JP6639788B2 - 二次電池用保護装置 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池用保護装置に関する。
一般に二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電および放電が可能な電池であって、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池とリチウム（Ｌｉ）イオン電池などが用いられる。二次電池は、モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド自動車などのエネルギー源として用いられ、適用される機器の種類に応じて多様な形態に用いられる。
低容量の二次電池は、携帯電話機やノートパソコンおよびビデオカメラのように携帯が可能な小型電子機器に用いられ、大容量の二次電池は、ハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として用いられる。
二次電池は、小型電子機器でのように単一セルで用いられたり、モータ駆動用でのように複数の単位セルを電気的に連結したモジュール状態または複数のモジュールを電気的に連結したパック状態で用いられる。
しかし、このような二次電池は、非正常的に過充電される場合、二次電池内部の電圧が上昇してガスが発生し、発生したガスにより内部圧力が上昇して二次電池のケースが膨張および破壊するという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、二次電池の非正常的な過充電を防止することが可能な、新規かつ改良された二次電池用保護装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、正極端子および負極端子の間に互いに直列連結された複数の単位セルを含み、前記正極端子に連結された第１外部ポートおよび前記負極端子に連結された第２外部ポートを通じて充電器と連結されて充電される電池モジュールと、前記電池モジュールと前記充電器との間の電流経路に形成されたパックヒューズと、前記電池モジュールの内部圧力に応じて前記複数の単位セル中の第１および第２単位セルの間に流れる電流を前記パックヒューズに流れるようにするバイパス経路を形成する連結部と、を含む二次電池用保護装置が提供される。
そして、前記連結部は、前記電池モジュールの内部圧力に応じて物理的に変形して前記第１および第２単位セルのそれぞれと前記パックヒューズとの間に電気的な導線を形成することができる。また、前記連結部は、前記第１単位セル上に形成され、前記第１単位セルと前記パックヒューズの一端を電気的に連結する第１連結部と、前記第２単位セル上に形成され、前記パックヒューズの他端と前記第２単位セルを電気的に連結する第２連結部と、を含むことができる。
そして、前記複数の単位セルのそれぞれは、正極ターミナルおよび負極ターミナルを含む電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を含むことができる。
そして、前記第１および第２単位セルのそれぞれは、前記各ケースと前記各正極ターミナルを電気的に連結する連結タブを含むことができる。また、前記第１および第２連結部のそれぞれは、前記ケースから延びて前記ケースの内部方向に膨らむように形成された第１短絡プレートと、前記第１短絡プレート上に前記第１短絡プレートと離隔して配置された第２短絡プレートと、を含むことができる。
また、前記第１短絡プレートは、前記内部圧力に応じて変形して前記第２短絡プレートと物理的に接触することができる。そして、前記パックヒューズは、前記第１単位セルの正極ターミナルと前記第１外部ポートとの間に配置されることができる。
以上説明したように本発明によれば、二次電池の非正常的な過充電を防止することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているという時、これは「直接的に連結」されている場合だけでなく、その中間に他の素子を通じて「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の基材がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
以下、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施形態を図面を参照して詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池用保護装置を示した回路図である。
