KR102452406B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은, 배터리 셀; 및 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하고, 버스 바는 과전류에 따른 전기 저항열에 의해 용융되면서 파단되도록 복수의 관통홀을 갖는 파단부를 구비할 수 있다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 과전류에 의해 파단되도록 구성되는 버스 바를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근, 노트북, 스마트 폰, 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 기기의 수요가 증대됨에 따라, 반복적으로 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한, 휴대용 전자 기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차, 로봇, 위성과 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 화석 연료의 고갈 및 환경 오염에 대한 관심이 높아지면서, 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서의 가장 핵심적 부품은 모터로 전력을 공급하는 배터리 팩이다.
하이브리드 자동차나 전기 자동차의 경우, 배터리 팩으로부터 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 내연 기관 만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 이점을 갖는다
하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 배터리 팩은 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 포함하며, 다수의 배터리 셀들이 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결됨에 따라, 배터리 모듈의 용량 및 출력이 증대된다.
이러한 배터리 팩을 사용함에 있어서, 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 특히, 사람이 탑승하는 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 경우에 있어서의 안전 사고의 발생은 인명 피해로 직결될 우려가 있다.
배터리 팩으로부터 발생될 수 있는 안전 사고의 원인 중 하나는 배터리 팩의 과열이다. 배터리 팩은 다양한 원인으로 인해 과열될 수 있는데, 한계 전류 이상의 과전류가 배터리 팩을 통해 흐르는 경우, 배터리 팩이 과열될 수 있다.
이러한 배터리 팩의 과열은 전해액의 분해 반응을 일으키며, 전해액의 분해 반응으로 인해 열 폭주(thermal runaway)가 발생하여, 배터리 팩의 과열, 폭발, 파열 등의 사고가 발생할 우려가 있다.
대한민국 공개 특허 제10-2017-0027498호
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 과전류로 인해 발생될 수 있는 사고를 방지할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은, 배터리 셀; 및 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하고, 버스 바는 과전류에 따른 전기 저항열에 의해 용융되면서 파단되도록 복수의 관통홀을 갖는 파단부를 구비할 수 있다.
복수의 관통홀은 버스 바를 흐르는 전류의 방향에 대해 소정의 각도를 이루는 가상의 연결선을 따라 배치될 수 있다.
복수의 관통홀은 서로 이격된 복수의 가상의 연결선을 따라 배열될 수 있다.
복수의 가상의 연결선은 서로에 대해 소정의 각도를 이룰 수 있다.
복수의 관통홀은 전류의 방향과 직교하는 방향으로 서로 중첩되지 않도록 형성될 수 있다.
복수의 관통홀은 전류의 방향으로 소정의 간격으로 이격되도록 형성될 수 있다.
복수의 관통홀 중 적어도 일부는 상이한 크기를 가질 수 있다.
전류의 방향으로의 복수의 관통홀 사이에는 관통홀에 의해 관통되지 않은 영역이 형성될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀; 및 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하고, 버스 바는 과전류에 따른 전기 저항열에 의해 용융되면서 파단되도록 복수의 관통홀을 갖는 파단부를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에 따르면, 버스 바를 통해 과전류가 흐를 때 버스 바가 파단되어 전류를 차단하는 기본적인 특성(제1 특성)을 유지하면서, 복수의 관통홀의 형성에 따라 저하될 수 있는 파단부의 기계적 강도를 보완하는 특성(제2 특성)을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2 내지 도 5는 각각 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에 구비될 수 있는 버스 바의 구현 예가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에 구비될 수 있는 각종 버스 바의 파단부의 열 특성(온도 분포)을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에 구비될 수 있는 각종 버스 바의 파단부에서의 시간에 대한 온도 변화를 도시하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 사용 용도에 따라 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수의 배터리 모듈(10)을 포함할 수 있다. 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(미도시)이 카트리지 내에 순차적으로 적층되어 설치된 셀 조립체를 포함할 수 있다. 배터리 셀은 전극 리드(11, 12)를 구비할 수 있으며, 전극 리드(11, 12)는 양극 리드(11) 및 음극 리드(12)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 전극 리드(11, 12)는 판 형상으로 형성되며, 배터리 모듈(10)을 둘러싸는 외장재(15)의 외부로 노출된다. 인접하는 전극 리드(11, 12)는 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 따라, 인접하는 복수의 배터리 셀이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 리드(11, 12)는 외부로 노출된 연결 단자(21, 22)와 각각 연결될 수 있으며, 연결 단자(21, 22)는 버스 바(30)를 통해 서로 연결될 수 있다. 버스 바(30)에는 연결 단자(21, 22)와 결합되는 결합홀(31)이 형성될 수 있다. 한 쌍의 배터리 모듈(10) 중 하나의 배터리 모듈(10)의 양극 리드(11)와 연결된 연결 단자(21)와 다른 하나의 배터리 모듈(10)의 음극 리드(12)와 연결된 연결 단자(22)가 결합홀(31)에 각각 결합될 수 있다. 이에 따라, 복수의 배터리 모듈(10)이 버스 바(30)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 버스 바(30)는 폭(W)과 길이(L)를 갖는 판 형상으로 형성될 수 있다. 버스 바(30)는 전기 전도성 금속으로 이루어질 수 있다. 버스 바(30)는 과전류에 따른 저항열에 의해 용융될 수 있는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 버스 바(30)는 구리로 이루어질 수 있다. 결합홀(31)은 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로의 양단에 형성될 수 있다. 따라서, 전류는 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 흐를 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 전류가 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 흐르는 구성에 대하여 설명한다. 다만, 버스 바(30)의 형상 및 결합홀(31)의 위치에 따라, 전류는 버스 바(30)의 길이 방향(L)이 아닌 폭 방향(W)으로 흐를 수 있다.
