KR20080036258A - 전지모듈의 전극단자 접속부재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')의 전기적 연결을 위한 도전성 부재로서, 전지셀의 판상형 전극단자('전지셀 전극단자')가 삽입되어 결합될 수 있게 후미에 홈이 형성되도록 절곡되어 있는 결합부('절곡 결합부')와, 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 외부 입출력 단자, 및 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 전압 검출용 단자로 구성되어 있는 전극단자 접속부재를 제공한다.

Description

전지모듈의 전극단자 접속부재 {Member of Connecting Electrode in Battery Module}
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 전극단자 접속부재들의 모식도들이다;
도 4는 전지모듈의 구성시 도 1 내지 도 3의 전극단자 접속부재가 장착되기 위한 장착용 절연부재의 모식도이다;
도 5 및 도 6은 도 1 내지 3의 전극단자 접속부재와 도 4의 장착용 절연부재가 사용될 셀 모듈을 구성하는 카트리지 본체와 상부 커버의 사시도들이다;
도 7 및 도 8은 도 5의 모듈 카트리지에 전지셀을 조립하는 과정에 대한 모식도들이다;
도 9 내지 도 16은 본 발명에 따라, 카트리지 본체에 대한 전지셀 전극단자의 장착 구조, 및 전극단자 접속부재와 장착용 절연부재의 결합 구조 등을 보여주는 모식도들이다;
도 16은 본 발명에 따라 전극단자 접속부재가 장착용 절연부재에 결합된 상태의 형상을 보여주는 단면도이고, 도 17은 상기 결합 상태에서 카트리지 본체와 전지셀을 제외시킨 상태의 후면 사시도이다;
도 18은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극단자 접속부재들을 사용하여 직렬로 연결한 구조의 중대형 전지모듈의 모식적 구조도이다;
도 19는 도 18의 중대형 전지모듈을 사용하여 제작된 하나의 실시예에 따른 대형 전지모듈 어셈블리의 모식적인 구조도이다;
도 20은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극단자 접속부재들을 사용하여 병렬로 연결한 구조의 중대형 전지모듈의 모식적 구조도이다;
도 21은 도 20의 중대형 전지모듈을 사용하여 제작된 하나의 실시예에 따른 대형 전지모듈 어셈블리의 모식적인 구조도이다;
도 22 내지 도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 전지모듈들과 이들을 바탕으로 제작된 전지모듈 어셈블리의 모식적인 구조들이다;
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 전극단자 접속부재 중 전압 검출용 단자들의 접속 상태를 보여주는 모식도이다.
본 발명은 전극단자 접속부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')의 전기적 연결을 위한 도전성 부재로서, 전지셀의 판상형 전극단자('전지셀 전극단자')가 삽입되어 결합될 수 있게 후미에 홈이 형성되도록 절곡되어 있는 결합부('절곡 결합부')와, 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 외부 입출력 단자, 및 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 전압 검출용 단자를 포함하는 전극단자 접속부재에 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(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
전지 모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지 모듈을 제조하려고 노력하고 있다. 또한, 전기자전거, 전기자동차 등과 같이 외부로부터 많은 충격, 진동 등을 받는 디바이스들은 전지 모듈을 구성하는 소자들간의 전기적 연결상태와 물리적 결합상태가 안정적이어야 하며, 다수의 전지를 사용하여 고출력 및 대용량을 구현하여야 하기 때문에 안전성 측면도 중요시 되고 있다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하 므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
상기와 같은 장점에도 불구하고, 전지 모듈의 단위전지로서 사용되는 파우치형 전지는 몇가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 파우치형 전지는 판상의 전극단자들이 그것의 상단에 돌출되어 있는 형태로 되어 있으므로 모듈의 구성을 위한 전기적 연결이 용이하지 않는다는 단점을 가지고 있다. 전극단자들의 연결은 일반적으로 와이어, 플레이트, 버스 바 등을 사용하여 해당 단자들을 용접 등에 의해 연결하는 방식이 사용되고 있지만, 판상의 전극단자는 그러한 작업이 용이하지 않다. 일반적으로는, 판상의 전극단자를 일부 절곡하여 해당면에 플레이트, 버스 바 등을 용접하는 방법이 사용되고 있으므로, 숙련된 기술이 요구되고 작업공정이 복합하다. 또한, 외부의 충격 등에 의해 결합 부위가 분리되어 불량을 유발하는 경우가 많다.
둘째, 파우치형 전지는 기계적 강도가 떨어지므로 다수의 전지들을 적층하여 모듈을 제조함에 있어서 안정적인 결합과 조립 상태를 유지하기 위한 별도의 부재들이 다수 요구되는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 파우치형 전지를 모듈로 제조함에 있어서, 일반적으로는 하나 또는 둘 이상의 단위로 전지들을 장착하는 카트리지 등의 별도의 장착 부재가 사용되고 이들을 적층하여 모듈을 제조하고 있다.
또한, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하거나 또는 소정 단위의 전지셀들로 이루어진 단위모듈 다수를 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다.
