KR20230050973A - 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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KR20230050973A
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 셀 조립체; 상기 셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스에 장착되는 커넥터를 포함한다. 상기 커넥터는, 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 터미널; 상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징; 상기 커넥터 하우징에 결합되고 상기 모듈 케이스에 적어도 일부가 삽입되어 상기 모듈 케이스에 장착이 되는 커넥터 헤더 바디를 포함; 및 상기 모듈 케이스와 커넥터 헤더 바디 사이에 개재되며 1000℃ 이상의 융점을 가지는 커넥터 가스켓을 포함한다.

Description

배터리 모듈, 배터리 팩, 및 이를 포함하는 자동차 {Battery Module, Battery Pack, And Electronic Vehicle Including Same}
본 발명은 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 커넥터가 개선된 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
이차전지는 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지기 때문에, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
전기 자동차 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 이차전지 배터리 셀을 포함하는 다수의 셀 조립체를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고 배터리 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 배터리 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 개수, 또는 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
배터리 모듈은 배터리 셀들과 각종 전장 부품 등을 모듈 케이스 내에 패키징하며, 모듈 케이스 밖의 외부 기기 등과 전기적인 연결을 위한 커넥터를 구비한다. 커넥터는 복수 개의 배터리 모듈들을 서로 전기적으로 연결시키기 위한 연결용 커넥터, 배터리 셀들의 전압을 모니터링하기 위한 센싱용 커넥터, 배터리 셀들을 충전시키기 위한 충전장치와 연결하기 위한 충전용 커넥터, 또는 배터리 셀에 충전된 에너지를 사용하여 구동하는 모터와 연결하는 출력용 커넥터 등일 수 있다.
종래 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀이 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 화재 등을 예방하는 것이 중요하다. 특히 이러한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩이 차량용으로 적용되는 경우 엄격한 안전성 테스트를 통과할 필요가 있다.
기존의 배터리 모듈에 구비되는 커넥터는 커넥터 터미널을 제외한 모든 부분이 일반 플라스틱 사출로 제작되는 것을 사용하고 있고, 이러한 커넥터는 모듈 케이스와 용접으로 실링되어 있다. 플라스틱 사출물을 적용한 배터리 모듈에서 이상 고온이 발생하는 경우 쉽게 용융되어 기밀성을 유지하지 못하고 구조가 붕괴되는 문제가 있다. 특히 이러한 커넥터를 장착한 배터리 모듈 또는 이들의 집합체인 배터리 팩은 열폭주 시험을 통과하지 못할 수 있다. 열폭주 시험이란, GB 규격, 배터리 팩 또는 시스템이 배터리 열폭주로 인한 열 확산으로 자동차의 탑승 공간에 위험하기 발생하기 5분 전에 열 사건 알람 신호를 제공하는 시험을 의미한다.
따라서, GB 규격을 만족하기 위해, 화염 등에 의한 고온 및/또는 벤팅 가스에 의한 고압 환경이 확산되는 것을 방지하기 위한 커넥터가 반드시 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리 모듈 내의 화염 발생 등에 의한 고온 및/또는 배터리 모듈 내의 벤팅 가스에 의한 고압 환경이, 외부로 확산되는 것을 방지하기 위해 개선된 커넥터를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 배터리 모듈을 포함함으로써 화재나 폭발에 대한 안정성을 높인 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 셀 조립체; 상기 셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스에 장착되는 커넥터를 포함한다. 상기 커넥터는, 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 터미널; 상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징; 상기 커넥터 하우징에 결합되고 상기 모듈 케이스에 적어도 일부가 삽입되어 상기 모듈 케이스에 장착이 되는 커넥터 헤더 바디를 포함; 및 상기 모듈 케이스와 커넥터 헤더 바디 사이에 개재되며 1000℃ 이상의 융점을 가지는 커넥터 가스켓을 포함한다.
