KR20210143570A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체; 바닥면 및 전후좌우면의 보울(Bowl) 타입으로 형성되고 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체의 상측을 커버하고 상기 모듈 프레임과 결합하는 상부 플레이트를 포함하고, 상기 모듈 프레임은, 바닥부, 전후측 플레이트, 좌우측 플레이트를 포함하고, 상기 바닥부, 전후측 플레이트, 좌우측 플레이트는 일체로 형성되고, 상기 전후측 플레이트와 연결되는 바닥부 모서리와 상기 좌우측 플레이트와 연결되는 바닥부 모서리가 만나는 부분에는 함몰부가 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 단순화된 모듈 구조를 가지는 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 모듈 프레임을 포함한다.
도 1은 종래 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체(10), 전지셀 적층체(10)를 수용하는 모듈 프레임(20), 전지셀 적층체(10)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(30), 전지셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(40)를 포함한다.
전지셀 적층체(10)를 수용하는 모듈 프레임(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이 바닥면 및 양측면의 U자형 프레임(20) 형태로 형성되어 전지셀 적층체의 바닥면 및 양측면을 커버하고, 엔드 플레이트(40)를 U자형 프레임(20)의 전후측 모서리와 용접 결합하는 방식을 통해 엔드 플레이트(40)가 전지셀 적층체의 전후면을 커버하도록 형성되었다.
이때, 전지 모듈을 전지팩에 고정하기 위해 엔드 플레이트(40)의 양측에 형성된 모듈 마운팅부(41)가 필요한데, 모듈 마운팅부(41)의 형상을 엔드 플레이트(40)에 용이하게 표현하기 위해 주조 방식으로 엔드 플레이트(40)를 별도로 제조해야 하나, 주조물인 엔드 플레이트(40)의 재질이 판재 재질인 U자형 프레임(20)과 상이하게 되어, 엔드 플레이트(40)와 U자형 프레임(20) 간의 용접시 이종 금속 간의 불량이 발생할 수 있는 문제가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 용접성이 향상되는 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 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체; 바닥면 및 전후좌우면의 보울(Bowl) 타입으로 형성되고 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체의 상측을 커버하고 상기 모듈 프레임과 결합하는 상부 플레이트를 포함하고, 상기 모듈 프레임은, 바닥부, 전후측 플레이트, 좌우측 플레이트를 포함하고, 상기 바닥부, 전후측 플레이트, 좌우측 플레이트는 일체로 형성되고, 상기 전후측 플레이트와 연결되는 바닥부 모서리와 상기 좌우측 플레이트와 연결되는 바닥부 모서리가 만나는 부분에는 함몰부가 형성된다.
상기 함몰부 상에는 모듈 마운팅부가 형성될 수 있다.
상기 모듈 마운팅부와, 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트 및 좌우측 플레이트는 용접으로 결합될 수 있다.
상기 전후측 플레이트의 측면 모서리와 상기 좌우측 플레이트의 측면 모서리는 서로 이격되게 형성될 수 있다.
상기 모듈 마운팅부의 측면과, 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트 및 좌우측 플레이트는 하나의 면으로 이어지도록 형성될 수 있다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법은, 바닥면 및 서로 이격된 전후좌우면으로 형성된 모듈 프레임을 제조하는 단계; 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트와 좌우측 플레이트 사이에 모듈 마운팅부를 결합시키는 단계; 상기 모듈 마운팅부와 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트와 좌우측 플레이트의 모서리들을 용접 결합하는 단계; 및 보울(Bowl) 타입의 케이스로 형성된 상기 모듈 프레임 내부에 전지셀 적층체를 삽입하는 단계를 포함한다.
상기 전지셀 적층체를 상기 모듈 프레임 내부에 삽입하는 단계 전, 상기 전지셀 적층체의 전후면에 버스바 프레임을 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 전후면에 상기 버스바 프레임을 결합하는 단계 후, 상기 버스바 프레임의 외측에 절연 커버를 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전지셀 적층체를 상기 모듈 프레임 내부에 삽입하는 단계 후, 상부 플레이트를 상기 모듈 프레임의 개방된 상측부에 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은, 엔드 플레이트와 모듈 프레임이 일체화된 보울(Bowl) 형상의 모듈 프레임을 통해 용접성이 개선되고, 모듈 구조가 단순화되며, 전지 모듈의 중량을 절감시키는 효과를 제공한다.
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 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈이 조립된 모습을 용접 라인과 함께 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 프레임에 모듈 마운팅부가 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 조립된 모듈 마운팅부와 모듈 프레임이 용접으로 결합되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임이 전지셀 적층체에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 커버가 도 6의 버스바 프레임에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 5의 모듈 프레임에 도 7의 전지셀 적층체가 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 상측부에 상부 플레이트가 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
이하에서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 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 명세서에서 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 명세서에서 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 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈이 조립된 모습을 용접 라인과 함께 나타낸 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 프레임에 모듈 마운팅부가 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체(100), 바닥면 및 전후좌우면의 보울(Bowl) 타입으로 형성되고 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(200) 및 전지셀 적층체(100)의 상측을 커버하고 모듈 프레임(200)과 결합하는 상부 플레이트(300)를 포함한다.
