KR20200084450A - 효율적인 조립 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들이 적층되어 형성된 셀 적층체, 상기 셀 적층체의 전면부, 후면부, 상면부를 각각 커버하는 프런트 프레임, 리어 프레임, 탑 프레임으로 형성된 버스바 프레임 조립체를 구비하는 배터리 모듈로서, 상기 프런트 프레임 및 상기 리어 프레임은 상기 셀 적층체의 하면부 양쪽 단부 영역을 떠받히는 받침판을 하단부에 구비할 수 있다.

Description

효율적인 조립 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 자동차{A battery module with efficient assembly structure, a battery pack and a vehicle comprising the same}
본 발명은, 효율적인 조립 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 모듈 조립시 구성품들을 원활하게 조립할 수 있는 가이드 구조가 채용된 배터리 모듈 및 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 이차전지 셀들이 사용됨에 반하여, 전기자동차 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 위한 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 부품들을 더 포함한다. 한국 공개특허공보 제10-2018-0078777호는 종래 위와 같은 배터리 모듈의 구성을 개시하고 있다.
이러한 배터리 모듈의 조립과정은 파우치형 이차전지 셀들을 적층하여 셀 적층체를 형성하고, 이 셀 적층체에 버스바 프레임과 전압 센싱 부품을 조립한 다음, 모듈 케이스로 이들을 일체로 케이싱하는 과정을 포함한다. 이때 사용되는 모듈 케이스로는 상기 배터리 모듈의 내부 구성품들을 내부 공간에 밀어넣는 방식으로 수납할 수 있는 사각 관 형상의 모노 프레임이 최근 많이 사용되고 있다.
한편, 전기자동차용 배터리 모듈은 전술한 바와 같이 부피가 작으면서도 에너지 밀도는 높이기 위해 구성 부품들의 조립 공차가 최소화되어 있다. 그런데 이와 같이 구성 부품들의 조립 공차가 작을 경우 약간의 위치 오차에도 조립이 어려워져 생산 수율이 하락하게 되는 문제점이 있다. 특히, 한국 공개특허공보 제10-2018-0078777호와 같이 힌지 구조의 버스바 프레임과 셀 적층체를 조립하는 과정이나, 모노 프레임에 버스바 프레임과 셀 적층체를 일체로 수납하는 조립 과정에서 조립 공차가 가장 작아 조립 공정에 어려움을 겪고 있다. 따라서 배터리 모듈의 조립시 에너지 밀도를 저해하지 않는 범위 내에서 상술한 문제점을 해결할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0078777호 (2018.07.10) 주식회사 유라코퍼레이션
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 구성 부품들 간의 조립 공차를 작게 설계하면서도 조립이 원활하게 이루어질 수 있도록 하여 에너지 밀도의 측면에서의 손해나 배터리 모듈의 생산성 저하가 발생하지 않도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀들이 적층되어 형성된 셀 적층체, 상기 셀 적층체의 전면부, 후면부, 상면부를 각각 커버하는 프런트 프레임, 리어 프레임, 탑 프레임으로 형성된 버스바 프레임 조립체를 구비하는 배터리 모듈로서, 상기 프런트 프레임 및 상기 리어 프레임은, 상기 셀 적층체의 하면부 양쪽 단부 영역을 떠받히는 받침판을 하단부에 구비할 수 있다.
상기 받침판은 상기 셀 적층체의 길이 방향으로 폭이 점진적으로 줄어들어 가운데 부분이 첨예한 끝단 라인을 가질 수 있다.
상기 셀 적층체의 하면 아래에 배치되어 상기 셀 적층체의 하면부 양쪽 단부 영역을 떠받히는 받침판을 구비하고, 상기 받침판은 끝단 라인 중 적어도 일부분이 다른 부분보다 더 돌출된 형상이 되게 마련될 수 있다.
상기 받침판은 상기 끝단 라인에서 가운데 부분이 가장 돌출 형성되어 첨단부를 형성할 수 있다.
상기 받침판은 두께가 상기 끝단 라인으로 갈수록 얇아지는 경사구간을 구비할 수 있다.
상기 프런트 프레임 및 상기 리어 프레임은 각각 상기 탑 프레임에 힌지 결합되게 마련될 수 있다.
