WO2011099703A2 - 용접 신뢰성이 향상된 전지모듈 및 이를 포함하는 중대형 전지팩 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a battery module having improved welding reliability and a medium-large battery pack including the same, and more particularly, to a battery module in which a plurality of plate-shaped battery cells are sequentially stacked, wherein the battery module is in a state in which cell units are stacked.
  • the cell unit has a structure in which the battery cells are connected in parallel with each other in close contact with each other, and the parallel connection between the electrode leads of the battery cells in the cell unit has one welding point 1: 1 relates to a battery module consisting of welding.
  • the rechargeable battery that can be charged and discharged is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), and a plug-in proposed as a solution to solve air pollution of existing gasoline and diesel vehicles using fossil fuel. It is attracting attention as a power source of devices requiring high output and large capacity, including hybrid electric vehicles (Plug-In HEV).
  • Such a device uses a medium-large battery module electrically connected to a plurality of battery cells to provide a high output large capacity.
  • medium and large battery modules are preferably manufactured in a small size and weight as possible
  • square batteries and pouch-type batteries which can be charged with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells (unit cells) of medium and large battery modules.
  • battery cells unit cells
  • 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, low manufacturing cost, and easy form deformation.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a typical representative pouch-type battery.
  • the pouch-type battery 10 of FIG. 1 has a structure in which two electrode terminals 11 and 12 protrude from each other to protrude from an upper end and a lower end of the battery main body 13.
  • the exterior member 14 is composed of two upper and lower units, and both side surfaces 14a and upper and lower ends 14b, which are mutually contacting portions, with an electrode assembly (not shown) mounted on an accommodating portion formed on an inner surface thereof.
  • the battery 10 is made by attaching 14c).
  • the exterior member 14 has a laminate structure of a resin layer / metal foil layer / resin layer, and can be attached by mutually fusion bonding the resin layer by applying heat and pressure to both side surfaces 14a and the upper and lower ends 14b and 14c which are in contact with each other.
  • the adhesive may be attached using an adhesive. Since both side surfaces 14a are in direct contact with the same resin layer of the upper and lower exterior members 14, uniform sealing is possible by melting.
  • the electrode terminals 11 and 12 protrude from the upper end 14b and the lower end 14c, the sealing property is improved in consideration of the thickness of the electrode terminals 11 and 12 and the heterogeneity with the material of the exterior member 14. Heat-sealing is carried out in the state which interposed the film-shaped sealing member 16 between the electrode terminals 11 and 12 so that it may be made.
  • battery cells are generally manufactured by mounting battery cells (unit cells) in a pack case such as a cartridge. Doing.
  • a mounting space is generally limited to a device or a vehicle on which a medium / large battery module is mounted, when the size of the battery module is increased due to the use of a pack case such as a cartridge, there is a problem of low space utilization.
  • the low mechanical stiffness of the battery cell results in repeated expansion and contraction of the battery cell during charging and discharging, thereby causing a case where the heat fusion sites are separated.
  • the electrode terminals 11 and 12 of the pouch-type battery 10 have a relatively large area and a thin thickness as compared to the electrode terminals of the cylindrical battery or the square battery, and thus may be electrically connected when the battery module or the battery pack is constructed. Restrictions may follow.
  • a battery module mounted on a medium-large battery pack is generally manufactured by stacking a plurality of battery cells with high density, and electrically connecting electrode terminals of adjacent battery cells.
  • Figure 2 is a perspective view schematically showing the electrical connection structure of a typical representative battery module.
  • the battery modules 50 are connected in series in a state in which cell units 20 are stacked, and the cell units 20 are two battery cells with an electrically insulating partition wall 15 interposed therebetween.
  • 10 consists of a structure connected in series.
  • each electrode terminal of the battery module performs 1: 1 welding with one welding point.
  • 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.
  • the battery cells of the cell units configured in series connection is electrically connected in parallel to provide a large capacity, the parallel connection is a one-to-one welding of one welding point, so that various types of electrode lead and A battery module including a bus bar is provided, and a battery pack having a structure in which internal resistance is minimized is provided.
  • Still another object of the present invention is to provide a battery cell unit capable of minimizing the increase in weight and size while effectively reinforcing the low mechanical rigidity of the battery cell.
  • a battery module according to the present invention for achieving the above object is a battery module in which a plurality of plate-shaped battery cells (hereinafter referred to as battery cells) are sequentially stacked, the battery module is stacked two or more cell units
  • the cell unit has a structure in which two or more battery cells are connected in parallel with each other in close contact with each other, and the parallel connection between the electrode terminals of the battery cells in the cell unit is performed. It consists of 1: 1 welding with one welding point.
  • the battery modules are stacked in a state in which cell units are connected in series, and these cell units are subjected to 1: 1 welding between electrode terminals or between electrode terminals and a bus bar.
