KR102250180B1 - 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀의 제1 전극 리드와 전기적으로 연결된 제1 버스바, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바 및 상기 모듈 케이스 내부에 위치하고, 상기 복수의 배터리 셀 중 하나 이상으로부터 발생되는 기체로 인해 증가하는 상기 모듈 케이스의 내부 압력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)을 발생시키는 단락부를 포함한다.

Description

배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Battery module, battery pack including the same, and vehicle including the same}
본 발명은 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 모듈의 과충전을 방지하여 안정도가 향상된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 세간의 이목이 집중되고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 점차 크게 늘어나고 있는 실정이다. 그리고, 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩에는 다수의 이차 전지가 포함되며, 이러한 다수의 이차 전지들은 서로 직렬 및 병렬로 연결됨으로써 용량 및 출력을 향상시킨다.
이러한 이차 전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있지만, 과충전, 과방전, 고온 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지의 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고, 이로 인해 이차 전지가 팽창하는, 이른바 스웰링 현상이 일어나는 문제점이 있다. 스웰링 현상은 이러한 분해반응을 가속화시켜 열폭주 현상에 의한 이차 전지의 폭발 및 발화를 초래하기도 한다.
따라서, 이차 전지에는 과충전, 과방전, 과전류 시 전류를 차단하는 보호회로, 온도 상승 시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient Element), 가스 발생에 따른 압력 상승 시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트 등의 안전 시스템이 구비되어 있다.
특히, 종래에는 스웰링 현상이 발생하더라도 배터리 팩의 안전성을 보장하기 위하여, 이차 전지들의 부피가 팽창하면 물리적 변화에 의해 단전되는 전기적 연결부재에 대한 연구가 이루어진 바 있다.
다만, 이러한 전기적 연결부재를 사용하더라도 이차 전지들이 일정 부피 이상으로 팽창 시 단전을 확실하게 담보하기 어렵다는 문제점 있다.
또한, 이차 전지는 비정상적인 작동상태가 아닌 정상적인 작동 상태일 때에도 일정한 팽창과 수축을 반복하는 바, 정상적인 범위 내에서 팽창 시에도 단전될 수 있어 작동 신뢰성에 문제점이 있다.
본 발명은 단락부가 복수의 배터리 셀 중 하나 이상으로부터 발생되는 기체로 인해 증가하는 모듈 케이스의 내부 압력을 인가받아 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 이동 및 접촉하여 제1 버스바 및 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)이 발생되도록 함으로써, 제1 버스바에 형성된 파단부가 파단되어 배터리 모듈의 과충전을 방지할 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀의 제1 전극 리드와 전기적으로 연결된 제1 버스바, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바 및 상기 모듈 케이스 내부에 위치하고, 상기 복수의 배터리 셀 중 하나 이상으로부터 발생되는 기체로 인해 증가하는 상기 모듈 케이스의 내부 압력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)을 발생시키는 단락부를 포함한다.
바람직하게, 상기 단락부는 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 복수의 배터리 셀이 수용되는 수용 공간을 구획 및 밀폐시키는 격벽 및 상기 격벽의 외측으로부터 돌출되어 형성되고, 일단에 단락 단자가 구비되는 슬라이드 바를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 격벽은 상기 복수의 배터리 셀 중 하나 이상에서 기체가 발생하는 경우, 증가된 상기 모듈 케이스의 내부 압력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동할 수 있다.
바람직하게, 상기 슬라이드 바는 상기 내부 압력을 인가받은 상기 격벽과 함께 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동할 수 있다.
