KR102439229B1 - 전지 모듈, 그 제조 방법 및 전지 모듈을 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈, 그 제조 방법 및 전지 모듈을 포함하는 전지 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 수납하는 모노 프레임; 및 상기 셀 적층체의 하부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 포함하고, 상기 셀 적층체의 상부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 스프링을 더 포함한다.

Description

전지 모듈, 그 제조 방법 및 전지 모듈을 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈, 그 제조 방법 및 전지 모듈을 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열전도성 수지의 주입량을 조절할 수 있는 전지 모듈, 그 제조 방법 및 전지 모듈을 포함하는 전지 팩에 관한 것이다
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
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.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지 셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지 셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
한편, 전지 모듈은, 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 모노 프레임(Mono frame) 및 모노 프레임의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트(End plate)를 포함할 수 있다.
이때, 셀 적층체와 모노 프레임 사이에 열전도성 수지를 주입하여 열전도성 수지층을 형성할 수 있고, 상기 열전도성 수지층은 셀 적층체로부터 발생한 열을 전지 모듈의 바닥으로 전달하는 역할을 할 수 있다..
다만, 열전도성 수지를 주입하는 과정에 있어서, 전지 모듈 내 부품의 공차 등으로 인해 예정된 정량보다 초과하여 과량 주입될 수 있고, 이로 인해 전지 모듈의 제조 단가가 증가하여 수익성에 악영향을 끼치는 문제가 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 열전도성 수지를 정량 주입할 수 있는 전지 모듈 및 전지 모듈의 제조 방법의 제공을 그 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 수납하는 모노 프레임; 및 상기 셀 적층체의 하부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 포함하고, 상기 셀 적층체의 상부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 스프링을 더 포함한다.
상기 스프링은 상기 셀 적층체를 아래로 밀어낼 수 있다.
상기 셀 적층체와 함께 상기 모노 프레임에 수납되는 버스 바 프레임을 더 포함하고, 상기 버스 바 프레임은 상기 셀 적층체의 상부에 위치하는 상부 프레임을 포함하며, 상기 스프링은 상기 상부 프레임과 상기 모노 프레임 사이에 위치할 수 있다.
상기 스프링은 판형 스프링 및 원통형 스프링 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 스프링은 둘 이상일 수 있다.
상기 열전도성 수지층은 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있다.
상기 모노 프레임은 전면과 후면이 개방된 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법은 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 셀 적층체를 모노 프레임에 수납하는 수납 단계; 및 상기 모노 프레임의 하부에 형성된 주입구를 통해 열전도성 수지를 주입하는 주입 단계를 포함하고, 상기 주입 단계는, 상기 셀 적층체의 상부와 상기 모노 프레임 사이에 위치한 스프링이, 상기 열전도성 수지의 주입 방향과 반대 방향으로, 상기 셀 적층체를 밀어내는 단계를 포함한다.
상기 주입 단계는, 상기 주입구가 위를 향하도록 상기 모노 프레임을 뒤집고 상기 열전도성 수지를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스프링은 판형 스프링 및 원통형 스프링 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 모노 프레임 내부에 배치된 스프링을 통해 전지 모듈의 내부 공간이 감소되어 열전도성 수지를 정량 주입할 수 있으므로, 전지 모듈의 제조 비용이 절감된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 전지 모듈을 절단선 A-A'를 따라 자른 후, 그 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 "B" 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 5의 "C"부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 전지 모듈(100)에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 셀 적층체(400), 셀 적층체(400)를 수납하는 모노 프레임(200) 및 셀 적층체(400)의 하부와 모노 프레임(200) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(700)을 포함한다.
모노 프레임(200)은 전면과 후면이 개방된 형태이며, 상기 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트(300)가 구비될 수 있다.
