KR20060114549A - 향상된 안전성의 개선된 중대형 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 다수의 전지 셀들을 플레이트 상에 높은 밀집도로 적층하여 전기적으로 연결한 구조로 이루어져 있는 콤팩트한 구조의 중대형 전지팩으로서, 전지팩의 비정상적인 작동이나 장기간의 충방전에 따른 열화로 인해 전지 셀이 팽창할 때, 팽창된 전지 셀의 두께 변화로 인해 전지팩의 소정의 부위에 응력이 집중되어 물리적 변화가 초래되고, 그러한 물리적 변화로 인해 전지팩의 전기적 연결부재가 기계적으로 단전되도록 구성되어 있어서 높은 안전성을 제공한다.

Description

향상된 안전성의 개선된 중대형 전지팩 {Improved Middle or Large-sized Battery Pack Of Increased Safety}
도 1 내지 도 5는 각각 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 측면도, 배면도, 평면도, 저면도 및 하면 사시도이다.
도 6은 도 1의 전지팩에서 단위전지 팽창시의 상태 변화도이다.
도 7 내지 도 10은 도 2의 A 부분에서 다양한 형태의 개방형 구조로 이루어진 체결홈들과 이들의 체결상태의 모식도들이다.
도면의 주요 부호에 대한 설명
100: 전지팩 200: 상부 케이스
300: 하부 케이스 400: 단위전지(전지 셀)
500: 제 1 회로부 600: 제 2 회로부
700: 제 3 회로부 800: 볼트(체결부재)
본 발명은 향상된 안전성의 개선된 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지며, 다양한 원인에 의한 전지 셀의 팽창시 소정의 부위에서 변형, 파괴 또는 분리 등의 물리적 변화를 유도하고 그로 인해 전기적 연결부재가 기계적으로 단전되도록 함으로써 전지팩의 안전성을 담보할 수 있는 중대형 전지팩을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, PDA, 노트북 등의 모바일, 와이어리스 전자기기 뿐만 아니라 전기자전거(E-bike), 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 전지 셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용됨에 반하여, 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 전지 셀들(이하에서는, 때때로 멀티-셀 로 칭하기도 함)을 병렬 및/또는 직렬로 연결한 전지팩이 팩킹되어 있는 중형 또는 대형 전지팩이 사용되고 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있음에 반해 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과 충전, 과방전, 고온에의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지 구성 요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
따라서, 리튬 이차전지에는 과충전, 과방전, 과전류시 전류를 차단하는 보호회로, 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient Element), 가스 발생에 따른 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트 등의 안전 시스템이 구비되어 있다. 예를 들어, 원통형의 소형 이차전지에서는 원통형 캔에 내장되어 있는 양극/분리막/음극의 전극조립체(발전소자) 상부에 PTC 소자 및 안전벤트가 통상 설치되어 있고, 각형 또는 파우치형의 소형 이차전지에서는 발전소자가 밀봉된 상태로 내장되어 있는 각형 캔 또는 파우치형 케이스의 상단에 보호회로 모듈, PTC 소자 등이 일반적으로 탑재되어 있다.
리튬 이차전지의 안전성 문제는 멀티-셀 구조의 중대형 전지팩에서 더욱 심각하다. 멀티-셀 구조의 전지팩에서는 다수의 전지 셀들이 사용됨으로 인해 일부 전지 셀에서의 작동 이상은 다른 전지 셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있고 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고를 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 중대형 전지팩에는 과방전, 과충전, 과전류 등으로부터 전지 셀을 보호하기 위한 퓨즈, 바이메탈, BMS (Battery Management System) 등의 안전 시스템이 구비되어 있다.
