KR20240035365A - 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents
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Abstract
본원발명은 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 외면에 부가되는 복수의 절연부재를 포함하고, 상기 복수의 절연부재 중 적어도 일부는 상기 금속 플레이트와 화학적 결합을 형성하는 버스바에 대한 것으로, 화재발생시에도 절연성이 확보되어 안전성이 향상된다.
Description
본 출원은 2022년 9월 8일자 한국 특허 출원 제 2022-0114234 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지모듈을 연결하는 내화염성이 향상된 버스바에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 전도성 금속 소재로 형성된 금속 플레이트를 외부로부터 보호하기 위하여 복수의 절연부재가 상기 금속 플레이트에 부가되어 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.
현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 리튬 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지셀을 전기적으로 연결하는 전지모듈 또는 이러한 전지모듈을 다수 구비한 전지팩이 사용된다.
이와 같이 리튬 이차전지를 에너지원으로 사용하는 디바이스의 종류가 확대되면서 고용량 및 고출력을 필요로 하는 디바이스에도 리튬 이차전지의 적용이 확대되고 있다.
이와 같은 추세에 따라, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 전지모듈 형태 및 상기 전지모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 전지팩 형태의 제조 및 사용이 증가하고 있다.
한편, 상기 전지모듈들의 전기적 연결 수단으로는 버스바가 널리 사용되고 있는데, 상기 버스바는 케이블에 비해 상대적으로 굵기가 얇더라도 대전류를 안정적으로 흐르게 할 수 있어 대전류 통전 수단으로 유용하게 쓰이고 있다.
일반적으로, 버스바는 전기 전도율이 좋은 구리나 알루미늄과 같은 금속바 형태로 제공될 수 있으며, 안전을 위해 터미널에 연결되는 상기 금속바의 양단부를 제외한 나머지 부분을 튜브나 사출물로 피복한다.
구체적으로, 상기 버스바는 전기 전도율이 우수한 구리 또는 알루미늄을 포함하는 메탈 플레이트를 내부에 배치하고, 상기 메탈 플레이트의 외면 중 전기 절연성을 확보하기 위하여 결합이 형성되는 양측 단부를 제외한 나머지 부분을 튜브나 사출물로 피복하는 형태로 사용할 수 있다.
이와 관련하여, 도 1은 종래의 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 사시도를 도시하고 있다.
전지모듈들 간의 전기적인 연결을 위한 용도로서 버스바를 사용하는 바, 도 1은 버스바의 구조, 및 화재로 인해 버스바가 손상된 상태를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 버스바는 전기 전도성 소재로 이루어진 금속 플레이트(110), 금속 플레이트(110)의 외면 중 양 끝단을 제외한 나머지 부분을 감싸는 절연 테이프(120), 및 절연 테이프(120) 외면에 부가되는 실리콘 튜브(130)를 포함한다.
절연 테이프(120)와 실리콘 튜브(130)가 전기 절연성 소재로 구성됨으로써, 버스바의 양 끝단에 결합된 장치 이외의 구성에 대해서는 절연성을 확보할 수 있다.
전지팩 내부에 있는 전지셀의 발화나 폭발이 발생하면 전지셀의 열에너지는 주변에 있는 전지셀로 전달되어 화재가 발생하게 된다. 전지셀의 화재로 인해 전지모듈들을 연결하는 버스바의 실리콘 튜브(130)가 손상되면, 절연 테이프(120)가 벌어지면서 내부에 있는 금속 플레이트(110)가 노출될 수 있다.
이와 같이 노출된 금속 플레이트가 전기 전도성의 전지팩 구조물과 접촉하면 단락이 일어날 수 있으며, 이와 같은 내부 단락은 전지팩 내부에 전기적 폐회로를 형성할 수 있고, 이는 전지팩 내부의 열폭주 현상을 가속화시킬 수 있다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 금속 소재로 형성되는 금속바, 상기 금속바의 양단부를 제외한 나머지 부분을 피복하는 절연성 튜브, 상기 절연성 튜브의 내부에서 상기 금속바를 감싸는 방화 테이프, 및 내화성 소재로 마련되고 상기 절연성 튜브와 상기 방화 테이프 사이에 개재되며 상기 방화 테이프를 감싸서 상기 금속바에 고정시키는 밴디지 부재를 포함하는 버스바를 개시한다.
