KR100963991B1 - 자가 온도제어 기능을 가진 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지팩을 구성하는 배터리 셀 및/또는 전기적 연결부위에 접해 있거나 그에 인접한 전지팩 구성부재가 충방전시 발생한 열을 흡수하는 물질('흡열물질')을 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지팩을 제공한다.

본 발명에 따른 전지팩은 충방전시 열을 발생시키는 배터리 셀과, 특히, 전기적 연결부위에 접해 있거나 그에 인접한 전지팩 구성부재에 상변환 물질과 같은 흡열물질을 포함하고 있어서, 고열 또는 축적된 열로 인한 해당 전지팩 구성부재의 물리적, 화학적 변형을 방지하여, 궁극적으로 전지팩 저항의 변화를 억제하여 최적의 작동 상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

자가 온도제어 기능을 가진 전지팩 {Battery Pack Having Self-temperature Controlling Function}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지팩의 사시도이다;

도 2는 도 1의 전지팩에서 하부 케이스와 그 위에 단위전지들이 적층되는 과정의 모식도이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예로서, 도 2에서 양면 접착 테이프에 상변환 캡슐이 포함되어 있는 구성의 단면 모식도이다;

도 4는 본 발명의 단자 연결부재에서 하나의 실시예에 따른 조립형 절연성 부재의 결합전의 형상에 대한 모식도이다;

도 5는 도 4의 절연성 부재에 결합될 수 있는 하나의 실시예에 따른 분리형 연결단자의 모식도이다;

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예로서, 흡열물질이 도 5의 절연성 부재에 포함되어 있는 구성들의 단면 모식도이다;

도 8은 도 4의 조립형 절연성 부재와 도 5의 분리형 연결단자를 사용하여 전극단자들을 연결하는 과정의 모식도이다;

도 9는 절연성 부재에 분리형 연결단자를 체결한 상태에서 퓨즈를 연결하는 과정의 모식도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

100: 전지팩 200: 단위전지

300: 절연성 부재 400: 연결단자

500: 양면 접착 테이프 600: 상변환 캡슐

700: 퓨즈

본 발명은 자가 온도제어 기능을 가진 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지팩을 구성하는 배터리 셀, 전기적 연결부위 등에 접해 있거나 그에 인접한 전지팩 구성부재에 충방전시 발생한 열을 흡수하는 물질('흡열물질')이 포함되어 있어서, 전지팩의 해당 부위가 고열에 의해 물리적, 화학적으로 변형되는 방지함으로써 전지팩의 저하 변화를 억제할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.

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. 따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.

이차전지는 그것이 적용되는 분야 또는 제품들에서 요구되는 출력과 용량에 따라 다른 구성을 가지고 있다. 예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀을 포함하고 있는 소형 전지팩이 사용되고 있다. 반면에, 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용되고 있는데, 전지팩의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지팩을 제조하려고 노력하고 있다.

전지팩의 배터리 셀로는 니켈-수소 이차전지가 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지가 많이 연구되고 있으며, 일부는 상용되어 있다. 그러나, 리튬 이차전지는 근본적으로 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.

충방전시에는 많은 열이 전지팩에 발생하는데, 그 중에서도 배터리 셀이나 전극단자, 커넥터 등의 전기적 부위는 특히 많은 열이 발생하는 부위이다. 더욱이, 전극단자, 커넥터 등은 전기적 연결 구성에서 절연성이 요구되는 경우가 많으 므로 소정의 절연성 부재에 지지되어 있거나 절연성 부재가 특정한 구조로 삽입되어 있는 경우가 많으므로, 발생한 열이 효과적으로 발산되지 못하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 발생된 열은 절연성 부재 등에 의해 축적되는 경향이 있으며, 그로 인해 전극단자, 커넥터 등의 변형이 유발되어 궁극적으로 전지팩의 저항 변화를 초래하게 된다. 이러한 저항변화는 전지팩의 작동상태와 안전성을 악화시키므로 이를 억제하는 것이 필요하다. 특히, 다수의 배터리 셀을 사용하는 중대형 전지팩과, 배터리 셀로서 리튬 이차전지를 사용하는 전지팩의 경우에 있어서 열의 축적은 안전성 측면에서 심각할 수 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 전지팩의 구성을 크게 변화시키지 않으면서, 충방전시 배터리 셀이나 전극단자, 커넥터 등의 전기적 연결부위에서 발생한 열을 효과적으로 흡수하고 전지팩의 해당 부위의 온도를 일정한 수준 이하로 유지함으로써, 고열에 의한 물리적, 화학적 변형을 억제하여 궁극적으로 전지팩의 저항 변화를 최소화할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다. 더욱이, 이러한 전지팩은 전지팩의 온도가 저하되었을 때 흡수한 열을 방열하므로, 스스로 온도를 제어할 수 있는 기능을 갖는다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 전지팩을 구성하는 배터리 셀 및/또는 전기적 연결부위에 접해 있거나 그에 인접한 전지팩 구성부재가 충방전시 발생한 열을 흡수하는 물질('흡열물질')을 포함하는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 충방전시, 특히, 고전류 방전시 발생하는 고열을 전지팩 구성부재의 흡열물질에 의해 흡수하여 급속한 온도 상승을 억제함으로써, 상기 고열에 의해 전지팩 구성부재가 물리적 및/또는 화학적으로 변형되어 전지팩의 저항이 변화되는 것을 방지한다. 흡열물질에 의해 흡수된 열은, 예를 들어 비작동 상태, 저전류 방전 상태 등과 같은 전지팩의 전반적인 온도 저하시 다시 방출된다. 따라서, 본 발명의 전지팩은 자가 온도제어 기능을 가진다.

