KR102881159B1 - 배터리팩 - Google Patents

배터리팩

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KR102881159B1 KR1020250093271A KR20250093271A KR102881159B1 KR 102881159 B1 KR102881159 B1 KR 102881159B1 KR 1020250093271 A KR1020250093271 A KR 1020250093271A KR 20250093271 A KR20250093271 A KR 20250093271A KR 102881159 B1 KR102881159 B1 KR 102881159B1
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Abstract

본 발명에 의하면, 팩케이스; 팩케이스의 내부에 다수개가 적층 구성되고 전기에너지가 저장된 상태를 가지는 파우치셀; 및 팩케이스의 내부에 구성되고 각 파우치셀의 전압, 전류, 온도를 감시하여 과충전, 과방전, 과전류 및 단락을 포함하는 이상 상황 발생 시 해당 보호 조치를 진행하며 각 파우치셀의 고전압 에너지를 저전압 에너지로 전환하는 액티브 밸런싱과 소정 온도로 상승 시 동작이 정지되도록 하는 기능을 제공하는 BMS를 포함하는 배터리팩이 제공된다.

Description

배터리팩{Battery pack}
본 발명은 배터리팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 모빌리티에 장착 구성되어 전기허브모터가 구동되도록 하는 것으로서 다수개의 파우치셀을 직렬과 병렬 방식으로 결속하여 정격 용량을 제공하고 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 과열 등에 대한 다양한 보호 기능을 제공하여 안전성과 신뢰성이 향상되도록 할 수 있는 배터리팩에 관한 것이다.
일반적으로, 전기허브모터가 적용된 전동 퀵보드나 전기 바이크 등의 전기 모빌리티는, 일상생활에서 취미 또는 이동수단으로 활용되고 있다. 일예로, 전기 바이크는, 본체와, 본체 전단 하부에 결합되는 조향부와, 본체 후단 하부에 결합되는 후륜휠과, 조향부의 하단에 결합되는 전륜휠과, 전기허브모터로 전원을 공급하는 배터리팩 등으로 구성된다.
그러나 종래의 배터리팩은, 원통형이나 각형의 셀이 적용되고 있기 때문에, 구조적으로 셀 간 빈 공간이 많이 발생하게 되어 동일 용량 대비 배터리팩의 전체 부피가 크고 무게도 무거워져 전기 모빌리티와 같이 경량화와 공간 효율성이 중요한 제품에는 이러한 부피와 중량 증대가 큰 제약으로 작용되어 제품 설계의 자유도가 저하되고 적용이 어려운 문제점이 있다.
또한, 보호 회로 수준의 단순한 기능을 통하여 정격 용량만을 제공할 뿐, BMS가 내장되어 있지 않아 주행 중 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 과열 및 화재 등 다양한 이상 상황이 발생하여도 실시간으로 문제를 감지하거나 적절한 보호 조치가 취하기 어려워, 셀의 손상이나 화재, 폭발 등 안전사고로 이어지는 위험이 높았으며, 운전자가 이런 상태를 정확히 파악하거나 즉각적으로 대응하기 힘든 한계가 있다.
이에, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 파우치 타입의 셀을 적용하고 고도화된 BMS가 내장되는 등 기술적 개선이 요구되고 있는 실정이다.
(0001) 공개특허 10-2019-0012845 (0002) 공개특허 10-2023-0129886 (0003) 공개특허 10-2021-0079658 (0004) 공개특허 10-2023-0174323
따라서 본 발명의 목적은 전기 모빌리티에 장착 구성되어 전기허브모터가 구동되도록 하는 것으로서 다수개의 파우치셀을 직렬과 병렬 방식으로 결속하여 정격 용량을 제공하고 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 과열 등에 대한 다양한 보호 기능을 제공하여 안전성과 신뢰성이 향상되도록 할 수 있는 배터리팩을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 팩케이스; 팩케이스의 내부에 다수개가 적층 구성되고 전기에너지가 저장된 상태를 가지는 파우치셀; 및 팩케이스의 내부에 구성되고 각 파우치셀의 전압, 전류, 온도를 감시하여 과충전, 과방전, 과전류 및 단락을 포함하는 이상 상황 발생 시 해당 보호 조치를 진행하며 각 파우치셀의 고전압 에너지를 저전압 에너지로 전환하는 액티브 밸런싱과 소정 온도로 상승 시 동작이 정지되도록 하는 기능을 제공하는 BMS를 포함하는 배터리팩이 제공된다.
