KR20190024392A - 커넥터 파단 장치를 구비하는 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하며 서로 대면하여 적층되는 한 쌍의 배터리 셀; 상기 한 쌍의 배터리 셀 각각의 전극 리드 사이를 연결하는 커넥터; 상기 한 쌍의 배터리 셀 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간에 배치되며, 상기 배터리 셀의 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 동작하여 상기 커넥터와 전극 리드 사이의 전기적 연결을 차단시키는 커넥터 파단 장치;를 포함한다.

Description

커넥터 파단 장치를 구비하는 배터리 모듈{Battery bodule comprising a connector breaking device}
본 발명은 커넥터 파단 장치를 구비하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 배터리 셀의 스웰링이 발생함에 따라 작동하여 인접한 배터리 셀 간의 전기적 연결을 차단할 수 있도록 구성된 커넥터 파단 장치를 구비하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.
따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.
도 1은 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 팩을 보호하기 위해 퓨즈 소자(1), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(2), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(1)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(3) 및 상기 퓨즈 소자(1)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(4)를 포함한다.
퓨즈 소자(1)는 배터리 팩의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(1)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(1)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(4)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(1a)와, 상기 퓨즈(1a)에 열을 인가하는 저항(1b)이 포함되어 있다.
상기 마이크로 컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(1) 측으로 바이패스되어 저항(1b)에 인가된다. 이에 따라, 저항(1b)에서 발생된 주울열이 퓨즈(1a)에 전도되어 퓨즈(1a)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(1a)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(1a)가 융단 됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(1)의 저항(1b)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(1)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(1)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(1)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로 컨트롤러(3)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로 컨트롤러(3)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 과충전이나 단락 등의 이상 상황 발생으로 인해 배터리 셀의 스웰링이 일정 수준 이상으로 발생되는 경우 전류의 흐름을 신속히 차단하여 이차전지 사용상의 안전성을 확보하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하며 서로 대면하여 적층되는 한 쌍의 배터리 셀; 상기 한 쌍의 배터리 셀 각각의 전극 리드 사이를 연결하는 커넥터; 상기 한 쌍의 배터리 셀 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간에 배치되며, 상기 한 쌍의 배터리 셀의 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 동작하여 상기 커넥터와 전극 리드 사이의 전기적 연결을 차단시키는 커넥터 파단 장치;를 포함한다.
상기 한 쌍의 배터리 셀 각각에 구비된 전극 리드들은 상기 커넥터 파단 장치에 고정될 수 있다.
상기 커넥터 파단 장치는, 상기 배터리 셀의 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 상기 카트리지 내에서 상방으로 움직이는 푸쉬바; 상기 전극 리드와 반대 방향으로 탄성 가압된 상태를 유지하다가 상기 푸쉬바가 상방으로 이동하면 이에 따라 복원되는 제1 탄성 부재; 상기 제1 탄성 부재의 복원력에 의해 상기 카트리지의 상단에 형성된 개구부를 통해 커넥터를 향해 이동하여 상기 커넥터와 전극 리드 사이의 전기적 연결을 차단시키는 파단부; 및 상기 푸쉬바, 제1 탄성 부재 및 파단부를 수용하는 카트리지;를 포함할 수 있다.
상기 커넥터 파단 장치는, 상기 제1 탄성 부재가 압축된 상태를 유지하도록 상기 파단부를 고정시키되, 상기 푸쉬바가 스웰링에 따른 압력에 의해 눌리면 상기 파단부에 대한 고정상태가 해제되도록 함으로써 상기 파단부가 상기 제1 탄성 부재의 복원력에 의해 상기 커넥터를 향해 이동할 수 있도록 하는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 카트리지는, 내측면으로부터 돌출 형성되며 수평선에 대해 소정의 각도로 경사진 가이드 리브를 구비할 수 있다.
상기 푸쉬바는, 상기 가이드 리브를 향해 상방으로 연장 형성되며 그 일측 단부가 상기 가이드 리브와 스토퍼 사이에 위치하는 푸쉬 리브를 구비할 수 있다.
상기 푸쉬 리브는, 상기 푸쉬바가 상기 스웰링에 따른 압력에 의해 눌리면, 상기 가이드 리브에 의해 움직임의 방향이 전환되어 그 일측 단부가 상기 스토퍼의 일 측 단부에 압력을 가할 수 있다.
