KR102227007B1 - 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연쇄발화 방지를 고려한 배터리 셀 집합구조와 단락 방지를 위한 전기적 연결 형상에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 전지를 패키지 형태로 묶어 이차 전지들 사이에서 절연 구조를 형성하고, 하나의 전지가 이상이 발생하여 화재 또는 폭발할 경우 주변의 전지로 폭발이 확산되는 것을 방지하여 안전성을 높일 수 있는 연쇄발화 방지를 고려한 배터리 셀 집합구조와 단락 방지를 위한 연결 형상에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연쇄발화 방지를 고려한 이차전지 셀 집합체 구조 및 형상에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 전지를 패키지 형태로 묶어 이차 전지들 사이에서 절연 구조를 형성하고, 하나의 전지가 이상이 발생하여 화재 또는 폭발할 경우 주변의 전지로 폭발이 확산되는 것을 방지하여 안전성을 높일 수 있는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 셀 집합체 구조와 전기적 연결 형상에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지 시스템은 복수의 전지 셀들로 구성된 이차 전지 셀 집합체로 기본 집합인 셀 블록, 이러한 셀 블록을 이용한 배터리 모듈, 그리고 복수의 모듈로 구성된 배터리 랙 등을 일컫는다.
높은 에너지 밀도를 갖는 전기화학식 이차 전지 셀은 부적절한 셀 사용, 물리적 오남용, 제조 결함 등은 전지 내부 전해액의 전기적, 화학적 열적 반응을 위험수준으로 유도하고 전지 셀의 내부 압력을 증가시키며 내부에서 발생하는 전기적, 화학적 작용으로 인하여 결국 다양한 메카니즘을 통해 기화 분해된 전해액 가스가 전지 외부로 배출되거나 셀의 케이스가 부풀어 오르는 스웰링현상 등이 초래되며 셀 내 가속화된 열적 화학적 반응으로 내부 분해된 내용물이 분진과 연기의 형태로 고온의 열과 함께 배출하는 열 폭주 현상이 발생한다.
복수의 전지 셀들의 집합으로 이루어진 셀 블록에서 연쇄발화는 하나의 전지 셀의 고장으로 인한 열 폭주 동안 대량의 열 에너지가 빠르게 방출되어 고장 전지 셀을 600℃ 이상의 온도로 가열하게 된다. 이러한 고온의 열 에너지는 셀 블록내 밀접하게 전기적으로 연결된 인접 전지 셀로 전달되어 인접 셀의 열 폭주 상태에 이르게 하며 모듈 전체에 걸쳐 계단식 연쇄 발화가 발생하게 된다.
또한 열 폭주 발생 전, 높은 내부 온도로 인한 분리막 손상으로 해당 셀의 내부 단락이 발생하며 이로 인해 나머지 병렬 연결된 셀들과 폐쇄회로가 형성되어 하나의 전지 셀로 열폭주 상태에 이르게 된다.
따라서 하나의 전지 셀이나 집합구조 내 단락으로 인해 주변으로 과전류가 유입되는 것을 차단하여 이로 인한 열 폭주와 연쇄발화를 방지 할 수 있는 설계가 필요하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 복수의 이차 전지들을 패키지 형태로 한데 묶어 전류 방전 특성을 확보하고, 각 셀에 대하여 전류의 균형 분배를 구현하는 전지 어셈블리 구조를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 복수의 이차 전지들을 수용하는 셀 집합체들을 서로 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있어 부하에 따라 출력 전류를 조절할 수 있는 전지 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명은 복수의 전지를 패키지 형태로 묶어 이차 전지들 사이에서 절연 구조를 형성하고, 하나의 전지에 이상이 발생하여 화재 또는 폭발할 경우 주변으로 화재나 폭발이 확산되는 것을 방지하여 안전성을 높일 수 있는 전지 어셈블리 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 전지 셀; 상기 전지 셀들을 전기적으로 연결하는 기본 집합 단위인 셀 블록; 상기 셀 블록을 구성하기 위해 복수의 전지 셀들을 담는 케이스 또는 하우징인 셀 홀더 부재; 상기 셀 홀더 부재 내 개개의 전지 셀을 수용하기 위한 셀 장착 공간부; 상기 셀 홀더 부재의 상측면과 상기 셀 장착 공간부가 교차하는 면에서 상기 셀 단자의 전기적 연결 접점을 제공하기 위해 원형 또는 다각형의 형상으로 중앙부분이 개구되며 상기 셀 장착 공간 내 셀을 지지할 수 있는 셀 홀더 턱 ; 상기 셀 장착 공간부내에 장착된 전지 셀 단자 주위에 위치하며 상기 셀 홀더 부재의 상측면에 상부 방향으로 돌출되어 설치되는 일정 높이의 돌기; 상기 셀 홀더 부재 상측면에 적층되고, 복수개의 원형 또는 다각형으로 통공된 얇은 금속시트로 이루어지며, 각각의 통공된 개구부는 셀 홀더 부재의 장착 공간과 대응되어 정렬되는 집전판; 을 포함한다.
