KR101428331B1 - 차량용 배터리모듈의 안전장치 - Google Patents

차량용 배터리모듈의 안전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리모듈의 안전장치에 관한 것으로, 배터리 셀(10)이 이상 현상에 의해 팽창하는 경우 안전 버스바(20)를 구성하는 회전자(22)의 회전동작에 의해 배터리 셀(10)간 전기적 연결을 차단시킬 수 있도록 된 것이다.

Description

차량용 배터리모듈의 안전장치{SAFETY APPARATUS OF BATTERY MODULE FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 배터리모듈의 안전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀이 이상 현상(과충전, 과방전, 내부단락, 이상고온 등)에 의해 팽창하는 경우 전기가 더 이상 흐르지 않도록 회로를 개방해서 안정성을 확보할 수 있는 차량용 배터리모듈의 안전장치에 관한 기술이다.

하이브리드 전기 자동차와 연료전지 자동차 그리고 전기 자동차는 모두 전기모터를 이용해서 차량을 구동시키는 구성으로, 전기모터에 구동전력을 제공하는 고전압 배터리팩이 필요하다.

상기 고전압 배터리팩은 차세대 에너지 저장체로서 주목받고 있는 리튬 이온 이차전지를 이용한 것으로, 차량용 리튬 이온 이차전지는 제조사별로 다양한 형태가 있지만 크게 캔 타입과 파우치 타입으로 나뉘어지고, 각 제조사별로 결정된 셀의 개수 및 형태에 따라 모듈과 팩을 구성하는 구조로 되어 있다.

일례로, 8개 배터리 셀이 직렬로 연결되어서 1개의 배터리모듈(CMA, Cell Module Assemble)을 이루고, 9개의 배터리모듈(CMA)과 1개의 BMS(Battery Management System) 그리고 1개의 PRA(Power Relay Assembly)이 더해져서 1개의 배터리팩(BMA, Battery Module Assemble)을 이루게 되는 것이다.

상기와 같은 차량용 리튬 이온 이차전지는 내구성은 물론 안전성을 확보하는 기술이 필수적으로 적용되고 있으며, 안정성 확보를 위한 기술로서 이상 현상 발생시 전기적 차단을 유도하는 안전장치가 있다.

즉, 종래의 안전소자로서 사용되는 부품은 PTC(Positive Temperature Coeffcient), 온도 퓨즈(Thermal Fuse), 바이메탈 PTC(Bi-metal with PTC) 등이 있는데, 상기 PTC는 온도가 상승하면 저항이 증가하는 소자로 작동온도 이하에서도 저항이 증가하여 배터리의 충방전 효율을 저하시키며, 대전류가 순간적으로 통전할 경우에도 전압이 하강하여 배터리 사용 영역이 감소하는 문제가 있고, 또한 수분, 고열 등에 장기간 방치 시 신뢰성이 저하되는 문제가 발생하여 10년 이상 사용하는 차량용으로는 부적합한 단점이 있다.

그리고, 상기 온도 퓨즈(Thermal Fuse)는 온도가 상승할 경우 내부 회로가 열에 의해 용단되는 소자로, PTC에 비해 저항이 낮은 편이며 단락 등에 의한 대전류 발생 시 양호한 동작특성을 보이기는 하나, 낮은 전류로 과충전이 될 경우 셀에 발생하는 열만으로 용단이 되어야 하지만, 설치위치 등 제약에 의해 용단 온도까지 온도가 올라가지 않는 경우가 대부분이며, 낮은 온도에 동작하는 소자를 사용할 경우 차량 순간 가속시 발생하는 대전류에 의해 소자가 작동하는 문제가 발생하여 차량용으로 사용이 부적합한 단점이 있다.

또한, 바이메탈 PTC(Bi-metal with PTC)는 일반적인 PTC에 비해 저항을 획기적으로 개선하였으나, 진동/충격에 의해 바이메탈이 오작동하는 문제로 차량용으로 사용이 부적합한 단점이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

