KR20220023504A - 리무버블 퓨즈 어셈블리를 구비한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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KR20220023504A
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 외측에 마련되는 전극 터미널; 및 일단은 상기 전극 터미널에 연결되고 타단은 외부 케이블에 연결되며 과전류 발생시 끊어지게 구성된 버스바와, 상기 버스바를 수용하는 퓨즈 케이스를 구비하고 상기 모듈 케이스의 외측에 장착 및 탈착 가능하게 마련된 퓨즈 어셈블리를 포함한다.

Description

리무버블 퓨즈 어셈블리를 구비한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery module with removable fuse assembly and battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 외부 단락시 배터리 모듈의 내부 화염 발생을 방지하기 위한 리무버블 퓨즈 어셈블리를 구비한 배터리 모듈에 관한 것이다.
전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환하고 충,방전 반복이 가능한 반영구적인 전지를 한 번 사용 후 재사용이 불가한 일차전지와 구분하여 이차전지라고 지칭한다.
이차전지로는 리튬이차전지, 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지, 납축전지, 니켈수소(Ni-MH)전지, 공기아연전지, 알칼리망간전지 등이 존재한다. 이들 중 납축전지와 리튬이차전지가 가장 활발히 상용화된 이차전지라 할 수 있다.
특히, 리튬이차전지는 에너지 저장밀도가 높고 경량화와 소형화가 가능하고 우수한 안전성, 낮은 방전률, 장수명과 같은 장점을 지니고 있어 최근 전기차 배터리로 활용이 활발하다. 참고로, 리튬이차전지는 제조형태에 따라 일반적으로 원통형, 각형, 파우치형으로 분류되고, 사용용도도 전기차 배터리 이외에도 ESS 배터리, 기타 전기장치 등에 걸쳐있다.
현재, 리튬이차전지 1개(셀)로는 전기차를 구동할 수 있을 만큼의 충분한 출력을 얻을 수 없다. 전기차의 에너지원으로 이차전지를 적용하기 위해서는 복수 개의 리튬이온 전지 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈을 구성해야 하며, 통상 직렬 형태로 상기 배터리 모듈들을 연결하고 이를 기능적으로 유지해주는 BMS(Battery Management System)와 냉각 시스템, BDU(Battery Disconnection Unit), 하네스 와이어 등을 포함한 배터리 팩을 구성한다.
한편, 배터리 모듈은 외부 케이블의 단락 등으로 과전류가 발생하면 내부 발화 가능성이 있다. 배터리 셀 단위로 외부 단락 테스트를 해보면, 내부 전극의 발열과 전해액 기화로 인해 배터리 셀 내부에 가스가 발생함에 따라 내부 압력 증가와 셀 리드부 발열로 인한 파우치 실링부가 개방되고 가스가 외부로 벤팅된다. 이때, 밴팅 가스가 배터리 셀의 셀 리드에서 일어나는 스파크와 만나서 화염이 증폭된다.
이러한 외부 단락으로 인한 과전류 발생으로부터 배터리 모듈을 보호하기 위해 일반적으로 배터리 모듈은 내부에 퓨즈를 포함하고 있다. 퓨즈는 과전류가 흐를 경우 용단되어 전류의 흐름을 차단하여 배터리 셀들의 가스 벤팅이나 스파크 발생을 방지한다. 하지만, 과전류가 흘러 상기 퓨즈가 용단될 때, 짧은 시간이나 스파크 내지 화염이 동반되는데, 종래기술에 따른 배터리 모듈은 이러한 퓨즈를 내장하고 있어 여전히 화재 안전성이 우려가 존재한다.
또한, 배터리 모듈 등과 같은 화물 운송을 위한 국제 안전 인증 테스트는 배터리 모듈의 외부 단락시, 화염이 1초 이상 발생하면 기준 요건 미달로 판정하는 테스트 항목이 있다. 따라서 상기 국제 안전 인증 테스트 중 외부 단락 시험을 충분히 통과할 수 있도록 퓨즈를 적용한 배터리 모듈이 요구된다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0050092호 (2017.05.11) 주식회사 엘지화학
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 외부 단락 시 배터리 모듈 내부의 화염 발생 가능성을 없앨 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 모듈의 운송을 위한 국제 인증 시험 중 외부 단락 테스트 기준을 충족시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 외측에 마련되는 전극 터미널; 및 일단은 상기 전극 터미널에 연결되고 타단은 외부 케이블에 연결되며 과전류 발생시 끊어지게 구성된 버스바와, 상기 버스바를 수용하는 퓨즈 케이스를 구비하고 상기 모듈 케이스의 외측에 장착 및 탈착 가능하게 마련된 퓨즈 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 전극 터미널은 볼트 또는 너트 형상이며, 상기 버스바는 상기 전극 터미널에 체결되는 모듈 조립부; 상기 외부 케이블에 체결되는 케이블 조립부; 및 상기 모듈 조립부와 상기 케이블 조립부 사이에 연장 형성되고 과전류가 흐르면 용단되게 마련된 브릿지부를 포함할 수 있다.
