KR101500233B1 - 차량의 고전압배터리 - Google Patents

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KR101500233B1
KR101500233B1 KR20130159574A KR20130159574A KR101500233B1 KR 101500233 B1 KR101500233 B1 KR 101500233B1 KR 20130159574 A KR20130159574 A KR 20130159574A KR 20130159574 A KR20130159574 A KR 20130159574A KR 101500233 B1 KR101500233 B1 KR 101500233B1
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cushion
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민홍석
안승호
최성민
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현대자동차주식회사
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Abstract

배터리셀측의 제1파트와 단자측의 제2파트로 분할된 양극전극탭; 제1파트에서 연장되며 하부파우치에 고정된 제1파트연장부; 제2파트에서 연장되며 제1파트연장부와 접촉되고 상단이 상부파우치에 고정된 제2파트연장부; 음극전극탭으로부터 연장되며 제2파트연장부의 상방에 이격된 음극연장부; 및 제2파트연장부와 음극연장부의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된 쿠션;을 포함하는 차량의 고전압배터리가 소개된다.

Description

차량의 고전압배터리 {HIGH VOLTAGE BATTERY FOR VEHICLE}
본 발명은 바이패스 기능을 갖는 파우치 내장형 CID를 통하여 기존 파우치 셀의 안전성을 확보하여 차량용 배터리의 상품성을 향상시킬 수 있는 차량의 고전압배터리에 관한 것이다.
파우치 형태의 리튬 이온 이차전지의 응용이 확대되면서, 에너지밀도 및 단위 셀 내의 에너지 저장량이 점점 증가하고 있는데, 특히, 차량용 리튬 이온 이차전지의 경우에는 주행 거리 증가에 대한 니즈를 만족하기 위해, 고용량화에 대한 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 하지만, 파우치 형태의 리튬 이온 전지의 경우에는 외장재의 물리적 강도가 약하고, 셀 레벨 안전기구(CID, PTC, 퓨즈, 등)가 없기 때문에, 이러한 고용량화에 대한 안전성 확보가 취약하다. 특히, 차량용 고용량 배터리의 과충전 문제가 발생할 경우에는 가스 발생 및 내부 온도 상승으로 인하여 셀 내부 물질의 열 폭주에 의한 발화 문제가 우려되고 있다. 또한, 차량 운행 중 단 하나의 단위 셀이라도 비이상적인 반응이 발생하게 되면 배터리 팩 작동 전압의 이상을 유발하여 주행 안전성을 저해할 수 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1264534 B
본 발명은 바이패스 기능을 갖는 파우치 내장형 CID(CURRENT INTERRUPTIVE DEVICE로서 과충전방지장치를 의미한다)를 통하여 기존 파우치 셀의 안전성을 확보하여 차량용 배터리의 상품성을 향상시킬 수 있는 차량의 고전압배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 고전압배터리는, 배터리셀측의 제1파트와 단자측의 제2파트로 분할된 양극전극탭; 제1파트에서 연장되며 하부파우치에 고정된 제1파트연장부; 제2파트에서 연장되며 제1파트연장부와 접촉되고 상단이 상부파우치에 고정된 제2파트연장부; 음극전극탭으로부터 연장되며 제2파트연장부의 상방에 이격된 음극연장부; 및 제2파트연장부와 음극연장부의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된 쿠션;을 포함한다.
상부파우치와 하부파우치가 이루는 사이는 진공일 수 있다.
배터리셀의 스웰링시 상부파우치와 하부파우치 사이 공간이 팽창되며 제2파트연장부가 쿠션을 압축시키며 제1파트연장부와는 떨어지고 음극연장부와 접촉될 수 있다.
제1파트연장부, 제2파트연장부, 쿠션, 음극연장부를 외부에서 감싸는 하우징;을 더 포함할 수 있다.
제1파트연장부와 제2파트연장부는 하우징 하부에 안착되고 음극연장부는 하우징 상부에 안착되며 제2파트연장부와 음극연장부 사이에 쿠션이 개재될 수 있다.
제2파트연장부의 중앙부가 상방으로 돌출되어 하우징 상부의 중앙부와 고정되고, 하우징 상부의 중앙부는 절개된 상태로 상부파우치에 고정될 수 있다.
음극연장부와 쿠션은 제2파트연장부의 돌출된 중앙부를 기준으로 좌우 분할된 형상일 수 있다.
음극연장부는 배터리셀을 덮는 패널형상이며 일단이 음극전극탭에 연결되고 타단이 제2파트연장부의 상방에 이격될 수 있다.
일단이 양극전극탭에 연결되고 음극연장부와 면접촉되는 패널형상의 양극연장부;를 더 포함할 수 있다.
