WO2024054098A1 - 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

Info

Publication number
WO2024054098A1
WO2024054098A1 PCT/KR2023/013530 KR2023013530W WO2024054098A1 WO 2024054098 A1 WO2024054098 A1 WO 2024054098A1 KR 2023013530 W KR2023013530 W KR 2023013530W WO 2024054098 A1 WO2024054098 A1 WO 2024054098A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bus bar
insulating member
metal plate
insulating
paragraph
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/013530
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
윤선우
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020230118950A external-priority patent/KR20240035365A/ko
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority to EP23863562.7A priority Critical patent/EP4443639A1/en
Priority to CN202380017800.1A priority patent/CN118556342A/zh
Publication of WO2024054098A1 publication Critical patent/WO2024054098A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/209—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for prismatic or rectangular cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/505—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing comprising a single busbar
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/507—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing comprising an arrangement of two or more busbars within a container structure, e.g. busbar modules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/521—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the material
    • H01M50/522—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/584—Means for preventing undesired use or discharge for preventing incorrect connections inside or outside the batteries
    • H01M50/59—Means for preventing undesired use or discharge for preventing incorrect connections inside or outside the batteries characterised by the protection means
    • H01M50/591—Covers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/02—Contact members
    • H01R13/03—Contact members characterised by the material, e.g. plating, or coating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/46—Bases; Cases
    • H01R13/52—Dustproof, splashproof, drip-proof, waterproof, or flameproof cases
    • H01R13/527—Flameproof cases

