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1. WO2020116799 - BATTERY MODULE WITH IMPROVED SAFETY, BATTERY PACK COMPRISING BATTERY MODULE, AND VEHICLE COMPRISING BATTERY PACK

Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

12   13  

과제 해결 수단

14   15   16   17   18   19   20   21   22   23  

발명의 효과

24   25   26   27   28  

도면의 간단한 설명

29   30   31   32   33   34   35   36   37   38  

발명의 실시를 위한 형태

39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

명세서

발명의 명칭 : 안전성이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차

기술분야

[1]
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도 상승시 전류 흐름을 차단할 수 있도록 한 배터리 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이기도 하다. 본 출원은 2018년 12월 7일자로 출원된 대한민국 특허출원 번호 제10-2018-0157556호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.

배경기술

[2]
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 인해 각광을 받고 있다.
[3]
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질이 양극 집전체에 코팅된 양극판과, 음극 활물질이 음극 집전체에 코팅된 음극판이, 분리막을 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀을 집합시킨 전극 조립체와, 이 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다. 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류된다.
[4]
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치(ESS)와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 접속되어 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성한다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다. 파우치형 이차 전지는 전극 리드가 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납되어 밀봉된 구조를 가진다. 전극 리드의 일부는 파우치 케이스 외부로 노출되며, 노출된 전극 리드는 이차 전지가 장착되는 장치에 전기적으로 접속되거나, 이차 전지 상호간을 전기적으로 접속하는 데 사용된다.
[5]
도 1은 파우치형 배터리 셀들을 연결해 제조한 배터리 모듈의 일부를 도시한다. 예컨대 2개의 파우치형 배터리 셀을 직렬로 연결한 상태를 도시한 것이다.
[6]
도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 배터리 셀(10, 10')은 파우치 케이스(30) 외부로 인출된 두 개의 전극 리드(40, 40')를 구비한다. 전극 리드(40. 40')는 전기적 극성에 따라 양극(+) 리드와 음극(-) 리드로 구분되며 파우치 케이스(30) 내에 밀봉되어 있는 전극 조립체(20)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 양극 리드는 전극 조립체(20)의 양극판에, 음극 리드는 전극 조립체(20)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다.
[7]
배터리 모듈(1) 안에서 배터리 셀들(10, 10')이 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 1은 전극 리드(40, 40')를 절곡시킨 후 버스바(50) 위에 놓고 레이저 용접으로 용접 처리해 배터리 셀(10)의 전극 리드(40)와, 이 배터리 셀(10)에 인접한 다른 배터리 셀(10')의 전극 리드(40')간을 연결하는 방식을 도시하고 있다.
[8]
한편, 리튬 이차 전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있다. 특히 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차에 적용이 되면서 다수의 고용량 이차 전지 배터리 셀을 연결하여 사용하는 배터리 모듈이나 배터리 팩에서는, 폭발시 매우 큰 사고가 발생할 수 있어 안전성을 확보하는 것이 주요 과제 중 하나이다.
[9]
리튬 이차 전지의 온도가 급격하게 상승하게 되는 대표적인 원인은 단락 전류가 흐르는 경우이다. 단락 전류는 이차 전지와 연결된 전자 기기 등에서 단락이 일어난 경우 주로 발생하게 되며, 리튬 이차 전지에 단락 현상이 일어나면 양극 및 음극에서 급격한 전기화학반응이 일어나 열이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 열에 의해 배터리 셀의 온도가 빠른 속도로 상승하게 되어 결국 발화를 일으킨다. 특히 다수의 배터리 셀을 포함하고 있는 배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 경우에는 어느 하나의 배터리 셀에서 발생된 열이 주위의 배터리 셀로 전파되어 다른 배터리 셀에 영향을 미치게 되며 이는 더욱 큰 위험으로 커지게 된다.
[10]
기존에 이차 전지 내부의 온도가 상승하면 전류를 차단하여 폭발을 방지할 수 있는 수단으로서 PTC 소자, 퓨즈 등이 제안된 바 있다. 그런데, 이들은 배터리 모듈이나 배터리 팩 내에서 별도의 장착 공간이 필요하다는 문제가 있다.
[11]
배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 폭발은 그것이 채용된 전자기기 혹은 자동차 등의 파손을 가져올 뿐만 아니라 사용자의 안전 위협 및 화재로 연결될 수 있다는 점에서 안전성 확보는 매우 중요하다. 이차 전지가 과열되면 폭발 및/또는 발화의 위험이 커지게 되고, 과열로 인한 급격한 연소나 폭발은 인명 및 재산상의 피해를 줄 수 있다. 그러므로, 이차 전지 사용상의 안전성을 충분히 확보하기 위한 수단 도입에 대한 요구가 있다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[12]
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 온도 상승시 전류를 차단할 수 있어 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
[13]
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

