KR20190072403A - 안전성이 향상된 배터리 팩 - Google Patents

안전성이 향상된 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하며 관통 형성된 냉각 홀을 구비하는 팩 케이스; 상기 팩 케이스의 외측에 배치되되 상기 냉각 홀에 인접 배치되는 유량 측정기; 및 상기 팩 케이스 내부의 온도 변화에 따라 상기 냉각 홀을 개폐시키는 개폐 유닛; 을 포함한다.

Description

안전성이 향상된 배터리 팩{Battery pack with improved safety}
본 발명은 안전성이 향상된 배터리 팩에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 배터리 팩 내의 온도가 기준치 이상으로 상승하는 경우 이를 감지하여 배터리 팩을 외부와 차단함과 동시에 사용자에게 알람을 통해 이상 상황임을 감지할 수 있도록 구성된 배터리 팩에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치(ESS), UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다. 특히 전기자동차의 경우 배터리를 의자 밑에 설치하여 배터리 셀의 스웰링을 감지하기 어려워 인명사고를 야기할 수 있다.
따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.
도 1은 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 팩과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 팩을 보호하기 위해 퓨즈 소자(1), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(2), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(1)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(3) 및 상기 퓨즈 소자(1)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(4)를 포함한다.
퓨즈 소자(1)는 배터리 팩의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(1)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(1)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(4)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(1a)와, 상기 퓨즈(1a)에 열을 인가하는 저항(1b)이 포함되어 있다.
상기 마이크로 컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(1) 측으로 바이패스되어 저항(1b)에 인가된다. 이에 따라, 저항(1b)에서 발생된 주울열이 퓨즈(1a)에 전도되어 퓨즈(1a)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(1a)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(1a)가 융단 됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(1)의 저항(1b)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(1)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(1)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(1)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로 컨트롤러(3)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로 컨트롤러(3)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀이 갖는 에너지 밀도를 저하시키지 않으면서도 발화 등의 이벤트 발생을 방지하여 이차전지 사용상의 안전성을 크게 향상시킬 수 있도록 구성된 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하며 관통 형성된 냉각 홀을 구비하는 팩 케이스; 상기 팩 케이스의 외측에 배치되되 상기 냉각 홀에 인접 배치되는 유량 측정기; 및 상기 팩 케이스 내부의 온도 변화에 따라 상기 냉각 홀을 개폐시키는 개폐 유닛; 을 포함한다.
상기 유량 측정기는, 상기 팩 케이스의 내측으로부터 외측으로 흐르는 공기의 흐름을 센싱할 수 있다.
상기 유량 측정기는, 상기 공기의 흐름이 차단된 것으로 센싱되는 경우 알람을 발생시킬 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 유량 센서에서 상기 공기의 흐름이 차단된 것으로 센싱되는 경우 알람을 발생시키는 알람 장치를 더 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기 유량 측정기는, 공기의 흐름 유무를 센싱하는 기능만을 하고 알람을 발생시키는 장치는 별도로 구비될 수 있는 것이다.
상기 개폐 유닛은, 상기 냉각 홀에 정합되는 형상 및 사이즈를 갖는 홀 마개; 상기 홀 마개와 연결되는 수직 로드; 및 상기 팩 케이스 내부의 온도가 상승하면 열 팽창에 따른 형태 변형을 일으켜 상기 수직 로드를 하방으로 이동시키고 이로써 상기 홀 마개가 하방으로 이동하도록 하여 상기 냉각 홀이 폐쇄되도록 하는 하나 또는 두 개의 바이메탈; 을 포함할 수 있다.
