KR102539569B1

KR102539569B1 - 복수의 전극을 갖는 배터리전지 및 이를 포함한 배터리모듈

Info

Publication number: KR102539569B1
Application number: KR1020210110048A
Authority: KR
Inventors: 김현석
Original assignee: 에스케이온 주식회사
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-06-05
Also published as: KR20190143407A; KR20210109494A; KR102295756B1; CN110620209A

Abstract

본 발명의 배터리전지 및 이를 이용한 배터리모듈은 별도의 버스바 없이도 전극간의 연결만으로 배터리모듈을 구성할 수 있어 연결 간에 자유도를 향상시킬 수 있으며, 외부로 돌출 형성되는 양극단자 및 음극단자가 배터리전지의 대향하는 양측에 하나 이상의 복수로 형성되며, 복수의 전극단자를 갖는 배터리전지를 이용하여 차량의 레이아웃에 따라 다양한 형태로 형성되는 배터리모듈을 구성할 수 있는 장점이 있다.

Description

복수의 전극을 갖는 배터리전지 및 이를 포함한 배터리모듈{Battery having multi electrode-lead and The battery module}

본 발명은 복수의 전극을 갖는 배터리전지와 이를 이용한 배터리모듈에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 이차전지의 양측단에 복수의 전극이 형성된 배터리모듈에 관한 것이다.

최근 충방전이 가능한 이차전지가 화석연료를 사용하는 기존의 가솔린차량, 디젤차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV)등의 동력원으로서 주목받고 있다. 소형 모바일 기기들과는 달리, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성에 따라 다수의 전지셀을 연결한 중대형 전지모듈이 사용되고 있으며, 이러한 중대형 전지모듈을 적용하여 다양한 디바이스를 구성하는 경우에, 단위 전지모듈간의 전기적 연결구조는 디바이스의 구조에 따라 적용여부가 결정되는 중요한 요소가 된다. 예를 들어, 전기자동차의 플랫폼의 한정된 공간에 다수의 전지팩들을 전기적 연결 구조를 고려하여 탑재하는 것은 각 전지모듈들의 전극단자의 위치 특성에 따라 추가적인 부품을 추가하거나 혹은 전지모듈 결합의 구조를 변경해야 하는 문제점이 있었다,

또한, 전지모듈의 최종 단자인 플러스 단자와 마이너스 단자의 위치의 제약에 따라 전지모듈을 결합하는 경우에 별도의 버스바를 사용해야하는 경우가 종종 발생되는 문제점이 있었다. 만약 전지모듈이 탑재 및 적용되는 디바이스 구조에 따라 버스바 결합여부를 달리 적용한다면 전지모듈 어셈블리의 생산성을 저하시킬 수 있을 뿐만 아니라 전지모듈이 적용될 다양한 디바이스의 작동성능이나 구동 신뢰성에도 큰 영향을 미치는 문제점이 있었다. 또한, 이차전지의 적용분야가 날로 다양화되는 최근의 추세를 고려하여 보더라도, 전지모듈의 전기적 연결에 의한 설계 자유도를 향상시킬 필요성이 더욱 크게 대두되고 있다.

이에 따라, 한국공개특허공보 제10-2014-0072689호(전지모듈 어셈블리, 2014.06.13.)에서는 양측에 돌출되어 형성된 양극 및 음극단자를 갖는 파우치형 이차전지가 적층되어 구성된 전지모듈에 적용되는 버스바의 양 측단에 단자부를 형성하여, 기존 버스바를 개량함으로써, 다수의 전지모듈 연결의 설계 자유도를 향상시키고 있다. 그러나 상기 문헌에서는 양측에 하나씩 형성된 전극을 갖는 이차전지를 이용하여 모듈을 구성함에 있어, 양극과 음극전지를 상호 연결하기 위해 별도의 버스바를 구비하여야 한다는 종래의 문제점을 해결하지 못하고 있으며, 이와 같이 버스바를 통해 전극을 연결하여 모듈을 구성하는 종래의 전지모듈의 경우, 버스바의 구성에 따른 용접 등의 공정이 추가로 필요하며, 버스바에서의 저항이 증가하여 배터리의 효율이 감소하고, 품질관리의 어려움이 발생한다.

상기한 문제점을 해결하고자 한국공개특허공보 제10-2014-0058058호(배터리 모듈, 2014.05.14.)에서는 외부로 돌출형성된 베터리셀의 양극탭과 음극탭을 절개하여 절개된 전극들의 연결만으로 다수개가 적층된 배터리모듈을 연결하고 있다. 그러나, 상기 문헌에서의 배터리셀은 일방향으로만 양극탭 및 음극탭이 형성되어 있어, 다수의 단위모듈을 연결하는데 그 확장성에 한계가 있으며, 하나의 양극탭 및 음극탭을 절개하여 한쌍의 절개부를 형성함에 따라, 인접하여 동일한 극을 갖는 전극이 형성되어야 하는 구조적인 한계가 발생하였다.

이와 같은 종래의 이차전지는 대향하는 양측에 하나의 양극 또는 음극전극을 형성하거나, 양극전극 및 음극전극이 같은 방향을 향하는 일측에 형성되어, 전지들의 직/병렬연결 시, 배터리모듈의 구성이 한정되어 차량의 레이아웃에 따라 다양한 구성으로 적용되기 어려운 단점이 있다.

