KR102288405B1 - 공간 활용성과 안전성이 향상된 원통형 전지셀 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 원통형 전지셀 조립체는, 전극 단자가 상단과 하단에 형성되며, 동일 극성끼리 같은 방향을 향하도록 기립 배치되는 미리 정해진 개수의 원통형 전지셀들; 상기 원통형 전지셀들을 하나의 묶음 단위로 구속시키는 셀 홀더; 상기 셀 홀더에 대해 상부에 위치하고 상기 원통형 전지셀들 각각의 상단에 위치한 제1 전극들을 전기적으로 연결하는 제1 전극 연결부재; 및 상기 복수 개의 원통형 전지셀들, 각각의 하단에 위치한 제2 전극들을 전기적으로 연결하는 제2 전극 연결부재를 포함하며, 상기 제2 전극 연결부재는 상기 셀 홀더에 대해 하부에 위치하고 상기 제2 전극들과 접촉하도록 배치되는 제2 전극 접속부와, 상기 제2 전극 접속부로부터 상기 셀 홀더의 내측에 형성되는 빈 공간을 통해 수직으로 연장되어 일단이 상기 셀 홀더 위에 배치되는 막대형 제2 단자부를 포함할 수 있다.

Description

공간 활용성과 안전성이 향상된 원통형 전지셀 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈{Cylindrical battery cell assembly improved in space utilization and safety and battery module including the same}
본 발명은, 원통형 전지셀 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 공간 효율성이 높고 연쇄 발화 방지 구조가 적용된 일군의 원통형 전지셀들로 이루어진 셀 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 이차 전지 셀과, 이차 전지 셀을 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로, 리튬 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 외장재에 따라 파우치형과 캔형으로 분류될 수 있고, 다시 캔형은 그 외형에 따라 원통형과 각형으로 분류될 수 있다. 최근 중대형 배터리 모듈 내지 배터리 팩을 구성할 때, 파우치형 이차전지 또는 원통형 이차전지가 가장 많이 사용되고 있다.
파우치형 이차전지는 조립이 용이하고 에너지 밀도가 높은 장점이 있지만, 기계적 강성이 낮아 외부 충격에 취약한 단점이 있다. 반면, 원통형 이차전지는 기계적 강성이 우수하기 때문에 외부 충격에 대한 내구성이 파우치형 이차전지보다 우수하나, 한정된 공간에 집약적으로 조립하기가 쉽지 않은 단점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 원통형 이차전지들을 사용한 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 필요한 출력 전압 및 충방전 용량을 만족시키려면 많은 개수의 원통형 이차전지들이 필요하고, 이들을 고정하는데 프레임을 사용된다. 이를테면, 원통형 이차전지들은 상하로 결합 가능하게 마련된 상단 프레임과 하단 프레임 사이에 장착되어 고정될 수 있다. 그리고 원통형 이차전지들은 전극 단자가 상단과 하단에 형성되기 때문에 상단과 하단에 각각 버스바 또는 메탈 플레이트가 장착되며, 이들에 의해 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
그런데 종래의 배터리 모듈은 원통형 이차전지들의 상부 및 하부 공간 모두에 프레임들과 버스바들이 위치하고 있기 때문에 추가적으로 냉각 장치나, 전기적 연결 부품 설치시 공간 자유도가 낮은 단점이 있다.
또한, 버스바들이 상단과 하단 공간에 각각 분리되어 위치하기 때문에 예컨대, 자세히 도시하지 않았으나, 원통형 이차전지들을 직렬 및/또는 병렬 연결하려면 일부 원통형 이차전지들은 양극이 상부를 향하고 다른 일부 원통형 이차전지들은 음극이 상부를 향하는 등 극성이 상하로 엇갈리게 배치되어야 하거나, 그렇지 않으면, 상단 버스바 및 하단 버스바 상의 전도성 패턴이 복잡하고, 별도의 부품들을 사용하여 상단 버스바와 하단 버스바를 연결해야 하는 어려움이 있다.
또한, 배터리 모듈은 용량과 출력에 따라 필요한 원통형 이차전지들의 개수가 다른데, 종래와 같은 원통형 이차전지들을 일체로 고정하는 프레임을 사용할 경우, 배터리 모듈의 용량이 달라지면 해당 프레임을 매번 다시 설계해야 하는 번거로움이 있다.
