KR102249889B1 - 이차 전지용 보호 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 보호 장치에 관한 것이다. 본 발명은 양극 단자 및 음극 단자 사이에 서로 직렬 연결된 복수의 단위 셀을 포함하고, 양극 단자에 연결된 제1 외부 포트 및 음극 단자에 연결된 제2 외부 포트를 통해 충전기와 연결되어 충전되는 전지 모듈, 전지 모듈과 충전기 간의 대전류 경로에 형성된 팩 퓨즈 및 전지 모듈의 내부 압력에 따라 복수의 단위 셀 중 제1 및 제2 단위 셀 간에 흐르는 전류를 팩 퓨즈로 흐르게 하는 바이패스 경로를 형성하는 연결부를 포함한다.

Description

이차 전지용 보호 장치{PROTECTION APPARUTUS FOR RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차 전지용 보호 장치에 관한 것으로, 특히 이차 전지의 비정상적인 과충전을 방지할 수 있는 보호 장치에 관한 기술이다.
일반적으로 이차전지(rechargeable battery)는 충전 및 방전이 가능한 전지로, 니켈-수소(Ni-MH) 전지와 리튬(Li) 이온 전지 등이 사용된다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 기기의 종류에 따라 다양한 형태로 사용된다.
저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
이차 전지는 소형 전자기기에서와 같이 단일 셀로 사용되거나, 모터 구동용에서와 같이 복수의 단위 셀을 전기적으로 연결한 모듈 상태 또는 복수의 모듈을 전기적으로 연결한 팩 상태로 사용될 수 있다.
이러한 이차 전지는 비정상적으로 과충전되는 경우 이차 전지 내부의 전압이 상승하여 가스가 발생하고, 발생된 가스에 의해 내부 압력이 상승되어 이차전지의 케이스가 팽창 및 폭발할 수 있다. 따라서, 이차 전지의 비정상적인 과충전을 방지하는 보호 장치가 필요하다.
본 발명의 실시 예는 이차 전지의 비정상적인 과충전을 방지할 수 있는 이차 전지용 보호 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이차전지용 보호 장치는 양극 단자 및 음극 단자 사이에 서로 직렬 연결된 복수의 단위 셀을 포함하고, 상기 양극 단자에 연결된 제1 외부 포트 및 상기 음극 단자에 연결된 제2 외부 포트를 통해 충전기와 연결되어 충전되는 전지 모듈 상기 전지 모듈과 상기 충전기 간의 대전류 경로에 형성된 팩 퓨즈 및 상기 전지 모듈의 내부 압력에 따라 상기 복수의 단위 셀 중 제1 및 제2 단위 셀 간에 흐르는 전류를 상기 팩 퓨즈로 흐르게 하는 바이패스 경로를 형성하는 연결부를 포함한다.
그리고, 상기 연결부는 상기 전지 모듈의 내부 압력에 따라 물리적으로 변형되어 상기 제1 및 제2 단위 셀 각각과 상기 팩 퓨즈 간에 전기적인 도선을 형성한다. 또한, 상기 연결부는 상기 제1 단위 셀 상에 형성되고, 상기 제1 단위 셀과 상기 팩 퓨즈의 일단을 전기적으로 연결하는 제1 연결부 및 상기 제2 단위 셀 상에 형성되고, 상기 팩 퓨즈의 타단과 상기 제2 단위 셀을 전기적으로 연결하는 제2 연결부를 포함한다.
그리고, 상기 복수의 단위 셀 각각은 상기 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함한다.
그리고, 상기 상기 제1 및 제2 단위 셀 각각은 상기 케이스와 상기 양극 단자를 전기적으로 연결하는 연결 탭을 포함한다. 또한, 상기 제1 및 제2 연결부 각각은 상기 케이스로부터 연장되어 상기 케이스의 내부 방향으로 볼록하게 형성된 제1 단락 플레이트 및 상기 제1 단락 플레이트 상에 상기 제1 단락 플레이트와 이격되어 배치된 제2 단락 플레이트를 포함한다.
