KR20210049327A - 방식 부재가 구비된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

방식 부재가 구비된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방식 부재가 구비된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원통형 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바로서, 상기 버스 바는 음극단자 버스 바이며, 방식 부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

방식 부재가 구비된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈{Busbar Having Anticorrosion Member and Battery Module Including The Same}
본 발명은 방식 부재가 구비된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버스 바에 희생 금속을 포함하는 방식 부재를 구비함으로써 원통형 셀의 부식을 억제할 수 있는 방식 부재가 구비된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등에 적용되고 있어, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 갈수록 높아지고 있는 상황이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 이차전지는 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기에 이용되는 이차 전지는 수개의 전지 셀들이 배치되지만, 자동차등에는 다량의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈이 이용되고, 이때 전지 셀들을 직렬이나 병렬로 연결시키기 위하여 버스 바(Busbar)가 이용된다.
한편, 원통형 전지 케이스는 통상 알루미늄 재질로 이루어져 있으나, 장시간 보관시 또는 사용 중에 표면 등이 산화되어 녹이 발생할 수 있고, 이는 저항을 높이는 원인으로 작용한다.
이와 관련하여, 한국공개특허공보 제2016-0054327호에는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 하부 케이스부, 상기 케이스의 개방 상부를 덮는 캡부, 및 상기 하부 케이스부와 상기 캡부를 실링하는 가스켓;을 포함하며, 상기 전극 조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하고, 상기 하부 케이스의 표면은 부식 방지층이 형성되어 있는 코인형 전지가 개시되어 있다.
상기 선행문헌에 의하면, 하부 케이스의 내부면이 부식 방지층으로 피복되어 있어 전해액에 의한 부식의 진행이 방지 또는 억제되고, 따라서 전지의 내부 저항 증가 및 전지의 용량 저하가 방지된다는 이점이 있다.
하지만 전극 조립체를 수용하는 케이스 내부면 전부를 부식 방지층으로 피복시켜야 하기 때문에, 전지의 제조 비용이 증가할 뿐만 아니라 제조 공정이 매우 복잡해진다는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제2016-0054327호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 제조 공정이 간편하면서도 제조 비용의 상승을 억제할 수 있는 원통형 셀의 부식 방지 기능이 부가된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 장기간 사용이 가능한 원통형 셀의 부식 방지 기능이 부가된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 원통형 셀(100)과 전기적으로 연결되는 버스 바는, 음극단자 버스 바(220)이며, 방식 부재(400)가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 방식 부재(400)는, 소정 형상의 밀폐된 케이스, 상기 밀폐된 케이스 내부에 수납되는 희생금속(430), 및 상기 희생금속(430)과 상기 음극단자 버스 바(220)를 전기적으로 연결하는 와이어(430);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 와이어(430)는 구리 소재인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 희생금속(430)은 원통형 셀(100) 외장재보다 반응성이 큰 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 희생금속(430)은 마그네슘 또는 아연이고, 상기 원통형 셀(100) 외장재는 알루미늄인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 케이스는, 소정 영역이 상기 음극단자 버스 바(220)에 결합되는 상부 케이스(410), 및 상기 상부 케이스(410)와 탈착 가능하게 결합되는 하부 케이스(420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 상부 케이스(410) 벽면 상부에는, 음극단자 버스 바(220)와의 접촉면을 높이기 위한 플랜지(413)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 상부 케이스(410) 벽면 내측에는, 하나 이상의 요홈(411)과 희생금속(430)의 유동을 제어하기 위한 지지턱(412)이 구비되고, 상기 하부 케이스(420)는 상기 요홈(411)에 안착되는 돌기(421)가 벽면 외측에 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상부 케이스(410)와 하부 케이스(420)는 원통형인 것으로 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 상부 케이스(410) 벽면 내부에는 암나사산(414)이 형성되며, 상면 내측에는 탄성부재(415)가 구비되고, 상기 하부 케이스(420) 벽면 둘레에는 상기 암나사산(414)과 결합하는 수나사산(422)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 버스 바에서, 상기 상부 케이스(410) 상면 내측에는 탄성부재(415)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 배터리 모듈은 전술한 버스 바를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 의하면, 버스 바에 희생 금속을 포함하는 방식 부재가 구비되어 있어, 수납되는 원통형 셀의 개수와 관계없이 하나의 방식 부재만으로도 셀들의 부식을 억제할 수 있고, 따라서 배터리 모듈의 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 제조공정이 매우 간단하다는 이점이 있다.
