KR20240057150A - 내화케이블 및 이를 구비한 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 내화케이블은, 케이블 심선; 상기 케이블 심선의 양단부를 제외한 부분을 감싸며 고온에서 세라믹화하여 상기 케이블 심선을 지지하는 내화실리콘 피복층; 및 상기 케이블 심선 및 내화실리콘 피복층이 수용되고, 양측부에 상기 케이블 심선의 양단부가 외부로 도출되는 개구부를 가지는 금속케이스를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 내화케이블을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 내화케이블을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
Description
본 발명은 내화케이블 및 이를 구비한 배터리 팩에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 고온에서 세라믹화되는 내화실리콘 피복층과 이 피복층을 감싸는 금속케이스를 구비하여, 배터리 팩 내부에 발화가 발생하는 고온에서도 절연 및 기밀 특성을 유지할 수 있는 내화케이블 및 배터리 팩에 관한 것이다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 이차전지를 포함하는 다수의 배터리 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 이차전지는 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
상기 배터리 모듈을 전기적으로 연결하기 위하여, 버스바, 케이블 등이 사용된다. 상기 케이블은 인접하는 배터리 모듈의 단자부들을 전기적으로 연결하거나, 혹은 BMS부와 배터리 모듈 또는 BMS부와 배터리 모듈에 구비된 각 전지셀들을 전기적으로 연결하거나, 배터리 모듈들을 외부의 전기 디바이스와 연결하기 위하여 사용된다.
도 1은 종래의 케이블 구조를 나타내는 개략도이다.
도시된 바와 같이, 종래의 케이블(1)은 케이블 심선(10)과 상기 심선을 둘러싸는 피복층(20)으로 구성된다. 상기 심선은 일반적인 구리 와이어 심선이다. 피복층은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리염화비닐(PVC)과 같은 플라스틱 수지로 이루어져 있다.
배터리 팩 내에서 상기 종래의 케이블로 예컨대 배터리 모듈들을 전기적으로 연결하는 경우, 배터리 팩이 정상 작동되는 통상의 온도에서는 배터리 팩의 작동에 문제가 발생하지 않는다.
그런데, 배터리 팩 내부 화염 발생시에는 그 화염의 온도가 매우 높으므로(500~800℃, 혹은 800℃ 이상, 심한 경우 1000℃ 이상), 상기 플라스틱 수지제의 피복층은 모두 녹아버리고 케이블 심선이 외부로 노출되게 된다. 이렇게 되면, 노출된 케이블 심선이 팩 내의 다른 금속 부분과 전기적으로 접촉하여 쇼트가 발생하고, 전기 쇼트에 의한 발열로 화염이 더욱 확산되게 된다.
열 확산(thermal propagation) 방지를 위하여, 상기 피복층으로서 마이카 시트나 유리섬유, 혹은 내열실리콘 (고무) 등을 사용한 케이블을 고려할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 극심한 발열 상황에서는 상기 예시된 재료로서는 열 확산을 충분히 방지할 수 없다. 예컨대, 통상의 내열실리콘 시트는 내열온도가 125~300℃에 불과하여 배터리 팩 내부의 발화상황에 효과적으로 대처할 수 없다. 또한, 마이카 시트나 유리섬유제의 피복층도 충분한 내화성능을 구비하고 있지 않다.
이와 같이, 최근의 배터리 팩에서는 내화 발화시 팩 외부로 화염이 새어나오지 않도록 설계하는 것이 필수적으로 요구된다.
또한, 배터리 팩 내부에 화염 발생시의 고온에서도 케이블 심선을 주변과 열적으로 그리고 전기적으로 절연시킬 수 있는 설계가 필요하다.
한편, 예컨대 케이블이 배터리 모듈들을 연결할 때, 상기 케이블이 배터리 팩의 구조물(예컨대, 격벽)에 지지되거나 구조물을 통과하여 설치되는 경우가 있다. 이러한 경우, 케이블의 피복층이 격벽의 날카로운 에지(sharp edge)에 의해 손상되어 심선의 절연이 훼손되거나 기밀 특성이 훼손될 수 있다.
혹은 전기 연결 경로상 케이블을 부득이하게 과도하게 구부려야 할 경우가 있다. 그러나, 대용량 배터리에 사용되는 굵은 케이블의 경우, 원하는 대로 케이블을 구부리기 어려워서 배터리 팩 내에서 조립성이 좋지 않은 문제가 있었다.
이상으로부터 고온에서의 내화성을 구비함으로써 전기절연특성을 유지하면서도, 절연 강도 및 조립성을 개선할 수 있는 기술의 개발이 요망된다 하겠다.
본 발명은 배터리 팩 내부의 화염 발생 시에도 가능한 오래 열적 및 전기적인 절연을 유지할 수 있는 내화케이블을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 내화케이블을 구비한 배터리 팩을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 내화케이블은, 케이블 심선; 상기 케이블 심선의 양단부를 제외한 부분을 감싸며 고온에서 세라믹화하여 상기 케이블 심선을 지지하는 내화실리콘 피복층; 및 상기 케이블 심선 및 내화실리콘 피복층이 수용되고, 양측부에 상기 케이블 심선의 양단부가 외부로 도출되는 개구부를 가지는 금속케이스를 포함한다.
상기 내화실리콘은 500~1700℃의 온도에서 세라믹화될 수 있다.
상기 내화실리콘은 하기 화학식 1로 나타내는 실리콘 화합물을 포함하는 실리콘 수지와; 산화규소를 함유하는 금속 산화물의 소결에 의해 세라믹화될 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, m 및 n은 각각 10 내지 30의 정수이다.
상기 실리콘 수지와 금속 산화물은 1: 0.5~1.5의 중량 비율로 포함될 수 있다.
산화규소를 함유하는 금속 산화물은 순수 이산화규소, 실리카, 석영, 규석, 트리디마이트(tridymite) 및 키타이트(keatite) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속케이스는 상부 케이스와 하부 케이스를 구비하고, 상기 상하부 케이스는 후크 결합에 의하여 결합될 수 있다.
상기 금속케이스는 내측면 및 외측면 중 적어도 하나의 측면이 양극산화처리(anodizing)될 수 있다.
상기 금속케이스는, 알루미늄, 스틸, 스텐레스 중 하나로 이루어질 수 있다.
상기 케이블 심선은 굴곡부를 가지고,
상기 금속케이스는 상기 굴곡부의 형상에 대응하는 굴곡 형상부를 가질 수 있다.
상기 내화케이블은 복수개의 배터리 모듈의 고전압 단자부들을 전기적으로 연결하는 고전압 케이블일 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서의 배터리 팩은, 복수개의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈 사이에 설치되는 화염방지용 격벽; 상기 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 상기에 기재된 내화케이블; 및 상기 배터리 모듈과 화염방지용 격벽을 수용하는 팩 하우징을 포함할 수 있다.
