KR20190080717A - 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 전지 셀을 포함하는 복수의 전지 열을 포함하고, 상기 전지 셀 각각은 바닥면, 제1 한 쌍의 광폭 측면 및 제2 한 쌍의 소폭 측면을 갖는 각형 전지 케이스를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
전지 모듈은 복수의 제1 버스바 및 적어도 하나의 제2 버스바를 추가로 포함하고, 상기 제1, 제2 버스바는 상기 전지 셀을 전기적으로 연결하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 열 내에서 인접한 전지 셀은, 그 소폭 측면을 통하여 서로 마주하고, 인접한 열의 인접하는 전지 셀은 그 광폭 측면을 통하여 서로 마주한다.
또한, 열 내의 인접한 전지 셀은 복수의 제1 버스바 중 하나를 통하여 직렬로 전기적으로 연결되고, 개별 열은 적어도 하나의 제2 버스바를 통하여 직렬로 전기적으로 연결된다.
따라서, 전기 커넥터로서 전지 케이스와 버스바를 통한 열 경로는 분리되고, 전지 모듈에서 열 폭주 전파의 위험이 감소된다.

Description

전지 모듈{Battery module}
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열 폭주 전파(thermal runaway propagation)를 방지할 수 있는 구조를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 반복적으로 충전되고 방전될 수 있다는 점에서 화학 에너지를 전기 에너지로만 전환할 수 있는 일차 전지와 다르다.
저용량 이차 전지는 휴대 전화, 노트북, 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 기기의 전원 공급용으로 사용되며, 고용량 이차 전지는 하이브리드(hybrid) 차량 등과 같은 전원 공급용으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극과 음극, 그리고 양극과 음극 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 전극 조립체에 전기적으로 연결된 전극 단자를 포함한다.
전해액은 양극, 음극, 및 전해액의 전기화학 반응을 통하여 전지의 충전과 방전을 가능하게 하기 위하여 케이스 내에 주입된다.
케이스의 형상은 전지의 사용 목적에 적합하도록 예를 들어, 원통형 또는 사각형 등으로 제작될 수 있다.
이차 전지는 고 에너지 밀도를 제공하기 위하여(예: 하이브리드 차량의 모터 구동용) 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 단위 전지 셀로 형성되는 전지 모듈로서 사용될 수 있다.
즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 부합하고, 예컨대, 전기 차량의 고출력 이차 전지를 구현하기 위하여, 다수의 단위 전지의 전극 단자를 서로 연결하여 형성된다.
전지 모듈은 블록형(block) 구조 또는 모듈형(module) 구조로 구성될 수 있다.
블록형 구조에서는, 각 전지는 공통된 집전체 구조와 공통된 전지 관리 시스템에 연결되고, 그 유닛(unit)은 하우징 내에 배치된다.
모듈형 구조에서는, 서브 모듈은 다수의 전지 셀을 연결하여 형성되고, 전지 모듈은 다수의 서브 모듈을 연결하여 형성된다.
전지 관리 기능은 모듈 또는 서브 모듈 레벨에서 적어도 부분적으로 실현될 수 있는 바, 이에 따라 호환성이 개선될 수 있다.
전지 시스템을 구성하기 위해, 적어도 하나 이상의 전지 모듈은 열 관리 시스템을 갖추며, 기계적 및 전기적으로 통합되고, 적어도 하나 이상의 전기 소비 장치와 연결되도록 구성된다.
전지 시스템의 기계적 통합을 이루기 위해, 전지 서브 모듈과 같은 각각의 구성 요소는, 전지 서브 모듈 사이 및 차량과 같은 전기 소비 장치를 제공하는 시스템의 구조와 기계적으로 적절하게 연결될 필요가 있다.
이러한 연결 구조는 전지 시스템의 평균 수명 동안, 및 전기 소비 장치의 사용 동안 제공되는 응력 하에서 기능과 안전이 유지되도록 구현되어야만 한다.
또한, 설치 공간 및 호환성 요구 사항은, 특히 모바일 애플리케이션에서 더욱 고려되어야 할 사항이다.
전지 모듈의 기계적 통합을 달성하기 위해, 예컨대 바닥 플레이트와 같은 캐리어 플레이트를 제공하고, 캐리어 플레이트 위에 각각의 전지 셀 또는 서브 모듈을 배치할 수 있다.
전지 셀 또는 서브 모듈의 고정은, 캐리어 플레이트의 함몰된 공간에 끼우거나, 볼트 또는 나사 등을 이용하여 기계적으로 상호 연결하거나, 셀 또는 서브 모듈을 제한하는 것으로 달성할 수 있다.
체결은 캐리어 플레이트의 측면에 사이드 플레이트를 고정시키거나, 및/또는 꼭대기에 추가 캐리어 플레이트를 제공하고 이 추가 캐리어를 캐리어 플레이트 및/또는 사이드 플레이트에 고정시킴으로써 달성될 수 있다.
따라서, 다층 전지 모듈이 구성될 수 있으며, 이에 따라 캐리어 플레이트 및/또는 사이드 플레이트는 셀 또는 서브 모듈의 냉각용 냉매 덕트를 포함할 수 있다.
전지 서브 모듈의 기계적 통합은 기계적으로 보강된 전기 커넥터를 제공하거나 또는 전기 커넥터 외에 캐리어 빔 또는 지주(struts) 위에 전지 셀을 고정시키는 것에 의하여 구현될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 서브 모듈은 전지 서브 모듈의 표면의 일부 또는 전부를 덮고 전지 모듈 내에 배치된 개별 케이스 내에 배치되고, 개별 케이스 내에서 예컨대, 캐리어 플레이트 위에 배치될 수 있다.
전지 시스템의 전기적 통합을 제공하기 위해, 병렬로 연결된 다수의 셀이 직렬로 연결되거나(XpYs), 직렬로 연결된 다수의 셀이 병렬로 연결된다(XsYp).
이에 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 셀이 전지 서브 모듈에 조립될 수 있다.
XsYp 타입 모듈은 고 전압을 생성할 수 있지만, 각 셀의 전압 레벨은 개별적으로 제어되어야 하므로 배선 복잡성이 증가된다.
XpYs 타입 모듈에서는, 병렬로 연결된 셀의 전압 레벨이 자동적으로 균형을 유지한다.
따라서, 전압은 셀 또는 서브 모듈 레벨로 제어될 수 있어 배선 복잡성이 감소된다.
병열로 연결된 셀 또는 서브 모듈의 경우 셀의 커패시턴스가 합치므로, XpXs 타입의 디자인은 대부분 저용량 셀로 사용된다.
전지 시스템에 연결된 여러 가지 전기 소비 장치의 동적 전력 요구 사항을 만족하기 위하여, 전지 전력 출력과 충전의 정적 제어로는 만족스럽지 못하다.
따라서, 전지 시스템과 전기 소비 장치의 지속적인 정보 교환이 요구된다.
이러한 정보는 전지 시스템 실제 충전 상태(SoC), 잠재 전기 성능, 실제 또는 예상 전력 요구 사항 또는 과잉 소비 장치뿐만 아니라 충전 능력과 내부 저항을 포함한다.
전지 시스템은 일반적으로 이러한 정보를 처리하기 위한 전지 관리 시스템을 포함한다.
전지 시스템의 열 제어를 위해, 열 관리 시스템은 그 이차 전지로부터 발생되는 열을 효율적으로 방출하거나, 배출 및/또는 분산시킴으로써 적어도 하나의 전지 모듈을 안전하게 사용할 것이 요구된다.
열 방출/배출/분산이 충분하게 이루어지지 않는다면, 각각의 전지 셀 사이에 온도 편차가 발생되어, 적어도 하나 이상의 전지 모듈이 원하는 전력량을 생성할 수 없다.
또한, 전지 셀의 내부 온도 상승은 전지 셀의 내부에서 발생되는 비정상적인 반응을 유도하여, 이차 전지의 충전과 방전 성능을 악화시키고, 이차 전지의 수명을 단축시킨다.
