KR100923449B1 - 온도감지장치를 가지는 축전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지집합체의 임의의 단위전지가 내부단락 혹은 강제 과방전에 의해 과열되는 경우 전류차단기능을 부여함으로써 파열 등의 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 축전지팩에 관한 것으로서, 구체적으로 복수개의 단위전지(100a, 100b, 100c)가 직렬 또는 병렬로 연결되어 이루어지는 전지 집합체(100); 전지 집합체(100)가 수납되며 양극 출력단자(110a)와 음극 출력단자(110b)가 설치되는 케이스; 전지 집합체(100)와 양극출력단자(110a) 사이 및 전지 집합체(100)와 음극 출력단자(110b) 사이 중 적어도 어느 한 곳에 설치되는 차단 스위치(230); 단위전지(100a, 100b, 100c)의 온도를 측정하도록 단위전지(100a, 100b, 100c)에 부착 설치되는 온도측정수단(200a, 200b, 200c); 및 소정의 기준온도를 사용자로부터 입력받아 온도측정수단(200a, 200b, 200c)에서 측정되는 온도가 상기 기준온도보다 높을 경우에 차단 스위치(230)를 오프시키는 과방전 차단수단(250);을 구비하는 것을 특징으로 한다.

축전지팩, 단위전지, 전기적 단락, 과방전, 온도감지장치

Description

온도감지장치를 가지는 축전지팩{Battery pack having temperature detecting device}

본 발명은 복수개의 단위전지가 직렬 또는 병렬로 연결되어 집합전지를 이루어 전지 케이스에 수납되는 축전지팩에 관한 것으로서, 특히 상기 단위전지 중 어느 하나가 전지단락 또는 과방전되어 과열되는 경우 단위전지의 표면온도를 측정하여 전류를 차단시킴으로써 파열 등의 안전사고를 미연에 방지할 수 있도록 하는 축전지팩에 관한 것이다.

일반적으로 군용 축전지팩용 전원으로 일차전지 및 이차전지가 널리 사용된다. 최근 리튬일차전지를 사용하는 군용 축전지팩에서 안전사고가 빈번히 발생하고 있는 데 (1) 강제 과방전 및 (2) 전기적 단락 등이 그 원인으로 추정되고 있다.

도 1은 군용 축전지팩으로 널리 사용되고 있는 리튬일차전지(Li/SOCl₂)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, Li/SOCl₂ 전지의 방전 반응식은 다음과 같 다.

방전 반응에서는 음극(10)에서 발생하는 Li+ 이온이 분리막(30)을 거쳐 양극(20) 쪽으로 이동하여 양극(20) 쪽에 고체상의 LiCl 및 S와 기체상의 SO₂ 가스가 발생한다. 이들 고체상의 반응 생성물은 양극(20)인 다공성 탄소 전극에 침적되며, SO₂ 가스는 전해액(40)인 SOCl₂에 용해된다.

방전 말기에 도달하게 되면 액체 전해액(40)인 SOCl₂가 고갈되어 전지 내부에서 발생되는 열을 방열할 수 있는 매개체가 사라지므로 실제 전지 내부에 있는 전극의 온도가 급상승할 뿐만 아니라, 양극(20)에서 기체가 발생하여 내압이 증가하기 때문에 심하면 파열에 도달하게 된다.

이러한 Li/SOCl₂ 전지가 단위전지로서 복수개 직·병렬 연결되어 있는 축전지팩의 경우 단위전지간의 용량 편차로 인하여 복수개의 단위전지 중 방전용량이 작은 임의의 어느 하나가 먼저 방전종전전압에 도달하게 된다. 이 때 축전지팩 자체의 방전종지전압에는 도달하지 않은 상태가 되기 때문에 축전지팩 전체적으로는 그대로 방전이 계속 진행되어 결국 방전용량이 작은 임의의 단위전지는 강제 과방전 상태에 이루게 된다.

그러면, 리튬전극이 과도하게 녹아나와 리튬전극의 통전부분의 저항이 극도 로 증가하면서 발열되어 순간적으로 열점(hot spot)이 발생하게 된다. 결국 이로 인하여 국부적으로 발열 반응에 의한 내부 압력이 증가하여 심하면 파열되는 사고가 발생하게 된다.

도 2는 리튬일차전지의 강제과방전을 설명하기 위한 그래프이다(참조: Journal of Power Sources, 26 (1989) p201-209). 도 2에 도시된 바와 같이, 전지의 과방전이 진행되면 전지의 내부온도는 서서히 증가하며, 이와 더불어 전지 내압도 상승한다. 과방전 구간이 길어질수록 양극(20)인 흑연전극에서 리튬 덴드라이트(dendrite)의 성장이 커지며, 성장된 리튬 덴드라이트는 분리막(separator, 30)을 통과하여 양극(20)과 음극(10)을 전기적으로 단락(short)시켜 내부단락을 유도한다. 결국 전지 내부 압력 상승 혹은 발열 반응이 동반되며, 이로 인하여 안전배기변이 작동하여 전지 내부 기체가 방출되거나 혹은 파열 사고가 발생한다.

