KR20070093159A - 완충부재가 설치되어 있는 중대형 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수지층 및 금속층을 포함하는 전지케이스 내부에 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 단위전지로서 사용하는 전지모듈로서, 상기 단위전지는 전극단자가 위치하는 부위에 상단 실링부를 포함하고 있고, 상기 상단 실링부에 완충부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 전지모듈은 전지모듈의 낙하, 외부 충격의 인가 등에 의해 전지셀이 이동하여 전극단자, 상단 실링부 등과 같은 전지셀의 취약한 상부가 파열되거나 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 바람직한 예에서, 소망하는 전기 용량 및 출력에 따라 유연성 있게 확장 및 축소가 용이하고, 전지모듈을 구성하는 각각의 소자들과 전기적 연결을 위한 배선 등이 콤팩트하게 이루어져 있고 전기적 연결이 안정적으로 수행될 수 있도록 디자인되어 있다.

Description

완충부재가 설치되어 있는 중대형 전지모듈 {Middle or Large-sized Battery Module Employing Impact-absorbing Member}
도 1 및 도 2는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 종래의 LiPB의 일반적인 구조에 대한 모식도들이다;
도 3a 및 3b는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전지셀의 상단 실링부에 완충부재를 부착하는 과정의 모식도들이다;
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도와 측면도이다;
도 5a는 도 4a의 전지모듈에서 하부 케이스의 상면 사시도이고, 도 5b는 제 2 회로부가 장착된 상태의 하부 케이스의 하면 사시도이다;
도 6은 도 4a의 전지모듈에서 상부 케이스와 그것에 장착되는 안전부재의 하면 사시도이다.
본 발명은 완충부재를 포함하고 있는 중대형 전지모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수지층 및 금속층을 포함하는 전지케이스 내부에 전극조립체를 포함하고 있는 전지를 단위전지로서 사용하는 전지모듈로서, 상기 단위전지는 전극단자가 위치하는 부위에 상단 실링부를 포함하고 있고, 상기 상단 실링부에 완충부재가 설치되어 있어서, 낙하, 외부충격의 인가 등 다양한 원인에 의해 단위전지의 전극단자와 상단 실링부에 외력이 작용하더라도 케이스의 파열, 쇼트 등을 방지할 수 있는 중대형 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 당해 분야 및 제품들에 적용되는 전지들은 소형 경량화가 강력히 요구되고 있다.
휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들에는 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 전지셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자전 거, 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈(또는 중대형 전지팩)이 사용되고 있다. 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다. 또한, 전기자전거, 전기자동차 등과 같이 외부로부터 많은 충격, 진동 등을 받는 디바이스들은 전지모듈을 구성하는 소자들간의 전기적 연결상태와 물리적 결합상태가 안정적이어야 하며, 다수의 전지를 사용하여 고출력 및 대용량을 구현하여야 하기 때문에 안전성 측면도 중요시 되고 있다.
이러한 전지모듈 또는 전지팩의 단위전지로는 그것의 형상에 따라 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등이 사용되고 있으며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지가 많은 관심을 모으고 있다.
파우치형 전지는 예를 들어 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스 내부에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해질이 밀봉된 상태로 내장되어 있는 전지이다. 파우치형 전지의 대표적인 예로는 리튬이온 폴리머 전지(LiPB)를 들 수 있는 바, LiPB는 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 후 이들을 접합하고 리튬 전해질을 함침시켜 전해질의 누액을 최대한 억제한 구조의 전지이다. 일반적으로는, 분리막의 양면에 접착층을 코팅한 후 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극을 열융착시켜 제조된다.
도 1에는 스택형 전극조립체를 포함하고 있는 대표적인 LiPB의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, LiPB(100)는, 파우치형의 전지케이스(110) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(120)가 그것의 양극 및 음극 탭들(122, 124)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극리드(130, 140)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(110)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(120)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(111)를 포함하는 케이스 본체(112)와 그러한 본체(112)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(113)로 이루어져 있다.