따라서, 전지 셀로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출/배출/분산시키기 위한 냉각 장치가 요구된다.
이러한 비정상적인 작동 상태의 예는, 격하게 과열되거나 과충전되는 리튬 이온 셀에 의하여 도달될 수 있는 전지 셀의 열 폭주 현상이다.
열 폭주로 들어가는 임계 온도는 대략 150℃ 이상이지만, 불량 전기 접촉 또는 단락으로부터 인접 셀로 가열되는 현상인, 셀의 내부 단락과 같은 국부 손상으로 인해 초과될 수 있다.
열 폭주는 셀 내부의 자체 가속되는 화학 과정이다. 이러한 열 폭주는 모든 이용 가능한 재료가 소모될 때까지 다량의 열과 가스를 생성하는데, 이 동안 결함 있는 셀은 700℃ 이상의 셀 온도까지 가열될 수 있고 시스템 내부로 다량의 고온 가스를 배출할 수 있다.
결함 있는 셀은 열 폭주 동안, 다량의 열을 인접한 셀로 전달할 수 있다.
인접한 셀은 결함 있는 셀과의 직접적인 접촉으로 열을 전도 받는데, 이러한 열 전도는 사이드 플레이트 또는 베이스 플레이트 및/또는 전기 커넥터를 통하여 이루어진다.
또한, 대류 열 전달이 배출된 고온 가스로 인해 전지 시스템 내에 발생될 수 있다.
따라서, 비결함 인접 셀이 열 폭주로 연결될 수 있고, 열 폭주는 전지 시스템에 전파될 수 있는데, 이는 결국 전기 차량의 전지 화재 또는 손상에 이르게 한다.
종래 기술에 따르면, 버스바(busbars), 베이스 플레이트 또는 커버 등과 같이 전지 셀을 열적으로 단락할 수 있는 구성요소는, 통합된 냉매 튜브 등의 능동 냉각 수단, 또는 저 열전도성을 갖는 재질의 집적 부분 등의 수동 냉각 수단을 구비할 수 있다.
또한, 전지 시스템은 결함 셀로부터 방출되는 고온 가스를 배출, 냉각 또는 다른 방향으로 전송하는 수단을 구비할 수 있다.
능동 냉각 수단은 제어 및 관리 되어야 하는 반면, 전지 시스템 내로 냉매 누출의 위험 상태를 발생할 수 있다.
공지된 수동 냉각 수단은 알루미늄 버스바 등의 일반적인 구성요소를, 열적으로 최적화된 구성요소로 대체할 것을 요구하기 때문에 일반적으로 비용이 많이 소요된다.
본 발명은 상기한 결함의 적어도 일부를 극복하거나 감소할 수 있고, 열의 전파 예컨대, 전지 모듈을 통한 열 폭주에 대하여 최적으로 보호될 수 있는 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 복수의 전지 셀을 포함하는 복수의 전지 열, 복수의 제1 버스바 및 적어도 하나의 제2 버스바를 포함하는, 전지 모듈이 제공된다.
각 전지 셀은 바닥면, 한 쌍의 제1 광폭 측면 및 한 쌍의 제2 소폭 측면을 갖는 각형 전지 케이스를 포함한다.
또한, 복수의 제1 버스바 및 적어도 하나의 제2 버스바는 적어도 2개의 전지 셀을 전기적으로 연결하도록 각각 구성된다.
복수의 전지 열에서 각 열 내에서 인접한 전지 셀은 그 소폭 측면을 통해 서로 마주할 수 있다.
즉, 각 열은 상호 인접하여 정렬된 전지 셀에 의해 형성되며, 이 때, 하나의 전지 셀의 소폭 측면은 인접한 전지 셀의 소폭 측면에 밀착되어 접촉된다.
본 발명에 따르면, 인접한 열의 인접한 전지 셀, 즉 서로 마주보는 다른 열 내의 전지 셀은, 그 광폭 측면을 통해 서로 마주한다.
즉, 인접한 열에 있어 인접한 전지 셀의 광폭 측면이 서로 밀착되어 접촉되어 복수의 전지 열이 만들어진다.
본 발명에 따르면, 복수의 전지 열에서 각 열 내에서 인접한 전지 셀은, 복수의 제1 버스바 중 하나를 통하여 직렬로 전기적으로 연결된다.
즉, 한 열 내에서 전지 셀은 전지 열의 정렬 방향을 따라 전기적으로 연결된다.
또한, 개별 열은 쌍을 이루어 적어도 하나의 제2 버스바를 통해 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 인접한 개별 열의 최외측 전지 셀은, 적어도 하나의 제2 버스바를 통하여 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 전지 모듈은 전지 서브모듈을 가리킬 수 있다.
전지 모듈 내에서, 한 쌍의 인접한 셀 사이에는 대체로 3개의 메인 열 전도 경로가 있다.
제1 경로는 인접한 셀의 케이스의 광폭 측면의 접촉 영역을 통과한다.
제2 경로는 통상 열적으로 고전도성 재질로 구성되는, 전기 커넥터, 특히 버스바를 통과한다.
그리고, 제3 경로는 냉각 플레이트나 전지 모듈의 임의의 다른 추가 기계 정착물을 통과한다.
여기서 한 쌍의 인접한 셀 사이의 가장 중요한 열 전도 경로는, 상기 제2 열 경로에 의해 중요성이 뒤따라지는 제1 열 경로이다.
종래 기술의 전지 모듈에서는, 광폭 측면을 통하여 서로 접촉하는 인접한 전지 셀이 버스바를 통하여 동시에 전기적으로 연결되면, 제1 및 제2 열 경로는 일 방향이다.
본 발명에 따르면, 소폭 측면을 통하여 서로 접촉하는 대부분의 전지 셀이 버스바를 통하여 전기적으로 연결되면, 제1 및 제2 열 경로는 분리된다.
즉, 제1, 제2 열 경로는 어떤 셀을 동일 인접한 셀에 연결하지 않지만, 적어도 2개의 다른 인접한 셀에 연결한다.
따라서, 결함 셀로부터 발생되는 열은, 더욱 균등하게 그리고, 더 많은 수의 셀로 분배된다.
이로써 어느 인접한 셀이 150℃ 이상으로 가열되는 가능성이 현저히 감소된다.
따라서, 결함 셀로부터 어느 인접한 이웃 셀로 열 폭주 전파가 일어날 가능성이 감소된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 전지 셀의 열은 전지 모듈의 길이 방향에 평행하게 연장된다.
바람직하게 전지 모듈은, 바닥면, 이와 대향하는 상면, 제1 쌍의 대향 광폭 모듈 측면 및 제2 쌍의 대향 소폭 모듈 측면을 갖는 직육면체 형상으로 형성된다.
바람직하게, 광폭 모듈 측면은 전지 모듈의 길이 방향으로 연장된다.
즉, 모듈 바닥면과 광폭 모듈 측면 중 하나의 측면이 서로 연결되는 에지의 길이는, 모듈 바닥면과 소폭 모듈 측면 중 하나의 측면과 서로 연결되는 길이보다 길다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 각 열의 셀은, 하나의 셀, 바람직하게는 각 셀의 광폭 셀 측면이 전지 모듈의 광폭 모듈 측면, 즉 길이 방향과 동일한 평면에 있도록 향하게 된다.
열 내에 셀을 주로 전기적으로 연결함으로써, 셀은 광폭 셀 측면과 넓게 접촉하지 않게 되므로, 열 전파가 감소된다.
더 바람직하게는, 전지 셀의 인접한 열의 전지 셀은 전지 모듈의 길이 방향에 평행하거나 역평행한 방향으로 서로에 대해 이동된다.
즉, 전지 셀의 열은 광폭 모듈 측면과 한 평면에서 서로 반대 방향으로 이동된다.
따라서, 전지 모듈의 전지 셀은 겹쳐진 형태로 배열된다.
각 열의 대부분의 전지 셀의 광폭 측면(열의 최외측 셀은 제외)은, 인접한 열의 인접한 셀의 하나의 광폭 측면에만 접촉하지 않지만, 전지 셀의 인접한 열의 2개의 인접한 셀의 2개의 광폭 측면과 접촉한다.
