WO2024053884A1 - 절연층을 포함하는 인터 모듈 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

절연층을 포함하는 인터 모듈 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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WO2024053884A1
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inter
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an intermodule busbar including an insulating layer and a battery pack including the same. Specifically, it relates to an intermodule busbar and a battery pack including the same, which can prevent short circuit even when in contact with the surrounding area because the insulation is maintained even if a fire occurs inside the battery pack.
  • lithium secondary batteries with high energy density per weight are used as an energy source for not only mobile devices such as cell phones, tablets, Bluetooth earphones, and electronic cigarettes, but also medium-to-large devices such as electric bicycles, electric kickboards, and electric vehicles.
  • lithium secondary batteries As the types of devices that use lithium secondary batteries as an energy source expand, the application of lithium secondary batteries is also expanding to devices that require high capacity and high output.
  • inter-module bus bars are widely used as an electrical connection between battery cells and between battery modules in the battery module and battery pack.
  • the intermodule busbar can stably transmit large currents even with a relatively small thickness compared to cables, so it is suitable for use as a means of transmitting large currents.
  • the inter-module busbar has a metal plate containing copper or aluminum with excellent electrical conductivity placed inside, and the rest of the outer surface of the metal plate except for both ends of the metal plate where a bond is formed to ensure electrical insulation. It can be used in the form of covering the part with a tube or injection molded material.
  • Figure 1 shows a perspective view showing a conventional intermodule busbar before and after being damaged by fire.
  • FIG. 1 shows the structure of the inter-module bus bar and a state in which the inter-module bus bar is damaged due to a fire.
  • a conventional inter module busbar includes a metal plate 110 made of an electrically conductive material, an insulating tape 120 surrounding the outer surface of the metal plate 110 except for both ends, and an insulating tape ( 120) Includes a silicone tube 130 added to the outer surface.
  • the insulating tape 120 and the silicone tube 130 are made of an electrically insulating material, insulation can be secured for components other than devices coupled to both ends of the inter module busbar.
  • the heat energy of the battery cell is transferred to the surrounding battery cells, causing a fire. If the silicone tube 130 of the inter-module busbar connecting the battery modules is damaged due to a fire in the battery cell, the insulating tape 120 may open and the metal plate 110 inside may be exposed.
  • a short circuit may occur, and such an internal short circuit may form an electrically closed circuit inside the battery pack, which may accelerate the thermal runaway phenomenon inside the battery pack.
  • Patent Document 1 includes a metal bar formed of a metal material, an insulating tube covering the remaining portion except for both ends of the metal bar, a fire prevention tape surrounding the metal bar inside the insulating tube, and a fire-resistant material.
  • a bus bar that is interposed between the insulating tube and the fire prevention tape and includes a bandage member that wraps the fire prevention tape and secures it to the metal bar.
  • Patent Document 1 states that even if the insulating tube is lost due to a fire, the bandage member can strongly secure the fire prevention tape, thereby preventing a short circuit by preventing the metal bar from directly contacting surrounding metal objects.
  • Patent Document 2 discloses a bus bar including a metal bar made of a metal material, a bandage member surrounding the remaining portion except for both ends of the metal bar, and an insulating tube surrounding the metal bar and the bandage member together.
  • Patent Document 2 states that since the bandage member on the surface of the metal bar remains attached to the surface of the metal bar even when a fire occurs, the metal bar does not directly contact surrounding metal objects, thereby preventing a short circuit.
  • bus bars of Patent Document 1 and Patent Document 2 additionally include a bandage member, the thickness and weight of the bus bar may increase.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2021-0050983 (2021.05.10)
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2021-0141095 (2021.11.23)
  • the present invention is designed to solve the above-mentioned problem, because even if the second insulating layer on the outer surface is ceramicized and cracked in the event of a fire, the metal plate inside is not exposed, causing a short circuit due to contact with surrounding metal objects.
  • the purpose is to provide an inter-module busbar that can prevent
  • the inter-module bus bar according to the present invention for achieving this purpose includes a metal plate for electrical connection, a first insulating layer surrounding at least a portion of the metal plate and having high temperature expansion properties, and an additional layer on the first insulating layer. and may include a second insulating layer that is ceramicized at high temperature.
  • the first insulating layer may include expandable flame retardant silicon.
  • the second insulating layer is a group consisting of highly heat-resistant silicone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyphthalamide, polyamide, polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, acrylic fiber, and polybenzimidazole. It may include one or more types selected from.
  • the temperature at which the second insulating layer becomes ceramic may be at least 1,200°C.