사각 관 형상으로 형성되고, 억지 끼움 방식으로 상기 셀 적층체와 상기 버스바 프레임 조립체를 내부 공간에 수납할 수 있게 마련된 모듈 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 케이스는, 일면에 열전도성 레진을 주액할 수 있는 적어도 하나의 레진 주입홀들이 마련될 수 있다.
상기 배터리 셀들의 전압 정보를 센싱하기 위한 전압 센싱유닛을 더 포함하고, 상기 전압 센싱유닛은, 상기 셀 적층체의 상면에 상기 셀 적층체의 길이방향을 따라 배치되고, 상기 프런트 프레임 및 상기 리어 프레임에 고정되는 버스바들에 부착되어 전압을 감지하는 센싱단자들을 양쪽 끝 영역에 구비한 FPCB 부재; 및 상기 FPCB 부재에 구비되는 도체패턴들에 커넥터 핀들이 수직으로 직결됨으로써 상기 FPCB 부재와 일체로 제공되는 커넥터 부재를 포함할 수 있다.
상기 프런트 프레임은 전면에서 전방 돌출 형성되어 상기 커넥터 부재의 하부를 떠받히는 커넥터 안착부와, 상기 커넥터 부재의 적어도 일측에 끼움 결합되는 적어도 하나의 지지봉을 더 구비할 수 있다.
상기 배터리 셀들은, 전극 리드가 상기 배터리 셀의 길이 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장되는 한 쌍의 전극 리드를 갖는 파우치형 이차전지이며, 상기 한 쌍의 전극 리드는, 상기 셀 적층체의 높이 방향 중심부로부터 아래쪽으로 편향된 위치에 형성될 수 있다.
상기 전극 리드의 편향으로 인해 상기 프런트 프레임의 전면 상부 영역에 형성되는 공간에 상기 커넥터 부재가 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상기 배터리 팩을 동력원으로 하는 자동차가 제공될 수 있다. 상기 자동차는 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드(HEV) 자동차를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈을 구성하는 부품들 간의 조립 공차가 작아도 조립이 원활하게 이루어질 수 있어 배터리 모듈의 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, FPCB 부재 및 커넥터 부재 등과 같은 구성 부품들이 효율적으로 공간 배치되어 있어 전체 부피 대비 에너지 밀도가 높고 다른 장치와의 접속성도 편리한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 모듈 케이스와 모듈 커버를 생략한 배터리 모듈을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 적층체와 버스바 프레임 조립체의 조립 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 케이스의 조립 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 레진 주액 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 FPCB 부재와 커넥터 부재의 분해 사시도이다.
도 12 및 도 13은 FPCB 부재와 커넥터 부재를 조립하기 전,후의 프런트 프레임의 주요 부분을 도시한 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터 부재의 개략적인 배치도이다.
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 모듈을 도시한 사시도, 도 2는 도 1에서 모듈 케이스와 모듈 커버를 생략한 배터리 모듈을 도시한 사시도, 그리고 도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 셀 적층체(100), 버스바 프레임 조립체(200), 모듈 케이스(300), 전압 센싱유닛(400) 그리고 모듈 커버(510,520)를 포함한다.
먼저, 셀 적층체(100)에 대해 설명하면, 셀 적층체(100)는 다수의 배터리 셀(110)들을 적층하여 형성된 배터리 셀(110)들의 집합체일 수 있다. 이를테면, 배터리 셀(110)들은 각각 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 적층되어 셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 여기서 배터리 셀(110)들은 파우치형의 이차전지로서, 배터리 셀(110)의 길이 방향을 따라 양극 리드와 음극 리드가 서로 반대 방향으로 연장되는 양방향 타입의 파우치형 이차전지이다.
상기 파우치형 이차전지는 전극 조립체, 전해액 및 파우치 외장재로 구성될 수 있다. 파우치 외장재는, 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 내부 공간이 형성될 수 있다. 전극 조립체와 전해액은 상기 파우치 외장재의 내부 공간에 수납될 수 있다. 2개의 파우치 외주면에는 실링부가 구비되어 실링부가 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐될 수 있다.
상기 전극 조립체에 전극 리드(111)가 부착될 수 있고 이러한 전극 리드(111)는 파우치 외장재의 실링부 사이에 개재되어 파우치 외장재의 외부로 노출됨으로써 이차전지의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 배터리 셀(110)에서 양극 리드와 음극 리드로 구성된 한 쌍의 전극 리드(111)는 배터리 셀(110)(110)의 폭 방향 중심부로부터 일 측으로 편향되어 위치한다. 도 3을 참조하여 다시 말하면, 상기 한 쌍의 전극 리드(111)는, 배터리 셀(110)의 폭 방향(Z축 방향) 중심부로부터 일 측으로 편향되어 위치하되, 셀 적층체(100)의 높이 방향(Z축 방향)을 따라 하부로 편향되어 위치한다.
