KR100904374B1 - 벤팅 지그를 포함하고 있는 전지 카트리지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단위전지로서 하나 또는 둘 이상의 파우치형 전지들을 전기적으로 연결하여 내장할 수 있는 장방형 프레임 구조의 카트리지로서, 상기 단위전지와 접하는 프레임 상에 벤팅 지그가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 전지의 비정상적인 작동으로 인해 가스가 발생하여 파우치형 전지 케이스가 팽창된 경우, 상기 벤팅 지그가 케이스를 파열시켜 가스를 배출시키므로 전지의 발화 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있다. 상기 벤팅 지그는 간단한 구조로 이루어져 있고 손쉽게 제작할 수 있으므로, 중대형 전지 시스템의 제작에 사용되는 다양한 구조의 카트리지들에 용이하게 적용될 수 있다.

Description

벤팅 지그를 포함하고 있는 전지 카트리지 {Battery Cartridge Having Venting Jig}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지 카트리지를 적층하여 제작된 전지 모듈의 일부 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 벤팅 지그에 의해 팽창된 단위전지의 파우치형 케이스가 파열되는 과정을 보여주는 부분 단면 모식도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지 카트리지
200: 단위전지
300, 310: 전극단자
400: 벤팅 지그
본 발명은 벤팅 지그(venting jig)를 포함하고 있는 전지 카트리지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 중대형 전지 시스템의 제작을 위한 전지 카트리지의 구성에 있어서, 단위전지로서의 파우치형 전지의 과충전, 과열 등의 이상 작동시 팽창되는 파우치 케이스를 파열할 수 있는 벤팅 지그가 전지와의 접촉부위에 형성되어 있어서, 안전성이 더욱 향상된 전지 카트리지를 제공한다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들이 디바이스 1 대당 하나 또는 서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 시스템이 사용된다.
그러한 중대형 전지 시스템은 일반적으로 다수의 단위전지들을 직렬 또는 병렬로 연결한 카트리지에 내장하고, 이러한 카트리지 다수 개를 전기적으로 연결하여 제작한다.
카트리지에 내장되는 단위전지로는 가볍고 높은 집적도로 적층할 수 있는 파우치형 전지가 일반적으로 사용된다. 파우치형 전지는 전해질이 함침되어 있는 양극/분리막/음극의 다수의 전극 조립체들을 알루미늄과 고분자 수지로 이루어진 파우치형 라미네이트 시트에 봉입하여 제작된다.
단위전지로서의 이러한 이차전지는 과충전, 과방전, 과열, 외부의 충격 등에 의해 전지가 비정상적인 상태로 작동되면서 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 예를 들어, 과열된 전지는 가스를 발생시키고 파우치 케이스에서 가압된 가스는 전지요소의 분해반응을 더욱 촉진시켜 계속적인 과열 및 가스 발생을 유발하고, 이러한 과정이 어떠한 임계점 이상에 도달하면 전지의 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 더욱이, 중대형 전지 시스템에서와 같이 다수의 단위전지들이 한정된 공간에 밀집되어 있는 경우에는 대형 사고를 유발할 수 있다.
따라서, 일부 단위전지들 또는 다수의 단위전지들에서 가스 발생 현상이 일어날 때, 이를 효과적으로 억제하여 발화 또는 폭발에 이르는 것을 방지하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은 중대형 전지 시스템 제작용 전지 카트리지에 단위전지로서 내장되어 있는 파우치형 전지가 일정한 수준 이상으로 팽창되었을 때, 상기 파우치형 전지 케이스의 일부를 절개 또는 파열시켜 가스를 배출할 수 있는 안전장치가 형성되어 있는 카트리지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 카트리지는, 단위전지로서 하나 또는 둘 이상의 파우치형 전지들을 전기적으로 연결하여 내장할 수 있는 장방형 프레임 구조의 카트리지로서, 상기 단위전지와 접하는 프레임 상에 벤팅 지그(venting jig)가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
상기 카트리지의 구조는 단위전지들을 안정적으로 내장한 상태에서 이들을 전기적으로 연결하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 다수의 카트리지들을 높은 밀집도로 적층할 수 있는 장방형의 판상 프레임 구조를 가질 수 있다.
하나의 바람직한 예로서, 각각의 단위전지들이 그것의 측면이 개방된 상태로 안착될 수 있는 하나 또는 그 이상의 셀 구획부를 포함하고 있고 단위전지들을 내장한 상태로 상호 결합될 수 있는 한 쌍의 프레임 부재로 이루어져 있다.
