KR20180136803A - 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 제1 배터리 셀의 제1 전극 리드와 전기적으로 연결된 제1 버스바, 제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)을 발생시키는 단락부 및 상기 제1 전극 리드, 상기 제2 전극 리드, 상기 제1 버스바, 상기 제2 버스바 및 상기 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지를 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 전지팩의 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 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적 증가로 인한 팽창력을 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 제1 배터리 셀의 제1 전극 리드와 전기적으로 연결된 제1 버스바, 제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)을 발생시키는 단락부 및 상기 제1 전극 리드, 상기 제2 전극 리드, 상기 제1 버스바, 상기 제2 버스바 및 상기 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지를 포함한다.
바람직하게, 상기 단락부는 일단이 상기 카트리지의 내측에 지지되어 상기 팽창력의 반대 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성 부재 일단에 상기 탄성, 부재의 타단과 접촉하여 상기 탄성 부재로부터 상기 탄성력을 인가받는 단락 단자를 구비하고, 타단의 표면을 따라 형성된 랙 기어를 구비하는 슬라이드 바 및 일단에 상기 랙 기어와 맞물려 상기 슬라이드 바의 타단을 지지하는 피니언 기어를 구비하고, 타단이 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀 각각의 일단과 접촉되어 상기 팽창력을 인가받는 팽창력 전달부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 슬라이드 바는 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 모두 체적이 증가하지 않는 경우, 상기 탄성력만을 인가받아 상기 단락 단자가 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 이격될 수 있다.
바람직하게, 상기 팽창력 전달부는 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적이 증가하는 경우, 상기 팽창력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하고, 상기 인가받은 팽창력을 상기 피니언 기어와 맞물린 상기 랙 기어를 통해 상기 슬라이드 바에 전달할 수 있다.
바람직하게, 상기 슬라이드 바는 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적이 증가하는 경우, 상기 피니언 기어와 맞물린 상기 랙 기어를 통해 상기 팽창력을 전달받아 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 카트리지는 내측에 상기 단락부의 외형에 대응되는 형상의 수용 공간이 형성되어 상기 단락부를 내측에 수용할 수 있다.
바람직하게, 상기 수용 공간은 상기 탄성 부재의 복원 상태에 따른 상기 탄성 부재의 체적에 대응되도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 카트리지는 대면 접촉하여 전기적으로 연결된 상기 제1 전극 리드 및 상기 제1 버스바 각각의 적어도 일부를 지지하고, 대면 접촉하여 전기적으로 연결된 상기 제2 전극 리드 및 상기 제2 버스바 각각의 적어도 일부를 지지할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는 상기 단락이 발생되는 경우, 파단되어 외부와의 전기적 연결을 차단하는 파단부를 포함할 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, 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적 증가로 인한 팽창력을 통해 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 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 체적 증가 전의 상면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 제1 배터리 셀, 제1 버스바, 제2 배터리 셀 및 제2 버스바만을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부가 파단되기 전의 측면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부가 파단된 후의 측면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 단락부의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성요소 중에서 카트리지 일부를 절개한 상태의 상면을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 체적 증가 후의 상면을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 전의 등가 회로도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동한 직후의 등가 회로도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동하여 파단부가 파단된 후의 등가 회로도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 카트리지의 단면을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 카트리지를 내부를 도시한 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 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 체적 증가 전의 상면을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀(110a, 110b), 버스바(200a, 200b), 단락부(300) 및 카트리지(400)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(110a, 110b)은 복수 개로 구비될 수 있으며, 각 배터리 셀(110a, 110b)은 좌우 방향으로 나란하게 적층될 수 있다.
배터리 셀(110a, 110b)의 종류는 특별히 한정되지 않으며 다양한 이차 전지가 본 발명에 따른 배터리 모듈에 채용될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 셀(110a, 110b)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)은 리튬 이차 전지일 수 있다.
한편, 배터리 셀(110a, 110b)은 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀(110a, 110b)은 파우치형 이차전지일 수 있다.
