WO2023048443A1 - 고내열성 커넥터 및 이를 포함하는 배터리 모듈, 배터리 팩, 자동차 - Google Patents

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WO2023048443A1
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battery
module case
battery module
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이창훈
정상은
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack, and a vehicle including the same, and more particularly, to a battery module having an improved connector, a battery pack, and a vehicle including the same.
  • This application is an application claiming priority to Korean Patent Application No. 10-2021-0125999 filed on September 23, 2021, and all contents disclosed in the specification and drawings of the application are incorporated into this application by reference.
  • Secondary batteries are universally applied to portable devices as well as electric vehicles or hybrid vehicles driven by an electrical driving source and power storage devices because of their high ease of application according to product groups and electrical characteristics such as high energy density. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving energy efficiency and eco-friendliness in that they do not generate any by-products due to the use of energy as well as the primary advantage of dramatically reducing the use of fossil fuels.
  • a battery pack applied to an electric vehicle or the like has a structure in which a plurality of cell assemblies including a plurality of secondary battery cells are connected in series to obtain high output.
  • the battery cell can be repeatedly charged and discharged by an electrochemical reaction between components including positive and negative current collectors, separators, active materials, electrolytes, and the like.
  • a battery pack of a multi-module structure in which a plurality of battery cells are assembled with a plurality of battery modules connected in series and / or parallel.
  • constructing a battery pack it is common to construct a battery pack by first constructing a battery module composed of at least one battery cell and adding other components using the at least one battery module.
  • the number of battery modules included in the battery pack or the number of battery cells included in the battery module may be variously set according to a required output voltage or charge/discharge capacity.
  • the battery module packages battery cells and various electric components in a module case, and includes a connector for electrical connection to an external device outside the module case.
  • the connector is a connection connector for electrically connecting a plurality of battery modules to each other, a sensing connector for monitoring the voltage of battery cells, a charging connector for connecting to a charging device for charging battery cells, or charging a battery cell. It may be a connector for output that is connected to a motor driven by using the energy generated.
  • a conventional battery module is manufactured in a form in which a plurality of battery cells are concentrated in a narrow space, it is important to prevent a fire or the like.
  • a battery module and a battery pack including the same are applied to a vehicle, it is necessary to pass a strict safety test.
  • Thermal runaway test refers to a GB standard, a test in which a battery pack or system provides a thermal event alarm signal 5 minutes before a battery pack or system becomes hazardous to the passenger compartment of a vehicle due to thermal spread due to battery thermal runaway.
  • a connector for preventing the spread of a high-temperature environment such as flame and/or a high-pressure environment caused by venting gas is required.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an improved connector to prevent a high temperature and/or a high pressure environment due to a venting gas in the battery module from spreading to the outside due to the generation of flame in the battery module.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a battery module including an improved connector.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack and a vehicle with increased stability against fire or explosion by including such a battery module.
  • a connector according to the present invention for solving the above problems is a connector terminal; a connector housing surrounding the connector terminal; and a connector header body coupled to the connector housing and made of a heterogeneous composite material including a heat-resistant metal material having a melting point of 1000° C. or higher and a lightweight metal material that is lighter than the heat-resistant metal material.
  • a first portion relatively far from the connector housing may be made of the heat-resistant metal material, and a second portion closer to the connector housing than the first portion may be made of the lightweight metal material.
  • a first portion relatively far from the connector housing may be made of a stainless (SUS metal) material, and a second portion adjacent to the connector housing compared to the first portion may be made of an aluminum-based metal material.
  • the heterogeneous composite material may be a clad metal.
  • a battery module according to the present invention for solving the above problems is a cell assembly including at least one battery cell; a module case accommodating the cell assembly; and a connector mounted to the module case.
  • the connector may include a connector terminal electrically connected to the battery cell; a connector housing surrounding the connector terminal; and a connector header body coupled to the connector housing and at least partially inserted into the module case to be mounted in the module case.
  • the connector header body is characterized in that it is made of a heterogeneous composite material including a heat-resistant metal material having a melting point of 1000° C. or higher and a lightweight metal material that is lighter than the heat-resistant metal material.
  • a first part facing the cell assembly inside the module case is made of the heat-resistant metal material, and a second part facing the outside of the module case is made of the lightweight metal material compared to the first part. It may be made of material.
  • a first portion facing the cell assembly inside the module case is made of a stainless (SUS metal) material, and a second portion facing the outside of the module case is made of an aluminum-based metal material compared to the first portion.
  • the heat-resistant metal material may face the cell assembly inside the module case, and the melting point of the heat-resistant metal material may be 1400° C. or higher.
  • An opening may be formed in the module case, and the connector header body may be fastened with bolts while making surface contact with the module case inside the opening to seal the opening.
  • a first portion of the module case facing the cell assembly is made of the heat-resistant metal material
  • a second portion of the connector header body that faces the outside of the module case is made of the lightweight metal material compared to the first portion.
  • the connector housing may be coupled to the connector header body by forcible press-fitting or hook-type fastening.
  • the connector housing and the connector header body may be integrally molded as a single component.
  • the battery module further includes a sealing gasket having a melting point of 1000° C. or higher and interposed between the module case and the connector header body.
  • An opening may be formed in the module case, and the connector header body may surface-contact the module case through the sealing gasket inside the opening and seal the opening.
  • the sealing gasket may have a frame shape having a hollow having the same size as the opening.
  • the sealing gasket and the connector header body may be bolted to the module case.
  • the sealing gasket may be a silicon gasket.
  • the present invention also provides a battery pack including at least one such battery module and a vehicle including at least one such battery pack.
  • an improved connector a so-called high heat resistance connector, and a battery module including the same, which are improved to prevent the high temperature caused by the generation of flame in the battery module and/or the high pressure environment caused by the venting gas in the battery module from spreading to the outside.
  • the battery module according to the present invention includes a connector including a connector header body including a heat-resistant metal material having a melting point of 1000 ° C. or higher, so that even if a flame is generated in the battery module and becomes an abnormally high temperature state, the flame to the outside of the battery module spread can be prevented. In addition, even if a venting gas is generated in the battery module and becomes an abnormally high-voltage state, explosion through the connector side can be prevented.
  • a battery module including a highly heat-resistant connector that maintains an airtight structure of the battery module and endures a high-temperature/high-pressure environment even when thermal runaway occurs is provided.
  • a highly heat-resistant connector that maintains an airtight structure of the battery module and endures a high-temperature/high-pressure environment even when thermal runaway occurs.
  • another battery module according to the present invention includes a sealing gasket having a melting point of 1000° C. or higher, an effect of preventing flame spread to the outside of the battery module can be maximized.
  • the battery module including the connector as proposed in the present invention can withstand high temperature / high pressure (100 kpa), Thermal transitions can be prevented. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a battery module with improved safety, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of a battery module according to an embodiment of the present invention, which is an enlarged view of a connector portion.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a separated connector portion of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of FIG. 1 corresponding to the IV-IV′ section of FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of FIG. 1 corresponding to the V-V′ cross section of FIG. 2 .
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a separated connector portion of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of a sealing gasket that may be included in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • 13 and 14 are pictures of test settings for connector verification.
  • 15 is a graph showing test results.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a front view of a battery module according to an embodiment of the present invention, which is an enlarged view of a connector portion.
  • 3 is a perspective view illustrating a separated connector portion of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of FIG. 1 corresponding to the IV-IV′ cross-section of FIG. 2
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of FIG. 1 corresponding to the V-V′ cross-section of FIG.
  • a battery module 10 includes a cell assembly 100 , a module case 150 and a connector 200 .
  • Cell assembly 100 includes at least one battery cell.
  • the battery cells constituting the cell assembly 100 may be provided as pouch-type secondary batteries, and may be stacked and aligned in plurality in the cell assembly 100 .
  • the plurality of battery cells may be electrically connected to each other, and each battery cell may include an electrode assembly, an exterior material accommodating the electrode assembly, and an electrode lead protruding out of the exterior material and electrically connected to the electrode assembly.
  • the electrode lead may include a positive electrode lead and a negative electrode lead.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead may be disposed in opposite directions with respect to the length direction of the battery cell, or the positive electrode lead and negative electrode lead may be disposed in the same direction with respect to the length direction of the battery cell.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead may be made of various materials.
  • the positive electrode lead may be made of aluminum and the negative electrode lead may be made of copper.
  • the electrode lead may be electrically coupled to a bus bar (not shown).
  • the battery cell may have a structure in which a plurality of unit cells arranged in the order of positive plate-separator-negative plate or bi-cells arranged in the order of positive plate-separator-negative plate-separator-positive plate-separator-negative plate are stacked according to capacity.
  • the cell assembly 100 may be configured such that a plurality of battery cells are stacked on each other.
  • the battery cells may have various structures, and a plurality of battery cells may be stacked in various ways.
