KR101487152B1 - 단위모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 두 개의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 상태로 적층된 구조의 단위모듈이 둘 이상 직렬 연결되어 적층되어 있는 단위모듈 어셈블리로서, 적어도 하나의 단위모듈에서 전지셀들의 전기적 연결은, 상기 전지셀들의 중 하나의 전지셀(제 1 전지셀)의 전극단자가 외부 디바이스에 연결되어 있는 버스 바 또는 단위모듈들 상호 간을 연결하는 인터 버스 바(inter bus bar)에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있고, 나머지 전지셀들의 전극단자는 상기 버스 바 또는 인터 버스 바에 미접촉된 상태에서 상기 제 1 전지셀의 전극단자에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있는 복합 접속 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.

Description

단위모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지모듈 {Unit Module Assembly and Battery Module Comprising The Same}
본 발명은, 안전성이 향상된 단위모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 적어도 두 개의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 상태로 적층된 구조의 단위모듈이 둘 이상 직렬 연결되어, 적층되어 있는 단위모듈 어셈블리로서, 적어도 하나의 단위모듈에서 전지셀들의 전기적 연결은, 상기 전지셀들의 중 하나의 전지셀(제 1 전지셀)의 전극단자가 외부 디바이스에 연결되어 있는 버스 바 또는 단위모듈들 상호 간을 연결하는 인터 버스 바(inter bus bar)에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있고, 나머지 전지셀들의 전극단자는 상기 외부 디바이스 또는 인터 버스 바에 미접촉된 상태에서 상기 제 1 전지셀의 전극단자에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있는 복합 접속 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리 및 이를 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), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원 또는 잉여 전력을 저장한 후 필요에 따라 사용하는 전력 저장장치로서도 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 전지모듈이 사용된다.
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 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
한편, 전지모듈은 다수의 전지셀들이 조합된 구조로 이루어져 있으므로 일부 전지셀들이 과충전, 과방전되는 경우, 전해액의 분해로 인한 다량의 가스가 발생하면서 케이스가 부풀어오르는 이른바 스웰링 현상이 나타나는데, 이러한 스웰링 현상은 밀봉된 케이스 내부에 고압을 유발하면서, 전해액 분해를 더욱 촉진하여 폭발을 초래할 수 있다. 더욱이, 이러한 일부 전지셀에서의 작동 이상은 다른 전지셀들에 연쇄반응을 유발할 수 있고, 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고를 초래할 수 있다.
따라서, 이차전지에는 과충전, 과방전, 과전류 시 전류를 차단하는 보호회로, 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient Element), 가스 발생에 따른 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트 등의 안전 시스템이 구비되어 있다. 또한, 다수의 전지모듈들이 조합된 구조로 이루어진 멀티-셀 구조의 중대형 전지팩에는 과방전, 과충전, 과전류 등으로부터 전지셀을 보호하기 위한 퓨즈, 바이메탈, BMS (Battery Management System) 등의 안전 시스템이 구비되어 있다.
도 1은 종래의 단위모듈 어셈블리에서 단위모듈 내의 전지셀들 간의 전기적 접속 구조를 모식적으로 도시한 것이고, 도 2는 과충전과 같은 이상 현상발생으로 단위모듈 내의 전지셀이 부풀어 오르는 경우, 도 1의 A부분의 전기적 접속 구조의 작동상태를 확대하여 모식적으로 도시한 것이다.
이들을 참조하면, 단위모듈 어셈블리(200)는 직렬 연결된 상태로 적층되어 있는 3개의 단위모듈들(100, 110, 120)로 이루어져 있고, 단위모듈(100)은 셀 커버 내(10)에 병렬 연결되어 있는 2개의 전지셀들의 적층체(미도시)를 장착한 구조로 이루어져 있다. 단위모듈(100)에서 전지셀들의 병렬 연결은, 전지셀들의 전극 단자(20)와 전기적으로 접속되어 있는 연결리드(30)들이 버스 바(50)의 외측면을 감쌈으로써 이루어진다. 단위모듈들(100, 110)은 각각의 연결리드들이 인터 버스 바(60)에 접속됨으로써 직렬 연결된다.
