KR102158363B1 - 전극 리드간 연결 구조를 개선한 배터리 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

전극 리드간 연결 구조를 개선한 배터리 모듈 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

전극 리드간 연결 구조를 변경함으로써, 과충전시 발화 현상을 방지할 수 있고, 이차 전지들간의 연결과 분리가 용이한 배터리 모듈 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하는 복수의 이차 전지가 적층된 형태로 구성된 이차 전지 적층체를 포함하고, 상기 전극 리드는 이차 전지에서 돌출되되, 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡된 절곡부가 형성되어 있고, 이웃하는 이차 전지끼리 서로 다른 극성의 전극 리드의 절곡부들 사이에 탄성체를 개재하여 절곡부들이 적층되고, 상기 탄성체를 압축하여 당해 적층 부분이 와셔 포함 절연 볼트 체결되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전극 리드간 연결 구조를 개선한 배터리 모듈 및 그 제조방법{Battery module with improved connecting structure between electrode leads and manufacturing method thereof}
본 발명은 배터리 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 전극 리드들을 연결하여 배터리 모듈 구성시, 전극 리드간 연결 구조를 개선한 배터리 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 수요가 증가하고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 늘어나고 있는 실정이다.
이차 전지가 전기 자동차용으로 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결한 배터리 모듈을 구성하여 배터리 팩으로 제조하게 된다. 이 때, 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
배터리 모듈이나 배터리 팩에서 이웃하여 적층되는 이차 전지들은 전극 리드들이 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 이 때, 이웃하는 이차 전지들의 전극 리드들이 버스바에 의하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 일반적으로 이차 전지들을 전기적으로 연결시키기 위해 레이저 용접 방식을 채택하고 있다.
도 1은 종래 전극 리드의 레이저 용접 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 구조에서 전극 리드와 버스바의 레이저 용접 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 적층된 이차 전지(10)들은 그 양단으로 양극과 음극의 전극 리드(20)가 돌출되어 있고 이들 전극 리드(20)가 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층된다. 적층된 이차 전지(10)들의 일측에서 최외각에 위치하는 전극 리드(20)들을 제외한 안쪽의 전극 리드(20)들은 절곡하여 서로 겹치게 한 후 절곡된 전극 리드(20) 부분들을 레이저 발생기(S)에서 출력되는 레이저(L)로 용접, 융착시킨다. 적층된 이차 전지(10)들의 타측에서는 전극 리드(20)들을 모두 절곡하여 서로 겹치게 절곡된 전극 리드(20) 부분들을 레이저 발생기(S)에서 출력되는 레이저(L)로 용접함으로써 전기적 연결을 완료한다.
도 2를 더 상세히 참조하면, 전극 리드(20)는 이차 전지(10)에서 돌출되되, 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡되어 평평한 수직 접촉면을 제공한다. 이웃하는 이차 전지(10)끼리 서로 다른 극성의 전극 리드(20) 절곡부가 겹쳐질 수 있도록 하고 이러한 전극 리드(20)의 절곡부가 겹쳐진 수직 접촉면에 버스바(30)를 접촉시켜 레이저(L)를 통한 용접이 이루어지도록 한다.
자동차용 부품은 사고나 오동작에 의한 결함이 자동차에 타고 있는 사람의 목숨과 직결되기 때문에 안전성에 대한 완성차 고객사들의 요구수준이 매우 높다. 이에 따라 전기 자동차용 배터리 팩 안정성 항목들에 대한 검사가 강화되고 있다. 그러한 항목들 중 하나인 과충전시 발화 현상에 대한 해결책이 특히 중요하다. 그러나 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 것과 같은 전극 리드(20)간 용접, 나아가 전극 리드(20)와 버스바(30)간 용접 구조에서는 과충전시 발화 현상을 방지할 수 있는 기능이 없다.
