KR101690295B1

KR101690295B1 - 과전류 차단 장치 및 이를 포함하는 이차전지 시스템

Info

Publication number: KR101690295B1
Application number: KR1020130055326A
Authority: KR
Inventors: 양정훈; 조영석; 김종훈
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2017-01-09
Also published as: CN104756282A; CN104756282B; US20150044528A1; KR20140135054A; US9444088B2; EP2911218A4; WO2014185662A1; EP2911218B1; JP2016520954A; JP6067923B2; EP2911218A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치는, 이차전지의 양 단 사이에 연결되어 상기 이차전지에 나타나는 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 턴온되는 스위칭 유닛; 및 상기 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되는 부품으로서 상기 스위칭 유닛이 턴온되는 경우 파단됨으로써 상기 이차전지에 흐르는 전류를 차단하는 퓨징 유닛을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 단락 등으로 인한 이차전지의 스웰링 현상에 따라 턴온(Turn On)되어 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치된 커넥팅 부품이 신속하게 파단되도록 함으로써 과전류를 차단할 수 있어 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

Description

과전류 차단 장치 및 이를 포함하는 이차전지 시스템{Overcurrent shut-off device and Secondary battery comprising the same}

본 발명은 과전류 차단 장치 및 이를 포함하는 이차전지 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 이차전지의 이상으로 인해 발생된 과전류를 신속하게 차단할 수 있는 구조를 갖는 과전류 차단 장치 및 이를 포함하는 이차전지 시스템에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.

통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.

특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.

리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.

리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.

리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.

그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.

따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.

도 1은 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 팩을 보호하기 위해 퓨즈 소자(1), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(2), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(1)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(3) 및 상기 퓨즈 소자(1)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(4)를 포함한다.

퓨즈 소자(1)는 배터리 팩의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(1)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.

퓨즈 소자(1)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(4)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(1a)와, 상기 퓨즈(1a)에 열을 인가하는 저항(1b)이 포함되어 있다.

상기 마이크로 컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(1) 측으로 바이패스되어 저항(1b)에 인가된다. 이에 따라, 저항(1b)에서 발생된 주울열이 퓨즈(1a)에 전도되어 퓨즈(1a)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(1a)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(1a)가 융단 됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.

그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(1)의 저항(1b)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(1)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(1)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(1)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로 컨트롤러(3)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로 컨트롤러(3)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 보호회로가 갖는 과전류 차단 기능과는 별도로 이차전지 자체에서 신속하게 과전류를 차단할 수 있도록 구현된 과전류 차단 장치 및 이를 포함하는 이차전지를 제공함을 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치는, 이차전지의 양 단 사이에 연결되어 상기 이차전지에 나타나는 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 턴온되는 스위칭 유닛; 및 상기 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되는 부품으로서 상기 스위칭 유닛이 턴온되는 경우 파단됨으로써 상기 이차전지에 흐르는 전류를 차단하는 퓨징 유닛을 포함한다.

상기 이차전지는, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함할 수 있다.

상기 스위칭 유닛은, 상기 이차전지의 외측 면 중 상기 배터리 셀과 나란한 면에 인접하여 위치할 수 있다.

상기 스위칭 유닛은, 상기 이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전 플레이트; 상기 이차전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도전 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 도전 플레이트; 및 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 이격되어 위치하되, 상기 스웰링 현상 시에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 접촉하는 제3 도전 플레이트를 포함할 수 있다.

상기 퓨징 유닛은, 제1 금속 플레이트; 간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함할 수 있다.

상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는, 동일 평면 상에 나란하게 위치할 수 있다.

상기 합금 브릿지의 표면은, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 표면과 동일 평면을 이룰 수 있다.

상기 제1 금속 플레이트는 일측 단부의 두께 방향 중심부로부터 융기되어 형성된 제1 돌출부를 구비하고, 상기 제2 금속 플레이트는 일측 단부의 두께 방향 중심부로부터 융기되어 형성되며 상기 제1 돌출부와 대향하는 제2 돌출부를 구비할 수 있다.

