KR101294179B1 - 배터리의 과충전 방지장치 - Google Patents

배터리의 과충전 방지장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 셀들이 적층되어 구성된 셀모듈; 셀의 단부측에 마련되며, 열팽창계수가 서로 다른 금속판이 접합되어 구성된 전극단자; 양 단부가 서로 다른 셀의 전극단자에 각각 연결되며, 셀의 발열에 의한 전극단자의 휨 변형시 끊어지도록 마련된 버스바; 및 상기 셀과 전극단자의 일부가 커버되는 형태로 마련되며, 전극단자의 휨 변형시 휘어지는 부분 측에서 지지하도록 하는 지지플레이트;를 포함하여 구성되는 배터리의 과충전 방지장치가 소개된다.

Description

배터리의 과충전 방지장치{APPARATUS FOR PREVENTING OVERCHARGE BATTERY}
본 발명은 배터리의 과충전시 전극단자의 휨 변경을 통해 배터리의 전원을 차단하도록 한 배터리의 과충전 방지장치를 제공하는 데 있다.
일반적으로, 하이브리드 자동차를 비롯하여 전기자동차나 연료전지 자동차에는 차량 구동을 위한 전기에너지를 공급할 수 있도록 고전압 배터리가 사용된다.
이러한, 고전압 배터리는 다수의 단위전지 또는 모듈을 연결하여 고전압을 만들 수 있는 배터리팩이 구성되며, 이를 이용하여 높은 전력을 발생시킨다.
배터리팩으로는 높은 집적도로 적층될 수 있고, 용량 대비 중량이 작은 각형 또는 파우치형 전지 등이 주로 사용되며, 배터리팩의 단위전지(배터리셀)로는 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이온전지가 많이 사용되고 있다.
그러나, 리튬 이온전지는 근본적으로 안전성이 낮다는 문제점이 있는데, 파우치형 전지의 경우 전지케이스의 기계적 강성이 낮고 밀봉부가 분리되었을 때 전해액 등 발화성 물질이 누설되어 화재의 위험이 높은 문제가 있다.
특히, 셀 내부에 전해액이 주입되어 있기 때문에, 배터리가 과충전되면 전압이 상승하게 되고, 과열로 인해 셀 내부의 전해액이 분해되어 가연성 가스가 셀 내부적으로 발생됨으로써, 파우치 자체가 팽창되는 스웰링 현상이 일어나게 되어 배터리의 발화 및 폭발 위험이 커지는 문제가 있다.
이에, 배터리의 과충전에 따른 스웰링 현상 발생시 배터리의 전원을 강제적으로 차단하기 위한 기술이 제안되고 있다.
도 1은 배터리의 과충전시 배터리의 전원을 차단하기 위한 종래 기술로써, 전지셀(1)의 스웰링에 의한 팽창시 팽창 응력이 전지셀(1) 또는 단위모듈의 전극단자(2) 연결부위로 집중되어, 스웰링이 소정값 이상일 때, 전극단자(2) 연결부위가 파열되면서 단전이 이루어지도록, 전극단자(2) 연결부위의 일부가 부피 팽창에 취약한 구조로 이루어진다.
그러나, 상기한 종래 기술은 전극단자의 연결부위가 다른 구성요소를 통해서가 아닌 단순히 취약한 구조로 이루어진 특성상, 내구성이 매우 약하다. 따라서, 전지셀의 팽창작용은 물론, 예상치 못한 물리적인 힘이나 진동 등에 의해서도 전극단자의 연결부위가 쉽게 파열될 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 배터리의 과충전시 바이메탈 원리가 적용된 전극단자를 휨 변형하여 배터리의 전원을 차단하도록 한 배터리의 과충전 방지장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 셀들이 적층되어 구성된 셀모듈; 셀의 단부측에 마련되며, 열팽창계수가 서로 다른 금속판이 접합되어 구성된 전극단자; 양 단부가 서로 다른 셀의 전극단자에 각각 연결되며, 셀의 발열에 의한 전극단자의 휨 변형시 끊어지도록 마련된 버스바; 및 상기 셀과 전극단자의 일부가 커버되는 형태로 마련되며, 전극단자의 휨 변형시 휘어지는 부분 측에서 지지하도록 하는 지지플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전극단자는 상대적으로 열팽창계수가 큰 제1금속판과 열팽창계수가 작은 제2금속판이 서로 접합되어 구성되며, 버스바의 양 단부에 서로 대칭되는 형태로 각각 연결될 수 있다.
