WO2022030919A1 - 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법 - Google Patents

바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법 Download PDF

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WO2022030919A1
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cylindrical battery
battery cell
free end
pack
bimetal
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박민희
박상준
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having a current blocking device using a bimetal and a method of operating the same, and more particularly, when the state of a battery cell separated from the surroundings due to a state abnormality is restored, the connection to the surroundings can be quickly restored.
  • a battery pack having a current blocking device using a bimetal and an operating method thereof which relates to a battery pack having a current blocking device using a bimetal and an operating method thereof.
  • Such a battery pack includes a bus bar made of a metal plate to electrically connect a plurality of battery cells.
  • Patent Document 1 presents a metal member formed to be cut off at a high temperature as a current blocking structure.
  • the metal member is provided between the bus bar and the electrode terminal of the battery cell, and mechanically separates the bus bar and the battery cell in which the abnormality occurs in such a way that the battery cell is cut off when the temperature is rapidly increased due to an abnormality occurring in the battery cell.
  • Such a conventional current blocking structure has a problem in that it is difficult to reuse. For example, even if the state of the battery cell is restored after a predetermined time, there is a problem in that it is difficult to reuse the battery cell whose state has been restored unless the broken metal member is replaced by opening the battery pack.
  • Patent Document 1 KR10-2018-0064221 A
  • the present invention provides a battery pack having a current blocking device using a bimetal and an operating method thereof, which enables reuse.
  • the present invention provides a battery pack having a current interrupting device using a bimetal, and an operating method thereof, which allows the connection to the surroundings to be quickly restored when the state of a battery cell separated from the surroundings due to a state abnormality is restored.
  • a battery pack having a current blocking device using a bimetal includes: a pack case; a plurality of cylindrical battery cells provided in the pack case; and a current blocking device disposed in the pack case to connect a plurality of cylindrical battery cells, a portion of which is made of bimetal; is configured to include, wherein the current interrupting device has a fixed end contacting the electrode terminal of the cylindrical battery cell, a free end contacting the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell, and elastically pressing the free end toward the peripheral cylindrical battery cell It is characterized in that the free end is fixed to the bimetal so that the contact to the electrode terminal of the cylindrical battery cell is turned on/off according to the shape change of the bimetal.
  • the fixed end and the free end are arranged to face each other in a direction in which a plurality of cylindrical battery cells are arranged, and the stretchable member and the free end are arranged to face each other in a direction crossing the direction in which the plurality of cylindrical battery cells are arranged.
  • the fixed end may have a surface bonded to the electrode terminal of the cylindrical battery cell by welding, and the free end may have a surface in contact with the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell by elastic pressure.
  • the bimetal part of the current breaker includes a plurality of cylindrical battery cells and the pack so that the portion spread by heat faces the cylindrical battery cell and the surrounding cylindrical battery cell, and the portion bent by heat faces the inner surface of the pack case It is disposed between the inner surface of the case, and the fixed end and the free end are provided in a portion that is spread by the heat of the bimetal part of the current blocking device, and the elastic member is provided in a portion bent by the heat of the bimetal part.
  • the current blocking device includes a bus bar comprising a plurality of materials that can be expanded and contracted by heat, and disposed above the cylindrical battery cell and the surrounding cylindrical battery cell; the fixed end extending from one side of the bus bar and attached to the electrode terminal of the cylindrical battery cell; the free end extending from the other side opposite to one side of the bus bar and contacting an electrode terminal of a peripheral cylindrical battery cell; and between the bus bar and the upper surface of the pack case, the elastic member for supporting the other side of the bus bar to the upper surface of the pack case.
  • the bus bar is made of a bimetal including an upper layer and a lower layer having different coefficients of thermal expansion, the coefficient of thermal expansion of the lower layer is greater than the coefficient of thermal expansion of the upper layer, and the fixed end and the free end extend downward from the lower layer, in a horizontal direction are spaced apart from each other, and the stretchable member may be supported on the upper layer so as to be spaced apart from each other on the upper side of the free end.
  • the elastic member may include an elastic spring that allows the elastic force to be smaller than that of the bus bar.
  • the current blocking device may further include a transmission member disposed to thermally connect at least one of the bus bar, the fixed end, and the free end to the peripheral cylindrical battery cell.
  • the battery pack operating method having a current interrupting device using a bimetal comprises the electrode terminals of the cylindrical battery cells provided in the pack case and the electrode terminals of the surrounding cylindrical battery cells having a fixed end and a free end provided in the current interrupting device.
  • the process of connecting to the stage a process of separating the free end from the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell by bending a bimetal part provided in the current interrupting device when heat of a predetermined value or more is received from any one of the cylindrical battery cell and the peripheral cylindrical battery cell; recovering the connection between the free end and the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell by restoring the bimetal part when the heat transferred to the bimetal part is relieved; It is characterized in that it comprises a.
  • the separating process may include bending the bimetal part in a direction away from the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell with respect to the fixed end as a center.
  • the step of spaced apart may include a step of shrinking the elastic member connected to the bimetal part by using the bending; It may be characterized in that it comprises a.
  • the restoring process may include: the expansion and contraction of the elastic member to elastically press the bent portion of the bimetal part, and the process of pressing the free end supported by the bent portion toward the electrode terminal side of the peripheral cylindrical battery cell; It may be characterized in that it comprises a.
  • heat is transferred from a battery cell whose temperature has risen due to a state abnormality, and the shape expands to separate the battery cell from the surroundings, and when the heat is released, the shape contracts to connect the battery cell to the surroundings.
  • It is a current interrupting device formed so as to allow a plurality of battery cells to be interconnected.
  • the current breaker is formed so that the part whose shape expands and contracts can be elastically pressed, so that when heat is released, it can be closely attached to the electrode terminal of the battery cell using both the restoring force according to the shape contraction and the load according to the elastic pressurization. and the corresponding battery cell can be stably connected to the surroundings.
  • the current breaker can be quickly separated from the battery cell whose temperature has risen due to a condition abnormality or from the surrounding battery cells connected to the corresponding battery cell. can be reliably reconnected.
  • the corresponding battery cell and the current blocking device connected thereto can be reused.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a current blocking device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing the inside of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a state in which the current interrupting device according to an embodiment of the present invention conducts a current.
  • FIG. 5 is a view showing a state in which the current interrupting device cuts off the current according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which the current interrupting device according to a modified example of the present invention cuts off the current.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention. A battery pack according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention is a battery pack having a current blocking device using a bimetal, and includes a pack case 100 , a plurality of cylindrical battery cells 200 provided in the pack case 100 , and a plurality of cylindrical batteries. It is disposed in the pack case 100 so as to connect the battery cells 200 , and includes a current blocking device 300 partially made of a bimetal.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention is disposed in the pack case 100 so as to connect the plurality of cylindrical battery cells 200 from the opposite side of the current blocking device 300 to the connecting member 400 made of a conductive material. ), a cooling member 500 thermally connected to the plurality of cylindrical battery cells 200 through the connection member 400, and a heat transfer member inserted between the cooling member 500 and the connection member 400 to facilitate heat transfer ( 600 ), and a cell holder (not shown) formed to fix the plurality of cylindrical battery cells 200 to the inside of the pack case 100 .
