WO2022045589A1 - 손상된 전지 셀의 검출이 가능한 전지 시스템 및 전지 모듈 평가 방법 - Google Patents

손상된 전지 셀의 검출이 가능한 전지 시스템 및 전지 모듈 평가 방법 Download PDF

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battery
gas
battery module
module
gas sensor
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윤하은
황형진
차승하
정의용
신인철
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery system capable of detecting damaged battery cells and a battery module evaluation method.
  • This application is filed on August 31, 2020, Korean Patent Application No. 10-2020-0109975 and 2021.05.27. Claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2021-0068005, and all contents published in the Korean patent application are incorporated as a part of this specification.
  • the secondary battery has a structure in which an electrode assembly composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between them is built-in inside the battery case, and the positive and negative electrode tabs are welded to two electrode tabs and sealed so as to be exposed to the outside of the battery case. consist of. These electrode tabs are electrically connected to an external device through contact, and the secondary battery supplies power to an external device or receives power from an external device through the electrode tab.
  • gas when the battery operates in an abnormal state due to overcharging, overdischarging, overheating, external shock, etc., gas may be generated inside.
  • an overheated battery generates gas inside, and the gas thus generated is pressurized from the inside of the case to further accelerate the decomposition reaction of each battery element inserted into the case and cause continuous overheating and gas generation, Accordingly, a swelling phenomenon may occur. This phenomenon also appears in a process in which the secondary battery gradually deteriorates due to long-term use.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system for detecting characteristics of a battery module in which a battery cell is conventionally mounted.
  • the system 10 stores the battery module 12 in which n battery cells are accommodated in the chamber 11 , and then uses the charge/discharge unit 18 to store the battery cells in the battery module 12 . Swelling is induced by performing repeated charging and discharging of 12) was recovered and then directly disassembled and inspected.
  • the system 10 cannot remotely detect whether swelling of the battery cells accommodated in the battery module has occurred, and the inspection method of disassembling the battery module after recovery is cumbersome and takes a lot of time.
  • the battery system comprising a battery module, and a battery management system (BMS) for controlling the operation and state of the battery module,
  • BMS battery management system
  • the battery module includes a plurality of battery cells, a module case in which the battery cells are accommodated, and a plurality of spaced apart from each other on the inner surface of the module case to detect gas generated from the battery cells during charging and discharging, and measuring a gas detection time of the gas sensor unit;
  • the battery management system is electrically connected to the gas sensor unit to receive information measured from each gas sensor unit, and provides a battery system that calculates the location of a cell generating gas from the transmitted information.
  • the gas sensor unit may further measure at least one selected from the group consisting of a gas type and a gas concentration value.
  • the battery management system may receive measurement values from a plurality of gas sensor units spaced apart from each other and compare the received measurement values to calculate the location of a cell in which gas is generated, and the gas sensor When the value measured in the unit reaches a preset value, the user may be notified of damage to the battery cell.
  • the module case may include a plurality of gas discharge units, and a gas sensor unit may be individually disposed adjacent to each gas discharge unit.
  • the gas discharge unit may include a first gas discharge unit located on a first side surface of the module case and a second gas discharge unit located on a second side surface opposite to the first side surface.
  • the battery system may further include an insulation resistance sensor that is located on the inner surface of the module case to measure the insulation resistance of the battery module and transmit the measured value to the battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the battery system may be a vehicle battery pack or an energy storage system (ESS).
  • ESS energy storage system
  • a temperature controller positioned inside the chamber to control the internal temperature of the chamber to an average of 60 to 100°C;
  • It is electrically connected to the plurality of gas sensor units to receive the gas detection time measured from each gas sensor unit, and compares the gas detection time received from each gas sensor unit to detect a damaged battery cell among the plurality of battery cells. It provides a performance evaluation device for a battery module comprising; a data processing unit to predict.
  • the battery module may have a structure in which a first gas discharge unit and a second gas discharge unit are formed on a side surface of the module case, and a first gas sensor unit and a second gas sensor unit are formed in the first gas discharge unit and the second gas discharge unit. It may be a structure in which each part is disposed.
  • the first gas discharge unit may have a structure formed on a first side surface of the battery module
  • the second gas discharge unit may have a structure formed on a second side surface opposite to the first side surface
  • it may further include an insulation resistance sensor located on the inner surface of the module case, electrically connected to the data processing unit, measuring the insulation resistance of the battery module and transmitting the measured insulation resistance value to the data processing unit.
  • It provides a method for evaluating the performance of a battery module comprising; predicting a damaged battery cell among a plurality of battery cells by comparing the result values measured from each gas sensor unit.
  • the step of generating the gas inside the battery module may be performed at a temperature of 70 to 90 °C for 6 to 12 days.
  • the plurality of gas sensor units may further measure at least one selected from the group consisting of a gas type and a gas concentration value generated when the gas detection time is measured.
  • predicting the damaged battery cell may further include determining whether the electrolyte leaks by measuring the insulation resistance inside the battery module, and after predicting the damaged battery cell, verifying the prediction result may further include.
  • the verifying step may be performed by disassembling the battery module, identifying a damaged battery cell among a plurality of battery cells, and comparing the identified damaged battery cell and the damaged battery cell predicted in the step of predicting the damaged battery cell. there is.
  • the battery module performance evaluation apparatus and the battery module performance evaluation method according to the present invention can equally realize the deterioration of the battery cell due to long-time use by performing charging and discharging of the battery module under harsh conditions at high temperature during module development. It is possible to obtain a measurement result of a pressure change according to a volume change of a high battery cell.
  • the apparatus for evaluating the performance of a battery system and a battery module introduces a plurality of gas sensor units into a battery module in which a plurality of battery cells are accommodated, and detects gas measured by the gas sensor unit when gas is generated from the battery cells Since the position of the gas-generated battery cell can be accurately predicted by comparing the time, it can be usefully used in terms of development of a battery module and/or management of the developed battery module.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system for detecting characteristics of a battery module in the related art.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an apparatus for evaluating the performance of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing an evaluation result of an apparatus for evaluating the performance of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing an evaluation result of the apparatus for evaluating the performance of a battery module according to an embodiment of the present invention, and is a view showing the location of a damaged battery cell in the battery module.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of an apparatus for evaluating the performance of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the insulation performance of the battery module measured in the evaluation process of the battery module in another embodiment of the present invention.
  • the present invention provides a battery system capable of calculating a location of a battery cell generating gas by sensing gas generated from a battery cell provided in a battery module in use in real time.
  • the battery system includes a battery module and a battery management system (BMS) for controlling the operation and state of the battery module, wherein the battery module includes a module case in which a plurality of battery cells are accommodated, and the and a plurality of gas sensor units spaced apart from each other on the inner surface of the module case and sensing gas generated from the battery cells during charging and discharging and measuring the gas detection time, wherein the battery management system (BMS) includes a gas sensor unit and It is electrically connected to receive measured information from each gas sensor unit, and from the transmitted information, calculates a location of a cell in which gas is generated.
  • BMS battery management system
  • the battery system can sense the gas generated from the battery cells in real time during use by introducing a plurality of gas sensor units spaced apart from each other in the battery module;
  • the plurality of gas sensor units measure the time the gas is sensed and transmit the measured value to the battery management system (BMS), and the battery management system (BMS) compares the received gas detection time to determine the location of the battery cell in which the gas is generated can be predicted accurately.
  • the battery module provided in the battery system includes a plurality of battery cells, a module case in which the battery cells are accommodated, a gas sensor unit spaced apart from each other on an inner surface of the module case, and a gas discharge unit for discharging gas.
  • the battery cell may be applied without particular limitation as long as it is a rechargeable battery capable of charging and discharging.
  • the battery cell may be a pouch-type unit cell, and the pouch-type unit cell is embedded in a laminate sheet casing in a state in which an electrode assembly having a cathode/separator/cathode structure is connected to electrode leads formed outside of the casing. it may have been The electrode leads are drawn out of the sheet and may extend in the same direction or opposite directions.
  • n or more of the battery cells may be accommodated in the module case in a state in which they are electrically connected.
  • the number of battery cells (n) is 2-100, 2-50, 2-40, 10-35, 20-30, or 5-20 of the battery cells according to the use in the battery module. It may be electrically connected by adjusting the method and the like, and the electrical connection may be in series or in parallel, and may be a mixed method of series and parallel if necessary.
  • the module case in which the battery cells are accommodated serves to protect the battery cells so that they can safely operate even in an external shock or high temperature and/or high humidity environment.
  • it may have a structure that allows moisture to not penetrate into the inside of the module and at the same time dissipate internal heat, and may be composed of a synthetic resin or metal material having high strength to surround the battery cells, and in some cases, the module case A heat dissipation material may be additionally included to dissipate heat generated from the stored battery cells.
  • the module case may include means for discharging gas generated from the battery cells.
  • the module case may include a plurality of gas discharge units to discharge gas generated from the battery cells, and the plurality of gas discharge units may be disposed to be spaced apart from each other.
  • the gas discharge unit includes a first gas discharge unit located on any first side of the four side surfaces and a first gas discharge unit located on a second side opposite to the first side surface 2 may include a gas outlet.
  • the gas discharge unit when the module case has a rectangular parallelepiped shape, the gas discharge unit includes any first side of the four sides, a second side opposite the first side, and between the first side and the second side It may include first to third gas outlets, respectively, on the third side surface positioned in the .
  • the gas discharge unit may include first to fourth gas discharge units sequentially on each of the four side surfaces.
  • the gas discharge unit may include an opening formed on the side of the module case, and a blowing means in fluid connection with the opening to quickly discharge the gas generated in the module, and the blowing means is the temperature inside the battery module.
  • the blowing means is the temperature inside the battery module.
  • a gas sensor unit may be individually disposed at a position adjacent to the gas discharge unit.
  • the gas sensor unit detects the gas generated inside the module case, measures the time the gas is sensed at the same time, and calculates the position of the electric cell where the gas is generated by comparing the measured gas detection time, the battery Gas generated from the battery cells may be more quickly detected by being individually disposed at adjacent positions of the gas discharge units spaced apart from each other in the case.
  • the plurality of gas sensor units may further measure at least one selected from the group consisting of a gas type and a gas concentration value other than the gas detection time.
  • the gas type and/or gas concentration value may be measured by an analytical device such as gas chromatography (GC), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), or precision gas mass spectrometer (PGMS).
  • the gas sensor unit may include the analysis devices on the outer surface of the module case so as to be fluidly connected to the opening formed in the module case.
  • the present invention provides the type and type of gas along with the gas detection time measured by the gas sensor unit /
  • the position of the battery cell in which the gas is generated may be calculated with higher accuracy by additionally measuring the gas concentration value.
  • the gas sensor unit includes a sensor used in the industry to detect gas, it may be used without particular limitation.
  • the gas sensor unit is a hydrocarbon gas such as methane, ethane, propane, butane discharged or leaking from the battery cell, carbon dioxide (CO 2 ) gas, carbon monoxide (CO) gas, oxygen (O 2 ) Volatile containing gas, etc.
  • It may include a detection sensor such as a metal oxide sensor, a chemical resistance sensor, a semiconductor type sensor, a photoion sensor, or an infrared sensor capable of detecting an organic compound (VOC) in a gaseous form.
  • the gas sensor unit may include a semiconductor-type sensor that detects a specific gas component contained in the gas and changes an electrical signal according to the concentration thereof.
  • the gas sensor unit is electrically connected to the battery management system (BMS) and transmits measured information, for example, measured values such as gas detection time, gas type and/or gas concentration to the battery management system (BMS), and
  • the management system (BMS) may calculate the location of the battery cell generating gas from the information received from the gas sensor unit.
  • the first gas sensor unit adjacent to the gas-generated battery cell will have a shorter gas detection time than other gas sensor units, the first gas sensor unit adjacent to the first gas discharge unit located on the first side of the module case and ;
  • the gas generated when gas is generated inside the module is separated from the first gas sensor unit and the second A location of a battery cell generating gas may be calculated by measuring a time sensed by the gas sensor and using a difference between the measured times.
  • the battery management system is a device that manages battery cell capacity management/protection, usage history, life prediction, overcharge/overdischarge protection, communication, etc. so that it can be safely used while exhibiting the maximum performance of the battery cell, a gas sensor
  • a function of notifying the user of damage to the battery cell may be performed.
  • the battery management system (BMS) transmits an alarm signal to the user when the gas concentration measured by the gas sensor unit exceeds 10% of the total volume of the module case or when a specific gas is detected, so that the user can control the battery module. It can cause them to temporarily stop operation or take countermeasures such as replacing or repairing gas-generating battery cells.
  • the battery system according to the present invention may further include an insulation resistance sensor unit positioned on the inner surface of the module case to measure the insulation resistance of the battery module and transmit the measured value to the battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the insulation resistance of the inner surface of the module case more specifically, the portion in contact with the electrode lead of the battery cell accommodated in the module case (eg, the frame of the bus bar) etc);
  • the insulation resistance of the lower short-circuit prevention substrate eg, insulating rubber, insulating film, etc.
  • the battery system according to the present invention may be a battery pack or an energy storage system (ESS) used in a vehicle or the like.