특허문헌 1은 화재로 인해 절연성 튜브가 소실되더라도 밴디지 부재가 방화 테이프를 강하게 고정시킬 수 있으므로, 금속바가 주변 금속 물체에 직접 닿지 않도록 하여 단락을 방지할 수 있다.
특허문헌 2는 금속 소재로 형성된 금속바, 상기 금속바의 양단부를 제외한 나머지 부분을 감싸는 밴디지 부재, 및 상기 금속바와 상기 밴디지 부재를 함께 감싸는 절연성 튜브를 포함하는 버스바를 개시한다.
특허문헌 2는 금속바 표면에 있는 밴디지 부재가 화재 발생시에도 금속바 표면에 부착된 상태를 유지하기 때문에, 금속바가 주변 금속 물체에 직접 닿지 않아 단락을 방지할 수 있다.
그러나, 특허문헌 1의 버스바 및 특허문헌 2의 버스바는 밴디지 부재를 추가로 구비하기 때문에, 버스바의 두께 및 무게가 증가될 수 있다.
전지팩 내부에 화재가 발생하면, 금속바를 감싸고 있는 튜브나 사출물이 소실되고 이로 인해 금속바가 외부로 노출될 수 있다. 외부로 노출된 금속바가 주변 금속 물체와 접촉하면 쇼트가 발생되는 문제가 있다.
또한, 화재에 강한 내열 절연체를 구비한 버스바만으로는 화염에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 방안이 전무한 실정이다.
따라서, 버스바의 외면에 부가된 절연물질이 화재로 인해 소실되더라도 내부에 있는 금속바 또는 금속 플레이트가 노출되는 것을 방지할 수 있으면서, 화재시 전지모듈간 화염전파를 방지할 수 있는 버스바에 대한 기술이 필요하다.
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전기 전도성 금속 소재로 형성된 금속 플레이트를 외부로부터 보호하기 위하여 복수의 절연부재를 외면에 부가하여 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원발명에 따른 버스바는 금속 플레이트, 및 상기 금속 플레이트의 외면에 부가되는 복수의 절연부재를 포함하고, 상기 복수의 절연부재 중 적어도 일부는 상기 금속 플레이트와 화학적 결합을 형성할 수 있다.
상기 복수의 절연부재는, 상기 금속 플레이트에 부가되는 제1절연부재, 및 상기 제1절연부재의 외면을 감싸도록 부가되는 제2절연부재를 포함하고, 상기 제1절연부재는 무기물일 수 있다.
상기 무기물은 무기금속산화물일 수 있다.
상기 무기금속산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 제1절연부재는 나노 무기산화물 분산액 형태로 구성될 수 있다.
상기 제2절연부재는 고온에서 세라믹화될 수 있다.
상기 제2절연부재는 붕소계, 인계, 및 규소계 난연코팅제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 제2절연부재는 마그네슘 하이드록사이드(MDH), 모노암모니움 포스페이스(MAP), 및 알루미늄 하이드록사이드(ATH)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
상기 제2절연부재는 내화 실리콘, 내화 플라스틱, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속 플레이트는 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 또는 이들의 결합을 포함하는 전기 전도성을 갖는 소재로 구성될 수 있다.