음극연장부 또는 양극연장부는 알루미늄재질로 형성되고, 상호 접촉되는 면이 아노다이징 처리될 수 있다.
음극연장부는 구리재질이고, 양극연장부는 알루미늄재질이며, 양극연장부의 음극연장부와 접촉되는 면은 아노다이징 처리될 수 있다.
본 발명의 또 다른 차량의 고전압배터리는, 배터리셀측의 제1파트와 단자측의 제2파트로 분할된 음극전극탭; 제1파트에서 연장되며 하부파우치에 고정된 제1파트연장부; 제2파트에서 연장되며 제1파트연장부와 접촉되고 상단이 상부파우치에 고정된 제2파트연장부; 양극전극탭으로부터 연장되며 제2파트연장부의 상방에 이격된 양극연장부; 및 제2파트연장부와 양극연장부의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된 쿠션;을 포함한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 고전압배터리에 따르면, 비정상적 셀의 부피팽창을 통한 압력 변화로 인해, 특정 압력 이상에서의 물리적인 단락을 꾀함으로써, 외부 전류를 차단하고 회로를 바이패스 함으로써 셀 레벨 안전성 및 팩 전압 안전성을 확보한다.
기존 파우치 전지를 적용한 기술에서는 과충전 방지를 위하여 모듈 또는 패키지 단위에서의 안전 기구에 국한된 반면, 본 발명은 셀 레벨 안전성을 확보할 수 있는 단전지 내 안전기구이며, 비정상적인 셀의 반응을 단전지 단위에서 중단시킬 수 있다.
파우치 단전지 내부의 젤리롤과 리드탭 사이의 여유 공간을 활용하여 과충전 안전기구를 추가함으로써 모듈 또는 팩 패키지에 상관없이 셀 레벨 안전성을 확보 적용 가능하다.
파우치 셀의 관통에 의한 비정상적 내부 단락 문제를 기능성 안전판에 의한 금속판 내의 내부 단락으로 우회시킴으로써 전극 물질의 발화를 억제하여 셀 레벨 안전성을 확보한다.
기존 파우치 전지의 물리적 강성을 향상시켜 셀 조립성 및 내구성을 향상한다.
셀 내부 반응에 의한 온도 상승 시 금속판에 의한 방열 특성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 고전압배터리를 나타낸 도면.
도 2 내지 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 고전압배터리의 작동을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 고전압배터리의 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 고전압배터리를 나타낸 도면이고, 도 2 내지 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 고전압배터리의 작동을 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 고전압배터리의 단면도이다.
본 발명은 파우치 셀에 대한 셀 레벨 안전성과 주행 안전성 확보를 위해 발명되었다. 셀 레벨 안전성의 경우에는 과충전 발화 방지를 위한 전류 차단 CID(CURRENT INTERRUPTIVE DEVICE로서 과충전방지장치를 의미한다)를 고안하였고, 관통 안전성을 위한 기능성 안전판을 적용하였다. 주행 안전성의 경우에는 3way CID를 적용하여 비이상적인 반응에 의해 차단된 전류 흐름을 기능성 안전판을 통하여 바이패스 함으로써 단락에 의한 배터리 팩 작동 전압 차단을 방지하였다. 따라서, 이러한 바이패스 기능을 갖는 파우치 내장형 CID를 통하여 기존 파우치 셀의 안전성을 확보하여 차량용 배터리의 상품성을 향상시키고자 한다.
도 1 내지 2와 같이, 본 발명에 따른 차량의 고전압배터리는, 배터리셀(100)측의 제1파트(202)와 단자측의 제2파트(203)로 분할된 양극전극탭(200); 제1파트(202)에서 연장되며 하부파우치(420)에 고정된 제1파트연장부(220); 제2파트(203)에서 연장되며 제1파트연장부(220)와 접촉되고 상단이 상부파우치(410)에 고정된 제2파트연장부(230); 음극전극탭(500)으로부터 연장되며 제2파트연장부(230)의 상방에 이격된 음극연장부(510); 및 제2파트연장부(230)와 음극연장부(510)의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된 쿠션(600);을 포함한다.
본 발명의 CID는 3way CID로서, 압력볼에 의해 작동되는 CID의 일종이며, CID 내부에 양극단자 연결부, 양극 젤리롤 연결부, 음극단자 연결부 3가지의 전기회로가 구성된다. 정상 셀 상태에서는 압력볼의 팽창력에 의해 양극단자와 양극 젤리롤이 연결되어 있고, 비정상 셀 상태에서는 가스 발생에 의한 파우치 내부 압력 상승에 의해 압력볼 수축과 파우치 팽창이 발생하는데, 이러한 반응에 의해 양극단자와 음극단자 연결되어 파우치 젤리롤의 전기 흐름을 차단하는 기능을 수행한다.