  • ESS energy storage system
  • the battery system is used as a power source, has a limited mounting space, and can be used in a vehicle battery pack such as an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle or a power storage device exposed to frequent vibrations and strong shocks
  • a battery system used as a power source for a vehicle may be manufactured by combining it according to a desired output and capacity.
  • the battery system may be used as an energy storage system (ESS) for storing electricity produced by utilizing renewable energy such as solar power, wind power, and tidal power.
  • ESS energy storage system
  • the battery system according to the present invention has the above-described configuration, it is possible to quickly and accurately determine the battery cell generating the gas by sensing the gas generated in the battery module in real time, thereby reducing the risk of failure and accident of the battery system. There is an advantage that can significantly reduce and improve the operating efficiency of the battery system.
  • the present invention provides an apparatus for evaluating the performance of a battery module capable of performing performance evaluation on a battery module used for a long time by exposing the battery module to severe conditions.
  • the apparatus for evaluating the performance of a battery module fixes the battery module under development or before use in the chamber, maintains the temperature inside the chamber at a high temperature, and stores it under severe conditions to prevent deterioration of the battery cells accommodated in the battery module within a short time. swelling may be induced.
  • damage to the battery cells occurs, and gas is generated due to damage to the battery cells inside the battery module, and the generated gas is sensed using a plurality of gas sensors provided inside the battery module, and a gas detection signal is transmitted. transmitted to the data processing unit.
  • the data processing unit compares the gas detection signals transmitted from the plurality of gas sensor units to derive the time at which the gas is sensed by each gas sensor unit, and compares the derived time to accurately determine the location of the damaged battery cell among the plurality of battery cells It can be predicted, and in some cases, it is possible to additionally predict when the battery cell is damaged.
  • the performance evaluation apparatus of the battery module includes a chamber; a temperature controller positioned inside the chamber to control the internal temperature of the chamber to an average of 60 to 100°C;
  • the chamber provides a space for storing the battery module in the performance evaluation process of the battery module.
  • the chamber may be largely composed of a double structure, specifically, a first housing and a second housing surrounding the first housing.
  • a battery module may be stored in the first housing.
  • the first housing is a space that provides a place for realizing the high-temperature characteristics of the battery module, and the inner surface of the first housing may be treated to include a portion of a thermally conductive material or the surface may be coated.
  • the interior of the first housing may include a metal material such as SUS, copper, or aluminum.
  • the second housing positioned outside the first housing is preferably made of an insulating material such as Teflon.
  • the first housing is referred to as a chamber for convenience of description.
  • the first housing for storing the battery module may have an explosion-proof door installed.
  • the first housing may have a structure in which an explosion-proof door is installed for the purpose of blocking the storm pressure and heat generated from various weapons and at the same time blocking damage caused by debris.
  • the temperature control unit is located inside the chamber and performs a function of controlling the internal temperature of the chamber to 60 °C to 100 °C.
  • the temperature control unit may include a heating member, and the heating member may be a heater supplied with power from a battery module or a heat transfer assembly composed of a plurality of heating wires that are heated by receiving power.
  • the heat transfer assembly may have a structure in which heating wires are arranged in a grid structure.
  • This grid structure allows the high flow rate air generated from the blower to easily flow through the grid, and the fluid flowing through the heat transfer assembly It has the advantage of not generating a large resistance to In addition, since a plurality of heating wires are arranged spaced apart in the grid structure, the inside of the pack case can be heated more quickly compared to a structure in which the heating wires are concentrated.
  • the temperature control unit can control the average temperature inside the chamber in the range of 60 to 100 °C, specifically, it can be controlled to 60 to 90 °C, 60 to 80 °C, 70 to 90 °C or 80 to 90 °C. .
  • the present invention can induce deterioration under severe conditions for a battery module under development or a battery module before use in a short time by adjusting the temperature range inside the chamber controlled by the temperature controller as described above, and the deterioration of the battery module induced in this way is induced similarly to the deterioration of a battery module that has been used for many years, so information related to a phenomenon occurring due to the deterioration of the battery module, such as gas generation and swelling of the battery cell (eg, the amount of pressure change according to the volume change of the battery cell, etc.) can be obtained with high reliability.
  • the battery module stored in the chamber includes a plurality of battery cells, a module case in which the battery cells are accommodated, a gas sensor unit spaced apart from each other on an inner surface of the module case, and a gas discharge unit for discharging gas.
  • the battery cell may be applied without particular limitation as long as it is a rechargeable battery capable of charging and discharging.
  • the battery cell may be a pouch-type unit cell, and the pouch-type unit cell is embedded in a laminate sheet casing in a state in which an electrode assembly having a cathode/separator/cathode structure is connected to electrode leads formed outside of the casing. it may have been The electrode leads are drawn out of the sheet and may extend in the same direction or opposite directions.
  • n or more of the battery cells may be accommodated in the module case in a state in which they are electrically connected.
  • the number of battery cells (n) is 2-100, 2-50, 2-40, 10-35, 20-30, or 5-20 of the battery cells according to the use in the battery module. It may be electrically connected by adjusting the method and the like, and the electrical connection may be in series or in parallel, and may be a mixed method of series and parallel if necessary.
  • the module case in which the battery cells are accommodated serves to protect the battery cells so that they can safely operate even in an external shock or high temperature and/or high humidity environment.
  • it may have a structure that allows moisture to not penetrate into the inside of the module and at the same time dissipate internal heat, and may be composed of a synthetic resin or metal material having high strength to surround the battery cells, and in some cases, the module case A heat dissipation material may be additionally included to dissipate heat generated from the stored battery cells.
  • the module case may include means for discharging gas generated from the battery cells.
  • the module case may include a plurality of gas discharge units on a side surface or an upper surface to discharge gas generated from the battery cells, and the plurality of gas discharge units may be disposed to be spaced apart from each other.
  • the gas discharge unit includes a first gas discharge unit located on any first side of the four side surfaces and a first gas discharge unit located on a second side opposite to the first side surface 2 may include a gas outlet.
  • the gas discharge unit when the module case has a rectangular parallelepiped shape, the gas discharge unit includes any first side of the four sides, a second side opposite the first side, and between the first side and the second side It may include a first gas discharge unit to a third gas discharge unit, respectively, on the third side surface located in the .
  • the gas discharge unit may include a first gas discharge unit to a fourth gas discharge unit sequentially on each of the four side surfaces.
  • the gas discharge unit may include an opening formed on the side of the module case, and a blowing means in fluid connection with the opening to quickly discharge the gas generated in the module, and the blowing means is the temperature inside the battery module.
  • the blowing means is the temperature inside the battery module.
  • a gas sensor unit may be individually disposed at a position adjacent to the gas discharge unit.
  • the gas sensor unit detects the gas generated inside the module case, measures the time the gas is sensed at the same time, and calculates the position of the electric cell where the gas is generated by comparing the measured gas detection time, the battery Gas generated from the battery cells may be more quickly detected by being individually disposed at adjacent positions of the gas discharge units spaced apart from each other in the case.
  • the battery module stored in the performance evaluation device of the battery module may have a structure in which a first gas exhaust part and a second gas exhaust part are formed on a side surface of a module case, and the first gas exhaust part and the second gas
  • the discharge unit may have a structure in which the first gas sensor unit and the second gas sensor unit are respectively disposed.
  • the first gas discharge unit has a structure formed on one side of the battery module
  • the second gas discharge unit has a structure formed on the other side surface of the battery module. Accordingly, the first gas sensor unit is disposed on one side of the battery module, and the second gas sensor unit is disposed on the other side of the battery module.
  • the first gas sensor unit may be disposed at the front of the battery module, and the second gas sensor unit may be disposed at the rear, which is an area opposite to the area where the first gas sensor unit is disposed.
  • the gas generated inside the battery module is discharged to the first and second gas outlets.
  • the generated gas may be detected by first and second gas sensor units respectively disposed on the first and second gas discharge units.
  • the plurality of gas sensor units may further measure at least one selected from the group consisting of a gas type and a gas concentration value other than the gas detection time.
  • the gas type and/or gas concentration value may be measured by an analytical device such as gas chromatography (GC), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), or precision gas mass spectrometer (PGMS).
  • the gas sensor unit may include the analysis devices on the outer surface of the module case so as to be fluidly connected to the opening formed in the module case.
  • the present invention provides the type and type of gas along with the gas detection time measured by the gas sensor unit /
  • the position of the battery cell in which the gas is generated may be calculated with higher accuracy by additionally measuring the gas concentration value.
  • the gas sensor unit may be used without particular limitation as long as it includes a sensor used in the industry to detect gas.
  • the gas sensor unit is a hydrocarbon gas such as methane, ethane, propane, butane discharged or leaking from the battery cell, carbon dioxide (CO 2 ) gas, carbon monoxide (CO) gas, oxygen (O 2 ) Volatile containing gas, etc.
  • It may include a detection sensor such as a metal oxide sensor, a chemical resistance sensor, a semiconductor type sensor, a photoion sensor, or an infrared sensor capable of detecting an organic compound (VOC) in a gaseous form.
  • the gas sensor unit may include a semiconductor-type sensor that detects a specific gas component contained in the gas and changes an electrical signal according to the concentration thereof.
  • the data processing unit predicts the location of the damaged battery cell among the plurality of battery cells accommodated in the module case by comparing the gas detection times detected by the plurality of gas sensor units.
  • the plurality of gas sensor units, or the first gas sensor unit and the second gas sensor unit detect gas generated inside the battery module, and transmit a gas detection signal to the data processing unit.
  • the data processing unit may predict a damaged battery cell among the plurality of battery cells by comparing the gas detection times detected by the first gas sensor unit and the second gas sensor unit.
  • the data processing unit may compare the gas detection times of the plurality of first gas sensor units and the second gas sensor unit to predict the time and/or location at which the battery cells are damaged. For example, when the gas detection times of the first and second gas sensor units are similar, the difference between the times in which the generated gas moves to the first gas sensor unit and the second gas sensor unit is small. 2 It can be determined that the gas sensor is disposed in the central region within the battery module, which is the central region. Also, if the gas detection time of the second gas sensor unit is faster than that of the first gas sensor unit, it may be determined that the damaged battery cells are disposed in an area adjacent to the second gas sensor unit.
  • the apparatus for evaluating the performance of the battery module according to the present invention further includes an output unit for outputting the gas concentration sensed by the gas sensor unit as a resistance value over time.
  • the data processing unit may predict a damaged battery cell based on a gas detection time and a peak value output from the output unit.
  • the output unit may be a conventional monitoring device or an output device.
  • the apparatus for evaluating the performance of the battery module according to the present invention further includes a storage unit for storing the result of the data processing unit.
  • the storage unit receives the result from the data processing unit and stores it.
  • the charging/discharging unit may supply charging power to the secondary battery or receive discharging power from the secondary battery.
  • the supply of charging power to the secondary battery is not necessarily limited to the meaning of supplying sufficient power to the secondary battery to fully buffer the secondary battery.
  • Supplying charging power to the secondary battery may be used as supplying enough power to measure the voltage of the first electrode lead, the second electrode lead, etc. for performance evaluation of the secondary battery. Since the meaning of receiving discharge power from the secondary battery can be used in the same way, repeated descriptions will be omitted.
  • the apparatus for evaluating the performance of the battery module further includes a temperature sensor unit for sensing the temperature inside the chamber and the battery module.
  • the temperature sensor unit is for detecting the internal temperature of the chamber and the ambient temperature of the battery module when the battery cells inside the battery module are damaged.
  • the temperature sensor unit may include one or a plurality of units, and may detect temperatures of various parts of the battery module.
  • the performance evaluation apparatus of the battery module according to the present invention may further include an insulation resistance sensor unit that measures the insulation resistance of the battery module on the inner surface of the module case and transmits the insulation resistance value measured to a data processing unit electrically connected
  • the insulation resistance sensor unit may include an insulation monitoring device for measuring insulation resistance inside the battery module. If the battery cell is damaged during the evaluation of the swelling characteristic of the battery cell, the insulation resistance decreases due to leakage of the electrolyte inside the battery cell. In this case, the insulation characteristic monitoring device may monitor the insulation resistance of the battery module to determine whether the electrolyte is leaking, and thus may predict the damage time (eg, venting time) of the battery cell.
  • the battery module performance evaluation device performs the charging and discharging of the battery module under harsh conditions at high temperature during the development of the battery module, so that the deterioration of the battery cell due to long-time use can be equally implemented, so the volume change of the battery cell with high reliability The result of measuring the pressure change can be obtained.
  • the performance evaluation apparatus of the battery module introduces a plurality of gas sensor units into the battery module in which the plurality of battery cells are accommodated, and compares the gas detection time measured by the gas sensor unit when gas is generated from the battery cells, and the deviation thereof Since it is possible to accurately predict the location of the gas-generated battery cell, it can be usefully used in the development of a battery module.
  • the present invention in one embodiment, provides a method for evaluating the performance of a battery module performed by using the apparatus for evaluating the performance of the battery module according to the present invention described above.
  • the performance evaluation method of the battery module according to the present invention can evaluate the performance of the battery module with high accuracy and reliability within a short time by using the battery module performance evaluation apparatus of the present invention described above.
