KR20210010345A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 모듈 프레임은 상부가 개방된 제1 모듈 프레임 및 하부가 개방된 제2 모듈 프레임을 포함하며, 상기 제1 모듈 프레임은 제1 측면부, 제2 측면부 및 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하는 바닥부를 포함하고, 상기 제2 모듈 프레임은 제3 측면부, 제4 측면부 및 상기 제3 측면부와 상기 제4 측면부를 연결하는 천장부를 포함하며, 상기 제1 측면부와 상기 제3 측면부가 겹쳐지고, 상기 제2 측면부와 상기 제4 측면부가 겹쳐진 채, 상기 제1 모듈 프레임과 상기 제2 모듈 프레임이 상기 전지셀 적층체를 감싼다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 불필요한 중량 증가 없이 측면 방향에 대한 강성을 확보할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 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 1대 당 1개 내지 3개의 전지 셀들이 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, 전지셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지셀의 적층체를 내부 공간에 수납하는 프레임 부재를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 모노 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 분해 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 여유 공간(clearance)을 확보해야 한다. 여기서, 여유 공간(clearance)이란 끼워 맞춤 등에 의해 발생하는 틈을 말한다. 여유 공간이 작은 경우에 수평 조립 과정에서 부품 손상이 일어날 수 있다.
이 때, 전지셀 적층체(12)의 최대 높이 및 삽입 과정에서의 조립 공차(tolerance) 등을 고려하여 모노 프레임(20)의 높이는 크게 설계되어야 하며, 그로 인해 불필요하게 낭비되는 공간이 발생할 수 있다.
한편, 복수의 전지셀(11)이 반복적으로 충, 방전되는 과정에서, 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(11)이 부풀어오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 높은 집적도로 적층되는 복수의 전지셀(11)이 부풀어오르게 되면, 이를 견디기 위해 모노 프레임(20)이 두께가 두꺼워져야 한다. 다만, 모노 프레임(20)의 두께를 증가시킬 경우, 스웰링 현상에 대한 강성과 무관한 상면 및 하면의 두께도 증가하게 되므로, 전지 모듈의 중량이 불필요하게 증가하게 된다.
뿐만 아니라, 전지셀 적층체(12)와 모노 프레임(20) 사이에 열전도성 수지층(미도시)을 형성할 수 있다. 열전도성 수지층은 전지셀 적층체로부터 발생한 열을 전지 모듈 바깥으로 전달하고, 전지셀 적층체를 전지 모듈 내에 고정하는 역할을 할 수 있다. 전지 모듈 내 공간이 커지게 되면 열전도성 수지층의 사용량이 필요 이상으로 많아질 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공간 활용률을 향상시키고, 불필요한 중량 증가 없이 측면 방향에 대한 강성을 확보할 수 있으며, 열전도성 수지의 사용량을 최소화하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 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 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 모듈 프레임은 상부가 개방된 제1 모듈 프레임 및 하부가 개방된 제2 모듈 프레임을 포함하며, 상기 제1 모듈 프레임은 제1 측면부, 제2 측면부 및 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하는 바닥부를 포함하고, 상기 제2 모듈 프레임은 제3 측면부, 제4 측면부 및 상기 제3 측면부와 상기 제4 측면부를 연결하는 천장부를 포함하며, 상기 제1 측면부와 상기 제3 측면부가 겹쳐지고, 상기 제2 측면부와 상기 제4 측면부가 겹쳐진 채, 상기 제1 모듈 프레임과 상기 제2 모듈 프레임이 상기 전지셀 적층체를 감싼다.
상기 제1 모듈 프레임의 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부가 상기 제2 모듈 프레임의 상부 모서리들까지 연장되고, 상기 제2 모듈 프레임의 상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부가 상기 제1 모듈 프레임의 하부 모서리들까지 연장될 수 있다.
상기 복수의 전지셀은 상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부, 상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부와 평행하도록 직립 또는 도립 형태로 적층될 수 있다.
상기 제1 측면부는, 상기 제3 측면부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하고, 상기 제2 측면부는, 상기 제4 측면부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치할 수 있다.
상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부 각각의 단부는 상기 제1 모듈 프레임의 하부 모서리들과 용접 결합되어 결합부를 형성할 수 있다.
