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KR102258819B1 - 전기적 연결 안전성이 향상된 배터리 모듈 - Google Patents

전기적 연결 안전성이 향상된 배터리 모듈 Download PDF

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KR102258819B1
KR102258819B1 KR1020170158519A KR20170158519A KR102258819B1 KR 102258819 B1 KR102258819 B1 KR 102258819B1 KR 1020170158519 A KR1020170158519 A KR 1020170158519A KR 20170158519 A KR20170158519 A KR 20170158519A KR 102258819 B1 KR102258819 B1 KR 102258819B1
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상호 간 적층 배열되고 전기적으로 직/병렬연결된 파우치형 배터리 셀들을 구비한 배터리 모듈로서, 어느 하나의 파우치형 배터리 셀의 전극 리드를 향해 다른 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들이 편향되어 일단부들이 겹쳐지되, 상기 파우치형 배터리 셀들, 각각은 테라스와 전극 리드 사이의 경계 부분이 상기 전극 리드들이 편향되는 방향으로 밴딩된 형태로 처리된 R밴딩부를 구비할 수 있다.

Description

전기적 연결 안전성이 향상된 배터리 모듈{Battery Module with improved electrical connection safety}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈 내에 병렬연결된 파우치형 배터리 셀들 중 파우치 외장재와 전극 리드 간의 전기적 접촉을 방지할 수 있으며 또한, 병렬연결 구조에서 여러 겹으로 포개진 다수의 전극 리드와 버스바 간의 접합 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐만 아니라, 내연 기관 및/또는 전기 모터를 이용해서 구동력을 확보하려는 전기 자동차에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 상기 전기 자동차에는 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 내연 기관 없이 전기 모터와 배터리로만 구동되는 순수 전기 자동차등이 포함된다.
전기 자동차의 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다. 예컨대, 통상적으로 중대형 장치의 배터리 모듈은 상기 파우치형 이차 전지들을 적층하고 전극 리드들의 직렬 및/또는 병렬연결을 통해 구현되고 있다.
한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 파우치형 배터리 셀(1,2,3)들을 병렬 연결할 때 동일 극성의 전극 리드들(1a,2a,3a)을 겹친 다음, 그 끝단부를 벤딩하여 버스바(4)의 상단면 위에 접촉시킨 상태에서 이를 용접하여 접합시킨다.
그런데 이와 같이 파우치형 배터리 셀들을 병렬 연결할 때, 도 2와 같이, 어느 하나의 파우치형 배터리 셀(1)의 양극 리드(1a)와 인접한 다른 하나의 파우치형 배터리 셀(2)의 파우치 외장재의 테라스 선단부(2b)가 간섭 내지 접촉되는 경우가 빈번하게 일어난다. 파우치 외장재는 외부 절연층(7), 알루미늄층(6) 및 내부 접착층(5) 순으로 층상 구조를 가지고 있어, 통상 전극 리드가 파우치 외장재의 외부 절연층(7)에 접촉되더라도 무방하지만, 알루미늄층(6)이 드러날 수 있는 테라스 선단부(2b)에 접촉될 경우 쇼트 가능성이 있다. 즉, 만약 파우치 외장재의 절연이 깨진 상태에서 양극 리드(1a)가 파우치 외장재의 알루미늄층(6)에 접촉하게 되면 쇼트되어 발화 가능성이 매우 높아진다.
부연하면, 파우치형 이차전지는 그 형태적 특성에 기초하여 외부에서 가해지는 물리적 충격에 다소 약성을 가질 수 있는데, 실링 공정에서 정밀하게 열융착 공정이 진행되지 않으면 그 약성이 심화되어 작은 물리적 충격만으로도 내부 접착층(5)에 크랙이나 손상이 발생하여 알루미늄층(6)이 전극화될 수 있다. 즉, 내부 접착층(5)이 손상되면 알루미늄층(6)이 전극 조립체와 바로 접촉되기 때문에 극성을 띄게 될 수 있다. 통상적으로 전극 조립체의 최외곽에는 음극판이 배치된다는 점에서 알루미늄층(6)은 음극화된다. 이와 같이 알루미늄층(6)이 음극화된 상태에서 양극 리드(1a)가 도 2와 같이 파우치 외장재의 테라스 선단부(2b)에 접촉하면 쇼트가 일어나 파우치형 이차전지가 발화될 수 있다.
