KR101104650B1 - 외장 부재가 구비된 차량용 배터리팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 누전 방지용 외장 부재 및 이를 구비하는 차량용 배터리 팩에 관한 것으로 상세하게는 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치 시 함수율 7중량% 이하 및 전기전도도 30 S/cm 이하인 고분자 재료로 이루어지며 입출력 단자부가 구비되는 외장부재 및 이를 구비하는 차량용 배터리 팩에 관한 것이다.

본 발명에 따른 외장부재는 결로 등의 고습조건에서 외장부재의 입출력 단자를 통한 누전 현상 발생을 억제할 수 있으며, 상기 외장부재를 구비하는 차량용 배터리 팩은 고습조건의 충방전 시 출력특성이 저하되지 않고 유지되는 효과가 있다.

외장부재, 누전, 입출력 단자, 차량, 배터리 팩

Description

외장 부재가 구비된 차량용 배터리팩 {A Vehicle Battery Pack equipped wit h Exterior Member}

본 발명은 고습 조건에서 입출력 단자를 통한 누전 발생을 억제할 수 있는 물성을 갖는 외장 부재 및 이를 구비하는 차량용 배터리 팩에 관한 것이다.

통상적으로, 1차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 2차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 2차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 2차 전지를 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.

상기 리튬 2차 전지는 다양한 형태로 제조 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type) 을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 것이다.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

중대형 전지모듈은 대표적으로 하이브리드 자동차 등에 사용되는 배터리 팩을 예로 들 수 있다. 상기 배터리 팩은 기본적으로 다수의 단위 전지셀을 적층한 상태에서 양쪽 측면부에 덧대는 2개 이상의 사이드커버(단부 판재, end plate) 및 이를 결합 및 고정시키는 결합 부재를 포함하여 이루어지며, 상기 사이드커버는 입출력 단자를 구비한다.

한편, 종래 자동차용 배터리 팩에 구비되는 사이드커버의 재질은 비용 및 성형성을 고려하여 나일론(Nylon) 등을 사용하여 왔으며, 나일론만으로는 기계적 강도가 좋지 않은 경우 이를 보완하기 위하여 유리섬유 등을 첨가한 혼합물을 사용하였다.

그러나, 종래 자동차용 배터리 팩에 구비되는 외장부재의 물성, 구체적으로는 함수율 및 전기전도도 특성을 조절함으로써 결로 등 고습조건에서의 누전 발생의 가능성을 차단하고자 하는 시도는 거의 이루어지지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 결로 등의 고습조건에서 사이드커버 입출력 단자를 통한 누전 현상 발생을 억제할 수 있는 외장부재를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기 누전 현상 발생을 억제할 수 있는 외장부재를 구비하여 출력 특성이 우수한 배터리 팩을 제공하는데 목적이 있다.

삭제

삭제

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩은, 입출력 단자부가 구비되는 외장부재에 있어서, 상기 외장부재가 폴리부틸렌테레프탈레이트(A)와 유리섬유(B)와의 중량비(A:B)가 1:0.5~1.5 범위가 되도록 혼합한 것을 함유하는 고분자 재료를 성형하여 이루어지며, 고분자 재료를 성형한 후 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치하여 측정된 총 중량에 대한 증가된 중량의 비율인 함수율이 7중량% 이하이고, 고분자 재료를 성형하고 단자를 형성한 후 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치한 후 프로브법으로 측정된 전기전도도가 30 S/cm 이하인 것을 특징으로 하는 외장 부재가, 차량용 배터리팩에 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고분자 재료는 상기 폴리부틸렌테레프탈레이트가 중량 57%와 상기 유리섬유가 43%인 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

본 발명에 따른 외장부재는 결로 등의 고습조건에서 외장부재의 입출력 단자 를 통한 누전 현상 발생을 억제할 수 있으며, 상기 외장부재를 구비하는 차량용 배터리 팩은 고습조건의 충방전 시 출력특성이 저하되지 않고 유지되는 효과가 있다.