배터리 셀(110a, 110b)이 파우치형 이차 전지로 구현된 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 배터리 셀(110a, 110b)은 넓은 면이 서로 좌측과 우측에 위치하여, 각 배터리 셀(110a, 110b) 간 넓은 면이 서로 대면되도록 구성될 수 있다. 또한, 이 경우, 각 배터리 셀(110a, 110b)은 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 셀(110a, 110b)은 좌측에 위치하는 제1 배터리 셀(110a)과 우측에 위치하는 제2 배터리 셀(110b)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.
보다 구체적으로, 도 2에 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.
또한, 제1 배터리 셀(110a)은 음극인 제2 전극 리드(120b)가 후방을 향하도록 배치될 수 있고, 제2 배터리 셀(110b)은 양극인 제1 전극 리드(120a)가 후방을 향하도록 배치될 수 있다.
이때, 제1 배터리 셀(110a)의 제2 전극 리드(120b)와 제2 배터리 셀(110b)의 제1 전극 리드(120b)는 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)는 후술되는 제1 버스바(200a)와 전기적으로 연결됨으로써, 외부 전압원으로부터 양극 전압을 인가받을 수 있다. 또한, 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)는 후술되는 제2 버스바(200b)와 전기적으로 연결됨으로써, 외부 전압원으로부터 음극 전압을 인가받을 수 있다.
여기서, 제1 버스바(200a)는 본 발명에 따른 버스바(200a, 200b) 중에서 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 전기적으로 연결되는 버스바일 수 있으며, 제2 버스바(200b)는 본 발명에 따른 버스바(200a, 200b) 중에서 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)와 전기적으로 연결되는 버스바일 수 있다.
이하에서 본 발명에 따른 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 제1 버스바(200a) 간의 연결 구조와 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)와 제2 버스바(200b) 간의 연결 구조에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 제1 배터리 셀, 제1 버스바, 제2 배터리 셀 및 제2 버스바만을 도시한 도면이다.
도 4를 더 참조하면, 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)는 제1 배터리 셀(110a)로부터 전방을 향해 돌출되다가 배터리 모듈의 외측을 향해 대략 직각으로 절곡됨으로써 제1 버스바(200a)와 대면 접촉될 수 있다.
또한, 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)는 제2 배터리 셀(110b)로부터 전방을 향해 돌출되다가 배터리 모듈의 외측 즉, 상술된 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)가 절곡된 방향의 반대 방향을 향해 대략 직각으로 절곡됨으로써 제2 버스바(200b)에 대면 접촉될 수 있다.
제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)는 상하 방향으로 길이가 긴 플레이트가 직각으로 다수 절곡된 형상으로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 버스바(200a)는 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 대면 접촉되다가 전방을 향해 수직으로 절곡된 제1 절곡부(B1), 제1 절곡부(B1)로부터 연장되다 배터리 모듈의 내측을 향해 절곡된 제2 절곡부(B2), 제2 절곡부(B2)로부터 연장되다 배터리 모듈의 전방을 향해 절곡된 제3 절곡부(B3), 제3 절곡부(B3)로부터 연장되다 배터리 모듈의 외측을 향해 절곡된 제4 절곡부(B4), 제4 절곡부(B4)로부터 연장되다 배터리 모듈의 전방을 향해 절곡된 제5 절곡부(B5)를 구비할 수 있다.
또한, 제2 버스바(200b)는 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)와 대면 접촉되다가 전방을 향해 수직으로 절곡된 제6 절곡부(B6), 제6 절곡부(B6)로부터 연장되다 배터리 모듈의 내측을 향해 절곡된 제7 절곡부(B7), 제7 절곡부(B7)로부터 연장되다 배터리 모듈의 전방을 향해 절곡된 제8 절곡부(B8), 제8 절곡부(B8)로부터 연장되다 배터리 모듈의 외측을 향해 절곡된 제9 절곡부(B9), 제9 절곡부(B9)로부터 연장되다 배터리 모듈의 전방을 향해 절곡된 제10 절곡부(B10)를 구비할 수 있다.
이때, 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)는 각각 제2 절곡부(B2) 및 제7 절곡부(B7)부터 서로를 향해 절곡되어 연장됨으로써 이격 거리가 줄어들고, 제3 절곡부(B3) 및 제8 절곡부(B8)부터 배터리 모듈의 전방을 향해 절곡되어 평행하게 연장됨으로써 이격 거리가 유지될 수 있다.
