WO2020116799A1 - 안전성이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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battery module
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bus bar
battery cell
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이한영
이경민
정범영
하정호
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more particularly, to a battery module capable of blocking current flow when the temperature rises.
  • the present invention also relates to a battery pack including such a battery module and an automobile including such a battery pack.
  • lithium secondary batteries are in the spotlight due to their advantages such as free charging and discharging, a very low self-discharge rate, and high energy density, as they have little memory effect compared to nickel-based secondary batteries.
  • the lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a unit cell having a structure in which a positive electrode active material is coated on a positive electrode current collector and a negative electrode plate on which a negative electrode active material is coated on a negative electrode collector is disposed with a separator interposed therebetween, and this electrode It is provided with an exterior material for sealingly storing the assembly together with the electrolyte, that is, a battery case.
  • Lithium secondary batteries are classified into can-type secondary batteries in which the electrode assembly is embedded in a metal can, and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, according to the shape of the battery case.
  • Secondary batteries are widely used not only in small-sized devices such as portable electronic devices, but also in middle- and large-sized devices such as automobiles and power storage devices (ESS).
  • ESS power storage devices
  • a large number of secondary cells are electrically connected to form a battery module or a battery pack to increase capacity and output.
  • a pouch type secondary battery is frequently used in such a medium-to-large device due to advantages such as easy lamination and light weight.
  • the pouch type secondary battery has a structure in which an electrode assembly to which an electrode lead is connected is received and sealed together with an electrolyte in a pouch case. A part of the electrode lead is exposed outside the pouch case, and the exposed electrode lead is electrically connected to a device on which the secondary battery is mounted, or used to electrically connect the secondary batteries to each other.
  • FIG. 1 shows a part of a battery module manufactured by connecting pouch-type battery cells. For example, it shows a state in which two pouch-type battery cells are connected in series.
  • the pouch-type battery cells 10 and 10 ′ include two electrode leads 40 and 40 ′ drawn out of the pouch case 30.
  • the electrode leads 40. 40' are divided into positive (+) leads and negative (-) leads according to electrical polarity, and are electrically connected to the electrode assembly 20 sealed in the pouch case 30. That is, the positive electrode lead is electrically connected to the positive electrode plate of the electrode assembly 20, and the negative electrode lead is electrically connected to the negative electrode plate of the electrode assembly 20.
  • FIG. 1 shows a method of connecting the electrode lead 40 of the battery cell 10 to the electrode lead 40' of another battery cell 10' adjacent to the battery cell 10 by welding.
  • lithium secondary batteries have a risk of explosion when overheated.
  • electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs).
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • PHEVs plug-in hybrid electric vehicles
  • a battery module or a battery pack that is used by connecting battery cells it is one of the main tasks to secure safety because a very large accident may occur in an explosion.
  • a typical cause of the rapid increase in the temperature of the lithium secondary battery is when a short circuit current flows.
  • the short circuit current is mainly generated when a short circuit occurs in an electronic device connected to the secondary battery, and when a short circuit occurs in the lithium secondary battery, a rapid electrochemical reaction occurs at the positive electrode and the negative electrode and heat is generated.
  • the heat generated in this way causes the temperature of the battery cell to rise rapidly, causing ignition.
  • heat generated from one battery cell is propagated to the surrounding battery cells, which affects other battery cells, which increases with a greater risk.
  • Securing safety is very important in that the explosion of the battery module or battery pack not only causes damage to the electronic device or the car in which it is employed, but can also lead to a user's safety threat and fire.
  • the secondary battery overheats, the risk of explosion and/or ignition increases, and rapid combustion or explosion due to overheating may cause personal injury and property damage. Therefore, there is a demand for introducing means for sufficiently securing the safety in the use of the secondary battery.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery module having improved safety by blocking current when the temperature rises, a battery pack including such a battery module, and a vehicle including such a battery pack.
  • the battery module according to the present invention is a battery module including two or more battery cells, wherein the battery cells are structured such that an electrode assembly having one end of an opposite electrode lead connected to both ends is sealed with an electrolyte in the pouch case.
  • the other end of the electrode lead is a pouch-type secondary battery that is exposed to the outside of the pouch case, the electrode lead and the bus to electrically connect between the first battery cell and the second battery cell of the battery cells
  • the bus bar is made of a metal layer and a material layer that is normally conductive but can act as a resistance when the temperature rises, and the material layer is decomposed at a certain temperature or higher to increase the resistance by generating gas It is characterized by containing a gas generating material.
  • the material layer may include the gas generating material, a conductive material, and an adhesive.
  • the gas-generating material is preferably melamine cyanurate.
  • the conductive materials are connected and fixed to each other by the adhesive, and when the gas is generated, the conductive materials are disconnected, so that resistance can be increased.
  • a portion connected to the electrode lead is separated from the body of the bus bar and embedded in the body and the surface is a block exposed to the outside, and the material layer is interposed between the body and the block.
  • the bus bar includes a first block connected to an electrode lead of the first battery cell, and a second block connected to an electrode lead of the second battery cell, and current from the first battery cell to the second battery cell
  • the flow path includes an electrode lead of the first battery cell, the first block, a material layer interposed between the body and the first block, a material layer interposed between the body, the body and the second block, and the second block And an electrode lead of the second battery cell.
  • the first battery cell and the second battery cell may be connected in series through the bus bar.
  • the first battery cell and the second battery cell are stacked such that each electrode lead has opposite polarities, and the other end of the electrode lead of the first battery cell and the other end of the electrode lead of the second battery cell are stacked in the stacking direction. It is bent toward each other along the bent portion of each electrode lead, the bus bar is placed parallel to the stacking direction may be connected between each electrode lead.
  • the bus bar may have a plate shape that is thinner than the length and width, and a groove through which the electrode lead penetrates may be formed.
  • the present invention the battery pack, at least one battery module according to the present invention; And it provides a battery pack comprising a pack case for packaging the at least one battery module.
  • the present invention provides an automobile, comprising at least one battery pack according to the invention.
  • the battery module is configured by changing the bus bar while leaving the battery cell intact.
  • the bus bar may block current flow through the bus bar by increasing resistance when the temperature rises. Therefore, when the battery module according to the present invention is overheated, current flow may be blocked, thereby ensuring safety in an abnormal situation.
  • a material layer containing a gas generating material is included in the bus bar so that the current flow is blocked when the temperature at which the gas generating material is decomposed is reached. Therefore, even when the secondary battery protection circuit does not operate, it is possible to block the flow of current so that no more current flows, for example, to prevent charging, thereby increasing the safety of the battery module.
