KR20230031159A - 안전성이 향상된 배터리 팩 - Google Patents

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KR20230031159A
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조영범
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Abstract

본 발명은 열폭주 등으로 인해 내부에서 고온의 가스 등이 발생한 경우에도 안전성이 확보될 수 있도록 구성된 배터리 팩을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 셀 및 모듈 단자를 구비하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 내부 공간에 수납하도록 구성되며, 적어도 일측에 팩 단자가 제공된 팩 케이스; 및 상기 모듈 단자와 상기 팩 단자 사이 또는 상기 모듈 단자 사이에 연결되어 전력 경로를 제공하고, 상기 배터리 모듈로부터 배출되는 벤팅 가스에 의해 상기 전력 경로가 차단되도록 구성된 안전 버스바를 포함한다.

Description

안전성이 향상된 배터리 팩{Battery pack with improved safety}
본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열 폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생한 경우 안전성이 향상될 수 있도록 구성된 배터리 팩과 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 등에 관한 것이다.
근래에 들어서, 스마트폰, 스마트 패드 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자동차 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 특히, 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.
이차 전지는 단독으로 사용되기도 하나, 일반적으로는 다수의 이차 전지가 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 형태로 구성된 경우가 많다. 특히, 다수의 이차 전지는 서로 전기적으로 연결된 상태로 하나의 모듈 케이스 내부에 수납되어, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 배터리 모듈은, 단독으로 사용되거나 또는 둘 이상이 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되어, 배터리 팩 등과 같은 보다 상위 수준의 장치를 구성할 수 있다. 여기서, 배터리 모듈과 배터리 팩은 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
최근, 전력 부족이나 친환경 에너지 등과 같은 이슈가 부각되면서, 생산된 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)이 많은 주목을 받고 있다. 대표적으로, 이러한 에너지 저장 시스템을 이용하면, 스마트 그리드 시스템(Smart Grid System)과 같은 전력 관리 체계 구축이 용이하여, 특정 지역이나 도시 등에서 용이하게 전력 수급 조절이 가능할 수 있다. 또한, 전기 자동차에 대한 상용화가 본격화되면서 전기 자동차를 충전시킬 수 있는 전기 충전소에도 이러한 에너지 저장 시스템이 적용될 수 있다.
이러한 에너지 저장 시스템 등에 사용되는 배터리 팩의 경우, 팩 케이스의 내부 공간에 하나 이상, 특히 다수의 배터리 모듈을 수납할 수 있다. 그리고, 배터리 팩은, 팩 케이스의 적어도 일측에 마련된 팩 단자를 통해, 외부의 구성요소, 이를테면 외부의 충방전 장치나 다른 배터리 팩 등과 연결될 수 있다. 이때, 배터리 팩 내부에는, 팩 단자와 모듈 단자 사이에 연결되어 전력을 공급하기 위한 경로로서 파워 케이블이나 구리 버스바 등을 구비할 수 있다. 특히, 다수의 배터리 모듈이 포함되고, 양극 팩 단자와 음극 팩 단자가 모두 동일한 측면에 위치한 경우, 팩 단자가 위치한 부분으로부터 멀리 위치한 배터리 모듈의 모듈 단자는 파워 케이블 등이 길게 연장되어 팩 단자와 연결될 수 있다.
그런데, 이와 같은 구성에서, 특정 배터리 모듈에서 열 폭주(thermal runaway) 등의 열적 이벤트가 발생한 경우, 벤팅 가스가 해당 배터리 모듈로부터 배출될 수 있다. 이때, 배터리 모듈로부터 배출된 벤팅 가스는, 이를테면 대략 950℃와 같이 고온 상태일 수 있다. 더욱이, 이러한 벤팅 가스에는 스파크나 용융된 전극 토출물, 화염 등이 포함될 수도 있다.
이와 같이 높은 열을 가진 벤팅 가스가 배출되면, 벤팅 가스로 인해 파워 케이블과 같은 배터리 팩 내부의 전기적 연결 부품이 손상될 수 있다. 그리고, 이러한 손상으로 인해 단락(short)과 같은 문제가 발생할 수 있다. 특히, 파워 케이블의 경우 구리선이 절연체로 피복된 형태로 구성될 수 있는데, 고온의 벤팅 가스로 인해 피복층이 녹게 되어, 내부의 구리선이 외부로 노출될 수 있다. 이때, 파워 케이블의 구리선이 배터리 팩의 도전체에 접촉하게 되면, 단락이 발생할 수 있다. 더욱이, 배터리 팩의 팩 케이스는 스틸과 같은 도전성 금속 재질로 구성될 수 있는데, 벤팅 가스의 흐름 내지 진동 등으로 인해 파워 케이블이 팩 케이스에 접촉하는 경우, 단락이 발생할 수 있다. 그리고, 이러한 단락은 배터리 팩의 고장 내지 손상을 가져오게 되는 것은 물론이고, 발화까지 일으킬 수 있어 큰 문제가 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 열폭주 등으로 인해 내부에서 고온의 가스 등이 발생한 경우에도 안전성이 확보될 수 있도록 구성된 배터리 팩과 이를 포함하는 응용 장치 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 셀 및 모듈 단자를 구비하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈의 외부를 적어도 일부 커버하며, 적어도 일측에 팩 단자가 제공된 팩 케이스; 및 상기 모듈 단자와 상기 팩 단자 사이 또는 상기 모듈 단자 사이에 연결되어 전력 경로를 제공하고, 상기 배터리 모듈로부터 배출되는 벤팅 가스에 의해 상기 전력 경로가 차단되도록 구성된 안전 버스바를 포함한다.
여기서, 상기 안전 버스바는, 상기 배터리 모듈로부터 벤팅 가스가 배출되는 부분에 배치될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈은 다수 포함되어 적어도 일 방향으로 적층되고, 상기 안전 버스바는, 상기 배터리 모듈의 적층 방향을 따라 길게 연장되게 구성될 수 있다.
또한, 다수의 배터리 모듈은, 좌우 방향으로 나란하게 배치되어 전방 또는 후방으로 벤팅 가스가 배출되게 구성되며, 상기 안전 버스바는, 다수의 배터리 모듈 적층체의 전방 또는 후방에 배치될 수 있다.
또한, 상기 안전 버스바는, 서로 다른 2종류 이상의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 안전 버스바는, 상기 서로 다른 2종류 이상의 금속이 상호 접합된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 안전 버스바는, 상기 서로 다른 2종류 이상의 금속 중, 적어도 1종류의 금속이 상기 벤팅 가스에 의해 용융 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 안전 버스바는, 녹는점이 서로 다른 2종류 이상의 금속층을 포함하고, 녹는점이 낮은 금속층이 녹는점이 높은 금속층보다 두껍게 형성될 수 있다.
