안전성이 향상된 전지팩 {Battery Pack of Improved Safety}
본 발명은 안전성이 향상된 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 전지모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로 직렬 연결되어 있는 전지팩으로서, 상기 전지팩은 충방전시의 부피 변화에도 전지모듈들의 적층 상태가 유지될 수 있도록 고정되어 있고, 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 직렬로 연결되어 있는 단전(cut-off)부; 하기 회로차단기를 전지팩의 적어도 하나의 외면에 고정시키는 고정 부재; 및 상기 전지모듈의 외면이 기준 부피 값 이상으로 팽창시 통전되도록 구성되어 있고, 상기 전지모듈의 팽창에 의한 통전시 상기 단전부를 단락시키도록 상기 전기적 연결 회로 상에 직렬로 접속되어 있는 회로차단기;를 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 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 단전 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)의 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 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 구성이 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 단전을 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 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 특정한 구조의 회로차단기와 단전부를 전지팩에 포함하도록 구성함으로써, 과충전, 과방전, 과전류 등 전지모듈의 비정상적인 작동 또는 장기간의 충방전에 따른 열화로 전지셀이 팽창하는 경우, 회로차단기가 전지셀의 외면 부피 팽창을 감지하여, 기준 부피 값을 초과할 시 단전부를 단락시켜, 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, 다수의 전지모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로 직렬 연결되어 있는 전지팩으로서, 상기 전지팩은 충방전시의 부피 변화에도 전지모듈들의 적층 상태가 유지될 수 있도록 고정되어 있고, 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 직렬로 연결되어 있는 단전(cut-off)부; 하기 회로차단기를 전지팩의 적어도 하나의 외면에 고정시키는 고정 부재; 및 상기 전지모듈의 외면이 기준 부피 값 이상으로 팽창시 통전되도록 구성되어 있고, 상기 전지모듈의 팽창에 의한 통전시 상기 단전부를 단락시키도록 상기 전기적 연결 회로 상에 직렬로 접속되어 있는 회로차단기; 를 포함하는 구조로 이루어져 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 회로차단기 및 단전부를 포함하고 있으므로, 전원 공급부의 이상 발생시 회로차단기가 전지셀들 또는 전지모듈들의 부피 팽창만을 감지하여 단전부를 단락시켜, 전지팩 내의 전기적 연결을 단전시킴으로써 전지모듈들의 과전류 또는 과전압이 외부 입출력용 단자에 전달되는 것을 방지하여, 전지팩의 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 회로차단기는 별도의 전원을 필요로 하지 않기 때문에 전기적 신호에 의한 오작동 가능성이 전혀 없고 전원 공급 불가로 인한 작동 불능의 가능성이 없으므로 신뢰성이 매우 높다. 본 발명에서, 상기 전지모듈은 하나 이상의 전지셀을 포함할 수 있으며, 상기 전지셀은 바람직하게는 판상형 전지셀로서, 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지일 수 있다. 이러한 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 전지케이스의 외면으로부터 나타날 수 있는 모든 유형의 전지셀에 적용될 수 있음은 물론이다. 