WO2021040242A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module having improved safety against an abnormal operation state, and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries having high ease of application according to product groups and having electrical characteristics such as high energy density are commonly applied to electric vehicles or hybrid vehicles driven by electric drive sources, power storage devices, as well as portable devices. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency improvement in that they do not generate any by-products from the use of energy as well as the primary advantage of being able to drastically reduce the use of fossil fuels.
  • a battery module that electrically connects a plurality of battery cells Is used.
  • a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a bus bar may be used for electrical connection between the battery cells.
  • the electrode lead protruding from each battery cell was bonded to the bus bar, thereby enabling such electrical connection.
  • connection between the battery modules is also possible.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a bus bar 30 and electrode leads 15a and 15b of a conventional battery module, and only a configuration necessary for convenience of explanation is shown.
  • the protruding electrode leads 15a and 15b protruding from the battery cell (not shown) in the X-axis direction may be bent to face the opposite direction to the Y-axis to be bonded to the bus bar 30.
  • a slit 35 may be formed in the bus bar 30, and some electrode leads 15b may be bent through the slit 35 and then bonded to the bus bar 30.
  • the other electrode lead 15a may pass through one side of the bus bar 30 instead of the slit 35.
  • the bus bar 30 may include a connecting portion 36 extending upward, and a connecting member (not shown) may be connected to the connecting portion 36. Since the connection member is connected to a bus bar (not shown) of another battery module, electrical connection between the battery modules may be made through the connection member. That is, electrical connection between battery cells as well as electrical connection between battery modules may be made by the bus bar 30.
  • a current interruptive device may be provided for blocking current.
  • Embodiments of the present invention have been proposed to solve the above problems of the conventionally proposed methods, and a battery module that can effectively cut off current in an abnormal operating state without increasing resistance in a normal operating state, and a battery module including the same. Its purpose is to provide a battery pack.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; A first bus bar connected to electrode leads extending from the battery cells; And a connection member connected to the first bus bar for connection with another adjacent battery module, wherein the first bus bar includes a first part connected to the electrode lead and a second part connected to the connection member, the A protrusion is formed in one of the first part and the second part, and a through hole into which the protrusion is inserted is formed in the other, and the protrusion is inserted into the through hole so that the first part and the second part are It is connected, and the protrusion includes a material whose volume shrinks or changes shape when the temperature rises.
  • the protrusion may include a shape-memory alloy whose volume shrinks as the temperature rises.
  • the protrusion may include a shape-memory alloy whose shape changes according to an increase in temperature.
  • the shape of the protrusion may change according to an increase in temperature, so that a width in a direction parallel to the second portion may decrease, and a height in a direction perpendicular to the second portion may increase.
  • the inner wall of the through hole and the protrusion may be in close contact with each other.
  • the protrusion may be inserted into the through hole to form a clinching bond.
  • the second part may include a connection part joined to the connection member.
  • the protrusion may have a shape corresponding to the through hole.
  • Each of the protrusion and the through hole may be two or more.
  • a slit may be formed in the first part, and the electrode lead may be bent after passing through the slit to be connected to the first part.
  • a bus bar frame is positioned between the first bus bar and the battery cell stack, and the first bus bar may be mounted on the bus bar frame.
  • a bus bar bonded to a connection member may have a fastening structure of a protrusion and a through hole, and such a bus bar does not increase resistance in a normal operation state, but effectively blocks current in an abnormal operation state. I can.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a bus bar and an electrode lead of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a first bus bar included in the battery module of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a state in which a first portion and a second portion of the first bus bar of FIG. 3 are fastened to each other.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the cut line A-A' of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a first bus bar having a protrusion whose volume contracts according to an increase in temperature in an abnormal operation state.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a first bus bar having a protrusion whose shape changes according to an increase in temperature in an abnormal operation state.
  • a part such as a layer, film, region, or plate
  • another part when one part is “directly above” another part, it means that there is no other part in the middle.
  • the reference part means that it is located above or below the reference part, and means that it is located “above” or “on” in the direction opposite to the gravity. no.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, an electrode lead 150 extending from the battery cells 110, and It includes a bus bar frame 210 on which the connected bus bars 300 and 400 and the bus bars 300 and 400 are mounted.
  • the bus bar frame 210 includes a lead slot, the lead slot is aligned to correspond to the slot formed in the bus bars 300 and 400, and the electrode lead 150 is electrically connected to the bus bars 300 and 400. I can. Specifically, the electrode lead 150 may be bent after passing through the lead slot and the slot of the bus bars 300 and 400 to be connected to the bus bars 300 and 400.