또한, 도 1 및 도 2와 같은 종래 용접에 의한 연결에서는 하나의 이차 전지(10)에 문제가 생겨 발열시에 전극 리드(20)를 통해 인접하는 다른 이차 전지(10)에까지 영향을 끼치게 되어 있어 연쇄적인 문제를 일으키는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 용접에 의한 연결은 한 번 연결이 되면 해체가 불가능한 것이므로, 일부 이차 전지(10)에 문제가 생겨도 비파괴적으로 분리하여 새로운 이차 전지로 교체하는 것이 불가한 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전극 리드간 연결 구조를 변경함으로써, 과충전시 발화 현상을 방지할 수 있고, 이차 전지들간의 연결과 분리가 용이한 배터리 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하는 복수의 이차 전지가 적층된 형태로 구성된 이차 전지 적층체를 포함하고, 상기 전극 리드는 이차 전지에서 돌출되되, 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡된 절곡부가 형성되어 있고, 이웃하는 이차 전지끼리 서로 다른 극성의 전극 리드의 절곡부들 사이에 탄성체를 개재하여 절곡부들이 적층되고, 상기 탄성체를 압축하여 당해 적층 부분이 와셔 포함 절연 볼트 체결되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 절곡부들이 적층된 부분 아래에 버스바가 위치하여 상기 볼트로 함께 체결된 것일 수 있다. 이 때, 상기 절곡부들 및 버스바에 볼트 구멍이 형성되어 있고, 상기 볼트는 상기 와셔 및 볼트 구멍을 관통해 상기 버스바 아래에서 너트와 결합되는 것일 수 있다. 아니면, 상기 절곡부들에 볼트 구멍이 형성되어 있고, 상기 버스바에 볼트 탭이 형성되어 있어, 상기 볼트는 상기 와셔 및 볼트 구멍을 관통해 상기 볼트 탭에 결합되는 것일 수 있다.
상기 볼트 구멍은 두 군데 이상 형성되어 있는 것일 수 있다. 상기 와셔는 PVC 와셔 또는 저온납 와셔인 것이 바람직하다. 상기 탄성체는 링 형상으로 상기 볼트 둘레에 위치하는 것이거나, 상기 볼트 양측에 대칭적으로 위치하는 것일 수 있다.
상기 배터리 모듈 환경 변화로 상기 와셔가 녹고 상기 탄성체 압축 상태 해제에 의한 반발력으로 상기 절곡부들이 적층된 부분의 간격이 벌어져 전기적 연결이 해제되는 것임이 바람직하다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 제조방법에서는, 볼트 구멍이 형성되어 있는 전극 리드를 구비하는 복수의 이차 전지를 준비한다. 상기 전극 리드의 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡부를 형성한다. 이웃하는 이차 전지끼리 서로 다른 극성의 전극 리드의 절곡부들 사이에 탄성체를 개재하여 상기 볼트 구멍이 정렬되도록 상기 절곡부들을 적층한다. 그런 다음, 상기 볼트 구멍에 와셔 포함 절연 볼트를 관통시키고 상기 탄성체를 압축하여 당해 적층 부분을 와셔 포함 절연 볼트 체결한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 하나 이상 조합되어 배터리 팩으로 제조될 수 있다. 이러한 배터리 팩은 자동차 등에 적용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 자동차용 리튬 이온 배터리 모듈의 전극 리드간 전기적 연결 또는 양극 리드 - 음극 리드 - 버스바간 전기적 연결에 용접이 아닌 볼트 체결을 적용한다. 이차 전지간 연결이 볼트 체결이기 때문에 이차 전지의 연결/해체가 용이하여, 해체된 이차 전지의 재사용도 가능하다.
본 발명에서는 전극 리드 절곡부들 사이에 탄성체를 개재하여 절연 볼트 및 와셔를 이용하여 버스바와 연결시킨다. 이차 전지가 발열을 하게 되면 와셔가 녹으면서 전극 리드들 사이의 탄성체에 의해 전극 리드간 간격이 벌어지면서 전기적 연결이 끊어진다. 이와 같이, 발열시 전극 리드간 전기적 연결을 끊어줄 수 있어 연쇄적인 문제 발생을 차단할 수 있고, 과충전시 발화 현상을 효과적으로 방지하는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 전극 리드의 레이저 용접 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 구조에서 전극 리드와 버스바의 레이저 용접 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 이차 전지의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 이차 전지의 배열도이다.
도 5는 도 4의 이차 전지들의 연결 구조를 보이는 측면도이다.
도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 것에 해당하는 도면으로서, 첫 번째 실시예에 의한 전극 리드간 연결을 보여준다.
도 7은 도 5의 A 부분을 확대한 것에 해당하는 도면으로서, 두 번째 실시예에 의한 양극 리드 - 음극 리드 - 버스바간 연결을 보여준다.