또한, 상기 제1 단락 플레이트는 상기 내부 압력에 따라 변형되어 상기 제2 단락 플레이트와 물리적으로 접촉한다. 그리고, 상기 팩 퓨즈는 상기 양극 단자와 상기 제1 외부 포트 사이에 배치된다.
본 발명의 실시 예는 이차 전지의 비정상적인 과충전 시 내부 압력에 의해 변형되는 소자를 이용하여 최고 전압 측 단위 셀과 최저 전압 측 단위 셀 간에 흐르는 전류를 팩 퓨즈에 바이패스시켜 팩 퓨즈를 용단시킴으로써 충전기로부터 이차 전지에 공급되는 전류를 물리적으로 차단시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 전지 모듈 단위로 비정상적인 과충전을 방지하는 소자를 배치함으로써 단위 셀마다 소자를 배치할 필요가 없어 설계 마진 및 강건성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치를 개략적으로 도시한 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 제1 연결부(30)의 상세 구성도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치(1)는 전지 모듈(10), 팩 퓨즈(20), 제1 및 제2 연결부(30, 40)를 포함한다. 전지 모듈(10)의 양극 단자(B+) 및 음극 단자(B-)는 외부 전원선(OL1, OL2) 및 외부 포트(P1, P2)를 통해 충전기(2)와 연결되어 충전된다.
또한, 전지 모듈(10)은 외부 포트(P1, P2)를 통해 외부 부하(미도시)와 연결되어 방전된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전지 모듈(10)은 차량, 전기 자전거 등에 적용될 수 있다.
전지 모듈(10)은 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6)을 포함한다. 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6)은 전지 모듈(10)의 양극 단자(B+) 및 음극 단자(B-) 사이에 서로 직렬 연결되어 있다. 전지 모듈(10)을 구성하는 단위 셀의 개수는 실시 예 설명을 위해 6개로 설정되었으나, 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
팩 퓨즈(20)는 전지 모듈(10)과 충전기(2) 간의 대전류 경로 상에 형성되어 있다. 팩 퓨즈(20)는 전지 모듈(10)과 충전기(2) 간에 미리 설정된 레벨 이상의 전류가 흐르면 용단되어 대전류 경로를 차단시킨다. 이를 위해, 팩 퓨즈(20)는 제1 단위 셀(C1)의 양극 단자에 연결된 일단 및 외부 포트(P1)에 연결된 타단을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 팩 퓨즈(20)는 전지 모듈(10)의 비정상적인 과충전 시 제1 및 제2 연결부(30, 40)를 통해 단락 전류가 흐르면 용단되어 대전류 경로를 차단시킬 수 있다.
제1 연결부(30)는 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6) 중 제1 단위 셀(C1)의 양극단자와 팩 퓨즈(20)의 타단 사이에 형성되어 있다. 제1 연결부(30)는 전지 모듈(10)의 비정상적인 과충전에 의해 내부 압력이 상승되면 물리적으로 변형되어 전기적인 도선을 형성한다.
제2 연결부(40)는 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6) 중 제6 단위 셀(C6)의 양극단자와 팩 퓨즈(20)의 일단 사이에 형성되어 있다. 제1 연결부(30)는 전지 모듈(10)의 비정상적인 과충전에 의해 내부 압력이 상승되면 물리적으로 변형되어 전기적인 도선을 형성한다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 및 제2 연결부(30, 40) 각각은 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6) 중 최고 전압 측 단위 셀(C1) 및 최저 전압 측 단위 셀(C6)의 양극 단자에 연결된 구성을 예를 들어 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 팩 퓨즈(20)를 용단시킬 수 있는 단락 전류의 크기에 따라 제1 및 제2 연결부(30, 40)의 위치는 변경될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치(1)는 전지 모듈(10), 팩 퓨즈(20), 제1 및 제2 연결부(30, 40)를 포함한다. 전지 모듈(10)은 일정 간격으로 일 방향으로 배치된 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6)을 포함한다.
