KR20210049473A - 전지 모듈 및 이을 포함하는 전지 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 조립체, 상기 전지 셀 조립체를 수납하고, 상기 전지 셀 조립체의 4면을 덮는 4개의 면으로 이루어지는 사각 관 형상의 모노 프레임을 포함하고, 상기 모노 프레임은 금속 재료로 이루어지며 상기 모노 프레임의 금속 재료의 내측면 상에는 절연 코팅이 존재하지 않는다.

Description

전지 모듈 및 이을 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}

본 발명은 전지 모듈 및 이을 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전지 모듈 내부의 공간을 보다 효율적으로 사용하면서도, 열저항을 감소시키고, 내부 절연 불량 검출력을 향상시킨 전지 모듈 및 이를 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 조립체를 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.

복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 개수, 또는 전지 모듈에 포함되는 전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

한편, 전지 모듈의 설계시, 모듈 내부의 제한된 공간 내에서 불필요한 부분이 차지하는 부분이 커질수록 단가 상승 및 에너지 밀도가 저하한다는 문제가 있다. 또한, 안전성 등을 위해 절연을 위한 구성이 과도하게 많아질 경우, 오히려 내부 절연 불량을 검출하기 더 어려워 진다는 등의 문제가 발생한다.

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 전지 모듈 내부의 공간을 보다 효율적으로 사용하면서도, 열저항을 감소시키고, 내부 절연 불량 검출력을 향상시킨 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩의 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 전지 셀 조립체, 상기 전지 셀 조립체를 수납하고, 상기 전지 셀 조립체의 4면을 덮는 4개의 면으로 이루어지는 사각 관 형상의 모노 프레임을 포함하고, 상기 모노 프레임은 금속 재료로 이루어지며 상기 모노 프레임의 금속 재료의 내측면 상에는 절연 코팅이 존재하지 않는다.

상기 전지 셀 조립체의 하부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 방열 수지층을 더욱 포함하고, 상기 모노 프레임의 금속 재료는 상기 방열 수지층과 직접 접촉할 수 있다.

상기 전지 셀 조립체의 측부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 적어도 하나의 팽창 제어 패드를 더욱 포함하고, 상기 모노 프레임의 금속 재료는 상기 팽창 제어 패드와 직접 접촉할 수 있다.

상기 금속 재료는 스틸 및 알루미늄으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

상기 금속 재료의 두께는 1.5mm 내지 3mm일 수 있다.

상기 전지 셀 조립체의 하부에 대응하는 상기 모노 프레임의 일면은, 상기 전지 셀 조립체의 하부 형상에 대응하는 형상을 갖는 복수의 홈부를 포함할 수 있다.

상기 모노 프레임은 전면과 후면이 개방된 형태이고, 상기 전면 및 후면에 각각 결합되는 엔드 플레이트를 더욱 포함하고, 상기 모노 프레임과 상기 엔드 플레이트는 용접에 의해 결합될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은, 상기한 적어도 하나의 전지 모듈, 및 상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기한 적어도 하나의 전지 팩을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 모노 프레임의 내측면으로부터 절연 코팅을 제거하는 것에 의해, 전지 모듈 내부의 공간을 보다 효율적으로 사용하면서도, 열 저항을 감소시키고, 내부 절연 불량 검출력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A'에 따른 단면을 도시한 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 사시도이고, 도 2는 도 1의 전지 모듈(100)에 대한 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 A-A'에 따른 단면을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 조립체(400), 전지 셀 조립체(400)를 수납하는 모노 프레임(200) 및 전지 셀 조립체(400)의 길이 방향의 양단에 위치하며, 모노 프레임(200)의 개구에 결합하는 엔드 플레이트(300)를 포함한다.