상기 복수의 절연부재는 부착 가능한 테이프 형태이거나, 코팅 가능한 폼 형태이거나, 절연물질이 분산된 슬러리를 도포하거나, 열수축성 튜브를 부가하거나, 인서트 몰딩을 하거나 또는 힌지 구조 또는 체결 구조가 있는 상부 케이스 및 하부 케이스가 상호 결합되는 형태 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 버스바를 통해 복수의 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩에서, 상기 복수의 전지모듈들은 전지팩 하우징에 수용되어 있고, 상기 전지팩 하우징은 내부에 격자 형태의 격벽이 설치되어 있으며, 한 개의 격자 공간 내에 한 개의 전지모듈이 위치하고, 상기 버스바는 상기 격벽의 상부를 가로지르도록 배치되면서 상기 복수의 전지모듈을 전기적으로 연결할 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 버스바는 화재 발생시 버스바가 주변에 있는 전기 전도성 물체와 접촉된 상태가 되더라도 절연성을 확보할 수 있다.
또한, 제1절연부재인 산화알루미늄이 Cu로 형성된 금속 플레이트와 고온에서 화학적 결합이 이루면서 견고하게 결합되어 버스바를 물리적으로 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제2절연부재의 일부가 부풀어오르면서 세라믹화되면서 절연 및 기밀특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본원발명에 따른 버스바의 평면도 및 수직 단면도이다.
도 3은 본원발명에 따른 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 수직 단면도이다.
도 4는 2개의 전지모듈들을 연결하는 버스바가 격벽을 통과하도록 배치된 상태의 사시도 및 수직 단면도이다.
도 5는 복수의 전지모듈들이 격벽으로 구획된 전지팩 하우징에 수납된 전지팩의 사시도이다.
도 2는 본원발명에 따른 버스바의 평면도 및 수직 단면도이다.
도 3은 본원발명에 따른 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 수직 단면도이다.
도 4는 2개의 전지모듈들을 연결하는 버스바가 격벽을 통과하도록 배치된 상태의 사시도 및 수직 단면도이다.
도 5는 복수의 전지모듈들이 격벽으로 구획된 전지팩 하우징에 수납된 전지팩의 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
본원발명에 따른 버스바는, 전기적 연결 수단으로 사용하는 버스바의 일종으로서, 본 명세서에서 사용하는 인터 모듈 버스바는 전지팩 내에 배치되는 전지모듈과 전지모듈을 연결하는 수단으로 사용하는 것을 지칭하고, '버스바'는 상기 '인터 모듈 버스바'를 포함하는 의미로 이해될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 연결하고자 하는 전지모듈들 간의 거리를 고려하여 버스바의 길이를 결정할 수 있고, 통전되는 전류의 양 및 저항을 고려하여 버스바의 폭 및 두께를 결정할 수 있다.
또한, 버스바의 형태는 전지모듈의 커넥터의 위치를 고려하여 제작될 수 있는 바, 버스바의 전폭과 평행하게 상방 또는 하방으로 절곡된 형태, 평면상 90도 절곡된 L자형, 양 끝단에서 평면상 90도 절곡된 ㄷ자형 및 └┓자형 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.
일반적으로 버스바의 양 끝단 각각은 외부 장치와 결합하기 위한 연결부로 사용되기 때문에, 볼트 체결을 위한 체결홀이 형성되는 등 연결을 위한 구조를 구비하게 된다.
도 2는 본원발명에 따른 버스바의 평면도 및 수직 단면도로서, 도 2의 상부에 있는 평면도에서 A-A에 따른 단면을 도 2의 하부에 수직 단면도로 도시하였다.
도 2를 참조하면, 버스바(200)는 전기적인 연결을 위한 금속 플레이트(210), 금속 플레이트(210)의 외면에 부가되는 복수의 절연부재를 포함한다.
상기 복수의 절연부재는 금속 플레이트(210)의 적어도 일부를 감싸며 화염발생과 같은 고온환경에서 금속 플레이트(210)를 구성하는 금속과 화학적 결합을 형성하는 제1절연부재(220), 및 제1절연부재(220)의 외면을 감싸도록 부가되며 고온에서 세라믹화되는 제2절연부재(230)을 포함한다.
버스바는 전지모듈들을 연결하기 위해 양단부에 연결용 구조를 포함할 수 있으며, 전기 전도성 금속 소재인 금속바 형태의 금속 플레이트와 상기 금속 플레이트의 양단부를 제외한 부분에 복수의 절연부재가 부가되고, 상기 복수의 절연부재는 복수의 층상 구조 형태로 구성될 수 있다.