여기서, 팩케이스는, 상단과 하단이 개방된 통체 형상을 가지는 바디케이스, 바디케이스의 상단을 커버하면서 결합 구성되는 탑커버 및 바디케이스의 하단을 커버하면서 결합 구성되는 바텀커버를 포함하고, 바디케이스는, 상단과 하단의 길이방향을 따라 양측 내주면 소정의 높이에 한 쌍의 구획라인이 소정의 길이로 돌출 구성되며, 구획라인의 하부 공간은 다수개의 파우치셀이 적층되는 셀수납공간으로 구분되고, 구획라인의 상부 공간은 셀수납공간에 적층된 파우치셀들에 전기적으로 결속되는 BMS가 구성되는 BMS공간으로 구분되도록 하며, 탑커버는, 바디케이스의 상단 개방 부위를 커버하면서 결합 구성되며, 팩케이스의 이동을 위한 손잡이, BMS로부터 제공되는 파우치셀들의 상태 정보를 육안으로 확인할 수 있는 디스플레이 및 파우치셀의 양극단자와 음극단자에 전기적으로 결속되고 전기 모빌리티의 전기허브모터에 파우치셀로부터 동작 전원이 공급되도록 하는 양극터미널과 음극터미널이 설치 구성되며, 바텀커버는, 바디케이스의 하단 개방 부위를 커버하면서 결합 구성되며, 바디케이스의 내부 상태를 육안으로 확인할 수 있는 표시창이 설치 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 파우치셀은, 파우치 타입을 가지고 내부에 양극재, 음극재, 분리막 및 전해액을 포함하는 전극조립체가 구성된 파우치셀바디와, 파우치셀바디의 상면 좌측과 우측에 연장 구성되고 전극조립체에 의한 전기에너지가 부하로 출력되도록 하거나 외부로부터 전극조립체에 전기에너지가 충전되도록 하는 양극단자 및 음극단자를 포함하며, 정격전압 4.2V, 정격용량 20Ah, 충전전류 20A, 방전전류 20A를 포함하는 사양을 가지는 상태에서, 20S4P 구조로 결속되어 최대전압 84V, 정격전압 74V, 총용량 80Ah, 총 에너지 5.92kWh의 전기적 사양을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리팩은, 팩케이스에 다수개가 연속하여 적층 구성되는 파우치셀 사이에 배치되는 배리어를 더 포함하고, 배리어는, 배리어바디와, 배리어바디 표면에 소화약제조성물이 도포 또는 코팅되어 구성되며 소정 온도 이상에서 용융되는 소화약제코팅층을 포함하며, 배리어바디는, 유리섬유직물, 실리카포, 아라미드직물, 방염포 중 어느 하나로 구성되고, 소화약제코팅층을 구성하는 소화약제조성물은, 상변화기능제에 열전도난연제, 반응성억제첨가제 및 보강용바인더가 혼합 구성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리팩은, 각 파우치셀의 파우치 표면에 접착 및 커버 구성되는 파우치용 난연필름을 더 포함하며, 파우치용 난연필름은, 난연 기능을 제공하는 난연시트와, 난연시트의 양면에 소화약제조성물이 도포 또는 코팅되어 구성되며 소정 온도 이상에서 용융되는 소화약제코팅층을 포함하며, 소화약제코팅층을 구성하는 소화약제조성물은, 상변화기능제에 열전도난연제, 반응성억제첨가제 및 보강용바인더가 혼합 구성된 것이 바람직하다.
또한, BMS는, 팩케이스에 위치되고 파우치셀들의 양극단자와 음극단자가 인접한 것들끼리 서로 연결되도록 하여 파우치셀들이 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결되도록 하는 셀인터컨넥터, 팩케이스에 위치되고 파우치셀들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀들의 과충전, 과방전, 과전류 및 단락을 포함하는 이상 상황을 감지하여 회로 보호 기능을 제공하는 PCM모듈 및 팩케이스에 위치되고 파우치셀들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀들의 전압, 전류 및 온도를 감시하고 파우치셀 간 에너지 균형을 유지하며 전체 배터리팩의 안전성과 성능을 제어하는 BMS모듈을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 전기 모빌리티에 장착 구성되어 전기허브모터가 구동되도록 하는 것으로서 다수개의 파우치셀을 직렬과 병렬 방식으로 결속하여 정격 용량을 제공하고 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 과열 등에 대한 다양한 보호 기능을 제공하여 안전성과 신뢰성이 향상되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리팩을 나타낸 사시도;
도 2는 도 1의 배터리팩을 나타낸 분해 사시도;
도 3은 도 1의 배터리팩의 실제 모습을 나타낸 사진;
도 4는 도 1의 배터리팩에 있어서 파우치셀의 모습을 나타낸 도면; 및
도 5는 도 1의 배터리팩에 있어서 파우치셀과 BMS를 연결을 나타낸 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리팩은, 통체 형상을 가지는 팩케이스(100), 팩케이스(100)의 내부에 다수개가 적층 구성되고 전기에너지가 저장된 상태를 가지는 파우치셀(200) 및 팩케이스(100)의 내부에 구성되고 파우치셀(200)들의 양극단자(220)와 음극단자(230)가 인접하는 것들끼리 서로 연결되도록 하여 파우치셀(200)들이 전기적으로 직렬 및 병렬 연결된 상태를 가지도록 하고 각 파우치셀(200)의 전압, 전류, 온도를 지속적으로 감시하여 과충전, 과방전, 과전류 및 단락 등 이상 상황 발생시 즉시 보호 조치를 진행하며 각 파우치셀(200)의 고전압 에너지를 저전압 에너지로 전환하는 액티브 밸런싱과 소정 온도로 상승시 동작이 정지되도록 하는 기능을 제공하는 BMS(300) 등을 포함한다.
