KR20150049284A - 배터리의 과충전방지장치 - Google Patents

배터리의 과충전방지장치 Download PDF

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KR20150049284A KR1020130129610A KR20130129610A KR20150049284A KR 20150049284 A KR20150049284 A KR 20150049284A KR 1020130129610 A KR1020130129610 A KR 1020130129610A KR 20130129610 A KR20130129610 A KR 20130129610A KR 20150049284 A KR20150049284 A KR 20150049284A
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Abstract

본 발명은 배터리의 과충전방지장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 배터리셀 모듈(10)에서 배터리셀(16)의 팽창이 발생하면, 상기 배터리셀(16)의 팽창에 의한 힘을 활용하여 과충전을 방지하는 것이다. 이를 위해 배터리셀(16)의 팽창에 의한 이동을 만들어내는 셀연결구(42)가 있다. 상기 셀연결구(42)에는 구동구(38)가 상대 회전가능하게 연결되고, 상기 구동구(38)에는 연동구(34)가 연결된다. 상기 연동구(34)에는 종동구(44)가 상대 회전가능하게 연결되어 연동구(34)에 의한 연동구(34)의 회전이 종동구(44)가 상기 셀연결구(42)와 반대 방향으로의 이동을 만들어진다. 상기와 같은 구성을 가지는 셀연동기구(30)에 의해 통전구(48)가 이동하면서 연결편(50)이 전극단자(20)의 스위치부(22)가 오프되도록 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면 배터리의 과충전이 방지되어 안전한 배터리 사용이 가능하게 되고, 스위치부(22)가 온오프되는 방식이므로 배터리셀모듈(10)에서 배터리셀(16)을 제외한 나머지를 재활용할 수 있게 되는 이점이 있다.

Description

배터리의 과충전방지장치{Over-charging preventing apparatus for battery}
본 발명은 배터리의 과충전방지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과충전이 발생하는 경우에 배터리 셀모듈의 전극단자의 전기적 연결을 차단하도록 구성된 배터리의 과충전방지장치에 관한 것이다.
최근에 전기자동차가 상용화되고 있다. 전기자동차에서는 구동력을 제공하기 위한 모터를 구동하는 전원으로서 고전압의 배터리가 사용된다. 이러한, 고전압의 배터리에서는 다수개의 배터리 셀모듈을 연결하여 고전압을 발생시키고, 이를 이용하여 높은 전력을 발생시킨다.
상기 배터리 셀모듈은 각형 또는 파우치형 전지를 포함하여 만들어지는데, 이는 높은 집적도로 적층될 수 있기 때문이다. 배터리를 구성하는 배터리팩의 단위전지, 즉 배터리셀로는 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬이온전지가 많이 사용된다. 하지만, 리튬이온전지는 안정성이 낮다는 문제점이 있는데, 특히 파우치형 전지의 경우 밀봉부가 분리되었을 때, 전해액이 누설되어 화재의 위험이 있다.
그리고, 이와 같은 전지에서는 과충전이 발생하면, 전압이 상승하게 되고, 과열로 인해 배터리셀 내부의 전해액이 분해되어 가연성 가스가 내부에서 발생되어 파우치가 팽창되는 스웰링현상이 발생하게 된다. 스웰링현상이 발생하게 되면 배터리의 발화 및 폭발위험이 있다.
따라서, 배터리가 과충전되어 스웰링 현상이 발생하였을 때, 배터리의 전원을 강제적으로 차단하도록 하고 있다.
