JP6067923B2 - 過電流遮断装置及びこれを含む二次電池システム - Google Patents

過電流遮断装置及びこれを含む二次電池システム Download PDF

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Description

本発明は、過電流遮断装置及びこれを含む二次電池システムに関し、より詳しくは、二次電池の異常によって発生した過電流を迅速に遮断できる構造を有する過電流遮断装置及びこれを含む二次電池システムに関する。本出願は、２０１３年５月１５日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−００５５３２６号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
ビデオカメラ、携帯電話、ノートブックＰＣなどの携帯用電気製品の使用が活性化するに従い、それらの駆動電源として主に使用される二次電池の重要性が高まりつつある。
通常的に充電が不可能な一次電池とは違い、充電及び放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ、携帯電話、ラップトップコンピューター、パワーツール、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車、大容量電力貯蔵装置など、先端分野の開発への研究が活発に進行しつつある。
特に、リチウム二次電池は、既存の鉛蓄電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池及びニッケル−亜鉛電池などの他の二次電池に比べて、単位重量当たりエネルギー密度が高くて急速充電が可能であるため、使用が急速に増加しつつある。
リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上であって、携帯用電子器機の電源として使用されるか、複数の電池を直列または並列に接続して高出力の電気自動車、ハイブリッド自動車、パワーツール、電気自転車、電力貯蔵装置、ＵＰＳなどに使用される。
リチウム二次電池は、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−メタルハイドライド電池に比べて作動電圧が３倍も高く、単位重量当たりエネルギー密度の特性に優れるため、使用が急激に増加している。
リチウム二次電池は、電解質種類によって液体電解質を使用するリチウムイオン電池と、高分子固体電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池に分け得る。そして、リチウムイオンポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって、電解液が一切含有されていない完全固体型リチウムイオンポリマー電池と、電解液を含んでいるゲル状高分子電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池に分け得る。
液体電解質を使用するリチウムイオン電池の場合、大体円筒や角形の金属缶を容器として溶接密封した形態に使用される。このような金属缶を容器として使用する缶型二次電池は形態が固定されるため、これを電源として使用する電気製品のデザインを制約するという短所があり、体積を減らすことが困難である。したがって、電極組立体と電解質をフィルムで作ったパウチ包装材に入れ、封止して使用するパウチ型二次電池が開発され使用されている。
ところが、リチウム二次電池は、過熱された場合に爆発の危険性があり、安全性を確保することが重要な課題となっている。リチウム二次電池の過熱は多様な原因から発生するが、その一例として、リチウム二次電池に限界以上の過電流が流れる場合がある。過電流が流れれば、リチウム二次電池がジュール熱によって発熱するので、電池の内部温度が急速に上昇する。また、温度の急速な上昇は、電解液の分解反応を起こして熱暴走現象（thermal runaway）を発生させ、結局、電池の爆発に繋がるようになる。過電流は、尖った金属物体がリチウム二次電池を貫くか、正極と負極との間に介された分離膜の収縮によって正極と負極との間の絶縁が破壊されるか、外部に接続された充電回路や負荷の異常によって突入電流（rush current）が電池に印加されるなどの場合に発生する。
したがって、リチウム二次電池は、過電流の発生のような異常状況から電池を保護するために保護回路と結合して使用され、前記保護回路には過電流が発生したとき、充電または放電電流が流れる線路を非可逆的に断線するヒューズ素子が含まれることが一般的である。
図１は、リチウム二次電池を含むバッテリーパックと結合される保護路回の構成中、ヒューズ素子の配置構造及び動作メカニズムを説明するための回路図である。
