KR20230170218A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20230170218A
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황만용
김종호
김종복
한상훈
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신흥에스이씨주식회사
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Abstract

본 발명은 복수의 전지; 상기 복수의 전지를 수용하는 홀더; 상기 홀더 상에 위치하며, 상기 복수의 전지를 전기적으로 연결하는 버스바; 및 상기 버스바와 이격되어 상기 버스바를 덮는 커버; 를 포함하며, 상기 홀더는, 각 전지의 상부 영역 및 하부 영역 중 어느 하나를 감싸는 제1 홀더; 및 상기 제1 홀더와 마주보도록 배치됨, 각 전지의 상부 영역 및 하부 영역 중 나머지 하나를 감싸는 제2 홀더; 를 포함하고, 상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더는, 상기 버스바와 상기 커버 간 절연 거리를 형성하는 돌출부를 적어도 하나 이상 포함하며, 상기 버스바는 상기 돌출부가 관통하는 홀을 하나 이상 포함하고, 상기 커버는 상기 돌출부 상에 위치하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폭발의 위험성이 적고 안정성이 향상된 배터리 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 스마트폰, 컴퓨터, 퍼스널 모빌리티(personal mobility), 전기차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 원통형 리튬 이차 전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있으며, 다수의 원통형 리튬 이차 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 전기차, 에너지 저장 시스템 등과 같이 고출력을 필요로 하는 분야에서 사용된다.
특히 최근 전 세계적으로 전기차 산업이 가파른 성장세를 보이면서 배터리 팩의 중요성이 한층 더 부각되고 있다. 다만 고용량의 배터리 팩 사용이 증가함에도 불구하고 여전히 배터리 과충전, 배터리 통제 시스템의 오류, 잦은 충전 등으로 인한 화재, 폭발 사고가 발생하는 문제점이 있다. 이에 안전성을 확보할 수 있는 배터리 팩의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 고안정성 배터리 모듈을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 하나의 전지에 이상이 발생하여 화재가 발생하거나 폭발할 경우 열폭주를 방지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 확장성을 확보한 배터리 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 전지; 상기 복수의 전지를 수용하는 홀더; 상기 홀더 상에 위치하며, 상기 복수의 전지를 전기적으로 연결하는 버스바; 및 상기 버스바와 이격되어 상기 버스바를 덮는 커버; 를 포함하며, 상기 홀더는, 각 전지의 상부 영역 및 하부 영역 중 어느 하나를 감싸는 제1 홀더; 및 상기 제1 홀더와 마주보도록 배치됨, 각 전지의 상부 영역 및 하부 영역 중 나머지 하나를 감싸는 제2 홀더; 를 포함하고, 상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더는, 상기 버스바와 상기 커버 간 절연 거리를 형성하는 돌출부를 적어도 하나 이상 포함하며, 상기 버스바는 상기 돌출부가 관통하는 홀을 하나 이상 포함하고, 상기 커버는 상기 돌출부 상에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제1 홀더는, 제1 홀더 프레임, 및 상기 제1 홀더 프레임으로 둘러싸인 영역 내에 형성되며 상기 복수의 전지를 수용하는 복수의 제1 수용홈을 포함하고, 상기 제2 홀더는, 제2 홀더 프레임, 및 상기 제2 홀더 프레임으로 둘러싸인 영역 내에 형성되며 상기 복수의 전지를 수용하는 복수의 제2 수용홈을 포함하며, 상기 복수의 제1 수용홈과 상기 복수의 제2 수용홈은 기 설정된 높이만큼 이격되어 위치할 수 있다.