상기 개폐 유닛은, 상기 온도 상승에 따라 상방으로 볼록하게 휘어지며, 상기 수직 로드가 관통되는 관통 홀을 구비하는 제1 바이메탈; 상기 제1 바이메탈의 하부에 위치하고, 상기 수직 로드와 결합되며, 상기 온도 상승에 따라 하방으로 볼록하게 휘어지는 제2 바이메탈; 및 상기 제1 바이메탈의 상부에 위치하며 상기 제1 바이메탈의 상방으로의 움직임을 제한하는 스토퍼; 를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 개폐 유닛은, 상기 제2 바이메탈의 하부에 위치하여 상기 제2 바이메탈을 상방으로 탄성지지 하는 탄성부재를 더 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 개폐 유닛은, 상기 수직 로드와 결합되며 온도의 상승에 따라 하방으로 볼록하게 휘어지는 하나의 바이메탈을 구비하며, 상기 하나의 바이메탈의 상부에 위치하며 상기 하나의 바이메탈의 상방으로의 움직임을 제한하는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 개폐 유닛은, 상기 냉각 홀에 정합되는 형상 및 사이즈를 갖는 홀 마개; 일측 단부가 상기 홀 마개와 연결되는 수직 로드; 상기 수직 로드와 수직한 방향을 따라 연장되며, 일측 단부가 상기 수직 로드의 타측 단부와 연결되는 수평 로드; 및 상기 팩 케이스 내부의 온도가 상승하면 열 팽창에 따른 형태 변형을 일으켜 상기 수평 로드를 상기 수직 로드로부터 멀어지는 방향으로 이동시키고 이로써 상기 수직 로드에 연결된 홀 마개가 하방으로 이동하도록 하여 상기 냉각 홀이 폐쇄되도록 하는 하나 또는 두 개의 바이메탈; 을 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 개폐 유닛은, 상기 온도 상승에 따라 상기 수직 로드를 향하는 방향으로 볼록하게 휘어지며, 상기 수평 로드가 관통되는 관통 홀을 구비하는 제1 바이메탈; 상기 제1 바이메탈에 인접하여 위치하고, 상기 관통 홀을 관통한 수평 로드의 타측 단부에 고정되는 제2 바이메탈; 및 상기 수직 로드와 제1 바이메탈 사이에 위치하며 상기 제1 바이메탈의 수직 로드 방향으로의 움직임을 제한하는 스토퍼; 를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 개폐 유닛은, 상기 제2 바이메탈을 제1 바이메탈 방향으로 탄성지지 하는 탄성부재를 더 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 개폐 유닛은, 상기 수평 로드의 타측 단부와 결합되며 온도 상승에 따라 상기 수직 로드와 멀어지는 방향으로 볼록하게 휘어지는 하나의 바이메탈을 구비하며, 상기 수직 로드와 상기 하나의 바이메탈 사이에 위치하며 상기 하나의 바이메탈의 수직 로드 방향으로의 움직임을 제한하는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 팩의 발화 등의 이벤트 발생 이 전에 사용자가 이상 징후를 감지할 수 있게 됨으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 팩 내부의 발화 이벤트 발생의 위험도가 증가된 경우에 배터리 팩을 외부와 완전히 차단함으로써 내부로 유입되는 산소의 공급을 차단하고 또한 화염이 외부로 유출되지 않도록 함으로써 안전성을 확보할 수 있게 된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 개폐 유닛에 있어서, 수직 로드가 제1 바이메탈을 관통하는 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 9는 앞선 도면에 나타난 실시예들과는 다른 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어 수직 로드는 바이메탈을 관통할 수도 있고, 관통하지 않을 수도 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구조에 대해서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 개폐 유닛에 있어서, 수직 로드가 제1 바이메탈을 관통하는 형태를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀(10), 배터리 셀(10)을 수용하는 팩 케이스(20), 팩 케이스(20) 내부의 온도 변화에 따라 팩 케이스(20)를 외부와 연통되도록 개방 또는 폐쇄시키는 개폐 유닛(30) 및 팩 케이스(20)로부터 공기가 유출되는지 여부를 센싱 하는 유량 측정기(40)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 배터리 셀(10)은 그 종류를 불문하며, 그 개수 또한 불문한다. 하나의 배터리 셀(10)이 팩 케이스(20) 내에 수용될 수도 있으며, 2 이상의 배터리 셀(10)이 직렬 또는 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 형태로 상호 전기적으로 연결된 상태로 팩 케이스(20) 내에 수용될 수 있다.
