KR102622668B1 - 버스 바 및 이를 구비하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 버스 바는, 양단에 각각 배치되는 단자부들, 및 상기 단자부들 사이에 배치되어 상기 단자부들을 전기적으로 연결하며 과전류가 흐를 때 순차적으로 용단되도록 구성된 다수의 브릿지를 포함할 수 있다. 상기 다수의 브릿지들은 각각 다른 저항 값을 가질 수 있다. 상기 다수의 브릿지들은 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.

Description

버스 바 및 이를 구비하는 배터리 팩{BUS BAR AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 버스 바 및 이를 구비하는 배터리 팩에 대한 것이다.
최근, 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 배터리 팩이 개발되고 있다. 이러한 고출력 배터리 팩은 고전력을 필요로 하는 기기, 예를 들어 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수의 배터리 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량으로 구현되고 있다.
한편, 복수의 배터리 모듈을 연결하는 부재로서 버스 바가 이용되고 있는데, 종래의 버스 바의 경우 단자부에 대한 이탈을 방지하기 위해 볼트/너트 체결을 통해서 결속하거나 용접 체결을 통해서 결속하는 것이 일반적이다.
이러한 배터리 팩은 배터리 모듈이 과열된 경우는 폭발의 위험성이 있기 때문에, 안전성 확보가 중요한 과제의 하나이다.
배터리 모듈의 과열은 다양한 원인으로 생기지만, 그 하나로서 배터리 모듈을 통해서 한계 이상의 과전류가 흐른 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면, 배터리 모듈이 발열하기 때문에, 배터리 모듈의 내부온도가 급속히 상승한다.
또한, 급속한 온도 상승은 전해액의 분해 반응을 일으켜 열폭주 현상(thermal running)을 일으켜, 결국은 배터리의 폭발에까지 이르게 된다.
따라서, 과전류 발생과 같은 이상 상황으로부터 배터리 팩을 보호하기 위해 배터리 모듈은 보호 회로와 결합되어 사용된다.
본 발명의 목적은 과전류 시 발생하는 안전 문제로부터 안정성을 향상시킬 수 있는 버스 바 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 데에 있다.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 버스 바는, 양단에 각각 배치되는 단자부들, 및 상기 단자부들 사이에 배치되어 상기 단자부들을 전기적으로 연결하며 과전류가 흐를 때 순차적으로 용단되도록 구성된 다수의 브릿지를 포함할 수 있다. 상기 다수의 브릿지들은 각각 다른 저항 값을 가질 수 있다. 상기 다수의 브릿지들은 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 다수의 브릿지들은, 단면적이 각각 다르게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 다수의 브릿지들은, 폭, 길이, 및 두께 중 어느 하나가 다르게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 브릿지들 사이에는 관통 구멍 형태의 관통부가 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 브릿지들 중 적어도 하나는, 폭이 좁아지는 협소 구간을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 브릿지들 중 적어도 하나는, 적어도 일부가 일측으로 돌출 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 브릿지들은, 과전류가 흐를 때 첫번째 상기 브릿지가 용단된 후, 30ms 이내에 나머지 상기 브릿지들이 모두 용단될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 브릿지들은 4개로 구성되며, 첫번째 상기 브릿지의 저항 값을 1이라 할 때, 두번째 상기 브릿지의 저항 값은 2, 세번째 상기 브릿지의 저항 값은 3, 네번째 상기 브릿지의 저항 값은 3.5로 구성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 나머지 상기 브릿지들의 저항 값은 첫번째 상기 브릿지의 저항 값보다 점진적으로 크게 설정될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기한 적어도 하나의 버스 바 및 상기 버스 바를 통해 전기적으로 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다수의 브릿지를 포함하므로 용단부의 단면적을 최대화할 수 있다. 따라서 정상적인 사용 환경에서 전류 인가에 따른 용단부의 발열을 최소화할 수 있다.