  • the pack case 100 may have an internal space to accommodate the plurality of cylindrical battery cells 200 .
  • the pack case 100 may have a rectangular cylindrical shape. Of course, the shape may vary.
  • a plurality of cylindrical battery cells 200 may be provided inside the pack case 100 of the battery pack to increase the output and capacity of the battery pack.
  • the plurality of cylindrical battery cells 200 may include secondary battery cells.
  • a separator is interposed between a positive electrode plate with a positive electrode tab and a negative electrode plate with a negative electrode tab, and the electrode assembly in which the positive electrode plate, the separator, and the negative electrode plate are wound in the form of a jelly roll is formed in the cell case. It may be provided in a form accommodated therein.
  • electrode terminals may be formed on one side and the other side opposite to the one side. In this case, when the positive terminal is formed on one side of the secondary battery cell, the negative terminal may be formed on the other side opposite to the one side.
  • the plurality of cylindrical battery cells 200 may be arranged in a row direction and a column direction. At this time, the cylindrical battery cells arranged in the row direction have positive terminals and negative terminals alternately arranged upward, and the cylindrical battery cells arranged in the column direction have the same electrode terminals arranged upward, so that the inside of the pack case 100 is can be stored.
  • the plurality of cylindrical battery cells 200 may be connected in series in a row direction, and may be connected in parallel in a column direction, respectively.
  • the row direction may be referred to as a left-right direction
  • the column direction may be referred to as a front-back direction.
  • the left-right direction and the front-rear direction are collectively referred to as a horizontal direction.
  • FIG. 2 is a view showing a current blocking device according to an embodiment of the present invention.
  • a current blocking device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2 .
  • the current blocking device 300 is a current blocking device 300 for electrically connecting the plurality of cylindrical battery cells 200 , and may be disposed on the upper side of the plurality of cylindrical battery cells 200 , and is arranged in the left and right direction.
  • One current blocking device 300 is provided for each cylindrical battery cell, so that a plurality of current blocking devices 300 may be provided inside the pack case 100 .
  • the current breaker 300 may be partially made of bimetal, and when an abnormality occurs in at least one of the two cylindrical battery cells connected to the current breaker and the temperature increases, the bimetal part is deformed in such a way that the two cylindrical batteries By being spaced apart from any one of the cells, their electrical connection may be interrupted.
  • the bimetal part is deformed in such a way that the two cylindrical batteries By being spaced apart from any one of the cells, their electrical connection may be interrupted.
  • the state of the two cylindrical battery cells connected to the current breaker is restored and the temperature is reduced, the electrical connection between the two cylindrical battery cells can be restored by restoring the bimetal part.
  • FIG 3 is a view showing the inside of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the current blocking device 300 includes a fixed end 320 that is adhered to the electrode terminal of the cylindrical battery cell 210 , and a free end 330 that is in contact with the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 . ), and an elastic member 340 for elastically pressing the free end 330 toward the peripheral cylindrical battery cell 220 .
  • the fixed end 320 and the free end 330 may be disposed to face each other in the direction in which the plurality of cylindrical battery cells 200 are arranged, and the elastic member 340 and the free end 330 are the plurality of cylindrical batteries.
  • the cells 200 may be arranged to face each other in a direction intersecting the listed directions. That is, the fixed end 320 and the free end 330 may be disposed to face each other in a horizontal direction, and the stretchable member 340 and the free end 330 may be disposed to face each other in a vertical direction crossing the horizontal direction.
  • the fixed end 320 may be referred to as a “fixed lead”.
  • the fixed end 320 may have a surface 321 bonded to the electrode terminal of the cylindrical battery cell by welding.
  • the free end 330 may also be referred to as a “freeid”.
  • the free end 330 may have a surface in contact with the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 by elastic pressure.
  • elastic pressurization can be elastically pressurized to the bottom of the free end 330 together with the restoring force of the bimetal part when the heat is relieved and restored in the bimetal part.
  • the bimetal couple may be formed of a bus bar 310 .
  • the lower layer 312, which is a portion spread by heat, faces the cylindrical battery cell 210 and the peripheral cylindrical battery cell 220, and the upper layer 311, which is a portion bent by heat, is the pack case 100 ) may be disposed between the inner surface of the upper wall 100a of the plurality of cylindrical battery cells 200 and the pack case 100 to face the inner surface of the upper wall 100a of the upper wall 100a, and when heat is transferred, the free end
  • the lower layer 312 may be spread out and the upper layer 311 may be bent so that the portion where the 330 is located rises from the bottom to the top.
  • the fixed end 320 and the free end 330 are provided in the lower layer 312 , which is a portion spread by the heat of the bus bar 310 , and the elastic member 340 is bent by the heat of the bus bar 310 . It may be provided in the upper layer 311, which is a portion.
  • the current blocking device 300 includes a plurality of materials that can be expanded and contracted by heat, and the cylindrical battery cell 210 and the peripheral cylindrical battery cell 220 are spaced apart from each other on the upper side of the bus bar 310 and the bus bar.
  • a fixed end 320 that extends downward from one side of the cylindrical battery cell 210 and is adhered to the electrode terminal of the cylindrical battery cell 210, extends downward from the other side opposite to one side of the bus bar 310, and a peripheral cylindrical battery cell
  • the free end 330 contacting the electrode terminal of 220, the bus bar 310, and the upper surface of the pack case 100, for example, the inner surface of the upper wall 100a the other side of the bus bar 310 is packed It may be configured to include a telescopic member 340 for supporting the upper surface of the case 100 .
  • the bus bar 310 may extend, for example, in a left and right direction, and the extended width may correspond to a width occupied by two cylindrical battery cells.
  • corresponding means that the width is the same or the width is larger or smaller by a predetermined size.
  • a width in the front-rear direction of the bus bar 310 may correspond to a width different from that of one cylindrical battery cell.
  • the bus bar 310 may be formed of a bimetal including an upper layer 311 and a lower layer 312 having different coefficients of thermal expansion.
  • the coefficient of thermal expansion of the lower layer 312 may be greater than that of the upper layer 311 . Accordingly, when the bus bar 310 receives heat, the upper layer 311 and the lower layer 312 expand. As the lower layer 312 expands more than the upper layer 311 , the lower layer 312 expands relatively. and the upper layer 311 may appear to contract relatively.
  • the fixed end 320 extends downward from the lower layer 312, the lower portion extends in the left and right directions, the upper portion extends obliquely in the vertical direction, and the upper end thereof is on the lower surface of the lower layer 312 of the bus bar 310.
  • the lower portion of the fixed end 320 may be fixed by welding to the electrode terminal of the cylindrical battery cell 210 .
