KR100962760B1 - 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지모듈에 관한 것으로서, 고출력을 위하여 집전슬리브를 이용하여 복수개의 원통형 전지를 직렬로 연결하여 형성되는 전지모듈에 있어서, 상기 집전슬리브는, 한쪽의 정극 단자를 겸하는 전지의 캡 어셈블리 상부에, 도전 가능하도록 제1 플랜지부를 두어 접합되며, 밴트구를 막지 않도록 링형상의 제1 원통부를 갖는 정극 셀 슬리브, 다른 한쪽의 부극 단자를 겸하는 전지의 캔 하부에, 도전 가능하도록 제2 플랜지부를 두어 접합되며, 상기 정극 셀슬리브에 대응되는 링 형상의 제2 원통부를 갖는 부극 셀 슬리브, 도전 가능한 제3 플랜지부를 구비하고, 상기 정극 셀 슬리브에 대응되는 링 형상의 제3 원통부를 갖는 정극 모듈 슬리브 및, 도전 가능한 제4 플랜지부를 구비하고, 상기 부극 셀 슬리브에 대응되는 링형상의 제4 원통부를 갖는 부극 모듈 슬리브로 구성되며,

상기 원통형 전지간에는, 상기 제1 원통부와 제2 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되고, 상기 전지 모듈의 정극을 겸하는 한쪽 단부에는, 제1 원통부와 제3 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되며, 상기 전지 모듈의 부극을 겸하는 다른 한쪽 단부에는, 제2 원통부와 제4 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되어 이루어진다.

이와 같은, 본 발명에 의하면 전지간 연결 구조에 따른 저항을 감소시킬 수 있다.

전지 모듈, 집전 슬리브

Description

전지 모듈{Battery module}

본 발명은 대전류로 충전 및 방전을 행하여 고출력을 요하는 전동 공구, 전기 자동차, HEV등에 사용되는 전지모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 집전 슬리브를 이용하여 복수개의 원통형 전지를 연결하여 형성되는 전지모듈에 관한 것이다.

일반적으로 니켈수소 전지, 리튬이온 전지 등의 원통형 전지는 정극 및 부극 사이에 세퍼레이터(Separator)를 개재시키고, 이것을 권회상으로 감은 뒤, 정극 또는 부극의 단부에 집전체를 접속하여 전극체를 형성하고, 집전체로부터 연장하는 집전리드의 한쪽을 봉구체인 정극을 겸하는 캡 어셈블리(Cap assembly)에 용접하고, 이 전극체를 부극을 겸하는 전지 캔 내에 차입한 후 전지 캔의 개구부에 절연 개스킷을 개재시켜 봉구체인 캡 어셈블리로 밀폐시켜 이루어진다. 이 때, 전지 내부의 압력이 비정상적으로 상승하는 경우, 전지 내부로부터 가스를 방출하기 위하여, 봉구체인 상기 캡 어셈블리의 가운데는 밴트러버 및 밴트구를 포함한다.

이러한, 원통형 전지를 전동 공구, 전기 자동차, HEV(Hybrid Electric Vehicle) 등의 대전류로 충전 및 방전을 행하는 용도에 사용할 경우, 집전슬리브를 이용하여 복수개의 원통형 전지(이하, 단전지(unit cell)라 함)가 직렬로 연결되어 형성되는 전지모듈의 출력 특성이 매우 중요하며, 이를 위한 전지모듈의 내부 저항 저감이 요구되었다. 특히 전지 모듈의 구성요소 중 집전슬리브가 큰 영향을 주며, 집전슬리브의 저항이 클 경우 전기 저항에 기인한 큰 전압 강하가 생기고 전지모듈의 전압이 저하되는 문제가 발생하였다. 여기서는 주로 전지모듈의 집전슬리브에 관하여 기술하도록 한다.

도 1a는 종래의 전지모듈의 집전슬리브를 나타낸 사시도이며, 도 1b는 상기 도 1a의 집전슬리브를 이용하여 전지간 연결을 나타낸 단면도를 나타낸다.