또한, 최근 고효율 대용량의 전기차량 배터리 모듈에서는 2개의 전지를 병렬연결하고, 병렬연결된 한 쌍의 전지 12SET를 서로 직렬연결하여 형성되는 2P12S모듈을 요구하고 있으며, 이러한 배터리 모듈은 대향하는 양측에 하나의 전극이 형성된 전지가 일방향으로 적층되어 구비되며, 병렬연결된 한 쌍의 전지가 인접하는 다른 한 쌍의 전지와 직렬연결되기 위하여, 별도의 버스바를 추가로 구성하여야 하고 있다. 이와 같이 버스바가 추가로 구성되면, 전극간에 불필요하게 접촉되는 저항이 증가하여 배터리모듈에서의 에너지 효율 및 전지간의 연결 공정의 일관성 있는 작업 공정이 이루어지지 못하여 배터리모듈의 공정품질이 저하되는 문제점이 야기되고 있다.

한국공개특허공보 제10-2014-0072689호(전지모듈 어셈블리, 2014.06.13.) 한국공개특허공보 제10-2014-0058058호(배터리 모듈, 2014.05.14.)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 별도의 버스바를 구비하지 않고 전극 간의 연결만으로 배터리모듈을 구성하며, 그 연결 간에 자유도를 향상시킨 복수의 전극을 갖는 배터리전지 및 이를 이용한 배터리모듈을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 하나 이상의 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체를 수납하는 외장케이스; 및 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되며, 상기 외장케이스의 외부로 돌출되는 전극단자;를 포함하며, 상기 외장케이스는 파우치형이며, 상기 외장케이스의 일측 변과 상기 일측 변에 대향하는 타측 변으로부터 양극 또는 음극으로 이루어지는 단자가 적어도 두 개 돌출 형성되며, 상기 돌출 형성된 전극단자들은 서로 분리되어 전극조립체와 연결되어 형성된다.

또한, 상기 배터리전지는 대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 복수의 양극단자 또는 음극단자가 인접하여 형성될 수 있다.

또한, 대향하는 양측에 각각 서로 다른 극성을 띄는 한 쌍의 양극단자 및 음극단자가 인접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복수의 전극단자를 갖는 배터리전지를 포함할 수 있다.

또한, 대향하는 양측에 형성되는 양극단자 및 음극단자는 상기 배터리전지의 길이방향으로 서로 다른 극을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 전극단자를 갖는 배터리전지를 포함할 수 있다.

또한, 상기 배터리전지의 대향하는 양측에 형성되는 양극단자 및 음극단자는 상기 배터리전지의 길이방향으로 서로 같은 극을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 전극단자를 갖는 배터리전지를 포함할 수 있다.

또한, 일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 양극단자 및 음극단자 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 양극단자 및 음극단자 한 쌍이 형성되는 것을 특징으로 하는 복수의 전극단자를 갖는 배터리전지를 포함할 수 있다.

본 발명의 배터리모듈은 외장케이스의 외부로 양극단자 및 음극단자를 포함하는 전극단자가 돌출 형성되는 배터리전지가 복수 개 적층되어 형성되고, 상기 외장케이스는 파우치형이며, 상기 배터리전지는 일측에 양극 또는 음극으로 이루어지는 단자가 적어도 두 개 형성되고, 상기 일측과 대향되는 타측에 양극 또는 음극으로 이루어지는 단자가 적어도 두 개 형성되며, 상기 파우치형 외장케이스의 양측으로 돌출된 단자와 이웃한 배터리전지 단자의 직접적인 직렬 또는 병렬 연결에 의해 상기 복수의 배터리전지가 서로 전기적으로 연결되어 형성된다.