과충전과 같은 이상 현상발생으로 단위모듈(100) 내의 전지셀이 부풀어 오르는 경우, 단위모듈(100) 내의 상부 전지셀과 버스 바(50)의 전기적 연결만이 끊기고, 하부 전지셀은 버스 바(50)와 전기적 연결상태를 그대로 유지한다. 이로 인해 하부 전지셀로 충전전류가 집중되어 종국에는 단위모듈 어셈블리(200)의 폭발로 이어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하고자, 과충전과 같은 이상 현상 발생 시, 단위모듈 내의 모든 전지셀들의 외부 디바이스와의 전기적 연결을 차단하면서, 모든 전지셀들 간의 전기적 연결은 유지함으로써 안전성을 향상시키는 신규한 접속 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단위모듈 어셈블리는, 적어도 두 개의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 상태로 적층된 구조의 단위모듈이 둘 이상 직렬 연결되어 적층되어 있는 단위모듈 어셈블리로서, 적어도 하나의 단위모듈에서 전지셀들의 전기적 연결은, 상기 전지셀들의 중 하나의 전지셀(제 1 전지셀)의 전극단자가 외부 디바이스에 연결되어 있는 버스 바 또는 단위모듈들 상호 간을 연결하는 인터 버스 바(inter bus bar)에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있고, 나머지 전지셀들의 전극단자는 상기 버스 바 또는 인터 버스 바에 미접촉된 상태에서 상기 제 1 전지셀의 전극단자에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있는 복합 접속 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 버스 바 또는 인터 버스 바는 모듈 케이스에 정위치 고정되어 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 버스 바 또는 인터 버스 바는 모듈 케이스에 정위치 고정되어 있는 인쇄회로기판과 같은 외부 디바이스에 결합되어 있을 수 있다.
상기한 복합 접속구조는, 비정상적인 작동 상태에서 스웰링에 의한 단위모듈 내의 전지셀 팽창 시, 제 1 전지셀의 전극단자와 외부 디바이스의 전기적 연결을 차단하고, 단위모듈 내의 모든 전지셀들의 전기적 연결은 그대로 유지하므로, 종래와 같이 충전전류가 일부의 전지셀들에 집중되는 현상을 방지할 수 있다.
상기 전지셀은 판상형 전지셀로서, 상기 판상형 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내에 전극조립체가 장착되어 있고, 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 전지케이스를 열융착한 실링부가 형성되어 있는 구조로 이루어진 파우치형 전지일 수 있다.
상기 전극단자는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체의 다수의 전극 탭들이 전지케이스 외부로 돌출된 하나의 전극 리드에 연결되어 있는 구조로 이루어진 것으로서, 양극단자와 음극단자는 상기 판상형 전지셀의 일측 단부에 형성되어 있거나, 양측 단부에 형성되어 있을 수 있다.
상기 단위모듈은, 전기적으로 연결되어 있는 상태로 적층된 둘 이상의 전지셀들을 외부 충격으로부터 보호하기 위해서, 외부 충격에 대해 기계적 강성을 가진 셀 커버로 전극단자들을 제외한 적층 전지셀들의 외면을 감싸고 있는 구조인 것이 바람직하다.
상기 셀 커버는 상호 결합하는 한 쌍의 제 1 및 제 2 셀 하우징으로 이루어져 있고, 인접하여 적층되어 있는 제 1 전지셀의 제 1 셀 하우징의 외면과 제 2 전지셀의 제 2 셀 하우징의 외면에는, 냉매 유로 형성을 위한 돌기들이 형성되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 돌기들은 서로 대응하는 위치에 형성되어 있다.
한편, 상기 단위모듈 내의 전지셀들 간의 전기적 연결은 직렬 연결 또는 병렬 연결일 수 있고, 또는 직렬 연결과 병렬 연결이 복합되어 있을 수 있다.