도 8은 도 5의 A 부분을 확대한 것에 해당하는 도면으로서, 세 번째 실시예에 의한 양극 리드 - 음극 리드 - 버스바간 연결을 보여준다.
도 9는 도 8 실시예 구성요소의 분해 구성을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리 모듈에 포함되는 와셔의 다양한 예들을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 배터리 모듈에 포함되는 탄성체의 다양한 예들을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 배터리 모듈에서 이차 전지 발열시 전기적 연결이 해제되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 배터리 모듈 제조방법의 순서도이다.
본 발명의 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 이차 전지의 사시도이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 이차 전지(110)는 편평한 양극 리드(111)와 음극 리드(112)를 가지며, 이들 전극 리드(111, 112)는 이차 전지(110)에서 서로 반대 방향으로 돌출되어 있다. 또한 전극 리드(111, 112)는 각 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로, 예를 들어 L자형으로 절곡되어 평평한 수직 접촉면을 제공할 수 있는, 절곡부(114)가 형성되어 있다. 이차 전지(110)는 중대형 장치에 이용하기 좋도록, 적층이 용이하다는 장점을 가진 파우치형 이차 전지임이 바람직하다.
구체적으로는 이차 전지(110) 양극 리드(111)와 음극 리드(112)가 연장하는 방향을 연직(상하) 방향이라고 하고, 그 단부의 절곡 방향을 좌우 방향이라고 하면, 양극 리드(111)와 음극 리드(112)는 이차 전지(110) 본체에서 각각 상하 반대 방향으로 돌출되면서, 그 단부가 좌우 반대 방향을 향하도록 L자형으로 절곡되어 있다. 그리고 전극 리드(111, 112)의 절곡부(114), 즉 L자형의 바닥 부분에는 후술하는 절연 볼트(200)가 삽입되어 관통되는 볼트 구멍(115)이 형성되어 있다. 볼트 구멍(115)은 도시한 바와 같이 두 군데 이상 형성되어 있을 수 있다. 볼트 구멍(115)이 이와 같이 두 군데 이상 형성되는 경우, 볼트 구멍(115)들은 전극 리드(111, 112)의 길이 방향(가로 방향, 혹은 도면에서 전후방향)을 따라 배열될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 이차 전지의 배열도이고, 도 5는 도 4의 이차 전지들의 연결 구조를 보이는 측면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이차 전지(110)는 임의의 수로 복수개가 적층되어 이차 전지 적층체를 구성한다. 그리고, 각 이차 전지(110)는 적층된 순으로 직렬 접속되어 일체화되어 배터리 모듈(150)을 이룬다. 상술한 것처럼, 각 이차 전지(110)의 양극 리드(111)와 음극 리드(112)는 각각 좌우 역방향으로 절곡되어 있다. 인접하는 두 개의 이차 전지(110)간에서는 한 쪽의 양극 리드(111)와 다른 한쪽의 음극 리드(112) 각각이 상하 같은 방향으로 돌출되도록 배치됨과 동시에, 그 단부(114)가 서로 좌우 반대 방향을 향하도록 배치된다. 그리고 이웃하는 이차 전지(110)끼리 서로 다른 극성의 전극 리드(111, 112)의 절곡부(114)들은 앞서 언급한 바와 같이 상기 L자형 바닥 부분에서 적층되어 있다. 적층되어 있는 절곡부(114)들 사이에는 탄성체(210)가 개재되어 있는 것이 특징이다. 그리고, 그 적층 부분은 와셔(220) 포함 절연 볼트(200)에 의해 압접되어 이웃하는 이차 전지(110)들이 직렬 접속이 된다. 절연 볼트(200)는 탄성체(210)를 압축하여 전극 리드(111, 112)를 전기적 연결한다. 절연 볼트(200)이므로 그 자체는 전기적 연결 경로를 구성하지 않아 볼트(200)로 인한 전기적 단락 문제는 없다.
전극 리드(111, 112)는 전기전도체로서 보통 금속을 이용한다. 금속 재질의 전극 리드(111, 112)는 어느 정도 탄성이 있으며 소성체가 아니다. 따라서, 탄성체(210)가 개재된 부분과 그렇지 않은 부분에서의 높이 차에 의한 부분 응력을 재료 내에 수용하면서(심한 경우 휘어지면서) 볼트(200) 체결될 수 있다. 도 5에는 전극 리드(111, 112)가 압접되어도 휘어짐이 없는 것으로 도시하였지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 도 5의 A 부분을 확대한 것에 해당하는 도면으로서, 첫 번째 실시예에 의한 전극 리드간 연결을 보여준다.