또한 본 발명의 버스 바에 장착되는 방식 부재는, 희생 금속을 수납하는 케이스 내부에 희생 금속을 지지하는 탄성부재가 구비되어 있으며, 희생 금속이 부식되어 부피가 줄어들더라도 탄성부재에 의해 유동을 억제할 수 있기 때문에 확실한 방식 기능을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
게다가 본 발명의 버스 바에 장착되는 방식 부재는, 희생 금속을 수납하는 케이스가 탈착 가능한 구조로 이루어져 있어, 희생 금속이 소진되더라도 쉽게 교체할 수 있어 유지비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 방식 부재가 구비된 배터리 모듈의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 방식 부재의 분해 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 방식 부재의 결합 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 방식 부재의 결합 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 방식 부재의 분해 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 적용된 방식 부재의 결합 단면도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 방식 부재가 구비된 버스 바 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 방식 부재가 구비된 배터리 모듈의 개념도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방식부재가 구비된 배터리 모듈은 복수개의 원통형 셀(100)이 병렬 및/또는 직렬로 연결되며, 일측에는 양극단자 버스 바(210), 그리고 타측에는 음극단자 버스 바(220)가 구비된다.
구체적으로, X축 방향과 Y축 방향을 따라 각각 4개씩의 원통형 셀(100)이 배치되어 있으며, Y축 방향을 따라 위치하는 원통형 셀(100)들은 서로 병렬로 연결되고, X축 방향을 따라서는 직렬로 연결된다.
즉, 복수개의 제2 케이블(320)에 의해 각 원통형 셀(100) 중앙에 위치하는 양극단자들이 서로 전기적으로 연결되며, 또 복수개의 제3 케이블(330)은 원통형 셀(100)의 양극단자와 일측이 연결되고 타측은 인근하는 원통형 셀(100)의 가장자리에 위치하는 음극단자와 연결되어 있다.
게다가 X축 방향을 따라 일측 외곽에 위치하는 원통형 셀(100)들은 제1 케이블(310)의 의해 양극단자 버스 바(210)와 연결되는 한편, 타측 외곽에 위치하는 원통형 셀(100)들은 제4 케이블(340)를 통해 음극단자 버스 바(220)와 전기적으로 이어져 있다.
상기와 같이 배치된 배터리 모듈은, 별도의 케이스에 수납될 수 있고,또 양극단자 버스 바(210)와 음극단자 버스 바(220)에는 별도의 케이블(미도시)이 연결된 후 각종 디바이스에 사용된다.
한편, 상기 도 1에서는 배터리 셀(100)이 4p4s로 배열된 배터리 모듈을 예로 들어 설명하였으나, 이는 일 예시에 불과할 뿐 배터리 셀(100)의 배열은 다양하게 변경될 수 있음은 자명하다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 방식 부재의 분해 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 방식 부재의 결합 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면서, 배터리 셀(100)의 부식을 방지하기 위한 방식 부재(400)에 관해 설명하기로 한다.
본 발명의 방식 부재(400)는 음극단자 버스 바(220)에 부착되며, 공간활성용을 높여 배터리 모듈의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있도록 평판형 버스 바(220) 저면에 부착되는 것이 바람직하다.
상부가 개방되어 있으며 대략 육면체 형상을 갖는 방식 부재(400)는 후술할 희생 금속(430)을 수납할 수 있도록 내부가 비어 있으며, 희생 금속(430)의 교환이나 장착이 용이하도록 케이스 자체는 분리가 가능하다.
구체적으로, 본 발명에 따른 방식 부재(400)는 상부가 개방되어 있으며 음극단자 버스 바(220)와 밀착하는 소정 공간부를 갖는 상부 케이스(410)와, 상부 케이스(410)와 탈착 가능하게 결합되는 하부 케이스(420)를 포함하여 이루어진다.
