WO2022097912A1 - 이차전지 모듈의 셀 가압력 범위 설정방법 - Google Patents

이차전지 모듈의 셀 가압력 범위 설정방법 Download PDF

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cell
pressing force
max
cell stack
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하종수
김세호
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a secondary battery module, and more particularly, to a method of setting an optimal pressurization range for secondary battery cells for performance optimization and structural stability of the secondary battery module.
  • a battery module may be configured by connecting a plurality of secondary battery cells in series or by connecting a plurality of secondary battery cells in series and parallel according to the charge/discharge capacity.
  • a lithium-polymer pouch-type secondary battery cell with high energy density and easy stacking is used to form a cell stack. Then, a method of configuring a battery module by storing and protecting the cell stack in a module housing, and adding electrical components for electrical connection and voltage measurement of secondary battery cells is common.
  • the electrode may become thick during repeated charging and discharging, or an internal electrolyte may be decomposed due to a side reaction to generate gas.
  • a phenomenon in which the pouch-type secondary battery cell swells due to electrode expansion and/or generated gas is referred to as a 'swelling phenomenon'.
  • the swelling phenomenon is largely due to factors caused by electrode expansion during charging and discharging.
  • the performance of the secondary battery cell may deteriorate, and the external shape of the module housing may be changed to adversely affect the structural stability of the battery module.
  • the amount of pressure to be pressurized is only empirically set, and there is no method of setting a pressurization force based on qualitative/quantitative data. Accordingly, a method for systematizing the cell pressing force setting range for performance optimization and structural stability of the secondary battery module is required.
  • the present invention has been devised to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a method of setting an optimal pressurization range for secondary battery cells in the manufacture of a secondary battery module.
  • the method for setting a cell pressing force range determines a secondary battery cell to be applied to a secondary battery module, and based on the performance data of the secondary battery cell that appears when the secondary battery cell is pressurized while increasing the pressure , a first step of determining a minimum pressing force for realizing the performance of the secondary battery cell as Pcell_min and determining a maximum pressing force for realizing the performance of the secondary battery cell as Pcell_max; and when the secondary battery cells are stacked in one direction to form a cell stack and the cell stack is accommodated in the module housing, a minimum pressing force capable of supporting and fixing the cell stack is determined as Pmodule_min, and the secondary battery a second step of determining, as Pmodule_max, a maximum pressure capable of pressurizing the cell stack without damaging the module housing in the end of life (EOL) of cells, wherein the Pcell_min to the Pcell_max and the Pmodule_min to the Pmodule_max An intersection range of ? may be set as the cell pressing
  • the performance data of the secondary battery cell may include a capacity deterioration rate, a resistance increase rate, and a separator thickness retention rate of the secondary battery cell.
  • the Pmodule_min may be a minimum pressing force capable of supporting and fixing the cell stack at a Begin Of Life (BOL) of the secondary battery cells.
  • BOL Begin Of Life
  • the secondary battery cell may be a pouch-type secondary battery cell.
  • the allowable expansion dimension of the module housing according to the swelling of the secondary battery cells is predetermined, and the cell stack is pressed at the BOL (Begin Of Life) of the secondary battery cells to measure the module housing within the expansion allowable dimension.
  • the minimum pressure that can be managed is determined as Pdimension_min, and the minimum pressure that can manage the dimensions of the module housing within the allowable expansion dimension by pressing the cell stack at the EOL (End Of Life) of the secondary battery cells is Pdimension_max
  • the method further comprises a third step of determining: ), a smaller value of the Pcell_min and the Pmodule_min may be set as the maximum pressing force in the cell pressing force range.
  • the module housing may include a bottom plate disposed under the cell stack; a left side plate and a right side plate that are bent at opposite edge ends of the bottom plate and extend upward and have a predetermined angular inclination toward the inside of the module housing, wherein the cell stack is formed between the left side plate and the It may be configured to be pressurized by putting it between the right side plates.
  • the module housing may adjust the cell pressing force range by forming different inclinations of the left side plate and the right side plate.
  • the module housing may have a leaf spring therein, and may be configured to press the cell stack with the leaf spring.
  • a secondary battery module manufactured by using the method for setting the cell pressing force described above.
  • a secondary battery pack including one or more secondary battery modules may be provided.
  • a method for setting a cell pressing force range for pressurizing secondary battery cells within an optimal pressurization range based on quantitative data may be provided.
  • 1 is a graph schematically illustrating the relationship between pressure and performance of a unit secondary battery cell.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a cell pressing force range according to a result of performing the first step of the method for setting a cell pressing force range according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view illustrating a cell pressing force range according to a result of performing the first step and the second step of the method for setting the cell pressing force range according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating the configuration of a secondary battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a method of pressing the cell stack into the module housing of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a view showing a modified example of the cell stack pressing method according to FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a cell pressing force range according to the results of performing the first, second, and third steps of the method for setting the cell pressing force range according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a secondary battery module design method to which the cell pressing force setting method according to the present invention is applied.
  • the cell pressing force range setting method described in the present specification refers to a method for setting an optimal pressurization range for the secondary battery cells when the secondary battery cells are pressed into the module housing during the manufacturing process of the secondary battery module.
  • the cell pressing force range setting method includes the first step of deriving the pressing force range from the characteristics of the unit secondary battery cells 110 and the secondary battery cells 110 and the module housing in the secondary battery module design stage. and a second step of deriving a pressing force range from the characteristic of (300).
  • the secondary battery cell 110 means a pouch-type secondary battery.
  • the pouch-type secondary battery is a secondary battery in which an electrode assembly and an electrolyte are sealed with a pouch sheet.
  • the electrode assembly is an assembly of an electrode and a separator, and may be configured in a form in which one or more positive electrode plates and one or more negative electrode plates are disposed with a separator interposed therebetween.
  • Each electrode plate of the electrode assembly is provided with an electrode tab, and the electrode tab is connected to an electrode lead, and one end of the electrode lead is exposed to the outside of the pouch case, thereby functioning as an electrode terminal.
  • the pouch case includes an outer insulating layer, a metal layer, and an inner adhesive layer, accommodates an electrode assembly and an electrolyte, and an edge thereof is heat-sealed.
  • the configuration of the pouch-type secondary battery cell 110 is obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains, so a more detailed description will be omitted.
  • This embodiment targets the pouch-type secondary battery cell 110, but when configuring the secondary battery module, as an alternative to the pouch-type secondary battery cell 110, a rectangular secondary battery cell 110 flat in the form of a cuboid is used. may be
  • the first step of the cell pressing force range setting method according to the present invention is a step for finding a pressing force range for realizing the optimal performance of the secondary battery cell 110, and the unit secondary battery cell 110 to be applied to the secondary battery module is targeted. A pressure is applied, and at this time, the pressure range is determined based on the data indicating the optimal performance of the secondary battery cell 110 .