상기 스토퍼는, 상기 푸쉬 리브에 의한 압력을 받아 움직임으로써 상기 파단부의 고정상태가 해제되도록 할 수 있다.
상기 카트리지는 내측면으로부터 돌출 형성되는 지지 리브를 구비하며, 상기 커넥터 파단 장치는 상기 스토퍼와 상기 지지 리브 사이에 배치되어 상기 푸쉬바가 눌렸을 때에 탄성 가압되는 제2 탄성 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 과충전이나 단락 등의 이상 상황 발생으로 인해 배터리 셀의 스웰링이 일정 수준 이상으로 발생되는 경우 전류의 흐름을 신속히 차단하여 이차전지의 발화/폭발 등이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 작동하기 이 전의 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 작동하여 파단부가 상방으로 이동하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 작동하여 파단부가 상방으로 이동함으로써 커넥터와 전극 리드 사이의 전기적 연결이 차단된 상태를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 복수의 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 설치될 수 있는 다양한 위치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 커넥터 파단 장치의 내부 구조를 나타내는 도면으로서, 커넥터 파단 장치가 작동하기 이 전의 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 커넥터 파단 장치에 있어서 스토퍼에 의해 파단부의 움직임이 제한된 상태를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 커넥터 파단 장치의 내부 구조를 나타내는 도면으로서, 배터리 셀의 스웰링에 의해 커넥터 파단 장치가 작동한 이 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11에 도시된 커넥터 파단 장치에 있어서 스토퍼에 의한 파단부의 고정 상태가 해제되어 파단부가 상방으로 이동한 상태를 나타내는 도면이다.
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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 작동하기 이 전의 형태를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 작동하여 파단부가 상방으로 이동하는 모습을 나타내는 도면이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 작동하여 파단부가 상방으로 이동함으로써 커넥터와 전극 리드 사이의 전기적 연결이 차단된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 한 쌍의 배터리 셀(100), 커넥터(200) 및 커넥터 파단 장치(300)를 포함하는 형태로 구현된다.
상기 한 쌍의 배터리 셀(100)은, 예를 들어 파우치 타입의 배터리 셀일 수 있으며, 서로 넓은 면끼리 대면하여 적층됨으로써 하나의 배터리 셀 적층체를 이룰 수 있다. 상기 배터리 셀(100)은, 전극 조립체(미도시), 파우치 케이스(110), 전극 리드(140) 및 실란트(150)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 전극 조립체는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판이 적어도 1회 이상 순차적으로 적층된 형태를 가지며, 절연성의 확보를 위해 최 외각에는 세퍼레이터가 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 전극 조립체는 실시형태에 따라 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 등의 다양한 구조를 가질 수 있다.
상기 양극판은, 도전성 플레이트로 이루어지는 양극 집전판의 적어도 일 면 상에 양극 활물질이 코팅된 형태를 가지며, 마찬가지로, 상기 음극판은 도전성 플레이트로 이루어지는 음극 집전판의 적어도 일 면 상에 음극 활물질이 코팅된 형태를 갖는다.
상기 양극판 및 음극판은 양극 활물질 및 음극 활물질이 코팅되지 않은 무지부 영역을 가지며, 이러한 무지부 영역은 전극 리드(140)와 결합되는 전극탭으로서 기능한다.
상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 위치하여, 양극판과 음극판을 전기적으로 절연시키며, 양극판과 음극판 사이에서 리튬 이온 등이 이동할 수 있도록 다공성 막 형태를 가질 수 있다. 이러한 세퍼레이터는, 예를 들어 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 또는 이들의 복합필름을 사용한 다공성막으로 이루어질 수 있다.
상기 파우치 케이스(110)는, 금속층 및 이를 감싸는 수지층을 포함하는 다층구조의 필름 형태를 갖는 외장재로 이루어지는 파우치 케이스일 수 있으며, 이러한 파우치 케이스(110)는 상부 케이스와 하부 케이스로 구성될 수 있다.
이처럼 상기 파우치 케이스(110)가 상부 케이스와 하부 케이스로 구성되는 경우, 하부 케이스는 전극 조립체를 수용하기 위해 볼록하게 돌출된 수용부(120)를 구비한다. 또한, 상기 상부 케이스는 볼록하게 돌출된 수용부(120)를 구비할 수도 있고, 이러한 수용부(120)가 형성되지 아니한 평평한 형상을 가질 수도 있다.
