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KR102260830B1 - 이차 전지 팩 - Google Patents

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KR102260830B1
KR102260830B1 KR1020160148231A KR20160148231A KR102260830B1 KR 102260830 B1 KR102260830 B1 KR 102260830B1 KR 1020160148231 A KR1020160148231 A KR 1020160148231A KR 20160148231 A KR20160148231 A KR 20160148231A KR 102260830 B1 KR102260830 B1 KR 102260830B1
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김덕중
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 단위셀의 결함 발생시 모듈의 고전압을 차단하여 안전성을 향상시키는 이차 전지 팩을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩은, 충전 및 방전 작용을 반복적으로 수행하는 단위셀들, 상기 단위셀들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바들, 상기 단위셀들을 수용하는 하우징, 상기 단위셀들 중 최외곽 단위셀에 구비되는 전극단자를 상기 하우징의 외부로 인출하는 제1최종단자와 제2최종단자, 및 상기 제1최종단자에 구비되어 상기 단위셀 결함시 발생되는 내부 압력에 따라 고전압 라인을 통전 또는 차단하는 고전압 차단장치를 포함한다.

Description

이차 전지 팩 {RECHARGEABLE BATTERY PACK}
본 기재는 이차 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위셀에서 결함 발생시 팩 전체의 안전성을 향상시키는 이차 전지 팩에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 일차 전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
이차 전지는 소형 전자기기에서와 같이 단위셀로 사용되거나, 모터 구동용에서와 같이 복수의 단위셀들을 전기적으로 연결한 모듈 또는 팩 상태로 사용될 수 있다. 이차 전지 모듈 및 팩은 단위셀들의 전극단자를 버스바로 연결하여 형성될 수 있다.
과충전이나 오사용 및 특성에 따른 열화에 의하여, 단위셀에서 결함이 발생될 수 있다. 이로 인하여, 단위셀 내부에 가스가 발생되거나 축적되어 단위셀이 폭발할 수 있다.
이에 대한 안전 장치로 단위셀에 구비되어 고전압을 차단하는 전류차단장치(CID; Current Interruption Device) 및 과충전시 외부 단락을 유도하는 과충전안전장치(OSD; Overcharge Safety Device)가 있다.
CID 및 OSD와 같은 안전장치는 단위셀에 구비되므로 작동 산포 및 고전압의 저항 증가와 같은 문제점을 가지며, 단위셀의 내부에 구비되므로 결함 발생시 전해액과 반응하여 화재를 일으킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 단위셀의 결함 발생시 모듈의 고전압을 차단하여 안전성을 향상시키는 이차 전지 팩을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 일 실시예는 제어부의 문제로 인하여 단위셀의 결함이 검출되지 않는 경우에도 모듈의 고전압을 차단하여 안전성을 확보하는 이차 전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩은, 충전 및 방전 작용을 반복적으로 수행하는 단위셀들, 상기 단위셀들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바들, 상기 단위셀들을 수용하는 하우징, 상기 단위셀들 중 최외곽 단위셀에 구비되는 전극단자를 상기 하우징의 외부로 인출하는 제1최종단자와 제2최종단자, 및 상기 제1최종단자에 구비되어 상기 단위셀 결함시 발생되는 내부 압력에 따라 고전압 라인을 통전 또는 차단하는 고전압 차단장치를 포함한다.
상기 고전압 차단장치를 구비하는 상기 제1최종단자는, 최외곽의 단위셀의 전극단자에 전기적으로 연결되고 상기 단위셀 결함시 발생되는 내부 압력을 제1관통구로 경유시키는 압력경유부재, 내부 압력에 따라 상기 압력경유부재의 상기 제1관통구를 밀폐하거나 개방하여 고전압을 통전시키거나 차단하는 반전부재, 및 상기 반전부재에 전기적으로 연결되어 상기 반전부재를 지지하는 지지부재를 포함한다.
상기 하우징은 상기 단위셀들을 수용하는 바디와 상기 바디에 기밀 구조로 결합되어 상기 단위셀들을 덮는 덮개를 포함할 수 있다.
상기 압력경유부재는 상기 전극단자에 연결되는 부분을 상기 하우징의 내부에 배치하고, 상기 반전부재에 연결되는 상기 제1관통구 측을 상기 바디와 상기 덮개가 결합되는 부분을 통하여 외부로 인출할 수 있다.