  • the first insulating layer expands and is inserted between the cracks to fill the space within the crack.
  • the metal plates inside the first insulating layer and the second insulating layer may not be exposed.
  • the first and second insulating layers are not added to both ends of the metal plate, and the metal plate is exposed to form an electrical connection.
  • the electrical connection unit may be configured to have one or more connection openings.
  • the present invention includes a battery pack in which battery modules are electrically connected using the inter-module bus bar.
  • the battery pack includes a battery pack housing that accommodates two or more battery modules, a pack frame that arranges the battery modules in an internal space to fix the positions of the battery modules, and an inter-module bus bar that electrically connects the battery modules.
  • the inter-module bus bar includes a first insulating layer and a second insulating layer disposed on the upper surface of the pack frame, and electrical connections at both ends to which the first insulating layer and the second insulating layer are not added are connected to the battery. It can be combined with the connectors of modules.
  • the metal plate When the ceramicization of the second insulating layer progresses and the first insulating layer expands due to an increase in the temperature of the pack frame, the metal plate is not exposed and is in an insulating state while the inter module bus bar is in contact with the pack frame. It can be maintained.
  • the present invention can also be provided in various combinations of means for solving the above problems.
  • the first insulating layer which has the property of expanding at high temperature, is between the cracks of the second insulating layer. Because it penetrates and fills the gap, it prevents the metal plate from being exposed.
  • Figure 1 is a perspective view showing a conventional intermodule busbar before and after being damaged by fire.
  • Figure 2 is a plan view and vertical cross-sectional view of an inter module bus bar according to the present invention.
  • Figure 3 is a vertical cross-sectional view showing the inter module bus bar according to the present invention before and after being damaged by fire.
  • FIG. 4 is a perspective view of a battery pack including the inter module bus bar of FIG. 2.
  • the inter-module bus bar according to the present invention is a type of bus bar used as an electrical connection means, and refers to being used as a means to connect battery modules disposed in a battery pack.
  • the length of the inter-module bus bar can be determined by considering the distance of the battery module to be connected, and the width and thickness can be determined by considering the amount of current and resistance to be passed.
  • the shape of the inter-module bus bar can be manufactured considering the position of the battery module connector, such as a shape bent upward or downward parallel to the full width, an L-shape bent at 90 degrees in the plane, and a shape in the plane at both ends. It can be configured in various shapes, such as a ⁇ shape bent at 90 degrees and a ⁇ shape.
  • both ends of the inter-module busbar are used as connection parts for coupling with external devices, they are provided with a structure for connection, such as forming fastening holes for fastening bolts.
  • FIG. 2 is a plan view and a vertical cross-sectional view of an inter module bus bar according to the present invention.
  • the cross-section along A-A in the top view of FIG. 2 is shown as a vertical cross-sectional view at the bottom of FIG. 2.
  • the inter module bus bar 200 includes a metal plate 210 for electrical connection, a first insulating layer 220 that surrounds at least a portion of the metal plate 210 and has high temperature expansion properties, and a first insulating layer. It is added on the layer 220 and includes a second insulating layer 230 that is ceramicized at a high temperature.
  • the first and second insulating layers 220 and 230 are not added to both ends of the metal plate 210 and the metal plate 210 is exposed to form the electrical connection portion 240.
  • the electrical connection portion 240 has one or more connection openings 241 formed therein.
  • One of the electrical connections 240 formed at both ends of the inter-module bus bar 200 may be connected to the positive connector of the first battery module, and the other may be connected to the negative connector of the second battery module. Specifically, when bolting work using bolts and nuts is performed to connect to the connector of the battery module, the inter module bus bar 200 and the first The battery module and the second battery module may be connected.
  • the second insulating layer 230 constitutes the outermost surface directly contacted by the flame in the event of a fire, it is made of highly heat-resistant silicon, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyphthalamide, polyamide, polysulfone, and polyether. It may include one or more selected from the group consisting of sulfone, polyetherimide, acrylic fiber, and polybenzimidazole.
  • the second insulating layer 230 may be highly heat-resistant silicon that becomes ceramic and generates small cracks when exposed to flame or high-temperature gas.
  • the highly heat-resistant silicon typically exhibits the performance of a silicone resin at room temperature, but at high temperatures, it is converted into a ceramic structure and has ceramic properties, thereby maintaining a certain strength and providing impact resistance.
  • the second insulating layer 230 may be made of a material that has the property of being ceramicized at high temperatures. For example, it may be ceramicized at a temperature of at least 1,200°C.