즉, 상기 배터리 셀(100)은, 양 면이 돌출된 형태의 양 면 돌출형 배터리 셀일 수도 있고, 이와는 달리 일 면만이 돌출된 형태의 일 면 돌출형 배터리 셀일 수도 있는 것이다. 본 발명의 도면에서는 도면 도시의 편의상 배터리 셀(100)이 양 면 돌출형 배터리 셀인 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 배터리 셀이 양 면 돌출형 배터리 셀인 경우에 있어서, 상부 케이스 및 하부 케이스 각각은, 수용부(120)의 외측 둘레 영역에 해당하는 실링부(130)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 배터리 셀(100)이 일 면 돌출형 배터리 셀인 경우에 있어서는, 하부 케이스는 수용부(120)의 외측 둘레 영역에 해당하는 실링부(130)를 구비하고, 상부 케이스는 하부 케이스의 실링부(130)와 맞닿는 영역에 형성되는 실링부(130)를 구비할 수 있다.
상기 파우치 케이스(110)는 수용부(120) 내에 전극 조립체를 수용하고 상부 케이스 및 하부 케이스 각각의 실링부(130)가 맞닿아 열 융착 됨으로써 밀봉된다. 이처럼, 상부 케이스 및 하부 케이스의 실링부(130)는 상호 맞닿은 상태에서 열 융착에 의해 접합될 수 있도록, 열 융착성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있다.
상기 전극 리드(140)는 전극 조립체의 전극탭에 연결되어 파우치 케이스(110)의 외부로 인출됨으로써 전극 조립체와 외부 부품 사이를 전기적으로 연결시켜주는 매개체 역할을 하는 구성요소로서, 양극판에 연결되는 양극 리드 및 음극판에 연결되는 음극 리드를 포함한다. 좀 더 구체적으로, 상기 양극 리드는 양극판에 구비된 양극 무지부에 연결되고, 음극 리드는 음극판에 구비된 음극 무지부에 연결된다.
하나의 배터리 셀(100)에 구비된 양극 리드와 음극 리드는 서로 동일한 방향 또는 서로 반대 방향으로 인출될 수 있는데, 본 발명의 도면에서는 양극 리드와 음극 리드가 서로 반대방향으로 인출된 형태의 배터리 셀(100)만이 도시되어 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 상기 실링부(130) 중 전극 리드(140)가 인출되는 방향에 위치하는 실링부(130)를 가리켜 테라스부(Terrace portion)라 칭하기로 한다.
상기 실란트(150)는 파우치 케이스(110)의 외부로 인출되는 전극 리드(140)와 실링부(130)의 내측면 사이에서 밀봉력 저하가 발생되는 것을 방지하기 위해서 실링부(130)의 내측면과 전극 리드(140) 사이에 개재된다.
상기 커넥터(200)는, 서로 인접하는 배터리 셀(100) 상호간을 전기적으로 연결시켜 주기 위해 적용되는 구성요소로서, 전기 저항을 최소화 하면서도 커넥터 파단 장치(300)가 작동되는 경우 신속하고 확실하게 파단될 수 있도록 하기 위해, 예를 들어 다수의 금속 와이어 형태로 구현될 수 있다.
이 경우, 개개의 상기 금속 와이어들은 인접한 한 쌍의 배터리 셀 각각의 전극 리드(140)와 용접 등에 의해 연결될 수 있으며, 이하 설명할 커넥터 파단 장치(300)가 작동되는 경우 이러한 금속 와이어와 전극 리드(140) 간의 용접 부위가 파단되어 이웃하는 배터리 셀(100) 간의 전기적 연결이 차단된다.
상기 커넥터 파단 장치(300)는 서로 대면하는 한 쌍이 배터리 셀(100) 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간 내에 배치되며, 배터리 셀(100)에 스웰링(swelling)이 발생되면, 그 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 동작하여 커넥터(200)와 전극 리드(140) 사이의 전기적 연결을 차단시킨다.
이 때, 상기 전극 리드(140)는 그 단부가 수평 방향으로 절곡되어 커넥터 파단 장치(300)의 상단에 고정됨으로써 커넥터 파단 장치(300)의 작동에 따른 압력이 커넥터(200)에 잘 전달될 수 있도록 한다.