도 1a와 같이, 종래의 집전 슬리브는 전지(B1)의 캡 어셈블리(9)의 상부에 연결되어 용접되는 제1 플랜지부(23)와 링형상의 제1 원통부(21)를 갖는 정극 슬리브(1b)와, 전지(B2)의 캔 하부(2)에 연결되어 제2 플랜지부(24)와 링형상의 제2 원통부(22)를 갖는 부극 슬리브(1a)로 구성되며, 상기 부극 슬리브(1a)의 제2 원통부(22) 내경이 상기 정극 슬리브(1b)의 제1 원통부(21) 외경보다 크거나 같도록 하여, 도 1b와 같이, 종래의 전지모듈의 전지간 집전 슬리브 연결방식은 부극 슬리브(1a)의 제2 원통부(22)에 정극 슬리부(1b)의 제1 원통부(21)를 끼워서 겹쳐진 제1 및 제2 원통부에 8 포인트(point)의 레이저 스폿(spot) 용접되는 겹치기 용접방식을 사용하으나, 겹치기 용접으로 많은 열량을 필요로 하고 이 때문에 연속 용접시 열로 인해 정극을 겸하는 캡 어셈블리와 부극을 겸하는 캔 간의 절연 및 밀폐기능을 갖는 가스켓(4)의 구조 및 형상에 손상을 줄 수 있다.

또한, 이러한 경우, 용접 경로 및 용접 부분에 진동 등의 외부 충격시 용접 부의 손상에 따른 전지 성능 저하 등의 문제가 발생하였으며, 특히 대전류 충전 및 방전 용도에서는 집전 슬리브의 전류 경로가 우회하여, 전류가 통전하므로 전기저항이 높아지는 문제점과, 외부 충격에 의해 용접부가 파손될 경우 전지 성능이 저하한다는 문제점이 발생하였다.

이 때, 도 1a의 도면부호 7은 배기구를 나타내며, 배기구(7)는 전지 모듈이 형성된 후, 전지 내부의 압력 상승으로 인해 가스 발생시 밴트러버(6)를 변형시켜 밴트구(미도시)를 통해 방출된 가스가 부극 슬리브(1a)의 배기구(7)를 통해 방출되도록 하는 기능을 갖는다.

본 발명은 이상과 같은 종래 기술에서 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 고출력을 위하여 집전 슬리브를 이용하여 원통형 전지를 직렬 연결하여 형성된 전지모듈에 있어서, 전지의 캡 어셈블리 상부와, 전지 캔 하부에 적용하던 집전 슬리브에서, 제1 및 제2 원통부의 끝단을 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합하여, 전류의 경로를 우회하지 않고 직접 흐르게 함으로써, 집전 슬리브의 저항을 최소화하는데 그 목적이 있다.

또한, 용접 방법의 개선을 통한 용접면적의 증가 및 그에 의한 전기 저항의 저감과 외부 충격에 대한 전지 성능의 신뢰성 향상을 달성하는 데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전지모듈은,

고출력을 위하여 복수개의 원통형 전지를 집전슬리브를 이용하여 직렬로 연결하여 형성되는 전지모듈에 있어서, 상기 집전슬리브는,

한쪽의 정극 단자를 겸하는 전지의 캡 어셈블리 상부에, 도전 가능하도록 제1 플랜지부를 두어 접합되며, 밴트구를 막지 않도록 링형상의 제1 원통부를 갖는 정극 셀 슬리브, 다른 한쪽의 부극 단자를 겸하는 전지의 캔 하부에, 도전 가능하도록 제2 플랜지부를 두어 접합되며, 상기 정극 셀슬리브에 대응되는 링 형상의 제2 원통부를 갖는 부극 셀 슬리브, 도전 가능한 제3 플랜지부를 구비하고, 상기 정 극 셀 슬리브에 대응되는 링 형상의 제3 원통부를 갖는 정극 모듈 슬리브 및, 도전 가능한 제4 플랜지부를 구비하고, 상기 부극 셀 슬리브에 대응되는 링형상의 제4 원통부를 갖는 부극 모듈 슬리브로 구성되며,

상기 원통형 전지 간에는, 상기 제1 원통부와 제2 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되고, 상기 전지 모듈의 정극을 겸하는 한쪽 단부에는, 제1 원통부와 제3 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되며, 상기 전지 모듈의 부극을 겸하는 다른 한쪽 단부에는, 제2 원통부와 제4 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되어 이루어지는데 그 특징이 있다.

또한, 상기 제1 원통부, 제2 원통부, 제3 원통부 및 제4 원통부는 동일 외경(外徑)을 갖으며, 각 부위의 형합 시 접촉면적이 크도록 제1 원통부 및 제4 원통부의 끝단은 계단형 돌기부가 형성되고, 제2 원통부 및 제3 원통부의 끝단은 이에 대응되는 계단형의 돌기부를 갖는다.

