(57)【要約】圧電センサーを有する二次バッテリーモジュール  互いに積み重ねられた複数の単位電池を備えてなり、該単位電池間で放熱用の通路が限定されるように、該単位電池同士が互いに間隔を置いて配置されている二次バッテリーモジュールであって、該バッテリーモジュールが、該通路中に取り付けられた少なくとも一個の圧電センサーをさらに備えてなり、該少なくとも一個の圧電センサーがバッテリー管理装置（ＢＭＳ）に接続されている、二次バッテリーモジュールを開示する。本発明により、二次バッテリーモジュールの単位電池間に限定される通路の中に圧電センサーが取り付けられている。その結果、圧電センサーを設置するための追加の空間を必要とせず、従って、バッテリーモジュールのサイズ増加が効果的に阻止される。さらに、バッテリーの内圧変化が圧電センサーにより精確に検出されるので、単位電池の過充電または過熱により引き起こされるバッテリーの膨脹または爆発が効果的に防止される。
2008535174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次バッテリーモジュールであって、
互いに積み重ねられた複数の単位電池を備えてなり、
前記単位電池同士が互いに間隔を置いて配置され、放熱用の通路が前記単位電池間に定められてなり、
前記二次バッテリーモジュールが、前記通路中に取り付けられた少なくとも一個の圧電センサーをさらに備えてなり、
前記少なくとも一個の圧電センサーが制御装置に接続されてなる、二次バッテリーモジュール。
【請求項２】
前記単位電池が長方形または小袋形電池である、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項３】
前記単位電池がリチウム−イオン電池またはリチウム−イオン重合体電池である、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
【請求項４】
前記少なくとも一個の圧電センサーが、前記少なくとも一個の圧電センサーの両側に位置する単位電池（ａ、ｂ）と緊密に接触されてなり；前記少なくとも一個の圧電センサーが、前記単位電池の片側（ａまたはｂ）に接触されてなり；又は前記少なくとも一個の圧電センサーが、前記単位電池（ａ、ｂ）から予め決められた間隔を置いて配置されてなることにより、
前記少なくとも一個の圧電センサーが前記単位電池間の通路中に取り付けられてなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項５】
前記少なくとも一個の圧電センサーが、前記バッテリーの中間部分に対応する位置で前記通路の中に取り付けられてなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項６】
前記バッテリーの前記中間部分が、前記バッテリーの外周部から、前記バッテリーの長さおよび幅の２０％超過による間隔を置いて配置されてなる、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
【請求項７】
前記少なくとも一個の圧電センサーが、前記少なくとも一個の圧電センサーの片側に位置する前記単位電池、又は前記少なくとも一個の圧電センサーの両側に位置する前記単位電池に面した状態で、前記少なくとも一個の圧電センサーが支持体に取り付けられてなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項８】
前記支持体が、前記単位電池を互いに積み重ね易くするのに使用されるフレーム部材、または前記フレーム部材から伸びる追加の部材である、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
【請求項９】
前記少なくとも一個の圧電センサーから伝達されたセンサー電圧が予め決められた臨界値より高くなった場合に、前記制御装置が、予め決められた制御プロセスを実行するものである、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１０】
前記制御プロセスが、
警告信号を伝送する第一段階制御プロセスと、
電力を遮断する第二段階制御プロセスと、
所望により冷却装置を作動させる第三制御プロセスと、及び
所望により消火装置を作動させる第四制御プロセスとを包含するものである、請求項９に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１１】