전지 셀 조립체(400)는 복수의 전지 셀(112)을 포함하는 이차 전지의 집합체이다. 전지 셀 조립체(400)는 복수의 전지 셀(112)을 포함할 수 있고, 각각의 전지 셀은 전극 리드(114)를 포함한다. 전지 셀(112)은 판상 형태를 갖는 파우치형 전지 셀일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전지 셀(112)은 외측에 절연성의 파우치로 형성되어 있기 때문에, 전지 셀 조립체(400)를 형성한 상태에서 전지 셀 조립체(400)의 외주면이 절연성을 갖기 때문에, 후술하는 바와 같이 모노 프레임(200)의 내측의 절연 코팅을 제거하여도 절연 성능 등은 확보할 수 있다. 전극 리드(114)는 양극 리드 또는 음극 리드이며, 각 전지 셀(112)의 전극 리드(114)는 단부가 한쪽 방향으로 구부러질 수 있고, 이에 의해 인접한 다른 전지 셀(112)이 갖는 전극 리드의 단부와 맞닿을 수 있다. 서로 맞닿은 2개의 전극 리드(114)는 서로 용접 등을 통해 고정될 수 있고, 이를 통해 전지 셀 조립체(400) 내부의 전지 셀(112) 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다.

또한, 전지 셀 조립체(400)와 함께 모노 프레임(200)에 수납되는 버스 바 프레임(500)이 마련될 수 있다. 버스 바 프레임(500)은 셀 조립체(400)의 상부에 위치한 상부 프레임(510), 전지 셀 조립체(400)의 전면에 위치한 전면 프레임(520) 및 전지 셀 조립체(400)의 후면에 위치한 후면 프레임(530)을 포함할 수 있으며, 전지 셀 조립체(400)를 구성하는 전지 셀들의 전극 리드(114)와 연결된 버스 바(540)가 전면 프레임(520) 및 후면 프레임(530)에 탑재될 수 있다.

복수의 전지 셀(112)은 전극 리드(114)들이 일측 방향으로 정렬되도록 수직 적층되어 전지 셀 조립체(400)를 이룬다. 전지 셀 조립체(400)는 전지 셀 조립체(400)의 길이 방향으로 개방된 적어도 하나의 개구를 가지는 모노 프레임(120)에 수납된다. 이 때, 전극 리드(114)들은 상기 개구를 통해 모노 프레임(200)의 외측으로 인출되고, 인출된 전극 리드(114)는 버스 바 프레임(500)의 전면 프레임(520) 및 후면 프레임(530)에 각각 결합하여, 여기에 탑재된 버스 바(540)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 버스 바 프레임(500)은 절연성 소재, 예를 들면 비전도성 합성 수지로 이루어지고, 버스 바(540)는 전도성의 금속 재료로 이루어질 수 있다.

전지 모듈(100)은 전지 셀 조립체(400)의 상부에서 모노 프레임(200)의 길이 방향으로 연장되고 장착되어 전지 셀(112)을 센싱하도록 구성된 연성 인쇄 회로 기판 (Flexible Printed Circuit Board, FPCB)(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 아울러 전지 모듈(100)은 각종 전장 부품들을 포함할 수 있으며, 일례로 ICB (Internal Circuit Board) 및 BMS (Battery Management System) 등을 포함할 수 있다. 상기 ICB 및 BMS 보드 등의 전장 부품들은 복수 개의 전지 셀들(112)과 전기적으로 연결될 수 있다.

전지 모듈(100)은 전지 셀 조립체(400)의 하면과 모노 프레임(200) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(700)을 더욱 포함할 수 있다. 열전도성 수지층(700)은 열전도성 수지가 주입되어 형성된 것으로, 전지 셀 조립체(400)로부터 발생한 열을 전지 모듈(100)의 바닥으로 전달하는 역할과 함께 셀 조립체(400)를 전지 모듈(100) 내에서 고정하는 역할을 수행할 수 있다.

한편, 전지 셀 조립체(400)의 측면에는 팽창 제어 패드(800)이 구비되어 모노 프레임(200)에 함께 수납될 수 있다.

