KR102352625B1 - 외부 단락 방지 구조가 적용된 배터리 모듈을 이용한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은, 각각 일 방향으로 적층 배열되는 이차전지들을 구비하고, 상호 밀착되게 배치되는 2개 이상의 배터리 모듈들과, 상기 배터리 모듈들을 전기적으로 연결시키는 인터 버스바를 포함하는 배터리 팩으로서,
상기 배터리 모듈 각각은, 상기 이차전지들의 전극 리드들과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 버스바들;과 상기 다수의 버스바들로부터 분리되어 상기 버스바들과 전기적으로 단절되게 배치되는 양극 터미널과 음극 터미널을 포함하며, 상기 다수의 버스바들 중에서 미리 결정된 2개의 버스바는 일단이 각각 상기 양극 터미널과 상기 음극 터미널을 향해 미리 결정된 위치까지 연장 형성되는 터미널 연결용 연장부를 더 구비하고, 상기 인터 버스바는 적어도 상기 터미널 연결용 연장부의 일부분과 서로 이웃하는 어느 하나의 배터리 모듈의 양극 터미널의 일부분과 다른 하나의 배터리 모듈의 음극 터미널의 일부분의 일부분을 일체로 오버랩 가능하게 마련될 수 있다.

Description

외부 단락 방지 구조가 적용된 배터리 모듈을 이용한 배터리 팩{Battery Pack using battery module with short-circuit protection structure}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 외부 단락 방지 구조가 적용된 배터리 모듈 및 이를 이용하여 조립 과정에서 전기적 안전성 및 연결 신뢰성을 도모한 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충·방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기, 에너지 저장 시스템에 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 각광받고 있다.
이차전지들은 용량 및 출력을 높이기 위해서 여러 개가 전기적으로 연결될 수 있다. 배터리 모듈은 이와 같이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지들로 구성된 집합체라 할 수 있다.
특히, 전기 자동차 등과 같은 중대형 장치에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 상기 배터리 모듈을 기본 단위로 하고, 이들 다수의 배터리 모듈을 전기적으로 연결하여 구현한 배터리 팩을 사용하기도 한다.
이러한 배터리 모듈 및 배터리 팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 밀집도로 적층할 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 배터리, 파우치형 배터리 등이 배터리 모듈의 단위전지로서 주로 사용되고 있다.
한편, 배터리 모듈이나 배터리 팩은 안전성에 관련된 여러 가지 이슈(issue)들이 있다. 예컨대, 배터리 모듈은 운용 중 과충전 또는 과방전, 각 이차전지 셀당 전압 불균형, 충방전시 내압 증가로 인한 스웰링 현상, 과전류 등으로 인한 급격한 성능 저하 및 폭발 위험이 있다. 따라서 배터리 모듈이나 배터리 팩은 안정성 확보 방안으로 과방전, 과충전, 과전류를 방지하고 셀 밸런싱 기능을 갖춘 PCM(Protection Circuit Module) 이나 BMS (Battery Management System)와 같은 배터리 보호회로를 일 구성요소로 포함하고 있다.
그럼에도 불구하고 배터리 모듈은 외부 장치 또는 배터리 팩에 조립되기 전까지 외부 단락으로 인한 안전성 문제가 발생할 가능성이 여전히 존재한다.
일반적으로 배터리 모듈을 구성하는 이차전지들은 모듈 하우징 내부에 패키징되어 외부에 노출되지 않으나, 양극 및 음극 터미널은 모듈 하우징 외부에 노출되어 있다. 이로 인해 배터리 모듈을 사용하여 배터리 팩을 조립하는 과정에서 금속 물체가 상기 배터리 모듈의 양극 및 음극 터미널에 접촉하여 외부 단락이 일어날 우려가 있다. 이처럼 금속 물체에 의해 양극 및 음극 터미널이 단락되면, 배터리 모듈 내에 순간적으로 과전류가 흐를게 되어 이차전지들이 손상되거나 과열되고 이로 인해 화재 또는 폭발이 일어날 수 있다. 따라서 단위 배터리 모듈들을 사용하여 배터리 팩을 조립하는 과정에서 외부 단락을 방지할 수 있는 방안이 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0028847호 (2017.03.14) 현대모비스 주식회사.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 외부 단락으로 인한 비정상적인 과전류가 흐를 것을 방지할 수 있는 배터리 모듈과 이러한 배터리 모듈을 사용하여 조립 과정에서 안전성을 도모한 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각각 일 방향으로 적층 배열되는 이차전지들을 구비하고, 상호 밀착되게 배치되는 2개 이상의 배터리 모듈들과, 상기 배터리 모듈들을 전기적으로 연결시키는 인터 버스바를 포함하는 배터리 팩으로서,
상기 배터리 모듈 각각은, 상기 이차전지들의 전극 리드들과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 버스바들;과 상기 다수의 버스바들로부터 분리되어 상기 버스바들과 단절되게 배치되는 양극 터미널과 음극 터미널을 포함하며, 상기 다수의 버스바들 중에서 미리 결정된 2개의 버스바는 일단이 각각 상기 양극 터미널과 상기 음극 터미널을 향해 미리 결정된 위치까지 연장 형성되는 터미널 연결용 연장부를 더 구비하고, 상기 인터 버스바는 적어도 상기 터미널 연결용 연장부의 일부분과 서로 이웃하는 어느 하나의 배터리 모듈의 양극 터미널의 일부분과 다른 하나의 배터리 모듈의 음극 터미널의 일부분을 일체로 오버랩 가능하게 마련될 수 있다.