  • the cell assembly 100 may include a plurality of cartridges (not shown) accommodating each battery cell.
  • Each cartridge (not shown) may be manufactured by injection molding of plastic, and a plurality of cartridges may be stacked in which a storage part capable of accommodating a battery cell is formed.
  • a cartridge assembly in which a plurality of cartridges are stacked may include a terminal element.
  • the terminal element is a main terminal connected to the battery cell and includes a positive terminal and a negative terminal, and the terminal element is provided with a terminal bolt to be electrically connected to the outside.
  • battery cells may have various shapes.
  • the module case 150 has an empty space therein.
  • the module case 150 accommodates the cell assembly 100 and forms the exterior of the battery module 10 .
  • the module case 150 may be formed in a shape corresponding to the shape of the cell assembly 100 or the cartridge assembly. For example, when the cell assembly 100 or the cartridge assembly is provided in a hexahedral shape, the module case 150 may also be provided in a hexahedral shape to correspond thereto.
  • Various electrical components may be included in the module case 150, and for example, an internal circuit board (ICB) or a battery management system (BMS) may be included. Electric components such as the ICB and BMS board may be electrically connected to the plurality of battery cells.
  • ICB internal circuit board
  • BMS battery management system
  • the module case 150 may be manufactured by, for example, bending a metal plate or may be manufactured by plastic injection molding. Also, the module case 150 may be manufactured integrally or separately. In general, the module case 150 may have a structure in which at least one side is open, and the cell assembly 100 is inserted through the open portion and then the open portion is blocked. The module case 150 may be provided in a rectangular parallelepiped shape as a whole.
  • the configuration of the module case 150 may vary.
  • the module case 150 may include a U-shaped frame accommodating the cell assembly 100 and having an open top, and a top plate covering the cell assembly 100 at the top of the U-shaped frame.
  • the U-shaped frame has open upper surfaces, front and rear surfaces, and end plates are located on the front and rear surfaces of the U-shaped frame, respectively, to block the open front and rear surfaces.
  • the module case 150 may include a square tubular monoframe in which both facing sides are open, and a front cover and a rear cover blocking both facing sides of the monoframe.
  • the present invention is not limited to the structure of a particular module case 150.
  • the connector 200 is mounted on the module case 150.
  • the connector 200 may be mounted on a portion easily electrically connected to the cell assembly 100 accommodated in the module case 150 .
  • it may be mounted at a portion close to an electrode lead of a battery cell included in the cell assembly 100 .
  • it may be mounted on an end plate, front cover, or rear cover side adjacent to a portion of the module case 150 where an electrode lead of a battery cell may be located.
  • the connector 200 may be provided with various types of electrical connecting parts or connecting members to be connected to a BMS capable of providing data on voltages or temperatures of battery cells inside the battery module 10 .
  • the connector 200 is coupled to the module case 150 to transmit data on voltage or temperature to the outside.
  • the connector 200 includes a connector terminal 210 , a connector housing 220 and a connector header body 230 .
  • the connector terminal 210 is for electrically connecting a component provided on one side of the connector 200 with respect to the connector 200 and another component provided on the other side of the connector 200 .
  • the connector 200 is a sensing connector for monitoring the voltage of battery cells
  • the connector terminal 210 is for electrically connecting to the battery cells of the cell assembly 100 .
  • An output plug (not shown) may be connected to the connector terminal 210 to connect voltage data of the battery cells of the cell assembly 100 to a BMS or the like.
  • the connector terminal 210 may include, for example, a conductive material such as copper (Cu).
  • the connector housing 220 surrounds the connector terminal 210 .
  • the connector housing 220 may have a structure in which one end is exposed by accommodating the connector terminal 210 .
  • the connector housing 220 is coupled to the connector header body 230 .
  • the connector housing 220 may be a separate component from the connector header body 230 manufactured by plastic injection.
  • the connector housing 220 may be coupled to the connector header body 230 by forced press fitting or hook type fastening.
  • the connector header body 230 may expose one end of the connector terminal 210 exposed from the connector housing 220 . At least a portion of the connector header body 230 is inserted into the module case 150 to be mounted on the module case 150, and the connector housing 220 is maintained outside the module case 150.
  • the connector terminal 210 may pass through the connector housing 220 and the connector header body 230 .
  • a hole may be formed in the connector header body 230 through which the connector terminal 210 passes.
  • the connector terminal 210 may be introduced into the module case 150 through a hole of the connector header body 230 .
  • the connector header body 230 is coupled to the module case 150 .
  • the connector header body 230 may be coupled to the module case 150 in various ways.
  • an opening 152 is formed in the module case 150, and the connector header body 230 makes surface contact with the module case 150 inside the opening 152. While the bolt 240 is fastened, the opening 152 is hermetically sealed. A fastening hole through which the bolt 240 passes may be formed in the connector header body 230 .
  • All parts of the module case 150 except for the opening 152 may be sealed through a welding method. In this situation, when thermal runaway occurs in the battery module 10, the portion most exposed to flame and gas becomes the portion of the connector 200. In the present invention, by improving the connector 200, it is possible to prevent a high temperature due to the generation of a flame within the battery module 10 and/or a high pressure environment due to a venting gas within the battery module 10 from spreading to the outside.
  • the connector housing 220 With the connector housing 220 coupled to the connector header body 230, the connector housing 220 is exposed through the opening 152 inside the module case 150, and then the module case 150 and the connector header body ( 230) may be fastened with bolts 240. Instead, after the connector header body 230 is interviewed to the module case 150 from the inside of the module case 150 and the bolt 240 is fastened from the outside of the module case 150, the connector housing (from the outside of the module case 150) 220) may be coupled to the connector header body 230.
  • the opening 152 may have a size covered by the connector housing 220 fastening. Since the opening 152 is larger than the connector housing 220 , a portion of the connector header body 230 may be visible from the outside of the module case 150 .
  • the connector header body 230 is characterized by being made of a heterogeneous composite material.
  • the heterogeneous composite material refers to a material including a heat-resistant metal material having a melting point of 1000° C. or higher and a lightweight metal material that is lighter than the heat-resistant metal material.
  • the connector header body 230 is relatively far from the connector housing 220.
  • the first part 230a may be made of the heat-resistant metal material, and the second part 230b adjacent to the connector housing 220 may be made of the lightweight metal material compared to the first part 230a.
  • the heterogeneous composite material constituting the connector header body 230 may be a clad metal.
  • Clad metal refers to a composite metal in which two or more types of metals having different characteristics are bonded under high pressure and then subjected to diffusion annealing to induce bonding between dissimilar metals.
  • the clad metal may have a layered structure between heterogeneous metals and may be used as a single material.
  • the heat-resistant metal material is a metal material that has a melting point of 1000° C. or higher and is therefore difficult to melt.
  • metals called refractory metals or refractory metals which are generic names for metals whose melting point is higher than 1539° C., which is the melting point of iron, may be such a heat-resistant metal material.
  • niobium, vanadium, tantalum, titanium, zirconium, hafnium, molybdenum, and tungsten are such heat-resistant metal materials.
  • a heat-resistant alloy that is an alloy of iron, nickel, or cobalt and is used up to about 1100°C but can withstand temperatures of 1300°C or more may also be a heat-resistant metal material.
  • Iron-based alloys can be improved by increasing stainless (SUS metal), chromium or nickel here, or adding other elements.
  • SUS metal stainless
  • nickel-based alloys in which chromium and cobalt are added to nickel.
  • nickel-molybdenum alloy called hastelloy.
  • the connector header body 230 can withstand a high temperature/high pressure (100 kpa) because the temperature adjacent to the connector header body 230 can rise to about 600° C. (at least 5 minutes) or more.
  • the present invention proposes that the connector header body 230 include a heat-resistant metal material having a melting point of 1000° C. or higher.
  • a heat-resistant metal material that faces the cell assembly 100 inside the module case 150 and has a melting point of 1400° C. or higher.
  • the first portion 230a of the connector header body 230 facing the cell assembly 100 inside the module case 150 is made of such a heat-resistant metal material.
  • the second part 230b facing the outside of the module case 150 the part in surface contact with the inside of the module case 150 in this embodiment, is lighter than the first part 230a. It is made of metal material.
  • the first portion 230a is made of a stainless (SUS metal) material and the second portion 230b is made of an aluminum-based metal material.
  • the stainless (SUS metal) material has a melting point of 1400° C. or higher, it is not easily melted even if a flame occurs inside the battery module 10.
  • Stainless (SUS metal) material is cheaper than other heat-resistant metal materials.
  • Stainless (SUS metal) material has easy processability to be manufactured as a clad metal along with a lightweight metal material. Since aluminum has a melting point of 660° C., it is very light while having some resistance to high temperature issues generated outside the battery module 10 . In addition, it has easy processability for manufacturing with clad metal along with stainless (SUS metal) material.