또한, 상기 팩 케이스(20) 내에 수용되는 배터리 셀(10)의 개수가 많아질수록 팩 케이스(20) 내의 발열량이 많아지게 되므로, 본 발명에 적용되는 개폐 유닛(30)의 적용의 필요성은 더욱 커지게 되는 것이다.
상기 팩 케이스(20)는, 적어도 하나의 배터리 셀(10)을 수용하되, 배터리 셀(10)을 수용할 수 있는 공간 이 외에도, 후술할 개폐 유닛(30)을 수용할 수 있는 공간을 더 구비한다.
상기 팩 케이스(20)는 관통 형성된 적어도 하나의 냉각 홀(20a)을 구비하며, 이러한 냉각 홀(20a)은 배터리 셀(10)에서 발생된 열로 인해 뜨거워진 공기가 외부로 흘러 나갈 수 있도록 하는 통로로서 기능하며, 이를 통해 배터리 팩의 냉각이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 냉각 홀(20a)은 후술할 개폐 유닛(30)을 구성하는 홀 마개(31)가 냉각 홀(20a)의 내측면 상에 안정적으로 결합될 수 있도록 하기 위해 그 입구가 팩 케이스(20)의 외측에서 내측을 향할수록 좁아지는 형태를 가질 수 있다. 상기 냉각 홀(20a)의 입구 부분이 이와 같이 외측에서 내측을 향할수록 좁아지는 형태를 갖고, 후술할 바와 같이 홀 마개(31)가 이와 정합되는 형상을 갖는 경우, 홀 마개(31)가 냉각 홀(20a)의 내측면에 보다 용이하게 결합될 수 있게 된다.
한편, 상기 냉각 홀(20a)은 복수개 형성될 수도 있으며, 이 경우 냉각 홀(20a)의 형성 개수만큼 개폐 유닛(30)이 구비되어 온도 변화에 따라 모든 냉각 홀(20a)이 개방되거나 또는 폐쇄된다.
상기 개폐 유닛(30)은, 냉각 홀(20a)이 형성된 위치와 대응되는 위치에 설치되어 팩 케이스(20) 내부의 온도 변화에 따라 냉각 홀(20a)을 개폐시킨다. 즉, 상기 개폐 유닛(30)은, 팩 케이스(20) 내부의 온도가 상승하면 냉각 홀(20a)을 폐쇄시키도록 동작하고, 팩 케이스(20) 내부의 온도가 하강하면 냉각 홀(20a)을 개방시키도록 동작한다.
이러한 동작이 가능하도록 하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 상기 개폐 유닛(30)은, 홀 마개(31), 수직 로드(32), 제1 바이메탈(33), 제2 바이메탈(34) 및 스토퍼(36)를 포함하는 형태로 구현될 수 있으며, 또한 제2 바이메탈(34)을 수직 로드(32)에 고정시키기 위해 볼트 등의 고정부재(35)를 더 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.
상기 홀 마개(31)는 배터리 팩의 외부에 위치하며, 상술한 바와 같이 냉각 홀(20a)과 정합될 수 있는 사이즈 및 형상을 갖는다. 즉, 상기 홀 마개(31)는 그 단면이 상부로부터 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 대략 역사다리꼴 형상을 가질 수 있다.
이러한 홀 마개(31)는, 바이메탈(33,34)의 변형에 의해 수직 로드(32)가 움직임에 따라 냉각 홀(20a)을 폐쇄 또는 개방한다. 상기 홀 마개(31)는 냉각 홀(20a)을 폐쇄하여 밀폐시키는 기능을 갖는 것임을 고려하여 탄성을 갖는 고무 등의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 수직 로드(32)는 상하 방향으로 연장된 길다란 막대 형상을 가지며, 일측 단부는 냉각 홀(20a)을 통해 홀 마개(31)와 연결되고 타측 단부는 제1 바이메탈(33)을 관통하여 제2 바이메탈(34)에 고정된다. 여기서 상하 방향은, 도 2를 기준으로 보았을 때, 위/아래 방향을 의미하는 것이다.
