KR20050121909A - 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에서 제공하는 전지 모듈은, 복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩 단위로 구성되는 전지 모듈에 있어서, 상기 이차 전지의 단자간 연결이 양 측단에 차단홀을 구비하는 연결 부재를 통해서 이루어지며, 상기 단자와 연결 부재 사이는 상기 차단홀을 사이에 두고 저항 용접을 이루어서 전기적으로 연결되는 구조로 이루어진다.

Description

전지 모듈{SECONDARY BATTERY ASSEMBLY}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 대용량 전지에 있어서 이차 전지간 연결구조를 개선시킨 전지 모듈에 관한 것이다.

이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면, 하나 또는 수 개의 이차 전지를 팩 형태로 포장하여 사용하는 저용량 이차 전지(이하, '전지 셀')와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 전지 팩 단위의 모터 구동용 대용량 이차 전지(이하, '전지 모듈')로 구분할 수 있다.

이중, 전지 셀은 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용되며, 전지 모듈은 하이브리드 자동차에서처럼 모터 구동용 전원으로 사용된다.

이차 전지는 주로 원통형이나 사각형의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극 조립체(또는, 젤리롤)를 형성하고, 이를 원통형의 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다.

그리고, 상기 양, 음극판에는 리드 단자 즉, 전지의 작용시 양, 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되며, 이 도전성 탭은 전극 조립체에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.

이처럼 구성된 이차 전지의 구조를 그대로 전지 모듈에 적용하는 경우에는 용량이나 출력면에서 전지 모듈의 동작 특성을 만족시키지 못하기 때문에, 복수의 탭을 전극 조립체 사이에 부착하여 사용하는 멀티탭 구조의 이차 전지가 일본국 공개특허 제2003-7346호에서 제안되었다. 이 이차 전지는 전극 조립체의 일 방향으로 복수의 탭을 형성하고, 이들 탭을 외부 단자와 연결하는 내부 단자와 결합한 구조이다.

또 다른 형태로는 탭 구조를 대신하는 집전판 구조가 있다. 이 집전판 구조의 이차 전지는 전극군과 집전판 사이의 접촉 면적으로 증대시켜 접촉 저항을 줄여 집전 성능을 좋게 할 수 있기 때문에 주로 전지 모듈로 구성되는 이차 전지에 많이 이용되고 있다.

이 같은 구성을 갖는 이차 전지를 기본 단위로 해서 이루어진 전지 모듈은 통상적으로 각형으로 형성되고, 케이스 밖으로 돌출된 전극 단자를 이웃한 전지 셀의 전극 단자와 바(bar)로 연결시킨 상태에서 볼트-너트 결합으로 고정시키게 된다.

한편, 원형의 전지 모듈에서는 상술한 각형 전지 모듈과 같은 구성을 통해서 전지들을 서로 연결할 수 없기 때문에 연결 부재를 사용해서 이웃한 전지 셀을 저항 용접하는 것으로 전지 모듈을 구성하게 된다.

그런데, 대용량 고출력이 요구되는 전지 모듈의 동작 특성을 감안하면, 연결 부재에 의한 저항 성분을 감소시키기 위해서 바의 폭을 크게 함과 아울러 단면적을 키워 저항 성분이 최소가 되도록 바를 구비한다.

따라서, 상기 연결 부재를 이차 전지에 부착하는 경우에, 연결 부재의 두께로 인해서 피재 사이의 용접이 제대로 이루어지지 않아 용접 불량이 자주 발생하는 문제가 발생한다. 특히, 이러한 문제는 대전류를 사용해서 접합면을 용융 결합하는 저항 용접에서 자주 발생한다.

이에, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결해서, 이차 전지간의 고정을 더욱 견고히 이룰 수 있도록 개선한 본 발명의 전지 모듈을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 전지 모듈은,

복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩 단위로 구성되는 전지 모듈에 있어서,

상기 이차 전지의 단자간 연결이 양 측단에 차단홀을 구비하는 연결 부재를 통해서 이루어지며, 상기 단자와 연결 부재 사이는 상기 차단홀을 사이에 두고 저항 용접을 이루어서 전기적으로 연결되는 구조로 이루어진다.