상기 전지팩은 전지셀의 부피 변화에도 전지모듈들의 적층 상태가 유지될 수 있도록 전극단자 부위가 고정되어 있는 구조일 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. 한편, 상기 고정부재는 회로차단기가 전지모듈에 접촉될 수 있도록 중앙이 개방된 프레임(frame)으로 이루어져 있고, 상기 전지모듈에 조립 체결되는 구조일 수 있다. 또한, 고정부재에는 회로차단기를 정위치 고정하기 위한 하나 이상의 브라켓이 개방된 중앙을 행해 프레임으로부터 연장되어 있는 것일 수 있다. 상기 회로차단기는 전지셀의 부피 팽창을 용이하게 감지할 수 있는 부위에 위치한다면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 전지모듈의 측면에 대응한 부위에 위치하는 구조일 수 있다. 따라서, 전지셀의 부피 팽창에 의한 팽창 응력이 집중되는 부위인 최외곽 전지모듈의 측면에 회로차단기를 구성함으로써 전지모듈들의 이상 발생을 용이하게 감지하여 전지모듈들의 전기적 연결 회로를 통전시킴으로써 단전부를 단락시킬 수 있다. 또한, 과충전된 전지셀의 부피 팽창을 감지하여 가스 누출, 발화, 폭발 등의 위험 요인이 발생하기 전에 전지팩의 전기적 연결 회로를 차단함으로써 안전성을 확보할 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 회로차단기는, 고정부재에 정위치 고정되어 있고, 상부가 개방된 수납부를 포함하고 있는 전기절연성의 하우징; 전지모듈의 측면에 접촉되어 있고, 전지모듈의 부피 변화에 대응하여 탄력적으로 움직일 수 있도록 상기 수납부에 장착되어 있는 전기절연성의 캡; 상기 캡에 연동되어 결합되어 있는 전기전도성의 통전 연결부재; 및 일측 단부가 상기 수납부에 도입되어 있고 타측 단부가 수납부의 외부로 노출되어 있으며, 상기 일측 단부가 전지모듈의 부피 증가에 의해 통전 연결부재와 접촉되며, 상기 타측 단부가 전지모듈들의 전기적 연결 회로 상에 직렬 연결되어 있는 양극 도전부 및 음극 도전부로 이루어진 도전부재; 를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 회로 차단기는 상기와 같은 물리적 또는 기계적 작동 구조에 의해 BMS가 오작동하더라도 전지팩의 안전성을 확보할 수 있으며, 간단한 소수의 부재만을 추가하여 기구적으로 작동하므로 제조가 용이할 뿐 아니라, 이를 적용하여 다양한 구조로 응용될 수 있다. 전지모듈의 부피 팽창에 의해 전지모듈 전체에 단전을 유도하는 과정에서 통전 연결부재와 도전부재의 접촉 시 스파크(spark)가 발생할 수 있고, 이러한 스파크가 외부로 유출될 경우에 또 다른 위험을 초래할 수 있지만, 상기 전기절연성의 하우징은 이러한 스파크의 외부 유출을 근본적으로 방지한다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 회로차단기는, 상기 하우징에 대한 캡의 탄력적인 장착을 위해, 하나 이상의 가이드 볼트, 상기 가이드 볼트의 도입을 위해 캡과 통전 연결부재에 각각 천공되어 있는 관통구, 상기 통전 연결부재의 하단에 장착되는 하나 이상의 압축 스프링, 및 하우징 수납부의 대향 면에서 상기 가이드 볼트와 결합되는 너트를 포함하는 구조일 수 있다. 따라서, 하우징에 대한 캡의 탄력적인 장착이 가능하고, 전지모듈의 팽창시 통전 연결부재에 대한 접속을 효과적으로 달성할 수 있다. 상기 가이드 볼트와 압축 스프링의 수는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 각 구성 부품들의 안정적인 작동 상태를 제공할 수 있도록, 예를 들어, 둘 이상일 수 있으며, 상기 압축 스프링과 하우징 수납부의 하단면 사이에는 부싱(bushing)이 추가로 장착될 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 캡과 하우징은 전지모듈 방향으로 일측 또는 양측 측면이 상향 테이퍼 구조로 이루어진 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 회로차단기가 장착된 프레임이 전지모듈과 조립 체결될 시, 상기 캡과 전지모듈 간에 간섭이 발생할 수 있다. 