前記制御装置が、前記バッテリーモジュールの全体的な作動を管理するバッテリー管理装置（ＢＭＳ）中に包含されてなる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、二次バッテリーモジュールに、より詳しくは、単位電池を配置して二次バッテリーモジュールを組み立てる時に、単位電池間に限定された通路に圧電センサーを取り付け、単位電池の異常作動により単位電池の内圧が増加した時に、単位電池の膨脹により引き起こされた圧力が該圧電センサーに作用し、該圧電センサーの出力端子に電圧が生じ、該生じたセンサー電圧が制御装置、例えばバッテリー管理装置（ＢＭＳ）、に伝達され、そこで制御アルゴリズムが実行され、それによって、単位電池の過充電または過熱により引き起こされるバッテリーの膨脹または爆発が効果的に阻止され、従って、バッテリーの安全性が改良される、二次バッテリーモジュールに関する。
【発明の背景】
【０００２】
可動装置が益々多く開発され、そのような可動装置の需要が増加するにつれて、それらの可動装置用の動力源として二次バッテリーの需要も急速に増加している。従って、様々な必要性に対応するバッテリーに多くの研究がなされている。
【０００３】
特に、リチウム二次バッテリーは、従来のニッケル−カドミウムバッテリーまたは従来のニッケル金属水素化物バッテリーよりも電圧が高く、充電および放電サイクル数の増加が可能であるために、リチウム二次バッテリーの需要が急速に増加している。
【０００４】
外形に関して、長方形バッテリーおよび小袋形バッテリーは、厚さが小さいので、様々な製品、例えば携帯電話、に応用し易いために、長方形バッテリーおよび小袋形バッテリーの需要が高い。その材料に関して、リチウム二次バッテリーはエネルギー密度および放電電圧が高いので、リチウム二次バッテリー、例えばリチウムコバルト重合体バッテリー、の需要が高い。
【０００５】
図１は、小袋形二次バッテリー１００の代表的な構造を例示する。
【０００６】
図１に関して、二次バッテリーは、電極アセンブリー３００、電極アセンブリー３００から伸びる電極タップ３０２および３０４、電極タップ３０２および３０４にそれぞれ溶接された電極リード線４００および４１０、および電極アセンブリー３００を受け容れるための小袋形ケース２００を包含する。
【０００７】
電極アセンブリー３００は、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された、カソードおよびアノードを互いに隔離するセパレータを包含し、１個のカソード、１個のセパレータ、および１個のアノードの順で積み重ねられた構造的部材である。電極タップ３０２および３０４は、電極アセンブリー３００のそれぞれの電極プレートから伸びている。電極リード線４００および４１０は、それぞれの電極プレートから伸びる電極タップ３０２および３０４に電気的に接続されている。電極リード線４００および４１０は、ケース２００から部分的に露出している。ケース２００は、電極アセンブリー３００を受け容れるための空間を与える。電極アセンブリー３００が、図１に示すような積重型電極アセンブリーである場合、複数のカソードタップ３０２が互いに取り付けられ、次いでそれらが電極リード線４００に連結され、複数のアノードタップ３０４が互いに取り付けられ、次いでそれらが電極リード線４１０に連結されるように、ケース２００の内側上端部は、電極アセンブリー３００から間隔を置いて配置されている。
【０００８】
電極アセンブリー３００は、電極リード線４００および４１０が部分的に外側に露出した状態でケース２００の中に配置され、電解質をケース２００の中に注ぎ込み、上側ケースの縁部および下側ケースの縁部が互いに接触している状態で、上側ケースの縁部および下側ケースの縁部に熱および圧力を作用させ、上側ケースの縁部および下側ケースの縁部を、熱溶接により互いに確実に固定することができる。このようにして、小袋形二次バッテリー１００が完成する。
【０００９】
リチウム二次バッテリーには、従来のニッケル−カドミウムバッテリーまたは従来のニッケル−金属水素化物バッテリーと比較して、多くの長所があるが、リチウム二次バッテリーには、弱いという問題がある。特に、電解質を、バッテリー製造中の後の方の工程で注ぎ込む。この理由から、低沸点を有する有機溶剤を使用することが多い。しかし、この場合、バッテリーを過充電した場合、またはバッテリーを高温に放置した場合、バッテリーの内圧増加のために、電極アセンブリーまたはバッテリーケースが膨潤することがある。その結果、ケースが変形することがある。このケースの変形により、バッテリーの爆発を引き起こすことがある。
【００１０】
上記の問題を解決するために、紫外線または電子線を使用して平型バッテリーを硬化させる方法、および電解質を注ぎ込む代わりに、ゲルを電極プレートに塗布する方法が提案されている（米国特許第５，９７２，５３９号、第５，２７９，９１０号、および第５，４３７，９４２号の各明細書）。これらの従来方法は、電極アセンブリーまたはバッテリーケースの膨潤をある程度緩和する。しかし、これらの従来方法では、満足できる安定性は保証されない。
