KR102042577B1

KR102042577B1 - 배터리 팩 모듈

Info

Publication number: KR102042577B1
Application number: KR1020180087236A
Authority: KR
Inventors: 이찬재; 심준홍; 강동석
Original assignee: 주식회사 블루시그마
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2019-11-11

Abstract

본 발명은 개별 배터리 팩의 외부와 화재 시 배터리 팩을 차단하여 화재 확산을 방지하고 낮은 온도를 유지할 수 있어 오작동, 화재 위험을 감소시킬 수 있는 배터리 팩 모듈에 관한 것이다.

Description

배터리 팩 모듈{battery pack module}

비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있으며, 이러한 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하므로 화석연료의 대체에너지원으로서 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력저장장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.

특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용될 수 있다.

리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.

리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용되며, 여기서, 원통형 이차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함하는데, 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비하고, 전해액은 리튬 이온을 포함하는 경우가 많으며, 전극 조립체의 양극판과 음극판은 외부로 인출되는 전극 탭을 각각 구비할 수 있다.

전극 조립체는 케이스의 내부에 수납되고, 케이스의 외부로는 전극 단자가 노출될 수 있다 전극 탭은 전극 조립체의 외부로 인출되어 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.

이러한 이차전지를 복수개 수평 또는 수직으로 적층되어 배터리 팩이 형성될 수 있는데, 배터리 팩에서 이웃하여 적층되는 이차 전지들은 전극 단자들이 전기적으로 상호 연결될 수 있고, 이웃하는 이차 전지들의 전극 단자들이 버스 바에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.

이러한 배터리 팩으로서, 특허문헌(한국공개특허 제10-2017-0106897호)에 공지된 것이 개시되어 있다.

도 9 내지 도 12에 도시한 바와 같이, 종래의 배터리 팩(100)은 복수의 단위배터리(200)와, 단위 배터리(200)들의 전극단자(210)들을 전기적으로 연결하는 버스바(300)를 포함한다. 케이스부재(500)는 상부케이스(510)와 하부케이스(520)를 포함하여 그 내부에 배터리 팩(100)이 배치된다.

배터리 팩(100)은 상부홀더(610)와 하부홀더(620) 사이에 개재시켜 고정된다.

상/하부홀더(610, 620)는 배터리안착부(640)를 구비하고, 상부홀더(610)로 개구된 노출홀(642)에는 배터리 전극단자가 노출되며, 그 부위에는 버스바몸체(320)로부터 완충다리부(312)로 연결된 접합부(310)에 맞닿게 배치된다.

그런데, 완충다리부(321)는 실질적으로 버스바몸체(320)와 접합부(310) 사이에 양단 고정 방식으로 지지되어 있기 때문에 상하로의 유동에 구속받게 된다.

따라서, 단위배터리(200)의 수직방향 운동을 구속시켜 배터리 셀의 안전장치인 벤트 플레이트가 작동할 수 없게 된다.

통상 원통형 이차전지의 안전장치인 벤트 플레이트는 배터리 셀의 폭발을 방지하는 안전장치로, 셀 내부 화학반응 시 발생하는 가스가 벤트 플레이트(Vent plate)를 밀어올려 발생하는 홀을 통하여 분출되는 구조이나, 기존의 버스바 구조는 이차전지 셀의 양극 캡과 음극 캡을 고정하여 셀의 벤트가 작동할 수 없어, 화재 및 폭발 시 해당 배터리 팩의 격리가 불가능하며, 시스템의 화재 확산을 막을 수 없다.

이와 같은 기존 배터리 팩은 배터리 셀이 노출되어 있거나 절연 튜브로 감싸여진 구조로서 기밀성이 유지되지 않으며, 해당 배터리 팩의 격리가 불가능하여 시스템의 화재 확산을 막을 수 없어, 근래 다수의 에너지 저장장치 화재의 경우 화재 시작점은 단일 배터리 팩 내부의 단일 셀인 경우가 많아 이에 대한 대책이 필요한 상황이다.

특히, 전력용의 에너지 저장장치로 사용하기 위해서는 각 배터리 팩 간의 기밀성이 유지되거나, 화재 시 각 배터리 팩이 시스템과 분리되는 설계의 유용성이 요구되었다.

