KR20070110565A - 중대형 전지모듈 - Google Patents

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KR20070110565A
KR20070110565A KR1020060043196A KR20060043196A KR20070110565A KR 20070110565 A KR20070110565 A KR 20070110565A KR 1020060043196 A KR1020060043196 A KR 1020060043196A KR 20060043196 A KR20060043196 A KR 20060043196A KR 20070110565 A KR20070110565 A KR 20070110565A
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Abstract

본 발명은 전극단자가 양측에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀을 둘 또는 그 이상의 조합으로 전기적으로 연결하여 충적한 구조의 단위모듈들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 단위모듈들의 전극단자들을 용접하여 연결하고, 검출부재를 포함하고 있는 센싱 유닛을 상기 용접부에 장착한 뒤 절곡하여 충적 구조로 만들며, 다수의 단위모듈들을 상기와 동일한 과정에 따라 반복적으로 충적하여 제조되는 구조로 이루어진 중대형 전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 전지셀의 낮은 강성을 보완하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 전지셀의 작동 상태를 확인할 수 있는 검출수단의 장착이 용이하며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업시 또는 작동시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 뿐만 아니라, 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량의 중대형 전지팩을 용이하게 제조할 수 있다.

Description

중대형 전지모듈 {Middle or Large-sized Battery Module}
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 제조용 단위모듈을 구성하기 위하여 두 개의 전지셀들을 전기적으로 연결한 구조에 대한 사시도 및 부분 확대도이다;
도 3은 도 2의 전지셀들이 장착될 프레임 부재의 정면 투시도이다;
도 4는 본 발명의 전지모듈을 제조할 때 사용될 수 있는 하나의 예시적인 단위모듈의 평면도이다;
도 5 내지 도 14에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 중대형 전지모듈을 제조하는 일련의 과정들에 대한 측면도 및 사시도들이다;
도 15는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지모듈의 하단 구조에 대한 사시도이다;
도 16 내지 도 19은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 상단 구조를 확인할 수 있는 부분 사시도, 평면도 및 전체 사시도들이다.
본 발명은 중대형 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극단자가 양측에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀을 둘 또는 그 이상의 조합으로 전기적으로 연결하여 충적한 구조의 단위모듈들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 단위모듈들의 전극단자들을 용접하여 연결하고, 상기 용접부에 센싱 유닛을 장착한 뒤 절곡하여 충적 구조로 만들며, 다수의 단위모듈들을 상기와 동일한 과정에 따라 반복적으로 충적하여 제조되는 구조의 중대형 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(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지(10)는 두 개의 전극리드(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 부착시킴으로써 전지(10)가 만들어진다. 외장부재(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(14a)은 상하 외장부재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14b)와 하단부(14c)에는 전극리드(11, 12)가 돌출되어 있으므로 전극리드(11, 12)의 두께 및 외장부재(14) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 외장부재(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위해서는 전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 그러나, 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 또는 차량 등에는 일반적으로 장착공간이 한정적이므로, 카트리지와 같은 팩 케이스의 사용으로 인해 전지모듈의 크기가 커지는 경우에는 낮은 공간 활용도의 문제점이 초래된다. 또한, 전지셀의 낮은 기계적 강성은 충방전시 전지셀의 반복 적인 팽창 및 수축으로 나타나고, 그로 인해 열융착 부위가 분리되는 경우도 초래된다.
또한, 전지모듈은 다수의 전지셀들이 조합된 구조체이므로 일부 전지셀들이 과전압, 과전류, 과발열 되는 경우에는 전지모듈의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이들을 검출하기 위한 수단이 필요하다. 따라서, 전압센서, 온도센서 등을 전지셀들에 연결하여 실시간 또는 일정한 간격으로 작동 상태를 확인하여 제어하고 있는 바, 이러한 검출수단의 장착 내지 연결은 전지모듈의 조립과정을 매우 번잡하게 하고 이를 위한 다수의 배선으로 인해 단락의 위험성도 존재한다.
