KR102249457B1 - 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 제1 배터리 셀의 제1 전극 리드와 전기적으로 연결된 제1 버스바로부터 전방을 향해 돌출되고, 플레이트 형태로 형성된 제1 접촉부, 제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바로부터 전방을 향해 돌출되고, 플레이트 형태로 형성되며 상기 제1 접촉부가 접촉되거나 이격되는 제2 접촉부, 상기 제1 접촉부를 파지하는 클램프, 상기 클램프와 결합되고, 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부로부터 이격되도록 탄성력을 이용하여 상기 클램프를 이동시키는 클램프 이동부, 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부와 접촉된 상태를 유지하도록 상기 클램프와 상기 클램프 이동부를 지지하여 상기 클램프의 이동을 제한하는 안전핀 및 상기 클램프 이동부를 통해 상기 클램프가 이동되도록 상기 제1 배터리 셀의 체적 증가로 인한 팽창력을 이용하여 상기 안전핀을 상기 클램프와 상기 클램프 이동부로부터 이격시키는 안전핀 제거부를 포함하는 배터리 모듈을 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 버스바의 제1 접촉부를 파지하는 클램프의 이동과 탄성력을 이용하여 제1 접촉부가 제2 버스바의 제2 접촉부로부터 이격되도록 클램프를 이동시키는 클램프 이동부의 이동을 제한하는 안전핀을 배터리 셀의 팽창으로 인한 팽창력을 이용하여 클램프와 클램프 이동부로부터 이격시킴으로써, 제1 버스바와 제2 버스바 간의 전기적 연결을 차단하여 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 버스바로부터 전방을 향해 돌출되고, 플레이트 형태로 형성된 제1 접촉부, 제2 배터리 셀의 제2 전극 리드와 전기적으로 연결된 제2 버스바로부터 전방을 향해 돌출되고, 플레이트 형태로 형성되며 상기 제1 접촉부가 접촉되거나 이격되는 제2 접촉부, 상기 제1 접촉부를 파지하는 클램프, 상기 클램프와 결합되고, 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부로부터 이격되도록 탄성력을 이용하여 상기 클램프를 이동시키는 클램프 이동부, 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부와 접촉된 상태를 유지하도록 상기 클램프와 상기 클램프 이동부를 지지하여 상기 클램프의 이동을 제한하는 안전핀 및 상기 클램프 이동부를 통해 상기 클램프가 이동되도록 상기 제1 배터리 셀의 체적 증가로 인한 팽창력을 이용하여 상기 안전핀을 상기 클램프와 상기 클램프 이동부로부터 이격시키는 안전핀 제거부를 포함하는 배터리 모듈을 포함한다.

바람직하게, 상기 클램프는 일단에서 상부를 향해 돌출된 형태로 형성된 제1 돌출부 및 상기 제1 돌출부와 이격되어 상부를 향해 돌출된 형태로 형성된 제2 돌출부를 포함하고, 상기 제1 돌출부와 상기 제2 돌출부 사이에는 상기 제1 접촉부가 삽입되어 상기 클램프에 상기 제1 접촉부가 파지될 수 있다.

바람직하게, 상기 클램프 이동부는 탄성력을 제공하는 탄성 부재, 상부와 하부가 각각 상기 탄성 부재와 상기 클램프와 결합되고, 상기 탄성 부재로부터 인가된 탄성력의 방향을 전환하여 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부로부터 이격되도록 상기 클램프를 이동시키는 탄성력 전환부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 클램프 이동부는 상기 제1 버스바의 전면에 결합되어 상기 탄성 부재와 상기 탄성력 전환부를 지지하고, 전후 방향으로 관통되어 내부에 상기 안전핀의 적어도 일부가 수용되는 안전핀 홀을 구비하는 제1 지지부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 안전핀은 일부가 상기 안전핀 홀의 외측으로 돌출되고, 나머지 일부가 상기 안전핀 홀의 내부에 수용되며, 상기 안전핀 홀의 외측으로 돌출된 일부가 상기 클램프 및 상기 클램프 이동부와 접촉하여 상기 탄성력에 의한 상기 클램프 및 상기 클램프 이동부의 이동을 제한할 수 있다.