대한민국 등록특허 제 10- 1294168 호 대한민국 등록특허 제 10- 1294175 호
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기자동차에서 사용하는 배터리의 충전시에 과충전이 발생하면 배터리셀의 전극단자를 통한 통전을 차단하도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전기자동차에서 사용되는 배터리셀에서 과충전이 발생하였을 때, 배터리셀만을 교체하여 배터리셀 모듈을 사용할 수 있도록 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 과충전시에 배터리셀의 셀몸체가 팽창되는 힘에 의해 구동되는 셀연동기구와, 상기 셀연동기구에 의해 구동되고 도전성재질로 만들어진 연결편이 구비된 통전구와, 상기 배터리셀의 전극단자에 구비되는 것으로 상기 연결편이 내부에 진입하여 전기적 연결을 수행하고 상기 연결편이 빠져나감에 의해 전기적 연결을 차단하는 스위치부를 포함한다.
상기 스위치부는 상기 배터리셀의 전극단자에 구비되는 것으로, 상기 배터리셀의 셀몸체측과 연결되는 본체연결부와 상기 본체연결부와 마주보고 상기 전극단자의 끝부분과 연결되는 단자연결부가 서로 마주보게 설치되어 구성된다.
상기 스위치부를 구성하는 본체연결부와 단자연결부의 서로 대응되는 면에는 접촉돌기가 돌출되어 형성된다.
상기 접촉돌기는 상기 연결편이 이동되는 방향으로 길게 연장되고 다수개가 나란히 배치된다.
상기 셀연동기구는 상기 배터리셀의 팽창에 의해 이동되는 셀연결구와, 상기 셀연결구와 제2구동연결축에 의해 상대 회전가능하게 연결되는 구동구와, 상기 구동구와 제1구동연결축에 의해 상대 회전가능하게 연결되고 구동중심축을 중심으로 회전되는 연동구와, 상기 연동구와 제1종동연결축에 의해 상대회전가능하게 연결되고 상기 통전구와 제2종동연결축에 의해 상대 회전가능하게 연결되는 종동구를 포함한다.
상기 셀연결구의 일측 가장자리, 상기 구동구, 연동구 및 종동구의 양측 가장자리를 따라서는 상기 제1 및 제2 구동 및 종동연결축들이 결합되는 축결합부가 형성된다.
상기 통전구는 몸체판의 일측 가장자리에 축결합부가 형성되고, 상기 축결합부가 형성된 반대쪽 가장자리에는 직교판이 몸체판에 직교하게 형성되며, 상기 직교판에 상기 연결편이 구비된다.
본 발명에 의한 배터리의 과충전 방지장치에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 배터리셀의 전극단자의 통전을 통전구가 담당하는데, 상기 통전구의 연결편이 전극단자의 스위치부 사이에 위치하고 있다가, 과충전이 발생하면 스위치부 사이에서 연결편이 빠져나오도록 구성하였다. 따라서, 과충전시에 스위치부 사이에서 통전구의 연결편이 빠져나오면, 더 이상의 충전이 방지되어 배터리의 안정성이 높아지는 효과가 있다.
그리고, 전극단자의 통전을 다시 유지시키기 위해서는 통전구의 연결편이 스위치부 사이로 들어가도록 하면 되므로, 배터리셀 모듈에서 배터리셀을 제외한 나머지 구성요소들은 그대로 재사용할 수 있게 되는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 배터리 과충전 방지장치의 바람직한 실시례가 적용된 배터리 셀모듈을 보인 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀모듈의 구성을 보인 분해사시도.
도 3은 본 발명 실시례의 요부구성을 보인 부분단면사시도.
도 4는 본 발명 실시례를 구성하는 스위치부의 구성을 보인 사시도.
도 5는 본 발명 실시례를 구성하는 셀연동기구의 구성을 보인 사시도.
도 6은 본 발명 실시례에서 통전구의 연결편에 의해 스위치부가 통전되는 상태를 보인 동작상태도.
이하, 본 발명에 의한 배터리의 과충전방지장치의 바람직한 실시례를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도면들에 도시된 바에 따르면, 배터리셀 모듈(10)은 배터리를 구성하는 것으로, 다수개의 배터리셀 모듈(10)이 적층되어 배터리를 구성한다. 상기 배터리셀 모듈(10)이 적층되는 갯수에 따라 배터리의 용량이 달리된다.
