KR20150070511A - 직접 연결 방식의 전압 센싱부를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 전극단자들이 전기적으로 연결된 상태로 적층되어 있는 전지셀들, 상기 전지셀들의 전극단자 연결부에 각각 용접 또는 솔더링 또는 기계적 체결되는 판상 스트립 형상의 전압 센싱부, 상기 전압 센싱부에서 검출된 전압을 BMS(Battery Management System)로 송부하는 와이어, 및 상기 전극단자 연결부에 대향하는 전압 센싱부의 단부가 고정되는 고정부가 형성되어 있고, 내부에 전압 센싱부의 상기 단부와 와이어가 전기적으로 연결되어 있는 구조의 센싱부 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

직접 연결 방식의 전압 센싱부를 포함하는 전지모듈 {Battery Module Having Direct Connecting Type Volage Sensing Part}
본 발명은 직접 연결 방식의 전압 센싱부를 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(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.
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 등을 전지셀들에 연결하여 실시간 또는 일정한 간격으로 작동 상태를 확인하여 제어하고 있다.
이와 관련하여, 이차전지의 활용 범위의 확대로 자동차 등의 동력원으로 사용됨에 따라, 강한 충격이나 진동이 가해지는 경우에도 상기 검출수단이 안정적인 접속 상태를 유지할 수 있도록 하는 것이 필요하다.
종래의 전지모듈에서는 리셉터클(receptacle) 방식이나 ICB(interconnection board) 방식을 사용하여 전지셀들의 전압을 검출하는 구조를 사용하였다. 리셉터클 방식은 전지셀의 셀 리드 부위에 ‘U’자 형의 터미널을 삽입하는 방식으로, 진동 및 충격 시 간헐적인 측정 불가 상태가 발생할 뿐 만 아니라, 리셉터클에 삽입되는 구조의 두께에 제한이 있다는 단점이 따른다.
또한, ICB 방식은 PCB(printed circuit board)를 이용한 방법으로 셀 리드와의 결합성은 우수하나, PCB가 완전 방수가 되지 않았을 경우 습기에 의한 결로현상으로 단락이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 용이하게 해결하면서, 전지셀의 전극리드에 대해 안정적인 센싱을 제공할 수 있는 전압 센싱 구조를 포함하는 전지모듈에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀들의 전압을 안정적으로 검출할 수 있는 구조를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 부품으로 용이하게 전지셀들에 대한 전압을 검출할 수 있는 구조를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
전극단자들이 전기적으로 연결된 상태로 적층되어 있는 전지셀들;
상기 전지셀들의 전극단자 연결부에 각각 용접 또는 솔더링 또는 기계적 체결되는 판상 스트립 형상의 전압 센싱부;
상기 전압 센싱부에서 검출된 전압을 BMS(Battery Management System)로 송부하는 와이어; 및
상기 전극단자 연결부에 대향하는 전압 센싱부의 단부가 고정되는 고정부가 형성되어 있고, 내부에 전압 센싱부의 상기 단부와 와이어가 전기적으로 연결되어 있는 구조의 센싱부 하우징;
을 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈은 센싱부 하우징을 사용함으로써 전압 센싱부를 안정적으로 고정하고 있고, 상기 전압 센싱부는 전극단자 연결부에 직접적으로 결합됨으로써 접속 안정성이 우수하며, 부품의 간소화 및 비용 절감의 효과를 제공한다.
상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화 할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가지는 판상형 전지셀일 수 있다.
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 전지셀로 칭하기도 한다.
상기 판상형 전지셀에는 양극 단자 및 음극 단자가 돌출되어 있으며, 이러한 양극 단자 및 음극 단자는 전지셀의 일측 단부에 모두 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
상기 전지셀들의 전극단자들은 직렬 또는 병렬로 연결되어 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 전지셀들이 적층된 상태에서 인접한 전지셀들과 상호 직접 연결되어 전기적 연결을 이루고 있는 구조일 수 있으며, 이 때 인접한 전지셀들의 전극단자들은 절곡된 상태로 단부가 중첩되어 상호 접속된 구조일 수 있다.