상기 인터 버스바는, 상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널과 상기 터미널 연결용 연장부 사이 공간에 억지 끼움 되게 마련되는 접촉 보강부를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈 각각은, 상기 터미널 연결용 연장부를 제외한 상기 다수의 버스바들을 일체로 커버하도록 마련되는 메인 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 터미널과 상기 음극 터미널 각각은, 상기 배터리 모듈의 전면부에 배치되고, 판상체 형태의 터미널 플레이트부와, 상기 터미널 플레이트부에 대해 수직으로 돌출 형성되는 볼트부를 포함하고, 상기 터미널 연결용 연장부는 일면이, 상기 터미널 플레이트부의 일면과 가상의 동일 평면상에 위치할 수 있다.
상기 터미널 연결용 연장부는, 적어도 일부분이 상기 터미널 플레이트부의 폭에 대응하게 마련될 수 있다.
상기 터미널 연결용 연장부는, 상기 터미널 플레이트부를 향해 곧게 연장되는 제1 구간, 상기 제1 구간에 교차하고 적어도 상기 터미널 플레이트부의 폭에 대응하게 연장되는 제2 구간, 상기 제2 구간에 교차하고 상기 터미널 플레이트부에서 멀어지게 연장되는 제3 구간을 포함하고, 상기 제2 구간은 상기 인터 버스바에 의해 상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널에 전기적으로 연결되고, 상기 제3 구간은 끝단이 벤딩되어 상기 배터리 모듈 내측에 구비되는 인쇄회로기판에 접속될 수 있다.
상기 배터리 모듈 각각은, 사각 틀 형태로 내측에 적어도 하나의 상기 이차전지를 수납하고, 각각 세워져서 수평 방향으로 적층 배열되는 적층용 프레임들을 더 포함하고, 상기 적층용 프레임들 각각은, 하단부가 다른 부분보다 길이방향으로 더 돌출되어 마련되는 받침부를 구비하고 상기 적층용 프레임들의 상기 받침부 중앙 영역에 형성되는 홀에 롱볼트가 삽입되어 일체로 고정 결합될 수 있다.
상기 배터리 모듈 각각은, 상기 적층용 프레임들의 상부와 양쪽 측면을 감싸도록 절곡 형성된 판상체 형태로 마련되는 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 상기 양쪽 측면을 감싸는 부분의 하단이 최외측에 배치된 상기 적층용 프레임의 받침부에 고정 결합될 수 있다.
상기 배터리 모듈 각각은, 상기 다수의 버스바들, 상기 양극 터미널, 상기 음극 터미널이 장착될 수 있는 장소를 제공하며 상기 받침부에 의해 지지되고 상기 적층용 프레임들에 탈부착 가능하게 마련되는 센싱 보드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 운송 과정 내지 배터리 팩 단위로 조립되기 전까지 외부 단락으로 인한 비정상적인 과전류가 흐를 것을 방지할 수 있어 안전성이 향상된 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 배터리 모듈은 필요 시 이외에는 전극 터미널들이 비활성화되게 이차전지들로부터 분리된 구조로 마련되어 있어 기존 대비 공간 및 비용 증가 또는 과도한 설계 변경 없이도 외부 단락으로 인한 안전사고를 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 배터리 모듈들의 전극 터미널들에 인터 버스바를 연결함으로써 배터리 모듈들을 전기적으로 활성화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 센싱 어셈블리의 정면도이다.
