WO2021230516A1 - 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 시스템 Download PDF

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lead electrode
electrode
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conductive polymer
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present disclosure relates to a battery cell and a battery system including the same.
  • the battery may continue to operate and the battery may be operated with the inside of the battery cell exposed to the air.
  • gas may be generated from a battery cell or more while the electric vehicle is running, causing the battery to stop working and an accident may occur.
  • An object of the present invention is to provide a battery cell and battery system capable of detecting abnormal signs of a battery.
  • a battery cell includes an electrode assembly; A case for accommodating the electrode assembly, a first lead electrode electrically connected to at least one of the two electrode tabs of the electrode assembly, a conductive polymer including one surface in contact with one surface of the first lead electrode, and the conductivity and a second lead electrode having one surface in contact with the other surface of the polymer, and when the gap between the first lead electrode and the second lead electrode is widened, the resistance between the first lead electrode and the second lead electrode is increases
  • the battery cell may further include a film surrounding a region including a portion where the first lead electrode, the conductive polymer, and the second lead electrode overlap.
  • the second lead electrode may protrude to the outside of one side of the case and be connected to the bus bar.
  • a battery system includes a plurality of battery cells and a battery management system, and each of the plurality of battery cells includes at least one of an electrode assembly, a case accommodating the electrode assembly, and two electrode tabs of the electrode assembly.
  • a first lead electrode electrically connected to any one, a conductive polymer including one surface in contact with one surface of the first lead electrode, and a second lead electrode including one surface in contact with the other surface of the conductive polymer, , the battery management system may detect an increase in resistance of at least one of the plurality of battery cells to diagnose an abnormality.
  • the battery management system may generate a check signal when the rate of increase of the at least one resistance reaches a predetermined threshold value less than or equal to a first reference value.
  • the battery management system may generate a warning signal when the rate of increase of the at least one resistance reaches the predetermined threshold at a faster rate than the first reference value.
  • the battery management system may generate an evacuation warning signal when the rate of increase of the at least one resistance reaches the predetermined threshold by more than a second reference value greater than the first reference value.
  • Each of the plurality of battery cells may further include a film surrounding a region including a portion where the first lead electrode, the conductive polymer, and the second lead electrode overlap.
  • the second lead electrode may protrude to the outside of one side of the case and be connected to the bus bar.
  • the battery management system may supply a diagnostic voltage to both ends of at least one of the plurality of battery cells, measure a diagnostic current flowing through the at least one, and calculate the at least one resistance.
  • a battery cell and a battery system that provide an alert for anomalies in a battery cell.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a battery cell according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 3 is a view showing that an abnormality has occurred in one of a plurality of battery cells.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a battery system according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a battery cell according to an exemplary embodiment.
  • the battery system 1 includes a plurality of battery cells 11 - 18 and a battery management system (BMS) 20 .
  • BMS battery management system
  • the battery system 1 is illustrated as including eight battery cells 11 - 18 , but this is an example and the invention is not limited thereto.
  • two battery cells constitute one bank connected in parallel
  • a plurality of battery cells 11-18 are connected in series or three or more battery cells are connected in parallel to form a bank. can be configured.
  • the BMS 20 controls the charge/discharge current of the battery system 1 , measures the cell voltage of each of the plurality of battery cells 11-18 to control the cell balancing operation, and the plurality of battery cells 11-18 It is possible to control the protection operation based on each temperature and cell voltage.
  • the BMS 20 may detect an abnormal battery cell that is likely to be vented among the plurality of battery cells 11-18, and when the abnormal battery cell is detected, the plurality of battery cells 11 -18) to stop the operation and to warn the outside that there is an abnormality.
  • the battery cell 11 may include an electrode assembly and a case 110 that are repeatedly stacked in the order of a positive electrode layer 117 , a separator 118 , and a negative electrode layer 119 .
  • the positive electrode layer 117 includes a positive electrode 117a and a positive electrode tab 117b, the positive electrode tab 117b extends from the positive electrode 117a, and protrudes from one side of the case 110 to the positive electrode lead 117c ) is associated with
  • the negative electrode layer 119 includes a negative electrode 119a and a negative electrode tab 119b, the negative electrode tab 119b extends from the negative electrode 119a, protrudes to the other side of the case 110, and is connected to the negative electrode lead 119c do.
  • the case 110 accommodates the electrode assembly.
  • the present invention is not limited thereto. It is also applicable to a battery system including a battery cell in which a positive tab and a negative tab protrude in the same direction.
  • the positive lead 117c is electrically connected to the lead electrode 113 , the lead electrode 113 and the lead electrode 111 are electrically connected through a conductive polymer 112 , and the lead electrode 111 is a bus bar (32) is electrically connected.