한편, 최근의 원통형 이차전지는 내부에 장착된 전류차단장치(Current Interruptive Device; CID)로 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하여 발화 및 폭발을 방지하는 기능을 구비하고 있다. 그러나 배터리 모듈에는 많은 수의 원통형 이차전지들이 밀집 배치되어 있기 때문에 어느 하나의 원통형 이차전지에서 전류차단장치가 제대로 작동하지 않아 발화 내지 폭발이 일어나게 되면, 다른 원통형 이차전지들도 연쇄적으로 발화 내지 폭발할 염려가 있음에도 종래의 배터리 모듈은 이에 대한 방지 수단이 마땅하지 않다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0070241호 (2015.06.24) (주) 도요타 지도샤
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 공간 효율적인 전기적 연결 구성과 연쇄발화 방지 수단을 가지며, 특정 용량을 갖는 한 묶음 단위로 제작될 수 있는 원통형 전지셀 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 상기 원통형 전지셀 조립체의 개수를 선택적으로 조합하고 이들을 직렬 또는 병렬 연결하여 다양한 크기 및 용량을 갖는 배터리 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 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.
본 발명의 일 측면에 따른 원통형 전지셀 조립체는, 전극 단자가 상단과 하단에 형성되며, 동일 극성끼리 같은 방향을 향하도록 기립 배치되는 미리 정해진 개수의 원통형 전지셀들; 상기 원통형 전지셀들을 하나의 묶음 단위로 구속시키는 셀 홀더; 상기 셀 홀더에 대해 상부에 위치하고 상기 원통형 전지셀들 각각의 상단에 위치한 제1 전극들을 전기적으로 연결하는 제1 전극 연결부재; 및 상기 복수 개의 원통형 전지셀들, 각각의 하단에 위치한 제2 전극들을 전기적으로 연결하는 제2 전극 연결부재를 포함하며, 상기 제2 전극 연결부재는, 상기 셀 홀더에 대해 하부에 위치하고 상기 제2 전극들과 접촉하도록 배치되는 제2 전극 접속부와, 상기 제2 전극 접속부로부터 상기 셀 홀더의 내측에 형성되는 빈 공간을 통해 수직으로 연장되어 일단이 상기 셀 홀더 위에 배치되는 막대형 제2 단자부를 포함할 수 있다.
상기 셀 홀더는, 상기 원통형 전지셀들이 각각 끼움 결합 가능하게 원통 형상으로 마련되는 단위 셀 바디 커버들을 포함하며, 단위 셀 바디 커버들은 이웃한 것들끼리 원주면이 맞닿고 삼각 구도로 배열될 수 있다.
상기 단위 셀 바디 커버들은 3개 이상으로 일체로 형성되며, 상기 빈 공간은 서로 맞닿는 3개의 단위 셀 바디 커버들로 둘러싸인 영역일 수 있다.
상기 셀 홀더는, 상기 원통형 전지셀들의 상기 제1 전극들만을 외부로 노출시키는 제1 전극용 홀들을 구비하고 상기 단위 셀 바디 커버들의 상단에 장착 가능하게 마련되는 셀 탑 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 단위 셀 바디 커버들은, 상기 원통형 전지셀들보다 길이가 짧게 형성되어 상기 원통형 전지셀들이 상기 단위 셀 바디 커버들의 하측으로 노출될 수 있다.
상기 셀 탑 커버는, 상기 막대형 제2 단자부의 일단이 수직으로 통과하도록 마련되는 제2 단자용 홀을 더 구비할 수 있다.
상기 셀 홀더는 운모(mica) 또는 합성운모(synthetic mica)재질로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 연결부재는, 상기 제1 전극용 홀에 대응하는 사이즈로 형성되어 각각 상기 제1 전극용 홀들 속에 끼워져 상기 제1 전극들에 접촉하는 제1 전극 접속부들과, 상기 제1 전극 접속부들을 전기적으로 연결하는 도체 패턴부와, 상기 도체 패턴부상에서 일단이 상기 막대형 제2 단자부와 같은 높이로 돌출 형성되는 돌출형 제1 단자부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 원통형 전지셀 조립체들을 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 배터리 모듈에서, 상기 원통형 전지셀 조립체들은 상부에서 바라볼 때 각각 삼각 구도를 이루며, 이웃한 것들끼리 역상으로 연속해서 밀착 배열되게 마련될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 미리 결정된 위치마다 상기 돌출형 제1 단자부들과 상기 막대형 제2 단자부들의 일단이 각각 삽입 가능하게 형성된 인서트홀들을 구비하고 상기 원통형 셀 조립체들의 상부를 커버하는 절열 플레이트; 및 상기 돌출형 제1 단자부들 및 상기 막대형 제2 단자부들을 선택적으로 연결하는 버스바들을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 원통형 전지셀 조립체들의 하부에 위치하여 상기 원통형 전지셀들의 열을 흡수하는 히트싱크;와 상기 원통형 전지셀 조립체들과 상기 히트싱크 사이에 개재되는 방열 패드를 더 포함하며, 상기 방열 패드는 상부면에 상기 원통형 전지셀 조립체의 밑 부분과 형합되게 마련된 형합부를 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공간 효율적인 전기적 연결 구조를 가지며, 특정 용량을 갖는 원통형 전지셀들을 한 묶음 단위로 하는 원통형 전지셀 조립체가 제공될 수 있다.
