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WO2019009625A1 - 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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WO2019009625A1
WO2019009625A1 PCT/KR2018/007594 KR2018007594W WO2019009625A1 WO 2019009625 A1 WO2019009625 A1 WO 2019009625A1 KR 2018007594 W KR2018007594 W KR 2018007594W WO 2019009625 A1 WO2019009625 A1 WO 2019009625A1
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WO
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bus bar
battery
battery module
bar
cell
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PCT/KR2018/007594
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French (fr)
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홍순창
김효찬
유계연
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LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
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Publication date
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Priority to US16/332,836 priority patent/US11046206B2/en
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack and an automobile including the battery module, and more particularly, to a battery module having improved stability by preventing overcharging of the battery module, and a battery pack and an automobile including the battery module.
  • the secondary rechargeable batteries are nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, nickel-zinc batteries, and lithium secondary batteries.
  • lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel- It is very popular because of its low self-discharge rate and high energy density.
  • the lithium secondary batteries mainly use a lithium-based oxide and a carbonaceous material as a cathode active material and an anode active material, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate each coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and an outer casing, that is, a battery case, for sealingly storing the electrode assembly together with the electrolyte solution.
  • a lithium secondary battery can be classified into a can type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can, and a pouch type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the casing.
  • the battery pack of the hybrid vehicle or the electric vehicle includes a plurality of secondary batteries, and the plurality of secondary batteries are connected in series and in parallel to improve capacity and output.
  • Such a secondary battery has excellent electrical characteristics, but decomposition reaction of active materials and electrolytes, which are constituent elements of the battery, is induced in an abnormal operation state such as overcharge, over discharge, high temperature exposure, electric short, There is a problem that the so-called swelling phenomenon occurs in which the battery expands. The swelling phenomenon accelerates such a decomposition reaction, thereby causing explosion and ignition of the secondary battery due to thermal runaway phenomenon.
  • the secondary battery is provided with a protection circuit that cuts off current during overcharging, overdischarge, and overcurrent, a PTC element (PTC element) that cuts off the current due to a large increase in resistance when the temperature rises, Or a safety vent for venting gas.
  • a PTC element PTC element
  • the secondary battery since the secondary battery repeatedly expands and contracts even when it is in an abnormal operating state and not in an abnormal operating state, it can be disconnected even when it expands within a normal range, which causes a problem in operational reliability.
  • a first bus bar and a second bus bar having different polarities are electrically connected to each other to generate a short by receiving an expansion force due to an increase in volume of battery cells when an overcharging condition occurs, And a battery pack including the battery module and the automobile.
  • the battery module can prevent overcharging of the battery module by stopping the charging of the battery module.
  • a battery module including: a cell stack including a first battery cell and a second battery cell; A first bus bar connected to the cell stack and having a first polarity; A second bus bar connected to the cell stack and having a second polarity opposite to the first polarity; The first bus bar and the second bus bar are moved toward the first bus bar and the second bus bar by receiving an expansion force due to an increase in volume of the first battery cell and the second battery cell to electrically connect the first bus bar and the second bus bar, Short circuit; And a cartridge for receiving or supporting at least a part of the first bus bar, the second bus bar and the shorting part.
  • the shorting portion comprises: an elastic member whose one end is supported inside the cartridge and compressed in a direction away from the bus bar to store elastic energy; And a shorting terminal that moves in a direction toward the bus bar according to the restoration of the elastic member and electrically connects the first bus bar and the second bus bar.
  • the shorting terminal is provided at one end of the slide bar and may be made of a conductive material.
  • the other end of the slide bar is engaged with the cartridge to hold the elastic member in a compressed state so that the slide bar can maintain a state in which the slide bar is spaced apart from the first bus bar and the second bus bar .
  • the latching portion is released from the latching state by receiving an expansion force due to the swelling of the battery cell, whereby the slide bar can be moved toward the first bus bar and the second bus bar.
  • a receiving space having a shape corresponding to the outer shape of the shorting portion is formed on the inner side to accommodate the shorting portion on the inner side.
  • the accommodating space may be formed so as to correspond to the size and shape of the short circuit part according to the restoring state of the elastic member.