  • the battery cell 110 is a secondary battery, and may be configured as a pouch-type secondary battery.
  • the battery cells 110 may be composed of a plurality, and the plurality of battery cells 110 may be stacked together so as to be electrically connected to each other to form a battery cell stack 120.
  • bus bars 300 and 400 according to the present embodiment may be made of a metal material.
  • the first bus bar 300 is connected not only to the electrode lead 150 but also to the connection member 500, and the connection member 500 is connected to a bus bar (not shown) of another battery module.
  • the battery module 100 of the present embodiment includes a connection member 500 for connecting the battery module and the battery module.
  • first bus bar 300 is connected to the connection member 500, it serves not only to electrically connect the battery cells 110 but also to electrically connect the battery modules.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the first bus bar 300 included in the battery module 100 of FIG. 2.
  • the first bus bar 300 includes a first part 310 connected to the electrode lead 150 and a second part 320 connected to the connection member 500. .
  • a slit 350 may be formed in the first part 310 to allow the electrode lead 150 to pass therethrough.
  • the electrode lead 150 may be bent after passing through the lead slot and the slit 350 of the bus bar frame 210 together to be connected to the first portion 310.
  • connection between the first part 310 and the electrode lead 150 is not particularly limited as long as electrical connection is possible, but may be welded to each other.
  • the second part 320 may include a connection part 360 that is bonded to the connection member 500, and the connection part 360 has a bent structure as shown in FIG. 3 for easy bonding with the connection member 500. Can be formed.
  • a module connection terminal 361 may be formed on the connection part 360.
  • the module connection terminal 361 serves as a kind of nut and serves as a connection between adjacent battery modules. In a state in which the connection member 500 and the connection part 360 are in contact, a bolt is fastened to the module connection terminal 361 so that the connection member 500 and the connection part 360 may be physically and electrically connected.
  • a bolt is fastened to the module connection terminal 361 so that the connection member 500 and the connection part 360 may be physically and electrically connected.
  • connection member 500 it is more preferable that an insulating coating is formed or an insulator is covered in the area excluding the portion where the bolt and the nut are fastened as described above, so that the area is electrically insulated from the outside.
  • the second bus bar 400 of FIG. 2 is not provided with such a connection part 360 and can only serve to electrically connect the electrode leads 150 extending from the battery cells 110.
  • the connecting member 500 in FIG. 2 is shown in the shape of a plate, if it is connected to the connecting part 360 of FIG. 3 to perform electrical connection between battery modules, there is no limitation on the shape or material. That is, the connecting member 500 may have a plate shape or a conductive wire shape, and of course, other shapes enabling electrical connection are also possible.
  • a protrusion may be formed in one of the first portion 310 and the second portion 320, and a through hole may be formed in the other.
  • 3 illustrates that the through hole 340 is formed in the first part 310 and the protrusion 330 is formed in the second part 320, but this corresponds to an example, and the first part 310 ), a protrusion may be formed, and a through hole may be formed in the second portion 320.
  • the circular through hole 340 is shown, the shape is not limited if the first part 310 or the second part 320 is perforated, and thus a polygonal through hole is possible.
  • the protrusion 330 is inserted into the through hole 340 along the X-axis direction so that the first part 310 and the second part 320 may be connected to each other. To this end, the protrusion 330 may be disposed at a position corresponding to the through hole 340.
  • the protrusion 330 has a shape corresponding to the through hole 340.
  • the protrusion 330 is preferably a cylinder.
  • the protrusion may be in the form of a polygonal column corresponding thereto.
  • the protrusion 330 is inserted into the through hole 340, and a clinching coupling may be performed.
  • the area of the plane perpendicular to the insertion direction of the protrusion 330 among the areas of the protrusion 330 is slightly larger than the area formed by the through hole 340.
  • the area of the circle provided by the cylindrical protrusion 330 is slightly larger than the area of the circle formed by the circular through hole 340.
  • the inner wall of the through hole 340 and the protrusion 330 form a structure in which the protrusion 330 is in close contact with each other, and the first part 310 is in a normal operating state. And the second part 320 may be firmly fastened. This will be described again in FIG. 5 below.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a state in which the first portion 310 and the second portion 320 of the first bus bar 300 of FIG. 3 are fastened to each other. That is, in FIG. 3, the protrusion 330 of the second part 320 is inserted into the through hole 340 of the first part 310, and the first part 310 and the second part 320 are fastened. Is a perspective view showing.
