WO2020101207A1 - 과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 팩 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 팩 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack charging system having a structure capable of preventing overcharging and a vehicle including the same, and more specifically, its shape is changed according to a potential difference applied between both sides to form a battery pack and a charging device.
  • the present invention relates to a battery pack charging system including a current blocking member capable of blocking a current flowing in a circuit by operating a switch connected to the vehicle, and a vehicle including the same.
  • all of the above-mentioned elements are operated by heat generated by overcurrent. That is, the above-mentioned elements correspond to elements that operate to block the flow of current only when the overcurrent is generated on the circuit current path due to overcharging and the temperature increases.
  • the present invention was devised in consideration of the above-described problems, and the battery pack is charged with a structure in which a current blocking member capable of blocking current is installed before the temperature of the battery pack rises due to heat generated by overcharging of the battery pack.
  • the aim is to provide a system.
  • a battery pack charging system for solving the above-described problem includes: a battery pack including a plurality of battery cells; A charging device connected to both ends of the battery pack to supply a charging current to the battery pack; A switch connected between the battery pack and the charging device to allow or block the flow of the charging current; And a current blocking member that is mechanically connected to the switch and causes a bending deformation when the potential difference formed between both ends of the battery pack is greater than or equal to a reference value, thereby turning off the switch.
  • the battery cell may be a pouch type battery cell.
  • the charging device may be an alternator installed in a vehicle.
  • One side in the longitudinal direction of the current blocking member is a fixed end that is fixed directly or indirectly to the battery pack or the ground, and the other side in the longitudinal direction of the current blocking member may be a free end whose position can be changed by the bending deformation. .
  • the current blocking member includes an EAP layer; A first metal layer formed on one side of the EAP layer; And a second metal layer formed on the other side of the EAP layer.
  • the EAP layer may include at least one polymer electrolyte selected from Nafion, polypyrrole, polyaniline, and polythiophene.
  • the first metal layer and the second metal layer may include any one metal selected from the group including platinum, gold, silver, and copper.
  • the first metal layer may be electrically connected to the negative electrode of the battery pack, and the second metal layer may be electrically connected to the positive electrode of the battery pack.
  • the switch may be connected between the negative electrode of the battery pack and the charging device.
  • the first metal layer may be mechanically / electrically connected to the switch by a connecting rod made of a conductive material.
  • the first metal layer may be mechanically connected to the switch by a connecting rod, and electrically connected to a negative electrode of the battery pack by a negative electrode connecting lead.
  • the connecting rod may be hinged to the switch and the first metal layer, respectively.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problems includes a battery pack charging system according to an embodiment of the present invention as described above.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a battery pack charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a battery pack applied to the battery pack charging system shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view showing individual battery cells constituting the battery pack shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a view showing a current blocking member applied to the battery pack charging system shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a view showing a state in which the current blocking member causes shape deformation when a potential difference of a reference value or higher is formed between the first metal layer and the second metal layer of the current blocking member shown in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a view showing a modification of the connection relationship between the current blocking member and the switch shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a view showing a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 to 5 the overall configuration of a battery pack charging system according to an embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a battery pack charging system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing a battery pack applied to the battery pack charging system shown in Figure 1
  • Figure 3 is shown in Figure 2
  • FIG. 4 is a view showing a current blocking member applied to the battery pack charging system shown in FIG. 1
  • FIG. 5 is a potential difference above a reference value between the first metal layer and the second metal layer of the current blocking member shown in FIG. 4 In the case where it is formed, it is a view showing a state in which the current blocking member causes shape deformation.
  • a battery pack charging system includes a battery pack 100, a charging device 200, a switch 300, and a current blocking member 400 Is implemented.
  • the battery pack 100 may include a plurality of battery cells 10 connected in series, parallel, or a mixture of series and parallel.
  • the cell stack formed by electrically connecting the battery cells 10 may be electrically connected to the negative electrode terminal 110 and the positive electrode terminal 120 formed outside the battery pack 100.
