KR20170078370A - 과충전 방지 장치 및 이를 적용한 배터리 모듈 - Google Patents

과충전 방지 장치 및 이를 적용한 배터리 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차 배터리의 과충전 방지 기술에 관한 것으로서, 여러 개의 배터리 셀, 셀 커버, 엔드 플레이트, 스위치 장착 브라켓 등 여러 부품 조합에 의한 누적 공차에도 불구하고 작동거리를 정확하게 유지하기 위한 과충전 방지 장치 및 이를 적용한 배터리 모듈에 대한 것이다.

Description

과충전 방지 장치 및 이를 적용한 배터리 모듈{Apparatus for preventing Over-charge and Battery module having the same}
본 발명은 2차 배터리의 과충전 방지 기술에 관한 것으로서, 여러 개의 배터리 셀, 셀 커버, 엔드 플레이트, 스위치 장착 브라켓 등 여러 부품 조합에 의한 누적 공차에도 불구하고 작동거리를 정확하게 유지하기 위한 과충전 방지 장치 및 이를 적용한 배터리 모듈에 대한 것이다.
친환경 전기 자동차용 BPA(Battery Pack Assembly의 경우, 방폭 안전 장치인 스위치 감압식 과충전 방지 장치(VPD: Voltage Protection Device) 시스템이 BPA(Battery Pack Assembly) 외부에 부착되어 구성된다.
따라서, 2차 배터리 셀(CELL)에 과충전, 단락, 역접촉, 열노출 등이 발생하여 설정값 이상의 변위가 발생하면 스위치가 작동하여 2차 배터리의 충전 전원을 차단하는 릴레이 회로를 동작시켜 과충전, 단락, 역접촉, 열노출 등으로 인한 2차 전지의 발화 폭발을 방지할 수 있다.
따라서, 2차 배터리 셀의 방폭 안전 장치인 스위치 감압식 과충전 방지 장치(VPD SYSTEM)는 2차 배터리 셀의 이상 발생시 배터리 셀의 스웰링(SWELLING)에 의한 스위치의 작동거리가 매우 중요하다.
그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈 어셈블리(BMA: Battery Module Assembly)(110)에 구성되는 여러 개의 배터리 셀, 셀 커버(CELL COVER), 베이스 플레이트(120), 엔드 플레이트(END PLATE)(130), 스위치(SWITCH) 장착 브라켓(140), VPD 스위치(150) 등 여러 부품 조합에 의한 누적 공차에 따라 목표 작동거리를 정확하게 장착하고 유지하는 것에 대해 어려움이 발생한다.
여러 부품 조합에 의한 누적 공차가 발생하고 정확한 스위치 작동거리를 유지하지 못하게 된다면, 배터리 셀 이상 발생시 스위치 감압식 과충전 방지 장치(VPD SYSTEM)의 미작동으로 2차 발화 및/또는 폭발 가능성이 커지므로 스위치(SWITCH) 목표 작동거리를 유지할 수 있는 구조 및 장착 방법이 요구되고 있다.
1. 한국공개번호 제10-2009-0047240호 2. 한국공개번호 제10-2010-0029826호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 여러 개의 배터리 셀, 셀 커버, 엔드 플레이트, 스위치 장착 브라켓 등 여러 부품 조합에 의한 누적 공차에도 불구하고 작동거리를 정확하게 유지하기 위한 과충전 방지 장치 및 이를 적용한 배터리 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 여러 개의 배터리 셀, 셀 커버, 엔드 플레이트, 스위치 장착 브라켓 등 여러 부품 조합에 의한 누적 공차에도 불구하고 작동거리를 정확하게 유지하기 위한 과충전 방지 장치를 제공한다.
상기 과충전 방지 장치(220)는,
양단에 체결을 위한 한 쌍의 브라켓 체결홀(311,312)이 형성되며, 중심에 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)가 형성되는 스위치 브라켓(240);
상기 스위치 브라켓(240)의 일측면상에 조립 체결되며 상기 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)에 조립 체결되는 한 쌍의 장착 체결홀(471,472)이 양단에 형성되는 스위치 장착부(260);
상기 스위치 장착부(260)의 내측에 설치되며 스위치를 위해 돌출되는 VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230); 및
상기 스위치 장착부(260)에 삽입 조립되며 상기 VPD 스위치(230)가 일정 간격으로 유지되도록 거리 조절 기능을 하는 작동 거리 조절 기능부(410)가 하단 외측에 형성되는 작동 거리 유지기(280);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 작동 거리 유지기(280)의 하단에는 상기 작동 거리 조절 기능부(410)까지 연장되어 상기 VPD 스위치(230)를 삽입하는 삽입부(420)가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 삽입부(420)에는 제 1 슬롯 홀(421)이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 슬롯 홀(421)의 내측은 톱니 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 작동 거리 조절 기능부(410)에는 제 2 슬롯 홀(413)이 형성되도록 일정 간격으로 한 쌍의 돌출부(411,412)가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 돌출부(411,412)의 높이는 2mm 내지 3mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 돌출부(411,412)의 높이는 상기 VPD 스위치(230)의 돌출 높이보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)의 외면에는 나사상이 형성되며, 상기 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)에 한 쌍의 너트(310-1,310-2)가 체결되어 상기 스위치 장착부(260)를 고정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 장착 체결홀(471,472)은 마운팅 거리 조절을 위한 타원형상의 슬롯 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 위에서 기술되는 과충전 방지 장치(200); 상기 한 쌍의 브라켓 체결홀(311,312)과 체결되는 엔드 플레이트(130); 및 상기 엔드 플레이트(130)와 체결되는 배터리 셀;을 포함하는 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스위치의 목표 작동거리 장착이 중요한 제품으로 기존 여러 부품의 장착 누적 공차에 영향을 받지 않고 설정 작동거리 최적화를 통하여 정확한 스위치 감압식 과충전 방지 장치(VPD SYSTEM)의 작동 수행을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 모듈 어셈블리(110)의 구조이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과충전 방지 장치(200)의 구조이다.
