JP7027638B2 - バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より詳しくは、バッテリーモジュールの過充電を防止して安全性が向上したバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、２０１７年６月１５日出願の韓国出願第１０－２０１７－００７６０２０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。
近年、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に伸び、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれて、繰り返して充放電可能な高性能二次電池に対する研究が活発に行われている。
現在、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、リチウム二次電池などの二次電池が商用化しているが、中でもリチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充放電が自在であり、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを介在して配置された電極組立体、及び電極組立体を電解液とともに密封収納する外装材、すなわち電池ケースを備える。
一般にリチウム二次電池は、外装材の形状によって、電極組立体が金属缶に収納されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに収納されているパウチ型二次電池とに分けられる。
最近は携帯型電子機器のような小型装置だけでなく、自動車や電力貯蔵装置のような中大型装置にも二次電池が広く適用されている。特に、炭素エネルギーが徐々に枯渇し、環境に対する関心が高まるとともに、米国、欧州、日本、韓国を含めて全世界的にハイブリッド自動車と電気自動車に関心が集められている。このようなハイブリッド自動車や電気自動車において最も核心的部品は車両モーターに駆動力を付与するバッテリーパックである。ハイブリッド自動車や電気自動車は、バッテリーパックの充放電を通じて車両の駆動力を得るため、エンジンのみを使用する自動車に比べて燃費が優れ、公害物質を排出しないか又は減少できるという長所から、ユーザーが次第に増加している。そして、このようなハイブリッド自動車や電気自動車のバッテリーパックには多数の二次電池が含まれ、このような多数の二次電池は互いに直列及び並列で連結されることで容量及び出力を向上させる。
このような二次電池は、優れた電気的特性を有しているものの、過充電、過放電、高温への露出、電気的短絡など非正常的な作動状態で、電池の構成要素である活物質、電解質などの分解反応が引き起こされて熱とガスが発生し、これにより二次電池が膨張する、いわゆる膨れ（スウェリング、ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が生じる問題点がある。膨れ現象は分解反応を加速化させ、熱暴走による二次電池の爆発及び発火を引き起こすこともある。
したがって、二次電池には、過充電、過放電、過電流時に電流を遮断する保護回路、温度が上昇するとき抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子、ガス発生によって圧力が上昇するとき電流を遮断するか又はガスを排気する安全ベントなどの安全システムが備えられている。
特に、従来は、膨れ現象が発生しても電池パックの安全性を保障するため、二次電池の体積が膨張すれば物理的変化によって遮断される電気的連結部材に対する研究が行われている。
しかし、このような電気的連結部材を用いても、二次電池が一定体積以上に膨張すれば、遮断を確実に保障し難いという問題点がある。
また、二次電池は、非正常的な作動状態だけでなく、正常的な作動状態でも一定の膨張と収縮を繰り返すため、正常な範囲内での膨張であるにも遮断されてしまう恐れがあり、作動信頼性に問題がある。
本発明は、第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルの１つ以上の体積増加による膨張力の印加を受けて第１バスバー及び第２バスバーに向かって移動及び接触し、第１バスバーと第２バスバーとを電気的に連結させて短絡を発生させることで、第１バスバーに形成された破断部が破断してバッテリーモジュールの過充電を防止できるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック及び自動車を提供することを目的とする。
本発明の目的は、上記の目的に制限されず、他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに理解できるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリーモジュールは、第１バッテリーセルの第１電極リードと電気的に連結された第１バスバー、第２バッテリーセルの第２電極リードと電気的に連結された第２バスバー、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの１つ以上の体積増加による膨張力の印加を受けて前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向かって移動し、前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に連結させて短絡を発生させる短絡部、並びに前記第１電極リード、前記第２電極リード、前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記短絡部の少なくとも一部を収容または支持するカートリッジを含む。