  • a part of the lower end surface of the lead electrode 113 contacts the positive electrode tab 117b , and another part of the lower end surface of the lead electrode 113 (the lower right end in FIG. 2 ).
  • a part of the surface) and a part of the upper surface of the lead electrode 111 overlap each other, and the conductive polymer 112 is positioned therebetween.
  • the negative lead 119c is electrically connected to the lead electrode 115 , and the lead electrode 115 is connected to the bus bar 36 .
  • the film 114 surrounds a region including the overlapping portion of the lead electrode 111 , the lead electrode 113 , and the conductive polymer 112 .
  • the film 116 surrounds a portion of the lead electrode 115 .
  • the case 110 accommodates the electrode assembly, and the lead electrode 111 protrudes to the outside through one opening of the case 110 to be connected to the bus bar 32 , and the lead electrode through the other opening of the case 110 .
  • 115 is connected to the bus bar 36 .
  • One opening may be sealed by the film 114 or the film 114 and the sealing material, and the other opening may be sealed by the film 116 or the film 116 and the sealing material.
  • the plurality of battery cells 12 - 18 may be implemented with the same structure as the battery cell 11 .
  • the lead electrode 111 that is the positive electrode of the battery cell 11 and the lead electrode 121 that is the positive electrode of the battery cell 12 are connected to the bus bar 32 , and the bus bar 32 is the battery system 1 . It is connected to the positive electrode (31). Lead electrodes 115 and 125 that are negative electrodes of the battery cells 11 and 12 and lead electrodes 131 and 141 that are positive electrodes of the battery cells 13 and 14 are connected to the bus bar 36 , and the battery cell 13 is connected to the bus bar 36 .
  • the lead electrodes 151 and 161 are connected to the bus bar 33, and of the battery cells 15 and 16,
  • the negative lead electrodes 155 and 165 and the positive lead electrodes 171 and 181 of the battery cells 17 and 18 are connected to the bus bar 35, and the lead electrodes are the negative electrode of the battery cells 17 and 18. 175 and 185 are connected to the bus bar 34 .
  • the busbar 34 is connected to the negative electrode 37 of the battery system 1 .
  • the BMS 20 may supply a diagnostic voltage between two bus bars among the plurality of bus bars 32-36 and measure the resistance of the battery bank.
  • two adjacent battery cells are connected in parallel to each other to constitute one battery bank.
  • the invention is not limited thereto, and instead of the battery bank, one battery cell unit may be connected in series as shown in FIG. 1 , or the battery bank may include at least three battery cells.
  • the BMS 20 measures the resistance of a plurality of battery banks including two battery cells among the plurality of battery cells 11-18, and when the resistance of the battery banks is greater than or equal to a predetermined value, it is diagnosed that there is an abnormality in the corresponding battery bank. do.
  • the BMS 20 measures the resistance of a battery bank composed of two battery cells 11 and 12 among the plurality of battery cells 11-18.
  • FIG. 3 is a view showing that an abnormality has occurred in one of a plurality of battery cells.
  • gas is generated in the battery cell 11 , and the case 110 in the dotted box area RB expands from the dashed lines 200 and 201 indicated by the solid lines 202 and 203 .
  • This is an example for explaining an embodiment, and the present invention is not limited thereto.
  • the BMS 20 supplies a diagnostic voltage between the bus bar 32 and the bus bar 36 through the wiring 41 and the wiring 45 . At this time, the diagnostic current flowing through the battery cells 11 and 12 is summed and flows through the wire 41 and the wire 45, and the BMS 20 measures the diagnostic voltage and the diagnostic current to calculate the resistance of the battery bank. .
  • the total resistance of the battery bank increases.
  • the gap between the lead electrode 113 and the lead electrode 111 is widened due to an increase in pressure inside the battery cell 11 . This is due to the force acting in the direction of the two arrows in the figure by the internal pressure of the battery cell 11 .
  • the conductive polymer 112 is expanded by the force acting in both vertical directions. As the gap between the two lead electrodes 111 and 113 increases, the resistance between the two lead electrodes increases, and the battery bank resistance calculated by the BMS 20 increases.
  • the BMS 20 applies a diagnostic voltage between the bus bar 36 and the bus bar 33 through the wiring 45 and the wiring 42 to diagnose abnormal symptoms of the battery cells 13 and 14.
  • the resistance of the battery bank may be calculated by measuring the diagnostic current flowing through the wiring 41 and the wiring 45 .
  • the BMS 20 supplies a diagnostic voltage between the bus bar 33 and the bus bar 35 through the wiring 42 and the wiring 44 to diagnose abnormal symptoms of the battery cells 15 and 16, and the wiring
  • the resistance of the battery bank may be calculated by measuring the diagnostic current flowing through 42 and the wiring 44 .
