KR20210056074A

KR20210056074A - 버스바를 포함하는 전지셀 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈

Info

Publication number: KR20210056074A
Application number: KR1020190142714A
Authority: KR
Inventors: 이동근; 김동현; 김병룡
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-05-18

Abstract

본 발명은 전지셀을 수용하는 수용부가 형성된 카트리지 본체, 상기 카트리지 본체의 상부 및 하부 끝단에서 연장되도록 형성된 버스바 결합부들, 상기 버스바 결합부들 중 적어도 어느 하나에 결합된 버스바, 및 복수의 카트리지들을 결합시키는 볼트가 관통하는 복수의 관통구들을 포함하고, 상기 수용부는 카트리지 본체의 양측면 각각에 형성되어 있는 전지셀 카트리지에 대한 것이다.

Description

버스바를 포함하는 전지셀 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈 {Battery Cartridge Comprising Busbar and Battery Module Having the Same}

본원 발명은 버스바를 포함하는 전지셀 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈에 대한 것으로서, 구체적으로, 전지모듈에서 전지셀들의 전기적인 연결을 위하여 용접을 하지 않고 볼트를 이용하여 전지셀들을 밀착 배열하고, 상기 전지셀들과 접촉하는 버스바가 전지셀 카트리지에 결합된 구조로 이루어진 전지셀 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈에 대한 것이다.

휴대용 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장시스템과 같은 중대형 장치에도 이차전지가 주요 동력원으로 자리잡고 있다. 특히, 화석연료의 사용에 따른 미세먼지와 환경 오염에 대한 문제가 심각해짐에 따라 자동차 산업에도 하이브리드 자동차나 전기자동차에 대한 관심이 증가하고 있다.

상기 하이브리드 자동차나 전기자동차는 전지팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 사용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질의 배출이 거의 없거나 배출량을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 하이브리드 자동차 및 전기자동차에서 가장 핵심 부품 중 하나는 전지팩이며, 상기 전지팩은 다수의 전지셀들이 직렬 연결 및/또는 병렬 연결로 결합되어 출력과 용량을 향상시킨다.

또한, 상기 전지팩은 다수의 전지모듈이 직렬/병렬 연결되어 전지팩을 구성할 수 있다. 구체적으로, 상기 전지모듈에서 전지셀들 간의 전기적인 연결을 위해 카트리지 사이에 전지셀들을 배치한 후, 최외각에 배치한 엔드 플레이트에 숄더 볼트를 통과시켜 전지셀 스택을 고정한다.

상기 전지셀 스택에 ICB(Inter-Connect Board) 어셈블리를 부착하여 전압 센싱을 할 수 있는데, 일반적으로 ICB 어셈블리의 버스바와 전지셀 스택의 전극리드를 용접하여 결합시킨다.

이와 관련하여, 특허문헌 1은 배터리 모듈의 일측면에 제1연결기판어셈블리와 제2연결기판어셈블리가 결합되며, 상기 제1연결기판어셈블리는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀의 전극 리드를 전기적으로 연결하는 제1버스바를 더 포함하고, 2 이상의 전극리드와 상기 제1버스바가 용접에 의해 기계적으로 결합되는 구조를 개시한다.

그러나, 이와 같은 방식은 생산 설비에 대한 투자 비용이 높으며, 용접이 불량한 제품이 발생하는 경우 제품의 유지 보수가 어려운 문제가 있다.

따라서, ICB 어셈블리를 포함하는 전지모듈로서, 상기 ICB 어셈블리를 전지셀 카트리지 스택에 용접하지 않고 결합함으로써 불량 제품이 발생하더라도 유지 보수가 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

한국 공개특허공보 제2017-0011349호 (2017.02.02)

본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전지셀들 간의 전기적인 연결을 위한 버스바가 결합된 형태의 전지셀 카트리지를 사용하고, 상기 전지셀 카트리지에 볼트를 이용하여 ICB 어셈블리를 결합하는 전지모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전지셀 카트리지는, 전지셀을 수용하는 수용부가 형성된 카트리지 본체, 상기 카트리지 본체의 상부 및 하부 끝단에서 연장되도록 형성된 버스바 결합부들, 상기 버스바 결합부들 중 적어도 어느 하나에 결합된 버스바, 및 복수의 카트리지들을 결합시키는 볼트가 관통하는 복수의 관통구들을 포함하고, 상기 수용부는 카트리지 본체의 양측면 각각에 형성되어 있는 구조로 구성될 수 있다.

