KR101130050B1

KR101130050B1 - 안전성이 향상된 중대형 전지팩

Info

Publication number: KR101130050B1
Application number: KR1020070119057A
Authority: KR
Inventors: 윤희수; 윤종문; 이진규; 이범현; 강달모
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: KR20090052520A

Abstract

본 발명은 다수의 전지셀 또는 전지모듈들이 직렬로 연결되어 있는 고출력 대용량의 이차전지 전원부, 이차전지 전원부의 작동 상태를 검출하여 제어하는 BMS, 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로의 연결을 개폐하는 전원 개폐부, 및 전원 개폐부와 외부 입출력 회로의 연결을 단전시키는 수동보호소자(Passive Protection Device)를 포함하고 있고, 상기 전원 개폐부는 BMS와의 연결이 단전되었을 때, 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로와의 연결을 차단하도록 구성되어 있고, 상기 수동보호소자는 BMS와는 독립적으로 이차전지 전원부의 작동 상태에 대응하여, 상기 이차전지 전원부의 비정상적인 작동 조건에서 BMS와 전원 개폐부의 연결을 단전시킴으로써, 전지팩의 안전성을 담보하는 것으로 구성된 중대형 전지팩을 제공한다.

Description

안전성이 향상된 중대형 전지팩 {Middle or Large-sized Battery Pack of Improved Safety}

본 발명은 안전성이 향상된 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 전지셀 또는 전지모듈들이 직렬로 연결되어 있는 고출력 대용량의 이차전지 전원부, 이차전지 전원부의 작동 상태를 검출하여 제어하는 BMS, 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로의 연결을 개폐하는 전원 개폐부, 및 전원 개폐부와 외부 입출력 회로의 연결을 단전시키는 수동보호소자(Passive Protection Device)를 포함하고 있고, 상기 전원 개폐부는 BMS와의 연결이 단전되었을 때, 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로와의 연결을 차단하도록 구성되어 있고, 상기 수동보호소자는 BMS와는 독립적으로 이차전지 전원부의 작동 상태에 대응하여, 상기 이차전지 전원부의 비정상적인 작동 조건에서 BMS와 전원 개폐부의 연결을 단전시킴으로써, 전지팩의 안전성을 담보하는 것으로 이루어진 중대형 전지팩에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이 차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, PDA, 노트북 등의 모바일, 와이어리스 전자기기뿐만 아니라 전기자전거(E-bike), 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.

휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 전지셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용됨에 반하여, 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 전지셀들(이하에서는, 때때로 "멀티-셀"로 칭하기도 함)을 병렬 및/또는 직렬로 연결한 전지팩이 팩킹되어 있는 중형 또는 대형 전지팩이 사용되고 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있음에 반해 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.

따라서, 리튬 이차전지에는 과충전, 과방전, 과전류시 전류를 차단하는 보호회로, 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient Element), 가스 발생에 따른 압력 상승시 전류를 차단하 거나 가스를 배기하는 안전벤트 등의 안전 시스템이 구비되어 있다. 예를 들어, 원통형의 소형 이차전지에서는 원통형 캔에 내장되어 있는 양극/분리막/음극의 전극조립체(발전소자) 상부에 PTC 소자 및 안전벤트가 통상 설치되어 있고, 각형 또는 파우치형의 소형 이차전지에서는 발전소자가 밀봉된 상태로 내장되어 있는 각형 캔 또는 파우치형 케이스의 상단에 보호회로 모듈, PTC 소자 등이 일반적으로 탑재되어 있다.

리튬 이차전지의 안전성 문제는 멀티-셀 구조의 중대형 전지팩에서 더욱 심각하다. 멀티-셀 구조의 전지팩에서는 다수의 전지셀들이 사용됨으로 인해 일부 전지셀에서의 작동 이상은 다른 전지셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있고 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고를 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 중대형 전지팩에는 과방전, 과충전, 과전류 등으로부터 전지 셀을 보호하기 위한 퓨즈, 바이메탈, BMS(Battery Management System) 등의 안전 시스템이 구비되어 있다.