  • 1 is a graph schematically illustrating a relationship between pressure and the performance of a unit secondary battery cell 110 .
  • the unit secondary battery cell 110 When the unit secondary battery cell 110 is pressurized and charged and discharged while increasing the pressure, the unit secondary battery cell 110 typically exhibits capacity degradation rate, internal resistance increase rate, and separator thickness retention rate, as shown in FIG. 1 .
  • f 1 is a capacity degradation rate
  • f 2 is a resistance increase rate
  • f 3 is a separation membrane retention rate, respectively.
  • the maximum pressing force in the cell pressing force range is determined to be a value smaller than P3.
  • Pcell_min and Pcell_max derived in the first step are set to the minimum value of the cell pressing force range (hereinafter referred to as Pdesign_min) and the maximum value of the cell pressing force range (hereinafter referred to as Pdesign_max), respectively.
  • Pcell_min is exemplified as 100 kPa
  • Pcell_max is exemplified as 550 kPa.
  • the values of Pcell_min and Pcell_max are arbitrarily specified and may vary depending on which secondary battery cell is used. .
  • the manufacturing method, internal configuration, and initial capacity may be manufactured differently.
  • the secondary battery cells 110 having different manufacturing methods, internal configurations, initial capacities, etc. may have different capacity degradation rates or resistance increase rates, etc. even if the same pressing force is provided.
  • the secondary battery cells 110 are divided by type and tested, and the minimum pressing force Pcell_min and the maximum pressing force Pcell_max according to the results are arranged in a lookup table, the secondary battery cells 110 of specific specifications to be applied to the secondary battery module in the future are selected. It is also possible to determine a pressing force range of a condition in which the secondary battery cell 110 can exhibit optimal performance immediately after determining from the lookup table and determine it as Pcell_min and Pcell_max.
  • the second step of the method for setting a cell pressing force range according to the present invention can be said to be a step for finding a pressing force range for realizing structural stability when designing a secondary battery module. That is, the second step is to find the minimum pressing force (hereinafter referred to as Pmodule_min) and the maximum pressing force (hereinafter referred to as Pmodule_max) for realizing structural stability of the secondary battery module.
  • Pmodule_min the minimum pressing force
  • Pmodule_max the maximum pressing force
  • the Pmodule_min is, when the secondary battery cells 110 are stacked in one direction to form the cell stack 100 and the cell stack 100 is accommodated in the module housing 300, the cell stack 100 It can be set to the minimum pressure that can support and fix it.
  • the Pmodule_max may be set to a maximum pressure capable of pressing the cell stack 100 in a pressure range in which the module housing 300 is not damaged in the EOL (End Of Life) of the secondary battery cells 110 .
  • the secondary battery cells 110 may be electrically connected by welding electrode leads of the secondary battery cells 110 to the bus bar. If the secondary battery cells 110 flow due to external shock or vibration, electrical reliability may be reduced. there is. Therefore, in the case of a battery module having a structure that pressurizes the cell stack 100 , at least the cell stack 100 is installed on both sidewalls of the module housing 300 in order to maintain the performance of the secondary battery cells 110 and secure electrical stability. It must be capable of being supported and fixed under pressure by the
  • the minimum pressure capable of supporting and fixing the cell stack 100 inside the module housing 300 is set to Pmodule_min by reflecting the above.
  • the Pmodule_min may be a pressure value capable of supporting and fixing the cell stack 100 at a Begin Of Life (BOL) of the secondary battery cells 110 .
  • BOL may mean a time when the secondary battery cell 110 is not degraded in a state in which the charging/discharging cycle for activation is performed a predetermined number of times after manufacturing.
  • the Pmodule_max is determined by reflecting two factors.
  • Pmodule_max is preferably set within the pressure that the module housing 300 can withstand, that is, within the maximum limit pressure that can pressurize the cell stack 100 without damage to the module housing 300 .
  • the secondary battery cell 110 may generate a small amount of gas due to thickening of the electrode during repeated charging and discharging or decomposition of an internal electrolyte due to a side reaction. That is, the secondary battery cell 110 may exhibit a swelling phenomenon in which the electrode expands and/or swells due to a small amount of gas generated. At this time, the swelling pressure may affect the structural rigidity of the module housing 300 . Therefore, when determining Pmodule_max, the swelling pressure of the secondary battery cells 110 is reflected.
  • EOL End Of Life
  • BOL Begin of Life
  • Pmodule_max the maximum limit pressure that can pressurize the cell stack 100 without damage to the module housing 300 in the EOL of the secondary battery cells 110 with the most pronounced swelling
  • Pdesign_min and Pdesign_max are determined as follows.
  • Pdesign_min Max.(Pcell_min, Pmodule_min)
  • the cell pressing force range, Pdesign_min to Pdesign_max, according to the present invention can be said to be the intersection range of Pcell_min to Pcell_max and Pmodule_min to Pmodule_max.
  • the secondary battery module of this embodiment must be assembled so that the cell stack 100 receives a pressing force within the range of 100 kPa to 450 kPa when assembling, so that the performance and structural stability of the secondary battery module can be satisfied together.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the configuration of a secondary battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a view showing a method of pressing the cell stack 100 with the module housing 300 of FIG. am.
  • the secondary battery module may include a cell stack 100 , an Inter Connection Board (ICB) cover assembly 200 , and a module housing 300 .
  • IB Inter Connection Board
  • the cell stack 100 is an assembly of pouch-type secondary battery cells 110 stacked with wide sides facing each other as described above.
  • the ICB (Inter Connection Board) cover assembly 200 includes a plurality of bus bars (not shown) for electrical connection of the secondary battery cells 110 , the terminals of the module, and a cover for preventing external exposure thereof, FIG. 4 . It may be mounted on the module housing 300 and disposed on the front and rear sides of the cell stack 100 .
  • the module housing 300 is a rigid structure that has an internal space for accommodating the cell stack 100 , provides mechanical support to the cell stack 100 , and serves to protect from external impact.
  • the module housing 300 is preferably made of a metal material to ensure rigidity, but may be made of a non-metal material as long as it has a rigidity corresponding to the metal.
  • the module housing 300 is a U-frame 310 consisting of a bottom plate 311 forming a bottom surface, a left side plate 312 forming a left wall surface, and a right side plate 313 forming a right wall surface. and a top plate 320 coupled to the upper end of the U-frame 310 may be provided in a rectangular tubular shape.
  • the cell stack 100 When the cell stack 100 is accommodated in the U-frame 310 , the cell stack 100 is pressed with the left side plate 312 and the right side plate 313 , and By seating and welding the top plate 320 on the upper end and the upper end of the right side plate 313 , the cell stack 100 can be pressed in the module housing 300 .
  • the left side plate 312 and the right side plate 313 extend upwardly from opposite edge ends of the bottom plate 311 and the module housing 300 . It may be configured to have a predetermined angular inclination in the inward/inward direction of the .
