KR102435426B1 - 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈 - Google Patents

버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈 Download PDF

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배광우
곽성복
이재용
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Abstract

버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈이 개시된다. 본 발명에 따른 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈은, 복수의 배터리셀이 적층된 배터리부를 내측에 수납하여 이루어지는 배터리모듈로서, 상기 배터리부의 양측면을 지지하는 한 쌍의 측면커버; 상기 배터리부의 상면과 하면을 각각 덮도록 배치되는 상,하부커버; 상기 배터리부의 전면과 후면을 각각 지지하도록 배치되고, 상기 배터리셀의 리드탭에 접속되는 버스바가 적어도 어느 하나에 장착되는 제1,2 브라켓; 및 상기 제1 브라켓 및 상기 제2 브라켓 중 적어도 어느 하나에 대하여 회동가능하게 구비되어 상기 버스바를 밀폐시키는 회동시 상기 버스바의 일면에 접촉하도록 절곡된 상기 리드탭을 가압하며 전기적으로 접속시키는 전,후방커버를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 복수의 배터리셀이 적층된 배터리부의 전면과 후면을 각각 지지하도록 배치되고, 배터리셀의 리드탭에 접속되는 버스바가 적어도 어느 하나에 장착되는 제1,2 브라켓에 대하여 회동가능하게 구비된 전,후방커버가 버스바를 밀폐시키는 회동시 버스바의 일면에 접촉하도록 절곡된 리드탭을 가압함에 따라, 복수의 버스바와 리드탭 모두는 용접 없이도 일거에 전기적으로 견고하게 접속될 수 있어 배터리모듈의 제작시간 및 비용이 절감될 수 있다.

Description

버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈{BATTERY MODULE CONFIGURED TO CONNECT BUSBARS AND LEAD TABS WITHOUT WELDING}
본 발명은, 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 용접에 의하지 않고 버스바와 리드탭간을 가압하여 전기적으로 접속시키는 배터리모듈에 관한 것이다.
2차 전지는 충전할 수 없는 일차전지와는 달리, 충전과 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 최근 급속한 기술 발전에 따라 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(ESS), 전기 자동차(EV, Electric Vehicle, Energy Storage System) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)의 동력원 등으로 그 활용의 폭이 점차 확대되고 있다.
2차 전지 즉, 충방전이 가능한 전지는, 최근 급속한 기술 발전에 따라 소형 전자기기뿐만 아니라 중대형의 자동차나 전력저장장치에도 근래 들어 널리 이용되고 있다.
현재 저장 시스템(ESS)이나 전기 자동차(EV) 등에 널리 사용되는 2차 전지는 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 분류될 수 있는데, 이러한 2차 전지는 하나의 단위 셀당 대략 25V 내지 42V의 출력 전압으로 충방전을 반복하게 된다.
따라서 보다 높은 출력 전압과 전력 용량이 요구되는 경우, 여러 개의 배터리셀을 직렬로 연결하여 배터리모듈을 구성하거나 이러한 배터리모듈을 다시 여러 개 직,병렬로 연결하고 기타 회로를 추가하여 배터리팩을 구성하게 된다.
즉, 배터리모듈은 다수의 2차 전지가 중단위로 묶인 집합체를 의미하고, 배터리팩은 용량 및 출력 등을 높이기 위해 다시 배터리모듈이 집합되어 이루어진 대단위의 집합체를 의미한다고 할 수 있다.
이러한 배터리팩에 포함되는 배터리셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 전력 용량에 따라 다양하게 증감될 수 있다.
특히, 적층 배치가 용이하다는 장점으로 인해 상술한 전기 자동차 등에 많이 적용되는 파우치형 배터리셀은, 인접한 배터리셀의 리드탭을 서로 전기적으로 연결하는 버스바를 매개로 배터리모듈을 구성하게 된다.
이때, 버스바와 리드탭 간의 전기적인 연결은, 적층된 배터리셀 각각에 형성된 리드탭을 버스바에 접촉하도록 절곡시킨 후 용접과 같이 견고한 접합력으로 통전을 유지시키는 연결 방식에 의해 이루어지고 있다.
보다 구체적으로 종래의 배터리모듈을 제조하는 방법인 대한민국공개특허 제10-2021-0050338호(공개일: 2021년05월07일)는, 먼저 복수의 파우치 타입 배터리셀로부터 인출된 각각의 전극 리드탭 중 병렬 연결되는 배터리셀들의 전극 리드탭의 일단부를 모아서 버스바의 슬릿에 삽입시킨 후 절곡시켜 버스바 상에 위치시키고, 가압 지그를 통해 전극 리드탭을 버스바 쪽으로 가압하여 전극 리드탭을 버스바에 밀착시키고 나서, 전극 리드탭과 버스바의 중첩 부위에 레이저를 단순히 한 줄 또는 두 줄 형태로 출사시켜 전극 리드탭과 버스바 간을 오버랩(overlap) 방식으로 용접하는 기술을 도 1 내지 3에서 제시하고 있다.