상기 브릿지부는, 상기 모듈 조립부와 상기 케이블 조립부보다 좁은 폭을 갖도록 마련될 수 있다.
상기 브릿지부는, 적어도 하나의 노치를 구비할 수 있다.
상기 퓨즈 케이스는, 상기 버스바의 외곽을 둘러싸는 벽체부와 개방된 상부와 하부를 갖는 박스 형태로 마련된 케이스 바디; 및 상기 케이스 바디의 상부를 커버하는 케이스 커버를 포함할 수 있다.
상기 케이스 바디는, 상기 벽체부의 하단에서 절곡 연장되어 상기 버스바의 테두리 하면을 지지하는 적어도 하나의 하부 지지체;와 상기 버스바의 상면에 접촉하게 상기 벽체부의 안쪽면에서 돌출 형성되는 적어도 하나의 상부 지지체를 포함할 수 있다.
상기 상부 지지체는, 상기 케이스 바디의 내부 방향을 향해 기울어진 경사면을 구비할 수 있다.
상기 케이스 바디는, 상기 브릿지부의 하부에서 상기 브릿지부의 일 영역을 커버하는 보강판을 포함할 수 있다.
상기 케이스 바디는, 상기 벽체부의 안쪽면에서 내부 방향으로 "L"자 형으로 돌출된 재치대를 포함하고, 상기 버스바는 상기 재치대 상에 접촉 배치되게 벤딩된 절곡핀을 더 포함할 수 있다.
상기 케이스 커버는, 상기 모듈 조립부의 상부를 커버하는 제1 커버;와 상기 제1 커버와 독립적으로 상기 케이블 조립부의 상부를 커버하는 제2 커버를 포함할 수 있다.
상기 제1 커버 또는 상기 제2 커버는, 상기 케이스 바디의 내부 공간에 수직으로 삽입 배치되는 차단판을 구비하고, 상기 차단판에 의해 상기 모듈 조립부와 상기 케이블 조립부는 상호 격리될 수 있다.
상기 케이스 바디는 상기 벽체부의 일측에서 외측 방향으로 돌출 형성되고 내부에 인서트 너트를 구비하는 더미 블럭을 더 포함하고, 상기 제1 커버는 상기 더미 블록 상에 배치되고 상기 인서트 너트와 상하로 매칭되는 부싱을 구비한 더미 커버를 포함할 수 있다.
상기 벽체부는 상기 더미 블럭이 위치한 영역으로서 다른 영역보다 두께가 두껍게 형성된 강도 보강벽 영역을 구비할 수 있다.
상기 강도 보강벽 영역은 바깥쪽 벽체 영역과, 안쪽 벽체 영역 그리고 상기 바깥쪽 벽체 영역과 안쪽 벽체 영역에 연결되는 복수 개의 리브들을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 바와 같이 모듈 케이스의 외측에 장착 및 탈착 가능하고 과전류 발생시 끊어지게 구성된 버스바와 상기 버스바를 안전하게 수용하며 견고한 구조로 이루어진 퓨즈 케이스를 구비한 퓨즈 어셈블리가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 퓨즈 어셈블리를 배터리 모듈의 외측에 위치시킴으로써 외부 단락 시 과전류에 의한 퓨즈 단락으로 발생하는 스파크가 배터리 모듈의 외부에서 발생하게 되어 배터리 모듈 내부의 발화 위험을 없앨 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 진동, 충격 등의 외력에도 구조가 변형, 파손되지 않으며, 누구라도 쉽고 편리하게 핸들링할 수 있는 퓨즈 어셈블리가 제공될 수 있다.
또한, 상기 퓨즈 어셈블리는 최대한 물리적 외력에는 강하면서도 과전류로 인한 스파크 내지 화염의 지속 시간이 1초 미만이 되도록 특정 치수의 노치를 채용한 버스바를 포함하고 있어 국제 인증시험 중, 외부 단락 시험을 통과 조건을 충족시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 퓨즈 어셈블리의 사시도이다.
