KR102354401B1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 중공 구조로 형성된 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 속에 배치되고 일 방향으로 적층된 이차전지 셀들로 이루어진 셀 적층체; 및 상기 이차전지 셀들을 전기적으로 연결하는 복수 개의 버스바들과, 상기 이차전지 셀들의 전압을 센싱하는 센싱 부재들이 미리 결정된 위치에 조립되고 상기 셀 적층체의 둘레에 설치되며 상기 셀 적층체와 일체로 상기 모듈 케이스 속에 삽입 배치되는 버스바 프레임을 포함하고, 상기 버스바 프레임은, 상기 셀 적층체의 길이 방향으로 배치되는 수평 프레임과, 상기 수평 프레임의 양단부에 힌지 결합되고 상기 셀 적층체의 전면부와 후면부에 높이 방향으로 배치되는 한 쌍의 수직 프레임을 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery module and battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구조적 안전성과 조립성이 개선된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 이차전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 많은 수의 이차전지 셀들을 전기적으로 연결한 중대형 배터리 모듈이 사용되며, 이러한 배터리 모듈을 다수 연결하여 구현된 배터리 팩이 이용되기도 한다.
전기자동차의 경우 배터리 모듈이 일반적으로 차체 또는 트렁크 공간에 탑재된다. 따라서 전기자동차용 배터리 모듈/팩은 가능한 부피가 작으면서도 에너지 밀도는 매우 높아야 하고, 진동 및 충격이 지속되는 환경에서도 구조적 안정성이 유지될 수 있어야 한다. 이를 위해 적층이 용이하고 부피 대비 에너지 밀도가 높은 파우치형 이차전지 셀들이 전기자동차용 배터리 모듈을 구성하는데 많이 사용되고 있다.
파우치형 이차전지 셀들은 전극 단자 기능을 하는 전극 리드들이 박형의 금속 시트 형태로 제공되기 때문에 파우치형 이차전지 셀들로 구성된 배터리 모듈은 상기 전극 리드들을 쉽고 안정적으로 연결하기 수단으로서 금속판 형상의 버스바들을 포함한다. 상기 버스바들은 일반적으로 보드(board) 형태의 버스바 프레임 상에 일정한 패턴으로 장착될 수 있다.
그리고 파우치형 이차전지 셀들로 구성된 배터리 모듈은 일부 이차전지 셀들이 과전압, 과전류 또는 과발열되는 경우, 이를 센싱하고 제어하기 위해 많은 수의 와이어들과, 인쇄회로기판, 커넥터 등과 같은 전압 센싱 부품들과 파우치형 이차전지 셀들을 수납하여 보호하기 위한 모듈 케이스를 포함하여 구성된다.
한편, 전기자동차용 배터리 모듈을 설계할 때 외부 충격에 대한 안전성는 중요한 고려 요소 중 하나이다. 파우치형 이차전지 셀들은 기계적 강성이 낮은데 파우치형 이차전지 셀에서 전극 리드가 돌출되어 있는 부분은 특히 충격에 취약하다. 그런데 상기 전극 리드가 돌출되어 있는 부분에 버스바 프레임이 장착되는데, 종래의 배터리 모듈은 외부 충격시 버스바 프레임이 이차전지 셀들을 향해 휘어지거나 깨어져 상기 전극 리드가 돌출되어 있는 부분을 직접 타격하여 이차전지 셀들이 손상되는 경우가 종종 있다. 따라서 외부 충격시 버스바 프레임이 변형되더라도 이차전지 셀들의 손상을 최소화시킬 수 있는 버스바 프레임이 요구된다.
또한, 상기 전압 센싱 부품들은 각 이차전지 셀들의 수에 비례하기 때문에 부품 수가 많고 연결 구조가 다소 복잡하다. 중대형 배터리 모듈은 이들 전압 센싱 부품들로 인해 배터리 모듈 내 조립 공간에 제약이 생기며 특히 센싱 와이어의 경우, 외부 충격으로 와이어들이 단락되어 각종 이벤트가 유발될 염려도 있다. 이에 상기 전압 센싱 부품들을 이차전지 셀들과 함께 안전하면서도 공간 효율적으로 모듈 케이스 내부에 배치시킬 방안이 필요하다.