상기 바이메탈(33,34) 각각은, 서로 다른 열 팽창율을 갖는 한 쌍의 금속 플레이트를 접합시킨 것으로서, 팩 케이스(20)의 내측에 위치하여 배터리 셀(10)의 발열로 인해 온도가 기준치 이상으로 상승하면 열 팽창율이 더 큰 금속 플레이트 방향으로 볼록하게 휘어진다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 바이메탈(33)의 경우, 상대적으로 더 큰 열 팽창율을 갖는 제1 금속 플레이트(33a)가 더 상부에 배치되고, 상대적으로 더 작은 열 팽창율을 갖는 제2 금속 플레이트(33b)가 하부에 배치되며, 두 금속 플레이트(33a, 33b)가 맞닿아 접합된 형태를 갖는다. 이러한 제1 바이메탈(33)은, 팩 케이스(20) 내부의 온도가 상승함에 따라 상부를 향해, 즉 냉각 홀(20a) 방향을 향해 중심부가 볼록하게 휘어지는 형태 변형을 일으킨다.
또한, 상기 제2 바이메탈(34)의 경우, 제1 바이메탈(33)과는 반대로, 상대적으로 더 큰 열 팽창율을 갖는 제3 금속 플레이트(34a)가 더 하부에 배치되고, 상대적으로 더 작은 열 팽창율을 갖는 제4 금속 플레이트(34b)가 더 상부에 배치되며, 두 금속 플레이트(34a, 34b)가 맞닿아 접합된 형태를 갖는다. 이러한 제2 바이메탈(34)은, 팩 케이스(20) 내부의 온도가 상승함에 따라 제1 바이메탈(33)과는 반대로 하부를 향해, 즉 냉각 홀(20a)로부터 멀어지는 방향을 향해 중심부가 볼록하게 휘어지는 형태 변형을 일으킨다.
상기 제2 바이메탈(34)은 수직 로드(32)의 단부와 연결/고정되어 있기 때문에 제2 바이메탈(34)의 형태 변형에 따라 하부를 향해 이동하게 된다. 또한, 상기 스토퍼(36)는 냉각 홀(20a)과 제1 바이메탈(33)의 사이에 고정/배치된다. 이에 따라, 상기 제1 바이메탈(33)이 상방으로 형태 변형을 일으키는 경우 스토퍼(36)에 걸리게 되고, 반작용으로 인해 제1 바이메탈(33)이 제2 바이메탈(34)을 하부를 향해 밀어내게 된다.
따라서, 상기 수직 로드(32)는 제1 바이메탈(33)과 제2 바이메탈(34) 각각의 형태 변형에 따른 변위를 합친 거리만큼 하방으로 이동을 하게 되고, 이로써 수직 로드(32)의 일측 단부에 연결/고정된 홀 마개(31)는 하방으로 이동을 하여 냉각 홀(20a)을 폐쇄하게 된다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 수직 로드(32)의 하부에는 수직 로드(32)의 하부를 탄성 지지 하여 온도 상승에 따른 바이메탈(33,34)의 형태 변형이 일어나지 않았을 때는 수직 로드(32)가 아래로 쳐지지 않도록 함으로써 냉각 홀(20a)이 개방된 상태를 유지하도록 하기 위한 탄성 부재가 추가적으로 적용될 수도 있다.