상기 파단 장치(300)는 배터리 셀(100)의 스웰링으로 인해 팽창되는 수용부(120) 및/또는 실링부(130)에 의해 푸쉬바(360)가 상방으로 눌려지고, 이에 따라 파단부(320)가 상방으로 이동하여 커넥터(200)에 압력을 가함으로써 커넥터(200)와 전극 리드(140)간의 결합 부위를 파단시켜 인접한 배터리 셀(100) 간의 전기적 연결을 차단시킨다.
상기 파단 장치(300)의 구체적인 구조 및 작동원리에 대해서는 도 9 내지 도 12를 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
다음은, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치(300)가 설치되는 위치를 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 8은 복수의 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈에 있어서 커넥터 파단 장치가 설치될 수 있는 다양한 위치를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 한 쌍의 배터리 셀(100) 이 외에 추가적인 배터리 셀들을 더 포함할 수 있으며, 복수의 배터리 셀(100)들 간의 전기적 연결 관계 역시 다양하게 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 셀(100)들이 모두 직렬로 연결된 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 인접한 한 쌍의 배터리 셀(100) 사이를 연결하는 복수의 커넥터들 중 어느 하나만 끊어지게 되면 전기적 연결이 완전히 차단되는 것이므로, 인접한 한 쌍의 배터리 셀(100) 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간들 중 어느 한 곳에만 커넥터 파단 장치(300)를 설치할 수 있다. 물론, 안전성을 좀 더 확실하게 담보하기 위해, 인접한 한 쌍의 배터리 셀(100) 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간들 중 복수 개소에 커넥터 파단 장치(300)를 설치하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 셀(100)들이 복수의 셀그룹으로 나누어져 동일 셀그룹 내에 있는 배터리 셀(100)들끼리는 병렬로 연결되고, 셀그룹 간에는 서로 직렬로 연결된 형태를 가질 수 있다.
이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 다른 셀그룹에 속하면서 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀(100) 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간에 커넥터 파단 장치(300)를 설치함으로써, 일정 수준 이상의 셀 스웰링 발생 시에 셀그룹 간의 직렬 연결을 차단시킬 수 있다.
한편, 이 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 서로 동일 셀그룹에 속하면서 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀(100) 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간마다 커넥터 파단 장치(300)를 설치함으로써, 일정 수준 이상의 셀 스웰링 발생 시에 동일 셀그룹 내의 병렬 연결을 완전히 차단할 수도 있다.
다음은, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 커넥터 파단 장치(300)의 구체적인 구조 및 작동 원리에 대해서 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 커넥터 파단 장치의 내부 구조를 나타내는 도면으로서, 커넥터 파단 장치가 작동하기 이 전의 상태를 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 커넥터 파단 장치에 있어서 스토퍼에 의해 파단부의 움직임이 제한된 상태를 나타내는 도면이다. 또한, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 커넥터 파단 장치의 내부 구조를 나타내는 도면으로서, 배터리 셀의 스웰링에 의해 커넥터 파단 장치가 작동한 이 후의 상태를 나타내는 도면이고, 도 12는 도 11에 도시된 커넥터 파단 장치에 있어서 스토퍼에 의한 파단부의 고정 상태가 해제되어 파단부가 상방으로 이동한 상태를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 9 내지 도 12를 참조하면, 상기 커넥터 파단 장치(300)는 카트리지(310), 파단부(320), 제1 탄성 부재(330), 스토퍼(340), 제2 탄성 부재(350) 및 푸쉬바(360)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 카트리지(310)는, 내부 공간에 파단부(320), 제1 탄성 부재(330), 스토퍼(340), 제2 탄성 부재(350) 및 푸쉬바(360)를 수용한다. 상기 카트리지(310)는 내측면으로부터 돌출 형성된 제1 안착부(311), 제2 안착부(312), 가이드 리브(313) 및 지지 리브(314)를 구비한다.
상기 제1 안착부(311)는 파단부(320)의 제1 연장부(321) 및 제1 탄성 부재(330)의 하방에 형성되어 제1 탄성 부재(330)를 지지하며, 또한 파단부(320)가 하사점에 도달하였을 때 제1 연장부(321)의 단부가 안착되도록 지지한다. 이와 유사하게, 상기 제2 안착부(312)는 파단부(320)의 제2 연장부(322)의 하방에 형성되어 제2 연장부(322)의 단부가 안착되도록 지지한다.
