KR20050123486A - 이차 전지 및 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 BMS의 회로구성을 단순화시키고, 안정성을 높이며 규격화를 통해 전체 시스템을 단순화시킬 수 있도록, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군을 케이스 내부에 설치하고 있는 이차 전지에 있어서, 상기 케이스 일측에 상기 전지를 보호하는 보호회로가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부가 형성되며, 상기 몰딩부의 외측으로 상기 보호회로와 연결된 단자가 돌출된 구조의 이차 전지를 제공한다.

Description

이차 전지 및 전지 모듈{SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY MODULE}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 전지 모듈을 구성함에 있어서, 전지 모듈의 구성을 단순화할 수 있도록 된 이차 전지와 전지 모듈에 관한 것이다.
최근들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
이와 같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
그리고 각각의 단위전지는 통상 각형 전지의 경우 캡 조립체 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 각 단위전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결 설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.
여기서 상기한 전지모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 따라 단위 전지들로부터 발생되는 열을 방열시키기 위한 냉각구조와 안전수단 그리고 시스템 회로 등이 구비되어 전지 모듈의 부피가 커지는 문제점이 있다.
또한, 상기 전지 모듈의 경우 단위 전지의 개수가 많아 각 단위 전지의 과방전, 과충전, 과전류, 과대 입력 및 과열을 방지하기 위해 입력 또는 출력 전류를 제한하는 별도의 전지관리시스템(BMS;Battery Management System)(이하 설명의 편의를 위해 BMS라 한다)이 설치되는 데, 종래 구조의 경우 상기 BMS가 단위 전지의 충방전시 적정 전류를 인가할 수 있도록 충방전 제어를 위한 회로와 더불어 각 단위 전지의 이상작동시 단위 전지를 보호하기 위한 보호회로가 내장됨으로써 회로가 복잡하고 설계가 어려운 단점이 있다.
따라서 EV 또는 HEV용과 같이 대용량이 요구되는 이차 전지의 경우 단위 전지의 개수 또한 많아지게 되어 BMS의 단순화가 무엇보다도 절실한 실정이다.
따라서 본 발명은 상기한 제반 필요성을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 BMS의 회로구성을 단순화시킬 수 있도록 된 이차 전지와 전지 모듈을 제공함에 있다.
또한, 안정성을 높이고 규격화를 통해 전체 시스템을 단순화시킬 수 있도록 된 이차 전지와 전지 모듈을 제공함에 또다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단위 전지 각각에 보호회로를 설치하고 이를 수지로 몰딩처리함을 그 요지로 한다.
이를 위해 본 발명은
양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군을 케이스 내부에 설치하고 있는 이차 전지에 있어서,
상기 케이스 일측에 상기 전지를 보호하는 보호회로가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부가 형성된 구조로 되어 있다.
상기 수지 몰딩부는 액상의 수지를 경화시켜 몰딩부를 형성하는 구조로, 보호회로를 덮은 상태로 케이스에 부착 경화되며 외측면은 평면 형태를 이루어 몰딩부 외측으로 단자가 돌출되도록 함이 바람직하다.
여기서 상기 케이스의 개구부에는 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체가 설치되며, 상기 보호회로 및 수지 몰딩부는 상기 캡 조립체 상에 설치됨이 바람직하다.
이에 상기 수지 몰딩부를 통해 보호회로가 이차 전지와 고정되며 상기 수지 몰딩부 상으로 노출된 단자를 통해 이웃하는 이차 전지와 연결된다.
상기 이차 전지는 전극군이 젤리롤 형태로 감기고 상기 케이스는 각형 또는 원통형으로 이루어질 수 있으며 바람직하게는 각형으로 이루어진다.
또한, 상기 이차 전지는 EV용 또는 HEV용 이차 전지일 수 있다.
또한, 상기 전극군을 이루는 상기 양,음극판은 집전체와 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지는 데, 본 이차 전지의 경우 상기 무지부는 각 극판의 일측단을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 양극판과 음극판에 대해 서로 대향하는 방향으로 배치되어 전극군의 양단을 이루도록 한다.
바람직하게는 캡 조립체가 상부를 향하도록 케이스를 세웠을 때 전극군의 양단 무지부가 케이스의 상부와 하부에 위치하도록 전극군이 배치되고, 상기 각 극판의 무지부에 탭 또는 집전판이 부착설치되어 케이스 및 리드를 매개로 캡 조립체 상의 단자와 전기적으로 연결되도록 한다.
