KR20140042269A - 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 전지의 과충전 방지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 셀 과충전 시 전원 공급 없이 배터리 셀의 팽창을 물리적으로 감지하여 충전 전원을 차단하는 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치에 관한 것이다.

Description

이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치{Overcharge Prevent Apparatus for Battery-cell of Secondary Battery}

본 발명은 이차 전지의 과충전 방지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 셀 과충전 시 전원 공급 없이 배터리 셀의 팽창을 물리적으로 감지하여 충전 전원을 차단하는 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치에 관한 것이다.

통상적으로 이차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 그런데 리튬이온전지는 과충전, 단락, 역접속, 열노출 등 비 정상적인 사용 환경에 노출될 경우 전지 내부에 전기화학적인 작용으로 인한 가스가 발생하여 전지 내압이 상승된다. 전지의 내압 상승으로 인해 전지가 팽창하게 되고 특히 과충전 등 비정상적인 사용시간이 지속되는 경우 전해액이나 활물질이 일부 분해되어 전지 내부 압력 및 온도가 급상승되어 폭발이나 화재를 야기할 위험이 있다.

위와 같은 이유로 이차 전지의 안전성을 검증하기 위하여 과충전, 과방전, 단락, 역접속 등의 시험뿐만 아니라, 고온보관시험, 열 충격시험, 열 노출시험 등 다양한 열적 안정성 시험을 실시하게 된다. 이러한 열적 안전성 시험조건에서 전지의 폭발, 발화가 없어야 한다.

현재까지 이차 전지의 안전성을 개선하려는 시도가 매우 다양하게 진행되어 오고 있으며, 전지케이스의 파열부를 통해 상기 2차 전지 내부에서 발생된 가스를 배출하거나 전지내부에 파열 디스크를 이용하여 전지회로를 직접 차단하는 방법이 공지된바 있다. 이 경우 과충전 등의 상황에서 가스가 발생하여 내압이 설계치를 상회할 경우 밀봉부가 파열되거나 전지의 전원이 차단되는 형태로 내압해소 및 안전성을 확보하게 되나 파열시 발생된 스파크가 점화원으로 작용하여 폭발 및 발화의 원인이 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 배터리관리시스템(BMS)을 통해 배터리의 과충전을 감지하여 충전전원을 차단하는 장치도 공지된 바 있으나, 배터리관리시스템(BMS)이 오동작 하거나, 배터리관리시스템(BMS)으로 전원이 공급되지 않을 경우 과충전 방지 효과를 기대할 수 없는 문제가 추가로 발생한다.

한국공개특허 제2009-0047240호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 배터리 셀의 팽창에 의해 단락되는 감지부를 구비하며, 상기 감지부를 충방전 라인에 병렬로 연결하여 배터리 셀의 팽창 시 충방전 라인을 단락시키고, 충방전 라인의 단선을 유도하여 배터리 셀로 공급되는 충전 전원을 차단하는, 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치를 제공함에 있다.

특히 충방전 라인 단락 시 충방전 라인 상에 전류집중구간을 형성하고, 전류집중구간에서 단선이 이루어지도록 하여 충방전 라인의 단선 구간을 임의로 설정 가능하게 되는 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치를 제공함에 있다.

본 발명의 과충전 방지 장치는, 적어도 하나 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 위한 충방전 라인을 포함하는 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치에 있어서, 상기 과충전 방지장치는, 상기 배터리 셀에 인접 배치되며, 상기 배터리 셀이 소정의 두께 이상으로 팽창 시 단락되는 감지부; 를 포함하며, 상기 감지부는, 상기 충방전 라인 상에 병렬로 연결된다.

이때, 상기 감지부는, 전도성 재질로, 상기 충방전 라인의 양극 라인에 연결되는 제1 감지부재; 및 상기 제1 감지부재와 일정거리 이격 배치되며, 전도성 재질로 상기 충방전 라인의 음극 라인에 연결되는 제2 감지부재; 로 구성되며, 상기 제1 감지부재 또는 제2 감지부재 중 어느 하나는 상기 배터리 셀 팽창 시 연동하여 상기 제1 감지부재 또는 제2 감지부재 중 다른 하나에 맞닿아 단락된다.

또한, 상기 충방전 라인 상에는, 상기 감지부의 단락 시 단선되는 단선부; 가 구비되며, 상기 단선부는, 충방전 라인의 평균 두께보다 얇게 형성된다.

다른 실시 예로, 상기 단선부는, 상기 배터리 셀의 전극탭으로 이루어진다.

또 다른 실시 예로, 상기 단선부는, 상기 충방전 라인의 단선 시 열에 의해 단선되도록 열용융점이 낮은 재질로 이루어진다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치는 배터리의 팽창을 감지하는 감지부의 크기가 작아 이차 전지 내부의 공간 확보가 용이하며, 공간 활용도가 우수한 효과가 있다.

