KR20190042990A - 안전 장치 및 탄성 부재를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기적으로 연결되어 있는 복수의 원통형 전지셀들을 포함하는 전지팩으로서, 상기 전지셀들은 전지셀의 외형 형상에 대응하는 내면 형상을 가진 수납부들을 포함하는 셀 프레임에 동일한 전극의 전극 단자들이 동일한 방향으로 향하도록 배열되어 있고, 상기 전극 단자들은 각각 접속 부재를 통해서 접속 플레이트에 전기적으로 연결되며, 상기 접속 부재는 과도한 전류의 흐름을 차단하는 안전 장치를 포함하고, 상기 접속 부재는 탄성 부재를 더 포함하는 전지팩에 관한 것이다.

Description

안전 장치 및 탄성 부재를 포함하는 전지팩{Battery Pack Comprising safety member and elastic member}
본 발명은 안전 장치 및 탄성 부재를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이차 전지는 그것이 사용되는 외부 기기의 종류에 따라, 단일 전지셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위 전지들을 전기적으로 연결한 전지 모듈의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지셀 1 개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 전지 모듈의 사용이 요구된다.
전지 모듈은 다수의 단위 전지들을 직렬 및/또는 병렬로 배열하여 연결한 전지팩에 보호 회로 등을 접속함으로써 제조된다. 단위 전지로서 각형 또는 파우치형 전지를 사용하는 경우에는 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층한 후 전극 단자들을 버스 바 등의 접속 부재에 의해 연결하여 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 육면체 구조의 입체형 전지 모듈을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 전지가 단위 전지로서 유리하다.
반면에, 원통형 전지셀는 일반적으로 각형 및 파우치형 전지보다 큰 용량을 가지지만, 원통형 전지셀의 외형적 특성상 적층 구조로의 배열이 용이하지 않다. 그러나, 전지 모듈의 형상이 전체적으로 선형 또는 판상형 구조일 때 각형 또는 파우치형 보다 구조적으로 이점이 있다.
따라서, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD, 소형 PC 등의 경우에는 다수의 원통형 전지셀들을 병렬 및/또는 직렬 방식으로 연결한 전지팩을 전지 모듈의 제조에 많이 사용하고 있다. 그러한 전지팩으로는, 예를 들어, 2P(병렬)-3S(직렬)의 선형 구조, 2P-3S의 판상형 구조, 2P-4S의 선형 구조, 2P-4S의 판상형 구조 등이 사용되고 있다.
병렬 방식의 연결 구조는, 전극 단자들이 동일한 방향을 향하도록 배향한 상태에서 둘 또는 그 이상의 원통형 전지들을 그것의 측면 방향으로 인접하게 배열하여, 접속 부재로 용접함으로써 달성된다. 이러한 병렬 방식의 원통형 전지들을 "뱅크(BANK)"로 칭하기도 한다.
그러나, 전기 자동차와 같이 높은 출력과 용량을 요구하는 전지팩의 경우, 다수의 원통형 전지셀들을 동일한 전극의 전극 단자들이 동일한 방향으로 향하도록 배열하고, 전극 단자들에 판상형 접속 부재를 용접하여 뱅크를 구현한다. 이러한 구조에서는, 일반적으로, BMS(Battery Management System)와 같은 하나의 안전 장치에 의해서 관리된다. 다시 말해, 하나의 BMS에 의해 뱅크 단위로 제어됨으로, 일부의 전지셀들에 과충전 및 과전류와 같은 비정상적인 상태가 발생할 경우, BMS는 작동하지 않게 된다. 따라서, 다수의 전지셀들을 포함하는 뱅크의 경우, 과전류 및 과충전에 의한 폭발 및 발화의 정도가 증가하여 큰 사고로 이어질 가능성이 매우 높다.
