KR20150099193A - 이차 전지 모듈 - Google Patents

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한민열
변상원
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 측면은 단위 전지셀들을 병렬로 연결하면서 안전성을 높이는 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 복수의 단위 전지셀들, 및 상기 단위 전지셀들을 병렬로 연결하는 버스바를 포함하며, 상기 단위 전지셀은 전극 조립체를 내장하는 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트, 셀 퓨즈를 개재하여 상기 전극 조립체에 연결되는 리드탭, 상기 리드탭에 연결되어 상기 캡 플레이트를 관통 설치되는 제1전극단자와 제2전극단자, 및 상기 제2전극단자에 전기적으로 연결되는 상기 캡 플레이트의 단락홀을 밀폐하는 맴브레인과 상기 제1전극단자에 전기적으로 연결되는 커넥션 플레이트를 포함하는 외부 단락부를 포함하고, 상기 버스바는 이웃하는 상기 제2전극단자를 서로 다른 저항값으로 연결하는 2개 전류 경로 중 한 전류 경로에 외부 퓨즈를 개재하며, 상기 외부 퓨즈의 저항값은, 상기 셀 퓨즈의 저항값보다 더 크다.

Description

이차 전지 모듈 {RECHARGEABLE BATTERY MODULE}
본 기재는 외부 단락부와 셀 퓨즈를 가지는 단위 전지셀들을 병렬로 연결하는 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 일차 전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
이차 전지는 소형 전자기기에서와 같이 단일 전지셀로 사용되거나, 모터 구동용에서와 같이 복수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 모듈 상태로 사용될 수 있다. 이차 전지 모듈은 단위 전지셀들의 전극단자를 버스바로 연결하여 형성된다.
단위 전지셀은 전극 조립체를 전극단자에 연결하는 리드탭에 셀 퓨즈를 구비한다. 셀 퓨즈는 과전류에 의하여 멜팅되어 끊어짐으로써 과충전 및 과전류로부터 단위 전지셀의 발화 및 폭발을 방지할 수 있다.
단위 전지셀은 전극 조립체에 충전되어 있는 전류를 방전시키도록 전극 조립체의 외부에서 맴브레인을 커넥션 플레이트에 단락시키도록 구성되는 외부 단락부를 구비한다. 외부 단락부는 단위 전지셀의 내부 압력 상승시, 전극 조립체의 외부에서 음극과 양극을 단락시켜 전극 조립체에 충전되어 있는 전류를 방전시킨다.
이차 전지 모듈은 버스바를 이용하여 복수의 단위 전지셀들을 병렬로 연결하여 구성될 수 있다. 이 경우, 단위 전지셀들에 구비된 셀 퓨즈들이 병렬로 연결되어 전류 용량이 증가됨에 따라 셀 퓨즈가 멜팅되어 끊어지는 전류량이 높아진다. 즉 셀 퓨즈가 멜팅되어 끊어지는 전류량은 외부 단락부의 단락 후 맴브레인과 커넥션 플레이트가 멜팅되어 끊어지는 전류량보다 더 높아 질 수 있다.
따라서 맴브레인이 커넥션 플레이트에 단락된 후 멜팅되어 끊어지는(membrane malfunction) 시간보다 셀 퓨즈가 멜팅되어 끊어지는 시간이 더 지연될 수 있고, 이로 인하여 단위 전지셀 및 이차 전지 모듈의 안전성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 측면은 단위 전지셀들을 병렬로 연결하면서 안전성을 높이는 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면은 외부 단락부의 맴브레인이 커넥션 플레이트에 단락된 후 멜팅되어 끊어지기 전에 버스바의 외부 퓨즈 및 단위 전지셀 내의 셀 퓨즈가 순차적으로 멜팅되어 끊어지게 하여, 단위 전지셀들의 병열 연결을 끊을 수 있는 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 복수의 단위 전지셀들, 및 상기 단위 전지셀들을 병렬로 연결하는 버스바를 포함하며, 상기 단위 전지셀은 전극 조립체를 내장하는 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트, 셀 퓨즈를 개재하여 상기 전극 조립체에 연결되는 리드탭, 상기 리드탭에 연결되어 상기 캡 플레이트를 관통 설치되는 제1전극단자와 제2전극단자, 및 상기 제2전극단자에 전기적으로 연결되는 상기 캡 플레이트의 단락홀을 밀폐하는 맴브레인과 상기 제1전극단자에 전기적으로 연결되는 커넥션 플레이트를 포함하는 외부 단락부를 포함하고, 상기 버스바는 이웃하는 상기 제2전극단자를 서로 다른 저항값으로 연결하는 2개 전류 경로 중 한 전류 경로에 외부 퓨즈를 개재하며, 상기 외부 퓨즈의 저항값은, 상기 셀 퓨즈의 저항값보다 더 크다.