더욱이, 차량 등과 같이 진동, 충격 등의 지속적인 외력이 가해지는 디바이스의 경우, 전기적 접속부위에서의 접촉저항 증가 등은 불안전한 출력, 단락 유발 등의 문제점을 초래할 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 얻기 위하여 다수의 셀 모듈들로 구성된 중대형 전지모듈에서 셀 모듈들의 전기적 연결 구조, 즉, 각각의 셀 모듈에 장착되어 있는 전지셀 다수 개를 상호 전기적으로 연결하기 위한 전극단자 접속부재와 이들의 장착을 위한 절연부재의 연결구조에 대한 기술의 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 다수의 셀 모듈로 구성되는 중대형 전지모듈에서 셀 모듈들의 전기적 연결 또는 기계적인 체결을 용이하게 하여 생산성과 안전성을 향상시킬 수 있는 중대형 전지모듈의 전극단자 연결구조를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극단자 접속부재는, 전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')의 전기적 연결을 위한 도전성 부재로서, 전지셀의 판상형 전극단자('전지셀 전극단자')가 삽입되어 결합될 수 있게 후미에 홈이 형성되도록 절곡되어 있는 결합부('절곡 결합부')와, 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 외부 입출력 단자, 및 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 전압 검출용 단자를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전극단자 접속부재는 전지셀들의 전극단자들 간의 전기적 연결 또는 기계적 체결을 용이하게 하는 단일 부품 형태로 구성되어 있어서 볼트, 너트 또는 용접과 같은 다른 접속 방법에 비해 조립공정이 매우 간단하고 우수한 결합력을 제공한다. 또한, 전극단자들의 전기적 연결을 행할 때 전압 검출을 동시에 수행할 수 있으므로, 전압 검출을 위해 별도의 접속부재들을 필요로 하지 않는 장점이 있다.
상기 전극단자 접속부재는 적어도 두 개의 전지셀들을 전기적으로 연결할 수 있도록, 상기 절곡 결합부와 외부 입출력 단자는 전지셀의 개수와 동일한 개수로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 두 개의 전지셀 전극단자를 연결하여 전지모듈을 제조할 경우에, 상기 절곡 결합부와 외부 입출력 단자는 각각 2 개씩이 요구된다.
본 발명에 따른 전극단자 접속부재는 접속을 요하는 전지셀들의 위치에 따라 그것의 형태가 결정될 수 있는 바, 예를 들어, 두 개의 전지셀들이 상하로 적층되 어 있는 경우와 같이, 동일한 높이에 형성되어 있지 않은 때, 상기 다수의 절곡 결합부는 서로 다른 높이로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
두 개 또는 그 이상의 전지셀들이 순차적으로 적층되어 있는 구조일 때, 바람직하게는, 2 개의 절곡 결합부가 전지셀의 두께에 대응하는 높이 차이를 가지도록 형성되어 있어서, 별도의 부재를 사용하지 않고도 전지셀들 간의 전극단자들을 직렬 및/또는 병렬 방식으로 콤팩트하게 연결할 수 있다. 예를 들어, 각 절곡 결합부의 양 단부에는 각각의 외부 입출력 단자가 위치하고 중앙 부근에 하나의 전압 검출용 단자가 위치하고 있는 경우, 적층된 전지셀들의 전극단자들을 직렬 또는 병렬 방식으로 연결하면서, 셀 모듈로부터 해당 부위의 전압 검출을 위한 회로의 구성이 용이하다.
상기 외부 입출력 단자와 전압 검출용 단자의 돌출 높이는 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 외부 입출력 단자와 전압 검출용 단자가 전면에 대해 평행하게 절곡되어 있어서, 다수의 전지셀들을 적층한 상태에서 전기적 연결을 행할 때, 인쇄회로 기판 등을 접속부재들이 위치하는 전면에 부착하는 과정에 의해 일괄적으로 전기적 접속을 수행할 수도 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 외부 입출력 단자에는 체결용 홈이 천공되어 있어서, 외부 입출력 단자에 대한 외부 회로의 연결 과정을 더욱 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 외부 회로가 와이어나 케이블 등인 경우, 이들의 단부를 상기 체결용 홈에 삽입한 후 솔더링, 용접 등을 행할 수도 있고, 또는 상기 체결용 홈을 통해 볼트를 삽입하여 와이어나 케이블의 단부와 기계적 체결을 이룰 수도 있다.
본 발명에 따른 전극단자 접속부재는 도전성을 가진 소재라면 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 소정의 두께를 가진 니켈 플레이트를 소정의 형태로 절곡하여 제조할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전극단자 접속부재가 전지셀들의 전극단자에 결합되어 있는 구조의 중대형 전지모듈을 제공한다.