바람직하게, 상기 단락 단자는 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바와 접촉하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 단락 단자는 전도성 재질로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 버스바는 상기 제1 전극 리드와 접촉되어 전기적으로 연결되는 제1 연결 플레이트, 상기 제1 연결 플레이트로부터 상기 제1 배터리 셀의 전방을 향해 연장 형성되고, 외부 전원과 전기적으로 연결되는 제1 전원 플레이트 및 상기 제1 전원 플레이트로부터 상기 제2 버스바를 향해 돌출 형성된 제1 돌출 플레이트를 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 버스바는 상기 제2 전극 리드와 접촉되어 전기적으로 연결되는 제2 연결 플레이트, 상기 제2 연결 플레이트로부터 상기 제2 배터리 셀의 전방을 향해 연장 형성되고, 외부 전원과 전기적으로 연결되는 제2 전원 플레이트 및 상기 제2 전원 플레이트로부터 상기 제1 버스바를 향해 돌출 형성된 제2 돌출 플레이트를 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는 상기 단락이 발생되는 경우, 파단되어 외부와의 전기적 연결을 차단하는 파단부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 파단부는 상기 제1 버스바 또는 상기 제2 버스바의 평균 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 파단부는 상기 제1 버스바의 제1 연결 플레이트 및 상기 제2 버스바의 제2 연결 플레이트 중 적어도 하나에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자동차는 상기 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 배터리 셀 중 하나 이상으로부터 발생되는 기체로 인해 증가하는 모듈 케이스의 내부 압력을 이용하여 제1 버스바 및 제2 버스바 사이가 전기적으로 연결되도록 하고, 이로써 단락이 발생되도록 함으로써, 제1 버스바 및 제2 버스바 중 적어도 어느 하나에 형성된 파단부가 파단되어 배터리 모듈의 과충전을 방지하여 배터리 모듈의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스만을 분리한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부를 분리한 확대 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 기체 발생 전의 상면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부가 파단된 후의 측면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 기체 발생 후의 상면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 전의 등가 회로도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동한 직후의 등가 회로도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동하여 파단부가 파단된 후의 등가 회로도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스만을 분리한 분해 사시도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스만을 분리한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부를 분리한 확대 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 기체 발생 전의 상면을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 모듈 케이스(C1, C2), 배터리 셀(110a, 110b, 110c), 버스바(200a, 200b) 및 단락부(300)를 포함할 수 있다.
상기 모듈 케이스(C1, C2)는 본 발명에 따른 배터리 모듈의 구성 요소들은 내부에 수용하고, 외부로부터 인가되는 충격으로부터 배터리 모듈을 보호할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 모듈 케이스(C1, C2)는 배터리 셀(110a, 110b, 110c), 버스바(200a, 200b) 및 단락부(300)를 내부 공간에 수용하는 하우징(C1)과 하우징(C1)의 상부를 덮는 상부 플레이트(C2)로 구성될 수 있다.
이러한, 상기 모듈 케이스(C1, C2)의 하우징(C1)과 상부 플레이트(C2)는 용접을 이용하여 밀폐될 수 있다.
한편, 상기 하우징(C1)은 내부 공간에 수용된 버스바(200a, 200b)가 외부로 돌출되는 버스바 홀(C1-1, C1-2)이 일측면에 형성될 수 있다. 이를 통해, 배터리 셀(110a, 110b, 110c)의 전극 리드와 연결된 버스바(200a, 200b)가 상기 모듈 케이스(C1, C2)의 외부로 돌출 및 노출됨으로써, 외부 전원이 상기 모듈 케이스(C1, C2)의 외부로 노출된 버스바(200a, 200b)와 전기적으로 연결되어 배터리 셀(110a, 110b, 110c)이 충방전될 수 있다.
본 발명에 따른 모듈 케이스(C1, C2)는 상술한 바와 같이, 배터리 모듈의 구성 요소들은 내부 공간에 수용하고, 구성 요소들은 보호할 수 있다면, 그 종류는 특별히 한정되지 않으며 다양한 케이스가 본 발명에 따른 배터리 모듈에 채용될 수 있다.
상기 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은 복수 개로 구비될 수 있으며, 각 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은 좌우 방향으로 나란하게 적층될 수 있다.
배터리 셀(110a, 110b, 110c)의 종류는 특별히 한정되지 않으며 다양한 이차 전지가 본 발명에 따른 배터리 모듈에 채용될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다. 특히, 상기 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은 리튬 이차 전지일 수 있다.
한편, 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은 파우치형 이차전지일 수 있다.
배터리 셀(110a, 110b, 110c)이 파우치형 이차 전지로 구현된 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은 넓은 면이 서로 좌측과 우측에 위치하여, 각 배터리 셀(110a, 110b, 110c) 간 넓은 면이 서로 대면되도록 구성될 수 있다. 또한, 이 경우, 각 배터리 셀(110a, 110b, 110c)은 전방을 향해 돌출되거나, 전방을 향해 돌출되다 절곡된 형태로 형성되는 전극 리드(120a, 120b)를 구비할 수 있다.