도 6을 참조하면, 전극 리드(111, 112)에 형성된 각 절곡부(114)들에 형성된 볼트 구멍(115)이 상하 방향 및 전후 방향으로 정렬되고, 적층된 절곡부(114)들 사이에 탄성체(210)가 개재되어 있으며, 볼트 구멍(115) 위에 놓인 와셔(220)를 관통하여 절연 볼트(200)가 삽입된 후, 절곡부(114) 아래에서 너트(230)와 결합된다. 이웃하여 적층되는 이차 전지(110)들은 이와 같이 하여 전극 리드들(111, 112)이 전기적으로 상호 연결될 수 있다.
한 쪽의 양극 리드(111)와 다른 한쪽의 음극 리드(112)에 볼트 구멍(115)이 각각 두 군데 이상 형성되는 경우 각 구멍마다 볼트(200)가 삽입되기 때문에 너트(230)가 그에 해당하는 수만큼 필요할 수 있다. 하나의 볼트만 수용하는 너트 구조 대신에 여러 개의 볼트를 수용하도록 하는 너트 판 구조를 적용하면 부품 개 수를 줄일 수 있다. 덧붙여 너트 판을 이용하지 않고 리벳에 의해 한 쌍의 전극 리드(111, 112)를 압접하도록 해도 상관없다.
도 7은 도 5의 A 부분을 확대한 것에 해당하는 도면으로서, 두 번째 실시예에 의한 양극 리드 - 음극 리드 - 버스바간 연결을 보여준다.
도 7을 참조하면, 절곡부(114)들이 적층된 부분 아래에 버스바(240)가 위치한다. 버스바(240)에도 볼트 구멍(115)이 형성되어 있어, 절곡부(114)들에 형성된 볼트 구멍(115)과 버스바(240)에 형성된 볼트 구멍(115)이 정렬된다. 적층된 절곡부(114)들 사이에 탄성체(210)가 개재되어 있으며, 볼트 구멍(115) 위에 와셔(220)를 관통하여 절연 볼트(200)가 삽입된 후, 절곡부(114) 아래의 버스바(240) 아래에서 너트(230)와 결합된다. 이웃하여 적층되는 이차 전지(110)들은 이와 같이 하여 전극 리드들(111, 112)이 전기적으로 상호 연결될 뿐 아니라 버스바(240)에도 전기적 연결될 수 있다.
도 8은 도 5의 A 부분을 확대한 것에 해당하는 도면으로서, 세 번째 실시예에 의한 양극 리드 - 음극 리드 - 버스바간 연결을 보여준다. 도 9는 도 8 실시예 구성요소의 분해 구성을 도시한다.
도 8을 참조하면, 절곡부(114)들이 적층된 부분 아래에 버스바(240)가 위치한다. 도 9에 도시한 바와 같이 버스바(240)에는 볼트 탭(241)이 형성되어 있다. 절곡부(114)들에 형성된 볼트 구멍(115)과 버스바(240)에 형성된 볼트 탭(241)이 정렬되고, 적층된 절곡부(114)들 사이에 탄성체(210)가 개재되어 있으며, 볼트 구멍(115) 위에 와셔(220)를 관통하여 절연 볼트(200)가 삽입된 후, 절곡부(114) 아래의 버스바(240) 안 볼트 탭(241)에 결합된다. 이웃하여 적층되는 이차 전지(110)들은 이와 같이 하여 전극 리드들(111, 112)이 전기적으로 상호 연결될 뿐 아니라 버스바(240)에도 전기적 연결될 수 있고, 버스바(240) 아래에 너트와 같은 다른 부품이 필요하지 않아 조립 및 부품 관리가 수월하다. 도 8에는 전극 리드(111, 112)가 압접되어 휘어지고 탄성체(210)도 눌려진 정도를 과장하여 도시하였으나 여기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(150)은 전기 자동차용 리튬 이온 배터리 모듈과 같은 중대형 전지일 수 있다. 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 배터리 모듈(150)의 전극 리드(111, 112)간 전기적 연결 또는 양극 리드(111) - 음극 리드(112) - 버스바(240)간 전기적 연결을 용접이 아닌 볼트(200) 체결을 적용함에 본 발명의 일차적인 특징이 있다. 이차 전지(110)간 연결이 볼트(200) 체결이기 때문에 이차 전지(110)의 연결/해체가 용이하여, 해체된 이차 전지(110)의 재사용도 가능하다.