따라서 특히 여러 개의 파우치형 이차전지를 병렬연결시 전극 리드가 파우치 외장재의 테라스 선단부에 닿지 않도록 하는 절연 수단이 필요한 실정이다. 일예 기존 배터리 모듈 공정에서 인접한 파우치형 배터리 셀과 셀 사이에 추가적인 절연시트 내지 절연 테이프를 적용하거나 사출 부품을 추가로 조립하는 등의 해결 방안이 제공되고 있으나 그로 인해 부품 비용 및 조립 공정이 복잡해지는 문제가 새롭게 발생한다는 단점이 있다.
또한, 종래 기술의 경우, 전극 리드들을 버스바에 용접하는데 수작업이 많이 요구되고, 금속 재질의 전극 리드들의 탄성 회복력에 의해 전극 리드들과 버스바가 잘 밀착되지 않는 문제점이 있다. 특히, 3개 내지 4개 이상의 전극 리드들 간의 병렬연결 시 다수의 전극 리드를 버스바 상에 겹쳐 놓아야 하기 때문에 용접을 수행하기가 더욱 난해하며, 이 경우 용접 품질도 저하되는 문제점이 있다.
1. 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0054128호 (2004.06.25) 삼성에스디아이 주식회사 2. 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0078359호 (2017.07.07) 에이치엘그린파워 주식회사
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 병렬연결된 파우치형 배터리 셀들 중 인접한 파우치형 배터리 셀에서 전극 리드와 파우치 외장재의 테라스 선단부 간의 전기적 접촉을 방지할 수 있으며 또한, 병렬연결 구조에서 여러 겹으로 포개진 다수의 전극 리드와 버스바 간의 접합 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 상호 간 적층 배열되고 전기적으로 직/병렬연결된 파우치형 배터리 셀들을 구비한 배터리 모듈로서, 어느 하나의 파우치형 배터리 셀의 전극 리드를 향해 다른 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들이 편향되어 일단부들이 겹쳐지되, 상기 파우치형 배터리 셀들, 각각은 테라스와 전극 리드 사이의 경계 부분이 상기 전극 리드들이 편향되는 방향으로 밴딩된 형태로 처리된 R밴딩부를 갖는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 R밴딩부는 라운드진 형태를 취하며, 상기 테라스는 선단부가 상기 R밴딩부에서 가장 오목한 부분에 위치하도록 밴딩될 수 있다.
적어도 2개 이상의 양극 리드들의 일단부가 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 양극 리드 그룹과, 상기 양극 리드 그룹과 같은 방향에 상기 양극 리드들의 개수와 동일한 개수로 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 음극 리드 그룹을 포함하며, 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹에서 최근접 거리에서 서로 마주하는 제1 양극 리드와 제1 음극 리드를 기준하여, 나머지 양극 리드들은 상기 제1 양극 리드를 향해 편향되고 나머지 음극 리드들은 상기 제1 음극 리드를 향해 편향되게 마련될 수 있다.
상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 전기적으로 연결시키는 버스바 조립체를 더 포함하며, 상기 버스바 조립체는, 막대형 전도체 형태로 마련된 고정형 버스바; 상기 고정형 버스바를 가운데 두고 상기 고정형 버스바의 양쪽 옆으로 이격 배치되어 상기 고정형 버스바와의 사이에 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 각각 삽입할 수 있는 끼움 공간을 형성하는 한 쌍의 이동형 버스바; 및 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹이 상기 끼움 공간에 위치한 상태에서 상기 한 쌍의 이동형 버스바를 상기 고정형 버스바에 근접하게 이동시켜 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 상기 고정형 버스바에 밀착시키는 밀착부재를 포함할 수 있다.
상기 밀착부재는, 양단부가 상기 한 쌍의 이동형 버스바에 결합되어 탄성 복원력으로 상기 한 쌍의 이동형 버스바를 상호 간 대향하는 방향으로 이동시키는 판 스프링일 수 있다.
상기 한 쌍의 이동형 버스바는 각각 상기 고정형 버스바에 나란하게 마련되는 밀착부와, 상기 밀착부의 양쪽 끝단에서 절곡되게 연장 형성되고 상기 판 스프링에 연결되는 간격 조절부를 구비하고, 상기 고정형 버스바를 가운데 두고 상호 간 대칭되게 배치되어 상기 고정형 버스바의 둘레를 에워싸도록 마련될 수 있다.