상기 모듈 케이스에 개구부가 형성되어 있고, 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 개구부 안쪽에서 상기 커넥터 가스켓을 개재해 상기 모듈 케이스에 면접촉하면서 상기 개구부를 기밀한다.
상기 커넥터 가스켓은 상기 개구부와 동일한 크기의 중공을 가진 프레임 형상을 가질 수 있다.
상기 커넥터 가스켓과 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 모듈 케이스에 볼트 체결될 수 있다.
바람직하게, 상기 커넥터 가스켓은 실리콘 가스켓이다.
상기 커넥터 헤더 바디는, 1000℃ 이상의 융점을 가지는 세라믹 또는 금속 소재로 되어 있을 수 있다.
상기 커넥터 하우징은 상기 커넥터 헤더 바디에 강제 압입 또는 후크 타입 체결로 결합될 수 있다.
다른 예로, 상기 커넥터 하우징과 상기 커넥터 헤더 바디는 일체 성형된 단일 부품일 수 있다.
본 발명에서는 이러한 배터리 모듈을 적어도 하나 포함하는 배터리 팩과 이러한 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차도 제공한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내의 화염 발생에 의한 고온 및/또는 배터리 모듈 내의 벤팅 가스에 의한 고압 환경이, 외부로 확산되는 것을 방지하기 위해 개선된 커넥터, 이른바 고내열성 실링 커넥터를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 1000℃ 이상의 융점을 가지는 커넥터 가스켓을 포함하는 커넥터를 포함함으로써, 배터리 모듈 내에서 화염이 발생하여 이상 고온 상태가 되더라도, 배터리 모듈 외측으로의 화염 확산이 방지될 수 있다. 그리고, 배터리 모듈 내에서 벤팅 가스가 발생하여 이상 고압 상태가 되더라도, 커넥터 쪽을 통한 폭발은 방지될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 열폭주가 발생하더라도 배터리 모듈의 기밀 구조를 유지하고 고온/고압 환경을 견디는 고내열성 실링 커넥터를 포함한 배터리 모듈이 제공된다.
예를 들어, 모듈 케이스 인접 온도가 대략 600℃(최소 5분) 이상까지 상승하는 경우라도, 본 발명에서 제안하는 바와 같은 커넥터를 포함하는 배터리 모듈은, 고온/고압(100kpa)에 견딜 수 있어, 열 전이가 방지될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 정면도로서 커넥터 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커넥터 부분을 분리해 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이다.
도 5는 도 2의 V-V' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함될 수 있는 커넥터 가스켓의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 도면이다.
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 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시된 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 분리 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 정면도로서 커넥터 부분을 확대하여 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커넥터 부분을 분리해 도시한 사시도이다. 도 4는 도 2의 IV-IV' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이고, 도 5는 도 2의 V-V' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함될 수 있는 커넥터 가스켓의 사시도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 조립체(100)와 모듈 케이스(150)와 커넥터(200)를 포함한다.
셀 조립체(100)는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 셀 조립체(100)를 구성하는 배터리 셀은 파우치형 이차전지로 마련될 수 있고, 셀 조립체(100) 내에 복수 개로 적층되어 정렬될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들은 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 배터리 셀 각각은 전극 조립체와 이를 수용하는 외장재와 상기 외장재 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드를 포함할 수 있다.
전극 리드는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 또는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드가 배터리 셀의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 다양한 재질로 마련될 수 있으며, 예를 들어, 양극 전극 리드는 알루미늄 재질로 제작되고, 음극 전극 리드는 구리 재질로 제작될 수 있다.
전극 리드는 버스바(미도시)에 전기적으로 결합될 수 있다. 배터리 셀은 양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열되는 단위 셀 또는 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터-양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열된 바이 셀을 용량에 맞게 복수개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
셀 조립체(100)는 복수의 배터리 셀들이 서로 적층되도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리 셀은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한, 복수의 배터리 셀들은 다양한 방식으로 적층될 수 있다.