상기 제1 돌출부 및 제2 돌출부는, 각각의 대향 면이 서로 평행하도록 형성될 수 있다.

상기 제1 돌출부 및 제2 돌출부는, 각각의 대향 면이 서로 반대 방향으로 경사지도록 형성될 수 있다.

상기 제1 돌출부 및 제2 돌출부는, 각각의 대향 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출되도록 형성될 수 있다.

상기 대향 면 각각은, 각 진 형상 또는 라운드 진 형상을 가질 수 있다.

상기 합금 브릿지는, 주석과 구리를 함유하는 무연 합금 재질로 이루어질 수 있다.

상기 주석의 함량은 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 80wt% 내지 98wt% 이고, 구리의 함량은 2wt% 내지 20wt%일 수 있다.

상기 무연 합금은, 니켈, 아연 및 은 중 선택된 적어도 하나의 추가 금속을 더 함유할 수 있다.

상기 추가 금속의 함량은, 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 0.01wt% 내지 10wt% 일 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 시스템에 의해서도 달성될 수 있는데, 이러한 이차전지 시스템은 배터리 모듈 시스템 및 배터리 팩 시스템을 포함하는 개념이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 시스템은, 적어도 하나의 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 수용하는 하우징 및 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되며 상기 하우징의 외측으로 돌출된 외부 단자 를 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈의 양 단 사이에 연결되어 상기 배터리 모듈의 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 턴온되는 스위칭 유닛; 및 상기 배터리 모듈에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되며 상기 스위칭 유닛이 턴온되는 경우 파단됨으로써 상기 배터리 모듈에 흐르는 전류를 차단하는 퓨징 유닛을 포함한다.

상기 퓨징 유닛은, 상기 배터리 셀과 상기 외부 단자를 연결하는 버스 바로서 적용될 수 있다.

상기 스위칭 유닛은, 상기 배터리 모듈의 외측 면 중 상기 배터리 셀과 나란한 면에 인접하여 위치할 수 있다.

상기 스위칭 유닛은, 상기 배터리 모듈의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전 플레이트; 상기 배터리 모듈의 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도전 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 도전 플레이트; 및 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 이격되어 위치하되, 상기 스웰링 현상 시에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 접촉하는 제3 도전 플레이트를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 시스템은, 적어도 하나의 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 수용하는 하우징 및 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되며 상기 하우징의 외측으로 돌출된 외부 단자를 포함하는 배터리 모듈이 복수개 연결되어 구현되는 배터리 팩; 상기 배터리 팩의 양 단 사이에 연결되어 상기 배터리 모듈의 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 턴온되는 스위칭 유닛; 및 상기 배터리 팩에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되며 상기 스위칭 유닛이 턴온되는 경우 파단됨으로써 상기 배터리 모듈에 흐르는 전류를 차단하는 퓨징 유닛을 포함한다.

상기 퓨징 유닛은, 상기 배터리 모듈 상호간을 연결하는 인터 커넥팅 바로서 적용될 수 있다.

상기 스위칭 유닛은, 상기 배터리 팩의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전 플레이트; 상기 배터리 팩의 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도전 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 도전 플레이트; 및 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 이격되어 위치하되, 상기 스웰링 현상 시에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 접촉하는 제3 도전 플레이트를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 단락 등으로 인한 이차전지의 스웰링 현상에 따라 턴온(Turn On)되어 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치된 커넥팅 부품이 신속하게 파단되도록 함으로써 과전류를 차단할 수 있어 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