전극 리드(120a, 120b)는 양극리드와 음극리드로 구성될 수 있으며, 양극리드는 전극 조립체의 양극판에 연결되고, 음극리드는 전극 조립체의 음극판에 연결될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 최좌측에 위치하는 제1 배터리 셀(110a), 최우측에 위치하는 제2 배터리 셀(110b) 및 제1 배터리 셀(110a)과 제2 배터리 셀(110b) 사이에 위치하는 복수의 제3 배터리 셀(110c)로 구성될 수 있다. 이때, 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b) 각각의 전극 리드는 다른 극성의 전극 리드(120a, 120b)가 같은 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b) 각각의 전극 리드는 전후방을 향해 돌출된 형상으로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 배터리 셀(110a)은 양극인 제1 전극 리드(120a)가 전방을 향하도록 배치될 수 있고, 제2 배터리 셀(110b)은 음극인 제2 전극 리드(120b)가 전방을 향하도록 배치될 수 있다.
한편, 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)는 후술되는 제1 버스바(200a)와 물리적으로 접촉되고, 전기적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 제1 전극 리드(120a)는 제1 버스바(200a)를 통해 외부 전원의 양극과 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)는 후술되는 제2 버스바(200b)와 물리적으로 접촉되고, 전기적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 제2 전극 리드(120b)는 제2 버스바(200b)를 통해 외부 전원의 음극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 버스바(200a)는 본 발명에 따른 버스바(200a, 200b) 중에서 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 물리적으로 접촉되고, 전기적으로 연결되는 버스바일 수 있다.
상기 제1 버스바(200a)는 제1 연결 플레이트(210a), 제1 전원 플레이트(220a) 및 제1 돌출 플레이트(230a)를 포함할 수 있다.
제1 연결 플레이트(210a)는 판형으로 형성되고, 제1 전극 리드(120a)의 외측면과 물리적으로 접촉되며 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 제1 연결 플레이트(210a)는 제1 전극 리드(120a)의 돌출 방향과 동일한 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 연결 플레이트(210a)는 제1 전극 리드(120a)로부터 제1 배터리 셀(110a)의 전방을 향해 연장되어 형성될 수 있다.
한편, 제1 연결 플레이트(210a)는 제1 전극 리드(120a)와 용접되어 물리적으로 접촉되며 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제1 연결 플레이트(210a)는 후술되는 단락부(300)에 형성된 제1 관통홀(331a)을 관통하여 제1 전극 리드(120a)와 연결될 수 있다.
이에 대한, 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
제1 전원 플레이트(220a)는 타단이 제1 연결 플레이트(210a)의 일단과 연결되며, 제1 연결 플레이트(210a)의 일단으로부터 제1 배터리 셀(110a)의 전방을 향해 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 제1 전원 플레이트(220a)는 일단이 외부 전원의 양극과 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 제1 버스바(200a)는 제1 전극 리드(120a)로부터 전방을 향해 연장된 두 플레이트가 연결된 형상일 수 있다. 이때, 제1 연결 플레이트(210a)와 제1 전원 플레이트(220a)는 일체로 형성될 수 있다.
제1 돌출 플레이트(230a)는 제1 전원 플레이트(220a)로부터 제2 버스바(200b)를 향해 돌출 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 돌출 플레이트(230a)는 제1 전원 플레이트(220a)의 내측면으로부터 제1 전원 플레이트(220a)와 대략 수직하도록 돌출되어 형성될 수 있다.
한편, 제1 버스바(200a)는 파단부(240a)를 더 포함할 수 있다.
파단부(240a)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 연결 플레이트(210a)와 제1 전원 플레이트(220a) 사이에 형성될 수 있다. 특히, 파단부(240a)는 제1 연결 플레이트(210a), 제1 전원 플레이트(220a) 및 제1 돌출 플레이트(230a)의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 버스바(200a)에 형성된 파단부(240a)는 제1 버스바(200a)의 평균 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성될 수 있다.
이러한, 파단부(240a)는 제1 연결 플레이트(210a), 제1 전원 플레이트(220a) 및 제1 돌출 플레이트(230a)의 단면적보다 작음으로써, 전류가 흐르는 경우 저항값이 커질 수 있다.