  • the battery module of the present invention implements a means to automatically block the flow of current when the temperature rises by improving the bus bar, it also has the effect of securing the safety of the battery module in addition to the overcharge prevention function of the secondary battery protection circuit. have.
  • the present invention it is possible to provide a battery module using a bus bar capable of securing safety when connecting the battery cells to form an electrical connection path.
  • an event such as a situation where an abnormal temperature is reached, the resistance increases as the gas generating material contained in the material layer in the bus bar decomposes.
  • the safety of the battery module can be secured.
  • the present invention safety is secured by improving the bus bar of the battery module.
  • the bus bar proposed in the present invention is used instead of the existing bus bar, and the existing battery module manufacturing process can be used as it is, which has the advantage of ensuring the safety of the battery module without relatively changing the process. Since the battery cell itself uses the existing manufacturing process as it is, there is no need to change the process or adjust the mass production process.
  • the current flow is secured under normal circumstances and the battery module performance similar to that of the prior art is exhibited, but the current flow is blocked when the temperature rises to a predetermined temperature or higher due to a non-ideal situation to improve battery module safety. . Therefore, it is possible to improve the safety of the battery module, the battery pack including the same, and the vehicle including the battery pack.
  • FIG. 1 schematically illustrates a conventional battery module.
  • FIG. 2 schematically shows a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a coupling state between a bus bar and an electrode lead in FIG. 2.
  • FIG 4 is a top view of a bus bar included in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a top view of a first bus bar portion included in the battery module of FIG. 5, and FIG. 7 is a cross-sectional view.
  • FIG. 8 is a top view of a second bus bar portion included in the battery module of FIG. 5 and FIG. 9 is a cross-sectional view.
  • FIG. 10 is a view for explaining a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view for explaining a vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • the secondary battery refers to a lithium secondary battery.
  • the lithium secondary battery collectively refers to a secondary battery in which lithium ions act as working ions during charging and discharging to induce an electrochemical reaction in the positive and negative plates.
  • lithium ions are operating ions. All secondary batteries used as should be interpreted as being included in the category of the lithium secondary battery.
  • the present invention can also be applied to secondary batteries other than lithium secondary batteries. Therefore, even if the operating ions are not lithium ions, any secondary battery to which the technical idea of the present invention can be applied should be interpreted to be included in the scope of the present invention regardless of the type.
  • Figure 2 schematically shows a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view showing a coupling state between the bus bar and the electrode lead in Figure 2
  • Figure 4 is a battery according to an embodiment of the present invention It is a top view of the bus bar included in the module.
  • the battery module 100 includes battery cells 110 and 110 ′ and a bus bar 180.
  • a larger number of battery cells may be included in the battery module 100, but some of them will be illustrated for convenience of illustration. For example, it shows a state in which two pouch-type battery cells 110 and 110' are connected in series. However, this is only an example, and the present invention is not limited to this connection method.
  • the battery cells 110 and 110 ′ are secondary cells and include two electrode leads 140 and 140 ′ drawn out of the pouch case 130.
  • the electrode leads 140 and 140' are divided into positive (+) leads and negative (-) leads according to electrical polarity, and are electrically connected to the electrode assembly 120 sealed in the pouch case 130. That is, the positive electrode lead is electrically connected to the positive electrode plate of the electrode assembly 120, and the negative electrode lead is electrically connected to the negative electrode plate of the electrode assembly 120.
  • the battery cells 110 and 110' have an electrode assembly 120 in which one end of the electrode leads 140 and 140' having opposite polarities are connected to both ends, respectively, and the pouch case 130 is sealed with an electrolyte. It is a pouch type secondary battery in which the other ends of the electrode leads 140 and 140' are exposed to the outside of the pouch case 130.
  • the battery module 100 uses a bus bar 180 to electrically connect the first battery cell 110 and the second battery cell 110 ′.
  • the electrode lead 140 of the battery cell 110 and the electrode lead 140' of another battery cell 110' adjacent thereto are bent and then connected to the bus bar 180.
  • the first battery cell 110 and the second battery cell 110 ′ are stacked such that the electrode leads 140 and 140 ′ have opposite polarities, and the electrode leads 140 of the first battery cell 110 are stacked.
  • the other end and the other end of the electrode lead 140' of the second battery cell 110' are bent toward each other along the stacking direction.
  • connection method may be made by a method conventionally made in the art, and may be combined and connected by, for example, ultrasonic welding, but is not limited thereto.
  • one battery cell 110 is located on the left side 181 of the bus bar 180, and the other battery cell 110' is located on the right side 182. It is located.
  • Each of the electrode leads 140 and 140' is connected to the block 184, and the electrode leads 140 and 140' are electrically connected through the bus bar 180.
  • the first battery cell 110 and the second battery cell 110 ′ are connected in series through the bus bar 180.
  • the bus bar 180 is connected to the electrode lead 140' of the first block 184a, which is connected to the electrode lead 140 of the first battery cell 110, and the second battery cell 110'. And a second block 184b.
  • the current flow path from the first battery cell 110 to the second battery cell 110 ′ is the electrode lead 140, the first block 184a, the body 183, and the first block of the first battery cell 110.
  • the bus bar 180 is substantially plate-shaped with a thin thickness compared to the length and width, and a part different from the conventional bus bar is a part connected to the electrode leads 140 and 140 ′. Is in This portion is a block 184.
  • the block 184 is a part separated from the body 183 of the bus bar 180, and is embedded in the body 183 and the surface is exposed to the outside.
  • a material layer 185 is interposed between the body 183 and the block 184.
  • the bus bar 180 may have various shapes and sizes to implement various electrical connection relationships. Also, rather than being used alone, the bus bar 180 is used as a component called an ICB assembly in which electrical conduction, for example, a metal bus bar is combined on a frame made of plastic in consideration of a wiring relationship, and is applied to a battery module manufacturing process.
  • the shape of the frame and the shape of the bus bar combined with the frame vary depending on the connection relationship of the battery modules. Accordingly, those skilled in the art will appreciate that various modifications of the present invention are possible.
  • the body 183 and the block 184 are metal layers.
  • the body 183 and the block 184 may be made of the same material.
  • the material layer 185 is a material that is normally conductive, but can act as a resistance when the temperature rises. As such, the material layer 185 is sandwiched between the metal layer body 183 and the block 184.