중대형 전지모듈은 높은 집적도를 위해 다수의 전지셀들을 적층한 구조로 이루어지는 바, 이러한 적층 구조에서 전지셀들은 직접 접한 상태로 대면할 수도 있고 일정한 간격을 두고 대면할 수도 있다. 후자의 경우는, 예를 들어, 적층 구조의 안정화를 위해 특정 부위에 양면 접착 테이프 등의 접착 부재를 개재시켜 연결한 구조나, 하나 또는 그 이상의 전지셀들을 별도의 카트리지에 내장한 상태에서 이들 카트리지들을 적층하여 연결한 구조일 수 있다. 이와 같이, 전지셀이 카트리지에 장착되어 있는 구조의 셀 모듈을 다수 개 적층한 형태는, 전지모듈의 높은 밀집도와 구조적 안정성을 제공한다.
상기 셀 모듈의 카트리지는, 바람직하게는, 전지셀이 장착될 수 있도록 상기 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 상면이 개방된 구조의 하부 본체와, 전지셀이 장착된 상태에서 상기 하부 본체의 개방 상면에 결합되는 상부 커버를 포함하고 있고, 상기 하부 본체의 하면에는 다수의 관통구들이 천공되어 있으며, 측벽의 상단 일측에는 또 다른 카트리지와 결합될 수 있는 체결용 돌기가 형성되어 있고, 측벽의 하단 일측에는 상기 체결용 돌기에 대응하는 체결용 홈이 형성되어 있으며, 상기 하부 본체의 전면에는, 전극단자 접속부재가 전지셀의 전극단자에 안정적으로 접속될 수 있도록, 상기 전극단자 접속부재의 장착을 위한 별도의 부재('장착용 절연부재')가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 일측 단부에 한쌍의 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
상기 파우치형 전지셀을 구성하는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등은 당업계에 공지되어 있는 바, 예를 들어, 양극을 구성하는 활물질의 경우, 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 산화물 등의 리튬 전이금속 산화물과 이들의 복합 산화물들이 사용될 수 있다.
또한, 파우치형 전지셀은 충방전시 발열반응이 일어나므로, 전지셀의 과열을 방지하기 위해, 상기 카트리지 본체의 하면에 소정의 패턴으로 다수의 관통구를 천공하여 열을 효과적으로 방출시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다수의 관통구들로 구성된 군(관통구 군)들은 소정의 간격으로 이격되어 천공될 수 있다. 이러한 관통구 군이 위치한 부분을 제외한 나머지 부위에, 카트리지 본체와 전지셀을 부착하여 고정시키는 적어도 하나 이상의 양면 접착 테이프가 부가될 수 있다. 양면 접착 테이프에 의해 고정된 전지셀은 외부 충격 등에 대해 카트리지 내부의 전지셀의 이동을 억제하여 내부 단락을 방지한다.
카트리지 본체들의 체결 방식은 다양할 수 있으며, 바람직하게는 별도의 부재를 사용하지 않고 상호 결합될 수 있도록, 하나의 카트리지 본체의 후미 측벽 상단에 또 다른 카트리지 본체와의 결합을 위한 체결용 요철부가 형성되어 있고, 후미 측벽 하단에는 상기 요철부를 대응하는 체결용 그루브가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 체결용 요철부와 그루브의 형성 위치는 상기와 반대 구조도 가능함은 물론이다.
중대형 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층하는 것이 바람직하다. 즉, 기계적 강성이 낮은 전지셀을 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성한다. 따라서, 적층된 전지셀들 사이에서 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로를 확보하는 것이 바람직하다.
이러한 냉매 유로의 확보를 위해, 하나의 바람직한 예에서, 상기 카트리지의 카트리지 본체의 측면 측벽 상단에는 또 다른 카트리지 본체의 적층시 냉매 유로를 형성하기 위한 적어도 하나의 돌기부가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 돌기부에 의해 카트리지들이 일정한 간격으로 이격됨으로써 냉매의 유동을 위한 유로가 형성된다.
상기 카트리지 본체와 상부 커버의 소재는 전기 절연성을 가지고 소정의 기계적 강도를 가진 소재라면 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 절연물질로 피복된 금속, 절연성 고분자, 또는 이들의 수지 복합체 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 카트리지에서 장착용 절연부재는, 바람직하게는, 카트리지 본체의 전면에 대략 일치하는 크기를 가진 육면체 구조로 이루어져 있고, 후면에는 카트리지 본체의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 홈('카트리지 결합홈')이 형성되어 있으며, 전면에는 상기 결합홈을 통해 도입된 전지셀의 전극단자가 노출될 수 있도록 홈('전극단자 관통홈')이 형성되어 있고, 상기 전극단자 관통홈의 상부에는 전극단자 접속부재에 삽입되는 체결 상단부로 구성된 구조일 수 있다.