또한, 상기 기 설정된 높이는, 상기 전지 높이의 40% 내지 60%인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더 각각은, 서로 분리 및 결합이 가능한 제1 서브 홀더 및 제2 서브 홀더를 포함할 수 있으며, 상기 제1 서브 홀더의 일 측면에 적어도 하나 이상의 끼움돌기가 구비되고, 상기 제2 서브 홀더의 일 측면에 상기 끼움돌기가 삽입되어 끼움 결합되는 끼움홈이 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
또한, 상기 버스바는, 제1 버스바 및 상기 제1 버스바 상에 배치되는 제2 버스바를 포함하며, 상기 제1 버스바는, 판 형상의 베이스; 상기 베이스에 형성된 개구부 내에 위치하며, 상기 베이스와 이격되고, 상기 전지와 접촉하는 접촉부; 상기 베이스와 상기 접촉부를 연결하는 하나 이상의 브릿지; 및 상기 접촉부를 감싸도록 형성된 벤트홀; 을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전지는, 전극 조립체를 수용하는 캔을 밀봉하며, 내부에서 생성된 가스를 상기 전지의 외부로 방출하는 배기구가 형성된 탑 캡을 포함하고, 평면에서 바라본 상기 벤트홀의 면적은, 평면에서 바라본 상기 배기구 면적의 1.5배 이상 클 수 있다.
또한, 상기 버스바 상에 위치하며, 레이저 용접으로 상기 버스바와 접합되는 센서부; 를 더 포함하며, 상기 센서부는, 연성 인쇄 회로 기판; 및 상기 연성 인쇄 회로 기판 상에 배치되며, 상기 배터리 모듈의 동작을 모니터링하는 전압 센서 및 온도 센서 중 적어도 하나 이상을 포함하는 센서; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈은 배터리 모듈 단자를 더 포함하며, 상기 배터리 모듈 단자는, 상기 제2 버스바와 동일한 형상으로 형성되며 상기 홀더의 상부면에 위치하는 제1 도전 영역; 상기 홀더의 상부면에서 상기 제1 도전 영역과 이격하여 위치하는 제2 도전 영역; 상기 제2 도전 영역으로부터 절곡되어 연장되며, 상기 홀더의 측면 상에 위치하는 제3 도전 영역; 및 상기 제1 도전 영역과 상기 제2 도전 영역을 연결하는 연결선; 을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결선은 상기 배터리 모듈에 과전류 유입 시 끊어질 수 있다.
또한, 상기 커버는, 실리콘 및 금속산화물을 포함하며, 100㎛ 내지 300㎛의 크기로 형성된 기공을 포함하는 다공성 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 고안정성 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 하나의 전지에 이상이 발생하여 화재가 발생하거나 폭발할 경우 열폭주를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 확장성을 확보한 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈에서 커버가 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A’ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 홀더가 제1 홀더 및 제2 홀더로 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 홀더가 복수 개의 서브 홀더로 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 버스바에 포함된 제1 버스바와 제2 버스바가 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 제1 버스바에 형성된 개구부의 면적과 전지의 탑 캡에 포함된 배기구의 면적을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 센서부가 포함된 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 센서부를 나타낸 도면이다.
도 10은 커버 및 단자 보호부가 생략된 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 단자를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명과 관련된 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. "연결", "결합" 또는 "접속"의 경우, 물리적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"되는 것뿐만 아니라 필요에 따라 전기적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"되는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 기재된 "~부(유닛)", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주 기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 실시예들과 관련된 도면들을 참고하여, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 모듈에 대해 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 모듈을 나타낸 도면이다. 특히 도 1은 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈에서 커버가 분리된 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2의 A-A’ 선에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 복수의 전지(10), 복수의 전지(10)를 수용하는 홀더(20), 홀더(20) 상에 위치하는 버스바(30), 및 버스바(30) 상에 위치하는 보호층(40)을 포함할 수 있다.
전지(10)는 원통 형상을 갖도록 형성되며 리튬 이온 이차 전지일 수 있다.
전지(10)는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 캔, 및 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함할 수 있다. 또한 캡 조립체는, 탑 캡, 내부 압력이 급격히 상승했을 때 내압을 방출하는 안전 벤트, 및 내부 이상 발생 시 전류 경로를 차단하는 전류 차단 부재(CID)를 포함할 수 있다.
여기서 탑 캡은, 안전 벤트를 통해 배출되는 가스를 전지 밖으로 방출시키는 배기구를 포함하며, 전지의 최상부에 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나 배터리 모듈(1)은 커버를 더 포함할 수 있으며, 커버는 보호층(40) 상에 위치하여 전지(10), 버스바(30), 보호층(40), 센서부(50) 등을 외부로부터 보호할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 더 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 홀더(20)를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 홀더가 제1 홀더 및 제2 홀더로 분리된 상태를 나타낸 도면이며, 도 5는 홀더가 복수 개의 서브 홀더로 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 홀더(20)는 복수의 전지(10)를 수용하며, 제1 홀더(21) 및 제2 홀더(22)를 포함할 수 있으며, 제1 홀더(21) 및 제2 홀더(22)는 결합부(23)에 의해 서로 연결되어 홀더(20)를 형성할 수 있다.
