KR20210155527A - 배터리 차단 유닛 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

배터리 차단 유닛 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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KR20210155527A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 차단 유닛은 상부 커버와 하부 프레임; 상기 상부 커버와 상기 하부 프레임 사이에 위치한 접촉기(contactor); 상기 접촉기와 연결된 버스바; 상기 버스바 상에 위치한 냉각 플레이트; 및 상기 버스바와 상기 냉각 플레이트 사이에 위치한 열전달 패드를 포함한다.

Description

배터리 차단 유닛 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY DISCONNECT UNIT AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 배터리 차단 유닛 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 부품 간 접촉성이 향상된 배터리 차단 유닛 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
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 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다.
전력변환장치와 전지 모듈 사이에는 전원을 차단할 수 있는 배터리 차단 유닛(Battery Disconnected Unit: BDU)이 배치될 수 있다. 상기 배터리 차단 유닛은 전류가 설정범위를 넘는 조건과 같은 상황 시 배터리의 전원을 차단하여, 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 부품 간 접촉성이 향상된 배터리 차단 유닛 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 차단 유닛은, 상부 커버와 하부 프레임; 상기 상부 커버와 상기 하부 프레임 사이에 위치한 접촉기(contactor); 상기 접촉기와 연결된 버스바; 상기 버스바 상에 위치한 냉각 플레이트; 및 상기 버스바와 상기 냉각 플레이트 사이에 위치한 열전달 패드를 포함한다.
상기 배터리 차단 유닛은 상기 버스바와 상기 열전달 패드 사이에 위치한 열전도성 접착층을 더 포함할 수 있다.
상기 열전도성 접착층은 열전도성 세라믹 접착 소재를 포함할 수 있다.
상기 열전도성 세라믹 접착 소재는, 실리카 세라믹 접착 소재, 세라믹 알루미나 접착 소재 및 세라믹 접착 코팅 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 열전도성 접착층은 상기 열전달 패드 및 상기 버스바와 각각 접촉할 수 있다.
상기 배터리 차단 유닛은 상기 냉각 플레이트와 상기 열전달 패드 사이에 위치한 열전도성 접착층을 더 포함할 수 있다.
상기 열전달 패드는 판상형 구조체이고, 실리콘 수지 및 열전도 물질을 포함할 수 있다.
상기 냉각 플레이트는 일단이 상기 버스바 상에 위치하고, 타단이 상기 배터리 차단 유닛의 외부로 노출될 수 있다.
상기 열전도성 접착층은, 전기적으로 절연일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 열전도성 접착층을 형성하여 부품간 공차로 인해 서로 접촉되지 않는 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 냉각 플레이트와 버스바 사이에 결로 현상 발생시, 열전도성 접착층이 전기적을 절연성을 가짐으로써, 버스바 간의 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 차단 유닛의 평면도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 실시예들에 따라 도 2의 “B” 부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 차단 유닛의 평면도이다. 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 차단 유닛(100)은, 상부 커버(210)와 하부 프레임(220), 상부 커버(210)와 하부 프레임(220) 사이에 위치한 접촉기(300, contactor), 접촉기(300)와 연결된 버스바(400), 버스바(400) 상에 위치한 냉각 플레이트(500) 및 버스바(400)와 냉각 플레이트(500) 사이에 위치한 열전달 패드(600, Thermal pad)를 포함한다.
배터리 차단 유닛(100)은 전지팩을 전기적 부하인 동력 전달계 시스템에 선택적으로 전기적 연결하도록 구성될 수 있다.
하부 프레임(220)에는 복수의 단자홈들이 형성되어 접촉기(300), 버스바(400), 회로기판(도시하지 않음) 등의 부품이 장착될 수 있고, 상부 커버(210)는 하부 프레임(220)과 결합되면서 상부 커버(210)가 상기 부품들을 덮을 수 있다. 즉, 상기 부품들은 상부 커버(210)와 하부 프레임(220) 사이에 수납될 수 있다. 이러한 상부 커버(210) 및 하부 프레임(220)은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.
접촉기(300)는 본 실시예에 따른 배터리 차단 유닛(100)이 적용되는 디바이스에 HV(High voltage) power를 공급 및 차단하는 기능을 담당하는 구성으로, 전지팩의 단자와 동력 전달계 시스템 사이에 전기적으로 연결될 수 있고, BMS(Battery Management System) 혹은 VCM(Vehicle Control Module)에 의해 제어될 수 있다.
버스바(400)는 접촉기(300) 등을 전지팩의 단자나 동력 전달계 시스템에 연결하기 위한 구성으로, 전기 전도성을 갖는 금속 판재일 수 있다.
이하에서는 도 3a 내지 도 3c를 참고하여, 본 실시예에 따른 냉각 플레이트, 열전달 패드 및 열전도성 접착층에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 실시예들에 따라 도 2의 “B” 부분을 확대하여 나타낸 부분 단면도이다.