버스 바(30)는 과전류가 흐를 때 전기 저항열에 의해 용융되면서 파단되는 파단부(P)를 구비할 수 있다. 파단부(P)에는 복수의 관통홀(33)이 형성될 수 있다. 파단부(P)에 복수의 관통홀(33)이 형성됨에 따라, 복수의 관통홀(33)이 형성되는 부분은, 다른 부분에 비해 작은, 버스 바(30)의 폭 방향(W)의 단면적을 갖는다.
따라서, 버스 바(30)를 통해 과전류가 흐르는 경우, 작은 단면적을 갖는 파단부(P)에서 국부적으로 전기 저항이 크게 증가하여 국부적으로 가열되고, 파단부(P)가 용융되면서 파단되며, 이에 따라, 버스 바(30)가 단선되고, 과전류의 흐름이 차단될 수 있다.
버스 바(30)가 복수의 관통홀(33)을 갖는 파단부(P)를 구비함에 따라, 파단부(P)에서 기계적 강도(예를 들면, 인장 강도)가 저하될 수 있다. 따라서, 버스 바(30)를 통해 과전류가 흐르지 않는 경우에도, 외부 충격 등으로 인해 파단부(P)에 응력이 집중되어 파단부(P)가 파단될 수 있다.
특히, 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 큰 관통홀을 갖는 A 타입의 버스 바의 경우와, 복수의 관통홀이 버스 바의 폭 방향(W)(전류의 방향(L)에 직교하는 방향)으로만 일렬로 배열된 B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바의 경우에는, 작은 크기의 파단부에 복수의 관통홀이 집중적으로 형성된다. 따라서, 작은 면적을 갖는 파단부에 외부 충격에 응력이 집중될 수 있으며, 이에 따라, 버스 바(30)를 통해 과전류가 흐르지 않는 경우에도, 외부 충격 등으로 인해 파단부(P)가 파단될 수 있다.
파단부(P)에서의 버스 바(30)의 기계적 강도를 증대시키기 위해, A 타입의 버스 바, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바에 비하여, 파단부(P)의 면적(복수의 관통홀(33)이 분포되는 영역의 크기)을 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 증가시키는 것이 바람직하다.
이를 위해, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀(33)은 전류의 방향(L)에 대해 소정의 각도(G)를 갖는 열을 따라 배열될 수 있다. 즉, 복수의 관통홀(33)은 전류의 방향(L)에 대해 사선(대각선) 방향으로 배열될 수 있다. 즉, 전류의 방향(L)과 평행한 버스 바(30)의 중심축(LC)과 복수의 관통홀(33)을 연결하는 가상의 연결선(HC)은 소정의 각도(G)를 이룰 수 있다. 이에 따라, 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 가장 바깥쪽에 형성되는 관통홀(33) 사이의 거리(LR)가 증가할 수 있다. 따라서, 파단부(P)의 면적(복수의 관통홀(33)이 분포되는 영역의 크기)이 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 증가될 수 있다.