  • 1 welding between electrode terminals or between electrode terminals and a bus bar 1: 1 welding between electrode terminals or between electrode terminals and a bus bar.
  • the battery module of the present invention by connecting the cell units in series, by connecting the battery cells of the cell unit in parallel, by achieving a parallel connection between the electrode terminals of the battery cells by 1: 1 welding, While increasing the capacity, it is possible to minimize the internal resistance of the weld.
  • this structure can significantly reduce the voltage measurement of the battery management system (BMS) to the number of battery cells, and as a result can effectively reduce the manufacturing cost of the battery pack.
  • BMS battery management system
  • the battery cell may be a plate-shaped secondary battery having a thin thickness and a relatively wide width and length so as to minimize the overall size when the battery cell is charged for the configuration of the battery module.
  • a preferable example of such a secondary battery is a structure in which an electrode assembly having a positive electrode / separation membrane / cathode structure is built in a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and the positive electrode terminal and the negative electrode terminal protrude from both ends of the battery case.
  • a secondary battery may be cited, and specifically, may have a structure in which an electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet.
  • a secondary battery having such a structure may be referred to as a pouch battery cell.
  • the cell unit may be of a structure in which the battery cells are embedded in the metal housing in close contact with each other.
  • the metal housing may be mutually coupled to surround the entire outer surface of the battery cell stack except for the two or more battery cells and the positive and negative terminal portions. Accordingly, the metal housing prevents the sealing portion of the battery cell from being separated by suppressing repeated expansion and contraction during charging and discharging while protecting the battery cell having low mechanical rigidity.
  • the metal housing has an inner surface structure corresponding to the outer surface shape of the battery cell stack, and in particular, may be made of a structure coupled to the assembly fastening method does not require a separate fastening member.
  • Representative examples of the cross-sectional coupling portion in the metal housing is a male and female fastening structure formed so as to be engaged by the elastic coupling when the metal housing is pressed in contact with each other facing.
  • the metal housing is preferably made of a metal sheet of high thermal conductivity so that heat generated in the battery cells therein can be more easily discharged to the outside.
  • the cell unit has a structure in which the battery cells are connected in parallel, for example, may be a structure including two battery cells.
  • the parallel connection of the battery cells in the cell unit is preferably made of a structure in which the electrode terminal end of the first battery cell is in close contact with the side of the electrode terminal of the second battery cell and welded. Can be.
  • the series connection between the cell units may have a structure in which the electrode terminal end of the first cell unit and the electrode terminal end of the second cell unit are each bent in a 'b' shape to be welded to the overlapping surface. .
  • the electrical connection between the electrode terminals is to form a series and parallel connection by placing each welding point on the surface of the end of the electrode terminal is bent and divided, thereby effectively reducing the internal resistance.
  • the electrode terminal of the cell unit located at the outermost of the cell units may also have a structure in which one welding point is connected to the external input / output terminal by 1: 1 welding.
  • the electrode terminals of the battery cell are welded in close contact with the side of the electrode terminal of the second battery cell while the electrode terminal end of the first battery cell is bent twice.
  • the electrode terminal of the second battery cell is connected to a position outside the welding point of the electrode terminals.
  • the series connection between the cell units and the parallel connection between the battery cells may be achieved at the same time, preferably by one bus bar, so as to achieve 1: 1 welding with one welding point.
  • the battery cell when the battery cell includes an electrode terminal made of aluminum, the aluminum material is superior in physical properties and ductility even at a relatively thin thickness compared to the copper material, and thus, when the cell units are connected using the bus bar. High strength can be maintained.
  • the bus bar consists of a central series weld for series connection between cell units and a pair of side parallel welds extending from both ends of the center series weld for parallel connection between battery cells. It may be a structure.
  • the bus bar is not particularly limited as long as it can easily perform 1: 1 welding of the electrode terminals.
  • the bus bar may have a strip-shaped plate material, in which side parallel welds are bent upward with respect to the central series weld. Can be done.
  • the electrode terminals may be connected to the central series welded side portions and the side parallel welded portions of the bus bar, respectively, to minimize internal resistance of the connection portion.
  • the electrode terminals may be sequentially stacked and connected to each other.
  • an opening through which an electrode terminal may be introduced may be drilled between the central series welding portion and the side parallel welding portion. Can be.
  • the electrode terminal of the first cell unit may be welded to the top or bottom surface of the center series welded portion
  • the electrode terminal of the second cell unit may be welded to the bottom or top surface of the center series welded portion. That is, since the electrode terminals are welded to the upper and lower surfaces of the central series welding part without overlapping with each other, sequential welding of the electrode terminals can be easily performed, and internal resistance of the welding part can be minimized.
  • the electrode terminal of the first cell unit is welded to the upper surface of the center series welded portion
  • the electrode terminal of the second cell unit is welded to the lower surface of the center series welded portion. In some cases, under the condition that the electrode terminals do not overlap with each other, all of the electrode terminals may be located on the same surface of the central series weld.