먼저 도 2 및 도 3a를 참고하면, 배터리 차단 유닛(100)의 작동 과정에서, 버스바(400)에 다량의 열이 발생할 수 있다. 이에 따라, 버스바(400) 상에 열전달 패드(600) 및 냉각 플레이트(500)가 차례로 위치할 수 있다. 냉각 플레이트(500)는 일단이 버스바(400) 상에 위치하고, 타단이 배터리 차단 유닛(100)의 외부로 노출될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 배터리 차단 유닛(100)이 전지팩에 배치될 때, 상기 전지팩에는 냉각을 위해 유동하는 냉매 경로가 형성될 수 있다. 전지팩 외부로부터 유입된 냉매가 전지팩 내부의 각 부품들로부터 발생한 열을 흡수한 후 다시 전지팩 외부로 배출하는 순환 구조가 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 냉각 플레이트(500)는 그 타단이 배터리 차단 유닛(100)의 외부로 노출되어 상기 냉매 경로와 연결될 수 있다. 이를 통해, 버스바(400)에서 발생한 열이, 냉각 플레이트(500)를 통해 순환하는 상기 냉매 경로에 전달됨으로써, 배터리 차단 유닛(100)의 외부로 배출될 수 있다. 이러한 냉각 플레이트(500)는 높은 열전도도를 갖는 금속 플레이트일 수 있다.
이 때, 냉각 플레이트(500)와 버스바(400)가 서로 접촉되지 못하여, 열전달이 효과적으로 이루어지지 않을 수 있다. 이에 냉각 플레이트(500)와 버스바(400) 사이에 열전달 패드(600)를 배치하고 열전달 패드(600)가 냉각 플레이트(500)와 버스바(400)에 의해 압축되도록 구성할 수 있다. 열전달 패드(600)의 압축에 의존하여 냉각 플레이트(500)와 버스바(400) 간의 열전달을 위한 간접적 접촉을 유지할 수 있다. 이러한 열전달 패드(600)는 판상형 구조체로써, 열전도도가 우수하고 소정의 탄성을 갖는 소재를 포함하는 것이 바람직하며, 구체적으로, 실리콘 수지에 열전도 물질을 첨가하여 제조될 수 있다. 이러한 열전도 물질에 특별한 제한은 없으며, 금속 파우더, 그래파이트(graphite) 등을 포함할 수 있다.
다음, 도 2 및 도 3b를 참고하면, 배터리 차단 유닛(100)에 가해지는 외부 진동, 충격이나 배터리 차단 유닛(100)을 형성하는 부품들 간의 공차들로 인해 열전달 패드(600)를 구성함에도 냉각 플레이트(500)와 버스바(400)가 접촉되지 않은 채 서로 이격되는 경우가 발생할 수 있다.
이에 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 차단 유닛(100)은, 버스바(400)와 열전달 패드(600) 사이에 위치한 열전도성 접착층(700a)을 포함할 수 있다. 열전도성 접착층(700a)은 열전도성 세라믹 접착 소재를 포함할 수 있고, 상기 열전도성 세라믹 접착 소재를 포함한 접착제를 버스바(400) 또는 열전달 패드(600)에 도포하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 접착제를 버스바(400) 또는 열전달 패드(600)의 일면에 도포한 후 버스바(400)와 열전달 패드(600)를 접착하여 그 사이에 열전도성 접착층(700a)을 형성할 수 있다. 이러한 열전도성 세라믹 접착 소재는 실리카 세라믹 접착 소재, 세라믹 알루미나 접착 소재 및 세라믹 접착 코팅 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이를 포함하는 상기 접착제는 소정의 접착력과 열전도도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 실리카 세라믹 접착 소재는 실리카 및 소듐 실리케이트(Sodium silicate)를 포함하는 페이스트 또는 파우더 형태의 소재로써, 열전도성, 접착성 및 전기 절연성을 갖는다. 상기 세라믹 알루미나 접착 소재는 알루미나 및 소듐 실리케이트를 포함하는 페이스트 또는 파우더 형태의 소재로 써, 열전도성, 접착성 및 전기 절연성을 갖는다. 상기 세라믹 접착 코팅 소재는 실리카/클래이(Clay) 및 소듐 실리케이트를 포함하는 페이스트 형태의 소재로써, 우수한 기계적 접착 강도, 열전도성 및 전기 절연성을 갖는다.
상기 접착제의 접착력으로 인해, 버스바(400)와 열전달 패드(600)는 열전도성 접착층(700a)과 접촉을 균일하게 유지할 수 있다. 또한 열전도성 접착층(700a)은 열전도도가 우수하기 때문에 버스바(400)에서 발생한 열이 열전도성 접착층(700a)을 통해 열전달 패드(600)와 냉각 플레이트(500)로 원활히 전달될 수 있다.
한편, 열전도성 접착층(700a)은 전기 절연성을 갖는 상기 열전도성 세라믹 접착 소재를 포함하여 전기적으로 절연일 수 있다. 본 실시예에서, 냉각 플레이트(500)의 적용으로 냉각 플레이트(500)와 버스바(400) 사이에 결로 현상이 발생할 수 있고, 이로 인해 버스바(400) 간의 단락이 유발될 수 있다. 이 때 본 실시예에 따른 전기적 절연의 열전도성 접착층(700a)이 버스바(400)에 도포되는 것이므로, 버스바(400) 간에 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
다음, 도 2 및 도 3c를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 차단 유닛(100)은 냉각 플레이트(500)와 열전달 패드(600) 사이에 위치하는 열전도성 접착층(700b)을 더 포함할 수 있다. 즉, 열전달 패드(600) 아래에 위치하는 열전도성 접착층(700a)뿐만 아니라 열전달 패드(600) 위에 위치하는 열전도성 접착층(700b)이 형성될 수 있다. 추가적으로 열전도성 접착층(700b)을 형성함으로써, 냉각 플레이트(500)와 열전달 패드(600) 사이의 이격을 방지하고, 균일한 접촉을 유지할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 배터리 차단 유닛은 전지 모듈, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 배터리 차단 유닛이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 배터리 차단 유닛
400: 버스바
500: 냉각 플레이트
600: 열전달 패드
700: 열전도성 접착층