상기 화염방지용 격벽은, 케이블 설치 관통홀 또는 케이블 설치홈을 구비하고, 상기 내화케이블의 금속케이스는 상기 케이블 설치 관통홀 또는 케이블 설치홈에 안착되고, 상기 금속케이스의 개구부로부터 도출된 상기 케이블 심선의 양단은 상기 화염방지용 격벽의 양측에 위치한 배터리 모듈의 단자부에 전기적으로 결합될 수 있다.
상기 내화케이블의 금속케이스는, 상기 케이블 설치 관통홀 또는 케이블 설치홈의 형상에 대응되게 형성될 수 있다.
본 발명의 내화케이블은, 팩 내부에서의 화염 발생시 화염에 타서 없어지는 피복층 대신 세라믹화되어 케이블 심선을 지지하는 내화실리콘 피복층을 구비하고 있으므로, 고온에서도 절연 및 기밀 특성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 내화케이블은 내화실리콘 피복층을 감싸는 금속케이스를 구비하고 있다. 상기 금속케이스는, 케이블 심선의 형상을 유지해주고, 내화실리콘을 감싸 상기 내화실리콘을 화염에 직접 노출되지 않게 함으로써, 내화실리콘의 변형을 방지하여 절연 및 기밀 특성을 한층 더 강화할 수 있다.
또한, 상기 금속케이스는 내화실리콘 및 심선을 보호하여 날카로운 에지부에 의한 절연 손상을 방지하고 배터리 팩 격벽과의 기밀성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따르면 심선을 먼저 성형하여 배터리 팩 내에 설치한 뒤, 내화피복층을 구비한 금속케이스와 심선을 결합할 수 있다. 따라서, 굵은 심선도 곡률반경(R값)이 작게 성형할 수 있으므로 대용량 배터리에 적합하다.
도 1은 종래의 케이블 구조를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내화케이블의 사시도.
도 3은 도 2의 내화케이블의 금속케이스의 조립 전 상태를 나타내는 사시도.
도 4는 도 2의 실시예의 내화케이블의 측면도 및 평면도.
도 5는 도 2의 실시예의 내화케이블의 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 내화케이블의 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 내화케이블의 평면도.
도 8은 본 발명의 내화케이블이 설치되는 배터리 팩 구조의 일례를 나타낸 개략도.
도 9는 본 발명의 내화케이블이 설치되는 배터리 팩 구조의 다른 예를 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명의 내화케이블이 배터리 팩에 설치된 상태를 나타낸 측단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내화케이블의 사시도.
도 3은 도 2의 내화케이블의 금속케이스의 조립 전 상태를 나타내는 사시도.
도 4는 도 2의 실시예의 내화케이블의 측면도 및 평면도.
도 5는 도 2의 실시예의 내화케이블의 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 내화케이블의 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 내화케이블의 평면도.
도 8은 본 발명의 내화케이블이 설치되는 배터리 팩 구조의 일례를 나타낸 개략도.
도 9는 본 발명의 내화케이블이 설치되는 배터리 팩 구조의 다른 예를 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명의 내화케이블이 배터리 팩에 설치된 상태를 나타낸 측단면도.
이하, 첨부한 도면과 여러 실시예에 의하여 본 발명의 세부 구성을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 또한 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니며 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
[내화케이블]
본 발명의 내화케이블은, 케이블 심선; 상기 케이블 심선의 양단부를 제외한 부분을 감싸며 고온에서 세라믹화하여 상기 케이블 심선을 지지하는 내화실리콘 피복층; 및 상기 케이블 심선 및 내화실리콘 피복층이 수용되고, 양측부에 상기 케이블 심선의 양단부가 외부로 도출되는 개구부를 가지는 금속케이스를 포함한다.
상기 케이블 심선은 통상의 구리 심선일 수 있다. 상기 심선은 복수개의 구리 와이어가 꼬여서 이루어지는 와이어 심선일 수 있다. 상기 심선의 양단부는 대응되는 결합부와 전기적으로 연결된다.
내화실리콘 피복층은, 상기 케이블 심선의 양단부를 제외한 부분을 감싸면서 상기 심선에 피복되는 층이다. 즉, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 양단부를 제외한 심선의 중앙부 주변으로 내화실리콘 피복층이 피복된다. 상기 내화실리콘 피복층은 고온에서 세라믹화하여 상기 케이블 심선을 지지한다. 상기 내화실리콘은 500~1700℃의 온도에서 세라믹화될 수 있다. 본 발명의 내화실리콘은 내화온도가 500℃ 이상이라는 점에서 내열온도가 300℃ 미만인 내열실리콘과 구별된다. 내열실리콘은 실리콘의 특성상 유연성과 가요성을 가지는 실리콘 수지 또는 고무 조성물이지만, 500℃ 이상의 고온에서는 세라믹화되지 않고 타서 없어지거나 재(ash)가 되어 버리는 소재이다. 따라서, 열 전파 상황시의 배터리 팩의 단락 방지 혹은 열 전파 방지에 적용하는데 한계가 있다.
상기 내화실리콘 피복층은 500℃ 이상의 고온에서 세라믹화되는 '내화'성능을 가지므로, 화염발생시에도 배터리 팩 내에서 절연 특성과 기밀 특성을 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 내화케이블은 케이블의 구조적 개선과 함께 내부에 내화실리콘을 구비함으로써 고내화 성능을 구현할 수 있다.
상기 내화실리콘은 실리콘 수지와 금속 산화물을 주성분으로 하는 조성물로서, 상온에서는 실리콘의 특성상 유연성과 가요성을 가진다. 또한, 소정의 탄성력을 가져 높은 내충격성과 절연성을 나타내고, 고온 노출 시에는 실리콘 수지와 금속 산화물의 소결에 의해 복잡한 세라믹 구조의 실리콘 소결체를 이룰 수 있다.
구체적으로, 내화실리콘에 함유된 실리콘 수지는 고온에서 연소 시 분말 형태의 실리카를 생성한다. 이렇게 생성된 실리카는 내화실리콘의 금속 산화물과 반응하여 상기 금속 산화물의 테두리에 "공융 혼합물(eutectic mixture)"을 형성함으로써 실리카와 금속 산화물 사이에서 브리징 작용(bridging role)을 수행하므로 발화온도에서 경화되고, 냉각될 때에는 응축된 세라믹화 생성물을 형성하게 된다. 이러한 세라믹체는 화재 시 외부의 기계적 충격이 가해지거나 수분이 침투할 때에도 내화실리콘 피복층의 훼손으로 인한 도체 간의 단락이나 단선이 방지되어 케이블 자체의 전기적인 기능을 발휘할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 내화실리콘은 실리콘 수지와 금속 산화물을 포함한다.
상기 실리콘 수지는 분자 내에 실리콘(Si)을 포함하는 수지라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 하기 화학식 1로 나타내는 실리콘 화합물(이하, "화학식 1의 실리콘 화합물"이라 함)을 포함할 수 있다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, m 및 n은 각각 10 내지 30의 정수이다.
