JP5220588B2 - 安全性が向上した中型又は大型の改良バッテリーパック - Google Patents

Description

本発明は、安全性が向上した中型又は大型の改良バッテリーパックに関し、更に詳細には、様々な原因によりバッテリーセルが膨張した場合にバッテリーパックの所定の領域に変形、破壊、又は分離等の物理的変化を生じさせ、従って、電気接続部材を機械的に外し、これによってバッテリーパックの安全性を保証するように形成された、全体にコンパクトな構造を持つ中型又は大型のバッテリーパックに関する。

携帯デバイスが益々開発されてくるに従って、また、このような携帯デバイスの要求が大きくなるに従って、携帯デバイス用の電源としての二次電池の需要が急速に高まっている。二次電池の一つは、エネルギ密度が高く且つ放電電圧が高いリチウム二次電池である。リチウム二次電池には多くの研究がなされてきており、現在、商業的に且つ広範に使用されている。

二次電池は、電気自転車（Ｅ−バイク）、電気オートバイ、電気自動車（ＥＶ）、又はハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等の電力で駆動されるデバイスの電源として、並びに携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ、ラップトップ型コンピュータ等の無線電子携帯デバイス用の電源としてかなりの注目を集めてきている。

携帯電話やデジタルカメラ等の小型のデバイスについては、バッテリーセルを内部に収容した小型のバッテリーパックが使用される。他方、ラップトップ型コンピュータや電気自動車等の中型又は大型のデバイスについては、互いに並列に及び／又は直列に接続した二つ又はそれ以上のバッテリーセルを内部に収容したバッテリーモジュールを持つ中型又は大型のバッテリーパックが使用される。

上文中に説明したように、リチウム二次電池は、電気的性能が優れているが、安全性が低い。例えば、リチウム二次電池の過充電や過放電等の異常な動作、高温への露呈、または電気的分解が生じると、バッテリーの構成要素である有効材料や電解質が分解し、これにより熱やガスが発生し、熱やガスの発生による高温、高圧状態が、上述の分解を加速する。最終的には、火災や爆発を起こすことがある。

この理由により、リチウム二次電池には、バッテリーの過充電、過放電、又は過電流中に電流を遮断するための保護回路、バッテリーの温度が上昇した場合に抵抗が大幅に上昇し、電流を遮断する正温度計数（ＰＴＣ）エレメント、及びガスの発生により圧力が上昇した場合に電流を遮断し又はガスを放出するための安全ベント等の安全システムが設けられている。例えば、小型の円筒形二次電池の場合には、ＰＴＣエレメント及び安全ベントは、一般的には、円筒形のケースに取り付けられた、カソード／セパレータ／アノード構造を持つ電極組合せ体（発電エレメント）の上部分に配置されている。他方では、矩形又はポーチ状の小型二次電池の場合には、保護回路モジュール及びＰＴＣエレメントは、一般的には、発電エレメントが密封状態で取り付けられた矩形のケース又はポーチ状のケースの上端に取り付けられる。

リチウム二次電池の安全上の問題点は、複数セル構造を持つ中型又は大型のバッテリーパックについては遥かに重大である。複数セル構造バッテリーパックでは、複数のバッテリーセルが使用されているため、幾つかのバッテリーセルの異常動作により他のバッテリーセルの異常動作を引き起し、これにより火災や爆発が発生する場合がある。これは、大規模な事故に繋がる場合がある。この理由により、中型又は大型のバッテリーパックには、バッテリーセルを過充電、過放電、及び過電流から保護するためのヒューズ、バイメタル、及び安全管理システム（ＢＭＳ）等の安全システムが設けられている。

しかしながら、リチウム二次電池が連続的に使用されるに従って、即ちバッテリーが連続的に充電され、放電するに従って、発電エレメント及び電気接続部材は徐々に劣化する。例えば、発電エレメントの劣化により、電極材料及び電解質が分解され、これによってガスを発生する。その結果、バッテリーセル（円筒形ケース又はポーチ状ケース）が徐々に膨張する。リチウム二次電池は、通常の状態では、安全システム、即ちＢＭＳが過放電、過充電、及び過電流を検知し、バッテリーパックの制御／保護を行う。しかしながら、リチウム二次電池の異常状態では、ＢＭＳが動作していない場合、危険の可能性が高まり、バッテリーパックの安全を確保するためにバッテリーパックを制御するのが困難である。中型又は大型のバッテリーパックは、複数のバッテリーセルが所定のケースに固定的に取り付けられた構造を有する。その結果、膨張している各々のバッテリーセルは、各々のケース内で更に加圧され、従って、バッテリーパックの異常動作状態では、火災や爆発の可能性がかなり高くなる。

従って、中型又は大型のバッテリーパックの安全性を根本的に保証するための技術が危急に必要とされている。

更に、デバイスの大きさ及び重量が小さくなるに従って、バッテリーパックの構造をコンパクトにする必要が高くなる。

従って、本発明は、上述の問題点及び未だ解決されていないその他の技術上の問題点を解決するためになされたものである。

とりわけ、本発明の目的は、バッテリーパックの過充電、過放電、又は過電流等の異常動作、あるいは長期間に亘るバッテリーセルの充電及び放電により生じるバッテリーパックの劣化によりバッテリーセルが膨張した場合に生じるバッテリーパックの物理的変化によって、バッテリーパックの電気接続部材を機械的に外し、これによってバッテリーパックの安全性を保証するバッテリーパックを提供することである。