Definitions

  • the present invention relates to a bus bar with improved flame resistance for connecting battery modules. More specifically, in order to protect a metal plate made of an electrically conductive metal material from the outside, a plurality of insulating members are added to the metal plate to improve flame resistance. It relates to a bus bar and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries that can store the generated electrical energy is increasing due to air pollution caused by the use of fossil fuels and the development of alternative energy due to energy depletion.
  • Secondary batteries that can be charged and discharged are closely used in our daily lives, including in mobile devices, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.
  • lithium secondary batteries which are used as an energy source for various electronic devices that are indispensable in modern society, is increasing due to the increased use and complexity of mobile devices and the development of electric vehicles.
  • a large number of battery cells are deployed in small devices, but battery modules that electrically connect multiple battery cells or battery packs containing multiple such battery modules are used in automobiles, etc.
  • 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.
  • bus bars are widely used as an electrical connection means for the battery modules. Even though the bus bars are relatively thin compared to cables, they can allow large currents to flow stably, so they are useful as a means of carrying large currents.
  • the bus bar may be provided in the form of a metal bar such as copper or aluminum with good electrical conductivity, and for safety, the remaining portion except for both ends of the metal bar connected to the terminal is covered with a tube or injection molding material.
  • the bus bar has a metal plate containing copper or aluminum with excellent electrical conductivity disposed inside, and the remaining portion of the outer surface of the metal plate, excluding the ends on both sides where a bond is formed to ensure electrical insulation, is formed into a tube or It can be used in the form of covering with injection molded material.
  • Figure 1 shows a perspective view showing a conventional bus bar before and after being damaged by fire.
  • FIG. 1 shows the structure of the bus bar and a state in which the bus bar is damaged due to a fire.
  • a conventional bus bar 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. It 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 bus bar.
  • the heat energy of the battery cell is transferred to the surrounding battery cells, causing a fire. If the silicone tube 130 of the bus bar 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.
  • 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 bar of Patent Document 1 and the bus bar of Patent Document 2 additionally include a bandage member, the thickness and weight of the bus bar may increase.
  • the metal bar or metal plate inside can be prevented from being exposed, and the technology for the bus bar can prevent flame spread between battery modules in the event of a fire. This is needed.
  • 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 intended to solve the above problems, and provides a bus bar with improved flame resistance by adding a plurality of insulating members to the outer surface to protect a metal plate formed of an electrically conductive metal material from the outside, and a battery pack including the same.
  • the purpose is to
  • the bus bar according to the present invention includes a metal plate and a plurality of insulating members added to the outer surface of the metal plate, and at least some of the plurality of insulating members may form a chemical bond with the metal plate.
  • the plurality of insulating members include a first insulating member added to the metal plate, and a second insulating member added to surround an outer surface of the first insulating member, and the first insulating member may be an inorganic material.
  • the inorganic material may be an inorganic metal oxide.
  • the inorganic metal oxides include aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), silicon dioxide (SiO 2 ), and zinc oxide. It may be one or more selected from the group consisting of (ZnO), and cerium oxide (CeO 2 ).
  • the first insulating member may be composed of a nano inorganic oxide dispersion.
  • the second insulating member may be ceramicized at high temperature.
  • the second insulating member may be one or more selected from the group consisting of boron-based, phosphorus-based, and silicon-based flame retardant coating agents.
  • the second insulating member may include one or more components selected from the group consisting of magnesium hydroxide (MDH), monoammonium phosphatase (MAP), and aluminum hydroxide (ATH).
  • MDH magnesium hydroxide
  • MAP monoammonium phosphatase
  • ATH aluminum hydroxide
  • the second insulating member is made of fireproof silicone, fireproof plastic, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyphthalamide, polyamide, polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, acrylic fiber, and polybenzimidazole. It may include any one or more selected from the group.
  • the metal plate may be made of an electrically conductive material including copper, aluminum, nickel, gold, silver, or a combination thereof.
  • the plurality of insulating members are in the form of attachable tape, coatable foam, applied slurry with dispersed insulating material, added heat-shrinkable tube, insert molding, or an upper case with a hinge structure or fastening structure, and
  • the lower case may be formed in any of the following forms in which the lower cases are interconnected.
  • the present invention also provides a battery pack in which a plurality of battery modules are electrically connected through the bus bar.
  • the plurality of battery modules are accommodated in a battery pack housing, the battery pack housing has grid-shaped partition walls installed therein, one battery module is located within one grid space, and the bus bar can electrically connect the plurality of battery modules while being disposed across the upper part of the partition.
  • the present invention can also be provided in various combinations of means for solving the above problems.
  • the bus bar according to the present invention can secure insulation even if the bus bar is in contact with a surrounding electrically conductive object in the event of a fire.
  • aluminum oxide which is the first insulating member, is firmly bonded to the metal plate made of Cu at a high temperature by chemically bonding, which has the effect of physically protecting the bus bar.
  • the second insulating member swells and becomes ceramic, which has the effect of maintaining insulating and airtight properties.
  • Figure 1 is a perspective view showing a conventional bus bar before and after being damaged by fire.
  • Figure 2 is a plan view and vertical cross-sectional view of a bus bar according to the present invention.
  • Figure 3 is a vertical cross-sectional view showing the bus bar according to the present invention before and after being damaged by fire.
  • Figure 4 is a perspective view and vertical cross-sectional view of a bus bar connecting two battery modules arranged to pass through a partition.
  • Figure 5 is a perspective view of a battery pack in which a plurality of battery modules are stored in a battery pack housing partitioned by partition walls.
  • the bus bar according to the present invention is a type of bus bar used as an electrical connection means.
  • the inter-module bus bar used in this specification refers to a means used as a means of connecting battery modules placed in a battery pack.
  • ‘Busbar’ can be understood to include the ‘inter module busbar’.
  • the length of the bus bar can be determined by considering the distance between battery modules to be connected, and the width and thickness of the bus bar can be determined by considering the amount of current and resistance to be passed.
  • the shape of the 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 of the bus bar, an L shape bent at 90 degrees in the plane, and a shape that is flat at both ends. It can be configured in various shapes, such as a ⁇ -shape and a ⁇ -shape bent at 90 degrees.
  • each end of the bus bar is used as a connection part for coupling with an external device, it is provided with a structure for connection, such as a fastening hole for fastening bolts.
  • FIG. 2 is a plan view and a vertical cross-sectional view of a 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 bus bar 200 includes a metal plate 210 for electrical connection and a plurality of insulating members added to the outer surface of the metal plate 210.
  • the plurality of insulating members include a first insulating member 220 that surrounds at least a portion of the metal plate 210 and forms a chemical bond with the metal constituting the metal plate 210 in a high temperature environment such as a flame, and a first insulating member. It is added to surround the outer surface of the member 220 and includes a second insulating member 230 that is ceramicized at a high temperature.
  • the bus bar may include a connection structure at both ends to connect battery modules, and may include a metal bar-shaped metal plate made of an electrically conductive metal material and a plurality of insulating members added to portions excluding both ends of the metal plate.
  • the plurality of insulating members may be configured in the form of a plurality of layered structures.
  • the metal constituting the metal plate may be copper, aluminum, nickel, gold, silver, or a combination thereof, and the plurality of insulating members may be any one or more of plastic, inorganic oxide, and non-conductive metal.
  • the first insulating member 220 and the second insulating member 230 are not added on the surface, and the metal plate 210 is exposed to form an electrical connection portion 240.
  • the electrical connection portion 240 has one or more connection openings 241 formed therein.
  • One of the electrical connection parts 240 formed at both ends of the 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 with the connector of the battery module, the bus bar 200 and the first battery module are connected by inserting a bolt into the opening 241 and then fixing it with a nut. And a second battery module may be connected.
  • the temperature at which the first insulating member forms a chemical bond with the metal plate may be 800°C to 1,500°C.
  • the ignition temperature when the battery pack is in an abnormal state is 1,000°C or higher, so when the battery pack is in an abnormal state, the metals constituting the metal plate, especially copper, and the materials constituting the first insulating member, especially aluminum oxide, A chemical bond (221) may be formed between (Al 2 O 3 ).
  • the material formed by a chemical reaction between Cu, a material of the metal plate, and aluminum oxide, a material of the first insulating member, may include one or more compounds of CuAlO 2 and CuAl 2 O.