제1 홀더(21)는, 제1 홀더(21)의 테두리를 둘러싸는 제1 홀더 프레임(210a, 210b, 210c, 210d), 및 제1 홀더 프레임(210a, 210b, 210c, 210d)으로 둘러싸인 영역 내에 형성되며 복수의 전지(10)를 수용하는 복수의 제1 수용홈(215)을 포함한다.
제2 홀더(22)는 제1 홀더(21)와 동일 또는 유사한 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 제2 홀더(22)의 테두리를 둘러싸는 제2 홀더 프레임(220a, 220b, 220c, 220d), 및 제2 홀더 프레임(220a, 220b, 220c, 220d)으로 둘러싸인 영역 내에 형성되며 복수의 전지(10)를 수용하는 복수의 제2 수용홈(225)을 포함한다.
제1 홀더(21)의 내측면과 제2 홀더(22)의 내측면이 서로 마주보도록 배치될 수 있으며, 예를 들어 복수의 제1 수용홈(215)과 복수의 제2 수용홈(225)이 서로 마주보도록 위치하여, 도 3에 도시된 것과 같이 복수의 제1 수용홈(215)에는 전지(10)의 상부(또는 하부) 영역이 수용되고, 복수의 제2 수용홈(225)에는 전지(10) 하부(또는 상부) 영역이 수용될 수 있다.
복수의 제1 수용홈(215) 및 복수의 제2 수용홈(225)의 형상은 다양하게 변경되어 설계될 수 있으며, 전지(10)의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전지(10)가 원통형인 경우 복수의 제1 수용홈(215) 및 복수의 제2 수용홈(225) 또한 원통 형상으로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 수용홈(215) 각각의 높이는 제1 홀더 프레임(210a, 210b, 210c, 210d)의 높이보다 낮으며, 제2 수용홈(225) 각각의 높이 또한 제2 홀더 프레임(220a, 220b, 220c, 220d)의 높이보다 낮을 수 있다. 이 경우 도 3에 도시된 것과 같이 전지(10) 측면의 일부가 제1 수용홈(215) 및 제2 수용홈(225)으로부터 노출될 수 있다.
이때, 제1 수용홈(215) 및 제2 수용홈(225)으로부터 노출되는 전지 영역의 높이(h1), 즉 제1 수용홈(215)과 제2 수용홈(225)에 수용되지 않는 전지 영역의 높이(h1)가, 전지 전체 높이(h)의 40% 내지 60% 일 수 있다.
제1 수용홈(215) 및 제2 수용홈(225)의 높이가 낮아서 노출되는 전지 영역의 높이(h1)가 전지 전체 높이(h)의 60%를 초과하는 경우, 전지(10) 각각에서 발생하는 열의 방출이 용이하여 방열 효과는 높아지지만 외부 충격으로부터 버티는 힘인 내진성이 낮아져 배터리 모듈의 안전성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
또한, 제1 수용홈(215) 및 제2 수용홈(225)의 높이가 높아서 전지 노출 영역의 높이(h1)가 전지 전체 높이(h)의 40% 미만인 경우, 내진성은 높아지지만 방열 효과가 떨어져 화재 발생의 위험이 높은 문제가 있다.
따라서 배터리 모듈(1)의 안정성을 확보하기 위해, 제1 수용홈(215)과 제2 수용홈(225)의 높이는, 내진성과 방열 효과를 모두 충족할 수 있는 높이로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 제1 홀더 프레임(210a, 210b, 210c, 210d)의 적어도 일면(예를 들어, 210a)에는 하나 이상의 개구부(211)가 형성될 수 있으며, 개구부(211)는 전지(10)에서 발생된 가스를 방출하는 통로로 기능할 수 있고, 전지(10)에서 발생된 열이 배터리 모듈(1)의 외부로 방출되고 배터리 모듈(1) 외부의 공기가 배터리 모듈(1) 내로 유입될 수 있는 통로로 기능할 수 있으며, 이에 따라 발열된 전지(10)가 냉각될 수 있다.