이에 대응하여, 캡의 측면에 전지모듈의 상향 테이퍼 구조가 형성되어 있으면, 상기 상향 테이퍼 구조에 의해 캡이 가이드 볼트의 장착 방향인 하우징의 내부로 밀리게 되어, 안정적인 조립 체결이 가능할 수 있다. 상기 수납부를 형성하는 하우징의 측벽에는, 바람직하게는, 통전 연결부재와 도전부재와의 이격 거리를 관찰 또는 측정할 수 있는 슬릿(slit)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 통전 연결부재와 도전부재 사이의 거리는, 전지의 부피 팽창 정도에 따라 회로차단 시점을 결정하는 중요한 변수인 바, 상기 슬릿을 통해 통전 연결부재와 도전부재와의 이격 거리를 측정하고, 상기 너트에 결합되는 가이드 볼트의 결합 거리를 조절하여, 소망하는 길이로 이격 거리를 변경할 수 있다. 결과적으로, 상기 슬릿 구조에 의해, 전지모듈 전체에 단전을 유도해야 하는 시점의 기준이 되는 기준 부피 값을 설정하기가 용이해진다. 예를 들어, 전지셀 부피 팽창이 전지셀의 두께를 기준으로 1.5 내지 5배의 부피 증가를 초래할 때, 회로차단기가 전지셀의 부피 변화를 감지하여 전지팩의 회로를 차단시킬 수 있도록, 통전 연결부재와 도전부재 사이의 거리를 변경할 수 있다. 다만, 이러한 설정 범위는 소망하는 전지팩의 안전성 시험 규격에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 하나의 바람직한 예에서, 일측 최외곽 전지모듈의 양극 단자와 타측 최외곽 단위모듈의 음극 단자는 전도성 와이어에 의해 상기 회로차단기의 양극 도전부와 음극 도전부에 전기적 연결되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조에서, 전지모듈들이 정상 작동 상태일 때, 통전 연결부재와 도전부재는 전기적으로 서로 이격되어 있고, 전지모듈들이 비정상적인 작동 상태에서 부피 팽창될 때, 상기 회로차단기의 캡이 부피 팽창하는 전지모듈에 의해 밀리면서, 캡 하부에 장착된 통전 연결부재의 양 단부가 양극 도전부와 음극 도전부에 접촉되어 고전류가 통전되면서 단전부가 단락될 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 또한 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다. 이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 회로차단기와 단전부를 전지팩에 포함하도록 구성함으로써, 과충전, 과방전, 과전류 등 전지모듈의 비정상적인 작동 또는 장기간의 충방전에 따른 열화로 전지셀이 팽창하는 경우, 회로차단기가 전지셀의 외면 부피 팽창을 감지하여, 기준 부피 값을 초과할 시 단전부를 단락시켜, 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.
도 1은 종래의 전지팩의 회로 구성을 보여주는 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 회로차단기의 사시도이다;
도 6은 도 5의 회로차단기의 분해도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 회로차단기의 측면도이다;
도 8은 도 7의 부분 확대도이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 조립 상태를 나타내는 측면도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 회로도이다;
도 11은 도 10의 전지팩의 일측면을 나타내는 부분 사시도이다;
도 12는 도 10의 회로차단기가 작동하기 전의 모습을 나타내는 평면도이다;
도 13은 도 10의 회로차단기가 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 발명의 하나의 실시예에 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 접힌 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 회로차단기의 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 회로차단기의 분해도가 도시되어 있다. 