다만, 본 발명이 갖는 효과가 이로써 한정되는 것은 아니며, 여기서 설명되지 않은 본 발명에 따른 효과는 아래에 설명될 본 발명의 도면 및 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확히 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치가 적용된 이차전지 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 과전류 차단 장치에 적용되는 스위칭 유닛의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 8은 도 2에 도시된 과전류 차단 장치에 적용되는 퓨징 유닛의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치가 적용된 배터리 팩 시스템을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 배터리 팩 시스템에 있어서, 과전류 차단 장치에 적용되는 퓨징 유닛의 설치 위치가 변경된 경우를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치가 적용된 배터리 모듈 시스템을 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11에 도시된 배터리 모듈 시스템에 있어서, 과전류 차단 장치에 적용되는 퓨징 유닛의 설치 위치가 변경된 경우를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치(100)의 구성을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치가 적용된 이차전지 시스템을 나타내는 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치(100)는 이차전지(B)의 양 단 사이에 연결되는 스위칭 유닛(10) 및 퓨징 유닛(20)을 포함한다. 여기서, 상기 이차전지(B)는 적어도 하나의 배터리 셀(미도시)을 포함하는 것으로서, 후술할 배터리 모듈 및 배터리 팩을 포함하는 개념이다.

상기 스위칭 유닛(10)은 이차전지(B)의 양 단 사이에 연결되며 이차전지(B)의 외측 면 중 배터리 셀과 나란한 면에 인접하여 위치한다. 상기 스위칭 유닛(10)은 이차전지(B)에 나타나는 스웰링(Swelling) 현상에 따른 압력에 의해 턴온(Turn On)됨으로써 단락에 의해 발생된 과전류를 우회시킨다.

상기 퓨징 유닛(20)은 이차전지(B)에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되는 부품으로서 스위칭 유닛(10)의 턴온 동작에 따라 우회되는 과전류에 의해 파단됨으로써 이차전지(B)에 흐르는 전류를 차단시키는 역할을 한다.

이처럼, 상기 과전류 차단 장치(100)는 이차전지(B)에 단락이 발생됨에 따라 나타나는 스웰링 현상에 의해 턴온되는 스위칭 유닛(10) 및 스위칭 유닛(10)의 턴온 동작에 따라 파단되는 퓨징 유닛(20)을 포함하는 폐회로에 해당한다.

즉, 상기 이차전지(B)의 양 단에 외부 디바이스(D)가 연결되어 이차전지(B)가 충전 또는 방전되는 과정에서 단락이 발생되는 경우 A경로를 따라 흐르던 전류는 상대적으로 저항이 작은 B경로를 통해 우회되고, 우회된 단락 전류는 이러한 B경로 상에 설치된 퓨징 유닛(20)을 파단시킨다. 이처럼, 상기 퓨징 유닛(20)이 파단되면 이차전지(B)를 통한 전류의 흐름은 완전히 차단되며, 이로써 이차전지(B)의 과열에 의한 폭발/발화 등의 사고를 방지할 수 있다.

다음은, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치(100)에 채용된 스위칭 유닛(10)의 구체적인 구성을 설명하기로 한다.

도 3은 도 2에 도시된 과전류 차단 장치에 적용되는 스위칭 유닛의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치(100)에 채용된 스위칭 유닛(10)은 제1 도전 플레이트(11), 제2 도전 플레이트(12), 제3 도전 플레이트(13) 및 탄성 부재(14)를 포함할 수 있다.

상기 제1 도전 플레이트(11)는 이차전지(B)의 제1 전극과 전기적으로 연결되고, 제2 도전 플레이트(12)는 제1 도전 플레이트(11)와 이격된 상태로 이차전지(B)의 제2 전극과 전기적으로 연결된다.

또한, 상기 제3 도전 플레이트(13)는 탄성 부재(14)에 의해 제1 도전 플레이트(11) 및 제2 도전 플레이트(12)와 이격된 상태로 이차전지(B)의 일 면에 인접하여 위치한다.

좀 더 구체적으로, 상기 제3 도전 플레이트(13)는 단락으로 인해 이차전지(B)의 외측 면이 부풀어 오름에 따라 가해지는 압력에 의해 제1 도전 플레이트(11) 및 제2 도전 플레이트(12)와 접촉할 수 있도록 설치된다. 즉, 상기 제3 도전 플레이트(13)는 스웰링 현상에 따른 압력을 받아 턴온 될 수 있도록 이차전지(B)의 외측 면 중 배터리 셀(C)과 나란한 면에 인접하여 위치한다.