후술할 바와 같이 제1 연장부(321)가 한 쌍으로 구비될 수 있는데, 이 경우 제1 안착부(311) 역시 한 쌍으로 구비되며, 제2 안착부(312)는 한 쌍의 제1 안착부(311) 사이에 구비될 수 있다.
상기 가이드 리브(313)는 한 쌍의 제1 연장부(321) 중 일측에 위치하는 제1 연장부(321)와 제2 연장부(322) 사이에 위치하며, 수평선에 대해 소정의 각도로 경사진 형태로 구비된다. 상기 가이드 리브(313)는 후술할 푸쉬 리브(361)의 움직임을 가이드 하여 푸쉬 리브(361)가 수평 방향으로 이동하도록 한다. 즉, 상기 푸쉬 리브(361)는 푸쉬바(360)가 상방으로 움직임에 따라 동일하게 상방으로 이동하게 되는데, 가이드 리브(313)는 이처럼 수직방향으로만 움직이는 푸쉬바(360)가 수평방향으로도 움직이도록 그 운동 방향을 전환하는 기능을 하는 것이다.
상기 지지 리브(314)는 한 쌍의 제1 연장부(321) 중 타측에 위치하는 제1 연장부(321)와 제2 연장부(322) 사이에 위치하며, 상하 방향으로 연장된 형태로 구비된다. 상기 지지 리브(314)는 제2 탄성 부재(350)의 일측을 지지하는 기능을 한다.
상기 파단부(320)는, 압축되어 탄성 에너지를 저장하고 있던 제1 탄성 부재(330)의 복원력에 의해 카트리지의 상단에 형성된 개구부를 통해 상방으로 움직임으로써 커넥터(200)와 전극 리드(140) 사이의 접합 부위를 파단시켜 커넥터(200)와 전극 리드(140) 사이의 전기적 연결을 차단시키는 구성요소이다.
상기 파단부(320)는 하방으로 연장 형성된 제1 연장부(321) 및 제2 연장부(322)를 구비하며, 상기 제1 연장부(321)는 파단부(320)의 안정적인 움직임을 위해 한 쌍으로 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 한 쌍의 제1 연장부(321) 각각은 파단부(320)의 양 측 단부에 구비될 수 있다. 이처럼 상기 제1 연장부(321)가 한 쌍으로 구비되는 경우에 있어서, 제2 연장부(322)는 한 쌍의 제1 연장부(321) 사이에 위치한다.
상기 제1 연장부(321)는 상하 방향으로 연장된 대략 길다란 원기둥 형상을 가질 수 있으며, 제1 탄성 부재(330) 내에 삽입될 수 있는 두께로 형성된다. 본 발명의 도면에서는 제1 연장부(321)가 원기둥 형상인 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 제1 연장부(321)의 단면은 원형이 아닌 다각형 형태를 가질 수도 있는 것이다.
상기 제1 연장부(321)는 제1 탄성 부재(330)의 일측을 지지하기 위해 주변보다 더 두꺼운 두께로 형성된 탄성 부재 지지부(321a)를 구비한다. 이로써 제1 탄성 부재(330)는 양 측 단부가 각각 탄성 부재 지지부(321a) 및 제1 안착부(311)에 의해 지지되고, 파단부(320)가 하방으로 움직이는 경우에는 압축되고, 상방으로 움직이는 경우에는 신장되는 거동을 보이게 된다.
상기 제2 연장부(322)는 상하 방향으로 연장된 대략 길다란 원기둥 형상을 가질 수 있으며, 스토퍼(340)의 관통홀(340a) 내에 삽입될 수 있는 두께로 형성된다. 본 발명의 도면에서는 제2 연장부(322)가 원기둥 형상인 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 제2 연장부(322)의 단면은 원형이 아닌 다각형 형태를 가질 수도 있는 것이다.
상기 제2 연장부(322)는 제1 두께를 갖는 제1 부분(322a)과 제1 부분(322a) 대비 더 얇은 제2 두께를 갖는 제2 부분(322b)으로 이루어지는데, 제2 부분(322b)은 한 쌍의 제1 부분(322a) 사이에 위치할 수 있다.
서로 다른 두께로 형성된 상기 제1 부분(322a)과 제2 부분(322b)의 경계 영역에는 두께 차이로 인한 단턱이 형성되는데, 스토퍼(340)는 이러한 단턱을 이용하여 파단부(320)가 움직이지 않도록 고정시킬 수 있다.
