JP7105995B2 - 過充電防止が可能な構造を有するバッテリーパック充電システム及びこれを含む自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、過充電防止が可能な構造を有するバッテリーパック充電システム及びこれを含む自動車に関し、より詳しくは、両面の間に印加される電位差によってその形態が変形されて、バッテリーパックと充電装置との間に連結されたスイッチを動作させることで回路に流れる電流を遮断することができる電流遮断部材を備えるバッテリーパック充電システム及びこれを含む自動車に関する。
本出願は、２０１８年１１月１２日出願の韓国特許出願第１０－２０１８－０１３８４５０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、すべて本出願に組み込まれる。
現在、二次電池に使用されるヒューズ装置としては、ＰＴＣサーミスタ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）、ＴＣＯ（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｕｔ－ｏｕｔ）、サーマルヒューズ（ｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｓｅ）などが挙げられる。しかし、サーマルヒューズの場合、使い捨てという短所があり、ＰＴＣやＴＣＯは反復的な使用が可能ではあるが、動作を繰り返すほど自体抵抗が増加し、回路上の全体的な抵抗を高めるようになるという短所がある。
また、前述した素子は全て、過電流による発熱によって作動する。即ち、前述した素子は、過充電などによって回路電流経路上に過電流が発生し、これによって温度が上昇すればこそ電流の流れを遮断するように動作する素子である。
したがって、前述した素子の場合、発熱によって既に安全が脅かされる状況になった後に初めて動作することで過電流を遮断するようになり、温度を上昇させる原因が発生してすぐ過電流を遮断することはできない。
また、前述した素子の場合、単に温度によって動作するようになるため、自動車に用いられるバッテリーパックのように高出力の二次電池には使用しにくい面がある。即ち、自動車用バッテリーパックの場合、高いＣ－ｒａｔｅを要し、これによって発熱量も多くなるしかなく、ＰＴＣサーミスタ、ＴＣＯ、サーマルヒューズのような素子は、このような高温環境に置かれる場合、あまり速く作動してしまうという問題点がある。
そこで、再使用が可能でありながらも、高い電流が流れる環境においても利用可能であり、温度が上昇する前にそのような温度上昇の原因になり得るイベントが発生すれば、予め電流を遮断することができる装置が適用された二次電池が必要である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーパックの過充電による発熱によってバッテリーパックの温度が上昇する前、予め電流を遮断できる電流遮断部材が設けられた構造を有するバッテリーパック充電システム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の本発明の一実施例によるバッテリーパック充電システムは、複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックと、前記バッテリーパックの両端に接続し、前記バッテリーパックに充電電流を供給する充電装置と、前記バッテリーパックと充電装置との間に連結され、前記充電電流の流れを許容または遮断するスイッチと、前記スイッチと機械的に連結され、前記バッテリーパックの両端の間に形成される電位差が基準値以上になる場合、反り変形を起こして前記スイッチをオフにする電流遮断部材と、を含む。
前記バッテリーセルは、パウチタイプのバッテリーセルであり得る。
前記充電装置は、自動車に設けられたオルタネータであり得る。
前記電流遮断部材の長手方向の一側が、前記バッテリーパックまたは地面に直接または間接的に固定される固定端であり、前記電流遮断部材の長手方向の他側が、前記反り変形によって位置が変更される自由端であり得る。
前記電流遮断部材は、ＥＡＰ層と、前記ＥＡＰ層の一面上に形成される第１金属層と、前記ＥＡＰ層の他面上に形成される第２金属層と、を含み得る。
前記ＥＡＰ層は、ナフィオン、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンから選択された少なくとも一つの高分子電解質を含み得る。
前記第１金属層及び第２金属層は、白金、金、銀及び銅を含む群から選択されたいずれか一つの金属を含み得る。
前記第１金属層は、前記バッテリーパックの負極と電気的に接続し、前記第２金属層が、前記バッテリーパックの正極と電気的に接続し得る。
前記スイッチは、前記バッテリーパックの負極と充電装置との間に連結され得る。
前記第１金属層は、導電性の材質からなる連結ロッドによって前記スイッチと機械的／電気的に接続し得る
前記第１金属層が、連結ロッドによって前記スイッチと機械的に連結され、負極接続リードによって前記バッテリーパックの負極と電気的に接続し得る。
前記連結ロッドは、前記スイッチ及び第１金属層と各々ヒンジ結合し得る。
なお、上記の課題を達成するための本発明の一実施例による自動車は、前述したような本発明の一実施例によるバッテリーパック充電システムを含む。
バッテリーパックの使用において過電流による発熱によって二次電池の温度が上昇する前に、過電流の発生原因になる基準値以上の電位差を予め感知して電流を遮断することができ、これによってバッテリーパックの使用上の安全性を確保することができる。