한국공개특허 제10-2017-0106897호

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 개별 배터리 팩의 외부와 화재 시 배터리 팩을 차단하여 화재 확산을 방지하고 낮은 온도를 유지할 수 있어 오작동, 화재 위험을 감소시킬 수 있는 배터리 팩 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 청구항 1에 기재된 배터리 팩 모듈은, 배터리 팩; 상기 배터리 팩의 상하측을 커버하는 상하측 방화커버를 포함하되, 상기 배터리 팩은 복수의 단위배터리와, 상기 단위배터리의 외주면을 감싸는 PCM과, 상기 단위배터리의 상하부를 홀딩시키는 상하측 배터리홀더와, 상기 상하측 배터리홀더의 상하측에 배치된 채 상기 단위배터리의 단자에 접점되는 상하측 버스바를 포함하되, 상기 상하측 버스바는 상기 상하측 배터리홀더에 놓이는 상하측 버스바몸체와, 상기 단위배터리의 단자에 접점되는 상하측 접점부와, 상기 상하측 버스바몸체와 상기 상하측 접점부 사이를 연결하는 상하측 경사부를 포함하고, 상기 상하측 방화커버는 상하측 방화커버본체와, 상기 상하측 방화커버본체의 내면에 코팅된 상하측 방화도료를 포함하고, 상기 상하측 방화커버는 적어도 상기 PCM의 일부가 외부와 통하게 상기 배터리 팩을 커버한다.

본 발명의 청구항 2에 기재된 배터리 팩 모듈에 있어서, 상기 상측 방화커버본체는 상기 배터리 팩의 상측을 커버는 상판과, 상기 배터리 팩의 상측벽을 커버하는 상측벽판, 상기 상측벽판의 자유단에서 외측을 향해 아래로 경사지게 연장되는 하향경사판을 포함하고, 상기 하측 방화커버본체는 상기 배터리 팩의 하측을 커버는 하판과, 상기 배터리 팩의 하측벽을 커버하는 하측벽판, 상기 상측벽판의 자유단에서 외측을 향해 위로 경사지게 연장되는 상향경사판을 포함하되, 상기 하향경사판의 자유단과 상기 상향경사판의 자유단 사이에는 갭이 형성되어 있다.

본 발명의 청구항 3에 기재된 배터리 팩 모듈에 있어서, 상기 방화도료는 발포성 방화도료가 바람직하다.

본 발명의 청구항 4에 기재된 배터리 팩 모듈에 있어서, 상기 상하측 배터리홀더와 체결되어 상기 상하측 버스바를 덮는 상하측 배터리홀더커버가 더 설치되되, 상기 상하측 배터리홀더커버에는 상기 상하측 방화커버와 체결 지지되게 돌출 형성되는 상하측 스페이스돌기와, 상기 상하측 접점부와 마주하는 위치에 형성된 상하측 벤트홀을 갖는다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

버스바 몸체에 외팔보 형태로 매달린 경사부에 접점부가 형성됨으로써, 배터리 셀 내부 압력 발생 시 전극 캡이 압력에 의해 상승할 경우 접점부도 함께 상승하여 폭발 등의 위험성을 현저히 낮춘다.

또한, 배터리의 오작동 등에 의해 화재 시 방화커버가 배터리 팩을 감싸고 있어서, 다른 배터리 팩이나 시스템으로 옮기지 못하게 격리시킨다.

또한, 화재나 오작동의 원인이 되는 배터리 팩의 발열을 PCM(상변화물질)을 통해 냉각시킨다.

특히 방화커버의 상향경사판과 하향경사판 사이의 캡인 틈새는 PCM의 발열을 외부로 보내는 공간으로 냉각효율을 높인다.

또한, 하향경사판과 상향경사판의 내측엔 발포성 방화도료가 코팅됨으로써, 배터리 팩의 화재 시 발포성 방화도료가 상하향경사판을 따라 발포하면서 그 사이의 틈새인 캡을 막아 화재를 차단시킨다.

한편, 상하측 배터리홀더와 체결되어 상하측 버스바를 덮는 상하측 배터리홀더커버가 더 설치됨으로써, 상하측 버스바의 노출을 막아 쇼트나 이물질의 침투를 확실히 방지시킨다.