팩케이스(100)는, 통체 형상을 가지고 내부에 다수개의 파우치셀(200)과 BMS(300)가 구성되도록 하는 보호 수단으로서, 상단과 하단이 개방된 통체 형상을 가지는 바디케이스(110), 바디케이스(110)의 상단을 커버하면서 결합 구성되는 탑커버(120) 및 바디케이스(110)의 하단을 커버하면서 결합 구성되는 바텀커버(130) 등을 포함한다.
바디케이스(110)는, 상단과 하단의 길이방향을 따라 양측 내주면 소정의 높이에 한 쌍의 구획라인(111)이 소정의 길이로 돌출 구성되며, 구획라인(111)의 하부 공간은 다수개의 파우치셀(200)이 적층되는 셀수납공간(112)으로 구분되고, 구획라인(111)의 상부 공간은 셀수납공간(112)에 적층된 파우치셀(200)들에 전기적으로 결속되는 BMS(300)가 구성되는 BMS공간(113)으로 구분되도록 하여, BMS(300)의 설치 및 배선을 간소화하고 파우치셀(200)들과의 전기적 연결을 안정적으로 유지하며 열 발생시 열전달을 효율적으로 분산시켜 배터리팩의 안전성과 신뢰성이 향상되도록 하는 것이 좋다.
탑커버(120)는, 바디케이스(110)의 상단 개방 부위를 커버하면서 결합 구성되며, 팩케이스(100)의 이동을 위한 손잡이(121), BMS(300)로부터 제공되는 파우치셀(200)들의 상태 정보를 육안으로 확인할 수 있는 디스플레이(122) 및 파우치셀(200)의 양극단자(220)와 음극단자(230)에 전기적으로 결속되고 전기 모빌리티의 전기허브모터에 파우치셀(200)로부터 동작 전원이 공급되도록 하는 양극터미널(123)과 음극터미널(124) 등이 설치 구성된다.
바텀커버(130)는, 바디케이스(110)의 하단 개방 부위를 커버하면서 결합 구성되며, 바디케이스(110)의 내부 상태를 육안으로 확인할 수 있는 표시창(131) 등이 설치 구성된다.
여기서, 팩케이스(100)는, 기계적 강성이 높고 방열성이 우수한 알루미늄 등과 같은 재질을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 팩케이스(100)는, 바디케이스(110)와 탑커버(120)의 결합면 사이에는 압축률이 높은 가스켓이나 틈새 메꿈재 등이 적용되어 바디케이스(110) 내부에서 이상 발화로 인한 가스와 화염이 발생할 경우 기밀성이 약한 바디케이스(110)와 바텀커버(130) 결합면을 향하여 가스와 화염이 유도되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서 팩케이스(100)에 의하면, 기계적 충격이나 외부 환경으로부터 내부의 파우치셀(200)과 BMS(300)를 효과적으로 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 이상 발화시 발생하는 가스 및 화염이 사용자를 향하지 않고 기밀성이 약한 영역으로 안전하게 배출되도록 유도할 수 있어 화재 확산을 억제하고 사용자의 안전성을 확보할 수 있다.
파우치셀(200)은, 팩케이스(100)의 내부에 다수개가 적층 구성되고 전기에너지가 저장된 상태를 가지는 것을 통하여 전기 모빌리티 등과 같은 부하에 동작 전원이 제공되도록 하는 수단으로서, 파우치 타입을 가지고 내부에 양극재, 음극재, 분리막 및 전해액을 포함하는 전극조립체가 구성된 파우치셀바디(210)와, 파우치셀바디(210)의 상면 좌측과 우측에 연장 구성되고 전극조립체에 의한 전기에너지가 부하로 출력되도록 하거나 외부로부터 전극조립체에 전기에너지가 충전되도록 하는 양극단자(220) 및 음극단자(230) 등을 포함한다.
