KR20170078365A - 배터리 모듈 단위 단락 구조 및 이의 제조 방법 - Google Patents

배터리 모듈 단위 단락 구조 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고출력, 고용량 사양의 에너지 수준에서의 단락 및 급속충전시 발생하는 고열을 견디는 배터리 모듈 단위 단락 구조 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.

Description

배터리 모듈 단위 단락 구조 및 이의 제조 방법{Short circuit structure for battery module unit and Method for manufacturing the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고출력, 고용량 사양의 에너지 수준에서의 단락 및 급속충전시 발생하는 고열을 견디는 배터리 모듈 단위 단락 구조 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.
친환경 자동차에 장착되는 배터리 모듈은 내부에 직렬, 혹은 병렬로 배터리 셀을 연결하는 구조로 구성된다. BMS(Battery Management System)이라 불리는 배터리 제어시스템을 통하여 이러한 배터리 모듈 내에 개별 배터리 셀의 전압을 측정한다.
그러나 외부 요인에 의하여 단락이 될 경우 급격한 에너지 변동에 의하여 화재로 이어질 수 있다. 따라서, 이를 방지 하기 위해 배터리 셀 또는 배터리 모듈간 연결 구조에 단락 방지를 위한 저항 증대 구조 형태를 적용한다.
그런데, 기존의 배터리 모듈의 경우 단락 방지를 위한 구조를 별도로 적용하지는 않고 있거나 있더라도 저출력, 저용량 사양에 적용가능한 수준에 불과하다. 이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 배터리 모듈(110) 내부에 배터리 셀과 버스바의 연결부(120)의 용접 길이를 조정한다. 따라서, 저항 증대에 의한 발열량을 증대시킴으로써 Al(알루미늄) 리드를 융단한다.
그러나 근래 친환경 자동차의 수요 증대에 따라 배터리 셀은 점차 고출력/고용량 사양으로 발전 및/또는 급속 충전이 필수 조건으로 요구되고 있다.
이 경우 개별 배터리 셀이 갖는 에너지값이 점차 증대하고 있는 추세이다. 따라서 배터리 셀의 에너지 증대는 외부 요인에 의해 잠재적 위험의 증대를 의미하며 단락 방지를 위한 별도 구조 적용에 대한 수요 역시 증대되고 있다
1. 한국공개특허번호 제10-2015-0121518호 2. 한국공개특허번호 제10-2011-0015070호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 고출력, 고용량 사양의 에너지 수준에서의 단락 및 급속충전시 발생하는 고열을 견딜 수 있는 배터리 모듈 단위 단락 구조 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 고출력, 고용량 사양의 에너지 수준에서의 단락 및 급속충전시 발생하는 고열을 견딜 수 있는 배터리 모듈 단위 단락 구조를 제공한다.
상기 배터리 모듈 단위 단락 구조는,
다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n)과, 각 배터리 셀의 셀 리드(312)들을 서로 연결하는 다수의 서브 버스바(340)와, 상기 다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n) 중 어느 하나를 양극 혹은 음극에 연결하기 위한 외부 단자와 결합되는 단락 유도 버스바(320)를 갖는 배터리 모듈 단위 단락 구조로서,
상기 단락 유도 버스바(320)는,
상기 외부 단자와 결합되기 위한 체결홀(322-1)이 형성되는 외부 연결부(322);
상기 외부 연결부(322)와 단차를 두고 형성되며 상기 다수의 배터리 셀(310-1 내지 310-n) 중 어느 하나의 저항 증대에 의해 융단되는 융단부(321); 및
상기 융단부(321)와 단차를 두고 형성되며 상기 다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n) 중 어느 하나의 셀 리드와 결합되는 리드 연결부(323);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 융단부(321)는 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 제 1 평탄부(411)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 일정 간격(b)으로 벌어지며 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 사각형 형상의 제 2 평탄부(412)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 상기 제 2 평탄부(412) 사이를 연결하며 제 2 폭(a)은 갖는 목부(413)로 일체로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 평탄부(411)와 제 2 평탄부(412)는 서로 다른 면적을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 폭(c)은 상기 일정한 두께(t)로 융단부(321)의 단면적(A)을 나누어서 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 2 폭(a)은 단락시 예상되는 단위 면적당 인가 전류를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 단위 면적당 인가 전류는 융단부(321)의 단면적(A)으로 최대 전류(I)를 나누어서 산출되며, 상기 최대 전류(I)는 단락 유도 버스바(320)의 저항(R)으로 배터리 전압(V)을 나누어 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 일정 간격(b)은 단락 시험에 의해 생성되는 데이터를 이용하여 조정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 폭(c)이 증가함에 따라 상기 단락 유도 버스바(320)의 냉각이 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 위에 기술되는 단락 유도 버스바(320)를 가지며, 상기 융단부(321)가 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 제 1 평탄부(411)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 일정 간격(b)으로 벌어지며 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 사각형 형상의 제 2 평탄부(412)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 상기 제 2 평탄부(412) 사이를 연결하며 제 2 폭(a)은 갖는 목부(413)로 일체로 형성되는 배터리 모듈 단위 단락 구조의 제조 방법으로서, 상기 제 1 폭(c)을 결정하기 위해 상기 단락 유도 버스바(320)에 인가되는 인가 전류값을 확인하고 단락 유도 버스바(320)의 저항(R) 및 배터리 전압(V)을 산출하는 단계; 상기 저항(R) 및 배터리 전압(V)에 따른 최대 전류(I)를 계산하는 단계; 상기 최대 전류(I)를 이용하여 단락시 예상되는 단위 면적당 인가 전류를 계산하는 단계; 및 상기 단위 면적당 인가 전류에 따른 상기 융단부(321)의 스퀘어 결정을 위해 상기 제 2 폭(a)을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고출력/고용량 사양의 에너지 수준에서의 단락 및/또는 급속충전 시 발생하는 고열을 견딜 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 친환경 차종 수요 증대에 따라 점차 고용량의 배터리 사양이 증대되고 있는 추세에 맞추어 파생 차종 및/또는 유사 차종에 적용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 