그리고, 본 발명에서는 전극 리드 절곡부(114)들 사이에 탄성체(210)를 개재하여 절연 볼트(200) 및 와셔(220)를 이용하여 연결시킨다는 데에 이차적인 특징이 있다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리 모듈(150)에 포함되는 와셔(220)의 다양한 예들을 도시한다. 도 10의 (a)는 평와셔(220a), (b)는 잠금와셔(220b), (c)는 외치와셔(220c), (d)는 내치와셔(220d)이다.
일반적으로 와셔는 너트 및 볼트와 고정시킬 부분 사이에 들어가는 고리 모양의 부품을 가리키며, 체결 압력을 분산시키는 역할을 하는 부품이다. (a)의 평와셔(220a)는 볼트(200) 머리 아래에 놓여 압력을 분산시켜 작업 표면을 보호하는 역할을 한다. (b)의 잠금와셔(220b)는 약간 나선 형태의 와셔이고, 볼트(200)가 풀리는 것을 방지하는 스프링 역할을 할 수 있다. (c)의 외치와셔(220c)는 바깥에 이(돌기)가 붙어 있는 와셔로서, 볼트(200)가 안전하게 죄어지고 풀리지 않도록 해 준다. (d)의 내치와셔(220d)는 안쪽에 돌기가 있는 와셔이고, 외치와셔와 마찬가지로 볼트(200)가 안전하게 죄어져 풀리지 않도록 해 준다. 외치와셔(220c)와 내치와셔(220d)의 조합 형태, 즉 안쪽과 바깥에 모두 돌기가 형성되어 있는 구조도 이용할 수 있다.
특히 본 발명에 따른 배터리 모듈(150)에 포함되는 와셔(220)는 일반적인 와셔의 역할을 하는 것 이외에도 발열시 전극 리드(111, 112)간, 또는 전극 리드(111, 112)와 버스바(240)간 전기적 연결을 해제하는 데에 꼭 필요한 부품이다. 와셔(220)는 정상 상태에서는 볼트(200)와 함께 탄성체(210)에 압력을 가하는 상태를 유지하다가, 이차 전지(110) 발열시 녹을 수 있는 재질, 완전히 용융되거나 형태(두께)가 변화할 수 있는 재질로 선택한다. 눌려 있던 탄성체(210)는 이차 전지(110) 발열로 와셔(220)가 녹으면서 그 두께가 변화하면 그만큼의 압력 상태가 해제되므로 원래의 형상을 복원하려고 한다. 이 점을 고려하여, 와셔(220)는 PVC 와셔 또는 저온납 와셔인 것이 바람직하다. PVC 와셔의 변형없이 사용하는 최고 사용온도는 60℃이다. 따라서, 이차 전지(110) 발열로 60℃ 정도의 온도에 이르면 PVC 와셔의 형태 변형이 일어나면서 탄성체(210)의 복원력이 발생하고 본 발명에서는 그 복원력을 이용하여 전극 리드(111, 112)간, 또는 전극 리드(111, 112)와 버스바(240)간 전기적 연결을 해제한다. 저온납 와셔는 우드 메탈(Wood's metal)이라고도 한다. 비스무트 합금이고, 가융(可融) 합금 중에서 가장 많이 알려진 종류의 하나이다. Bi(비스무트) 40 ~ 50%, Pb(납) 25 ~ 30%, Sn(주석) 12.5 ~ 15.5%, Cd(카드뮴) 12.5%를 포함하는 조성이 대표적이고, 표준 조성은 Bi : Pb : Sn : Cd＝4 : 2 : 1 : 1이라고 알려져 있다. 이러한 저온납 와셔는 조성을 조절하여 녹는점을 조절할 수 있다. 본 발명에서는 Bi 50%, Pb 24%, Sn 14% 및 Cd 12%를 포함하는 저온납 와셔를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 조성의 저온납 와셔는 녹는점이 70℃이다. 따라서, 이러한 저온납 와셔를 변형없이 사용하는 최고 사용온도는 70℃이고, 이차 전지(110) 발열로 70℃ 정도의 온도에 이르면 저온납 와셔의 형태 변형이 일어나면서 탄성체(210)의 복원력이 발생하고 본 발명에서는 그 복원력을 이용하여 전극 리드(111, 112)간, 또는 전극 리드(111, 112)와 버스바(240)간 전기적 연결을 해제한다.
