WO2009110771A2 - 전지모듈의 전극단자 접속부재 - Google Patents

전지모듈의 전극단자 접속부재 Download PDF

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WO2009110771A2
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남궁억
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode terminal connecting member of a battery module, and more particularly, to a conductive electrode terminal connecting member for electrical connection of plate-shaped secondary battery cells ('battery cells') constituting the battery module,
  • a left wing connection portion to which the left battery cell electrode terminals are connected and a right wing connection portion to which the right battery cell electrode terminals are connected are included, and each of the connection portions is a battery cell.
  • Slit is formed so that the electrode terminal of the can be inserted, and in the electrical connection process, the battery cell electrode terminals are respectively inserted into the slit of the left and right wing connections and bent to be in close contact with the upper surface of the connection member, then joined by welding It relates to an electrode terminal connecting member consisting of a structure.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • the type of applications using the secondary battery is very diversified due to the advantages of the secondary battery, and it is expected that the secondary battery will be applied to many fields and products in the future.
  • Small mobile devices use one or two or four battery cells per device, whereas medium and large devices such as automobiles use a medium and large battery module electrically connected to a plurality of battery cells due to the need for high output and large capacity.
  • the size and weight of the battery module are directly related to the accommodation space and output of the medium and large devices, manufacturers are trying to manufacture a battery module that is as small and lightweight as possible.
  • devices that receive a lot of shocks and vibrations from the outside such as electric bicycles and electric vehicles, should have a stable electrical connection state and physical coupling state between the elements constituting the battery module.
  • Safety aspects are also important because they must be implemented.
  • the medium-large battery module is preferably manufactured in a small size and weight
  • the rectangular battery, the pouch-type battery, etc. which can be charged with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells of the medium-large battery module.
  • a pouch-type battery using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member has attracted much attention in recent years due to advantages such as low weight and low manufacturing cost.
  • the pouch type battery used as the unit cell of the battery module has some problems.
  • the pouch-type battery has a disadvantage in that electrical connection for the configuration of the module is not easy since the plate-shaped electrode terminals protrude from the top thereof.
  • the connection of the electrode terminals is generally a method of connecting the terminals by welding or the like using a wire, a plate, a bus bar, etc., but the plate-shaped electrode terminals are not easy to work.
  • a method of welding a plate, a bus bar, or the like by partially bending a plate-shaped electrode terminal is used. Therefore, a skilled technique is required and the work process is complicated. It often causes a defect.
  • the pouch-type battery has a problem in that a number of separate members for maintaining a stable coupling and assembly state in manufacturing a module by stacking a plurality of batteries because the mechanical strength is poor. Accordingly, in manufacturing a pouch-type battery as a module, a separate mounting member such as a cartridge for mounting the batteries in one or more units is generally used, and the modules are stacked to manufacture the module.
  • connection member for electrically connecting the electrode terminal of the battery cell should also be changed in quantity or shape to correspond thereto.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • an object of the present invention to provide an electrode terminal connection structure of the battery module that can improve the productivity and safety by facilitating electrical connection or mechanical fastening of the battery cells in a battery module consisting of a plurality of battery cells.
  • Electrode terminal connecting member according to the present invention for achieving this object
  • the battery module includes an array structure of two or more battery cells arranged in the width direction (vertical direction),
  • the electrode terminal connecting member may include a plate-shaped body having a predetermined thickness mounted on electrode terminals of battery cells arranged in a width direction; And,
  • Slits corresponding to the shape of the battery cell electrode terminals are formed in the left and right wing connections to allow the plate-shaped electrode terminals ('battery cell electrode terminals') of the battery cells to be inserted, respectively.
  • the battery cell electrode terminals are respectively inserted into the slits of the left and right wing connections, bent to be in close contact with the upper surface of the connection member, and are configured to be joined by welding.
  • the left wing connecting portion is connected to the positive terminal or the negative terminal ('left electrode terminal') positioned on the left side of the battery cells, and the right wing connecting portion is connected to the right side of the battery cells.
  • the connection member also serves as a kind of fastening member for interconnecting the battery cells has excellent structural stability and fastening strength of the coupling portion.
  • the slits may vary depending on the number of battery cells constituting the battery module, as described above, when the number of battery cells is changed, the slits may be easily changed by changing the number of slits.
  • the plate-shaped battery cell is a secondary battery having a thin thickness and a relatively wide width and length so as to minimize the overall size when stacked in the vertical direction for the configuration of the battery module.
  • a battery cell in which an electrode assembly is sealed in a battery case of a laminate sheet including a metal layer and a resin layer. More specifically, the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. It may have a structure in which a pair of electrode terminals protrude from one end portion.
  • a secondary battery having such a structure may be referred to as a pouch type battery cell.
  • an electrode assembly is accommodated in a plate-shaped battery cell, and the electrode terminal electrically connected to the positive electrode and the negative electrode of the electrode assembly is configured to protrude out of the battery cell.