도 3은 도 1의 센싱 어셈블리의 배면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 커버 장착 전의 배터리 모듈의 정면도와 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 커버 장착 후의 배터리 모듈의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 임시 커버를 분리한 배터리 모듈의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈들을 조립하여 구성한 배터리 팩의 사시도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈들을 이용한 배터리 팩의 조립 전/후 상태를 도시한 도면들이다.
도 11은 도 10의 인터 버스바 연결 부분의 확대도이다.
도 12는 도 11의 I-I'에 따른 단면도이다.
도 13은 도 12에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 인터 버스바가 적용된 도면이다.
도 14는 도 13의 인터 버스바의 개략적인 사시도이다.
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 아니되며, 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 어셈블리(100), 센싱 어셈블리(200), 외부 단자로 기능하는 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b), 그리고 보호 커버(400)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 배터리 모듈(10)을 구성하는 셀 어셈블리(100)에 대해 살펴보면, 셀 어셈블리(100)는 이차전지들과, 적층용 프레임(120)들, 그리고 엔드 플레이트(130)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)를 구성하는 이차전지로는 파우치형 배터리 셀들이 채용될 수 있다. 상기 파우치형 배터리 셀들은, 일 방향, 이를테면 넓은 면이 세워져 수평 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있다.
적층용 프레임(120)은 파우치형 이차전지를 적층하는데 이용되는 구성요소로, 기계적 강성이 부족한 파우치형 이차전지를 홀딩하여 그 유동을 방지하고 상호 적층 가능하도록 구성되어 이차전지의 조립을 가이드하는 역할을 한다.
적층용 프레임(120)은, 카트리지 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있으며, 중앙 부분이 비어 있는 사각 틀 형태로 구성될 수 있다. 이러한 적층용 프레임(120)들은 적어도 하나의 파우치형 배터리 셀을 수납하고 각각 세워져서 수평 방향으로 적층 배열될 수 있다. 이때, 적층용 프레임(120)들 간은 스냅-핏(snap-fit) 방식 등으로 결합될 수 있다.
특히, 본 실시예 따른 적층용 프레임(120)들 각각은, 네 모서리 중 하나가 더 길게 형성되어 마련된 받침부(121)를 구비한다. 도 1과 같이, 적층용 프레임(120)들이 세워져 적층되면, 하단부가 다른 부분보다 길이방향으로 더 돌출된 형태가 되어 단차가 형성될 수 있다. 따라서 후술할 센싱 어셈블리(200)가 받침부(121) 위에 배치되어 지지될 수 있다.
또한, 받침부(121)의 중앙 영역에는 홀이 구비될 수 있다. 적층용 프레임(120)들은 상기 받침부(121)들의 홀들이 좌우로 일치하게 적층될 수 있으며, 예컨대, 숄더 볼트(B)와 같은 체결부재가 상기 받침부(121)들의 홀들에 삽입되어 일체로 고정될 수 있다. 이 경우, 적층용 프레임(120)들은 스냅-핏 체결뿐만 아니라 숄더 볼트(B)에 의해 하나의 몸체로 연결되기 때문에 고정성이 더욱 향상될 수 있다.
엔드 플레이트(130)는 적층용 프레임(120)들에 대한 기계적 지지력을 제공하고 이들을 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 하는 구성요소이다. 이러한 엔드 플레이트(130)는 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작될 수 있다.
본 실시예에 따른 엔드 플레이트(130)는 절곡 형성된 판상체 형태로서, 상판(131)과 상기 상판(131)의 양쪽 모서리에서 연직 하방향으로 나란히 연장되는 좌우 측면판(132)을 포함한다. 적층용 프레임(120)들은 이러한 엔드 플레이트(130)에 의해 상부와 양쪽 측면이 감싸일 수 있다.
이를테면, 엔드 플레이트(130)와 적층용 프레임(120)들은 엔드 플레이트(130)를 적층용 프레임(120)들에 덮어씌우는 방식으로 조립될 수 있다. 이와 같이 엔드 플레이트(130)를 적층용 프레임(120)에 덮어씌울 경우, 엔드 플레이트(130)와 적층용 프레임(120) 간의 체결 개소를 줄일 수 있다. 즉 본 실시예의 경우, 엔드 플레이트(130)의 좌우 측면판(132)의 하단, 다시 말하면 좌우 측면판의 하단 코너 4곳(132a)이 가장 바깥쪽에 위치한 적층용 프레임(120)들의 받침부(121)들에 볼트 체결되어 고정 결합될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 엔드 플레이트(130)에서 좌우 측면판(132)이 벌어지는 스프링 백(spring-back) 현상이 저지될 수 있으며, 엔드 플레이트(130)와 적층용 프레임(120)들이 서로 안정적으로 결합될 수 있다.
