KR101389227B1

KR101389227B1 - 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈

Info

Publication number: KR101389227B1
Application number: KR1020120154268A
Authority: KR
Inventors: 강순선; 전두성; 임주왕
Original assignee: 에이치엘그린파워 주식회사
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-04-29

Abstract

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 배터리 셀(12)의 과충전에 의한 팽창이 발생하면, 이를 기계적인 방식으로 전달 받아 토션 스프링 타입의 이동바(22)의 회동에 의해 상기 셀(12)을 전기적으로 연결하는 리드(30)를 끊어 충전을 차단시킴으로써, 배터리의 과충전에 의한 폭발의 위험을 미연에 방지할 수 있도록 하는 특징이 있는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈{LITHIUM-ION BATTERY FOR PREVENTING OVERCHARGE OF BATTERY CELL}

본 발명은 리튬이온 배터리의 셀(CELL)이 과충전될 경우, 상기 셀(CELL)을 전기적으로 연결하는 리드를 끊음으로써, 배터리의 과충전에 의한 폭발을 방지할 수 있도록 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차는 구동에 필요한 전기 에너지를 저장하는 대용량의 배터리가 장착된다.

도 1은 이러한 일반적인 리튬이온 배터리(LITHIUM-ION BATTERY)의 셀 어셈블리의 일예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 리튬이온 배터리는 통상 배터리 팩 형태로 제공되는데, 복수의 셀을 케이스에 수납하여 셀 어셈블리를 구성하고, 이를 다시 모듈화 하여 단위 팩을 구성한 뒤, 요구 전압에 따르는 개수로 다수의 단위 팩을 적층하여 1 개의 완전한 배터리를 이룬다.

상기 리튬이온 배터리는 긴 수명과, 고용량 등의 우수한 특성을 가지고 있으며, NI-MH(니켈-금속수소) 배터리에 비해 전압이 3 배 이상 높고, 상온에서 출력이 매우 높은 장점이 있어, 차세대 전기 자동차용 동력원으로 주목을 받고 있다.

그러나, 상기 리튬이온 배터리는 과충전 등의 비 정상적인 사용 환경에 노출될 경우 배터리 셀 내부의 전기 화학적인 작용으로 내압이 상승하게 되고, 이러한 배터리 셀의 내압 상승으로 인해 배터리가 팽창하게 되는 특성이 있다.

특히, 상기 리튬이온 배터리의 과충전 상태가 지속되는 경우에는 전해액이나 화학 물질이 일부 분해되어 전지 내부 압력 및 온도가 급상승되어 폭발이나 화재를 야기할 위험이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래 기술의 일예로서, 한국등록특허 10-1003444호에는 배터리 셀 마다 검출된 단전압을 분석하여, 이상이 있을 경우 써멀 퓨즈를 절단하여 배터리 셀과 충전 회로를 분리함으로써, 배터리의 소손이나, 폭발을 방지할 수 있도록 구성된 기술이 소개되어 있다.

그러나, 상기 기술문헌에 따르면, 전압의 센싱 과정에서 인접하는 셀에 의한 영향 또는 배터리의 작동 환경에 따른 각종 변수로 인해 각 셀의 측정값의 신뢰도가 떨어지게 되며, 실제로 배터리의 각 셀들은 비교적 큰 오차 범위를 가지는 전압값으로 다양하게 측정됨으로써, 충전 시스템을 차단시킬 기준을 정하기가 어려운 문제점이 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 리튬이온 배터리의 셀이 과충전 될 경우, 상기 셀의 팽창에 의해 발생되는 가압의 전달을 통해 상기 셀을 연결하는 리드를 기계적 수단으로 끊음으로써, 배터리의 폭발 방지를 효과를 높일 수 있도록 하는 리튬이온 배터리 모듈을 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬이온 배터리 모듈에 따르면, 배터리를 이루는 단위 셀을 내부에 설치하는 다수의 셀 케이스와, 상기 셀 케이스에 설치된 셀의 접속단자를 연결하는 리드와, 상기 셀 케이스를 원하는 요구 전압에 따르는 개수로 이격 설치하여 모듈화를 이루는 하우징 및 상기 하우징에 설치된 셀 케이스의 이격된 공간에 설치되어 전방에 상기 리드가 위치되도록 하고, 상기 셀이 팽창하여 가압이 발생될 경우에 내부에 설치된 토션 스프링 타입의 이동바에 탄성력이 가해져 전방으로 회동함으로써, 전방에 위치된 리드를 끊어 전기적 연결을 차단시키는 충전차단부를 포함하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈이 제공된다.