  • the present invention provides a medium-large battery pack manufactured by combining the battery module according to a desired output and capacity.
  • the medium-large battery system according to the present invention may be manufactured by combining battery packs according to a desired output and capacity, and considering the mounting efficiency, structural stability, and the like as described above, the medium and large battery system has a limited mounting space and frequent vibration and strong impact. It can be preferably used for electric vehicles, hybrid electric vehicles, electric motorcycles, electric bicycles and the like exposed.
  • FIG. 1 is a perspective view of a typical representative pouch type battery
  • FIG. 2 is a perspective view showing the electrical connection structure of a typical representative battery module
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a parallel connection of battery cells according to an embodiment of the present invention.
  • 4 to 6 are schematic views showing a series of assembly process of the cell unit
  • FIG. 7 is a schematic view showing the electrical connection structure of the battery module is coupled to the cell unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an electrical connection structure of a battery module in which cell units are directly connected to a bus;
  • FIG. 9 is a perspective view of the bus bar of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a front view of the bus bar of FIG. 8;
  • FIG. 11 is a top view of the bus bar of FIG. 8;
  • FIG. 12 is an exploded view of the battery module of FIG. 9.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a parallel connection of battery cells according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the first battery cell 100a and the second battery cell 100b which are pouch-type battery cells, are stacked so that the positive electrode terminals 110a and 110b overlap with the negative electrode terminals 120a and 120b. In these electrodes, each of the electrode terminals is welded and connected in parallel.
  • metal housings 200 having a structure surrounding the entire outer surface of the battery cell stack 100 are illustrated, and the metal housings 200 have low mechanical rigidity. While protecting the cells (100a, 100b) it is possible to prevent the separation of the sealing portion of the battery cells (100a, 100b) by suppressing the repeated changes in expansion and contraction during charge and discharge.
  • Metal housing 200 is composed of a pair of the left housing 211 and the right housing 212, it may be a structure that is coupled to each other without using a separate fastening member.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of the metal housing 200.
  • the female housings 211 and 212 are formed of male and female coupling structures 221 and 222 so as to be engaged by an elastic coupling when the metal housings 211 and 212 are pressed in contact with each other. Therefore, a strong mechanical coupling is possible without the need for a separate coupling member or processing process for assembling the metal housing 200, and such a simple coupling method is particularly preferable for application to a mass production process.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a cell unit according to one embodiment of the invention.
  • the cell unit 300 mounts the outside of the overlapped battery cell stack 100 as a pair of metal housings 200 to compensate for the weak mechanical characteristics of the battery cell.
  • One positive electrode terminal 121 and the negative electrode terminal 120 of the battery cell are connected to each other in parallel by welding, for this purpose is bent in a step shape.
  • the metal housing 200 is formed of a pair of high-strength metal plates coupled to each other to cover the entire outer surface of the battery cell stack except for the electrode terminal portion. Steps 240 are formed on side surfaces adjacent to the left and right ends of the metal housing 200 to facilitate fixing of the module, and steps 250 are also formed on the top and the bottom thereof. In addition, longitudinal fixing parts 260 are formed at upper and lower ends of the metal housing 200 to facilitate mounting of the module.
  • the outer surface of the metal housing 200 is formed with a plurality of linear protrusions spaced apart from each other in the width direction, the protrusions 231 and 232 of opposite shapes are formed on the upper and lower protrusions, respectively.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of one exemplary battery module 400a in which cell units 300, 301... Are stacked.
  • FIG. 7 together with FIG. 3, for example, four cell units 300, 301... Form one battery module 400a and include eight battery cells as a whole.
  • the cell units 300 and 301 are connected in series in a stacked state, and the cell unit 300 has a structure in which two battery cells are connected in parallel.
  • the series connection of the cell units 300 and 301 may include an end of the negative electrode terminal 120 (corresponding to 120b of the second electrode terminal) of the first cell unit 300 and the positive terminal of the second cell unit 301.
  • 130; corresponding to 130a of the third electrode terminal has a structure in which each end is bent into a '-' shape and welded to the overlapping surfaces.
  • connection between the electrode terminals 120a, 120b, 130a, and 130b of the battery cells in the two cell units 300 and 301 is made of 1: 1 welding with one welding point 140, internal resistance is increased. It can be reduced as much as possible.
  • the external input / output terminal 410 is connected to a position outside the welding point of the electrode terminals 110a and 110b of the first cell unit 300 located at the outermost part, the first cell unit located at the outermost part.
  • the electrode terminal 110 of 300 is also connected to the external input / output terminal 410 by one-to-one welding.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a battery module 400 in which cell units 310, 320... Are connected to a bus bar 500
  • FIGS. 9 to 11 are schematic diagrams of an exemplary bus bar.
  • 12 is an exploded view of the battery module of FIG.