本発明の別の目的は、コンパクトな構造で形成されており、バッテリーパックの安全性を保証する、中型又は大型のバッテリーパックを提供することである。

本発明によれば、上述の及び他の目的は、充電及び放電を行うことができ、互いに高密度で積み重ねられ、互いに電気的に接続された複数のバッテリーセルを持つ、中型又は大型のバッテリーパックにおいて、バッテリーパックの異常動作によって、又は長期間に亘るバッテリーセルの充電及び放電によるバッテリーパックの劣化によってバッテリーセルが膨張したとき、膨張したバッテリーセルの厚さの変化により、バッテリーパックの所定の領域に応力が集中し、これによってバッテリーパックに物理的変化を生じ、このバッテリーパックの物理的変化により、バッテリーパックの電気接続部材が機械的に外れるような、バッテリーパックを提供することによって達成できる。

バッテリーセルがプレート上に互いに高密度で積み重ねられており且つこれらのバッテリーセルが互いに電気的に接続された中型又は大型のバッテリーパックの好ましい例が、本願の出願人の名で出願された韓国特許出願第２００４−１１２５８９号に開示されている。同特許出願を示すことにより、この特許出願に開示される内容は本明細書中に含まれるものとする。

好ましい実施形態では、中型又は大型のバッテリーパックは、複数のバッテリーセルがユニットセルとして互いに連続的に積み重ねられるような上部受け入れ部分を持つ下部ケースと、下部ケースに積み重ねられたユニットセルの上端を覆うような下部受け入れ部分を持つ上部ケースと、バッテリーの電圧、電流、及び／又は温度を検出するための感知基板組合せ体を持つ、積み重ねられたユニットセルを互いに電気的に接続するための第１回路ユニットと、バッテリーパックの全体の動作を制御するためのメイン基板組合せ体を持つ、第１回路ユニットに電気的に接続された第２回路ユニットと、第２回路ユニットに電気的に接続されるとともに、外部出力端子に接続された、過充電、過放電、及び／又は過電流を防止する第３回路ユニットとを含む、バッテリーパックが提供される。

第１回路ユニットは、ユニットセルを互いに並列に又は直列に接続するための接続端子と、各々のユニットセルからの電圧信号及び／又は電流信号を検出するための感知基板組合せ体とを含む。好ましくは、第１回路ユニットは、ユニットセルの電圧信号を受ける。感知基板組合せ体又はメイン基板組合せ体により、ユニットセルの温度をバッテリーの全体温度として計測してもよい。好ましくは、第１回路ユニットは、ユニットセルの電極端子の変位方向でバッテリーパックの前部に配置される。

第２回路ユニットは、第１回路ユニットとともにユニットセルの電極端子の変位方向で配置されていてもよく、又は下部ケースの下部受け入れ部分に取り付けられていてもよい。別の態様では、第２回路ユニットは、第１回路ユニットとは反対側のバッテリーパックの後側に配置されていてもよい。好ましくは、第２回路ユニットは、下部ケースの下部受け入れ部分に取り付けられる。この場合、ユニットセルは、下部ケースの下部受け入れ部分に取り付けられた第２回路ユニットに第１回路ユニットを介して電気的に接続されており、バッテリーの動作を第２回路ユニットのメイン基板組合せ体によって制御する。

第３回路ユニット、即ちバッテリーの充電及び放電中の過充電、過放電、及び過電流を制御する、外部デバイスに接続されたバッテリーパックの最後のエレメントもまた、第１回路ユニットとともに、ユニットセルの電極端子の変位方向に配置されていてもよいし、又は下部ケースの下部受け入れ部分に取り付けられていてもよい。別の態様では、第３回路ユニットは、第１回路ユニットとは反対側のバッテリーパックの後側に配置されていてもよい。好ましくは、第３回路ユニットは、第１回路ユニットとは反対側のバッテリーパックの後側に配置されている。好ましくは、バッテリーの充電中及び放電中の過電流の制御は、第３回路ユニットに含まれる電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のスイッチングエレメントによって行われる。

上文中に説明した回路ユニットは、プリント回路基板（ＰＣＢ）の形状をなして形成されており、これにより構造がコンパクトになり、バッテリーパックの安定性が図られる。場合によっては、回路ユニットの幾つかを単一の本体部として一体成形してもよい。

バッテリーパックの上部ケース及び下部ケースが互いに離間されているため、バッテリーパックの所望の電気容量及び出力に応じて、上部ケースと下部ケースとの間にユニットセルを追加したり取り除いたりでき、従って、融通性を以てバッテリーパックを設計できる。更に、上部ケース及び下部ケースの全体の大きさは、各々のユニットセルの大きさと一致する。従って、バッテリーパックをコンパクトな構造で製造できる。

本発明に従ってバッテリーセルを互いに積み重ねたバッテリーパックでは、様々な原因でバッテリーセルが膨張するとき、バッテリーセルの厚さ方向に応力が発生する。応力は、バッテリーパックに、バッテリーセルの厚さ方向で加わる。内部の変化に関わらず、構造的に変形しないように形成されたバッテリーパックでは、応力がバッテリーセルに直接集中する。その結果、上述した危険の可能性が増大する。他方、本発明は、応力がバッテリーパックの一部（所定領域）に集中し、従ってバッテリーパックの所定領域が物理的に変化することを特徴とする。バッテリーパックの所定領域が、バッテリーパックの物理的変化により変形し、分離し、又は破壊するのである。更に、本発明は、バッテリーパックの物理的変化が起こったとき、電気接続部材を機械的に外すことを特徴とする。

従って、本発明によるバッテリーパックが、バッテリーセルが膨張時してバッテリーセルの厚さが臨界値を越えたときにこのバッテリーパックの所定領域が容易に変形し、分離し、又は破壊するように設計されている場合、及び本発明によるバッテリーパックが、バッテリーパックの物理的変化が起ったときに電気接続部材を機械的に外すように設計されている場合、バッテリーパックの安全性が保証される。