하기 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다. 또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 입출력 단자부가 구비되는 외장부재로서, 상기 외장부재가 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치 시 함수율 7중량% 이하 및 전기전도도 30 S/cm 이하인 고분자 재료로 이루어짐으로써 상대습도 80%이상의 고습조건에서 누전 발생을 억제할 수 있는 외장부재에 관한 것이다.
상기 함수율은 고분자 재료를 외장 부재 형태로 성형한 후 상대습도 80% 이상 내지 포화수증기압 조건 즉, 결로조건 범위에서 30일 동안 방치하여 외장부재의 중량을 측정한 후 측정된 총 중량에 대하여 증가된 중량의 비율을 수분 중량으로 계산한 것이다.
상기 전기전도도는 고분자 재료를 외장부재 형태로 성형하고 외장부재에 입출력 단자를 형성한 후 상대습도 80% 이상 내지 포화수증기압 조건 즉, 결로조건 범위에서 30일 동안 방치한 후 통상적인 프로브법(probe method)으로 측정된 값이다.
본 발명자들은 자동차 배터리 팩에 대한 다양한 실험을 진행하던 중 결로 등 고습조건에서 사이드커버의 입출력 단자를 통한 누전 현상 발생 시 출력 저하 현상이 나타나는 것을 발견하였다. 즉, 실제 전지의 성능이 저하된 것은 아니나 사이드 커버의 입출력 단자부에 누전 현상이 발생하는 경우 배터리 팩의 출력 저하 현상이 나타나는 것이다.
또한, 이러한 누전 현상이 배터리 팩의 입출력 단자가 구비되는 외장부재의 함수율 및 전기전도도 특성과 관련이 있음을 확인하였다.
즉, 상술한 바와 같이 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치 시 함수율 7중량% 이하 및 전기전도도 30 S/cm 이하인 조건을 만족하는 외장부재를 사용하는 경우 고습조건에서 누전에 의한 출력 저하나 특정 셀 열화 현상을 방지할 수가 있다. 상기 함수율 및 전기전도도 특성은 낮게 유지될수록 누전 방지 특성이 좋기 때문에 하한을 한정할 필요는 없으며 고분자 재료의 조성에 따라 함수율 및 전기전도도를 낮게 유지할 수 있다. 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치 시 함수율은 구체적으로 0.1 내지 7중량%, 전기전도도는 1 내지 30 S/cm의 범위 내에서 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 외장부재를 이루는 고분자 재료는 유기 고분자 재료 단독 또는 무기 재료와의 혼합물일 수 있으며 상기 함수율 조건 및 전기전도도 조건을 만족하는 범위 내에서 가공성 및 기계적 강도 등을 조절하기 위한 첨가제를 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 함수율 조건 및 전기전도도 조건을 만족하는 고분자 재료로는 폴리부틸렌테레프탈레이트를 함유하는 고분자재료를 예로 들 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리부틸렌테레프탈레이트와 유리섬유와의 혼합물을 사용할 수 있다. 폴리부틸렌테레프탈레이트(A)와 유리섬유(B)와의 혼합비에 제한을 둘 필요는 없지만, 중량비(A:B)가 1 : 0.5 ~ 1.5 범위가 되도록 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 범위로 폴리부틸렌테레프탈레이트와 유리섬유가 혼합된 물질을 외장 부재로서 차량용 배터리 팩에 적용 시 고습 조건 방치 시험에서 출력저하 현상이 현저히 개선되므로 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명은 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치 시 함수율 7중량% 이하 및 전기전도도 30 S/cm 이하인 고분자 재료로 이루어지며 입출력 단자가 구비되는 외장부재를 구비하는 배터리 팩을 제공한다. 상기 배터리 팩은 하이브리드 자동차용 배터리 팩일 수 있으며, 그 일례를 도 1에 도시하였다.
도 1에 도시한 하이브리드 자동차 배터리 팩(100)은 다수의 적층 셀(10), 상기 적층 셀 양쪽 측면부에 덧대는 사이드커버(21, 22) 및 상기 사이드 커버에 형성된 단자부(31, 32)를 구비하며 도 1에 구체적으로 도시하지는 않았지만 다수의 적층 셀 및 사이드 커버를 체결하기 위한 결합부재, 각 적층 셀 및 단자부를 연결하기 위한 연결 부재 및 상부 보호 덮개 등을 포함할 수 있다.

[실시예 1]

하기 표 1에 나타낸 바와 같이 PBT(폴리부틸렌테레프탈레이트, 제조사:LG화학, 제품명:LUPOX GP1000H)를 단독으로 사용하거나, 유리섬유(glass fiber, 제조사:Saint Gobain Vetrotex 제품명:SGVA910))가 43중량%, PBT 57중량%로 이루어진 혼합물을 사용하여 배터리 팩용 사이드 커버를 제조한 후 이를 각각 3일, 7일, 10일, 30일 동안 상온의 물 속에 방치 한 후 무게 변화를 측정하여 함수율을 계산하였다.