  • the first insulating member may be an inorganic material, and the inorganic material may be an inorganic metal oxide.
  • the inorganic metal oxides include aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), silicon dioxide (SiO 2 ), and zinc oxide. It may be one or more selected from the group consisting of (ZnO), and cerium oxide (CeO 2 ).
  • the first insulating member may be a nano inorganic oxide dispersion applied to the outer surface of the metal plate.
  • This nano-inorganic oxide dispersion may include any one or more selected from the group consisting of chlorinated alkyd, brominated epoxy resin, aluminum hydroxide, chlorinated paraffin, and antimony oxide.
  • the nano inorganic oxide dispersion may be in the form of one or more additives selected from the group consisting of halogen, phosphorus, nitrogen, minerals, and oxides or in the form of expandable nano fillers.
  • the second insulating member 230 constitutes the outermost surface that directly contacts the flame in the event of a fire, it can be made of fireproof silicon, fireproof plastic, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyphthalamide, polyamide, polysulfone, polyester. It may include any one or more selected from the group consisting of ethersulfone, polyetherimide, acrylic fiber, and polybenzimidazole.
  • the second insulating member 230 may be refractory silicon that becomes ceramic when exposed to flame or high temperature gas.
  • the refractory silicon typically exhibits the performance of a silicone resin at room temperature, but at high temperatures it converts to a ceramic structure and has ceramic properties. This phenomenon of the refractory silicon is referred to as ceramicization in this specification.
  • the refractory silicon maintains its shape without being deformed at high temperatures. Additionally, because it has high flame resistance, it can prevent flames from passing through the refractory silicone.
  • the second insulating member 230 may be a material that has the property of becoming ceramic at high temperatures. For example, if ignition or explosion occurs in a battery cell within a battery module and heat is transferred to the bus bar coupled to the battery module, the second insulating member is ceramicized by the gas or flame emitted from the battery cell, but its shape can be maintained.
  • the second insulating member may include expandable flame-retardant silicone, which has the property of expanding at high temperatures.
  • the second insulating member when a high temperature environment occurs due to a fire, the second insulating member has the characteristic of being ceramicized from the outside and swelling. If the bus bar arranged to penetrate the opening expands, the gap in the opening may be blocked, causing flame or spark. It is possible to block the propagation through the gap in the opening.
  • the metal plate is not exposed to the outside in the part where the first and second insulating members of the bus bar are added, and the first and second insulating members have high heat resistance characteristics, and the bus bar has heat resistance and Insulation can be secured.
  • the first insulating member or the second insulating member may be added in any of the following forms depending on the type of material from which it is composed, and the methods of adding the first insulating member and the second insulating member may be different from each other.
  • it is in the form of a tape that can be attached with an adhesive surface on the inner side, a form of foam that can be coated, applying a slurry with dispersed insulating material, adding a heat-shrinkable tube, insert molding, or a hinge structure or fastening structure. It may be configured in one of two ways: an upper case and a lower case are coupled to each other.
  • Figure 3 is a vertical cross-sectional view showing the bus bar according to the present invention before and after being damaged by fire.
  • Figure 3 shows the process in which a bus bar is damaged by fire in two stages, with time progressing from top to bottom.
  • the drawing above is a vertical cross-sectional view of the bus bar 200 in a normal state in which no fire has occurred, and the outer surface of the innermost metal plate 210 is made of an inorganic metal oxide with insulating properties.
  • the first insulating member 220 and the second insulating member 230, which is ceramicized at high temperature, are sequentially surrounded.
  • a fire occurs in a battery cell and flame or high-temperature gas is transmitted to the bus bar, causing a chemical bond ( 221) can be formed.
  • the second insulating member may exhibit swelling characteristics as ceramicization progresses. Therefore, when the bus bar is disposed to penetrate the opening, the opening may be blocked due to the expansion characteristics of the second insulating member. In this way, if there is a gap in the opening, the gap through which the flame or spark inside the battery module where the fire occurs can escape can be filled by the expanded second insulating member, and the flame can be transmitted to the adjacent battery module through the gap. It can block the propagation of sparks.
  • the second insulating member may be one or more selected from the group consisting of boron-based, phosphorus-based, and silicon-based flame retardant coating agents.
  • the second insulating member may include one or more of magnesium hydroxide (MDH), monoammonium phosphate (MAP), and aluminum hydroxide (ATH).
  • MDH magnesium hydroxide
  • MAP monoammonium phosphate
  • ATH aluminum hydroxide
  • the insulating performance of the second insulating member may be improved by the components described above.
  • the first insulating member 220 prevents short circuiting of the metal plate through a chemical bond 221 with the metal plate, and the second insulating member 230 is ceramicized at a high temperature to ensure high insulation. Even in a high-temperature environment due to a fire, the first insulating member 220 and the second insulating member 230 added to the outside of the metal plate can be maintained in a state surrounding the metal plate, and the bus bar The metal plate inside is not exposed.
  • the first insulating member may be formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). If the battery module ignites in an abnormal state, the first insulating member does not burn out like organic materials such as plastic used as existing general insulating members and can maintain the insulating properties of the bus bar.
  • the internal temperature is over 1,000°C, so chemical bonding between the metal plate made of copper and the first insulating member made of aluminum oxide can proceed.
  • the metal plate and the first insulating member are joined in a state similar to welding.
  • the metal plate is physically protected from surrounding electrical components, thereby preventing the occurrence of additional abnormalities such as short circuits.
  • the second insulating member may be formed of refractory silicon. If ignition proceeds due to an abnormal state of the battery module, the second insulating member does not burn out like organic materials such as plastic used as existing general insulating members and can maintain the insulating properties of the bus bar.
  • the second insulating member When the battery module is in a normal state, the second insulating member surrounds a metal plate made of copper and the first insulating member.
  • the second insulating member has elastic properties when in a normal state, and not only protects the ceramic, which is a brittle first insulating member, but also forms an additional insulating layer on the first insulating member to reinforce the insulating function. .
  • the second insulating member containing refractory silicon undergoes ceramicization from the portion exposed to the outside.
  • expansion characteristics may appear along with ceramicization.
  • the insulating member of the present invention is added by wrapping the first insulating member around the metal plate made of Cu, and the outermost part of the busbar is covered with refractory silicon. It is a structure in which a second insulating member containing material surrounds and supports a metal plate.
  • Figure 4 is a perspective view and vertical cross-sectional view of a bus bar connecting two battery modules arranged to pass through a partition.
  • a partition 330 is formed between two battery modules 301 to prevent flame, and a through hole 302 is formed in the partition to allow the bus bar 200 to pass through. It is done.
  • the bus bar 200 is disposed while penetrating the through hole 302 and electrically connects the two battery modules 301.
  • the second insulating member of the bus bar 200 includes intumescent flame-retardant silicon
  • the second insulating member expands to block the through hole 302. It can prevent bars, flames, and sparks from spreading to adjacent battery modules.
  • the location and size of the partition wall can be set to guide the direction in which flames and sparks generated from the battery module spread.
  • Figure 5 is a perspective view of a battery pack in which a plurality of battery modules are stored in a battery pack housing partitioned by partition walls.
  • the battery pack 300 is configured so that a plurality of battery modules 301 are electrically connected through a bus bar 200 according to the present invention.
  • Figure 5 shows a battery pack including 9 battery modules, but this is only an example for explanation.
  • the arrangement and number of battery modules constituting the battery pack, and the bus used to connect the battery modules are shown in Figure 5.
  • the binding position and shape of the bar are not limited to this.
  • the plurality of battery modules are accommodated in a battery pack housing, and the battery pack housing has grid-shaped partition walls installed therein, and one battery module is located in one grid space.
  • the bus bar is arranged to cross the upper surface 311 of the partition wall 330 and electrically connects the plurality of battery modules.
  • the lattice-shaped partition wall can function as a flame prevention function, so even if ignition occurs in one battery module, it can block flame or sparks from spreading through adjacent battery modules.
  • the bus bar when the bus bar is arranged to cross the upper surface 311 of the partition wall 330, even if the bus bar contacts the parts that make up the battery pack and are made of an electrically conductive metal material on the upper surface 311 of the partition wall 330, , When a fire occurs inside the battery module, the metal plate is not exposed to the outside due to the first and second insulating members, so the insulation state can be maintained between the bus bar and the components made of the electrically conductive metal material.
  • the first and second insulating members added to the metal plate are not lost in the event of a fire and remain attached to the outer surface of the metal plate, so the metal plate may not be exposed to the outside. Accordingly, the insulating state can be maintained even if the busbar is in contact with adjacent metal parts.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