好ましくは、バッテリーセルの膨張により物理的に変化するバッテリーパックの所定の領域は、バッテリーセルが互いに積み重ねられたバッテリーパックの前部、後部、及び／又は側部であってもよい。従って、バッテリーパックの前部、後部、及び／又は側部の所定領域の機械的強度が相対的に小さいようにバッテリーパックを形成でき、従ってバッテリーセルが膨張したとき、機械的強度が小さい所定の領域に応力が集中することによりバッテリーパックが物理的に変化する。好ましくは、所定領域は、バッテリーパックを構成する部材の接続領域、又は部材自体であってもよい。

好ましい実施形態による上文中に説明したバッテリーパック構造は、第３回路ユニットのプリント回路基板（ＰＣＢ）（第３回路ユニットＰＣＢ）がバッテリーパックの側部又は後部に配置されている場合、バッテリーセルの膨張により物理的に変化する部分は、上部ケース、及び／又は下部ケース、及び第３回路ユニットＰＣＢが互いに連結される連結領域であってもよい。

バッテリーパックを構成する各々の部材間の連結は、様々な方法で行うことができる。例えば、連結は、対応する部材に連結溝を形成し、これらの連結溝にボルトを挿入することによって行ってもよい。従って、連結領域は、バッテリーセルが膨張し、これによってバッテリーパックが物理的に変化したときに、機械的強度が低い所定領域に応力が集中するように、例えば連結領域の機械的強度が他の連結領域よりも低く、従って、バッテリーパックの所定領域が、集中した応力により変形し、離間し、又は破壊するように形成されている。好ましい実施形態においては、連結領域の一方の部材の連結溝が、開放した溝の形状で形成されていてもよい。

バッテリーパックは、複数の構成要素を互いに電気的に接続するための母線（バスバー）、ワイヤ、及びケーブル等の部材（電気接続部材）を含む。本発明によれば、バッテリーパックは、上文中に説明したバッテリーパックの物理的変化が生じたとき、電気接続部材を機械的に外すように形成されている。とりわけ、電気接続部材の接続領域は、バッテリーセルが膨張したときに応力が集中する所定の領域で壊れ、又は分離し、これによって電気的接続が外れる。

壊されたり分離されたりする、電気接続部材の接続領域は、様々な方法で形成できる。例えば、電気接続部材の接続領域は、電極端子と母線又はワイヤとの間の接続領域であってもよいし、ケーブルとこのケーブルが接続されるタップ端子との間の接続領域であってもよいし、又はケーブルの中間部分の接続領域であってもよい。

とりわけ、電極端子と母線との間の接続は、溶接、ハンダ付け、又はねじ係合によって行われる。従って、接続部材の長さは、ユニットセルが膨張したとき、電極端子と母線との間の接続部材に応力が加わり、このため接続部材が外れるように、又は連結領域が一方向で切断されるよう連結領域が形成されるように、所定レベルに制限される。

好ましくは、ケーブル及びタップ端子は、互いに取り外し自在に連結できるように形成されていてもよい。ケーブルは、ユニットセルの厚さの変化に対してケーブルが直接対応できるように、ケーブルがユニットセルのうちの少なくとも一つの厚さに沿って延びる方向で、カップリング型タップ端子に接続されていてもよい。

一般的には、ケーブルは、引張力が高く、従って、大きな外力が加わっても切れたり壊れたりしないように製造されている。従って、ケーブルを切るためには、分離したり連結したりできる連結部材をケーブルの中間部分に配置し、ケーブルが少なくとも一つのユニットセルの厚さに沿って延びるようにケーブルを構成してもよい。

好ましくは、外れることができる電気接続部材は、バッテリーセル（ユニットセル）の向き合った端部（ａ、ｂ）の一方に、即ちユニットセルの一端（ａ）に配置されている場合、ユニットセルの他端（ｂ）は固定されており、これによってユニットセルの厚さは、ユニットセルの端部（ａ）のところで大きくなり、従って、電気接続部材は容易に外れるようにする。

本発明による上述のバッテリーパック構造では、上部ケース又は下部ケースと、第３回路ユニットＰＣＢとの間の連結領域は、バッテリーセルが膨張したときに物理的に変化し、電気接続部材として機能する少なくとも一つのケーブルが、連結領域の物理的変化により、少なくとも一つのケーブルが機械的に外れるように、第３回路ユニットＰＣＢに上部ケース又は下部ケースを介して接続されている。例えば、上部ケース及び第３回路ユニットＰＣＢが互いに連結された連結領域が、バッテリーの膨張による物理的に変化する領域である場合には、バッテリーセルが膨張したとき、上部ケースが第３回路ユニットＰＣＢから分離する。これは、ケーブルが第３回路ユニットＰＣＢに上部ケースを介して接続されているためである。このとき、ケーブルに上向きの引張力が加わり、従って、ケーブルと第３回路ユニットＰＣＢとが機械的に外れる。

好ましい実施形態によれば、第３回路ユニットＰＣＢに設けられた、ケーブルの一端に接続されたタップ端子は、引張力が加えられる方向に突出している。これによって、タップ端子は容易に分離し、このため外れることとなる。