이러한 셀 어셈블리(100)는 도 1에 도시한 바와 같이, 이차전지들의 전극 리드(111)들은 적층용 프레임(120)에 마련되는 슬릿을 통과하여 적층용 프레임(120)들의 전면과 후면으로 노출될 수 있다.
참고로, 파우치형 배터리 셀은 그 형태에 따라 본 실시예와 같이 양극 리드와 음극 리드가 서로 반대 방향으로 연장된 것이 사용될 수 있을 뿐만 아니라 경우에 따라서는 같은 방향으로 연장된 것이 사용될 수도 있다.
센싱 어셈블리(200)는 기본적으로 전극 리드(111)와 전기적으로 연결되어야 하는 구성으로 전극 리드(111)가 노출되는 위치에 따라 셀 어셈블리(100)의 전면 및 후면 중 적어도 한 곳에 장착될 수 있다. 따라서 본 실시예의 경우 센싱 어셈블리(200)는 셀 어셈블리(100)의 전면과 후면에 하나씩 장착될 수 있다.
도 2는 도 1의 센싱 어셈블리(200)의 정면도, 도 3은 도 2의 센싱 어셈블리(200)의 배면도, 도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 커버(400) 장착 전의 배터리 모듈(10)의 정면도 및 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 센싱 어셈블리(200)는, 다수의 버스바(210), 센싱 보드(220), 인쇄회로기판(230)을 포함할 수 있다.
센싱 보드(220)는 상기 셀 어셈블리(100)에 장착 가능하게 마련될 수 있고 상기 다수의 버스바(210)들과, 인쇄회로기판(230), 양극 터미널(300a) 및 음극 터미널(300b) 등의 부품을 장착할 수 있는 장소를 제공하는 구성요소이다.
센싱 보드(220)는 플라스틱과 같은 절연 재질로서 사출 성형될 수 있다. 본 실시예에 상기 센싱 보드(220)는 버스바(210)들이 장착될 위치 주변에 전극 리드(111)들이 전후로 통과할 수 있는 슬릿들을 구비하고, 적층용 프레임(120)의 받침부(121)를 제외한 적층용 프레임(120)들의 전면 또는 후면에 대응하는 크기로 제작될 수 있다. 또한, 센싱 보드(220)는 테두리 둘레에 후크를 구비하여 셀 어셈블리(100)에 스냅 핏 방식으로 탈부착될 수 있으며, 그 하단부는 적층용 프레임(120)들의 받침부(121)에 의해 지지될 수 있다.
인쇄회로기판(230)은 이차전지들의 전기적 특성, 예컨대 각 이차전지 셀의 전압을 검출하고 이차전지 셀들의 충방전을 제어하기 위한 프로세서 칩을 포함한 구성요소일 수 있다. 다수의 버스바(210)들은 그 일단부가 상기 인쇄회로기판(230)에 접속될 수 있다.
이러한 인쇄회로기판(230)은, 도 3과 같이, 상기 센싱 보드(220)의 배면에 장착될 수 있다. 본 실시예에 따른 인쇄회로기판(230)은 버스바(210)들의 배열 면적보다 작은 사이즈로 제작되어 센싱 보드(220)의 배면 중앙 상부 영역에 부착될 수 있다. 이와 같이 인쇄회로기판(230)을 센싱 보드(220)의 배면에 배치함으로써 인쇄회로기판(230)을 보호할 수 있을 뿐만 아니라 버스바(210)들과의 접속성 및 센싱 보드(220)의 공간 자유도가 증대될 수 있다.
이를테면, 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 가운데 영역의 버스바(210)들은 끝부분이 절곡되어 센싱 보드(220)를 전후로 관통해서 인쇄회로기판(230)에 접속될 수 있고 양극 및 음극 버스바(210a,210b)는 인쇄회로기판(230)의 위치상 다른 버스바(210)에 비해 우회하여 터미널 연결용 연장부(211)의 제3 구간의 끝부분(211d)이 인쇄회로기판(230)에 접속될 수 있다.
버스바(210)들은 예컨대 구리(CU)와 같은 전도성을 갖는 금속판으로서 상기 센싱 보드(220)의 전면에 장착되며, 그 표면에 센싱 보드에 형성되는 슬릿들을 통과한 전극 리드(111)들이 초음파 용접 방식 등에 의해 부착된다. 하나의 버스바(210)에는 어느 하나의 이차전지의 양극 리드와 다른 하나의 음극 리드가 부착될 수 있다. 그리고 배열 순서상 가장 오른쪽에 위치한 버스바(210b)에는 음극 리드 하나가 부착될 수 있고, 가장 왼쪽에 위치한 버스바(210a)에는 양극 리드 하나가 부착될 수 있다. 이차전지들은 이러한 패턴으로 각 전극 리드(111)들이 버스바(210)들에 부착됨으로써 직렬 연결될 수 있다.