본원발명은 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 외면에 부가되는 복수의 절연부재를 포함하고, 상기 복수의 절연부재 중 적어도 일부는 상기 금속 플레이트와 화학적 결합을 형성하는 버스바에 대한 것으로, 화재발생시에도 절연성이 확보되어 안전성이 향상된다. (대표도) 도 2

Description

내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩
본 출원은 2022년 9월 8일자 한국 특허 출원 제 2022-0114234 호 및 2023년 9월 7일자 한국 특허 출원 제 2023-0118950 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지모듈을 연결하는 내화염성이 향상된 버스바에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 전도성 금속 소재로 형성된 금속 플레이트를 외부로부터 보호하기 위하여 복수의 절연부재가 상기 금속 플레이트에 부가되어 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.
현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 리튬 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지셀을 전기적으로 연결하는 전지모듈 또는 이러한 전지모듈을 다수 구비한 전지팩이 사용된다.
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 전지모듈들의 전기적 연결 수단으로는 버스바가 널리 사용되고 있는데, 상기 버스바는 케이블에 비해 상대적으로 굵기가 얇더라도 대전류를 안정적으로 흐르게 할 수 있어 대전류 통전 수단으로 유용하게 쓰이고 있다.
일반적으로, 버스바는 전기 전도율이 좋은 구리나 알루미늄과 같은 금속바 형태로 제공될 수 있으며, 안전을 위해 터미널에 연결되는 상기 금속바의 양단부를 제외한 나머지 부분을 튜브나 사출물로 피복한다.
구체적으로, 상기 버스바는 전기 전도율이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함하는 메탈 플레이트를 내부에 배치하고, 상기 메탈 플레이트의 외면 중 전기 절연성을 확보하기 위하여 결합이 형성되는 양측 단부를 제외한 나머지 부분을 튜브나 사출물로 피복하는 형태로 사용할 수 있다.
이와 관련하여, 도 1은 종래의 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 사시도를 도시하고 있다.
전지모듈들 간의 전기적인 연결을 위한 용도로서 버스바를 사용하는 바, 도 1은 버스바의 구조, 및 화재로 인해 버스바가 손상된 상태를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 버스바는 전기 전도성 소재로 이루어진 금속 플레이트(110), 금속 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, 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 버스바의 실리콘 튜브(130)가 손상되면, 절연 테이프(120)가 벌어지면서 내부에 있는 금속 플레이트(110)가 노출될 수 있다.
이와 같이 노출된 금속 플레이트가 전기 전도성의 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 1의 버스바 및 특허문헌 2의 버스바는 밴디지 부재를 추가로 구비하기 때문에, 버스바의 두께 및 무게가 증가될 수 있다.
전지팩 내부에 화재가 발생하면, 금속바를 감싸고 있는 튜브나 사출물이 소실되고 이로 인해 금속바가 외부로 노출될 수 있다. 외부로 노출된 금속바가 주변 금속 물체와 접촉하면 쇼트가 발생되는 문제가 있다.
또한, 화재에 강한 내열 절연체를 구비한 버스바만으로는 화염에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 방안이 전무한 실정이다.
따라서, 버스바의 외면에 부가된 절연물질이 화재로 인해 소실되더라도 내부에 있는 금속바 또는 금속 플레이트가 노출되는 것을 방지할 수 있으면서, 화재시 전지모듈간 화염전파를 방지할 수 있는 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 위한 것으로서, 전기 전도성 금속 소재로 형성된 금속 플레이트를 외부로부터 보호하기 위하여 복수의 절연부재를 외면에 부가하여 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원발명에 따른 버스바는 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 외면에 부가되는 복수의 절연부재를 포함하고, 상기 복수의 절연부재 중 적어도 일부는 상기 금속 플레이트와 화학적 결합을 형성할 수 있다.
상기 복수의 절연부재는, 상기 금속 플레이트에 부가되는 제1절연부재, 및 상기 제1절연부재의 외면을 감싸도록 부가되는 제2절연부재를 포함하고, 상기 제1절연부재는 무기물일 수 있다.
상기 무기물은 무기금속산화물일 수 있다.
상기 무기금속산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 제1절연부재는 나노 무기산화물 분산액 형태로 구성될 수 있다.
상기 제2절연부재는 고온에서 세라믹화될 수 있다.
상기 제2절연부재는 붕소계, 인계, 및 규소계 난연코팅제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 제2절연부재는 마그네슘 하이드록사이드(MDH), 모노암모니움 포스페이스(MAP), 및 알루미늄 하이드록사이드(ATH)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
상기 제2절연부재는 내화 실리콘, 내화 플라스틱, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속 플레이트는 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 또는 이들의 결합을 포함하는 전기 전도성을 갖는 소재로 구성될 수 있다.
상기 복수의 절연부재는 부착 가능한 테이프 형태이거나, 코팅 가능한 폼 형태이거나, 절연물질이 분산된 슬러리를 도포하거나, 열수축성 튜브를 부가하거나, 인서트 몰딩을 하거나 또는 힌지 구조 또는 체결 구조가 있는 상부 케이스 및 하부 케이스가 상호 결합되는 형태 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 버스바를 통해 복수의 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩에서, 상기 복수의 전지모듈들은 전지팩 하우징에 수용되어 있고, 상기 전지팩 하우징은 내부에 격자 형태의 격벽이 설치되어 있으며, 한 개의 격자 공간 내에 한 개의 전지모듈이 위치하고, 상기 버스바는 상기 격벽의 상부를 가로지르도록 배치되면서 상기 복수의 전지모듈을 전기적으로 연결할 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 버스바는 화재 발생시 버스바가 주변에 있는 전기 전도성 물체와 접촉된 상태가 되더라도 절연성을 확보할 수 있다.
또한, 제1절연부재인 산화알루미늄이 Cu로 형성된 금속 플레이트와 고온에서 화학적 결합이 이루면서 견고하게 결합되어 버스바를 물리적으로 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제2절연부재의 일부가 부풀어오르면서 세라믹화되면서 절연 및 기밀특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본원발명에 따른 버스바의 평면도 및 수직 단면도이다.
도 3은 본원발명에 따른 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 수직 단면도이다.