상기 반전부재는 상기 내부 압력이 정상일 때, 상기 제1관통구에 부착된 상태를 유지하고, 상기 내부 압력이 과잉 압력일 때, 반전되어 상기 제1관통구로부터 분리될 수 있다.
상기 압력경유부재는 상기 제1관통구를 원형으로 형성하고, 상기 제1관통구에 통전 및 기밀 상태로 연결되어 내부 압력을 상기 반전부재로 유도하는 원통형 유도부재를 더 포함하며, 상기 반전부재는 상기 유도부재에 원형으로 부착 연결될 수 있다.
상기 반전부재는 상기 유도부재의 원형 내부를 향하여 돌출되어 반전되는 반전부, 및 상기 지지부재에 연결되며 상기 반전부에 대응하는 개구를 가지는 연결부를 포함할 수 있다.
상기 반전부재는 상기 반전부와 상기 연결부의 경계에 오목하게 형성되어 반전을 유도하는 유도홈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩은, 상기 단위셀들, 상기 버스바들, 상기 하우징, 상기 제1최종단자 및 상기 제2최종단자를 포함하여 형성되는 전지 모듈, 및 상기 전지 모듈을 복수로 구비할 때, 이웃하는 전지 모듈의 상기 제1최종단자 및 상기 제2최종단자를 전기적으로 연결하는 모듈 버스바를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 버스바는 상기 제1최종단자 측에서 내부 압력에 의하여 상기 반전부재가 반전되도록 상기 반전부재에 대응하는 제3관통구를 구비할 수 있다.
상기 제2최종단자는 상기 전극단자 측에는 얇은 제1두께로 형성되고, 상기 모듈 버스바 측에는 상기 제1최종단자의 높이에 대응하여 상기 제1두께보다 큰 제2두께로 형성될 수 있다.
상기 단위셀들은 내부 압력을 배출하도록 캡 플레이트에 벤트 홀을 각각 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩은, 복수의 벤트 홀들을 상기 제1최종단자에 연결하는 덕트를 더 포함할 수 있다.
상기 덕트는 상기 압력경유부재의 상기 제1관통구에 연결될 수 있다.
상기 덕트는 상기 벤트 홀들 각각에 기밀 구조로 연결되는 가지 라인들, 및 상기 가지 라인들을 연결하여 상기 압력경유부재의 상기 제1관통구에 연결하는 통합 라인을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈의 제1최종단자에 고전압 차단장치(압력경유부재 또는 유도부재와 반전부재의 연결 또는 분리)를 구비하여, 단위셀 결함시 발생되는 내부 압력(즉, 과잉 압력)에 의하여 고전압 차단장치를 작동시켜(반전부재를 압력경유부재로부터 분리) 제1최종단자의 고전압을 차단하므로 이차 전지 팩의 안전성이 향상될 수 있다.
또한, 과잉 압력에 의하여 제1최종단자의 고전압 차단장치에서 기계적으로 고전압이 차단되므로 단위셀의 결함이 검출되지 않는 경우에도 이차 전지 팩의 안전성이 확보될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 팩의 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1에 적용되는 단위셀의 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 2의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 6의 이차 전지 팩에 적용되는 제1최종단자(고전압 차단장치)의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선을 따라 자른 제1최종단자(고전압 차단장치)에 정상 압력이 작용하여 고전압의 전류가 흐르는 상태를 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7의 제1최종단자(고전압 차단장치)에 과잉 압력이 작용하여 고전압의 전류가 차단된 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 팩의 평면도이다.
도 10은 도 9의 Ⅹ-Ⅹ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 11은 도 10의 이차 전지 팩에 적용되는 제1최종단자(고전압 차단장치)에 과잉 압력이 작용하여 고전압 전류가 차단된 상태를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지 팩의 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예의 이차 전지 팩(1)은 복수의 전지 모듈(101, 102, 103)을 포함한다. 도시하지 않았으나 이차 전지 팩은 하나의 전지 모듈로 형성될 수도 있다. 편의상, 하나의 전지 모듈을 이차 전지 팩으로 설명하기도 하고, 필요에 따라 복수의 전지 모듈을 이차 전지 팩으로 설명하기도 한다.