LiPB(100)에 사용되는 전극조립체(120)는, 도 1에서와 같은 스택형 구조 이외에 젤리-롤형 구조도 가능하다. 스택형 전극조립체(120)는 다수의 양극 탭들(122)과 다수의 음극 탭들(124)이 전극리드(130, 140)에 용접되어 있고, 전극리드(130, 140)에는 전지케이스(110)과의 전기적 절연성과 밀봉성을 확보하기 위하여 절연필름(150)이 상하면에 부착된다.
이렇게 제조된 LiPB가 도 2에 개시되어 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 LiPB를 전지셀로 칭한다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(도시하지 않음)를 내장한 상태에서 전지케이스(110)를 열융착시키면, 상단과 양측면에는 각각 실링부(114, 115)가 형성된다. 그 중 측면 실링부(115)는 수직으로 상향 절곡하여 전지셀 본체(116)에 밀착시켜 전체 적인 크기를 콤팩트하게 만든다. 반면에, 상단 실링부(114)는 전극리드(130, 140)가 돌출되어 있으므로 절곡하지 않고 그대로 전지모듈의 구성에 사용된다.
이러한 전지셀을 사용한 중대형 전지모듈을 구성하는 방법은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 카트리지와 같은 별도의 부재에 1 ~ 4 개 단위로 전지셀을 장착하고 이러한 카트리지를 적층한 후 전기적 연결을 이루는 구조나, 별도의 카트리지를 사용하지 않고 적층한 후 바로 전기적 연결을 이루는 구조 등이 제안되어 있다. 전자의 경우는 구조적 안전성이 우수하다는 장점을 가지지만, 전지모듈의 제조비가 높고 전지모듈의 크기가 크다는 단점을 가지고 있다. 후자의 경우는 그와 반대되는 장점과 단점을 가지고 있다.
그러나, 도 2에서와 같은 전지셀은 어떠한 구조의 전지모듈로 디자인되든 간에 셀 자체의 기계적 강성이 약하므로, 그것을 포함하는 전지모듈은 외부 충격에 취약하다는 단점을 가지고 있다. 특히, 도 2의 점선 부위(A)인 전극리드(전극단자)와 상단 실링부는 낙하, 외부 충격 등에 취약하다. 예를 들어, 전극단자는 전기적 연결을 위해 별도의 접속부재와 연결되게 되는데, 전지모듈의 낙하, 외부 충격의 인가 등에 의해 전지셀이 전극단자 방향으로 이동하게 될 경우, 그러한 접속부재 또는 체결부재에 의해 전지셀 본체가 접촉되면서 케이스가 파열되기 쉽고 또한 전극단자 또는 접속단자와의 접촉에 의해 쇼트가 발생하기 쉽다.
따라서, 이를 효과적으로 해결하기 위한 방안이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 전지모듈의 낙하, 외부 충격의 인가 등에 의해 전극셀이 이동하여 전극단자, 상단 실링부 등과 같은 전지셀의 취약한 상부가 파열되거나 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 소망하는 전기 용량 및 출력에 따라 유연성 있게 확장 및 축소가 용이하고, 전지모듈을 구성하는 각각의 소자들과 전기적 연결을 위한 배선 등이 콤팩트하게 이루어져 있고 전기적 연결이 안정적으로 수행될 수 있도록 디자인된 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 수지층 및 금속층을 포함하는 전지케이스 내부에 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 단위전지로서 사용하는 전지모듈로서, 상기 단위전지는 전극단자가 위치하는 부위에 상단 실링부를 포함하고 있고, 상기 상단 실링부에 완충부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 출원의 발명자들에 의해 확인한 바로는 전지모듈의 낙하, 외부충격의 인가시 전지셀의 상단이 손상되는 주요 메커니즘은, 셀 본체가 전극단자 방향으로 이동하면서 전극단자에 설치되어 있는 접속부재, 체결부재 등이 취약한 전지케이스에 접촉하면서 그것의 파열을 초래하거나 쇼트를 유발하는 것으로 확인되었다. 따라 서, 본 발명에 따라 상단 실링부 상에 충격을 흡수할 수 있는 완충부재를 설치하게 되면, 상기와 같은 셀 본체의 이동을 탄력적으로 억제할 수 있고 전극단자와 셀 본체의 접촉을 방지할 수 있으므로 상기와 같은 전지케이스의 파열, 쇼트 등을 막을 수 있다.