흡열물질을 포함하고 있는 전지팩 구성부재는 배터리 셀, 전기적 연결부재 등과 같이 상대적으로 많은 열이 발생하는 부위에 직접 접해 있거나 그것에 인접해 있는 전지팩의 구성부재들이다. 그 중에서도, 흡열물질이 포함되어 있는 바람직한 전지팩 구성부재는, 전지적 연결부재에 직접 접해 있거나 그것에 인접한 부재이며, 그러한 예로는 전기적 절연을 목적으로 배터리 셀의 전극단자 및/또는 연결단자(예를 들어, 커넥터 등)에 대한 지지부재 또는 삽입부재 등을 들 수 있다.

일반적으로, 전극단자, 연결단자 등은 전지팩의 충방전시 전류가 흐르는 부 위로서 쇼트 방지를 목적으로 소정의 전기 절연성 부재에 의해 지지되어 있거나 또는 전기 절연성 부재가 그 사이에 삽입(개재)되어 있다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 충방전시 발생한 열은 그러한 지지부재 또는 삽입부재로 인해 외부로 방출되지 못하고 일반적으로 축적되는 경향이 있다. 그러한 계속적인 열 축적은 지지부재 또는 삽입부재의 물리적, 화학적 변형을 유발하여, 궁극적으로 전지팩의 저항 변화를 초래할 수 있다. 따라서, 상기 전기 절연성 지지부재 또는 삽입부재에 흡열물질이 포함되어 있는 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 온도가 적정한 범위로 제어되므로 상기와 같은 문제점을 방지할 수 있다.

흡열물질은 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 셀에 직접 접해 있거나 또는 그것에 인접해 있는 전지팩 구성부재에 포함되어 있을 수 있다. 예를 들어, 다수 개의 배터리 셀들을 단위전지로서 적층하여 구성한 전지팩의 경우, 흡열물질을 포함하고 있는 전지팩 구성부재는, 하나 또는 둘 이상의 단위전지들이 장착되어 있는 카트리지 등의 내장부재이거나, 단위전지들이 일정하게 적층될 수 있도록 각 단위전지들 사이에 개재되는 양면 접착 테이프 등일 수 있다. 따라서, 상기 단위전지 내장부재(e.g., 카트리지) 또는 양면 접착 테이프에 흡열물질이 포함될 수 있다.

상기 흡열물질이 전지팩 구성부재들에 포함되어 있는 형태는 다양할 수 있는 바, 예를 들어, 전지팩 구성부재의 내부에 밀봉되어 있는 형태, 전지팩 구성부재의 표면에 도포되어 있는 형태 등을 수 있다. 그 중에서도 특히 전자의 형태가 바람직하다. 또한, 흡열물질은 불활성 물질의 캡슐에 내장된 형태로 구성부재에 포함 될 수도 있다. 캡슐화된 흡열물질은 높은 비표면적으로 인해 열에 대한 반응성(response)이 더욱 높다.

상기 흡열물질은 전지팩의 충방전 과정에서 발생한 열을 흡수할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 소정의 온도에서의 상변환시 큰 잠열을 가진 상변환 물질일 수 있다.

상기 상변환 물질은, 상기 소정의 온도에서 상변환, 바람직하게는 고상에서 액상 또는 액상에서 고상으로의 상변환이 일어나며 적어도 전지팩 구성부재들의 단위 온도당 열용량(heat capacity) 보다 큰 잠열을 가지는 물질이다. 상기 상변환 물질은 단일 화합물, 혼합물 또는 복합체 등일 수 있다. 이들 물질의 상변환은 상기 소정의 온도에서 물리적으로 상변환하는 경우 뿐만 아니라, 둘 또는 그 이상의 물질의 혼합물이 상기 소정의 온도에서 가역적인 물리적 또는 화학적 반응에 의해 상변환하는 경우를 또한 포함한다.

상기 상변환 물질의 대표적인 예로는, 파라핀(paraffin), 폴리에틸렌 글리콜, 무기 수화물(예를 들어, Na₂HPO₄·12H₂O, Na₂SO₄·10H₂O, Zn(NO₃)₂·6H₂O 등) 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 그 중에서, 상대적으로 높은 잠열을 가지고 저렴하며 분자량에 따라 상변환 온도의 조절이 용이한 파라핀이 특히 바람직하다.