【００１１】
幾つかの従来技術は、ひずみゲージ型センサーが小袋形バッテリーの表面に取り付けられており、バッテリーの端子（カソードおよびアノード）と入力および出力端子の間に取り付けられた保護回路が、圧力センサーにより検出された値に基づいてバッテリーの作動を中断する方式を提案している。特に、バッテリーのケース、すなわち小袋、が膨潤すると、その膨潤度がセンサーにより検出され、検出された値が保護回路に伝達され、検出された値が予め決められたレールを超えると、保護回路がカソードとアノードの間に流れる電流を遮断する。
【００１２】
しかし、上記のバッテリーケースの膨潤を測定する方式は、信頼性が高くない。また、精確に測定するためにセンサーを小袋形バッテリーの表面に安定して取り付けるのが困難である。例えば、バッテリーのサイズおよび重量が小さくなっているので、バッテリーケースの表面積変化に応じて、バッテリーケースの膨潤を精確に測定することは非常に困難である。また、ひずみゲージ型センサーは、精確に測定するためには、大きな面積を必要とする。その結果、バッテリーからの放熱がひずみゲージ型センサーにより妨害され、バッテリーの温度が増加する。さらに、ひずみゲージ型センサーは、表面膨脹が比較的小さな長方形バッテリーには全く使用できない。
【００１３】
これまで、充電および放電可能な二次バッテリーが、ワイヤレス携帯装置用のエネルギー供給源として広く使用されている。また、二次バッテリーは、化石燃料を使用する既存のガソリンおよびディーゼル車両により引き起こされる大気汚染のような問題を解決するために開発された電気自動車およびハイブリッド電気自動車用の動力源供給源としても非常に大きな関心を集めている。
【００１４】
小型携帯装置は、各装置に一個または数個の小型電池を使用する。他方、中または大型装置、例えば自動車、は、高出力および大容量が中または大型装置には必要なので、互いに電気的に接続された複数の電池を有するバッテリーモジュールを使用する。
【００１５】
図２は、互いに積み重ねた複数の単位電池を有する二次バッテリーモジュールの代表的な構造を例示する。
【００１６】
図２に関して、複数の単位電池１０１、１０２、および１０３が高集積度で互いに積み重ねられている。単位電池の上側末端からは、電極端子４０１、４１１、４０２、４１２、４０３、および４１３が突き出ている。単位電池１０１、１０２、および１０３は、二次バッテリーモジュール５００の中で異なった様式で配置することができる。一般的に、単位電池は、図２に示すように積み重ねられ、これが高い集積度を与える。また、単位電池１０１、１０２、および１０３は、単位電池の充電および放電の際に発生した熱を除去する通路６００が隣接する単位電池間に限定されるように、互いに予め決められた間隔を置いて配置される。一般的に、長方形電池または小袋形電池が、二次バッテリーモジュール５００を構成する単位電池１０１として使用される。
【００１７】
二次バッテリーモジュールにおける安全性の問題は、複数の単位電池が小さな空間内に互いに積み重ねられているので、より深刻な場合がある。特に、単位電池の幾つかの異常作動が、他の単位電池の異常作動を誘発する(reduce)ことがある。従って、上記の問題を阻止する対策が緊急に求められている。しかし、今日まで、二次バッテリーモジュールの安全性を効果的に保証する技術は、提案されていない。
【００１８】
発明の概要
従って、本発明は、上記の問題、および他の、まだ解決されていない技術的問題を解決するためになされたものである。
【００１９】
上記の問題を解決するための様々な、広範囲で集中的な研究および実験の結果、本願の発明者らは、単位電池を配置して二次バッテリーモジュールを組み立てる時に、単位電池間に定められた（限定された）通路に圧電センサーを取り付けることにより、単位電池の内圧が増加して単位電池が膨脹した場合に、その単位電池の膨脹により引き起こされた圧力が該圧電センサーに作用し、該圧電センサーの出力端子に電圧が生じ、該生じたセンサー電圧がバッテリー管理装置（ＢＭＳ）に伝達され、そこで制御アルゴリズムが実行され、それによって、単位電池の過充電または過熱により引き起こされるバッテリーの膨脹または爆発が効果的に阻止されることを見出した。本発明は、上記の発見に基づいて完成した。
【００２０】
本発明により、上記の、および他の目的は、互いに積み重ねられた複数の単位電池を備えてなり、該単位電池間で放熱用の通路が限定されるように、該単位電池同士が互いに間隔を置いて配置されている二次バッテリーモジュールであって、該バッテリーモジュールが、該通路中に取り付けられた少なくとも一個の圧電センサーをさらに備えてなり、該少なくとも一個の圧電センサーが制御装置に接続されている、二次バッテリーモジュールを提供することにより達成される。