  • the BMS 20 supplies a diagnostic voltage between the bus bar 35 and the bus bar 34 through the wiring 44 and the wiring 43 to diagnose abnormal symptoms of the battery cells 17 and 18, and the wiring
  • the resistance of the battery bank may be calculated by measuring the diagnostic current flowing through 44 and the wiring 43 .
  • the BMS 20 calculates the resistance of the corresponding battery bank by dividing the measured diagnostic current by the supplied diagnostic voltage.
  • the BMS 20 may generate a check signal when the resistance increase rate of the battery bank is slow but reaches a threshold value.
  • the increase rate is equal to or less than the first predetermined reference value, it may be determined that the resistance increase rate is slow, and the predetermined reference value may be set according to a design.
  • the BMS 20 may generate a warning signal when the resistance of the battery bank reaches a threshold at a fast increasing rate. When the increase rate is greater than the first reference value, the BMS 20 may determine that the resistance increase rate is fast.
  • the BMS 20 may generate an evacuation warning signal because there is a risk of ignition when the resistance of the battery bank reaches a threshold value at a very rapid increase rate.
  • the increase rate is greater than a predetermined second reference value greater than the first reference value, the BMS 20 may determine that the resistance increase rate is very fast.
  • the BMS 20 may stop the operation of the battery system 1 according to the check signal, the warning signal, and the evacuation warning signal, and transmit it to the circuit controlling the vehicle through CAN communication, and provide the battery to the user through a separate device.
  • An abnormal symptom of the system 1 can be notified.
  • the inspection signal is a signal to inform the user that the battery system needs to be checked
  • the warning signal is a signal to inform the user that the battery system is in danger and needs replacement
  • the evacuation warning signal is a signal to warn the user to evacuate immediately.
  • each signal may be appropriately designed according to the design.
  • the lead electrode, the conductive polymer, and the lead electrode are illustrated as being positioned on the anode side of the battery cell, but the invention is not limited thereto.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • the lead electrode 513 is electrically connected to the negative lead 516 , and the conductive polymer 512 is positioned between the lead electrode 513 and the lead electrode 515 , and the lead electrode 515 is connected to the bus bar 36 .
  • the film 518 covers a region including a portion where the lead electrode 513 , the conductive polymer 512 , and the lead electrode 515 overlap.
  • the lead electrode 511 is connected to the positive lead 514 and the bus bar 32 .
  • the film 517 surrounds a portion of the lead electrode 511 .
  • the lead electrode 511 that is the positive electrode of the battery cell 51 and the lead electrode 521 that is the positive electrode of the battery cell 52 are connected to the bus bar 32 , and the bus bar 32 is the battery system 1 . It is connected to the positive electrode (31). Lead electrodes 515 and 525 serving as negative electrodes of the battery cells 51 and 52 and lead electrodes 531 and 541 serving as positive electrodes of the battery cells 53 and 54 are connected to the bus bar 36 , and the battery cell 53 .
  • the negative lead electrodes 535 and 545 and the positive electrode of the battery cells 55 and 56 , 551 , 561 are connected to the bus bar 33
  • Lead electrodes 555 and 565 that are negative poles and lead electrodes 571 and 581 that are positive poles of battery cells 57 and 58 are connected to the bus bar 35
  • lead electrodes that are negative poles of battery cells 57 and 58. 575 and 585 are connected to the bus bar 34 .
  • the busbar 34 is connected to the negative electrode 37 of the battery system 1 .
  • the BMS 20 of the embodiment of FIG. 4 supplies a diagnostic voltage between two busbars among the plurality of busbars 32-36, and measures the resistance of the battery bank. can Detailed description will be omitted.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • the lead electrode 613 is electrically connected to the anode lead 617 , and a conductive polymer 612 is positioned between the lead electrode 613 and the lead electrode 611 , and the lead electrode 611 is connected to the bus bar 32 .
  • the lead electrode 616 is electrically connected to the negative lead 618 , and a conductive polymer 614 is positioned between the lead electrode 616 and the lead electrode 615 , and the lead electrode 615 is a bus bar 36 .
  • the film 619a surrounds a region including a portion where the lead electrode 613 , the conductive polymer 612 , and the lead electrode 611 overlap, and the film 619b includes the lead electrode 616 , the conductive polymer 614 . ), and the lead electrode 615 surrounds a region including an overlapping portion.
  • the lead electrode 611 that is the positive electrode of the battery cell 61 and the lead electrode 621 that is the positive electrode of the battery cell 62 are connected to the bus bar 32 , and the bus bar 32 is the battery system 1 . It is connected to the positive electrode 31 .