상기 금속 플레이트를 구성하는 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 또는 이들의 결합일 수 있으며, 상기 복수의 절연부재는 플라스틱, 무기산화물, 비전도성 금속 중 어느 하나 이상일 수 있다.
금속 플레이트(210)의 양 끝단부는 제1절연부재(220) 및 제2절연부재(230)가 표면상에 부가되지 않고 금속 플레이트(210)가 노출되어 전기적 연결부(240)를 구성한다.
전기적 연결부(240)는 한 개 이상의 연결용 개구(241)가 형성된 형태이다.
버스바(200)의 양측 끝단에 각각 형성된 전기적 연결부들(240) 중 어느 하나는 제1전지모듈의 양극 커넥터에 연결되고, 다른 하나는 제2전지모듈의 음극 커넥터에 연결될 수 있다. 구체적으로, 전지모듈의 커넥터와 연결을 위해 볼트 및 너트를 이용한 볼팅 작업이 진행되는 경우, 개구(241)에 볼트를 삽입한 후 너트로 이를 고정하는 방식으로 버스바(200)와 제1전지모듈 및 제2전지모듈이 연결될 수 있다.
상기 제1절연부재가 상기 금속 플레이트과 화학적 결합을 형성하는 온도는 800℃내지 1,500℃일 수 있다. 일반적으로 전지팩이 이상 상태일 때의 발화온도는 1,000℃ 이상이므로, 전지팩이 이상 상태인 경우에 금속 플레이트를 구성하는 금속, 특히 구리와, 상기 제1절연부재를 구성하는 물질, 특히 산화알루미늄(Al2O3)간의 화학적 결합(221)이 형성될 수 있다.
상기 금속 플레이트의 소재인 Cu와 제1절연부재의 소재인 산화알루미늄 간의 화학반응에 의해 형성되는 물질은 CuAlO2, 및 CuAl2O 중 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
즉, Cu-Al2O3간 화학적 결합이 일어나 CuAlO2, 및/또는 CuAl2O이 형성될 수 있는 바, 금속 플레이트와 제1절연물질의 경계면에서 형성된 이와 같은 물질에 의해 금속 플레이트와 제1절연물질 사이에서 용접면이 형성된 것과 유사하게 견고한 결합이 형성된다. 또한, CuAlO2, 및/또는 CuAl2O로 인해 금속 플레이트가 주변 구성요소들에 대해 물리적으로 보호되어 쇼트 등의 추가적인 이상 현상의 발생을 배제할 수 있다.
상기 제1절연부재는 무기물일 수 있으며, 상기 무기물은 무기금속산화물일 수 있다.
상기 무기금속산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택되는중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 1절연부재는 상기 금속 플레이트의 외면에 도포되는 나노 무기산화물 분산액일 수 있다.
이러한 나노 무기 산화물 분산액은 염소화 알키드, 브롬화 에폭시 수지, 수산화 알루미늄, 염소화 파라핀 및 산화 안티몬으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 무기 산화물 분산액은 할로겐, 인, 질소, 광물, 및 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 첨가제 형태 또는 팽창성 나노 충전재 형태일 수 있다.
제2절연부재(230)는 화재 발생시 화염이 직접적으로 접촉되는 최외측 외면을 구성하기 때문에 내화 실리콘, 내화 플라스틱, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제2절연부재(230)는 화염이나 고온의 가스에 노출되었을 때 세라믹화되는 내화 실리콘일 수 있다.
상기 내화 실리콘은 상온에서는 통상적으로 실리콘 수지의 성능을 나타내지만, 고온에서는 세라믹화 구조로 전환되어 세라믹 특성을 갖게 된다. 상기 내화 실리콘의 이와 같은 현상을 본 명세서에서는 세라믹화라고 명칭한다. 상기 내화 실리콘은 높은 온도에서 형태가 변형되지 않고 유지된다. 또한, 높은 내연성을 갖기 때문에 화염이 내화 실리콘을 통과하지 못하게 할 수 있다.
