KR101782984B1 - 다방향성 연결구조를 가진 전지셀들 또는 단위모듈들을 포함하는 전지모듈 - Google Patents

다방향성 연결구조를 가진 전지셀들 또는 단위모듈들을 포함하는 전지모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 전지셀들 또는 단위모듈들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 상기 전지셀 또는 단위모듈은 일측 단부에 각각 둘 이상의 양극 및 음극 단자들이 형성되어 있고, 상기 전지셀들 또는 단위모듈들은, 전극 단자들이 동일한 방향을 향하도록 적층 또는 측면 배열되어 있는 상태에서, 직렬 또는 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 을 제공한다.

Description

다방향성 연결구조를 가진 전지셀들 또는 단위모듈들을 포함하는 전지모듈 {Battery Module Comprising Battery Cells or Unit Modules Having Multi- Directional Connection Structure}
본 발명은 다방향성 연결구조를 가진 전지셀들 또는 단위모듈들을 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 어플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 당해 분야 및 제품들에 적용되는 전지들은 다양한 형상 및 소형 경량화가 강력히 요구되고 있다.
휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들에는 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 전지셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자전거, 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈 또는 중대형 전지팩이 요구되고 있다.
전지모듈의 크기와 중량은 그것을 장착하는 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 경량이면서 다양한 형상의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
다만, 종래의 전지모듈은 그것을 이루고 있는 단위모듈들을 별도의 연결부재를 사용하여 전기적으로 연결함으로써, 부품의 개수가 늘어나고, 전지의 연결 구성, 출력 및 용량의 자유도를 떨어뜨려 디바이스들의 다양한 수용 공간에 수용되기 어려운 문제점들이 있었다.
따라서, 상기의 문제점들을 해결하면서, 디바이스가 필요로 하는 출력과 용량을 자유로이 구성할 수 있고, 다양한 수용 공간에 수용될 수 있는 전지모듈에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지셀들 또는 단위모듈들을 별도의 연결부재 없이 전기적으로 연결함으로써, 제조 공정을 단순화하고, 전지 구성 변경 및 용량의 자유도를 향상시키며, 다양한 수용 공간에 수용될 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
둘 이상의 전지셀들 또는 단위모듈들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
상기 전지셀 또는 단위모듈은 일측 단부에 각각 둘 이상의 양극 및 음극 단자들이 형성되어 있고,
상기 전지셀들 또는 단위모듈들은, 전극 단자들이 동일한 방향을 향하도록 적층 또는 측면 배열되어 있는 상태에서, 직렬 또는 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 구조로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈은 전극 단자들이 별도의 연결부재를 사용하지 않고 직접 연결되어 있는 구조를 포함하고 있으므로, 연결부재의 제조 및 조립에 대한 비용을 절감하고, 전지모듈 제조 공정을 간소화 할 수 있는 효과를 제공한다.
상기 전극 단자의 직접 연결 구조에 대한 예로, 상기 전지셀들 또는 단위모듈들은 전극 단자들이 절곡된 상태로 상호 직접 연결되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 인접한 전지셀들 또는 단위모듈들의 전극 단자 방향으로 전극 단자가 절곡되어 상호 접속되는 구조로 형성될 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 전극 단자들이 상호 직접 연결됨으로써, 연결 부위의 저항이 감소시킬 수 있어, 본 발명에 따른 전지모듈은 높은 전류를 요구하는 디바이스에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 단위 모듈은 둘 이상의 전지셀들이 전기적으로 연결된 상태로 셀 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어 질 수 있다.
상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있는 판상형 구조의 전지셀일 수 있으며, 예를 들어, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다.
구체적으로는, 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어질 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 파우치형의 전지케이스를 포함하는 구조일 수 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성될 수 있다.
상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 상하부 접촉부위를 밀봉하는 구조 등을 들 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극이 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서, 젤리-롤 방식, 스택형 방식, 또는 스택/폴딩형 방식으로 이루어질 수 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다. 이러한 전극 탭 또는 전극 리드의 전극단자는, 예를 들어, 양극단자 및 음극단자가 모두 전지셀의 일측에 돌출되어 있거나, 또는 양극단자가 전지셀의 일측에 돌출되어 있고 음극단자가 그 대향측에 돌출되어 있는 형태로 이루어질 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈 및 전지팩의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지이면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀 또는 단위모듈은 일측 단부에 2개의 양극 단자들과 2개의 음극 단자들을 포함할 수 있고, 각형인 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 전지셀 또는 단위모듈은 평면상으로 직사각형 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 직사각형 형상의 4개의 모서리 부위에 각각 전극단자들이 위치하는 구조일 수 있다. 이 때, 상기 직사각형의 중심을 기준으로 대각선의 모서리들에 동일한 전극의 단자들이 위치할 수 있다.
상기 전지셀들 또는 단위모듈들은, 모서리 부위에서 서로 다른 전극의 단자들이 인접하는 구조로 배열되어 있는 상태에서, 상호 직렬 연결될 수 있다.
