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WO2013015524A1 - 안전성이 향상된 전지팩 - Google Patents

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WO2013015524A1
WO2013015524A1 PCT/KR2012/004646 KR2012004646W WO2013015524A1 WO 2013015524 A1 WO2013015524 A1 WO 2013015524A1 KR 2012004646 W KR2012004646 W KR 2012004646W WO 2013015524 A1 WO2013015524 A1 WO 2013015524A1
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WO
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battery
battery pack
circuit breaker
modules
battery cell
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2012/004646
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English (en)
French (fr)
Inventor
노태환
이진규
최준석
장민철
신인철
강달모
김성태
김태혁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2014521540A priority patent/JP5976108B2/ja
Priority to CN201280035095.XA priority patent/CN103650211B/zh
Priority to EP12818049.4A priority patent/EP2741348B1/en
Publication of WO2013015524A1 publication Critical patent/WO2013015524A1/ko
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having improved safety, and more particularly, a battery pack in which a plurality of battery cells or unit modules are connected in series is a battery pack connected in series or in a stacked state in close contact with each other. Is mounted on the outer surface of at least one of the fuse and the battery module connected in series on the electrical connection circuit is configured to energize when the battery cell is expanded, and to disconnect the fuse when the battery cell is energized by the expansion
  • a battery pack comprising a circuit breaker electrically connected on an electrical connection circuit.
  • Rechargeable batteries are not only used for mobile and wireless electronic devices such as mobile phones, digital cameras, PDAs, laptops, but also as energy sources for power devices such as electric bicycles (EVs), electric vehicles (EVs), and hybrid electric vehicles (HEVs). It is attracting a lot of attention.
  • EVs electric bicycles
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • Small battery packs are packed with one battery cell for small devices such as mobile phones and cameras, while two or more battery cells (hereinafter referred to as "multi-cells") are used for medium and large devices such as notebooks and electric vehicles.
  • Multi-cells Battery cells
  • Medium or large battery packs packed with battery packs connected in parallel and / or in series are used.
  • the lithium secondary battery has a problem of low safety while having excellent electrical characteristics.
  • lithium secondary batteries cause decomposition reactions of battery components, such as active materials and electrolytes, under abnormal operating conditions such as overcharge, overdischarge, exposure to high temperatures, and electrical short circuits to generate heat and gas, resulting in high temperature and high pressure.
  • the condition of may further accelerate the decomposition reaction, resulting in an air ignition or explosion.
  • the lithium secondary battery includes a protection circuit that blocks current during overcharge, over discharge, and overcurrent, a PTC element (Positive Temperature Coefficient Element) that blocks current by increasing resistance when temperature rises, and a current when pressure rises due to gas generation.
  • Safety systems are provided, such as safety vents to shut off or vent the gases.
  • a PTC element and a safety vent are usually installed on an electrode assembly (power generation element) of a cathode / separator / cathode embedded in a cylindrical can, and in a rectangular or pouch type small secondary battery, Protection circuit modules and PTC elements are generally mounted on top of a rectangular can or pouch case in which the generator is sealed.
  • the safety problem of the lithium secondary battery is more serious in the medium-large battery pack of the multi-cell structure.
  • a malfunction in some battery cells may cause a chain reaction to other battery cells, and the resulting ignition and explosion may cause large accidents.
  • the medium-large battery pack is provided with a safety system such as a battery management system (BMS) for protecting the battery cells from over discharge, over charge, over current, and the like.
  • BMS battery management system
  • lithium secondary batteries are gradually deteriorated in the continuous use, that is, the continuous charging and discharging process, the electrical connection member, etc.
  • the deterioration of the power plant is generated by the decomposition of the electrode material, electrolyte, etc. This causes the battery cells (cans, pouch cases) to gradually expand.
  • an active controller such as a battery management system (BMS) detects overdischarge, overcharge, overcurrent, etc. of the battery pack, and lowers the risk of the battery pack by shutting off the battery in case of danger.
  • BMS battery management system
  • FIG. 1 schematically shows a circuit diagram of a conventional battery pack.
  • the conventional battery pack 50 is a battery module 100 consisting of a plurality of battery cells, the BMS (60), BMS for detecting and controlling information about the operating state of the battery module 100 And a power supply opening / closing unit (relay: 70) for opening and closing the connection between the battery module 100 and the external input / output circuit (inverter 80) by the operation command of 60.
  • the BMS 60 maintains the power switching unit 70 in an on state under normal operating conditions of the battery module 100, and switches to an off state when an abnormality is detected, thereby charging the battery module 100. Stop the discharge. On the other hand, when a malfunction or non-operation of the BMS 60, since no control is made from the BMS 60, the power supply opening and closing portion 70 is continuously kept on (on), even in an abnormal operating state of the battery module ( 100) is continuously charged and discharged.
  • the BMS does not protect the battery pack when a state in which electricity is not supplied to the BMS occurs because the BMS must be supplied from the outside.
  • the active controller system method checks the state of charge of the battery and controls it with an electric signal.
  • the power supply since the power supply is required, it cannot be a fundamental solution to a problem in the case of a power supply problem.
  • a lithium secondary battery may cause gas leakage, fire, or explosion during overcharging, and as the lithium secondary battery is used as a high voltage high capacity battery pack for a vehicle, ensuring the safety of the lithium secondary battery is important for preventing human and vehicle damage. It is a problem.
  • An example of such a protection device is a method of breaking the electrode terminal connection portions of the battery cells with the swelling force of the battery cells to disconnect the electrical connection circuit of the battery pack.