  • the second insulating layer can maintain its shape and exhibit heat resistance against flame. However, above 1,200°C, it may become ceramic and cracks may occur.
  • the second insulating layer is ceramicized by the gas or flame emitted from the battery cell, but maintains its shape. You can.
  • the first insulating layer 220 may include expandable flame retardant silicon that has the property of expanding at high temperatures.
  • the thermal expansion temperature of the first insulating layer 220 may be higher than the temperature at which the second insulating layer 230 is ceramicized.
  • the second insulating layer becomes ceramic and cracks occur.
  • the first insulating layer with high temperature expandability The insulating layer expands to fill the gaps between the cracks. In this way, the metal plate is not exposed to the outside in the part where the first and second insulating layers of the inter module busbar are added, so insulation can be secured.
  • Figure 3 is a vertical cross-sectional view showing the inter module bus bar according to the present invention before and after being damaged by fire.
  • Figure 3 shows the process in which an inter-module busbar is damaged by fire in three stages, progressing with time from top to bottom.
  • FIG. 3 it is a vertical cross-sectional view of the inter module bus bar 200 in a normal state without a fire, and the outer surface of the innermost metal plate 210 is a first insulating layer (high-temperature expandable). 220), and a second insulating layer 230 that is ceramicized at a high temperature are sequentially surrounded.
  • first insulating layer high-temperature expandable
  • second insulating layer 230 that is ceramicized at a high temperature
  • a fire occurs in a battery cell and flame or high-temperature gas is transmitted to the inter module bus bar, causing ceramicization of the outermost second insulating layer 230 to proceed and the first insulating layer ( A crack was generated connecting 220) and the outer side of the second insulating layer 230.
  • the second insulating layer 230 becomes ceramic as the temperature increases and cracks occur, when high-temperature gas and flame are transmitted to the first insulating layer 220 through the crack, the second insulating layer 230 becomes ceramic when the temperature increases. 1
  • the insulating layer 220 expands and is inserted between the cracks to fill the space within the crack.
  • the first insulating layer 220 expands to fill the gap between the cracks in the second insulating layer 230, so that the first insulating layer 220 and the second insulating layer (220) are separated from the inter module bus bar.
  • the portion to which 230) is added may not communicate with the outer surface of the second insulating layer 230 and may remain surrounded by the first insulating layer 220 and the second insulating layer 230.
  • FIG. 4 is a perspective view of a battery pack including the inter module bus bar of FIG. 2.
  • the battery pack shown in FIG. 4 is configured so that a plurality of battery modules 301 are electrically connected through an inter-module bus bar 200 according to the present invention.
  • Figure 4 shows a battery pack including 9 battery modules, but this is only an example for explanation.
  • the layout and number of battery modules constituting the battery pack, and the interconnection used to connect the battery modules are shown in Figure 4.
  • the coupling position and shape of the module busbar are not limited to this.
  • the battery pack 300 includes a battery pack housing 320 that accommodates two or more battery modules 301, and a battery pack housing 320 partitioned inside for fixing the positions of the battery modules 301. It includes a pack frame 310 for arranging battery modules in a space, and an inter-module bus bar 200 for electrically connecting the battery modules 301, and the inter-module bus bar 200 includes a first insulating layer and a first insulating layer.
  • the second insulating layer 230 is disposed on the upper surface 311 of the pack frame, and the electrical connections at both ends of the metal plate 210 to which the first and second insulating layers 230 are not added are connected to the battery module. It is combined with the connector of field 301.
  • the second insulating layer 230 of the inter module bus bar 200 is arranged to contact the pack frame 310, so the battery pack 300 In the normal state, insulation between the inter module bus bar 200 and the pack frame 310 can be secured.
  • the position where the inter-module bus bar is placed is not the upper surface of the pack frame 310, and the inter-module bus bar is placed in contact with the parts that make up the battery pack and are made of an electrically conductive metal material. Even when deployed, in the event of a fire in the battery pack, insulation can be maintained between the inter module busbar and the components made of the electrically conductive metal material.
  • the first and second insulating layers added to the metal plate are not lost and remain added to the outer surface of the metal plate. Additionally, because the expanded first insulating layer fills cracks that occur in the second insulating layer, the metal plate may not be exposed to the outside. Therefore, the insulation state can be maintained even if the inter-module busbar is in contact with adjacent metal parts.