상기 장착용 절연부재는 인접한 전지셀들의 전극단자들을 전기적으로 절연시키는 역할을 하므로, 전기절연성 소재로 되어 있다. 그러한 전기절연성 소재의 바람직한 예로는 각종 플라스틱 수지를 들 수 있으며, 상기와 같은 역할을 하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 장착용 절연부재가 전지셀들의 전극단자들 및 카트리지와 체결되는 방식은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예로서, 전지셀을 카트리지 본체에 적재하고, 전지셀의 전극단자들을 카트리지 본체의 전면 단부에 있는 결합부에 하향 절곡하여 전면 단부와 밀착시킨 후, 절연부재의 후면에 있는 카트리지 결합홈에 카트리지 본체의 전면 단부가 삽입되어 결합됨으로써, 체결이 이루어질 수 있다. 더욱이, 상기 장착용 절연부재에 삽입되어 있는 전극단자(카트리지 전면 단부를 감싸고 있는 전극단자)들은, 전극단자 접속부재가 장착용 절연부와 결합할 때, 더욱 견고하게 결합될 수 있다.
상기 장착용 절연부재는 바람직하게는 전지셀 상호간의 전기적 접속을 위한 전극단자 접속부재가 용이하게 장착될 수 있는 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 장착용 절연부재의 전면에는 전극단자 접속부재의 외부 입출력 단자와 전압 검출용 단자의 안정적인 탑재를 위한 안착부가 추가로 형성되어 있고, 상기 외부 입출력 단자의 안착부에는 체결용 만입부가 형성되어 있으며, 상기 전극단자 관통홈을 통해 전면으로 노출된 전지셀의 전극단자를 전극단자 접속부재의 절곡 결합부의 후미 홈에 삽입하여 체결되는 구조일 수 있다.
따라서, 장착용 절연부재의 체결 상단부와 장작용 절연부재를 관통한 전극단자는 전극단자 접속부재의 절곡 결합부에 밀접하게 체결될 수 있고, 장착용 절연부재에 대한 전극단자 접속부재의 안정적인 탑재를 가능하게 한다.
상기와 같은 카트리지를 사용하는 중대형 전지모듈은, 예를 들어, 카트리지 본체에 전지셀을 장착하고, 이러한 하부 본체들을 다수 개 적층한 후, 최상부의 카트리지 본체에 상부 커버를 결합시키는 것으로 제조될 수 있다.
이러한 중대형 전지모듈은 필요한 전기 용량 및 출력을 목적으로 다수 개 조합하여 고출력 대용량의 전지모듈 어셈블리로 제조될 수도 있다.
본 발명에 따른 중대형 전지모듈과 전지모듈 어셈블리는 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 발명내용을 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3에는 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 전극단자 접속부재들이 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 전지모듈의 구성시 상기 전극단자 접속부재가 장착되기 위한 장착용 절연부재가 모식적으로 도시되어 있다.
이해의 편의를 위하여, 도 1의 전극단자 접속부재(100a)는 'A형 접속부재'로 칭하고, 도 2의 전극단자 접속부재(100b)는 'B형 접속부재'로 칭하며, 도 3의 전극단자 접속부재(100c)는 'C형 접속부재'로 칭한다.
이들 도면을 참조하면, 전극단자 접속부재(100a, 100b, 100c)는, 전지셀(도시하지 않음)의 전극단자(예: 양극단자)가 삽입되어 결합될 수 있게, 후미에 홈(140a, 140b, 140c)이 형성되도록 절곡되어 있는 절곡 결합부(120a, 120b, 120c)와, 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 외부 입출력 단자(110a, 110b, 110c), 및 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 전압 검출용 단자(130a, 130b, 130c)로 구성되어 있다.
외부 입출력 단자(110a, 110b, 110c)와 전압 검출용 단자(130a, 130b, 130c)는 전면에 대해 평행하게 절곡되어 있다.
절곡 결합부(120a, 120b, 120c)와 외부 입출력 단자(110a, 110b, 110c)는 전 기적 연결을 행하고자 하는 전지셀의 수만큼 형성되어 있으며, 예를 들어, 도 2에서와 같은 전극단자 접속부재(100b)는 두 개의 전지셀들의 전극단자들을 병렬 또는 직렬로 연결할 수 있도록, 2 개의 절곡 결합부(120b, 121b)와 2 개의 외부 입출력 단자(110b, 111b)로 구성되어 있다. 또한, 절곡 결합부(120b, 121b)는 대략 전지셀의 두께에 대응하는 높이차로 형성되어 있고, 양 단부에 각각 외부 입출력 단자(110b, 111b)가 위치하고 있으며, 중앙 부근에 하나의 전압 검출용 단자(130b)가 위치하고 있다.
각각의 외부 입출력 단자(110a, 110b, 110c)에는 체결용 홈(150a, 150b, 150c)이 천공되어 있어서 와이어 등을 사용하여 견고한 전기적 접속을 용이하게 달성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 장착용 절연부재(200)는 대략 긴 육면체 구조로서, 그것의 후면에는 카트리지 본체(도시하지 않음)의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 카트리지 결합홈(210)이 위치하고, 전면에는 결합홈(210)을 통해 도입된 전지셀의 전극단자가 노출될 수 있도록 한 쌍의 전극단자 관통홈(220)이 천공되어 있다.