【００２１】
従って、本発明の二次バッテリーモジュールの単位電池が過充電または過熱されると、単位電池の内圧が増加するために、単位電池間に限定された通路中に取り付けられた圧電センサーに圧力が作用し、圧電センサーの出力端子に電圧が発生し、その発生したセンサー電圧が制御装置に伝達され、該制御装置で制御アルゴリズムが実行され、それによって、単位電池間の電気伝導が中断される。
【００２２】
「単位電池」は、連続的に充電および放電できる二次電池である。好ましくは、単位電池は、長方形または小袋形電池であり、バッテリーモジュール中で高集積度で互いに積み重ねることができる。
【００２３】
単位電池のそれぞれは、密封されたバッテリーケース中に取り付けられたカソード、アノード、セパレータ、および電解質を有する。薄膜形状のカソードと薄膜形状のアノードとの間に配置された微細孔質セパレータを包含する電極アセンブリーを巻き付けるか、またはそれぞれカソード、セパレータ、およびアノードを包含する電極アセンブリーを互いに積み重ねる。カソードおよびアノードに塗布される活性材料に特に制限は無い。好ましくは、カソード活性材料は、安全性が高いリチウムマンガン系酸化物からなり、アノード活性材料は炭素からなる。好ましい単位電池はリチウム−イオン電池またはリチウム−イオン重合体電池である。
【００２４】
二次バッテリーモジュールの単位電池は、様々な構造で互いに積み重ねることができる。ここで、単位電池同士が互いに対向している限り、「積み重ね」方向には特に制限は無い。例えば、単位電池同士を互いに対向させて、単位電池を平面上に連続的に互いに積み重ねることができる。あるいは、単位電池を互いに対向させ、単位電池を互いに密に接触した状態で平面上に垂直に立てることもできる。しかし、本発明により、積み重ねられた構造中に放熱用の通路が形成されるように、単位電池が互いに予め決められた間隔を置きながら、互いに対向して配置されることが必要である。
【００２５】
本発明は、単位電池の内圧増加により引き起こされる単位電池の体積膨脹のために、単位電池間に限定された通路の幅が減少した時、そのような変化を正確に測定し、バッテリーモジュールの作動を制御することを特徴とする。
【００２６】
本発明者らが行った実験により、単位電池の内圧増加は、単位電池の厚さ方向で、単位電池の縦方向よりも大きいことが分かった。特に、単位電池の内圧が増加すると、バッテリーケースの表面膨脹と比較して、単位電池の厚さが大幅に増加する。従って、単位電池の厚さ変化を検出できる圧電センサーの使用により、より精確な測定が保証される。
【００２７】
本発明のもう一つの特徴は、圧電センサーをバッテリーモジュールの中に取り付けても、バッテリーモジュールのサイズが増加しないことである。一般的に、バッテリーモジュールは、小型で軽量であることが求められる。この理由から、圧電センサーの設置によりバッテリーモジュールのサイズが増加するのは、好ましくない。本発明により、圧電センサーは、単位電池から発生する熱が効果的に除去される通路中に取り付けられるので、圧電センサーの設置により、バッテリーモジュールのサイズは増加しない。
【００２８】
本発明の圧電センサーは、圧電センサーが、圧電センサーの両側に位置する単位電池ａおよびｂと緊密に接触するように、圧電センサーが、一方の単位電池ａまたはｂに接触するように、あるいは圧電センサーが、単位電池ａおよびｂから予め決められた間隔を置いて配置されるように、単位電池間の通路中に取り付ける。
【００２９】
本発明により、圧電センサーは単位電池同士の間に配置される。従って、単位電池の異常作動により単位電池の内圧が増加すると、圧電センサーにより、より精確な測定が可能になる。特に、圧電センサーの両側にあるそれぞれの単位電池ａおよびｂにおける厚さ変化Δｔが、厚さ変化の２倍（２ｘΔｔ）として圧電センサーにより検出される。その結果、測定精度がさらに増加する。これが本発明の重要な特徴の一つである。
【００３０】
本発明の圧電センサーには、上記のように圧力の変化が圧電センサーにより測定できる限り、特に制限は無い。様々な製品が商業的に使用されて入るので、圧電センサーの詳細な説明は行わない。
【００３１】
好ましくは、圧電センサーを、厚さの変化が大きい、バッテリーの中間部分に対応する位置に取り付ける。バッテリーの中間部分は、バッテリーの外周部から、バッテリーの長さおよび幅の２０％超過、好ましくは３０％超過の間隔を置いた所である。
【００３２】