셀 조립체(100)는 각각의 배터리 셀을 수납하는 카트리지(미도시)가 복수로 구비될 수 있다. 각각의 카트리지(미도시)는 플라스틱의 사출 성형으로 제조될 수 있고, 배터리 셀을 수납할 수 있는 수납부가 형성된 복수의 카트리지들이 적층될 수 있다. 복수의 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체에는 단자 요소가 구비될 수 있다. 단자 요소는 배터리 셀에 연결되는 메인 단자로서 양극 단자와 음극 단자를 포함하며, 단자 요소는 터미널 볼트가 구비되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 배터리 셀은 다양한 형상을 가질 수 있다.
모듈 케이스(150)는 내부에 빈 공간을 가진다. 모듈 케이스(150)는 셀 조립체(100)를 수용하며 배터리 모듈(10)의 외관을 형성한다. 모듈 케이스(150)는 셀 조립체(100) 또는 카트리지 조립체의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 셀 조립체(100) 또는 카트리지 조립체가 육면체 형상으로 마련되는 경우 모듈 케이스(150)도 이에 대응되도록 육면체 형상으로 마련될 수 있다. 모듈 케이스(150) 내에는 각종 전장 부품들이 포함될 수 있으며, 일례로 ICB(Internal Circuit Board) 또는 BMS(Battery Management System) 등을 포함할 수 있다. 상기 ICB 및 BMS 보드 등의 전장 부품들은 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결될 수 있다.
모듈 케이스(150)는 예를 들어, 금속 재질의 플레이트를 절곡하여 제조될 수 있고 또는 플라스틱 사출물에 의해 제조될 수도 있다. 그리고, 모듈 케이스(150)는 일체형으로 제조될 수도 있고, 또는 분리형으로 제조될 수도 있다. 일반적으로, 모듈 케이스(150)는 적어도 일면이 개방된 형태로 제공되어, 개방된 부분을 통해 셀 조립체(100)를 삽입한 후 개방된 부분을 막는 구조일 수 있다. 모듈 케이스(150)는 전체적으로 직육면체 형상으로 제공될 수 있다.
모듈 케이스(150)의 구성은 다양할 수 있다. 예를 들어 모듈 케이스(150)는 셀 조립체(100)를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임, 및 U자형 프레임 상부에서 셀 조립체(100)를 덮는 상부 플레이트(top plate)를 포함할 수 있다. U자형 프레임은 상부면, 전면 및 후면이 개방되어 있어, U자형 프레임의 전면과 후면에는 엔드 플레이트가 각각 위치해 개방된 전면과 후면을 막을 수 있다.
다른 예를 들어, 모듈 케이스(150)는 마주보는 양측이 개방된 형태의 사각관체 모노 프레임과 상기 모노 프레임의 마주보는 양측을 막는 프론트 커버와 리어 커버를 포함할 수 있다. 본 발명은 특정 모듈 케이스(150)의 구조에 제한되지 않는다.
커넥터(200)는 모듈 케이스(150)에 장착된다. 커넥터(200)는 모듈 케이스(150) 안에 수용되는 셀 조립체(100)와 전기적 연결이 쉬운 부분에 장착이 될 수 있다. 예를 들어 셀 조립체(100)에 포함되는 배터리 셀의 전극 리드와 가까운 부분에 장착이 될 수 있다. 예를 들어 도시한 바와 같이 모듈 케이스(150) 중에서도 배터리 셀의 전극 리드가 위치할 수 있는 부분과 인접한 엔드 플레이트 또는 프론트 커버 또는 리어 커버 쪽에 장착될 수 있다. 커넥터(200)는 배터리 모듈(10) 내부의 배터리 셀들의 전압 내지 온도에 대한 데이터를 제공할 수 있는 BMS 등에 연결되기 위한 다양한 형태의 전기적 연결 부품 내지 연결 부재로 마련될 수 있다. 그리고, 커넥터(200)는 전압 내지 온도에 대한 데이터를 외부로 전송하기 위해 모듈 케이스(150)에 결합된다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 커넥터(200)는, 커넥터 터미널(210), 커넥터 하우징(220) 및 커넥터 헤더 바디(230)를 포함한다.