또한 용단부의 브릿지들이 동시에 용단되지 않고 순차적으로 용단되므로, 단락 상황에 기민하게 반응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 버스 바를 도시한 평면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 바를 개략적으로 도시한 평면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 바를 개략적으로 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 바를 개략적으로 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버스 바를 개략적으로 도시한 사시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자나 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 모듈(10)과 버스 바(20)를 포함할 수 있다.
각각의 배터리 모듈(10a, 10b)은 대략 육면체 형상을 가지며, 일방향을 따라서 연속하는 구조로 배열될 수 있다. 각 배터리 모듈(10a, 10b)은 충전 및 방전이 가능한 리튬 이차전지 또는 니켈-수소 이차전지 등의 이차전지를 포함할 수 있다.
복수의 배터리 모듈(10a, 10b)은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 배터리 모듈(10a, 10b)은 각각 한 쌍의 외부 단자(도시되지 않음)를 구비한다.
외부 단자들은 버스 바(20)를 통해 상호 간에 전기적으로 연결된다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 버스 바를 도시한 평면도이다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 각각의 배터리 모듈(10a, 10b)은 버스 바(20)를 통해 상호 간에 전기적으로 연결된다. 버스 바(20)는 볼트나 나사와 같은 고정 부재(40)를 통해 조임 방식으로 배터리 모듈(10a, 10b)에 체결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 용접 방식으로 외부 단자에 직접 접합하거나, 별도의 부재를 이용하여 버스 바(20)를 가압하여 배터리 모듈(10a, 10b)의 외부 단자에 접촉하도록 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
버스 바(20)는 납작한 막대 형태로 형성되며 양 단이 각각 인접 배치되는 2개의 배터리 모듈(10a, 10b)에 체결되어 배터리 모듈(10a, 10b)을 전기적으로 연결한다.
버스 바(20)는 배터리 모듈(10a, 10b)에 체결되는 단자부(22)와, 과전류가 흐를 때 파단되는 용단부(25)를 포함한다.
단자부(22)는 버스 바(20)의 양단에 배치된다. 그리고 용단부(25)는 두 단자부(22) 사이에 배치되어 두 단자부(22)를 연결한다.
용단부(25)는 버스 바(20)에 용단 범위에 포함되는 과전류가 흐르게 되면 파단되어 단자부(22) 간의 전기적인 연결을 끊는다.
용단 범위는 버스 바(20)가 견뎌야 하는 최대 전압 및 최대 전류 조건, 용단부(25)를 통해 차단하고자 하는 과전류의 레벨, 버스 바(20)에 요구되는 전기적 물성(저항 및 전기 전도도) 및/또는 기계적 물성(인장 강도) 등을 고려하여 규정될 수 있다.
용단부(25)는 단자부(22)보다 폭이 좁게 형성되는 브릿지(26)를 적어도 2개 포함하며, 이를 위해 용단부(25)에는 적어도 하나의 관통부(28)가 구비된다. 관통부(28)는 버스 바(20)의 내부를 관통하는 관통 구멍 형태로 형성되며, 브릿지들(26) 사이를 이격시키는 공간으로 이용된다. 관통부(28)는 브릿지(26)의 개수보다 하나 적은 수가 구비되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예의 용단부(25)는 4개의 브릿지(26)를 포함하며, 4개의 브릿지(26)는 각각 다른 저항 값을 갖는다.
보다 구체적으로, 본 실시예의 용단부(25)는 제1 브릿지(26a)가 가장 작은 저항 값을 가지며, 제2 브릿지(26b)는 제1 브릿지(26a)보다 큰 저항 값을 갖도록 구성된다. 그리고 제3 브릿지(26c)는 제2 브릿지(26b)보다 큰 저항 값을 가지며, 제4 브릿지(26d)는 가장 큰 저항 값을 갖는다. 이처럼 용단부(25)의 저항 값은 제1 브릿지(26a)가 가장 작으며 제4 브릿지(26d)로 갈수록 점점 증가하도록 구성된다.