또한, 셀 적층체(400)와 함께 모노 프레임(200)에 수납되는 버스 바 프레임(500)이 마련될 수 있다. 버스 바 프레임(500)은 셀 적층체(400)의 상부에 위치한 상부 프레임(510), 셀 적층체(400)의 전면에 위치한 전면 프레임(520) 및 셀 적층체(400)의 후면에 위치한 후면 프레임(530)을 포함할 수 있으며, 셀 적층체(400)를 구성하는 전지 셀들의 전극 리드와 연결된 버스 바(540)가 전면 프레임(520) 및 후면 프레임(530)에 탑재될 수 있다.
열전도성 수지층(700)은 열전도성 수지가 주입되어 형성된 것으로, 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 유동성을 갖는 열전도성 수지를 주입하고, 이후 열전도성 수지가 셀 적층체(400)와 접촉한 채 고화되어 형성될 수 있다. 즉, 셀 적층체(400)로부터 발생한 열을 전지 모듈(100)의 바닥으로 전달하는 역할과 함께 셀 적층체(400)를 전지 모듈(100) 내에서 고정하는 역할을 수행할 수 있다.
한편, 셀 적층체(400)의 측면에는 방열판(800)이 구비되어 모노 프레임(200)에 함께 수납될 수 있다.
도 3은 도 1의 전지 모듈을 절단선 A-A’를 따라 자른 후, 그 단면을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 “B” 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 실시예의 전지 모듈은, 셀 적층체(400)의 상부와 모노 프레임(200) 사이에 위치하는 스프링(600)을 더 포함한다. 보다 상세하게는, 스프링(600)은 셀 적층체(400)의 상부에 위치한 버스 바 프레임의 상부 프레임(510)과 모노 프레임(200) 사이에 위치할 수 있다.
스프링(600)은, 상부 프레임(510)과 모노 프레임(200) 사이에 위치한 채, 상부 프레임(510)과 셀 적층체(400)를 아래로 밀어낼 수 있다. 그로 인해, 셀 적층체(400)의 하부와 모노 프레임(200) 사이의 공간이 감소하고, 열전도성 수지층(700)을 형성하기 위해 주입되는 열전도성 수지가 필요 이상으로 과량 주입되는 것을 방지할 수 있다. 종국적으로, 열전도성 수지를 정량 주입할 수 있어 제조 비용이 절감되는 효과가 있다. 이에 대해서는, 도 5 및 도 6과 함께 다시 자세히 설명하도록 한다.
또한, 셀 적층체(400)에 인가되는 스프링(600)의 탄성력이 어느 한 부분에 집중되지 않고 고르게 작용하도록 하기 위해서, 스프링(600)은 둘 이상인 것이 바람직하고, 둘 이상의 스프링(600)이 상부 프레임(510)의 상면의 모든 영역에 고르게 분포되는 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같이, 둘 이상의 스프링(600)이 상부 프레임(510)의 상면의 모든 영역에 고르게 분포한다면, 열전도성 수지가 주입되는 동안, 스프링(600)에 의한 탄성력이 셀 적층체(400)의 어느 한 부분에 편중되지 않고 고르게 작용할 수 있다. 고르게 작용하는 셀 적층체(400)에 대한 탄성력과 열전도성 수지의 주입 압력 간의 균형에 의해, 열전도성 수지가 셀 적층체(400)의 하부 전체에 균일하게 도포될 수 있고, 열전도성 수지층(700)이 일정한 두께를 형성할 수 있다. 따라서, 셀 적층체(400)을 구성하는 전지 셀들로부터 발생한 열의 전달이 전 구역에 걸쳐 일정하게 수행될 수 있어, 방열 효과와 함께 셀 적층체(400)를 구성하는 전지 셀 간의 온도 편차가 감소되는 효과가 있다.
한편, 스프링(600)은 셀 적층체(400)를 아래로 밀어낼 수 있으면, 그 형태에 제한은 없으므로, 도 4에서 도시한 것처럼 판형 스프링일 수 있으며, 원통형 스프링(도시하지 않음)이거나 판형 스프링과 원통형 스프링이 혼재된 형태일 수 있다. 다만, 전지 모듈 내에서 스프링이 필요 이상의 공간을 차지하는 것은 바람직하지 못하므로, 판형 스프링인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 도 5의 “C”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다. 다만, 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 제조 방법은 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 셀 적층체(400)를 모노 프레임(200)에 수납하는 수납 단계 및 상기 모노 프레임(200)의 하부에 형성된 주입구(210)를 통해 열전도성 수지를 주입하여 열전도성 수지층(700)을 형성하는 주입 단계를 포함한다.