  • the integrated first bus bar 300 is connected to the connecting member to electrically connect the battery modules.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the cut line A-A' of FIG. 4. In particular, it is a cross-sectional view in a normal operating state.
  • the inner wall 341 and the protrusion 330 of the through hole 340 Can form a structure in close contact with each other.
  • the first part 310 and the second part 320 can be firmly fastened, and the first bus bar 300 does not affect the resistance in a normal operating state, thereby smoothing the current between the battery modules. I can deliver.
  • each of the protrusions 330 and the through holes 340 it is preferable that there are two or more in order to securely fasten the first portion 310 and the second portion 320.
  • the protrusion 330 includes a material whose volume contracts or changes shape when the temperature increases. That is, when the battery module is placed in an abnormal operating state such as an overcurrent state or a high temperature state, the temperature of the protrusion 330 rises, and the volume contracts or the shape changes. Hereinafter, it will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 6 and 7 are cross-sectional views of the first bus bar of FIG. 5 in an abnormal operation state.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a first bus bar 300 having a protrusion 330a whose volume contracts according to an increase in temperature
  • FIG. 7 includes a protrusion 330b whose shape changes according to an increase in temperature.
  • the temperature of the protrusion portion 330a of the present exemplary embodiment increases, and when the temperature exceeds a certain temperature, the volume may contract.
  • the protrusion 330a may include a material whose volume contracts according to an increase in temperature, and may include a shape memory alloy as a material whose volume contracts.
  • the shape memory alloy may be welded to the second portion 320 and then nickel plated to form the protrusion 330a.
  • electrical conductivity is maintained through nickel plating.
  • an abnormal operating state when the temperature is higher than a certain temperature according to an increase in temperature, the volume of the shape memory alloy is reduced, so that the volume of the protrusion 330a may be reduced.
  • the temperature at which the volume shrinkage of the shape memory alloy occurs is preferably 100 to 120 degrees Celsius in order to secure safety against abnormal operating conditions.
  • the protrusion 330b may include a material whose shape changes when the temperature increases.
  • it may include a shape memory alloy whose shape changes as the temperature exceeds a certain temperature.
  • the shape memory alloy may be welded to the second portion 320 and then nickel plated to form the protrusion 330b.
  • electrical conductivity is maintained through nickel plating, and in an abnormal operating state, when the temperature rises above a certain temperature, the shape of the shape memory alloy changes and the shape of the protrusion 330b may change.
  • the width of the protrusion part 330b decreases in a direction parallel to the second part 320 (Y-axis direction), and the second part 320 The height in the direction perpendicular to (X-axis direction) may increase.
  • a decrease in the width in a direction parallel to the second portion 320 may be a decrease in the diameter of the cylinder, and a direction perpendicular to the second portion 320
  • the increase in the height of the (X-axis direction) may be an increase in the height of the cylinder.
  • the protrusion 330b is separated from the inner wall 341 of the through hole 340 so that the first part 310 The bond with and becomes loose. As a result, the bonding force between the first portion 310 and the second portion 320 is reduced, so that they are easily separated from each other.
  • the protrusion 330b has the effect of pushing the second portion 320 from the first portion 310, It may be more advantageous for current blocking.
  • the volume of the protrusion 330b may be decreased, increased, or maintained as the width decreases and the height increases.
  • the temperature at which the shape change of the shape memory alloy occurs is preferably 100 to 120 degrees Celsius in order to secure safety against abnormal operating conditions.
  • the present invention does not replace the entire battery pack when an abnormal operating condition occurs, but only replaces the battery module in which the fastening of the first part 310 and the second part 320 is separated as shown in FIGS. 6 and 7. You can do it, it's more efficient.
  • the battery module of the present invention may include a configuration of a module frame and an end plate that accommodates a battery cell stack and protects it from the outside.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery module or battery pack can be applied to various devices.