이와는 별도로, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 앞서 설명한 바와 같은 측면에서 바람직하지 않으며, 보다 콤팩트하고 구조적 안정성이 우수한 중대형 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
더욱이, 차량 등과 같이 진동, 충격 등의 지속적인 외력이 가해지는 디바이스의 경우, 전기적 접속부위에서의 접촉저항 증가 등은 불안전한 출력, 단락 유발 등의 문제점을 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀의 낮은 기계적 강성을 효과적으로 보강하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 전지셀의 작동 상태를 확인할 수 있는 검출부재의 장착 등이 안정적인 중대형 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업시 또는 작동시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 중대형 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지모듈은, 전극단자가 양측에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀을 둘 또는 그 이상의 조합으로 전기적으로 연결하여 충적한 구조의 단위모듈들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 단위모듈들의 전극단자들을 용접하여 연결하고, 검출부재를 포함하고 있는 센싱 유닛을 상기 용접부에 장착한 뒤 절곡하여 충적 구조로 만들며, 다수의 단위모듈들을 상기와 동일한 과정에 따라 반복적으로 충적하여 제조되는 구조로 이루어져 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이 다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.
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 구조일 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 음극으로 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 젤리-롤 방식, 스택형 방식, 또는 이들의 복합 방식으로 이루어져 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 전지셀들은 하나 또는 둘 이상의 단위로 금속 또는 플라스틱 소재의 고강도 외장재에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성하는 바, 상기 고강도 외장재는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다.
단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/병렬 방식으로, 바람직하게는 직렬 방식으로 연결되어 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 단위모듈은 두 개의 전지셀들을 포함하고 있으며, 상기 전지셀들의 일측 전극단자(이하에서는, '하부 전극단자'로 칭함)들을 용접하고, 전지셀들이 단위모듈 제조용 프레임 부재의 양면에 접하도록 하부 전극단자들을 절곡하여 상기 프레임 부재 상에 적층 구조로 장착하며, 그것의 외면을 금속 외장재로 감싸 제조할 수 있다.
상기 하부 전극단자의 용접부에는 바람직하게는 전압의 검출을 위한 부재(전압 검출부재)가 프레임 부재에 내장된 상태로 접속되어 단위모듈의 외부로 연결되어 있다. 본 명세서에는, 상기 센싱 유닛에 포함되어 있는 검출부재와 상기 하부 전극단자 용접부에 연결되는 전압 검출부재를 구별하기 위하여, 전자의 검출부재를 '제 1 검출부재'로 칭하고, 후자의 전압 검출부재는 '제 2 검출부재'로 칭하기도 한다.
단위모듈들 간의 전극단자들(이하에서는, '상부 전극단자'로 칭함)의 연결부위(용접부)에 장착되는 센싱 유닛에는, 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 검출부재가 포함되어 있으며, 상기 제 1 검출부재는 바람직하게는 전압 측정에 사용된다. 바람직한 센싱 유닛은, 충적된 단위모듈들 사이에 위치할 수 있는 얇은 육면체 구조의 절연성 본체와 그 내부에 제 1 검출부재를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 본체에는 상부 전극단자의 용접부가 삽입될 수 있는 슬릿이 형성되어 있으며, 상기 제 1 검출부재는 전극단자의 용접부가 상기 슬릿에 삽입되었을 때 그것의 내부에서 접속이 이루어질 수 있도록 일측 단부가 슬릿 내부로 연장되어 있고 타측 단부가 본체로부터 돌출되어 접속부를 이루는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 센싱 유닛은 전지모듈의 제조과정에서 콤팩트한 충적 구조를 이루기 위해 상호 적층되는 두 단위모듈들 사이에 개재된다.
하나의 바람직한 예에서, 제 1 검출부재의 접속부는 슬릿의 형성면과 동일한 면에서 상기 본체로부터 돌출되어 있으며, 인접한 두 개의 단위모듈들의 상부 전극단자 용접부를 상기 슬릿에 삽입하고, 상기 본체가 단위모듈들 사이에 위치하도록 상부 전극단자들을 절곡하며, 그러한 절곡에 의해 상기 접속부는 단위모듈들의 상단면으로부터 돌출되게 된다. 따라서, 단위모듈들 상호간의 전기적 연결부위에 전압 측정을 위한 검출부재를 용이하게 장착할 수 있고, 그러한 검출부재의 접속부가 충적된 단위모듈들의 상단면으로부터 돌출되어 있어서 외부회로와의 연결이 용이하다.