또한, 상기 안전 버스바는, 상기 녹는점이 높은 금속층이 다수의 층으로 형성될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 의하면, 열 폭주(thermal runaway) 등의 이벤트로 인해 내부에서 벤팅 가스 등이 발생하는 경우에 대하여 안전성이 확보된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈로부터 배출된 벤팅 가스로 등으로 인해 파워 연결 부품에 손상이 발생하여 단락이 일어나는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 내부 단락으로 인해 2차 발화가 발생하는 등의 위험 요소가 제거될 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 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 하나의 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 일부 구성을 분리 또는 제거한 형태의 부분 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 상부에서 바라본 형태의 단면도이다.
도 6은, 도 5의 A1 부분에 대하여 확대된 사시도이다.
도 7은, 도 6의 구성에서 벤팅 가스에 의해 안전 버스바가 절단된 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 전단부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 버스바의 구성을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전 버스바의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 12는, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 안전 버스바의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 안전 버스바의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 모듈(100), 팩 케이스(200) 및 안전 버스바(300)를 포함한다.
상기 배터리 모듈(100)은, 하나 이상의 배터리 셀을 구비하여 에너지를 저장 및 방출하도록 구성될 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(100)은, 배터리 팩에 하나 이상 포함될 수 있다. 특히, 배터리 팩의 용량 및/또는 출력 등의 향상을 위해, 배터리 모듈(100)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 팩에 다수 포함될 수 있다. 이때, 다수의 배터리 모듈(100)은 적어도 일 방향으로 배치될 수 있다. 일례로, 도 1 및 도 2에서는 8개의 배터리 모듈(100)이 X축 방향으로 배치된 형태가 도시되어 있다.
이러한 배터리 모듈(100)의 보다 구체적인 구성의 일례는 도 3 및 도 4에 보다 구체적으로 도시되어 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 하나의 배터리 모듈(100)을 나타내는 사시도이다. 또한, 도 4는 도 3의 일부 구성을 분리 또는 제거한 형태의 부분 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 배터리 모듈(100)은, 배터리 셀(110)(이차 전지)을 구비할 수 있다.
여기서, 배터리 셀(110)은, 전극 조립체, 전해액(전해질) 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 도 3 및 도 4에서는 파우치형 이차 전지가 도시되어 있으나, 이차 전지의 다른 형태, 이를테면 원통형 전지나 각형 전지가 배터리 모듈(100)에 포함될 수도 있다.
이러한 이차 전지는, 다수 포함될 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 다수의 파우치형 이차 전지가 눕혀진 상태에서 상하 방향으로 적층된 형태로 전지 어셈블리를 구성할 수 있다. 이때, 각 전지의 전극 리드(111)는 서로 직접 접촉되거나 버스바 등을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈(100)은 모듈 단자(140)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)은 전방 및/또는 후방 측에 각 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)가 위치하고, 그러한 전극 리드(111)와 전기적으로 연결된 형태로 모듈 단자(140)가 위치할 수 있다. 특히, 모듈 단자(140)는, 배터리 모듈(100)의 전방 및/또는 후방 측에 위치하여, 전방 및/또는 후방으로 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 각 배터리 모듈(100)은, 모듈 단자(140)로서 양극 모듈 단자(140)(+)와 음극 모듈 단자(140)(-)를 구비할 수 있다. 이때, 양극 모듈 단자(140)(+)와 음극 모듈 단자(140)(-)는, 배터리 모듈(100)의 동일한 측면, 이를테면 도면에 도시된 바와 같이 전방(-Y축 방향) 측에 위치할 수 있다. 이러한 모듈 단자(140)는, 배터리 모듈(100)에 포함된 이차 전지(배터리 셀(110))가 배터리 모듈(100) 외부의 다른 구성요소, 이를테면 다른 배터리 모듈(100)과 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.
상기 팩 케이스(200)는, 배터리 모듈(100)의 외부 중 적어도 일부를 커버하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 팩 케이스(200)는, 내부 공간을 한정하고, 그러한 내부 공간에 하나 또는 그 이상의 배터리 모듈(100)을 수납하도록 구성될 수 있다. 즉, 팩 케이스(200)는, 하나 이상의 배터리 모듈(100)의 외측 중 적어도 일부를 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 팩 케이스(200)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전방 케이스(210), 후방 케이스(220) 및 좌측 케이스(230)를 구비하여, 다수의 배터리 모듈(100) 적층체의 전단부, 후단부 및 좌측부를 커버하는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 팩 케이스(200)는, 우측 케이스, 상부 케이스 및/또는 하부 케이스를 구비하여, 배터리 모듈(100) 적층체의 우측, 상부 및/또는 하부를 커버하도록 구성될 수도 있다.
이때, 팩 케이스(200)의 적어도 일측에는 팩 단자(201)가 제공될 수 있다. 이러한 팩 단자(201)는, 배터리 팩에 대하여 외부의 충전 장치 내지 방전 장치와 전원을 주고 받을 수 있는 단자로서 기능할 수 있다. 즉, 팩 단자(201)는, 배터리 팩 내부의 각 배터리 모듈(100)에 대하여 충전 전원을 공급하거나 각 배터리 모듈(100)로부터 공급된 방전 전원이 외부로 제공될 수 있는 단자가 될 수 있다. 이러한 팩 단자(201)는, 양극 팩 단자(201)(+)와 음극 팩 단자(201)(-)를 구비할 수 있다. 특히, 양극 팩 단자(201)(+)와 음극 팩 단자(201)(-)는, 배터리 팩의 동일한 측면에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 팩의 양극 팩 단자(201)(+)와 음극 팩 단자(201)(-)는, 좌측 케이스(230)에 위치할 수 있다.
상기 팩 케이스(200)의 적어도 일부분은, 기계적 강성 등을 확보하여 내부의 구성요소들을 보호하기 위해 스틸과 같은 재질로 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 팩 케이스(200)의 적어도 일부는, 덕트 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 구성에서, 전방 케이스(210)는 덕트로서 기능할 수 있다. 이때, 팩 케이스(200)의 적어도 일측에는, 도 1에서 H1으로 표시된 바와 같이, 덕트와 연통된 형태로 배출구가 형성될 수 있다. 따라서, 전방 케이스(210) 측으로 배출된 벤팅 가스는, 전방 케이스(210)의 내측 표면을 따라 흐르다가 배출구(H1)를 통해 팩 케이스(200) 외부로 배출될 수 있다. 이때, 벤팅 가스는 그 자체로 고온일 뿐 아니라, 고온의 활물질 입자나 화염 등도 포함될 수 있다. 따라서, 전방 케이스(210)는, 스틸과 같은 재질로 구성되어, 이러한 고온의 물질에도 잘 견디도록 구성될 수 있다. 다만, 이러한 팩 케이스(200)는 그 밖의 다른 다양한 재질이나 형태로로 구성될 수도 있다. 또한, 팩 케이스(200)는 부분적으로 서로 다른 재질로 구성될 수도 있다.