그러나, 리튬 이차전지는 계속적인 사용, 즉, 계속적인 충방전 과정에서 발전소자, 전기적 연결부재 등이 서서히 열화되는 바, 예를 들어, 발전소자의 열화는 전극재료, 전해질 등의 분해에 의해 가스 발생을 유발하며, 그로 인해 전지셀(캔, 파우치형 케이스)은 서서히 팽창하게 된다. 정상적인 상태에서는 안전 시스템인 BMS가 과방전, 과충전, 과전류 등을 탐지하고 전지팩을 제어/보호하고 있으나, BMS의 미작동 또는 오작동시 정상적으로 전지팩을 제어할 수 없으므로 위험성이 커지게 된다. 중대형 전지팩은 일반적으로 다수의 전지셀들이 일정한 케이스 내에 고정된 상태로 장착되어 있는 구조로 되어 있으므로, 각각의 팽창된 전지셀들은 한정 된 케이스 내에서 더욱 가압되고, 비정상적인 작동 조건 하에서 발화 및 폭발의 위험성이 크게 높아진다.

이와 관련하여, 도 1에는 종래의 중대형 전지팩의 회로 모식도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 중대형 전지팩(900)은 다수의 전지셀들로 이루어진 전지모듈 어셈블리(300), 전지모듈 어셈블리(300)의 작동 상태에 대한 정보를 검출하여 이를 제어하는 BMS(600), BMS(600)의 작동 명령에 의해 전지모듈 어셈블리(300)와 외부 입출력 회로(인버터 등: 800)의 연결을 개폐하는 전원 개폐부(릴레이: 700) 등으로 구성되어 있다.

BMS(600)는 전지모듈 어셈블리(300)의 정상적인 작동 조건에서 전원 개폐부(700)를 온(on) 상태로 유지하고, 이상이 감지되었을 때 오프(off) 상태로 전환시켜 전지모듈 어셈블리(300)의 충방전을 중지시킨다. 반면에, BMS(600)의 오작동 또는 미작동시, BMS(600)로부터 어떠한 제어도 이루어지지 않으므로, 전원 개폐부(700)는 계속적으로 온(on) 상태로 유지되어, 비정상적인 작동 상태에서도 전지모듈 어셈블리(300)에서 계속적으로 충방전이 이루어진다.

따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결하면서 중대형 전지팩의 안전성을 근본적으로 담보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 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, 전지팩에서 BMS와 같은 충방전 제어 시스템이 오작동을 일으킬 경우, 과충전, 과방전, 과전류 등 전지모듈의 비정상적인 작동 상황에서 BMS와 독립적으로 작동하는 구조로 설치된 수동보호소자에 의하여 전류 회로가 차단되도록 함으로써, 전지팩의 안전성을 소망하는 수준으로 담보할 수 있음을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 안전성을 향상시킬 수 있는 특정한 구조의 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 다수의 전지셀 또는 전지모듈들이 직렬로 연결되어 있는 고출력 대용량의 이차전지 전원부;

상기 이차전지 전원부의 작동 상태를 검출하여 제어하는 BMS(Battery Management System);

상기 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로 사이에 위치하며, 상기 BMS의 작동 명령에 의해 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로의 연결을 개폐하는 전원 개폐부; 및

상기 BMS와 전원 개폐부 사이에 위치하며, 비정상적인 이차전지 전원부의 작동 조건에서 전원 개폐부와 외부 입출력 회로의 연결을 단전시키는 수동보호소자(Passive Protection Device);

를 포함하고 있고,

상기 전원 개폐부는 BMS와의 연결이 단전되었을 때, 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로와의 연결을 차단하도록 구성되어 있고,

상기 수동보호소자는 BMS와는 독립적으로 이차전지 전원부의 작동 상태에 대응하여, 상기 이차전지 전원부의 비정상적인 작동 조건에서 BMS와 전원 개폐부의 연결을 단전시킴으로써, 전지팩의 안전성을 담보하는 것으로 구성되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 다수의 전지셀 또는 전지모듈들이 연결된 이차전지 전원부가 포함되어 있는 중대형 전지팩에서는, BMS가 이차전지 전원부의 작동 상태를 감지하여 그것의 충방전을 제어함으로써 안전성을 확보하는 구조로 이루어져 있는 바, BMS가 미작동 또는 오작동하게 되는 경우 이차전지 전원부의 충방전을 제어할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

이와는 달리, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 BMS에 대해 독립적으로 작동하는 수동보호소자가 BMS와 전원 개폐부 사이에 위치하고 있으므로, 이차전지 전원부가 비정상적으로 작동하고, BMS가 미작동 또는 오작동을 하는 경우, 수동보호소자가 자체적으로(독립적으로) 작동하여 BMS와 전원 개폐부의 연결을 단전하고, 그에 따라 전원 개폐부는 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로의 연결을 차단함으로써 이차전지 전원부의 과전류 또는 과전압이 외부 입출력회로에 전달되는 것을 방지할 수 있고, 전지팩의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

구체적으로, 중대형 전지팩에는 BMS와 연결된 센서가 장착되어 있어서, 이차전지 전원부의 온도 또는 압력이 설정값 이상으로 상승하거나, 이차전지 전원부의 전류 또는 전압이 설정값 이상으로 상승할 때, 각각의 센서에서 이러한 상황을 감지하여 BMS에 전달하고, BMS는 전원 개폐부를 오프시키는 구조로 이루어져 있다.

