KR101787633B1 - 안전성이 강화된 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하는 팩 케이스; 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되며 상기 팩 케이스에 고정되는 제1 고정 단자; 상기 팩 케이스에 고정되며 외부 커넥터 또는 인접한 배터리 팩과 연결되는 제2 고정 단자; 및 길이 방향 일 측은 상기 제1 고정 단자에 연결되고, 길이 방향 타 측은 상기 제2 고정 단자에 연결되는 버스 바; 를 포함하며, 상기 팩 케이스는, 상기 배터리 셀의 스웰링 현상에 따른 팽창력에 의해 회동되어 상기 버스 바에 파단 압력을 가하도록 설치되는 한 쌍의 회동 가압부를 구비한다.

Description

안전성이 강화된 배터리 팩{Battery pack with improved safety}

본 발명은 안전성이 강화된 배터리 팩에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 배터리 팩 내에 구비된 배터리 셀의 스웰링 현상의 발생에 따라 배터리 팩에 흐르는 과전류를 좀 더 신속히 차단할 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩 구조에 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 전압이3배가 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 뽀족한 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 경우 등에 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 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.

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

퓨즈 소자(1)는 셀 어셈블리(B)의 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 마이크로컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온시킨다. 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 융단됨으로써 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, 마이크로컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴온되지 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 마이크로컨트롤러(3)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로컨트롤러(3)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 보호회로의 능동적인 과전류 차단 기능과는 별도로 이차전지 자체에서 수동 방식의 과전류 차단 기능을 구현하되, 이러한 과전류의 차단이 안정적으로 잘 이루어질 수 있도록 하는 배터리 팩 구조를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하는 팩 케이스; 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되며 상기 팩 케이스에 고정되는 제1 고정 단자; 상기 팩 케이스에 고정되며 외부 커넥터 또는 인접한 배터리 팩과 연결되는 제2 고정 단자; 및 길이 방향 일 측은 상기 제1 고정 단자에 연결되고, 길이 방향 타 측은 상기 제2 고정 단자에 연결되는 버스 바; 를 포함하며, 상기 팩 케이스는, 상기 배터리 셀의 스웰링 현상에 따른 팽창력에 의해 회동되어 상기 버스 바에 파단 압력을 가하도록 설치되는 한 쌍의 회동 가압부를 구비한다.

상기 한 쌍의 회동 가압부는, 상기 팩 케이스의 본체에 힌지 결합되어 회동 될 수 있다.

상기 한 쌍의 회동 가압부 각각은, 회동 시에 상기 제1 고정 단자 또는 제2 고정 단자가 회동 가압부와 간섭을 일으키지 않도록 상기 제1 고정 단자 또는 제2 고정 단자가 삽입되는 간섭 회피 슬릿을 구비할 수 있다.

상기 한 쌍의 회동 가압부는, 상기 배터리 셀의 스웰링 현상이 발생되는 경우 배터리 셀의 스웰링 면의 중심부가 팩 케이스의 외측으로 노출되어 직접 버스 바를 가압할 수 있도록 서로 이격되어 위치할 수 있다.

상기 제2 고정 단자는, 외부 기기 또는 인접한 다른 배터리 팩과 연결될 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 탑재한다.

상기 자동차는, EV, HEV 및 PHEV 중 선택된 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 단락 등을 이유로 배터리 팩에 과전류가 흐르는 등의 이상현상이 발생되는 경우 전류의 이동 경로를 신속하고 확실하게 차단함으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

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 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 도 2에 도시된 배터리 팩의 과전류 차단 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩의 일부를 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 일 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.

도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)을 설명하기로 한다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은, 도 2에 도시된 배터리 팩의 과전류 차단 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 배터리 팩의 일부를 나타내는 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 적어도 하나의 배터리 셀(11), 팩 케이스(12), 제1 회동 가압부(13), 제2 회동 가압부(14), 제1 고정 단자(15), 제2 고정 단자(16) 및 버스 바(17)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.

상기 배터리 셀(11)은, 전기화학 반응에 의해 전력을 생산하는 것으로서, 반복적인 충방전이 가능한 이차전지에 해당한다.

상기 배터리 셀(11)로는, 예를 들어, 파우치 타입의 배터리 셀이 이용될 수 있으며, 이러한 파우치 타입의 배터리 셀은 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하며 밀봉되는 파우치 케이스 및 전극 조립체와 연결되어 파우치 케이스 케이스의 외부로 인출되는 전극 리드를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.

상기 팩 케이스(12)는 내부 공간에 적어도 하나의 배터리 셀(11)을 수용하는 것이다. 상기 팩 케이스(12)는, 단락 등으로 인한 배터리 셀(11) 내부의 이상 반응으로 인해 배터리 셀(11)이 팽창하는 스웰링(Swelling) 현상이 발생되는 경우 배터리 셀(11)의 부풀어 오른 면에 의한 압력에 따라 배터리 팩(10)의 외측을 향해 회동됨으로써 버스 바(17)를 가압하는 제1 회동 가압부(14) 및 제2 회동 가압부(15)를 구비한다.

한 쌍의 상기 회동 가압부(13,14)는 스웰링 시에 팽창되는 배터리 셀(11)의 팽창 면과 대면하며, 스웨링 시에 배터리 셀(11)의 팽창 면 중심부가 팩 케이스(12)의 외측으로 노출됨으로써 버스 바(17)를 직접 가압할 수 있도록 상호 이격되어 있다.

한편, 이러한 회동 가압부(13,14)는 팩 케이스 본체에 힌지결합 방식으로 결합되어 결합부를 회전축으로 하여 회동될 수 있다.