상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부 중 적어도 하나는, 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부보다 연장되어, 내측 방향으로 절곡된 절곡부를 포함할 수 있다.
상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부 중 적어도 하나는, 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부보다 연장되어, 외측 방향으로 절곡된 마운팅부를 포함할 수 있다.
상기 마운팅부가 상기 제1 모듈 프레임의 하부 모서리와 인접하여 위치할 수 있다.
상기 마운팅부에 하나 이상의 관통구가 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 제1 측면부와 상기 제3 측면부 사이 및 상기 제2 측면부와 상기 제4 측면부 사이 중 적어도 하나에 위치하는 접착 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 제1 측면부와 상기 제3 측면부 사이 및 상기 제2 측면부와 상기 제4 측면부 사이 중 적어도 하나에 위치하는 강성 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 강성 부재는 플라스틱 부재 및 금속 판재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 모듈 프레임은 상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부 및 상기 바닥부가 일체화된 금속 판재이고, 상기 제2 모듈 프레임은 상기 제3 측면부, 상기 제4 측면부 및 상기 천장부가 일체화된 금속 판재일 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 바닥부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 양 측면이 상면 및 하면보다 두꺼울 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 모듈 프레임을 상, 하로 배치함으로써, 전지셀 적층체와 프레임 사이의 여유공간을 줄여 공간 활용률을 향상시킬 뿐만 아니라 불필요한 중량 증가 없이 측면 방향에 대한 강성을 확보할 수 있다.
또한, 전지셀 적층체와 프레임 사이의 공간 활용성을 향상시키면서 열전도성 수지의 도포량을 최소화할 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 모듈을 구성하는 구성 요소들을 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 제1 모듈 프레임와 제2 모듈 프레임의 용접 결합을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은, 제1 모듈 프레임와 제2 모듈 프레임의 접착 부재를 통한 결합을 설명하기 위한 전지 모듈의 단면도이다.
도 7 및 도 8은, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 제1 모듈 프레임과 제2 모듈 프레임을 설명하기 위한 사시도이다.
도 9 및 도 10은, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 제1 모듈 프레임과 제2 모듈 프레임을 설명하기 위한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 강성 부재를 설명하기 위한 전지 모듈의 단면도이다.
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 모듈(100)을 나타내는 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈(100)을 구성하는 구성 요소들을 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120) 및 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(200)을 포함한다.
모듈 프레임(200)은 상부가 개방된 제1 모듈 프레임(300) 및 하부가 개방된 제2 모듈 프레임(400)을 포함한다. 또한, 제1 모듈 프레임(300)과 제2 모듈 프레임(400) 모두 전면 및 후면이 개방되고, 개방된 전면 및 후면에는 엔드 플레이트(150)가 위치하며, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(150) 사이에는 버스바 프레임(130)이 위치한다.
구체적으로, 제1 모듈 프레임(300)은 제1 측면부(311), 제2 측면부(312) 및 바닥부(330)를 포함하며, 제1 측면부(311)와 제2 측면부(312)는 서로 나란하고, 바닥부(330)는 제1 측면부(311)와 제2 측면부(312)를 연결한다. 즉, 제1 모듈 프레임(300)은, 전지셀 적층체(120)의 양 측면과 하면을 연속적으로 감싸도록 절곡된 판상형 구조로써, 제1 측면부(311), 제2 측면부(312) 및 바닥부(330)가 일체화된 금속 판재일 수 있다. 또한, 제1 모듈 프레임(300)은 yz평면을 따라 자른 단면상 모습이 U자형을 띄는 U자형 프레임일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 모듈 프레임(400)은, 제3 측면부(411), 제4 측면부(412) 및 천장부(430)를 포함하며, 제3 측면부(411)와 제4 측면부(412)는 서로 나란하고, 천장부(430)는 제3 측면부(411)와 제4 측면부(412)를 연결한다. 즉, 제2 모듈 프레임(400)은, 전지셀 적층체(120)의 양 측면과 상면을 연속적으로 감싸도록 절곡된 판상형 구조로써, 제3 측면부(411), 제4 측면부(412) 및 천장부(430)가 일체화된 금속 판재일 수 있다. 또한, 제2 모듈 프레임(400)은 yz평면을 따라 자른 단면상 모습이 U자형을 띄는 U자형 프레임일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 모듈 프레임(300)과 제2 모듈 프레임(400)은, 제1 측면부(311)와 제3 측면부(411)가 겹쳐지고, 제2 측면부(312)와 제4 측면부(412)가 겹쳐진 채, 전지셀 적층체(120)의 상면, 하면 및 양 측면을 감싼다. 이 부분에 대해서는 이하에서 도 4와 함께 다시 설명하도록 한다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 4를 참고하면, 제1 측면부(311)와 제3 측면부(411)가 겹쳐지고, 제2 측면부(312)와 제4 측면부(412)가 겹쳐진 채, 전지셀 적층체(120)가 제1 모듈 프레임(300)과 제2 모듈 프레임(400) 사이에 수용되어 있다.