따라서, 어느 전지 셀의 광폭 측면에 인접한 셀의 개수는, 최소 1개가 아니고 최소 2개로 증가된다.
따라서, 어느 셀로부터 발생되는 열은, 많은 개수의 셀로 분배된다.
이로써 어느 인접한 셀이 150℃ 이상으로 가열되는 경우는 현저히 감소된다. 따라서, 결함 셀로부터 어느 인접한 이웃 셀로 열 폭주 전파가 일어날 가능성이 감소된다.
전지 모듈의 바람직한 구현예에 따르면, 인접한 열, 즉 모듈의 길이 방향으로 서로 이동된 열의 전지 셀 사이의 오프셋은, 전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 측면의 연장부의 절반에 상당한다.
여기서 오프셋은 전지 모듈의 길이 방향으로(또는 길이 반대 방향으로) 인접한 열의 인접한 셀의 유사한 소폭 측면 사이의 거리를 가리킨다.
전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 측면의 연장부의 절반의 오프셋으로 셀을 이동시키는 것으로, 전지 셀로부터 인접한 열의 인접한 셀로 제1 열 경로를 똑같이 양분하여 분할한다.
따라서, 열은 전지 모듈에서 최대한 균일하게 분포되어, 결함 셀로부터 어느 인접한 이웃 셀로의 열 폭주 전파의 기회는 감소된다.
반면, 본 발명은 인접한 열의 전지 셀 사이의 다른 오프셋, 예컨대, 전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 측면의 연장부의 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90%에 상당한 것으로 구현될 수도 있고, 이로써 종래 기술에 비하여 열 분포를 더욱 향상할 수 있다.
전지 셀의 인접한 열이 전지 모듈의 길이 방향으로 오프셋만큼 이동됨에 따라, 인접한 열의 최외측 셀의 최외측 소폭 측면은 일직선으로 정렬되지 않는다.
전체적으로 전지 모듈의 일정하고 간단한 형상을 얻기 위하여, 인접한 열의 최외측 전지 셀 사이의 오프셋은 제1 스페이서로 채워질 수 있다.
즉, 제1 스페이서는 제1 열의 최외측 전지 셀의 최외측 소폭 측면과, 제1 열에 인접한 제2 열의 최외측 전지 셀의 소폭 측면 사이의 간격(gap)을 채운다.
바람직하게는, 제1 스페이서는 전지 셀과 동일한 높이 및 그 소폭 측면의 동일한 연장부를 가지며, 제1 스페이서의 광폭 측면의 연장부는 인접한 열의 전지 셀의 오프셋에 상당한다.
그러므로, 인접한 열의 전지 셀 사이의 오프셋이 전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 셀 측면의 연장부의 절반에 상당하면, 전지 모듈의 길이 방향으로 제1 스페이서 광폭 측면의 연장부는, 전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 측면의 연장부의 절반에 상당한다.
따라서, 각 열에는 하나의 제1 스페이서만이 필요하다.
보다 바람직하게는, 각 열은 정확하게 하나의 제1 스페이서를 포함한다.
여기서, 인접한 열의 제1 스페이서는 대향하는 모듈 소폭 측면에 위치된다.
제1 스페이서는 인접한 전지 셀로부터 발생된 열을 흡수할 수 있는 경량의 재질로 이루어지는 것이 좋다.
전지 모듈의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 인접한 열의 최외측 전지 셀의 극성은 반대이다.
즉, 제1 열의 최외측 셀의 최외측 단자가 제1 극성을 가진다면, 제1 열에 인접한 제2 열의 최외측 셀의 최외측 단자는 제1 극성과 반대인 제2 극성을 가진다.
이로 인해, 다소 짧은 제2 버스바를 이용하여, 인접한 열, 즉 인접한 열의 최외측 셀을 직렬로 전기적으로 연결할 수 있다.
그러나, 본 발명의 전지 모듈은 인접한 열의 최외측 전지 셀의 극성을 동일하게 하여 구현될 수도 있다.
이로써 긴 제2 버스바를 필요로 하지만, 열 경로를 더 분리한다.
본 발명의 전지 모듈의 간단한 구현예에서, 모듈의 모든 전지 셀은 직렬, 즉, Xs1p 구조로 연결된다.
여기서 제1 버스바는 간단한 사각형상을 지니고 각 열 내에 인접한 셀만을 전기적으로 연결하도록 구성되는 것이 좋다.
보다 바람직하게는, 제2 버스바는 개별 열, 즉 개별 열의 셀을 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는 인접한 열의 최외측 셀을 직렬로 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
따라서, 제2 버스바는 간단한 L-형상을 포함하고, 인접한 열의 최외측 셀의 오프셋을 연결하도록 구성된다.
다른 바람직한 구현예에서, 본 발명의 전지 모듈은 다른 XsYp 구조로 구성된다.
여기서, 제1 버스바는 개별 열의 전지 셀을 병렬로 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
제1 버스바는 제1 버스바에 의해 병렬로 전기적으로 연결되는 개별 열 사이에 위치한 전지 열의 전지 셀로부터 열적으로 격리되도록 구성된다.
제1 버스바는 개별 열 사이에서 병렬로 전기적으로 연결되는 열의 전지 셀의 벤트 부재와 일직선으로 정렬되도록 구성되는 적어도 하나 이상의 구멍을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 제2 버스바는 개별 열, 즉 개별 열의 전지 셀을 병렬로 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는 개별 열의 최외측 전지 셀을 병렬로 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
여기서, 제1 열 경로와 제2 열 경로는 더욱 분리된다.
본 발명의 전지 모듈의 전지 셀은 제1 모듈 단자와 제2 모듈 단자 사이에서 직렬 및/또는 병렬로 연결된다.
제1 모듈 단자와 제2 모듈 단자 각각은 외부 부하 회로에 연결될 수 있는 극부(pole section)와, 개별 열의 전지 셀을 병렬로 전기적으로 연결할 수 있는 접촉부를 포함한다.
제1 모듈 단자와 제2 모듈 단자의 이러한 구조는 XsYp 구조를 갖는 전지 모듈에 바람직하게 사용된다.
여기서, 각 제1 버스바, 제1 모듈 단자의 접촉부, 제2 모듈 단자의 접촉부 각각에 의해 병렬로 전기적으로 연결되는 전지 셀의 양은 같고 이는 전지 모듈에서 병렬로 연결되는 전지의 양에 상승하는 것이 바람직하다.
적어도 하나의 제2 버스바에 의하여 병렬로 전기적으로 연결되는 셀의 양은, 각 제1 버스바에 의하여 병렬로 전기적으로 연결되는 셀의 양과 동일하거나, 적어도 하나의 제2 버스바에 의하여 병렬로 전기적으로 연결되는 셀의 양은 각 제1 버스바에 의해 병렬로 전기적으로 연결되는 셀의 양의 2배일 수 있다.
제1, 제2 모듈 단자의 적어도 하나의 접촉부는, 전지 모듈의 길이 방향으로 적어도 일부 연장되어 제1 스페이서의 연장부를 연결하도록 구성될 수 있다.
보다 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 전지 모듈은 광폭 및/또는 소폭 모듈 측면에 인접하거나 일직선으로 정렬되는 적어도 한 쌍 이상의 제2 스페이서를 포함한다.
이러한 제2 스페이서는 전지 시스템의 충격에 대한 보호를 증가시키고, 바람직하게는 셀로부터 발생되는 열을 흡수하도록 구성된다.
전지 모듈은 리본, 예컨대 탄성 리본 또는 길이 조절이 가능한 금속 리본을 추가로 포함하는데, 이러한 리본은 전지 모듈, 바람직하게는 소폭 모듈 측면뿐만 아니라 광폭 모듈 측면을 둘러싼다.
바람직하게는 리본은 전지 모듈을 압축하도록 구성된다.