이차 전지 팩(1)은 충전 및 방전 작용을 반복적으로 수행하는 단위셀들(100), 단위셀들(100)의 전극단자들(21, 22)을 전기적으로 연결하는 버스바들(200), 단위셀들(100)을 수용하는 하우징(300), 단위셀들(100)의 최외곽에 구비되는 전극단자(22, 21)를 하우징(300)의 외부로 인출하는 제1최종단자(400)와 제2최종단자(500), 및 제1최종단자(400)에 구비되는 고전압 차단장치를 포함한다.
본 실시예에서 단위셀들(100)은 각형으로 예시되어 있다. 도시하지 않았으나 단위셀들은 파우치 타입으로 형성될 수도 있다. 파우치 타입의 단위셀들은 파우치의 반대 방향 양측으로 전극단자를 인출하고, 버스바는 양측에서 각각 전극단자들을 전기적으로 연결할 수 있다.
도 3은 도 1에 적용되는 단위셀의 사시도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 단위셀(100)은 전류를 충전 및 방전하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 내장하는 케이스(15), 케이스(15)의 개구에 결합되는 캡 플레이트(20), 캡 플레이트(20)에 설치되는 전극단자(음, 양극 단자)(21, 22) 및 과충전안전장치(OSD)(40)를 포함한다.
예를 들면, 전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(13)의 양면에 음극(11)과 양극(12)을 배치하고, 음극(11), 세퍼레이터(13) 및 양극(12)을 젤리롤 상태로 귄취하여 형성된다. 도시하지 않았으나 전극 조립체는 음극, 세퍼레이터 및 양극을 적층한 스택 타입으로 형성될 수 있다.
음극(11) 및 양극(12)은 각각 금속판의 집전체에 활물질을 도포한 코팅부(11a, 12a), 및 활물질을 도포하지 않아서 노출된 집전체로 형성되는 무지부(11b, 12b)를 포함한다.
음극(11)의 무지부(11b)는 권취되는 음극(11)을 따라 음극(11)의 한 쪽 단부에 형성된다. 양극(12)의 무지부(12b)는 권취되는 양극(12)을 따라 양극(12)의 한 쪽 단부에 형성된다. 무지부들(11b, 12b)은 전극 조립체(10)의 양단에 각각 배치된다.
예를 들면, 케이스(15)는 내부에 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 공간을 설정하도록 대략 직육면체로 이루어지며, 외부와 내부 공간을 연결하는 개구를 직육면체의 일면에 형성한다. 개구는 전극 조립체(10)를 케이스(15)의 내부로 삽입할 수 있게 한다.
캡 플레이트(20)는 케이스(15)의 개구에 설치됨으로써 케이스(15)를 밀폐한다. 예를 들면, 케이스(15)와 캡 플레이트(20)는 알루미늄으로 형성되어 서로 용접될 수 있다.
또한, 캡 플레이트(20)는 전해액 주입구(29)와 벤트 홀(24) 및 단자홀(H1, H2)을 구비한다. 전해액 주입구(29)는 케이스(15)에 캡 플레이트(20)를 결합한 후, 케이스(15)의 내부로 전해액을 주입할 수 있게 한다. 전해액 주입 후, 전해액 주입구(29)는 밀봉 마개(27)로 밀봉된다.
벤트 홀(24)은 결함 발생시, 단위셀(100)의 내부 압력을 배출할 수 있도록 벤트 플레이트(25)로 밀폐된다. 단위셀(100)의 내부 압력이 설정 압력(과잉 압력)에 이르면, 벤트 플레이트(25)가 절개되어 벤트 홀(24)을 개방한다. 벤트 플레이트(25)는 절개를 유도하는 노치(25a)를 가진다.
전극단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 설치되고 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결된다. 즉 전극단자(21, 22)는 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)에 각각 전기적으로 연결된다. 따라서 전극 조립체(10)는 전극 단자(21, 22)를 통하여 케이스(15)의 외부로 인출된다.
전극단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 내측에서 서로 동일 구조를 형성한다. 따라서 동일 구조에 대하여 함께 설명하고, 캡 플레이트(20)의 외측에서 서로 다른 구조를 형성하므로 다른 구조에 대하여 별도로 설명한다.