또한, 절연 및 단열 성능이 우수한 운모 재질로 형성된 셀 홀더를 사용하여 원통형 전지셀들의 연쇄발화를 방지하여 안전성을 높일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 원통형 전지셀 조립체들을 선택적으로 조합하고 이들을 직렬 및/또는 병렬 연결하여 배터리 모듈을 다양한 크기와 용량으로 제작할 수 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 안 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 원통형 전지셀을 사용한 배터리 모듈의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지셀 조립체의 사시도이다.
도 3은 도 2의 원통형 전지셀 조립체의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 연결부재의 배치 구조를 설명하기 위한 투시도와 상면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 주요 구성을 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 8은 도 6의 원통형 전지셀들의 상면도이다.
도 9는 도 8의 주요 부분 확대 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지셀 조립체의 사시도이고, 도 3은 도 2의 원통형 전지셀 조립체의 분해 사시도이다.
이들 도면들을 참고하면, 본 발명에 따른 원통형 전지셀 조립체(100)는, 복수 개의 원통형 전지셀(110)들, 셀 홀더(120), 제1 전극 연결부재(130), 그리고 제2 전극 연결부재(140)를 포함한다.
원통형 전지셀(110)은 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지의 일종이다. 상기 금속 캔은 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 형성될 수 있다.
자세히 도시하지 않았으나, 원통형 전지셀(110)은 원통형 전지 캔(110b), 전지 캔(110b)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체, 전지 캔(110b)의 상부에 결합되는 탑 캡(110a)을 포함할 수 있다. 상기 탑 캡(110a)은 전극 조립체의 양극판과 연결되어 있어 양극 단자로 기능하고 전지 캔(110b)의 하단은 전극 조립체의 음극판과 연결되어 있어 음극 단자로 기능할 수 있다. 따라서 원통형 전지셀(110)은 전극 단자가 상단과 하단에 각각 형성된다.
본 발명에서 원통형 전지셀(110)들은 동일 극성끼리 같은 방향을 향하도록 기립 배치될 수 있다. 이를테면 양극은 모두 상측을 향하고, 음극은 모두 하측을 향하도록 원통형 전지셀(110)들이 모두 한 방향으로 통일적으로 기립 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지셀(110)들의 배치 구도는 상부에서 바라볼 때 삼각 구도일 수 있다. 이 경우, 원통형 전지셀 조립체(100)는 최소 3개 이상의 단위 원통형 전지셀(110)로 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 총 6개의 원통형 전지셀(110)들을 사용하여 삼각 구도로 원통형 전지셀(110)들을 배열하였으나, 예컨대, 10개 또는 15개의 원통형 전지셀(110)들을 사용하여 원통형 전지셀(110)들을 삼각 구도로 배열할 수도 있다.
한편, 본 발명의 권리범위가 반드시 삼각 구도로 배치된 원통형 전지셀(110)들에 한정되어야 하는 것은 아니다. 삼각 구도는 바람직한 일예로 개시한 것으며, 대안적 실시예로서, 원통형 전지셀(110)들은 상부에서 바라볼 때 사각 구도 내지 원형 구도로 배치될 수도 있다.
셀 홀더(120)는 원통형 전지셀(110)들을 하나의 묶음 단위로 수납 및 고정하며, 연쇄발화를 방지하는 역활을 하는 구성품이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 셀 홀더(120)는 단위 셀 바디 커버(121)들과, 셀 탑 커버(123)를 포함한다.
단위 셀 바디 커버(121)들은 원통 형상으로 각각의 원통형 전지셀(110)과 일대일로 억지 끼움 결합 가능하게 마련된다. 또한, 단위 셀 바디 커버(121)들은 이웃한 것들끼리 원주면이 맞닿은 상태로 전체적으로 삼각 구도를 이루며 일체로 형성될 수 있다. 즉, 단위 셀 바디 커버(121)들은 원통형 전지셀(110)들의 배치 구도에 맞게 설계될 수 있다.