  • the left side plate 312 and the right side plate 313 are pulled outward to secure a space. And put the cell stack 100 is seated on the bottom plate (311).
  • the cell stack 100 is pressed by placing the left side plate 312 and the right side plate 313 .
  • the top plate 320 is seated on the top of the U-frame 310 and welded.
  • the strength of the pressure applied to the cell stack 100 may be adjusted by adjusting the thickness and inclination of the left side plate 312 and the right side plate 313 to be large or small.
  • FIG. 6 is a view illustrating a modified example of the method for pressing the cell stack 100 according to FIG. 5 .
  • a leaf spring 330 may be used as another method for pressing the cell stack 100 .
  • the module housing 300 may further include a pressure plate 340 and a leaf spring 330 facing the outermost secondary battery cell 110 in the cell stack 100 .
  • the leaf spring 330 may be disposed in a compressed state between the pressure plate 340 and the side plate. In this case, the elastic restoring force of the leaf spring 330 may act as a pressing force for pressing the cell stack 100 .
  • the cell stack 100 may be accommodated in the module housing 300 in a pressurized state. For example, before putting the cell stack 100 into the module housing 300 , the cell stack 100 is pressed in advance to make it compressed, and in this state, the outermost secondary of the cell stack 100 . The cell stack 100 may be inserted into the module housing 300 so that the battery cells 110 come into contact with the side wall of the module housing 300 to be pressed.
  • the method for setting the cell pressing force range according to the present invention may further include a third step of determining the cell pressing force range by additionally reflecting the allowable expansion dimension of the module housing 300 .
  • the secondary battery module may be manufactured in various sizes as needed.
  • a secondary battery pack is configured by connecting a plurality of secondary battery modules, and the secondary battery pack is mounted on the electric vehicle. Therefore, the secondary battery pack or the secondary battery module must be able to be installed and maintained in a predetermined space. For this, it is important to manage the dimensions of the secondary battery pack or secondary battery module.
  • the allowable expansion dimension of the module housing 300 according to the swelling of the secondary battery cells 110 is set in advance, and the BOL of the secondary battery cells 110 is set in advance.
  • Pdimension_min the minimum pressure that can manage the module housing 300 within the allowable expansion dimension by pressing the cell stack 100
  • Pdimension_max the minimum pressure capable of managing the module housing 300 within the allowable expansion dimension by pressing the cell stack 100
  • the allowable expansion dimension may be determined by the customer's request.
  • the customer may limit the width of the secondary battery module to 120mm, but allow expansion due to swelling to be limited to 123mm.
  • the cell stack 100 must be pressed so that the cell stack 100 cannot expand by more than 3 mm.
  • the swelling phenomenon of the secondary battery cells 100 is caused by the contraction and expansion of the electrode thickness during charging and discharging, so it is possible to manage the allowable size of expansion even with a relatively small pressing force.
  • the minimum pressing force capable of pressing the secondary battery cells to the module housing 300 is set to Pdimension_min so that the cell stack 100 cannot expand by more than 3 mm.
  • the swelling phenomenon of the secondary battery cells 100 is due to the expansion of the electrode thickness and the generation of gas.
  • the minimum pressing force capable of pressing the secondary battery cells with the module housing 300 is set to Pdimension_max so that the cell stack 100 cannot expand by more than 3 mm in the EOL.
  • Pdimension_min and Pdimension_max are compared with Pcell_min, Pcell_max, Pmodule_min, and Pdimension_max obtained in the first and second steps under the following conditions to finally set the cell pressing force range.
  • Pdesign_min Max.(Pcell_min, Pmodule_min, Pdimension_min)
  • Pdesign_max Min.(Pcell_max, Pmodule_max), [However, it must satisfy (Pdimension_max ⁇ Pcell_max) & (Pdimension_max ⁇ Pmodule_max)]
  • Pdimension_min is 50 kPa and Pdimension_max is 400 kPa
  • Pdesign_min may be set to 100 kPa
  • Pdesign_max may be set to 450 kPa.
  • Pdimesion_max is calculated to be 500 kPa, this is a pressure that can damage the module housing 300, so the design of the structural rigidity of the module housing 300 is incorrect. do.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a secondary battery module design method to which the cell pressing force setting method according to the present invention is applied.
  • FIG. 8 a method for setting a cell pressing force according to an embodiment of the present invention is briefly summarized as follows.
  • a secondary battery cell 110 to be applied to the secondary battery module is determined, and cell data according to the pressing force is analyzed for the unit secondary battery cell 110, and (Pcell_min, Pcell_max) is derived based on this.
  • the cell stack 100 is constructed using the secondary battery cells 110 and the minimum pressing force capable of integrally supporting and fixing the cell stack 100 in the BOL and the module housing in the EOL ( 300) finds the maximum pressing force capable of maximally pressing the cell stack 100 while maintaining the robustness not to be damaged, and derives it as (Pmodule_min, Pmodule_max).
  • the design of the secondary battery cell 110 or the module housing 300 is re-designed, and the above-described process is repeated. If the Pdimesion_max value is smaller than the previously obtained Pcell_max and Pmodule_max, it can be considered that the design of the secondary battery cell 110 and the module housing 300 is suitable. At this time, set the value that meets the following conditions as the maximum and minimum values of the cell pressing force setting range.
  • Pdesign_min Max.(Pcell_min, Pmodule_min, Pdimension_min)
  • the cell pressing force range setting method it is possible to pressurize the secondary battery cells 110 with a pressing force within a range capable of managing the performance, structural stability, and expansion allowable dimensions of the secondary battery module.
  • the secondary battery module according to the present invention includes a cell stack 100 that is an assembly of secondary battery cells 110 , a module housing 300 capable of accommodating the cell stack 100 while pressing the cell stack 100 , and an ICB cover. It may be configured to include an assembly 200 .
  • the secondary battery module of the present invention may be configured such that the cell stack 100 is pressed within the pressing force range set according to the method for setting the cell pressing force range described above.
  • the secondary battery pack according to the present invention may include one or more of the secondary battery modules described above.
  • the secondary battery pack may further include a pack case for accommodating the secondary battery module, and various devices for controlling charging and discharging of the secondary battery module.
  • a battery management system BMS
  • a current sensor e.g., a current sensor
  • a fuse e.g., a fuse
  • the secondary battery pack according to the present invention may be applied to a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.

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Abstract

본 발명에 따른 셀 가압력 범위 설정방법은, 이차전지 셀의 성능 데이터에 기초해, 상기 이차전지 셀의 성능 구현을 위한 최소 가압력을 Pcell_min으로 결정하고 상기 이차전지 셀의 성능 구현을 위한 최대 가압력을 Pcell_max로 결정하는 제1 단계; 및 셀 적층체를 지지 및 고정시킬 수 있는 최소 가압력을 Pmodule_min으로 결정하고 상기 이차전지 셀들의 EOL(End Of Life)에서 상기 모듈 하우징이 파손되지 않고 상기 셀 적층체를 가압할 수 있는 최대 압력을 Pmodule_max로 결정하는 제2 단계를 포함하고, 상기 Pcell_min ~ 상기 Pcell_max와 상기 Pmodule_min ~ 상기 Pmodule_max의 교집합 범위를 상기 셀 가압력 범위로 설정한다.