상기 버스바는 상기 한 전류 경로를 형성하도록 제1저항값의 외부 퓨즈를 개재하여 이웃하는 상기 제2전극단자를 연결하는 제1연결부재, 및 2개 전류 경로 중 다른 전류 경로를 형성하도록 상기 제1저항값보다 큰 제2저항값을 가지고 이웃하는 상기 제2전극단자를 연결하는 제2연결부재를 포함할 수 있다.
상기 제1연결부재는 상기 제2전극단자 상에 용접되는 복수의 용접 플레이트를 포함하고, 상기 외부 퓨즈는 복수의 상기 용접 플레이트를 서로 연결할 수 있다.
상기 제2연결부재는 플레이트로 형성되어 상기 용접 플레이트 상에 용접될 수 있다.
상기 제2전극단자는 상기 캡 플레이트의 단자홀에 설치되는 리벳 터미널, 상기 캡 플레이트의 내측에서 상기 리벳 터미널에 일체로 넓게 형성되는 플랜지, 및 상기 캡 플레이트의 외측에 배치되어 상기 리벳 터미널에 연결되는 플레이트 터미널을 포함하며, 상기 용접 플레이트 상기 플레이트 터미널에 용접될 수 있다.
상기 제1연결부재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다. 상기 제2연결부재는 강 또는 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다.
상기 외부 퓨즈는 상기 단위 전지셀들의 개수보다 하나 더 적은 개수로 형성되어 이웃하는 단위 전지셀들 사이에 대응하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀 퓨즈가 구비된 단위 전지셀을 외부 퓨즈가 구비되어 2개 전류 경로를 형성하는 버스바로 연결하고, 외부 퓨즈의 저항값이 셀 퓨즈의 저항값보다 더 크게 설정되므로 외부 단락부가 구비된 단위 전지셀들이 병렬로 연결된 이차 전지 모듈의 안전성이 높아질 수 있다.
즉 본 발명의 일 실시예는 외부 단락부의 맴브레인이 커넥션 플레이트에 단락된 후 멜팅되어 끊어지기 전에 버스바에 구비된 외부 퓨즈가 먼저 멜팅되어 끊어지고 이어서 단위 전지셀의 내부에 구비된 셀 퓨즈가 멜팅되어 끊어지게 되므로 외부 단락부가 단락된 상태에서 단위 전지셀들의 병열 연결을 끊을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1의 이차 전지 모듈에 적용되는 버스바의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 이차 전지 모듈에 적용되는 단위 전지셀의 사시도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 1의 이차 전지 모듈의 회로도이다.
도 7은 도 6에서 외부 단락부의 맴브레인이 단락된 상태에서 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.
도 8은 도 7의 상태에 이어 버스바에 구비된 외부 퓨즈가 끊어진 상태에서 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 1의 이차 전지 모듈에 적용되는 버스바의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예의 이차 전지 모듈은 이차 전지로 이루어지는 단위 전지셀들(100), 및 이웃하여 배치되는 단위 전지셀들(100)을 병렬로 서로 연결하는 제1버스바(150)와 제2버스바(160)를 포함한다.
이차 전지 모듈은 단위 전지셀들(100)을 2개 이상 구비하여 병렬로 연결하여 형성될 수 있으며, 편의상, 본 실시예는 3개의 단위 전지셀들(100)을 제1, 제2버스바(150, 160)로 병렬 연결하여 이차 전지 모듈을 형성하고 있다.
제1버스바(150)는 단위 전지셀들(100)의 제1전극단자들(21)을 전기적으로 서로 연결하고, 제2버스바(160)는 단위 전지셀들(100)의 제2전극단자들(22)을 전기적으로 서로 연결한다.