전극단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 각각 설치되는 리벳 터미널(21a, 22a), 캡 플레이트(20)의 내측에서 리벳 터미널(21a, 22a)에 일체로 넓게 형성되는 플랜지(21b, 22b), 및 캡 플레이트(20)의 외측에 배치되어 리벳 터미널(21a, 22a)에 리벳팅 또는 용접으로 연결되는 플레이트 터미널(21c, 22c)을 포함한다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 전극단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2) 내면 사이에 각각 설치되어, 전극단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20) 사이를 실링하고 전기적으로 절연한다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 플랜지(21b, 22b)와 캡 플레이트(20)의 내면 사이에 더 연장 설치되어, 플랜지(21b, 22b)와 캡 플레이트(20) 사이를 더 실링하고 전기적으로 절연한다. 즉 음, 양극 개스킷(36, 37)은 캡 플레이트(20)에 전극단자(21, 22)를 설치함으로써 단자홀(H1, H2)을 통하여 전해액이 새는 것(leak)을 방지한다.
음, 양극 리드 탭(51, 52)은 전극단자(21, 22)를 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)에 각각 전기적으로 연결한다. 즉 음, 양극 리드 탭(51, 52)을 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 결합하여 하단을 코킹(caulking)함으로써, 음, 양극 리드 탭(51, 52)은 플랜지(21b, 22b)에 지지되면서 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 연결된다.
음, 양극 절연부재(61, 62)는 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20) 사이에 각각 설치되어, 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다. 또한 음, 양극 절연부재(61, 62)는 일측으로 캡 플레이트(20)에 결합되고 다른 일측으로 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 리벳 터미널(21a, 22a) 및 플랜지(21b, 22b)를 감싸므로 이들의 연결 구조를 안정시킨다.
한편, 전극단자(21)의 플레이트 터미널(21c)과 관련하여 과충전안전장치(40)에 대하여 설명하고, 전극단자(22)의 플레이트 터미널(22c)과 관련하여 탑 플레이트(46)에 대하여 설명한다.
전극단자(21) 측의 과충전안전장치(40)는 내부 압력에 따라 이격 또는 단락되는 단락 탭(41)과 단락부재(43)를 포함한다. 단락 탭(41)은 전극단자(21)의 리벳 터미널(21a)에 전기적으로 연결되어 절연부재(31)를 개재하여 캡 플레이트(20)의 외측에 배치된다.
절연부재(31)는 단락 탭(41)과 캡 플레이트(20) 사이에 설치되어, 단락 탭(41)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다. 즉 캡 플레이트(20)는 전극단자(21)와 전기적으로 절연된 상태를 유지한다.
단락 탭(41)과 플레이트 터미널(21c)을 리벳 터미널(21a)의 상단에 결합하여 상단을 코킹함으로써, 단락 탭(41)과 플레이트 터미널(21c)은 리벳 터미널(21a)의 상단에 결합된다. 따라서 단락 탭(41)과 플레이트 터미널(21c)은 절연부재(31)를 개재한 상태로 캡 플레이트(20)에 고정된다.
단락부재(43)는 캡 플레이트(20)에 형성되는 단락 홀(42)에 설치된다. 단락 탭(41)은 전극단자(21)에 연결되어 단락부재(43)의 외측을 따라 신장된다. 따라서 단락 탭(41)과 단락부재(43)는 단락 홀(42)에 대응하고, 서로 마주하여 이격 상태(실선 상태)를 유지하고, 과충전으로 단위셀(100)의 내압이 상승하여 과잉 압력에 이르면, 단락부재(43)의 반전에 의하여 단락 상태(가상선 상태)를 형성할 수 있다.
전극단자(22) 측의 탑 플레이트(46)는 전극단자(22)의 플레이트 터미널(22c)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 연결한다. 예를 들면, 탑 플레이트(46)는 플레이트 터미널(22c)과 캡 플레이트(20) 사이에 개재되고 리벳 터미널(22a)을 관통시킨다.
따라서 탑 플레이트(46)와 플레이트 터미널(22c)을 리벳 터미널(22a)의 상단에 결합하여 상단을 코킹함으로써, 탑 플레이트(46)와 플레이트 터미널(22c)은 리벳 터미널(22a)의 상단에 결합된다. 플레이트 터미널(22c)은 탑 플레이트(46)를 개재한 상태로 캡 플레이트(20)의 외측에 설치된다.