  • At least one of the first bus bar and the second bus bar may be provided with a breaker to break the short-circuit current when the short-circuit occurs.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention may include the battery module
  • the automobile according to the present invention may include the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the first bus bar and the second bus bar having different polarities are electrically connected to each other by receiving an expansion force due to an increase in the volume of the battery cells, It is possible to prevent overcharging of the battery module in such a manner that the break portion formed in at least one of the pair of bus bars is broken to stop the charging, thereby improving the stability of the battery module.
  • FIG. 1 is an overall perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a cell laminate applied to the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a cartridge and a short-circuit part applied to the present invention.
  • FIG. 4 is a partial plan view showing a battery module according to an embodiment of the present invention, and shows a state before swelling is generated.
  • FIG. 5 is a partial plan view showing a battery module according to an embodiment of the present invention, showing a state after swelling is generated.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a shape of a bus bar applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a state before a short circuit occurs in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a state after a short circuit occurs in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing a state in which a bus bar is broken due to a short circuit generated in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view showing a cell laminate applied to the present invention
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a cartridge and a short- to be.
  • a battery module according to an embodiment of the present invention includes a cell stack 100, a pair of end plates 200, a cartridge 300, a short circuit part 400, 500). ≪ / RTI >
  • the cell stack 100 includes at least two or more battery cells 110, and the plurality of battery cells 110 are laminated such that the large faces thereof face each other.
  • the battery cell 110 is a pouch type cell.
  • the electrode assembly having the positive electrode plate / the separator / negative electrode plate stacked at least once is housed in a pouch case made of a pouch film, and the edge region of the upper and lower pouch case is thermally fused It may have a sealed form.
  • a pair of electrode leads 111 and 112 are connected to the uncoated end portions of the positive and negative electrode plates, respectively, of the electrode assembly, and are led out to the outside through the sealing region of the pouch case.
  • the pair of electrode leads 111 and 112 have different polarities, and the pair of electrode leads 111 and 112 may extend in opposite directions to each other.
  • the battery cells 110 constituting the cell stack 100 may be disposed such that neighboring electrode leads have polarities opposite to each other. In this case, the battery cells 110 may be connected to each other in series.
  • each of the pair of battery cells 110 disposed at the outermost periphery of the cell stack 100 is oriented in the same direction
  • electrode leads 111 and 112 having elongated polarities different from each other.
  • the electrode leads 111 and 112 having different polarities provided in each of the battery cells 110 may be brought into contact with each other to form a single lead assembly 113.
  • the electrode leads 111 and 112 and the lead assembly 1113 are inserted and fixed in the receiving grooves formed in the cartridge 300 to be operated, respectively, as will be described in detail later.
  • the pair of end plates 200 are disposed on both sides of the cell stack 100 to cover the wide surface of the battery cell 110 disposed at the outermost position.
  • Each of the pair of end plates 200 is fastened to each other through a plurality of fastening holes H formed in the peripheral region to fix and press the cell stack 100.
  • the fastening of the pair of end plates 200 through the hole H can be variously applied to known fastening structures such as a bolt assembly structure and a bolt / nut assembly structure.
  • the movement of the cell stack 100 is restricted in the direction parallel to the stacking direction even if swelling of the battery cells 110 occurs,
  • the battery cell 110 does not expand in volume along the stacking direction of the battery cell 110 and the battery cell 110 expands mainly along the direction perpendicular to the stacking direction .
  • the cartridge 300 is positioned at one side of the cell stack 100, and the electrode leads 111 and 112 and the lead assembly 113 provided in the cell stack 100 are extended And one side thereof may be fixed to one end plate 200 and the other side thereof may be fixed to another end plate 200.
  • the fixing between the cartridge 300 and the end plate 200 may be performed using a bolt B.
  • the cartridge 300 includes a receiving space 310 having a shape corresponding to the shape of a shorting part 400 to be described later and a supporting part 440 formed to be able to fasten the fastening part 440 of the shorting part 400 320).
  • the cartridge 300 further includes a first receiving groove 330, a second receiving groove 340 and a third receiving groove 330 in which the bus bars 510 and 520, the lead assembly 113 and the electrode leads 111 and 112 are inserted / And a groove 350.