  • the protective device as described above needs to weaken the strength of the electrode terminal or to make the thickness thin in order to facilitate short-circuit of the electrode terminal connection part, and the configuration of the electrode terminal is vulnerable to external force such as vibration and shock. There is this.
  • the protective device requires a large force corresponding to the tensile strength of the electrode terminal in order to determine the electrode terminal connection portion, in order to do this, since the overcharging of the battery cell must proceed significantly, the degree of swelling is large, so that gas leakage, fire, There is a risk of an event such as an explosion.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • An object of the present invention is to include a circuit breaker and a fuse in the battery pack, when the battery cell is expanded due to abnormal operation of the battery module such as overcharge, over discharge, over current or deterioration due to prolonged charge and discharge, the circuit breaker It is to provide a battery pack that can sense the expansion of the outer surface of the battery cell by disconnecting the fuse, to ensure the safety to the desired level.
  • Still another object of the present invention is to provide a battery pack that can be manufactured in various ways by applying the same, as well as easy operation by adding only a small number of parts.
  • a battery pack in which battery modules in which a plurality of battery cells or unit modules are connected in series are connected in series to each other in a close or adjacent stacked state, wherein a fuse is connected in series on an electrical connection circuit of the battery modules, and among the battery modules.
  • a circuit breaker mounted on at least one outer surface and configured to be energized when the battery cell is expanded, and including a circuit breaker electrically connected to the electrical connection circuit to disconnect the fuse when the battery cell is energized by the expansion of the battery cell. It can be configured as.
  • the BMS senses the operation state of the power supply unit and controls charging and discharging thereof to ensure safety.
  • the BMS is inoperative due to the interruption of the electricity supply, there is a problem in that the charging and discharging of the power supply unit cannot be controlled.
  • the battery pack according to the present invention includes a circuit breaker and a fuse that operate independently of the BMS, the circuit breaker detects only the volume expansion of the battery cells or the battery modules to disconnect the fuse when a power supply failure occurs. By disconnecting the electrical connection in the battery pack, it is possible to prevent overcurrent or overvoltage of the battery modules from being transmitted to an external input / output terminal, thereby ensuring safety of the battery pack.
  • circuit breaker according to the present invention does not require a separate power supply, there is no possibility of malfunction due to an electrical signal, and there is no possibility of malfunction due to a power supply failure.
  • the battery pack is fixed to the electrode terminal portion so that the stacking state of the battery module is maintained even in the volume change of the battery cell
  • the circuit breaker is a battery in which the expansion stress due to swelling of the battery cell is concentrated It may be a structure located at a portion corresponding to the side of the module.
  • the circuit breaker detects the swelling of the battery cell at a portion corresponding to the side surface of the battery module to energize the electrical connection circuit of the battery modules to easily disconnect the fuse.
  • the circuit breaker is not particularly limited if the circuit breaker is located at a site that can easily detect the swelling of the battery cell, but may be preferably located at a site corresponding to the side of the outermost battery module.
  • the circuit breaker in contact with the side of the battery module and conductive;
  • a second member coupled to the first member by an elastic guide in a fixed position with respect to the battery module, and having a non-conductive property;
  • a positive electrode conductive part and a negative electrode conductive part mounted on the second member and contacted with the first member by an increase in volume of the battery module during swelling, and electrically connected to an electrical connection circuit of the battery modules. It may be made of a configuration including a member.
  • the battery pack according to the present invention operates mechanically by adding only a few simple members as described above, the battery pack may be easily manufactured and may be applied to various structures by applying the same.
  • the positive terminal of the one outermost battery module and the negative terminal of the other outermost battery module may be a structure that is electrically connected to the positive and negative conductive parts of the circuit breaker by a wire. .
  • the first member and the conductive member maintain an electrically spaced structure from each other, and when the battery modules are swelled in an abnormal operating state, the first member is expanded in volume. While the battery module is pushed outward by the battery module, both ends of the first member may be in contact with the positive electrode conductive part and the negative electrode conductive part, and a fuse may be disconnected while a high current is supplied.
  • the first member may include a first contact portion having a 'c' shape on a horizontal cross section and contacting a central portion of an outer surface of the battery module; And a second contact portion extending from both sides of the first contact portion to portions corresponding to the anode conductive portion and the cathode conductive portion of the conductive member.
  • the elastic guide is not particularly limited as long as the first member and the second member can repeatedly perform contacting and detachment, and for example, a compression spring is provided between the first member and the second member. It may be made of a combination of bolts and nuts coupled to the first member and the second member in an interposed state.
  • the first member contacts the second member while the side surface of the battery cell pushes the first member out, and the first member is energized with the conductive member.
  • the unit modules are the entire outer surface of the battery cell stack except for the two or more battery cells and the electrode terminal portion of the electrode terminal is connected to each other in series and the connecting portion of the electrode terminal is bent to form a laminated structure. It may be a structure including a pair of exterior members coupled to each other to surround the.
  • the outer member has an inner surface structure corresponding to the outer surface shape of the battery cell stack, it may be a structure coupled to the assembly fastening method.
  • the cross-section coupling portion between the exterior members may have a bent structure symmetrical in the vertical cross-section so that the exterior members can be engaged by the elastic coupling when pressed in a state in which the exterior members are in contact with each other.
  • the cross-section coupling portion between the exterior members may be a structure that is coupled by a fastening protrusion and a fastening groove so that the members can be engaged by an elastic coupling when the members are pressed in contact with each other.
  • the electrode terminals may be preferably a structure joined by welding, but is not limited thereto.
  • the plate-shaped battery cell is a secondary battery having a thin thickness and a relatively wide width and length so as to minimize the overall size when the battery cell is charged for the configuration of the battery module.
