KR20210155526A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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KR20210155526A
KR20210155526A KR1020200072851A KR20200072851A KR20210155526A KR 20210155526 A KR20210155526 A KR 20210155526A KR 1020200072851 A KR1020200072851 A KR 1020200072851A KR 20200072851 A KR20200072851 A KR 20200072851A KR 20210155526 A KR20210155526 A KR 20210155526A
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이혁재
김의성
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체에 연결된 버스바 프레임; 상기 복수의 전지셀로부터 연장 형성된 전극 리드들; 및 상기 버스바 프레임 상에 형성되고 상기 전극 리드와 중첩하는 버스바를 포함하고, 상기 버스바의 하측부에는 희생 양극부가 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변형된 버스바를 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
이차 전지는 모바일 기기 및 전기 자동차 등의 다양한 제품군에서 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존 제품의 사용을 대체할 수 있는 유력한 에너지 자원으로서, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생하지 않아 친환경 에너지원으로서 각광받고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체에 연결된 버스바 프레임, 상기 복수의 전지셀로부터 연장 형성된 전극 리드들 및 상기 버스바 프레임 상에 형성되고 상기 전극 리드와 중첩하는 버스바를 포함한다.
도 1은 종래 전지 모듈의 버스바 부분을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 전지 모듈의 모듈 프레임(20) 내부에서 수평 방향으로 배치된 복수의 버스바(41) 및 상기 버스바들과 각각 중첩되도록 전지셀들로부터 연장 형성된 전극 리드들(12)을 포함할 수 있다.
이러한 전지셀들은, 외관재의 한계로 인해 전지셀들 내부 전해액의 누액 현상이 발생할 수 있다. 이때 누액된 전해액이 모듈 프레임(20)의 하측에 모일 수 있으며, 누액된 전해액에 의해 버스바(41)의 하단부가 침지될 수 있다. 침지된 버스바(41)의 하단부 부분들은 전해액을 통한 부식이 일어나게 되고, 이를 통해 인접한 버스바(41)들이 서로 연결됨으로써 버스바(41)들 간의 쇼트(short) 현상이 발생할 수 있다. 쇼트 현상이 발생할 경우 전지 모듈의 발화 또는 폭발이 일어날 우려가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 버스바의 부식이 일어날 경우 버스바 간의 쇼트 현상을 방지할 수 있는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체에 연결된 버스바 프레임; 상기 복수의 전지셀로부터 연장 형성된 전극 리드들; 및 상기 버스바 프레임 상에 형성되고 상기 전극 리드와 중첩하는 버스바를 포함하고, 상기 버스바의 하측부에는 희생 양극부가 형성된다.
상기 버스바는 제1 금속을 포함하고, 상기 희생 양극부는 제2 금속을 포함하며, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속보다 먼저 산화될 수 있다.
상기 버스바 하단부는 상기 복수의 전지셀에서 누액된 전해액에 의해 침지되는 부분일 수 있다.
상기 제2 금속의 산화시, 상기 제2 금속은 상기 전해액 내로 이온화되고, 상기 희생 양극부를 기준으로 상하측에 각각 위치한 버스바 부분들은 서로 분리될 수 있다.
상기 제1 금속은 구리(Cu)를 포함하고, 상기 제2 금속은 철(Fe)을 포함할 수 있다.
상기 희생 양극부는 상기 전극 리드들과 이격되게 형성될 수 있다.
상기 버스바의 가운데 부분에는 상기 전극 리드들이 통과하는 슬롯이 형성되고, 상기 희생 양극부는 상기 슬롯의 하측에 형성될 수 있다.
상기 희생 양극부는 상기 버스바의 하단부를 가로질러 형성될 수 있다.
상기 희생 양극부는 상기 전극 리드들 중 양극 리드와 연결된 상기 버스바에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 팩은 상기 전지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은, 희생 양극부의 산화를 통하여 버스바 하단부와 전지셀 간의 쇼트 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 전지 모듈의 버스바 부분을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 A부분으로, 버스바들이 전해액에 침지된 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀과 버스바의 하단부가 분리된 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 전지셀들과 버스바들 간의 전류의 흐름을 나타낸 회로도이다.
이하에서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 A부분으로, 버스바들이 전해액에 침지된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)에 연결된 버스바 프레임(400), 복수의 전지셀(110)로부터 연장 형성된 전극 리드(120)들 및 버스바 프레임(400) 상에 형성되고 전극 리드(120)와 중첩하는 버스바(410)를 포함한다. 도 3을 참조하면, 버스바의 하측부에는 희생 양극부(500)가 형성된다.
