KR102308168B1 - 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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 셀의 체적 증가에 따라 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 회동함으로써 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시키는 단락 플레이트를 포함하는 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{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 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 셀의 체적 증가에 따라 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 회동함으로써 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시키는 단락 플레이트를 포함하는 단락부; 및 상기 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지;를 포함한다.

상기 단락부는, 상기 스웰링의 발생 전에는 상기 제1 버스바 및 제2 스바의 회동 경로 상에 위치하되, 상기 스웰링이 발생되면 제2 배터리 셀의 체적 증가에 따라 상기 단락 단자의 회동 경로 상에서 벗어난 위치로 이동하여 상기 단락 플레이트가 제1 버스바 및 제2 버스바와 접촉될 수 있도록 하는 안전 플레이트를 포함할 수 있다.

상기 단락 플레이트는 도전성 재질로 이루어지고, 상기 안전 플레이트는 절연성 재질로 이루어질 수 있다.

상기 단락부는, 일측 단부에 상기 단락 플레이트의 일측이 걸림 고정될 수 있도록 형성된 후크부를 구비하며, 상기 제1 배터리 셀의 체적 증가에 따른 팽창력을 직접 인가 받아 회동하는 제1 토션 바; 및 상기 제1 토션 바의 회동에 따라 상기 후크부에 의한 상기 단락 단자의 고정 상태가 해제되는 경우 상기 단락 플레이트를 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 회동시키는 토션 스프링;을 포함할 수 있다.

상기 단락부는, 일측 단부가 상기 안전 플레이트와 연결되며, 상기 제2 배터리 셀의 팽창력을 직접 인가 받아 회동하여 상기 안전 플레이트를 상기 단락 플레이트로부터 멀어지는 방향으로 슬라이딩 시키는 제2 토션 바를 포함할 수 있다.

상기 카트리지는, 내측에 상기 단락부의 외형에 대응되는 형상의 수용 공간이 형성되어 상기 단락부를 내측에 수용할 수 있다.

상기 제1 버스바 및 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는 상기 단락이 발생되는 경우 파단되어 단락 전류를 차단하는 파단부를 구비할 수 있다.

상기 파단부는, 노치의 형성에 의해 주변 영역보다 단면적이 상대적으로 작아진 형태를 가질 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 포함한다.

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 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(113)는 후술할 카트리지(300)에 형성된 수용 홈들에 각각 삽입되어 고정되는데, 이에 대해서는 상세히 후술하기로 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 체결 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 스웰링 현상이 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.

또한, 상기 카트리지(300)는 후술할 단락부(400)의 형태에 대응되는 형상을 갖는 수용 공간을 구비하고, 버스바(510,520), 전극 리드(111,112) 및 리드 집합체(113)가 각각 삽입/고정되는 제1 수용 홈(310), 제2 수용 홈(320) 및 제3 수용 홈(330)을 구비한다.

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 구성요에 해당한다.

이러한 단락부(400)는 단락 플레이트(410), 제1 토션 바(420), 토션 스프링(430), 안전 플레이트(440) 및 제2 토션 바(450)를 포함하는 형태로 구현될 수 있으며, 이에 추가적으로 안전 스프링(S)을 더 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.

상기 단락 플레이트(410)는, 회동 가능하도록 중심부를 기준으로 하여 회동 가능하도록 카트리지(300) 내에 설치된다. 이러한 단락 플레이트(410)는 제1 배터리 셀의 체적 증가에 따라 제1 버스바(510) 및 제2 버스바(520)를 향해 회동하여 제1 버스바(510) 및 제2 버스바(520) 사이를 전기적으로 연결시킨다.

상기 제1 버스바(510) 및 제2 버스바(520)는 후술할 바와 같이 각각 셀 적층체(100)의 제1 극성 및 제2 극성과 연결되어 서로 다른 극성을 갖는 것이기에, 이처럼 제1 버스바(510)와 제2 버스바(520) 사이가 전기적으로 연결되면 단락이 발생된다. 즉, 본원발명에 따른 배터리 모듈은, 스웰링 발생 시에 단락 플레이트(410)의 움직임을 이용하여 단락을 의도적으로 발생시키고 이로써 발생되는 단락 전류를 이용하여 한 쌍의 버스바(510,520) 중 적어도 어느 하나를 파단시킴으로써 회로 전체의 전류를 완전하게 차단할 수 있는 것이다. 이러한 단락 플레이트(410)의 기능을 고려하여 그 재질은 도전성을 갖는 재질로 이루어지게 된다.