図１を参照すれば、本発明の実施形態に係る二次電池用保護装置１は、電池モジュール１０と、パックヒューズ２０と、第１および第２連結部３０、４０とを含む。電池モジュール１０の正極端子Ｂ＋および負極端子Ｂ−は、外部電源線ＯＬ１、ＯＬ２および外部ポートＰ１、Ｐ２を通じて充電器２と連結されて充電される。
また、電池モジュール１０は、外部ポートＰ１、Ｐ２を通じて外部負荷（図示せず）と連結されて放電される。本発明の実施形態に係る電池モジュール１０は、車両、電気自転車などに適用可能である。
電池モジュール１０は、単位セルＣ１〜Ｃ６を含む。単位セルＣ１〜Ｃ６は、電池モジュール１０の正極端子Ｂ＋および負極端子Ｂ−の間に互いに直列連結されている。電池モジュール１０を構成する単位セルの個数は、実施形態の説明のために６個と設定されたが、本発明の実施形態はこれに限定されない。
パックヒューズ２０は、電池モジュール１０と充電器２との間の大電流経路上に形成されている。パックヒューズ２０は、電池モジュール１０と充電器２との間に予め設定されたレベル以上の電流が流れると、溶断して大電流経路を遮断させる。そのために、パックヒューズ２０は、単位セルＣ１（第１単位セル）の正極ターミナルに連結された一端と、外部ポートＰ１に連結された他端とを含む。また、本発明の実施形態に係るパックヒューズ２０は、電池モジュール１０の非正常的な過充電時、第１および第２連結部３０、４０を通じて短絡電流が流れると溶断して大電流経路を遮断させることができる。
第１連結部３０は、単位セルＣ１〜Ｃ６中の単位セルＣ１（第１単位セル）の正極ターミナルとパックヒューズ２０の他端との間に形成されている。第１連結部３０は、電池モジュール１０の非正常的な過充電により内部圧力が上昇すると、物理的に変形して電気的な導線を形成する。
第２連結部４０は、単位セルＣ１〜Ｃ６中の単位セルＣ６（第２単位セル）の正極ターミナルとパックヒューズ２０の一端との間に形成されている。第２連結部４０は、電池モジュール１０の非正常的な過充電により内部圧力が上昇すると、物理的に変形して電気的な導線を形成する。
一方、本発明の実施形態に係る第１および第２連結部３０、４０のそれぞれは、単位セルＣ１〜Ｃ６中の最高電圧側単位セルＣ１および最低電圧側単位セルＣ６の正極ターミナルに連結された構成を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されず、パックヒューズ２０を溶断させることができる短絡電流の大きさに応じて第１および第２連結部３０、４０の位置は変更可能である。
図２は、本発明の実施形態に係る二次電池用保護装置を概略的に示した構成図である。
図２を参照すれば、本発明の実施形態に係る二次電池用保護装置１は、電池モジュール１０と、パックヒューズ２０と、第１および第２連結部３０、４０とを含む。電池モジュール１０は、一定間隔で一方向に配置された単位セルＣ１〜Ｃ６を含む。
ここで、単位セルＣ１〜Ｃ６のそれぞれは、電極組立体１１と、ケース１３と、正極ターミナル１５と、負極ターミナル１７とを含む。ここで、単位セルＣ１〜Ｃ６は、リチウムイオン二次電池として角型で形成されたものを例に挙げて説明する。本発明の実施形態はこれに限定されず、リチウムポリマー電池または円筒型電池など多様な形態の電池に適用可能である。
電極組立体１１は、セパレータを介してセパレータの両側に正極板と負極板が配置される構造を含む。ケース１３は、電極組立体１１を収容し、アルミニウム、ステンレススチールなどの金属で形成され得る。正極ターミナル１５および負極ターミナル１７のそれぞれは、外周面にねじ山が形成されたボルト形態で形成され得る。
単位セルＣ２〜Ｃ６のそれぞれの正極ターミナル１５は、隣接した単位セルＣ１〜Ｃ５の負極ターミナル１７に連結されている。ここで、単位セルＣ１の正極ターミナル１５は、電池モジュール１０の正極端子Ｂ＋に電気的に連結されており、単位セルＣ６の負極ターミナル１７は、電池モジュール１０の負極端子Ｂ−に電気的に連結されている。
第１連結部３０は、単位セルＣ１上に配置され、第１短絡プレート３０ａおよび第２短絡プレート３０ｂを含む。ここで、第１短絡プレート３０ａは、ケース１３の内部方向に膨らむように形成され、ケース１３の内部圧力によりその形態が反転して第２短絡プレート３０ｂに物理的に接触する。
そして、第１短絡プレート３０ａは、連結タブ１９を通じて単位セルＣ１の正極ターミナル１５に電気的に連結される。連結タブ１９は、単位セルＣ１の正極ターミナル１５から延びて形成されてもよく、その形態は限られない。
