KR102471092B1 - 전지 모듈, 이의 제조 방법 및 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임, 상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮는 상부 플레이트, 상기 U자형 프레임과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도층, 및 상기 상부 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 구조용 접착층을 포함한다.

Description

전지 모듈, 이의 제조 방법 및 전지팩{BATTERY MODULE, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME AND BATTERY PACK}
본 발명은 전지 모듈, 이의 제조 방법 및 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 공간 활용률을 향상시키고, 공정성을 높이는 전지 모듈, 이의 제조 방법 및 전지팩에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 프레임 부재를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 모노 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 1을 참고하면, 전지 모듈은 복수의 전지셀(11)이 적층되어 형성된 전지셀 적층체(12), 전지셀 적층체(12)를 덮도록 전면과 후면이 개방된 모노 프레임(20) 및 모노 프레임(20)의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트(60)를 포함할 수 있다. 이러한 전지 모듈을 형성하기 위해, 도 1에 도시한 화살표와 같이 X축 방향을 따라 모노 프레임(20)의 개방된 전면 또는 후면으로 전지셀 적층체(12)가 삽입되도록 수평 조립이 필요하다. 다만, 이러한 수평 조립이 안정적으로 될 수 있도록 전지셀 적층체(12)와 모노 프레임(20) 사이에 충분한 공차(clearance)를 확보해야 한다. 여기서, 공차(clearance)란 끼워 맞춤 등에 의해 발생하는 틈을 말한다. 공차가 작은 경우에 수평 조립 과정에서 부품 손상이 일어날 수 있다. 따라서, 모노 프레임(20)의 높이는 전지셀 적층제(12)의 최대 높이와 삽입 과정에서의 조립 공차 등을 고려해 크게 설계되어야 하며, 그로 인해 불필요하게 낭비되는 공간이 발생할 수 있다.
또, 전지셀 적층체(12)와 모노 프레임(20) 사이에 열전도성 수지를 주입하여 열전도성 수지층을 형성할 수 있고, 상기 열전도성 수지층은 전지셀 적층체(12)로부터 발생한 열을 전지 모듈 바닥으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 뿐만 아니라 상기 열전도성 수지층은 접착력을 가짐에 따라 외부의 진동 및 충격으로부터 전지 모듈 내부의 전지셀(11)이 유동하는 것을 방지할 수 있다.
다만, 열전도성 수지를 주입하는 과정에서, 전지 모듈 내 부품의 공차 등으로 인해 예정된 정량보다 초과하여 과량 주입될 수 있고, 이때 주입량 및 도포 상태 확인이 어려운 점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 적층체를 감싸는 프레임 부재의 구조를 변형하고, 전지셀 적층체와 프레임 부재 사이의 접착 방식을 변경함으로써 공간 활용률을 향상시키고, 공정성을 높이는 전지 모듈, 이의 제조 방법 및 전지팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 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 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임, 상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮는 상부 플레이트, 상기 U자형 프레임과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도층, 및 상기 상부 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 구조용 접착층을 포함한다.
상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고, 상기 바닥부는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 전지셀의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분 안쪽에 위치하며, 상기 제1 부분의 두께는 상기 제2 부분의 두께보다 얇을 수 있다.
상기 열전도층은 실리콘 계열의 열전도 페이스트, 액상의 방열 물질 또는 열전도성 압축 패드로 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체와 연결되는 버스바 프레임을 더 포함하고, 상기 U자형 프레임은 상기 전지셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향을 기준으로 서로 대향하는 양측이 개방되고, 상기 U자형 프레임의 개방된 양측에서 상기 버스바 프레임은 상기 전지셀 적층체와 연결되며, 상기 버스바 프레임은 상기 전극 리드가 돌출된 방향에 수직하게 배치되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 하부에서 연장된 절곡부를 포함할 수 있다.
상기 절곡부는 상기 바닥부의 제1 부분 상에 위치할 수 있다.
상기 절곡부의 두께와 상기 제1 부분의 두께를 합한 두께는 상기 제2 부분의 두께보다 얇을 수 있다.
상기 전지셀은 폭 방향으로 형성된 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 상기 절곡부 상에 위치할 수 있다.
상기 복수의 전지셀의 적층 방향과 수직한 상기 전지셀 적층체의 하부면이 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 결합된 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 U자형 프레임의 개방된 양측은 상기 전지셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향을 기준으로 서로 대향할 수 있다.