편의상, 이하에서 제1전극단자(21)를 음극단자라 하고, 제2전극단자(22)를 양극단자라 한다. 제1버스바(150)는 이웃하는 음극단자들(21)을 연결하는 1개의 전류 경로를 형성한다.
이에 비하여, 제2버스바(160)는 이웃하는 양극단자들(22)을 2개의 전류 경로(P1, P2)로 연결하도록 구성된다. 2개의 전류 경로(P1, P2)는 서로 다른 저항값을 가진다. 즉 제2버스바(160)는 2개 전류 경로(P1, P2) 중 한 전류 경로(P1)에 외부 퓨즈(163)를 구비한다.
예를 들면, 외부 퓨즈(163)를 구비한 전류 경로(P1)의 저항값은 외부 퓨즈(163)를 구비하지 않은 전류 경로(P2)의 저항값보다 낮다. 따라서 양극단자들(22)에서 방전 및 충전되는 전류 중 설정치 이상의 전류량은 외부 퓨즈(163)를 통하여 흐른다. 외부 퓨즈(163)를 구비하지 않는 전류 경로(P2)의 저항값은 제1버스바(150)의 저항값과 동일할 수도 있다.
도 4는 도 1의 이차 전지 모듈에 적용되는 단위 전지셀의 사시도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 단위 전지셀(100)은 전류를 충전 및 방전하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 내장하는 케이스(15), 케이스(15)의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트(20), 전극 조립체(10)에 연결되는 제1, 제2 리드탭(51, 52)(이하에서, 편의상, "음, 양극 리드탭"이라 한다), 음, 양극 리드탭(51, 52)에 연결되고 캡 플레이트(20)에 관통 설치되는 음, 양극단자(21, 22), 및 음극단자(21) 측에 구비되는 외부 단락부(40)를 포함한다.
예를 들면, 전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(13)의 양면에 제1전극(이하, "음극"이라 한다)(11)과 제2전극(이하, "양극"이라 한다)(12)을 배치하고, 음극(11), 세퍼레이터(13) 및 양극(12)을 젤리롤 상태로 귄취하여 형성된다.
음극(11) 및 양극(12)은 각각 금속박의 집전체에 활물질을 도포한 코팅부(11a, 12a), 및 활물질을 도포하지 않아서 노출된 집전체로 형성되는 무지부(11b, 12b)를 포함한다.
음극(11)의 무지부(11b)는 권취되는 음극(11)을 따라 음극(11)의 한 쪽 단부에 형성된다. 양극(12)의 무지부(12b)는 권취되는 양극(12)을 따라 양극(12)의 한 쪽 단부에 형성된다. 무지부들(11b, 12b)은 전극 조립체(10)의 양 단부에 각각 배치된다.
예를 들면, 케이스(15)는 내부에 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 공간을 설정하도록 대략 직육면체로 이루어지며, 외부와 내부 공간을 연결하는 개구를 직육면체의 일면에 형성한다. 개구는 전극 조립체(10)를 케이스(15)의 내부로 삽입할 수 있게 한다.
캡 플레이트(20)는 케이스(15)의 개구에 설치됨으로써 케이스(15)를 밀폐한다. 예를 들면, 케이스(15)와 캡 플레이트(20)는 동일 재질인 알루미늄으로 형성되어, 서로 견고하게 용접될 수 있다.
또한, 캡 플레이트(20)는 전해액 주입구(29)와 벤트홀(24) 및 단자홀(H1, H2)을 구비한다. 전해액 주입구(29)는 케이스(15)에 캡 플레이트(20)를 결합한 후, 케이스(15)의 내부로 전해액을 주입할 수 있게 한다. 전해액 주입 후, 전해액 주입구(29)는 밀봉 마개(27)로 밀봉된다.
벤트홀(24)은 단위 전지셀(100)의 내부 압력을 배출할 수 있도록 용접되는 벤트 플레이트(25)로 밀폐된다. 단위 전지셀(100)의 내부 압력이 설정 압력에 이르면, 벤트 플레이트(25)가 절개되어 벤트홀(24)을 개방한다. 벤트 플레이트(25)는 절개를 유도하는 노치(25a)를 가진다.