도 3은 도 2에 도시된 과충전 방지 장치(200)의 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 스위치 장착부(260) 및 작동거리 유지기(280)의 조립 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 과충전 방지 장치 및 이를 적용한 배터리 모듈을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과충전 방지 장치(200)의 구조이다. 도 2를 참조하면, 상기 과충전 방지 장치(220)는, 작동 거리 유지기(280), 이 작동 거리 유지기(280)의 일측에 돌출되게 조립되는 VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230), 작동 거리 유지기(280)와 체결되며 내측에 VPD 스위치(230)를 장착하는 스위치 장착부(260), 이 스위치 장착부(260)를 마운팅하는 스위치 브라켓(240) 등을 포함하여 구성된다.
이 과충전 방지 장치(220)가 배터리 모듈(110)에 조립된다. 배터리 모듈(110)은 BMA(Battery Module Assembly)로서 배터리 팩(BPA: Battery Pack Assembly)을 구성하는 최소 단위로 버스바를 통하여 직렬 혹은 병렬로 연결되는 8 ~ 14 내의 배터리 셀로 구성되어 있다.
배터리 셀(미도시)은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용된다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다.
이러한 전술한 파우치형 셀들의 에지들은 조인트(sealing joint)(미도시)를 포함한다. 부연하면, 상기 조인트는 배터리 셀들의 2개의 박막을 연결하고, 상기 박막들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함한다.
일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다.
또한, 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다.
일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다. 또한, 이들 다수의 배터리 셀이 직렬로 (+),(-)단자의 리드 용접으로 연결된다.
전기 차량의 예로서는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 저속 전기 자동차(NEV: Neighborhood Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 스위치 장착부(260)는 배터리 모듈(110)에 마운팅될 때 마운팅 거리를 조절할 수 있도록 슬롯 홀 방식이 적용된다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 좌우로 슬롯 이동되어 체결이 가능하다.
또한, 과충전 방지 장치(220)가 배터리 모듈(110)에 체결되는 경우, VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230)와 배터리 모듈(110) 사이에 일정 간격이 유지되도록 작동 거리 조절을 위한 높이(A)가 형성된다. 높이(A)는 VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230)의 돌출 높이보다 크다. 왜냐하면, VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230)를 안정적으로 보호하기 위해서이다.
또한, 높이(A)는 2mm ~ 3mm가 될 수 있다. 물론, VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230)와 배터리 모듈(110) 사이에도 약 2mm정도의 간격이 될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 과충전 방지 장치(200)의 사시도이다. 도 3을 참조하면, 스위치 브라켓(240)의 양단에 배터리 모듈(110)의 엔드 플레이트와 체결을 위한 제 1 및 제 2 브라켓 체결홀(311,312)이 형성되고, 중심에 제 1 및 제 2 마운팅 돌출부(321,322)가 형성된다.
따라서, 이 제 1 및 제 2 마운팅 돌출부(321,322)에 스위치 장착부(260)가 체결 조립된다.
한 쌍의 제 1 및 제 2 마운팅 돌출부(321,322)의 외면에는 나사상이 형성되며, 상기 한 쌍의 제 1 및 제 2 마운팅 돌출부(321,322)에 한 쌍의 제 1 및 제 2 너트(310-1,310-2)가 체결되어 상기 스위치 장착부(260)를 고정할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 스위치 장착부(260) 및 작동거리 유지기(280)의 조립 사시도이다. 도 4를 참조하면, 스위치 장착부(260)에는 스위치 브라켓(240)의 내측면상에 조립 체결되도록 스위치 브라켓(240)의 제 1 및 제 2 마운팅 돌출부(321,322)에 조립 체결되는 제 1 및 제 2 장착 체결홀(471,472)이 양단에 형성된다.
또한, 이 스위치 장착부(260)의 내측에 VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230)가 설치되며 일부가 스위칭을 위해 돌출된다.
스위치 감압식 과충전 방지 장치 (VPD, voltage protection device)는 배터리 모듈(도 2의 110)을 통한 외부 전원 (12V)을 인가받아 별도의 릴레이(미도시)를 동작 시켜 배터리 팩의 메인 릴레이(미도시)를 ON/OFF 컨트롤하여 메인 릴레이를 통해 인가되는 충전 전류를 차단하는 기능을 수행한다. 이러한 별도의 릴레이를 동작시키기 위해 VPD 스위치(230)가 구성된다.
또한, 제 1 및 제 2 장착 체결홀(471,472)은 마운팅 거리 조절을 위한 슬롯이 가능하도록 타원형상의 슬롯 형상이 된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 좌우로 이동 체결이 가능하다.
작동거리 유지기(280)에는 상기 스위치 장착부(260)에 삽입 조립되며 상기 VPD 스위치(230)가 일정 간격으로 유지되도록 거리 조절 기능을 하는 작동 거리 조절 기능부(410)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 작동 거리 유지기(280)의 하단에는 상기 작동 거리 조절 기능부(410)까지 연장되어 상기 VPD 스위치(230)를 삽입하는 삽입부(420)가 형성된다.
상기 삽입부(420)에는 제 1 슬롯 홀(421)이 형성될 수 있으며, 이 제 1 슬롯 홀(421)의 내측은 톱니 형상이 되어 VPD 스위치(230)와 결합되어도 쉽게 이탈되지 않게 된다.
또한, 상기 작동 거리 조절 기능부(410)에는 제 2 슬롯 홀(413)이 형성되도록 일정 간격으로 한 쌍의 제 1 및 제 2 돌출부(411,412)가 형성될 수 있다.
제 1 및 제 2 돌출부(411,412)의 높이는 2mm 내지 3mm인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 돌출부(411,412)의 높이는 상기 VPD 스위치(230)의 돌출 높이보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
110: 배터리 모듈
200: 과충전 방지 장치
230: VPD(Voltage Protection Device) 스위치
240: 스위치 브라켓
260: 스위치 장착부
280: 작동 거리 유지기
311,312: 제 1 및 제 2 브라켓 체결홀
321,322: 제 1 및 제 2 마운팅 돌출부
410: 작동 거리 조절 기능부
471,472: 제 1 및 제 2 장착 체결홀