이 구현예에서는, 적어도 한 쌍의 제2 스페이서가 리본에 의하여 전지 모듈의 전지 셀 위로 인가되는 압력을 균일하게 분포시키도록 구성될 수 있다.
대안으로, 리본은 전지 모듈 바닥면과 상단면, 및 광폭 및 소폭 모듈 측면의 쌍 중 한 쌍을 둘러싼다.
본 발명의 다른 구현예는 종속항, 첨부된 도면 및/또는 첨부된 도면의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
본 발명의 실시예 따르면, 전지 모듈에 있어 결함 셀이 발생되는 경우 전지 케이스와 버스바를 통한 열 경로가 분리되도록 하여, 열 폭주 전파의 위험을 감소시켜 전지 모듈을 보호할 수 있다.
본 발명의 특징은 첨부된 도면을 참고하여 실시예의 상세한 설명을 통하여 당업자에 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 전지 셀의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전지 셀의 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 12s1p 전지 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 12s1p 전지 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 6s2p 전지 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 6s2p 전지 모듈의 개략적인 일부 분해 사시도이다.
도 7은 제3 실시예에 따른 6s3p 전지 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 8은 제3 실시예에 따른 6s3p 전지 모듈의 개략적인 일부 분해 사시도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 상세하게 설명될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 효과와 특징, 및 실시 방법이 설명될 것이다.
도면에서, 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리키며 반복되는 설명은 생략된다.
이하에서, 용어 “및/또는”는 관련된 열거 구성요소의 하나 또는 그 이상의 임의의 조합 또는 모든 조합을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명할 때 “가능(may)”의 사용은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예를 가리킨다.
실시예가 여러 가지 특정 실시예로 설명되지만, 본 발명을 변형하여 실시하는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
모든 이러한 변형은 청구범위 내에 있는 것으로 간주된다.
이하에서, 용어 “실질적으로”, “대략”, 및 유사한 용어는 유사의 용어로 사용되고, 정도의 용어로 사용되지 않으며, 당업자에 의하여 인식되는 측정되거나 계산된 값에서 고유의 편차를 고려한 것으로 의도된다.
또한, 용어 “실질적으로” 는 수치 값을 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합하여 사용되면, 용어“실질적으로” 는 값을 중심으로 값의 +/- 5%의 범위를 가리킨다.
또한, 본 발명을 설명할 때 “가능(may)”의 사용은 “본 발명의 하나 이상의 실시예”를 가리킨다.
여기에서, 용어 “상부”와 “하부”는 z-축을 따라 정의된다.
예를 들면, 상부 커버는 z-축의 상부에 위치되며, 하부 커버는 z-축의 하부에 위치된다.
도 1은 일 실시예에 따른 전지 셀을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 IV-IV 선을 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 전지 셀(80)은 전극 조립체(10), 및 전극 조립체(10)를 수용하고 케이스(26)를 포함할 수 있다. 케이스(26)에는 전해액이 주입된다.
또한, 전지 셀(80)은 케이스(26)의 개구부를 밀봉하기 위한 캡 조립체(30)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 전지 셀(80)은 각형의 형상을 갖도록 구성된 리튬 이온 이차 전지를 예로 들어 설명하지만, 이로써 한정되지 않는다.
전극 조립체(10)는 양극(11), 음극(12), 및 양극(11)과 음극(12) 사이에 개재된 세퍼레이터(13)를 나선형으로 감아 만들어진 젤리 롤 타입 전극 조립체로서 형성될 수 있다.
양극(11)과 음극(12)은, 각각 금속 박막의 집전체에 활물질이 코팅된 코팅부와, 활물질이 코팅되지 않은 양극 비코팅부(11a)와 음극 비코팅부(12a)를 포함할 수 있다.
양극(11)의 코팅부는 알루미늄 박과 같은 금속 박에 전이 금속 산화물 등과 같은 활물질을 코팅하여 형성될 수 있으나, 이것으로 한정되지 않는다.
또한, 음극(12)의 코팅부는 구리 또는 니켈 박과 같은 금속 박에, 탄소, 그래파이트 등과 같은 활물질로 코팅하여 형성될 수 있다.
양극 비코팅부(11a)는 양극(11)의 길이 방향으로 양극(11)의 일측면 단부에 형성될 수 있고, 음극 비코팅부(12a)는 음극(12)의 길이 방향으로 음극(12)의 일측면 단부에 형성될 수 있다.
양극 비코팅부(11a)와 음극 비코팅부(12a)는 코팅부에 대하여 서로 대향하는 측면에 위치될 수 있다.
또한, 세퍼레이터(13)는 다수의 세퍼레이터를 포함할 수 있으며, 이들 세퍼레이터는 양극(11), 음극(12), 및 세퍼레이터(13)가 교대로 위치된 후 나선형으로 감길 수 있다.
전극 조립체(10)는 양극(11), 세퍼레이터(13), 및 음극(12)을 반복하여 적층한 복수의 시트를 포함하는 구조를 갖도록 구성될 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
전극 조립체(10)는 전해액과 함께 케이스(26) 내에 수용될 수 있다.
전해액은 EC, PC, DEC, EMC, 또는 EMC과 같은 유기 용매를 수반한 LiPF6 또는 LiBF4와 같은 리튬 염으로 제조될 수 있다.
전해액은 액체, 고체 또는 겔 상태로 이루어질 수 있다.
케이스(26)는 실질적으로 직육면체 형상으로 구성될 수 있고, 개구부는 그 일측면에 형성될 수 있다.
케이스(26)는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
케이스(26)는 실질적으로 직사각형 형상을 갖는 바닥면(14), 폭이 넓은 광폭 측면을 구성하는 한 쌍의 제1 측벽(15, 16)(또는 광폭 측면이라고도 칭할 수 있다), 및 폭이 좁은 소폭 측면을 구성하는 한 쌍의 제2 측벽(17, 18)(이하 소폭 측면이라고도 칭할 수 있다)을 포함할 수 있고, 제1 측벽(15, 16)과 제2 측벽(17, 18)은 각각 바닥면(14)의 단부에 수직으로 연결되어, 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 공간을 형성한다.
제1 측벽(15, 16)은 서로 대향할 수 있고, 제2 측벽(17, 18)은 서로 대향하게 위치될 수 있으며 또한 제1 측벽(15, 16)에 연결될 수 있다.
바닥면(14)과 제1 측벽(15, 16) 중 하나의 측벽이 서로 연결되는 에지의 길이는, 바닥면(14)과 제2 측벽(17, 18) 중 하나의 측벽이 서로 연결되는 에지의 길이보다 더 길 수 있다.
바람직하게는, 인접하는 제1 측벽(15, 16)과 제2 측벽(17, 18)은 90°의 각도로 둘러싼다.
캡 조립체(30)는 케이스(26)에 접합되어 케이스(26)의 개구부를 덮어 주기 위한 캡 플레이트(31), 양극 단자(21)(제1 단자), 및 음극 단자(22)(제2 단자)를 포함할 수 있고, 양극 단자(21)와 음극 단자(22)는 캡 플레이트(31)로부터 외측으로 돌출되어, 각각 양극(11)과 음극(12)에 전기적으로 연결된다.
캡 플레이트(31)는 일 방향으로 연장될 수 있고, 케이스(26)의 개구부에 접합될 수 있는 플레이트의 형상을 갖도록 구성될 수 있다.
캡 플레이트(31)는 캡 조립체(30)의 내부와 연통되는 주입 구멍(32)과 벤트 구멍(34)을 포함할 수 있다.
주입 구멍(32)은 전해액을 주입할 수 있도록 구성될 수 있고, 밀봉 마개(38)는 주입 구멍(32) 위 또는 주입 구멍(32) 내에 장착될 수 있다.
또한, 설정된 압력이 인가되면 열릴 수 있는 벤트 부재(39)는 노치(39a)를 포함하며, 배출 구멍(34)에 장착되거나 배출 구멍(34) 내에 장착될 수 있다.
양극 단자(21)와 음극 단자(22)는 캡 플레이트(31)로부터 위쪽으로 돌출되도록 장착될 수 있다.