상기 전압 센싱부는 전극단자 연결부에 다양한 방법으로 접속될 수 있다. 예를 들어 레이저 용접, 초음파 용접 등의 용접으로 접속될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전압 센싱부는 소정 수준 이상의 기계적 강도가 필요하고, 전극단자 연결부에 대한 전입 센싱부의 안정적인 접속을 제공할 수 있도록, 금속 스트립으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 도전성이 좋은 구리 스트립으로 형성될 수 있다.
상기 전극단자 연결부는 전지셀들에서 돌출된 전극단자들이 직렬 또는 병렬로 연결되는 부위로서, 전극단자들의 일부를 서로 중첩시킨 상태에서 용접 등으로 결합하여 전지셀들 간에 상호 전기적 접속을 이루는 구조일 수 있다.
또한, 상기 전압 센싱부와 전극단자 연결부의 접속은 상기와 같이 용접을 이용할 수 있으나, 기계적 체결로도 접속될 수 있다. 예를 들어, 볼트-너트 결합, 또는 나사 결합, 또는 리벳 결합, 또는 체결돌기-체결홈 결합에 의한 기계적 체결로 달성될 수 있으나, 이들만으로 한정되지는 않는다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 센싱부 하우징에는 전압 센싱부의 단부가 고정되는 고정부가 형성될 수 있다. 즉, 상기 전압 센싱부의 단부가 센싱부 하우징의 고정부에 결합되어 고정되는 구조를 이룰 수 있으며, 이에 대응하여, 상기 전압 센싱부의 단부에는 상기 센싱부 하우징의 고정부에 조립 방식으로 결합되는 결합부가 형성되어 있을 수 있다.
구체적인 예로, 상기 결합부는 둘 이상의 돌기들을 포함하고 있고, 상기 센싱부 하우징의 고정부에는 상기 돌기들이 삽입 고정되는 고정홈들이 형성되어 있어서 상기 돌기들이 상기 고정홈들에 각각 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 고정홈은 센싱부 하우징의 내측면을 따라 그루브 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 결합부의 단부에는 와이어가 압착 방식으로는 고정되는 와이어 고정부가 형성될 수 있다. 상기 와이어 고정부에 관한 하나의 구체적인 예를 들면, 상기 와이어의 단부가 내측에 안착되도록 ‘U’자 형상으로 형성되어 있고, 상기 와이어의 단부가 안착된 상태에서 와이어 고정부의 단부를 절곡하여 와이어를 압착 고정하는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 센싱부 하우징의 내측에는, 상기 전지셀들의 적층 방향(수직 방향)을 따라 형성되어 있는 와이어 안착부, 및 상기 와이어 안착부의 일측 또는 양측에 형성되어 있고, 수직 방향으로 배열되어 있는 둘 이상의 고정부들이 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 수직 방향으로 배열되어 있는 고정부들은 상호 인접한 전극단자 연결부들의 간격에 대응하도록 배열될 수 있다. 따라서, 상기 고정부에 각각 상기 전압 센싱부들이 결합되었을 때, 전압 센싱부의 단부들이 각각 전극단자 연결부 부위에 위치하도록 구성될 수 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 전지셀은 일측 단부에 양극 단자 및 음극 단자가 모두 돌출되어 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 센싱부 하우징은 상기 양극 단자와 음극 단자 사이에 위치하도록 장착되는 구조일 수 있다. 따라서, 상기 전압 센싱부들은 상기 센싱부 하우징의 양측으로 돌출되도록 고정되어 전극단자 연결부에 접속되는 구조로 형성될 수 있다.