好ましくは、前記短絡部は、一端が前記カートリッジの内側に支持されて前記膨張力の逆方向に弾性力を提供する弾性部材；一端に前記弾性部材の他端と接触して前記弾性部材から前記弾性力の印加を受ける短絡端子を備え、他端の表面に沿って形成されたラックギアを備えるスライドバー；、及び一端に前記ラックギアと歯合して前記スライドバーの他端を支持するピニオンギアを備え、他端が前記第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルそれぞれの一端と接触して前記膨張力の印加を受ける膨張力伝達部を含むことができる。
好ましくは、前記スライドバーは、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルのいずれも体積が増加しない場合、前記弾性力のみの印加を受けて、前記短絡端子が前記第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルと離隔し得る。
好ましくは、前記膨張力伝達部は、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの１つ以上の体積が増加する場合、前記膨張力の印加を受けて前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向かって移動し、前記印加を受けた膨張力を前記ピニオンギアと歯合した前記ラックギアを通じて前記スライドバーに伝達し得る。
好ましくは、前記スライドバーは、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの１つ以上の体積が増加する場合、前記ピニオンギアと歯合した前記ラックギアを通じて前記膨張力の伝達を受けて前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向かって移動し得る。
好ましくは、前記短絡端子は、前記第１バスバー及び前記第２バスバーと接触して、前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に連結させて短絡を発生させ得る。
好ましくは、前記短絡端子は伝導性材質で形成され得る。
好ましくは、前記カートリッジは、内側に前記短絡部の外形に対応する形状の収容空間が形成されて、前記短絡部を内側に収容し得る。
好ましくは、前記収容空間は、前記弾性部材の復元状態に応じた前記弾性部材の体積に対応するように形成され得る。
好ましくは、前記カートリッジは、対面接触して電気的に連結された前記第１電極リード及び前記第１バスバーそれぞれの少なくとも一部を支持し、対面接触して電気的に連結された前記第２電極リード及び前記第２バスバーそれぞれの少なくとも一部を支持し得る。
好ましくは、前記第１バスバー及び前記第２バスバーの少なくとも１つは、短絡が発生した場合、破断して外部との電気的連結を遮断する破断部を含むことができる。
本発明によるバッテリーパックは、前記バッテリーモジュールを含むことができる。
本発明による自動車は、前記バッテリーモジュールを含むことができる。
本発明によれば、第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルの１つ以上の体積増加による膨張力によって第１バスバーと第２バスバーとを電気的に連結して短絡を発生させることで、第１バスバー及び第２バスバーの少なくとも１つに形成された破断部が破断してバッテリーモジュールの過充電を防止し、バッテリーモジュールの安定性を向上させることができる。
本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの分解斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの体積が増加する前の状態を上面から見た図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの第１バッテリーセル、第１バスバー、第２バッテリーセル及び第２バスバーのみを示した図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの破断部が破断する前の状態を側面から見た図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの破断部が破断した後の状態を側面から見た図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの短絡部の斜視図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成要素のうちカートリッジの一部を切開した状態を上面から見た図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの体積が増加した後の状態を上面から見た図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの過充電前の等価回路図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの過充電の後、短絡部が移動した直後の等価回路図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの過充電の後、短絡部が移動して破断部が破断した後の等価回路図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールのカートリッジの断面を示した図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュールのカートリッジの内部を示した斜視図である。