상기 화학식 1의 실리콘 화합물은 메틸실록산 반복 단위를 포함하고, 상기 메틸실록산 반복 단위의 내부 및 말단에 각각 비닐기(vinyl group)를 포함한다. 상기 비닐기는 화학식 1의 실리콘 화합물의 말단은 물론 반복 단위 내부에도 존재하여 고온 노출 시 실리콘 수지의 중합도를 높이는 역할을 수행하며, 이를 통해 비닐기를 포함하지 않는 실리콘 화합물과 대비하여 보다 우수한 내화 특성을 구현할 수 있다.
또한, 상기 화학식 1의 실리콘 화합물은 중량평균분자량이 특정 범위로 조절될 수 있다. 화학식 1의 실리콘 화합물은 실리콘 수지의 베이스를 이루는 화합물로서 화학식 1의 실리콘 화합물의 중량평균분자량에 따라 내화실리콘의 상온 및 고온에서의 물성에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 상기 화학식 1의 실리콘 화합물의 중량평균분자량이 과도하게 높은 경우 실리콘 수지의 점도가 증가하여 고온 소결 시 반응성이 저하될 수 있으며, 중량평균분자량이 현저히 낮은 경우 실리콘 수지의 상온 탄성력 및 유연성이 저감되어 내화케이블의 제조 공정성이 저하되는 한편 내충격성 등이 낮아지는 한계가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 화학식 1의 실리콘 화합물은 중량평균분자량이 1,000~9,000 g/mol으로 조절된 값을 가질 수 있으며, 구체적으로는 3,000~8,000 g/mol; 또는 5,000~7,000 g/mol으로 조절된 값을 가질 수 있다.
아울러, 상기 금속 산화물은 산화규소를 함유하는 조성물로서, 고온 노출 시 결정핵으로 작용하여 상술된 실리콘 수지와 함께 고밀도의 세라믹체를 형성하는 역할을 할 수 있다.
이러한 금속 산화물로는 이산화규소, 실리카, 석영, 규석, 트리디마이트(tridymite) 및 키타이트(keatite) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 순수 이산화규소(SiO2)와 함께 이산화규소(SiO2)를 주성분으로 포함하는 석영 등의 광물을 포함하여 경제성이 높을 뿐만 아니라, 높은 융점(고내화성) 및 높은 소결도(high sintering degree)를 가지며, 우수한 전기 절연 성능을 나타낼 수 있다. 특히, 이산화규소, 실리카, 석영 등은 소결 과정에서의 각종 성능을 개선하고, 내화 실리콘의 용이한 용해와 성형을 유도하며, 세라믹체에서 발생될 수 있는 결함을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물은 실리콘 수지와 소결을 통해 내화성, 절연성 및 기계적 강도 등을 증가시키는 결정 구조를 갖게 할 수 있으면 좋다. 이러한 금속 산화물은 분말 상으로서, 특별히 한정하는 것은 아니지만 200㎛ 이하의 크기, 구체적인 예를 들어 0.1㎛ ~ 200㎛; 또는 0.1㎛ ~ 100㎛의 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다.
아울러, 상기 실리콘 수지는 하기 화학식 2로 나타내는 실리콘 화합물(이하, "화학식 2의 실리콘 화합물"이라 함)을 더 포함할 수 있으며, 상기 화학식 2의 실리콘 화합물은 화학식 1의 실리콘 화합물과 함께 고온에서 금속 산화물의 소결에 참여하여 실리콘 소결체를 형성하게 된다:
[화학식 2]
상기 화학식 2에 있어서, p는 10 내지 30의 정수이다.
상기 화학식 2의 실리콘 화합물은 상온에서 내화실리콘의 유연성을 높이는 한편, 소결 시 화학식 1의 실리콘 화합물과 탈수 축합(dehydration condensation)을 통해 실리콘 수지의 소결 종결을 유도하는 역할을 수행할 수 있으며, 이를 통하여 세라믹체 형성 반응을 종결시킬 수 있다.
이를 위하여, 상기 화학식 2의 실리콘 화합물은 내화실리콘 전체 중량에 대하여 10 중량부 미만으로 사용될 수 있으며, 구체적으로는 0.5 내지 9 중량부; 1 내지 6 중량부; 또는 2 내지 5 중량부로 사용될 수 있다.
또한, 내화실리콘은 상온에서의 높은 탄성력 구현과 고온 노출 시 빠른 세라믹체 형성을 위하여 실리콘 수지와 금속 산화물을 일정한 비율로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 내화 실리콘은 실리콘 수지와 금속 산화물의 중량 비율이 1: 0.5~1.5일 수 있으며, 구체적으로는 1: 0.8~1.2일 수 있다. 금속 산화물의 중량 비율이 0.5 미만으로 낮으면 고온에서 고밀도의 결정구조를 갖는 세라믹 구조를 갖기 어려우므로 내화성 및 기계적 강도가 충분히 구현되지 않은 문제가 있다. 또한, 금속 산화물의 중량 비율이 1.5를 초과하면 상온 상태에서 내화 실리콘의 유연성이 저감되어 취급성이 양호하지 않은 한계가 있다.
하나의 예로서, 본 발명의 내화 실리콘은 화학식 1의 실리콘 화합물 35~50 중량%; 석영 16~32 중량%; 이산화규소 10~27 중량%; 및 화학식 2의 제2 실리콘 화합물 1~6 중량%로 포함할 수 있으며, 경우에 따라서는 제조 시 공정성을 높이기 위하여 소정의 용매를 추가적으로 더 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 내화실리콘은 500℃ 이상에서 실리콘 수지와 금속 산화물의 소결에 의해 경화되어 세라믹화된다. 또한, 1700℃까지도 세라믹화되며, 이론적으로는 1700℃ 이상의 온도에서도 부분적으로 세라믹화를 유지할 수 있다. 다만, 1700℃를 초과하면, 세라믹화 유지시간이 짧아져서 배터리 팩 내에서 요구하는 내화성능을 유지하지 못할 수 있다.
상기 내화실리콘은 세라믹화되기 전에는 상술한 바와 같이, 가요성과 유연성, 그리고 탄성을 가지는 고무와 같은 성질을 가진다. 따라서, 내화실리콘 피복층을 후술하는 금속케이스에 주입하여 사출성형하거나 혹은 금속케이스 내에 도포하기 용이하다. 또한, 금속케이스 내에 구비된 내화실리콘 피복층에 상기 케이블 심선을 끼워넣는 경우에, 유연성 있는 내화실리콘이 상기 케이블 심선을 가압하면서 상기 심선을 둘러싸게 된다. 이에 따라, 유연성을 가진 내화실리콘이 케이블 심선의 형상에 추종하면서 상기 심선을 빈틈 없이 피복할 수 있다.
상기 내화실리콘 피복층은 세라믹화되기 전에는 유연성을 가지므로, 케이블 심선의 변형에도 유연하게 추종할 수 있다. 따라서, 본 발명 내화케이블을 배터리 팩 내에 설치할 경우 약간의 조립공차가 있더라도, 이에 유연하게 대응할 수 있다. 예컨대, 배터리 모듈을 배터리 팩에 볼팅에 의하여 체결할 경우, 배터리 모듈과 연결된 케이블 심선이 유동하거나 미세하게 틀어질 경우, 상기 내화실리콘 피복층이 이러한 유동이나 틀어짐을 흡수할 수 있다. 또한, 전기자동차의 진동에 따라 배터리 팩이 진동하는 경우에도, 상기 내화실리콘 피복층이 그 진동을 자연스럽게 흡수할 수 있다.