여기서, 파우치셀(200)은, 정격전압 4.2V, 정격용량 20Ah, 충전전류 20A, 방전전류 20A 등의 사양을 가지는 상태에서, 20S4P 구조로 결속되어 최대전압 84V, 정격전압 74V, 총용량 80Ah, 총 에너지 5.92kWh의 전기적 사양을 가지는 것이 바람직하다.
한편, 파우치셀(200)은, 팩케이스(100) 바디케이스(110)의 셀수납공간(112)에 다수개가 연속하여 적층 구성되는데, 이때, 소정 개수의 파우치셀(200) 사이에 배리어(400)가 배치되어 파우치셀(200)의 출력 중 열에 의한 화재 등 이벤트 발생시 인접한 파우치셀(200) 사이의 열전파를 차단 내지 지연되도록 하는 것이 바람직하다.
일예로, 배리어(400)는, 바디케이스(110)의 셀수납공간(112)에 20개의 파우치셀(200)이 연속하여 적층 구성될 경우, 1번 파우치셀과 바텀커버(130) 사이, 20번 파우치셀과 탑커버(120) 사이, 10번 파우치셀과 11번 파우치셀 사이, 5번 파우치셀과 6번 파우치셀 사이 및 15번 파우치셀과 16번 파우치셀 사이에 위치되는 것이 바람직하다.
한편, 배리어(400)는, 배리어바디와, 배리어바디 표면에 소화약제조성물이 도포 또는 코팅되어 구성되며 소정 온도 이상에서 용융되는 소화약제코팅층 등으로 구성될 수 있으며, 배리어바디는, 유리섬유직물, 실리카포, 아라미드직물, 방염포 중 어느 하나로 구성되고, 소화약제코팅층을 구성하는 소화약제조성물은, 상변화기능제에 열전도난연제, 반응성억제첨가제 및 보강용바인더 등이 혼합 구성된다.
여기서, 소화약제조성물은, 상변화기능제 100 중량부에 열전도난연제 40 내지 60 중량부, 반응성억제첨가제 20 내지 40 중량부 및 보강용바인더 10 내지 20 중량부 등이 혼합된 혼합물인 것이 바람직하다.
상변화기능제는, 배리어바디 표면에 도포시 배리어바디에 설정된 융점 또는 전이 온도가 전달되면 고체에서 액체로 상변화하면서 다량의 잠열을 흡수하여 파우치셀(200) 주위 온도의 급격한 상승을 억제하고 열폭주 상황에서 폭발이나 화염 등의 위험을 지연하거나 차단하는 기능을 제공하는 것으로서, 일예로, 공지의 에리트리톨, 솔트 하이드레이트 및 파라핀 왁스가 1:1:1의 부피비로 혼합된 것일 수 있다.
여기서, 상변화기능제는, 열전도난연제, 반응성억제첨가제 및 보강용바인더에 대하여 100 중량부가 혼합되는데, 상기 중량부를 초과하는 경우에는 기타 혼합물의 분산이나 기능 발현이 제한되어 복합적인 배리어(400)의 기능 구현이 어렵게 되고, 상기 중량부에 미만하는 경우에는 상변화 열량이 부족해지면서 실질적인 에너지 흡수 및 열완충 성능이 충분히 확보되지 않으므로, 상기와 같은 한정된 중량부를 가지는 것이 바람직하다.
열전도난연제는, 상변화기능제 등과 혼합되고 배리어바디 표면에 도포되어 파우치셀(200)의 발열시 발생하는 열을 빠르게 분산시키고 화염 전파 억제 기능을 제공하는 것으로서, 일예로, 공지의 알루미나, 실리카 및 흑연이 1:1:1의 부피비로 혼합된 것일 수 있다.
여기서, 열전도난연제는, 상변화기능제에 대하여 40 내지 60 중량부가 혼합되는데, 상기 중량부를 초과하는 경우에는 상변화기능제의 비중이 상대적으로 낮아져 상변화 열량이 감소하고 고체에서 액체로의 열완충 작용이 충분하지 않아 에너지 흡수 능력과 열폭주 지연 효과가 저하되며, 상기 중량부에 미만하는 경우에는 열전도 기능이 부족하여 국부 발열이나 셀 간 열전달이 지연되면서 이상 발화시 화염이 급격하게 확산되고 기능적 안정성과 화재 억제 성능 확보가 어려워지게 되므로, 상기와 같은 한정된 중량부를 가지는 것이 바람직하다.