또한, 상변환 물질의 열전도성을 높이기 위하여 높은 열전도율의 물질을 더 포함시킬 수 있는 바, 이러한 물질의 예로는 금속분말, 그라파이트 등을 들 수 있 지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 "소정의 온도(specific temperature)"란, 전지팩의 성능 내지 수명을 저하시키거나 안전성을 위협할 수 있는 온도를 의미한다. 소정의 온도는 전지팩의 구조, 종류 등에 따라 결정될 수 있으며, 하나의 바람직한 예로는 50 내지 150℃의 온도 범위, 더욱 바람직하게는 60 내지 120℃의 온도 범위에서 결정될 수 있다.

특히, 소정의 온도는 전지팩 구성부재의 물리적 및/또는 화학적 변형이 직접적으로 유발되는 온도이거나, 또는 계속적인 열축적에 의해 소재의 열화(aging)가 유발되는 온도로서 결정될 수도 있다.

상변환 물질은 상기 소정의 온도에서 상변환의 임계 온도를 가지므로, 특히 전지팩의 온도가 특정 온도 이상으로 급격히 상승하는 것을 방지하고자 할 때 더욱 바람직하다.

전지팩 구성부재에 포함되어 있는 상변환 물질의 양은 상기 구성부재의 물성을 저하시키지 않으면서 소망하는 효과를 발휘할 수 있는 범위내라면 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 전지팩은 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀을 포함하고 있는 소형 전지팩과 다수의 배터리 셀들을 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지팩이 모두 가능하다. 그 중에서도, 고전류 방전시 열 발생량이 많은 중대형 전지팩에 특히 바람직하다.

그러한 중대형 전지팩의 바람직한 예로는, 충방전이 가능한 이차전지인 다수의 단위전지들이 적층되는 플레이트와, 전지의 작동을 제어하는 회로부를 포함하는 것으로 구성된 구조를 들 수 있다.

상기 플레이트는 단위전지들이 적층될 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 단위전지들의 탑재를 용이하게 할 수 있도록 단위전지의 크기에 상응하는 수납부가 형성되어 있는 케이스 구조일 수 있으며, 또한 그러한 케이스는 적층된 단위전지들의 상부와 하부를 각각 덮는 분리형 구조일 수 있다.

구체적으로, 바람직한 중대형 전지팩은,

충방전이 가능한 단위전지로서의 배터리 셀들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 하부 케이스;

상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 상부 케이스;

적층된 단위전지들의 전기적 연결을 이루고, 전지의 전압 및/또는 전류를 검출하기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;

상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및

상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전 및/또는 과전류를 방지하면서 외부 출력단자와 연결되는 제 3 회로부;

를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기 단위전지들은 각각 카트리지에 내장된 상태로 적층될 수도 있고 양면 접착 테이프 등을 상호 부착시킨 상태로 적층될 수도 있다. 이러한 적층 구조에서 단위전지들은 일정한 간격으로 상호 이격되어 있어서 충방전시 발생하는 열이 효과 적으로 방열될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제 1 회로부는 단위전지들을 병렬 또는 직렬로 연결하기 위한 연결단자들과 각각의 단위전지로부터 전압 및/또는 전류 신호를 검출하기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있다. 바람직하게는 제 1 회로부에서 단위전지의 전압 신호를 수신한다. 온도는 센싱 보드 어셈블리 또는 메인 보드 어셈블리에서 전지 전체의 온도로서 측정될 수 있다. 상기 제 1 회로부는 바람직하게는 단위전지의 전극단자 방향으로 전지팩의 정면에 부착되어 있다.

상기 제 2 회로부는 제 1 회로부와 함께 단위전지의 전극단자 방향에 함께 부착될 수도 있고, 하부 케이스의 하단 수납부에 장착될 수도 있으며, 또는 제 1 회로부의 맞은편인 전지팩의 배면에 부착될 수도 있다. 바람직하게는 하부 케이스의 하단 수납부에 장착된다. 이 경우, 단위전지들은 제 1 회로부를 경유하여 하부 케이스의 하단 수납부에 장착되어 있는 제 2 회로부에 전기적으로 연결되며, 전지의 작동은 제 2 회로부의 메인 보드 어셈블리에서 제어된다.

전지의 충방전시 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하며 외부 기기에 접속되는 전지팩의 최종 소자인 상기 제 3 회로부 역시 제 1 회로부와 함께 단위전지의 전극단자 방향에 함께 부착될 수도 있고, 하부 케이스의 하단 수납부에 장착될 수도 있으며, 또는 제 1 회로부의 맞은편인 전지팩의 배면에 부착될 수도 있다. 바람직하게는 제 1 회로부의 맞은편인 전지팩의 배면에 부착된다. 충전 및 방전시의 과전류 제어는 바람직하게는 제 3 회로부에 포함되어 있는 FET 등과 같은 스위칭 소자에 의해 실행될 수 있다.

이러한 회로부들은 전체적인 구조의 콤팩트화 및 안정화를 위해 바람직하게는 PCB 형태로 되어 있으며, 경우에 따라서는 일부 회로부들이 일체로서 형성될 수도 있다.

