KR101433199B1 - 배터리 모듈 및 배터리 모듈에 적용되는 버스 바 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보호회로가 정상 작동하지 않아 배터리 모듈에 과전류가 흐르는 경우 버스 바가 파단 됨으로써 사용상의 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈을 개시한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 적어도 하나의 단위 셀; 상기 단위 셀을 수용하는 케이스; 및 상기 단위 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하는 것으로서, 상기 버스 바는 제1 금속 플레이트; 상기 제1 금속 플레이트와 이격되도록 위치하는 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 사이를 연결하며 상기 금속 플레이트보다 낮은 용융점을 갖는 금속 브릿지를 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 배터리 모듈에 적용되는 버스 바{Battery module and Busbar applied for battery module}
본 발명은 단락 시 안전성이 향상된 배터리 모듈 및 이에 적용되는 버스 바에 관한 것으로서, 단락에 의한 전지 내부의 온도 상승에 따른 폭발 또는 발화를 예방할 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈 및 이에 적용되는 버스 바에 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, 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 running)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 경우 등에 발생된다.
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 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 모듈을 보호하기 위해 퓨즈 소자(10), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(20), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(10)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(30) 및 상기 퓨즈 소자(10)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(40)를 포함한다.
퓨즈 소자(10)는 배터리 모듈의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(10)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(10)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(40)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(11)와, 상기 퓨즈(11)에 열을 인가하는 저항(12)이 포함되어 있다.
상기 마이크로 컨트롤러(30)는 센스 저항(20) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(40)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(10) 측으로 바이패스되어 저항(12)에 인가된다. 이에 따라, 저항(12)에서 발생된 주울열이 퓨즈(11)에 전도되어 퓨즈(11)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(11)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(11)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(30)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(40)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(10)의 저항(12)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(10)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(10)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(10)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로 컨트롤러(30)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로 컨트롤러(30)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 고려하여 창안된 것으로서, 셀과 외부 단자 사이를 연결하는 버스 바를 이중 구조로 구성하여, 배터리 모듈의 사용 중 이상 현상 발생으로 온도가 상승할 경우 버스 바가 용이하게 파단 되도록 함으로써 사용상의 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈 및 이에 적용되는 버스 바를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 단위 셀; 상기 단위 셀을 수용하는 케이스; 상기 단위 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하며, 상기 버스 바는 제1 금속 플레이트; 상기 제1 금속 플레이트와 이격되도록 위치하는 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 사이를 연결하며 상기 금속 플레이트보다 낮은 용융점을 갖는 금속 브릿지를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속 브릿지는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함할 수 있다.
상기 주석의 함량은 80 내지 98wt% 이며, 상기 구리의 함량은 2 내지 20wt% 범위인 것이 바람직하다.
선택적으로, 상기 금속 브릿지는 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 은(Ag) 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 추가 금속의 함량은 0.01 내지 10wt% 인 것이 바람직하다.
상기 금속 브릿지는 150 내지 300℃의 용융점을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트는 일정 간극을 두고 동일 평면 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 금속 브릿지는 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 어느 한쪽 면 또는 양쪽 면 상에서 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 각각의 일측 단부의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 면에 형성된 수용 홈을 구비하며, 상기 금속 브릿지는 상기 홈과 대응되는 크기 및 형상을 갖고, 상기 홈의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에 수용되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 각각의 일측 단부에 형성된 제1 절곡부 및 제2 절곡부를 구비하며, 상기 금속 브릿지는 상기 제1 절곡부 및 제2 절곡부의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에 수용되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 표면으로부터 일정 깊이로 형성된 수용 홈을 구비하며, 상기 금속 브릿지는 일측 및 타측 면이 각각 상기 수용 홈에 삽입되어 금속 플레이트와 접합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 금속 브릿지는 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 표면 사이에 직접 개재되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합될 수 있다.
