KR102122921B1 - 이차전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩은 상하방향으로 나란히 적층된 다수의 이차전지 셀과, 상기 이차전지 셀들의 최상면을 덮으며 수평방향 일측 및 타측이 각각 수평방향 중심부위를 회전축으로 회전 가능한 커버, 및 상기 커버의 수평방향 일단 상측에 설치되는 스위치를 포함하는 다수의 이차전지 모듈; 내부에 상기 이차전지 모듈들이 각각 수납되는 하우징; 상기 이차전지 셀들 및 스위치들과 각각 전기적으로 연결되는 릴레이를 포함하며, 상기 릴레이가 닫힌 상태에서 외부에서 공급되는 충전용 전원을 상기 이차전지 셀들로 전달하되, 상기 커버의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 상기 스위치가 눌러지면 상기 릴레이가 열린 상태로 변환되는 PRA; 및 상기 PRA를 제어하는 BMS;를 포함하여 구성된다.

Description

이차전지 팩{The secondary battery pack}
본 발명은 충전 및 방전이 가능한 이차전지 팩에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대 전화, 휴대 컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기는 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라 그 구동 전원으로 사용되는 이차전지에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드늄 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지, 리튬 이차전지 등이 사용되고 있다.
이들 중, 리튬 이차전지는 소형 및 대형화가 가능하며, 작동전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 이점 때문에 많은 분야에서 널리 사용되고 있다.
특히, 최근에는 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린차량이나 디젤차량에 의해 발생하는 대기오염 등을 해결하기 위하여 충방전이 가능한 이차전지를 사용하는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
소형 모바일 기기들과는 달리, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스는 고출력 대용량의 이차전지가 필요함에 따라 다수의 전지 셀을 연결한 중대형 이차전지 모듈이 사용된다.
중대형 이차전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다.
이러한 대형 전지팩에 있어서, US 제2013-0045401호는 양극판, 세퍼레이터, 음극판을 차례대로 겹쳐 형성된 전극 모듈; 상기 전극 모듈을 밀봉하는 파우치; 상기 전극 모듈과 연결되고 일부가 상기 파우치의 외부로 노출된 리드 탭; 및 상기 전극 모듈이 밀봉된 상기 파우치의 일면 및 상기 리드 탭의 일면을 지지하며, 상기 리드 탭이 안착되는 단자부를 구비하는 케이스;를 포함하며, 상기 단자부는 온도 센서가 부착되기 위한 제1 홈부와 버스 바가 결합되기 위한 제2 홈부를 포함하는 전지 팩을 제시하고 있다.
그러나 종래 기술은 전지 팩의 과충전으로 인해 파우치가 부풀러 오르는 스웰링 현상이 발생하여 내부 전극이 단락될 수 있고, 이로 인한 발화 가능성이 있기 때문에 안전성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
US 제2013-0045401호 (2013.02.21)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이차전지 팩의 과충전으로 인해 스웰링 현상이 발생하면 이차전지 셀들로 공급되는 전원을 차단하여 내부 단락으로 인한 발화 가능성을 방지할 수 있는 이차전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩은 상하방향으로 나란히 적층된 다수의 이차전지 셀과, 상기 이차전지 셀들의 최상면을 덮으며 수평방향 일측 및 타측이 각각 수평방향 중심부위를 회전축으로 회전 가능한 커버, 및 상기 커버의 수평방향 일단 상측에 설치되는 스위치를 포함하는 다수의 이차전지 모듈; 내부에 상기 이차전지 모듈들이 각각 수납되는 하우징; 상기 이차전지 셀들 및 스위치들과 각각 전기적으로 연결되는 릴레이를 포함하며, 상기 릴레이가 닫힌 상태에서 외부에서 공급되는 충전용 전원을 상기 이차전지 셀들로 전달하되, 상기 커버의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 상기 스위치가 눌러지면 상기 릴레이가 열린 상태로 변환되는 PRA; 및 상기 PRA를 제어하는 BMS;를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 커버는 수평방향 중심부위를 지지하는 지지부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 지지부재는 상기 커버의 수평방향 중심부위와 상기 이차전지 셀들의 수평방향 중심부위를 모두 감쌀 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈은 상기 스위치를 상기 커버의 상측에 고정하는 고정부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈은 상기 커버의 수평방향 일단에 전후방향으로 함몰된 절개홈이 형성되며, 상기 절개홈이 상기 커버의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 절개될 수 있으며, 상기 스위치가 상기 절개홈의 상측에 설치될 수 있다.
또한, 상기 절개홈은 상기 커버의 하면 상에 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩은 이차전지 팩의 과충전으로 인해 스웰링 현상이 발생하면 이차전지 셀들로 공급되는 전원을 차단하여 내부 단락으로 인한 발화 가능성을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩의 사시도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩의 평면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈의 사시도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈의 작동도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩의 전기 회로도
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩의 실제 작동예
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩의 사시도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩의 평면도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈의 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 이차전지 모듈(100), 하우징(200), PRA(300), BMS(400)(Battery Management system)를 포함하여 구성될 수 있다.
