JP2014519153A - バッテリーパック及びそれに適用されるコネクティングバー - Google Patents

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Abstract

本発明は、短絡時の安全性が向上したバッテリーパックに関する。本発明によるバッテリーパックは、少なくとも１つの単位セル、前記単位セルを収容するケース、及び前記単位セルと電気的に連結されるバスバーを含む複数のバッテリーモジュール；及び前記複数のバッテリーモジュールのうち相互隣接するバッテリーモジュールの間を連結するコネクティングバーを含み、前記コネクティングバーのうち少なくとも１つは、第１金属プレート；前記第１金属プレートと離隔して位置する第２金属プレート；及び前記第１金属プレートと第２金属プレートとの間を連結し、前記金属プレートより低い融点を有する金属ブリッジを含むことを特徴とする。本発明によれば、バッテリーパックに過電流が流れれば、容易に破断されるコネクティングバーを適用することで、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。

Description

本発明は、短絡時の安全性が向上したバッテリーパック及びそこに適用されるコネクティングバー（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｂａｒ）に関し、より詳しくは、短絡による電池内部の温度上昇で起り得る爆発及び／または発火を予防できるように構造が改善されたバッテリーパック及びそれに適用されるコネクティングバーに関する。
本出願は、２０１２年０１月０３日出願の韓国特許出願第１０−２０１２−００００７０９号及び２０１３年０１月０３日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−００００４７０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、すべて本出願に援用される。
ビデオカメラ、携帯電話、ノートパソコンなどの携帯用電気製品の使用が活発になるにつれて、その駆動電源として主に使用される二次電池に対する重要性が増している。
通常充電不能な一次電池とは違って、充放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ、携帯電話、ラップトップパソコン、パワーツール、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車、大容量電力貯蔵装置など先端分野の開発に伴って活発に研究が行われている。
特に、リチウム二次電池は従来の鉛蓄電池、ニッケル‐カドミウム電池、ニッケル‐水素電池、ニッケル‐亜鉛電池など他の二次電池に比べ、単位重量当りエネルギー密度が高く、急速充電が可能であるため、使用が急激に増加している。
リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上であって、携帯用電子機器の電源として使用されるか、又は、多数の電池を直列または並列で連結して高出力を要する電気自動車、ハイブリッド自動車、パワーツール、電気自転車、電力貯蔵装置、ＵＰＳなどに使用される。
リチウム二次電池は、ニッケル‐カドミウム電池やニッケル‐水素化金属電池に比べて作動電圧が３倍も高く、単位重量当りエネルギー密度の特性に優れるため、その使用が急激に増加している。
リチウム二次電池は、電解質の種類によって、液体電解質を使用するリチウムイオン電池と、高分子固体電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池とに分けられる。また、リチウムイオンポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって、電解液が全く含まれていない完全固体型リチウムイオンポリマー電池と、電解液を含んでいるゲル型高分子電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池とに分けられる。
液体電解質を使用するリチウムイオン電池の場合、殆どが円筒型や角型の金属缶を容器にして溶接封止した形態で使用される。このように金属缶を容器として使用する缶型二次電池はその形態が固定されるので、それを電源として使用する電気製品のデザインが制約されるという短所があって、体積を減らし難い。したがって、電極組立体と電解質をフィルムで製造したパウチ包装材に入れて封止したパウチ型二次電池が開発され使用されている。
しかし、リチウム二次電池が過熱される場合は爆発の危険性があるため、安全性確保が重要な課題の１つである。リチウム二次電池の過熱は様々な原因で生じるが、その１つとしてリチウム二次電池を通じて限界以上の過電流が流れる場合が挙げられる。過電流が流れれば、リチウム二次電池がジュール熱（Ｊｏｕｌｅ’ｓ Ｈｅａｔ）によって発熱するため、電池の内部温度が急速に上昇する。また、急速な温度上昇は電解液の分解反応を引き起こして熱暴走現象（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎｎｉｎｇ）を起こし、結局は電池の爆発にまでつながる。過電流は、尖った金属物体がリチウム二次電池を貫通するか、正極と負極との間に介在したセパレータの収縮により、正極と負極との間の絶縁が破壊されるか、又は、外部に連結された充電回路や負荷の異常によって突入電流（ｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）が電池に印加される場合などに発生する。
したがって、過電流発生のような異常状況から電池を保護するため、リチウム二次電池は保護回路と結合されて使用される。一般に、前記保護回路には、過電流が発生したとき、充電または放電電流が流れる線路を非可逆的に断線させるヒューズ素子が含まれる。
