KR20210064843A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체와 연결되는 버스 바 프레임, 및 상기 전지 셀 적층체를 수용하고, 서로 대응하는 상부면과 하부면을 갖는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 버스 바 프레임은 상기 전지 셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향에 수직하게 배치되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 하부로부터 상기 모듈 프레임의 하부면과 상기 전지 셀 적층체 사이로 연장된 L자형 돌출부를 포함하며, 상기 L자형 돌출부에는 오목부와 볼록부를 포함하는 요철 패턴이 형성되어 있고, 상기 볼록부는 서로 이웃하는 상기 전지 셀들 사이의 공간에 대응한다.

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 조립성을 향상시키는 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 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지 셀을 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 전지 셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지 셀 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 전지 셀이 적층되어 형성된 전지 셀 적층체(10), 전지 셀 적층체(10)의 상측을 커버하는 상부 프레임(20), 상부 프레임(20)의 양단과 힌지 결합하여 전지 셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 버스 바 프레임(30), 상부 프레임(20)과 버스 바 프레임(30)이 결합된 전지 셀 적층체(10)를 수용하는 모듈 프레임(40), 버스 바 프레임(30)을 커버하는 엔드 플레이트(50)를 포함한다. 전지 셀 적층체(10)의 상측게 상부 프레임(20)이 위치하고, 상부 프레임(20) 양단의 힌지 회전을 통해 버스 바 프레임(30)이 전지 셀 적층체(10)의 전후면에 장착될 수 있다.
전지 셀 적층체(10)의 전후면에 장착된 버스 바 프레임(30)에는, 전지 셀 적층체(10)의 복수의 전지 셀로부터 돌출 형성된 전극 리드(11)들이 용접을 통해 버스 바 프레임(30) 상에 배치된 버스 바(31) 면에 결합된다. 이때 전극 리드(11)들의 용접을 위해 용접 지그로 전극 리드(11)들에 압력을 가하게 된다.
이러한 전지 모듈을 형성하기 위해, 도 1에 도시한 화살표와 같이 X축 방향을 따라 모듈 프레임(40)의 개방된 전면 또는 후면으로 전지 셀 적층체(10)가 삽입되도록 수평 조립이 필요하다. 다만, 이러한 수평 조립이 안정적으로 될 수 있도록 전지 셀 적층체(10)와 모듈 프레임(40) 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, 모듈 프레임(40)의 높이는 전지 셀 적층체(10)의 최대 높이와 삽입 과정에서의 조립 공차 등을 고려해 크게 설계되어야 하며, 그로 인해 불필요하게 낭비되는 공간이 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 조립 이후에 전지 모듈 내에서 조립성이 안정적이지 못할 경우 전지 모듈 내에 위치하는 구성품들이 유동할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 조립성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 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 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체와 연결되는 버스 바 프레임, 및 상기 전지 셀 적층체를 수용하고, 서로 대응하는 상부면과 하부면을 갖는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 버스 바 프레임은 상기 전지 셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향에 수직하게 배치되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 하부로부터 상기 모듈 프레임의 하부면과 상기 전지 셀 적층체 사이로 연장된 L자형 돌출부를 포함하며, 상기 L자형 돌출부에는 오목부와 볼록부를 포함하는 요철 패턴이 형성되어 있고, 상기 볼록부는 서로 이웃하는 상기 전지 셀들 사이의 공간에 대응한다.
상기 L자형 돌출부와 맞닿는 상기 모듈 프레임의 하부면에 돌기가 형성되어 있고, 상기 돌기는 상기 요철 패턴의 상기 오목부에 삽입될 수 있다.
상기 요철 패턴은 상기 전지 셀의 적층 방향을 따라 형성될 수 있다.
상기 L자형 돌출부의 길이는 중심부로 갈수록 길어질 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지 셀 적층체에 포함된 전지 셀들 중에서 서로 이웃하는 전지 셀들 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 L자형 돌출부의 볼록부는 복수개 형성되며, 상기 복수의 볼록부 중 적어도 2개의 볼록부는 서로 다른 폭을 가질 수 있다.