또한, 사이드커버의 표면에 단자를 설치 한 후 이를 각각 3일, 7일, 10일, 30일 동안 고습 조건(온도: 25℃, 상대 습도 90%)의 챔버 속에 방치 한 후 전기전도도를 측정하였다.

이 때 사용한 전도도 측정법은 일반적인 프로브법(probe method)을 사용하였다. 구체적으로는, 4개의 전극을 일전 간격으로 설치 한 후 일정한 전류를 흐르게 한 다음 두 전극 사이에서 나타나는 전위차를 이용하여 전기 전도도를 측정하였으 며, σ = 1/2πS(1/V)(여기서 σ: 전기전도도, S:전극사이의 간격, V:전위차)의 식을 이용하여 전도도를 측정하였다.

[표 1]

[비교예 1]

하기 표 2에 기재된 고분자 재료 57중량% 및 유리섬유(glass fiber) 43중량%를 혼합하여 배터리 팩용 사이드 커버를 제조한 후 실시예 1과 동일한 방법으로 함수율 및 전기전도도를 측정하였다. 하기 표 2에서 사용된 고분자 재료는 구체적으로 아래와 같다.

Nylon(나일론): 제조사:한국 나일론, 제품명:MC nylon, 신장률 20~60%

PC(폴리카보네이트): 제조사:GE 폴리머 , 제품명:Lexan, 인장강도 58.8~68.8MPa

PVC(폴리비닐클로라이드): 제조사:LG화학, 제품명:LS050, 중합도 500±50

PMMA(폴리메틸메타크릴레이트): 제조사:LG MMA, 제품명: HP202, 성형수축율: 0.2~0.6

ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌): 제조사:LG화학, 제품명:BM662B, 성형 수축율 0.4~0.8

PUR(폴리우레탄): 제조사:한국 폴리 우레탄, 제품명:KHL (G)-100, 밀도: 100±15

ST/Ac(스티렌아크릴): 제조사: 미쓰이 케미컬, 제품명:cpr300, 중량평균분자량 50,000~200,000

PS(폴리스티렌): 제조사:LG화학, 제품명:MI730, 성형 수축율 0.4~0.8

[표 2]

상기 실시예 1 및 비교예 1의 결과로부터 폴리부틸렌테레프탈레이트, 및 폴리부틸렌테레프탈레이트와 유리섬유의 혼합물이 물에 30일 방치 시에 함수율이 7% 이하, 전기전도도 30S/cm이하의 조건을 만족하는 것을 알 수 있다. 비교예 1의 여러가지 재료 중 폴리우레탄이나 아크릴로나트릴 부타디엔 스티렌의 경우에는 그 재료들의 특성상 함수율이 그다지 높지 않았으나, 전기전도도 특성은 30 S/cm를 초과하였다. 또한 폴리우레탄의 경우는 기계적 강도가 너무 낮아서 실제 사용이 어렵고 아크릴로나트릴 부타디엔 스티렌의 경우에는 가공성이 너무 떨어지고 가격이 높아서 현실적으로 사용이 어려운 면이 있다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서 제조된 사이드커버를 사용하여 도 1과 같이 72개의 셀이 적층된 하이브리드 자동차용 배터리 팩을 제작하였고, 고습조건(온도: 25℃, 상대 습도 90%)에서 충방전을 실시하여 사이드커버의 단자부와 직접 연결하여 전체 팩의 출력을 측정하였다. 상기 충방전 시험은 HPPC(hybrid pulse power characterization) 패턴으로 출력을 측정하고, 측정 후 만방전 시 OCV(open circuit voltage)를 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

[표 3]

*출력감소율 = (출력감소분)/(방치전 출력)*100

[비교예 2]

상기 비교예 1에서 제조된 사이드커버를 사용하여 도 1과 같이 72개의 셀이 적층된 하이브리드 자동차용 배터리 팩을 제작하여 실시예 2와 동일한 방법으로 배터리 팩의 출력특성을 평가하였으며 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

[표 4]

이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 고습 조건 방치에 따라 고분자 재료의 함수율이 그대로 유지되는 경우에 고습 조건에서 출력저하 현상이 발생하지 않고, 함수율이 계속 증가하는 경우에는 출력이 방치시간에 따라 감소하는 것을 알 수가 있다. 또한 전기 전도도가 방치에 따라 증가하지 않고 30 S/cm이하로 유지되는 경우에는 출력이 감소하지 않는 것을 알 수 있다.