  • a preferable example of such a secondary battery is a structure in which an electrode assembly having a positive electrode / separation membrane / cathode structure is built in a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and the positive electrode terminal and the negative electrode terminal protrude from both ends of the battery case.
  • a secondary battery may be cited, and specifically, may have a structure in which an electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet.
  • a secondary battery having such a structure may be referred to as a pouch battery cell.
  • the battery cell is only one example, and it is obvious that the volume expansion can be applied to all types of battery cells that can appear from the outer surface of the battery case.
  • the exterior member may be a high-strength cell cover having high thermal conductivity so that heat generated from an internal battery cell may be more easily discharged to the outside.
  • the cell cover is made of a metal plate. It may be.
  • the electrode terminals may be formed together at the top or the bottom, or may be formed at the top and the bottom, respectively.
  • the circuit breaker detects a volume change of the battery cell and blocks the circuit of the battery pack. This setting range may vary depending on the safety test standard of the desired battery pack.
  • the battery pack according to the present invention can be manufactured by combining the battery modules according to the desired output and capacity, in consideration of mounting efficiency, structural stability, electric vehicle, hybrid electric vehicle, plug-in hybrid electric vehicle, power storage Although it can use suitably as a power supply of an apparatus etc., the application range is not limited only to these.
  • 1 is a circuit schematic diagram of a conventional battery pack
  • FIGS. 2 and 3 are perspective views illustrating a process of bending a pair of battery cells constituting a unit module according to the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view of a unit module stack according to the present invention.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a partial perspective view illustrating one side of the battery pack of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a plan view showing a state before the circuit breaker of FIG. 5 operates;
  • FIG. 8 is a plan view illustrating a state after the circuit breaker of FIG. 5 operates.
  • FIGS. 2 and 3 are perspective views schematically showing a process of bending a pair of battery cells constituting a unit module according to the present invention
  • Figure 4 is a perspective view of a unit module stack according to the present invention. Is shown as an example.
  • the battery cells (11, 12) are folded in two units.
  • the electrode terminals 13 and 14 of the battery cells 11 and 12 may be welded to each other by being folded in an overlapping state.
  • the electrode terminal connecting portion 15 joined by welding in the battery cell stack 100a in a folded state in FIG. 3 is bent in a '-' shape.
  • the unit module stack 200 is formed by stacking four unit modules 202, 203, 204, and 205, which are manufactured in a structure in which battery cells are wrapped with an exterior member 210, in series and then stacked in a zigzag manner. have.
  • the unit module 202 has two battery cells in which the electrode terminals 13 and 14 are connected to each other in series, and the connecting portions 15 of the electrode terminals 13 and 14 are bent to form a stacked structure. (11,12); And a pair of exterior members 210 coupled to each other to surround the entire outer surface of the battery cell stack 100a except for the electrode terminals 13 and 14.
  • Linear protrusions 211a, 211b, 211c, 211d, and 211e which are spaced apart from each other in the width direction, are formed on the outer surface of the exterior member 210, and linear protrusions 211a and 211e having a short length in the width direction are formed. It is formed at a diagonal position.
  • the exterior member 210 has an inner surface structure corresponding to the outer surface shape of the battery cell stack 100a and is coupled in an assembly fastening manner.
  • the cross-section coupling portion between the exterior member 210 is coupled by the coupling protrusion and the coupling groove so that the exterior member 210 can be engaged by the elastic coupling when the exterior member 210 is pressed in contact with each other.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a battery pack according to one embodiment of the present invention.
  • the battery pack 900, the fuse 800 is connected in series on the electrical connection circuit 802 of the battery modules (301, 302); And mounted on an outer surface of the outermost battery module 301 so as to be energized when the battery cell is expanded, and electrically on the electrical connection circuit 802 to disconnect the fuse 800 when the battery cell is energized by the expansion of the battery cell. And a circuit breaker 700 connected thereto.
  • the positive electrode terminal 304 of one outermost battery module 301 and the negative electrode terminal 306 of the other outermost battery module 302 are connected to the positive electrode conductive portion 711 and the negative electrode conductive portion of the circuit breaker 700 by wires. 712 are each electrically connected.
  • the battery pack 900 is fixed to the electrode terminal portion so that the stacking state of the battery modules 301, 302 even if the volume of the battery cell is fixed, the circuit breaker 700 to the swelling of the battery cell Since it is located at a portion corresponding to the side of the outermost battery module 301 is concentrated expansion stress due to, it is fundamentally prevented the possibility of malfunction by the electrical signal is supplied power.
  • the circuit breaker 700 when the battery modules 301 and 302 are in a normal state, since the circuit breaker 700 is set to the disconnection state, the current generated in the battery modules 301 and 302 may be positive and negative. It does not flow to the conductive portion 712. Therefore, the fuse 800 is not disconnected unless an overcurrent flows on the electrical connection circuit 802 due to other causes, and the current of the battery pack 900 is connected to an external device via an external input / output terminal (not shown). (Not shown) will flow normally.
  • the expansion force is transmitted to the circuit breaker 700 positioned on the side of the outermost battery module 301 to energize the positive electrode conductive portion 711 and the negative electrode conductive portion 712 of the circuit breaker 700.
  • FIG. 6 is a partial perspective view schematically showing one side of the battery pack of FIG. 5
  • FIG. 7 is a plan view schematically showing a state before the circuit breaker of FIG. 5 operates.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing a state after the circuit breaker of FIG. 5 operates.
  • the circuit breaker 700 is in contact with the side surface of the outermost battery module 301 and has a conductive first member 720 and a non-conductive second member 710. And a conductive member including a positive electrode conductive portion 711 and a negative electrode conductive portion 712 electrically connected to the electrical connection circuit 802 of the battery modules 301 and 302.