  • a pouch type battery cell may be applied to each battery cell 10 constituting the battery pack 100.
  • the pouch type battery cell 10 may be implemented in a form including an electrode assembly (not shown), an electrode lead 11, a cell case 12, and a sealing tape 13.
  • the electrode assembly has a form in which a separator is interposed between the positive and negative plates alternately repeatedly stacked, and it is preferable that the separators are positioned at the outermost sides of each side for insulation.
  • the negative electrode plate is composed of a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer coated on one or both sides thereof, and a negative electrode non-coated region where a negative electrode active material is not coated is formed at one end thereof. It functions as a tab.
  • the positive electrode plate is made of a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer coated on one or both sides thereof, and a positive electrode non-coated region in which a positive electrode active material is not coated is formed at one end thereof. It functions as a tab.
  • the separator is interposed between the negative electrode plate and the positive electrode plate to prevent direct contact between electrode plates having different polarities, but may be made of a porous material to allow ions to move through the electrolyte between the negative electrode plate and the positive electrode plate. have.
  • the electrode lead 11 is connected to the electrode tab and is drawn out of the cell case 12.
  • Battery cells 10 adjacent to each other may be electrically connected in series, parallel, or a mixture of series and parallel through an electrode lead 11 to form a single cell stack.
  • the cell case 12 is extended to the circumferential direction of the receiving part 12a and the receiving part 12a accommodating the electrode assembly, and the electrode lead 11 is heat-sealed to the outside, and the cell case 12 Sealing portion (12b) to seal the two areas.
  • the cell case 12 is sealed by heat-sealing the edges of each of the upper case and the lower case made of a multi-layered pouch film in which a resin layer / metal layer / resin layer is sequentially stacked. .
  • the sealing tape 13 is attached to the circumference of the electrode lead 11 and interposed between the sealing portion 12b of the cell case 12 and the electrode lead 11.
  • the sealing tape 13 is due to the low adhesion between the inner surface of the cell case 12 and the electrode lead 11 in the region where the electrode lead 11 is drawn out of the sealing portion 12b of the cell case 12. It is a component applied to prevent the sealability of the cell case 12 from deteriorating.
  • the charging device 200 is connected to both ends of the battery pack 100, that is, the negative terminal 110 and the positive terminal 120 to supply charging current to the battery pack 100.
  • the charging device 200 may be an alternator installed in a vehicle to produce electric power according to the engine driving of the vehicle and supply the generated electric power to the battery pack 100.
  • the switch 300 is connected between the negative electrode of the battery pack 100 and the charging device 200, and is turned on / off according to a modification of the shape of the current blocking member 400 ( Off) allows or disconnects the electrical connection between the battery pack 100 and the charging device.
  • the current blocking member 400 is electrically connected between both ends of the battery pack 100, and when the voltage of the battery pack 100 exceeds a reference value, its form Is modified to turn off the switch 300 (Off).
  • one side of the current blocking member 400 may be mechanically / electrically connected to the switch 300 connected between the negative electrode of the battery pack 100 and the charging device 200, and the other side of the battery pack 100 It can be electrically connected to the anode.
  • One side in the longitudinal direction of the current blocking member 400 (meaning the lower side in FIG. 1) is a fixed end that does not move by being fixed directly or indirectly to the battery pack 100 or the ground.
  • the other side in the longitudinal direction of the current blocking member 400 (meaning the upper side in FIG. 1) is a free end whose position can be changed when the current blocking member 400 causes bending deformation.
  • One surface of the free end is mechanically / electrically connected to the switch 300 by a conducting wire, so that the free end switch 300 of the current blocking member 400 is bent upon bending deformation of the current blocking member 400. While moving in a direction away from the switch 300 is turned off (Off).
  • the current blocking member 400 is an EAP layer (Electro active polymer layer) 410, a first metal layer 420 formed on one side of the EAP layer 410 and a second metal layer 430 formed on the other side of the EAP layer 410 Is implemented.