과제 해결 수단

[14]
본 발명에 따른 배터리 모듈은 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 배터리 셀은 반대되는 극성의 전극 리드의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 상기 전극 리드의 타단부가 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지이며, 상기 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하는 데에 상기 전극 리드와 버스바를 연결하며, 상기 버스바는 금속층 및 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있는 물질층을 포함하여 이루어지고, 상기 물질층은 일정 온도 이상에서 분해되어 가스를 발생시킴으로써 저항을 증가시키는 가스발생재료를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
[15]
상기 물질층은 상기 가스발생재료와 전도성 물질 및 접착제를 포함하고 있을 수 있다.
[16]
상기 가스발생재료는 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate)인 것이 바람직하다.
[17]
상기 접착제에 의해 상기 전도성 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 상기 가스 발생시 상기 전도성 물질의 연결이 해제되어 저항이 증가될 수 있다.
[18]
상기 버스바는 상기 전극 리드와 연결되는 부분이 상기 버스바의 몸체와는 분리되어 상기 몸체 안에 매립되고 표면은 외부로 노출되는 블록으로 되어 있고, 상기 몸체와 블록 사이에 상기 물질층이 개재되어 있는 것일 수 있다.
[19]
상기 버스바는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드와 연결되는 제1 블록, 상기 제2 배터리 셀의 전극리드와 연결되는 제2 블록을 포함하고, 상기 제1 배터리 셀로부터 상기 제2 배터리 셀로의 전류 흐름 경로는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드, 상기 제1 블록, 상기 몸체와 제1 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 몸체, 상기 몸체와 제2 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 제2 블록 및 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드를 거치는 순서로 마련되는 것일 수 있다.
[20]
상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀은 상기 버스바를 통해 직렬 연결되어 있을 수 있다. 상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀은 각 전극 리드가 서로 반대 극성으로 되도록 적층되어 있고, 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드의 타단부와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있으며 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 상기 버스바가 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드간이 연결되어 있을 수 있다.
[21]
상기 버스바는 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고 상기 전극 리드가 관통하는 홈이 형성되어 있을 수 있다.
[22]
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
[23]
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.

발명의 효과

[24]
본 발명에 따르면, 배터리 셀은 그대로 두고 버스바를 변경해 배터리 모듈을 구성한다. 버스바는 온도 상승시 저항이 증가함으로써 버스바를 통한 전류 흐름을 차단할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈 사용시 과열되는 경우 전류 흐름이 차단될 수 있어 비이상적인 상황에서의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
[25]
버스바의 저항 증가 구성으로서는, 버스바 안에 가스발생재료를 포함하는 물질층을 포함시켜, 이 가스발생재료가 분해되는 온도에 도달시 전류 흐름이 차단되도록 한다. 따라서, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 전류가 흐르지 않도록 하는 것, 예컨대 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈은 버스바를 개선함으로써 온도 상승시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
[26]
본 발명에 따르면, 배터리 셀들 사이를 연결해 전기 접속 경로를 구성할 때에 안전성 확보가 가능한 버스바를 이용한 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 비이상적인 온도에 도달하는 상황과 같은 이벤트 발생시, 버스바 안의 물질층에 포함된 가스발생재료가 분해되면서 저항이 증가하게 된다. 그 결과, 배터리 셀들은 전기 접속이 해제되어 전류 흐름이 차단되므로 배터리 모듈의 안전성이 확보될 수 있다.
[27]
본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 버스바 개선을 통해 안전성이 확보된다. 기존의 버스바 대신에 본 발명에서 제안하는 버스바를 이용하는 점만 달라지고 기존의 배터리 모듈 제조 공정은 그대로 이용할 수 있어, 비교적 공정에 대한 변경없이 배터리 모듈의 안전성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 배터리 셀 자체는 기존 제조 공정을 그대로 이용하기 때문에 공정 변경이나 양산 프로세스에 대한 조정이 필요치 않다.
[28]
이와 같이, 본 발명에 따르면, 정상적인 상황에서는 전류 흐름이 확보되고 기존과 유사한 배터리 모듈 성능을 발현하면서도, 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시 전류 흐름을 차단하여 배터리 모듈 안전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.

