KR102532768B1 - 안전성이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

온도 상승시 전류를 차단할 수 있어 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고 길이 방향을 따르는 좌측면과 우측면에 각각 선형 홈이 마련된 버스바; 및 상기 버스바의 좌측면과 우측면에 각각 위치하고 상기 홈에 각자의 전극 리드가 끼워져 물리적 접촉됨으로써 상기 버스바를 가운데에 두고 서로 전기적 연결되어 있는 배터리 셀들을 포함하며, 상기 홈은 일정 온도 이상에서 두께 방향 크기가 증가해서 상기 전극 리드와 상기 버스바 사이의 물리적 접촉이 해제됨으로써 상기 배터리 셀들간 전기적 연결이 해제되도록 하는 것이다.

Description

안전성이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 {Battery module with improved safety, battery pack comprising the battery module and vehicle comprising the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도 상승시 전류 흐름을 차단할 수 있도록 한 배터리 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이기도 하다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 인해 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질이 양극 집전체에 코팅된 양극판과, 음극 활물질이 음극 집전체에 코팅된 음극판이, 분리막을 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀을 집합시킨 전극 조립체와, 이 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다. 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류된다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치(ESS)와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 접속되어 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성한다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다. 파우치형 이차 전지는 전극 리드가 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납되어 밀봉된 구조를 가진다. 전극 리드의 일부는 파우치 케이스 외부로 노출되며, 노출된 전극 리드는 이차 전지가 장착되는 장치에 전기적으로 접속되거나, 이차 전지 상호간을 전기적으로 접속하는 데 사용된다.
도 1은 파우치형 배터리 셀들을 연결해 제조한 배터리 모듈의 일부를 도시한다. 예컨대 2개의 파우치형 배터리 셀을 직렬로 연결한 상태를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 배터리 셀(10, 10')은 파우치 케이스(30) 외부로 인출된 두 개의 전극 리드(40, 40')를 구비한다. 전극 리드(40. 40')는 전기적 극성에 따라 양극(+) 리드와 음극(-) 리드로 구분되며 파우치 케이스(30) 내에 밀봉되어 있는 전극 조립체(20)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 양극 리드는 전극 조립체(20)의 양극판에, 음극 리드는 전극 조립체(20)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다.
배터리 모듈(1) 안에서 배터리 셀들(10, 10')이 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 1은 전극 리드(40, 40')를 절곡시킨 후 버스바(50) 위에 놓고 레이저 용접으로 용접 처리해 배터리 셀(10)의 전극 리드(40)와, 이 배터리 셀(10)에 인접한 다른 배터리 셀(10')의 전극 리드(40')간을 연결하는 방식을 도시하고 있다.
한편, 리튬 이차 전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있다. 특히 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차에 적용이 되면서 다수의 고용량 이차 전지 배터리 셀을 연결하여 사용하는 배터리 모듈이나 배터리 팩에서는, 폭발시 매우 큰 사고가 발생할 수 있어 안전성을 확보하는 것이 주요 과제 중 하나이다.
리튬 이차 전지의 온도가 급격하게 상승하게 되는 대표적인 원인은 단락 전류가 흐르는 경우이다. 단락 전류는 이차 전지와 연결된 전자 기기 등에서 단락이 일어난 경우 주로 발생하게 되며, 리튬 이차 전지에 단락 현상이 일어나면 양극 및 음극에서 급격한 전기화학반응이 일어나 열이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 열에 의해 배터리 셀의 온도가 빠른 속도로 상승하게 되어 결국 발화를 일으킨다. 특히 다수의 배터리 셀을 포함하고 있는 배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 경우에는 어느 하나의 배터리 셀에서 발생된 열이 주위의 배터리 셀로 전파되어 다른 배터리 셀에 영향을 미치게 되며 이는 더욱 큰 위험으로 커지게 된다.
기존에 이차 전지 내부의 온도가 상승하면 전류를 차단하여 폭발을 방지할 수 있는 수단으로서 PTC 소자, 퓨즈 등이 제안된 바 있다. 그런데, 이들은 배터리 모듈이나 배터리 팩 내에서 별도의 장착 공간이 필요하다는 문제가 있다.