대한한국 공개특허공보 제10-2017-0094759호 (2017.08.21) 주식회사 엘지화학.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 버스바 프레임 및 모듈 케이스의 공간을 효율적으로 활용하여 버스바, 인쇄회로기판 및 전압 센싱 부품들을 조립함으로서 컴팩트한 사이즈의 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이차전지 셀들과의 조립성 향상 및 외부 충격시 이차전지 셀들의 손상을 최소화시킬 수 있는 버스바 프레임을 구비한 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 중공 구조로 형성된 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 속에 배치되고 일 방향으로 적층된 이차전지 셀들로 이루어진 셀 적층체; 및 상기 이차전지 셀들을 전기적으로 연결하는 복수 개의 버스바들과 상기 이차전지 셀들의 전압을 센싱하는 센싱 부재들이 미리 결정된 위치에 조립되고, 상기 셀 적층체의 둘레에 설치되며 상기 셀 적층체와 일체로 상기 모듈 케이스 속에 삽입 배치되는 버스바 프레임을 포함하고, 상기 버스바 프레임은, 상기 셀 적층체의 길이 방향으로 배치되고 수평 프레임, 상기 수평 프레임의 양단부에 힌지 결합되고 상기 셀 적층체의 전면부와 후면부에 높이 방향으로 배치되는 한 쌍의 수직 프레임을 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 한 쌍의 수직 프레임은, 일 방향을 따라 미리 결정된 간격을 두고 상기 이차전지 셀의 전극 리드가 통과하도록 관통 형성된 슬롯부들과, 상기 슬롯부들 사이에 마련되는 조립 가이드부들을 포함하고, 상기 조립 가이드부들에는 상기 버스바들과 상기 센싱 부재들에 연결되는 인쇄회로기판이 선택적으로 장착될 수 있다.
상기 조립 가이드부들은 상기 버스바가 장착되는 복수 개의 제1 조립 가이드부들과 상기 인쇄회로기판이 장착되는 제2 조립 가이드부를 포함하며, 상기 제2 조립 가이드부는 상기 한 쌍의 수직 프레임 중 어느 한 곳에 마련될 수 있다.
상기 제1 및 제2 조립 가이드부는, 상기 버스바 또는 상기 인쇄회로기판의 면적에 대응하는 사이즈로 마련된 바디를 포함하고, 상기 바디는 횡단면이 아크(arc) 형태가 되게 상기 셀 적층체에 대향하는 방향으로 만곡된 형상을 취할 수 있다.
상기 바디는 상기 셀 적층체의 일측으로부터 적어도 상기 이차전지 셀들의 테라스 길이보다 먼 거리에 위치하게 만곡되어 상기 바디와 상기 셀 적층체의 일측 사이에는 소정의 충격 완충공간이 마련될 수 있다.
상기 복수의 버스바들은 소정의 두께를 갖는 사각 형태의 금속 판형으로 형성되고, 상기 제1 조립 가이드부들은 상기 버스바의 하단 코너 부분을 감싸는 형태로 수용하는 코너 받침부재를 구비하며, 상기 한 쌍의 수직 프레임은 상기 제1 조립 가이드부들의 상부에 마련되는 걸림턱들을 구비하고, 상기 버스바는 하단 코너 부분이 상기 코너 받침부재에 끼워져 상기 제1 조립 가이드부에 배치되고 상단부가 상기 걸림턱에 걸려 위치 고정될 수 있다.
상기 제1 조립 가이드부들은, 상기 바디로 둘러싸인 내측 빈 공간을 구획하는 리브를 더 포함하고, 상기 버스바의 일면은 상기 리브에 접촉되어 지지될 수 있다.
상기 인쇄회로기판은 전자 소자들이 상기 바디로 둘러싸인 내측 공간에 수용되게 제2 조립 가이드부에 배치될 수 있다.
상기 제2 조립 가이드부는, 상기 바디의 내측면에서 상기 인쇄회로기판을 향하는 방향으로 돌출되게 마련된 적어도 하나의 지주를 더 포함하고, 상기 인쇄회로기판은 상기 적어도 하나의 지주에 대응하는 개수의 홀들을 구비하고, 상기 적어도 하나의 지주에 꽂혀 상기 제2 조립 가이드부에 고정될 수 있다.
상기 한 쌍의 수직 프레임 중 어느 하나는 상기 인쇄회로기판이 장착된 프런트 프레임이고 나머지 하나는 리어 프레임으로 정의되며, 상기 센싱 부재는, 상기 프런트 프레임에 위치한 상기 버스바들에 연결되어 상기 이차전지 셀들의 전압을 센싱하는 제1 전압 센싱유닛; 및 상기 리어 프레임에 위치한 상기 버스바들에 연결되어 상기 이차전지 셀들의 전압을 센싱하는 제2 전압 센싱유닛을 포함하고, 상기 제1 전압 센싱유닛과 상기 제2 전압 센싱유닛은 상기 인쇄회로기판에 연결되되, 상기 제2 전압 센싱유닛은 다수의 와이어, FFC(Flat Flexible Cable) 및 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 중 어느 하나로 마련된 전송부재를 통해 상기 인쇄회로기판에 연결될 수 있다.
상기 수평 프레임은 상기 셀 적층체의 상부에 배치되고, 상기 전송부재는 상기 수평 프레임의 하면에 부착될 수 있다.
