KR20140056836A - 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서, 상기 전지셀들의 전극단자들 상호간의 전기적 연결과 전지셀의 전극단자와 외부 입출력 단자 간의 전기적 연결을 위한 버스 바들을 포함하고 있고, 상기 버스 바들 중의 적어도 하나는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 {Battery Module and Battery Pack Comprising the Same}

본 발명은 구조적 안정성이 우수한 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서, 상기 전지셀들의 전극단자들 상호간의 전기적 연결과 전지셀의 전극단자와 외부 입출력 단자 간의 전기적 연결을 위한 버스 바들을 포함하고 있고, 상기 버스 바들 중의 적어도 하나는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈에 관한 것이다.

이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, PDA, 노트북 등의 모바일, 와이어리스 전자기기뿐만 아니라 전기자전거(E-bike), 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.

휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 전지셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용됨에 반하여, 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 전지셀들(이하에서는, qqq멀티-셀qqq로 칭하기도 함)을 병렬 및/또는 직렬로 연결한 전지팩이 팩킹되어 있는 중형 또는 대형 전지팩이 사용되고 있다.

그러나, 이러한 이차전지에 많이 사용되는 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있음에 반해 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.

이러한 리튬 이차전지의 안전성 문제는 멀티-셀 구조의 중대형 전지팩에서 더욱 심각하다. 멀티-셀 구조의 전지팩에서는 다수의 전지셀들이 사용됨으로 인해, 일부 전지셀에서의 작동 이상은 다른 전지셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있고, 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고를 초래할 수 있기 때문이다.

이와 같은 구조의 전지팩은 과전류에 의한 내부의 리튬 이차전지가 과열될 경우에 폭발 및 화재 발생에 노출되어 있고, 외부 충격에 의한 내부 전기적 연결부위의 단락 또한 전지모듈의 내부 발화 등으로 인한 화재를 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.

특히, 버스 바는 일반적으로 구리 소재로 제작되어 전지모듈에 고정되기 때문에, 전지모듈이 진동을 받아 전지셀과 전지모듈 간의 상대 운동이 발생하는 경우, 전극단자 및 버스 바 등에 상대적으로 큰 외부 충격이 전달되므로, 외부 단락에 의한 전지모듈 내의 화재 발생 등에 대한 방지 구조가 취약한 단점이 있다.

이러한 이유로, 외부 충격으로 인한 전지모듈 내에서 가스 누출, 발화, 폭발 등과 같이 안전성을 저해시키는 현상이 발생하지 않도록, 전지팩 차원에서 보호 장치를 마련할 필요가 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결하면서 전지셀의 전기적 연결부위에 대한 외부 충격으로 인한 누전 및 발화 등의 안전사고를 근본적으로 방지할 수 있는 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지모듈을 구성하는 버스 바들 중의 적어도 하나의 버스 바를 구리 소재에 비해 융점이 상대적으로 낮은 주석 계열의 합금으로 형성함으로써, 외부 단락에 의한 화재 발생시에 버스 바가 퓨즈(Fuse)로서 전기적 연결을 차단하여 전지모듈의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서, 상기 전지셀들의 전극단자들 상호간의 전기적 연결과 전지셀의 전극단자와 외부 입출력 단자 간의 전기적 연결을 위한 버스 바들을 포함하고 있고, 상기 버스 바들 중의 적어도 하나는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 합금으로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은, 일부 버스 바의 소재로서 앞서 설명한 바와 같은 융점이 낮은 주석 계열을 합금을 사용하여, 외부 단락에 의한 전지모듈의 내부의 발화 등으로 인한 화재를 방지할 수 있으므로 안전성이 향상된다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 주석과 구리를 주성분으로 하는 버스 바는 부여하고자 하는 전기적 물성 및 기계적 물성에 따라 조절 가능하며, 상세하게는, 상기 주석의 함량이 80 내지 98 wt%이고, 상기 구리의 함량이 2 내지 20 wt%일 수 있으며, 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 은(Ag)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속이 더 포함되어 있는 소재일 수 있다.