전지셀 적층체(120)를 구성하는 복수의 전지셀(110) 각각은 제1 모듈 프레임(300)의 제1 및 제2 측면부(311, 312) 및 제2 모듈 프레임(400)의 제3 및 제4 측면부(411, 412)와 평행하도록 직립 또는 도립 형태로 적층되는 것이 바람직하다.
이 때, 전지셀(110)들은 충, 방전 과정이 반복되면, 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 그 외형이 부풀어오르는 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 특히, 전지셀(110)들의 적층 방향을 고려했을 때, 주로 도 4의 화살표 방향(Y축 방향과 그 반대방향)으로 부풀어오를 수 있으며, 전지셀(110)의 개수가 증가할수록 스웰링 현상으로 인한 내압의 크기가 증가한다.
이러한 스웰링 현상을 견디기 위해, 전지셀 적층체를 감싸는 프레임이 일정 이상의 강성을 지녀야 하고, 그러기 위해서는 어느 정도 그 두께가 두꺼워질 필요가 있다. 도 1에 나타난 종래 모노 프레임(20)의 경우, 그 두께를 증가시키면 스웰링 현상에 대한 강성과 무관한 상면 및 하면의 두께도 증가하게 되므로, 전지 모듈의 중량이 불필요하게 증가하게 된다.
종래 모노 프레임(20)과 달리, 본 실시예에서의 모듈 프레임은, 제1 모듈 프레임(300)과 제2 모듈 프레임(400), 즉 2개의 모듈 프레임(300, 400)으로 형성될 수 있으며, 제1 측면부(311)와 제3 측면부(411)가 겹쳐지고, 제2 측면부(312)와 제4 측면부(412)가 겹쳐지므로, 상면 및 하면보다 양 측면이 더 두꺼운 구조를 형성할 수 있다. 즉, 전지셀(110)의 스웰링 현상을 직접적으로 제어할 수 있도록 모듈 프레임의 양 측면이 보다 두껍게 구현될 수 있으며, 이와 동시에 상면 및 하면은 상대적으로 얇게 구현되므로 전지 모듈의 부피나 무게가 불필요하게 증가되는 것을 방지할 수 있다.
중대형 디바이스의 경우, 이러한 전지 모듈이 다수 개가 모여 형성되기 때문에, 전지 모듈 각각이 불필요한 부피나 무게를 줄이는 것은, 에너지 저장 장치로서의 에너지 밀도 향상이나 전체적인 공간 효율성 증대에 큰 효과를 가져올 수 있다.
한편, 도 4를 도 2와 함께 다시 참고하면, 제1 모듈 프레임(300)은 금속 판재가 절곡된 구조로써, 제1 측면부(311)와 바닥부(330) 사이 및 제2 측면부(312)와 바닥부(330)사이 각각에 하부 모서리(320)들이 형성된다. 마찬가지로, 제2 모듈 프레임(400)도 금속 판재가 절곡된 구조로써, 제3 측면부(411)와 천장부(430) 사이 및 제4 측면부(412)와 천장부(430)사이 각각에 상부 모서리(420)들이 형성된다.
이 때, 제1 모듈 프레임(300)의 제1 측면부(311) 및 제2 측면부(312)는 제2 모듈 프레임(400)의 상부 모서리(420)들까지 연장되고, 제2 모듈 프레임(400)의 제3 측면부(411) 및 제4 측면부(412)는 제1 모듈 프레임(300)의 하부 모서리(320)들까지 연장될 수 있다.