상호 간 적층 배열되고 전기적으로 직/병렬연결된 파우치형 배터리 셀들을 구비한 배터리 모듈로서, 어느 하나의 파우치형 배터리 셀의 전극 리드를 향해 다른 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들이 편향되어 일단부들이 겹쳐지되, 상기 파우치형 배터리 셀들, 각각은 테라스와 전극 리드 사이의 경계 부분이 상기 전극 리드들이 편향되는 방향으로 밴딩된 형태로 처리된 R밴딩부를 갖는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 R밴딩부는 라운드진 형태를 취하며, 상기 테라스는 끝단 영역이 상기 R-밴딩부에서 가장 오목한 부분에 위치하도록 밴딩될 수 있다.
적어도 2개 이상의 양극 리드들의 일단부가 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 양극 리드 그룹과, 상기 양극 리드 그룹과 같은 방향에 상기 양극 리드들의 개수와 동일한 개수로 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 음극 리드 그룹을 포함하며, 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹에서 최근접 거리에서 서로 마주하는 제1 양극 리드와 제1 음극 리드를 기준하여, 나머지 양극 리드들은 상기 제1 양극 리드를 향해 편향되고 나머지 음극 리드들은 상기 제1 음극 리드를 향해 편향되게 마련될 수 있다.
상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 전기적으로 연결시키는 버스바 조립체를 더 포함하며,
상기 버스바 조립체는, 막대형 전도체 형태로 마련된 고정형 버스바; 상기 고정형 버스바를 가운데 두고 상기 고정형 버스바의 양쪽 옆으로 이격 배치되어 상기 고정형 버스바와의 사이에 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 각각 삽입할 수 있는 끼움 공간을 형성하는 한 쌍의 이동형 버스바; 및 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹이 상기 끼움 공간에 위치한 상태에서 상기 한 쌍의 이동형 버스바를 상기 고정형 버스바에 근접하게 이동시켜 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 상기 고정형 버스바에 밀착시키는 밀착부재를 포함할 수 있다.
상기 밀착부재는, 양단부가 상기 한 쌍의 이동형 버스바에 결합되어 탄성 복원력으로 상기 한 쌍의 이동형 버스바를 상호 간 대향하는 방향으로 이동시키는 판 스프링일 수 있다.
상기 한 쌍의 이동형 버스바는 각각 상기 고정형 버스바에 나란하게 마련되는 밀착부와, 상기 밀착부의 양쪽 끝단에서 절곡되게 연장 형성되고 상기 판 스프링에 연결되는 간격 조절부를 구비하고, 상기 고정형 버스바를 가운데 두고 상호 간 대칭되게 배치되어 상기 고정형 버스바의 둘레를 에워싸도록 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 병렬연결된 파우치형 배터리 셀들 중 인접한 파우치형 배터리 셀에서 전극 리드와 파우치 외장재의 테라스 선단부 간의 전기적 접촉을 방지할 수 있어 안전성을 높일 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 리드와 파우치 외장재 간의 전기적 단락 우려를 해소하기 위해 별도의 부품이나 절연 테이핑을 사용하는 경우에 비해 비용 및 조립 공정 증가와 같은 문제점을 낳지 않아 효율성이 높다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 일체의 전극 리드들이 기계적으로 압박된 상태에서 용접될 수 있으므로 병렬연결 구조에서 전극 리드들의 개수와 무관하게 전기적 연결성 및 기계적 접합강도 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 전극 리드들의 말단부 벤딩을 위한 수작업 공정이 제거되어 배터리 모듈 생산 라인의 자동화 비율이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 여러 개의 파우치형 배터리 셀들을 병렬연결한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 A 영역 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 여러 개의 파우치형 배터리 셀들을 병렬연결한 구성을 개략적으로 도시한 사시도와 단면도이다.
도 6은 도 5의 B 영역 확대도이다.
