WO2025037751A1 - 버스바 조립체 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a busbar assembly and a battery pack including the same, and more specifically, to a busbar assembly having improved insulation stability and a battery pack including the same.
  • rechargeable secondary batteries are being used as a power source for electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (P-HEVs) as a solution to air pollution caused by existing gasoline vehicles that use fossil fuels, and thus the need for the development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEVs plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries are receiving attention due to their advantages such as the fact that they have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, are free to charge and discharge, have a very low self-discharge rate, and have high energy density.
  • the lithium secondary battery mainly use lithium oxide and carbon material as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery comprises an electrode assembly in which positive and negative electrode plates, each of which is coated with the positive and negative electrode active materials, are arranged with a separator between them, and a battery case that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte.
  • lithium secondary batteries can be classified into can-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the outer packaging material.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected is used.
  • a plurality of battery cells are connected to each other in series or in parallel to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules can be mounted together with various control and protection systems such as a BDU (Battery Disconnect Unit), a BMS (Battery Management System), and a cooling system to form a battery pack.
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • BMS Battery Management System
  • a battery pack composed of multiple battery modules can rapidly and severely increase in temperature due to the heat generated from multiple battery cells being added together in a narrow space.
  • battery modules composed of multiple battery cells and battery packs equipped with such battery modules can obtain high output, but if the heat dissipation of the battery cells is not properly performed or if a thermal runaway phenomenon of the battery cells occurs, there is a high possibility of continuous ignition or subsequent explosion.
  • a bus bar is provided that connects to the battery module.
  • Figure 1 is an exploded perspective view and a combined perspective view of a conventional busbar assembly.
  • a conventional busbar assembly (10) includes a busbar (20), a covering (20C) covering the busbar (20), a cap (CP), and a tape (AL) for fixing the cap (CP).
  • the busbar (20) is a metal member in the shape of a bar extending along the longitudinal direction.
  • a through hole (HH) for connection with a terminal busbar of a battery module may be formed at both ends of the busbar (20).
  • This busbar (20) is a component that is in charge of an HV (High voltage) connection in a battery pack.
  • the HV connection means a connection that serves as a power source for supplying electric power
  • the busbar (20) is a component that guides the electrical connection of the battery module, and generally includes a metal material having excellent electrical conductivity.
  • the busbar (20) may include a copper (Cu) material.
  • the covering (20C) can wrap around the bus bar (20).
  • the covering (20C) can include an electrically insulating material, for example, a material such as silicone or epoxy. Since the covering (20C) wraps around the bus bar (20) through which a high current flows, the bus bar (20) is prevented from coming into contact with other electrical components or conductive members other than the terminal bus bar of the battery module, thereby preventing a short circuit from occurring.
  • a fastening member is inserted into the through hole (HH) of the bus bar (20) so that the bus bar (20) can be connected to the terminal bus bar of the battery module.
  • a cap (CP) is attached to both ends of the bus bar (20) for insulation.
  • the cap (CP) may be, for example, a rubber cap.
  • the cap (CP) may be attached to the covering (20C) using a tape (AL).
  • the temperature of the flame is very high at about 1000°C, so the covering (20C) covering the bus bar (20) may melt, or the cap (CP) and tape (AL) may melt, exposing the bus bar (20). If the exposed bus bar (20) comes into contact with another conductive member and a short circuit occurs, the internal flame may spread further and may spread to the outside of the battery pack. Ultimately, this may lead to an explosion of the battery pack or a vehicle equipped with the battery pack.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a busbar assembly capable of maintaining excellent electrical insulation even when a flame occurs inside the battery pack, and a battery pack including the same.
  • the busbar assembly of the present invention comprises: a busbar connected to a battery module inside a battery pack to guide an electrical connection of the battery module; a first insulating layer surrounding an outer circumferential surface of the busbar and having grooves formed at both ends; a second insulating layer surrounding the first insulating layer; and a cap including a main body surrounding both ends of the busbar and a fixing part inserted into the grooves.
  • the thickness of the fixing portion is greater than the thickness of the first insulating layer, the lower portion of the fixing portion is joined to the first insulating layer, and the upper portion of the fixing portion can be in contact with a second insulating layer.
  • the second insulating layer may be disposed between the fixing members disposed at both ends of the bus bar.
  • the thickness of the fixing portion is the same as the thickness of the first insulating layer, the fixing portion and the first insulating layer are located in the same layer, and the second insulating layer can be disposed on the fixing portion and the first insulating layer.
  • a tape may be placed between the second insulating layer and the fixing member.
  • the second insulating layer may have a tubular shape comprising glass fibers.
  • the outer surface of the second insulating layer may be coated with silicone.
  • the second insulating layer may not include an adhesive material.
  • the fixture may include a plurality of spaced protrusions, and the groove may include a plurality of spaced recesses into which the protrusions may be inserted.
  • the fixture comprises a shape of an extended block, and the groove may have a groove into which the block is inserted.
  • the first insulating layer may comprise refractory silicone.
  • the battery pack of the present invention comprises: at least one busbar assembly; battery modules; a BDU (battery disconnect unit) module for controlling electrical connection of the battery modules; and a BMS (battery management system) module for monitoring and controlling operation of the battery modules, wherein the at least one busbar assembly electrically connects at least one of the battery modules, between the battery module and the BDU module, between the battery module and the BMS module, and between the BDU module and the BMS module.
  • the busbar assembly of the present invention minimizes the use of adhesive for bonding the cap and the insulating layer, thereby maintaining excellent insulation and fire resistance even when exposed to flame.
  • Figure 1 is an exploded perspective view and a combined perspective view of a conventional busbar assembly.
  • Figure 2 is a plan view of a battery pack of one embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of one of the battery modules included in the battery pack of FIG. 2.
  • FIG 4 is a partial perspective view showing the battery module of Figure 3 with the module frame and end plate removed.
  • Figure 5 is a plan view of a busbar provided with an insulating layer according to one embodiment.
  • Figure 6 is a plan view of a cap of one embodiment.
  • Figure 7 is a plan view of a busbar provided with a cap and an insulating layer according to one embodiment.
  • Figure 8 is a plan view of a cap of one embodiment.
  • Figure 9 is a plan view of a busbar provided with a cap and an insulating layer according to one embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 11 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 12 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 13 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • Figure 14 is a cross-sectional view of a busbar assembly of one embodiment.
  • Figure 15 is a cross-sectional view of a busbar assembly of one embodiment.
  • Figure 16 is a cross-sectional view of a busbar assembly of one embodiment.
  • a part such as a layer, film, region, or plate is said to be “over” or “on” another part, this includes not only cases where it is “directly over” the other part, but also cases where there is another part in between.
  • a part is said to be “directly over” another part, it means that there is no other part in between.
  • it is said to be “over” or “on” a reference part, it means that it is located above or below the reference part, and does not necessarily mean that it is located “over” or “on” in the opposite direction of gravity.
  • first direction (DR1), the second direction (DR2), and the third direction (DR3) are used as relative concepts.