특히 상부 케이스(410)에는 요홈(411), 지지턱(412) 및 플랜지(413)가 더 구비되어 있다. 요홈(411)은 상부 케이스(410) 벽면 내측에 형성되며, 2개 이상, 보다 바람직하게는 4개 이상 구비되며, 후술할 상부 케이스(410)의 돌기(421)를 수용함으로써, 상부 케이스(410)에 하부 케이스(420)를 고정시키기 위한 것이다.
지지턱(412)은 상부 케이스(410) 벽면 내측, 보다 상세하게는 요홈(411) 보다 상측에 위치하며, 후술할 희생 금속(430)의 일측을 고정할 수 있도록 2개 이상이 소정 길이 연장된 상태로 위치하고 있다. 즉, 상부 케이스(410)가 개방되어 있어도 지지턱(421)에 의해 희생 금속(430)이 케이스 외부로 이탈하지 않는다.
플랜지(413)는 상부 케이스(410) 벽면 상단부에 형성되며, 이는 상부 케이스(410)와 음극단자 버스 바(220) 저면과의 접촉면을 높여 결합력을 향상시키기 위한 것이다. 여기서, 상부 케이스(410)와 음극단자 버스 바(220)와의 결합방법은 특별히 제한하지 않으며, 일예로 비전도성 재질의 접착제를 사용하여 고정시킬 수 있다.
상부 케이스(410)와 탈착 가능하게 결합되는 하부 케이스(420)는 상부가 개방되고 나머지는 밀폐되어 있으며, 수직 벽면 외측에는 전술한 요홈(411)에 함입될 수 있는 돌기(421)가 구비되어 있다. 물론 돌기(421)의 위치와 개수는 상부 케이스(410)의 요홈(411)과 대응되도록 위치해야 함은 자명하다.
계속해서, 희생 금속(430), 즉 어떤 금속의 부식을 막기 위해 연결하는 금속으로 정의되는 희생 금속(430)은 상부 케이스(410)와 하부 케이스(420)의 결합에 의해 형성되는 공간부에 위치한다.
여기서, 희생 금속(430)은 원통형 셀(100) 외장재보다 반응성이 큰 금속재질, 일 예로 원통형 셀(100)의 외장재가 알루미늄일 경우 희생 금속(430)은 알루미늄보다 반응성이 큰 마그네슘 또는 아연일 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
그리고 희생 금속(430)의 일측에는 구리 소재의 와이어(440)가 연결되고, 와이어(440)의 타측은 음극단자 버스 바(220)에 연결됨으로써, 원통형 셀(100)의 외장재를 대신하여 희생 금속(430)이 산화된다.
여기서, 와이어(440) 일측은 하부 케이스(420)의 관통구(미도시)를 통해 외부로 연장되는 것이 바람직한데 이는 방식 부재(400)의 조립을 편리하게 하기 위한 것이다. 물론 와이어(440)가 통과한 관통구에는 외부의 수분 등이 유입되지 않도록 실링처리되어야 함은 자명하고, 또 마찬가지로 상부 케이스(410)와 하부 케이스(420)의 결합부위에도 기밀을 유지할 수 있도록 실링부재가 구비될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 방식 부재의 결합 단면도이다.도 4를 참조하면서 본 발명의 제2 실시예에 따른 방식 부재를 설명하면, 상기 제1 실시예와는 달리 상부 케이스(410)의 상면이 밀폐되어 있으며, 지지턱(412) 대신에 상면 내측에는 탄성부재(415)가 구비되어 있다는 점만 제외하고 나머지 구성은 동일하다.
따라서 동일한 구성의 중복되는 설명은 생략하고, 상이한 구성에 관해서만 설명하기로 한다.
희생금속(430)은 상부 케이스(410)와 하부 케이스(420)에 의해 생성되는 공간부에 수납되며, 이러한 희생금속(430)은 부식에 의해 서서히 체적이 줄어들게 된다. 즉, 배터리 모듈 조립 시, 케이스 공간부와 동일한 부피의 희생금속(430)을 장착시키지만 부식에 의해 점차 부피가 줄어들게 되므로, 줄어든 부피만큼 케이스 내부에는 빈 공간이 발생한다. 따라서 외부의 약한 충격에도 희생금속(430)과 케이스가 반복적으로 접촉하여 소음을 유발할 수 있고, 자칫 희생금속(430)에 연결된 와이어(440)가 손상을 입어 배터리 셀(100)의 부식을 방지하기 어려울 수 있다.