바람직하게, 상기 안전핀 제거부는 상기 제1 버스바를 후방에서 전방으로 관통하여 일단이 상기 안전핀과 접촉하는 샤프트 및 절곡된 형태로 형성되어 일단이 상기 샤프트의 타단과 접촉하고, 타단을 통해 상기 제1 배터리 셀로부터 팽창력을 인가받으며, 상기 인가된 팽창력의 방향을 전환하여 상기 샤프트에 인가시키는 팽창력 전환부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 안전핀 제거부는 상기 제1 버스바의 후면에 결합되어 상기 팽창력 전환부를 지지하는 제2 지지부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 안전핀 제거부는 상기 제1 배터리 셀의 내측 전방에 위치하는 가스 포켓(Gas Pocket)의 체적 증가로 인한 팽창력을 이용하여 상기 안전핀을 상기 클램프와 상기 클램프 이동부로부터 이격시킬 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, 본 발명은 클램프의 이동과 클램프 이동부의 이동을 제한하는 안전핀을 배터리 셀의 팽창으로 인한 팽창력을 이용하여 클램프와 클램프 이동부로부터 이격시켜 제1 버스바와 제2 버스바 간의 전기적 연결을 차단함으로써, 배터리 모듈의 과충전을 방지하여 배터리 모듈의 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 전면 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 후면 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 상부 형상을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 전면을 도시한 도면이다.
도 6은 제1 배터리 셀이 팽창하기 전에 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 상부를 도시한 도면이다.
도 7은 제1 배터리 셀이 팽창한 후 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 상부를 도시한 도면이다.
도 8은 제1 배터리 셀이 팽창한 후 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 전면을 도시한 도면이다.

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 일부분에 대한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 전면 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 후면 분해 사시도이며,

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀(110a, 110b), 버스바(200a, 200b), 클램프(300), 클램프 이동부(400), 안전핀(500) 및 안전핀 제거부(600)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 1에 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 인접한 2개씩 같은 극성의 전극 리드(120a, 120b)가 같은 방향을 향하도록 배치될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 최좌측으로부터 첫번째와 두번째에 위치하는 제1 배터리 셀(110a)은 양극인 제1 전극 리드(120a)가 전방을 향하도록 배치될 수 있고, 중간 즉, 최좌측으로부터 세번째와 네번째에 위치하는 제2 배터리 셀(110b)은 음극인 제2 전극 리드(120b)가 전방을 향하도록 배치될 수 있다.

이러한 제1 전극 리드(120a)는 후술되는 제1 버스바(200a)와 각각 전기적으로 연결됨으로써, 한 쌍의 제1 배터리 셀(110a) 간에 병렬 연결을 구성할 수 있다. 또한, 제2 전극 리드(120b)는 후술되는 제2 버스바(200b)와 각각 전기적으로 연결됨으로써, 한 쌍의 제2 배터리 셀(110b) 간에 병렬 연결을 구성할 수 있다.

여기서, 제1 버스바(200a)는 본 발명에 따른 버스바(200a, 200b) 중에서 제1 전극 리드(120a)와 전기적으로 연결되는 버스바일 수 있으며, 제2 버스바(200b)는 본 발명에 따른 버스바(200a, 200b) 중에서 제2 전극 리드(120b)와 전기적으로 연결되는 버스바일 수 있다.

이하에서 본 발명에 따른 제1 전극 리드(120a)와 제1 버스바(200a) 간의 연결 구조와 제2 전극 리드(120b)와 제2 버스바(200b) 간의 연결 구조에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 상부 형상을 도시한 도면이다.

도 4를 더 참조하면, 제1 전극 리드(120a)는 제1 배터리 셀(110a)로부터 전방을 향해 돌출되다가 제1 버스바(200a)의 전방 표면에 이르는 지점에서 배터리 모듈의 중심을 향해 직각으로 절곡됨으로써 제1 버스바(200a)에 접촉될 수 있다.