本発明によるバッテリーパックでは、ユニットセルとして機能するバッテリーセルは、バッテリーセルが、充電及び放電を行うことができる二次電池である限り、特に制限はない。好ましくは、バッテリーセルは、矩形の二次電池であってもよいし、ポーチ状二次電池であってもよい。更に詳細には、ポーチ状二次電池をバッテリーセルとして使用してもよい。これは、ポーチ状二次電池の製造費が低く、ポーチ状二次電池の容積及び重量が容量及び出力の割に小さく、これによってポーチ状二次電池を高い密度で互いに積み重ねることができるためである。従って、二次電池の全体としての大きさ及び重量が減少し、バッテリーパックの出力及び容量が、同じ仕様の他のバッテリーパックよりも高い。

各々のバッテリーセルを構成するカソード、アノード、セパレータ、及び電解質は、本発明が属する技術分野で周知であり、本発明によるバッテリーパックで使用されている。例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウムニッケル酸化物等のリチウム遷移金属酸化物、及びこれらの酸化物の配合物をカソード活性材料として使用してもよい。

バッテリーセルは、バッテリーパックの所望の出力及び容量に応じて互いに電気的に直列に又は並列に接続される。更に、バッテリーセルは、バッテリーパックの全体の動作を制御するためのメイン基板組合せ体に電気的に接続されており、過充電や過放電を制御するためのＦＥＴ素子に電気的に接続されている。

ポーチ状二次電池をユニットセルとして使用する場合、ユニットセルの厚さを、通常状態のユニットセルの元の厚さの最大１０％増大させることができる。しかしながら、異常状態が続くと、ユニットセルは最大レベル以上に膨張する。その結果、電極の劣化が生じ、このため、爆発の可能性が加速する。この理由により、臨界値を、爆発の可能性が非常に高くなる厚さの増分以下に設定し、これによって電気接続部材を外し、このことによりバッテリーパックの安全性を保証する。ユニットセルとして矩形の二次電池を使用した場合、矩形の二次電池の容積の変化は、その矩形のケース自体の機械的特性により、ポーチ状二次電池よりも小さい。従って、矩形の二次電池の厚さの変化の臨界値は、上文中に説明した詳細事項を考慮に入れて設定される。

本発明によるバッテリーパックは、電気自転車（Ｅ−バイク）、電気オートバイ、電気自動車、又はハイブリッド電気自動車用の電源として使用されるばかりでなく、様々な分野及び製品用の電源としても使用される。好ましくは、本発明によるバッテリーパックは、構造がコンパクトであるため、電気自転車用の電源として使用される。

本発明の以上の及び他の目的、特徴及びその他の利点は、以下の詳細な説明を添付図面と関連して読むことにより更に明瞭に理解されるであろう。

次に、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、例示の実施形態に限定されないということに留意されたい。

図１は、本発明の好ましい実施形態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を示す代表的な図である。バッテリーモジュールは、母線（バスバー）をユニットセルの電極端子から分離できる構造を備えている。

図１を参照すると、中型又は大型のバッテリーパックを構成するバッテリーモジュール１０は、複数のバッテリーセル１１を含む。これらのバッテリーセル１１は、バッテリーセル１１の端子１１ｃ及び１１ａが同じ方向に向くように互いに積み重ねたユニットセルである。場合によっては、バッテリーセル１１は、バッテリーセル１１の端子１１ｃ及び１１ａの向きを９０°又は１８０°変えて互いに積み重ねてもよい。この詳細は、本願の出願人の名で出願された韓国特許出願第２００４−９２８８７号に開示されている。同特許出願を示すことにより、この特許出願に開示される内容は本明細書中に含まれるものとする。

バッテリーセル１１は、これらのバッテリーセル１１が互いに直接接触した状態で互いに積み重ねられていてもよいし、又は図１に示すように、バッテリーセル１１が互いから所定距離離間された状態で互いに積み重ねられていてもよい。二次電池であるバッテリーセル１１は、その充電中及び放電中に熱を発生する。バッテリーセル１１から発生した熱が蓄積されると、異常動作が生じたりバッテリーセル１１の劣化が加速したりする。この理由により、熱が効果的に放射されるようにバッテリーセルを互いから離間するのが好ましい。この放熱型積み重ね構造は、例えば、バッテリーセル１１間に特定の媒体を介在させることによって行ってもよいし、各々のバッテリーセル１１又は部分的に組み合わせたユニットセル１１を追加のカートリッジ内に取り付けた後、これらのカートリッジを互いに積み重ねることによって行ってもよい。

端子１１ｃ及び１１ａは、母線１２によって互いに直列に接続してある。端子１１ｃ及び１１ａ、ならびに母線１２は、レーザー溶接、スポット溶接、ハンダ付け、又はねじ係合によって互いに連結される。

バッテリーセル１１は、これらのバッテリーセル１１の幾つか又は全部が異常動作を生じさせることにより、又はバッテリーセル１１の充電及び放電を連続的に行うことによるバッテリーセル１１の劣化により、膨張する。

図２は、バッテリーモジュールを構成する全てのユニットセルの膨張を示す代表的な図である。明確な理解の便宜のため、ユニットセルの膨張は幾分誇張してある。

バッテリーセル１１が、図２に示すように、様々な理由で膨張したとき、とりわけバッテリー本体が膨張したとき、一つのバッテリーセル１１の電極端子１１ｃ及び１１ａと、隣接したバッテリーセル１１の電極端子１１ｃ及び１１ａとの間の距離が大きくなる。本発明によれば、上文中に説明したバッテリーセル１１の物理的変化によりバッテリーセル１１の容積が増大すると、電気接続部材として機能する母線１２が、対応するバッテリーセル１１から、簡単に物理的に外れてしまう。

図３及び図４は、ユニットセルが互いに通常通りに接続された状態、及びバッテリーモジュール内でのユニットセルの膨張によりユニットセルが互いに外れてしまった状態の各々の、電極端子と対応する母線との間の接続関係を示す代表的な図である。