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Abstract

본원발명은 전기적인 연결을 위한 메탈 플레이트, 상기 메탈 플레이트의 적어도 일부를 감싸며 고온 팽창성이 있는 제1절연층, 및 상기 제1절연층 상에 부가되며 고온에서 세라믹화 되는 제2절연층을 포함하는 인터 모듈 버스바에 대한 것으로, 화재 발생시 버스바 내부에 있는 메탈 플레이트가 노출되지 않기 때문에, 상기 메탈 플레이트의 접촉에 의한 단락을 방지할 수 있다. (대표도) 도 2

Description

절연층을 포함하는 인터 모듈 버스바 및 이를 포함하는 전지팩
본 출원은 2022년 9월 5일자 한국 특허 출원 제 2022-0111786 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원발명은 절연층을 포함하는 인터 모듈 버스바 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것이다. 구체적으로, 전지팩 내부에서 화재가 발생하더라도 절연 상태가 유지되기 때문에, 주변부와 접촉하더라도 단락을 방지할 수 있는 인터 모듈 버스바 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것이다.
화석연료의 사용에 따른 대기오염 문제를 해결하고, 대체에너지로 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 예를 들어, 중량 당 에너지밀도가 높은 리튬 이차전지는 핸드폰, 태블릿, 블루투스 이어폰, 전자담배 등의 모바일 기기뿐만 아니라 전기자전거, 전기킥보드, 전기자동차류와 같은 중대형 장치의 에너지원으로도 사용되고 있다.
이와 같이 리튬 이차전지를 에너지원으로 사용하는 디바이스의 종류가 확대되면서 고용량 및 고출력을 필요로 하는 디바이스에도 리튬 이차전지의 적용이 확대되고 있다.
이와 같은 추세에 따라, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 전지모듈 형태 및 상기 전지모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 전지팩 형태의 제조 및 사용이 증가하고 있다.
한편, 상기 전지모듈 및 전지팩에서 전지셀들 간의 전기적 연결 및 전지모듈들 간의 전기적 연결 수단으로 인터 모듈 버스바가 널리 사용되고 있다. 상기 인터 모듈 버스바는 케이블에 비해 상대적으로 작은 굵기로도 대전류를 안정적으로 흘려보낼 수 있으므로, 대전류 통전 수단으로 이용하기 적합하다.
일반적으로, 인터 모듈 버스바는 전기 전도율이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함하는 메탈 플레이트를 내부에 배치하고, 상기 메탈 플레이트의 외면 중 전기 절연성을 확보하기 위하여 결합이 형성되는 메탈 플레이트의 양측 단부를 제외한 나머지 부분을 튜브나 사출물로 피복하는 형태로 사용할 수 있다.
이와 관련하여, 도 1은 종래의 인터 모듈 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 사시도를 도시하고 있다.
전지모듈들 간의 전기적인 연결을 위한 용도로서 인터 모듈 버스바를 사용하는 바, 도 1은 인터 모듈 버스바의 구조, 및 화재로 인해 인터 모듈 버스바가 손상된 상태를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 인터 모듈 버스바는 전기전도성 소재로 이루어진 메탈 플레이트(110), 메탈 플레이트(110)의 외면 중 양 끝단을 제외한 나머지 부분을 감싸는 절연 테이프(120), 및 절연 테이프(120) 외면에 부가되는 실리콘 튜브(130)를 포함한다.
절연 테이프(120)와 실리콘 튜브(130)가 전기 절연성 소재로 구성됨으로써, 인터 모듈 버스바의 양 끝단에 결합된 장치 이외의 구성에 대해서는 절연성을 확보할 수 있다.
전지팩 내부에 있는 전지셀의 발화나 폭발이 발생하면 전지셀의 열에너지는 주변에 있는 전지셀로 전달되어 화재가 발생하게 된다. 전지셀의 화재로 인해 전지모듈들을 연결하는 인터 모듈 버스바의 실리콘 튜브(130)가 손상되면, 절연 테이프(120)가 벌어지면서 내부에 있는 메탈 플레이트(110)가 노출될 수 있다.
이와 같이 노출된 메탈 플레이트가 전지팩 구조물과 접촉하면 단락이 일어날 수 있으며, 이와 같은 내부 단락은 전지팩 내부에 전기적 폐회로를 형성할 수 있고, 이는 전지팩 내부의 열폭주 현상을 가속화시킬 수 있다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 금속 소재로 형성되는 금속바, 상기 금속바의 양단부를 제외한 나머지 부분을 피복하는 절연성 튜브, 상기 절연성 튜브의 내부에서 상기 금속바를 감싸는 방화 테이프, 및 내화성 소재로 마련되고 상기 절연성 튜브와 상기 방화 테이프 사이에 개재되며 상기 방화 테이프를 감싸서 상기 금속바에 고정시키는 밴디지 부재를 포함하는 버스바를 개시한다.