또한, 제2 전극 리드(120b)는 제2 배터리 셀(110b)로부터 전방을 향해 돌출되다가 제2 버스바(200b)의 전방 표면에 이르는 지점에서 배터리 모듈의 중심을 향해 직각으로 절곡됨으로써 제2 버스바(200b)에 접촉될 수 있다.

여기서, 제1 전극 리드(120a)의 절곡 방향은 배터리 모듈의 중심 즉, 우측 방향으로 동일할 수 있다. 이에 반해, 제2 전극 리드(120b)의 절곡 방향은 각각 배터리 모듈의 중심을 향하도록 우측과 좌측으로 반대 방향일 수 있다.

상기 버스바(200a, 200b)는 상하 방향으로 길이가 긴 플레이트 형상으로 형성되며 전극 리드(120a, 120b)가 전방 표면에 용접됨으로써 전극 리드(120a, 120b)와 전기적으로 연결될 수 있다.

이러한 버스바(200a, 200b)는 배터리 셀(110a, 110b)의 전압을 센싱하는 센싱 모듈이 실장된 인쇄 회로 기판(PCB)과 전기적으로 연결되고, PCB는 버스바(200a, 200b)에 의해 센싱된 전압을 인쇄회로 및 출력핀을 경유하여 외부의 다른 구성 요소, 이를테면 BMS와 같은 보호 장치에 전달할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 버스바(200a, 200b)는 제1 전극 리드(120a)와 전기적으로 연결되는 제1 버스바(200a)와 제2 전극 리드(120b)와 전기적으로 연결되는 제2 버스바(200b)로 구성될 수 있다.

제1 버스바(200a)는 제1 전극 리드(120a)와 전기적으로 연결될 뿐만 아니라, 후술되는 클램프 이동부(400)의 제1 지지부(430)와 전면에서 결합될 수 있다.

이를 위하여, 제1 버스바(200a)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 지지부(430)의 후면에 돌출되어 형성된 결합 돌기(432)가 삽입되는 결합 홀(210a)이 관통되어 형성될 수 있다.

즉, 제1 버스바(200a)에 형성된 결합 홀(210a)에 제1 지지부(430)의 결합 돌기(432)가 삽입되어 제1 지지부(430)를 지지하고, 제1 지지부(430)에 지지된 구성 요소들을 함께 지지할 수 있다.

한편, 제1 버스바(200a)에는 후술되는 안전핀 제거부(600)의 샤프트(610)가 관통되어 전후로 이동되는 샤프트 홀(220a)이 형성될 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 버스바(200a)는 샤프트(610)의 단면 형상에 대응되는 형상의 샤프트 홀(220a)이 관통되어 형성되고, 이러한, 샤프트 홀(220a)에는 샤프트(610)가 삽입된 상태에서 제1 배터리 셀(110a)의 팽창에 의한 팽창력에 의해 전후로 이동될 수 있다.

한편, 제1 버스바(200a)는 전방을 향해 돌출되고, 플레이트 형태로 형성된 제1 접촉부(230a)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 접촉부(230a)는 하부가 제1 버스바(200a)의 일단으로부터 전방을 향해 돌출되고 상부가 우측을 향해 기울어진 형태로 형성된 제1 좌측 접촉부(231a)와 제1 좌측 접촉부(231a)의 상부와 연결되어 상하 방향으로 길게 연장된 제1 우측 접촉부(232a)로 구성될 수 있다.

즉, 제1 전극 리드(120a)는 제1 버스바(200a)의 전방 표면에 용접되어 전기적으로 연결되고, 제1 버스바(200a)의 하부에서 전방으로 돌출된 제1 좌측 접촉부(231a)와 제1 버스바(200a)를 상부에서 상하 방향으로 연장된 제1 우측 접촉부(232a)와 전기적으로 연결될 수 있다.

이를 위하여, 제1 전극 리드(120a), 제1 버스바(200a), 제1 좌측 접촉부(231a) 및 제1 좌측 접촉부(231a)는 전도성 재질로 구성될 수 있다.