따라서, 제1 브릿지(26a)를 제외한 나머지 브릿지들(26b ~ 26d)의 저항 값은 제1 브릿지(26a)의 저항 값보다 점진적으로 크게 설정된다.
저항 값은 버스 바(0)의 비저항(저항율)이 동일한 경우 브릿지(26)의 폭(W)과 길이(L), 두께(T) 등에 의해 규정되므로, 각 브릿지 별 저항 값은 각 브릿지(26)의 폭(W)이나 길이(L), 두께(T)의 차이를 통해 다르게 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 브릿지들(26)의 길이(L)를 다르게 형성하여 저항 값을 다르게 구성한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 버스 바(20)는 브릿지들(26)이 순차적으로 용단되도록 구성된다. 예컨대, 버스 바(20)에 과전류가 흐르게 되면 저항 값이 가장 낮은 제1 브릿지(26a)에 전류가 집중되므로, 제1 브릿지(26a)가 가장 먼저 용단된다.
그리고 제1 브릿지(26a)가 용단되면, 전류는 남겨진 제2 ~ 제4 브릿지(26b ~ 26d)에 재 분배되며, 이 과정에서 가장 저항 값이 가장 낮은 제2 브릿지(26b)로 전류가 집중된다. 이에 제1 브릿지(26a)에 이어 제2 브릿지(26b)가 용단된다.
마찬가지의 이유로 제3 브릿지(26c), 제4 브릿지(26d)가 순차적으로 용단되어 용단부(25) 전체가 완전히 용단된다. 이처럼 본 실시예의 버스 바(20)는 다수의 브릿지(26)가 연쇄적/순차적으로 용단된다.
이때, 제1 브릿지(26a)가 용단될 때까지 제2 ~ 제4 브릿지(26b ~ 26d)에도 저항비에 따른 전류가 차등적으로 인가되고 있기 때문에 제1 브릿지(26a)가 용단된 이후 제 2, 제3, 제4 브릿지(26b ~ 26d)의 용단은 빠른 속도로 진행된다.
따라서, 본 실시예의 버스 바(20)는 제1 브릿지(26a)에서 최초 용단이 발생된 후, 30ms 이내에 제4 브릿지(26d)까지 모든 브릿지들(26)이 용단되어 과전류를 차단하도록 구성된다.
예를 들어, 과전류가 발생한 후 제1 브릿지(26a)가 230ms 후에 용단되었다면, 제4 브릿지(26d)는 최대 260ms 내에 용단되도록 구성된다.
이를 위해 본 실시예의 버스 바(20)는, 제1 브릿지(26a)의 저항 값을 기준으로, 제2 브릿지(26b)의 저항 값은 제1 브릿지(26a) 저항 값의 약 2배를 갖도록 구성되며, 제3 브릿지(26c)는 약 3배, 제4 브릿지(26d)는 약 3.5배의 저항 값을 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 브릿지(26a)의 저항 값을 1이라 할 때, 제2 브릿지(26b)의 저항 값은 2, 제3 브릿지(26c)의 저항 값은 3, 제4 브릿지(26d)의 저항 값은 3.5로 구성될 수 있다.
이러한 저항 값의 차이는 상기한 바와 같이 제1 브릿지(26a)가 용단된 후, 제4 브릿지(26d)까지 30ms 이내에 순차적으로 용단시키기 위해 다양한 시뮬레이션을 걸쳐 도출된 수치이다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 버스 바(20)는 다수의 브릿지(26)가 서로 다른 저항 값을 갖는다.
하나의 브릿지만 포함하는 종래의 경우, 단자부(22)의 폭에 비해 브릿지의 폭이 매우 협소하게 구성된다. 따라서 정상적인 동작 환경에서 하나의 브릿지에 전류가 집중되므로 브릿지에 발열이 심화되며 이로 인하여 배터리 모듈의 안전성 및 수명이 저감된다는 단점이 있다.