  • the material layer 185 includes a gas generating material that decomposes at a predetermined temperature or higher to generate gas, thereby increasing resistance.
  • the material layer 185 includes such a gas generating material and a conductive material and an adhesive.
  • the conductive materials are connected and fixed to each other by an adhesive, and when the gas is generated in the gas generating material, the connection of the conductive material is released, so that resistance can be increased.
  • the gas generating material is Melamine Cyanurate.
  • Melamine cyanurate is a material used as a nitrogen-phosphorus flame retardant component in which nitrogen and phosphorus are combined, and can be obtained as a raw material having an average particle size of several tens of um through various manufacturers.
  • Melamine cyanurate commonly used for flame retardant applications, undergoes endothermic decomposition with temperatures in excess of about 300°C. Melamine cyanurate breaks down into melamine and cyanuric acid. The vaporized melamine releases inert nitrogen gas. Degradation temperature can be controlled by adjusting the molecular weight of melamine cyanurate.
  • the structural formula of melamine cyanurate is as follows.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity, for example, graphite such as natural graphite or artificial graphite; Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powders; Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • graphite such as natural graphite or artificial graphite
  • Carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black
  • Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers
  • Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powders
  • Conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate
  • Conductive metal oxides such as titanium oxide
  • Conductive materials such as polypheny
  • the adhesive is a component that assists the bonding of the gas generating material and the conductive material, and the bonding to the body 183 and the block 184.
  • adhesives include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluorine rubber, and various copolymers.
  • Melamine cyanurate is decomposed in the material layer 185 inserted between the body 183 and the block 184 when the temperature rises to a predetermined temperature or higher due to a non-ideal condition, for example, when the temperature rises to 300°C or higher, and N 2 gas Occurs. Accordingly, the resistance of the material layer 185 increases to operate as a resistance layer. In addition, it can also serve to disconnect electrical connections through volume expansion.
  • the overall size of the bus bar 180 may be the same as the existing bus bar.
  • the material of the body 183 and the block 184 may be the same as the existing bus bar material.
  • the normal electrical conductivity of the material layer 185 may be made similar to the electrical conductivity of the existing bus bar by making the conductive material in the material layer 185 the same as or higher than the existing bus bar.
  • the conductivity of the material layer 185 in the bus bar 180 is maintained, so that battery module performance similar to that of the existing bus bar can be exhibited.
  • the resistance of the material layer 185 increases, and thus it is possible to block current flow. Accordingly, when the temperature rises, since the material layer 185 acts as a resistor to block current, it is possible to improve safety of a battery module including a battery cell manufactured by including the same.
  • the current does not flow from the material layer 185 to the body 183 at a constant temperature at which the gas generating material of the material layer 185 is decomposed.
  • no current flows from the material layer 185 to the first block 184a or the second block 184b. Therefore, the current flow path from the first battery cell 110 to the second battery cell 110' at a constant temperature at which the gas generating material of the material layer 185 is decomposed, and the first from the second battery cell 110' The current flow path to the battery cell 110 is blocked.
  • the bus bar 180 that increases the resistance when the temperature rises between the battery cells (110, 110'), the battery module 100 is overheated when using the material layer in the bus bar 180 (185) )
  • the current flow through the bus bar 180 is blocked. Accordingly, even when the secondary battery protection circuit does not operate, it is possible to block the flow of current so that no more current flows, for example, to prevent charging, thereby improving the safety of the battery module 100.
  • the battery module 100 of the present invention implements a means for automatically blocking the flow of current when the temperature rises by improving the bus bar 180, so that the battery module 100 is doubled with the function of preventing overcharge of the secondary battery protection circuit ) Also has the effect of ensuring safety.
  • a structure in which the block 184 is embedded in the body 183 is embedded.
  • the buried block 184 is more difficult to deviate from the body 183 than the simple layered structure, and is structurally robust since there is no slipping or separation problem such as slip.
  • the battery module 100 may be manufactured by using the bus bar 180 according to the present invention instead of the existing bus bar, and since it uses the existing battery cell manufacturing process as it is, there is no need to adjust the process or adjust the mass production process. to be.
  • the conductivity of the material layer 185 in the bus bar 180 is maintained to express battery module performance similar to that of the existing battery module, but when the temperature rises to a predetermined temperature or higher due to a non-ideal situation, By blocking the current flow, it is possible to improve the safety of the battery module 100. Therefore, it is possible to improve the safety of the battery module 100, a battery pack including the same, and a vehicle including the battery pack.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a top view of a portion of the first bus bar included in the battery module of FIG. 5, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII' in FIG. 6.
  • 8 is a top view of a second bus bar portion included in the battery module of FIG. 5 and
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line IX-IX' of FIG. 8.
  • the battery module 1000 of FIG. 5 shows an example of 4P3S connection. That is, three battery banks 211 connected in parallel (P) to four battery cells 210 are connected in series (S). Each of the battery cells 210 is a pouch-type battery cell as shown in FIG. 2 and the like, and the battery cells 210 may have the same structure as the battery cells 110.
  • the electrode leads 240 protrude from both ends of the battery cell 210. In the cell banks 211 connected in parallel, these electrode leads 240 are stacked so that the same polarity is next to each other. Also, the cell banks 211 are stacked so as to have opposite polarities. There may be various ways in which the electrode leads 240 are connected. In FIGS. 5 to 9, the other ends of the electrode leads 240 are bent to the left or right in a bent form to provide a flat contact surface, and then each other. It shows the structure which overlaps and connects by welding.
  • the first bus bar 280 is for connecting between the electrode leads 240 of the same polarity in one cell bank 211, and the second bus bar 290 has two To connect the electrode leads 240 of different polarities between the cell banks 211 as well.
  • first bus bar 280 and the second bus bar 290 are similar to the bus bar 180 described in the previous embodiment. That is, the first bus bar 280 includes a body 283, a block 284, and a material layer 285, and the second bus bar 290 also includes a body 293, a block 294, and a material layer (295).
  • the material layers 285 and 295 are the same as the material layer 185 described above, and are normally conductive, but can act as a resistance when the temperature rises, thereby blocking electrical connection between the battery cells 210.
  • the items described in the previous embodiment may be used as it is.
  • a typical cause of deteriorating safety due to a rapid rise in the temperature of a lithium secondary battery is that a short circuit current is generated, and it is very important to ensure safety during a short circuit in the safety of a battery module or battery pack in which several battery cells are connected.