상기 셀 홀더 부재는 열 폭주시 발생하는 고열로 셀 홀더 부재가 타들어가지 않도록 하여 주변으로 화염이 확산되는 것을 방지하기 위해 자기 소화성을 갖는 난연재 또는 폴리 카보네이트 또는 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌으로 이루어질 수 있다.
상기 셀 홀더 턱은 전지 셀과 셀 홀더 부재가 결합 시, 전지 셀의 상하 움직임을 방지하고 조립시 또는 운영시 발생할 수 있는 절연 불량을 방지할 수 있다. 자세한 구조나 기능은 후술하는 셀 홀더 턱에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
상기 돌기는 셀 홀더의 상측면에서 상부 방향으로 일정 높이로 돌출되어 셀 블록의 윗면과 아랫면의 이격 공간을 유지하고 열폭주 시 전지 셀로부터 방출되는 화염과 고열로 부터 주변 셀을 보호할 수 있다. 자세한 구조나 기능은 후술하는 돌기 부분에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
상기 집전판은 복수개의 원형 또는 다각형으로 통공된 얇은 금속시트의 전도체로 몸체부분인 집전(current collector)부분과, 전지 셀의 단자 부분과 접속하는 접속(contact point)부분 그리고 이 두 부분을 연결하는 브릿지로 구성되며 각각의 통공부는 셀 홀더 부재의 장착 공간과 정렬되도록 셀 홀더 부재 상측면에 적층된다.
상기 집전판과 전지 셀의 단자 표면 사이에는 셀 홀더 턱으로 인해 높이 차이가 있을 수 있으며 이를 수용하기 위해 집전판의 브릿지 부분을 스탬핑 또는 통상적인 방법 등으로 절곡하여 집전판의 접속 부분과 셀 단자와의 접속을 용이하게 할 수 있다.
상기 집전판의 브릿지 부분은 과전류 시 용융되어 개방되는 기능을 할 수 있도록 가느다란 스트립으로 구성한다. 또한 상기 스트립의 형상은 z자, s자, c자 등으로 구부리고 구부려진 곳이 셀 홀더 턱에 위치하도록 한다. 자세한 구조나 기능은 후술하는 집전판의 브릿지 부분에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
상기 스트립을 구비한 집전판은 셀 블록의 양(兩) 전극 단자 모두 또는 단일 전극 단자 (음극 또는 양극 단자)와 연결에 사용할 수 있다.
또는 상기 셀 블록의 양극 단자에 연결되는 집전판은 열 폭주시 양극단자의 가스 방출공으로부터 가스 방출이 용이하도록 일정부분 개구된 브릿지 형상을 가진 집전판을 사용할 수 있다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 전지 장착용 케이스에 의하면 복수의 전지를 패키지 형태로 묶어 전지들 사이에서 절연 구조를 형성하고 하나의 전지가 이상이 발생하여 화재 또는 폭발이 발생할 경우 주변의 전지로 폭발이 확산되는 것을 방지하여 안전성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 서로 간 결합이 용이한 장점이 있다.
또한 본 발명은 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 셀 집합체의 전기적 연결 방법과 형상으로 하나의 전지 셀 고장으로 인해 주변으로 화재 위험성이 확산되는 것을 방지하는 특성을 갖도록 한다.
도 1은 종래 발명에 따른 각 명칭과 기능 및 역할을 설명하는 도면이다.