이때, 상기 전지 셀들의 양, 음극 단자가 서로 엇갈리게 배치된 상태에서 인접한 전지 셀들이 상기 연결 부재로 연결되는 구조로 이루어진다.

또한, 상기 연결 부재의 길이는 이웃한 이차 전지 사이의 길이를 합친 것보다 작고, 단자들 사이의 길이보다는 크게 이루어진다.

이러한 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 상기 전극군이 원통형 젤리롤 형태로 형성해서 이차 전지의 형상이 원통형으로 형성됨이 바람직하며, 이러한 셀 단위의 이차 전지가 직렬로 복수개 연결되어 하이브리드 전기 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)용도로 사용되는 전지 모듈을 형성함이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다. 이를 참조해서 본 발명의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 이차 전지는 원통형 또는 육면체 형상을 가지며 일부가 개방된 캔(11)에, 절연 물질인 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극판(23) 및 음극판(22)을 권취해서 형성한 전극 조립체(20)를 삽입하고, 가스켓(32)을 매개로 캔(11)의 개방된 부분을 캡 조립체(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.

먼저, 캔(11)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 상기 전극 조립체(20)가 삽입 안착될 수 있는 공간이 형성된 원통형으로 형성됨이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다.

다음으로, 전극 조립체(20)는 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 이를 귄취해서 형성한 전극군(25)과, 상기 전극군(25)의 길이 방향 단부(도면에서는 위, 아래)에 형성된 무지부(22b, 23b)와 선택적으로 연결된 양, 음극 집전판(70, 50)을 포함해서 이루어진다.

먼저, 전극군(25)은 양극 및 음극용 활물질을 각각의 집전체에 코팅해서 양극판(23)과 음극판(22)을 구성하고, 이들을 감아 젤리롤(jelly roll) 타입으로 전극군(25)을 형성한다. 이때, 양극판(23) 및 음극판(22)의 각각 단부에는 활물질을 도포하지 않고 형성한 무지부(22b, 23b)가 극판들보다 위, 아래로 각각 돌출되게 배치되어 있다. 이에 따라, 전극군(25)의 위로는 양극 무지부(23b)가 돌출 형성되고, 아래로는 음극 무지부(22b)가 돌출된 형상을 이룬다.

이렇게 전극군(25)을 구성한 상태에서, 전극군(25)의 위로는 양극 집전판(70)을 무지부(23b)에 접촉되도록 올려놓고, 아래로는 음극 집전판(50)을 음극 무지부(22b)에 접촉시킨 상태에서, 이들을 전극군(25)과 용접해서 고정시키는 것으로 전극 조립체(20)가 완성된다.

그리고, 캡 조립체(30)는 외부 단자(31a)를 가지는 캡 플레이트(31)와, 상기 캔(11)과 상기 캡 플레이트(31)를 절연시키는 가스킷(32)을 포함하며, 선택적으로 설정된 압력에서 파손되어 전지의 폭발을 방지하는 안전변(미도시)이 더 포함될 수도 있다. 한편, 상기 가스킷(32)은 절연 물질로 구성되어서 캔(11)을 밀봉하면서도 양극으로 이루어지는 캡 조립체(30)와 음극으로 이루어지는 캔(11) 사이를 절연시키게 된다.