本発明の一実施例によるバッテリーパック充電システムを示す概念図である。 図１に示したバッテリーパック充電システムに適用されるバッテリーパックを示す図である。 図２に示したバッテリーパックを構成する個々のバッテリーセルを示す図である。 図１に示したバッテリーパック充電システムに適用される電流遮断部材を示す図である。 図４に示した電流遮断部材の第１金属層と第２金属層との間に基準値以上の電位差が形成された場合において、電流遮断部材が形態変形を起こす様子を示す図である。 図１に示した電流遮断部材とスイッチとの連結関係の変形例を示す図である。 本発明の一実施例による自動車を示す図である。
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、本明細書及び特許請求の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。
先ず、図１～図５を参照して、本発明の一実施例によるバッテリーパック充電システムの全体的な構成を説明する。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーパック充電システムを示す概念図であり、図２は、図１に示したバッテリーパック充電システムに適用されるバッテリーパックを示す図であり、図３は、図２に示したバッテリーパックを構成する個々のバッテリーセルを示す図である。また、図４、図１に示したバッテリーパック充電システムに適用される電流遮断部材を示す図であり、図５は、図４に示した電流遮断部材の第１金属層と第２金属層との間に基準値以上の電位差が形成された場合において、電流遮断部材が形態変形を起こす様子を示す図である。
先ず、図１を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーパック充電システムは、バッテリーパック１００、充電装置２００、スイッチ３００及び電流遮断部材４００を含む形態で具現される。
図１及び図２を共に参照すれば、前記バッテリーパック１００は、直列、並列または直列と並列が混合した形態で接続した複数のバッテリーセル１０を含み得る。また、このようなバッテリーセル１０が電気的に接続して形成されたセル積層体は、バッテリーパック１００の外部に形成された負極端子１１０及び正極端子１２０と電気的に接続し得る。
図３を参照すれば、前記バッテリーパック１００を構成する各々のバッテリーセル１０として、例えば、パウチタイプのバッテリーセルを適用し得る。図３を参照すれば、このようなパウチタイプのバッテリーセル１０は、電極組立体（図示せず）、電極リード１１、セルケース１２及びシーリングテープ１３を含む形態で具現され得る。
図示していないが、前記電極組立体は、交互に繰り返して積層された正極板と負極板との間にセパレータを挟んだ形態を有し、両側の最外郭には絶縁のためにセパレータが各々位置することが望ましい。
前記負極板は、負極集電体及びその片面または両面上にコーティングされる負極活物質層からなり、一側端部には負極活物質がコーティングされていない負極非コーティング部が形成され、このような負極非コーティング部は負極タブとして機能する。
前記正極板は、正極集電体及びその片面または両面上にコーティングされる正極活物質層からなり、一側端部には正極活物質がコーティングされていない正極非コーティング部が形成され、このような正極非コーティング部は正極タブとして機能する。
また、前記セパレーターは、負極板と正極板との間に挟まれ、相異なる極性を有する電極板同士が直接接触することを防止し、負極板と正極板との間で電解質を介してイオンの移動を可能にするために多孔性材質からなり得る。
前記電極リード１１は、電極タブと接続してセルケース１２の外側へ引き出される。相互に隣接したバッテリーセル１０は、電極リード１１を介して、直列、並列または直列と並列とが混合した形態で電気的に接続して一つのセル積層体を成し得る。
前記セルケース１２は、電極組立体を収容する収容部１２ａと、収容部１２ａの周り方向へ延び、電極リード１１が外部へ引き出された状態で熱溶着されてセルケース１２を密封するシーリング部１２ｂとの二つの領域を含む。
図示していないが、前記セルケース１２は、樹脂層／金属層／樹脂層の順に積層された多層のパウチフィルムからなる上部ケース及び下部ケースの各々の周縁部が当接して熱溶着されることで密封される。
前記シーリングテープ１３は、電極リード１１の周りに付着され、セルケース１２のシーリング部１２ｂと電極リード１１との間に介在される。前記シーリングテープ１３は、セルケース１２のシーリング部１２ｂにおいて電極リード１１が引き出される領域でセルケース１２の内側面と電極リード１１との低い接着力によってセルケース１２の密封性が低下することを防止するために適用される部品である。
図１をさらに参照すれば、前記充電装置２００は、バッテリーパック１００の両端、即ち、負極端子１１０及び正極端子１２０と接続してバッテリーパック１００に充電電流を供給するものであって、例えば、自動車に設けられて自動車のエンジン駆動によって電力を生産し、生産された電力をバッテリーパック１００に供給するオルタネータ（Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ）であり得る。
図１を参照すれば、前記スイッチ３００は、前記バッテリーパック１００の負極と充電装置２００との間に連結され、電流遮断部材４００の形態変形によってオン（Ｏｎ）／オフ（Ｏｆｆ）動作をさせることでバッテリーパック１００と充電装置との電気的接続を許容または遮断する。