상기 안전 버스바(300)는, 배터리 팩에서 전력 경로를 제공하는 부품으로 포함될 수 있다. 그리고, 안전 버스바(300)는, 배터리 팩에서 하나 또는 다수 구비될 수 있다.
특히, 상기 안전 버스바(300)는, 배터리 모듈(100)에 마련된 모듈 단자(140)와 팩 케이스(200)에 마련된 팩 단자(201) 사이에 연결될 수 있다. 그리고, 안전 버스바(300)는, 배터리 모듈(100)과 팩 단자(201) 사이에서 충전 전원 내지 방전 전원이 이동할 수 있는 전기적 경로를 제공할 수 있다. 예를 들어, 안전 버스바(300)는, 하나 이상의 배터리 모듈(100)의 음극 모듈 단자(140)(-)와 팩 케이스(200)의 음극 팩 단자(201)(-)에 양단이 각각 연결될 수 있다.
또는, 상기 안전 버스바(300)는, 여러 배터리 모듈(100)이 팩 케이스(200) 내부에 포함된 경우, 여러 배터리 모듈(100)에 각각 마련된 모듈 단자(140)들 사이에 연결되어, 배터리 모듈(100) 사이가 직렬 및/또는 병렬로 연결되도록 할 수 있다. 예를 들어, 안전 버스바(300)는, 하나 이상의 배터리 모듈(100)의 양극 모듈 단자(140)(+)와 다른 하나 이상의 배터리 모듈(100)의 음극 모듈 단자(140)(-) 사이에 양단이 각각 연결될 수 있다.
상기 안전 버스바(300)는, 전력 경로를 제공하기 위해, 전기적 전도성 재질을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 안전 버스바(300)는, 전기적 전도성을 갖는 금속 재질로 구성될 수 있다. 또한, 상기 안전 버스바(300)는, 다른 부분과 접촉하지 않도록 전기적 절연 재질도 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 안전 버스바(300)는, 전기적 절연성을 갖는 플라스틱 재질을 구비하여, 금속 재질의 외부를 감싸도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 안전 버스바(300)는, 금속판이 폴리머 재질로 감싸진 형태에서 유연성을 갖도록 구성된, 플렉서블 버스바 형태로 구현될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 팩에서, 상기 안전 버스바(300)는, 전력 경로를 제공하되, 벤팅 가스에 의해 전력 경로가 차단되도록 구성될 수 있다. 즉, 배터리 팩에 포함된 하나 또는 그 이상의 배터리 모듈(100)에서 열 폭주 등으로 인해 벤팅 가스가 발생한 경우, 안전 버스바(300)는, 이러한 벤팅 가스에 의해 전력 경로가 차단될 수 있도록 구성될 수 있다. 더욱이, 배터리 팩에 다수의 안전 버스바(300)가 포함된 경우, 그 중 전체 또는 일부의 안전 버스바(300)가 이와 같이 벤팅 가스에 의해 전력 경로가 차단되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈(100)로부터 벤팅 가스가 발생한 경우 배터리 팩의 안전성이 향상되도록 할 수 있다. 더욱이, 배터리 모듈(100)로부터 벤팅 가스가 발생한 상황은 비정상적인 상황이라 할 수 있다. 이와 같은 비정상적인 상황에서 안전 버스바(300)의 전력 경로가 차단되도록 하는 경우, 배터리 팩에 대한 충방전 전원 연결이 차단될 수 있다. 그러므로, 비정상적인 배터리 팩에 대하여 충전 내지 방전을 지속함으로써 발생할 수 있는 위험 요인을 차단하거나 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩에는, 안전 버스바(300) 이외에 일반적인 형태의 팩 버스바를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 배터리 모듈(100)이 포함된 경우, 배터리 모듈(100) 사이를 연결하는 버스바의 경우, 안전 버스바(300)가 아닌 일반적인 형태, 이를테면 하나의 구리판으로 이루어진 형태를 가질 수 있다. 또한, 음극 팩 단자(201)(-) 측에 안전 버스바(300)가 팩 버스바로 채용된 경우, 양극 팩 단자(201)(+) 측에는 통상의 팩 버스바, 즉 구리판으로 이루어진 일반적인 형태의 팩 버스바가 채용될 수 있다.
상기 안전 버스바(300)는, 배터리 모듈(100)로부터 벤팅 가스가 배출되는 부분에 배치될 수 있다. 이에 대해서는, 앞선 도 1 내지 도 4와 함께, 도 5 및 도 6을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 상부에서 바라본 형태의 단면도이다. 또한, 도 6은, 도 5의 A1 부분에 대하여 확대된 사시도이다. 다만, 도 6에서는 도시의 편의를 위해, 팩 케이스(200)는 도시되지 않도록 하였다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 어느 하나의 배터리 모듈(100) 내부에서 벤팅 가스가 발생하는 경우, 벤팅된 가스는 화살표로 표시된 바와 같이, 전방 측을 향하여 -Y축 방향으로 배출될 수 있다. 그리고, 이와 같이 벤팅 가스가 배출되는 경로인 배터리 모듈(100)의 전방 측에는, 안전 버스바(300)가 위치할 수 있다.
특히, 상기 배터리 모듈(100)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(120) 및 버스바 어셈블리(130)를 구비할 수 있다.
여기서, 모듈 케이스(120)는, 하나 이상의 이차 전지를 내부 공간에 수용하는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(120)는, 도면에 도시된 바와 같이, 상부 플레이트(121), 하부 플레이트(122), 측부 플레이트(123) 및 후방 플레이트(124)를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 플레이트가 서로 결합되어 한정된 내부 공간에 전지 어셈블리가 수납될 수 있다.
여기서, 모듈 케이스(120)에 포함되는 일부 플레이트, 이를테면 하부 플레이트(122) 및 측부 플레이트(123)는, 서로 일체화된 형태로 구성될 수도 있다. 이 경우, 하부 플레이트(122)와 측부 플레이트(123)의 일체화된 형태는 대략 U자 형태일 수 있다. 또는, 하부 플레이트(122)와 측부 플레이트(123)(좌측 플레이트, 우측 플레이트), 그리고 상부 플레이트(121)가 서로 일체화된 관 형상의, 모노프레임 형태로 구성될 수도 있다. 이러한 모듈 케이스(120)의 각 플레이트는, 서로 결합된 상태에서 내부 공간을 한정할 수 있다. 그리고, 이러한 내부 공간에 셀 어셈블리가 수용될 수 있다.