상기 단위모듈들의 하단에는 하나 또는 둘 이상의 단위로서 절연성 캡(하단 캡)이 추가로 장착될 수 있다. 이러한 하단 캡은 단위모듈 내부의 전지셀 하부 전극단자들(전기적으로 연결되어 있는 하부 전극단자들)을 외부로부터 보호하여 단락 등이 유발되는 것을 방지한다. 특히, 둘 이상의 단위모듈들에 하나의 단위체로서 장착되는 하단 캡은 단위모듈들의 충적 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 도와 준다.
상기 하단 캡은 다양한 방식으로 단위모듈에 장착될 수 있는 바, 예를 들어, 독립된 성형체로서 전지모듈의 조립과정 중 또는 조립완료 후에 장착되거나, 조립완료 후에 전지모듈의 하단을 절연성 용융 수지에 침지한 후 고화시켜 형성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 하단 캡과 대략 동일한 목적, 구조 및 형성방법으로, 단위모듈들의 상단에 하나 또는 둘 이상의 단위로서 절연성 캡(상단 캡)이 추가로 장착될 수 있다.
상기 프레임 부재는 바람직하게는 두 개의 전지셀이 양측에 장착될 수 있는 격자형 구조로서, 그것의 상단 중앙에는 온도 검출부재가 전지셀들 사이로 삽입될 수 있는 관통구가 형성되어 있고, 및/또는 그것의 상단 일측에는 외부 입출력 단자를 장착하기 위한 삽입구가 형성되어 있다.
단위모듈들 상호간의 전기적 연결은, 앞서 설명한 바와 같이, 상호간에 전기적 연결을 이루고 있지 않은 상부 전극단자를 인접한 단위모듈의 상부 전극단자에 용접하여 달성되므로, 최외각에 위치하지 않는 단위모듈들에는 외부 입출력 단자를 장착할 필요가 없다. 그러나, 프레임 부재의 상단 일측에 형성되어 있는 외부 입출력 단자용 삽입구는 다수의 단위모듈들을 충적하는 과정에서 각 단위모듈의 올바른 충적 위치(방향)을 확인하는 표시자로서의 역할도 수행한다.
반면에, 전지모듈에서 최외각 단위모듈에는 상기 삽입구에 외부 입출력 단자를 삽입하여 설치하고, 그러한 외부 입출력 단자에 단위모듈의 전극단자를 전기적으로 연결하게 된다. 상기 전기적 연결은 다양한 방식으로 달성될 수 있으며, 바람직하게는, 외측의 전극단자를 절곡하여 전지모듈의 외면에 밀착시킨 상태에서, 외부 입출력 단자와 전극단자를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바를 단위모듈의 상단에 장착하여 달성될 수 있다.
상기 프레임 부재는 절연성 소재로서 소정의 강도를 갖는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며 성형성이 우수한 열가소성 플라스틱 수지로 이루어질 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 고강도 외장재의 측면 상단 및/또는 하단에는 좁은 틈의 개구가 형성되어 있고, 상기 개구에 대응하는 프레임 부재의 측면 상단 및/또는 하단에는 돌기가 형성되어 있어서, 단위모듈의 조립 후, 상기 돌기를 부분적으로 용융하여 상기 개구에 밀착되도록 함으로써, 프레임 부재와 금속 외장재의 결합력을 높일 수도 있다.
경우에 따라서는, 상기 개구에 대향하는 고강도 외장재의 타측 상단 및/또는 하단에 다소 넓은 개구를 형성하고, 그에 대응하는 프레임 부재의 상단 및/또는 하단에 단위모듈을 소정의 부위에 고정할 수 있는 장착용 구멍을 추가로 천공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전지모듈을 사용하여 중대형 전지팩을 구성할 때, 전지팩이 탑재되는 디바이스의 특정 위치에 전지모듈을 세워서 장착할 수 있도록 그것의 내부 하단면에 일렬로 소정의 돌출부를 형성하고, 상기 돌출부에 프레임 부재의 구멍이 끼워지도록 각각의 단위모듈들을 장착하게 되면, 안정적인 장착을 이룰 수 있다.