이에 따라, 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b)가 전기적으로 연결되어 제1 버스바(200a), 제2 버스바(200b) 및 외부 전원 간에 단락 회로가 형성되는 경우, 파단부(240a)는 제1 버스바(200a)에 과전류가 흐르게 되어 고온의 저항열이 발생함으로써 파단될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부가 파단된 후의 측면을 도시한 도면이다.
도 5를 더 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b)가 전기적으로 연결되어 단락이 발생되면 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 외부 전원 사이를 전기적으로 연결하는 제1 버스바(200a)의 파단부(240a)가 파단됨으로써 충전이 중단될 수 있다.
다시 말해, 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b)가 전기적으로 연결되어 단락이 발생되면, 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 연결된 제1 연결 플레이트(210a) 및 외부 전원과 연결된 제1 전원 플레이트(220a)를 연결하는 파단부(240a)가 파단됨으로써 충전이 중단될 수 있다.
여기서, 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b)의 전기적 연결은 후술되는 단락부(300)가 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동하여 단락부(300)에 구비된 단락 단자(350)가 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 동시에 접촉되어 전기적으로 연결됨으로써 발생할 수 있다. 또한, 단락부(300)는 배터리 셀(110a, 110b, 110c)의 과충전으로 발생하는 기체로 인해 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 압력이 증가하여 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀(110a, 110b, 110c)의 과충전으로 발생하는 기체로 인해 증가된 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 압력이 단락부(300)로 인가되어 단락 단자(350)가 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동 및 접촉함으로써, 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이어서, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b)에 흐르는 고전류의 단락 전류로 인해 제1 버스바(200a)의 파단부(240a)가 파단됨으로써, 충전을 중단시켜 배터리 모듈의 과충전의 진행을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부(240a)는 제1 버스바(200a)에 형성되는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파단부는 제2 버스바에 형성될 수 있으며, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파단부는 제1 버스바와 제2 버스바 모두에 형성될 수 있다.
또한, 상기 파단부(240a)는 상술한 바와 같이, 인접 영역과 비교하여 폭이 더 좁게 형성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않고, 인접 영역보다 융점이 낮은 금속으로 이루어지는 경우도 가능하며, 그 밖에도 퓨즈로써 기능할 수 있는 형태라면 본 발명의 파단부(240a)로써 제한없이 적용 가능하다.
이하, 상술된 제2 버스바(200b)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
상술한 바와 같이, 제2 버스바(200b)는 본 발명에 따른 버스바(200a, 200b) 중에서 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)와 물리적으로 접촉되고, 전기적으로 연결되는 버스바일 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 버스바(200b)는 제2 연결 플레이트(210b), 제2 전원 플레이트(220b) 및 제2 돌출 플레이트(230b)를 포함할 수 있다.
제2 연결 플레이트(210b)는 판형으로 형성되고, 제2 전극 리드(120b)의 외측면과 물리적으로 접촉되며 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 제2 연결 플레이트(210b)는 제2 전극 리드(120b)의 돌출 방향과 동일한 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 다시 말해, 제2 연결 플레이트(210b)는 제2 전극 리드(120b)로부터 제2 배터리 셀(110b)의 전방을 향해 연장되어 형성될 수 있다.
한편, 제2 연결 플레이트(210b)는 제2 전극 리드(120b)와 용접되어 물리적으로 접촉되며 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제2 연결 플레이트(210b)는 후술되는 단락부(300)에 형성된 제2 관통홀(331b)을 관통하여 제2 전극 리드(120b)와 연결될 수 있다.
이에 대한, 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
제2 전원 플레이트(220b)는 타단이 제2 연결 플레이트(210b)의 일단과 연결되며, 제2 연결 플레이트(210b)의 일단으로부터 제2 배터리 셀(110b)의 전방을 향해 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 제2 전원 플레이트(220b)는 일단이 외부 전원의 음극과 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 제2 버스바(200b)는 제2 전극 리드(120b)로부터 전방을 향해 연장된 두 플레이트가 연결된 형상일 수 있다. 이때, 제2 연결 플레이트(210b)와 제2 전원 플레이트(220b)는 일체로 형성될 수 있다.