  • EAP layer Electro active polymer layer
  • the EAP layer 410 that is, the electroactive polymer layer, corresponds to a layer made of a polymer electrolyte having excellent ion transport properties, for example, Nafion, polypyrole, polyaniline, and poly It may include at least one polymer electrolyte selected from polythiophene.
  • the first metal layer 420 and the second metal layer 430 are formed on both sides of the EAP layer 410, and may be made of a metal having excellent electrical conductivity.
  • the metal layers 420 and 430 may include, for example, at least one metal selected from platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu).
  • the current blocking member 400 causes shape deformation when a voltage higher than a reference value is applied through the metal layers 420 and 430 formed on both sides of the EAP layer 410.
  • the first metal layer 420 is electrically connected to the negative electrode of the battery pack 100
  • the second metal layer 430 is electrically connected to the positive electrode of the battery pack 100 and a pair of metal layers ( A potential difference corresponding to the voltage of the battery pack 100 is formed between 420 and 430.
  • the inside of the polymer electrolyte constituting the EAP layer 410 is present.
  • the mobile cation moves in the direction of the first metal layer 420 that is negatively charged while hydrated in water.
  • the osmotic pressure is caused by the imbalance of the ion concentration between the first metal layer 420 and the second metal layer 430, thereby increasing the amount of water molecules toward the negatively charged first metal layer 420, Accordingly, bending deformation in the direction of the second metal layer 430 occurs in the current blocking member 400.
  • the first metal layer 420 is electrically and mechanically connected to the switch 300 in order to modify the shape of the current blocking member 400 and thus operate the switch 300.
  • the magnitude of the voltage that can cause the shape change of the current blocking member 400 will vary depending on the type of polymer electrolyte constituting the EPA layer 410 applied to the current blocking member 400.
  • the reference value of the voltage referred to in this specification may vary depending on the type of polymer electrolyte to be applied, and thus the battery pack 100 constituting the battery pack charging system to which the current blocking member 400 is applied has By selecting an appropriate polymer electrolyte according to the safety voltage range, it is possible to enable rapid current blocking in the event of an overcharge of the battery pack 100.
  • FIG. 6 is a view showing a modification of the connection relationship between the current blocking member and the switch shown in FIG. 1.
  • the hinge coupling structure may be applied to the coupling between the 300.
  • the battery pack charging system illustrated in FIG. 6 includes a connection rod 500 hingedly coupled to the switch 300 and the first metal layer 420; And a negative electrode connecting lead L1 electrically connecting between the first metal layer 420 and the negative electrode of the battery pack 100.
  • the second metal layer 430 is of course not only must be electrically connected to the positive electrode of the battery pack 100, for the electrical connection between the second metal layer 430 and the positive electrode of the battery pack 100
  • the positive electrode connecting lead L2 may be applied.
  • the battery pack charging system As described above, the battery pack charging system according to the present invention, the battery pack 100 and the charging device 200 to electrically connect the switch (300) on / off (Off) operation of the battery pack It is configured to be performed using the current blocking member 400 that causes bending deformation according to the voltage of (100), so that it is possible to secure the safety of the battery pack.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 7 of the present invention is implemented in a form including a battery pack charging system according to the present invention as described above.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 충전 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩의 양 단에 연결되어 상기 배터리 팩에 충전 전류를 공급하는 충전 장치; 상기 배터리 팩과 충전 장치 사이에 연결되어 상기 충전 전류의 흐름을 허용 또는 차단하는 스위치; 및 상기 스위치와 기계적으로 연결되며, 상기 배터리 팩의 양 단 사이에 형성되는 전위차가 기준치 이상이 되는 경우 굽힘 변형을 일으켜 상기 스위치를 오프(Off)시키는 전류 차단 부재;를 포함한다.