제2 홀더 프레임(220a, 220b, 220c, 220d) 또한 적어도 일면(예를 들어, 220a)에는 하나 이상의 개구부(221)가 형성될 수 있으며, 개구부(221)는 제1 홀더 프레임(210a)에 형성된 개구부(211)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
다음으로, 제1 홀더(21)는 적어도 하나 이상의 돌출부(230)를 포함할 수 있으며, 돌출부(230)는 제1 홀더(21)의 상면에 위치할 수 있다.
돌출부(230)는, 버스바(30)와 보호층(40) 및 커버(미도시) 간 절연 거리를 확보하기 위한 수단으로 기능할 수 있다. 보다 구체적으로, 버스바(30)는 돌출부(230)를 관통하여 제1 홀더(21)의 상면에 위치하고, 보호층(40)은 돌출부(230) 상에 위치하며, 돌출부(230)에 의해 버스바(30)와 보호층(40) 및 커버(미도시)가 서로 이격하여 위치할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나 제2 홀더(22) 또한 적어도 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있으며, 제1 홀더(21)에 포함된 돌출부(230)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 제1 홀더(21)는 복수 개의 서브 홀더(21a, 21b, 21c)를 포함하며, 각각의 서브 홀더는 서로 결합 또는 분리 가능할 수 있다.
복수 개의 서브 홀더(21a, 21b, 21c)는, 제1 서브 홀더(21a)와 제2 서브 홀더(21b)를 포함할 수 있으며, 제1 서브 홀더(21a)와 제2 서브 홀더(21b) 사이에 위치하는 제3 서브 홀더(21c)를 더 포함할 수도 있다.
제1 서브 홀더(21a)의 일 측면에는 적어도 하나 이상의 끼움돌기(261)가 구비되고, 제2 서브 홀더(21b)의 일 측면에는 끼움돌기(261)가 삽입되어 끼움 결합되는 끼움홈(262)이 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.
또한 제3 서브 홀더(21c)가 더 포함되는 경우, 제3 서브 홀더(21c)의 일 측면에는 끼움돌기(261)가 삽입되어 끼움 결합되는 끼움홈(262)이 적어도 하나 이상 구비되고, 타 측면에는 적어도 하나 이상의 끼움돌기(261)가 구비될 수 있다.
끼움돌기(261) 및 끼움홈(262)의 높이는 제1 수용홈(215)의 높이보다 낮을 수 있다.
이와 달리 끼움돌기(261) 및 끼움홈(262)의 높이가 제1 수용홈(215)의 높이와 동일한 경우, 즉 끼움돌기(261) 및 끼움홈(262)이 제1 수용홈(215)의 하면에서 상면을 따라 형성되는 경우, 서브 홀더 간 결합 시 서브 홀더 사이에 단차가 발생할 가능성이 높으며 배터리 모듈 제조 후에도 외부 충격 등에 의하여 서브 홀더 간 단차가 발생할 가능성이 높다. 즉 배터리 모듈의 안정성이 떨어지는 문제가 있으나, 도 5에 도시된 것과 같이 끼움돌기(261) 및 끼움홈(262)이 수용홈(215)의 외주면 일부에만 형성된 경우 서브 홀더 간 결합을 견고하게 할 수 있다.
한편, 도 5에는 한 개의 제3 서브 홀더(21c)가 구비된 것이 도시되었으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제3 서브 홀더(21c)는 복수 개 구비될 수도 있고, 또는 제3 서브 홀더(21c) 없이 제1 서브 홀더(21a) 및 제2 서브 홀더(21b)만이 구비될 수도 있다.
또한, 도 5에는 제1 홀더(21)에 포함된 복수의 서브 홀더(21a, 21b, 21c)만을 도시하였으나, 제2 홀더(22) 또한 복수의 서브 홀더를 포함할 수 있으며, 제1 홀더(21)에 포함된 서브 홀더들(21a, 21b, 21c)과 동일한 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 결합 및 분리가 가능한 복수의 서브 홀더를 이용하여 홀더(20)를 구성함에 따라, 배터리 모듈(1)의 용량을 용이하게 변경할 수 있다.