본 발명에서의 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 바람직하게는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다. 이러한 케이스에 전극조립체를 장착한 상태에서 열융착을 시키면 도 2에서 설명한 바와 같이 측면 실링부와 상단 실링부가 만들어진다.
상기 완충부재는 바람직하게는 상단 실링부에 대략 일치하는 길이와 두께를 가지는 것이 사용될 수 있다.
그러한 완충부재는 충격을 흡수하고 전지셀의 이동을 탄력적으로 억제하며 전기절연성인 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 천연고무 또는 합성고무일 수 있다.
또한, 상단 실링부에 대해 고정된 상태로 설치될 수 있도록, 바람직하게는 그것의 하단면에 접착층이 도포되어 있어서, 상단 실링부에 부착된 상태로 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈은 단위전지(들)이 카트리지와 같은 부재에 장착된 상태로 적층되는 구조 뿐만 아니라 그러한 카트리지를 사용하지 않고 구성되는 전지모듈에 모두 사용될 수 있다. 카트리지를 사용하지 않음으로써 전체적인 크기가 줄일 수 있는 전지모듈, 예를 들어, 전극단자 자체를 전기적 연결뿐만 아니라 전지 모듈 구성을 위한 체결구조의 일부로서 사용하는 전지모듈의 경우, 전지셀 상단부의 기계적 강성이 특히 취약하므로, 본 발명에서와 같이 상단 실링부에 완충부재를 설치하면 안전성이 더욱 향상된다.
그러한 구조의 바람직한 예에서, 단위전지들은 동일 극의 전극단자들이 같은 방향으로 배향되도록 적층되어 있고, 상기 전극단자에는 체결용 관통구가 형성되어 있으며, 상기 체결용 관통구를 연결하는 체결부재가 모듈 케이스에 결합되어 있는 구조일 수 있다.
상기 전극단자는 전지셀의 일면에 양극과 음극단자가 모두 형성되어 있는 경우 뿐만 아니라 전지셀의 두개 면에 각각 형성되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 양극단자와 음극단자가 각각 대향하여 전지셀의 상단과 하단에 형성되어 있을 수도 있다.
하나의 바람직한 예에서, 인접한 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 절연하기 위하여 상기 인접 단위전지들의 전극단자들 사이에 개재되며 상기 관통구에 체결될 수 있는 돌출부가 형성되어 절연성 부재, 및 상기 절연성 부재에 체결되고 상기 절연성 부재에 체결되어 있는 단위전지들의 전극단자들을 직렬 또는 병렬방식에 의해 전기적으로 연결하는 커넥팅 부재를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 절연성 부재는 상기 돌출부를 통해 전극단자들을 상호 기계적으로 연결하는 역할도 병행한다. 바람직하게는 상기 체결 돌출부에 전극단자의 관통구보다 작은 내경의 관통구가 또한 형성되어 있고, 단위전지들 사이에 각각 절연성 부재를 개재한 상태에서 단위전지들을 적층하고 상기 체결 돌출부의 관통구에 선상의 체결부재를 삽입하여 상호 연결할 수 있다.
상기 절연성 부재와 커넥팅 부재의 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2004-112590호에 기재되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기와 같이 별도의 카트리지를 사용하지 않고 구성되는 전지모듈은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지므로, 장착 공간이 한정되어 있는 디바이스에 바람직하게 사용될 수 있다.