도 7 내지 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들을 버스바 조립체에 연결하기 위한 단계별 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 일 방향으로 상호 간 적층 배열되고 전기적으로 직/병렬연결된 파우치형 배터리 셀(10)들로 구성된 셀 적층체와, 상기 셀 적층체의 전기적 연결 및 전압 센싱을 위한 전압 센싱 어셈블리, 상기 셀 적층체를 수납하여 외부로부터 보호하고 상기 셀 적층체에 기계적 지지력을 제공하는 모듈 하우징, 상기 파우치형 배터리 셀(10)들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 구성에 대한 설명은 생략하기로 하고 본 발명의 특징적 구성에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀(10)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 모듈에 적용되는 파우치형 배터리 셀(10)을 살펴보면, 전극 조립체(13)와 파우치 외장재, 일단이 전극 조립체(13)에 연결되고 타단이 파우치 외장재 외부로 연장되는 전극 리드를 포함한다. 참고로, 전극 리드는 파우치 외장재와 일부분이 함께 열융착되는데, 파우치 외장재의 열접착층은 수지층으로 이루어지고 전극 리드는 금속이어서 전극 리드와 파우치 외장재 간의 융착이 미흡할 수 있다. 이를 보완하기 위한 방안으로 접착 테이프(16)가 사용될 수 있다. 전극 리드는 상기 접착 테이프(16)로 둘레가 테이핑된 상태로 파우치 외장재와 열융착될 수 있다.
전극 조립체(13)는, 도면의 편의상 자세히 도시하지는 않았으나, 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성될 수 있으며, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 반복적으로 적층된 구조를 갖는다. 통상적으로 음극판이 양극판보다 약간 더 큰 사이즈를 갖기 때문에 전극 조립체(13)의 최상단과 최하단에 배치된다. 이러한 전극 조립체(13)는 전해액과 함께 파우치 외장재로 밀봉되게 수납될 수 있다.
파우치 외장재는 실링재 역할을 하는 열접착층인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer), 기계적 강도를 유지하는 기재 및 수분과 산소를 차단하는 역할을 하는 금속측인 알루미늄층(AL/Aluminum Layer), 기재 및 보호층으로 작용하는 나일론층(Nylon Layer)이 적층된 다층막구조로 구성되어 있다. 열접착층인 폴리올레핀계 수지층은 CPP(Casted Polypropylene)가 흔히 사용되고 있다.
이러한 파우치 외장재는 전극 조립체(13)를 안에 넣고, 전해액을 주입한 후 가장자리를 실링할 수 있게 마련된다. 이를테면, 파우치 외장재는 제1 파우치 시트(11a)와 제2 파우치 시트(11b)를 포함하며, 상기 제1 파우치 시트(11a)는 전극 조립체(13)를 가운데 영역에 수납할 수 있게 포밍되고, 상기 제2 파우치 시트(11b)는 상기 제1 파우치 시트(11a)와 대면하여 가장자리가 열융착되게 마련될 수 있다. 이하에서는 열융착된 상기 파우치 외장재의 가장자리 영역을 테라스(12)라 정의하기로 한다.
특히, 도 3과 도 4 내지 도 6을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 구성하는 파우치형 배터리 셀(10)들, 각각은 R밴딩부(19)를 더 구비할 수 있다. 상기 R밴딩부(19)는 파우치 외장재의 테라스(12)와 전극 리드 사이의 경계 부분에 밴딩된 형태로 처리된 부분으로 여러 개의 파우치형 배터리 셀(10)들을 병렬연결시 전극 리드와 파우치 외장재의 테라스 선단부(12a)와의 간섭 내지 접촉을 회피하기 위한 구성이다.
보다 구체적으로 R밴딩부(19)를 살펴보면, R밴딩부(19)에서 파우치 외장재의 테라스 선단부(12a)는 다른 부분보다 급격히 꺾여져 종전에 파우치 외장재의 테라스(12)에서 전극 리드가 벋어 나가는 직선 라인 선상을 벋어날 수 있는 곳에 위치한다.
본 실시예의 경우, R밴딩부(19)는 파우치 외장재의 테라스(12)와 전극 리드 사이의 경계 지점을 전/후한 영역에서 라운드진 형태 내지는 아크(arc) 형태로 마련될 수 있다. 이때 파우치 외장재의 테라스 선단부(12a)는 R밴딩부(19)에서 가장 오목한 부분에 위치하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 R밴딩부(19)가 형성되는 방향은, 도 4 내지 도 5와 같이, 여러 개의 파우치형 배터리 셀(10)들을 병렬연결시 어느 하나의 파우치형 배터리 셀(10)의 전극 리드를 기준으로 다른 파우치형 배터리 셀(10)들의 전극 리드들이 편향되는 방향과 같은 방향으로 형성된다.