여기서 위와 같이 음극 리드 하나만 부착되어 있는 버스바(210)를 음극 버스바(210b)라 지칭하고 양극 리드 하나만 부착되어 있는 버스바를 양극 버스바(210a)라 지칭하기로 한다. 자세히 후술하겠으나 상기 양극 버스바(210a)와 음극 버스바(210b)는 일단이 각각 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)을 향해 미리 결정된 위치까지 연장 형성되는 터미널 연결용 연장부(211)를 더 구비할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)은 센싱 어셈블리(200)의 전면부 즉, 센싱 보드(220)의 상단 양쪽 코너 부분에 각각 장착 가능하게 마련된다. 본 실시예에 따른 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)은 동일한 구조로서, 대략 사각 판상체 형태로 형성되는 터미널 플레이트부(310)와, 상기 터미널 플레이트부(310)에 대해 수직으로 돌출 형성되는 볼트부(320)를 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)은, 양극 및 음극 버스바(210a,210b)의 상부에 위치하되 버스바(210)들로부터 분리되어 버스바(210)들과 전기적으로 단절된 상태로 배치된다.
따라서 이와 같이 버스바(210)들과 분리된 상태의 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)은 배터리 모듈(10)의 외부 전극 단자로서의 기능이 비활성화된 상태라 할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)은 추후에 인터 버스바(20)와 같은 매개체에 의해 버스바(210)들과 전기적으로 연결되어 있어야만 배터리 모듈(10)의 외부 전극 단자로서 활성화될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 보호 커버(400)를 더 포함할 수 있다.
보호 커버(400)는 다수의 버스바(210)들과 전극 리드(111)들이 외부에 노출되지 않게 커버하여 외부 단락 위험으로부터 배터리 모듈(10)을 보호하는 역할을 하는 구성요소이다. 이러한 보호 커버(400)는 버스바(210)들이 위치한 센싱 어셈블리(200)의 전면부에 장착될 수 있다.
도 5와 도 6을 비교해서 살펴보면, 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b) 아래에 위치한 모든 버스바(210)들이 보호 커버(400)에 의해 덮혀 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 통전 가능성이 있는 영역들 즉 버스바들은 모두 보호 커버(400)로 차폐되어 절연 처리될 수 있고, 전술한 바와 같이 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)은 외부 단자로서 기능이 비활성화된 상태이므로 금속 물체가 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b)에 접촉하더라도 전류가 통하지 않는다.
이와 같은 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 운송 과정 내지 배터리 팩 조립 과정에서 전극 터미널들(300a,300b)이 외부 단자로 기능을 하지 못하는 상태로 제공되므로 외부 단락으로 인한 비정상적인 과전류가 흐르는 것이 방지될 수 있어 이에 따른 안전사고 위험이 없다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 커버(400)는, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 메인 커버(410)와 임시 커버(420)를 포함할 수 있다.
메인 커버(410)는 터미널 연결용 연장부(211)를 제외한 버스바(210)들을 일체로 커버하는 부분으로 배터리 모듈(10)의 유지 보수시 등을 제외하고 항시 센싱 어셈블리(200)에 부착된 상태로 존재한다.
임시 커버(420)는 터미널 연결용 연장부(211)를 커버하는 부분으로 양극 터미널(300a)과 음극 터미널(300b) 쪽에 각각 하나씩 2개이며, 메인 커버(410)에서 분리 가능하게 구성될 수 있다.
도 7과 같이, 상기 임시 커버(420)를 메인 커버(410)에서 떼어내면 터미널 연결용 연장부(211)가 외부로 노출될 수 있다. 이러한 임시 커버(420)는 단위 배터리 모듈(10)을 외부 장치에 연결하거나 단위 배터리 모듈(10)들 여러 개를 연결하여 배터리 팩 단위로 조립할 때 메인 커버(410)로부터 탈거될 수 있다.