  • the battery cell electrode terminal may be formed in a plate structure made of a metal material in consideration of conductivity, durability, and weldability with other components.
  • the left wing connection portion and the right wing connection portion of the connection member electrically connect the left electrode terminal and the right electrode terminal of the longitudinal battery cells with respect to the plate-shaped body.
  • the number of battery cells connected to each connection part may be one, it may be more than that.
  • parallel connection by the number of battery cells connected to the connection together with the series connection. It is also possible.
  • the left wing connection portion and the right wing connection portion may be formed in a structure forming a step in the width direction by the number of battery cells connected in series.
  • the left wing connecting portion is continuous in the upper left direction of the plate-shaped body, and the right wing connecting portion is continuous in the lower right direction, so that the left wing connecting portion is connected to the left electrode terminals of the battery cells around the plate-shaped body, and the right wing connecting portion Is connected to the right electrode terminal with a step in the width direction by the number of battery cells connected in series to the left connection.
  • the battery cells connected to the left connection and the battery cells connected to the right connection have a serial connection
  • the battery cells connected to each connection have a parallel connection.
  • the left and right wing portions may be formed in a structure including two or more slits in the width direction so that two or more adjacent battery cells can be connected in parallel.
  • the battery cells are electrically connected in a 3P (parallel) -2S (serial) structure
  • three slits for the left and right wing connections are formed, respectively, and the left and right wing connections are electrically connected in the 2P-2S structure.
  • Two slits may be formed.
  • the slit is not particularly limited as long as it is easy to insert the battery cell electrode terminals at the left and right wing portions.
  • the slit is a structure indented from the outer end of each of the connection parts, and punched apart from the outer end by a predetermined distance. Structure and the like.
  • the welding can be appropriately performed in a welding manner selected from the group consisting of resistance welding, laser welding, arc welding, and ultrasonic welding.
  • the electrode terminals of the battery cells may be electrically and mechanically coupled and fixed only by a structure welded to the upper surface of the connection member, but the welding site may be applied to the battery module by an external impact or expansion or torsion.
  • the connection members have a fastening structure with improved stability so that the separation is prevented and the short circuit or the short circuit occurs while the connection members leave the home position. Therefore, a structure for mechanical fastening between the connecting members may be further formed on the upper and / or lower surface of the plate-shaped body.
  • a hollow frame ('hollow frame') is formed in the width direction of the battery cell on the upper surface and / or the lower surface of the plate-shaped body, so that a plurality of connection members are arranged in the width direction (vertical direction).
  • an insulating fastening member having a bar shape may be inserted into the hollow frame to fix the connection members to each other.
  • the structure in which the connecting members are fixed to each other by the hollow frame and the insulating fastening member prevents electrical contact between the electrode terminal connecting member and the insulating fastening member and prevents the connection members from being displaced even when an external shock is applied to the battery module. Can be effectively prevented.
  • the hollow frame may be formed on the upper or lower surface of the plate-shaped body, or may be formed on the upper and lower surfaces, and may be selectively used as necessary.
  • the insulating fastening member is not particularly limited as long as it is a material or a structure capable of securing a predetermined rigidity and insulation, and may be made of an insulating material or a structure in which an insulating material is wrapped in a rod such as metal. Can be prepared.
  • it may be manufactured in a structure in which a rod of a metal material having excellent physical rigidity is wrapped with an insulating material.
  • an insulating film is attached to the outer surface of the rod with a predetermined thickness to insulate the hollow frame, It may be made of a structure coated with an insulating material.
  • the insulating film or the material of the insulating material for example, resin or rubber may be used.
  • the present invention also provides a medium-large battery module including an array structure of two or more battery cells arranged in the width direction (vertical direction) and making electrical connection of the battery cells by the electrode terminal connecting member.
  • one or more electrode terminal connecting members may be used, and when two or more electrode terminal connecting members are used, preferably, between the connecting members.
  • the insulating member may be interposed to prevent electrical contact between the connection members.
  • the medium-large battery module may include an array structure of two or more battery cells arranged in a length direction (horizontal direction) in addition to the width direction arrangement structure. Therefore, the electrode terminal connecting member may be preferably used not only for electrically connecting the battery cells arranged in the width direction (vertical direction) but also for electrically connecting the battery cells arranged in the horizontal direction.
  • Such a medium-large battery module in particular, can be preferably used in high-power large-capacity battery modules and medium-large battery packs that require a long life and excellent durability, for example, electric vehicles, hybrid electric vehicles, electric motorcycles, electric bicycles It can be used as a power source.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electrode terminal connecting member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial schematic view showing a structure in which an electrode terminal connecting member is coupled to a battery module
  • FIG. 3 and 4 are perspective views of an electrode terminal connecting member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a process of connecting a plurality of connecting members using an insulating fastening member and an insulating member;
  • FIG. 6 is a schematic view showing a structure in which the insulating fastening member is mounted to the battery module;
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a vertical cross section of an insulating fastening member
  • FIG. 8 is an enlarged schematic view of the insulating member of FIG. 5;
  • FIG. 9 is a partial schematic view illustrating a medium-large battery module in which battery cells are arranged in a width direction and a length direction.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an electrode terminal connecting member according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a partial schematic diagram showing a structure in which the electrode terminal connecting member is coupled to the battery module.
