(57)【要約】  本発明の一実施例によるバッテリーパックは、第１バッテリーモジュール及び第２バッテリーモジュールを含むバッテリーモジュール集合体と、前記第１バッテリーモジュールの第１電極と接続する第１コネクターと、前記第２バッテリーモジュールの第２電極と接続し、前記第１コネクターと離隔して配置される第２コネクターと、前記第１コネクターと第２コネクターとを連結するスイッチと、前記スイッチの長手方向の一側に接続し、前記バッテリーモジュールの両端の間に形成される電位差が基準値以上になる場合、反り変形を起こして前記スイッチをオフにする電流遮断部材と、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１バッテリーモジュール及び第２バッテリーモジュールを含むバッテリーモジュール集合体と、
前記第１バッテリーモジュールの第１電極と接続する第１コネクターと、
前記第２バッテリーモジュールの第２電極と接続し、前記第１コネクターと離隔して配置される第２コネクターと、
前記第１コネクターと前記第２コネクターとを連結するスイッチと、
前記スイッチの長手方向の一側に接続し、前記バッテリーモジュールの両端の間に形成される電位差が基準値以上になる場合、反り変形を起こして前記スイッチをオフにする電流遮断部材と、を含む、バッテリーパック。
【請求項２】
前記バッテリーモジュールは、
相互に電気的に接続した複数のバッテリーセルを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパック。
【請求項３】
前記スイッチの長手方向の一側は、前記第１コネクターと接触し、前記電流遮断部材の反り変形によって前記第１コネクターとの接触状態が解除可能に自由端として形成され、
前記スイッチの長手方向の他側は、前記第２コネクターと固定される固定端として形成されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のバッテリーパック。
【請求項４】
前記電流遮断部材の長手方向の一側は、前記反り変形によって位置が変更される自由端であり、
前記電流遮断部材の他側は、前記バッテリーモジュールまたは地面に直接または間接的に固定される固定端であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
【請求項５】
前記電流遮断部材は、
ＥＡＰ層と、
前記ＥＡＰ層の一面上に形成される第１金属層と、
前記ＥＡＰ層の他面上に形成される第２金属層と、を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
【請求項６】
前記ＥＡＰ層は、
ナフィオン、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンから選択された少なくとも一つの高分子電解質を含むことを特徴とする、請求項５に記載のバッテリーパック。
【請求項７】
前記第１金属層及び前記第２金属層は、
白金、銀及び銅を含む群から選択されたいずれか一つの金属を含むことを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載のバッテリーパック。
【請求項８】
前記第１金属層が、前記バッテリーモジュールの負極と電気的に接続し、
前記第２金属層が、前記バッテリーモジュールの正極と電気的に接続することを特徴とする、請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
【請求項９】
前記電流遮断部材が前記スイッチの上部に位置し、
前記第１金属層が前記スイッチと対向することを特徴とする、請求項５から請求項８のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
【請求項１０】
前記バッテリーパックは、
前記スイッチと前記第１金属層とを連結する非導電性の連結ロッドをさらに含むことを特徴とする、請求項５から請求項９のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
【請求項１１】
前記連結ロッドは、
前記スイッチ及び前記第１金属層と各々ヒンジ結合することを特徴とする、請求項１０に記載のバッテリーパック。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過充電防止が可能な構造を有するバッテリーパック及びこれを含む自動車に関し、より詳しくは、両面の間に印加される電位差によってその形態が変形されて、相互に電気的に接続したバッテリーモジュール間の電流を遮断することができる電流遮断部材を備えるバッテリーパック及びこれを含む自動車に関する。
【０００２】
本出願は、２０１８年１１月１２日出願の韓国特許出願第１０−２０１８−０１３８４５１号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
