Toyo Tire & Rubber Co., Ltd. Deformation-detecting sensor for sealed secondary battery
JP2016004724A (ja) 2014-06-18 2016-01-12 株式会社日本自動車部品総合研究所 二次電池
JP6200880B2 (ja) 2014-07-08 2017-09-20 東洋ゴム工業株式会社 密閉型二次電池の変形検出方法、及び、密閉型二次電池
US9917335B2 (en) 2014-08-28 2018-03-13 Apple Inc. Methods for determining and controlling battery expansion
KR101783923B1 (ko) * 2014-11-26 2017-10-10 주식회사 엘지화학 이차전지 셀의 두께 측정장치 및 방법
KR101741193B1 (ko) * 2014-11-28 2017-05-29 주식회사 엘지화학 배터리 팩
KR20160069807A (ko) * 2014-12-09 2016-06-17 삼성에스디아이 주식회사 전지 모듈
KR101719408B1 (ko) 2015-02-11 2017-03-23 주식회사 엘지화학 이차전지의 불량 검출용 지그 및 그를 이용한 이차전지의 불량 검출 방법
JP2017168422A (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 東洋ゴム工業株式会社 密閉型二次電池の残容量予測方法及び残容量予測システム
KR101692414B1 (ko) * 2016-06-20 2017-01-03 주식회사 엘지화학 이차전지의 내부압력 측정장치, 및 이를 사용하는 이차전지의 내부압력 측정방법
KR102146075B1 (ko) * 2017-04-13 2020-08-19 주식회사 엘지화학 엔드 플레이트 테스트 장치 및 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113985293A (zh) * 2021-10-26 2022-01-28 远景动力技术(江苏)有限公司 锂离子电池膨胀率预测方法和装置、电子设备及存储介质
CN113985293B (zh) * 2021-10-26 2023-12-12 远景动力技术(江苏)有限公司 锂离子电池膨胀率预测方法和装置、电子设备及存储介质

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