이어서, 도 8 내지 도 12를 참조하여 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상호 밀착되게 배치되고 전기적으로 연결되는 2개의 이상의 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 배터리 팩은 2개의 배터리 모듈로 구성하였으나, 배터리 팩은 그 용량과 출력에 따라 3개 이상의 배터리 모듈로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈을 사용하여 배터리 팩을 구성할 때, 배터리 모듈들(10a,10b)을, 도 9와 같이, 밀착한 상태에서 각 배터리 모듈(10a,10b)에서 임시 커버(420)를 제거한다. 임시 커버(420)가 제거되면 해당 부위에 양극 및 음극 버스바(210a,210b)의 일단부 즉 터미널 연결용 연장부(211)가 외부로 노출될 수 있다.
이하에서 상기 2개의 배터리 모듈을 제1 배터리 모듈(10a)과 제2 배터리 모듈(10b)로 구분하기로 한다. 상기 제1 및 제2 배터리 모듈(10a,10b)은 초기에 양극 및 음극 터미널(300a,300b)이 각각 양극 및 음극 버스바(210a,210b)와 분리되어 있는 상태라서 외부 단자로서 비활성화되어 있다. 따라서 배터리 팩 단위로 조립되기 위해서는 양극 터미널(300a)과 양극 버스바(210a) 그리고 음극 터미널(300b)과 음극 버스바(210b) 간의 전기적 연결이 반드시 필요하다. 위와 같은 전기적 연결을 위해 배터리 팩은 인터 버스바(20)를 더 포함한다.
인터 버스바(20)는 금속 막대형 전도체로서 대용량 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 구성요소이다. 인터 버스바(20)는 배터리 모듈에 흐르는 전류의 크기에 따라 미리 결정된 두께로 형성될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 인터 버스바는 제1 및 제2 배터리 모듈(10a,10b) 간에 고전류를 안전하게 통전시킬 수 있을 뿐만아니라 각 단위 배터리 모듈(10a,10b)에 분리되어 있는 양극 및 음극 터미널(300a,300b)과 양극 및 음극 버스바(210a,210b)를 전기적으로 연결할 수 있도록 적어도 터미널 연결용 연장부(211)의 일부분과 양극 터미널(300a) 및 음극 터미널(300b)의 일부분에 오버랩되게 설치되는 브릿지 역할을 담당한다.
인터 버스바(20)에 의한 제1 및 제2 배터리 모듈(10a,10b)의 연결 구조를 보다 자세히 설명하기에 앞서 이에 관련된 단위 배터리 모듈(10a)의 양극 및 음극 터미널(300a)과 양극 및 음극 버스바(210a,210b)의 배치 구도를, 도 2 및 도 4를 다시 참조하여, 보충하여 살펴본다.
양극 및 음극 버스바(210a,210b)의 터미널 연결용 연장부(211)는, 터미널 플레이트부(310)를 향해 곧게 연장되는 제1 구간(211a), 상기 제1 구간(211a)에 교차하고 적어도 상기 터미널 플레이트부(310)의 폭에 대응하게 연장되는 제2 구간(211b), 상기 제2 구간(211b)에 교차하고 상기 터미널 플레이트부(310)에서 멀어지게 연장되는 제3 구간(211c)을 포함할 수 있다.
제1 구간(211a)은 터미널 플레이트부(310)와 소정 간격(G)만큼 떨어진 위치까지 양극 버스바(210)와 음극 버스바(210)의 몸체에서 연장된다.
제2 구간(211b)은 실질적으로 터미널 플레이트부(310)와 함께 후술할 인터 버스바(20)에 의해 오버랩되는 부분이다. 이러한 제2 구간(211b)은 상기 터미널 플레이트부(310)의 (가로 방향)폭과 두께에 대응하게 형성될 수 있다. 이에 따라 센싱 보드(220)에 대한 제2 구간(211b)과 터미널 플레이트부(310)의 높낮이와 폭이 일치되어 제2 구간(211b)의 일면(전면)과 터미널 플레이트부(310)의 일면(전면)이 가상의 동일 평면상에 위치할 수 있다. 이 경우, 인터 버스바(20)와 상기 제2 구간(211b)의 일면 그리고 터미널 플레이트부(310)의 일면 간의 접촉 신뢰성이 향상될 수 있다.
제3 구간(211c)은 인쇄회로기판(230)에 접속을 위한 부분이다. 제3 구간(211c)은 터미널 플레이트부(310)에서 하방향으로 연장되며 그 끝부분(211d)이 센싱 보드(220)를 관통해 인쇄회로기판(230)에 접속될 수 있다.
인터 버스바(20)는 금속 판형의 판상부(21)와 상기 판상부(21)를 천공시켜 마련되는 2개의 볼트 체결용 홀(22)을 포함한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 인터 버스바(20)는, 제1 및 제2 배터리 모듈(10a,10b)의 음극 및 양극 터미널의 볼트부(320)들에 인터 버스바(20)의 볼트 체결용 홀(22)들을 끼워 넣고 너트로 조이면, 제1 배터리 모듈(10a)의 음극 터미널(300b)과 제2 배터리 모듈(10b)의 양극 터미널(300a)에 연결될 수 있다.