Description

과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 팩 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차
본 발명은, 과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 팩 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 양 면 사이에 인가되는 전위차에 따라 그 형태가 변형되어 배터리 팩과 충전장치 사이에 연결된 스위치를 동작시킴으로써 회로에 흐르는 전류를 차단할 수 있는 전류 차단 부재를 구비하는 배터리 팩 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 11월 12일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2018-0138450호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 이차전지에 쓰이는 퓨즈 장치로는 PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor), TCO(thermal cut-out), 써멀퓨즈(thermal fuse) 등이 있다. 그러나, 써멀퓨즈의 경우 1회용이라는 단점이 잇고, PTC나 TCO는 반복적인 사용이 가능하기는 하지만, 동작을 반복할수록 자체 저항이 증가하여 회로상의 전체적인 저항을 높이게 된다는 단점이 있다.
또한, 상기 언급한 소자들은, 모두 과전류에 의한 발열에 의해서 작동되는 것이다. 즉, 상기 언급한 소자들은, 과충전 등으로 인해 회로 전류 경로상에 과전류가 발생되고 이로써 온도가 상승하게 되어야 비로소 전류의 흐름을 차단하도록 동작하는 소자들에 해당하는 것이다.
따라서, 상기 언급한 소자들의 경우, 발열로 인해 이미 안전이 위협 받을 수 있는 상황이 된 이 후에 비로소 동작을 하여 과전류를 차단할 수 있게 되고, 온도를 상승시킬 수 있는 원인이 발생된 즉시 과전류를 찬단할 수는 없는 것이다.
또한, 상기 언급한 소자들의 경우, 단순히 온도에 따라 동작을 하게 되므로, 자동차에 이용되는 배터리 팩과 같이 고출력을 나타내는 이차전지에는 사용이 어려운 면이 있다. 즉, 자동차용 배터리 팩의 경우, 높은 c-rate(high c-rate)를 필요로 하며, 이에 따라 발열량 역시 많을 수 밖에 없는데, PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor), TCO(thermal cut-out), 써멀퓨즈(thermal fuse)와 같은 소자들은 이러한 고온 환경에 놓여지는 경우 너무 일찍 작동해버릴 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 재사용이 가능하면서도 높은 전류가 흐르는 환경에서도 이용 가능하고, 또한 온도가 상승하기 이 전에 그러한 온도 상승의 원인이 될 수 있는 이벤트가 발생하면 미리 전류를 차단시켜줄 수 있는 장치가 적용된 이차전지가 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 팩의 과충전으로 인한 발열에 따라 배터리 팩의 온도가 상승하기 전에 미리 전류를 차단시켜 줄 수 있는 전류 차단 부재가 설치된 구조를 갖는 배터리 팩 충전 시스템을 제공하는 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 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 충전 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩의 양 단에 연결되어 상기 배터리 팩에 충전 전류를 공급하는 충전 장치; 상기 배터리 팩과 충전 장치 사이에 연결되어 상기 충전 전류의 흐름을 허용 또는 차단하는 스위치; 및 상기 스위치와 기계적으로 연결되며, 상기 배터리 팩의 양 단 사이에 형성되는 전위차가 기준치 이상이 되는 경우 굽힘 변형을 일으켜 상기 스위치를 오프(Off)시키는 전류 차단 부재;를 포함한다.
상기 배터리 셀은, 파우치 타입 배터리 셀일 수 있다.
상기 충전 장치는, 자동차에 설치된 알터네이터일 수 있다.
상기 전류 차단 부재의 길이 방향 일 측은 상기 배터리 팩 또는 지면에 직접 또는 간접적으로 고정되는 고정단이고, 상기 전류 차단 부재의 길이 방향 타 측은 상기 굽힘 변형에 의해 그 위치가 변경될 수 있는 자유단일 수 있다.
상기 전류 차단 부재는, EAP 층; 상기 EAP 층의 일측 면 상에 형성되는 제1 금속 층; 및 상기 EAP 층의 타측 면 상에 형성되는 제2 금속 층;을 포함할 수 있다.
상기 EAP 층은, 나피온, 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리씨오펜으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 전해질을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 층 및 제2 금속 층은, 백금, 금, 은 및 동을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 층은 상기 배터리 팩의 음극과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 금속 층은 상기 배터리 팩의 양극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 스위치는, 상기 배터리 팩의 음극과 충전 장치 사이에 연결될 수 있다.