더욱 바람직하게는 캡 조립체가 상부를 향하도록 케이스를 세웠을 때 음극판의 무지부와 양극판의 무지부가 케이스의 양 측면에 배치되도록 하여 상기 캡 조립체에 설치된 양,음극단자가 탭 또는 집전판을 매개로 상기 양,음극판의 무지부와 전기적으로 연결되도록 한다.
한편, 본 발명에 따라 상기한 이차 전지를 단위 전지로 하여 전지 모듈을 구성하는 구조를 살펴보면, 상기 전지 모듈은
케이스 일측에 전지를 보호하는 보호회로가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부가 형성된 다수개의 단위 전지와,
상기 단위 전지가 전기적으로 연결되는 BMS
를 포함한다.
이와같이 단위 전지를 보호하는 보호회로가 몰딩부에 덮여져 각 단위 전지에 개별적으로 설치됨에 따라 단위 전지와 별도로 구비되는 BMS에서 보호회로 구성을 제외할 수 있게 되어 그만큼 BMS의 회로 구성을 단순화시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예에 따르면 BMS를 단위 전지에 일체로 구성할 수 있다.
즉, 상기 전지 모듈은 케이스 일측에 전지를 보호하는 보호회로가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부가 형성된 다수개의 단위 전지와,
상기 단위 전지가 전기적으로 연결되고 상기 배열된 단위 전지 상에 놓여지는 BMS,
상기 BMS를 덮어 단위 전지 상에 형성되는 전면 수지 몰딩부
를 포함한다.
이에 따라 전면 수지 몰딩부가 각 단위 전지의 일면을 덮어 전체를 하나로 연결 고정시키고 더욱이 그 내부에 BMS가 내장되어 일정간격으로 배열된 단위 전지를 하나로 팩키지화함으로써 구조를 단순화시킬 수 있게 된다.
여기서 상기 BMS는 상기 단위 전지의 수지 몰딩부 상에 놓여지고, 그 위에 상기 전면 수지 몰딩부가 덮여져 부착 경화됨이 바람직하다.
한편, 상기 구조 이외에 본 발명의 전지 모듈은
케이스 일측에 전지를 보호하는 보호회로가 구비된 다수개의 단위 전지와,
상기 다수개의 단위 전지의 보호회로 상에 놓여지고 각 단위 전지가 전기적으로 연결되는 BMS,
상기 각 단위 전지의 보호회로와 BMS를 덮어 단위 전지 상에 형성되는 전면 수지 몰딩부
를 포함할 수 있다.
여기서 상기 전면 수지 몰딩부는 각 단위 전지의 보호회로와 BMS를 일체로 덮어 각 단위전지를 하나의 몸체로 연결시키게 된다.
여기서 상기 전지 모듈은 EV용 또는 HEV용인 전지 모듈일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 먼저 전지모듈을 구성하는 단위 전지에 대해 살펴보면, 상기 단위 전지(2)는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과, 전해액과 함께 전극군(10)을 수용할 수 있도록 일측 선단이 개방된 케이스(20)와, 상기 케이스(20)의 개구부 상단에 설치되고 케이스(20)를 밀봉하는 캡 조립체(30)와, 상기 전극군(10)의 양,음극판(11,12)과 전기적으로 연결되는 양,음극 집전판(40,50)을 포함하며, 상기 캡 조립체(30) 상에 전지를 보호하기 위한 보호회로(60)가 설치되고, 그 위에 수지로 몰딩부(70)가 형성된 구조로 되어 있다.
이에 따라 상기 몰딩부(70)가 보호회로(60)를 덮으면서 캡 조립체(30) 외측에 부착되어 단위 전지(2)와 보호회로(60)를 일체로 연결시키게 된다.
즉, 단위 전지(2)와 보호회로(60)가 수지 몰딩부(70)를 매개로 하나의 유닛(unit)으로 일체화되는 것이다.
여기서 상기 몰딩부(70)는 액상의 수지를 경화시켜 몰딩부(70)를 형성하는 구조로, 보호회로(60)가 설치된 캡 조립체(30) 상에 액상의 수지를 도포하여 보호회로(60)를 덮은 상태로 이를 경화시킴으로써 캡 조립체(30) 상부에 몰딩부(70)를 형성시킬 수 있게 된다.
상기 몰딩부(70)를 형성하는 수지는 상온에서 경화되고 전지의 성능에 영향을 주지 않는 재질이면 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 에폭시수지나 열가소성수지가 사용된다.