상기 대향 표면은 상기 금속 솔더링 브릿지 방향으로 테이퍼(Taper)진 경사면 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 일측은 적어도 일부가 겹쳐져 서로 마주보도록 위치하며, 상기 금속 브릿지는 상기 마주보는 영역 내에 개재되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 일측은 적어도 일부가 겹쳐져 서로 마주보도록 위치하며, 상기 금속 브릿지는 상기 마주보는 영역의 둘레 중 서로 마주보는 일측 및 타측에 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 일측은 적어도 일부가 겹쳐져 서로 마주보도록 위치하며, 상기 금속 브릿지는 상기 마주보는 영역의 둘레 전체에 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 금속 브릿지 사이 및 상기 제2 금속 플레이트와 상기 금속 브릿지 사이를 고정시키는 리벳을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 일측이 끝단을 향해 좁아지도록 테이퍼진 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈은 상기 케이스의 일측에 설치되는 외부 단자를 더 포함하며, 상기 버스 바는 상기 단위 셀과 상기 외부 단자 사이를 연결하도록 설치될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 양극 리드 및 음극 리드를 포함하는 적어도 하나의 단위 셀; 상기 단위 셀을 수용하는 케이스; 상기 양극 리드와 연결되는 제1 버스 바; 및 상기 음극 리드와 연결되는 제2 버스 바를 포함하며, 상기 제2 버스 바는, 제1 금속 플레이트; 상기 제1 금속 플레이트와 이격되도록 위치하는 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 사이를 연결하며 상기 금속 플레이트보다 낮은 용융점을 갖는 금속 브릿지를 포함할 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 버스 바는 배터리 모듈에 적용되는 버스 바로서, 제1 금속 플레이트; 상기 제1 금속 플레이트와 이격되도록 위치하는 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 사이를 연결하며, 상기 금속 플레이트보다 낮은 용융점을 갖는 금속 브릿지를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 보호회로가 정상 작동하지 않아 배터리 모듈에 과전류가 흐르는 경우 버스 바가 신속히 파단 됨으로써 배터리 모듈 사용상의 안전성을 확보할 수 있는 효과를 가져온다.
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 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀 및 버스 바가 결합된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈의 완성 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 나타난 배터리 모듈의 정면도이다.
도 5 내지 도 9c는 도 4b 중 A부분에 대한 사시도로서, 본 발명의 실시예에 따른 버스 바의 다양한 형태를 나타내는 부분 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 바의 형태를 나타내는 부분 사시도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버스 바의 형태를 보여주는 부분 사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 배터리 모듈에 대한 단락 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
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.
먼저, 도 2 내지 도 4b를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 모듈의 전체 구성을 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)은 배터리 셀(100), 버스 바(200), 케이스(300), 외부 단자(311) 및 전압 센서(321)를 포함한다.
상기 배터리 셀(100)은 적어도 하나의 단위 셀(110A,110B) 및 단위 셀(110A,110B)을 감싸는 셀 커버(120)로 구성되는 단위 모듈(100A,100B,100C,100D)을 적층함으로써 형성된다.
상기 단위 셀(110A,110B)은 외장재에 수용된 전극 조립체(미도시) 및 상기 전극 조립체의 제1, 제2 전극판의 무지부와 각각 연결되어 외장재의 일측 및 타측 방향으로 각각 인출되는 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)를 포함한다. 본 발명에서는 상기 제1, 제2 전극판이 각각 양극판 및 음극판인 경우를 예로 들어 설명하기로 하며, 이에 따라 제1, 제2 전극 리드(111,112)는 각각 양극 리드 및 음극 리드(111,112)인 경우로 설명하기로 한다.
상기 양극판은 알루미늄(Al) 재질이고, 음극판은 구리(Cu) 재질로 이루어짐이 일반적이다. 따라서, 상기 전극판과 전극 리드(111,112) 사이의 용접성 및 전기 저항 최소화의 측면에서 상기 양극 리드(111)는 양극판과 동일한 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 음극 리드(112)는 음극판과 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리(Cu) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 단위 셀(110A,110B) 및 단위 모듈(100A~100D)이 복수개인 경우에 있어서, 단위 셀(110A,100B) 상호간의 연결 및 단위 모듈(100A~100D) 상호간의 연결은 배터리의 용도에 따라 직렬 또는 병렬로 연결이 가능하나, 본 발명에서는 직렬 연결인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 즉, 본 발명에서 상기 단위 셀(110A,100B) 상호간의 연결은 하나의 단위 셀(110A)의 양극 리드(111)와 인접한 단위 셀(110B)의 음극 리드(112)가 서로 결합됨으로써 이루어진다. 이 경우, 후면부(R 방향) 최 외측에 위치하는 단위 셀(110A)의 양극 리드(111)와 전면부(F 방향) 최 외측에 위치하는 단위 셀(110B)의 음극 리드(112)는 각각 후술할 버스 바(200)와 결합된다.