반응성억제첨가제는, 상변화기능제 및 열전도난연제와 함께 배리어바디 표면에 도포되어 파우치셀(200)의 열폭주 발생시 화학적 반응속도를 지연시키고 물리적 변화(발포 및 팽창)를 유도하여 화염 확산 및 2차 발화를 방지하는 기능을 제공하는 것으로서, 일예로, 공지의 붕산염, 인계 난연제 및 질산염이 1:1:1의 부피비로 혼합된 것일 수 있다.
여기서, 반응성억제첨가제는, 상변화기능제에 대하여 20 내지 40 중량부가 혼합되는데, 상기 중량부를 초과하는 경우에는 배리어(400)의 전체 조성 중 비활성 물질의 비중이 증가하게 되어 상변화기능제의 열흡수 능력 저하 및 열전도난연제의 방열 분산 특성 저하가 발생하여 열완충 및 내화 기능의 균형이 무너지게 되고, 상기 중량부에 미만하는 경우에는 발포나 팽창 반응이 미약하여 가스 분출과 부피 팽창을 통한 열차단막 형성이 불충분하여 파우치셀(200)에서 발생하는 열폭주 반응이 연속적으로 전파될 위험이 커지면서 화염 차단 및 안정성 확보에 한계가 유발되므로, 상기와 같은 한정된 중량부를 가지는 것이 바람직하다.
보강용바인더는, 상변화물질의 각 혼합물들이 배리어 표면에 균일하게 분산 및 도포되도록 하고 기계적 안정성 및 점착성을 확보하여 상변화물질이 열에 의해 급격히 용융 또는 팽창되는 상황에서도 구조적 일체성을 유지할 수 있도록 하는 기능을 제공하는 것으로서, 일예로, 공지의 유리섬유분말, 실리카 섬유 및 EVA계 바인더가 1:1:1의 부피비로 혼합된 것일 수 있다.
여기서, 보강용바인더는, 상변화기능제에 대하여 10 내지 20 중량부로 혼합되는데, 상기 중량부를 초과하는 경우에는 보강용바인더의 함량이 과도하여 상변화기능제 및 기타 기능성 혼합물의 비율이 상대적으로 감소하게 되어 총체적인 열흡수능, 난연성, 반응성 억제효과가 저하되고 경화된 후에 쉽게 경직되거나 균열이 발생될 수 있으며, 상기 중량부에 미만하는 경우에는 보강용바인더의 점착력 및 결합력이 부족해져 열충격 또는 기계적 진동시 상변화물질이 탈리 및 이탈되거나 분산 조성이 불균일해질 우려가 있으며 특히 고온에서의 용융 유동시 일체성이 손상되어 원하는 열흡수 및 난연 효과가 저해되므로, 상기와 같은 한정된 중량부를 가지는 것이 바람직하다.
따라서 배리어(400)에 의하면, 상변화기능제, 열전도난연제, 반응성억제첨가제 및 보강용바인더가 상기 한정된 중량부로 혼합된 소화약제조성물이 배리어바디 표면에 도포 및 코팅되어 소화약제코팅층이 구성됨으로써, 팩케이스(100) 내부 파우치셀(200)의 열폭주 및 화재 발생시 초기 온도 상승을 효과적으로 완화하고 열 및 화염의 확산을 지연하며 배터리팩의 안전성과 신뢰성을 현저히 향상시키는 뛰어난 내화 및 열관리 기능을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서는, 복수개의 파우치셀(200) 사이의 공간에 배리어(400)가 구성되도록 하고 있으나, 이와 더불어, 각 파우치셀(200)의 파우치 표면에 파우치용 난연필름(미도시)이 접착 및 커버 구성되어도 좋다.
여기서, 파우치용 난연필름(미도시)은, 공지의 난연 기능을 제공하는 난연시트(미도시)와, 난연시트(미도시)의 양면에 소화약제조성물이 도포 및 코팅되어 소정 온도 이상에서 용융되는 소화약제층을 포함하며, 소화약제코팅층을 구성하는 소화약제조성물은, 배리어(400)의 소화약제조성물과 동일한 것이 바람직하다.
따라서 파우치용 난연필름(미도시)에 의하면, 각 파우치셀(200) 표면에 부착되어 파우치셀(200)에서 발생하는 열폭주나 발화 징후를 초기에 감지하고, 도포된 소화약제조성물이 용융되며 열흡수, 화염 억제, 반응 지연 등의 작용을 빠르게 수행함으로써 인접 파우치셀(200)로의 열 및 화염 전파를 효과적으로 차단하며, 이에, 배터리팩의 전체적인 내화성과 신뢰성을 향상시키고 기계적 안정성과 충격 흡수 기능도 함께 제공하여 파우치셀(200)의 손상을 최소화할 수 있다.