상기 전지팩 구조는 상부 케이스와 하부 케이스가 서로 분리되어 있으므로, 소망하는 용량 및 출력에 따라 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 단위전지를 추가 또는 제거할 수 있어서 유연한 설계가 가능하다. 또한, 상부 케이스와 하부 케이스의 전체적인 크기는 대략 단위전지의 크기에 상응하는 정도이므로, 전지팩은 전체적으로 콤팩트한 구조로 제작될 수 있다.

상기 전지팩에서 단위전지들의 전기적 연결은, 인접한 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 절연시키기 위하여 상기 전극단자들 사이에 개재되며 상기 전극단자들과 체결되는 절연성 부재; 및 상기 절연성 부재에 체결되고 상기 절연성 부재에 체결되어 있는 단위전지들의 전극단자들을 직렬 또는 병렬방식에 의해 전기적으로 연결하는 보조단자에 의해 달성된다.

상기와 같은 구조의 전지팩에서, 흡열물질은 단위전지의 적층을 위한 카트리지 또는 양면 접착 테이프나, 상기 절연성 부재에 포함될 수 있으며, 바람직하게는 절연성 부재에 포함될 수 있다.

상기 전극단자는 전지의 일면에 양극과 음극 단자가 모두 형성되어 있는 경우 뿐만 아니라 전지의 2 개 면에 각각 형성되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 양극 단자와 음극 단자가 각각 대향하여 전지의 상단과 하단에 형성되어 있을 수 있다.

상기 절연성 부재는 인접한 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 절연시키는 역할을 하므로, 전기절연성 소재로 되어 있다. 그러한 전기절연성 소재의 바람직한 예로는 각종 플라스틱 수지를 들 수 있으며, 상기와 같은 역할을 수행하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

절연성 부재가 단위전지의 전극단자들과 체결되는 방식은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예로서, 상기 단위전지의 전극단자에는 관통구가 형성되어 있고, 상기 절연성 부재의 대응 부위에는 체결 돌출부가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 전극단자의 관통구에 절연성 부재의 체결 돌출부를 삽입하여 상호간의 결합을 이룰 수 있다. 바람직하게는, 상기 체결 돌출부에도 관통구가 형성되어 있어서, 돌출부의 관통구에 삽입될 수 있는 체결부재로 적층되어 있는 전극단자들, 더욱 정확하게는, 절연성 부재를 개재한 상태로 적층되어 있는 전극단자들을 더욱 견고하게 결합시킬 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 절연성 부재는 적층된 단위전지들의 전극단자들 사이의 이격 공간과 일치하는 직사각형의 블록일 수 있다. 단위전지들이 적층된 상태에서 전극단자들 사이의 이격 공간은 직사각형의 형태를 취하므로 그러한 이격 공간과 일치하는 직사각형 블록은 더욱 안정적이다.

상기 블록은 더욱 바람직하게는 단위전지의 양극 단자가 체결되는 부위와 음극 단자가 체결되는 부위가 상호 결합 및 분리가 가능하도록 구성된 두 개의 조립 단위체로 이루어져 있다.

전극단자를 전기적으로 연결하는 또다른 요소인 상기 보조단자는, 앞서 설명 한 바와 같이, 절연성 부재에 체결되며, 절연성 부재에 체결되어 있는 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 역할을 하므로, 도전성 소재로 이루어져 있다. 그러한 도전성 소재는 바람직하게는 금속이 사용될 수 있으며, 상기와 같은 역할을 할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

상기 보조단자와 절연성 부재의 체결 방식 역시 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 보조단자는 단위전지(A)의 전극단자(a)에 접촉되는 제 1 단자 연결체와 단위전지(A)에 인접한 단위전지(B)의 전극단자(b)에 접촉되는 제 2 단자 연결체를 포함하고 있고, 상기 절연성 부재를 감싸는 형태로 결합되거나, 또는 상기 절연성 부재에 결합용 홈이 형성되어 있고 그러한 홈에 삽입되는 형태로 결합되는 구조일 수 있다. 보조단자에 연결되는 단위전지(A)의 전극단자(a)와 단위전지(B)의 전극단자(b)가 서로 다른 전극일 때 직렬 연결이 이루어지며, 동일한 전극일 때 병렬 연결이 이루어진다.

더욱 바람직하게는, 제 1 단자 연결체와 제 2 단자 연결체가 상호 분리되어 있고, 각각을 해당 전극단자에 접촉되도록 절연성 부재에 결합할 수 있으며, 절연성 부재와의 결합 후 제 1 단자 연결체와 제 2 단자 연결체의 전기적 연결을 위한 도전성 부재를 상기 단자 연결체들에 결합시킨 구조일 수 있다. 상기 도전성 부재는 바람직하게는 퓨즈, 바이메탈, PTC 등과 같은 안전소자일 수 있다.

