KR101887758B1 - 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈은 양극 단자부 및 음극 단자부가 형성되어 일 방향으로 배열된 복수 개의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 감싸는 배터리 케이스; 인접하는 상기 배터리 셀을 전기적으로 연결하도록 일측이 상기 양극 단자부 및 음극 단자부와 각각 연결되고, 타측은 상기 배터리 케이스 외부로 돌출 연장되되 그 단부가 수직방향으로 이격되어 위치하도록 절곡된 한 쌍의 버스바; 및 양단이 한 쌍의 상기 버스바와 전기적으로 연결되어 임계전압 초과시 상기 배터리 셀에 공급되는 전원을 차단시키도록 상기 배터리 케이스와 버스바의 타단 사이에 배치된 과충전 방지부;를 포함한다.

Description

과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈{BATTERY MODULE HAVING OVERCHARGE PREVENTION FUNCTION}

본 발명은 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과도한 전압이 인가되는 경우 배터리로 공급되는 전류를 차단하도록 스웰링(swelling) 힘을 보강함으로써 배터리가 과충전되는 것을 방지할 수 있는 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈에 관한 것이다.

최근 들어 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인하여 화석 에너지를 사용을 최소화하기 위한 기술개발에 대한 관심이 높아짐에 따라, 내연기관의 동력과 전기동력을 조합하여 구동되는 하이브리드 자동차와 전기동력을 이용한 전기 자동차와 같은 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 친환경 자동차는 전기를 주 동력원으로 사용하는바, 친환경 자동차에는 전기 에너지를 저장하는 배터리가 제공되는데, 자동차를 구동시키기 위해서는 대용량 및 고출력이 요구되는 바, 중·대형 배터리가 사용된다.

따라서 친환경 자동차에 사용되는 배터리는 그 크기가 커짐에 따라 설치가 용이하지 못할 뿐만아니라 무거워 자동차의 연비를 떨어뜨리는 문제점을 가지고 있었다.

이에, 배터리를 소형화하기 위한 노력이 진행되고 있으며, 전기 효율이 우수한 배터리 모듈을 이용한 배터리 구조가 주목받고 있다.

상기와 같은 배터리 모듈을 이용한 배터리는 과충전시 전압이 상승되고 과열이 발생되며 내부의 가스발생으로 인하여 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생되어 전극 리드의 파단을 유도하여 배터리 충전을 차단시키는 방식을 사용하였다.

그러나 최근 자동차의 출력을 향상시키고 전기로 주행가능한 거리를 증대시키기 위해 배터리 셀의 에너지 밀도를 증가시키고 있는데, 이는 과충전시 발열량을 감소시켜 스웰링 힘을 감소시키게 된다.

이와 같이 스웰링 힘이 약해짐에 따라 과충전시 전류 차단이 원활하지 않거나, 전류가 차단되었다 하더라도, 배터리 모듈의 폭발 또는 발화를 유발하는 문제점을 가지고 있었다.

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.

공개특허공보 제10-2016-0049896호(2016. 05. 10.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스웰링 힘을 보강함으로써 배터리의 안정성을 확보할 수 있는 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈은 양극 단자부 및 음극 단자부가 형성되어 일 방향으로 배열된 복수 개의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 감싸는 배터리 케이스; 인접하는 상기 배터리 셀을 전기적으로 연결하도록 일측이 상기 양극 단자부 및 음극 단자부와 각각 연결되고, 타측은 상기 배터리 케이스 외부로 돌출 연장되되 그 단부가 수직방향으로 이격되어 위치하도록 절곡된 한 쌍의 버스바; 및 양단이 한 쌍의 상기 버스바와 전기적으로 연결되어 임계전압 초과시 상기 배터리 셀에 공급되는 전원을 차단시키도록 상기 배터리 케이스와 버스바의 타단 사이에 배치된 과충전 방지부;를 포함한다.

상기 과충전 방지부는, 내부공간이 형성된 하우징; 상기 하우징 내부에 충전되는 중성물질; 양단이 각각 한 쌍의 상기 버스바에 전기적으로 연결되는 제너 다이오드; 및 상기 제너 다이오드와 연결되어, 상기 제너 다이오드의 임계전압 초과시 상기 중성물질을 가열시킬 수 있도록 상기 하우징 내부에 배치되는 발열저항;을 포함할 수 있다.