BMS(300)는, 팩케이스(100)의 내부에 구성되고 파우치셀(200)들의 양극단자(220)와 음극단자(230)가 인접하는 것들끼리 서로 연결되도록 하여 파우치셀(200)들이 전기적으로 직렬 연결된 상태를 가지도록 하고 각 파우치셀(200)의 전압, 전류, 온도를 지속적으로 감시하여 과충전, 과방전, 과전류 및 단락 등 이상 상황 발생시 즉시 보호 조치를 진행하며 각 파우치셀(200)의 고전압 에너지를 저전압 에너지로 전환하는 액티브 밸런싱과 소정 온도로 상승시 동작이 정지되도록 하는 등의 기능을 제공하는 수단으로서, 팩케이스(100) 바디케이스(110)의 BMS공간(113)에 위치되고 파우치셀(200)들의 양극단자(220)와 음극단자(230)가 인접한 것들끼리 서로 연결되도록 하여 파우치셀(200)들이 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결되도록 하는 셀인터컨넥터(310), 팩케이스(100) 바디케이스(110)의 BMS공간(113)에 위치되고 파우치셀(200)들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀(200)들의 과충전, 과방전, 과전류 및 단락 등 이상 상황을 감지하여 전기적 차단 등 기본 보호 기능을 제공하는 PCM모듈(320) 및 팩케이스(100) 바디케이스(110)의 BMS공간(113)에 위치되고 파우치셀(200)들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀(200)들의 전압, 전류 및 온도 등을 실시간으로 감시하고 파우치셀(200) 간 에너지 균형을 유지하며 전체 배터리팩의 안전성과 성능을 제어하는 BMS모듈(330) 등을 포함한다.
셀인터컨넥터(310)는, 파우치셀(200)들의 양극단자(220)와 음극단자(230)가 인접하는 것들끼리 서로 연결되도록 하여 파우치셀(200)들이 전기적으로 직결 및 병렬 연결된 상태를 가지도록 하는 전기 결속 수단으로서, 다수의 파우치셀(200)들 사이에 배치되어 전류가 안정적으로 흐를 수 있도록 전기 전도성이 우수한 금속재(예: 니켈, 동 또는 알루미늄 등)로 형성되며, 파우치셀(200)의 전극단자에 저항 없이 접속될 수 있도록 접촉 면적 및 결합 안정성이 고려된 구조로 설계되는 것이 바람직하며, 이를 통하여, 80개의 파우치셀(200)들이 일예로, 20S4P 구조로 결속될 수 있다.
PCM모듈(320)은, 팩케이스(100) 바디케이스(110)의 BMS공간(113)에 위치되고 파우치셀(200)들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀(200)의 과충전, 과방전, 과전류, 단락 등 이상 상황을 실시간으로 감지하고, 이와 같은 이상 상태가 발생할 경우 전기적 차단 등을 통해 기본적인 보호 기능을 수행하는 회로 모듈로서, MOSFET, 과전압/과전류 감지 IC, 온도센서 및 퓨즈 소자 등을 포함하여 설계될 수 있다.
이에, PCM모듈(320)에 의하면, 파우치셀(200)의 오동작이 사전에 방지되어 배터리팩의 안전성과 내구성이 확보될 수 있다.
BMS모듈(330)은, 팩케이스(100) 바디케이스(110)의 BMS공간(113)에 위치되고 파우치셀(200)들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀(200)의 전압, 전류, 온도 등을 실시간으로 감시하고 각 셀 간의 에너지 균형을 유지하는 정밀 관리 기능을 수행하는 모듈로서, 통신기능(MCU, CAN통신 등) 및 제어 로직이 포함된 회로로 구성될 수 있다.
여기서, BMS모듈(330)은, 파우치셀(200)의 고전압 에너지를 저전압으로 분산시키는 액티브 밸런싱 기능을 수행하며, 특정 온도 이상 상승시 시스템을 자동 정지시켜 화재나 폭발 위험을 사전에 차단하는 등 종합적인 성능 제어 및 보호 기능을 수행할 수 있다.
따라서 BMS(300)에 의하면, 각 파우치셀(200)의 전압, 전류, 온도 등의 정보를 실시간으로 감시함으로써 파우치셀(200)들의 상태를 정확하게 파악할 수 있고, 이상 징후 발생시 즉각적으로 전기적 차단, 경고 출력, 시스템 정지 등의 적절한 보호 조치가 자동으로 수행되어 배터리팩의 손상, 과열, 단락, 화재 등의 사고를 사전에 방지할 수 있다.