  • the electrode terminal connecting member 100 includes the left electrode terminals 212 of the battery cells 200, 202, and 204 and the right electrode terminals 214 of the battery cells 220, 222, and 224.
  • the plate-shaped body 110 mounted on the plate, the left and right connecting portion 120 and the right wing connecting portion 130 formed on the left and right of the plate-shaped body 110, and the hollow frame 140 attached to the lower surface of the plate-shaped body 110 Consists of a structure that includes.
  • the wing-shaped left wing connecting portion 120 and the right wing connecting portion 130 extend in the upper left and lower right directions with respect to the plate-shaped body 110, respectively, and are connected to each other in series by three battery cells 200 and 202. , 204 and the step D is formed by the width direction magnitude
  • the slits 125 and 135 are formed in three indented structures from the outer end portions 126 and 136 of the left wing connecting portion 120 and the right wing connecting portion 130, respectively.
  • the electrode terminals 212 and 214 of the battery cells 200 and 220 inserted into the slits 125 and 135 of the connection member 100 may have an upper surface of the connection member 100. After being bent in close contact with the upper surface, the upper surface of the connection member 100 is coupled by resistance welding or the like.
  • the left wing connecting portion 120 is connected to the positive terminal 212 of the battery cells 200, 202, and 204 located on the upper left side of the plate-shaped body, and the right wing connecting portion 130 is a battery located on the lower right side of the plate-shaped body.
  • the left battery cells 200, 202, and 204 and the right battery cells 220, 222, and 224 are electrically connected in a 3S-2P structure. Serial and parallel connections are made.
  • FIG 3 and 4 are perspective views schematically showing the electrode terminal connecting member according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode terminal connecting member 102 of FIG. 3 has a structure in which a hollow frame 142 is attached to the upper surface of the plate-shaped main body 112, and the electrode terminal connecting member 104 of FIG. Hollow frames 144 and 146 are attached to the upper and lower surfaces of the main body 114, respectively.
  • the electrode terminal connecting members 102 and 104 having such a structure may be selectively used according to the electrical connection structure of the battery cells arranged.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a process of connecting a plurality of connecting members using an insulating fastening member and an insulating member
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a structure in which an insulating fastening member is mounted on a battery module.
  • 7 is a schematic diagram showing the vertical cross section of the insulating fastening member.
  • connection of the connection member 100 is a bar-shaped insulating fastening member 150 in the state in which the plurality of connection members 100 are arranged in the width direction (W) connection member ( Inserted from one side opening of the hollow frame 140 attached to the lower portion of the 100 is made of a structure fixed by being mounted to a predetermined fastening portion 310 formed in the battery module case 300 as shown in FIG.
  • the electrode terminals of the battery cell are inserted into the slit of the connecting member 100 and bent to fix the position, and the bent portion of the electrode terminal is joined to the upper surface of the connecting member 100 by resistance welding.
  • the insulating fastening member 150 is inserted into the hollow frame 140 of the members 100 and fixed to the fastening part 310 of the battery module case 300.
  • this process may be performed in the reverse order.
  • the insulating fastening member 150 has a structure in which the insulating resin 154 is coated with a predetermined thickness on the outer surface of the rod 152 made of a metal material as shown in FIG. 7, the insulating fastening member ( When the connection members 100 are fixed by inserting the 150, the energization of the connection members 100 via the insulating fastening member 150 does not occur.
  • the insulating member 160 is interposed between the connecting members 100 to prevent the electrical current between the connecting members 100. Detailed description of the insulating member 160 will be described below with reference to FIG. 8.
  • FIG. 8 is an enlarged schematic view of the insulating member of FIG. 5.
  • the insulating member 160 is bent into a shape corresponding to the outer circumferential surface 122 of the connecting member 100, and closely contacts the outer circumferential surfaces of the left wing 120 and the right wing 130.
  • the indentation groove 162 for fixation is formed in the site
  • FIG. 9 is a partial schematic view illustrating a medium-large battery module in which battery cells are arranged in a width direction and a length direction.
  • the medium-large battery module 600 has a structure in which two battery modules 400 of FIG. 2 are connected in a lengthwise (horizontal) direction, and each battery cell 100 has a width direction (W) and It is arranged in the longitudinal direction (L).
  • the battery cells 100 arranged in the width direction W are connected in series and parallel manners by the electrode terminal connecting members 100, and the length direction L.