  • the first direction (DR1), the second direction (DR2), and the third direction (DR3) may be perpendicular to each other.
  • the concept of up and down is described as being distinguished along the third direction (DR3).
  • the upward or upper direction means the third direction (DR3).
  • the downward or lower direction means the opposite direction to the third direction (DR3).
  • Thiickness” in the specification means the length measured in the third direction (DR3).
  • Figure 2 is a plan view of a battery pack of one embodiment.
  • a battery pack (1000) includes a busbar assembly (100), a pack frame (1100), battery modules (1200), a BDU (battery disconnect unit) module (1300) for controlling electrical connection of the battery modules (1200), and a BMS (battery management system) module (1400) for monitoring and controlling operation of the battery modules (1200).
  • At least one busbar assembly (100) according to the present embodiment electrically connects at least one of the battery modules (1200), between the battery modules (1200) and the BDU module (1300), between the battery modules (1200) and the BMS module (1400), and between the BDU module (1300) and the BMS module (1400).
  • a plurality of battery modules (1200) can be accommodated in a pack frame (1100), and electrical connections between the battery modules (1200) or electrical connections between the battery modules (1200) and the BDU module (1300) can be made by the busbar assembly (100). That is, the busbar assembly (100) according to the present embodiment can be in charge of HV (High voltage) connections.
  • the HV connection is a connection that serves as a power source for supplying power that requires high voltage, and means a connection between battery cells or a connection between battery modules.
  • the BDU module (1300) is a member for controlling the electrical connection of the battery module (1200) and can cut off power between the power conversion device and the battery module (1200).
  • the BDU module (1300) can cut off power to the battery pack (1000) when a condition occurs in which the current exceeds a set range, thereby ensuring the safety of the battery pack (1000).
  • the LV connecting member (100') can be responsible for the electrical connection between the battery module (1200) and the BMS module (1400).
  • the electrical connection here is an LV (Low voltage) connection, which means a sensing connection for detecting and controlling the voltage and temperature of the battery module (1200).
  • sensors, etc. inside the battery module (1200) are arranged, and real-time temperature information or voltage information of the battery module (1200) is transmitted to the BMS module (1400) through the LV connecting member (100').
  • the real-time operating status of the battery module (1200) can be monitored and controlled through the BMS module (1400).
  • an HV current sensor is integrated into the BMS module (1400).
  • the busbar assembly according to the present embodiment can be responsible for electrical connection between the battery module (1200) and the BMS module (1400) or between the BDU module (1300) and the BMS module (1400).
  • the battery module (1200) described below is an exemplary structure of a battery module including a plurality of battery cells (11), and various forms of battery modules including a plurality of battery cells may be applied.
  • FIG. 3 is a perspective view showing one of the battery modules included in the battery pack of FIG. 2.
  • FIG 4 is a partial perspective view showing the battery module of Figure 3 with the module frame and end plate removed.
  • the battery module (1200) may include a battery cell stack (11A) in which a plurality of battery cells (11) are stacked.
  • the battery cell stack (11A) is illustrated in FIG. 4. This battery cell stack (11A) may be accommodated in a module frame (30) and an end plate (40).
  • the battery cell (11) may be a pouch-type battery cell.
  • a pouch-type battery cell may be formed by housing an electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and then fusing the outer peripheral portion of the pouch case.
  • the battery cell (11) of the present invention is not limited to a pouch-type battery cell.
  • the battery cell (11) may be formed in a rectangular sheet structure.
  • the electrode lead (11L) connected to the electrode assembly protrudes to the outside of the pouch case, and the electrode leads (11L) of each battery cell (11) may be electrically connected to each other via a lead bus bar (21). Meanwhile, at least one electrode lead (11L) may be connected to a terminal bus bar (22). A part of the terminal bus bar (22) may be exposed to the outside of the battery module (1200) as illustrated in FIG. 3.
  • Both the lead bus bar (21) and the terminal bus bar (22) may include a metal material having excellent electrical conductivity.
  • the busbar assembly (100) is electrically connected to the terminal busbar (22), so that the HV connection described above can be made. That is, the battery module (1200) can be electrically connected to another battery module (1200), a BDU module (1300), or a BMS module (1400) via the busbar assembly (100) connected to the terminal busbar (22).
  • busbar assembly according to one embodiment is described.
  • Figure 5 is a plan view of a busbar provided with an insulating layer according to one embodiment.
  • a bus bar (200) guides an electrical connection within a battery pack (1000, see FIG. 2).
  • the bus bar (200) is configured to guide an electrical connection, i.e., an HV connection, of a battery module (1200, see FIG. 2), and may include a metal material having excellent electrical conductivity.
  • the bus bar (200) may include a copper (Cu) material.
  • the bus bar (200) may have a rod shape extending in one direction.
  • a through hole (HH) is defined at both ends of the bus bar (200).
  • a fastening member may be inserted into the through hole (HH) to connect the bus bar (200) and a terminal bus bar (22, see FIG. 3) of the battery module (1200, see FIG. 3).
  • the first insulating layer (300) is provided to surround the bus bar (200). At this time, the through hole (HH) of the bus bar (200) is exposed from the first insulating layer (300) and can be electrically connected to the terminal bus bar (22, see FIG. 3) of the battery module (1200, see FIG. 3).
  • the first insulating layer (300) may include a refractory material.
  • the first insulating layer (300) may include refractory silicon.
  • the first insulating layer (300) may be formed by molding refractory silicon on the outer surface of the bus bar (200).
  • refractory silicon can be ceramified at high temperatures. Therefore, the refractory silicon may be ceramified without burning when exposed to flame, thereby maintaining insulation properties for the bus bar (200).
  • the refractory silicon may be ceramized at a temperature of 500 degrees Celsius or higher and 1,700 degrees Celsius or lower.
  • the temperature range at which the refractory silicon is ceramized is not limited thereto.
  • the refractory silicon may include a silicone polymer and silica.
  • the applied silicone polymer can be a polysiloxane series compound having a vinyl group as a functional group, and can serve as a base material of a refractory silicone material.
  • the applied silica can be fumed silica as a reinforcing filler included in the silicone polymer.
  • a high-purity silicon chloride (SiCl 4 ) compound can be manufactured through a reaction with hydrochloric acid and a purification process using metal silicon as a main raw material. Fumed silica can be obtained by reacting this with hydrogen and oxygen in a high-temperature flame.
  • the refractory silicone can include platinum (Pt) as a catalyst.
  • the first insulating layer (300) of one embodiment including refractory silicone can maintain electrical insulation properties by being ceramized rather than burning or melting even when exposed to flame or a high-temperature environment. Accordingly, the first insulating layer (300) can insulate the busbar (200) without burning even in flame or high temperature, thereby preventing the busbar (200) from contacting other electrical components or conductive members and causing a short circuit.
  • a groove (GV) is formed at both ends of the first insulating layer (300).
  • the groove (GV) has a shape that is sunken inward at both ends of the first insulating layer (300).
  • the groove (GV) may include a plurality of sunken portions spaced apart from each other.