상기 제1 토션 바(420)는 제1 배터리 셀의 팽창력이 인가되지 않았을 때는 단락 플레이트(410)를 고정시켜 움직임을 제한하고, 제1 배터리 셀의 팽창력이 인가되면 단락 플레이트(410)의 고정 상태가 해제되도록 한다.

상기 제 1토션 바(420)는 중심부를 회전 축으로 하여 회동 가능하도록 카트리지(300) 내에 설치된다. 이러한 제1 토션 바(420)는 일측 단부에 상기 단락 플레이트(410)의 일측이 걸림 고정될 수 있도록 형성된 후크부를 구비하며, 타측 단부가 제1 배터리 셀의 체적 증가에 따른 팽창력을 직접 인가 받아 중심부를 기준으로 하여 회동한다.

상기 제1 토션 바(420)가 회동하여 단락 플레이트(410)의 걸림 상태가 해제되면 단락 플레이트는 토션 스프링(430)의 복원력에 의해 버스바(510,520)를 향해 회동하게 된다.

즉, 상기 토션 스프링(430)의 일 측은 상기 단락 플레이트(410)에 부착되어 있고, 타측은 카트리지(300) 내에 고정되어 있어, 제1 토션 바(420)에 의해 단락 플레이트(410)가 고정 상태를 유지할 때는 토션 스프링(430)이 복원 에너지를 저장하고 있고 이러한 고정 상태가 해제되면 토션 스프링(430)은 복원력을 이용하여 단락 플레이트(410)를 버스바(510,520)를 향하는 방향으로 이동시키는 것이다.

한편, 상기 제1 토션 바(420)와 카트리지(300)의 내벽면 사이에는 적어도 하나 이상의 탄성체(S)가 설치될 수 있으며, 이경우 상기 탄성체(S)는 스웰링이 발생되지 않은 일반적인 상황에서 제1 토션 바(420)와 단락 플레이트(410) 사이의 걸림 고정 상태가 유지될 수 있도록 한다. 상기 탄성체(S)로는 스폰지, 스프링 등이 이용될 수 있다.

상기 안전 플레이트(440)는 비도전성 재질로 이루어지는 것으로서, 스웰링 현상이 발생되지 않은 경우에 있어서, 단락 플레이트(410)가 오작동으로 인해 버스바(510,520)를 향해 회동하더라도, 단락 플레이트(410)와 버스바(510,520)가 상호 접촉되지 않도록 하기 위해 단락 플레이트(410)의 회동 경로 상에 위치하는 구성요소이다.

이러한 안전 플레이트(440)는 스웰링의 발생에 따라 제2 배터리 셀(제1 배터리 셀과는 구별되는 다른 배터리 셀)의 팽창력을 간접적으로 절달 받아 단락 플레이트(410)와 간섭되지 않는 위치로 이동될 수 있다.

즉, 상기 안전 플레이트(440)는 스웰링의 발생에 따른 제2 배터리 셀의 팽창력을 인가 받아 회동되는 제2 토션 바(450)에 의해 슬라이딩 되어 단락 플레이트(410)의 회동 경로 상에서 벗어난 위치로 이동하여 단락 플레이트(410)가 제1 버스바(520) 및 제2 버스바(520)와 접촉될 수 있도록 한다.

상기 제2 토션 바(450)는 중심부를 회전축으로 하여 회동 가능하도록 카트리지(300) 내에 설치된다. 이러한 제2 토션 바(450)의 일측 단부는 안전 플레이트(410)의 일측에 연결되고 타측 단부는 제2 배터리 셀에 인접한 위치에 배치되어 제2 배터리 셀의 팽창력을 직접 인가 받는다. 이처럼 제2 배터리 셀의 팽창력이 인가되면 제2 토션 바(450)는 회동하고, 이로써 제2 토션 바(450)의 일측 단부에 연결된 안전 플레이트(440)는 단락 플레이트(410)의 회동 경로 상에서 벗어나도록 슬라이딩 된다.

