KR20090131573A - Current interrupt device when battery is over-charged - Google Patents

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KR20090131573A
KR20090131573A KR1020080057515A KR20080057515A KR20090131573A KR 20090131573 A KR20090131573 A KR 20090131573A KR 1020080057515 A KR1020080057515 A KR 1020080057515A KR 20080057515 A KR20080057515 A KR 20080057515A KR 20090131573 A KR20090131573 A KR 20090131573A
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김달
임해규
박진호
최제훈
이건구
구재승
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

PURPOSE: A current interrupt device when a battery is over-charged is provided to prevent overcharging by breaking a power supply connector between cells using a swelling phenomenon of a cell by battery overcharging and to suppress the generation of fire due to short circuit. CONSTITUTION: A current interrupt device when a battery is over-charged comprises a battery cell combined while an electrode lead is exposed to the upper end of a battery case; a cell module(110) in which battery cells are laminated and electrically connected; and a cell module housing in which a plurality of cell modules are mounted and an outlet(101) is formed at one side.

Description

배터리 과충전시 전원차단장치{Current Interrupt Device when battery is over-charged}Current Interrupt Device when battery is over-charged}

본 발명은 배터리 과충전시 셀의 스웰링 현상을 이용하여 배터리의 전원을 차단하는 배터리 과충전시 전원차단장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power cutoff device for battery overcharging, which cuts off power of a battery by using a swelling phenomenon of a cell during battery overcharging.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.Recently, secondary batteries capable of charging and discharging have been widely used as energy sources of wireless mobile devices.

또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.Secondary batteries are also attracting attention as a power source for electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), which are proposed as a way to solve air pollution in conventional gasoline and diesel vehicles that use fossil fuels. .

소형 모바일 기기에서는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에서는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 단위전지로서 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.In a small mobile device, one or two or four battery cells are used per device, whereas in a medium and large device such as an automobile, a large and medium battery pack using a plurality of battery cells electrically connected as a unit cell is used due to the necessity of high output capacity.

중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 배터리 셀로서 주로 사용되고 있다. 그 중에서도, 중량이 작고 전해액의 누액 가능성이 적으며 제조비가 저렴한 파우치형 전지가 특히 많은 관심을 모으고 있다.Since medium and large battery packs are preferably manufactured in a small size and weight, square batteries, pouch-type batteries, etc., which can be stacked with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells of medium and large battery packs. Among them, a pouch-type battery having a small weight, a small possibility of leakage of an electrolyte solution, and a low manufacturing cost attracts much attention.

중대형 전지팩의 단위전지(배터리 셀)로는 니켈-수소 이차전지가 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 소형 전지팩에서와 마찬가지로 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지가 많이 연구되고 있으며, 일부는 상용화 단계에 있다. Nickel-hydrogen secondary batteries have been widely used as unit cells (battery cells) of medium and large battery packs. Recently, as with small battery packs, lithium secondary batteries that provide high output / capacity have been studied. have.

그러나, 리튬 이차전지는 근본적으로 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 특히, 파우치형 전지는 앞서 설명한 바와 같은 다양한 장점으로 인해 중대형 전지팩의 단위전지로서 유력한 후보이지만, 전지케이스의 기계적 강성이 낮고 밀봉부가 분리되었을 때 전해액 등 발화성 물질이 누설되어 화재의 위험성이 높은 문제점을 가지고 있다. 고출력 대용량을 목적으로 다수의 단위전지들이 전기적으로 연결되어 있는 중대형 전지팩에서 상기와 같은 발화는 안전성을 저해하는 매우 심각한 위험 요소이다.However, lithium secondary batteries have a problem in that they are fundamentally low in safety. In particular, the pouch-type battery is a strong candidate as a unit cell of a medium-large battery pack due to various advantages as described above, but the mechanical rigidity of the battery case is low, and when the sealing part is separated, a flammable material such as electrolyte leaks, which poses a high risk of fire. Have In the medium-large battery pack in which a plurality of unit cells are electrically connected for the purpose of high output capacity, such ignition is a very serious risk factor that impairs safety.