한편, 제1 우측 접촉부(232a)는 제2 버스바(200b)를 대향하는 표면에 제2 버스바(200b)를 향해 돌출된 제1 접촉 단자(233a)를 구비할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 전면을 도시한 도면이다.

도 5를 더 참조하면, 상술한 바와 같이, 제1 우측 접촉부(232a)는 제2 버스바(200b)를 대향하는 표면에 제1 접촉 단자(233a)가 돌출되어 형성되고, 제1 접촉 단자(233a)는 후술되는 제2 버스바(200b)의 제2 접촉부(210b)에 형성된 제2 접촉 단자(220b)와 접촉할 수 있다.

이때, 제1 접촉 단자(233a)와 제2 접촉 단자(220b)의 접촉 여부에 따라 제1 배터리 셀(110a)과 제2 배터리 셀(110b) 각각에 연결된 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b)가 전기적으로 연결되거나 차단될 수 있다.

이러한, 제1 접촉 단자(233a)와 제2 접촉 단자(220b)가 접촉되거나 이격되는 구성에 대해서는 후술하여 설명하도록 한다.

한편, 제2 버스바(200b)는 전방을 향해 돌출되고, 플레이트 형태로 형성된 제2 접촉부(210b)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 접촉부(210b)는 하부가 제2 버스바(200b)의 타단으로부터 전방을 향해 돌출되고 상부가 상하 방향으로 연장된 형태로 형성될 수 있다.

즉, 제2 전극 리드(120b)는 제2 버스바(200b)의 전방 표면에 용접될 수 있으며, 이에 따라, 제2 전극 리드(120b)와 제2 버스바(200b)는 전기적으로 연결될 수 있다.

이를 위하여, 제2 전극 리드(120b) 및 제2 버스바(200b)는 전도성 재질로 구성될 수 있다.

한편, 제2 접촉부(210b)는 제1 버스바(200a)를 대향하는 표면에 제1 버스바(200a)를 향해 돌출된 제2 접촉 단자(220b)가 형성될 수 있다. 즉, 제2 접촉 단자(220b)는 상술된 제1 접촉 단자(233a)를 향해 돌출되어 형성될 수 있다.

이러한 제2 접촉부(210b)와 제2 접촉부(210b)에 형성된 제2 접촉 단자(220b)는 고정된 상태에서 제1 접촉부(230a)의 제1 우측 접촉부(232a)가 이동됨으로써, 제1 접촉 단자(233a)가 제2 접촉 단자(220b)에 접촉되어 전기적으로 연결되거나 이격되어 전기적으로 단선될 수 있다.

상기 클램프(300)는 제1 접촉부(230a)를 파지할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 클램프(300)는 제1 접촉부(230a)의 구성 중에서 제1 우측 접촉부(232a)의 하단을 파지하여 외부로부터 인가되는 힘에 따라 파지한 제1 우측 접촉부(232a)를 이동시킬 수 있다.

즉, 클램프(300)는 외부로부터 인가되는 힘에 따라 파지한 제1 우측 접촉부(232a)를 이동시키고, 이에 따라, 제1 우측 접촉부(232a)에 결합된 제1 접촉 단자(233a)와 제1 좌측 접촉부(231a) 또한 함께 이동될 수 있다.

이를 위하여, 클램프(300)는 일단에서 상부를 향해 돌출된 형태로 형성된 제1 돌출부(310)와 제1 돌출부(310)와 이격되어 상부를 향해 돌출된 형태로 형성된 제2 돌출부(320)를 포함할 수 있다.

이때, 제1 돌출부(310)와 제2 돌출부(320) 사이에는 상기 제1 접촉부(230a)의 제1 우측 접촉부(232a) 하단이 삽입되어 클램프(300)에 제1 접촉부(230a)가 파지될 수 있다.

한편, 클램프(300)의 타단은 후술되는 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)의 하부와 핀 결합될 수 있다. 여기서, 핀 결합은 결합하는 두 구성의 결합 부위 중심에 각각 관통되는 핀 홀이 형성되고, 각각의 핀 홀에 핀이 삽입되어 두 구성이 결합되는 결합 방식일 수 있다. 이때, 핀 결합된 두 구성은 핀을 중심으로 외부로터 인가되는 힘에 따라 회전될 수 있다.