모듈에서 단락 구조를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(210)의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 모듈(210) 내에 적층되는 배터리 셀에 적용되는 배터리 모듈 단위 단락 구조를 보여주는 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 모듈 단위 단락 구조의 각 길이 및 두께를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 단위 단락 구조의 사양을 결정하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 단위 단락 구조 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(210)의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 배터리 모듈(210) 내에 적층되는 배터리 셀에 적용되는 배터리 모듈 단위 단락 구조를 보여주는 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 배터리 모듈 단위 단락 구조(300)는, 다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n)과, 각 배터리 셀의 셀 리드(312)들을 서로 연결하는 다수의 서브 버스바(340)와, 상기 다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n) 중 어느 하나를 양극 혹은 음극에 연결하기 위한 외부 단자와 결합되는 단락 유도 버스바(320) 등을 포함하여 구성된다.
배터리 셀(310-1 내지 310-n)은 파우치형 셀이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell) 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버(330)를 포함하고, 상기 커버(330) 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용된다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다.
이러한 전술한 파우치형 셀들의 에지들은 조인트(sealing joint)(미도시)를 포함한다. 부연하면, 상기 조인트는 배터리 셀들의 2개의 박막을 연결하고, 상기 박막들은 그로 인해 형성된 공동부(미도시) 내에 추가의 부품들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다. 또한, 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다.
일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다. 또한, 이들 다수의 배터리 셀은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있으며, (+) 또는 (-)단자를 위한 셀 리드(312)가 양단에 용접으로 연결된다.
이러한 각 배터리 셀(310-1 내지 310-n)의 셀 리드(312)들은 서브 버스바(340)를 통해 서로 연결된다.
다수의 배터리 셀(310-1 내지 310-n)이 연결되면, 맨 하단측의 제 n 배터리 셀(310-n)의 셀 리드(312)는 양극 혹은 음극에 연결하기 위한 외부 단자(미도시)와 결합되는 단락 유도 버스바(320)에 결합된다. 한편, 맨 상단측의 제 1 배터리 셀(310-1)의 셀 리드는 양극 혹은 음극에 연결하기 위한 외부 단자(미도시)와 결합되는 버스바(350)에 결합된다.
도 3을 계속 참조하면, 우측에 확대도로 도시된 단락 유도 버스바(320)는, 외부 단자(미도시)와 결합되기 위한 체결홀(322-1)이 형성되는 외부 연결부(322), 상기 외부 연결부(322)와 단차를 두고 형성되며 제 1 내지 제 n 배터리 셀(310-1 내지 310-n) 중 어느 하나의 고장에 따른 저항 증대에 의해 융단되는 융단부(321), 및 상기 융단부(321)와 단차를 두고 형성되며 제 n 배터리 셀(310-n)의 셀 리드와 결합되는 리드 연결부(323) 등을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 모듈 단위 단락 구조의 각 길이 및 두께를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 융단부(321)는 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 제 1 평탄부(411)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 일정 간격(b)으로 벌어지며 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 사각형 형상의 제 2 평탄부(412)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 상기 제 2 평탄부(412) 사이를 연결하며 제 2 폭(a)은 갖는 목부(413)로 일체로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 제 1 평탄부(411)와 제 2 평탄부(412)는 서로 다른 면적을 갖는다. 부연하면, 제 1 평탄부(411)가 제 2 평탄부(412)보다 면적이 작다. 즉, 제 1 평탄부(411)는 외부 연결부(322) 측에 형성되고, 제 2 평탄부(412)는 리드 연결부(323) 측에 형성된다.
이때, 상기 제 1 폭(c)은 융단부(321)의 버스바폭으로서 일정한 두께(t)로 융단부(321)의 단면적(A)을 나누어서 산출된다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00001
또한, 단위 면적당 인가 전류는 융단부(321)의 단면적(A)으로 최대 전류(I)를 나누어서 산출되며, 이때 최대 전류(I)는 단락 유도 버스바(320)의 저항(R)으로 배터리 전압(V)을 나누어 산출된다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, 제 2 폭(a)은 단락시 예상되는 단위 면적당 인가 전류를 이용하여 산출된다. 또한, 일정 간격(b)은 단락 시험에 의해 생성되는 데이터를 이용하여 조정될 수 있다.
단락 유도 버스바(320)의 사양을 결정할 때 다음과 같은 점을 반영할 수 있다.
1) 면적 증가는 단위 면적당 허용 전류를 증대시킨다.
2) 두께 증가는 단면적은 증가하지만, 냉각 능력은 감소한다.
3) 폭 증가는 냉각 능력을 향상시킨다. 즉 공기와 접촉면적을 증대시킨다. 따라서, 상기 제 1 폭(c)이 증가함에 따라 상기 단락 유도 버스바(320)의 냉각이 증가할 수 있다.
4) 표면적이 클수록 전류 밀도를 높일 수 있다.
5) 단면적이 동일하다면, 표면적이 큰 버스바가 더 높은 허용 전류와 전류 밀도를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 단위 단락 구조의 사양을 결정하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 다른 한편으로, 상기 제 1 폭(c)을 결정하기 위해 상기 단락 유도 버스바(320)에 인가되는 인가 전류값을 확인하고 단락 유도 버스바(320)의 저항(R) 및 배터리 전압(V)을 산출한다(단계 S510).
이후, 상기 저항(R) 및 배터리 전압(V)에 따른 최대 전류(I)를 계산한다(단계 S520).
이후, 상기 최대 전류(I)를 이용하여 단락시 예상되는 단위 면적당 인가 전류를 계산한다(단계 S530).
이후, 상기 단위 면적당 인가 전류에 따른 상기 융단부(321)의 스퀘어 결정을 위해 상기 제 2 폭(a)을 결정한다(단계 S540).
210: 배터리 모듈
310-1 내지 310-n: 제 1 내지 제 n 배터리 셀
312: 셀 리드
320: 단락 유도 버스바
330: 셀 커버
340: 서브 버스바
350: 버스바
321: 융단부
322: 외부 연결부
323: 리드 연결부