도 3은 과방전을 방지하기 위한 종래의 집합전지를 설명하기 위한 도면이다(참조; 대한민국 등록특허 제651224호). 도 3에 도시된 바와 같이 직렬연결되어 있는 각 단위전지(100a, 100b)에 다이오드(120a, 120b)가 병렬연결된다.

단위전지(100a, 100b) 중 방전용량이 가장 작은 단위전지(100b)가 용량을 소진하여 전류를 통과할 수 없게 되면 전류는 그에 병렬 연결된 다이오드(120b)를 통하여 참조부호 A로 표시한 바와 같이 우회함으로써 방전용량이 가장 작은 단위전지(100b)가 감당할 전기적 충격을 분담시킨다.

그러나 이 경우 다이오드(120b)를 통해 전류가 흐르기 위해서는 다이오드(102b)의 애노드(a)가 캐소드(c)보다 높은 전위를 가져야만 한다. 이것은 단위전 지(120b)의 음극단이 양극단보다 높은 전위를 형성하는 경우를 의미한다. 따라서 이러한 제한 때문에 각 단위전지(100a, 100b)에 다이오드(120a, 120b)를 병렬 연결하는 것으로는 완벽한 과방전 보호기능을 얻을 수 없다.

도 4 및 도 5는 도 3의 단점을 보완한 것으로서 종래의 다른 집합전지를 설명하기 위한 도면들이다(참조; 대한민국 등록특허 제651224호).

도 4 및 도 5를 참조하면, 서로 직렬 연결되는 한쌍의 저항(R1, R2)이 전지집합체(100)에 병렬로 연결되며, 전지집합체(100)의 음극단과 음극출력단자(110b)의 사이에 N-MOSFET(130)가 설치되거나(도 4), 전지집합체(100)의 양극단과 양극출력단자(110a)의 사이에 P-MOSFET(140)가 설치된다(도 5).

평상시 사용 중인 경우 전지집합체(100)의 전압은 충분히 높으며 한 쌍의 저항(R1, R2)에 의해 배분되어 FET(130, 140)의 게이트(G)에 입력되는 전압이 역시 문턱전압(Vth)을 크게 상회하여 FET(130, 140)가 온(on) 된다.

전지(100)의 장시간 사용에 따라 전지전압이 저하되고, 그로인해 FET(130, 140)의 게이트(G)에 걸리는 전압이 문턱전압(Vth)의 밑으로 떨어지게 되면 FET(130, 140)가 오프(off) 되어 전지집합체(100)의 출력전류가 차단된다.

이와 같이 전지집합체(100)의 출력전류가 차단되면, 전지전압은 상승하게 되어 다시 게이트(G)에 걸리는 전압이 문턱전압(Vth)을 넘게 되어 FET(130, 140)가 온(on) 되어 전지집합체(100)로부터 출력전류가 흐르게 된다. 그리고 이와 같이 출력전류가 흐르면 다시 전지전압이 떨어지고 이에 따라 게이트(G)에 걸리는 전압이 문턱전압(Vth)보다 떨어져 다시 FET(130, 140)가 오프(off) 된다.

이러한 구조는 전지집합체(100)의 전압이 일정 전압(Vth) 이하로 떨어지는 것을 방지하는 데에는 유효하지만, 오히려 용량이 작은 임의의 단위전지의 강제 과방전을 촉진하게 되는 결과를 초래하게 된다.

다시 말하면, 전지집합체(100)의 방전이 중단되면 전지 특성상 전지집합체(100)의 전압은 상승하게 되고, 전지집합체(100)의 전압이 회복되면 전지집합체(100)가 다시 방전을 지속하게 되는데, 이와 같은 과정이 지속적으로 반복되는 경우에 전지집합체(100) 내의 용량이 가장 작은 임의의 단위전지는 간헐적으로 계속 방전이 진행되면서 결국에는 강제 과방전 상태에 이르게 된다. 이로 인하여 강제 과방전된 단위전지의 내부에는 잠재적인 열이 지속적으로 축적되고 결국에는 용융 리튬 분극에 의하여 내부단락으로 인한 안전사고가 발생하게 된다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지집합체의 임의의 단위전지가 내부단락 혹은 강제 과방전에 의해 과열되는 경우 전류차단기능을 부여함으로써 상술한 종래의 문제를 해결하여 파열 등의 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 축전지팩을 제공하는데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 축전지팩은, 복수개의 단위전지 가 직렬 또는 병렬로 연결되어 이루어지는 전지 집합체; 상기 전지 집합체가 수납되며 양극 출력단자와 음극 출력단자가 설치되는 케이스; 상기 전지 집합체와 상기 양극출력단자 사이 및 상기 전지 집합체와 상기 음극 출력단자 사이 중 적어도 어느 한 곳에 설치되는 차단 스위치; 상기 단위전지의 온도를 측정하도록 상기 단위전지에 부착 설치되는 온도측정수단; 및 소정의 기준온도를 사용자로부터 입력받아 상기 온도측정수단에서 측정되는 온도가 상기 기준온도보다 높을 경우에 상기 차단 스위치를 오프시키는 과방전 차단수단; 을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 차단 스위치로는 MOSFET 등을 사용할 수 있으며, 상기 기준온도는 60~80℃ 의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 과방전 차단수단이 상기 온도측정수단을 겸하도록 상기 과방전 차단수단으로서 써멀 휴즈(thermal fuse) 또는 써멀 프로텍트(bi-metal)를 설치하면 좋다.