図示したように、保護回路は過電流の発生時、バッテリーパックを保護するために、ヒューズ素子１、過電流センシングのためのセンス抵抗２、過電流発生をモニターして過電流の発生時、ヒューズ素子１を動作させるマイクロコントローラー３、及び前記ヒューズ素子１に動作電流の流入をスイッチングするスイッチ４を含む。
ヒューズ素子１は、バッテリーパックの最外側端子に接続された主線路に設けられる。主線路は充電電流または放電電流が流れる配線を示す。図面には、ヒューズ素子１が高電位線路（Ｐａｃｋ＋）に設けられたものとして示している。
ヒューズ素子１は３端子の素子部品であって、２つの端子は充電電流または放電電流が流れる主線路に接続され、残りの一つの端子はスイッチ４に接続される。そして、内部には、主線路に直列接続されて特定温度で溶断されるヒューズ１ａと、前記ヒューズ１ａに熱を印加する抵抗１ｂが含まれている。
前記マイクロコントローラー３は、センス抵抗２の両端の電圧を周期的に検出して過電流発生の有無をモニターし、過電流が発生したと判断されれば、スイッチ４をターンオンする。そうすれば、主線路に流れる電流がヒューズ素子１側にバイパスされて抵抗１ｂに印加される。これによって、抵抗１ｂで発生したジュール熱がヒューズ１ａに伝導されてヒューズ１ａの温度を上昇させ、ヒューズ１ａの温度が溶断温度まで上昇すれば、ヒューズ１ａが溶断されることで主線路が非可逆的に断線される。主線路が断線されれば過電流がこれ以上流れなくなるので、過電流から起因する問題を解消することができる。
しかし、上記のような従来技術は、さまざまな問題点を抱いている。即ち、マイクロコントローラー３で故障が発生すれば、過電流が発生した状況でもスイッチ４がターンオンされない。この場合、ヒューズ素子１の抵抗１ｂに電流が流入されないため、ヒューズ素子１が動作しないという問題がある。また、保護回路内にヒューズ素子１の配置のための空間が別途に必要で、ヒューズ素子１の動作制御のためのプログラムアルゴリズムをマイクロコントローラー３に必ず搭載しなければならない。したがって、保護回路の空間効率性が低下し、マイクロコントローラー３の負荷を増加させるという短所がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、保護回路が有する過電流遮断機能とは別に、二次電池自体で迅速に過電流を遮断できるように具現された過電流遮断装置及びこれを含む二次電池を提供することを目的とする。
なお、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、下記する発明の説明から当業者にとって明確に理解されるであろう。
上記の課題を達成するため、本発明による過電流遮断装置は、二次電池の両端間に接続され、前記二次電池に発生するスウェリング現象による圧力によってターンオンされるスイッチングユニットと、前記二次電池に流れる電流の経路上に設けられる部品であって、前記スイッチングユニットがターンオンされた場合、破断されることで前記二次電池に流れる電流を遮断するヒュージングユニットを含む。
前記二次電池は、少なくとも一つのバッテリーセルを含み得る。
前記スイッチングユニットは、前記二次電池の外側面において、前記バッテリーセルに並んだ面に隣接して位置し得る。
前記スイッチングユニットは、前記二次電池の第１電極に電気的に接続される第１導電プレートと、前記二次電池の第２電極に電気的に接続され、前記第１導電プレートから離隔して位置する第２導電プレートと、前記第１導電プレート及び第２導電プレートから離隔して位置し、前記スウェリング現象の発生時に加えられる圧力によって前記第１導電プレート及び第２導電プレートに接触する第３導電プレートと、を含み得る。
前記ヒュージングユニットは、第１金属プレートと、間隙をおいて、前記第１金属プレートから離隔して位置する第２金属プレートと、前記第１金属プレート及び第２金属プレートよりも低い融点を有し、前記間隙を満たす合金ブリッジと、を含み得る。
前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、同一平面において並んで位置し得る。
前記合金ブリッジの表面は、前記第１金属プレート及び第２金属プレートの表面と同一平面を成し得る。
前記第１金属プレートは、一側端部の厚さ方向の中心部から膨らんで形成された第１突出部を備え、前記第２金属プレートは、一側端部の厚さ方向の中心部から膨らんで形成され、前記第１突出部に対向する第２突出部を備え得る。
前記第１突出部及び第２突出部は、それぞれの対向面が互いに平行になるよう形成され得る。
前記第１突出部及び第２突出部は、それぞれの対向面が互いに反対方向に傾くように形成され得る。
前記第１突出部及び第２突出部は、それぞれの対向面が互いに向き合って膨らんで突出するように形成され得る。
前記対向面のそれぞれは、角をなす形状またはラウンド形状を有し得る。
前記合金ブリッジは、すず及び銅を含む無鉛合金材質からなり得る。
前記すずの含量は、前記無鉛合金の総重量を基準として８０ｗｔ％ないし９８ｗｔ％であり、銅の含量は２ｗｔ％ないし２０ｗｔ％であり得る。