그러나 이와 같은 종래의 배터리모듈의 전기적 접속방법은, 얇은 리드탭과 버스바의 중첩 부위에 레이저를 단순히 한 줄 또는 두 줄 형태로 출사하는 용접방식이기 때문에, 기본적으로 용접의 접합력이 약하여 배터리셀의 스웰링 현상시 중첩된 리드탭이 서로 분리되거나 버스바로부터 리드탭이 탈락되어 전기적 단절이 발생할 수 있고, 중첩 부위의 버스바 상에 절곡된 리드탭이 하나인 경우와 2개 이상이 배치된 경우를 구체적으로 구분하지 않고 레이저를 출사하여 용접작업을 수행할 경우, 중첩 정도가 서로 다른 영역에 대한 용접의 품질이 균일하지 못한 문제가 있다.
또한, 종래의 용접방식은, 리드탭이 버스바 일면에 접촉하도록 절곡시킨 후 별도의 장비인 레이저 용접장치를 이용하여 일일이 용접작업을 수행해야 하기 때문에 배터리모듈의 조립시간과 비용을 상승시키는 주요한 원인이 되고 있다.
따라서, 절곡을 통해 상호 접촉하게 되는 리드탭과 버스바 간을 용접이 아닌 다른 방식으로 신속하고 균일하게 전기적으로 결속 내지 접속시킬 수 있는 방안에 대한 연구와 개발이 필요한 실정이다.
대한민국공개특허 제10-2021-0050338호(공개일: 2021년05월07일)
본 발명의 목적은, 상호 접촉하도록 절곡된 리드탭과 버스바 간을 용접이 아닌 기계적 가압방식으로 신속하고 균일하게 전기적으로 결속 내지 접속시킬 수 있는 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 복수의 배터리셀이 적층된 배터리부를 내측에 수납하여 이루어지는 배터리모듈로서, 상기 배터리부의 양측면을 지지하는 한 쌍의 측면커버; 상기 배터리부의 상면과 하면을 각각 덮도록 배치되는 상,하부커버; 상기 배터리부의 전면과 후면을 각각 지지하도록 배치되고, 상기 배터리셀의 리드탭에 접속되는 버스바가 적어도 어느 하나에 장착되는 제1,2 브라켓; 및 상기 제1 브라켓 및 상기 제2 브라켓 중 적어도 어느 하나에 대하여 회동가능하게 구비되어 상기 버스바를 밀폐시키는 회동시 상기 버스바의 일면에 접촉하도록 절곡된 상기 리드탭을 가압하며 전기적으로 접속시키는 전,후방커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈에 의해 달성된다.
상기 전방커버 및 상기 후방커버 중 적어도 어느 하나는, 상기 측면커버에 회전가능하게 축결합되어 상기 버스바를 밀폐 또는 개방시키는 방열플레이트; 및 절곡된 상기 리드탭이 가압되어 상기 버스바에 접속되도록, 상기 방열플레이트의 내측에 돌출형성된 복수의 가압돌기부를 포함할 수 있다.
상기 가압돌기부는, 상기 리드탭의 손상방지와 상기 리드탭에 대한 일정한 가압을 위해, 내열성의 탄성소재로 제작된 가압단부를 포함할 수 있다.
상기 전방커버 및 상기 후방커버 중 적어도 어느 하나는, 상기 배터리부의 열폭주시 발생되는 가스에 의해 파열되어 외부로 가스를 배출하는 파열부를 더 포함할 수 있다.
상기 파열부는, 주변보다 얇은 두께로 성형되어 상기 배터리부에서 발생된 소정 압력 이상의 가스에 의해 파열되는 절개라인; 및 파열된 상기 절개라인에 의해 상기 방열구를 향해 열리도록 안내되어 가스를 외부로 배출하는 방출도어를 포함할 수 있다.
상기 전방커버 및 상기 후방커버 중 적어도 어느 하나는, 경량화를 위해 내부에 중공이 형성되도록, 절연성 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱을 소재로 사출 블로우성형되고, 상기 중공에는, 상기 파열부의 파열시 유출되어 상기 배터리부에서 발생한 전기화재를 진화할 수 있도록 하기 위해, 소정의 분말소화약제가 충진될 수 있다.