이때, 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 인터 버스바(20)의 판상부(21)는 적어도 제1 배터리 모듈(10a)의 음극 터미널(300b)과 음극 버스바(210b)의 제2 구간(211b), 그리고 제2 배터리 모듈(10b)의 양극 터미널(300a)과 양극 버스바(210a)의 제2 구간(211b)을 일체로 커버 가능한 면적을 갖는 사이즈로 형성될 수 있다.
따라서 이와 같은 인터 버스바(20)에 의하면, 제1 및 제2 배터리 모듈(10a,10b)의 음극 터미널(300b)과 양극 터미널(300a)이 연결됨과 동시에 제1 배터리 모듈(10a)의 음극 터미널(300b)과 음극 버스바(210b) 그리고 제2 배터리 모듈(10b)의 양극 터미널(300a)과 양극 버스바(210a)가 전기적으로 연결될 수 있다.
참고로, 제1 배터리 모듈의 양극 터미널과 제2 배터리 모듈의 음극 터미널을 비활성화된 상태로 두고 인터 버스바(20)를 조립하는 것이 안전상 바람직할 수 있다. 상기 인터 버스바(30) 조립이 완료되면 제1 배터리 모듈(10a)의 왼쪽과 제2 배터리 모듈의 오른쪽에 위치한 임시 커버(420)를 각각 떼어내고 단자용 버스바(30)를 조립한다. 여기서 단자용 버스바는 제1 배터리 모듈(10a)의 양극 터미널(300a)과 이에 대응하는 양극 버스바(210a), 그리고 제2 배터리 모듈(10b)의 음극 터미널(300b)과 이에 대응하는 음극 버스바(210b)를 전기적으로 연결시키기 위한 구성요소이다.
단자용 버스바(30)는 인터 버스바(20)와 유사하게 각 전극 터미널의 볼트부(320)에 체결될 수 있으며, 적어도 해당 전극 터미널과 전극 버스바의 터미널 연결용 연장부(211)를 일체로 덮을 수 있는 사이즈로 형성될 수 있다. 이렇게 단자용 버스바(30)가 부착되면 제1 배터리 모듈(10a)의 양극 터미널(300a)과 제2 배터리 모듈(10b)의 음극 터미널(300b)이 외부 단자로서 기능할 수 있다.
이어서, 도 13 및 도 14를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 인터 버스바가 적용된 배터리 팩을 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 인터 버스바(20')는 판상부(21)의 일면에서 돌출 형성된 접촉 보강부(23)를 더 포함할 수 있다. 여기서 접촉 보강부(23)의 너비(W)는 전극 터미널(300a,300b)과 터미널 연결용 연장부(211) 사이의 간격(G)에 따라 결정될 수 있다.
이러한 접촉 보강부(23)는, 인터 버스바(20')를 설치하였을 때, 도 13과 같이 양극 터미널(300a) 또는 음극 터미널(300b)과 터미널 연결용 연장부(211) 사이 빈 공간에 억지 끼움될 수 있다.
전술한 실시예의 인터 버스바(20)는 예컨대, 터미널 플레이트부(310)와 제2 구간(211b)의 전면에만 접촉될 수 있음에 반해, 본 실시예의 인터 버스바(20')는 터미널 플레이트부(310)와 제2 구간(211b)의 측면에도 접촉이 가능하다. 또한, 전술한 실시예의 인터 버스바(20)는 터미널 플레이트부(310)와 제2 구간(211b) 간에 약간의 높낮이 차이가 있어도 터미널 플레이트(310)와 제2 구간(211b)과의 전기적 접촉이 불완전해질 수 있다. 그러나 본 실시예의 인터 버스바(20')는 접촉 보강부(23)가 터미널 플레이트(310)와 제2 구간(211b) 사이에 억지 끼움 되는 방식으로 터미널 플레이트(310)와 제2 구간(211b) 사이에 개재되기 때문에 전술한 실시예에 따른 인터 버스바(20)보다 터미널 플레이트(310)와 제2 구간(211b)과의 전기적 접촉이 안정적일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은 상술한 배터리 모듈(10)들 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)들을 수납하기 위한 팩 케이스(미도시), 배터리 모듈(10)들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차 또는 전력 저장장치(ESS)에 적용될 수 있음은 물론이다.