한편, 양극 개스킷(37)은 리벳 터미널(22a)과 탑 플레이트(46) 사이로 더 연장되어 설치된다. 즉 양극 개스킷(37)은 리벳 터미널(22a)과 탑 플레이트(46)가 전기적으로 직접 연결되는 것을 방지한다. 즉 리벳 터미널(22a)은 플레이트 터미널(22c)을 통하여 탑 플레이트(46)에 전기적으로 연결된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 버스바(200)는 각 전지 모듈(101, 102, 103) 내에서 단위셀들(100)을 전기적으로 서로 연결한다. 본 실시예에서 버스바(200)는 단위셀들(100)을 직렬로 연결하고 있다. 도시하지 않았으나, 버스바는 단위셀들을 병렬로 연결할 수도 있다.
도 5는 도 2의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 하우징(300)은 단위셀들(100)을 수용하는 바디(310)와, 바디(310)에 기밀 구조로 결합되어 단위셀들(100)을 덮는 덮개(320)를 포함한다.
일 실시예의 이차 전지 팩(1)은 이웃하는 전지 모듈(101, 102, 103) 각각의 단위셀들(100) 중 최외곽 단위셀(100)에 구비되는 전극단자(22, 21)를 제1, 제2최종단자(400, 500)로 하우징(300)의 외부로 인출한다.
이차 전지 팩(1)은 이웃하는 전지 모듈(101, 102, 103)의 제1최종단자(400)와 제2최종단자(500)를 전기적으로 서로 연결하는 모듈 버스바(600)를 더 포함한다. 이차 전지 팩이 하나의 전지 모듈로 형성되는 경우, 모듈 버스바는 사용되지 않는다.
도 6은 도 6의 이차 전지 팩에 적용되는 제1최종단자(고전압 차단장치)의 분해 사시도이고, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선을 따라 자른 제1최종단자(고전압 차단장치)에 정상 압력이 작용하여 고전압의 전류가 흐르는 상태를 도시한 단면도이다.
도 1, 도 6 및 도 7을 참조하면, 고전압 차단장치는 제1최종단자(400)에 구비되어, 단위셀(100) 결함시 발생되는 단위셀(100)의 내부 압력에 따라 모듈 버스바(600)로 연결되는 고전압 라인을 통전 또는 차단하도록 구성된다.
고전압 차단장치를 구비하는 제1최종단자(400)는 압력경유부재(410), 반전부재(420) 및 지지부재(430)를 포함한다. 압력경유부재(410)는 최외곽 단위셀(100)의 전극단자(22)에 전기적으로 연결되고, 단위셀(100) 결함시 발생되는 내부 압력을 제1관통구(411)로 경유시킨다.
하우징(300)의 바디(310)와 덮개(320)가 기밀 구조로 결합되므로 단위셀(100) 결함으로 발생되는 과잉 압력은 고전압 차단장치의 압력경유부재(410) 측으로 공급되어 제1관통구(411)를 경유하게 된다.
일례로써, 압력경유부재(410)는 전극단자(22)에 연결되는 부분을 하우징(300)의 내부에 배치하고, 반전부재(420)에 연결되는 제1관통구(411) 측을 바디(310)와 덮개(320)가 결합되는 부분을 통하여 하우징(300)의 외부로 인출한다. 즉 과잉 압력은 제1관통구(411)를 통하여 하우징(300)의 외부로 공급된다.
반전부재(420)는 하우징(300)의 내부 압력에 따라 압력경유부재(410)의 제1관통구(411)를 밀폐 상태를 유지하여 고전압을 통전시키거나 거나 밀폐 상태에서 개방되어 고전압을 차단하도록 구성된다. 일례로써, 반전부재(420)는 내부 압력이 정상 압력일 때, 제1관통구(411)에 부착된 상태를 유지하고(도 7 상태), 내부 압력이 과잉 압력일 때, 반전되어 제1관통구(411)로부터 분리된다(도 8 상태).
압력경유부재(410)는 내부 압력이 공급디는 제1관통구(411)를 원형으로 형성하고, 제1관통구(411)에 통전 및 기밀 상태로 연결되어 내부 압력을 반전부재(420)로 유도하는 원통형 유도부재(412)를 더 포함한다. 이 경우, 유도부재(412)는 하방으로 제1관통구(411)에 결합되어 압력경유부재(410)에 부착 연결되고, 반전부재(420)는 유도부재(412)의 상방에 원형으로 부착 연결된다.