하지만 상부 케이스(410) 내측에 탄성부재(414)가 구비되어 희생금속(430)의 상부를 지속적으로 가압하면 부식에 의해 부피가 줄어들더라도 안정적으로 고정하는 것이 가능하므로, 전술한 문제점을 해결할 수 있다.
여기서, 탄성부재(414)는 신축이 가능한 내식성 소재라면 특별히 제한하지 않는다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 방식 부재의 분해 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 적용된 방식 부재의 결합 단면도이다.
도 5 및 6을 참조하면서 본 발명의 제3 실시예에 따른 방식 부재를 설명하면, 하부만 개방되어 있는 원통형의 상부 케이스(410)와, 상부만 개방되어 있는 원통형의 하부 케이스(420)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상부 케이스(410) 벽면 내부에는 암나사산(414)이 형성되어 있고, 하부 케이스(420) 벽면 둘레에는 상기 암나사산(414)과 결합 또는 분리하기 위한 수나사산(422)이 형성되어 있다.
그리고, 상부 케이스(410) 상면 내측에는 탄성부재(414)가 추가로 구비되는 것이 바람직하다. 탄성부재(414)와 플랜지(413)의 기능에 관해서는 전술한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
비록 도 5 및 6에서는 상부 케이스(410) 벽면 내부와 하부 케이스(420) 벽면 둘레에 각각 암나사산와 수나사산을 형성시켜 암수 체결방식인 것으로 도시하고 있으나, 상부 케이스(410) 벽면 내측면에 암나사산을 형성시키는 한편, 하부 케이스(420) 벽면 외측면에 수나사산을 형성시켜 이들을 결합 또는 분리할 수도 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100 : 원통형 셀
110 : 양극단자
120 : 음극단자
200 : 버스 바
210 : 양극단자 버스 바
220 : 음극단자 버스 바
300 : 케이블
310 : 제1 케이블
320 : 제2 케이블
330 : 제4 케이블
340 : 제4 케이블
400 : 방식 부재
410 : 상부 케이스
411 : 요홈 412 : 지지턱
413 : 플랜지 414 : 암나사산
415 : 탄성부재
420 : 하부 케이스
421 : 돌기 422 : 수나사산
430 : 희생 금속
440 : 와이어

Claims (12)

  1. 원통형 셀과 전기적으로 연결되는 버스 바에서,
    상기 버스 바는 음극단자 버스 바이며, 방식 부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 버스 바.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방식 부재는, 소정 형상의 밀폐된 케이스, 상기 밀폐된 케이스 내부에 수납되는 희생금속, 및 상기 희생금속과 상기 음극단자 버스 바를 전기적으로 연결하는 와이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스 바.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와이어는 구리 소재인 것을 특징으로 하는 버스 바.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 희생금속은 원통형 셀 외장재보다 반응성이 큰 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 버스 바.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 희생금속은 마그네슘 또는 아연이고, 상기 원통형 셀 외장재는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 버스 바.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 케이스는, 소정 영역이 상기 음극단자 버스 바에 결합되는 상부 케이스, 및 상기 상부 케이스와 탈착 가능하게 결합되는 하부 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스 바.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 케이스 벽면 상부에는, 음극단자 버스 바와의 접촉면을 높이기 위한 플랜지가 더 구비된 것을 특징으로 하는 버스 바.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상부 케이스 벽면 내측에는, 하나 이상의 요홈과 희생금속의 유동을 제어하기 위한 지지턱이 구비되고,
    상기 하부 케이스는 상기 요홈에 안착되는 돌기가 벽면 외측에 구비된 것을 특징으로 하는 버스 바.
  9. 제7항에 있어서,
    상부 케이스와 하부 케이스는 원통형인 것으로 특징으로 하는 버스 바.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 케이스 벽면 내부에는 암나사산이 형성되며, 상면 내측에는 탄성부재가 구비되고,
    상기 하부 케이스 벽면 둘레에는 상기 암나사산과 결합하는 수나사산이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 버스 바.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 상부 케이스 상면 내측에는 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 버스 바.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 버스 바를 포함하는 배터리 모듈.
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