배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 폭발은 그것이 채용된 전자기기 혹은 자동차 등의 파손을 가져올 뿐만 아니라 사용자의 안전 위협 및 화재로 연결될 수 있다는 점에서 안전성 확보는 매우 중요하다. 이차 전지가 과열되면 폭발 및/또는 발화의 위험이 커지게 되고, 과열로 인한 급격한 연소나 폭발은 인명 및 재산상의 피해를 줄 수 있다. 그러므로, 이차 전지 사용상의 안전성을 충분히 확보하기 위한 수단 도입에 대한 요구가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 온도 상승시 전류를 차단할 수 있어 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고 길이 방향을 따르는 좌측면과 우측면에 각각 선형 홈이 마련된 버스바; 및 상기 버스바의 좌측면과 우측면에 각각 위치하고 상기 홈에 각자의 전극 리드가 끼워져 물리적 접촉됨으로써 상기 버스바를 가운데에 두고 서로 전기적 연결되어 있는 배터리 셀들을 포함하며, 상기 홈은 일정 온도 이상에서 두께 방향 크기가 증가해서 상기 전극 리드와 상기 버스바 사이의 물리적 접촉이 해제됨으로써 상기 배터리 셀들간 전기적 연결이 해제되도록 하는 것이다.
바람직하게, 형상기억합금판이 간격을 두고 위 아래 적층된 구성을 통해 상기 홈이 마련된다. 여기서 위 아래는 곧 두께 방향을 가리킨다.
바람직하게, 상기 홈에 상기 전극 리드가 끼워져 물리적 압착되어 있다.
하나의 실시예에서, 상기 형상기억합금판끼리 마주보는 면에 다수의 돌기가 구비되어 있을 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 홈에 상기 전극 리드가 끼워져 물리적 압착되며, 상기 돌기는 물리적 압착시 위 아래 형상기억합금판에 형성된 돌기끼리 맞물리게 구비되어 있을 수 있다.
상기 버스바의 좌측면 홈에 끼워지는 전극 리드와 우측면 홈에 끼워지는 전극 리드는 극성이 서로 반대일 수 있다. 이 때, 두 개 이상의 배터리 셀에서 같은 극성의 전극 리드를 모아 상기 홈에 끼울 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 홈은 한 면에 두 개 이상이 마련되고 각 홈마다 전극 리드가 끼워진다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀은 그대로 두고 버스바를 변경해 배터리 모듈을 구성한다. 버스바는 온도 상승시 전극 리드와의 물리적 접촉이 해제됨으로써 전기적 연결을 해제할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈 사용시 과열되는 경우, 전극 리드를 통한 전류 흐름이 차단될 수 있어 비이상적인 상황에서의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 전류가 흐르지 않도록 하는 것, 예컨대 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈은 버스바를 개선함으로써 온도 상승시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
본 발명에 따르면, 인접해 있는 배터리 셀들 사이를 연결해 전기 접속 경로를 구성할 때에 안전성 확보가 가능한 버스바를 이용한 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 비이상적인 온도에 도달하는 상황과 같은 이벤트 발생시, 버스바와 물리적 접촉되어 있던 전극 리드는 버스바의 변형을 통해 물리적 접촉이 해제된다. 그 결과, 인접해 있는 배터리 셀들간의 전기 접속도 해제되어 전류 흐름이 차단되므로 배터리 모듈의 안전성이 확보될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 버스바 개선을 통해 안전성이 확보된다. 기존의 버스바 대신에 본 발명에서 제안하는 버스바를 이용하고, 기존의 용접 대신에 물리적 압착을 이용하는 등, 비교적 간단한 공정 변경을 통해 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에서 제안하는 바와 같이 버스바를 형상기억합금으로 하는 경우, 원래의 형상으로 복원되는 온도를 미리 설정하고 그에 맞는 합금을 이용할 수 있어, 전류 흐름 차단이 필요한 온도에 맞춰 버스바를 제조해 배터리 모듈 사양마다 적합하게 적용할 수 있다. 배터리 셀 자체는 기존 제조 공정을 그대로 이용하기 때문에 공정 변경이나 양산 프로세스에 대한 조정이 필요치 않다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 정상적인 상황에서는 전류 흐름이 확보되고 기존과 유사한 배터리 모듈 성능을 발현하면서도, 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시 전류 흐름을 차단하여 배터리 모듈 안전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 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 종래 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 버스바의 사시도이다.