전지셀(110)에서의 스웰링 현상이 발생할 경우, 제1 내지 제 4 측면부(311, 312, 411, 412)들뿐만 아니라, 모서리 부분에 국부적으로 변형력이 집중될 수 있고, 그로 인해 모서리 부분에 균열이 일어나는 문제가 있을 수 있다.
이에, 제1 모듈 프레임(300)의 제1 측면부(311) 및 제2 측면부(312)가 제2 모듈 프레임(400)의 상부 모서리(420)들까지 연장된 구조 및 제2 모듈 프레임(400)의 제3 측면부(411) 및 제4 측면부(412)가 제1 모듈 프레임(300)의 하부 모서리(320)들까지 연장된 구조를 형성함으로써, 모서리 부분에 가해지는 변형력을 제1 모듈 프레임(300)과 제2 모듈 프레임(400)끼리 서로 보완해줄 수 있다.
한편, 도 1의 종래 모노 프레임(20)은, 전지셀 적층체(12)를 화살표와 같이 X축 방향을 따라 수평 삽입시켰다. 수평 삽입 동안 모노 프레임(20)이 전지셀 적층체(12)의 구성 중 최대 높이에 걸리지 않아야 하는 것처럼, 삽입 시의 조립 공차를 고려해야 되기 때문에 모노 프레임(20)의 높이를 여유 있게 설계할 필요가 있었다.
이와 달리, 도 2의 모듈 프레임(200)은, 제1 모듈 프레임(300)의 개방된 상부와 제2 모듈 프레임(400)의 개방된 하부를 통해 전지셀 적층체(120)를 수직 방향(Z축과 반대 방향)을 따라서 조립할 수 있다. 따라서, 모듈 프레임(200)의 높이를 더 낮게 설정 가능하여, 더 컴팩트한 전지 모듈을 구성할 수 있다. 즉, 전지셀 적층체와 프레임 사이의 여유 공간을 줄여 공간 활용률을 높일 수 있으므로, 전지 모듈(100)의 용량 및 출력이 보다 향상될 수 있다.
한편, 도 4를 다시 참고하면, 제1 측면부(311)는 제3 측면부(411)와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있고, 제2 측면부(312)는 제4 측면부(412)와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있다.
다시 말해서, 제2 모듈 프레임(400)이, Y축 방향에 대해 제1 모듈 프레임(300)보다 더 넓은 폭을 형성하여, 전지셀 적층체(120)를 기준으로 더 외측에 위치할 수 있다.
물론, 제1 모듈 프레임(300)이 더 넓은 폭을 형성하여 전지셀 적층체(120)를 기준으로 더 외측에 위치하거나, 제1 모듈 프레임(300)과 제2 모듈 프레임(400)이 엇갈려 위치하는 구성이 가능하지만, 공정의 순서나 용이성 등을 고려할 때, 도 4와 같이 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 제2 모듈 프레임(400)이 더 †Ÿ은 폭을 형성하는 형태가 보다 바람직하다.
구체적으로, 제1 모듈 프레임(300)의 바닥부(330)에는 후술하는 열전도성 수지층(331)이 형성되고, 열전도성 수지층(331) 상에 전지셀 적층체(120)가 배치된다. 이 때, 열전도성 수지층(331)의 형성을 위해 바닥부(330)에 열전도성 수지를 도포하는 공정이나 열전도성 수지층(331) 상에 전지셀 적층체(120)를 배치하는 공정에서, 제1 모듈 프레임(300)의 제1 측면부(311) 및 제2 측면부(312)가 일종의 가이드 부재와 같은 역할을 할 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(120)가 제1 모듈 프레임(300)에 배치된 후, 제2 모듈 프레임(400)이 수직 방향(Z축과 반대 방향)으로 조립되는 것이므로, 제2 모듈 프레임(400)이 Y축 방향에 대해 제1 모듈 프레임(300)보다 더 넓은 폭을 가져, 제3 측면부(411)와 제4 측면부(412)가 각각 제1 측면부(311)와 제2 측면부(312)의 외측으로 삽입되는 것이 보다 조립을 용이하게 만들 수 있다.
도 5는, 제1 모듈 프레임와 제2 모듈 프레임의 용접 결합을 설명하기 위한 사시도로, 설명의 편의를 위해 다른 구성은 생략하고 제1 모듈 프레임(300a)과 제2 모듈 프레임(400a)만을 도시하였다.