또한, 상하측 배터리홀더커버에 상하측 방화커버가 체결 지지되는 스페이스돌기가 다수 형성됨으로써, 상하측 방화커버와 상하측 배터리홀더커버 사이에 공간을 형성시켜 체결과 동시에 공기순환로의 공간을 제공하여 단위배터리의 반응 시 분출되는 가스가 외부로 빼내 파손을 방지한다.

또한, 상하측 배터리홀더커버에 형성된 벤트홀은 배터리에서 방출되는 가스가 내부에 갇히지 않고 상하측 방화커버와 상하측 배터리홀더커버 사이의 공간으로 빠져나가게 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 모듈을 분리 및 결합한 사시도.
도 3 및 도 4는 도 1의 단위 배터리 팩을 도시한 결합 및 분해 사시도.
도 5는 도 4의 버스바를 도시한 사시도.
도 6은 도 3의 6-6선을 취하여 본 단면도.
도 7은 도 2의 7-7선을 취하여 본 단면도.
도 8은 도 7의 상하 방화커버가 화재 전후의 발포상태를 설명한 단면도.
도 8a는 도 8에서 상하향경사판이 없는 상하 방화커버가 화재 전후의 발포상태를 설명한 단면도.
도 9는 종래 배터리 팩을 케이스부재로 마감한 사시도.
도 10은 도 9의 상부케이스를 분리하여 내부의 배터리 팩을 보여주는 사시도.
도 11은 도 10의 배터리 팩을 도시한 분리사시도.
도 12는 도 11의 버스바를 확대 도시한 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 설명하는데, 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 모듈을 분리 및 결합한 사시도이고, 도 3 및 도 4는 도 1의 단위 배터리 팩을 도시한 결합 및 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 버스바를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 3의 6-6선을 취하여 본 단면도이고, 도 7은 도 2의 7-7선을 취하여 본 단면도이고, 도 8은 도 7의 상하 방화커버가 화재 전후의 발포상태를 설명한 단면도이고, 도 8a는 도 8에서 상하향경사판이 없는 상하 방화커버가 화재 전후의 발포상태를 설명한 단면도이다.

도 1, 도 2 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 배터리 팩 모듈(1)은 외형을 이루는 배터리 팩(10)과, 배터리 팩(10)의 상하측벽을 커버하는 상하측 방화커버(3)(5)를 포함한다.

10개 배터리를 단위 단위배터리 팩이라고 할 때, 본 실시예에서의 배터리 팩(10)은 도 1과 같이 10개의 단위배터리 팩을 한 묶음으로 하고 있다.

이하에서는 배터리 팩(10)은 단위배터리 팩과 동일한 것으로 설명한다.

배터리 팩(10)은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 복수의 단위배터리(20)와, 단위배터리(20)의 외주면을 감싸는 PCM(30)과, 단위배터리(20)의 상하부를 홀딩시키는 상하측 배터리홀더(40)(50)와, 상하측 배터리홀더(40)(50)의 상하측에 배치된 채 단위배터리(20)의 (+)(-)단자(21)(22)에 접점되는 상하측 버스바(60)(70)를 포함한다.

단위배터리(20)는 대형 배터리를 사용하는 방법과 소형 18650소형 전지를 직병렬로 연결하여 사용하는 방법이 있는데, 본 발명은 이중 18650 소형 전지를 이용한 배터리 팩 구성에 대한 것으로 전기자동차 등 이동용이 아닌 고정형(stationary)에 적합한 배터리 시스템의 구성에 대한 발명에 적합하다.

상변화물질인 PCM(Phase Change Material)(30)은 상(phase)이 변하면서 열을 흡수하거나 방출하는 물질로서, 주변 온도를 일정 범위로 유지시키는 기능을 수행할 수 있다.

이러한 PCM(30)은 도 4와 같이 단위배터리(20) 각각이 끼워져 그 둘레를 감싸는 구조로 되어 있다.

상하측 배터리홀더(40)(50)는 도 4와 같이 단위배터리(20) 각각의 상하측을 끼워져 홀딩되는 홀더이다.

상하측 배터리홀더(40)(50)에는 단위배터리(20)의 (+)(-)단자가 외부로 노출되는 관통홀(41)(51)이 형성되고, 관통홀(41)(51)의 가장자리에는 도 6과 같이 단위배터리(20)가 걸리는 걸림턱(43)(53)이 형성되어 있다.