본 발명에 의하면, 복수의 배터리셀이 적층된 배터리부의 전면과 후면을 각각 지지하도록 배치되고, 배터리셀의 리드탭에 접속되는 버스바가 적어도 어느 하나에 장착되는 제1,2 브라켓에 대하여 회동가능하게 구비된 전,후방커버가 버스바를 밀폐시키는 회동시 버스바의 일면에 접촉하도록 절곡된 리드탭을 가압함에 따라, 복수의 버스바와 리드탭 모두는 용접 없이도 일거에 전기적으로 견고하게 접속될 수 있어 배터리모듈의 제작시간 및 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 전,후방커버의 개폐작동을 보여주는 측단면도이다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A에 따른 가압돌기부의 단면과 함께 파열부의 확대 단면을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1의 파열부 및 그 작동을 구체적으로 보여주는 정면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해사시도이고, 도 3은 도 1의 전,후방커버의 개폐작동을 보여주는 측단면도이고, 도 4는 도 3의 절단선 A-A에 따른 가압돌기부의 단면과 함께 파열부의 확대 단면을 보여주는 도면이고, 도 5는 도 1의 파열부 및 그 작동을 구체적으로 보여주는 정면도이다.
발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 3개의 축은 서로 대응되게 회전하여 바뀔 수 있으며, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다.
본 발명에 따른 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈(100)은, 버스바(20)의 일면에 접촉하도록 절곡된 리드탭(12)을 전,후방커버(150a,150b)를 통해 가압하여 복수의 버스바(20)와 리드탭(12) 모두를 용접 없이도 일거에 견고하게 접속되도록 하기 위해 안출된 발명이다.
위와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈(100)은, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리부(110), 측면커버(120a,120b), 상,하부커버(130a,130b), 제1,2 브라켓(140a,140b), 전,후방커버(150a,150b) 및 파열부(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는 상술한 각 구성을 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 배터리부(110)는, 소정의 출력 전압 및 전력을 형성하기 위해, 납작한 면이 횡방향으로 겹침 배치되도록 복수의 파우치형(납작한 판형상) 배터리셀(10)을 적층하여 구성될 수 있다.
이러한 배터리부(110)를 구성하는 복수의 배터리셀(10) 사이에는, 상술한 바와 같은 스웰링 현상에 의한 외형 변화를 방지하고 외부 충격으로부터 배터리셀(10)을 보호하는 폴리우레탄 등의 소재로 제작된 완충패드(미도시)가 배터리셀(10) 사이에 개재될 수 있다.
배터리셀(10)은, 전해질 속의 분리막을 사이에 두고 배치되는 양극판 및 음극판, 양극판 및 음극판을 외부의 버스바(20)와 전기적으로 연결되는 돌출된 판형상의 전극인 리드탭(12), 외피를 이루며 배터리셀(10)을 밀봉하는 피복 등으로 구성될 수 있다.
이때, 리드탭(12)은 도 2 등에 도시된 바와 같이, 전방과 후방에 각각 형성되거나, 도시된 바와 달리 전방 및 후방 중 어느 한 방향에 함께 형성될 수 있다.
위와 같은 배터리부(110)는, 이미 공지되어 상용화된 배터리셀(10)을 횡방향으로 적층시킨 구성요소에 불과하고 본 발명의 요지와는 무관하므로, 이에 대한 구조나 작동 특성 등에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 배터리모듈(100)은, 외부 충격이나 외부 환경으로부터 상술한 배터리부(110)를 수납하여 보호하는 내부공간을 형성하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 측면커버(120a,120b), 상,하부커버(130a,130b), 제1,2 브라켓(140a,140b) 및 전,후방커버(150a,150b)와 같은 복수의 판부재로 구성될 수 있다.
여기서 측면커버(120a,120b)는, 배터리셀(10)이 적층된 방향으로 스웰링 현상이 발생하는 배터리부(110)의 양측면을 지지하며 배터리부(110)에 대한 전기 절연과 방열 기능을 함께 수행하는 판상의 구성요소로서, 후술할 상,하부커버(130a,130b) 등과 볼트와 같은 다양한 체결수단에 의해 결합되거나 끼움결합될 수 있다.
다만, 본 발명의 실시예에 따른 측면커버(120a,120b)는, 스웰링 현상을 억제하는 강성은 물론, 충방전에 따라 배터리부(110)에서 발생하는 열을 외부로 방열하고 배터리부(110)에 대한 절연을 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드플레이트(122) 및 차폐플레이트(124) 등으로 구성될 수 있다.
엔드플레이트(122)는, 배터리부(110)의 작동에 따라 발생되는 열을 각각 배터리부(110)의 양쪽 옆면에서 외부로 원활히 전달하기 위해 마련된 판상의 구성요소로서, 열전도율이 우수한 알루미늄 합금판 등으로 제작되어 측면커버(120a,120b)의 외곽, 즉 바깥쪽을 형성하게 된다.