  • the battery cells arranged in the same manner, that is, the battery modules 400 and 500 are connected to each other in series by a separate connection member (not shown).
  • the electrode terminal connecting member according to the present invention can be electrically connected by welding after inserting the battery cell electrode terminals into the slit, so that the electrode terminals of the battery cells in close contact with each other It can be effectively connected and the assembly process is very easy as a whole, and because the connection member also serves as a kind of fastening member interconnecting the battery cells, the structural stability and fastening strength of the coupling portion is excellent.
  • connection structure according to the change of the quantity of battery cells can be easily changed, and the number of parts and the number of work processes are reduced, thereby reducing productivity and reducing productivity. It can greatly improve.

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Abstract

본 발명은 전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')들의 전기적 연결을 위한 도전성의 전극단자 접속부재로서, 전지셀들의 직렬방식의 전기적 연결, 또는 직렬 및 병렬방식의 전기적 연결을 위해, 좌측 전지셀 전극단자가 접속되는 좌익(左翼) 접속부와 우측 전지셀 전극단자가 접속되는 우익(右翼) 접속부를 포함하고 있고, 상기 접속부들에는 각각 전지셀의 전극단자가 삽입될 수 있도록 슬릿이 형성되어 있으며, 전기적 접속 과정에서, 상기 전지셀 전극단자들은 각각 좌익 및 우익 접속부들의 슬릿에 삽입되고 접속부재의 상면에 밀착되도록 절곡된 후, 용접에 의해 결합되는 구조로 이루어진 전극단자 접속부재를 제공한다.

Description

전지모듈의 전극단자 접속부재
본 발명은 전지모듈의 전극단자 접속부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')들의 전기적 연결을 위한 도전성의 전극단자 접속부재로서, 전지셀들의 직렬방식의 전기적 연결, 또는 직렬 및 병렬방식의 전기적 연결을 위해, 좌측 전지셀 전극단자가 접속되는 좌익 접속부와 우측 전지셀 전극단자가 접속되는 우익 접속부를 포함하고 있고, 상기 접속부들에는 각각 전지셀의 전극단자가 삽입될 수 있도록 슬릿이 형성되어 있으며, 전기적 접속 과정에서, 상기 전지셀 전극단자들은 각각 좌익 및 우익 접속부들의 슬릿에 삽입되고 접속부재의 상면에 밀착되도록 절곡된 후, 용접에 의해 결합되는 구조로 이루어진 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 동력원으로도 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 바람직하므로, 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, 전지모듈의 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 복잡하며, 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, 일반적으로 하나 또는 둘 이상의 단위로 전지들을 장착하는 카트리지 등의 별도의 장착 부재가 사용되고 이들을 적층하여 모듈을 제조하고 있다.
또한, 다수의 전지셀들을 사용하여 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, 다품종 소량 생산을 위해 전지모듈을 구성하는 전지셀의 수가 변경되는 경우, 전지셀의 전극단자를 전기적 연결하는 접속부재도 이에 대응하기 위해 수량 또는 형상이 변경되어야 한다.
따라서, 다수의 전지셀들로 구성된 전지모듈에서 전지셀들의 전기적 연결 구조, 즉, 각각의 전지셀 다수 개를 전기적 직렬 및/또는 병렬 구조로 연결하기 위한 전극단자 접속부재에 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 전지셀들로 구성되는 전지모듈에서 전지셀들의 전기적 연결 또는 기계적인 체결을 용이하게 하여 생산성과 안전성을 향상시킬 수 있는 전지모듈의 전극단자 연결구조를 제공하는 것이다.
또한, 소량 다품종 생산을 위해 전지모듈을 구성하는 전지셀의 수량이 변경되는 경우, 이러한 변경에 대응하기 용이한 구조를 가진 전극단자 접속부재를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극단자 접속부재는,
전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')들의 전기적 연결을 위한 도전성의 전극단자 접속부재로서,
상기 전지모듈은 폭 방향(세로 방향)으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 배열 구조를 포함하고 있고,
상기 전극단자 접속부재는 폭 방향으로 배열된 전지셀들의 전극단자들 상에 탑재되는 소정의 두께를 가진 판상 본체; 및,
상기 판상 본체로부터 연속되어 있고, 전지셀들의 직렬방식의 전기적 연결, 또는 직렬 및 병렬방식의 전기적 연결을 위해, 좌측 전지셀 전극단자가 접속되는 좌익(左翼) 접속부와 우측 전지셀 전극단자가 접속되는 우익(右翼) 접속부;
를 포함하고 있고,
상기 좌익 및 우익 접속부들에는 각각 전지셀의 판상형 전극단자('전지셀 전극단자')가 삽입될 수 있도록 전지셀 전극단자의 형상에 대응하는 슬릿이 형성되어 있으며,
전기적 접속 과정에서, 상기 전지셀 전극단자들은 각각 좌익 및 우익 접속부들의 슬릿에 삽입되고 접속부재의 상면에 밀착되도록 절곡된 후, 용접에 의해 결합되는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 폭 방향으로 배열된 둘 이상의 전지셀들로 이루어진 전지모듈에서, 좌익 접속부는 전지셀들의 좌측에 위치한 양극단자 또는 음극단자('좌측 전극단자')에 접속되고, 우익 접속부는 전지셀들의 우측에 위치한 음극단자 또는 양극단자('우측 전극단자')와 접속함으로써, 폭 방향으로 배열된 전지셀들은 순차적으로 전기적 직렬 연결을 이룰 수 있다.