한편, 상기 단위 셀(110A,110B) 및 단위 모듈(100A~100D)의 개수에 있어서도 본 발명에서는 단위 셀(110A,110B)이 두 개인 경우만을 도시하고 있으며, 단위 모듈(100A~100D)이 네 개 적층된 경우만을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 이로써 단위 셀(110A,110B) 및 단위 모듈(100A~100D)의 개수를 한정하는 것은 아님을 밝혀둔다.
상기 버스 바(200)는 배터리 셀(100)의 후면부(R) 최외곽에 위치한 단위 셀(110A)의 양극 리드(111) 및 전면부(F) 최외곽에 위치한 단위 셀(110B)의 음극 리드(112)에 결합되는 것으로서, 제1 금속 플레이트(210), 제2 금속 플레이트(220) 및 금속 플레이트(210,220) 사이를 연결하는 금속 브릿지(230)를 포함한다.
상기 양극 리드(111) 및 음극 리드(112) 각각에 부착되는 버스 바(200)는 금속 플레이트(210,220)의 재질이 서로 다르게 형성될 수 있다. 즉, 상기 양극 리드(111)에 부착되는 버스 바(200)의 금속 플레이트(210,220)는 양극 리드(111)와 동일한 알루미늄 재질이며, 음극 리드(112)에 부착되는 버스 바(200)의 금속 플레이트(210,220)는 음극 리드(112)와 동일한 구리 또는 니켈이 코팅된 구리 재질임이 바람직하다. 그러나, 재질을 제외한 구성은 동일하므로 본 발명에서는 양극 리드(111)에 부착된 버스 바(200)를 중심으로 설명하기로 한다.
상기 제1 금속 플레이트(210) 및 제2 금속 플레이트(220)는 얇은 판상의 금속으로 이루어진다. 상기 제1 금속 플레이트(210)는 그 일측이 대략 'ㄱ'자 형태로 절곡되어 형성된 리드 결합부(211)를 구비한다. 상기 리드 결합부(211)는 전극 리드(111,112) 각각의 일측 단부와 용접에 의해 결합된다. 상기 제2 금속 플레이트(220)는 제1 금속 플레이트(220)와 일정 거리만큼 이격되어 위치하며, 제1 금속 플레이트(210)가 위치하는 쪽의 반대편 단부에 외부 단자(311)가 삽입될 수 있도록 형성된 단자 홈(220a)을 구비한다.
상기 금속 브릿지(230)는 상기 금속 플레이트(210,220) 사이를 연결하는 것으로서, 구체적인 연결 구조에 대한 다양한 실시예에 대해서는 도 5 내지 도 11을 참조하여 상세히 후술하기로 하며, 여기서는 그 역할 및 성질에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 금속 브릿지(230)는 배터리 모듈(1)이 과열된 경우에 용융되어 제1 금속 플레이트(210)와 제2 금속 플레이트(220) 사이의 전기적 연결을 해제하는 역할을 한다. 바람직하게, 상기 금속 브릿지(230)는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하고, 환경과 인체에 무해한 납(Pb)을 포함하지 않는 무연 합금 물질로 이루어지며, 대략 150 내지 300℃의 용융점을 갖는다. 이러한 용융점 범위는 리드(111,112) 및/또는 금속 플레이트(210,220)를 구성하는 알루미늄, 구리 또는 니켈이 코팅된 구리 중 선택된 어느 하나의 금속의 용융점과 비교하여 더 낮은 것에 해당하므로 과전류의 신속한 차단이 가능하다.