이하에서는 도 6 및 도 7를 더 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 버스바(30)를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 버스바에 포함된 제1 버스바와 제2 버스바가 분리된 상태를 나타낸 도면이며, 도 7은 제1 버스바에 형성된 개구부의 면적과 전지의 탑 캡에 포함된 배기구의 면적을 비교하여 설명하기 위한 도면이다. 특히 도 7의 (a)는 위에서 바라본 전지(10)를 도시한 평면도이고, 도 7의 (b)는 위에서 바라본 버스바(30)의 일부를 도시한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 버스바는 제1 버스바(30a) 및 제2 버스바(30b)를 포함하며, 제2 버스바(30b)는 제1 버스바(30a) 상에 배치될 수 있다.
먼저, 제1 버스바(30a)는 제1 홀더(21) 및/또는 제2 홀더(22) 상에 위치하며, 복수의 전지(10)를 전기적으로 연결한다.
도 6을 참조하면, 제1 버스바(30a)는 판(plate) 형상의 베이스(310), 베이스(310)와 이격되어 위치하며 각각의 전지(10)와 접촉하는 복수의 접촉부(320), 및 베이스(310)와 접촉부(320)를 연결하는 적어도 하나 이상의 브릿지(330)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 베이스(310)에는 원 형상의 개구부가 복수 개 구비되며, 각 개구부 내에 접촉부(320)가 위치할 수 있다. 이때 접촉부(320)의 크기는 개구부의 크기보다 작아 접촉부(320)와 베이스(310)가 서로 이격될 수 있다.
전지(10)의 음극 단자 또는 양극 단자와 접촉하도록 위치하는 접촉부(320)는, 레이저 용접을 통해 전지(10)의 음극 단자 또는 양극 단자와 접착될 수 있으며, 도면에 도시되지는 않았으나 접촉부(320)와 전지(10)의 음극 단자 또는 양극 단자 사이에 별도의 접착층이 더 구비될 수도 있다.
접촉부(320)는 전지(10)와 접촉하고, 베이스(310)는 제1 홀더(21) 및/또는 제2 홀더(22) 상에 위치할 수 있도록, 접촉부(320)와 베이스(310)는 서로 다른 평면 상에 위치할 수 있다.
서로 이격된 접촉부(320)와 베이스(310)는 브릿지(330)를 통해 연결될 수 있다.
서로 다른 높이의 평면 상에 위치하는 접촉부(320)와 베이스(310)를 연결하기 위하여, 브릿지(330)는 소정의 각도를 갖고 기울어진 형상을 가질 수 있다.
베이스(310)는 돌출부(230)가 관통하는 홀(340)을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
여기서 돌출부(230)는, 버스바(30) 및 돌출부(230) 상에 배치되는 보호층(40) 또는/및 커버(미도시됨) 간 절연 거리를 확보하는 기능을 하는 것 외에도, 버스바(30)의 위치를 고정하는 기능을 수행할 수 있다.
접촉부(320) 주변에는, 접촉부(320)의 일부를 감싸는 적어도 하나 이상의 벤트홀(351, 352, 353)이 위치할 수 있으며, 벤트홀(351, 352, 353)은 접촉부(320), 브릿지(330) 및 베이스(310)로 둘러싸여 형성된 것일 수 있다.
벤트홀(351, 352, 353)은 전지(10)로부터 배출된 가스가 홀더(20)의 외부로 배출되도록 하는 배출구로 기능하며, 제1 벤트홀(351), 제2 벤트홀(352) 및 제3 벤트홀(353)을 포함할 수 있다.
다음으로 제2 버스바(30b)는 판(plate) 형상으로 형성되며, 적어도 하나 이상의 제1 개구부(341), 및 적어도 하나 이상의 제2 개구부(342)를 포함할 수 있다.
제1 개구부(341)는 위에서 바라봤을 때 제1 버스바(30a)에 형성된 접촉부(320)와 브릿지(330)를 노출시키기 위한 것으로, 제1 버스바(30a)에 형성된 개구부와 형상 및 크기가 동일할 수 있다.
제2 개구부(342)는 돌출부(230)가 관통하는 홀로 기능하며, 제1 버스바(30a)에 형성된 홀(340)과 형상 및 크기가 동일할 수 있다.