그러나, 이차전지 전원부가 비정상적인 조건하에서 BMS 또는 센서의 오작동에 의해 전원 개폐부가 작동하지 않는 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 이차전지 전원부의 비정상 상태가 여과없이 외부 입출력 회로에 그대로 전달되는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에서 상기 수동보호소자는 BMS와는 독립적으로 작동하도록 구성되어 있다.

이러한 작동 조건 중, 하나의 예로서, 상기 수동보호소자는 이차전지 전원부의 온도 또는 압력이 설정값 이상으로 상승할 때 작동하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 수동보호소자는 소망하는 온도 조건에서 전류를 차단하기 위해 작동 온도 조절이 가능한 소자이거나, 과충전시 전지셀 내부의 압력이 증가하는 현상을 이용하여 압력의 변화에 따라 작동하는 소자로 이루어질 수 있다.

또 다른 예로서, 상기 수동보호소자는 이차전지 전원부의 전류 또는 전압의 변화에 따라 작동하는 소자로 구성할 수 있으며, 이러한 구조에서 작동 조건은 이차전지 전원부의 전류 또는 전압이 설정값 이상으로 상승할 때 작동하도록 구성될 수 있다.

상기 수동보호소자는 이차전지 전원부의 온도, 압력, 전류, 전압 등의 변화에 반응하여, 각각의 측정치가 설정값 이상으로 상승시 단전을 이루는 구조를 가지고 있으며 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 고온 또는 과전류에서 작동하는 바이메탈 구조를 포함하는 것으로 이루어질 수 있다. 즉, 온도 또는 전류에 반응하여 작동하는 바이메탈 구조를 사용하여, 이차전지 전원부에서 설정값 이상의 고온 또는 과전류가 발생하였을 때 상호간의 연결이 오프(off)되어 단전을 이루는 구조일 수 있다.

참고로, 바이메탈은 열팽창계수가 매우 다른 두 종류의 얇은 금속판을 상하로 중첩시킨 판상형의 부재를 의미한다.

본 발명의 구성과는 달리, 수동보호소자를 이차전지 전원부, 외부 입출력 회로, 전원 개폐부 등의 회로 상에 설치하여 전원 자체를 직접 개폐하는 구조를 고려할 수도 있을 것이다. 그러나, 중대형 전지팩은 사용 목적에 따라 달라지기는 하지만, 일반적으로 고출력을 위해 높은 전압이 이차전지 전원부에서 발생하게 되므로, 이러한 회로 상에 수동보호소자를 위치시키면 내부 저항의 상승을 초래하고, 경우에 따라서는 전류 개폐를 위한 작동 과정에서 스파크가 유발되어 안전성에 문제가 발생할 수 있다. 반면에, BMS는, 예를 들어, 차량의 전장에 사용되는 12 V 등 낮은 전압으로 작동되므로, 본 발명의 구성은 상기와 같은 문제점을 유발하지 않는다.

한편, 상기 수동보호소자는 전지셀들 또는 전지모듈들 사이의 물리적 공간 상에 장착될 수 있다. 예를 들어, 전지팩을 구성하는 전지셀들 또는 전지모듈들은 냉매가 유동할 수 있도록 상호간에 소정의 이격 공간을 형성하면서 전지팩 프레임에 평행하게 장착된다. 이러한 이격 공간에 수동보호소자를 설치함으로써, 전지팩의 부피 증가에 대응하여 수동보호소자가 작동되도록 구성할 수 있다.

상기 이차전지 전원부는, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되 어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 구조의 전지모듈 어셈블리로 이루어질 수 있다.

즉, 상기 중대형 전지팩은, 종 방향과 횡 방향으로 장방형 전지모듈 다수 개가 적층되어 육면 적층체를 이루고 있고 이러한 육면 적층체가 프레임 부재에 의해 고정됨으로써, 전체적으로 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며, 많은 수의 부재들을 사용하지 않고도 기계적 체결과 전기적 접속을 이룰 수 있다.