제2절연부재(230)는 고온에서 세라믹화되는 성질이 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 전지모듈 내에 있는 전지셀에서 발화 및 폭발이 발생하여 전지모듈에 결합된 버스바로 열이 전달되는 경우, 제2절연부재는 전지셀에서 방출한 가스나 화염에 의해 세라믹화되지만 그 형태를 유지할 수 있다.
따라서, 종래에 실리콘 튜브를 메탈 플레이트의 외면에 부가하는 경우, 실리콘 튜브가 소실되어 메탈 플레이트가 노출되었던 문제를 방지할 수 있다.
한편, 제2절연부재는 고온에서 팽창하는 성질이 있는 팽창성 난연 실리콘을 포함할 수 있다.
즉 화재 발생으로 인해 고온 환경이 되면, 제2절연부재는 외측부터 세라믹화되면서 부풀어오르는 특성을 갖는 바, 개구를 관통하도록 배치된 버스바가 팽창되면 상기 개구의 틈이 막힐 수 있는 바, 화염이나 스파크가 상기 개구의 틈에 의해 전파되는 것을 차단할 수 있다.
따라서 버스바의 제1절연부재 및 제2절연부재가 부가된 부분에서는 메탈 플레이트가 외부로 노출되지 않고, 제1절연부재 및 제2절연부재의 높은 내열 특성을 갖는 바, 상기 버스바는 내열성 및 절연성을 확보할 수 있다.
상기 제1절연부재 또는 제2절연부재는 구성되는 소재의 종류에 따라 다음과 같은 형태 중 어느 하나의 방법으로 부가될 수 있으며, 제1절연부재 및 제2절연부재의 부가 방법은 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 내측면에 접착면이 있어서 부착 가능한 테이프 형태이거나, 코팅 가능한 폼 형태이거나, 절연물질이 분산된 슬러리를 도포하거나, 열수축성 튜브를 부가하거나, 인서트 몰딩을 하거나 또는 힌지 구조 또는 체결 구조가 있는 상부 케이스 및 하부 케이스가 상호 결합되는 형태 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
도 3은 본원발명에 따른 버스바가 화재로 인해 손상되기 전과 후를 나타내는 수직 단면도이다.
도 3은 버스바가 화재로 인해 손상되는 과정을 2단계로 도시하고 있는 바, 위에서 아래 방향으로 시간의 흐름이 진행되고 있다.
도 3을 참조하면, 위에 있는 도면은, 화재가 발생하지 않은 정상 상태의 버스바(200)의 수직 단면도로서, 최내측에 있는 금속 플레이트(210)의 외면을 절연특성이 있는 무기금속산화물인 제1절연부재(220), 및 고온에서 세라믹화되는 제2절연부재(230)가 순차적으로 감싸고 있다.
도 3의 아래에 있는 도면을 참조하면, 전지셀에서 화재가 발생하여 버스바로 화염이나 고온의 가스가 전달되어, 금속, 특히 구리로 형성된 금속 플레이트와 무기금속산화물인 제1절연부재간의 화학적 결합(221)이 형성될 수 있다.
제2절연부재는 세라믹화가 진행되면서 부풀어 오르는 팽창 특성이 나타날 수 있다. 따라서, 개구를 관통하는 형태로 상기 버스바가 배치되는 경우에는 상기 제2절연부재의 팽창 특성에 의해 상기 개구가 막힐 수 있다. 이와 같이 상기 개구에 틈이 있는 경우에는 화재가 발생한 전지모듈 내부의 화염이나 스파크가 빠져나가는 상기 틈이 팽창된 제2절연부재에 의해 메워질 수 있는 바, 상기 틈을 통해 인접하는 전지모듈로 화염이나 스파크가 전파되는 것을 차단할 수 있다.