상기 유량 측정기(40)는 팩 케이스(20)의 외측에 설치되되 냉각 홀(20a) 입구에 인접 설치되어 냉각 홀(20a)과 외부 사이를 흐르는 공기의 유량을 센싱한다. 이러한 유량 측정기(40)는 상술한 바와 같은 바이메탈(33,34)의 형태 변형에 의해 냉각 홀(20a)이 폐쇄되는 경우 공기의 흐름이 없음을 감지하게 되고, 이에 따라 사용자가 알 수 있도록 직접 알람을 울리도록 구성될 수도 있고, 별도로 구비된 알람 장치(미도시)에 유량 센싱 값에 관한 정보를 전달하여 알람이 울리도록 할 수도 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 두 개의 바이메탈(33,34)을 이용하여 충분한 변위를 발생시켜 배터리 팩 내부의 온도 상승 시에 냉각 홀(20a)이 신속하고 확실하게 폐쇄될 수 있도록 하며, 이에 따른 유량 변화를 감지하여 알람을 발생시켜 사용자가 비정상적인 온도 상승을 신속히 알 수 있도록 하여 배터리 팩 사용상의 안전성을 확보하도록 할 수 있다.
다음은, 도 5 및 도 6을 참조하여, 앞서 설명한 실시예와는 다른 형태로 구현되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 대해서 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6에 나타난 실시예에 따른 배터리 팩은, 앞선 실시예와 비교하여, 두 개가 아닌 하나의 바이메탈(34)만이 적용된다는 점에서 차이가 있을 뿐, 다른 구성요소들은 앞선 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 5 및 도 6에 나타난 실시예에 따른 배터리 팩을 설명함에 있어서는, 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략을 하기로 하며, 차이점이 있는 부분에 대해서만 집중적으로 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 바이메탈(34)은, 바이메탈(34)의 상부에 위치하며 팩 케이스(20)의 내부에 직접 또는 간접적으로 고정된 스토퍼(36)에 의해 상방으로의 움직임이 제한된다.
또한, 상기 바이메탈(34)은, 하부에 위치하는 제3 금속 플레이트(34a)의 열 팽창율이 그 상부에 접합된 제4 금속 플레이트(34b)보다 더 크기 때문에 팩 케이스(20) 내부의 온도 상승에 따라 중심부가 하방으로 볼록하게 돌출되는 형태로 휘어지는 형태 변형을 일으키게 된다.
이 때, 상기 바이메탈(34)의 중심부는 수직 로드(32)의 단부에 연결/고정되어 있기 때문에 바이메탈(34)의 휘어짐에 의해 수직 로드(32) 역시 하방으로 이동하게 되고, 이에 따라 수직 로드(32)의 일측 단부에 연결/고정된 홀 마개(31)는 하방으로 이동하여 냉각 홀(20a)을 폐쇄하게 된다.
상술한 바와 같이, 앞선 실시예와 다르게 구성된 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 하나의 바이메탈만을 이용하기 때문에 앞선 실시예와 비교하여 간단한 구조만으로도 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있는 장점을 갖는다.
다음은, 도 7 및 도 8을 참조하여, 앞선 두 실시예와는 다른 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 대해서 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8에 나타난 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 도 2 내지 도 4에 나타난 실시예에 따른 배터리 팩과 비교하여, 수평 로드(37) 및 조인트(38,39)가 적용되었다는 점에서 차이가 있을 뿐, 그 밖의 다른 구성요소들은 도 2 내지 도 4에 나타난 실시예와 비교하여 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 7 및 도 8에 나타난 본 발명의 또 다른 실시예를 설명함에 있어서는, 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략을 하기로 하며, 차이가 있는 부분에 대해서만 중점적으로 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 수평 로드(37)의 일측 단부는 수직 로드(32)의 하측 단부와 체결된다. 이 때, 상기 수평 로드(37)와 수직 로드(32)는 상대적인 회전이 가능하도록 로드 조인트(38)에 의해 체결될 수 있다.
한편, 상기 수직 로드(32)의 상측 단부는 홀 마개(31)와 체결되는데, 이 때 수직 로드(32)와 홀 마개(31) 역시 상대적인 회전이 가능하도록 마개 조인트(39)에 의해 체결될 수 있다.