  • the battery module 400b may establish a serial connection between the cell units 310, 320... And a parallel connection between the battery terminals 120'a, 120'b 130'a, 130'b. Including a bus bar 500, which is 1: 1 welding.
  • the bus bar 500 is a strip-shaped plate, and has a central series weld 510 for series connection between the cell units 310 and a central series weld 510 for parallel connection between the battery cells 100a and 100b. It consists of a pair of side parallel welding part 520 extended from both ends of the side.
  • the bus bar 500 has a structure in which the side parallel welding portion 520 is bent upwardly with respect to the central series welding portion 510, and the opening 530 is formed between the central series welding portion 510 and the side parallel welding portion 520. ) Is perforated, so that the electrode terminals can be introduced to sequentially connect the electrode terminals.
  • the cathode terminal 120'b of the first cell unit 310 is welded to the lower surface of the central series welding unit 510, and the anode terminal of the second cell unit 320 is used.
  • 130'a is introduced into the opening 530 and welded to the top surface of the central series weld 510.
  • the bus bar of such a structure can improve the manufacturing processability of the battery module by making an electrical connection by introducing the electrode terminal in the opening according to the desired structure.
  • the battery module according to the present invention effectively connects the cell units that can minimize the increase in weight and size while effectively reinforcing the low mechanical rigidity of the battery cells, the electrode leads of the battery cells in the cell unit By forming a parallel connection between the one-to-one welding, one by one, by configuring the battery modules that can minimize the constraint of the internal resistance and space, it is possible to improve the efficiency of the manufacturing process of the battery pack.

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Abstract

본 발명은 다수의 판상형 전지셀들이 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 전지모듈은 둘 또는 그 이상의 셀 유닛들이 적층된 상태로 직렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 셀 유닛은 둘 또는 그 이상 전지셀들이 상호 밀착된 상태로 병렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 셀 유닛에서 전지셀들의 전극리드들 간의 병렬 연결은 용접점이 1개인 1:1 용접으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

용접 신뢰성이 향상된 전지모듈 및 이를 포함하는 중대형 전지팩
본 발명은 용접 신뢰성이 향상된 전지모듈 및 이를 포함하는 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 판상형 전지셀들이 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 전지모듈은 셀 유닛들이 적층된 상태로 직렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 셀 유닛은 전지셀들이 상호 밀착된 상태로 병렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 셀 유닛에서 전지셀들의 전극리드들 간의 병렬 연결은 용접점이 1개인 1:1 용접으로 이루어져 있는 전지모듈에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등을 포함하여 고출력 대용량이 요구되는 디바이스의 동력원으로서 주목받고 있다.
이러한 디바이스에는 고출력 대용량의 제공을 위해 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
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 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지(10)는 두 개의 전극단자(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 부착시킴으로써 전지(10)가 만들어진다.
외장부재(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(14a)은 상하 외장부재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14b)와 하단부(14c)에는 전극단자(11, 12)가 돌출되어 있으므로 전극단자(11, 12)의 두께 및 외장부재(14) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극단자(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 외장부재(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위하여, 일반적으로 전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 그러나, 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 또는 차량 등에는 일반적으로 장착공간이 한정적이므로, 카트리지와 같은 팩 케이스의 사용으로 인해 전지모듈의 크기가 커지는 경우에는 낮은 공간 활용도의 문제점이 초래된다. 또한, 전지셀의 낮은 기계적 강성은 충방전시 전지셀의 반복적인 팽창 및 수축으로 나타나고, 그로 인해 열융착 부위가 분리되는 경우도 초래된다.
뿐만 아니라, 파우치형 전지(10)의 전극단자(11, 12)는 원통형 전지나 각형 전지의 전극단자와 비교하여, 상대적으로 넓은 면적과 얇은 두께로 이루어져 있으므로, 전지모듈 또는 전지팩의 구성시 전기적 연결에 제한이 따를 수 있다.
한편, 중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 인접한 전지셀들의 전극단자들을 전기적으로 연결시킨다.
도 2에는 종래의 대표적인 전지모듈의 전기적 연결 구조를 나타낸 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지모듈(50)은 셀 유닛들(20)이 적층된 상태로 직렬 연결되어 있고, 셀 유닛들(20)은 전기 절연성 격벽(15)을 사이에 두고 2개의 전지셀들(10)이 직렬로 연결된 구조로 이루어져 있다.
이에 따라, 상기 전지모듈의 각각의 전극단자들은 용접점이 1개인 1:1 용접을 이루게 된다.