도면의 간단한 설명

[29]
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
[30]
도 1은 종래 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
[31]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
[32]
도 3은 도 2에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이다.
[33]
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 버스바의 상면도이다.
[34]
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 단면도이다.
[35]
도 6은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제1 버스바 부분의 상면도이고, 도 7은 단면도이다.
[36]
도 8은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제2 버스바 부분의 상면도이고 도 9는 단면도이다.
[37]
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
[38]
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.

발명의 실시를 위한 형태

[39]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
[40]
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 가리킨다.
[41]
이하에서 설명되는 실시예에 있어서, 이차 전지는 리튬 이차 전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극판과 음극판에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다.
[42]
한편, 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는 데 사용된 전지 케이스의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
[43]
본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
[44]
이하, 본 발명의 일 실시예에 대해 첨부 도면 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
[45]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 2에서 버스바와 전극 리드간 결합 상태를 보여주는 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 버스바의 상면도이다.
[46]
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(110, 110')과 버스바(180)를 포함한다. 배터리 모듈(100) 내에는 더 많은 수의 배터리 셀이 포함될 수 있지만 도시의 편의를 위하여 그 중 일부를 도시하기로 한다. 예컨대 2개의 파우치형 배터리 셀(110, 110')을 직렬로 연결한 상태를 도시한다. 그러나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명이 이러한 연결 방식으로 한정되는 것은 아니다.
[47]
배터리 셀(110, 110')은 이차 전지로서, 파우치 케이스(130) 외부로 인출된 2개의 전극 리드(140, 140')를 구비한다. 전극 리드(140, 140')는 전기적 극성에 따라 양극(+) 리드와 음극(-) 리드로 구분되며 파우치 케이스(130) 내에 밀봉되어 있는 전극 조립체(120)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 양극 리드는 전극 조립체(120)의 양극판에, 음극 리드는 전극 조립체(120)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다. 이처럼 배터리 셀(110, 110')은 반대되는 극성의 전극 리드(140, 140')의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체(120)가 파우치 케이스(130)에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 전극 리드(140, 140')의 타단부가 파우치 케이스(130)의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지이다.
[48]
도 3은 도 2의 III-III' 단면에 해당한다. 도 3에도 도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100)에서는 제1 배터리 셀(110)과 제2 배터리 셀(110')간을 전기적으로 접속하는 데에 버스바(180)를 이용한다. 구체적으로, 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)와, 여기에 인접한 다른 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')를 절곡시킨 후 버스바(180)에 연결한다. 제1 배터리 셀(110)과 제2 배터리 셀(110')은 각 전극 리드(140, 140')가 서로 반대 극성으로 되도록 적층되어 있고, 제1 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)의 타단부와 제2 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있다. 각 전극 리드(140, 140')의 절곡된 부위 사이에 버스바(180)가 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드(140, 140')간이 연결되어 있다. 연결 방법은 당업계에서 통상적으로 이루어지는 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 예컨대, 초음파 용접에 의해 결합 및 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[49]
본 실시예에서는, 도 2 및 도 3을 통해 보는 바와 같이, 버스바(180)의 좌측면(181)에 하나의 배터리 셀(110)이 위치하고, 우측면(182)에 다른 배터리 셀(110')이 위치한다. 블록(184)에는 각자의 전극 리드(140, 140')가 연결되어, 버스바(180)를 통해 전극 리드(140, 140')간은 전기적 연결되어 있다. 특히 제1 배터리 셀(110)과 제2 배터리 셀(110')은 버스바(180)를 통해 직렬 연결되어 있다.