  • the first portion 230a of the connector header body 230 may remain intact even in a relatively high temperature environment. For example, even if a flame directly contacts the connector header body 230, the first portion 230a does not melt, and heat transfer to the connector housing 220 on the opposite side of the module case 150 can be prevented.
  • the entire connector header body 230 is not made of a heat-resistant metal material, and only the first portion 230a facing the cell assembly 100 inside the module case 150 is made of such a heat-resistant metal material, and the remaining portion, that is, the module case 150
  • the second portion 230b facing outward is made of a lightweight metal material that is lighter than the first portion 230a. Accordingly, heat resistance may be secured by applying a stainless (SUS metal) material to the portion exposed to the inside of the battery module 10 and exposed to high temperature/high pressure.
  • the portion facing the outside of the battery module 10 is made of a lightweight metal material such as an aluminum-based metal material to reduce weight.
  • the parts corresponding to the connector housing 220 and the connector header body 230 are composed only of plastic injection molding, so that smoke and flame are exposed to the outside by melting during thermal runaway. If the connector is made of a material with a higher melting point than plastic extrusion, such as a single metal, it will be very heavy. When a heavy connector is fastened to the module case 150, a fastening means such as, for example, a bolt 240 may be loosened to prevent airtightness from being maintained.
  • the present invention by providing a connector to which a heterogeneous composite material having high heat resistance and light weight is applied, it is possible to realize airtightness and light weight while satisfying GB standards related to thermal runaway.
  • a battery module including a highly heat-resistant connector that maintains an airtight structure of the battery module and endures a high-temperature/high-pressure environment even when thermal runaway occurs is provided.
  • the connector header body 230 and the connector housing 220 are separate parts.
  • the connector housing 220 and the connector header body 230 may be integrally molded as a single component.
  • the connector header body 230 may be manufactured by manufacturing a clad metal disc including a heat-resistant metal material and a lightweight metal material, and then processing the connector header body 230 in a desired shape. After disposing the connector header body 230 and the connector terminal 210 in a mold, when plastic is melted, injected into the mold, and hardened, the connector housing 220 and the connector header body 230 may be integrally molded and manufactured. It can be said that it is based on the method of insert injection.
  • the connector housing 220 is integrally manufactured with the connector header body 230, strong binding force between the connector housing 220 and the connector header body 230 may be obtained without using a separate fastening member. Accordingly, manufacturing cost can be reduced by reducing the number of parts, and fastening work can be omitted, thereby reducing manufacturing time and forming a stable coupling structure.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a separated connector portion of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 7 is a perspective view of a sealing gasket that may be included in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module 10 may further include a sealing gasket 235 interposed between the module case 150 and the connector header body 230 and having a melting point of 1000° C. or higher.
  • An opening 152 is formed in the module case 150, and the connector header body 230 is in surface contact with the module case 150 through the sealing gasket 235 inside the opening 152 to open the opening 152.
  • a fastening hole through which the bolt 240 passes may be formed in the connector header body 230 .
  • the module case 150 After exposing the connector housing 220 through the opening 152 inside the module case 150 with the sealing gasket 235 and the connector housing 220 coupled to the connector header body 230, the module case 150 ) and the connector header body 230 may be fastened with bolts 240. Instead, after placing the interview through the sealing gasket 235 between the connector header body 230 and the module case 150 from the inside of the module case 150, the bolt 240 is fastened from the outside of the module case 150, The connector housing 220 may be coupled to the connector header body 230 from outside the module case 150 .
  • the sealing gasket 235 may have a frame shape having a hollow having the same size as the opening 152 .
  • An outer periphery of the sealing gasket 235 may coincide with an outer periphery of the connector header body 230 .
  • the sealing gasket 235 and the connector header body 230 may be fastened to the module case 150 with bolts 240 .
  • Reference numeral 237 is a fastening hole provided to allow the bolt 240 to pass through the sealing gasket 235 .
  • the sealing gasket 235 is a silicone gasket.
  • the sealing gasket 235 maintains airtightness even during thermal runaway within the battery module 10 and has an excellent effect of preventing flame and gas from being exposed to the outside of the battery module 10 through the connector 200 .
  • the opening 152 may have a size covered by the connector housing 220 fastening. Since the opening 152 is larger than the connector housing 220 , a portion of the connector header body 230 may be visible from the outside of the module case 150 .
  • the sealing gasket 235 may be regarded as a component constituting the connector 200 or may be regarded as a separate component from the connector 200 .
  • the battery module including the sealing gasket 235 can maximize the effect of preventing the spread of flame to the outside of the battery module even if a flame is generated in the battery module and becomes an abnormally high temperature state.
  • the connector header body 230 can be maintained undamaged even in a relatively high temperature environment. Even if a direct flame contacts the connector header body 230, it does not melt.
  • the sealing gasket 235 can also remain intact even in a relatively high temperature environment. Even if a flame directly contacts the sealing gasket 235, it does not melt.
  • the sealing gasket 235 may prevent heat transfer to the connector housing 220 on the opposite side of the module case 150 .
  • the parts corresponding to the connector housing 220 and the connector header body 230 are composed only of plastic injection molding, so that smoke and flame are exposed to the outside by melting during thermal runaway. There is also no sealing component such as the sealing gasket 235.
  • the sealing gasket 235 In the present invention, by providing a battery module 10 including a connector 200 including a connector header body 230 having high heat resistance by having a melting point of 1000 ° C. or higher and a sealing gasket 235, GB standards related to thermal runaway can be satisfied while maintaining confidentiality.
  • a battery module that maintains an airtight structure of the battery module and endures a high temperature/high pressure environment even when thermal runaway occurs is provided.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 9 is a schematic diagram showing a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 300 may include at least one battery module according to the present invention described above, for example, the battery module 10 according to an embodiment.
  • the battery pack 300 may include a pack case 310 capable of accommodating the at least one battery module 10 .
  • other various components for example, components of a battery pack known at the time of filing of the present invention, such as relays and current sensors, may be further included.
  • the battery modules 10 form an almost rectangular parallelepiped state, and can be arranged in an orderly manner within the battery pack case 310, and each battery module 10 is connected so as to secure power necessary for driving the vehicle 400. there is.
  • the battery pack case 310 is a container for fixing and accommodating the battery modules 10, and is a rectangular parallelepiped box. In addition, the battery pack case 310 may be installed at a predetermined location in the vehicle 400 .
  • the vehicle 400 may be an electric vehicle.
  • the battery pack 300 may be used as an electric energy source for driving the vehicle 400 by providing driving force to a motor of the electric vehicle.
  • the battery pack 300 has a high nominal voltage of 100V or more.
  • the battery pack 300 may be charged or discharged by an inverter according to driving of a motor and/or an internal combustion engine.
  • the battery pack 300 may be charged by a regenerative charging device coupled with a brake.
  • the battery pack 300 may be electrically connected to the motor of the vehicle 400 through an inverter.
  • the battery pack 300 may also be provided in other devices, instruments, and facilities, such as an electric power storage system (ESS) using a secondary battery, in addition to the vehicle.
  • ESS electric power storage system
  • the battery pack 300 according to an embodiment of the present invention and a device, instrument, or facility including the battery pack 300 such as the vehicle 400 includes the battery module 10 described above.
  • a battery pack 300 having all the advantages of the battery module 10 described above, and a device such as a vehicle 400 having such a battery pack 300, or devices, equipment, and the like can be implemented.
  • the spread of the flame to the outside of the battery module may be prevented.
  • a venting gas is generated in the battery module and becomes an abnormally high-voltage state, explosion of the battery module can be prevented.
  • the battery module including the connector as proposed in the present invention can withstand high temperature / high pressure (100 kpa), Thermal transitions can be prevented. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a battery module with improved safety, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • FIG. 10 to 12 are photographs of connectors manufactured for experiments. Referring first to FIG. 10, the connector housing 220 including the connector header body 230 and the connector terminal 210 constituting the connector 200 , and the sealing gasket 235 is shown.
  • the first part 230a of the connector header body 230 is made of SUS metal.
  • the second portion 230b of the connector header body 230 is made of aluminum.
  • the first part 230a and the second part 230b are a clad metal, which is a heterogeneous composite material.
  • the thickness of the clad metal was 6 mm, of which the thickness of the SUS metal was 10% of the total clad metal thickness.
  • FIG. 12 is a picture taken from the side of the sealing gasket 235 after assembling the connector 200 and the sealing gasket 235, and shows the outside of the module case of the battery module.
  • the sealing gasket 235 is made of silicon material. The thickness of the sealing gasket 235 was 2 mm.
  • 13 and 14 are test setting photos for verifying the connector 200.
  • the connector 200 is mounted on the plate 150' made of aluminum similar to the module case 150 with the sealing gasket 235 interposed therebetween. did
  • the test is performed by heating with a torch 500 on the opposite side of the plate 150'. In order to check the temperature of each part during the test, as shown in FIG.