상기 배터리셀 모듈(10)의 구성을 살펴보면, 아웃케이스(12)는 배터리셀 모듈(10)의 외면을 형성하는 것으로 대략 판형상이고, 내부에 관통된 관통부(12')가 있다. 상기 관통부(12')에 의해 상기 아웃케이스(12)는 사각형의 프레임 형태로 된다.
상기 아웃케이스(12)와 대응되게 인너케이스(14)가 있다. 상기 인너케이스(14)의 형상도 상기 아웃케이스(12)의 형상과 비슷하게 만들어진다. 상기 인너케이스(14)에도 관통부(14')가 형성되어, 관통부(14')에 의해 인너케이스(14)도 사각형의 프레임 형태로 된다.
상기 아웃케이스(12)와 인너케이스(14)의 사이에 배터리셀(16)이 설치된다. 상기 배터리셀(16)은 하나의 배터리셀 모듈(10)에 2개가 있는데, 각각의 배터리셀(16)은 아웃케이스(12)와 인너케이스(14)의 사이에 위치되고, 상기 인너케이스(14)가 서로 인접하게 되어 하나의 배터리셀 모듈(10)을 형성한다. 따라서, 배터리셀 모듈(10)은 양측에 아웃케이스(12)가 있고, 상기 아웃케이스(12)의 내면쪽에 각각 배터리셀(16)이 있고, 상기 배터리셀(16)의 사이에 2개의 인너케이스(14)가 위치된다. 이와 같은 구성은 도 2나 도 3에서 잘 알 수 있다.
상기 배터리셀(16)은 내부에 전해액이 채워져 있는 셀몸체(18)와 2개의 전극단자(20,20')로 구성된다. 상기 셀몸체(18)는 대략 납작한 육면체 형상으로 된다. 상기 셀몸체(18)는 내부의 전해액의 상태에 따라 어느 정도 늘어날 수 있는 재질로 만들어진다. 상기 전극단자(20,20')는 하나의 배터리셀(16)에 각각 2개씩이 있다. 상기 전극단자(20,20')의 위치는 상기 셀몸체(18)의 측면 가장자리라면 어디라도 상관없다. 본 실시례에서는 상기 전극단자(20,20')는 서로 반대되는 측면에 구비되어 있다.
상기 전극단자(20)중 일측에는 스위치부(22)가 있다. 상기 스위치부(22)는 아래에서 설명될 셀연동기구(30)에 의해 온오프된다. 상기 스위치부(22)는 상기 셀몸체(18)에서 연장된 전극단자(20)의 일측에 있는 것으로, 상기 셀몸체(18)와 전극단자(20)의 끝부분 중간 쯤에 있다.
상기 스위치부(22)는 상기 셀몸체(18)에 연결된 본체연결부(24)와 상기 전극단자(20) 끝부분쪽과 연결된 단자연결부(25)가 소정의 간격, 즉 삽입공간(26)을 두고 마주보게 설치되어 구성된다. 상기 단자연결부(25)는 상기 인너케이스(14)의 일측에 고정될 수 있다.
상기 본체연결부(24)와 단자연결부(25)의 서로 마주보는 면에는 접촉돌기(28)들이 돌출되어 있다. 상기 접촉돌기(28)는 반드시 구비되어야 하는 것은 아니나, 아래에서 설명될 통전구(48)의 연결편(50)과의 전기적 접촉이 보다 확실하게 되도록 하기 위해서 필요한 것이다. 본 실시례에서는 본체연결부(24)와 단자연결부(25) 각각에 연결편(50)의 삽입방향으로 길게 연장되게 다수개가 나란히 배치된다.