커넥터 터미널(210)은 셀 조립체(100)의 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 커넥터 터미널(210)은 예를 들면 구리(Cu)와 같은 전도성 재질을 포함할 수 있다.
커넥터 하우징(220)은 커넥터 터미널(210)을 감싼다. 커넥터 하우징(220)은 커넥터 터미널(210)을 수용하여 일단을 노출시키는 구조일 수 있다.
커넥터 하우징(220)은 커넥터 헤더 바디(230)에 결합된다. 커넥터 하우징(220)은 플라스틱 사출로 제조된, 커넥터 헤더 바디(230)와는 별개의 부품일 수 있다. 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)에 강제 압입 또는 후크 타입 체결로 결합할 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230)는 커넥터 하우징(220)으로부터 노출되는 커넥터 터미널(210)의 일단을 노출시킬 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)는 모듈 케이스(150)에 적어도 일부가 삽입되어 모듈 케이스(150)에 장착이 되며, 커넥터 하우징(220)이 모듈 케이스(150) 외측에 유지되도록 한다. 커넥터 터미널(210)은 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)를 통과할 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)에는 커넥터 터미널(210)이 통과하도록 홀이 형성될 수 있다. 커넥터 터미널(210)은 커넥터 헤더 바디(230)의 홀을 통해 모듈 케이스(150) 내부로 인입될 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230)는 모듈 케이스(150)에 결합된다. 커넥터 헤더 바디(230)는 다양한 방식으로 모듈 케이스(150)에 결합될 수 있다.
커넥터 가스켓(235)은 모듈 케이스(150)와 커넥터 헤더 바디(230) 사이에 개재되며 1000℃ 이상의 융점을 가진다.
도 4 및 도 5를 더 참조하면, 본 실시예에서 모듈 케이스(150)에는 개구부(152)가 형성되어 있고, 커넥터 헤더 바디(230)는 개구부(152) 안쪽에서 커넥터 가스켓(235)을 개재해 모듈 케이스(150)에 면접촉하면서 개구부(152)를 기밀하고 있다. 커넥터 헤더 바디(230)에는 볼트(240)가 통과하도록 마련된 체결홀이 형성될 수 있다.
모듈 케이스(150)는 개구부(152)를 제외한 모든 부위가 용접 공법을 통해 실링될 수 있다. 이러한 상황에서, 배터리 모듈(10) 내의 열 폭주 발생시 화염과 가스가 가장 많이 노출되는 부분은 커넥터(200) 부분이 된다. 본 발명에서는 커넥터(200)를 개선함으로써 배터리 모듈(10) 내의 화염 발생에 의한 고온 및/또는 배터리 모듈(10) 내의 벤팅 가스에 의한 고압 환경이, 외부로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230)에 커넥터 가스켓(235)과 커넥터 하우징(220)을 결합한 상태로 모듈 케이스(150) 안쪽에서 개구부(152)를 통과하여 커네터 하우징(220)을 노출시킨 후, 모듈 케이스(150)와 커넥터 헤더 바디(230)를 볼트(240)로 체결할 수 있다. 대신에, 모듈 케이스(150) 안쪽에서 커넥터 헤더 바디(230)와 모듈 케이스(150) 사이에 커넥터 가스켓(235)을 통해 면접하도록 배치한 후 모듈 케이스(150) 바깥?U에서 볼트(240) 체결하고, 모듈 케이스(150) 바깥쪽에서 커네터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)에 결합할 수도 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 커넥터 가스켓(235)은 개구부(152)와 동일한 크기의 중공을 가진 프레임 형상을 가질 수 있다. 도 4 및 도 5에도 나타낸 바와 같이, 커넥터 가스켓(235)의 외주변은 커넥터 헤더 바디(230)의 외주변과 일치할 수 있다.