콤팩트한 구조의 전지모듈을 제조함에 있어서 문제가 되는 사항들 중의 하나는 충방전시 전지셀로부터 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있어야 한다는 점이다. 본 발명의 전지모듈에서는 콤팩트한 구조의 달성을 위해 단위모듈들을 높은 밀집도로 밀착시키는 것이 필요하며, 이로 인해 전지셀의 방열이 원할하지 않을 수 있다. 따라서, 단위모듈들의 충적시 냉매용 유로가 만들어질 수 있도록, 단위모듈 을 구성하는 고강도 외장재의 외면에 단위모듈의 가로방향으로 다수의 그루브가 돌출되어 있는 구조가 바람직하다. 이러한 그루브들은 충적된 단위모듈들에서 서로 대면함으로써 그루브들 사이에 이격된 공간, 즉, 유로를 형성한다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지팩을 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 소망하는 출력과 용량을 제공하기 위한 개수의 단위모듈들로 구성된 전지모듈은 그것의 상단에 제 1 검출부재의 접속부와 제 2 검출부재의 접속부 및 온도 검출부재의 접속부가 함께 돌출되어 있고, 전지모듈의 작동을 제어하기 위한 시스템(BMS)이 상기 전지모듈의 상단에 장착되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 다수의 검출부재들의 접속부들이 와이어 등의 배선을 사용하지 않고도 BMS에 직접 연결되므로, 조립과정이 간소하고, 복잡한 배선으로 인한 단락 등의 위험성을 제거할 수 있다. 상기 BMS는 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 PCB의 형태일 수 있다. 이 경우에, 상기 검출부재들의 접속부들은, 예를 들어, PCB BMS에 형성되어 있는 접속용 개구에 삽입한 후 솔더링 등을 행하여 전기적 연결을 이룰 수 있다.
상기 중대형 전지팩에서 전지모듈은 그 자체가 하나의 단위로 이루어져 있거나, 또는 소정 개수의 단위모듈을 포함하는 전지모듈을 단위체로 하여 이들 단위체 다수를 연결하여 제조될 수도 있다. 특히, 후자의 전지팩의 경우, 한정된 장착 공간에서 효율적인 배치가 가능할 수 있고, 일부 전지모듈의 고장 시에 교체가 가능하다는 잇점을 가진다. 또한, 후자의 전지팩에서, 각 전지모듈의 BMS가 슬레이브 BMS(Slave BMS)를 이루며, 이들을 전반적으로 제어하는 메인 BMS를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은 콤팩트한 구조와 구조적 안정성 및 간단한 배선 구조로 인해, 장착 공간이 한정적이고, 진동, 충격 등과 같은 지속적인 외력이 가해지며, 그로 인해 작동 중 단락의 위험성이 높은, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 운송용 디바이스의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
더욱이, 전지팩을 구성하는 전지모듈의 단위모듈들이 직립된 형태로 장착되는 경우에는 차량 등의 한정된 탑재공간에서 효율적인 장착이 가능하므로, 더욱 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 제조용 단위모듈을 구성하기 위하여 두 개의 전지셀들을 전기적으로 연결한 구조에 대한 사시도 및 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀(100)은 양극단자(110)와 음극단자(120)가 양단에 위치하고 있으며, 파우치형 전지케이스(130)에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
단위모듈을 구성하기 위한 두 개의 전지셀들(100, 101)은 일측 음극단 자(120)와 양극단자(111)를 용접하여 직렬방식으로 결합시킨 후, 전지셀들(100, 101)의 표면이 서로 접하도록 전극단자들(120, 111)을 절곡시킨다. 반면에, 타측 양극단자(110)와 음극단자(121)는 충적과정에서 인접하게 될 단위모듈(도시하지 않음)의 전극단자와 용접하는 과정에서 바깥쪽으로 절곡된다.
도 3에는 도 2의 전지셀들이 장착될 프레임 부재가 정면 투시도로서 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 프레임 부재(200)는 대략 전지셀(도시하지 않음)에 대응하는 형상을 가지며, 전지셀들의 외주면 실링부(즉, 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스를 열융착시킨 부위) 만을 지지하면서 전지셀들이 서로 밀착될 수 있도록 격자 구조로 이루어져 있다.