도 2는 종래 발명의 원통형 셀 극성 분포와 원통형 셀 외장 피복 등을 보여주는 도면이다.
도 3a은 종래 발명의 일실시예에 따른 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블록 단면을 보여주는 도면이다.
도 3b는 종래 발명의 일실시예에 따른 셀 장착 공간을 구비한 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 홀더 턱이 구비된 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블럭의 단면을 보여주는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 장착공간과 셀 홀더 턱이 구비된 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 돌기가 구비된 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블록의 단면을 보여주는 도면이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 장착공간과 돌기가 구비된 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 홀더 턱과 돌기가 구비된 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블록의 단면을 보여주는 도면이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 장착공간, 셀 홀더 턱과 돌기가 구비된 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 7a는 종래 발명의 일실시예에 따른 집전판의 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 7b, 7c, 7d, 7e, 7f은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집전판의 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 블록을 구성하는 셀 홀더, 전지 셀, 접전판의 결합 예를 보여주는 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다양한 형상의 스트립(60)으로 구성된 집전판의 브릿지 (40-3) 예시를 보여주는 도면이다.
도 10a, 10b, 10c, 10d는 본 발명의 실시예에 따라 설계한 모듈의 평면도와 상기 모듈의 열폭주 시험을 한 결과를 보여주는 그래프도, 시험 후 해체하여 일부를 보여주는 사진이다.
도 11a, 11b, 11c는 종래 발명의 실시예에 따라 연쇄발화 방지 설계가 안된 모듈 시험체의 사진, 열폭주 시험을 한 결과를 보여주는 그래프도 그리고 시험 후 해체하여 보여주는 사진이다.
도 2는 종래 발명의 원통형 셀 극성 분포와 원통형 셀 외장 피복 등을 보여주는 도면이다.
도 3a은 종래 발명의 일실시예에 따른 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블록 단면을 보여주는 도면이다.
도 3b는 종래 발명의 일실시예에 따른 셀 장착 공간을 구비한 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 홀더 턱이 구비된 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블럭의 단면을 보여주는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 장착공간과 셀 홀더 턱이 구비된 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 돌기가 구비된 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블록의 단면을 보여주는 도면이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 장착공간과 돌기가 구비된 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 홀더 턱과 돌기가 구비된 셀 홀더에 셀이 장착된 셀 블록의 단면을 보여주는 도면이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 장착공간, 셀 홀더 턱과 돌기가 구비된 셀 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 7a는 종래 발명의 일실시예에 따른 집전판의 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 7b, 7c, 7d, 7e, 7f은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집전판의 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 블록을 구성하는 셀 홀더, 전지 셀, 접전판의 결합 예를 보여주는 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다양한 형상의 스트립(60)으로 구성된 집전판의 브릿지 (40-3) 예시를 보여주는 도면이다.
도 10a, 10b, 10c, 10d는 본 발명의 실시예에 따라 설계한 모듈의 평면도와 상기 모듈의 열폭주 시험을 한 결과를 보여주는 그래프도, 시험 후 해체하여 일부를 보여주는 사진이다.
도 11a, 11b, 11c는 종래 발명의 실시예에 따라 연쇄발화 방지 설계가 안된 모듈 시험체의 사진, 열폭주 시험을 한 결과를 보여주는 그래프도 그리고 시험 후 해체하여 보여주는 사진이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 경우에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대처되어 이해되어야 할 것이며 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며 과도하게 축소된 의미로 해석되어서는 않아야 한다.
본 발명에서 이차 전지 집합체 또는 집합 구조란 복수의 이차 전지 셀(13)을 전기적으로 구성한 기본 단위인 셀 블록(30), 하나 또는 복수개의 셀 블록을 담는 모듈 (31), 복수개의 모듈이 연결되어 구성되는 랙(32) 등을 일컫는다.
본 발명에서 셀 블록은 이차 전지 셀(13), 셀 장착 공간부(20-1), 셀 홀더 부재(20), 셀 홀더 턱(20-2), 돌기(20-3), 집전판(40) 등을 포함한다.
전지 셀(13)은 예를 들어 원통형 셀로서, 구조상 충방전 사이클 등에서 발생할 수 있는 가스에 의한 내부 압력이 잘 방출되지 않으므로 만에 하나 파열에 이를 경우 피해가 매우 커질 위험이 있어 기본적으로 많은 보호 소자가 설치되어 있다.