  • the free end 330 is spaced apart from the fixed end 320 in the horizontal direction, specifically in the left and right direction, and extends downward from the lower layer 312, the upper portion extending obliquely in the vertical direction, and the lower portion extending in the left and right direction,
  • the upper end may be supported on the lower surface of the lower layer 312 of the bus bar 310 , and the lower end may be in contact with the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 .
  • the bus bar 310 is configured such that a predetermined portion is bent upward by heat, so that the free end 330 connected to the lower portion rises to disconnect the free end 330 from the battery cell 220 to which it is connected. do.
  • the free end 330 is electrically connected to the battery cell 220 according to the state of heat applied to the bus bar 310 as described above, and the fixed end 320 is always connected to the adjacent battery cell 210 . has been
  • the elastic member 340 may include an elastic spring that allows the elastic force to be smaller than the expansion force when the bus bar 310 is deformed by heat. Accordingly, the bus bar 310 can be smoothly bent by heat while the elastic member 340 is contracted.
  • the shape of the bus bar 310 is restored, and the free end 330 descends and comes into contact with the electrode terminal of the upper portion of the peripheral cylindrical battery cell 220, thereby reducing the current flow can be restored.
  • the recovery force of the bus bar 310 may be increased so that the free end 330 of the elastic member 340 is connected to the electrode terminal of the battery cell 220 .
  • the free end 320 may be spaced apart from the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 according to the expansion and bending of the bus bar 310 , and the original force and the original force according to the contraction of the bus bar 310 .
  • the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 may be in contact with the load according to the elastic pressing of the elastic member 340 .
  • the elastic force of the elastic member 340 may be set to help both bending and relaxation of the bus bar 310 where the free end 330 is bent by heat.
  • the stretchable member 340 may be supported by the upper layer 311 so as to be positioned above the free end 330 . That is, the upper end of the elastic member 340 may be supported in contact with the upper surface of the pack case 100 , and the lower end may be supported by the upper layer 311 above the free end 330 . Accordingly, the elastic member 340 can press the free end 330 downward through the bus bar 310 , and the contact between the free end 330 and the upper electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 is stable. can be maintained as Meanwhile, at least one of the upper end and the lower end of the elastic member 340 may be electrically insulated.
  • the connecting member 400 may be made of a metal plate material.
  • a plurality of connection members 400 may be provided to electrically connect the plurality of cylindrical battery cells 200 .
  • the connection member 400 may be arranged to connect the cylindrical battery cells arranged in a row direction in series and to connect the cylindrical battery cells arranged in a column direction in parallel.
  • the connecting member 400 connects the cylindrical battery cell 210 and the peripheral cylindrical battery cell 220 . It is not arranged, but is arranged to connect the preceding cylindrical battery cell and the cylindrical battery cell 210 of the cylindrical battery cell 210 in the direction of current flow, and the succeeding cylindrical battery cell and the peripheral cylindrical battery cell of the peripheral cylindrical battery cell 220 . It may be arranged to connect the battery cells 220 .
  • the cooling member 500 may include a heat sink.
  • the cooling member 500 may be installed on the bottom 100b of the pack case 100 , and may be formed to discharge heat to the outside of the pack case 100 .
  • a thermal interface material (TMI) 600 may thermally contact the cooling member 500 with the connection member 400 . Accordingly, heat generated from the plurality of cylindrical battery cells 200 is transferred to the heat transfer member 600 through the connection member 300 , and may be discharged to the outside of the pack case 100 through the cooling member 500 . .
  • the cell holder (not shown) may contact the outer peripheral surface of the plurality of cylindrical battery cells 200 to fix the plurality of cylindrical battery cells 200 inside the pack case 100 .
  • FIG. 4 is a view showing a state in which the current interrupting device according to an embodiment of the present invention conducts a current
  • FIG. 5 is a view showing a state in which the current interrupting device according to an embodiment of the present invention cuts off the current.
  • the battery pack operating method according to an embodiment of the present invention may include the following process.
  • the elastic member 340 may apply a downward force, for example, an elastic force f1 to elastically press the free end 330 through the bus bar 310 . That is, the upper positive terminal and the free end 330 of the peripheral cylindrical battery cell 220 may be in close contact with each other. Accordingly, the electrical connection between the cylindrical battery cell 210 and the peripheral cylindrical battery cell 220 may be stably maintained.
  • a process of separating the free end 330 from the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 by bending the bimetal part provided in the current breaker when heat T is received from any one of the cylindrical battery cell and the peripheral cylindrical battery cell As shown in FIG. 5 , the bimetal part, that is, the bus bar 310 is bent in a direction away from the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 with the fixed end 320 as the center. At this time, since the bending force f2 is greater than the elastic force of the elastic member 340 , the elastic member connected to the bus bar 310 may be contracted by using the bending of the bus bar 310 . Accordingly, the free end 330 may be smoothly spaced apart from the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 . From this, the electrical connection between the battery cells may be cut off.
  • the cylindrical battery cell whose electrical connection is cut off from the surroundings due to a state abnormality may be restored after a predetermined time has elapsed. At this time, the cylindrical battery cell whose state is recovered by performing the following process is electrically connected to the surroundings.
  • the state is restored by restoring the bus bar 310 to restore the connection between the free end 330 and the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 .
  • the cylindrical battery cells are electrically connected to the surroundings.
  • the elastic member 340 is expanded to elastically press the bent portion of the bus bar 310 , and the free end 330 supported by the bent portion is pressed toward the electrode terminal of the peripheral cylindrical battery cell 220 .
  • FIG. 6 is a view showing a state in which the current interrupting device according to a modified example of the present invention cuts off the current.
  • a battery pack and an operating method thereof according to a modified example of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6 .
  • heat is generated in the cylindrical battery cell 210 that is adhered to the fixed end 320 of the current blocking device, and from this, the free end 330 of the current blocking device is connected to the surrounding cylindrical battery cell 220 and When they are spaced apart, heat is continuously transferred to the bus bar 310 until the condition of the cylindrical battery cell 210 is resolved, so that the bent state of the bus bar 310 can be smoothly maintained.
  • the current interrupting device 300 for a battery pack includes a peripheral cylindrical battery cell 220 , a bus bar 310 , a fixed end 320 , and a free end 330 . It may be configured to further include a transmission member 350 disposed to thermally connect at least one of them.
  • the transfer member 350 may be disposed in the pack case 100 to connect the outer surface of the peripheral cylindrical battery cell 220 and the bus bar 310 .
  • the peripheral cylindrical battery cell 220 and the bus bar 310 may be configured to further include a process of exchanging heat through a heat transfer path between. In this process, heat generated in the peripheral cylindrical battery cell 220 may be more smoothly transferred to the bus bar 310 .

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Abstract

본 발명은 팩 케이스, 팩 케이스 내에 구비되는 복수개의 원통형 배터리 셀, 및 복수개의 원통형 배터리 셀을 연결시킬 수 있도록 팩 케이스 내에 배치되며, 일부가 바이메탈로 이루어진 전류차단장치를 포함하여 구성되고, 전류차단장치는, 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접착되는 고정단과, 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 자유단, 및 상기 자유단을 주변 원통형 배터리 셀 측으로 탄력적으로 가압하는 신축부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩과 그 작동 방법으로서, 상태 이상에 의해 주변으로부터 분리된 배터리 셀의 상태가 회복되면 주변과의 연결을 신속히 회복할 수 있도록 하는, 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법이 제시된다.