커넥터 가스켓(235)과 커넥터 헤더 바디(230)는 모듈 케이스(150)에 함께 볼트(240) 체결될 수 있다. 참조부호 237은 커넥터 가스켓(235)에 볼트(240)가 통과하도록 마련된 체결홀이다.
바람직하게, 커넥터 가스켓(235)은 실리콘 가스켓이다. 커넥터 가스켓(235)은 배터리 모듈(10) 내의 열 폭주시에도 기밀성을 유지하며, 화염 및 가스가 커넥터(200)를 통하여 배터리 모듈(10) 외부로 노출되지 않도록 하는 효과가 탁월하다. 커넥터(200)는 커넥터 가스켓(235)을 포함하고 있어 고내열성 실링 커넥터라고 부를 수 있다. 배터리 모듈(10)은 이러한 고내열성 실링 커넥터를 포함함으로써, 열폭주 관련 GB 규격을 만족시킨다.
개구부(152)는 커넥터 하우징(220) 체결에 의해 가려지는 크기일 수 있다. 개구부(152)가 커넥터 하우징(220)보다 커서 커넥터 헤더 바디(230)의 일부가 모듈 케이스(150) 외측에서 보일 수도 있다.
커넥터 헤더 바디(230)는 1000℃ 이상의 융점을 가지는 세라믹 또는 금속 소재로 되어 있는 것일 수 있다. 배터리 모듈(10) 내부에서 화염이 발생하는 경우 커넥터 헤더 바디(230) 인접 온도가 대략 600℃(최소 5분)이상까지 상승할 수 있으므로 커넥터 헤더 바디(230)는 고온/고압(100kpa)에 견딜 수 있어야 한다. 커넥터 헤더 바디(230)가 1000℃ 이상의 융점을 가지는 세라믹 또는 금속 소재로 되어 있으면 배터리 모듈(10) 내부에서 화염이 발생하여도 붕괴되지 않는다.
본 발명에 따르면, 커넥터 헤더 바디(230)는 비교적 고온의 환경에서도 훼손되지 않은 채로 유지될 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)에 직접적인 화염이 맞닿는다고 하더라도 용융되지 않는다. 커넥터 가스켓(235)도 비교적 고온의 환경에서도 훼손되지 않은 채로 유지될 수 있다. 커넥터 가스켓(235)에 직접적인 화염이 맞닿는다고 하더라도 용융되지 않는다. 커넥터 가스켓(235)은 모듈 케이스(150) 반대 편의 커넥터 하우징(220) 측으로 열 전이를 방지할 수 있다.
종래의 커넥터는 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)에 대응되는 부분이 플라스틱 사출물로만 구성되어 있어 열폭주시 녹아서 연기 및 화염이 밖으로 노출된다. 커넥터 가스켓(235)과 같은 실링 부품도 없다. 본 발명에서는 1000℃ 이상의 융점을 가짐으로써 고내열성을 가지는 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)를 포함하는 커넥터(200)를 제공함으로써, 열폭주 관련 GB 규격을 만족시킬 수 있으면서 기밀성을 유지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 열폭주가 발생하더라도 배터리 모듈의 기밀 구조를 유지하고 고온/고압 환경을 견디는 고내열성 실링 커넥터를 포함한 배터리 모듈이 제공된다.