그러나 본 실시예와 같이 다수의 브릿지(26)를 포함하는 경우, 용단부(25)의 단면적을 최대화할 수 있으므로, 정상적인 사용 환경에서 전류 인가에 따른 용단부(25)의 발열을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 과전류 차단에 대한 불확실성을 배제하기 위하여 용단의 시발점이 되는 제1 브릿지(26a)의 저항을 가장 작게 선정한다. 그리고 과전류 차단을 안정적으로 유도하기 위하여 최초 용단되는 제1 브릿지(26a)의 저항 값을 기준으로 나머지 브릿지들(26)의 저항 값을 조절하여 빠른 시간 내에 과전류 차단을 수행한다.
이에 따라 용단부(25)의 브릿지들(26)이 동시에 용단되지 않고 순차적으로 용단되므로, 단락 상황에 기민하게 반응할 수 있다.
또한 버스 바(20) 내에 용단부(25)가 구비되므로, 단락 상황을 대비하여 배터리 팩(1) 내에 추가적인 장치를 구비할 필요가 없다.
이상에서 설명한 버스 바(20)는 배터리 모듈(10a, 10b)이나 배터리 셀을 연결하거나, 배터리와 케이스를 연결하는 모든 버스 바에 적용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 버스 바는 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 바를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4에 도시된 버스 바(20a)는 배터리 모듈(10) 내부에 배치되는 버스 바(20a)로, 배터리 모듈(10) 내부에서 배터리 셀과 배터리 모듈(10)의 외부 단자를 연결하는 버스 바이다.
본 실시예에서 버스 바의 단자부(22)는 레이저 용접을 통해 배터리 셀의 전극과 외부 단자에 각각 접합된다. 따라서 볼트와 같은 고정 부재가 결합되는 구멍이 생략될 수 있다.
본 실시예 따른 버스 바(20a)는 소정의 각도로, 예를 들어 직각으로 꺾인 형상으로 형성된다. 그리고 꺽인 모서리 부분에 용단부(25)가 배치된다.
본 실시예에서 용단부(25)는 4개의 브릿지(26a, 26b, 26c, 26d)를 포함한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 개수로 구성될 수 있다.
모서리에 용단부(25)가 형성됨에 따라 거리가 짧은 모서리 내측에 제1 브릿지(26a)가 형성되고, 거리가 가장 긴 모서리 외측에 제4 브릿지(26d)가 배치된다.
또한 본 실시예의 용단부(25)는 브릿지(26a, 26b, 26c, 26d)의 폭이 좁아지는 협소 구간(27)을 구비한다. 본 실시예에서는 제4 브릿지(26d)의 일부가 협소 구간(27)으로 형성된다.
브릿지(26)에 협소 구간(27)이 구비되는 경우, 협소 구간(27)에서 용단이 발생된다. 따라서 제4 브릿지(26d)와 같이 길이가 긴 브릿지(26)에서 용단 지점을 특정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버스 바를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면 본 실시예에 따른 버스 바(20b)는 브릿지들(26a, 26b, 26c, 26d)이 동일한 길이를 가지며, 폭(W1, W2, W3, W4)이 다르게 형성된다. 따라서 폭의 크기를 통해 각 브릿지들(26a, 26b, 26c, 26d)의 저항 값을 다르게 구성한다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 각 브릿지들(26a, 26b, 26c, 26d)의 두께나 길이를 다르게 하여 저항 값을 다르게 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 바를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6을 참조하면 본 실시예에 따른 버스 바(20c)는 브릿지들(26)이 서로 다른 길이를 갖는다. 그리고 길이가 가장 짧은 제1 브릿지(26a)를 제외한 나머지 브릿지들(26)은 버스 바(20)의 일측으로 돌출 배치된다.