더욱이, 파우치를 이용한 리튬 폴리머 전지는 전해액이 모두 일체화된 셀 내부에 주입되어 있기 때문에 각 셀이 과충전되면 전압이 상승하게 되고 과열로 인해 셀 내부의 전해액이 분해되어 가연성 가스가 셀 내부적으로 발생하게 되며 파우치 자체가 부풀어 오르는 스웰링(swelling)현상이 발생하게 된다. 또한 양극과 음극 사이의 분리막이 용융하여 양극과 음극이 단락되어 발화되므로 차량의 안전성을 확 보할 수 없다는 문제점을 가지고 있다.Furthermore, since the lithium polymer battery using the pouch is injected into the cell in which all the electrolytes are integrated, the voltage increases when each cell is overcharged, and the electrolyte inside the cell is decomposed due to the overheating, and flammable gas is generated inside the cell. The pouch itself swells (swelling) occurs. In addition, since the separator between the positive electrode and the negative electrode melts and the positive electrode and the negative electrode are short-circuited and ignited, there is a problem in that the safety of the vehicle cannot be secured.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 배터리 과충전에 의한 셀 스웰링 현상의 발생으로 셀 및 셀 커버가 변형되어 셀 간 전원연결부가 파단됨으로써, 배터리의 전원을 차단하여 더 이상의 과충전을 방지하고, 분리막 용융 및 내부 전극의 단락으로 인한 발화의 발생을 방지하여 차량의 안전성을 확보할 수 있도록 한 배터리 과충전시 전류차단장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, the cell and the cell cover is deformed due to the occurrence of the cell swelling caused by the battery overcharge is broken by breaking the power connection between the cells, the battery power is cut off further overcharge It is an object of the present invention to provide a current cut-off device when the battery is overcharged to prevent the occurrence of ignition due to the melting of the separator and the short circuit of the internal electrode.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극리드가 전지케이스 상단에 노출된 채로 결합된 배터리셀;The present invention for achieving the above object is a battery cell coupled electrode lead exposed to the top of the battery case;

상기 배터리셀이 적층되고 전기적으로 연결된 셀 모듈; 및A cell module in which the battery cells are stacked and electrically connected; And

상기 셀 모듈이 다수개로 장착되고 일측면에 배출구가 형성된 셀모듈 하우징을 포함하고, 상기 배터리셀이 과충전될 때 셀 내부의 팽창압력으로 셀 간 전원연결부가 파단되고 배출구를 통해 배터리 셀의 일부가 배출되는 것을 특징으로 한다.And a cell module housing in which a plurality of cell modules are mounted and a discharge port is formed at one side thereof, and when the battery cell is overcharged, a power connection between the cells is broken by the expansion pressure inside the cell, and a part of the battery cell is discharged through the discharge hole. It is characterized by.

바람직한 구현예로서, 상기 셀 모듈은 적층된 배터리 셀의 측면 및 테두리부를 감싸며 결합하는 상부 및 하부하우징과, 적층된 배터리 셀의 전면부와 후면부를 커버하는 셀 커버를 포함하고, 상기 셀 내부의 팽창압력으로 셀 및 셀 커버가 변형되어 셀 간 전원연결부로부터 파단되며 배출구를 통해 배터리 셀의 일부가 배출되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the cell module includes upper and lower housings that surround and combine the side and edge portions of the stacked battery cells, and a cell cover covering the front and rear portions of the stacked battery cells, and expanding inside the cell. The cell and the cell cover are deformed by pressure to break from the power connection between the cells, and a part of the battery cell is discharged through the outlet.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 셀모듈 하우징은 단단한 재질로 이루어지고, 상기 셀모듈 하우징의 일측면에 형성된 배출구는 연한재질로 커버되어, 상기 배터리 셀 내부의 팽창압력이 배출구로 집중되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the cell module housing is made of a hard material, the outlet formed on one side of the cell module housing is covered with a soft material, the expansion pressure inside the battery cell is made of a structure that is concentrated to the outlet It features.