상기 구조에서, 하나의 예로서, 전지모듈 육면 적층체는 그것의 구성요소인 장방형 전지모듈들의 적층 형태에 따라 다양한 구조가 가능할 수 있으며, 횡 방향으로 2 개의 장방형 전지모듈들이 서로 대향하여 배열된 상태로, 상기 각각의 장방형 전지모듈에 대해 종 방향으로 1 개 또는 그 이상의 장방형 전지모듈들이 배열되어 있는 구조가 바람직하다.

상기에서 "대향 배열"이란, 2 개의 장방형 전지모듈들이 그것의 동일 부위가 서로 대면하도록 배열되어 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 입출력 단자들이 일 측면에 위치하는 구조의 장방형 전지모듈에서, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 대향 배열되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 대향 배열 구조는 전기적 접속 등을 위한 구성을 더욱 간소화시킬 수 있는 장점이 있다.

또 다른 예로서, 상기 장방형 전지모듈들은 각각의 입출력 단자들이 상기 육 면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고,

상기 면(a)에 결합 및 장착되는 절연성 기판 상에 충방전시 전압 및 전류를 제어하는 소자들('제어소자들')과 이들의 접속부재들이 탑재되어 있는 구조의 전원 개폐부가 위치하고 있으며,

상기 전지모듈들의 작동 제어를 위해 입출력 단자들의 배향 면(a) 또는 그것의 대향 면(d)에 BMS가 장착되어 있는 구조로 구성될 수 있다.

따라서, 제어소자들과 전원 개폐부가 상기 입출력 단자들이 위치하는 면(단자 배향 면: a)에 장착되어 있어서, 입출력 단자들과 접속이 용이하며, 또한, 전지모듈의 작동 제어를 위한 전지 제어 시스템인 BMS는 상기 제어소자들 또는 전원 개폐부와의 용이한 연결을 위하여 상기 입출력 단자들이 위치하는 면(단자 배향 면: a) 또는 상기 단자 배향 면(a)의 대향 면(d)에 장착될 수 있다. 이러한 구조는, 전기적 접속 구조 및 그에 따른 조립 과정을 더욱 간소화할 수 있으며, 전기적 접속수단의 길이를 감소시켜 내부 저항의 증가를 방지하고, 외부 충격 등에 의해 접속수단이 단전되는 위험성을 감소시킬 수 있다.

이러한 구조에서, 상기 제어소자들의 종류는 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 과전류 및 고전압을 가역적으로 자동 차단하는 메인 릴레이(main relay), 초기 방전 과정에서 상기 메인 릴레이에 우선하여 접속되어 고전압의 전기가 갑자기 공급되는 것을 방지하기 위하여 공급되는 전압 및 전류를 강하시키는 보조 릴레이(free charge relay), 상기 보조 릴레이에 접속 또는 연결되어 전류 및 전압을 감소시키는 저항(resistance), 양극 또는 음극 회로의 경로 상에 위치하며 전지모듈의 작동 상태를 확인하고 전지모듈을 수선할 필요가 있을 때 수동으로 전기를 차단하는 서비스 플러그(service plug), 양극 또는 음극 접속회로 상에서 전류를 검출하여 BMS로 송부하는 전류 센서(current sensor) 등을 들 수 있다. 이러한 제어소자들은 전지모듈의 충방전에 따라 발생하는 전기의 전압 및 전류를 적절하게 제어하게 된다.

본 발명의 제어소자들은 전지모듈들에 과전류, 고전압의 전기가 인가되거나 그러한 전기가 발생하는 경우에 이를 차단하고, 전지모듈의 점검, 교체 등과 같이 필요한 경우에 따라 단전을 이룰 수 있는 작용을 하므로, 전지모듈의 양극 및/또는 음극은 외부회로에 연결되기 앞서 제어소자들을 경유하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 장방형 전지모듈의 입출력 단자인 양극 및 음극 중 하나의 전극은 서비스 플러그 - 메인 릴레이 / 보조 릴레이 - 전류 센서 - 외부 입출력 단자의 순서로 접속되도록 회로를 구성하고, 나머지 전극은 서비스 플러그만을 경유하고 기타 제어소자들을 경유하지 않은 상태에서 직접 외부 입출력 단자에 접속되도록 회로를 구성할 수 있다. 상기 다수의 제어소자들을 경유하는 전극은 양극일 수도 있고 음극일 수도 있다.