또한, 상기 전극군(10)을 좀더 상세하게 살펴보면 다음과 같다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 각형의 케이스(20)에 젤리롤 형태로 감겨진 전극군이 위치하는 경우를 예로써 설명한다. 또한, 본 실시예에서는 각 집전체(40,50)와 전기적으로 연결되는 무지부(11a,12a)가 상기 전극군(10)을 이루는 각 극판(11,12)의 일 측단을 따라 형성된 구조를 예로써 설명한다. 물론, 본 발명은 상기 구조에 한정되지 않으며 케이스의 구조나 무지부의 구조에 관계없이 모두 적용가능하다 할 것이다.
이에 본 실시예에 따라 상기 단위 전지를 이루는 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅된 코팅부를 포함하는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감고 가압하여 형성된 원통형의 젤리롤 타입으로 이루어진다.
그리고 양극판(11)의 무지부(11a)와 음극판(12)의 무지부(12a)가 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(20)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 상방향으로 놓여졌을 때를 기준으로 상기 양극판(11)의 무지부(11a)가 상부를 향하여 양극 집전판(40)과 용접되고 상기 음극판(12)의 무지부(12a)가 하부를 향하여 음극집전판(50)과 용접되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 각 집전판(40,50)은 캡 조립체(30) 상부에 설치되는 양극단자(32)와 음극단자(33)에 전기적으로 연결되며 본 실시예에 따라 상기 캡 조립체(30) 상에 보호회로(60)가 설치되어 필요시 각 단자의 전기적 연결을 회로적으로 차단하게 된다.
한편, 상기한 구조의 단위 전지(2)를 다수개 배열하여 구성되는 전지모듈(1)을 살펴보면 다음과 같다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도이다.
상기한 도면을 참조하면, 본 전지모듈(1)은 케이스(20) 일측에 전지를 보호하는 보호회로(60)가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부(70)가 형성된 다수개의 단위 전지(2)와, 상기 단위 전지(2)가 전기적으로 연결되는 BMS(80)를 포함한다.
상기 각 단위 전지(2)는 전지 모듈(1)의 외형을 이루는 하우징(도시되지 않음) 내에 일정간격을 두고 배열 설치되어 상호 전기적으로 연결되며, 전체 단위 전지(2)는 별도로 구비된 BMS(80)에 또한 전기적으로 연결되어 BMS(80)를 통해 제어 제어작동된다.
상기 BMS(80)는 전지관리시스템으로 전지모듈 전체의 과충방전 그리고 과전류나 과대 입력 및 과열을 방지하기 위해 입력 또는 출력 전류를 제한하는 회로구성을 갖고 있으며, 본 실시예의 경우 상기와 같이 전지 모듈을 구성하는 각 단위 전지(2)마다 자체적으로 보호회로(60)가 구비됨에 따라 BMS(80)의 회로를 설계함에 있어서 각 단위 전지(2)의 보호에 대한 회로구성을 제외할 수 있게 된다.
즉, 단위 전지(2)를 보호하는 보호회로(60)가 몰딩부(70)에 덮여져 각 단위 전지(2)에 개별적으로 설치됨에 따라 단위 전지(2)와 별도로 구비되는 BMS(80)에서 보호회로(60) 구성을 제외할 수 있게 되어 그만큼 BMS(80)의 회로 구성을 단순화시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 또다른 실시예에 따르면 상기 전지 모듈(1)은 수지 몰딩을 통해 BMS(80)를 단위 전지(2)에 일체화시킬 수 있다.
이를 위해 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전지 모듈(1)은 케이스(20)의 캡 조립체(30) 상에 전지를 보호하는 보호회로(60)가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부(70)가 형성된 다수개의 단위 전지(2)와, 상기 단위 전지(2)가 전기적으로 연결되고 상기 배열된 단위 전지(2) 상에 놓여지는 BMS(80), 상기 BMS(80)를 덮어 단위 전지(2) 상에 형성되는 전면 수지 몰딩부를 포함한다.
상기 전면 수지 몰딩부(90)는 단위 전지(2)에 형성되는 몰딩부(70)와 동일한 재질로 이루어지고, 단위 전지(2)에 형성되는 수지 몰딩부(70) 상에 형성됨이 바람직하다.
여기서 상기 BMS(80)는 기판 상으로 형성되어 일정간격으로 배열된 각 단위 전지(2)의 수지 몰딩부(70) 위에 걸쳐져 놓여진다. 그리고 상기 BMS(80) 위에 액상의 수지가 도포되어 경화됨으로써 다수개의 단위 전지(2)가 하나의 몸체를 이루는 전면 수지 몰딩부(90)에 결합된다.