상기 카트리지 본체의 상부 및 하부 끝단에는 ICB(Inter-Connect Board) 어셈블리를 결합하기 위한 체결부가 형성될 수 있다.

상기 버스바는 상기 버스바 결합부를 감싸는 형태로 결합될 수 있다.

또한, 상기 버스바와 인접하게 상기 관통구들이 형성될 수 있다.

본 발명은, 또한, 상기 전지셀 카트리지를 포함하는 전지모듈에 있어서, 복수의 파우치형 전지셀들과 복수의 전지셀 카트리지들이 교번 배열된 카트리지 스택, 상기 카트리지 스택의 전면과 후면에 배열되는 엔드 플레이트(end plate), 및 상기 카트리지 스택과 엔드 플레이트를 가압 고정하기 위한 볼트 및 너트를 포함하는 전지모듈을 제공한다.

상기 카트리지 스택은 상기 볼트와 너트의 결합에 의해 파우치형 전지셀들의 전극리드가 전지셀 카트리지의 버스바에 밀착되어 접촉된다.

상기 전지셀 카트리지의 버스바 결합부는 제1버스바 결합부 및 제2버스바 결합부를 포함하고, 상기 전지셀 카트리지는, 상기 제1버스바 결합부에 버스바가 결합된 제1전지셀 카트리지, 상기 제2버스바 결합부에 버스바가 결합된 제2전지셀 카트리지, 및 상기 제1버스바 결합부와 제2버스바 결합부에 버스바가 각각 결합된 제3전지셀 카트리지를 포함하며, 상기 파우치형 전지셀들의 직렬 연결 구조 또는 병렬 연결 구조의 형성에 따라 상기 제1전지셀 카트리지 내지 제3전지셀 카트리지가 선택적으로 적용될 수 있다.

상기 카트리지 스택의 상부 및 하부 중 적어도 어느 하나에는 ICB 어셈블리가 결합될 수 있다.

상기 ICB 어셈블리는 돌출된 형태의 전압 센싱 단자를 포함할 수 있다.

또한, 상기 전압 센싱 단자는 탄성력에 의해 버스바와 접촉 상태를 유지할 수 있다.

상기 ICB 어셈블리는, 상기 카트리지 본체에 형성된 체결부에서, 볼트 및 너트의 체결과 같은 기계적 결합에 의해 상기 카트리지 스택과 결합된다.

상기 카트리지 스택과 엔드 플레이트 사이에는 고전압 버스바가 추가로 더 포함될 수 있다.

본 발명은, 또한, 상기 전지모듈을 에너지원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지셀 카트리지 및 이를 포함하는 전지모듈은 용접이 불필요하기 때문에 전지모듈의 분해와 재조립을 용이하게 할 수 있다.

이와 같이, 전지모듈의 분해와 재조립의 용이성으로 인해, 불량 제품에 대한 유지 보수가 용이한 바, 제품 생산성이 향상될 수 있다.

또한, 용접 과정이 생략되기 때문에, 용접 불량에 의해 불량 제품이 발생하는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 용접을 위한 설비가 불필요하기 때문에 초기 투자 비용을 낮출 수 있다.

도 1은 하나의 실시예에 따른 카트리지 스택의 사시도이다.
도 2는 도 1의 카트리지 스택의 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4는 하나의 실시예에 따른 ICB 어셈블리의 사시도이다.
도 5는 카트리지 스택에 ICB 어셈블리가 결합되는 과정을 나타내는 수직단면도이다.
도 6은 도 5의 결합 상태의 사시도이다.
도 7은 도 6의 분해사시도이다.
도 8은 파우치형 전지셀들이 직렬 연결된 구조의 카트리지 스택의 분해도이다.
도 9는 파우치형 전지셀들이 병렬 연결된 구조의 카트리지 스택의 분해도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 종속항에 기재된 한정사항은 본 명세서에 기재된 모든 실시예에 적용될 수 있다.

구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명으로 한정하지 않는다.

본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.

도 1은 하나의 실시예에 따른 카트리지 스택의 사시도이고, 도 2는 도 1의 카트리지 스택의 분해사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전지모듈(100)은 복수의 파우치형 전지셀(120)과 복수의 전지셀 카트리지(110)가 교번 배열되어 카트리지 스택(150)을 구성하고, 카트리지 스택(150)의 전면과 후면에는 엔드 플레이트(130)가 각각 배열된다.