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。これによって、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者が本発明の技術的思想を容易に実施できるであろう。本発明の説明において、本発明に関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合は詳細な説明を省略する。なお、図面における同じ参照符号は同一または類似の構成要素を示すものである。
図１は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの斜視図であり、図２は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの分解斜視図であり、図３は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの体積が増加する前の状態を上面から見た図である。
図１～図３を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールはバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂ、バスバー２００ａ、２００ｂ、短絡部３００及びカートリッジ４００を含むことができる。
前記バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは複数個備えられ、それぞれのバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは左右方向に並んで積層され得る。
バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂの種類は特に限定されず、多様な二次電池を本発明によるバッテリーモジュールに採用できる。例えば、前記バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、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で構成され得る。特に、前記バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは、リチウム二次電池であり得る。
一方、バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは、外装材の種類によって、パウチ型、円筒型、角形などに分類され得る。特に、本発明によるバッテリーモジュールのバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは、パウチ型二次電池であり得る。
バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂがパウチ型二次電池で具現された場合、図２に示されたように、各バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは広い面が左側と右側に位置して、それぞれのバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂの広い面が相互対面するように構成され得る。また、この場合、各バッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは、前方に向かって突出してから折り曲げられる形態に形成される電極リード１２０ａ、１２０ｂを備えることができる。
電極リード１２０ａ、１２０ｂは、正極リードと負極リードで構成され、正極リードは電極組立体の正極板に連結され、負極リードは電極組立体の負極板に連結され得る。
一方、本発明によるバッテリーセル１１０ａ、１１０ｂは、左側に位置する第１バッテリーセル１１０ａ及び右側に位置する第２バッテリーセル１１０ｂで構成され得る。このとき、第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂそれぞれの電極リードは、異なる極性の電極リード１２０ａ、１２０ｂが同じ方向に向かうように配置され得る。
より具体的に、図２に示されたように、第１バッテリーセル１１０ａは正極である第１電極リード１２０ａが前方に向かって配置され、第２バッテリーセル１１０ｂは負極である第２電極リード１２０ｂが前方に向かって配置され得る。
また、第１バッテリーセル１１０ａは負極である第２電極リード１２０ｂが後方に向かって配置され、第２バッテリーセル１１０ｂは正極である第１電極リード１２０ａが後方に向かって配置され得る。
このとき、第１バッテリーセル１１０ａの第２電極リード１２０ｂと第２バッテリーセル１１０ｂの第１電極リード１２０ａとは電気的に連結され得る。
一方、第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａは、後述する第１バスバー２００ａと電気的に連結されることで、外部電圧源から正極電圧の印加を受けることができる。また、第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂは、後述する第２バスバー２００ｂと電気的に連結されることで、外部電圧源から負極電圧の印加を受けることができる。
ここで、第１バスバー２００ａは、本発明によるバスバー２００ａ、２００ｂのうち第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａと電気的に連結されるバスバーであり、第２バスバー２００ｂは、本発明によるバスバー２００ａ、２００ｂのうち第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂと電気的に連結されるバスバーであり得る。
以下、本発明による第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａと第１バスバー２００ａとの間の連結構造、及び第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂと第２バスバー２００ｂとの間の連結構造について具体的に説明する。