전지셀(110)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 이러한 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 전지 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드(120)를 포함할 수 있다.
모듈 프레임(200)은 상하좌우면으로 형성되거나, 도 2에 도시된 바와 같이 U자형 프레임(220) 및 상부 플레이트(210)로 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 상하좌우면을 커버하도록 형성될 수 있다. 모듈 프레임(200)을 통해 내부에 수용된 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다.
버스바 프레임(400)은, 전지셀 적층체의 전후면에 형성되어, 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 전극 리드(120)들과 전기적으로 연결될 수 있다. 버스바 프레임(400)의 프레임 면 상에는 버스바(410)들이 형성될 수 있다. 버스바(410)들의 표면에는 전극 리드(120)가 접촉하여 버스바(410)와 전극 리드(120) 간의 전기적 연결을 이룰 수 있다. 버스바(400)의 가운데 부분에는 슬롯(410a)이 형성될 수 있다.
엔드 플레이트(300)는 전지셀 적층체(100)를 기준으로 버스바 프레임(400)의 외측에 각각 형성되어, 전지셀 적층체(100) 및 버스바 프레임(400)을 커버하도록 형성될 수 있다.
엔드 플레이트(300)는 외부의 충격으로부터 버스바 프레임(400), 전지셀 적층체(100) 및 이와 연결된 여러 전장품을 보호하고, 동시에 전지셀 적층체(100)와 외부 전원과의 전기적 연결을 안내할 수 있다. 엔드 플레이트(300)와 버스바 프레임(400) 사이에는 절연 부재(미도시)가 삽입되어, 버스바 프레임(400)과 외부와의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
열전도성 수지층(600)은 모듈 프레임(200)의 바닥면에 형성될 수 있다. 열전도성 수지층(600)의 상측에는 전지셀 적층체(100)가 위치하여, 전지셀 적층체(100)로부터 발생하는 열을 전지 모듈의 외부로 전달할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 열전도성 수지층(600)은 써말레진(Thermal Resin)으로 형성될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 희생 양극부에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀과 버스바의 하단부가 분리된 모습을 나타낸 도면이다. 도 5는 도 4의 전지셀들과 버스바들 간의 전류의 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 3을 참조하면, 버스바(410)들의 하측부에는 희생 양극부(500)가 형성된다. 희생 양극부(500)를 통해 서로 이격되게 배치된 버스바(410)들 간의 쇼트(short) 현상을 방지할 수 있다.
종래에 희생 양극부가 형성되지 않은 전지 모듈에서는, 전지셀들로부터 누액된 전해액이 모듈 프레임의 하측 공간에 모이게 되고, 모인 전해액에 의해 버스바의 하단부가 침지되며, 침지된 버스바 하단부 부분이 부식되어 인접한 버스바와 연결될 수 있다. 이때 인접한 버스바 간의 단락이 발생하여 단락을 통한 발화 또는 폭발 현상이 일어날 우려가 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따르면, 희생 양극부(500)가 버스바(410)들의 하측부에 형성된다. 이때 전지셀들로부터 누액된 전해액에 의해 버스바(410)들의 하측부가 침지되면, 침지된 부분에 위치한 희생 양극부(500)가 전해액 내로 이온화되어 사라짐으로써, 희생 양극부(500)의 상측에 위치한 버스바 부분과 희생 양극부(500)의 하측에 위치한 버스바 부분이 서로 분리될 수 있다.
이를 통해 버스바(410)와 중첩 형성된 전극 리드(120) 부분과 버스바(410)의 하단 부분이 희생 양극부(500)가 이온화 되어 사라짐으로써 서로 분리될 수 있다. 이를 통해 버스바(410)의 하단 부분이 인접한 버스바(410) 하단 부분과 부식을 통해 연결됨으로써 단락이 발생할 가능성을 미연에 차단하여 전지 모듈의 안정성을 확보할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 희생 양극부(500)의 재질이 버스바(410)의 재질보다 이온화 경향도가 낮은 재질로 형성될 수 있다. 따라서 버스바(410)에 비해 희생 양극부(500)가 먼저 산화되어 전해액 내로 이온화 되어 사라짐으로써 상하측 버스바 부분을 서로 분리할 수 있다.
