KR20210099424A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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KR20210099424A
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이영호
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윤한기
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Abstract

본 발명은 절연 성능이 확보되는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상하좌우면으로 형성되어 상기 전지셀 적층체를 수용하는 프레임; 및 상기 프레임 내측 상하좌우면에 형성된 절연 코팅층을 포함하고, 상기 프레임의 내측 하면에는, 상기 전지셀 적층체의 하부 형상에 대응하는 복수의 홈부가 형성되고, 상기 절연 코팅층의 하면은 상기 복수의 홈부의 상면에 코팅 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절연 성능이 확보되는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
이차 전지는 모바일 기기 및 전기 자동차 등의 다양한 제품군에서 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존 제품의 사용을 대체할 수 있는 유력한 에너지 자원으로서, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생하지 않아 친환경 에너지원으로서 각광받고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 프레임, 전지셀 적층체의 전후면을 각각 커버하는 엔드 플레이트를 포함한다.
도 1은 종래 전지 모듈의 모습을 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 종래 도 1의 전지 모듈에 절연 부재가 추가된 모습을 나타낸 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 절연 부재들이 프레임 내면에 장착된 모습을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래에는 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체(10), 상하좌우면으로 형성되어 전지셀 적층체(10)를 수용하는 프레임(20), 전지셀 적층체(10)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(12), 전지셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(14)로 형성되었다. 전지 모듈은 다수의 전지셀이 적층 형성된 셀 스택(cell stack) 구조로서, 고전류 및 고전압이 인가되는 사용 환경에 자리잡게 되며, 안전상의 이유로 전지셀 적층체와 외부 프레임 사이의 절연 성능 확보가 필수적으로 요구되는 실정이다. 따라서 도 1에 도시된 전지 모듈의 경우 절연 성능이 확보되기 어렵다.
이에, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 절연 부재(30)를 프레임(20)의 내면, 즉 복수의 전지셀(11)이 적층 형성된 전지셀 적층체(10)와 프레임(20) 사이에 절연 부재(30)를 배치하여 전지셀 적층체(10)와 외부와의 전기적 연결을 차단시켰다. 이때 절연 부재(30)는 절연 시트, 절연 패드 또는 절연 테이프 등으로 형성될 수 있는데, 절연 부재(30)를 별도의 부품으로 추가함으로써 전지 모듈의 에너지 밀도가 감소할 우려가 있으며, 전지셀 적층체(10)와 프레임(20) 사이에 절연 부재(30)를 위치시키는 과정에서 조립이 어려워지는 문제가 있었다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 추가 부품 없이 절연 성능이 확보될 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를포함하는 전지팩은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상하좌우면으로 형성되어 상기 전지셀 적층체를 수용하는 프레임; 및 상기 프레임 내측 상하좌우면에 형성된 절연 코팅층을 포함하고, 상기 프레임의 내측 하면에는, 상기 전지셀 적층체의 하부 형상에 대응하는 복수의 홈부가 형성되고, 상기 절연 코팅층의 하면은 상기 복수의 홈부의 상면에 코팅 형성된다.
상기 전지셀 적층체의 하부와, 상기 프레임 및 상기 절연 코팅층 사이에 형성되는 열전도성 수지층을 더 포함할 수 있다.
상기 프레임의 하면 및 상기 절연 코팅층의 하면에는 주액 홀이 형성되고, 상기 주액 홀을 통해 열전도성 수지가 주액될 수 있다.
상기 절연 코팅층을 커버하는 절연 코팅 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 절연 코팅층의 상면 및 하면은 상기 절연 코팅층 좌우면보다 더 두꺼울 수 있다.
상기 절연 코팅층은 에폭시, 폴리에스테르 또는 분체 도장으로 형성될 수 있다.
상기 절연 코팅층은 50 내지 300마이크로미터의 두께로 코팅될 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 플레이트를 더 포함하고, 상기 절연 코팅층의 상면은 상기 프레임과 상기 상부 플레이트 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은, 프레임 내면에 형성된 절연 코팅층을 통해, 추가 부품 없이 코팅 만으로 절연 성능을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은, 코팅 만으로 절연 성능이 확보 됨으로써 에너지 밀도가 향상될 수 있으며, 제조 비용을 절감하고 전지 모듈의 조립성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 전지 모듈의 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 종래 도 1의 전지 모듈에 절연 부재가 추가된 모습을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 절연 부재들이 프레임 내면에 장착된 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 코팅층을 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 형성된 주액 홀을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 5의 A부분으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 코팅층을 나타낸 분해 사시도이다.
도 8은 도 5의 A부분으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절연 코팅층을 나타낸 분해 사시도이다.
이하에서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 코팅층이 형성된 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 코팅층을 나타낸 분해 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임에 형성된 주액 홀을 나타낸 사시도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 상하좌우면으로 형성되어 전지셀 적층체(100)를 수용하는 프레임(200) 및 프레임(200) 내측 상하좌우면에 형성된 절연 코팅층(400)을 포함하고, 프레임(200)의 내측 하면에는 전지셀 적층체(100)의 하부 형상에 대응하는 복수의 홈부(210)가 형성되고, 절연 코팅층(400)의 하면(420)은 복수의 홈부(210)의 상면에 코팅 형성될 수 있다.