그리고 기능성 안전판으로서 양극과 연결되는 아노다이징 표면 처리된 알루미늄 금속판과 음극과 연결되는 구리 금속판을 적층 구조 형태로 젤리롤 상하에 형성한다. 외부의 기구에 의한 배터리 관통 발생 시 양극 금속판과 음극 금속판의 단락 패스를 형성하여 셀 내의 에너지를 방전시킴으로써 관통에 의한 발화 문제를 해결한다. 또한, 3way CID가 동작되었을 때, 양극단자와 음극단자를 연결하는 금속 회로 역할을 수행한다.
구체적으로, 도 2와 같이 양극전극탭(200)은 배터리셀측의 제1파트(202)와 단자측의 제2파트(203)로 분할된다.
분할된 제1파트(202)에서 제1파트연장부(220)가 연장되며 하부파우치(420)에 고정된다. 제2파트(203)에서는 제2파트연장부(230)가 연장되며 제1파트연장부(220)와 접촉되고 상단이 상부파우치(410)에 고정된다.
음극연장부(510)는 음극전극탭(500)으로부터 연장되며 제2파트연장부(230)의 상방에 이격된다. 그리고 쿠션(600)은 제2파트연장부(230)와 음극연장부(510)의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된다.
기본적으로 파우치(400)를 구성하는 상부파우치(410)와 하부파우치(420)가 이루는 사이는 진공일 수 있다. 그리고 하우징(300)은 제1파트연장부(220), 제2파트연장부(230), 쿠션(600), 음극연장부(510)를 외부에서 감싼다. 하우징(300) 역시 상부파우치(410)와 하부파우치(420)가 이루는 사이에 개재된다. 하우징(300)의 하단은 하부파우치(420) 내측면에 접착(301)되고 하우징(300) 상단은 상부파우치(410) 내측면에 접착(321)된다.
그리고 제1파트연장부(220)와 제2파트연장부(230)는 하우징(300) 하부에 안착되고 음극연장부(510)는 하우징(300) 상부에 안착되며 제2파트연장부(230)와 음극연장부(510) 사이에 쿠션(600)이 개재된다. 또한, 제2파트연장부(230)의 중앙부(232)가 상방으로 돌출되어 하우징(300) 상부의 중앙부(320)와 고정되고, 하우징(300) 상부의 중앙부(320)는 절개된 상태로 상부파우치(410)에 고정된다. 마찬가지로 음극연장부(510)와 쿠션(600)은 제2파트연장부(230)의 돌출된 중앙부(232)를 기준으로 좌우 분할된 형상이다.
이러한 구성을 통해 평상시 상부파우치(410)와 하부파우치(420)가 이루는 사이는 진공이기에 쿠션(600)의 내압으로 인하여 제1파트연장부(220)와 제2파트연장부(230)는 접촉을 이루고 배터리셀(100)의 회로가 정상 작동하도록 한다.
그러나 도 3과 같이, 배터리셀(100)의 스웰링시 상부파우치(410)와 하부파우치(420) 사이 공간이 가스발생으로 인하여 팽창되며 제2파트연장부(230)가 쿠션(600)을 압축시키며 제1파트연장부(220)와는 떨어지고 음극연장부(510)와 접촉될 수 있다.
이에 따라 양극전극탭(200)은 배터리셀(100)을 거치지 않고 음극전극탭(500)과 바로 바이패스되어 연결됨으로써 더 이상 배터리에 과충전이 일어나지 않는 것이다.
이러한 양극과 음극에 설치되는 구성은 상호 교체될 수도 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 차량의 고전압배터리는, 배터리셀측의 제1파트와 단자측의 제2파트로 분할된 음극전극탭; 제1파트에서 연장되며 하부파우치에 고정된 제1파트연장부; 제2파트에서 연장되며 제1파트연장부와 접촉되고 상단이 상부파우치에 고정된 제2파트연장부; 양극전극탭으로부터 연장되며 제2파트연장부의 상방에 이격된 양극연장부; 및 제2파트연장부와 양극연장부의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된 쿠션;을 포함한다.
한편, 도 1 및 도 4와 같이, 음극연장부(510)는 배터리셀을 덮는 패널형상이며 일단이 음극전극탭(500)에 연결되고 타단이 제2파트연장부(230)의 상방에 이격될 수 있다.
그리고 일단이 양극전극탭(200)에 연결되고 음극연장부(510)와 면접촉되는 패널형상의 양극연장부(210)가 추가로 마련된다.
음극연장부(510) 또는 양극연장부(210)는 알루미늄재질로 형성되고, 상호 접촉되는 면이 아노다이징 처리될 수 있다.
구체적으로, 음극연장부(510)는 구리재질이고, 양극연장부(210)는 알루미늄재질이며, 양극연장부(210)의 음극연장부(510)와 접촉되는 면은 아노다이징 처리될 수 있다.