그리고, 상기 용접은 연속레이저 용접인 것이 바람직하다.

또한, 상기 캡 어셈블리 상부에 접합되는 정극 셀 슬리브의 제1 플랜지부와, 상기 캔 하부에 접합되는 부극 셀 슬리브의 제2 플랜지부는, 각각 비접촉 레이저 용접되어 접합되는 것을 특징으로 한다.

상기 집전 슬리브의 재질은 SM45C, SS41, 순니켈, 구리, 니켈도금 구리, 청동, 또는 알루미늄 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 원통부, 제2 원통부, 제3 원통부 및 제4 원통부는, 형합된 후 공기유통이 가능하도록 각각 소정의 배기구를 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1 원통부 및 제2 원통부에서 두께는 0.5 ~ 0.8mm이고, 외경은 13mm 이며, 상기 제1 플랜지부 및 제2 플랜지부는 외경이 20mm인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 전지의 캡 어셈블리 상부와, 전지 캔 하부에 적용하던 집전슬리브에서, 제1 및 제2 원통부의 끝단을 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합하여, 전류의 경로를 우회하지 않고 직접 흐르게 함으로써, 집전 슬리브의 저항을 저감화시킬 수 있다.

또한, 용접 방법의 개선을 통한 용접면적의 증가 및 그에 의한 전기 저항의 저감과 외부 충격에 대한 전지 성능의 신뢰성 향상시킬 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 전지모듈의 집전 슬리브에 대해 도면을 참조하여 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 전지모듈(100)은, 고출력을 위하여 복수개의 원통형 전지(101)(또는, 단전지라고도 함)를 집전슬리브를 이용하여 직렬연결하여 형성되는 것으로서, 도 2에서는 원통형 전지가 6개 사용된 6직렬 연결 전지모듈을 나타낸 것이다.

본 발명은 집전슬리브의 형상을 전지의 캡 어셈블리 상부와 전지 캔의 하부 에 용접경로를 최단축시키기 위해 전지와 전지 사이를 연결시, 슬리브를 일렬로 맞대어 서로 형합시킨 후 연속 레이저 용접방식을 적용하여 형합된 부위를 용접한다. 이를 통해 전류 통전 경로 및 면적 확대를 통한 대전류의 통전이 용이하여 전기저항의 감소와 다수의 용접에 의한 외부 충격에 대한 용접부 파손 및 전지 성능 저하등의 가능성을 감소시켜 전지성능 신뢰성 향상을 제공한다. 보다 구체적으로,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈에 사용되는 집전슬리브를 나타낸 도로써, 도 3a는 집전 슬리브의 사시도를 나타낸 도이고, 도 3b는 집전 슬리브의 측단면도를 나타낸 도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈의 전지간 집전슬리브 연결을 나타낸 도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈의 정극 모듈 슬리브의 연결을 나타낸 도이다.

도 3과 같이, 본 발명은 고출력을 위하여 복수개의 원통형 전지(101)를 집전슬리브(200)를 이용하여 직렬로 연결하여 형성되는 전지모듈(100)에 관한 것으로서,

집전슬리브(200)는 도 3a와 같이, 한쪽의 정극 단자를 겸하는 전지(101a)의 캡 어셈블리 (115)상부에 도전 가능하도록 제1 플랜지부(210)를 두어 접합되며 밴트구를 막지 않도록 링형상의 제1 원통부(214)를 갖는 정극 셀 슬리브(210)와, 다른 한쪽의 부극 단자를 겸하는 전지(101b)의 캔(120) 하부에 도전 가능하도록 제2 플랜지부(222)를 두어 접합되며 정극 셀 슬리브(210)에 대응되는 링 형상의 제2 원통부(224)를 갖는 부극 셀 슬리브(220)와, 도전 가능한 제3 플랜지부(244)를 구비하여 정극 셀 슬리브(210)에 대응되는 링형상의 제3 원통부(244)를 갖는 정극 모듈 슬리브(240)와, 도전 가능한 제4 플랜지부(232)를 구비하여 부극 셀 슬리브(220)에 대응되는 링형상의 제4 원통부(234)를 갖는 부극 모듈 슬리브(230)로 구성되며,

도 4와 같이, 원통형 전지(101a, 101b) 간에는, 정극 셀 슬리브(210)의 제1 원통부(214)와 부극 셀 슬리브(220)의 제2 원통부(224)의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되고, 도 5과 같이 전지 모듈의 정극을 겸하는 한쪽 단부(도 2의 160)에는, 정극 셀 슬리브(210)의 제1 원통부(214)와 정극 모듈 슬리브(240)의 제3 원통부(244)의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되며, 미도시되었으나 도 5과 유사하게, 전지 모듈의 부극을 겸하는 다른 한쪽 단부(도 2의 170)에는, 부극셀슬리브(220)의 제2 원통부(224)와 부극모듈슬리부(230)의 제4 원통부(234)의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되어 이루어진다.