이를 통해, 제1 버스바(200a)의 제3 절곡부(B3)와 제2 버스바(200b)의 제8 절곡부(B8)가 근접하게 위치함으로써, 후술되는 단락부(도 3의 300)의 슬라이드 바(도 3의 320) 타단에 형성된 단락 단자(도 3의 322)의 폭이 짧게 형성되더라도 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 동시에 접촉하여 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 단락시킬 수 있다.
한편, 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 제1 버스바(200a)는 대면 접촉하여 전기적으로 연결된 상태에서 후술되는 카트리지(도 2의 400)의 지지홈(도 2의 430)에 일부가 삽입되어 지지될 수 있다.
또한, 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)와 제2 버스바(200b)는 대면 접촉하여 전기적으로 연결된 상태에서 후술되는 카트리지(도 2의 400)의 지지홈(도 2의 430)에 일부가 삽입되어 지지될 수 있다.
상술된 카트리지(도 2의 400)에 대해서는 후술하여 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부가 파단되기 전의 측면을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부가 파단된 후의 측면을 도시한 도면이고
도 5 및 도 6을 더 참조하면, 제1 버스바(200a)는 제1 절곡부(B1)와 제2 절곡부(B2)의 사이 구간에는 제1 절곡부(B1)와 제2 절곡부(B2)의 사이 외측 구간 보다 단면적이 좁은 파단부(210a)가 형성될 수 있다.
이러한, 파단부(210a)는 제1 절곡부(B1)와 제2 절곡부(B2)의 사이 외측 구간 보다 단면적이 좁음으로써, 저항값이 커질 수 있다.
이에 따라, 파단부(210a)는 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(도 3의 200b)가 전기적으로 연결되어 제1 버스바(200a), 제2 버스바(도 3의 200b) 및 외부 전압원 간에 단락 회로가 형성되는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 버스바(200a)에 과전류가 흐르게 되어 고온의 저항열이 발생함으로써 파단될 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(도 3의 200b)가 전기적으로 연결되어 단락이 발생되면 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 외부 전압원 사이를 전기적으로 연결하는 제1 버스바(200a)의 파단부(210a)가 파단됨으로써, 충전이 중단될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈(110a)의 과충전으로 인한 체적 증가로 발생하는 팽창력을 단락부(도 3의 300)에 인가시켜 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(도 3의 200b)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이어서, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(도 3의 200b)에 흐르는 고전류의 단락 전류로 인해 제1 버스바(200a)의 파단부(210a)가 파단됨으로써, 충전을 중단시켜 배터리 모듈의 과충전의 진행을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부(210a)는 제1 버스바(200a)에 형성되는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부는 제2 버스바에 형성될 수 있으며, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 파단부는 제1 버스바와 제2 버스바 모두에 형성될 수 있다.
또한, 상기 파단부(210a)는 상술한 바와 같이, 인접 영역과 비교하여 폭이 더 좁게 형성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않고, 인접 영역 보다 융점이 낮은 금속으로 이루어지는 경우도 가능하며, 그 밖에도 퓨즈로써 기능할 수 있는 형태라면 본 발명의 파단부(210a)로써 제한없이 적용 가능하다.
이하, 상술된 단락부(300)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 단락부의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성요소 중에서 카트리지 일부를 절개한 상태의 상면을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 단락부(300)는 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b) 중 하나 이상의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향해 이동하여 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 접촉함으로써, 단락을 일으킬 수 있다.
이를 위하여, 단락부(300)는 탄성 부재(310), 슬라이드 바(320) 및 팽창력 전달부(330a, 330b)를 포함할 수 있다.
탄성 부재(310)는 도 8에 도시된 바와 같이, 일단이 카트리지(400)의 내측에 지지되어 팽창력의 반대 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 탄성 부재(310)는 슬라이드 바(320)의 일단에 접촉하는 제1 플레이트(P1)와 카트리지(400)의 내측에 접촉하는 제2 플레이트(P2) 사이에 스프링(S)이 삽입되어 형성됨으로써, 슬라이드 바(320)로의 방향(a)과 카트리지(400)로의 방향(b)으로 탄성력을 제공할 수 있다.