상기 서로 다른 폭을 갖는 볼록부 중에서 폭이 더 큰 볼록부는 상기 압축 패드에 대응할 수 있다.
상기 돌기는 복수개 형성되며, 상기 복수의 돌기 중 적어도 2개의 돌기는 서로 다른 폭을 가질 수 있다.
상기 서로 다른 폭을 갖는 돌기 중에서 폭이 더 큰 돌기는 상기 압축 패드에 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 버스 바 프레임 L형상 구조에 물결 무늬 형상을 추가하여 셀 블록이 모듈 프레임에 삽입된 이후, 전지 모듈 폭 방향으로 유동을 방지할 수 있다.
또한, 버스 바 프레임의 물결 무늬에 대응하도록 모듈 프레임 역시 물결 무늬를 가짐으로써, 전지 모듈 폭 방향의 유동 방지 효과를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 모노 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 2의 A-A'를 따라 자른 단면도 중에서 전지 모듈의 하단부 일부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 5의 전지 모듈에서 버스 바 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 5의 B-B'를 따라 자른 단면도 중에서 전지 모듈의 하단부 일부를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 비교예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈을 나타내는 평면도이다. 도 4는 도 2의 A-A'를 따라 자른 단면도 중에서 전지 모듈의 하단부 일부를 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 비교예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체(10), 및 전지 셀 적층체(10)를 수용하고, 서로 대응하는 하부면(40a)과 상부면을 갖는 모듈 프레임(40)을 포함한다. 전지 셀 적층체(10)의 일측에 버스 바 프레임(30)이 결합되어 있고, 버스 바 프레임(30) 상에서 버스 바(31)와 전극 리드(11)가 용접 결합될 수 있다. 버스 바 프레임(30)은 전극 리드(11)가 돌출된 방향인 x축 방향에 수직하게 배치되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 하부에서 연장된 L자형 돌출부(30L)를 포함할 수 있다. 이때, L자형 돌출부(30L)는 평탄한 표면을 가질 수 있다.
전지 모듈을 제조할 때, 전지 셀 적층체(10)와 버스 바 프레임(30)이 결합된 셀 블록이 모듈 프레임(40)에 수평 방향으로 삽입될 수 있다. 다시 말해, 도 2의 x축 방향을 따라 상기 셀 블록이 모듈 프레임(40) 내부로 삽입되어 조립될 수 있는데, 조립 이후의 제조 공정이 진행되는 과정에서 전지 모듈의 폭 방향인 y축 방향으로 치수가 틀어질 수 있다. 구체적으로, 도 4를 참고하면, 전지 셀 적층체(10)에 포함된 전지 셀의 적층 방향인 y축 방향을 따라 전지 모듈이 움직일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈을 나타내는 평면도이다. 도 7은 도 5의 전지 모듈에서 버스 바 프레임을 나타내는 사시도이다. 도 8은 도 5의 B-B'를 따라 자른 단면도 중에서 전지 모듈의 하단부 일부를 나타내는 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체(120), 및 전지 셀 적층체(120)를 수용하고, 서로 대응하는 하부면(400a)과 상부면을 갖는 모듈 프레임(400)을 포함하고, 모듈 프레임(400)의 하부면(400a)에는 열전도성 수지를 주입하기 위한 주액 홀(미도시) 및/또는 체킹 홀(미도시)이 형성된다. 전지 셀 적층체(120)의 일측에 버스 바 프레임(150)이 결합되어 있고, 버스 바 프레임(150) 상에서 버스 바(310)와 전극 리드(210)가 용접 결합될 수 있다. 전극 리드(210)는 전지 셀 적층체(120)로부터 x축 방향을 따라 돌출되어 나올 수 있고, 버스 바(310) 상에서 꺾인 후에 버스 바(310) 표면 상에 밀착될 수 있다. 이후 용접 지그 등의 장치를 사용하여 전극 리드(210)가 버스 바(310)에 용접되어 전기적으로 버스 바(310)와 연결될 수 있다.