図４は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの第１バッテリーセル、第１バスバー、第２バッテリーセル及び第２バスバーのみを示した図である。
図４を参照すれば、第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａは、第１バッテリーセル１１０ａから前方に向かって突出してからバッテリーモジュールの外側に向かって略直角に折り曲げられることで、第１バスバー２００ａと対面接触し得る。
また、第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂは、第２バッテリーセル１１０ｂから前方に向かって突出してからバッテリーモジュールの外側、すなわち、上述した第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａが折り曲げられた方向の逆方向に向かって略直角に折り曲げられることで、第２バスバー２００ｂに対面接触し得る。
第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂは、上下方向に長いプレートが直角に複数回折り曲げられた形状に形成され得る。
より具体的に、第１バスバー２００ａは、第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａと対面接触してから前方に向かって垂直に折り曲げられる第１折曲部Ｂ１、第１折曲部Ｂ１から延びた後、バッテリーモジュールの内側に向かって折り曲げられる第２折曲部Ｂ２、第２折曲部Ｂ２から延びた後、バッテリーモジュールの前方に向かって折り曲げられる第３折曲部Ｂ３、第３折曲部Ｂ３から延びた後、バッテリーモジュールの外側に向かって折り曲げられる第４折曲部Ｂ４、第４折曲部Ｂ４から延びた後、バッテリーモジュールの前方に向かって折り曲げられる第５折曲部Ｂ５を備えることができる。
また、第２バスバー２００ｂは、第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂと対面接触してから前方に向かって垂直に折り曲げられる第６折曲部Ｂ６、第６折曲部Ｂ６から延びた後、バッテリーモジュールの内側に向かって折り曲げられる第７折曲部Ｂ７、第７折曲部Ｂ７から延びた後、バッテリーモジュールの前方に向かって折り曲げられる第８折曲部Ｂ８、第８折曲部Ｂ８から延びた後、バッテリーモジュールの外側に向かって折り曲げられる第９折曲部Ｂ９、第９折曲部Ｂ９から延びた後、バッテリーモジュールの前方に向かって折り曲げられる第１０折曲部Ｂ１０を備えることができる。
このとき、第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとは、それぞれ第２折曲部Ｂ２及び第７折曲部Ｂ７から互いに向かって折り曲げられて延びることで離隔距離が減少し、第３折曲部Ｂ３及び第８折曲部Ｂ８からバッテリーモジュールの前方に向かって折り曲げられて平行に延びることで離隔距離が維持され得る。
このようにして、第１バスバー２００ａの第３折曲部Ｂ３と第２バスバー２００ｂの第８折曲部Ｂ８とが近接して位置することで、後述する短絡部（図３の３００）のスライドバー（図３の３２０）の一端に形成された短絡端子（図３の３２２）の幅が狭く形成されても、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂと同時に接触して第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとを電気的に短絡させることができる。
一方、第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａと第１バスバー２００ａとは対面接触して電気的に連結された状態で、後述するカートリッジ（図２の４００）の支持溝（図２の４３０）に一部が挿入されて支持され得る。
また、第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂと第２バスバー２００ｂとは対面接触して電気的に連結された状態で、後述するカートリッジ（図２の４００）の支持溝（図２の４３０）に一部が挿入されて支持され得る。
上述したカートリッジ（図２の４００）の詳細については後述する。
図５は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの破断部が破断する前の状態を側面から見た図であり、図６は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの破断部が破断した後の状態を側面から見た図である。
図５及び図６を参照すれば、第１バスバー２００ａには、第１折曲部Ｂ１と第２折曲部Ｂ２との間の区間に、第１折曲部Ｂ１と第２折曲部Ｂ２との間の外側区間より断面積の小さい破断部２１０ａが形成され得る。
このような破断部２１０ａは、第１折曲部Ｂ１と第２折曲部Ｂ２との間の外側区間より断面積が小さいため、抵抗値が大きくなり得る。
これによって、破断部２１０ａは、第１バスバー２００ａと第２バスバー（図３の２００ｂ）とが電気的に連結されて、第１バスバー２００ａ、第２バスバー（図３の２００ｂ）及び外部電圧源の間に短絡回路が形成される場合、図６に示されたように、第１バスバー２００ａに過電流が流れるようになって高温の抵抗熱が発生することで、破断できる。
このようにして、本発明によるバッテリーモジュールは、第１バスバー２００ａと第２バスバー（図３の２００ｂ）とが電気的に連結されて短絡が発生すれば、第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａと外部電圧源との間を電気的に連結する第１バスバー２００ａの破断部２１０ａが破断することで、充電が中断できる。