양극 단자(21)는 집전체 탭(41)을 통하여 양극(11)에 전기적으로 연결될 수 있고, 음극 단자(22)는 집전체 탭(42)를 통하여 음극(12)에 전기적으로 연결될 수 있다.
단자 연결 부재(25)는 양극 단자(21)와 집전체 탭(41)을 전기적으로 연결하고, 양극 단자(21)와 집전체 탭(41) 사이에 장착될 수 있다.
단자 연결 부재(25)는 양극 단자(21)에 형성된 구멍 내에 삽입될 수 있으며, 단자 연결 부재(25)의 하부는 집전체 탭(41)에 용접될 수 있다.
밀봉용 개스킷(59)은 단자 연결 부재(25)와 캡 플레이트(31) 사이에 장착될 수 있으며, 단자 연결 부재(25)가 연장될 수 있는 구멍 내에 삽입될 수 있다.
또한, 하부 절연 부재(43)는 단자 연결 부재(25)의 하부에 삽입될 수 있고, 캡 플레이트(31)의 아래에 장착될 수 있다.
양극 단자(21)와 캡 플레이트(31)의 전기적 연결을 위해 연결 플레이트(58)가 양극 단자(21)와 캡 플레이트(31) 사이에 장착될 수 있다.
단자 연결 부재(25)는 캡 플레이트(31) 및 연결 플레이트(58)를 관통하여 이들과 접촉될 수 있다.
따라서, 캡 플레이트(31)와 케이스(26)는 양전위로 대전될 수 있다.
음극 단자(22)와 집전체 탭(42)의 전기적 연결을 위해, 다른 단자 연결 부재(25)가 음극 단자(22)와 집전체 탭(42) 사이에 설치될 수 있다.
다른 단자 연결 부재(25)는 음극 단자(22)에 형성된 구멍 내에 삽입될 수 있으며, 단자 연결 부재(25)의 하부는 음극 단자(22)와 집전체 탭(42)에 각각 용접될 수 있다.
개스킷(59)과 유사한 밀봉용 개스킷이 음극 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에 장착될 수 있으며, 단자 연결 부재(25)가 연장될 수 있는 구멍 내에 삽입될 수 있다.
또한, 하부 절연 부재(45)는 음극 단자(22)와 집전체 탭(42)을 캡 플레이트(31)로부터 절연하기 위한 것으로, 캡 플레이트(31)의 아래에 장착될 수 있다.
음극 단자(22)와 캡 플레이트(31)의 전기적 절연을 위한 상부 절연 부재(54)가 음극 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에 장착될 수 있다.
단자 연결 부재(25)는 상부 절연 부재(54) 및 캡 플레이트(31)을 관통하도록 구성될 수 있다.
캡 조립체(30)는 단락 구멍(37), 및 단락 부재(56)를 포함할 수 있다. 단락 부재(56)는 단락 구멍(37)에 설치되어 양극(11)과 음극(12)을 단락할 수 있다.
단락 부재(56)는 상부 절연 부재(54)와 캡 플레이트(31) 사이에 위치될 수 있고, 상부 절연 부재(54)는 단락 부재(56)에 대응하는 위치에 형성될 수 있는 컷아웃(cutout)을 갖도록 구성될 수 있다.
단락 부재(56)는 컷아웃을 통하여 노출되는 음극 단자(22)와 중첩하면서 이와 분리되어 위치될 수 있다.
또한, 단락 부재(56)는 캡 플레이트(31) 상에서 음극 단자(22)와 벤트 구멍(34) 사이에 위치될 수 있고, 벤트 구멍(34)보다 음극 단자(22)에 더 근접하여 위치될 수 있다.
단락 부재(56)는 전극 조립체(10)를 향하여 볼록하게 만곡진 만곡부 및 만곡부의 외측에 형성되고 캡 플레이트(31)에 고정될 수 있는 에지부를 포함할 수 있다.
단락 부재(56)는 전지 셀(80)의 내부 압력이 상승할 때 단락을 발생할 수 있 도록 변형될 수 있다.
즉, 전지 셀(80)의 내부 압력은, 전지 셀(80) 내에 바람직하지 않는 반응에 의하여 가스가 생성될 때 상승될 수 있다.
전지 셀(80)의 내부 압력이 레벨(예컨대, 설정 레벨)보다 더 높게 증가되면, 단락부재(56)의 만곡부는 반대 방향을 향하여 볼록하게 만곡되게 변형될 수 있으며, 이로 인해 단락 부재(56)는 단락을 발생시키도록 음극 단자(22)와 접촉하게 될 수 있다.
도 3 내지 도 8을 참고하면, 전지 모듈(60, 70)은 다수의 각형(직육면체형) 전지 셀(80)을 포함한다. 각 전지 셀(80)은 케이스(26) 및 케이스(26) 내에 수용되는 전극 조립체(미도시)를 포함한다.
케이스(26)는 알루미늄으로 형성되고, 실질적으로 직육면체 형상을 가지며, 그 상부에 전극 조립체를 삽입하기 위한 개구부를 가지고 있다.
개구부는 벤트 구멍(미도시) 내에 위치되는 벤트 부재(39)를 포함하는 캡 플레이트(31)에 의하여 폐쇄된다.
케이스(26)는 각각 서로 대향하는 (제1의) 광폭 측면(15, 16), 및 (제2의) 소폭 측면(17, 18)을 포함한다.
도 3을 참고하면, 종래 기술에 따른 전지 모듈(60)은 음극 제1 모듈 단자(61)와 양극 제2 모듈 단자(62) 사이에 직렬로 연결된 12개의 각형 전지 셀(80)을 포함한다.
즉, 전지 모듈(60)은 12s1p 변형예를 가지고 있다.
전지 모듈(60)에서 전지 셀(80)은 그 광폭 측면(15, 16)을 향하는 방향을 적층 방향으로 하여 적층된다. 이에 따라 인접하는 전지 셀(80)의 광폭 측면(15, 16)은 서로 마주하면서 밀착하거나 마주 또는 밀착하게 된다.
따라서, 전지 모듈(60)은 적층 방향으로 연장되는 광폭 모듈 측면(66)과, 적층 방향에 대해 수직 방향으로 연장되는 소폭 모듈 측면(67)을 갖는 직사각형 형상을 포함한다.
인접한 각 쌍의 전지 셀(80)에 있어 하나의 양극 단자(21)와 하나의 음극 단 자(22)는, 버스 바(63)를 통하여 전기적으로 연결된다.
스페이서(64)는 최외측 전지 셀(80)의 외측의 대향 광폭 측면(15, 16)에 인접 위치되어 적층 방향으로 전지 모듈(60)의 경계를 이룬다.
리본(65)은 전지 모듈(60)을 둘러 싸서 전지 셀(80)과 스페이서(64)를 적층 방향으로 압축한다.
종래 기술에 따른 전지 모듈(60)에서, 인접한 전지 셀(80) 사이의 열 전달은, 마주하는 광폭 측면(15, 16) 및 버스바(63)를 통해 이루어진다.
따라서, 결함 전지 셀(80)의 열은 전지 모듈(60)을 통하여 쉽게 전파된다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈(70)은 음극 제1 모듈 단자(71)와 양극 제2 모듈 단자(72) 사이에 직렬로 연결된 12개의 전지 셀(80)을 포함한다.
즉, 전지 모듈(70)은 12s1p 구조로 구성된다.
전지 모듈(70)은 한 쌍의 광폭 모듈 측면(76)과 한 쌍의 소폭 모듈 측면(77)을 가지며, 여기에서 광폭 측면 모듈(76)은 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 뻗어 있다.
따라서, 전지 모듈(70)은 길이 방향으로 연장되는 길다란 직사각형 형상을 갖는다.
전지 모듈(70)은 전지 셀(80)의 4열(row)(78)을 포함하는데, 여기에서 각 열(78)은 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 정렬되는 3개의 전지 셀(80)을 포함한다. 3개의 전지 셀(80)은 전지 셀(80) 각각의 소폭 측면(17, 18)을 통하여 서로 마주하고 있다.