여기서, 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6) 각각은 전극 조립체(11), 케이스(13), 양극 단자(15) 및 음극 단자(17)를 포함한다. 여기서, 제1 내지 제6 단위 셀(C1~C6)은 리튬 이온 이차 전지로서 각형으로 형성된 것을 예를 들어 설명한다. 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있다.
전극 조립체(11)는 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고, 세퍼레이터의 양측에 양극 판과 음극 판이 배치되는 구조를 포함한다. 케이스(13)는 전극 조립체(11)를 수용하고, 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속으로 형성될 수 있다. 양극 단자(15) 및 음극 단자(17) 각각은 외주 면에 나사산이 형성된 볼트 형태로 형성될 수 있다.
제2 내지 제6 단위 셀(C2~C6) 각각의 양극 단자(15)는 인접한 제1 내지 제5 단위 셀(C1~C5)의 음극 단자(17)에 연결되어 있다. 여기서, 제1 단위 셀(C1)의 양극 단자(15)는 전지 모듈(10)의 양극 단자(B+)에 전기적으로 연결되어 있고, 제6 단위 셀(C6)의 음극 단자(17)는 전지 모듈(10)의 음극 단자(B-)에 전기적으로 연결되어 있다.
제1 연결부(30)는 제1 단위 셀(C1) 상에 배치되고, 제1 단락 플레이트(30a) 및 제2 단락 플레이트(30b)를 포함한다. 여기서, 제1 단락 플레이트(30a)는 케이스(13)의 내부 방향으로 볼록하게 형성되고, 케이스(13)의 내부 압력에 의해 그 형태가 반전되어 제2 단락 플레이트(30b)에 물리적으로 접촉한다.
그리고, 제1 단락 플레이트(30a)는 연결 탭(19)을 통해 제1 단위 셀(C1)의 양극 단자(15)에 전기적으로 연결된다. 연결 탭(19)은 제1 단위 셀(C1)의 양극 단자(15)로부터 연장되어 형성될 수 있으며, 그 형태는 한정되지 않는다.
제2 단락 플레이트(30b)는 제1 단락 플레이트(30a)에 대향하여 배치되고, 제1 단락 플레이트(30a)와 일정 간격 이격되어 형성된다. 제2 단락 플레이트(30b)는 배선(BL1)을 통해 팩 퓨즈(20)의 타단에 전기적으로 연결되어 있다.
제2 연결부(40)는 제6 단위 셀(C6) 상에 배치되고, 제1 단락 플레이트(40a) 및 제2 단락 플레이트(40b)를 포함한다. 여기서, 제1 단락 플레이트(40a)는 케이스(13)의 내부 방향으로 볼록하게 형성되고, 케이스(13)의 내부 압력에 의해 그 형태가 반전되어 제2 단락 플레이트(40b)에 물리적으로 접촉한다.
그리고, 제1 단락 플레이트(40a)는 연결 탭(21)을 통해 제6 단위 셀(C6)의 양극 단자(15)에 전기적으로 연결된다. 연결 탭(21)은 제6 단위 셀(C6)의 양극 단자(15)로부터 연장되어 형성될 수 있으며, 그 형태는 한정되지 않는다.
제2 단락 플레이트(40b)는 제1 단락 플레이트(40a)에 대향하여 배치되고, 제1 단락 플레이트(40a)와 일정 간격 이격되어 형성된다. 제2 단락 플레이트(40b)는 배선(BL2)을 통해 팩 퓨즈(20)의 일단에 전기적으로 연결되어 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 제1 및 제2 연결부(30, 40) 각각의 제2 단락 플레이트(30b, 40b)가 제1 및 제6 단위 셀(C1, C6) 각각의 케이스(13) 상에 배치된 구성을 예를 들어 도시하였으나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않고, 제1 및 제2 연결부(30, 40) 각각의 제2 단락 플레이트(30b, 40b)가 전지 모듈(10)의 케이스 상에 배치될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 제1 연결부(30)의 상세 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 연결부(30)는 제1 단락 플레이트(30a) 및 제2 단락 플레이트(30b)를 포함한다. 제1 단락 플레이트(30a)는 케이스(13)의 단락 홀(13a) 상에 형성되어 있다. 제1 단락 플레이트(30a)는 케이스(13)와 일체로 형성될 수 있다.