전지 셀(13)은 내부 압력이 상승했을때 기계적으로 전류 경로를 차단하는 CID(3)라는 장치가 사용되며 셀 내부에서 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC(2)와 과충전 등에 의해 내부 압력이 급격히 상승했을 때 내압을 방출하는 안전 가스 배출 벤트(4)등이 있으며 양극단자(1)인 캡업(cap up)에는 전지 셀 케이스 외부로 가스 방출을 위해 다수의 가스 방출공(1a)을 구비하고 있다.
도 2에서 도시한 바와 같이 전지 셀 상단의 중앙에 장착된 캡업은 양극단자 전극을 형성하고 이를 제외한 어깨와 몸통, 그리고 전체 하단은 음극을 형성하여 양 전극간 충분한 거리가 확보되지 않아 단락의 위험이 있을 수 있다.
이를 방지하기 위해 전지 셀 상단 어깨(가장자리)에 도너츠형의 플라스틱 절연 워셔(11)가 놓이고 이를 포함한 몸통은 PVC 열수축 슬리브(12)로 감싸 부주의나 열화로 인한 양 전극간 접촉이 발생하지 않도록 설계되어 있다.
상기 전지 셀들을 하나의 집합체로 구성하기 위한 케이스 또는 하우징 되는 셀 홀더 부재(20)는 개개의 전지 셀을 정착하기 위한 셀 장착 공간부(20-1)와 이 공간들을 서로 연결하는 몸체로 구성된다.
상기 셀 장착 공간부(20-1)는 전지 셀의 몸통 전부를 수용할 수 있는 크기이거나 방열이나 무게 또는 비용을 줄이기 위해 셀 종단부분을 포함하는 일정 부분만을 수용하는 크기로 정할 수 있다. 이때에는 도 3a, 도 4a, 도 5a, 도 6a 그리고 도 8에서 보이듯 두 개의 셀 홀더 부재를 이용하여 제 1 셀 홀더는 셀의 양극 단자 부분을 제 2 셀 홀더는 상기 셀의 반대편 종단 부분을 장착하도록 한 후 두개의 부재를 체결 로드 등을 이용해 서로 연결하여 하나의 집합 구조를 이루도록 한다.
셀 홀더 부재(20)는 열 폭주시 발생하는 고열로 셀 홀더 부재(20)가 타들어가지 않도록 하여 주변으로 화염이 확산되는 것을 방지하기 위해 재료는 자기 소화성을 갖는 난연재를 이용하며 통상적으로 폴리 카보네이트 (PC) 또는 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌 (acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer) 등이 쓰인다.
도 3b, 도 4b, 도 5b, 도 6b에 도시된 바와 같이 셀 홀더 부재(20)의 셀 장착 공간부들은 각각 소정의 거리를 두어 배치하여 셀 간 이격 거리를 확보하도록 한다.
셀 홀더 부재(20)에서 전지 셀은 이격된 상태로 집합되어 구성하고 이러한 이격 공간으로 공기가 유동되며 셀들의 방열을 돕는다. 또한 열폭주 시 발생하는 고온의 열에너지가 주변셀에 전달되는 영향을 감소시킴으로 연쇄발화의 가능성을 줄이는 역할을 한다.
이에 더하여 본 발명은 셀 홀더 부재(20)에는 셀 홀더 턱과 돌기가 추가된다.
도 4b에서 보이듯이 구체적으로 셀 홀더 턱(20-2)은 셀 홀더 부재(20)의 상측면과 셀 장착 공간부가 교차하는 면에서 상기 셀이 장착 공간 내에 안착될 수 있도록 하는 지지대를 형성하며 안착된 셀 전지의 단자의 전기 접속을 위해 중앙 부분은 원형 또는 다각형의 형상으로 개구되어야 한다.
이때 상기 턱으로 인하여 전지 셀이 셀 홀더 부재(20)와 결합시, 셀 홀더 부재 상측면과 셀 장착 공간에 수용된 전지 셀의 단자표면과 높이 차이가 생기게 된다.