상기 제2절연부재는 붕소계, 인계, 및 규소계 난연코팅제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 제2절연부재는 마그네슘 하이드록사이드(MDH, Magnesium Hydroxide), 모노암모니움 포스페이트(MAP, Monoammonium phosphate), 알루미늄 하이드록사이드(ATH, Aluminum hydroxide)중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
상기 제2절연부재는 상기 기재된 성분에 의해 절연성능이 향상될 수 있다.
이와 같이, 제1절연부재(220)은 금속 플레이트와 화학적 결합(221)을 통해 금속 플레이트의 쇼트를 방지하고, 제2절연부재(230)는 고온에서 세라믹화가 진행되어 높은 절연성을 확보할 수 있는 바, 화재발생으로 인해 고온 환경이 되더라도, 금속 플레이트의 외측에 부가된 제1절연부재(220) 및 제2절연부재(230)는 금속 플레이트를 감싸고 있는 상태가 유지될 수 있는 바, 버스바의 내부에 있는 금속 플레이트는 노출되지 않는다.
제1절연부재는 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성될 수 있다. 전지모듈의 이상 상태로 발화가 되면 상기 제1절연부재는 기존의 일반적인 절연부재로 사용되는 플라스틱과 같은 유기물처럼 타서 없어지지 않고 버스바의 절연특성을 유지할 수 있다.
전지모듈이 정상상태에서는, 구리(Cu)로 형성된 금속 플레이트를 포함하는 버스바를 통해 전지모듈들 간 전기적 및 물리적 접속 상태를 형성하고, 버스바에 부가된 복수의 절연부재로 인해 주변에 있는 전장 부품들에 대해서는 절연성을 확보할 수 있다.
전지모듈의 발화상태에서는 내부 온도가 1,000℃ 이상이므로, 구리로 형성된 금속 플레이트와 산화알루미늄으로 구성된 제1절연부재의 화학적 결합이 진행될 수 있다.
Cu-Al2O3간 화학적 결합의 결과, 금속 플레이트와 제1절연부재는 용접과 유사하게 결합된 상태가 된다. 이와 같이, 금속 플레이트 외면에 견고하게 결합된 제1절연부재로 인해 금속 플레이트는 주변 전장부품들에 대해 물리적으로 보호되어 쇼트 등의 추가적인 이상 현상의 발생을 배제할 수 있다.
제2절연부재는 내화 실리콘으로 형성될 수 있다. 전지모듈의 이상 상태로 발화가 진행되면 상기 제2절연부재는 기존의 일반적인 절연부재로 사용되는 플라스틱과 같은 유기물처럼 타서 없어지지 않고 버스바의 절연특성을 유지할 수 있다.
전지모듈이 정상상태에서 상기 제2절연부재는 구리로 형성된 금속 플레이트와 상기 제1절연부재를 감싸고 있는 상태이다. 상기 제2절연부재는 정상 상태일 때 탄성 특성을 갖는 바, 취성이 있는 제1절연부재인 세라믹을 보호할 뿐만 아니라, 제1절연부재 위에 추가 절연층을 형성하여 절연 기능을 보강하는 효과가 있다.
전지모듈의 발화상태에서, 내화 실리콘을 포함하는 제2절연부재는 외부로 노출되는 부분에서부터 세라믹화 현상이 일어난다. 다만, 제2절연부재의 소재에 따라 세라믹화 현상과 함께 팽창특성이 나타날 수 있다.
즉 종래의 버스바 절연부재는 Cu로 형성된 금속 플레이트를 단순 피복했다면, 본 발명의 절연부재는 Cu로 형성된 금속 플레이트의 주변에 제1절연부재가 감싸면서 부가되고, 버스바의 최외곽을 내화 실리콘 소재를 포함하는 제2절연부재가 감싸면서 금속 플레이트를 지지하는 구조이다.
도 4는 2개의 전지모듈들을 연결하는 버스바가 격벽을 통과하도록 배치된 상태의 사시도 및 수직 단면도이다.