상기 한 쌍의 수직 프레임의 상단부 위에 상기 수평 프레임의 양쪽 끝단부가 놓이고, 상기 수평 프레임의 양쪽 끝단부 중 일 부분은 상기 한 쌍의 수직 프레임의 상단부에 접촉되지 않게 다른 부분보다 두께가 얇게 마련되어 상기 전송 부재가 빠져나올 수 있는 개구를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 배터리 팩은 전기 자동차 또는 전력 저장장치와 같은 디바이스의 에너지원으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 버스바 프레임 및 모듈 케이스의 공간을 효율적으로 활용하여 이차전지 셀, 버스바, 인쇄회로기판 및 전압 센싱 부품들을 조립함으로써 컴팩트한 사이즈의 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 이차전지 셀들과의 조립성 향상 및 외부 충격시 이차전지 셀들의 손상을 최소화시킬 수 있는 버스바 프레임을 구비한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 버스바 프레임 조립체의 사시도이다.
도 4는 모듈 커버를 분리한 배터리 모듈의 전면부를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임 중 프런트 프레임의 정면도이다.
도 6은 도 5의 부분 확대도이다.
도 7과 도 8은 도 2의 프런트 프레임 부분의 확대도들이다.
도 9는 도 5의 프런트 프레임의 사시도이다.
도 10은 도 4의 프런트 프레임에서 인쇄회로기판 장착 영역의 확대도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 부재가 버스바 프레임의 부분 분해 사시도들이다.
도 13은 도 11의 부분 확대도이다.
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 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도, 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 버스바 프레임 조립체의 사시도, 도 4는 모듈 커버를 분리한 배터리 모듈(1)의 전면부를 도시한 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 모듈 케이스(10), 모듈 커버(20), 셀 적층체(30), 버스바 프레임(40)을 포함한다.
모듈 케이스(10)은 내부 공간에 상기 셀 적층체(30)와 버스바 프레임(40)을 수납할 수 있는 중공 구조로서 사각 관 형상으로 마련되어 셀 적층체(30)에 기계적 지지력을 제공하고 외부의 충격 등으로부터 셀 적층체(30)를 비롯한 내부 구성품들을 보호하는 역할을 한다. 따라서 모듈 케이스(10)은 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작될 수 있다.
모듈 케이스(10)은 치수가 셀 적층체(30)와 버스바 프레임(40)으로 형성된 셀 버스바 프레임 조립체를 내부 공간에 억지 끼움 방식으로 넣을 수 있을 정도의 치수를 갖도록 제작된다. 이와 같이 모듈 케이스(10)의 치수를 줄임으로서 배터리 모듈(1)의 단위 부피당 에너지 밀도는 높게 유지되면서 그 부피는 슬림(slim)해질 수 있다.
또한, 모듈 케이스(10)의 내부 공간에 셀 버스바 프레임 조립체가 타이트(tight)하게 끼워져 압박될 수 있기 때문에 이차전지 셀(32)들은, 예컨대 카트리지와 같은 별도의 고정용 부품을 사용하지 않더라도 유동이 억제될 수 있다.
모듈 커버(20)는 이차전지 셀(32)의 전극 리드(34) 및 버스바(50)들이 외부로 노출되는 것을 막을 수 있도록 모듈 케이스(10)의 개방부에 장착된다. 모듈 커버(20)는 플라스틱과 같은 절연 소재로 제작될 수 있으며, 배터리 모듈(1) 내부에서 와이어 커넥터(74)와 전극 터미널 등을 빼어낼 수 있는 홀들을 포함할 수 있다.
셀 적층체(30)는 다수의 이차전지 셀(32)들의 집합체일 수 있다. 본 실시예에서 이차전지 셀(32)은 양극 리드와 음극 리드가 서로 반대 방향으로 돌출된 양방향 타입의 파우치형 이차전지로서, 상하 방향으로 세워지고 수평 방향으로 밀착 배열되어 셀 적층체(30)를 형성한다. 이차전지 셀(32)들 사이에는 완충 패드가 더 개재될 수 있다. 상기 완충 패드는 충방전 과정에서 이차전지 셀(32)들의 스웰링(swelling)에 따른 팽창력을 흡수하는 역할을 할 수 있다.
상기 파우치형 이차전지는 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재로 구성될 수 있다. 파우치 외장재는, 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고 파우치의 내부 공간에 전극 조립체가 수납될 수 있다. 2개의 파우치 외주면에는 실링부가 구비되어 실링부가 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐될 수 있다. 상기 전극 조립체에 전극 리드(34)가 부착될 수 있고 이러한 전극 리드(34)는 파우치 외장재의 실링부 사이에 개재되어 파우치 외장재의 외부로 노출됨으로써 이차전지의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
본 실시예의 버스바 프레임(40)은 버스바(50) 및 터미널 단자 등을 고정 시킬 수 있고 절연성 소재로 형성된 프레임으로서 수평 프레임(41)과 한 쌍의 수직 프레임(42,43)을 포함한다. 상기 버스바 프레임(40)에는 이차전지 셀(32)들을 전기적으로 연결하는 복수 개의 버스바(50)들과 이차전지 셀(32)들의 전압을 센싱하는 센싱 부재들이 미리 결정된 위치에 조립될 수 있다.