  • a device may be applied to a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid, but is not limited thereto and may be applied to various devices capable of using a secondary battery.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀들로부터 연장된 전극 리드와 연결된 제1 버스 바; 및 인접한 다른 전지 모듈과의 연결을 위해 상기 제1 버스 바와 연결된 연결부재를 포함하고, 상기 제1 버스 바는 상기 전극 리드와 연결된 제1 부분 및 상기 연결부재와 연결된 제2 부분을 포함하며, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 어느 하나에 돌출부가 형성되고, 다른 하나에 상기 돌출부가 삽입되는 관통구가 형성되며, 상기 관통구에 상기 돌출부가 삽입되어 상기 제1 부분과 상기 제2 부분이 연결되고, 상기 돌출부는, 온도가 상승하면 부피가 수축하거나 형태가 변화하는 소재를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 8월 23일자 한국 특허 출원 제10-2019-0103781호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 비정상 작동 상태에 대한 안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 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.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
이 때, 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함에 있어, 전지셀 간의 전기적 연결을 위해 버스 바가 사용될 수 있다. 각 전지셀에서 돌출된 전극 리드가 버스 바와 접합됨으로써, 이러한 전기적 연결이 가능하였다.
나아가 어느 하나의 전지 모듈의 버스 바와 다른 전지 모듈의 버스 바가 연결 부재를 통해 전기적으로 연결됨으로써, 전지 모듈들 간의 연결도 가능하였다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 버스 바(30) 및 전극 리드(15a, 15b)를 나타내는 사시도이며, 설명의 편의를 위해 필요한 구성만을 나타내었다.
도 1을 참고하면, 전지셀(도시하지 않음)에서 X축 방향으로 돌출된 돌출된 전극 리드(15a, 15b)가 Y축과 반대 방향을 향하도록 절곡되어 버스 바(30)와 접합될 수 있다. 특히, 버스 바(30)에 슬릿(35)이 형성될 수 있고, 일부 전극 리드(15b)는 이러한 슬릿(35)을 통과하여 절곡된 후 버스 바(30)와 접합될 수 있다. 다른 전극 리드(15a)는 슬릿(35)이 아닌 버스 바(30)의 일 측면을 통과할 수 있다.
또한, 버스 바(30)는 상향 연장된 접속부(36)를 구비할 수 있고, 접속부(36)에는 연결부재(도시하지 않음)가 연결될 수 있다. 연결부재는 다른 전지 모듈의 버스 바(도시하지 않음)와 연결되어 있어, 연결부재를 통해 전지 모듈들 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 즉, 전지셀 사이의 전기적 연결뿐만 아니라 전지 모듈 사이의 전기적 연결도 버스 바(30)에 의해 이루어질 수 있다.
한편, 이차 전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 폭발이 일어날 위험성이 있다. 즉, 전지의 압력이나 온도가 상승하면 활물질의 분해 반응과 다수의 부반응들이 진행되며, 이에 따라 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 종국에는 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있으며, 상승된 전지의 내압에 의해 이차 전지가 폭발하게 된다.
따라서, 이차 전지가 과전류 상태나 고온 상태 등의 비정상 작동 상태에 놓였을 때 전류를 차단하기 위한 전류 차단 부재(Current Interruptive Device; CID)를 구비할 수 있다.
하지만, 다수의 전지 모듈을 포함하는 중대형 전지 팩에 전류 차단 부재(CID)를 적용함에 있어 아래와 같은 몇 가지 문제점이 있다.
기존의 소형 전지에서 사용되는 전류 차단 부재(CID)의 경우, 전지셀의 내압이 상승하게 되면, 특정 부위가 단선되어 전류를 차단하는 원리를 통해 안전성을 확보하였으나, 이를 중대형 전지 팩에 적용하기에는 저항이 너무 커진다는 문제점이 있다.
또한, 중대형 전지 팩의 각형 전지셀에 적용되는 전류 차단 부재(CID)의 경우, 전지셀의 내압이 상승하면 강제로 외부 단락을 발생시켜 전지셀의 전극 리드를 녹임으로써 전류를 차단하는 방법을 사용하지만, 이는 EOL(End of life) 구간 중 셀 내압이 상승할 때에도 작동한다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서 정상 동작 상태에서는 저항을 증가시키지 않으면서 비정상 동작 상태에서는 효과적으로 전류를 차단시킬 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀들로부터 연장된 전극 리드와 연결된 제1 버스 바; 및 인접한 다른 전지 모듈과의 연결을 위해 상기 제1 버스 바와 연결된 연결부재를 포함하고, 상기 제1 버스 바는 상기 전극 리드와 연결된 제1 부분 및 상기 연결부재와 연결된 제2 부분을 포함하며, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 어느 하나에 돌출부가 형성되고, 다른 하나에 상기 돌출부가 삽입되는 관통구가 형성되며, 상기 관통구에 상기 돌출부가 삽입되어 상기 제1 부분과 상기 제2 부분이 연결되고, 상기 돌출부는, 온도가 상승하면 부피가 수축하거나 형태가 변화하는 소재를 포함한다.