상기 클램프 이동부(400)는 상기 클램프(300)와 결합되어 제1 접촉부(230a)의 제1 접촉 단자(233a)가 제2 접촉부(210b)의 제2 접촉 단자(220b)로부터 이격되도록 탄성력을 이용하여 클램프(300)를 이동시킬 수 있다.

이를 위하여, 클램프 이동부(400)는 탄성 부재(410), 탄성력 전환부(420) 및 제1 지지부(430)를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 탄성 부재(410)는 일단이 탄성력 전환부(420)의 상부에 지지되고, 타단과 중심이 제1 지지부(430)에 고정되어 탄성력 전환부(420)에 탄성력을 제공할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 탄성 부재(410)는 타단이 제1 지지부(430)의 지지 홈(431)에 삽입되어 고정되고, 중심이 제1 지지부(430)의 돌기(432)에 삽입되어 고정되며. 일단이 탄성력 전환부(420)의 상부에 지지되어 a 방향으로 가압됨으로써, 탄성력 전환부(420)의 상부에 탄성력(F1)을 인가시킬 수 있다.

여기서, 탄성 부재(410)는 토션(Tortion) 스프링일 수 있다.

탄성력 전환부(420)는 상부와 하부가 각각 탄성 부재(410)와 클램프(300)와 결합되고, 탄성 부재(410)로부터 인가된 탄성력의 방향을 전환하여 제1 접촉부(230a)의 제1 접촉 단자(233a)가 제2 접촉부(210b)의 제2 접촉 단자(220b)로부터 이격되도록 클램프(300)를 이동시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 탄성력 전환부(420)는 중심에 제1 지지부(430)의 돌출 핀(433)과 핀 결합되어 탄성 부재(410)로부터 상부에 인가되는 탄성력을 b 방향으로 전환함으로써, 하부에 결합된 클램프(300)를 b 방향으로 이동시킬 수 있다.

이때, 제1 배터리 셀(110a)이 팽창되지 않는 경우, 후술되는 안전핀(500)이 탄성력 전환부(420)의 하부와 클램프(300)의 좌측에 걸려짐으로써 탄성력 전환부(420)는 클램프(300)를 b 방향으로 이동시킬 수 없다.

이러한, 안전핀(500)에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.

제1 지지부(430)는 제1 버스바(200a)의 전면에 결합되어 탄성 부재(410)와 탄성력 전환부(420)를 지지할 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 지지부(430)는 도 3에 도시된 바와 같이, 후면에 돌출된 형태로 결합 돌기(432)를 구비하고, 이러한 결합 돌기(432)가 제1 버스바(200a)에 관통되어 형성된 결합 홀(210a)에 삽입됨으로써, 제1 지지부(430)는 제1 버스바(200a)의 전면에 결합될 수 있다.

또한, 제1 지지부(430)는 도 5에 도시된 바와 같이, 탄성 부재(410)의 타단 위치에 대응하는 위치에 만입 형성된 지지 홈(431)이 형성되고, 탄성 부재(410)의 중심 위치에 대응하는 위치에 전면을 향해 돌출 형성된 돌기(432)가 형성될 수 있다.

이러한, 지지 홈(431)에는 탄성 부재(410)의 타단이 삽입되고, 돌기(432)에는 탄성 부재(410)의 중심이 삽입되어 제1 지지부(430)에 탄성 부재(410)가 고정될 수 있다.

한편, 제1 지지부(430)에는 전후 방향으로 관통되어 내부에 안전핀(500)의 적어도 일부가 수용되는 안전핀 홀(434, 도 3 참조)을 구비할 수 있다.

보다 구체적으로, 안전핀 홀(434)은 안전핀(500)의 직육면체 형상에 대응하는 형상으로 클램프 이동부(400)를 관통하여 형성되고, 제1 배터리 셀(110a)이 팽창하기 전에는 안전핀 홀(434) 내에 안전핀(500)의 적어도 일부가 수용되고, 나머지 일부의 안전핀(500)은 안전핀 홀(434)의 외부로 돌출될 수 있다.