Description

바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법
본 발명은 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상태 이상에 의해 주변으로부터 분리된 배터리 셀의 상태가 회복되면 주변과의 연결을 신속히 회복할 수 있도록 하는, 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
전기 자동차와 같은 대형의 전자기기에서 요구하는 출력 및 용량과 부합하기 위해서는 복수개의 배터리 셀을 그룹화하여 전기적으로 연결시킨 대용량 배터리 팩의 사용이 필수적이다. 이러한 배터리 팩은 복수개의 배터리 셀을 전기적으로 연결시킬 수 있도록 하는 메탈 플레이트 재질의 버스 바를 구비한다.
한편, 복수개의 배터리 셀이 작동하는 중에 어느 하나라도 이상이 발생하면, 정상적으로 작동하는 나머지도 작동이 불안정해질 수 있다. 따라서, 복수개의 배터리 셀을 그룹화하여 대용량의 배터리 팩을 구성하는 단계에서 버스 바와 배터리 셀 사이에 다양한 전류차단구조를 마련한다.
예컨대 하기의 특허문헌 1에는 전류차단구조로서 고온에서 끊어질 수 있도록 형성된 금속 부재를 제시한다. 금속 부재는 버스 바와 배터리 셀의 전극 단자 사이에 마련되며, 배터리 셀에서 이상이 발생하여 온도가 급격히 상승하면 끊어지는 방식으로 버스 바와 이상이 발생한 배터리 셀을 기계적으로 분리시켰다.
하지만 이러한 종래의 전류차단구조는 재사용이 어려운 문제점이 있다. 예컨대 소정 시간 이후에 배터리 셀의 상태가 다시 회복되더라도, 배터리 팩을 개방하여 끊어진 금속 부재를 교체해주지 않으면, 상태가 회복된 배터리 셀을 재사용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 특허문헌에 게재되어 있다.
(특허문헌 1) KR10-2018-0064221 A
본 발명은 재사용이 가능하도록 하는, 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법을 제공한다.
본 발명은 상태 이상에 의해 주변으로부터 분리된 배터리 셀의 상태가 회복되면 주변과의 연결을 신속히 회복할 수 있도록 하는, 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩은, 팩 케이스; 상기 팩 케이스 내에 구비되는 복수개의 원통형 배터리 셀; 및 복수개의 원통형 배터리 셀을 연결시킬 수 있도록 상기 팩 케이스 내에 배치되며, 일부가 바이메탈로 이루어진 전류차단장치; 를 포함하여 구성되고, 상기 전류차단장치는, 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 고정단과, 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 자유단, 및 상기 자유단을 주변 원통형 배터리 셀 측으로 탄력적으로 가압하는 신축부재를 포함하여 구성되며, 상기 자유단은 상기 바이메탈에 고정되어 상기 바이메탈의 형상변경에 따라 상기 원통형 배터리 셀의 전극 단자로의 접촉이 온/오프되는 것을 특징으로 한다.
상기 고정단과 상기 자유단은 복수개의 원통형 배터리 셀이 나열된 방향으로 상호 대향되도록 배치되고, 상기 신축부재와 상기 자유단은 복수개의 원통형 배터리 셀이 나열된 방향과 교차하는 방향으로 서로 대향되도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 고정단은 용접에 의해 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접착된 면을 구비하고, 상기 자유단은 탄력 가압에 의해 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 면을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
전류차단장치의 바이메탈 부분은, 열에 의해 펼쳐지는 부위가 원통형 배터리 셀과 주변 원통형 배터리 셀을 마주보고, 열에 의해 굽혀지는 부위가 상기 팩 케이스의 내부면을 마주보도록, 복수개의 원통형 배터리 셀과 상기 팩 케이스의 내부면 사이에 배치되고, 상기 고정단과 상기 자유단은 전류차단장치의 바이메탈 부분의 열에 의해 펼쳐지는 부위에 구비되고, 상기 신축부재는 상기 바이메탈 부분의 열에 의해 굽혀지는 부위에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전류차단장치는, 열에 의해 팽창수축될 수 있는 복수의 재질을 포함하고, 원통형 배터리 셀과 주변 원통형 배터리 셀의 상측에 배치되는 버스 바; 상기 버스 바의 일측으로부터 연장되고, 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접착되는 상기 고정단; 상기 버스 바의 일측과 대향하는 타측으로부터 연장되고, 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 상기 자유단; 및 상기 버스 바와 상기 팩 케이스의 상부면 사이에서, 상기 버스 바의 타측을 상기 팩 케이스의 상부면에 지지시키는 상기 신축부재;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 버스 바는 열팽창계수가 상이한 상부층 및 하부층을 포함하여 바이메탈로 이루어지고, 상기 하부층의 열팽창계수가 상기 상부층의 열팽창계수보다 크고, 상기 고정단 및 자유단은 상기 하부층으로부터 하방으로 연장되고, 수평 방향으로 상호 이격되며, 상기 신축부재는 상기 자유단의 상측에 이격 배치되도록 상기 상부층에 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 신축부재는 탄성력이 상기 버스 바의 팽창력보다 작도록 하는 탄성 스프링을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전류차단장치는, 주변 원통형 배터리 셀과 상기 버스 바, 상기 고정단 및 상기 자유단 중 적어도 어느 하나를 열적으로 연결시키도록 배치되는 전달부재;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 작동 방법은, 팩 케이스 내에 구비된 원통형 배터리 셀의 전극 단자와 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자를 전류차단장치에 구비된 고정단과 자유단에 접속시키는 과정; 상기 원통형 배터리 셀 및 상기 주변 원통형 배터리 셀 중 어느 하나로부터 소정 값 이상의 열을 전달받으면 상기 전류차단장치에 구비된 바이메탈 부분을 벤딩시켜 상기 자유단을 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자로부터 이격시키는 과정; 상기 바이메탈 부분으로 전달되는 열이 해소되면 상기 바이메탈 부분을 복원시켜 상기 자유단과 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자의 접속을 회복시키는 과정; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 이격시키는 과정은, 상기 고정단을 중심으로 하여 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자와 멀어지는 방향으로 상기 바이메탈 부분을 벤딩시키는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 이격시키는 과정은, 상기 벤딩을 이용하여 상기 바이메탈 부분과 연결된 상기 신축부재를 수축시키는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 회복시키는 과정은, 상기 신축부재가 팽창되어 상기 바이메탈 부분의 휘어진 부위를 탄력적으로 가압하고, 상기 휘어진 부위에 지지된 자유단을 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자측으로 가압하는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상태 이상에 의해 온도가 상승한 배터리 셀로부터 열을 전달받아 형상이 팽창되면서 해당 배터리 셀을 주변으로부터 분리시키고, 열이 해소되면 형상이 수축되면서 해당 배터리 셀을 주변과 연결시키도록 형성된 전류차단장치로, 복수개의 배터리 셀을 상호 접속시킬 수 있다.