  • FIG. 4 is a partial plan view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a partial plan view of a battery module according to an embodiment of the present invention, showing a state after swelling is generated.
  • the short circuit part 400 is electrically connected between the first bus bar 510 and the second bus bar 520 using the expansion force of the battery cells 110 according to the occurrence of swelling. So as to generate a short circuit.
  • the shorting part 400 may be realized in a form including the slide bar 410, the elastic member 420, the shorting terminal 430 and the pair of latching parts 440.
  • the slide bar 410 is disposed in the accommodating space 310 of the cartridge 300 and moves from the battery cell 110 toward the bus bars 510 and 520 when the swelling force is applied to the short- do.
  • the slide bar 410 can be moved toward the bus bars 510 and 520 by a force when the elastic member 420 such as a spring is compressed and then restored.
  • the slide short part 400 includes a short terminal of a conductive material formed at one end of the slide bar 410, (430).
  • the shorting part 400 includes a locking part 440 formed at one end of the slide bar 410 to allow the elastic member 420 to maintain a compressed state, 440 may be hooked and fixed to the support 320 of the cartridge 300, for example.
  • the latching part 440 is retained in the support part 320 so that the elastic member 420 is elastically energized in the compressed state, .
  • the swelling of the battery cells 110 may cause swelling of the battery cells 110 and the shorting part 400 may cause the battery cells 110 to swell,
  • the slide bar 410 is moved toward the bus bars 510 and 520 by the restoring force of the elastic member 420 to electrically connect and disconnect the pair of bus bars 510 and 520 having different polarities Respectively.
  • bus bar 500 applied to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 6 together with FIGS. 3 to 5.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a shape of a bus bar applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the bus bars 510 and 520 applied to the present invention are received / fixed in a first receiving groove 330 formed in a cartridge 300 and one end thereof is connected to a third receiving groove 350
  • the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 disposed at the outermost side of the cell stack body 100 in the battery cell stack 100 are brought into contact with each other.
  • the pair of bus bars 510 and 520 are electrically connected to the cell stack 100 to have a first polarity and a second polarity opposite to the first polarity, respectively, and function as an external terminal of the battery module . Accordingly, the pair of bus bars 510 and 520 may be respectively connected to the positive and negative electrodes of an external device such as a charging device or an electronic device driven by electric energy, respectively, to receive a charging current or supply a charging current.
  • At least one of the pair of bus bars 510 and 520 of the present invention may be provided with break portions 511 and 521 to break the flow of the current quickly when the over current occurs due to a short circuit.
  • the break portions 511 and 512 may have a shape in which the cross-sectional area is smaller than that of the peripheral region due to the formation of the notch.
  • the break portions 511 and 512 may be applied to any of those notches as long as they can function as a fuse such as a metal having a melting point lower than that of the peripheral region.
  • FIG. 7 a circuit configuration before and after a swelling phenomenon due to overcharging or the like occurs in a battery module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 9.
  • FIG. 7 a circuit configuration before and after a swelling phenomenon due to overcharging or the like occurs in a battery module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 9.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a state before a short circuit occurs in a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a state after a short circuit occurs in the battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing a state where a bus bar is broken due to a short circuit generated in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the shorting part 400 receives the expansion force of the battery cell 110, And the second bus bar 520 are electrically connected to each other, thereby causing a short circuit on the circuit, which may cause an abnormal high current to flow on the circuit.
  • breakage portions 511 and 521 formed on at least one bus bar are broken due to generation of heat due to high currents, so that the current supplied from the external voltage source to the battery module or the current supplied from the battery module to the external electronic device is blocked So that the ignition / explosion of the battery module can be prevented in advance.
  • the battery pack according to the present invention includes at least one of the above-described battery modules.
  • the battery pack may include a case for housing the battery module, various devices for controlling charge and discharge of the battery module such as a BMS (Battery Management System), a current sensor, Fuses and the like may be further included.