본 발명에 따른 중대형 전지팩은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 구동 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 중대형 전지팩을 구동 전원으로 포함하고 있는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차를 제공한다.

중대형 전지팩을 포함하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 회로 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 중대형 전지팩(910)은 이차전지 전원부(300), 이차전지 전원부(300)의 작동 상태를 검출하여 제어하는 BMS(600), 외부 디바이스와 연결되어 있는 외부 입출력 회로(800), BMS(600)의 작동 명령에 따라 이차전지 전원부(300)와 외부 입출력 회로(800)의 연결을 개폐하기 위해 이차전지 전원부(300)와 외부 입출력 회로(800)사이에 위치하고 있는 전원 개폐부(700), 및 BMS(600)와 전원 개폐부(700) 사이에 위치하는 수동보호소자(바이메탈: 500)로 구성되어 있다.

수동보호소자(500)는 도 8에서와 같이 단위모듈들(150)의 이격된 틈 사이에 설치되어 있고, 전기적으로는 BMS(600)와 전원 개폐부(700)를 연결하는 12V 파워 라인의 중간에 연결되어 있다.

따라서, BMS(600)가 오작동으로 인해 이차전지 전원부(300)의 과충전 및 과방전을 제어하지 못하고, 이차전지 전원부(300)의 온도가 설정값 이상으로 상승하는 경우, 수동보호소자(500)는 오프(off)되어 전원 개폐부(700)와 BMS(600) 사이의 연결을 단전시키고, 이때 전원 개폐부(700)는 이차전지 전원부(300)와 외부 입출력회로(800)의 연결을 차단함으로써, 이차전지 전원부(300)에서 발생한 과전류 또는 과전압이 외부 입출력회로(800)에 전달되는 것을 방지하게 된다.

도 3에는 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 이해를 돕기 위해, 도 4에는 도 3의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 전원 개폐부가 장착되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 또한, 도 5에는 도 3의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 전원 개폐부가 장착된 상태의 정면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 후면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 이차전지 전원부인 전지모듈 어셈블리(300)는 6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)과, 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 육면 적층체의 외주 모서리들을 고정하는 프레임 부재(400), 및 전원 개폐부(700)로 구성되어 있으며, 전체적으로 직육면체 형상을 나타낸다.

6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 횡 방향으로 2 개씩, 종 방향으로 3 개씩 충적되어 있고, 그것의 일 측면에 형성되어 있는 입출력 단자들(240, 242)이 서로 인접하도록 대향 배열 구조로 적층되어 있다. 즉, 상부 행의 전지모듈들(201, 202, 203)과 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206)이 가상 중심선을 중심으로 서로 대칭 구조를 이루도록, 상부 행의 전지모듈들(201, 202, 203)은 뒤집힌 형태로 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206) 상에 적층되어 있다.

각각의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 다수의 판상형 단위모듈들이 세워진 형태로 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 프레임 부재(400)는 육면 적층체의 12 개 외주 모서리를 안정적으로 고정할 수 있도록 다수의 프레임들이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 육면 적층체를 장착한 상태에서 육면 적층체의 6 개 면은 외부로 개방되게 된다.

입출력 단자들(240, 242)이 위치하는 육면 적층체의 정면 상에는, 필요에 따라 전류를 통전시켜 충전 및 방전을 행하고, 전지 시스템의 작동 개시 또는 분해 과정에서 적절한 전압 강하를 행하며, 장방형 전지모듈들과 전기적 접속을 행하고, 과전류, 과전압 등으로부터의 회로를 보호하기 위한 전원 개폐부(700)가 장착되어 있다. 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 입출력 단자들(240, 242)은 서로 인접해 있으므로, 전원 개폐부(700)의 연결이 용이하고, 전기적 접속을 위한 부재의 길이를 대폭 줄일 수 있다. 또한, 전원 개폐부(700)는 입출력 단자들(240, 242)을 밀폐하는 형태로 장착되므로, 이들이 외부로 노출되어 유발될 수 있는 단락 등을 방지할 수 있고, 구조적으로 취약한 입출력 단자들(240, 242)이 외력에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 전원 개폐부(700)는 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 입출력 단자들(240, 242)에 대한 일종의 보호 부재로서의 역할도 수행한다. 전원 개폐부(700)의 더욱 자세한 내용은 도 10 및 도 11을 참조하여 이하에서 설명한다.