Description

이차전지 모듈의 셀 가압력 범위 설정방법
본 발명은 이차전지 모듈의 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 이차전지 모듈의 성능 최적화 및 구조 안정성을 위해 이차전지 셀들에 대한 최적 가압범위를 설정하는 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 11월 05일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0146829호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀의 작동 전압은 약 2.5V~4.2V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 다수의 이차전지 셀을 직렬로 연결하거나 충방전 용량에 따라 다수의 이차전지 셀을 직렬 및 병렬 연결하여 배터리 모듈을 구성하기도 한다.
다수의 이차전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 중/대형 배터리 모듈을 구성할 경우, 에너지 밀도가 높으면서 적층이 용이한 리튬-폴리머 파우치형 이차전지 셀을 많이 사용하여 셀 적층체를 형성한다. 그 다음 셀 적층체를 모듈 하우징에 수납하여 보호하고, 이차전지 셀들의 전기적 연결 및 전압 측정을 위해 전장 부품들을 추가하여 배터리 모듈을 구성하는 방법이 일반적이다.
그런데 리튬-폴리머 파우치형 이차전지는 반복적인 충방전 과정에서 전극이 두꺼워지거나, 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 가스가 발생할 수 있다. 이때 전극 팽창 및/또는 발생한 가스에 의해 파우치형 이차전지 셀이 부풀어 오르는 현상을 '스웰링 현상'이라고 한다. 참고로, 스웰링 현상은 충방전시 전극 팽창에 따른 요인에 더 크게 기인한다.
파우치형 이차전지 셀에 스웰링 현상이 심화될 경우, 이차전지 셀의 성능이 저하될 뿐만 아니라, 모듈 하우징의 외형을 변화시켜 배터리 모듈의 구조적 안정성에 악영향을 미칠 수 있다.
현재까지 연구된 바에 의하면 적층되어 있는 이차전지 셀들을 조립 초기부터 강하게 압박할 경우 상대적으로 스웰링으로 인한 두께 팽창이 작아지는 것으로 알려져 있다. 이에 스웰링 현상 방지 기술들 중 이차전지 셀과 셀 사이에 압박 패드를 삽입하여 팽창력을 분산시키는 기술과, 모듈 하우징을 스트랩(strap)으로 조여서 압박하는 기술이 알려져 있다.
그러나 이차전지 셀들을 가압할 때, 어느 정도의 압력을 가압해야 하는지는 경험적으로 설정할 뿐, 정성적/정량적 데이터를 기반으로 한 가압력 설정 방법이 없다. 이에 이차전지 모듈의 성능 최적화 및 구조 안정성을 위해 셀 가압력 설정 범위를 체계화할 방안이 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차전지 모듈의 제작에 있어서, 이차전지 셀들에 대한 최적 가압범위를 설정하는 방법을 제공하는데 일 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 셀 가압력 범위 설정방법은, 이차전지 모듈에 적용할 이차전지 셀을 결정하고, 압력을 높여가며 상기 이차전지 셀을 가압하였을 때 나타나는 상기 이차전지 셀의 성능 데이터에 기초해, 상기 이차전지 셀의 성능 구현을 위한 최소 가압력을 Pcell_min으로 결정하고 상기 이차전지 셀의 성능 구현을 위한 최대 가압력을 Pcell_max로 결정하는 제1 단계; 및 상기 이차전지 셀들을 일 방향으로 적층하여 셀 적층체를 형성하고 상기 셀 적층체를 모듈 하우징에 수납하였을 때, 상기 셀 적층체를 지지 및 고정시킬 수 있는 최소 가압력을 Pmodule_min으로 결정하고 상기 이차전지 셀들의 EOL(End Of Life)에서 상기 모듈 하우징이 파손되지 않고 상기 셀 적층체를 가압할 수 있는 최대 압력을 Pmodule_max로 결정하는 제2 단계를 포함하고, 상기 Pcell_min ~ 상기 Pcell_max와 상기 Pmodule_min ~ 상기 Pmodule_max의 교집합 범위를 상기 셀 가압력 범위로 설정될 수 있다.
상기 제1 단계에서, 상기 이차전지 셀의 성능 데이터는, 상기 이차전지 셀의 용량 퇴화율, 저항증가율, 분리막 두께 유지율을 포함할 수 있다.
상기 Pmodule_min은 상기 이차전지 셀들의 BOL(Begin Of Life)에서 상기 셀 적층체를 지지 및 고정시킬 수 있는 최소 가압력일 수 있다.
상기 이차전지 셀은 파우치형 이차전지 셀일 수 있다.
상기 이차전지 셀들의 스웰링에 따른 상기 모듈 하우징의 팽창 허용 치수를 미리 정하고, 상기 이차전지 셀들의 BOL(Begin Of Life)에서 상기 셀 적층체를 가압하여 상기 팽창 허용 치수 이내로 상기 모듈 하우징의 치수를 관리할 수 있는 최소 압력을 Pdimension_min으로 결정하고, 상기 이차전지 셀들의 EOL(End Of Life)에서 상기 셀 적층체를 가압하여 상기 팽창 허용 치수 이내로 상기 모듈 하우징의 치수를 관리할 수 있는 최소 압력을 Pdimension_max로 결정하는 제3 단계를 더 포함하고, 상기 Pcell_min, 상기 Pmodule_min, 및 상기 Pdimension_min 중 가장 큰 값을 상기 셀 가압력 범위의 최소 가압력으로 설정하고, (상기 Pdimension_max < 상기 Pcell_max) & (상기 Pdimension_max < 상기 Pmodule_max)를 만족할 때, 상기 Pcell_min 및 상기 Pmodule_min 중 작은 값을 상기 셀 가압력 범위의 최대 가압력으로 설정할 수 있다.
상기 모듈 하우징은 상기 셀 적층체의 하부에 배치되는 바틈 플레이트; 상기 바틈 플레이트의 마주하는 양쪽 가장자리 끝단에서 절곡되어 상부 방향으로 연장되고 상기 모듈 하우징의 안쪽으로 소정 각도 기울기를 갖는 좌측 사이드 플레이트와 우측 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 셀 적층체를 상기 좌측 사이드 플레이트와 상기 우측 사이드 플레이트 사이에 넣어 가압할 수 있게 구성될 수 있다.
상기 모듈 하우징은 상기 좌측 사이드 플레이트와 상기 우측 사이드 플레이트의 기울기의 크기를 다르게 형성하여 상기 셀 가압력 범위를 조정할 수 있다.