상기 제1 탄성 부재(330)는, 배터리 셀(100)의 스웰링이 일정 수준 이상으로 발생되지 않는 정상적인 상황에서는 압축된 상태를 유지하다가, 스웰링에 따른 압력이 푸쉬바(360)에 인가되면, 신장되면서 탄성 에너지를 이용하여 파단부(320)를 상방으로 이동시키는 기능을 한다. 이러한 제1 탄성 부재(330)로는, 예를 들어 스프링이 이용될 수 있다.
상기 제1 탄성 부재(330)는 그 양측이 각각 탄성 부재 지지부(321a) 및 제1 안착부(311)에 의해 지지되며, 파단부(320)가 하방으로 움직이는 경우 압축되고, 상방으로 움직이는 경우 신장되는 거동을 보이게 된다.
상기 스토퍼(340)는, 수평 방향으로 연장된 형태를 가지며, 제1 탄성 부재(330)가 탄성 가압된 상태를 유지하도록 한다. 즉, 상기 스토퍼(340)는 파단부(320)를 고정시켜 파단부(320)가 하사점까지 이동된 상태를 유지하도록 한다. 또한, 상기 스토퍼(340)는 상기 푸쉬바(360)가 배터리 셀(100)의 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 눌리게 되면 파단부(320)에 대한 고정 상태가 해제되도록 함으로써 파단부(320)가 제1 탄성 부재(330)의 탄성력에 의해 커넥터(200)를 향해 상방으로 이동할 수 있도록 한다.
상기 스토퍼(340)는, 상하 방향을 따라 관통되어 형성된 관통홀(340a)을 구비하며, 이러한 관통홀(340a) 내에는 파단부(320)의 제2 연장부(321)가 삽입된다.
상기 스토퍼(340)는 제2 탄성 부재(350)와 후술할 푸쉬 리브(361) 사이에 배치되며, 제2 탄성 부재(350)의 복원력에 의해 푸쉬 리브(361)를 향하는 방향으로 힘을 받는다. 따라서, 상기 스토퍼(340)의 관통홀(340a)이 내벽면은 제2 연장부(322)의 제2 부분(322b)과 접하게 되고, 이로써 제2 연장부(322)의 제1 부분(322a)과 제2 부분(322b)의 경계 영역에 형성된 단턱에 스토퍼(340)가 걸려 파단부(320)는 상하로 움직일 수 없도록 고정된 상태를 유지하게 된다.
한편, 이처럼 상기 단턱에 스토퍼(340)가 걸린 상태에서는 제1 탄성 부재(330)는 압축된 상태에 있고, 제2 탄성 부재(350)는 신장된 상태에 있게 된다.
상기 제2 탄성 부재(350)는, 스토퍼(340)에 의해 파단부(320)가 고정된 상태에 있을 때에는 신장된 상태를 유지하다가, 스웰링에 따른 압력이 푸쉬바(360)에 인가되면 압축되는 거동을 나타낸다. 이러한 제2 탄성 부재(330)로는, 예를 들어 스프링이 이용될 수 있다.
상기 제2 탄성 부재(350)는 그 양측이 각각 스토퍼(340) 및 지지 리브(314)에 의해 지지되며, 푸쉬바(360)가 눌려서 상방으로 이동하면 압축되고, 푸쉬바(360)가 눌리지 않았을 때에는 신장되어 스토퍼(340)를 푸쉬 리브(361) 방향으로 밀어낸다.
상기 푸쉬바(360)는 카트리지(310) 내에서 하부에 설치되며, 카트리지(310)의 하단에 형성된 개구부를 통해 카트리지(310)의 외부로 노출된다. 상기 푸쉬바(360)는 배터리 셀(100)의 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 카트리지(310) 내에서 상방으로 움직임으로써 파단부(320)의 고정상태가 해제되도록 한다.
상기 푸쉬바(360)는 가이드 리브(313)를 향해 상방으로 연장 형성되며 그 일측 단부가 가이드 리브(313)와 스토퍼(340) 사이에 위치하는 푸쉬 리브(361)를 구비한다. 상기 푸쉬 리브(361)는, 푸쉬바(360)가 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 상방으로 움직이는 경우, 가이드 리브(313)에 의해 운동 방향이 전환되어 스토퍼(340)를 가압하게 되며, 이로써 스토퍼(340)는 제2 탄성 부재(350)를 압축시키는 방향으로 이동하게 된다.