  • the groove (GV) is a structure for coupling with a cap (400) described below.
  • Figure 6 is a plan view of a cap of one embodiment.
  • Figure 7 is a plan view of a busbar provided with a cap and an insulating layer according to one embodiment.
  • the cap (400) covers both ends of the busbar (200), and in particular, covers the through hole (HH).
  • the cap (400) covers both ends of the busbar (200) and the fastening member. Therefore, the cap (400) has a space for storing the fastening member.
  • the process of connecting the busbar (200) to the terminal busbar (22, see FIG. 3) by the fastening member is omitted.
  • the cap (400) is coupled to the first insulating layer (300) to prevent the busbar (200) from being exposed to the outside and prevent short circuiting of the busbar (200).
  • the cap (400) may include a refractory material.
  • the cap (400) may include any one of refractory plastic, mica, and refractory silicone. Accordingly, the cap (400) may exhibit excellent refractory properties.
  • the refractory plastic can block flames without forming holes or drips for a certain period of time when exposed to flames. Specifically, the refractory plastic can protect internal structures by forming a carbonized layer in the flames.
  • the refractory plastic may include at least one of a PPO (Polyphenylene Oxide)-based material, a PA (Polyamide)-based material, and a PBT (Polybutylene Terephthalate)-based material.
  • Mica has excellent fire resistance, heat resistance, high temperature resistance and electrical insulation properties, so it can act as a fire-resistant insulating layer without burning in flames or high temperatures.
  • the same content as described above for the first insulating layer (300) can be applied.
  • the cap (400) of the present invention includes a main body (410) and a fixing member (420).
  • the main body (410) covers both ends of the bus bar (200) as described above, and has a space for storing a fastening member.
  • the fixing member (420) is inserted into the groove (GV) of the first insulating layer (300) so that the cap (400) is connected to the first insulating layer (300).
  • the fixing member (420) may have a shape for being inserted into the groove (GV), and the fixing member (420) of one embodiment may include a plurality of protrusions spaced apart from each other.
  • the fixing member (420) may be provided integrally with the main body (410), but the embodiment is not limited thereto. When the fixing member (420) including a plurality of protrusions is coupled to the groove (GV) including a plurality of recessed portions, the bonding force between the cap (400) and the first insulating layer (300) may be strengthened.
  • Figure 8 is a plan view of a cap of one embodiment.
  • Figure 9 is a plan view of a busbar provided with a cap and an insulating layer according to one embodiment.
  • the cap (400-1) includes a main body (410) and a fixing member (420-1), and the fixing member (420-1) of one embodiment may include one protrusion extending in one direction.
  • the first insulating layer (300-1) of one embodiment may include one recessed member extending in one direction to match the shape of the fixing member (420-1). Since the fixing member (420-1) has a shape extending in one direction, the bonding area between the tape provided on the cap (400-1) and the cap (400-1) can be increased and the bonding strength can be enhanced.
  • busbar assembly (100) having the structure of the first insulating layer (300) and the cap (400) illustrated in FIGS. 6 and 7 will be described as an example. However, the contents described below can be equally applied to a busbar assembly having the structure of the first insulating layer (300-1) and the cap (400-1) illustrated in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 10 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 11 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 12 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 13 is a plan view showing one step of a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment.
  • FIGS. 10 to 13 an example of a method for manufacturing a busbar assembly is described.
  • a method for manufacturing a busbar assembly of one embodiment includes a step of providing a second insulating layer (500) on a first insulating layer (300).
  • the second insulating layer (500) is provided to surround the first insulating layer (300).
  • the second insulating layer (500) may be provided to surround the first insulating layer (300).
  • the second insulating layer (500) may be provided in a tube shape.
  • the second insulating layer (500) provided in a tube shape may surround the first insulating layer (300) and be fitted in the longitudinal direction (Ld) of the busbar (200).
  • the second insulating layer (500) of the present invention may not include a separate adhesive material.
  • the adhesive material may include, for example, at least one of an epoxy resin, a silicone resin, and an acrylic resin. Since the second insulating layer (500) does not include an adhesive material, it is possible to prevent the insulation of the busbar assembly from being deteriorated by generating harmful gases from the adhesive material when a flame occurs.
  • a step of providing a cap (400) on the other end of the first insulating layer (300) is performed.
  • a fixing member (420) is inserted into a groove (GV) formed on the other end of the first insulating layer (300)
  • the cap (400) is fixed to the other end of the first insulating layer (300).
  • the second insulating layer (500) is spread so as to contact the fixing parts (420) of both ends.
  • the second insulating layer (500) can be fixed by being sandwiched between the fixing parts (420) of the cap (400) at both ends. A detailed description thereof will be described later with reference to FIGS. 15 and 16.
  • a tape (600) may be provided on a fixing portion (420) to form a busbar assembly (100) of one embodiment.
  • the tape (600) may be provided to cover the fixing portion (420) and a portion of the second insulating layer (500).
  • the tape (600) may strengthen the bonding force between the cap (400) and the second insulating layer (500) and improve the insulation of the busbar assembly (100).
  • the tape (600) may include, for example, a glass fiber layer.
  • the glass fiber layer may physically protect the internal structure, and for example, the glass fiber layer may prevent the first insulating layer (300) from being directly exposed to an external flame.
  • the busbar assembly (100) of one embodiment includes a tape (600) including a glass fiber layer, thereby improving structural rigidity and maintaining excellent insulation performance even in the event of a flame. Meanwhile, the tape (600) includes an adhesive layer in addition to the glass fiber layer in order to have adhesiveness.
  • the tape (600) is used in a small amount, and the second insulating layer (500) that conventionally uses a glass fiber tape is replaced with a glass fiber tube that does not include an adhesive material, thereby minimizing the generation of harmful gases due to ignition of the adhesive material when the busbar assembly (100) is exposed to a flame.
  • Figure 14 is a cross-sectional view of a busbar assembly of one embodiment.
  • Fig. 14 is a cross-sectional view of an example of a busbar assembly (100) cut along line A-A’ illustrated in Fig. 13.
  • a first insulating layer (300) surrounds an outer surface of a busbar (200), and a second insulating layer (500) surrounds an outer surface of the first insulating layer (300).
  • the second insulating layer (500) may include a glass fiber layer (510) and a coating layer (520).
  • the glass fiber layer (510) may be the aforementioned glass fiber layer, and may be provided in a tube shape without including a separate adhesive layer.
  • the coating layer (520) may be formed by coating silicone on the outer surface of the glass fiber layer (510). The second insulating layer (500) may further improve fire resistance by including the coating layer (520).
  • Figure 15 is a cross-sectional view of a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of one embodiment of the busbar assembly (100) shown in FIG. 13 cut along the line B-B’.
  • the thickness (H1) of the fixing portion (420) of the cap (400) may be greater than the thickness (T1) of the first insulating layer (300). Accordingly, when the fixing portion (420) is coupled to the first insulating layer (300), the first insulating layer (300) may contact the lower portion (PT1) of the fixing portion (420), and the remaining portion, the upper portion (PT2) of the fixing portion (420), may be exposed from the first insulating layer (300).