상기 버스바의 양 단부에 연결된 전극단자는 제1금속판이 제2금속판의 내측부에 마련되어, 전극단자의 휨 변형시 버스바를 바깥쪽으로 잡아당기는 인장력이 제공될 수 있다.
상기 버스바의 양 단부에 연결된 전극단자는 제1금속판이 제2금속판의 외측부에 마련되어, 전극단자의 휨 변형시 버스바를 안쪽으로 미는 압축력이 제공될 수 있다.
상기 버스바의 중간 부분에 취약부가 마련되어 끊어짐이 용이하도록 형성할 수 있다.
상기 취약부는 절단홈의 형상으로 형성될 수 있다.
두 개의 셀이 서로 마주하도록 배치되며, 전극단자와 버스바가 상기 셀의 양측에 각각 설치될 수 있다.
두 개의 셀이 서로 마주하도록 배치되며, 전극단자와 버스바가 상기 셀의 양측 중 어느 일측에 설치될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 셀의 일정 온도 이상으로의 발열시 열팽창계수의 차이(바이메탈)에 의한 전극단자의 휘어짐을 통해 버스바를 파단할 수 있게 됨으로써, 배터리 과충전에 따른 배터리의 폭발 및 화재 위험이 방지되어 배터리의 안전성능이 강화되는 효과가 있다.
더욱이, 제1금속판 및 제2금속판의 재질 변경을 통해 셀이 일정 온도 이상으로 발열시에만 전극단자의 휘어짐이 발생하도록 함으로써, 과충전 방지를 위한 기구 구조의 신뢰성을 한층 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 버스바가 셀 양측에 각각 설치될 수 있으므로, 배터리의 과충전시 양측의 버스바 중 적어도 어느 하나가 끊어지게 되어, 배터리의 전원 차단작용이 보다 효과적으로 이루어질 수 있는 효과도 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 배터리 과충전시 전원 차단장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 배터리의 과충전 방지장치의 구성을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따라 셀 발열시에 버스바에 인장력이 제공되어 파단되는 작용을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 셀 발열시 버스바에 압축력에 제공되어 파단되는 작용을 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명 배터리 과충전 방지장치는, 셀(11)의 온도 상승시 전극단자(20)가 휨 변형되면서 배터리의 전원을 차단하도록 하는 구성으로, 셀(11)들이 적층되어 구성된 셀모듈(10)과, 셀(11)들의 단부측에 마련되며, 열팽창계수가 서로 다른 금속판이 접합되어 구성된 전극단자(20)와, 양 단부가 서로 다른 셀(11)의 전극단자(20)에 각각 연결되며, 셀(11)의 발열에 의한 전극단자(20)의 휨 변형시 끊어지도록 마련된 버스바(30)와, 상기 셀(11)과 전극단자(20)의 일부가 커버되는 형태로 마련되며, 전극단자(20)의 휨 변형시 휘어지는 부분 측에서 지지하는 지지플레이트(40)를 포함하여 구성된다.
즉, 전극단자(20)로써 열팽창계수가 매우 차이가 나는 두 개의 금속판이 일체로 마련되고, 양 전극단자(20) 사이에 버스바(30)가 연결됨으로써, 셀(11)의 온도가 상승되면 그 열이 전극단자(20)에 전도되면서 두 금속판의 열팽창 차이(바이메탈의 원리)에 의해 전극단자(20)가 휘어지게 되고, 이로 인해 버스바(30)가 파단되어 배터리의 전원을 차단할 수 있게 된다.
여기서, 상기 셀모듈(10) 외측에는 상기 셀모듈(10)을 커버할 수 있는 셀모듈하우징(부호생략)이 설치될 수 있고, 상기 셀모듈(10)이 다수 연결되어 배터리팩이 구성될 수 있다.
그리고, 상기 지지플레이트(40)는 각각의 셀(11)을 개별적으로 커버하는 형태로 마련될 수 있으며, 상기 지지플레이트(40)는 상기 셀(11)과 함께 전극단자(20)와 버스바(30)의 일부를 커버하는 형태로 마련되어, 전극단자(20)의 휨 변형 발생시 이를 지지하게 됨으로써, 버스바(30)가 끊어지지 않고 단지 구부러지기만 하는 것을 방지하여 버스바(30)의 파단이 원활하게 이루어질 수 있게 한다.
또한, 상기 전극단자(20)가 절곡된 형태로 도시되어 있으나, 직선 형태로 형성될 수도 있을 것이다.