  • BMS Battery Management System
  • Fuses Fuses
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention includes a first bus bar, a second bus bar, a short-circuit part, and a cartridge for each battery module constituting the battery pack, and breaks the first bus bar when the battery cell is abnormally expanded The power supplied from the external voltage source is cut off, whereby overcharge prevention can be performed for each battery module.
  • the battery module according to the present invention can be applied to an automobile such as an electric car or a hybrid car. That is, the automobile according to the present invention may include a battery module according to the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 상기 셀 적층체와 연결되어 제1 극성을 갖는 제1 버스바; 상기 셀 적층체와 연결되어 상기 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 제2 버스바; 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가 받아 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시키는 단락부; 및 상기 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지;를 포함한다.

Description

배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
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.
본 출원은 2017년 07월 06일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2017-0085993호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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 과충전 상황 발생 시에 배터리 셀들의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가받아 서로 다른 극성을 갖는 제1 버스바 및 제2 버스바 사이가 전기적으로 연결되어 단락(Short)이 발생되도록 함으로써, 한 쌍의 버스바 중 적어도 어느 하나에 형성된 파단부가 파단되어 충전을 중단시키는 방식으로 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 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 상기 셀 적층체와 연결되어 제1 극성을 갖는 제1 버스바; 상기 셀 적층체와 연결되어 상기 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 제2 버스바; 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가 받아 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시키는 단락부; 및 상기 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지;를 포함한다.
상기 단락부는, 일단이 상기 카트리지의 내측에 지지되며 상기 버스바로부터 멀어지는 방향으로 압축되어 탄성 에너지를 저장하는 탄성 부재; 및 상기 탄성 부재의 복원에 따라 상기 버스바를 향하는 방향으로 이동하여 상기 제1 버스바 및 제2 버스바 사이를 전기적으로 연결시키는 단락 단자;를 포함할 수 있다.
상기 단락 단자는, 상기 슬라이드 바의 일 측 단부에 구비되며, 도전성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 슬라이드 바의 타 측 단부에는 상기 카트리지에 걸림 고정되어 상기 탄성 부재가 압축된 상태를 유지하도록 하며 이로써 상기 슬라이드 바가 상기 제1 버스바 및 제2 버스바와 이격된 상태를 유지할 수 있도록 하는 걸림부가 구비될 수 있다.
상기 걸림부는 상기 배터리 셀의 스웰링에 따른 팽창력을 인가 받아 걸림 상태가 해제되고 이로써 상기 슬라이드 바가 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 이동될 수 있다.
상기 카트리지는, 내측에 상기 단락부의 외형에 대응되는 형상의 수용 공간이 형성되어 상기 단락부를 내측에 수용할 수 있다.
상기 수용 공간은, 상기 탄성 부재의 복원 상태에 따른 상기 단락부의 사이즈 및 형상에 대응되도록 형성될 수 있다.
상기 제1 버스바 및 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는 상기 단락이 발생되는 경우 파단되어 단락 전류를 차단하는 파단부를 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 모듈을 포함할 수 있고, 본 발명에 따른 자동차는 이러한 본 발명이 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 과충전 상황 발생 시에 배터리 셀들의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가받아 서로 다른 극성을 갖는 제1 버스바 및 제2 버스바 사이가 전기적으로 연결되어 단락(Short)이 발생되도록 함으로써, 한 쌍의 버스바 중 적어도 어느 하나에 형성된 파단부가 파단되어 충전을 중단시키는 방식으로 배터리 모듈의 과충전을 방지할 수 있으며, 이로써 배터리 모듈의 안정성을 향상시킬 수 있다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 셀 적층체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 카트리지 및 단락부를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 부분 평면도로서, 스웰링 발생 이 전의 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 부분 평면도로서, 스웰링 발생 이 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 버스바의 형태를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 단락이 발생되기 이 전의 상태를 나타내는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 단락이 발생된 이 후의 상태를 나타내는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 발생된 단락으로 인해 버스바가 파단된 상태를 나타내는 회로도이다.
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 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 셀 적층체를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 적용되는 카트리지 및 단락부를 나타내는 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 셀 적층체(100), 한 쌍의 엔드 플레이트(200), 카트리지(300), 단락부(400) 및 버스바(500)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 셀 적층체(100)는 적어도 2 이상의 배터리 셀(110)을 포함하는 것으로서, 복수의 배터리 셀(110)들이 넓은 면끼리 서로 마주보도록 적층된 형태를 갖는다.