  • the second member 710 is coupled to the first member 720 by the elastic guide 750 in a fixed state with respect to the outermost battery module 301.
  • the conductive member is mounted on the second member 710 and contacts the first member 720 by increasing the volume of the outermost battery module 301 during swelling.
  • the first member 720 may include a first contact portion 721 having a 'c' shape on a horizontal cross section and contacting a central portion of an outer surface of the outermost battery module 301; And second contact portions 722 and 723 extending from both sides of the first contact portion 721 to portions corresponding to the positive electrode conductive portion 711 and the negative electrode conductive portion 712 of the conductive member.
  • the elastic guide 750 is variably provided to the first member 720 and the second member 710 in a state in which a compression spring 753 is interposed between the first member 720 and the second member 710. It consists of a combination of bolts 751 and nuts 752 that are coupled.
  • the first member 720 and the conductive member 710 are electrically and mechanically spaced apart from each other.
  • the first member 720 is pushed outward by the volume expanding battery module 301. Both ends of the first member 720 are in contact with the positive electrode conductive portion 711 and the negative electrode conductive portion 7112 so that a high current is supplied to the fuse 800.
  • the positive electrode terminal 304 of the outermost battery module 301 and the negative electrode terminal 306 of the outermost battery module 302 are connected to the positive electrode conductive portion 711 and the negative electrode of the circuit breaker 700 by wires.
  • Each of the conductive portions 712 is electrically connected to each other.
  • the first member 720, the positive electrode conductive portion 711, and the negative electrode conductive portion 712 of the conductive member are electrically spaced apart from each other.
  • the first member 720 is the outermost battery module which expands in volume. While elastically pushed outward by 301, the second contact portions 722, 723 of the first member 720 are in contact with the positive electrode conductive portion 711 and the negative electrode conductive portion 712 of the conductive member, respectively. A current flows between the positive electrode conductive portion 711 and the negative electrode conductive portion 712.
  • the battery pack to include a circuit breaker and a fuse
  • the circuit breaker By sensing the volume expansion of the outer surface of the battery cell to disconnect the fuse, it can be secured to a desired level of safety.
  • the battery pack according to the present invention does not require a power source, the possibility of malfunction due to an electrical signal is fundamentally blocked, and even when the BMS is not operated due to the inability to supply power, it can ensure safety and greatly increase reliability. Can be improved.

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Abstract

본 발명은 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬 연결되어 있는 전지모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로 직렬 연결되어 있는 전지팩으로서, 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 직렬로 연결되어 있는 퓨즈 및 전지모듈들 중의 적어도 하나의 외면에 장착되어 전지셀의 팽창시 통전되도록 구성되어 있고, 상기 전지셀의 팽창에 의한 통전시 상기 퓨즈를 단전시키도록 상기 전기적 연결 회로 상에 전기적으로 접속되어 있는 회로 차단기를 포함하는 전지팩을 제공한다.

Description

안전성이 향상된 전지팩
본 발명은 안전성이 향상된 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬 연결되어 있는 전지모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로 직렬 연결되어 있는 전지팩으로서, 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 직렬로 연결되어 있는 퓨즈 및 전지모듈들 중의 적어도 하나의 외면에 장착되어 전지셀의 팽창시 통전되도록 구성되어 있고, 상기 전지셀의 팽창에 의한 통전시 상기 퓨즈를 단전시키도록 상기 전기적 연결 회로 상에 전기적으로 접속되어 있는 회로 차단기를 포함하는 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, "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 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 전지 셀을 보호하기 위한 BMS (Battery Management System) 등의 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 BMS(battery Management System)와 같은 능동 컨트롤러(active controller)가 전지팩의 과방전, 과충전, 과전류 등을 탐지하고 위험한 경우 전지를 차단하여 전지팩의 위험을 낮추고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 종래의 전지팩의 회로 모식도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 전지팩(50)은 다수의 전지셀들로 이루어진 전지모듈(100), 전지모듈(100)의 작동 상태에 대한 정보를 검출하여 이를 제어하는 BMS(60), BMS(60)의 작동 명령에 의해 전지모듈(100)과 외부 입출력 회로(인버터: 80)의 연결을 개폐하는 전원 개폐부(릴레이: 70) 등으로 구성되어 있다.
BMS(60)는 전지모듈(100)의 정상적인 작동 조건에서 전원 개폐부(70)를 온(on) 상태로 유지하고, 이상이 감지되었을 때 오프(off) 상태로 전환시켜 전지모듈(100)의 충방전을 중지시킨다. 반면에, BMS(60)의 오작동 또는 미작동시, BMS(60)로부터 어떠한 제어도 이루어지지 않으므로, 전원 개폐부(70)는 계속적으로 온(on) 상태로 유지되어, 비정상적인 작동 상태에서도 전지모듈(100)은 계속적으로 충방전이 이루어진다.
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. 즉, 상기 능동 컨트롤러 시스템 방식은 전지의 충전상태를 확인하고 전기 신호로 제어하는 역할을 하지만, 반드시 전원 공급을 필요로 하기 때문에 전원 공급에 문제가 발생할 경우에 대한 근본적인 해결 방법이 될 수 없다.
또한, 리튬 이차전지는 과충전시 가스 누출, 발화, 폭발 등이 발생할 수 있고, 리튬 이차전지가 차량용의 고전압 고용량 전지팩으로 사용됨에 따라 리튬 이차전지의 안전성 보장이 인명 및 차량의 피해 방지 차원에서 중요한 문제로 부각되고 있다.