또한, 감지부는 별도의 전원이 필요하지 않아 오작동의 염려가 없고, 기계적 결함이 발생되지 않는 한 배터리 셀의 과충전을 효과적으로 감지하여 충전 전원을 차단시킴으로써 배터리 과충전에 따른 사고를 예방할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 충방전 라인 상의 발화 또는 폭발의 우려가 없는 비교적 안전한 구간에서 단선의 유도가 가능하여 충방전 라인의 단선에 따른 2차 사고를 예방할 수 있는 효과가 있다.

도 1a는 배터리 셀 사시도
도 1b는 평상시의 배터리 셀 측면 개략도
도 1c는 팽창시의 배터리 셀 측면 개략도
도 2는 본 발명의 과충전 방지장치 측면도
도 3은 본 발명의 과충전 방지장치 단면도
도 4는 본 발명의 과충전 방지장치 작동상태도 (평상 시)
도 5는 본 발명의 과충전 방지장치 작동상태도 (과충전 시)

본 발명은 과충전 시 배터리 셀이 팽창하는 점에 착안하여 배터리 셀의 팽창 하중을 통해 감지부를 단락시키고, 감지부를 충방전 라인에 병렬로 연결하여 감지부의 단락에 의해 배터리 셀의 충방전 라인을 단선시켜 충전이 더 이상 진행되지 않도록 하는 과충전 방지 장치를 제공함에 있다. 이때, 상기 감지부는 물리적 하중에 연동하여 작동되므로, 전원이 필요하지 않고, 충격 또는 파손과 같은 기계적 결함이 발생되지 않는 이상 오작동의 가능성이 희박한 장점이 있다. 또한, 간단한 구성으로 구현이 가능하기 때문에 공간 확보가 용이하고 공간 활용도가 우수한 장점도 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 과충전 방지장치의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 과충전 방지장치에 적용되는 배터리 셀(20)은 밀폐구조로 이루어진다. 평상시에는 도 1b에 도시된 바와 같이 배터리 셀(20)은 일정한 두께를 이루고 있다. 배터리 셀(20)은 밀폐구조의 특성상 과충전, 단락, 역 접속, 열노출 등의 과도한 상태에 놓이게 되면 배터리 셀(20)의 내부에 가스가 발생하여 도 1c에 도시된 바와 같이 팽창하며, 팽창이 지속되면 배터리 셀(20)은 내부의 전해액 등 화학물질이 유출 되거나 그 정도가 심한경우 발화 및 폭발이 발생할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 과충전 방지장치는, 복수 개가 적층되는 배터리 셀(20)의 측면에 인접하여 설치되는 감지부(10)를 포함하여 이루어진다. 감지부(10)는 배터리 셀(20)의 측면에 인접하여 배터리 셀(20)의 팽창을 감지한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 감지부(10)는 전도성 재질로 되는 제1 감지부재(11)와, 전도성 재질로 되며 제1 감지부재(11)와 일정거리 이격 배치되는 제2 감지부재(12)와, 제1 감지부재(11) 및 제2 감지부재(12)가 수용되는 케이스(13)로 구성된다. 제1 감지부재(11)는 소정의 길이와 폭을 갖는 판체 형상으로 되며, 케이스(13)의 내부에 고정 설치된다. 제2 감지부재(12)는 소정의 길이와 폭을 갖는 판체 형상으로, 제1 감지부재(11)와 일정거리 이격되며, 배터리 셀(20)의 측면에 인접하여 설치될 수 있다. 제2 감지부재(12)는 배터리 셀(20) 팽창 시 팽창 압력에 의해 제1 감지부재(11)에 맞닿도록 배치되는 것이 바람직하며 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)가 맞닿았을 때 서로 단락 되도록 구성된다. 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)의 이격거리는 배터리 셀(20)의 크기 및 용량에 따라 조절될 수 있다. 즉 배터리 셀(20)의 팽창 변위가 클 경우 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)의 이격거리는 길게, 배터리 셀(20)의 팽창 변위가 작을 경우 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)의 이격거리는 짧게 구성될 수 있다.

제1 감지부재(11) 및 제2 감지부재(12)는 상술된 구성 이외에도 배터리 셀(20)의 팽창에 의해 서로 맞닿아 단락될 수 있는 구성이면 어떠한 형상이 적용되어도 무방함은 자명하다.