[50]
더욱 구체적으로, 버스바(180)는 제1 배터리 셀(110)의 전극 리드(140)와 연결되는 제1 블록(184a), 제2 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')와 연결되는 제2 블록(184b)을 포함한다. 제1 배터리 셀(110)로부터 제2 배터리 셀(110')로의 전류 흐름 경로는 제1 배터리 셀(110)의 전극 리드(140), 제1 블록(184a), 몸체(183)와 제1 블록(184a) 사이에 개재된 물질층(185), 몸체(183), 몸체(183)와 제2 블록(184b) 사이에 개재된 물질층(185), 제2 블록(184b) 및 제2 배터리 셀(110')의 전극 리드(140')를 거치는 순서로 마련되어 있다.
[51]
도 3을 참조하면서 도 4를 더 참조하면, 버스바(180)는 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고, 종래의 버스바와 특히 다른 점은 전극 리드(140, 140')와 연결되는 부분에 있다. 이 부분은 블록(184)으로 되어 있다. 블록(184)은 버스바(180)의 몸체(183)와는 분리되어 있는 부분으로서, 몸체(183) 안에 매립되어 있고 표면은 외부로 노출되어 있다. 그리고, 몸체(183)와 블록(184) 사이에는 물질층(185)이 개재되어 있다.
[52]
버스바(180)는 다양한 전기적 연결 관계를 구현하기 위하여 모양, 크기가 얼마든지 달라질 수 있다. 그리고, 보통은 버스바(180) 단독으로 이용되기 보다는 배선 관계를 고려하여 플라스틱 재질로 된 프레임 위에 전기전도성, 예컨대 금속으로 된 버스바가 조합되어진 ICB 조립체라는 부품으로 배터리 모듈 제조 공정에 적용이 된다. 프레임의 형태와 프레임에 조합되는 버스바의 형태는 배터리 모듈의 연결 관계에 따라 다양하다. 따라서, 본 발명의 다양한 변형예가 가능하다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다.
[53]
버스바(180)에서 몸체(183)와 블록(184)은 금속층이다. 몸체(183)와 블록(184)은 서로 같은 재료일 수 있다. 그리고, 물질층(185)은 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있는 재료이다. 이처럼 물질층(185)은 금속층인 몸체(183)와 블록(184) 사이에 샌드위치된 형태이다.
[54]
물질층(185)은 일정 온도 이상에서 분해되어 가스를 발생시킴으로써 저항을 증가시키는 가스발생재료를 포함하고 있다. 바람직하기로, 물질층(185)은 이러한 가스발생재료와 전도성 물질 및 접착제를 포함하고 있다. 접착제에 의해 전도성 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 가스발생재료에서 가스 발생시 전도성 물질의 연결이 해제되어 저항이 증가될 수 있다.
[55]
가스발생재료는 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate)인 것이 바람직하다. 멜라민 시아누레이트는 질소와 인이 결합된 질소-인계 난연 성분으로 사용되는 물질로서, 다양한 제조사를 통해 평균 입경 크기가 수십 um 수준인 원료 상태로 입수할 수 있다.
[56]
보통 난연 용도로 사용되는 멜라민 시아누레이트는 온도가 약 300℃를 초과하는 흡열 분해를 겪는다. 멜라민 시아누레이트는 멜라민 및 시아누르산으로 분해된다. 기화된 멜라민은 비활성 질소 가스를 방출한다. 멜라민 시아누레이트의 분자량을 조절하면 분해 온도를 조절할 수 있다. 멜라민 시아누레이트의 구조식은 다음과 같다.
[57]
[구조식]
[58]
[59]
전도성 물질은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
[60]
접착제는 가스발생재료와 전도성 물질 등의 결합과 몸체(183)와 블록(184)에 대한 결합에 조력하는 성분이다. 이러한 접착제의 예로는, 폴리불화 비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
[61]
비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시, 예컨대 300℃ 이상으로 상승시, 몸체(183)와 블록(184) 사이에 삽입된 물질층(185)에서 멜라민 시아누레이트가 분해되고 N 2 가스가 발생한다. 이에 따라 물질층(185)은 저항이 증가해 저항층으로 작동하게 된다. 또한, 부피 팽창을 통해 전기적 연결을 끊어주는 역할도 할 수 있다.
[62]
버스바(180) 전체적인 크기는 기존 버스바와 동일하게 할 수 있다. 몸체(183)와 블록(184) 재료는 기존 버스바 재료와 동일하게 할 수 있다. 물질층(185)의 평상시 전기전도도는 물질층(185) 안의 전도성 물질을 기존 버스바와 동일하게 하거나 더 높게 함으로써 기존 버스바의 전기전도도와 유사하게 만들 수 있다.
[63]
따라서, 정상적인 상황에서는 버스바(180) 안의 물질층(185)의 도전성이 유지되어 기존 버스바와 유사한 배터리 모듈 성능을 발현할 수 있다. 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시에는 물질층(185)의 저항이 증가하기 때문에 전류 흐름을 차단할 수 있는 정도가 된다. 이에 따라, 온도가 상승하면 물질층(185)이 저항으로 작동해 전류를 차단하므로 이를 포함하여 제조된 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 안전성을 향상시킬 수 있다.
[64]
구체적으로, 물질층(185)의 가스발생재료가 분해되는 일정 온도에서는 물질층(185)으로부터 몸체(183)로 전류가 흐르지 않게 된다. 또한, 물질층(185)으로부터 제1 블록(184a)이나 제2 블록(184b)으로 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 물질층(185)의 가스발생재료가 분해되는 일정 온도에서는 제1 배터리 셀(110)로부터 제2 배터리 셀(110')로의 전류 흐름 경로, 그리고 제2 배터리 셀(110')로부터 제1 배터리 셀(110)로의 전류 흐름 경로가 차단된다.
[65]