그러나, 셀 유닛들이 적층된 상태로 병렬 연결을 이룰 경우, 3개 이상의 전극단자들 간의 연결이 필요하므로, 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 동일한 부위의 용접시 내부저항이 증가하는 문제점이 발생한다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도, 용접간의 신뢰성을 유지하면서 내부저항을 최소화할 수 있는 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 직렬 연결로 구성된 셀 유닛들의 전지셀들이 대용량의 제공을 위해 전기적으로 병렬 연결되어 있으며, 상기 병렬 연결은 용접점이 1개인 1:1 용접을 이룸으로써, 다양한 형태의 전극리드 및 버스 바를 포함하는 전지모듈을 구성하고, 내부저항을 최소화한 구조의 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전지셀의 낮은 기계적 강성을 효과적으로 보강하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있는 전지셀 유닛을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 다수의 판상형 전지셀(이하 전지셀로 칭하기로 한다)들이 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 전지모듈은 둘 또는 그 이상의 셀 유닛들이 적층된 상태로 직렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 셀 유닛은 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 상호 밀착된 상태로 병렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 셀 유닛에서 전지셀들의 전극단자들 간의 병렬 연결은 용접점이 1개인 1:1 용접으로 이루어져 있다.
일반적으로, 전지모듈은 셀 유닛들이 직렬로 연결되어 있는 상태로 적층되어 구성되고, 이러한 셀 유닛들은 전극단자들 상호 간 또는 전극단자와 버스 바 간에 1:1 용접이 행해진다. 그러나, 전지모듈의 용량을 고려하여 병렬 연결을 포함하는 경우, 다수의 전극단자들 상호 간 또는 전극단자와 버스 바 간의 용접시, 동일한 부위에 동시에 용접이 행해지므로, 용접 부위에서 내부저항의 증가가 불가피하다.
이에 반해, 본 발명의 전지모듈은 셀 유닛들을 직렬로 연결하되, 상기 셀 유닛의 전지셀들을 병렬 연결하고, 상기 전지셀들의 전극단자들 간의 병렬 연결을 1:1 용접으로 달성함으로써, 전지모듈의 용량을 증가시키면서도, 용접 부위의 내부저항을 최소화할 수 있다. 또한, 이러한 구조는 전지셀들의 개수 대비 BMS(Battery Management System)의 전압 측정 등을 대폭 축소시킬 수 있으므로, 결과적으로 전지팩의 제조 비용을 효과적으로 줄일 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 판상형의 이차전지가 바람직할 수 있다. 그러한 이차전지의 바람직한 예로는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 상기 전지케이스 양단에 양극단자 및 음극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 셀 유닛은 전지셀들이 상호 밀착된 상태로 금속 하우징에 내장되는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
상기 구조에서, 금속 하우징은 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 양극단자 및 음극단자 부위를 제외하고 전지셀 적층체의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 금속 하우징은 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다.
구체적으로, 상기 금속 하우징은 전지셀 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가지고 있으며, 특히 별도의 체결 부재를 필요로 하지 않는 조립 체결방식으로 결합되는 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 금속 하우징에서 단면 결합부의 대표적인 예로는, 금속 하우징이 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있도록 형성된 암수 체결구조를 들 수 있다.
한편, 이차전지의 경우, 충방전 과정에서 발열 현상이 일어나게 되며, 이렇게 발생한 열을 외부로 효과적으로 방출하는 것은 전지의 수명을 연장시키고 안전성을 담보하는 측면에서 중요한 요소로 작용하게 된다. 따라서, 상기 금속 하우징은 내부의 전지셀에서 발생하는 열이 외부로 방출되는 것이 더욱 용이할 수 있도록, 높은 열전도성의 금속 판재로 이루어진 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 셀 유닛은 전지셀들이 병렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 두 개의 전지셀들로 포함하는 구조일 수 있다.
이 경우, 상기 셀 유닛에서 전지셀들의 병렬 연결은, 바람직하게는, 제 1 전지셀의 전극단자 단부가 2회 절곡된 상태로 제 2 전지셀의 전극단자의 측면에 밀착되어 용접되는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 셀 유닛들 상호 간의 직렬 연결은, 제 1 셀 유닛의 전극단자 단부와 제 2 셀 유닛의 전극단자 단부가 각각 'ㄱ'자 형상으로 절곡되어 상호 겹치는 면에 용접되는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 전극단자들 간의 전기적 연결은 전극단자의 단부가 절곡되어 나뉘어진 면에 각각의 용접점을 위치시켜 직렬 및 병렬 연결을 이루므로, 내부저항을 효과적으로 줄일 수 있다.
하나의 예에서, 상기 셀 유닛들 중 최외각에 위치하는 셀 유닛의 전극단자 역시 외부 입출력 단자에 대해 용접점이 1개인 1:1 용접으로 연결되어 있는 구조일 수 있다. 이 경우, 전지셀의 전극단자들은 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 전지셀의 전극단자 단부가 2회 절곡된 상태로 제 2 전지셀의 전극단자 측면에 밀착되어 용접되어 있으며, 상기 외부 입출력 단자는 상기 전극단자들의 용접점을 벗어난 위치에서 제 2 전지셀의 전극단자에 연결된다.