도 4를 참조하면, 2개의 전지모듈들(301) 사이에 화염 방지를 위한 격벽(330)이 형성되어 있고, 상기 격벽에는 상기 버스바(200)가 관통할 수 있도록 관통구(302)가 형성되어 있다. 버스바(200)는 관통구(302)를 관통하면서 배치되면서 2개의 전지모듈들(301)을 전기적으로 연결하고 있다.
버스바(200)의 제2절연부재가 팽창성 난연 실리콘을 포함하는 경우에는, 화재 발생으로 인해 버스바의 온도가 증가하는 경우, 상기 제2절연부재가 팽창하여 관통구(302)를 막을 수 있는 바, 화염 및 스파크가 인접하는 전지모듈로 전파되는 것을 방지할 수 있다.
또는, 전지모듈에서 발생한 화염 및 스파크가 확산되는 방향을 유도할 수 있도록, 상기 격벽의 위치 및 크기를 설정할 수 있다.
도 5는 복수의 전지모듈들이 격벽으로 구획된 전지팩 하우징에 수납된 전지팩의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 전지팩(300)은 본원발명에 따른 버스바(200)를 통해 복수의 전지모듈들(301)이 전기적으로 연결되도록 구성하고 있다. 도 5에서는 9개의 전지모듈들을 포함하는 전지팩을 도시하고 있으나, 이는 설명을 위한 하나의 예시일 뿐, 전지팩을 구성하는 전지모듈의 배치 형태 및 개수, 그리고 전지모듈들을 연결하기 위해 사용된 버스바의 결합 위치 및 형태는 이에 한정되지 않는다.
본원발명에 따른 전지팩(300)에서 상기 복수의 전지모듈들은 전지팩 하우징에 수용되어 있고, 상기 전지팩 하우징은 내부에 격자 형태의 격벽이 설치되어 있으며, 한 개의 격자 공간 내에 한 개의 전지모듈이 위치하고, 상기 버스바는 격벽(330)의 상면(311)를 가로지르도록 배치되면서 상기 복수의 전지모듈을 전기적으로 연결하고 있다.
상기 격자 형태의 격벽은 화염 방지 기능을 할 수 있는 바, 어느 하나의 전지모듈에서 발화가 일어나더라도, 인접하는 전지모듈을 통해 화염이나 스파크가 확산되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 버스바가 격벽(330)의 상면(311)을 가로지르도록 배치될 때, 상기 격벽(330)의 상면(311)에서 전지팩을 구성하며 전기 전도성의 금속 소재로 구성된 부품과 버스바가 접촉되더라도, 전지모듈 내부에서 화재 발생시 제1절연부재 및 제2절연부재로 인해 금속 플레이트가 외부로 노출되지 않는 바, 버스바와 상기 전기 전도성의 금속 소재로 구성된 부품 간에 절연 상태가 유지될 수 있다.
이와 같이, 본원발명은 화재 발생시에 금속 플레이트에 부가된 제1절연부재 및 제2절연부재가 소실되지 않고 금속 플레이트 외면에 부가된 상태를 유지하기 때문에 금속 플레이트가 외부로 노출되지 않을 수 있다. 따라서, 버스바가 인접하는 금속 부품과 접촉하고 있더라도 절연 상태가 유지될 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
110, 210: 금속 플레이트
120: 절연 테이프
130: 실리콘 튜브
200: 버스바
220: 제1절연부재
221: 화학적 결합
230: 제2절연부재
240: 전기적 연결부
241: 개구
300: 전지팩
301: 전지모듈
302: 관통구
310: 팩 프레임
311: 팩 프레임 상면
320: 전지팩 하우징
330: 격벽
120: 절연 테이프
130: 실리콘 튜브
200: 버스바
220: 제1절연부재
221: 화학적 결합
230: 제2절연부재
240: 전기적 연결부
241: 개구
300: 전지팩
301: 전지모듈
302: 관통구
310: 팩 프레임
311: 팩 프레임 상면
320: 전지팩 하우징
330: 격벽
Claims (13)
- 금속 플레이트; 및
상기 금속 플레이트의 외면에 부가되는 복수의 절연부재;
를 포함하고,
상기 복수의 절연부재 중 적어도 일부는 상기 금속 플레이트와 화학적 결합을 형성하는 버스바.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 절연부재는,
상기 금속 플레이트에 부가되는 제1절연부재, 및 상기 제1절연부재의 외면을 감싸도록 부가되는 제2절연부재를 포함하고,
상기 제1절연부재는 무기물인 버스바.