셀 홀더 턱(20-2)은 전지 셀(13)과 셀 홀더 부재(20)가 결합시, 일차적으로 전지 셀의 상하 움직임을 고정하도록 하는 지지대 역할을 하는 수단이며, 취급이나 조립 부주의로 인해 셀 상단 어깨에 위치한 슬리브(12)나 절연 워셔(11)가 찢겨나간 경우, 절연 워셔(11)가 열화로 인해 절연이 파괴되었을 때, 또는 열폭주 시 양극단자 캡업으로부터 방출되는 고열과 화염으로 인한 슬리브나 절연 워셔가 녹았을 때, 전지 셀의 양극 단자와 결합된 전도체와 전지 셀의 음극 (어깨나 몸통)이 접촉하는 절연 불량이 발생할 수 있으므로 상호 간 직접적인 접촉을 방지하는 역할을 한다.
도 5b 와 도 6b에서 보이듯이 돌기(20-3)는 셀 홀더 부재(20)의 상측면에서 상부 방향으로 5~10mm 정도 높이로 돌출되며 상기 홀더 부재 상측면 개구부 주위에 위치한다.
상기 돌기는 셀 블록의 윗면과 이에 적층되는 상부 부재 사이의 공간 또는 셀 블록의 아랫면과 이를 지지하는 하부 부재 사이의 공간을 유지하여 셀 블록을 상하 움직임으로부터 고정하고, 열 폭주 시에는 전지 셀로부터 방출되는 화염과 고열의 셀 내용물을 일정 방향으로 유도하여 주변 셀과 접촉이 되지 않도록 보호한다.
돌기의 형상은 통상의 기술자가 상기 기술한 역할을 용이하게 수행할 수 있는 여러가지 형상으로 고안이 가능한 것을 포함한다.
집전판(40)은 복수개의 원형 또는 다각형으로 통공된 얇은 금속시트(sheet)로 각각의 통공된 부분은 셀 홀더 부재(20)의 장착 공간(20-1)과 정렬되도록 셀 홀더 부재(20) 상측면에 적층된다. 셀 블록을 구성하는 개개의 전지 셀 단자들로부터 전류를 모으는 집전판 역할을 하기 위해 동, 알루미늄, 니켈, 스테인레스 스틸 등과 같은 전기 전도성이 좋은 금속재료가 사용된다.
집전판(40)은 셀 블록을 구성하는 복수개의 전지 셀을 병렬로 연결하며 집전판(40)과 전지 셀 단자는 본딩 방법을 이용하여 와이어로 직접 연결하거나 용접 방법을 이용하여 집전판(40)과 전지 셀 단자를 연결할 수 있다.
전지 셀의 단자와 집전판을 금속 와이어 본딩 방법으로 연결시, 본딩의 장점은 과도한 전류가 인가될 때 녹아 회로를 개방시키는 역할을 할 수 있어 해당 셀을 병렬로 연결된 나머지 정상 셀들로부터 분리하여 열 폭주 현상으로부터 나머지 셀들을 보호하게 한다.
하지만 본딩을 하기 위해서는 전지 셀 간 상대적 움직임이 없어야 하며 전지 셀과 집전판을 견고하게 연결하기 위해 전지 셀과 셀 홀더 부재(20) 사이를 접착제로 고정해야 한다. 하지만 전지 셀의 영구적 접착으로 인해 수리시 부분 교체가 불가능하고 결국 제조단가뿐 아니라 장기적 관리 비용이 더 소모되는 단점이 있다.
이러한 이유로 본 발명은 와이어 대신 통상적인 용접 방법과 가느다란 스트립을 이용하여 이 문제를 해결할 수 있다.
이를 구현하기 위해서 집전판(40)은 보통 도 7a에서 보이듯이 전지 셀의 단자와 결합하는 접속 부분 (40-1)과 상기 접속을 통해 복수개의 전지 셀로부터 전류를 모으는 집전 부분 (40-2), 그리고 상기 두 부분을 연결하는 브릿지(40-3)로 구성할 수 있다.
셀 홀더 부재(20)의 턱으로 인해 집전판과 셀의 단자 표면 사이에는 높이 차이가 있으며 이를 수용하기 위해 도 7b에서 보이듯이 집전판의 브릿지 부분(40-3)을 스탬핑 등 통상적 제조 방법으로 절곡하여 계단을 둠으로써 집전판의 접속 부분(40-1)과 셀 단자의 전기적 접속을 용이하게 할 수 있다.