상기 주석의 함량이 80 wt% 이상일 경우에 양호한 인장강도 특성을 유지할 수 있고, 전기 전도도, 용융점 및 인장 강도 등에 영향을 미치는 상기 구리의 함량은 4 내지 15 wt%가 더욱 바람직하다.

상기 추가 금속의 함량도 버스 바에 부여하고자 하는 전기적 물성 및 기계적 물성에 따라서 조절 가능하며, 바람직하게는, 상기 금속의 함량은 0.01 내지 10 wt%이고, 나머지 함량의 성분들은 주석과 구리일 수 있다.

여기서, 상기 wt%는 당해 버스 바를 구성하는 물질의 전체 중량을 기준으로 한 단위로서, 상기와 같이 주석과 구리의 함량을 조절함으로써, 버스 바의 양호한 인장강도 특성을 얻을 수 있고, 버스 바에 의한 저항의 증가를 수 % 이하로 낮게 억제할 수 있다.

또 다른 예로서, 상기 주석과 구리를 주성분으로 포함하는 버스 바는 150 내지 300℃ 범위에서 용융점을 갖도록 구성될 수 있다.

상기 용융점이 300℃ 보다 높으면 과전류의 차단이 효과적으로 이루어지지 않고, 상기 용융점이 150℃ 보다 낮으면 전지모듈의 정상적인 작동에 의한 전류에도 버스 바가 파단될 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 주석과 구리를 주성분으로 포함하는 버스 바는 특히 외부 입출력 단자를 구성하는 버스 바인 것이 바람직하다. 경우에 따라서는, 버스 바의 일부 부위만이 주석과 구리를 주성분으로 포함하는 소재로 이루어질 수도 있으며, 이러한 경우 역시 본 발명에 포함되는 것으로 해석됨은 물론이다.

본 발명에 따른 전지모듈은, 하나의 구체적인 예에서, 전극단자로서 양극단자와 음극단자가 상호 반대 방향으로 수직 절곡되어 있는 전지셀들이 상호 직렬로 연결된 상태로 둘 이상의 개수로 적층되어 있는 전지셀 적층체와, 전극단자들이 일측 방향으로 정렬된 전지셀 적층체의 상면 및 하면에 장착되며 일측에 체결부가 형성되어 있는 한 쌍의 엔드 플레이트들(end plates), 및 전지셀 적층체의 측면들 중의 적어도 하나에 장착되는 히트 싱트(Heat sink)를 포함하며, 전지셀 적층체의 외면을 감싸는 모듈 케이스와, 상기 모듈 케이스에서 전지셀들의 전극단자 부위에 장착되고, 전지셀 적층체의 직렬 연결을 버스 바들이 장착되어 있으며, 상기 버스 바들 중의 적어도 하나의 버스 바가 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 합금으로 이루어진 버스 바 어셈블리와, 상기 버스 바 어셈블리를 감싸는 전기절연성의 버스 바 커버 및 상기 버스 바 커버의 전면을 감싸는 와이어 커버를 포함하는 구조일 수 있다.

바람직하게는, 상기 전지셀 적층체와 히트 싱크의 사이에 방열부재가 추가로 개재되어 있는 구조일 수 있으며, 상기 방열부재는 얇은 판상형의 판재로 형성되는 구조일 수 있다.

상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이며, 예를 들어, 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

구체적으로는, 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 이차전지로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 이차전지는 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층, 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층, 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀들 중의 상호 인접한 전지셀들에서, 제 1 전지셀의 양극단자와 제 2 전지셀의 음극단자는 상호 중첩되지 않는 상태에서 하나의 버스 바에 접촉하는 용접면을 제공하도록 수직 절곡되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 제 1 전지셀의 양극단자와 제 2 전지셀의 음극단자는, 바람직하게는, 버스 바에 접촉하는 단자 폭이 전지셀 본체에 접하는 단자 폭의 1/2의 이하의 크기로 이루어진 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 양극 단자와 음극 단자가 일측 단부에 함께 형성되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 전지셀 적층체는 상호 인접한 전지셀들 사이에서 양극 단자와 음극 단자가 인접하도록 교번 절곡된 상태로 적층되어 있는 구조일 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 전지셀 적층체의 외면에는 냉각 효율을 향상시키기 위한 하나 이상의 크램프(Clamp)가 형성되어 있는 구조일 수 있다.