그러한 전지모듈의 바람직한 예로서, 다수의 단위전지들이 적층되는 플레이트와, 전지의 작동을 제어하는 회로부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지모듈을 들 수 있다.
상기 플레이트는 단위전지들이 적층될 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 단위전지들의 탑재를 용이하게 할 수 있도록 단위전지의 크기에 상응하는 수납부가 형성되어 있는 케이스 구조일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 케이스가 적층된 단위전지들의 상부와 하부를 각각 덮는 분리형 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 이차전지 모듈은,
충방전이 가능한 이차전지인 다수의 단위전지들;
상기 단위전지들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 하부 케이스;
상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 상부 케이스;
적층된 단위전지들의 전기적 연결을 행하고, 전지의 전압, 전류 및/또는 온도를 검출하는 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;
상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 모듈을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및
상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전 및/또는 과전류를 방지하면서 외부 출력단자와 연결되는 제 3 회로부;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
이러한 전지모듈의 전반적인 폭과 길이는 단위전지보다 약간 큰 정도이므로 전체 크기가 매우 작다. 따라서, 모듈의 크기를 최소화할 수 있으므로, 적용되는 외부 기기 또는 장치에 효과적으로 장착될 수 있다. 또한, 상부 케이스와 하부 케이스가 서로 분리되어 있어서, 필요에 따라 용량 및 출력을 변경하고자 할 때, 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 단위전지를 추가 또는 제거하는 함으로써 유연적인 설계가 가능하다.
상부 케이스와 하부 케이스의 전체적인 크기는 대략 단위전지의 크기에 상응하는 정도이다. 따라서, 단위전지가 수납되는 하부 케이스의 상단 수납부와 상부 케이스의 하단 수납부는 단위전지의 본체 크기에 상응한다.
바람직하게는, 상기 중첩된 단위전지들 중 최외각의 단위전지와 상부 케이스의 사이에 상기 단위전지의 극판에 평행하게 판상의 고강도 안전부재가 장착되어 있다.
콤팩트하고 경량인 전지모듈에서 주로 문제시되는 기계적 안전성은 외부 충 격에 의한 모듈의 낙하, 충돌, 침상 도체의 관통 등에 의한 단위전지의 내부 단락 등이며, 그러한 외부 충격이 단위전지의 극판 방향으로 가해질 때 전지모듈의 안전성이 심각하게 손상될 수 있다. 따라서, 높은 강도와 판상 구조의 안전부재를 단위전지의 극판 방향으로 케이스 내부에 설치할 경우에는 적은 중량 증가에도 불구하고 높은 기계적 안전성을 제공할 수 있다.
상기 안전부재는 바람직하게는 고강도 금속 소재로 되어 있으며, 더욱 바람직하게는 스테인리스 스틸로 되어 있다. 안전부재의 크기는 바람직하게는 단위전지에 상응하는 표면적과 적정한 두께를 가지고 있다. 두께가 너무 얇으면 소망하는 기계적 강도를 제공하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 전지모듈의 현저한 중량 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
하나의 바람직한 예에서, 적층되는 단위전지들의 사이에는 양면 접착부재가 개재될 수 있다. 이러한 양면 접착부재는 단위전지들이 더욱 안정적으로 적층되어 전지모듈내에 고정될 수 있도록 하여 준다. 상기 양면 접착부재의 예로는 양면 접착 테이프를 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 한 개의 적층면에 상호 이격된 둘 또는 그 이상의 양면 접착부재를 개재시킬 수 있다. 이 경우, 적층된 단위전지 사이에는 양면 접착부재들로 인해 소정의 이격 공간이 확보되는데, 이러한 이격 공간은 충방전시 단위전지의 체적 변화를 완충하는 작용을 하며, 동시에 단위전지의 발열을 돕는다.