이와 같이, 본 발명에서는 배터리 셀들(110, 110') 사이에 온도 상승시 저항이 증가하는 버스바(180)를 구성함으로써, 배터리 모듈(100) 사용시 과열되어 버스바(180) 안의 물질층(185)의 가스발생재료가 분해되는 온도에 도달하면 버스바(180)를 통한 전류 흐름이 차단되도록 한다. 따라서, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 전류가 흐르지 않도록 하는 것, 예컨대 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈(100)의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈(100)은 버스바(180)를 개선함으로써 온도 상승시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈(100)의 안전성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
[66]
특히, 본 실시예에서는 버스바(180)를 단순 층상 적층 구조로 하는 대신에, 몸체(183) 안에 블록(184)이 매립되는 구조로 한다. 이렇게 매립된 블록(184)은 단순히 층상 적층 구조로 하는 경우보다 몸체(183)로부터 이탈하기 어려우며, 슬립(slip)과 같이 미끌리며 분리되는 문제가 없기 때문에 구조적으로 강건성이 있다.
[67]
이와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(100)의 버스바(180) 개선을 통해 안전성이 확보된다. 기존의 버스바 대신에 본 발명에 따른 버스바(180)를 이용해 배터리 모듈(100)을 제조하면 되며, 기존 배터리 셀 제조 공정을 그대로 이용하기 때문에 공정 변경이나 양산 프로세스에 대한 조정이 필요치 않다는 것도 장점이다.
[68]
이와 같이, 본 발명에 따르면, 정상적인 상황에서는 버스바(180) 안의 물질층(185)의 도전성이 유지되어 기존 배터리 모듈과 유사한 배터리 모듈 성능을 발현하면서도, 비이상적인 상황에 의해 일정 이상의 온도로 상승시 전류 흐름을 차단하여 배터리 모듈(100) 안전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 배터리 모듈(100), 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.
[69]
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제1 버스바 부분의 상면도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII' 단면도이다. 도 8은 도 5의 배터리 모듈에 포함되는 제2 버스바 부분의 상면도이고 도 9는 도 8의 IX-IX' 단면도이다.
[70]
도 5의 배터리 모듈(1000)은 4P3S 연결 예를 도시한다. 즉, 4개의 배터리 셀(210)을 병렬(P) 연결한 셀 뱅크(211) 3개를 직렬(S) 연결한 것이다. 배터리 셀(210) 각각은 앞서 도 2 등에서 도시한 바와 같은 파우치형 배터리 셀이고, 배터리 셀(210)은 배터리 셀(110)과 서로 동일한 구조를 가질 수 있다.
[71]
배터리 셀(210)은 그 양단으로 전극 리드(240)가 돌출되어 있다. 병렬 연결되는 셀 뱅크(211) 내에서 이들 전극 리드(240)는 서로 같은 극성이 옆에 오도록 적층되어 있다. 그리고 셀 뱅크(211) 사이에서는 서로 반대 극성이 되도록 적층되어 있다. 전극 리드(240)가 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 5 내지 도 9에서는 전극 리드(240)의 타단부를 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡시켜 평평한 접촉면을 제공하도록 한 후 이를 서로 겹치게 하여 용접으로 연결하는 구성을 도시하고 있다.
[72]
도 5 내지 도 9를 참조하면, 제1 버스바(280)는 하나의 셀 뱅크(211) 내에서 같은 극성의 전극 리드(240)간을 연결하기 위한 것이고, 제2 버스바(290)는 두 셀 뱅크(211) 사이에서 다른 극성의 전극 리드(240)간도 연결하기 위한 것이다.
[73]
제1 버스바(280)와 제2 버스바(290)에는 전극 리드(240)가 관통하는 홈(286, 296)이 형성되어 있다. 그 밖에 제1 버스바(280)와 제2 버스바(290)는 앞의 실시예에서 설명한 버스바(180)와 유사하다. 즉, 제1 버스바(280)는 몸체(283)와 블록(284), 그리고 물질층(285)을 포함하고, 제2 버스바(290)도 몸체(293)와 블록(294), 물질층(295)을 포함한다.
[74]
물질층(285, 295)은 앞서 설명한 물질층(185)과 동일해, 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있어 배터리 셀(210)간 전기적 연결을 차단할 수 있는 것이다. 그 밖에 본 실시예에 대하여는 앞의 실시예에서 설명한 사항들을 그대로 원용할 수 있다.
[75]
리튬 이차 전지의 온도가 급격히 상승하여 안전성을 저하시키는 대표적인 원인은 단락 전류가 발생하는 것으로, 여러 배터리 셀을 연결한 배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 안전성에서 단락시의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 단락 저항이 낮을수록 높은 단락 전류가 흐르게 되어 큰 열이 발생하게 되고, 배터리 셀이 견딜 수 없게 되면 발화가 발생하게 된다. 단락 저항이 매우 낮을 때 일부 안전한 결과를 얻기도 하는데, 이는 고전류가 흐르면서 발생한 열이 660℃를 초과하면서 전극 리드가 녹게 되고 그로 인해 전류 흐름이 끊어져 안전성을 확보한 경우이다. 발생한 온도가 이보다 낮은 온도인 경우, 전극 리드가 녹지 않아 전류의 흐름은 지속되면서 고열이 쌓이게 되고 배터리 셀이 견디지 못해 발화가 발생하게 된다. 반면 정상적인 상황에서도 고전류가 흐르는 경우가 있다. 전기차에서 급속 충전이나 급가속, 시동 등의 상황시 배터리 모듈에 큰 전류가 흐르게 되고 이에 전극 리드에 고온이 발생하게 되는데 이러한 정상적인 상황에서는 작동을 하게 되면 안된다. 이를 방지하기 위해 약 250℃ 이상의 온도에서 전류의 흐름을 차단하는 것이 필요하다.
[76]
본 실시예에서, 배터리 모듈(1000)이 약 300℃에 도달하였을 때 물질층(285, 295)에서 가스가 발생하게 되어 물질층(285, 295) 저항이 증가하도록 한다. 이에 따라 정상적인 고전류 범위에서는 작동하지 않고 실제 단락이 발생하여 그 이상의 온도로 과열될 때에만 작동하여 그로 인한 화재, 폭발 등에 대한 안전성을 확보할 수 있다. 또한 다른 안전성 개선용 장치인 PTC 소자나 퓨즈처럼 모듈 내에 공간을 차지하지 않아 에너지 밀도를 감소시키지 않는다는 장점이 있다.
