KR20210094369A - 셀 모듈 어셈블리 및 그 제조 방법 - Google Patents

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신진규
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Abstract

본 발명은 셀 모듈 어셈블리의 제조 공정을 단순화하고 전지 셀의 수납이 간편하도록, 전극 리드를 구비한 복수의 전지 셀들, 전지 셀들이 수납되는 케이스, 케이스의 개방된 상면에 위치하여 케이스와 결합되는 커버 플레이트 및 수납되는 전지 셀들의 전극 리드가 돌출되는 전방 및 후방에 위치하는 버스바 유닛을 포함하고, 케이스는 바닥면의 베이스 플레이트와 양 측면의 사이드 플레이트가 결합된 U자 형태이며, 버스바 유닛은 일측이 절곡된 버스바 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리에 관한 것이다.

Description

셀 모듈 어셈블리 및 그 제조 방법{Cell module assembly and method for manufacturing the same}
본 발명은 케이스와 버스바 유닛이 결합되어 일체화된 케이스에 전지 셀을 수납하여 형성된 셀 모듈 어셈블리에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 적용되고 있다.
에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System)란 대용량의 과잉 생산된 전력을 배터리에 저장했다가, 필요 시 전력을 다시 끌어내 사용할 수 있도록 하는 장치로, 신재생에너지 발전과 연계하여 전력의 품질을 일정하게 유지하고, 전력 사용량이 낮은 시간에 전력을 저장하고 전력 수요가 높아질 때 저장된 전력을 사용함으로써 전력 사용의 효율을 증가시키는 역할 등을 하고 있다. 이러한 ESS는 크게 그리드 시스템 ESS, 무정전전원장치(UPS), 가정용 ESS 등으로 나눌 수 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 셀 모듈 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.
한편 종래 셀 모듈 어셈블리(1)의 경우 도 1을 참조하여 살펴보면, 최외곽에 위치하는 엔드 커버(40) 사이에 전극 리드(11)를 구비한 전지 셀(10)과 카트리지(20)를 교대로 위치하며, 전지 셀(10)의 전극 리드(11)가 돌출되는 전방과 후방에 전극 리드(11)와 전기적으로 연결되는 버스바 유닛(30)이 결합되어 셀 모듈 어셈블리(1)가 형성된다.
그러나, 이러한 셀 모듈 어셈블리의 경우 엔드 커버(40), 전지 셀(10), 카트리지(20)를 교대로 적층하여 조립한 후 버스바 유닛(30)을 결합하는 복잡한 공정을 거쳐야 하며, 셀 모듈 어셈블리(1)의 오조립 시에도 재조립에 시간이 많이 소요되는 등의 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전지 셀이 수납 가능하도록 일측이 절곡된 버스바 프레임을 포함하는 버스바 유닛이 결합된 케이스에 전지 셀이 수납된 셀 모듈 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는 전극 리드를 구비한 복수의 전지 셀들, 전지 셀들이 수납되는 케이스, 케이스의 개방된 상면에 위치하여 상기 케이스와 결합되는 커버 플레이트 및 수납되는 전지 셀들의 전극 리드가 돌출되는 전방 및 후방에 위치하는 버스바 유닛을 포함하고, 상기 케이스는 바닥면의 베이스 플레이트와 양 측면의 사이드 플레이트가 결합된 U자 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는 케이스와 버스바 유닛이 전지 셀들을 수납하기 전에 결합되어 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는 버스바 유닛이 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성된 버스바 본체와 버스바 본체와 결합되고 버스바 유닛에 삽입된 전극 리드와 접합되는 버스바 프레임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는 버스바 프레임이 버스바 본체에 형성된 상기 슬릿에 대응하는 위치에 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성되어 있고, 일측 끝단이 케이스의 외측으로 절곡된 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는 케이스의 내부에 베이스 플레이트에 수직으로 형성되고, 수납되는 전지 셀들의 수납 위치를 가이드하는 측벽들이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는 측벽들이 전지 셀들에서 