KR20140066364A - 단락 유도부재를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 둘 이상의 단위 전지들이 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스 내에 배열되어 있는 전지팩으로서, 가장자리에 배열되어 있는 단위 전지들 중의 적어도 하나의 단위 전지의 외면과 팩 케이스 사이에는 침상 도체의 관통 시 인가되는 힘에 의해 전지팩의 외부 입출력 단자들과 닫힌 회로를 구성하는 단락 유도 부재가 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.

Description

단락 유도부재를 포함하는 전지팩 {Battery Pack Comprising Short-Circuit Induction Member}
본 발명은 침상 도체의 관통에 대해 향상된 안전성을 갖는 전지팩에 관한 것이다.
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 전자기기뿐만 아니라 전기자전거(E-bike), 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 전지셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용됨에 반하여, 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 전지셀들(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 과충전, 과방전, 고온에의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
리튬 이차전지의 안전성 문제는 멀티-셀 구조의 중대형 전지팩에서 더욱 심각하다. 멀티-셀 구조의 전지팩에서는 많은 개수의 전지셀들이 사용됨으로 인해 일부 전지셀에서의 작동 이상은 다른 전지셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있고 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고를 초래할 수 있기 때문이다.
중대형 전지팩에는 과방전, 과충전, 과전류 등으로부터 전지 셀을 보호하기 위한 퓨즈, 바이메탈, BMS (Battery Management System) 등의 안전 시스템이 구비되어 있으나, 침상 도체의 관통에 대한 안전성은 매우 낮은 상황이다. 구체적으로, 침상 도체의 관통에 대한 안전성은 단전지 자체의 안전성에 의존하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 복수의 단전지들이 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈 또는 전지 팩 단위에서 침상 도체의 관통에 대한 안전성을 확보할 수 있는 전지모듈 또는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 출원의 발명자들은 침상 도체가 전지모듈 또는 전지팩을 관통하는 경우,전지모듈 또는 전지팩에 침상 도체가 닿기 전에 강제적인 외부 단락을 발생시키는 경우 전지모듈 또는 전지팩과 침상 도체 간의 전류의 흐름을 줄일 수 있고, 이로인해 전지모듈 또는 전지팩 단위에서 침상 관통에 대한 안전성을 향상시킬 수 있다는 발상에 기인하여 본 발명을 완성하였다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전지팩은 둘 이상의 단위 전지들이 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스 내에 배열되어 있는 전지팩으로서, 가장자리에 배열되어 있는 단위 전지들 중의 적어도 하나의 단위 전지의 외면과 팩 케이스 사이에는 침상 도체의 관통 시 인가되는 힘에 의해 전지팩의 외부 입출력 단자들과 닫힌 회로를 구성하는 단락 유도 부재가 위치하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 단위 전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 위치하는 구조의 전극 조립체를 셀 케이스 내에 내장하고 전해액으로 함침한 상태로 밀봉한 전지 셀일 수도 있고, 또는 둘 이상의 전지 셀들을 전기적으로 연결한 전지 셀 조립체의 외면을 전극 단자들이 노출되도록 외장 커버로 감싼 구조의 단위 모듈일 수도 있으며, 또는 둘 이상의 전지 셀 또는 단위 모듈들이 전기적으로 연결된 상태로 모듈 케이스 내에 배열되어 있는 전지모듈일 수도 있다.
상기 단위전지가 양극과 음극 사이에 분리막이 위치하는 구조의 전극 조립체를 셀 케이스 내에 내장하고 전해액으로 함침한 상태로 밀봉한 전지 셀 또는 둘 이상의 전지 셀들을 전기적으로 연결한 전지 셀 조립체의 외면을 전극 단자들이 노출되도록 외장 커버로 감싼 구조의 단위 모듈일 경우에는, 상기 전지팩을 전지모듈로서 명명할 수도 있다.
따라서, 경우에 따라서는, 상기 팩 케이스는 모듈 케이스일 수 있고, 상기 팩 케이스와 단위 전지의 외면 사이는 모듈 케이스와 전지셀 또는 단위 모듈 사이일 수 있다.
또한, 본 발명은 단락 유도 부재를 장착한 전지모듈을 적어도 하나 포함한다. 따라서, 상기한 단락 유도 부재가 장착된 전지모듈과 상기한 단락 유도 부재가 장착되지 않은 전지모듈 둘 이상이 팩 케이스에 배열되고, 팩 케이스와 가장자리 전지모듈의 외면 사이에 단락 유도 부재가 위치하고 있는 전지팩 뿐만 아니라, 상기 단락 유도 부재가 장착된 전지모듈 둘 이상이 팩 케이스에 배열되고, 팩 케이스와 가장자리 전지모듈의 외면 사이에 단락 유도 부재가 위치하고 있는 전지팩 등을 포함한다.