  • the upper portion (PT2) of the fixing portion (420) may function as a catch for fixing the second insulating layer (500). Specifically, the second insulating layer (500) is fixed by being sandwiched between the upper portions (PT2) of the fixing portions (420).
  • the second insulating layer (500) is fitted so as to contact the upper portion (PT2) of the fixing portion (420) provided at one end.
  • the second insulating layer (500) is fitted and fixed between the upper portions (PT2) of the fixing portions (420) provided at both ends. Accordingly, even if the second insulating layer (500) does not include a separate adhesive material, the second insulating layer (500) can be stably fixed without moving in the longitudinal direction of the busbar (200) by the fixing portion (420) included in the cap (400).
  • the tape (600) can improve the structural rigidity within the busbar assembly (100) by once again bonding the fixing portion (420) and the second insulating layer (500).
  • the tape (600) may be omitted as needed.
  • the embodiment of the cap (400) is not limited thereto.
  • Figure 16 is a cross-sectional view of a busbar assembly of one embodiment.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of one embodiment of the busbar assembly (100) cut along the line B-B’ illustrated in FIG. 13.
  • the thickness (H2) of the fixing portion (420-2) may be the same as the thickness (T1) of the first insulating layer (300). Accordingly, when the fixing portion (420-2) is coupled to the first insulating layer (300), the first insulating layer (300) and the fixing portion (420-2) may be arranged on the same layer.
  • a tape (600) may be provided to tape the cap (400-2) and the first insulating layer (300).
  • a second insulating layer (500) may be provided to wrap the fixing portion (420-2), the tape (600), and the first insulating layer (300).
  • the second insulating layer (500) having a tube shape can be fitted to surround the outer surface of the tape (600) and the first insulating layer (300). Accordingly, the tape (600) is placed between the second insulating layer (600) and the fixing member (420).
  • the second insulating layer (500) is placed and fixed between the main bodies (410) of the caps (400-2) provided at both ends. Meanwhile, the tape (600) may be omitted as needed.
  • the busbar assembly of the present invention comprises a first insulating layer including a cap including a fixing portion and a groove into which the fixing portion can be inserted, thereby minimizing the amount of adhesive used to join the cap and the first insulating layer and preventing deterioration of insulation due to generation of harmful gases from the adhesive when a flame occurs.
  • the second insulating layer disposed on the first insulating layer is provided in a tube shape that does not include an adhesive material, and the second insulating layer can be fixed by caps at both ends without an adhesive material. Accordingly, the busbar assembly of the present invention can maintain excellent insulation and fire resistance even when exposed to flame.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above can be mounted together with various control and protection systems such as a BMS (Battery Management System), a BDU (Battery Disconnect Unit), and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS Battery Management System
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • cooling system to form a battery pack.
  • the above battery module or battery pack can be applied to various devices. Specifically, it can be applied to means of transportation such as electric bicycles, electric cars, hybrids, or ESS (Energy Storage Systems), but is not limited thereto and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
  • means of transportation such as electric bicycles, electric cars, hybrids, or ESS (Energy Storage Systems)
  • ESS Electronicgy Storage Systems

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 조립체는, 전지 팩 내부에서 전지 모듈과 연결되어 전지 모듈의 전기적 연결을 안내하는 버스바, 버스바의 외주면을 감싸고, 양단에 홈이 형성된 제1 절연층, 제1 절연층을 감싸는 제2 절연층, 및 버스바의 양단을 감싸는 본체와 홈에 삽입되는 고정부를 포함하는 캡;을 포함한다.

Description

버스바 조립체 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2023년 08월 11일자 한국 특허 출원 제10-2023-0105717호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 버스바 조립체 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 절연 안정성이 향상된 버스바 조립체 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지 셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지 셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지 셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
다수의 전지 모듈들이 모인 전지 팩은, 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈들과 이러한 전지 모듈들이 장착된 전지 팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않거나 전지 셀들의 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 경우 연속적인 발화나 이에 따른 폭발이 발생할 가능성이 높다.
한편, 전지 팩 내부에는 전지 모듈과 연결되는 버스바가 구비된다.
도 1은 종래의 버스바 조립체의 분해 사시도 및 결합 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 버스바 조립체(10)는 버스바(20), 버스바(20)를 감싸는 피복(20C), 캡(CP), 및 캡(CP)의 고정을 위한 테이프(AL)을 포함한다. 버스바(20)는 길이 방향을 따라 연장되는 막대 형상의 금속 부재이다. 버스바(20)의 양단부에는 전지 모듈의 터미널 버스바와의 연결을 위한 관통홀(HH)이 형성될 수 있다. 이러한 버스바(20)는, 전지 팩에서 HV(High voltage) 연결을 담당하는 구성이다. HV 연결은 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결을 의미하며, 버스바(20)는 전지 모듈의 전기적 연결을 안내하는 구성으로, 전기 전도성이 우수한 금속 소재를 포함하는 것이 일반적이다. 일례로, 버스바(20)는 구리(Cu) 소재를 포함할 수 있다.
피복(20C)은 버스바(20)를 감쌀 수 있다. 피복(20C)은 전기적 절연인 소재를 포함할 수 있으며, 일례로, 실리콘 또는 에폭시와 같은 소재를 포함할 수 있다. 고전류가 흐르는 버스바(20)를 피복(20C)이 감싸기 때문에, 버스바(20)가 전지 모듈의 터미널 버스바 외에 다른 전장품이나 도전성 부재와 접촉하여 쇼트가 발생하는 것이 차단된다.
버스바(20)의 관통홀(HH)에는 체결 부재가 삽입되어, 버스바(20)를 전지 모듈의 터미널 버스바와 연결할 수 있다. 절연을 위하여 버스바(20)의 양단에는 캡(CP)이 부착된다. 캡(CP)은 예를 들어 러버캡일 수 있다. 캡(CP)은 테이프(AL)를 이용하여 피복(20C)에 부착될 수 있다.
그런데 전지 팩 내부에서 화염 발생 시, 화염은 온도가 약 1000℃로 매우 높기 때문에 버스바(20)를 감싸는 피복(20C)이 녹거나, 캡(CP)과 테이프(AL)가 녹으면서 버스바(20)가 노출될 수 있다. 노출된 버스바(20)가 다른 도전성 부재와 접촉하여 쇼트가 발생할 경우, 내부 화염이 더욱 확산되고, 전지 팩 외부에까지 이러한 화염이 전파될 수 있다. 종국적으로 이는 전지 팩이나 전지 팩이 장착된 차량의 폭발로 이어질 수 있다.