  • 15 is a graph showing test results. 15 shows a picture of the connector 200 taken at a specific point in time as an inset picture.
  • the time when the flame started to generate with the torch 500 was set to 0 on the horizontal axis of the graph, and the temperatures at positions a, b, and c were measured over time, mapped to the vertical axis, and graphed.
  • the temperature change at position a represents the temperature change in the first portion 230a, which is a portion directly exposed to the flame, and as shown in FIG. 15, it is a very high temperature of approximately 1000°C.
  • the temperature at the position b between the connector header body 230 and the sealing gasket 235 drops to close to 400°C.
  • the sealing gasket 235 blocks heat transfer, the temperature at the position c corresponding to the space between the sealing gasket 235 and the plate 150' is maintained below 200°C and rises to about 400°C only after 5 minutes. In this way, by including the connector 200 and the sealing gasket 235, even if a flame is generated inside the module case, the effect of preventing heat transfer to the outside of the module case can be confirmed.
  • the inset photo (1) of FIG. 15 the beginning of deformation of the connector housing 220 was observed 40 seconds after heating with the torch 500.
  • the inserted picture (2) is a picture after 1 minute and 11 seconds has elapsed, and the connector housing 220 has started to burn.
  • the connector housing 220 was separated after 3 minutes.
  • the inset photo (4) is a photo after 4 minutes, and although the connector housing 220 is completely burned, there is no flame exposure to the outside of the plate 150'.
  • the connector housing 220 is separated from the connector housing 220 after 3 minutes, but in the conventional case, the connector housing is separated immediately after exposure to flame. do. This is because it is made of only plastic materials, not heterogeneous composite materials.
  • the connector 200 is made of a heterogeneous composite material, the flame is not exposed to the outside, but otherwise, since the connector housing is separated immediately, the flame is exposed to the outside within less than 10 seconds.
  • the connector 200 according to the present invention can withstand flame at 1000 ° C. for 5 minutes and has a remarkable effect of preventing flame exposure to the outside of the module case.

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Abstract

고내열성 커넥터 및 이를 포함하는 배터리 모듈, 배터리 팩, 자동차가 제공된다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 셀 조립체; 상기 셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스에 장착되는 커넥터를 포함한다. 상기 커넥터는, 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 터미널; 상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징; 및 상기 커넥터 하우징에 결합되고 상기 모듈 케이스에 적어도 일부가 삽입되어 상기 모듈 케이스에 장착이 되는 커넥터 헤더 바디를 포함한다. 여기에서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재와 상기 내열성 금속 소재에 비하여 경량인 경량 금속 소재를 포함하는 이종복합소재로 이루어진 것이 특징이다.

Description

고내열성 커넥터 및 이를 포함하는 배터리 모듈, 배터리 팩, 자동차
본 발명은 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 커넥터가 개선된 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다. 본 출원은 2021년 9월 23일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2021-0125999호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
이차전지는 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지기 때문에, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
전기 자동차 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 이차전지 배터리 셀을 포함하는 다수의 셀 조립체를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고 배터리 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 배터리 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 개수, 또는 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
배터리 모듈은 배터리 셀들과 각종 전장 부품 등을 모듈 케이스 내에 패키징하며, 모듈 케이스 밖의 외부 기기 등과 전기적인 연결을 위한 커넥터를 구비한다. 커넥터는 복수 개의 배터리 모듈들을 서로 전기적으로 연결시키기 위한 연결용 커넥터, 배터리 셀들의 전압을 모니터링하기 위한 센싱용 커넥터, 배터리 셀들을 충전시키기 위한 충전장치와 연결하기 위한 충전용 커넥터, 또는 배터리 셀에 충전된 에너지를 사용하여 구동하는 모터와 연결하는 출력용 커넥터 등일 수 있다.
종래 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀이 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 화재 등을 예방하는 것이 중요하다. 특히 이러한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩이 차량용으로 적용되는 경우 엄격한 안전성 테스트를 통과할 필요가 있다.
기존의 배터리 모듈에 구비되는 커넥터는 커넥터 터미널을 제외한 모든 부분이 일반 플라스틱 사출로 제작되는 것이 대부분인데, 이를 적용한 배터리 모듈에서 이상 고온이 발생하는 경우 쉽게 용융되는 문제가 있다. 특히 이러한 커넥터를 장착한 배터리 모듈 또는 이들의 집합체인 배터리 팩은 열폭주 시험을 통과하지 못할 수 있다. 열폭주 시험이란, GB 규격, 배터리 팩 또는 시스템이 배터리 열폭주로 인한 열 확산으로 자동차의 탑승 공간에 위험하기 발생하기 5분 전에 열 사건 알람 신호를 제공하는 시험을 의미한다.
따라서, GB 규격을 만족하기 위해, 화염 등에 의한 고온 및/또는 벤팅 가스에 의한 고압 환경이 확산되는 것을 방지하기 위한 커넥터가 반드시 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리 모듈 내의 화염 발생 등에 의한 고온 및/또는 배터리 모듈 내의 벤팅 가스에 의한 고압 환경이, 외부로 확산되는 것을 방지하기 위해 개선된 커넥터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 개선된 커넥터를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 이러한 배터리 모듈을 포함함으로써 화재나 폭발에 대한 안정성을 높인 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 커넥터는, 커넥터 터미널; 상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징; 및 상기 커넥터 하우징에 결합되고 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재와 상기 내열성 금속 소재에 비하여 경량인 경량 금속 소재를 포함하는 이종복합소재로 이루어진 커넥터 헤더 바디를 포함한다.
상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 커넥터 하우징에서 상대적으로 먼 제1 부분이 상기 내열성 금속 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 커넥터 하우징에 인접한 제2 부분이 상기 경량 금속 소재로 되어 있을 수 있다.
상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 커넥터 하우징에서 상대적으로 먼 제1 부분이 스테인레스(SUS 금속) 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 커넥터 하우징에 인접한 제2 부분은 알루미늄 계열 금속 소재로 되어 있을 수 있다.
상기 이종복합소재는 클래드 금속(clad metal)일 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 셀 조립체; 상기 셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스에 장착되는 커넥터를 포함한다. 상기 커넥터는, 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 터미널; 상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징; 및 상기 커넥터 하우징에 결합되고 상기 모듈 케이스에 적어도 일부가 삽입되어 상기 모듈 케이스에 장착이 되는 커넥터 헤더 바디를 포함한다. 여기에서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재와 상기 내열성 금속 소재에 비하여 경량인 경량 금속 소재를 포함하는 이종복합소재로 이루어진 것이 특징이다.
본 발명에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하는 제1 부분이 상기 내열성 금속 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 모듈 케이스 외측을 향하는 제2 부분이 상기 경량 금속 소재로 되어 있는 것일 수 있다.
상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하는 제1 부분이 스테인레스(SUS 금속) 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 모듈 케이스 외측을 향하는 제2 부분은 알루미늄 계열 금속 소재로 되어 있는 것일 수 있다.
상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 내열성 금속 소재가 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하고 있으며 상기 내열성 금속 소재의 융점이 1400℃ 이상일 수 있다.
상기 모듈 케이스에 개구부가 형성되어 있고, 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 개구부 안쪽에서 상기 모듈 케이스에 면접촉하면서 볼트 체결되어 상기 개구부를 기밀하는 것일 수 있다.
이 때, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하는 제1 부분이 상기 내열성 금속 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 모듈 케이스 외측을 향하는 제2 부분이 상기 경량 금속 소재로 되어 있는 것일 수 있다.
상기 커넥터 하우징은 상기 커넥터 헤더 바디에 강제 압입 또는 후크 타입 체결로 결합될 수 있다.
다른 예로, 상기 커넥터 하우징과 상기 커넥터 헤더 바디는 일체 성형된 단일 부품일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 배터리 모듈은 상기 모듈 케이스와 커넥터 헤더 바디 사이에 개재되며 1000℃ 이상의 융점을 가지는 실링 가스켓을 더 포함한다.
상기 모듈 케이스에 개구부가 형성되어 있고, 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 개구부 안쪽에서 상기 실링 가스켓을 개재해 상기 모듈 케이스에 면접촉하면서 상기 개구부를 기밀하는 것일 수 있다.
상기 실링 가스켓은 상기 개구부와 동일한 크기의 중공을 가진 프레임 형상을 가지는 것일 수 있다.
상기 실링 가스켓과 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 모듈 케이스에 볼트 체결될 수 있다.
상기 실링 가스켓은 실리콘 가스켓일 수 있다.