본 발명에 의하면, 강제 과방전의 결과적 현상인 전지표면온도를 가지고 단위전지의 과방전여부를 파악하기 때문에 종래와 같이 단위전지가 과방전되고 있음을 간파하지 못하는 결과가 초래되지 않는다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 6은 본 발명에 따른 축전지팩의 전지집합체(100)를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6a는 단위전지(100a, 100b, 100c)가 직렬연결되는 경우이고, 도 6b는 단위전지(100a, 100b, 100c)가 병렬연결되는 경우이다.

각 단위전지(100a, 100b, 100c)에는 전지표면의 온도를 측정하기 위한 온도측정수단(200a, 200b, 200c)이 설치된다. 차단스위치(230)는 전지 집합체(100)와 양극출력단자(100a) 사이 또는 전지 집합체(100)와 음극 출력단자(100b) 사이 중 적어도 어느 한 곳에 설치되는데, 도 6에서는 후자의 경우가 도시되었다. 차단 스위치(230)는 도 4 및 도 5에서와 같이 MOSFET로 구성될 수 있다.

만약 전지에 기계적, 전기적, 또는 환경적 충격 등이 인가되어 내부 단락에 의한 발열반응이 지속될 경우 전지표면의 온도가 상승하게 된다. 과방전 차단수단(250)은 소정의 기준온도를 사용자로부터 입력받아 온도측정수단(200a, 200b, 200c)에서 측정되는 온도가 상기 기준온도보다 낮을 때에는 차단 스위치(230)를 온(on) 시키고, 상기 기준온도보다 높을 경우에 차단 스위치(230)를 오프(off) 시킨다. 상기 기준온도는 60~80℃ 의 범위 내에서 선택되는 것이 바람직하다.

써멀 휴즈(thermal fuse) 혹은 써멀 프로텍트(bi-metal)를 사용하면 온도측정수단(200a, 200b, 200c)과 과방전 차단수단(250)을 겸할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 축전지팩을 보여주는 사진으로서, 도 7a는 케이스 외 관을 보여주는 것이고, 도 7b는 케이스 내부를 보여주는 것이고, 도 7c는 케이스 내부에 내장되어 있는 전지집합체를 보여주는 것이다.

본 발명에 의하면 강제 과방전의 결과적 현상인 전지표면온도를 가지고 단위전지의 과방전여부를 파악하기 때문에 종래와 같이 단위전지가 과방전되고 있음을 간파하지 못하는 결과가 초래되지 않는다.

도 1은 군용 축전지팩으로 널리 사용되고 있는 리튬일차전지(Li/SOCl₂)를 설명하기 위한 도면;

도 2는 리튬일차전지의 강제과방전을 설명하기 위한 그래프;

도 3은 과방전을 방지하기 위한 종래의 집합전지를 설명하기 위한 도면;

도 4 및 도 5는 종래의 다른 집합전지를 설명하기 위한 도면들;

도 6은 본 발명에 따른 축전지팩의 전지집합체(100)를 설명하기 위한 도면;

도 7은 본 발명에 따른 축전지팩을 보여주는 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명>

10: 음극 20: 양극

30: 분리막 40: 전해액

100: 전지집합체 100a, 100b, 100c: 단위전지

110a: 양극출력단자 110b: 음극출력단자

120a, 120b: 다이오드 130, 140: MOSFET

200a, 200b, 200c: 온도측정수단 230: 차단스위치

250: 과방전 차단수단

Claims (4)

1. 복수개의 단위전지가 직렬 또는 병렬로 연결되어 이루어지는 전지 집합체;

   상기 전지 집합체가 수납되며 양극 출력단자와 음극 출력단자가 설치되는 케이스;

   상기 전지 집합체와 상기 양극출력단자 사이 및 상기 전지 집합체와 상기 음극 출력단자 사이 중 적어도 어느 한 곳에 설치되는 차단 스위치;

   상기 단위전지의 온도를 측정하도록 상기 단위전지에 부착 설치되는 온도측정수단; 및

   60~80℃의 범위에서 선택되는 기준온도를 사용자로부터 입력받아 상기 온도측정수단에서 측정되는 온도가 상기 기준온도보다 높을 경우에 상기 차단 스위치를 오프시키는 과방전 차단수단; 을 구비하는 것을 특징으로 하는 축전지팩.
2. 제1항에 있어서, 상기 차단 스위치가 MOSFET로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축전지팩.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 과방전 차단수단이 상기 온도측정수단을 겸하도록 상 기 과방전 차단수단으로서 써멀 휴즈(thermal fuse) 또는 써멀 프로텍트(bi-metal)를 설치하는 것을 특징으로 하는 축전지팩.

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