다음으로, 상기 배터리셀(16)의 팽창에 의한 힘으로 구성되어 상기 스위치부(22)를 온오프시키는 셀연동기구(30)의 구성을 설명한다. 셀연동기구(30)는 상기 배터리셀(16)의 셀몸체(18)가 팽창함에 의해 구동되는 것이다.
상기 셀연동기구(30)에는 구동중심축(32)을 중심으로 회전되게 연동구(34)가 있다. 상기 연동구(34)는 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 대략 납작한 사각형의 판형상이고, 양측 가장자리를 따라서 다수개의 축결합부(34')가 형성되어 있다. 상기 축결합부(34')는 횡단면이 'C'자 형상으로 된 것이다. 상기 축결합부(34')는 상기 연동구(34)의 가장자리를 따라 소정의 간격을 두고 다수개가 형성되어 있다. 이들 축결합부(34')의 내경은 아래에서 설명될 제1구동연결축(36)과 제1종동연결축(37)의 외경보다는 약간 크게 형성되어 연동구(34)의 회전이 원활하게 되도록 한다.
상기 연동구(34) 양측의 축결합부(34')에는 각각 제1구동연결축(36)과 제1종동연결축(37)이 설치되어, 이들을 중심으로 연동구(34)와 구동구(38), 연동구(34)와 종동구(44)가 상대회전할 수 있다.
상기 제1구동연결축(36)은 상기 연동구(34)의 축결합부(34')에 끼워짐과 동시에 구동구(38)의 축결합부(38')에도 끼워진다. 상기 구동구(38)는 상기 연동구(34)와 유사한 형상을 가지는 것이다. 즉, 상기 구동구(38)도 대략 납작한 사각형 판형상이고, 양측 가장자리를 따라 다수개의 축결합부(38')가 형성되어 있다. 상기 축결합부(38')는 상기 연동구(34)의 축결합부(34')와 교대로 형성되어 상기 제1구동연결축(36)이 결합되도록 한다.
상기 구동구(38)의 일측 가장자리에 형성된 축결합부(38')에는 상기 제1구동연결축(36)이 끼워지고, 반대쪽의 축결합부(38')에는 제2구동연결축(40)이 끼워진다. 이들 제1구동연결축(36)과 제2구동연결축(40)을 중심으로 연동구(34)와 셀연결구(42)가 상대회전하게 된다.
상기 제2구동연결축(40)에는 상기 배터리셀(16)에 연결된 셀연결구(42)의 축결합부(42')가 결합된다. 상기 셀연결구(42)는 상기 배터리셀(16)과 일체로 이동되는 부분이다. 즉, 상기 배터리셀(16)이 팽창되면 상기 양측의 인너케이스(16) 사이의 공간쪽으로 이동하게 된다. 상기 셀연결구(42)가 상기 배터리셀(16)에 반드시 연결되어야 하는 것은 아니고, 밀착되어 있다가 배터리셀(16)이 팽창하면 밀리도록 될 수도 있다. 상기 셀연결구(42)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 인접한 배터리셀(16)의 셀몸체(18) 사이에 위치되어 적어도 어느 일측 셀몸체(18)에 연결되면 된다.
상기 제1종동연결축(37)에 결합되어 상대 회전되게 종동구(44)가 있다. 상기 종동구(44)도 역시 상기 연동구(34)나 구동구(38)와 유사한 형상을 가진다. 상기 종동구(44)의 양측 가장자리를 따라서도 각각 축결합부(44')가 구비된다. 상기 축결합부(44')중 일측 가장자리의 것이 상기 제1종동연결축(37)에 결합되고, 타측 가장자리의 것이 제2종동연결축(46)에 결합된다.
한편, 상기 제2종동연결축(46)에는 통전구(48)가 상대 회전 가능하게 연결된다. 상기 통전구(48)는 상기 제2종동연결축(46)과의 체결을 위해 축결합부(48')를 구비한다. 상기 축결합부(48')의 형상은 위에서 설명된 연동구(34), 구동구(38), 종동구(44)의 축결합부(34',38',44')와 같은 형상이다.