또한, 전류차단장치는 형상이 팽창수축되는 부분이 탄력적으로 가압될 수 있도록 형성됨으로써, 열의 해소 시에 형상 수축에 따른 복원력 및 탄력 가압에 따른 하중을 모두 이용하여 배터리 셀의 전극 단자에 밀착될 수 있고, 해당 배터리 셀을 주변과 안정적으로 연결시킬 수 있다.
이로부터 상태 이상에 의해 온도가 상승한 배터리 셀 혹은 해당 배터리 셀에 연결된 주변 배터리 셀로부터 전류차단장치를 신속히 이격시킬 수 있고, 해당 배터리 셀의 상태가 회복되어 온도가 하강하면 해당 배터리 셀과 주변 배터리 셀을 안정적으로 다시 연결시킬 수 있다.
따라서, 이상이 발생한 배터리 셀이 내장된 배터리 팩을 분해하지 않더라도, 해당 배터리 셀의 상태 이상이 해소되었을 때, 해당 배터리 셀과 그에 연결된 전류차단장치를 재사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전류차단장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전류차단장치가 전류를 통전시키는 모습을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전류차단장치가 전류를 차단시키는 모습을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 변형 예에 따른 전류차단장치가 전류를 차단시키는 모습을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정하는 것이 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩 및 그 작동 방법을 상세하게 설명하도록 한다.
1. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은, 바이메탈을 이용한 전류차단장치를 가진 배터리 팩으로서, 팩 케이스(100), 팩 케이스(100) 내에 구비되는 복수개의 원통형 배터리 셀(200), 및 복수개의 원통형 배터리 셀(200)을 연결시킬 수 있도록 팩 케이스(100) 내에 배치되며, 일부가 바이메탈로 이루어진 전류차단장치(300)를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은, 전류차단장치(300)의 반대측에서 복수개의 원통형 배터리 셀(200)을 연결시키도록 팩 케이스(100) 내에 배치되며 도전성 물질로 이루어진 연결부재(400), 연결부재(400)를 통하여 복수개의 원통형 배터리 셀(200)과 열적으로 접속되는 냉각부재(500), 열전달이 원활하도록 냉각부재(500)와 연결부재(400) 사이에 삽입되는 열전달부재(600), 및 복수개의 원통형 배터리 셀(200)을 팩 케이스(100)의 내부에 고정시킬 수 있도록 형성되는 셀 홀더(미도시)를 포함할 수 있다.
1.1. 팩 케이스(100)
팩 케이스(100)는 복수개의 원통형 배터리 셀(200)을 수용할 수 있도록 하는 내부 공간을 가질 수 있다. 팩 케이스(100)는 사각통 형상일 수 있다. 물론, 그 형상은 다양할 수 있다.
1.2. 복수개의 원통형 배터리 셀(200)
배터리 팩의 출력 및 용량 증가를 위해 배터리 팩의 팩 케이스(100)의 내부에는 복수개의 원통형 배터리 셀(200)이 구비될 수 있다. 복수개의 원통형 배터리 셀(200)은 이차전지 셀을 포함할 수 있다.
이차전지 셀은 양극 탭이 부착된 양극 판과 음극 탭이 부착된 음극 판 사이에 분리막을 개재하여, 양극 판과 분리막과 음극 판이 젤리 롤(jelly roll)의 형태로 권취된 전극 조립체가 셀 케이스의 내부에 수용된 형태로 마련될 수 있다. 이차전지 셀은 일측 및 일측과 반대되는 타측에 전극 단자가 형성될 수 있다. 이때, 이차 전지 셀의 일측에 양극 단자가 형성되면, 일측과 반대되는 타측에 음극 단자가 형성될 수 있다.
복수개의 원통형 배터리 셀(200)은 행 방향 및 열 방향으로 나열될 수 있다. 이때, 행 방향으로 나열된 원통형 배터리 셀들은 양극 단자 및 음극 단자가 교대로 상방으로 배치되도록 하고, 열 방향으로 나열된 원통형 배터리 셀들은 동일한 전극 단자가 상방으로 배치되도록 하여, 팩 케이스(100)의 내부에 수납될 수 있다. 복수개의 원통형 배터리 셀(200)은 행 방향으로 직렬 연결되고, 각각 열 방향으로 병렬 연결될 수 있다. 한편, 행 방향을 좌우 방향이라고 하고, 열 방향을 전후 방향이라고 할 수 있다. 좌우 방향과 전후 방향을 통칭하여 수평 방향이라고 할 수 있다.
1.3. 전류차단장치(300)
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전류차단장치를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 전류차단장치를 설명한다.
전류차단장치(300)는 복수개의 원통형 배터리 셀(200)을 전기적으로 연결시키기 위한 전류차단장치(300)로서, 복수개의 원통형 배터리 셀(200)의 상측에 배치될 수 있고, 좌우 방향으로 나열된 두 개의 원통형 배터리 셀당 하나의 전류차단장치(300)가 마련되도록 하여, 복수개의 전류차단장치(300)가 팩 케이스(100) 내부에 구비될 수 있다.
전류차단장치(300)는 일부가 바이메탈로 이루어질 수 있으며, 해당 전류차단장치와 연결된 두 개의 원통형 배터리 셀 중 적어도 하나에 이상이 발생하여 온도가 증가하면, 바이메탈 부분을 변형시키는 방식으로 두 개의 원통형 배터리 셀 중 어느 하나로부터 이격됨으로써 이들의 전기적 연결을 차단시킬 수 있다. 물론, 해당 전류차단장치와 연결된 두 개의 원통형 배터리 셀의 상태가 회복되어 온도가 감소되면, 바이메탈 부분을 복원시키는 방식으로 두 개의 원통형 배터리 셀의 전기적인 연결을 회복시킬 수 있다.
1.4. 전류차단장치(300)의 상세 구조
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 내부를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 전류차단장치(300)는, 원통형 배터리 셀(210)의 전극 단자에 접착되는 고정단(320)과, 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자에 접촉되는 자유단(330), 및 자유단(330)을 주변 원통형 배터리 셀(220) 측으로 탄력적으로 가압하는 신축부재(340)를 포함한다.
이때, 고정단(320)과 자유단(330)은 복수개의 원통형 배터리 셀(200)이 나열된 방향으로 상호 대향되도록 배치될 수 있고, 신축부재(340)와 자유단(330)은 복수개의 원통형 배터리 셀(200)이 나열된 방향과 교차하는 방향으로 서로 대향되도록 배치될 수 있다. 즉, 고정단(320)과 자유단(330)은 수평 방향으로 대향하도록 배치되고, 신축부재(340)와 자유단(330)은 수평 방향과 교차하는 상하 방향으로 대향하도록 배치될 수 있다.