상기 충전차단부는 측부가 상기 셀 케이스와 접하여, 상기 셀 케이스의 셀이 팽창할 경우 발생되는 가압이 기계적으로 전달되어, 상기 이동바에 탄성력이 가해지도록 하는 스위치가 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 이동바는 상부에 형성된 토션 스프링의 회동축으로부터 하부로 연장되도록 구성하여, 하부로 연장된 끝부가 상기 회동축을 축으로 전방의 상부로 회동하는 것을 특징으로 한다.

상기 셀 케이스는 내부에 2 개의 셀을 삽입하여 구성되고, 상기 하우징은 4 개의 셀 케이스가 모듈화를 이루어 일정 간격으로 이격하도록 설치하며, 상기 충전차단부는 상기 셀 케이스의 각각의 이격된 지점에 다수 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 리드는 상기 셀 케이스의 길이방향의 일측 끝부에서는 서로 인접하는 다른 셀 케이스에 삽입된 2 개의 셀을 연결하고, 타측의 끝부에서는 동일한 셀 케이스에 삽입된 2 개의 셀을 연결하도록 구성되며, 상기 충전차단부는 인접하는 다른 셀 케이스에 삽입된 셀을 연결하는 방향에 설치될 수 있다.

상기 충전차단부의 이동바는 상기 셀 커버의 사이로 수평하게 연장되는 고정부와, 상기 고정부의 일측에서 토션 스프링의 회동축을 이루며 하부로 절곡되어 연장되는 회동부로 이루어질 수 있다.

상기 고정부는 상부의 일정 각도 이상으로 회동이 저지되도록 스토퍼에 의해 고정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정부는 상, 하부로 회동이 저지되도록 고정될 수 있다.

이러한 본 발명의 리튬이온 배터리 모듈에 의하면, 배터리 셀이 팽창되는 순간에 충전 전류를 차단하여, 배터리가 발화 및 폭발하기 이전의 온도의 급상승을 미연에 방지함으로써, 배터리의 발화 및 폭발을 방지하는 효과를 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전자식이 아닌 기계적 방식을 통해 배터리 셀의 충전 전류를 차단함으로써, 기존 전자식의 전압 센싱에 의한 신뢰도 저하의 문제점을 해소할 수 있으며, 배터리 모듈을 이루는 다수의 셀에 정확한 충전 차단의 기준을 정할 수 있도록 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 배터리 모듈의 구조를 나타낸 사시도.
도 2는 본 실시예에 따른 리튬이온 배터리 모듈의 형상 및 주요부를 확대하여 나타낸 사시도와 단면도.
도 3은 본 실시예에 의한 리튬이온 배터리 모듈의 평면 형상을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 리튬이온 배터리 모듈의 충전차단부 설치 형상을 나타낸 사시도.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 2은 본 실시예에 따른 리튬이온 배터리 모듈의 전체적인 사시도와, 요부를 확대한 단면도를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 리튬이온 배터리 모듈(1)은 배터리를 이루는 단위 셀(12)을 내부에 설치하는 다수의 셀 케이스(10)와, 상기 셀 케이스(10)에 설치된 셀(12)에 형성된 접속단자를 연결하는 리드(30)와, 상기 셀 케이스(10)를 원하는 요구 전압에 따르는 개수로 모듈화하여 이격 설치하는 하우징(40)을 포함하며, 이러한 구성은 종래의 일반적인 배터리 모듈과의 차이점이 없다.

또한, 본 발명의 리튬이온 배터리 모듈(1)은 상기 하우징(40)에 설치된 셀 케이스(10)의 이격된 공간에 설치되는 충전차단부(20)가 포함된다.

상기 충전차단부(20)는 내부에 토션 스프링 타입의 이동바(22)가 설치되어, 토션 스프링의 탄성력에 의해 상기 이동바(22)가 전방으로 회동하여 돌출되도록 구성된다.