이처럼, 상기 한 쌍의 전극 리드(111)가 배터리 셀(110)의 폭 방향 중심부로부터 일 측으로 편향되어 위치하는 것은, 후술할 커넥터 부재(420) 및 외부 단자(243,245)의 설치를 위한 공간을 제공함으로써 배터리 모듈의 에너지 밀도를 향상시키기 위함이다.
한편, 본 발명에 적용되는 배터리 셀(110)은 기존의 배터리 셀(110)들의 폭에 비해 길이가 상대적으로 더 길게 형성된 롱셀(Long cell)이다. 예컨대 롱셀은 폭 대비 길이가 대략 3~5 이상일 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 이와 같은 롱셀 타입의 배터리 셀(110)을 채용한 것은, 배터리 모듈의 높이를 낮게 유지하면서 배터리의 용량을 증가시켜 고용량의 배터리 모듈을 자동차의 시트 하부나 트렁크 하부 등의 위치에 용이하게 설치하기 위함이다. 다만, 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
버스바 프레임 조립체(200)는 셀 적층체(100)를 지지하기 위한 수단으로서 프런트 프레임(210), 리어 프레임(220), 탑 프레임(230)을 포함한다. 상기 프런트 프레임(210), 리어 프레임(220) 및 탑 프레임(230)은 각각 셀 적층체(100)의 전면부, 후면부, 상면부에 대응하는 사이즈로 해당 부위를 커버한다.
버스바 프레임 조립체(200)는, 대략 "ㄷ" 구조이되 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)이, 도 4와 같이, 탑 프레임(230)에 대해 회전이 가능하게 마련된다. 이는 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200)의 조립을 용이하게 하기 위함이다.
프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)이 탑 프레임(230)에 대해서 회전하는 메카니즘으로 본 실시예는 힌지 결합 구조를 채용한다. 즉 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)은 각각 탑 프레임(230)의 일단부와 타단부에 힌지 결합된다.
구체적으로, 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)의 상단에는 적어도 하나 이상의 힌지축(211)이 마련되고 탑 프레임(230)의 양단부에는 상기 힌지축(211)을 끼워 넣고 감쌀 수 있는 대략 'C'자형의 고리가 마련될 수 있다.
예컨대, 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200)의 조립 과정은 다음과 같이 진행될 수 있다. 먼저, 셀 적층체(100) 위에 버스바 프레임 조립체(200)를 덮어씌우거나, 반대로 버스바 프레임 조립체(200)를 아래에 놓고 그 위에 셀 적층체(100)를 안착시켜 놓은 다음, 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)을 회전시켜 각 배터리 셀(110)들의 전극 리드(111)들을 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)에 형성되어 있는 슬릿들을 통과시켜 빼내고 상기 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)을 셀 적층체(100)의 전면부와 후면부에 각각 수직 배치시킨다.
참고로, 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)이 탑 프레임(230)에 대해 회전시킬 수 없게 마련되어 있다면, 전극 리드(111)들을 슬릿들에 끼워넣을 수 있는 공간 확보이 매우 부족해 조립 과정에서 전극 리드(111)를 손상시키지 않고는 조립이 쉽지 않을 것이다.
그 다음, 배터리 셀(110)들의 전극 리드(111)들을 접어 대응하는 버스바들의 표면에 맞대고 용접하여 배터리 셀(110)들을 모두 직렬 및/또는 병렬 연결시키고 나면 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200)의 조립이 마무리된다.
한편, 본 실시예에 따른 프런트 프레임(210) 및 리어 프레임(220)은, 하단부에 받침판(250)을 더 구비한다. 상기 받침판(250)은 셀 적층체(100)의 하면 아래에 배치되어 셀 적층체(100)의 하면부 양쪽 단부 영역을 떠받히는 역할을 한다.