상기 제 1 회로부는 단위전지들을 병렬 또는 직렬로 연결하기 위한 커넥팅 부재들과 각각의 단위전지로부터 전압, 전류 및/또는 온도 신호를 수신하여 검출하 기 위한 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있다. 바람직하게는 제 1 회로부에서 단위전지의 전압 및 온도 신호를 수신한다. 온도는 센싱 보드 어셈블리 또는 메인 보드 어셈블리에서 전지 전체의 온도로서 측정될 수 있다. 상기 제 1 회로부는 바람직하게는 단위전지의 전극단자 방향으로 모듈의 측면에 부착되어 있다.
상기 커넥팅 부재의 구성은 단위전지들의 병렬 또는 직렬 방식의 연결을 위한 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 커넥팅 부재들 사이에 과전류 또는 과열의 발생시 전류를 차단하는 안전소자가 연결되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 안전소자의 예로는 퓨즈, 바이메탈, PTC 소자 등을 들 수 있다.
상기 센싱 보드 어셈블리는 바람직하게는 인쇄회로기판(PCB)으로 되어 있고 각 단위전지에 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
제 2 회로부는 제 1 회로부와 함께 단위전지의 전극단자 방향에 함께 부착될 수도 있고, 하부 기판의 하단 수납부에 장착될 수도 있으며, 또는 제 1 회로부의 맞은편인 모듈의 대향 측면에 부착될 수도 있다. 바람직하게는 하부 기판의 하단 수납부에 장착된다. 이 경우, 단위전지들은 제 1 회로부를 경유하여 하부 케이스의 하단 수납부에 장착되어 있는 제 2 회로부에 전기적으로 연결되며, 전지의 작동은 제 2 회로부의 메인 보드 어셈블리에서 제어된다.
전지의 충전 및 방전시 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하며 외부 기기에 접속되는 모듈의 최종 소자인 제 3 회로부 역시 제 1 회로부와 함께 단위전지의 전극단자 방향에 함께 부착될 수도 있고, 하부 기판의 하단 수납부에 장착될 수도 있 으며, 또는 제 1 회로부의 맞은편인 모듈의 대향 측면에 부착될 수도 있다. 바람직하게는 제 1 회로부의 맞은편인 모듈의 대향 측면에 부착된다.
상기에서 회로부들의 일부 또는 전체는 병합된 구조일 수 있으며, 가장 바람직하게는, 제 2 회로부는 하부 기판의 하단 수납부에 장착되어 있고 제 3 회로부는 제 1 회로부의 맞은편인 모듈의 대향 측면부에 부착된 구조로 이루어져 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지의 작동과 관련한 회로부들이 모듈을 감싼 형태로 연결되어 있어서 모듈의 전체적인 크기가 대폭 축소되어 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 3 회로부는 이차전지 모듈의 충방전 제어를 위한 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 연결되는 방열 구조물을 포함하고 있는 스위칭 보드로 구성되어 있다. 상기 스위칭 보드는 바람직하게는 관련 회로들이 포함되어 있는 인쇄회로기판(PCB)일 수 있다.
상기 스위칭 소자는 전지모듈을 구성하는 단위전지들에 직렬로 접속되어 전지에 흐르는 전류를 제어하는 스위칭 소자로서, 전지의 전압, 전류, 또는 전류 및 전압을 검출하여 상기 스위칭 소자를 제어하는 보호회로에 연결되어 있다. 그러한 스위칭 소자는 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어할 수 있는 소자라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, FET 소자, 트랜지스터 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 FET 소자가 사용된다.
상기 충전용 스위칭 소자란 전지의 충전상태를 제어하는 스위칭 소자를 의미하고, 방전용 스위칭 소자란 전지의 방전상태를 제어하는 스위칭 소자를 의미한다. 일반적으로 전지모듈에서의 스위칭 소자는 상기와 같이 충전용 스위칭 소자와 방전 용 스위칭 소자가 함께 사용된다.