버스 바 프레임(150)은 L자형으로 형성되며, 모듈 프레임(400)의 하부면(400a)과 전지 셀 적층체(120) 사이에 L자형 돌출부(150L)가 형성된다. L자형 돌출부(150L)의 길이는 중심부로 갈수록 길어질 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이 셀 블록이 삽입되는 방향인 x축 방향에 따른 길이는 가운데에서 가장 길 수 있으며, 이와 같은 V자 형상으로 인해 상기 셀 블록을 모듈 프레임(400)에 삽입 시 조립성을 향상시킬 수 있다. 이것은 V자 형상의 뾰족한 부분부터 모듈 프레임(400)에 삽입되므로 삽입 과정에서 버스 바 프레임(150)의 파손이 줄어들 수 있다. 이에 대비하여, 상기 셀 블록이 삽입되는 방향에 따른 L자형 돌출부(150L)의 길이가 모두 동일한 구조에서는, 상기 셀 블록이 모듈 프레임(400)에 삽입될 때, L자형 돌출부(150L)의 y축 방향으로의 양쪽 끝이 모듈 프레임(400)에 걸릴 가능성이 높아지므로 V자 형상에 비해 조립성이 떨어진다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(400)은 전지 셀 적층체(120)의 전면과 후면을 제외한 나머지 외면들을 둘러싸고 있고, 전지 셀 적층체(120)의 전면과 후면에 각각 도 1에서 설명한 엔드 플레이트(50)에 대응하는 구성 요소인 엔드 플레이트(미도시)가 위치하며, 전지 셀 적층체(120)와 상기 엔드 플레이트 사이에 버스 바 프레임(150)이 위치한다. 전지 셀 적층체(120)의 전면과 후면을 제외한 나머지 외면들은 전지 셀 적층체(120)의 상하좌우면일 수 있다. 모듈 프레임(400)의 상부면 및 하부면(400a)은 전지 셀 적층체(120)의 적층 방향과 수직한 방향을 따라 서로 마주볼 수 있다. 전지 셀 적층체(120)의 적층 방향은 도 5의 y축 방향이고, 이에 수직한 방향은 z축 방향일 수 있다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 버스 바 프레임(150)은 전극 리드(11)가 돌출된 방향인 x축 방향에 수직하게 배치되는 메인 프레임(150M)과, 메인 프레임(150M)의 하부에서 연장된 L자형 돌출부(150L)를 포함할 수 있다. L자형 돌출부(150L)는 모듈 프레임(400)의 하부면(400a)과 전지 셀 적층체(120) 사이로 연장될 수 있다. 이때, 본 실시예에 따른 L자형 돌출부(150L)에는 볼록부(150La)와 오목부(150Lb)를 포함하는 요철 패턴(150P)이 형성되어 있다. 요철 패턴(150P)은 전지 셀(110)의 적층 방향인 y축 방향을 따라 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 볼록부(150La)는 서로 이웃하는 전지 셀(110) 사이의 공간에 대응한다. 본 실시예에 따른 전지 셀(110)의 하부는 그 폭이 좁을 수 있다. 따라서, 서로 이웃하는 전지 셀(110)들은 밀착되어 있고, 이웃하는 전지 셀(110)의 하단부에는 공간부(S)가 형성될 수 있다. 이러한 요철 패턴(150P)에 의해 셀 블록이 모듈 프레임에 삽입된 이후, 전지 모듈 폭 방향으로 유동을 방지할 수 있다.
