KR20160006000A - 과전류 방지 기능을 갖는 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과전류 방지 기능을 갖는 전지 모듈을 제공한다. 본 발명에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀; 상기 복수의 전지 셀을 서로 전기적으로 접속시키는 버스 바; 상기 버스 바에 접촉되는 흡열부와 대기에 노출되는 발열부로 이루어진 펠티에 소자; 및 각각의 전지 셀에서의 과전류 상태를 감지하여 과전류 발생시 상기 과전류를 이용해 상기 펠티에 소자를 작동시킴으로써 상기 버스 바를 냉각시키는 제어부를 포함한다.

Description

과전류 방지 기능을 갖는 전지 모듈{Battery module exhibiting prevention of overcurrent}

본 발명은 안전성이 향상된 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이차전지의 관통시 단락에 의한 과전류를 방지함으로써 전지 사용상의 안전성을 높여주는 안전 장치가 적용된 전지 모듈에 관한 것이다.

최근, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 하나의 리튬 이차전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지는 휴대용 전자 제품에 사용되고 리튬 이차전지 셀을 수십 개 연결한 모듈 타입 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

한편, 최근 전지 분야에서 사회적으로 가장 큰 이슈가 되고 있는 것이 안전성 문제이다. 전지 혹은 전지 모듈의 폭발은 그것이 채용된 전자 제품 혹은 자동차 등의 파손을 가져올 뿐만 아니라 사용자의 안전 위협 및 화재로 연결될 수 있다는 점에서 안전성 확보가 중요한 문제로 인식되고 있는 것이다.

리튬 이차전지는 사용 과정에서 금속 물체에 의한 관통 등으로 인해 단락을 일으키는 경우, 전지 내부에 과전류가 흐르고 온도 및/또는 압력이 상승함에 따라 폭발 및/또는 발화의 위험이 커지게 된다. 이에 따라 일반적으로, 리튬 이차전지에는 비정상적인 작동 상황으로 인해 리튬 이차전지 내부의 온도 및/또는 압력이 상승하는 경우를 대비하여 PTC 소자나 안전 벤트와 같은 안전 장치가 설치되어 있다.

그러나, 금속 물체의 관통 등에 의한 전지 셀 내부에서의 단락이 발생해 과전류가 흐르는 경우에 있어서, PTC 소자나 안전 벤트와 같은 장치만으로는 리튬 이차전지 사용상의 안전성을 충분히 확보하기 어렵다. 이에 따라, 리튬 이차전지 사용상의 안전성을 충분히 확보하기 위한 장치 도입에 대한 요구가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 과전류 방지 기능을 갖는 전지 모듈을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀; 상기 복수의 전지 셀을 서로 전기적으로 접속시키는 버스 바; 상기 버스 바에 접촉되는 흡열부와 대기에 노출되는 발열부로 이루어진 펠티에 소자; 및 각각의 전지 셀에서의 과전류 상태를 감지하여 과전류 발생시 상기 과전류를 이용해 상기 펠티에 소자를 작동시킴으로써 상기 버스 바를 냉각시키는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 전지 모듈은 과전류 발생시 상기 과전류를 상기 펠티에 소자측으로 공급하고 상기 전지 셀의 충방전 경로는 끊어주는 스위치를 더 포함하고 상기 스위치는 상기 제어부에 의해 작동되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전지 모듈은 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 감지된 상기 버스 바의 온도가 기준 온도 이상이 되면 과전류 발생으로 판단하는 것일 수도 있다.

본 발명에 따른 다른 전지 모듈은 복수의 전지 셀; 상기 복수의 전지 셀을 서로 전기적으로 접속시키는 버스 바; 상기 버스 바에 접촉되는 흡열부와 대기에 노출되는 발열부로 이루어진 펠티에 소자; 및 과전류 발생시 상기 과전류를 상기 펠티에 소자측으로 공급하기 위한 NTC 소자를 포함할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 과전류 발생시 전류를 펠티에 소자로 보내 흡열 반응을 하게 해 버스 바를 냉각시키는 동시에, 순간적으로 흐르는 과전류를 방지함으로써 과전류로 인한 화재나 폭발을 방지할 수 있다.

따라서, 전지 모듈을 최적 작동 온도로 유지하는 것이 용이하고, 전지 모듈의 안전성이 우수하다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지 모듈에서 버스 바에 장착되는 펠티에 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀(10), 버스 바(20), 펠티에 소자(30) 및 제어부(40)를 포함한다. 도시의 편의를 위하여 전지 셀(10)은 최소한의 개수로 도시하였다.