이하, 본 명세서에서는 상기한 전지모듈을 전지팩으로 통일하여 명명할 것이다.
본 발명은 침상 도체가 전지팩을 관통하기 이전에 상기한 단락 유도 부재가전지팩의 외부 입출력 단자들과 닫힌 회로를 구성함으로써 침상 관통에 대한 안전성을 확보할 수 있다. 구체적으로, 상기 단락 유도 부재는, 침상 도체가 가장자리 단위 전지와 접촉하기 이전에 닫힌 회로를 구성하여, 침상 도체가 가장자리 단위 전지를 관통할 때에 침상 도체와 가장자리 단위 전지 간의 전류 크기를 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 단락 유도 부재는, 하우징 내에 침상 도체의 관통 시 인가되는 힘을 감지하는 센서(sensor)와, 상기 센서로부터 감지된 힘의 크기가 임계치 이상일 경우 닫힌 회로를 구성하도록 하는 제어부, 및 상기 제어부의 신호에 따라 닫힌 회로를 구성하는 회로부를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
상기 센서 및/또는 제어부는 기계적 또는 전기적으로 작동하는 센서 및/또는 제어부일 수 있다.
상기 기계적 센서 및 기계적 제어부는, 침상 도체의 관통 이전에는 회로부와 물리적으로 접촉되어 회로부의 작동을 구속하고, 침상 도체의 관통으로 인가되는 힘의 크기를 감지하여 임계치 이상에서 절단되어 회로부의 작동을 개시하는 구속부재를 포함하고 있을 수 있다.
상기 구속부재는 도전성 부재 또는 절연성 부재일 수 있다. 또한 상기 구속부재는 비탄성 부재 또는 탄성 부재일 수도 있다.
기계적 센서 및 기계적 제어부에 대한 본 발명의 비제한적인 하나의 실시예에서, 상기 센서 및 제어부는 침상 도체의 관통으로 인가되는 힘의 크기를 감지하여 임계치 이상에서 절단되는 선형부재 내지 판상부재일 수 있고, 예를 들어, 상기 선형부재는 와이어 또는 고무줄일 수 있고, 상기 판상부재는 절연성의 플라스틱 판일 수 있다.
상기 회로부는 상기 구속부재와 연결되어 있는 스위치와 전지팩의 외부 입출력 단자와 전기적으로 연결하는 케이블일 수도 있고, 상기 구속부재와 연결되어 있는 도전성 탄성부재, 예를 들어, 스프링과 전지팩의 외부 입출력 단자와 전기적으로 연결하는 케이블일 수 있다.
상기 스위치는 양극 또는 음극과 연결되어 있는 상태로 구속부재에 의해 전지팩의 외부 입출력 단자들과 열린 회로를 구성하고 있다가 침상 도체의 관통 시 구속부재로 인한 구속력이 해제되면서 인장되어 전지팩의 외부 입출력 단자들과 닫힌 회로를 구성할 수 있다.
상기 스프링은 구속부재에 의해 압축된 상태로 구속되어 전지팩의 외부 입출력 단자들과 열린 회로를 구성하고 있다가 침상 도체의 관통 시 구속부재로 인한 구속력이 해제되면서 인장되어 전지팩의 외부 입출력 단자들과 닫힌 회로를 구성할 수 있다.
전기적 센서 및 전기적 제어부에 대한 본 발명의 비제한적인 하나의 실시예에서, 상기 센서는 침상 관통 시 발생하는 진동을 감지하는 진동 감지 센서일 수 있고, 상기 제어부는 상기 센서와 전기적으로 연결되어 있는 제어 회로일 수 있다.
상기한 와이어 또는 스프링과 같이 기계적으로 작동하여 강제적인 외부 단락을 유발할 수 있는 구조 뿐만 아니라, 상기 진동 감지 센서 및 이와 전기적 연결된 제어 회로와 같이 전기적으로 닫힌 회로를 구성하는 구조 또한 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상을 구현할 수 있는 한도에서, 상기한 실시예들을 변형하는 것은 당업자에게 자명할 것이므로, 본 발명의 실시예가 상기한 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 하우징은 가장 자리 단위 전지의 일측면의 크기의 90 내지 110%의 크기를 갖고 외면이 밀폐된 부재로서, 상부 하우징과 하부 하우징이 결합하는 구조일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님은 당해 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 상기 하우징의 크기는 단락 유도 부재의 크기일 수 있다.