상기 크램프는, 예를 들어, 상하 방향으로 전지셀 적층체의 외면으로부터 돌출되어 있고 상하 중심축을 따라 만입형 그루브가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 크램프의 양단부는 엔드 플레이트의 체결부에 결합되는 구조일 수 있다.

이러한 구조에서, 상기 전지셀 적층체를 구성하는 전지셀들의 사이에는 하나 이상의 판상형의 냉각핀이 개재되어 있는 구조일 수 있다.

한편, 상기 전지셀 적층체의 모서리 부위에는 외부 디바이스 또는 팩 케이스에 전지셀 적층체의 장착을 위한 하나 이상의 부싱(Bushing)이 형성되어 있는 구조일 수 있다.

상기 전지셀 적층체는, 바람직하게는, 체결부재에 의해 상기 모듈 케이스와 일체로 구속되어 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 상기 체결부재는 장볼트일 수 있으나, 특별히 제한되지 않음은 물론이다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 버스 바 어셈블리는, 모듈 케이스에 장착되고 전기절연성으로 이루어진 장방형의 어셈블리 본체, 및 상기 장방형 본체에 전면과 후면이 개방된 상태로 장착되어 있고 하나 이상의 버스 바를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

또 다른 구체적인 예에서, 상기 버스 바 어셈블리는 다수의 버스 바들을 포함하고 있고, 상기 버스 바는 양측 단부가 어셈블리 본체에 결합되는 금속 판재로 이루어질 수 있다.

이러한 구조에서, 상기 버스 바들 중 외부 입출력 단자를 구성하는 버스 바들은, 일측 단부가 연장된 상태로 어셈블리 본체 상에 결합되어 있는 외부 입출력 단자부를 포함하는 구조일 수 있다.

한편, 상기 전극단자에 대한 버스 바의 전기적 연결은, 전극단자의 내면이 버스 바의 표면에 밀착된 상태에서 전극단자의 외면에 대해 용접을 수행하여 달성될 수 있다.

상기 용접은, 바람직하게는, 전극단자의 외면에 레이저를 조사하여 달성되는 방식일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지모듈 둘 이상이 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩과, 상기 전지모듈 또는 전지팩을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.

본 발명에 따른 전지팩이 사용될 수 있는 디바이스의 구체적인 예로는, 한정된 장착 공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치 등을 들 수 있다.

자동차의 전원으로 사용되는 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있음은 물론이다.

전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀의 전극단자에 연결되는 버스 바를 구리 소재에 비해 융점이 상대적으로 낮은 주석 계열의 구리 합금을 사용하여 외부 단락에 의한 화재 발생시에 버스 바가 일종의 퓨즈로 작용하여 신속히 파단됨으로써, 전기적 연결을 차단하여 전지모듈의 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전지셀 적층체에 장착되는 전지셀의 사시도이다;
도 2는 도 1의 분해 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다;
도 4는 전지셀 적층체의 분해 사시도이다;
도 5는 전지모듈의 사시도이다;
도 6은 본 발명에 따른 버스 바 어셈블리의 정면도이다;

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 전지셀 적층체에 장착되는 하나의 예시적인 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 분해 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 판상형 전지셀(10)은, 파우치형 전지케이스(20) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(210)가 그것의 양극 및 음극 탭들(220, 230)과 전기적으로 연결되는 2개의 전극단자(321, 322)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지케이스(20)는 전극조립체(210)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(14)를 포함하는 케이스 본체(15)와 그러한 본체(15)에 일체로서 연결되어 있는 덮개(13)로 이루어져 있다.

폴딩형 구조 또는 스택형 구조 또는 스택/폴딩형의 구조를 가진 전극조립체(210)는 다수의 양극 탭들(220)과 다수의 음극 탭들(230)이 각각 융착되어 전극단자(321, 322)에 함께 결합되어 있다. 또한, 케이스 본체(15)의 잉여부(144)와 덮개(13)가 열융착기(도시하지 않음)에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극단자들(321, 322) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극단자들(321, 322)과 전지케이스(20)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극단자들(321, 322)의 상하면에 절연필름(240)이 부착된다.