고정단(320)을 "고정리드"라고 지칭할 수도 있다. 고정단(320)은 용접에 의해 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접착된 면(321)을 구비할 수 있다. 자유단(330)을 "자유리드"라고 지칭할 수도 있다. 자유단(330)은 탄력 가압에 의해 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자에 접촉되는 면을 구비할 수 있다. 이때, 탄력 가압은 바이메탈 부분이 열변형에 의해 벤딩될 때는 자유단(330)을 탄력 가압하는 힘보다 바이메탈 부분이 벤딩되는 힘이 더 클 수 있다. 또한, 탄력 가압은 바이메탈 부분에서 열이 해소되어 복원될 때는 바이메탈 부분의 복원력과 함께 자유단(330)을 하방으로 탄력 가압할 수 있다.
바이메탈 부부은 버스 바(310)로 이루어질 수 있다. 버스 바(310)는 열에 의해 펼쳐지는 부위인 하부층(312)이 원통형 배터리 셀(210)과 주변 원통형 배터리 셀(220)을 마주보고, 열에 의해 굽혀지는 부위인 상부층(311)이 팩 케이스(100)의 상부벽(100a)의 내부면을 마주보도록 하여 복수개의 원통형 배터리 셀(200)과 팩 케이스(100)의 상부벽(100a)의 내부면 사이에 배치될 수 있고, 열을 전달받으면 자유단(330)이 위치하는 부분이 하방으로부터 상방으로 상승하도록, 하부층(312)이 펼쳐지고 상부층(311)이 굽혀질 수 있다. 이때, 고정단(320)과 자유단(330)은 버스 바(310)의 열에 의해 펼쳐지는 부위인 하부층(312)에 구비되고, 신축부재(340)는 버스 바(310)의 열에 의해 굽혀지는 부위인 상부층(311)에 구비될 수 있다.
이하, 전류차단장치(300)를 더욱 상세하게 설명한다.
전류차단장치(300)는 열에 의해 팽창 및 수축될 수 있는 복수의 재질을 포함하고, 원통형 배터리 셀(210)과 주변 원통형 배터리 셀(220)의 상측으로 이격배치되는 버스 바(310), 버스 바(310)의 일측으로부터 하방으로 연장되고, 원통형 배터리 셀(210)의 전극 단자에 접착되는 고정단(320), 버스 바(310)의 일측과 대향하는 타측으로부터 하방으로 연장되고, 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자에 접촉되는 자유단(330), 버스 바(310)와 팩 케이스(100)의 상부면 예컨대 상부벽(100a)의 내부면 사이에서, 버스 바(310)의 타측을 팩 케이스(100)의 상부면에 지지시키는 신축부재(340)를 포함하여 구성될 수 있다.
버스 바(310)는 예컨대 좌우 방향으로 연장될 수 있고, 연장된 폭은 두 개의 원통형 배터리 셀이 차지하는 폭와 대응할 수 있다. 여기서, 대응한다는 것은 폭이 같거나 소정의 크기만큼 폭이 크거나 작은 것을 의미한다. 버스 바(310)의 전후 방향의 너비는 하나의 원통형 배터리 셀이 차이하는 너비와 대응할 수 있다.
버스 바(310)는 열팽창계수가 상이한 상부층(311) 및 하부층(312)을 포함하여 바이메탈로 이루어질 수 있다. 이때, 하부층(312)의 열팽창계수는 상부층(311)의 열팽창계수보다 클 수 있다. 이에, 버스 바(310)가 열을 받으면, 상부층(311)과 하부층(312)이 팽창하게 되는데, 하부층(312)이 상부층(311)보다 더 많이 팽창하게 됨으로써, 상대적으로 하부층(312)이 팽창하는 것으로 보이고, 상부층(311)이 상대적으로 수축하는 것처럼 보일 수 있다.
고정단(320)은 하부층(312)으로부터 하방으로 연장되는데, 하부가 좌우 방향으로 연장되고, 상부가 상하 방향으로 경사지게 연장되며, 그 상단이 버스 바(310)의 하부층(312)의 하부면에 지지될 수 있다. 여기서, 고정단(320)의 하부는 원통형 배터리 셀(210)의 전극 단자에 용접되어 고정될 수 있다.
자유단(330)은 고정단(320)으로부터 수평 방향 상세하게는 좌우 방향으로 이격되어, 하부층(312)으로부터 하방으로 연장되는데, 상부가 상하 방향으로 경사지게 연장되고, 하부가 좌우 방향으로 연장되며, 상단이 버스 바(310)의 하부층(312)의 하부면에 지지되고, 하단이 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자와 접촉될 수 있다. 전류는 주변 원통형 배터리 셀(220)의 상부의 전극 단자로부터 이에 접촉하는 자유단(330)을 통하고 버스 바(310)를 거쳐, 고정단(320)과 용접된 원통형 배터리 셀(210)의 상부의 전극 단자로 흐를 수 있다.
이때, 원통형 배터리 셀(210) 및 주변 원통형 배터리 셀(220) 중 적어도 하나의 상태 이상에 의해 열이 발생하면, 발생된 열이 버스 바(310)로 전달되어 버스 바(310)가 벤딩되고, 자유단(330)이 상승하며 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
즉, 버스 바(310)는 열에 의해 소정부위가 상향으로 벤딩됨으로써, 그 하부에 연결되는 자유단(330)이 상승하여 자유단(330)이 연결되는 배터리 셀(220)으로부터 접속이 끊어지도록 구성된다. 자유단(330)은 이와 같이 버스 바(310)에 가해지는 열의 상태에 따라 배터리 셀(220)에 전기적 접속이 ON/OFF 되며, 고정단(320)은 그 인접 배터리 셀(210)에 항상 접속되어 있다.
이때, 신축부재(340)는 탄성력이 버스 바(310)의 열에 의한 변형 시의 팽창력보다 작도록 하는 탄성 스프링을 포함할 수 있다. 이에, 버스 바(310)가 신축부재(340)를 수축시키면서, 열에 의해 원활하게 벤딩될 수 있다.
또한, 상태 이상이 발생한 원통형 셀의 상태가 회복되면 버스 바(310)의 형상이 회복되고, 자유단(330)이 하강하여 주변 원통형 배터리 셀(220)의 상부의 전극 단자와 접촉됨으로써, 전류의 흐름을 회복시킬 수 있다. 이때, 신축부재(340)이 자유단(330)이 배터리 셀(220)의 전극단자와 접속하도록 버스 바(310)의 회복력을 증대할 수도 있다.
상술한 바에 따르면, 자유단(320)은 버스 바(310)의 팽창 및 벤딩에 따라 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자로부터 이격될 수 있고, 버스 바(310)의 수축에 따른 본원력과 신축부재(340)의 탄성 가압에 따른 하중에 의하여 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자에 접촉될 수 있다.
즉, 신축부재(340)는 자유단(330)이 열에 의해 벤딩되는 버스 바(310)의 벤딩과 이완을 모두 돕도록 탄성력이 설정될 수 있다.