다음은, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치(100)에 적용된 퓨징 유닛(20)의 구체적인 구성을 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 8은 도 2에 도시된 과전류 차단 장치에 적용되는 퓨징 유닛의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치(100)에 채용된 퓨징 유닛(20)은 제1 금속 플레이트(21), 제2 금속 플레이트(22) 및 합금 브릿지(23)를 포함한다.

상기 금속 플레이트(21,22)는 얇은 판상의 금속으로서 간극을 사이에 두고 동일 평면 상에 나란하게 위치한다.

또한, 상기 금속 플레이트(21,22)는 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 재질로 이루어지는 것이 일반적이나, 이로써 본 발명의 금속 플레이트(21,22)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 다양한 전도성 금속 재질이 적용될 수 있는 것이다.

상기 재질의 종류는 금속 플레이트(21,22)와 결합되는 부품의 재질에 따라 달라질 수 있다. 즉, 상기 금속 플레이트(21,22)의 재질은 결합되는 부품의 재질과 동일한 재질로 이루어지는 것이 용접성 향상 및 접촉저항 최소화의 측면에서 유리할 수 있다. 결합되는 부품의 재질에 따라 상기 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22)가 서로 다른 금속 재질로 이루어지는 것도 가능함은 물론이다.

상기 합금 브릿지(23)는 금속 플레이트(21,22)보다 낮은 융점을 갖는 합금 재질로 이루어지는 것으로서, 금속 플레이트(21,22) 사이에 형성되는 간극을 채운다. 상기 퓨징 유닛(20)에 과전류가 흐르는 경우에 있어서 합금 브릿지(23)가 신속히 용융될 수 있도록 합금 브릿지(23)의 표면은 금속 플레이트(21,22)의 표면과 동일 평면을 이루는 것이 바람직하다.

상기 합금 브릿지(21)를 이루는 합금은 금속 플레이트(21,22)의 융점보다 낮은 대략 100℃ 내지 250℃의 융점을 가지며, 주석(Sn) 및 구리(Cu)를 주성분으로 포함하되 환경 및 인체에 유해한 납(Pb)을 함유하지 않는 무연 합금으로 이루어질 수 있다.

상기 합금 브릿지(23)를 이루는 합금의 융점 범위는 차단하고자 하는 과전류의 레벨을 고려하여 설정되는 것이다. 상기 합금의 융점이 100℃보다 낮으면 퓨징 유닛(20)이 적용된 이차전지에 정상적인 전류가 흐르는 경우에도 합금이 용융될 수 있다. 또한, 상기 합금의 융점이 250℃보다 높으면 합금의 용융이 신속하게 일어날 수 없게 되어 과전류를 효과적으로 차단할 수 없게 되는 문제점이 있다.

상기 합금의 성분 중 주석은 합금의 융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 합금이 대략 100℃ 내지 250℃ 범위의 융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 대략 80wt% 이상, 바람직하게는 85wt% 내지 98wt% 의 범위에서 조절된다. 상기 구리는 합금의 전기 전도도를 향상시키는 기능을 하며, 이러한 기능을 감안하여 구리의 함량은 대략 2wt% 내지 20wt% 의 범위에서 조절되며, 바람직하게는 대략 4wt% 내지 15wt% 의 범위에서 조절된다. 여기서, 상기 wt%는 합금 브릿지(23)를 이루는 합금의 총 중량을 기준으로 한 단위이다(이하, 동일함).

상술한 바와 같이 주석과 구리의 함량이 적절한 범위를 갖도록 조절함으로써 합금 브릿지(23)를 이루는 합금의 인장 강도를 양호하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 합금 브릿지(23)에 의한 퓨징 유닛(20)의 저항 증가를 수% 이내로 억제할 수 있다.