상기 모듈 케이스(120)는, 적어도 일측이 개방되도록 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 개방 부분에 셀 어셈블리의 전극 리드(111)가 위치하도록 구성될 수 있다.
특히, 배터리 모듈(100)은, 버스바 어셈블리(130)를 구비하여, 모듈 케이스(120)의 개방 부분에 결합되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 버스바 어셈블리(130)는, 모듈 케이스(120)의 전방 개방 부분에 결합될 수 있다. 이러한 모듈 케이스(120)의 전방 부분에는 전지 어셈블리의 전극 리드(111)가 위치할 수 있다. 그리고, 버스바 어셈블리(130)는 전극 리드(111)와 결합될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 버스바 어셈블리(130)에는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 버스바 하우징(131) 및 모듈 버스바(132)가 구비될 수 있다.
여기서, 버스바 하우징(131)은 전기적으로 절연성 재질, 이를테면 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 버스바 하우징(131)은, 모듈 버스바(132)가 안착되어 고정되도록 구성될 수 있다. 그리고, 모듈 버스바(132)는, 전기적으로 전도성 재질, 이를테면 금속 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 모듈 버스바(132)는, 둘 이상의 전극 리드(111) 사이를 전기적으로 연결시키거나, 하나 이상의 전극 리드(111)에 연결되어 BMS(Battery Management System)와 같은 제어 유닛으로 센싱 정보를 전달하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈(100)의 경우, 특정 부분, 이를테면 버스바 어셈블리(130)가 위치하는 전방 측만 개방되고 나머지 부분은 밀폐되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈(100) 내부에서 벤팅 가스 등이 발생하는 경우, 벤팅 가스 등은 모듈 케이스(120)가 개방된 부분, 이를테면 버스바 어셈블리(130)가 위치하는 전방 측으로만 배출되도록 유도될 수 있다. 특히, 버스바 어셈블리(130)는, 전극 리드(111)가 통과할 수 있도록 슬릿이 형성될 수 있다. 이때, 모듈 내부의 가스나 스파크, 화염 등은, 이러한 버스바 어셈블리(130)의 슬릿을 통해, 도 5 및 도 6의 화살표로 표시된 바와 같이, 모듈 케이스(120) 외부로 배출될 수 있다.
그리고, 이와 같이 배터리 모듈(100)로부터 벤팅 가스가 배출되는 부분에는 안전 버스바(300)가 위치할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩에서, 각각의 배터리 모듈(100)은, 모듈 케이스(120)와 버스바 어셈블리(130)의 구성을 통해, 내부에서 발생한 벤팅 가스를 안전 버스바(300) 측으로 유도하도록 구성되어 있다고 할 수 있다. 즉, 안전 버스바(300)는, 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 배출될 수 있도록 개방된 부분에 위치한다고 할 수 있다. 그리고, 이와 같이, 벤팅 가스가 안전 버스바(300) 측으로 유도되어 배출되는 경우, 안전 버스바(300)는 벤팅 가스의 온도 및/또는 압력에 의해 전력 경로가 차단될 수 있다.
특히, 안전 버스바(300)는, 벤팅 가스에 의해 적어도 일부분이 절단되도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은, 도 6의 구성에서 벤팅 가스에 의해 안전 버스바(300)가 절단된 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6과 함께 도 7을 참조하면, 벤팅 가스가 배터리 모듈(100)의 전방 측, 특히 버스바 어셈블리(130) 측으로 배출될 경우, 버스바 어셈블리(130)의 전방에 위치하는 안전 버스바(300)로 고온의 벤팅 가스가 높은 압력으로 배출될 수 있다. 그리고, 이러한 벤팅 가스의 고온 및 고압으로 인해, 안전 버스바(300)의 해당 부분은 제거되어 절단된 형태가 될 수 있다. 특히, 안전 버스바(300)는, 벤팅 가스의 배출로 인해, 소정 부분이 바스러지는 형태로 제거될 수 있다.
이 경우, 안전 버스바(300)의 절단으로 인해 전력 경로 차단 효과가 안정적으로 확보될 수 있다. 더욱이, 이 경우, 안전 버스바(300)의 소정 부분, 특히 전기적 전도성을 갖는 부분까지 미세한 입자 형태로 완전히 제거될 수 있다. 따라서, 절단된 안전 버스바(300)가 도전체인 팩 케이스(200)나 다른 극성의 전극 단자 등에 접촉하여 쇼트가 일어나는 문제가 예방될 수 있다.
또한, 상기 안전 버스바(300)는, 적어도 일부분이 배터리 모듈(100)이나 팩 케이스(200)에 고정된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 안전 버스바(300)는, 여러 배터리 모듈(100)의 모듈 케이스(120)나 버스바 어셈블리(130)에 고정되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 가스의 분출 압력에도 안전 버스바(300)는 위치가 고정될 수 있으며, 벤팅 가스에 의한 부분 제거 과정이 보다 원활하게 수행될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)의 경우, 전방 측만 개방된 형태로 구성될 수 있으나, 전방 측과 함께 후방 측도 개방된 형태로 구성될 수도 있다. 이 경우, 도 3의 배터리 모듈(100) 구성에서, 후방 플레이트(124) 대신에, 버스바 어셈블리(130)가 포함될 수도 있다. 또한, 이 경우, 팩 케이스(200)의 후방 케이스(220)는 전방 케이스(210)와 마찬가지로 덕트로서 기능할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 전단부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 5와 함께 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 다수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다. 이때, 다수의 배터리 모듈(100)은, 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 8을 비롯한 여러 도면에 도시된 바와 같이, 배터리 팩에는, 8개의 배터리 모듈(100)이 수평 방향, 특히 좌우 방향(X축 방향)으로 나란하게 배치된 형태로 포함될 수 있다.
여기서, 상기 안전 버스바(300)는, 배터리 모듈(100)의 적층 방향을 따라 길게 연장되게 구성될 수 있다. 즉, 배터리 모듈(100)이 수평 방향으로 나란하게 배치된 경우, 상기 안전 버스바(300)는 수평 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8 등에 도시된 바와 같이, 안전 버스바(300)는, 배터리 모듈(100)의 적층 방향인 좌우 방향(X축 방향)을 따라 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다.