第２短絡プレート３０ｂは、第１短絡プレート３０ａに対向して配置され、第１短絡プレート３０ａと一定間隔離隔して形成される。第２短絡プレート３０ｂは、配線ＢＬ１を通じてパックヒューズ２０の他端に電気的に連結されている。
第２連結部４０は、単位セルＣ６上に配置され、第１短絡プレート４０ａおよび第２短絡プレート４０ｂを含む。ここで、第１短絡プレート４０ａは、ケース１３の内部方向に膨らむように形成され、ケース１３の内部圧力によりその形態が反転して第２短絡プレート４０ｂに物理的に接触する。
そして、第１短絡プレート４０ａは、連結タブ２１を通じて単位セルＣ６の正極ターミナル１５に電気的に連結される。連結タブ２１は、単位セルＣ６の正極ターミナル１５から延びて形成されてもよく、その形態は限られない。
第２短絡プレート４０ｂは、第１短絡プレート４０ａに対向して配置され、第１短絡プレート４０ａと一定間隔離隔して形成される。第２短絡プレート４０ｂは、配線ＢＬ２を通じてパックヒューズ２０の一端に電気的に連結されている。
一方、本発明の実施形態では、第１および第２連結部３０、４０それぞれの第２短絡プレート３０ｂ、４０ｂが単位セルＣ１、Ｃ６のそれぞれのケース１３上に配置された構成を例に挙げて示したが、本発明の実施形態はこれに限定されず、第１および第２連結部３０、４０それぞれの第２短絡プレート３０ｂ、４０ｂが電池モジュール１０のケース上に配置されてもよい。
図３は、図２に示された第１連結部３０の詳細構成図である。
図３を参照すれば、本発明の実施形態に係る第１連結部３０は、第１短絡プレート３０ａと、第２短絡プレート３０ｂとを含む。第１短絡プレート３０ａは、ケース１３の短絡ホール１３ａ上に形成されている。第１短絡プレート３０ａは、ケース１３と一体に形成され得る。
第２短絡プレート３０ｂは、ケース１３の短絡ホール１３ａ上に第１短絡プレート３０ａと離隔して配置される。ここで、第２短絡プレート３０ｂは、ボルト３０ｃと、リングターミナル３０ｄと、ナット３０ｅとを含む。
ボルト３０ｃは、インサートモールディングにより絶縁体１３ｂに部分的に埋込まれてケース１３に固定される。絶縁体１３ｂは、ケース１３上に形成される。ここで、絶縁体１３ｂは、ケース１３から突出した固定タブ１３ｃによりケース１３に固定して形成され得る。
リングターミナル３０ｄは、ボルト３０ｃと結合し、端部に圧着連結された配線を通じてパックヒューズ２０の他端に電気的に連結される。ナット３０ｅは、ボルト３０ｃに結合してリングターミナル３０ｄを固定させる。
このような構成を有する第１連結部３０は、電池モジュール１０の非正常的な過充電時、ケース１３が内部圧力により膨張して第１短絡プレート３０ａの形態が反転する。例えば、図３に点線で示された形態で反転され得る。
これによって、第１短絡プレート３０ａがボルト３０ｃに物理的に接触し、リングターミナル３０ｄの配線を通じて単位セルＣ１の正極ターミナル１５とパックヒューズ２０の他端とが電気的に連結される。一方、本発明の実施形態に係る第２連結部４０は、第１連結部３０の構成と同一であるため、詳しい説明および図示を省略する。
図４および図５は、本発明の実施形態に係る二次電池用保護装置の動作を説明するために示した図面であって、電池モジュール１０の非正常的な過充電状態を示した図面である。
図４を参照すれば、まず、電池モジュール１０に充電器２が連結されると、電池モジュール１０の充電が始まる。この状態で電池モジュール１０が非正常的に過充電されて内部圧力が上昇する場合、第１および第２連結部３０、４０は物理的に変形して電気的な導線を形成する。
そうすると、第１連結部３０を通じて単位セルＣ１の正極ターミナルとパックヒューズ２０の他端とが電気的に連結され、第２連結部４０を通じて単位セルＣ６の正極ターミナルとパックヒューズ２０の一端とが電気的に連結される。したがって、単位セルＣ１の正極ターミナルと単位セルＣ５の負極ターミナルとの間に短絡（ｓｈｏｒｔ）が発生する。
つまり、第１および第２連結部３０、４０を通じて単位セルＣ１〜Ｃ５間に流れる電流をパックヒューズ２０にバイパスさせるバイパス経路ＢＰが形成される。そうすると、単位セルＣ１の正極ターミナル、パックヒューズ２０および単位セルＣ５の負極ターミナルを通じて短絡電流が流れ、図５に示されているように、パックヒューズ２０は、短絡電流により溶断される。そのために、電池モジュール１０と充電器２との間の大電流経路が遮断されて電池モジュール１０の充電が中止する。