상기 모듈 하우징은 내부에 판 스프링을 구비하고, 상기 판 스프링으로 상기 셀 적층체를 가압할 수 있게 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 셀 가압력 설정방법을 사용하여 제작한 이차전지 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상기 이차전지 모듈을 하나 이상 포함하는 이차전지 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 정량적인 데이터에 근거해 이차전지 셀들을 최적 가압범위 내에서 가압할 수 있도록 하는 셀 가압력 범위 설정방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 압력과 단위 이차전지 셀의 성능 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 가압력 범위 설정방법의 제1 단계 수행 결과에 따른 셀 가압력 범위를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 가압력 범위 설정방법의 제1 단계와 제2 단계 수행 결과에 따른 셀 가압력 범위를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 모듈 하우징으로 셀 적층체를 가압하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 따른 셀 적층체 가압 방법의 변형예 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 가압력 범위 설정방법의 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계 수행 결과에 따른 셀 가압력 범위를 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 셀 가압력 설정방법을 적용한 이차전지 모듈 설계 방법을 예시한 순서도이다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 치수 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 치수나 비율은 실제적인 치수나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 기술하는 셀 가압력 범위 설정방법이란, 이차전지 모듈의 제작 과정에서 이차전지 셀들을 모듈 하우징에 가압하여 수납할 때, 상기 이차전지 셀들에 대한 최적 가압 범위 설정을 위한 방법을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 가압력 범위 설정방법은, 단위 이차전지 셀(110)의 특성으로부터 가압력 범위를 도출하는 제1 단계, 이차전지 모듈 설계 단계에서 이차전지 셀(110)들과 모듈 하우징(300)의 특성으로부터 가압력 범위를 도출하는 제2 단계를 포함한다.
본 실시예에서 이차전지 셀(110)은 파우치형 이차전지를 의미한다. 상기 파우치형 이차전지는 전극 조립체 및 전해액을 파우치 시트로 밀봉한 형태의 이차전지이다.
상기 전극 조립체는, 전극과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되고 상기 전극 탭이 전극 리드와 연결되며, 상기 전극 리드는 일단이 파우치 외장재 외부로 노출됨으로써 전극 단자로서 기능할 수 있다. 파우치 외장재는 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하고, 전극 조립체와 전해액을 수납하고 그 테두리가 열 융착된다. 이러한 파우치형 이차전지 셀(110)의 구성은, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항이므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예는 파우치형 이차전지 셀(110)을 대상으로 한 것이나, 이차전지 모듈을 구성할 때, 파우치형 이차전지 셀(110)의 대안으로 직육면체 형태로 납작한 각형 이차전지 셀(110)을 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 셀 가압력 범위 설정방법의 제1 단계는 이차전지 셀(110)의 최적 성능 구현을 위한 가압력 범위를 찾기 위한 단계로서, 이차전지 모듈에 적용할 단위 이차전지 셀(110)을 대상으로 압력을 가하고 이때 상기 이차전지 셀(110)이 최적 성능을 나타내는 데이터를 근거로 가압력 범위를 정한다.
도 1은 압력과 단위 이차전지 셀(110)의 성능 관계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
압력을 높여가며 단위 이차전지 셀(110)에 가압하고 충방전을 실시했을 때, 단위 이차전지 셀(110)은 통상, 도 1과 같이, 용량 퇴화율, 내부 저항 증가율, 분리막 두께 유지율을 나타낸다.
도 1의 그래프에서 f1은 용량 퇴화율, f2는 저항 증가율, f3는 분리막 유지율을 각각 나타낸다.
예컨대, 도 1의 그래프에서 P3 보다 큰 압력이 이차전지 셀(110)에 가해지면 분리막에 크랙이 생길 수 있다. 그러므로 제1 단계에서 셀 가압력 범위의 최대 가압력은 P3보다 작은 값으로 결정한다.
어떤 이차전지 셀(110)의 용량 퇴화율이 특정 값(y1)을 초과하거나 저항 증가율이 특정 값(y2)을 초과하면 이차전지 셀의 성능이 크게 저하될 수 있다. (도 1의 y1과 y2는 이차전지 셀(110)마다 상이한 값일 수 있다.) 따라서 용량 퇴화율이 y1 이하이면서 저항 증가율은 y2 이하인 압력 범위를 찾는다. 그러면 도 1에서 P1~P2가 상기 압력 범위가 되고, 상기 P1을 이차전지 셀(110)의 성능 구현을 위한 최소 가압력 Pcell_min으로 결정하고 상기 P2를 이차전지 셀(110)의 성능 구현을 위한 최대 가압력 Pcell_max로 결정한다.
도 2와 같이, 제1 단계에서 도출한 Pcell_min과 Pcell_max을 각각 셀 가압력 범위의 최소값(이하에서 Pdesign_min이라 함)과 셀 가압력 범위의 최대값(이하에서 Pdesign_max라 함)으로 세팅한다.
본 실시예에서는, Pcell_min을 100kPa이라 예시하고, Pcell_max는 550kPa이라 예시하였는데, 이는 설명의 편의를 위해 Pcell_min의 값과 Pcell_max의 값을 임의로 특정한 것으로 어떤 이차전지 셀을 사용하느냐에 따라 달라질 수 있음을 밝혀둔다.
참고로, 파우치형 이차전지 셀(110)의 경우에도 그 제조 방식, 내부 구성, 초기 용량이 다르게 제작될 수 있다. 이처럼 제조 방식, 내부 구성, 초기 용량 등이 다른 이차전지 셀(110)은 동일한 가압력을 제공한다 해도 용량 퇴화율이나 저항 증가율 등이 다를 수 있다.
따라서 이차전지 셀(110)을 유형별로 나누어 각각 테스트하고, 그 결과에 따른 최소 가압력 Pcell_min과 최대 가압력 Pcell_max를 룩업 테이블로 정리해 두면, 추후 이차전지 모듈에 적용할 특정 제원의 이차전지 셀(110)을 정하고 바로 상기 이차전지 셀(110)이 최적 성능을 발휘할 수 있는 조건의 가압력 범위를 상기 룩업 테이블에서 찾아 Pcell_min과 Pcell_max으로 결정할 수도 있다.
본 발명에 따른 셀 가압력 범위 설정방법의 제2 단계는 이차전지 모듈 설계시 구조 안정성 구현을 위한 가압력 범위를 찾기 위한 단계라 할 수 있다. 즉, 제2 단계는 이차전지 모듈의 구조 안정성 구현을 위한 최소 가압력(이하에서 Pmodule_min이라 함)과 최대 가압력(이하에서 Pmodule_max라 함)을 찾는 것이다.
상기 Pmodule_min은, 이차전지 셀(110)들을 일 방향으로 적층하여 셀 적층체(100)를 형성하고 상기 셀 적층체(100)를 모듈 하우징(300)에 수납하였을 때, 상기 셀 적층체(100)를 지지 및 고정시킬 수 있는 최소 압력으로 설정될 수 있다. 그리고 상기 Pmodule_max는 이차전지 셀(110)들의 EOL(End Of Life)에서 모듈 하우징(300)이 파손되지 않는 압력 범위에서 셀 적층체(100)를 가압할 수 있는 최대 압력으로 설정될 수 있다.