  • the performance evaluation method includes the steps of mounting a battery module under development or before use in a chamber, and controlling the internal temperature of the mounted chamber to 60 to 100° C. to generate gas inside the battery module; measuring the gas detection time by detecting gas generated inside the battery module with a plurality of gas sensor units provided in the battery module; and predicting a damaged battery cell among a plurality of battery cells by comparing result values measured from each gas sensor unit.
  • the performance evaluation method implements the swelling of the battery cell by storing the battery module for a short time (eg, 30 days or less) under harsh conditions at high temperature, and accordingly, the swelling of the battery cell accommodated in the battery module.
  • the ring induces damage (venting) of the battery cell, and the gas flows out from the inside of the battery module due to the damage to the battery cell.
  • the plurality of gas sensor units formed in the battery module sense gas generated inside the battery module and transmit the gas detection signal to the data processing unit.
  • the data processing unit predicts a damaged battery cell among the plurality of battery cells by comparing the gas detection times detected by the plurality of gas sensor units, and in some cases, comparing the gas detection times of the plurality of gas sensor units to determine if the battery cells are It predicts the time of damage.
  • generating the gas inside the battery module may control the average temperature inside the chamber in the range of 60 to 100 °C, specifically 60 to 90 °C, 60 to 80 °C, 70 to 90 °C or 80 to 90 °C °C can be controlled.
  • the step of generating the gas inside the battery module may be performed for less than 30 days for the battery module, specifically for 1 to 25 days; for 1 to 20 days; for 5 to 20 days; for 5 to 15 days; or 6 to 12 days.
  • the present invention can induce deterioration under severe conditions for a battery module under development or a battery module before use in a short time by controlling the temperature and the execution period inside the chamber in the step of generating gas inside the battery module as described above, Since the induced deterioration of the battery module is induced similarly to the deterioration of the battery module used for many years, information related to a phenomenon occurring due to the deterioration of the battery module, for example, gas generation of the battery cell, swelling, etc. pressure change, etc.) can be obtained with high reliability.
  • the step of measuring the gas detection time is a step of measuring a time for which a plurality of gas sensor units are generated from the battery cells to sense the gas, and the gas is sensed.
  • the plurality of gas sensor units may further measure one or more selected from the group consisting of a gas type and a gas concentration value other than the gas detection time.
  • the gas type and/or gas concentration value may be measured by an analytical device such as gas chromatography (GC), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), or precision gas mass spectrometer (PGMS).
  • the gas sensor unit may include the analysis devices on the outer surface of the module case so as to be fluidly connected to the opening formed in the module case.
  • the present invention provides the gas type and / Alternatively, the position of the battery cell in which the gas is generated may be calculated with higher accuracy by additionally measuring the gas concentration value.
  • the battery module mounted in the chamber may have a structure in which a plurality of gas outlets are formed.
  • the battery module has a structure in which a first gas discharge unit and a second gas discharge unit are formed on one side and the other side, respectively, and the first and second gases in the first gas discharge unit and the second gas discharge unit Each sensor unit is disposed. Accordingly, in the process of predicting the damaged battery cell, the gas detection time detected by the first gas sensor unit and the second gas sensor unit may be compared with each other. Since the process of predicting the damaged battery cell has been described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • the storing of the battery module may further include outputting the gas concentration sensed by the gas sensor unit as a resistance value according to time.
  • the damaged battery cell may be predicted based on the gas detection time and the peak value output from the output unit.
  • the method for evaluating the battery module according to the present invention further includes a process of storing the result of the data processing unit.
  • the method for evaluating the performance of the battery module according to the present invention may further include a charging/discharging process of driving the charging and discharging of the battery cells stored in the battery module.
  • charging power may be supplied to the secondary battery or discharging power may be supplied from the secondary battery.
  • supplying charging power to the secondary battery is necessarily sufficient power to fully charge the secondary battery It is not limited to the meaning of supplying.
  • the step of generating the gas inside the battery module may further include the process of sensing the temperature of the inside of the chamber and the battery module. This is to reduce the deviation between the chamber interior and the ambient temperature of the battery module when the battery cells are damaged in the step of generating gas inside the battery module, respectively, and the temperature sensor unit is not shown in the drawing, but includes a plurality and can detect the temperature of various parts of the battery module.
  • predicting the damaged battery cell may further include determining whether the electrolyte leaks by measuring the insulation resistance inside the battery module.
  • the insulation resistance decreases due to leakage of the electrolyte inside the battery cell. That is, through the process of monitoring the insulation characteristics of the battery module, it is possible to know whether the electrolyte is leaking inside the battery module, and accordingly, the damage time (eg, venting time) of the battery cell can be predicted.
  • the process of monitoring the insulation resistance of the battery module may be performed simultaneously with the process of predicting a damaged battery cell among the plurality of battery cells.
  • a damaged battery cell among a plurality of battery cells may be predicted by monitoring gas generation, and at the same time, a damage time of the battery cell may be predicted by monitoring the insulation resistance.
  • the method for evaluating the performance of the battery module according to the present invention according to claim 12, after predicting the damaged battery cell may further include verifying the prediction result, wherein the verifying comprises disassembling the battery module. to identify a damaged battery cell among a plurality of battery cells, and compare the identified damaged battery cell with the damaged battery cell predicted in the step of predicting the damaged battery cell.
  • a damaged battery cell among n battery cells is determined by comparing the gas detection times detected from a plurality of gas sensor units with each other and comparing the peak values with each other. can be predicted easily.
  • the insulation characteristic monitoring device it is possible to easily predict whether or not the battery cell is damaged or when the battery cell is damaged.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an apparatus for evaluating the performance of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus 100 for evaluating the performance of a battery module includes a chamber 110 ; a battery module 120 stored in the chamber 110 and having a plurality of gas outlets (not shown) in which n (n is an integer of 2 or more) battery cells are accommodated; a temperature controller 130 for controlling the internal temperature of the chamber 110 in an average temperature range of 60 to 100° C.; a gas sensor unit 140 positioned inside the chamber 110 to detect gas leaking from the inside of the battery module 120; and a data processing unit 150 for predicting a damaged battery cell among the n battery cells by comparing the gas detection time detected by each gas sensor unit 140 with each other.
  • the battery module performance evaluation apparatus 100 stores the battery module 120 in the high-temperature chamber 110 to implement swelling of the battery cell. Accordingly, battery cells accommodated in the battery module 120 are vented due to swelling, and gas is generated inside the battery module 120 due to the damage to the battery cells.
  • the gas sensor unit 140 disposed in each of the plurality of gas discharge units formed in the battery module 120 detects the gas generated inside the battery module 120 , and transmits the gas detection signal to the data processing unit 150 . do.
  • the data processing unit 150 compares the gas detection times detected by the plurality of gas sensor units 140 with each other, and compares the result values measured by the respective gas sensor units 140 with each other, so that n battery cells Damaged battery cells can be predicted.
  • the data processing unit 150 may predict when the battery cells are damaged by comparing the gas detection times of the plurality of gas sensor units 140 .
  • the battery module 120 of the battery module performance evaluation apparatus 100 has a structure in which two gas outlets are formed.
  • the battery module 120 has a structure in which a first gas discharge unit and a second gas discharge unit are formed, and the first gas discharge unit and the second gas discharge unit have a first gas sensor unit 141 and a second gas discharge unit.
  • the sensor unit 142 has a structure in which each is disposed.
  • the first gas discharge unit has a structure formed on one side of the battery module 120
  • the second gas discharge unit has a structure formed on the other side surface of the battery module 120 .
  • the first gas sensor unit 141 is disposed on one side of the battery module 120
  • the second gas sensor unit 142 is disposed on the other side of the battery module 120 .
  • the gas sensor unit 140 is a device that detects a specific gas component included in the gas with a gas sensor and changes an electrical signal according to the concentration thereof.
  • the gas generated inside the battery module 120 is discharged to the first gas discharge unit and the second gas discharge unit.
  • the generated gas is sensed by the first gas sensor unit 141 and the second gas sensor unit 142 disposed in the first gas discharge unit and the second gas discharge unit, respectively. If the gas detection times of the first gas sensor unit 141 and the second gas sensor unit 142 are similar to each other, the generated gas flows to the first gas sensor unit 141 and the second gas sensor unit 142 . Since the movement time is similar, it can be determined that the battery module 120 is disposed in the central region.
  • the gas detection time of the second gas sensor unit is faster than that of the first gas sensor unit 141 , and the result value measured by the gas sensor unit If this is large, it may be determined that the damaged battery cell is disposed in an area adjacent to the second gas sensor unit 142 .
  • the performance evaluation apparatus 100 of the battery module according to the present invention further includes an output unit 160 for outputting the gas concentration sensed by the gas sensor unit 140 as a resistance value over time.
  • the data processing unit 150 may predict the damaged battery cell based on the gas detection time and the peak value output from the output unit 160 .
  • the battery module performance evaluation apparatus 100 further includes a charging/discharging unit 180 electrically connected to the battery module 120 to drive charging and discharging of battery cells stored in the battery module.
  • the charging/discharging unit 180 may be electrically connected to the battery module to supply charging power to the battery cells inside the battery module 120 or receive discharging power from the battery cells.
  • the supply of charging power to the battery cells is not necessarily limited to the meaning of supplying sufficient power to the extent that the battery cells are fully buffered. Since the meaning of receiving discharge power from a battery cell can be used similarly, a repeated description will be omitted.
  • the battery module 120 is stored at a high temperature, and by performing charging and discharging, it is possible to implement swelling at a high temperature.
  • the apparatus 100 for evaluating the performance of the battery module further includes a temperature sensor unit (not shown) for sensing the temperature of the inside of the chamber 110 and the battery module 120 .
  • the temperature sensor unit is for detecting the internal temperature of the chamber 110 and the ambient temperature of the battery module 120 when the battery cells inside the battery module 120 are damaged.
  • the temperature sensor unit may include a plurality of units, and may detect temperatures of various parts of the battery module 120 .
  • the battery module was evaluated using the performance evaluation device of the battery module.
  • the battery module containing 14 battery cells in the chamber of the battery module performance evaluation device was stored for 10 days. At this time, the battery cells stored inside the battery module were charged and discharged, and the temperature inside the chamber was maintained at an average of 80°C. In the step of storing the battery module, the gas generated inside the battery module was sensed by the first gas sensor unit and the second gas sensor unit, and the results are shown in FIG. 4 .
  • GC 3 is a graph showing gas chromatography (GC) results provided in the apparatus for evaluating the performance of a battery module according to the present invention, and shows the concentration of the gas generated over time as the peak intensity.
  • GC gas chromatography
  • a process of predicting a damaged battery cell among the battery cells accommodated in the battery module in the step of storing the battery module at a high temperature will be described with reference to FIG. 3 .
  • the peak value of No. 3 is detected before No. 4, and the peak value of No. 3 is higher than No. 4.
  • the damaged battery cells inside the battery module are located closer to the first gas sensor unit than to the second gas sensor unit.
  • the damaged battery cell is disposed adjacent to the first gas sensor unit, it means that the gas may be first detected by the first gas sensor unit.
  • the battery module stored in the chamber was disassembled to confirm the damaged battery cell, and the result is shown in FIG. 4 .
  • FIG. 4 is a view showing an evaluation result of the apparatus for evaluating the performance of a battery module according to an embodiment of the present invention, and is a view showing the location of a damaged battery cell in the battery module.
  • FIG. 4 it can be seen that three of the 14 battery cells are damaged. Referring to FIG. 3 described above, it is determined that peaks 1 and 2 are due to damage to the battery cell 7-1, and peaks 3 and 4 are determined to be caused by damage to the battery cell 4-2. In addition, it is determined that the peaks of Nos. 5 and 6 are due to damage to the battery cells of 10-2.
  • the battery module performance evaluation apparatus and battery module evaluation method of the present invention it is determined that a damaged battery cell among a plurality of battery cells can be easily predicted by comparing the gas detection times detected by the plurality of gas sensor units with each other.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for evaluating performance of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the apparatus 200 for evaluating the performance of a battery module includes a chamber 210 ; a battery module 220 stored in the chamber 210 and having a plurality of gas discharge units (not shown) in which n (n is an integer of 2 or more) battery cells are accommodated; a temperature controller 230 for controlling the internal temperature of the chamber 210 to an average temperature range of 60 to 100° C.; a gas sensor unit 240 disposed in each of the plurality of gas discharge units to detect gas generated inside the battery module 220; and a data processing unit 250 for predicting damaged battery cells among the n battery cells by comparing the gas detection times detected by the respective gas sensor units 240 with each other and comparing peak values with each other.
  • the battery module 220 of the battery module performance evaluation apparatus 200 has a structure in which two gas outlets are formed.
  • the battery module 220 has a structure in which first and second gas discharge units are formed, and first and second gas sensor units 241 and 242 are respectively disposed in the first and second gas discharge units. am.
  • the first gas discharge unit has a structure formed on one side of the battery module 220
  • the second gas discharge unit has a structure formed on the other side surface of the battery module 220 .
  • the first gas sensor unit 241 is disposed on one side of the battery module 220
  • the second gas sensor unit 242 is disposed on the other side of the battery module 220 .
  • the performance evaluation device 200 of the battery module according to the present invention includes an insulation characteristic monitoring device (Insulation Monitoring Device, 270).