상기 벤팅 지그는 일정한 수준 이상으로 팽창된 단위전지의 파우치형 케이스를 파열할 수 있는 구조라면 특별히 제한되지 않는다. 하나의 바람직한 예에서, 벤팅 지그는 날카로운 첨단부가 팽창된 파우치형 전지 케이스의 적어도 일부를 파열할 수 있도록 프레임상에 형성되어 있는 돌기형 부재일 수 있다.
이러한 벤팅 지그는 프레임 부재와 동일한 소재로 되어 있거나 또는 별도의 고강도 소재로 되어 있을 수 있다. 따라서, 벤팅 지그는 프레임의 부재의 제조시 일체로서 형성될 수도 있고, 별도로 제조되어 결합 내지 부착될 수도 있다. 벤팅 지그의 상기 결합 내지 부착 방식은 다양할 수 있으며, 예로서, 별도의 체결부재에 의한 결합, 접착제에 의한 부착 등을 들 수 있다. 따라서, 본 발명의 효과를 발휘 할 수 있는 것이라면 벤팅 지그의 소재 내지 형성방법은 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 카트리지는 전기자동차, 하이브리드 자동차 등과 같이 진동, 충격 등이 수시로 가해지는 등 가혹한 조건에서 작동되는 중대형 전지 시스템에 사용되므로, 그러한 외력은 카트리지에 그대로 전달될 수 있다. 따라서, 벤팅 지그가 전지의 정상적인 작동 상태에서 파우치형 전지 케이스를 파열하지 않도록 구성하는 것이 요구된다. 또한, 단위전지의 비가역적인 반응에 의해 발생한 가스가 파우치형 케이스를 팽창시키더라도 그것이 일정한 수준에 도달하였을 때 비로소 케이스를 파열시키는 것이 필요하다. 따라서, 벤팅 지그는 단위전지의 정상적인 작동상태, 즉, 파우치형 케이스가 팽창되지 않은 상태와, 용인될 수 있는 정도의 비정상적인 작동상태, 즉, 파우치형 케이스가 팽창되었어도 발화 또는 폭발에 이르지 않을 정도의 상태에서는 작동되지 않도록 하는 것이 필요하다. 이러한 파열 조건은 벤팅 지그의 형상, 단위전지의 케이스 표면으로부터 파열 첨단부의 이격 거리 등 다양한 요소들에 의해 결정될 수 있다.
하나의 단위전지에 대해 하나의 벤팅 지그가 작동하도록 구성할 수도 있고 또는 둘 이상의 벤팅 지그들이 작동하도록 프레임 상에 형성될 수도 있다.
상기 단위전지는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스에 양극/분리막/음극의 전극 조립체가 봉입되어 있는 이차전지라면 특별히 제한되지 않는다. 이러한 파우치형 이차전지는 당업계에 다수 공지되어 있으므로 이에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 벤팅 지그를 포함하고 있는 전지 카트리지의 사시도가 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지 카트리지(100)는 전체적으로 장방형의 판상 구조물로서, 서로 대칭구조의 한 쌍의 프레임 부재들(101, 102)로 이루어져 있다. 각각의 프레임 부재(101, 102)는 단위전지로서 파우치형 전지(200)가 안착되어 고정될 수 있는 셀 구획부(110, 111 ...)가 형성될 수 있도록 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 2 개의 측면 프레임(140), 및 다수의 지지 프레임(150, 151)으로 이루어져 있다.
단위전지들(200, 201)은 형개된 프레임 부재들(101, 102)의 셀 구획부(110) 내에 안착되며, 프레임 부재(101, 102)를 상호 결합시켰을 때 그곳에 고정된다. 단위전지(200)의 전극 리드(도시하지 않음)는 상부 프레임(120) 상의 버스(160)를 통해 인접한 단위전지(201)와 전기적으로 연결된다. 도 1에서는 단위전지들(200, 201)이 직렬로 연결되어 있는 구조가 예시되어 있지만, 경우에 따라서는 병렬의 연결도 가능하다. 그러한 구성을 바탕으로, 카트리지(100)의 각각의 측면 프레임(140) 상단에 돌출되어 있는 양극단자(300)와 음극단자(310)에 전기적으로 연결된다.
셀 구획부(110, 111)는 개방되어 있으므로, 단위전지(200)가 그곳에 장착된 상태에서 전지의 측면이 개방되게 된다.