도 5를 참고하면, 제2 모듈 프레임(400a)의 연장된 제3 측면부(411a) 및 제4 측면부(412a)의 단부와 제1 모듈 프레임(300a)의 하부 모서리(320a)들이 접촉된 상태에서 용접 등에 의해 결합될 수 있다. 즉, 제1 모듈 프레임(300a)의 하부 모서리(320a)들 각각이 그와 대응하는 제2 모듈 프레임(400a)의 제3 측면부(411a)의 단부 및 제4 측면부(412a)의 단부와 용접 등의 방법으로 결합되어 결합부(CP)가 형성될 수 있다. 도 5에서는 제4 측면부(412a)와 하부 모서리(320a)가 용접 결합되어 결합부(CP)를 형성한 것만을 자세히 도시하였으나, 제3 측면부(411a)의 연장된 단부도 상기와 같은 결합부가 형성될 수 있음은 물론이다.
도 6은, 제1 모듈 프레임와 제2 모듈 프레임의 접착 부재를 통한 결합을 설명하기 위한 전지 모듈의 단면도이다.
도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 제1 측면부(311b)와 제3 측면부(411b) 사이 및 제2 측면부(312b)와 제4 측면부(412b) 사이 중 적어도 하나에 위치하는 접착 부재(500)를 더 포함할 수 있다. 접착 부재(500)는, 제1 모듈 프레임(300b)과 제2 모듈 프레임(400b)의 체결 또는 결합을 위한 것으로, 접착 물질을 포함하는 수지 또는 접착 테이프 등을 포함할 수 있다.
접착 부재(500)를 적용하는 방법에는 제한이 없으므로, 제1 측면부(311b) 및 제2 측면부(312b)의 외측면에 접착 부재(500)를 도포하거나 접착시킨 후 제2 모듈 프레임(400b)을 조립할 수 있고, 제3 측면부(411b) 및 제4 측면부(412b)의 내측면에 접착 부재(500)를 도포하거나 접착시킨 후 제2 모듈 프레임(400b)을 조립할 수도 있다.
도 5나 도 6에서의 접합 방법은, 제1 모듈 프레임(300a, 300b)과 제2 모듈 프레임(400a, 400b)을 결합하기 위한 실시예들에 해당하며, 본 발명에서는 용접 결합이나 접합 부재 이외에, 본딩, 볼트 체결, 리벳팅 등의 방법이 제한 없이 적용될 수 있다.
한편, 도 2를 다시 참고하면, 제1 모듈 프레임(300)의 바닥부(330)에는, 열전도성 수지가 도포되어 열전도성 수지층(331)이 형성될 수 있다.
도 1의 모노 프레임(20)은, 전지셀 적층체(12)를 삽입한 후에 모노 프레임(20)의 주입구를 통해 열전도성 수지를 주입하기 때문에, 필요 이상의 열전도성 수지가 주입되는 문제가 있었다.
본 실시예에서는, 열전도성 수지를 미리 도포한 뒤, 전지셀 적층체(120)를 위치시키는 것이므로, 종래와 같은 필요 이상의 과량 주입을 방지할 수 있다.
열전도성 수지층(331)의 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 고화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 전지 모듈의 아래에 위치한 히트 싱크(도시하지 않음) 등에 신속히 전달하여 전지 모듈의 과열을 방지할 수 있다.
도 7 및 도 8은, 본 발명에서 변형된 실시예에 따른 제1 모듈 프레임(300c)과 제2 모듈 프레임(400c)을 설명하기 위한 사시도로, 설명의 편의를 위해 다른 구성은 생략하고 제1 모듈 프레임(300c)과 제2 모듈 프레임(400c)만 도시하였다.
도 7을 참고하면, 제3 측면부(411c) 및 제4 측면부(412c) 중 적어도 하나는, 제1 측면부(311c) 및 제2 측면부(312c)보다 길게 연장될 수 있으며, 연장된 부분은 내측 방향(B 방향)으로 절곡될 수 있다.
도 8은 도 7에서 연장된 부분이 내측 방향으로 절곡된 이후를 나타낸 도면으로, 도 8을 참고하면, 제3 측면부(411c) 및 제4 측면부(412c)의 연장된 부분이 절곡되어 절곡부(440)가 형성되었다.