수평 프레임(41)은 셀 적층체(30)의 상부에서 셀 적층체(30)의 길이 방향으로 배치되고 한 쌍의 수직 프레임(42,43)은 셀 적층체(30)의 전면부와 후면부에 높이 방향으로 배치되어 셀 적층체(30)의 둘레를 부분적으로 감싸는 형태로 셀 적층체(30)에 설치될 수 있다.
이를테면, 도 3과 같이, 버스바 프레임(40)은 셀 적층체(30)의 길이와 폭에 대응하는 사이즈의 대략 "ㄷ" 형상으로 셀 적층체(30)의 상부, 전면부, 후면부를 둘러싸는 형태로 셀 적층체(30)에 설치될 수 있다. 여기서 상기 셀 적층체(30)의 전면부와 후면부는 이차전지 셀(32)들의 전극 리드(34)들이 위치한 곳을 의미하고 셀 적층체(30)의 상부는 세워진 이차전지 셀(32)들의 에지 부분들을 의미한다.
특히, 상기 한 쌍의 수직 프레임(42,43)이 수평 프레임(41)에 힌지(40a) 결합되어 수평 프레임(41)의 양단부를 기준으로 소정 각도 회전 가능하게 마련된다. 수직 프레임(42,43)이 수평 프레임(41)에 대해 소정 각도 회전 가능하게 마련됨으로써 셀 적층체(30)에 버스바 프레임(40)을 조립시 전극 리드(34) 용접이 수월해질 수 있다.
부연 설명하면, 버스바 프레임(40)과 셀 적층체(30)를 조립하기 위해서는 이차전지 셀(32)들의 전극 리드(34)들의 일단부를 수직 프레임(42,43)에 구비되는 슬롯부(47)에 끼워넣은 다음, 이들을 벤딩시켜 대응하는 버스바(50)의 표면에 초음파 용접한다. 이때, 예컨대 한 쌍의 수직 프레임(42,43)이 수평 프레임(41)에 대해 직각으로 고정되어 있다면, 버스바 프레임(40)을 셀 적층체(30) 위에 씌우는 방식으로 조립시 각 이차전지 셀(32)들의 전극 리드(34) 부분을 수직 프레임(42,43)의 슬롯부(47)에 끼워넣을 수 있는 공간이 확보될 수 없다.
그러나 본 발명의 경우, 수평 프레임(41)을 셀 적층체(30)의 상부에 놓고 수직 프레임(42,43)을 소정 각도 회전시킬 수 있게 구성되어 있어 각 이차전지 셀(32)들의 전극 리드(34) 부분을 수직 프레임(42,43)의 슬롯부(47)에 끼워넣을 수 있는 공간 확보가 가능하다. 따라서 셀 적층체(30)의 치수에 대응하는 "ㄷ" 구조의 버스바 프레임(40)이라도 전극 리드(34)들이 손상 없이 셀 적층체(30)의 전면부에 어느 하나의 수직 프레임(42,43)을 조립 후 셀 적층체(30)의 후면부에 다른 하나의 수직 프레임(42,43)을 조립하는 것이 가능하다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 한 쌍의 수직 프레임(42,43)은, 일 방향을 따라 미리 결정된 간격을 두고 이차전지 셀(32)의 전극 리드(34)가 통과하도록 관통 형성된 슬롯부(47)들과, 상기 슬롯부(47)들 사이에 마련되는 조립 가이드부(44,45)들을 포함한다. 상기 조립 가이드부(44,45)들에는 버스바(50)들과 인쇄회로기판(60)이 선택적으로 장착될 수 있다. 상기 인쇄회로기판(60)은 이차전지 셀(32)들의 전압 측정을 위한 센싱 부재와 연결된 부품으로 이차전지 셀(32)들의 전압 정보를 BMS(미도시)에 전송한다.
상기 조립 가이드부(44,45)는 복수 개의 제1 조립 가이드부(44)들과 단수의 제2 조립 가이드부(45)를 포함한다. 상기 복수 개의 제1 조립 가이드부(44)들은 적어도 배터리 모듈(1)에 필요한 버스바(50)들의 개수에 대응하는 개수만큼 구비될 수 있으며, 상기 제2 조립 가이드부(45)는 인쇄회로기판(60)의 개수에 대응하는 개수만큼 구비될 수 있다.
이하 설명의 편의를 위해 셀 적층체(30)의 전면부에 배치된 수직 프레임을 프런트 프레임(42)이라 하고 셀 적층체(30)의 후면부에 배치된 수직 프레임을 리어 프레임(43)이라 하기로 한다.