상기 금속 브릿지(230)의 용융점 범위는 버스 바(200)가 견뎌야 하는 최대 전압 및 최대 전류 조건, 버스 바(200)를 사용하여 차단하고자 하는 과전류의 레벨, 버스 바(200)에 요구되는 전기적 물성(저항) 및/또는 기계적 물성(인장 강도)을 고려하여 정한 것이다. 상기 금속 브릿지(230)의 용융점이 150℃ 보다 낮으면 배터리 모듈(1)의 정상적인 작동에 의한 전류에도 버스 바(200)가 파단될 수 있다. 또한, 상기 금속 브릿지(230)의 용융점이 300℃ 보다 높으면 과전류의 차단이 효과적으로 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.
상기 금속 브릿지(230)에 포함된 주석과 구리의 함량은 금속 브릿지(230)의 용융점, 금속 브릿지(230)나 버스 바(200)에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 물리적 물성에 따라서 적절하게 조절이 가능하다.
상기 금속 브릿지(230)의 구성 성분 중 주석은 금속 브릿지(230)의 용융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 금속 브릿지(230)가 150 내지 300℃의 용융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 80wt% 이상, 바람직하게는 85 내지 98wt%의 범위에서 조절한다. 여기서, 상기 wt%는 금속 브릿지(230)를 구성하는 물질의 전체 중량을 기준으로 한 단위로서 이하 동일하다.
상기 금속 브릿지(230)의 구성 성분 중 구리는 버스 바(200)의 전기 전도도, 용융점 및 인장 강도 등에 영향을 미치며, 이러한 구리의 기능을 감안하여 구리의 함량은 2 내지 20wt%의 범위에서, 바람직하게는 4 내지 15wt% 범위에서 조절한다.
상기와 같이 주석과 구리의 함량을 조절함으로써 금속 브릿지(230)의 양호한 인장강도 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 금속 브릿지(230)에 의한 저항의 증가를 수% 이하로 낮게 억제할 수 있고, 금속 브릿지(230)의 용융점을 150 내지 300℃ 범위에서 조절하는 것이 가능하게 된다.
선택적으로, 상기 금속 브릿지(230)는 전기적 물성 및/또는 기계적 물성을 향상시키기 위해 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 은(Ag) 중 선택된 어느 하나 이상의 금속을 더 포함할 수 있다. 상기 추가 금속의 함량은 금속 브릿지(230)에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 기계적 물성에 따라서 조절 가능하며, 0.01 내지 10wt% 범위에서 조절한다.
한편, 본 발명의 도면에서는 상기 버스 바(200)의 구조가 양극 리드(111) 및 음극 리드(112) 모두에 적용된 경우만을 도시하고 있으나, 어느 하나의 리드에만 적용되는 경우도 가능함은 물론이다. 또한, 상기 버스 바(200)의 구조가 어느 하나의 리드에만 적용되는 경우, 일반적으로 발열량이 더 큰 음극 리드(112)에만 적용되고, 양극 리드(111)에는 일반적인 버스 바의 구조가 적용되는 것이 바람직하다.
상기 케이스(300)는 배터리 셀(100)을 수용하며, 하부 케이스(310) 및 상부 케이스(320)을 포함한다.
상기 하부 케이스(310)는 상향 개방 구조로 형성되어 배터리 셀(100)의 양 측면의 일부 및 하면을 감싸도록 형성되며, 한 쌍의 슬릿(310a) 을 구비한다. 상기 슬릿(310a)은 하부 케이스(310)의 일측 면 중 버스 바(200)의 리드 결합부(211)와 대응되는 위치에 형성되어 배터리 셀(100)이 하부 케이스(310) 내에 삽입될 때 리드 결합부(211)가 수용될 수 있는 공간을 제공한다. 따라서, 배터리 셀(100)과 버스 바(200)는 상호간에 전기적 연결 상태를 유지하면서 하부 케이스(310)의 내측과 외측에 각각 위치하게 된다.