つまり、本発明の実施形態は、通常のバッテリー管理システム（ＢＭＳ；Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）の制御だけで、過充電を防止することができない非正常的な状況下で物理的に変形される第１および第２連結部３０、４０を通じてパックヒューズ２０に電池モジュール１０の最高電圧側単位セルＣ１と最低電圧側単位セルＣ６との間の電圧差に対応する短絡電流を誘導する。これによって、電池モジュール１０と充電器２との間の電気的な連結が遮断されて電池モジュール１０の非正常的な過充電を防止することができる。
言い換えると、二次電池の非正常的な過充電時、内部圧力に応じて変形される素子を用いて最高電圧側単位セルと最低電圧側単位セルとの間に流れる電流をパックヒューズにバイパスさせてパックヒューズを溶断させることによって、充電器から二次電池に供給される電流を物理的に遮断させることができる。
また、通常、過充電を防止するために、内部圧力に応じて複数の単位セルのそれぞれの電流経路を遮断するＣＩＤ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）や、電流経路をバイパスさせる導線を形成するＯＳＤ（Ｏｖｅｒｃｈａｒｇｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｄｅｖｉｃｅ）などを用いる場合、単位セルの部品数が増加し、頑健性が弱い。また、ＯＳＤを単位セルに適用する場合、単位セルのそれぞれに設けられた別途のヒューズに大電流を誘導してヒューズを溶断させなければならないため、ＯＳＤとヒューズとの間のトレードオフにより性能が低下する。
これに比べて、本発明の実施形態は、電池モジュール１０内の２個の単位セルＣ１、Ｃ６から短絡導線を形成することによって、単位セルの設計マージンおよび頑健性を確保することができ、他のシステムと機械的、構造的な干渉が発生しない。
言い換えると、本発明の実施形態は、電池モジュール単位で非正常的な過充電を防止する素子を配置することによって、単位セル毎に素子を配置する必要がなくなり、設計マージンおよび頑健性を確保することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
２ 充電器
１０ 電池モジュール
２０ パックヒューズ
３０ 第１連結部
４０ 第２連結部
１０ 電池モジュール
２０ パックヒューズ
３０ 第１連結部
４０ 第２連結部
Claims (6)
- 正極端子および負極端子の間に互いに直列連結された複数の単位セルを含み、前記正極端子に連結された第１外部ポートおよび前記負極端子に連結された第２外部ポートを通じて充電器と連結されて充電される電池モジュールと、前記電池モジュールと前記充電器との間の電流経路に形成されたパックヒューズと、前記電池モジュールの内部圧力に応じて前記複数の単位セル中の、前記正極端子に接続された第１単位セルおよび前記負極端子に接続された第２単位セルの間に流れる電流を前記パックヒューズに流れるようにするバイパス経路を形成する連結部と、を含み、
前記連結部が第１連結部及び第２連結部を含み、
前記パックヒューズが前記第１外部ポートと前記正極端子との間に接続され、
前記第１連結部が前記第１外部ポートと前記正極端子との間に、前記パックヒューズと並列に接続され、
前記第２連結部が、前記正極端子に接続する前記パックヒューズの端子と、前記第２単位セルの前記負極端子に接続する端子とは反対側の前記第２単位セルの端子との間に接続する、二次電池用保護装置。 - 前記連結部は、前記電池モジュールの内部圧力に応じて物理的に変形して前記第１および第２単位セルのそれぞれと前記パックヒューズとの間に電気的な導線を形成する、請求項１に記載の二次電池用保護装置。
- 前記複数の単位セルのそれぞれは、正極ターミナルおよび負極ターミナルを含む電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を含む、請求項１に記載の二次電池用保護装置。
- 前記第１および第２単位セルのそれぞれは、前記各ケースと前記各正極ターミナルを電気的に連結する連結タブを含む、請求項３に記載の二次電池用保護装置。
- 前記第１および第２連結部のそれぞれは、前記ケースから延びて前記ケースの内部方向に膨らむように形成された第１短絡プレートと、
前記第１短絡プレート上に前記第１短絡プレートと離隔して配置された第２短絡プレートと、
を含む、請求項３に記載の二次電池用保護装置。 - 前記第１短絡プレートは、前記内部圧力に応じて変形して前記第２短絡プレートと物理的に接触する、請求項５に記載の二次電池用保護装置。
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