프레임 부재(200)의 하단에는 전지셀 하부 전극단자들의 절곡된 용접부(도 2: 140)가 삽입되기 위한 슬릿(210)이 형성되어 있고, 슬릿(210)으로부터 프레임 부재(200)의 측면을 따라 상단 쪽으로 연장된 전압 검출용 제 2 검출부재(300)가 장착되어 있다. 따라서, 제 2 검출부재(300)의 접속부(310)는 슬릿(210)에 삽입된 전지셀 하부 전극단자 용접부를 리벳 등을 사용해 프레임 부재(200)에 고정할 때 전극단자와 접속을 이룬다. 반면에, 제 2 검출부재(300)의 접속부(310)는 프레임 부재(200)의 상단으로부터 돌출되어 있으므로, BMS(도시하지 않음)에 대한 접속이 매우 용이하다.
프레임 부재(200)의 상단 중앙에는 온도 검출부재(도시하지 않음)가 삽입될 수 있는 관통구(220)가 길이방향으로 천공되어 있으며, 상단 일측에는 외부 입출력 단자(240)가 장착되기 위한 삽입구(230)이 형성되어 있다. 외부 입출력 단자(240)는 전지모듈을 구성할 때 최외각 단위모듈 상에만 장착되지만, 외부 입출력 단자(240)가 장착되지 않은 상태의 삽입구(230)라 하더라도, 그것이 프레임 부재(200)의 상단 일측에 편향되어 형성되어 있으므로, 전지모듈의 조립과정에서 단위모듈의 상하를 구별하는 표시자로서의 역할도 병행한다.
도 4에는 본 발명의 전지모듈을 제조할 때 사용될 수 있는 하나의 예시적인 단위모듈의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 단위모듈(400)은 도 3의 프레임 부재(300)에 도 2의 전지셀(100, 101)을 장착한 상태에서 금속 외장재(410)로 감싼 구조로 이루어져 있다. 금속 외장재(410)는 일 측면이 개방된 형태로 절곡되어 있는 금속 판재로서, 프레임 부재에 장착된 한 쌍의 전지셀들을 내장한 상태에서 개방 측면(412)을 결합시켜 제조된다. 상기 결합은 다양한 방식으로 달성될 수 있으며, 예를 들어, 용접, 후크와 체결구의 조합에 의한 기계적 체결, 솔더링 등이 사용될 수 있다.
단위모듈(400)이 전지모듈의 최외각 단위모듈로서 사용되기 위하여 프레임 부재(300)의 상단 삽입구에 외부 입출력 단자(240)가 체결된 경우, 외부 입출력 단자(240)와 단위모듈(400)의 상부 전극단자(420)를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바(430)가 단위모듈(400)의 상단에 장착된다. 버스 바(430)는 단위모듈(400)의 상단 외면으로 절곡된 상부 전극단자(420)를 감싸는 구조로 장착됨으로써, 외부 입출력 단자(240)에 대한 전기적 연결과 함께, 상부 전극단자(420)의 절곡상태를 안정적으로 고정시키는 역할을 동시에 수행한다.
단위모듈(400)의 외면을 형성하는 금속 외장재(410)의 표면에는 단위모듈(400)의 가로방향으로 다수의 그루브들(414)이 돌출되어 있으며, 이들 그루브들(414)은 충적된 단위모듈(400)들에서 서로 대면함으로써 그루브들(414) 사이에 이격된 공간으로서 유로를 형성한다.
도 5 내지 도 14에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 중대형 전지모듈을 제조하는 일련의 과정들이 측면도로서 모식적으로 도시되어 있다.
우선 도 5를 참조하면, 두 개의 단위모듈들(400, 401)의 상부 전극단자들(420, 421)을 서로 접한 상태에서 용접한 후, 두 개의 단위모듈들(400, 401)이 서로 평행하게 되도록 전극단자들(420, 421)을 수직으로 절곡한다.
각 단위모듈(400, 401)의 하단에는, 도 15에서 보는 바와 같이, 캡(하단 캡: 500)이 장착되는 바, 하단 캡(510)에 의해 하부 전극단자 부위가 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다. 경우에 따라서는, 다수의 단위모듈들(400, 401, 402)의 하단에 일체형 캡(510)을 장착할 수도 있다. 일체형 하단 캡(510)은 다수의 단위모듈들(400, 401, 402)이 충적된 상태를 유지하는 것을 도와는 주는 역할도 병행할 수 있다.