또한, 상기 전지셀들 또는 단위모듈들은, 모서리 부위에서 서로 동일한 전극의 단자들이 인접하는 구조로 배열되어 있는 상태에서, 상호 병렬될 수 있다.
이 때, 상기 전지셀들 또는 단위모듈들의 배열은 둘 이상의 행과 둘 이상의 종을 포함할 수 있다.
한편, 상기 전지모듈은 높이가 다른 상기 전지셀들 또는 단위모듈이 둘 이상의 행과 둘 이상의 종을 포함하여 직렬 또는 병렬 연결된 구조를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 각 행에 배열된 상기 전지셀들 또는 단위모듈들은 다른 행에 배열된 전지셀들 또는 단위모듈들에 비해서 소정의 높이 차이가 있게 구성될 수 있다. 마찬가지로, 각 열에 배열된 상기 전지셀들 또는 단위모듈들은 다른 열에 배열된 전지셀들 또는 단위모듈들에 비해서 소정의 높이 차이가 있게 구성될 수 있다. 그리고, 상기 전지셀들 또는 단위모듈들의 전극단자들이 형성되어 있는 일측 단면들은 동일 평면상에 형성되어 있어 전극단자들이 절곡된 상태로 상호 직접 연결될 수 있다.
이러한 배열에 의해서, 전지 연결 구조 및 용량의 자유도를 향상시키며, 다양한 수용 공간에 수용될 수 있는 전지모듈을 구성할 수 있다.
또한, 상기 직렬 또는 병렬 연결에 사용되지 않은 단자들은 전압 검출을 위한 BMS(Battery Management System)와 같은 제어부에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 직렬 또는 병렬 연결에 사용되지 않은 단자들은 PCB(Printed Circuit Board)에 접속될 수 있고, 상기 PCB가 제어부에 전기적으로 연결될 수 있다. 이렇게 함으로써, 전압 검출을 위한 제어부 및 PCB의 설치 위치를 자유롭게 선택할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 일측 단부에 각각 둘 이상의 양극 및 음극 단자들이 형성된 전지셀들 또는 단위모듈들을 별도의 연결부재 없이 상호 직접 연결하여 배열함으로써, 전지 연결 구성 및 출력과 용량의 자유도를 향상 시킬 수 있으며, 다양한 수용 공간에 수용될 수 있는 전지모듈을 구성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 전지모듈과 비교하여 부품의 개수를 줄이고, 간단한 공정으로 제조 가능하므로 제조비용을 절감할 수 있을 뿐 만 아니라, 더욱 안정적인 구조의 전지모듈을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지셀 다수개가 병렬로 연결된 전지모듈에 관한 모식도이다;
도 3은 도 1의 전지셀 다수개가 행 방향 및 종 방향으로 병렬 연결되어 있는 전지모듈들을 위에서 바라본 평면 모식도들이다;
도 4는 도 1의 전지셀 다수개가 행 방향 및 종 방향으로 직렬 연결되어 있는 전지모듈들에 관한 평면 모식도들이다;
도 5는 도 1의 전지셀 다수개가 둘 이상의 행 방향 과 둘 이상의 종 방향을 포함하여 병렬 연결되어 있는 전지모듈에 관한 평면 모식도이다;
도 6은 도 1의 전지셀 다수개가 둘 이상의 행 방향 과 둘 이상의 종 방향을 포함하여 직렬 연결되어 있는 전지모듈에 관한 평면 모식도이다;
도 7은 높이가 다른 전지셀 다수개가 둘 이상의 행 방향과 둘 이상의 종 방향을 포함하여 직렬 또는 병렬 연결되는 전지모듈에 관한 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지셀 다수개가 병렬로 연결된 전지모듈에 관한 모식도가 도시되어 있다.
먼저 도 1을 참조하면, 전지셀(100a)의 형상은 대략 직육면체의 각형으로 이루어져 있으며, 전지셀(100a)의 일측 단부에는 2개의 양극 단자들(102, 104)과 2개의 음극 단자들(101, 103)이 각각 형성되어 있다. 양극 단자들(102, 104)과 2개의 음극 단자들(101, 103)이 위치하는 전지셀(100)의 일측 단부는 평면상으로 직사각형이고, 4개의 모서리 부위에 각각에 단자들(101, 102, 103, 104)이 위치한다. 이러한 직사각형의 중심을 기준으로 대각선의 모서리들에 동일한 전극의 단자들이 위치한다.
또한, 전지셀(100b)의 형상은 대략 직육면체의 각형으로 이루어져 있으며, 전지셀(100b)의 일측 단부에는 2개의 양극 단자들(111, 113)과 2개의 음극 단자들(112, 114)이 각각 형성되어 있다. 2개의 양극 단자들(111, 113)과 2개의 음극 단자들(112, 114)이 위치하는 전지셀(100b)의 일측 단부는 평면상으로 직사각형이고, 4개의 모서리 부위에 각각에 단자들(111, 112, 113, 114)이 위치한다. 이러한 직사각형의 중심을 기준으로 대각선의 모서리들에 동일한 전극의 단자들이 위치한다.