상기 중성물질은, 프레온 R112이며, 상기 발열저항으로부터 열을 공급받아 기화되어 상기 하우징을 팽창시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 하우징은, 신축성 재질로 형성되어, 상기 중성물질 팽창시 팽창압에 의해 한 쌍의 상기 버스바를 가압하여 쇼트시키는 것이 바람직하다.

상기 양극 단자부는, 알루미늄 재질로 형성되며, 용단이 용이하도록 용단홈이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 충전시 과충전으로 인한 안전사고가 발생되는 것을 방지하고, 배터리의 전압을 안정적으로 유지하여 내구성 및 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈을 설명하기 위한 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 양극 단자부를 설명하기 위한 사시도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈의 작동을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 양극 단자부를 설명하기 위한 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 셀(100)과 내부에 복수의 배터리 셀(100)이 수용되는 배터리 케이스(200)와 복수의 배터리 셀(100)을 전기적으로 연결하는 한 쌍의 버스바(300) 및 과충전시 한 쌍의 버스바(300)를 접촉시켜 쇼트를 발생시키는 과충전 방지부(400)를 포함한다.

이때, 배터리 셀(100)은 양극과 음극에 각각 전기적으로 연결될 수 있도록 양극 단자부(110) 및 음극 단자부(120)가 구비된다.

이때 양극 단자부(110)는, 금속 재질로 형성되고 음극 단자부(120)는 탄소 또는 흑연 재질로 형성되는데 보다 바람직하게, 양극 단자부(110)는 알루미늄 또는 알루미늄 산화물 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 일반적으로 알루미늄은 전도성 재질 중 비교적 녹는점이 낮아, 과충전으로 인한 버스바(300) 쇼트시 비교적 낮은 온도에서 용단됨으로써 배터리 모듈의 폭발 및 점화 등 안전사고 발생을 방지하고 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 단자부(110)는 그 폭이 감소되도록 용단홈(111)이 형성되는 것이 바람직하다. 이에, 과충전으로 인하여 전류 통전시 용단홈(111)이 형성되어 폭이 좁아진 부위에 에너지가 집중되어 빠르게 가열하여 용단을 용이하게 함으로써, 배터리의 안정성을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

배터리 케이스(200)는 내부공간이 형성되어, 그 내부에 복수 개의 배터리 셀(100)이 일 방향으로 적층되어 수용된다.

이때, 한 쌍의 버스바(300)는 일측이 배터리 케이스(200) 내부로 삽입되어 배터리 셀(100)의 양극 단자부(110) 및 음극 단자부(120)에 연결되어 복수의 배터리 셀(100)을 전기적으로 연결시키고 버스바(300)의 타측은 배터리 케이스(200)의 외부로 연장되어 서로 마주보도록 절곡되되, 그 단부가 수직방향으로 이격되어 위치되도록 절곡된다.

과충전 방지부(400)는 과충전시 팽창되어 한 쌍의 버스바(300)를 접촉시켜 쇼트시킬 수 있도록, 버스바(300)의 타단의 수직 하방에 위치하도록 배터리 케이스(200) 평면에 안착된다.

보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지부(400)는 하우징(410)과 하우징(410) 내부에 충전되는 중성물질(420)과 양단이 한 쌍의 버스바(300)에 연결되는 중성물질(430) 및 중성물질(430)와 연결되어 하우징(410) 내부에 위치하는 발열저항(440)을 포함한다.

하우징(410)은 중성물질(420)이 수용되는 내부공간이 형성되되, 중성물질(420)의 상 변화에 따라 팽창될 수 있도록 탄성재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 중성물질(420)은 다른 물질과 전기적, 화학적으로 반응되지 않으면서 독성이 없는 물질을 사용할 수 있는데, 본 발명에서는 프레온 R112를 중성물질(420)로 사용하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 프레온 R112는 상온에서는 액체상태이고 끓는점이 92.8℃으로 비교적 낮으며 기화시 1g당 85㎤의 가스를 생성할 뿐만 아니라 독성이 없으며, 다른 물질과 반응성이 낮기 때문에 배터리의 안정성을 보다 향상시킬 수 있으며, 과충전시 비교적 낮은 온도에서 기화될 수 있으며 기화시 부피가 급격하게 증가함으로써 빠른시간 내에 버스바(300)를 쇼트시킴으로써 배터리의 안정성을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다.