이처럼 구성된 캡 조립체(30)는 리드선(60)을 통해서 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결된다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 이차 전지는, 상기 캔의 공간부에 전극 조립체(20)가 삽입 안착된다. 따라서, 음극판(22)과 서로 연결되어 있는 음극 집전판(50)이 캔(11)의 바닥면에 접촉되고, 이 상태에서 음극 집전판(50)과 바닥면을 저항 용접을 통해 고정하게 된다. 이에 따라, 캔(11)의 바닥면이 음극 단자(11a)를 형성하게 된다. 또한, 상기 캔의 공간부 위로는 캡 조립체(30)가 결합되고, 이 상태에서 양극 접전판(70)과 캡 조립체(30)가 리드선(60)을 통해서 서로 연결된다. 이에 따라, 캡 조립체(30)가 전지의 양극을 형성해서 본 실시예에 따른 이차 전지가 완성된다(도 2 참조).

이하, 이처럼 구성되는 이차 전지들을 가지고 40개 정도를 모아 전지 모듈로 구성하는 실시예에 대해서 설명한다. 이하의 설명도 상기 이차 전지가 원통형으로 구성되는 경우를 예로써 설명하나 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다.

이에 대해서 도 3 내지 도 6을 참조로 설명한다.

도 3에서 도시하고 있는 바처럼, 본 실시예의 전지 모듈은 복수의 이차 전지들을 양, 음극 단자가 일 방향에서 상호 교번하는 형태로 배열될 수 있게 전지들을 서로 엇갈리게 배열한 상태에서, 인접한 2개의 이차 전지를 아래에서 설명하는 연결 부재(10)를 사용해서 서로 연결한 구조로 이루어진다.

즉, 도면을 기준으로 위, 아래로 형성되어 있는 이차 전지의 양극 단자(31a) 및 음극 단자(11a)가 동일한 방향으로 배치되게 이차 전지를 서로 반대 방향을 향하도록 각각 배치한 상태로 복수의 전지들을 인접해서 배열한다. 이에 따라서, 제1 및 제2 방향으로는 양극(31a) 및 음극 단자(11a)가 상호 교번하는 형태로 배열이 이루어진다. 이때, 전지 사이는 일정한 거리를 유지하는 것이 바람직한데, 전지의 캔이 음극 단자를 형성하고 있기 때문에 접촉에 의한 숏트가 발생될 수 있기 때문에 전지 사이는 소정 거리를 유지한다.

이 상태에서, 제1 방향의 양극 단자(31a) 및 음극 단자(11a)를 한 쌍씩 짝을 이루어 연결부재(10)를 사용해서 서로 연결한다.

한편, 대향하는 반대편의 제2 방향에서는 제1 방향에서 연결 부재(10)로 서로 연결되지 않은 이웃한 전지들에 대해서 짝을 이룬 다음에, 이들을 연결부재(10)로 서로 연결해서 전지 모듈을 구성한다.

이 같은 구성은 이차 전지들을 직렬로 서로 연결한 경우에 대해서 설명한 것이나, 선택적으로 이차 전지들은 병렬로도 연결될 수 있음은 물론이다.

그리고, 연결부재(10)와 전지의 각 양, 음극 단자(11a, 31a)는 저항 용접을 통해서 서로 고정되는데, 이때 사용되는 연결 부재(10)의 모습이 도 4에 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 연결 부재(10)는 금속의 통전성이 좋은 재질로 제작되는 것이 바람직하며, 그 형상은 저항이 최소가 될 수 있도록 단면적이 크면서도 폭이 넓은 형태의 육면체 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 이 연결 부재(10)는 폭 방향보다 길이 방향이 더 긴 사각 모양을 갖는다.

그리고, 양측 단부, 즉 길이 방향의 양 단부로는 폭 방향으로 긴 차단홈(13a, 13b)이 형성되어 있다. 상기 차단홈(13a, 13b)은 슬롯(slot) 모양으로 형성됨이 바람직하다.

이 차단홈(13a, 13b)은 연결 부재(10)의 두께로 인한 저항 용접의 단점을 보완하는데, 저항 용접에서 모재(연결 부재)의 두께가 너무 두꺼우면, 전류가 피재(단자)에 도달하기 전에 모재를 통해서 용접 바(91a ∼ 91d) 사이로 전달이 이루어진다. 따라서, 모재와 피재 사이의 접합면에서 용접이 제대로 되지 않게 되는데, 상기 차단홈(13a, 13b)은 모재를 통한 전류의 흐름을 원천적으로 차단해서 상술한 문제점을 해결할 수 있도록 한다.