Claims (10)

  1. 양단에 체결을 위한 한 쌍의 브라켓 체결홀(311,312)이 형성되며, 중심에 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)가 형성되는 스위치 브라켓(240);
    상기 스위치 브라켓(240)의 일측면상에 조립 체결되며 상기 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)에 조립 체결되는 한 쌍의 장착 체결홀(471,472)이 양단에 형성되는 스위치 장착부(260);
    상기 스위치 장착부(260)의 내측에 설치되며 스위칭을 위해 돌출되는 VPD(Voltage Protection Device) 스위치(230); 및
    상기 스위치 장착부(260)에 삽입 조립되며 상기 VPD 스위치(230)가 일정 간격으로 유지되도록 거리 조절 기능을 하는 작동 거리 조절 기능부(410)가 하단 외측에 형성되는 작동 거리 유지기(280);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동 거리 유지기(280)의 하단에는 상기 작동 거리 조절 기능부(410)까지 연장되어 상기 VPD 스위치(230)를 삽입하는 삽입부(420)가 형성되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 삽입부(420)에는 제 1 슬롯 홀(421)이 형성되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 슬롯 홀(421)의 내측은 톱니 형상인 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동 거리 조절 기능부(410)에는 제 2 슬롯 홀(413)이 형성되도록 일정 간격으로 한 쌍의 돌출부(411,412)가 형성되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 돌출부(411,412)의 높이는 2mm 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 돌출부(411,412)의 높이는 상기 VPD 스위치(230)의 돌출 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)의 외면에는 나사상이 형성되며, 상기 한 쌍의 마운팅 돌출부(321,322)에 한 쌍의 너트(310-1,310-2)가 체결되어 상기 스위치 장착부(260)를 고정하는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 장착 체결홀(471,472)은 마운팅 거리 조절을 위한 타원형상의 슬롯 형상인 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 과충전 방지 장치(200);
    상기 한 쌍의 브라켓 체결홀(311,312)과 체결되는 엔드 플레이트(130); 및
    상기 엔드 플레이트(130)와 체결되는 배터리 셀;
    를 포함하는 배터리 모듈.
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