본 발명에서는 이러한 배터리 모듈을 적어도 하나 포함하는 배터리 팩과 이러한 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차도 제공한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내의 화염 발생에 의한 고온 및/또는 배터리 모듈 내의 벤팅 가스에 의한 고압 환경이, 외부로 확산되는 것을 방지하기 위해 개선된 커넥터, 이른바 고내열성 커넥터 및 이를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재를 포함하는 커넥터 헤더 바디를 포함하는 커넥터를 포함함으로써, 배터리 모듈 내에서 화염이 발생하여 이상 고온 상태가 되더라도, 배터리 모듈 외측으로의 화염 확산이 방지될 수 있다. 그리고, 배터리 모듈 내에서 벤팅 가스가 발생하여 이상 고압 상태가 되더라도, 커넥터 쪽을 통한 폭발은 방지될 수 있다.
특히 본 발명에서와 제안하는 바와 같이 커넥터에 이종복합소재를 적용하여 배터리 모듈 내측에 화염으로 노출되는 부분만 내열성 금속으로 하고 나머지 부분은 그보다 경량인 경량 금속 소재로 하면 기밀성 및 내열성에 경량화까지 실현할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 열폭주가 발생하더라도 배터리 모듈의 기밀 구조를 유지하고 고온/고압 환경을 견디는 고내열성 커넥터를 포함한 배터리 모듈이 제공된다. 이종복합소재를 적용한 결과, 단일 금속 커넥터를 적용하는 경우 대비 무게와 비용을 절감하는 효과도 있다.
또한, 본 발명에 따른 다른 배터리 모듈은 1000℃ 이상의 융점을 가지는 실링 가스켓을 포함하기 때문에, 배터리 모듈 외측으로의 화염 확산 방지 효과를 극대화할 수 있다.
예를 들어, 모듈 케이스 인접 온도가 대략 600℃(최소 5분) 이상까지 상승하는 경우라도, 본 발명에서 제안하는 바와 같은 커넥터를 포함하는 배터리 모듈은, 고온/고압(100kpa)에 견딜 수 있어, 열 전이가 방지될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 정면도로서 커넥터 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커넥터 부분을 분리해 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이다.
도 5는 도 2의 V-V' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커넥터 부분을 분리해 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함될 수 있는 실링 가스켓의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 10 내지 도 12는 실험을 위해 제작한 커넥터의 사진들이다.
도 13과 도 14는 커넥터 검증을 위한 테스트 세팅 사진들이다.
도 15는 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시된 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 분리 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 정면도로서 커넥터 부분을 확대하여 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커넥터 부분을 분리해 도시한 사시도이다. 도 4는 도 2의 IV-IV' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이고, 도 5는 도 2의 V-V' 단면에 대응되는 도 1의 부분 단면도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 조립체(100)와 모듈 케이스(150)와 커넥터(200)를 포함한다.
셀 조립체(100)는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 셀 조립체(100)를 구성하는 배터리 셀은 파우치형 이차전지로 마련될 수 있고, 셀 조립체(100) 내에 복수 개로 적층되어 정렬될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들은 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 배터리 셀 각각은 전극 조립체와 이를 수용하는 외장재와 상기 외장재 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드를 포함할 수 있다.
전극 리드는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 또는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드가 배터리 셀의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 다양한 재질로 마련될 수 있으며, 예를 들어, 양극 전극 리드는 알루미늄 재질로 제작되고, 음극 전극 리드는 구리 재질로 제작될 수 있다.
전극 리드는 버스바(미도시)에 전기적으로 결합될 수 있다. 배터리 셀은 양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열되는 단위 셀 또는 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터-양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열된 바이 셀을 용량에 맞게 복수개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
셀 조립체(100)는 복수의 배터리 셀들이 서로 적층되도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리 셀은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한, 복수의 배터리 셀들은 다양한 방식으로 적층될 수 있다.
셀 조립체(100)는 각각의 배터리 셀을 수납하는 카트리지(미도시)가 복수로 구비될 수 있다. 각각의 카트리지(미도시)는 플라스틱의 사출 성형으로 제조될 수 있고, 배터리 셀을 수납할 수 있는 수납부가 형성된 복수의 카트리지들이 적층될 수 있다. 복수의 카트리지들이 적층된 카트리지 조립체에는 단자 요소가 구비될 수 있다. 단자 요소는 배터리 셀에 연결되는 메인 단자로서 양극 단자와 음극 단자를 포함하며, 단자 요소는 터미널 볼트가 구비되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 배터리 셀은 다양한 형상을 가질 수 있다.
모듈 케이스(150)는 내부에 빈 공간을 가진다. 모듈 케이스(150)는 셀 조립체(100)를 수용하며 배터리 모듈(10)의 외관을 형성한다. 모듈 케이스(150)는 셀 조립체(100) 또는 카트리지 조립체의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 셀 조립체(100) 또는 카트리지 조립체가 육면체 형상으로 마련되는 경우 모듈 케이스(150)도 이에 대응되도록 육면체 형상으로 마련될 수 있다. 모듈 케이스(150) 내에는 각종 전장 부품들이 포함될 수 있으며, 일례로 ICB(Internal Circuit Board) 또는 BMS(Battery Management System) 등을 포함할 수 있다. 상기 ICB 및 BMS 보드 등의 전장 부품들은 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결될 수 있다.
모듈 케이스(150)는 예를 들어, 금속 재질의 플레이트를 절곡하여 제조될 수 있고 또는 플라스틱 사출물에 의해 제조될 수도 있다. 그리고, 모듈 케이스(150)는 일체형으로 제조될 수도 있고, 또는 분리형으로 제조될 수도 있다. 일반적으로, 모듈 케이스(150)는 적어도 일면이 개방된 형태로 제공되어, 개방된 부분을 통해 셀 조립체(100)를 삽입한 후 개방된 부분을 막는 구조일 수 있다. 모듈 케이스(150)는 전체적으로 직육면체 형상으로 제공될 수 있다.
모듈 케이스(150)의 구성은 다양할 수 있다. 예를 들어 모듈 케이스(150)는 셀 조립체(100)를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임, 및 U자형 프레임 상부에서 셀 조립체(100)를 덮는 상부 플레이트(top plate)를 포함할 수 있다. U자형 프레임은 상부면, 전면 및 후면이 개방되어 있어, U자형 프레임의 전면과 후면에는 엔드 플레이트가 각각 위치해 개방된 전면과 후면을 막을 수 있다.
다른 예를 들어, 모듈 케이스(150)는 마주보는 양측이 개방된 형태의 사각관체 모노 프레임과 상기 모노 프레임의 마주보는 양측을 막는 프론트 커버와 리어 커버를 포함할 수 있다. 본 발명은 특정 모듈 케이스(150)의 구조에 제한되지 않는다.
커넥터(200)는 모듈 케이스(150)에 장착된다. 커넥터(200)는 모듈 케이스(150) 안에 수용되는 셀 조립체(100)와 전기적 연결이 쉬운 부분에 장착이 될 수 있다. 예를 들어 셀 조립체(100)에 포함되는 배터리 셀의 전극 리드와 가까운 부분에 장착이 될 수 있다. 예를 들어 도시한 바와 같이 모듈 케이스(150) 중에서도 배터리 셀의 전극 리드가 위치할 수 있는 부분과 인접한 엔드 플레이트 또는 프론트 커버 또는 리어 커버 쪽에 장착될 수 있다. 커넥터(200)는 배터리 모듈(10) 내부의 배터리 셀들의 전압 내지 온도에 대한 데이터를 제공할 수 있는 BMS 등에 연결되기 위한 다양한 형태의 전기적 연결 부품 내지 연결 부재로 마련될 수 있다. 그리고, 커넥터(200)는 전압 내지 온도에 대한 데이터를 외부로 전송하기 위해 모듈 케이스(150)에 결합된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 커넥터(200)는, 커넥터 터미널(210), 커넥터 하우징(220) 및 커넥터 헤더 바디(230)를 포함한다.
커넥터 터미널(210)은 커넥터(200)를 기준으로 커넥터(200) 일측에 구비되는 구성요소와 커넥터(200) 타측에 구비되는 다른 구성요소간을 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 본 실시예에서 커넥터(200)는 배터리 셀들의 전압을 모니터링하기 위한 센싱용 커넥터이고, 커넥터 터미널(210)은 셀 조립체(100)의 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 커넥터 터미널(210)에는 셀 조립체(100)의 배터리 셀들의 전압에 대한 데이터를 BMS 등에 연결하기 위한 송출 플러그(미도시)가 연결될 수 있다. 커넥터 터미널(210)은 예를 들면 구리(Cu)와 같은 전도성 재질을 포함할 수 있다.
커넥터 하우징(220)은 커넥터 터미널(210)을 감싼다. 커넥터 하우징(220)은 커넥터 터미널(210)을 수용하여 일단을 노출시키는 구조일 수 있다.