[77]
본 발명에 따른 배터리 모듈은 우수한 안전성을 가지므로 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 장치의 전원으로 사용되기에도 적합하다. 상기 중대형 장치의 바람직한 예로는 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); EV, HEV, PHEV 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 및 ESS 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[78]
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
[79]
도 10 및 도 11을 참조하면, 배터리 팩(1200)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈, 예컨대 첫번째 실시예의 배터리 모듈(100) 및 그것을 패키징하는 팩 케이스(1210)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(1200)은, 이러한 배터리 모듈(100)과 팩 케이스(1210) 이외에 배터리 모듈(100)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
[80]
이러한 배터리 팩(1200)은 자동차(1300)의 연료원으로써, 자동차(1300)에 구비될 수 있다. 예로써, 배터리 팩(1200)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1200)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차(1300)에 구비될 수 있다.
[81]
바람직하게, 자동차(1300)는 전기자동차일 수 있다. 배터리 팩(1200)은 전기자동차의 모터(1310)에 구동력을 제공하여 자동차(1300)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(1200)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다. 하이브리드 자동차용이면 270V에 맞춰져 있다.
[82]
배터리 팩(1200)은 모터(1310) 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터(1320)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(1200)은 브레이크(break)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(1200)은 인버터(1320)를 통해 자동차(1300)의 모터(1310)에 전기적으로 연결될 수 있다.
[83]
앞에서 설명한 바와 같이 배터리 팩(1200)에는 BMS도 포함되어 있다. BMS는 배터리 팩(1200) 내의 배터리 셀들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(1200)을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(1200)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(1200) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(1200)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(1200)의 교체 시기 추정도 가능하다.
[84]
ECU(1330)는 자동차(1300)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 가속기(accelerator), 브레이크, 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정보를 결정하고, 모터(1310)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU(1330)는 BMS에 의해 전달받은 배터리 팩(1200)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리 팩(1200)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(1320)에 제어 신호를 보낸다. 인버터(1320)는 ECU(1330)의 제어 신호에 기초하여 배터리 팩(1200)이 충전 또는 방전되도록 한다. 모터(1310)는 배터리 팩(1200)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(1330)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 자동차(1300)를 구동한다.
[85]
이러한 자동차(1300)는 본 발명에 따른 배터리 팩(1200)을 포함하는데, 배터리 팩(1200)은 앞서 설명한 바와 같이 안전성이 향상된 배터리 모듈(100)을 포함한다. 따라서, 배터리 팩(1200)의 안정성이 향상되며, 이러한 배터리 팩(1200)은 안정성이 뛰어나고 장시간 사용할 수 있으므로, 이를 포함하는 자동차(1300)는 안전하고 운용이 쉽다.
[86]
또한, 배터리 팩(1200)은 자동차(1300) 이외에도 이차 전지를 이용하는 ESS BMS 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
[87]
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(1200)과 자동차(1300)와 같은, 배터리 팩(1200)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 배터리 모듈(100)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(100)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1200) 및 이러한 배터리 팩(1200)을 구비하는 자동차(1300) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
[88]
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