그러나, 리튬 이차전지는 계속적인 사용, 즉, 계속적인 충방전 과정에서 발 전소자, 전기적 연결부재 등이 서서히 열화되는 바, 예를 들어, 발전소자의 열화는 전극재료, 전해질 등의 분해에 의해 가스를 유발하며 그로 인해 전지 셀(캔, 파우치형 케이스)은 서서히 팽창하게 된다. 또한, 일반 정상적인 상태에서는 안전 시스템인 BMS가 과방전, 과충전, 과전류 등을 탐지하고 전지팩을 제어/보호하고 있으나, 비정상적인 상황에서 BMS가 미작동시에는 위험성 및 안전에 대한 전지팩 제어가 어려워진다. 중대형 전지팩은 일반적으로 다수의 전지 셀들이 일정한 케이스 내에 고정된 상태로 장착되어 있는 구조로 되어 있으므로, 각각의 팽창된 전지 셀들은 한정된 케이스 내에서 더욱 가압되고, 비정상적인 작동 조건 하에서 발화 및 폭발의 위험성이 크게 높아진다.
따라서, 중대형 전지팩의 안전성을 근본적으로 담보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
이와 더불어, 디바이스의 소형경량화 추세에 따라 더욱 콤팩트한 구조의 전지팩에 대한 수요가 높다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 전체적으로 콤팩트한 구조로 이루어져 있으면서도, 과충전, 과방전, 과전류 등 전지팩의 비정상적인 작동이나 장기간의 충방전에 따른 열화로 전지 셀이 팽창할 때 그에 따른 물리적 변화에 의해 전지팩의 전기적 접속 부위가 기계적으로 단전됨으로써 안전성이 확보되는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 충방전이 가능한 다수의 전지 셀들을 플레이트 상에 높은 밀집도로 적층하여 전기적으로 연결한 구조로서, 전지팩의 비정상적인 작동이나 장기간의 충방전에 따른 열화로 인해 전지 셀이 팽창할 때, 팽창된 전지 셀의 두께 변화로 인해 전지팩의 소정의 부위에 응력이 집중되어 물리적 변화가 유도되고, 그러한 물리적 변화로 인해 전지팩의 전기적 연결부재가 기계적으로 단전되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 전지 셀들을 플레이트 상에 높은 밀집도로 적층하여 전기적으로 연결하는 중대형 전지팩의 바람직한 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 2004-112589호에 기재되어 있는 구조를 들 수 있으며, 상기 출원의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
따라서, 하나의 바람직한 예에서, 본 발명의 중대형 전지팩은,
충방전이 가능한 단위전지로서의 전지 셀들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 하부 케이스;
상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 상부 케이스;
적층된 단위전지들의 전기적 연결을 이루고, 전지의 전압 및/또는 전류를 검출하기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;
상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및
상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전 및/또는 과전류를 방지하면서 외부 출력단자와 연결되는 제 3 회로부;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
제 1 회로부는 단위전지들을 병렬 또는 직렬로 연결하기 위한 연결단자들과 각각의 단위전지로부터 전압 및/또는 전류 신호를 검출하기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있다. 바람직하게는 제 1 회로부에서 단위전지의 전압 신호를 수신한다. 온도는 센싱 보드 어셈블리 또는 메인 보드 어셈블리에서 전지 전체의 온도로서 측정될 수 있다. 상기 제 1 회로부는 바람직하게는 단위전지의 전극리드 방향으로 전지팩의 정면에 부착되어 있다.
제 2 회로부는 제 1 회로부와 함께 단위전지의 전극리드 방향에 함께 부착될 수도 있고, 하부 케이스의 하단 수납부에 장착될 수도 있으며, 또는 제 1 회로부의 맞은편인 전지팩의 배면에 부착될 수도 있다. 바람직하게는 하부 케이스의 하단 수납부에 장착된다. 이 경우, 단위전지들은 제 1 회로부를 경유하여 하부 케이스의 하단 수납부에 장착되어 있는 제 2 회로부에 전기적으로 연결되며, 전지의 작동은 제 2 회로부의 메인 보드 어셈블리에서 제어된다.