한편, 세라믹화된 내화실리콘은 심선을 직접 감싸 지지하며 심선의 형상을 계속 유지할 수 있다.
본 발명의 내화케이블은 또한 상기 케이블 심선 및 내화실리콘 피복층이 수용되는 금속케이스를 포함한다.
상기 금속케이스는, 케이블 심선의 양단부가 외부로 도출되는 개구부를 양측부에 포함할 수 있다. 상기 양측부의 개구부를 통하여 상기 케이블 심선의 양단부가 외부로 노출될 수 있다. 또한, 상기 심선의 양단부는 각각 대응되는 전기연결부에 결합될 수 있다.
상기 금속케이스는, 성형된 케이블 심선의 형상을 유지한다. 또한, 내화실리콘 피복층을 감싸 배터리 팩 내부 발화시 상기 내화실리콘 피복층이 화염에 직접 노출되지 않도록 한다. 이에 따라, 내화실리콘 피복층이 변형되는 것을 방지하여 절연 특성 및 기밀 특성을 강화할 수 있다. 또한, 상기 금속케이스는, 배터리 팩의 내부 발화시에 내화실리콘의 외곽형상이 무너지지 않도록 단단하게 잡아줌으로써, 오랜 시간 동안 절연 및 기밀 유지가 가능하게 한다.
또한, 상기 금속케이스는 예컨대 배터리 팩 내에 설치될 경우 배터리 팩 내의 조립 공간에 면착되어 기밀을 유지할 수 있다. 금속케이스는 단단한 표면을 가지므로, 배터리 팩 내의 조립 공간에 날카로운 에지부분이 있더라도, 내화케이블 내의 절연물이나 케이블 심선이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 금속케이스는 알루미늄, 스틸, 스텐레스 중 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 케이블 심선과 내화실리콘 피복층을 보호할 수 있는 강도를 가지고 성형이나 가공이 용이한 것이라면 다른 재질의 금속으로 금속케이스를 제조할 수 있다.
절연성의 보강을 위하여 상기 금속케이스 표면에 표면처리를 행할 수 있다. 예컨대, 상기 금속케이스의 내측면 또는 외측면 또는 내외측면 모두에 양극산화처리(anodizing)를 할 수 있다.
양극산화처리는, 인산염피막처리, 크로메이트 등과 함께 화성피막처리에 속하는 금속표면처리 기술 중 하나로 알루미늄, 티타늄, 구리, 마그네슘 등의 비철계 금속제품의 내식성과 내마모성 향상을 위해 적용되는 기술이다. 대상 금속을 양극에 걸고 희석한 산 용액에서 전해하면 양극에서 발생하는 산소에 의해 산화피막을 형성한다. 알루미늄의 경우 산화피막으로서 알루미나(Al2O3)가 형성된다. 이러한 산화피막은 절연물이므로, 양극산화처리된 금속제(예컨대 알루미늄제)의 금속케이스는 표면 절연물이 된다. 따라서, 양극산화처리된 금속케이스를 구비한 본 발명의 내화케이블은 2개의 전기절연물을 구비하게 된다. 즉, 제1 절연물로서 내화실리콘 피복층을, 제2 절연물로서 금속케이스 표면의 산화피막을 구비한다. 따라서, 양극산화처리에 의하여 내화케이블의 절연성이 한층 더 향상된다.
상기 금속케이스는, 상기 케이블 심선, 상기 심선을 감싸는 내화실리콘 피복층을 수용하는 형태라면, 일체로 형성되는 케이스 형태이거나 혹은 분리된 케이스 부품이 서로 결합되어 하나의 케이스를 이루는 형태라도 적용 가능하다. 다만, 어떠한 형태이든 케이블 심선 양단부가 외부로 도출될 수 있는 개구부를 양측부에 가질 필요가 있다.
구체적인 내화케이블 및 금속케이스의 형태에 관해서는 이하의 실시형태에서 자세히 설명하기로 한다.
(제1 실시형태)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내화케이블의 사시도이고, 도 3은 도 2의 내화케이블의 금속케이스의 조립 전 상태를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 2의 실시예의 내화케이블의 측면도 및 평면도이고, 도 5는 도 2의 실시예의 내화케이블의 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 실시형태의 내화케이블(100)에 따른 금속케이스(130)는 상부 케이스(130A)와 하부 케이스(130B)를 구비하고 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 금속케이스(130)가 일체로 형성되지 않고, 2개의 부품으로 구성된다. 상기 상부 케이스(130A)와 하부 케이스(130B)는 후크 결합부(132)를 구비하여 간편하게 결합될 수 있다. 즉, 하부 케이스(130B)는 그 전면 상부측에 돌출부(132B)를 구비하고, 상부 케이스(130A)는 그 전면 하부측에 상기 돌출부가 끼워지는 후크부(132A)를 구비하고 있다. 상기 후크부(132A)와 돌출부(132B)가 후크 결합부(132)를 구성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 상부 케이스(130A)와 하부 케이스(130B)의 후크 결합부(132)가 형성되지 않은 쪽 측면은 힌지 결합에 의하여 서로 연결되어 있다. 따라서, 상하부 케이스 중 하나는 다른 하나에 대하여 힌지 회전하여 상대이동(회동)될 수 있다. 도 3의 상태에서 상하부 케이스 중 하나를 다른 하나에 대하여 회동시켜 서로 접근시키고, 상기 후크부(132A)에 상기 돌출부(132B)를 끼워 결합시킴으로써, 상하부 케이스가 결합하여 본 발명의 금속케이스(130)를 이루게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 상부 케이스(130A)와 하부 케이스(130A)의 양측면에는, 개방홈(131A, 131B)이 각각 구비되어 있다. 따라서, 상하부 케이스를 결합하면 상부 케이스의 개방홈(131A)과 하부 케이스의 개방홈(131B)이 서로 맞물려 개구부(131)를 형성하게 된다. 상기 개구부(131)를 통하여 케이블 심선(110)의 양단부가 외부로 도출될 수 있다. 상부 및 하부 케이스에 구비된 개방홈(131A, 131B)의 크기나 형태는 반드시 동일할 필요가 없다. 2개의 개방홈(131A, 131B)이 맞물려 상기 심선의 형태에 부합하는 개구부를 형성할 수 있다면, 예컨대 2개의 개방홈 중 하나가 다른 하나에 비하여 크기가 작아도 무방하다.
본 실시형태에서는 2개의 개방홈(131A, 131B)이 맞물려 개구부(131)를 형성하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상부 케이스(130A) 또는 하부 케이스(130B) 중 하나의 케이스의 양측면에 개구부가 형성되고, 다른 케이스에는 개구부가 형성되지 않고 막힌 형태라도 무방하다. 다만, 본 실시형태와 같이, 2개의 케이스가 각각 개방홈을 가지고 2개의 개방홈이 합쳐져 개구부를 이루는 경우에는, 상하부 케이스의 사이에 심선(110)을 위치시키고, 상하부케이스를 결합하여 내화케이블을 조립하기 편리한 측면이 있다.