반전부재(420)는 유도부재(412)의 원형 내부를 향하여 돌출되어 반전되는 반전부(421), 및 지지부재(430)에 연결되며 반전부(421)에 대응하는 개구(422)를 가지는 연결부(423)를 포함한다. 반전부재(420)는 반전부(421)와 연결부(423)의 내측 경계선 상에 오목하게 형성되어 반전부(421)의 반전을 효과적으로 유도하는 유도홈(424)을 더 포함한다.
따라서 하우징(300)의 내부 압력 상승시, 제1관통구(411)를 통하여 반전부(421)에 작용하는 과잉 압력은 반전부(421)를 반전시킨다(도 8 참조). 즉 제1최종단자(400)의 반전부재(420)에서, 반전부(421)는 유도부재(412)로부터 분리되어, 압력경유부재(410)와 지지부재(430) 사이의 고전압을 차단한다.
지지부재(430)는 반전부재(420)에 전기적으로 연결되어 반전부재(420)를 지지한다. 지지부재(430)는 반전부재(420)에 대응하는 제2관통구(431)를 구비한다. 반전부재(420)의 개구(422) 및 지지부재(430)의 제2관통구(431)는 반전부(421)의 반전 시, 반전부(421)의 상방에 형성될 수 있는 저항 압력을 제거하여, 용이한 반전을 가능하게 한다.
모듈 버스바(600)는 제1최종단자(400) 측에서 내부 압력에 의하여 반전부재(420)가 반전되도록 반전부재(420)에 대응하는 제3관통구(610)를 구비한다. 즉 제3관통구(610)는 지지부재(430)의 제2관통구(431)와 연통되어, 내부 압력에 의하여 반전부(421)가 반전될 때, 반전부(421) 상방에 형성될 수 있는 저항 압력을 제거한다.
또한 제2최종단자(500)는 전극단자(21) 측에는 얇은 제1두께(t1)로 형성되고, 모듈 버스바(600) 측에는 제1최종단자(400)의 높이에 대응하여 제1두께(t1)보다 큰 제2두께(t2)로 형성된다. 따라서 모듈 버스바(600)는 평행한 상태로 제1, 제2최종단자(400, 500)를 전기적으로 연결한다. 즉 전지 모듈들(101, 102, 103)의 높이 편차에 따른 모듈 버스바(600)의 변형이 방지될 수 있다.
도 8은 도 7의 제1최종단자(고전압 차단장치)에 과잉 압력이 작용하여 고전압의 전류가 차단된 상태를 도시한 단면도이다. 도 8을 참조하면, 도 7의 상태로 이차 전지 팩(1)이 구동하던 중, 한 전지 모듈(102) 내의 단위셀(100)에서 결함 발생으로 하우징(300)의 내부 압력이 과잉 압력으로 상승한 상태이다.
이때, 상승된 과잉 압력은 하우징(300) 내에서 제1최종단자(400)를 구성하는 압력경유부재(410)의 제1관통구(411) 및 유도부재(412)를 경유하여 반전부재(420)에 작용하여 유도홈(424)을 따라서 반전부(421)를 반전시킨다. 이때 유도홈(424)은 연결부(423)에서 반전부(421)의 반전을 용이하게 한다. 그리고 반전부(421)의 상방에 구비되는 개구(422), 제2관통구(431) 및 제3관통구(610)은 반전부(421)의 상방에 형성될 수 있는 저항 압력을 제거한다.
이와 같이, 반전부(421)가 유도부재(412)로부터 분리되면서 제1최종단자(400)와 모듈 버스바(600) 사이에서 모듈의 고전압이 차단된다. 따라서 단위셀(100)의 결함이 발생된 전지 모듈(102)은 작동 정지되고, 이웃하는 전지 모듈(103)과의 전기적인 연결이 차단된다.
이와 같이, 단위셀(100)의 결함시, 반전부(421)가 유도부재(412)로부터 분리되어 전지 모듈(102)의 고전압이 차단되므로 이차 전지 팩(1)에서 제어부(미도시)의 문제로 인하여 단위셀(100)의 결함이 검출되지 못하는 상황에서도 이차 전지 팩(1) 및 이를 장착하는 자동차의 안전성이 확보될 수 있다.