전지의 충전 및 방전시 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하며 외부 기기에 접속되는 전지팩의 최종 소자인 제 3 회로부 역시 제 1 회로부와 함께 단위전지의 전극리드 방향에 함께 부착될 수도 있고, 하부 케이스의 하단 수납부에 장착될 수 도 있으며, 또는 제 1 회로부의 맞은편인 전지팩의 배면에 부착될 수도 있다. 바람직하게는 제 1 회로부의 맞은편인 전지팩의 배면에 부착된다. 충전 및 방전시의 과전류 제어는 바람직하게는 제 3 회로부에 포함되어 있는 FET 등과 같은 스위칭 소자에 의해 실행될 수 있다.
이러한 회로부들은 전체적인 구조의 콤팩트화 및 안정화를 위해 바람직하게는 PCB 형태로 되어 있으며, 경우에 따라서는 일부 회로부들이 일체로서 형성될 수도 있다.
상기 전지팩 구조는 상부 케이스와 하부 케이스가 서로 분리되어 있으므로, 소망하는 용량 및 출력에 따라 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 단위전지를 추가 또는 제거할 수 있어서 유연한 설계가 가능하다. 또한, 상부 케이스와 하부 케이스의 전체적인 크기는 대략 단위전지의 크기에 상응하는 정도이므로, 전지팩은 전체적으로 콤팩트한 구조로 제작될 수 있다.
본 발명에서와 같이 전지 셀들이 적층된 구조의 전지 팩에서는, 다양한 원인에 의해 전지 셀들이 팽창할 때, 전지 셀의 두께 방향으로 응력이 발생한다. 그러한 응력은 전지 셀의 두께 방향으로 전지팩에 작용하는 바, 이러한 내부적 변화에도 불구하고 구조적으로 변형되지 않도록 구성된 전지팩에서는 응력이 전지 셀에 그대로 집중되므로 앞서 설명한 바와 같은 위험성이 높아진다. 반면에, 본 발명에서는 그러한 응력을 전지팩의 일부(소정의 부위)에 집중되도록 유도하여 그러한 부위에서 물리적 변화를 초래하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 물리적 변화는 전지팩의 소정의 부위가, 예를 들어, 변형, 분리 또는 파괴되도록 구성 하는 경우를 들 수 있다. 또한, 본 발명에서는 이러한 전지팩의 물리적 변화시 전기적 연결부재가 기계적으로 단전되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, 전지 셀들이 팽창하여 그것의 두께가 임계치 이상으로 변화되었을 때, 전지팩의 특정 부위가 용이하게 변형, 분리 또는 파괴되도록 구성하고, 그러한 물리적 변화에 따라 전기적 연결부재가 용이하게 기계적으로 단전되도록 구성하는 경우에는 전지팩의 안전성이 담보될 수 있다.
팽창된 전지 셀로 인해 물리적 변화를 겪게 되는 전지팩의 부위는 바람직하게는 일련의 전지 셀들이 적층되어 있는 전지팩의 정면, 배면 및/또는 측면일 수 있다. 따라서, 전지팩의 정면, 배면 또는 측면에서 소정의 부위의 기계적 강도를 상대적으로 약하게 구성함으로써, 전지 셀의 팽창시 응력이 집중되어 용이하게 물리적으로 변화될 수 있도록 구성할 수 있다. 상기 소정의 부위는, 바람직하게는, 전기팩을 구성하는 일부 부재들의 체결 부위, 부재 자체 등일 수 있다.
앞서 설명한 하나의 바람직한 전지팩 구조에서, 제 3 회로부의 PCB(제 3 회로부 PCB)가 전지팩의 측면 또는 배면에 위치할 때, 전지 셀의 팽창으로 인해 물리적으로 변화되는 부분은 상부 케이스 및/또는 하부 케이스와 제 3 회로부 PCB의 체결 부위일 수 있다.
전지팩을 구성하는 각 부재들의 체결방식은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 각 부재들에 체결홈을 형성하고 상기 체결홈에 볼트를 결합하여 체결시키는 방식을 들 수 있다. 따라서, 전지 셀의 팽창시 전지팩의 소정 부위에 응력이 집중되어 물리적 변화가 초래될 수 있도록, 예를 들어, 그러한 체결 부위를 기타 다른 체결 부 위들과 비교하여 기계적으로 약하게 구성하여 집중된 응력에 의해 변형, 파괴 또는 분리되도록 할 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 체결 부위의 한쪽 부재의 체결홈은 개방홈의 형태로 형성될 수 있다.