전극단자 관통홈(220)의 상부에는, 전극단자 접속부재(도 1~3: 100a, 100b, 100c) 중 절곡 결합부(120a, 120b, 120c)의 후미 홈(140a, 140b, 140c)에 삽입되는 체결 상단부(230)가 형성되어 있다.
또한, 전면에는 전극단자 접속부재(도 1~3: 100a, 100b, 100c)의 외부 입출력 단자(110a, 110b, 110c)와 전압 검출용 단자(130a, 130b, 130c)의 안정적인 탑재를 위한 안착부(240)가 형성되어 있고, 전극단자 접속부재(100a, 100b, 100c)가 탑재된 상태에서 외부 입출력 단자(110a, 110b, 110c)의 체결용 홈(150a, 150b, 150c)에 대응하는 위치에, 체결용 만입부(250)가 형성되어 있다.
도 5 및 도 6에는 도 1 내지 3의 전극단자 접속부재와 도 4의 장착용 절연부재가 사용될 셀 모듈을 구성하는 카트리지 본체와 상부 커버의 사시도들이 각각 도시되어 있고, 도 7 및 도 8에는 도 5의 모듈 카트리지에 전지셀을 조립하는 과정에 대한 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 카트리지 본체(300)는 판상형 전지셀(400; 이하에서는 '전지셀'로 약칭함)이 장착될 수 있도록 전지셀(400)에 대응하는 장방형 구조로서 상면이 개방된 형상으로 이루어져 있다. 또한, 전지셀(400)의 과열을 방지하기 위해 하면(310)에 소정의 패턴으로 다수의 관통구들(320)이 천공되어 있어서 열을 효과적으로 방출시키며, 이러한 관통구들(320)로 구성된 관통구 군들(322)은 접착 테이프(450)를 부착시키는 크기만큼의 간격으로 이격된 위치에 천공되어 있다. 상부 커버(390)에도 다수의 관통구들(320)이 천공되어 있고, 이러한 관통구들(320)은 관통구 군(322)의 형태로 소정의 패턴을 형성하고 있다.
카트리지 본체(300)의 양 측면 측벽(330)의 상단 일측에는 또 다른 카트리지(도시하지 않음)와 결합될 수 있는 체결용 돌기(340)가 돌출되어 있고, 측벽(330)의 하단 일측에는 체결용 돌기(340)에 대응하는 체결용 홈(342)이 형성되어 있다. 또한, 카트리지 본체(300)의 전면(350)에는 장착용 절연부재(200)가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부(352)가 형성되어 있다.
카트리지 본체(300)의 측면 측벽(330) 상단에는 또 다른 카트리지 본체(도시 하지 않음)의 적층시 냉매 유로를 형성하기 위한 다수의 돌기부들(360)이 형성되어 있다. 이러한 돌기부들(360)에 의해 카트리지들이 일정한 간격으로 이격됨으로써 냉매의 유동을 위한 유로가 형성된다.
또한, 카트리지 본체(300)의 후미 측벽(370)의 상단에는 또 다른 카트리지 본체와의 결합을 위한 체결용 그루브(380)가 형성되어 있고, 후미 측벽(370)의 하단에는 그루브(380)에 대응하는 체결용 요철부(382)가 형성되어 있다.
접착 테이프(450)는 전지셀(400)의 상부면과 하부면에 부착되는 종류에 따라 서로 달라질 수 있는 바, 예를 들어, 전지셀(400)의 상부면에 부착되는 접착 테이프는 소정의 두께를 가진 탄력적인 테이프로서 일면에 접착성을 나타내는 일면 접착 테이프이고, 전지셀(400)의 하부면에 부착되는 접착 테이프는 양면에 접착성을 나타내는 양면 접착 테이프일 수 있다. 상기 일면 접착 테이프는, 카트리지의 상부에 또 다른 카트리지가 적층되는 경우, 그것과의 공간을 채워주고, 동시에 전지셀을 탄력적으로 가압하여 카트리지 내부에서 전지셀이 안정적인 장착 상태를 유지할 수 있도록 도와 준다. 이러한 일면 접착 테이프는 일명 '스펀지'와 같이 소정의 두께를 가지면서 탄력성을 제공하는 일면 접착 테이프일 수 있다. 그러나, 이러한 일면 접착 테이프를 부착하지 않고 전지셀의 상부면에 별도로 부착하지 않고, 또 다른 카트리지의 본체가 직접 전지셀의 상부면에 접하도록 구성할 수 있음은 물론이다.
셀 모듈의 조립하는 과정을 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명하면, 우선, 카트리지 본체(300)에서 관통구 군(322)이 위치한 부분을 제외한 나머지 부위에 접착 테이프(450)를 부착하고, 전지셀(200)을 카트리지 본체(100)에 장착시킨 후, 전지셀(200)의 전극단자들(210, 220)을 카트리지 본체(100)의 전면 단부에 있는 결합부(152)를 감싸도록 하향 절곡하여 밀착시킨다. 그런 다음, 전극단자들(410, 420)이 밀착되어 있는 결합부(352)에 장착용 절연부재(200)를 조립한다. 최종적으로, 장착용 절연부재(200)에 전극단자 접속부재(100a, 100b, 100c)를 결합시키고, 전지셀(400)의 상부면에 접착 테이프(450)를 부착한 후, 상부 커버(390)를 장착함으로써, 셀 모듈의 제조를 완성할 수 있다.