이때, 돌출된 안전핀(500)은 도 5에 도시된 바와 같이, 클램프(300)와 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420) 하부가 b 방향으로 이동하는 것을 차단할 수 있다.

안전핀(500)은 상술한 바와 같이, 제1 접촉부(230a)의 제1 접촉 단자(233a)가 제2 접촉부(210b)의 제2 접촉 단자(220b)와 접촉된 상태를 유지하도록 클램프(300)와 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420) 하부를 지지하여 클램프(300)의 이동을 제한할 수 있다.

이하에서는 제1 배터리 셀(110a)이 팽창하는 경우, 상술된 안전핀(500)을 클램프(300)와 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)로부터 이격시키는 안전핀 제거부(600)에 대해 설명하도록 한다.

도 6은 제1 배터리 셀이 팽창하기 전에 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 상부를 도시한 도면이고, 도 7은 제1 배터리 셀이 팽창한 후 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 상부를 도시한 도면이며, 도 8은 제1 배터리 셀이 팽창한 후 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분에 대한 전면을 도시한 도면이다.

도 6 내지 도 8을 더 참조하면, 안전핀 제거부(600)는 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)를 통해 클램프(300)가 b 방향으로 이동되도록 제1 배터리 셀(110a)의 체적 증가로 인한 팽창력을 이용하여 안전핀(500)을 클램프(300)와 클램프 이동부(400)로부터 이격시킬 수 있다.

이를 위하여, 안전핀 제거부(600)는 샤프트(610), 팽창력 전환부(620), 제2 지지부(630)를 포함할 수 있다.

샤프트(610)는 제1 버스바(200a)를 후방에서 전방으로 관통하여 일단이 안전핀(500)과 접촉하고 타단은 팽창력 전환부(620)의 일단과 접촉할 수 있다.

이때, 샤프트(610)는 제1 배터리 셀(110a)이 정상인 경우와 제1 배터리 셀(110a)이 비정상으로 팽창된 경우의 체적 차이만큼 안전핀(500)을 안전핀 홀(434) 외부로 밀어낼 수 있다.

즉, 샤프트(610)는 제1 배터리 셀(110a)이 정상인 경우, 안전핀(500)의 일부만이 안전핀 홀(434) 외부로 돌출되도록 안전핀(500)을 안전핀 홀(434) 내부에 위치시킴으로써, 클램프(300)와 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)가 b 방향으로 이동하는 것을 제한할 수 있다.

반대로, 샤프트(610)는 제1 배터리 셀(110a)이 비정상적으로 팽창된 경우, 팽창력 전환부(620)로부터 타단에 힘을 안전핀(500)을 안전핀 홀(434) 외부로 밀어냄으로써, 안전핀(500)을 클램프(300)와 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)로부터 이격시켜 클램프(300)와 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)가 b 방향으로 이동될 수 있다.

여기서, 샤프트(610)의 타단에 인가되는 힘은 제1 배터리 셀(110a)이 비정상적으로 팽창하여 발생하는 팽창력이 팽창력 전환부(620)에 인가되는 경우, 팽창력 전환부(620)가 방향을 전환한 팽창력일 수 있다.

보다 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 팽창력 전환부(620)는 절곡된 형태로 형성되어 일단이 샤프트(610)의 타단과 접촉하고, 타단을 통해 상기 제1 배터리 셀(110a)로부터 팽창력을 인가받으며, 인가된 팽창력의 방향을 전환하여 상기 샤프트(610)에 인가시킬 수 있다.

즉, 팽창력 전환부(620)의 일단에는 팽창한 제1 배터리 셀(110a)로부터 c 방향으로 팽창력이 인가되고, 팽창력 전환부(620)는 인가된 팽창력의 방향을 d 방향으로 전환하여 샤프트(610)의 타단에 인가시킬 수 있다.

이를 위하여, 팽창력 전환부(620)의 중심은 제2 지지부(630)와 핀 결합될 수 있으며, 핀 결합 지점을 중심으로 회전함으로써, 상술된 팽창력의 방향을 전환할 수 있다.