본 실시예의 경우, 도 2와 함께 도 7을 참조하여 살펴보면, 셀 적층체(30)가 총 24개의 파우치형 이차전지 셀(32)들로 구성되어 있다. 그리고 이차전지 셀(32)들은 3개가 한 묶음으로 병렬연결되고, 이렇게 병렬 연결된 3개씩의 총 8 묶음의 이차전지 셀(32)들이 직렬 연결되게 구성되어 있다.
프런트 프레임(42)의 제1 조립 가이드부(44)들에 5개의 버스바(50)가 장착되고 리어 프레임(43)의 제1 조립 가이드부(44)들에 4개의 버스바(50)가 장착된다. 그리고 상기 프런트 프레임(42)에는 제2 조립 가이드부(45)가 추가되어 인쇄회로기판(60)을 장착할 수 있도록 하였다.
각 묶음 단위의 이차전지 셀(32)들은 전극 리드(34)들이 일체로 프런트 프레임(42)과 리어 프레임(43)에 구비된 슬롯부(47)를 전후로 통과하여 대응하는 버스바(50)들에 용접 방식으로 부착됨으로서 직렬 연결된다.
프런트 프레임(42)의 버스바(50)들 중 배열 순서상 첫 번째 버스바(50)에는 첫 번재 묶음의 이차전지 셀(32)들의 양극 리드들이 용접되고, 프런트 프레임(42)의 버스바(50)들 중 배열 순서상 다섯 번째 버스바(50)에는 여덞 번재 묶음의 이차전지 셀(32)들의 음극 리드들이 용접된다. 그리고 나머지 프런트 프레임(42)과 리어 프레임(43)의 버스바(50)들 각각에는 어느 한 묶음의 이차전지 셀(32)들의 양극 리드들과 다른 한 묶음의 이차전지 셀(32)들의 음극 리드들이 용접됨으로 총 24개의 이차전지 셀(32)들이 직렬 및 병렬 연결된다.
프런트 프레임(42)과 리어 프레임(43)은 제1 조립 가이드부(44)들의 개수와 배치 간격 그리고 제2 조립 가이드부(45)의 유무에 차이가 있으나 기본적인 구조는 같으므로 이하에서는 프런트 프레임(42)을 기준으로 수직 프레임(42,43)에 대해 설명한다.
제1 조립 가이드부(44)와 제2 조립 가이드부(45)는, 도 5 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 버스바(50) 또는 인쇄회로기판(60)의 면적에 대응하는 사이즈로 마련된 바디(46)를 포함하고, 상기 바디(46)는 횡단면이 아크(arc) 형태가 되게 상기 셀 적층체(30)에 대향하는 방향으로 만곡된 형태를 취한다. 이러한 제1 조립 가이드부(44) 및 제2 조립 가이드부(45)는 배면이 볼록하게 마련된다.
본 실시예에서 버스바(50)는 소정의 두께를 갖는 사각 형태의 금속 판형의 버스바(50)일 수 있다. 제1 조립 가이드부(44)들은 상기 바디(46)로 둘러싸인 내측 빈 공간을 구획하는 리브(44b)와, 상기 버스바(50)의 하단 코너 부분을 감싸는 형태로 수용하는 코너 받침부재(44a)를 포함할 수 있다.
바디(46)의 내측 빈 공간에 격자 모양으로 리브(44b)를 배치함으로서 바디(46)가 강성을 갖도록 할 수 있다. 버스바(50)의 넓은 면은 격자 모양의 리브(44b)가 적용된 바디(46)의 전면에 배치된다. 코너 받침부재(44a)는 버스바(50)를 위에서 아래로 끼워 넣었을 때, 버스바(50)의 하단 코너 부분을 잡아줄 수 있는 포켓 형상으로 마련될 수 있다.
버스바(50)의 상단 부분은 걸림턱(48)에 의해 고정될 수 있다. 상기 걸림턱(48)은, 도 9와 같이, 제1 조립 가이드부(44)들의 상부에 위치하되 프런트 프레임(42)의 전면에 대해 외팔보 형태로 돌출되고 그 끝단은 하방향으로 꺾여진 형태를 취한다.
버스바(50)는 하단 부분부터 상기 코너 받침부재(44a)에 끼워 넣어진 다음, 배면이 상기 격자 모양의 리브(44b)에 밀착되게 제1 조립 가이드부(44)에 부착될 수 있다. 이때 걸림턱(48)은 상부 방향으로 젖혀졌다가 버스바(50)가 상기 격자 모양의 리브(44b)에 완전히 밀착되면 다시 원 위치되어 그 끝단이 버스바(50)의 상단에 걸리게 된다. 따라서 버스바(50)는 상기 걸림턱(48)에 의해 제1 조립 가이드부(44)에 위치 고정될 수 있다.