전지셀 카트리지(110)는 카트리지 본체(112)에 전지셀(120)을 수용하는 수용부(111)가 형성되고, 카트리지 본체(112)의 상부 끝단 및 하부 끝단에서 연장되도록 버스바 결합부(113)가 형성되어 있으며, 버스바 결합부(113)에는 버스바(114)가 결합되어 있다.

버스바(114)는 전체적으로 ㄷ자 형상으로 이루어지며, 버스바 결합부의 전면, 상면 및 후면을 감싸도록 버스바 결합부(113)에 결합하고 있다.

버스바(114) 인접부위로서, 버스바(114)의 양 옆 각각에 복수의 카트리지들을 결합시키는 볼트(131)가 관통하는 관통구(115)들이 형성되어 있다.

카트리지 본체(112)의 양측면 각각에 전지셀을 수용하도록 오목한 형태의 수용부(111)가 형성되어 있는 바, 파우치형 전지셀(120)의 전극조립체 수납부는 오목한 수용부(111)에 수납된다.

전지셀 카트리지(110)와 교번 배열로 파우치형 전지셀(120)이 배열되어 카트리지 스택(150)을 구성하고, 카트리지 스택(!50)의 전면과 후면 각각에 엔드 플레이트(130)가 배치된 상태에서, 관통구(115)를 통과하도록 볼트(131)가 체결되며, 너트가 볼트(131)에 결합됨으로써 카트리지 스택과 엔드 플레이트가 밀착된다.

이때, 파우치형 전지셀들의 전극리드는 전지셀 카트리지에 결합된 버스바에 밀착되면서 파우치형 전지셀들의 직렬/병렬 연결이 이루어질 수 있다.

또한, 도 1의 전지모듈(100)과 같이, 파우치형 전지셀(120)의 실링 외주변이 전지셀 카트리지 밖으로 노출되지 않도록, 전지셀 카트리지(110)의 x축 방향 폭은 파우치형 전지셀(120)의 x축 방향 폭보다 큰 크기로 이루어질 수 있다.

카트리지 스택(150)과 엔드 플레이트(130) 사이에는 고전압 버스바(141)가 개재될 수 있는 바, 고전압 버스바(141)는 전지모듈과 외부 디바이스의 연결 통로로 이용될 수 있으며, 외부 디바이스의 단자 형상에 대응하는 조립부를 포함한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고전압 버스바(141)는 홀 형상의 조립부를 포함하지만, 외부 디바이스의 단자 형상에 따라 볼트 형상의 조립부로 대체될 수도 있다.

도 3은 도 2의 부분 확대도이다.

도 3을 참조하면, 카트리지 본체(112)의 상부 끝단과 하부 끝단에는 ICB 어셈블리를 결합하기 위한 체결부(116)가 형성되어 있다.

ICB 어셈블리를 고정하기 위한 볼팅 구조체(142)가 체결부(116)에 맞물림 결합되는 바, 복수의 전지셀 카트리지와 전지셀들 및 엔드 플레이트가 볼팅되어 고정되면 볼팅 구조체(142)의 나사가 카트리지 스택의 외부로 돌출된 상태로 위치 고정이 이루어진다.

도 4는 하나의 실시예에 따른 ICB 어셈블리의 사시도로서, ICB 어셈블리의 상부사시도와 하부사시도를 도시하고 있고, 도 5는 카트리지 스택에 ICB 어셈블리가 결합되는 과정을 나타내는 수직단면도이다.

도 4와 도 5를 참조하면, ICB 어셈블리(160)는 상부에 PCB(Protect Circuit Board)(167)가 부착되어 있고, 하부에는 돌출된 형태의 전압 센싱 단자(161)가 형성되어 있다.

ICB 어셈블리(160)의 양 측면 하단에는 관통구(162)가 형성되어 있는 바, 카트리지 스택의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한??에 ICB 어셈블리를 결합하기 위해 관통구(162)에 볼팅 구조체(142)를 통과시키고 이에 너트(143)를 체결함으로써 기계적인 방법에 의한 결합이 이루어질 수 있다.

카트리지 스택 방향으로 돌출된 형태의 전압 센싱 단자(161)는 ICB 어셈블리가 카트리지 스택의 버스바(114)와 밀착 결합되면 ICB 어셈블리 방향으로 수축된 상태가 되는데, 수축 상태 이전으로 돌아가려는 탄성력에 의해 버스바(114)와 접촉 상태가 유지된다.