또한, 후크결합에 의하여 보다 간편하게 케이블 심선(110)을 금속케이스(130)에 고정 결합할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상부 케이스(130A)의 내측에 상부 내화실리콘 피복층(120A)이 충전되어 있고, 하부 케이스(130B)의 내측에 하부 내화실리콘 피복층(120B)이 충전되어 있다. 도 2 및 도 3을 참조하여 케이블 심선(110)과 금속케이스(130)의 조립과정을 설명한다. 상기 상부 및 하부 내화실리콘 피복층(120A,120B)의 어느 한 쪽의 피복층, 예컨대 하부 내화실리콘 피복층(120B) 상에 케이블 심선(110)을 위치시킨다. 이때 상기 케이블 심선(110)의 양단부의 하부를 하부 케이스(130B)의 양측면에 구비된 개방홈(131B) 상에 위치시키고, 상기 양단부가 상기 개방홈(131B) 외부로 일정 길이만큼 도출되도록 한다. 다음으로, 상기 상부 케이스(130A)의 개방홈(131A)이 상기 케이블 심선(110)의 양단부 상부를 덮도록 하면서, 상부 케이스(130A)를 하부 케이스(130B)에 후크 결합한다. 도 2 및 도 5와 같이 상하부 케이스가 후크 결합되면, 상기 케이블 심선(110)은 상기 후크 결합력에 의하여 상하부의 내화실리콘 피복층(120A,120B)에 의하여 눌리면서, 상기 금속케이스(130) 내에 고정되게 된다. 상기 내화실리콘 피복층(120)은 탄성과 유연성을 가지므로, 상기 후크 결합력에 의하여 케이블 심선(110)이 상하부 내화실리콘에 눌려 파묻히게 된다. 이에 의하여, 케이블 심선(110)이 도 5와 같은 형태로 내화실리콘 피복층(120)에 의하여 피복되어 금속케이스(130) 내에 고정된다. 이때, 상기 케이블 심선(110) 양단부는 외부로 일정 길이만큼 도출된다. 상기 심선(110)의 외주는 상부 케이스(130A)의 개방홈(131A) 내주면과 하부 케이스 개방홈(131B) 내주면에 의하여 규제되어 상기 케이블 심선(110)이 안정적으로 금속케이스(130) 내에 유지될 수 있다.
이와 같이, 금속케이스(130)를 상하부 케이스로 구성하고 후크결합에 의하여 상하부 케이스를 결합하는 것에 의하여, 케이블 심선(110)의 내화실리콘 피복층(120)에의 고정(피복)과 금속케이스(130)의 조립을 동시에 행할 수 있다.
필요에 따라, 도 3에 도시된 상부 내화실리콘 피복층(120A) 및 하부 내화실리콘 피복층(120B)에 상기 케이블 심선(110)의 외주 형상에 대응되는 형상(도시하지 않음)을 성형할 수 있다. 예컨대, 내화실리콘 피복층(120)의 탄성 및 유연성이 충분하지 못한 경우에는, 상하부 케이스의 후크 결합력에도 불구하고, 케이블 심선이 내화실리콘 피복층(120)에 의하여 온전하게 감싸지지 못할 수 있다. 이 경우에는, 상기 심선(110)과 내화실리콘 피복층(120) 사이에 부분적으로 공간이 형성될 수 있다. 상기 공간이 생기는 것을 방지하기 위하여, 상부 내화실리콘 피복층(120A)과 하부 내화실리콘 피복층(120B) 상에 예컨대, 케이블 심선(110)의 상반부 외주형상과 하반부 외주형상에 대응되는 형상이 구비되도록 상하부 내화실리콘 피복층의 형상을 성형할 수 있다. 그러나, 상술한 실시예의 조성을 가지는 내화실리콘은 탄성과 유연성이 충분하여 원칙적으로 도 3과 같이 케이블 심선 형상을 성형하지 않더라도, 후크 결합력에 의하여 유연하게 변형하여 케이블 심선을 빈틈 없이 감쌀 수 있다.
상기 심선(110)과 금속케이스(130)의 조립은 도 3과 같이 미리 행할 수도 있다. 혹은, 금속케이스(130) 내에 내화실리콘 피복층(120)을 미리 충전 내지 도포한 다음, 배터리 팩이 설치되는 현장에서 비로소 상기 심선(110)을 금속케이스(130) 내에 결합할 수도 있다.
또한, 금속케이스(130) 내에 내화실리콘 피복층(120)을 형성할 때는, 유연성을 가진 내화실리콘을 금속케이스(130)에 도포하거나, 금속케이스(130) 일부에 개구를 형성하고 상기 개구를 통하여 내화실리콘을 외부로부터 충전하는 것도 가능하다. 후자의 경우에는, 예컨대, 금속케이스(130) 내에 미리 심선(110)을 위치시키고, 상기 개구를 통하여 금속케이스(130) 내로 내화실리콘을 주입(사출 성형)함으로써, 자연스럽게 상기 내화실리콘이 상기 심선(110)을 감싸 피복하도록 하는 것도 가능하다.
심선(110)을 내화실리콘 피복층(120)이 구비된 금속케이스(130)에 현장에서 결합하는 경우의 장점에 관해서는 후술하는 다른 실시형태와 관련하여 구체적으로 설명하기로 한다.
(제2 실시형태)
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 내화케이블의 단면도이다.
본 실시형태의 내화케이블(100')은, 절연성의 보강을 위하여 상기 금속케이스(130)의 내측면 및 외측면에 양극산화처리를 한 것이다. 양극산화처리를 한 것 외에는, 케이블 심선(110)과 상기 케이블 심선(110)을 감싸는 내화실리콘 피복층(120)을 구비한 점, 그리고 상기 케이블 심선(110)과 내화실리콘 피복층(120)을 수용하고 양측부에 케이블 심선 양단부가 도출되는 개구부를 구비한 금속케이스(130)를 구비한 점은 제1 실시형태와 동일하다.
상술한 바와 같이, 양극산화처리는 비철계 금속제품의 내식성과 내마모성을 향상시킨다. 예컨대, 상기 금속케이스가 알루미늄인 경우, 상기 알루미늄을 양극에 위치시키고, 희석한 산 용액에서 전해하면 양극에서 발생하는 산소에 의해 알루미늄 표면에 절연물인 산화피막(133), 즉 금속산화물(알루미나(Al2O3))이 형성된다. 따라서, 본 실시형태의 내화케이블(100')은 절연성이 한층 더 향상된다.