도 3은 도 2의 퓨즈 어셈블리의 분해도이다.
도 4는 도 3의 버스바의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 바디의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 퓨즈 어셈블리를 뒤집어 놓고 바라본 사시도이다.
도 7은 도 6의 퓨즈 어셈블리를 다시 반전시켜 놓고 바라본 사시도이다.
도 8은 도 7의 강도 보강벽 영역의 확대도이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 퓨즈 어셈블리의 장착 예를 나타내기 위한 도면들이다.
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 안 되며, 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.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 퓨즈 어셈블리의 사시도이며, 도 3은 도 2의 퓨즈 어셈블리의 분해도이다.
이들 도면들에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 복수 개의 배터리 셀(미도시)들과 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스(100) 그리고 상기 모듈 케이스(100)의 외측에 배치되는 퓨즈 어셈블리(300)를 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀, 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀 등 어떠한 유형의 배터리 셀이라도 무방하다. 자동차용 배터리 모듈(10)의 경우 적층이 용이하고 에너지 밀도가 높은 파우치형 배터리 셀을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 파우치형 배터리 셀은 전극 조립체, 전해액, 그리고 이들을 밀봉 수납하기 위한 파우치 외장재로 구성된다.
전극 조립체는 양극판,분리막,음극판 순의 스택 구조로 구성되고 양극판과 음극판에는 전극 탭이 구비되며, 상기 전극 탭은 전극 리드와 연결된다. 상기 전극 리드는 파우치 외장재의 내부에서 외부로 연장 배치됨으로써 배터리 셀의 전극 단자로서 기능한다.
파우치 외장재는 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 상기 알루미늄 박막은, 전기 절연성 확보를 위해, 절연물질로 형성된 절연층과 내부 접착층 사이에 개재될 수 있다.
상기 파우치형 배터리 셀들은 미리 정해진 배터리 모듈(10)의 출력과 용량에 따라 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 예컨대, 파우치형 배터리 셀들을 일 방향으로 적층한 상태에서 2개 이상의 배터리 셀들의 양극 리드들과 다른 2개 이상의 배터리 셀들의 음극 리드들을 하나의 금속바에 일체로 용접하는 방식으로 상기 4개의 배터리 셀들을 직렬과 병렬 연결할 수 있다. 배터리 모듈(10)을 구성하는 배터리 셀들은 위와 같은 패턴이 반복됨으로써 전체가 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
상기 배터리 셀들은 적층체를 이룬 상태로 모듈 케이스(100) 내부에 수용될 수 있다. 모듈 케이스(100)는 상기 배터리 셀들을 외부 충격으로부터 보호할 수 있도록 기계적 강성이 높은 재질로 제작될 수 있다. 상기 배터리 셀들의 전압이나 온도 센싱을 위한 센싱 케이블, 전기적 연결 매개 수단으로 사용되는 금속바들, 상기 배터리 셀들의 강성 보강을 위한 지지 프레임 및 온도 관리를 위한 냉각 부품 등이 모듈 케이스(100)에 함께 수납될 수 있다.
상기 모듈 케이스(100)의 외측면에는 배터리 셀들의 상태를 진단,추정,관리하기 위한 BMS, 전력 제어를 위한 릴레이, 전류 센서 등으로 구성된 제어부품이 더 배치될 수 있다.
배터리 모듈(10)의 양극 터미널과 음극 터미널은 모듈 케이스(100)의 외측면에 노출되게 마련될 수 있다.
본 실시예의 배터리 모듈(10)의 전극 터미널(200)은 양극 터미널과 음극 터미널을 포함하고, 모듈 케이스(100)의 상부에 볼트 (또는 너트) 형상으로 돌출되게 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 퓨즈 어셈블리(300)는 상기 모듈 케이스(100)의 외측에 장착 및 탈착 가능하게 구성된다.
자세히 후술하겠으나, 본 실시예의 퓨즈 어셈블리(300)는 모듈 케이스(100)의 외측에서 상기 전극 터미널(200)에 조립 및 고정시킬 수 있게 구성되어 있다. 따라서 외부 단락으로 과전류가 발생시 퓨즈 어셈블리(300)의 단락으로 스파크가 발생하여도 배터리 모듈(10)의 내부에 영향을 주지 않게 됨으로 배터리 모듈(10)의 내부 발화 위험을 없앨 수 있다.