발생하는 열을 방출하는 냉각핀인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는 케이스와 커버 플레이트가 기계적 체결로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리의 제조 방법은 바닥면의 베이스 플레이트와 양 측면의 사이드 플레이트를 결합하여 전극 리드를 구비한 복수의 전지 셀들을 수납할 수 있는 U자 형태의 케이스를 형성하는 단계, 전극 리드가 돌출되는 전방 및 후방에 버스바 유닛을 결합하는 단계, 버스바 유닛이 결합된 케이스에 전지 셀들을 수납하는 단계 및 전지 셀들이 수납된 케이스의 상부에 커버 플레이트를 위치시켜 케이스의 사이드 플레이트와 결합하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리의 제조 방법에서 버스바 유닛은 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성된 버스바 본체와 버스바 본체와 결합되고 버스바 유닛에 삽입된 전극 리드와 접합되는 버스바 프레임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리의 제조 방법에서 버스바 프레임은 버스바 본체에 형성된 슬릿에 대응하는 위치에 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성되어 있고, 일측 끝단이 케이스의 외측으로 절곡된 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리의 제조 방법에서 케이스와 커버 플레이트는 기계적 체결로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리의 제조 방법에서 전지 셀들을 수납하는 단계 이전에 베이스 플레이트에 수직이고, 수납되는 전지 셀들의 수납 위치를 가이드하는 측벽들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 적어도 하나 이상의 본 발명의 셀 모듈 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 디바이스는 적어도 하나 이상의 본 발명의 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 셀 모듈 어셈블리는 케이스와 버스바 유닛을 결합하여 일체로 형성한 케이스에 전지 셀들을 수납함으로써 기존 전지 셀과 카트리지를 순차적으로 적층하는 방식에 비하여 조립 공정에 소요되는 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 셀 모듈 어셈블리는 케이스에 결합된 버스바 유닛의 일측이 케이스의 외측으로 절곡되어 있어 전지 셀들을 간편하게 수납 및 분리할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 셀 모듈 어셈블리는 상부의 커버 플레이트만을 분해하여 전지 셀의 외관 및 절연전압 등의 검사를 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 셀 모듈 어셈블리의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 셀 모듈 어셈블리의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 케이스의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 커버 플레이트의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 버스바 유닛의 정면 형상을 나타내는 개략도이다.
도 6는 본 발명의 버스바 유닛의 상세도이다.
도 7는 본 발명의 셀 모듈 어셈블리의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리의 개략도이다.
도 2를 참조하여 셀 모듈 어셈블리(1000)를 설명하면, 본 발명의 셀 모듈 어셈블리(1000)는 전극 리드(11)를 구비한 복수의 전지 셀(10)들과 전지 셀이 수납되는 케이스(100), 케이스(100)의 상부에 위치하여 케이스와 결합되는 커버 플레이트(200) 및 전극 리드(11)가 돌출되는 전방과 후방에 위치하여 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바 유닛(300)을 포함한다. 또한 상기 케이스(100)의 내부에는 케이스(100)의 하부와 수직으로 형성되어 수납되는 전지 셀(10)들의 수납 위치를 가이드하는 측벽(130)들이 형성될 수 있다. 이러한 측벽(130)들은 수납되는 전지 셀(10)들의 양 끝단부 일부만을 커버하는 크기일 수도 있고, 경우에 따라 수납되는 전지 셀(10)들의 전체를 커버하는 크기를 가질 수도 있다. 또한 상기 측벽(130)으로 전지 셀(10)들에서 발생하는 열을 방출할 수 있도록 냉각핀을 사용할 수도 있다.