도 5는 도 2의 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합이 해제된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
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 아니되며, 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 일 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. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 가리킨다.
이하에서 설명되는 실시예에 있어서, 이차 전지는 리튬 이차 전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극판과 음극판에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다.
한편, 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는 데 사용된 전지 케이스의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 대해 첨부 도면 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 2에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 버스바의 사시도이다. 도 5는 도 2의 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합이 해제된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(110, 110')과 버스바(180)를 포함한다. 배터리 모듈(100) 내에는 더 많은 수의 배터리 셀이 포함될 수 있지만 도시의 편의를 위하여 그 중 일부를 도시하기로 한다. 예컨대 2개의 파우치형 배터리 셀(110, 110')을 직렬로 연결한 상태를 도시한다. 그러나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명이 이러한 연결 방식으로 한정되는 것은 아니다.
배터리 셀(110, 110')은 이차 전지로서, 파우치 케이스(130) 외부로 인출된 2개의 전극 리드(140, 140')를 구비한다. 전극 리드(140, 140')는 전기적 극성에 따라 양극(+) 리드와 음극(-) 리드로 구분되며 파우치 케이스(130) 내에 밀봉되어 있는 전극 조립체(120)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 양극 리드는 전극 조립체(120)의 양극판에, 음극 리드는 전극 조립체(120)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다.
도 3에도 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100)에서는 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)와, 여기에 인접한 다른 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')를 절곡시킨 후 버스바(180) 양 측면 홈(183)에 각각 끼우고 필요시 압착까지 해, 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)와 다른 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')간을 버스바(180)를 매개로 하여 연결하고 있다.
도 4를 더 참조하면, 버스바(180)는 길이(L)와 너비(W)에 비해 두께(T)가 얇은 대략 판상형이다. 종래의 버스바와 특히 다른 점은 길이(L) 방향을 따르는 좌측면(181)과 우측면(182)에 각각 선형 홈(183)이 마련되어 있다는 것이다.
버스바(180)는 다양한 전기적 연결 관계를 구현하기 위하여 모양, 크기가 얼마든지 달라질 수 있다. 그리고, 보통은 버스바(180) 단독으로 이용되기 보다는 배선 관계를 고려하여 플라스틱 재질로 된 프레임 위에 전기전도성, 예컨대 금속으로 된 버스바가 조합되어진 ICB 조립체라는 부품으로 배터리 모듈 제조 공정에 적용이 된다. 프레임의 형태와 프레임에 조합되는 버스바의 형태는 배터리 모듈의 연결 관계에 따라 다양하다. 따라서, 본 발명의 다양한 변형예가 가능하다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다.
본 실시예에서는, 도 2 및 도 3을 통해 본 바와 같이, 버스바(180)의 좌측면(181)에 하나의 배터리 셀(110)이 위치하고, 우측면(182)에 다른 배터리 셀(110')이 위치한다. 홈(183)에는 각자의 전극 리드(140, 140')가 끼워져 버스바(180)와 전극 리드(140, 140')간은 물리적 접촉 및 전기적 접촉되어 있다. 이와 같이 함으로써, 버스바(180)를 가운데에 두고 배터리 셀들(110, 110')이 서로 전기적 연결될 수 있다. 전기적으로 연결되어 있는 상태에서, 예컨대 홈(183)의 크기는 s1이고 여기에 꼭 맞게 전극 리드(140, 140')가 물리적 접촉하고 있을 수 있다. 전극 리드(140, 140')는 버스바(180)의 홈(183)에 끼워짐으로써 버스바(180) 내측면과 접촉하게 되며, 버스바(180)와 전극 리드(140, 140')를 모두 전기전도성 재질로 구성하면, 이로써 인접한 배터리 셀(110, 110') 사이가 전기적으로 연결되는 것이다.