상하측 버스바(60)(70)는 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상하측 배터리홀더(40)(50)에 놓이는 상하측 버스바몸체(61)(71)와, 단위배터리(20)의 단자(21)(22)에 접점되는 상하측 접점부(63)(73)와, 상하측 버스바몸체(61)(71)와 상하측 접점부(63)(73) 사이를 연결하는 상하측 경사부(65)(72)를 포함한다.

상하측 버스바(60)(70)는 상하측 배터리홀더(40)(50)의 상하단면에 놓인다.

상하측 접점부(63)(73)는 상하측 버스바몸체(61)(71)의 아래 및 위에 배치된 채 단자(21)(22)와의 접촉면적을 넓히기 위해 최대한 원형으로 펀칭되어 있다.

상하측 접점부(63)(73)는 단자(21)(22)에 용접 또는 본딩 방식으로 고정되어 있다.

상하측 경사부(65)(72)는 상하측 접점부(63)(73)가 수직방향으로 이동 가능하게 상단은 상하측 버스바몸체(61)(71)에 고정되고, 타단에는 상하측 접점부(63)(73)가 형성되어 있다.

즉, 상하측 접점부(63)(73)는 상하측 경사부(65)(72)를 통해 상하측 버스바몸체(61)(71)에 외팔보 형태로 매달려 있기 때문에, 배터리(20) 내부 압력 발생 시 Positive Cap이 압력에 의해 상승할 경우 버스 바에 의한 상승 억제가 일어나지 않도록 상하 수직방향으로 유연하게 움직이는 구성되어 있다.

버스 바의 재질은 배터리 셀의 VENT 압력에 의한 변형이 가능한 연성 및 버스 바 기능을 충족하는 전도성을 갖는 경우 니켈, 구리, 알루미늄 합금에 한하지 않는다.

상하측 방화커버(3)(5)는 상하측 방화커버본체(3a)(5a)와, 상하측 방화커버본체(3a)(5a)의 내면에 코팅된 상하측 방화도료(3b)(5b)를 포함한다.

이때, 도 2 및 도 7과 같이 상하측 방화커버(3)(5)는 적어도 PCM(30)의 일부가 외부와 통하게 배터리 팩(10)를 커버한다.

상하측 방화커버본체(3a)(5a)는 배터리 팩(10)의 상하측을 커버는 상하판(3a1)(5a1)과, 배터리 팩(10)의 상하 측벽을 커버하는 상하측벽판(3a2)(5a2), 상하측벽판(3a2)(5a2)의 자유단에서 외측을 향해 경사지게 연장되는 하상향경사판(3a3)(5a3)를 포함한다.

하향경사판(3a3)과 상향 경사판(5a3)은 마치 지붕의 처마 형상으로 되어 있다.

하향경사판(3a3)의 자유단과 상향경사판(5a3)의 자유단 사이에는 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 갭(G)이 형성되어 있다.

상하측 방화도료(3b)(5b)는 열에 대해 발포 성질이 있는 도료인 발포성 방화도료로서, 2~10mm의 도료를 도포한다.

상하측 방화커버본체(3a)(5a)는 내열 플라스틱, 스테인리스 스틸, 알루미늄 합금 등을 사용하여 충분한 강도를 확보한다. 단, 금속계열 사용 시 표면 도장 처리를 병행하여 절연성을 확보한다.

이처럼 하향경사판(3a3)와 상향경사판(5a3)로 구현된 것은, 도 8과 같이 열에 의해 발포성 도료가 발포되면, 하향경사판(3a3)와 상향경사판(5a3)를 타고 흘러 발포되면서 갭(G)을 막아 화재가 번지는 것을 방지한다.

이것은 도 9와 같이 상하측 방화커버본체(3a)(5a)가 상하판(3a1)(5a1)과 상하측벽판(3a2)(5a2)으로 구현하여도 좋지만, 상하측벽판(3a2)(5a2)이 수직한 관계로 그 자유단까지만 타고 흘러 갭(G)을 막지 못하는 현상이 생기기 때문이다.

한편, 상하측 배터리홀더(40)(50)와 체결되어 상하측 버스바(60)(70)를 덮는 상하측 배터리홀더커버(80)(90)가 더 설치되는 것이, 상하측 버스바(60)(70)로 이물질의 침투나 쇼트를 방지하는 역할을 한다.