이를테면, 본 실시예와 같이, 총 6개의 파우치형 배터리 셀(10)들 중 3개씩의 파우치형 배터리 셀(10)들을 병렬연결할 경우, 도 5의 좌측에서 1번째, 2번째 파우치형 배터리 셀(10)들의 양극 리드(14)들이, 기준이 되는 3번째 파우치형 배터리 셀(10)의 양극 리드(14)에 겹쳐지도록 우측 방향으로 편향될 수 있다. 이때, 상기 3개의 파우치형 배터리 셀(10)의 R밴딩부(19)들은 각각 양극 리드(14)들이 편향되는 방향과 같은 우측 방향을 향하도록 한다. 반대로, 도 5의 좌측에서 5번째, 6번째 파우치형 배터리 셀(10)들의 음극 리드(15)들은, 기준이 되는 4번째 파우치형 배터리 셀(10)의 음극 리드(15)에 겹쳐지도록 좌 방향으로 편향될 수 있으며, 이때, 상기 3개의 파우치형 배터리 셀(10)의 R밴딩부(19)들은 각각 좌측 방향을 향하도록 한다.
이와 같은 파우치형 배터리 셀(10)들의 R밴딩부(19) 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(10)들을 병렬연결시, 도 6과 같이, 어느 하나의 파우치형 배터리 셀(10)의 전극 리드가 어떠한 각도로 편향되더라도 인접한 다른 하나의 파우치형 배터리 셀(10)의 테라스 선단부(12a)에 간섭 내지 접촉되지 않을 수 있다. 따라서 파우치형 배터리 셀(10)들을 병렬연결시 본 발명의 R밴딩부(19) 구성에 의하면, 종전과 달리 별도의 부품이나 절연 테이핑을 하지 않더라도 전극 리드와 파우치 외장재의 금속층 간의 전기적 접촉 가능성을 효율적으로 차단시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 모듈을 구성하는 파우치형 배터리 셀(10)들은 적어도 2개 이상의 양극 리드(14)들의 일단부가 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 양극 리드 그룹(18)과, 상기 양극 리드 그룹(18)과 같은 방향에 상기 양극 리드(14)들의 개수와 동일한 개수로 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 음극 리드 그룹(19)을 갖는다.
상기 양극 리드 그룹(18)과 상기 음극 리드 그룹(19)에서 최근접 거리에서 서로 마주하는 제1 양극 리드(14)와 제1 음극 리드(15)를 기준으로 하여, 나머지 양극 리드(14)들은 상기 제1 양극 리드(14)를 향해 편향되고 나머지 음극 리드(15)들은 상기 제1 음극 리드(15)를 향해 편향될 수 있다. 참고로 도면에 병렬연결된 파우치형 배터리 셀(10)들의 일 방향만을 도시하고 설명하였으나, 상기 파우치형 배터리 셀(10)들의 반대편 방향은 극성만 달리할 뿐 동일한 구조이므로 반복된 설명은 생략하기로 한다.
예컨대, 도 4 및 도 5에 도시한 파우치형 배터리 셀(10)들의 경우, 상기 제1 양극 리드(14)은 도면상 좌측에서 3번째 파우치형 배터리 셀(10)의 양극 리드(14)에 해당할 수 있고, 상기 제1 음극 리드(15)는 4번째 파우치형 배터리 셀(10)의 음극 리드(15)에 해당할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19) 사이의 간격이 최대한 짧아질 수 있어 추후 이들을 버스바에 연결하는 공정이 더 수월해질 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 상기 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)은 곧게 벋은 형태 그대로 후술할 버스바 조립체(20)에 접합될 수 있다.
도 7 내지 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀(10)들의 전극 리드들을 버스바 조립체(20)에 연결하기 위한 단계별 공정도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 배터리 모듈은 상기 양극 리드 그룹(18)과 상기 음극 리드 그룹(19)을 전기적으로 연결시키기 위한 버스바 조립체(20)를 더 포함할 수 있다.
상기 버스바 조립체(20)는, 고정형 버스바(21)와 한 쌍의 이동형 버스바(22), 상기 고정형 버스바(21)에 대해 상기 한 쌍의 이동형 버스바(22)를 상대 이동 가능하게 하는 밀착부(23)재를 포함할 수 있다.