상기 제1 금속 층은, 전도성을 갖는 재질로 이루어진 연결 로드에 의해 상기 스위치와 기계적/전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 금속 층은, 연결 로드에 의해 상기 스위치와 기계적으로 연결되고, 음극 연결 리드에 의해 상기 배터리 팩의 음극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 연결 로드는, 상기 스위치 및 제1 금속 층과 각각 힌지 결합될 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 충전 시스템을 포함한다.
배터리 팩의 사용에 있어서 과전류에 따른 발열로 인해 이차전지의 온도가 상승하기 이 전에, 과전류의 발생 원인이 되는 기준치 이상의 전위차를 미리 감지하여 전류를 차단시킬 수 있게 되며, 이로써 배터리 팩 사용상의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 충전 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩 충전 시스템에 적용되는 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 팩을 구성하는 개개의 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 배터리 팩 충전 시스템에 적용되는 전류 차단 부재를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 전류 차단 부재의 제1 금속 층과 제2 금속 층 사이에 기준치 이상의 전위차가 형성된 경우에 있어서, 전류 차단 부재가 형태 변형을 일으키는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 전류 차단 부재와 스위치의 연결 관계의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 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 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 충전 시스템의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 충전 시스템을 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩 충전 시스템에 적용되는 배터리 팩을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 배터리 팩을 구성하는 개개의 배터리 셀을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4는 도 1에 도시된 배터리 팩 충전 시스템에 적용되는 전류 차단 부재를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 전류 차단 부재의 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 기준치 이상의 전위차가 형성된 경우에 있어서, 전류 차단 부재가 형태 변형을 일으키는 모습을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 충전 시스템은, 배터리 팩(100), 충전 장치(200), 스위치(300) 및 전류 차단 부재(400)를 포함하는 형태로 구현된다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 상기 배터리 팩(100)은, 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 형태로 연결된 복수의 배터리 셀(10)들을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 배터리 셀(10)들이 전기적으로 연결되어 형성된 셀 적층체는, 배터리 팩(100)의 외부에 형성된 음극 단자(110) 및 양극 단자(120)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 배터리 팩(100)을 구성하는 각각의 배터리 셀(10)로는, 예를 들어, 파우치 타입 배터리 셀이 적용될 수 있다. 도 3을 참조하면, 이러한 파우치 타입 배터리 셀(10)은, 전극 조립체(미도시), 전극 리드(11), 셀 케이스(12) 및 실링 테이프(13)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 전극 조립체는, 교호적으로 반복 적층된 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재시킨 형태를 가지며, 양 측 최외각에서는 절연을 위해 세퍼레이터가 각각 위치하는 것이 바람직하다.
상기 음극판은, 음극 집전체 및 그 일 면 또는 양 면 상에 코팅되는 음극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 음극 무지부 영역은 음극탭으로서 기능한다.
상기 양극판은, 양극 집전체 및 그 일 면 또는 양 면 상에 코팅되는 양극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 양극 무지부 영역은 양극탭으로서 기능한다.
또한, 상기 세퍼레이터는 음극판과 양극판 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 전극판끼리 직접 접촉되는 것을 방지하되, 음극판과 양극판 사이에서 전해질을 매개체로 하여 이온의 이동이 가능하도록 하기 위해 다공성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 전극 리드(11)는, 전극탭과 연결되어 셀 케이스(12)의 외측으로 인출된다. 서로 인접한 배터리 셀(10)들은 전극 리드(11)를 통해 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 형태로 전기적으로 연결되어 하나의 셀 적층체를 이룰 수 있다.
상기 셀 케이스(12)는, 전극 조립체를 수용하는 수용부(12a) 및 수용부(12a)의 둘레 방향으로 연장되어 전극 리드(11)가 외부로 인출된 상태로 열융착되어 셀 케이스(12)를 밀봉시키는 실링부(12b) 이렇게 두 영역을 포함한다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 셀 케이스(12)는, 수지층/금속층/수지층이 순차적으로 적층된 다층의 파우치 필름으로 이루어진 상부 케이스 및 하부 케이스 각각의 테두리 부분이 맞닿아 열융착 됨으로써 밀봉된다.