Claims (9)

  1. 다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n)과, 각 배터리 셀의 셀 리드(312)들을 서로 연결하는 다수의 서브 버스바(340)와, 상기 다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n) 중 어느 하나를 양극 혹은 음극에 연결하기 위한 외부 단자와 결합되는 단락 유도 버스바(320)를 갖는 배터리 모듈 단위 단락 구조에 있어서,
    상기 단락 유도 버스바(320)는,
    상기 외부 단자와 결합되기 위한 체결홀(322-1)이 형성되는 외부 연결부(322);
    상기 외부 연결부(322)와 단차를 두고 형성되며 상기 다수의 배터리 셀(310-1 내지 310-n) 중 어느 하나의 저항 증대에 의해 융단되는 융단부(321); 및
    상기 융단부(321)와 단차를 두고 형성되며 상기 다수 개의 배터리 셀(310-1 내지 310-n)의 셀 리드와 결합되는 리드 연결부(323);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 융단부(321)는 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 제 1 평탄부(411)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 일정 간격(b)으로 벌어지며 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 사각형 형상의 제 2 평탄부(412)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 상기 제 2 평탄부(412) 사이를 연결하며 제 2 폭(a)은 갖는 목부(413)로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 평탄부(411)와 제 2 평탄부(412)는 서로 다른 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 폭(c)은 상기 일정한 두께(t)로 융단부(321)의 단면적(A)을 나누어서 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 폭(a)은 단락시 예상되는 단위 면적당 인가 전류를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단위 면적당 인가 전류는 융단부(321)의 단면적(A)으로 최대 전류(I)를 나누어서 산출되며, 상기 최대 전류(I)는 단락 유도 버스바(320)의 저항(R)으로 배터리 전압(V)을 나누어 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 일정 간격(b)은 단락 시험에 의해 생성되는 데이터를 이용하여 조정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 폭(c)이 증가함에 따라 상기 단락 유도 버스바(320)의 냉각이 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조.
  9. 제 1 항에 따른 단락 유도 버스바(320)를 가지며, 상기 융단부(321)가 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 제 1 평탄부(411)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 일정 간격(b)으로 벌어지며 사각형 형상으로 일정한 두께(t)와 제 1 폭(c)을 갖는 사각형 형상의 제 2 평탄부(412)와, 상기 제 1 평탄부(411)와 상기 제 2 평탄부(412) 사이를 연결하며 제 2 폭(a)은 갖는 목부(413)로 일체로 형성되는 배터리 모듈 단위 단락 구조의 제조 방법에 있어서,
    상기 제 1 폭(c)을 결정하기 위해 상기 단락 유도 버스바(320)에 인가되는 인가 전류값을 확인하고 단락 유도 버스바(320)의 저항(R) 및 배터리 전압(V)을 산출하는 단계;
    상기 저항(R) 및 배터리 전압(V)에 따른 최대 전류(I)를 계산하는 단계;
    상기 최대 전류(I)를 이용하여 단락시 예상되는 단위 면적당 인가 전류를 계산하는 단계; 및
    상기 단위 면적당 인가 전류에 따른 상기 융단부(321)의 스퀘어 결정을 위해 상기 제 2 폭(a)을 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 단위 단락 구조의 제조 방법.
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