한편, 상기 셀 유닛들 간의 직렬 연결과 전지셀들 간의 병렬 연결은 용접점이 1개인 1:1 용접을 이룰 수 있도록, 바람직하게는 1개의 버스 바에 의해 동시에 달성될 수도 있다.
특히, 전지셀이 알루미늄으로 이루어진 전극단자를 포함하고 있을 때, 알루미늄 소재는 구리 소재와 비교하여 상대적으로 얇은 두께로도 물성이 우수하고 연성이 좋으므로, 상기 버스 바를 이용하여 셀 유닛들을 연결할 경우 보다 높은 강도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 버스 바를 포함하여 전지팩을 제조할 경우, 각각의 버스 바를 통한 전압 측정이 이루어지므로, 전지셀들의 개수 대비 BMS(Battery Management System)의 전압 측정 부위 수를 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구조적으로 보다 콤팩트한 구조를 이룰 수 있으므로 매우 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 버스 바는 셀 유닛들 간의 직렬 연결을 위한 중앙 직렬 용접부와, 전지셀들 간의 병렬 연결을 위해 상기 중앙 직렬 용접부의 양측 단부로부터 연장되어 있는 한 쌍의 측면 병렬 용접부로 구성되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 버스 바는 전극단자들의 1:1 용접을 용이하게 이룰 수 있는 구조라면 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들어, 스트립 형상의 판재로서, 중앙 직렬 용접부에 대해 측면 병렬 용접부들이 상향 절곡되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 전극단자들은 버스 바의 상호 이격된 중앙 직렬 용접부와 측면 병렬 용접부에 각각 연결되어 연결부위의 내부저항을 최소화할 수 있다.
또한, 전극단자들의 직렬 연결은 필요에 따라 전극단자들이 적층형태를 이루며 순차적으로 연결될 수 있도록, 바람직하게는, 상기 중앙 직렬 용접부와 측면 병렬 용접부 사이에는 전극단자가 도입될 수 있는 개구가 천공되어 있을 수 있다.
구체적인 예에서, 제 1 셀 유닛의 전극단자는 중앙 직렬 용접부의 상면 또는 하면에 용접되고, 제 2 셀 유닛의 전극단자는 중앙 직렬 용접부의 하면 또는 상면에 용접될 수 있다. 즉, 상기 전극단자들이 서로 중첩되지 않으면서 중앙 직렬 용접부의 상면과 하면에 각각 용접되므로, 전극단자들의 순차적인 용접이 용이하고 용접 부위의 내부 저항을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 제 1 셀 유닛의 전극단자가 중앙 직렬 용접부의 상면에 용접되면, 제 2 셀 유닛의 전극단자는 중앙 직렬 용접부의 하면에 용접된다. 경우에 따라서는, 상기 전극단자들이 상호 중첩되지 않는 조건에서, 전극단자들 모두가 중앙 직렬 용접부의 동일면에 위치할 수 있음은 물론이다.
한편, 중대형 전지팩의 경우 고출력 대용량의 성능 확보를 위해 다수의 전지셀들이 사용되는 바, 이러한 전지팩을 구성하는 전지모듈들은 한정된 장착공간 내에서 안전성의 확보를 위해 더욱 높은 장착 효율성, 구조적 안정성 및 방열 효율성이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기 전지모듈을 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조되는 중대형 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 중대형 전지시스템은 소망하는 출력 및 용량에 따라 전지팩들을 조합하여 제조될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등에 바람직하게 사용될 수 있다.
도 1은 종래의대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;
도 2는 종래의 대표적인 전지모듈의 전기적 연결 구조를 나타낸 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀들의 병렬 연결을나타내는 사시도이다;
도 4 내지 6은 셀 유닛의 일련의 조립과정을 보여주는 모식도들이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 유닛이결합된 전지모듈의 전기적 연결 구조를 나타낸 모식도이다;
도 8은 셀 유닛들이 버스 바로 연결된 전지모듈의 전기적 연결 구조를나타낸 모식도이다;
도 9는 도 8의 버스 바의 사시도이다;
도 10은 도 8의 버스 바의 정면도이다;
도 11은 도 8의 버스 바의 평면도이다;
도 12는 도 9의 전지모듈의 분해도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀들의 병렬 연결을 나타내는 사시도이다
도 3을 참조하면, 파우치형 전지셀인 제 1 전지셀(100a)과 제 2 전지셀(100b)을 양극단자들(110a, 110b)과 음극단자들(120a, 120b)이 겹치도록 중첩시킨 상태에서, 이들 전극단자들을 각각 용접하여 병렬 연결시킨다.
이때, 전지셀들(100a, 100b)의 병렬 연결은, 제 1 전지셀(100a)의 음극단자(120a)의 단부가 2회 절곡된 상태로 제 2 전지셀(100b)의 음극단자(120b)의 측면에 밀착되어 용접되는 구조로 이루어져 있다. 그에 관한 보다 자세한 구조는 이후 도 7 및 도 8과 관련한 설명에서 제공한다.