이때, 슬라이드 바(320)는 탄성 부재(310)으로부터 탄성력이 인가되는 일단에 탄성 부재(310)의 제2 플레이트(P2)와 접촉하는 단락 단자(322)를 구비할 수 있다.
즉, 슬라이드 바(320)의 일단에 구비된 플레이트 형상의 단락 단자(322)는 탄성 부재(310)의 제2 플레이트(P2)와 면접촉함으로써, a 방향의 탄성력을 인가받을 수 있다.
한편, 슬라이드 바(320)의 타단에는 표면을 따라 복수의 돌기가 돌출 형성된 랙 기어(321)를 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 슬라이드 바(320)는 타단에서 일단까지 길게 연장된 제1 플레이트와 이러한 제1 플레이트의 일단에서 수직하게 접하는 제2 플레이트로 구성될 수 있다. 즉, 슬라이드 바(320)은 두 플레이트 수직하게 적하여 'T'자 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 플레이트의 타단 표면에는 상술된 랙 기어(321)가 형성되며, 랙 기어(321)는 돌출된 복수의 돌기로 구성될 수 있다.
팽창력 전달부(330a, 330b)는 슬라이드 바(320)의 랙 기어(321)의 타단 표면 중에서 좌측 표면에 형성된 랙 기어(321)와 접촉하는 제1 팽창력 전달부(330a), 우측 표면에 형성된 랙 기어(321)와 접촉하는 제2 팽창력 전달부(330b)로 구성될 수 있다.
제1 팽창력 전달부(330a)와 제2 팽창력 전달부(330b)는 구성 요소와 역할이 동일하며, 일단부터 타단까지의 형상이 좌우 대칭될 수 있다.
이에 따라, 반복되는 설명을 피하기 위하여 팽창력 전달부(330a, 330b)를 대표하여 제1 팽창력 전달부(330a)만을 설명하도록 한다.
제1 팽창력 전달부(330a)는 일단에 랙 기어(321)와 맞물려 슬라이드 바(320)의 타단을 지지하는 피니언 기어(331a)를 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 팽창력 전달부(330a)의 일단에 구비된 피니언 기어(331a)는 원반 형상으로 형성되고, 원반의 외주를 따라 복수의 돌기가 돌출 형성될 수 있다.
이에 따라, 피니언 기언(331a)의 복수의 돌기는 랙 기어(321)의 복수의 돌기 사이에 삽입됨으로써, 제1 팽창력 전달부(330a)를 슬라이드 바(320)에 고정 및 지지시킬 수 있다.
한편, 제1 팽창력 전달부(330a)의 타단은 제1 배터리 셀(110a)의 일단에 접촉되어 제1 배터리 셀(110a)의 체적이 증가하는 경우, 팽창력을 인가받을 수 있다.
이때, 제1 팽창력 전달부(330a)의 타단과 일단 사이는 복수의 굴곡부가 형성됨으로써, 제1 배터리 셀(110a)과 슬라이드 바(320) 사이에 형성된 공간에 배치될 수 있다.
즉, 슬라이드 바(320)의 타단은 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b)과 각각 접촉된 제1 팽창력 전달부(330a) 및 제2 팽창력 전달부(330b)와 기어 결합되고, 슬라이드 바(320)의 일단은 카트리지(400)의 내측과 접촉된 탄성 부재(310)로부터 탄성력이 인가될 수 있다.
이를 통해, 제1 배터리 셀(110a)와 제2 배터리 셀(110b) 모두가 팽창되지 않는 경우, 슬라이드 바(320)의 단락 단자(322)는 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 이격될 만큼의 탄성력을 탄성부재(320)로부터 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 접촉하지 않을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 체적 증가 후의 상면을 도시한 도면이다.
도 9를 더 참조하면, 배터리 모듈이 과충전되면 제1 배터리 셀(110a)와 제2 배터리 셀(110b) 중 하나 이상의 체적이 증가할 수 있다. 이때, 제1 배터리 셀(110a)의 체적이 증가하면 제1 팽창력 전달부(330a)로 팽창력이 인가되고, 제2 배터리 셀(110b)의 체적이 증가하면 제2 팽창력 전달부(330b)로 팽창력이 인가될 수 있다.