상기 전지셀은 충방전이 가능한 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 중량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이온 전지셀 또는 리튬 폴리머 전지셀이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 전지셀들은 상하로 적층되어 전지셀 적층구조를 형성할 수 있으며, 이러한 전지셀 적층구조는, 예를 들어, 전지셀들 사이에 각각 전지셀들을 고정하는 카트리지들이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 또한, 전지셀들이 전극단자들이 노출된 상태로 둘 이상이 셀 커버에 장착된 구조의 단위셀들을 형성하고 있고, 상기 단위셀들이 적층구조를 형성하는 구조로도 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 단위체로 사용하여 제조되는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 하나 또는 둘 이상의 전지모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 또는 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 또는 전기자전거 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상기 중대형 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 또는 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 또는 전기자전거일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 즉, 본 발명에 따른 전지모듈은 센싱부 하우징을 사용함으로써 전압 센싱부를 안정적으로 고정하고 있고, 상기 전압 센싱부는 전극단자 연결부에 직접적으로 결합하고, 전압 센싱부와 와이어를 압착에 의해 결합함으로써 접속 안정성이 우수하며, 부품의 간소화 및 비용 절감의 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 전지모듈에서 단위셀을 구성하는 전지셀의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 부분 사시도이다;
도 3은 도 2의 A 부위에 관한 확대도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 전지모듈에서 단위셀을 구성하는 전지셀의 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지셀(10)은 전극단자들(양극단자: 11, 음극단자: 12)이 일측 단부에 형성되어 있는 판상형 전지셀(10)이다. 구체적으로 판상형 전지셀(10)은 금속층(도시하지 않음)과 수지층(도시하지 않음)을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스(13)에 전극조립체(도시하지 않음)를 내장하고, 예를 들어, 열융착에 의해 실링부(14)를 형성한 구조이며, 통상적으로 이를 ‘파우치형 전지셀’로 통칭하기도 한다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 부분 사시도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지모듈은 다수의 전지셀들(110), 전압 센싱부들(122, 124), 와이어들(130), 및 센싱부 하우징(140)을 포함하는 구조로 구성되어 있다.
다수의 전지셀들(111, 112, 113, 114, 115, 116)은 판상형의 구조로서, 전기적으로 연결된 상태에서 적층되어 있다. 구체적으로, 상하로 적층된 전지셀들(111, 112, 113, 114, 115, 116)은 전극단자가 상호 직렬 방식으로 연결되어 있으며, 이러한 전극단자 연결부(118a, 118b)는 적층체의 구성을 위해 단면상으로 ‘ㄷ’ 자 형태로 절곡되어 있으며, 이러한 형태는 인접한 전지셀들(111, 112, 113, 114, 115, 116)의 전극단자들의 단부가 각각 수직 방향의 상부 또는 하부로 절곡되어 있고, 이러한 전극단자의 단부가 상호 중첩되어 접속되는 구조로 형성되어 있다.
전압 센싱부들(122, 124)은 판상 스트립 형상의 구조로 형성되어 있으며, 전극단자 연결부(118a, 118b)에 각각 전기적으로 접속되어 있다.
센싱부 하우징(140)의 내측에는 전압 센싱부들(122, 124)의 단부가 고정되는 고정부들(142)이 형성되어 있고, 전압 센싱부들(122, 124)과 와이어들(130)이 연결되어 있는 구조가 안착되어 있다.
즉, 전극단자 연결부(118a, 118b)에 접속된 전압 센싱부(122, 124)에서 검출된 전압은 와이어(130)를 통해서 BMS(도시하지 않음)로 송부되며, 센싱부 하우징(140)에 전압 센싱부들(122, 124)이 고정되고, 내측에 전압 센싱부들(122, 124)과 와이어들(130)이 각각 연결되어 있는 구조에 의하여 안정적인 전압 검출 구조를 제공하고 있다.
도 3에는 도 2의 A 부위에 관한 확대도가 도시되어 있다.
도 3을 도 2와 함께 참조하면, 센싱부 하우징(140)에는 전지셀들(110)의 적층 방향을 따라 중앙에 와이어 안착부(144)가 형성되어 있고, 와이어 안착부(144)의 양측에 고정부들(142)이 수직 방향으로 배열되어 있다.
이러한 센싱부 하우징(140)은 전지셀들(110)의 전극단자 연결부들(118a, 118b) 사이의 공간에 위치하도록 장착되어 있으며, 따라서, 센싱부 하우징(140)에 고정되어 있는 전압 센싱부들(122, 124)은 센싱부 하우징(140)으로부터 양측으로 돌출되어 전극단자 연결부(118a, 118b)에 각각 전기적으로 접속되는 구조로 이루어져 있다.