홈(183)은 끼워지는 전극 리드(140, 140')에 대응되는 형상을 갖는 것일 수 있다. 다시 말해, 파우치 케이스(130) 외부로 인출된 전극 리드(140, 140')의 단부를 대략 수평면 상에서 끼워 삽입할 수 있도록 전극 리드(140, 140')의 폭에 대응되는 길이, 전극 리드(140, 140')의 두께에 대응되는 크기를 가질 수 있다.
비이상적인 상황, 이를테면 일정 온도 이상에서, 홈(183)은 도 5에서와 같이 두께(T) 방향 크기가 증가해서(s2 > s1) 전극 리드(140, 140')와 버스바(180) 사이의 물리적 접촉이 해제된다. 이로써, 배터리 셀들(110, 110')간 전기적 연결도 해제된다.
즉, 홈(183)은 배터리 모듈(100)의 일반적인 사용 상황에서는 전극 리드(140, 140')와 접촉한 상태를 유지하다가 과전류 등에 의해 온도가 일정 온도 이상으로 상승되면 홈(183)의 크기가 커지는 양상으로 형태 변화를 일으킴으로써 전극 리드(140, 140')와의 접촉이 해제되는 성질을 갖는다.
바람직하게, 홈(183)의 크기가 온도에 따라 변화할 수 있도록, 버스바(180) 중 적어도 홈(183) 주변의 재료는 온도에 따라 형상이 변할 수 있는 형상기억 합금으로 이루어지는 것이 좋으며, 이에 따라 전극 리드(140, 140')와 접촉하거나 접촉이 해제되도록 할 수 있다. 특히 본 실시예에서, 형상기억합금판(184)이 간격을 두고 위 아래 적층된 구성을 통해 홈(183)이 마련되도록 하면, 일정 온도 이상에서 형상기억합금판(184)이 원래 기억된 형상으로 복원되면서 홈(183)의 크기를 증가시킬 수 있게 된다. 여기서 위 아래는 곧 두께(T) 방향을 가리킨다.
형상기억합금은 형상기억 효과를 나타내는 합금을 일컫는 것인데, 여기서 형상기억 효과라 함은 고온에서 기억시킨 형상을 기억하여 저온에서 아무리 심한 변형을 가하더라도 일정한 온도 이상의 환경에 노출되면 즉시 본래의 형상으로 돌아가는 현상을 의미하는 것이다. 이러한 형상기억 합금은 고온에서의 상과 저온에서의 상이 갖는 결정 배열이 현저하게 다르기 때문에 저온에서 형태에 변형을 가해도 일정한 온도 이상의 환경에 노출되면 본래의 형상으로 돌아오게 되는 것이다. 이러한 형상기억 합금에는 니켈-티타늄 합금(니티놀), 구리-아연 합금, 구리-아연-알루미늄 합금, 금-카드뮴 합금, 인듐-탈륨 합금 등이 있다.
버스바(180) 전체를 이러한 형상기억합금으로 만들거나, 특히 형상기억합금판(184)을 적층해 버스바(180)의 일부를 구성한다면, 예를 들어, 일정 정도 이상의 고온에서 형상기억 합금을 이용하여 전극 리드(140, 140') 두께보다 큰 크기(예컨대 s2)를 갖는 홈(183)을 형성하도록 버스바(180)를 제조한 후, 홈(183)이 전극 리드(140, 140') 두께에 대응되는 크기(s1)를 갖도록 저온에서 변형을 가하는 공정을 한 후, 홈(183)에 전극 리드(140, 140')를 끼워 전기적 연결을 완성할 수 있다. 아니면, 홈(183)에 전극 리드(140, 140')를 끼운 후 물리적 압착을 하여 버스바(180)의 내측면과 전극 리드(140, 140')가 맞닿으며 물리적 접촉하게 할 수도 있다. 물리적 압착은 소형 압착기를 이용하여 실시할 수 있다. 소형 압착기로도 1㎠당 500kg의 압력도 가할 수 있으므로 압착힘은 충분하다. 따라서, 충분한 압착힘을 통해 압착을 통한 전기적 접촉 상태를 유지할 수 있는 바, 물리적 압착만으로도 충분해져 용접과 같은 공정이 필요하지 않다.