예컨대, 셀 적층체(100)는 버스바 프레임 조립체(200)와 조립된 상태로 후속 조립 공정을 진행하기 위해 운반될 수 있고, 이 과정에서 배터리 셀(110)들이 아래로 처질 수 있다. 또한, 후술하겠으나 조립된 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200)는 모듈 케이스(300) 속에 억지 끼움 방식으로 집어 넣어지게 되는데 언급한 바와 같이 배터리 셀(110)들 중 일부라도 아래로 처져 있으면 해당 부분이 모듈 케이스(300)의 입구에 걸릴 수 있어 모듈 케이스(300)와의 조립이 어려워진다.
받침판(250)은 이러한 문제점을 해소하기 위한 수단으로서 기능할 수 있다. 즉 받침판(250)은 프런트 프레임(210)의 하단부와 리어 프레임(220)의 하단부에서 수평하게 연장 형성되어 셀 적층체(100)의 하면부 양쪽 단부 영역을 지지함으로써 셀 적층체(100)의 처짐을 방지하고 모듈 케이스(300)와의 조립을 용이하게 하는데 기여할 수 있다.
특히, 본 발명에서, 상기 받침판(250)은 셀 적층체(100)의 길이 방향(Y축 방향)으로 폭이 점진적으로 줄어들어 가운데 부분이 첨예한 끝단 라인을 갖는다.
이를테면 받침판(250)은 끝단 라인(251)이 일자형이 아닌, 가운데가 첨예한 사선형으로 제작될 수 있다. 이하에서 상기 가운데 부분을 첨단부(251a)라 정의한다. 이는 배터리 모듈 조립시, 받침판(250)과 셀 적층체(100) 또는 받침판(250)과 모듈 케이스(300)가 접하게 되는 계면을 좁혀 해당 부위의 조립 공차를 보완하기 위함이다.
구체적으로 도 5를 참조하여 살펴보면, 프런트 프레임(210) 또는 리어 프레임(220)을 회전시켜 받침판(250)을 셀 적층체(100)의 하면에 장착시킬 때, 첨단부(251a)가 상기 셀 적층체(100)의 하면 앞쪽에 살짝 걸쳐질 수 있다. 이 상태에서 프런트 프레임(210)과 리어 프레임(220)을 밀어주면 받침판(250)의 나머지 부분들도 셀 적층체(100)의 하면을 보다 쉽게 타고 들어갈 수 있다.
덧붙여 말하면, 셀 적층체(100)를 형성하고 있는 배터리 셀(110)들 마다 전후 위치나 높낮이가 다소 다를 수 있는데 끝단 라인(251)이 일자형인 경우에 비해(Y축 방향에 따른 받침판(250)의 끝 부분 위치가 모두 같은 경우), 본 실시예는 받침판(250)의 끝단 라인(251)에 첨단부(251a)가 있어 이 첨단부(251a)를 상기 셀 적층체(100)의 하면에 살짝 걸쳐 놓고 이 상태에서 배터리 셀(110)들의 높낮이를 정렬한 다음 프런트 프레임(210)을 회전시키면 셀 적층체(100)의 가장자리 영역이 받침판(250) 안쪽 공간에 긴밀하게 들어갈 수 있다.
본 실시예의 경우, 모듈 케이스(300)가 사각 관 형상으로 제공된다. 모듈 케이스(300) 속 공간은 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200)가 억지 끼움될 수 있을 정도의 부피이다. 이러한 모듈 케이스(300)는 배터리 모듈의 중량과 부피를 줄이는데 도움이 될 수 있다.
그런데 상기 모듈 케이스(300) 속에 억지 끼움 방식으로 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200)를 원활히 수납하기 위해서는 각 구성품들의 치수가 정확해야 한다. 그러나 상기 구성품들의 제작 과정에서 약간씩의 오차가 발생할 수 있어 항상 그 치수가 정확하게 제작하기는 쉽지 않다.
본 실시예의 버스바 프레임 조립체(200)의 받침판(250) 형상에 따르면, 위와 같이 버스바 프레임 조립체(200)와 모듈 케이스(300)의 치수에 약간의 오차 내지 조립 공차가 있는 경우는 경우에도 이들의 조립이 원활하게 가이드될 수 있다.
예컨대, 버스바 프레임 조립체(200)의 치수가 모듈 케이스(300) 속에 들어갈 수 있는 치수보다 약간 더 큰 경우라도, 도 6 내지 도 7과 같이, 모듈 케이스(300)를 상기 받침판(250)의 첨단부(251a) 근처에서 그 입구 부분을 살짝 벌려 첨단부(251a) 위에 걸쳐 놓은 다음, 좌측에서 우측으로 밀면 모듈 케이스(300)가 받침판(250)의 상면을 쉽게 탈 수 있어 조립이 원활하게 이루어질 수 있다.