図１は、リチウム二次電池を含むバッテリーパックと結合される保護回路の構成のうち、ヒューズ素子の配置構造と動作メカニズムを説明するための回路図である。
図面に示されたように、保護回路は、過電流が発生したときバッテリーパックを保護するため、ヒューズ素子１、過電流センシングのためのセンス抵抗２、過電流発生をモニタリングして、過電流が発生したとき、ヒューズ素子１を動作させるマイクロコントローラ３、及び前記ヒューズ素子１に動作電流の流入をスイッチングするスイッチ４を含む。
ヒューズ素子１はバッテリーパックの最外側端子に連結されたメイン線路に設けられる。メイン線路は充電電流または放電電流が流れる配線を言う。図面には、ヒューズ素子１が高電位線路Ｐａｃｋ＋に設けられていることが示されている。
ヒューズ素子１は３端子素子部品であって、２つの端子は充電または放電電流が流れるメイン線路に、１つの端子はスイッチ４と接続される。また、内部にはメイン線路と直列連結されて特定温度で溶断するヒューズ１ａと、前記ヒューズ１ａに熱を印加する抵抗１ｂが含まれている。
前記マイクロコントローラ３は、センス抵抗２の両端の電圧を周期的に検出して過電流の発生如何をモニタリングし、過電流が発生したと判断されれば、スイッチ４をターンオンさせる。すると、メイン線路に流れる電流がヒューズ素子１側に迂回して抵抗１ｂに印加される。それにより、抵抗１ｂで発生したジュール熱がヒューズ１ａに伝導され、ヒューズ１ａの温度を上昇させ、ヒューズ１ａの温度が溶断温度まで上昇すれば、ヒューズ１ａが溶断されることで、メイン線路が非可逆的に断線される。メイン線路が断線されれば、過電流がそれ以上流れなくなるので、過電流に起因する問題を解消することができる。
しかし、上記のような従来技術は様々な問題点を抱えている。すなわち、マイクロコントローラ３が故障すれば、過電流が発生した状況でもスイッチ４がターンオンされない。すると、ヒューズ素子１の抵抗１ｂに電流が流れないため、ヒューズ素子１が動作しないという問題がある。また、保護回路内にヒューズ素子１を配置するための空間を別に必要とし、ヒューズ素子１の動作制御のためのプログラムアルゴリズムがマイクロコントローラ３に必ず内蔵されなければならない。したがって、保護回路の空間効率性が低下し、マイクロコントローラ３の負荷が増加するという短所がある。
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使用中、異常現象の発生により温度が上昇する場合、バッテリーモジュールの間を電気的に連結するコネクティングバーが容易に破断されるようにすることで使用上の安全性を確保できるバッテリーパック及びそれに適用されるコネクティングバーを提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリーパックは、少なくとも１つの単位セル、前記単位セルを収容するケース、及び前記単位セルと電気的に連結されるバスバーを含む複数のバッテリーモジュール；及び前記複数のバッテリーモジュールのうち相互隣接するバッテリーモジュールの間を連結するコネクティングバーを含み、前記コネクティングバーのうち少なくとも１つは、第１金属プレート；前記第１金属プレートと離隔して位置する第２金属プレート；及び前記第１金属プレートと第２金属プレートとの間を連結し、前記金属プレートより低い融点を有する金属ブリッジを含むことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、前記コネクティングバーは相互隣接するバッテリーモジュールそれぞれのバスバーの間を連結することができる。
望ましくは、前記バッテリーパックは前記ケースの一側に設けられる外部端子をさらに含み、前記バスバーは前記単位セルと前記外部端子との間を連結することができる。
本発明の他の態様によれば、前記コネクティングバーは隣接するバッテリーモジュールそれぞれの外部端子の間を連結することができる。
望ましくは、相互隣接するバッテリーモジュールの間は直列または並列で連結され得る。
望ましくは、前記金属ブリッジはスズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分として含む鉛フリー合金であり得る。
前記スズの含量は８０ないし９８ｗｔ％であり、前記銅の含量は２ないし２０ｗｔ％であることが望ましい。
望ましくは、前記金属ブリッジは、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）及び銀（Ａｇ）のうち選択された少なくとも１つ以上の追加金属をさらに含むことができる。
前記追加金属の含量は０．０１ないし１０ｗｔ％であることが望ましい。
前記金属ブリッジは、１５０ないし３００℃の融点を有することが望ましい。
本発明のさらに他の態様によれば、前記第１金属プレートと前記第２金属プレートは一定間隔を置いて同一平面上に位置することができる。
望ましくは、前記金属ブリッジは、前記第１金属プレート及び第２金属プレートの片面または両面上で前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することができる。
望ましくは、前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向するそれぞれの一端部の上面または下面の少なくとも一面に形成された収容段差を備え、前記金属ブリッジは前記段差と対応する大きさ及び形状を有し、前記段差の結合によって形成される空間に収容されて前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することができる。
望ましくは、前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向するそれぞれの一端部に形成された第１折曲部及び第２折曲部を備え、前記金属ブリッジは前記第１折曲部及び第２折曲部の結合によって形成される空間に収容されて前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することができる。