상기 합금 브릿지(23)는 보다 향상된 물성을 갖기 위해 주석과 구리 이외에 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn) 등과 같이 전기 전도도가 좋은 금속을 추가 합금 성분으로 더 포함할 수 있다. 상기 추가 합금 성분의 함량은 합금의 전체 중량 대비 대략 0.01wt% 내지 10wt%인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 상기 퓨징 유닛(20)은 상대적으로 전도성이 우수한 금속 및 상대적로 낮은 융점을 갖는 합금이 조합된 이중 구조를 가짐으로써 과전류에 대한 신속한 파단성을 가지면서도 비교적 우수한 전도성 또한 가질 수 있는 것이다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 상기 금속 플레이트(21,22)는 대향하는 단부가 돌출된 형상을 가질 수 있으며, 이에 따라 합금 브릿지(23)의 단면은 대략 'I'자 형상을 가질 수 있다.

즉, 상기 제1 금속 플레이트(21)는 그 일측 단부의 두께 방향 중심부로부터 대략 수직한 방향으로 융기되어 형성된 제1 돌출부(21a)를 구비하며, 상기 제2 금속 플레이트(22)는 그 일측 단부의 두께 방향 중심부로부터 대략 수직한 방향으로 융기되어 형성되는 제2 돌출부(22a)를 구비한다. 또한, 이러한 한 쌍의 돌출부(21a,22a)는 대향한다.

상기 돌출부(21a,22a)의 높이(H) 및 폭(W)은 퓨징 유닛(20)의 전기 전도성, 과전류에 대한 안전성(파단 용이성) 및 인장 강도 등의 특성들에 영향을 미치게 된다.

예를 들어, 상기 합금 브릿지(23)가 형성되는 폭, 즉 접합 영역(A)의 폭을 일정하게 고정시켰을 때, 상기 높이(H)가 증가함에 따라 퓨징 유닛(20)이 갖는 전기 전도성은 우수해지는 반면 과전류에 대한 안전성 및 인장 강도는 떨어지게 된다. 마찬가지로, 상기 접합 영역(A)의 폭을 일정하게 고정시켰을 때, 상기 폭(W)이 증가함에 따라 퓨징 유닛(20)이 갖는 전기 전도성은 떨어지는 반면 과전류에 대한 안전성 및 인장 강도 특성은 우수해지는 경향을 보이게 된다.

관점을 달리 하여, 상기 한 쌍의 돌출부(21a,22a) 사이의 거리를 일정하게 고정시켰을 때, 상기 높이(H)가 증가함에 따라 퓨징 유닛(20)이 갖는 전기 전도성은 감소하는 반면 과전류에 대한 안전성 및 인장 강도는 향상된다. 마찬가지로, 상기 한 쌍의 돌출부(21a,22a) 사이의 거리를 일정하게 고정시켰을 때, 상기 폭(W)이 증가함에 따라 퓨징 유닛(20)이 갖는 전기 전도성은 우수해지는 반면 과전류에 대한 안전성 및 인장 강도는 떨어지는 경향을 보이게 된다.

이는 금속 플레이트(21,22)를 이루는 금속이 합금 브릿지(23)를 이루는 합금과 비교하여 전기 전도성은 더 우수한 반면, 융점은 훨씬 높고 연성(ductility)에 있어서는 떨어지는 특성을 갖기 때문이다. 따라서, 상기 돌출부(21a,22a)의 높이(H) 및 폭(W)을 적절히 조절함으로써 우수한 물성을 가지면서도 과전류가 흐르는 경우 신속히 파단될 수 있는 퓨징 유닛(20)을 얻을 수 있다.