상기 돌출부는, 온도 상승에 따라 부피가 수축하는 형상 기억 합금을 포함할 수 있다.
상기 돌출부는, 온도 상승에 따라 형태가 변화하는 형상 기억 합금을 포함할 수 있다.
상기 돌출부는, 온도 상승에 따라 형태가 변화하여, 상기 제2 부분과 평행한 방향의 폭이 감소하고, 상기 제2 부분과 수직한 방향의 높이가 증가할 수 있다.
상기 관통구 내벽과 상기 돌출부가 서로 밀착될 수 있다.
상기 돌출부가 상기 관통구에 삽입되어, 클린칭(Clinching) 결합을 형성할 수 있다.
상기 제2 부분은, 상기 연결부재와 접합되는 접속부를 포함할 수 있다.
상기 돌출부는 상기 관통구와 대응하는 형상을 가질 수 있다.
상기 돌출부와 상기 관통구 각각은 둘 이상일 수 있다.
상기 제1 부분에 슬릿이 형성되고, 상기 전극 리드는 상기 슬릿을 통과한 후 절곡되어 상기 제1 부분과 연결될 수 있다.
상기 제1 버스 바와 상기 전지셀 적층체 사이에 버스 바 프레임이 위치하고, 상기 제1 버스 바는 상기 버스 바 프레임에 장착될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 연결 부재와 접합된 버스 바가 돌출부와 관통구의 체결 구조를 구비할 수 있으며, 이러한 버스 바는 정상 동작 상태에서는 저항을 증가시키지 않으나 비정상 동작 상태에서는 효과적으로 전류를 차단시킬 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 버스 바 및 전극 리드를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 제1 버스 바에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 제1 버스 바의 제1 부분 및 제2 부분이 서로 체결된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 절단선 A-A’를 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 온도 상승에 따라 부피가 수축하는 돌출부를 구비한 제1 버스 바에 대한 비정상 작동 상태에서의 단면도이다.
도 7은 온도 상승에 따라 형태가 변화하는 돌출부를 구비한 제1 버스 바에 대한 비정상 작동 상태에서의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 분해 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)들이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀(110)들로부터 연장된 전극 리드(150)와 연결된 버스 바(300, 400) 및 버스 바(300, 400)가 장착되는 버스 바 프레임(210)을 포함한다.
버스 바 프레임(210)은 리드 슬롯을 포함하고, 상기 리드 슬롯은 버스 바(300, 400)에 형성된 슬롯과 대응하도록 정렬되며, 전극 리드(150)는 버스 바(300, 400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 전극 리드(150)가 리드 슬롯 및 버스 바(300, 400)의 슬롯을 통과한 후 절곡되어 버스 바(300, 400)와 연결될 수 있다.
전지셀(110)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수개의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 버스 바(300, 400)는 금속 물질로 이루어질 수 있다.
버스 바(300, 400) 중 제1 버스 바(300)는 전극 리드(150)뿐만 아니라 연결부재(500)와도 연결되며, 연결 부재(500)는 다른 전지 모듈의 버스 바(도시하지 않음)와 연결될 수 있다. 즉, 본 실시예의 전지 모듈(100)은 전지 모듈과 전지 모듈을 연결하기 위한 연결 부재(500)를 포함한다.
제1 버스 바(300)는 이러한 연결 부재(500)와 연결되는 것이므로, 전지셀(110)들을 전기적 연결할 뿐만 아니라 전지 모듈들을 전기적 연결하는 역할을 수행한다.
도 3은 도 2의 전지 모듈(100)에 포함된 제1 버스 바(300)에 대한 분해 사시도이다.
도 3을 도 2와 함께 참고하면, 제1 버스 바(300)는 전극 리드(150)와 연결되는 제1 부분(310) 및 연결부재(500)와 연결되는 제2 부분(320)을 포함한다.
제1 부분(310)에는 전극 리드(150)가 통과할 수 있도록 슬릿(350)이 형성될 수 있다. 앞서 언급하였듯이, 전극 리드(150)가 버스 바 프레임(210)의 리드 슬롯과 슬릿(350)을 함께 통과한 후 절곡되어 제1 부분(310)과 연결될 수 있다.
제1 부분(310)과 전극 리드(150)의 연결은, 전기적 연결이 가능하다면 특별한 제한이 없으나, 서로 용접 결합될 수 있다.