이러한 엔드플레이트(122)는, 필요한 강성 확보를 위해 소정 형태로 돌출된 보강요철(122a)이 엠보 프레스 가공으로 형성되고, 배터리부(110)에 대한 전기적 차폐를 위해 표면에 절연코팅이 이루어질 수 있다.
이때, 엔드플레이트(122)에 형성되는 소정 형상의 보강요철(122a)은, 배터리부(110)를 구성하기 위해 횡방향으로 적층된 배터리셀(10)의 스웰링 현상시 직접적인 가압력을 받게 되는 엔드플레이트(122)의 강성을 강화하기 위해 마련된 구조일 수 있다.
차폐플레이트(124)는, 배터리부(110)의 양측면을 접촉 지지 및 절연하는 한편, 배터리부(110)에서 발생된 열을 상술한 엔드플레이트(122)에 전달하기 위해 측면커버(120a,120b)의 안쪽을 형성하는 판상의 구성요소이다.
이러한 차폐플레이트(124)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 미리 제작된 엔드플레이트(122)를 금형에 인서트한 후 절연성, 내열성, 강성 및 난연성이 우수한 엔지니어링 플라스틱을 사출하여 상술한 엔드플레이트(122)와 일체로 성형될 수 있다.
물론, 차폐플레이트(124)는 상술한 엔드플레이트(122)와 별개로 사출성형된 후 끼움결합, 볼트결합 등과 같은 다양한 체결 방식에 의해 상호 결합될 수도 있다.
차폐플레이트(124)의 제조에 사용되는 엔지니어링 플라스틱은, 배터리모듈(100)의 경량화, 배터리셀(10)에 대한 전기적 차폐 및 배터리셀(10)의 발열에 대비하기 위해, PPS(Polyphenylene Sulfide), PEEK(Polyetheretherketone), TPI(Thermoplastic Polyimide), PES(Polyethersulfone), PPA(Polyphthalamide) 및 PEI(Polyetherimide) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 엔지니어링 플라스틱일 수 있다.
여기서 PPS는, 기계적 강도, 내화학성 등이 우수하고, 사용온도가 240℃인 내열성 수지로서, 난연 특성으로 인해 내열성이 요구되는 전기/기계 부품에 주로 활용되는 엔지니어링 플라스틱이다.
그리고 PEEK는, 내화학성과 내마모성이 우수하고, 사용온도가 260℃인 내열성 수지로서, 상당히 높은 온도에서도 기계적 강도나 강성의 변화가 적고, 일반 사출기를 이용하여 사출성형이 가능하다는 점에서 활용도가 높은 엔지니어링 플라스틱이다.
TPI는 내마모성, 강성, 내크리프성, 내약품성이 우수하고, 유리전이온도는 250℃인 내열성 수지로서, 전기/전자 부품, 기계, 항공 산업 신소재 부품에 주로 사용되는 엔지니어링 플라스틱이다.
PES는, 높은 치수안정성, 난연성이 대단히 우수하고, 사용온도가 150~160℃인 내열성 수지로서, 유리, 금속, 세라믹 등을 대신해서 사용할 수 있어 응용분야는 대단히 광범위한 엔지니어링 플라스틱이다.
PPA는, 내화학성이 대단히 우수하고, 낮은 수분 흡수율을 특징으로 하며, 사용온도가 185℃인 내열성 수지로서, 우수한 물리적 성질과 함께 낮은 가격으로 인해 그 활용도가 광범위한 장점이 있다.
PEI는, 고강성, 고강도, 난연성, 치수 안전성과 특히 전기적 특성이 우수하고, 사용온도가 180℃인 내열성 수지로서, 내연소성, 강성, 내약품성이 우수하여 신소재 부품에 주로 사용되는 엔지니어링 플라스틱이다.
위에 언급된 다양한 내열성 수지는, 필요한 물성을 구현하기 위해 적어도 어느 하나를 선택하고 적절히 혼합하여 차폐플레이트(124)의 사출성형에 사용될 수 있다.
그리고 방열성과 강성을 보다 강화하기 위해, 차폐플레이트(124)는, 상술한 엔지니어링 플라스틱에 그래핀(graphene) 소재 또는 알루미늄 등의 분말 등을 필러로 첨가한 플라스틱을 사출성형하여 제작될 수도 있다.
여기서 그래핀 소재는, 내열성의 합성수지에서 부족한 열전도성과 강성 등을 보완하기 위한 구성요소로서, 탄소 원자들이 육각형의 격자 즉, 벌집구조(honeycomb structure)를 이루며 2차원 평면 구조를 형성하는 차세대 신소재로서, 수㎚에서 수십㎛ 두께로 얇고 가벼우면서도 강철보다 200배 이상 강하고, 전기전도성 및 열전도성이 아주 우수하며, 탄성도 뛰어난 물리적, 화학적 특성이 있다.