본 실시예에서 커넥터 헤더 바디(230)와 커넥터 하우징(220)이 별개 부품인 경우를 설명하였다. 다른 예로, 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)는 일체 성형된 단일 부품일 수도 있다. 내열성 금속 소재와 경량 금속 소재를 포함하는 클래드 금속 원판을 제조한 후 원하는 형태의 커넥터 헤더 바디(230)로 가공하여 커넥터 헤더 바디(230)를 제조할 수 있다. 금형 안에 커넥터 헤더 바디(230)와 커넥터 터미널(210)을 배치한 후, 플라스틱을 녹여 금형에 주입하고 경화시키면 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)와 일체 성형해 제조할 수 있다. 인서트 사출의 방법에 의한다고 할 수 있다. 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)와 일체로 제조하면 별도의 체결부재를 사용하지 않아도 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)간 강한 결속력을 가질 수 있다. 이에 따라, 부품의 수를 줄여 제조 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 체결 작업이 생략될 수 있어, 제조 시간을 단축시키고, 안정적인 결합 구조를 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시하는 개략적인 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈, 예를 들어 일 실시예 따른 배터리 모듈(10)을 적어도 하나 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(300)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 수용할 수 있는 팩 케이스(310)를 포함할 수 있다. 아울러, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를 테면, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
배터리 모듈(10)은, 거의 직육면체 상태를 이루어, 배터리 팩 케이스(310) 안에 정연하게 늘어놓을 수 있고 각 배터리 모듈(10)은, 자동차(400)의 주행에 필요한 전력을 확보할 수 있도록 접속되어 있다.
배터리 팩 케이스(310)는 배터리 모듈(10)들을 고정 수납하는 용기이며, 직육면체 상태의 상자이다. 그리고, 이 배터리 팩 케이스(310)는 자동차(400) 내의 소정의 위치에 배설될 수 있다.
바람직하게, 자동차(400)는 전기자동차일 수 있다. 배터리 팩(300)은 전기자동차의 모터에 구동력을 제공하여 자동차(400)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(300)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다.
배터리 팩(300)은 모터 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 브레이크(brake)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 인버터를 통해 자동차(400)의 모터에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 배터리 팩(300)은 상기 자동차 이외에도 이차전지를 이용하는 전력 저장 장치(ESS) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)과 상기 자동차(400)와 같은 상기 배터리 팩(300)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(300) 및 이러한 배터리 팩(300)을 구비하는 자동차(400) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 모듈 내에서 화염이 발생하여 이상 고온 상태가 되더라도, 배터리 모듈 외측으로의 화염 확산이 방지될 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내에서 벤팅 가스가 발생하여 이상 고압 상태가 되더라도, 배터리 모듈의 폭발이 방지될 수 있다.
예를 들어, 모듈 케이스 인접 온도가 대략 600℃(최소 5분) 이상까지 상승하는 경우라도, 본 발명에서 제안하는 바와 같은 커넥터를 포함하는 배터리 모듈은, 고온/고압(100kpa)에 견딜 수 있어, 열 전이가 방지될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배터리 모듈
100 : 셀 조립체
150 : 모듈 케이스
200 : 커넥터
210 : 커넥터 터미널
220 : 커넥터 하우징
230 : 커넥터 헤더 바디
235 : 커넥터 가스켓

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 셀 조립체;
    상기 셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스에 장착되는 커넥터를 포함하고,
    상기 커넥터는,
    상기 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 터미널;
    상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징;
    상기 커넥터 하우징에 결합되고 상기 모듈 케이스에 적어도 일부가 삽입되어 상기 모듈 케이스에 장착이 되는 커넥터 헤더 바디; 및
    상기 모듈 케이스와 커넥터 헤더 바디 사이에 개재되며 1000℃ 이상의 융점을 가지는 커넥터 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모듈 케이스에 개구부가 형성되어 있고, 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 개구부 안쪽에서 상기 커넥터 가스켓을 개재해 상기 모듈 케이스에 면접촉하면서 상기 개구부를 기밀하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 커넥터 가스켓은 상기 개구부와 동일한 크기의 중공을 가진 프레임 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 커넥터 가스켓과 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 모듈 케이스에 볼트 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 커넥터 가스켓은 실리콘 가스켓인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 1000℃ 이상의 융점을 가지는 세라믹 또는 금속 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 커넥터 하우징은 상기 커넥터 헤더 바디에 강제 압입 또는 후크 타입 체결로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 커넥터 하우징과 상기 커넥터 헤더 바디는 일체 성형된 단일 부품인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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