따라서 고습 조건에서30일 까지 방치 시에 함수율이 7wt% 이하로 유지되고 전기 전도도가 30 S/cm이하로 유지되는 재료의 경우에는 고습 조건에서 출력저하 현상이 발생하지 않는 것을 알 수가 있으며, 그 이외의 경우에는 초기에는 유지가 되더라도 점차 시간이 진행됨에 따라서 출력 저하 현상이 발생하는 것을 알 수가 있다. 또한 이러한 경우에 특히 단자부와 직접 연결되는 부분에 해당하는 셀의 경우에는 전체적인 출력의 저하 현상 외에도 만방전 시에 누전에 의한 전압강하 현상이 발생하게 되며, 이러한 경우에는 이러한 특정 위치의 셀이 먼저 열화되게 되어 장기적으로 배터리 팩의 내구성에 나쁜 영향을 주게 되며, 낮은 SOC(state of charge)에서 특정 셀의 전압이 과도하게 저하되게 되면 BMS(Battery management system)에서 컷오프(cut off)를 유발하여 배터리가 정상적으로 작동할 수 없게 된다.

[실시예 3]

유리섬유(glass fiber; GF, 제조사:Saint Gobain Vetrotex 제품명:SGVA910) 43중량% 및PBT(폴리부틸렌테레프탈레이트, 제조사:LG화학, 제품명:LUPOX GP1000H) 57중량%로 이루어진 혼합물로 배터리 팩용 사이드 커버를 제조한 후 이를 각각 3일, 7일, 10일, 30일 동안 고습 조건(25℃, RH 90%) 속에 방치시킨 후 각각에 대하여 도 1과 같이 72개의 셀이 적층된 하이브리드 자동차용 배터리 팩을 제작하였다. 각각의 배터리 팩에 대하여 1C rate로 용량을 측정한 후 만방전 상태에서 특정 셀의 전압 강하 현상을 확인하였고 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 비교를 위해 PBT 대신 나일론(제조사:한국나일론, 제품명:MC nylon)을 사용하여 동일한 방법으로 평가하였다. 셀 번호는 한쪽 사이드 커버와 인접한 셀이 1번이고 다른 쪽 사이드커버와 인접한 셀이 72번이다.

[표 5]

상기 표 5의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 종래에 사용되는 나일론 재료로 사이드커버를 제조하는 경우 이를 고습조건에서 방치하였을 때 72셀 팩의 양끝단과 가운데, 단자가 있는 부분의 전압강하 현상이 나타나는 것을 알 수 있으며, 방치 시간에 따라 서로 다른 결과를 보여주는 것을 알 수가 있다. 그러나 본 발명에 따 른 재료를 사용하는 경우 특정 셀의 열화현상이 나타나지 않았다.

실시예의 결과를 종합하면 사이드 커버의 재질의 선택에 있어서, 고습조건에서 방치 시 함수율이 7중량% 이하 그리고 전기 전도도가 30 S/cm 이하로 유지되는 재료를 선택하여야 고습조건에서 누전에 의한 출력 저하나 특정 셀 열화 현상을 방지 할 수가 있음을 알 수가 있다.

도 1은 하이브리드 자동차 배터리 팩의 사시도이다.

*도면 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 하이브리드 자동차 배터리 팩

10: 적층 셀

21, 22: 사이드 커버

31, 32: 단자부

Claims (6)

1. 입출력 단자부가 구비되는 외장부재에 있어서,

   상기 외장부재가 폴리부틸렌테레프탈레이트(A)와 유리섬유(B)와의 중량비(A:B)가 1:0.5~1.5 범위가 되도록 혼합한 것을 함유하는 고분자 재료를 성형하여 이루어지며,

   고분자 재료를 성형한 후 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치하여 측정된 총 중량에 대한 증가된 중량의 비율인 함수율이 7중량% 이하이고,

   고분자 재료를 성형하고 단자를 형성한 후 상대습도 80%이상에서 30일 동안 방치한 후 프로브법으로 측정된 전기전도도가 30 S/cm 이하인 것을 특징으로 하는 외장 부재가,

   차량용 배터리팩에 구비되는 것을 특징으로 하는 외장부재가 구비된 차량용 배터리팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 재료는

   상기 폴리부틸렌테레프탈레이트가 중량 57%와 상기 유리섬유가 43%인 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 외장부재가 구비된 차량용 배터리팩.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images