  • Lead electrodes 615 and 625 that are the negative electrodes of the battery cells 61 and 62 and the lead electrodes 631 and 641 that are positive electrodes of the battery cells 63 and 64 are connected to the bus bar 36 , and the battery cell 63 is connected to the bus bar 36 .
  • the busbar 34 is connected to the negative electrode 37 of the battery system 1 .
  • the BMS 20 of the embodiment of FIG. 5 supplies a diagnostic voltage between two busbars among the plurality of busbars 32-36 and measures the resistance of the battery bank. can Detailed description will be omitted.
  • the BMS 20 detects an abnormality based on the increase rate of the resistance, but the invention is not limited thereto, and the resistance value is larger than a predetermined threshold value compared to other battery cells or battery banks. It can detect that there is something wrong with a cell or battery bank.
  • the battery system according to an embodiment is applicable not only to a vehicle but also to an ESS (Energy Storage System), and a signal generated from the BMS 20 interlocks with firefighting equipment to perform a fire suppression operation when an ESS is ignited due to an abnormality.
  • ESS Electronicgy Storage System
  • a fire alarm may be activated and a fire door may be activated.

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Abstract

배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 상기 전극 조립체의 두 전극 탭 중 적어도 어느 하나에 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 전극; 상기 제1 리드 전극의 일면에 접촉한 일면을 포함하는 전도성 폴리머; 및 상기 전도성 폴리머의 타면에 접촉한 일면을 포함하는 제2 리드 전극을 포함하고, 상기 제1 리드 전극 및 상기 제2 리드 전극 사이가 벌어질 때, 상기 제1 리드 전극 및 상기 제2 리드 전극 사이의 저항이 증가한다.

Description

배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 시스템
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 5월 13일자 한국 특허 출원 제10-2020-0056952호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 개시는 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
내외부의 특이 사항 등에 의해 발생하는 배터리의 변화는 정확하게 확인되기 어렵다. 밴트(vent)가 발생한 후에도 지속적으로 배터리가 작동하여 공기 중에 배터리 셀 내부가 노출된 상태로 배터리가 운영될 수 있다. 또한, 전기 자동차의 운행 중 배터리 셀 이상으로 가스가 발생하여 배터리가 작동을 멈춰 사고가 발생할 수 있다.
이와 같이, 배터리 셀의 상태를 정확하게 파악하기 어려워 다양한 문제가 발생할 수 있다.
배터리의 이상 징후를 감지할 수 있는 배터리 셀 및 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 한 특징에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스, 상기 전극 조립체의 두 전극 탭 중 적어도 어느 하나에 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 전극, 상기 제1 리드 전극의 일면에 접촉한 일면을 포함하는 전도성 폴리머, 및 상기 전도성 폴리머의 타면에 접촉한 일면을 포함하는 제2 리드 전극을 포함하고, 상기 제1 리드 전극 및 상기 제2 리드 전극 사이가 벌어질 때, 상기 제1 리드 전극 및 상기 제2 리드 전극 사이의 저항이 증가한다.
상기 배터리 셀은, 상기 제1 리드 전극, 상기 전도성 폴리머, 및 상기 제2 리드 전극이 중첩된 부분을 포함하는 영역을 감싸는 필름을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 리드 전극은, 상기 케이스의 일측의 외부로 돌출되어 버스바에 연결될 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀 및 배터리 관리 시스템을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 각각은, 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스, 상기 전극 조립체의 두 전극 탭 중 적어도 어느 하나에 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 전극, 상기 제1 리드 전극의 일면에 접촉한 일면을 포함하는 전도성 폴리머, 및 상기 전도성 폴리머의 타면에 접촉한 일면을 포함하는 제2 리드 전극을 포함하며, 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 저항이 증가하는 것을 감지하여 이상 여부를 진단할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 적어도 하나의 저항 증가 속도가 제1 기준치 이하로 소정의 임계치에 도달한 경우 점검 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 적어도 하나의 저항 증가 속도가 상기 제1 기준치 보다 빠른 속도로 상기 소정의 임계치에 도달한 경우 경고 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 적어도 하나의 저항 증가 속도가 상기 제1 기준치 보다 큰 제2 기준치 이상으로 상기 소정의 임계치에 도달한 경우 대피 경고 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 복수의 배터리 셀 각각은, 상기 제1 리드 전극, 상기 전도성 폴리머, 및 상기 제2 리드 전극이 중첩된 부분을 포함하는 영역을 감싸는 필름을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 리드 전극은, 상기 케이스의 일측의 외부로 돌출되어 버스바에 연결될 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 양단에 진단 전압을 공급하고, 상기 적어도 하나에 흐르는 진단 전류를 측정하여, 상기 적어도 하나의 저항을 산출할 수 있다.