여기서, 제1 전지 셀(80)의 양극 단자(21)는 제1 전지 셀(80)에 인접한 제2 전지 셀(80)의 음극 단자(22)에 인접하여 위치된다.
전지 셀(80)의 각 열(78)은 제1 스페이서(74a)를 추가로 포함하는데, 인접한 열(78)의 제1 스페이서(74a)는 전지 모듈(70)의 대향 소폭 모듈 측면(77)에 근접하여 위치된다.
제1 스페이서(74a)는 전지 셀(80)의 케이스(26)와 동일한 높이 즉, 전지 셀(80)의 소폭 측면(17, 18)과 동일한 길이의 소폭 측면을 가진다. 또한, 제1 스페이서(74a)는 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 그 길이가 전지 셀(80)의 광폭 측면(15, 16) 길이의 절반인 광폭 측면을 가진다.
인접한 열(78)의 전지 셀(80)의 최외측 단자(21, 22)의 극성은 반대 극성을 갖는다.
가령, 제1 열(78, 도 4 기준으로 맨 왼쪽에 배치된 열)은 양극 제2 모듈 단자(72)에 연결된 양극 극성의 최외측 단자(21)를 가진 전지 셀(80)을 포함하며, 제1 열(78)에 인접한 다음 열(78)은 최외측 음극 단자(22)를 가진 전지 셀(80)을 포함한다.
각 열(78)에 있어, 인접한 전지 셀(80)은 이웃한 쌍의 양극 단자(21)와 음극 단자(22)가 다수의(예: 8개) 제1 버스바(73a) 중 하나를 통해 연결되어 서로 전기적으로 연결된다.
제1 버스바(73a)는 평면의 직사각형 형상을 갖는 알루미늄 버스바로 이루어진다. 제1 버스바(73a)의 길이는 2개의 셀 단자(21, 22)의 길이 및 이들 사이의 길이를 합한 것에 대응하고, 제1 버스바(73a)의 폭은 전지 셀(80)의 소폭 측면(17, 18)의 폭에 대응한다.
제1 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 제1 양극 단자(21)는 양극 모듈 단자(72)에 전기적으로 연결되며, 양극 모듈 단자(72)는 이 최외측 전지 셀(80)에 인접하여 위치되는 제1 스페이서(74a)의 상측으로 연장된다.
제1 열(78)의 반대쪽 최외측 전지 셀(80)은, 양극 모듈 단자(72)에 멀리 떨어져 위치되고, 최외측 음극 셀 단자(22)를 포함한다. 여기서, 최외측 음극 셀 단자(22)는 제2 버스바(73b)를 통하여 인접한 제2 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 양극 단자(21)에 전기적으로 연결된다
제2 열(78)의 최외측 전지 셀(80)은 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 전지 셀(80)의 광폭 측면(15, 16) 길이의 절반만큼 오프셋(offset)되어 위치된다.
상기에서 오프셋되어 남은 공간에는 제1 스페이서(74a)로 채워지며, 제1 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 최외측 소폭 측면(17)과 제2열(78)의 제2 스페이서(74a)의 최외측 소폭 측면(17)은 서로 일직선으로 정렬된다.
제2 열(78)의 반대쪽 최외측 전지 셀(80)은 양극 모듈 단자(72)에 인접하여 위치되고 최외측 음극 셀 단자(22)를 포함한다. 여기서, 최외측 음극 셀 단자(22)는 추가의 제2 버스바(73b)를 통하여 인접한 제3 열(78)의 최외측 전지 셀(80)이 갖는 양극 셀 단자(21)에 전기적으로 연결된다.
제3 열(78)의 반대쪽 최외측 전지 셀(80)은 최외측 음극 셀 단자(22)를 포함하며, 이 최외측 음극 셀 단자(22)는 추가의 제2 버스바(73b)를 통하여 인접하는 제4 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 양극 셀 단자(21)에 전기적으로 연결된다.
제4 열의 반대쪽 최외측 전지 셀(80)은, 음극 모듈 단자(71)에 전기적으로 연결되는 최외측 음극 셀 단자(22)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 있어, 열(78)은 양극 모듈 단자(72)에 연결되는 열을 제1 열로 시작하여 음극 모듈 단자(71)에 연결된 열(78)을 마지막 열(제4 열)로 세도록 한다.
3개의 제2 버스바(73)의 각각은 L-형상으로 이루어질 수 있는데, L-형상은 전지 모듈의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 배치된 전지 셀(80)의 소폭 측면(17, 18)의 길이에 대응하는 길이를 갖는 짧은 레그(short leg), 및 전지 모듈의 길이 방향으로 전지 셀(80)의 광폭 측면(15, 16)의 길이의 절반, 즉 제1 스페이서(74a)의 길이와 하나의 셀 단자(21)의 길이의 합에 대응하는 길이를 갖는 긴 레그(long leg)를 가진 꼴로 이루어진다.
도 4의 전지 모듈(70)은 전지 모듈(70)의 광폭 측면(76)에 맞는 한 쌍의 제2 스페이서(74b)를 추가로 포함한다. 제2 스페이서(74b)는 경량이면서 열 및 충격을 흡수할 수 있는 재질로 구성된다.
탄성 리본(75)은 전지 모듈(70)의 광폭 및 소폭 모듈 측면(76, 77)의 둘레를 감싸 전지 모듈(70)을 압축한다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 모듈(70)은, 제1 음극 모듈 단자(71)와 제2 양극 모듈 단자(72) 사이에 6s2p 구조로서 직렬 및 병렬로 연결되는 12개의 전지 셀(80)을 포함한다.
제2 실시예의 전지 모듈(70)에 대한 설명에 있어 제1 실시예의 전지 모듈(70)과 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
제2 실시예의 전지 모듈(70)에서 전지 셀(80), 제1 스페이서(74a), 제2 스페이서(74b), 및 리본(75)의 공간적 구성은 제1 실시예의 전지 모듈(70)의 이들 구성요소들의 공간적 구성과 동일하다.
제2 실시예의 전지 모듈(70)에서, 상이한 전기적 전달 경로(routing), 즉 6s2p 구조는, 제1 버스바(73a), 제2 버스바(73b), 및 제1, 제2 모듈 단자(71, 72)의 다른 구성에 의하여 구현된다.
전지 모듈(70)의 각 열(78)에 있어, 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)는 평면 직사각형 형상을 갖는 다수의 알루미늄 제1 버스바(73a) 중 하나를 통하여 전기적으로 각각 연결된다. 여기서 하나의 버스바 길이(모듈의 길이 방향으로)는 2개의 셀 단자(21, 22)의 길이와 이들 사이의 길이 합에 대응한다.
반면, 제1 버스바(73a)의 폭은 3개의 전지 셀(80)이 갖는 소폭 측면(17, 18)의 길이에 대응한다.
이에 따라, 제1 버스바(73a)는 3개 열(78)의 전지 셀(80) 위로 연장된다.
제1 열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)를 연결하는 제1 버스바(73a)는 제3 열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)와도 연결된다. 이 제1 버스바(73a)와 교호적으로 배치되는 다른 제1 버스바(73a)는 제2 열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)를 연결하면서 제4 열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)과 연결된다.
이에 따라, 각각의 제1 버스바(73a)는 하나의 열을 건너 뛰면서 2개의 열(78)의 2쌍의 전지 셀(80)을 병렬로 전기적으로 연결한다.
병렬로 전기적으로 연결되는 전지 셀(80) 사이에 배치된 중간 열(middle row)(78)의 전지 셀(80)은, 제1 버스바(73a)의 아래로 돌출되는 단자(21, 22)를 가지지 않는다.
이에 따라 제1 버스바(73a)와 중간 열(78) 사이에 어떠한 전기적 연결도 이루어지지 않는다.
그러나, 중간 열(78)의 전지 셀(80)의 벤트 부재(39)는 제1 버스바(78)의 아래에 위치된다.