한편, 상기 하부 케이스(310)의 일측 면 중 버스 바(200)의 단자 홈(220a)과 대응되는 위치에는 하부 케이스(310)의 외측 방향으로 돌출되도록 형성된 외부 단자(311)가 구비된다. 상기 외부 단자(311)는 버스 바(200)의 단자 홈(220a)과 대응되는 크기 및 형상으로 형성되어 배터리 셀(100)이 하부 케이스(310)에 수용될 때 외부 단자(311)가 버스 바(200)에 삽입될 수 있는 공간을 제공하며, 외부 기기(미도시)와 배터리 셀(100)을 전기적으로 연결해주는 역할을 한다. 상기 외부 단자(311)와 버스 바(200) 사이의 접촉 저항을 최소화 한다는 측면에서, 외부 단자(311)와 버스 바(200) 사이는 용접에 의해 결합될 수도 있다.
상기 상부 케이스(320)는 하향 개방구조로 형성되어 하부 케이스(310)에 삽입된 배터리 셀(100)의 양 측면, 즉 전극 리드(111,112)가 인출되는 면의 일부 및 상면을 감싸도록 형성되며, 볼트 결합에 의해 하부 케이스(310)와 결합될 수 있다.
한편, 상기 상부 케이스(320)는 양 측면에 전압 센서(321)가 삽입될 수 있도록 형성된 센서 결합부(320a)를 구비한다. 상기 전압 센서(321)는 전압 센서 결합부(320a) 내에서 배터리 셀(100)과 전기적으로 연결됨으로써 배터리 셀(100)의 전압을 센싱한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)에는 금속 플레이트(210,220) 사이를 금속 브릿지(230)로 연결한 이중 구조의 버스 바(200)가 적용된다. 따라서, 상기 배터리 모듈(1)은 과전류가 발생한 경우 버스 바(200)가 신속히 파단됨으로써 사용상의 안전성을 확보할 수 있다. 특히, 상기 배터리 모듈(1)은 전류 차단 수단을 케이스 외측에 설치되는 부품인 버스 바(200)에 적용함으로써 리드(111,112)와 같이 전극 조립체(미도시)에 인접한 부품에 적용한 경우와 비교할 때 발화 및 폭발의 위험성을 더욱 줄여주는 효과를 갖는다.
다음은, 도 5 내지 도 11을 참조하여 상기 금속 플레이트(210,220)와 금속 브릿지(230) 사이의 결합 형태에 따른 다양한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 도 5 내지 도 9c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 버스 바(200a)의 구조를 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스 바(200a)의 다양한 형태를 나타내는 것으로서, 상기 버스 바(200a)는 금속 브릿지(230)가 금속 플레이트(210,220)에 용접에 의해 결합됨으로써 형성된다. 즉, 상기 금속 브릿지(230)는 금속 플레이트(210,220) 상호간을 연결해주는 솔더링 브릿지의 역할을 하는 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 금속 플레이트(210)와 제2 금속 플레이트(220)가 서로 일정 간극을 두고 동일 평면 상에 위치하며, 금속 브릿지(230)는 금속 플레이트(210,220)의 상면에 형성되어 금속 플레이트(210,220)와 접합된다. 도 5에서는 상기 금속 브릿지(230)가 금속 플레이트(210,220)의 상면에 형성된 경우만을 도시하고 있으나, 하면에 형성되는 것도 가능함은 물론이다. 아울러, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 금속 브릿지(230)가 금속 플레이트(210,220)의 상면 및 하면 모두에 형성되는 경우도 가능하며, 이 경우 금속 플레이트(210,220) 상호간의 결합력을 강화하는 효과를 가질 수 있다.
도 7a를 참조하면, 상기 제1 금속 플레이트(210) 및 제2 금속 플레이트(220)는 서로 일정 간극을 두고 동일 평면 상에 위치하며, 서로 대향하는 일측 단부의 상면에 형성된 수용 홈(RG1)을 구비한다. 한편, 상기 금속 브릿지(230)는 상기 수용 홈(RG2)과 대응되는 크기 및 형상을 가지며, 수용 홈(RG1)의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에 수용되어 금속 플레이트(210,220)와 접합된다. 도 7a에서는 상기 수용 홈(RG1)이 금속 플레이트(210,220)의 상면에 형성된 경우만을 도시하고 있으나, 하면에 형성되거나 상면 및 하면 모두에 형성되는 경우 역시 가능함은 물론이다.