또한, 상기 복합 접속구조의 위치는 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명의 구체적인 실시예에서, 상기 복합 접속구조는 최외측 단위모듈 내의 전지셀들 간의 전기적 연결을 이루기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 최외측 단위모듈은 상기 복합 접속 구조의 전기적 연결을 이루고 있을 수 있고, 상기 제 1 전지셀의 전극단자가 외부 디바이스에 연결된 버스 바에 접촉된 상태로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 제 1 전지셀의 전극단자의 형상 또는 상기 제 1 전지셀을 제외한 전지셀의 전극단자의 형상은 제한되지 않는다. 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 제 1 전지셀의 전극단자는 적층면에 평행한 비절곡부; 및 상기 비절곡부로부터 연장되어 있고 외부 회로 또는 인터 버스 바에 접촉되는 접속부;를 포함하고 있는 것일 수 있고, 상기 제 1 전지셀을 제외한 전지셀의 전극단자는 제 1 전지셀의 전극단자 방향으로 절곡된 절곡부; 및 상기 제 1 전지셀의 비절곡부에 접촉되는 접속부;를 포함하고 있는 것일 수 있다.
또한, 다른 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 제 1 전지셀의 전극단자의 접속부는, 버스 바의 상단 또는 외측면을 감싸도록 비절곡부로부터 수직 절곡되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 단위모듈 어셈블리를 포함하는 전지모듈을 중대형 디바이스의 전원으로 포함하는 전지팩을 제공하는 바, 상기 중대형 디바이스는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차 및 전력 저장장치 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 중대형 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 단위모듈 어셈블리는, 비정상적인 작동 상태에서 스웰링에 의해 단위모듈 내의 전지셀이 팽창하는 경우, 제 1 전지셀의 전극단자와 외부 디바이스와의 전기적 연결을 차단하고, 단위모듈 내의 전지셀들의 전기적 연결은 그대로 유지하는 복합 접속구조를 포함하고 있으므로, 충전전류가 일부의 전지셀들로 집중되는 현상을 방지하여 종래의 단위모듈 어셈블리에 비해 크게 향상된 안전성을 발휘한다.
도 1은 종래의 단위모듈 어셈블리에서 단위모듈 내의 전지셀들 간의 전기적 접속 구조를 모식적으로 도시한 측면도이다;
도 2는 과충전과 같은 이상 현상발생으로 단위모듈 내의 전지셀이 부풀어 오르는 경우, 도 1의 A 부분의 전기적 접속 구조의 작동상태를 확대하여 모식적으로 도시한 측면도이다;
도 3은 도 1의 단위모듈 어셈블리의 A 부분에 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 접속구조가 적용된 단위모듈 어셈블리를 모식적으로 도시한 측면도이다;
도 4는 과충전과 같은 이상 현상 발생 시, 도 3의 복합 접속 구조의 작동상태를 모식적으로 도시한 측면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상술하지만 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 1의 단위모듈 어셈블리의 A 부분에 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 접속구조가 적용된 단위모듈 어셈블리를 모식적으로 도시한 측면도이고, 도 4는 과충전과 같은 이상 현상 발생 시, 도 3의 복합 접속 구조의 작동상태를 모식적으로 도시한 측면도이다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 접속 구조는 최상단 단위모듈(100)내의 2개의 전지셀들을 병렬 연결하고 있고, 상부 전지셀의 전극단자(20A)에 연결되어 있는 연결 리드(30A)는 전지셀 또는 단위모듈의 적층면과 평행한 비절곡부로부터 연장된 접속부가 버스 바(50)의 상면 또는 외측면을 감싸고 있으며, 하부 전지셀의 전극단자(20B)에 연결되어 있는 연결 리드(30B)는 버스 바(50)와 미접촉된 상태에서 상부 전극단자(20A) 방향으로 절곡되어 상부 전지셀의 연결 리드(30A)에 접촉하고 있다.