음극단자(21) 및 양극단자(22)는 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 설치되고, 음, 양극 리드탭(51, 52)을 통하여 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결된다. 즉 음극단자(21)는 전극 조립체(10)의 음극(11)에 전기적으로 연결되고, 양극단자(22)는 전극 조립체(10)의 양극(12)에 전기적으로 연결된다. 따라서 전극 조립체(10)는 음극단자(21) 및 양극단자(22)를 통하여 케이스(15)의 외부로 인출된다.
음극단자(21)와 양극단자(22)는 캡 플레이트(20)의 내측에서 서로 동일 구조를 형성하므로 동일 구조에 대하여 함께 설명하고, 캡 플레이트(20)의 외측에서 서로 다른 구조를 형성하므로 다른 구조에 대하여 각각 별도로 설명한다.
음, 양극단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 각각 설치되는 리벳 터미널(21a, 22a), 캡 플레이트(20)의 내측에서 리벳 터미널(21a, 22a)에 일체로 넓게 형성되는 플랜지(21b, 22b), 및 캡 플레이트(20)의 외측에 배치되어 리벳 터미널(21a, 22a)에 리벳팅 또는 용접으로 연결되는 플레이트 터미널(21c, 22c)을 포함한다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 음, 양극단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2) 내면 사이에 각각 설치되어, 음, 양극단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20) 사이를 실링하고 전기적으로 절연한다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 플랜지(21b, 22b)와 캡 플레이트(20)의 내면 사이에 더 연장 설치되어, 플랜지(21b, 22b)와 캡 플레이트(20) 사이를 더 실링하고 전기적으로 절연한다. 즉 음, 양극 개스킷(36, 37)은 캡 플레이트(20)에 음, 양극단자(21, 22)를 설치함으로써 단자홀(H1, H2)을 통하여 전해액이 새는 것(leak)을 방지한다.
음, 양극 리드탭(51, 52)은 대략 직각으로 절곡되는 일측에 형성되는 집전부(511, 521)와 집전부(511, 521)에 이어지는 연결부(512, 522)를 구비한다. 연결부(512, 522)는 음, 양극단자(21, 22)에 전기적으로 연결되고, 집전부(511, 521)는 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)에 전기적으로 연결된다.
즉 음, 양극 리드탭(51, 52)의 연결부(512, 522)를 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 결합하여 하단을 코킹(caulking)함으로써, 음, 양극 리드탭(51, 52)의 연결부(512, 522)는 플랜지(21b, 22b)에 지지되면서 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 연결된다.
또한, 양극 리드탭(52)은 연결부(522)에 셀 퓨즈(523)를 구비한다. 셀 퓨즈(523)는 연결부(522)보다 좁은 통로로 형성되어 양극(12)에 연결되는 집전부(521)에서 연결부(522)로 흐르는 전류를 단속할 수 있다. 즉 셀 퓨즈(523)가 멜팅되어 끊어지면, 단위 전지셀(100)의 전극 조립체(10)에서 양극단자(22)로 더 이상 전류가 흐르지 않게 된다.
외부 퓨즈(163)의 저항값은 셀 퓨즈(523)의 저항값보다 더 크게 설정된다. 따라서 단위 전지셀(100)의 외부 단락부(40)가 단락 작동되면, 외부 퓨즈(163)가 먼저 멜팅되어 끊어지고 이어서 셀 퓨즈(523)가 멜팅되어 끊어질 수 있다. 따라서 외부 단락부(40)가 단락된 상태를 유지하면서 단위 전지셀들(100)의 병렬 연결이 끊어질 수 있다.
즉 외부 단락부(40)가 단락 작동되고 단위 전지셀들(100)의 병렬 연결이 끊어지는 동안 외부 단락부(40)가 단락 작동된 단위 전지셀(100)의 전극 조립체(10)에 충전된 전류가 셀 퓨즈(523)를 통하여 양극단자(22)로 방전되고, 이때, 외부 퓨즈(163)가 멜팅되어 끊어진 후 양극 리드탭(52)에 구비된 셀 퓨즈(523)가 멜팅되어 끊어질 수 있다.