전지팩에는 다수의 구성요소들을 전기적으로 연결하기 위하여, 예를 들어, 버스 바, 와이어, 케이블 등의 부재(전기적 연결부재)들이 포함되어 있다. 본 발명에서는 앞서 설명한 바와 같은 물리적 변화시 전기적 연결부재가 기계적으로 단전되도록 구성되어 있다. 즉, 전지 셀의 팽창시 응력이 집중되는 소정의 부위에서 전기적 연결부재는 그것의 접속부위가 파괴 내지 분리됨으로써 전기적 접속이 해제되도록 구성할 수 있다.
앞서 설명한 하나의 바람직한 전지팩 구조에서, 전지 셀의 팽창으로 인해 상부 케이스 또는 하부 케이스와 제 3 회로부 PCB의 체결 부위가 물리적으로 변화되도록 구성되어 있고, 전기적 연결부재로서의 적어도 하나의 케이블은 상기 체결 부위의 물리적 변화로 인해 기계적으로 단전될 수 있도록 상부 케이스 또는 하부 케이스를 경유하여 제 3 회로부 PCB에 접속되도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 상부 케이스와 제 3 회로부 PCB의 체결 부위가 물리적 변화가 초래되는 소정의 부위일 때, 케이블은 상부 케이스를 경유하여 제 3 회로부 PCB에 접속되도록 구성되어 있어서, 전지 셀의 팽창시 상부 케이스는 제 3 회로부 PCB로부터 분리되고, 그러한 과정에서 케이블에는 상향 장력이 인가되어 역시 제 3 회로부 PCB로부터 기계적으로 단전된다.
하나의 바람직한 예에서, 케이블의 단부와 접속되는 제 3 회로부 PCB 상의 탭 단자는 장력이 인가되는 방향으로 돌출되어 있어서, 용이하게 분리되어 단전을 이룰 수 있다.
본 발명의 전지팩에서 단위전지로서의 상기 전지 셀들은 충방전이 가능한 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 각형 이차전지 또는 파우치형 이차 전지일 수 있으며, 특히 제조비가 낮고 동일 용량 및 출력 대비 부피와 무게가 상대적으로 작은 파우치형 이차전지가 더욱 바람직하다. 파우치형 이차전지는 작은 부피와 무게로 인해 높은 밀집도로 충적될 수 있으므로 전지팩의 전체적인 크기 및 중량을 더욱 작게 하거나 동일 규격 대비 높은 출력과 용량을 제공할 수 있다.
상기 전지 셀을 구성하는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등은 당업계에 공지되어 있는 것이 그대로 사용될 수 있는 바, 예를 들어, 양극을 구성하는 활물질의 경우, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 산화물 등의 리튬 전이금속 산화물과 이들의 복합 산화물들이 사용될 수 있다.
상기 전지 셀들은 소망하는 출력과 용량에 따라 직렬 및/또는 병렬로 상호 전기적으로 연결되며, 또한 전지팩 전체의 제어를 위한 메인 보드 어셈블리, 과충전, 과방전 등의 제어를 위한 FET 소자 등에 전기적으로 연결된다.