이러한 공정에 있어서, 공정상의 다양한 조건들, 즉 이용되는 합금의 종류, 합금이 갖는 조성, 제품의 성형 온도, 제품에 변형을 가할 때의 온도나 압력 등의 조건들을 다양하게 변화시킴으로써 제품의 형태 변형의 정도와 변형이 일어나는 온도와 양상 등을 결정할 수 있다.
따라서, 버스바(180)를 제작함에 있어서, 배터리 모듈(100)을 이루는 배터리 셀(110, 110')이 견딜 수 있는 온도 등을 감안하여 공정 상의 다양한 조건들을 결정함으로써 버스바(180)가 적절한 온도에서 전류 차단 기능을 수행하도록 할 수 있는 것이다. 예를 들어 약 200℃에서의 형상을 기억하여 변화하는 합금을 이용해 버스바(180)를 제작한다면 배터리 모듈(100) 과열시 200℃ 정도에서 전류 차단 기능을 수행하도록 할 수 있다.
배터리 모듈(100) 안에서 배터리 셀(110, 110')이 서로 직렬로 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 2와 도 3에서는 전극 리드(140, 140')를 각각 절곡시킨 후 버스바(180)의 양쪽면 홈(183)에 각각 끼워 용접없이 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)와 다른 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')간을 연결하는 방식을 설명하고 있다. 본 실시예에서 버스바(180)의 좌측면(181) 홈(183)에 끼워지는 전극 리드(140)와 우측면(182) 홈(183)에 끼워지는 전극 리드(140')는 극성이 서로 반대이다. 만약 버스바(180)의 좌측면(181) 홈(183)에 끼워지는 전극 리드(140)와 우측면(182) 홈(183)에 끼워지는 전극 리드(140')가 같은 극성이라면 병렬 연결이다.
이와 같이, 본 발명에서는 인접해 있는 배터리 셀들(110, 110') 사이에 온도 상승시 홈(183)의 크기가 커질 수 있는 버스바(180)를 이용해 전극 리드(140, 140')와 연결한다. 이로써, 배터리 모듈(100) 사용시 과열되는 경우, 버스바(180)의 홈(183) 변형을 통해 전류 흐름이 차단되도록 한다. 따라서, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 전류가 흐르지 않도록 하는 것, 예컨대 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈(100)의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈(100)은 버스바(180)를 개선함으로써 온도 상승시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈(100)의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 있다. 그리고 이러한 배터리 모듈(100)을 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1에 도시한 것과 같은 기존의 버스바(50)를 이용하는 대신에 본 발명에 따른 버스바(180)를 이용해 배터리 모듈(100)을 제조하면 비교적 쉽게 더욱 안전성이 향상된 배터리 모듈(100)로 제조할 수 있으며, 배터리 셀(110, 110')에 대한 변경은 없기 때문에 기존 배터리 셀 제조 공정은 그대로 이용할 수 있다. 따라서, 이미 확립된 공정에 대한 변경이나 양산 프로세스에 대한 조정이 필요치 않다는 것도 장점이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 앞의 실시예에서와 마찬가지로, 버스바(180)는 형상기억합금판(184)이 간격을 두고 위 아래 적층된 구성을 통해 홈(183)이 마련되도록 한 것이다. 여기서는 형상기억합금판(184)끼리 마주보는 면에 다수의 돌기(185)가 구비되어 있다. 돌기(185)의 모양은 반구형, 원추형, 원추대형, 다각기둥형, 원뿔형, 다각뿔 등 다양한 모양일 수 있다.