도 7을 참조하면, 전지(10)의 탑 캡(110)에는 가스를 전지(10) 밖으로 방출시키는 배기구(115)가 구비되며, 평면도 상에서의 배기구(115) 면적의 총 합은 ‘A’일 수 있다. 또한, 제1 버스바(30a)의 접촉부(320) 주위에 적어도 하나의 벤트홀(351, 352, 353)이 위치하며, 평면도 상에서의 벤트홀(351, 352, 353) 면적의 총 합은 ‘B’일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, ‘B’는 ‘A’의 1.5배 이상의 값을 가질 수 있다. 즉 평면 상에서 측정된 제1 버스바(30a)의 벤트홀(351, 352, 353) 면적이, 평면 상에서 측정된 전지(10)의 배기구(115) 면적의 1.5배 이상일 수 있으며, 이 경우 전지(10)에서 방출된 가스를 홀더(20)의 밖으로 배출시키는 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 6 및 7에서는 하나의 접촉부(320)에 세 개의 브릿지(330)가 연결된 것이 도시되었으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 브릿지(330)의 형상 또는 개수는 다양하게 변경되어 설계될 수 있다. 또한 브릿지(330)의 개수에 따라 개구부(351, 352, 353)의 개수도 변경될 수 있다.
버스바(30)는 알루미늄을 포함할 수 있으며, 또는 구리를 사용하여 버스바(30)를 형성할 수 있음은 물론, 니켈이나 주석이 코팅된 구리를 사용할 수도 있다.
도 8은 센서부가 더 포함된 배터리 모듈을 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8에 도시된 센서부를 보다 상세하게 나타낸 도면이다. 도 8에서는 설명의 편의를 위하여 보호층(40)의 도시를 생략하였다.
도 8 및 도 9를 더 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 센서부(50)를 더 포함할 수 있으며, 센서부(50)는 버스바(30) 상에 위치할 수 있다.
센서부(50)는 기판(510), 기판(510) 상에 배치되는 적어도 하나 이상의 센서(520)를 포함할 수 있다.
기판(510)은 연성 인쇄 회로 기판(Flexible Printed Circuit Board; FPCB) 일 수 있으며, 돌출부(230)가 관통할 수 있는 홀(511)을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
기판(510) 상에는 센서(520)가 배치될 수 있으며, 센서(520)는 배터리 모듈(1)의 동작을 모니터링 하기 위한 것으로, 전압 센서 및 온도 센서 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
기판(510) 상에는 배터리 관리 시스템(70)과 연결되는 단자(530), 및 단자와 센서를 전기적으로 연결하는 복수의 배선(535)이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 센서부(50)는 레이저 용접을 통해 버스바(30)와 전기적으로 연결되고 홀더(20)에 고정될 수 있으며, 이에 센서부(50)는 레이저 용접으로 인한 연결점(미도시)을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
종래에는 와이어 하네스 및 센서가 포함된 센서부를 볼트로 홀더(20)에 고정하였으나, 이 경우 볼트가 홀더(20)로부터 분리되어 임의의 위치, 예를 들어 버스바 상에 배치됨에 따라 쇼트를 유발하거나 또는 볼트에 의하여 커버(50)와 버스바(30)가 전기적으로 접속되는 문제점이 발생하였다.
본 발명의 실시예에 의할 경우, 볼트를 사용하지 않고 센서부(50)를 홀더(20)에 고정하므로 종래 기술에 의한 문제점을 해소할 수 있으며, 생산 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 10은 커버 및 단자 보호부가 생략된 배터리 모듈을 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 단자를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 배터리 모듈 단자(60)를 포함할 수 있으며, 배터리 모듈 단자(60)는 제2 버스바와 단자가 일체로 형성된 형상일 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈 단자(60)는 제2 버스바로 기능하며 제1 홀더(21) 또는 제2 홀더(22)의 상면 상에 위치하는 제1 도전 영역(610), 제1 도전 영역(610)과 이격하여 위치하며 제1 홀더(21) 또는 제2 홀더(22)의 상면 상에 위치하는 제2 도전 영역(620), 제2 도전 영역(620)으로부터 절곡되어 연장되며 제1 홀더(21) 또는 제2 홀더(22)의 측면 상에 위치하는 제3 도전 영역(630), 및 제1 도전 영역(610) 및 제2 도전 영역(620)을 연결하는 연결선(640)을 포함할 수 있다.