도 5 및 도 6은 상술한 차단홈을 사용한 본 실시예의 용접 방법을 보여주는 도면인데, 한 쌍의 용접 바(91a ∼ 91d)를 차단 홈(13a, 13b)을 사이에 두고 각각의 용접 포인트(P)에 위치시킨다. 이 상태에서, 모재에 큰 전류를 흘려 보내게 되면, 차단홈(13a, 13b)으로 인해서 전류가 모재 사이에서 흐르지 못하고, 피재를 통해서 인접한 용접 바로 전달이 되면서, 접합면(A)이 용융 상태로 되어 용접이 이루어진다. 따라서, 종전과 비교해서 더욱 견고하게 연결 부재(10)와 전극 단자(11a, 31a)를 저항용접으로 고정할 수 있게 된다.

이로 인해서, 연결 부재(10)의 형상도 저항이 최소가 되는 형태, 즉 단면적은 크면서도 폭이 넓은 형태로 제한없이 자유롭게 형성할 수가 있어, 전체적으로는 전지 모듈의 동작 특성을 향상시키는 효과가 있다.

한편, 이 연결 부재(10)는 이웃한 한 쌍의 전지들을 합친 길이(L1)보다 작게 형성하는 것이 바람직하고, 단자들 사이의 길이(L2)보다는 크게 형성되어야 한다. 만약, 연결 부재(10)의 길이가 'L1'보다 크게 되면, 접촉되지 않아야 하는 이웃한 전지들과 접촉해서 전지들을 숏트시킬 수가 있으며, 'L2'보다 작게 되면은 단자들을 연결할 만한 용접 포인트(P)를 확보할 수가 없다.

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.

본 발명에 따르면, 상술한 문제점을 해결해서 전지 모듈을 구성하는데 있어서 저항 성분은 낮추면서도 전지 사이를 더욱 견고하게 고정할 수가 있다. 이로 인해서, 전지간 집전 효율이 좋아져 전지 모듈의 동작 특성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 보여주는 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시한 이차 전지의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 보여주는 부분 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 부재를 보여주는 사시도이다.

도 5는 이차 전지의 단자와 연결 부재의 용접 관계를 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 다른 연결 부재를 사용한 저항 용접을 설명하는 도면이다.

Claims (8)

1. 복수의 이차 전지를 서로 연결해서 팩 단위로 구성되는 전지 모듈에 있어서,

   상기 이차 전지의 단자간 연결이 양 측단에 차단홀을 구비하는 연결 부재를 통해서 이루어지며, 상기 단자와 연결 부재 사이는 상기 차단홀을 사이에 두고 저항 용접을 이루어서 전기적으로 연결되는 구조의 전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연결 부재의 길이가 이웃한 한 쌍의 이차 전지의 길이를 합친 것보다 작고, 단자들 사이의 길이보다는 크게 이루어진 전지 모듈.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이차 전지들의 양, 음극 단자가 서로 엇갈리게 배치된 상태에서 이웃한 한 쌍의 이차 전지들이 상기 연결 부재로 연결되는 전지 모듈.
4. 제1항에 있어서,

   상기 차단홀이 상기 연결 부재의 길이 방향과 교차하게 형성되는 전지 모듈.
5. 제1항에 있어서,

   상기 차단홀이 슬롯(slot) 형태로 이루어진 전지 모듈
6. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 연결 부재가 폭 방향 보다 길이 방향으로 더 긴 사각형 모양으로 이루어지는 전지 모듈.
7. 제6항에 있어서,

   상기 이차 전지가 원통형 또는 각형으로 이루어지는 전지 모듈.
8. 제6항에 있어서,

   상기 전지 모듈이 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용인 이차 전지를 이용한 전지 모듈.