제2 부분(320)은 연결부재(500)와 접합되는 접속부(360)를 포함할 수 있으며, 접속부(360)는 연결부재(500)와 용이한 접합을 위해 도 3에서와 같이 절곡된 구조를 형성할 수 있다.
또한, 접속부(360)에 모듈 연결 단자(361)가 형성될 수 있다. 이러한 모듈 연결 단자(361)는 일종의 너트 역할을 하는 구성으로 인접한 전지 모듈 간의 연결 역할을 담당한다. 연결부재(500)와 접속부(360)가 접촉된 상태에서, 모듈 연결 단자(361)에 볼트가 체결되어 연결부재(500)와 접속부(360)가 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. 하나의 모듈 연결 단자(361)만을 도시하였으나, 필요에 따라 하나 이상의 모듈 연결 단자(361)가 형성될 수 있음은 물론이다.
아울러, 연결부재(500)에서, 상기와 같이 볼트와 너트가 체결되는 부분을 제외한 영역은 절연 코팅이 이루어지거나 절연체가 씌워져, 외부와 전기적으로 절연 되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 도 2의 제2 버스 바(400)는 이러한 접속부(360)가 형성되지 않고, 전지셀(110)들로부터 연장된 전극 리드(150)들을 전기적으로 연결하는 역할만 담당할 수 있다.
도 2에서의 연결부재(500)는 판재 형상으로 도시되어 있으나, 도 3의 접속부(360)와 연결되어 전지 모듈 간의 전기적 연결을 수행할 수 있다면, 그 형태나 소재의 제한이 없다. 즉, 연결부재(500)는 판재 형상 또는 도선 형태일 수 있으며, 전기적 연결을 가능케 하는 다른 형상도 물론 가능하다.
한편, 제1 부분(310)과 제2 부분(320) 중 어느 하나에 돌출부가 형성될 수 있고, 다른 하나에 관통구가 형성될 수 있다. 도 3에서는 제1 부분(310)에 관통구(340)가 형성되고, 제2 부분(320)에 돌출부(330)가 형성된 것을 도시하였으나, 이는 하나의 예시에 해당하는 것으로, 제1 부분(310)에 돌출부가 형성되고, 제2 부분(320)에 관통구가 형성될 수 있다. 또한, 원형의 관통구(340)를 도시하였으나, 제1 부분(310)이나 제2 부분(320)에 천공된 형태이면 그 형상은 제한되지 않으므로, 다각형의 관통구도 가능하다.
관통구(340)에 돌출부(330)가 X축 방향을 따라 삽입되어 제1 부분(310)과 제2 부분(320)이 서로 연결될 수 있다. 이를 위해, 돌출부(330)는 관통구(340)와 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
또한, 돌출부(330)는 관통구(340)와 대응하는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 3에서처럼, 제1 부분(310)에 형성된 관통구(340)가 원형인 경우, 돌출부(330)는 원기둥인 것이 바람직하다. 다만, 이는 하나의 예시이며, 도시하지는 않았으나, 다각형의 관통구가 형성된 경우, 돌출부는 그와 대응하는 다각 기둥의 형태일 수 있다.
한편, 제1 부분(310)과 제2 부분(320)의 견고한 체결을 위해, 돌출부(330)는 관통구(340)에 삽입되어, 클린칭(Clinching) 결합이 이루어질 수 있다. 이러한 결합을 위해, 돌출부(330)의 면적 중, 돌출부(330)의 삽입 방향과 수직한 평면의 면적이, 관통구(340)가 형성하는 면적보다 약간 넓은 것이 바람직하다. 다시 말해서, 도 3에서, 원기둥 형태의 돌출부(330)가 구비한 원의 면적이, 원형의 관통구(340)가 형성하는 원의 면적보다 약간 넓은 것이 바람직하다.
이에, 돌출부(330)가 관통구(340)에 끼워 맞춰지면서 삽입되면, 관통구(340) 내벽과 돌출부(330)가 서로 밀착된 구조를 형성하게 되고, 정상적 작동 상태에서 제1 부분(310)과 제2 부분(320)이 견고하게 체결될 수 있다. 이는 이하 도 5에서 다시 설명하도록 한다.