또한, 종래 퓨즈가 모듈 케이스(100) 내부에 있는 배터리 모듈(10)의 경우, 과전류로 인해 퓨즈가 용단될 경우 해당 퓨즈 교체를 하려면 배터리 모듈(10)을 분해하고 퓨즈 라인 배선 계통을 모두 교체해야 하는 등 작업이 쉽지 않다. 그러나 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 퓨즈 어셈블리(300)에서 용단된 버스바(310)를 새것으로 교체하면 됨으로 유지,보수 및 관리가 매우 용이하다.
이하에서는 이러한 퓨즈 어셈블리(300)에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 퓨즈 어셈블리(300)는 노치(314)가 적용되어 있어 과전류가 흐를 경우 용단될 수 있는 버스바(310)와, 상기 버스바(310)를 보호하기 위한 퓨즈 케이스(320)를 포함한다.
상기 버스바(310)는 금속 재질(ex: 구리(Cu))로 형성된 플레이트 형상으로 마련되고, 양단부에 홀(H)을 구비하여 일단부는 전극 터미널(200)에 볼트/너트 체결하고 타단부는 외부 케이블(20)의 링 터미널(미도시)에 볼트/너트 체결할 수 있게 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 버스바(310)는 전극 터미널(200) 측에 체결되는 모듈 조립부(311), 외부 케이블(20) 측에 체결되는 케이블 조립부(312), 상기 모듈 조립부(311)와 상기 케이블 조립부(312) 사이에 연장되어 있는 브릿지부(313)로 구성될 수 있다.
상기 모듈 조립부(311)는 후술할 퓨즈 케이스(320)의 폭에 대응하는 폭을 가지며, 중앙에 홀(H)을 구비한다. 상기 홀(H)은 볼트 형태로 제공되는 전극 터미널(200)에 충분히 끼워 넣을 수 있는 사이즈로 마련될 수 있다.
또한, 본 실시예의 모듈 조립부(311)는 절곡핀(311a)을 더 구비한다. 상기 절곡핀(311a)은 대략 "ㄱ" 형태로 꺾인 부분으로서 후술할 퓨즈 케이스(320)의 재치대(334)에 안착될 수 있다. 예를 들어 퓨즈 케이스(320)에 버스바(310)를 조립할 때, 버스바(310)의 절곡핀(311a)을 퓨즈 케이스(320)의 재치대(334)에 놓일 수 있게 버스바(310)의 위치를 잡으면 수월하고 도면에 도시한 바와 같이, 재치대(334)에 절곡핀(311a)이 놓이면 모듈 조립부(311)가 퓨즈 케이스(320) 내에서 전후좌우 및 상하 방향으로 유동하지 않게 구속될 수 있다.
케이블 조립부(312)는 모듈 조립부(311)와 유사한 형태로서 상기 케이블 조립부(312)가 안착될 퓨즈 케이스(320) 부분의 좌우 폭에 상응하는 폭을 가지며 중앙에 홀을 구비한다. 미도시 하였으나, 외부 케이블(20)의 끝부분은 링 터미널 형태로 제공될 수 있다. 상기 링 터미널의 홀과 상기 케이블 조립부(312)의 홀을 일치시켜 놓고, 상기 홀들에 볼트를 끼우고 너트를 조여 고정한다. 참고로 상기 외부 케이블(20)은 인터-버스바(미도시)로 대체될 수도 있다. 여기서 상기 인터-버스바는 당업계에서 2개의 배터리 모듈(10)을 직렬 연결할 때 주로 사용하는 금속 플레이트 형태로 제공되는 부품을 지칭한다.
브릿지부(313)는 과전류가 흐를 시 용단되는 부분으로 상기 모듈 조립부(311)와 상기 케이블 조립부(312)보다 상대적으로 좁은 폭을 갖는다.
또한, 상기 브릿지부(313)는 적어도 하나의 노치(314)를 구비한다. 이를테면, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 노치(314)는 브릿지부(313)를 더 가늘게 형성한 부분으로서 길이(D1) 대비 폭(D2)이 좁게 구성되어 있어 외부 단락시 스파크가 일어나 용단될 수 있다.
한편, 상기 노치(314)의 치수는 외력(진동, 충격)에 일정 수준 이상의 강성을 보이고 외부 단락시 스파크 내지 화염에도 퓨즈 케이스(320)의 벌어짐 내지 깨짐이 거의 일어나지 않는 범위에서 선택하는 것이 바람직하다.
퓨즈 케이스(320)는 버스바(310)를 보호하기 위한 구성으로서 케이스 바디(330)와, 케이스 커버(340)를 포함한다.