도 4는 2개의 전지모듈들을 연결하는 버스바가 격벽을 통과하도록 배치된 상태의 사시도 및 수직 단면도이다.
도 5는 복수의 전지모듈들이 격벽으로 구획된 전지팩 하우징에 수납된 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 버스바는, 전기적 연결 수단으로 사용하는 버스바의 일종으로서, 본 명세서에서 사용하는 인터 모듈 버스바는 전지팩 내에 배치되는 전지모듈과 전지모듈을 연결하는 수단으로 사용하는 것을 지칭하고, '버스바'는 상기 '인터 모듈 버스바'를 포함하는 의미로 이해될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 연결하고자 하는 전지모듈들 간의 거리를 고려하여 버스바의 길이를 결정할 수 있고, 통전되는 전류의 양 및 저항을 고려하여 버스바의 폭 및 두께를 결정할 수 있다.
또한, 버스바의 형태는 전지모듈의 커넥터의 위치를 고려하여 제작될 수 있는 바, 버스바의 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 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 버스바의 평면도 및 수직 단면도로서, 도 2의 상부에 있는 평면도에서 A-A에 따른 단면을 도 2의 하부에 수직 단면도로 도시하였다.
도 2를 참조하면, 버스바(200)는 전기적인 연결을 위한 금속 플레이트(210), 금속 플레이트(210)의 외면에 부가되는 복수의 절연부재를 포함한다.
상기 복수의 절연부재는 금속 플레이트(210)의 적어도 일부를 감싸며 화염발생과 같은 고온환경에서 금속 플레이트(210)를 구성하는 금속과 화학적 결합을 형성하는 제1절연부재(220), 및 제1절연부재(220)의 외면을 감싸도록 부가되며 고온에서 세라믹화되는 제2절연부재(230)을 포함한다.
버스바는 전지모듈들을 연결하기 위해 양단부에 연결용 구조를 포함할 수 있으며, 전기 전도성 금속 소재인 금속바 형태의 금속 플레이트와 상기 금속 플레이트의 양단부를 제외한 부분에 복수의 절연부재가 부가되고, 상기 복수의 절연부재는 복수의 층상 구조 형태로 구성될 수 있다.
상기 금속 플레이트를 구성하는 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 또는 이들의 결합일 수 있으며, 상기 복수의 절연부재는 플라스틱, 무기산화물, 비전도성 금속 중 어느 하나 이상일 수 있다.
금속 플레이트(210)의 양 끝단부는 제1절연부재(220) 및 제2절연부재(230)가 표면상에 부가되지 않고 금속 플레이트(210)가 노출되어 전기적 연결부(240)를 구성한다.
전기적 연결부(240)는 한 개 이상의 연결용 개구(241)가 형성된 형태이다.
버스바(200)의 양측 끝단에 각각 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 버스바(200)와 제1전지모듈 및 제2전지모듈이 연결될 수 있다.
상기 제1절연부재가 상기 금속 플레이트과 화학적 결합을 형성하는 온도는 800℃내지 1,500℃일 수 있다. 일반적으로 전지팩이 이상 상태일 때의 발화온도는 1,000℃ 이상이므로, 전지팩이 이상 상태인 경우에 금속 플레이트를 구성하는 금속, 특히 구리와, 상기 제1절연부재를 구성하는 물질, 특히 산화알루미늄(Al2O3)간의 화학적 결합(221)이 형성될 수 있다.
상기 금속 플레이트의 소재인 Cu와 제1절연부재의 소재인 산화알루미늄 간의 화학반응에 의해 형성되는 물질은 CuAlO2, 및 CuAl2O 중 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
즉, Cu-Al2O3간 화학적 결합이 일어나 CuAlO2, 및/또는 CuAl2O이 형성될 수 있는 바, 금속 플레이트와 제1절연물질의 경계면에서 형성된 이와 같은 물질에 의해 금속 플레이트와 제1절연물질 사이에서 용접면이 형성된 것과 유사하게 견고한 결합이 형성된다. 또한, CuAlO2, 및/또는 CuAl2O로 인해 금속 플레이트가 주변 구성요소들에 대해 물리적으로 보호되어 쇼트 등의 추가적인 이상 현상의 발생을 배제할 수 있다.
상기 제1절연부재는 무기물일 수 있으며, 상기 무기물은 무기금속산화물일 수 있다.
상기 무기금속산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택되는중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 1절연부재는 상기 금속 플레이트의 외면에 도포되는 나노 무기산화물 분산액일 수 있다.
이러한 나노 무기 산화물 분산액은 염소화 알키드, 브롬화 에폭시 수지, 수산화 알루미늄, 염소화 파라핀 및 산화 안티몬으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 무기 산화물 분산액은 할로겐, 인, 질소, 광물, 및 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 첨가제 형태 또는 팽창성 나노 충전재 형태일 수 있다.
제2절연부재(230)는 화재 발생시 화염이 직접적으로 접촉되는 최외측 외면을 구성하기 때문에 내화 실리콘, 내화 플라스틱, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제2절연부재(230)는 화염이나 고온의 가스에 노출되었을 때 세라믹화되는 내화 실리콘일 수 있다.
상기 내화 실리콘은 상온에서는 통상적으로 실리콘 수지의 성능을 나타내지만, 고온에서는 세라믹화 구조로 전환되어 세라믹 특성을 갖게 된다. 상기 내화 실리콘의 이와 같은 현상을 본 명세서에서는 세라믹화라고 명칭한다. 상기 내화 실리콘은 높은 온도에서 형태가 변형되지 않고 유지된다. 또한, 높은 내연성을 갖기 때문에 화염이 내화 실리콘을 통과하지 못하게 할 수 있다.
제2절연부재(230)는 고온에서 세라믹화되는 성질이 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 전지모듈 내에 있는 전지셀에서 발화 및 폭발이 발생하여 전지모듈에 결합된 버스바로 열이 전달되는 경우, 제2절연부재는 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.
한편, 제2절연부재는 고온에서 팽창하는 성질이 있는 팽창성 난연 실리콘을 포함할 수 있다.
즉 화재 발생으로 인해 고온 환경이 되면, 제2절연부재는 외측부터 세라믹화되면서 부풀어오르는 특성을 갖는 바, 개구를 관통하도록 배치된 버스바가 팽창되면 상기 개구의 틈이 막힐 수 있는 바, 화염이나 스파크가 상기 개구의 틈에 의해 전파되는 것을 차단할 수 있다.
따라서 버스바의 제1절연부재 및 제2절연부재가 부가된 부분에서는 메탈 플레이트가 외부로 노출되지 않고, 제1절연부재 및 제2절연부재의 높은 내열 특성을 갖는 바, 상기 버스바는 내열성 및 절연성을 확보할 수 있다.
상기 제1절연부재 또는 제2절연부재는 구성되는 소재의 종류에 따라 다음과 같은 형태 중 어느 하나의 방법으로 부가될 수 있으며, 제1절연부재 및 제2절연부재의 부가 방법은 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 내측면에 접착면이 있어서 부착 가능한 테이프 형태이거나, 코팅 가능한 폼 형태이거나, 절연물질이 분산된 슬러리를 도포하거나, 열수축성 튜브를 부가하거나, 인서트 몰딩을 하거나 또는 힌지 구조 또는 체결 구조가 있는 상부 케이스 및 하부 케이스가 상호 결합되는 형태 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
도 3은 본원발명에 따른 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 수직 단면도이다.
도 3은 버스바가 화재로 인해 손상되는 과정을 2단계로 도시하고 있는 바, 위에서 아래 방향으로 시간의 흐름이 진행되고 있다.