상기 충전차단부(20)는 상기 셀 케이스(10)에 삽입된 각각의 셀(12)을 연결하는 리드(30)의 후방에 위치되도록 하여, 상기 충전차단부(20)의 전방으로 돌출되는 이동바(22)가 상기 리드(30)를 가압하여 연결을 끊을 수 있도록 구성된다.

상기 충전차단부(20)는 상기 셀 케이스(10)의 이격된 공간으로 삽입되어, 양측으로 각각 상기 셀 케이스(10)의 측부와 접해지도록 구성되어, 상기 셀(12)이 팽창하여 양측부에 가압이 발생될 경우, 이러한 가압을 기계적으로 전달 받을 수 있도록 하는 스위치가 구성될 수 있으며, 상기 스위치의 작동에 의해 내부에 설치된 이동바(22)가 선택적으로 회동이 이루어지도록 구성될 수 있다.

따라서, 상기 셀 케이스(10)의 셀(12)이 과충전에 의해 팽창을 하면, 상기 충전차단부(20)의 이동바(22)가 탄성력에 의한 회동으로 돌출되어, 전방에 위치되는 리드(30)를 끊어 배터리 셀(12)의 충전을 중단시킴으로써, 과충전에 의한 폭발을 방지하도록 한다.

또한, 상기 충전차단부(20)의 이동바(22)는 상기 토션 스프링이 형성하는 회동축(C)에서 하부로 소정의 길이를 갖도록 연장되어, 상기 셀(12)의 팽창이 발생할 경우, 하부로 연장된 상기 이동바(22)의 끝부가 상부에 형성된 회동축(C)을 중심으로 전방의 상부로 회전을 이루며 돌출되도록 구성될 수 있다.

도 3은 본 실시예에 의한 리튬이온 배터리 모듈의 평면 형상을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 충전차단부(20)는 상기 모듈 단위를 이루는 하우징(40)에 다수 이격하여 설치된 셀 케이스(10)의 각각의 이격된 공간에 다수가 설치된다.

본 실시예에 의한 배터리 모듈(1)은 상기 셀 케이스(10)의 내부에 설치된 셀(12)이 각각 전기적 접속을 이루기 위해 상기 셀 케이스(10)의 양측 끝부로 돌출되며, 이때, 상기 셀 케이스(10)의 일측의 끝부에서는 서로 동일한 셀 케이스(10)에 삽입된 셀(12)을 리드(30)로 연결하고, 다른 타측의 끝부에서는 서로 인접하는 다른 셀 케이스(10)의 셀(12)을 리드(30)로 연결하도록 구성하여, 모든 셀(12)이 직렬로 연결되도록 구성된다.

이에, 본 실시예에 의한 배터리 모듈(1)에서는 서로 인접하는 다른 셀 케이스(10)에 삽입된 셀(12)을 리드(30)로 연결하는 일측의 방향에 상기 충전차단부(20)를 설치하도록 구성된다.

따라서, 본 실시예에서와 같이 8 개의 셀(12)이 모듈을 이루는 배터리 모듈(1)에서는 상기 셀 케이스(10)의 일측의 방향에 3 개의 충전차단부(20)가 설치되는 것으로, 소기의 목적을 달성할 수 있으며, 특히, 상기 배터리 모듈(1)의 하우징의 내측에 설치되는 2 개의 셀 케이스(10)는 인접하는 양측의 충전차단부(20)를 동시에 작동시키게 되어, 상기 충전차단부(20)에 대응하는 2 개의 리드(30)를 동시에 차단시킬 수 있도록 한다.

도 4는 본 일실시예에 의해 리튬이온 배터리 모듈에 충전차단부가 설치된 형상을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 충전차단부(20)의 이동바(22)는 상기 셀 케이스(10)의 공간에서 소정의 길이를 갖도록 수평하게 연장되는 고정부(27)와, 상기 충전차단부(20)의 중앙에 위치되는 토션 스프링의 회동축(C)에서 절곡을 이루어 연장되는 회동부(25)로 구성될 수 있다.