스위칭 소자는 전지의 전압 및/또는 전류를 검출하여 스위칭 소자를 제어하는 제어회로에 연결되어 있는데, 상기 제어회로로부터 출력된 신호에 의해 온-오프로 제어된다. 즉, 정상상태에서 제어회로는 스위칭 소자(충전용 스위칭 소자 및 방전용 스위칭 소자)를 온 상태로 유지한다. 반면에, 전지를 충전하는 동안에 비정상적인 상태가 되면, 충전용 스위칭 소자가 오프로 전환되어 충전 전류를 차단하고, 전지를 방전하는 도중에 비정상적인 상태가 되면, 방전용 스위칭 소자가 오프로 전환되어 방전 전류를 차단한다. 또한, 충전 중에 전지의 전압이 설정된 최고 전압보다도 높아지면, 전지의 과충전을 방지하기 위해 충전용 스위칭 소자를 오프로 전환하는 신호를 출력하고, 전지의 과충전을 방지하기 위해 전지의 전압이 설정된 최저 전압보다도 낮아지면 방전용 스위칭 소자를 오프로 전환하는 신호를 출력한다. 제어회로는 전지의 출력쪽이 단락되어 전지에 과전류가 흐르거나 또는 비정상적인 작동으로 인해 전지에 높은 충전 전압이 가해져서 과전류가 흐르면, 이를 검출하여 스위칭 소자를 오프로 하는 신호를 출력한다. 스위칭 소자를 제어하는 제어회로는 상기 인쇄회로기판에 포함되어 있거나 또는 별도의 회로부재에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 전지모듈은 고출력 대용량의 중대형 전지 시스템에 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 고출력 대용량의 범위는 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 본 발명에 따른 전지는 전기자전거(E-bike), 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 차량의 동력원 등을 포함하여 다양한 분 야와 제품들의 전원으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전지모듈은 콤팩트한 구조 등으로 인해 전기자전거의 동력원으로 특히 바람직하다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도면을 참조하여 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3a 및 3b에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 전지셀의 상단 실링부에 완충부재를 부착하는 과정이 각각 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 도 2에서 설명한 바와 같이 측면 실링부(115)는 상향 절곡하여 셀 본체(116)에 밀착시킨다. 양극단자(130)와 음극단자(150)는 절연필름(150)에 의해 감싸인 상태에서 상단 실링부(114)로부터 돌출되어 있다. 상단 실링부(114)의 크기에 대응하는 완충부재(170)는 그것의 저면에 접착층이 도포되어 있어서 상단 실링부(114)에 부착되어 고정되게 된다. 따라서, 낙하, 외부 충격 등에 의해 셀 본체(116)가 전극단자(130, 140) 방향으로 움직이려 하더라도 완충부재(170)에 의해 탄력적으로 저지된다.
도 4a 및 도 4b에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도와 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈(1000)은 상부 케이스(200), 하부 케이스(300), 다수의 단위전지들(100), 제 1 회로부(400), 제 2 회로부(도시하지 않음) 및 제 3 회로부(500)를 포함하고 있다. 단위전지들(100)은 서로 분리되어 있는 상부 케이스(200)와 하부 케이스(300) 사이에 적층되어 있으며, 제 1 회로부(400)는 전지모듈(100)의 정면에 위치하고, 제 2 회로부는 저면에 위치하며, 제 3 회로부(500)는 배면에 위치한다.
상부 케이스(200)와 하부 케이스(300)가 분리되어 있으므로, 적층될 수 있는 단위전지(100)의 수는 그것에 의해 한정되지 않으며, 그러한 단위전지들(100)의 적층 수에 따라 제 1 회로부(400)와 제 3 회로부(500)만을 변경하면, 소망하는 전기 용량과 출력의 전지모듈(1000)을 용이하게 디자인할 수 있다. 또한, 단위전지들(100)이 노출되어 있으므로, 충방전시 단위전지들(100)의 방열을 효율적으로 이룰 수 있다.
도 5a에는 도 4a의 전지모듈에서 하부 케이스의 상면 사시도와 단위전지가 함께 도시되어 있고, 도 5b에는 제 2 회로부가 장착된 상태의 하부 케이스의 하면 사시도가 도시되어 있다.