그러나, 상기 과정은 필요에 따라 변경될 수도 있음은 물론이다.
카트리지 본체에 대한 전지셀 전극단자의 장착 구조, 및 전극단자 접속부재와 장착용 절연부재의 결합 구조 등은 도 9 내지 도 16에서 더욱 자세히 확인할 수 있다.
우선, 도 9 및 도 10을 참조하면, 카트리지 본체(100)에 전지셀(400)이 장착하고, 전지셀(400)의 전극단자들(410, 420)을 각각 절곡하여 카트리지 본체(100)의 전면 단부에 위치하는 결합부(352)를 감싸도록 밀착시킨다. 따라서, 기계적으로 취약할 수 있는 전지셀(400)의 전극단자들(410, 420)은 카트리지 본체(100)의 결합부(352)에 의해 지지되면서 결합을 위한 구조적 안정성을 획득할 수 있다.
이렇게 전지셀이 장착된 두 개의 카트리지 본체에 장착용 절연부재를 체결하여 적층하면, 도 11에서와 같이 전면 구조가 만들어진다. 구체적으로, 하부 카트리지 본체(300)의 양극단자(411) 및 음극단자(421)와 상부 카트리지 본체(301)의 양극단자(412) 및 음극단자(422)는 장착용 절연부재(200, 201)를 통해 전면으로 노 출된 상태에서 전기적으로 분리되어 있다.
이러한 전극단자들을 직렬 방식으로 연결하기 위하여, 도 12에서와 같이, B형 접속부재를 장착용 절연부재에 결합시키게 된다.
도 12를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, B형 접속부재(100b)에서, 절곡 결합부(120b, 121b)는 대략 전지셀의 두께에 대응하는 높이차로 형성되어 있고, 양 단부에 각각 외부 입출력 단자(110b, 111b)가 위치하고 있으며, 중앙 부근에 하나의 전압 검출용 단자(130b)가 위치하고 있다.
전극단자 접속부재(100b)는 절곡 결합부(120b, 121b)의 후미 홈(140b, 141b)에 장착용 절연부재(200)의 체결 상단부(230)가 삽입되는 방향으로 결합이 이루어진다. 이러한 결합 과정에서 전극단자 접속부재(100b)는, 장착용 절연부재(200)의 관통홈(220)을 통해 노출되어 있는 전지셀의 전극단자(411, 422)와 접속하게 된다.
전극단자 접속부재(100b)가 결합된 상태의 형상은 도 13 내지 도 15에 도시되어 있고, 결합 상태의 단면도가 도시되어 있는 도 16 및 도 17에서 더욱 자세히 확인할 수 있다. 이해의 편의를 위하여, 도 17에는 장착용 절연부재에 전극단자 접속부재가 결합된 상태에서의 후면 사시도가, 전지셀 및 카트리지 본체가 생략된 상태로, 도시되어 있다.
도 16 및 도 17을 중심으로 살펴보면, 전지셀(400)의 전극단자(411)는 카트리지 본체(300)의 전면 단부에 위치하는 결합부(352)를 감싸도록 절곡되어 있고, 장착용 절연부재(200)의 관통홈(220)을 통해 노출되어 있으며, 더욱 구체적으로는 장착용 절연부재(200)의 체결 상단부(230) 하면에 밀착되면서 삽입되어 있다.
따라서, 전극단자 접속부재(100b)를 장착용 절연부재(200)에 결합시키면, 전극단자 접속부재(100b)의 후미 홈 안으로 장착용 절연부재(200)의 체결 상단부(230)와 카트리지 본체(300)의 결합부(352)가 삽입되면서, 그것에 밀착되어 있는 전극단자(411)가 전극단자 접속부재(100b)와 접촉되게 된다.
경우에 따라서는, 전극단자(411)가 장착용 절연부재(200)의 체결 상단부(230)를 감싸도록 상향 절곡하여 밀착시킨 상태에서 전극단자 접속부재(100b)를 결합시킬 수도 있다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 전극단자 접속부재(100b)는 제 1 카트리지 본체(300)에 내장되어 있는 전지셀의 양극단자(411)와 제 2 카트리지 본체(301)에 내장되어 있는 전지셀의 음극단자(422)를 전기적으로 연결한다. 동일한 방식으로, 제 1 카트리지 본체(300)의 전지셀 음극단자(412)는 그것의 하부에 적층되는 또 다른 카트리지 본체(도시하지 않음)의 양극단자와 연결될 수 있으며, 제 2 카트리지 본체(301)의 전지셀 양극단자(421)는 그것의 상부에 적층되는 또 다른 카트리지 본체(도시하지 않음)의 음극단자와 연결될 수 있다.