  • the lower the short-circuit resistance the higher the short-circuit current flows, resulting in large heat, and ignition occurs when the battery cell cannot withstand it.
  • the short-circuit resistance is very low, some safe results are obtained. This is when the heat generated during high current flow exceeds 660°C and the electrode lead is melted, thereby interrupting the current flow and securing safety.
  • the electrode lead When the generated temperature is lower than this, the electrode lead does not melt, and current flows continuously, causing high heat to accumulate and igniting due to the battery cell not being able to withstand. On the other hand, even under normal circumstances, high current may flow. In an electric vehicle, a large current flows through the battery module in a situation such as rapid charging, rapid acceleration, or starting, and thus, a high temperature is generated in the electrode lead. In order to prevent this, it is necessary to block the flow of current at a temperature of about 250°C or higher.
  • the battery module 1000 when the battery module 1000 reaches about 300° C., gas is generated in the material layers 285 and 295 to increase the resistance of the material layers 285 and 295. Accordingly, it does not operate in the normal high current range, and operates only when an actual short circuit occurs and is overheated to a higher temperature, thereby securing safety against fire or explosion. In addition, it has the advantage of not reducing the energy density because it does not take up space in the module, such as other safety improvement devices such as PTC devices or fuses.
  • the battery module according to the present invention Since the battery module according to the present invention has excellent safety, it is also suitable for use as a power source for medium to large-sized devices that require high temperature stability, long cycle characteristics, and high rate characteristics.
  • a preferred example of the medium-to-large-sized device includes a power tool that is powered by an electric motor and moves; Electric vehicles including EV, HEV, PHEV, etc.; Electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf carts; And ESS, but are not limited thereto.
  • 10 is a view for explaining a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 11 is a view for explaining a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1200 may include at least one battery module according to the previous embodiment, for example, the battery module 100 of the first embodiment and a pack case 1210 for packaging it. .
  • various devices for controlling charging and discharging of the battery module 100 in addition to the battery module 100 and the pack case 1210 such as BMS (Battery Management System), current Sensors, fuses, and the like may be further included.
  • the battery pack 1200 is a fuel source of the vehicle 1300 and may be provided in the vehicle 1300.
  • the battery pack 1200 may be provided in the vehicle 1300 in an electric vehicle, a hybrid vehicle, and other methods that can use the battery pack 1200 as a fuel source.
  • the vehicle 1300 may be an electric vehicle.
  • the battery pack 1200 may be used as an electric energy source for driving the vehicle 1300 by providing driving force to the motor 1310 of the electric vehicle.
  • the battery pack 1200 has a high nominal voltage of 100 V or more. For hybrid vehicles, it is set to 270V.
  • the battery pack 1200 may be charged or discharged by the inverter 1320 according to the driving of the motor 1310 and/or an internal combustion engine.
  • the battery pack 1200 may be charged by a regenerative charging device combined with a break.
  • the battery pack 1200 may be electrically connected to the motor 1310 of the vehicle 1300 through the inverter 1320.
  • the battery pack 1200 also includes a BMS.
  • the BMS estimates the state of the battery cells in the battery pack 1200 and manages the battery pack 1200 using the estimated state information.
  • battery pack 1200 state information such as state of charge (SOC), state of health (SOH), maximum input/output power allowance, and output voltage of the battery pack 1200 is estimated and managed.
  • the charging or discharging of the battery pack 1200 is controlled by using the state information, and it is also possible to estimate the replacement time of the battery pack 1200.
  • the ECU 1330 is an electronic control device that controls the state of the vehicle 1300. For example, torque information is determined based on information such as an accelerator, a brake, and speed, and the output of the motor 1310 is controlled to match the torque information. Further, the ECU 1330 sends a control signal to the inverter 1320 so that the battery pack 1200 can be charged or discharged based on state information such as SOC and SOH of the battery pack 1200 received by the BMS. The inverter 1320 allows the battery pack 1200 to be charged or discharged based on the control signal of the ECU 1330. The motor 1310 uses the electric energy of the battery pack 1200 to drive the vehicle 1300 based on control information (eg, torque information) transmitted from the ECU 1330.
  • control information eg, torque information
  • the vehicle 1300 includes a battery pack 1200 according to the present invention, and the battery pack 1200 includes a battery module 100 with improved safety as described above. Therefore, the stability of the battery pack 1200 is improved, and since the battery pack 1200 has excellent stability and can be used for a long time, the vehicle 1300 including the same is safe and easy to operate.
  • the battery pack 1200 may be provided in other devices, apparatus and equipment, such as an ESS BMS using a secondary battery in addition to the vehicle 1300, of course.
  • a device, apparatus, and equipment provided with the battery pack 1200 such as the battery pack 1200 and the vehicle 1300 according to the present embodiment includes the above-described battery module 100, and the above-described battery module It is possible to implement devices, apparatus and equipment such as a battery pack 1200 having all of the advantages due to 100 and a vehicle 1300 having such a battery pack 1200.

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Abstract

온도 상승시 전류를 차단할 수 있어 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 배터리 셀은 반대되는 극성의 전극 리드의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 상기 전극 리드의 타단부가 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지이며, 상기 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하는 데에 상기 전극 리드와 버스바를 연결하며, 상기 버스바는 금속층 및 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있는 물질층을 포함하여 이루어지고, 상기 물질층은 일정 온도 이상에서 분해되어 가스를 발생시킴으로써 저항을 증가시키는 가스발생재료를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

안전성이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도 상승시 전류 흐름을 차단할 수 있도록 한 배터리 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이기도 하다. 본 출원은 2018년 12월 7일자로 출원된 대한민국 특허출원 번호 제10-2018-0157556호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 인해 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질이 양극 집전체에 코팅된 양극판과, 음극 활물질이 음극 집전체에 코팅된 음극판이, 분리막을 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀을 집합시킨 전극 조립체와, 이 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다. 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류된다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치(ESS)와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 접속되어 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성한다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다. 파우치형 이차 전지는 전극 리드가 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납되어 밀봉된 구조를 가진다. 전극 리드의 일부는 파우치 케이스 외부로 노출되며, 노출된 전극 리드는 이차 전지가 장착되는 장치에 전기적으로 접속되거나, 이차 전지 상호간을 전기적으로 접속하는 데 사용된다.