제2 도전 영역(620) 및 제3 도전 영역(630)이 단자로 기능하며, 연결선(640)은 배터리 모듈(1)에 과전류 또는 과전압 발생 시 끊어지는 퓨즈로 기능할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 모듈(1)을 과전류 또는 과전압으로부터 보호하기 위한 퓨즈를 별도로 구비하여야 하는 번거로움을 해소할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 보조 버스바를 나타내는 도면이고, 도 13은 도 12에 도시된 보조 버스바가 배치된 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 보조 버스바(30b’)는 제2 버스바(30b)와 같이 판 형상으로 형성되며, 적어도 하나 이상의 제1 개구부(341), 및 적어도 하나 이상의 제2 개구부(342)를 포함할 수 있다. 이때 보조 버스바(30b’)에 구비된 제1 개구부(341) 및 제2 개구부(342)는 각각 제2 버스바(30b)에 형성된 제1 개구부(341) 및 제2 개구부(342)와 형상 및 크기가 동일할 수 있다.
보조 버스바(30b’)는 제1 버스바(30a) 및 제2 버스바(30b) 사이에 위치하거나, 제2 버스바(30b) 상에 위치할 수 있으며, 제1 버스바(30a) 및 제2 버스바(30b)와 전기적으로 연결될 수 있다.
보조 버스바(30b’)는 일측으로 돌출되되 서로 이격하여 위치하는 한 쌍의 돌출부를 연결하는 적어도 하나 이상의 연결선(361, 362)을 포함할 수 있다. 여기서, 연결선(361, 362)은 평소에는 서로 인접하는 전지(10) 그룹을 전기적으로 연결하나, 배터리 모듈(1)에 과전류 또는 과전압 발생 시 끊어지는 퓨즈로 기능할 수 있다.
즉 보조 버스바(30b’)는 퓨즈의 기능을 수행할 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 모듈(1)을 과전류 또는 과전압으로부터 보호하기 위한 퓨즈를 별도로 구비하여야 하는 번거로움을 해소할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 보호층(40)은 실리콘 및 금속산화물을 포함하여 형성될 수 있으며, 금속산화물을 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3)일 수 있다.
또한 보호층(40)은 다공성 구조를 가질 수 있으며, 하나의 전지에 이상이 발생하여 화재 또는 폭발할 경우 주변의 전지로 화재 또는 폭발이 확산되어 전지가 연쇄적으로 발화하는 것을 방지하기 위하여 보호층(40)에 형성된 기공의 크기는 100㎛ 내지 300㎛로 형성될 수 있다.
보호층(40)에 형성된 기공의 크기가 100㎛ 미만이면, 화재 또는 폭발로 발생한 불꽃이 보호층(40)의 외부로 방출되지 못하고 보호층(40) 아래에 갇히게 되며, 불꽃이 주변 전지로 확산되어 열 폭주를 야기할 수 있다.
또한 보호층(40)에 형성된 기공의 크기가 300㎛를 초과하면, 보호층(40)의 방열 특성이 떨어져 보호층(40) 전체가 전소될 가능성이 높고 화재가 또는 폭발이 주변 전지로 확산되어 열폭주를 야기할 수 있다.
다만 본 발명과 같이 다공성 구조의 보호층(40)에 형성된 기공의 크기가 100 ㎛ 내지 300 ㎛인 경우, 하나의 전지가 폭발하는 순간 화염 배출구가 형성되면서도 방열 특성을 유지할 수 있는 효과를 나타낸다.