상기 구조용 접착층은 에폭시 계열의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은 상부가 개방된 U자형 프레임의 바닥부에 열전도층을 형성하는 단계, 상기 열전도층 위에 상기 U자형 프레임에 수용되도록 전지셀 적층체를 장착하는 단계, 상기 전지셀 적층체 위에 구조용 접착층을 도포하는 단계, 상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮도록 상부 플레이트를 장착하는 단계, 및 상기 상부 플레이트와 상기 U자형 프레임을 결합하는 단계를 포함하고, 상기 전지셀 적층체는 상기 구조용 접착층에 의해 상기 상부 플레이트와 결합된다.
상기 전지 모듈 제조 방법은 상기 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 엔드 플레이트를 결합하는 단계를 더 포함하고, 상기 전지셀 적층체는 상기 U자형 프레임의 바닥부에 수직한 방향을 따라 이동하면서 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착될 수 있다.
상기 전지 모듈 제조 방법은 상기 전지셀 적층체를 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착하기 전에 상기 전지셀 적층체에 포함된 전지셀의 전극 리드가 돌출된 방향과 반대 방향으로 버스바 프레임을 이동하면서 상기 전지셀 적층체와 상기 버스바 프레임을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, U자형 프레임을 구현하여 종래 기술 대비하여 전지셀 적층체와 프레임 사이의 공차를 줄여 공간 활용률을 향상시킬 수 있다.
또한, 조립시 손상 방지를 위해 필요한 보호 커버를 제거할 수 있다.
또한, U자형 프레임의 바닥부 가장자리를 가공하여 전지셀 적층체와 프레임 사이의 갭을 축소하여 높이 방향으로의 공간 활용성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전지셀 적층체와 프레임 부재 사이에 압축 열 패드를 적용하여 생산 공정성을 향상시키고, 원하는 면적으로 접촉시킴에 따라 정확한 열전달 성능을 확보할 수 있다.
또한, 주액이 아닌 도포 방식에 의해 구조용 접착제를 사용함으로써 접착제의 형상 및 양을 최적화할 수 있다.
도 1은 종래의 모노 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 2의 전지셀 적층체에 포함된 하나의 전지셀을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 2의 전지 모듈에서 U자형 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 2의 전지 모듈에서 버스바 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 3에서 전지셀 적층체의 길이 방향인 XZ 평면을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 도 7의 비교예에 해당하는 전지 모듈의 단면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
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.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 2의 전지셀 적층체에 포함된 하나의 전지셀을 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지셀 적층체(120), 상부면, 전면 및 후면이 개방된 U자형 프레임(300), 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(400), 전지셀 적층체(120)의 전면과 후면에 각각 위치하는 엔드 플레이트(150) 및 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(150) 사이에 위치하는 버스바 프레임(130)을 포함한다.
U자형 프레임(300)의 개방된 양측을 각각 제1 측과 제2 측이라고 할 때, U자형 프레임(300)은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 전지셀 적층체(120)의 면을 제외하고 나머지 외면들 중에서, 서로 인접한 전면, 하면 및 후면을 연속적으로 감싸도록 절곡된 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(300)의 하면에 대응하는 상면은 개방되어 있다.
상부 플레이트(400)는 U자형 프레임(300)에 의해 감싸지는 전면, 하면 및 후면을 제외한 나머지 상면을 감싸는 하나의 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써 전지셀 적층체(120)를 감싸는 구조를 형성할 수 있다. 즉, U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위에 용접 등의 결합 방법으로 형성된 결합부(CP)가 형성되어 프레임 부재를 구형할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 U자형 프레임(300)과 전지셀 적층체(120) 사이에 위치하는 열전도층(310) 및 상부 플레이트(400)와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치하는 구조용 접착층(330)을 포함한다. 구조용 접착층(330)은 에폭시 계열의 물질을 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
전지셀 적층체(120)는 일방향으로 적층된 복수의 전지셀(110)을 포함하고, 복수의 전지셀(110)은 도 2에 도시한 바와 같이 Y축 방향으로 적층될 수 있다. 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 4를 참고하면 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 양 측면(114c)을 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이가 전지셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 연결부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗어 있는 영역이며, 연결부(115)의 단부에 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 돌출부(110p)는 연결부(115)의 양 단부 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 연결부(115)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부(110p)는 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)의 실링부(114sa, 114sb) 중 하나와 연결부(115) 사이에 위치할 수 있다.