따라서, 각각의 제1 버스바(73a)는 전지 셀(80)의 고온 배출-가스 제트가 전지 셀(70) 위쪽의 공간으로 방출될 수 있도록 가능하게 하기 위한 구멍(개구부를 관통함)을 포함한다.
각각의 제1 버스바(73)가 직렬로 2쌍의 인접하는 전지 셀(80)을 연결하는 것으로 전지 모듈(70)은 모두 4개의 제1 버스바(73a)만을 포함한다.
단일 제2 버스바(73b)는 전지 셀(80)의 개별 열(78), 즉 개별 열의 최외측 전지 셀(80)을 직렬로 전기적으로 연결하고, 동시에 전지 셀(80)의 다른 개별 열(78), 즉 다른 개별 열의 전지 셀(80)을 병렬로 전기적으로 연결한다.
단일 제2 버스바(73b)는 F-형상을 가지며, F-형상은 전지 모듈(70)의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 연장되는 단일 레그와, 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 연장되는 2개의 추가 레그를 가진다.
단일 레그는 4개의 소폭 측면(17, 18)의 길이에 대응하는 길이와 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 연장된 셀 단자(21, 22) 길이에 대응하는 폭을 가진다.
추가 레그 각각은 전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 측면(15, 16)의 연장부의 절반, 즉 제1 스페이서(74a)의 길이에서 상기 단일 레그의 폭을 제외한 길이와 셀 단자(21)의 길이의 합에 대응하는 길이를 가진다.
추가 레그 각각은 전지 모듈(70)의 길이 방향에 수직한 셀 단자(21, 22)의 폭에 대응하는 폭을 가진다.
단일 제2 버스바(73b)는 제1 열(78)을 제3 열(78)과 병렬로 전기적으로 연결하고, 제1, 제2 열(78)과 제3, 제4 열(78)을 직렬로 전기적으로 연결한다.
제2 실시예의 전지 모듈(70)의 제1 및 제2 모듈 단자(71, 72)는 각기 극부(pole section)(71a, 72a)와 접촉부(71b, 72b)는 포함하는데, 극부(71a, 72a)는 외부 부하 회로에 연결되도록 구성되고, 접촉부(71b, 72b)는 전지 셀(80)의 개별 열(78)을 병렬로 전기적으로 연결하도록 구성된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 극부(71a, 72a)는 평면형의 접촉부(71b, 72b)의 상단면에 설치된 금속 원통으로 구성될 수 있으나, 반드시 이로써 한정되는 것은 아니다.
제1 모듈 단자(71)의 접촉부(71b)는 전지 모듈의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 연장되는 평면의 직사각형 알루미늄 스트립으로 이루어질 수 있으며, 3개의 소폭 측면(17, 18)의 길이에 대응하는 길이를 가질 수 있다.
따라서, 제1 모듈 단자(71)의 접촉부(71b)는 제2, 제4 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 음극 셀 단자(22)를 병렬로 전기적으로 연결하고, 제3 열(78)의 제1 스페이서(74a) 위로 연장된다.
제2 모듈 단자(72)의 접촉부(72b)는 평면이고 대체로 L-형상의 알루미늄 스트립으로서, 전지 모듈의 길이 방향으로 연장되는 제1 레그와, 전지 모듈의 길이 방향에 대해 수직하게 연장되는 제2 레그를 갖는다.
제1 레그는 광폭 측면(15, 16)의 길이의 절반, 즉 전지 모듈의 길이 방향으로 제1 스페이서(74a)의 길이와, 셀 단자(21)의 길이의 합에 대응하는 길이를 가진다.
제2 레그는 3개의 소폭 측면(17, 18)의 길이에 대응하는 길이를 가진다.
제1 레그는 제2 극부(72a)를 포함하고, 제1 열(78)의 제1 스페이서(74a)의 위쪽으로 제1 열(78)의 최외측 전지 셀의 양극 단자(22)까지 연장된다.
제2 레그는 제2 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 위쪽으로 제3 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 양극 단자를 향해 연장되어 제1 열과 제3 열(78)을 병렬로 전기적으로 연결한다.
또한, 제2 레그는 제2 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 벤트 부재(39)와 정렬되도록 구성되어, 고온 배출-가스 제트가 배출 부재(39)에 의하여 방출될 수 있도록 한다. 이를 위해 제2 레그는 제2 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 벤트 부재(39)와 정렬되도록 구성된 반원형의 오목부를 포함한다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전지 모듈(70)은, 음극 제1 모듈 단자(71)와 양극 제2 모듈 단자(72) 사이에 6s3p 구조로서 직렬 및 병렬로 연결되는 18개의 전지 셀(80)을 포함한다.
제3 실시예의 전지 모듈(70)에 대한 설명에 있어, 이전 실시예의 전지 모듈(70)과 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
제3 실시예의 전지 모듈(70)에서 전지 셀(80), 제1 스페이서(74a), 제2 스페이서(74b) 및 리본(75)의 구성은, 제2 실시예의 전지 모듈(70)의 이들 구성요소의 구성과 동일하다.
제3 실시예의 전지 모듈(70)은 전지 셀(80)의 6 열(78)을 포함하는 점에서 제2 실시예의 전지 모듈과 상이하며, 각 열(78)은 직렬로 연결된 3개의 전지 셀(80)을 포함한다.
제3 실시예에 따른 전지 모듈(70)의 열(78) 내의 전기적 전달 경로는, 제2 실시예의 전지 모듈(70)의 열(78) 내의 전기적 전달 경로와 실질적으로 동일하며, 개별 열의 전지 셀(80)의 전기 전달 경로는, 제3 실시예에 따른 전지 모듈(70)에서 3개 열(78)의 전지 셀(80)이 병렬로 전기적으로 연결되는 점에서 상이하다.
이러한 상이한 전기적 전달 경로, 즉 6s3p 구성은, 제2 실시예에 기초한 제1 버스바(73a), 제2 버스바(73b) 및 제1, 제2 모듈 단자(71, 72)의 수정된 구조에 의하여 구현된다.
각 열(78) 내에, 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 단자(21)와 음극 단자(22)는 평면 직사각형을 갖는 다수의 알루미늄 제1 버스바(73a) 중 하나를 통하여, 전기적으로 연결된다. 여기서 하나의 버스바의 길이(전지 모듈의 길이 방향으로)는 2개의 셀 단자(21, 22)의 길이와 이들 사이의 길이 합에 대응한다.
반면, 제1 버스바(73a)의 폭은 5개의 전지 셀(80) 소폭 측면(17, 18)의 길이에 대응한다.
이에 따라, 제1 버스바(73a)는 5개의 열(78)의 전지 셀(80) 위로 연장된다.
제1 열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)를 연결하는 제1 버스바(73a)는 제3 열 및 제 5열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)와도 연결된다. 이 제1 버스바(73a)와 교호적으로 배치되는 다른 제1 버스바(73a)는 제2 열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)를 연결하면서 제4 열 및 제6열(78)의 인접한 전지 셀(80)의 이웃한 쌍의 양극 및 음극 단자(21, 22)과 연결된다.
이에 따라, 제1 버스바(73a)는 3개의 개별 열(78)의 전지 셀(80)을 병렬로 전기적으로 연결한다.
연결된 전지 셀(80) 사이에서 제2 열, 제4 열(78)의 전지 셀(80)은, 제1 버스바(73a)의 아래로 돌출되는 어떠한 단자(21, 22)도 갖지 않으므로, 제1 버스바(73a)와 이들 제2 열, 제4 열(78) 사이에 어떠한 전기적 연결도 이루어지지 않는다.
제3 실시예에서, 제1 버스바(73a)는 제2 열, 제4 열(78)의 전지 셀(80)의 배출-가스를 방출할 수 있는 2개의 구멍(79)을 추가로 포함한다.
또한, 전지 모듈(70)은 모두 4개의 제1 버스바(73a)를 포함한다.