자세히 후술하겠지만, 본 발명에 따르면, 상기 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)은 버스바 조립체(20)의 끼움 공간(S)에 그대로 삽입되어 클램핑된 후 용접이 수행될 수 있다. 따라서 종래와 같은 전극 리드 벤딩 작업 과정이 필요 없어져 생산 라인의 자동화 비율이 더 높아질 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 기계적 압박이 가해진 상태에서 전극 리드 그룹들이 용접될 수 있어, 2개 이상의 전극 리드를 병렬적으로 접합할 경우에도, 전기적 연결성과 기계적 접합 강도에 대한 신뢰성이 유지될 수 있다.
이하에서 이러한 본 발명에 따른 버스바 조립체(20)를 자세히 살펴본다.
고정형 버스바(21)는 막대형으로 전기 전도성을 갖는 구리, 은, 주석도금 동과 같은 재질로 마련될 수 있다. 따라서 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)이 이러한 고정형 버스바(21)에 접촉되면 배터리 모듈의 전류가 안정적으로 통전될 수 있다.
이동형 버스바(22)도 고정형 버스바(21)와 같이 전기 전도성을 갖는 구리, 은, 주석도금, 동과 같은 금속 재질로 마련될 수 있다. 다만, 이동형 버스바(22)는 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)을 가압하여 고정형 버스바(21)에 밀착시키고 클램핑하는 것이 주 기능이다. 따라서 이동형 버스바(22)는 반드시 금속 재질로 마련될 필요는 없으며, 비금속 재질로 마련되더라도 무방할 수 있다.
이동형 버스바(22)는 고정형 버스바(21)를 사이에 두고 한 쌍으로 상대 이동 가능하게 마련된다. 그리고 이동형 버스바(22)와 고정형 버스바(21) 사이에는 양극 리드 그룹(18) 또는 음극 리드 그룹(19)을 통과시킬 수 있는 끼움 공간(S)이 마련된다. 이를테면, 도 7 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 좌측편 이동형 버스바(22)와 고정형 버스바(21) 사이의 끼움 공간(S)에는 음극 리드 그룹(19)이 개재될 수 있고, 우측편 이동형 버스바(22)와 고정형 버스바(21) 사이의 끼움 공간(S)에는 양극 리드 그룹(18)이 개재될 수 있다.
본 실시예에 따른 한 쌍의 이동형 버스바(22)는 각각 대략 "ㄷ" 형태로 밀착부(23)와 간격 조절부(24)를 포함하며, 고정형 버스바(21)를 가운데 두고 대칭적으로 마련되어 상기 고정형 버스바의 둘레를 감싸는 형태일 수 있다. 상기 밀착부(23)는 고정형 버스바(21)에 나란하게 배치되는 부분으로 정의될 수 있고, 간격 조절부(24)는 상기 밀착부(23)의 양쪽 끝단에서 고정형 버스바(21)를 향해 절곡되게 연장 형성되는 부분으로 정의될 수 있다.
좌측편 이동형 버스바(22)의 간격 조절부(24)와 우측편 이동형 버스바(22)의 간격 조절부(24)는 맞닿을 수 있게 구성된다. 이와 같이 맞닿아 있는 각 이동형 버스바(22)의 간격 조절부(24)의 길이에 따라 끼움 공간(S)의 폭이 다르게 설계 변경될 수 있다.
밀착부(23)재는 한 쌍의 이동형 버스바(22)를 고정형 버스바(21)에 근접하게 이동시키는 역할을 하는 구성일 수 있다. 본 실시예의 경우, 밀착부(23)재로 판 스프링이 적용된다. 판 스프링은 오므라진 상태로 그 양단부가 좌/우측편 이동형 버스바(22)에 결합된다. 따라서 외력을 가해 좌/우측편 이동형 버스바(22)를 잡아당긴 후 놓으면 판 스프링의 탄성 복원력에 의해 좌/우측편 이동형 버스바(22)가 원상태로 고정형 버스바(21)를 향해 이동하게 된다.
이하에서 도 7 내지 도 9를 참조하여 이러한 버스바 조립체(20)와 병렬연결된 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)을 접합시키는 과정을 다시 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 서로 이웃해 있는 제1 양극 리드(14)와 제1 음극 리드(15)를 기준으로 각각 양극 리드(14)들과 음극 리드(15)들의 일단부를 겹쳐서 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)을 형성한다.
그 다음, 버스바 조립체(20)의 좌/우측편 이동형 버스바(22)를 잡아당겨 끼움 공간(S)을 충분히 확보한 상태에서 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)을 각각 해당 끼움 공간(S)에 끼워 넣는다.