전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 전지셀 적층체(120)는 Y축 방향으로 적층되고, Z축 방향으로 U자형 프레임(300) 내부에 수용되어 후술하는 열전도성 수지층에 의해 냉각이 진행될 수 있다. 이에 대한 비교예로서 전지셀이 카트리지 형태의 부품으로 형성되어 전지셀 간의 고정이 전지 모듈 프레임으로 조립으로 이루어지는 경우가 있다. 이러한 비교예에서는 카트리지 형태의 부품의 존재로 인해 냉각 작용이 거의 없거나 전지셀의 면 방향으로 진행될 수 있고, 전지 모듈의 높이 방향으로는 냉각이 잘 되지 않는다.
본 실시예에 따른 U자형 프레임(300)의 측면부(300b)와 상부 플레이트(400)의 폭은 서로 동일할 수 있다. 다시 말해, 상부 플레이트(400)의 X축 방향에 따른 모서리 부분과 U자형 프레임(300)의 측면부(300b)의 X축 방향에 따른 모서리 부분이 직접 만나서 용접 등의 방법에 의해 결합될 수 있다.
도 5는 도 2의 전지 모듈에서 U자형 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 U자형 프레임(300)은 바닥부(300a) 및 서로 마주보는 2개의 측면부(300b)를 포함한다. 도 2에서 설명한 전지셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착되기 전에, U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 열전도층(310)을 형성할 수 있다. 열전도층(310)은 전지셀(110)에서 발생하는 열을 전지 모듈(100) 외부로 전달할 수 있다. 본 실시예에 따른 열전도층(310)은 접착 성능이 낮은 실리콘 계열의 열전도 페이스트(thermal paste), 침지 냉각에 적용되는 액상의 방열 물질 또는 열전도성 압축 패드로 형성될 수 있다. 열전도층(310)은 앞에서 설명한 구조용 접착층(330) 대비하여 접착력이 낮다.
전지셀 적층체(120) 바닥부와 U자형 프레임(300) 사이에 열전도성 압축 패드를 적용하여 생산 공정성을 향상시키고, 원하는 면적으로 접촉 대상을 서로 접촉시킴에 따라 정확한 열 전달 성능을 확보할 수 있다. 종래에 열전도 기능뿐만 아니라 접착력을 갖는 열전달 수지를 사용함으로써, 외부의 진동 및 충격으로부터 전지 모듈(100) 내부의 전지셀(110)이 유동하는 것을 방지할 수 있었다. 하지만 이 경우 접착 성능이 높은 우레탄, 에폭시 계열의 제품을 사용해야 함에 따라, 사용할 수 있는 열전달 수지의 제품군에 제약이 있었고, 이로 인해 생산성 및 품질 관리에 어려움이 있었다.
열전도층(310)은 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치한다. 열전도층(310)은 전지셀(110)에서 발생하는 열을, 전지 모듈(100) 바닥으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 이때, 열전도층(310)은 접착력이 강하지 않기 때문에 전지셀 적층체(120)를 고정시키기에 충분하지 않을 수 있다.
도 6은 도 2의 전지 모듈에서 버스바 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 버스바 프레임(130)은 도 4에서 설명한 전극 리드(111, 112)가 돌출된 방향에 수직하게 배치되는 메임 프레임(130a)과, 메인 프레임(130a)의 하부에서 연장된 절곡부(130b)를 포함한다. 버스바 프레임(130)은 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같이 전지셀 적층체(120)와 연결된다. 메인 프레임(130a)에서는 전극 리드가 슬릿을 통과하여 버스바와 결합한 구조를 형성할 수 있다. 절곡부(130b)는 메인 프레임(130a) 기준으로 대략 90도로 구부러져서 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a) 상에 위치할 수 있다. 절곡부(130b) 및 주변 구성에 대해서는 도 7을 참고하여 추가 설명하기로 한다.
도 7은 도 3에서 전지셀 적층체의 길이 방향인 XZ 평면을 따라 자른 단면도이다. 도 8은 도 7의 비교예에 해당하는 전지 모듈의 단면도이다.
