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KR20170027498A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20170027498A
KR20170027498A KR1020150124200A KR20150124200A KR20170027498A KR 20170027498 A KR20170027498 A KR 20170027498A KR 1020150124200 A KR1020150124200 A KR 1020150124200A KR 20150124200 A KR20150124200 A KR 20150124200A KR 20170027498 A KR20170027498 A KR 20170027498A
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battery
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이철규
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 과전류 시 발생하는 안전 문제로부터 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 단위셀, 상기 단위셀과 전기적으로 연결되어 과전류에 의해 단락되는 버스바 및 상기 버스바에 마련되어 상기 버스바의 단락 발생 시 스파크를 흡수하는 보호부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 과전류 시 발생하는 안전 문제로부터 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는 디지털카메라, 휴대 전화, 랩탑(lap-top) PC, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력저장장치 등의 개발에 따라 활발하게 연구가 이루어지고 있다.
특히, 리튬 이차전지는 종래의 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 니켈아연전지 등 다른 이차전지에 비해, 단위 무게당 에너지 밀도가 높고, 급속 충전이 가능하기 때문에 사용이 급격하게 증가하고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6 V이상으로서, 휴대용 전자기기의 전원으로서 사용되거나, 또는 다수의 전지를 직렬또는 병렬로 연결하고 고출력을 필요로 하는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 파워 툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈카드뮴전지나 니켈수소화금속 전지에 비해 작동 전압이 3배 높고, 단위 무게당 에너지 밀도의 특성이 우수하기 때문에, 그 사용이 급격하게 증가하고 있다.
리튬 이차전지는 전해질의 종류에 의해서, 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
또, 리튬이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 의해서, 전해액이 전혀 포함되지 않은 완전 고체형 리튬이온 폴리머 전지와 전해액을 포함하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬이온 배터리의 경우, 대부분이 원통형이나 각형 금속캔을 용기로 해 용접 밀봉한 형태로 사용된다.
이와 같이 금속캔을 용기로서 사용하는 이차전지는 그 형태가 고정되므로, 그것을 전원으로서 사용하는 전기 제품의 디자인이 제약된다고 하는 단점이 있고, 체적을 줄이기 어렵다.
따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 제조한 파우치 포장재에 넣어 밀봉한 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그러나 리튬 이차전지가 과열된 경우는 폭발의 위험성이 있기 때문에, 안전성 확보가 중요한 과제의 하나이다.
리튬이차전지의 과열은 다양한 원인으로 생기지만, 그 하나로서 리튬 이차전지를 통해서 한계 이상의 과전류가 흐른 경우를 들 수 있다.
과전류가 흐르면, 리튬 이차전지가 줄열(Joule's Heat)에 의해서 발열하기 때문에, 전지의 내부온도가 급속히 상승한다.
또한, 급속한 온도 상승은 전해액의 분해 반응을 일으켜 열폭주 현상(thermal running)을 일으켜, 결국은 전지의 폭발에까지 이르게 된다.
과전류는 날카로워진 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나, 양극과 음극 사이에 개재한 세퍼레이터의 수축에 의해, 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나, 또는 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상에 의해서 돌입전류(rush current)가 전지에 인가된 경우 등에 발생한다.
따라서, 과전류 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 리튬 이차전지는 보호 회로와 결합되어 사용된다.
일반적으로, 보호 회로에는, 과전류가 발생했을 때, 충전 또는 방전 전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함된다.
대한민국공개특허공보 제10-2013-0080023호에는 종래의 배터리 팩 및 이에 적용되는 커넥팅 바가 개시되어 있다.
하지만, 종래의 커넥팅 바는 배터리 팩의 외부 단락 발생 시 발생하는 스파크(spark)에 의해 배터리 팩이 손상되고 발화가 유발되는 등의 안전성의 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 과전류 시 발생하는 스파크에 의한 데미지를 축소 또는 흡수할 수 있는 배터리 팩를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 단위셀, 상기 단위셀과 전기적으로 연결되어 과전류에 의해 단락되는 버스바 및 상기 버스바에 마련되어 상기 버스바의 단락 발생 시 스파크를 흡수하는 보호부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보호부는 상기 버스바가 단락되는 부위에 마련될 수 있다.