상기 실링 테이프(13)는, 전극 리드(11)의 둘레에 부착되어 셀 케이스(12)의 실링부(12b)와 전극 리드(11) 사이에 개재된다. 상기 실링 테이프(13)는, 셀 케이스(12)의 실링부(12b) 중 전극 리드(11)가 인출되는 영역에서 셀 케이스(12)의 내측면과 전극 리드(11) 사이의 낮은 접착력으로 인해 셀 케이스(12)의 밀봉성이 저하되는 것을 방지하기 위해 적용되는 부품이다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 충전 장치(200)는, 배터리 팩(100)의 양 단, 즉 음극 단자(110) 및 양극 단자(120)와 연결되어 배터리 팩(100)에 충전 전류를 공급하는 것으로서, 예를 들어, 자동차에 설치되어 자동차의 엔진 구동에 따라 전력을 생산하고 생산된 전력을 배터리 팩(100)에 공급하는 알터네이터(Alternator)일 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 스위치(300)는, 상기 배터리 팩(100)의 음극과 충전 장치(200) 사이에 연결되며, 전류 차단 부재(400)의 형태 변형에 따라 온(On)/오프(Off) 동작을 함으로써 배터리 팩(100)과 충전 장치 사이의 전기적 연결을 허용 또는 차단한다.
도 1과 함께 4 및 도 5를 참조하면, 상기 전류 차단 부재(400)는, 배터리 팩(100)의 양 단 사이에 전기적으로 연결되어, 배터리 팩(100)의 전압이 기준치 이상이 되면 그 형태가 변형되어 스위치(300)를 오프(Off) 시킨다.
즉, 상기 전류 차단 부재(400)의 일측 면은 배터리 팩(100)의 음극과 충전 장치(200) 사이에 연결된 스위치(300)와 기계적/전기적으로 연결될 수 있으며, 타측 면은 배터리 팩(100)의 양극과 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같은, 연결 관계로 인해, 상기 전류 차단 부재(400)의 양 면 사이에 배터리 팩(100)의 전압이 인가되고, 배터리 팩(100)이 과충전 되어 기준치 이상의 전압을 나타내는 경우에는 전류 차단 부재(400)의 양 면 사이에도 기준치 이상의 전위차가 형성되어 전류 차단 부재(400)가 굽힘 변형을 일으키게 된다. 반면, 상기 배터리 팩(100)의 전압이 미리 설정된 안전 범위 이내의 범위로 나타나는 경우에는, 전류 차단 부재(400)가 굽힘 변형을 일으키지 않고 그 형태를 유지하므로 스위치(300)가 온(On) 상태를 유지할 수 있다.
상기 전류 차단 부재(400)의 길이 방향 일 측(도 1에서 아래쪽을 의미)은 배터리 팩(100) 또는 지면에 직접 또는 간접적올 고정되어 움직이지 않는 고정단이다. 반면, 상기 전류 차단 부재(400)의 길이 방향 타 측(도 1에서 윗쪽을 의미)은 전류 차단 부재(400)가 굽힘 변형을 일으키는 경우 그 위치가 변경될 수 있는 자유단이다.
상기 자유단의 일 면은, 도선에 의해 스위치(300)와 기계적/전기적으로 연결되며, 이에 따라 전류 차단 부재(400)의 굽힘 변형 시에 전류 차단 부재(400)의 자유단이 스위치(300)로부터 멀어지는 방향으로 움직이면서 스위치(300)를 오프(Off)시킨다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명에 적용되는 전류 차단 부재(400)의 구체적인 구조 및 형태 변형의 원리에 대해서 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상술한 바와 같이, 양 면 사이에 형성되는 전위차에 따른 형태 변형에 의해 과전류를 차단할 수 있도록 하기 위해, 상기 전류 차단 부재(400)는, EAP 층(Electro active polymer layer)(410), EAP 층(410)의 일측 면 상에 형성되는 제1 금속 층(420) 및 EAP 층(410)의 타측 면 상에 형성되는 제2 금속 층(430)을 포함하는 형태로 구현된다.