前記無鉛合金は、ニッケル、亜鉛及び銀より選択された少なくとも一つの追加金属をさらに含み得る。
前記追加金属の含量は、前記無鉛合金の総重量を基準として０．０１ｗｔ％ないし１０ｗｔ％であり得る。
なお、前記技術的課題は、本発明の一実施例による二次電池システムによっても達成し得るが、このような二次電池システムは、バッテリーモジュールシステム及びバッテリーパックシステムを含む概念である。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュールシステムは、少なくとも一つのバッテリーセル、前記バッテリーセルを収容するハウジング及び前記バッテリーセルに電気的に接続され前記ハウジングの外側に突出した外部端子を含むバッテリーモジュールと、前記バッテリーモジュールの両端間に接続され、前記バッテリーモジュールのスウェリング現象による圧力によってターンオンされるスイッチングユニットと、前記バッテリーモジュールに流れる電流の経路上に設けられ、前記スイッチングユニットがターンオンされた場合、破断されることで前記バッテリーモジュールに流れる電流を遮断するヒュージングユニットと、を含む。
前記ヒュージングユニットは、前記バッテリーセルと前記外部端子とを接続するバスバーに適用し得る。
前記スイッチングユニットは、前記バッテリーモジュールの外側面において、前記バッテリーセルに並んだ面に隣接して位置し得る。
前記スイッチングユニットは、前記バッテリーモジュールの第１電極に電気的に接続される第１導電プレートと、前記バッテリーモジュールの第２電極に電気的に接続され、前記第１導電プレートから離隔して位置する第２導電プレートと、前記第１導電プレート及び第２導電プレートから離隔して位置し、前記スウェリング現象の発生時に加えられる圧力によって前記第１導電プレート及び第２導電プレートに接触する第３導電プレートと、を含み得る。
前記ヒュージングユニットは、第１金属プレートと、間隙をおいて、前記第１金属プレートから離隔して位置する第２金属プレートと、前記第１金属プレート及び第２金属プレートよりも低い融点を有し、前記間隙を満たす合金ブリッジと、を含み得る。
なお、本発明の一実施例によるバッテリーパックシステムは、少なくとも一つのバッテリーセル、前記バッテリーセルを収容するハウジング及び前記バッテリーセルに電気的に接続され前記ハウジングの外側に突出した外部端子を含むバッテリーモジュールが複数接続されて具現されるバッテリーパックと、前記バッテリーパックの両端間に接続され、前記バッテリーモジュールのスウェリング現象による圧力によってターンオンされるスイッチングユニットと、前記バッテリーパックに流れる電流の経路上に設けられ、前記スイッチングユニットがターンオンされた場合、破断されることで前記バッテリーモジュールに流れる電流を遮断するヒュージングユニットと、を含む。
前記ヒュージングユニットは、前記バッテリーモジュールの相互間を接続するインターコネクティングバーに適用され得る。
前記スイッチングユニットは、前記バッテリーモジュールの外側面において、前記バッテリーセルに並んだ面に隣接して位置し得る。
前記スイッチングユニットは、前記バッテリーパックの第１電極に電気的に接続される第１導電プレートと、前記バッテリーパックの第２電極に電気的に接続され、前記第１導電プレートから離隔して位置する第２導電プレートと、前記第１導電プレート及び第２導電プレートから離隔して位置し、前記スウェリング現象の発生時に加えられる圧力によって前記第１導電プレート及び第２導電プレートに接触する第３導電プレートと、を含み得る。
前記ヒュージングユニットは、第１金属プレートと、間隙をおいて、前記第１金属プレートから離隔して位置する第２金属プレートと、前記第１金属プレート及び第２金属プレートよりも低い融点を有し、前記間隙を満たす合金ブリッジと、を含み得る。
このような本発明によるバッテリーパックシステムによれば、短絡などによる二次電池のスウェリング現象によってターンオンされ、二次電池に流れる電流の経路上に設けられたコネクティング部品が迅速に破断されるようにすることで過電流を遮断することができ、二次電池の使用上の安全性を確保することができる。
ただし、本発明が有する効果はこれに限定されず、ここに説明されていない本発明による効果は、以下に説明する本発明の図面及び発明の詳細な説明からより明確に理解されるだろう。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