대한민국등록특허공보 10-0585380호

본 발명은, 과충전, 과방전, 내부단락, 이상고온 등에 의해 배터리 셀에 이상 현상이 발생하는 경우 배터리 셀이 팽창되는 현상을 감안해서 제안된 기술로, 상기와 같이 배터리 셀이 팽창하는 경우에 전기가 더 이상 흐르지 않도록 회로를 개방해서 배터리 셀이 더 이상 충전되거나 방전되지 않도록 하고 이를 통해 안정성을 확보할 수 있는 차량용 배터리모듈의 안전장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명 차량용 배터리모듈의 안전장치는, 일렬로 중첩된 배터리 셀들의 셀단자; 및 상기 배터리 셀들 중 두 개의 별도의 배터리 셀에 대각선으로 배치된 두 셀단자를 전기적으로 연결하도록 형성되어, 상기 배터리 셀들이 팽창하지 않는 정상적인 상태일 때에는 상기 두 셀단자의 전기적 연결 상태를 유지하고, 상기 배터리 셀들 중 적어도 하나가 팽창하는 이상상황 발생시에는 상기 두 셀단자 사이에 전기가 흐르지 않도록 회로를 개방시키는 안전 버스바(20);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안전 버스바는 상기 셀단자에 관통되어서 고정 설치되고 도체와 부도체가 혼합되어 구비된 고정자; 상기 셀단자에 관통되어서 고정자에 접촉함과 동시에 상기 셀단자를 중심으로 회전 가능하게 설치되고 도체와 부도체가 혼합되어 구비된 회전자; 및 상기 회전자의 도체를 전기적으로 연결하는 연결바;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안전 버스바는 상기 고정자의 측면과 셀단자를 일체로 관통하도록 설치되어서 상기 고정자를 셀단자에 고정시키는 고정핀;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안전 버스바는 상기 셀단자에 분리 가능하게 결합되어서 상기 셀단자로부터 회전자의 이탈을 방지하는 회전자캡;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안전 버스바는 상기 회전자와 상기 회전자캡사이에 설치된 절연부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 셀단자와 상기 회전자캡은 볼트와 너트방식으로 분리 가능하게 서로 결합된 것을 특징으로 한다.

상기 고정자의 윗면에 상기 도체와 상기 부도체가 구비되는데; 상기 도체와 부도체는 고정자의 윗면에서 방사상으로 형성되면서 원주방향을 따라 한 개씩 교대로 배치되게 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 고정자의 내주면에는 상기 고정자의 윗면에 구비된 도체와 전기적으로 연결이 가능한 내부도체가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 회전자의 밑면에 상기 도체와 상기 부도체가 구비되는데; 상기 도체와 부도체는 회전자의 밑면에서 방사상으로 형성되면서 원주방향을 따라 한 개씩 교대로 배치되게 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 회전자의 내주면에는 셀단자와의 전기적 차단을 위해 내부부도체가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 배터리 셀이 팽창하지 않는 정상상태시에는 상기 고정자의 도체와 상기 회전자의 도체가 서로 연결되게 설치되고; 상기 배터리 셀이 팽창하는 이상상황 발생시에는 상기 회전자가 회전해서 상기 고정자의 도체와 회전자의 부도체가 서로 접촉하고 동시에 상기 고정자의 부도체와 회전자의 도체가 서로 접촉해서 전기가 흐르지 않도록 회로가 개방되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 차량용 배터리모듈의 안전장치에 의하면, 배터리 셀이 이상 현상에 의해 팽창하는 경우 안전 버스바를 구성하는 회전자의 회전동작에 의해 배터리 셀간 전기적 연결을 차단시켜서 전기가 흐르지 않도록 회로를 개방할 수 있게 되고, 이를 통해 배터리 셀의 충전 및 방전이 더 이상 진행되지 않게 됨으로써 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따라 안전 버스바가 설치된 차량용 배터리모듈의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 안전 버스바의 설치구조를 설명하기 위한 단면도,
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 고정자와 회전자를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 배터리모듈의 안전장치에 대해 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 차량용 배터리모듈의 안전장치는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 일렬로 중첩된 배터리 셀들의 셀단자(11); 및 상기 배터리 셀들 중 두 개의 별도의 배터리 셀에 대각선으로 배치된 두 셀단자를 전기적으로 연결하도록 형성되어, 상기 배터리 셀들이 팽창하지 않는 정상적인 상태일 때에는 상기 두 셀단자의 전기적 연결 상태를 유지하고, 상기 배터리 셀들 중 적어도 하나가 팽창하는 이상상황 발생시에는 상기 두 셀단자 사이에 전기가 흐르지 않도록 회로를 개방시키는 안전 버스바(20);를 포함한다.

즉, 배터리 셀들이 일렬로 중첩되어 배터리모듈을 구성하고, 상기와 같이 배터리모듈을 구성하는 배터리 셀들 중, 동일한 배터리가 아닌 별도의 두 배터리 셀에 대각선으로 배치된 두 셀단자 사이를 상기 안전 버스바(20)가 연결하도록 구성된 것이다.

여기서, 상기 안전 버스바(20)가 연결되는 셀단자(11)를 구비한 두 배터리 셀들은 도 1에 도시된 바와 같이 서로 인접한 두 배터리 셀이 될 수도 있지만, 다른 배터리 셀에 의해 서로 이격된 경우에도 가능할 것이다.

상기 셀단자는 배터리 셀(10)의 양극단자 또는 음극단자에 해당한다.