이하에서는, 제1 배터리 셀(110a)와 제2 배터리 셀(110b) 모두가 체적이 증가된 경우, 배터리 모듈의 과충전을 방지하는 과정에 대해 설명하도록 한다.
상술한 바와 같이, 배터리 모듈의 과충전으로 인해 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b)의 체적이 증가하는 경우, 제1 팽창력 전달부(330a) 및 제2 팽창력 전달부(330b)는 전방을 향하는 팽창력을 인가받을 수 있다.
이후, 제1 팽창력 전달부(330a) 및 제2 팽창력 전달부(330b)는 기어 결합된 슬라이드 바(320)로 팽창력을 전달하고, 팽창력을 전달받은 슬라이드 바(320)는 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 향하는 방향(c)으로 이동할 수 있다. 최종적으로, 슬라이드 바(320)의 타단에 형성된 단락 단자(322)는 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)와 접촉하여 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
이로 인해, 단락 단자(322), 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 포함하는 회로가 단락 회로를 형성할 수 있다.
이를 위하여, 단락 단자(322)는 전도성 재질로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b)이 과충전으로 인해 체적이 증가하는 경우, 단락부(300)는 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b)로부터 팽창력을 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)로 이동되어 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시킴으로써, 단락을 발생시킬 수 있다.
한편, 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b) 모두의 체적이 증가하는 경우 외에, 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b) 중 어느 하나의 체적이 증가하는 경우라도 단락부(300)는 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 배터리 셀(110a)의 체적만이 증가하는 경우, 슬라이드 바(320)는 제1 팽창력 전달부(330a)만으로부터 팽창력을 전달받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)로 이동될 수 있다.
즉, 슬라이드 바(320)는 제1 배터리 셀(110a)의 체적만이 증가하더라도 체적 증가에 따른 팽창력을 전달받을 수 있고, 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)로 이동됨으로써, 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시킬 수 있다.
반대로, 제2 배터리 셀(110b)의 체적만이 증가하는 경우, 슬라이드 바(320)는 제2 팽창력 전달부(330b)만으로부터 팽창력을 전달받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)로 이동될 수 있다.
다시 말해, 슬라이드드 바(320)는 제2 배터리 셀(110b)의 체적만이 증가하더라도 체적 증가에 따른 팽창력을 전달받을 수 있고, 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)로 이동됨으로써, 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 단락부의 이동에 따른 회로 구성에 대해 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 전의 등가 회로도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동한 직후의 등가 회로도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 후 단락부가 이동하여 파단부가 파단된 후의 등가 회로도이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 과충전되지 않고 정상 상태로 동작하는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b)의 체적이 증가하지 않으므로 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)는 전기적으로 단락되지 않을 수 있다.
하지만, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 과충전되어 제1 배터리 셀(110a) 및 제2 배터리 셀(110b) 중 하나 이상의 체적이 증가하는 경우, 단락부(300)는 팽창력을 인가받아 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)로 이동할 수 있다. 이에 따라, 단락부(300)의 단락 단자(도 8의 322)는 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 12에 도시된 바와 같이, 단면적이 좁게 형성되어 저항값이 큰 파단부(210a)는 고온의 저항열이 발생하여 파단됨으로써, 외부 전압원에서 배터리 모듈로 공급되는 전력이 차단되어 과충전을 방지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 카트리지의 단면을 도시한 도면이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 카트리지를 내부를 도시한 사시도이다.
도 13 내지 도 14를 참조하면, 카트리지(400)는 제1 배터리 셀(110a)과 제2 배터리 셀(110b)의 사이에 위치하여 제1 배터리 셀(110a)의 제2 전극 리드(120b), 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b), 제1 버스바(200a), 제2 버스바(200b) 및 단락부(300)의 적어도 일부를 수용 또는 지지할 수 있다.
보다 구체적으로, 카트리지(400)는 대면 접촉하여 전기적으로 연결된 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a)와 제1 버스바(200a)를 하부에서 지지할 수 있으며, 대면 접촉하여 전기적으로 연결된 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b)와 제2 버스바(200b)를 하부에서 지지할 수 있다.