이상과 같이, 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.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10: 배터리 모듈 20: 인터 버스바
21: 판상부 23: 접촉 보강부
100: 셀 어셈블리 111: 전극 리드
120: 적층용 프레임 121: 받침부
130: 엔드 플레이트 132: 측면판
200: 센싱 어셈블리 210: 버스바
211: 터미널 연결용 연장부 220: 센싱 보드
230: 인쇄회로기판 300a,300b: 양극 터미널, 음극 터미널
310: 터미널 플레이트부 320: 볼트부
400: 보호 커버 410: 메인 커버
420: 임시 커버

Claims (10)

  1. 각각 일 방향으로 적층 배열되는 이차전지들을 구비하고, 상호 밀착되게 배치되는 2개 이상의 배터리 모듈들과, 상기 배터리 모듈들을 전기적으로 연결시키는 인터 버스바를 포함하는 배터리 팩으로서,
    상기 배터리 모듈 각각은,
    상기 이차전지들의 전극 리드들과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 버스바들; 및 상기 배터리 모듈의 외부 전극 단자로 기능하는 양극 터미널과 음극 터미널을 포함하고,
    상기 다수의 버스바들 중 미리 결정된 2개의 버스바는 일단이 각각 상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널과 소정 간격 이격된 위치까지 연장 형성된 터미널 연결용 연장부를 더 구비하고,
    상기 터미널 연결용 연장부는 대응하는 상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널과 비접촉하게 구성되고,
    상기 인터 버스바는,
    어느 하나의 상기 배터리 모듈의 상기 양극 터미널 및 그와 소정 간격 이격된 상기 터미널 연결용 연장부, 그리고 다른 하나의 상기 배터리 모듈의 상기 음극 터미널 및 그와 소정 간격 이격된 상기 터미널 연결용 연장부를 오버랩하며 접촉하도록 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인터 버스바는,
    상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널과 상기 터미널 연결용 연장부 사이 공간에 억지 끼움 되게 마련되는 접촉 보강부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 각각은,
    상기 터미널 연결용 연장부를 제외한 상기 다수의 버스바들을 일체로 커버하도록 마련되는 메인 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극 터미널과 상기 음극 터미널은 각각
    상기 배터리 모듈의 전면부에 배치되고, 판상체 형태의 터미널 플레이트부와, 상기 터미널 플레이트부에 대해 수직으로 돌출 형성되는 볼트부를 포함하고,
    상기 터미널 연결용 연장부는 일면이, 상기 터미널 플레이트부의 일면과 가상의 동일 평면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 터미널 연결용 연장부는, 적어도 일부분이 상기 터미널 플레이트부의 폭에 대응하게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 터미널 연결용 연장부는,
    상기 터미널 플레이트부를 향해 곧게 연장되는 제1 구간, 상기 제1 구간에 교차하고 적어도 상기 터미널 플레이트부의 폭에 대응하게 연장되는 제2 구간, 상기 제2 구간에 교차하고 상기 터미널 플레이트부에서 멀어지게 연장되는 제3 구간을 포함하고,
    상기 제2 구간은 상기 인터 버스바에 의해 상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널에 전기적으로 연결되고, 상기 제3 구간은 끝단이 벤딩되어 상기 배터리 모듈 내측에 구비되는 인쇄회로기판에 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 각각은,
    사각 틀 형태로 내측에 적어도 하나의 상기 이차전지를 수납하고, 각각 세워져서 수평 방향으로 적층 배열되는 적층용 프레임들을 더 포함하고,
    상기 적층용 프레임들 각각은, 하단부가 다른 부분보다 길이방향으로 더 돌출되어 마련되는 받침부를 구비하고 상기 적층용 프레임들의 상기 받침부 중앙 영역에 형성되는 홀에 롱볼트가 삽입되어 일체로 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 각각은,
    상기 적층용 프레임들의 상부와 양쪽 측면을 감싸도록 절곡 형성된 판상체 형태로 마련되는 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 엔드 플레이트는 상기 양쪽 측면을 감싸는 부분의 하단이 최외측에 배치된 상기 적층용 프레임의 받침부에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 각각은,
    상기 다수의 버스바들, 상기 양극 터미널, 상기 음극 터미널이 장착될 수 있는 장소를 제공하며 상기 받침부에 의해 지지되고 상기 적층용 프레임들에 탈부착 가능하게 마련되는 센싱 보드를 더 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차.
KR1020180027252A 2018-03-08 2018-03-08 외부 단락 방지 구조가 적용된 배터리 모듈을 이용한 배터리 팩 KR102352625B1 (ko)

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