단위전지로서 파우치형 이차전지가 사용될 때, 정상적인 상태에서는 전지의 두께가 최대 범위 10% 이내로 부풀 수 있지만, 비정상인 상태가 지속되면 최대 범위를 넘어 부풀게 되고, 전극내에서 발생한 열화가 발전하여 폭발의 위험성을 가속시킨다. 따라서, 폭발의 위험성이 크게 증가되는 두께 범위 이하를 임계값으로 설 정하여 전기적 연결부재의 단전을 이룸으로써 전지팩의 안전성을 담보할 수 있다. 단위전지로서 각형 이차전지는 각형 캔의 기계적 물성으로 인해 파우치형 이차전지보다는 부피 변화가 적으므로, 이러한 점을 고려하여 두께 변화의 임계값을 설정할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 전기자전거(E-bike), 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 차량의 동력원 등을 포함하여 다양한 분야와 제품들의 전원으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전지팩은 콤팩트한 구조 등으로 인해 전기자전거의 동력원으로 특히 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 일부 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 측면도, 배면도, 평면도, 저면도 및 사시도가 각각 도시되어 있다. 이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 상부 케이스(200), 하부 케이스(300), 다수의 단위전지들(400), 제 1 회로부 PCB(500), 제 2 회로부 PCB(600) 및 제 3 회로부 PCB(700)를 포함하고 있다. 단위전지들(400)은 서로 분리되어 있는 상부 케이스(200)와 하부 케이스(300) 사이에 적층되어 있으며, 제 1 회로부 PCB(500)는 전지팩(100)의 정면에 위치하고, 제 2 회로부 PCB(600)는 저면에 위치하며, 제 3 회로부 PCB(700)는 배면에 위치한다.
상부 케이스(200)와 하부 케이스(300)가 분리되어 있으므로, 적층될 수 있는 단위전지(400)의 수는 그것에 의해 한정되지 않으며, 그러한 단위전지(400)의 적층 수에 따라 제 1 회로부 PCB(500)와 제 3 회로부 PCB(700)만을 변경하면, 소망하는 전기 용량과 출력의 전지팩(100)을 용이하게 디자인할 수 있다. 또한, 단위전지들(400)이 노출되어 있으므로, 충방전시 단위전지들(400)의 방열을 효율적으로 이룰 수 있다.
하부 케이스(300)는 단위전지(400)의 외형에 거의 상응하는 장방형의 구조물로서 단위전지(400)가 수납되는 상단 수납부(도시하지 않음)를 포함하고 있다. 하부 케이스(300)는 높은 강도와 전기 절연성의 부재로서, 바람직하게는 ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), PC (polycarbonate), PBT (Polybutylene Terephthalate) 등의 플라스틱 수지로 되어 있다.
하부 케이스(300) 상에 적층되는 파우치형 이차전지(400)는 그것의 전극단자가 제 1 회로부 PCB(500)에 접속된 상태로 연결되어 있다. 즉, 제 1 회로부 PCB(500)는 이차전지들(400)을 기계적으로 연결할 뿐만 아니라 전기적으로 연결하는 역할도 병행한다.
제 1 회로부 PCB(500)에서 전기적으로 연결된 이차전지들(400)은 두개의 케이블(510, 520)에 의해 최종 입출력 단자가 위치한 제 3 회로부 PCB(700)에 전기적으로 연결된다. 두 케이블(510, 520) 중 하나는 양극용 케이블이고 나머지는 음극용 케이블이다. 하나의 케이블(510)은 하부 케이스(300)의 하단면을 경유하여 제 3 회로부 PCB(700)에 연결되어 있고, 또다른 케이블(520)은 상부 케이스(200)의 상단면을 경유하여 제 3 회로부 PCB(700)에 연결되어 있다.
하단 수납부(310)에 제 2 회로부 PCB(600)가 장착되어 있는 하부 케이스(300)의 하단면에는 케이블(510) 이외에, 전지팩(100)의 제어 작동과 관련하여 제 2 회로부 PCB(600)를 제 1 회로부 PCB(500) 및 제 3 회로부 PCB(700)에 전기적으로 연결하기 위한 전선들(610, 612)도 배선되어 있다.
반면에, 상부 케이스(200)는 단위전지(400)의 상단부가 도포될 수 있도록 그것의 크기에 상응하는 하단 수납부(도시하지 않음)가 형성되어 있으며, 단위전지들(400)은 전극 리드의 관통구를 통과하는 패스너(210)에 의해 상부 케이스(200) 및 하부 케이스(300)에 기계적으로 연결된다. 이에 대한 자세한 내용은 앞서 설명한 한국 특허출원 2004- 112589호에 기재되어 있으므로, 이를 참조할 수 있다.