또한 도 7c 와 도 7d 에서 보이듯이 과전류 통과시 회로를 개방시킬 수 있도록 집전판의 브릿지 부분을 하나 또는 복수개의 가느다란 스트립 형상으로 하고 이 부분이 과전류 시 전기저항으로 발생하는 고열에 용융될 수 있도록 한다.
이때 스트립의 총 단면적은 정상적인 전류로 인해 과열이 발생하지 않도록 충분히 커야 하며 셀 내부 단락으로 예상할 수 있는 과전류 통과 시 저항으로 인한 고열에 의해 용융되어 회로를 개방할 수 있을 정도로 작아야 한다. 또한 용접 품질을 위해 조립하는 동안 스트립의 형상이 뒤틀어지지 않도록 적당한 비틀림 강성을 갖추기 위해서는 하나의 스트립보다는 복수의 스트립을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
이때 상기 스트립은 과전류로 용융된 부분이 열 폭주 시 전지 셀의 상하 움직임이나 뒤틀림으로 인하여 다시 맞닿지 않도록 하기 위해서는 셀 홀더 턱(20-2)에 자리한 부분에서 스트립의 용융이 발생하도록 유도하는 것이 바람직하다. 그렇게 하기 위해서는 용융되는 스트립의 형상(60)을 도 9에서 보이듯이 z자, s자, c자 등 다양한 형상으로 구부리고 구부려진 곳이 셀 홀더 턱(20-2)에 자리하도록 한다. 이외 스트립의 형상은 상기 기능을 수행할 수 있는 통상의 기술자가 고안이 가능한 것을 포함한다.
셀 블록의 단일 전극 또는 양(兩) 전극 단자 모두에 가느다란 스트립(60)을 장착한 집전판으로 회로를 구성할 수 있다.
어떠한 이유로 셀 블록의 단일 전극 단자에만 가느다란 스트립이 구비된 집전판을 적용하고자 하는 경우, 반대 전극 단자 부분에 결합하는 집전판 브릿지의 단면적은 상기 스트립의 단면보다 충분히 크게 하여 단락으로 인한 과전류 시 상기 스트립에서 회로가 개방되도록 유도할 수 있다.
일례로 셀 블록의 음극 단자에 스트립(도 7d)을 가진 집전판을 결합하는 경우, 상기 셀 블록의 양극 단자에는 일정부분 개구된 브릿지(예 도 7e의 50-4) 형상을 가진 집전판을 결합하도록 할 수 있다. 셀 블록의 양극 단자와 접속하는 집전판의 브릿지(40-3)의 아래에 위치하는 양극단자 캡업의 가스 배출공(1a)으로부터 나오는 가스방출을 용이하도록 상기 브릿지의 일정부분을 개구(50-4)하여 열폭주 시에는 고온의 화염과 전해액의 외부 방출이 용이하도록 한다.
상기 스트립(도 7d)을 구비한 집전판과 연결된 음극단자와 그렇지 않은 집전판(예, 도 7a 도 7b, 도 7e, 도 7f 등)과 연결된 양극단자로 구성된 셀 블록들로 제조된 배터리 모듈의 열 폭주 시험을 수차례 진행한 결과 열 폭주 동안 스트립의 개방과 함께 주변 셀로 열 폭주 전이현상이 발생하지 않는 일관성 있는 시험 결과를 도출할 수 있었다.
일례로 도 10a은 UL 1973에서 정의한 열 폭주 시험에 사용된 모듈 시험체와 상기 시험 동안 전지 셀들의 온도를 관찰하기 위해 상기 시험 모듈 내 써모커플러가 설치된 전지 셀들의 위치를 보여주고 있으며 그 중 1번 셀의 몸통은 필름히터로 감싸 외부 전원을 이용해 상기 셀에 열을 인가하도록 하였다. 시험 동안 1 번 셀에서 열 폭주 현상이 발생하기까지 열을 인가하였으며 주변 셀(2번 ~ 9번셀)들의 온도 변화를 함께 관찰하였다. 도 10b에서 보여주듯이 열 폭주를 강제로 모의한 셀(1번 셀)의 온도는 600도까지 상승하였으나 주변 셀의 몸통 온도는 최고 90도 정도까지 오르다 주변 온도로 서서히 복귀하였으며 연쇄발화 현상이 발생하지 않았다.