돌기(185)는 전극 리드(140, 140') 위 아래에 물리적 접촉점 내지는 압력점으로 작용할 수 있다. 홈(183)에 전극 리드(140, 140')를 끼우고 물리적 압착을 통해 버스바(180)와 전극 리드(140, 140')를 물리적 및 전기적 연결할 때에 이 돌기(185)의 좁은 면적에 가해지는 압착힘은 돌기(185)가 없을 때에 비해 더 큰 압력으로 인가되기 때문에, 버스바(180)와 전극 리드(140, 140')간의 접촉 및 연결이 보다 확실해질 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 6을 참조하여 설명한 실시예와 마찬가지로, 버스바(180)는 형상기억합금판(184)이 간격을 두고 위 아래 적층된 구성을 통해 홈(183)이 마련되도록 한 것이면서, 형상기억합금판(184)끼리 마주보는 면에 다수의 돌기(185)가 구비되어 있다. 돌기(185)는 물리적 압착시 위 아래 형상기억합금판(184)에 형성된 돌기(185)끼리 맞물리게 구비되어 있다. 즉, 전극 리드(140, 140')를 기준으로 위쪽에 위치하는 돌기(185)와 아래쪽에 위치하는 돌기(185)는 서로 어긋나는 위치에 형성이 되어 있다.
따라서, 도 7의 (a)와 같이 홈(183)에 전극 리드(140, 140')를 끼우고 나서 돌기(185)가 전극 리드(140, 140')를 물리적 및 전기적 연결하는 정도로만 압착하여도 되고, (b)와 같이 좀 더 압착을 진행해 위 아래 형상기억합금판(184)에 형성된 돌기(185)끼리 맞물리게 할 수도 있다. 도 7의 (b)와 같이 하면 전극 리드(140, 140')와 형상기억합금판(184) 사이의 접촉 면적은 도 7의 (a)보다 더 증가하며, 외부에서 충격이 가해져도 전극 리드(140, 140')와 형상기억합금판(184) 사이의 올록 볼록한 접촉 계면을 통한 마찰력 증가에 의해 물리적 접촉 상태가 불의로 해제될 염려가 적어진다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명한 실시예와 마찬가지로, 버스바(180)는 형상기억합금판(184)이 간격을 두고 위 아래 적층된 구성을 통해 홈(183)이 마련되도록 한 것이면서, 형상기억합금판(184)끼리 마주보는 면에 다수의 돌기(185)가 구비되어 있다.
여기서는 두 개 이상의 배터리 셀(110a, 110b)에서 같은 극성의 전극 리드(140)를 모으고, 다른 두 개 이상의 배터리 셀(110c, 110d)에서 같은 극성의 전극 리드(140')를 모아 버스바(180) 양쪽면의 홈(183)에 끼운 예를 든다. 배터리 모듈(100) 내에서 복수의 배터리 셀(110a, 110b, 110c, 110d) 사이의 전기적 연결은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결될 수 있다. 같은 극성의 전극 리드를 모으면 그 배터리 셀끼리는 병렬이다. 모아진 전극 리드를 다른 극성으로 모아진 전극 리드와 연결하면 그들끼리는 직렬이다. 도 8에서는 버스바(180)를 중심으로 우측면에 있는 배터리 셀(110a, 110b)끼리는 병렬, 좌측면에 있는 배터리 셀(110c, 110d)끼리도 병렬, 그리고 배터리 셀(110a, 110b)과 배터리 셀(110c, 110d) 사이는 직렬인 경우에 해당한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 8에서와 마찬가지로, 두 개 이상의 배터리 셀(110a, 110b)의 전극 리드(140)가 버스바(180)의 우측면에, 다른 두 개 이상의 배터리 셀(110c, 110d)의 전극 리드(140')가 버스바(180)의 좌측면에 연결이 된다. 도 8에서는 같은 극성의 전극 리드끼리 모아져 하나의 홈(183)에 끼우는 예를 들었지만, 본 실시예에서는 전극 리드의 개수만큼 홈(183a, 183b, 183c, 183d)이 마련되어져 각 홈(183a, 183b, 183c, 183d)에 각 전극 리드(140, 140')가 끼워져 압착되는 예를 들고 있다.