도 4 내지 6에는 하나의 예시적인 셀 유닛의 일련의 조립과정이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 3과 함께 참조하면, 전지셀 적층체(100)의 외면 전체를 감싸는 구조의 한 쌍의 고강도 금속 하우징(200)이 도시되어 있는 바, 금속 하우징(200)은 기계적 강성이 낮은 전지셀(100a, 100b)을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀(100a, 100b)의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 금속 하우징(200)은 한 쌍의 좌측 하우징(211)과 우측 하우징(212)으로 이루어져 있으며, 별도의 체결 부재를 사용하지 않고 상호 결합되는 구조일 수 있다.
금속 하우징(200)의 구체적인 결합구조는 도 5를 통해 확인할 수 있다. 도 5에는 금속 하우징(200)의 단면도와 부분 확대도가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 금속 하우징들(211, 212)이 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있도록, 암수 체결구조(221, 222)로 이루어져 있다. 따라서, 금속 하우징(200)의 조립을 위해서 별도의 결합 부재 내지 가공 공정을 거칠 필요 없이 강력한 기계적 결합이 가능하며, 그러한 간편한 결합 방식은 양산 공정에의 적용에 특히 바람직하다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 유닛의 사시도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 셀 유닛(300)은 중첩되게 겹쳐진 전지셀 적층체(100)의 외부를 한 쌍의 금속 하우징(200)으로 장착하여 전지셀의 약한 기계적 특성을 보완하고 있다. 전지셀의 일측 양극단자(121) 및 음극단자(120)는 서로 용접에 의해 병렬 연결되어 있으며, 이를 위해 계단 형태로 절곡되어 있다.
금속 하우징(200)은 전극단자 부위를 제외하고 전지셀 적층체의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 금속 판재로 이루어져 있다. 금속 하우징(200)의 좌우 양단에 인접한 측면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 단차(240)가 형성되어 있으며, 상단과 하단에도 역시 동일한 역할을 하는 단차(250)가 형성되어 있다. 또한, 금속 하우징(200)의 상단과 하단에는 종방향 고정부(260)가 형성되어 있어 모듈의 장착을 용이하게 한다. 금속 하우징(200)의 외면에는 폭 방향으로 서로 이격되어 있는 다수의 선형 돌출부가 형성되어 있는데, 상단과 하단의 돌출부에는 상호 반대되는 형상의 돌기(231, 232)가 각각 형성되어 있다.
도 7에는 셀 유닛들(300, 301 …)이 적층되어 있는 하나의 예시적인 전지모듈(400a)의 모식도가 도시되어 있다.
도 7을 도 3과 함께 참조하면, 예를 들어, 4 개의 셀 유닛들(300, 301 …)이 하나의 전지모듈(400a)을 이루고 있으며, 전체적으로 8 개의 전지셀들이 포함되어 있다.
셀 유닛들(300, 301 …)은 적층된 상태로 직렬 연결되어 있고, 이러한 셀 유닛(300)은 2 개의 전지셀들이 병렬 연결되어 있는 구조를 이루고 있다.
여기서, 전지셀들(100a, 100b)의 병렬 연결은, 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 전지셀(100a)의 음극단자(120a)의 단부가 2회 절곡된 상태로 제 2 전지셀(100b)의 음극단자(120b)의 측면에 밀착되어 용접됨으로써 달성된다.
또한, 셀 유닛들(300, 301)의 직렬 연결은, 제 1 셀 유닛(300)의 음극단자(120; 제 2 전극단자의 120b에 해당)의 단부와 제 2 셀 유닛(301)의 양극단자(130; 제 3 전극단자의 130a에 해당)의 단부가 각각 'ㄱ'자 형상으로 절곡되어 상호 겹치는 면에 용접되는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 2 개의 셀 유닛들(300, 301)에서 전지셀들의 전극단자들(120a, 120b, 130a, 130b) 간의 연결은 용접점(140)이 1개인 1:1 용접으로 이루어져 있으므로, 내부저항을 최대한 줄일 수 있다.
또한, 외부 입출력 단자(410)는 최외각에 위치하는 제 1 셀 유닛(300)의 전극단자들(110a, 110b)의 용접점을 벗어난 위치에 연결되어 있으므로, 최외각 에 위치하는 제 1 셀 유닛(300)의 전극단자(110) 역시 외부 입출력 단자(410)에 대해 용접점이 1개인 1:1 용접으로 연결되어 있다.