도 1은 파우치형 배터리 셀들을 연결해 제조한 배터리 모듈의 일부를 도시한다. 예컨대 2개의 파우치형 배터리 셀을 직렬로 연결한 상태를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 배터리 셀(10, 10')은 파우치 케이스(30) 외부로 인출된 두 개의 전극 리드(40, 40')를 구비한다. 전극 리드(40. 40')는 전기적 극성에 따라 양극(+) 리드와 음극(-) 리드로 구분되며 파우치 케이스(30) 내에 밀봉되어 있는 전극 조립체(20)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 양극 리드는 전극 조립체(20)의 양극판에, 음극 리드는 전극 조립체(20)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다.
배터리 모듈(1) 안에서 배터리 셀들(10, 10')이 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 1은 전극 리드(40, 40')를 절곡시킨 후 버스바(50) 위에 놓고 레이저 용접으로 용접 처리해 배터리 셀(10)의 전극 리드(40)와, 이 배터리 셀(10)에 인접한 다른 배터리 셀(10')의 전극 리드(40')간을 연결하는 방식을 도시하고 있다.
한편, 리튬 이차 전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있다. 특히 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차에 적용이 되면서 다수의 고용량 이차 전지 배터리 셀을 연결하여 사용하는 배터리 모듈이나 배터리 팩에서는, 폭발시 매우 큰 사고가 발생할 수 있어 안전성을 확보하는 것이 주요 과제 중 하나이다.
리튬 이차 전지의 온도가 급격하게 상승하게 되는 대표적인 원인은 단락 전류가 흐르는 경우이다. 단락 전류는 이차 전지와 연결된 전자 기기 등에서 단락이 일어난 경우 주로 발생하게 되며, 리튬 이차 전지에 단락 현상이 일어나면 양극 및 음극에서 급격한 전기화학반응이 일어나 열이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 열에 의해 배터리 셀의 온도가 빠른 속도로 상승하게 되어 결국 발화를 일으킨다. 특히 다수의 배터리 셀을 포함하고 있는 배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 경우에는 어느 하나의 배터리 셀에서 발생된 열이 주위의 배터리 셀로 전파되어 다른 배터리 셀에 영향을 미치게 되며 이는 더욱 큰 위험으로 커지게 된다.
기존에 이차 전지 내부의 온도가 상승하면 전류를 차단하여 폭발을 방지할 수 있는 수단으로서 PTC 소자, 퓨즈 등이 제안된 바 있다. 그런데, 이들은 배터리 모듈이나 배터리 팩 내에서 별도의 장착 공간이 필요하다는 문제가 있다.
배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 폭발은 그것이 채용된 전자기기 혹은 자동차 등의 파손을 가져올 뿐만 아니라 사용자의 안전 위협 및 화재로 연결될 수 있다는 점에서 안전성 확보는 매우 중요하다. 이차 전지가 과열되면 폭발 및/또는 발화의 위험이 커지게 되고, 과열로 인한 급격한 연소나 폭발은 인명 및 재산상의 피해를 줄 수 있다. 그러므로, 이차 전지 사용상의 안전성을 충분히 확보하기 위한 수단 도입에 대한 요구가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 온도 상승시 전류를 차단할 수 있어 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 배터리 셀은 반대되는 극성의 전극 리드의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 상기 전극 리드의 타단부가 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지이며, 상기 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하는 데에 상기 전극 리드와 버스바를 연결하며, 상기 버스바는 금속층 및 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있는 물질층을 포함하여 이루어지고, 상기 물질층은 일정 온도 이상에서 분해되어 가스를 발생시킴으로써 저항을 증가시키는 가스발생재료를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 물질층은 상기 가스발생재료와 전도성 물질 및 접착제를 포함하고 있을 수 있다.
상기 가스발생재료는 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate)인 것이 바람직하다.
상기 접착제에 의해 상기 전도성 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 상기 가스 발생시 상기 전도성 물질의 연결이 해제되어 저항이 증가될 수 있다.
상기 버스바는 상기 전극 리드와 연결되는 부분이 상기 버스바의 몸체와는 분리되어 상기 몸체 안에 매립되고 표면은 외부로 노출되는 블록으로 되어 있고, 상기 몸체와 블록 사이에 상기 물질층이 개재되어 있는 것일 수 있다.
상기 버스바는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드와 연결되는 제1 블록, 상기 제2 배터리 셀의 전극리드와 연결되는 제2 블록을 포함하고, 상기 제1 배터리 셀로부터 상기 제2 배터리 셀로의 전류 흐름 경로는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드, 상기 제1 블록, 상기 몸체와 제1 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 몸체, 상기 몸체와 제2 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 제2 블록 및 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드를 거치는 순서로 마련되는 것일 수 있다.
상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀은 상기 버스바를 통해 직렬 연결되어 있을 수 있다. 상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀은 각 전극 리드가 서로 반대 극성으로 되도록 적층되어 있고, 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드의 타단부와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있으며 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 상기 버스바가 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드간이 연결되어 있을 수 있다.
상기 버스바는 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고 상기 전극 리드가 관통하는 홈이 형성되어 있을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀은 그대로 두고 버스바를 변경해 배터리 모듈을 구성한다. 버스바는 온도 상승시 저항이 증가함으로써 버스바를 통한 전류 흐름을 차단할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈 사용시 과열되는 경우 전류 흐름이 차단될 수 있어 비이상적인 상황에서의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
버스바의 저항 증가 구성으로서는, 버스바 안에 가스발생재료를 포함하는 물질층을 포함시켜, 이 가스발생재료가 분해되는 온도에 도달시 전류 흐름이 차단되도록 한다. 따라서, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 전류가 흐르지 않도록 하는 것, 예컨대 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈은 버스바를 개선함으로써 온도 상승시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀들 사이를 연결해 전기 접속 경로를 구성할 때에 안전성 확보가 가능한 버스바를 이용한 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 비이상적인 온도에 도달하는 상황과 같은 이벤트 발생시, 버스바 안의 물질층에 포함된 가스발생재료가 분해되면서 저항이 증가하게 된다. 그 결과, 배터리 셀들은 전기 접속이 해제되어 전류 흐름이 차단되므로 배터리 모듈의 안전성이 확보될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 버스바 개선을 통해 안전성이 확보된다. 기존의 버스바 대신에 본 발명에서 제안하는 버스바를 이용하는 점만 달라지고 기존의 배터리 모듈 제조 공정은 그대로 이용할 수 있어, 비교적 공정에 대한 변경없이 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 배터리 셀 자체는 기존 제조 공정을 그대로 이용하기 때문에 공정 변경이나 양산 프로세스에 대한 조정이 필요치 않다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 정상적인 상황에서는 전류 흐름이 확보되고 기존과 유사한 배터리 모듈 성능을 발현하면서도, 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시 전류 흐름을 차단하여 배터리 모듈 안전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 버스바의 상면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제1 버스바 부분의 상면도이고, 도 7은 단면도이다.