상기 센서는 침상 도체 관통 시 인가되는 힘을 어느 곳에서나 감지할 수 있도록 설치될 수 있고, 구체적으로, 상기한 구체적인 실시예에서, 상기 구속부재는 단위 전지의 외면 일부 또는 전부를 감싸도록 평행 배열 또는 격자 배열되어 있을 수 있다.
상기 도전성 탄성부재는 양극 또는 음극 단자에 연결된 상태로 구속부재에 의해 압축된 상태를 유지하면서 장착되어 있을 수 있다.
상기 센서가 침상 도체의 관통 시 진동을 감지하는 진동 감지 센서일 경우에는, 감지 반경을 고려하여 적절히 배열할 수 있다.
상기 단락 유도 부재는, 침상 도체가 전지팩에 이르는 시간과 단락 유도 부재에서 강제적인 외부 단락이 일어나는 시간 간의 시간 차를 고려하여, 가장자리 단위 전지와 이격되어 배열될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 하는 차량을 제공하다.
특히, 상기 구조의 차량은 소망하는 출력 및 용량에 따라 장착 효율성, 구조적 안정성을 등을 고려할 때 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차로 사용될 수 있다.
일반적인 전지팩의 구조와 그것을 포함하는 디바이스의 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명은 침상 도체가 전지팩을 관통하기 이전에 상기한 단락 유도 부재가전지팩의 외부 입출력 단자들과 닫힌 회로를 구성함으로써 침상 관통에 대한 안전성을 확보할 수 있다. 구체적으로, 상기 단락 유도 부재는, 침상 도체가 가장자리 단위 전지와 접촉하기 이전에 닫힌 회로를 구성하여, 침상 도체가 가장자리 단위 전지를 관통할 때에 침상 도체와 가장자리 단위 전지 간의 전류 크기를 감소시킬 수 있다.
도 1 은 침상 도체 관통 전의 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 구조의 모식적으로 도시한 도면이다;
도 2 은 도 1의 구조의 전지팩에 침상 도체가 관통할 때 단락 유도 부재가 작동하는 상태를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 3 은 침상 도체가 전지팩 내의 단위 전지와 접촉한 상태를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 4 는 침상 도체 관통 전의 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지팩 구조의 모식적으로 도시한 도면이다;
도 5 는 도 4의 구조의 전지팩에 침상 도체가 관통할 때 단락 유도 부재가 작동하는 상태를 모식적으로 도시한 도면이다;
도 6 은 침상 도체가 전지팩 내의 단위 전지와 접촉한 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구조 및 침상 도체가 전지팩을 관통하는 경우, 단락 유도 부재가 작동하는 상태를 모식적으로 도시하고 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(400)은 단위 전지들(101, 102, 103)이 버스 바(221, 222)를 이용하여 직렬 연결된 상태로 팩 케이스(210)내에 장착되어 있고, 단락 유도 부재(300)는 가장자리 단위 전지(101)의 우측과 팩 케이스(210)의 사이의 공간에 위치하고 있다.
가장자리 단위 전지(101)와 단락 유도 부재(300)은 소정의 간격으로 이격되어 있다. 단락 유도 부재(300)는 가장자리 단위 전지(110)의 우측면의 크기와 동일한 크기를 갖는 하우징 내에 와이어(310)와 가장자리 단위 전지(101)의 외부 입출력 단자들(111, 121)과 열린 회로를 구성하는 회로부(330)를 포함하는 구조로 구성되어 있다. 회로부(330)는 와이어(310)와 직접 연결되어 있는 스위치(331)와 스위치(331)와 가장자리 단위 전지(101)의 외부 입출력 단자들(111, 112)을 연결하는 케이블(332)을 포함한다.
와이어(310)는 침상 도체(500)의 관통 시 발생하는 힘을 감지하는 센서의 기능과 회로부(330)가 가장자리 단위 전지(101)의 외부 입출력 단자들(111, 112)과 닫힌 회로를 구성하도록 명령하는 제어부의 기능을 동시에 수행할 수 있다.
따라서, 와이어(310)는 침상 도체(500)의 관통 시 발생하는 힘의 크기를 감지하여 임계치 이상에서 절단되도록 인장되어 있고, 스위치(331)와 직접 연결되어 있다.