이상의 실시예들에서, 예컨대 하나의 배터리 셀(110)과 다른 배터리 셀(110') 사이의 전기 접속은 배터리 모듈(100)이 약 200℃와 같은 일정 온도에 도달하였을 때 버스바(180) 변형을 통해 버스바(180)와 전극 리드(140, 140') 사이의 물리적 접촉 해제를 통해 해제되도록 한다. 이에 따라 정상적인 전류 범위, 그리고 그에 따른 정상적인 온도 범위에서는 정상적인 전류 흐름 경로를 형성하고 있다가, 과전류 등에 의해 200℃ 정도에 달하는 비이상적인 온도에 도달할 경우 전류 흐름 경로가 차단된다. 이처럼 과열될 때에만 버스바(180)와 전극 리드(140, 140')의 접촉이 해제되어 비이상적인 온도로 인한 화재, 폭발 등에 대한 안전성을 확보할 수 있다. 또한 다른 안전성 개선용 장치인 PTC 소자나 퓨즈처럼 모듈 내에 공간을 차지하지 않아 에너지 밀도를 감소시키지 않는다는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀은 그대로 두고 버스바를 변경해 배터리 모듈을 구성한다. 버스바는 온도 상승시 전극 리드와의 물리적 접촉이 해제됨으로써 전기적 연결을 해제할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈 사용시 과열되는 경우, 전극 리드를 통한 전류 흐름이 차단될 수 있어 비이상적인 상황에서의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 전류가 흐르지 않도록 하는 것, 예컨대 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈은 버스바를 개선함으로써 온도 상승시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
본 발명에 따르면, 인접해 있는 배터리 셀들 사이를 직렬 연결해 전기 접속 경로를 구성할 때에 안전성 확보가 가능한 버스바를 이용한 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 비이상적인 온도에 도달하는 상황과 같은 이벤트 발생시, 버스바와 물리적 접촉되어 있던 전극 리드는 버스바의 변형을 통해 물리적 접촉이 해제된다. 그 결과, 인접해 있는 배터리 셀들은 전기 접속이 해제되어 전류 흐름이 차단되므로 배터리 모듈의 안전성이 확보될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 버스바 개선을 통해 안전성이 확보된다. 기존의 버스바 대신에 본 발명에서 제안하는 버스바를 이용하고, 기존의 용접 대신에 물리적 압착을 이용하는 등, 비교적 간단한 공정 변경으로 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 버스바를 형상기억합금으로 하는 경우, 원래의 형상으로 복원되는 온도를 조절할 수 있어, 전류 흐름 차단이 필요한 온도에 맞춰 버스바를 제조해 배터리 모듈 사양마다 적합하게 적용할 수 있다. 배터리 셀 자체는 기존 제조 공정을 그대로 이용하기 때문에 공정 변경이나 양산 프로세스에 대한 조정이 필요치 않다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 정상적인 상황에서는 전류 흐름이 확보되고 기존 전극 리드와 유사 배터리 셀 성능을 발현하면서도, 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시 전류 흐름을 차단하여 배터리 모듈 안전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 우수한 안전성을 가지므로 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 장치의 전원으로 사용되기에도 적합하다. 상기 중대형 장치의 바람직한 예로는 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); EV, HEV, PHEV 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 및 ESS 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 배터리 팩(200)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈, 예컨대 두번째 실시예의 배터리 모듈(100) 및 그것을 패키징하는 팩 케이스(210)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(200)은, 이러한 배터리 모듈(100)과 팩 케이스(210) 이외에 배터리 모듈(100)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
이러한 배터리 팩(200)은 자동차(300)의 연료원으로써, 자동차(300)에 구비될 수 있다. 예로써, 배터리 팩(200)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(200)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차(300)에 구비될 수 있다.