상기 수평 로드(37)는 수직 로드(32)의 연장 방향과 수직한 방향을 따라 연장된 긴 막대 형태의 부품으로서, 팩 케이스(20) 내부의 온도 상승으로 인한 바이메탈(33,34)의 형태 변형에 따라 수직 로드(32)로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 된다. 이처럼, 상기 수평 로드(37)가 수직 로드(32)로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 되면, 수직 로드(32)의 하측 단부 역시 같은 방향으로 이동하게 되고, 그에 따라 수직 로드(32)의 상측 단부에 회동 가능하게 결합된 홀 마개(31)는 하방으로 이동하여 냉각 홀(20a)을 폐쇄하게 된다.
이처럼, 앞선 실시예들과 다른 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 바이메탈(33)을 관통하여 제2 바이메탈(34)과 연결/고정된 수평 로드(37)의 적용으로 인해 수평 방향의 힘을 수직 방향으로 전환시키는 방식으로 냉각 홀(20a)을 폐쇄시킬 수 있게 되며, 이로써 냉각 홀(20a)과 배터리 셀(10) 사이의 공간을 최소화 하여 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이는 것이 가능하게 된다.
다음은, 도 9 및 도 10을 참조하여, 앞선 실시예들과는 다른 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 대해서 설명하기로 한다.
도 9는 앞선 도면에 나타난 실시예들과는 다른 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 온도 상승에 따라 냉각 홀이 폐쇄되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10에 나타난 실시예에 따른 배터리 팩은, 도 5 및 도 6에 나타난 실시예와 비교하여, 수평 방향의 힘을 수직 방향으로 전환시키는 방식을 적용하기 위해 수평 로드(37)가 적용된다는 점 및 이러한 힘의 방향 전환이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 로드 조인트(38)와 마개 조인트(39)가 적용된다는 점에서 차이가 있을 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 9 및 도 10에 나타난 실시예에 따른 배터리 팩을 설명함에 있어서는, 앞선 실시예와 중복되는 설명은 생략을 하기로 하며, 차이점이 있는 부분에 대해서만 집중적으로 설명하기로 한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 수평 로드(37)의 일측 단부는 수직 로드(32)의 하측 단부와 체결된다. 이 때, 상기 수평 로드(37)와 수직 로드(32)는 상대적인 회동이 가능하도록 로드 조인트(38)에 의해 체결될 수 있다.
한편, 상기 수직 로드(32)의 상측 단부는 홀 마개(31)와 체결되는데, 이 때 수직 로드(32)와 홀 마개(31) 역시 상대적인 회동이 가능하도록 마개 조인트(39)에 의해 체결될 수 있다.
상기 수평 로드(37)는 수직 로드(32)의 연장 방향과 수직한 방향을 따라 연장된 긴 막대 형태의 부품으로서, 팩 케이스(20) 내부의 온도 상승으로 인한 바이메탈(34)의 형태 변형에 따라 수직 로드(32)로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 된다. 이처럼, 상기 수평 로드(37)가 수직 로드(32)로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 되면, 수직 로드(32)의 하측 단부 역시 같은 방향으로 이동하게 되고, 그에 따라 수직 로드(32)의 상측 단부에 회동 가능하게 결합된 홀 마개(31)는 하방으로 이동하여 냉각 홀(20a)을 폐쇄하게 된다.