변형 실시예로, 도 8에 도시한 바와 같이 L자형 돌출부(150L)와 맞닿는 모듈 프레임(400)의 하부면(400a)에 돌기(400P)가 형성되어 있고, 돌기(400P)는 요철 패턴(150P)의 오목부(150Lb)에 삽입될 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 도 8에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 전지 모듈은 전지 셀 적층체(120)에 포함된 전지 셀들(110) 중에서 서로 이웃하는 전지 셀들(110) 사이에 위치하는 압축 패드(180)를 더 포함할 수 있다. 이 외에도 압축 패드(180)는 최외각에 위치하는 전지 셀(110)과 모듈 프레임(400)의 측면부 사이에 형성될 수 있다. 압축 패드(180)는 폴리 우레탄 계열의 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 압축 패드(180)는 전지 셀(110)의 스웰링에 의한 두께 변형 및 외부 충격에 의한 전지 셀(110)의 변화를 흡수할 수 있다.
도 8을 다시 참고하면, L자형 돌출부(150P)의 볼록부(150La)는 복수개 형성되며, 복수의 볼록부(150La) 중 적어도 2개의 볼록부(150La)는 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 서로 다른 폭을 갖는 볼록부(150La) 중에서 폭이 더 큰 볼록부(150La)는 압축 패드(180)와 대응하여 위치할 수 있다. 다시 말해, 도 8에 도시한 바와 같이, 전지 모듈의 높이 방향인 z축 방향으로 폭이 더 큰 볼록부(150La)는 압축 패드(180)와 일직선상에 배열될 수 있다. 뿐만 아니라, 돌기(400P)는 복수개 형성되며, 복수의 돌기(400P) 중 적어도 2개의 돌기(400P)는 서로 다른 폭을 가질 수 있고, 서로 다른 폭을 갖는 돌기(400P) 중에서 폭이 더 큰 돌기(400P)는 압축 패드(180)에 대응하여 위치할 수 있다.
상기와 같이 L자형 돌출부(150P) 구조, 볼록부(150La)와 돌기(400P)의 배치 구조에 따라 셀 블록이 모듈 프레임(400)에 삽입된 이후, 전지 모듈 폭 방향으로 유동을 더욱 방지할 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.
150L: L자형 돌출부
150P: 요철 패턴
180: 압축 패드
310: 버스 바 프레임

Claims (10)

  1. 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체,
    상기 전지 셀 적층체와 연결되는 버스 바 프레임, 및
    상기 전지 셀 적층체를 수용하고, 서로 대응하는 상부면과 하부면을 갖는 모듈 프레임을 포함하고,
    상기 버스 바 프레임은 상기 전지 셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향에 수직하게 배치되는 메인 프레임과 상기 메인 프레임의 하부로부터 상기 모듈 프레임의 하부면과 상기 전지 셀 적층체 사이로 연장된 L자형 돌출부를 포함하며,
    상기 L자형 돌출부에는 오목부와 볼록부를 포함하는 요철 패턴이 형성되어 있고, 상기 볼록부는 서로 이웃하는 상기 전지 셀들 사이의 공간에 대응하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 L자형 돌출부와 맞닿는 상기 모듈 프레임의 하부면에 돌기가 형성되어 있고, 상기 돌기는 상기 요철 패턴의 상기 오목부에 삽입되어 있는 전지 모듈
  3. 제2항에서,
    상기 요철 패턴은 상기 전지 셀의 적층 방향을 따라 형성되는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 L자형 돌출부의 길이는 중심부로 갈수록 길어지는 전지 모듈.
  5. 제2항에서,
    상기 전지 셀 적층체에 포함된 전지 셀들 중에서 서로 이웃하는 전지 셀들 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 L자형 돌출부의 볼록부는 복수개 형성되며, 상기 복수의 볼록부 중 적어도 2개의 볼록부는 서로 다른 폭을 갖는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 서로 다른 폭을 갖는 볼록부 중에서 폭이 더 큰 볼록부는 상기 압축 패드에 대응하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 돌기는 복수개 형성되며, 상기 복수의 돌기 중 적어도 2개의 돌기는 서로 다른 폭을 갖는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 서로 다른 폭을 갖는 돌기 중에서 폭이 더 큰 돌기는 상기 압축 패드에 대응하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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