바람직하게, 자동차(300)는 전기자동차일 수 있다. 배터리 팩(200)은 전기자동차의 모터(310)에 구동력을 제공하여 자동차(300)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(200)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다. 하이브리드 자동차용이면 270V에 맞춰져 있다.
배터리 팩(200)은 모터(310) 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터(320)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(200)은 브레이크(break)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(200)은 인버터(320)를 통해 자동차(300)의 모터(310)에 전기적으로 연결될 수 있다.
배터리 팩(200)에는 BMS도 포함되어 있다. BMS는 배터리 팩(200) 내의 배터리 셀들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(200)을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(200)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(200) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(200)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(200)의 교체 시기 추정도 가능하다.
ECU(330)는 자동차(300)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 가속기(accelerator), 브레이크, 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정보를 결정하고, 모터(310)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU(330)는 BMS에 의해 전달받은 배터리 팩(200)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리 팩(200)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(320)에 제어 신호를 보낸다. 인버터(320)는 ECU(330)의 제어 신호에 기초하여 배터리 팩(200)이 충전 또는 방전되도록 한다. 모터(310)는 배터리 팩(200)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(330)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 자동차(300)를 구동한다.
이러한 자동차(300)는 본 발명에 따른 배터리 팩(200)을 포함하는데, 배터리 팩(200)은 앞서 설명한 바와 같이 안전성이 향상된 배터리 모듈(100)을 포함한다. 따라서, 배터리 팩(200)의 안정성이 향상되며, 이러한 배터리 팩(200)은 안정성이 뛰어나고 장시간 사용할 수 있으므로, 이를 포함하는 자동차(300)는 안전하고 운용이 쉽다.
또한, 배터리 팩(200)은 자동차(300) 이외에도 이차 전지를 이용하는 ESS BMS 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(200)과 자동차(300)와 같은, 배터리 팩(200)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 배터리 모듈(100)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(100)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(200) 및 이러한 배터리 팩(200)을 구비하는 자동차(300) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10, 10', 110, 110', 110a, 110b, 110c, 110d : 배터리 셀
100 : 배터리 모듈
120 : 전극 조립체
130 : 파우치 케이스
180 : 버스바
183 : 홈
184 : 형상기억합금판
185 : 돌기
200 : 배터리 팩
210 : 팩 케이스
300 : 자동차
310 : 모터
320 : 인버터
330 : ECU

Claims (10)

  1. 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 판상형이고 길이 방향을 따르는 좌측면과 우측면에 각각 선형 홈이 마련된 버스바; 및
    상기 버스바의 좌측면과 우측면에 각각 위치하고 상기 홈에 각자의 전극 리드가 끼워져 물리적 접촉됨으로써 상기 버스바를 가운데에 두고 서로 전기적 연결되어 있는 배터리 셀들을 포함하며,
    상기 전극 리드는 상기 버스바의 두께 방향으로 신장하여 상기 버스바의 너비 방향으로 절곡된 단부가 상기 홈에 끼워지고,
    상기 홈은 일정 온도 이상에서 두께 방향 크기가 증가해서 상기 전극 리드와 상기 버스바 사이의 물리적 접촉이 해제됨으로써 상기 배터리 셀들간 전기적 연결이 해제되도록 하며,
    형상기억합금판이 간격을 두고 위 아래 적층된 구성을 통해 상기 홈이 마련되는 것이고,
    두 개 이상의 배터리 셀에서 같은 극성의 전극 리드를 모아 상기 홈에 끼운 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 홈에 상기 전극 리드가 끼워져 물리적 압착되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 형상기억합금판끼리 마주보는 면에 다수의 돌기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 홈에 상기 전극 리드가 끼워져 물리적 압착되며, 상기 돌기는 물리적 압착시 위 아래 형상기억합금판에 형성된 돌기끼리 맞물리게 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 버스바의 좌측면 홈에 끼워지는 전극 리드와 우측면 홈에 끼워지는 전극 리드는 극성이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 홈은 한 면에 두 개 이상이 마련되고 각 홈마다 전극 리드가 끼워진 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 또는 제3항 내지 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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