도 7에는 전지모듈 어셈블리를 구성하는 하나의 전지모듈의 사시도가 모식적 으로 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수동보호소자가 장착된 전지모듈의 수평 단면 모식도가 도시되어 있다.

먼저 도 7을 참조하면, 전지모듈(200)은 단위모듈(150) 적층체를 측면으로 직립시킨 상태로 상하 조립형의 케이스(220, 230)에 장착한 구조로 이루어져 있고, 상부 케이스(220)의 전면에는 입출력 단자(240)가 형성되어 있다. 하부 케이스(230)의 전면에는 입출력 단자(240)와의 전기적 연결을 위한 버스 바(250)가 형성되어 있고, 후면에는 전압 및 온도 검출용 센서의 접속을 위한 커넥터(260)가 장착되어 있다.

도 8을 도 7과 함께 참조하면, 전지모듈 케이스 내부에는, 단위모듈들(150) 상호간의 전극단자 연결부(310)와, 전극단자 연결부(310)가 삽입되어 장착되는 다수의 고정용 홈들(350)이 형성되어 있다. 이러한 고정용 홈들(350)은 대략 전극단자 연결부(310)에 대응하는 형태로 형성되어 있어서, 단위모듈들(150)의 유동을 방지하고 상호 인접한 전극단자 연결부(310)와의 안정적인 절연상태를 유지시켜 준다. 구체적으로, 고정용 홈(350)에는, 단위모듈들(150)의 더욱 안정적인 고정과 절연상태를 제공할 수 있도록, 셀 커버 유동 방지용 턱(352), 셀 커버 고정용 가이드(354), 전극단자 격리용 벽(356) 등이 형성되어 있다.

또한, 전지모듈 케이스의 전면부 하단에는 외부 장치(도시하지 않음)에 고정할 수 있도록, 중앙에 관통구(362)가 형성되어 있고 하부 케이스(230)로부터 돌출된 형태의 체결부(360)가 형성되어 있다. 단위모듈들(150)은 절연 및 냉매의 유동 경로 확보를 위해서 상호 이격된 구조로 전지모듈 케이스(220, 230)에 장착되며, 이러한 단위모듈들(150)의 이격 틈 사이에 수동보호소자(500)가 설치되어 있다.

도 9에는 도 8의 전지모듈에 설치되는 수동보호소자의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.

도 9를 참조하면, 바이메탈 구조로 이루어진 수동보호소자(500)는 전지모듈의 온도가 설정값 이내의 정상적인 경우에는 스위치가 온(on) 상태이고, 전지모듈의 온도가 설정값 이상으로 상승시 스위치는 오프(off) 상태로 변경된다.

바이메탈에 관한 일반적인 구조 및 원리는 업계에 공지된 사항이므로 본 명세서에서 자세한 내용은 생략한다.

도 10 및 도 11에는 도 4의 전원 개폐부를 확대한 사시도 및 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전원 개폐부(700)는 절연성의 두터운 플라스틱 기판(710) 상에 각종 제어소자들이 탑재되어 있고, 이들이 버스 바(724)와 와이어(730)에 의해 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지모듈의 입출력 단자에 연결된 와이어의 도입 위치가 기판(710)의 하측 방향인 경우를 기준으로, 그에 인접한 기판(710)의 상측 방향 부근에 서비스 플러그(714), 기판(710)의 중앙 부위에 메인 릴레이(716), 와이어에 대응하는 기판(710)의 타측 부위에 보조 릴레이(720), 보조 릴레이(720)의 하부에 저항(718), 그것의 상부에 전류 센서(722)가 위치하고 있어서, 한정된 공간에서 전체적으로 콤팩트한 구조로 구성되어 있다.

외부 입출력 단자(726, 728)는 서비스 플러그(714)의 일 측면상에 함께 위치 하고 있고, 양극 외부 입출력 단자(726)와 음극 외부 입출력 단자(728)는 인버터와 LDC 등과 같은 다른 전기장치(도시하지 않음)에 케이블 또는 와이어 같은 접속부재로 연결된다.