도 4는 도 3의 제1 버스 바(300)의 제1 부분(310) 및 제2 부분(320)이 서로 체결된 상태를 나타낸 사시도이다. 즉, 도 3에서 제2 부분(320)의 돌출부(330)가 제1 부분(310)의 관통구(340)에 삽입되어, 제1 부분(310)과 제2 부분(320)이 체결된 상태를 나타낸 사시도이다.
정상적 작동 상태에서는 도 4에서와 같이 일체화된 제1 버스 바(300)가 연결부재와 연결되어, 전지 모듈들을 전기적으로 연결한다.
도 5는 도 4의 절단선 A-A’를 따라 절단한 단면도이다. 특히, 정상 작동상태에서의 단면도이다.
도 5를 참고하면, 앞서 언급하였듯이, 클린칭(Clinching) 결합으로 인해 돌출부(330)가 관통구(340)에 끼워 맞춰지면서 삽입되면, 관통구(340)의 내벽(341)과 돌출부(330)가 서로 밀착된 구조를 형성할 수 있다.
이를 통해, 제1 부분(310)과 제2 부분(320)이 견고하게 체결될 수 있으며, 정상 작동 상태에서 제1 버스 바(300)가 저항에 영향을 미치지 않도록 하여 전지 모듈들 간의 전류를 원활히 전달할 수 있다.
또한, 돌출부(330)와 관통구(340) 각각은 개수에 대한 제한이 없으나, 제1 부분(310)과 제2 부분(320)의 견고한 체결을 위해서는 둘 이상인 것이 바람직하다.
돌출부(330)는 온도가 상승하면 부피가 수축하거나 형태가 변화하는 소재를 포함한다. 즉, 전지 모듈이 과전류 상태나 고온 상태 등의 비정상적인 작동 상태에 놓였을 때, 돌출부(330)의 온도가 상승하고, 부피가 수축하거나 형태가 변화한다. 이하 도 6 및 도 7을 통해 자세히 설명하도록 한다.
도 6과 도 7 각각은, 도 5의 제1 버스 바에 대한 비정상 작동 상태에서의 단면도이다. 구체적으로, 도 6은 온도 상승에 따라 부피가 수축하는 돌출부(330a)를 구비한 제1 버스 바(300)에 대한 단면도이고, 도 7은 온도 상승에 따라 형태가 변화하는 돌출부(330b)를 구비한 제1 버스 바(300)에 대한 단면도이다.
우선, 도 6을 참고하면, 과전류 상태, 고온 상태 등의 비정상 작동 상태가 발생했을 경우, 본 실시예의 돌출부(330a)는 온도가 상승하며, 일정 온도 이상이 되면 부피가 수축할 수 있다.
이를 위해, 돌출부(330a)는 온도 상승에 따라 부피가 수축하는 소재를 포함할 수 있으며, 부피가 수축하는 소재로써, 형상 기억 합금을 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 상기 형상 기억 합금이 제2 부분(320)과 용접된 후 니켈 도금되어 돌출부(330a)를 구성할 수 있다. 정상 작동 상태에서는 니켈 도금을 통해 전기 전도성을 유지하며, 비정상 작동 상태에서는 온도 상승에 따라 일정 온도 이상이 되면 상기 형상 기억 합금의 부피가 줄어들어 돌출부(330a)의 부피가 줄어들 수 있다.
이 때, 형상 기억 합금의 부피 수축이 일어나는 온도는, 비정상 작동 상태에 대한 안전성 확보를 위해, 섭씨 100도 내지 120도 인 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 돌출부(330a)의 부피가 수축하기 때문에, 돌출부(330a)가 관통구(340)의 내벽(341)과 떨어지게 되어 돌출부(330a)와 관통구(340) 사이의 결합이 느슨해진다. 결국 제1 부분(310)과 제2 부분(320) 사이의 결합력이 줄어들어 서로 분리될 수 있다. 이와 같은 원리로, 전지 모듈 내부로 흐르는 전류를 차단하여, 비정상 작동 상태에 대한 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참고하면, 돌출부(330b)는 온도가 상승하면 형태가 변화하는 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일정 온도를 넘어감에 따라 형태가 변화하는 형상 기억 합금을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 상기 형상 기억 합금이 제2 부분(320)과 용접된 후 니켈 도금되어 돌출부(330b)를 구성할 수 있다. 정상 작동 상태에서는 니켈 도금을 통해 전기 전도성을 유지하며, 비정상 작동 상태에서는 온도 상승에 따라 일정 온도 이상이 되면 상기 형상 기억 합금의 형태가 변화하여 돌출부(330b)의 형태가 변화할 수 있다.