상부커버(130a)와 하부커버(130b)는, 상술한 배터리부(110)의 위쪽인 상면과 아래쪽인 하면을 각각 덮도록 배치되어 배터리부(110)를 보호하고 배터리셀(10)의 화재나 폭발시 외부 확산을 차단하는 판상의 구성요소로서, 배터리모듈(100)의 위쪽면과 아래쪽면을 각각 형성하며 상술한 측면커버(120a,120b) 등과 볼트와 같은 다양한 체결수단에 의해 결합되거나 끼움결합될 수 있다.
이러한 상부커버(130a)와 하부커버(130b)는, 배터리부(110)의 작동에 따라 발생되는 열을 각각 배터리부(110)의 위쪽과 아래쪽에서 외부로 원활히 전달할 수 있도록, 보강요철 등으로 강성이 강화된 우수한 열전도율의 알루미늄 금속판 등을 절연코팅하는 방식으로 제작될 수 있다.
다만, 본 발명의 실시예에 따른 상부커버(130a) 또는 하부커버(130b)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상술한 측면커버(120a,120b)와 함께 일체를 이루도록 절연성 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱을 사출성형하여 제작될 수 있다.
이때, 상,하부커버(130a,130b)를 형성하게 되는 절연 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱은, 상술한 바와 같은 PPS, PEEK, TPI, PES, PPA 및 PEI 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고 사출성형시 부족한 상부커버(130a) 또는 하부커버(130b)의 강성과 방열성을 강화하기 위해, 그래핀(graphene) 소재 또는 알루미늄 등의 분말이 상술한 엔지니어링 플라스틱에 필러로 투입될 수 있음은 물론이다.
제1 브라켓(140a)과 제2 브라켓(140b)은, 리드탭(12)이 돌출된 배터리부(110)의 앞면인 전면과 뒷면인 후면을 각각 지지하도록 배치되는 구성요소로서, 상술한 측면커버(120a,120b)에 끼움결합되거나 볼트 등과 같은 다양한 체결수단에 의해 결합될 수 있다.
이러한 제1,2 브라켓(140a,140b)이 배터리부(110)를 마주하는 일면에는, 적층된 배터리셀(10)들이 각각 끼워지는 고정홈이 형성될 수 있고, 고정홈에 대향한 제1,2 브라켓(140a,140b)의 타면에는 버스바(20)가 장착 고정되는 안착홈이 형성될 수 있다.
여기서 버스바(20)는, 상술한 배터리셀(10)의 리드탭(12)에 전기적으로 접속되어 높은 전압의 출력을 외부로 손실 없이 안정적으로 전달하기 위해 복수 개로 마련된 막대 또는 링형상의 도전체로서, 외부 출력 케이블과의 전기적 연결을 위해 절곡된 형태의 접속단이 일측에 돌출형성될 수 있다.
이러한 버스바(20)는, 배터리셀(10)의 리드탭(12)에 의해 각각 관통된 제1,2 브라켓(140a,140b)이 측면커버(120a,120b) 등에 조립 내지 결합된 후 리드탭(12) 버스바(20)를 감싸며 버스바(20)의 일면에 접촉하도록 각각 절곡될 수 있다.
이때, 버스바(20)와 리드탭(12)이 전기적으로 견고하게 접속 내지 결속하기 위해, 종래에는 레이저 등을 이용한 용접 작업이 버스바(20)를 감싸도록 절곡된 리드탭(12)에 대하여 수행되었다.
그러나 본 발명에서는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 버스바(20)를 감싸도록 절곡된 리드탭(12)을 후술할 전,후방커버(150a,150b)를 통해 가압하는 방식으로 복수의 버스바(20)와 리드탭(12) 모두를 용접 없이도 견고하게 접속 내지 결속하게 된다.
서로 인접하는 버스바(20)는 구체적으로 도시하지 않았지만, 제1,2 브라켓(140a,140b)에 결합되는 PCB 회로기판을 매개로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제1,2 브라켓(140a,140b)은, 열전도율이 우수한 알루미늄 금속판 등에 고정홈 및 안착홈 등이 성형되도록 프레스 가공한 후 절연코팅하는 방식으로 제작할 수 있다.
또한, 위와 달리 제1,2 브라켓(140a,140b)은, 상술한 측면커버(120a,120b) 등과 마찬가지로, 절연성 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱을 사출성형하여 제작될 수도 있다.
이때, 제1,2 브라켓(140a,140b)을 형성하게 되는 절연 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱은, 상술한 바와 같은 PPS, PEEK, TPI, PES, PPA 및 PEI 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고 사출성형시 부족한 제1,2 브라켓(140a,140b)의 강성과 방열성을 강화하기 위해 그래핀(graphene) 소재 또는 알루미늄 등의 분말이 상술한 엔지니어링 플라스틱에 필러로 투입될 수 있다.