도 3의 전지모듈 육면 적층체를 구성하는 전지모듈들의 양극 입출력 단자(도 3: 240)는 서비스 플러그(714)에 연결되는 양극 접속단자(732)와 접속되어 메인 릴레이(716), 보조 릴레이(720), 전류 센서(722)를 통과하여 양극 외부 입출력 단자(726)에 연결된다. 반면에, 전지모듈들의 음극 입출력 단자(도 3: 242)는 서비스 플러그(714)에 연결되는 음극 접속단자(734)와 접속된 후 기타 제어소자들을 거치지 않고 바로 음극 외부 입출력 단자(728)에 연결된다. 따라서, 전원 개폐부를 구성하는 제어소자들인 서비스 플러그(714), 메인 릴레이(716), 보조 릴레이(720) 중의 하나가 오프(OFF) 상태로 작동되면, 전체적으로 단전이 이루어질 수 있다.

서비스 플러그(714)는, 전지모듈 어셈블리의 조립 및 점검, 전지모듈 또는 일부 제어소자들의 교체 등을 행할 때, 작업자 및 시스템의 안전성을 확보할 수 있도록, 필요에 따라 단전을 이루는 역할을 한다.

메인 릴레이(716)는 전지모듈로의 인가 전기 또는 그로부터 발생한 전기가 규정값 이상의 과전류 또는 고전압일 때 이를 차단하여 시스템의 안전성을 확보하는 역할을 한다.

보조 릴레이(720)와 그것에 연동되어 있는 저항(718)은, 차량의 시동 등과 같이, 시스템이 정지된 상태에서 통전이 행해지면서, 순간적인 통전에 의해 과부하가 시스템에 걸리는 것을 방지할 수 있도록, 적절하게 강하된 전압 및 전류의 전기 가 통전될 수 있도록 해 주는 역할을 한다. 따라서, 차량의 시동 시에는 보조 릴레이(720)가 작동하고, 적정한 작동 조건에 도달하면 보조 릴레이(720)는 더 이상 작동하지 않게 된다.

한편, 절연성의 플라스틱 기판(710)은 도 4에서 일체형 전면 프레임(450)과 일체형 후면 프레임 및 우측 상단 프레임(410)과 우측 하단 프레임(430)으로 이루어진 개방 우측면에 일치하게 설치될 수 있는 형상과 크기로 이루어져 있고, 양 측면에 결합용 체결부(712)가 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 전지모듈 어셈블리의 일측 외주면 상의 프레임 부재에 적어도 두 모서리가 안정적으로 결합되게 된다.

따라서, 전원 개폐부(700)의 플라스틱 기판(710)은 관련 소자들과 버스 바 및 와이어가 탑재되는 공간을 제공할 뿐만 아니라, 프레임 부재의 골격을 지지하는 구조체로서의 역할도 동시에 수행한다.

또한, 도 10에서, 메인 릴레이(716)의 일측 단부에는 메인 릴레이(716)의 작동에 필요한 전원을 공급하는 12V 파워라인(734)이 연결되어 있고, 이러한 12V 파워라인(734)의 중간에 도 8의 수동보호소자(500)가 전기적으로 연결되어 있다.

따라서, 전지모듈 내부의 온도가 소정값 이상으로 상승하게 되면, 바이메탈의 원리에 의해 수동보호소자(500)는 오프(off)되고, 이는 12V 파워라인(734)을 통해 메인 릴레이(716)에 공급되는 전기를 단전시킴으로써, BMS(도 2: 600)와는 독립적으로 전지모듈에서 발생한 과전류가 외부 입출력회로에 통전되는 것을 방지하게 된다.

도 12에는 배터리 관리 시스템인 BMS의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.

도 12를 도 6과 함께 참조하면, BMS(600)는 하우징 케이스 본체 내부에서 전원 개폐부(700)가 장착되는 위치에서 LDC 및 외부 입출력 회로인 인버터(도시하지 않음)와 인접하여 탑재되고, BMS(600)의 일측 하단부에는 체결부(604)가 일 측면으로 돌출되어 있으며, 볼트와 같은 체결부재를 체결부(604)의 체결홈(602)에 삽입 및 체결함으로써 소정의 부위에 고정된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 수동보호소자가 BMS와 전원 개폐부 사이에 위치하고 있는 구조로 형성되어 있어서, 과충전, 과방전, 과전류 등 비정상적인 이차전지 전원부의 작동 조건에서 BMS와 전원 개폐부 사이의 전기적 연결을 단전시킴으로써 전지팩의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 BMS와는 독립적으로 이차전지 전원부의 작동 상태에 대응하여 전원 개폐부와 외부 입출력 회로의 연결을 단전시킬 수 있는 수동보호소자를 포함하고 있으므로, BMS가 오작동하거나 또는 작동되지 않는 경우에도 안전성을 담보할 수 있으며 신뢰성 또한 크게 향상시킬 수 있다. 더욱이, 상기 수동보호소자를 전지팩 내부의 이격공간에 장착할 수 있으므로, 구조변경 없이 중대형 전지팩을 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