이에, 전지 팩 내부에서 화염이 발생하여도, 전기적 절연성을 유지할 수 있는 버스바 조립체에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 팩 내부에서 화염이 발생하여도, 우수한 전기적 절연성을 유지할 수 있는 버스바 조립체 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 버스바 조립체는 전지 팩 내부에서 전지 모듈과 연결되어 전지 모듈의 전기적 연결을 안내하는 버스바; 상기 버스바의 외주면을 감싸고, 양단에 홈이 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층을 감싸는 제2 절연층; 및 상기 버스바의 양단을 감싸는 본체와 상기 홈에 삽입되는 고정부를 포함하는 캡;을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 고정부의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 크고, 상기 고정부의 하부는 상기 제1 절연층과 결합하고, 상기 고정부의 상부에는 제2 절연층이 접할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 절연층은 상기 버스바의 양단에 배치된 상기 고정부들 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고정부의 두께는 상기 제1 절연층의 두께와 동일하고, 상기 고정부와 상기 제1 절연층은 동일한 층에 위치하고, 상기 제2 절연층은 상기 고정부 및 상기 제1 절연층 상에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 절연층 및 상기 고정부 사이에 테이프가 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 절연층은 유리 섬유를 포함하는 튜브 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 절연층의 외면에는 실리콘이 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 절연층은 접착 물질을 포함하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고정부는 서로 이격된 복수의 돌출부들을 포함하고, 상기 홈은 상기 돌출부들이 삽입될 수 있는 복수의 이격된 함몰부들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고정부는 연장된 블록의 형상을 포함하고, 상기 홈은 상기 블록이 삽입되는 홈을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 절연층은 내화 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 전지 팩은, 적어도 하나의 버스바 조립체; 전지 모듈들; 상기 전지 모듈들의 전기적 연결을 제어하기 위한 BDU(battery disconnect unit) 모듈; 및 상기 전지 모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery Management System) 모듈을 포함하고, 상기 적어도 하나의 버스바 조립체는, 상기 전지 모듈들 사이, 상기 전지 모듈과 상기 BDU 모듈 사이, 상기 전지 모듈과 상기 BMS 모듈 사이 및 상기 BDU 모듈과 상기 BMS 모듈 사이 중 적어도 하나를 전기적으로 연결한다.
본 발명의 버스바 조립체는 캡과 절연층의 결합을 위한 접착제의 사용이 최소화되어, 화염에 노출되어도 절연성 및 내화성을 우수하게 유지할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 버스바 조립체의 분해 사시도 및 결합 사시도이다.
도 2는 일 실시예의 전지 팩의 평면도이다.
도 3은 도 2의 전지 팩에 포함된 전지 모듈들 중 하나의 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 대해 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 제거한 모습을 나타낸 부분 사시도이다.
도 5는 일 실시예의 절연층이 제공된 버스바의 평면도이다.
도 6은 일 실시예의 캡의 평면도이다.
도 7은 일 실시예의 캡 및 절연층이 제공된 버스바의 평면도이다.
도 8은 일 실시예의 캡의 평면도이다.
도 9는 일 실시예의 캡 및 절연층이 제공된 버스바의 평면도이다.
도 10은 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 11은 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 12는 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 13은 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 14는 일 실시예의 버스바 조립체의 단면도이다.
도 15는 일 실시예의 버스바 조립체의 단면도이다.
도 16은 일 실시예의 버스바 조립체의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 나타냈다. 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. 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.
또한, 명세서 전체에서 제1 방향(DR1), 제2 방향(DR2), 및 제3 방향(DR3)은 상대적인 개념으로 사용되었다. 제1 방향(DR1), 제2 방향(DR2), 및 제3 방향(DR3)은 서로 수직 교차할 수 있다. 명세서 전체에서, 상하 개념은 제3 방향(DR3)을 따라서 구분되는 것으로 설명하였다. 구체적으로, 위 방향 또는 상측 방향은 제3 방향(DR3)을 의미한다. 아래 방향 또는 하측 방향은 제3 방향(DR3)의 반대 방향을 의미한다. 명세서 내 “두께”는 제3 방향(DR3)에서 측정한 길이를 의미한다.
도 2는 일 실시예의 전지 팩의 평면도이다.
도 2을 참조하면, 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 버스바 조립체(100), 팩 프레임(1100), 전지 모듈(1200)들, 전지 모듈(1200)의 전기적 연결을 제어하기 위한 BDU(battery disconnect unit) 모듈(1300), 및 전지 모듈(1200)의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(battery Management System) 모듈(1400)을 포함한다. 본 실시예에 따른 적어도 하나의 버스바 조립체(100)는 전지 모듈(1200)들 사이, 전지 모듈(1200)과 BDU 모듈(1300) 사이, 전지 모듈(1200)과 BMS 모듈(1400) 사이 및 BDU 모듈(1300)과 BMS 모듈(1400) 사이 중 적어도 하나를 전기적으로 연결한다. 구체적으로, 복수의 전지 모듈(1200)들이 팩 프레임(1100)에 수납될 수 있고, 전지 모듈(1200) 사이의 전기적 연결이나 전지 모듈(1200)과 BDU 모듈(1300) 사이의 전기적 연결이 버스바 조립체(100)에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 버스바 조립체(100)는 HV(High voltage) 연결을 담당할 수 있다. 여기서 HV 연결은 고전압이 요구되는 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결로써, 전지 셀 간의 연결이나 전지 모듈 간의 연결을 의미한다.
한편, BDU 모듈(1300)은 전지 모듈(1200)의 전기적 연결을 제어하기 위한 부재로써, 전력변환장치와 전지 모듈(1200) 사이에서 전원을 차단할 수 있다. BDU 모듈(1300)은 전류가 설정범위를 넘는 조건이 발생하면 전지 팩(1000)의 전원을 차단하여 전지 팩(1000)의 안전성을 확보할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 LV 연결 부재(100’)는 전지 모듈(1200)과 BMS 모듈(1400) 사이의 전기적 연결을 담당할 수 있다. 여기서의 전기적 연결은, LV(Low voltage) 연결로, 전지 모듈(1200)의 전압 및 온도를 감지하고 제어하기 위한 센싱 연결을 의미한다. 구체적으로, 전지 모듈(1200) 내부의 센서 등이 배치되고, 전지 모듈(1200)의 실시간 온도 정보나 전압 정보가 LV 연결 부재(100’)를 통해 BMS 모듈(1400)로 전달된다. BMS 모듈(1400)을 통해 전지 모듈(1200)의 실시간 작동 상태를 모니터링 및 제어할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았지만, HV 전류 센서가 BMS 모듈(1400)에 통합되는 경우가 있다. 이 경우, 본 실시예에 따른 버스바 조립체는 전지 모듈(1200)과 BMS 모듈(1400) 사이 또는 BDU 모듈(1300)과 BMS 모듈(1400) 사이의 전기적 연결을 담당할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참고하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈(1200)에 대해 설명한다. 다만, 아래에서 설명하는 전지 모듈(1200)은 복수의 전지 셀(11)을 포함하는 전지 모듈의 하나의 예시적인 구조이며, 복수의 전지 셀을 포함하는 다양한 형태의 전지 모듈이 적용될 수 있다.