  • the insulation characteristic monitoring device 270 is to monitor the insulation characteristic of the battery module 220 .
  • the insulation characteristic monitoring device 270 monitors the insulation resistance of the battery module 220 to know whether the electrolyte is leaking, and accordingly, it is possible to predict the damage time (venting time) of the battery cell.
  • each configuration such as the data processing unit 250, the output unit 260, the charging/discharging unit 280 of the battery module performance evaluation device 200 according to the present invention has been described above, and the detailed description of each configuration is to be omitted.
  • the battery module was evaluated using the performance evaluation apparatus of the battery module. More specifically, the battery module containing 14 battery cells in the chamber of the battery module performance evaluation device was stored for 10 days. At this time, the battery cells stored inside the battery module were charged and discharged while maintaining the temperature inside the chamber at an average of 80°C, and the insulation resistance of the battery module was monitored. The results are shown in FIG. 6 .
  • FIG. 6 is a graph showing the insulation resistance of the battery module measured in the evaluation process of the battery module in another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , it can be seen that the insulation resistance of the battery module decreases after 6 days after the battery module is stored. This appears to be due to leakage of the electrolyte due to damage to the battery cells accommodated in the battery module.
  • the gas detection times detected by a plurality of gas sensor units are compared with each other, and values measured from the gas sensor units are compared with each other to obtain n battery cells. Damaged battery cells can be easily predicted.
  • it is determined that the battery module is monitored in real time with the insulation characteristic monitoring device to easily predict whether or not the battery cell is damaged or when the battery cell is damaged.
  • the apparatus for evaluating the performance of a battery system and a battery module introduces a plurality of gas sensor units into a battery module in which a plurality of battery cells are accommodated, and measures the gas detection time measured by the gas sensor unit when gas is generated from the battery cells. Since the position of the gas-generated battery cell can be accurately predicted by comparison, it can be usefully used in terms of development of a battery module and/or management of the developed battery module.

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Abstract

본 발명은 손상된 전지 셀의 검출이 가능한 전지 시스템 및 전지 모듈 평가 방법에 관한 것으로, 상기 전지 시스템 및 전지 모듈의 성능 평가 장치는 복수의 전지 셀이 수납된 전지 모듈의 내부에 복수의 가스 센서부를 도입하고, 전지 셀에서 가스 발생 시 가스 센서부에서 측정된 가스 감지 시간을 비교함으로써 가스 발생된 전지 셀의 위치를 정확하게 예측할 수 있으므로, 전지 모듈의 개발 및/또는 개발된 전지 모듈의 관리 측면에서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

손상된 전지 셀의 검출이 가능한 전지 시스템 및 전지 모듈 평가 방법
본 발명은 손상된 전지 셀의 검출이 가능한 전지 시스템 및 전지 모듈 평가 방법에 관한 것이다. 본 출원은 2020. 08. 31. 자 한국 특허 출원 제10-2020-0109975호 및 2021.05.27. 자 한국 특허 출원 제10-2021-0068005호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개신된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
이차전지는 전지 케이스 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극 조립체가 내장되어 있고, 양극 및 음극 탭들이 두 개의 전극 탭에 용접되어 전지케이스의 외부로 노출되도록 실링되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극 탭은 외부 장치와 접촉을 통해 전기적으로 연결되고, 이차전지는 전극 탭을 통해 외부 장치에 전력을 공급하거나 외부 장치로부터 전력을 공급받게 된다.
이차전지는 과충전, 과방전, 과열, 외부의 충격 등에 의해 전지가 비정상적인 상태로 작동되면 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 예를 들어, 과열된 전지는 내부에서 가스를 발생시키고, 이렇게 발생된 가스는 케이스의 내측에서 가압하여 케이스에 삽입된 각 전지 요소의 분해 반응을 더욱 촉진시키고 연속적인 과열 및 가스 발생을 유발하며, 이에 따라 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 장기간의 사용으로 인해 이차전지가 서서히 열화되는 과정에서도 나타난다. 이에, 충방전 특성이 균일한 전지 셀을 개발하기 위해서는 장시간 전지 셀의 사용 또는 충방전에 따라 전지 셀의 체적 변화에 따른 압력 변화에 대한 정보가 필요하며, 개발된 전지 셀의 사용 시 수명 및 효율을 개선하기 위한 측면에서 체적 변화나 압력 변화 등을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
도 1은 종래에 전지 셀이 장착된 전지 모듈의 특성을 감지하는 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 상기 시스템(10)은 챔버(11) 내에 n개의 전지 셀이 수납된 전지 모듈(12)을 저장한 후, 충방전부(18)로 전지 모듈(12) 내에 수납된 전지 셀의 반복적인 충방전을 수행하여 스웰링을 유도하고, 챔버(11)와 전지 모듈(12)에 각각 별도로 장착된 센서부(14)를 통해서 전지 셀의 스웰링 여부를 판단하거나, 또는 전지 모듈(12)을 회수한 후 직접 분해하여 검사하는 방식으로 수행되었다.
그러나, 상기 시스템(10)은 전지 모듈 내에 수납된 전지 셀의 스웰링 발생여부를 원격으로 탐지할 수 없고, 전지 모듈을 회수 후 분해하는 검사 방식은 번거롭고 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
일본 공개특허공보 제2012-110129호
이에, 본 발명의 목적은 장시간 동안 전지 모듈에 장착된 전지 셀의 사용 또는 충방전에 따라 전지 셀의 체적 변화에 따른 압력 변화에 대한 정보 획득이 가능한 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
전지 모듈, 및 상기 전지 모듈의 작동 및 상태를 제어하는 전지 관리 시스템(BMS)을 포함하는 전지 시스템에 있어서,
상기 전지 모듈은 복수의 전지 셀, 상기 전지 셀이 수납되는 모듈 케이스, 및 상기 모듈 케이스의 내측면에 서로 이격되어 위치하고 충방전 시 전지 셀로부터 발생된 가스를 감지하며, 가스 감지 시간을 측정하는 복수의 가스 센서부;를 구비하고;
상기 전지 관리 시스템(BMS)은 가스 센서부와 전기적으로 연결되어 각각의 가스 센서부로부터 측정된 정보를 전달받으며, 전달된 정보로부터 가스가 발생된 셀의 위치를 산출하는 전지 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 가스 센서부는 가스 종류 및 가스 농도값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 측정할 수 있다.
또한, 상기 전지 관리 시스템(BMS)은 서로 이격되어 배치된 복수의 가스 센서부로부터 측정값을 전달받고, 전달받은 각 측정값들을 비교하여 가스가 발생된 셀의 위치를 산출할 수 있고, 가스 센서부에서 측정된 값이 기설정된 값에 도달하면 사용자에게 전지 셀의 손상을 알릴 수 있다.
아울러, 상기 모듈 케이스는 복수의 가스 배출부를 포함하고, 각 가스 배출부의 인접한 위치에 가스 센서부가 개별적으로 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스의 제1 측면에 위치하는 제1 가스 배출부 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 위치하는 제2 가스 배출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전지 시스템은 모듈 케이스 내측면에 위치하여 전지 모듈의 절연 저항을 측정하고, 측정값을 전지 관리 시스템(BMS)으로 전달하는 절연 저항 센서부를 더 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 전지 시스템은 차량용 전지팩 또는 에너지 저장 시스템(ESS)일 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
챔버;
챔버 내부에 위치하여 챔버 내부 온도를 평균 60 내지 100℃로 제어하는 온도 제어부;
챔버 내부에 저장되며, 복수의 전지 셀이 수납된 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내측면에 서로 이격되어 위치하고, 모듈 케이스 내부에서 발생되는 가스를 감지하며, 가스 감지 시간을 측정하는 복수의 가스 센서부를 구비하는 전지 모듈;
상기 복수의 가스 센서부와 전기적으로 연결되어 각각의 가스 센서부로부터 측정된 가스 감지 시간을 전달받고, 각각의 가스 센서부로부터 전달받은 가스 감지 시간을 서로 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 데이터 처리부;를 포함하는 전지 모듈의 성능 평가 장치를 제공한다.
이때, 상기 전지 모듈은 모듈 케이스 측면에 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부가 형성된 구조일 수 있고, 상기 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부에 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부가 각각 배치되는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 가스 배출부는 전지 모듈의 제1 측면에 형성된 구조이며, 제2 가스 배출부는 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 형성된 구조일 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스의 내측면에 위치하고, 데이터 처리부와 전기적으로 연결되며, 전지 모듈의 절연 저항을 측정하여 데이터 처리부로 측정된 절연 저항값을 전달하는 절연 저항 센서부를 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 성능 평가 장치를 이용한 전지 모듈의 성능 평가 방법에 있어서,
모듈 케이스에 복수의 전지 셀이 수납된 전지 모듈을 챔버에 장착하는 단계;
전지 모듈이 장착된 챔버의 내부 온도를 60 내지 100℃로 조절하여 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계;
전지 모듈에 구비된 복수의 가스 센서부로 전지 모듈 내부에서 발생된 가스를 감지하여 가스 감지 시간을 측정하는 단계; 및
각각의 가스 센서부로부터 측정된 결과값을 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 단계;를 포함하는 전지 모듈의 성능 평가 방법을 제공한다.
이때, 상기 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계는 70 내지 90℃의 온도에서 6 내지 12일 동안 수행될 수 있다.
또한, 상기 복수의 가스 센서부는 가스 감지 시간 측정 시 발생된 가스 종류 및 가스 농도값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 측정할 수 있다.
아울러, 상기 손상된 전지 셀을 예측하는 단계는 전지 모듈 내부의 절연 저항을 측정하여 전해액 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있고, 손상된 전지 셀을 예측하는 단계 이후는, 예측 결과를 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 검증하는 단계는 전지 모듈을 분해하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 확인하고, 상기 확인된 손상 전지 셀과 손상된 전지 셀을 예측하는 단계에서 예측된 손상된 전지 셀을 비교함으로써 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치 및 전지 모듈의 성능 평가 방법은 모듈 개발 시 고온의 가혹 조건 하에서 전지 모듈의 충방전을 수행함으로써 장시간 사용으로 인한 전지 셀의 열화를 동등하게 구현할 수 있으므로 신뢰성이 높은 전지 셀의 체적 변화에 따른 압력 변화 측정 결과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 시스템 및 전지 모듈의 성능 평가 장치는 복수의 전지 셀이 수납된 전지 모듈의 내부에 복수의 가스 센서부를 도입하고, 전지 셀에서 가스 발생 시 가스 센서부에서 측정된 가스 감지 시간을 비교하여 가스 발생된 전지 셀의 위치를 정확하게 예측할 수 있으므로, 전지 모듈의 개발 및/또는 개발된 전지 모듈의 관리 측면에서 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 종래에 전지 모듈의 특성을 감지하는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치의 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치의 평가 결과를 보여주는 도면으로, 전지 모듈 내에 손상된 전지 셀의 위치를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에서 전지 모듈의 평가 과정에서 측정한 전지 모듈의 절연 성능을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
전지 시스템
본 발명은 일실시예에서, 사용 중인 전지 모듈 내에 구비된 전지 셀로부터 발생되는 가스를 실시간으로 감지하여 가스가 발생되는 전지 셀의 위치를 산출할 수 있는 전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 시스템은 전지 모듈 및 상기 전지 모듈의 작동 및 상태를 제어하는 전지 관리 시스템(battery management system, BMS)을 포함하는데, 상기 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 수납되는 모듈 케이스, 및 상기 모듈 케이스의 내측면에 서로 이격되어 위치하고 충방전 시 전지 셀로부터 발생된 가스를 감지하며 가스 감지 시간을 측정하는 복수의 가스 센서부;를 구비하고, 상기 전지 관리 시스템(BMS)은 가스 센서부와 전기적으로 연결되어 각각의 가스 센서부로부터 측정된 정보를 전달받으며, 전달된 정보로부터 가스가 발생된 셀의 위치를 산출한다.
즉, 상기 전지 시스템은 전지 모듈 내에 서로 이격 배치된 복수의 가스 센서부를 도입함으로써 사용 중 전지 셀에서 발생되는 가스를 실시간으로 감지할 수 있으며; 복수의 가스 센서부는 가스가 감지된 시간을 측정하여 전지 관리 시스템(BMS)에 측정값을 전달하고, 전지 관리 시스템(BMS)은 전달받은 가스 감지 시간을 비교하여 가스가 발생된 전지 셀의 위치를 정확하게 예측할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 전지 시스템의 각 구성별로 보다 상세히 설명한다.
먼저, 전지 시스템에 구비된 전지 모듈은 복수의 전지 셀, 상기 전지 셀이 수납되는 모듈 케이스, 상기 모듈 케이스 내측면에 서로 이격되어 위치하는 가스 센서부 및 가스를 배출시키는 가스 배출부를 포함한다.
이때, 상기 전지 셀은 충방전이 가능한 이차 전지라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 구첵적으로, 상기 전지 셀로는 파우치 타입의 단위셀일 수 있으며, 파우치 타입의 단위셀은 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장된 것일 수 있다. 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명의 도면에서는 도면 도시의 편의상 한 쌍의 전극 리드 서로 반대방향으로 인출된 형태를 갖는 파우치 타입 전지 셀에 대해서만 도시하고 있으나, 본 발명에 따른 전지 모듈에 적용되는 전지 셀은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 한 쌍의 전극 리드가 서로 동일한 방향으로 인출되는 경우도 가능하다.