음, 양극 절연부재(61, 62)는 음, 양극 리드탭(51, 52)의 연결부(512, 522)와 캡 플레이트(20) 사이에 각각 설치되어, 음, 양극 리드탭(51, 52)의 연결부(512, 522)와 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다.
또한, 음, 양극 절연부재(61, 62)는 일측으로 캡 플레이트(20)에 결합되고 다른 일측으로 음, 양극 리드탭(51, 52)의 연결부(512, 522)와 리벳 터미널(21a, 22a) 및 플랜지(21b, 22b)를 감싸므로 이들의 연결 구조를 안정시킨다.
한편, 음극단자(21)의 플레이트 터미널(21c)과 관련하여 외부 단락부(40)에 대하여 설명하고, 양극단자(22)의 플레이트 터미널(22c)과 관련하여 탑 플레이트(46)에 대하여 설명한다.
음극단자(21) 측의 외부 단락부(40)는 단위 전지셀(100)의 내부 압력에 따라 이격 또는 단락되도록 배치되는 커넥션 플레이트(41)와 맴브레인(43)를 포함한다. 커넥션 플레이트(41)는 음극단자(21)의 리벳 터미널(21a)에 전기적으로 연결되어 절연부재(31)를 개재하여 캡 플레이트(20)의 외측에 배치된다.
절연부재(31)는 커넥션 플레이트(41)와 캡 플레이트(20) 사이에 배치되어, 커넥션 플레이트(41)와 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다. 즉 캡 플레이트(20)는 음극단자(21)와 전기적으로 절연된 상태를 유지한다.
커넥션 플레이트(41)과 플레이트 터미널(21c)을 리벳 터미널(21a)의 상단에 결합하여 상단을 코킹함으로써, 커넥션 플레이트(41)와 플레이트 터미널(21c)은 리벳 터미널(21a)의 상단에 결합된다. 따라서 커넥션 플레이트(41)와 플레이트 터미널(21c)은 절연부재(31)를 개재하여 전기적인 절연 상태로 캡 플레이트(20)에 고정된다.
맴브레인(43)은 캡 플레이트(20)에 형성되는 단락홀(42)에 용접으로 설치되어, 단락홀(42)을 밀폐한다. 커넥션 플레이트(41)는 음극단자(21)에 연결되어 맴브레인(43)의 외측을 따라 신장하여 배치된다. 따라서 커넥션 플레이트(41)와 맴브레인(43)은 단락홀(42)에 대응하고, 서로 마주하여 이격 상태(실선 상태)를 유지하고, 단위 전지셀(100)의 내부 압력이 상승하면, 맴브레인(43)의 반전에 의하여 서로 단락 상태(가상선 상태)를 형성할 수 있다.
양극단자(22) 측의 탑 플레이트(46)는 양극단자(22)의 플레이트 터미널(22c)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 연결한다. 예를 들면, 탑 플레이트(46)는 플레이트 터미널(22c)과 캡 플레이트(20) 사이에 개재되고, 리벳 터미널(22a)을 관통시킨다.
따라서 탑 플레이트(46)와 플레이트 터미널(22c)을 리벳 터미널(22a)의 상단에 결합하여 상단을 코킹함으로써, 탑 플레이트(46)와 플레이트 터미널(22c)은 리벳 터미널(22a)의 상단에 결합된다. 플레이트 터미널(22c)은 탑 플레이트(46)를 개재한 상태로 캡 플레이트(20)의 외측에 설치된다.
한편, 양극 개스킷(37)은 리벳 터미널(22a)과 탑 플레이트(46) 사이로 더 연장되어 설치된다. 즉 양극 개스킷(37)은 리벳 터미널(22a)과 탑 플레이트(46)가 전기적으로 직접 연결되는 것을 방지한다. 즉 리벳 터미널(22a)은 플레이트 터미널(22c)을 통하여 탑 플레이트(46) 및 캡 플레이트(20)에 전기적으로 연결된다.
도 6은 도 1의 이차 전지 모듈의 회로도이다. 도 1 내지 도 3 및 도 6을 참조하면, 제2버스바(160)는 2개의 전류 경로(P1, P2)를 형성하는 제1연결부재(161)와 제2연결부재(162)를 포함한다.