도 3는 도 2의 전지 팩에 포함된 전지 모듈들 중 하나를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 대해 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 제거한 모습을 나타낸 부분 사시도이다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(1200)은, 복수의 전지 셀(11)이 적층된 전지 셀 적층체(11A)를 포함할 수 있다. 전지 셀 적층체(11A)는 도 4에 도시되어 있다. 이러한 전지 셀 적층체(11A)는 모듈 프레임(30)과 엔드 플레이트(40)에 수납될 수 있다.
전지 셀(11)은 파우치형 전지 셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지 셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 융착하여 형성될 수 있다. 다만, 본 발명의 전지 셀(11)이 파우치형 전지 셀에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서 전지 셀(11)은 장방형 시트 구조로 형성될 수 있다. 상기 전극 조립체와 연결된 전극 리드(11L)는 상기 파우치 케이스의 외부로 돌출되는데, 각 전지 셀(11)의 전극 리드(11L)들은 리드 버스바(21)를 매개로 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 적어도 하나의 전극 리드(11L)는 터미널 버스바(22)에 연결될 수 있다. 터미널 버스바(22)의 일부분은 도 3에 도시된 것처럼 전지 모듈(1200)의 외부로 노출될 수 있다. 리드 버스바(21)와 터미널 버스바(22)는 모두 전기 전도성이 우수한 금속 소재를 포함할 수 있다.
이러한 터미널 버스바(22)에 본 실시예에 따른 버스바 조립체(100)가 전기적으로 접속되어, 상술한 HV 연결이 이루어질 수 있다. 즉 전지 모듈(1200)은 터미널 버스바(22)에 연결되는 버스바 조립체(100)를 매개로 다른 전지 모듈(1200), BDU 모듈(1300) 또는 BMS 모듈(1400)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이하에서는 일 실시예에 따른 버스바 조립체에 대해 설명한다.
도 5는 일 실시예의 절연층이 제공된 버스바의 평면도이다.
도 5를 참조하면, 버스바(200)는 전지 팩(1000, 도 2 참조) 내에서의 전기적 연결을 안내한다. 버스바(200)는 전지 모듈(1200, 도 2 참조)의 전기적 연결, 즉 HV 연결을 안내하기 위한 구성이며, 전기 전도성이 우수한 금속 소재를 포함할 수 있다. 일례로, 버스바(200)는 구리(Cu) 소재를 포함할 수 있다. 버스바(200)는 일 방향으로 연장된 막대 형상을 가질 수 있다. 버스바(200)의 양단에는 관통홀(HH)이 정의된다. 관통홀(HH)에는 체결 부재가 삽입되어, 버스바(200) 및 전지 모듈(1200, 도 3 참조)의 터미널 버스바(22, 도 3 참조)를 연결시킬 수 있다.
제1 절연층(300)은 버스바(200)를 둘러싸도록 제공된다. 이때 버스바(200)의 관통홀(HH)은 제1 절연층(300)으로부터 노출되어, 전지 모듈(1200, 도 3 참조)의 터미널 버스바(22, 도 3 참조)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 절연층(300)은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 절연층(300)은 내화 실리콘을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 버스바(200)의 외주면에 내화 실리콘을 몰딩함으로써 제1 절연층(300)이 형성될 수 있다. 내화 실리콘은 화염에 노출되거나 고열에서 타는 일반적인 실리콘 소재와 달리, 고열에서 세라믹화(Ceramifying)될 수 있다. 따라서, 내화 실리콘은 화염에 노출될 경우 타지 않고 세라믹화되어 버스바(200)에 대한 절연성을 유지할 수 있다. 예를 들어, 내화 실리콘은 섭씨 500도 이상 섭씨 1700도 이하에서 세라믹화될 수 있다. 다만 내화 실리콘이 세라믹화되는 온도 범위가 이에 제한되는 것은 아니다. 내화 실리콘은 실리콘 폴리머 및 실리카를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적용되는 실리콘 폴리머는, 작용기(functional group)로써 비닐기(vinyl group)를 갖는 폴리실록세인(polysiloxane) 계열 화합물일 수 있고, 내화 실리콘 소재의 기재 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 적용되는 실리카는, 실리콘 폴리머에 포함되는 보강제(reinforcing filler)로써, 흄드 실리카(fumed silica)일 수 있다. 금속 규소를 주원료로 하여 염산과의 반응 및 정제과정을 통해 고순도 염화규소(SiCl4) 화합물을 제조할 수 있고. 이를 고온의 불꽃에서 수소 및 산소와 반응시켜 흄드 실리카를 얻을 수 있다. 또한, 내화 실리콘은 촉매로써 백금(Pt)을 포함할 수 있다.
내화 실리콘이 화염이나 고열에 노출되면, 실리콘 폴리머의 분해(decomposition)와 함께 실리카(SiO2)의 가교(cross-linked)가 이루어져 세라믹 물질이 형성된다. 내화 실리콘을 포함하는 일 실시예의 제1 절연층(300)은, 화염에 노출되거나 고열 환경에 놓이더라도, 타거나 녹아 없어지는 것이 아니라 세라믹화(Ceramifying)되어 전기적 절연성을 유지할 수 있다. 따라서, 제1 절연층(300)은 화염이나 고온에서도 타지 않고 버스바(200)를 절연하여, 버스바(200)가 다른 전장품이나 도전성 부재와 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
제1 절연층(300)의 양단에는 홈(GV)이 형성된다. 홈(GV)은 제1 절연층(300)의 양단에서 내부로 함몰된 형상을 갖는다. 일 실시예에서, 홈(GV)은 서로 이격된 복수의 함몰부를 포함할 수 있다. 홈(GV)은 후술하는 캡(400)과의 결합을 위한 구조이다.
도 6은 일 실시예의 캡의 평면도이다.
도 7은 일 실시예의 캡 및 절연층이 제공된 버스바의 평면도이다.
도 6 및 도 7을 함께 참조하면, 캡(400)은 버스바(200)의 양단을 커버하고, 특히 관통홀(HH)을 커버한다. 도시하지는 않았으나, 체결 부재가 관통홀(HH)에 삽입된 이후, 캡(400)이 버스바(200)의 양단 및 체결 부재를 커버한다. 따라서 캡(400)은 체결 부재의 수납을 위한 공간을 갖는다. 본 도면에서는 설명의 편의를 위하여 버스바(200)가 체결 부재에 의해 터미널 버스바(22, 도 3 참조)에 연결되는 과정을 생략하였다. 또한 캡(400)은 제1 절연층(300)에 결합되어, 버스바(200)가 외부로 노출되는 것을 막고 버스바(200)의 쇼트를 방지한다.
캡(400)은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 캡(400)은 내화 플라스틱, 미카(mica), 내화 실리콘 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 캡(400)은 우수한 내화성을 나타낼 수 있다.