도 6을 참조하면, 단위모듈의 전극단자들을 연결하는 부위에 전압 측정을 위한 센싱 유닛(600)를 장착한다. 센싱 유닛(600)의 자세한 구조는 도 16에서 확인할 수 있는 바, 도 16을 참조하면, 센싱 유닛(600)는 충적될 단위모듈들(400, 401) 사이에 위치할 수 있는 얇은 육면체 구조의 절연성 본체(610)와, 본체(610)에 포함되어 있는 제 1 접속부재(620)로 이루어져 있다.
본체(610)에는 상부 전극단자(440)의 용접부가 삽입될 수 있는 슬릿(630)이 형성되어 있고, 슬릿(630)의 형성면과 동일한 면에서 본체(610)로부터 제 1 검출부재(620)의 접속부(640)가 돌출되어 있다.
도 7을 참조하면, 두 단위모듈들(400, 401)의 상부 전극단자 용접부를 재차 수직으로 절곡하여 적층 구조를 형성한다. 이때, 제 1 검출부재 접속부(640)는 단위모듈들(400, 401)의 상단면으로부터 돌출되므로, BMS 등 외부회로(도시하지 않음)와의 연결이 용이하다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 도 5 내지 7에서와 동일한 방식으로, 상부 전극단자의 용접 과정(도 8), 센싱 유닛의 장착 과정(도 9), 및 상부 전극단자 용접부의 절곡에 의한 충적 구조의 형성 과정(도 10)을 거치면서, 단위모듈(401)에 대해 또 다른 단위모듈(402)을 전기적으로 연결하여 적층 구조를 형성한다.
그 중, 도 10을 참조하면, 상기와 같은 과정으로 조립된 3 개의 단위모듈들(400, 401, 402)로부터 총 5 개의 접속부들이 돌출되어 있다. 그 중 2 개는 단위모듈들(400, 401, 402) 사이에 장착되는 센싱 유닛들(601, 602)의 접속부들(640, 641)이고, 나머지 3 개는 각 단위모듈들(400, 401, 402)의 프레임 부재에 장착되어 있는 제 2 접속부재들(도시하지 않음)의 접속부들(310, 311, 312)이다.
상기에서와 같은 조립방식으로 총 4 개의 단위모듈들을 조립한 구조가 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 4 개의 단위모듈들(400, 401, 402, 403)은 그것의 전극단자들이 서로 직렬 방식으로 연결된 상태로 적층되어 있으며, 그 중 최외각 단위모 듈들(400, 403)에는 외부 입출력 단자들(240, 242)이 설치되어 있다. 단위모듈들(400, 401, 402, 403)의 하단에는 일체형 캡(510)이 장착되어 있으며, 경우에 따라서는 도 12에서와 같이 상단 캡(520)이 추가로 장착될 수도 있다.
도 13에는 조립이 완료된 상태에서의 전지모듈의 사시도가 도시되어 있고, 도 14에는 BMS가 장착된 상태에서의 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 4 개의 단위모듈들(400, 401, 402, 403) 각각은 2 개의 전지셀들을 내장하고 있으므로, 전지모듈은 총 8 개의 전지셀들로 구성되어 있다. 이들 전지셀들은 직렬 방식으로 전기적 연결을 이루고 있으며, 최외각 단위모듈들(400, 403)에 양극과 음극의 외부 입출력 단자(240, 242)이 설치된다. 또한, 단위모듈들(400, 401, 402, 403) 상호간의 상부 전극단자 용접부에 장착되는 센싱 유닛으로부터 돌출된 3 개의 접속부들(640, 641, 642)과, 각 단위모듈에 내장된 두 전지셀들 상호간의 하단 전극단자 용접부에 연결되는 제 2 접속부재로부터 돌출된 4 개의 접속부들(310, 311, 312, 313)이 전지모듈(700)의 상단면으로부터 돌출되어 있다.
도 14를 참조하면, 단위모듈들(400, 401, 402, 403)의 상단에는 BMS PCB(710)가 장착되며, 각각의 접속부들(640, 641, 642, 310, 311, 312, 313)이 BMS PCB(710)에 연결된다.