전압 센싱부들(122, 124)에는 각각 센싱부 하우징(140)의 고정되는 결합부(123, 125)가 형성되어 있다. 결합부(123, 125)는 다수의 돌기들을 포함하고 있고, 이러한 돌기들은 각각 고정부(142)의 홈들에 삽입되어 고정되어 있다. 고정부(142)의 홈들은 센싱부 하우징의 내측면을 따라 그루브 형상으로 이루어져 있다.
전압 센싱부(122, 124)의 결합부들(123, 125)의 단부에는 와이어들(130)이 고정되어 있으며, 구체적으로, 결합부들(123, 125)의 단부는 ‘U’자 형상(128)으로 형성되어 있고, ‘U’자 형상(128)의 내측에 와이어들(130)의 단부가 각각 고정된 상태에서 ‘U’자 형상(128)의 단부를 절곡하여 와이어들(130)을 압착 고정하는 구조로 이루어져 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (23)

  1. 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
    전극단자들이 전기적으로 연결된 상태로 적층되어 있는 전지셀들;
    상기 전지셀들의 전극단자 연결부에 각각 용접 또는 솔더링 또는 기계적 체결되는 판상 스트립 형상의 전압 센싱부;
    상기 전압 센싱부에서 검출된 전압을 BMS(Battery Management System)로 송부하는 와이어; 및
    상기 전극단자 연결부에 대향하는 전압 센싱부의 단부가 고정되는 고정부가 형성되어 있고, 내부에 전압 센싱부의 상기 단부와 와이어가 전기적으로 연결되어 있는 구조의 센싱부 하우징;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체가 내장된 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀의 일측 단부에 양극 단자 및 음극 단자가 돌출되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들의 전극단자들은 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극단자들은 절곡된 상태로 인접한 전지셀의 전극단자들과 상호 직접 연결되어 전기적 연결을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 센싱부는 금속 스트립으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 센싱부는 전극단자 연결부에 용접에 의해 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 센싱부는 볼트-너트 결합, 또는 나사 결합, 또는 리벳 결합, 또는 체결돌기-체결홈 결합에 의해 전극단자 연결부에 기계적 체결을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 센싱부 하우징의 고정부에 결합되는 전압 센싱부의 단부에는 상기 고정부에 조립 방식으로 결합되는 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 결합부는 둘 이상의 돌기들을 포함하고 있고, 상기 센싱부 하우징의 고정부에는 상기 돌기들이 삽입 고정되는 고정홈들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 고정홈은 센싱부 하우징의 내측면을 따라 그루브 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 결합부의 단부에는 와이어가 압착 방식으로는 고정되는 와이어 고정부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 와이어 고정부는 와이어의 단부가 내측에 안착되도록 ‘U’자 형상으로 형성되어 있고, 상기 와이어의 단부가 안착된 상태에서 와이어 고정부의 단부를 절곡하여 와이어를 압착 고정하는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 센싱부 하우징의 내측에는, 상기 전지셀들의 적층 방향(수직 방향)을 따라 형성되어 있는 와이어 안착부; 및 상기 와이어 안착부의 일측 또는 양측에 형성되어 있고, 수직 방향으로 배열되어 있는 둘 이상의 고정부들;이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 수직 방향으로 배열되어 있는 고정부들은 상호 인접한 전극단자 연결부들의 간격에 대응하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 센싱부 하우징은 전지셀의 양극 단자와 음극 단자 사이에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이온 전지셀, 또는 리튬 폴리머 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들 사이에 각각 개재되어 전지셀과 함께 전지셀 적층구조를 형성하는 카트리지들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 전극단자들이 노출된 상태로 둘 이상이 셀 커버에 장착된 구조의 단위셀들을 형성하고 있고, 상기 단위셀들이 적층 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 21 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 또는 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 또는 전기자전거 중 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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