또한, 다수의 전지셀들의 전극 단자들이 판상형 접속 부재에 접속되어 있어, 외부 충격이나 진동이 가해질 경우, 전극 단자들과 판상형 접속부재 사이에 접속불량이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 셀 프레임에 동일한 전극의 전극 단자들이 동일한 방향으로 향하도록 배열되어 있는 복수의 원통형 전지셀들의 전극 단자들이 각각 접속 부재를 통해서 접속 플레이트에 전기적으로 연결되고, 상기 접속 부재는 과도한 전류의 흐름을 차단하는 안전 장치를 포함하고, 상기 안전 장치는 탄성 부재를 더 포함함으로써, 전지팩의 과전류 및 과충전에 의한 폭발 및 발화의 정도가 증가하는 것을 방지할 뿐만 아니라, 외부의 충격에도 전지셀의 안전성을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은 전기적으로 연결되어 있는 복수의 원통형 전지셀들을 포함하는 전지팩으로서, 상기 전지셀들은 전지셀의 외형 형상에 대응하는 내면 형상을 가진 수납부들을 포함하는 셀 프레임에 동일한 전극의 전극 단자들이 동일한 방향으로 향하도록 배열되어 있고, 상기 전극 단자들은 각각 접속 부재를 통해서 접속 플레이트에 전기적으로 연결되며, 상기 접속 부재는 과도한 전류의 흐름을 차단하는 안전 장치 및 탄성 부재를 포함한다.
상기 전지셀들은 병렬 연결될 수 있다.
상기 전지셀들은 수납부에 완전히 수납되어 셀 프레임의 높이를 초과하지 않을 수 있다.
상기 접속 플레이트는 판상형 구조로 이루어져 있고, 상기 전극 단자에 대응하는 부위에 개구가 형성될 수 있다.
상기 접속 플레이트는 구리, 알루미늄 및 니켈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 접속 플레이트는
상기 셀 프레임의 상부에 위치하는 제1 전극 단자 접속 플레이트; 및
상기 셀 프레임의 하부에 위치하는 제2 전극 단자 접속 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 제 2 접속 플레이트와 상기 셀 프레임 사이에 개재되는 열적 계면 부재(thermal interface material)를 더 포함할 수 있다.
상기 열적 계면 부재는 판상형 구조로 이루어져 있고, 음극 단자에 대응하는 부위에 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 접속 부재는 상기 관통홀을 통해 상기 음극 단자에 연결될 수 있다.
상기 접속 부재는 폭 대비 길이가 긴 판상형 구조로 이루어져 있고, 상기 접속 부재의 길이 방향을 따라 상기 접속 부재의 일측은 상기 셀 프레임에 대면하는 상기 접속 플레이트의 내면에 연결되어 있고, 상기 접속 부재의 타측은 상기 수납부의 내부로 절곡되어 상기 전극 단자에 연결될 수 있다.
상기 접속 부재는 구리, 알루미늄 및 니켈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 안전 장치는 전류 퓨즈(current fuse)일 수 있다.
상기 전류 퓨즈는 상기 접속 부재가 상기 수납부의 내부로 절곡되는 부위에 형성될 수 있다.
상기 전류 퓨즈는 전류 한계치 100 암페어에서 파단 되어 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
상기 탄성 부재는 용수철일 수 있다.
상기 탄성 부재는 상기 안전 장치의 적어도 일측 부위에 연결될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거, 에너지 저장 시스템 또는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 중에서 선택되는 하나일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전극 단자들 각각이 접속 부재를 통해서 접속 플레이트에 전기적으로 연결되며, 접속 부재는 과도한 전류의 흐름을 차단하는 안전 장치를 포함하고, 접속 부재는 탄성 부재를 포함하도록 구성함으로써, 전지팩의 과전류 및 과충전에 의한 폭발 및 발화를 방지할 뿐만 아니라, 외부의 충격에도 전지셀의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해도이다.
도 2는 도 1의 전지셀이 접속 부재를 통해서 접속 플레이트에 전기적으로 연결되는 것을 나타낸 수직 단면도이다.
도 3은 도 2의 접속 부재의 확대된 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해도이다.
도 1을 참조하면, 전지팩(10)은 전기적으로 병렬 연결되어 있는 원통형 전지셀(101)을 복수개 포함한다. 복수의 전지셀(101)은 하나의 뱅크를 형성하고 있다. 복수의 전지셀(101)의 외형 형상에 대응하는 내면 형상을 가진 수납부들을 포함하는 셀 프레임(110)에, 동일한 전극의 전극 단자들이 동일한 방향으로 향하도록 전지셀들(101)이 배열되어 있다. 전지셀들(101)의 전극 단자들은 각각 접속 부재들(131, 132)을 통해서 접속 플레이트(120)에 전기적으로 연결된다.