これらの図を参照すると、母線１２はプレート状の導電性部材であり、バッテリーセル１１及び１１’の電極端子１１ｃ及び１１ｃ’にスポット溶接によって固定されている。電極端子１１ｃの溶接箇所は、電極端子１１ｃ’よりも多く、従って、電極端子１１ｃに関する母線１２の連結力は、電極端子１１ｃ’よりも大きい。

更に、ラッチ止め突出部１４が、電極端子１１ｃの長手方向に延びるように、母線１２の下端に形成されている。ラッチ止め突出部１４は、母線１２が電極端子１１ｃに適切に位置決めされるのを補助する機能を有する。更に、ラッチ止め突出部１４は、電極端子１１ｃと母線１２との間の連結を維持し、バッテリーセル１１及び１１’が膨張したとき、電極端子１１ｃ’及び母線１２が互いのものから容易に外れるようにする機能を有する。場合によっては、母線１２の所定の位置に別のラッチ止め突出部１５を形成してもよい。このラッチ止め突出部１５は、電極端子１１ｃ’の下面と接触しているときには、電極端子１１ｃ’の長手方向に延びる。

図１を再度参照すると、バッテリーパックの電気接続部材として機能する母線１２は、バッテリーセル１１が膨張した場合にバッテリーセル１１から分離するため、電極端子１１ｃ及び１１ａとは反対側のバッテリーセル１１の下端が固定されている場合には、バッテリーセル１１の容積変化は、バッテリーセル１１の電極端子１１ｃ及び１１ａ側に集中する。従って、母線１２は、電極端子１１ｃ及び１１ａから容易に分離できる。

図５は、本発明の別の好ましい実施形態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を示す代表的な図である。バッテリーモジュールは、ケーブルを端子タップから分離できる構造を備えている。

図５を参照すると、バッテリーモジュール２０の複数のバッテリーセル２１は、これらのバッテリーセル２１の電極端子２１ｃが接続基板２２に接続されるように、互いに高密度で積み重ねてある。例えば、接続基板２２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）である。接続基板２２は、バッテリーセル２１を互いに電気的に接続し且つ物理的に連結する機能を有する。更に、接続基板２２は、各々のバッテリーセル２１の電圧及び温度を検出する機能を有する。接続基板２２からの電流は、バッテリーセル２１の後方に配置された別のＰＣＢ２４にケーブル２３を介して伝達される。後側のＰＣＢ２７は、バッテリーパックの全動作を制御するメイン基板であってもよいし、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）素子を持つ安全基板であってもよい。場合によっては、後側のＰＣＢ２７は、外部入力端子及び出力端子を備えていてもよい。

接続基板２２及び後側のＰＣＢ２７は、下部ケース２５に固定されており、ケーブル２３は、積み重ねられたバッテリーセル２１の外面に沿って延びるように配置されている。従って、図６に示すように、バッテリーセル２１が膨張したとき、引張力が上方に加えられる。図６は幾つかのバッテリーセル２１の膨張を代表的に例示するが、上方への引張力は、全てのバッテリーセル２１が膨張した場合にもケーブル２３に加わる。バッテリーセル２１の電極端子２１ｃが接続基板２２に機械的に連結されているため、バッテリーセル２１の膨張はバッテリーセル２１に集中する。

ケーブル２３の一端２４は、接続基板２２に固定的に連結されている。しかしながら、ケーブル２３の他端２５は、後側のＰＣＢ２７の端子タップ２６に取り外し自在に連結されている。特に、ケーブル端部２５が連結された端子タップ２６は、上方に突出した連結構造を有する。従って、端子タップ２６は、上方への引張力がケーブルに加わったとき、ケーブル端部２５から分離する。ケーブル端部２５及び端子タップ２６が互いに分離する、バッテリーセル２１の臨界膨張状態は、主として、各々のバッテリーセル２１に対するケーブル２３の長さの比、及びケーブル端部２５と端子タップ２６との間の連結力で決まる。従って、電気接続部材として機能するケーブル２３が外れる臨界状態は、この臨界状態を適切に定めることによって決定できる。

図７は、本発明の更に別の好ましい実施形態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を示す代表的な部分図であり、バッテリーモジュールは壊れたケーブルの向き合った端部を互いに分離できる構造を備えている。

図７を参照すると、バッテリーモジュール３０は、積み重ねられたバッテリーセル３１の外面に沿って延びるように構成されたケーブル３２の中間部分に連結部材３３が配置された構造を持つように形成されている。

ケーブル３２は、積み重ねられたバッテリーセル３１の上面及び下面に沿って同時に延びるように構成されている。従って、バッテリーセルの容積が変化すると、ケーブル３２に引張力が加わる。バッテリーセル３１が膨張すると、バッテリーセル３１の横方向長さ（厚さ）が大幅に増大するため、ケーブル３２には、主として、上方への引張力が加わる。

ケーブル３２の中間部分に配置された連結部材３３は、ケーブル３２の向き合った端部を容易に連結できるように、また互いのものから容易に外れるように構成されている。連結部材３３の外面には絶縁部材が適用されている。従って、バッテリーセル３１が膨張すると、図８に示すように、ケーブル３２の向き合った端部が互いに分離される。連結部材３３に配置されたケーブル３２の向き合った端部は、所定の接触長さを有し、ケーブル３２の向き合った端部は、バッテリーセル３１が所定レベルよりも大きく膨張した場合にのみ互いから外れる。従って、ケーブル３２の向き合った端部が互いに外れる、バッテリーセル３１の膨張の程度は、連結部材３３の構造に基づいて決定される。