제1연결부재(161)는 제1저항값의 외부 퓨즈(163)를 개재하여 한 전류 경로(P1)를 형성하며, 이웃하는 양극단자들(22)을 전기적으로 연결한다. 제2연결부재(162)는 또 다른 전류 경로(P2)를 형성하며, 제1저항값보다 큰 제2저항값을 가지고 이웃하는 양극단자들(22)을 전기적으로 연결한다.
예를 들면, 제1연결부재(161)는 양극단자(22) 상에 용접되는 복수의 용접 플레이트(164)를 포함하며, 용접 플레이트(164)는 양극단자(22)의 플레이트 터미널(22c)에 용접된다. 외부 퓨즈(163)는 이웃하는 용접 플레이트들(164)을 서로 연결하여, 한 전류 경로(P1)를 형성한다.
제2연결부재(162)는 플레이트로 형성되어 용접 플레이트(164) 상에 용접되어 또 다른 전류 경로(P2)를 형성한다. 예를 들면, 제1연결부재(161) 및 외부 퓨즈(163)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되고, 제2연결부재(162)는 제1연결부재(161)의 저항값보다 큰 저항값을 가지는 강 또는 스테인레스 스틸로 형성될 수 있다. 외부 퓨즈(163)는 용접 플레이트(164)와 일체로 형성될 수도 있다.
외부 퓨즈(163)는 단위 전지셀들(100)의 개수보다 하나 더 적은 개수로 형성되어 이웃하는 단위 전지셀들(100) 사이에 대응하여 배치된다. 따라서 외부 퓨즈(163)가 멜팅되어 끊어짐에 따라 이웃하는 단위 전지셀들(100) 사이의 전류 경로(P1)가 끊어진다.
도 7은 도 6에서 외부 단락부의 맴브레인이 단락된 상태에서 전류의 흐름을 도시한 회로도이고, 도 8은 도 7의 상태에 이어 버스바에 구비된 외부 퓨즈가 끊어진 상태에서 전류의 흐름을 도시한 회로도이다.
도 6, 도 7 및 도 8을 참조하여, 외부 단락부(40)의 커넥션 플레이트(41)와 맴브레인(43)의 단락시, 이차 전지 모듈에서 병렬이 끊어지는 작용에 대하여 설명한다. 편의상, 단위 전지셀(100)을 위에서부터 제1, 제2, 제3단위 전지셀(101, 102, 103)이라 지칭한다.
이차 전지 모듈은 도 6에 도시된 바와 같이 3개의 제1, 제2, 제3단위 전지셀들(101, 102, 103)을 병렬로 연결하여 충전 및 방전 작동된다. 사용 중 제2단위 전지셀(102)의 내부 압력 상승으로 인하여, 제2단위 전지셀(102)의 외부 단락부(40)가 단락 작동될 수 있다.
편의상, 도 7에 도시된 바와 같이, 중간에 위치하는 제2단위 전지셀(102)의 외부 단락부(40)가 단락 작동된 상태를 예로 들어 설명한다. 제2단위 전지셀(102)의 외부 단락부(40)가 단락 작동되면, 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)의 전류는 각각의 전극 조립체(10), 집전부(521), 셀 퓨즈(523) 및 양극 리드탭(52)을 순차적으로 경유하여 양극단자(22)로 흘러 나온다(화살표 방향(C1, C3)).
이어서 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)의 전류는 양극단자(22), 제2버스바(160)의 제1연결부재(161)와 외부 퓨즈(163) 및 제1연결부재(161)를 통하여 제2단위 전지셀(102)의 양극단자(22)로 흘러 들어가서, 제2단위 전지셀(102)의 탑 플레이트(46), 캡 플레이트(20), 맴브레인(43), 커넥션 플레이트(41) 및 음극단자(21)를 순차적으로 경유하여 제1버스바(150)로 흐른다(C4, C5).
이때, 제2단위 전지셀(102)의 전류는 전극 조립체(10), 집전부(521), 셀 퓨즈(523) 및 양극 리드탭(52)을 순차적으로 경유하여 양극단자(22)로 흘러 나온다(화살표 방향(C2)).