이를테면, 본 실시예의 단위 셀 바디 커버(121)들은 총 6개가 삼각 구도를 이루며 원주면들이 맞닿은 상태로 연결된 하나의 몸체로 마련되어 있다. 6개의 원통형 전지셀(110)들은 이러한 단위 셀 바디 커버(121)들 속에 끼워 넣어질 수 있다. 이 경우, 6개의 원통형 전지셀(110)들은 단위 셀 바디 커버(121)들 속에 구속되어 삼각 구도가 유지될 수 있다.
상기 단위 셀 바디 커버(121)는 운모(mica) 또는 합성운모(synthetic mica)로 형성될 수 있다. 이 경우, 단위 셀 바디 커버(121)는 충분한 내열성과 전기 절연성을 구비할 수 있다. 따라서 이러한 단위 셀 바디 커버(121)들에 의해 상기 6개의 원통형 전지셀(110)들의 바디가 각각 커버링되기 때문에, 어느 하나의 원통형 전지셀(110)이 발화 내지 폭발하더라도 주변 다른 원통형 전지셀(110)들이 보호될 수 있어 연쇄적인 발화를 방지할 수 있다.
셀 탑 커버(123)는, 원통형 전지셀(110)들의 상단, 즉 탑 캡 부분을 커버하는 구성으로 단위 셀 바디 커버(121)와 같이, 운모(mica) 또는 합성운모(synthetic mica)로 제작될 수 있다. 본 실시예의 경우, 개별 부품 생산 및 조립 편의를 위해 셀 탑 커버(123)와 단위 셀 바디 커버(121)를 별개로 제작하고 이들을 압입(clinching) 방식으로 상호 결합할 수 있게 구성하였으나, 물론 이들을 일체로 제작할 수도 있다.
원통형 전지셀(110)은 내부에 가스가 발생해 내압이 급격히 상승하면 탑 캡 부분이 먼저 파손되기 쉬워 화염이 원통형 전지셀(110)의 하단보다는 상단을 통해 새어나올 가능성이 더 높다. 따라서 원통형 전지셀(110)들의 바디와 그 상단을 셀 탑 커버(123)로 커버링하여 비상시 화염이 전파되는 것을 방지한다. 반면, 원통형 전지셀(110)들의 밑부분은 상대적으로 화염이 새어나올 가능성이 낮으므로 외부로 노출시켜 냉각을 위한 면적으로 활용하였다.
이를 위해 단위 셀 바디 커버(121)들은 원통형 전지셀(110)들보다 길이가 다소 짧게 형성되며 이 경우, 도 1과 같이, 원통형 전지셀(110)들은 그 밑 부분(110c)만 단위 셀 바디 커버(121)들의 하측으로 약간 노출되고 나머지 부분은 셀 홀더(120)에 의해 커버링될 수 있다.
이어서 도 2 내지 도 5를 같이 참조하여, 제1 전극 연결부재(130)와 제2 전극 연결부재(140)에 따른 원통형 전지셀 조립체(100)의 전기적 연결 구조를 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 제1 전극 연결부재(130)는 셀 홀더(120)에 대해 상부에 위치하고 원통형 전지셀(110)들 각각의 상단에 위치한 제1 전극들을 전기적으로 연결하는 구성이고, 제2 전극 연결부재(140)는 원통형 전지셀(110)들 각각의 하단에 위치한 제2 전극들을 전기적으로 연결하는 구성이다.
본 실시예에서는, 양극이 모두 상측을 향하도록 원통형 전지셀(110)들이 바로 세워져 있으므로 양극이 제1 전극에 해당하고 음극이 제2 전극에 해당하지만, 참고로 본 실시예와 반대로 원통형 전지셀(110)들이 양극이 모두 하측을 향하도록 꺼꾸로 세워진 경우라면, 음극이 제1 전극이 되고, 양극이 제2 전극으로 특정될 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의상 제1 전극은 양극을 의미하고 제2 전극은 음극을 의미하는 것으로 한다.
제1 전극 연결부재(130)는 제1 전극 접속부(131), 도체 패턴부(132), 돌출형 제1 단자부(133)를 포함한다.