望ましくは、前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向する表面から一定深さで形成された収容溝を備え、前記金属ブリッジは一側及び他側面がそれぞれ前記収容溝に挿入されて金属プレートと接合することができる。
本発明のさらに他の態様によれば、前記金属ブリッジは前記第１金属プレートと第２金属プレートとが相互対向している表面の間に直接介在して前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することができる。
前記対向表面は、前記金属半田ブリッジ方向にテーパーされた（Ｔａｐｅｒｅｄ）斜面状であり得る。
本発明のさらに他の態様によれば、前記第１金属プレート及び第２金属プレートそれぞれの一側は、少なくとも一部が重なって相互対面するように位置し、前記金属ブリッジは前記対面する領域内に介在して前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することができる。
本発明のさらに他の態様によれば、前記第１金属プレート及び第２金属プレートそれぞれの一側は、少なくとも一部が重なって相互対面するように位置し、前記金属ブリッジは前記対面する領域のエッジのうち対辺の一側及び他側に形成され得る。
本発明のさらに他の態様によれば、前記第１金属プレート及び第２金属プレートそれぞれの一側は、少なくとも一部が重なって相互対面するように位置し、前記金属ブリッジは前記対面する領域のエッジ全体に形成され得る。
本発明のさらに他の態様によれば、前記バッテリーパックは、前記第１金属プレートと前記金属ブリッジとの間及び前記第２金属プレートと前記金属ブリッジとの間を固定するリベットをさらに含むことができる。
本発明のさらに他の態様によれば、前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向する一側が終端に向かって細くなるテーパー状であり得る。
上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリーパックは、少なくとも１つの単位セル、前記単位セルを収容するケース、及び前記単位セルと電気的に連結されるバスバーを含む複数のバッテリーモジュール；及び前記複数のバッテリーモジュールのうち相互隣接するバッテリーモジュールの間を連結し、１５０ないし３００℃の融点を有するコネクティングバーを含むことができる。
前記コネクティングバーは、前記スズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分として含む鉛フリー合金材質でなり得る。
前記コネクティングバーは、少なくとも一部に形成された切欠を備えることができる。上記の課題を達成するための本発明によるコネクティングバーは、バッテリーパックを構成する複数のバッテリーモジュールのうち相互隣接したバッテリーモジュールの間を連結するコネクティングバーであって、１５０ないし３００℃の融点を有し得る。
望ましくは、前記コネクティングバーはスズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分として含む鉛フリー合金材質でなり得る。
本発明の一態様によれば、保護回路が正常に作動せず、バッテリーパックに過電流が流れる場合、コネクティングバーが迅速に破断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。
本発明の他の態様によれば、金属ブリッジによる局所的な発熱現象が生じる部品が、ケースによって電極組立体から隔離された状態を維持するため、金属ブリッジを破断させる発熱による発火及び／または爆発を防止することで、二次電池の使用上の安全性をさらに確保することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
バッテリーモジュールと結合される保護回路の構成のうち、ヒューズ素子の配置構造と動作メカニズムを説明するための回路図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックの斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するバッテリーモジュールの分解斜視図である。 図３のバッテリーモジュールを構成するバッテリーセル及びバスバーが結合された様子を示した斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するバッテリーモジュールの完成斜視図である。 図１に示されたバッテリーパックの一部に対する正面図である。 図６に示されたバッテリーパックにおいて、コネクティングバーが異なる位置に設けられた様子を示した正面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。
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、本明細書及び請求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。
まず、図２を参照して本発明によるバッテリーパックの概略的な構成を説明する。
図２は、本発明の一実施例によるバッテリーパックの斜視図である。
図２を参照すれば、本発明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１０及びコネクティングバー２０を含む。前記バッテリーパックは、使用用途に合わせて相互直列または並列で連結した複数のバッテリーモジュール１０で構成することができる。本発明の図２では、６つのバッテリーモジュール１０が相互直列で連結された場合が示されている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて適切な個数のバッテリーモジュール１０が相互直列または並列で連結され得ることは自明である。