도 10c 와 10d에서는 상기 시험 후 열 폭주를 모의한 1번 셀과 그 주변 셀들의 양극과 음극단자의 모습을 각각 보여주고 있다. 도 10c에서 보이듯 양극 단자와 결합한 집전판의 브릿지 부분과는 달리 도 10d에서는 스트립의 구부러진 곳이 용융되어 절단된 모습을 보여주고 있으며 해당 열 폭주 셀이 주변 셀들과 전기적으로 분리되었음을 알 수 있다.
이와 달리, 도 11a는 스트립이 없는 집전판(도 7b)으로 구성된 셀 블록을 보여주고 있으며 UL 1973 열 폭주 시험과 동일한 절차에 따라 상기 셀 블록으로 열폭주 시험을 수행하였다. 시험 동안 전지 셀의 온도를 관찰하기 위하여 중앙에 위치한 1번 셀과 그 주변 셀(2번 ~ 4번셀)에 써모커플러를 장착하였으며 상기 시험 동안 1번 셀에 필름히터를 이용하여 열을 인가하고 열폭주 현상을 모의하였다.
도 11b는 시험 동안 열 폭주를 강제 모의한 1번 셀과 주변 셀(2번 ~ 4번셀)의 온도 변화를 보여주고 있으며 도 10b와 달리 온도가 측정된 주변 셀들은 시차를 두고 온도가 급격히 치솟으며 1000도 이상의 온도를 기록하여 열 폭주 현상이 주변 셀로 전이 되었음을 보여주고 있다.
도 11c는 상기 시험 후 셀 블록 시험체 모습을 보여주고 있으며 도 10c와 도 10d와 달리 열 폭주 전이 현상으로 전체 시험체의 손상된 모습을 보여주고 있다.
13 : 원통형 셀
20 : 셀 홀더 부재
20-1 : 셀 장착 공간부
20-2 : 셀 홀더 턱
20-3 : 돌기
30 : 셀 블록
31 : 모듈
32 : 랙
40 : 집전판
41 : 상부 집전판
42 : 하부 집전판
40-1 : 집전판 단자 접속점
40-2 : 집전판 집전체
40-3 : 집전판 브릿지
50-4 : 집전판 브릿지 개구공
60 : 스트립
20 : 셀 홀더 부재
20-1 : 셀 장착 공간부
20-2 : 셀 홀더 턱
20-3 : 돌기
30 : 셀 블록
31 : 모듈
32 : 랙
40 : 집전판
41 : 상부 집전판
42 : 하부 집전판
40-1 : 집전판 단자 접속점
40-2 : 집전판 집전체
40-3 : 집전판 브릿지
50-4 : 집전판 브릿지 개구공
60 : 스트립
Claims (10)
- 전지 셀(13);
복수개의 전지 셀(13)들이 전기적으로 연결되는 셀 블록(30);
상기 셀 블록을 구성하기 위해 전지 셀(13)들을 수용하는 셀 홀더 부재(20) 상측면에 적층되고, 복수개의 개구부로 통공된 얇은 금속시트로 이루어지며, 전류를 모으는 부분인 집전부분(40-2), 전지 셀의 단자 부분과 연결되는 접속부분(40-1), 및 상기 집전부분(40-2)과 접속부분(40-1)을 연결하는 브릿지(40-3)로 구성되는 집전판(40);을 포함하며,
각각의 상기 접속 부분(40-1)은 각각의 셀(13) 종단에 위치한 단자와 대응하도록 장착되고,
상기 브릿지(40-3)는 상기 전지 셀의 열 폭주 시 양극 단자로부터 가스 방출이 용이하도록 일정부분 개구된 형상(50-4);을 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
- 제1항에 있어서,
상기 집전판(40)과 셀(13) 종단 단자 표면 사이의 높이 차이를 수용하며, 상기 집전판과 상기 셀 단자의 연결을 용이하도록 집전판의 브릿지 부분(40-3)을 절곡한 계단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
- 삭제
- 전지 셀(13);
복수개의 전지 셀(13)들이 전기적으로 연결되는 셀 블록(30);
상기 셀 블록을 구성하기 위해 전지 셀(13)들을 수용하는 셀 홀더 부재(20) 상측면에 적층되고, 복수개의 개구부로 통공된 얇은 금속시트로 이루어지며, 전류를 모으는 부분인 집전부분(40-2), 전지 셀의 단자 부분과 연결되는 접속부분(40-1), 및 상기 집전부분(40-2)과 접속부분(40-1)을 연결하는 브릿지(40-3)로 구성되는 집전판(40);를 포함하며,