또한, 상기 전지 셀들은 n개 이상(n은 2 이상의 정수)이 전기적으로 연결될 상태로 모듈 케이스에 수납될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지 셀들은 전지 모듈에 용도에 따라 전지 셀의 수(n)를 2~100개, 2~50개, 2~40개, 10~35개, 20~30개 또는 5~20개 등으로 조절하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 전기적 연결은 직렬 또는 병렬일 수 있고, 필요에 따라서는 직렬과 병렬이 혼합된 방식일 수 있다.
아울러, 상기 전지 셀이 수납되는 모듈 케이스는 외부에서 가해지는 충격이나 고온 및/또는 다습한 환경에서도 전지 셀이 안전하게 작용할 수 있도록 보호하는 역할을 한다. 이를 위해 수분이 모듈 내부로 침투할 수 없으면서 동시에 내부 열을 발산할 수 있는 구조를 가질 수 있으며, 전지 셀들을 감싸도록 고강도를 갖는 합성수지 또는 금속 소재로 구성될 수 있고, 경우에 따라서는 모듈 케이스에 수납된 전지 셀에서 발생되는 열을 방출하기 위하여 방열 소재를 추가적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는 전지 셀로부터 발생되어 가스를 배출하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 모듈 케이스는 전지 셀로부터 발생되는 가스를 배출하기 위하여 복수의 가스 배출부를 포함하고, 복수의 가스 배출부는 서로 이격되어 배치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스가 직육면체 형태를 가질 경우, 4개의 측면 중 임의의 제1 측면에 위치하는 제1 가스 배출부와 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 위치하는 제2 가스 배출부를 포함할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스가 직육면체 형태를 가질 경우, 4개의 측면 중 임의의 제1 측면, 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 상기 제1 측면과 제2 측면에 사이에 위치하는 제3 측면에 각각 제1 내지 제3 가스 배출부를 포함할 수 있다.
또 다른 하나의 예로서, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스가 직육면체 형태를 가질 경우, 4개의 측면 각각에 순차적으로 제1 내지 제4 가스 배출부를 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스의 측면에 형성된 개구, 상기 개구와 유체 연결되어 모듈 내에서 발생된 가스를 신속하게 배출하기 위하여 송풍 수단을 구비할 수 있으며, 상기 송풍 수단은 전지 모듈 내부의 온도가 40℃ 이하일 때는 정방향으로 회전하여 전지 셀 주위의 공기를 순환시킴으로써 셀 주변 온도를 낮추고 전지 모듈 내부의 온도가 40℃를 초과하는 경우 역방향으로 회전하여 전지 셀 주위의 공기를 신속하게 배출시킬 수 있다.
또한, 상기 가스 배출부의 인접한 위치에는 개별적으로 가스 센서부가 개별적으로 배치될 수 있다. 상기 가스 센서부는 모듈 케이스 내부에서 발생된 가스를 감지하고, 동시에 가스가 감지된 시간을 측정하며, 측정된 가스 감지 시간을 비교함으로써 가스가 발생된 전기 셀의 위치를 산출하는 역할을 수행하는데, 전지 케이스에 서로 이격되어 위치하는 가스 배출부의 인접한 위치에 각각 개별적으로 배치됨으로써 전지 셀로부터 발생된 가스를 보다 신속하게 감지할 수 있다.
또한, 상기 복수의 가스 센서부는 가스 감지 시간 이외에 감지된 가스의 종류 및 가스 농도값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 측정할 수 있다. 가스 종류 및/또는 가스 농도값은 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC), 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR), 정밀가스 질량분석기(precision gas mass spectrometer, PGMS) 등의 분석 장치에 의해 측정될 수 있으며, 이를 위해, 상기 가스 센서부는 상기 분석 장치들을 모듈 케이스에 형성된 개구와 유체 연결되도록 모듈 케이스의 외측면에 포함할 수 있다. 일반적으로 가스 종류에 따라 가스의 중량이 다르고, 그 농도에 따라 확산 속도가 상이하여 가스의 이동속도에 영향을 줄 수 있으므로, 본 발명은 가스 센서부에서 측정된 가스 감지 시간과 함께 가스의 종류 및/또는 가스 농도값을 추가 측정함으로써 가스가 발생된 전지 셀의 위치를 보다 높은 정확도로 산출할 수 있다.
이와 더불어, 상기 가스 센서부는 가스를 감지하기 위하여 업계에서 사용되는 센서를 구비하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 센서부는 전지 셀로부터 배출되거나 새어나오는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 가스, 이산화탄소(CO2) 가스, 일산화탄소(CO) 가스, 산소(O2) 가스 등을 포함하는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 가스 형태로 검출할 수 있는 금속 산화물 센서, 화학 저항식 센서, 반도체식 센서, 광이온 센서 또는 적외선 센서 등의 감지 센서를 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 가스 센서부는 기체 중에 포함된 특정의 가스 성분을 감지하여 그 농도에 따라 전기신호를 변화하는 반도체식 센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 센서부는 전지 관리 시스템(BMS)과 전기적으로 연결되어 측정된 정보, 예컨대, 가스 감지 시간, 가스 종류 및/또는 가스 농도 등의 측정값을 전지 관리 시스템(BMS)으로 전달하고, 전지 관리 시스템(BMS)은 가스 센서부로부터 전달받은 정보로부터 가스가 발생되는 전지 셀의 위치를 산출할 수 있다.
예를 들어, 가스가 발생된 전지 셀에 인접한 가스 센서부일수록 타 가스 센서부보다 가스 감지 시간이 짧을 것이므로, 모듈 케이스의 제1 측면에 위치하는 제1 가스 배출부에 인접한 제1 가스 센서부와; 상기 모듈 케이스 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 위치하는 제2 가스 배출부에 인접한 제2 가스 센서부를 포함하는 경우, 모듈 내부에서의 가스 발생 시 발생된 가스가 제1 가스 센서부와 제2 가스 센서부에서 감지되는 시간을 측정하고 측정된 시간의 차이를 이용하여 가스가 발생되는 전지 셀의 위치를 산출할 수 있다.
아울러, 상기 전지 관리 시스템(BMS)은 전지 셀 용량 관리/보호, 사용이력, 수명예측, 과충전/과방전 보호, 통신 등 전지 셀의 최대 성능을 발휘하면서 안전하게 사용될 수 있도록 관리하는 장치로서, 가스 센서부에서 측정된 값이 기설정된 값에 도달하면 사용자에게 전지셀의 손상을 알리는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 전지 관리 시스템(BMS)은 가스 센서부에서 측정된 가스 농도가 모듈 케이스의 전체 부피의 10%를 초과하거나, 특정 가스가 감지되면 사용자에게 경보 신호를 전달하여 사용자가 전지 모듈의 작동을 일시적으로 중단하거나 가스가 발생되는 전지 셀을 교체 또는 수리하는 등의 대응 조치를 취하게 할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 전지 시스템은 모듈 케이스 내측면에 위치하여 전지 모듈의 절연 저항을 측정하고, 측정값을 전지 관리 시스템(BMS)으로 전달하는 절연 저항 센서부를 더 포함할 수 있다. 장시간 동안 전지 셀을 사용하면 셀의 스웰링이 유도되어 전지 셀의 손상이 발생되는데, 이러한 전지 셀의 손상은 전해액의 누액을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 누출된 전해액은 전지 모듈 내 절연 저항을 감소시키므로, 모듈 케이스 내측면의 절연 저항, 보다 구체적으로는 모듈 케이스 내부에 수납된 전지 셀의 전극 리드가 접촉되는 부분(예컨대, 버스바의 프레임 등); 전지 셀의 하단과 상기 하단과 맞닿는 모듈 케이스의 내측 바닥면에서의 구비되는 하부 쇼트 방지용 기재(예컨대, 절연 러버, 절연 필름 등) 등에 대한 절연 저항을 실시간으로 측정하면 전지셀의 스웰링으로 인해 발생되는 전해액 누액 여부를 알 수 있으며, 이에 따라 전지 셀의 손상 시점(가스 배출(gas venting) 시점) 등을 보다 정확하게 예측할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 전지 시스템은 차량 등에 사용되는 전지팩 또는 에너지 저장 시스템(energe storage system, ESS)일 수 있다.
구체적으로, 상기 전지 시스템은 전원으로 사용하며 한정된 장착 공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치 등의 차량용 전지 팩에 사용될 수 있으며, 자동차의 전원으로 사용되는 전지 시스템은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있다.
또한, 상기 전지 시스템은 태양광, 풍력, 조력 등의 신재생 에너지를 활용하여 생산되는 전기를 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS)으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 시스템은 상술된 바와 같은 구성을 가짐으로써 전지 모듈 내에서 발생되는 가스를 실시간으로 감지하여 가스가 발생되는 전지 셀을 신속하고 정확하게 판단할 수 있으므로, 전지 시스템의 고장 및 사고 위험성을 현저히 저감시키고, 전지 시스템의 운용 효율성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
전지 모듈의 성능 평가 장치
또한, 본 발명은 일실시예에서, 가혹 조건 하에 전지 모듈을 노출시킴으로써 장시간 사용된 전지 모듈에 대한 성능 평가를 수행할 수 있는 전지 모듈의 성능 평가 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치는 챔버 내에 개발 중인 또는 사용 전인 전지 모듈을 고정시키고, 챔버 내부의 온도를 고온으로 유지하여 가혹 조건에서 저장함으로써 단시간 내에 전지 모듈에 수납된 전지 셀의 열화에 따른 스웰링을 유도할 수 있다. 이로 인해, 전지 셀의 손상이 발생되고, 전지 모듈 내부에 전지 셀의 손상으로 인한 가스가 발생되며, 전지 모듈 내부에 구비된 복수의 가스 센서부를 이용하여 발생된 가스를 감지하고, 가스 감지 신호를 데이터 처리부로 전달한다. 상기 데이터 처리부는 복수의 가스 센서부에서 전달된 가스 감지 신호를 비교하여 각 가스 센서부에서 가스를 감지한 시간을 도출하고, 도출된 시간을 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀의 위치를 정확하게 예측할 수 있으며, 경우에 따라서는 전지 셀이 손상된 시점을 추가적으로 예측할 수 있다.
이를 위하여, 상기 상기 전지 모듈의 성능 평가 장치는 챔버; 챔버 내부에 위치하여 챔버 내부 온도를 평균 60 내지 100℃로 제어하는 온도 제어부; 챔버 내부에 저장되며, 복수의 전지셀이 수납된 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내측면에 서로 이격되어 위치하고, 모듈 케이스 내부에서 발생되는 가스를 감지하며, 가스 감지 시간을 측정하는 복수의 가스 센서부를 구비하는 전지 모듈; 상기 복수의 가스 센서부와 전기적으로 연결되어 각각의 가스 센서부로부터 측정된 가스 감지 시간을 전달받고, 각각의 가스 센서부로부터 전달받은 가스 감지 시간을 서로 비교하여 복수의 전지셀 중 손상된 전지셀을 예측하는 데이터 처리부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 챔버는 전지 모듈의 성능 평가 과정에서 전지 모듈을 저장하는 공간을 제공한다. 상기 챔버는 크게 이중 구조, 구체적으로, 제1 하우징과 제1 하우징을 둘러싼 제2 하우징으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 하우징 내부에 전지 모듈이 저장될 수 있다. 특히, 상기 제1 하우징은 전지 모듈의 고온 특성을 구현하기 위하여 장소를 제공하는 공간으로, 상기 제1 하우징의 내측면은 열전도성의 물질을 일부 포함하도록 처리되거나 또는 표면이 코팅된 구조일 수 있다. 예를 들어, 제1 하우징의 내부는 SUS, 구리, 알루미늄 등의 금속 재질을 포함할 수 있다. 또한, 제1 하우징의 외측에 위치하는 제2 하우징은 테플론 등의 절연성 물질 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이하, 설명의 편의상 제1 하우징을 챔버로 지칭한다.
아울러, 상기 전지 모듈을 저장하는 제1 하우징은 방폭문 등이 설치된 것일 수 있다. 구체적인 예에서, 각종 무기로부터 발생되는 폭풍압 및 열을 차단시키며, 동시에 파편에 의한 피해를 차단시키는 목적으로 상기 제1 하우징은 방폭문 등이 설치된 구조일 수 있다.
또한, 상기 온도 제어부는 챔버 내부에 위치하여 챔버 내부 온도를 60℃ 내지 100℃로 제어하는 기능을 수행한다. 이를 위하여, 상기 온도 제어부는 가열 부재를 포함할 수 있고, 상기 가열 부재는 전지모듈로부터 전원을 공급받는 히터나 전원을 공급받아 가열되는 다수의 전열선들로 구성된 전열 집합체일 수 있다. 상기 전열 집합체는 격자 구조로 전열선들이 배치된 구조로 이루어질 수 있는데, 이러한 격자 구조는 송풍기로부터 발생한 높은 유속의 공기가 격자를 통해 공기가 용이하게 유동할 수 있게 하며, 전열 집합체를 경유하여 유동하는 유체에 큰 저항을 발생시키지 않는 장점이 있다. 이와 더불어, 상기 격자 구조는 다수의 전열선들이 이격되어 배치되므로, 전열선들이 집중된 구조와 비교하여, 팩 케이스 내부를 더욱 신속하게 가열할 수 있다.
