KR20130043258A

KR20130043258A - 안전성이 향상된 전지팩

Info

Publication number: KR20130043258A
Application number: KR1020110107259A
Authority: KR
Inventors: 이진규; 최준석; 노태환; 김성태; 김태혁
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-04-30
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: JP2017004968A; WO2013058558A2; CN103782468A; US20140186667A1; EP2741391B1; WO2013058558A3; EP2741391A2; KR101383167B1; PL2741391T3; JP2014528149A; EP2741391A4

Abstract

본 발명은 둘 이상의 전지셀 또는 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전원 공급부; 상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 직렬 연결부위들 중에서 적어도 하나의 직렬 연결부위에 위치하고, 하기 압력 작동 스위치에 의해 유도되는 전지셀 또는 전지모듈의 단락에 의해 전지팩 내의 전기적 연결을 차단하는 단전(cut-off)부; 상기 단전부가 위치하는 전지셀들 또는 전지모듈들에 병렬로 연결되어 있고, 전원 공급부의 이상 발생시, 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창을 감지하여 전지셀들 또는 전지모듈들에 단락(short-circuit)을 유도하는 압력 작동 스위치; 및 상기 전원 공급부의 최외곽에 위치한 전극단자와 연결되어 외부 디바이스에 전원을 공급하는 외부 입출력용 단자들; 을 포함하는 구성으로 이루어진 전지팩을 제공한다.

Description

안전성이 향상된 전지팩 {Battery Pack of Improved Safety}

본 발명은 안전성이 향상된 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 둘 이상의 전지셀 또는 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전원 공급부; 상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 직렬 연결부위들 중에서 적어도 하나의 직렬 연결부위에 위치하고, 하기 압력 작동 스위치에 의해 유도되는 전지셀 또는 전지모듈의 단락에 의해 전지팩 내의 전기적 연결을 차단하는 단전(cut-off)부; 상기 단전부가 위치하는 전지셀들 또는 전지모듈들에 병렬로 연결되어 있고, 전원 공급부의 이상 발생시, 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창을 감지하여 전지셀들 또는 전지모듈들에 단락(short-circuit)을 유도하는 압력 작동 스위치; 및 상기 전원 공급부의 최외곽에 위치한 전극단자와 연결되어 외부 디바이스에 전원을 공급하는 외부 입출력용 단자들;을 포함하는 구성으로 이루어진 전지팩에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 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.

그러나, 리튬 이차전지는 큰 용량 및 높은 방전 전압 등 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 차단하거나 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 전지셀을 보호하기 위해 BMS(Battery Management System)와 같은 안전 시스템이 구비되어 있다.

한편, 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 BMS와 같은 능동 컨트롤러(active controller)가 전지팩의 과방전, 과충전, 과전류 등을 탐지하고 위험한 경우 전지를 차단하여 전지팩의 위험을 낮추고 있다.

그러나, 상기와 같은 능동 컨트롤러를 사용하는 경우, 외부에서 BMS에 전기를 공급해줘야 하기 때문에, BMS에 전기가 공급되지 않는 상태가 발생하였을 때, BMS가 전지팩을 보호하지 못하는 문제점이 발생하게 된다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하면서 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, 압력 작동 스위치와 단전부를 특정한 구성으로 전지팩에 포함시킴으로써, 과충전시 압력 작동 스위치가 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창을 감지 및 작동하여 전지팩 일부에 단락을 유도하고, 이러한 의도적인 단락 발생에 의해 단전부가 전지팩 내의 전기적 연결을 끊어 주도록 함으로써, 전지팩의 안전성을 소망하는 수준으로 담보할 수 있음을 확인하였다.