도 7b를 참조하면, 상기 제1 금속 플레이트(210) 및 제2 금속 플레이트(220)는 서로 일정 간극을 두고 동일 평면 상에 위치하며, 서로 대향하는 각각의 일측 단부에 형성된 제1 절곡부(210') 및 제2 절곡부(220')를 구비한다. 한편, 상기 금속 브릿지(230)는 제1 절곡부(210') 및 제2 절곡부(220')의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에 수용되어 금속 플레이트(210,220)와 접합된다.
도 7c를 참조하면, 상기 제1 금속 플레이트(210) 및 제2 금속 플레이트(220)는 서로 일정 간극을 두고 동일 평면 상에 위치하며, 서로 대향하는 표면으로부터 일정 깊이로 형성된 수용 홈(RG2)을 구비한다. 한편, 상기 금속 브릿지(230)는 일측 및 타측 면이 수용 홈(RG2)에 삽입되어 금속 플레이트(210,220)에 접합된다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c에 나타난 구조는 도 5 및 도 6에 나타난 구조와 비교할 때, 금속 플레이트(210,220)와 금속 브릿지(230) 사이의 접촉 면적이 넓어짐으로써 금속 플레이트(210,220) 상호간의 결합력을 강화하는 효과를 가져올 뿐만 아니라, 접촉 저항을 감소시키는 효과 역시 가져올 수 있다.
도 8a를 참조하면, 상기 제1 금속 플레이트(210) 및 제2 금속 플레이트(220)는 서로 일정 간극을 두고 동일 평면 상에 위치하며, 금속 브릿지(230)는 금속 플레이트(210,220)가 서로 대향하고 있는 표면 사이에 직접 개재되어 금속 플레이트(210,220)와 접합된다.
도 8b에 나타난 구조는 도 8a에 나타난 구조와 비교할 때, 금속 플레이트(210,220)의 서로 대향하고 있는 표면이 금속 브릿지 방향으로 테이퍼(Taper)진 경사면 형태를 갖는다는 점이 다르다. 이 경우, 금속 플레이트(210,220)와 금속 브릿지(230) 사이의 접촉 면적이 더 넓어짐으로써 금속 플레이트(210,220) 상호간의 결합력을 강화하는 효과를 가져올 뿐만 아니라, 접촉 저항의 감소 효과 역시 갖는다.
도 9a를 참조하면, 상기 제1 금속 플레이트(210) 및 제2 금속 플레이트(220) 각각의 일측은 적어도 일부가 겹쳐져 서로 마주보도록 위치하며, 금속 브릿지(230)는 상기 마주보는 영역 전체에 개재되어 금속 플레이트(210,220)와 접합된다.
도 9b 및 도 9c에 나타난 구조는 도9a에 나타난 구조와 비교할 때, 금속 플레이트(210,220) 사이에 개재된 금속 브릿지(230)의 형성 면적이 다르다. 즉, 상기 금속 브릿지(230)는 금속 플레이트(210,220)가 서로 마주보는 영역의 둘레 중 서로 마주보는 일측 및 타측에만 형성되어 있다. 이 경우, 배터리 모듈(1)에 과전류 발생시 버스 바(200a)의 신속한 파단이 가능한 효과를 기대할 수 있다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 마주보는 영역의 둘레 전체에 금속 브릿지(230)가 형성되는 경우도 가능함은 물론이다. 이 경우, 도 9a에 나타난 구조와 비교하여 과전류에 대해 더 신속한 파단 효과를 기대할 수 있으며, 도 9b 및 도 9c에 나타난 구조와 비교하여 금속 플레이트(210,220) 사이의 결합력이 더 우수한 효과를 기대할 수 있다.
다음은, 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 바(200b)를 설명하기로 한다.