すなわち、本発明によるバッテリーモジュールは、第１バッテリーセル１１０ａの過充電による体積増加によって発生する膨張力を短絡部（図３の３００）に印加して、第１バスバー２００ａと第２バスバー（図３の２００ｂ）とを電気的に連結させることができる。その後、本発明によるバッテリーモジュールは、第１バスバー２００ａと第２バスバー（図３の２００ｂ）に流れる高電流の短絡電流によって第１バスバー２００ａの破断部２１０ａが破断することで、充電を中断させてバッテリーモジュールの過充電の進行を防止することができる。
一方、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの破断部２１０ａが第１バスバー２００ａに形成される形態が説明されたが、本発明の他の実施例によるバッテリーモジュールの破断部は第２バスバーに形成されても良く、本発明のさらに他の実施例によるバッテリーモジュールの破断部は第１バスバーと第２バスバーの両方に形成されても良い。
また、前記破断部２１０ａは、上述したように、隣接領域と比べて幅がより狭く形成されるが、これに限定されず、隣接領域より融点の低い金属で形成されても良く、他にも、ヒューズとして機能可能な形態であれば、本発明の破断部２１０ａとして制限なく適用できる。
以下、上述した短絡部３００について具体的に説明する。
図７は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの短絡部の斜視図であり、図８は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの構成要素のうちカートリッジの一部を切開した状態を上面から見た図である。
図７及び図８を参照すれば、短絡部３００は、第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂの１つ以上の体積増加による膨張力の印加を受けて第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに向かって移動し、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂと接触することで、短絡を起こすことができる。
そのため、短絡部３００は、弾性部材３１０、スライドバー３２０及び膨張力伝達部３３０ａ、３３０ｂを含むことができる。
弾性部材３１０は、図８に示されたように、一端がカートリッジ４００の内側に支持されて膨張力の逆方向に弾性力を提供することができる。
より具体的に、弾性部材３１０は、スライドバー３２０の一端に接触する第１プレートＰ１とカートリッジ４００の内側に接触する第２プレートＰ２との間にバネＳが挿入されて形成され、スライドバー３２０への方向ａ及びカートリッジ４００への方向ｂに弾性力を提供することができる。
このとき、スライドバー３２０は、弾性部材３１０から弾性力が印加される一端に、弾性部材３１０の第２プレートＰ２と接触する短絡端子３２２を備えることができる。
すなわち、スライドバー３２０の一端に備えられた板状の短絡端子３２２は、弾性部材３１０の第２プレートＰ２と面接触することで、ａ方向の弾性力の印加を受けることができる。
一方、スライドバー３２０の他端には、表面に沿って複数の突起が突設されたラックギア３２１を備えることができる。
より具体的に、スライドバー３２０は、他端から一端まで長く延びた第１プレート、及び第１プレートの一端で垂直に接する第２プレートで構成され得る。すなわち、スライドバー３２０は２つのプレートが垂直に接して「Ｔ」字状に形成され得る。
ここで、第１プレートの他端表面には上述したラックギア３２１が形成され、ラックギア３２１は突出した複数の突起で構成され得る。
膨張力伝達部３３０ａ、３３０ｂは、スライドバー３２０のラックギア３２１のうち左側表面に形成されたラックギア３２１と接触する第１膨張力伝達部３３０ａ、及び右側表面に形成されたラックギア３２１と接触する第２膨張力伝達部３３０ｂで構成され得る。
第１膨張力伝達部３３０ａと第２膨張力伝達部３３０ｂとは構成要素と役割が同一であり、一端から他端までの形状が左右対称し得る。
したがって、繰り返される説明を避けるため、膨張力伝達部３３０ａ、３３０ｂを代表して第１膨張力伝達部３３０ａのみを説明することにする。
第１膨張力伝達部３３０ａは、一端にラックギア３２１と歯合してスライドバー３２０の他端を支持するピニオンギア３３１ａを備えることができる。
より具体的に、第１膨張力伝達部３３０ａの一端に備えられたピニオンギア３３１ａは円盤状に形成され、円盤の外周に沿って複数の突起が突設され得る。
これによって、ピニオンギア３３１ａの複数の突起がラックギア３２１の複数の突起の間に挿入されることで、第１膨張力伝達部３３０ａをスライドバー３２０に固定及び支持することができる。
一方、第１膨張力伝達部３３０ａの他端は、第１バッテリーセル１１０ａの一端に接触し、第１バッテリーセル１１０ａの体積が増加する場合、膨張力の印加を受けることができる。
このとき、第１膨張力伝達部３３０ａの他端と一端との間には複数の屈曲部が形成され、第１バッテリーセル１１０ａとスライドバー３２０との間に形成された空間に配置され得る。
すなわち、スライドバー３２０の他端は、第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂとそれぞれ接触した第１膨張力伝達部３３０ａ及び第２膨張力伝達部３３０ｂとギア結合し、スライドバー３２０の一端にはカートリッジ４００の内側と接触した弾性部材３１０から弾性力が印加され得る。
このようにして、第１バッテリーセル１１０ａと第２バッテリーセル１１０ｂのいずれも膨張しない場合、スライドバー３２０の短絡端子３２２は第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂと離隔するほどの弾性力を弾性部材３１０から受けて、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂと接触しなくなる。