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

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,

둘 이상의 전지셀 또는 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전원 공급부;

상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 직렬 연결부위들 중에서 적어도 하나의 직렬 연결부위에 위치하고, 하기 압력 작동 스위치에 의해 유도되는 전지셀 또는 전지모듈의 단락에 의해 전지팩 내의 전기적 연결을 차단하는 단전(cut-off)부;

상기 단전부가 위치하는 전지셀들 또는 전지모듈들에 병렬로 연결되어 있고, 전원 공급부의 이상 발생시, 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창을 감지하여 전지셀들 또는 전지모듈들에 단락(short-circuit)을 유도하는 압력 작동 스위치; 및

상기 전원 공급부의 최외곽에 위치한 전극단자와 연결되어 외부 디바이스에 전원을 공급하는 외부 입출력용 단자들;

을 포함하는 구조로 구성되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 다수의 전지셀 또는 전지모듈들이 연결된 전원 공급부가 포함되어 있는 전지팩에서는, BMS가 전원 공급부의 작동 상태를 감지하여 그것의 충방전을 제어함으로써 안전성을 확보하는 구조로 이루어져 있는 바, 전기의 공급 차단으로 인해 BMS가 미작동 상태에 놓이게 되는 경우, 전원 공급부의 충방전을 제어할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

이와는 달리, 본 발명의 전지팩에 따르면, 전기가 전지팩의 정상적인 작동 상태에서는 큰 부하를 가진, 예를 들어, 전기 자동차의 모터와 같은 외부 디바이스를 통해 흐르지만, 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창과 같은 전지팩의 비정상적인 작동 상태에서는 의도적인 유도된 단락에 의해 부하가 작은 압력 작동 스위치 등을 통해 전기가 흐르게 되고, 그로 인한 과전류에 의해 단전부가 끊어져 전지팩 내의 전기적 연결을 단전시킴으로써 안전성을 담보한다. 이러한 안전성을 담보하는 압력 작동 스위치와 단전부가 BMS에 대해 독립적으로 작동하도록 구성되므로, BMS의 미작동 상태와 같은 상황에서도 전지팩의 안전성을 담보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀 또는 전지모듈 단위에서 과충전시 발생하는 압력을 이용할 수 있으므로 과충전으로부터 전지팩을 보호할 수 있다.

더욱이, 의도적인 단락을 유발하는 압력 작동 스위치가 포함된 회로가, 단전부가 위치한 전지셀들 또는 전지모듈들에 직접적으로 또는 그에 근접하게 연결되어 있으므로, 다음과 같은 특별한 효과를 제공한다.

구체적으로, 압력 작동 스위치를 포함하는 회로가 전원 공급부의 최외곽에 위치하는 구조일 경우, 전체 회로가 팽창하면서 끊일 위험성이 높고, 전지팩 전체에 손상을 주는 반면에, 본 발명에 따른 전지팩의 압력 작동 스위치는 단전부가 위치한 전지셀들 또는 전지모듈들에 연결됨으로써, 상기의 문제점을 미연에 방지하고, 전지팩을 구성하는 전지셀 또는 전지모듈 일부만 단락시킴으로써 손상을 입은 일부만 교체할 수 있는 효과도 있다.

더 나아가, 본 발명에 따른 전지팩은 기존의 전지팩 구조를 크게 변경함이 없이 압력 작동 스위치와 단전부 만을 추가하여 안전한 전지팩 구조를 구성할 수 있으며, 회로 구성이 짧아 실제 전지팩의 설계에 대한 유연성 높은 효과도 있다.

상기 전지셀 또는 전지모듈의 단락은 각각의 전지모듈이 가지는 특성에 따라 다양할 수 있으나, 바람직하게는 단전부의 작동을 위한 단락 전류는 500A 내지 3000A의 범위일 수 있다.

상기 단전부는 전지팩의 단락 발생시 전지팩 내의 전기적 연결을 용이하게 차단할 수 있는 부품이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 퓨즈로 이루어질 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 압력 작동 스위치는 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창이 설정값 이상으로 증가할 때 작동하도록 구성되어 있는 구조일 수 있다.

상기 설정값은 전지팩의 구조, 용량 등에 따라 임의로 결정될 수 있다. 다만, 설정값이 지나치게 작으면 압력 작동 스위치가 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창에 대해 너무 민감하게 반응하는 문제점이 있고, 반대로 설정값이 지나치게 크면 압력 작동 스위치가 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창에 대해 너무 둔감하게 반응하는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다. 예를 들어, 상기 설정값은 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피를 기준으로 1% 내지 30%의 부피가 증가하는 것을 기준으로 정해질 수 있다.