이때, 상기 배터리모듈은 대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 복수의 상기 양극단자 또는 음극단자가 인접하여 형성되어, 서로 병렬연결된 복수의 배터리전지가 복수로 구성되어, 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리모듈은 대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자 또는 음극단자가 인접하여 형성되어, 서로 병렬연결되는 복수의 배터리전지와, 대향하는 양측에 각각 서로 다른 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자 및 음극단자가 인접하여 형성되고, 상기 양극단자 및 음극단자는 길이방향으로 서로 다른 극을 갖도록 배치되어 서로 병렬연결된 복수의 배터리전지가 직렬연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리모듈은 일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 상기 양극단자 또는 음극단자 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 상기 양극단자 또는 음극단자 한 쌍이 형성되어, 서로 병렬연결된 복수의 배터리전지가 복수로 구성되어, 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리모듈은 대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자 또는 음극단자가 인접하여 형성되는 배터리전지 및 상기 배터리전지의 전후방향으로의 양측에 적층되어 상기 배터리전지와 병렬연결되며, 일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 상기 양극단자 또는 음극단자 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 상기 양극단자 또는 음극단자 한 쌍이 형성되는 한 쌍의 배터리전지를 포함하여, 서로 병렬연결된 상기 배터리전지 및 한 쌍의 배터리전지가 복수로 적층되어 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따른 본 발명의 배터리전지는 대향하는 양측에 복수의 전극이 형성되어 배터리전지의 연결 간에 자유도를 향상시킴으로, 차량의 레이아웃에 따라 다양한 형태의 배터리모듈의 구성을 적용할 수 있어, 전극 간 연결만으로 직/병렬 연결이 가능하고, 별도의 버스바를 구성하지 않아 전극의 연결에 따른 저항값을 낮추어 고효율의 배터리모듈을 개발할 수 있으며, 전지 간 연결 공정의 일관성 있는 작업 공정이 가능하여 기존의 배터리모듈 공정품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1-1실시예에 따른 배터리전지를 도시한 사시도
도 2는 도 1에 따른 배터리전지를 도시한 분해사시도
도 3은 본 발명의 제1-2실시예에 따른 배터리전지를 도시한 사시도
도 4는 본 발명의 제1-3실시예에 따른 배터리전지를 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 제1-4실시예에 따른 배터리전지를 도시한 사시도
도 6은 본 발명의 제1-5실시예에 따른 배터리전지를 도시한 사시도
도 7은 본 발명의 제2-1실시예에 따른 배터리모듈을 도시한 사시도
도 8은 본 발명의 제2-1실시예에 따른 배터리모듈의 도시한 개략도
도 9는 본 발명의 제2-2실시예에 따른 배터리모듈을 도시한 사시도
도 10은 본 발명의 제2-2실시예에 따른 배터리모듈의 도시한 개략도
도 11은 본 발명의 제2-3실시예에 따른 배터리모듈을 도시한 사시도
도 12는 본 발명의 제2-3실시예에 따른 배터리모듈의 도시한 개략도
도 13은 본 발명의 제2-4실시예에 따른 배터리모듈을 도시한 사시도
도 14 및 도 15는 본 발명의 제2-4실시예에 따른 배터리모듈의 도시한 개략도
도 16 및 도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리모듈 간의 결합을 도시한 예시도
도 18 내지 21은 외부 버스바를 이용하여 인접하는 단자 간 연결되는 본 발명의 일 양태를 설명하기 위한 도면

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 : 배터리 전지>

<실시예 1-1>

도 1은 본 발명의 제1-1실시예에 따른 배터리전지(100)를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1에 따른 배터리전지(100)의 분해사시도로서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 배터리전지(100)는 양극단자(110), 음극단자(120), 전극조립체(130), 외장케이스(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 전극조립체(130)는 하나 이상의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있으며, 하나의 양극판과 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형 또는 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 구분될 수 있다. 이때, 상기 배터리전지(100)는 건전지형 또는 팩형의 일차전지 또는 이차전지로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 대향하는 양측면에 상기 양극단자(110) 및 음극단자(120)가 형성되는 파우치형의 적층형 이차전지로 형성될 수 있다.

또한, 상기 외장케이스(140)는 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성되어, 상기 전극조립체(130)와 전해액 등의 내부 구성요소를 수용할 수 있다. 이때, 상기 전극조립체(130)와 전해액에 의한 전기적, 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 알루미늄 형태의 금속박막이 절연층과 내부 접착층 사이에 개재되어, 상기 전극조립체(130)의 적층방향의 양측으로 구비되어 상기 전극조립체(130)를 수납하며, 상기 외장케이스(140)의 외주면에는 실링부가 구비되어 상기 전극조립체(130)가 수용된 상기 외장케이스(140)를 밀폐시킬 수 있다. 더하여, 상기 외장케이스(140)는 상기 전극 조립체(130)의 적층방향으로 적어도 하나에는 오목한 형태로 돌출되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 전극조립체(130)의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 각각의 양극판 및 음극판과 연결되어 상기 외부케이스(140)의 실링부 사이에 개재되어 외부로 돌출 형성됨으로써, 상기 배터리전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다. 또한, 상기 전극조립체(130)의 상기 전극단자가 형성되는 일면에 상기 양극판 또는 음극판을 각기 연결하는 전극 탭(111, 121)이 복수개 형성되어, 상기 배터리전지(100)는 길이방향으로 상기 외장케이스(140)의 외부로 상기 양극단자(110) 및 음극단자(120)가 돌출 형성되며, 대향하는 양측에 상기 양극단자(110) 또는 음극단자(120) 중 선택되는 어느 하나 이상이 복수 형성될 수 있다.

더욱 자세하게는, 본 발명의 제1-1실시예에 따른 배터리전지(100)는 길이방향의 일측에 인접하여 양극 전극탭이 형성된 양극판과 길이방향의 일측에 인접하여 음극 전극탭(121)이 형성된 음극판이 서로 적층되며, 이때 상기 양극판의 양극 전극탭(111) 및 상기 음극판의 음극전극탭(121)은 길이방향으로 서로 대향하는 방향을 향하도록 적층되어, 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자(110) 또는 음극단자(120)가 인접하여 형성되어, 길이방향의 일측에 한 쌍의 양극단자(110)를 형성하고 타측에 한 쌍의 음극단자(120)가 배치된 형태로 형성될 수 있다.