도 1은 종래의 중대형 전지팩의 회로 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 회로 모식도이다;

도 3은 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도이다;

도 4는 도 3의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 전원 개폐부가 장착되어 있는 구조의 사시도이다;

도 5는 도 3의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 전원 개폐부가 장착된 상태의 정면 사시도이다;

도 6은 도 5의 후면 사시도이다;

도 7은 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지모듈의 사시도이다;

도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수동보호소자가 장착된 전지모듈의 수평 단면 모식도이다;

도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 수동보호소자의 구조를 나타내는 수직 단면 모식도이다;

도 10 및 도 11은 도 4의 전원 개폐부를 확대한 사시도 및 평면도이다;

도 12는 BMS의 구조를 나타내는 사시도이다.

Claims

다수의 전지셀 또는 전지모듈들이 직렬로 연결되어 있는 고출력 대용량의 이차전지 전원부;

상기 이차전지 전원부의 작동 상태를 검출하여 제어하는 BMS(Battery Management System);

상기 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로 사이에 위치하며, 상기 BMS의 작동 명령에 의해 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로의 연결을 개폐하는 전원 개폐부; 및

상기 BMS와 전원 개폐부 사이에 위치하며, 비정상적인 이차전지 전원부의 작동 조건에서 전원 개폐부와 외부 입출력 회로의 연결을 단전시키는 수동보호소자(Passive Protection Device);

를 포함하고 있고,

상기 전원 개폐부는 BMS와의 연결이 단전되었을 때, 이차전지 전원부와 외부 입출력 회로와의 연결을 차단하도록 구성되어 있고,

상기 수동보호소자는 BMS와는 독립적으로 이차전지 전원부의 작동 상태에 대응하여, 상기 이차전지 전원부의 비정상적인 작동 조건에서 BMS와 전원 개폐부의 연결을 단전시킴으로써, 전지팩의 안전성을 담보하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 수동보호소자는 이차전지 전원부의 온도 또는 압력이 설정값 이상으로 상승할 때 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 수동보호소자는 이차전지 전원부의 전류 또는 전압이 설정값 이상으로 상승할 때 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 수동보호소자는 고온 또는 과전류에서 작동하는 바이메탈 구조를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 수동보호소자는 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 1 항에 있어서,

상기 이차전지 전원부는, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있는 전지모듈 어셈블리인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 6 항에 있어서, 상기 전지모듈 육면 적층체는 횡 방향으로 2 개의 장방형 전지모듈들이 서로 대향하여 배열된 상태로, 상기 각각의 장방형 전지모듈에 대해 종 방향으로 1 개 또는 그 이상의 장방형 전지모듈들이 배열되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 6 항에 있어서,

상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고,

상기 면(a)에 결합 및 장착되는 절연성 기판 상에 충방전시 전압 및 전류를 제어하는 소자들('제어소자들')과 이들의 접속부재들이 탑재되어 있는 구조의 전원 개폐부가 위치하고 있으며,

상기 전지모듈들의 작동 제어를 위해 입출력 단자들의 배향 면(a) 또는 그것의 대향 면(d)에 BMS가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 8 항에 있어서, 상기 제어소자들은, 과전류 및 고전압을 가역적으로 자동 차단하는 메인 릴레이(main relay), 초기 방전 과정에서 상기 메인 릴레이에 우선하여 접속되어 전압 및 전류를 강하시키는 보조 릴레이(free charge relay), 상기 보조 릴레이에 접속되어 전류 및 전압을 감소시키는 저항(resistance), 수동으로 전기를 차단하는 서비스 플러그(service plug), 및 양극 또는 음극 접속회로 상에서 전류를 검출하는 전류 센서(current sensor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 9 항에 있어서, 상기 전지모듈의 양극 및 음극 중 하나의 전극은 서비스 플러그 - 메인 릴레이 / 보조 릴레이 - 전류 센서 - 외부 입출력 단자의 순서로 접속회로를 구성하고, 나머지 전극은 서비스 플러그 - 외부 입출력 단자의 순서로 접속회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
제 1 항에 따른 중대형 전지팩을 구동 전원으로 포함하고 있는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차.