제1 전극 접속부(131)는 각 원통형 전지셀(110)들의 양극, 즉 탑 캡(110a)에서 돌출된 부분에 접촉되는 부분이다. 예컨대 제1 전극 접속부(131)는 탑 캡(110a)에 용접 방식으로 부착될 수 있다. 셀 탑 커버(123)에는 제1 전극용 홀(124)들이 더 구비되며, 각 원통형 전지셀(110)들의 양극 부분들은 상기 제1 전극용 홀(124)들의 아래에 위치하게 된다. 제1 전극 접속부(131)는 상기 제1 전극용 홀(124)에 대응하는 사이즈로 형성되고 상기 제1 전극용 홀(124) 속에 끼워져 상기 양극들에 접촉하게 배치된 상태에서 용접될 수 있다.
도체 패턴부(132)는 여러 갈래로 교차하는 박형의 메탈 플레이트 형태로 상기 제1 전극 접속부(131)들을 전기적으로 연결하도록 마련될 수 있다. 이를테면, 본 실시예에서 총 6개의 제1 전극 접속부(131)들이 6개의 원통형 전지셀(110)들의 양극에 접촉하고, 이들 6개의 제1 전극 접속부(131)는 도체 패턴부(132)에 의해 서로 통전될 수 있다.
그리고 돌출형 제1 단자부(133)는 원통형 전지셀(110)들의 양극 터미널 기능을 하는 부분으로, 상기 도체 패턴부(132)상에서 소정의 두께를 가져 상기 제1 전극 접속부(131)와 반대로 상부 방향으로 돌출된 형태를 취할 수 있다. 이를테면, 상기 돌출형 제1 단자부(133)는 도체 패턴부(132) 상에서 후술할 막대형 제2 단자부(142)의 일단과 같은 높이로 연장될 수 있다.
다음으로, 제2 전극 연결부재(140)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제2 전극 접속부(141)와 막대형 제2 단자부(142)를 포함한다.
제2 전극 접속부(141)는 셀 홀더(120)에 대해 하부에 위치하고 상기 원통형 전지셀(110)들, 각각의 음극들과 모두 접촉할 수 있는 면적을 갖는 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 제2 전극 접속부(141)는 3개의 꼭지점 영역에 원통형 전지셀(110)의 하단 중앙에 위치하는 삼각 플레이트 형태로 마련된다. 이러한 삼각 플레이트 형태의 제2 전극 접속부(141)는 그 위에 놓인 원통형 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하면서 동시에 일체로 지지할 수 있다.
예컨대, 이러한 삼각 플레이트 형태의 제2 전극 접속부(141)는 스팟(spot) 용접을 통해 제2 전극 접속부(141)를 원통형 전지셀(110)들의 하단면에 부착될 수 있다. 여기서 스팟 용접은 원통형 전지셀(110)들의 각 음극 부분이 제2 전극 접속부(141)와 맞닿는 6곳에 행해질 수 있다.
막대형 제2 단자부(142)는, 상기 제2 전극 접속부(141)로부터 셀 홀더(120) 내측에 형성되는 빈 공간(122)을 통해 수직으로 연장되어 일단이 상기 셀 홀더(120) 위에 배치된다.
보다 구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 단위 셀 바디 커버(121)들은 원통 형상으로 원주면이 맞닿게 삼각 대열 구도로 배치되기 때문에 단위 셀 바디 커버(121)들 내측 영역에 필연적으로 빈 공간(122)이 형성됨을 알 수 있다. 즉, 상기 빈 공간(122)은 원주면이 서로 맞닿는 적어도 3개의 단위 셀 바디 커버(121)들로 둘러싸인 영역으로 특정될 수 있다. 막대형 제2 단자부(142)는 예컨대, 상기 빈 공간(122)에 삽입할 수 있을 정도의 원기둥 형태로 마련되어 단위 셀 바디 커버(121)들의 내측에 배치된다. 그리고 셀 탑 커버(123)에는 제2 단자용 홀(125)이 더 구비되고, 상기 제2 단자용 홀(125)을 통해 막대형 제2 단자부(142)의 일단이 셀 탑 커버(123) 위로 노출될 수 있다. 이때, 막대형 제2 단자부(142)는 전술한 돌출형 제1 단자부(133)와 같은 높이까지 연장될 수 있다.
이와 같이, 막대형 제2 단자부(142)가 셀 홀더(120) 내측의 잉여 공간에 개재됨으로써 원통형 전지셀 조립체(100)가 더 컴팩트하게 구성되고 또한 주변 공간 활용성 및 자유도가 향상될 수 있다.