전방커버(150a)와 후방커버(150b))는, 상술한 제1 브라켓(140a) 및 제2 브라켓(140b) 중 적어도 어느 하나에 대하여 회동가능하게 구비되어 회동에 따라 외부 충격이나 이물질 등으로부터 버스바(20)를 밀폐 또는 개방시키는 구성요소로서, 제1,2 브라켓(140a,140b)과 함께 배터리모듈(100)의 전면과 후면을 각각 형성하게 된다.
이러한 전방커버(150a)와 후방커버(150b)가 버스바(20)를 밀폐하도록 회동하는 경우, 전방커버(150a)와 후방커버(150b)는, 버스바(20)의 일면에 접촉하도록 절곡된 리드탭(12)을 가압하여 버스바(20)와 리드탭(12)간을 전기적으로 견고하게 접속 내지 결속시키는 한편, 배터리부(110)에 대한 전기 절연과 방열 기능을 함께 수행하게 된다.
반대로, 전방커버(150a)와 후방커버(150b)가 버스바(20)를 개방하도록 회동하는 경우, 전방커버(150a)와 후방커버(150b)는 절곡된 리드탭(12)에 대한 가압을 해제하여 버스바(20)와 리드탭(12)간의 전기적 접속을 단절 내지 해제하게 된다.
상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 전방커버(150a)(또는 후방커버(150b))는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 방열플레이트(152) 및 가압돌기부(154) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 방열플레이트(152)는, 측면커버(120a,120b)에 대하여 상하방향으로 회동할 수 있도록 상술한 측면커버(120a,120b)와 축결합(151)을 이루며 버스바(20)를 밀폐 또는 개방시키는 작동을 수행하는 판상의 구성요소이다.
그리고 가압돌기부(154)는, 절곡된 리드탭(12)이 가압되어 버스바(20)에 견고하게 접속되도록 하기 위해 상술한 방열플레이트(152)의 내측에서 돌출형성된 구성요소로서, 전기적 접속이 요구되는 절곡된 리드탭(12)에 대응하는 개수로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방열플레이트(152)와 가압돌기부(154)는, 상술한 바와 같이 절연성 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱을 사출성형하여 일체로 제작될 수 있다.
이때, 방열플레이트(152)와 가압돌기부(154)를 형성하게 되는 절연 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱은, 상술한 바와 같은 PPS, PEEK, TPI, PES, PPA 및 PEI 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고 사출성형시 부족한 방열플레이트(152)와 가압돌기부(154)의 강성과 방열성을 강화하기 위해, 그래핀(graphene) 소재 또는 알루미늄 등의 분말이 상술한 엔지니어링 플라스틱에 필러로 투입될 수 있음은 물론이다.
한편, 가압돌기부(154)가 리드탭(12)을 직접 가압하게 되는 단부에는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 얇은 두께로 이루어진 리드탭(12)의 손상방지와 리드탭(12)에 대한 일정한 가압을 위해, 내열성의 탄성소재로 제작된 가압단부(156)가 형성될 수 있다.
이러한 가압단부(156)는, 상술한 바와 같이 절연성 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱을 소재로 1차 사출성형된 방열플레이트(152)와 가압돌기부(154)에 대하여 실리콘, 합성고무 등과 같은 연질의 탄성소재를 이중사출하여 일체로 형성될 수 있다.
위와 같이 연질의 탄성소재로 이중사출된 가압단부(156)로 인해, 버스바(20)에 대한 리드탭(12)의 전기적 접속이 일정한 탄성력에 의해 가압되어 유지됨에 따라, 배터리부(110)에 대한 전력 인출과 충전이 안정적으로 이루어질 수 있게 된다.
나아가 가압단부(156)는, 버스바(20)와 리드탭(12)을 흐르는 과전류에 따른 열 또는 배터리부(110)의 열폭주시 발생하는 열에 의해 녹아 가압력을 상실할 수 있는 연질의 탄성소재로 제작될 수 있는데, 이는 버스바(20)와 리드탭(12) 사이에서 퓨즈와 같은 역할을 수행할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 상술한 전방커버(150a)(또는 후방커버(150b)는, 배터리부(110)의 열폭주시 발생되는 가스(G)에 의해 파열되어 외부로 가스(G)를 배출하는 파열부(160)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파열부(160)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 절개라인(162), 방출도어(164) 및 회동유도라인(166) 등을 포함하는 구조로, 복수 개가 전방커버(150a)(또는 후방커버(150b))와 함께 일체로 사출성형될 수 있다.