또한, 좌익 접속부 및 우익 접속부에 전지셀들 각각의 전극단자들이 삽입될 수 있는 슬릿이 형성되어 있어서, 전지셀 전극단자를 슬릿에 삽입하여 절곡한 후 용접 작업에 의해 전기적 연결을 이룰 수 있으므로 밀착된 상태로 근접해 있는 전지셀들의 전극단자들을 효과적으로 연결할 수 있고 전체적으로 조립 과정이 매우 용이하며, 접속부재가 전지셀들을 상호 연결하는 일종의 체결부재의 역할도 하므로 구조적 안정성과 결합부위의 체결 강도가 우수하다.
더욱이, 이러한 슬릿은 전지모듈을 구성하는 전지셀들의 수에 따라 달라질 수 있으므로, 앞서 설명한 바와 같이, 전지셀들의 수량이 변경되는 경우, 슬릿의 수량을 변경하여 용이하게 대응할 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 세로 방향으로 적층되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 바람직한 예로는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 밀봉되어 있는 전지셀을 들 수 있으며, 더욱 구체적으로는, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 일측 단부에 한 쌍의 전극단자가 돌출되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
일반적으로, 판상형 전지셀은 내부에 전극조립체가 수납되고, 이러한 전극조립체의 양극과 음극에 전기적으로 연결된 전극단자가 전지셀 외부로 돌출된 구조로 이루어진다. 따라서, 상기 전지셀 전극단자는 도전성, 내구성 및 다른 부품과의 용접성 등을 고려하여 금속소재의 플레이트 구조로 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 접속부재의 좌익 접속부와 우익 접속부는 판상 본체를 기준으로 세로 방향 전지셀들의 좌측 전극단자와 우측 전극단자를 전기적으로 직렬 연결한다. 각 접속부에 접속되는 전지셀의 수는 하나일 수도 있지만, 그 이상일 수도 있다. 예를 들어, 좌익 접속부에 접속되는 좌측 전극단자들이 둘 또는 그 이상이고, 우익 접속부에 접속되는 우측 전극단자들이 둘 또는 그 이상일 때에, 직렬 연결과 함께, 접속부에 접속되는 전지셀들의 수만큼 병렬 연결도 가능하다.
따라서, 전지셀들을 직렬 및 병렬 연결하는 구조의 바람직한 예에서, 좌익 접속부와 우익 접속부는 직렬방식으로 연결되는 전지셀의 수만큼 폭 방향으로 단차를 이루는 구조로 형성될 수 있다.
예를 들어, 좌익 접속부는 판상 본체의 좌측 상부 방향으로 연속되어 있고, 우익 접속부는 우측 하부 방향으로 연속되어 있어서, 좌익 접속부는 판상 본체를 중심으로 전지셀들의 좌측 전극단자들과 접속되고, 우익 접속부는 좌익 접속부에 직렬방식으로 연결되어 있는 전지셀들의 수만큼 폭 방향으로 단차를 가지면서 우측 전극단자들에 접속된다. 따라서, 좌익 접속부에 연결된 전지셀들과 우익 접속부에 연결된 전지셀들은 직렬방식 연결 관계를 가지게 되고, 각 접속부들에 함께 연결된 전지셀들은 병렬방식 연결 관계를 가지게 된다.
이 경우, 상기 좌익 및 우익 접속부들은, 인접한 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 병렬방식 연결이 가능할 수 있도록, 폭 방향으로 둘 또는 그 이상의 슬릿을 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전지셀들을 3P(병렬)-2S(직렬) 구조로 전기적 연결하는 경우, 좌익 및 우익 접속부의 슬릿은 각각 3개씩 형성되고, 2P-2S 구조로 전기적 연결하는 경우에 좌익 및 우익 접속부의 슬릿은 각각 2개씩 형성될 수 있다.
상기 슬릿은 좌익 및 우익 접속부에서 전지셀 전극단자가 삽입되기 용이한 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 접속부들 각각의 외측 단부로부터 만입된 구조, 외측 단부로부터 소정의 거리만큼 이격된 천공 구조 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 전지셀들의 전극단자와 접속부재의 결합 방법은, 앞서 설명한 바와 같이, 전극단자를 좌익 및 우익 접속부의 슬릿에 삽입한 후, 접속부재의 상면에 밀착되도록 전극단자를 절곡한 다음, 상기 밀착된 접속부재의 상면과 전극단자의 절곡된 부위를 용접함으로써, 기계적, 전기적 연결을 공고히 할 수 있다. 상기 용접은, 예를 들어, 저항 용접, 레이저 용접, 아크 용접, 및 초음파 용접으로 이루어지는 군에서 선택되는 용접 방식으로 필요에 따라 적절히 수행할 수 있다.