이에 따라 본 발명에 따른 배터리 과충전시 전원차단장치에 의하면, 배터리 과충전에 의한 셀 스웰링 현상의 발생으로 셀 및 셀 커버가 변형되어 셀 간 전원연결부가 파단됨으로써, 배터리의 전원을 차단하여 더 이상의 과충전을 방지하고, 분리막 용융 및 내부 전극의 단락으로 인한 발화의 발생을 방지하여 차량의 안전성을 확보할 수 있다.Accordingly, according to the power cut-off device when the battery is overcharged according to the present invention, the cell and the cell cover is deformed due to the occurrence of the cell swelling phenomenon due to the battery overcharge, and the power connection between the cells is broken, thereby shutting off the battery power and further overcharging It is possible to prevent the occurrence of ignition due to the melting of the separator and the short circuit of the internal electrode to ensure the safety of the vehicle.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 1은 종래의 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지의 일부를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과충전에 의한 스웰링을 이용하여 전원을 차단하는 과정을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 과충전시 전원차단장치를 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 셀모듈의 스웰링 현상으로 셀간 연결부 파단 및 변형을 나타내는 도면이고, 도 5는 셀의 전압상승에 따른 셀의 상태변화를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic view showing a part of a conventional pouch-type lithium ion polymer secondary battery, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a process of shutting off power by using swelling by overcharging according to an embodiment of the present invention. 3 is a block diagram showing a power cut-off device when the battery is overcharged according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a view showing the breakage and deformation of the connection between the cells by the swelling phenomenon of the cell module according to an embodiment of the present invention; 5 is a graph illustrating a state change of a cell according to a voltage rise of the cell.

일반적으로 중대형 전지팩의 제조에 사용되는 하나의 예시적인 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지(이하, 파우치형 전지)는, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스에 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극조립체를 장착한 후 전극리드(13,14)를 전지케이스 상단에 노출시킨 상태로 결합시켜 제작된다.One exemplary pouch type lithium ion polymer secondary battery (hereinafter, pouch type battery) generally used in the manufacture of medium and large battery packs is a cathode / separator / cathode in a pouch type battery case made of a polymer resin and a laminate sheet of aluminum. After mounting the electrode assembly is made by combining the electrode leads (13,14) exposed to the top of the battery case.

상기 파우치형 전지는 단위전지(셀)로서, 중대형 전지팩을 만들기 위해 여러개의 배터리셀(10)을 전기적으로 연결하는 셀모듈(110)과, 여러개의 셀모듈(110)을 전기적으로 결합하여 중대형 전지팩(셀모듈 어셈블리(100))을 만들게 된다.The pouch-type battery is a unit cell (cell), which is a medium-large cell by electrically coupling a plurality of cell modules 110 and a cell module 110 to electrically connect a plurality of battery cells 10 to make a medium-large battery pack. The battery pack (cell module assembly 100) will be made.

본 발명은 배터리 셀의 스웰링으로 셀의 전극리드(13,14)가 파단되도록 함으로써 분리막의 용융으로 인한 내부단락에 의해 발화발생을 방지하도록 한 점에 주안점이 있다.The present invention focuses on preventing the ignition from occurring due to internal short circuit due to melting of the separator by breaking the electrode leads 13 and 14 of the cell by swelling of the battery cell.

본 발명의 일실시예는 다수의 배터리 셀(10)을 적층시킨 후, 적층된 배터리 셀(10)의 측면(테두리면)을 상하방향으로 세워 셀을 상부 하우징(111)과 하부 하우징(112)으로 감싸도록 조립하고, 하우징(111,112)으로 감싸진 셀 모듈(110)의 전면부와 후면부에 셀 커버(113)를 조립한다.According to one embodiment of the present invention, after stacking a plurality of battery cells 10, the side surfaces (border surfaces) of the stacked battery cells 10 are erected in an up and down direction so that the cells are placed in the upper housing 111 and the lower housing 112. Assembling so as to wrap, and assembling the cell cover 113 to the front and rear parts of the cell module 110 wrapped in the housing (111, 112).

이때, 적층된 배터리 셀(10)의 각 전극리드(13,14)가 서로 전기적으로 연결되어 있고, 전기적으로 연결된 전극리드(13,14)들은 상부 및 하부하우징(111,112)에 의해 고정되며, 상기와 같이 적층된 배터리 셀(10)들은 상부, 하부하우징(111,112) 및 셀커버(113)에 의해 둘러쌓여져 하나의 셀 모듈(110)이 만들어지게 된다.In this case, the electrode leads 13 and 14 of the stacked battery cells 10 are electrically connected to each other, and the electrically connected electrode leads 13 and 14 are fixed by the upper and lower housings 111 and 112. The stacked battery cells 10 are surrounded by the upper and lower housings 111 and 112 and the cell cover 113 to form one cell module 110.