도 17 내지 도 19에는 도 13의 과정까지 완료된 전지모듈의 상단 구조를 확인할 수 있는 부분 사시도, 평면도 및 전체 사시도들이 도시되어 있다. 이해의 편 의를 위하여 도 18 및 도 19는 외부 입출력 단자에 버스 바를 장착하지 않은 상태로 도시되어 있다.
우선 도 17을 참조하면, 최외각 단위모듈(400, 403)에 각각 외부 입출력 단자들(240, 242)이 장착되어 있으며, 이들 외부 입출력 단자(240, 242)은 단위모듈(400, 403)의 상단에 장착되는 버스 바(430)에 의해 상부 전극단자들(440, 443)과 전기적 연결을 이룰 수 있다. 최외각 단위모듈(400, 403)의 외측 상부 전극단자(440, 443)는 단위모듈(400, 403)의 외면에 밀착되도록 절곡되며, 그러한 절곡부위를 감싸도록 버스 바(430)가 장착된다. 외부 입출력 단자(240, 242)는 단위모듈(400, 403)의 프레임 부재(200) 상단 일측에 형성되어 있는 삽입구(230)에 끼워져 고정된다.
도 18을 참조하면, 단위모듈(400)의 외면을 구성하는 금속 외장재(410)의 측면 상단에는 좁은 틈의 개구(416)가 형성되어 있고, 개구(416)에 대응하는 프레임 부재(200)의 측면 상단에는 돌기(250)가 형성되어 있다. 따라서, 단위모듈의 조립 완료 후, 프레임 부재(200)의 돌기(250)를 부분적으로 용융하여 금속 외장재(410)의 개구(416)에 밀착시키면, 프레임 부재(200)와 금속 외장재(410)의 결합력이 높아진다.
도 19를 참조하면, 금속 외장재(410) 중 다른 쪽 측면 상단 및 하단에는 다소 넓은 개구(418)가 형성되어 있고, 그에 대응하는 프레임 부재(200)의 측면 상단 및 하단에는 단위모듈을 소정의 부위에 고정할 수 있는 장착용 구멍(260)을 추가로 천공되어 있다.
다시 도 17을 참조하면, 프레임 부재(200)의 상단 일측에는 제 2 검출부재로부터 연장된 접속부(310)가 돌출되어 있고, 프레임 부재(200)의 상단 중앙에는 단위모듈의 두 전지들의 온도를 측정하기 위한 온도 검출부재(도시하지 않음)를 삽입할 수 있는 관통구(220)가 천공되어 있다.
또한, 단위모듈들(400, 401) 사이에서 상부 전극단자들의 용접부가 삽입되는 센싱 유닛(600)으로부터 접속부(640)가 또한 돌출되어 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지모듈은 전지셀의 낮은 강성을 보완하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있고, 전지셀의 작동 상태를 확인할 수 있는 검출수단의 장착이 용이하며, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 다수의 부재들을 사용하지 않고도 간단한 조립방법에 의해 제조함으로써 전반적인 제조비용을 낮추고, 작업시 또는 작동시 단락이나 파손 등의 위험성을 줄일 수 있는 뿐만 아니라, 전지모듈을 단위체로 사용하여 소망하는 출력과 용량의 중대형 전지팩을 용이하게 제조할 수 있다.