도 11은 본 발명에 따른 배터리 모듈(150)에 포함되는 탄성체(210)의 다양한 예들을 도시한다. (a)는 링 형상의 탄성체(210a)이고 (b)는 한쌍의 띠 (혹은 점과 같은 패턴이어도 무방) 형태의 탄성체(210b)이다. 링 형상의 탄성체(210a)는 안쪽 구멍 부분이 절곡부(114)들에 형성된 볼트 구멍(115)과 정렬되도록 절곡부(114)들 사이에 위치시킬 수 있다. 한쌍의 띠 (혹은 점) 형태의 탄성체(210b)는 볼트(200) 양측에 대칭적으로 위치하도록 할 수 있다. 작업의 용이성 및 부품 관리를 고려하면 링 형상의 탄성체(210a)가 유리하다.
탄성체(210)는 외부 힘에 의하여 변형을 일으킨 물체가 힘이 제거되었을 때 원래의 모양으로 되돌아가려는 성질인 탄성을 지닌 물체이다. 볼트(200)와 와셔(220)에 의해 압력 상태에 있다가 와셔(220) 변형시에는 원래대로 복원력이 작용하게 된다. 탄성체(210)는 고무 탄성을 나타내는 고분자 물질, 탄성 섬유, 발포체 등일 수 있고 와셔(220)와 달리 고온에서도 녹지 않는 재질임이 바람직하다.
도 12는 본 발명에 따른 배터리 모듈에서 이차 전지 발열시 전기적 연결이 해제되는 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 전술한 실시예들 중, 버스바에 볼트 탭을 형성하여 볼트를 체결한 구조를 예로 들고 있다.
도 12의 (a)는 도 5 및 도 7을 참조하여 설명한 배터리 모듈(150) 조립 후 정상 상태의 도면이다. 탄성체(210)가 압축된 상태로, 전극 리드(111, 112)와 버스바(240)가 볼트(200)에 의해 전기적 연결되어 있다. 이차 전지(110) 발열과 같은 이벤트로 인해 배터리 모듈(150) 환경 변화가 일어나면, 와셔(220)가 용융되어, (b)에서와 같이 형태 변형 와셔(220')가 된다. 이 때 탄성체(210) 압축 상태가 일부 혹은 전부 해제되고 탄성체(210)의 복원력에 의한 위로 작용하는 반발력(F)으로 절곡부(114)들이 적층된 부분의 간격이 벌어져, 전극 리드(111, 112)와 버스바(240)간 전기적 연결이 완전 해제된다. 이와 같이, 발열시 전극 리드(111, 112)와 버스바(240) 전기적 연결을 끊어줄 수 있어 연쇄적인 문제 발생을 차단할 수 있고, 과충전시 발화 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(150)은 전극 리드(111, 112) 사이에 탄성체(210)를 이용하여, 이차 전지(110) 발열시 탄성체(210)의 복원력을 통해 전극 리드(111, 112)간 전기적 연결을 해제하는 것이다.
한편, 상술한 배터리 모듈(150)을 하나 이상 포함하여 배터리 팩으로 제조할 수도 있다. 이 때, 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다.
이하에서는, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈의 제조 방법의 실시예를 개략적으로 설명하도록 한다.
도 13은 본 발명에 따른 배터리 모듈 제조방법의 순서도이다. 도 8 및 도 9 등을 참조하여 설명한 세 번째 실시예에 따른 방법 위주로 설명하기로 한다.
먼저, 볼트 구멍(115)이 형성되어 있는 전극 리드(111, 112)를 구비하는 복수의 이차 전지(110)를 준비한다(단계 S1). 처음부터 볼트 구멍(115)이 형성되어 있는 전극 리드 부품을 준비하여 이차 전지(110)를 제조할 수도 있고, 일반적인 전극 리드 부품을 이용해 이차 전지(110)를 제조한 후 전극 리드를 천공해 볼트 구멍(115)을 형성할 수도 있다.