現在、二次電池に使用されるヒューズ装置としては、ＰＴＣサーミスタ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）、ＴＣＯ（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｕｔ−ｏｕｔ）、サーマルヒューズ（ｔｈｅｒｍａｌ  ｆｕｓｅ）などが挙げられる。しかし、サーマルヒューズの場合、使い捨てという短所があり、ＰＴＣやＴＣＯは反復的な使用が可能ではあるが、動作を繰り返すほど自体抵抗が増加し、回路上の全体的な抵抗を高めるようになるという短所がある。
【０００４】
また、前述した素子は全て、過電流による発熱によって作動する。即ち、前述した素子は、過充電などによって回路電流経路上に過電流が発生し、これによって温度が上昇すればこそ電流の流れを遮断するように動作する素子である。
【０００５】
したがって、前述した素子の場合、発熱によって既に安全が脅かされる状況になった後に初めて動作することで過電流を遮断するようになり、温度を上昇させる原因が発生してすぐ過電流を遮断することはできない。
【０００６】
また、前述した素子の場合、単に温度によって動作するようになるため、自動車に用いられるバッテリーパックのように高出力の二次電池には使用しにくい面がある。即ち、自動車用バッテリーパックの場合、高いＣ−ｒａｔｅを要し、これによって発熱量も多くなるしかなく、ＰＴＣサーミスタ、ＴＣＯ、サーマルヒューズのような素子は、このような高温環境に置かれる場合、あまり速く作動してしまうという問題点がある。
【０００７】
そこで、再使用が可能でありながらも、高い電流が流れる環境においても利用可能であり、温度が上昇する前にそのような温度上昇の原因になり得るイベントが発生すれば、予め電流を遮断することができる装置が適用された二次電池が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーパックの過充電などによる発熱によってバッテリーパックの温度が上昇する前、予め電流を遮断できる電流遮断部材が設けられた構造を有するバッテリーパックを提供することを目的とする。
【０００９】
なお、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、下記する発明の説明から当業者にとって明確に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を達成するための本発明の一実施例によるバッテリーパックは、第１バッテリーモジュール及び第２バッテリーモジュールを含むバッテリーモジュール集合体と、前記第１バッテリーモジュールの第１電極と接続する第１コネクターと、前記第２バッテリーモジュールの第２電極と接続し、前記第１コネクターと離隔して配置される第２コネクターと、前記第１コネクターと第２コネクターとを連結するスイッチと、前記スイッチの長手方向の一側に接続し、前記バッテリーモジュールの両端の間に形成される電位差が基準値以上になる場合、反り変形を起こして前記スイッチをオフにする電流遮断部材と、を含む。
【００１１】
前記バッテリーモジュールは、相互に電気的に接続した複数のバッテリーセルを含み得る。
【００１２】
前記スイッチの長手方向の一側は、前記第１コネクターと接触し、前記電流遮断部材の反り変形によって前記第１コネクターとの接触状態が解除可能に自由端として形成され、前記スイッチの長手方向の他側は、前記第２コネクターと固定される固定端として形成され得る。
【００１３】
前記電流遮断部材の長手方向の一側は、前記反り変形によって位置が変更される自由端であり、前記電流遮断部材の他側は、前記バッテリーモジュールまたは地面に直接または間接的に固定される固定端であり得る。
【００１４】
前記電流遮断部材は、ＥＡＰ層と、前記ＥＡＰ層の一面上に形成される第１金属層と、前記ＥＡＰ層の他面上に形成される第２金属層と、を含み得る。
【００１５】
前記ＥＡＰ層は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｏｌｅ）、ポリアニリン（ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ）及びポリチオフェン（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）から選択された少なくとも一つの高分子電解質を含み得る。
【００１６】
前記第１金属層及び第２金属層は、白金、銀及び銅を含む群から選択されたいずれか一つの金属を含み得る。
【００１７】
前記第１金属層は、前記バッテリーモジュールの負極と電気的に接続し、前記第２金属層は、前記バッテリーモジュールの正極と電気的に接続し得る。
【００１８】
前記電流遮断部材が前記スイッチの上部に位置し、前記第１金属層が前記スイッチと対向し得る。