이들 도면을 도 11 등과 함께 참조하면, 회로차단기(500)는, 고정부재(400)에 정위치 고정되어 있고, 상부가 개방된 수납부(551)를 포함하고 있는 전기절연성의 하우징(550); 전지모듈(301)의 측면(211c)에 접촉되어 있고, 전지모듈(301)의 부피 변화에 대응하여 탄력적으로 움직일 수 있도록 수납부(551)에 장착되어 있는 전기절연성의 캡(520); 캡(520)에 연동되어 결합되어 있는 전기전도성의 통전 연결부재(530); 및 일측 단부가 수납부(551)에 도입되어 있고 타측 단부가 수납부(551)의 외부로 노출되어 있으며, 일측 단부가 전지모듈의 부피 증가에 의해 통전 연결부재(530)와 접촉되며, 상기 타측 단부가 전지모듈들(301, 302)의 전기적 연결 회로 상에 직렬 연결되어 있는 양극 도전부(561) 및 음극 도전부(562)로 이루어진 도전부재(560)를 포함하고 있다. 또한, 회로차단기(500)는 하우징(550)에 대한 캡(520)의 탄력적인 장착을 위해, 2개의 가이드 볼트들(511, 512), 가이드 볼트들(511, 512)의 도입을 위해 캡(520)과 통전 연결부재(530)에 각각 천공되어 있는 관통구들(521, 522, 531, 532), 통전 연결부재(530)의 하단에 장착되는 2개의 압축 스프링들(541, 542), 및 하우징 수납부(551)의 대향 면에서 가이드 볼트들(511, 512)과 결합되는 너트들(581, 582)을 포함하고 있다. 압축 스프링들(541, 542)과 하우징 수납부(551)의 하단면 사이에는 부싱들(571, 572)이 장착되어 있다. 도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 회로차단기의 측면도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7의 부분 확대도가 도시되어 있다. 또한, 도 9에는 전지팩의 조립 상태를 나타내는 측면도가 도시되어 있다. 이들 도면을 참조하면, 회로차단기(500)의 캡(520)과 하우징(550)은 전지모듈 방향으로 양측 측면이 상향 테이퍼 구조(523, 553)로 이루어져 있다. 따라서, 회로차단기(500)가 장착된 프레임(400)이 전지모듈(301)과 조립 체결될 때(601, 602), 캡(520)의 측면에 형성된 상향 테이퍼 구조(523, 553)에 의해 가이드 볼트(511, 512)의 장착 방향인 하우징(550)의 내부(551)로 밀리게 되어, 전지모듈(301) 구성 부품에 무리한 힘이 가해지지 않는다. 또한, 수납부(551)를 형성하는 하우징(550)의 측벽에는, 통전 연결부재(530)와 도전부재(560)와의 이격 거리 'd'를 관찰 또는 측정할 수 있는 슬릿(552)이 형성되어 있다. 따라서, 슬릿(552)을 통해 통전 연결부재(530)와 도전부재(560)의 이격 거리를 측정하고, 가이드 볼트(511, 512)와 결합되는 너트(581, 582)의 죔을 조절하여, 소망하는 길이로 이격 거리를 변경할 수 있다. 전지셀(100a) 부피 팽창이 전지셀(100a)의 두께를 기준으로 예를 들어, 약 3배의 부피 증가를 초래할 때, 회로차단기(500)가 전지셀(100a)의 부피 변화를 감지하여 전지팩의 회로를 차단시킬 수 있도록, 통전 연결부재(530)와 도전부재(560) 사이의 거리 'd'를 변경할 수 있다. 도 11에는 전지팩의 일측면을 나타내는 부분 사시도가 도시되어 있다. 도 11을 참조하면, 회로차단기(500)는 중앙이 개방된 프레임(400)의 중앙을 향해 프레임(401)으로부터 연장된 브라켓(402)에 고정되어 있는 바, 이는 전지모듈(301)의 측면(211c)에 회로차단기(500)가 용이하게 접촉될 수 있도록 해준다. 따라서, 전지셀(100a)의 부피 팽창에 의한 팽창 응력이 집중되는 부위인 최외곽 전지모듈(301)의 측면(211c)에 회로차단기(500)를 구성함으로써 전지모듈들(301, 302)의 이상 발생을 용이하게 감지하여 전지모듈들(301, 302)의 전기적 연결 회로를 통전시킴으로써 단전부(800)를 단락시킬 수 있다. 또한, 과충전된 전지셀의 부피 팽창을 감지하여 가스 누출, 발화, 폭발 등의 위험 요인이 발생하기 전에 전지팩의 전기적 연결 회로를 차단함으로써 안전성을 확보할 수 있다. 