도 3을 참조하면, 위에 있는 도면은, 화재가 발생하지 않은 정상 상태의 버스바(200)의 수직 단면도로서, 최내측에 있는 금속 플레이트(210)의 외면을 절연특성이 있는 무기금속산화물인 제1절연부재(220), 및 고온에서 세라믹화되는 제2절연부재(230)가 순차적으로 감싸고 있다.
도 3의 아래에 있는 도면을 참조하면, 전지셀에서 화재가 발생하여 버스바로 화염이나 고온의 가스가 전달되어, 금속, 특히 구리로 형성된 금속 플레이트와 무기금속산화물인 제1절연부재간의 화학적 결합(221)이 형성될 수 있다.
제2절연부재는 세라믹화가 진행되면서 부풀어 오르는 팽창 특성이 나타날 수 있다. 따라서, 개구를 관통하는 형태로 상기 버스바가 배치되는 경우에는 상기 제2절연부재의 팽창 특성에 의해 상기 개구가 막힐 수 있다. 이와 같이 상기 개구에 틈이 있는 경우에는 화재가 발생한 전지모듈 내부의 화염이나 스파크가 빠져나가는 상기 틈이 팽창된 제2절연부재에 의해 메워질 수 있는 바, 상기 틈을 통해 인접하는 전지모듈로 화염이나 스파크가 전파되는 것을 차단할 수 있다.
상기 제2절연부재는 붕소계, 인계, 및 규소계 난연코팅제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 제2절연부재는 마그네슘 하이드록사이드(MDH, Magnesium Hydroxide), 모노암모니움 포스페이트(MAP, Monoammonium phosphate), 알루미늄 하이드록사이드(ATH, Aluminum hydroxide)중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
상기 제2절연부재는 상기 기재된 성분에 의해 절연성능이 향상될 수 있다.
이와 같이, 제1절연부재(220)은 금속 플레이트와 화학적 결합(221)을 통해 금속 플레이트의 쇼트를 방지하고, 제2절연부재(230)는 고온에서 세라믹화가 진행되어 높은 절연성을 확보할 수 있는 바, 화재발생으로 인해 고온 환경이 되더라도, 금속 플레이트의 외측에 부가된 제1절연부재(220) 및 제2절연부재(230)는 금속 플레이트를 감싸고 있는 상태가 유지될 수 있는 바, 버스바의 내부에 있는 금속 플레이트는 노출되지 않는다.
제1절연부재는 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성될 수 있다. 전지모듈의 이상 상태로 발화가 되면 상기 제1절연부재는 기존의 일반적인 절연부재로 사용되는 플라스틱과 같은 유기물처럼 타서 없어지지 않고 버스바의 절연특성을 유지할 수 있다.
전지모듈이 정상상태에서는, 구리(Cu)로 형성된 금속 플레이트를 포함하는 버스바를 통해 전지모듈들 간 전기적 및 물리적 접속 상태를 형성하고, 버스바에 부가된 복수의 절연부재로 인해 주변에 있는 전장 부품들에 대해서는 절연성을 확보할 수 있다.
전지모듈의 발화상태에서는 내부 온도가 1,000℃ 이상이므로, 구리로 형성된 금속 플레이트와 산화알루미늄으로 구성된 제1절연부재의 화학적 결합이 진행될 수 있다.
Cu-Al2O3간 화학적 결합의 결과, 금속 플레이트와 제1절연부재는 용접과 유사하게 결합된 상태가 된다. 이와 같이, 금속 플레이트 외면에 견고하게 결합된 제1절연부재로 인해 금속 플레이트는 주변 전장부품들에 대해 물리적으로 보호되어 쇼트 등의 추가적인 이상 현상의 발생을 배제할 수 있다.
제2절연부재는 내화 실리콘으로 형성될 수 있다. 전지모듈의 이상 상태로 발화가 진행되면 상기 제2절연부재는 기존의 일반적인 절연부재로 사용되는 플라스틱과 같은 유기물처럼 타서 없어지지 않고 버스바의 절연특성을 유지할 수 있다.
전지모듈이 정상상태에서 상기 제2절연부재는 구리로 형성된 금속 플레이트와 상기 제1절연부재를 감싸고 있는 상태이다. 상기 제2절연부재는 정상 상태일 때 탄성 특성을 갖는 바, 취성이 있는 제1절연부재인 세라믹을 보호할 뿐만 아니라, 제1절연부재 위에 추가 절연층을 형성하여 절연 기능을 보강하는 효과가 있다.
전지모듈의 발화상태에서, 내화 실리콘을 포함하는 제2절연부재는 외부로 노출되는 부분에서부터 세라믹화 현상이 일어난다. 다만, 제2절연부재의 소재에 따라 세라믹화 현상과 함께 팽창특성이 나타날 수 있다.
즉 종래의 버스바 절연부재는 Cu로 형성된 금속 플레이트를 단순 피복했다면, 본 발명의 절연부재는 Cu로 형성된 금속 플레이트의 주변에 제1절연부재가 감싸면서 부가되고, 버스바의 최외곽을 내화 실리콘 소재를 포함하는 제2절연부재가 감싸면서 금속 플레이트를 지지하는 구조이다.
도 4는 2개의 전지모듈들을 연결하는 버스바가 격벽을 통과하도록 배치된 상태의 사시도 및 수직 단면도이다.
도 4를 참조하면, 2개의 전지모듈들(301) 사이에 화염 방지를 위한 격벽(330)이 형성되어 있고, 상기 격벽에는 상기 버스바(200)가 관통할 수 있도록 관통구(302)가 형성되어 있다. 버스바(200)는 관통구(302)를 관통하면서 배치되면서 2개의 전지모듈들(301)을 전기적으로 연결하고 있다.
버스바(200)의 제2절연부재가 팽창성 난연 실리콘을 포함하는 경우에는, 화재 발생으로 인해 버스바의 온도가 증가하는 경우, 상기 제2절연부재가 팽창하여 관통구(302)를 막을 수 있는 바, 화염 및 스파크가 인접하는 전지모듈로 전파되는 것을 방지할 수 있다.
또는, 전지모듈에서 발생한 화염 및 스파크가 확산되는 방향을 유도할 수 있도록, 상기 격벽의 위치 및 크기를 설정할 수 있다.
도 5는 복수의 전지모듈들이 격벽으로 구획된 전지팩 하우징에 수납된 전지팩의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 전지팩(300)은 본원발명에 따른 버스바(200)를 통해 복수의 전지모듈들(301)이 전기적으로 연결되도록 구성하고 있다. 도 5에서는 9개의 전지모듈들을 포함하는 전지팩을 도시하고 있으나, 이는 설명을 위한 하나의 예시일 뿐, 전지팩을 구성하는 전지모듈의 배치 형태 및 개수, 그리고 전지모듈들을 연결하기 위해 사용된 버스바의 결합 위치 및 형태는 이에 한정되지 않는다.
본원발명에 따른 전지팩(300)에서 상기 복수의 전지모듈들은 전지팩 하우징에 수용되어 있고, 상기 전지팩 하우징은 내부에 격자 형태의 격벽이 설치되어 있으며, 한 개의 격자 공간 내에 한 개의 전지모듈이 위치하고, 상기 버스바는 격벽(330)의 상면(311)를 가로지르도록 배치되면서 상기 복수의 전지모듈을 전기적으로 연결하고 있다.
상기 격자 형태의 격벽은 화염 방지 기능을 할 수 있는 바, 어느 하나의 전지모듈에서 발화가 일어나더라도, 인접하는 전지모듈을 통해 화염이나 스파크가 확산되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 버스바가 격벽(330)의 상면(311)을 가로지르도록 배치될 때, 상기 격벽(330)의 상면(311)에서 전지팩을 구성하며 전기 전도성의 금속 소재로 구성된 부품과 버스바가 접촉되더라도, 전지모듈 내부에서 화재 발생시 제1절연부재 및 제2절연부재로 인해 금속 플레이트가 외부로 노출되지 않는 바, 버스바와 상기 전기 전도성의 금속 소재로 구성된 부품 간에 절연 상태가 유지될 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 화재 발생시에 금속 플레이트에 부가된 제1절연부재 및 제2절연부재가 소실되지 않고 금속 플레이트 외면에 부가된 상태를 유지하기 때문에 금속 플레이트가 외부로 노출되지 않을 수 있다. 따라서, 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: 금속 플레이트
120: 절연 테이프
130: 실리콘 튜브
200: 버스바
220: 제1절연부재
221: 화학적 결합
230: 제2절연부재
240: 전기적 연결부
241: 개구
300: 전지팩
301: 전지모듈
302: 관통구
310: 팩 프레임
311: 팩 프레임 상면
320: 전지팩 하우징
330: 격벽