또한, 상기 온도 제어부는 챔버 내부의 평균 온도를 60 내지 100℃범위로 제어할 수 있고, 구체적으로는 60 내지 90℃, 60 내지 80℃, 70 내지 90℃ 또는 80 내지 90℃로 제어할 수 있다. 본 발명은 온도 제어부로 제어되는 챔버 내부의 온도 범위를 상기와 같이 조절함으로써 개발 중인 전지 모듈 또는 사용 전인 전지 모듈에 대한 가혹 조건에서의 열화를 단시간에 유도할 수 있으며, 이렇게 유도된 전지 모듈의 열화는 수년간 사용된 전지 모듈의 열화와 유사하게 유도되므로 전지 모듈의 열화로 인해 발생되는 현상, 예컨대 전지 셀의 가스 발생, 스웰링 발생 등과 관련된 정보(예컨대, 전지 셀의 체적 변화에 따른 압력 변화량 등)를 높은 신뢰성으로 얻을 수 있다.
아울러, 챔버 내부에 저장되는 전지 모듈은 복수의 전지 셀, 상기 전지 셀이 수납되는 모듈 케이스, 상기 모듈 케이스 내측면에 서로 이격되어 위치하는 가스 센서부 및 가스를 배출시키는 가스 배출부를 포함한다.
이때, 상기 전지 셀은 충방전이 가능한 이차 전지라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 구첵적으로, 상기 전지 셀로는 파우치 타입의 단위셀일 수 있으며, 파우치 타입의 단위셀은 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장된 것일 수 있다. 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명의 도면에서는 도면 도시의 편의상 한 쌍의 전극 리드 서로 반대방향으로 인출된 형태를 갖는 파우치 타입 전지 셀에 대해서만 도시하고 있으나, 본 발명에 따른 전지 모듈에 적용되는 전지 셀은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 한 쌍의 전극 리드가 서로 동일한 방향으로 인출되는 경우도 가능하다.
또한, 상기 전지 셀들은 n개 이상(n은 2 이상의 정수)이 전기적으로 연결될 상태로 모듈 케이스에 수납될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지 셀들은 전지 모듈에 용도에 따라 전지 셀의 수(n)를 2~100개, 2~50개, 2~40개, 10~35개, 20~30개 또는 5~20개 등으로 조절하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 전기적 연결은 직렬 또는 병렬일 수 있고, 필요에 따라서는 직렬과 병렬이 혼합된 방식일 수 있다.
아울러, 상기 전지 셀이 수납되는 모듈 케이스는 외부에서 가해지는 충격이나 고온 및/또는 다습한 환경에서도 전지 셀이 안전하게 작용할 수 있도록 보호하는 역할을 한다. 이를 위해 수분이 모듈 내부로 침투할 수 없으면서 동시에 내부 열을 발산할 수 있는 구조를 가질 수 있으며, 전지 셀들을 감싸도록 고강도를 갖는 합성수지 또는 금속 소재로 구성될 수 있고, 경우에 따라서는 모듈 케이스에 수납된 전지 셀에서 발생되는 열을 방출하기 위하여 방열 소재를 추가적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는 전지 셀로부터 발생되어 가스를 배출하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 모듈 케이스는 전지 셀로부터 발생되는 가스를 배출하기 위하여 복수의 가스 배출부를 측면 또는 상부면에 포함하고, 복수의 가스 배출부는 서로 이격되어 배치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스가 직육면체 형태를 가질 경우, 4개의 측면 중 임의의 제1 측면에 위치하는 제1 가스 배출부와 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 위치하는 제2 가스 배출부를 포함할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스가 직육면체 형태를 가질 경우, 4개의 측면 중 임의의 제1 측면, 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면, 상기 제1 측면과 제2 측면에 사이에 위치하는 제3 측면에 각각 제1 가스 배출부 내지 제3 가스 배출부를 포함할 수 있다.
또 다른 하나의 예로서, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스가 직육면체 형태를 가질 경우, 4개의 측면 각각에 순차적으로 제1 가스 배출부 내지 제4 가스 배출부를 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 가스 배출부는 모듈 케이스의 측면에 형성된 개구, 상기 개구와 유체 연결되어 모듈 내에서 발생된 가스를 신속하게 배출하기 위하여 송풍 수단을 구비할 수 있으며, 상기 송풍 수단은 전지 모듈 내부의 온도가 40℃ 이하일 때는 정방향으로 회전하여 전지 셀 주위의 공기를 순환시킴으로써 셀 주변 온도를 낮추고 전지 모듈 내부의 온도가 40℃를 초과하는 경우 역방향으로 회전하여 전지 셀 주위의 공기를 신속하게 배출시킬 수 있다.
또한, 상기 가스 배출부의 인접한 위치에는 개별적으로 가스 센서부가 개별적으로 배치될 수 있다. 상기 가스 센서부는 모듈 케이스 내부에서 발생된 가스를 감지하고, 동시에 가스가 감지된 시간을 측정하며, 측정된 가스 감지 시간을 비교함으로써 가스가 발생된 전기 셀의 위치를 산출하는 역할을 수행하는데, 전지 케이스에 서로 이격되어 위치하는 가스 배출부의 인접한 위치에 각각 개별적으로 배치됨으로써 전지 셀로부터 발생된 가스를 보다 신속하게 감지할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 전지 모듈의 성능 평가 장치에 저장되는 전지 모듈은 모듈 케이스의 측면에 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부가 형성된 구조일 수 있으며, 상기 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부에는 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부가 각각 배치되는 구조를 가질 수 있다. 이때, 제1 가스 배출부는 전지 모듈의 일측면에 형성된 구조이고, 제2 가스 배출부는 전지 모듈의 타측면에 형성된 구조이다. 이에 따라, 제1 가스 센서부는 전지 모듈의 일측면에 배치되고, 제2 가스 센서부는 전지 모듈의 타측면에 배치된다.
즉, 제1 가스 센서부는 전지 모듈의 앞쪽에 배치되고, 제2 가스 센서부는 제1 가스 센서부가 배치된 영역과 반대되는 영역인 뒤쪽에 배치될 수 있다. 예를 들어, 전지 모듈 내에서 하나의 전지 셀의 손상이 발생하였을 때, 전지 모듈 내부에서 발생하는 가스는 제1 및 제2 가스 배출부로 배출된다. 그리고, 상기 발생가스는 제1 및 제2 가스 배출부에 각각 배치된 제1 및 제2 가스 센서부에서 감지할 수 있다.
아울러, 상기 복수의 가스 센서부는 가스 감지 시간 이외에 감지된 가스의 종류 및 가스 농도값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 측정할 수 있다. 가스 종류 및/또는 가스 농도값은 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC), 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR), 정밀가스 질량분석기(precision gas mass spectrometer, PGMS) 등의 분석 장치에 의해 측정될 수 있으며, 이를 위해, 상기 가스 센서부는 상기 분석 장치들을 모듈 케이스에 형성된 개구와 유체 연결되도록 모듈 케이스의 외측면에 포함할 수 있다. 일반적으로 가스 종류에 따라 가스의 중량이 다르고, 그 농도에 따라 확산 속도가 상이하여 가스의 이동속도에 영향을 줄 수 있으므로, 본 발명은 가스 센서부에서 측정된 가스 감지 시간과 함께 가스의 종류 및/또는 가스 농도값을 추가 측정함으로써 가스가 발생된 전지 셀의 위치를 보다 높은 정확도로 산출할 수 있다.
또한, 상기 가스 센서부는 가스를 감지하기 위하여 업계에서 사용되는 센서를 구비하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 가스 센서부는 전지 셀로부터 배출되거나 새어나오는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 가스, 이산화탄소(CO2) 가스, 일산화탄소(CO) 가스, 산소(O2) 가스 등을 포함하는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 가스 형태로 검출할 수 있는 금속 산화물 센서, 화학 저항식 센서, 반도체식 센서, 광이온 센서 또는 적외선 센서 등의 감지 센서를 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 가스 센서부는 기체 중에 포함된 특정의 가스 성분을 감지하여 그 농도에 따라 전기신호를 변화하는 반도체식 센서를 포함할 수 있다.
이와 더불어, 상기 데이터 처리부는 전술한 바와 같이, 복수의 가스 센서부로부터 감지된 가스 감지 시간을 비교하여 모듈 케이스에 수납된 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀의 위치를 예측한다. 구체적으로, 복수의 가스 센서부, 또는 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부는 전지 모듈 내부에서 발생되는 가스를 감지하고, 가스 감지 신호를 데이터 처리부로 전달한다. 그런 다음, 상기 데이터 처리부는 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부에서 감지되는 가스 감지 시간을 서로 비교하여, 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측할 수 있다.
즉, 상기 데이터 처리부는 복수의 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부에서의 가스 감지 시간을 비교하여 전지 셀이 손상된 시점 및/또는 위치를 예측할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 가스 센서부에서의 가스 감지 시간이 유사한 경우, 발생 가스가 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부로 이동한 시간의 차이는 작은 것을 의미하므로, 제1 및 제2 가스 센서부의 가운데 영역인 전지 모듈 내부에서 중심 영역에 배치된 것으로 판단할 수 있다. 또한, 제1 가스 센서부 보다 제2 가스 센서부에서의 가스 감지 시간이 빠르다면, 손상된 전지 셀은 제2 가스 센서부와 인접한 영역에 배치된 것으로 판단할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치는 가스 센서부에서 감지된 가스 농도를 시간에 따른 저항 값으로 출력하는 출력부를 더 포함한다. 특히, 상기 데이터 처리부는 상기 출력부에서 출력되는 가스 감지 시간과 피크 값을 기준으로 손상된 전지 셀을 예측할 수 있다. 한편, 상기 출력부는 통상적인 모니터링 장치 또는 출력 장치일 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치는 상기 데이터 처리부의 결과를 저장하는 저장부를 더 포함한다. 구체적으로, 상기 저장부는 데이터 처리부로부터 결과를 전송 받아 저장한다.
이러한 데이터 처리부 및 저장부의 작동에 있어서, 작업자가 데이터 처리부 및 저장부를 직접 작동하는 것도 가능하나, 자동화된 시스템에 의해 작동하는 것도 가능하다.
하나의 예로서, 상기 전지 모듈에 수납되는 전지 셀과 전기적으로 연결되는 충방전부를 더 포함한다. 상기 충방전부는 이차 전지로 충전 전원을 공급하거나, 이차 전지로부터 방전 전원을 공급받을 수 있다. 여기서, 이차 전지로 충전 전원을 공급한다는 것은 반드시 이차전지를 완충시키기 위한 정도의 충분한 전원을 공급한다는 의미로 한정되는 것은 아니다. 이차전지로 충전 전원을 공급한다는 것은 이차전지의 성능 평가를 위해 제1 전극 리드, 제2 전극 리드 등의 전압을 측정할 수 있을 정도의 전원을 공급하는 것으로 사용될 수 있다. 이차전지로부터 방전 전원을 공급받는다는 의미도 마찬가지로 사용될 수 있으므로 반복된 설명은 생략하도록 한다.
나아가, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치는 챔버 내부와 전지 모듈의 온도를 감지하는 온도 센서부를 더 포함한다. 상기 온도 센서부는 전지 모듈 내부의 전지 셀의 손상 시 챔버 내부와 전지 모듈의 주변 온도를 감지하기 위함이다. 상기 온도 센서부는 도면 상에 도시하지 않았으나, 하나 또는 복수개로 포함할 수 있으며, 전지 모듈의 여러 부위의 온도를 감지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치는 모듈 케이스 내측면에 전지 모듈의 내부의 절연 저항을 측정하여 전기적으로 연결된 데이터 처리부로 측정된 절연 저항값을 전달하는 절연 저항 센서부를 더 포함할 수 있고, 상기 절연 저항 센서부는 전지 모듈 내부의 절연 저항을 측정하는 절연 특성 모니터링 장치(Insulation Monitoring Device)를 포함할 수 있다. 전지 셀의 스웰링 특성 평가 과정 중 전지 셀의 손상이 발생하게 되면, 전지 셀 내부의 전해액의 누액으로 인하여 절연 저항은 감소하게 된다. 이때, 상기 절연 특성 모니터링 장치는 전지 모듈의 절연 저항을 모니터링하여 전해액의 누액 여부를 알 수 있으며, 이에 따라 전지 셀의 손상 시점(예컨대, venting 시점) 등을 예측할 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치는 전지 모듈 개발 시 고온의 가혹 조건 하에서 전지 모듈의 충방전을 수행함으로써 장시간 사용으로 인한 전지 셀의 열화를 동등하게 구현할 수 있으므로 신뢰성이 높은 전지 셀의 체적 변화에 따른 압력 변화 측정 결과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 전지 모듈의 성능 평가 장치는 복수의 전지 셀이 수납된 전지 모듈의 내부에 복수의 가스 센서부를 도입하고, 전지 셀에서 가스 발생 시 가스 센서부에서 측정된 가스 감지 시간을 비교하여 그 편차로부터 가스 발생된 전지 셀의 위치를 정확하게 예측할 수 있으므로, 전지 모듈의 개발 시 유용하게 사용될 수 있다.