도 8은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제2 버스바 부분의 상면도이고 도 9는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 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 아니되며, 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. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 가리킨다.
이하에서 설명되는 실시예에 있어서, 이차 전지는 리튬 이차 전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극판과 음극판에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다.
한편, 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는 데 사용된 전지 케이스의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 대해 첨부 도면 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 2에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 버스바의 상면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(110, 110')과 버스바(180)를 포함한다. 배터리 모듈(100) 내에는 더 많은 수의 배터리 셀이 포함될 수 있지만 도시의 편의를 위하여 그 중 일부를 도시하기로 한다. 예컨대 2개의 파우치형 배터리 셀(110, 110')을 직렬로 연결한 상태를 도시한다. 그러나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명이 이러한 연결 방식으로 한정되는 것은 아니다.
배터리 셀(110, 110')은 이차 전지로서, 파우치 케이스(130) 외부로 인출된 2개의 전극 리드(140, 140')를 구비한다. 전극 리드(140, 140')는 전기적 극성에 따라 양극(+) 리드와 음극(-) 리드로 구분되며 파우치 케이스(130) 내에 밀봉되어 있는 전극 조립체(120)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 양극 리드는 전극 조립체(120)의 양극판에, 음극 리드는 전극 조립체(120)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다. 이처럼 배터리 셀(110, 110')은 반대되는 극성의 전극 리드(140, 140')의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체(120)가 파우치 케이스(130)에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 전극 리드(140, 140')의 타단부가 파우치 케이스(130)의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지이다.
도 3은 도 2의 III-III' 단면에 해당한다. 도 3에도 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100)에서는 제1 배터리 셀(110)과 제2 배터리 셀(110')간을 전기적으로 접속하는 데에 버스바(180)를 이용한다. 구체적으로, 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)와, 여기에 인접한 다른 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')를 절곡시킨 후 버스바(180)에 연결한다. 제1 배터리 셀(110)과 제2 배터리 셀(110')은 각 전극 리드(140, 140')가 서로 반대 극성으로 되도록 적층되어 있고, 제1 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)의 타단부와 제2 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있다. 각 전극 리드(140, 140')의 절곡된 부위 사이에 버스바(180)가 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드(140, 140')간이 연결되어 있다. 연결 방법은 당업계에서 통상적으로 이루어지는 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 예컨대, 초음파 용접에 의해 결합 및 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서는, 도 2 및 도 3을 통해 보는 바와 같이, 버스바(180)의 좌측면(181)에 하나의 배터리 셀(110)이 위치하고, 우측면(182)에 다른 배터리 셀(110')이 위치한다. 블록(184)에는 각자의 전극 리드(140, 140')가 연결되어, 버스바(180)를 통해 전극 리드(140, 140')간은 전기적 연결되어 있다. 특히 제1 배터리 셀(110)과 제2 배터리 셀(110')은 버스바(180)를 통해 직렬 연결되어 있다.
더욱 구체적으로, 버스바(180)는 제1 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)와 연결되는 제1 블록(184a), 제2 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')와 연결되는 제2 블록(184b)을 포함한다. 제1 배터리 셀(110)로부터 제2 배터리 셀(110')로의 전류 흐름 경로는 제1 배터리 셀(110)의 전극 리드(140), 제1 블록(184a), 몸체(183)와 제1 블록(184a) 사이에 개재된 물질층(185), 몸체(183), 몸체(183)와 제2 블록(184b) 사이에 개재된 물질층(185), 제2 블록(184b) 및 제2 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')를 거치는 순서로 마련되어 있다.
도 3을 참조하면서 도 4를 더 참조하면, 버스바(180)는 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고, 종래의 버스바와 특히 다른 점은 전극 리드(140, 140')와 연결되는 부분에 있다. 이 부분은 블록(184)으로 되어 있다. 블록(184)은 버스바(180)의 몸체(183)와는 분리되어 있는 부분으로서, 몸체(183) 안에 매립되어 있고 표면은 외부로 노출되어 있다. 그리고, 몸체(183)와 블록(184) 사이에는 물질층(185)이 개재되어 있다.
버스바(180)는 다양한 전기적 연결 관계를 구현하기 위하여 모양, 크기가 얼마든지 달라질 수 있다. 그리고, 보통은 버스바(180) 단독으로 이용되기 보다는 배선 관계를 고려하여 플라스틱 재질로 된 프레임 위에 전기전도성, 예컨대 금속으로 된 버스바가 조합되어진 ICB 조립체라는 부품으로 배터리 모듈 제조 공정에 적용이 된다. 프레임의 형태와 프레임에 조합되는 버스바의 형태는 배터리 모듈의 연결 관계에 따라 다양하다. 따라서, 본 발명의 다양한 변형예가 가능하다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다.
버스바(180)에서 몸체(183)와 블록(184)은 금속층이다. 몸체(183)와 블록(184)은 서로 같은 재료일 수 있다. 그리고, 물질층(185)은 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있는 재료이다. 이처럼 물질층(185)은 금속층인 몸체(183)와 블록(184) 사이에 샌드위치된 형태이다.
물질층(185)은 일정 온도 이상에서 분해되어 가스를 발생시킴으로써 저항을 증가시키는 가스발생재료를 포함하고 있다. 바람직하기로, 물질층(185)은 이러한 가스발생재료와 전도성 물질 및 접착제를 포함하고 있다. 접착제에 의해 전도성 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 가스발생재료에서 가스 발생시 전도성 물질의 연결이 해제되어 저항이 증가될 수 있다.
가스발생재료는 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate)인 것이 바람직하다. 멜라민 시아누레이트는 질소와 인이 결합된 질소-인계 난연 성분으로 사용되는 물질로서, 다양한 제조사를 통해 평균 입경 크기가 수십 um 수준인 원료 상태로 입수할 수 있다.
보통 난연 용도로 사용되는 멜라민 시아누레이트는 온도가 약 300℃를 초과하는 흡열 분해를 겪는다. 멜라민 시아누레이트는 멜라민 및 시아누르산으로 분해된다. 기화된 멜라민은 비활성 질소 가스를 방출한다. 멜라민 시아누레이트의 분자량을 조절하면 분해 온도를 조절할 수 있다. 멜라민 시아누레이트의 구조식은 다음과 같다.