본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 모노 프레임(200)은 금속 재료로 이루어지며, 이러한 금속 재료의 내측면 상에는 절연 코팅이 존재하지 않는다.

따라서, 모노 프레임(200)의 금속 재료는, 전지 셀 조립체(400)의 하부와, 모노 프레임(200) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(700)과 직접 접촉하게 된다. 이 경우, 전지 셀 조립체(400)의 하부에 대응하는 모노 프레임(200)의 하면(220)은, 열전도성 수지층(700)과 직접 접촉하게 되므로, 전지 셀 조립체(400)로부터 발생한 열이, 열전도성 수지층(700)으로 전달된 후, 이에 접촉한 모노 프레임(200)의 하면(220)에 보다 효율적으로 전달할 수 있게 된다. 또한, 모노 프레임(200)의 하면(220)이, 열전도성이 우수한 금속 재료로만 이루어지기 때문에 외부로의 열 방출 역시 보다 효율적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 전지 모듈(100)의 열 저항이 우수해진다.

본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서는 모노 프레임(200)의 금속 재료의 내측면 상에 위치한 절연 코팅을 제거하였기 때문에, 절연 코팅이 차지하는 만큼 모노 프레임(200) 내부의 공간을 더욱 확보할 수 있고 무게도 줄일 수 있기 때문에 에너지 밀도를 더욱 높일 수 있고, 공정 면에서도 절연 코팅 공정을 생략할 수 있으므로 공정 및 단가 효율을 높일 수 있다. 아울러, 절연 코팅이 존재할 경우, 모듈 내부에서 절연 불량이 발생하더라도, 외부에서의 검출이 어려워질 수 있으나, 절연 코팅을 제거하는 것에 의해, 전지 모듈(100) 내부에서 발생하는 절연 불량에 대한 검출력을 향상시킬 수 있다.

한편, 전지 셀 조립체(400)의 측부와, 모노 프레임(200) 사이에는 팽창 제어 패드(800)가 형성되고, 따라서 모노 프레임(200)의 금속 재료는, 팽창 제어 패드(800)와 직접 접촉하게 된다. 이 경우, 전지 셀 조립체(400)의 측부에 대응하는 모노 프레임(200)의 측면(210)은, 팽창 제어 패드(800)와 직접 접촉하게 되므로, 전지 셀 조립체(400)의 팽창시 그 영향을 보다 효율적으로 억제할 수 있다. 또한, 팽창 제어 패드(800)가 존재하기 때문에, 모노 프레임(200)의 금속 재료의 내측면 상에 위치한 절연 코팅을 제거하더라도, 절연 성능에 문제가 발생하지 않을 수 있다. 이러한 팽창 제어 패드(800)로는 폴리우레탄(PU) 또는 EDPM(Ethlene PropyleneDiene Monomer) 등과 같은 소프트한 탄성 재료를 포함하는 소재를 포함할 수 있다. 이를 소재는 진동에 대한 흡수성 및 압축에 의한 반발력이 우수하기 때문에, 복수의 전지 셀(112)에 셀 스웰링 현상이 발생하더라도 우수한 치수 안정성을 갖는 전지 모듈(100)을 제공할 수 있도록 가이드할 수 있다. 또한, 팽창 제어 패드(800)는 전지 셀 조립체(400)와 모노 프레임(200) 사이뿐만 아니라, 전지 셀(112)들 사이에도 위치할 수 있다.

모노 프레임(200)의 금속 재료는 스틸 및 알루미늄으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 또한 금속 재료의 두께는 1.5mm 내지 3.0mm일 수 있다. 금속 재료의 두께가 1.5mm 미만일 경우, 전지 모듈(100)의 강성이 취약해질 수 있고, 3.0mm 초과일 경우, 전지 모듈(100) 전체의 무게가 증가하여 바람직하지 않다.