상부 케이스(200)는 하부 케이스(300)와 동일하거나 또는 그와 다른 절연성 부재로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 하부 케이스(300)와 동일한 플라스틱 수지로 이루어져 있다.
제 3 회로부 PCB(700)에는 장방형의 방열 구조물(710)에 스위칭 소자인 FET 소자들(720, 730)이 연결된 상태로 장착되어 있다.
전지팩(100)의 정면을 형성하는 제 1 회로부 PCB(500)와 상부 케이스(200) 및 하부 케이스(300)는 단위전지들(400)의 전극 리드를 관통하고 있는 긴 패스너(210)에 의해 체결되어 있으므로 체결 부위는 높은 기계적 강도를 나타낸다. 반면에, 전지팩(100)의 배면을 형성하는 제 3 회로부 PCB(700)와 상부 케이스(200) 및 하부 케이스(300)는 그것의 각각에 천공되어 있는 체결홈(740: 제 3 회로부 PCB의 체결홈)을 통해 볼트(800)에 의해 체결되므로 기계적 강도가 상대적으로 낮다. 따 라서, 단위전지(400)의 팽창시, 그로 인해 발생한 응력은 상부 케이스(200) 및/또는 하부 케이스(300)와 제 3 회로부 PCB(700)의 체결 부위에 집중되어 해당부위의 파괴를 초래한다.
도 6에는 도 1의 전지팩(100)에서 단위전지들(400)의 팽창으로 인해 구조적으로 변화된 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 다양한 원인으로 인해 팽창된 단위전지들(400)은 그것의 두께 방향으로 커지게 된다. 이러한 응력은 상부 케이스(200)와 하부 케이스(300)의 세로 방향으로 장력을 유발하고, 가장 취약한 부위에 집중된다. 예를 들어, 도 6에서와 같이, 하부 케이스(300)에 대한 제 3 회로부 PCB(700)의 체결 부위가 상부 케이스(200)에 대한 제 3 회로부 PCB(700)의 체결 부위보다 기계적으로 더욱 안정할 때, 팽창된 단위전지들(400)로부터 초래된 응력은 체결 부위(760)의 파괴를 유발한다. 일반적으로 PCB는 유리섬유 등으로 강화된 에폭시 복합수지로 제조되므로 높은 기계적 강도를 가진다. 따라서, 도 6에서와 같이 상부 케이스(200)의 일부가 절단되면서 체결 부위(760)의 파괴가 발생할 수 있다.
한편, 제 1 회로부에 접속되어 있는 케이블(520)은 상부 케이스(200)의 상단면을 경유하여 제 3 회로부 PCB(700)에 접속되어 있으므로 상부 케이스(200)와 제 3 회로부 PCB(700)와의 변화에 크게 영향을 받는다. 즉, 도 6에서와 같이 상부 케이스(200)가 제 3 회로부 PCB(700)로부터 분리될 때, 케이블(520)에는 강한 장력이 인가되어, 제 3 회로부 PCB(700)과의 전기적 접속상태가 해제되게 된다.
특히, 제 3 회로부 PCB(700)의 단자 탭(770)이 상향 돌출되어 있고, 케이블 (520)의 단부(522)가 단자 탭(770)에 결합 및 분리 가능한 구조로 이루어져 있어서, 상부 케이스(200)가 제 3 회로부 PCB(700)로부터 분리되었을 때, 용이하게 단전이 이루어질 수 있다.