이와 같은 조립형 보조단자는, 전지팩의 조립 과정에서 전극들이 전기적으로 연결되어 있지 않으므로 단락의 가능성을 크게 낮출 수 있고, 전지팩의 조립과정 및 완성 후의 사용 중에 상기와 같이 안전소자의 용이한 연결을 가능하게 하며, 단 위전지들의 초기 상태를 평준화하기 위한 병렬 레벨링 공정을 가능하게 하는 장점을 가지고 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 상부 케이스(110), 하부 케이스(120), 다수의 단위전지들(200), 제 1 회로부(130), 제 2 회로부(140) 및 제 3 회로부(150)를 포함하고 있다. 단위전지들(200)은 서로 분리되어 있는 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120) 사이에 적층되어 있으며, 제 1 회로부(130)는 전지팩(100)의 정면에 위치하고, 제 2 회로부(140)는 저면에 위치하며, 제 3 회로부(150)는 배면에 위치한다.

상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)가 분리되어 있으므로, 적층될 수 있는 단위전지(200)의 수는 그것에 의해 한정되지 않으며, 그러한 단위전지(200)의 적층 수에 따라 제 1 회로부(130)와 제 3 회로부(150)만을 변경하면, 소망하는 전기 용량과 출력의 전지팩(100)을 용이하게 디자인할 수 있다. 또한, 단위전지들(200)이 노출되어 있으므로, 충방전시 단위전지들(200)의 방열을 효율적으로 달성할 수 있다.

단위전지들(200)은, 이후 도 2와 관련하여 설명하는 바와 같이, 일정한 간격 으로 이격된 상태로 적층됨으로써, 충방전시 발생하는 열을 공냉식으로 냉각시킨다. 이러한 이격식 적층 구조로 인해 중간층의 단위전지들(200)의 열이 효과적으로 방열됨에 반해, 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)에 의해 밀폐되는 상단과 하단의 단위전지들(200)의 열은 상대적으로 발산되기 어렵다. 따라서, 본 발명에 따라 흡열물질은 상부 케이스(110) 및/또는 하부 케이스(120)에 포함됨으로써 상하부 케이스(110, 120)의 온도를 효과적으로 제어할 수 있다. 이 경우에 있어서, 흡열물질은 상하부 케이스(110, 120)의 내부에 밀봉된 형태로 내장되거나, 바람직하게는 그것의 내면에 도포될 수 있다. 흡열물질을 상하부 케이스(110, 120)의 내면에 도포하는 방법으로서, 예를 들어, 흡열물질 함유 캡슐을 별도의 도장용 비히클에 분산시킨 도료를 케이스(110, 120)의 내면에 일정한 두께로 코팅할 수 있다.

한편, 제 1 회로부(130)는 단위전지(200)의 전극단자 방향으로 모듈(100)의 측면에 부착되어 있고, 단위전지들(200)을 병렬 또는 직렬로 연결하기 위한 단자 연결부재와 각각의 단위전지(200)로부터 전압 및 전류 신호를 수신하고 전지의 온도를 감지하기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있다.

제 2 회로부(140)는 제 1 회로부(130)와 전기적으로 연결되어 있고, 모듈(100)을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있으며, 하부 기판(120)의 하단 수납부에 장착되어 있다.

제 3 회로부(150)는 제 2 회로부(140)에 전기적으로 연결되어 있고, 충방전시의 과전류를 방지하면서 외부 출력단자와 연결되며, 제 1 회로부(130)의 맞은편인 모듈(100)의 대향 측면에 부착되어 있다.

경우에 따라서는, 제 1 회로부(130), 제 2 회로부(140) 및 제 3 회로부(150)의 일부 또는 전체가 병합된 구조일 수 있으며, 또한 이들 회로부들(130, 140, 150)의 일부 또는 전체는 동일한 부위, 즉, 모듈의 일면 또는 두면에 함께 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 2에는 도 1의 전지팩에서 하부 케이스의 상면 사시도와 일부 단위전지들이 함께 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 하부 케이스(120)는 단위전지(200)의 외형에 거의 상응하는 장방형의 구조물로서 단위전지(200)가 수납되는 상단 수납부(121)를 포함하고 있다. 하부 케이스(120)는 높은 강도와 전기 절연성의 부재로서, 바람직하게는 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), PC(polycarbonate), PBT(Polybutylene Terephthalate) 등의 플라스틱 수지로 되어 있다.

하부 케이스(120) 상에 적층되는 파우치형 이차전지(200)는 전지 본체(210)의 상단에 양극 단자(220)와 음극 단자(230)가 각각 돌출되어 있다. 이들 전극단자들(220, 230)에는 관통구(240)이 천공되어 있어서, 다수의 단위전지들(200, 201)이 적층된 상태에서 별도의 체결부재, 예를 들어, 패스너(160)가 관통구(240)에 삽입되고 하부 케이스(120) 상의 고정홈(122)을 통해 그것의 하단면에서 너트(도시하지 않음) 등을 사용해 고정할 수 있다.

단위전지들(200, 201) 사이에는 전기적 절연을 위해 전극단자(220, 230) 상에 절연성 부재(300)가 실장되며, 절연성 부재(300)에는 전극단자들(220, 230)의 관통구(240)가 체결될 수 있는 돌출부(310)가 형성되어 있다. 돌출부(310)에는 관통구(320)가 형성되어 있어서, 돌출부(310)의 관통구(320)를 통과하는 패스너(160)가 전극단자들(220, 230)과 전기적 절연 상태가 유지될 수 있도록 하여 준다.