상기 보호부는 상기 버스바를 감싸며 스파크를 흡수하는 흡수부재와 상기 흡수부재를 내부에 밀폐하며, 상기 버스바의 일부를 보호하는 케이스부재와 상기 케이스부재의 내부에 주입되어 상기 흡수부재와 상기 케이스부재 사이 공간에 수용되는 흡열제를 포함할 수 있다.
상기 버스바에는 과전류에 의해 단락되는 노치부가 형성되며, 상기 흡수부재는 상기 노치부를 감쌀 수 있다.
상기 흡수부재는 아라미드 섬유(aramid fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber), 탄화규소 섬유(silicon carbide fiber) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 흡열제는 실리카(silica)와 물로 이루어질 수 있다.
상기 케이스부재는 다각형 또는 원기둥 형상일 수 있다.
상기 케이스부재는 플라스틱, 강화유리, 고무 중 어느 하나 이상의 비전도 소재일 수 있다.
본 발명에 따르면, 버스바에 아라미드 섬유가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 단락 시 발생하는 스파크에 의한 손상을 흡수하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 버스바에 아라미드 섬유와 흡열제가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 단락 시 발생하는 스파크를 제거하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 버스바에 흡열제가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 단락 시 발생하는 발열을 제어하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 버스바에 비도전성 케이스부재가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 노치부를 보호하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 중요부를 정면에서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 배터리 모듈의 배터리 커버를 제거하여 내부가 보이도록 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에서 버스바 만을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 도 3의 버스바에 보호부가 설치된 것을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 본 명세서에 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 중요부를 정면에서 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에서 배터리 모듈의 배터리 커버를 제거하여 내부가 보이도록 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 단위셀(10), 상기 단위셀(10)과 전기적으로 연결되어 과전류에 의해 단락되는 버스바(20) 및 상기 버스바(20)에 마련되어 상기 버스바(20)의 단락 발생 시 스파크(spark)를 흡수하는 보호부(30)를 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 팩(1)은 사용 용도에 따라 서로 직렬 또는 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 모듈(100)로 구성될 수 있다.
본 발명의 도 1에서는 2개의 배터리 모듈(100)이 상호 직렬로 연결된 경우만을 도시하고 있다.
그러나 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 적절한 개수의 배터리 모듈(100)이 서로 간에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있음은 자명한 것이다.
배터리 모듈(100)은 적어도 하나의 단위 셀(10) 및 단위 셀(10)을 감싸는 배터리 커버(120)로 구성된다.
상기 단위 셀(10)은 외장재에 수용된 전극 조립체(미도시) 및 상기 전극 조립체의 제1 전극판의 무지부, 제2 전극판의 무지부와 각각 연결되어 외장재의 일측 및 타측 방향으로 각각 인출되는 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)를 포함한다.
본 발명에서는 상기 제1 전극판, 제2 전극판이 각각 양극판 및 음극판인 경우를 예로 들어 설명하기로 하며, 이에 따라 제1 전극리드(111), 제2 전극 리드(112)는 각각 양극 리드 및 음극 리드인 경우로 설명하기로 한다.
상기 양극판인 제1 전극판은 알루미늄(Al) 재질이고, 음극판인 제2 전극판은 구리(Cu) 재질로 이루어짐이 일반적이다.
따라서, 상기 전극판과 전극 리드(111,112) 사이의 용접성 및 전기 저항 최소화의 측면에서 상기 양극 리드(111)는 양극판과 동일한 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 음극 리드(112)는 음극판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리(Cu) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 단위 셀(10)이 복수 개인 경우에 있어서, 단위 셀(10) 상호간의 연결은 배터리의 용도에 따라 직렬 또는 병렬로 연결이 가능하나, 본 발명에서는 직렬 연결인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
즉, 본 발명에서 상기 단위 셀(10) 상호간의 연결은 하나의 단위 셀(10)의 양극 리드(111)와 인접한 단위 셀(10)의 음극 리드(112)가 서로 결합 됨으로써 이루어진다.