즉, 상기 배터리 팩(10)은, 배터리 셀(11)의 스웰링 현상 발생 시에 회동 가압부(14,15) 사이에 형성된 공간을 통해 배터리 셀(11)의 팽창 면이 버스 바(17)를 가압할 뿐만 아니라, 배터리 셀(11)의 팽창 면과 대면하는 회동 가압부(13,14)가 팩 케이스 본체와의 결합 부분을 중심으로 하여 회동됨으로써 버스 바(17)를 가압할 수 있는 구조를 갖는다.

여기서, 팩 케이스 본체라 함은, 팩 케이스(11) 중 회동 가압부(13,14)를 제외한 나머지 부분을 일컫는 용어에 해당하는 것이다.

이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 스웰링 현상이 발생되는 경우에 있어서, 배터리 셀(11)의 팽창된 면과 팩 케이스(12)의 일부에 해당하는 한 쌍의 회동 가압부(13,14) 각각의 단부가 동시에 버스 바(17)를 가압함으로써 버스 바(17)의 신속하고도 확실한 파단을 유도할 수 있는 것이다(도 3 참조).

상기 제1 고정 단자(15)는 팩 케이스 본체에 고정되며, 배터리 셀(11)과 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제2 고정 단자(16)는 제1 고정 단자(15)와 마찬가지로 팩 케이스 본체에 고정되며, 버스 바(17)를 통해 제1 고정 단자(16)와 전기적으로 연결된다. 상기 제2 고정 단자(16)에는 외부 기기 또는 인접한 다른 배터리 팩이 연결될 수 있다.

즉, 상기 배터리 팩(10)에 있어서, 제2 고정 단자(16)는 버스 바(17) 및 제1 고정 단자(15)를 통해 배터리 셀(11)과 전기적 연결상태를 유지하면서 외부 단자로서 기능할 수 있는 것이다.

한편, 상기 제1 고정 단자(15) 및 제2 고정 단자(16)는 각각 제1 회동 가압부(13) 및 제2 회동 가압부(14)의 회동 시에도 고정된 상태를 유지하며 버스 바(17)를 지지하고 있어야 하고, 이를 위해서는 회동 가압부(14, 15)의 회동 시에도 회동 가압부(13,14)와 간섭을 일으키지 않아야 한다.

이를 위해 제1 회동 가압부(13)는 제1 고정 단자(15)가 삽입 관통될 수 있는 제1 간섭 회피 슬릿(13a)을 구비하고, 마찬가지로 제2 회동 가압부(14)는 제2 고정 단자(16)가 삽입 관통될 수 있는 제2 간섭 회피 슬릿(16a)을 구비하는 형태로 구현될 수 있다(도 4 참조).

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 이상 현상에 따른 배터리 셀(11)의 스웰링 현상 발생 시에 배터리 셀(11)의 팽창 면이 버스 바(17)를 가압할 수 있도록 구성되어 있을 뿐만 아니라, 팩 케이스(12)의 일부가 배터리 셀(11)의 스웰링 현상에 따른 압력에 의해 버스 바(17)를 추가적으로 가압할 수 있도록 구성되어 있다.

이러한 가압 구조는 버스 바(17)의 신속하고도 정확한 파단이 가능하도록 함으로써 배터리 팩(10)에 과전류가 흘러 발화나 폭발 등의 사고가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있는 것이다.

또한, 이처럼 높은 안전성을 갖는 배터리 팩(10)은, 특히 고전압이 요구되며 잦은 충/방전이 반복되는 EV(Electric Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle) 또는 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등에 적용되는 경우 더욱 큰 가치를 가질 수 있을 것이다.

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.

10: 배터리 팩
11: 배터리 셀
12: 팩 케이스
13: 제1 회동 가압부
13a: 제1 간섭 회피 슬릿
14: 제2 회동 가압부
14a: 제2 간섭 회피 슬릿
15: 제1 고정 단자
16: 제2 고정 단자
17: 버스 바

Claims (7)

1. 적어도 하나의 배터리 셀;
   상기 배터리 셀을 수용하는 팩 케이스;
   상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되며 상기 팩 케이스에 고정되는 제1 고정 단자;
   상기 팩 케이스에 고정되며 외부 커넥터 또는 인접한 배터리 팩과 연결되는 제2 고정 단자; 및
   길이 방향 일 측은 상기 제1 고정 단자에 연결되고, 길이 방향 타 측은 상기 제2 고정 단자에 연결되는 버스 바; 를 포함하며,
   상기 팩 케이스는,
   상기 배터리 셀의 스웰링 현상에 따른 팽창력에 의해 회동되어 상기 버스 바에 파단 압력을 가하도록 설치되는 한 쌍의 회동 가압부를 구비하며,
   스웰링 현상의 발생 시에 상기 배터리 팽창된 면과 상기 한 쌍의 회동 가압부 각각의 단부는 서로 다른 위치에서 동시에 상기 버스 바를 가압하여 상기 버스 바를 파단시키는 배터리 팩.
2. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 회동 가압부는,
   상기 팩 케이스의 본체에 힌지 결합되어 회동 되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
3. 제2항에 있어서,
   상기 한 쌍의 회동 가압부 각각은,
   회동 시에 상기 제1 고정 단자 또는 제2 고정 단자가 회동 가압부와 간섭을 일으키지 않도록 상기 제1 고정 단자 또는 제2 고정 단자가 삽입되는 간섭 회피 슬릿을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
4. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 회동 가압부는,
   상기 배터리 셀의 스웰링 현상이 발생되는 경우 배터리 셀의 스웰링 면의 중심부가 팩 케이스의 외측으로 노출되어 직접 버스 바를 가압할 수 있도록 서로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 고정 단자는,
   외부 기기 또는 인접한 다른 배터리 팩과 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩이 탑재된 자동차.
7. 제6항에 있어서,
   EV, HEV 및 PHEV 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자동차.

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