상기 EAP 층(410), 즉 전기활성 폴리머 층은, 이온 전달 특성이 우수한 고분자 전해질로 이루어진 층에 해당하는 것으로서, 예를 들어, 나피온(Nafion), 폴리피롤(polypyrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리씨오펜(polythiophene) 중에서 선택된 적어도 하나의 고분자 전해질을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 층(420) 및 제2 금속 층(430)은, EAP 층(410)의 양 면 상에 각각 형성되며, 전기 전도성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 층(420, 430)은, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 동(Cu) 중 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 전류 차단 부재(400)는, EAP 층(410)의 양 면에 형성된 금속 층(420, 430)을 통해 기준치 이상의 전압이 인가되면 형태 변형을 일으킨다.
즉, 상기 제1 금속 층(420)은 배터리 팩(100)의 음극과 전기적으로 연결되고, 제2 금속 층(430)은 배터리 팩(100)의 양극과 전기적으로 연결되어 한 쌍의 금속 층(420, 430) 사이에 배터리 팩(100)의 전압만큼의 전위차가 형성되는 것이다.
이와 같이 한 쌍의 금속 층(420, 430) 사이에 형성된 전위차가 배터리 팩(100)의 스펙을 고려한 안전 범위를 벗어나는 큰 수치에 이르게 되면, EAP 층(410)을 이루는 고분자 전해질의 내부에 존재하는 이동성 양이온(cation)이 물에 수화된 상태로 음으로 하전된 제1 금속 층(420) 방향으로 이동하게 된다. 이 경우, 제1 금속 층(420)과 제2 금속 층(430) 사이의 이온 농도의 불균형으로 삼투압이 야기되어 음으로 하전된 제1 금속 층(420)쪽의 물분자 양이 증가하게 되고, 이로써 전류 차단 부재(400)에 제2 금속 층(430) 방향으로의 굽힘 변형이 발생하게 된다.
상기 전류 차단 부재(400)의 이러한 형태 변형 및 그에 따른 스위치(300)의 동작을 위해 제1 금속 층(420)은 스위치(300)와 전기적/기계적으로 연결된다.
한편, 상기 전류 차단 부재(400)의 형태 변형을 일으킬 수 있는 전압의 크기는 전류 차단 부재(400)에 적용되는 EPA 층(410)을 구성하는 고분자 전해질의 종류에 따라 달라지게 되는 것이다.
즉, 본 명세서에서 언급하는 전압의 기준치는, 적용되는 고분자 전해질의 종류에 따라 달라질 수 있는 것이며, 이에 따라 전류 차단 부재(400)가 적용되는 배터리 팩 충전 시스템을 구성하는 배터리 팩(100)이 갖는 안전 전압 범위에 따라 적절한 고분자 전해질을 선택함으로써 배터리 팩(100)의 과충전 등의 이벤트 발생 시에 신속한 전류 차단을 가능하게 할 수 있는 것이다.
다음은, 도 6을 참조하여, 도 1에 도시된 전류 차단 부재와 스위치의 연결 관계의 변형예를 설명하기로 한다.
도 6은 도 1에 도시된 전류 차단 부재와 스위치의 연결 관계의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 1에 도시된 앞선 실시 형태에 나타난 바와 같이 스위치(300)와 전류 차단 부재(400)의 자유단이 하나의 도선에 의해 전기적/기계적으로 동시에 연결된 것과는 달리, 스위치(300)와 전류 차단 부재(400) 간의 기계적 연결은 연결 로드(500)에 의해 이루어지고, 전기적 연결은 별도의 연결 리드(L1)에 의해 이루어진다.
상기 스위치(300)와 전류 차단 부재(400)의 제1 금속 층(420) 간의 연결이 하나의 도선에 의해 이루어지더라도, 제1 금속 층(420)을 음으로 하전시키고, 전류 차단 부재(400)의 형태 변형에 따라 스위치(300)도 함께 움직이도록 하는 것은 가능하다.