케이스 본체(15)와 덮개(13)는 외측 수지층(16), 차단성 금속층(17) 및 내측 수지층(18)으로 구성되어 있고, 내측 수지층(18)은 케이스 본체(15)의 외면과 덮개(13)의 외면에 가해지는 열융착기(도시하지 않음)로부터의 열과 압력에 의해 밀착 고정될 수 있게 된다.

전해액이 함침된 전극조립체(210)를 수납부(12)에 안착한 상태에서 케이스 본체(15)의 잉여부(144)와 덮개(13)의 접촉부위를 열융착시키면 실링부가 형성된다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전지셀 적층체의 분해도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 3의 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈(100)은 전지셀(10)을 포함하는 다수의 전지셀들이 플레이트형 프레임(303)에 장착되어 있는 구조물을 다수 개 상하로 적층한 전지셀 적층체(200), 버스 바 어셈블리(300), 상부 엔드 플레이트(101)와 하부 엔드 플레이트(113)와 한 쌍의 히트 씽크(103)를 포함하는 모듈 케이스(115), 버스 바 커버(105) 및 와이어 커버(104)를 포함하고 있다.

전지셀 적층체(200)의 외측면은 상부 엔드 플레이트(101), 하부 엔드 플레이트(113), 및 한 쌍의 히트 싱크들(103)을 포함하는 모듈 케이스(115)에 감싸이도록 장착되어 있고, 히트 씽크들(103)은 전지셀 적층체(200)의 외측면을 감싸는 구조로 상부 엔드 플레이트(101) 및 하부 엔드 플레이트(113) 상에 결합되어 있다.

전지셀 적층체(200)의 전면에는 버스 바 어셈블리(300), 버스 바 커버(105), 및 와이어 커버(104)가 순차적으로 장착되어 있다.

전지모듈(100)의 더욱 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.

우선, 전지셀(10)을 포함하여 다수의 전지셀들은 중공 프레임인 플레이트형 프레임(303)에 각각 장착되어 적층되어 있다.

전지셀 적층체(200)는, 전지셀(10)을 포함하여 16개의 전지셀들이 상호 직렬로 연결되도록 각각의 전극단자들이 수직 절곡된 상태로 상하 방향으로 적층되어 있다.

모듈 케이스(115)는 전지셀 적층체(200)의 안전한 장착과 전지셀의 전극단자가 돌출된 상태로 장착되도록 전지셀 적층체(200)의 상하부면에 상부 엔드 플레이트(101)와 하부 엔드 플레이트(113)가 장착되고, 측면에는 한 쌍의 히트 씽크들(103)이 장착됨으로써, 전면이 개방된 조립 구조로 이루어져 있다.

전지셀 적층체(200)가 장착된 모듈 케이스(115)의 전면 개방 부위에는 전지셀(10)을 포함하는 16개의 전지셀들의 전극단자들(도시하지 않음)을 전기적으로 연결하는 버스 바 어셈블리(300)가 장착된다.

버스 바 어셈블리(300)의 전면에는 전기 절연성의 버스 바 커버(105)가 장착되고, 버스 바 커버(105)의 전면에는 전기적 연결 부위를 보호하기 위한 와이어 커버(104)가 차례로 장착된다.

또한, 상부 엔드 플레이트(101) 및 하부 엔드 플레이트(113)에는 전지셀 적층체(200)를 구속하는 서포팅 바(110)가 결합된다.

서포팅 바(110)는 내부에 볼트 삽입부(112)가 형성되어 있고, 볼트 삽입부(112)를 통해 장볼트(도시하지 않음)가 삽입되면서 하나의 장볼트(도시하지 않음)로 전지셀 적층체(200)와 상부 엔드 플레이트(101) 및 하부 엔드 플레이트(113)가 일체로 체결된다.

상부 엔드 플레이트(101) 및 하부 엔드 플레이트(113)의 모서리 부위에는 전지셀 적층체(200)를 외부 장치(도시하지 않음)에 고정시키기 위한 부싱(111)이 형성되어 있다.