케이스 바디(330)는 버스바(310)의 외곽을 둘러싸는 벽체를 이루는 벽체부(331)를 구비하고, 개방된 상부와 하부를 갖는 박스 형태로 마련될 수 있다. 상기 벽체부(331)는 대략 버스바(310)의 외곽 둘레를 따라 폐루프 형태를 이루도록 구성되고 케이스 바디(330)의 하부는 전극 터미널(200)이나 외부 케이블(20)과의 연결을 위해 개방형으로 구성되며 케이스 바디(330)의 상부는 개방형으로 구성되나 상기 케이스 커버(340)로 개폐될 수 있다.
케이스 바디(330)는 버스바(310)의 고정성 확보 및 조립 편의성 향상을 위한 구성으로서, 하부 지지체(332)와, 상부 지지체(333) 및 재치대(334)를 포함한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 하부 지지체(332)는 벽체부(331)의 하단에서 내부 방향으로 절곡 연장된 부분이다. 상기 하부 지지체(332)는 케이스 바디(330)의 둘레 방향을 따라 복수 개가 구비될 수 있다. 이러한 하부 지지체(332)에 의해 버스바(310)의 하면 테두리 부분이 지지되어 버스바(310)가 케이스 바디(330)의 하부 방향으로 빠지지 않을 수 있다.
상기 상부 지지체(333)는 벽체부(331)의 안쪽면에서 내부방향으로 돌출되어 그 하면이 상기 버스바(310)의 상면을 누르는 형태로 상기 버스바(310)의 상면을 지지한다. 상부 지지체(333)는 도 7과 같이, 케이스 바디(330)의 내부 방향을 향해 기울어진 경사면(333a)을 더 구비한다. 이러한 상부 지지체(333)는 케이스 바디(330)의 둘레 방향을 따라 상기 하부 지지체(332)와 교번적으로 복수 개가 구비될 수 있다.
예를 들어, 상부 지지체(333)의 경사면(333a)에 버스바(310)의 테두리를 걸쳐 놓은 상태에서 힘을 주어 누르면 버스바(310)가 상기 경사면(333a)을 타고 내려오면서 케이스 바디(330)의 폭이 살짝 벌어져 하부 지지체(332)의 상면에 안착된 다음 케이스 바디의 폭이 원상 회복되어 상부 지지체(333)의 하면이 버스바의 테두리 위에 위치될 수 있다. 이에 따라 버스바(310)는 그 테두리 부분이 하부 지지체(332)와 상부 지지체(333) 사이에 꽉 끼여 있어 케이스 바디(330)내에서 유동하지 않게 고정될 수 있다.
재치대(334)는 벽체부(331)의 안쪽면에서 내부방향으로 대략 "L"자 형으로 돌출된 부분으로 전술한 "ㄱ" 형의 모듈 조립부(311)의 절곡핀(311a)이 재치되는 장소이다. 재치대(334)에서 수평한 부분(334a)은 절곡핀(311a)의 하부를 지지하는 부분이고, 수직한 부분(334b)은 절곡핀(311a)이 재치대(334)에 놓인 후 수평방향으로 밀리지 않게 저지하는 스토퍼 기능을 하는 부분이라 할 수 있다.
본 실시예는 모듈 조립부(311)의 절곡핀(311a)을 대략 "ㄱ" 형으로 벤딩된 형태로 구현하였으나, "T", "S"형 등 상기 재치대의 상에 접촉 배치될 수 있게 벤딩된 형태라면 어떠한 형태로 벤딩된 것이라도 좋다.
재치대(334)는 케이스 바디(330)의 폭 방향으로 하나씩 2개가 구비되고, 상기 재치대(334)에 대응하게 모듈 조립부(311)에도 절곡핀(311a)이 2개가 구비될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 상기 2개의 재치대(334)와 2개의 절곡핀(311a)이 상호 매칭되게 버스바(310)를 케이스 바디(330) 속에 삽입하면 버스바(310)가 케이스 바디(330)에 대해 정 위치에 정렬되기 때문에 버스바(310)의 오조립 염려가 없다.
상기 케이스 바디(330)는, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 브릿지부(313)의 하부를 지지하도록 마련된 보강판(335)을 더 포함한다.
상기 보강판(335)은 버스바(310)에서 강성이 가장 약한 브릿지부(313)를 외부 충격으로부터 보호하기 위한 부분이다. 보강판(335)은 강성이 가장 약한 노치(314) 영역이 외부에 노출되지 않게 상기 노치(314)에 대응하는 케이스 바디(330)의 하부를 커버하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 케이스 바디(330)에 있어서, 벽체부(331)는 강도 보강벽 영역(331_A)을 더 구비한다.