그러므로, 과충전된 리튬 이차전지에서 가스 누출, 발화, 폭발 등과 같이 안전성을 저해시키는 현상이 발생하지 않도록 전지팩 차원에서 보호 장치를 마련할 필요가 있다.
이러한 보호 장치의 예로서 전지셀의 부풀어오르는 힘으로 전지셀들의 전극단자 연결부위를 파단시켜 전지팩의 전기 연결 회로를 단전시키는 방식이 있다.
그러나, 상기와 같은 보호 장치는 전극단자 연결부위의 단락을 용이하게 하기 위해 전극단자의 강도를 약하게 하거나 두께를 얇게 구성하는 것이 필요한 바, 이러한 전극단자의 구성은 진동, 충격 등과 같은 외력에 취약한 문제점이 있다.
또한, 상기 보호 장치에서 전극단자 연결부위를 판단시키기 위해서는 전극단자의 인장 강도에 해당하는 큰 힘이 필요한 바, 이를 위해서는 전지셀의 과충전이 상당히 진행되어 부풀어 오르는 정도가 커야 하기 때문에 가스 누출, 발화, 폭발 등의 이벤트가 발생할 위험성이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 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 발명의 목적은, 전지팩에 회로 차단기와 퓨즈를 포함하도록 구성함으로써, 과충전, 과방전, 과전류 등 전지모듈의 비정상적인 작동 또는 장기간의 충방전에 따른 열화로 전지셀이 팽창하는 경우, 회로 차단기가 전지셀의 외면 부피 팽창을 감지하여 퓨즈를 단전시켜, 안전성을 소망하는 수준으로 담보할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 간단한 소수의 부품만을 추가하여 기구적으로 작동하므로 제작이 용이할 뿐 아니라, 이를 적용하여 다양한 제작이 가능한 전지팩을 제공하는 것이다.
따라서, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬 연결되어 있는 전지모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로 직렬 연결되어 있는 전지팩으로서, 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 직렬로 연결되어 있는 퓨즈, 및 전지모듈들 중의 적어도 하나의 외면에 장착되어 전지셀의 팽창시 통전 되도록 구성되어 있고, 상기 전지셀의 팽창에 의한 통전시 상기 퓨즈를 단전시키도록 상기 전기적 연결 회로 상에 전기적으로 접속되어 있는 회로 차단기가 포함되는 구조로 구성될 수 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 미작동하게 되는 경우, 전원 공급부의 충방전을 제어할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
이와는 달리, 본 발명에 따른 전지팩은 BMS에 대해 독립적으로 작동하는 회로 차단기 및 퓨즈를 포함하고 있으므로, 전원 공급부의 이상 발생시 회로 차단기가 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창만을 감지하여 퓨즈를 단전시켜, 전지팩 내의 전기적 연결을 단전시킴으로써 전지모듈들의 과전류 또는 과전압이 외부 입출력용 단자에 전달되는 것을 방지하여, 전지팩의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 회로 차단기는 별도의 전원을 필요로 하지 않기 때문에 전기적 신호에 의한 오작동 가능성이 전혀 없고 전원 공급 불가로 인한 작동 불능의 가능성이 없으므로 신뢰성이 매우 높다.
하나의 예에서, 상기 전지팩은 전지셀의 부피 변화에도 전지모듈들의 적층 상태가 유지될 수 있도록 전극단자 부위가 고정되어 있고, 상기 회로 차단기는 전지셀의 스웰링에 의한 팽창 응력이 집중되는 전지모듈의 측면에 대응하는 부위에 위치하는 구조일 수 있다.
따라서, 회로 차단기는 전지모듈의 측면에 대응하는 부위에서 전지셀의 스웰링을 감지하여 전지모듈들의 전기적 연결 회로를 통전시킴으로써 퓨즈를 용이하게 단전시킬 수 있다.
또한, 과충전된 전지셀의 스웰링을 감지하여 가스 누출, 발화, 폭발 등의 위험 요인이 발생하기 전에 전지팩의 전기적 연결 회로를 차단함으로써 안전성을 확보할 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 회로 차단기는 전지셀의 스웰링을 용이하게 감지할 수 있는 부위에 위치하면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 최외곽 전지모듈의 측면에 대응한 부위에 위치할 수 있다.
따라서, 전지셀의 스웰링에 의한 팽창 응력이 집중되는 부위인 최외곽 전지모듈의 측면에 회로 차단기를 구성함으로써 전지모듈들의 이상 발생을 용이하게 감지할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 회로 차단기는, 전지모듈의 측면에 접촉되어 있고 전도성을 가진 제 1 부재; 전지모듈에 대해 정위치 고정된 상태에서 상기 제 1 부재와 탄력적인 가이드에 의해 결합되어 있고, 비전도성을 가진 제 2 부재; 및 상기 제 2 부재 상에 장착되어 있고, 스웰링시 전지모듈의 부피 증가에 의해 제 1 부재와 접촉되며, 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 전기적으로 연결되어 있는 양극 도전부 및 음극 도전부로 이루어진 도전부재를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 물리적 또는 기계적인 회로 차단기의 구조에 의해 BMS가 오작동하더라도 전지팩의 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전지팩은 상기와 같이 간단한 소수의 부재만을 추가하여 기구적으로 작동하므로 제조가 용이할 뿐 아니라, 이를 적용하여 다양한 구조로 응용될 수 있다.