Claims (13)

  1. 금속 플레이트; 및
    상기 금속 플레이트의 외면에 부가되는 복수의 절연부재;
    를 포함하고,
    상기 복수의 절연부재 중 적어도 일부는 상기 금속 플레이트와 화학적 결합을 형성하는 버스바.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 절연부재는,
    상기 금속 플레이트에 부가되는 제1절연부재, 및 상기 제1절연부재의 외면을 감싸도록 부가되는 제2절연부재를 포함하고,
    상기 제1절연부재는 무기물인 버스바.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 무기물은 무기금속산화물인 버스바.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무기금속산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 버스바.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1절연부재는 나노 무기산화물 분산액 형태로 구성되는 버스바.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2절연부재는 고온에서 세라믹화되는 버스바.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2절연부재는 붕소계, 인계, 및 규소계 난연코팅제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 버스바.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2절연부재는 마그네슘 하이드록사이드(MDH), 모노암모니움 포스페이스(MAP), 및 알루미늄 하이드록사이드(ATH)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 버스바.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제2절연부재는 내화 실리콘, 내화 플라스틱, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 버스바.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 플레이트는 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 또는 이들의 결합을 포함하는 전기 전도성을 갖는 소재로 구성되는 버스바.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 절연부재는 부착 가능한 테이프 형태이거나, 코팅 가능한 폼 형태이거나, 절연물질이 분산된 슬러리를 도포하거나, 열수축성 튜브를 부가하거나, 인서트 몰딩을 하거나 또는 힌지 구조 또는 체결 구조가 있는 상부 케이스 및 하부 케이스가 상호 결합되는 형태 중 어느 하나로 구성되는 버스바.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 버스바를 통해 복수의 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 전지모듈들은 전지팩 하우징에 수용되어 있고,
    상기 전지팩 하우징은 내부에 격자 형태의 격벽이 설치되어 있으며,
    한 개의 격자 공간 내에 한 개의 전지모듈이 위치하고,
    상기 버스바는 상기 격벽의 상부를 가로지르도록 배치되면서 상기 복수의 전지모듈을 전기적으로 연결하는 전지팩.
PCT/KR2023/013530 2022-09-08 2023-09-08 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 WO2024054098A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP23863562.7A EP4443639A1 (en) 2022-09-08 2023-09-08 Busbar having improved flame resistance, and battery pack including same
CN202380017800.1A CN118556342A (zh) 2022-09-08 2023-09-08 具有改进的阻燃性的汇流条和包括该汇流条的电池组