이에, 과충전으로 인하여 배터리 셀(100)의 전압이 상승되어 중성물질(430)의 임계전압을 초과하는 경우 중성물질(430)에 연결된 발열저항(440)으로 전류가 흐르게 됨으로써, 중성물질(420)을 가열하여 기화시켜 하우징(410)을 팽창시키면, 하우징(410)이 버스바(300)의 타측 저면을 가압하여 한 쌍의 버스바(300)의 타측을 접촉시켜 쇼트를 발생시키게 된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈의 작동관계에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈의 작동을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배터리를 충전하는 과정에서 복수의 배터리 셀(100) 중 적어도 하나 이상에 과충전이 발생되어 사전에 설정된 중성물질(430)의 임계저항을 초화하는 경우, 중성물질(430)와 연결된 발열저항(440)이 통전되어 열을 발생시키게 된다.

이에, 발열저항(440)에서 발생된 열에 의해 하우징(410) 내부에 수용된 중성물질(420)이 기화되어 그 부피가 증가되면 중성물질(420)이 수용된 하우징(410)이 팽창되어 버스바(300)의 타단을 가압하여 한 쌍의 버스바(300)를 접촉시켜 쇼트를 발생시킨다.

이와 같이 쇼트가 발생되면 알루미늄 재질로 형성된 양극 단자부(110)에서 용단홈(111)이 형성되어 그 폭이 좁아지는 부위가 집중적으로 과열되어 용단됨으로써, 전류를 차단시킴으로써, 과충전되는 것을 방지하게 된다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100: 배터리 셀 110: 양극 단자부
111: 용단홈 120: 음극 단자부
200: 배터리 케이스 300: 버스바
400: 과충전 방지부 410: 하우징
420: 중성물질 430: 제너 다이오드
440: 발열저항

Claims (6)

1. 양극 단자부 및 음극 단자부가 형성되어 일 방향으로 배열된 복수 개의 배터리 셀;
   상기 배터리 셀을 감싸는 배터리 케이스;
   인접하는 상기 배터리 셀을 전기적으로 연결하도록 일측이 상기 양극 단자부 및 음극 단자부와 각각 연결되고, 타측은 상기 배터리 케이스 외부로 돌출 연장되되 그 단부가 수직방향으로 이격되어 위치하도록 절곡된 한 쌍의 버스바; 및
   양단이 한 쌍의 상기 버스바와 전기적으로 연결되어 임계전압 초과시 상기 배터리 셀에 공급되는 전원을 차단시키도록 상기 배터리 케이스와 버스바의 타단 사이에 배치된 과충전 방지부;를 포함하고,
   상기 과충전 방지부는, 내부공간이 형성된 하우징; 상기 하우징 내부에 충전되는 중성물질; 양단이 각각 한 쌍의 상기 버스바에 전기적으로 연결되는 제너 다이오드; 및 상기 제너 다이오드와 연결되어, 상기 제너 다이오드의 임계전압 초과시 상기 중성물질을 가열시킬 수 있도록 상기 하우징 내부에 배치되는 발열저항;을 포함하는, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 중성물질은,
   프레온 R112이며, 상기 발열저항으로부터 열을 공급받아 기화되어 상기 하우징을 팽창시키는 것을 특징으로 하는, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 하우징은,
   신축성 재질로 형성되어, 상기 중성물질 팽창시 팽창압에 의해 한 쌍의 상기 버스바를 가압하여 쇼트시키는 것을 특징으로 하는, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 양극 단자부는,
   알루미늄 재질로 형성된 것을 특징으로 하는, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 양극 단자부는,
   용단이 용이하도록, 용단홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 과충전 방지 기능을 갖는 배터리 모듈.
   

Images