배터리 셀의 이상 징후에 대한 경고를 제공한 배터리 셀 및 배터리 시스템을 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 셀을 나타낸 도면이다.
도 3은 복수의 배터리 셀 중 하나에 이상이 발생한 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대해서 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 셀을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(1)은 복수의 배터리 셀(11-18) 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20)를 포함한다. 도 1에서는 배터리 시스템(1)이 8개의 배터리 셀(11-18)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로 발명이 이에 한정되지 않는다. 아울러, 도 1에서는 2개의 배터리 셀이 병렬 연결된 하나의 뱅크(bank)를 구성하는 것으로 도시되어 있으나, 복수의 배터리 셀(11-18)이 직렬 연결되거나, 3개 이상의 배터리 셀이 병렬 연결되어 뱅크를 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리 시스템(1)의 충방전 전류를 제어하고, 복수의 배터리 셀(11-18) 각각의 셀 전압을 측정하여 셀 밸런싱 동작을 제어하며, 복수의 배터리 셀(11-18) 각각의 온도 및 셀 전압에 기초한 보호 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 BMS(20)는 복수의 배터리 셀(11-18) 중 밴트(vent) 될 가능성이 있는 이상 배터리 셀을 감지할 수 있고, 이상 배터리 셀을 감지한 경우 복수의 배터리 셀(11-18)의 작동을 정지시키고, 이상 징후가 있음을 외부에 경고할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(11)은 양극층(117), 분리막(118), 및 음극층(119)의 순으로 반복하여 적층된 전극 조립체 및 케이스(110)를 포함할 수 있다. 양극층(117)은 양극(117a)과 양극 탭(tab)(117b)을 포함하고, 양극 탭(117b)은 양극(117a)로부터 연장되고, 케이스(110)의 일측으로 돌출되어 양극 리드(117c)와 연결된다. 음극층(119)은 음극(119a)과 음극 탭(119b)을 포함하고, 음극 탭(119b)은 음극(119a)로부터 연장되고, 케이스(110)의 타측으로 돌출되어 음극 리드(119c)와 연결된다. 케이스(110)는 전극 조립체를 수납한다.
도 1 및 도 2에서는 양극 탭 및 음극 탭이 서로 반대 방향으로 돌출된 구조이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 탭 및 음극 탭이 동일한 방향으로 돌출된 배터리 셀을 포함하는 배터리 시스템에도 적용 가능하다.
양극 리드(117c)은 리드 전극(113)에 전기적으로 연결되고, 리드 전극(113)과 리드 전극(111)은 전도성 폴리머(112)를 통해 전기적으로 연결되어 있으며, 리드 전극(111)은 버스바(32)에 전기적으로 연결되어 있다.
구체적으로, 리드 전극(113)의 하단면의 일부(도 2에서는 좌측 하단면의 일부)가 양극 탭(117b)에 접촉하고, 리드 전극(113)의 하단면의 다른 일부(도 2에서는 우측 하단면의 일부)와 리드 전극(111)의 상단면의 일부(도 2에서는 좌측 상단면의 일부)가 서로 중첩하고, 그 사이에 전도성 폴리머(112)가 위치한다.
음극 리드(119c)은 리드 전극(115)에 전기적으로 연결되고, 리드 전극(115)은 버스바(36)에 연결된다.
필름(114)은 리드 전극(111), 리드 전극(113), 및 전도성 폴리머(112)가 중첩된 부분을 포함하는 영역을 감싸고 있다. 필름(116)은 리드 전극(115)의 일부 영역을 감싸고 있다.
케이스(110)는 전극 조립체를 수납하고, 케이스(110)의 일측 개구를 통해 리드 전극(111)이 외부로 돌출되어 버스바(32)에 연결되며, 케이스(110)의 타측 개구를 통해 리드 전극(115)가 버스바(36)에 연결되어 있다. 일측 개구는 필름(114) 또는 필름(114)와 밀봉재에 의해 밀봉되고, 타측 개구는 필름(116) 또는 필름(116)과 밀봉재에 의해 밀봉될 수 있다.
복수의 배터리 셀(12-18)은 배터리 셀(11)과 동일한 구조로 구현될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여 배터리 시스템(1)에 대해서 설명한다.