한편, 도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 돌출부(21a,22a) 각각의 대향 면(S1,S2)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 대향 면(S1,S2)은 금속 플레이트(21,22)의 길이 방향과 대략 수직을 이루는 평면 형태를 갖되, 서로 평행하도록(도 5 참조) 또는 서로 반대 방향으로 경사지도록(도 6 참조) 형성될 수 있다. 또한, 상기 대향 면(S1,S2)은 서로를 대략 볼록하게 돌출된 형태를 갖되 각 진 형상(도 7 참조) 또는 라운드 진 형상(도 8 참조)을 갖도록 형성될 수도 있다.

한편, 본 발명에서는 도 5 내지 도 8에 도시된 구조를 예로 들어 상기 돌출부(21a,22a) 각각의 대향 면(S1,S2)의 형상을 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 대향 면(S1,S2)은, 서로 동일한 방향으로 경사지거나, 금속 플레이트(21,22)의 내측 방향으로 오목하게 만입되거나, 산과 골이 반복되는 형태를 갖는 경우처럼 다양한 형태로 형성될 수 있는 것이다.

다음은, 도 9 및 도 10을 참조하여, 상기 과전류 차단 장치(100)가 적용된 배터리 팩 시스템을 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치가 적용된 배터리 팩 시스템을 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 배터리 팩 시스템에 있어서, 과전류 차단 장치에 적용되는 퓨징 유닛의 설치 위치가 변경된 경우를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 9를 참조하면, 상기 배터리 팩 시스템은 적어도 2개의 배터리 모듈(M1,M2)이 전기적으로 연결되어 구현된 배터리 팩(P)에 본 발명에 따른 과전류 차단 장치(100)가 적용된 것이다.

상기 배터리 모듈(M1,M2) 각각은 적어도 하나의 배터리 셀(미도시), 배터리 셀을 수용하는 하우징(30), 하우징(30)의 외측으로 돌출된 외부 단자(40) 및 배터리 셀과 외부 단자(40) 사이를 연결하는 버스 바(50)를 포함하고, 배터리 모듈(M1,M2) 사이의 전기적 연결은 인터 커넥팅 바(60)에 의해 이루어진다.

상기 배터리 팩 시스템에 있어서, 스위칭 유닛(10)은 하우징(30)의 외측 면 중 배터리 셀과 나란한 면에 인접하여 위치함으로써 스웰링 현상 발생 시에 턴온된다.

한편, 본 발명의 도면에서는 스위칭 유닛(10)이 배터리 팩(P)의 외측 면에 인접하여 위치하는 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 스위칭 유닛(10)는 스웰링 현상에 따라 턴온될 수 있는 위치에 설치되는 경우라면 본 발명의 목적 달성을 위한 기능을 수행할 수 있는 것이므로, 인접한 배터리 모듈(M1,M2) 사이에 위치할 수도 있는 것이다.

상기 퓨징 유닛(20)은 배터리 모듈(M1,M2) 사이를 연결하는 부품으로 사용될 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 배터리 팩 시스템은, 인터 커넥팅 바(60)로서 퓨징 유닛(20)이 적용된 구조를 갖는 것이다.

다만, 본 발명에 따른 배터리 팩 시스템에 있어서, 퓨징 유닛(20)이 적용되는 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 퓨징 유닛(20)은, 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(P)의 양 단에 위치하는 외부 단자(40)에 연결되는 리드 단자(70)로서도 적용될 수 있으며, 그 밖에도 버스 바(50) 등과 같이 배터리 팩(P)에 흐르는 전류의 경로상에 설치된 다양한 부품들을 대체할 수 있는 것이다.

다음은, 도 11 및 도 12를 참조하여, 상기 과전류 차단 장치(100)가 적용된 배터리 모듈 시스템을 설명하기로 한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전류 차단 장치가 적용된 배터리 모듈 시스템을 나타내는 도면이고, 도 12는 도 11에 도시된 배터리 모듈 시스템에 있어서, 과전류 차단 장치에 적용되는 퓨징 유닛의 설치 위치가 변경된 경우를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 11을 참조하면, 상기 배터리 모듈 시스템은 앞서 설명한 배터리 모듈(M1,M2)과 실질적으로 동일한 배터리 모듈(M)에 대해 본 발명에 따른 과전류 차단 장치(100)가 적용된 것이다.