이때, 모듈 케이스(300)가 더 쉽게 조립될 수 있도록 받침판(250)에는 경사구간(251b)이 더 마련될 수 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 경사구간(251b)은 받침판(250)에서 두께가 끝단 라인(251)으로 갈수록 얇아지게 마련될 수 있다. 이처럼 받침판(250)에 경사구간(251b)을 둘 경우 모듈 케이스(300)의 입구를 강제로 벌리지 않더라도 모듈 케이스(300)의 입구가 상기 경사구간(251b)을 타고 들어가면서 살짝 벌어질 수 있다.
한편, 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200) 그리고 모듈 케이스(300)를 조립한 후에는 배터리 셀(110)들의 방열 및 고정을 강화하기 위해 모듈 케이스(300) 내부에 열전도성 레진(L)을 주액하게 되는데, 이 공정에서도 버스바 프레임 조립체(200)의 받침판(250) 형상이 유용하게 작용할 수 있다.
모듈 케이스(300)는 일면에 열전도성 레진(L)을 주액할 수 있는 적어도 하나의 레진 주입홀(310)들이 형성된다. 여기서 상기 모듈 케이스(300)의 일면은 셀 적층체(100)의 하면부에 대응하는 하면일 수 있다.
구체적으로 레진 주입홀(310)들은, 도 9에 도시한 바와 같이, 모듈 케이스(300)의 하면 중 길이방향에 따른 중심 영역과 양쪽 가장자리 영역 사이에 복수 개가 위치한다. 그리고 상기 중심 영역과 양쪽 가장자리 영역에 체킹홀(320)들이 더 형성된다. 상기 체킹홀(320)들은 해당 영역까지 레진(L)이 스며들었는지 확인하기 위한 용도이다. 예컨대, 상기 체킹홀(320)에서 레진(L)이 확인되면 레진(L) 주입을 멈추도록 하여 레진(L)의 주입양을 조절한다.
이와 같은 열전도성 레진 주액 공정에서 열전도성 레진(L)을 주입시 양쪽 가장자리의 받침판(250)까지 도달한 레진(L)이, 도 10과 같이, 사선 형태인 받침판(250)의 끝단 라인(251)을 따라 셀 적층체(100)의 코너 부분까지 도달하게 유도될 수 있다는 점에서 본 실시예와 같은 받침판(250) 형상이 레진(L)을 균일하게 분포시키는데도 유리하게 작용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀(110)들의 전압 정보를 센싱하기 위한 전압 센싱유닛(400)을 더 포함할 수 있다. 도 3 및 도 11을 같이 참조하면, 상기 전압 센싱유닛(400)은, FPCB 부재(410)와 커넥터 부재(420)를 포함한다.
FPCB 부재(410)는 탑 프레임(230)과 셀 적층체(100)의 상면 사이에서 상기 셀 적층체(100)의 길이방향을 따라 연장 배치되고, 버스바들에 부착되는 센싱단자(411,412)들을 포함한다. 이러한 FPCB 부재(410)는 연성회로기판(Flexible Printed Circuit Board)으로 구현될 수 있다.
센싱단자(411,412)들은 프런트 프레임(210)에 위치한 버스바(241)들 마다에 부착되는 제1 센싱단자(411)들과 리어 프레임(220)에 위치한 버스바(241)들 마다에 부착되는 제2 센싱단자(412)들을 포함하고, 각 버스바(241)들에서의 전압 값을 센싱한다.
본 실시예의 배터리 모듈은 총 24개의 배터리 셀(110)들이 2개씩 한 묶음으로 병렬연결되고 버스바(241)들을 매개로 12 묶음의 배터리 셀(110)들이 직렬 연결되게 구성된다. 상기 버스바(241)들은 직렬 연결되어 있는 배터리 셀(110)들 사이의 노드에 해당하는 것으로 볼 수 있고 제1 및 제2 센싱단자(411,412)들은 이러한 버스바들에 부착되어 배터리 셀(110)들 사이의 노드 전압을 감지한다. 각 센싱단자(411,412)들에서 감지된 전압 데이터들은 FPCB 부재(410)와 커넥터 부재(420)를 통해서 BMS(Battery Management System)에 전송될 수 있고, BMS(미도시)는 수집된 전압 데이터들을 기초로 배터리 셀(110)들의 충방전을 제어할 수 있다.