상기 강도 보강벽 영역(331_A)은 후술할 더미 블럭(336)이 위치한 영역으로서 다른 영역보다 두께가 두껍게 형성된 부분으로서 케이스 바디(330)에 가해지는 충격을 흡수할 수 있다.
후술하겠으나, 본 실시예의 케이스 바디(330)가 케이스 커버(340)로 커버될 때, 상기 더미 블럭(336)에 볼트가 체결된다. 이때 상기 강도 보강벽 영역(331_A)이 볼트의 조임력을 흡수함으로써 케이스 바디(330)가 파손되지 않도록 할 수 있다.
구체적으로, 도 8을 참조하여 본 실시예에 따른 강도 보강벽 영역(331_A)을 살펴보면, 상기 강도 보강벽 영역(331_A)은 바깥쪽 벽체 영역(W1)과, 안쪽 벽체 영역(W2) 그리고 상기 바깥쪽 벽체 영역(W1)과 안쪽 벽체 영역(W2)에 연결되는 복수 개의 리브들(R1,R2,R3.R4...)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 강도 보강벽 영역(331_A)은 바깥쪽 벽체 영역(W1)과, 안쪽 벽체 영역(W2) 사이에 살빼기(O1,O2,O3,O4...O10)를 적용하여 두께 대비 중량이 많이 나가지 않도록 하였고, 복수 개의 리브들(R1,R2,R3.R4...)을 적용하여 바깥쪽 벽체 영역(W1)과, 안쪽 벽체 영역(W2)에 가해질 수 있는 충격이 분산될 수 있도록 하였다.
따라서 이 같은 본 발명의 구성에 의하면, 외부 충격이나 진동 또는 볼트의 체결시 조임력에도 케이스 바디(330)의 강성이 충분히 유지될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이스 커버(340)는 모듈 조립부(311)의 상부와 케이블 조립부(312)의 상부를 독립적으로 열고 닫을 수 있도록 2개로 구성된다. 다시 말하면, 상기 케이스 커버(340)는 모듈 조립부(311)의 상부와 케이블 조립부(312)의 상부를 각각 독립적으로 커버하는 제1 커버(341)와 제2 커버(342)를 포함한다.
상기 제1 커버(341) 또는 상기 제2 커버(342)는 상기 케이스 바디(330)의 내부 공간에 수직으로 삽입 배치되는 차단판(343)을 구비할 수 있다.
본 실시예의 경우, 제1 커버(341)에 차단판(343)이 구비되어 있다. 이러한 제1 커버(341)로 케이스 바디(330)의 상부를 덮으면, 상기 차단판(343)에 의해 모듈 조립부(311)와 케이블 조립부(312)가 상호 격리될 수 있다.
이러한 본 발명의 케이스 커버(340) 구성에 따르면, 외부 케이블(20)을 케이블 조립부(312)에 체결시 제1 커버(341)는 닫고 제2 커버(342)는 오픈하여 버스바(310)의 케이블 조립부(312)만 상하로 노출시킨 상태에서 공구를 사용하여 볼트/너트 작업을 할 수 있어 외부 케이블(20) 설치 작업의 안전성과 오조립 방지에 효과적이라 할 수 있다.
또한, 도 7을 다시 참조하면, 상기 제2 커버(342)는 케이스 바디(330)에 후크(342a) 체결 구조로 쉽게 여닫을 수 있게 구성되고 상기 제1 커버(341)는 케이스 바디(330)에 볼트/너트 체결 구조로 제2 커버(342)에 비해 케이스 바디(330)에 보다 견고하게 여닫을 수 있게 구성된다. 이는 배터리 모듈(10)의 전극 터미널(200)에 연결되는 모듈 조립부(311)는 한 번 체결하면 특별한 사정이 없는 한 분리하지 않으므로 해당 부분의 보호를 견고히 하는 것이 바람직하나 상대적으로 외부 케이블(20)과 케이블 조립부(312)는 연결 및 분리 빈도 횟수가 더 많을 수 있다는 점을 참작한 것이다.
구체적으로 상기 제1 커버(341)와 케이스 바디(330)의 여닫이 구조를 살펴보면, 상기 케이스 바디(330)는 벽체부(331)의 일측에서 외측 방향으로 돌출된 더미 블럭(336)을 더 구비하고 상기 제1 커버(341)는 닫았을 때 상기 더미 블럭(336) 상에 배치되는 더미 커버(344)를 구비한다.