또한, 이러한 막대형 제2 단자부(142)는 돌출형 제1 단자부(133)와 같은 높이로 셀 탑 커버(123) 위에 이웃하게 배치되어 원통형 전지셀 조립체(100)의 음극 터미널로 기능할 수 있다. 다시 말하면, 상기 돌출형 제1 단자부(133)는 양극 터미널로 특정될 수 있고, 상기 막대형 제2 단자부(142)는 음극 터미널로 특정될 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 원통형 전지셀 조립체(100)는 양극 터미널과 음극 터미널이 같은 방향에 이웃하게 위치하게 구성되기 때문에 다른 부품과의 전기적 연결이 매우 간단해질 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 소정의 용량을 갖는 병렬 연결된 원통형 전지셀(110)들로 구성된 원통형 전지셀 조립체(100)가 제공될 수 있는데, 이러한 원통형 전지셀 조립체(100)들을 사용하면 배터리 모듈(10)을 전기적 연결도 간단하면서 다양한 형태 및 크기로 제작할 수 있다.
이하에서는 도 6 내지 도 9를 참조하여 상술한 원통형 전지셀 조립체(100)들을 일 구성요소로 포함하는 배터리 모듈(10)에 대해 설명하기로 한다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 원통형 전지셀 조립체(100)들, 상기 원통형 전지셀 조립체(100)들의 상부를 커버하는 절연 플레이트(200)와 원통형 전지셀 조립체(100)들을 전기적으로 연결시키기 위한 버스바(300)들, 그리고 원통형 전지셀 조립체(100)들의 냉각을 위한 방열 패드(400)와 히트싱크(500)를 더 포함할 수 있다.
원통형 전지셀 조립체(100)들은 배터리 모듈(10)에 요구되는 용량 및 출력에 따라 그 개수가 미리 결정되고, 배터리 모듈(10) 내에 연속적으로 밀착되게 구성될 수 있다.
이를테면, 도 6 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 4개의 원통형 전지셀 조립체(100a,100b,100c,100d)가 X축 방향으로 밀착되어 연속적으로 배치될 수 있다. 본 실시예의 경우, 원통형 전지셀 조립체(100)들은 상부에서 바라볼 때 각각 삼각 구도를 이루며, 어느 하나의 원통형 전지셀 조립체(100)는 이웃한 다른 하나의 원통형 전지셀 조립체(100)와 대칭 내지 역상으로 연속해서 밀착될 수 있다. 물론, 본 실시예와 같은 패턴으로 원통형 전지셀 조립체(100)를 X축 방향으로 연속해서 더 추가하거나, X축 및 Y축 방향으로 더 추가하여 배터리 모듈(10)의 형태 및 크기를 다양하게 구성할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8 내지 도 9를 참조하면, 원통형 전지셀 조립체(100)들은 서로 이웃한 원통형 전지셀 조립체(100)들끼리는 역상으로 배치되기 때문에, 서로 이웃한 원통형 전지셀 조립체(100)의 양극 터미널(133)과 음극 터미널(142)도 서로에 대해 역상으로 배치된다. 따라서 4개의 원통형 전지셀 조립체(100)는 X축 방향을 따라 양극 터미널(133)들과 음극 터미널(142)들이 2열로 교번적으로 위치하게 된다. 이 경우, 원통형 전지셀 조립체(100)들을 직렬 연결시 버스바(300) 장착 패턴이 매우 수월해질 수 있다.
절연 플레이트(200)는 예컨대, 운모(mica)와 같은 절연 및 내열성이 우수한 재질로 원통형 전지셀 조립체(100)의 상부를 덮을 수 있는 면적을 갖는 판상체 형태로 마련될 수 있다. 절연 플레이트(200)에는 미리 결정된 위치마다 인서트 홀(210)들이 구비된다.
절연 플레이트(200)를 원통형 전지셀 조립체(100)들의 상단에 부착시 원통형 전지셀 조립체(100)들의 양극 터미널(133)들과 음극 터미널(142)들은 상기 절연 플레이트(200)의 인서트 홀(210)들 속에 각각 삽입되어 절연 플레이트(200) 위로 노출될 수 있다. 이렇게 절연 플레이트(200) 위로 노출된 양극 터미널(133)들과 음극 터미널(142)들의 일단은 버스바(300)의 양단부에 구비된 단자 연결홀(310) 속에 개재된 상태로 버스바(300)에 용접될 수 있다.