각각의 상기 접속 부분(40-1)은 각각의 셀(13) 종단에 위치한 단자와 대응하도록 장착되고,
상기 집전판의 브릿지(40-3)부분을 과전류에 의해 용융되는 기능을 수행하도록 하나 또는 복수개의 스트립(60);으로 구성하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 집전판(40)과 셀(13) 종단 단자 표면 사이의 높이 차이를 수용하며, 상기 집전판과 상기 셀 단자의 연결을 용이하도록 집전판의 브릿지 부분(40-3)을 절곡한 계단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
- 제4항에 있어서,
상기 스트립(60)의 형상을 z자, s자, c자로 구부려, 상기 구부려진 곳에서 용융이 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
- 제6항에 있어서,
상기 스트립(60)의 형상을 z자, s자, c자의 형상으로 구부려, 상기 구부려진 곳에서 용융이 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
- 제2항에 있어서,
상기 셀 블록(30)을 구성하기 위하여 전지 셀(13)을 수용하는 케이스 또는 하우징이 되는 셀 홀더 부재 (20);
상기 셀 홀더 부재 내에 상기 셀들을 수용하는 셀 장착 공간부(20-1);
상기 장착 공간부(20-1)와 상기 셀 홀더 상측면과 교차하는 부분에서 상기 전지 셀이 지지되며, 상기 집전판의 접속(40-1)부분과 셀 단자의 전기적 연결을 용이하도록 중앙부는 개구되고, 전지 셀(13) 어깨 상단과 상기 전지 셀의 양극 단자와 연결된 전도체와의 접촉으로 인한 절연 불량 발생을 방지하는 셀 홀더 턱(20-2);
상기 셀 홀더 장착 공간부내에 장착된 전지 셀(13) 단자 주위에 위치하며, 상기 셀 홀더 상측면으로부터 상부 방향으로 돌출되어 설치되고, 상기 셀 블록의 윗면에 적층되는 상부 부재와의 공간 또는 상기 셀 블록의 아래면을 지지하는 하부 부재사이의 공간을 유지하는 일정 높이의 돌기(20-3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
- 제8항에 있어서,
상기 셀 블록(30)을 구성하기 위하여 전지 셀(13)을 수용하는 케이스 또는 하우징이 되는 셀 홀더 부재 (20);
상기 셀 홀더 부재 내에 상기 셀들을 수용하는 셀 장착 공간부(20-1);
상기 장착 공간부(20-1)와 상기 셀 홀더 상측면과 교차하는 부분에서 상기 전지 셀이 지지되며, 상기 집전판의 접속(40-1)부분과 셀 단자의 전기적 연결을 용이하도록 중앙부는 개구되고, 전지 셀(13) 어깨 상단과 상기 전지 셀의 양극 단자와 연결된 전도체와의 접촉으로 인한 절연 불량 발생을 방지하는 셀 홀더 턱(20-2);
상기 셀 홀더 장착 공간부내에 장착된 전지 셀(13) 단자 주위에 위치하며, 상기 셀 홀더 상측면으로부터 상부 방향으로 돌출되어 설치되고, 상기 셀 블록의 윗면에 적층되는 상부 부재와의 공간 또는 상기 셀 블록의 아래면을 지지하는 하부 부재사이의 공간을 유지하고, 열 폭주 시 전지 셀로부터 방출되는 화염과 고열의 셀 내용물을 일정 방향으로 유도하여 주변 셀과 접촉이 되지 않도록 보호하는 일정 높이의 돌기(20-3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화 방지를 고려한 이차 전지 집합구조의 전기적 연결 형상.
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