단일 제2 버스바(73b)는 제1, 제3, 및 제5 열(78)을 병렬로 전기적으로 연결하고, 제1 열과 제2 열, 제3 열과 제4 열, 및 제5 열과 제6 열(78)을 직렬로 전기적으로 연결한다.
단일 제2 버스바(73b)는 전지 모듈(70)의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 연장되는 단일 레그, 및 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 연장되는 3개의 추가 레그를 가진다.
단일 레그는 6개의 소폭 측면(17, 18)을 따라 연장된 연장부에 대응하는 길이, 및 전지 모듈(70)의 길이 방향으로 셀 단자(22)의 폭에 대응하는 폭을 가지고 전지 모듈(70)의 모든 열(78) 위로 연장된다.
각각의 추가 레그는 전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 측면(15, 16)의 연장부의 절반, 즉 제1 스페이서(74a)의 길이에서 상기 하나의 레그의 폭을 제외한 길이와, 전지 모듈(70)의 길이 방향에 수직한 셀 단자(21)의 길이 합에 대응하는 길이를 가진다.
추가 레그는 제2 열, 제4 열 및 제6 열(78)와 각각 일직선으로 정렬된다.
제3 실시예의 전지 모듈(70)의 제1 및 제2 모듈 단자(71, 72)는 각기 극부(71a, 72a)와 접촉부(71b, 72b)를 포함한다.
제1 모듈 단자(71)의 접촉부(71b)는 5개의 소폭 측면(17, 18)의 연장부에 대응하는 길이를 갖고, 전지 모듈의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 연장되는 평면의 직사각형 알루미늄 스트립으로 이루어질 수 있으며, 제2 열, 제4 열 및 제6 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 음극 셀 단자(21)를 병렬로 연결하고, 제3 열과 제5 열(78)의 제1 스페이서(74a) 위로 비접촉식으로 연장된다.
제2 모듈 단자(72)의 접촉부(72b)는 제2 실시예의 접촉부와 유사하지만, 5개의 소폭 측면(17, 18)의 연장부에 대응하는 길이를 가지며, 제2 열과 제4 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 위쪽으로 제3 열과 제5 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 양극 단자(21)를 향하여 비접촉식으로 연장되어, 제1 열, 제3 열, 제5 열(78)을 병렬로 전기적으로 연결한다.
제2 모듈 단자(72)의 접촉부(72b)가 포함하는 제2 레그는 제2 열과 제4 열(78)의 최외측 전지 셀(80)의 벤트 부재(39)와 정렬되게 구성되는 2개의 반원형 오목부(recess)를 포함하여, 고온 배출-가스 제트의 배출을 가능하게 한다.
제1 내지 제3 실시예 중 하나의 실시예의 전지 모듈(70)에 있어, 결함 전지 셀(80)이 전지 모듈(70)의 중간에 위치하는 경우, 이 결함 전지 셀(80)에서 발생된 열은 6개의 인접한 전지 셀(80)에 의하여 흡수된다. 여기서, 6개의 인접한 전지 셀(80) 중 4개는 인접한 열(78)의 일부로 광폭 측면(15, 16)을 통하여 결함 셀(80)에 연결되고, 6개의 인접한 전지 셀(80) 중 2개는 제1 버스바(73a)를 통하여 결함 셀(80)에 연결된다.
반면, 전지 셀(80)이 도 3에 도시된 일반적인 전지 모듈(60)의 중간에서 전지 셀(80)에 결함이 생기면, 2개의 인접한 전지 셀(80)만이 광폭 측면(15, 16)을 통하여 각각 연결되고, 버스바(63)가 결함 셀(80)의 열을 흡수한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈(70)에서는, 각 인접한 전지 셀(80)은 결함 전지 셀(80)로부터 발생된 열의 1/4 내지 1/6만을 흡수한다.
이에 비하여, 도 3의 일반적인 전지 모듈(60)에서는, 각 인접한 전지 셀(80)은 결함 전지 셀(80)의 열의 1/2을 흡수한다.
따라서, 인접한 전지 셀(80)은 종래기술의 전지 모듈(60)과 비교하여, 본 발명의 전지 모듈(70)에서 열 폭주 현상을 방지할 수 있다.
제1 내지 제3 실시예의 하나의 실시예의 전지 모듈(70)의 결함 전지 셀(80)이 적어도 2개의 인접하는 전지 셀(80)보다 전지 모듈(70)의 에지 상에 위치하면, 제1 스페이서(74a)와 제2 스페이서(74b)가 열 폭주 반응으로부터 발생된 열을 흡수한다.
결함 전지 셀(80)이 도 3의 전지 모듈(60)의 에지 상에 위치하면, 하나의 인접하는 전지 셀(80)과 스페이서(64)만이 열을 흡수할 수 밖에 없다.
다시 말하면, 열 분포는 본 발명의 전지 모듈(70)에서 더욱 균일하다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
70: 전지 모듈 78: 전지 열
73a: 제1 버스바 73b: 제2 버스바
15,16: 광폭 측면 17,18: 소폭 측면
80: 전지 셀

Claims (15)

  1. 복수의 전지 셀을 포함하는 복수의 전지 열;
    상기 전지 셀을 전기적으로 연결하는 복수의 제1 버스바 및 적어도 하나의 제2 버스바
    를 포함하고,
    상기 전지 셀 각각은, 바닥면, 제1 한 쌍의 광폭 측면 및 제2 한 쌍의 소폭 측면을 갖는 각형 전지 케이스를 포함하고,
    인접한 전지 셀은 소폭 측면을 통하여 서로 마주하고, 인접한 열의 인접한 전지 셀은 광폭 측면을 통하여 서로 마주하며,
    상기 복수의 전지 열 중 하나의 열에 있어 인접한 전지 셀은 상기 복수의 제1 버스바 중 하나를 통하여 직렬로 전기적으로 연결되고, 개별 열은 상기 적어도 하나의 제2 버스바를 통하여 직렬로 전기적으로 연결되는, 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전지 열은 상기 전지 모듈의 길이 방향에 평행하게 연장되는 전지 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    인접한 열의 상기 전지 셀은 상기 전지 모듈의 길이 방향에 평행하거나 역평행한 방향으로 서로에 대해 이동된 전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    인접한 열의 상기 전지 셀 사이의 오프셋(offset)은 상기 전지 모듈의 길이 방향으로 광폭 측면의 길이의 절반에 대응하는 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    인접한 열의 최외측 전지 셀 사이의 오프셋은 제1 스페이서로 채워지는 전지 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 전지 열 각각은 제1 스페이서를 포함하는 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    인접한 열의 최외측 전지 셀의 극성은 반대인 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버스바는 개별 열의 전지 셀을 병렬로 전기적으로 연결하도록 더욱 구성되는 전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 버스바는 전기적으로 연결된 개별 열 사이에서 상기 전지 셀의 벤트 부재와 정렬되도록 구성되는 구멍을 포함하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 버스바는 개별 열의 전지 셀을 병열로 전기적으로 연결하도록 더욱 구성되는 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀은 제1 모듈 단자와 제2 모듈 단자 사이에 직렬 또는 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결되는 전지 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 모듈 단자 및 상기 제2 모듈 단자 각각은, 외부 부하 회로에 연결되는 극부와, 개별 열의 전지 셀을 병렬로 전기적으로 연결하는 접촉부를 포함하는 전지 모듈.
  13. 제8항, 제10항, 및 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 버스바, 적어도 하나의 제2 버스바 및 상기 제1, 제2 모듈 단자의 각 접촉부 중 하나에 의하여 병렬로 전기적으로 연결되는 전지 셀의 양이 동일한 전지 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 제1 광폭 모듈 측면 및 한 쌍의 제2 소폭 모듈 측면을 포함하고,
    상기 제1 광폭 모듈 측면은 상기 전지 모듈의 길이 방향으로 연장되는 전지 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 광폭 모듈 측면과 정렬되는 한 쌍의 제2 스페이서, 및/또는 상기 제1 광폭 모듈 측면과 상기 제2 소폭 모듈 측면의 둘레로 연장되는 리본을 포함하는 전지 모듈.
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