버스바(410)는 제1 금속을 포함하고, 희생 양극부(500)는 제2 금속을 포함할 수 있다. 이때 상기 제2 금속은 상기 제1 금속보다 먼저 산화될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 제1 금속은 구리(Cu)를 포함할 수 있고, 제2 금속은 철(Fe)을 포함할 수 있다. 실험예에 따르면, 철(Fe)의 이온화 경향도는 -0.44V이고 구리의 이온화 경향도는 0.340V로서 두 물질 간의 이온화 경향도가 큰 차이를 보임을 알 수 있다. 따라서 철(Fe)은 구리(Cu)에 비해 이온화 경향도가 현격히 낮아 전해액에 대한 반응성이 상대적으로 높아질 수 있다. 따라서 제2 금속을 포함하는 희생 양극부(500)가 제1 금속을 포함하는 버스바(410) 대비 먼저 산화됨으로써 버스바의 상하측 부분들을 분리시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 희생 양극부(500)는 전극 리드(120)들과 이격되게 형성될 수 있다. 전극 리드(120)는 희생 양극부(500)의 상측에 형성되는바, 전극 리드(120)가 희생 양극부(500)와 이격되도록 함으로써 희생 양극부(500)의 산화시 전극 리드(120)가 함께 반응할 가능성을 사전에 방지할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 버스바(410)의 가운데 부분에는 전극 리드(120) 들이 통과하는 슬롯(410a)이 형성될 수 있다. 전극 리드(120)들이 통과하기 위해, 버스바 프레임(400)에도 슬롯(미도시)이 형성될 수 있다. 희생 양극부(500)는 슬롯(410a)의 하측에 형성되어, 슬롯을 통과해 형성된 전극 리드(120)와 희생 양극부(500) 사이의 간격을 확보하고, 희생 양극부(500)의 산화시 전극 리드(120)가 함께 반응할 가능성을 사전에 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 희생 양극부(500)는 버스바(410)의 하단부를 가로질러 형성될 수 있다. 버스바(410)의 하단부를 가로질러 형성됨으로써, 희생 양극부(500)가 산화되어 전해액에 이온화될 경우, 버스바(410)의 하단부 부분과 버스바 상측 부분을 완전히 분리할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 전지셀들로부터 전해액이 누액될 경우 도 5와 같은 폐회로가 발생하고, 이로 인해 전해액의 양쪽에 위치한 버스바(410)들은 각각 산화 전극과 환원 전극이 될 수 있다. 보다 상세하게는, 전지셀(110)의 양극 부분, 즉 전극 리드(120)들 중 양극 리드와 연결된 버스바(411)의 하측부에 희생 양극부(500)가 형성될 수 있다. 이때 산화 전극에 형성된 희생 양극부(500)가 전해액 내로 이온화되어 사라지므로 폐회로가 희생 양극부(500)가 형성된 부분에 의해 오픈될 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈은 전지팩에 포함될 수 있다. 전지팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 전지셀 적층체
110: 전지셀
120: 전극 리드
200: 모듈 프레임
300: 엔드 플레이트
400: 버스바 프레임
410: 버스바
410a: 슬롯
411: 양극 리드와 연결된 버스바
500: 희생 양극부
600: 열전도성 수지층
E: 전해액

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체에 연결된 버스바 프레임;
    상기 복수의 전지셀로부터 연장 형성된 전극 리드들; 및
    상기 버스바 프레임 상에 형성되고 상기 전극 리드와 중첩하는 버스바를 포함하고,
    상기 버스바의 하측부에는 희생 양극부가 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 버스바는 제1 금속을 포함하고, 상기 희생 양극부는 제2 금속을 포함하며, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속보다 먼저 산화되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 버스바의 하단부는 상기 복수의 전지셀에서 누액된 전해액에 의해 침지되는 부분인 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제2 금속의 산화시, 상기 제2 금속은 상기 전해액 내로 이온화되고, 상기 희생 양극부를 기준으로 상하측에 각각 위치한 버스바 부분들은 서로 분리되는 전지 모듈.
  5. 제2항에서,
    상기 제1 금속은 구리(Cu)를 포함하고, 상기 제2 금속은 철(Fe)을 포함하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 희생 양극부는 상기 전극 리드들과 이격되게 형성되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 버스바의 가운데 부분에는 상기 전극 리드들이 통과하는 슬롯이 형성되고, 상기 희생 양극부는 상기 슬롯의 하측에 형성되는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 희생 양극부는 상기 버스바의 하단부를 가로질러 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 희생 양극부는 상기 전극 리드들 중 양극 리드와 연결된 상기 버스바에 형성된 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
KR1020200072851A 2020-06-16 2020-06-16 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 KR20210155526A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20240035149A (ko) 2022-09-08 2024-03-15 주식회사 엘지에너지솔루션 클래드 부재가 부착된 버스바

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