전지셀(110)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 이러한 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 전지 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다.
프레임(200)은 상하좌우면으로 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 상하좌우면을 커버하도록 형성될 수 있다. 프레임(200)을 통해 내부에 수용된 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다.
버스바 프레임(130)은 전지셀 적층체(100)의 전후면에 형성될 수 있다. 버스바 프레임(130)의 외측면에는 복수의 버스바가 형성될 수 있고, 복수의 전지셀(110)에서 돌출 형성된 전극 리드들은 상기 복수의 버스바와 접촉하도록 형성될 수 있다. 이를 통해 버스바 프레임(130)은 복수의 전지셀(110)과 외부 전원을 전기적으로 연결할 수 있다.
상부 플레이트(120)는 전지셀 적층체(100)의 상면에 형성되어 전지셀 적층체(100)를 커버하도록 형성될 수 있다. 상부 플레이트(120)는 버스바 프레임(130)을 전지셀 적층체(100)의 상측에서 연결할 수 있다. 버스바 프레임(130)은 상부 플레이트의 전후단과 결합할 수 있다. 상부 플레이트(120)와 버스바 프레임(130)은 힌지 결합할 수 있다. 따라서 상부 플레이트(120)가 전지셀 적층체(100)의 상면에 안착된 후, 상부 플레이트(120)의 전후단과 연결된 버스바 프레임(130)이 힌지 축을 중심으로 회전하여 전지셀 적층체(100)의 전후면과 결합할 수 있다. 후술할 절연 코팅층 상면(410)은 프레임(200)과 상부 플레이트(120) 사이에 형성될 수 있다.
엔드 플레이트(300)는 전지셀 적층체(100) 기준 버스바 프레임(130)의 외측에 각각 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 전후면 및 버스바 프레임(130)을 커버하도록 형성될 수 있다. 엔드 플레이트(300)는 외부의 충격으로부터 버스바 프레임(130), 전지셀 적층체(100) 및 이와 연결된 여러 전장품을 보호하고, 동시에 전지셀 적층체(100)와 외부 전원과의 전기적 연결을 안내할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 프레임(200)의 내측 상하좌우면에는 절연 코팅층(400)이 형성된다. 절연 코팅층(400)은 프레임(200)과 전지셀 적층체(100) 사이에 형성되어 전지셀 적층체(100)와 외부와의 전기적 연결을 차단시킬 수 있다. 종래에는 프레임(200)과 전지셀 적층체(100) 사이에 절연 시트, 절연 패드, 절연 테이프 등의 절연 부재를 배치하여 전지셀 적층체(100)와 프레임(200) 사이의 절연 기능을 수행하였으나, 절연 부재를 별도의 부품으로 추가할 경우 전지 모듈의 에너지 밀도가 감소할 우려가 있으며, 절연 부재를 별도로 조립하는 공정이 필요한 문제가 있었다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따르면 프레임 내면에 절연 물질을 코팅한 절연 코팅층(400)을 형성함으로써, 프레임(200) 내면에 절연 물질을 코팅하는 공정 만으로도 전지셀 적층체(100)와 프레임(200) 사이의 절연 성능을 확보할 수 있으며, 절연을 위한 별도의 부품을 삽입할 필요도 없으므로 전지 모듈의 에너지 밀도가 향상될 수 있고 조립성을 향상시킬 수 있으며 조립에 따른 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 절연 코팅층(400)은 에폭시, 폴리에스테르 또는 분체 도장으로 형성될 수 있다. 또한 에너지 밀도를 고려하여 절연 코팅층(400)은 50 내지 300 마이크로미터의 두께로 코팅될 수 있다.
열전도성 수지층(500)은 전지셀 적층체(100)의 하부와, 프레임(200) 및 절연 코팅층(400) 사이에 형성될 수 있고, 프레임(200)의 하측으로 열전도성 수지를 주액시켜 형성될 수 있다.
프레임(200)의 내측 하면에는, 전지셀 적층체(100)의 하부 형상에 대응하는 복수의 홈부(210)가 형성된다. 프레임(200)의 하면에 복수의 홈부(210)가 형성됨으로 인하여, 프레임(200)의 강성이 전체적으로 보강되고, 열전도성 수지층(500)을 형성하기 위한 열전도성 수지의 주액량을 감소시킬 수 있으며, 프레임(200)의 하면에만 복수의 홈부(210)가 형성됨으로 인해 전지셀 적층체(100), 상부 플레이트(120), 버스바 프레임(130) 등이 프레임(200)내부에 반대로 조립되는 현상을 방지할 수 있는 효과를 제공한다. 절연 코팅층(400)은 복수의 홈부(210)의 상면에 코팅 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 프레임(200)의 하면 및 절연 코팅층(400)의 하면에는 주액 홀(600)이 형성될 수 있다. 주액 홀(600)을 통해 열전도성 수지가 프레임(200) 내부로 주액되어 프레임(200) 하측 공간에 열전도성 수지층(500)이 형성될 수 있다. 주액 홀(600)은 프레임(200)의 하면, 복수의 홈부(210) 및 절연 코팅층(400)을 관통하여 형성될 수 있다.