청구범위

[청구항 1]
둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 배터리 셀은 반대되는 극성의 전극 리드의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 상기 전극 리드의 타단부가 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지이며, 상기 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하는 데에 상기 전극 리드와 버스바를 연결하며, 상기 버스바는 금속층 및 평상시에는 도전성이지만 온도가 상승하면 저항으로 작동할 수 있는 물질층을 포함하여 이루어지고, 상기 물질층은 일정 온도 이상에서 분해되어 가스를 발생시킴으로써 저항을 증가시키는 가스발생재료를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 물질층은 상기 가스발생재료와 전도성 물질 및 접착제를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 가스발생재료는 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate)인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 4]
제2항에 있어서, 상기 접착제에 의해 상기 전도성 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 상기 가스 발생시 상기 전도성 물질의 연결이 해제되어 저항이 증가되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 5]
제1항에 있어서, 상기 버스바는 상기 전극 리드와 연결되는 부분이 상기 버스바의 몸체와는 분리되어 상기 몸체 안에 매립되고 표면은 외부로 노출되는 블록으로 되어 있고, 상기 몸체와 블록 사이에 상기 물질층이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 6]
제5항에 있어서, 상기 버스바는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드와 연결되는 제1 블록, 상기 제2 배터리 셀의 전극리드와 연결되는 제2 블록을 포함하고, 상기 제1 배터리 셀로부터 상기 제2 배터리 셀로의 전류 흐름 경로는 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드, 상기 제1 블록, 상기 몸체와 제1 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 몸체, 상기 몸체와 제2 블록 사이에 개재된 물질층, 상기 제2 블록 및 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드를 거치는 순서로 마련되는 것임을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 7]
제1항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀은 상기 버스바를 통해 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 8]
제7항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀은 각 전극 리드가 서로 반대 극성으로 되도록 적층되어 있고, 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드의 타단부와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있으며 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 상기 버스바가 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드간이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 9]
제1항에 있어서, 상기 버스바는 길이와 너비에 비해 두께가 얇은 대략 판상형이고 상기 전극 리드가 관통하는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
[청구항 10]
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
[청구항 11]
제10항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]

[도9]

[도10]

[도11]