이차전지 모듈(100)은 상하방향으로 나란히 적층된 다수의 이차전지 셀(110), 커버(120), 및 RAD(Runaway Arrest Device) 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.
이차전지 셀(110)은 전원이 저장되는 구성으로, 양극활물질층이 코팅된 양극 집전체로 구성된 양극판(미도시)과, 음극활물질층이 코팅된 음극집전체로 구성된 음극판(미도시), 양극판과 음극판 사이에 개재되는 분리막(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
양극판, 음극판, 및 세퍼레이터는 스태킹(stacking) 방식에 의해 적층되거나 또는 와인딩(winding) 방식에 의해 권취되는 형태로 구성될 수 있으며, 양극판, 음극판, 세퍼레이터가 파우치(미도시) 내부에 수납되어 밀봉되어 이차전지 셀(110)이 구성될 수 있다.
또한, 이차전지 셀(110)은 전원 연결을 위하여 양극판 및 음극판에서 각각 돌출되는 양극탭(미도시) 및 음극탭(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
양극탭 및 음극탭은 모두 이차전지 셀(110)의 일측에 돌출되거나 각각 이차전지 셀(110)의 일측 및 타측에서 돌출될 수 있다.
커버(120)는 판형상으로 이루어질 수 있으며, 이차전지 셀(110)들의 최상면에 대응하는 형상으로 형성되어 이차전지 셀(110)들의 최상면을 덮으며, 수평방향 일측 및 타측이 각각 수평방향 중심부위를 회전축으로 회전 가능하게 구성된다. 여기에서 이차전지 셀(110)들의 최상면이란 상하방향으로 나란히 적층된 이차전지 셀(110)들 중 제일 상측에 위치하는 이차전지 셀(110)의 상면을 의미한다.
커버(120)는 이차전지 셀(110)의 과충전으로 인한 스웰링 현상이 발생하여 커버(120)의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 수평방향 일측 및 타측이 상측으로 회전하게 된다.
또한, 커버(120)는 수평방향 중심부위를 지지하는 지지부재(125)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 커버(120)는 수평방향 일측 및 타측이 지지부재(125)를 회전축으로 상하방향으로 회전 가능하게 구성된다.
한편, 지지부재(125)는 커버(120)의 수평방향 중심부위를 좀 더 단단하게 지지할 수 있도록 커버(120)의 수평방향 중심부위와 이차전지 셀(110)들의 수평방향 중심부위를 모두 감싸는 형태로 형성될 수 있다.
스위치(130)는 커버(120)의 수평방향 일단 상측에 설치되며, 상술한 이차전지 셀(110)의 과충전으로 인한 스웰링 현상이 발생하여 커버(120)의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 커버(120)의 수평방향 일측 및 타측이 상측으로 회전되면 눌러지게 된다.
즉, 스위치(130)는 이차전지 셀(110)의 스웰링 현상을 감지하는 역할을 한다.
한편, 이차전지 모듈(100)은 스위치(130)를 커버(120)의 상측에 고정하는 고정부재(140)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
고정부재(140)는 아치형상으로 이루어질 수 있으며, 함몰된 부위에 스위치(130)가 결합되고 양단이 커버(120)의 수평방향 일단 상면에 결합되어 스위치(130)를 커버(120)의 상측에 고정할 수 있다.
또한, 이차전지 모듈(100)은 이차전지 셀(110)들 사이에 각각 개재되어 간격을 유지하는 간격 유지 플레이트(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
간격 유지 플레이트는 이차전지 셀(110)들에서 발생하는 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있다.
하우징(200)은 상부가 개방되며, 내부에 이차전지 모듈(100)들이 나란히 배열 및 수납된다.
또한, 하우징(200)은 외부로 전기가 통하지 않도록 절연 재질로 이루어질 수 있다.
PRA(300)는 이차전지 셀(110)들 및 스위치(130)들과 각각 전기적으로 연결되는 릴레이를 포함하며, 릴레이가 닫힌 상태에서 외부에서 공급되는 충전용 전원을 이차전지 셀(110)들로 전달하되, 이차전지 셀(110)들 중 커버(120)의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 스위치(130)가 적어도 하나 이상 눌러지면 릴레이가 열린 상태로 변환되어 그 충전용 전원이 이차전지 모듈(100)로 전달되지 않게 하는 역할을 한다.
이 때, 충전용 전원은 자동차의 원동기나 발전소의 발전장치 등의 외부 전력원에서 공급될 수 있으며, PRA(300)는 충전용 전원의 파워 양을 균일하게 조절하여 이차전지 셀(110)들로 전달하기 위한 컨덴서를 더 포함하여 구성될 수 있다.
BMS(400)는 PRA(300)를 제어하며, 스위치(130)가 눌러졌음에도 릴레이가 열린 상태로 변환되지 않을 경우, 릴레이에 강제 제어 명령을 내려서 강제로 열린 상태로 변환되게 하는 역할을 한다.
한편, 도 3을 참조하면, 이차전지 모듈(100)은 커버(120)의 수평방향 일단에 전후방향으로 함몰된 절개홈(121)이 형성될 수 있으며, 절개홈(121)이 커버(120)의 하면에서 상측에서 작용하는 압력에 의해 절개될 수 있으며, 스위치(130)가 절개홈(121)의 상측에 설치될 수 있다.