전지셀 적층체(200)와 히트 씽크(103) 사이에는 전지셀들에서 발생되는 열을 외부로 전달하도록 하기 위해 판상형의 방열 부재(108)가 개재되고, 전지셀 적층체(200)의 외측 부위에는 전지셀(10)을 포함하는 16개의 전지셀들 간의 냉각효율을 향상시키기 위해 플레이트형 프레임(303)의 측면에 상하 방향으로 크램프(109)가 추가적으로 형성되어 있다.

크램프(109)에는 전지셀 적층체(200)의 팽창 등으로 인한 외형 변화를 방지하기 위해 중심축을 따라 만입형 그루브(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 크램프(109)의 양단부가 상부 엔드 플레이트(101) 및 하부 엔드 플레이트(113)의 체결부(102)에 각각 결합됨으로써, 전지셀 적층체(200)가 모듈 케이스(115)에 단단하게 고정된다.

버스 바 어셈블리(300)는 전지셀 적층체(200)의 플레이트형 프레임(303)의 전면에 장착되어 있고, 버스 바 어셈블리(300)에는 전지셀들의 전극단자를 전기적으로 연결하기 위한 버스 바들(350)이 결합되어 있다.

이들 버스 바들(350) 중의 적어도 하나의 버스 바는, 전지셀 적층체(200)이 과열되는 경우에 용융되어 전기적 연결을 해제하는 퓨즈(Fuse) 의 역할을 하며, 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하고 환경과 인체에 무해한 납(Pb)을 포함하지 않는 무연 합금으로 이루어져 있으며, 대략 150 내지 300℃의 용융점을 갖는다. 이러한 용융점의 범위는 버스 바를 구성하는 알루미늄, 구리 또는 니켈이 코팅된 구리 중 선택된 어느 하나의 금속의 융점과 비교하여 더 낮은 것에 해당하므로 외부 단락에 대한 신속한 차단이 가능하다.

이러한 버스 바가 결합된 버스 바 어셈블리(300)의 구조에 대해서는 이후 더욱 상세히 설명하기로 한다.

버스 바 어셈블리(300)의 전면에는 전지셀들의 전압 또는 온도를 측정하기 위한 온도 검출 수단(106)과 전압 감지 수단(107)이 형성된 전기절연성의 버스 바 커버(105) 및 이러한 구성을 보호하기 위한 와이어 커버(104)가 전면에 차례로 장착되어 있다.

도 6에는 본 발명에 따른 버스 바 어셈블리의 정면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 전지셀의 배면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 도 1 내지 도 5와 함께 참조하면, 버스 바 어셈블리(300)는 전지셀 적층체(200)의 전면으로 돌출된 양극단자(322)와 음극단자(321)가 형성된 최상단에 위치하는 전지셀(10)을 포함한 16개의 전지셀들, 이러한 전지셀들의 전극단자 부위에 결합되는 버스 바(350), 및 버스 바(350)의 단부에 결합되는 외부 입출력 단자들(301, 302)로 구성되어 있다.

버스 바 어셈블리(300)의 상면에는 동일 방향으로 외부 입출력 단자들(301, 302)이 형성되어 있고, 버스 바(350)는 양극단자와 음극단자가 상호 겹치지 않는 상태로 절곡된 부위의 접합면에 용접되어 있다.

최상단에 위치한 전지셀(10)의 음극단자(321)에 용접되는 버스 바는 외부 입출력 단자(302)에 연결되고, 최하단에 위치한 전지셀(도시하지 않음)에 용접되는 버스 바는 소정의 길이로 연장된 연장부(351)가 형성되어 있고, 버스 바 어셈블리(300)의 본체 전면에 결합된 상태로 수직 상향으로 절곡되어 외부 입출력 단자(301)에 각각 연결되어 있다. 따라서, 연장부(351)의 전부 또는 일부가 앞서 설명한 바와 같은 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하고 환경과 인체에 무해한 납(Pb)을 포함하지 않는 무연 합금으로 이루어진 경우, 외부 단락에 대해 버스 바의 연장부(351)가 파열되면서 전기적 연결이 해제된다.