バッテリーモジュールと結合される保護回路の構成中、ヒューズ素子の配置構造及び動作メカニズムを説明するための回路図である。 本発明の一実施例による過電流遮断装置が適用された二次電池システムを示す回路図である。 図２に示した過電流遮断装置に適用されるスイッチングユニットの例示形態を示す図である。 図２に示した過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの例示形態を示す図である。 図２に示した過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの例示形態を示す図である。 図２に示した過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの例示形態を示す図である。 図２に示した過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの例示形態を示す図である。 図２に示した過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの例示形態を示す図である。 本発明の一実施例による過電流遮断装置が適用されたバッテリーパックシステムを示す図である。 図９に示したバッテリーパックシステムにおいて、過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの設置位置が変更された場合を示す図である。 本発明の一実施例による過電流遮断装置が適用されたバッテリーモジュールシステムを示す図である。 図１１に示したバッテリーモジュールシステムにおいて、過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの設置位置が変更された場合を示す図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
まず、図２を参照して本発明の一実施例による過電流遮断装置１００の構成を説明する。
図２は、本発明の一実施例による過電流遮断装置が適用された二次電池システムを示す回路図である。
図２を参照すれば、本発明の一実施例による過電流遮断装置１００は、二次電池Ｂの両端間に接続されるスイッチングユニット１０及びヒュージングユニット２０を含む。ここで、前記二次電池Ｂは、少なくとも一つのバッテリーセル（図示せず）を含むものであって、後述するバッテリーモジュール及びバッテリーパックを含む概念である。
前記スイッチングユニット１０は、二次電池Ｂの両端間に接続され、二次電池Ｂの外側面においてバッテリーセルに並んだ面に隣接して位置する。前記スイッチングユニット１０は、二次電池Ｂに発生するスウェリング（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象による圧力によってターンオンされることで、短絡によって発生した過電流を迂回させる。
前記ヒュージングユニット２０は、二次電池Ｂに流れる電流の経路上に設けられる部品であって、スイッチングユニット１０のターンオン動作により迂回する過電流によって破断されることで、二次電池Ｂに流れる電流を遮断する役割をする。
このように、前記過電流遮断装置１００は、二次電池Ｂの短絡発生によるスウェリング現象によってターンオンされるスイッチングユニット１０及びスイッチングユニット１０のターンオン動作によって破断されるヒュージングユニット２０を含む閉回路に該当する。
即ち、前記二次電池Ｂの両端に外部デバイスＤが接続されて二次電池Ｂが充電または放電する過程で短絡が発生した場合、Ａ経路に沿って流れていた電流は相対的に抵抗が小さいＢ経路に沿って迂回し、迂回した短絡電流はこのようなＢ経路上に設けられたヒュージングユニット２０を切る。このように、前記ヒュージングユニット２０が破断されれば、二次電池Ｂに沿う電流の流れは完全に遮断され、これによって二次電池Ｂの過熱による爆発／発火などの事故を防止することができる。
次は、図３を参照して本発明の一実施例による過電流遮断装置１００に採用されたスイッチングユニット１０の具体的な構成を説明する。
図３は、図２に示した過電流遮断装置に適用されるスイッチングユニットの例示形態を示す図である。
図３を参照すれば、本発明の一実施例による過電流遮断装置１００に採用されたスイッチングユニット１０は、第１導電プレート１１、第２導電プレート１２、第３導電プレート１３及び弾性部材１４を含み得る。
前記第１導電プレート１１は、二次電池Ｂの第１電極に電気的に接続され、第２導電プレート１２は、第１導電プレート１１から離隔した状態で二次電池Ｂの第２電極に電気的に接続される。
また、前記第３導電プレート１３は、弾性部材１４によって第１導電プレート１１及び第２導電プレート１２から離隔した状態で二次電池Ｂの一面に隣接して位置する。
より具体的には、前記第３導電プレート１３は、短絡により二次電池Ｂの外側面が膨れることで加えられる圧力によって、第１導電プレート１１及び第２導電プレート１２に接触するように設けられる。即ち、前記第３導電プレート１３は、スウェリング現象による圧力を受けてターンオンされるよう、二次電池Ｂの外側面においてバッテリーセルＣに並んだ面に隣接して位置する。
次は、図４ないし図８を参照して、本発明の一実施例による過電流遮断装置１００に適用されたヒュージングユニット２０の具体的な構成を説明する。図４ないし図８は、図２に示した過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの例示形態を示す図である。