도 10에 나타난 버스 바(200b)는 도 5에 나타난 버스 바(200a)와 비교하여 금속 플레이트(210,220)와 금속 브릿지(230) 사이에 리벳(240)이 추가적으로 더 형성된 점이 다르다. 상기 리벳(240)은 금속 플레이트(210,220)와 금속 브릿지(230) 사이의 결합력을 높여주는 역할을 한다.
한편, 도 10에서는 도 5에 나타난 버스 바(200a)에 리벳(240)이 추가적으로 더 적용된 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 도 6 내지 7c에 나타난 구조에도 적용될 수 있음은 자명한 것이다.
다음은, 도 11을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버스 바(200c)를 설명하기로 한다.
도 11에 나타난 버스 바(200c)는 도 5에 나타난 버스 바(200a)와 비교하여 금속 플레이트(210,220)의 서로 대향하는 일측이 끝단을 향해 좁아지도록 형성된 테이퍼부(N1,N2)를 갖는다는 점이 다르다. 이 경우, 도 5에 나타난 버스 바(200a)와 비교하여 상기 테이퍼부(N1,N2)에서의 전기 저항이 높아짐으로써, 과전류의 발생시 더 많은 열이 발생하게 되고, 이로 인해 버스 바(200c)의 신속한 파단이 가능하게 된다.
한편, 도 11에서는 도 5에 나타난 버스 바(200a)에 테이퍼부(N1,N2)가 추가적으로 형성된 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 도 6 내지 도 9c에 나타난 구조에도 테이퍼부(N1,N2) 구조가 적용될 수 있음은 자명한 것이다. 특히, 도 11에 나타난 버스 바(200a) 구조에 도 7a 내지 7c에 나타난 구조와 같이 금속 플레이트(210,220)와 금속 브릿지(230) 사이의 접촉 면적을 넓혀주는 구조를 결합하는 경우 과전류 발생시 버스 바(200c)의 신속한 파단이 가능하면서도, 금속 플레이트(210,220) 사이의 결합력이 우수할 뿐만 아니라, 접촉 저항도 낮게 형성되는 효과를 가질 수 있다.
다음은, 도 12를 참조하여, 상기 버스 바(200a)가 적용된 배터리 모듈(1)에 대한 단락 실험 과정 및 실험의 결과를 설명하기로 한다.
단락 실험은 도 8a에 도시된 형태를 갖는 버스 바(200a)가 적용된 배터리 모듈(1)에 대해서 실시되었으며, 다음과 같은 조건으로 진행되었다:
- 배터리 모듈의 출력 전압: 64.5V(4.3V의 출력 전압을 갖는 단위 셀 15개를 직렬 연결함)
- 외부 단자 사이의 저항 값: 5mΩ
- 배터리 모듈의 SOC(state of charge): 100%
상기와 같은 조건으로 실험을 진행한 결과, 도 12에 나타나는 바와 같이, 외부 단자(311) 사이에서 측정되는 배터리 모듈(1)의 전압은 약 50초 동안 대략 65V를 유지하다가 0V로 떨어졌다. 즉, 실험 시작 후 대략 50초가 경과한 시점에 단락 전류에 의한 버스 바의 파단이 이루어졌는데, 이 때 단위 셀에서 측정된 온도는 단락 실험이 진행되는 동안 대략 23℃ 정도로 일정하게 유지되었다.
이로써, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)에 적용된 버스 바(200a)는 단락의 발생 시에 단위 셀의 온도가 실질적을 상승하기 전에 단락 전류를 신속히 차단함으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
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.