제1최종단자(400)에 압력경유부재(410)와 반전부재(420)를 구비하여, 이들의 통전 또는 차단 구조에 따라 전지 모듈들(101, 102, 103)의 고전압이 통전 또는 차단되므로 단위셀(100)의 작동 결함에 대한 위험성이 경감되고, 고전압 도선의 저항 감소에 따른 고전압 아크 및 발화 가능성이 경감될 수 있다.
따라서 이차 전지 팩(1)의 출력이 향상되고, 고전압 통전 시스템의 저항 산포가 감소됨에 따른 프리 차지(free charge)의 신뢰성이 확보된다. 즉 이차 전지 팩(1)에서 고전압 부품의 내구성이 향상될 수 있다.
이하에서 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명하며, 제2실시예를 제1실시예와 비교하여 동일한 구성에 대하여 설명을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지 팩의 평면도이다고, 도 10은 도 9의 Ⅹ-Ⅹ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 제2실시예의 이차 전지 팩(2)은 덕트(700)를 더 포함한다.
덕트(700)는 전지 모듈(102)에 수용되는 복수의 단위셀들(100)에 구비되는 복수의 벤트 홀들(24)을 제1최종단자(400)에 연결하도록 구성된다. 단위셀들(100)의 결함시 발생되는 과잉 압력은 덕트(700)를 경유하여 제1최종단자(400) 측으로 공급된다. 이를 위하여, 덕트(700)는 압력경유부재(410)의 제1관통구(411)에 연결된다.
일례로써, 덕트(700)는 벤트 홀들(24) 각각에 기밀 구조로 연결되는 가지 라인들(710), 및 가지 라인들(710)을 연결하여 압력경유부재(410)의 제1관통구(411)에 연결하는 통합 라인(720)을 포함한다. 따라서 하우징(300)의 바디(310)와 덮개(320)는 기밀 구조를 유지하지 않을 수도 있다.
도 11은 도 10의 이차 전지 팩에 적용되는 제1최종단자(고전압 차단장치)에 과잉 압력이 작용하여 고전압 전류가 차단된 상태를 도시한 단면도이다. 도 11을 참조하면, 이차 전지 팩(2)이 구동하던 중, 한 전지 모듈(102) 내의 단위셀(100)에서 결함 발생시, 단위셀(100) 내에서 상승되는 과잉 압력은 벤트 홀(24), 가지 라인(710) 및 덕트(700)를 경유한다.
이때, 상승된 과잉 압력은 덕트(700) 내에서 제1최종단자(400)를 구성하는 압력경유부재(410)의 제1관통구(411) 및 유도부재(412)를 경유하여 반전부재(420)의 반전부(421)를 상태로 반전시킨다.
반전부(421)가 유도부재(412)로부터 분리되면서 제1최종단자(400)와 모듈 버스바(600) 사이에서 전지 모듈(102)의 고전압이 차단된다. 따라서 단위셀(100)의 결함이 발생된 전지 모듈(102)은 작동 정지되고, 이웃하는 전지 모듈(103)과의 전기적인 연결이 차단될 수 있다. 따라서 이차 전지 팩(2)의 안전성이 확보될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2: 이차 전지 팩 11, 12: 음, 양극
11a, 12a: 코팅부 10: 전극 조립체
11b, 12b: 무지부 13: 세퍼레이터
15: 케이스 20: 캡 플레이트
21, 22: 전극단자(음, 양극 단자) 21a, 22a: 리벳 터미널
21b, 22b: 플랜지 21c, 22c: 플레이트 터미널
24: 벤트 홀 25: 벤트 플레이트
25a: 노치 27: 밀봉 마개
29: 전해액 주입구 31: 절연부재
36, 37: 음, 양극 개스킷 40: 과충전안전장치(OSD)
41: 단락 탭 42: 단락 홀
43: 단락부재 46: 탑 플레이트
51, 52: 음, 양극 리드 탭 61, 62: 음, 양극 절연부재
100: 단위셀들 101,102, 103: 전지 모듈
200: 버스바 300: 하우징
310: 바디 320: 덮개
400, 500: 제1, 제2최종단자 410: 압력경유부재
411: 제1관통구 412: 유도부재
420: 반전부재 421: 반전부
422: 개구 423: 연결부
424: 유도홈 430: 지지부재
431: 제2관통구 600: 모듈 버스바
610: 제3관통구 700: 덕트
710: 가지 라인 720: 통합 라인
H1, H2: 단자홀 t1, t2: 제1, 제2두께

Claims (15)

  1. 충전 및 방전 작용을 반복적으로 수행하는 단위셀들;
    상기 단위셀들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바들;
    상기 단위셀들을 수용하는 하우징;
    상기 단위셀들 중 최외곽 단위셀에 구비되는 전극단자를 상기 하우징의 외부로 인출하는 제1최종단자와 제2최종단자; 및