이어서 제2단위 전지셀(102)의 전류는 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)의 전류와 같이, 양극단자(22)의 탑 플레이트(46), 캡 플레이트(20), 외부 단락부(40)의 맴브레인(43), 커넥션 플레이트(41) 및 음극단자(21)를 순차적으로 경유하여 제1버스바(150)로 흐른다(화살표 방향(C4, C5)).
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2단위 전지셀(102)의 외부 단락부(40)가 단락 상태이므로 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)의 전류는 제2버스바(160)의 제1연결부재(161) 및 외부 퓨즈(163)를 통하여 대용량 흐르게 된다. 대용량 전류에 의하여 외부 퓨즈(163)는 셀 퓨즈(523)보다 먼저 멜팅되어 끊어진다.
도 8에 도시된 바와 같이, 외부 퓨즈(163)가 멜팅되어 끊어짐에 따라 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)의 전류는 제2버스바(160)의 제2연결부재(162)를 통하여 제2단위 전지셀(102)의 양극단자(22)로 흘러 들어간다(화살표 방향(C11, C12)).
제2연결부재(162)는 제1연결부재(161) 및 외부 퓨즈(163) 보다 높은 저항값을 가지므로 화살표 방향(C11, C12)으로 흐르는 전류량은 외부 퓨즈(163)가 멜팅되어 끊어지기 전에 화살표 방향(C1, C3)으로 흐르는 전류량보다 감소된다.
이때, 제2단위 전지셀(102)의 전류는 전극 조립체(10), 집전부(521), 셀 퓨즈(523) 및 양극 리드탭(52)을 순차적으로 경유하여 양극단자(22)로 흘러 나온다(화살표 방향(C12)).
이어서 제2단위 전지셀(102)의 전류는 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)의 전류와 같이, 양극단자(22)의 탑 플레이트(46), 캡 플레이트(20), 외부 단락부(40)의 맴브레인(43), 커넥션 플레이트(41) 및 음극단자(21)를 순차적으로 경유하여 제1버스바(150)로 흐른다(화살표 방향(C14, C15)).
부연 설명하면, 외부 퓨즈(163)가 멜팅되어 끊어지기 이전에, 제1, 제2, 제3단위 전지셀(101, 102, 103)에서 양극단자(22)로 흐르는 전류량은 동일한 비율을 가진다(예를 들면, C1:C2:C3=1:1:1와 같이 표시할 수 있다).
그러나 외부 퓨즈(163)가 멜팅되어 끊어진 이후에는, 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)에서 양극단자(22)로 흐르는 전류량은 제2단위 전지셀(102)에서 양극단자(22)로 흐르는 전류량보다 적어진다(예를 들면, C11:C12:C13=0.9:1.2:0.9와 같이 표시할 수 있다).
따라서 외부 단락부(40)가 단락된 상태에서, 제2단위 전지셀(102)의 셀 퓨즈(523)가 먼저 멜팅되어 끊어지게 된다. 이로써 이차 전지 모듈의 내부에 위치하는 셀 퓨즈(523)의 전체 크기(제1, 제2, 제3단위 전지셀(101, 102, 103)의 셀 퓨즈(523)의 합 크기에 비하여 제1, 제3단위 전지셀(101, 103)의 셀 퓨즈(523)의 합 크기)가 줄어들게 된다.
즉 3개의 제1, 제2, 제3단위 전지셀들(101, 102, 103)을 병렬로 연결한 이차 전지 모듈에서도 제1, 제2, 제3단위 전지셀들(101, 102, 103)의 병렬 연결이 신속하게 끊어질 수 있다. 따라서 제1, 제2, 제3단위 전지셀들(101, 102, 103)의 병렬 연결이 끊어지기 전에 외부 단락부(40)의 맴브레인(43)이 커넥션 플레이트(41)에 단락된 후 다시 멜팅되어 끊어지는 현상(membrane malfunction)이 방지될 수 있다.