상기 제2 토션 바(450)와 카트리지(300)의 내벽면 사이에는 적어도 하나 이상의 탄성체(S)가 설치될 수 있으며, 이경우 상기 탄성체(S)는 스웰링이 발생되지 않은 일반적인 상황에서 제2 토션 바(450)가 동작하지 않도록 하고 이로써 안전 플레이트(440)가 불필요하게 움직여 단락 플레이트(410)의 회동 경로 상에서 벗어나지 않도록 한다. 상기 탄성체(S)로는 스폰지, 스프링 등이 이용될 수 있다.

한편, 본원이 도 4에 도시된 상태는 스웰링이 발생되지 않은 경우를 나타내는 것이며, 각 구성요소의 움직임의 방향을 나타내는 화살표는 스웰링의 발생에 따라 각각의 구성요소들이 움직이는 방향을 나타내는 것이다.

즉, 스웰링이 발생되지 않은 경우에는 제1 토션 바(420)에 의해 단락 플레이트(410)가 걸림 고정되어 버스바(510,520)와 단락 플레이트(410) 간의 접촉이 일어나지 않고, 또한 배터리 모듈에 충격이 가해지는 등의 상황이 발생하여 단락 플레이트(410)가 회동하더라도, 회동 경로 상에는 안전 플레이트(440)가 배치되어 있기 때문에 단락 플레이트(410)와 버스바(510,520)의 접촉은 발생되지 않는다.

반면, 스웰링의 발생에 따라 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀이 팽창하게 되면, 각 구성요소들은 화살표 방향으로 움직이게 되어 단락 플레이트(410)와 버스바(510,520)가 서로 접촉되고 이로써 회로에 단락이 발생되는 것이다.

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(310) 내에 수용/고정되며 그 일측 단부는 카트리지(300)의 제3 수용 홈(330) 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. 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.

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.

100: 셀 적층체
110: 배터리 셀
111, 112: 전극 리드
113: 리드 집합체
200: 엔드 플레이트
H: 체결 홀
300: 카트리지
310: 제1 수용 홈
320: 제2 수용 홈
330: 제3 수용 홈
400: 단락부
410: 단락 플레이트
420: 제1 토션 바
430: 토션 스프링
440: 안전 플레이트
450: 제2 토션 바
안전 스프링(S)
500: 버스바
510: 제1 버스바
520: 제2 버스바
511, 521: 파단부

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 셀의 스웰링에 따라 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 회동함으로써 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 전기적으로 연결시켜 단락을 발생시키는 단락 플레이트를 포함하는 단락부; 및
   상기 제1 버스바, 제2 버스바 및 단락부의 적어도 일부를 수용 또는 지지하는 카트리지;
   를 포함하며,
   상기 단락부는,
   상기 스웰링의 발생 전에는 상기 제1 버스바 및 제2 버스바의 회동 경로 상에 위치하되, 상기 스웰링이 발생되면 제2 배터리 셀의 체적 증가에 따라 상기 단락 단자의 회동 경로 상에서 벗어난 위치로 이동하여 상기 단락 플레이트가 제1 버스바 및 제2 버스바와 접촉될 수 있도록 하는 안전 플레이트를 포함하고, 또한
   상기 단락부는,
   일측 단부가 상기 안전 플레이트와 연결되며, 상기 제2 배터리 셀의 팽창력을 직접 인가 받아 회동하여 상기 안전 플레이트를 상기 단락 플레이트로부터 멀어지는 방향으로 슬라이딩 시키는 제2 토션 바를 포함하는 배터리 모듈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 단락 플레이트는 도전성 재질로 이루어지고, 상기 안전 플레이트는 절연성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단락부는,
   일측 단부에 상기 단락 플레이트의 일측이 걸림 고정될 수 있도록 형성된 후크부를 구비하며, 상기 제1 배터리 셀의 체적 증가에 따른 팽창력을 직접 인가 받아 회동하는 제1 토션 바; 및
   상기 제1 토션 바의 회동에 따라 상기 후크부에 의한 상기 단락 단자의 고정 상태가 해제되는 경우 상기 단락 플레이트를 상기 제1 버스바 및 제2 버스바를 향해 회동시키는 토션 스프링;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 카트리지는,
   내측에 상기 단락부의 외형에 대응되는 형상의 수용 공간이 형성되어 상기 단락부를 내측에 수용하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
7. 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.
8. 제7항에 있어서,
   상기 파단부는,
   노치의 형성에 의해 주변 영역보다 단면적이 상대적으로 작아진 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
9. 제1항, 제3항, 제4항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
10. 제1항, 제3항, 제4항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.

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