배터리 셀(11)의 양극인 리드 전극(111) 및 배터리 셀(12)의 양극인 리드 전극(121)은 버스바(32)에 연결되어 있고, 버스바(32)는 배터리 시스템(1)의 양의 전극(31)에 연결되어 있다. 배터리 셀(11, 12)의 음극인 리드 전극(115, 125) 및 배터리 셀(13, 14)의 양극인 리드 전극(131, 141)은 버스바(36)에 연결되어 있고, 배터리 셀(13, 14)의 음극인 리드 전극(135, 145) 및 배터리 셀(15, 16)의 양극인 리드 전극(151, 161)은 버스바(33)에 연결되어 있으며, 배터리 셀(15, 16)의 음극인 리드 전극(155, 165) 및 배터리 셀(17, 18)의 양극인 리드 전극(171, 181)은 버스바(35)에 연결되어 있고, 배터리 셀(17, 18)의 음극인 리드 전극(175, 185)은 버스바(34)에 연결되어 있다. 버스바(34)는 배터리 시스템(1)의 음의 전극(37)에 연결되어 있다.
BMS(20)는 복수의 버스바(32-36) 중 두 개의 버스바 사이에 진단 전압을 공급하고, 배터리 뱅크의 저항을 측정할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 도 1에서는 두 개의 인접한 배터리 셀이 서로 병렬 연결되어 하나의 배터리 뱅크를 구성한다. 그러나 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 배터리 뱅크 대신 하나의 배터리 셀 단위로 도 1에 도시된 방식과 같이 직렬 연결되어 있거나, 배터리 뱅크가 적어도 3개의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 배터리 셀(11-18) 중 두 개의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 뱅크의 저항을 측정하고, 배터리 뱅크의 저항이 소정치 이상이면 해당 배터리 뱅크에 이상이 있는 것으로 진단한다.
예를 들어, BMS(20)가 복수의 배터리 셀(11-18) 중 두 개의 배터리 셀(11, 12)로 구성된 배터리 뱅크의 저항을 측정하는 것을 설명한다.
도 3은 복수의 배터리 셀 중 하나에 이상이 발생한 것을 나타낸 도면이다.
도 3에서는 배터리 셀(11)에 가스가 발생하여 점선 박스 영역(RB)에서 케이스(110)가 표시된 점선(200, 201)에서 표시된 실선(202, 203)으로 팽창한 것으로 도시되어 있다. 이는 일 실시예를 설명하기 위한 일 예로, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
BMS(20)는 배선(41) 및 배선(45)을 통해 버스바(32) 및 버스바(36) 사이에 진단 전압을 공급한다. 이때, 배터리 셀(11, 12)에 흐르는 진단 전류가 합해져 배선(41) 및 배선(45)을 통해 흐르고, BMS(20)는 진단 전압과 진단 전류를 측정하여 배터리 뱅크의 저항을 산출할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(11, 12) 중 배터리 셀(11)에 이상 징후가 발생하여 가스가 발생한 경우, 배터리 뱅크의 전체 저항이 증가한다. 배터리 셀(11) 내부의 압력 증가로 리드 전극(113)과 리드 전극(111) 간의 사이가 벌어지게 된다. 이는 배터리 셀(11)의 내부 압력에 의해 도면의 두 화살표 방향으로 작용하는 힘에 의한 것이다. 그러면, 전도성 폴리머(112)가 상하 양쪽 방향으로 작용하는 힘에 의해 확장된다. 두 리드 전극(111, 113) 사이가 벌어짐에 따라 두 리드 전극 사이의 저항이 증가하게 되고, BMS(20)에 의해 산출된 배터리 뱅크 저항이 증가한다.
동일한 방식으로, BMS(20)는 배터리 셀(13, 14)의 이상 징후를 진단하기 위해 배선(45) 및 배선(42)을 통해 버스바(36) 및 버스바(33) 사이에 진단 전압을 공급하고, 배선(41) 및 배선(45)을 통해 흐르는 진단 전류를 측정하여 배터리 뱅크의 저항을 산출할 수 있다. BMS(20)는 배터리 셀(15, 16)의 이상 징후를 진단하기 위해 배선(42) 및 배선(44)을 통해 버스바(33) 및 버스바(35) 사이에 진단 전압을 공급하고, 배선(42) 및 배선(44)을 통해 흐르는 진단 전류를 측정하여 배터리 뱅크의 저항을 산출할 수 있다. BMS(20)는 배터리 셀(17, 18)의 이상 징후를 진단하기 위해 배선(44) 및 배선(43)을 통해 버스바(35) 및 버스바(34) 사이에 진단 전압을 공급하고, 배선(44) 및 배선(43)을 통해 흐르는 진단 전류를 측정하여 배터리 뱅크의 저항을 산출할 수 있다.