이와 같이, 버스바(50)들이 프런트 프레임(42)의 제1 조립 가이드부(44)에 설치될 수 있으며, 상기 버스바(50)들에 이차전지 셀(32)들의 전극 리드(34)들이 부착될 수 있다. 이때 제1 조립 가이드부(44)는 바디(46) 부분이 아크 형상으로 형성되어 있어 이차전지 셀(32)들의 전극 리드(34)들이 상기 바디(46)의 곡면을 타고 휘어져 바디(46)의 양옆에 위치한 슬롯부(47)에 쉽게 끼워지게 가이드될 수 있다.
또한, 도 7 및 도 8을 참조하면, 프런트 프레임(42)을 셀 적층체(30)의 전면부에 조립한 때, 제1 조립 가이드부(44)와 제2 조립 가이드부(45)의 바디(46)는 셀 적층체(30)의 일측(이차전지 셀(32)의 몸체)으로부터 적어도 이차전지 셀(32)들의 테라스(36) 길이보다 먼 거리(D)에 위치하도록 돌출 깊이가 완만한 곡면을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 바디(46)와 상기 셀 적층체(30)의 일측 사이에 소정의 충격 완충공간이 마련될 수 있다. 이러한 충격 완충공간이 확보되면, 예컨대 일정 수준 이하의 외력이 가해져 배터리 모듈(1)의 전면부 또는 후면부가 압축되더라도 프런트 프레임(42)의 배면 즉 제1 및 제2 조립 가이드부(45)의 바디(46)들이 이차전지 셀(32)들의 몸체에 직접적으로 닿지 않게 되어 배터리 모듈(1)의 안전 성능을 저하시키는 이벤트가 방지될 수 있다.
다른 한편으로는 일정 수준을 초과한 외력이 가해져 프런트 프레임(42)의 배면이 닿더라도 조립 가이드부의 바디(46)가 완만한 곡면 구조로 되어 있어 이차전지 셀(32)들에 가해지는 충격이 완화될 수 있다.
또한, 제1 조립 가이드부(44)들 사이에는 전극 리드(34)들 간의 단락을 방지하기 위한 격판(49)들이 더 구비될 수 있다. 상기 격판(49)들은 버스바(50)의 부착면보다 더 돌출되어 서로 이웃한 버스바(50) 사이를 갈라놓는 벽체와 같은 기능을 한다. 따라서 각 버스바(50)에 부착된 단위 묶음의 이차전지 셀(32)들의 전극 리드(34)들은 격판(49)들에 의해 단락 위험이 방지될 수 있다.
제2 조립 가이드부(45)는 인쇄회로기판(60)을 프런트 프레임(42)에 설치하기 위한 구성요소이다.
도 7 내지 도 8을 다시 참조하면, 인쇄회로기판(60)은 전자 소자들이 바디(46)로 둘러싸인 내측 공간에 수용되게 제2 조립 가이드부(45)에 배치될 수 있다. 이와 같이, 인쇄회로기판(60)의 전자 소자들이 바디(46) 안쪽 공간을 향하게 배치되면 전자 소자들이 보호될 수 있고 추후 프런트 프레임(42)에 모듈 커버(20)를 덮어씌울 때 모듈 커버(20)와 인쇄회로기판(60)의 전자 소자들 간의 간섭 내지 부딪힘이 방지될 수 있다.
제2 조립 가이드부(45)는 상기 바디(46)의 내측면에서 상기 인쇄회로기판(60)을 향하는 방향으로 돌출되게 마련된 적어도 하나의 지주(45a)를 더 포함하고, 인쇄회로기판(60)에는 상기 적어도 하나의 지주(45a)에 대응하는 개수의 홀들을 구비할 수 있다.
이를테면, 도 9 에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 제2 조립 가이드부(45)는 3개의 지주(45a)를 갖는다. 그리고 인쇄회로기판(60)에는 3개의 홀이 구비된다. 도 10과 같이, 인쇄회로기판(60)은 3개의 홀을 상기 3개의 지주(45a)에 꽂아 넣음으로써 제2 조립 가이드부(45)에 고정될 수 있다.
한편, 도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 버스바 프레임(40)에 설치되는 센싱 부재를 더 포함한다.
상기 센싱 부재는 프런트 프레임(42)에 위치한 버스바(50)들에 연결되어 이차전지 셀(32)들의 전압을 센싱하는 제1 전압 센싱유닛(71)과, 리어 프레임(43)에 위치한 버스바(50)들에 연결되어 이차전지 셀(32)들의 전압을 센싱하는 제2 전압 센싱유닛(72)을 포함할 수 있다.