도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 회로도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 전지팩(700)은, 전지모듈들(301, 302)의 전기적 연결 회로(801) 상에 직렬로 연결되어 있는 단전부(800); 및 최외곽 전지모듈(301)의 외면에 장착되어 전지셀의 팽창시 통전되도록 구성되어 있고, 전지셀의 팽창에 의한 통전시 단전부(800)를 단전시키도록 전기적 연결 회로(801) 상에 전기적으로 접속되어 있는 회로차단기(500)를 포함하고 있다. 일측 최외곽 전지모듈(301)의 양극 단자(304)와 타측 최외곽 전지모듈(302)의 음극 단자(306)는 와이어에 의해 회로차단기(500)의 양극 도전부(561)와 음극 도전부(562)에 각각 전기적 연결되어 있다. 또한, 전지팩(700)은 전지셀의 부피 변화에도 전지모듈들(301, 302)의 적층 상태가 유지될 수 있도록 전극단자 부위가 고정되어 있고, 회로차단기(500)는 전지셀의 부피 팽창에 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, 회로차단기(500)는 단전 상태로 설정되어 있으므로, 전지모듈들(301, 302)에서 발생한 전류는 양극 도전부(561) 및 음극 도전부(562)로 흐르지 않는다. 따라서, 기타 원인에 의해 전기적 연결 회로(801) 상에 과전류가 흐르지 않는 이상 단전부(800)이 단전되지는 않으며, 전지팩(700)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 부피 팽창 현상이 발생하게 되고, 최외곽 전지모듈(301)로 전지셀들의 팽창력이 전달된다. 이러한 팽창력은 최외곽 전지모듈(301)의 측면에 위치하고 있는 회로차단기(500)로 전달되어 회로차단기(500)의 양극 도전부(561)와 음극 도전부(562)를 통전시킨다. 이러한 통전에 의해 전지팩(700)의 전기적 연결 회로(801)에는 고전류가 흐르게 되고, 이러한 고전류는 단전부(800)를 단전시켜 더 이상 전지팩(700)의 전기적 연결 회로(801)에는 전기가 흐르지 않게 된다. 도 12에는 도 10의 회로차단기가 작동하기 전의 모습을 나타내는 평면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 13에는 도 10의 회로차단기가 작동한 후의 모습을 나타내는 평면도가 모식적으로 도시되어 있다. 이들 도면을 도 10과 함께 참조하여, 전지모듈들(301, 302)의 정상 작동 상태와 비정상적인 작동 상태에서 회로차단기(500)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다. 우선, 전지모듈들(301, 302)이 정상 작동 상태일 때, 도 12에서 보는 바와 같이 통전 연결부재(530)와 도전부재(561, 562)는 전기적 및 기계적으로 서로 이격되어 있다. 이와는 달리, 전지모듈들(301, 302)이 비정상적인 작동 상태에서 부피 팽창될 때, 도 13에서 보는 바와 같이, 통전 연결부재(530)는 부피 팽창하는 전지모듈(301)에 의해 밀리면서, 통전 연결부재(530)의 양 단부가 양극 도전부(561)와 음극 도전부(562)에 접촉되어 고전류가 통전되면서 단전부(800)가 단락된다. 구체적으로, 일측 최외곽 전지모듈(301)의 양극 단자(304)와 타측 최외곽 전지모듈(302)의 음극 단자(306)는 와이어에 의해 회로차단기(500)의 양극 도전부(561) 및 음극 도전부(562)에 각각 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 전지모듈들(301, 302)이 정상 작동 상태일 때, 통전 연결부재(530)와 도전부재(560)의 양극 도전부(561)와 음극 도전부(562)는 전기적으로 이격되어 있다. 그러나, 전지모듈들(301, 302)이 비정상적인 작동 상태에서 부피 팽창되는 경우(도 13의 점선 표시 '301' 참조), 압축 스프링들(541, 542)에 의해, 캡(520)과 통전 연결부재(530)는 부피 팽창하는 최외곽 전지모듈(301)에 의해 외측 방향으로 탄력적으로 밀리면서, 통전 연결부재(530)의 양 단부가 도전부재(560)의 양극 도전부(561) 및 음극 도전부(562)에 각각 접촉되어 양극 도전부(561) 및 음극 도전부(562) 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. |