더욱이, 안전 버스바(300)는, 팩 단자(201)와 모듈 단자(140) 사이에 연결되어 전력 경로를 제공하도록 채용될 수 있다. 이때, 팩 케이스(200)의 일측에 위치한 팩 단자(201)로부터 가장 멀리 위치하는 배터리 모듈(100)의 모듈 단자(140)와 팩 단자(201)는 서로 연결될 필요가 있다. 이러한 연결 구성에, 본 발명에 따른 안전 버스바(300)가 채용될 수 있다.
예를 들어, 도 8의 구성에서, 팩 단자(201)는 배터리 팩에서 좌측 단부에 위치할 수 있다. 이때, 배터리 팩에서 가장 우측에 적층된 배터리 모듈(100)의 모듈 단자(140) 중 하나는 팩 단자(201)까지 연결될 필요가 있다. 이때, 안전 버스바(300)는, 배터리 팩에서 좌측에 위치한 팩 단자(201)와 우측에 위치한 배터리 모듈(100)의 모듈 단자(140) 사이를 연결하도록 좌우 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 안전 버스바(300)는, 좌측에 위치한 음극 팩 단자(201)(-)와, 최우측에 배치된 배터리 모듈(100)의 음극 모듈 단자(140)(-) 사이를 연결하는 형태로 구비될 수 있다.
더욱이, 좌우 방향으로 나란하게 배치된 다수의 배터리 모듈(100) 각각은, 전방 또는 후방으로 벤팅 가스가 배출되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8 등의 구성에서 8개의 배터리 모듈(100) 각각은, 앞서 도 3 내지 도 6 등에서 설명한 바와 같이, 버스바 어셈블리(130)가 위치하는 전방 측이 개방되어, 이러한 개방 부분을 통해 전방(-Y축 방향)으로 벤팅 가스가 배출될 수 있다.
이때, 안전 버스바(300)는, 다수의 배터리 모듈(100) 적층체의 전방 또는 후방에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 8 등의 구성에 도시된 바와 같이, 하나의 안전 버스바(300)는, 8개의 배터리 모듈(100) 전체에 대하여, 전방 또는 후방 측에 배치될 수 있다. 특히, 각 배터리 모듈(100)로부터 벤팅 가스가 전방 측으로 배출되는 경우, 안전 버스바(300)는, 좌우 방향으로 길게 연장된 형태로 구성되어, 8개의 배터리 모듈(100) 전방 측에 배치될 수 있다. 즉, 안전 버스바(300)는, 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 배출되는 개방 부분 외측에 배치될 수 있다. 더욱이, 각 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스는 버스바 어셈블리(130)의 슬릿 측으로 배출되는 경우, 안전 버스바(300)는 버스바 어셈블리(130)의 외측, 이를테면 버스바 어셈블리(130)의 슬릿 전방 측에 배치될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 모듈(100) 중, 어떠한 배터리 모듈(100)에서 벤팅 가스가 발생하더라도, 안전 버스바(300)가 벤팅 가스에 의해 절단되도록 할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 하나의 안전 버스바(300)로, 다수의 배터리 모듈(100)에 대한 벤팅 시 안전성 확보 구성이 효과적으로 달성될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 버스바(300)의 구성을 상부에서 바라본 형태로 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 9는, 도 7의 A3-A3'선에 대한 단면 구성이라 할 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 안전 버스바(300)는, 서로 다른 2종류 이상의 금속을 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 안전 버스바(300)는, 녹는점이 서로 다른 2종류 이상의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 안전 버스바(300)는, 전기 전도도가 서로 다른 2종류 이상의 금속을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 안전 버스바(300)는, 도 9에서 M1으로 표시된 부분과 같은 제1 금속과, M2로 표시된 부분과 같은 제2 금속을 포함할 수 있다. 이때, 제2 금속은 제1 금속보다 녹는점과 전기 전도도가 낮은 재질의 금속일 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 상기 안전 버스바(300)는, 구리와 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 녹는점과 전기 전도도가 높은 금속, 이를테면 구리 재질을 통해 안전 버스바(300) 자체의 전력 전송 기능은 일정 수준 이상 유지될 수 있다. 그리고, 안전 버스바(300)에서 녹는점과 전기 전도도가 낮은 금속의 경우, 벤팅 가스에 의해 열이 가해지면, 용융되어 안전 버스바(300)에서 이탈 내지 제거됨으로써 안전 버스바(300)가 절단되어 전력 경로 차단 및 단락 방지 기능이 안정적으로 이루어질 수 있다. 그러므로, 이 경우, 안전 버스바(300)에 의한 정상 시 전력 전송 기능과 비상 시 전력 차단 및 단락 방지 기능이 안정적으로 이루어질 수 있다.
더욱이, 상기 안전 버스바(300)는, 서로 다른 2종류 이상의 금속이 상호 접합된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 안전 버스바(300)는, 2종류 이상의 금속판이 서로 면접촉된 상태에서 접합된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 안전 버스바(300)는, 2종류 이상의 금속을 구비하는 클래드 메탈 형태로 구성되어 있다고 할 수 있다.
예를 들어, 도 9의 구성을 참조하면, 상기 안전 버스바(300)는, 제1 금속판과 제2 금속판이 서로 접합된 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 금속판은 구리 재질의 금속판, 즉 구리판일 수 있고, 제2 금속판은 알루미늄 재질의 금속판, 즉 알루미늄판일 수 있다. 이때, 안전 버스바(300)는, 구리와 알루미늄으로 이루어진 클래드 메탈을 구비한다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 서로 다른 종류, 특히 녹는점 등이 서로 다른 2종류 이상의 금속판을 통해, 전력 전송 기능과 전력 차단 기능 및 단락 방지 기능이 모두 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 상기 안전 버스바(300)는, 서로 다른 2종류 이상의 금속을 포함할 때, 이 중 적어도 1종류의 금속이 벤팅 가스에 의해 용융 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 안전 버스바(300)에 포함된 적어도 1종류의 금속은 벤팅 가스의 온도보다 낮은 녹는점을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈(100)로부터 벤팅 가스 발생 시, 벤팅 가스의 온도가 대략 950℃ 정도인 경우, 제2 금속판은 이보다 낮은 온도의 녹는점을 갖는 금속 재질이 채용될 수 있다. 예를 들어, 제2 금속판은, 녹는점이 대략 660℃ 정도인 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다. 따라서, 이 경우, 배터리 모듈(100)로부터 가스 벤팅 시, 제2 금속판은 벤팅 가스에 의해 쉽게 용융될 수 있다. 더욱이, 제2 금속판의 용융물은 벤팅 가스의 압력에 의해 안전 버스바(300)로부터 이탈될 수 있다.