전지 모듈의 성능 평가 방법
나아가, 본 발명은 일실시예에서, 상술된 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치를 이용하여 수행되는 전지 모듈의 성능 평가 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 방법은 상술된 본 발명의 전지 모듈 성능 평가 장치를 이용함으로써 단시간 내에 전지 모듈의 성능을 높은 정확도 및 신뢰도로 평가할 수 있다.
이때, 상기 성능 평가 방법은 개발 중인 또는 사용 전인 전지 모듈을 챔버 내부에 장착하고, 장착된 챔버의 내부 온도를 60 내지 100℃로 조절하여 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계; 전지 모듈에 구비된 복수의 가스 센서부로 전지 모듈 내부에서 발생된 가스를 감지하여 가스 감지 시간을 측정하는 단계; 및 각각의 가스 센서부로부터 측정된 결과값을 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 단계를 통해 수행된다.
즉, 상기 성능 평가 방법은 전지 모듈을 고온의 가혹 조건 하에서 단시간(예컨대, 30일 이하) 동안 저장하여 전지 셀의 스웰링(swelling)을 구현하며, 이에 따라, 전지 모듈에 수납된 전지 셀의 스웰링에 의해 전지 셀의 손상(venting)을 유도하고, 전지 모듈의 내부에서는 전지 셀의 손상에 의해서 가스가 유출된다. 이때, 전지 모듈에 형성된 복수의 가스 센서부는 전지 모듈 내부에서 발생되는 가스를 감지하고, 가스 감지 신호를 데이터 처리부로 전달한다. 상기 데이터 처리부는 복수의 가스 센서부로 감지되는 가스 감지 시간을 서로 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하고, 경우에 따라서는 복수의 가스 센서부에서의 가스 감지 시간을 비교하여 전지 셀이 손상된 시점을 예측하게 된다.
여기서, 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계는 챔버 내부의 평균 온도를 60 내지 100℃범위로 제어할 수 있고, 구체적으로는 60 내지 90℃, 60 내지 80℃, 70 내지 90℃ 또는 80 내지 90℃로 제어할 수 있다.
또한, 상기 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계는 전지 모듈을 30일 이하로 수행될 수 있으며, 구체적으로는 1일 내지 25일 동안; 1일 내지 20일 동안; 5일 내지 20일 동안; 5일 내지 15일 동안; 또는 6일 내지 12일 동안 수행될 수 있다.
본 발명은 전지 모듈 내부에 가스 발생시키는 단계에서 챔버 내부의 온도와 수행 기간을 상기와 같이 조절함으로써 개발 중인 전지 모듈 또는 사용 전인 전지 모듈에 대한 가혹 조건에서의 열화를 단시간에 유도할 수 있으며, 이렇게 유도된 전지 모듈의 열화는 수년간 사용된 전지 모듈의 열화와 유사하게 유도되므로 전지 모듈의 열화로 인해 발생되는 현상, 예컨대 전지 셀의 가스 발생, 스웰링 발생 등과 관련된 정보(예컨대, 전지 셀의 체적 변화에 따른 압력 변화량 등)를 높은 신뢰성으로 얻을 수 있다.
또한, 상기 가스 감지 시간을 측정하는 단계는 복수의 가스 센서부가 전지 셀로부터 발생되어 가스를 감지하고, 가스가 감지된 시간을 측정하는 단계이다. 이때, 상기 복수의 가스 센서부는 가스 감지 시간 이외에 감지된 가스의 종류 및 가스 농도값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 측정할 수 있다. 가스 종류 및/또는 가스 농도값은 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC), 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR), 정밀가스 질량분석기(precision gas mass spectrometer, PGMS) 등의 분석 장치에 의해 측정될 수 있으며, 이를 위해, 상기 가스 센서부는 상기 분석 장치들을 모듈 케이스에 형성된 개구와 유체 연결되도록 모듈 케이스의 외측면에 포함할 수 있다. 일반적으로 가스 종류에 따라 가스의 중량이 다르고, 그 농도에 따라 확산 속도가 상이하여 가스의 이동속도에 영향을 줄 수 있으므로, 본 발명은 가스 센서부에서 측정된 가스 감지 시간과 함께 가스의 종류 및/또는 가스 농도값을 추가 측정함으로써 가스가 발생된 전지 셀의 위치를 보다 높은 정확도로 산출할 수 있다.
또한, 챔버 내부에 장착된 전지 모듈은 복수의 가스 배출부가 형성된 구조를 가질 수 있다. 하나의 예로서, 상기 전지 모듈은 일측면과 타측면에 각각 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부가 형성된 구조이며, 상기 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부에 제1 및 제2 가스 센서부가 각각 배치된다. 이에 따라, 상기 손상된 전지 셀을 예측하는 과정에서, 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부로부터 감지된 가스 감지 시간을 서로 비교할 수 있다. 손상된 전지 셀을 예측하는 과정은 앞서 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 상기 전지 모듈을 저장하는 단계는 가스 센서부에서 감지된 가스 농도를 시간에 따른 저항 값으로 출력하는 과정을 더 포함할 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 출력부에서 출력되는 가스 감지 시간과 피크 값을 기준으로 손상된 전지 셀을 예측할 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 전지 모듈의 평가 방법은 데이터 처리부의 결과를 저장하는 과정을 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 방법은 전지 모듈 내부에 저장된 전지 셀의 충방전을 구동시키는 충방전 과정을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 충방전 과정은 이차 전지로 충전 전원을 공급하거나, 이차 전지로부터 방전 전원을 공급받을 수 있으며, 이때, 이차 전지로 충전 전원을 공급한다는 것은 반드시 이차전지를 완충시키기 위한 정도의 충분한 전원을 공급한다는 의미로 한정되는 것은 아니다.
아울러, 상기 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계는 챔버 내부와 전지 모듈의 온도를 감지하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이는 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계에서 전지 셀의 손상 시 챔버 내부와 전지 모듈의 주변 온도를 각각 감지하여 이들의 편차를 줄이기 위한 것으로서, 상기 온도 센서부는 도면 상에 도시하지 않았으나, 복수로 포함할 수 있으며, 전지 모듈의 여러 부위의 온도를 감지할 수 있다.
또한, 손상된 전지 셀을 예측하는 단계는 전지 모듈 내부의 절연 저항을 측정하여 전해액의 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 전지 셀의 손상이 발생하게 되면, 전지 셀 내부의 전해액의 누액으로 인하여 절연 저항은 감소하게 된다. 즉, 상기 전지 모듈의 절연 특성을 모니터링하는 과정을 통해 전지 모듈 내부에서의 전해액의 누액 여부를 알 수 있으며, 이에 따라 전지 셀의 손상 시점(예컨대, venting 시점) 등을 예측할 수 있다.
구체적인 예에서, 전지 모듈의 절연 저항을 모니터링하는 과정은 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 과정과 동시에 수행될 수 있다. 상기 전지 모듈을 저장하는 단계에서 가스 발생을 모니터링하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측할 수 있으며, 이와 동시에 절연 저항을 모니터링하여 전지 셀의 손상 시점 등을 예측할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 방법은 제12항에 있어서, 손상된 전지셀을 예측하는 단계 이후, 예측 결과를 검증하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 검증하는 단계는 전지 모듈을 분해하여 복수의 전지셀 중 손상된 전지셀을 확인하고, 상기 확인된 손상 전지셀과 손상된 전지셀을 예측하는 단계에서 예측된 손상된 전지셀을 비교함으로써 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치 및 전지 모듈의 평가 방법에 따르면, 복수의 가스 센서부로부터 감지된 가스 감지 시간을 서로 비교하고, 피크 값을 서로 비교하여 n개의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 용이하게 예측할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 절연 특성 모니터링 장치로 전지 모듈을 실시간 모니터하여 전지 셀의 손상 여부 또는 전지 셀의 손상 시점 등을 용이하게 예측할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치 및 전지 모듈의 성능 평가 방법의 다양한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시형태)
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(100)는 챔버(110); 챔버(110) 내부에 저장되며, 복수의 가스 배출부(미도시)가 형성되되, n개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀이 수납되는 전지 모듈(120); 챔버(110) 내부의 온도를 평균 60 내지 100℃의 온도 범위로 제어하는 온도 제어부(130); 챔버(110) 내부에 위치하여, 전지 모듈(120) 내부에서 유출되는 가스를 감지하는 가스 센서부(140); 및 각각의 가스 센서부(140)로부터 감지된 가스 감지 시간을 서로 비교하여 n개의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 데이터 처리부(150)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(100)는 전지 모듈(120)을 고온의 챔버(110)에서 저장하여 전지 셀의 스웰링(swelling)을 구현한다. 이에 따라, 전지 모듈(120)에 수납된 전지 셀은 스웰링에 의한 전지 셀의 손상(venting)이 유도되고, 전지 모듈(120)의 내부에서는 전지 셀의 손상에 의해서 가스가 발생된다. 이때, 전지 모듈(120)에 형성된 복수의 가스 배출부에 각각 배치된 가스 센서부(140)는 전지 모듈(120) 내부에서 발생되는 가스를 감지하고, 가스 감지 신호를 데이터 처리부(150)로 전달한다. 또한, 상기 데이터 처리부(150)는 복수의 가스 센서부(140)로 감지되는 가스 감지 시간을 서로 비교하고, 각각의 가스 센서부(140)에서 측정된 결과 값을 서로 비교하여, n개의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측할 수 있다. 나아가, 상기 데이터 처리부(150)는 복수의 가스 센서부(140)에서의 가스 감지 시간을 비교하여 전지 셀이 손상된 시점을 예측할 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(100)의 전지 모듈(120)은 두 개의 가스 배출부가 형성된 구조이다. 구체적으로, 상기 전지 모듈(120)은 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부가 형성된 구조이며, 상기 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부에는 제1 가스 센서부(141) 및 제2 가스 센서부(142)가 각각 배치되는 구조이다. 이때, 제1 가스 배출부는 전지 모듈(120)의 일측면에 형성된 구조이고, 제2 가스 배출부는 전지 모듈(120)의 타측면에 형성된 구조이다. 이에 따라, 제1 가스 센서부(141)는 전지 모듈(120)의 일측면에 배치되고, 제2 가스 센서부(142)는 전지 모듈(120)의 타측면에 배치된다.
즉, 제1 가스 센서부(141)는 전지 모듈(120)의 앞쪽에 배치되고, 제2 가스 센서부(142)는 제1 가스 센서부(141)가 배치된 영역과 반대되는 영역인 뒤쪽에 배치된다. 상기 가스 센서부(140)는 가스 센서로 기체 중에 포함된 특정의 가스 성분을 감지하여 그 농도에 따라 전기신호를 변화하는 소자이다.
예를 들어, 전지 모듈(120) 내에서 하나의 전지 셀의 손상이 발생하였을 때, 전지 모듈(120) 내부에서 발생하는 가스는 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부로 배출된다. 또한, 상기 발생된 가스는 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부에 각각 배치된 제1 가스 센서부(141) 및 제2 가스 센서부(142)에서 감지한다. 만일, 제1 가스 센서부(141) 및 제2 가스 센서부(142)에서의 가스 감지 시간이 서로 비슷한 경우, 발생 가스가 제1 가스 센서부(141)및 제2 가스 센서부(142)로 이동한 시간이 비슷한 것을 의미하므로, 전지 모듈(120) 내부에서 중심 영역에 배치된 것으로 판단할 수 있다.
아울러, 전지 모듈(120) 내에서 하나의 전지 셀의 손상이 발생하였을 때, 제1 가스 센서부(141) 보다 제2 가스 센서부에서의 가스 감지 시간이 빠르고, 가스 센서부에서 측정된 결과 값이 크다면, 손상된 전지 셀은 제2 가스 센서부(142)와 인접한 영역에 배치된 것으로 판단할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(100)는 가스 센서부(140)에서 감지된 가스 농도를 시간에 따른 저항 값으로 출력하는 출력부(160)를 더 포함한다. 특히, 상기 데이터 처리부(150)는 상기 출력부(160)에서 출력되는 가스 감지 시간과 피크 값을 기준으로 손상된 전지 셀을 예측할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(100)는 전지 모듈(120)과 전기적으로 연결되어, 전지 모듈 내부에 저장된 전지 셀의 충방전을 구동시키는 충방전부(180)를 더 포함한다. 상기 충방전부(180)는 전지 모듈과 전기적으로 연결되어 전지 모듈(120) 내부의 전지 셀로 충전 전원을 공급하거나, 전지 셀로부터 방전 전원을 공급받을 수 있다. 여기서, 전지 셀로 충전 전원을 공급한다는 것은 반드시 전지 셀을 완충시키기 위한 정도의 충분한 전원을 공급한다는 의미로 한정되는 것은 아니다. 전지 셀로부터 방전 전원을 공급받는다는 의미도 마찬가지로 사용될 수 있으므로 반복된 설명은 생략하도록 한다. 한편, 본 발명에서는 전지 모듈(120)을 고온에서 저장하고, 충방전을 수행하여, 고온에서의 스웰링을 구현할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(100)는 챔버(110) 내부와 전지 모듈(120)의 온도를 감지하는 온도 센서부(미도시)를 더 포함한다. 상기 온도 센서부는 전지 모듈(120) 내부의 전지 셀의 손상 시 챔버(110) 내부와 전지 모듈(120)의 주변 온도를 감지하기 위함이다. 상기 온도 센서부는 도면 상에 도시하지 않았으나, 복수개를 포함할 수 있으며, 전지 모듈(120)의 여러 부위의 온도를 감지할 수 있다.