제2 돌출 플레이트(230b)는 제2 전원 플레이트(220b)로부터 제1 버스바(200a)를 향해 돌출 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 돌출 플레이트(230b)는 제2 전원 플레이트(220b)의 내측면으로부터 제2 전원 플레이트(220b)와 대략 수직하도록 돌출되어 형성될 수 있다.
또한, 제2 돌출 플레이트(230b)는 제1 돌출 플레이트(230a)와 함께 단락부(300)의 단락 단자(350)에 접촉되기 위하여 제1 돌출 플레이트(230a)와 동일한 평면상에 위치할 수 있다.
이하, 상술된 단락부(300)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
상기 단락부(300)는 모듈 케이스(C1, C2)의 내부에 위치하고, 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c) 중 하나 이상으로부터 발생되는 기체로 인해 증가하는 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 압력을 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동하여 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)을 발생시킬 수 있다.
이를 위하여, 상기 단락부(300)는 격벽(310, 320, 330) 및 슬라이드 바(340)을 포함할 수 있다.
상기 격벽(310, 320, 330)은 도 4에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 공간에서 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c)이 수용되는 수용 공간(A)을 구획 및 밀폐시킬 수 있다.
즉, 상기 격벽(310, 320, 330)은 모듈 케이스(C1, C2)의 하우징(C1)과 상부 플레이트(C2)로 인해 형성된 내부 공간을 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c)이 수용되는 수용 공간(A)과 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c)이 수용되지 않은 비수용 공간(B)으로 구획할 수 있다.
또한, 상기 격벽(310, 320, 330)은 모듈 케이스(C1, C2)와 밀착됨으로써 수용 공간(A)을 밀폐시킬 수 있다. 이를 위하여, 상기 격벽(310, 320, 330)은 하우징(C1)의 좌측 내벽과 밀착되는 제1 격벽(310), 하우징(C1)의 우측 내벽과 밀착되는 제2 격벽(320) 및 일단과 타단이 각각 제1 격벽(310)과 제2 격벽(320)과 연결되고 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c)의 전방에 위치하는 제3 격벽(330)을 구비할 수 있다.
이때, 제1 격벽(310), 제2 격벽(320) 및 제3 격벽(330)은 하우징(C1)의 내측 하면과 상부 플레이트(C2)의 하면에 밀착되도록 형성될 수 있다.
또한, 제3 격벽(330)에는 수용 공간(A)과 비수용 공간(B)이 연통될 수 있도록 관통된 제1 관통홀(331a) 및 제2 관통홀(331b)가 형성될 수 있다. 이러한, 제1 관통홀(331a)에는 제1 버스바(200a)의 제1 연결 플레이트(210a)가 삽입되고, 제2 관통홀(331b)에는 제2 버스바(200b)의 제2 연결 플레이트(210b)가 삽입될 수 있다. 이를 통해, 상기 격벽(310, 320, 330)이 증가된 내부 압력을 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동하는 경우, 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)에 걸리지 않고 이동할 수 있다.
이를 통해, 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 공간 중에서 수용 공간(A)은 모듈 케이스(C1, C2)의 내측면들과 제1 격벽(310), 제2 격벽(320) 및 제3 격벽(330)으로 형성 및 밀폐될 수 있다.
이에 따라, 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 공간 중에서 수용 공간(A)에 수용된 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c) 중 하나 이상의 배터리 셀로부터 기체가 발생하는 경우, 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 압력이 증가하게 되고, 증가된 내부 압력이 이동 가능한 격벽(310, 320, 330)으로 인가될 수 있다.
상기 슬라이드 바(340)는 격벽(310, 320, 330)의 외측으로부터 돌출 형성되고, 일단에 단락 단자(350)를 구비할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 슬라이드 바(340)은 제3 격벽(330)의 외측으로부터 돌출되어 형성되고, 일단에 단락 단자(350)가 안착되는 안착 플레이트를 포함할 수 있다.
한편, 상기 슬라이드 바(340)는 격벽(310, 320, 330)과 일체로 형성됨으로써, 격벽(310, 320, 330)이 증가된 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 압력을 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동하는 경우, 격벽(310, 320, 330)과 함께 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동할 수 있다.
이를 통해, 슬라이드 바(340)의 일단에 구비된 단락 단자(350)는 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 접촉 및 전기적으로 연결되어 단락을 발생시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 기체 발생 후의 상면을 도시한 도면이다.