【００１９】
前記バッテリーパックは、前記スイッチと前記第１金属層とを連結する非導電性の連結ロッドをさらに含み得る。
【００２０】
前記連結ロッドは、前記スイッチ及び第１金属層と各々ヒンジ結合し得る。
【００２１】
なお、上記の課題を達成するための本発明の一実施例による自動車は、前述したようなバッテリーパックを含む。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一態様によれば、バッテリーパックの使用において、バッテリーパックの過充電などによるバッテリーパックの過熱及び／または爆発などのイベントが発生する前、このようなイベントの発生原因になる基準値以上の電位差を予め感知して電流を遮断することができ、これによってバッテリーパックの使用上の安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例によるバッテリーパックを示す図である。
【図２】図１に示したバッテリーパックを構成する個個のバッテリーモジュールを示す図である。
【図３】図２に示したバッテリーモジュールを構成する個々のバッテリーセルを示す図である。
【図４】図１に示したバッテリーパックに適用される電流遮断部材を示す図である。
【図５】図４に示した電流遮断部材の第１金属層と第２金属層との間に基準値以上の電位差が形成された場合において、電流遮断部材が形態変形を起こす様子を示す図である。
【図６】図１に示した電流遮断部材とコネックティングプレートとの連結構造の変形例を示す図である。
【図７】本発明の一実施例による自動車を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
【００２５】
先ず、図１〜図５を参照し、本発明の一実施例によるバッテリーパックの全体的な構成を説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施例によるバッテリーパックを示す図であり、図２は、図１に示したバッテリーパックを構成する個々のバッテリーモジュールを示す図であり、図３は、図２に示したバッテリーモジュールを構成する個々のバッテリーセルを示す図である。また、図４は、図１に示したバッテリーパックに適用される電流遮断部材を示す図であり、図５は、図４に示した電流遮断部材の第１金属層と第２金属層との間に基準値以上の電位差が形成された場合において、電流遮断部材が形態変形を起こす様子を示す図である。
【００２７】
先ず、図１を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーパックは、複数のバッテリーモジュール１００、第１コネクター２００、第２コネクター３００、スイッチ４００、電流遮断部材５００及び連結ロッド６００を含む形態で具現される。
【００２８】
図１及び図２を共に参照すれば、前記複数のバッテリーモジュール１００は、相互に電気的に接続した一つのバッテリーモジュール集合体をなす。前記バッテリーモジュール１００は相互に、直列、並列または直列と並列とが混合した形態で接続した複数のバッテリーセル１０を含み得る。また、このようなバッテリーセル１０が電気的に接続して形成されたセル積層体は、バッテリーモジュール１００の外部に形成された第１電極端子１１０及び第２電極端子１２０と電気的に接続し得る。
【００２９】
本発明の図面では、前記第１電極端子１１０が負極端子であり、第２電極端子１２０が正極端子である場合を例で挙げて示したが、これに限定されず、第１電極端子１１０が正極端子であり、第２電極端子１２０が負極端子であってもよい。
【００３０】
図３を参照すれば、前記バッテリーパックを構成する各々のバッテリーセル１０として、例えば、パウチタイプのバッテリーセルを適用し得る。図３を参照すれば、このようなパウチタイプのバッテリーセル１０は、電極組立体（図示せず）、電極リード１１、セルケース１２及びシーリングテープ１３を含む形態で具現され得る。
【００３１】
図示していないが、前記電極組立体は、交互に繰り返して積層された正極板と負極板との間にセパレータを挟んだ形態を有し、両側の最外郭には絶縁のためにセパレータが各々位置することが望ましい。
【００３２】
前記負極板は、負極集電体及びその片面または両面上にコーティングされる負極活物質層からなり、一側端部には負極活物質がコーティングされていない負極非コーティング部が形成され、このような負極非コーティング部は負極タブとして機能する。
【００３３】
前記正極板は、正極集電体及びその片面または両面上にコーティングされる正極活物質層からなり、一側端部には正極活物質がコーティングされていない正極非コーティング部が形成され、このような正極非コーティング部は正極タブとして機能する。
【００３４】
また、前記セパレーターは、負極板と正極板との間に挟まれ、相異なる極性を有する電極板同士が直接接触することを防止し、負極板と正極板との間で電解質を介してイオンの移動を可能にするために多孔性材質からなり得る。