이때, 신축부재(340)가 자유단(330)의 상측에 위치하도록 상부층(311)에 지지될 수 있다. 즉, 신축부재(340)는 상단이 팩 케이스(100)의 상부면에 접촉지지될 수 있고, 하단이 자유단(330)의 상측에서 상부층(311)에 지지될 수 있다. 이에, 신축부재(340)가 버스 바(310)를 통하여 자유단(330)을 하방으로 가압할 수 있고, 자유단(330)과 주변 원통형 배터리 셀(220)의 상부의 전극 단자의 접촉이 안정적으로 유지될 수 있다. 한편, 신축부재(340)의 상단 및 하단 중 적어도 어느 하나는 전기적으로 절연될 수 있다.
1.5. 연결부재(400)
연결부재(400)는 메탈 플레이트 재질일 수 있다. 연결부재(400)는 복수개 구비되며 복수개의 원통형 배터리 셀(200)을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이때, 연결부재(400)는 행 방향으로 나열된 원통형 배터리 셀들을 직렬 연결시키고, 열 방향으로 나열된 원통형 배터리 셀들을 병렬 연결시킬 수 있도록 배치될 수 있다.
예컨대 전류차단장치(300)가 원통형 배터리 셀(210)과 주변 원통형 배터리 셀(220)을 연결시키면, 연결부재(400)은 원통형 배터리 셀(210)과 주변 원통형 배터리 셀(220)을 연결시키도록 배치되는 것이 아니고, 전류의 흐름 방향으로 원통형 배터리 셀(210)의 선행 원통형 배터리 셀과 원통형 배터리 셀(210)을 연결시키도록 배치되고, 주변 원통형 배터리 셀(220)의 후행 원통형 배터리 셀과 주변 원통형 배터리 셀(220)을 연결시키도록 배치될 수 있다.
1.6. 냉각부재(500) 및 열전달부재(600)
냉각부재(500)는 히트싱크(heat sink)를 포함할 수 있다. 냉각부재(500)는 팩 케이스(100)의 바닥(100b)상에 설치될 수 있고, 팩 케이스(100)의 외부로 열을 배출시킬 수 있도록 형성될 수 있다.
열전달부재(TMI, Thermal interface material, 600)는 냉각부재(500)를 연결부재(400)와 열적으로 접촉시킬 수 있다. 이에, 복수개의 원통형 배터리 셀(200)로부터 발생하는 열은 연결부재(300)를 통하여 열전달부재(600)로 전달되고, 냉각부재(500)를 거쳐 팩 케이스(100)의 외부로 배출될 수 있다.
1.7. 셀 홀더
셀 홀더(미도시)는 복수개의 원통형 배터리 셀(200)의 외주면과 접촉하여 복수개의 원통형 배터리 셀(200)을 팩 케이스(100)의 내부에서 고정시킬 수 있다.
2. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 작동 방법
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전류차단장치가 전류를 통전시키는 모습을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전류차단장치가 전류를 차단시키는 모습을 보여주는 도면이다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 작동 방법을 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 작동 방법은 하기와 같은 과정을 포함하여 구성될 수 있다.
2.1. 팩 케이스(100) 내에 구비된 원통형 배터리 셀(210)의 전극 단자와 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자를 전류차단장치에 구비된 고정단(320)과 자유단(330)에 접속시키는 과정은, 전류차단장치를 통하여 원통형 배터리 셀(210)과 주변 원통형 배터리 셀(220)을 전기적으로 연결시킨다. 이때, 원통형 배터리 셀(210)의 상부의 음극 단자와 전류차단장치의 고정단(320)이 용접으로 연결되고, 주변 원통형 배터리 셀(220)의 상부의 양극 단자와 전류차단장치의 자유단(330)이 접촉 연결될 수 있다.
이 과정에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 신축부재(340)가 하방으로 힘 예컨대 탄성력(f1)을 가하여 버스 바(310)를 통하여 자유단(330)을 탄력적으로 가압할 수 있다. 즉, 주변 원통형 배터리 셀(220)의 상부의 양극 단자와 자유단(330)이 서로 밀착될 수 있다. 이에, 원통형 배터리 셀(210)과 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전기적인 연결이 안정적으로 유지될 수 있다.
한편, 배터리 팩이 작동하는 중에 예컨대 고율 충방전이 이루어지는 중에 어느 하나의 원통형 배터리 셀에 상태 이상이 발생하면 이로부터 고열이 생성되고 생성되는 열에 의해 주변에 위치하는 다른 원통형 배터리 셀의 작동에도 영향을 미칠 수 있다. 이에, 상태 이상이 발생하여 온도가 급격히 상승하는 원통형 배터리 셀을 주변으로부터 전기적으로 신속히 분리시켜야 한다. 이는 아래의 과정을 통하여 이루어진다.
2.2. 원통형 배터리 셀 및 주변 원통형 배터리 셀 중 어느 하나로부터 열(T)을 전달받으면 전류차단장치에 구비된 바이메탈 부분을 벤딩시켜 자유단(330)을 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자로부터 이격시키는 과정은, 도 5에 도시된 바와 같이, 고정단(320)을 중심으로 하여 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자와 멀어지는 방향으로 바이메탈 부분 즉, 버스 바(310)를 벤딩시킨다. 이때, 벤딩되는 힘(f2)이 신축부재(340)의 탄성력보다 크기 때문에, 버스 바(310)의 벤딩을 이용하여 버스 바(310)과 연결된 신축부재를 수축시킬 수 있다. 이에, 자유단(330)이 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자로부터 원활하게 이격될 수 있다. 이로부터 배터리 셀들 사이의 전기적인 연결이 차단될 수 있다.
한편, 상태 이상에 의해 주변으로부터 전기적 연결이 차단된 원통형 배터리 셀은 소정 시간이 지난 후에 상태가 회복될 수 있다. 이때, 아래의 과정을 수행하여 상태가 회복된 원통형 배터리 셀을 주변과 전기적으로 연결시킨다.
2.3. 바이메탈 부분인 버스 바(310)로 전달되는 열이 해소되면 버스 바(310)를 복원시켜 자유단(330)과 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자의 접속을 회복시키는 과정에 의해 상태가 회복된 원통형 배터리 셀을 주변과 전기적으로 연결시킨다. 이때, 신축부재(340)를 팽창시켜 버스 바(310)의 휘어진 부위를 탄력적으로 가압하고, 휘어진 부위에 지지된 자유단(330)을 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자측으로 가압한다.
이후, 전류차단장치(300)에 구비된 신축부재(340)로 버스 바(310)를 탄력 가압하면서, 자유단(330)과 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자와의 안정적인 접속을 유지시킬 수 있다.
3. 본 발명의 변형 예에 따른 배터리 팩 및 그 작동 방법
도 6은 본 발명의 변형 예에 따른 전류차단장치가 전류를 차단시키는 모습을 보여주는 도면이다. 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 변형 예에 따른 배터리 팩 및 그 작동 방법을 설명한다.