図７及び図８に示すように、連結部材３３は、積み重ねられたバッテリーセル３１の上面に配置したケーブル３２に形成される。しかしながら、場合によっては、連結部材３３は、積み重ねられたバッテリーセル３１の下面に配置してもよい。この場合、バッテリーセル３１の電極端子の配置方向が図６に示すように固定されている場合には、バッテリーセル３１の膨張は、積み重ねられたバッテリーセル３１の下面に集中し、従って、連結部材３３に配置されたケーブル３２の向き合った端部は、互いから容易に外れる。

図９乃至図１３は、各々、本発明の好ましい実施形態によるコンパクトなバッテリーパックを示す、側面図、背面図、後面図、平面図、底面図、および斜視図である。これらの図を参照すると、バッテリーパック１００は、上部ケース２００、下部ケース３００、複数のユニットセル４００、第１回路ユニットＰＣＢ５００、第２回路ユニットＰＣＢ６００、及び第３回路ユニットＰＣＢ７００を含む。ユニットセル４００は、互いに分離された上部ケース２００と下部ケース３００との間で互いに積み重ねられる。第１回路ユニットＰＣＢ５００は、バッテリーパック１００の前側に配置され、第２回路ユニットＰＣＢ６００は、バッテリーパック１００の下側に配置され、第３回路ユニットＰＣＢ７００は、バッテリーパック１００の後側に配置される。

上部ケース２００及び下部ケース３００が互いに分離されているため、互いに積み重ねられるユニットセル４００の数は、上部ケース２００及び下部ケース３００によって制限されない。従って、バッテリーモジュール１００は、所望の電気容量及び出力を持つように容易に設計できる。これは、積み重ねられるユニットセル４００の数に応じて、第１回路ユニットＰＣＢ５００及び第３回路ユニットＰＣＢ７００を変えることによって行われる。更に、ユニットセル４００は露呈されており、従って、ユニットセル４００の充電中または放電中に放熱が効率的に行われる。

下部ケース３００は、ユニットセル４００の外観とほぼ一致する構造である。下部ケース３００は、ユニットセル４００が受け入れられる上部受け入れ部分（図示せず）を含む。下部ケース３００は、高強度の電気絶縁部材である。好ましくは、下部ケース３００は、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、またはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等のプラスチック樹脂で形成されている。

下部ケース３００上に積み重ねたポーチ状二次電池４００の電極端子を、第１回路ユニットＰＣＢ５００に接続する。詳細には、第１回路ユニットＰＣＢ５００は、二次電池４００を互いに機械的に連結するとともに、二次電池４００を互いに電気的に接続する機能を有する。

第１回路ユニットＰＣＢ５００に電気的に接続された二次電池４００は、最終的な入力端子及び出力端子が配置された第３回路ユニットＰＣＢ７００にも、二つのケーブル５１０及び５２０を介して電気的に接続される。これらのケーブル５１０及び５２０のうち一方は、カソードケーブルであり、他方のケーブルはアノードケーブルである。一方のケーブル５１０は、下部ケース３００の下端面を介して第３回路ユニットＰＣＢ７００に接続されており、他方のケーブル５２０は、上部ケース２００の上端面を介して第３回路ユニットＰＣＢ７００に接続されている。

ケーブル５１０に加え、第２回路ユニットＰＣＢ６００を第１回路ユニットＰＣＢ５００及び第３回路ユニットＰＣＢ７００に電気的に接続するためのワイヤ６１０及び６１２が、第２回路ユニットＰＣＢ６００が下部受け入れ部分３１０に取り付けられた下部ケース３００の下端面に配置してある。

他方、上部ケース２００は、積み重ねられたユニットセル４００の上部分が受け入れられるように、ユニットセル４００の大きさに対応する下部受け入れ部分（図示せず）を有する。ユニットセル４００は、上部ケース２００及び下部ケース３００にファスナ２１０で機械的に連結されている。ファスナ２１０は、電極端子の通穴を通して挿入される。この詳細は、上掲の韓国特許出願第２００４−１１２５８９号に記載されている。

上部ケース２００は、下部ケース３００と同じ絶縁部材で形成されていてもよいし、異なる絶縁部材で形成されていてもよい。好ましくは、上部ケース２００は、下部ケース３００と同じプラスチック樹脂で形成される。

第３回路ユニットＰＣＢ７００は、矩形の放熱構造７１０を有し、この構造に、スイッチング素子であるＦＥＴ要素７２０及び７３０が接続されている。

バッテリーパック１００の前部分を形成する第１回路ユニットＰＣＢ５００、上部ケース２００、及び下部ケース３００は、ユニットセル４００の電極端子を通して挿入した長いファスナ２１０によって互いに連結されている。従って、第１回路ユニットＰＣＢ５００、上部ケース２００、及び下部ケース３００が互いに連結された領域での機械的強度は高い。他方では、バッテリーパック１００の後部分を形成する第３回路ユニットＰＣＢ７００、上部ケース２００、及び下部ケース３００は、第３回路ユニットＰＣＢ７００、上部ケース２００、及び下部ケース３００の各々に形成された連結溝７４０（第３回路ユニットＰＣＢの連結溝）を通して挿入したボルト８００によって互いに連結される。従って、第３回路ユニットＰＣＢ７００、上部ケース２００、及び下部ケース３００が互いに連結された領域での機械的強度は低い。この理由により、ユニットセル４００が膨張した場合に発生した応力は、上部ケース２００及び／又は下部ケース３００と、第３回路ユニットＰＣＢ７００とが互いに連結された領域に集中する。その結果、上部ケース２００及び／又は下部ケース３００と、第３回路ユニットＰＣＢ７００とが互いに連結された領域が壊れる。