1: 배터리 모듈 100: 배터리 셀
100A,100B,100C,100D: 단위 모듈 110A,110B: 단위 셀
111: 제1 전극 리드 112: 제2 전극 리드
120: 셀 커버 200,200a,200b,200c: 버스 바
210: 제1 금속 플레이트 211: 리드 결합부
220: 제2 금속 플레이트 220a: 단자 홈
230: 금속 브릿지 240: 리벳
300: 케이스 310: 하부 케이스
310a: 슬릿 311: 외부 단자
320: 상부 케이스 320a: 센서 결합부
321: 전압 센서

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 단위 셀;
    상기 단위 셀을 수용하는 케이스;
    상기 단위 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하며,
    상기 버스 바는,
    제1 금속 플레이트;
    상기 제1 금속 플레이트와 이격되도록 위치하는 제2 금속 플레이트; 및
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 사이를 연결하며 상기 금속 플레이트보다 낮은 용융점을 갖는 금속 브릿지를 포함하며,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 구리, 알루미늄 및 니켈이 코팅된 구리 중 선택된 재질로 이루어지고,
    상기 금속 브릿지는 80 내지 98wt%의 주석 및 2 내지 20wt%의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 브릿지는 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 은(Ag) 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 추가 금속의 함량은 0.01 내지 10wt% 인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 브릿지는 150 내지 300℃의 용융점을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트는 일정 간극을 두고 동일 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 브릿지는 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 어느 한쪽 면 또는 양쪽 면 상에서 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 각각의 일측 단부의 상면 또는 하면 중 적어도 하나의 면에 형성된 수용 홈을 구비하며,
    상기 금속 브릿지는 상기 홈과 대응되는 크기 및 형상을 갖고, 상기 홈의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에 수용되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 각각의 일측 단부에 형성된 제1 절곡부 및 제2 절곡부를 구비하며,
    상기 금속 브릿지는 상기 제1 절곡부 및 제2 절곡부의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에 수용되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 표면으로부터 일정 깊이로 형성된 수용 홈을 구비하며,
    상기 금속 브릿지는 일측 및 타측 면이 각각 상기 수용 홈에 삽입되어 금속 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 금속 브릿지는 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 표면 사이에 직접 개재되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 대향 표면은 상기 금속 솔더링 브릿지 방향으로 테이퍼(Taper)진 경사면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 일측은 적어도 일부가 겹쳐져 서로 마주보도록 위치하며,
    상기 금속 브릿지는 상기 마주보는 영역 내에 개재되어 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 일측은 적어도 일부가 겹쳐져 서로 마주보도록 위치하며,
    상기 금속 브릿지는 상기 마주보는 영역의 둘레 중 서로 마주보는 일측 및 타측에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 일측은 적어도 일부가 겹쳐져 서로 마주보도록 위치하며,
    상기 금속 브릿지는 상기 마주보는 영역의 둘레 전체에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트와 상기 금속 브릿지 사이 및 상기 제2 금속 플레이트와 상기 금속 브릿지 사이를 고정시키는 리벳을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 서로 대향하는 일측이 끝단을 향해 좁아지도록 테이퍼진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 일측에 설치되는 외부 단자를 더 포함하며,
    상기 버스 바는 상기 단위 셀과 상기 외부 단자 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  20. 양극 리드 및 음극 리드를 포함하는 적어도 하나의 단위 셀;
    상기 단위 셀을 수용하는 케이스;
    상기 양극 리드와 연결되는 제1 버스 바; 및
    상기 음극 리드와 연결되는 제2 버스 바를 포함하며,
    상기 제2 버스 바는,
    제1 금속 플레이트;
    상기 제1 금속 플레이트와 이격되도록 위치하는 제2 금속 플레이트; 및
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 사이를 연결하며 상기 금속 플레이트보다 낮은 용융점을 갖는 금속 브릿지를 포함하며,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 구리, 알루미늄 및 니켈이 코팅된 구리 중 선택된 재질로 이루어지고,
    상기 금속 브릿지는 80 내지 98wt%의 주석 및 2 내지 20wt%의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  21. 배터리 모듈에 적용되는 버스 바로서,
    제1 금속 플레이트;
    상기 제1 금속 플레이트와 이격되도록 위치하는 제2 금속 플레이트; 및
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 사이를 연결하며, 상기 금속 플레이트보다 낮은 용융점을 갖는 금속 브릿지를 포함하며,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 구리, 알루미늄 및 니켈이 코팅된 구리 중 선택된 재질로 이루어지고,
    상기 금속 브릿지는 80 내지 98wt%의 주석 및 2 내지 20wt%의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스 바.
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