이하, 도 4 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 코팅층에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.도 7은 도 5의 A부분으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 코팅층을 나타낸 분해 사시도이다.
절연 코팅층(400)은, 절연 코팅층 상면(410), 절연 코팅층 하면(420), 절연 코팅층 좌우면(430)으로 형성될 수 있다. 이‹š 절연 코팅층 상면(410) 및 절연 코팅층 하면(420)의 두께(w1)는 절연 코팅층 좌우면(430)의 두께(w2)보다 더 두꺼울 수 있다.
프레임(200)의 내부 하측에는 복수의 홈부(210)가 형성되어 있고, 프레임(200)의 내부 상측에는 상부 플레이트(120)가 형성되어 있어, 전지셀 적층체(100) 및 전지셀 적층체(100)의 상단에 장착된 상부 플레이트(120)가 절연 코팅층(400)이 형성된 프레임(200) 내부로 삽입될 경우 전지셀 적층체(100), 상부 플레이트(120)와 프레임(200)의 내부 상하면 간 마찰로 인해 절연 코팅층 상면(410) 및 절연 코팅층 하면(420)의 일부가 벗겨지거나 쏠림 현상 등으로 불균일하게 형성될 우려가 있다.
따라서 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마찰로 인한 벗겨짐 또는 불균일 가능성을 최소화하기 위해 절연 코팅층 상면(410) 및 절연 코팅층 하면(420)의 두께(w1)는 절연 코팅층 좌우면(430)의 두께(w2)보다 더 두껍게 형성하여 절연 코팅층(400)을 보호하고 절연 코팅층(400)을 통한 절연 성능을 약화시키지 않도록 할 수 있다.
이하, 도 4 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절연 코팅층에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 8은 도 5의 A부분으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절연 코팅층을 나타낸 분해 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절연 코팅층은, 절연 코팅층(400)을 커버하는 절연 코팅 보호층(700)을 더 포함할 수 있다.
절연 코팅층(400)이 형성된 프레임(200) 내부에 전지셀 적층체(100), 버스바 프레임(130), 상부 플레이트(120) 등의 부품이 삽입될 경우, 프레임(200) 내면에 코팅 형성된 절연 코팅층(400)과 삽입되는 부품 간의 마찰로 인해 절연 코팅층(400)이 손상될 우려가 있다. 이에 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 절연 코팅층(400)의 외부에서 절연 코팅층(400)을 커버하도록 형성되는 절연 코팅 보호층(700)을 더 포함할 수 있다. 절연 코팅 보호층(700)을 통해, 전지 모듈의 조립시 부품들과의 마찰로부터 절연 코팅층(400)을 보호하고, 전지 모듈의 절연 성능을 확보할 수 있으며, 절연 코팅 보호층(700) 자체적인 절연 성능을 통해 전지 모듈의 절연 성능을 보다 더 강화할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈은 전지팩에 포함될 수 있다. 전지팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지팩은 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 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 전지셀 적층체
110: 전지셀
120: 상부 플레이트
130: 버스바 프레임
200: 프레임
210: 복수의 홈부
300: 엔드 플레이트
400: 절연 코팅층
410: 절연 코팅층 상면
420: 절연 코팅층 하면
430: 절연 코팅층 좌우면
500: 열전도성 수지층
600: 주액 홀
700: 절연 코팅 보호층

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상하좌우면으로 형성되어 상기 전지셀 적층체를 수용하는 프레임; 및
    상기 프레임 내측 상하좌우면에 형성된 절연 코팅층을 포함하고,
    상기 프레임의 내측 하면에는, 상기 전지셀 적층체의 하부 형상에 대응하는 복수의 홈부가 형성되고,
    상기 절연 코팅층의 하면은 상기 복수의 홈부의 상면에 코팅 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 하부와, 상기 프레임 및 상기 절연 코팅층 사이에 형성되는 열전도성 수지층을 더 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 프레임의 하면 및 상기 절연 코팅층의 하면에는 주액 홀이 형성되고, 상기 주액 홀을 통해 열전도성 수지가 주액되는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 절연 코팅층을 커버하는 절연 코팅 보호층을 더 포함하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 절연 코팅층의 상면 및 하면은 상기 절연 코팅층 좌우면보다 더 두꺼운 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 절연 코팅층은 에폭시, 폴리에스테르 또는 분체 도장으로 형성되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 절연 코팅층은 50 내지 300마이크로미터의 두께로 코팅되는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 플레이트를 더 포함하고, 상기 절연 코팅층의 상면은 상기 프레임과 상기 상부 플레이트 사이에 형성되는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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