FPCB 부재(410)에는 온도 센서(430a,b)가 더 구비될 수 있다. 일반적으로 배터리 셀(110)은 전극 리드(111)들 주변의 온도가 가장 높으므로 온도 센서(430a,b)는 셀 적층체(100)의 양쪽 가장자리에 위치할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 온도 센서(430a,b)에서 감지된 온도 데이터는 전압 데이터와 마찬가지로 상기 FPCB 부재(410)와 커넥터 부재(420)를 통해 BMS에 전송될 수 있다.
또한, 본 실시예는 상기 FPCB 부재(410)와 커넥터 부재(420)를 일체형으로 마련하여 이들이 배터리 모듈 내에서 차지하는 공간을 최소화하고 외부 커넥터(미도시)와 쉽게 연결될 수 있게 배선 구조를 효율적으로 구성하였다.
이하에서는 다시 도 1, 도 2와 도 11 내지 도 14를 같이 참조하여, 이러한 FPCB 부재(410)와 커넥터 부재(420)의 조립 및 배선 구조를 설명하기로 한다.
커넥터 부재(420)는 커넥터 하우징(421)과 커넥터 하우징(421)에서 하부 방향으로 연장되는 다수의 커넥터 핀(423)들로 구현될 수 있다. 상기 커넥터 핀(423)들을 FPCB 부재(410)에 수직으로 꽂아넣고 FPCB 부재(410) 속 도체패턴(미도시)들과 숄더링을 하여 커넥터 부재(420)를 FPCB 부재(410)의 한쪽 끝 영역에 결합한다. 이때, FPCB 부재(410)와 커넥터 부재(420) 사이에 보강판(427)을 덧대는 것이 좋다. 상기 보강판(427)은 충격이 가해졌을 때 FPCB 케이블의 찜김을 방지하고 딱딱한 커넥터 하우징(421)을 유연한 FPCB 부재(410)에 안정적으로 결합시키는데 도움이 될 수 있다.
이러한 커넥터 부재(420)는 프런트 프레임(210)에 고정되게 장착되고 모듈 커버(510,520)로 프런트 프레임(210)을 덮었을 때 커넥터 하우징(421) 속의 접속 단자가 상부 방향을 향하며 배터리 모듈의 외부로 노출된다. 예컨대, 전기 자동차와 같이 배터리 모듈들의 설치 면적이 협소하고 주변에 다른 구성품들이 존재할 경우, 커넥터의 접속 방향이 수직 방향을 향해 있는 것이 수평 방향을 향해 있는 것보다 주변의 간섭을 피할 수 있다.
또한, 커넥터 부재(420)는 배터리 모듈의 최상단보다 아래에 위치하게 배치된다.
이는 전술한 바 있듯이, 본 발명의 배터리 셀(110)은 (도 14 참조)전극 리드(111)가 편향되어 있는데서 비롯된다. 즉 전극 리드(111)들이 편향된 배터리 셀(110)들로 셀 적층체(100)를 구성함에 따라 상기 전극 리드(111)들이 부착되는 버스바들도 프런트 프레임(210)의 전면 하부 영역에 편향되게 배치될 수 있어 그만큼 프런트 프레임(210)의 전면 상부 영역에 커넥터 부재(420)를 설치할 수 있는 공간이 더 많이 확보되어 커넥터 부재(420)가 배터리 모듈의 최상단보다 낮게 위치된다.
이어서 커넥터 부재(420)와 프런트 프레임(210)의 장착 구조를 살펴본다.
프런트 프레임(210)은, 도 12에 도시한 바와 같이, 전면에서 전방 돌출 형성되어 상기 커넥터 부재(420)의 하부를 떠받히는 커넥터 안착부(253)와, 커넥터 하우징(421)과 끼움 결합되는 적어도 하나의 지지봉(254)을 더 구비할 수 있다.
다시 말하면, 상기 커넥터 안착부(253)는 프런트 프레임(210)의 전면 상부 영역에 중심부에 판상체 형태로 마련되고, 지지봉(254)은 커넥터 안착부(253)의 좌측과 우측에 각각 하나씩의 2개 마련된다.