이처럼, 앞선 실시예들과 다른 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제2 바이메탈(34)과 연결/고정된 수평 로드(37)의 적용으로 인해 수평 방향의 힘을 수직 방향으로 전환시키는 방식으로 냉각 홀(20a)을 폐쇄시킬 수 있게 되며, 이로써 냉각 홀(20a)과 배터리 셀(10) 사이의 공간을 최소화 하여 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이는 것이 가능하게 된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 배터리 셀
20: 팩 케이스
20a: 냉각 홀
30: 개폐 유닛
31: 홀 마개
32: 수직 로드
33: 제1 바이메탈
33a: 제1 금속 플레이트
33b: 제2 금속 플레이트
34: 제2 바이메탈
34a: 제3 금속 플레이트
34b: 제4 금속 플레이트
H: 관통 홀
35: 고정부재
36: 스토퍼
37: 수평 로드
38: 로드 조인트
39: 마개 조인트
40: 유량 측정기

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀을 수용하며 관통 형성된 냉각 홀을 구비하는 팩 케이스;
    상기 팩 케이스의 외측에 배치되되 상기 냉각 홀에 인접 배치되는 유량 측정기; 및
    상기 팩 케이스 내부의 온도 변화에 따라 상기 냉각 홀을 개폐시키는 개폐 유닛;
    을 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유량 측정기는,
    상기 팩 케이스의 내측으로부터 외측으로 흐르는 공기의 흐름을 센싱하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유량 측정기는,
    상기 공기의 흐름이 차단된 것으로 센싱되는 경우 알람을 발생시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 유량 측정기에서 상기 공기의 흐름이 차단된 것으로 센싱되는 경우 알람을 발생시키는 알람 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    상기 냉각 홀에 정합되는 형상 및 사이즈를 갖는 홀 마개;
    상기 홀 마개와 연결되는 수직 로드; 및
    상기 팩 케이스 내부의 온도가 상승하여 기준 온도 이상이 되면 형태 변형을 일으켜 상기 수직 로드를 하방으로 이동시키고 이로써 상기 홀 마개가 하방으로 이동하도록 하여 상기 냉각 홀이 폐쇄되도록 하는 하나 또는 두 개의 바이메탈;
    을 포함하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    온도 상승에 따라 상방으로 볼록하게 휘어지며, 상기 수직 로드가 관통되는 관통 홀을 구비하는 제1 바이메탈;
    상기 제1 바이메탈의 하부에 위치하고, 상기 수직 로드와 결합되며, 상기 온도 상승에 따라 하방으로 볼록하게 휘어지는 제2 바이메탈; 및
    상기 제1 바이메탈의 상부에 위치하며 상기 제1 바이메탈의 상방으로의 움직임을 제한하는 스토퍼;
    를 포함하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    상기 제2 바이메탈의 하부에 위치하여 상기 제2 바이메탈을 상방으로 탄성지지 하는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    상기 수직 로드와 결합되며, 온도의 상승에 따라 하방으로 볼록하게 휘어지는 하나의 바이메탈을 구비하며,
    상기 하나의 바이메탈의 상부에 위치하며 상기 하나의 바이메탈의 상방으로의 움직임을 제한하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    상기 냉각 홀에 정합되는 형상 및 사이즈를 갖는 홀 마개;
    일측 단부가 상기 홀 마개와 연결되는 수직 로드;
    상기 수직 로드와 수직한 방향을 따라 연장되며, 일측 단부가 상기 수직 로드의 타측 단부와 연결되는 수평 로드; 및
    상기 팩 케이스 내부의 온도가 상승하여 기준 온도 이상이 되면 형태 변형을 일으켜 상기 수평 로드를 상기 수직 로드로부터 멀어지는 방향으로 이동시키고 이로써 상기 수직 로드에 연결된 홀 마개가 하방으로 이동하도록 하여 상기 냉각 홀이 폐쇄되도록 하는 하나 또는 두 개의 바이메탈;
    을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    온도 상승에 따라 상기 수직 로드를 향하는 방향으로 볼록하게 휘어지며, 상기 수평 로드가 관통되는 관통 홀을 구비하는 제1 바이메탈;
    상기 제1 바이메탈에 인접하여 위치하고, 상기 관통 홀을 관통한 수평 로드의 타측 단부에 고정되는 제2 바이메탈; 및
    상기 수직 로드와 제1 바이메탈 사이에 위치하며 상기 제1 바이메탈의 수직 로드 방향으로의 움직임을 제한하는 스토퍼;
    를 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    상기 제2 바이메탈을 제1 바이메탈 방향으로 탄성지지 하는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 개폐 유닛은,
    상기 수평 로드의 타측 단부와 결합되며, 온도 상승에 따라 상기 수직 로드와 멀어지는 방향으로 볼록하게 휘어지는 하나의 바이메탈을 구비하며,
    상기 수직 로드와 상기 하나의 바이메탈 사이에 위치하며, 상기 하나의 바이메탈의 수직 로드 방향으로의 움직임을 제한하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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