まず、図４を参照すれば、本発明の一実施例による過電流遮断装置１００に採用されたヒュージングユニット２０は、第１金属プレート２１、第２金属プレート２２及び合金ブリッジ２３を含む。
前記金属プレート（２１、２２）は、薄い板状の金属であって、間隙をおいて同じ平面上に並んで位置する。
また、前記金属プレート（２１、２２）は、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）材質からなることが一般的であるが、本発明の金属プレート（２１、２２）の材質はこれに限定されず、多様な伝導性金属材質を適用可能である。
前記材質の種類は、金属プレート（２１、２２）と結合される部品の材質によって変わり得る。即ち、前記金属プレート（２１、２２）の材質は、結合される部品の材質と同じ材質からなることが、溶接性の向上及び接触抵抗の最小化の面で有利である。結合される部品の材質によって前記第１金属プレート２１と第２金属プレート２２とが互いに異なる金属材質からなり得ることはいうまでもない。
前記合金ブリッジ２３は、金属プレート（２１、２２）よりも低い融点を有する合金材質からなるものであって、金属プレート（２１、２２）の間に形成される間隙を満たす。前記ヒュージングユニット２０に過電流が流れる場合において、合金ブリッジ２３が迅速に溶融できるよう合金ブリッジ２３の表面は金属プレート（２１、２２）の表面と同じ平面を成すことが望ましい。
前記合金ブリッジ２３を成す合金は、金属プレート（２１、２２）の融点よりも低い約１００℃ないし２５０℃の融点を有し、すず（Ｓｎ）及び銅（Ｃｕ）を主成分として含むが、環境及び人体に有害な鉛（Ｐｂ）を含まない無鉛合金からなり得る。
前記合金ブリッジ２３を成す合金の融点範囲は、遮断しようとする過電流のレベルを考慮して設定される。前記合金の融点が１００℃よりも低ければ、ヒュージングユニット２０が適用された二次電池に正常電流が流れる場合にも合金が溶融されることがある。また、前記合金の融点が２５０℃よりも高ければ、合金の溶融が迅速に行われなくなり、過電流を効果的に遮断できなくなるという問題点がある。
前記合金の成分のうち、すずは合金の融点及び引張強度の特性に影響を及ぼす。前記合金が約１００℃ないし２５０℃範囲の融点を有しながらも良好な引張強度の特性を有するよう、すずの含量は約８０ｗｔ％以上、望ましくは８５％ないし９８ｗｔ％の範囲で調節される。前記銅は、合金の電気伝導度を向上させる機能をし、このような機能を考慮して、銅の含量は約２ｗｔ％ないし２０ｗｔ％の範囲で調節され、望ましくは約４ｗｔ％ないし１５ｗｔ％の範囲で調節される。ここで、前記ｗｔ％は、合金ブリッジ２３を成す合金の総重量を基準とした単位である（以下、同一である）。
上述のようにすず及び銅の含量が適切な範囲を有するように調節することで、合金ブリッジ２３を成す合金の引張強度を良好にすることができるだけでなく、合金ブリッジ２３によるヒュージングユニット２０の抵抗増加を数％以内に抑制ことができる。
前記合金ブリッジ２３は、より向上した物性を有するために、すず及び銅に加え、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）などのように電気伝導度の良い金属を追加合金成分としてさらに含み得る。前記追加合金成分の含量は、合金の総重量に対し約０．０１ｗｔ％ないし１０ｗｔ％であることが望ましい。
前述のように、前記ヒュージングユニット２０は、相対的に伝導性に優れる金属と、相手的に低い融点を有する合金とが組み合わせられた二重構造を有することで、過電流に対する迅速な遮断性を有しながらも比較的優秀な伝導性も有することができる。
次に、図５を参照すれば、前記金属プレート２１、２２は、対向する端部が突出した形状を有することができ、これによって合金ブリッジ２３の断面は略「Ｉ」字形状を有し得る。
即ち、前記第１金属プレート２１は、それの一側端部の厚さ方向の中心部から略垂直方向に膨らんで形成された第１突出部２１ａを備え、前記第２金属プレート２２は、その一側端部の厚さ方向の中心部から略垂直方向に膨らんで形成された第２突出部２２ａを備える。また、このような一対の突出部（２１ａ、２２ａ）は互いに対向する。
前記突出部（２１ａ、２２ａ）の高さＨ及び幅Ｗは、ヒュージングユニット２０の電気伝導性、過電流に対する安全性（破断の容易性）及び引張強度などの特性に影響を与えるようになる。
例えば、前記合金ブリッジ２３が形成される幅、即ち、接合領域Ａの幅を一定に固定したとき、前記高さＨが増加するほど、ヒュージングユニット２０が有する電気伝導性は向上するに対し、過電流に対する安全性及び引張強度は低下する。同様に、前記接合領域Ａの幅を一定に固定したとき、前記幅Ｗが増加するほど、ヒュージングユニット２０が有する電気伝導性は低下するに対し、過電流に対する安全性及び引張強度の特性は向上する傾向がある。