아울러, 상기 배터리전지(100)는 대향하는 양측면에 상기 양극단자(110) 및 음극단자(120)가 필요에 따라 3개 이상의 복수로 형성될 수 있고, 상기 배터리전지(100)를 적층하여 구성하는 배터리모듈의 설계 시에 불필요한 전극단자를 제거할 수 있으나, 대향하는 양측에 각각 한 쌍의 전극단자(110, 120)를 형성하여 배터리전지(100) 간의 연결 시에 불필요한 전극단자를 형성하지 않으며 높은 자유도를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

<실시예 1-2>

도 3은 본 발명의 제1-2실시예에 따른 배터리전지(200)를 도시한 사시도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1-2실시예에 따른 상기 배터리전지(200)는 대향하는 양측에 각각 서로 다른 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자(210) 및 음극단자(220)가 인접하여 형성되되, 길이방향으로의 대향하는 양측에 동일한 극을 갖도록 배치된 형태로 이루어진다.

이때, 상기 배터리전지(200)는 길이방향으로 대향하는 양측에 한 쌍의 전극탭이 형성된 양극판 및 음극판이 서로 적층되되, 상기 양극판 및 음극판에 형성된 각각의 양극 전극탭 및 음극 전극탭은 적층방향으로 서로 간섭하지 않도록 배치되도록 적층되어 형성될 수 있다.

<실시예 1-3>

도 4는 본 발명의 제1-3실시예에 따른 배터리전지(300)를 도시한 사시도이며, 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1-3실시예에 따른 배터리전지(300)는 대향하는 양측에 각각 서로 다른 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자(310) 및 음극단자(320)가 인접하여 형성되되, 상기 배터리전지(300)의 길이방향으로 대향하는 양측에 서로 다른 극을 갖도록 배치될 수 있다.

이때, 상기 배터리전지(300)는 사각 형상의 전극판에 모서리방향으로 대향하는 한 쌍의 전극탭이 형성된 양극판 및 음극판이 서로 적층되며, 이때 적층되는 상기 양극 전극탭 및 음극 전극탭은 적층방향으로 서로 간섭하지 않도록 배치되어 형성되는 것이 바람직하다.

<실시예 1-4,1-5>

도 5는 본 발명의 제1-4실시예에 따른 배터리전지(400)를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제1-5실시예에 따른 배터리전지(500)를 도시한 사시도로서, 본 발명의 제1-4 및 1-5 실시예에 따른 배터리전지(400, 500)는 일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 상기 양극단자(410, 510) 또는 음극단자(420, 520) 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 상기 양극단자(410, 510) 및 음극단자(420, 520) 한 쌍이 형성되어 상기 배터리전지(400, 500)를 구성할 수 있다. 이때, 상기 배터리전지(400, 500)는 하나의 전극판에 복수개의 전극탭이 형성되어 적층됨으로써 각각의 양극단자(410, 510) 또는 음극단자(420, 520)를 형성하거나, 적어도 하나의 전극탭이 형성된 전극판의 전극탭이 돌출되는 방향의 배치를 통하여, 복수의 단자들을 형성하도록 적층됨으로써 제작될 수 있을 것이다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1-4실시예에 따른 배터리전지(400)는 일측에 한 쌍의 양극단자(410)가 형성되고, 길이방향으로 대향하는 타측에 하나의 양극단자(410) 및 하나의 음극단자(420)가 한 쌍을 이루도록 형성된다. 상술한 구성에 따른 상기 배터리전지(400)는 상기 양극단자(410)가 3개 구비됨으로써, 인접하여 적층되는 다른 배터리전지들과의 연결 자유도를 증가시킬 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1-5실시예에 따른 배터리전지(500)는 길이방향으로의 일측에 한 쌍의 양극단자(520)가 형성되고, 대향하는 타측에 하나의 양극단자(510) 및 음극단자(520)가 한 쌍을 이루도록 형성된다. 이때 상술한 구성에 따른 배터리전지(500)는 상기 음극단자(520)가 3개 구비됨으로써, 인접하여 적층되는 다른 배터리전지들과의 연결 자유도를 증가시킬 수 있다.

아울러, 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 복수의 전극단자가 배열된 배터리전지는 복수로 적층되어 하나의 단위 모듈로 구성할 수 있으며, 각각의 단위 모듈의 요구되는 스펙에 따라, 다양한 배열을 갖는 상기 배터리전지가 이용될 수 있다. 이때, 상기 배터리전지는 인접하는 배터리전지와 직렬 또는 병렬 연결되어 구성되는 단위모듈에 요구되는 상기 배터리전지의 개수 및 용량 등에 따라 다양한 방향 또는 상기 전극단자의 배열을 갖는 상기 배터리전지를 활용하여 상기 배터리모듈의 설계 시에, 차량의 레이아웃에 따라 상기 배터리모듈을 설계할 수 있는 높은 자유도를 갖는 장점이 있다.

<실시예 2 : 배터리모듈>

하기에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리전지(100, 200, 300, 400, 500)를 이용하여 적층된 하나의 모듈을 이루는 배터리모듈(1000, 2000, 3000, 4000)에 관하여 서술한다.

또한, 상기한 구성에 따른 상기 배터리전지(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 두 개 이상의 상기 배터리전지(100)가 적층되어, 인접하는 상기 배터리전지(100)의 상기 양극단자(110) 또는 음극단자(120)가 전기적으로 연결되는 배터리모듈(1000)을 구성할 수 있다. 한편, 상기 배터리전지(100)의 넓은 면이 전후방을 향하도록 지면에 수직하게 세워진 형태로 좌우 방향의 양측에 상기 배터리전지(100)의 전극단자가 형성되며, 전후방향으로 적층 배열된 상기 배터리전지(100)의 방향을 y축, 상기 배터리전지(100)의 좌우측의 길이방향을 x축 및 상기 배터리전지(100)의 좌우 양측면에 상기 전극단자(110, 120)가 인접하여 배치되는 높이방향을 z축으로 구분하도록 한다.