상기 배터리 셀(110)은 파우치 타입 셀로서, 양극판/세퍼레이터/음극판이 적어도 1회 이상 적층되어 형성된 전극 조립체를 파우치 필름으로 이루어진 파우치 케이스 내에 수용시키고 상/하 파우치 케이스의 맞닿는 테두리 영역을 열 융착 하여 밀봉시킨 형태를 가질 수 있다.
여기서, 상기 전극 조립체를 구성하는 양극판과 음극판 각각의 끝단 무지부에는 한 쌍의 전극 리드(111,112)가 연결되어 파우치 케이스의 실링 영역을 통과하여 외부로 인출된다.
상기 한 쌍의 전극 리드(111,112)는 서로 다른 극성을 갖게 되며, 이러한 한 쌍의 전극 리드(111,112)는 서로 반대 방향으로 연장될 수 있다. 상기 셀 적층체(100)를 구성하는 배터리 셀(110)들은 서로 이웃하는 전극 리드가 상호 반대되는 극성을 갖도록 배치될 수 있으며, 이 경우 각각의 배터리 셀(110)들은 서로 직렬로 연결될 수 있다.
이처럼, 상기 셀 적층체(100)를 구성하는 배터리 셀(110)들이 서로 직렬로 연결되는 경우, 셀 적층체(100)의 최 외각에 배치되는 한 쌍의 배터리 셀(110) 각각은 동일한 방향으로 연장된 서로 다른 극성을 갖는 전극 리드(111,112)를 구비한다.
즉, 상기 셀 적층체(100)의 일 측 최외각에 배치된 배터리 셀(110)에 구비되어 카트리지(300)를 향해 연장된 전극 리드(111)와 타 측 최 외각에 배치된 배터리 셀(110)에 구비되어 카트리지(300)를 향해 연장된 전극 리드(112)는 서로 다른 극성을 갖게 된다.
또한, 상기 최 외각에 배치되는 한 쌍의 배터리 셀(110)의 사이에 배치되는 배터리 셀(110)들이 더 존재하는 경우, 배터리 셀(110)들의 연결 관계가 직렬이 되도록 하기 위해, 서로 이웃하는 배터리 셀(110) 각각에 구비된 서로 다른 극성을 갖는 전극 리드(111,112)끼리 접촉되어 하나의 리드 집합체(113)를 이룰 수 있다.
상기 전극 리드(111,112)와 리드 집합체(1113)는 수술할 카트리지(300)에 형성된 수용 홈들에 각각 삽입되어 고정되는데, 이에 대해서는 상세히 후술 하기로 한다.
다음으로, 도 1을 참조하면, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트(200)는 셀 적층체(100)의 양 측에 배치되어 최 외각에 배치된 배터리 셀(110)의 넓은 면을 커버한다. 이러한 한 쌍의 엔드 플레이트(200) 각각은 둘레 영역에 복수개 형성된 체결 홀(H)을 통해 상호간에 체결되어 셀 적층체(100)를 고정 및 압박할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 체겨 홀(H)을 통한 한 쌍의 엔드 플레이트(200)의 체결은 볼트 조립구조나 볼트/너트 조립구조 등 공지의 체결 구조들이 다양하게 적용 가능하다.