他方で、前記一対の突出部（２１ａ、２２ａ）間の距離を一定に固定したとき、前記高さＨが増加するほど、ヒュージングユニット２０が有する電気伝導性は減少するに対し、過電流に対する安全性及び引張強度は向上する。同様に、前記一対の突出部（２１ａ、２２ａ）間の距離を一定に固定したとき、前記幅Ｗが増加するほど、ヒュージングユニット２０が有する電気伝導性は向上するに対し、過電流に対する安全性及び引張強度は低下する傾向がある。
これは、金属プレート（２１、２２）を成す金属が合金ブリッジ２３を成す合金に比べて電気伝導性はさらに優秀である一方、融点はさらに高く、延性（ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ）においては低下する特性を有するためである。したがって、前記突出部（２１ａ、２２ａ）の高さＨ及び幅Ｗを適切に調節することで、優秀な物性を有しながらも、過電流が流れる場合、迅速に破断されるヒュージングユニット２０を得ることができる。
一方、図５ないし図８を参照すれば、前記突出部（２１ａ、２２ａ）それぞれの対向面（Ｓ１、Ｓ２）は、多様な形態に形成され得る。即ち、前記対向面（Ｓ１、Ｓ２）は金属プレート（２１、２２）の長手方向と略垂直を成す平面形態を有するが、互いに一直線になるように（図５参照）、または互いに反対方向に傾くように（図６参照）形成され得る。また、前記対向面（Ｓ１、Ｓ２）は互いに膨らんで突出した形態を有するが、角をなす形状（図７参照）またはラウンド形状（図８参照）を有するように形成され得る。
一方、本発明の図５ないし図８に示された構造を例として前記突出部（２１ａ、２２ａ） それぞれの対向面（Ｓ１、Ｓ２）の形状を説明したが、本発明はこれに限定されない。即ち、前記対向面（Ｓ１、Ｓ２）は、互いに同一方向に傾くか、金属プレート（２１、２２）の内側方向に凹まれるように形成されるか、または山と谷とが繰り返される形態を有する場合など、多様な形態に形成され得る。
次は、図９及び図１０を参照して、前記過電流遮断装置１００が適用されたバッテリーパックシステムを説明する。
図９は、本発明の一実施例による過電流遮断装置が適用されたバッテリーパックシステムを示す図であり、図１０は、図９に示されたバッテリーパックシステムにおいて、過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの設置位置が変更された場合を示す図である。
まず、図９を参照すれば、前記バッテリーパックシステムは少なくとも２つのバッテリーモジュール（Ｍ１、Ｍ２）が電気的に接続されて具現されたバッテリーパックＰに、本発明による過電流遮断装置１００が適用されたものである。
前記バッテリーモジュール（Ｍ１、Ｍ２） それぞれは、少なくとも一つのバッテリーセル（図示せず）、バッテリーセルを収容するハウジング３０、ハウジング３０の外側に突出した外部端子４０、及びバッテリーセルと外部端子４０とを接続するバスバー５０を含み、バッテリーモジュール（Ｍ１、Ｍ２）の間はインターコネクティングバー６０によって電気的に接続される。
前記バッテリーパックシステムにおいて、スイッチングユニット１０は、ハウジング３０の外側面においてバッテリーセルに並んだ面に隣接して位置することで、スウェリング現象の発生時にターンオンされる。
なお、本発明の図面ではスイッチングユニット１０がバッテリーパックＰの外側面に隣接して位置する場合のみを示しているが、本発明はこれに限定されない。即ち、前記スイッチングユニット１０は、スウェリング現象によってターンオンされ得る位置に設けられる場合であれば、本発明の目的達成のための機能を行うことができるため、隣接するバッテリーモジュール（Ｍ１、Ｍ２） の間に位置し得る。
前記ヒュージングユニット２０は、バッテリーモジュール（Ｍ１、Ｍ２） の間を接続する部品として使用され得る。即ち、図９に示されたバッテリーパックシステムは、インターコネクティングバー６０にヒュージングユニット２０が適用された構造を有する。
ただし、本発明によるバッテリーパックシステムにおいて、ヒュージングユニット２０が適用される位置はこれに限定されない。即ち、前記ヒュージングユニット２０は、例えば、図１０に示したように、バッテリーパックＰの両端に位置する外部端子４０に接続されるリード端子７０に適用してもよく、さらに、バスバー５０などのようにバッテリーパックＰに流れる電流の経路上に設けられた多様な部品を代替可能である。
次に、図１１及び図１２を参照して、前記過電流遮断装置１００が適用されたバッテリーモジュールシステムを説明する。
図１１は、本発明の一実施例による過電流遮断装置が適用されたバッテリーモジュールシステムを示す図であり、図１２は、図１１に示したバッテリーモジュールシステムにおいて、過電流遮断装置に適用されるヒュージングユニットの設置位置が変更された場合を示す図である。
まず、図１１を参照すれば、前記バッテリーモジュールシステムは、前術のバッテリーモジュール（Ｍ１、Ｍ２）と実質的に同じバッテリーモジュールＭに、本発明による過電流遮断装置１００を適用したものである。