상기 양극산화처리는, 상기 금속케이스(130)의 내측면, 또는 외측면, 또는 도 6의 예와 같이 내측면 및 외측면에 모두 실시할 수 있다. 금속케이스(130)의 내측면에 양극산화처리를 하면, 금속케이스 내측의 내화실리콘 피복층(120)과 함께 케이블 심선(110)을 2중으로 절연할 수 있다. 금속케이스 외측면에 양극산화처리를 하면, 외부의 금속제 부품에 대한 전기절연성능을 향상시킬 수 있다. 금속케이스 내측면 및 외측면에 모두 양극산화처리를 하면 상기한 효과를 모두 달성할 수 있다.
(제3 실시형태)
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 내화케이블의 평면도이다.
본 실시형태는, 케이블 심선(110)이 굴곡부를 가지며, 상기 금속케이스(130')도 상기 굴곡부의 형상에 대응하는 굴곡 형상부를 가지는 내화케이블(100")을 도시한 것이다.
내화케이블의 형상 외에, 케이블 심선과 상기 케이블 심선을 감싸는 내화실리콘 피복층을 구비한 점, 그리고 상기 케이블 심선과 내화실리콘 피복층을 수용하고 양측부에 케이블 심선 양단부가 도출되는 개구부를 구비한 금속케이스를 구비한 점은 다른 실시형태와 동일하다.
예컨대, 배터리 팩 내의 부품 배치상 케이블을 많이 구부려야 할 경우가 있다. 그러나, 대용량 배터리 팩의 경우, 종래의 굵은 케이블은 작은 곡률반경(R값)으로, 즉 어느 한계치 이상으로 구부리기 어려웠다. 이로 인하여, 케이블이 배터리 팩 내에서 차지하는 부피가 커졌고, 그에 따라 배터리 셀 등 다른 부품이 차지하는 면적이 줄어서 에너지 밀도가 감소하는 문제가 있었다.
그러나, 본 실시형태 구조의 내화케이블(100")은 대용량 배터리 팩의 경우에도, 피복층 없이 케이블 심선(110)만을 구부려서 대응되는 전기 결합부에 먼저 결합할 수 있다. 피복층을 포함하지 않은 심선만을 구부리므로 곡률반경, 즉 R값을 작게 하여 구부릴 수 있다. 이후, 구부려진 케이블 심선에 대응하는 형상을 가지고 내부에 내화실리콘 피복층을 가진 금속케이스(130')를 상기 심선과 결합할 수 있다. 이 경우 필요에 따라 금속케이스(130')에 구비되는 후크결합부(132')도 굴곡형상으로 만들 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 내화케이블(100")은 심선의 굵기가 비교적 굵은 경우에도 간편하게 내화케이블을 설치할 수 있어 조립성이 더욱 향상된다는 장점이 있다.
본 실시형태는, 본 발명 특유의 내화케이블 구조로 인하여, 케이블 심선(110)을 현장에 먼저 설치할 수 있다. 따라서, 피복층 없이 원하는 형상대로 심선만을 먼저 성형할 수 있으므로, 비교적 굵은 굵기의 심선이라도 용이하게 성형할 수 있다. 이후, 상기 심선의 형상에 대응되도록 금속케이스(130')를 제조하고, 상기 금속케이스(130') 내에 내화실리콘 피복층을 도포 내지 충전하여, 현장에서 상기 심선을 금속케이스에 조립함으로써, 손쉽게 본 발명의 내화케이블을 설치할 수 있다.
도 7에 도시된 굴곡부의 형상은 일례이고, 금속케이스의 제조여건이 허락하는 한에는, 굴곡부가 연속적으로 이어지거나 굴곡부와 직선부를 모두 구비하는 등 다른 형태의 경우에도 본 실시형태의 내화케이블을 적용할 수 있다.
[배터리 팩]
도 8은 본 발명의 내화케이블이 설치되는 배터리 팩 구조의 일례를 나타낸 개략도이고, 도 9는 본 발명의 내화케이블이 설치되는 배터리 팩 구조의 다른 예를 나타낸 개략도이고, 도 10은 본 발명의 내화케이블이 배터리 팩에 설치된 상태를 나타낸 측단면도이다.
상술한 본 발명의 내화케이블(100,100',100")은, 고온에서 세라믹화되는 내화실리콘 피복층(120)을 구비하고, 상기 내화실리콘 피복층을 감싸서 형상을 유지하는 금속케이스(130)를 구비하고 있다. 따라서, 내부 발화가 발생할 수 있는 배터리 팩에 적용할 경우, 배터리 팩의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 내화케이블은, 예컨대 배터리 팩 내에 수용된 복수개의 배터리 모듈을 서로 전기적으로 연결하기 위하여, 사용될 수 있다. 이 경우 상기 내화케이블은 인접하는 배터리 모듈의 단자부들을 전기적으로 연결할 수 있다. 혹은 BMS부와 배터리 모듈을 전기적으로 연결하기 위하여 상기 내화케이블이 사용될 수 있다. 또는 배터리 모듈들을 외부의 전기 디바이스와 연결하기 위하여 상기 내화케이블이 사용될 수 있다.
특히, 배터리 모듈의 고전압 단자부들은 높은 전류로 인하여 비교적 높은 열이 발생한다. 이에 따라, 팩 내부 화염 발생시 상기 고전압 단자부에 보다 높은 열이 집중될 수 있다. 따라서, 본 발명의 내화케이블은 복수개의 배터리 모듈의 고전압 단자부들을 전기적으로 연결하는 고전압 케이블로 적용하기에 적합하다.
본 발명의 배터리 팩(1000)은, 복수개의 배터리 모듈(200); 상기 배터리 모듈 사이에 설치되는 화염방지용 격벽(300); 상기 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 상기에 기재된 내화케이블(100,100',100"); 및 상기 배터리 모듈과 화염방지용 격벽을 수용하는 팩 하우징(400)을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 복수개의 배터리 모듈(200)이 팩 하우징(400)에 수용되는 것이 도시되어 있다. 상기 배터리 모듈(200)은 복수개의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체(도시하지 않음)를 구비하고 있으며, 상기 셀 적층체의 전지셀 들로부터 각기 다른 극성의 셀 리드가 도출된다. 상기 셀 리드들은 터미널 버스바나 인터버스바 등의 버스바, 혹은 케이블과 전기적으로 연결된다. 상기 복수개의 배터리 모듈을 전기적으로 연결하기 위하여 본 발명에 따른 내화케이블이 적용될 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9에서는, 모듈 하우징이 배터리 셀 적층체의 상하좌우면을 완전히 감싸는 통상의 배터리 모듈(200)이 개시되어 있다. 그러나, 이에 한하지 않고, 예컨대 셀 적층체의 상하좌우면 중 적어도 하나의 면이 개방되도록 구성된 모듈리스 구조의 모듈 하우징을 가지는 배터리 모듈이나, 혹은 셀 적층체의 상하좌우면 전체가 개방된 형태의 전지셀 블록에 대해서도 본 발명의 내화케이블을 적용할 수 있다. 이와 같이, 모듈 하우징의 전부 또는 일부가 생략된 셀 블록 또는 배터리 모듈들을 배터리 팩에 설치하여 이른바 셀투팩 구조의 배터리 팩을 구성할 수 있다. 본 발명의 내화케이블(100,100',100")은 이러한 셀투팩 구조의 배터리 팩 내에 설치된 셀 블록 또는 모듈리스 구조의 배터리 모듈의 전기적 연결을 위해서 사용될 수 있다.