이때, 제1 금속판은 녹는점이 제2 금속판보다 높은 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 제1 금속판은 녹는점이 대략 1084℃ 정도인 구리 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 구리 재질의 제1 금속판의 녹는점은 벤팅 가스의 온도보다 다소 높다 하더라도, 제2 금속판의 존재에 따라 두께는 두껍지 않을 수 있다. 그러므로, 제1 금속판 역시 벤팅 가스에 의해 바스러지는 형태로 제거될 수 있다.
더욱이, 상기 안전 버스바(300)는, 녹는점이 서로 다른 2종류 이상의 금속층을 포함할 때, 녹는점이 낮은 금속층이 녹는점이 높은 금속층보다 두껍게 형성될 수 있다. 다시 말해, 안전 버스바(300)는, 녹는점이 높은 금속층이 녹는점이 낮은 금속층보다 얇게 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 9의 실시예에서, 제1 금속판(제1 금속층(M1))의 두께를 T1이라 하고, 제2 금속판(제2 금속층(M2))의 두께를 T2라 할때, T1과 T2는 다음의 관계를 갖도록 안전 버스바(300)가 설계될 수 있다.
T1 < T2.
더욱이, 제1 금속판은 내측 금속판(M11)과 외측 금속판(M12), 2개의 층으로 형성될 수 있다. 이때, 내측 금속판(M11)의 두께를 T11이라 하고, 외측 금속판(M12)의 두께를 T12라 할 때, 제1 금속판(M1)의 두께 T1은 내측 금속판(M11)의 두께 T11과 외측 금속판(M12)의 두께 T12를 합한 값이라 할 수 있다. 이때, 제2 금속판(M2)은 이러한 내측 금속판(M11)과 외측 금속판(M12)의 두께를 합한 것보다 큰 두께를 가질 수 있다.
더욱이, 제2 금속판의 두께는 제1 금속판의 두께보다, 2배 이상, 많게는 3배~4배 이상, 더욱 많게는 7배~8배 이상일 수 있다. 예를 들어, 제1 금속판으로서 구리판이 이용되고, 제2 금속판으로서 알루미늄판이 이용된 경우, 구리판의 두께 T1는 0.05mm이고, 알루미늄판의 두께 T2는 0.45mm일 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 안전 버스바(300)에 의한 전력 전송 및 차단 기능, 단락 방지 기능 등이 보다 안정적으로 확보될 수 있다. 즉, 상기 실시 구성에 의하면, 녹는점은 높으나 전력 전송 기능의 향상을 위해 전기 전도성이 좋은 제1 금속판이 안전 버스바(300)에 포함되더라도, 녹는점이 낮은 제2 금속판이 상대적으로 많이 포함된다고 할 수 있다. 따라서, 비상 시 벤팅 가스에 의해 안전 버스바(300)의 전력 차단 및 단락 방지 기능이 보다 효과적으로 달성될 수 있다.
한편, 상기 안전 버스바(300)는, 절연층(P)을 더 포함할 수 있다. 이러한 절연층(P)은, 전기적 절연성을 갖는 재질, 이를테면 플라스틱 재질로 이루어져, 안전 버스바(300)의 외측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 절연층(P)은 제1 금속층(M1) 및 제2 금속층(M2)을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 도 9의 실시 형태에 도시된 단면 구성의 경우, 안전 버스바(300)는, 내측 절연층(P), 제1 금속층(M1)(내측 금속판), 제2 금속층(M2), 제1 금속층(M1)(외측 금속판) 및 외측 절연층(P)을 포함한다고 할 수 있다.
이와 같이, 안전 버스바(300)의 외부가 절연층(P)으로 감싸진 형태에 의하면, 정상적인 상태에서는 제1 금속층(M1)과 제2 금속층(M2) 등 도전체가 외부로 노출되지 않을 수 있다. 따라서, 정상적인 상태에서 안전 버스바(300)와 그 주변의 도전체의 접촉으로 인한 누전이나 단락 문제가 예방될 수 있다. 다만, 이러한 절연층(P)은 벤팅 가스에 의해 용융될 수 있는데, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스에 의해 내부에 포함된 금속층까지 용융되거나 바스러져 제거될 수 있으므로, 안전 버스바(300)에 의한 단락 방지 기능이 보다 안정적으로 확보될 수 있다.
상기 안전 버스바(300)는, 녹는점이 높은 금속층이 다수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 앞서 도 9의 실시예에서 설명한 바와 같이, 녹는점이 상대적으로 높은 제1 금속판(제1 금속층(M1)), 이를테면 구리판은 다수의 층으로 형성될 수 있다. 즉, 도 9의 실시예에서, 제1 금속판은 구리판으로서, 내측 구리판과 외측 구리판을 갖는다고 할 수 있다.
특히, 이러한 다수의 제1 금속판은, 녹는점이 낮은 제2 금속판의 양면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 안전 버스바(300)는, 1개의 알루미늄층과 그 양 표면에 위치한 2개의 구리층을 금속층으로 갖는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 제1 금속판의 두께를 보다 얇게 구성할 수 있다. 즉, 안전 버스바(300)의 전기 전도도를 일정 수준 이상 확보하기 위해, 제1 금속판의 두께가 일정 수준 이상일 필요가 있는 경우, 제1 금속판을 여러 층으로 구성하여 각 층의 두께를 보다 얇게 할 수 있다. 예를 들어, 안전 버스바(300)의 전기 전도도를 확보하기 위해, 제1 금속판의 두께가 0.05mm 이상이어야 하는 경우, 0.05mm의 두께를 둘 이상으로 나누어, 각각의 제1 금속판의 두께를 보다 얇게 할 수 있다. 이를테면, 제1 금속판이 내측 금속판과 외측 금속판으로 이루어진 경우, 내측 금속판과 외측 금속판은 각각 0.025mm일 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 제1 금속판(M1)의 전체 두께를 일정 수준 이상 확보하여 안전 버스바(300)의 전기 전도도가 안정적으로 유지되도록 할 수 있다. 또한, 제1 금속판(M1) 각각의 두께는 얇게 함으로써 벤팅 가스에 의해 분말 등의 형태로 바스러지는 효과가 쉽게 달성되도록 할 수 있다. 특히, 제1 금속판이 구리판인 경우, 구리의 녹는점은 벤팅 가스의 온도보다 높을 수 있으나, 그 두께가 얇아짐으로써, 벤팅 가스에 의해 분해되는 효과가 보다 쉽게 달성될 수 있다.
더욱이, 제1 금속판(M1)이 내측 금속판과 외측 금속판을 구비한 경우, 내측 금속판의 두께와 외측 금속판의 두께는 동일하게 형성될 수 있다. 이 경우, 내측 금속판과 외측 금속판의 두께를 최대한 얇게 하여, 제1 금속판의 분해 효과가 보다 용이하게 달성되도록 할 수 있다.