이러한 구성에 따라 평상시에는 아노다이징 처리를 통해 절연되어 있던 음극연장부(510)와 양극연장부(210)가 외부에서 날카로운 기구 등이 배터리셀(100)을 관통할 경우 구리와 알루미늄이 도전되어 마찬가지로 바이패스경로를 이루고, 배터리셀(100)은 건너뛰어 절연되는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 고전압배터리에 따르면, 비정상적 셀의 부피팽창을 통한 압력 변화로 인해, 특정 압력 이상에서의 물리적인 단락을 꾀함으로써, 외부 전류를 차단하고 회로를 바이패스 함으로써 셀 레벨 안전성 및 팩 전압 안전성을 확보한다.
기존 파우치 전지를 적용한 기술에서는 과충전 방지를 위하여 모듈 또는 패키지 단위에서의 안전 기구에 국한된 반면, 본 발명은 셀 레벨 안전성을 확보할 수 있는 단전지 내 안전기구이며, 비정상적인 셀의 반응을 단전지 단위에서 중단시킬 수 있다.
파우치 단전지 내부의 젤리롤과 리드탭 사이의 여유 공간을 활용하여 과충전 안전기구를 추가함으로써 모듈 또는 팩 패키지에 상관없이 셀 레벨 안전성을 확보 적용 가능하다.
파우치 셀의 관통에 의한 비정상적 내부 단락 문제를 기능성 안전판에 의한 금속판 내의 내부 단락으로 우회시킴으로써 전극 물질의 발화를 억제하여 셀 레벨 안전성을 확보한다.
기존 파우치 전지의 물리적 강성을 향상시켜 셀 조립성 및 내구성을 향상한다.
셀 내부 반응에 의한 온도 상승 시 금속판에 의한 방열 특성이 우수하다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 배터리셀 200 : 양극전극탭
300 : 하우징 400 : 파우치
500 : 음극전극탭

Claims (12)

  1. 배터리셀측의 제1파트와 단자측의 제2파트로 분할된 양극전극탭;
    제1파트에서 연장되며 하부파우치에 고정된 제1파트연장부;
    제2파트에서 연장되며 제1파트연장부와 접촉되고 상단이 상부파우치에 고정된 제2파트연장부;
    음극전극탭으로부터 연장되며 제2파트연장부의 상방에 이격된 음극연장부; 및
    제2파트연장부와 음극연장부의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된 쿠션;을 포함하는 차량의 고전압배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상부파우치와 하부파우치가 이루는 사이는 진공인 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    배터리셀의 스웰링시 상부파우치와 하부파우치 사이 공간이 팽창되며 제2파트연장부가 쿠션을 압축시키며 제1파트연장부와는 떨어지고 음극연장부와 접촉되는 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1파트연장부, 제2파트연장부, 쿠션, 음극연장부를 외부에서 감싸는 하우징;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1파트연장부와 제2파트연장부는 하우징 하부에 안착되고 음극연장부는 하우징 상부에 안착되며 제2파트연장부와 음극연장부 사이에 쿠션이 개재된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제2파트연장부의 중앙부가 상방으로 돌출되어 하우징 상부의 중앙부와 고정되고, 하우징 상부의 중앙부는 절개된 상태로 상부파우치에 고정된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  7. 청구항 6에 있어서,
    음극연장부와 쿠션은 제2파트연장부의 돌출된 중앙부를 기준으로 좌우 분할된 형상인 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  8. 청구항 1에 있어서,
    음극연장부는 배터리셀을 덮는 패널형상이며 일단이 음극전극탭에 연결되고 타단이 제2파트연장부의 상방에 이격된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  9. 청구항 8에 있어서,
    일단이 양극전극탭에 연결되고 음극연장부와 면접촉되는 패널형상의 양극연장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    음극연장부 또는 양극연장부는 알루미늄재질로 형성되고, 상호 접촉되는 면이 아노다이징 처리된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  11. 청구항 9에 있어서,
    음극연장부는 구리재질이고, 양극연장부는 알루미늄재질이며, 양극연장부의 음극연장부와 접촉되는 면은 아노다이징 처리된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리.
  12. 배터리셀측의 제1파트와 단자측의 제2파트로 분할된 음극전극탭;
    제1파트에서 연장되며 하부파우치에 고정된 제1파트연장부;
    제2파트에서 연장되며 제1파트연장부와 접촉되고 상단이 상부파우치에 고정된 제2파트연장부;
    양극전극탭으로부터 연장되며 제2파트연장부의 상방에 이격된 양극연장부; 및
    제2파트연장부와 양극연장부의 사이에 개재되며 내부에 일정압력이 형성된 쿠션;을 포함하는 차량의 고전압배터리.
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