前記バッテリーモジュールシステムにおいて、前記ヒュージングユニット２０は、バッテリーセルと外部端子４０とを接続する部品として使用され得る。即ち、図１１に示したバッテリーモジュールシステムは、バスバー５０にヒュージングユニット２０が適用された構造を有する。
ただし、本発明によるバッテリーモジュールシステムにおいて、ヒュージングユニット２０が適用される位置はこれに限定されない。即ち、前記ヒュージングユニット２０は、例えば、図１２に示したように、バッテリーモジュールＭの両端に位置する外部端子４０に接続されるリード端子７０にも適用され得、さらにバッテリーモジュールＭに流れる電流の経路上に設けられた多様な部品を代替可能である。
前述したように、本発明による過電流遮断装置１００は、バッテリーモジュールＭやバッテリーパックＰのように複数のバッテリーセルＣを備える二次電池Ｂの充放電過程で短絡が発生した場合、二次電池に流れる電流の経路を迅速に遮断する。
したがって、前記過電流遮断装置１００を備える二次電池システムは、過熱による発火・爆発などの危険が減少し、二次電池の使用上の安全性を確保することができる。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
１ ヒューズ素子
２ センス抵抗
３ マイクロコントローラー
４ スイッチ
１０ スイッチングユニット
１１ 第１導電プレート
１２ 第２導電プレート
１３ 第３導電プレート
１４ 弾性部材
２０ ヒュージングユニット
２１ 金属プレート
２１ａ 第１突出部
２２ 金属プレート
２２ａ 第２突出部
２３ 合金ブリッジ
３０ ハウジング
４０ 外部端子
５０ バスバー
６０ インターコネクティングバー
７０ リード端子
１００ 過電流遮断装置

Claims (23)

  1. 二次電池の両端間に接続され、前記二次電池に発生するスウェリング現象による圧力によってターンオンされるスイッチングユニットと、
    前記二次電池に流れる電流の経路上に設けられる部品としてのヒュージングユニットであって、前記スイッチングユニットがターンオンされた場合、破断されることで前記二次電池に流れる電流を遮断するヒュージングユニットと、
    を含み、
    前記スイッチングユニットは、
    前記二次電池の第１電極に電気的に接続される第１導電プレートと、
    前記二次電池の第２電極に電気的に接続され、前記第１導電プレートから離隔して位置する第２導電プレートと、
    前記第１導電プレート及び第２導電プレートから離隔して位置し、前記スウェリング現象の発生時に加えられる圧力によって前記第１導電プレート及び第２導電プレートに接触する第３導電プレートと、
    を含むことを特徴とする過電流遮断装置。
  2. 前記二次電池は、少なくとも一つのバッテリーセルを含むことを特徴とする請求項１に記載の過電流遮断装置。
  3. 前記スイッチングユニットは、前記二次電池の外側面において、前記バッテリーセルに並んだ面に隣接して位置することを特徴とする請求項２に記載の過電流遮断装置。
  4. 前記ヒュージングユニットは、
    第１金属プレートと、
    間隙をおいて、前記第１金属プレートから離隔して位置する第２金属プレートと、
    前記第１金属プレート及び第２金属プレートよりも低い融点を有し、前記間隙を満たす合金ブリッジと、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の過電流遮断装置。
  5. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、同一平面において並んで位置することを特徴とする請求項４に記載の過電流遮断装置。
  6. 前記合金ブリッジの表面は、前記第１金属プレート及び第２金属プレートの表面と同一平面を成すことを特徴とする請求項５に記載の過電流遮断装置。
  7. 前記第１金属プレートは、一側端部の厚さ方向の中心部から膨らんで形成された第１突出部を備え、
    前記第２金属プレートは、一側端部の厚さ方向の中心部から膨らんで形成され、前記第１突出部に対向する第２突出部を備えることを特徴とする請求項４に記載の過電流遮断装置。
  8. 前記第１突出部及び第２突出部は、それぞれの対向面が互いに平行になるように形成されたことを特徴とする請求項７に記載の過電流遮断装置。
  9. 前記第１突出部及び第２突出部は、それぞれの対向面が互いに反対方向に傾くように形成されたことを特徴とする請求項７に記載の過電流遮断装置。
  10. 前記第１突出部及び第２突出部は、それぞれの対向面が互いに向き合って突出していることを特徴とする請求項７に記載の過電流遮断装置。
  11. 前記対向面のそれぞれは、角をなす形状またはラウンド形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の過電流遮断装置。
  12. 前記合金ブリッジは、すず及び銅を含む無鉛合金の材質からなることを特徴とする請求項４に記載の過電流遮断装置。