상기 더미 블럭(336)은 인서트 사출 성형으로 금속 소재의 인서트 너트(336a)를 구비하고, 상기 더미 커버(344)는 볼트를 끼워 넣을 수 있는 통공과 상기 통공에 개재되는 금속 소재의 부싱(345)을 구비한다. 제1 커버(341)로 케이스 바디(330)의 상부를 덮으면 상기 더미 블럭(336)은 상기 더미 커버(344)에 의해 덮이게 되며, 이때 인서트 너트(336a)와 부싱(345)이 상하로 매칭된다. 이 상태에서 볼트를 부싱(345)에 끼우고 돌려 인서트 너트(336a)에 체결한다. 이러한 제1 커버(341)는 볼트와 너트를 사용해서 여러 번 조립/분해해도 파손 우려가 거의 없이 케이스 커버(340)에 고정 장착될 수 있다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 퓨즈 어셈블리(300)의 설치 예를 나타내기 위한 도면들이다.
이어서, 도 9 내지 도 12를 참조하여 상기 퓨즈 어셈블리(300)의 조립/분해 방법을 간략히 설명한다.
먼저, 도 9에 도시한 바와 같이, 노치(314)를 구비한 버스바(310)를 퓨즈 케이스(320)에 수납한다. 전술한 바와 있듯이 모듈 조립부(311)의 절곡핀(311a)이 케이스 바디(330)의 재치대(334)에 놓이도록 버스바(310)의 위치와 방향을 잡고 케이스 바디(330) 속에 끼워 넣는다. 이때, 버스바(310)의 하면은 케이스 바디(330) 내의 하부 지지체(332)에 의해 지지되고 버스바(310)의 상면은 케이스 바디(330) 내의 상부 지지체(333)에 의해 지지되어 버스바(310)가 유동하지 않게 구속될 수 있다.
그 다음, 도 10에 도시한 바와 같이, 제2 커버(342)의 후크(342a)를 케이스 바디(330)의 외측면에 있는 걸림턱(331a)에 스냅핏 체결하여 케이블 조립부(312)의 상부를 차폐시킨다.
그 다음, 도 11에 도시한 바와 같이, 퓨즈 어셈블리(300)를 모듈 케이스(100)의 전극 터미널(200)에 조립한다. 케이스 바디(330)의 개방된 하부를 통해 모듈 조립부(311)의 홀을 볼트형의 전극 터미널(200)에 끼워 넣고 모듈 너트(N1)로 조여 버스바(310)를 고정한다.
마지막으로, 도 12에 도시한 바와 같이, 제1 커버(341)로 모듈 조립부(311) 상부를 닫고 더미 커버(344)와 더미 블럭(366)에 케이스용 볼트(B1)를 체결하여 제1 커버(341)가 열리지 않도록 한다. 참고로, 상기 퓨즈 어셈블리(300)의 분리는 상술한 조립 순서의 역순으로 수행하면 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 구성과 작용에 의하면, 퓨즈 어셈블리(300)가 배터리 모듈(10)의 외측에 위치해 있어 외부 단락 시 과전류에 의한 배터리 모듈(10) 내부의 발화 위험을 현저히 낮출 수 있다.
또한, 상기 퓨즈 어셈블리(300)는 최대한 물리적 외력에는 강하면서도 과전류로 인한 스파크 내지 화염의 지속 시간이 1초 미만이 되는 노치(314)를 적용한 버스바(310)를 포함하고 있어 국제 인증시험 중, 외부 단락 시험을 통과 조건을 충족시킬 수 있다.