한 묶음 단위의 이차전지 셀(32)들은 버스바(50)들을 매개로 직렬 연결되어 있으므로 각 버스바(50)들에서의 전압 값은 각 버스바(50)들에 연결되어 있는 이차전지 셀(32)들의 전압 값에 해당한다. 본 실시예의 경우, 상기 제1 전압 센싱유닛(71)은 5개의 센싱핀(P)들을 구비하고 상기 5개의 센싱핀(P)들은 프런트 프레임(42)에 위치한 5개의 버스바(50)에 각각 부착되어 해당 위치의 버스바(50)들에서의 전압 값을 센싱한다. 마찬가지로 제2 전압 센싱유닛(72)은 4개의 센싱핀(P)들을 구비하고 리어 프레임(43)에 위치한 4개의 버스바(50)에 각각 부착되어 해당 위치의 버스바(50)들에서의 전압 값을 센싱한다.
상기 제1 및 제2 전압 센싱유닛(71,72)으로 센싱한 이차전지 셀(32)들의 전압 값들은 인쇄회로기판(60)에 전송되고, 상기 인쇄회로기판(60)은 BMS에 상기 전압 정보들은 전송한다. 이때 인쇄회로기판(60)은 BMS(미도시)와 와이어 커넥터(74)를 연결될 수 있다.
상기 제1 전압 센싱유닛(71)과 인쇄회로기판(60)은 프런트 프레임(42)에 배치되므로 이들 간의 연결은 비교적 간단하다. 그러나 상기 제2 전압 센싱유닛(72)은 리어 프레임(43)에 배치되므로 인쇄회로기판(60)에 연결하려면 별도의 수단이 필요하다. 이를 위해 본 발명은 제2 전압 센싱유닛(72)과 인쇄회로기판(60)에 연결하는 역할을 하는 전송부재(73)를 더 포함한다.
전송부재(73)로는 하네스 와이어, FFC(Flat Flexible Cable) 및 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 중 어느 하나가 채용될 수 있다. 바람직하게는 FFC 또는 FPCB를 전송부재(73)로 사용하는 것이 공간 활용도 증가 및 도체 간 단락 위험을 방지에 유리할 수 있다.
이러한 전송부재(73)는 수평 프레임(41)의 하면에 고정되게 부착될 수 있다. 자세히 도시하지 않았으나, 수평 프레임(41)의 하면에 길이 방향을 따라 그루브를 내어 전송부재(73)가 상기 그루브에 끼워져 부착될 수 있게 할 수 있다.
또한, 도 10과 도 13에 도시한 바와 같이, 수평 프레임(41)은 프런트 프레임(42)의 상단부 위에 양쪽 끝단부(41a)가 놓여 프런트 프레임(42) 위에 지지되고 전송부재(73)를 밖으로 빼어낼 수 있게 수평 프레임(41)의 양쪽 끝단부(41a)에 개구(41b)를 갖는다.
이를테면 수평 프레임(41)의 양쪽 끝단부(41a) 중 일 부분은 프런트 프레임(42)의 상단부에 접촉되지 않게 다른 부분보다 두께가 얇게 마련되어 상기 개구(41b)를 형성할 수 있다. 전송부재(73)는 이러한 개구(41b)를 통해 프런트 프레임(42)의 상단부 위로 나와 프런트 프레임(42)의 전면부로 배선될 수 있다. 그리고 상기 개구(41b) 아래에 프런트 프레임(42)의 제2 조립 가이드부(45)가 위치하도록 하도록 함으로서 전송부재(73)와 연결된 인쇄회로기판(60)의 장착을 쉽게 할 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따르면, 버스바(50), 인쇄회로기판(60) 및 센싱 부재들과 같은 부품들이 버스바 프레임(40) 및 모듈 케이스(10) 내부 공간에 효율적으로 배치될 수 있어 구조적 안정성과 단위 부피당 에너지 밀도가 높은 배터리 모듈(1)이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈(1)을 하나 이상 포함한다.