[구조식]
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전도성 물질은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
접착제는 가스발생재료와 전도성 물질 등의 결합과 몸체(183)와 블록(184)에 대한 결합에 조력하는 성분이다. 이러한 접착제의 예로는, 폴리불화 비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시, 예컨대 300℃ 이상으로 상승시, 몸체(183)와 블록(184) 사이에 삽입된 물질층(185)에서 멜라민 시아누레이트가 분해되고 N 2 가스가 발생한다. 이에 따라 물질층(185)은 저항이 증가해 저항층으로 작동하게 된다. 또한, 부피 팽창을 통해 전기적 연결을 끊어주는 역할도 할 수 있다.
버스바(180) 전체적인 크기는 기존 버스바와 동일하게 할 수 있다. 몸체(183)와 블록(184) 재료는 기존 버스바 재료와 동일하게 할 수 있다. 물질층(185)의 평상시 전기전도도는 물질층(185) 안의 전도성 물질을 기존 버스바와 동일하게 하거나 더 높게 함으로써 기존 버스바의 전기전도도와 유사하게 만들 수 있다.
따라서, 정상적인 상황에서는 버스바(180) 안의 물질층(185)의 도전성이 유지되어 기존 버스바와 유사한 배터리 모듈 성능을 발현할 수 있다. 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시에는 물질층(185)의 저항이 증가하기 때문에 전류 흐름을 차단할 수 있는 정도가 된다. 이에 따라, 온도가 상승하면 물질층(185)이 저항으로 작동해 전류를 차단하므로 이를 포함하여 제조된 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 안전성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 물질층(185)의 가스발생재료가 분해되는 일정 온도에서는 물질층(185)으로부터 몸체(183)로 전류가 흐르지 않게 된다. 또한, 물질층(185)으로부터 제1 블록(184a)이나 제2 블록(184b)으로 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 물질층(185)의 가스발생재료가 분해되는 일정 온도에서는 제1 배터리 셀(110)로부터 제2 배터리 셀(110')로의 전류 흐름 경로, 그리고 제2 배터리 셀(110')로부터 제1 배터리 셀(110)로의 전류 흐름 경로가 차단된다.
이와 같이, 본 발명에서는 배터리 셀들(110, 110') 사이에 온도 상승시 저항이 증가하는 버스바(180)를 구성함으로써, 배터리 모듈(100) 사용시 과열되어 버스바(180) 안의 물질층(185)의 가스발생재료가 분해되는 온도에 도달하면 버스바(180)를 통한 전류 흐름이 차단되도록 한다. 따라서, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 전류가 흐르지 않도록 하는 것, 예컨대 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈(100)의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈(100)은 버스바(180)를 개선함으로써 온도 상승시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈(100)의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
특히, 본 실시예에서는 버스바(180)를 단순 층상 적층 구조로 하는 대신에, 몸체(183) 안에 블록(184)이 매립되는 구조로 한다. 이렇게 매립된 블록(184)은 단순히 층상 적층 구조로 하는 경우보다 몸체(183)로부터 이탈하기 어려우며, 슬립(slip)과 같이 미끌리며 분리되는 문제가 없기 때문에 구조적으로 강건성이 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(100)의 버스바(180) 개선을 통해 안전성이 확보된다. 기존의 버스바 대신에 본 발명에 따른 버스바(180)를 이용해 배터리 모듈(100)을 제조하면 되며, 기존 배터리 셀 제조 공정을 그대로 이용하기 때문에 공정 변경이나 양산 프로세스에 대한 조정이 필요치 않다는 것도 장점이다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 정상적인 상황에서는 버스바(180) 안의 물질층(185)의 도전성이 유지되어 기존 배터리 모듈과 유사한 배터리 모듈 성능을 발현하면서도, 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시 전류 흐름을 차단하여 배터리 모듈(100) 안전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 배터리 모듈(100), 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제1 버스바 부분의 상면도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII' 단면도이다. 도 8은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제2 버스바 부분의 상면도이고 도 9는 도 8의 IX-IX' 단면도이다.
도 5의 배터리 모듈(1000)은 4P3S 연결 예를 도시한다. 즉, 4개의 배터리 셀(210)을 병렬(P) 연결한 셀 뱅크(211) 3개를 직렬(S) 연결한 것이다. 배터리 셀(210) 각각은 앞서 도 2 등에서 도시한 바와 같은 파우치형 배터리 셀이고, 배터리 셀(210)은 배터리 셀(110)과 서로 동일한 구조를 가질 수 있다.
배터리 셀(210)은 그 양단으로 전극 리드(240)가 돌출되어 있다. 병렬 연결되는 셀 뱅크(211) 내에서 이들 전극 리드(240)는 서로 같은 극성이 옆에 오도록 적층되어 있다. 그리고 셀 뱅크(211) 사이에서는 서로 반대 극성이 되도록 적층되어 있다. 전극 리드(240)가 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 5 내지 도 9에서는 전극 리드(240)의 타단부를 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡시켜 평평한 접촉면을 제공하도록 한 후 이를 서로 겹치게 하여 용접으로 연결하는 구성을 도시하고 있다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 제1 버스바(280)는 하나의 셀 뱅크(211) 내에서 같은 극성의 전극 리드(240)간을 연결하기 위한 것이고, 제2 버스바(290)는 두 셀 뱅크(211) 사이에서 다른 극성의 전극 리드(240)간도 연결하기 위한 것이다.
제1 버스바(280)와 제2 버스바(290)에는 전극 리드(240)가 관통하는 홈(286, 296)이 형성되어 있다. 그 밖에 제1 버스바(280)와 제2 버스바(290)는 앞의 실시예에서 설명한 버스바(180)와 유사하다. 즉, 제1 버스바(280)는 몸체(283)와 블록(284), 그리고 물질층(285)을 포함하고, 제2 버스바(290)도 몸체(293)와 블록(294), 물질층(295)을 포함한다.
물질층(285, 295)은 앞서 설명한 물질층(185)과 동일해, 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있어 배터리 셀(210)간 전기적 연결을 차단할 수 있는 것이다. 그 밖에 본 실시예에 대하여는 앞의 실시예에서 설명한 사항들을 그대로 원용할 수 있다.