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2022-0114234 2022-09-08
KR20220114234 2022-09-08
KR10-2023-0118950 2023-09-07
KR1020230118950A KR20240035365A (ko) 2022-09-08 2023-09-07 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024054098A1 true WO2024054098A1 (ko) 2024-03-14

Family

ID=90191593

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/013530 WO2024054098A1 (ko) 2022-09-08 2023-09-08 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4443639A1 (ko)
WO (1) WO2024054098A1 (ko)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970004548A (ko) * 1995-06-13 1997-01-29 김광호 음색별 증폭 기능 및 주파수 필터링 기능을 갖는 보청전화
KR20160054117A (ko) * 2014-11-05 2016-05-16 현대자동차주식회사 알루미늄 버스바 및 그 제조방법
KR20210050983A (ko) 2019-10-29 2021-05-10 주식회사 엘지화학 화재 안전성이 우수한 버스바
KR20210141095A (ko) 2020-05-15 2021-11-23 주식회사 엘지에너지솔루션 화재 안전성이 우수한 버스바
KR20220048212A (ko) * 2020-10-12 2022-04-19 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스
KR20220076515A (ko) * 2019-11-15 2022-06-08 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 이차 배터리, 배터리 모듈 및 장치
KR20220114234A (ko) 2021-02-08 2022-08-17 경희대학교 산학협력단 장내 마이크로바이옴을 활용한 우울 불안 장애 진단 방법
KR20230118950A (ko) 2020-12-22 2023-08-14 노벨리스 인크. 알루미늄 캐스팅에서 주형의 가스 흐름을 제어하는시스템들 및 방법들

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970004548A (ko) * 1995-06-13 1997-01-29 김광호 음색별 증폭 기능 및 주파수 필터링 기능을 갖는 보청전화
KR20160054117A (ko) * 2014-11-05 2016-05-16 현대자동차주식회사 알루미늄 버스바 및 그 제조방법
KR20210050983A (ko) 2019-10-29 2021-05-10 주식회사 엘지화학 화재 안전성이 우수한 버스바
KR20220076515A (ko) * 2019-11-15 2022-06-08 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 이차 배터리, 배터리 모듈 및 장치
KR20210141095A (ko) 2020-05-15 2021-11-23 주식회사 엘지에너지솔루션 화재 안전성이 우수한 버스바
KR20220048212A (ko) * 2020-10-12 2022-04-19 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스
KR20230118950A (ko) 2020-12-22 2023-08-14 노벨리스 인크. 알루미늄 캐스팅에서 주형의 가스 흐름을 제어하는시스템들 및 방법들
KR20220114234A (ko) 2021-02-08 2022-08-17 경희대학교 산학협력단 장내 마이크로바이옴을 활용한 우울 불안 장애 진단 방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP4443639A1 (en) 2024-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021002626A1 (ko) 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치
WO2021194059A1 (ko) 소화용 마이크로캡슐을 함유한 소화필름이 구비된 배터리 팩
WO2022004997A1 (ko) 화재 억제를 위한 격벽과 단열층이 구비된 전지 모듈
WO2021145706A1 (ko) 방염 시트를 구비한 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 랙, 및 전력 저장 시스템
WO2021141345A1 (ko) 안전성이 향상된 배터리 팩
WO2021071138A1 (ko) 단열부재를 포함하는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩
WO2021075780A1 (ko) 배터리 팩 및 전자 디바이스 및 자동차
WO2020022678A1 (ko) 도포 방지부가 구비된 셀 프레임을 포함하는 이차전지 팩
WO2022108291A1 (ko) 열확산 억제 구조를 포함하는 전지팩
WO2024054098A1 (ko) 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩
WO2024053884A1 (ko) 절연층을 포함하는 인터 모듈 버스바 및 이를 포함하는 전지팩
WO2024039133A1 (ko) 소화액체가 포함된 인터-모듈 버스바
KR20240035365A (ko) 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩
WO2024215021A1 (ko) 배터리 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템
WO2024076098A1 (ko) 방화벽을 포함하는 버스바 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩
WO2024135973A1 (ko) 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
WO2024150934A1 (ko) 버스바 조립체 및 이를 포함하는 전지팩
WO2024090907A1 (ko) 내화케이블 및 이를 구비한 배터리 팩
WO2023163542A1 (ko) 차단 플레이트를 포함하는 전지셀 어셈블리, 및 상기 전지셀 어셈블리를 포함하는 전지팩
WO2018143596A1 (ko) 전지 모듈용 집전시스템, 전지 모듈 및 자동차
WO2024150933A1 (ko) 버스바 조립체 및 이를 포함하는 전지팩
WO2024196060A1 (ko) 내화버스바 및 이를 구비한 배터리 팩
WO2023158098A1 (ko) 전지 팩
WO2024029752A1 (ko) 배터리 모듈
WO2024158211A1 (ko) 난연 프레임을 포함하는 전지 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23863562

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023863562

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023863562

Country of ref document: EP

Effective date: 20240705