한편, 상기 전지셀들의 전극단자들은 앞서 설명한 바와 같이, 접속부재의 상면과 용접된 구조만으로도 전기적 및 기계적으로 결합되어 고정될 수 있으나, 전지모듈에 외부 충격이 인가되거나 팽창 또는 비틀림 등에 의하여 상기 용접 부위가 분리되고 접속부재들이 정위치를 이탈하면서 단전 또는 쇼트가 발생하는 현상을 방지할 수 있도록, 접속부재들은 더욱 안정성이 향상된 체결 구조를 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 판상 본체의 상면 및/또는 하면에는 접속부재들 상호간의 기계적 체결을 위한 구조가 추가로 형성될 수 있다.
이러한 체결 구조의 바람직한 예로서, 판상 본체의 상면 및/또는 하면에 전지셀의 폭 방향으로 중공 구조의 프레임('중공 프레임')을 형성하여, 다수의 접속부재들이 폭 방향(세로 방향)으로 배열된 상태에서 바(bar) 형태의 절연성 체결부재가 상기 중공 프레임에 삽입되어 접속부재들을 상호 고정하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 중공 프레임 및 절연성 체결부재에 의해 접속부재들 상호간을 고정시킨 구조는 전극단자 접속부재와 절연성 체결부재의 전기적 접촉을 방지하면서, 전지모듈에 외부로부터 충격이 인가되더라도 접속부재들의 정위치 이탈을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 중공 프레임은 판상 본체의 상면 또는 하면에 형성되거나, 상면 및 하면에 형성될 수 있으며, 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있음은 물론이다.
상기와 같은 체결 구조에서, 절연성 체결부재는 소정의 강성과 절연성을 확보할 수 있는 소재 또는 구조이면 특별히 제한되지는 않으며, 절연성 소재로 이루어져 있거나 또는 금속 등의 봉에 절연성 소재를 감싼 구조 등으로 다양하게 제조될 수 있다.
바람직하게는, 물리적 강성이 뛰어난 금속 소재의 봉을 절연성 소재로 감싼 구조로 제조될 수 있으며, 예를 들어, 상기 중공 프레임과의 절연을 위하여 봉의 외면에 소정의 두께로 절연성 필름이 부착되어 있거나, 절연성 물질을 코팅한 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 절연성 필름 또는 절연성 물질의 소재는, 예를 들어, 수지 또는 고무 등이 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 폭 방향(세로 방향)으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 배열 구조를 포함하고 있고, 상기 전극단자 접속부재에 의해 전지셀들의 전기적 연결을 이루고 있는 중대형 전지모듈을 제공한다.
상기 폭 방향으로 배열된 전지셀들의 개수 및 배열 구조에 따라, 전극단자 접속부재가 하나 또는 둘 이상이 사용될 수 있으며, 둘 이상의 전극단자 접속부재가 사용되는 경우, 바람직하게는, 접속부재들 사이에 절연부재를 개재함으로써 접속부재들 사이의 전기적 접촉을 방지하는 구조로 이루어질 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 중대형 전지모듈은 폭 방향 배열 구조 이외에, 길이 방향(가로 방향)으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 배열 구조도 포함할 수 있다. 따라서, 상기 전극단자 접속부재는 폭 방향(세로 방향)으로 배열된 전지셀들의 전기적 연결뿐만 아니라, 가로방향으로 배열된 전지셀들을 전기적으로 연결하는 경우에도 바람직하게 사용될 수 있다.
이러한 중대형 전지모듈은, 특히, 장시간의 수명과 우수한 내구성이 요구되는 고출력 대용량의 중대형 전지모듈 및 중대형 전지팩에 바람직하게 사용될 수 있으며, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 사용될 수 있다.