도 6을 더 참조하면, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 과충전되어 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c) 중 하나 이상의 배터리 셀로부터 기체가 발생하는 경우, 모듈 케이스(C1, C2)의 내부 압력(T1)이 증가하여 격벽(310, 320, 330)으로 인가될 수 있다.
이에 따라, 격벽(310, 320, 330)은 내부 압력(T1)으로 인해 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동하고, 격벽(310, 320, 330)과 일체로 형성된 슬라이드 바(340) 및 슬라이드 바(340)의 일단에 구비된 단락 단자(350)는 전방(T2)를 향해 이동할 수 있다.
이로 인해, 단락 단자(350)는 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 접촉되어 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시킴으로써 단락을 발생시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 단락부의 이동에 따른 회로 구성에 대해 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 전의 등가 회로도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동한 직후의 등가 회로도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동하여 파단부가 파단된 후의 등가 회로도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 과충전되지 않고 정상 상태로 동작하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c)로부터 기체가 발생하지 않으므로 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)는 전기적으로 단락되지 않을 수 있다.
하지만, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 과충전되어 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c)로부터 기체가 발생하여 모듈 케이스의 내부 압력이 증가하는 경우, 단락부(300)는 내부 압력을 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)로 이동할 수 있다. 이에 따라, 단락부(300)의 단락 단자는 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 접촉하여 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시킴으로써 단락을 발생시킬 수 있다.
이로 인해, 단락부(300), 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 포함하는 단락 회로가 형성되어 고전류(I)가 흐를 수 있다.
이후, 제1 버스바(200a)에 고전류(I)가 지속적으로 흐르는 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 단면적이 작게 형성되어 저항값이 큰 파단부(240a)는 고온의 저항열이 발생하여 파단됨으로써, 외부 전원에서 배터리 모듈로 공급되는 전력이 차단되어 과충전을 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스만을 분리한 분해 사시도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 모듈 케이스(C1', C2'), 배터리 셀(110a, 110b, 110c), 버스바(200a, 200b), 단락부(300') 및 탄성 부재(400')를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 일 실시예에 따른 배터리 모듈 대비, 모듈 케이스(C1', C2') 및 단락부(300')의 일부 구성 요소만이 상이하며, 탄성 부재(400')를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀(110a, 110b, 110c) 및 버스바(200a, 200b)는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성 요소와 동일할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스(C1', C2')는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스와 동일하나, 모듈 케이스(C1', C2') 중 하우징(C1')의 내측면에 가이드 홈(C1-3', C1-4')을 더 포함할 수 있다.
가이드 홈(C1-3', C1-4')에는 후술되는 단락부(300')의 가이드 돌기(311a')가 삽입되어 모듈 케이스(C1', C2')의 증가된 내부 압력이 단락부(300')에 인가되는 경우, 단락부(300')의 버스바(200a, 200b)를 향하는 이동을 가이드할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단락부(300')는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 단락부와 동일하나, 가이드 돌기(311a') 및 밀폐 부재(331')을 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상술한 바와 같이, 모듈 케이스(C1', C2')의 증가된 내부 압력이 단락부(300')에 인가되어 단락부(300')이 이동될 때, 제1 격벽(310')와 제2 격벽(320')의 외측에 돌출 형성된 가이드 돌기(311a')는 각각 가이드 홈(C1-3', C1-4')에 삽입되어 단락부(300')의 이동을 가이드할 수 있다.
한편, 단락부(300')의 제3 격벽(330')에 관통 형성된 관통홀의 내측에는 밀폐 부재(331')이 형성될 수 있다.
이러한, 밀폐 부재(331')는 탄성을 갖는 소재로 형성되어 관통홀과 관통홀에 삽입된 버스바(200a, 200b) 사이에 유격이 생기지 않도록 관통홀과 버스바(200a, 200b)의 표면에 각각 밀착될 수 있다.
이를 통해, 밀폐 부재(331')는 모듈 케이스(C1', C2')의 증가된 내부 압력이 단락부(300')에 인가되어 단락부(300')이 이동될 때, 관통홀과 버스바(200a, 200b) 사이를 통해 배터리 셀(110a, 110b, 110c)이 수용된 수용 공간의 외부로 기체가 유출되지 않도록함으로써, 수용 공간의 내부 압력이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 탄성 부재(400')는 제3 격벽(330')의 외측과 버스바 홈(C1-1', C1-2')이 형성된 모듈 케이스(C1')의 내측 사이에 배치되어 단락부(300')와 모듈 케이스(C1') 각각에 탄성력을 인가시킬 수 있다.