커넥터 하우징(220)은 커넥터 헤더 바디(230)에 결합된다. 커넥터 하우징(220)은 플라스틱 사출로 제조된, 커넥터 헤더 바디(230)와는 별개의 부품일 수 있다. 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)에 강제 압입 또는 후크 타입 체결로 결합할 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230)는 커넥터 하우징(220)으로부터 노출되는 커넥터 터미널(210)의 일단을 노출시킬 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)는 모듈 케이스(150)에 적어도 일부가 삽입되어 모듈 케이스(150)에 장착이 되며, 커넥터 하우징(220)이 모듈 케이스(150) 외측에 유지되도록 한다. 커넥터 터미널(210)은 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)를 통과할 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)에는 커넥터 터미널(210)이 통과하도록 홀이 형성될 수 있다. 커넥터 터미널(210)은 커넥터 헤더 바디(230)의 홀을 통해 모듈 케이스(150) 내부로 인입될 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230)는 모듈 케이스(150)에 결합된다. 커넥터 헤더 바디(230)는 다양한 방식으로 모듈 케이스(150)에 결합될 수 있다.
도 4 및 도 5를 더 참조하면, 본 실시예에서 모듈 케이스(150)에는 개구부(152)가 형성되어 있고, 커넥터 헤더 바디(230)는 개구부(152) 안쪽에서 모듈 케이스(150)에 면접촉하면서 볼트(240) 체결되어 개구부(152)를 기밀하고 있다. 커넥터 헤더 바디(230)에는 볼트(240)가 통과하도록 마련된 체결홀이 형성될 수 있다.
모듈 케이스(150)는 개구부(152)를 제외한 모든 부위가 용접 공법을 통해 실링될 수 있다. 이러한 상황에서, 배터리 모듈(10) 내의 열 폭주 발생시 화염과 가스가 가장 많이 노출되는 부분은 커넥터(200) 부분이 된다. 본 발명에서는 커넥터(200)를 개선함으로써 배터리 모듈(10) 내의 화염 발생에 의한 고온 및/또는 배터리 모듈(10) 내의 벤팅 가스에 의한 고압 환경이, 외부로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230)에 커넥터 하우징(220)을 결합한 상태로 모듈 케이스(150) 안쪽에서 개구부(152)를 통과하여 커넥터 하우징(220)을 노출시킨 후, 모듈 케이스(150)와 커넥터 헤더 바디(230)를 볼트(240)로 체결할 수 있다. 대신에, 모듈 케이스(150) 안쪽에서 커넥터 헤더 바디(230)를 모듈 케이스(150)에 면접하여 모듈 케이스(150) 바깥쪽에서 볼트(240) 체결한 후, 모듈 케이스(150) 바깥쪽에서 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)에 결합할 수도 있다.
개구부(152)는 커넥터 하우징(220) 체결에 의해 가려지는 크기일 수 있다. 개구부(152)가 커넥터 하우징(220)보다 커서 커넥터 헤더 바디(230)의 일부가 모듈 케이스(150) 외측에서 보일 수도 있다.
여기에서, 커넥터 헤더 바디(230)는 이종복합소재로 이루어진 것이 특징이다. 여기서 이종복합소재는, 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재와 상기 내열성 금속 소재에 비하여 경량인 경량 금속 소재를 포함하는 것을 가리킨다.커넥터 헤더 바디(230)는 커넥터 하우징(220)에서 상대적으로 먼 제1 부분(230a)이 상기 내열성 금속 소재로 되어 있고 상기 제1 부분(230a)에 비해 상기 커넥터 하우징(220)에 인접한 제2 부분(230b)이 상기 경량 금속 소재로 되어 있을 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)를 이루는 이종복합소재는 클래드 금속(clad metal)일 수 있다. 클래드 금속은 서로 다른 특성을 가진 2종 이상의 금속을 고압 하에서 접합 후 확산 소둔을 시행하여 이종 금속간의 결합을 유도한 복합 금속을 가리킨다. 클래드 금속은 이종 금속간 층상 구조를 가질 수 있으며 단일 소재처럼 사용할 수 있다.
내열성 금속 소재는 1000℃ 이상의 융점을 가지는 것이어서 녹기 어려운 금속 소재이다. 예를 들어 융점이 철의 융점인 1539℃보다 높은 금속의 총칭인 난융 금속 또는 내화 금속이라고 하는 금속이 이러한 내열성 금속 소재일 수 있다. 예를 들어 니오븀, 바나듐, 탄탈, 타이타늄, 지르코늄, 하프늄, 몰리브데늄, 텅스텐이 이러한 내열성 금속 소재이다.
철, 니켈이나 코발트의 합금이면서 약 1100℃까지 사용되지만 1300℃ 이상도 견디는 내열 합금도 내열성 금속 소재일 수 있다. 철계 합금은 스테인레스(SUS 금속), 여기에 크로뮴, 니켈을 증가해서 개량하거나 다른 원소를 첨가한 것이 가능하다. 니켈계의 합금은 니켈에 크로뮴, 코발트를 가한 것이 있다. 하스텔로이라는 니켈-몰리브데늄 합금도 있다.
배터리 모듈(10) 내부에서 화염이 발생하는 경우 커넥터 헤더 바디(230) 인접 온도가 대략 600℃(최소 5분) 이상까지 상승할 수 있으므로 커넥터 헤더 바디(230)는 고온/고압(100kpa)에 견딜 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 커넥터 헤더 바디(230)가 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재를 포함하도록 하는 것을 제안한다.
특히 내열성 금속 소재가 모듈 케이스(150) 내측의 셀 조립체(100)를 향하게 하며, 내열성 금속 소재의 융점이 1400℃ 이상인 것을 사용하면 바람직하다.
도 4 및 도 5에 도시한 본 실시예에서, 커넥터 헤더 바디(230)는, 모듈 케이스(150) 내측의 셀 조립체(100)를 향하는 제1 부분(230a)이 이러한 내열성 금속 소재로 되어 있다. 제1 부분(230a)에 비해 모듈 케이스(150) 외측을 향하는 제2 부분(230b), 본 실시예에서 모듈 케이스(150) 내측과 면접촉하는 부분은, 제1 부분(230a)보다 경량인 경량 금속 소재로 되어 있다.
바람직하기로, 제1 부분(230a)은 스테인레스(SUS 금속) 소재로 되어 있고 제2 부분(230b)은 알루미늄 계열 금속 소재로 되어 있다. 스테인레스(SUS 금속) 소재는 융점이 1400℃ 이상이어서 배터리 모듈(10) 내부에 화염이 발생하여도 쉽게 녹지 않는다. 스테인레스(SUS 금속) 소재는 다른 내열성 금속 소재에 비하여 저렴하다. 스테인레스(SUS 금속) 소재는 경량 금속 소재와 함께 클래드 금속으로 제조하기에도 용이한 가공성을 가지고 있다. 알루미늄은 융점이 660℃여서, 배터리 모듈(10) 외부에서 발생한 고온 관련 이슈에 어느 정도 저항성은 가지면서 매우 가볍다. 그리고 스테인레스(SUS 금속) 소재와 함께 클래드 금속으로 제조하기에도 용이한 가공성을 가지고 있다.
본 발명에 따르면, 커넥터 헤더 바디(230)의 제1 부분(230a)은 비교적 고온의 환경에서도 훼손되지 않은 채로 유지될 수 있다. 예를 들면, 커넥터 헤더 바디(230)에 직접적인 화염이 맞닿는다고 하더라도, 제1 부분(230a)은 용융되지 않으며, 모듈 케이스(150) 반대 편의 커넥터 하우징(220) 측으로 열 전이를 방지할 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230) 전체를 내열성 금속 소재로 하지 않고, 모듈 케이스(150) 내측의 셀 조립체(100)를 향하는 제1 부분(230a)만 이러한 내열성 금속 소재하고 나머지 부분, 즉 모듈 케이스(150) 외측을 향하는 제2 부분(230b)은 제1 부분(230a)보다 경량인 경량 금속 소재로 한다. 이로써, 배터리 모듈(10) 안쪽으로 노출되어 고온/고압에 노출되는 부분은 스테인레스(SUS 금속) 소재 적용하여 내열성을 확보할 수 있다. 배터리 모듈(10) 바깥쪽을 향하는 부분은 알루미늄 계열 금속 소재와 같은 경량 금속 소재로 하여 무게를 경량화한다.
종래의 커넥터는 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)에 대응되는 부분이 플라스틱 사출물로만 구성되어 있어 열폭주시 녹아서 연기 및 화염이 밖으로 노출된다. 플라스틱 사출물보다 융점이 높은 재료, 예를 들어 단일 금속으로 커넥터를 제작한다면 굉장히 무거울 것이다. 무거운 커넥터를 모듈 케이스(150)에 체결하게 되면, 예를 들어 볼트(240)와 같은 체결 수단이 풀려 기밀성 유지를 못하는 문제가 생길 수 있다.