특히, 비정상 작동 상태로 인해 돌출부(330b)의 온도가 상승하면, 돌출부(330b)는, 제2 부분(320)과 평행한 방향(Y축 방향)의 폭이 감소하고, 제2 부분(320)과 수직한 방향(X축 방향)의 높이가 증가할 수 있다.
돌출부(330b)가 원기둥 형상일 때에는, 제2 부분(320)과 평행한 방향(Y축 방향)의 폭의 감소는 원기둥의 지름이 감소하는 것일 수 있고, 제2 부분(320)과 수직한 방향(X축 방향)의 높이의 증가는 원기둥의 높이가 증가하는 것일 수 있다.
상기와 같이, 제2 부분(320)과 평행한 방향(Y축 방향)의 폭이 감소하기 때문에, 돌출부(330b)는 관통구(340)의 내벽(341)과 떨어지게 되어 제1 부분(310)과의 결합이 느슨해진다. 결국 제1 부분(310)과 제2 부분(320) 사이의 결합력이 줄어들어 서로 분리되기 쉽다.
또한, 제2 부분(320)과 수직한 방향(X축 방향)의 높이가 증가하기 때문에, 돌출부(330b)가 제2 부분(320)을 제1 부분(310)으로부터 밀어내는 효과를 갖게 되어, 전류 차단에 더 유리할 수 있다.
이 때, 돌출부(330b)의 부피에 대한 제한은 없으므로, 상기와 같은 폭의 감소 및 높이의 증가에 따라 돌출부(330b)의 부피는 감소, 증가 또는 유지될 수 있다.
한편, 상기 형상 기억 합금의 형태 변화가 일어나는 온도는, 비정상 작동 상태에 대한 안전성 확보를 위해, 섭씨 100도 내지 120도 인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 비정상적인 작동 상태가 발생했을 때 전지 팩 전체의 교체가 아닌, 도 6이나 도 7에서와 같이 제1 부분(310)과 제2 부분(320)의 체결이 분리된 전지 모듈만 교체할 수 있어, 보다 효율적이다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 본 발명의 전지 모듈은 전지셀 적층체 등을 수납하여 외부로부터 보호하는 모듈 프레임과 엔드 플레이트의 구성을 포함할 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 전지 모듈
210: 버스 바 프레임
300: 제1 버스 바
310: 제1 부분
320: 제2 부분
330: 돌출부
340: 관통구
360: 접속부
400: 제2 버스 바
500: 연결부재

Claims (12)

  1. 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀들로부터 연장된 전극 리드와 연결된 제1 버스 바; 및
    인접한 다른 전지 모듈과의 연결을 위해 상기 제1 버스 바와 연결된 연결부재를 포함하고,
    상기 제1 버스 바는 상기 전극 리드와 연결된 제1 부분 및 상기 연결부재와 연결된 제2 부분을 포함하며,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 어느 하나에 돌출부가 형성되고, 다른 하나에 상기 돌출부가 삽입되는 관통구가 형성되며,
    상기 관통구에 상기 돌출부가 삽입되어 상기 제1 부분과 상기 제2 부분이 연결되고,
    상기 돌출부는, 온도가 상승하면 부피가 수축하거나 형태가 변화하는 소재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 돌출부는, 온도 상승에 따라 부피가 수축하는 형상 기억 합금을 포함하는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 돌출부는, 온도 상승에 따라 형태가 변화하는 형상 기억 합금을 포함하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 돌출부는, 온도 상승에 따라 형태가 변화하여, 상기 제2 부분과 평행한 방향의 폭이 감소하고, 상기 제2 부분과 수직한 방향의 높이가 증가하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 관통구 내벽과 상기 돌출부가 서로 밀착된 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 돌출부가 상기 관통구에 삽입되어, 클린칭(Clinching) 결합을 형성하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 제2 부분은, 상기 연결부재와 접합되는 접속부를 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 돌출부는 상기 관통구와 대응하는 형상을 갖는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 돌출부와 상기 관통구 각각은 둘 이상인 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 부분에 슬릿이 형성되고,
    상기 전극 리드는 상기 슬릿을 통과한 후 절곡되어 상기 제1 부분과 연결되는 전지 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 버스 바와 상기 전지셀 적층체 사이에 버스 바 프레임이 위치하고,
    상기 제1 버스 바는 상기 버스 바 프레임에 장착되는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 전지 모듈을 하나 이상 포함하는 전지 팩.
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