이 경우, 후면부 최 외측에 위치하는 단위 셀(10)의 양극 리드(111)와 전면부 최 외측에 위치하는 단위 셀(10)의 음극 리드(112)는 각각 상기 버스바(20)와 결합된다.
한편, 단위 셀(10)의 개수는 도면에 한정하는 것은 아니며, 그 개수는 이차전지의 사용 용도 등에 따라 달라질 수 있는 것임은 자명한 것이다.
도 3은 도 1에서 버스바 만을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 버스바(20)는 얇은 판상의 합금으로 형성된다.
그리고 버스바(20)는 양측에 각각 결합홀(23)이 천공되고, 중앙에 노치부(21)가 형성된다.
노치부(21)는 버스바(20) 중앙의 두께 방향 외측으로부터 내측을 향해 일정 깊이로 형성된다.
상기 노치부(21)가 형성된 깊이만큼 버스바(20)의 단면적이 줄어들어 노치부(21)가 형성된 부분의 전기 저항이 커진다.
따라서, 상기 노치부(21)가 형성된 버스바(20)는 과전류가 흐를 때 용이하게 파단되는 효과를 갖는다.
한편, 배터리 모듈(100)의 최외곽에 위치한 단위 셀(10)의 양극 리드(111) 및 전면부 최외곽에 위치한 단위 셀(10)의 음극 리드(112)에는 각각 외부 단자(113)가 돌출되게 형성된다.
그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 버스바(20)를 배터리 모듈(100)에 설치할 시 버스바(20)의 결합홀(23)에 외부 단자(113)를 끼움 결합하여 설치한다.
즉, 하나의 배터리 모듈(100)의 양극 리드(111)에 형성된 외부 단자(113)에 버스바(20)의 일측에 천공된 결합홀(23)을 결합하고, 다른 하나의 배터리 모듈(100)의 음극 리드(112)에 형성된 외부 단자(113)에 버스바(20)의 타측에 천공된 결합홀(23)을 결합하여 두개의 배터리 모듈(100)에 전기적으로 연결되도록 버스바(20)를 설치한다.
도 4는 도 3의 버스바에 보호부가 설치된 것을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 버스바(20)에는 보호부(30)가 설치되는데, 상기 보호부(30)는 버스바(20)의 노치부(21)를 감싸게 설치된다.
이와 같이 보호부(30)가 노치부(21)에 설치되는 이유는 보호부(30)가 버스바(20)의 단락 시 버스바(20)의 단락에서 발생되는 스파크를 흡수 및 제거하여 배터리 모듈(100)의 손상 및 발화 등을 방지하게 하기 위함이다.
즉, 배터리 팩(1)에 과전류가 발생할 시 버스바(20)에서 노치부(21)가 단락되어 과전류를 차단하게 된다.
이때, 노치부(21)가 단락되면서 스파크가 발생할 수 있는데, 보호부(30)가 이러한 스파크를 흡수 및 제거하여 베터리 팩(1)의 안전성을 보장하게 된다.
상기 보호부(30)는 버스바(20)의 노치부(21)를 감싸며 노치부(21)의 단락 시 발생하는 스파크를 흡수하는 흡수부재(31)와 흡수부재(31)를 내부에 밀폐하며 상기 버스바(20)의 노치부(21)를 보호하는 케이스부재(32)와 케이스부재(32)의 내부에 주입되어 흡수부재(31)와 케이스부재(32) 사이 공간에 수용되어 노치부(21)의 단락 시 발생하는 발열을 제어하고 스파크를 제거하는 흡열제(33)를 포함한다.
흡수부재(31)는 내열성이 우수한 아라미드 섬유(aramid fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber), 탄화규소 섬유(silicon carbide fiber) 중 어느 하나 이상으로 이루어지게 하여 효과적으로 노치부(21)의 단락 시 발생하는 스파크를 흡수 및 제거하고 발열을 방지한다.