바람직하게는, 상기 압력 작동 스위치는 전지셀 또는 전지모듈의 정상적인 작동조건 하에서 단전 상태(OFF)로 설정되어 있고, 전지셀 또는 전지모듈의 부피가 팽창할 때 통전 상태(ON)로 변환되도록 구성할 수 있다.

구체적으로, 전지셀 또는 전지모듈이 정상적인 작동 조건 하에 있는 경우, 압력 작동 스위치가 단전 상태로 설정되어 있어서, 전원 공급부에서 발생한 전기가 외부 디바이스에만 공급되어 외부 디바이스를 구동시킨다.

반대로, 전지셀 또는 전지모듈이 비정상적인 작동 조건 하에 있는 경우, 전지셀 또는 전지모듈의 부피가 팽창하여 압력 작동 스위치를 통전 상태로 변환시키면, 이러한 통전으로 인해 전지셀 또는 전지모듈의 일부와 연결되어 있는 단전부에 의해 의도적인 단락이 유발되고, 전원 공급부로부터 외부 디바이스에 공급되는 전기를 차단하게 된다.

상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창은 전원 공급부의 과충전, 과전류 등 다양한 용인들에 의해 발생할 수 있다. 예를 들어, 전원 공급부의 과충전 또는 과전류 통전이나, 전지팩의 비정상적인 작동 또는 장기간의 충방전에 따른 열화에 의해, 전지셀 또는 전지모듈이 팽창하는 스웰링 현상이 발생하게 되며, 본 발명에 따른 전지팩은 이러한 상황에서 전지팩의 안전성을 높일 수 있다.

상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 전극단자들은, 예를 들어, 직접 연결되거나 버스 바에 의해 전기적 연결되어 있는 구조일 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 전지셀의 형태는 원통형, 각형, 파우치형 전지셀 등 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스가 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀일 수 있고, 바람직하게는 파우치형 리튬 이차전지일 수 있다.

본 발명에 따른 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 전지모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩의 압력 작동 스위치는 단전부가 위치한 전지셀 또는 전지모듈에 근접하게 연결됨으로써, 비정상적인 작동 상태에서 압력 작동 스위치가 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창을 감지하여 작동하여 전지모듈 일부에 단락을 유도하고, 전지팩의 이러한 의도적인 단락 발생에 의해, 단전부가 전지팩 내의 전기적 연결을 끊어 줌으로써, 전지팩의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전지팩은 BMS와는 독립적으로 전원공급부의 작동 상태에 대응하여 전지팩 내의 전기적 연결을 차단시킬 수 있는 단전부를 포함하고 있으므로, BMS가 작동되지 않는 경우에도 안전성을 담보할 수 있으며 신뢰성 또한 크게 향상시킬 수 있다.

더욱이, 상기 압력 작동 스위치와 단전부를 전지팩 내부의 공간에 장착할 수 있으므로, 구조변경 없이 전지팩을 용이하게 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구성도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 구성도이다.

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

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구성도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전지팩(900)은 다수의 전지모듈들(110, 120, 130, 140)이 전기적으로 연결되어 있는 전원 공급부(100), 하나의 압력 작동 스위치(200), 하나의 단전부(300), 및 외부 디바이스(400)와 전기적 연결되어 있는 한 쌍의 외부 입출력용 단자들(220, 230)로 구성되어 있다.

압력 작동 스위치(200)는 단전부(300)가 위치하는 직렬 연결부위의 전지모듈들(120, 130)에 병렬 연결되어 있다.

단전부(300)인 퓨즈는 중앙에 위치한 전지모듈들(120, 130)의 직렬 연결부위에 위치하고 있고, 압력 작동 스위치(200)는 단전부(300)가 연결된 전지모듈들(120, 130)에 직접적으로 전기적으로 연결되어 있다.

외부 입출력용 단자들(220, 230)은 외부 디바이스(400)에 전원을 공급하기 위해 전원 공급부(100)의 최외곽에 위치한 전지모듈들(110, 140)의 음극단자(112) 및 양극단자(114)와 각각 전기적 연결되어 있다.

전지모듈들(110, 120, 130, 140)의 전극단자들은 버스 바들(150)에 의해 전기적 연결되어 있다.