전극 리드(111, 112)의 단부(114)가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡부(114)를 형성한다(단계 S2, 도 3 참조).
다음으로, 이웃하는 이차 전지(110)끼리 서로 다른 극성의 전극 리드의 절곡부(114)들 사이에 탄성체(210)를 개재하여 볼트 구멍(115)이 정렬되도록 절곡부(114)들을 적층한다(단계 S3, 도 5 참조).
그런 다음, 볼트 구멍(115)에 와셔(220) 포함 절연 볼트(200)를 관통시키고 탄성체(210)를 압축하면서 당해 적층 부분을 볼트(200) 체결한다(단계 S4, 도 8 참조). 이 때, 절곡부(114)들 아래에 버스바(240)를 볼트 탭(241)을 포함하도록 준비하여 볼트(200)로 함께 체결하면 도 8에서와 같은 배터리 모듈(150)을 제조할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
110 : 이차 전지
111 : 양극 리드
112 : 음극 리드
114 : 절곡부
115 : 볼트 구멍
200 : 볼트
210 : 탄성체
220 : 와셔
230 : 너트
240 : 버스바
241 : 볼트 탭

Claims (18)

  1. 전극 리드를 구비하는 복수의 이차 전지가 적층된 형태로 구성된 이차 전지 적층체를 포함하고,
    상기 전극 리드는 이차 전지에서 돌출되되, 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡된 절곡부가 형성되어 있고,
    이웃하는 이차 전지끼리 서로 다른 극성의 전극 리드의 절곡부들 사이에 탄성체를 개재하여 절곡부들이 적층되고, 상기 절곡부들에 볼트 구멍이 형성되어 있으며, 상기 탄성체를 압축하여 당해 적층 부분이 와셔 포함 절연 볼트 체결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절곡부들이 적층된 부분 아래에 버스바가 위치하여 상기 볼트로 함께 체결된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 버스바에도 볼트 구멍이 형성되어 있고, 상기 볼트는 상기 와셔, 상기 절곡부들의 볼트 구멍 및 상기 버스바의 볼트 구멍을 관통해 상기 버스바 아래에서 너트와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 버스바에 볼트 탭이 형성되어 있어, 상기 볼트는 상기 와셔 및 상기 절곡부들의 볼트 구멍을 관통해 상기 볼트 탭에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 볼트 구멍은 두 군데 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 와셔는 PVC 와셔 또는 저온납 와셔인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄성체는 링 형상으로 상기 볼트 둘레에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄성체는 상기 볼트 양측에 대칭적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배터리 모듈 환경 변화로 상기 와셔가 녹고 상기 탄성체 압축 상태 해제에 의한 반발력으로 상기 절곡부들이 적층된 부분의 간격이 벌어져 전기적 연결이 해제되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 볼트 구멍이 형성되어 있는 전극 리드를 구비하는 복수의 이차 전지를 준비하는 단계;
    상기 전극 리드의 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡부를 형성하는 단계;
    이웃하는 이차 전지끼리 서로 다른 극성의 전극 리드의 절곡부들 사이에 탄성체를 개재하여 상기 볼트 구멍이 정렬되도록 상기 절곡부들을 적층하는 단계; 및
    상기 볼트 구멍에 와셔 포함 절연 볼트를 관통시키고 상기 탄성체를 압축하여 당해 적층 부분을 와셔 포함 절연 볼트 체결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 절곡부들이 적층된 부분 아래에 버스바를 위치시켜 상기 볼트로 함께 체결하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 버스바에도 볼트 구멍을 형성하여 상기 볼트가 상기 와셔, 상기 전극 리드의 볼트 구멍 및 상기 버스바의 볼트 구멍을 관통해 상기 버스바 아래에서 너트와 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 버스바에 볼트 탭을 형성하여 상기 볼트가 상기 와셔 및 볼트 구멍을 관통해 상기 볼트 탭에 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 볼트 구멍은 두 군데 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 와셔는 PVC 와셔 또는 저온납 와셔인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 탄성체는 링 형상으로 상기 볼트 둘레에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 탄성체는 상기 볼트 양측에 대칭적으로 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 배터리 모듈 환경 변화로 상기 와셔가 녹고 상기 탄성체 압축 상태 해제에 의한 반발력으로 상기 절곡부들이 적층된 부분의 간격이 벌어져 전기적 연결이 해제되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
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