우선, 모노 프레임(200)은 전면과 후면이 개방된 형태 일 수 있으며, 상기 수납 단계는 개방된 모노 프레임(200)의 전면 또는 후면으로 셀 적층체(400)를 삽입하는 단계를 포함할 수 있다.
다음, 상기 주입 단계에서, 주입구(210)가 위를 향하도록 모노 프레임(200)을 뒤집고, 열전도성 수지를 주입구(210)를 통해 주입할 수 있다. 이 때, 셀 적층체(400)의 상부(모노 프레임을 뒤집기 전을 기준으로 함)와 모노 프레임(200)의 사이에 위치한 스프링(600)이, 열전도성 수지의 주입 방향과 반대 방향(D 방향)으로 셀 적층체(400)를 밀어낼 수 있다.
주입구(210)가 위를 향하도록 모노 프레임(200)을 뒤집은 채 열전도성 수지를 주입할 때, 셀 적층체(400)의 중량에 의해 셀 적층체(400)가 아래로(모노 프레임을 뒤집은 후를 기준으로 함) 밀착되게 되고, 열전도성 수지가 주입될 공간이 증가하여 필요 이상의 열전도성 수지가 과량 주입되는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예의 스프링(600)은, 열전도성 수지가 주입구(210)를 통해 주입될 때, 그 탄성력을 통해 열전도성 수지의 주입 방향과 반대 방향(D 방향)으로 셀 적층체(400)를 밀어낼 수 있으므로, 열전도성 수지가 과량 주입되는 문제를 해결할 수 있다.
스프링(600)이 판형 스프링이나 원통형 스프링 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 것과 둘 이상으로 구비될 수 있는 것은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전지 모듈
200: 모노 프레임
210: 주입구
300: 엔드 플레이트
400: 셀 적층체
500: 버스 바 프레임
600: 스프링
700: 열전도성 수지층

Claims (11)

  1. 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 셀 적층체;
    상기 셀 적층체를 수납하는 모노 프레임; 및
    상기 셀 적층체의 하부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 포함하고,
    상기 셀 적층체의 상부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 스프링을 더 포함하며,
    상기 열전도성 수지층을 형성하기 위해 열전도성 수지가 주입되는 주입구가 상기 모노 프레임의 하부에 형성되고,
    상기 스프링이 상기 셀 적층체를 상기 주입구가 위치한 방향으로 밀어내는 전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 셀 적층체와 함께 상기 모노 프레임에 수납되는 버스 바 프레임을 더 포함하고,
    상기 버스 바 프레임은 상기 셀 적층체의 상부에 위치하는 상부 프레임을 포함하며,
    상기 스프링은 상기 상부 프레임과 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 스프링은 판형 스프링 및 원통형 스프링 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 스프링은 둘 이상인 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 열전도성 수지층은 열전도성 접착 물질을 포함하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 모노 프레임은 전면과 후면이 개방된 형태인 전지 모듈.
  8. 제1항에 따른 전지 모듈을 하나 이상 포함하는 전지 팩.
  9. 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 셀 적층체를 모노 프레임에 수납하는 수납 단계; 및
    상기 모노 프레임의 하부에 형성된 주입구를 통해 열전도성 수지를 주입하는 주입 단계를 포함하고,
    상기 주입 단계는, 상기 셀 적층체의 상부와 상기 모노 프레임 사이에 위치한 스프링이, 상기 열전도성 수지의 주입 방향과 반대 방향으로, 상기 셀 적층체를 밀어내는 단계를 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 주입 단계는, 상기 주입구가 위를 향하도록 상기 모노 프레임을 뒤집고 상기 열전도성 수지를 주입하는 단계를 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 스프링은 판형 스프링 및 원통형 스프링 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
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