접속 플레이트(120)는 셀 프레임(110)의 상부에 위치하는 제1 전극 단자 접속 플레이트(121) 및 셀 프레임(110)의 하부에 위치하는 제2 전극 단자 접속 플레이트(122)를 포함한다. 접속 플레이트(120)는 판상형 구조로 이루어져 있고, 전극 단자에 대응하는 부위에 복수의 개구(125)가 형성되어 있다. 개구들(125)을 통해서 전지셀들(101)에서 발생한 열이 방출되어 전지팩의 냉각 효율성을 높이고, 전지셀들(101)의 발화 시 압력과 가스의 분출 공간으로 작용하여 안전성을 높일 수 있다.
도 2는 도 1의 전지셀이 접속 부재를 통해서 접속 플레이트에 전기적으로 연결되는 것을 나타낸 수직 단면도이다.
도 2를 참조하면, 전지셀(101)은 셀 프레임(110)의 수납부에 완전히 수납되어 셀 프레임(110)의 높이를 초과하지 않는다. 접속 부재(131, 132)는 전지셀(101)의 양극 단자(102)에 전기적으로 연결되는 제1 접속 부재(131)와 전지셀(101)의 음극 단자(103)에 전기적으로 연결되는 제2 접속 부재(132)을 포함한다.
제1 접속 부재(131)는 폭 대비 길이가 긴 판상형 구조로 이루어져 있고, 제1 접속 부재(131)의 길이 방향을 따라 제1 접속 부재(131)의 일측은 셀 프레임(110)에 대면하는 제1 전극 단자 접속 플레이트(121)의 내면에 연결되어 있고, 제1 접속 부재(131)의 타측은 수납부의 내부로 절곡되어 전지셀(101)의 양극 단자(102)에 전기적으로 연결되어 있다.
제2 접속 부재(132)는 폭 대비 길이가 긴 판상형 구조로 이루어져 있고, 제2 접속 부재(132)의 길이 방향을 따라 제2 접속 부재(132)의 일측은 셀 프레임(110)에 대면하는 제2 전극 단자 접속 플레이트(122)의 내면에 연결되어 있고, 제2 접속 부재(132)의 타측은 수납부의 내부로 절곡되어 전지셀(101)의 음극 단자(103)에 전기적으로 연결되어 있다.
제2 전극 단자 접속 플레이트(122)와 셀 프레임(110) 사이에는 열적 계면 부재(160)가 위치한다. 열적 계면 부재(160)는 판상형 구조로 이루어져 있고, 전지셀(101)의 음극 단자(103)에 대응하는 부위에 관통홀(161)이 형성되어 있다. 제2 접속 부재(132)는 열적 계면 부재(160)의 관통홀(161)을 통해서 전지셀(101)의 음극 단자(103)에 전기적으로 연결된다.
도 3은 도 2의 접속 부재의 확대된 모식도이다.
도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 제1 접속 부재(131)는 니켈을 포함하고, 과도한 전류의 흐름을 차단하는 안전 장치를 포함한다. 여기서 안전 장치는 전류 퓨즈(141)이다. 전류 퓨즈(141)는 전류 한계치 100 암페어에서 파단 되어 전류의 흐름을 차단한다.
앞서 설명한 것과 같이, 뱅크로 형성된 전지셀들은 하나의 BMS에 의해서 제어됨으로, 일부 전지셀들에 과전류 및 과충전이 발생하더라도, BMS는 작동하지 않는다. 즉, 다수의 전지셀들에 과전류 및 과충전이 발생할 때까지 BMS가 작동하지 않으므로, 폭발 및 발화의 정도가 증가하여 큰 사고로 이어질 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 접속 부재(131)에는 전류 퓨즈(141)가 형성되어 있어 전지셀(101)에 과전류가 흐르게 될 경우, BMS의 제어가 없어도, 전류 퓨즈(141)의 파단에 의해 전지셀(101)의 전류의 흐름이 차단되어, 폭발 및 발화의 정도가 증가하여 큰 사고로 이어지는 것을 사전에 예방할 수 있다.