따라서, 전극리드(121)와 연결된 버스바(114)와 전압 센싱 단자(161)가 전기적으로 연결 상태가 된다.

이와 같이 카트리지 스택과 ICB 어셈블리를 결합하는 과정에서 용접 방법을 사용하지 않기 때문에, 볼트 및 너트의 체결을 해제하는 방법만으로 카트리지 스택과 ICB 어셈블리의 결합 및 해체를 용이하게 할 수 있으므로, 이들 중 어느 하나의 불량이 발생하는 경우 쉽고 빠르게 교체가 가능하다.

도 6은 도 5의 결합 상태의 사시도이고, 도 7은 도 6의 분해사시도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 도 1 및 도 2에 도시된 카트리지 스택과 엔드 플레이트가 결합된 상태에서, 카트리지 스택의 상부 및 하부 각각에 ICB 어셈블리(160)가 추가로 결합된 전지모듈을 도시하고 있다.

복수의 파우치형 전지셀(120)과 전지셀 카트리지(110)의 개수는 도면에 도시된 개수로 한정되지 않는다.

카트리지 스택의 전면과 후면에 배치되는 엔드 플레이트(130)와 카트리지 스택의 결합을 통한 전극리드와 버스바의 결합은 볼트(131)의 삽입과 너트의 체결로 이루어지며, 카트리지 스택과 ICB 어셈블리(160)의 결합도 볼팅 구조체(142)와 너트(143)에 의해 이루어진다.

즉, 본 발명은 전지모듈의 제조 과정에서 용접 과정이 생략된다. 따라서, 용접 생산 시설을 위한 과도한 투자 비용을 감축할 수 있으며, 용접 불량시 불량이 발생한 부재의 보수가 어려워서 제품 생산성이 낮았던 종래의 문제를 해결할 수 있다.

도 8은 파우치형 전지셀들이 직렬 연결된 구조의 카트리지 스택의 분해도이고, 도 9는 파우치형 전지셀들이 병렬 연결된 구조의 카트리지 스택의 분해도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 전지셀 카트리지는 도면상 카트리지 본체의 상부에 형성된 제1버스바 결합부(113a)와 하부에 형성된 제2버스바 결합부(113b)를 포함하는 바, 상기 제1버스바 결합부(113a)에 버스바(114)가 결합되는 제1전지셀 카트리지(110a), 제2버스바 결합부(113b)에 버스바(114)가 결합된 제2전지셀 카트리지(110b), 제1버스바 결합부(113a)와 제2버스바 결합부(113b) 각각에 버스바(114)가 결합되는 제3전지셀 카트리지(110c)를 포함한다.

도 8은 가장 왼쪽에 도시된 제1전지셀 카트리지(110a)의 버스바(114)에 양극리드(121a)가 결합되고, 제2전지셀 카트리지(110b)의 버스바(114)의 한쪽면에 음극리드(121b)결합되고, 반대쪽 면에는 양극리드(121a)가 결합되는 바, 직렬 연결(S) 구조를 도시하고 있다.

다시, 왼쪽에서 세번째에 위치하는 ㅌㅌ제1전지셀 카트리지(110a)의 버스바(114)의 한족면에 음극리드(121b)가 위치하고, 반대쪽 면에는 양극리드(121a)가 위치하며, 제2전지셀 카트리지(110b)의 버스바(114)의 한쪽면에 음극리드가 위치하고, 반대쪽 면에는 양극리드(121a)가 위치하는 바, 직렬 연결(S) 구조를 도시하고 있다.

도 9는 제3전지셀 카트리지(110c)의 버스바(114)를 중심으로 동일한 극성이 밀착 결합되는 병렬 연결(P)된 구조와, 상기 병렬 연결 구조들의 외측면에 제1전지셀 카트리지(110a)와 제2전지셀 카트리지(110b)가 결합되어 직렬 연결(S)이 형성된 상태를 도시하고 있다.

도 8 및 도 9에 도시된 카트리지 스택에는 고전압 버스바(141)가 부가되는 바, 고전압 버스바는 외부 디바이스와 전기적인 연결 통로가 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 용접 방법을 생략하고 볼트 및 너트의 체결에 의한 기계적인 결합만으로 조립이 이루어지며, 전지모듈의 용량 및 출력량을 고려한 전지셀의 직렬/병렬 연결을 위하여 제1전지셀 카트리지 내지 제3전지셀 카트리지 가운데 선택적으로 적용될 수 있다.