내화 플라스틱은 화염에 노출 시 일정 시간동안 hole이나 drip이 발생하지 않고 화염을 차단하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 내화 플라스틱은 화염 속에서 탄화층(carbonized layer)을 형성함으로써, 내부의 구조물을 보호할 수 있다. 내화 플라스틱은 PPO(Polyphenylene Oxide)계 물질, PA(Polyamide)계 물질, 및 PBT(Polybutylene Terephthalate)계 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
미카는 내화성, 내열성, 고온 저항성 및 전기 절연성이 우수하여 화염이나 고열에서 타지 않고 내화성 있는 절연층의 역할을 할 수 있다.
내화 실리콘에 대해서는 제1 절연층(300)에서 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 캡(400)은 본체(410) 및 고정부(420)를 포함한다. 본체(410)는 전술한 것과 같이 버스바(200)의 양단을 커버하고, 체결 부재를 수납하기 위한 공간을 갖는다. 고정부(420)는 제1 절연층(300)의 홈(GV)에 삽입되어, 캡(400)이 제1 절연층(300)에 연결되도록 한다. 고정부(420)는 홈(GV)에 삽입되기 위한 형상을 가질 수 있으며, 일 실시예의 고정부(420)는 서로 이격된 복수의 돌출부를 포함할 수 있다. 고정부(420)는 본체(410)와 일체로 제공될 수 있으나, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 복수의 돌출부를 포함하는 고정부(420)가 복수의 함몰부를 포함하는 홈(GV)에 결합함으로써, 캡(400)과 제1 절연층(300) 사이의 결합력이 강화될 수 있다.
도 8은 일 실시예의 캡의 평면도이다.
도 9는 일 실시예의 캡 및 절연층이 제공된 버스바의 평면도이다.
도 8 및 도 9를 함께 참조하면, 캡(400-1)은 본체(410) 및 고정부(420-1)를 포함하고, 일 실시예의 고정부(420-1)는 일 방향으로 연장된 한 개의 돌출부를 포함할 수 있다. 일 실시예의 제1 절연층(300-1)은 고정부(420-1)의 형상에 맞게, 일 방향으로 연장된 한 개의 함몰부를 포함할 수 있다. 고정부(420-1)가 일 방향으로 연장된 형상을 가짐으로써, 이후 캡(400-1) 상에 제공되는 테이프와 캡(400-1) 사이의 접착 면적을 늘리고 접착력을 증대시킬 수 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7에 도시된 제1 절연층(300)과 캡(400)의 구조를 갖는 버스바 조립체(100)를 일 예로 설명한다. 그러나 후술하는 내용은 도 8 및 도 9에 도시된 제1 절연층(300-1)과 캡(400-1)의 구조를 갖는 버스바 조립체에 동일하게 적용될 수 있다.
도 10은 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 11은 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 12는 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 13은 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법의 일 단계를 나타낸 평면도이다.
도 10 내지 도 13을 참조하여, 버스바 조립체의 제조 방법의 일 예에 대해 설명한다.
도 10을 참조하면, 일 실시예의 버스바 조립체의 제조 방법은 제1 절연층(300) 상에 제2 절연층(500)을 제공하는 단계를 포함한다. 제2 절연층(500)은 제1 절연층(300)을 감싸도록 제공된다. 구체적으로, 버스바(200)의 일 단에서 캡(400)과 제1 절연층(300)을 결합한 이후, 제2 절연층(500)이 제1 절연층(300)을 감싸도록 제공될 수 있다. 제2 절연층(500)은 튜브 형상으로 제공되는 것일 수 있다. 구체적으로, 튜브 형상으로 제공되는 제2 절연층(500)은 제1 절연층(300)을 감싸며 버스바(200)의 길이 방향(Ld)으로 끼워질 수 있다.
본 발명의 제2 절연층(500)은 별도의 접착 물질을 포함하지 않는 것일 수 있다. 접착 물질은 예를 들어, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 및 아크릴 수지 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 제2 절연층(500)이 접착 물질을 포함하지 않음에 따라, 화염 발생 시 접착 물질에서 유해 가스가 발생하여 버스바 조립체의 절연성이 악화되는 것을 방지할 수 있다.
도 11을 참조하면, 제1 절연층(300)에 제2 절연층(500)을 제공한 이후, 제1 절연층(300)의 타단에 캡(400)을 제공하는 단계가 진행된다. 제1 절연층(300)의 타단에 형성된 홈(GV)에 고정부(420)가 삽입되면서, 캡(400)이 제1 절연층(300)의 타단에 고정된다.
도 12를 참조하면, 버스바(200, 도 10 참조)의 양단에 캡(400)이 결합된 이후, 제2 절연층(500)은 양단의 고정부(420)에 접촉하도록 펴진다. 제2 절연층(500)은 접착 물질을 포함하지 않는 대신, 양단이 캡(400)의 고정부(420)들 사이에 끼워져 고정될 수 있다. 관련하여 구체적인 설명은 도 15 및 도 16에서 후술한다.
도 12 및 도 13을 함께 참조하면, 고정부(420) 상에 테이프(600)를 제공하여, 일 실시예의 버스바 조립체(100)를 형성할 수 있다. 테이프(600)는 고정부(420) 및 제2 절연층(500)의 일부를 덮도록 제공될 수 있다. 테이프(600)는 캡(400)과 제2 절연층(500) 사이의 결합력을 강화하고, 버스바 조립체(100)의 절연성을 향상시키는 것일 수 있다. 테이프(600)는 예를 들어 유리 섬유층을 포함할 수 있다. 유리 섬유층은 내부 구조물을 물리적으로 보호할 수 있고, 예를 들어, 유리 섬유층은 제1 절연층(300)이 외부 화염에 직접 노출되지 않도록 막아줄 수 있다. 화염이나 고열의 환경에서, 제1 절연층(300)이 세라믹화 될 경우, 제1 절연층(300)의 전기적 절연성은 유지할 수 있으나 강도가 약해지면서 외력에 의해 부서질 수 있다. 유리 섬유층은 제1 절연층(300)을 감싸도록 제공되어, 외력에 의해 제1 절연층(300)이 부서지는 것을 방지할 수 있다. 일 실시예의 버스바 조립체(100)는 유리 섬유층을 포함하는 테이프(600)를 포함하여, 구조적 강성이 향상되고, 화염 시에도 절연 성능이 우수하게 유지될 수 있다. 한편, 테이프(600)는 접착성을 갖기 위해 유리 섬유층 외에 접착층을 포함한다. 그러나 테이프(600)는 소량으로 사용되고, 종래에 유리 섬유 테이프를 사용하던 제2 절연층(500)을 접착 물질을 포함하지 않는 유리 섬유 튜브로 대체하여, 버스바 조립체(100)가 화염에 노출 시 접착 물질의 발화로 인해 유해 가스가 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
도 14는 일 실시예의 버스바 조립체의 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 버스바 조립체(100)를 A-A’ 절단선으로 절단한 일 예의 단면도이다. 도 14를 참조하면, 제1 절연층(300)이 버스바(200)의 외주면을 감싸고, 제2 절연층(500)이 제1 절연층(300)의 외주면을 감싼다.