일실시예에서, 전지 모듈의 성능 평가 장치를 이용하여 전지 모듈의 평가를 수행하였다.
보다 구체적으로, 전지 모듈의 성능 평가 장치의 챔버에 14개의 전지 셀이 수납된 전지 모듈을 10일 동안 저장하였다. 이때, 전지 모듈 내부에 저장된 전지 셀은 충방전을 구동하였으며, 챔버 내부의 온도를 평균 80℃로 유지하였다. 상기 전지 모듈을 저장하는 단계에서 전지 모듈 내부에서 발생되는 가스를 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부로 감지하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 3은 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치에 구비된 가스 크로마토그래피(GC) 결과가 도시된 그래프로서, 시간에 따라 발생된 가스의 농도를 피크 강도로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하여, 전지 모듈을 고온 저장하는 단계에서 전지 모듈 내부에 수납된 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 과정을 설명한다.
먼저, 6개의 피크 중 1번과 2번의 피크를 살펴보면, 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부에서 감지된 가스 감지 시간은 유사한 것을 알 수 있으며, 제1 가스 센서부 및 제2 가스 센서부에서의 피크 값 또한 서로 비슷한 것을 알 수 있다. 이는 손상된 전지 셀과 제1 가스 센서부의 거리는 손상된 전지 셀과 제2 가스 센서부의 거리와 유사하다는 것을 의미한다. 즉, 1번과 2번의 피크 값을 통해서 전지 모듈의 중심 영역에 배치된 전지 셀이 손상된 것을 예측할 수 있다.
아울러, 3번과 4번의 피크를 살펴보면, 3번의 피크 값이 4번 보다 먼저 감지되었으며, 3번의 피크 값이 4번 보다 높은 것을 알 수 있다. 이는, 전지 모듈 내부에서 손상된 전지 셀은 제2 가스 센서부 보다 제1 가스 센서부와 인접하게 위치한다는 것을 의미한다. 구체적으로, 손상된 전지 셀이 제1 가스 센서부와 인접한 곳에 배치되어 있어, 제1 가스 센서부에서 상기 가스를 먼저 감지할 수 있음을 의미한다.
또한, 5번과 6번의 피크를 살펴보면, 5번의 피크 값이 6번의 피크 값 보다 먼저 감지되었으며, 5번의 피크 값이 6번 보다 높은 것을 알 수 있다. 이는, 전지 모듈 내부에서 손상된 전지 셀은 제1 가스 센서부보다 제2 가스 센서부와 인접하게 위치한다는 것을 의미한다.
나아가, 본 발명에 따른 일실시예로서, 전지 모듈의 성능 평가 장치를 통해 예측된 결과를 검증하기 위하여 챔버에 저장된 전지 모듈을 분해하여 손상된 전지 셀을 확인하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치의 평가 결과를 보여주는 도면으로, 전지 모듈 내에 손상된 전지 셀의 위치를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 14개의 전지 셀 중 3개의 전지 셀이 손상된 것을 확인할 수 있다. 앞서 설명한 도 3과 비교하여 살펴보면, 1번과 2번의 피크는 7-1의 전지 셀의 손상에 의한 것이고, 3번과 4번 피크는 4-2의 전지 셀의 손상에 의한 것으로 판단된다. 아울러, 5번과 6번의 피크는 10-2의 전지 셀의 손상에 의한 것으로 판단된다.
본 발명의 전지 모듈의 성능 평가 장치 및 전지 모듈의 평가 방법에 따르면 복수의 가스 센서부로부터 감지된 가스 감지 시간을 서로 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 용이하게 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
(제2 실시형태)
도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(200)는 챔버(210); 챔버(210) 내부에 저장되며, 복수의 가스 배출부(미도시)가 형성되되, n개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀이 수납되는 전지 모듈(220); 챔버(210) 내부의 온도를 평균 60 내지 100℃의 온도 범위로 제어하는 온도 제어부(230); 복수의 가스 배출부에 각각 배치되어, 전지 모듈(220) 내부에서 발생되는 가스를 감지하는 가스 센서부(240); 및 각각의 가스 센서부(240)로부터 감지된 가스 감지 시간을 서로 비교하고, 피크 값을 서로 비교하여 n개의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 데이터 처리부(250)를 포함한다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(200)의 전지 모듈(220)은 두 개의 가스 배출부가 형성된 구조이다. 구체적으로, 상기 전지 모듈(220)은 제1 및 제2 가스 배출부가 형성된 구조이며, 상기 제1 및 제2 가스 배출부에는 제1 및 제2 가스 센서부(241, 242)가 각각 배치되는 구조이다. 이때, 제1 가스 배출부는 전지 모듈(220)의 일측면에 형성된 구조이고, 제2 가스 배출부는 전지 모듈(220)의 타측면에 형성된 구조이다. 이에 따라, 제1 가스 센서부(241)는 전지 모듈(220)의 일측면에 배치되고, 제2 가스 센서부(242)는 전지 모듈(220)의 타측면에 배치된다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(200)는 절연 특성 모니터링 장치(Insulation Monitoring Device, 270)를 포함한다. 구체적으로, 상기 절연 특성 모니터링 장치(270)는 전지 모듈(220)의 절연 특성을 모니터링하기 위함이다.
전지 모듈의 평가 과정 중 전지 셀의 손상이 발생하게 되면, 전지 셀 내부의 전해액의 누액으로 인하여 절연 저항은 감소하게 된다. 즉, 상기 절연 특성 모니터링 장치(270)는 전지 모듈(220)의 절연 저항을 모니터링하여 전해액의 누액 여부를 알 수 있으며, 이에 따라 전지 셀의 손상 시점(venting 시점) 등을 예측할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치(200)의 데이터 처리부(250), 출력부(260), 충방전부(280) 등 각 구성에 대한 설명은 전술 하였으며, 각 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
나아가, 본 발명에 따른 일실시예에서, 전지 모듈의 성능 평가 장치를 이용하여 전지 모듈의 평가를 수행하였다. 보다 구체적으로, 전지 모듈의 성능 평가 장치의 챔버에 14개의 전지 셀이 수납된 전지 모듈을 10일 동안 저장하였다. 이때, 전지 모듈 내부에 저장된 전지 셀은 충방전을 구동하면서, 챔버 내부의 온도를 평균 80℃로 유지하였으며, 전지 모듈의 절연 저항을 모니터링 하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에서 전지 모듈의 평가 과정에서 측정한 전지 모듈의 절연 저항을 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 전지 모듈을 저장하고 6일이 지난 시점부터 전지 모듈의 절연 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 전지 모듈 내에 수납된 전지 셀의 손상으로 인한 전해액의 누출에 의한 것으로 보인다.
한편, 본 발명에 따른 전지 모듈의 평가 방법의 각 과정에 대한 구체적은 설명은 전술 하였으므로, 각 과정에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명에 따른 전지 모듈의 성능 평가 장치 및 전지 모듈의 평가 방법에 따르면, 복수의 가스 센서부로부터 감지된 가스 감지 시간을 서로 비교하고, 가스 센서부로부터 측정된 값을 서로 비교하여 n개의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 용이하게 예측할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 절연 특성 모니터링 장치로 전지 모듈을 실시간 모니터하여 전지 셀의 손상 여부 또는 전지 셀의 손상 시점 등을 용이하게 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
[부호의 설명]
10, 100, 200: 전지 모듈의 성능 평가 장치
11, 110, 210: 챔버
12, 120, 220: 전지 모듈
13, 130, 230: 온도 제어부
14: 센서부
140, 240: 가스 센서부
141, 241: 제1 가스 센서부
142, 242: 제2 가스 센서부
150, 250: 데이터 처리부
160, 260: 출력부
270: 절연 특성 모니터링 장치
18, 180, 280: 충방전부
본 발명에 따른 전지 시스템 및 전지 모듈의 성능 평가 장치는 복수의 전지 셀이 수납된 전지 모듈의 내부에 복수의 가스 센서부를 도입하고, 전지 셀에서 가스 발생 시 가스 센서부에서 측정된 가스 감지 시간을 비교하여 가스 발생된 전지 셀의 위치를 정확하게 예측할 수 있으므로, 전지 모듈의 개발 및/또는 개발된 전지 모듈의 관리 측면에서 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 전지 모듈, 및 상기 전지 모듈의 작동 및 상태를 제어하는 전지 관리 시스템(BMS)을 포함하는 전지 시스템에 있어서,
    상기 전지 모듈은 복수의 전지 셀, 상기 전지 셀이 수납되는 모듈 케이스, 및 상기 모듈 케이스의 내측면에 서로 이격되어 위치하고 충방전 시 전지 셀로부터 발생된 가스를 감지하며, 가스 감지 시간을 측정하는 복수의 가스 센서부를 구비하고;
    상기 전지 관리 시스템(BMS)은 가스 센서부와 전기적으로 연결되어 각각의 가스 센서부로부터 측정된 정보를 전달받으며, 전달된 정보를 비교하여 가스가 발생된 셀의 위치를 산출하는 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    가스 센서부는 가스 종류 및 가스 농도값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 측정하고,
    전지 관리 시스템(BMS)은 서로 이격되어 배치된 복수의 가스 센서부로부터 측정값을 전달받고, 전달받은 각 측정값들을 비교하여 가스가 발생된 셀의 위치를 산출하는 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    전지 관리 시스템(BMS)은 가스 센서부에서 측정된 값이 기설정된 값에 도달하면 사용자에게 전지 셀의 손상을 알리는 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    모듈 케이스는 복수의 가스 배출부를 포함하고,
    각 가스 배출부의 인접한 위치에 가스 센서부가 개별적으로 배치되는 전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    가스 배출부는 모듈 케이스의 제1 측면에 위치하는 제1 가스 배출부 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 위치하는 제2 가스 배출부를 포함하는 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    전지 시스템은 모듈 케이스 내측면에 위치하여 전지 모듈의 절연 저항을 측정하고, 측정값을 전지 관리 시스템(BMS)으로 전달하는 절연 저항 센서부를 더 포함하는 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지 시스템은 차량용 전지팩 또는 에너지 저장 시스템(ESS)인 것을 특징으로 하는 전지 시스템.
  8. 챔버;
    챔버 내부에 위치하여 챔버 내부 온도를 평균 60 내지 100℃로 제어하는 온도 제어부;
    챔버 내부에 장착되며, 복수의 전지 셀이 수납된 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스 내측면에 서로 이격되어 위치하고, 모듈 케이스 내부에서 발생되는 가스를 감지하며, 가스 감지 시간을 측정하는 복수의 가스 센서부를 구비하는 전지 모듈; 및
    상기 복수의 가스 센서부와 전기적으로 연결되어, 각각의 가스 센서부로부터 측정된 가스 감지 시간을 전달받고, 전달받은 가스 감지 시간을 서로 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 데이터 처리부;를 포함하는 전지 모듈의 성능 평가 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    전지 모듈은 모듈 케이스 측면에 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부가 형성된 구조이며,
    상기 제1 가스 배출부 및 제2 가스 배출부에 제1 및 제2 가스 센서부가 각각 배치되는 구조인 전지 모듈의 성능 평가 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 가스 배출부는 전지 모듈의 제1 측면에 형성된 구조이며,
    제2 가스 배출부는 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 형성된 구조인 전지 모듈의 성능 평가 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    모듈 케이스의 내측면에 위치하고, 전지 모듈의 절연 저항을 측정하여 전기적으로 연결된 데이터 처리부로 측정된 절연 저항값을 전달하는 절연 저항 센서부를 더 포함하는 전지 모듈의 성능 평가 장치.
  12. 제8항에 따른 성능 평가 장치를 이용한 전지 모듈의 성능 평가 방법에 있어서,
    모듈 케이스에 복수의 전지 셀이 수납된 전지 모듈을 챔버에 장착하는 단계;
    전지 모듈이 장착된 챔버의 내부 온도를 60 내지 100℃로 조절하여 전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계;
    전지 모듈에 구비된 복수의 가스 센서부로 전지 모듈 내부에서 발생된 가스를 감지하여 가스 감지 시간을 측정하는 단계; 및
    각각의 가스 센서부로부터 측정된 결과값을 비교하여 복수의 전지 셀 중 손상된 전지 셀을 예측하는 단계;를 포함하는 전지 모듈의 성능 평가 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    전지 모듈 내부에 가스를 발생시키는 단계는, 70 내지 90℃의 온도에서 6 내지 12일 동안 수행되는 전지 모듈의 성능 평가 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    복수의 가스 센서부는 가스 감지 시간 측정 시 가스 종류 및 가스 농도값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 측정하는 전지 모듈의 성능 평가 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    손상된 전지 셀을 예측하는 단계는 전지 모듈 내부의 절연 저항을 측정하여 전해액 누출 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 전지 모듈의 성능 평가 방법.
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