측면 프레임(140)과 지지 프레임(150)에는 셀 구획부(110)를 향하여 돌출되어 있는 벤팅 지그들(400)이 형성되어 있다. 이러한 벤팅 지그들(400)은 상부 프레임(120) 및/또는 하부 프레임(130)에 형성되어 있을 수 있으며, 경우에 모든 프레임들(120, 130, 140, 150)에 형성되어 있을 수도 있다.
도 1의 벤팅 지그(400)는 프레임(140, 150) 상에 돌출되어 있는 삼각형의 돌기 형상을 가지고 있지만, 팽창하는 단위전지의 파우치형 케이스를 파열시킬 수 있는 기타 다양한 구조들이 가능하다.
도 2에는 도 1의 카트리지(100)를 다수 개 적층시켜 제작된 전지 모듈(500)의 형상이 모식적으로 도시되어 있다.
또한, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 벤팅 지그의 형상과 그것이 팽창하는 파우치형 전지 케이스를 파열하는 과정을 보여주는 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 벤팅 지그(400)는 프레임 부재(101)에 일체로서 형성되어 있고, 날카로운 첨단부(410)가 단위전지(200)의 표면을 향해 돌출되어 있다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 벤팅 지그(400)는 별도로 제조되어 프레임 부재(101)의 소정의 부위에 결합 내지 부착될 수도 있다.
정상적인 작동 상태에서 단위전지(200)의 파우치형 케이스(210)는 벤팅 지그(400)의 첨단부(410)로부터 안정적인 거리(L)로 이격되어 있다. 이러한 이격거리(L)는 진동, 충격 등의 외력에 의해 단위전지(200)가 움직이더라도 벤팅 지그(400) 의 첨단부(410)에 파우치형 케이스(210)가 파열되는 것을 방지할 수 있는 거리이다. 또한, 이격거리(L)는 가스 발생을 임계치까지 용인할 수 있는 거리로서의 의미도 갖는다.
단위전지(200)의 비정상적인 작동으로 인해 가스가 발생하고 그러한 압력이 임계치(즉, 발화 또는 폭발의 위험성이 있는 압력) 이상으로 상승하였을 때에는 팽창한 파우치형 케이스(211)가 벤팅 지그(400)의 첨단부(410)에 도달하게 된다. 따라서, 이러한 임계치 이상의 팽창시, 벤팅 지그(400)는 파우치형 전지 케이스(211)를 파열하게 되게 되고, 파열된 부위를 통해 단위전지(200) 내부의 가압 가스는 배출되게 된다.
상기와 같이 파우치형 전지 케이스의 파열을 실행할 수 있는 기타 다양한 구조의 벤팅 지그들이 존재할 수 있다.
이상 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 카트리지는 단위전지와의 인접부위에 벤팅 지그를 포함하고 있어서, 전지의 비정상적인 작동으로 발생하여 파우치형 케이스내에서 가압된 가스를 배출함으로써, 전지의 발화 및 폭발의 위험성을 방지할 수 있다. 상기 벤팅 지그는 간단한 구조로 이루어져 있고 손쉽게 제작할 수 있으므로, 중대형 전지 시스템의 제작에 사용되는 다양한 구조의 카트리지들에 용이하게 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 단위전지로서 하나 또는 둘 이상의 파우치형 전지들을 전기적으로 연결하여 내장할 수 있고 다수의 카트리지들을 적층할 수 있는 장방형 프레임 구조의 카트리지로서,
    각각의 단위전지들이 그것의 측면이 개방된 상태로 안착될 수 있는 하나 또는 그 이상의 셀 구획부를 포함하고, 단위전지들을 내장한 상태로 상호 결합될 수 있는 한 쌍의 프레임 부재로 이루어져 있으며, 상기 단위전지들과 접하는 프레임 상에 벤팅 지그(venting jig)가 형성되어 있고,
    상기 벤팅 지그는 날카로운 첨단부가 팽창된 파우치형 전지 케이스의 적어도 일부를 파열할 수 있도록 프레임에 형성되어 있는 돌기형 벤팅 지그인 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 돌기형 벤팅 지그는 하나의 단위전지에 대해 하나의 돌기형 벤팅 지그가 작동하도록 프레임에 형성되어 있거나 또는 둘 이상의 돌기형 벤팅 지그들이 작동하도록 프레임에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 돌기형 벤팅 지그는 프레임 부재에 일체로서 형성되거나, 별도로 제조되어 상기 프레임 부재에 결합 내지 부착되는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지.
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