【００３５】
前記電極リード１１は、電極タブと接続してセルケース１２の外側へ引き出される。相互に隣接したバッテリーセル１０は、電極リード１１を介して、直列、並列または直列と並列とが混合した形態で電気的に接続して一つのセル積層体を成し得る。
【００３６】
前記セルケース１２は、電極組立体を収容する収容部１２ａと、収容部１２ａの周り方向へ延び、電極リード１１が引き出された状態で熱溶着されてセルケース１２を密封するシーリング部１２ｂとの二つの領域を含む。
【００３７】
図示していないが、前記セルケース１２は、樹脂層／金属層／樹脂層の順に積層された多層のパウチフィルムからなる上部ケース及び下部ケースの各々の周縁部が当接して熱溶着されることで密封される。
【００３８】
前記シーリングテープ１３は、電極リード１１の周りに付着され、セルケース１２のシーリング部１２ｂと電極リード１１との間に介在される。前記シーリングテープ１３は、セルケース１２のシーリング部１２ｂにおいて電極リード１１が引き出される領域でセルケース１２の内側面と電極リード１１との低い接着力によってセルケース１２の密封性が低下することを防止するための部品である。
【００３９】
図１をさらに参照すれば、前記第１コネクター２００及び第２コネクター３００は、導電性材質の金属プレート形態を有し得る。前記第１コネクター２００は、相互に隣接する一対のバッテリーモジュール１００の一側に位置する第１バッテリーモジュール１００の第２電極端子１２０に締結される。また、前記第２コネクター３００は、相互に隣接する一対のバッテリーモジュール１００のうち他側に位置する第２バッテリーモジュール１００の第１電極端子１１０に締結される。このような第１コネクター２００及び第２コネクター３００は、相互に所定の距離で離隔して配置される。
【００４０】
前記スイッチ４００は、相互に離隔して配置された一対のコネクター２００、３００の間を連結する。具体的に、前記スイッチ４００は、第１コネクター２００及び第２コネクター３００各々の上面の間を連結するように設けられ得る。
【００４１】
前記スイッチ４００の長手方向の一側は、第１コネクター２００と接触し、電流遮断部材５００の反り変形時に共に動くことで第１コネクター２００との接触状態が解除可能に自由端として形成される。これとは異なり、前記スイッチ４００の長手方向の他側は、第２コネクター３００に溶接などによって固定される固定端として形成される。
【００４２】
前記電流遮断部材５００は、両面にかかる電圧が基準値以上になる場合、反り変形を起こし、連結ロッド６００によってスイッチ４００と連結されて反り変形時にスイッチ４００を動かしてオフ動作を行うようにする。
【００４３】
このような機能の遂行のために、前記電流遮断部材５００は、スイッチ４００の上部に配置され得る。また、前記電流遮断部材５００の長手方向の一側は、反り変形によってその位置が変更される自由端として形成され得、長手方向の他側は、バッテリーモジュール１００または地面に直接または間接的に固定される固定端として形成され得る。
【００４４】
前記電流遮断部材５００の反り変形によってスイッチ４００がオフ動作を行うようにするのために、連結ロッド６００は、電流遮断部材５００の自由端とスイッチ４００の自由端とを連結する。
【００４５】
前記連結ロッド６００は、例えば、プラスチック材質からなり、その両端が各々電流遮断部材５００の下面及びスイッチ４００の上面に接着され得る。
【００４６】
一方、図４及び図５を参照すれば、両面の間に形成される電位差による形態変形によって過電流を遮断可能にするために、前記電流遮断部材５００は、ＥＡＰ層（Ｅｌｅｃｔｒｏ  ａｃｔｉｖｅ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｌａｙｅｒ）５１０、ＥＡＰ層５１０の一面上に形成される第１金属層５２０及びＥＡＰ層５１０の他面上に形成される第２金属層５３０を含む形態で具現される。
【００４７】
前記ＥＡＰ層５１０、即ち、電気活性ポリマー層は、イオン伝達特性に優れた高分子電解質からなる層となり、例えば、ナフィオン、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンより選択された少なくとも一つの高分子電解質を含み得る。
【００４８】
前記第１金属層５２０及び第２金属層５３０は、ＥＡＰ層５１０の両面上に各々形成され、電気導電性に優れた金属からなり得る。前記金属層５２０、５３０は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）より選択された少なくとも一つの金属を含み得る。
【００４９】
前記電流遮断部材５００は、ＥＡＰ層５１０の両面上に形成された金属層５２０、５３０によって基準値以上の電圧が印加されると、形態変形を起こす。