이를 통해, 배터리 셀(110a, 110b, 110c)로부터 기체가 발생하기 전, 단락부(300')와 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 이격시켜 배터리 모듈에 과충전이 발생하지 않은 경우, 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)에 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함한다. 이때, 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 배터리 모듈마다 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부를 구비하여 과충전으로 인해 배터리 셀로부터 기체가 발생하는 경우, 제1 버스바를 파단시켜 외부 전원으로부터 공급되는 전력을 차단함으로써, 과충전 방지를 배터리 모듈마다 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110a, 110b: 배터리 셀 200a, 200b: 버스바
300: 단락부 C1, C2: 모듈 케이스

Claims (12)

  1. 복수의 배터리 셀;
    상기 복수의 배터리 셀 중에서 제1 배터리 셀의 제1 전극 리드와 전기적으로 연결된 제1 버스바;
    상기 복수의 배터리 셀 중에서 제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바;
    상기 배터리 셀, 제1 및 제2 버스바를 수용하는 하우징과 상기 하우징의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하는 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스 내부에 위치하고, 상기 복수의 배터리 셀 중 하나 이상으로부터 발생되는 기체로 인해 증가하는 상기 모듈 케이스의 내부 압력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)을 발생시키는 단락부를 포함하고,
    상기 단락부는 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 복수의 배터리 셀이 수용되는 수용 공간과 수용되지 않은 비수용 공간을 구획하고 상기 모듈 케이스와 밀착됨으로써 상기 수용 공간을 밀폐시키는 격벽; 및
    상기 격벽의 외측으로부터 돌출되어 형성되고, 일단에 단락 단자가 구비되는 슬라이드 바를 포함하며,
    상기 격벽은 상기 하우징의 좌측 내벽과 밀착되는 제1 격벽;
    상기 하우징의 우측 내벽과 밀착되는 제2 격벽; 및
    일단과 타단이 각각 상기 제1 격벽과 제2 격벽과 연결되고 상기 복수의 배터리 셀의 전방에 위치하는 제3 격벽을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 격벽은
    상기 복수의 배터리 셀 중 하나 이상에서 기체가 발생하는 경우, 증가된 상기 모듈 케이스의 내부 압력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하고,
    상기 슬라이드 바는
    상기 내부 압력을 인가받은 상기 격벽과 함께 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단락 단자는
    상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바와 접촉하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시키는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단락 단자는
    전도성 재질로 형성되는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버스바는
    상기 제1 전극 리드와 접촉되어 전기적으로 연결되는 제1 연결 플레이트;
    상기 제1 연결 플레이트로부터 상기 제1 배터리 셀의 전방을 향해 연장 형성되고, 외부 전원과 전기적으로 연결되는 제1 전원 플레이트 및
    상기 제1 전원 플레이트로부터 상기 제2 버스바를 향해 돌출 형성된 제1 돌출 플레이트를 구비하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 버스바는
    상기 제2 전극 리드와 접촉되어 전기적으로 연결되는 제2 연결 플레이트;
    상기 제2 연결 플레이트로부터 상기 제2 배터리 셀의 전방을 향해 연장 형성되고, 외부 전원과 전기적으로 연결되는 제2 전원 플레이트 및
    상기 제2 전원 플레이트로부터 상기 제1 버스바를 향해 돌출 형성된 제2 돌출 플레이트를 구비하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는
    상기 단락이 발생되는 경우, 파단되어 외부와의 전기적 연결을 차단하는 파단부를
    더 포함하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 파단부는
    상기 제1 버스바 또는 상기 제2 버스바의 평균 단면적보다 좁게 형성되는 배터리 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 파단부는
    상기 제1 버스바의 제1 연결 플레이트 및 상기 제2 버스바의 제2 연결 플레이트 중 적어도 하나에 형성되는 배터리 모듈.
  11. 제1항 또는 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을
    포함하는 배터리 팩.
  12. 제1항 또는 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을
    포함하는 자동차.
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