제2 단락 플레이트(30b)는 케이스(13)의 단락 홀(13a) 상에 제1 단락 플레이트(30a)와 이격되어 배치된다. 여기서, 제2 단락 플레이트(30b)는 볼트(30c), 링 터미널(30d) 및 너트(30e)를 포함한다.
볼트(30c)는 인서트 몰딩에 의해 절연체(13b)에 부분적으로 매립되어 케이스(13)에 고정된다. 절연체(13b)는 케이스(13) 상에 형성된다. 여기서, 절연체(13b)는 케이스(13)로부터 돌출된 고정 탭(13c)에 의해 케이스(13)에 고정되어 형성될 수 있다.
링 터미널(30d)은 볼트(30c)와 결합되고, 단부에 압착 연결된 배선을 통해 팩 퓨즈(20)의 타단에 전기적으로 연결된다. 너트(30e)는 볼트(30c)에 결합되어 링 터미널(30d)을 고정시킨다.
이와 같은 구성을 갖는 제1 연결부(30)는 전지 모듈(10)의 비정상적인 과충전 시 케이스(13)가 내부 압력에 의해 팽창되어 제1 단락 플레이트(30a)의 형태가 반전된다. 예컨대, 도 3에 점선으로 도시된 형태로 반전될 수 있다.
이로 인해, 제1 단락 플레이트(30a)가 볼트(30c)에 물리적으로 접촉하고, 링 터미널(30d)의 배선을 통해 제1 단위 셀(C1)의 양극 단자(15)와 팩 퓨즈(20)의 타단이 전기적으로 연결된다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 제2 연결부(40)는 제1 연결부(30)의 구성과 동일하여 자세한 설명 및 도시를 생략한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이차 전지용 보호 장치의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 전지 모듈(10)의 비정상적인 과충전 상태를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저 전지 모듈(10)에 충전기(2)가 연결되면 전지 모듈(10)의 충전이 시작된다. 이 상태에서 전지 모듈(10)이 비정상적으로 과충전되어 내부 압력이 상승하는 경우 제1 및 제2 연결부(30, 40)는 물리적으로 변형되어 전기적인 도선을 형성한다.
그러면, 제1 연결부(30)를 통해 제1 단위 셀(C1)의 양극단자와 팩 퓨즈(20)의 타단이 전기적으로 연결되고, 제2 연결부(40)를 통해 제6 단위 셀(C6)의 양극단자와 팩 퓨즈(20)의 일단이 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1 단위 셀(C1)의 양극 단자와 제5 단위 셀(C5)의 음극 단자 간에 단락(short)이 발생한다.
즉, 제1 및 제2 연결부(30, 40)를 통해 제1 내지 제5 단위 셀(C1~C5) 간에 흐르는 전류를 팩 퓨즈(20)에 바이패스시키는 바이패스 경로(BP)가 형성된다. 그러면, 제1 단위 셀(C1)의 양극 단자, 팩 퓨즈(20) 및 제5 단위 셀(C5)의 음극 단자를 통해 단락 전류가 흐르고, 도 5에 도시된 바와 같이, 팩 퓨즈(20)는 단락 전류에 의해 용단된다. 이로 인해, 전지 모듈(10)과 충전기(2) 간의 대 전류 경로가 차단되어 전지 모듈(10)의 충전이 중지된다.