도 8에는 셀 유닛들(310, 320 …)이 버스 바(500)로 연결된 전지모듈(400)의 모식도가 도시되어 있고, 도 9 내지 도 11은 예시적인 버스 바의 모식도가 도시되어 있으며, 도 12는 도 8의 전지모듈의 분해도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈(400b)은 셀 유닛들(310, 320 …) 간의 직렬 연결과 전지단자들(120'a, 120'b 130'a, 130'b) 간의 병렬 연결을 이룰 수 있는 버스 바(500)를 포함하여 1:1 용접을 이루고 있다.
버스 바(500)는 스트립 형상의 판재로서, 셀 유닛들(310) 간의 직렬 연결을 위한 중앙 직렬 용접부(510)와, 전지셀들(100a, 100b) 간의 병렬 연결을 위해 중앙 직렬 용접부(510)의 양측 단부로부터 연장되어 있는 한 쌍의 측면 병렬 용접부(520)로 구성되어 있다.
또한, 버스 바(500)는 중앙 직렬 용접부(510)에 대해 측면 병렬 용접부(520)이 상향 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 중앙 직렬 용접부(510)와 측면 병렬 용접부(520) 사이에는 개구(530)가 천공되어 있어서, 전극단자가 도입하여 전극단자들을 순차적으로 연결할 수 있다.
이와 관련하여, 도 8의 구조를 예로 들면, 제 1 셀 유닛(310)의 음극단자(120'b)는 중앙 직렬 용접부(510)의 하면에 용접되고, 제 2 셀 유닛(320)의 양극단자(130'a)는 개구(530)로 도입되어 중앙 직렬 용접부(510)의 상면에 용접된다.
따라서, 이러한 구조의 버스 바는 소망하는 구조에 따라 개구에 전극단자를 도입하여 전기적 연결을 이룸으로써, 전지모듈의 제조 공정성을 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 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 전지모듈은 전지셀의 낮은 기계적 강성을 효과적으로 보강하면서 중량 및 크기의 증가를 최소화할 수 있는 셀 유닛들을 직렬 연결하고, 상기 셀 유닛에서 전지셀들의 전극리드들 간의 병렬 연결을용접점이 1개인 1:1 용접으로 형성함으로써, 내부저항 및 공간의 제약을 최소화할 수 있는 전지모듈들을 구성하여, 전지팩의 제조 공정성의 효율성을 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 다수의 판상형 전지셀들이 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서,
    상기 전지모듈은 둘 또는 그 이상의 셀 유닛들이 적층된 상태로 직렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있고,
    상기 셀 유닛은 둘 또는 그 이상 전지셀들이 상호 밀착된 상태로 병렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있으며,
    셀 유닛에서 전지셀들의 전극단자들 간의 병렬 연결은 용접점이 1개인 1:1 용접으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 상기 전지케이스 양단에 양극단자 및 음극단자가 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 유닛은 전지셀들이 상호 밀착된 상태로 금속 하우징에 내장되는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 금속 하우징은 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 양극단자 및 음극단자 부위를 제외하고 전지셀 적층체의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되는 것으로 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속 하우징은 전지셀 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가지고 있으며, 조립 체결방식으로 결합되는 단면 결합부를 갖는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단면 결합부는, 금속 하우징들이 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있는 암수 체결구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 하우징은 높은 열전도성의 금속 판재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 유닛은 두 개의 전지셀들이 병렬 연결되어 있는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들의 병렬 연결은, 제 1 전지셀의 전극단자 단부가 2회 절곡된 상태로 제 2 전지셀의 전극단자의 측면에 밀착되어 용접되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 유닛들의 직렬 연결은, 제 1 셀 유닛의 전극단자 단부와 제 2 셀 유닛의 전극단자 단부가 각각 'ㄱ'자 형상으로 절곡되어 상호 겹치는 면에 용접되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 유닛들 중 최외각에 위치하는 셀 유닛의 전극단자는 외부 입출력 단자에 대해 용접점이 1개인 1:1 용접으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 유닛들 간의 직렬 연결과 전지셀들 간의 병렬 연결은 1개의 버스 바에 의해 동시에 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 버스 바는 셀 유닛들 간의 직렬 연결을 위한 중앙 직렬 용접부와, 전지셀들 간의 병렬 연결을 위해 상기 중앙 직렬 용접부의 양측 단부로부터 연장되어 있는 한 쌍의 측면 병렬 용접부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 버스 바는 스트립 형상의 판재로서, 중앙 직렬 용접부에 대해 측면 병렬 용접부들이 상향 절곡되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 중앙 직렬 용접부와 측면 병렬 용접부 사이에는 전극단자가 도입될 수 있는 개구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 중앙 직렬 용접부의 상면에는 상부에 적층된 셀 유닛의 전극단자가 용접되고 상기 중앙 직렬 용접부의 하면에는 하면에는 하부에 적층되는 별도의 셀 유닛의 전극단자가 용접되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 출력 및 용량에 대응하여 제 1 항에 따른 전지모듈 둘 또는 그 이상을 포함하는 구조로 이루어진 고출력 대용량의 중대형 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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