次いで、図３ないし図５を参照して前記バッテリーパックを構成するそれぞれのバッテリーモジュール１０を説明する。
図３は本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するバッテリーモジュールの分解斜視図であり、図４は図３のバッテリーモジュールを構成するバッテリーセル及びバスバーが結合された様子を示した斜視図であり、図５は本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するバッテリーモジュールの完成斜視図である。
図３ないし図５を参照すれば、前記バッテリーモジュール１０は、それぞれバッテリーセル１００、バスバー２００、ケース３００、外部端子３１１及び電圧センサー３２１を含む。
前記バッテリーセル１００は、少なくとも１つの単位セル１１０Ａ、１１０Ｂ及び単位セル１１０Ａ、１１０Ｂを包むセルカバー１２０で構成される単位モジュール１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄを積層することで形成される。
前記単位セル１１０Ａ、１１０Ｂは、外装材に収容された電極組立体（図示せず）、前記電極組立体の第１、第２電極板の非コーティング部とそれぞれ連結されて外装材の一側及び他側方向にそれぞれ引出される第１電極リード１１１及び第２電極リード１１２を含む。本発明では、前記第１、第２電極板がそれぞれ正極板及び負極板である場合を挙げて説明する。したがって、第１、第２電極リード１１１、１１２はそれぞれ正極リード及び負極リード１１１、１１２である。
前記正極板はアルミニウム（Ａｌ）材質でなり、負極板は銅（Ｃｕ）材質でなることが一般的である。したがって、前記電極板と電極リード１１１、１１２との間の溶接性及び電気抵抗最小化の面で、前記正極リード１１１は正極板と同じアルミニウム（Ａｌ）材質でなり、負極リード１１２は負極板と同じ銅（Ｃｕ）材質またはニッケル（Ｎｉ）がコーティングされた銅（Ｃｕ）材質でなることが望ましい。
前記単位セル１１０Ａ、１１０Ｂ及び単位モジュール１００Ａ〜１００Ｄが複数の場合、単位セル１１０Ａ、１１０Ｂ相互間の連結及び単位モジュール１００Ａ〜１００Ｄ相互間の連結はバッテリーの用途に合わせて直列または並列で連結することができるが、本発明では直列連結の場合を挙げて説明する。すなわち、本発明で前記単位セル１１０Ａ、１１０Ｂ相互間は、１つの単位セル１１０Ａの正極リード１１１と隣接する単位セル１１０Ｂの負極リード１１２とが相互結合することで連結される。この場合、背面部（Ｒ方向）最外側に位置する単位セル１１０Ａの正極リード１１１と前面部（Ｆ方向）最外側に位置する単位セル１１０Ｂの負極リード１１２は、それぞれ後述するバスバー２００と結合される。
一方、前記単位セル１１０Ａ、１１０Ｂ及び単位モジュール１００Ａ〜１００Ｄの個数においても、本発明では単位セル１１０Ａ、１１０Ｂが２つの場合、及び単位モジュール１００Ａ〜１００Ｄが４つ積層された場合のみが示されている。しかし、これは例示に過ぎず、単位セル１１０Ａ、１１０Ｂ及び単位モジュール１００Ａ〜１００Ｄの個数が限定されることはなく、その個数は二次電池の使用用途などに合わせて変更され得ることは自明である。
前記バスバー２００は薄板状の金属でなり、その一側が略「┐」状に折り曲げられて形成されたリード結合部２１０及び他側に形成された端子溝２２０を備える。前記リード結合部２１０は、バッテリーセル１００の背面部（Ｒ）最外郭に位置した単位セル１１０Ａの正極リード１１１及び前面部（Ｆ）最外郭に位置した単位セル１１０Ｂの負極リード１１２に結合される。前記端子溝２２０は外部端子３１１が挿入される空間を提供する。前記外部端子３１１に対して詳しくは後述する。
前記正極リード１１１及び負極リード１１２のそれぞれに取り付けられるバスバー２００は、異なる材質から形成され得る。すなわち、前記正極リード１１１に取り付けられるバスバー２００は正極リード１１１と同じアルミニウム材質でなり、負極リード１１２に取り付けられるバスバー２００は負極リード１１２と同じ銅またはニッケルがコーティングされた銅材質でなることが望ましい。
前記ケース３００はバッテリーセル１００を収容し、下部ケース３１０及び上部ケース３２０を含む。
前記下部ケース３１０は、上向開放構造で形成され、バッテリーセル１００の両側面の一部及び下面を包み、一対のスリット３１０ａを備える。前記スリット３１０ａは、下部ケース３１０の一側面のバスバー２００のリード結合部２１０と対応する位置に形成され、バッテリーセル１００が下部ケース３１０内に挿入されるとき、リード結合部２１０が収容される空間を提供する。したがって、前記バッテリーセル１００とバスバー２００とは、相互間に電気的連結状態を維持しながら、下部ケース３１０の内側と外側にそれぞれ位置するようになる。
一方、前記下部ケース３１０の一側面においてバスバー２００の端子溝２２０と対応する位置には、下部ケース３１０の外側方向に突設された外部端子３１１が備えられる。
前記外部端子３１１は、バスバー２００の端子溝２２０と対応する大きさ及び形状で形成され、バッテリーセル１００が下部ケース３１０に収容されるとき、外部端子３１１がバスバー２００に挿入される空間を提供し、外部機器（図示せず）とバッテリーセル１００とを電気的に連結する役割をする。前記外部端子３１１及びバスバー２００は、接触抵抗の最小化及び結合力向上の面で、同じ材質でなり、相互溶接によって結合されることが望ましい。
前記上部ケース３２０は、下向開放構造で形成され、下部ケース３１０に挿入されたバッテリーセル１００の両側面、すなわち電極リード１１１、１１２が引出される面の一部及び上面を包み、ボルト結合によって下部ケース３１０と結合される。
前記上部ケース３２０は両側面に電圧センサー３２１が挿入されるように形成されたセンサー結合部３２０ａを備える。前記電圧センサー３２１は、電圧センサー結合部３２０ａ内でバッテリーセル１００と電気的に連結されることでバッテリーセル１００の電圧をセンシングする。