도 5를 참조하면, 전류차단장치의 고정단(320)과 접착되는 원통형 배터리 셀(210)에서 열이 발생하고, 이로부터 전류차단장치의 자유단(330)이 주변 원통형 배터리 셀(220)과 이격되는 경우에는, 원통형 배터리 셀(210)의 상태 이상이 해소될때까지 열이 계속하여 버스 바(310)로 전달됨으로써, 버스 바(310)의 벤딩 상태가 원활하게 유지될 수 있다.
한편, 전류차단장치의 자유단(330)과 접촉하는 주변 원통형 배터리 셀(220)에서 열이 발생하여 버스 바(310)가 벤딩된 상태에서 주변 원통형 배터리 셀(220)의 열은 대류 및 복사의 방식으로 버스 바(310)로 전달될 수 있다.
따라서, 도 6을 참조하면, 본 발명의 변형 예에 따른 배터리 팩의 전류차단장치(300)는 주변 원통형 배터리 셀(220)과 버스 바(310), 고정단(320) 및 자유단(330) 중 적어도 어느 하나를 열적으로 연결시키도록 배치되는 전달부재(350)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 예컨대 주변 원통형 배터리 셀(220)의 외면과 버스 바(310)를 연결시키도록 전달부재(350)가 팩 케이스(100) 내에 배치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 변형 예에 따른 배터리 팩 작동 방법에서는 자유단(330)을 주변 원통형 배터리 셀(220)의 전극 단자로부터 이격시키는 과정 이후에 주변 원통형 배터리 셀(220)과 버스 바(310) 사이에 열전달 경로를 통하여 열을 교환하는 과정을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 과정에서, 주변 원통형 배터리 셀(220)에서 발생하는 열이 버스 바(310)로 더욱 원활하게 전달될 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이고, 본 발명의 제한을 위한 것이 아니다. 본 발명의 상기 실시 예에 개시된 구성과 방식은 서로 결합하거나 교차하여 다양한 형태로 조합 및 변형될 것이고, 이에 의한 변형 예들도 본 발명의 범주로 볼 수 있음을 주지해야 한다. 즉, 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
(부호의 설명)
100: 팩 케이스
200: 복수개의 원통형 배터리 셀
210: 원통형 배터리 셀
220: 주변 원통형 배터리 셀
300: 전류차단장치
310: 버스 바
320: 고정단
330: 자유단
340: 신축부재
400: 연결부재

Claims (12)

  1. 팩 케이스;
    상기 팩 케이스 내에 구비되는 복수개의 원통형 배터리 셀; 및
    복수개의 원통형 배터리 셀을 연결시킬 수 있도록 상기 팩 케이스 내에 배치되며, 일부가 바이메탈로 이루어진 전류차단장치;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 전류차단장치는,
    원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 고정단과, 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 자유단, 및 상기 자유단을 주변 원통형 배터리 셀 측으로 탄력적으로 가압하는 신축부재를 포함하여 구성되며,
    상기 자유단은 상기 바이메탈에 고정되어 상기 바이메탈의 형상변경에 따라 상기 원통형 배터리 셀의 전극 단자로의 접촉이 온/오프되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정단과 상기 자유단은 복수개의 원통형 배터리 셀이 나열된 방향으로 상호 대향되도록 배치되고,
    상기 신축부재와 상기 자유단은 복수개의 원통형 배터리 셀이 나열된 방향과 교차하는 방향으로 서로 대향되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고정단은 용접에 의해 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접착된 면을 구비하고,
    상기 자유단은 탄력 가압에 의해 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    전류차단장치의 바이메탈 부분은, 열에 의해 펼쳐지는 부위가 원통형 배터리 셀과 주변 원통형 배터리 셀을 마주보고, 열에 의해 굽혀지는 부위가 상기 팩 케이스의 내부면을 마주보도록, 복수개의 원통형 배터리 셀과 상기 팩 케이스의 내부면 사이에 배치되고,
    상기 고정단과 상기 자유단은 전류차단장치의 바이메탈 부분의 열에 의해 펼쳐지는 부위에 구비되고,
    상기 신축부재는 상기 바이메탈 부분의 열에 의해 굽혀지는 부위에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류차단장치는,
    열에 의해 팽창수축될 수 있는 복수의 재질을 포함하고, 원통형 배터리 셀과 주변 원통형 배터리 셀의 상측에 배치되는 버스 바;
    상기 버스 바의 일측으로부터 연장되고, 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접착되는 상기 고정단;
    상기 버스 바의 일측과 대향하는 타측으로부터 연장되고, 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자에 접촉되는 상기 자유단; 및
    상기 버스 바와 상기 팩 케이스의 상부면 사이에서, 상기 버스 바의 타측을 상기 팩 케이스의 상부면에 지지시키는 상기 신축부재;
    를 포함하여 구성되는 배터리 팩.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 버스 바는 열팽창계수가 상이한 상부층 및 하부층을 포함하여 바이메탈로 이루어지고,
    상기 하부층의 열팽창계수가 상기 상부층의 열팽창계수보다 크고,
    상기 고정단 및 자유단은 상기 하부층으로부터 하방으로 연장되고, 수평 방향으로 상호 이격되며,
    상기 신축부재는 상기 자유단의 상측에 이격 배치되도록 상기 상부층에 지지되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 신축부재는 탄성력이 상기 버스 바의 팽창력보다 작도록 하는 탄성 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류차단장치는,
    주변 원통형 배터리 셀과 상기 버스 바, 상기 고정단 및 상기 자유단 중 적어도 어느 하나를 열적으로 연결시키도록 배치되는 전달부재;를 더 포함하여 구성되는 배터리 팩.
  9. 팩 케이스 내에 구비된 원통형 배터리 셀의 전극 단자와 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자를 전류차단장치에 구비된 고정단과 자유단에 접속시키는 과정;
    상기 원통형 배터리 셀 및 상기 주변 원통형 배터리 셀 중 어느 하나로부터 소정 값 이상의 열을 전달받으면 상기 전류차단장치에 구비된 바이메탈 부분을 벤딩시켜 상기 자유단을 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자로부터 이격시키는 과정;
    상기 바이메탈 부분으로 전달되는 열이 해소되면 상기 바이메탈 부분을 복원시켜 상기 자유단과 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자의 접속을 회복시키는 과정;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 작동 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 이격시키는 과정은,
    상기 고정단을 중심으로 하여 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자와 멀어지는 방향으로 상기 바이메탈 부분을 벤딩시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배처리 팩 작동 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 이격시키는 과정은,
    상기 벤딩을 이용하여 상기 바이메탈 부분과 연결된 상기 신축부재를 수축시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배처리 팩 작동 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 회복시키는 과정은,
    상기 신축부재가 팽창되어 상기 바이메탈 부분의 휘어진 부위를 탄력적으로 가압하고, 상기 휘어진 부위에 지지된 자유단을 상기 주변 원통형 배터리 셀의 전극 단자측으로 가압하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배처리 팩 작동 방법.
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