또한, 모노 프레임(200)의 하면(220)에는, 전지 셀 조립체(400)의 하부 형상에 대응하는 형상을 갖는 복수의 홈부(221)를 포함할 수 있다. 이와 같이 형성하는 것에 의해, 전지 셀 조립체(400)를 보다 안정적으로 지지할 수 있다.

본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 모노 프레임(200)은 전면과 후면이 개방된 형태이고, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 전면 및 후면의 개방된 부분에는, 각각 엔드 플레이트(300)를 포함한다. 엔드 플레이트(300)는 내부의 전지 셀 적층체(400) 및 버스바 프레임(500) 등의 부품을 보호할 수 있는 강성을 갖도록, 금속 재료로 형성될 수 있다. 금속 재료로 형성된 엔드 플레이트(300)는, 역시 금속 재료로 형성된 모노 프레임(200)에 용접에 의해 결합될 수 있다. 이 때, 모노 프레임(200)에는 절연 코팅이 형성되어 있지 않기 때문에, 엔드 플레이트(300)와의 결합에 있어서, 용접 위치의 제약 없이 보다 안정적으로 용접에 의해 결합할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 모노 프레임(200)을 이루는 금속 재료 내측면에 절연 코팅을 형성하지 않는 것에 의해, 전지 모듈(100) 내부 공간을 넓히고, 무게를 감소시킬 수 있는바, 에너지 효율이 향상되고, 금속 재료의 모노 프레임(200)이 열전도성 수지층(700)과 직접 접촉함으로써 열 저항을 감소시키면서도, 내부 절연 불량 검출력을 향상시킨 전지 모듈을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다.

앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 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 전지 팩을 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
200: 모노 프레임
300: 엔드 플레이트
400: 전지 셀 적층체
700: 열전도성 수지층
800: 팽창 제어 패드

Claims (10)

1. 하나 이상의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 조립체; 및
   상기 전지 셀 조립체를 수납하고 상기 전지 셀 조립체의 4면을 덮는 4개의 면으로 이루어지는 사각 관 형상의 모노 프레임을 포함하고,
   상기 모노 프레임은 금속 재료로 이루어지며 상기 모노 프레임의 금속 재료의 내측면 상에는 절연 코팅이 존재하지 않는 전지 모듈.
2. 제1항에서,
   상기 전지 셀 조립체의 하부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 더욱 포함하고, 상기 모노 프레임의 금속 재료는 상기 열전도성 수지층과 직접 접촉하는 전지 모듈.
3. 제1항에서,
   상기 전지 셀 조립체의 측부와 상기 모노 프레임 사이에 위치하는 적어도 하나의 팽창 제어 패드를 더욱 포함하고, 상기 모노 프레임의 금속 재료는 상기 팽창 제어 패드와 직접 접촉하는 전지 모듈.
4. 제1항에서,
   상기 금속 재료는 스틸 및 알루미늄으로부터 선택되는 하나 이상인 전지 모듈.
5. 제1항에서,
   상기 금속 재료의 두께는 1.5mm 내지 3mm인 전지 모듈.
6. 제3항에서,
   상기 하나 이상의 전지 셀 사이에 위치하는 추가의 팽창 제어 패드를 더욱 포함하는전지 모듈.
7. 제6항에서,
   상기 전지 셀 조립체의 하부에 대응하는 상기 모노 프레임의 일면은, 상기 전지 셀 조립체의 하부 형상에 대응하는 형상을 갖는 복수의 홈부를 포함하는 전지 모듈.
8. 제1항에서,
   상기 모노 프레임은 전면과 후면이 개방된 형태이고,
   상기 전면 및 후면에 각각 결합되는 엔드 플레이트를 더욱 포함하고,
   상기 모노 프레임과 상기 엔드 플레이트는 용접에 의해 결합하는 전지 모듈.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전지 모듈; 및
   상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스
   를 포함하는 전지 팩.
10. 제9항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스.

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