즉, 본 발명의 실시 예는 통상의 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)의 제어만으로 과충전을 방지할 수 없는 비정상적인 상황 하에서 물리적으로 변형되는 제1 및 제2 연결부(30, 40)를 통해 팩 퓨즈(20)에 전지 모듈(10)의 최고 전압 측 단위 셀(C1)과 최저 전압 측 단위 셀(C6) 간의 전압 차에 대응하는 단락 전류를 유도한다. 이로 인해, 전지 모듈(10)과 충전기(2) 간의 전기적인 연결이 차단되어 전지 모듈(10)의 비정상적인 과충전을 방지할 수 있다.
또한, 통상 과충전을 방지하기 위해 내부 압력에 의해 복수의 단위 셀 각각의 전류 경로를 차단하는 CID(Current Interruption Device)나, 전류 경로를 바이패스 시키는 도선을 형성하는 OSD(Overcharge Safety Device) 등을 이용하는 경우 단위 셀의 부품 수가 증가하고, 강건성이 취약하다. 또한, OSD를 단위 셀에 적용하는 경우 단위 셀 각각에 설치된 별도의 퓨즈에 대전류를 유도하여 퓨즈를 용단시켜야 하므로 OSD와 퓨즈 간의 트레이드오프에 의해 성능이 저하된다.
이에 비해, 본 발명의 실시 예는 전지 모듈(10) 내의 2개의 단위 셀(C1, C6)로부터 단락 도선을 형성함으로써 단위 셀의 설계 마진 및 강건성을 확보할 수 있고, 다른 시스템과 기계적, 구조적인 간섭이 발생하지 않는다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 전지 모듈
20: 팩 퓨즈
30: 제1 연결부
40: 제2 연결부

Claims (8)

  1. 서로 직렬 연결된 복수의 단위 셀을 포함하며, 제1 및 제2 외부 포트를 통해 충전기와 연결되는 전지 모듈,
    상기 전지 모듈에 연결된 일단 및 상기 제1 외부 포트에 연결된 타단을 포함하는 팩 퓨즈, 및
    상기 전지 모듈의 내부 압력에 따라서 상기 복수의 단위 셀 중 서로 다른 두 개의 단위 셀에 상기 팩 퓨즈의 일단 및 타단을 각각 연결하는 연결부를 포함하며,
    상기 연결부에 의해 상기 서로 다른 두 개의 단위 셀에 상기 팩 퓨즈의 일단 및 타단이 각각 연결되면, 상기 팩 퓨즈에 전류를 흐르게 하는 바이패스 경로가 형성되는 이차전지용 보호 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 전지 모듈의 내부 압력에 따라 물리적으로 변형되어, 상기 서로 다른 두 개의 단위 셀과 상기 팩 퓨즈의 일단 및 타단을 각각 연결하는 전기적인 도선을 형성하는 이차전지용 보호 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 연결부는, 상기 서로 다른 두 개의 단위 셀 상에 각각 형성되는 제1 및 제2 연결부를 포함하는 이차전지용 보호 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀 각각은
    양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 전극 조립체 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스
    를 포함하는 이차전지용 보호 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 서로 다른 두 개의 단위 셀 각각은
    상기 케이스와 상기 양극 단자를 전기적으로 연결하는 연결 탭을 포함하는 이차전지용 보호 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 연결부 각각은,
    대응하는 단위 셀의 상기 케이스로부터 연장되어, 상기 대응하는 단위 셀의 상기 케이스의 내부 방향으로 볼록하게 형성된 제1 단락 플레이트, 및
    상기 대응하는 단위 셀의 상기 제1 단락 플레이트 상에 배치되며, 상기 대응하는 단위 셀의 상기 제1 단락 플레이트와 이격되어 배치된 제2 단락 플레이트를 포함하는 이차전지용 보호 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 단락 플레이트는, 상기 대응하는 단위 셀의 내부 압력에 따라 변형되어 상기 제2 단락 플레이트와 물리적으로 접촉하는 이차전지용 보호 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 팩 퓨즈는, 상기 전지 모듈의 양극 단자와 상기 제1 외부 포트 사이에 배치된 이차전지용 보호 장치.
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