以下、図６及び図７を参照して相互隣接するバッテリーモジュール１０の間を連結するコネクティングバー２０を説明する。
図６は図１に示されたバッテリーパックの一部に対する正面図であり、図７は図６に示されたバッテリーパックにおいてコネクティングバーが異なる位置に設けられた様子を示した正面図である。
図６及び図７を参照して前記コネクティングバー２０を説明する際、説明の便宜上、２つの隣接したバッテリーモジュール１０のうち一側及び他側のバッテリーモジュールをそれぞれ第１バッテリーモジュール１０ａと第２バッテリーモジュール１０ｂとに区分して称することにする。さらに、前記第１バッテリーモジュール１０ａのバスバー及び外部端子はそれぞれ第１バスバー２００ａ及び第１外部端子３１１ａと称し、第２バッテリーモジュール１０ｂのバスバー及び外部端子はそれぞれ第２バスバー２００ｂ及び第２外部端子３１１ｂと区分して称することにする。
図６を参照すれば、前記コネクティングバー２０は、第１金属プレート２１、第１金属プレート２１と一定距離離隔した第２金属プレート２２、及び金属プレート２１、２２の間を連結する金属ブリッジ２３を含む。前記コネクティングバー２０は、第１金属プレート２１が第１バスバー２００ａと結合され、第２金属プレート２２が第２バスバー２００ｂと結合されることで、バッテリーモジュール１０ａ、１０ｂの間を電気的に連結する。前記第１金属プレート２１及び第２金属プレート２２はそれぞれ第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂと同じ材質でなり、金属プレート２１、２２とバスバー２００ａ、２００ｂ相互間は溶接によって結合されることが望ましい。これは電気抵抗の最小化及び結合力向上のためである。
一方、図６ではバッテリーモジュール１０ａ、１０ｂの間が直列で連結されているが、本発明はそれに限定されない。すなわち、前記第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとが相互同じ極性を有することで、相互隣接したバッテリーモジュール１０ａ、１０ｂの間は並列で連結される場合にも適用でき、直列及び並列連結が組み合わされる場合にも適用可能であることは自明である。
図７を参照すれば、前記コネクティングバー２０は第１金属プレート２１が第１外部端子３１１ａと結合され、第２金属プレート２２が第２外部端子３１１ｂと結合されることで、バッテリーモジュール１０ａ、１０ｂの間を電気的に連結することもできる。この場合も、図６と同様に、前記第１金属プレート２１及び第２金属プレート２２はそれぞれ第１外部端子３１１ａ及び第２外部端子３１１ｂと同じ材質でなり、相互間は溶接によって結合されることが望ましい。
前記金属ブリッジ２３は溶接によって金属プレート２１、２２の間に連結されるものであって、連結構造の多様な形態については図８ａないし図１３を参照して詳しく後述し、ここではその役割及び性質について説明する。
前記金属ブリッジ２３は、バッテリーパックが過熱された場合に溶融して第１金属プレート２１と第２金属プレート２２との間の電気的連結を解除する役割をする。望ましくは、前記金属ブリッジ２３はスズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分として含み、環境と人体に有害な鉛（Ｐｂ）を含まない鉛フリー合金物質でなり、約１５０ないし３００℃の融点を有する。このような融点の範囲は、リード１１１、１１２及び／または金属プレート２１、２２を構成するアルミニウム、銅またはニッケルがコーティングされた銅のうち選択されたいずれか１つの金属の融点に比べて低いため、過電流を迅速に遮断することができる。
前記金属ブリッジ２３の融点の範囲は、コネクティングバー２０が耐えるべき最大電圧及び最大電流条件、コネクティングバー２０を使用して遮断しようとする過電流のレベル、コネクティングバー２０に求められる電気的物性（抵抗）及び／または機械的物性（引張強度）を考慮して決定した。前記金属ブリッジ２３の融点が１５０℃より低ければ、バッテリーパックの正常作動による電流にもコネクティングバー２０が破断されることがある。また、前記金属ブリッジ２３の融点が３００℃より高ければ、過電流の遮断が効果的に行われないという問題点がある。
前記金属ブリッジ２３に含まれたスズと銅の含量は、金属ブリッジ２３の融点、金属ブリッジ２３やコネクティングバー２０に与えようとする電気的物性及び／または物理的物性に合わせて適切に調節することができる。
前記金属ブリッジ２３の構成成分のうちスズは、金属ブリッジ２３の融点と引張強度特性に影響を及ぼす。前記金属ブリッジ２３が１５０ないし３００℃の融点を有するとともに良好な引張強度特性を有するように、スズの含量を８０ｗｔ％以上、望ましくは８５ないし９８ｗｔ％の範囲で調節する。ここで、ｗｔ％は金属ブリッジ２３を構成する物質の全体重量を基準にした単位であって、以下同様である。
前記金属ブリッジ２３の構成成分のうち銅は、コネクティングバー２０の電気伝導度、融点及び引張強度などに影響を及ぼし、このような銅の機能に鑑みて銅の含量は２ないし２０ｗｔ％の範囲で、望ましくは４ないし１５ｗｔ％範囲で調節する。
上記のようにスズと銅の含量を調節することで、金属ブリッジ２３の良好な引張強度特性が得られるだけでなく、金属ブリッジ２３による抵抗の増加を数％以下に低く抑えることができ、金属ブリッジ２３の融点を１５０ないし３００℃範囲で調節することが可能になる。
選択的に、前記金属ブリッジ２３は電気的物性及び／または機械的物性を向上させるため、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）及び銀（Ａｇ）から選択されたいずれか１つ以上の金属をさらに含むことができる。追加される金属の含量は、金属ブリッジ２３に与えようとする電気的物性及び／または機械的物性に合わせて調節でき、０．０１ないし１０ｗｔ％範囲で調節する。