리튬 이차 전지의 온도가 급격히 상승하여 안전성을 저하시키는 대표적인 원인은 단락 전류가 발생하는 것으로, 여러 배터리 셀을 연결한 배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 안전성에서 단락시의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 단락 저항이 낮을수록 높은 단락 전류가 흐르게 되어 큰 열이 발생하게 되고, 배터리 셀이 견딜 수 없게 되면 발화가 발생하게 된다. 단락 저항이 매우 낮을 때 일부 안전한 결과를 얻기도 하는데, 이는 고전류가 흐르면서 발생한 열이 660℃를 초과하면서 전극 리드가 녹게 되고 그로 인해 전류 흐름이 끊어져 안전성을 확보한 경우이다. 발생한 온도가 이보다 낮은 온도인 경우, 전극 리드가 녹지 않아 전류의 흐름은 지속되면서 고열이 쌓이게 되고 배터리 셀이 견디지 못해 발화가 발생하게 된다. 반면 정상적인 상황에서도 고전류가 흐르는 경우가 있다. 전기차에서 급속 충전이나 급가속, 시동 등의 상황시 배터리 모듈에 큰 전류가 흐르게 되고 이에 전극 리드에 고온이 발생하게 되는데 이러한 정상적인 상황에서는 작동을 하게 되면 안된다. 이를 방지하기 위해 약 250℃ 이상의 온도에서 전류의 흐름을 차단하는 것이 필요하다.
본 실시예에서, 배터리 모듈(1000)이 약 300℃에 도달하였을 때 물질층(285, 295)에서 가스가 발생하게 되어 물질층(285, 295) 저항이 증가하도록 한다. 이에 따라 정상적인 고전류 범위에서는 작동하지 않고 실제 단락이 발생하여 그 이상의 온도로 과열될 때에만 작동하여 그로 인한 화재, 폭발 등에 대한 안전성을 확보할 수 있다. 또한 다른 안전성 개선용 장치인 PTC 소자나 퓨즈처럼 모듈 내에 공간을 차지하지 않아 에너지 밀도를 감소시키지 않는다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 우수한 안전성을 가지므로 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 장치의 전원으로 사용되기에도 적합하다. 상기 중대형 장치의 바람직한 예로는 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); EV, HEV, PHEV 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 및 ESS 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 배터리 팩(1200)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈, 예컨대 첫번째 실시예의 배터리 모듈(100) 및 그것을 패키징하는 팩 케이스(1210)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(1200)은, 이러한 배터리 모듈(100)과 팩 케이스(1210) 이외에 배터리 모듈(100)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
이러한 배터리 팩(1200)은 자동차(1300)의 연료원으로써, 자동차(1300)에 구비될 수 있다. 예로써, 배터리 팩(1200)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1200)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차(1300)에 구비될 수 있다.
바람직하게, 자동차(1300)는 전기자동차일 수 있다. 배터리 팩(1200)은 전기자동차의 모터(1310)에 구동력을 제공하여 자동차(1300)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(1200)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다. 하이브리드 자동차용이면 270V에 맞춰져 있다.
배터리 팩(1200)은 모터(1310) 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터(1320)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(1200)은 브레이크(break)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(1200)은 인버터(1320)를 통해 자동차(1300)의 모터(1310)에 전기적으로 연결될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이 배터리 팩(1200)에는 BMS도 포함되어 있다. BMS는 배터리 팩(1200) 내의 배터리 셀들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(1200)을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(1200)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(1200) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(1200)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(1200)의 교체 시기 추정도 가능하다.
ECU(1330)는 자동차(1300)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 가속기(accelerator), 브레이크, 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정보를 결정하고, 모터(1310)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU(1330)는 BMS에 의해 전달받은 배터리 팩(1200)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리 팩(1200)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(1320)에 제어 신호를 보낸다. 인버터(1320)는 ECU(1330)의 제어 신호에 기초하여 배터리 팩(1200)이 충전 또는 방전되도록 한다. 모터(1310)는 배터리 팩(1200)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(1330)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 자동차(1300)를 구동한다.
이러한 자동차(1300)는 본 발명에 따른 배터리 팩(1200)을 포함하는데, 배터리 팩(1200)은 앞서 설명한 바와 같이 안전성이 향상된 배터리 모듈(100)을 포함한다. 따라서, 배터리 팩(1200)의 안정성이 향상되며, 이러한 배터리 팩(1200)은 안정성이 뛰어나고 장시간 사용할 수 있으므로, 이를 포함하는 자동차(1300)는 안전하고 운용이 쉽다.
또한, 배터리 팩(1200)은 자동차(1300) 이외에도 이차 전지를 이용하는 ESS BMS 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(1200)과 자동차(1300)와 같은, 배터리 팩(1200)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 배터리 모듈(100)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(100)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1200) 및 이러한 배터리 팩(1200)을 구비하는 자동차(1300) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상에서 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (11)

  1. 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 배터리 셀은 반대되는 극성의 전극 리드의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 상기 전극 리드의 타단부가 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지이며,
    상기 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하는 데에 상기 전극 리드와 버스바를 연결하며,
    상기 버스바는 금속층 및 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있는 물질층을 포함하여 이루어지고,
    상기 물질층은 일정 온도 이상에서 분해되어 가스를 발생시킴으로써 저항을 증가시키는 가스발생재료를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물질층은 상기 가스발생재료와 전도성 물질 및 접착제를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스발생재료는 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate)인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 접착제에 의해 상기 전도성 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 상기 가스 발생시 상기 전도성 물질의 연결이 해제되어 저항이 증가되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 버스바는 상기 전극 리드와 연결되는 부분이 상기 버스바의 몸체와는 분리되어 상기 몸체 안에 매립되고 표면은 외부로 노출되는 블록으로 되어 있고, 상기 몸체와 블록 사이에 상기 물질층이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 버스바는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드와 연결되는 제1 블록, 상기 제2 배터리 셀의 전극리드와 연결되는 제2 블록을 포함하고, 상기 제1 배터리 셀로부터 상기 제2 배터리 셀로의 전류 흐름 경로는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드, 상기 제1 블록, 상기 몸체와 제1 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 몸체, 상기 몸체와 제2 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 제2 블록 및 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드를 거치는 순서로 마련되는 것임을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀은 상기 버스바를 통해 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀은 각 전극 리드가 서로 반대 극성으로 되도록 적층되어 있고, 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드의 타단부와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있으며 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 상기 버스바가 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드간이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 버스바는 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고 상기 전극 리드가 관통하는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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