도 7과 도 8을 다시 참조하면, 4개의 원통형 전지셀 조립체(100)는 X축 방향을 따라 양극 터미널(133)들과 음극 터미널(142)들이 2열로 교번적으로 위치하게 배열될 수 있다. 그리고 제1 원통형 전지셀 조립체(100a)의 양극 터미널(133)과 X축 방향으로 이웃한 제2 원통형 전지셀 조립체(100b)의 음극 터미널(142)에 버스바(300)가 연결되고, 제2 원통형 전지셀 조립체(100b)의 양극 터미널(133)과 X축 방향으로 이웃한 제3 원통형 전지셀 조립체(100c)의 음극 터미널(142)에 버스바(300)가 연결될 수 있다. 마찬가지로 제3 원통형 전지셀 조립체(100c)의 양극 터미널(133)과 제4 원통형 전지셀 조립체(100d)의 음극 터미널(142)에 버스바(300)가 연결될 수 있다.
본 실시예는 편의상, 4개의 원통형 전지셀 조립체(100a,100b,100c,100d)들을 직렬 연결한 구성만을 개시하였으나, 일자형 버스바(300) 대신에 절곡된 구조의 버스바(300)를 사용하거나 버스바(300)의 연결 위치를 조절하여 4개의 원통형 전지셀 조립체(100a,100b,100c,100d)들을 직렬 및 병렬 연결하는 것도 가능하다. 따라서 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈(10)의 직/병렬 연결 구성이 모두 상측에서 이루어져, 절연성 및 전기적 연결성 편의성이 향상될 수 있다.
참고로, 도시하지 않았으나, 각 원통형 전지셀 조립체(100)에서 셀 탑 커버(123) 위로 양극 터미널(133)과 음극 터미널(142)이 노출되는 위치는 얼마든지 설계 변경 가능하다. 예컨대, 양극 터미널(133)과 음극 터미널(142)의 위치가 Y축 방향을 기준으로 서로 반대인 2 종류의 원통형 전지셀 조립체(100)를 이용하면, 2 종류의 원통형 전지셀 조립체(100)를 이웃하게 역상으로 배치하더라도 이들의 양극 터미널(133)들과 음극 터미널(142)들은 서로에 대해 역상으로 배치되지 않는다. 이 경우, 극성이 같은 것들끼리 X 축 방향으로 배치되므로 병렬 연결시 일자 형태의 버스바(300)를 그대로 사용할 수 있어 버스바(300) 장착이 더 수월해질 수 있다.
한편, 원통형 전지셀 조립체(100)는 밑 부분, 즉 원통형 전지셀(110)들의 밑 부분(110c)들이 냉각을 위한 공간으로 활용될 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 원통형 전지셀 조립체(100)의 하부에 히트싱크(500)를 배치하여 원통형 전지셀(110)들에서 발생하는 열을 히트싱크(500)를 통해 외부로 방열시킬 수 있게 구성되어 있다. 상기 히트싱크(500)는 예컨대, 내부 유로에 냉매를 통과시켜 열 접촉에 의해 원통형 전지셀(110)들의 열을 흡수하여 원통형 전지셀(110)들을 간접 냉각시키는 역활을 하는 구성품일 수 있다.
또한, 원통형 전지셀 조립체(100)들과 히트싱크(500) 사이에는 방열 패드(400)가 더 개재될 수 있다. 상기 방열 패드(400)는 불균일한 원통형 전지셀 조립체(100)의 밑 부분과의 밀착력을 높일 수 있게 그 상부면에 원통형 전지셀 조립체(100)의 밑 부분에 형합되게 마련된 형합부(410)를 더 구비할 수 있다. 상기 원통형 전지셀 조립체들에서 셀 홀더(120) 밑으로 노출된 원통형 전지셀들의 밑 부분은 상기 형합부(410) 속에 형합되게 삽입될 수 있다.
이러한 방열 패드(400)에 의하면, 원통형 전지셀(110)들과, 히트싱크(500) 사이의 표면 조도차에 의한 공기층을 없앨 수 있어 열전달 효율이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 원통형 전지셀 조립체(100)들의 고정성이 향상될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 구성에 의하면, 어느 하나의 원통형 전지셀(110)이 발화하더라도 주변 원통형 전지셀(110)들의 연쇄발화를 막을 수 있어 안전하며, 전기적 연결 구조가 공간 효율적인 배터리 모듈(10)이 제공될 수 있다. 또한, 원통형 전지셀 조립체(100)의 개수를 가감하여 배터리 모듈(10)을 다양한 크기 및 용량으로 제작할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 상술한 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 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.