【００５０】
即ち、前記第１金属層５２０は、バッテリーモジュール１００の負極と電気的に接続し、第２金属層５３０は、バッテリーモジュール１００の正極と電気的に接続して一対の金属層５２０、５３０の間にバッテリーモジュール１００の電圧だけの電位差が形成されるのである。
【００５１】
過充電などのイシューによってこのように一対の金属層５２０、５３０の間に形成された電位差がバッテリーモジュール１００の仕様を考慮した安全範囲から外れる大きい数値に至るようになると、ＥＡＰ層５１０をなす高分子電解質の内部に存在する移動性陽イオン（ｃａｔｉｏｎ）が水に水和した状態で負に荷電された第１金属層５２０の方向へ移動するようになる。この場合、前記第１金属層５２０と第２金属層５３０との間のイオン濃度の不均衡で浸透圧が惹起され、負に荷電された第１金属層５２０側の水分子の量が増加するようになり、これによって電流遮断部材５００に第２金属層５３０に向かう方向へ反り変形が発生するようになる。
【００５２】
前記電流遮断部材５００のこのような形態変形及びそれによるスイッチ４００の動作のために、第１金属層５２０はスイッチ４００と対向し、バッテリーモジュール１００の負極と接続し、第２金属層５３０はこれとは逆にバッテリーモジュール１００の正極と接続する。
【００５３】
また、前記連結ロッド６００の両端は各々、第１金属層５２０及びスイッチ４００に固定され、非導電性材質からなる。これは、前記連結ロッド６００が導電性を有すると、第１金属層５２０がバッテリーモジュール１００の正極及び負極と共に接続して電流遮断部材５００が反り変形を起こすことができなくなるためである。
【００５４】
一方、前記電流遮断部材５００の形態変形を起こす電圧の大きさは、電流遮断部材５００に適用されるＥＡＰ層５１０を構成する高分子電解質の種類によって変わる。
【００５５】
即ち、本明細書で言及する電圧の基準値は、適用される高分子電解質の種類によって変わり得、これによって電流遮断部材５００が適用されるバッテリーパックを構成する各々のバッテリーモジュール１００が有する安全電圧範囲によって適切な高分子電解質を選択することでバッテリーパックの過充電などのイベントの発生時に迅速な電流遮断を可能にすることができるのである。
【００５６】
次は、図６を参照して、図１に示した電流遮断部材とスイッチとの連結構造の変形例を説明する。
【００５７】
図６は、図１に示した電流遮断部材とコネックティングプレートとの連結構造の変形例を示す図である。
【００５８】
図６を参照すれば、前記連結ロッド６００の両端は各々、スイッチ４００の上面及び第１金属層５２０にヒンジ結合し得る。このように、前記連結ロッド６００がスイッチ４００及び電流遮断部材５００とヒンジ結合する場合、スイッチ４００、電流遮断部材５００及び連結ロッド６００の相互間の相対的な回動が可能になる。したがって、前記電流遮断部材５００の反り変形によって電流遮断部材５００の自由端が上方へ移動するとき、連結ロッド６００の反りなどの形態変形なく、スイッチ４００の自由端も上方へ円滑に動くようになる。
【００５９】
前述したように、本発明によるバッテリーパックは、相互に隣接したバッテリーモジュール１００同士を電気的に接続するスイッチ４００のオン／オフ動作を、バッテリーモジュール１００の電圧によって反り変形を起こす電流遮断部材５００を用いて行うように構成されることで、バッテリーパックの使用上の安全性を確保することができる。
【００６０】
一方、本発明の図７に示した本発明の一実施例による自動車は、上述したのような本発明によるバッテリーパックを含む形態で具現される。
【００６１】
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６２】
１０  バッテリーセル
１１  電極リード
１２  セルケース
１２ａ  収容部
１２ｂ  シーリング部
１３  シーリングテープ
１００  バッテリーモジュール、第１バッテリーモジュール、第２バッテリーモジュール
１１０  第１電極端子
１２０  第２電極端子
２００  第１コネクター
３００  第２コネクター
４００  スイッチ
５００  電流遮断部材
５１０  ＥＡＰ層
５２０  第１金属層
５３０  第２金属層
６００  連結ロッド
【図１】
2021524140.tif 000003
【図２】
2021524140.tif 000004
【図３】
2021524140.tif 000005
【図４】
2021524140.tif 000006
【図５】
2021524140.tif 000007
【図６】
2021524140.tif 000008
【図７】
2021524140.tif 000009
【国際調査報告】
2021524140.tif 000010
2021524140.tif 000011
2021524140.tif 000012
2021524140.tif 000013