또한, 상기와 같은 구조로 제작된 셀 모듈(110)은 다시 셀모듈 하우징에 여러개로 장착되어 셀 모듈 어셈블리(100)가 제작된다.In addition, the cell module 110 fabricated as described above is mounted to the cell module housing several times again to manufacture the cell module assembly 100.

상기 셀 모듈 어셈블리(100)는 셀모듈 하우징의 사이드 플레이트(102)에는 셀 배출구(101)가 형성되어 배터리에 전류가 과충전될 때 스웰링으로 셀 배출구(101)를 통해 셀들의 전극리드(13,14)가 셀에서 파단된 채로 셀들이 터져 나오는 구조로 설치되어 있다.The cell module assembly 100 has a cell outlet 101 formed in the side plate 102 of the cell module housing so that the electrode leads 13 of the cells through the cell outlet 101 by swelling when the battery is overcharged. 14) is installed in a structure in which the cells pop out while being broken in the cell.

이때, 상기 사이드 플레이트(102)는 단단한 철이나 합금 재질이고, 배출구(101)는 연성이 강한 재질로 이루어져서, 배터리 셀(10)의 스웰링으로 발생한 내부압력이 배출구(101)로 집중되도록 설치되어 있다. 또한, 셀 모듈 어셈블리(100)의 하단부는 브라켓(103)에 의해 바닥에 고정되어 있다.At this time, the side plate 102 is made of a hard iron or alloy material, the outlet 101 is made of a ductile material, so that the internal pressure generated by the swelling of the battery cell 10 is installed to concentrate to the outlet 101 have. In addition, the lower end of the cell module assembly 100 is fixed to the bottom by the bracket 103.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 과충전시 전원차단장치의 작용상태를 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation state of the power cutoff device when the battery overcharge according to an embodiment of the present invention by such a configuration as follows.

셀 모듈(110)에 장착된 각 배터리 셀(10)에 전류가 과충전되게 되면 전압이 상승하게 되고 배터리셀 내부의 전해액이 분해가 되어 가연성 가스가 셀 내부적으로 발생하게 되어 셀 내부의 압력이 증가하여 셀(파우치)이 팽창하게 된다.When the current is overcharged in each of the battery cells 10 mounted in the cell module 110, the voltage is increased and the electrolyte inside the battery cell is decomposed to generate flammable gas inside the cell, thereby increasing the pressure inside the cell. The cell (pouch) will expand.

여기서 만약 배터리셀(10)에 과충전이 계속 되어 도 5에 도시한 바와 같이 허용 전압 이상 올라가게 되면 분리막이 용융되고 배터리셀의 전극리드(13,14)가 단락되어 발화되게 된다.Here, if overcharging continues in the battery cell 10 and rises above the allowable voltage as shown in FIG. 5, the separator melts and the electrode leads 13 and 14 of the battery cell are shorted and ignited.

이와 같은 문제점을 방지하기 위해, 본 발명은 도 4에 도시한 바와 같이 허용전압 이상 올라가기 전에 스웰링 현상으로 파우치의 팽창압력을 이용하여 전극리 드(13,14)가 상부 및 하부하우징(111,112)에 의해 고정된 채로 파우치의 일부가 파열되면서 내부의 가스가 빠져나오면서 전극조립체와 전극리드(13,14)의 연결이 파단됨으로써, 셀 간의 전원연결부가 끊어져 더 이상의 과충전을 방지하여 분리막 용융에 의한 내부단락으로 발화되는 것을 방지할 수 있게 된다.In order to prevent such a problem, the present invention uses the inflation pressure of the pouch in the swelling phenomenon before the voltage rises above the allowable voltage as shown in FIG. 4, the upper and lower housings 111 and 112 As the part of the pouch ruptures while being fixed by), the internal gas escapes and the connection between the electrode assembly and the electrode leads 13 and 14 is broken, so that the power connection between the cells is broken to prevent further overcharging, thereby preventing the membrane from being melted. The internal short circuit can be prevented from being ignited.

이때, 배터리팩에 전원이 차단되는 과정을 정리하면, 배터리셀(10) 과충전→셀, 셀 커버 변형 및 셀 간 연결부 텐션 발생(스웰링)→셀 간 연결부 파단 및 배출구를 통해 셀 배출(양극 리드 파단)→배터리의 주 전원 차단을 통한 과충전 방지로 이루지게 된다.At this time, when the process is cut off the power to the battery pack, overcharging the battery cell (10) → cell, cell cover deformation and cell-to-cell connection tension generation (swelling) → cell discharge through the breakage and discharge port between the cells (anode lead) Rupture) → Built-in battery mains to prevent overcharging.