상기 통전구(48)에는 몸체판(49)이 있다. 상기 몸체판(49)은 대략 판형상이다. 상기 몸체판(49)에서 상기 축결합부(48')가 형성된 반대쪽에는 직교판(49')이 형성되어 있다. 상기 직교판(49')은 상기 몸체판(49)의 일단부에 직교하게 형성되어 있다.
상기 직교판(49')을 정면에서 볼 때, 도면을 기준으로 직교판(49')의 하단부에 치우쳐서 연결편(50)이 있다. 상기 연결편(50)은 일측 배터리셀(16)의 전극단자(20)에 있는 스위치부(22)의 위치와 대응되도록 하기 위해 상기 직교판(49')의 일측으로 치우쳐서 형성된다. 상기 연결편(50)은 도전성재질로 만들어진다. 물론, 상기 통전구(48) 전체가 도전성재질로 만들어질 수 있다. 하지만, 최소한 상기 연결편(50)은 도전성 재질로 만들어져야 스위치부(22)의 온오프를 수행할 수 있다.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 배터리의 과충전방지장치가 동작되는 것을 상세하게 설명한다.
본 발명에서 배터리가 충전되고 방전되는 과정에서는 상기 스위치부(22)에 상기 연결편(50)이 삽입되어 있다. 상기 연결편(50)이 상기 삽입공간(26)에 삽입되어 상기 본체연결부(24) 및 단자연결부(25)의 접촉돌기(28)들과 접촉되어 상기 본체연결부(24)와 단자연결부(25) 사이가 전기적으로 연결되도록 하는 것이다. 이와 같은 상태가 도 6에 도시되어 있다.
한편, 배터리를 충전하는 과정에서 과충전이 발생할 수 있다. 이 경우에는 상기 배터리셀(16)의 셀몸체(18)가 팽창하게 된다. 상기 셀몸체(18)는 상기 아웃케이스(12)쪽으로는 다수개의 배터리셀 모듈(10)이 적층되어 있어 팽창할 수 없고, 상기 셀연동기구(30)가 설치되어 있는 인너케이스(14) 사이의 공간으로는 팽창할 수 있다.
상기 셀몸체(18)가 팽창하게 되면, 상기 셀몸체(18)에 연결되어 있는 셀연결구(42)가 상기 통전구(48) 방향(도 6의 화살표 A방향)으로 이동하게 된다. 이와 같은 셀연결구(42)의 이동은 상기 구동구(38)를 화살표a 방향으로 이동하게 한다. 상기 구동구(38)의 화살표a 방향 이동은 상기 연동구(34)가 구동중심축(32)을 중심으로 시계방향으로 회전되게 한다.
상기 연동구(34)의 회전은 상기 종동구(44)가 화살표b 방향으로 이동하게 한다. 상기 종동구(44)의 이동은 상기 통전구(48)를 같은 방향으로 이동되게 한다. 따라서, 상기 통전구(48)의 이동은 상기 연결편(50)이 상기 스위치부(22)의 삽입공간(26)에서 빠져나오도록 한다. 따라서, 상기 스위치부(22)가 오프되면서 더 이상 충전이 이루어지지 않게 된다.
한편, 배터리셀(16)에 과충전이 발생하여 셀몸체(18)가 팽창하게 되면, 위에서와 같이 셀연동기구(30)가 동작하여 스위치부(22)가 오프되는데, 더 이상의 충전은 일어나지 않게 되지만, 해당되는 배터리셀(16)은 더 이상 사용할 수 없게 된다 따라서, 팽창되었던 배터리셀(16)을 제거하고 새로운 배터리셀(16)을 넣게 되면 배터리셀 모듈(10)의 재사용이 가능하게 된다. 이때, 상기 셀연동기구(30)는 셀연결구(42)만이 배터리셀(16)과 함께 교체된다.