図９は、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの体積が増加した後の状態を上面から見た図である。
図９を参照すれば、バッテリーモジュールが過充電されれば、第１バッテリーセル１１０ａと第２バッテリーセル１１０ｂの１つ以上の体積が増加する。このとき、第１バッテリーセル１１０ａの体積が増加すれば、第１膨張力伝達部３３０ａに膨張力が印加され、第２バッテリーセル１１０ｂの体積が増加すれば、第２膨張力伝達部３３０ｂに膨張力が印加され得る。
以下、第１バッテリーセル１１０ａと第２バッテリーセル１１０ｂ共に体積が増加した場合、バッテリーモジュールの過充電を防止する過程について説明する。
上述したように、バッテリーモジュールの過充電によって第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂの体積が増加する場合、第１膨張力伝達部３３０ａ及び第２膨張力伝達部３３０ｂは前方に向かう膨張力の印加を受けることができる。
その後、第１膨張力伝達部３３０ａ及び第２膨張力伝達部３３０ｂはギア結合されたスライドバー３２０に膨張力を伝達し、膨張力が伝達されたスライドバー３２０は第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに向かう方向ｃに移動することができる。最終的に、スライドバー３２０の一端に形成された短絡端子３２２が第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂと接触し、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂを電気的に連結させることができる。
これにより、短絡端子３２２、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂを含む回路が短絡回路を形成することができる。
そのため、短絡端子３２２は伝導性材質で形成され得る。
このように、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールは、第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂが過充電によって体積が増加する場合、短絡部３００が第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂから膨張力の印加を受けて第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに移動し、第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとを電気的に連結させることで、短絡を発生させることができる。
一方、第１バッテリーセル１１０ａと第２バッテリーセル１１０ｂ共に体積が増加する場合の外に、第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂのいずれか１つの体積が増加する場合にも、短絡部３００は第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとを電気的に連結させて短絡を発生させることができる。
より具体的に、第１バッテリーセル１１０ａのみの体積が増加する場合、スライドバー３２０は第１膨張力伝達部３３０ａのみから膨張力の伝達を受けて第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに移動し得る。
すなわち、スライドバー３２０は、第１バッテリーセル１１０ａのみの体積が増加しても、体積増加による膨張力の伝達を受けることができ、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに移動することで、第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとを電気的に連結させて短絡を発生させることができる。
逆に、第２バッテリーセル１１０ｂのみの体積が増加する場合、スライドバー３２０は第２膨張力伝達部３３０ｂのみから膨張力の伝達を受けて第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに移動し得る。
すなわち、スライドバー３２０は、第２バッテリーセル１１０ｂのみの体積が増加しても、体積増加による膨張力の伝達を受けることができ、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに移動することで、第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとを電気的に連結させて短絡を発生させることができる。
以下、本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの短絡部の移動による回路構成について説明する。
図１０は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの過充電前の等価回路図であり、図１１は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの過充電の後、短絡部が移動した直後の等価回路図であり、図１２は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの過充電の後、短絡部が移動して破断部が破断した後の等価回路図である。