상기 구조의 하나의 예로서, 일측 최외곽 전지모듈의 양극 단자와 타측 최외곽 전지모듈의 음극 단자는 와이어에 의해 상기 회로 차단기의 양극 도전부와 음극 도전부에 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 예로서, 전지모듈들이 정상 작동 상태일 때, 제 1 부재와 도전부재는 전기적으로 서로 이격된 구조를 유지하고, 전지모듈들이 비정상적인 작동 상태에서 스웰링될 때, 상기 제 1 부재는 부피 팽창하는 전지모듈에 의해 외측 방향으로 밀리면서, 제 1 부재의 양 단부가 양극 도전부와 음극 도전부에 접촉되어 고전류가 통전되면서 퓨즈가 단전되는 구조일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 제 1 부재는, 수평 단면상 'ㄷ'자 형상을 가지고 있고, 전지모듈의 외측면 중앙 부위에 접촉되는 제 1 접촉부; 및 상기 제 1 접촉부의 양측으로부터 도전부재의 양극 도전부와 음극 도전부에 대응하는 부위로 연장되어 있는 제 2 접촉부를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 탄력적인 가이드는, 제 1 부재와 제 2 부재가 탄력적으로 접촉 및 탈리를 반복적으로 수행할 수 있는 방식이면 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어, 제 1 부재와 제 2 부재 사이에 압축 스프링이 개재된 상태에서 상기 제 1 부재와 제 2 부재에 결합되어 있는 볼트 및 너트의 조합으로 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 전지셀이 과충전으로 스웰링 현상에 의하여 부풀어 오르면, 전지셀의 측면이 제 1 부재를 밀어내면서 제 1 부재가 제 2 부재에 접촉하게 되고, 제 1 부재는 도전부재와 통전된다.
한편, 상기 단위모듈들은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 전지셀 적층체의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 외장부재를 포함하는 구조일 수 있다.
바람직하게는, 상기 외장부재들은 전지셀 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가지고 있으며, 조립 체결방식으로 결합되는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 외장부재들 상호간의 단면 결합부는, 외장부재들이 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있도록, 수직 단면상으로 대칭적인 굴곡 구조일 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 외장부재들 상호간의 단면 결합부는, 상기 부재들이 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있도록, 체결 돌기와 체결 홈에 의해 결합되는 구조일 수 있다.
상기 전극단자들은 바람직하게는 용접에 의해 결합되는 구조일 수 있지만, 그것 만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 이차전지의 바람직한 예로는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 상기 전지케이스 양단에 양극단자 및 음극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다. 그러나, 상기 전지셀은 하나의 예시에 지나지 않으며, 부피 팽창이 전지 케이스의 외면으로부터 나타날 수 있는 모든 유형의 전지셀에 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 이차전지의 경우 충방전 과정에서 발열이 일어나게 되며, 발생한 열을 외부로 효과적으로 방출시키는 것이 전지의 수명을 연장시키는데 중요한 요소로 작용하게 된다.
따라서, 상기 외장부재는 내부의 전지셀에서 발생하는 열이 외부로 방출되는 것이 더욱 용이할 수 있도록 높은 열전도성을 가진 고강도의 셀 커버일 수 있으며, 바람직하게는, 상기 셀 커버는 금속 판재로 이루어진 것일 수 있다.
상기 전극단자들은 상단 또는 하단에 함께 형성되어 있거나, 또는 상단과 하단에 각각 형성되는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 전지셀 스웰링이 전지셀의 두께를 기준으로 2 내지 5배의 부피 증가를 초래할 때, 회로 차단기가 전지셀의 부피 변화를 감지하여 전지팩의 회로를 차단시키는 구조일 수 있으며, 이러한 설정 범위는 소망하는 전지팩의 안전성 시험 규격에 따라 달라질 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.
도 1은 종래의 전지팩의 회로 모식도이다;
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 단위모듈을 구성하는 한 쌍의 전지셀을 절곡하는 과정을 나타내는 사시도들이다;
도 4는 본 발명에 따른 단위모듈 적층체의 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 회로도이다;
도 6은 도 5의 전지팩의 일측면을 나타내는 부분 사시도이다;
도 7은 도 5의 회로 차단기가 작동하기 전의 모습을 나타내는 평면도이다;
도 8은 도 5의 회로 차단기가 작동한 후의 모습을 나타내는 평면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 2 및 도 3에는 본 발명에 따른 단위모듈을 구성하는 한 쌍의 전지셀을 절곡하는 과정을 나타내는 사시도들이 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 따른 단위모듈 적층체의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 두 개의 파우치형 전지셀들(11, 12)을 그것의 전극단자들(13, 14)이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서, 전극단자들(13, 14)을 용접하여 상호 결합시킨 뒤, 두 개의 단위로 전지셀들(11, 12)을 중첩되게 접는다. 경우에 따라서는, 전지셀들(11, 12)의 전극단자들(13, 14)을 중첩되게 접은 상태에서 용접하여 상호 결합시킬 수도 있다.
또한, 도 3에서 중첩되게 접혀진 상태의 전지셀 적층체(100a)에서 용접에 의해 결합된 전극단자 연결부위(15)는 'ㄷ'자 모양으로 절곡되어 있다.
단위모듈 적층체(200)는 전지셀들을 외장부재(210)로 감싼 구조로 제작된 4개의 단위모듈들(202, 203, 204, 205)을 서로 직렬로 연결한 후 지그재그로 적층한 구조로 이루어져 있다.
또한, 단위모듈(202)은 전극단자들(13, 14)이 직렬로 상호 연결되어 있고, 전극단자들(13, 14)의 연결부(15)가 절곡되어 적층구조를 이루고 있는 2개의 전지셀들(11,12); 및 전극단자(13, 14) 부위를 제외하고 전지셀 적층체(100a)의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 외장부재(210)로 이루어져 있다.