절곡부(440)를 형성함으로써 제1 모듈 프레임(300c)과 제2 모듈 프레임(400c)간의 기계적 체결이 가능할 뿐만 아니라, 앞서 언급하였던 스웰링 현상으로 인해 제1 모듈 프레임(300c)의 하부 모서리(320c)에 가해지는 변형력을 절곡부(440)를 통해 보다 보완할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 바닥부(330c)와 절곡부(440)의 단부 사이에 용접이 더 이루어질 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명에서 변형된 실시예에 따른 제1 모듈 프레임(300d)과 제2 모듈 프레임(400d)을 설명하기 위한 사시도로, 설명의 편의를 위해 다른 구성은 생략하고 제1 모듈 프레임(300d)과 제2 모듈 프레임(400d)만 도시하였다.
도 9를 참고하면, 제3 측면부(411d) 및 제4 측면부(412d) 중 적어도 하나는, 제1 측면부(311d) 및 제2 측면부(312d)보다 길게 연장될 수 있으며, 연장된 부분은 외측 방향(C 방향)으로 절곡될 수 있다. 이 때 제3 측면부(411d) 및 제4 측면부(412d)의 연장된 부분에 하나 이상의 관통구(451)가 추가로 형성될 수 있다.
도 10은 도 9에서 연장된 부분이 외측 방향으로 절곡된 이후를 나타낸 도면으로, 도 10을 참고하면, 제3 측면부(411d) 및 제4 측면부(412d)의 연장된 부분이 절곡되어 마운팅부(450)가 형성되었다.
다수의 전지 모듈이 포함된 전지 팩을 구현함에 있어서, 전지 모듈을 팩 프레임(도시하지 않음)에 고정하기 위한 장치가 필요하다. 상기 전지 팩이 후술하는 디바이스에 적용될 때, 외부로부터의 진동이나 충격 등에 대한 안전성을 확보해야 하기 때문이다.
종래에는, 전지 모듈의 측면 모서리 4곳에 별도의 체결 구조를 형성하여 팩 프레임에 대한 고정을 실시하였으나, 본 실시예에서는, 마운팅부(450)를 형성하여 전지 모듈을 팩 프레임(도시하지 않음)에 고정할 수 있다.
특히, 도 9 및 도 10에서의 마운팅부(450)에는 복수의 관통구(451)가 형성되고, 볼트가 관통구(451)를 통해 삽입되어 팩 프레임(도시하지 않음)과 체결될 수 있다. 관통구(451)의 개수에 특별한 제한은 없으나, 견고한 고정을 위해 도 9 및 도 10에서처럼 둘 이상인 것이 바람직하다.
다만, 도 9 및 도 10에서의 관통구(451)는 마운팅부(450)를 활용한 고정 방식의 한 예를 보여주는 실시예이며, 이러한 관통구(451) 없이 접착부재나 용접을 활용하여 마운팅부(450)를 팩 프레임에 고정하는 형태도 변형 실시예로써 가능하다.
마운팅부(450)가 형성된 제2 모듈 프레임(400d)을 통해 전지셀 적층체의 스웰링을 쉽게 제어할 수 있음과 동시에 체결 구조를 따로 형성하지 않고서도 전지 모듈을 팩 프레임에 고정시킬 수 있다. 또한, 관통구를 통한 볼트 체결, 접착 부재를 통한 접착 및 용접 결합 등과 같이, 마운팅부(450)에 의해 다양한 고정 및 체결 구조가 적용될 수 있다.
아울러, 전지셀 적층체의 스웰링 제어 및 모서리 부분에 대한 변형력 저하를 위해서, 제3 측면부(411d) 및 제4 측면부(412d)가 제1 모듈 프레임(300d)의 하부 모서리(320d)들까지 연장되고, 마운팅부(450)가 하부 모서리(320d)들과 각각 인접하여 위치하는 것이 보다 바람직하다.
도 11은 강성 부재를 설명하기 위한 전지 모듈의 단면도이다.