도 2를 참조하면, 세 개의 전지셀들(100a, 100b, 100a)은, 모서리에서 서로 동일한 양극 단자들(102, 104, 111, 114)과 음극 단자들(101, 103, 112, 113)이 인접하는 구조로 배열되어 있는 상태에서, 상호 병렬 연결되어 전지모듈(200)을 구성하고 있다. 이러한 전지셀들(100a, 100b, 100a)은 전극단자들(101, 102, 103, 104, 111, 112, 113, 114) 중 일부가 절곡된 상태로 상호 직접 연결되어 있다.
또한, 전지셀들은, 모서리에서 서로 다른 전극의 단자들이 인접하는 구조로 배열되어 있는 상태에서, 상호 직렬 연결된다(도시 하지 않음). 이러한 전지셀들은 전극단자들이 절곡된 상태로 상호 직접 연결된다(도시 하지 않음).
도 3에는 도 1의 전지셀(100a, 100b) 다수개가 행 방향 및 종 방향으로 병렬 연결되어 있는 전지모듈(300a, 300b, 300c)들에 대한 평면 모식도들이 도시되어 있다.
도 4에는 도 1의 전지셀(100a, 100b) 다수개가 행 방향 및 종 방향으로 직렬 연결되어 있는 전지모듈(400a, 400b, 400c)에 대한 평면 모식도들이 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에서, 일부 전극단자들(301, 401)은 도 2의 전지셀들 (100a, 100b)의 일부 전극단자들과 같이 절곡된 상태로 상호 직접 연결되어 있는 것을 나타낸다.
도 5에는 도 1의 전지셀들(100a, 100b)이 둘 이상의 행 방향 과 둘 이상의 종 방향을 포함하여 병렬 연결되어 있는 전지모듈(500)에 대한 평면 모식도가 도시되어 있다.
도 6에는 도 1의 전지셀들(100a, 100b)이 둘 이상의 행 방향과 둘 이상의 종 방향을 포함하여 직렬 연결되어 있는 전지모듈(600)에 대한 평면 모식도가 도시되어 있다. 이 때, 직렬 연결에 사용되지 않은 전극 단자들은 PCB(Printed Circuit Board)에 접속되어 있고, 이러한 PCB가 제어부(BMS)에 전기적으로 연결되어 있다(도시하지 않음).
도 7은 높이가 다른 전지셀들(710a, 710b)이 둘 이상의 행 방향과 둘 이상의 종 방향을 포함하여 직렬 또는 병렬 연결되는 전지모듈(700)에 관한 모식도이다.
도 7에서, 제 1 행에 배열된 전지셀들(710a)은 제 2 행에 배열된 전지셀들(710b)에 비해서 높이(h)가 다른 구조로 구성되어 있다. 이러한 전지셀들(710a, 710b)의 전극단자들이 형성되어 있는 일측 단면들은 동일 평면상에 형성되어 있어, 도 2 내지 6에 나타난 방법으로, 전극단자들이 절곡된 상태로 상호 직접 연결된다(도시하지 않음).
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 둘 이상의 단위모듈들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
    상기 단위모듈은 일측 단부에 각각 둘 이상의 양극 및 음극 단자들이 형성되어 있고,
    상기 단위모듈들은, 전극 단자들이 동일한 방향을 향하도록 적층 또는 측면 배열되어 있는 상태에서, 직렬 또는 병렬 구조로 상호 직접 연결되어 있고,
    상기 단위모듈은 일측 단부에 2개의 양극 단자들과 2개의 음극 단자들을 포함하고 있으며,
    상기 양극 단자들과 음극 단자들이 위치하는 단위모듈의 일측 단부는 평면상으로 사각형이고, 4개의 모서리 각각에 단자들이 위치하며,
    상기 단위모듈들은 전극단자들이 절곡된 상태로 상호 직접 연결되고,
    상기 사각형의 중심을 기준으로 대각선의 모서리들에 동일한 전극의 단자들이 위치하며,
    단위모듈들은, 모서리에서 서로 다른 전극의 단자들이 인접하는 구조로 배열되어 있는 상태에서, 상호 직렬 연결되고,
    상기 직렬 연결에 사용되지 않은 단자들은 전압 검출을 위한 제어부에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 둘 이상의 전지셀들이 전기적으로 연결된 상태로 셀 케이스에 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체가 내장된 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈의 형상은 각형인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 단위모듈들은, 모서리에서 서로 동일한 전극의 단자들이 인접하는 구조로 배열되어 있는 상태에서, 상호 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 단위모듈들의 배열은 둘 이상의 행과 둘 이상의 종을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 일 행 또는 종에 배열된 단위모듈들은 다른 행 또는 종에 배열된 단위모듈들에 비해서 소정의 높이 차이를 이루며 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 BMS인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 단자들은 PCB(Printed Circuit Board)에 접속되어 있고, 상기 PCB가 제어부에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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