별도로 도시하지는 않았지만 도 6 내지 도 8을 참조하면, 일 실시예의 제2버스바(160)는 2개의 단위 전지셀(100)을 병렬로 연결하는 이차 전지 모듈에도 동일하게 적용될 수 있다. 이 경우에도, 외부 단락부(40)가 단락된 상태에서 제2버스바(160)에 구비되는 외부 퓨즈(163)가 멜팅되어 끊어진 후, 셀 퓨즈(523)가 멜팅되어 끊어질 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 전극 조립체 11: 제1전극(음극)
11a, 12a: 코팅부 11b, 12b: 무지부
12: 제2전극(양극) 13: 세퍼레이터
15: 케이스 20: 캡 플레이트
21: 제1전극단자(음극단자) 21a, 22a: 리벳 터미널
21b, 22b: 플랜지 21c, 22c: 플레이트 터미널
22: 제2전극단자(양극단자) 24: 벤트홀
25: 벤트 플레이트 25a: 노치
27: 밀봉 마개 29: 전해액 주입구
31: 절연부재 36, 37: 음, 양극 개스킷
40: 외부 단락부 41: 커넥션 플레이트
42: 단락홀 43: 맴브레인
46: 탑 플레이트 51: 제1리드탭(음극 리드탭)
52: 제2리드탭(양극 리드탭) 61, 62: 음, 양극 절연부재
100: 단위 전지셀 101, 102, 103: 제1, 제2, 제3단위 전지셀
150, 160: 제1, 제2버스바 161, 162: 제1, 제2연결부재
163: 외부 퓨즈 164: 용접 플레이트
511, 521: 집전부 512, 522: 연결부
523: 셀 퓨즈 C1, C2, C3, C4, C5: 화살표 방향
H1, H2: 단자홀 C11, C12, C13, C14, C15: 화살표 방향
P1, P2: 전류 경로

Claims (8)

  1. 복수의 단위 전지셀들; 및
    상기 단위 전지셀들을 병렬로 연결하는 버스바
    를 포함하며,
    상기 단위 전지셀은,
    전극 조립체를 내장하는 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트;
    셀 퓨즈를 개재하여 상기 전극 조립체에 연결되는 리드탭;
    상기 리드탭에 연결되어 상기 캡 플레이트를 관통 설치되는 제1전극단자와 제2전극단자; 및
    상기 제2전극단자에 전기적으로 연결되는 상기 캡 플레이트의 단락홀을 밀폐하는 맴브레인과 상기 제1전극단자에 전기적으로 연결되는 커넥션 플레이트를 포함하는 외부 단락부
    를 포함하고,
    상기 버스바는
    이웃하는 상기 제2전극단자를 서로 다른 저항값으로 연결하는 2개 전류 경로 중 한 전류 경로에 외부 퓨즈를 개재하며,
    상기 외부 퓨즈의 저항값은,
    상기 셀 퓨즈의 저항값보다 더 큰 이차 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버스바는,
    상기 한 전류 경로를 형성하도록 제1저항값의 외부 퓨즈를 개재하여 이웃하는 상기 제2전극단자를 연결하는 제1연결부재, 및
    2개 전류 경로 중 다른 전류 경로를 형성하도록 상기 제1저항값보다 큰 제2저항값을 가지고 이웃하는 상기 제2전극단자를 연결하는 제2연결부재
    를 포함하는 이차 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1연결부재는,
    상기 제2전극단자 상에 용접되는 복수의 용접 플레이트를 포함하고,
    상기 외부 퓨즈는
    복수의 상기 용접 플레이트를 서로 연결하는 이차 전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2연결부재는,
    플레이트로 형성되어 상기 용접 플레이트 상에 용접되는 이차 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2전극단자는,
    상기 캡 플레이트의 단자홀에 설치되는 리벳 터미널,
    상기 캡 플레이트의 내측에서 상기 리벳 터미널에 일체로 넓게 형성되는 플랜지, 및
    상기 캡 플레이트의 외측에 배치되어 상기 리벳 터미널에 연결되는 플레이트 터미널을 포함하며,
    상기 용접 플레이트,
    상기 플레이트 터미널에 용접되는 이차 전지 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1연결부재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되는 이차 전지 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2연결부재는 강 또는 스테인레스 스틸로 형성되는 이차 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외부 퓨즈는,
    상기 단위 전지셀들의 개수보다 하나 더 적은 개수로 형성되어 이웃하는 단위 전지셀들 사이에 대응하여 배치되는 이차 전지 모듈.
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