BMS(20)는 측정된 진단 전류를 공급한 진단 전압으로 나누어 해당 배터리 뱅크의 저항을 산출한다. 이때, BMS(20)는 배터리 뱅크의 저항 증가 속도가 느리지만 임계치에 도달한 경우 점검 신호를 발생시킬 수 있다. 증가 속도가 소정 제1 기준치 이하일 때, 저항 증가 속도가 느리다고 판단될 수 있고, 소정 기준치는 설계에 따라 설정될 수 있다. 또한, BMS(20)는 배터리 뱅크의 저항이 빠른 증가 속도로 임계치에 도달할 경우 경고 신호를 발생시킬 수 있다. 증가 속도가 제1 기준치 보다 클 때, BMS(20)는 저항 증가 속도가 빠르다고 판단될 수 있다. 아울러, BMS(20)는 배터리 뱅크의 저항이 매우 빠른 증가 속도로 임계치에 도달한 경우, 발화의 위험성이 있어 대피 경고 신호를 발생시킬 수 있다. 증가 속도가 제1 기준치 보다 큰 소정의 제2 기준치 보다 큰 경우, BMS(20)는 저항 증가 속도가 매우 빠른 것으로 판단할 수 있다.
BMS(20)는 점검 신호, 경고 신호, 및 대피 경고 신호에 따라 배터리 시스템(1)의 작동을 정지하고, CAN 통신을 통해 차량을 제어하는 회로에 전송할 수 있으며, 별도의 장치를 통해 사용자에게 배터리 시스템(1)의 이상 징후를 알릴 수 있다. 점검 신호는 사용자에게 배터리 시스템의 점검이 필요함을 알리는 신호이고, 경고 신호는 사용자에게 배터리 시스템의 상태가 위험하여 교체가 필요하다 것을 알리는 신호이고, 대피 경고 신호는 사용자에게 즉시 대피할 것을 경고하는 신호일 수 있다. 각 신호에 따른 대응 사항은 설계에 따라 적절히 설계될 수 있다.
도 1 내지 도 3에서는 리드 전극, 전도성 폴리머, 및 리드 전극이 배터리 셀의 양극 쪽에 위치하는 것으로 도시되어 있으나 발명이 이에 한정되지 않는다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 리드 전극(513)은 음극 리드(516)에 전기적으로 연결되어 있고, 리드 전극(513)과 리드 전극(515) 사이에 전도성 폴리머(512)가 위치하며, 리드 전극(515)은 버스바(36)에 연결되어 있다. 필름(518)은 리드 전극(513), 전도성 폴리머(512), 및 리드 전극(515)이 중첩되는 부분을 포함하는 영역을 감싸고 있다. 리드 전극(511)은 양극 리드(514)와 버스바(32)에 연결되어 있다. 필름(517)은 리드 전극(511)의 일부 영역을 감싸고 있다.
배터리 셀(51)의 양극인 리드 전극(511) 및 배터리 셀(52)의 양극인 리드 전극(521)은 버스바(32)에 연결되어 있고, 버스바(32)는 배터리 시스템(1)의 양의 전극(31)에 연결되어 있다. 배터리 셀(51, 52)의 음극인 리드 전극(515, 525) 및 배터리 셀(53, 54)의 양극인 리드 전극(531, 541)은 버스바(36)에 연결되어 있고, 배터리 셀(53, 54)의 음극인 리드 전극(535, 545) 및 배터리 셀(55, 56)의 양극인 리드 전극(551, 561)은 버스바(33)에 연결되어 있으며, 배터리 셀(55, 56)의 음극인 리드 전극(555, 565) 및 배터리 셀(57, 58)의 양극인 리드 전극(571, 581)은 버스바(35)에 연결되어 있고, 배터리 셀(57, 58)의 음극인 리드 전극(575, 585)은 버스바(34)에 연결되어 있다. 버스바(34)는 배터리 시스템(1)의 음의 전극(37)에 연결되어 있다.
도 1의 일 실시예와 동일하게, 도 4의 일 실시예의 BMS(20)는 복수의 버스바(32-36) 중 두 개의 버스바 사이에 진단 전압을 공급하고, 배터리 뱅크의 저항을 측정할 수 있다. 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 리드 전극(613)은 양극 리드(617)에 전기적으로 연결되어 있고, 리드 전극(613)과 리드 전극(611) 사이에 전도성 폴리머(612)가 위치하며, 리드 전극(611)은 버스바(32)에 연결되어 있다. 리드 전극(616)은 음극 리드(618)에 전기적으로 연결되어 있고, 리드 전극(616)과 리드 전극(615) 사이에 전도성 폴리머(614)가 위치하며, 리드 전극(615)은 버스바(36)에 연결되어 있다. 필름(619a)은 리드 전극(613), 전도성 폴리머(612), 및 리드 전극(611)이 중첩되는 부분을 포함하는 영역을 감싸고 있고, 필름(619b)은 리드 전극(616), 전도성 폴리머(614), 및 리드 전극(615)이 중첩되는 부분을 포함하는 영역을 감싸고 있다.