도 7을 참조하면, 상기 배터리모듈(1000)은 상기 배터리전지(100)가 y축 방향으로 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 배열되어 하나의 배터리모듈(1000)을 구성할 수 있다. 이때, 상기 배터리모듈(1000)은 상기 양극단자(110) 또는 음극단자(120)가 전기적으로 연결되어 별도의 버스바를 이용하지 않고 동일한 방향으로의 다양한 상기 배터리전지(100)의 구성들을 모듈화할 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 양극단자(110) 및 음극단자(120)의 전기적인 연결은 도 7에 도시된 바와 같이 각각의 전극단자(110, 120)가 서로 다른 방향으로 절곡되어 인접하여 배치된 다른 하나의 배터리전지(100)의 전극단자(110, 120)와 접촉되어 각각의 배터리전지(100)를 전기적으로 연결시킬 수 있으며, 접촉된 상기 단자(110, 120)는 용접 또는 상기 배터리모듈(1000)을 감싸는 보호케이스(미도시)를 더 구비하여 전극 간의 불필요한 접촉 및 외부로부터의 파손을 보호할 수 있다.

상기한 구성에 따른, 본 발명의 상기 배터리모듈(1000)은 대향하는 양측에 복수의 전극단자(110, 120)를 형성하여 상기 배터리모듈(1000)의 설계 시에 적층되는 방향 및 배터리모듈의 모양, 전극간의 연결에 자유도를 향상할 수 있는 장점이 있으며, 일정한 형상을 유지해야 하는 각형 배터리전지에 비해, 본 발명의 배터리모듈(1000)은 그 형상의 제조가 다양한 파우치형 이차전지로 이루어짐으로써, 차량의 레이아웃에 맞추어 다양한 형태로 구성될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 배터리모듈(1000)은 복수의 양극단자(110) 및 음극단자(120)가 대향하는 방향으로 복수 형성되어 구성됨으로써, 일방향으로 상기 배터리전극(100)이 직렬 및 병렬연결되어 상기 배터리모듈(1000)을 구성할 수 있으며, 필요에 따라 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, x축 방향으로 상기 배터리전극(100)이 적층되어 상기 배터리모듈(1000)을 구성할 수 있으며, 이때, x축 방향으로 연결되는 상기 배터리전극(100)의 양극단자(110) 또는 음극단자(120)는 y축 방향으로 서로 대응되는 방향으로 소정각도 절곡되어 연결될 수 있으며, 이때 상기 전극단자(110, 120)가 절곡되는 각도는 상기 전극단자(110, 120)의 두께 및 상기 배터리전극(100)의 배치에 기인한다.

또한, 상기 배터리모듈(1000)은 상기 배터리전지(100)에 배치되는 전극단자(110, 120)의 형태에 따라, 상기 배터리전지(100)의 양측면에 형성된 양극단자(110)와 음극단자(120)가 직렬 또는 병렬 연결되어 상기 배터리모듈(1000)을 형성하며, 상기 배터리모듈(1000)의 설계 조건에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 상기 배터리전지(100)의 다양한 조합에 따라 상기 배터리모듈(1000)을 구성할 수 있을 것이다.

<실시예 2-1>

이하, 본 발명의 실시예에서는 최근 고효율 대용량의 전기차량에서 요구되는 2개의 배터리전지가 병렬연결되고, 병열연결된 한 쌍의 전지 12 Set를 서로 직렬연결하여 형성되는 2P12S모듈을 제작하기 위한 배터리모듈을 제시한다. 이때 상기 배터리모듈은 상기 배터리전지의 대향되는 양측에 형성되는 상기 양극단자 및 음극단자가 배치되는 조합에 따라 다양한 모듈을 형성할 수 있으며, 하기에서는 2개의 배터리전지를 병렬연결하고, 병렬연결된 한 쌍의 배터리전지가 서로 직렬연결되어 이루어지는 배터리모듈을 자세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 제2-1실시예에 따른 배터리모듈(1000)의 일부룰 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 제2-1실시예에 따른 배터리모듈(1000)의 일부를 도시한 개략도로서, 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 배터리모듈(1000)은 대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자(110) 또는 음극단자(120)가 인접하여 형성되어, 서로 병렬연결된 한 쌍의 배터리전지(100a)가 인접하는 다른 한 쌍의 배터리전지(100b)와 직렬연결되어 상기 배터리모듈(1000)을 형성하는 것을 도시하고 있으며, 도면상에는 2개의 상기 배터리전지(100a)가 병렬연결되고, 병렬연결된 한 쌍의 상기 배터리전지(100a) 3세트가 서로 직렬연결되고 있으나, 본 발명은 상기 배터리전지가 연결되는 개수에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 복수로 적층되어 상기 배터리모듈(1000)을 구성하는 것이 바람직하다.