우선, 도 5a를 참조하면, 하부 케이스(300)는 단위전지(100)의 외형에 거의 상응하는 형상의 구조물로서 단위전지(100)가 수납되는 상단 수납부(301)를 포함하고 있다. 하부 케이스(300)는 높은 강도와 전기 절연성의 부재로서, 바람직하게는 ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), PC (polycarbonate), PBT (Polybutylene Terephthalate) 등의 플라스틱 수지로 되어 있다.
하부 케이스(300) 상에 적층되는 단위전지(100)는 셀 본체(116)의 상단에 양극단자(130)와 음극단자(140)가 각각 돌출되어 있고, 상단 실링부에 완충부재(117)가 부착되어 있다. 전극단자(130, 140)에는 체결용 관통구(132)이 천공되어 있어서, 다수의 단위전지들(100, 101)이 적층된 상태에서 별도의 체결부재, 예를 들어, 패스너(fastener: 700)가 관통구(140)에 삽입되고 하부 케이스(300) 상의 고정홈(302)을 통해 그것의 하단면에서 너트(도시하지 않음) 등을 사용해 고정할 수 있다.
단위전지들(100, 101) 사이에는 전기적 절연을 위해 전극단자(130, 140) 상에 절연성 부재(600)가 실장되며, 절연성 부재(600)에는 전극단자(130, 140)의 관통구(132)가 체결될 수 있는 돌출부(610)가 형성되어 있다. 돌출부(610)에도 관통구(620)가 형성되어 있어서, 돌출부(610)의 관통구(620)를 통과하는 패스너(700)가 전극단자(130, 140)와 전기적 절연 상태가 유지될 수 있도록 하여 준다. 도면에는 표시되어 있지 않지만, 절연성 부재(600)가 포함되는 경우, 별도의 커넥팅 부재(도시하지 않음)에 의해 전극단자들의 전기적 연결을 이룰 수 있다. 이러한 절연성 부재와 커넥팅 부재의 자세한 내용은, 앞서 설명한 바와 같이, 본 출원인의 한국 특허출원 제2004-112590호에 기재되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
완충부재(170)는, 예를 들어, 도 4a에서와 같은 전지모듈(1000)이 전극단자(130, 140) 방향으로 낙하되더라도, 셀 본체(160)가 움직이는 것을 억제하고 더욱이 그것이 절연성 부재(600) 및/또는 패스너(700)에 접촉되어 파열 또는 쇼트가 발생하는 것을 방지하여 준다.
단위전지(100)의 본체(116)에는 양면 접착 테이프(800)가 각각 2 개씩 부착되어 있어서 적층되는 단위전지(100, 101)과의 안정적인 결합을 더욱 보장한다. 더욱이, 적층된 단위전지들(100, 101)은 양면 접착 테이프(800, 801)의 두께 만큼 이격되므로, 그러한 이격 틈은 충방전시 단위전지들(100, 101)의 부피 변화를 완충하며 충방전시 단위전지들(100, 101)의 발열을 효과적으로 발산시킬 수 있다.
하부 케이스(300)의 하단면에는, 도 5b에서 보는 바와 같이, 하단 수납부(310)에 제 2 회로부(330)가 장착되어 있으며, 제 1 회로부(400)로부터의 양극과 음극을 통전하기 위한 전선들(320, 322)이 제 3 회로부에 연결될 수 있도록 배선되어 있다. 또한, 제 1 회로부(400)의 센싱 보드 어셈블리(410)와 전기적으로 연결하고 제 3 회로부와 전기적으로 연결하기 위한 전선들(332, 334)도 배선되어 있다. 제 2 회로부(330)는 그것을 외부로부터 보호하기 위하여 덮개(336)로 밀폐되어 있다.