도 7 내지 도 10에는 도 2의 A 부분에서 다양한 형태의 개방형 구조로 이루어진 체결홈들과 이들의 체결상태의 모식도들이 각각 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 상부 케이스(200)의 체결홈(230)은 폐쇄형 구조로 이루어져 있음에 반해, PCB(700)의 체결홈(740)은 각각 상향 개방형 구조로 이루어져 있다. 상부 케이스(200)와 PCB(700)의 체결은 상부 케이스 체결홈(230)과 PCB 체결홈(740)을 일치시킨 상태에서 볼트(800)를 결합시켜 이루어진다. 따라서, 단위전지의 팽창으로 인해 상부 케이스(200)가 상향 이동하게 되면, 볼트(700)는 케이스 체결홈(230)에 결합된 상태로 PCB 체결홈(740)의 개구(742)를 따라 상향 이동됨으로써 체결이 해제되게 된다. 이러한 개구는 도면에서와는 반대로 상부 케이스(200)의 체결홈(230)에 형성될 수도 있으며, 이 경우 개구는 아래쪽을 향하도록 형성된다.
이상, 본 발명의 몇 가지 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지 팩은 과충전, 과방전, 과전류 등의 비정상적인 작동에 의해 전지 셀이 팽창하는 경우와, 계속적인 사용으로 인한 전지 구성요소들의 열화로 인해 전지 셀이 팽창하는 경우에, 전지 팩의 특정 부위에 응력이 집중되어 전기적 접속이 해제되므로 높은 안전성을 제공하며, 전체적으로 콤팩트하고 기계적으로 안정한 구조로 되어 있어서 소형경량의 전지팩으로 제조될 수 있다.
특히, 전지의 열화로 의한 전지 셀의 팽창은 종래의 안전 시스템으로는 제어하기 어려운 현상으로서 본 발명에 따른 구조의 전지팩에서만 제어될 수 있다.

Claims (11)

  1. 충방전이 가능한 다수의 전지 셀들을 플레이트 상에 높은 밀집도로 적층하여 전기적으로 연결한 구조로 이루어져 있으며, 전지팩의 비정상적인 작동이나 장기간의 충방전에 따른 열화로 인해 전지 셀이 팽창할 때, 팽창된 전지 셀의 두께 변화로 인해 전지팩의 소정의 부위에 응력이 집중되어 물리적 변화가 초래되고, 그러한 물리적 변화로 인해 전지팩의 전기적 연결부재가 기계적으로 단전되도록 구성되어 있는 중대형 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은,
    충방전이 가능한 단위전지로서의 전지 셀들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 하부 케이스;
    상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 상부 케이스;
    적층된 단위전지들의 전기적 연결을 이루고, 전지의 전압 및/또는 전류를 검출하기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;
    상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 전지팩을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및
    상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전 및/또는 과전류를 방지하면서 외부 출력단자와 연결되는 제 3 회로부;
    로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 회로부는 단위전지의 전극리드 방향으로 전지팩의 정면에 위치하고, 상기 제 2 회로부는 하부 케이스의 하단 수납부에 위치하며, 상기 제 3 회로부는 전지팩의 배면에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 물리적 변화에 의해 전지팩의 소정의 부위가 변형, 분리 또는 파괴되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 부위는 전지팩의 정면, 배면 또는 측면에 위치하는 부재들의 체결 부위 또는 부재 자체인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 회로부의 PCB(제 3 회로부 PCB)가 전지팩의 측면 또는 배면에 위치할 때, 전지 셀의 팽창으로 인해 물리적으로 변화되는 부분은 상부 케이스 및/또는 하부 케이스와 제 3 회로부 PCB의 체결 부위인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 체결 부위는 해당 부재들에 체결홈을 형성하고 상기 체결홈에 볼트를 결합하여 체결시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 체결 부위의 한쪽 부재의 체결홈은 개방홈의 형태로 되어있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 2 항에 있어서, 전지 셀의 팽창시 상부 케이스 또는 하부 케이스와 제 3 회로부 PCB의 체결 부위가 물리적으로 변화되도록 구성되어 있고, 전기적 연결부재로서의 적어도 하나의 케이블은 상기 체결 부위의 물리적 변화로 인해 기계적으로 단전될 수 있도록 상부 케이스 또는 하부 케이스를 경유하여 제 3 회로부 PCB에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 케이블의 단부와 접속되는 제 3 회로부 PCB 상의 탭 단자는 장력이 인가되는 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자전거(E-bike), 전기오토바이, 전기자동차, 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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