- 제2항에 있어서,
상기 무기물은 무기금속산화물인 버스바.
- 제3항에 있어서,
상기 무기금속산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화규소(SiO2), 산화아연(ZnO), 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 버스바.
- 제2항에 있어서,
상기 제1절연부재는 나노 무기산화물 분산액 형태로 구성되는 버스바.
- 제2항에 있어서,
상기 제2절연부재는 고온에서 세라믹화되는 버스바.
- 제6항에 있어서,
상기 제2절연부재는 붕소계, 인계, 및 규소계 난연코팅제로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 버스바.
- 제2항에 있어서,
상기 제2절연부재는 마그네슘 하이드록사이드(MDH), 모노암모니움 포스페이스(MAP), 및 알루미늄 하이드록사이드(ATH)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 버스바.
- 제2항에 있어서,
상기 제2절연부재는 내화 실리콘, 내화 플라스틱, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리프탈아미드, 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 아크릴 섬유, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 버스바.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 플레이트는 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 또는 이들의 결합을 포함하는 전기 전도성을 갖는 소재로 구성되는 버스바.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 절연부재는 부착 가능한 테이프 형태이거나, 코팅 가능한 폼 형태이거나, 절연물질이 분산된 슬러리를 도포하거나, 열수축성 튜브를 부가하거나, 인서트 몰딩을 하거나 또는 힌지 구조 또는 체결 구조가 있는 상부 케이스 및 하부 케이스가 상호 결합되는 형태 중 어느 하나로 구성되는 버스바.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 버스바를 통해 복수의 전지모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩.
- 제12항에 있어서,
상기 복수의 전지모듈들은 전지팩 하우징에 수용되어 있고,
상기 전지팩 하우징은 내부에 격자 형태의 격벽이 설치되어 있으며,
한 개의 격자 공간 내에 한 개의 전지모듈이 위치하고,
상기 버스바는 상기 격벽의 상부를 가로지르도록 배치되면서 상기 복수의 전지모듈을 전기적으로 연결하는 전지팩.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202380017800.1A CN118556342A (zh) | 2022-09-08 | 2023-09-08 | 具有改进的阻燃性的汇流条和包括该汇流条的电池组 |
| EP23863562.7A EP4443639A1 (en) | 2022-09-08 | 2023-09-08 | Busbar having improved flame resistance, and battery pack including same |
| PCT/KR2023/013530 WO2024054098A1 (ko) | 2022-09-08 | 2023-09-08 | 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220114234 | 2022-09-08 | ||
| KR20220114234 | 2022-09-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240035365A true KR20240035365A (ko) | 2024-03-15 |
Family
ID=90272687
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230118950A KR20240035365A (ko) | 2022-09-08 | 2023-09-07 | 내화염성이 향상된 버스바 및 이를 포함하는 전지팩 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240035365A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210050983A (ko) | 2019-10-29 | 2021-05-10 | 주식회사 엘지화학 | 화재 안전성이 우수한 버스바 |
| KR20210141095A (ko) | 2020-05-15 | 2021-11-23 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 화재 안전성이 우수한 버스바 |
-
2023
- 2023-09-07 KR KR1020230118950A patent/KR20240035365A/ko active Search and Examination
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210050983A (ko) | 2019-10-29 | 2021-05-10 | 주식회사 엘지화학 | 화재 안전성이 우수한 버스바 |
| KR20210141095A (ko) | 2020-05-15 | 2021-11-23 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 화재 안전성이 우수한 버스바 |
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