또한, 파우치셀(200) 간의 에너지 불균형을 해소하는 액티브 밸런싱 기능을 통해 전력 효율이 극대화되고 셀 간 수명 편차가 감소되며 특정 온도 이상 상승시 자동으로 동작이 정지되어 폭발이나 화재 등과 같은 심각한 2차 사고의 위험이 감소될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리팩의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전기허브모터를 적용한 전동 퀵보드나 전기 바이크 등의 전기 모빌리티 등에 상기와 같은 구성을 가지는 배터리팩이 장착된다.
여기서, 배터리팩은, 80개의 파우치셀(200)들이 20S4P 구조로 결속된 상태를 가지며, 차체 하부나 시트 하단에 설치되어 전기허브모터에 전력을 공급한다.
만약, 전기 모빌리티 등의 운행 중 과충전이나 과방전, 혹은 급가속으로 인한 과전류 상황이 발생하면, BMS모듈(330)에 의해 각 파우치셀(200)의 전압, 전류, 온도 등의 데이터가 실시간으로 감시되고 이상 징후가 즉시 인식되며, 사전에 설정된 임계치가 초과되면 즉각적으로 전력 공급이 중단되는 등의 동작이 제어되며, 동시에, PCM모듈(320)에 의해 보다 빠른 반응이 요구되는 돌발 상황에 대비하여 설정된 임계값이 초과되는 전기적 이상 일예로, 과전압, 과전류 및 단락 등이 감지되면 곧바로 회로가 차단되어 1차적인 물리적 보호 기능이 수행된다.
한편, 배터리팩 내부에서 화재가 발생할 정도로 고열이 감지되는 상황에서는, 파우치셀(200) 간에 배치되는 배리어(400)에 의해 인접한 셀로의 열이 확산되거나 화염이 전파되는 것이 차단 또는 지연된다.
여기서, BMS(300)에 통신 기능이 구성되는 경우에는 이러한 배터리팩의 상태 정보가 디스플레이를 통해 실시간으로 운전자에게 제공될 수 있으며, 이를 통하여, 이상 징후를 사전에 인지하고 대응하도록 할 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 다수개의 파우치셀(200)을 직렬 및 병렬로 결합한 배터리팩이 전기 모빌리티에 장착되어 전기허브모터에 안정적인 전력을 공급할 수 있으며, BMS(300) 등의 다중 보호 기능을 통해 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 과열 등 다양한 이상 상황을 실시간으로 감지하고 신속하게 대응할 수 있다.
특히, BMS모듈(330)은 각 셀의 전압, 전류, 온도를 정밀하게 모니터링하여 에너지 밸런싱 및 안전 제어를 수행하고, PCM모듈(320)은 긴급 상황에서 물리적 회로 차단을 통해 1차적인 보호를 제공함으로써 배터리팩의 손상과 화재, 폭발 등의 위험을 크게 감소시킨다.
아울러, 셀 사이에 배치된 배리어(400)는 화재 발생 시 열과 화염의 확산을 효과적으로 차단 또는 지연시켜 배터리팩의 내화성과 안전성을 한층 강화하며, 팩케이스(100)의 구조적 설계는 충격 및 외부 환경으로부터 내부 구성품을 보호하는 동시에, 이상 발화 시 가스 및 화염이 안전하게 배출되도록 유도하여 사용자의 안전을 확보한다.