또는, 상기 안전 버스바(300)에서, 내측 금속판의 두께는 외측 금속판의 두께보다 얇게 형성될 수 있다. 배터리 모듈(100)로부터 벤팅 가스 배출 시, 벤팅 가스는 내측 금속판에 가장 먼저 부딪히게 될 수 있다. 이때, 내측 금속판의 두께가 얇을 경우, 내측 금속판이 보다 쉽게 제거되고, 제2 금속판의 용융이 보다 빠르게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 상기 안전 버스바(300)는, 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 모듈(100)로부터 배출되는 벤팅 가스에 의해 적어도 일부분이 절단되어 전력 차단 및 단락 방지 기능이 구현될 수 있다. 이때, 배터리 팩의 다른 구성, 이를테면 배터리 모듈(100)은, 이러한 안전 버스바(300)의 벤팅 가스에 의한 절단 구성이 보다 용이하게 구현되도록 구성될 수 있다. 이와 관련된 실시예는 도 10을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 10에서는, 설명의 편의를 위해, 다른 구성요소는 제외하고, 버스바 어셈블리(130)의 버스바 하우징(131)과 안전 버스바(300)가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 버스바 하우징(131)에는 배터리 모듈(100)의 내측에서 외측 방향으로 관통되는 형태의 슬릿(S1~S6)이 형성될 수 있다. 도 10에서는 좌측이 배터리 모듈(100)의 내측 부분이고, 우측이 배터리 모듈(100)의 외측 부분이라 할 수 있다. 그리고, 이러한 슬릿(S1~S6)으로는, 이차 전지의 전극 리드(111)가 삽입되어 외측의 모듈 버스바(132)와 연결될 수 있다. 그리고, 배터리 모듈(100) 내부에서 벤팅 가스 발생 시, 벤팅 가스는 화살표로 표시된 바와 같이, 이러한 슬릿(S1~S6)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 버스바 어셈블리(130)의 슬릿(S1~S6), 특히 버스바 하우징(131)의 슬릿은, 통과된 벤팅 가스가, 안전 버스바(300)를 향하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 도 10의 구성을 살펴보면, 버스바 어셈블리(130)의 전방 측(외측)에는, 안전 버스바(300)가 위치할 수 있다. 이때, 버스바 어셈블리(130)의 슬릿(S1~S6) 중 적어도 일부는, 안전 버스바(300)가 위치하는 방향으로 벤팅 가스가 흐르도록 경사진 형태로 구성될 수 있다.
더욱이, 안전 버스바(300)는, 버스바 어셈블리(130)의 전방 측에 위치하되, 상하 방향(Z축 방향)으로 중앙이 되는 부분에 위치할 수 있다. 이때, 버스바 어셈블리(130)의 슬릿(S1~S6) 중 적어도 일부는, 전방 측 중앙 부분을 향하여 기울어진 형태로 구성될 수 있다. 즉, S1 및 S2와 같이, 버스바 어셈블리(130)에서 안전 버스바(300)보다 수직 방향(Z축 방향)으로 상부에 위치한 슬릿은, 내측에서 외측 방향으로 갈수록 하부 방향으로 기울어진 형태로 구성될 수 있다. 또한, S5 및 S6와 같이, 버스바 어셈블리(130)에서 안전 버스바(300)보다 수직 방향(Z축 방향)으로 하부에 위치한 슬릿은, 내측에서 외측 방향으로 갈수록 상부 방향으로 기울어진 형태로 구성될 수 있다. 그리고, S3 및 S4와 같이, 버스바 어셈블리(130)에서 상하 방향으로 중앙에 위치한 슬릿은, 안전 버스바(300)와 수직 방향(Z축 방향)으로 유사한 위치하므로, 가스 배출 방향이 수평 방향(지면에 평행한 방향)이 되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 버스바 어셈블리(130)의 슬릿을 통과한 벤팅 가스가 안전 버스바(300)에 집중될 수 있다. 따라서, 안전 버스바(300)의 절단 및 제거 효과가 보다 향상될 수 있다.
또한, 버스바 어셈블리(130)의 슬릿이 경사진 형태로 구성될 때, 적어도 일부 슬릿의 경사 각도는 서로 다르게 구성될 수 있다. 여기서, 경사 각도는, 수평 방향(Y축 방향)으로부터 기울어진 각도를 의미할 수 있다.
더욱이, 동일하게 하부 방향으로 기울어진 형태의 슬릿들 사이에서도, 경사 각도가 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 10의 실시예에서, 안전 버스바(300)보다 상부에 위치한 슬릿인 S1 및 S2는, 하부 방향으로 기울어지되, 그 기울기는 서로 다르게 구성될 수 있다. 특히, 상대적으로 상부에 위치한 슬릿 S1은, 상대적으로 하부에 위치한 슬릿 S2보다, 하부 방향으로 기울어진 각도가 더 크게 구성될 수 있다. 즉, 상하 방향으로 안전 버스바(300)보다 높이 위치한 슬릿일수록 하부 방향으로 기울어진 경사 각도가 더 크게 형성될 수 있다.
그리고, 동일하게 상부 방향으로 기울어진 형태의 슬릿들 사이에서도, 경사 각도가 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 10의 실시예에서, 안전 버스바(300)보다 하부에 위치한 슬릿인 S5 및 S6는, 상부 방향으로 기울어지되, 그 기울기는 서로 다르게 구성될 수 있다. 특히, 상대적으로 하부에 위치한 슬릿 S6는, 상대적으로 상부에 위치한 슬릿 S5보다, 상부 방향으로 기울어진 각도가 더 크게 구성될 수 있다. 즉, 상하 방향으로 안전 버스바(300)보다 낮게 위치한 슬릿일수록 상부 방향으로 기울어진 경사 각도가 더 크게 형성될 수 있다.
즉, 상기 실시예와 같이 여러 슬릿이 포함된 경우, 안전 버스바(300)보다 상하 방향으로 더 멀리 떨어진 슬릿의 경우, 상대적으로 경사 각도가 크게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 슬릿을 통과한 벤팅 가스가 안전 버스바(300)로 집중되는 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 따라서, 이 경우, 벤팅 가스에 의한 안전 버스바(300)의 절단 및 제거 효과가 보다 높아질 수 있다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전 버스바(300)의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 특히, 도 11은, 안전 버스바(300)의 내측 표면, 즉 배터리 모듈(100)에서 바라본 방향의 표면을 나타낸다고 할 수 있다. 본 실시예에 대해서도 앞선 실시예들과 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 11을 참조하면, 안전 버스바(300)는, G로 표시된 부분과 같이, 홈이 형성될 수 있다. 이러한 홈(G)은, 안전 버스바(300)의 표면에서 내부 방향으로 오목하게 형성될 수 있다. 특히, 홈(G)은, 안전 버스바(300)의 내측 표면에서 배터리 팩의 외측 방향을 향하여 오목한 형태로 형성될 수 있다. 더욱이, 홈(G)은, 안전 버스바(300)의 두께가 얇아지는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 벤팅 가스에 의한 안전 버스바(300)의 절단 구성이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 특히, 도 11에서 화살표로 표시된 바와 같이, 배터리 모듈(100) 측에서 벤팅 가스가 분출되어 안전 버스바(300)를 향하는 경우, 홈(G)에 의해 벤팅 가스의 절단이 보다 쉽게 이루어질 수 있다.