이때, 배터리 팩에는 배터리 모듈(1) 이외에, 배터리 모듈(1)을 수납하기 위한 케이스(미도시), 배터리 모듈(1)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치(미도시), 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수도 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: 모듈 케이스 20: 모듈 커버
30: 셀 적층체 32: 이차전지 셀
34: 전극 리드 36: 테라스
40: 버스바 프레임 41: 수평 프레임
42,43: 수직 프레임 44: 제1 조립 가이드부
44a: 코너 받침부재 44b: 리브
45: 제2 조립 가이드부 46: 바디
47: 슬롯부 48: 걸림턱
49: 격판 50: 버스바
60: 인쇄회로기판 71: 제1 전압 센싱유닛
72: 제2 전압 센싱유닛 73: 전송부재
74: 와이어 커넥터

Claims (13)

  1. 중공 구조로 형성된 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스 속에 배치되고 일 방향으로 적층된 이차전지 셀들로 이루어진 셀 적층체; 및
    상기 이차전지 셀들을 전기적으로 연결하는 복수 개의 버스바들과, 상기 이차전지 셀들의 전압을 센싱하는 센싱 부재들이 미리 결정된 위치에 조립되고 상기 셀 적층체의 둘레에 설치되며 상기 셀 적층체와 일체로 상기 모듈 케이스 속에 삽입 배치되는 버스바 프레임을 포함하고,
    상기 버스바 프레임은,
    상기 셀 적층체의 길이 방향으로 배치되는 수평 프레임과, 상기 수평 프레임의 양단부에 힌지 결합되고 상기 셀 적층체의 전면부와 후면부에 높이 방향으로 배치되는 한 쌍의 수직 프레임을 포함하고,
    상기 한 쌍의 수직 프레임은,
    일 방향을 따라 미리 결정된 간격을 두고 상기 이차전지 셀의 전극 리드가 통과하도록 관통 형성된 슬롯부들과 상기 슬롯부들 사이에 마련되는 조립 가이드부들을 구비하고,
    상기 조립 가이드부들에는 상기 버스바 또는 상기 센싱 부재들에 연결되는 인쇄회로기판이 선택적으로 장착되며,
    각 상기 조립 가이드부는 상기 버스바 또는 상기 인쇄회로기판의 면적에 대응하는 사이즈로 마련된 바디를 구비하고,
    상기 바디는 횡단면이 아크(arc) 형태가 되게 상기 이차전지 셀들에 대향하는 방향으로 만곡되되, 상기 이차전지 셀들의 몸체로부터 적어도 상기 이차전지 셀들의 테라스 영역보다 먼 곳에 위치하도록 완만하게 형성됨으로써, 상기 바디와 상기 이차전지 셀들의 몸체 사이에 소정의 충격 완충공간이 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조립 가이드부들은 상기 버스바가 장착되는 복수 개의 제1 조립 가이드부들과 상기 인쇄회로기판이 장착되는 제2 조립 가이드부를 포함하며, 상기 제2 조립 가이드부는 상기 한 쌍의 수직 프레임 중 어느 한 곳에 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 버스바들은 소정의 두께를 갖는 사각 형태의 금속 판형으로 형성되고,
    상기 제1 조립 가이드부들은 상기 버스바의 하단 코너 부분을 감싸는 형태로 수용하는 코너 받침부재를 구비하며, 상기 한 쌍의 수직 프레임은 상기 제1 조립 가이드부들의 상부에 마련되는 걸림턱들을 구비하고,
    상기 버스바는 하단 코너 부분이 상기 코너 받침부재에 끼워져 상기 제1 조립 가이드부에 배치되고 상단부가 상기 걸림턱에 걸려 위치 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 조립 가이드부들은,
    상기 바디로 둘러싸인 내측 빈 공간을 구획하는 리브를 더 포함하고, 상기 버스바의 일면은 상기 리브에 접촉되어 지지되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 전자 소자들이 상기 바디로 둘러싸인 내측 공간에 수용되게 제2 조립 가이드부에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제2 조립 가이드부는, 상기 바디의 내측면에서 상기 인쇄회로기판을 향하는 방향으로 돌출되게 마련된 적어도 하나의 지주를 더 포함하고,
    상기 인쇄회로기판은 상기 적어도 하나의 지주에 대응하는 개수의 홀들을 구비하고, 상기 적어도 하나의 지주에 꽂혀 상기 제2 조립 가이드부에 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 수직 프레임 중 어느 하나는 상기 인쇄회로기판이 장착된 프런트 프레임이고 나머지 하나는 리어 프레임으로 정의되며,
    상기 센싱 부재는,
    상기 프런트 프레임에 위치한 상기 버스바들에 연결되어 상기 이차전지 셀들의 전압을 센싱하는 제1 전압 센싱유닛; 및 상기 리어 프레임에 위치한 상기 버스바들에 연결되어 상기 이차전지 셀들의 전압을 센싱하는 제2 전압 센싱유닛을 포함하고,
    상기 제1 전압 센싱유닛과 상기 제2 전압 센싱유닛은 상기 인쇄회로기판에 연결되되, 상기 제2 전압 센싱유닛은 다수의 와이어, FFC(Flat Flexible Cable) 및 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 중 어느 하나로 마련된 전송부재를 통해 상기 인쇄회로기판에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수평 프레임은 상기 셀 적층체의 상부에 배치되고, 상기 전송부재는 상기 수평 프레임의 하면에 부착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 한 쌍의 수직 프레임의 상단부 위에 상기 수평 프레임의 양쪽 끝단부가 놓이고, 상기 수평 프레임의 양쪽 끝단부 중 일 부분은 상기 한 쌍의 수직 프레임의 상단부에 접촉되지 않게 다른 부분보다 두께가 얇게 마련되어 상기 전송부재가 빠져나올 수 있는 개구를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항, 제3항 및 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
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