도 6에는 도 4a의 전지모듈에서 상부 케이스와 그것에 장착되는 안전부재의 하면 사시도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 상부 케이스(200)는 하부 케이스와 동일하거나 또는 그와 다른 절연성 부재로 제작될 수 있으며, 바람직하게는 플라스틱 수지로 이루어져 있다.
상부 케이스(200)는 단위전지(도 4a의 100)의 상단부가 도포될 수 있도록 그것의 크기에 상응하는 하단 수납부(201)가 형성되어 있으며, 단위전지 전극단자의 관통구에 대응하는 위치에 구멍(202)이 천공되어 있다.
상부 케이스(200)의 하단 수납부(201)에는 판상의 안전부재(900)가 설치된다. 안전부재(900)는 단위전지와 거의 유사한 크기를 가지며 단위전지의 극판에 평행하게 배열되어 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지모듈의 낙하, 외부 충격의 인가 등에 의해 전지셀이 이동하여 전극단자, 상단 실링부 등과 같은 전지셀의 취약한 상부가 파열되거나 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 바람직한 예에서, 소망하는 전기 용량 및 출력에 따라 유연성 있게 확장 및 축소가 용이하고, 전지모듈을 구성하는 각각의 소자들과 전기적 연결을 위한 배선 등이 콤팩트하게 이루어져 있고 전기적 연결이 안정적으로 수행될 수 있도록 디자인되어 있다.

Claims (13)

  1. 수지층 및 금속층을 포함하는 전지케이스 내부에 전극조립체를 포함하고 있는 전지셀을 단위전지로서 사용하는 전지모듈로서, 상기 단위전지는 전극단자가 위치하는 부위에 상단 실링부를 포함하고 있고, 상기 상단 실링부에 완충부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 완충부재는 상단 실링부에 대략 일치하는 길이와 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 완충부재는 천연고무 또는 합성고무로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 실링부의 하단면에 접착층이 도포되어 있어, 상단 실링부에 부착된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 단위전지들은 동일 극의 전극단자들이 같은 방향으로 배 향되도록 적층되어 있고, 상기 전극단자에는 체결용 관통구가 형성되어 있으며, 상기 체결용 관통구를 연결하는 체결부재가 모듈 케이스에 결합되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 인접한 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 절연하기 위하여 상기 인접 단위전지들의 전극단자들 사이에 개재되며 상기 관통구에 체결될 수 있는 돌출부가 형성되어 절연성 부재, 및 상기 절연성 부재에 체결되고 상기 절연성 부재에 체결되어 있는 단위전지들의 전극단자들을 직렬 또는 병렬방식에 의해 전기적으로 연결하는 커넥팅 부재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 체결 돌출부에 전극단자의 관통구보다 작은 내경의 관통구가 또한 형성되어 있고, 단위전지들 사이에 각각 절연성 부재를 개재한 상태에서 단위전지들을 적층하고 상기 체결 돌출부의 관통구에 선상의 체결부재를 삽입하여 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 다수의 단위전지들이 적층되는 플레이트와, 전지의 작동을 제어하는 회로부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 플레이트는 단위전지들의 탑재를 용이하게 할 수 있 도록 단위전지의 크기에 상응하는 수납부가 형성되어 있는 케이스 구조이고, 상기 케이스가 적층된 단위전지들의 상부와 하부를 각각 덮는 분리형 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    충방전이 가능한 이차전지인 다수의 단위전지들;
    상기 단위전지들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 하부 케이스;
    상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 상부 케이스;
    적층된 단위전지들의 전기적 연결을 행하고, 전지의 전압, 전류 및/또는 온도를 검출하는 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;
    상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 모듈을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및
    상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전 및/또는 과전류를 방지하면서 외부 출력단자와 연결되는 제 3 회로부;
    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 중첩된 단위전지들 중 최외각의 단위전지와 상부 케이스의 사이에 상기 단위전지의 극판에 평행하게 판상의 고강도 안전부재가 장착 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 11 항에 있어서, 적층되는 단위전지들의 사이에는 소정의 두께를 가진 양면 접착부재가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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