더욱이, 이 경우, 홈(G)에 의해 벤팅 가스에 의한 안전 버스바(300)의 절단 위치가 가이드될 수 있다. 특히, 도 11에 도시된 바와 같이, 안전 버스바(300)에서 벤팅 가스와 마주하게 되는 부분의 양측으로 2개의 홈(G)이 형성될 수 있다. 이 경우, 2개의 홈(G) 사이의 부분으로 벤팅 가스가 분출되며, 이러한 2개의 홈(G) 사이 부분이 벤팅 가스에 의해 소실될 수 있다. 따라서, 이 경우, 안전 버스바(300)의 절단이 보다 확실하게 이루어지는 한편, 절단 위치가 명확하게 한정될 수 있다.
도 12는, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 안전 버스바(300)의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 12 역시, 안전 버스바(300)의 내측 표면을 나타낸다고 할 수 있다.
도 12를 참조하면, 안전 버스바(300)의 내측 표면에서 홈(G)은 벤팅 가스가 분출되는 부분에 직접 마주보도록 형성될 수 있다. 즉, 도 12에서 화살표로 표시된 바와 같이, 배터리 모듈(100) 측에서 벤팅 가스가 분출될 때, 벤팅 가스와 마주치는 부분에, 안전 버스바(300)의 홈(G)이 형성될 수 있다. 이때, 홈(G)은 도 11의 실시예에서 형성된 홈(G)보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 하나의 홈(G)으로도 벤팅 가스에 의한 안전 버스바(300)의 절단력 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이 경우, 안전 버스바(300) 및 배터리 팩의 제조 공정성이 더욱 향상될 수 있다.
도 13은, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 안전 버스바(300)의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 13은, 안전 버스바(300)의 구성을 상부에서 바라본 형태의 단면도라 할 수 있다. 더욱이, 도 13은, 도 12의 실시 구성에 대한 변형예라 할 수 있다.
도 13을 참조하면, 안전 버스바(300)의 내측 표면에서, 벤팅 가스와 마주하게 되는 부분에 홈(G)이 형성될 수 있다. 이때, 안전 버스바(300)의 홈(G)은, GS로 표시된 부분과 같이 특정 방향으로 경사지게 형성된 경사면을 구비할 수 있다. 이때, 경사면(GS)은 홈(G)의 중앙 부분(GC)을 향하여 안전 버스바(300)의 두께가 얇아지는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 안전 버스바(300)의 홈(G)은 양단에서 중앙 부분(GC)을 향하여 깊이가 깊어지는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 도 13에서 화살표로 표시된 바와 같이, 안전 버스바(300)의 홈(G)으로 벤팅 가스가 분출될 때, 벤팅 가스가 홈(G)의 특정 부분에 집중될 수 있다. 특히, 벤팅 가스는 홈(G)의 경사면(GS)을 따라 중앙 부분(GC)으로 이동하여, 벤팅 가스의 열과 압력이 홈(G)의 중앙 부분(GC)에 더욱 집중될 수 있다. 따라서, 안전 버스바(300)의 절단이 더욱 신속하고 확실하게 이루어질 수 있다. 그러므로, 벤팅 가스에 의한 안전 버스바(300)의 절단 효과가 더욱 좋아질 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 여러 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이나 전류 센서, 퓨즈 등의 구성요소를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 큰 에너지 용량을 갖기 위해, 본 발명에 따른 팩이 서로 전기적으로 연결된 형태로 다수 포함되도록 할 수 있다. 이 밖에도, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 에너지 저장 시스템의 다른 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 이러한 에너지 저장 시스템은, 스마트 그리드 시스템이나 전기 충전 스테이션 등 다양한 장소나 장치에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 팩 이외에 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용될 수 있으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
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.
100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
111: 전극 리드
120: 모듈 케이스
121: 상부 플레이트, 122: 하부 플레이트, 123: 측부 플레이트, 124: 후방 플레이트
130: 버스바 어셈블리
131: 버스바 하우징, 132: 모듈 버스바
140: 모듈 단자
200: 팩 케이스
210: 전방 케이스, 220: 후방 케이스, 230: 좌측 케이스
300: 안전 버스바
H1: 배출구
M1: 제1 금속층, M2: 제2 금속층, P: 절연층
S1~S6: 슬릿
G: 홈

Claims (11)

  1. 하나 이상의 배터리 셀 및 모듈 단자를 구비하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 외부를 적어도 일부 커버하며, 적어도 일측에 팩 단자가 제공된 팩 케이스; 및
    상기 모듈 단자와 상기 팩 단자 사이 또는 상기 모듈 단자 사이에 연결되어 전력 경로를 제공하고, 상기 배터리 모듈로부터 배출되는 벤팅 가스에 의해 상기 전력 경로가 차단되도록 구성된 안전 버스바
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안전 버스바는, 상기 배터리 모듈로부터 벤팅 가스가 배출되는 부분에 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 다수 포함되어 적어도 일 방향으로 적층되고,
    상기 안전 버스바는, 상기 배터리 모듈의 적층 방향을 따라 길게 연장되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    다수의 배터리 모듈은, 좌우 방향으로 나란하게 배치되어 전방 또는 후방으로 벤팅 가스가 배출되게 구성되며,
    상기 안전 버스바는, 다수의 배터리 모듈 적층체의 전방 또는 후방에 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안전 버스바는, 서로 다른 2종류 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 안전 버스바는, 상기 서로 다른 2종류 이상의 금속이 상호 접합된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 안전 버스바는, 상기 서로 다른 2종류 이상의 금속 중, 적어도 1종류의 금속이 상기 벤팅 가스에 의해 용융 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 안전 버스바는, 녹는점이 서로 다른 2종류 이상의 금속층을 포함하고, 녹는점이 낮은 금속층이 녹는점이 높은 금속층보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 안전 버스바는, 상기 녹는점이 높은 금속층이 다수의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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