状況に応じて、圧電センサーが、少なくとも一個の圧電センサーの片側に位置する単位電池、または少なくとも一個の圧電センサーの両側に位置する単位電池に面した状態で、圧電センサーを追加の支持体に取り付けることができる。これは、単位電池同士の間に限定される通路の幅がさらに増加する場合に好ましい。支持体は、単位電池を互いに積み重ね易くするのに使用するフレーム部材、またはそのフレーム部材から伸びる追加の部材でよい。
【００３３】
フレーム部材の代表的な形状は、本願の出願者の名前で提出された韓国特許出願第２００４−８１６５７号明細書に開示されている。上記韓国特許出願明細書の開示全文を、ここに参考として含める。
【００３４】
好ましくは、制御装置は、圧電センサーから伝達されるセンサー電圧が予め決められた臨界値より高くなった場合に、その制御装置が予め決められた制御プロセスを実行するように構築する。
【００３５】
例えば、制御プロセスは、警告信号を伝送する第一段階制御プロセス、電力を遮断する第二段階制御プロセス、所望により冷却装置を作動させる第三制御プロセス、および所望により消火装置を作動させる第四制御プロセスを包含することができる。これらの制御プロセスは、圧電センサーから伝達されるセンサー電圧の大きさに基づいて、順次行うことができる。センサー電圧が圧電センサーから連続的に伝達される場合、または伝達されるセンサー電圧の大きさが、電力供給を遮断した後にも増加する場合、その異常の程度に応じて、冷却装置または消火装置を作動させることができる。あるいは、冷却装置および消火装置を連続的に作動させることもできる。
【００３６】
制御装置をバッテリーモジュール中に独立した部品として取り付けることは可能であるが、制御装置は、バッテリーモジュールの全体的な作動を管理するバッテリー管理装置（ＢＭＳ）中に包含するのが好ましい。
【００３７】
好ましい実施態様の詳細な説明
ここで、本発明の好ましい実施態様を、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。しかし、無論、本発明の範囲はこの例示する実施態様に限定されるものではない。
【００３８】
図３は、本発明の好ましい実施態様による、圧電センサーを有する二次バッテリーモジュールの構造を例示する典型的な図である。
【００３９】
図３に関して、二次バッテリーモジュールは、互いに予め決められた間隔を置いて互いに積み重ねられた単位電池１０１および１０２を包含し、バッテリーの充電および放電の際に発生する熱を除去する通路６００が単位電池１０１と１０２の間に限定されている。通路６００には、圧電センサー７００が取り付けられており、圧電センサー７００は、その両側に配置された単位電池１０１および１０２の内圧の増加を検出する。従って、圧電センサー７００を設置するための追加の空間を必要としない。
【００４０】
圧電センサー７００は、圧電センサー７００から伝達される電圧に基づいてバッテリーの作動を制御するアルゴリズムを有するバッテリー管理装置（ＢＭＳ）に接続されている。
【００４１】
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。
【００４２】
産業上の利用可能性
上記の説明から明らかなように、二次バッテリーモジュールの単位電池間に限定される通路の中に圧電センサーが取り付けられている。その結果、圧電センサーを設置するための追加の空間を必要とせず、従って、バッテリーモジュールのサイズ増加が効果的に阻止される。さらに、バッテリーの内圧変化が圧電センサーにより精確に検出されるので、単位電池の過充電または過熱により引き起こされるバッテリーの膨脹または爆発が効果的に防止される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、一般的な小袋形バッテリーを例示する分解組立透視図である。
【図２】図２は、従来の二次バッテリーモジュールの構造を部分的に例示する典型的な図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい実施態様による、単位電池間に限定される通路の中に取り付けた圧電センサーを有するバッテリーモジュールを部分的に例示する典型的な図である。
【００４４】
＜図面の主要参照番号の説明＞
１００  小袋形二次バッテリー          ２００  小袋形ケース
３００  電極アセンブリー              ４００  電極リード線
５００  二次バッテリーモジュール      ６００通路
７００  圧電センサー
【図１】
2008535174.tif 000003
【図２】
2008535174.tif 000004
【図３】
2008535174.tif 000005
【国際調査報告】
2008535174.tif 000006
2008535174.tif 000007