一方、本発明の図面（図２を参照）には、３つ以上のバッテリーモジュール１０が連結された場合に、全てのコネクティングバーに金属ブリッジ２３が適用されていることが示されているが、本発明はそれに限定されない。すなわち、前記バッテリーパックに金属ブリッジ２３が適用されたコネクティングバー２０が１以上使用されれば、少なくとも一部のバッテリーモジュールを効果的に保護できることは自明である。
上述したように、本発明の一実施例によるバッテリーパックには、金属プレート２１、２２の間を金属ブリッジ２３で連結した二重構造のコネクティングバー２０が適用される。したがって、前記バッテリーパックは、過電流が発生した場合、コネクティングバー２０が迅速に破断されることで、使用上の安全性を確保することができる。
特に、前記バッテリーパックはケースの外側に設けられる部品であるコネクティングバー２０に電流遮断手段を適用することで、リード１１１、１１２のように電極組立体（図示せず）に隣接した部品に適用した場合に比べ、発火及び爆発の危険性を一層低減する効果を有する。すなわち、本発明による二重構造のコネクティングバー２０は、金属電気伝導度が比較的低い金属ブリッジ２３を用いて電気抵抗値を上昇させることで局所的な発熱を誘導するが、このような発熱現象が電極組立体に隣接した部品で生ずる場合は発火及びガス膨張による爆発の危険性が高くなるしかない。
したがって、本発明のように、ケース３００によって電極組立体から隔離された状態を維持するコネクティングバー２０のような部品に電流遮断手段を適用することは、金属ブリッジ２３を破断させる発熱による発火及び／または爆発を防止することで、二次電池の使用上の安全性を確保することができる。
以下、図８ａないし図１３を参照して前記金属プレート２１、２２と金属ブリッジ２３との間の多様な結合形態について説明する。
図８ａないし図１３は、本発明の一実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバーの多様な形態を示した部分斜視図である。
図８ａを参照すれば、前記第１金属プレート２１と第２金属プレート２２が相互一定間隔を置いて同一平面上に位置し、金属ブリッジ２３は金属プレート２１、２２の上面に設けられて金属プレート２１、２２と接合する。図８ａでは、前記金属ブリッジ２３が金属プレート２１、２２の上面に設けられた場合のみを示しているが、下面に設けられることもできる。
さらに、図８ｂに示されたように、前記金属ブリッジ２３が金属プレート２１、２２の上面及び下面の両方に形成されることもでき、この場合、金属プレート２１、２２相互間の結合力を強化する効果を奏する。
図９ａを参照すれば、前記第１金属プレート２１及び第２金属プレート２２は相互一定間隔を置いて同一平面上に位置し、相互対向する一端部の上面に形成された収容段差ＲＧ１を備える。一方、前記金属ブリッジ２３は前記収容段差ＲＧ２と対応する大きさ及び形状を有し、収容段差ＲＧ１の結合によって形成される空間に収容されて金属プレート２１、２２と接合する。図９ａでは、前記収容段差ＲＧ１が金属プレート２１、２２の上面に形成された場合のみを示しているが、下面に形成されるか又は上面及び下面の両方に形成されることもできる。
図９ｂを参照すれば、前記第１金属プレート２１及び第２金属プレート２２は相互一定間隔を置いて同一平面上に位置し、相互対向するそれぞれの一端部に形成された第１折曲部２１’及び第２折曲部２２’を備える。一方、前記金属ブリッジ２３は第１折曲部２１’及び第２折曲部２２’の結合によって形成される空間に収容されて金属プレート２１、２２と接合する。
図９ｃを参照すれば、前記第１金属プレート２１及び第２金属プレート２２は相互一定間隔を置いて同一平面上に位置し、相互対向する表面から一定深さで形成された収容溝ＲＧ２を備える。一方、前記金属ブリッジ２３は一側面及び他側面が収容溝ＲＧ２に挿入されて金属プレート２１、２２と接合する。
図９ａ、図９ｂ及び図９ｃに示された構造は、図８ａ及び図８ｂに示された構造に比べ、金属プレート２１、２２と金属ブリッジ２３との間の接触面積が広くなることで、金属プレート２１、２２相互間の結合力を強化する効果を奏するだけでなく、接触抵抗を減少する効果も奏することができる。
図１０ａを参照すれば、前記第１金属プレート２１及び第２金属プレート２２は相互一定間隔を置いて同一平面上に位置し、金属ブリッジ２３は金属プレート２１、２２が相互対向している表面の間に直接介在して金属プレート２１、２２と接合する。
図１０ｂに示された構造は、図１０ａに示された構造に比べ、金属プレート２１、２２の相互対向している表面が金属ブリッジ方向にテーパーされた斜面状である点で異なる。この場合、金属プレート２１、２２と金属ブリッジ２３との間の接触面積がより広くなることで、金属プレート２１、２２相互間の結合力を強化する効果を奏するだけでなく、接触抵抗の減少効果も奏する。
図１１ａを参照すれば、前記第１金属プレート２１及び第２金属プレート２２それぞれの一側は少なくとも一部が重なって相互対面するように位置し、金属ブリッジ２３は対面する領域の全体に介在して金属プレート２１、２２と接合する。
図１１ｂ及び図１１ｃに示された構造は、図１１ａに示された構造に比べ、金属プレート２１、２２の間に介在した金属ブリッジ２３の形成面積が異なる。すなわち、前記金属ブリッジ２３は金属プレート２１、２２が相互対面する領域のエッジのうち対辺の一側及び他側のみに形成されている。この場合、前記バッテリーパックに過電流が発生したとき、コネクティングバー２０を迅速に破断することができる。
勿論、示されていないが、対面する領域のエッジ全体に金属ブリッジ２３が形成されることもできる。この場合、図１１ａに示された構造に比べて過電流に対してより迅速な破断効果を期待でき、図１１ｂ及び図１１ｃに示された構造に比べて金属プレート２１、２２の間の結合力により優れるという効果を期待することができる。
図１２に示されたコネクティングバー２０は、図８ａに示されたコネクティングバー２０に比べ、金属プレート２１、２２と金属ブリッジ２３との間にリベット２４がさらに設けられる点で異なる。前記リベット２４は、金属プレート２１、２２と金属ブリッジ２３との間の結合力を高める役割をする。