図１と共に図４及び図５を参照すれば、前記電流遮断部材４００は、バッテリーパック１００の両端の間に電気的に接続し、バッテリーパック１００の電圧が基準値以上になると、その形態が変形されてスイッチ３００をオフにする。
即ち、前記電流遮断部材４００の一面はバッテリーパック１００の負極と充電装置２００との間に連結されたスイッチ３００と機械的／電気的に接続し得、他面はバッテリーパック１００の正極と電気的に接続し得る。
このような連結関係によって、前記電流遮断部材４００の両面の間にバッテリーパック１００の電圧が印加され、バッテリーパック１００が過充電されて基準値以上の電圧を示す場合には、電流遮断部材４００の両面の間にも基準値以上の電位差が形成され、電流遮断部材４００が反り変形を起こすようになる。一方、前記バッテリーパック１００の電圧が予め設定された安全範囲内の範囲を示す場合には、電流遮断部材４００が反り変形を起こさず、その形態を維持するので、スイッチ３００がオン状態を維持することができる。
前記電流遮断部材４００の長手方向の一側（図１で下方を意味）は、バッテリーパック１００または地面に直接または間接的に固定されて動かない固定端である。一方、前記電流遮断部材４００の長手方向の他側（図１で上方を意味）は、電流遮断部材４００が反り変形を起こす場合、その位置が変更される自由端である。
前記自由端の一面は、導線によってスイッチ３００と機械的／電気的に接続し、これによって電流遮断部材４００の反り変形時、電流遮断部材４００の自由端がスイッチ３００から遠くなる方向へ動きながらスイッチ３００をオフにする。
図４及び図５を参照して、本発明に適用される電流遮断部材４００の具体的な構造及び形態変形の原理について説明する。
図４及び図５を参照すれば、上述したように、両面の間に形成される電位差による形態変形によって過電流を遮断可能にするために、前記電流遮断部材４００は、ＥＡＰ層（Ｅｌｅｃｔｒｏ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｌａｙｅｒ）４１０、ＥＡＰ層４１０の一面上に形成される第１金属層４２０及びＥＡＰ層４１０の他面上に形成される第２金属層４３０を含む形態で具現される。
前記ＥＡＰ層４１０、即ち、電気活性ポリマー層は、イオン伝達特性に優れた高分子電解質からなる層となり、例えば、ナフィオン、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンより選択された少なくとも一つの高分子電解質を含み得る。
前記第１金属層４２０及び第２金属層４３０は、ＥＡＰ層４１０の両面上に各々形成され、電気導電性に優れた金属からなり得る。前記金属層４２０、４３０は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）より選択された少なくとも一つの金属を含み得る。
前記電流遮断部材４００は、ＥＡＰ層４１０の両面に形成された金属層４２０、４３０によって基準値以上の電圧が印加されると、形態変形を起こす。
即ち、前記第１金属層４２０は、バッテリーパック１００の負極と電気的に接続し、第２金属層４３０は、バッテリーパック１００の正極と電気的に接続して一対の金属層４２０、４３０の間にバッテリーパック１００の電圧だけの電位差が形成されるのである。
このように一対の金属層４２０、４３０の間に形成された電位差がバッテリーパック１００の仕様を考慮した安全範囲から外れる大きい数値に至るようになると、ＥＡＰ層４１０をなす高分子電解質の内部に存在する移動性陽イオン（ｃａｔｉｏｎ）が水に水和した状態で負に荷電された第１金属層４２０の方向へ移動するようになる。この場合、第１金属層４２０と第２金属層４３０との間のイオン濃度の不均衡で浸透圧が惹起され、負に荷電された第１金属層４２０側の水分子の量が増加するようになり、これによって電流遮断部材４００に第２金属層４３０に向かう方向へ反り変形が発生するようになる。
前記電流遮断部材４００のこのような形態変形及びそれによるスイッチ３００の動作のために、第１金属層４２０はスイッチ３００と機械的／電気的に接続する。
一方、前記電流遮断部材４００の形態変形を起こす電圧の大きさは、電流遮断部材４００に適用されるＥＡＰ層４１０を構成する高分子電解質の種類によって変わる。
即ち、本明細書で言及する電圧の基準値は、適用される高分子電解質の種類によって変わり得、これによって電流遮断部材４００が適用されるバッテリーパック充電システムを構成するバッテリーパック１００が有する安全電圧範囲によって適切な高分子電解質を選択することでバッテリーパック１００の過充電などのイベントの発生時に迅速な電流遮断を可能にすることができるのである。
次は、図６を参照して、図１に示した電流遮断部材とスイッチとの連結関係の変形例を説明する。
図６は、図１に示した電流遮断部材とスイッチとの連結関係の変形例を示す図である。
図６を参照すれば、図１に示した前述した実施形態に示したように、スイッチ３００と電流遮断部材４００の自由端とが一つの導線によって電気的／機械的に同時に連結されたこととは異なり、スイッチ３００と電流遮断部材４００との機械的連結は連結ロッド５００によって行われ、電気的接続は別の接続リードＬ１によって行われる。
前記スイッチ３００と電流遮断部材４００の第１金属層４２０との連結が一つの導線によって行われても、第１金属層４２０を負に荷電し、電流遮断部材４００の形態変形によってスイッチ３００も共に動くようにすることは可能である。