본 발명에서는 고내열성을 가지면서도 경량인 이종복합소재를 적용한 커넥터를 제공함으로써, 열폭주 관련 GB 규격을 만족시킬 수 있으면서 기밀성 및 경량화까지 실현할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 열폭주가 발생하더라도 배터리 모듈의 기밀 구조를 유지하고 고온/고압 환경을 견디는 고내열성 커넥터를 포함한 배터리 모듈이 제공된다. 이종복합소재를 적용하여 단일 금속 대비 무게와 비용을 절감하는 효과도 있다.
본 실시예에서 커넥터 헤더 바디(230)와 커넥터 하우징(220)이 별개 부품인 경우를 설명하였다. 다른 예로, 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)는 일체 성형된 단일 부품일 수도 있다. 내열성 금속 소재와 경량 금속 소재를 포함하는 클래드 금속 원판을 제조한 후 원하는 형태의 커넥터 헤더 바디(230)로 가공하여 커넥터 헤더 바디(230)를 제조할 수 있다. 금형 안에 커넥터 헤더 바디(230)와 커넥터 터미널(210)을 배치한 후, 플라스틱을 녹여 금형에 주입하고 경화시키면 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)와 일체 성형해 제조할 수 있다. 인서트 사출의 방법에 의한다고 할 수 있다. 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)와 일체로 제조하면 별도의 체결부재를 사용하지 않아도 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)간 강한 결속력을 가질 수 있다. 이에 따라, 부품의 수를 줄여 제조 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 체결 작업이 생략될 수 있어, 제조 시간을 단축시키고, 안정적인 결합 구조를 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서 커넥터 부분을 분리해 도시한 사시도이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함될 수 있는 실링 가스켓의 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 배터리 모듈(10)은 모듈 케이스(150)와 커넥터 헤더 바디(230) 사이에 개재되며 1000℃ 이상의 융점을 가지는 실링 가스켓(235)을 더 포함할 수 있다.
모듈 케이스(150)에는 개구부(152)가 형성되어 있고, 커넥터 헤더 바디(230)는 개구부(152) 안쪽에서 실링 가스켓(235)을 개재해 모듈 케이스(150)에 면접촉하면서 개구부(152)를 기밀할 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)에는 볼트(240)가 통과하도록 마련된 체결홀이 형성될 수 있다.
커넥터 헤더 바디(230)에 실링 가스켓(235)과 커넥터 하우징(220)을 결합한 상태로 모듈 케이스(150) 안쪽에서 개구부(152)를 통과하여 커넥터 하우징(220)을 노출시킨 후, 모듈 케이스(150)와 커넥터 헤더 바디(230)를 볼트(240)로 체결할 수 있다. 대신에, 모듈 케이스(150) 안쪽에서 커넥터 헤더 바디(230)와 모듈 케이스(150) 사이에 실링 가스켓(235)을 통해 면접하도록 배치한 후 모듈 케이스(150) 바깥쪽에서 볼트(240) 체결하고, 모듈 케이스(150) 바깥쪽에서 커넥터 하우징(220)을 커넥터 헤더 바디(230)에 결합할 수도 있다.
실링 가스켓(235)은 개구부(152)와 동일한 크기의 중공을 가진 프레임 형상을 가질 수 있다. 실링 가스켓(235)의 외주변은 커넥터 헤더 바디(230)의 외주변과 일치할 수 있다.
실링 가스켓(235)과 커넥터 헤더 바디(230)는 모듈 케이스(150)에 함께 볼트(240) 체결될 수 있다. 참조부호 237은 실링 가스켓(235)에 볼트(240)가 통과하도록 마련된 체결홀이다.
바람직하게, 실링 가스켓(235)은 실리콘 가스켓이다. 실링 가스켓(235)은 배터리 모듈(10) 내의 열 폭주시에도 기밀성을 유지하며, 화염 및 가스가 커넥터(200)를 통하여 배터리 모듈(10) 외부로 노출되지 않도록 하는 효과가 탁월하다.
개구부(152)는 커넥터 하우징(220) 체결에 의해 가려지는 크기일 수 있다. 개구부(152)가 커넥터 하우징(220)보다 커서 커넥터 헤더 바디(230)의 일부가 모듈 케이스(150) 외측에서 보일 수도 있다.
실링 가스켓(235)은 커넥터(200)를 구성하는 부품이라고 볼 수도 있고, 커넥터(200)와 별개의 부품이라고 볼 수도 있다. 이러한 실링 가스켓(235)을 포함하는 배터리 모듈은 배터리 모듈 내에서 화염이 발생하여 이상 고온 상태가 되더라도, 배터리 모듈 외측으로의 화염 확산이 방지되는 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 커넥터 헤더 바디(230)는 비교적 고온의 환경에서도 훼손되지 않은 채로 유지될 수 있다. 커넥터 헤더 바디(230)에 직접적인 화염이 맞닿는다고 하더라도 용융되지 않는다. 실링 가스켓(235)도 비교적 고온의 환경에서도 훼손되지 않은 채로 유지될 수 있다. 실링 가스켓(235)에 직접적인 화염이 맞닿는다고 하더라도 용융되지 않는다. 실링 가스켓(235)은 모듈 케이스(150) 반대 편의 커넥터 하우징(220) 측으로 열 전이를 방지할 수 있다.
종래의 커넥터는 커넥터 하우징(220)과 커넥터 헤더 바디(230)에 대응되는 부분이 플라스틱 사출물로만 구성되어 있어 열폭주시 녹아서 연기 및 화염이 밖으로 노출된다. 실링 가스켓(235)과 같은 실링 부품도 없다. 본 발명에서는 1000℃ 이상의 융점을 가짐으로써 고내열성을 가지는 커넥터 헤더 바디(230)를 포함하는 커넥터(200)와 실링 가스켓(235)을 포함하는 배터리 모듈(10)을 제공함으로써, 열폭주 관련 GB 규격을 만족시킬 수 있으면서 기밀성을 유지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 열폭주가 발생하더라도 배터리 모듈의 기밀 구조를 유지하고 고온/고압 환경을 견디는 배터리 모듈이 제공된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시하는 개략적인 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈, 예를 들어 일 실시예 따른 배터리 모듈(10)을 적어도 하나 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(300)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 수용할 수 있는 팩 케이스(310)를 포함할 수 있다. 아울러, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를 테면, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
배터리 모듈(10)은, 거의 직육면체 상태를 이루어, 배터리 팩 케이스(310) 안에 정연하게 늘어놓을 수 있고 각 배터리 모듈(10)은, 자동차(400)의 주행에 필요한 전력을 확보할 수 있도록 접속되어 있다.
배터리 팩 케이스(310)는 배터리 모듈(10)들을 고정 수납하는 용기이며, 직육면체 상태의 상자이다. 그리고, 이 배터리 팩 케이스(310)는 자동차(400) 내의 소정의 위치에 배설될 수 있다.
바람직하게, 자동차(400)는 전기자동차일 수 있다. 배터리 팩(300)은 전기자동차의 모터에 구동력을 제공하여 자동차(400)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(300)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다.
배터리 팩(300)은 모터 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 브레이크(brake)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 인버터를 통해 자동차(400)의 모터에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 배터리 팩(300)은 상기 자동차 이외에도 이차전지를 이용하는 전력 저장 장치(ESS) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)과 상기 자동차(400)와 같은 상기 배터리 팩(300)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(300) 및 이러한 배터리 팩(300)을 구비하는 자동차(400) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 모듈 내에서 화염이 발생하여 이상 고온 상태가 되더라도, 배터리 모듈 외측으로의 화염 확산이 방지될 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내에서 벤팅 가스가 발생하여 이상 고압 상태가 되더라도, 배터리 모듈의 폭발이 방지될 수 있다.
예를 들어, 모듈 케이스 인접 온도가 대략 600℃(최소 5분) 이상까지 상승하는 경우라도, 본 발명에서 제안하는 바와 같은 커넥터를 포함하는 배터리 모듈은, 고온/고압(100kpa)에 견딜 수 있어, 열 전이가 방지될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이하, 실험예를 설명함으로써 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 10 내지 도 12는 실험을 위해 제작한 커넥터의 사진들로서, 먼저 도 10을 참조하면, 커넥터(200)를 구성하는 커넥터 헤더 바디(230)와 커넥터 터미널(210)이 포함된 커넥터 하우징(220), 그리고 실링 가스켓(235)을 나타내고 있다.
도 11은 커넥터(200)와 실링 가스켓(235)을 조립한 후 커넥터 헤더 바디(230) 쪽에서 촬영한 사진으로, 배터리 모듈의 모듈 케이스 내측의 모습을 나타낸다. 커넥터 헤더 바디(230)의 제1 부분(230a)이 SUS 금속으로 되어 있다. 커넥터 헤더 바디(230)의 제2 부분(230b)은 알루미늄으로 되어 있다. 제1 부분(230a)과 제2 부분(230b)은 클래드 금속인 이종복합소재이다. 클래드 금속의 두께는 6mm로 하였고, 이 중 SUS 금속 두께는 클래드 금속 두께 전체의 10%로 하였다.