상기 중대형 전지모듈 및 중대형 전지팩의 구조 및 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극단자 접속부재의 사시도이다;
도 2는 전지모듈에 전극단자 접속부재가 결합된 구조를 나타내는 부분 모식도이다;
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극단자 접속부재의 사시도들이다;
도 5는 절연성 체결부재 및 절연부재를 사용하여 다수의 접속부재들을 연결하는 과정에 관한 모식도이다;
도 6은 절연성 체결부재가 전지모듈에 장착되는 구조를 나타내는 모식도이다;
도 7은 절연성 체결부재의 수직 단면을 나타내는 모식도이다;
도 8은 도 5의 절연부재를 확대한 모식도이다;
도 9는 전지셀들이 폭 방향 및 길이 방향으로 배열된 중대형 전지모듈을 나타내는 부분 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극단자 접속부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 전지모듈에 전극단자 접속부재들이 결합된 구조를 나타내는 부분 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극단자 접속부재(100)는 전지셀들(200, 202, 204)의 좌측 전극단자들(212)과 전지셀들(220, 222, 224)의 우측 전극단자들(214) 상에 탑재되는 판상 본체(110), 판상 본체(110)의 좌측 및 우측에 형성된 좌익 접속부(120)와 우익 접속부(130), 및 판상 본체(110)의 하면에 부착된 중공 프레임(140)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
날개 형상의 좌익 접속부(120)와 우익 접속부(130)는 판상 본체(110)를 기준으로 좌측 상부와 우측 하부 방향으로 각각 연장되어 있고, 직렬방식으로 상호 연결되는 3 개 전지셀들(200, 202, 204 및 220, 222, 224)의 폭 방향 크기 만큼 단차(D)가 형성되어 있다.
또한, 슬릿들(125, 135)은 좌익 접속부(120) 및 우익 접속부(130)의 외측 단부(126, 136)로부터 각각 3개씩 만입된 구조로 형성되어 있다.
전지모듈(400)의 조립 과정에서, 접속부재(100)의 슬릿들(125, 135)에 삽입된 전지셀(200, 220)의 전극단자들(212, 214)은 접속부재(100)의 상면에 밀착되도록 절곡된 후, 저항 용접 등에 의해 접속부재(100)의 상면과 결합된다.
좌익 접속부(120)는 판상 본체를 기준으로 좌측 상부에 위치한 전지셀들(200, 202, 204)의 양극 단자들(212)과 접속되고, 우익 접속부(130)는 판상 본체의 우측 하부에 위치한 전지셀들(220, 222, 224)의 음극 단자들(214)과 접속됨으로써, 좌측 전지셀들(200, 202, 204)과 우측 전지셀들(220, 222, 224)은 3S-2P 구조로 전기적 직렬 및 병렬 연결이 이루어진다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극단자 접속부재의 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 도 3의 전극단자 접속부재(102)는 판상 본체(112)의 상면에 중공 프레임(142)이 부착된 구조로 이루어져 있고, 도 4의 전극단자 접속부재(104)는 판상 본체(114)의 상면 및 하면에 중공 프레임들(144, 146)이 각각 부착된 구조로 이루어져 있다. 이러한 구조로 이루어진 전극단자 접속부재들(102, 104)은 배열되는 전지셀의 전기적 접속 구조에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
도 5에는 절연성 체결부재 및 절연부재를 사용하여 다수의 접속부재들을 연결하는 과정에 관한 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 절연성 체결부재가 전지모듈에 장착되는 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있으며, 도 7에는 절연성 체결부재의 수직 단면을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 접속부재들(100)의 연결은 다수의 접속부재들(100)이 폭 방향(W)으로 배열된 상태에서 바(bar) 형태의 절연성 체결부재(150)가 접속부재(100)의 하부에 장착된 중공 프레임(140)의 일측 개구로부터 삽입되어 도 6과 같이 전지모듈 케이스(300)에 형성되어 있는 소정의 체결부(310)에 장착됨으로써 고정되는 구조로 이루어진다.
더욱 상세하게는, 전지셀의 전극단자들을 접속부재(100)의 슬릿에 삽입 및 절곡하여 위치를 고정시키고 저항용접에 의해 전극단자의 절곡부와 접속부재(100)의 상면을 결합시킨 후, 접속부재들(100)의 중공 프레임(140)에 절연성 체결부재(150)를 삽입하여 전지모듈 케이스(300)의 체결부(310)에 고정시킨다. 그러나, 이러한 과정은 반대의 순서로 진행될 수도 있음은 물론이다.
절연성 체결부재(150)는 도 7과 같이 금속 소재로 이루어진 봉(152)의 외면에 절연성 수지(154)가 소정의 두께로 코팅된 구조로 형성되어 있으므로, 중공 프레임(140)에 절연성 체결부재(150)를 삽입하여 접속부재들(100)을 고정하는 경우, 절연성 체결부재(150)를 경유한 접속부재들(100)의 통전 현상은 발생하지 않는다. 또한, 절연부재(160)가 접속부재들(100) 사이에 개재되어 있어서, 접속부재들(100) 간의 통전을 방지한다. 절연부재(160)의 상세한 설명은 이하 도 8을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
도 8에는 도 5의 절연부재를 확대한 모식도가 도시되어 있다.
도 8을 도 5와 함께 참조하면, 절연부재(160)는 접속부재(100)의 외주면(122)에 대응하는 형상으로 절곡되어 있고, 좌익 접속부(120) 및 우익 접속부(130)의 외주면과 밀착되는 부위에는 고정용 만입홈(162)이 형성되어 있다. 따라서, 좌익 접속부(120) 및 우익 접속부(130)의 외주면이 절연부재(160)의 고정용 만입홈(162)에 삽입됨으로써 상호간 결합이 이루어지고, 접속부재들(100) 사이에 개재되어 있는 절연부재(160)가 정위치를 이탈하는 것을 방지하게 된다.