도 10과 도 12를 함께 참조하면, 이러한 스토퍼(340)의 이동에 의해 파단부(320)의 고정 상태는 해제되며, 이로써 제1 탄성 부재(330)의 복원력에 의해 파단부(320)가 상방으로 이동하여 커넥터(200)를 타격함으로써 커넥터(200)와 전극 리드(140) 간의 접합 부위가 파단되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀(100)의 스웰링이 일정 수준 이상으로 발생되는 경우, 인접한 배터리 셀(100) 사이에 배치되는 커넥터 파단 장치(300)를 이용하여 커넥터(200)와 전극 리드(140) 사이의 접합 부위를 파단시킴으로써 전류의 흐름을 강제로 차단할 수 있도록 구성됨으로써 이차전지 사용상의 안전성을 담보할 수 있다.
이상에서 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.
100: 배터리 셀
110: 파우치 케이스
120: 수용부
130: 실링부
140: 전극 리드
200: 커넥터
300: 커넥터 파단 장치
310: 카트리지
311: 제1 안착부
312: 제2 안착부
313: 가이드 리브
314: 지지 리브
320: 파단부
321: 제1 연장부
321a: 탄성 부재 지지부
322: 제2 연장부
322a: 제1 부분
322b: 제2 부분
330: 제1 탄성 부재
340: 스토퍼
340a: 관통홀
350: 제2 탄성 부재
360: 푸쉬바
361: 푸쉬 리브

Claims (9)

  1. 전극 리드를 구비하며 서로 대면하여 적층되는 한 쌍의 배터리 셀;
    상기 한 쌍의 배터리 셀 각각의 전극 리드 사이를 연결하는 커넥터;
    상기 한 쌍의 배터리 셀 각각의 테라스부 사이에 형성되는 공간에 배치되며, 상기 배터리 셀의 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 동작하여 상기 커넥터와 전극 리드 사이의 전기적 연결을 차단시키는 커넥터 파단 장치;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 배터리 셀 각각에 구비된 전극 리드들은 상기 커넥터 파단 장치에 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커넥터 파단 장치는,
    상기 배터리 셀의 스웰링에 따른 압력을 인가 받아 상기 카트리지 내에서 상방으로 움직이는 푸쉬바;
    상기 전극 리드와 반대 방향으로 탄성 가압된 상태를 유지하다가 상기 푸쉬바가 상방으로 이동하면 이에 따라 복원되는 제1 탄성 부재;
    상기 제1 탄성 부재의 복원력에 의해 상기 카트리지의 상단에 형성된 개구부를 통해 커넥터를 향해 이동하여 상기 커넥터와 전극 리드 사이의 전기적 연결을 차단시키는 파단부; 및
    상기 푸쉬바, 제1 탄성 부재 및 파단부를 수용하는 카트리지;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커넥터 파단 장치는,
    상기 제1 탄성 부재가 압축된 상태를 유지하도록 상기 파단부를 고정시키되, 상기 푸쉬바가 스웰링에 따른 압력에 의해 눌리면 상기 파단부에 대한 고정상태가 해제되도록 함으로써 상기 파단부가 상기 제1 탄성 부재의 복원력에 의해 상기 커넥터를 향해 이동할 수 있도록 하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 카트리지는,
    내측면으로부터 돌출 형성되며 수평선에 대해 소정의 각도로 경사진 가이드 리브를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 푸쉬바는,
    상기 가이드 리브를 향해 상방으로 연장 형성되며 그 일측 단부가 상기 가이드 리브와 스토퍼 사이에 위치하는 푸쉬 리브를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 푸쉬 리브는,
    상기 푸쉬바가 상기 스웰링에 따른 압력에 의해 눌리면, 상기 가이드 리브에 의해 움직임의 방향이 전환되어 그 일측 단부가 상기 스토퍼의 일 측 단부에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스토퍼는,
    상기 푸쉬 리브에 의한 압력을 받아 움직임으로써 상기 파단부의 고정상태가 해제되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 카트리지는 내측면으로부터 돌출 형성되는 지지 리브를 구비하며,
    상기 커넥터 파단 장치는 상기 스토퍼와 상기 지지 리브 사이에 배치되어 상기 푸쉬바가 눌렸을 때에 탄성 가압되는 제2 탄성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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