しかし、前記電流遮断部材４００の反り変形によって自由端が第２金属層４３０に向かう方向へ移動するとき、スイッチ３００が円滑に動くようにするために電流遮断部材４００とスイッチ３００との結合にヒンジ結合構造を適用し得る。
但し、このようなヒンジ結合構造を適用する場合、導線とスイッチ３００の連結部位及び導線と第１金属層４２０との連結部位で電気的接続の安定性が劣り得る。したがって、前記スイッチ３００と電流遮断部材４００との機械的連結と電気的接続は、一つの部材によって共に行われるよりは、二つの部材を用いて個別的に行われることが望ましい。
このような観点で、図６に示したバッテリーパック充電システムは、スイッチ３００と、第１金属層４２０とヒンジ結合する導電性の材質からなる連結ロッド５００と、第１金属層４２０とバッテリーパック１００の負極とを電気的に接続する負極接続リードＬ１と、を含む形態で具現され得る。この場合、前記第２金属層４３０は、バッテリーパック１００の正極と電気的に接続しなければならず、このような第２金属層４３０とバッテリーパック１００の正極との電気的接続のために正極接続リードＬ２が適用され得る。
前述したように、本発明によるバッテリーパック充電システムは、バッテリーパック１００と充電装置２００とを電気的に接続するスイッチ３００のオン／オフ動作を、バッテリーパック１００の電圧によって反り変形を起こす電流遮断部材４００を用いて行うように構成されることで、バッテリーパックの使用上の安全性を確保することができる。
本発明の図７に示した本発明の一実施例による自動車は、上述したのような本発明によるバッテリーパック充電システムを含む形態で具現される。
以上、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ず、本発明が属する技術分野における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。
１０ バッテリーセル
１１ 電極リード
１２ セルケース
１２ａ 収容部
１２ｂ シーリング部
１３ シーリングテープ
１００ バッテリーパック
１１０ 負極端子
１２０ 正極端子
２００ 充電装置
３００ スイッチ
４００ 電流遮断部材
４１０ ＥＡＰ層
４２０ 第１金属層
４３０ 第２金属層
５００ 連結ロッド
Ｌ１ 負極接続リード
Ｌ２ 正極接続リード

Claims (8)

  1. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックと、
    前記バッテリーパックの両端に接続し、前記バッテリーパックに充電電流を供給する充電装置と、
    前記バッテリーパックと充電装置との間に連結され、前記充電電流の流れを許容または遮断するスイッチと、
    前記スイッチと機械的に連結され、前記バッテリーパックの両端の間に形成される電位差が基準値以上になる場合、反り変形を起こして前記スイッチをオフにする電流遮断部材と、を含み、
    前記電流遮断部材は、
    ＥＡＰ層と、
    前記ＥＡＰ層の一面上に形成される第１金属層と、
    前記ＥＡＰ層の他面上に形成される第２金属層と、を含み、
    前記第１金属層が、前記反り変形を起こす領域の前記第１金属層と前記スイッチとが導電性の材質からなる連結ロッドによって機械的かつ電気的に接続されることによって、前記バッテリーパックの負極と電気的に接続し、前記第２金属層が、前記バッテリーパックの正極と電気的に接続する、バッテリーパック充電システム。
  2. 前記バッテリーセルが、パウチタイプのバッテリーセルであることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパック充電システム。
  3. 前記充電装置が、自動車に設けられたオルタネータであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバッテリーパック充電システム。
  4. 前記電流遮断部材の長手方向の一側が、前記バッテリーパックまたは地面に直接または間接的に固定される固定端であり、
    前記電流遮断部材の長手方向の他側が、前記反り変形によって位置が変更される自由端であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のバッテリーパック充電システム。
  5. 前記ＥＡＰ層は、
    ナフィオン、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンから選択された少なくとも一つの高分子電解質を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバッテリーパック充電システム。
  6. 前記第１金属層及び前記第２金属層は、
    白金、金、銀及び銅を含む群から選択されたいずれか一つの金属を含むことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のバッテリーパック充電システム。
  7. 前記スイッチが、前記バッテリーパックの負極と充電装置との間に連結されることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のバッテリーパック充電システム。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のバッテリーパック充電システムを含む、自動車。
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