이와 같이 일차로 각 단위 전지(2)는 개별적으로 몰딩부(70)가 형성되어 보호회로(60)가 일체로 설치되고 이차로 전면 수지 몰딩부(90)가 각 단위 전지(2)의 수지 몰딩부(70)를 덮어 전체 단위 전지(2)를 하나로 연결 고정시키고 더욱이 그 내부에 BMS(80)가 내장되어 일정간격으로 배열된 단위 전지(2)를 하나로 팩키지화함으로써 구조를 단순화시킬 수 있게 된다.
도 4는 일정간격으로 배열된 단위 전지(2) 상부에 전면 수지 몰딩부(90)가 형성되어 전체 단위 전지(2)가 하나로 팩키지화된 구조를 잘 예시하고 있다.
또한, 상기 전지 모듈(1)의 또다른 실시예에 따르면 도 5에 도시된 바와 같이 케이스(20)의 캡 조립체(30) 상에 전지를 보호하는 보호회로(60)가 구비된 다수개의 단위 전지(2)와, 상기 다수개의 단위 전지(2)의 보호회로(60) 상에 놓여지고 각 단위 전지(2)가 전기적으로 연결되는 BMS(80), 상기 각 단위 전지(2)의 보호회로(60)와 BMS(80)를 덮어 단위 전지(2) 상에 형성되는 전면 수지 몰딩부(90)를 포함할 수 있다.
이러한 구조는 BMS(80)와 별도로 보호회로(60)를 마련하여 각 단위 전지(2)에 설치함과 더불어 전면 수지 몰딩부(90)를 통해 각 단위 전지(2)에 설치되는 보호회로(60)와 BMS(80)가 덮여져 각 단위 전지(2)와 더불어 하나로 팩키지화된다.
상기한 본 발명의 전지 모듈(1)은, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 전지 모듈을 이루는 각 단위 전지의 보호를 위한 구성을 BMS에 별도로 설계할 필요가 없게 되어 BMS의 설계와 그 구성을 단순화시킬 수 있게 된다.
또한, 전지모듈을 이루는 각 단위 전지를 하나의 몸체로 팩키지화 함으로써 전지 모듈을 단순화시키고 규격화시킬 수 있게 된다.
또한, 보호회로가 각 단위 전지마다 설치되어 몰드로 덮여짐에 따라 단위 전지의 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 개략적인 단면도,
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도 3의 조립 상태를 도시한 개략적인 단면도,
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 개략적인 구성도이다.

Claims (12)

  1. 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군을 케이스 내부에 설치하고 있는 이차 전지에 있어서,
    상기 케이스 일측에 상기 전지를 보호하는 보호회로가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부가 형성되며, 상기 몰딩부의 외측으로 상기 보호회로와 연결된 단자가 돌출된 구조의 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 몰딩부는 액상의 수지가 보호회로를 덮어 경화되어 형성되는 이차 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보호회로와 몰딩부는 상기 케이스에 조립되는 캡 조립체 상에 설치되는 이차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 몰딩부는 에폭시 수지로 이루어지는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지는 각형으로 형성되는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지는 원통형으로 형성되는 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지는 EV용 또는 HEV용인 이차 전지.
  8. 케이스 일측에 전지를 보호하는 보호회로가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부가 형성된 다수개의 단위 전지와,
    상기 단위 전지가 전기적으로 연결되는 전지관리시스템
    를 포함하는 전지 모듈.
  9. 케이스 일측에 전지를 보호하는 보호회로가 설치되고 그 위에 수지로 몰딩부가 형성된 다수개의 단위 전지와,
    상기 단위 전지가 전기적으로 연결되고 상기 배열된 단위 전지 상에 놓여지는 전지관리시스템,
    상기 전지관리시스템을 덮어 각 단위 전지 상에 형성되는 전면 수지 몰딩부
    를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지관리시스템은 상기 단위 전지의 몰딩부 상에 놓여지고, 그 위에 상기 전면 수지 몰딩부가 덮여져 부착 경화되는 전지 모듈.
  11. 케이스 일측에 전지를 보호하는 보호회로가 구비된 다수개의 단위 전지와,
    상기 다수개의 단위 전지의 보호회로 상에 놓여지고 각 단위 전지가 전기적으로 연결되는 전지관리시스템,
    상기 각 단위 전지의 보호회로와 전지관리시스템을 덮어 단위 전지 상에 형성되는 전면 수지 몰딩부
    를 포함하는 전지 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 전면 수지 몰딩부는 각 단위 전지의 보호회로와 전지관리시스템을 덮어 각 단위전지를 하나의 몸체로 연결하는 전지 모듈.
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