도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 폭 방향으로 형성된 돌출부(110p)를 포함하고, 돌출부(110p)는 절곡부(130b) 상에 위치한다. 여기서, 전지셀(110)의 폭 방향이란 도 7의 Z축 방향일 수 있다. 본 실시예에 따른 U자형 프레임의 바닥부(300a)는 제1 부분(300a1)과 제2 부분(300a2)을 포함하고, 제1 부분(300a1)은 전지셀(110)의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하고, 제2 부분(300a2)은 제1 부분(300a1) 안쪽에 위치한다. 이때, 제1 부분(300a1)의 두께는 제2 부분(300a2)의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 여기서, 전지셀(110)의 길이 방향이란 도 7의 X축 방향일 수 있다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에서 버스바 프레임(130)의 절곡부(130b)는 U자형 프레임의 바닥부(300a) 중에서 제1 부분(300a1)에 위치한다. 이때, 절곡부(130b)의 두께와 제1 부분(300a1)의 두께를 합한 두께는 제2 부분(300a2)의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 제1 부분(300a1)과 제2 부분(300a2)의 단차에 걸려 외부 충격에 유동하는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라, 이러한 U자형 프레임 바닥부(300a)의 가공을 통해 전지셀(110)과 프레임 사이의 갭을 줄일 수 있고, 이러한 갭 줄임 효과는 높이 방향 조립을 통해 얻을 수 있는 갭 줄임 효과와 상승 작용을 일으켜서 전체적인 공간 효율성을 최대화할 수 있다. U자형 프레임 바닥부(300a)의 가공은 U자형 프레임 구조를 형성하면서 바닥부(300a)의 단차도 동시에 형성할 수 있다. 이러한 단차 형성을 위해 프레스 성형 또는 NC(numerical control work) 가공 등을 사용할 수 있다.
바닥부(300a)의 제2 부분(300a2)과 전지셀(110) 사이에 열전도층(310)이 위치한다. 본 실시예에 따르면, 상부 플레이트(400)와 전지셀(110)을 포함하는 전지셀(110) 사이에 구조용 접착층(330)이 위치한다. 구조용 접착층(330)은 상부 플레이트(400) 또는 도 2의 전지셀 적층체(120) 상단에 도포되어 접착제의 형상 및 사용량을 최적화할 수 있다.
도 8을 참고하면, 도 7의 실시예와 비교할 때 바닥부(300a)의 제2 부분(300a2)과 전지셀(110) 사이에 열전도성 수지가 주액 또는 도포되어 열전도성 수지층(310')을 형성한다. 이처럼 열전도성 수지를 주액 또는 도포하여 열전도성 수지층(310')을 형성하는 경우에는, 고가의 설비 적용 및 관리가 동반되어야 함에 따라 생산성 및 품질 관리에 문제가 있다. 또한, 열전달과 접착력을 동시에 만족하기 위해 과주액이 진행될 수 있다. 다시 말해, 기존의 열전도성 수지층(310')은 열전도성과 접착력을 동시에 가져야 하는데, 열전달 성능을 위해 정해진 영역까지 정확히 주액/도포되어야 하고, 열전도성 필러 함량으로 인해 주액 설비에 높은 부하가 동반되어 생산성 및 품질 관리에 문제가 발생할 수 있다. 이에 반해, 앞에서 설명한 본 실시예에 따르면, 열전달이 필요한 부분에는 작업이 용이하도록 접착 성능이 낮은 실리콘 계열의 열전도 페이스트(thermal paste), 침지 냉각에 적용되는 액상의 방열 물질 또는 열전도성 압축 패드로 열전도층(310)을 형성하고, 접착력이 필요한 부분에는 최소 면적 이상의 영역에만 구조용 접착제를 적용할 경우 생산성이 높아지고 품질 관리 수준을 높일 수 있다.
이하에서는 앞에서 설명한 본 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법의 일례에 대해 설명하기로 한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은 상부가 개방된 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 전지셀 적층체(120)를 적층하는 단계를 포함한다. 이때, 전지셀 적층체(120)에 포함된 복수의 전지셀(110)의 적층 방향과 수직한 방향(Z축 방향)으로 전지셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 삽입되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은, 전지셀 적층체(120)를 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착하기 전에, 전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)의 전극 리드가 돌출된 방향과 반대 방향으로 버스바 프레임(130)을 이동하면서 전지셀 적층체(120)와 버스바 프레임(130)을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가로, 전지 모듈 제조 방법은, 전지셀 적층체(120)를 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착하기 전에 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 열전도층(310)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이에 대비하여, 도 1에서 설명한 전지셀 적층체(12)의 하부와 모노 프레임(20) 사이에, 열 전달 및 셀 적층체의 고정을 위한 열전도성 수지층을 형성할 수 있다. 일반적으로, 전지셀 적층체(12)를 모노 프레임(20)에 삽입한 이후에, 모노 프레임(20)에 형성된 주입구를 통해 열전도성 수지를 삽입함으로써, 열전도성 수지층을 형성한다. 다만, 상기와 같은 주입 방법의 경우, 각 전지 모듈에서의 부품의 공차로 인해 열전도성 수지의 정량 주입이 어렵고, 균일한 두께를 갖는 열전도성 수지층을 형성하는데 한계가 있다.