특허문헌 1은 화재로 인해 절연성 튜브가 소실되더라도 밴디지 부재가 방화 테이프를 강하게 고정시킬 수 있으므로, 금속바가 주변 금속 물체에 직접 닿지 않도록 하여 단락을 방지할 수 있다.
특허문헌 2는 금속 소재로 형성된 금속바, 상기 금속바의 양단부를 제외한 나머지 부분을 감싸는 밴디지 부재, 및 상기 금속바와 상기 밴디지 부재를 함께 감싸는 절연성 튜브를 포함하는 버스바를 개시한다.
특허문헌 2는 금속바 표면에 있는 밴디지 부재가 화재 발생시에도 금속바 표면에 부착된 상태를 유지하기 때문에, 금속바가 주변 금속 물체에 직접 닿지 않아 단락을 방지할 수 있다.
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 버스바는 밴디지 부재를 추가로 구비하기 때문에, 버스바의 두께 및 무게가 증가될 수 있다.
따라서, 버스바의 외면에 부가된 절연물질이 화재로 인해 소실되더라도 내부에 있는 금속 소재가 노출되는 것을 방지할 수 있으면서, 부피 및 무게 증가를 최소화한 인터 모듈 버스바에 대한 기술이 필요하다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 한국 공개특허공보 제2021-0050983호 (2021.05.10)
(특허문헌 2) 한국 공개특허공보 제2021-0141095호 (2021.11.23)
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 화재 발생시 외표면에 있는 제2절연층이 세라믹화되어 갈라지더라도 내부에 있는 메탈 플레이트가 노출되지 않기 때문에, 주변 금속 물체와 접촉에 따른 단락이 생기는 것을 방지할 수 있는 인터 모듈 버스바를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 인터 모듈 버스바는, 전기적인 연결을 위한 메탈 플레이트, 상기 메탈 플레이트의 적어도 일부를 감싸며 고온 팽창성이 있는 제1절연층, 및 상기 제1절연층 상에 부가되며 고온에서 세라믹화 되는 제2절연층을 포함할 수 있다.
상기 제1절연층은 팽창성 난연실리콘을 포함할 수 있다.
상기 제2절연층은 고내열성의 실리콘, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2절연층이 세라믹화되는 온도는 최소 1, 200 ℃일 수 있다.
상기 제2절연층이 온도 증가시 세라믹화되어 크랙이 생기는 경우에, 상기 제1절연층이 팽창하여 상기 크랙 사이로 삽입되어 상기 크랙 내 공간을 채울 수 있다.
상기 제1절연층의 팽상시, 상기 제1절연층 및 상기 제2절연층 내부에 있는 메탈 플레이트는 노출되지 않을 수 있다.
상기 메탈 플레이트의 양 끝단부는 상기 제1절연층 및 제2절연층이 부가되지 않고 상기 메탈 플레이트가 노출되어 전기적 연결부를 구성할 수 있다.
상기 전기적 연결부는 한 개 이상의 연결용 개구가 형성되어 있는 구성일 수 있다.
본원발명은 상기 인터 모듈 버스바를 이용하여 전지모듈들이 전기적으로 연결된 전지팩을 포함한다.
상기 전지팩은 2개 이상의 전지모듈들을 수용하는 전지팩 하우징, 전지모듈들의 위치 고정을 위하여 내부에 구획된 공간에 전지모듈을 배치하는 팩 프레임, 및 상기 전지모듈들을 전기적으로 연결하는 인터 모듈 버스바를 포함하고, 상기 인터 모듈 버스바는 제1절연층 및 제2절연층이 상기 팩 프레임의 상면에 배치되고, 상기 제1절연층 및 제2절연층이 부가되지 않은 양 끝단의 전기적 연결부는 상기 전지모듈들의 커넥터와 결합할 수 있다.
상기 팩 프레임의 온도 증가로 인해 상기 제2절연층의 세라믹화가 진행되고, 제1절연층이 팽창되는 경우, 상기 인터 모듈 버스바가 상기 팩 프레임과 접촉된 상태에서 메탈 플레이트는 노출되지 않고 절연상태가 유지될 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 인터 모듈 버스바는, 화재 발생시 제2절연층이 세라믹화되어 크랙이 생기더라도 고온에서 팽창하는 성질이 있는 제1절연층이 상기 제2절연층의 크랙 사이로 침투하여 틈을 메우기 때문에 메탈 플레이트가 노출되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 화재 발생시 버스바가 주변 금속 물체와 접촉된 상태가 유지되더라도 절연성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 인터 모듈 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본원발명에 따른 인터 모듈 버스바의 평면도 및 수직 단면도이다.