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 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배터리 모듈 100 : 원통형 전지셀 조립체
110 : 원통형 전지셀 120 : 셀 홀더
121 : 단위 셀 바디 커버 122 : 빈 공간
123 : 셀 탑 커버 124 : 제1 전극용 홀
125 : 제2 단자용 홀 130 : 제1 전극 연결부재
131 : 제1 전극 접속부 132 : 도체 패턴부
133 : 돌출형 제1 단자부 140 : 제2 전극 연결부재
141 : 제2 전극 접속부 142 : 막대형 제2 단자부
200 : 절연 플레이트 210 : 인서트 홀
300 : 버스바 400 : 방열 패드
410 : 형합부 500: 히트싱크

Claims (13)

  1. 전극 단자가 상단과 하단에 형성되며, 동일 극성끼리 같은 방향을 향하도록 기립 배치되는 미리 정해진 개수의 원통형 전지셀들;
    각 상기 원통형 전지셀을 삽입 가능한 원통 형상으로 마련된 단위 셀 바디 커버들을 구비하고, 상기 원통형 전지셀들을 하나의 묶음 단위로 구속시키는 셀 홀더;
    상기 셀 홀더에 대해 상부에 위치하고 상기 원통형 전지셀들 각각의 상단에 위치한 제1 전극들을 전기적으로 연결하는 제1 전극 연결부재; 및
    상기 복수 개의 원통형 전지셀들, 각각의 하단에 위치한 제2 전극들을 전기적으로 연결하는 제2 전극 연결부재를 포함하며,
    상기 제2 전극 연결부재는, 상기 셀 홀더에 대해 하부에 위치하고 상기 제2 전극들과 접촉하도록 배치되는 제2 전극 접속부와, 상기 제2 전극 접속부로부터 상기 셀 홀더의 내측에 형성되는 빈 공간을 통해 수직으로 연장되어 일단이 상기 셀 홀더 위에 배치되는 막대형 제2 단자부를 포함하고,
    상기 단위 셀 바디 커버들은 삼각 구도로 이웃한 것끼리 원주면이 맞닿게 배열되고, 상기 빈 공간은 서로 이웃한 상기 단위 셀 바디 커버들로 둘러싸인 영역에 형성되고,
    상기 셀 홀더는, 상기 원통형 전지셀들의 상기 제1 전극들만을 외부로 노출시키는 제1 전극용 홀들과, 상기 막대형 제2 단자부의 일단이 수직으로 통과하도록 마련된 제2 단자용 홀을 구비하고 상기 단위 셀 바디 커버들의 상단에 장착 가능하게 마련되는 셀 탑 커버를 더 포함하고, 상기 제1 전극 연결부재는 상기 제1 전극용 홀을 통해 상기 제1 전극들과 접촉하게 구성되고,
    상기 단위 셀 바디 커버는 상기 원통형 전지셀보다 길이가 짧게 형성되고 상기 원통형 전지셀들의 밑 부분이 상기 단위 셀 바디 커버들의 하측으로 노출된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀 조립체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀 바디 커버들은 3개 이상으로 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀 조립체.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 홀더는 운모(mica) 또는 합성운모(synthetic mica)재질로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 연결부재는,
    상기 제1 전극용 홀에 대응하는 사이즈로 형성되어 각각 상기 제1 전극용 홀들 속에 끼워져 상기 제1 전극들에 접촉하는 제1 전극 접속부들과, 상기 제1 전극 접속부들을 전기적으로 연결하는 도체 패턴부와, 상기 도체 패턴부상에서 일단이 상기 막대형 제2 단자부와 같은 높이로 돌출 형성되는 돌출형 제1 단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀 조립체.
  9. 제1항, 제3항 및 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 원통형 전지셀 조립체들을 포함하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극 연결부재는 상기 막대형 제2 단자부와 같은 높이로 돌출 형성되는 돌출형 제1 단자부를 구비하며, 상기 원통형 전지셀 조립체들은 상부에서 바라볼 때 각각 삼각 구도를 이루며, 이웃한 것들끼리 역상으로 연속해서 밀착 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    미리 결정된 위치마다 상기 돌출형 제1 단자부들과 상기 막대형 제2 단자부들의 일단이 각각 삽입 가능하게 형성된 인서트홀들을 구비하고 상기 원통형 셀 조립체들의 상부를 커버하는 절열 플레이트; 및
    상기 돌출형 제1 단자부들 및 상기 막대형 제2 단자부들을 선택적으로 연결하는 버스바들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 원통형 전지셀 조립체들의 하부에 위치하여 상기 원통형 전지셀들의 열을 흡수하는 히트싱크;와 상기 원통형 전지셀 조립체들과 상기 히트싱크 사이에 개재되는 방열 패드를 더 포함하며,
    상기 방열 패드는 상부면에 상기 원통형 전지셀 조립체의 밑 부분과 형합되게 마련된 형합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제9항에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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