예컨대 이차전지 셀(110)들의 전극 리드를 버스바에 용접하여 이차전지 셀(110)들을 전기적으로 연결될 수 있는데, 외부 충격이나 진동에 의해 이차전지 셀(110)들이 유동하게 되면 전기적 신뢰성이 저하될 수 있다. 따라서 셀 적층체(100)를 가압하는 구조의 배터리 모듈의 경우, 이차전지 셀(110)들의 성능 유지와 전기적 안정성 확보를 위해서는 적어도 셀 적층체(100)가 모듈 하우징(300)의 양쪽 측면벽에 의해 압박된 상태로 지지 및 고정될 수 있어야 한다.
제2 단계에서는 위와 같은 사항을 반영해 모듈 하우징(300) 내부에서 셀 적층체(100)를 지지 및 고정시킬 수 있는 최소 압력을 Pmodule_min으로 설정한다.
여기서 상기 Pmodule_min은 상기 이차전지 셀(110)들의 BOL(Begin Of Life)에서 상기 셀 적층체(100)를 지지 및 고정시킬 수 있는 압력 값일 수 있다. 이는 미사용 상태의 이차전지 셀(110)을 적층하여 셀 적층체(100)를 구성하고 모듈 하우징(300)에 가압 수납하는 때를 상정한 것이기 때문이다. 여기서 BOL은 이차전지 셀(110)을 제조 후 활성화를 위한 충방전 사이클을 소정 횟수 실시한 상태로 용량 퇴화가 없는 때를 의미할 수 있다.
상기 Pmodule_max의 결정은 2가지 요소를 반영하여 결정한다.
첫째, 모듈 하우징(300)으로 셀 적층체(100)를 가압할 경우, 작용 반작용의 법칙에 의해 모듈 하우징(300)이 셀 적층체(100)에 작용하는 압력과 셀 적층체(100)가 모듈 하우징(300)에 작용하는 압력이 같다. 따라서 일정 압력 이상으로 셀 적층체(100)를 가압하면 모듈 하우징(300)에 크랙이 생겨 이차전지 모듈의 구조적 안정성이 깨어진다. 따라서 Pmodule_max는 모듈 하우징(300)이 견딜 수 있는 압력, 다시 말하면 모듈 하우징(300)의 파손 없이 셀 적층체(100)를 가압할 수 있는 최대 한계 압력 이내로 정하는 것이 바람직하다.
둘째, 이차전지 셀(110)은 반복적인 충방전 과정에서 전극이 두꺼워지거나, 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 소량의 가스가 발생할 수 있다. 즉, 이차전지 셀(110)은 전극 팽창 및/또는 발생한 소량의 가스에 의해 부풀어 오르는 스웰링 현상이 나타날 수 있다. 이때의 스웰링 압력이 모듈 하우징(300)의 구조 강건성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 Pmodule_max를 결정할 때는 이차전지 셀(110)들의 스웰링 압력을 반영한다.
이차전지 셀(110)들의 스웰링 현상은 이차전지 셀(110)의 수명으로 정의하는 EOL(End Of Life)에서 가장 뚜렷하게 나타난다. (여기서 EOL을 일반적으로 BOL(Begin of Life)의 80%가 될 때까지로 정의하기도 한다.) 통상 정상 사용 및 관리된 이차전지 셀(110)들은 EOL에서 스웰링 정도가 미리 예측될 수 있다. 따라서 스웰링 현상이 가장 뚜렷한 이차전지 셀(110)들의 EOL에서 모듈 하우징(300)의 파손 없이 셀 적층체(100)를 가압할 수 있는 최대 한계 압력을 Pmodule_max로 설정한다.
그 다음, 상술한 제1 단계와 제2 단계를 수행하여 구한 Pcell_min, Pcell_max, Pmodule_min, Pmodule_max를 비교하여 다음과 같이, Pdesign_min과 Pdesign_max를 결정한다.
Pdesign_min = Max.(Pcell_min, Pmodule_min)
Pdesign_max = Min.(Pcell_max, Pmodule_max)
따라서 본 발명에 따른 셀 가압력 범위, Pdesign_min ~ Pdesign_max는 Pcell_min ~ Pcell_max와 Pmodule_min ~ Pmodule_max의 교집합 범위라 할 수 있다.
예를들면, 도 3과 같이, Pcell_min은 100kPa, Pcell_max는 550kPa, Pmodule_min은 80kPa, Pmodule_max는 450kPa인 경우, Pdesign_min = Max.(100kPa, 80kPa)이고 Pdesign_max = Min.(550kPa, 450kPa)이 된다. 따라서 본 실시예의 이차전지 모듈은 조립시 셀 적층체(100)가 100kPa ~ 450kPa 범위 내의 가압력을 받도록 조립하여야 이차전지 모듈의 성능과 구조 안정성이 같이 충족될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 모듈 하우징(300)으로 셀 적층체(100)를 가압하는 방법을 도시한 도면이다.
이어서, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 적층체(100) 가압 방법 및 가압 구조를 간략히 설명하기로 한다.
이차전지 모듈은 셀 적층체(100), ICB(Inter Connection Board) 커버 조립체(200) 및 모듈 하우징(300)을 포함하여 구성될 수 있다.
셀 적층체(100)는 전술한 바와 같이 넓은 면이 서로 대면하게 적층된 파우치형 이차전지 셀(110)들의 집합체이다.
ICB(Inter Connection Board) 커버 조립체(200)는 이차전지 셀(110)들의 전기적 연결을 위한 다수의 버스바(미도시), 모듈의 터미널, 이들의 외부 노출을 막기 위한 커버를 구비하고, 도 4와 같이 모듈 하우징(300)에 장착되고 셀 적층체(100)의 전방과 후방 쪽에서 배치될 수 있다.
모듈 하우징(300)은 셀 적층체(100)를 수납할 수 있는 내부 공간을 구비하고 상기 셀 적층체(100)에 기계적 지지력을 제공하며 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 하는 강성 구조물이다. 이러한 모듈 하우징(300)은 강성 확보를 위해 금속 재질인 것이 좋으나 금속에 상응하는 강성을 갖는 재질이라면 비금속 재질이라도 무방하다.
예컨대, 모듈 하우징(300)은 바닥면을 형성하는 바틈 플레이트(311), 좌측 벽면을 형성하는 좌측 사이드 플레이트(312), 우측 벽면을 형성하는 우측 사이드 플레이트(313)로 구성된 U-프레임(310)과 상기 U-프레임(310)의 상단에 결합되는 탑 플레이트(320)으로 이루어진 사각 관형으로 마련될 수 있다.