도 18에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극단자 접속부재들을 사용하여 직렬로 연결한 구조의 중대형 전지모듈이 모식적으로 도시되어 있다.
도 18을 참조하면, 중대형 전지모듈(500)은, 각각 카트리지(300)에 내장된 상태에서 장착용 절연부재(200)가 체결된 여덟 개의 전지셀들을 연결함에 있어서, 좌측 상단부에 위치한 전지셀의 양극단자에 A형 접속부재(100a)를 결합시키고, 우측 하단부에 위치한 음극단자에는 C형 접속부재(100c)를 결합시키며, 나머지 전극 단자들에는 B형 접속부재(100b)를 결합시켜, 여덟 개의 전지셀들을 직렬로 연결한 구조(8S)이다.
도 19에는 도 18의 중대형 전지모듈을 사용하여 제작된 하나의 실시예에 따른 대형 전지모듈 어셈블리의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 19를 참조하면, 대형 전지모듈 어셈블리(600)는 도 18에 따른 3 개의 중대형 전지모듈들(501, 502, 503)을 케이블과 같은 전기 연결부재(610)를 사용하여 직렬로 연결(24S)한 구조로 이루어져 있다. 따라서, 전지모듈 어셈블리(600)의 출력 전압은 하나의 중대형 전지모듈(501)의 3 배의 전압을 얻을 수 있다.
도 20에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극단자 접속부재들을 사용하여 병렬로 연결한 구조의 중대형 전지모듈이 모식적으로 도시되어 있다.
도 20을 참조하면, 중대형 전지모듈(700)은 각각 카트리지(300)에 내장된 상태에서 장착용 절연부재(200)가 장착된 여덟 개의 전지셀들을 연결함에 있어서, 좌측부에 있는 일곱 개의 양극단자들에 대하여 A형 접속부재(100a)를 체결하고, 우측부에 있는 일곱 개의 음극단자들에 대하여 C형 접속부재(100c)를 체결한 후, 동일한 전극단자들을 케이블과 같은 전기 연결부재를 사용하여 병렬로 연결한 구조(8P)로 이루어져 있다.
도 21에는 도 20의 중대형 전지모듈을 사용하여 제작된 하나의 실시예에 따른 대형 전지모듈 어셈블리의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 21을 참조하면, 전지모듈 어셈블리(800)는 도 21에 따른 중대형 전지모듈(701, 702, 703)을 동일한 전극들끼리 병렬로 연결하여, 대용량으로 만든 구 조(24P)로 이루어져 있다.
도 22 내지 도 25에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 전지모듈들과 이들을 바탕으로 제작된 전지모듈 어셈블리의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
우선, 도 22의 전지모듈(900)은 2 개의 전지셀들이 전극단자 접속부재에 의해 병렬로 연결되고, 병렬로 연결된 전지셀들 4 그룹이 직렬로 연결된 4S2P(4 Serial 2 Parallel) 구조로 이루어져 있다.
도 23의 전지모듈 어셈블리(1000)는 전지모듈들(701, 702, 703)이 각각 직렬로 연결(3S)되고, 전지모듈들 내부의 각각의 전지셀들은 병렬 연결(8P)로 구성되어 있다.
도 24의 전지모듈 어셈블리(1100)에서 각각의 전지모듈들은 4 개의 전지셀들이 전기 연결부재에 의해 병렬로 연결(4P)되고 전지모듈들 간에는 직렬로 연결(6S)되어 있는 구조이다.
도 25의 전지모듈 어셈블리(1200)는 전지모듈들이 각각 병렬로 연결(3P)되고, 전지모듈들 내부의 각각의 전지셀들은 직렬 연결(8S)로 되어 있는 구조이다.
도 26에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 전지모듈에서 전극단자 접속부재 중 전압 검출용 단자들의 접속 상태를 보여주는 모식도가 도시되어 있다.
도 26을 참조하면, 다수의 카트리지 본체들(301, 302...)이 적층된 상태에서, 그것의 전면에 결합되어 있는 전극단자 접속부재들 중 전압 검출용 단자는 소정의 길이로 돌출되어 있다.
따라서, 내부에 다수의 접속회로들(1310)이 인쇄되어 있는 PCB(Printed Circuit Board: 1300)를 적층되어 있는 카트리지 본체들(301, 302...)에 부가하면, 전극단자 접속부재(100n)의 전압 검출용 단자들(130n)이 접촉되면서 한번에 접속이 이루어져 진다.
PCB(130)의 접속회로들(1310) 중 하나의 접속회로(1312)는 제 1 카트리지 본체(301)에 장착된 전극단자 접속부재(101)에 접속되며, 이를 기준 전압으로 하여 각각의 전지셀들에 대한 전압이 측정된다.