흡열제(33)는 실리카(silica)와 물로 이루어지게 하여 효과적으로 노치부(21)의 단락 시 발생하는 발열을 제어하고 스파크를 제거한다.
상기 흡열제(33)를 일 실시예를 들어 설명하면 흡열제(33)의 전체 함유량에서 실리카를 10%, 물을 90%의 비율로 만들 수 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 흡열제(33)에서 실리카와 물의 함유량 비율을 변경할 수도 있다.
케이스부재(32)는 다각형 또는 원기둥 형상일 수 있으나, 버스바(20)의 노치부(21)를 내부에 수용하여 보호하면서 노치부(21)를 감싸는 흡수부재(31)를 내부에 밀폐하고 내부에 수용된 흡열제(33)가 외부로 누출되지 않도록 밀폐할 수 있다면 그 형상은 한정되지 않는다.
또한, 케이스부재(32)의 소재는 플라스틱, 강화유리, 고무 중 어느 하나 이상의 비전도 소재로 형성될 수 있는데, 이에 한정되지 않고 상술한 소재 이외의 공지된 비전도 소재로도 형성될 수 있다.
보호부(30)를 버스바(20)에 설치하는 방법을 설명한다.
내부가 개방된 케이스부재(32) 속에 흡수부재(31)를 말아 넣는다.
그리고 버스바(20)를 흡수부재(31) 안에 넣어 흡수부재(31)가 버스바(20)의 노치부(21)를 감싸도록 한다.
그리고 케이스부재(32)의 내부에 흡열제(33)를 채워넣어 케이스부재(32)와 흡수부재(31)의 사이에 흡열제(33)가 채워지게 한다.
그리고 케이스부재(32)의 내부가 밀폐되도록 케이스부재(32)를 폐쇄한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 배터리 팩은 버스바에 아라미드 섬유가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 단락 시 발생하는 스파크에 의한 손상을 흡수하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 버스바에 아라미드 섬유와 흡열제가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 단락 시 발생하는 스파크를 제거하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 버스바에 흡열제가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 단락 시 발생하는 발열을 제어하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 버스바에 비도전성 케이스부재가 포함된 보호부를 설치하여 버스바의 노치부를 보호하는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 배터리 팩을 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
1: 배터리 팩
10: 단위셀
20: 버스바
21: 노치부
23: 결합홀
30: 보호부
31: 흡수부재
32: 케이스부재
33: 흡열제
100: 배터리 모듈
111: 제1 전극 리드
112: 제2 전극 리드
113: 외부 단자
120: 배터리 커버

Claims (8)

  1. 단위셀(10);
    상기 단위셀(10)과 전기적으로 연결되어 과전류에 의해 단락되는 버스바(20); 및
    상기 버스바(20)에 마련되어 상기 버스바(20)의 단락 발생 시 스파크를 흡수하는 보호부(30); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호부(30)는 상기 버스바(20)가 단락되는 부위에 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 보호부(30)는
    상기 버스바(20)를 감싸며 스파크를 흡수하는 흡수부재(31)와
    상기 흡수부재(31)를 내부에 밀폐하며, 상기 버스바(20)의 일부를 보호하는 케이스부재(32)와
    상기 케이스부재(32)의 내부에 주입되어 상기 흡수부재(31)와 상기 케이스부재(32) 사이 공간에 수용되는 흡열제(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 버스바(20)에는 과전류에 의해 단락되는 노치부(21)가 형성되며, 상기 흡수부재(31)는 상기 노치부(21)를 감싸는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 흡수부재(31)는 아라미드 섬유(aramid fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber), 탄화규소 섬유(silicon carbide fiber) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 흡열제(33)는 실리카(silica)와 물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 케이스부재(32)는 다각형 또는 원기둥 형상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 케이스부재(32)는 플라스틱, 강화유리, 고무 중 어느 하나 이상의 비전도 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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