한편, 도 1에서 대각선 방향으로 배치되지 않은 배터리 셀(10)의 양극단자와 음극단자는 기존에 사용하는 버스바(30)를 이용해서 전기적으로 연결한다.

상기 안전 버스바(20)는 상기 셀단자(11)에 관통되어서 고정 설치되고 도체(21a)와 부도체(21b)가 혼합되어 구비된 고정자(21); 상기 셀단자(11)에 관통되어서 고정자(21)에 접촉함과 동시에 상기 셀단자(11)를 중심으로 회전 가능하게 설치되고 도체(22a)와 부도체(22b)가 혼합되어 구비된 회전자(22); 및 상기 회전자(22)의 도체(22a)를 전기적으로 연결하는 연결바(23);를 포함한다.

또한, 상기 안전 버스바(20)는 상기 고정자(21)의 측면과 셀단자(11)를 일체로 관통하도록 설치되어서 상기 고정자(21)를 셀단자(11)에 고정시키는 고정핀(24); 상기 셀단자(11)에 분리 가능하게 결합되어서 상기 셀단자(11)로부터 회전자(22)의 이탈을 방지하는 회전자캡(25); 및 상기 회전자(22)와 상기 회전자캡(25)사이에 설치된 절연부재(26);를 더 포함한다.

상기 셀단자(11)는 볼트모양이고 상기 회전자캡(25)은 너트모양으로, 상기 셀단자(11)와 상기 회전자캡(25)은 볼트와 너트방식으로 분리 가능하게 서로 결합된 구조가 된다.

상기 절연부재(26)는 전기적 절연의 역할 뿐만 아니라 회전자(22)와 회전자캡(25)간에 마찰을 최소화하는 역할도 한다.

상기 고정자(21)에 구비되는 도체(21a)와 부도체(21b)는 상기 고정자(21)의 윗면에 구비되는데, 상기 도체(21a)와 부도체(21b)는 고정자(21)의 윗면에서 방사상으로 형성되면서 원주방향을 따라 한 개씩 교대로 배치되게 구비된다.

또한, 회전자(22)에 구비되는 도체(22a)와 부도체(22b)는 상기 회전자(22)의 밑면에 구비되는데, 상기 도체(22a)와 부도체(22b)는 회전자(22)의 밑면에서 방사상으로 형성되면서 원주방향을 따라 한 개씩 교대로 배치되게 구비된다.

한편, 상기 고정자(21)의 내주면에는 상기 고정자(21)의 윗면에 구비된 도체(21a)와 전기적으로 연결이 가능한 내부도체(21c)가 더 구비된다.

상기 내부도체(21c)는 셀단자(11)와 고정자(21) 도체(21a)와의 전기적 연결성을 좋게 하는 역할을 한다.

그리고, 상기 회전자(22)의 내주면에는 셀단자(11)와의 전기적 차단을 위해 내부부도체(22c)가 더 구비된다.

이하, 본 발명 실시예의 작용에 대해 설명한다.

차량용 고전압 배터리팩을 구성하는 배터리모듈은 다수개의 배터리 셀(10)이 안전 버스바(20) 및 통상적인 버스바(30)를 통해 전기적으로 연결된 구성이다.

즉, 배터리 셀(10)이 팽창하지 않는 정상상태시에는 회전자(22)가 셀단자(11)를 중심으로 회전하지 않게 되는 바, 이로 인해 고정자(21)의 도체(21a)와 회전자(22)의 도체(22a)는 서로 전기적으로 연결된 구조가 되며, 이때 배터리모듈은 정상적인 충전 및 방전 동작을 하게 된다.

그리고, 과충전, 과방전, 내부단락, 이상고온 등에 의해 배터리 셀(10)에 이상 현상이 발생하는 경우 상기 배터리 셀(10)은 팽창해서 외형이 부풀어 오르게 된다.

상기와 같이 배터리 셀(10)이 팽창하게 되면, 안전 버스바(20)를 구성하는 회전자(22)는 셀단자(11)를 중심으로 시계방향 또는 반 시계방향으로 회전을 하게 되고, 이로 인해 고정자(21)의 도체(21a)와 회전자(22)의 부도체(22b)가 서로 접촉하고 동시에 상기 고정자(21)의 부도체(21b)와 회전자(22)의 도체(22a)가 서로 접촉하게 되는 바, 이 결과 고정자(21)와 회전자(22)는 전기가 흐르지 않도록 회로가 개방된다.