여기서 절개라인(162)은, 배터리부(110)의 열폭주로 인해 발생되어 배터리모듈(100)의 내부공간에 소정 압력 이상으로 압축된 가스(G)에 의해 파열되는 구성요소로서, 주변보다 얇은 두께 즉, 오목한 홈형상으로 성형되어 이루어질 수 있다.
이때, 절개라인(162)의 형상은, 도 5에 도시된 바와 같이 후술할 방출도어(164)가 양쪽에 형성될 수 있는, 'I'자 또는 'T'자 형상일 수 있고, 상술한 방출구의 형상 등을 고려하여 방출도어(164)가 위쪽과 아래쪽 등에 형성될 수 있는 'X'자, 'H'자 또는 'B'자 형상 등으로 다양하게 변경될 수 있다.
방출도어(164)는, 소정 압력 이상으로 압축된 가스(G)로 인해 파열된 절개라인(162)에 의해 배터리모듈(100)의 바깥쪽을 향해 열리도록 안내되는 판상의 구성요소로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상술한 절개라인(162)을 기준으로 양쪽에 한 쌍이 배치될 수 있고, 도시된 바와 달리 위아래 등에 배치될 수도 있다.
상술한 절개라인(162)을 따라 파열되어 바깥쪽으로 개방된 한 쌍의 방출도어(164)로 인해, 배터리셀(10)의 열폭주시 분출된 인화성 가스(G)는, 모터 등과 같은 별도의 제어 동력원에 의한 개폐작동 없이도 배터리모듈(100) 외부로 신속하게 배출될 수 있게 된다.
회동유도라인(166)은, 바깥쪽을 향한 방출도어(164)의 회전 개방이 보다 원활하게 안내되도록 하기 위해 상술한 절개라인(162)의 반대쪽에 형성되는 구성요소로서, 도 4 등에 도시된 바와 같이, 방출도어(164)의 회전축이 되는 위치에서 주변보다 얇은 두께 즉, 오목한 홈형상으로 성형되어 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 방열플레이트(152)는, 경량화를 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 절연성 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱을 사출 블로우성형하여 내부에 중공(S)을 형성할 수도 있다.
이때, 중공(S)에는, 상술한 파열부(160)의 파열시 유출되어 배터리부(110)에서 발생한 전기화재를 초기에 진화할 수 있도록 하기 위해, 소정의 분말소화약제(PE)가 충진될 수 있다.
여기서 중공(S)에 채워지는 분말소화약제(PE)는, 전기화재에 특화된 제1,2 및 4종 분말약제 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1종 분말약제는, B급 유류화재, C급 전기화재에 적합하며, 질식, 냉각, 부촉매 소화효과를 갖는 분말약제로서, 탄산수소나트륨(중탄산나트륨)을 주성분으로 스테아린산 아연 또는 스테아린산 마그네슘 등으로 방습처리되고, 백색으로 착색되어 사용되며, 화재시 탄산수소나트륨의 방사를 통한 비누화 현상에 의해 생성된 거품으로 질식소화 작용을 하게 된다.
제2종 분말약제는, 제1종 분말약제와 유사하게 B급 유류화재, C급 전기화재에 적합하며, 질식, 냉각, 부촉매 소화효과를 갖는 분말약제로서, 중탄산칼륨을 주성분으로 제1종 분말약제와 동일하게 방습처리 되고, 담자색으로 착색되어 사용되며, 본 발명과 같은 전기장치에 대하여 제1종 분말약제보다 약 1.67배 높은 소화효과가 있다.
제4종 분말약제는, B급 유류화제, C급 전기화재에 적합하며, 질식, 냉각, 부촉매 소화효과를 갖는 분말약제로서, 중탄산칼륨과 요소를 주성분으로 유/무기산에 의해 방습처리 되고, 회색으로 착색되어 사용되며, 제1종 및 제2종에 비해 비싸지만 소화성능이 우수한 특징이 있다.
상술한 바와 같이 전기화재에 특화된 분말소화약제(PE)가 방열플레이트(152)의 중공(S) 내에 구비됨으로써, 배터리셀(10) 자체나 버스바(20)와의 접속부위에서 발생한 전기화재는 후술할 파열부(160)의 파열과 함께 효과적으로 조기에 진화될 수 있게 된다.
한편, 방열플레이트(152)에는, 버스바(20)로부터 외부로 송출되는 전류에 의해 발생하는 자기장과의 관계에서 방열플레이트(152)의 개방을 억제하는 자기력을 발생시키는 영구자석(미도시)이 소정의 방향으로 설치될 수 있다.
이러한 영구자석의 배치로 인해, 고전압의 전류가 버스바를 통해 외부로 인출되는 동안 외부 충격이나 진동이 발생하더라도 폐쇄된 상태로 고정된 방열플레이트(152)의 개방은 더욱 억제될 수 있고, 고전압의 누출로 인한 안전사고가 더욱 효과적으로 방지될 수 있게 된다.