이처럼, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트(200)의 적용에 의해 셀 적층체(100)는 배터리 셀(110)들의 스웰링이 발생하더라도 적층 방향과 나란한 방향으로는 움직임이 제한되므로, 배터리 셀(110)에 대한 스웰링이 발생하더라도 배터리 셀(110)의 적층 방향을 따라서는 배터리 셀(110)의 부피 팽창이 거의 일어나지 않고, 주로 상기 적층 방향과 수직한 방향을 따라서 배터리 셀(110)이 팽창하게 된다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 상기 카트리지(300)는 셀 적층체(100)의 일 측에 위치하되, 셀 적층체(100)에 구비된 전극 리드(111,112) 및 리드 집합체(113)가 연장된 방향에 위치하며, 그 일 측이 하나의 엔드 플레이트(200)에 고정되고 또한 그 타 측은 또 다른 엔드 플레이트(200)에 고정될 수 있다. 상기 카트리지(300)와 엔드 플레이트(200) 간의 고정은 볼트(B)를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 카트리지(300)는 후술할 단락부(400)의 형태에 대응되는 형상을 갖는 수용 공간(310)을 구비하고, 단락부(400)의 걸림부(440)가 걸림 고정될 수 있도록 형성된 지지부(320)를 구비한다. 또한, 상기 카트리지(300)는 버스바(510,520), 리드 집합체(113) 및 전극 리드(111,112)가 각각 삽입/고정되는 제1 수용 홈(330), 제2 수용 홈(340) 및 제3 수용 홈(350)을 구비한다.
다음은, 도 3과 함께 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 적용되는 단락부(400)에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 부분 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 부분 평면도로서, 스웰링 발생 이 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 단락부(400)는 스웰링의 발생에 따른 배터리 셀(110)들의 팽창력을 이용하여 제1 버스바(510)와 제2 버스바(520) 사이가 전기적으로 연결되도록 하여 단락을 발생시키는 구성요소에 해당한다.
이러한 단락부(400)는 슬라이드 바(410), 탄성 부재(420), 단락 단자(430) 및 한 쌍이 걸림부(440)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 슬라이드 바(410)는, 카트리지(300)의 수용 공간(310) 내에 배치되어 스웰링에 따른 팽창력이 단락부(400)에 인가되었을 때 배터리 셀(110)로부터 버스바(510,520)를 향하여 이동한다.
상기 슬라이드 바(410)는, 스프링 등의 탄성 부재(420)가 압축되었다가 복원될 때의 힘에 의해 버스바(510,520)를 향해 이동될 수 있다. 상기 슬라이드 바(410)가 이동 되었을 때 한 쌍의 버스바(510,520) 사이가 전기적으로 연결되도록 하기 위해 슬라이드 단락부(400)는 슬라이드 바(410)의 일 측 단부에 형성되는 전도성 재질의 단락 단자(430)를 구비한다.
또한, 상기 단락부(400)는, 탄성 부재(420)가 압축된 상태를 유지할 수 있도록 하기 위해 슬라이드 바(410)의 일 측 단부에 형성되는 걸림부(440)를 구비하며, 이러한 고정부(440)는 예를 들어 갈고리 형상을 가지며 카트리지(300)의 지지부(320)에 걸림 고정될 수 있다.
이처럼, 상기 단락부(400)는, 스웰링이 발생되지 않은 상황에서는 걸림부(440)가 지지부(320)에 걸림 고정된 상태를 유지하며, 이로써 탄성 부재(420)는 압축된 상태로 탄성 에너지를 저장하게 된다.
한편, 상기 단락부(400)는, 배터리 셀(110)들에 스웰링이 발생하여 배터리 셀(110)의 팽창력이 걸림부(440)에 인가되면, 걸림부(440)와 지지부(320) 간의 걸림 고정 상태가 해제되면 탄성 부재(420)의 복원력에 의해 슬라이드 바(410)가 버스바(510,520)를 향해 이동되어 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 버스바(510,520 사이를 전기적으로 연결키켜 단락을 발생시키도록 구성된다.
다음은, 도 3 내지 도 5와 함께 도 6을 참조하여, 본 발명에 적용되는 버스바(500)의 구조에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 버스바의 형태를 나타내는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 적용되는 버스바(510,520)는 카트리지(300)에 형성된 제1 수용 홈(330) 내에 수용/고정되며 그 일측 단부는 카트리지(300)의 제3 수용 홈(350) 내에서 셀 적층체(100)의 최 외측에 배치된 배터리 셀(110)의 전극 리드(111,112)와 접촉하게 된다.
즉, 한 쌍의 버스바(510,520)는 셀 적층체(100)와 전기적으로 연결되어 제1 각각 제1 극성 및 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖게 되며, 배터리 모듈의 외부 단자로서 기능할 수 있다. 따라서, 상기 한 쌍의 버스바(510,520)는 각각 충전 장치나 전기 에너지로 구동되는 전자기기와 같은 외부 기기의 양극 및 음극과 각각 연결되어 충전 전류를 공급 받거나 충전 전류를 공급할 수 있다.