또한, 단위전지(200)의 본체(210)에는 양면 접착 테이프(500)가 각각 2 개씩 부착되어 있어서 적층되는 단위전지(210)과의 안정적인 결합을 더욱 보장한다. 더욱이, 적층된 단위전지들(200, 201)은 양면 접착 테이프(500)의 두께 만큼 이격되므로, 그러한 이격 틈은 충방전시 단위전지들(200, 201)의 체적 변화를 완충하며 충방전시 단위전지들(200, 210)의 발열을 효과적으로 발산시키는 역할을 한다.

충방전시 단위전지(200)에서는 열이 발생되므로, 더욱 효과적인 온도 제어를 위해 단위전지들(200, 201) 사이에 개재되는 양면 접착 테이프(500)에는 본 발명에 따라 흡열물질이 포함될 수 있다.

도 3에는 흡열물질이 포함된 양면 접착 테이프의 단면 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 높은 강인성의 기재 필름(510)의 양면에 접착층(520)이 형성되어 있고, 접착층(520)의 내부에는 상변환 캡슐(600)이 고르게 분산되어 있다. 상변환 캡슐(600)은 불활성 물질의 외층(610) 내부에 상변환 물질(620)이 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 접착층(520)에 분산된 상태에서 상변환 물질(620)의 중량당 큰 접촉 계면적을 가지므로, 접착층(520)에 접착되어 있는 단위전지(도시하지 않음)의 열에 대해 높은 반응성을 나타낸다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 조립형 절연성 부재의 결합전 상 태도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 절연성 부재(300)는 암체결부(331)가 측면에 형성되어 있는 제 1 조립 단위체(330)와, 암체결부(331)에 대응하는 수체결부(341)가 측면에 형성되어 있는 제 2 조립 단위체(340)로 구성되어 있어서, 상호 결합 및 분리가 가능하다. 제 1 조립 단위체(330)와 제 2 조립 단위체(340)를 상호 결합시킨 상태의 절연성 부재(330)는 전체적으로 직사각형의 블록 형상을 나타낸다.

각 조립체(330, 340)의 상단 측부에는 상부에 적층될 또다른 절연성 부재(도시하지 않음)와 결합될 수 있는 체결돌기(350)가 형성되어 있고 그에 대응하는 위치의 하단면에는 체결홈(352)이 형성되어 있다. 또한, 각 조립체(330, 340)의 상단 중앙에는, 도 2에서 설명한 바와 같이, 단위전지의 전극단자의 관통구(도시하지 않음)가 체결될 수 있는 돌출부(310)가 형성되어 있다.

제 1 조립 단위체(330)와 제 2 조립 단위체(340)가 결합된 상태의 절연성 부재(300)에 보조단자(도시하지 않음)가 결합될 수 있도록 제 2 조립 단위체(340)의 측면에는 만입부(343)가 형성되어 있다.

절연성 부재(300)는 단위전지의 전극단자와 이를 전기적으로 연결하기 위한 보조단자가 접속되는 부위이므로, 충방전 과정에서 많은 열이 전극단자와 보조단자에서 발생한다. 그러나, 단위전지의 전지 본체와는 달리 전극단자와 보조단자는 전기 절연성 부재(300)에 의해 외면이 폐쇄되므로 효과적인 방열이 이루어지기 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면 도 5 및 6에서와 같이, 절연성 부재(300)의 내부에는 흡열물질(620)이 내장되어 있다. 흡열물질(620)은 도 5에서와 같이 제 1 조립 단위체(330) 및 제 2 조립 단위체(340)의 내부에 내장되어 있는 형태로 포함될 수도 있고, 도 6에서와 같이 전극단자 및 보조단자가 실장되는 조립 단위체(330, 340)의 상단면에 더욱 가깝게 흡열물질(620)을 담지하고 그 상부를 차단부재(630)로 도포한 형태로 포함될 수도 있다. 그러나, 도 5 및 6의 형태는 예시적인 것이므로 절연성 부재(300)에 흡수물질을 포함시키는 형태는 다양할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 함은 당연하다.

도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 한 쌍의 분리형 보조단자가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 분리형 보조단자(400)는 단위전극 전극단자들 중 하나의 전극단자(예를 들어, 양극단자)에 접속하는 제 1 단자 연결체(410)와 나머지 전극단자(예를 들어, 음극단자)에 접속하는 제 2 단자 연결체(420)로 이루어져 있다. 이들 단자 연결체들(410, 420)은 도전성 판상 소재로 되어 있다. 각각의 단자 연결체(410, 420)에는 절연성 부재의 돌출부(도 7의 310)에 체결될 수 있는 결합홈들(412, 422)이 형성되어 있다. 제 1 단자 연결체(410)에 형성되어 있는 결합홈(412)이 절연성 부재 돌출부의 위쪽 방향으로만 결합될 수 있도록 폐쇄형으로 되어 있음에 반하여, 제 2 단자 연결체(420)에 형성되어 있는 결합홈(422)은 절연성 부재 돌출부의 측면 방향으로도 결합이 가능할 수 있도록 개방형으로 되어 있다. 이에 대해서는 조립과정을 보여주는 도 5을 참조하여 추후 설명한다.