Claims (22)

  1. 전극단자가 양측에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀을 둘 또는 그 이상의 조합으로 전기적으로 연결하여 충적한 구조의 단위모듈들로 이루어져 있으며, 한 쌍의 단위모듈들의 전극단자들을 용접하여 연결하고, 검출부재를 포함하고 있는 센싱 유닛을 상기 용접부에 장착한 뒤 절곡하여 충적 구조로 만들며, 다수의 단위모듈들을 상기와 동일한 과정에 따라 반복적으로 충적하여 제조되는 구조로 이루어진 중대형 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지인 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 두 개의 전지셀들을 포함하고 있으며, 상기 전지셀들의 일측 전극단자(하부 전극단자)들을 용접하고, 전지셀들이 단위모듈 제조용 프레임 부재의 양면에 접하도록 하부 전극단자들을 절곡하여 상기 프레임 부재 상에 적층 구조로 장착하며, 그것의 외면을 금속 외장재로 감싸 제조되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 하부 전극단자의 용접부에는 전압의 검출을 위한 부 재(제 2 검출부재)가 프레임 부재에 내장된 상태로 접속되어 단위모듈의 외부로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 단위모듈들 간의 전극단자들(상부 전극단자)의 연결부위(용접부)에 장착되는 상기 센싱 유닛에는 전압 측정을 위한 제 1 검출부재가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 센싱 유닛은, 충적된 단위모듈들 사이에 위치할 수 있는 얇은 육면체 구조의 절연성 본체와 그 내부에 제 1 검출부재를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 본체에는 상부 전극단자의 용접부가 삽입될 수 있는 슬릿이 형성되어 있으며, 상기 제 1 검출부재는 전극단자의 용접부가 상기 슬릿에 삽입되었을 때 그것의 내부에서 접속이 이루어질 수 있도록 일측 단부가 슬릿 내부로 연장되어 있고 타측 단부가 본체로부터 돌출되어 접속부를 이루는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 검출부재의 접속부는 슬릿의 형성면과 동일한 면에서 상기 본체로부터 돌출되어 있으며, 인접한 두 개의 단위모듈들의 상부 전극단자 용접부를 상기 슬릿에 삽입하고, 상기 본체가 단위모듈들 사이에 위치하도록 상부 전극단자들을 절곡하며, 그러한 절곡에 의해 상기 접속부는 단위모듈들의 상단면으로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈들의 하단에는 하나 또는 둘 이상의 단위로서 절연성 캡(하단 캡)이 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 하단 캡은 독립된 성형체로서 전지모듈의 조립과정 중 또는 조립완료 후에 장착되거나, 조립완료 후에 전지모듈의 하단을 절연성 용융 수지에 침지한 후 고화시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈들의 상단에 하나 또는 둘 이상의 단위로서 절연성 캡(상단 캡)이 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 두 개의 전지셀이 양측에 장착될 수 있는 격자형 구조로서, 그것의 상단 중앙에는 온도 검출부재가 전지셀들 사이로 삽입될 수 있는 관통구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재의 상단 일측에는 외부 입출력 단자를 장착하기 위한 삽입구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 전지모듈에서 최외각 단위모듈에는 상기 삽입구에 외부 입출력 단자를 삽입하여 설치하고, 버스 바를 이용하여 상기 외부 입출력 단자에 단위모듈의 전극단자를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 최외각 단위모듈의 외측 전극단자를 절곡하여 전지모듈의 외면에 밀착시킨 상태에서, 외부 입출력 단자와 전극단자를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바를 단위모듈의 상단에 장착하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 고강도 외장재의 측면 상단 및/또는 하단에는 좁은 틈의 개구가 형성되어 있고, 상기 개구에 대응하는 프레임 부재의 측면 상단 및/또는 하단에는 돌기가 형성되어 있어서, 단위모듈의 조립 후, 상기 돌기를 부분적으로 용융하여 상기 개구에 밀착되도록 함으로써, 프레임 부재와 금속 외장재의 결합력을 높이는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 개구에 대향하는 고강도 외장재의 타측 상단 및/또는 하단에 다소 넓은 개구가 형성되어 있고, 그에 대응하는 프레임 부재의 상단 및/또는 하단에 단위모듈을 소정의 부위에 고정할 수 있는 장착용 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  17. 제 1 항에 있어서, 단위모듈들의 충적시 냉매용 유로가 만들어질 수 있도록, 상기 단위모듈을 구성하는 고강도 외장재의 외면에 단위모듈의 가로방향으로 다수 의 그루브가 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지팩.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전지모듈은 그것의 상단에 제 1 검출부재의 접속부와 제 2 검출부재의 접속부 및 온도 검출부재의 접속부가 함께 돌출되어 있고, 전지모듈의 작동을 제어하기 위한 시스템(BMS)이 상기 전지모듈의 상단에 장착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 전지모듈 자체가 하나의 단위로 이루어져 있거나, 또는 소정 개수의 단위모듈을 포함하는 전지모듈을 단위체로 하여 이들 단위체 다수를 연결하여 제조되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이 또는 전기자전거의 동력원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 전지모듈의 단위모듈들이 직립된 형태로 디바이스에 장착되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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