도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은, 개방된 U자형 프레임(300) 상부에서 전지셀 적층체(120)를 덮도록 상부 플레이트(400)를 장착하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서는 수직 방향인 Z축 방향으로 상부 플레이트(400)를 U자형 프레임(300) 상부와 용접 등의 방법으로 결합하기 때문에 도 1의 모노 프레임(20)을 전지셀 적층체(12)에 삽입하는 과정에서 전지셀(11) 보호를 위해 필요한 보호 커버(미도시)를 생략할 수 있다. 본 실시예에 따르면 상부 플레이트(400)를 장착하기 전에 구조용 접착층(300)을 상부 플레이트(400)의 일면 또는 전지셀 적층체(120)의 상단에 형성할 수 있다.
도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은, 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임의 측면부(300b)를 결합하는 단계 및 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 엔드 플레이트(150)를 결합하는 단계를 포함한다. 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임의 측면부(300b)를 결합하기 위해 용접 방법, 접착제를 사용한 본딩 방법, 볼팅 결합 방법, 리벳팅 및 테이프 결합 방법 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
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
110p: 돌출부
130a: 메인 프레임
130b: 절곡부
150: 엔드 플레이트
300: U자형 프레임
310: 열전도층
330: 구조용 접착층
400: 상부 플레이트

Claims (15)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임,
    상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮는 상부 플레이트,
    상기 U자형 프레임과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도층, 및
    상기 상부 플레이트와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 구조용 접착층을 포함하고,
    상기 열전도층은 실리콘 계열의 열전도 페이스트, 액상의 방열 물질 또는 열전도성 압축 패드로 형성되고, 상기 구조용 접착층은 에폭시 계열의 물질로 형성되며,
    상기 열전도층은 상기 구조용 접착층 대비하여 접착력이 낮고,
    상기 구조용 접착층은 상기 전지셀 적층체에 포함되는 상기 복수의 전지셀 상단에 도포되어, 상기 복수의 전지셀의 적층 방향에 수직한 방향으로 상기 전지셀 적층체와 상기 상부 플레이트가 서로 결합하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고,
    상기 바닥부는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 전지셀의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분 안쪽에 위치하며, 상기 제1 부분의 두께는 상기 제2 부분의 두께보다 얇은 전지 모듈.
  3. 삭제
  4. 제2항에서,
    상기 전지셀 적층체와 연결되는 버스바 프레임을 더 포함하고,
    상기 U자형 프레임은 상기 전지셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향을 기준으로 서로 대향하는 양측이 개방되고, 상기 U자형 프레임의 개방된 양측에서 상기 버스바 프레임은 상기 전지셀 적층체와 연결되며,
    상기 버스바 프레임은 상기 전극 리드가 돌출된 방향에 수직하게 배치되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 하부에서 연장된 절곡부를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 절곡부는 상기 바닥부의 제1 부분 상에 위치하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 절곡부의 두께와 상기 제1 부분의 두께를 합한 두께는 상기 제2 부분의 두께보다 얇은 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 전지셀은 폭 방향으로 형성된 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 상기 절곡부 상에 위치하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 복수의 전지셀의 적층 방향과 수직한 상기 전지셀 적층체의 하부면이 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 결합된 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 U자형 프레임의 개방된 양측은 상기 전지셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향을 기준으로 서로 대향하는 전지 모듈.
  10. 삭제
  11. 상부가 개방된 U자형 프레임의 바닥부에 열전도층을 형성하는 단계,
    상기 열전도층 위에 상기 U자형 프레임에 수용되도록 전지셀 적층체를 장착하는 단계,
    상기 전지셀 적층체에 포함되는 복수의 전지셀 상단에 구조용 접착층을 도포하는 단계,
    상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮도록 상부 플레이트를 장착하는 단계, 및
    상기 상부 플레이트와 상기 U자형 프레임을 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 구조용 접착층에 의해, 상기 전지셀 적층체는 상기 복수의 전지셀의 적층 방향에 수직한 방향으로 상기 상부 플레이트와 결합되는 전지 모듈 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 엔드 플레이트를 결합하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전지셀 적층체는 상기 U자형 프레임의 바닥부에 수직한 방향을 따라 이동하면서 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착되는 전지 모듈 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 전지셀 적층체를 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착하기 전에 상기 전지셀 적층체에 포함된 전지셀의 전극 리드가 돌출된 방향과 반대 방향으로 버스바 프레임을 이동하면서 상기 전지셀 적층체와 상기 버스바 프레임을 연결하는 단계를 더 포함하는 전지 모듈 제조 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 열전도층은 열전도성 압축 패드로 형성되는 전지 모듈 제조 방법.
  15. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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