図１４は、図９に示すバッテリーパック１００のユニットセル４００が膨張した場合のバッテリーパック１００の構造の変化を示す代表的な図である。

図１４を参照すると、ユニットセル４００は、様々な理由による膨張で厚さが増大している。このとき、応力が発生し、この応力によって、上部ケース２００及び下部ケース３００に垂直方向の引張力が加わる。この応力は、最も弱い領域に集中する。例えば、図６に示すように、第３回路ユニットＰＣＢ７００及び下部ケース３００が互いに連結された領域は、第３回路ユニットＰＣＢ７００及び上部ケース２００が互いに連結された領域よりも機械的により安定しており、ユニットセル４００から発生した応力により、連結領域７６０が損傷する。一般的には、ＰＣＢは、ガラスファイバで強化された合成エポキシ樹脂でできている。そのため、ＰＣＢは、機械的強度が高い。従って、図６に示すように、上部ケース２００の一部が切れ、従って連結領域７６０が壊れる。

他方、第１回路ユニットＰＣＢ５００に接続されたケーブル５２０は、上部ケース２００の上端面を介して第３回路ユニットＰＣＢ７００に接続されている。ケーブル５２０は、上部ケース２００と第３回路ユニットＰＣＢ７００との間の変化の影響を大きく受ける。詳細には、図６に示すように、上部ケース２００が第３回路ユニットＰＣＢ７００から分離するとき、強い引張力がケーブル５２０に加わる。その結果、ケーブル５２０と第３回路ユニットＰＣＢ７００との間の電気的接続が絶たれる
詳細には、第３回路ユニットＰＣＢ７００の端子タップ７７０は上方に突出しており、ケーブル５２０の一端５２２が端子タップ７７０に取り外し自在に連結されている。従って、上部ケース２００が第３回路ユニットＰＣＢ７００から分離したとき、電気的接続が容易に絶たれる。

図１５乃至図１８は、図１０の部分Ａに設けられた様々な開放構造を持つ連結溝、及びこれらの連結溝の連結状態を示す、代表的な図である。

これらの図を参照すると、上部ケース２００の連結溝２３０は、閉鎖型構造で構成されており、他方では、第３回路ユニットＰＣＢ７００の連結溝７４０は上方開口型構造で形成されている。上部ケース２００と第３回路ユニットＰＣＢ７００との間の連結は、上部ケース２００の連結溝２３０と第３回路ユニットＰＣＢ７００の連結溝７４０とを位置合わせし、位置合わせされた連結溝２３０及び７４０にボルト８００を挿入することによって行われる。従って、ユニットセルの膨張により上部ケース２００が上方に移動すると、ボルト８００は、このボルト８００が上部ケース２００の連結溝２３０に連結されている場合には、第３回路ユニットＰＣＢ７００の連結溝７４０の開口部７４２に沿って上方に移動する。その結果、連結が外れる。別の態様では、上部ケース２００の連結溝２３０に開口部を形成してもよい。この場合、開口部は、下方に向けられるように連結溝２３０に形成される。

本発明の好ましい実施形態を例示の目的で開示したが、特許請求の範囲に開示した本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な変更、追加、及び置換を行うことができるということが当業者には理解されよう。

以上の説明から明らかなように、本発明による中型又は大型のバッテリーパックの過充電、過放電、又は過電流等の異常動作により、あるいは中型又は大型のバッテリーパックの連続使用によるバッテリー構成要素の劣化により、バッテリーセルが膨張したとき、バッテリーパックの特定の領域に応力が集中し、従って、電気的接続が外れる。従って、本発明による中型又は大型のバッテリーパックは、高度の安全性を提供する。更に、本発明によるバッテリーパックは、コンパクトであり且つ機械的に安定した構造を持つように形成されており、従って、本発明により小型で軽量のバッテリーパックを製造できる。

特に、バッテリーセルの劣化によるバッテリーセルの膨張は、従来の安全システムでは制御できない。バッテリーセルのこの膨張は、本発明による上述の構造を持つバッテリーパックによってしか制御できない。

本発明の好ましい実施形態によるバッテリーパックを構成する、母線（バスバー）をユニットセルの電極端子から分離できる構造を備えたバッテリーモジュールを示す代表的な図である。 図１に示すバッテリーモジュールの全てのユニットセルが膨張した場合を示す代表的な図である。 図１に示すバッテリーモジュールのユニットセルが互いに通常通りに接続された状態での、電極端子と対応する母線との間の連結関係を示す代表的な部分図である。 図１に示すバッテリーモジュールのユニットセルが、膨張により、互いに外れた状態での、電極端子と対応する母線との間の連結関係を示す代表的な部分図である。 本発明の別の好ましい実施形態によるバッテリーパックを構成する、ケーブルを端子タップから分離できる構造を備えたバッテリーモジュールを示す代表的な図である。 図５に示すバッテリーモジュールの幾つかのユニットセルが膨張した場合を示す代表的な図である。 本発明の更に別の好ましい実施形態によるバッテリーパックを構成する、ケーブルの向き合った端部を互いから分離できる構造を持つバッテリーモジュールを示す代表的な図である。 図７に示すバッテリーモジュールのユニットセルの膨張を示す代表的な図である。 本発明の好ましい実施形態によるコンパクトなバッテリーパックを示す側面図である。 本発明の好ましい実施形態によるコンパクトなバッテリーパックを示す後面図である。 本発明の好ましい実施形態によるコンパクトなバッテリーパックを示す平面図である。 本発明の好ましい実施形態によるコンパクトなバッテリーパックを示す底面図である。 本発明の好ましい実施形態によるコンパクトなバッテリーパックを示す、下方から見た斜視図である。 バッテリーパックのユニットセルが膨張したときの、図９に示すバッテリーパックの構造的変化を示す代表的な図である。 図１０の部分Ａに設けられた、様々な開口構造を持つ連結溝及びこれらの連結溝の連結状態を示す代表的な図である。 図１０の部分Ａに設けられた、様々な開口構造を持つ連結溝及びこれらの連結溝の連結状態を示す代表的な図である。 図１０の部分Ａに設けられた、様々な開口構造を持つ連結溝及びこれらの連結溝の連結状態を示す代表的な図である。 図１０の部分Ａに設けられた、様々な開口構造を持つ連結溝及びこれらの連結溝の連結状態を示す代表的な図である。