이를 위하여, 카트리지(400)는 제1 배터리 셀(110a)의 제1 전극 리드(120a), 제2 배터리 셀(110b)의 제2 전극 리드(120b), 제1 버스바(200a) 및 제2 버스바(200b)의 절곡 형상에 대응하는 형상의 지지홈(430)이 형성될 수 있다.
한편, 카트리지(400)는 내측에 단락부(300)의 외형과 단락부(300)의 외형에 대응되는 형상의 수용 공간(410)이 형성되어 단락부(300)를 내측에 수용할 수 있다.
이때, 카트리지(400)의 수용 공간(410)은 단락부(300)의 탄성 부재(310)가 변형 상태에서 복원되는 경우의 체적에 대응되도록 형성될 수 있다.
즉, 카트리지(400)의 수용 공간(410)은 단락부(300)의 탄성 부재(도 7의 310)가 변형과 복원을 반복하는 경우 변화하는 체적에 대응하여 형성될 수 있다.
다시 말해, 수용 공간(410)은 단락부(300)의 외형에 대응되는 형상으로 카트리지(400)의 내측에 형성될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀의 비정상적인 팽창시 정확하게 제1 버스바를 파단시켜 외부 전압원으로부터 공급되는 전력을 차단함으로써, 배터리 모듈의 과충전을 방지하여 배터리 모듈의 안정성을 향상시킬 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 모듈 마다 제1 버스바, 제2 버스바, 단락부 및 카트리지를 구비하여 배터리 셀의 비정상적인 팽창 시 제1 버스바를 파단시켜 외부 전압원으로부터 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 400: 카트리지

Claims (13)

  1. 제1 배터리 셀의 제1 전극 리드와 전기적으로 연결된 제1 버스바;
    제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바;
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락(Short)을 발생시키는 단락부; 및
    상기 제1 전극 리드, 상기 제2 전극 리드, 상기 제1 버스바, 상기 제2 버스바 및 상기 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지를
    포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락부는
    일단이 상기 카트리지의 내측에 지지되어 상기 팽창력의 반대 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성 부재;
    일단에 상기 탄성 부재의 타단과 접촉하여 상기 탄성 부재로부터 상기 탄성력을 인가받는 단락 단자를 구비하고, 타단의 표면을 따라 형성된 랙 기어를 구비하는 슬라이드 바; 및
    일단에 상기 랙 기어와 맞물려 상기 슬라이드 바의 타단을 지지하는 피니언 기어를 구비하고, 타단이 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀 각각의 일단과 접촉되어 상기 팽창력을 인가받는 팽창력 전달부를
    포함하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬라이드 바는
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 모두 체적이 증가하지 않는 경우, 상기 탄성력만을 인가받아 상기 단락 단자가 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 이격되는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 팽창력 전달부는
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적이 증가하는 경우, 상기 팽창력을 인가받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하고, 상기 인가받은 팽창력을 상기 피니언 기어와 맞물린 상기 랙 기어를 통해 상기 슬라이드 바에 전달하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 슬라이드 바는
    상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀 중 하나 이상의 체적이 증가하는 경우, 상기 피니언 기어와 맞물린 상기 랙 기어를 통해 상기 팽창력을 전달받아 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바를 향해 이동하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 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.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 단락 단자는
    전도성 재질로 형성되는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는
    내측에 상기 단락부의 외형에 대응되는 형상의 수용 공간이 형성되어 상기 단락부를 내측에 수용하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수용 공간은
    상기 탄성 부재의 복원 상태에 따른 상기 탄성 부재의 체적에 대응되도록 형성되는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는
    대면 접촉하여 전기적으로 연결된 상기 제1 전극 리드 및 상기 제1 버스바 각각의 적어도 일부를 지지하고, 대면 접촉하여 전기적으로 연결된 상기 제2 전극 리드 및 상기 제2 버스바 각각의 적어도 일부를 지지하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는
    상기 단락이 발생되는 경우, 파단되어 외부와의 전기적 연결을 차단하는 파단부를
    포함하는 배터리 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을
    포함하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을
    포함하는 자동차.
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