이때, 서로 병렬연결된 한 쌍의 배터리전지(100a)는 인접하는 다른 한 쌍의 배터리전지(100a)와 직렬연결되기 위하여, 서로 직렬연결되는 전극의 방향이 동일하도록 인접하여 배치되는 다른 한 쌍의 배터리전지(100b)를 두께방향(y축)을 기준으로 길이방향(x축)으로 회전시켜 상기 전극이 향하는 방향을 반전시켜 배치함으로써, 일방향으로 적층된 배터리모듈(1000)을 구성할 수 있다. 이때 상술한 바와 같이 직렬연결을 위해 상기 배터리전지(100b)를 길이방향(x축)으로 회전시켜 반전시키게 될 경우에는 적층되는 방향에 따른 양극판 및 음극판이 적층되는 방향이 반전되지 않으나, 상기 배터리전지(100b)를 길이방향(x축)을 기준으로 두께방향(y축)으로 회전시키게 될 경우, 상기 양극판 및 음극판이 적층되는 방향이 반전되어, 성능 및 안전상의 문제를 야기할 수 있다. 더욱 자세하게는 양극판 및 음극판이 적층된 방향이 바뀌게 될 경우에는. 상기 배터리전지 내부에서 이동하는 음전하의 이동경로가 변하게 될 수 있어, 상기 양극판 및 음극판이 서로 완벽한 대칭을 이루도록 제작되어야만 하고, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터의 불량을 야기할 수 있고, 이는 배터리의 폭발사고에 직결되는 문제를 발생시킬 수 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 배터리모듈(1000)을 구성할 시에 인접하는 다른 한 쌍의 배터리전지(100a)와 직렬연결 시에는 하나의 양극판 및 음극판의 연결로도 충분하므로, 사용되지 않는 불필요한 양극단자(110) 및 음극단자(120)를 절단하거나, 불필요한 단자에 보호캡을 씌워, 상기 배터리모듈(1000)을 구성하는 것이 바람직하다.

<실시예 2-2>

도 9는 본 발명의 제2-2실시예에 따른 배터리모듈(2000)의 일부를 도시한 사시도이고, 도 10은 본 발명의 제2-2실시예에 따른 배터리모듈(2000)의 일부를 도시한 개략도로서, 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제2-2실시예에 따른 배터리모듈(2000)은 대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자(110) 또는 음극단자(120)가 인접하여 형성되어, 서로 병렬연결되는 한 쌍의 배터리전지(100)와, 대향하는 양측에 각각 서로 다른 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자(310) 및 음극단자(320)가 인접하여 형성되고, 상기 양극단자(310) 및 음극단자(320)는 길이방향으로 서로 다른 극을 갖도록 배치되어 서로 병렬연결된 다른 한 쌍의 배터리전지(300)가 직렬연결되어 상기 배터리모듈(1000)을 구성하는 것을 도시하고 있으며, 이때 상기 한 쌍의 배터리전지(100)와 직렬연결되는 다른 한 쌍의 배터리전지(300)의 전극단자(310, 320) 간의 방향을 맞추기 위해 상기 배터리전지(100, 300)의 방향을 반전시킬 필요가 없는 장점이 있다.

제2-1실시예 및 제2-2실시예에서는 복수의 배터리전지가 적층되어 하나의 배터리모듈을 이루고, 이때 배터리전지의 적층방향(y축)의 단부에서 인접하는 배터리전지와 연결되지 않는 전극은 상기 배터리전지의 적층방향(y)과 다른 방향으로 연결되기 위한 외부단자로 기능한다. 이때, 상기 배터리모듈은 적층방향(y축)의 양단에 같은 극을 갖는 단자가 형성되고, 상기 배터리전지의 길이방향(x축)으로 서로 다른 극을 갖는 전극이 형성되게 된다. 이때 상기 제2-1 및 2-2 실시예에 따른 배터리모듈(1000, 2000)은 배터리전지의 길이방향(x축, 도 16 참고)으로 병렬연결이 용이하다는 장점이 있으나, 서로 다른 극을 연결해야 하는 직렬연결 시에 서로 같은 단자가 같은 방향을 향하도록 형성되어, 어느 하나의 단자를 절단 또는 절연시켜야 하는 문제가 발생한다.

하기에서는 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 배터리전지의 길이방향(x축)으로 서로 같은 극을 갖는 외부단자가 형성되는 배터리모듈을 제시한다.

<실시예 2-3>

도 11은 본 발명의 제2-3실시예에 따른 배터리모듈을 도시한 사시도이고, 도 12는 본 발명의 제2-3실시예에 따른 배터리모듈의 도시한 개략도로서, 도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제2-3실시예에 따른 배터리모듈(3000)은 일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 상기 양극단자(510) 또는 음극단자(520) 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 길이방향으로 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 상기 양극단자(510) 또는 음극단자(520) 한 쌍이 형성되어, 서로 병렬연결된 한 쌍의 배터리전지(400, 500)가 인접하는 다른 한 쌍의 배터리전지(400, 500)와 직렬연결될 수 있으며, 이때 상기 배터리전지(400, 500)는 서로 다른 극성을 갖는 전극단자(420, 510)를 하나씩만 갖도록 배치되고, 서로 대응되는 방향에 서로 같은 극성을 갖는 전극단자를 배치할 수 있으며, 직렬연결되는 다른 한 쌍의 배터리전지(400, 500) 간에도 서로 다른 극성을 갖는 전극단자가 대응되도록 배치됨으로써 일관성 있는 모듈화 공정이 가능하다.