셀 적층체(100)를 U-프레임(310)에 수납할 때, 좌측 사이드 플레이트(312)와 우측 사이드 플레이트(313)로 셀 적층체(100)를 압박하고, 상기 좌측 사이드 플레이트(312)의 상단과 상기 우측 사이드 플레이트(313)의 상단에 탑 플레이트(320)를 안착하고 용접함으로써 모듈 하우징(300) 속에서 셀 적층체(100)가 가압되도록 할 수 있다.
구체적으로, 도 5의 (a)를 참조하면, 좌측 사이드 플레이트(312)와 우측 사이드 플레이트(313)는 상기 바틈 플레이트(311)의 마주하는 양쪽 가장자리 끝단에서 상부 방향으로 연장되고 모듈 하우징(300)의 안쪽 내부 방향으로 소정 각도 기울기를 갖도록 구성될 수 있다.
이러한 U-프레임(310)에 셀 적층체(100)를 수납할 때, 도 5의 (b)와 같이, 좌측 사이드 플레이트(312)와 우측 사이드 플레이트(313)를 바깥 방향으로 잡아당겨 공간을 확보하고 셀 적층체(100)를 넣어 바틈 플레이트(311)에 안착한다. 그 다음, 도 5의 (c)와 같이, 좌측 사이드 플레이트(312)와 우측 사이드 플레이트(313)를 놓아 셀 적층체(100)를 압박한다. 그 다음, U-프레임(310)의 상단에 탑 플레이트(320)를 안착하고 용접한다. 이 경우, 상기 좌측 사이드 플레이트(312)와 상기 우측 사이드 플레이트(313)의 두께와 기울기를 크게 또는 작게 조정하여 셀 적층체(100)에 작용할 압력의 세기를 조정할 수 있다.
도 6은 도 5에 따른 셀 적층체(100) 가압 방법의 변형예 도시한 도면이다.
셀 적층체(100)를 가압할 수 있는 다른 방법으로, 판 스프링(330)이 이용될 수 있다. 이를테면, 도 6에 도시한 바와 같이, 모듈 하우징(300)은 셀 적층체(100)에서 최외곽 이차전지 셀(110)과 대면하는 가압판(340)과 판 스프링(330)을 더 구비할 수 있다. 상기 판 스프링(330)은 상기 가압판(340)과 사이드 플레이트 사이에 압축된 상태로 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 판 스프링(330)의 탄성 복원력이 셀 적층체(100)를 압박하는 가압력으로 작용할 수 있다.
이외에도 셀 적층체(100)를 가압 상태로 모듈 하우징(300) 속에 수납하는 방법은 여러 가지가 더 있을 수 있다. 예를 들면, 모듈 하우징(300)에 셀 적층체(100)를 넣기 전, 상기 셀 적층체(100)를 미리 압박하여 압축시킨 상태로 만들고, 이 상태로 셀 적층체(100)의 최외곽 이차전지 셀(110)이 모듈 하우징(300)의 측면벽에 접촉하도록 셀 적층체(100)를 모듈 하우징(300) 속에 집어 넣어 압박되도록 할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 셀 가압력 범위 설정방법은, 모듈 하우징(300)의 팽창 허용 치수를 추가 반영하여 셀 가압력 범위를 결정하는 제3 단계를 더 포함할 수 있다.
이차전지 모듈은 필요에 따라 다양한 사이즈로 제작될 수 있다. 예컨대, 전기 자동차의 경우, 복수 개의 이차전지 모듈을 연결하여 이차전지 팩을 구성하고 이를 전기 자동차에 탑재하는데, 전기 자동차마다 이차전지 팩이나 이차전지 모듈을 설치할 수 있는 공간적 여유가 다르다. 따라서 상기 이차전지 팩이나 이차전지 모듈은 일정 공간 내에 설치 및 유지관리 가능해야 한다. 이를 위해서는 이차전지 팩이나 이차전지 모듈의 치수 관리가 중요하다.
이에 제3 단계에서는 이차전지 모듈이 탑재될 환경 조건을 감안하여 이차전지 셀(110)들의 스웰링에 따른 모듈 하우징(300)의 팽창 허용 치수를 미리 설정하고, 상기 이차전지 셀(110)들의 BOL(Begin Of Life)에서 상기 셀 적층체(100)를 가압하여 상기 팽창 허용 치수 이내로 상기 모듈 하우징(300)을 관리할 수 있는 최소 압력, Pdimension_min을 도출하고, 상기 이차전지 셀(110)들의 EOL(End Of Life)에서 상기 셀 적층체(100)를 가압하여 상기 팽창 허용 치수 이내로 상기 모듈 하우징(300)을 관리할 수 있는 최소 압력을 Pdimension_max로 도출한다.
여기서 팽창 허용 치수는 통상 고객사의 요청에 의해 결정될 수 있다. 예를들면, 고객사는 이차전지 모듈의 폭을 120mm로 하되, 스웰링으로 인한 팽창 허용은 123mm로 제한할 수 있다. 이 경우, 셀 적층체(100)가 3mm이상 팽창할 수 없도록 셀 적층체(100)를 가압해야 한다.
BOL에서 이차전지 셀(100)들의 스웰링 현상은 충방전 시 전극 두께의 수축, 팽창에서 비롯된 것이어서 비교적 작은 가압력으로도 팽창 허용 치수 관리가 가능하다. 이를 반영하여, BOL에서 예컨대 셀 적층체(100)가 3mm이상 팽창할 수 없도록 모듈 하우징(300)으로 이차전지 셀들을 가압할 수 있는 최소 가압력을 Pdimension_min으로 설정한다.
EOL은 이차전지 셀(100)들의 스웰링 현상은 전극 두께의 팽창과 가스 발생에 따른 것이어서, BOL일 때보다 상대적으로 큰 압력을 가해야 팽창 허용 치수 관리가 가능하다. 이를 반영하여 EOL에서 예컨대 셀 적층체(100)가 3mm이상 팽창할 수 없도록 모듈 하우징(300)으로 이차전지 셀들을 가압할 수 있는 최소 가압력을 Pdimension_max로 설정한다.
그 다음, Pdimension_min 및 Pdimension_max를 제1 단계와 제2 단계에서 구한 Pcell_min, Pcell_max, Pmodule_min, Pdimension_max와 다음과 같은 조건하에서 비교하여 최종적으로 셀 가압력 범위를 설정한다.
Pdesign_min = Max.(Pcell_min, Pmodule_min, Pdimension_min)
Pdesign_max = Min.(Pcell_max, Pmodule_max), [단, (Pdimension_max < Pcell_max) & (Pdimension_max < Pmodule_max)을 만족할 것]
예를 들면, 도 7과 같이, Pdimension_min이 50kPa, Pdimension_max가 400kPa이라면, Pdesign_min은 100kPa로 설정될 수 있고, Pdesign_max는 450kPa로 설정될 수 있다.