그 다음, 버스바 조립체(20)의 좌/우측편 이동형 버스바(22)를 다시 놓아 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)을 고정형 버스바(21)에 밀착시킨다. 이때 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)은 버스바 조립체(20)에 의해 클램핑되어 곧게 벋은 상태로 고정형 버스바(21)에 접합될 수 있다. 그 다음, 용접 공정을 추가로 수행하면 양극 리드 그룹(18)과 음극 리드 그룹(19)은 보다 안정적으로 버스바 조립체(20)에 접합될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 버스바 조립체(20)에 따르면, 종래 기술과 달리(도 1 참조) 전극 리드 용접 과정에서 전극 리드 벤딩 과정이 전혀 필요하지 아니한다. 따라서 전극 리드들의 벤딩을 위한 수작업 공정이 제거되어 배터리 모듈 생산 라인의 자동화 비율이 향상될 수 있다. 또한, 일체의 전극 리드들이 기계적으로 압박된 상태에서 용접될 수 있으므로 병렬연결 구조에서 전극 리드들의 개수와 무관하게 전기적 연결성 및 기계적 접합강도 신뢰성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스,각각의 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치 등을 더 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10: 파우치형 배터리 셀 11a: 제1 파우치 시트
11b: 제2 파우치 시트 12: 테라스
12a: 테라스 선단부 13: 전극 조립체
14: 양극 리드 15: 음극 리드
16: 접착 테이프 17: R밴딩부
18: 양극 리드 그룹 19: 음극 리드 그룹
20: 버스바 조립체 21: 고정형 버스바
22: 이동형 버스바 23: 밀착부
24: 간격조절부 25: 밀착부재
S: 끼움 공간

Claims (7)

  1. 상호 간 적층 배열되고 전기적으로 직/병렬연결된 파우치형 배터리 셀들을 구비한 배터리 모듈로서,
    어느 하나의 파우치형 배터리 셀의 전극 리드를 향해 다른 파우치형 배터리 셀들의 전극 리드들이 편향되어 일단부들이 겹쳐지되,
    상기 파우치형 배터리 셀들, 각각은 테라스와 전극 리드 사이의 경계 부분이 상기 전극 리드들이 편향되는 방향으로 밴딩된 형태로 처리된 R밴딩부를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 R밴딩부는 라운드진 형태를 취하며, 상기 테라스는 선단부가 상기 R밴딩부에서 가장 오목한 부분에 위치하도록 밴딩된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 2개 이상의 양극 리드들의 일단부가 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 양극 리드 그룹과, 상기 양극 리드 그룹과 같은 방향에 상기 양극 리드들의 개수와 동일한 개수로 겹쳐져 곧게 벋은 형태로 마련되는 음극 리드 그룹을 포함하며,
    상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹에서 최근접 거리에서 서로 마주하는 제1 양극 리드와 제1 음극 리드를 기준하여, 나머지 양극 리드들은 상기 제1 양극 리드를 향해 편향되고 나머지 음극 리드들은 상기 제1 음극 리드를 향해 편향되게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 전기적으로 연결시키는 버스바 조립체를 더 포함하며,
    상기 버스바 조립체는,
    막대형 전도체 형태로 마련된 고정형 버스바;
    상기 고정형 버스바를 가운데 두고 상기 고정형 버스바의 양쪽 옆으로 이격 배치되어 상기 고정형 버스바와의 사이에 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 각각 삽입할 수 있는 끼움 공간을 형성하는 한 쌍의 이동형 버스바; 및
    상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹이 상기 끼움 공간에 위치한 상태에서 상기 한 쌍의 이동형 버스바를 상기 고정형 버스바에 근접하게 이동시켜 상기 양극 리드 그룹과 상기 음극 리드 그룹을 상기 고정형 버스바에 밀착시키는 밀착부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밀착부재는,
    양단부가 상기 한 쌍의 이동형 버스바에 결합되어 탄성 복원력으로 상기 한 쌍의 이동형 버스바를 상호 간 대향하는 방향으로 이동시키는 판 스프링인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 한 쌍의 이동형 버스바는 각각
    상기 고정형 버스바에 나란하게 마련되는 밀착부와, 상기 밀착부의 양쪽 끝단에서 절곡되게 연장 형성되고 상기 판 스프링에 연결되는 간격 조절부를 구비하고,
    상기 고정형 버스바를 가운데 두고 상호 간 대칭되게 배치되어 상기 고정형 버스바의 둘레를 에워싸는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
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