리튬 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있다. 리튬 이차전지의 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 등을 들 수 있다. 리튬 이차전지는 복수 개의 전지 셀(10)을 직렬로 연결시켜 대용량의 전지 모듈을 구성하게 된다. 이와 같이 전지 모듈은 통상 직렬로 연결되는 복수개의 전지 셀(10)을 기본 단위로 이루어진다. 각각의 전지 셀(10)은 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 캡 조립체로 돌출되고 전극 조립체에 구비된 양, 음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양, 음극단자를 포함한다. 그리고 각각의 전지 셀(10)은 인접한 전지 셀(10)의 음극단자와 양극단자간에 버스 바(20)를 통해서 연결된다.

버스 바(20)는 복수의 전지 셀(10)을 서로 전기적으로 접속시킨다. 버스 바(20)는 전지 셀(10) 사이에 설치되어 복수의 전지 셀(10)을 서로 전기적으로 접속시키는 구성요소이므로 전기 전도성이 좋은 재질로 만들어져야 한다. 예를 들어, 구리와 같은 금속이 버스 바(20)로 이용될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 전지 모듈에서 버스 바에 장착되는 펠티에 소자를 설명하기 위한 개략도이다. 도 2를 참조하면, 복수의 전지 셀(10)의 양, 음극단자(120, 130) 사이를 연결하기 위한 버스 바(20)의 한 예가 도시되어 있다. 상호 이격되는 양, 음극단자(120, 130)의 상호 접속을 위한 부재는 도시된 것과 같이 상호 마주하는 양, 음극단자(120, 130) 사이에 삽입된 후 고정되는 것일 수 있다. 그러나, 버스 바(20)는 전지 모듈의 내부 구조나 전지 셀(10)의 연결 상태 등에 따라, 다양한 형태로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 전선과 같이 유동성이 있는 형태로 만들어지거나, 금속판과 같이 유동성이 없는 형태로 만들어질 수 있다. 본 발명이 이러한 버스 바(20)의 특정 재질이나 형태에 의해 한정되는 것은 아니며, 다양한 재질과 형태의 버스 바(20)가 이용될 수 있다.

펠티에 소자(30)는 도 2에 도시한 바와 같이, 흡열부(32)와 발열부(34)로 이루어지고, 흡열부(32)는 버스 바(20)에 접촉되고, 발열부(34)는 대기에 노출되는 것이 특징이다. 펠티에 효과란, 어떤 종류의 금속을 짝지어 전류를 흐르게 하면 한쪽 접점은 발열하고, 다른 쪽 접점은 흡열(냉각)하는 현상을 말한다. 펠티에 소자는 이러한 펠티에 효과를 구현한 소자로, 현재는 V-VI족의 합금 및 그 고용체로 만든 n형과 p형의 반도체를 냉각접점으로 하여 구리판을 통해 연결하는 형태가 일반적이다. 전류가 흐르는 방향을 바꾸면 흡열과 발열이 되는 부분을 서로 바꿀 수 있고 전류량에 따라 흡열·발열량 조절이 가능하다.

본 발명에서는 펠티에 소자(30)의 흡열부(32)는 버스 바(20)에 접촉되고 발열부(34)는 대기에 노출되도록 펠티에 소자(30)를 버스 바(20)에 장착한다. 펠티에 소자(30)를 전지 내부가 아닌 버스 바(20)측에 장착함으로써, 전지 모듈의 부피에 영향을 미치지 않으면서 전지 모듈의 과전류 발생시 야기되는 전지 모듈의 온도상승을 효과적으로 억제하고 전지 모듈의 이상적인 작동 범위로 온도를 제어할 수 있게 된다.

다시 도 1을 참조하면, 제어부(40)는 각각의 전지 셀(10)에서의 과전류 상태를 감지하여 과전류 발생시 상기 과전류를 이용해 펠티에 소자(30)를 작동시킨다. 펠티에 소자(30)의 흡열부가 버스 바(20)에 접촉되므로 펠티에 소자(30) 작동에 따라 버스 바(20)가 냉각된다. 버스 바(20)를 냉각시킴으로써 전지 모듈의 온도 상승을 방지하고 동시에 적정한 온도 범위에서 전지가 작동할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 제어부(40) 구성을 위하여, 전지 모듈은 스위치(미도시)를 포함할 수 있다. 스위치는 과전류 발생시 상기 과전류를 펠티에 소자(30)측으로 공급하고 전지 셀(10)의 충방전 경로는 끊어주도록 구성되며 제어부(40)에 의해 작동된다.