    상기 제1최종단자에 구비되어 상기 단위셀 결함시 발생되는 내부 압력에 따라 고전압 라인을 통전 또는 차단하는 고전압 차단장치
    를 포함하며,
    상기 단위셀들, 상기 버스바들, 상기 하우징, 상기 제1최종단자 및 상기 제2최종단자를 포함하여 형성되는 전지 모듈, 및
    상기 전지 모듈을 복수로 구비할 때, 이웃하는 전지 모듈의 상기 제1최종단자 및 상기 제2최종단자를 전기적으로 연결하는 모듈 버스바
    를 더 포함하고,
    상기 고전압 차단장치를 구비하는 상기 제1최종단자는
    최외곽 단위셀의 전극단자에 전기적으로 연결되고 상기 단위셀 결함시 발생되는 내부 압력을 제1관통구로 경유시키는 압력경유부재,
    내부 압력에 따라 상기 압력경유부재의 상기 제1관통구를 밀폐하거나 개방하여 고전압을 통전시키거나 차단하는 반전부재, 및
    상기 반전부재에 전기적으로 연결되어 상기 반전부재를 지지하는 지지부재
    를 포함하며,
    상기 모듈 버스바는
    제3관통구를 구비하여 상기 제1최종단자 측에서 제2관통구를 가지는 상기 지지부재에 연결되어 상기 제3관통구를 상기 제2관통구에 연통시키는, 이차 전지 팩.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 단위셀들을 수용하는 바디와
    상기 바디에 기밀 구조로 결합되어 상기 단위셀들을 덮는 덮개를 포함하는 이차 전지 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력경유부재는
    상기 전극단자에 연결되는 부분을 상기 하우징의 내부에 배치하고,
    상기 반전부재에 연결되는 상기 제1관통구 측을 상기 바디와 상기 덮개가 결합되는 부분을 통하여 외부로 인출하는 이차 전지 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반전부재는
    상기 내부 압력이 정상일 때, 상기 제1관통구에 부착된 상태를 유지하고,
    상기 내부 압력이 과잉 압력일 때, 반전되어 상기 제1관통구로부터 분리되는 이차 전지 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압력경유부재는
    상기 제1관통구를 원형으로 형성하고,
    상기 제1관통구에 통전 및 기밀 상태로 연결되어 내부 압력을 상기 반전부재로 유도하는 원통형 유도부재를 더 포함하며,
    상기 반전부재는
    상기 유도부재에 원형으로 부착 연결되는 이차 전지 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반전부재는
    상기 유도부재의 원형 내부를 향하여 돌출되어 반전되는 반전부, 및
    상기 지지부재에 연결되며 상기 반전부에 대응하는 개구를 가지는 연결부를 포함하는 이차 전지 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반전부재는
    상기 반전부와 상기 연결부의 경계에 오목하게 형성되어 반전을 유도하는 유도홈을 더 포함하는 이차 전지 팩.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제3관통구는
    상기 제1최종단자 측에서 내부 압력에 의하여 상기 반전부재가 반전되도록 상기 반전부재에 대응하여 구비되는 이차 전지 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2최종단자는
    상기 전극단자 측에는 얇은 제1두께로 형성되고,
    상기 모듈 버스바 측에는 상기 제1최종단자의 높이에 대응하여 상기 제1두께보다 큰 제2두께로 형성되는 이차 전지 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀들은
    내부 압력을 배출하도록 캡 플레이트에 벤트 홀을 각각 구비하는 이차 전지 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    복수의 벤트 홀들을 상기 제1최종단자에 연결하는 덕트를 더 포함하는 구비하는 이차 전지 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 덕트는
    상기 압력경유부재의 상기 제1관통구에 연결되는 이차 전지 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 덕트는
    상기 벤트 홀들 각각에 기밀 구조로 연결되는 가지 라인들, 및
    상기 가지 라인들을 연결하여 상기 압력경유부재의 상기 제1관통구에 연결하는 통합 라인을 포함하는 이차 전지 팩.
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