만약, 제3 단계에서 Pdimesion_max가 500kPa로 산출되었다고 가정하면, 이는 모듈 하우징(300)이 파손될 수 있는 압력이므로, 모듈 하우징(300)의 구조 강성도 설계가 잘못된 것으로 모듈 하우징(300)의 설계를 다시 하여야 한다.
도 8은 본 발명에 따른 셀 가압력 설정방법을 적용한 이차전지 모듈 설계 방법을 예시한 순서도이다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 가압력 설정방법을 간략히 요약하면 다음과 같다.
제1 단계로, 이차전지 모듈에 적용할 이차전지 셀(110)을 결정하고 단위 이차전지 셀(110)을 대상으로 가압력에 따른 셀 데이터를 분석하고 이를 기반으로 (Pcell_min, Pcell_max)를 도출한다.
제2 단계로, 상기 이차전지 셀(110)들 이용하여 셀 적층체(100)를 구성하고 BOL에서 상기 셀 적층체(100)를 일체로 지지 고정할 수 있는 최소 가압력과, EOL에서 모듈 하우징(300)이 파손되지 않는 강건성을 유지하면서 상기 셀 적층체(100)를 최대한 가압할 수 있는 최대 가압력을 찾아 이를 (Pmodule_min, Pmodule_max)로 도출한다.
그 다음, 제3 단계에서, 고객사에서 요구한 이차전지 모듈의 팽창 허용 치수를 관리를 위한 (Pdimension_min, Pdimesion_max)를 도출한다.
그 다음, Pdimesion_max 값이 앞서 구한 Pcell_max 또는 Pmodule_max 보다 크다면 이차전지 셀(110) 또는 모듈 하우징(300)의 설계를 다시하고, 전술한 과정을 반복한다. Pdimesion_max 값이 앞서 구한 Pcell_max와 Pmodule_max 보다 작으면 이차전지 셀(110)과 모듈 하우징(300)의 설계가 적합하다고 볼 수 있다. 이때 아래의 조건에 부합하는 값을 셀 가압력 설정범위의 최대, 최소값으로 설정한다.
Pdesign_min = Max.(Pcell_min, Pmodule_min, Pdimension_min)
Pdesign_max = Min.(Pcell_max, Pmodule_max)
이상과 같이, 본 발명에 따른 셀 가압력 범위 설정방법에 따르면, 이차전지 모듈의 성능, 구조 안정성, 팽창 허용 치수 관리가 가능한 범위의 가압력으로 이차전지 셀(110)들을 가압할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지 모듈은 이차전지 셀(110)들의 집합체인 셀 적층체(100)와, 상기 셀 적층체(100)를 가압하며 수납할 수 있는 모듈 하우징(300), 그리고 ICB 커버 조립체(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 이차전지 모듈은 상술한 셀 가압력 범위 설정방법에 따라 설정된 가압력 범위 내에서 셀 적층체(100)가 가압되게 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 팩은, 상술한 이차전지 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 이차전지 팩에는 이차전지 모듈 이외에, 이러한 이차전지 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 이차전지 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치가 더 포함될 수 있다. 일 예로 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (10)

  1. 이차전지 모듈에 있어서 상기 이차전지 셀들에 대한 셀 가압력 범위 설정방법으로서,
    이차전지 모듈에 적용할 이차전지 셀을 결정하고, 압력을 높여가며 상기 이차전지 셀을 가압하였을 때 나타나는 상기 이차전지 셀의 성능 데이터에 기초해, 상기 이차전지 셀의 성능 구현을 위한 최소 가압력을 Pcell_min으로 결정하고 상기 이차전지 셀의 성능 구현을 위한 최대 가압력을 Pcell_max로 결정하는 제1 단계; 및
    상기 이차전지 셀들을 일 방향으로 적층하여 셀 적층체를 형성하고 상기 셀 적층체를 모듈 하우징에 수납하였을 때, 상기 셀 적층체를 지지 및 고정시킬 수 있는 최소 가압력을 Pmodule_min으로 결정하고 상기 이차전지 셀들의 EOL(End Of Life)에서 상기 모듈 하우징이 파손되지 않고 상기 셀 적층체를 가압할 수 있는 최대 압력을 Pmodule_max로 결정하는 제2 단계를 포함하고,
    상기 Pcell_min ~ 상기 Pcell_max와 상기 Pmodule_min ~ 상기 Pmodule_max의 교집합 범위를 상기 셀 가압력 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 이차전지 셀의 성능 데이터는, 상기 이차전지 셀의 용량 퇴화율, 저항증가율, 분리막 두께 유지율을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Pmodule_min은
    상기 이차전지 셀들의 BOL(Begin Of Life)에서 상기 셀 적층체를 지지 및 고정시킬 수 있는 최소 가압력인 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지 셀은 파우치형 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지 셀들의 스웰링에 따른 상기 모듈 하우징의 팽창 허용 치수를 미리 정하고,
    상기 이차전지 셀들의 BOL(Begin Of Life)에서 상기 셀 적층체를 가압하여 상기 팽창 허용 치수 이내로 상기 모듈 하우징의 치수를 관리할 수 있는 최소 압력을 Pdimension_min으로 결정하고, 상기 이차전지 셀들의 EOL(End Of Life)에서 상기 셀 적층체를 가압하여 상기 팽창 허용 치수 이내로 상기 모듈 하우징의 치수를 관리할 수 있는 최소 압력을 Pdimension_max로 결정하는 제3 단계를 더 포함하고,
    상기 Pcell_min, 상기 Pmodule_min, 및 상기 Pdimension_min 중 가장 큰 값을 상기 셀 가압력 범위의 최소 가압력으로 설정하고,
    (상기 Pdimension_max < 상기 Pcell_max) & (상기 Pdimension_max < 상기 Pmodule_max)를 만족할 때, 상기 Pcell_min 및 상기 Pmodule_min 중 작은 값을 상기 셀 가압력 범위의 최대 가압력으로 설정하는 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징은 상기 셀 적층체의 하부에 배치되는 바틈 플레이트; 상기 바틈 플레이트의 마주하는 양쪽 가장자리 끝단에서 절곡되어 상부 방향으로 연장되고 상기 모듈 하우징의 안쪽으로 소정 각도 기울기를 갖는 좌측 사이드 플레이트와 우측 사이드 플레이트를 포함하고,
    상기 셀 적층체를 상기 좌측 사이드 플레이트와 상기 우측 사이드 플레이트 사이에 넣어 가압하는 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  7. 제6항에서,
    상기 좌측 사이드 플레이트와 상기 우측 사이드 플레이트의 기울기의 크기를 조정하여 상기 셀 가압력 범위를 조정하는 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징은 내부에 판 스프링을 구비하고, 상기 판 스프링으로 상기 셀 적층체를 가압하는 것을 특징으로 하는 셀 가압력 범위 설정방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 셀 가압력 범위 설정방법에 따라 제작한 이차전지 모듈.
  10. 제9항에 따른 이차전지 모듈을 포함하는 이차전지 팩.
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