또한, 상하측 배터리홀더커버(80)(90)에는 상하측 방화커버(3)(5)가 체결 지지되는 상하측 스페이스돌기(85)(95)가 다수 돌출 형성되어 있다.

상하측 스페이스돌기(85)(95)는 도 7과 같이 상하측 방화커버(3)(5)와의 사이에 유격(S)을 형성시켜, 배터리(20)에서 방출되는 가스가 유동 안내시켜 갭(G)으로 빠져나가게 한다.

또한, 상하측 스페이스돌기(85)(95)는 상하측 방화커버(3)(5)와 체결 지지되는 체결 리브 역할도 한다.

더욱이, 상하측 배터리홀더커버(80)(90)에는 상하측 벤트홀(87)(97)이 형성되어 있다.

상하측 벤트홀(87)(97)은 상하측 접점부(63)(73)와 마주하는 위치에 형성되어, 배터리(20)에서 누출되는 가스가 유격(S)을 통해 외부로 나가게 해서, 상하측 배터리홀더(40)(50)와 상하측 배터리홀더커버(80)(90) 사이에 가스가 갇히는 것을 방지한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

1 : 배터리 팩 모듈 3,5 : 방화커버
3a,5a : 방화커버본체 3a1,5a1 : 상하판
3a2,5a2 : 상하측벽판 3a3,5a3 : 하상향경사판(처마)
3b,5b : 방화도료 10 : 배터리 팩
20 : 단위배터리 21,22 : 단자
30 : PCM 40,50 : 배터리홀더
41,51 : 관통홀 43,53 : 걸림턱
60,70 : 버스바 61,71 : 버스바몸체
63,73 : 접점부 65,75 : 경사부
80,90 : 배터리홀더커버 85,95 : 스페이스돌기
87,97 : 벤트홀

Claims

삭제
배터리 팩; 상기 배터리 팩의 상하측을 커버하는 상하측 방화커버를 포함하되,
상기 배터리 팩은 복수의 단위배터리와, 상기 단위배터리의 외주면을 감싸는 PCM과, 상기 단위배터리의 상하부를 홀딩시키는 상하측 배터리홀더와, 상기 상하측 배터리홀더의 상하측에 배치된 채 상기 단위배터리의 단자에 접점되는 상하측 버스바를 포함하되,
상기 상하측 버스바는 상기 상하측 배터리홀더에 놓이는 상하측 버스바몸체와, 상기 단위배터리의 단자에 접점되는 상하측 접점부와, 상기 상하측 버스바몸체와 상기 상하측 접점부 사이를 연결하는 상하측 경사부를 포함하고,
상기 상하측 방화커버는 상하측 방화커버본체와, 상기 상하측 방화커버본체의 내면에 코팅된 상하측 방화도료를 포함하고,
상기 상하측 방화커버는 적어도 상기 PCM의 일부가 외부와 통하게 상기 배터리 팩을 커버하되,
상기 상측 방화커버본체는 상기 배터리 팩의 상측을 커버는 상판과, 상기 배터리 팩의 상측벽을 커버하는 상측벽판, 상기 상측벽판의 자유단에서 외측을 향해 아래로 경사지게 연장되는 하향경사판을 포함하고,
상기 하측 방화커버본체는 상기 배터리 팩의 하측을 커버는 하판과, 상기 배터리 팩의 하측벽을 커버하는 하측벽판, 상기 상측벽판의 자유단에서 외측을 향해 위로 경사지게 연장되는 상향경사판을 포함하되,
상기 하향경사판의 자유단과 상기 상향경사판의 자유단 사이에는 갭이 형성되는 배터리 팩 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 방화도료는 발포성 방화도료인 발포성 배터리 팩 모듈.
청구항 3에 있어서,
상기 상하측 배터리홀더와 체결되어 상기 상하측 버스바를 덮는 상하측 배터리홀더커버가 더 설치되되,
상기 상하측 배터리홀더커버에는 상기 상하측 방화커버와 체결 지지되게 돌출 형성되는 상하측 스페이스돌기와, 상기 상하측 접점부와 마주하는 위치에 형성된 상하측 벤트홀을 갖는 발포성 배터리 팩 모듈.