도 3은 본원발명에 따른 인터 모듈 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 수직 단면도이다.
도 4는 도 2의 인터 모듈 버스바를 포함하는 전지팩의 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
본원발명에 따른 인터 모듈 버스바는, 전기적 연결 수단으로 사용하는 버스바의 일종으로서, 전지팩 내에 배치되는 전지모듈과 전지모듈을 연결하는 수단으로 사용하는 것을 지칭한다.
따라서, 연결하고자 하는 전지모듈의 거리를 고려하여 인터 모듈 버스바의 길이를 결정할 수 있고, 통전되는 전류의 양 및 저항을 고려하여 그 폭 및 두께를 결정할 수 있다.
또한, 인터 모듈 버스바의 형태는 전지모듈의 커넥터의 위치를 고려하여 제작될 수 있는 바, 전폭과 평행하게 상방 또는 하방으로 절곡된 형태, 평면상 90도 절곡된 L자형, 양 끝단에서 평면상 90도 절곡된 ㄷ자형 및 └┓자형 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.
일반적으로 인터 모듈 버스바의 양 끝단 각각은 외부 장치와 결합하기 위한 연결부로 사용되기 때문에, 볼트 체결을 위한 체결홀이 형성되는 등 연결을 위한 구조를 구비하게 된다.
도 2는 본원발명에 따른 인터 모듈 버스바의 평면도 및 수직 단면도로서, 도 2의 상부에 있는 평면도에서 A-A에 따른 단면을 도 2의 하부에 수직 단면도로 도시하였다.
도 2를 참조하면, 인터 모듈 버스바(200)는 전기적인 연결을 위한 메탈 플레이트(210), 메탈 플레이트(210)의 적어도 일부를 감싸며 고온 팽창성이 있는 제1절연층(220), 제1절연층(220) 상에 부가되며 고온에서 세라믹화되는 제2절연층(230)을 포함한다.
메탈 플레이트(210)의 양 끝단부는 제1절연층(220) 및 제2절연층(230)이 부가되지 않고 메탈 플레이트(210)가 노출되어 전기적 연결부(240)를 구성한다.
전기적 연결부(240)는 한 개 이상의 연결용 개구(241)가 형성된 형태이다.
인터 모듈 버스바(200)의 양측 끝단에 형성된 전기적 연결부들(240) 중 어느 하나는 제1전지모듈의 양극 커넥터에 연결되고, 다른 하나는 제2전지모듈의 음극 커넥터에 연결될 수 있다. 구체적으로, 전지모듈의 커넥터와 연결을 위해 볼트 및 너트를 이용한 볼팅 작업이 진행되는 경우, 개구(241)에 볼트를 삽입한 후 너트로 이를 고정하는 방식으로 인터 모듈 버스바(200)와 제1전지모듈 및 제2전지모듈이 연결될 수 있다.
제2절연층(230)은 화재 발생시 화염이 직접적으로 접촉되는 최외측 외면을 구성하기 때문에 고내열성의 실리콘, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제2절연층(230)은 화염이나 고온의 가스에 노출되었을 때 세라믹화되면서 작은 균열이 발생하는 고내열성의 실리콘일 수 있다.
상기 고내열성의 실리콘은 상온에서는 통상적으로 실리콘 수지의 성능을 나타내지만, 고온에서는 세라믹화 구조로 전환되어 세라믹 특성을 갖게 되는 바, 일정한 강도를 유지하면서 내충격성을 갖게 된다.
제2절연층(230)은 고온에서 세라믹화되는 성질이 있는 물질일 수 있으며, 예를 들어, 최소 1,200 ℃ 이상에서 세라믹화될 수 있다.
따라서, 1,200 ℃ 이하에서는 제2절연층은 형태 유지가 가능하고 화염에 대한 내열성능을 발휘할 수 있다. 그러나, 1,200 ℃ 이상에서는 세라믹화되어 크랙이 생길 수 있다.
전지팩 내에 있는 전지셀에서 발화 및 폭발이 발생하여 전지모듈에 결합된 인터 모듈 버스바로 열이 전달되는 경우, 제2절연층은 전지셀에서 방출한 가스나 화염에 의해 세라믹화되지만 그 형태를 유지할 수 있다.