Claims (10)

  1. 상부 커버와 하부 프레임;
    상기 상부 커버와 상기 하부 프레임 사이에 위치한 접촉기(contactor);
    상기 접촉기와 연결된 버스바;
    상기 버스바 상에 위치한 냉각 플레이트; 및
    상기 버스바와 상기 냉각 플레이트 사이에 위치한 열전달 패드를 포함하는 배터리 차단 유닛.
  2. 제1항에서,
    상기 버스바와 상기 열전달 패드 사이에 위치한 열전도성 접착층을 더 포함하는 배터리 차단 유닛.
  3. 제2항에서,
    상기 열전도성 접착층은 열전도성 세라믹 접착 소재를 포함하는 배터리 차단 유닛.
  4. 제3항에서,
    상기 열전도성 세라믹 접착 소재는, 실리카 세라믹 접착 소재, 세라믹 알루미나 접착 소재 및 세라믹 접착 코팅 소재 중 적어도 하나를 포함하는 배터리 차단 유닛.
  5. 제2항에서,
    상기 열전도성 접착층은 상기 열전달 패드 및 상기 버스바와 각각 접촉하는 배터리 차단 유닛.
  6. 제2항에서,
    상기 냉각 플레이트와 상기 열전달 패드 사이에 위치한 열전도성 접착층을 더 포함하는 배터리 차단 유닛.
  7. 제1항에서,
    상기 열전달 패드는 판상형 구조체이고, 실리콘 수지 및 열전도 물질을 포함하는 배터리 차단 유닛.
  8. 제1항에서,
    상기 냉각 플레이트는 일단이 상기 버스바 상에 위치하고, 타단이 상기 배터리 차단 유닛의 외부로 노출되는 배터리 차단 유닛.
  9. 제1항에서,
    상기 열전도성 접착층은, 전기적으로 절연인 배터리 차단 유닛.
  10. 제1항에 따른 배터리 차단 유닛을 포함하는 전지팩.
KR1020200072852A 2020-06-16 2020-06-16 배터리 차단 유닛 및 이를 포함하는 전지팩 KR20210155527A (ko)

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