상기 고정부(27)는 상기 셀 커버 사이의 공간에서 상부의 일정 각도 이상으로의 회동이 저지되거나, 또는, 상부 및 하부로의 회동이 저지되도록 스토퍼를 통해 고정될 수 있으며, 상기 토션 스프링의 회동축(C)에서 절곡되어 이어지는 회동부(25)와 상기 고정부(27)가 이루는 각도를 좁힘으로써, 탄성력이 부여되도록 구성될 수 있다.

상기 충전차단부(20)의 이동바(22)는 탄성력이 해제된 상태에서 상기 고정부(27)와 회동부(25)가 하부측을 향해 이루는 각도가 적어도 180 도 이상이 되도록 구성하는 것이 바람직하며, 이를 통해 상기 회동부(25)와 상기 고정부(27)가 하부측을 향하는 각도가 대략 90 도를 이루도록 접은 상태에서 상기 이동바(22)에 탄성력이 가해질 경우, 상기 이동바(22)의 회동부(25)가 전방으로 90도 이상의 회동이 이루어져, 전방에 위치되는 리드를 끊을 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈에 의하면, 배터리의 셀(12)이 과충전 또는 비 정상적인 사용에 의해 팽창될 경우, 토션 스프링 타입의 이동바(22)에 의해 셀(12)을 연결하는 리드(30)를 끊음으로써, 더 이상의 충전이 이루어지지 않도록 하여, 배터리가 폭발하는 것을 방지하는 효과가 있으며, 본 발명은 상기한 실시예에 국한되지 않고, 다양한 셀의 개수와 모듈 형상을 이루는 배터리 모듈에 적용이 가능하다.

1: 배터리 모듈
10: 셀 케이스
12: 셀
20: 충전차단부
22: 이동바
25: 회동부
27: 고정부
30: 리드
40: 하우징
C: 회동축

Claims

배터리를 이루는 단위 셀을 내부에 설치하는 다수의 셀 케이스와;
상기 셀 케이스에 설치된 셀의 접속단자를 연결하는 리드와;
상기 셀 케이스를 원하는 요구 전압에 따르는 개수로 이격 설치하여 모듈화를 이루는 하우징; 및
상기 하우징에 설치된 셀 케이스의 이격된 공간에 설치되어 전방에 상기 리드가 위치되도록 하고, 상기 셀이 팽창하여 가압이 발생될 경우에 내부에 설치된 토션 스프링 타입의 이동바에 탄성력이 가해져 상기 리드를 끊을 수 있도록 전방으로 회동하여, 상기 셀의 전기적 연결을 차단시키는 충전차단부;
를 포함하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 충전차단부는 측부가 상기 셀 케이스와 접하여, 상기 셀 케이스의 셀이 팽창할 경우 발생되는 가압력이 전달되어, 상기 이동바에 탄성력이 가해지도록 하는 스위치;
가 포함되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 이동바는 상부에 형성된 토션 스프링의 회동축으로부터 하부로 연장되도록 구성하여, 하부로 연장된 끝부가 상기 회동축을 축으로 상기 충전차단부의 전방의 상부로 회동하는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 셀 케이스는 내부에 2 개의 셀을 삽입하여 구성되고,
상기 하우징은 4 개의 셀 케이스가 모듈화를 이루어 일정 간격으로 이격하도록 설치하며,
상기 충전차단부는 상기 셀 케이스의 각각의 이격된 지점에 다수 설치되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제4항에 있어서,
상기 리드는 상기 셀 케이스의 길이방향의 일측 끝부에서는 서로 인접하는 다른 셀 케이스에 삽입된 2 개의 셀을 연결하고, 타측의 끝부에서는 동일한 셀 케이스에 삽입된 2 개의 셀을 연결하도록 구성되며,
상기 충전차단부는 인접하는 다른 셀 케이스에 삽입된 셀을 연결하는 리드가 형성된 셀 케이스의 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 충전차단부의 이동바는 상기 셀 케이스의 이격된 사이에 위치되는 고정부와;
상기 고정부의 일측에서 토션 스프링의 회동축을 이루며 하부로 절곡되어 연장되는 회동부;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제6항에 있어서,
상기 고정부와 회동부 사이의 각도는 90 도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 고정부는 상부의 일정 각도 이상으로 회동이 저지되도록 고정된 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 고정부는 상, 하부로 회동이 저지되도록 고정된 것을 특징으로 하는 과충전 방지 수단을 가지는 리튬이온 배터리 모듈.