도 2와 같이 상기 전극단자(20)는 상대적으로 열팽창계수가 큰 제1금속판(21)과 열팽창계수가 작은 제2금속판(22)이 서로 접합되어 구성되며, 버스바(30)의 양 단부에 서로 대칭되는 형태로 각각 연결되는 구조이다.
여기서, 열팽창계수란 열팽창에 의한 물체의 팽창 비율을 나타낸 것으로, 보통 일정한 압력 하에서 온도가 1℃ 올라갈 때마다의 부피 증가율로 표시된다. 대표적인 몇 가지 금속의 열팽창계수를 살펴보면, 아연은 2.97, 알루미늄은 2.38, 구리는 1.71, 철은 1.2의 열팽창계수를 갖는다.
예를 들어, 제1금속판(21)으로 아연이 사용된 경우, 제2금속판(22)으로는 제1금속판(21)보다 열팽창계수가 작은 구리가 사용됨으로써, 전극단자(20)에 열이 전달되는 경우 열팽창계수가 더 큰 제1금속판(21)이 더 빨리 휘어지게 되어 상기 전극단자(20)가 제2금속판(22) 측으로 휘어지게 된다.
따라서, 본 발명의 전극단자(20)에 열이 전달되는 경우, 양측 전극단자(20)의 제1금속판(21)과 제2금속판(22)이 서로 대칭되는 형태로 구성되는 바, 양측의 전극단자(20)가 서로 반대되는 방향으로 휘어지게 되어, 전극단자(20) 사이가 벌어지거나 오므려지게 되고, 이로 인해 버스바(30)가 끊어질 수 있게 된다.
도 3과 같이, 상기 버스바(30)의 양 단부에 연결된 전극단자(20)는 제1금속판(21)이 제2금속판(22)의 내측부에 마련되어, 전극단자(20)의 휨 변형시 버스바(30)를 바깥쪽으로 잡아당기는 인장력이 제공될 수 있다.
즉, 두 개의 셀(11) 단부에 전극단자(20)가 각각 연결된 상태에서, 상대적으로 열팽창계수가 큰 제1금속판(21)이 제2금속판(22)의 내측부에 마련됨으로써, 셀(11) 발열에 의한 온도 상승시 제2금속판(22) 측으로 전극단자(20)가 휘어지게 되는 바, 양측의 전극단자(20)가 그 중간에 연결된 버스바(30)를 서로 잡아당기는 듯이 인장력이 작용되어, 버스바(30)가 파단될 수 있게 된다.
도 4와 같이 본 발명에서 상기 버스바(30)의 양 단부에 연결된 전극단자(20)는 제1금속판(21)이 제2금속판(22)의 외측부에 마련되어, 전극단자(20)의 휨 변형시 버스바(30)를 안쪽으로 미는 압축력이 제공될 수 있다.
즉, 두 개의 셀(11) 단부에 전극단자(20)가 각각 연결된 상태에서, 상대적으로 열팽창계수가 큰 제1금속판(21)이 제2금속판(22)의 외측부에 마련됨으로써, 셀(11) 발열에 의한 온도 상승시 제2금속판(22) 측으로 전극단자(20)가 휘어지게 되는 바, 양측의 전극단자(20)가 그 중간에 연결된 버스바(30)를 향해 서로 미는 듯이 압축력이 작용되어, 버스바(30)가 파단될 수 있게 된다.
도 2와 같이 본 발명은, 상기 버스바(30)의 중간 부분에 취약부가 마련되어 끊어짐이 용이하도록 형성되는 구조로써, 버스바(30)의 일부에 인장력 또는 압축력에 취약한 취약부가 형성된다. 따라서, 셀(11) 발열에 의한 전극단자(20)의 휨 발생시 취약부 부분이 끊어지게 되어, 배터리의 전원을 손쉽게 차단할 수 있게 된다.
상기 취약부는 대략 V자 형상의 절단홈(31) 형상으로 형성된 구조로써, 적절하게는 버스바(30) 상면에 형성될 수 있으며, 경우에 따라 버스바(30) 하면 또는 버스바(30)의 상면 및 하면에 각각 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은 두 개의 셀(11)이 서로 마주하도록 배치되며, 전극단자(20)와 버스바(30)가 상기 셀(11)의 양측에 각각 설치될 수 있다.
그리고, 본 발명은 두 개의 셀(11)이 서로 마주하도록 배치되며, 전극단자(20)와 버스바(30)가 상기 셀(11)의 양측 중 어느 일측에 설치될 수 있다.