一方、図１２には、図８ａに示されたコネクティングバー２０にリベット２４がさらに適用された場合のみが示されているが、本発明はこれに限定されず、図８ｂないし９ｃに示された構造にも適用され得ることは自明である。
図１３に示されたコネクティングバー２０は、図８ａに示されたコネクティングバー２０に比べ、金属プレート２１、２２の相互対向する一側が終端に向かって細くなるように形成されたテーパー部Ｎ１、Ｎ２を有するという点で異なる。この場合、図８ａに示されたコネクティングバー２０に比べ、前記テーパー部Ｎ１、Ｎ２における電気抵抗が高くなることで、過電流が発生したとき、より多くの熱が発生するようになり、それによりコネクティングバー２０の迅速な破断が可能になる。
一方、図１３には、図８ａに示されたコネクティングバー２０にテーパー部Ｎ１、Ｎ２がさらに形成された場合のみが示されているが、本発明はこれに限定されず、図８ｂないし図１１ｃに示された構造にもテーパー部Ｎ１、Ｎ２の構造が適用され得ることは自明である。特に、図１３に示されたコネクティングバー２０の構造に、金属プレート２１、２２と金属ブリッジ２３との間の接触面積を広げる構造を組み合わせる場合（図９ａないし図９ｃを参照）、コネクティングバー２０の迅速な破断が可能であるだけでなく、金属プレート２１、２２の間の結合力に優れ、さらに、接触抵抗も低く形成されるという効果を奏する。
以下、図１４ａ及び図１４ｂを参照して本発明の他の実施例によるバッテリーパックを説明する。
図１４ａ及び図１４ｂは、本発明の他の実施例によるバッテリーパックを構成するコネクティングバー３０の多様な形態を示した部分斜視図である。
図１４ａを参照すれば、本発明の他の実施例によるバッテリーパックは、上述した実施例によるバッテリーパックに比べ、コネクティングバー２０のみが異なり、その他の構成要素は同一である。したがって、以下、コネクティングバー３０について重点的に説明し、上述した実施例と重複する説明は省略する。
前記コネクティングバー３０は、上述した実施例のコネクティングバー２０を構成する金属ブリッジ２３と同じ組成を有する合金プレート３１からなる。すなわち、前記コネクティングバー３０は、上述した実施例のコネクティングバー２０のような二重構造ではなく、単一の構造を有し、その材質は上述した実施例で説明した金属ブリッジ２３と同じである。
この場合、前記バッテリーパックに過電流が流れれば、コネクティングバー３０の中心部だけでなく、バスバー２００または外部端子３１１との結合部位でも容易に破断が起り得るため、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１４ｂを参照すれば、前記コネクティングバー３０は合金プレート３１の少なくとも一部に形成された切欠３２を備える。前記切欠３２は合金プレート３１の幅方向の外側から内側に向って一定深さで形成される。
前記切欠３２が形成された深さ程、合金プレート３１の断面積が低減し、切欠３２が形成された部分の電気抵抗が大きくなる。したがって、前記切欠３２が形成されたコネクティングバー３０は、過電流が流れるとき、容易に破断される効果を奏する。
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、本発明はこれによって限定されるものではなく、本発明が属する技術分野で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。
１０ 複数のバッテリーモジュール
２０ コネクティングバー
２１ 第１金属プレート
２２ 第２金属プレート
２３ 金属ブリッジ２３
１００ バッテリーセル
２００ バスバー
３００ ケース

Claims (27)

  1. 少なくとも１つの単位セル、前記単位セルを収容するケース、及び前記単位セルと電気的に連結されるバスバーを含む複数のバッテリーモジュールと、
    前記複数のバッテリーモジュールのうち相互隣接するバッテリーモジュールの間を連結するコネクティングバーと、を含み、
    前記コネクティングバーのうち少なくとも１つは、
    第１金属プレートと、
    前記第１金属プレートと離隔して位置する第２金属プレートと、
    前記第１金属プレートと第２金属プレートとの間を連結し、前記金属プレートより低い融点を有する金属ブリッジを含むことを特徴とするバッテリーパック。
  2. 前記コネクティングバーが、前記相互隣接するバッテリーモジュールそれぞれのバスバーの間を連結することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  3. 前記ケースの一側に設けられる外部端子をさらに含み、
    前記バスバーは前記単位セルと前記外部端子との間を連結することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  4. 前記コネクティングバーが、前記相互隣接するバッテリーモジュールそれぞれの外部端子の間を連結することを特徴とする請求項３に記載のバッテリーパック。
  5. 前記相互隣接するバッテリーモジュールの間は直列または並列で連結されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  6. 前記金属ブリッジが、スズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分として含む鉛フリー合金であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  7. 前記スズの含量は８０ないし９８ｗｔ％であり、
    前記銅の含量は２ないし２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項６に記載のバッテリーパック。
  8. 前記金属ブリッジが、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）及び銀（Ａｇ）のうち選択された少なくとも１つ以上の追加金属をさらに含むことを特徴とすることを特徴とする請求項７に記載のバッテリーパック。