외장부재(210)의 외면에는 폭 방향으로 서로 이격 되어 있는 선형 돌출부들(211a, 211b, 211c, 211d, 211e)이 형성되어 있고, 폭 방향의 길이가 짧은 선형 돌출부들(211a, 211e)이 서로 대각선 위치에 형성되어 있다.
외장부재(210)는 전지셀 적층체(100a)의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가지고 있으며, 조립 체결방식으로 결합되어 있다.
구체적으로, 외장부재(210) 상호간의 단면 결합부는, 외장부재(210)가 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있도록, 체결 돌기와 체결 홈에 의해 결합되어 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 회로도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(900)은, 전지모듈들(301, 302)의 전기적 연결 회로(802) 상에 직렬로 연결되어 있는 퓨즈(800); 및 최외곽 전지모듈(301)의 외면에 장착되어 전지셀의 팽창시 통전되도록 구성되어 있고, 전지셀의 팽창에 의한 통전시 퓨즈(800)를 단전시키도록 전기적 연결 회로(802) 상에 전기적으로 접속되어 있는 회로차단기(700)를 포함하고 있다.
일측 최외곽 전지모듈(301)의 양극 단자(304)와 타측 최외곽 전지모듈(302)의 음극 단자(306)는 와이어에 의해 회로차단기(700)의 양극 도전부(711)와 음극 도전부(712)에 각각 전기적 연결되어 있다.
또한, 전지팩(900)은 전지셀의 부피 변화에도 전지모듈들(301, 302)의 적층 상태가 유지될 수 있도록 전극단자 부위가 고정되어 있고, 회로차단기(700)는 전지셀의 스웰링에 의한 팽창 응력이 집중되는 최외곽 전지모듈(301)의 측면에 대응하는 부위에 위치하고 있으므로, 전원이 공급되는 전기적 신호에 의한 오작동의 가능성을 근본적으로 방지한다.
구체적으로, 전지모듈들(301, 302)이 정상 상태인 경우, 회로 차단기(700)는 단전 상태로 설정되어 있으므로, 전지모듈들(301, 302)에서 발생한 전류는 양극 도전부(711) 및 음극 도전부(712)로 흐르지 않는다. 따라서, 기타 원인에 의해 전기적 연결 회로(802) 상에 과전류가 흐르지 않는 이상 퓨즈(800)이 단전되지는 않으며, 전지팩(900)의 전류는 외부 입출력 단자(도시하지 않음)를 경유하여 외부 디바이스(도시하지 않음)에 정상적으로 흐르게 된다.
그러나, 과전류 등과 같이 전지모듈들(301, 302)이 비정상 상태인 경우, 전지셀들에 스웰링 현상이 발생하게 되고, 최외곽 전지모듈(301)로 전지셀들의 팽창력이 전달된다.
이러한 팽창력은 최외곽 전지모듈(301)의 측면에 위치하고 있는 회로 차단기(700)로 전달되어 회로 차단기(700)의 양극 도전부(711)와 음극 도전부(712)를 통전시킨다.
이러한 통전에 의해 전지팩(900)의 전기적 연결 회로(802)에는 고전류가 흐르게 되고, 이러한 고전류는 퓨즈(800)를 단전시켜 더 이상 전지팩(900)의 전기적 연결 회로(802)에는 전기가 흐르지 않게 된다.
도 6에는 도 5의 전지팩의 일측면을 나타내는 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 5의 회로 차단기가 작동하기 전의 모습을 나타내는 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
또한, 도 8에는 도 5의 회로 차단기가 작동한 후의 모습을 나타내는 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 5와 함께 참조하면, 회로차단기(700)는, 최외곽 전지모듈(301)의 측면에 접촉되어 있고 전도성을 가진 제 1 부재(720), 비전도성을 가진 제 2 부재(710), 및 전지모듈들(301, 302)의 전기적 연결 회로(802) 상에 전기적으로 연결되어 있는 양극 도전부(711) 및 음극 도전부(712)로 이루어진 도전부재를 포함하고 있다.
제 2 부재(710)는 최외곽 전지모듈(301)에 대해 정위치 고정된 상태에서 제 1 부재(720)와 탄력적인 가이드(750)에 의해 결합되어 있다.
도전부재는 제 2 부재(710) 상에 장착되어 있고, 스웰링시 최외곽 전지모듈(301)의 부피 증가에 의해 제 1 부재(720)와 접촉된다.
제 1 부재(720)는, 수평 단면상 'ㄷ'자 형상을 가지고 있고, 최외곽 전지모듈(301)의 외측면 중앙 부위에 접촉되는 제 1 접촉부(721); 및 제 1 접촉부(721)의 양측으로부터 도전부재의 양극 도전부(711)와 음극 도전부(712)에 대응하는 부위로 연장되어 있는 제 2 접촉부들(722, 723)로 구성되어 있다.
또한, 탄력적인 가이드(750)는 제 1 부재(720)와 제 2 부재(710) 사이에 압축 스프링(753)이 개재된 상태에서 제 1 부재(720)와 제 2 부재(710)에 가변적으로 결합되어 있는 볼트(751) 및 너트(752)의 조합으로 이루어져 있다.
전지모듈들(301, 302)의 정상 작동 상태와 비정상적인 작동 상태에서 회로 차단기(700)의 작동원리를 살펴보면 하기와 같다.
먼저, 전지모듈들(301, 302)이 정상 작동 상태일 때, 도 7에서 보는 바와 같이 제 1 부재(720)와 도전부재(710)는 전기적 및 기계적으로 서로 이격되어 있다.