제2 지지부(630)는 제1 버스바(200a)의 후면에 결합되어 팽창력 전환부(620)를 지지할 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 지지부(630)는 전면과 후면을 구성하는 2개의 지지 플레이트로 구성되고, 2개의 지지 플레이트 중심에는 지지 핀이 2개의 지지 플레이트로부터 수직한 방향으로 결합될 수 있다.

이때, 제2 지지부(630)의 지지 핀이 팽창력 전환부(620) 중심을 관통하여 형성된 홀에 삽입되어 핀 결합을 형성할 수 있다.

이러한 본 발명의 구성에 따르면, 제1 배터리 셀(110a)에 비정상적인 팽창이 발생하는 경우, 제1 배터리 셀(110a)은 팽창력 전환부(620)를 향해 팽창력을 인가시키고, 팽창력 전환부(620)는 팽창력의 방향을 전환하여 샤프트(610)에 인가시킴으로써, 샤프트(610)에 접촉된 안전핀(500)을 안전핀 홀(434) 외부로 돌출시킬 수 있다.

이에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 안전핀 홀(434)에서 완전이 돌출된 안전핀(500)은 제1 지지부(430)의 하부로 추락하여 클램프(300)와 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)로부터 이격될 수 있다.

이후, 안전핀(500)에 의해 이동이 제한되었던 클램프(300)는 클램프 이동부(400)의 탄성력 전환부(420)로부터 방향이 전환된 탄성력을 인가받아 제2 버스바(200b)로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다.

이를 통해, 클램프(300)에 파지된 제1 접촉부(230a)의 제1 우측 접촉부(232a) 또한 제2 버스바(200b)로부터 멀어지는 방향으로 이동함으로써, 제1 접촉부(230a)의 제1 접촉 단자(233a)와 제2 접촉부(210b)의 제2 접촉 단자(220b)가 이격되어 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b) 간의 전기적 연결이 차단될 수 있다.

정리하면, 제1 배터리 셀(110a)의 비정상적인 팽창으로 인한 팽창력이 안전핀 제거부(600)를 통해 안전핀(500)을 클램프(300)로부터 이격시키고, 안전핀(500) 이동부로부터 인가되는 탄성력이 안전핀(500)으로부터 이동이 제한된 클램프(300)에 인가되어 클램프(300)가 제2 버스바(200b)로부터 멀이지는 방향으로 이동함으로써, 제1 버스바(200a)와 제2 버스바(200b) 간의 전기적 연결이 차단될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀의 비정상적인 팽창시 정확하게 버스바 간의 전기적 연결을 차단함으로써, 배터리 모듈의 과충전을 방지하여 배터리 모듈의 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 배터리 셀이 비정상적인 작동 상태가 아닌 정상적인 작동 상태일 때에도 일정한 팽창과 수축을 반복하는 현상에 대응하여 비정상적인 작동 상태에 따른 배터리 셀의 팽창 정도에만 버스바 간의 전기적 연결을 차단함으로써 배터리 셀이 정상적인 범위 내에서 팽창 시에도 단전되는 현상을 방지할 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 클램프, 클램프 이동부, 안전핀, 안전핀 제거부를 구비하여 배터리 셀의 비정상적인 팽창 시 버스바 간의 전기적 연결을 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: 클램프 400: 클램프 이동부
500: 안전핀 600: 안전핀 제거부

Claims (10)