상기 배터리 모듈 시스템에 있어서, 상기 퓨징 유닛(20)은 배터리 셀과 외부 단자(40) 사이를 연결하는 부품으로 사용될 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 배터리 모듈 시스템은, 버스 바(50)로서 퓨징 유닛(20)이 적용된 구조를 갖는 것이다.

다만, 본 발명에 따른 배터리 모듈 시스템에 있어서, 퓨징 유닛(20)이 적용되는 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 퓨징 유닛(20)은, 예를 들어 도 12에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(M)의 양 단에 위치하는 외부 단자(40)에 연결되는 리드 단자(70)로서도 적용될 수 있으며, 그 밖에도 배터리 모듈(M)에 흐르는 전류의 경로상에 설치된 다양한 부품들을 대체할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 과전류 차단 장치(100)는 배터리 모듈(M)이나 배터리 팩(P)과 같이 다수의 배터리 셀(C)을 구비하는 이차전지(B)의 충방전 과정에서 단락이 발생되는 경우, 이차전지 상에 흐르는 전류의 경로가 신속하게 차단되도록 한다.

따라서, 상기 과전류 차단 장치(100)를 구비하는 이차전지 시스템은 과열로 인한 발화/폭발 등의 위험이 감소되며, 이로써 이차전지 사용상의 안전성이 확보될 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 과전류 차단 장치
10: 스위칭 유닛 11:제1 도전 플레이트
12: 제2 도전 플레이트 13: 제3 도전 플레이트
14: 탄성 부재 20: 퓨징 유닛
21: 제1 금속 플레이트 22: 제2 금속 플레이트
21a: 제1 돌출부 22a: 제2 돌출부
23: 합금 브릿지 A: 접합 영역
30: 하우징 40: 외부 단자
50: 버스 바 60: 인터 커넥팅 바
70: 리드 단자 B: 이차전지
M1,M2,M3: 배터리 모듈 P: 배터리 팩