도 9에는 전지셀들이 폭 방향 및 길이 방향으로 배열된 중대형 전지모듈을 나타내는 부분 모식도가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 중대형 전지모듈(600)은 도 2의 전지모듈(400) 2개가 길이(가로) 방향으로 연결되어 있는 구조로서, 각각의 전지셀들(100)은 폭 방향(W) 및 길이 방향(L)으로 배열되어 있다. 각각의 전지모듈들(400, 500)에서, 폭 방향(W)으로 배열된 전지셀들(100)은 전극단자 접속부재들(100)에 의해 직렬 및 병렬방식으로 연결되어 있고, 길이 방향(L)으로 배열된 전지셀들, 즉, 전지모듈들(400, 500) 상호 간은 별도의 접속부재(도시하지 않음)에 의해 직렬방식으로 연결되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극단자 접속부재는, 전지셀 전극단자들을 슬릿에 삽입하여 절곡한 후 용접에 의해 전기적 연결을 이룰 수 있으므로, 밀착된 상태로 근접해 있는 전지셀들의 전극단자들을 효과적으로 연결할 수 있고 전체적으로 조립 과정이 매우 용이하며, 접속부재가 전지셀들을 상호 연결하는 일종의 체결부재의 역할도 하므로 구조적 안정성과 결합부위의 체결 강도가 우수하다.
또한, 다품종 소량 생산을 위해 전지셀의 수량이 변경되는 경우, 전지셀 수량의 변경에 따른 접속구조를 용이하게 변경할 수 있고, 부품 수 및 작업공정 수를 감소시킴으로써, 제조비용의 감소와 함께 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 전지모듈을 구성하는 판상형 이차전지 셀('전지셀')들의 전기적 연결을 위한 도전성의 전극단자 접속부재로서,
    상기 전지모듈은 폭 방향(세로 방향)으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 배열 구조를 포함하고 있고,
    상기 전극단자 접속부재는 폭 방향으로 배열된 전지셀들의 전극단자들 상에 탑재되는 소정의 두께를 가진 판상 본체; 및,
    상기 판상 본체로부터 연속되어 있고, 전지셀들의 직렬방식의 전기적 연결, 또는 직렬 및 병렬방식의 전기적 연결을 위해, 좌측 전지셀 전극단자가 접속되는 좌익(左翼) 접속부와 우측 전지셀 전극단자가 접속되는 우익(右翼) 접속부;
    를 포함하고 있고,
    상기 좌익 및 우익 접속부들에는 각각 전지셀의 판상형 전극단자('전지셀 전극단자')가 삽입될 수 있도록 전지셀 전극단자의 형상에 대응하는 슬릿이 형성되어 있으며,
    전기적 접속 과정에서, 상기 전지셀 전극단자들은 각각 좌익 및 우익 접속부들의 슬릿에 삽입되고 접속부재의 상면에 밀착되도록 절곡된 후, 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 밀봉되어 있는 전지셀인 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 전극단자는 금속 플레이트 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 접속부재.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 좌익 접속부와 우익 접속부는 직렬방식으로 연결되는 전지셀의 수 만큼 폭 방향으로 단차를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 좌익 및 우익 접속부들은, 인접한 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 병렬방식 연결이 가능할 수 있도록, 폭 방향으로 둘 또는 그 이상의 슬릿을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 슬릿은 접속부의 외측 단부로부터 만입된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 용접은 저항 용접, 레이저 용접, 아크 용접, 및 초음파 용접으로 이루어지는 군에서 선택되는 용접 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 판상 본체의 상면 및/또는 하면에는 접속부재 상호간의 체결을 위한 구조가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 체결 구조는 전지셀의 폭 방향으로 형성되어 있는 중공 구조의 프레임('중공 프레임')이고, 다수의 접속부재들이 폭 방향으로 배열된 상태에서 바(bar) 형태의 절연성 체결부재가 상기 중공 프레임에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 절연성 체결부재는 금속 소재의 봉과, 그것의 외면에 부착되어 있는 절연성 필름으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 절연성 체결부재는 금속 소재의 봉과, 그것의 외면에 코팅되어 있는 절연성 코팅층으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극단자 접속부재.
  12. 폭 방향(세로 방향)으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 배열 구조를 포함하고 있고, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 전극단자 접속부재에 의해 전지셀들의 전기적 연결을 이루고 있는 중대형 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전극단자 접속부재들 사이에는 절연부재가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 중대형 전지모듈은 폭 방향 배열 구조 이외에, 길이 방향(가로 방향)으로 배열된 둘 또는 그 이상의 전지셀들의 배열 구조도 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지모듈.
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