따라서, 종래에 실리콘 튜브를 메탈 플레이트의 외면에 부가하는 경우, 실리콘 튜브가 소실되어 메탈 플레이트가 노출되었던 문제를 방지할 수 있다.
제1절연층(220)은 고온에서 팽창하는 성질이 있는 팽창성 난연실리콘을 포함할 수 있다.
제1절연층(220)의 열팽창 온도는 제2절연층(230)이 세라믹화되는 온도 보다 높을 수 있다.
즉, 화재 발생으로 인해 고온 환경이 되면, 제2절연층이 세라믹화되어 크랙이 발생하게 되는데, 상기 크랙을 통해 화염이나 벤팅 가스가 침투하여 제1절연층과 접촉하면, 고온 팽창성이 있는 제1절연층이 팽창하여 상기 크랙의 틈 사이를 채우게 된다. 이와 같이, 인터 모듈 버스바의 제1절연층 및 제2절연층이 부가된 부분에서는 메탈 플레이트가 외부로 노출되지 않기 때문에 절연성을 확보할 수 있다.
도 3은 본원발명에 따른 인터 모듈 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 수직 단면도이다.
도 3은 인터 모듈 버스바가 화재로 인해 손상되는 과정을 3단계로 도시하고 있는 바, 위에서 아래 방향으로 시간의 흐름이 진행되고 있다.
도 3의 첫번째 도면을 참조하면, 화재가 발생하지 않은 정상 상태의 인터 모듈 버스바(200)의 수직 단면도로서, 최내측에 있는 메탈 플레이트(210)의 외면을 고온 팽창성이 있는 제1절연층(220), 및 고온에서 세라믹화되는 제2절연층(230)이 순차적으로 감싸고 있다.
도 3의 두번째 도면을 참조하면, 전지셀에서 화재가 발생하여 인터 모듈 버스바로 화염이나 고온의 가스가 전달되어, 최외측에 있는 제2절연층(230)의 세라믹화가 진행되고 제1절연층(220)과 제2절연층(230)의 외측이 연통되는 크랙이 발생하였다.
도 3의 세번째 도면을 참조하면, 제2절연층(230)이 온도 증가시 세라믹화되어 크랙이 생기는 경우에, 크랙을 통해 고온의 가스 및 화염이 제1절연층(220)으로 전달되면, 제1절연층(220)은 팽창하여 크랙 사이로 삽입되어 크랙 내 공간을 채우게 된다.
이와 같이, 제1절연층(220)이 팽창하여 제2절연층(230)에 생긴 크랙 사이의 틈을 메우게 되기 때문에, 인터 모듈 버스바에서 제1절연층(220) 및 제2절연층(230)이 부가된 부분은 제2절연층(230)의 외면과 연통되지 않고 제1절연층(220) 및 제2절연층(230)이 감싸고 있는 상태가 유지될 수 있다.
따라서, 화재 발생으로 인해 제2절연층이 세라믹화되고 제1절연층이 팽창하는 경우, 제1절연층 및 제2절연층 내부에 있는 메탈 플레이트 부분은 노출되지 않게 된다.
도 4는 도 2의 인터 모듈 버스바를 포함하는 전지팩의 사시도이다.
도 4에 도시된 전지팩은 본원발명에 따른 인터 모듈 버스바(200)를 통해 복수의 전지모듈들(301)이 전기적으로 연결되도록 구성하고 있다. 도 4에서는 9개의 전지모듈들을 포함하는 전지팩을 도시하고 있으나, 이는 설명을 위한 하나의 예시일 뿐, 전지팩을 구성하는 전지모듈의 배치 형태 및 개수, 그리고 전지모듈들을 연결하기 위해 사용된 인터 모듈 버스바의 결합 위치 및 형태는 이에 한정되지 않는다.
도 4를 참조하면, 본원발명에 따른 전지팩(300)은 2개 이상의 전지모듈들(301)을 수용하는 전지팩 하우징(320), 전지모듈들(301)의 위치 고정을 위하여 내부에 구획된 공간에 전지모듈을 배치하는 팩 프레임(310), 및 전지모듈들(301)을 전기적으로 연결하는 인터 모듈 버스바(200)를 포함하고, 인터 모듈 버스바(200)는 제1절연층 및 제2절연층(230)이 팩 프레임의 상면(311)에 위치하도록 배치되며, 제1절연층 및 제2절연층(230)이 부가되지 않은 메탈 플레이트(210)의 양 끝단의 전기적 연결부는 전지모듈들(301)의 커넥터와 결합하고 있다.