図１０～図１２を参照すれば、本発明によるバッテリーモジュールが過充電されずに正常状態で動作する場合、図１０に示されたように、第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂの体積が増加しないため、第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとは電気的に短絡されていない。
しかし、図１１に示されたように、本発明によるバッテリーモジュールが過充電されて第１バッテリーセル１１０ａ及び第２バッテリーセル１１０ｂの１つ以上の体積が増加する場合、短絡部３００は膨張力の印加を受けて第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂに移動する。これによって、短絡部３００の短絡端子（図８の３２２）が第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂと接触し、第１バスバー２００ａと第２バスバー２００ｂとを電気的に連結させることで、短絡を発生させることができる。
これにより、短絡部３００、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂを含む短絡回路が形成され、高電流Ｉが流れることになる。
その後、第１バスバー２００ａに高電流Ｉが持続的に流れる場合、図１２に示されたように、断面積が小さく形成されて抵抗値が大きい破断部２１０ａが高温の抵抗熱によって破断することで、外部電圧源からバッテリーモジュールに供給される電力が遮断されて過充電を防止することができる。
図１３は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールのカートリッジの断面を示した図であり、図１４は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールのカートリッジの内部を示した斜視図である。
図１３及び図１４を参照すれば、カートリッジ４００は、第１バッテリーセル１１０ａと第２バッテリーセル１１０ｂとの間に位置し、第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａ、第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂ、第１バスバー２００ａ、第２バスバー２００ｂ及び短絡部３００の少なくとも一部を収容または支持することができる。
より具体的に、カートリッジ４００は、対面接触して電気的に連結された第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａと第１バスバー２００ａとを下部で支持し、対面接触して電気的に連結された第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂと第２バスバー２００ｂとを下部で支持することができる。
そのため、カートリッジ４００には、第１バッテリーセル１１０ａの第１電極リード１２０ａ、第２バッテリーセル１１０ｂの第２電極リード１２０ｂ、第１バスバー２００ａ及び第２バスバー２００ｂの折曲形状に対応する形状の支持溝４３０が形成され得る。
一方、カートリッジ４００は内側に短絡部３００の外形と短絡部３００の外形に対応する形状の収容空間４１０が形成され、短絡部３００を内側に収容することができる。
このとき、カートリッジ４００の収容空間４１０は、短絡部３００の弾性部材３１０が変形状態から復元する場合の体積に対応するように形成され得る。
すなわち、カートリッジ４００の収容空間４１０は、短絡部３００の弾性部材（図７の３１０）が変形と復元を繰り返す場合に変化する体積に対応して形成され得る。
換言すれば、収容空間４１０は、短絡部３００の外形に対応する形状でカートリッジ４００の内側に形成され得る。
このような本発明によるバッテリーモジュールは、バッテリーセルの非正常的な膨張の際、確実に第１バスバーを破断させて外部電圧源から供給される電力を遮断することで、バッテリーモジュールの過充電を防止し、バッテリーモジュールの安全性を向上させることができる。
一方、本発明によるバッテリーパックは、上述したバッテリーモジュールを１つ以上含む。このとき、バッテリーパックには、バッテリーモジュールの外に、このようなバッテリーモジュールを収納するためのケース、バッテリーモジュールの充放電を制御するための各種の装置、すなわちＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、電流センサ、ヒューズなどがさらに含まれ得る。特に、本発明の一実施例によるバッテリーパックは、バッテリーモジュール毎に第１バスバー、第２バスバー、短絡部及びカートリッジを備え、バッテリーセルの非正常的な膨張の際、第１バスバーを破断させて外部電圧源から供給される電力を遮断することで、過充電の防止をバッテリーモジュール毎に行うことができる。
本発明によるバッテリーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車のような自動車に適用できる。すなわち、本発明による自動車は、本発明によるバッテリーモジュールを含むことができる。
上述した本発明は、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的思想から逸脱することなく様々な置換、変形及び変更が可能であるため、上述した実施例及び添付された図面によって限定されるものではない。
１１０ａ 第１バッテリーセル
１１０ｂ 第２バッテリーセル
１２０ａ 第１電極リード
１２０ｂ 第２電極リード
２００ａ 第１バスバー
２００ｂ 第２バスバー
２１０ａ 破断部
３００ 短絡部
３１０ 弾性部材
３２０ スライドバー
３２１ ラックギア
３２２ 短絡端子
３３０ａ 第１膨張力伝達部
３３０ｂ 第２膨張力伝達部
３３１ａ ピニオンギア
４００ カートリッジ
４３０ 支持溝

Claims (12)

  1. 第１バッテリーセルの第１電極リードと電気的に連結された第１バスバー；