또한, BMS(300)의 통신 기능을 통해 배터리 상태가 실시간으로 운전자에게 전달되어 사전 예방적 대응이 가능해지므로, 전기 모빌리티 등에 적용되는 배터리팩의 안전성, 신뢰성 및 성능을 종합적으로 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. 팩케이스(100);
    팩케이스(100)의 내부에 다수개가 적층 구성되고 전기에너지가 저장된 상태를 가지는 파우치셀(200);
    팩케이스(100)의 내부에 구성되고 각 파우치셀(200)의 전압, 전류, 온도를 감시하여 과충전, 과방전, 과전류 및 단락을 포함하는 이상 상황 발생시 해당 보호 조치를 진행하며 각 파우치셀(200)의 고전압 에너지를 저전압 에너지로 전환하는 액티브 밸런싱과 소정 온도로 상승시 동작이 정지되도록 하는 기능을 제공하는 BMS(300); 및
    각 파우치셀(200)의 파우치 표면에 접착 및 커버 구성되는 파우치용 난연필름(미도시)을 포함하며,
    파우치용 난연필름(미도시)은,
    난연 기능을 제공하는 난연시트와, 난연시트의 양면에 소화약제조성물이 도포 또는 코팅되어 구성되며 소정 온도 이상에서 용융되는 소화약제코팅층을 포함하며,
    소화약제코팅층을 구성하는 소화약제조성물은, 상변화기능제에 열전도난연제, 반응성억제첨가제 및 보강용바인더가 혼합 구성된 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  2. 제1항에 있어서, 팩케이스(100)는,
    상단과 하단이 개방된 통체 형상을 가지는 바디케이스(110), 바디케이스(110)의 상단을 커버하면서 결합 구성되는 탑커버(120) 및 바디케이스(110)의 하단을 커버하면서 결합 구성되는 바텀커버(130)을 포함하고,
    바디케이스(110)는,
    상단과 하단의 길이방향을 따라 양측 내주면 소정의 높이에 한 쌍의 구획라인(111)이 소정의 길이로 돌출 구성되며, 구획라인(111)의 하부 공간은 다수개의 파우치셀(200)이 적층되는 셀수납공간(112)으로 구분되고, 구획라인(111)의 상부 공간은 셀수납공간(112)에 적층된 파우치셀(200)들에 전기적으로 결속되는 BMS(300)가 구성되는 BMS공간(113)으로 구분되도록 하며,
    탑커버(120)는,
    바디케이스(110)의 상단 개방 부위를 커버하면서 결합 구성되며, 팩케이스(100)의 이동을 위한 손잡이(121), BMS(300)로부터 제공되는 파우치셀(200)들의 상태 정보를 육안으로 확인할 수 있는 디스플레이(122) 및 파우치셀(200)의 양극단자(220)와 음극단자(230)에 전기적으로 결속되고 전기 모빌리티의 전기허브모터에 파우치셀(200)로부터 동작 전원이 공급되도록 하는 양극터미널(123)과 음극터미널(124)이 설치 구성되며,
    바텀커버(130)는,
    바디케이스(110)의 하단 개방 부위를 커버하면서 결합 구성되며, 바디케이스(110)의 내부 상태를 육안으로 확인할 수 있는 표시창(131)이 설치 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  3. 제1항에 있어서, 파우치셀(200)은,
    파우치 타입을 가지고 내부에 양극재, 음극재, 분리막 및 전해액을 포함하는 전극조립체가 구성된 파우치셀바디(210)와, 파우치셀바디(210)의 상면 좌측과 우측에 연장 구성되고 전극조립체에 의한 전기에너지가 부하로 출력되도록 하거나 외부로부터 전극조립체에 전기에너지가 충전되도록 하는 양극단자(220) 및 음극단자(230)를 포함하며,
    정격전압 4.2V, 정격용량 20Ah, 충전전류 20A, 방전전류 20A를 포함하는 사양을 가지는 상태에서,
    20S4P 구조로 결속되어 최대전압 84V, 정격전압 74V, 총용량 80Ah, 총 에너지 5.92kWh의 전기적 사양을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  4. 제1항에 있어서,
    팩케이스(100)에 다수개가 연속하여 적층 구성되는 파우치셀(200) 사이에 배치되는 배리어(400)를 더 포함하고,
    배리어(400)는,
    배리어바디와, 배리어바디 표면에 소화약제조성물이 도포 또는 코팅되어 구성되며 소정 온도 이상에서 용융되는 소화약제코팅층을 포함하며,
    배리어바디는,
    유리섬유직물, 실리카포, 아라미드직물, 방염포 중 어느 하나로 구성되고,
    소화약제코팅층을 구성하는 소화약제조성물은, 상변화기능제에 열전도난연제, 반응성억제첨가제 및 보강용바인더가 혼합 구성된 것을 특징으로 하는 배터리팩
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, BMS(300)는,
    팩케이스(100)에 위치되고 파우치셀(200)들의 양극단자(220)와 음극단자(230)가 인접한 것들끼리 서로 연결되도록 하여 파우치셀(200)들이 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결되도록 하는 셀인터컨넥터(310), 팩케이스(100)에 위치되고 파우치셀(200)들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀(200)들의 과충전, 과방전, 과전류 및 단락을 포함하는 이상 상황을 감지하여 회로 보호 기능을 제공하는 PCM모듈(320) 및 팩케이스(100)에 위치되고 파우치셀(200)들 각각에 전기적으로 연결되어 파우치셀(200)들의 전압, 전류 및 온도를 감시하고 파우치셀(200) 간 에너지 균형을 유지하며 전체 배터리팩의 안전성과 성능을 제어하는 BMS모듈(330)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
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