상기와 같이 고정자(21)와 회전자(22)가 전기가 흐르지 않도록 회로가 개방되면 배터리 셀(10)은 더 이상 충전되거나 방전되지 않게 되는 바, 이를 통해 안정성을 확보할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 실시예는, 배터리 셀(10)이 이상 현상에 의해 팽창하는 경우 안전 버스바(20)를 구성하는 회전자(22)의 회전동작에 의해 배터리 셀(10)간 전기적 연결을 차단시켜서 전기가 흐르지 않도록 회로를 개방할 수 있게 되며, 이를 통해 배터리 셀(10)의 충전 및 방전이 더 이상 진행되지 않게 됨으로써 안정성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 부품 자체의 저항이 낮고, 온도와 습도, 진동 등의 외부요인에 영향을 거의 받지 않게 됨으로써 오동작의 우려가 적으며, 회전자(22)의 회전토크를 이용해서 배터리 셀(10)간 전기적 차단을 유도하게 됨으로서 보다 정확한 동작을 유도할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 고정자(21)와 회전자(22)의 도체 및 부도체의 비율 조정을 통해 동작 시점을 조정할 수 있게 되고, 특히 고정자(21)와 절연부재(26)사이에 온도센서, 전압센서 등의 센서를 설치할 수 있게 됨으로써 센서 설치를 위한 공간 및 기구를 별도로 마련하지 않아도 되는 장점이 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10 - 배터리 셀 11 - 셀단자
20 - 안전 버스바 21 - 고정자
21a,22a - 도체 21c - 내부도체
22a,22b - 부도체 22c - 내부부도체
23 - 연결바 24 - 고정핀
25 - 회전자캡 26 - 절연부재

Claims (11)

  1. 일렬로 중첩된 배터리 셀들의 셀단자(11); 및
    상기 배터리 셀들 중 두 개의 별도의 배터리 셀에 대각선으로 배치된 두 셀단자를 전기적으로 연결하도록 형성되어, 상기 배터리 셀들이 팽창하지 않는 정상적인 상태일 때에는 상기 두 셀단자의 전기적 연결 상태를 유지하고, 상기 배터리 셀들 중 적어도 하나가 팽창하는 이상상황 발생시에는 상기 두 셀단자 사이에 전기가 흐르지 않도록 회로를 개방시키는 안전 버스바(20);를 포함하고,
    상기 안전 버스바(20)는 상기 셀단자(11)에 관통되어서 고정 설치되고 도체(21a)와 부도체(21b)가 혼합되어 구비된 고정자(21);
    상기 셀단자(11)에 관통되어서 고정자(21)에 접촉함과 동시에 상기 셀단자(11)를 중심으로 회전 가능하게 설치되고 도체(22a)와 부도체(22b)가 혼합되어 구비된 회전자(22); 및
    상기 회전자(22)의 도체(22a)를 전기적으로 연결하는 연결바(23);를 포함하며,
    상기 안전 버스바(20)는 상기 고정자(21)의 측면과 셀단자(11)를 일체로 관통하도록 설치되어서 상기 고정자(21)를 셀단자(11)에 고정시키는 고정핀(24);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전 버스바(20)는 상기 셀단자(11)에 분리 가능하게 결합되어서 상기 셀단자(11)로부터 회전자(22)의 이탈을 방지하는 회전자캡(25);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 안전 버스바(20)는 상기 회전자(22)와 상기 회전자캡(25)사이에 설치된 절연부재(26);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 셀단자(11)와 상기 회전자캡(25)은 볼트와 너트방식으로 분리 가능하게 서로 결합된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자(21)의 윗면에 상기 도체(21a)와 상기 부도체(21b)가 구비되는데;
    상기 도체(21a)와 부도체(21b)는 고정자(21)의 윗면에서 방사상으로 형성되면서 원주방향을 따라 한 개씩 교대로 배치되게 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고정자(21)의 내주면에는 상기 고정자(21)의 윗면에 구비된 도체(21a)와 전기적으로 연결이 가능한 내부도체(21c)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자(22)의 밑면에 상기 도체(22a)와 상기 부도체(22b)가 구비되는데;
    상기 도체(22a)와 부도체(22b)는 회전자(22)의 밑면에서 방사상으로 형성되면서 원주방향을 따라 한 개씩 교대로 배치되게 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 회전자(22)의 내주면에는 셀단자(11)와의 전기적 차단을 위해 내부부도체(22c)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀(10)이 팽창하지 않는 정상상태시에는 상기 고정자(21)의 도체(21a)와 상기 회전자(22)의 도체(22a)가 서로 연결되게 설치되고;
    상기 배터리 셀(10)이 팽창하는 이상상황 발생시에는 상기 회전자(22)가 회전해서 상기 고정자(21)의 도체(21a)와 회전자(22)의 부도체(22b)가 서로 접촉하고 동시에 상기 고정자(21)의 부도체(21b)와 회전자(22)의 도체(22a)가 서로 접촉해서 전기가 흐르지 않도록 회로가 개방되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리모듈의 안전장치.
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