    第２バッテリーセルの第２電極リードと電気的に連結された第２バスバー；
    前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの１つ以上の体積増加による膨張力の印加を受けて前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向かって移動し、前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に連結させて短絡を発生させる短絡部；及び
    前記第１電極リード、前記第２電極リード、前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記短絡部の少なくとも一部を収容または支持するカートリッジ；を含むバッテリーモジュールであって、
    前記短絡部は、
    一端が前記カートリッジの内側に支持されて前記膨張力の逆方向に弾性力を提供する弾性部材；
    一端に前記弾性部材の他端と接触して前記弾性部材から前記弾性力の印加を受ける短絡端子を備え、他端の表面に沿って形成されたラックギアを備えるスライドバー；及び
    一端に前記ラックギアと歯合して前記スライドバーの他端を支持するピニオンギアを備え、他端が前記第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルそれぞれの一端と接触して前記膨張力の印加を受ける膨張力伝達部；を含む、バッテリーモジュール。
  2. 前記スライドバーは、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルのいずれも体積が増加しない場合、前記弾性力のみの印加を受けて、前記短絡端子が前記第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルと離隔する、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  3. 前記膨張力伝達部は、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの１つ以上の体積が増加する場合、前記膨張力の印加を受けて前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向かって移動し、前記印加を受けた膨張力を前記ピニオンギアと歯合した前記ラックギアを通じて前記スライドバーに伝達する、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  4. 前記スライドバーは、前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの１つ以上の体積が増加する場合、前記ピニオンギアと歯合した前記ラックギアを通じて前記膨張力の伝達を受けて前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向かって移動する、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  5. 前記短絡端子は、前記第１バスバー及び前記第２バスバーと接触して、前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に連結させて短絡を発生させる、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  6. 前記短絡端子は、伝導性材質で形成される、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  7. 前記カートリッジは、内側に前記短絡部の外形に対応する形状の収容空間が形成されて、前記短絡部を内側に収容する、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記収容空間は、弾性部材の復元状態に応じた前記弾性部材の体積に対応するように形成される、請求項７に記載のバッテリーモジュール。
  9. 第１バッテリーセルの第１電極リードと電気的に連結された第１バスバー；
    第２バッテリーセルの第２電極リードと電気的に連結された第２バスバー；
    前記第１バッテリーセル及び前記第２バッテリーセルの１つ以上の体積増加による膨張力の印加を受けて前記第１バスバー及び前記第２バスバーに向かって移動し、前記第１バスバーと前記第２バスバーとを電気的に連結させて短絡を発生させる短絡部；及び
    前記第１電極リード、前記第２電極リード、前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記短絡部の少なくとも一部を収容または支持するカートリッジ；を含むバッテリーモジュールであって、
    前記カートリッジは、対面接触して電気的に連結された前記第１電極リード及び前記第１バスバーそれぞれの少なくとも一部を支持し、対面接触して電気的に連結された前記第２電極リード及び前記第２バスバーそれぞれの少なくとも一部を支持する、バッテリーモジュール。
  10. 前記第１バスバー及び前記第２バスバーの少なくとも１つは、短絡が発生した場合、破断して外部との電気的連結を遮断する破断部を含む、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
  11. 請求項１～請求項１０のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含むバッテリーパック。
  12. 請求項１～請求項１０のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含む自動車。
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