도 11을 참고하면, 본 실시예에서의 전지 모듈은, 제1 측면부(311e)와 제3 측면부(411e) 사이 및 제2 측면부(312e)와 제4 측면부(412e) 사이 중 적어도 하나에 위치하는 강성 부재(600)를 더 포함할 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110)들이 화살표 방향(Y축 방향과 그 반대방향)으로 부풀어오르는 스웰링 현상을 대비하여, 강성 부재(600)를 상기 언급한 위치에 배치시킴으로써, 추가적인 강성 확보가 가능하다. 이를 위해, 강성 부재(600)는 플라스틱 부재 및 금속 판재 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
앞서 언급한 제1 내지 제4 측면부(311e, 312e, 411e, 412e)가 겹쳐진 구성에 더해, 전지셀 적층체(120)를 구성하는 전지셀(110)들의 개수나 스웰링 정도를 고려하여 강성 부재(600)를 추가적으로 삽입할 수 있다. 본 실시예처럼, 2개의 모듈 프레임(300e, 400e)으로 형성된 모듈 프레임은 강성 부재(600)를 추가적으로 삽입하기에 용이한 구성을 갖는다.
한편, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 필요에 따라, 제1 내지 제4 측면부(311e, 312e, 411e, 412e)들 각각과 강성 부재(600) 사이에, 접착력 확보를 위한 도 6에서의 접착 부재가 더 위치할 수 있다.
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 상기 전지 모듈을 포함하는 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
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
300: 제1 모듈 프레임
331: 열전도성 수지층
400: 제2 모듈 프레임

Claims (16)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고,
    상기 모듈 프레임은 상부가 개방된 제1 모듈 프레임 및 하부가 개방된 제2 모듈 프레임을 포함하며,
    상기 제1 모듈 프레임은 제1 측면부, 제2 측면부 및 상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하는 바닥부를 포함하고,
    상기 제2 모듈 프레임은 제3 측면부, 제4 측면부 및 상기 제3 측면부와 상기 제4 측면부를 연결하는 천장부를 포함하며,
    상기 제1 측면부와 상기 제3 측면부가 겹쳐지고, 상기 제2 측면부와 상기 제4 측면부가 겹쳐진 채, 상기 제1 모듈 프레임과 상기 제2 모듈 프레임이 상기 전지셀 적층체를 감싸는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 모듈 프레임의 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부가 상기 제2 모듈 프레임의 상부 모서리들까지 연장되고,
    상기 제2 모듈 프레임의 상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부가 상기 제1 모듈 프레임의 하부 모서리들까지 연장된 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 복수의 전지셀은 상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부, 상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부와 평행하도록 직립 또는 도립 형태로 적층된 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 측면부는, 상기 제3 측면부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하고,
    상기 제2 측면부는, 상기 제4 측면부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부 각각의 단부는 상기 제1 모듈 프레임의 하부 모서리들과 용접 결합되어 결합부를 형성하는 전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부 중 적어도 하나는, 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부보다 연장되어, 내측 방향으로 절곡된 절곡부를 포함하는 전지 모듈.
  7. 제4항에서,
    상기 제3 측면부 및 상기 제4 측면부 중 적어도 하나는, 상기 제1 측면부 및 상기 제2 측면부보다 연장되어, 외측 방향으로 절곡된 마운팅부를 포함하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 마운팅부가 상기 제1 모듈 프레임의 하부 모서리와 인접하여 위치한 전지 모듈.
  9. 제7항에서,
    상기 마운팅부에 하나 이상의 관통구가 형성된 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 측면부와 상기 제3 측면부 사이 및 상기 제2 측면부와 상기 제4 측면부 사이 중 적어도 하나에 위치하는 접착 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 측면부와 상기 제3 측면부 사이 및 상기 제2 측면부와 상기 제4 측면부 사이 중 적어도 하나에 위치하는 강성 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  12. 제11항에서,
    상기 강성 부재는 플라스틱 부재 및 금속 판재 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  13. 제1항에서,
    상기 제1 모듈 프레임은 상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부 및 상기 바닥부가 일체화된 금속 판재이고,
    상기 제2 모듈 프레임은 상기 제3 측면부, 상기 제4 측면부 및 상기 천장부가 일체화된 금속 판재인 전지 모듈.
  14. 제1항에서,
    상기 바닥부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함하는 전지 모듈.
  15. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은, 양 측면이 상면 및 하면보다 두꺼운 전지 모듈.
  16. 제1항에 따른 전지 모듈을 하나 이상 포함하는 전지 팩.
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