또한, 압력 작동 스위치(200)는 부피 팽창이 설정값 이상으로 증가할 때 단전 상태에서 통전 상태로 변환된다.

구체적으로, 압력 작동 스위치(200)는 전지모듈들(120, 130)의 정상적인 작동조건 하에서 단전 상태(OFF)로 설정되어 있고, 전원 공급부(100)의 과충전, 과전류의 통전 조건에서 전지모듈들(120, 130)의 부피가 팽창할 때 전지모듈들(120, 130)의 부피 팽창을 감지하여 통전 상태(ON)로 변환된다.

즉, 전원 공급부(100)가 정상 상태인 경우, 압력 작동 스위치(200)가 단전 상태로 설정되어 있으므로, 전원 공급부(100)에서 발생한 전류는 큰 부하의 외부 디바이스에 정상적으로 흐르게 된다.

그러나, 전원 공급부(100)가 이상 상태인 경우, 전원 공급부(100)의 전지모듈들이 부피 팽창을 하게 되고, 압력 스위치(200)는 이러한 전지모듈들의 부피 팽창을 감지하여 통전 상태로 변경된다.

이 경우, 전류는 부하가 큰 외부 디바이스(400)보다 부하가 작은 저항체인 퓨즈(300)에 급격히 많이 흐르게 되고, 퓨즈(300)는 급격한 전류에 의해 열이 발생되어 파단된다. 따라서, 퓨즈(300)의 파단에 의해 일부 전지모듈의 충방전이 정지됨으로써 전지팩(900)의 안전성을 확보하게 된다.

도 2에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 구성도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 도 1과 함께 참조하면, 전지팩(900a)의 압력 작동 스위치(200)는 단전부(300)가 연결된 전지모듈들(120, 130)에 인접한 전지모듈들(119, 131)에 전기적으로 연결되어 있는 것만 제외하고는, 도 1의 전지팩(900)과 동일한 구조로 구성되어 있다.

즉, 단전부(300)에 인접한 위치에 압력 작동 스위치(200)가 연결되어 전지팩(900, 900a)의 전지모듈 중 일부만 단락되므로, 단락시 빌생할 수 있는 위험성을 현저히 줄이고, 전지팩의 전반적인 회로 구성을 유연하게 디자인할 수 있다.

따라서, 본 발명에서, 단전부가 위치하는 전지셀들 또는 전지모듈들에 압력 작동 스위치가 전기적으로 연결되어 있다는 것은, 단전부가 위치하는 전지셀들 또는 전지모듈들에 직접적으로 연결된 경우와 그것에 근접하여 연결된 경우를 포함하는 의미이다. 여기서, 근접한 경우는, 예를 들어, 1 내지 5개의 전지셀들 또는 전지모듈들의 간격을 의미할 수 있다.

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

Claims

둘 이상의 전지셀 또는 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전원 공급부;
상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 직렬 연결부위들 중에서 적어도 하나의 직렬 연결부위에 위치하고, 하기 압력 작동 스위치에 의해 유도되는 전지셀 또는 전지모듈의 단락에 의해 전지팩 내의 전기적 연결을 차단하는 단전(cut-off)부;
상기 단전부가 위치하는 전지셀들 또는 전지모듈들에 병렬로 연결되어 있고, 전원 공급부의 이상 발생시, 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창을 감지하여 전지셀들 또는 전지모듈들에 단락(short-circuit)을 유도하는 압력 작동 스위치; 및
상기 전원 공급부의 최외곽에 위치한 전극단자와 연결되어 외부 디바이스에 전원을 공급하는 외부 입출력용 단자들;
을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 단전부의 작동을 위한 단락 전류는 500A 내지 3000A의 범위인 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 단전부는 퓨즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 압력 작동 스위치는 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창이 설정값 이상으로 증가할 때 작동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 압력 작동 스위치는 전지셀 또는 전지모듈의 정상적인 작동조건 하에서 단전 상태(OFF)로 설정되어 있고, 전지셀 또는 전지모듈의 부피가 팽창할 때 통전 상태(ON)로 변환되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창은 전원 공급부의 과충전 또는 과전류 시에 발생하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 전극단자들은 버스 바에 의해 전기적 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 9 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.