본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

100: 전지모듈
110: 전지셀 카트리지
110a: 제1전지셀 카트리지
110b: 제2전지셀 카트리지
110c: 제3전지셀 카트리지
111: 수용부
112: 카트리지 본체
113: 버스바 결합부
113a: 제1버스바 결합부
113b: 제2버스바 결합부
114: 버스바
115, 162: 관통구
116: 체결부
120: 파우치형 전지셀
121: 전극리드
121a: 양극리드
121b: 음극리드
130: 엔드 플레이트
131: 볼트
141: 고전압 버스바
142: 볼팅 구조체
143: 너트
150: 카트리지 스택
160: ICB 어셈블리
161: 전압 센싱 단자
167: PCB
S: 직렬 연결
P: 병렬 연결

Claims

전지셀을 수용하는 수용부가 형성된 카트리지 본체;
상기 카트리지 본체의 상부 및 하부 끝단에서 연장되도록 형성된 버스바 결합부들;
상기 버스바 결합부들 중 적어도 어느 하나에 결합된 버스바; 및
복수의 카트리지들을 결합시키는 볼트가 관통하는 복수의 관통구들;
을 포함하고,
상기 수용부는 카트리지 본체의 양측면 각각에 형성되어 있는 전지셀 카트리지.
제1항에 있어서, 상기 카트리지 본체의 상부 및 하부 끝단에는 ICB(Inter-Connect Board) 어셈블리를 결합하기 위한 체결부가 형성되어 있는 전지셀 카트리지.
제1항에 있어서, 상기 버스바는 상기 버스바 결합부를 감싸는 형태로 결합되어 있는 전지셀 카트리지.
제1항에 있어서, 상기 버스바와 인접하게 상기 관통구들이 형성된 전지셀 카트리지.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 전지셀 카트리지를 포함하는 전지모듈에 있어서,
복수의 파우치형 전지셀들과 복수의 전지셀 카트리지들이 교번 배열된 카트리지 스택;
상기 카트리지 스택의 전면과 후면에 배열되는 엔드 플레이트(end plate); 및
상기 카트리지 스택과 엔드 플레이트를 가압 고정하기 위한 볼트 및 너트;
를 포함하는 전지모듈.
제5항에 있어서, 상기 카트리지 스택은 상기 볼트와 너트의 결합에 의해 파우치형 전지셀들의 전극리드가 전지셀 카트리지의 버스바에 밀착되어 접촉되는 전지모듈.
제5항에 있어서, 상기 전지셀 카트리지의 버스바 결합부는 제1버스바 결합부 및 제2버스바 결합부를 포함하고,
상기 전지셀 카트리지는, 상기 제1버스바 결합부에 버스바가 결합된 제1전지셀 카트리지, 상기 제2버스바 결합부에 버스바가 결합된 제2전지셀 카트리지, 및 상기 제1버스바 결합부와 제2버스바 결합부에 버스바가 각각 결합된 제3전지셀 카트리지를 포함하며,
상기 파우치형 전지셀들의 직렬 연결 구조 또는 병렬 연결 구조의 형성에 따라 상기 제1전지셀 카트리지 내지 제3전지셀 카트리지가 선택적으로 적용되는 전지모듈.
제5항에 있어서, 상기 카트리지 스택의 상부 및 하부 중 적어도 어느 하나에는 ICB 어셈블리가 결합되어 있는 전지모듈.
제8항에 있어서, 상기 ICB 어셈블리는 돌출된 형태의 전압 센싱 단자를 포함하는 전지모듈.
제9항에 있어서, 상기 전압 센싱 단자는 탄성력에 의해 버스바와 접촉 상태를 유지하는 전지모듈
제8항에 있어서, 상기 ICB 어셈블리는, 상기 카트리지 본체에 형성된 체결부에서, 볼트 및 너트의 체결에 의해 상기 카트리지 스택과 결합하는 전지모듈.
제5항에 있어서, 상기 카트리지 스택과 엔드 플레이트 사이에는 고전압 버스바가 추가로 더 포함되는 전지모듈.
제5항에 따른 전지모듈을 에너지원으로 포함하는 디바이스.