도 13에 도시한 바와 같이, 커넥터 부재(420)는 FPCB 부재(410)와 함께 상기 커넥터 안착부(253) 위에 놓일 수 있고 2개의 지지봉(254)에 끼워져 고정될 수 있다. 그리고 FPCB 부재(410)는 커넥터 부재(420)가 결합되는 커넥터 결합부(413)를 전후로 접혀서 커넥터 안착부(253)의 하면 아래로 말려 들어간 형태로 커넥터 안착부(253)를 우회하게 배선이 정리될 수 있다.
참고로, 커넥터 하우징(421)의 양 사이드판(425)을 2개의 지지봉(254)에 끼워넣은 다음에는 상기 2개의 지지봉(254)의 선단부를 열변형시켜 커넥터 하우징(421)이 다시 빠지지 않게 할 수 있다.
이 같이, 커넥터 부재(420)는 하부가 커넥터 안착부(253)에 의해 지지되고 2개의 지지봉(254)으로 프런트 프레임(210)에 고정되게 설치될 수 있어 다른 외부 커넥터(미도시)를 수직으로 꽂을 때의 하중을 충분히 견딜 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함한다. 상기 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스(미도시), 배터리 모듈의 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 모듈은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는 위에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 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.
100: 셀 적층체 110: 배터리 셀
111: 전극 리드 200: 버스바 프레임 조립체
210: 프런트 프레임 220: 리어 프레임
230: 탑 프레임 241: 버스바
250: 받침판 251: 끝단 라인
251a: 첨단부 251b: 경사구간
253: 커넥터 안착부 254: 지지봉
300: 모듈 케이스 310: 레진 주입홀
320: 체킹홀 400: 전압 센싱유닛
410: FPCB 부재 411,412: 센싱단자
420: 커넥터 부재 421: 커넥터 하우징
423: 커넥터 핀 427: 보강판
430a,b: 온도 센서 510,520: 모듈 커버

Claims (12)

  1. 복수의 배터리 셀들이 적층되어 형성된 셀 적층체, 상기 셀 적층체의 전면부, 후면부, 상면부를 각각 커버하는 프런트 프레임, 리어 프레임, 탑 프레임으로 형성된 버스바 프레임 조립체를 구비하는 배터리 모듈로서,
    상기 프런트 프레임 및 상기 리어 프레임은 상기 셀 적층체의 하면부 양쪽 단부 영역을 떠받히는 받침판을 하단부에 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 받침판은 상기 셀 적층체의 길이 방향으로 폭이 점진적으로 줄어들어 가운데 부분이 첨예한 끝단 라인을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 받침판은 두께가 상기 끝단 라인으로 갈수록 얇아지는 경사구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프런트 프레임 및 상기 리어 프레임은 각각 상기 탑 프레임에 힌지 결합하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    사각 관 형상으로 형성되고, 억지 끼움 방식으로 상기 셀 적층체와 상기 버스바 프레임 조립체를 내부 공간에 수납할 수 있게 마련된 모듈 케이스를 더 포함하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, 일면에 열전도성 레진을 주액할 수 있는 적어도 하나의 레진 주입홀들이 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들의 전압 정보를 센싱하기 위한 전압 센싱유닛을 더 포함하고,
    상기 전압 센싱유닛은,
    상기 셀 적층체의 상면에 상기 셀 적층체의 길이방향을 따라 배치되고, 상기 프런트 프레임 및 상기 리어 프레임에 고정되는 버스바들에 부착되어 전압을 감지하는 센싱단자들을 양쪽 끝 영역에 구비한 FPCB 부재; 및
    상기 FPCB 부재에 구비되는 도체패턴들에 커넥터 핀들이 수직으로 직결됨으로써 상기 FPCB 부재와 일체로 제공되는 커넥터 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프런트 프레임은 전면에서 전방 돌출 형성되어 상기 커넥터 부재의 하부를 떠받히는 커넥터 안착부와, 상기 커넥터 부재의 적어도 일측에 끼움 결합되는 적어도 하나의 지지봉을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은, 전극 리드가 상기 배터리 셀의 길이 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장되는 한 쌍의 전극 리드를 갖는 파우치형 이차전지이며,
    상기 한 쌍의 전극 리드는,
    상기 셀 적층체의 높이 방향 중심부로부터 아래쪽으로 편향된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극 리드의 편향으로 인해 상기 프런트 프레임의 전면 상부 영역에 형성되는 공간에 상기 커넥터 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 전기자동차.
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