즉, 본 발명의 실시예에 의할 경우, 하나의 전지에서 불꽃이 방출되는 경우 순간적인 고열로 인해 보호층(40)에 화염 배출구가 형성되면서 불꽃이 보호층(40)을 뚫고 보호층(40) 상으로 이동하되 그 이후에는 보호층(40)의 방열 특성으로 인해 보호층(40) 상으로 이동한 불꽃과 보호층(40) 아래에 위치한 전지(10)들을 분리하는 방화벽으로 기능할 수 있다. 이에 열폭주를 방지할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이지 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 배터리 모듈
10: 전지
20: 홀더
30: 버스바
40: 홀더
50: 센서부

Claims (10)

  1. 복수의 전지;
    상기 복수의 전지를 수용하는 홀더;
    상기 홀더 상에 위치하며, 상기 복수의 전지를 전기적으로 연결하는 버스바; 및
    상기 버스바와 이격되어 상기 버스바를 덮는 커버; 를 포함하며,
    상기 홀더는,
    각 전지의 상부 영역 및 하부 영역 중 어느 하나를 감싸는 제1 홀더; 및
    상기 제1 홀더와 마주보도록 배치됨, 각 전지의 상부 영역 및 하부 영역 중 나머지 하나를 감싸는 제2 홀더; 를 포함하고,
    상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더는, 상기 버스바와 상기 커버 간 절연 거리를 형성하는 돌출부를 적어도 하나 이상 포함하며,
    상기 버스바는 상기 돌출부가 관통하는 홀을 하나 이상 포함하고, 상기 커버는 상기 돌출부 상에 위치하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀더는,
    제1 홀더 프레임, 및 상기 제1 홀더 프레임으로 둘러싸인 영역 내에 형성되며 상기 복수의 전지를 수용하는 복수의 제1 수용홈을 포함하고,
    상기 제2 홀더는,
    제2 홀더 프레임, 및 상기 제2 홀더 프레임으로 둘러싸인 영역 내에 형성되며 상기 복수의 전지를 수용하는 복수의 제2 수용홈을 포함하며,
    상기 복수의 제1 수용홈과 상기 복수의 제2 수용홈은 기 설정된 높이만큼 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기 설정된 높이는, 상기 전지 높이의 40% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 홀더 및 상기 제2 홀더 각각은, 서로 분리 및 결합이 가능한 제1 서브 홀더 및 제2 서브 홀더를 포함할 수 있으며,
    상기 제1 서브 홀더의 일 측면에 적어도 하나 이상의 끼움돌기가 구비되고,
    상기 제2 서브 홀더의 일 측면에 상기 끼움돌기가 삽입되어 끼움 결합되는 끼움홈이 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 버스바는, 제1 버스바 및 상기 제1 버스바 상에 배치되는 제2 버스바를 포함하며,
    상기 제1 버스바는,
    판 형상의 베이스;
    상기 베이스에 형성된 개구부 내에 위치하며, 상기 베이스와 이격되고, 상기 전지와 접촉하는 접촉부;
    상기 베이스와 상기 접촉부를 연결하는 하나 이상의 브릿지; 및
    상기 접촉부를 감싸도록 형성된 벤트홀; 을 포함하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전지는, 전극 조립체를 수용하는 캔을 밀봉하며, 내부에서 생성된 가스를 상기 전지의 외부로 방출하는 배기구가 형성된 탑 캡을 포함하고,
    평면에서 바라본 상기 벤트홀의 면적은, 평면에서 바라본 상기 배기구 면적의 1.5배 이상 큰 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 버스바 상에 위치하며, 레이저 용접으로 상기 버스바와 접합되는 센서부; 를 더 포함하며, 상기 센서부는,
    연성 인쇄 회로 기판; 및
    상기 연성 인쇄 회로 기판 상에 배치되며, 상기 배터리 모듈의 동작을 모니터링하는 전압 센서 및 온도 센서 중 적어도 하나 이상을 포함하는 센서; 를 포함하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 배터리 모듈 단자를 더 포함하며, 상기 배터리 모듈 단자는,
    상기 제2 버스바와 동일한 형상으로 형성되며 상기 홀더의 상부면에 위치하는 제1 도전 영역;
    상기 홀더의 상부면에서 상기 제1 도전 영역과 이격하여 위치하는 제2 도전 영역;
    상기 제2 도전 영역으로부터 절곡되어 연장되며, 상기 홀더의 측면 상에 위치하는 제3 도전 영역; 및
    상기 제1 도전 영역과 상기 제2 도전 영역을 연결하는 연결선; 을 포함하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결선은 상기 배터리 모듈에 과전류 유입 시 끊어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 커버는, 실리콘 및 금속산화물을 포함하며,
    100㎛ 내지 300㎛의 크기로 형성된 기공을 포함하는 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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