한편, 버스 바 어셈블리(300)는, 최상단에 위치한 전지셀(10), 및 상호 인접한 제 1 전지셀(500)과 제 2 전지셀(600)을 포함하여 16개의 전지셀들이 상하 방향으로 적층되어 있다.

제 1 전지셀(500)에는 전지셀 본체에 접하는 단자 폭(W1)을 갖는 양극단자(510)와 음극단자(520)가 각각 본체로부터 돌출되어 있는 상태로, 단자 폭(W1) 대비 1/2 크기의 단자 폭(W2)을 갖는 양극단자(510)의 단부가 하측 방향으로 수직 절곡되어 있고, 단자 폭(W1) 대비 1/2 크기의 단자 폭(W2)을 갖는 음극단자(520)의 단부는 상측 방향으로 수직 절곡되어 있다.

마찬가지로, 제 2 전지셀(600)에는 전지셀 본체에 접하는 단자 폭(W1)을 갖는 양극단자(610)와 음극단자(620)가 각각 본체로부터 돌출되어 형성되어 있는 상태로, 단자 폭(W1) 대비 1/2 크기의 단자 폭(W2)을 갖는 양극단자(610)의 단부가 하측 방향으로 수직 절곡되어 있고, 단자 폭(W1) 대비 1/2 크기의 단자 폭(W2)을 갖는 음극단자(620)의 단부는 상측 방향으로 수직 절곡되어 있다. 참고로, 도 7의 제 1 전지셀(500)은 도 6의 제 1 전지셀(500)을 뒤집은 형상으로 도시되어 있다.

제 1 전지셀(500)의 양극단자(510)가 수직으로 하향 절곡된 부위와 제 2 전지셀(600)의 음극단자(620)가 수직으로 상향 절곡된 부위는 상호 겹치지 않는 상태로 버스 바에 대해 접촉면을 형성하고, 제 1 전지셀(500)의 음극단자(510)가 수직으로 상향 절곡된 부위는 최상단에 위치한 전지셀(10)의 양극단자(322)가 수직으로 하향 절곡된 부위와 상호 겹치지 않는 상태에서 버스 바에 대해 접촉면을 형성하며, 제 2 전지셀(600)의 양극단자(610)가 수직으로 하향 절곡된 부위는 하측에 인접한 전지셀의 음극단자(710)가 수직으로 상향 절곡된 부위와 상호 겹치는 않는 상태로 버스 바에 대해 접촉면을 형성한다.

또한, 전지셀 적층체(200)의 최상단에 위치한 전지셀(10)의 음극단자(321)와 최하단에 위치한 전지셀(도시하지 않음)의 양극단자(311)는 구조적으로 전지셀 본체에 접하는 단자 폭(W1)으로 각각 형성되어 있으며, 일측 단부에는 외부 전력 장치(도시하지 않음)와 연결되는 외부 입출력 단자들(301, 302)에 각각 연결되어 있다.

상기와 같은 구조에서, 버스 바(350)는, 제 1 전지셀(500)의 양극단자(510)가 수직으로 하향 절곡된 부위와 제 2 전지셀(600)의 음극단자(620)가 수직으로 상향 절곡된 부위에 용접된다.

이와 마찬가지로, 제 1 전지셀(500)의 음극단자(520)가 수직으로 상향 절곡된 부위와 인접한 최상단에 위치한 전지셀(10)의 양극단자(322)가 수직으로 하향 절곡된 부위에 버스 바가 용접되고, 제 2 전지셀(600)의 양극단자(620)가 수직으로 하향 절곡된 부위와 인접한 전지셀(도시하지 않음)의 음극단자(710)가 수직으로 상향 절곡된 부위에 버스 바가 용접됨으로써, 최상단에 위치한 전지셀(10), 제 1 전지셀(500)과 제 2 전지셀(600)들을 포함하는 다수의 전지셀들이 상하 방향으로 적층된 상태에서 다수의 버스 바들(350)에 의한 전기적 직렬 연결이 이루어진다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (26)