이처럼 길이가 긴 브릿지들(26)이 돌출됨에 따라, 본 실시예의 버스 바(20)는 용단부(25)의 길이를 최소화할 수 있다. 따라서 단자부(22) 사이의 거리가 좁은 구조에 용이하게 이용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 버스 바(20)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 7을 참조하면 본 실시예에 따른 버스 바(20d)는 브릿지들(26)이 서로 동일한 폭과 동일한 길이를 갖는다. 그리고 각 브릿지들(26)은 서로 다른 재질로 형성되어 재료의 비저항 차이로 저항 값을 다르게 구성할 수 있다.
다른 구성으로 브릿지들(26)은 단자부(22)보다 낮은 융점을 갖는 재질로 형성될 수 있으며, 단일 금속 또는 합금 성분으로 구성될 수 있다. 예들 들어, 브릿지들(26)을 모두 합금 성분으로 구성하되, 각 브릿지(26a, 26b, 26c, 26d) 별로 성분 조합을 다르게 하여 각 브릿지들(26a, 26b, 26c, 26d)의 저항 값을 다르게 구성할 수 있다.
따라서 본 실시예의 브릿지들(26)은 모두 동일한 길이, 동일한 폭과 두께로 형성되나 상호 간에 저항 값은 다르게 구성되며, 이에 버스 바(20)에 과전류가 흐르게 되면 저항 값이 가장 낮은 제1 브릿지(26a)를 시발점으로 하여 제4 브릿지(26d)까지 순차적으로 용단된다.
도 7에는 브릿지들(26)이 단자부(22)와 동일한 평면 상에 배치되는 경우를 예로 들고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 브릿지들(26)을 단자부(22)의 일면에 적층 배치하거나 단자부(22)와 끼움 결합되도록 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 또한 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수 있다.
1: 배터리 팩
10: 배터리 모듈
20: 버스 바
22: 단자부
25: 용단부
26 브릿지
28: 관통 구멍
40: 고정 부재

Claims (10)

  1. 양단에 각각 배치되는 단자부들; 및
    상기 단자부들 사이에 배치되어 상기 단자부들을 전기적으로 연결하며, 과전류가 흐를 때 순차적으로 용단되도록 구성된 다수의 브릿지들을 포함하고,
    상기 다수의 브릿지들은 각각 다른 저항 값을 가지고,
    상기 다수의 브릿지들은 서로 다른 재질로 형성된 버스 바.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 브릿지들은,
    단면적이 각각 다르게 형성되는 버스 바.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 브릿지들은,
    폭, 길이, 및 두께 중 어느 하나가 다르게 형성되는 버스 바.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 브릿지들 사이에는 관통 구멍 형태의 관통부가 배치되는 버스 바.
  5. 제1항에 있어서, 상기 브릿지들 중 적어도 하나는,
    폭이 좁아지는 협소 구간을 포함하는 버스 바.
  6. 제1항에 있어서, 상기 브릿지들 중 적어도 하나는,
    적어도 일부가 일측으로 돌출 배치되는 버스 바.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브릿지들은,
    과전류가 흐를 때 첫번째 상기 브릿지가 용단된 후, 30ms 이내에 나머지 사상기 브릿지들이 모두 용단되는 버스 바.
  8. 제7항에 있어서, 상기 브릿지들은 4개로 구성되며,
    첫번째 상기 브릿지의 저항 값을 1이라 할 때, 두번째 상기 브릿지의 저항 값은 2, 세번째 상기 브릿지의 저항 값은 3, 네번째 상기 브릿지의 저항 값은 3.5로 구성되는 버스 바.
  9. 제7항에 있어서, 나머지 상기 브릿지들의 저항 값은,
    첫번째 상기 브릿지의 저항 값보다 점진적으로 크게 설정되는 버스 바.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 버스 바; 및
    상기 버스 바를 통해 전기적으로 연결되는 복수의 배터리 모듈;
    을 포함하는 배터리 팩.
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