이와는 달리, 전지모듈들(301, 302)이 비정상적인 작동 상태에서 스웰링될 때, 도 8에서 보는 바와 같이, 제 1 부재(720)는 부피 팽창하는 전지모듈(301)에 의해 외측 방향으로 밀리면서, 제 1 부재(720)의 양 단부가 양극 도전부(711)와 음극 도전부(7112에 접촉되어 고전류가 통전되면서 퓨즈(800)가 단전된다.
구체적으로, 일측 최외곽 전지모듈(301)의 양극 단자(304)와 타측 최외곽 전지모듈(302)의 음극 단자(306)는 와이어에 의해 회로 차단기(700)의 양극 도전부(711) 및 음극 도전부(712)에 각각 전기적으로 연결되어 있다.
또한, 전지모듈들(301, 302)이 정상 작동 상태일 때, 제 1 부재(720)와 도전부재의 양극 도전부(711)와 음극 도전부(712)는 전기적으로 이격되어 있다.
그러나, 전지모듈들(301, 302)이 비정상적인 작동 상태에서 스웰링되는 경우(도 8의 점선 표시 참조), 탄력적 가이드(750)에 의해, 제 1 부재(720)는 부피 팽창하는 최외곽 전지모듈(301)에 의해 외측 방향으로 탄력적으로 밀리면서, 제 1 부재(720)의 제 2 접촉부들(722, 723)이 도전부재의 양극 도전부(711) 및 음극 도전부(712)에 각각 접촉되어 양극 도전부(711) 및 음극 도전부(712) 사이에 전류가 통전된다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전지팩에 회로 차단기와 퓨즈를 포함하도록 구성함으로써, 과충전, 과방전, 과전류 등 전지모듈의 비정상적인 작동 또는 장기간의 충방전에 따른 열화로 전지셀이 팽창하는 경우, 회로 차단기가 전지셀의 외면 부피 팽창을 감지하여 퓨즈를 단전시켜, 안전성을 소망하는 수준으로 담보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 전원을 필요로 하지 않기 때문에 전기적 신호에 의한 오작동의 가능성이 근본적으로 차단되고, 전원 공급 불가로 인하여 BMS가 작동되지 않는 경우에도 안전성을 담보할 수 있으며 신뢰성 또한 크게 향상시킬 수 있다.
더욱이, 간단한 소수의 부품만을 추가하여 기구적으로 작동하므로 제작이 용이할 뿐 아니라, 이를 적용한 다양한 전지 팩의 제작이 가능하다.

Claims (18)

  1. 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬 연결되어 있는 전지모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로 직렬 연결되어 있는 전지팩으로서,
    전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 직렬로 연결되어 있는 퓨즈; 및
    전지모듈들 중의 적어도 하나의 외면에 장착되어 전지셀의 팽창시 통전되도록 구성되어 있고, 상기 전지셀의 팽창에 의한 통전시 상기 퓨즈를 단전시키도록 상기 전기적 연결 회로 상에 전기적으로 접속되어 있는 회로차단기;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전지셀의 부피 변화에도 전지모듈들의 적층 상태가 유지될 수 있도록 전극단자 부위가 고정되어 있고, 상기 회로차단기는 전지셀의 스웰링에 의한 팽창 응력이 집중되는 전지모듈의 측면에 대응하는 부위에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 회로차단기는 최외곽 전지모듈의 측면에 대응한 부위에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 회로차단기는,
    전지모듈의 측면에 접촉되어 있고 전도성을 가진 제 1 부재;
    전지모듈에 대해 정위치 고정된 상태에서 상기 제 1 부재와 탄력적인 가이드에 의해 결합되어 있고, 비전도성을 가진 제 2 부재; 및
    상기 제 2 부재 상에 장착되어 있고, 스웰링시 전지모듈의 부피 증가에 의해 제 1 부재와 접촉되며, 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 전기적으로 연결되어 있는 양극 도전부 및 음극 도전부로 이루어진 도전부재;
    를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 일측 최외곽 전지모듈의 양극 단자와 타측 최외곽 전지모듈의 음극 단자는 와이어에 의해 상기 회로차단기의 양극 도전부와 음극 도전부에 전기적 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 4 항에 있어서, 전지모듈들이 정상 작동 상태일 때, 제 1 부재와 도전부재는 전기적으로 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 4 항에 있어서, 전지모듈들이 비정상적인 작동 상태에서 스웰링될 때, 상기 제 1 부재는 부피 팽창하는 전지모듈에 의해 외측 방향으로 밀리면서, 제 1 부재의 양 단부가 양극 도전부와 음극 도전부에 접촉되어 고전류가 통전되면서 퓨즈가 단전되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 부재는,
    수평 단면상 'ㄷ'자 형상을 가지고 있고, 전지모듈의 외측면 중앙 부위에 접촉되는 제 1 접촉부; 및
    상기 제 1 접촉부의 양측으로부터 도전부재의 양극 도전부와 음극 도전부에 대응하는 부위로 연장되어 있는 제 2 접촉부;
    를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 탄력적인 가이드는 제 1 부재와 제 2 부재 사이에 압축 스프링이 개재된 상태에서 상기 제 1 부재와 제 2 부재에 결합되어 있는 볼트 및 너트의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈들은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들; 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 전지셀 적층체의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 외장부재;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 외장부재들은 전지셀 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가지고 있으며, 조립 체결방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 전극단자들은 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지 케이스에 전지셀을 내장한 후 외주면을 실링한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지 케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 외장부재는 고강도 셀 커버인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자들은 상단 또는 하단에 함께 형성되어 있거나, 또는 상단과 하단에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 전지셀 스웰링이 전지셀의 두께를 기준으로 2 내지 5배의 부피 증가를 초래할 때, 회로 차단기가 전지셀의 부피 변화를 감지하여 전지팩의 회로를 차단시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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