상기 제1, 제2, 제3 및 제4 원통부(214, 224, 234, 244)는 동일 외경을 갖으며, 도 3과 같이 형합시 접촉면적이 크도록 정극셀슬리브(210)의 제1 원통부(214), 부극 모듈 슬리브(230)의 제4 원통부(234)의 끝단은 계단형 돌기부(218, 238)가 형성되고, 부극셀슬리브(220)의 제2 원통부(224), 정극모듈슬리브(240)의 제3 원통부(244)의 끝단은 상기 계단형 돌기부(218, 238)에 대응되는 계단형 돌기부(228, 248)를 갖는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 각 부위의 형합된 후 용접시, 용접은 연속레이저 용접인 것이 바람직하다.

또한, 도 4와 같이, 캡 어셈블리(115) 상부에 접합되는 정극 셀 슬리브(210) 의 제1 플랜지부(212)와, 상기 전지 캔(120) 하부에 접합되는 부극 셀 슬리브(220)의 제2 플랜지부(222)는 각각 비접촉 레이저 용접되어 접합되는 것이 바람직하다.

또한, 집전슬리브(200)의 재질은 SM45C, SS41, 순니켈, 구리, 니켈도금 구리, 청동, 또는 알루미늄 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 전지 내의 압력이 비정상적으로 상승하는 경우, 밴트러버가 변형되어 밴트구를 통하여 가스가 방출되고, 방출된 가스가 전지 모듈(100)의 상기 집전 슬리브(200)의 각 원통부를 통하여 배출될 수 있도록 제1, 제2, 제3, 및 제4 원통부(214, 224, 234, 244)는 각각 형합된 후 공기의 유통이 가능하도록 각각 소정의 배기구(216, 226, 236, 246)를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 도 3과 같이, 집전 슬리브(200)에서, 정극셀슬리브(210)의 제1 원통부(214) 및 부극 셀 슬리브(220)의 제2 원통부(224)는 두께가 0.5 ~ 0.8mm이고, 외경은 13mm이며, 제1 플랜지부(212) 및 제2 플랜지부(222)는 외경이 20mm인 것이 바람직하며, 각 플랜지부의 두께는 용도에 따라 다양하게 변경하여 구성할 수 있다.

이와 같이 제조된 본 발명에 따른 전지모듈은 전동 공구, 전기 자동차, HEV(Hybrid Electric Vehicle) 등의 대전류로 충전 및 방전을 행하는 용도에 사용할 경우, 상기 적용에 의해 형성된 전지모듈을 다시 용도에 맞게 직렬연결하여 사용하게 된다.

이 때, 사용되는 원통형 전지(또는 단전지)는 이차전지로서, 니켈수소전지(Ni-MH battery)인 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 일실시예와 비교예의 V-I특성곡선을 나타낸 그래프이다.

도 6과 같은 결과를 얻기 위하여, 본 발명은 일실시예로써, 집전슬리브의 재질은 SM45C이고, 각 원통부의 두께는 0.5mm로 하고, 각 원통부의 외경은 13mm, 각 플랜지부의 외경은 20mm로 적용하고, 이에 대응되는 비교예로써, 집전슬리브의 재질은 SM45C로써, 각 원통부의 두께는 0.5mm로 하고, 각 원통부의 외경은 13mm, 각 플랜지부의 외경은 20mm로 적용하였다. 상기 본 발명에 따른 일실시예 및 비교예를 동일한 소정의 화성 조건 및 활성화 조건을 시행한 후 비교시험을 실시하였다. 이 때, 실시예 및 비교예는 각 3개의 전지모듈로 하였다.

시험 방법은 0.1C로 15시간 충전 후 1/3C, 1C, 5C, 10C로 각 10초간 방전을 행하여, 각 단계별로 10초 전압을 측정하였다. 측정 결과 도 6과 같이 10초 후의 전지모듈의 전압을 세로축으로 하고, 각 전류치를 가로축으로 한 V-I특성곡선이 구해졌다.