제 1 단자 연결체(410)에는 조립된 상태에서 센싱 보드 어셈블리에 연결될 수 있도록 측면으로 돌출된 연장 접속부(415)가 또한 형성되어 있다.

각각의 단자 연결체(410, 420)에는 절연성 부재의 만입부(도 7의 343)에 삽입되어 결합될 수 있는 결합부(430, 440)가 형성되어 있다. 결합부(430, 440)는 전체적으로 판상의 소재로 되어 있는 본체의 측면을 일정한 높이를 부여한 상태에서 안쪽으로 접어 형성된 제 1 절곡부(431)와, 이를 다시 수직으로 접어 형성된 제 2 절곡부(432)를 포함하고 있다. 따라서, 절연성 부재의 만입부에 탄력적으로 결합될 수 있다.

도 8에는 도 4의 조립형 절연성 부재와 도 7의 분리형 보조단자를 사용하여 단위전지의 전극단자들을 연결하기 위한 일부 조립 공정도가 도시되어 있다. 즉, 도 8은 절연성 부재(300)와 보조단자(400)를 사용하여 단위전지들(200, 201)을 직렬방식으로 연결하는 과정을 보여주고 있다.

도 8을 참조하면, 보조단자의 제 1 단자 연결체(410)와 제 2 단자 연결체(420)는 각각의 결합부(430, 440)가 절연성 부재 중 제 2 조립 단위체(340)의 만입부(343)에 삽입되도록 결합된다. 제 1 단자 연결체(410)는 결합부(430)가 위쪽을 향하도록 정립된 상태로 만입부(343)에 삽입되고 판상 본체(414)가 제 1 조립 단위체(330)와 제 2 조립 단위체(340)의 하단면을 감싸도록 결합된다. 이러한 제 1 단자 연결체(410)의 결합 과정에서 결합부(430)의 측면 절곡부(431)는 만입부(343)의 하단에 길게 형성되어 있는 하부 유도홈(345)을 따라 도입된다. 제 1 단자 연결체(410)는 그것의 결합부(430)가 절연성 부재(300)의 만입부(343)에 삽입된 상태에 서, 돌출부가 형성되어 있지 않은 또다른 절연성 부재(도시하지 않음)의 하단면에 장착되므로 결합홈(412)은 폐쇄형으로 만들어진다.

반면에, 제 2 단자 연결체(420)는 결합부(440)가 아래쪽을 향하도록 도립된 상태에서 만입부(343)로 삽입되고 판상 본체(424)가 제 2 조립 단위체(340)의 상단면을 감싸도록 결합된다. 이러한 제 2 단자 연결체(420)의 결합 과정에서 결합부(440)의 측면 절곡부(441)는 만입부(343)의 상단에 길게 형성되어 있는 상부 유도홈(344)을 따라 도입된다. 제 2 단자 연결체(340)는 그것의 결합부(440)가 절연성 부재(300)의 만입부(343)에 측면 방향으로 삽입되면서 돌출부(312)가 형성되어 있는 절연성 부재(300)의 상단면에 장착되므로 결합홈(422)은 개방형으로 만들어진다.

두 단자 연결체들(410, 420)은 절연성 부재(400)에 결합되었을 때에도, 도면에 도시되어 있는 바와 같이(결합전의 상태 도시함), 서로 분리된 상태를 유지한다. 제 1 단자 연결체(410)는 제 1 조립 단위체(330)의 하단면에 체결되는 단위전지(201)의 양극단자(221)와 접속되고, 제 2 단자 연결체(420)는 제 2 조립 단위체(340)의 돌출부(312)에 체결되는 단위전지(200)의 음극단자(230)에 접속된다.

조립 과정을 예시적으로 설명하면 다음과 같다.

제 2 조립 단위체(340)에 제 2 단자 연결체(420)를 결합시킨다(S1). 그런 다음, 제 1 단자 연결체(410)를 제 2 조립 단위체(340)에 결합시킨다(S2). 그와 같이 제 2 조립 단위체(340)에 결합된 제 2 단자 연결체(420)의 결합홈(422)을 단위전지(200)의 음극단자(230)의 관통구(240)에 일치시키고(S3), 제 1 조립 단위체 (330)를 제 2 조립 단위체(340)와 결합시킨다(S4).

최종적으로, 양극단자(220)의 관통구(240)가 돌출부(310)에 체결되고 음극단자(230)의 관통구(240)가 돌출부(312)에 체결되도록, 단위전지(400)를 절연성 부재(300)에 실장한다. 이때, 양극단자(220)는 돌출부(310)에 체결된 상태에서 그 위에서 결합될 또다른 제 1 단자 연결체(도시하지 않음)와 접촉하게 되고, 반면에, 음극단자(230)는 돌출부(312)에 체결되어 있는 제 2 단자 연결체(420)와 접촉하게 된다.