또한, 전류 퓨즈(141)는 제1 접속 부재(131)가 수납부의 내부로 절곡되는 부위에 형성되어 있다. 따라서, 작업자는 제1 전극 단자 접속 플레이트(121)의 개구를 통해 전류 퓨즈(141)의 상태를 육안으로 확인할 수 있고, 전류 퓨즈(141)가 파단 되었을 경우, 쉽게 교체할 수 있다.
또한, 제1 접속 부재(131)는 전류 퓨즈(141)의 양단에 위치하는 탄성 부재를 더 포함한다. 탄성 부재는 전류 퓨즈(141)의 일단에만 형성될 수도 있다. 여기서, 탄성 부재는 하나의 예로 용수철(151)일 수 있다. 용수철(151)은 전류의 흐름과 저항의 발생 등을 고려하여, 제1 접속 부재(131)와 동일한 소재로 형성될 수 있으나, 전기 전도도(Electric conductivity)가 높은 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 전기 전도도가 높은 소재를 사용할 경우, 용수철(151)의 단면 직경을 줄일 수 있어 충분한 탄성력을 유지할 수 있기 때문이다. 이러한 구조에 의해, 전지팩(10)에 외부 충격 또는 진동이 가해지더라도 제1 접속 부재(131)는 탄성력을 가지게 되어 양극 단자(102)와 제1 전극 단자 접속 플레이트(121) 사이에 접속 부위가 파단되어 접속 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 2의 제2 접속 부재(132) 또한 제1 접속 부재(131)와 마찬가지로 안전 장치 및 탄성 부재를 포함할 수 있다.
본 발명이 속한 분양에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 전기적으로 연결되어 있는 복수의 원통형 전지셀들을 포함하는 전지팩으로서,
    상기 전지셀들은 전지셀의 외형 형상에 대응하는 내면 형상을 가진 수납부들을 포함하는 셀 프레임에 동일한 전극의 전극 단자들이 동일한 방향으로 향하도록 배열되어 있고,
    상기 전극 단자들은 각각 접속 부재를 통해서 접속 플레이트에 전기적으로 연결되며,
    상기 접속 부재는 과도한 전류의 흐름을 차단하는 안전 장치 및 탄성 부재를 포함하는 전지팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 전지팩.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전지셀들은 수납부에 완전히 수납되어 셀 프레임의 높이를 초과하지 않는 전지팩.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 접속 플레이트는 판상형 구조로 이루어져 있고, 상기 전극 단자에 대응하는 부위에 개구가 형성되어 있는 전지팩.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 접속 플레이트는 구리, 알루미늄 및 니켈 중 적어도 하나를 포함하는 전지팩.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 접속 플레이트는
    상기 셀 프레임의 상부에 위치하는 제1 전극 단자 접속 플레이트; 및
    상기 셀 프레임의 하부에 위치하는 제2 전극 단자 접속 플레이트를 포함하는 전지팩.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제 2 접속 플레이트와 상기 셀 프레임 사이에 개재되는 열적 계면 부재(thermal interface material)를 더 포함하는 전지팩.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 열적 계면 부재는 판상형 구조로 이루어져 있고, 음극 단자에 대응하는 부위에 관통홀이 형성되어 있는 전지팩.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 접속 부재는 상기 관통홀을 통해 상기 음극 단자에 연결되는 전지팩.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 접속 부재는 폭 대비 길이가 긴 판상형 구조로 이루어져 있고, 상기 접속 부재의 길이 방향을 따라 상기 접속 부재의 일측은 상기 셀 프레임에 대면하는 상기 접속 플레이트의 내면에 연결되어 있고, 상기 접속 부재의 타측은 상기 수납부의 내부로 절곡되어 상기 전극 단자에 연결되어 있는 전지팩.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 접속 부재는 구리, 알루미늄 및 니켈 중 적어도 하나를 포함하는 전지팩.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 안전 장치는 전류 퓨즈(current fuse)인 전지팩.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 전류 퓨즈는 상기 접속 부재가 상기 수납부의 내부로 절곡되는 부위에 형성되는 전지팩.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 전류 퓨즈는 전류 한계치 100 암페어에서 파단 되어 전류의 흐름을 차단하는 전지팩.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 용수철인 전지팩.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 상기 안전 장치의 적어도 일측 부위에 연결되어 있는 전지팩.
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