인접하는 모듈 간의 화염전파를 방지하기 위하여, 상기 배터리 팩(1000)은 배터리 모듈 사이에 설치되는 화염방지용 격벽(300)을 포함할 수 있다. 화염방지용 격벽(300)은 강성 확보를 위하여 금속제의 재질일 수 있다. 상기 화염방지용 격벽(300)은 하나의 모듈에서 화재가 발생할 경우 인접하는 모듈로 화염이 전파되는 것을 방지하는 기능을 한다. 이 경우, 상기 화염방지용 격벽(300)에는, 케이블 설치 관통홀(310) 또는 케이블 설치홈(320)을 구비될 수 있다. 도 8은 화염방지용 격벽(300)에 케이블 설치 관통홀(310)이 구비된 것을 도시하고, 도 9는 화염방지용 격벽(300)이 케이블 설치홈(320)을 구비한 것을 도시한다. 화염방지 및 기밀성의 측면에서는 도 8과 같이 케이블 설치 관통홀(310)이 구비된 격벽이 유리하다. 도 9의 케이블 설치홈(320)은 상부가 개방되어 있으므로, 케이블 설치 및 케이블의 전기연결작업을 행하기 유리하다.
상기 내화케이블(100,100',100")은 상기 케이블 설치 관통홀(310) 또는 케이블 설치홈(320)에 안착될 수 있다. 이 때, 상기 금속케이스(130)의 개구부로부터 도출된 상기 케이블 심선(110)의 양단부는 상기 화염방지용 격벽(300)의 양측에 위치한 배터리 모듈(200)의 단자부(210,220)에 전기적으로 결합될 수 있다.
도 10에는 상기 내화케이블(100)이 배터리 팩(1000) 내에서 배터리 모듈(200)을 전기적으로 연결하는 모습이 도시되어 있다. 이웃하는 배터리 모듈(200) 사이에는 화염방지용 격벽(300)이 위치하며, 상기 화염방지용 격벽에는 케이블 설치 관통홀(310)이 구비되어 있다. 상기 관통홀 내에 본 발명의 내화케이블(100)의 금속케이스(130)를 삽입한다. 이 경우, 상기 내화케이블의 금속케이스(130)의 형상은, 상기 케이블 설치 관통홀(또는 케이블 설치홈)의 형상에 대응되게 형성된다. 따라서, 본 발명의 내화케이블(100)은 화염방지용 격벽(300)에 기밀하게 면착될 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩의 기밀성이 더욱 개선될 수 있다. 또한, 케이블 설치 관통홀이나 케이블 설치홈이 가공에 의하여 날카로운 에지 부분을 구비하고 있는 경우에도, 상기 금속케이스(130)가 내화실리콘 피복층(120) 및 케이블 심선(110)을 감싸 보호한다. 즉, 내화케이블의 절연강도 및 기밀특성이 상기 금속케이스에 의하여 한층 더 개선된다.
이 경우, 제2 실시형태와 같이 금속케이스의 적어도 한 측면에 양극산화처리를 하면 내화케이블(100')의 절연성을 한층 더 향상시킬 수 있다. 또한, 도 10에서는 내화케이블(100)이 직선형의 형태를 가지는 것이 나타나 있지만, 제3 실시형태와 같이, 케이블 심선 및 금속케이스가 굴곡부를 가지도록 하여 배터리 모듈을 연결할 수도 있다. 이 경우, 내화케이블의 곡률반경을 줄일 수 있어, 배터리 팩의 에너지밀도를 높일 수 있다.
한편, 배터리 팩(1000) 내에서 화염이 발생할 경우, 본 발명의 내화케이블은 케이블 심선을 감싸는 내화실리콘 피복층이 세라믹화되어 치밀한 소결체를 형성한다. 즉, 종래의 내열실리콘과 같이 500℃ 이상의 고온에서 타서 없어지거나 재가 되는 것이 아니라, 세라믹화되어 그 형상을 유지한다. 이에 따라, 내화실리콘 피복층은 화염 발생시에도 케이블 심선을 안정적으로 지지한다. 상기 금속케이스는 내화실리콘 피복층의 형상을 유지할 뿐 아니라, 화염이 내화실리콘 피복층과 접촉하는 것을 방지하여 내화실리콘의 변형을 방지하고 절연특성 및 기밀특성을 한층 더 강화시킨다.
[실험예]
(실험예 1)
상기 화학식 1의 실리콘 화합물 50중량%, 석영 20중량%, 순수 이산화규소 30중량%로 이루어진 내화실리콘을 0.5~3mm2 범위의 단면적에서 선택되는 소정 단면적을 가지는 구리로 된 케이블 심선에 소정 두께로 코팅하였다. 코팅부 외의 케이블 심선 양단부를 노출시켜 실시예 1의 내화실리콘 코팅 케이블을 제조하였다.
케이블 심선의 길이, 양단부 노출 길이를 실시예 1과 동일하게 하여 상기 케이블 심선의 중앙부에 걸쳐 유리섬유테이프(3M 361)를 총 2회 감았다. 감겨진 유리섬유테이프의 피복 두께는 상기 내화실리콘의 코팅두께와 거의 동일하게 하여 비교예 1의 케이블을 제조하였다.
비교예 2의 케이블로서, 천연마이카인 플로고파이트 운모 재질의 마이카 테이프를 케이블 심선 중앙부에 1회 감고, 그 위에 비교예 1의 유리섬유테이프를 1회 감았다. 케이블 심선의 길이, 양단부 노출길이는 실시예 1 및 비교예 1과 동일하다.
화재발생시의 절연특성(절연유지성능)을 시험하기 위하여, 실시예 1~비교예 2의 케이블의 피복부(코팅부, 테이프 권취부)에 구리 와이어를 동일 권선수로 감고, 피복부 최외곽의 구리 와이어 일단부를 내전압테스터기의 음극단자에 연결하고, 케이블 심선의 일단부를 내전압테스터기의 양극단자에 연결하였다. 상기 케이블들에 내전압테스터기로 1000V의 전압을 건 상태에서, 화염온도 1100~1150℃의 대형토치로 케이블의 전체 표면을 균일하게 가열하였다.
상기와 같은 전압 및 가열온도조건에서 절연상태가 파괴되는, 즉 단락이 발생하는 절연 Fail시간을 측정하였으며, 그 측정결과는 하기 표 1과 같다.
| 실험예 1 | 케이블 구성 | 절연 Fail 시간 |
| 비교예 1 | 구리 심선+유리섬유테이프 | 1분30초 |
| 비교예 2 | 구리 심선+마이카시트+유리섬유테이프+ | 4분 20초 |
| 실시예 1 | 구리 심선+내화실리콘 | 7분 10초 |
상기 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 내화실리콘 피복층을 구비한 케이블이 절연 Fail시간이 가장 길었으며, 비교예 1 및 비교예 2와는 절연 Fail시간의 면에서 큰 차이를 나타내었다.