Claims

이차전지의 양 단 사이에 연결되어 상기 이차전지에 나타나는 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 턴온되는 스위칭 유닛; 및
상기 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되는 부품으로서 상기 스위칭 유닛이 턴온되는 경우 파단됨으로써 상기 이차전지에 흐르는 전류를 차단하는 퓨징 유닛을 포함하며,
상기 스위칭 유닛 및 퓨징 유닛은 모두 상기 이차전지의 외측에 위치하고,
상기 스위칭 유닛은,
상기 이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전 플레이트;
상기 이차전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도전 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 도전 플레이트;
상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 이격되어 위치하되, 상기 스웰링 현상 시에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 접촉하는 제3 도전 플레이트; 및
상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 제3 도전 플레이트가 이격된 상태를 가지도록 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 상기 제3 도전 플레이트 사이에 배치되는 탄성 부재를 포함하는 과전류 차단 장치.
제1항에 있어서,
상기 이차전지는,
적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제2항에 있어서,
상기 스위칭 유닛은,
상기 이차전지의 외측 면 중 상기 배터리 셀과 나란한 면에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 퓨징 유닛은,
제1 금속 플레이트;
간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 금속 플레이트; 및
상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는,
동일 평면 상에 나란하게 위치하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제6항에 있어서,
상기 합금 브릿지의 표면은,
상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 표면과 동일 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트는 일측 단부의 두께 방향 중심부로부터 융기되어 형성된 제1 돌출부를 구비하고,
상기 제2 금속 플레이트는 일측 단부의 두께 방향 중심부로부터 융기되어 형성되며 상기 제1 돌출부와 대향하는 제2 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 돌출부 및 제2 돌출부는,
각각의 대향 면이 서로 평행하도록 형성된 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 돌출부 및 제2 돌출부는,
각각의 대향 면이 서로 반대 방향으로 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 돌출부 및 제2 돌출부는,
각각의 대향 면이 서로를 향해 볼록하게 돌출되도록 형성된 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제11항에 있어서,
상기 대향 면 각각은,
각 진 형상 또는 라운드 진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제5항에 있어서,
상기 합금 브릿지는,
주석과 구리를 함유하는 무연 합금 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제13항에 있어서,
상기 주석의 함량은 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 80wt% 내지 98wt% 이고, 구리의 함량은 2wt% 내지 20wt%인 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
제14항에 있어서,
상기 무연 합금은,
니켈, 아연 및 은 중 선택된 적어도 하나의 추가 금속을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 장치.
삭제
적어도 하나의 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 수용하는 하우징 및 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되며 상기 하우징의 외측으로 돌출된 외부 단자 를 포함하는 배터리 모듈;
상기 배터리 모듈의 양 단 사이에 연결되어 상기 배터리 모듈의 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 턴온되는 스위칭 유닛; 및
상기 배터리 모듈에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되며 상기 스위칭 유닛이 턴온되는 경우 파단됨으로써 상기 배터리 모듈에 흐르는 전류를 차단하는 퓨징 유닛을 포함하며,
상기 스위칭 유닛 및 퓨징 유닛은 모두 상기 하우징의 외측에 위치하고,
상기 스위칭 유닛은,
이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전 플레이트;
상기 이차전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도전 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 도전 플레이트;
상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 이격되어 위치하되, 상기 스웰링 현상 시에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 접촉하는 제3 도전 플레이트; 및
상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 제3 도전 플레이트가 이격된 상태를 가지도록 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 상기 제3 도전 플레이트 사이에 배치되는 탄성 부재를 포함하는 배터리 모듈 시스템.
제17항에 있어서,
상기 퓨징 유닛은,
상기 배터리 셀과 상기 외부 단자를 연결하는 버스 바로서 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 시스템.
제17항에 있어서,
상기 스위칭 유닛은,
상기 배터리 모듈의 외측 면 중 상기 배터리 셀과 나란한 면에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 시스템.
삭제
제17항에 있어서,
상기 퓨징 유닛은,
제1 금속 플레이트;
간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 금속 플레이트; 및
상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 시스템.
적어도 하나의 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 수용하는 하우징 및 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되며 상기 하우징의 외측으로 돌출된 외부 단자를 포함하는 배터리 모듈이 복수개 연결되어 구현되는 배터리 팩;
상기 배터리 팩의 양 단 사이에 연결되어 상기 배터리 모듈의 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 턴온되는 스위칭 유닛; 및
상기 배터리 팩에 흐르는 전류의 경로 상에 설치되며 상기 스위칭 유닛이 턴온되는 경우 파단됨으로써 상기 배터리 모듈에 흐르는 전류를 차단하는 퓨징 유닛을 포함하며,
상기 스위칭 유닛 및 퓨징 유닛은 모두 상기 하우징의 외측에 위치하고,
상기 스위칭 유닛은,
이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전 플레이트;
상기 이차전지의 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 도전 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 도전 플레이트;
상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 이격되어 위치하되, 상기 스웰링 현상 시에 가해지는 압력에 의해 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 접촉하는 제3 도전 플레이트; 및
상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 제3 도전 플레이트가 이격된 상태를 가지도록 상기 제1 도전 플레이트 및 제2 도전 플레이트와 상기 제3 도전 플레이트 사이에 배치되는 탄성 부재를 포함하는 배터리 팩 시스템.
제22항에 있어서,
상기 퓨징 유닛은,
상기 배터리 모듈 상호간을 연결하는 인터 커넥팅 바로서 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
제22항에 있어서,
상기 스위칭 유닛은,
상기 배터리 모듈의 외측 면 중 상기 배터리 셀과 나란한 면에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
삭제
제22항에 있어서,
상기 퓨징 유닛은,
제1 금속 플레이트;
간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하는 제2 금속 플레이트; 및
상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.