이와 같이, 팩 프레임(310)이 전기전도성의 금속 소재로 구성되더라도 인터 모듈 버스바(200)의 제2절연층(230)이 팩 프레임(310)과 접촉하도록 배치되기 때문에, 전지팩(300)의 정상 상태에서 인터 모듈 버스바(200)와 팩 프레임(310) 간의 절연을 확보할 수 있다.
그러나, 전지팩(300)을 구성하는 전지셀에서 화염이나 고온의 가스가 배출되어 팩 프레임(310)의 온도가 증가되고, 이로 인해 제2절연층(230)의 세라믹화가 진행되며, 제1절연층(220)이 팽창되는 경우, 인터 모듈 버스바(200)가 팩 프레임(310)과 접촉된 상태에 있더라도 절연 상태가 유지될 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 달리, 인터 모듈 버스바가 배치된 위치가 팩 프레임(310)의 상면이 아니고, 그 외에 전지팩을 구성하며 전기 전도성의 금속 소재로 구성된 부품과 접촉하도록 인터 모듈 버스바가 배치되는 경우에도, 전지팩의 화재 발생시 인터 모듈 버스바와 상기 전기 전도성의 금속 소재로 구성된 부품 간에 절연 상태가 유지될 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 화재 발생시에 메탈 플레이트에 부가된 제1절연층 및 제2절연층이 소실되지 않고 메탈 플레이트 외면에 부가된 상태를 유지한다. 또한, 팽창된 제1절연층이 제2절연층에 생기는 크랙을 채우기 때문에, 메탈 플레이트가 외부로 노출되지 않을 수 있다. 따라서, 인터 모듈 버스바가 인접하는 금속 부품과 접촉하고 있더라도 절연 상태가 유지될 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
110, 210: 메탈 플레이트
120: 절연 테이프
130: 실리콘 튜브
200: 인터 모듈 버스바
220: 제1절연층
230: 제2절연층
240: 전기적 연결부
241: 개구
300: 전지팩
301: 전지모듈
310: 팩 프레임
311: 팩 프레임 상면
320: 전지팩 하우징

Claims (11)

  1. 전기적인 연결을 위한 메탈 플레이트;
    상기 메탈 플레이트의 적어도 일부를 감싸며 고온 팽창성이 있는 제1절연층; 및
    상기 제1절연층 상에 부가되며 고온에서 세라믹화되는 제2절연층;
    을 포함하는 인터 모듈 버스바.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연층은 팽창성 난연실리콘을 포함하는 인터 모듈 버스바.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2절연층은 고내열성의 실리콘, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 인터 모듈 버스바.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2절연층이 세라믹화되는 온도는 최소 1,200 ℃인 인터 모듈 버스바.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2절연층이 온도 증가시 세라믹화되어 크랙이 생기는 경우에, 상기 제1절연층이 팽창하여 상기 크랙 사이로 삽입되어 상기 크랙 내 공간을 채우는 인터 모듈 버스바.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1절연층의 팽상시, 상기 제1절연층 및 상기 제2절연층 내부에 있는 메탈 플레이트는 노출되지 않는 인터 모듈 버스바.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 플레이트의 양 끝단부는 상기 제1절연층 및 제2절연층이 부가되지 않고 상기 메탈 플레이트가 노출되어 전기적 연결부를 구성하는 인터 모듈 버스바.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전기적 연결부는 한 개 이상의 연결용 개구가 형성되어 있는 인터 모듈 버스바.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 인터 모듈 버스바를 이용하여 전지모듈들이 전기적으로 연결된 전지팩.
  10. 제9항에 있어서,
    2개 이상의 전지모듈들을 수용하는 전지팩 하우징;
    전지모듈들의 위치 고정을 위하여 내부에 구획된 공간에 전지모듈을 배치하는 팩 프레임; 및
    상기 전지모듈들을 전기적으로 연결하는 인터 모듈 버스바;
    를 포함하고,
    상기 인터 모듈 버스바는 제1절연층 및 제2절연층이 상기 팩 프레임의 상면에 배치되고, 상기 제1절연층 및 제2절연층이 부가되지 않은 양 끝단의 전기적 연결부는 상기 전지모듈들의 커넥터와 결합하는 전지팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 팩 프레임의 온도 증가로 인해 상기 제2절연층의 세라믹화가 진행되고, 제1절연층이 팽창되는 경우, 상기 인터 모듈 버스바가 상기 팩 프레임과 접촉된 상태에서 메탈 플레이트는 노출되지 않고 절연상태가 유지되는 전지팩.
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