도 12는 커넥터(200)와 실링 가스켓(235)을 조립한 후 실링 가스켓(235) 쪽에서 촬영한 사진으로, 배터리 모듈의 모듈 케이스 외측의 모습을 나타낸다. 실링 가스켓(235)은 실리콘 소재로 되어 있다. 실링 가스켓(235)의 두께는 2mm로 하였다.
도 13과 도 14는 커넥터(200) 검증을 위한 테스트 세팅 사진들이다. 모듈 케이스에 커넥터(200)가 장착되는 상황이 연출되도록, 도 13에서와 같이 모듈 케이스(150)와 유사한 알루미늄 재질의 플레이트(150')에 실링 가스켓(235)을 개재하여 커넥터(200)를 장착하였다. 모듈 케이스 내측에서 화염이 발생되는 경우를 모사하기 위하여 플레이트(150') 반대편에서 토치(500)로 가열하여 테스트한다. 테스트시 각 부위의 온도를 체크하기 위하여, 도 14에서와 같이, 화염에 직접 노출되는 부위인 제1 부분(230a)에 가까운 'a' 위치, 커넥터 헤더 바디(230)와 실링 가스켓(235)의 사이에 해당하는 'b' 위치, 실링 가스켓(235)과 플레이트(150')의 사이에 해당하는 'c' 위치에 각각 온도 측정선을 연결하였다.
도 15는 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 도 15에 특정 시점에서 촬영한 커넥터(200)의 사진을 삽입 사진으로 나타내었다.
토치(500)로 화염을 발생시키기 시작한 시간을 그래프 가로축의 0으로 하여 시간 흐름에 따라 a, b, c 위치에서의 온도를 측정해 세로축에 매핑하여 그래프로 나타내었다. a 위치에서의 온도 변화는 화염에 직접 노출되는 부위인 제1 부분(230a)에서의 온도 변화를 나타내는데, 도 15에서 보는 바와 같이 대략 1000℃로 매우 고온이다. 하지만 제1 부분(230a)이 열 전이를 차단함에 따라 커넥터 헤더 바디(230)와 실링 가스켓(235)의 사이에 해당하는 b 위치에서의 온도는 400℃ 가까이로 떨어진다. 나아가, 실링 가스켓(235)이 열 전이를 차단함에 따라 실링 가스켓(235)과 플레이트(150')의 사이에 해당하는 c 위치에서의 온도는 200℃ 이하로 유지되며 5분이 지나서야 400℃ 정도로 올라간다. 이와 같이, 커넥터(200)와 실링 가스켓(235)을 포함시킴에 따라 모듈 케이스 내부에서 화염이 발생하더라도 모듈 케이스 외측으로의 열 전이가 방지되는 효과를 확인할 수 있다.
특히, 시간 흐름에 따른 삽입 사진들을 보면, 내열성 효과가 현저하다.
도 15의 삽입 사진(1)을 참조하면 토치(500)로 가열 후 40초 지난 시점부터 커넥터 하우징(220)의 변형 시작이 관찰되었다. 삽입 사진(2)는 1분 11초 경과시의 사진인데, 커넥터 하우징(220)의 연소가 시작되었다. 이후 삽입 사진(3)에서와 같이 3분 경과 후에 커넥터 하우징(220)의 이탈이 발생되었다. 삽입 사진(4)는 4분 경과 후의 사진으로, 커넥터 하우징(220)이 완전 연소되었지만 플레이트(150') 외부로는 화염 노출이 전혀 없다.
이처럼 본 발명에서 제안하는 바와 같이 이종복합소재로 커넥터(200)를 만든 경우 3분 이후부터 커넥터 하우징(220)의 이탈이 일어나지만, 그렇지 않은 종래의 경우에는 화염 노출 직후 커넥터 하우징 이탈이 즉시 발생하게 된다. 이종복합소재가 아닌 플라스틱 소재로만 이루어져 있기 때문이다. 이종복합소재로 커넥터(200)를 만든 경우 외부로 화염이 노출되지 않지만, 그렇지 않은 경우에는 커넥터 하우징 이탈이 즉시 발생하기 때문에 10초도 지나지 않아 화염이 밖으로 노출되고 만다. 본 발명에 따른 커넥터(200)는 1000℃에서 5분간 화염을 견딜 수 있고 모듈 케이스 외부로 화염 노출 방지되는 효과가 현저하다.
또한, 보통 배터리 모듈 내부에서 화염이 발생되면 100 kpa 정도의 고압 환경이 된다. 이상의 실험예는 플레이트(150')에 커넥터(200)를 장착하여 밀폐되지 않은 상황에서 진행이 되었지만, 커넥터(200)에 1000℃의 화염이 가해지는 상황에서도 내열성 유지가 확인되므로, 본 발명의 커넥터(200)는 화염에 의한 고압도 견딜 수 있을 것임을 충분히 기대할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
10 : 배터리 모듈
100 : 셀 조립체
150 : 모듈 케이스
200 : 커넥터
210 : 커넥터 터미널
220 : 커넥터 하우징
230 : 커넥터 헤더 바디
235 : 실링 가스켓

Claims (20)

  1. 커넥터 터미널;
    상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징; 및
    상기 커넥터 하우징에 결합되고 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재와 상기 내열성 금속 소재에 비하여 경량인 경량 금속 소재를 포함하는 이종복합소재로 이루어진 커넥터 헤더 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 커넥터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 커넥터 하우징에서 상대적으로 먼 제1 부분이 상기 내열성 금속 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 커넥터 하우징에 인접한 제2 부분이 상기 경량 금속 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 커넥터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 커넥터 하우징에서 상대적으로 먼 제1 부분이 스테인레스(SUS 금속) 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 커넥터 하우징에 인접한 제2 부분은 알루미늄 계열 금속 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 커넥터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이종복합소재는 클래드 금속(clad metal)인 것을 특징으로 하는 커넥터.
  5. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 셀 조립체;
    상기 셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스에 장착되는 커넥터를 포함하고,
    상기 커넥터는,
    상기 배터리 셀과 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 터미널;
    상기 커넥터 터미널을 감싸는 커넥터 하우징; 및
    상기 커넥터 하우징에 결합되고 상기 모듈 케이스에 적어도 일부가 삽입되어 상기 모듈 케이스에 장착이 되며 1000℃ 이상의 융점을 가지는 내열성 금속 소재와 상기 내열성 금속 소재에 비하여 경량인 경량 금속 소재를 포함하는 이종복합소재로 이루어진 커넥터 헤더 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하는 제1 부분이 상기 내열성 금속 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 모듈 케이스 외측을 향하는 제2 부분이 상기 경량 금속 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제5에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하는 제1 부분이 스테인레스(SUS 금속) 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 모듈 케이스 외측을 향하는 제2 부분은 알루미늄 계열 금속 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제5항에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 내열성 금속 소재가 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하고 있으며 상기 내열성 금속 소재의 융점이 1400℃ 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제5항에 있어서, 상기 이종복합소재는 클래드 금속인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제5항에 있어서, 상기 모듈 케이스에 개구부가 형성되어 있고, 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 개구부 안쪽에서 상기 모듈 케이스에 면접촉하면서 볼트 체결되어 상기 개구부를 기밀하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 커넥터 헤더 바디는, 상기 모듈 케이스 내측 상기 셀 조립체를 향하는 제1 부분이 상기 내열성 금속 소재로 되어 있고 상기 제1 부분에 비해 상기 모듈 케이스 외측을 향하는 제2 부분이 상기 경량 금속 소재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제5항에 있어서, 상기 커넥터 하우징은 상기 커넥터 헤더 바디에 강제 압입 또는 후크 타입 체결로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제5항에 있어서, 상기 커넥터 하우징과 상기 커넥터 헤더 바디는 일체 성형된 단일 부품인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제5항에 있어서, 상기 모듈 케이스와 커넥터 헤더 바디 사이에 개재되며 1000℃ 이상의 융점을 가지는 실링 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제14항에 있어서, 상기 모듈 케이스에 개구부가 형성되어 있고, 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 개구부 안쪽에서 상기 실링 가스켓을 개재해 상기 모듈 케이스에 면접촉하면서 상기 개구부를 기밀하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제15항에 있어서, 상기 실링 가스켓은 상기 개구부와 동일한 크기의 중공을 가진 프레임 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  17. 제14항에 있어서, 상기 실링 가스켓과 상기 커넥터 헤더 바디는 상기 모듈 케이스에 볼트 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  18. 제14항에 있어서, 상기 실링 가스켓은 실리콘 가스켓인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  19. 제5항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제19항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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