본 발명의 셀 모듈 어셈블리(1000)에 사용되는 전지 셀은 이차 전지로 구성될 수 있다. 이차 전지는 일반적으로 외장재의 종류와 형태에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류될 수 있으며, 바람직하게는 파우치형 이차 전지가 본 발명의 전지 셀에 사용될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 케이스(100) 및 상기 커버 플레이트(200)에 대하여 상세하게 살펴보면, 케이스(100)는 하부에 위치하는 베이스 플레이트(110) 및 양 측면에 위치하는 사이드 플레이트(120)를 포함하고, 베이스 플레이트(110)와 사이드 플레이트(120)에는 인접한 플레이트들과 결합하기 위한 체결부(111, 121)가 형성되어 있다. 또한, 커버 플레이트(200)에도 케이스(100)와의 결합을 위한 체결부(211)가 형성되어 있다. 상기 체결부(111, 121, 211)를 통하여 베이스 플레이트(110)와 사이드 플레이트(120) 사이의 체결 및 사이드 플레이트(120)와 커버 플레이트(200) 사이의 체결이 이루어 진다. 이러한 체결의 방법으로는 볼트 등에 의한 기계적 체결 또는 용접 등의 공지의 다양한 방법이 사용될 수 있고, 특히 사이드 플레이트(120)와 커버 플레이트(200) 사이의 체결은 케이스(100)에 전지 셀(10)들을 수납한 후에도 분해와 체결이 용이하도록 기계적 체결을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 도 5 및 도 6을 참조하여 버스바 유닛(300)에 관하여 살펴보면, 버스바 유닛(300)은 전극 리드(11)가 위치하는 슬릿(330)을 포함하는 버스바 본체(310), 버스바 본체(310)와 결합되고 상기 버스바 본체의 슬릿(330)과 대응하는 위치에 전극 리드(11)가 수납될 수 있는 슬릿(330)이 형성되어 있는 버스바 프레임(320)을 포함한다. 버스바 프레임(320)에는 버스바 본체와 조립하기 위한 체결부(321)가 형성되어 있으며, 이에 대응하는 체결부(미도시)가 버스바 본체(310)에도 형성될 수 있다.
또한 버스바 프레임(320)은 수납되는 전지 셀(10)의 전극 리드(11)와 간섭이 일어나지 않도록 일측이 케이스의 외측으로 절곡된 절곡부(322)를 포함한다. 도면에서는 상기 절곡부의 절곡 각도가 수직인 형태인 버스바 프레임(320)이 도시되어 있으나, 이는 적용 가능한 실시예 중 하나의 예를 도시한 것일 뿐 상기 절곡 각도는 이에 한정되지 않고 전지 셀(10)을 케이스(100)에 삽입 시 전극 리드(11)와 버스바 프레임(320)의 간섭이 일어나지 않는 범위에서 변경 가능하다.
이와 같이 버스바 프레임(320)의 전극 리드(11)의 수납이 시작되는 부분에 절곡부(322)가 형성되어 있음으로 인해 전지 셀(10)과 카트리지를 적층한 후에 버스바 유닛을 결합하는 기존의 셀 모듈 어셈블리와 달리 본 발명에서는 케이스(100)에 버스바 유닛(300)을 먼저 결합한 후에도 용이하게 전지 셀(10)들의 수납이 가능하게 된다. 이와 같이 미리 케이스(100)에 버스바 유닛(300)을 조립하여 준비할 수 있음으로 인하여 셀 모듈 어셈블리의 제조 공정을 단순화할 수 있고, 공정 시간 또한 단축할 수 있는 장점이 있다. 이러한 버스바 유닛(300)을 케이스(100)와 조립하는 방법으로는 볼트 등에 의한 기계적 체결 또는 용접 등의 공지의 다양한 방법이 사용될 수 있다.
한편, 도 7을 참조하여 본 발명의 셀 모듈 어셈블리의 제조 방법에 대하여 살펴보면, 먼저 가장 왼쪽에 도시된 바와 같이 버스바 유닛(300)이 결합된 케이스(100)에 전지 셀(10)들을 수납하고, 버스바 유닛(300)과 전극 리드(11)가 전기적으로 연결되도록 수납된 전지 셀(10)들의 전극 리드(11)를 버스바 프레임(320)에 접합한다. 접합 방법으로는 용접 등의 공지의 전극 리드 접합 방법을 사용할 수 있다. 다음으로 가운데 도시된 바와 같이 수납된 전지 셀(10)들의 상부에 커버 플레이트(200)를 위치시키고, 커버 플레이트(200)와 사이드 플레이트(120)를 체결하여 가장 오른쪽에 도시된 바와 같은 하나의 셀 모듈 어셈블리(1000)를 제조한다.