한편, 이러한 본원발명의 한 쌍의 버스바(510,520) 중 적어도 어느 하나는 단락에 의한 과전류 발생 시에 신속히 파단되어 전류의 흐름을 완전히 차단할 수 있도록 파단부(511,521)를 구비할 수 있다.
상기 파단부(511,512)는 도 6에 도시된 바와 같이, 노치의 형성에 의해 주변 영역과 비교하여 단면적이 더 작아진 형태를 가질 수 있다. 다만, 이러한 파단부(511,512)로는 이러한 노치 형태 이 외에도, 주변 영역과 비교하여 융점이 더 낮은 금속이 적용된 형태 등 퓨즈의 기능을 할 수 있는 것이라면 제한 없이 적용이 가능하다.
다음은, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 과충전 등에 의한 스웰링 현상이 발생되기 이 전과 이 후의 회로 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 단락이 발생되기 이 전의 상태를 나타내는 회로도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 단락이 발생된 이 후의 상태를 나타내는 회로도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 발생된 단락으로 인해 버스바가 파단된 상태를 나타내는 회로도이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 과충전 등에 의한 스웰링이 발생되지 않은 경우에는, 배터리 셀(110)의 체적이 증가하지 않으므로 회로 상에 단락이 발생되지 않는다.
하지만, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 과충전 등에 의한 스웰링이 발생되는 경우, 단락부(400)는 배터리 셀(110)의 팽창력을 인가받아 제1 버스바(510)와 제2 버스바(520) 사이가 전기적으로 연결되도록 하며, 이에 따라 회로 상에 단락을 발생시킬 수 있으며 이로 인해 회로 상에는 비정상적인 고전류가 흐를 수 있다.
이 후, 고전류에 따른 열 발생으로 인해 적어도 하나의 버스바에 형성된 파단부(511, 521)가 파단됨으로써 외부 전압원에서 배터리 모듈로 공급되는 전류 또는 배터리 모듈로부터 외부 전자기기로 공급되는 전류의 흐름이 차단되어 배터리 모듈의 발화/폭발 등을 사전에 차단할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함한다. 또한, 상기 배터리 팩에는 본 발명의 일 실시예에 따른 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 팩을 구성하는 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.
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.

Claims (10)

  1. 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체;
    상기 셀 적층체와 연결되어 제1 극성을 갖는 제1 버스바;
    상기 셀 적층체와 연결되어 상기 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 제2 버스바;
    상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀의 체적 증가로 인한 팽창력을 인가 받아 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 이동하여 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시키는 단락부; 및
    상기 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락부는,
    일단이 상기 카트리지의 내측에 지지되며 상기 버스바로부터 멀어지는 방향으로 압축되어 탄성 에너지를 저장하는 탄성 부재; 및
    상기 탄성 부재의 복원에 따라 상기 버스바를 향하는 방향으로 이동하여 상기 제1 버스바 및 제2 버스바 사이를 전기적으로 연결시키는 단락 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단락 단자는,
    상기 슬라이드 바의 일 측 단부에 구비되며, 도전성 재질인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 슬라이드 바의 타 측 단부에는 상기 카트리지에 걸림 고정되어 상기 탄성 부재가 압축된 상태를 유지하도록 하며 이로써 상기 슬라이드 바가 상기 제1 버스바 및 제2 버스바와 이격된 상태를 유지할 수 있도록 하는 걸림부가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 걸림부는 상기 배터리 셀의 스웰링에 따른 팽창력을 인가 받아 걸림 상태가 해제되고 이로써 상기 슬라이드 바가 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는,
    내측에 상기 단락부의 외형에 대응되는 형상의 수용 공간이 형성되어 상기 단락부를 내측에 수용하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수용 공간은,
    상기 탄성 부재의 복원 상태에 따른 상기 단락부의 사이즈 및 형상에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버스바 및 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는 상기 단락이 발생되는 경우 파단되어 단락 전류를 차단하는 파단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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