배터리 셀(61)의 양극인 리드 전극(611) 및 배터리 셀(62)의 양극인 리드 전극(621)은 버스바(32)에 연결되어 있고, 버스바(32)는 배터리 시스템(1)의 양의 전극(31)에 연결되어 있다. 배터리 셀(61, 62)의 음극인 리드 전극(615, 625) 및 배터리 셀(63, 64)의 양극인 리드 전극(631, 641)은 버스바(36)에 연결되어 있고, 배터리 셀(63, 64)의 음극인 리드 전극(635, 645) 및 배터리 셀(65, 66)의 양극인 리드 전극(651, 661)은 버스바(33)에 연결되어 있으며, 배터리 셀(65, 66)의 음극인 리드 전극(655, 665) 및 배터리 셀(67, 68)의 양극인 리드 전극(671, 681)은 버스바(35)에 연결되어 있고, 배터리 셀(67, 68)의 음극인 리드 전극(675, 685)은 버스바(34)에 연결되어 있다. 버스바(34)는 배터리 시스템(1)의 음의 전극(37)에 연결되어 있다.
도 1의 일 실시예와 동일하게, 도 5의 일 실시예의 BMS(20)는 복수의 버스바(32-36) 중 두 개의 버스바 사이에 진단 전압을 공급하고, 배터리 뱅크의 저항을 측정할 수 있다. 상세한 설명은 생략한다.
지금까지 설명한 일 실시예에서, BMS(20)는 저항의 증가 속도에 기초하여 이상 징후를 감지하였으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 다른 배터리 셀 또는 배터리 뱅크에 비해 저항 값이 소정 임계치 이상으로 큰 배터리 셀 또는 배터리 뱅크에 이상이 있는 것으로 감지할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 시스템은 차량 뿐만 아니라 ESS(Energy Storage System)에도 적용 가능하고, BMS(20)에서 발생한 신호가 소방 장비와 연동하여 ESS의 이상에 따른 발화시 화재 진압 동작이 수행될 수 있다. 예를 들어, 화재 경보기가 작동하고, 방화문이 작동될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수납하는 케이스;
    상기 전극 조립체의 두 전극 탭 중 적어도 어느 하나에 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 전극;
    상기 제1 리드 전극의 일면에 접촉한 일면을 포함하는 전도성 폴리머; 및
    상기 전도성 폴리머의 타면에 접촉한 일면을 포함하는 제2 리드 전극을 포함하고,
    상기 제1 리드 전극 및 상기 제2 리드 전극 사이가 벌어질 때, 상기 제1 리드 전극 및 상기 제2 리드 전극 사이의 저항이 증가하는, 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리드 전극, 상기 전도성 폴리머, 및 상기 제2 리드 전극이 중첩된 부분을 포함하는 영역을 감싸는 필름을 더 포함하는, 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 리드 전극은,
    상기 케이스의 일측의 외부로 돌출되어 버스바에 연결되는, 배터리 셀.
  4. 복수의 배터리 셀; 및
    배터리 관리 시스템을 포함하고,
    상기 복수의 배터리 셀 각각은,
    전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수납하는 케이스;
    상기 전극 조립체의 두 전극 탭 중 적어도 어느 하나에 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 전극;
    상기 제1 리드 전극의 일면에 접촉한 일면을 포함하는 전도성 폴리머; 및
    상기 전도성 폴리머의 타면에 접촉한 일면을 포함하는 제2 리드 전극을 포함하고,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 저항이 증가하는 것을 감지하여 이상 여부를 진단하는, 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 적어도 하나의 저항 증가 속도가 제1 기준치 이하로 소정의 임계치에 도달한 경우 점검 신호를 발생시키는, 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 적어도 하나의 저항 증가 속도가 상기 제1 기준치 보다 빠른 속도로 상기 소정의 임계치에 도달한 경우 경고 신호를 발생시키는, 배터리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 적어도 하나의 저항 증가 속도가 상기 제1 기준치 보다 큰 제2 기준치 이상으로 상기 소정의 임계치에 도달한 경우 대피 경고 신호를 발생시키는, 배터리 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각은,
    상기 제1 리드 전극, 상기 전도성 폴리머, 및 상기 제2 리드 전극이 중첩된 부분을 포함하는 영역을 감싸는 필름을 더 포함하는, 배터리 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2 리드 전극은,
    상기 케이스의 일측의 외부로 돌출되어 버스바에 연결되는, 배터리 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 양단에 진단 전압을 공급하고, 상기 적어도 하나에 흐르는 진단 전류를 측정하여, 상기 적어도 하나의 저항을 산출하는, 배터리 시스템.
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