  9. 前記追加金属の含量が、０．０１ないし１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項８に記載のバッテリーパック。
  10. 前記金属ブリッジが、１５０ないし３００℃の融点を有することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  11. 前記第１金属プレートと前記第２金属プレートは、一定間隔を置いて同一平面上に位置することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  12. 前記金属ブリッジが、前記第１金属プレート及び第２金属プレートの片面または両面上で前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
  13. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向するそれぞれの一端部の上面または下面の少なくとも一面に形成された収容段差を備え、
    前記金属ブリッジは前記段差と対応する大きさ及び形状を有し、前記段差の結合によって形成される空間に収容されて前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
  14. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向するそれぞれの一端部に形成された第１折曲部及び第２折曲部を備え、
    前記金属ブリッジは前記第１折曲部及び第２折曲部の結合によって形成される空間に収容されて前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
  15. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向する表面から一定深さで形成された収容溝を備え、
    前記金属ブリッジは一側面及び他側面がそれぞれ前記収容溝に挿入されて金属プレートと接合することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
  16. 前記金属ブリッジは、前記第１金属プレートと第２金属プレートとが相互対向している表面の間に直接介在して前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
  17. 前記対向表面は、前記金属半田ブリッジ方向にテーパーされた斜面状であることを特徴とする請求項１６に記載のバッテリーパック。
  18. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートそれぞれの一側は、少なくとも一部が重なって相互対面するように位置し、
    前記金属ブリッジは前記対面する領域内に介在して前記第１金属プレート及び第２金属プレートと接合することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  19. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートそれぞれの一側は、少なくとも一部が重なって相互対面するように位置し、
    前記金属ブリッジは前記対面する領域のエッジのうち対辺の一側及び他側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  20. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートそれぞれの一側は、少なくとも一部が重なって相互対面するように位置し、
    前記金属ブリッジは前記対面する領域のエッジ全体に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  21. 前記第１金属プレートと前記金属ブリッジとの間及び前記第２金属プレートと前記金属ブリッジとの間を固定するリベットをさらに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。
  22. 前記第１金属プレート及び第２金属プレートは、相互対向する一側が終端に向かって細くなるテーパー状であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーパック。
  23. 少なくとも１つの単位セル、前記単位セルを収容するケース、及び前記単位セルと電気的に連結されるバスバーを含む複数のバッテリーモジュールと、
    前記複数のバッテリーモジュールのうち相互隣接するバッテリーモジュールの間を連結し、１５０ないし３００℃の融点を有するコネクティングバーと、を含むことを特徴とするバッテリーパック。
  24. 前記コネクティングバーが、スズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分として含む鉛フリー合金材質でなることを特徴とする請求項２３に記載のバッテリーパック。
  25. 前記コネクティングバーが、少なくとも一部に形成されたノッチを備えることを特徴とする請求項２３に記載のバッテリーパック。
  26. バッテリーパックを構成する複数のバッテリーモジュールのうち相互隣接したバッテリーモジュールの間を連結するコネクティングバーであって、
    １５０ないし３００℃の融点を有することを特徴とするコネクティングバー。
  27. スズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）を主成分として含む鉛フリー合金材質でなることを特徴とする請求項２６に記載のコネクティングバー。
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