상기에서는 조립 과정의 하나의 예를 설명한 것이고, 상기의 조립 순서는 일부 변경될 수 있다. 예를 들어, 제 1 조립 단위체(310)와 제 2 조립 단위체(320)를 결합하는 과정(S4)을 나중에 행할 수도 있다.

도 9에는 도 8의 조립 후 제 1 단자 연결체와 제 2 단자 연결체를 퓨즈를 사용해 전기적으로 연결하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, 절연성 부재(300)에 결합된 제 1 단자 연결체(410)와 제 2 단자 연결체(420)는 서로 분리되어 있어서 절연상태에 있다. 따라서, 관련 소자들의 조립이 완료된 후 이들 단자 연결체들(410, 420)을 안전소자나 별도의 도전성 부재로 연결하여야 통전된다. 도 9에서는 안전소자의 일종인 퓨즈(700)를 사용하여 전기적 연결을 이루는 과정을 보여주고 있다.

퓨즈(700)는 과전류나 과열의 발생시 단전되는 부위를 포함하고 있는 본체(710)로부터 두 개의 접속단자들(720, 730)이 돌출되어 있다.

절연성 부재(300)에 결합된 상태에서 제 1 단자 연결체(410)와 제 2 단자 연 결체(420)의 결합부(430, 440)에는 탄성적인 접속홈(433, 443)이 형성된다. 따라서, 퓨즈(700)의 접속단자들(720, 730)을 결합부(430, 440)의 접속홈(434, 444)에 삽입하여 전기적 접속을 이룰 수 있다. 해당 단위전지들(도시하지 않음)에 과전류 또는 과열이 발생하여 퓨즈(700)가 단전되므로, 모듈을 분해하여 단전된 퓨즈(700)를 제거하고 새로운 퓨즈를 재차 결합시킬 수 있다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 전기적 연결과정 중에 안전소자가 불필요한 경우에는, 제 1 단자 연결체(410)와 제 2 단자 연결체(420)가 일체로 형성된 구조가 사용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예에 따른 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.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 충방전시 열을 발생시키는 배터리 셀과, 특히, 전기적 연결부위에 접해 있거나 그에 인접한 전지팩 구성부재에 상변환 물질과 같은 흡열물질을 포함하고 있어서 고열 또는 축적된 열로 인한 해당 전지팩 구성부재의 물리적, 화학적 변형을 방지하여, 궁극적으로 전지팩 저항의 변화를 억제하여 최적의 작동 상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

1. 전지팩을 구성하는 배터리 셀 및 전기적 연결부위 중 하나 이상에 접해 있거나 또는 그에 인접해 있는 전지팩 구성부재가 충방전시 발생한 열을 흡수하는 물질('흡열물질')이 불활성 캡슐에 담지된 상태로 전지팩 구성부재의 내부에 밀봉되어 있는 형태 또는 전지팩 구성부재의 표면에 도포되어 있는 형태로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 흡열물질을 포함하고 있는 상기 전지팩 구성부재는 전지적 연결부재에 직접 접해 있거나 그것에 인접한 부재인 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지팩 구성부재는 배터리 셀의 전극단자 및 연결단자 중 하나 이상에 대한 전기 절연성 지지부재 또는 삽입부재인 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 흡열물질은, 다수 개의 배터리 셀들을 단위전지로서 적층하여 구성한 전지팩에 있어서, 하나 또는 둘 이상의 단위전지들이 장착되어 있는 내장부재나, 단위전지들이 일정하게 적층될 수 있도록 각 단위전지들 사이에 개재되는 양면 접착 테이프에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 흡열물질은 소정의 온도에서의 상변환시 구성부재들의 단위 온도당 열용량보다 큰 잠열을 가진 상변환 물질인 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 상변환 물질은 파라핀(paraffin)인 것을 특징으로 하는 전지팩.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 소정의 온도(specific temperature)는 50 내지 150℃의 온도 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 다수의 배터리 셀들을 단위전지로서 포함하고 있는 중대형 전지팩인 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 중대형 전지팩은, 충방전이 가능한 이차전지인 다 수의 단위전지들이 적층되는 플레이트와, 전지의 작동을 제어하는 회로부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 중대형 전지팩은,

    충방전이 가능한 단위전지로서의 배터리 셀들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 하부 케이스;

    상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 상부 케이스;

    적층된 단위전지들의 전기적 연결을 이루고, 전지의 전압 및 전류 중 하나 이상을 검출하기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;

    상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및

    상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전 및 과전류 중 하나 이상을 방지하면서 외부 출력단자와 연결되는 제 3 회로부;

    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 단위전지들의 전기적 연결은, 인접한 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 절연시키기 위하여 상기 전극단자들 사이에 개재되며 상기 전극단자들과 체결되는 절연성 부재; 및 상기 절연성 부재에 체결되고 상기 절연성 부재에 체결되어 있는 단위전지들의 전극단자들을 직렬 또는 병렬방식에 의해 전기적으로 연결하는 보조단자;에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
14. 제 13 항에 있어서, 흡열물질은 상기 절연성 부재에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.

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