과충전과 같은 이상 현상이 발생하여 최상단 단위모듈(100) 내의 전지셀이 부풀어 오르는 경우, 단위모듈(100) 내의 상부 전지셀과 버스 바(50)와의 전기적 연결만이 끊기고, 상하부 전지셀들 간의 병렬 연결은 그대로 유지된다.
따라서, 최상단 단위모듈(100)내의 모든 전지셀들은 병렬 연결이 그대로 유지된 상태로, 버스 바(50)와 전기적 연결이 차단되므로, 더 이상 충전되지 않고, 이로 인해 상부 또는 하부의 전지셀로만 충전 전류가 집중되는 현상을 방지할 수 있다.
셀 커버(10)는 상호 결합하는 한 쌍의 제 1 셀 하우징(10A)과 제 2 셀 하우징(10B)로 이루어져 있고, 제 1 및 제 2 셀 하우징들(10A, 10B)의 외면에는, 냉매 유로 형성을 위한 돌기(11)들이 서로 대응하는 위치에 형성되어 있다. 돌기(11)들은 단위모듈들(100, 110, 120) 사이에서 냉매 유로를 형성한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 적어도 두 개의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 상태로 적층된 구조의 단위모듈이 둘 이상 직렬 연결되어 적층되어 있는 단위모듈 어셈블리로서,
    적어도 하나의 단위모듈에서 전지셀들의 전기적 연결은, 상기 전지셀들의 중 하나의 전지셀(제 1 전지셀)의 전극단자가 외부 디바이스에 연결되어 있는 버스 바 또는 단위모듈들 상호 간을 연결하는 인터 버스 바(inter bus bar)에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있고, 나머지 전지셀들의 전극단자는 상기 버스 바 또는 인터 버스 바에 미접촉된 상태에서 상기 제 1 전지셀의 전극단자에 접촉된 상태로 전기적 연결되어 있는 복합 접속 구조로 이루어지고,
    상기 제 1 전지셀의 전극단자는 적층면에 평행한 비절곡부; 및 상기 비절곡부로부터 연장되어 있고 버스 바 또는 인터 버스 바에 접촉되는 접속부;를 포함하며, 상기 제 1 전지셀을 제외한 전지셀의 전극단자는 제 1 전지셀의 전극단자 방향으로 절곡된 절곡부; 및 상기 제 1 전지셀의 비절곡부에 접촉되는 접속부;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전기적으로 연결되어 있는 상태로 적층된 둘 이상의 전지셀들, 및 전극단자들을 제외한 적층 전지셀들의 외면을 감싸는 셀 커버를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈 내의 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈 내의 전지셀들은 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 양측 단부에 양극단자와 음극단자가 형성되어 있는 구조의 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 내에 전극조립체가 장착되어 있고, 전극조립체 수납부의 외주면을 따라 전지케이스를 열융착한 실링부가 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자는 전극조립체의 다수의 전극 탭들이 전지케이스 외부로 돌출된 하나의 전극 리드에 연결되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 최외측 단위모듈은 상기 복합 접속 구조의 전기적 연결을 이루고 있고, 상기 제 1 전지셀의 전극단자가 외부 디바이스에 연결된 버스 바에 접촉된 상태로 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 버스 바 또는 인터 버스 바는 모듈 케이스에 정위치 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 외부 디바이스는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 셀 커버는 상호 결합하는 한 쌍의 제 1 및 제 2 셀 하우징으로 이루어져 있고, 인접하여 적층되어 있는 제 1 전지셀의 제 1 셀 하우징의 외면과 제 2 전지셀의 제 2 셀 하우징의 외면에는, 팽창 개방부를 제외한 부위에 냉매 유로 형성을 위한 돌기들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 돌기들은 서로 대응하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단위모듈 어셈블리.
  15. 제 1 항 내지 제 7 항, 및 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 단위모듈 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 15 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원 또는 동력원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 디바이스.
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