이와 같이 배열되는 복수의 관통홀(33)을 갖는 버스 바(30)에 따르면, 버스 바(30)를 통해 과전류가 흐를 때 버스 바(30)가 파단되어 전류를 차단하는 기본적인 특성(이하, 제1 특성이라 한다)은 물론, 복수의 관통홀(33)의 형성에 따라 저하될 수 있는 파단부(P)의 기계적 강도를 보완하는 특성(이하, 제2 특성이라 한다)이 구현될 수 있다.
제1 특성 및 제2 특성을 모두 구현하기 위해, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 다수의 실험 및 다수의 시뮬레이션을 통해, 복수의 관통홀(33)의 최적의 배열 형태가 도출될 수 있다.
여기에서, 제1 특성은 전류가 흐르는 방향(L)에 직교하는 방향(W)의 단면적을 축소하는 것을 통해 구현될 수 있다. 제2 특성은 복수의 관통홀(33)을 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 분포시키는 것에 의해 구현될 수 있다.
전류가 흐르는 방향(L)에 직교하는 방향(W)의 단면적을 축소하면서, 복수의 관통홀(33)을 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 분포시킬 수 있도록, 복수의 관통홀(33)을 연결하는 연결선(HC) 및 전류의 방향(L)과 평행한 버스 바(30)의 중심축(LC)이 이루는 각도(G)는 45도 내외인 것이 바람직하며, 적어도 30도 내지 60도 사이의 각도인 것이 바람직하다.
버스 바(30)의 파단부(P)의 기계적 강도를 더욱 보완하기 위해, 복수의 관통홀(33)은 버스 바(30)의 폭 방향(W)으로 서로 중첩되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 복수의 관통홀(33) 중 적어도 두 개의 관통홀(33)은 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 간격(LD)을 갖도록 배치될 수 있다. 즉, 복수의 관통홀(33)은 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 이격되게 배치될 수 있다. 따라서, 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로의 복수의 관통홀(33) 사이에는 관통홀(33)에 의해 관통되지 않은 소정의 영역이 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 소정의 영역의 존재에 의해, 버스 바(30)의 파단부(P)의 기계적 강도가 유지될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 버스 바(30)의 파단부(P)의 기계적 강도를 유지하기 위해, 복수의 관통홀(33)이 최적의 배열로 분포될 수 있다. 복수의 관통홀(33)은 적어도 2개 이상의 가상의 연결선(HC1, HC2)을 따라 배치될 수 있다. 연결선(HC1, HC2)은 서로 평행할 수 있거나 서로 교차할 수 있다. 연결선(HC1, HC2)은 서로 평행할 수 있거나 서로 교차하는 경우, 복수의 관통홀(33)은 버스 바(30)의 길이 방향(L) 및 폭 방향(W)으로 지그재그 형태로(교번적으로) 배열될 수 있다. 연결선(HC1, HC2)이 서로 교차하는 경우(즉, 연결선(HC1, HC2)이 소정의 각도를 이루는 경우), 복수의 관통홀(33)은 V자 형태로 배열될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀(33) 중 적어도 일부는 상이한 크기(직경)를 가질 수 있다. 복수의 관통홀(33)의 각각의 크기에 따라 복수의 관통홀(33) 사이의 영역의 크기가 달라질 수 있다. 복수의 관통홀(33)의 각각의 크기에 따라, 전류가 흐르는 방향(L)에 직교하는 방향(W)의 단면적과, 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로의 복수의 관통홀(33) 사이의 간격(LD)이 달라질 수 있다. 따라서, 복수의 관통홀(33)의 각각의 크기를 달리함으로써, 제1 특성 및 제2 특성을 최적으로 구현할 수 있다.
다양한 원인에 의해 외부 단락이 발생되어, 버스 바(30)를 통해 과전류가 흐르게 되면, 복수의 관통홀(33)을 갖는 파단부(P)에서 전기 저항열이 발생된다. 특히, 복수의 관통홀(33) 사이에 전기 저항이 집중되어 국부적으로 가열된다. 파단부(P)의 온도가 버스 바(30)를 이루는 재료의 용융점에 도달하면, 파단부(P)가 용융되면서 파단된다. 따라서, 버스 바(30)을 통한 과전류의 흐름이 차단될 수 있으며, 과전류로 인해 발생될 수 있는 배터리 팩의, 열 폭주, 폭발, 파열 등의 사고가 방지될 수 있다.
도 6은 A 타입의 버스 바, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바와 대비하여, D 타입의 버스 바, E 타입의 버스 바 및 F 타입의 버스 바의 열 특성(버스 바(30)의 파단부(P)에서의 온도 분포)을 비교한 결과를 도시하는 도면이다.