한편, 위와 같이 안전성 검증을 통과한 배터리 모듈(10)은 상기 퓨즈 어셈블리(300)를 부착한 상태로 국제 운송될 수 있고 이후, 필요 시 상기 퓨즈 어셈블리(300)를 전극 터미널(200)에서 탈착하여 단독으로 사용하거나 다른 배터리 모듈에 연결하여 배터리 팩을 구성하는데 사용될 수 있다. 물론, 상기 퓨즈 어셈블리를 반드시 탈착하지 않고 상기 퓨즈 어셈블리를 그대로 부착한 상태로 배터리 모듈을 활용하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 각 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 마스터 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 상기 자동차는 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 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 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10 : 배터리 모듈 20 : 외부 케이블
100: 모듈 케이스 200: 전극 터미널
300: 퓨즈 어셈블리 310: 버스바
311: 모듈 조립부 312: 케이블 조립부
313: 브릿지부 314: 노치
320: 퓨즈 케이스 330: 케이스 바디
331: 벽체부 332: 하부 지지체
333: 상부 지지체 333a: 경사면
334: 재치대 335: 보강판
336: 더미 블럭 336a: 인서트 너트
340: 케이스 커버 341: 제1 커버
342: 제2 커버 343: 차단판
344: 더미 커버 345: 부싱

Claims (16)

  1. 복수 개의 배터리 셀들;
    상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스의 외측에 마련되는 전극 터미널; 및
    일단은 상기 전극 터미널에 연결되고 타단은 외부 케이블에 연결되며 과전류 발생시 끊어지게 구성된 버스바와, 상기 버스바를 수용하는 퓨즈 케이스를 구비하고 상기 모듈 케이스의 외측에 장착 및 탈착 가능하게 마련된 퓨즈 어셈블리를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 터미널은 볼트 또는 너트 형상이며,
    상기 버스바는
    상기 전극 터미널에 체결되는 모듈 조립부;
    상기 외부 케이블에 체결되는 케이블 조립부; 및
    상기 모듈 조립부와 상기 케이블 조립부 사이에 연장 형성되고 과전류가 흐르면 용단되게 마련된 브릿지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 브릿지부는, 상기 모듈 조립부와 상기 케이블 조립부보다 좁은 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 브릿지부는, 적어도 하나의 노치를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 퓨즈 케이스는,
    상기 버스바의 외곽을 둘러싸는 벽체부를 구비하고 상부와 하부가 개방된 박스 형태로 마련된 케이스 바디; 및
    상기 케이스 바디의 상부를 커버하는 케이스 커버를 포함하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 케이스 바디는,
    상기 벽체부의 하단에서 절곡 연장되어 상기 버스바의 테두리 하면을 지지하는 적어도 하나의 하부 지지체;와 상기 버스바의 상면에 접촉하게 상기 벽체부의 안쪽면에서 돌출 형성되는 적어도 하나의 상부 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 지지체는, 상기 케이스 바디의 내부 방향을 향해 기울어진 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 케이스 바디는,
    상기 브릿지부의 하부에서 상기 브릿지부의 일 영역을 커버하는 보강판을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 케이스 바디는, 상기 벽체부의 안쪽면에서 내부 방향으로 "L"자 형으로 돌출된 재치대를 포함하고,
    상기 버스바는 상기 재치대 상에 접촉 배치되게 벤딩된 절곡핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 케이스 커버는,
    상기 모듈 조립부의 상부를 커버하는 제1 커버;와 상기 제1 커버와 독립적으로 상기 케이블 조립부의 상부를 커버하는 제2 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 커버 또는 상기 제2 커버는, 상기 케이스 바디의 내부 공간에 수직으로 삽입 배치되는 차단판을 구비하고,
    상기 차단판에 의해 상기 모듈 조립부와 상기 케이블 조립부는 상호 격리되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 케이스 바디는 상기 벽체부의 일측에서 외측 방향으로 돌출 형성되고 내부에 인서트 너트를 구비하는 더미 블럭을 더 포함하고,
    상기 제1 커버는 상기 더미 블럭 상에 배치되고 상기 인서트 너트와 상하로 매칭되는 부싱을 구비한 더미 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 벽체부는 상기 더미 블럭이 위치한 영역으로서 다른 영역보다 두께가 두껍게 형성된 강도 보강벽 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 강도 보강벽 영역은
    바깥쪽 벽체 영역과, 안쪽 벽체 영역 그리고 상기 바깥쪽 벽체 영역과 안쪽 벽체 영역에 연결되는 복수 개의 리브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  16. 배터리 모듈의 모듈 케이스 외측에 장착 및 탈착 가능한 퓨즈 어셈블리로서,
    일단은 상기 배터리 모듈의 전극 터미널에 연결되고 타단은 외부 케이블에 연결되며 과전류 발생시 끊어지게 구성된 버스바와, 상기 버스바를 수용하는 퓨즈 케이스를 구비하고 상기 모듈 케이스의 외측에 장착 및 탈착 가능하게 마련되되,
    상기 버스바는 노치를 구비하고,
    상기 퓨즈 케이스는 상기 버스바를 둘러싸는 벽체부를 구비하고 상부와 하부가 개방된 박스 형태로 마련된 케이스 바디; 및 상기 케이스 바디의 상부를 커버하는 케이스 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 어셈블리.
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