일례로, 버스바(20)를 따라 고전압의 전류가 송출되는 경우 발생하게 되는 자기장(앙페르의 법칙(Ampere's law) 또는 오른나사의 법칙)에 대하여 인력이 작용하도록 방열플레이트(152)의 내측 또는 외측에 영구자석을 배치하게 되면, 방열플레이트(152)의 개방은 더욱 억제되어 안전사고의 예방이 이루어지게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 배터리셀
12: 리드탭
20: 버스바
100: 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈
110: 배터리부
120a,120b: 측면커버
122: 엔드플레이트
122a: 보강요철
124: 차폐플레이트
130a,130b: 상부커버, 하부커버
140a,140b: 제1 브라켓, 제2 브라켓
150a,150b: 전방커버, 후방커버
151: 축결합
152: 방열플레이트
S: 중공
PE: 분말소화약제
154: 가압돌기부
156: 가압단부
160: 파열부
162: 절개라인
164: 방출도어
166: 회동유도라인
G: 가스

Claims (6)

  1. 복수의 배터리셀이 적층된 배터리부를 내측에 수납하여 이루어지는 배터리모듈로서,
    상기 배터리부의 양측면을 지지하는 한 쌍의 측면커버; 상기 배터리부의 상면과 하면을 각각 덮도록 배치되는 상,하부커버; 상기 배터리부의 전면과 후면을 각각 지지하도록 배치되고, 상기 배터리셀의 리드탭에 접속되는 버스바가 적어도 어느 하나에 장착되는 제1,2 브라켓; 및 상기 제1 브라켓 및 상기 제2 브라켓 중 적어도 어느 하나에 대하여 회동가능하게 구비되어 상기 버스바를 밀폐시키는 회동시 상기 버스바의 일면에 접촉하도록 절곡된 상기 리드탭을 가압하며 전기적으로 접속시키는 전,후방커버를 포함하되,
    상기 전방커버 및 상기 후방커버 중 적어도 어느 하나는,
    상기 측면커버에 회전가능하게 축결합되어 상기 버스바를 밀폐 또는 개방시키는 방열플레이트; 및 절곡된 상기 리드탭이 가압되어 상기 버스바에 접속되도록, 상기 방열플레이트의 내측에 돌출형성된 복수의 가압돌기부를 포함하고,
    상기 가압돌기부는,
    상기 리드탭의 손상방지와 상기 리드탭에 대한 일정한 가압을 위해, 내열성의 탄성소재로 제작된 가압단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 복수의 배터리셀이 적층된 배터리부를 내측에 수납하여 이루어지는 배터리모듈로서,
    상기 배터리부의 양측면을 지지하는 한 쌍의 측면커버; 상기 배터리부의 상면과 하면을 각각 덮도록 배치되는 상,하부커버; 상기 배터리부의 전면과 후면을 각각 지지하도록 배치되고, 상기 배터리셀의 리드탭에 접속되는 버스바가 적어도 어느 하나에 장착되는 제1,2 브라켓; 및 상기 제1 브라켓 및 상기 제2 브라켓 중 적어도 어느 하나에 대하여 회동가능하게 구비되어 상기 버스바를 밀폐시키는 회동시 상기 버스바의 일면에 접촉하도록 절곡된 상기 리드탭을 가압하며 전기적으로 접속시키는 전,후방커버를 포함하되,
    상기 전방커버 및 상기 후방커버 중 적어도 어느 하나는,
    상기 측면커버에 회전가능하게 축결합되어 상기 버스바를 밀폐 또는 개방시키는 방열플레이트; 절곡된 상기 리드탭이 가압되어 상기 버스바에 접속되도록, 상기 방열플레이트의 내측에 돌출형성된 복수의 가압돌기부; 및 상기 배터리부의 열폭주시 발생되는 가스에 의해 파열되어 외부로 가스를 배출하는 파열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 파열부는,
    주변보다 얇은 두께로 성형되어 상기 배터리부에서 발생된 소정 압력 이상의 가스에 의해 파열되는 절개라인; 및
    파열된 상기 절개라인에 의해 바깥쪽을 향해 열리도록 안내되어 가스를 외부로 배출하는 방출도어를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전방커버 및 상기 후방커버 중 적어도 어느 하나는,
    경량화를 위해 내부에 중공이 형성되도록, 절연성 및 내열성의 엔지니어링 플라스틱을 소재로 사출 블로우성형되고,
    상기 중공에는,
    상기 파열부의 파열시 유출되어 상기 배터리부에서 발생한 전기화재를 진화할 수 있도록 하기 위해, 소정의 분말소화약제가 충진되는 것을 특징으로 하는 버스바와 리드탭간 무용접 방식의 배터리모듈.
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