도 2에서와 같이 팩 케이스(210)를 관통한 침상 도체(500)는 가장자리 단위 전지(101)에 접촉하기 이전에 와이어(310)와 접촉하게 되고, 와이어(310)가 관통 시 발생하는 힘에 의해 끊어지는 경우에는 와이어(310)와 직접 연결되어 있는 스위치(331)가 작동하여 회로부(330)는 케이블(332) 가장자리 단위 전지(101)의 외부 입출력 단자들(111,112)과 닫힌 회로를 구성하게 된다.
닫힌 회로가 구성된 이후에, 도 3에서와 같이, 침상 도체(500)는 가장자리 단위 전지(101)를 관통하게 되고, 닫힌 회로로 대전류가 흐르게 되므로, 가장자리 단위 전지(101)와 침상 도체(500)간의 전류의 흐름을 크게 감소시킬 수 있다.
도 4 내지 도 6에는, 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3과 차이점은, 스프링(331a)이 절연판(310a)에 의해 구속된 상태를 유지하다가 침상도체(500)의 관통 시 절연판(310a)이 절단되면서, 스프링(331a)의 구속력이 해제되면서 인장된 스프링(331a)이, 케이블(332a) 가장자리 단위 전지(101)의 외부 입출력 단자들(111,112)과 닫힌 회로를 구성하게 된다는 점이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 둘 이상의 단위 전지들이 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스 내에 배열되어 있는 전지팩으로서, 가장자리에 배열되어 있는 단위 전지들 중의 적어도 하나의 단위 전지의 외면과 팩 케이스 사이에는 침상 도체의 관통 시 인가되는 힘에 의해 전지팩의 외부 입출력 단자들과 닫힌 회로를 구성하는 단락 유도 부재가 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 위치하는 구조의 전극 조립체를 셀 케이스 내에 내장하고 전해액으로 함침한 상태로 밀봉한 전지 셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지는 둘 이상의 전지 셀들을 전기적으로 연결한 전지 셀 조립체의 외면을 전극 단자들이 노출되도록 외장 커버로 감싼 구조의 단위 모듈인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위 전지는 둘 이상의 전지 셀 또는 단위 모듈들이 전기적으로 연결된 상태로 모듈 케이스 내에 배열되어 있는 전지모듈인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 유도 부재는, 침상 도체가 가장자리 단위 전지와 접촉하기 이전에 닫힌 회로를 구성하여, 침상 도체가 가장자리 단위 전지를 관통할 때에 침상 도체와 가장자리 단위 전지 간의 전류 크기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 유도 부재는, 하우징 내에 침상 도체의 관통 시 인가되는 힘을 감지하는 센서(sensor)와, 상기 센서로부터 감지된 힘의 크기가 임계치 이상일 경우 닫힌 회로를 구성하도록 하는 제어부, 및 상기 제어부의 신호에 따라 닫힌 회로를 구성하는 회로부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 센서 및 제어부는, 침상 도체의 관통 이전에는 회로부와 물리적으로 접촉되어 회로부의 작동을 구속하고, 침상 도체의 관통으로 인가되는 힘의 크기를 감지하여 임계치 이상에서 절단되어 회로부의 작동을 개시하는 구속부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 센서 및/또는 제어부는 기계적 또는 전기적으로 작동하는 센서 및/또는 제어부인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 구속부재는 침상 도체의 관통으로 인가되는 힘의 크기를 감지하여 임계치 이상에서 절단되는 선형부재와 판상부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 선형부재는 와이어와 고무줄을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 회로부는 구속부재와 연결되어 있는 스위치와 전지팩의 외부 입출력 단자와 전기적으로 연결하는 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 회로부는 구속부재와 연결되어 있는 도전성 탄성부재와 전지팩의 외부 입출력 단자와 전기적으로 연결하는 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 도전성 탄성부재는 스프링을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 구속부재는 단위 전지의 외면을 감싸도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 구속부재는 평행 배열 또는 격자 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 6 항에 있어서, 상기 센서는 진동 감지 센서이고, 상기 제어부는 진동 감지 센서와 전기적으로 연결되어 있는 제어 회로인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 6 항에 있어서, 상기 하우징은 외면이 밀폐된 부재인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 유도 부재는 가장자리 단위 전지의 일측면의 크기의 90 내지 110%의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 단락 유도 부재는 가장자리 단위 전지와 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 차량.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 차량.
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