도 6으로부터 명확한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 전지의 V-I특선 곡선의 경사는 비교예보다 작은 것을 알수 있고, 이로 인해 본 발명에 따른 실시예의 전지모듈의 작동 전압이 비교예보다 높고, 내부저항이 낮은 것도 알 수 있다.

도 1a는 종래의 전지모듈의 집전슬리브를 나타낸 사시도이며, 도 1b는 상기 도 1a의 집전슬리브를 이용하여 전지간 연결을 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈에 사용되는 집전슬리브를 나타낸 도로써, 도 3a는 집전 슬리브의 사시도를 나타낸 도이고, 도 3b는 집전 슬리브의 측단면도를 나타낸 도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈의 전지간 집전슬리브 연결을 나타낸 도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈의 정극 모듈 슬리브의 연결을 나타낸 도.

도 6은 본 발명의 일실시예와 비교예의 V-I특성곡선을 나타낸 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 전지모듈 101 : 원통형 전지(또는 단전지)

200 : 집전슬리브 210 : 정극 셀 슬리브

220 : 부극 셀 슬리브 230 : 부극 모듈 슬리브

240 : 정극 모듈 슬리브

212 : 제1 플랜지부 222 : 제2 플랜지부

232 : 제4 플랜지부 242 : 제3 플랜지부

214 : 제1 원통부 224 : 제2 원통부

234 : 제4 원통부 244 : 제3 원통부

216, 226, 236, 246 : 배기구

218, 228, 238, 248 : 계단형 돌기부

Claims (7)

1. 고출력을 위하여 복수개의 원통형 전지를 집전슬리브를 이용하여 직렬로 연결하여 형성되는 전지모듈에 있어서,

   상기 집전슬리브는,

   한쪽의 정극 단자를 겸하는 전지의 캡 어셈블리 상부에, 도전 가능하도록 제1 플랜지부를 두어 접합되며, 밴트구를 막지 않도록 링형상의 제1 원통부를 갖는 정극 셀 슬리브와;

   다른 한쪽의 부극 단자를 겸하는 전지의 캔 하부에, 도전 가능하도록 제2 플랜지부를 두어 접합되며, 상기 정극 셀슬리브에 대응되는 링 형상의 제2 원통부를 갖는 부극 셀 슬리브와;

   도전 가능한 제3 플랜지부를 구비하고, 상기 정극 셀 슬리브에 대응되는 링 형상의 제3 원통부를 갖는 정극 모듈 슬리브와;

   도전 가능한 제4 플랜지부를 구비하고, 상기 부극 셀 슬리브에 대응되는 링형상의 제4 원통부를 갖는 부극 모듈 슬리브로 구성되며,

   상기 원통형 전지간에는, 상기 제1 원통부와 제2 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되고,

   상기 전지 모듈의 정극을 겸하는 한쪽 단부에는, 제1 원통부와 제3 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되며,

   상기 전지 모듈의 부극을 겸하는 다른 한쪽 단부에는, 제2 원통부와 제4 원통부의 끝단이 서로 맞대어 하나의 원통형을 이루도록 일렬로 형합된 후 용접되어 이루어지고,

   상기 용접은 연속레이저 용접이며,

   상기 제1 원통부, 제2 원통부, 제3 원통부 및 제4 원통부는 동일 외경(外徑)을 갖고, 각 부위의 형합 시 접촉면적이 크도록 제1 원통부 및 제4 원통부의 끝단은 계단형 돌기부가 형성되며, 제2 원통부 및 제3 원통부의 끝단은 이에 대응되는 계단형의 돌기부를 갖고,

   상기 캡 어셈블리 상부에 접합되는 정극 셀 슬리브의 제1 플랜지부와, 상기 캔 하부에 접합되는 부극 셀 슬리브의 제2 플랜지부는, 각각 비접촉 레이저 용접되어 접합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 집전 슬리브의 재질은 SM45C, SS41, 순니켈, 구리, 니켈도금 구리, 청동, 또는 알루미늄 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 원통부, 제2 원통부, 제3 원통부 및 제4 원통부는, 형합된 후 공기유통이 가능하도록 각각 소정의 배기구를 갖는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 원통부 및 제2 원통부에서, 두께는 0.5 ~ 0.8mm이고, 외경은 13mm 이며, 상기 제1 플랜지부 및 제2 플랜지부는 외경이 20mm인 것을 특징으로 하는 전지모듈.

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