도 3에는 절개홈(121)이 물결형상으로 형성된 실시예가 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈의 스웰링 현상에 의한 작동도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈(100)에 과충전으로 인한 스웰링 현상에 의한 작동원리에 의해 설명하기로 한다.
먼저, PRA(300)가 릴레이가 닫힌 상태에서 외부에서 공급되는 충전용 전원을 이차전지 셀(110)들로 전달된다.
다음으로, 이차전지 모듈(100)들의 과충전에 의해 스웰링 현상이 발생하면 커버(120)의 하면에서 상측으로 작용하는 압력이 커버(120)의 중심부위로 향한다.
다음으로, 그 압력이 커버(120)의 중심부위를 지지하는 지지부재(125)에 의해 커버(120)의 수평방향 일단 및 타단으로 각각 분산되면서 커버(120)의 수평방향 일단 및 타단이 지지부재(125)를 회전축으로 스위치(130)를 누르게 된다.
다음으로, 스위치(130)가 눌러지면서 릴레이가 열린 상태로 변환되어 이차전지 셀(110)들로 충전용 전원이 전달되지 않게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩(1000)은 이차전지 팩(1000)의 과충전으로 인해 스웰링 현상이 발생하면 이차전지 셀(110)들로 공급되는 전원을 차단하여 내부 단락으로 인한 발화 가능성을 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩(1000)은 커버(120)가 이차전지 셀(110)들에 좀 더 단단하게 고정될 수 있도록 커버(120)와 이차전지 셀(110)들을 관통 및 고정하는 관통볼트를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 관통볼트는 이차전지 셀(110)의 파우치 가장자리를 관통하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩의 전기 회로도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 이차전지 셀(110)들이 나란히 배열되며, 이차전지 셀(110)들 상에 각각 스위치(130)들이 설치되며, 이차전지 셀(110)들이 서로 전기적으로 연결되어 제1폐회로를 이루며, 그 제1폐회로에 PRA(300)가 전기적으로 연결되어 외부에서 공급되는 충전용 전원을 이차전지 셀(110)들로 공급하고, BMS(400)가 PRA(300)와 각각 전기적으로 연결되며, 그 일측에 접지부재(310)가 설치된다.
상술한 바와 같이, PRA(300)는 릴레이가 닫힌 상태에서 외부에서 공급되는 충전용 전원을 이차전지 셀(110)들로 전달하며, 스위치(130)가 눌러지면 릴레이가 열린 상태에서 외부에서 공급되는 충전용 전원을 이차전지 셀(110)들로 전달하지 않고 접지부재(310)로 전달한다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩의 실제 작동예이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 팩(1000)이 과충전될 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 이차전지 셀(110)들이 부풀어 올라서 이차전지 셀들의 최상면에 설치된 커버(120)의 수평방향 일단이 스위치(120)를 누르게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 이차전지 팩
100 : 이차전지 모듈
110 : 이차전지 셀 120 : 커버
121 : 절개홈 125 : 지지부재
130 : 스위치 140 : 고정부재
200 : 하우징
300 : PRA
400 : BMS

Claims (6)

  1. 상하방향으로 나란히 적층된 다수의 이차전지 셀과, 상기 이차전지 셀들의 최상면을 덮으며 수평방향 일측 및 타측이 각각 수평방향 중심부위를 회전축으로 회전 가능한 커버, 및 상기 커버의 수평방향 일단 상측에 설치되는 스위치를 포함하는 다수의 이차전지 모듈;
    내부에 상기 이차전지 모듈들이 각각 수납되는 하우징;
    상기 이차전지 셀들 및 스위치들과 각각 전기적으로 연결되는 릴레이를 포함하며, 상기 릴레이가 닫힌 상태에서 외부에서 공급되는 충전용 전원을 상기 이차전지 셀들로 전달하되, 상기 커버의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 상기 커버가 회전하여, 상기 스위치가 눌러지면 상기 릴레이가 열린 상태로 변환되는 PRA; 및
    상기 PRA를 제어하는 BMS;를 포함하는 이차전지 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커버는
    수평방향 중심부위를 지지하는 지지부재를 더 포함하는 이차전지 팩.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지지부재는
    상기 커버의 수평방향 중심부위와 상기 이차전지 셀들의 수평방향 중심부위를 모두 감싸는 이차전지 팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이차전지 모듈은
    상기 스위치를 상기 커버의 상측에 고정하는 고정부재를 더 포함하는 이차전지 팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이차전지 모듈은
    상기 커버의 수평방향 일단에 전후방향으로 함몰된 절개홈이 형성되며, 상기 절개홈이 상기 커버의 하면에서 상측으로 작용하는 압력에 의해 절개될 수 있으며,
    상기 스위치가 상기 절개홈의 상측에 설치되는 이차전지 팩.
  6. 제5항에 있어서, 상기 절개홈은
    상기 커버의 하면 상에 형성되는 이차전지 팩.
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