케이스(13)는, 내부에 공간이 형성되며, 일면에 개방면이 형성되는 함체 형상으로 이루어진다. 케이스(13)는 내부에 제1 감지부재(11) 및 제2 감지부재(12)가 일정거리 이격 수용될 수 있도록 공간이 형성되며, 상기 개방면이 배터리 셀(20)의 측면에 맞닿도록 설치될 수 있다. 따라서 본 발명의 과충전 방지장치는, 케이스(13)가 고정될 수 있는 공간만 확보되면 설치가 가능하기 때문에 공간 활용도가 우수하며, 설치 위치에 제약이 없는 장점이 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 과충전 방지장치는, 충방전 라인(CL)과, 단선부(30)를 더 포함한다. 충방전 라인(CL)은 외부 전력을 공급받아 배터리 셀(20)을 충전시키고, 전원을 필요로 하는 장치에 배터리 셀(20)의 전력을 방전시키는 통상의 고전압 라인이 적용될 수 있다. 충방전 라인(CL)은 양극 라인(CL1)과 음극 라인(CL2)으로 구성된다. 양극 라인(CL1)에는 제1 감지부재(11)가 전기적으로 연결되며, 음극 라인(CL2)에는 제2 감지부재(12)가 전기적으로 연결된다. 상기와 같은 구성에 의해 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)가 맞닿아 단락될 경우 충방전 라인(CL) 상에는 과전류가 흐르게 되고, 충방전 라인(CL) 상의 상대적으로 취약한 부위가 단선되어 배터리 셀(20)의 충전 또는 방전이 중지된다. 이때, 충방전 라인(CL)의 단선 부위를 임의로 지정하기 위해 단선부(30)가 구비된다. 단선부(30)는 충방전 라인(CL) 상에 형성되며, 과전류에 의한 고열 발생 시 단선이 용이하도록 열용융점이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 단선부(30)는 별도의 부재를 적용하거나, 배터리 셀(20)의 구성요소인 전극탭에 적용시킬 수 있다. 다른 실시 예로 단선부(30)는 충방전 라인(CL)의 평균 두께보다 작은 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 단선부(30)의 저항을 충방전 라인(CL) 보다 작게 하여 과전류 인가 시 단선부(30)에서 단선이 이루어지도록 유도하기 위함이다. 단선부(30)는 단선 시 이차전지 상에 폭발 또는 발화가 발생되지 않는 안전한 지점에 배치하여 충방전라인(CL)의 단선에 의한 2차 사고를 예방할 수 있다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시 예에 따른 과충전 방지장치의 작용에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 과충전 방지 장치는, 배터리 셀(20)의 정상 작동 시 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)가 일정거리 이격 되어 충방전 라인(CL)의 충전 또는 방전에 아무런 영향을 주지 않도록 구성된다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 과충전 방지 장치는, 배터리 셀(20)이 과충전되어 팽창 시 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)가 맞닿아 단락되며, 제1 감지부재(11)와 제2 감지부재(12)가 병렬로 연결되는 충방전 라인(CL)을 단락시켜 충방전 라인(CL) 상에 과전류가 인가되도록 한다. 과전류 인가로 인해 충방전 라인(CL)은 과열되며, 충방전 라인(CL) 상에 구비되는 단락부(30)는 과열로 인해 단선되어 충방전 라인(CL)을 단선시킨다. 충방전 라인(CL)이 단선됨에 따라 배터리 셀(20)의 충전 또는 방전이 진행되지 않고, 배터리 셀(20)의 팽창으로 인한 추가 손상 예를 들면 배터리 셀(20) 내부의 가스 유출로 인한 발화 및 폭발 사고를 방지하게 된다. 특히 단락부(30)는 충방전 라인(CL) 상의 임의 구간에 배치가 가능하여 이차 전지 상의 발화 및 폭발 위험이 적인 구간에 단락부(30)를 배치함으로써 충방전 라인(CL)의 단선으로 인한 2차 사고를 미연에 방지할 수 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

10 : 감지부 11 : 제1 감지부재
12 : 제2 감지부재 13 : 케이스
20 : 배터리 셀 30 : 단선부
CL : 충방전 라인 CL1 : 양극 라인
CL2 : 음극 라인

Claims (6)

1. 적어도 하나 이상의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 위한 충방전 라인을 포함하는 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치에 있어서,
   상기 과충전 방지장치는,
   상기 배터리 셀에 인접 배치되며, 상기 배터리 셀이 소정의 두께 이상으로 팽창 시 단락되는 감지부; 를 포함하며,
   상기 감지부는, 상기 충방전 라인 상에 병렬로 연결되는, 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 감지부는,
   전도성 재질로, 상기 충방전 라인의 양극 라인에 연결되는 제1 감지부재; 및
   상기 제1 감지부재와 일정거리 이격 배치되며, 전도성 재질로 상기 충방전 라인의 음극 라인에 연결되는 제2 감지부재; 로 구성되며,
   상기 제1 감지부재 또는 제2 감지부재 중 어느 하나는 상기 배터리 셀 팽창 시 연동하여 상기 제1 감지부재 또는 제2 감지부재 중 다른 하나에 맞닿아 단락되는, 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 충방전 라인 상에는,
   상기 감지부의 단락 시 단선되는 단선부; 가 구비되는, 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 단선부는,
   충방전 라인의 평균 두께보다 얇게 형성되는, 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 단선부는,
   상기 배터리 셀의 전극탭인, 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치.
   
6. 제 3항에 있어서,
   상기 단선부는,
   상기 충방전 라인의 단선 시 열에 의해 단선되도록 열용융점이 낮은 재질로 이루어지는, 이차 전지용 배터리 셀의 과충전 방지장치.

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