Claims (7)

1. 中型又は大型のバッテリーパックであって、
   充電及び放電を行うことができ、互いに高密度で積み重ねられ、互いに電気的に接続された複数のバッテリーセルを備えてなり、
   前記バッテリーパックの異常動作によって、又は前記バッテリーセルの長期間に亘る充電及び放電により生じる前記バッテリーパックの劣化によって、前記バッテリーセルが膨張したとき、膨張した前記バッテリーセルの厚さ変化により、前記バッテリーパックの所定の領域に応力が集中し、
   これによって前記バッテリーパックに物理的変化を生じ、前記バッテリーパックの物理的変化により、前記バッテリーパックの電気接続部材が機械的に外れてなるものであり、 前記複数のバッテリーセルがユニットセルとして互いに連続的に積み重ねられるような上部受け入れ部分を持つ下部ケースと、
   前記下部ケースに積み重ねられた前記ユニットセルの上端を覆うような下部受け入れ部分を持つ上部ケースと、
   前記バッテリーの電圧、電流、及び／又は温度を検出するための感知基板組合せ体を持つ、前記積み重ねられたユニットセルを互いに電気的に接続するための第１回路ユニットと、
   前記バッテリーパックの全体の動作を制御するためのメイン基板組合せ体を持つ、前記第１回路ユニットに電気的に接続された第２回路ユニットと、
   前記第２回路ユニットに電気的に接続されるとともに、外部出力端子に接続された、過充電、過放電、及び／又は過電流を防止する第３回路ユニットとを備えてなり、
   前記第１回路ユニットが、前記ユニットセルの電極端子の変位方向で前記バッテリーパックの前部に配置されてなり、
   前記第２回路ユニットが、前記下部ケースの下部受け入れ部分に配置されてなり、
   前記第３回路ユニットが、前記バッテリーパックの後部に配置されてなり、
   前記電気接続部材が、ケーブルであり、
   前記バッテリーセルが膨張したとき、前記電気接続部材の接続を機械的に外す前記電気接続部材の前記領域が、前記ケーブルと該ケーブルが接続されたタップ端子との間の接続領域、又は前記ケーブルの中間部分にある接続領域であるものであり、
   前記ケーブルが、前記ユニットセルのうちの少なくとも一つの厚さに沿って延びるように構成されており、これによって、前記バッテリーセルの厚さが変化したとき、引張力が前記ケーブルに直接加わるものであり、
   前記外れることができる前記電気接続部材が、前記バッテリーセルの向き合った端部（ａ、ｂ）の一方に、即ち前記ユニットセルの一端（ａ）に配置されている場合、前記ユニットセルの他端（ｂ）は固定されており、これによって、前記ユニットセルの厚さは前記ユニットセルの端部（ａ）のところで大きくなり、従って、前記電気接続部材は容易に外れてなり、
   前記バッテリーパックにおける前記所定の領域が、前記バッテリーパックの物理的変化により、変形し、分離し、又は壊れるものであり、
   前記所定の領域が、前記バッテリーパックの前部、後部又は側部に配置された部材の連結領域、又はこの部材自体である、バッテリーパック。
2. 前記第３回路ユニットのプリント回路基板（ＰＣＢ）（第３回路ユニットＰＣＢ）が前記バッテリーパックの前記側部又は前記後部に配置されている場合、前記バッテリーセルの膨張により物理的に変化する領域が、前記上部ケース、及び／又は前記下部ケース、及び前記第３回路ユニットＰＣＢが互いに連結された連結領域である、請求項１に記載のバッテリーパック。
3. 前記連結領域での前記連結が、対応する部材に連結溝を形成し、これらの連結溝にボルトを挿入することによって行われる、請求項２に記載のバッテリーパック。
4. 前記連結領域において一方の前記部材の前記連結溝が、開放した溝の形状で形成されている、請求項３に記載のバッテリーパック。
5. 前記上部ケース又は前記下部ケースと、前記第３回路ユニットＰＣＢとの間の前記連結領域が、前記バッテリーセルが膨張したときに物理的に変化し、
   電気接続部材として機能する少なくとも一つのケーブルが、前記連結領域の物理的変化により少なくとも一つのケーブルが機械的に外れるように、前記第３回路ユニットＰＣＢに前記上部ケース又は前記下部ケースを介して接続されてなる、請求項２に記載のバッテリーパック。
6. 前記第３回路ユニットＰＣＢには、前記少なくとも一つのケーブルの一端に接続されたタップ端子が設けられており、
   該タップ端子が、引張力が加えられる方向に突出してなる、請求項５に記載のバッテリーパック。
7. 前記バッテリーパックが、電気自転車（Ｅ−バイク）、電気オートバイ、電気自動車、又はハイブリッド電気自動車用の電源として使用される、請求項１に記載のバッテリーパック。

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