그리고, 상기 셀연동기구(30)에서 상기 통전구(48)의 연결편(50)이 상기 스위치부(22)의 삽입공간(26)에 삽입되어 상기 스위치부(22)를 온시키면 배터리셀 모듈(10)의 사용이 가능한 상태가 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 도시된 실시례에서는 상기 셀연동기구(30)가 다수개의 연결축으로 연결된 연동구(34), 구동구(38) 및 종동구(44)를 포함하여 구성되나, 반드시 이들만으로 구성될 필요는 없고, 다양한 구성에 의해 상기 통전구(48)를 전후진시킬 수 있다. 즉, 배터리셀(16)의 팽창에 의해 통전구(48)의 연결편(50)이 배터리셀(16)쪽으로 이동하여 스위치부(22)를 오프시킬 수 있으면 된다.
10: 배터리셀 모듈 12: 아웃케이스
12': 관통부 14: 인너케이스
14': 관통부 16: 배터리셀
18: 셀몸체 20,20': 전극단자
22: 스위치부 24: 본체연결부
25: 단자연결부 26: 삽입공간
28: 접촉돌기 30: 셀연동기구
32: 구동중심축 34: 연동구
34': 축결합부 36: 제1구동연결축
37: 제1종동연결축 38: 구동구
38': 축결합부 40: 제2구동연결축
42: 셀연결구 42': 축결합부
44: 종동구 44': 축결합부
46: 제2종동연결축 48: 통전구
48': 축결합부 49: 몸체판
49': 직교판 50: 연결편

Claims (7)

  1. 과충전시에 배터리셀의 셀몸체가 팽창되는 힘에 의해 구동되는 셀연동기구와,
    상기 셀연동기구에 의해 구동되고 도전성재질로 만들어진 연결편이 구비된 통전구와,
    상기 배터리셀의 전극단자에 구비되는 것으로 상기 연결편이 내부에 진입하여 전기적 연결을 수행하고 상기 연결편이 빠져나감에 의해 전기적 연결을 차단하는 스위치부를 포함하는 배터리의 과충전방지장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치부는 상기 배터리셀의 전극단자에 구비되는 것으로, 상기 배터리셀의 셀몸체측과 연결되는 본체연결부와 상기 본체연결부와 마주보고 상기 전극단자의 끝부분과 연결되는 단자연결부가 서로 마주보게 설치되어 구성되는 배터리의 과충전방지장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위치부를 구성하는 본체연결부와 단자연결부의 서로 대응되는 면에는 접촉돌기가 돌출되어 형성되는 배터리의 과충전방지장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 접촉돌기는 상기 연결편이 이동되는 방향으로 길게 연장되고 다수개가 나란히 배치되는 배터리의 과충전방지장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀연동기구는,
    상기 배터리셀의 팽창에 의해 이동되는 셀연결구와,
    상기 셀연결구와 제2구동연결축에 의해 상대 회전가능하게 연결되는 구동구와,
    상기 구동구와 제1구동연결축에 의해 상대 회전가능하게 연결되고 구동중심축을 중심으로 회전되는 연동구와,
    상기 연동구와 제1종동연결축에 의해 상대회전가능하게 연결되고 상기 통전구와 제2종동연결축에 의해 상대 회전가능하게 연결되는 종동구를 포함하는 배터리의 과충전방지장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 셀연결구의 일측 가장자리, 상기 구동구, 연동구 및 종동구의 양측 가장자리를 따라서는 상기 제1 및 제2 구동 및 종동연결축들이 결합되는 축결합부가 형성되는 배터리의 과충전방지장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통전구는 몸체판의 일측 가장자리에 축결합부가 형성되고, 상기 축결합부가 형성된 반대쪽 가장자리에는 직교판이 몸체판에 직교하게 형성되며, 상기 직교판에 상기 연결편이 구비되는 배터리의 과충전방지장치.
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