  13. 前記すずの含量は、前記無鉛合金の総重量を基準として８０ｗｔ％ないし９８ｗｔ％であり、銅の含量は、２ｗｔ％ないし２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１２に記載の過電流遮断装置。
  14. 前記無鉛合金は、ニッケル、亜鉛及び銀より選択された少なくとも一つの追加金属をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の過電流遮断装置。
  15. 前記追加金属の含量は、前記無鉛合金の総重量を基準として０．０１ｗｔ％ないし１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１４に記載の過電流遮断装置。
  16. 少なくとも一つのバッテリーセル、前記バッテリーセルを収容するハウジング及び前記バッテリーセルに電気的に接続され前記ハウジングの外側に突出した外部端子を含むバッテリーモジュールと、
    前記バッテリーモジュールの両端間に接続され、前記バッテリーモジュールのスウェリング現象による圧力によってターンオンされるスイッチングユニットと、
    前記バッテリーモジュールに流れる電流の経路上に設けられ、前記スイッチングユニットがターンオンされた場合、破断されることで前記バッテリーモジュールに流れる電流を遮断するヒュージングユニットと、
    を含み、
    前記スイッチングユニットは、
    前記バッテリーモジュールの第１電極に電気的に接続される第１導電プレートと、
    前記バッテリーモジュールの第２電極に電気的に接続され、前記第１導電プレートから離隔して位置する第２導電プレートと、
    前記第１導電プレート及び第２導電プレートから離隔して位置し、前記スウェリング現象の発生時に加えられる圧力によって前記第１導電プレート及び第２導電プレートに接触する第３導電プレートと、
    を含むことを特徴とするバッテリーモジュールシステム。
  17. 前記ヒュージングユニットは、前記バッテリーセルと前記外部端子とを接続するバスバーに適用されることを特徴とする請求項１６に記載のバッテリーモジュールシステム。
  18. 前記スイッチングユニットは、前記バッテリーモジュールの外側面において、前記バッテリーセルに並んだ面に隣接して位置することを特徴とする請求項１６に記載のバッテリーモジュールシステム。
  19. 前記ヒュージングユニットは、
    第１金属プレートと、
    間隙をおいて、前記第１金属プレートから離隔して位置する第２金属プレートと、
    前記第１金属プレート及び第２金属プレートよりも低い融点を有し、前記間隙を満たす合金ブリッジと、
    を含むことを特徴とする請求項１６に記載のバッテリーモジュールシステム。
  20. 少なくとも一つのバッテリーセル、前記バッテリーセルを収容するハウジング及び前記バッテリーセルに電気的に接続され前記ハウジングの外側に突出した外部端子を含むバッテリーモジュールが複数接続されて具現されるバッテリーパックと、
    前記バッテリーパックの両端間に接続され、前記バッテリーモジュールのスウェリング現象による圧力によってターンオンされるスイッチングユニットと、
    前記バッテリーパックに流れる電流の経路上に設けられ、前記スイッチングユニットがターンオンされた場合、破断されることで前記バッテリーモジュールに流れる電流を遮断するヒュージングユニットと、
    を含み、
    前記スイッチングユニットは、
    前記バッテリーパックの第１電極に電気的に接続される第１導電プレートと、
    前記バッテリーパックの第２電極に電気的に接続され、前記第１導電プレートから離隔して位置する第２導電プレートと、
    前記第１導電プレート及び第２導電プレートから離隔して位置し、前記スウェリング現象の発生時に加えられる圧力によって前記第１導電プレート及び第２導電プレートに接触する第３導電プレートと、
    を含むことを特徴とするバッテリーパックシステム。
  21. 前記ヒュージングユニットは、前記バッテリーモジュールの相互間を接続するインターコネクティングバーに適用されることを特徴とする請求項２０に記載のバッテリーパックシステム。
  22. 前記スイッチングユニットは、前記バッテリーモジュールの外側面において、前記バッテリーセルに並んだ面に隣接して位置することを特徴とする請求項２０に記載のバッテリーパックシステム。
  23. 前記ヒュージングユニットは、
    第１金属プレートと、
    間隙をおいて、前記第１金属プレートから離隔して位置する第２金属プレートと、
    前記第１金属プレート及び第２金属プレートよりも低い融点を有し、前記間隙を満たす合金ブリッジと、
    を含むことを特徴とする請求項２０に記載のバッテリーパックシステム。
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