일 실시예에서, 제2 절연층(500)은 유리 섬유층(510) 및 코팅층(520)을 포함할 수 있다. 유리 섬유층(510)은 전술한 유리 섬유층이며, 별도의 접착층을 포함하지 않고 튜브 형상으로 제공되는 것일 수 있다. 코팅층(520)은 유리 섬유층(510)의 외면에 실리콘이 코팅되어 형성된 것일 수 있다. 제2 절연층(500)은 코팅층(520)을 포함하여 내화성이 더욱 향상될 수 있다.
도 15는 일 실시예의 버스바 조립체의 단면도이다.
도 15는 도 13에 도시된 버스바 조립체(100)를 B-B’ 절단선으로 절단한 일 실시예의 단면도이다. 도 15를 참조하면, 캡(400)의 고정부(420)의 두께(H1)는 제1 절연층(300)의 두께(T1)보다 클 수 있다. 이에 따라, 고정부(420)가 제1 절연층(300)에 결합될 때 제1 절연층(300)은 고정부(420)의 하부(PT1)에 접촉하고, 나머지 부분인 고정부(420)의 상부(PT2)는 제1 절연층(300)으로부터 노출될 수 있다. 고정부(420)의 상부(PT2)는 제2 절연층(500)을 고정하는 걸림턱 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 제2 절연층(500)은 고정부(420)의 상부(PT2)들 사이에 끼워져 고정된다.
도 10 내지 도 13 및 도 15를 함께 참조하면, 도 10 및 도 11에서, 제2 절연층(500)은 일단에 제공된 고정부(420)의 상부(PT2)에 접촉하도록 끼워진다. 도 12에서, 제2 절연층(500)은 양단에 제공된 고정부(420)의 상부(PT2)들 사이에 끼워져 고정된다. 따라서, 제2 절연층(500)이 별도의 접착 물질을 포함하지 않더라도, 캡(400)에 포함된 고정부(420)에 의해서 제2 절연층(500)은 버스바(200)의 길이 방향으로 움직이지 않고 안정적으로 고정될 수 있다. 또한 테이프(600)가 고정부(420)와 제2 절연층(500)을 한번 더 결합시키면서, 버스바 조립체(100) 내의 구조적 강성을 향상시킬 수 있다. 필요에 따라 테이프(600)는 생략될 수도 있다.
한편 캡(400)의 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 16은 일 실시예의 버스바 조립체의 단면도이다.
도 16은 도 13에 도시된 버스바 조립체(100)를 B-B’ 절단선으로 절단한 일 실시예의 단면도이다. 도 16을 참조하면, 일 실시예의 캡(400-2)에서, 고정부(420-2)의 두께(H2)는 제1 절연층(300)의 두께(T1)와 동일할 수 있다. 이에 따라, 고정부(420-2)가 제1 절연층(300)에 결합될 때 제1 절연층(300)과 고정부(420-2)는 동일한 층에 배치될 수 있다. 고정력을 확보하기 위해서, 캡(400-2)과 제1 절연층(300)을 테이핑하도록 테이프(600)가 제공될 수 있다. 이후 제2 절연층(500)은 고정부(420-2), 테이프(600), 및 제1 절연층(300)을 감싸도록 제공될 수 있다. 구체적으로, 튜브 형상을 갖는 제2 절연층(500)은 테이프(600) 및 제1 절연층(300)의 외주면을 감싸도록 끼워질 수 있다. 이에 따라, 제2 절연층(600)과 고정부(420) 사이에 테이프(600)가 배치된다. 도 16의 실시예에서 제2 절연층(500)은 양단에 제공된 캡(400-2)의 본체(410)들 사이에 배치되어 고정된다. 한편, 테이프(600)는 필요에 따라 생략될 수도 있다.
본 발명의 버스바 조립체는 고정부를 포함하는 캡 및 고정부가 삽입될 수 있는 홈을 포함하는 제1 절연층을 포함하여, 캡과 제1 절연층의 결합에 사용되는 접착제를 최소화하고, 화염 시 접착제에서 유해 가스가 발생하여 절연성이 악화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층은 접착 물질을 포함하지 않는 튜브 형상으로 제공되고, 접착 물질 없이 양단의 캡에 의해 제2 절연층이 고정될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 버스바 조립체는 화염에 노출되어도 절연성 및 내화성을 우수하게 유지할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 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. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100: 버스바 조립체
200: 버스바
300: 제1 절연층
GV: 홈
400: 캡
410: 본체
420: 고정부
500: 제2 절연층
600: 테이프

Claims (12)

  1. 전지 팩 내부에서 전지 모듈과 연결되어 전지 모듈의 전기적 연결을 안내하는 버스바;
    상기 버스바의 외주면을 감싸고, 양단에 홈이 형성된 제1 절연층;
    상기 제1 절연층을 감싸는 제2 절연층; 및
    상기 버스바의 양단을 감싸는 본체와 상기 홈에 삽입되는 고정부를 포함하는 캡;을 포함하는 버스바 조립체.
  2. 제1항에서,
    상기 고정부의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 크고,
    상기 고정부의 하부는 상기 제1 절연층과 결합하고,
    상기 고정부의 상부에는 제2 절연층이 접하는 버스바 조립체.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 절연층은 상기 버스바의 양단에 배치된 상기 고정부들 사이에 배치되는 버스바 조립체.
  4. 제1항에서,
    상기 고정부의 두께는 상기 제1 절연층의 두께와 동일하고,
    상기 고정부와 상기 제1 절연층은 동일한 층에 위치하고,
    상기 제2 절연층은 상기 고정부 및 상기 제1 절연층 상에 배치된 버스바 조립체.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 절연층 및 상기 고정부 사이에 테이프가 배치된 버스바 조립체.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 절연층은 유리 섬유를 포함하는 튜브 형상을 갖는 버스바 조립체.
  7. 제6항에서,
    상기 제2 절연층의 외면에는 실리콘이 코팅된 버스바 조립체.
  8. 제1항에서,
    상기 제2 절연층은 접착 물질을 포함하지 않는 버스바 조립체.
  9. 제1항에서,
    상기 고정부는 서로 이격된 복수의 돌출부들을 포함하고,
    상기 홈은 상기 돌출부들이 삽입될 수 있는 복수의 이격된 함몰부들을 포함하는 버스바 조립체.
  10. 제1항에서,
    상기 고정부는 연장된 블록의 형상을 포함하고,
    상기 홈은 상기 블록이 삽입되는 홈을 갖는 버스바 조립체.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 절연층은 내화 실리콘을 포함하는 버스바 조립체.
  12. 제1항에 따른 적어도 하나의 버스바 조립체;
    전지 모듈들;
    상기 전지 모듈들의 전기적 연결을 제어하기 위한 BDU(battery disconnect unit) 모듈; 및
    상기 전지 모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery Management System) 모듈을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 버스바 조립체는, 상기 전지 모듈들 사이, 상기 전지 모듈과 상기 BDU 모듈 사이, 상기 전지 모듈과 상기 BMS 모듈 사이 및 상기 BDU 모듈과 상기 BMS 모듈 사이 중 적어도 하나를 전기적으로 연결하는 전지 팩.
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