<실시예 2-4>

본 발명의 다른 일 양태로, 하기에서는 3개의 배터리전지가 병렬연결되고 병렬연결된 3개의 배터리전지 8개 세트가 직렬연결되어 3P8S모듈을 이루는 배터리모듈(4000)을 제시한다.

도 13은 본 발명의 제2-4실시예에 따른 배터리모듈을 도시한 사시도이고, 도 14 및 도 15는 본 발명의 제2-4실시예에 따른 배터리모듈의 도시한 개략도로서, 도 13 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 제2-4실시예에 따른 배터리모듈(4000)은 길이 방향으로 대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 상기 양극단자(110) 또는 음극단자(120)가 인접하여 형성되는 배터리전지(100) 및 상기 배터리전지(100)의 적층방향으로 양측에 적층되어 상기 배터리전지(100)와 병렬연결되며, 일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 상기 양극단자(410, 510) 또는 음극단자(420, 520) 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 상기 양극단자(410, 510) 또는 음극단자(420, 520) 한 쌍이 형성되는 한 쌍의 배터리전지(400, 500)를 포함하여, 서로 병렬연결된 상기 배터리전지(100) 및 한 쌍의 배터리전지(400, 500)가 복수로 적층되며 서로 직렬연결되어 상기 배터리모듈(4000)을 구성한다.

이때, 상기 배터리모듈(4000)은, 도 14에 도시된 바와 같이 배터리전지가 500 - 100 - 400 순으로 병렬연결되는 배터리모듈(4000a)과, 도 15에 도시된 바와 같이 배터리전지가 400 - 100 - 500 순으로 병렬연결되는 배터리모듈(4000b)로 구성될 수 있으며, 여기에서 상기 배터리모듈(4000a) 및 배터리모듈(4000b)은 상기 외부단자를 이루는 전극단자의 방향이 반전된 형상으로 제작된다. 이는 상기 제2-3 및 제2-4 실시예에 따른 배터리모듈(3000, 4000)의 외부단자가 적층방향(y축)으로의 양단에 서로 다른 극을 형성함으로써, 외부단자의 극을 반전하기 위하여는 양극판 및 음극판이 적층된 방향이 반전되는 문제가 발생함에 따라, 각기 병렬연결되는 배터리전지(400, 500)의 순서를 바꿔 외부단자의 전극방향이 반전된 두 개의 배터리모듈(4000a, 4000b)을 제작할 수 있다.

더하여, 본 발명의 요지에 벗어남 없이, 본 발명의 배터리모듈은 전술한 2P12S의 배터리모듈이 아닌, 복수의 병렬 연결된 배터리전지들이 서로 직렬연결 되어 하나의 배터리모듈을 이루는 형태로 이루어질 수 있으며, 더욱 자세하게는 적어도 2개 이상의 배터리전지가 적층되어, 각각 서로 같은 극성을 띄는 인접한 양극단자 또는 음극단자가 서로 병렬 연결되고, 상기 병렬 연결된 적어도 2개 이상의 배터리전지가 복수로 적층되되, 어느 하나의 상기 병렬 연결된 적어도 2개 이상의 배터리전지와 인접하여 적층되는 다른 하나의 상기 병렬 연결된 적어도 2개 이상의 배터리전지는 서로 인접하는 양극단자 및 음극단자를 직렬 연결함으로써, 다양한 규격의 배터리모듈을 구성할 수 있다.

도 16 및 도 17은 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리모듈 간의 결합을 도시한 예시도로서, 도 16은 본 발명의 제2-4실시예에 따른 상기 배터리전지의 적층방향으로의 양단부에 형성된 외부전극을 이루는 전극단자가 서로 다른 극으로 이루어진 배터리모듈의 배터리전지의 적층방향(y축) 및 길이방향(x축)으로의 직렬 및 병렬연결을 도시하고 있다. 이때, 상기 배터리전지는 Y축 방향으로 복수 개가 적층되어 형성되어 복수의 배터리모듈(4000a)을 형성하고, 각각의 배터리모듈(4000a)은 인접하여 X축 또는 Y축 방향으로 적층되어 하나의 배터리모듈을 구성할 수 있다.

< Section - A >

도 16의 Section-A는 상기 배터리모듈(4000a)이 배터리전지의 적층방향으로 직렬연결되는 것을 도시하고 있으며, 여기에서 상기 배터리모듈(4000a)은 Y축 방향으로 인접하여 적층된 다른 하나의 배터리모듈(4000a)과 서로 다른 극성을 띄는 상기 양극단자(410) 및 음극단자(520)가 연결되어 서로 직렬연결 될 수 있다.