1. 서로 인접하는 한 쌍의 제1 배터리 셀을 포함하는 제1 셀 그룹;
   서로 인접하는 한 쌍의 제2 배터리 셀을 포함하는 제2 셀 그룹;
   상기 한 쌍의 제1 배터리 셀 각각의 제1 전극 리드와 결합되어 상기 한 쌍의 제1 배터리 셀을 병렬로 연결하며, 또한 상기 제1 전극 리드의 연장 방향을 따라 전방으로 돌출되는 제1 접촉부를 구비하는 제1 버스바;
   상기 한 쌍의 제2 배터리 셀 각각의 제2 전극 리드와 결합되어 상기 한 쌍의 제2 배터리 셀을 병렬로 연결하며, 또한 상기 제2 전극 리드의 연장 방향을 따라 전방으로 돌출되는 제2 접촉부를 구비하는 제2 버스바;
   상기 제1 버스바의 전면에 배치되며, 상기 제1 접촉부를 파지하는 클램프;
   상기 제1 버스바의 전면에 배치되며, 상기 클램프와 결합되고, 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부로부터 이격되는 방향으로 힘을 받도록 상기 클램프에 탄성 복원력을 가하는 클램프 이동부;
   상기 제1 버스바의 전면에 배치되며, 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부와 접촉된 상태를 유지하여 상기 제1 셀 그룹과 제2 셀 그룹의 직렬 연결 상태가 유지되도록 상기 클램프와 상기 클램프 이동부를 지지하여 상기 클램프의 이동을 제한하는 안전핀; 및
   상기 제1 버스바의 후면에 배치되며, 상기 제1 버스바를 관통하는 샤프트 및 상기 제1 배터리 셀의 체적 증가로 인한 팽창력에 따라 상기 샤프트가 상기 안전핀을 향하는 방향으로 이동하여 상기 안전핀을 전방으로 밀어냄으로써 상기 클램프 이동부가 탄성 복원력에 의해 상기 클램프를 이동시켜 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부로부터 이격되도록 하여 상기 제1 셀 그룹과 제2 셀 그룹 사이의 직렬 연결이 차단되도록 하는 팽창력 전환부를 포함하는 안전핀 제거부;
   를 포함하는 배터리 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 클램프는
   일단에서 상부를 향해 돌출된 형태로 형성된 제1 돌출부; 및
   상기 제1 돌출부와 이격되어 상부를 향해 돌출된 형태로 형성된 제2 돌출부를 포함하고,
   상기 제1 돌출부와 상기 제2 돌출부 사이에는 상기 제1 접촉부가 삽입되어 상기 클램프에 상기 제1 접촉부가 파지되는 배터리 모듈.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 클램프 이동부는
   탄성력을 제공하는 탄성 부재; 및
   상부와 하부가 각각 상기 탄성 부재와 상기 클램프와 결합되고, 상기 탄성 부재로부터 인가된 탄성력의 방향을 전환하여 상기 제1 접촉부가 상기 제2 접촉부로부터 이격되도록 상기 클램프를 이동시키는 탄성력 전환부를
   포함하는 배터리 모듈.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 클램프 이동부는
   상기 제1 버스바의 전면에 결합되어 상기 탄성 부재와 상기 탄성력 전환부를 지지하고, 전후 방향으로 관통되어 내부에 상기 안전핀의 적어도 일부가 수용되는 안전핀 홀을 구비하는 제1 지지부를
   더 포함하는 배터리 모듈.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 안전핀은
   일부가 상기 안전핀 홀의 외측으로 돌출되고, 나머지 일부가 상기 안전핀 홀의 내부에 수용되며, 상기 안전핀 홀의 외측으로 돌출된 일부가 상기 클램프 및 상기 클램프 이동부와 접촉하여 상기 탄성력에 의한 상기 클램프 및 상기 클램프 이동부의 이동을 제한하는 배터리 모듈.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 팽창력 전환부는
   절곡된 형태로 형성되어 일단이 상기 샤프트의 타단과 접촉하고, 타단을 통해 상기 제1 배터리 셀로부터 팽창력을 인가받으며, 상기 인가된 팽창력의 방향을 전환하여 상기 샤프트에 인가시키는 배터리 모듈.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 안전핀 제거부는
   상기 제1 버스바의 후면에 결합되어 상기 팽창력 전환부를 지지하는 제2 지지부를
   더 포함하는 배터리 모듈.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 안전핀 제거부는
   상기 제1 배터리 셀의 내측 전방에 위치하는 가스 포켓(Gas Pocket)의 체적 증가로 인한 팽창력을 이용하여 상기 안전핀을 상기 클램프와 상기 클램프 이동부로부터 이격시키는 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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