제어부(40)는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 일 예로, 제어부(40)가 과전류를 감지하는 구성의 기존의 과전류 감지 센서에 의할 수 있다. 과전류 감지 센서는 예컨대 충방전 전류의 크기를 감지하기 위한 센스 저항(sense resistor)일 수 있다.

제어부(40)의 다른 예로, 전지 모듈이 온도 센서(미도시)를 더 포함하고, 제어부(40)가 상기 온도 센서로부터 감지된 버스 바(20)의 온도가 기준 온도 이상이 되면 과전류 발생으로 판단하는 것일 수도 있다. 예를 들어, 상기 온도 센서가 버스 바(20)의 온도를 측정하여 제어부(40)로 검출 온도 정보를 송부한다. 제어부(40)는 전지 모듈의 최적 작동 온도 범위에 관한 표준 온도 데이터를 저장하고 있고, 상기 검출 온도가 상기 표준 온도 데이터의 범위를 벗어나는 경우에 펠티에 소자(30)에 작동 제어 신호를 송부하도록 구성한다. 이 밖에도, 본 발명이 속한 기술분야에 공지된 다양한 과전류 감지 구성이 채용될 수 있을 것이며, 본 발명은 과전류 감지의 구체적인 방법에 의해 한정되지 않는다.

본 발명에서, 과전류 일부 또는 전부는 펠티에 소자(30) 측으로 보내질 수 있으므로 과전류가 전지 셀(10) 내부를 통해 흐를 때 발생될 폭발이나 발화의 위험을 줄일 수 있다. 그리고, 충방전 전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시켜 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈와 병행해 과전류 방지 효과를 더욱 극대화할 수도 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 전지 모듈은 이차전지의 관통시 단락에 의한 과전류를 방지함으로써 전지 사용상의 안전성을 높여준다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀(10), 버스 바(20), 펠티에 소자(30) 및 NTC 소자(50)를 포함할 수도 있다.

NTC 소자(50)는 부저항 온도 소자로 온도에 반비례하여 저항값이 변하는 것이다. 즉, 온도가 올라가면 저항이 낮아진다. 이에 따라, 특정 온도에 대한 ON/OFF에 활용을 할 수가 있다.

예를 들어, NTC 소자(50)를 버스 바(20)측에 장착하면 과전류가 발생하여 버스 바(20)의 온도가 올라가는 경우, NTC 소자(50)의 저항이 낮아진다. 전지 셀(10)의 충방전 회로를 NTC 소자(50)에 연결해 두면 NTC 소자(50)의 저항이 낮아질 때 충방전 회로를 통해 흐르는 과전류를 버스 바(20) 측으로 우회시킬 수 있으므로 이와 같이 우회된 과전류를 이용해 펠티에 소자(30)를 작동시키면 버스 바(20)를 냉각시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10...전지 셀 20...버스 바
30...펠티에 소자 40...제어부
50...NTC 소자

Claims (4)

1. 복수의 전지 셀;
   상기 복수의 전지 셀을 서로 전기적으로 접속시키는 버스 바;
   상기 버스 바에 접촉되는 흡열부와 대기에 노출되는 발열부로 이루어진 펠티에 소자; 및
   각각의 전지 셀에서의 과전류 상태를 감지하여 과전류 발생시 상기 과전류를 이용해 상기 펠티에 소자를 작동시킴으로써 상기 버스 바를 냉각시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   과전류 발생시 상기 과전류를 상기 펠티에 소자측으로 공급하고 상기 전지 셀의 충방전 경로는 끊어주는 스위치를 더 포함하고 상기 스위치는 상기 제어부에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 감지된 상기 버스 바의 온도가 기준 온도 이상이 되면 과전류 발생으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
4. 복수의 전지 셀;
   상기 복수의 전지 셀을 서로 전기적으로 접속시키는 버스 바;
   상기 버스 바에 접촉되는 흡열부와 대기에 노출되는 발열부로 이루어진 펠티에 소자; 및
   과전류 발생시 상기 과전류를 상기 펠티에 소자측으로 공급하기 위한 NTC 소자를 포함하는 전지 모듈.

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