따라서, 상기와 같은 구조 및 과정을 통해 과충전에 의한 스웰링 현상을 이용하여 배터리의 전원을 차단함으로써, 더 이상의 과충전을 방지하여 발화로 인한 안전사고를 예방할 수 있다.Therefore, by using the swelling phenomenon caused by overcharging through the structure and process as described above, it is possible to prevent the safety accident due to ignition by preventing further overcharging.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

도 1은 종래의 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지의 일부를 나타내는 개략도,1 is a schematic view showing a part of a conventional pouch type lithium ion polymer secondary battery,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과충전에 의한 스웰링을 이용하여 전원을 차단하는 과정을 나타내는 순서도,Figure 2 is a flow chart showing a process of shutting off the power using swelling by overcharging according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 과충전시 전원차단장치를 나타내는 구성도,3 is a block diagram showing a power cut-off device when the battery is overcharged according to an embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 셀모듈의 스웰링 현상으로 셀간 연결부 파단 및 변형을 나타내는 도면,4 is a view showing the breakage and deformation of the inter-cell connection by the swelling phenomenon of the cell module according to an embodiment of the present invention,

도 5는 셀의 전압상승에 따른 셀의 상태변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a state change of a cell according to the voltage rise of the cell.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 배터리셀 11 : 상부커버10: battery cell 11: top cover

12 : 하부케이스 13 : 양극 리드12 lower case 13 anode lead

14 : 음극 리드 15 : 실링부재14 negative electrode lead 15 sealing member

100 : 셀모듈 어셈블리 101 : 배출구100: cell module assembly 101: outlet

102 : 사이드 플레이트 103 : 브라켓102: side plate 103: bracket

110 : 셀 모듈 111 : 상부하우징110: cell module 111: upper housing

112 : 하부하우징 113 : 셀 커버112: lower housing 113: cell cover

Claims (3)

전극리드가 전지케이스 상단에 노출된 채로 결합된 배터리셀;A battery cell coupled with the electrode lead exposed to the top of the battery case; 상기 배터리셀이 적층되고 전기적으로 연결된 셀 모듈; 및A cell module in which the battery cells are stacked and electrically connected; And 상기 셀 모듈이 다수개로 장착되고 일측면에 배출구가 형성된 셀모듈 하우징을 포함하고, 상기 배터리셀이 과충전될 때 셀 내부의 팽창압력으로 셀 간 전원연결부가 파단되고 배출구를 통해 배터리 셀의 일부가 배출되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전시 전원차단장치.And a cell module housing in which a plurality of cell modules are mounted and a discharge port is formed at one side thereof, and when the battery cell is overcharged, a power connection between the cells is broken by the expansion pressure inside the cell, and a part of the battery cell is discharged through the discharge hole. Power cut-off device when the battery is overcharged. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 셀 모듈은 적층된 배터리 셀의 측면 및 테두리부를 감싸며 결합하는 상부 및 하부하우징과, 적층된 배터리 셀의 전면부와 후면부를 커버하는 셀 커버를 포함하고, 상기 셀 내부의 팽창압력으로 셀 및 셀 커버가 변형되어 셀 간 전원연결부로부터 파단되며 배출구를 통해 배터리 셀의 일부가 배출되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전시 전원차단장치.The cell module includes an upper and lower housings surrounding and coupling side and edge portions of the stacked battery cells, and a cell cover covering the front and rear portions of the stacked battery cells, and the cells and the cells at the expansion pressure inside the cell. The cover is deformed and broken from the power connection between the cells, the power cut-off device when the battery is overcharged, characterized in that a part of the battery cell is discharged through the outlet. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 셀모듈 하우징은 단단한 재질로 이루어지고, 상기 셀모듈 하우징의 일 측면에 형성된 배출구는 연한재질로 커버되어, 상기 배터리 셀 내부의 팽창압력이 배출구로 집중되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 과충전시 전원차단장치.The cell module housing is made of a hard material, the outlet formed on one side of the cell module housing is covered with a soft material, when the battery is overcharged, characterized in that the expansion pressure inside the battery cell is made of a structure that is concentrated to the outlet Power cutoff device.
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