따라서, 상기한 내화실리콘 피복층을 금속케이스 내에 충전한 본 발명의 내화케이블의 절연특성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다. 실시예 1은 금속케이스 없이 절연성능을 검사한 것으로서, 내화실리콘 피복층 외부에 금속케이스를 설치할 경우, 내화실리콘이 화염에 직접 노출되지 않음으로써 외부의 고온에 대하여 한층 더 절연성능이 개선되리라는 것은 명확하다 할 것이다.
(실험예 2)
상기 화학식 1의 실리콘 화합물의 중량과 금속산화물의 중량 비율을 달리하여 하기 표 2에 도시된 조성의 내화실리콘을 준비하였다.
실시예 1~5의 내화실리콘을 실험예 1과 동일한 조건으로 구리제 심선에 소정 두께로 코팅하고, 실험예 1과 동일한 조건으로 구리 와이어를 케이블 피복층 상에 감고 내전압테스터기와 연결하였다.
또한, 전압이 걸린 상태에서 실험예 1과 동일한 조건으로 대형토치로 가열하고, 절연 Fail시간을 측정하였으며, 그 측정결과는 하기 표 2와 같다.
| 실험예 2 | 내화실리콘 피복층 조성 | 절연 Fail 시간 |
| 실시예 1 | 실리콘 화합물 50중량%: 금속산화물 50중량% (석영: 20중량%, 순수이산화규소:30중량%) |
7분 10초 |
| 실시예 2 | 실리콘 화합물 50중량%: 금속산화물 25중량% (석영: 20중량%, 순수이산화규소:15중량%) |
6분 30초 |
| 실시예 3 | 실리콘 화합물 50중량%: 금속산화물 75중량% (석영: 30중량%, 순수이산화규소:45중량%) |
8분 5초 |
| 실시예 4 | 실리콘 화합물 50중량%: 금속산화물 20중량% (석영: 10중량%, 순수이산화규소:10중량%) |
5분30초 |
| 실시예 5 | 실리콘 화합물 50중량%: 금속산화물 80중량% (석영: 35중량%, 순수이산화규소:45중량%) |
8분 20초 |
상기 실시예 1~5에서, 실리콘 화합물과 금속산화물의 중량 비율은, 1: 1, 1:0.5, 1;1.5, 1:0.4, 1:1.6이었다.
모든 실시예가 상기 비교예 1 및 2에 비하여 훨씬 긴 절연 Fail 시간을 가진다. 다만, 중량 비율이 0.5 미만인 실시예 4의 경우 절연 Fail 시간이 다소 짧은 5분이었는데, 이는 금속산화물이 충분하지 않아 고온에서 고밀도의 결정구조를 가지는 세라믹 구조의 생성이 다소 부족하였기 때문으로 판단된다.
또한, 중량 비율이 1.6인 실시예 5의 경우 절연 Fail 시간은 충분히 길었지만, 금속산화물이 과다하여 상온상태에서 내화실리콘의 유연성이 저하되어, 케이블 심선에 추종하여 피복시키기 어려워진다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 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.
100,100',100": 내화케이블
110: 케이블 심선
120: 내화실리콘 피복층
130: 금속케이스
131: 개구부
132: 후크 결합부
133: 산화피막
200: 배터리 모듈
210,220: 단자부
300: 화염방지용 격벽
310: 케이블 설치 관통홀
320: 케이블 설치홈
400: 팩 하우징
1000: 배터리 팩
110: 케이블 심선
120: 내화실리콘 피복층
130: 금속케이스
131: 개구부
132: 후크 결합부
133: 산화피막
200: 배터리 모듈
210,220: 단자부
300: 화염방지용 격벽
310: 케이블 설치 관통홀
320: 케이블 설치홈
400: 팩 하우징
1000: 배터리 팩
Claims (13)
- 케이블 심선;
상기 케이블 심선의 양단부를 제외한 부분을 감싸며 고온에서 세라믹화하여 상기 케이블 심선을 지지하는 내화실리콘 피복층; 및
상기 케이블 심선 및 내화실리콘 피복층이 수용되고, 양측부에 상기 케이블 심선의 양단부가 외부로 도출되는 개구부를 가지는 금속케이스를 포함하는 내화케이블.
- 제1항에 있어서,
상기 내화실리콘은 500~1700℃의 온도에서 세라믹화하는 내화케이블.
- 제1항에 있어서,
상기 내화실리콘은 하기 화학식 1로 나타내는 실리콘 화합물을 포함하는 실리콘 수지와; 산화규소를 함유하는 금속 산화물의 소결에 의해 세라믹화되는 것을 특징으로 하는 내화 케이블:
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, m 및 n은 각각 10 내지 30의 정수이다.
- 제3항에 있어서,
상기 실리콘 수지와 금속 산화물은 1: 0.5~1.5의 중량 비율로 포함되는 내화 케이블.
- 제3항에 있어서,
산화규소를 함유하는 금속 산화물은 순수 이산화규소, 실리카, 석영, 규석, 트리디마이트(tridymite) 및 키타이트(keatite) 중 1종 이상을 포함하는 내화케이블.
- 제1항에 있어서,
상기 금속케이스는 상부 케이스와 하부 케이스를 구비하고, 상기 상하부 케이스는 후크 결합에 의하여 결합되는 내화케이블.
- 제1항에 있어서,
상기 금속케이스는 내측면 및 외측면 중 적어도 하나의 측면이 양극산화처리(anodizing)된 내화케이블.
- 제1항에 있어서,
상기 금속케이스는, 알루미늄, 스틸, 스텐레스 중 하나로 이루어지는 내화케이블.
- 제1항에 있어서,
상기 케이블 심선은 굴곡부를 가지고,
상기 금속케이스는 상기 굴곡부의 형상에 대응하는 굴곡 형상부를 가지는 내화케이블.
- 제1항에 있어서,
상기 내화케이블은 복수개의 배터리 모듈의 고전압 단자부들을 전기적으로 연결하는 고전압 케이블인, 내화케이블.
- 복수개의 배터리 모듈;
상기 배터리 모듈 사이에 설치되는 화염방지용 격벽;
상기 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 내화케이블; 및
상기 배터리 모듈과 화염방지용 격벽을 수용하는 팩 하우징을 포함하는 배터리 팩.
- 제11항에 있어서,
상기 화염방지용 격벽은, 케이블 설치 관통홀 또는 케이블 설치홈을 구비하고,
상기 내화케이블의 금속케이스는 상기 케이블 설치 관통홀 또는 케이블 설치홈에 안착되고,
상기 금속케이스의 개구부로부터 도출된 상기 케이블 심선의 양단은 상기 화염방지용 격벽의 양측에 위치한 배터리 모듈의 단자부에 전기적으로 결합되는 배터리 팩.
- 제12항에 있어서,
상기 금속케이스는, 상기 케이블 설치 관통홀 또는 케이블 설치홈의 형상에 대응되게 형성되는 배터리 팩.
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