경우에 따라 전지 셀(10)들을 수납하기 전에 케이스(100)의 내부에 베이스 플레이트(110) 와 수직으로 형성되고, 수납되는 전지 셀(10)들의 수납 위치를 가이드하는 측벽(130)들을 형성하는 과정을 포함할 수 있다. 이와 같은 측벽(130)은 전지 셀(10)이 수납되는 케이스(100) 내부 공간의 크기 범위 내에서 다양한 크기로 형성할 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 셀 모듈 어셈블리(1000)는 상부의 커버 플레이트(200)만을 분해하여 전지 셀(10)의 외관 및 절연전압 등의 검사를 용이하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 셀 모듈 어셈블리(1000)을 사용하여 배터리 모듈을 제조할 수 있다. 배터리 모듈에는 적어도 하나 이상의 셀 모듈 어셈블리(1000)와 외부 전기 장치와 접속되는 외부 접속 단자 및 전지 셀에서 발생하는 열을 방출하기 위한 히트 싱크 등이 포함될 수 있다.
또한 적어도 하나 이상의 배터리 모듈을 전기적인 연결방법으로 연결하여 배터리 팩을 구성할 수 있으며, 이러한 배터리 팩은 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV), ESS(Energy storage system) 등에 적용할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
1, 1000 : 셀 모듈 어셈블리
10 : 전지 셀
20 : 카트리지
30, 300 : 버스바 유닛
40 : 엔드 커버
100 : 케이스
110 : 베이스 플레이트
111, 121, 211, 321 : 체결부
120 : 사이드 플레이트
130 : 측벽
200 : 커버 플레이트
310 : 버스바 본체
320 : 버스바 프레임
322 : 절곡부
330 : 슬릿

Claims (14)

  1. 전극 리드를 구비한 복수의 전지 셀들;
    상기 전지 셀들이 수납되는 케이스;
    상기 케이스의 개방된 상면에 위치하여 상기 케이스와 결합되는 커버 플레이트; 및
    수납되는 상기 전지 셀들의 상기 전극 리드가 돌출되는 전방 및 후방에 위치하는 버스바 유닛을 포함하고,
    상기 케이스는 바닥면의 베이스 플레이트와 양 측면의 사이드 플레이트가 결합된 U자 형태인 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 케이스와 상기 버스바 유닛은 상기 전지 셀들을 수납하기 전에 결합되어 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 버스바 유닛은 상기 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성된 버스바 본체와 상기 버스바 본체와 결합되고 상기 버스바 유닛에 삽입된 상기 전극 리드와 접합되는 버스바 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 버스바 프레임은 상기 버스바 본체에 형성된 상기 슬릿에 대응하는 위치에 상기 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성되어 있고, 일측 끝단이 상기 케이스의 외측으로 절곡된 형태인 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 케이스의 내부에는 상기 베이스 플레이트에 수직으로 형성되고, 수납되는 상기 전지 셀들의 수납 위치를 가이드하는 측벽들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 측벽들은 상기 전지 셀들에서 발생하는 열을 방출하는 냉각핀인 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 케이스와 상기 커버 플레이트는 기계적 체결로 결합되는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  8. 바닥면의 베이스 플레이트와 양 측면의 사이드 플레이트를 결합하여 전극 리드를 구비한 복수의 전지 셀들을 수납할 수 있는 U자 형태의 케이스를 형성하는 단계;
    상기 전극 리드가 돌출되는 전방 및 후방에 버스바 유닛을 결합하는 단계;
    상기 버스바 유닛이 결합된 상기 케이스에 상기 전지 셀들을 수납하는 단계; 및
    상기 전지 셀들이 수납된 상기 케이스의 상부에 커버 플레이트를 위치시켜 상기 케이스의 사이드 플레이트와 결합하는 단계를 포함하는 셀 모듈 어셈블리 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 버스바 유닛은 상기 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성된 버스바 본체와 상기 버스바 본체와 결합되고 상기 버스바 유닛에 삽입된 상기 전극 리드와 접합되는 버스바 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 버스바 프레임은 상기 버스바 본체에 형성된 상기 슬릿에 대응하는 위치에 상기 전극 리드가 삽입되는 슬릿이 형성되어 있고, 일측 끝단이 상기 케이스의 외측으로 절곡된 형태인 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 제조 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 케이스와 상기 커버 플레이트는 기계적 체결로 결합되는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 제조 방법.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 전지 셀들을 수납하는 단계 이전에 상기 베이스 플레이트에 수직이고, 수납되는 상기 전지 셀들의 수납 위치를 가이드하는 측벽들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리 제조 방법.
  13. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 셀 모듈 어셈블리를 포함하는 배터리 모듈.
  14. 제 13항의 배터리 모듈을 포함하는 디바이스.
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