그러나, 상기 전류 차단 부재(400)의 굽힘 변형으로 인해 자유단이 제2 금속 층(430)을 향하는 방향으로 이동할 때, 스위치(300)가 원활하게 움직이도록 하기 위해서 전류 차단 부재(400)와 스위치(300) 간의 결합에 힌지 결합 구조를 적용할 수 있다.
다만, 이러한 힌지 결합 구조를 적용하는 경우, 도선과 스위치(300)의 연결 부위 및 도선과 제1 금속 층(420)의 연결 부위에서 전기적 연결의 안정성이 떨어질 수 있다. 따라서, 상기 스위치(300)와 전류 차단 부재(400) 간의 기계적 연결과 전기적 연결은 하나의 부재를 통해서 한꺼번에 이루어지는 것보다는 두 개의 부재를 이용하여 개별적으로 이루어지는 것이 좀 더 바람직하다.
이러한 관점에서, 도 6에 도시된 배터리 팩 충전 시스템은, 스위치(300) 및 제1 금속 층(420)과 힌지 결합되는 연결 로드(500); 및 제1 금속 층(420)과 배터리 팩(100)의 음극 사이를 전기적으로 연결하는 음극 연결 리드(L1)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 금속 층(430)은 배터리 팩(100)의 양극과 전기적으로 연결되어야 함은 물론이며, 이러한 제2 금속 층(430)과 배터리 팩(100)의 양극 간의 전기적 연결을 위해 양극 연결 리드(L2)가 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩 충전 시스템은, 배터리 팩(100)과 충전 장치(200) 사이를 전기적으로 연결하는 스위치(300)의 온(On)/오프(Off) 동작을 배터리 팩(100)의 전압에 따라 굽힘 변형을 일으키는 전류 차단 부재(400)를 이용하여 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 배터리 팩 사용상의 안전성을 확보할 수 있도록 한다.
본 발명의 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩 충전 시스템을 포함하는 형태로 구현된다.
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

Claims (13)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;
    상기 배터리 팩의 양 단에 연결되어 상기 배터리 팩에 충전 전류를 공급하는 충전 장치;
    상기 배터리 팩과 충전 장치 사이에 연결되어 상기 충전 전류의 흐름을 허용 또는 차단하는 스위치; 및
    상기 스위치와 기계적으로 연결되며, 상기 배터리 팩의 양 단 사이에 형성되는 전위차가 기준치 이상이 되는 경우 굽힘 변형을 일으켜 상기 스위치를 오프(Off)시키는 전류 차단 부재;
    를 포함하는 배터리 팩 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    파우치 타입 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전 장치는,
    자동차에 설치된 알터네이터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류 차단 부재의 길이 방향 일 측은 상기 배터리 팩 또는 지면에 직접 또는 간접적으로 고정되는 고정단이고,
    상기 전류 차단 부재의 길이 방향 타 측은 상기 굽힘 변형에 의해 그 위치가 변경될 수 있는 자유단인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류 차단 부재는,
    EAP 층;
    상기 EAP 층의 일측 면 상에 형성되는 제1 금속 층; 및
    상기 EAP 층의 타측 면 상에 형성되는 제2 금속 층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 EAP 층은,
    나피온, 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리씨오펜으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 금속 층 및 제2 금속 층은,
    백금, 금, 은 및 동을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 금속 층은 상기 배터리 팩의 음극과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 금속 층은 상기 배터리 팩의 양극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 배터리 팩의 음극과 충전 장치 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속 층은,
    전도성을 갖는 재질로 이루어진 연결 로드에 의해 상기 스위치와 기계적/전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속 층은,
    연결 로드에 의해 상기 스위치와 기계적으로 연결되고, 음극 연결 리드에 의해 상기 배터리 팩의 음극과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연결 로드는,
    상기 스위치 및 제1 금속 층과 각각 힌지 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 충전 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩 충전 시스템을 포함하는 자동차.
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