전술한 바와 같이, A 타입의 버스 바는 하나의 큰 관통홀을 가지며, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바는 버스 바의 폭 방향(W)(전류의 방향(L)에 직교하는 방향)으로만 배열된 복수의 관통홀을 갖는다.
그리고, D 타입의 버스 바, E 타입의 버스 바 및 F 타입의 버스 바는 본 발명의 실시예에 따른 버스 바로서, 버스 바(30)를 흐르는 전류의 방향(L)에 대해 각도(G)를 이루는 가상의 연결선(HC)을 따라 배치되는 복수의 관통홀(33)을 갖는다.
도 6에 도시된 버스 바(30)의 파단부(P)에서의 온도 분포로부터 알 수 있는 바와 같이, A 타입의 버스 바, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바의 경우에는, 파단부에서 전류가 흐르는 방향(L)에 직교하는 방향(W)의 단면적이 축소됨에 따라, 파단부에 전기 저항이 집중되고, 이에 따라, 파단부가 국부적으로 가열되는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 D 타입의 버스 바, E 타입의 버스 바 및 F 타입의 버스 바의 경우에도, A 타입의 버스 바, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바와 같이, 파단부(P)에서 열이 국부적으로 집중되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 D 타입의 버스 바, E 타입의 버스 바 및 F 타입의 버스 바도 양호한 제1 특성을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
도 7 및 표 1은 각종 버스 바의 파단부에서 용융점에 도달하는 시간을 나타낸 것이다.
A 타입 B 타입 C 타입 D 타입 E 타입 F 타입
용융점
도달시간
(sec)		 16.7 18.6 18.8 19.1 18.9 18.2
도 7 및 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 D 타입의 버스 바, E 타입의 버스 바 및 F 타입의 버스 바는 A 타입의 버스 바, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바와, 용융점에 도달하는 시간에 있어, 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
따라서, 버스 바(30)를 흐르는 전류의 방향(L)에 대해 각도(G)를 이루는 가상의 연결선(HC)을 따라 배치되는 복수의 관통홀(33)을 갖는 D 타입의 버스 바, E 타입의 버스 바 및 F 타입의 버스 바는, 제1 특성면에 있어서, A 타입의 버스 바, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바와 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
다만, 본 발명의 실시예에 따른 D 타입의 버스 바, E 타입의 버스 바 및 F 타입의 버스 바의 경우에는, 복수의 관통홀(33)이 버스 바(30)의 길이 방향(L)으로 분포되므로, A 타입의 버스 바, B 타입의 버스 바 및 C 타입의 버스 바와 대비하여, 제2 특성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 버스 바(30)를 갖는 배터리 팩에 따르면, 버스 바(30)를 통해 과전류가 흐를 때 버스 바(30)가 파단되어 전류를 차단하는 기본적인 특성(제1 특성)을 유지하면서, 복수의 관통홀(33)의 형성에 따라 저하될 수 있는 파단부(P)의 기계적 강도를 보완하는 특성(제2 특성)을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시적으로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경될 수 있다.
10: 배터리 모듈
11, 12: 전극 리드
21, 22: 연결 단자
30: 버스 바
31: 결합홀
33: 관통홀

Claims (9)

  1. 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하고,
    상기 버스 바는 과전류에 따른 전기 저항열에 의해 용융되면서 파단되도록 복수의 관통홀을 갖는 파단부를 구비하고,
    상기 복수의 관통홀은 상기 버스 바를 흐르는 전류의 방향에 대해 소정의 각도를 이루는 가상의 연결선을 따라 배치되되,
    상기 복수의 관통홀 사이에는 상기 관통홀에 의해 관통되지 않은 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 관통홀은 서로 이격된 복수의 가상의 연결선을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 가상의 연결선은 서로에 대해 소정의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 관통홀은 전류의 방향과 직교하는 방향으로 서로 중첩되지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 관통홀 중 적어도 일부는 상이한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 삭제
  9. 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바를 포함하고,
    상기 버스 바는 과전류에 따른 전기 저항열에 의해 용융되면서 파단되도록 복수의 관통홀을 갖는 파단부를 구비하며,
    상기 복수의 관통홀은 상기 버스 바를 흐르는 전류의 방향에 대해 소정의 각도를 이루는 가상의 연결선을 따라 배치되되,
    상기 복수의 관통홀 사이에는 상기 관통홀에 의해 관통되지 않은 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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