이상과 같이, 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지셀 또는 전지모듈들은 본 발명에 따른 전극단자 접속부재들과 장착용 절연부재를 사용하여 소망하는 출력과 용량에 따라 직렬 및/또는 병렬로 상호 전기적으로 연결할 수 있으며, 전지모듈 전체의 제어를 위한 제어 소자와, 과충전, 과방전 등의 제어를 위한 FET(Field Effect Transistor) 소자 등에 전기적으로 연결된다. 또한, 전지모듈에는 그 외에도 다수의 구성요소들이 전기적으로 연결되어 있어서 필요한 작용을 수행하며, 이러한 전기적 연결은 버스 바, 와이어, 케이블 등의 전기적 연결부재에 의해 달성된다.
이상, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 모듈의 전극단자 연결 부재와 장착용 절연부재는, 전지셀들의 전극단자들을 간단한 조립방법에 의해 안정적으로 연결할 수 있고, 카트리지와 같은 장착 부재를 사용하여 전지셀들을 견고하게 적층하여 모듈을 구성할 수 있다.
또한, 소망하는 출력과 용량에 따라 직렬 및/또는 병렬로 상호 전기적으로 연결하는 데 있어서 제조공정의 생산성과 품질을 향상시킬 수 있으므로, 본 발명의 전극단자와 연결부재와 장착용 절연부재를 이용하여 조립된 중대형 전지모듈 또는 대형 전지모듈 어셈블리는 전기자전거(E-bike), 전기오토바이, 전기자동차, 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')의 전기적 연결을 위한 도전성 부재로서, 전지셀의 판상형 전극단자('전지셀 전극단자')가 삽입되어 결합될 수 있게 후미에 홈이 형성되도록 절곡되어 있는 결합부('절곡 결합부')와, 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 외부 입출력 단자, 및 전면쪽으로 돌출되도록 절곡되어 있는 전압 검출용 단자를 포함하고 있는 전극단자 접속부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 전지셀들을 전기적으로 연결할 수 있도록, 상기 절곡 결합부와 외부 입출력 단자는 전지셀에 대응하는 개수로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다수의 절곡 결합부는 서로 다른 높이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  4. 제 3 항에 있어서, 2 개의 절곡 결합부가 전지셀의 두께에 대응하는 높이차로 형성되어 있고, 양 단부에 각각 외부 입출력 단자가 위치하고 있으며, 중앙 부근에 하나의 전압 검출용 단자가 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 입출력 단자와 전압 검출용 단자는 전면에 대해 평행하게 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 입출력 단자에는 체결용 홈이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나에 따른 전극단자 접속부재가 전지셀들의 전극단자에 결합되어 있는 구조의 중대형 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전지모듈은 전지셀이 카트리지에 장착되어 있는 구조의 셀 모듈 다수 개를 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 카트리지는,
    전지셀이 장착될 수 있도록 상기 전지셀에 대응하는 장방형 구조로서 상면이 개방된 구조의 하부 본체와, 전지셀이 장착된 상태에서 상기 하부 본체의 개방 상면에 결합되는 상부 커버를 포함하고 있고;
    상기 하부 본체의 하면에는 다수의 관통구들이 천공되어 있으며;
    측벽의 상단 일측에는 또 다른 카트리지와 결합될 수 있는 체결용 돌기가 형성되어 있고, 측벽의 하단 일측에는 상기 체결용 돌기에 대응하는 체결용 홈이 형성되어 있으며;
    상기 하부 본체의 전면에는, 전극단자 접속부재가 전지셀의 전극단자에 안정적으로 접속될 수 있도록, 상기 전극단자 접속부재의 장착을 위한 별도의 부재('장착용 절연부재')가 조립 방식으로 체결될 수 있는 구조의 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스가 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 장착용 절연부재는 하부 본체의 전면에 대략 일치하는 크기를 가진 육면체 구조로 이루어져 있고, 후면에는 카트리지 본체의 전면 단부가 삽입되어 결합될 수 있는 홈('카트리지 결합홈')이 형성되어 있으며, 전면에는 상기 결합홈을 통해 도입된 전지셀의 전극단자가 노출될 수 있도록 한 쌍의 홈('전극단자 관통홈')이 형성되어 있으며, 상기 전극단자 관통홈의 상부에는 전극단자 접속부재 중 절곡 결합부의 후미 홈에 삽입되는 체결 상단부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 장착용 절연부재의 전면에는 전극단자 접속부재의 외부 입출력 단자와 전압 검출용 단자의 안정적인 탑재를 위한 안착부가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 외부 입출력 단자의 안착부에는 체결용 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 전극단자 관통홈을 통해 전면으로 노출된 전지셀의 전극단자가 체결 상단부를 감싸도록 상향 절곡하여 밀착한 후, 전극단자 접속부재의 절곡 결합부의 후미 홈에 삽입하여 체결하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 셀 모듈의 카트리지 본체에 전지셀을 장착하고, 이러한 하부 본체들을 다수 개 적층한 후, 최상부의 카트리지 본체에 상부 커버를 결합시키는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  16. 제 9 항에 따른 전지모듈 다수 개로 구성된 고출력 대용량의 전지모듈 어셈블리.
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