즉, 두 개의 셀(11) 양측 또는 양측 중 어느 일측에 전극단자(20)가 각각 연결되고, 상기 전극단자(20) 사이에 버스바(30)가 설치됨으로써, 과충전에 의해 셀(11)이 과열되면 전극단자(20)가 휘어지게 되어 버스바(30)가 끊어지게 된다. 따라서, 배터리의 과충전에 따른 과열시 배터리의 전원을 차단하여 발화 및 폭발 위험을 방지하게 된다.
도 3 및 도 4를 통해 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명한다.
차량에 설치된 배터리의 충전시 과충전을 하게 되면, 배터리 셀(11)의 온도가 발열되면서 상승하게 된다.
이처럼 상승되는 셀(11)의 온도는 셀(11)에 연결된 전극단자(20)에 열전도되어 열이 전달되는데, 상기 전극단자(20)가 열팽창계수가 차이가 나는 제1금속판(21)과 제2금속판(22)이 접합된 구조로 이루어져 있어, 상기 제1금속판(21)과 제2금속판(22)의 열팽창 차이(바이메탈)에 의해 전극단자(20)가 열팽창계수가 작은 금속판 측으로 휘어지게 되고, 이를 통해 전극단자(20)와 다른 전극단자(20) 사이에 연결된 버스바(30)에 제1금속판(21) 및 제2금속판(22)의 접합 위치에 따라 인장력 또는 압축력이 제공된다.
따라서, 셀(11)의 일정 온도 이상으로의 발열시 전극단자(20)의 휘어짐을 통해 버스바(30)를 파단할 수 있게 됨으로써, 배터리의 과충전시 배터리의 전원을 차단할 수 있고, 이를 통해 배터리의 화재 및 폭발에 대한 안전성을 확보할 수 있게 된다.
더욱이, 전극단자(20)를 구성하는 제1금속판(21) 및 제2금속판(22)의 재질 선택을 통해 원하는 온도에서 전극단자(20)의 휨 발생이 일어나도록 조절할 수 있게 된다. 따라서, 비교적 낮은 발열 온도에서는 전극단자(20)의 휘어짐이 일어나지 않고, 배터리 전원의 차단이 필요한 정도의 높은 발열 온도에서 전극단자(20)의 휘어짐이 발생되도록 할 수 있어, 과충전 방지를 위한 기구 구조의 신뢰성을 한층 높일 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 셀모듈 11 : 셀
20 : 전극단자 21 : 제1금속판
22 : 제2금속판 30 : 버스바
31 : 절단홈 40 : 지지플레이트

Claims (8)

  1. 셀(11)들이 적층되어 구성된 셀모듈(10);
    셀(11)의 단부측에 마련되며, 열팽창계수가 서로 다른 금속판이 접합되어 구성된 전극단자(20);
    양 단부가 서로 다른 셀(11)의 전극단자(20)에 각각 연결되며, 셀(11)의 발열에 의한 전극단자(20)의 휨 변형시 끊어지도록 마련된 버스바(30); 및
    상기 셀(11)과 전극단자(20)의 일부가 커버되는 형태로 마련되며, 전극단자(20)의 휨 변형시 휘어지는 부분 측에서 지지하도록 하는 지지플레이트(40);를 포함하여 구성되고,
    상기 전극단자(20)는 상대적으로 열팽창계수가 큰 제1금속판(21)과 열팽창계수가 작은 제2금속판(22)이 서로 접합되어 구성되며, 버스바(30)의 양 단부에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 방지장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 버스바(30)의 양 단부에 연결된 전극단자(20)는 제1금속판(21)이 제2금속판(22)의 내측부에 마련되어, 전극단자(20)의 휨 변형시 버스바(30)에 바깥쪽으로 잡아당기는 인장력이 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 방지장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 버스바(30)의 양 단부에 연결된 전극단자(20)는 제1금속판(21)이 제2금속판(22)의 외측부에 마련되어, 전극단자(20)의 휨 변형시 버스바(30)에 안쪽으로 미는 압축력이 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 방지장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 버스바(30)의 중간 부분에 취약부가 마련되어 끊어짐이 용이하도록 형성한 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 방지장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 취약부는 절단홈(31)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 방지장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    두 개의 셀(11)이 서로 마주하도록 배치되며, 전극단자(20)와 버스바(30)가 상기 셀(11)의 양측에 각각 설치된 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 방지장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    두 개의 셀(11)이 서로 마주하도록 배치되며, 전극단자(20)와 버스바(30)가 상기 셀(11)의 양측 중 어느 일측에 설치된 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 방지장치.
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