< Section - B>

도 16의 Section-B는 상기 배터리모듈(4000a)이 배터리전지의 길이방향(X축)으로 직렬연결되는 것을 도시하고 있으며, 여기에서 상기 배터리모듈(4000a)은 X축 방향으로 인접하여 적층된 다른 하나의 배터리모듈(4000b)과 서로 다른 극성을 띄는 상기 양극단자(410) 및 음극단자(520)가 연결되어 서로 직렬연결 될 수 있다. 이때, 상기 배터리모듈 (4000a)는 배터리전지가 500 - 100 - 400 순으로 병렬연결되어 구성되며, 상기 배터리모듈(4000b)은 배터리전지가 400 - 100 - 500 순으로 병렬연결되어 구성된 것으로, 직렬연결되는 배터리모듈(4000a, 4000b)이 X축 방향으로 서로 대면되는 외부단자를 이루는 전극단자가 다른 극성을 띄는 상기 양극단자(410) 및 음극단자(520)를 갖도록, 상기 외부단자가 적층방향(y축)으로의 양단에 서로 다른 극을 형성하도록 상기 외부단자의 전극단자에 방향이 반전된 형상을 이루는 한 쌍의 배터리모듈(4000a, 4000b)을 이용하여 연결되는 것이 바람직하다.

< Section - C>

도 16의 Section-C는 상기 배터리모듈(4000a)이 배터리전지의 적층방향으로 병렬연결되는 것을 도시하고 있으며, 여기에서 상기 배터리모듈(4000a)은 Y축 방향으로 인접하여 적층된 다른 하나의 배터리모듈(4000a)과 서로 같은 극성을 띄는 상기 양극단자(410) 및 음극단자(520)가 연결되어 병렬연결 될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 배터리전지의 조합으로 구성된 배터리모듈은 설계된 규정에 맞추어 다양한 변형실시가 가능하며, 배터리모듈의 길이방향 및 두께방향으로의 자유로운 연결이 가능한 장점이 있다.

필요에 따라 전극단자 사이 직접 연결이 힘든 경우 도 18 내지 21에서와 같이 외부 버스바를 이용하여 배터리전지 간의 직렬 및 병렬연결 할 수 있으며, 별도의 전기전도성 부재(bus bar)를 매개체로 상기 배터리모듈을 이루는 배터리전지들의 전극단자들이 연결될 수 있으며, 본 발명의 요지에 벗어남 없이, 본 발명의 배터리전지들의 전극단자간에 연결은 다양하게 변형실시 될 수 있을 것이다.

이때, 본 발명의 배터리전지는 전극단자가 복수로 구성됨으로써, 도 19의 (b), 도 20의 (b) 및 도 21의 (b)에서 도시한 바와 같이, 직렬연결하기 위한 배터리전지를 높이방향으로 반전시켜 인접하는 전극단자 간 접촉을 통해 직렬연결됨으로써, 인접하는 전극단자 간의 연결을 별도의 버스바를 통하지 않고 연결될 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000, 2000, 3000, 4000 : 배터리모듈
100, 200, 300, 400, 500 : 배터리전지
110, 210, 310, 410, 510 : 양극단자
120, 220, 320, 420, 520 : 음극단자
130, 230, 330, 430, 530 : 전극조립체
140, 240, 340, 440, 540 : 외장케이스

Claims

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외장케이스의 외부로 양극단자 및 음극단자를 포함하는 전극단자가 돌출 형성되는 배터리전지가 복수 개 적층되어 형성되는 배터리모듈에 있어서,
상기 외장케이스는 파우치형이며,
상기 배터리전지는 일측에 양극 또는 음극으로 이루어지는 단자가 적어도 두 개 형성되고, 상기 일측과 대향되는 타측에 양극 또는 음극으로 이루어지는 단자가 적어도 두개 형성되며,
상기 파우치형 외장케이스의 양측으로 돌출된 단자와 이웃한 배터리전지 단자의 직접적인 직렬 또는 병렬 연결에 의해 상기 복수의 배터리전지가 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 배터리모듈.
제7항에 있어서,
상기 배터리모듈은,
대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 복수의 양극단자 또는 음극단자가 인접하여 형성되어, 서로 병렬연결된 복수의 배터리전지가 복수로 구성되어, 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 하는, 배터리모듈.
제7항에 있어서,
상기 배터리모듈은,
대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 양극단자 또는 음극단자가 인접하여 형성되어, 서로 병렬연결되는 복수의 배터리전지와,
대향하는 양측에 각각 서로 다른 극성을 띄는 한 쌍의 양극단자 및 음극단자가 인접하여 형성되고, 상기 양극단자 및 음극단자는 길이방향으로 서로 다른 극을 갖도록 배치되어 서로 병렬연결된 복수의 배터리전지가 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 하는, 배터리모듈.
제7항에 있어서,
상기 배터리모듈은,
일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 양극단자 또는 음극단자 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 양극단자 및 음극단자 한 쌍이 형성되어, 서로 병렬연결된 복수의 배터리전지가 복수로 구성되어, 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 하는, 배터리모듈.
제7항에 있어서,
상기 배터리모듈은,
대향하는 양측에 각각 서로 같은 극성을 띄는 한 쌍의 양극단자 또는 음극단자가 인접하여 형성되는 배터리전지 및,
상기 배터리전지의 전후방향으로의 양측에 적층되어 상기 배터리전지와 병렬연결되며, 일측에 인접하여 서로 같은 극을 갖는 양극단자 또는 음극단자 한 쌍이 형성되고, 상기 일측과 대향하는 타측에 인접하여 서로 다른 극을 갖는 양극단자 및 음극단자 한 쌍이 형성되는 한 쌍의 배터리전지,
를 포함하여,
서로 병렬연결된 상기 배터리전지 및 한 쌍의 배터리전지가 복수로 적층되어 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 하는 배터리모듈.