1. 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서, 상기 전지셀들의 전극단자들 상호간의 전기적 연결과 전지셀의 전극단자와 외부 입출력 단자 간의 전기적 연결을 위한 버스 바들을 포함하고 있고, 상기 버스 바들 중의 적어도 하나는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 주석과 구리를 주성분으로 포함하는 버스 바에서, 상기 주석의 함량이 80 내지 98 wt%이며, 상기 구리의 함량이 2 내지 20 wt%인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
3. 제 2 항에 있어서, 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 은(Ag)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속의 함량은 0.01 내지 10 wt%이고, 나머지 함량의 성분들은 주석과 구리인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 주석과 구리를 주성분으로 포함하는 버스 바는 150 내지 300℃ 범위에서 융점을 가지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 주석과 구리를 주성분으로 포함하는 버스 바는 외부 입출력 단자에 연결되는 버스 바인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은,
   전극단자로서 양극단자와 음극단자가 상호 반대 방향으로 수직 절곡되어 있는 전지셀들이 상호 직렬로 연결된 상태로 둘 이상의 개수로 적층되어 있는 전지셀 적층체;
   전극단자들이 일측 방향으로 정렬된 전지셀 적층체의 상면 및 하면에 장착되며 일측에 체결부가 형성되어 있는 한 쌍의 엔드 플레이트들(end plates), 및 전지셀 적층체의 측면들 중의 적어도 하나에 장착되는 히트 싱트(Heat sink)를 포함하며, 전지셀 적층체의 외면을 감싸는 모듈 케이스;
   상기 모듈 케이스에서 전지셀들의 전극단자 부위에 장착되고, 전지셀 적층체의 직렬 연결을 버스 바들이 장착되어 있으며, 상기 버스 바들 중의 적어도 하나의 버스 바가 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 합금으로 이루어진 버스 바 어셈블리;
   상기 버스 바 어셈블리를 감싸는 전기절연성의 버스 바 커버; 및
   상기 버스 바 커버의 전면을 감싸는 와이어 커버;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체와 히트 싱크의 사이에는 방열부재가 추가로 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀이고, 전극단자는 판상 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 전지셀은 라미네이트 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들 중의 상호 인접한 전지셀들에서, 제 1 전지셀의 양극단자와 제 2 전지셀의 음극단자는 상호 중첩되지 않는 상태에서 하나의 버스 바에 접촉하는 용접면을 제공하도록 수직 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 양극 단자와 음극 단자가 일측 단부에 함께 형성되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 전지셀 적층체는 상호 인접한 전지셀들 사이에서 양극 단자와 음극 단자가 인접하도록 교번 절곡된 상태로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체의 외면에는 냉각 효율을 향상시키기 위한 하나 이상의 크램프(Clamp)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 크램프는 상하 방향으로 전지셀 적층체의 외면으로부터 돌출되어 있고 상하 중심축을 따라 만입형 그루브가 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 크램프의 양단부는 엔드 플레이트의 체결부에 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체를 구성하는 전지셀들의 사이에는 하나 이상의 판상형의 냉각핀이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체의 모서리 부위에는 외부 디바이스 또는 팩 케이스에 전지셀 적층체의 장착을 위한 하나 이상의 부싱이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 적층체는 체결부재에 의해 상기 모듈 케이스와 일체로 구속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 버스 바 어셈블리는,
    모듈 케이스에 장착되고 전기절연성으로 이루어진 장방형의 어셈블리 본체; 및
    상기 장방형 본체에 전면과 후면이 개방된 상태로 장착되어 있는 버스 바들;
    을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 버스 바는 양측 단부가 어셈블리 본체에 결합되는 금속 판재인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 버스 바들 중에서 외부 입출력 단자를 구성하는 버스 바들은, 일측 단부가 연장된 상태로 어셈블리 본체 상에 결합되어 있는 외부 입출력 단자부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
22. 제 1 항에 있어서, 상기 전극단자에 대한 버스 바의 전기적 연결은, 전극단자의 내면이 버스 바의 표면에 밀착된 상태에서 전극단자의 외면에 대해 용접을 수행하여 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 용접은 전극단자의 외면에 레이저를 조사하여 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈 둘 이상이 팩 케이스에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
25. 제 1 항에 따른 전지모듈 또는 제 24 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
26. 제 25 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
    

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