전지셀은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀은 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 양단으로 돌출 형성된 전극 리드를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 바닥면 및 전후좌우면의 보울(Bowl)타입으로 형성된다. 종래에는 전지셀 적층체의 바닥면 및 양측면을 커버하는 U자형 프레임 및 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트로 프레임 구조가 구성되어 있었으나, 엔드 플레이트의 양측단에 형성된 모듈 마운팅부를 성형하기 위해 엔드 플레이트를 주조 방식으로 제조하여, 판재형 재질인 U자형 프레임과 용접 결합시 이종 재질간의 결합에 따른 불량이 발생할 수 있었다.
이에 본 실시예에 따르면, 엔드 플레이트를 제거하고, 기존 U자형 프레임 대신 바닥면 및 전후좌우면의 다섯면으로 형성된 보울형 모듈 프레임(200)을 통해 전지셀 적층체(100)를 수용하였다. 이렇게 엔드 플레이트와 U자형 프레임이 일체화된 모듈 프레임(200) 구조를 통해 엔드 플레이트 전체를 주조할 필요 없이, 후술할 모듈 마운팅부(400)만 압출 성형을 통해 별도로 제작한 뒤 모듈 프레임(200)에 용접 결합할 수 있게 됨으로써, 프레임 구조가 단순화될 수 있고, 전지 모듈의 중량이 감소되며, 용접성이 개선되는 효과를 제공한다.
본 실시예에 따르면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(200)은, 바닥부(210), 전후측 플레이트(220), 좌우측 플레이트(230)를 포함하고, 바닥부(210), 전후측 플레이트(220), 좌우측 플레이트(230)는 일체로 형성되고, 전후측 플레이트(220)와 연결되는 바닥부 모서리와 좌우측 플레이트(230)와 연결되는 바닥부 모서리가 만나는 부분에는 함몰부(240)가 형성된다.
바닥부(210), 전후측 플레이트(220), 좌우측 플레이트(230)는 모듈 프레임(200)의 바닥면 및 전후좌우면을 형성할 수 있다. 다만 본 실시예에 따르면, 전후측 플레이트(220)의 측면 모서리와 좌우측 플레이트(230)의 측면 모서리는 서로 이격되게 형성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 플레이트가 만나는 모서리 부분에는 함몰부(240)가 형성될 수 있다. 함몰부(240) 상에는 모듈 마운팅부(400)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 마운팅부(400)는 모듈 프레임(200)의 전후측 플레이트(220)와 좌우측 플레이트(230) 사이 이격 공간에 각각 위치할 수 있다. 도 3을 참조하면, 모듈 마운팅부(400)는 각각 인접한 모듈 프레임(200)의 모서리 부분, 즉 모듈 프레임(200)의 전후측 플레이트(220) 및 좌우측 플레이트(230)의 모서리 부분들과 용접을 통해 결합될 수 있다. 이때, 모듈 마운팅부(400)의 측면과, 모듈 프레임(200)의 전후면과 측면은 하나의 면으로 이어지도록 형성될 수 있다. 따라서 모듈 마운팅부(400)가 모듈 프레임(200)의 프레임면 보다 돌출되지 않도록 하여 돌출 부분의 손상을 최소화 하고 전지 모듈별 단위 사이즈 관리가 용이해지며 전지 모듈의 전지팩에 대한 장착성이 향상될 수 있다.
상부 플레이트(300)는 모듈 프레임(200)의 개방된 상측부를 커버하도록 형성될 수 있다. 상부 플레이트(300)는 모듈 프레임(200)의 상단 모서리들과 용접을 통해 결합할 수 있다.
버스바 프레임(500)은 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하도록 형성될 수 있다. 버스바 프레임(500)에는 버스바들이 부착되어, 복수개의 전지셀에 형성될 전극 리드들을 전기적으로 연결할 수 있다.
도 7을 참조하면, 버스바 프레임(500)과 모듈 프레임(200)의 전후면 사이에는 절연 커버(600)가 부착될 수 있다. 절연 커버를 통해 전지셀 적층체(100) 및 버스바 프레임(500)과 외부와의 전기적 연결을 차단하여 전지 모듈의 안정성을 확보할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 5는 도 4의 조립된 모듈 마운팅부와 모듈 프레임이 용접으로 결합되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임이 전지셀 적층체에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 커버가 도 6의 버스바 프레임에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 8은 도 5의 모듈 프레임에 도 7의 전지셀 적층체가 조립되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 9는 도 8의 상측부에 상부 플레이트가 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법은, 바닥면 및 서로 이격된 전후좌우면으로 형성된 모듈 프레임(200)을 제조하는 단계, 모듈 프레임(200)의 전후측 플레이트(220)와 좌우측 플레이트(230) 사이에 모듈 마운팅부(400)를 결합시키는 단계(도 4), 모듈 마운팅부(400)와 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트(220)와 좌우측 플레이트(230)의 모서리들을 용접 결합하는 단계(도 5) 및 보울(Bowl) 타입의 케이스로 형성된 모듈 프레임(200) 내부에 전지셀 적층체(100)를 삽입하는 단계(도 8)을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 전지셀 적층체(100)를 모듈 프레임(200) 내부에 삽입하는 단계 전, 전지셀 적층체(100)의 전후면에 버스바 프레임(500)을 결합하는 단계(도 6)를 더 포함할 수 있다. 버스바 프레임(500)을 전지셀 적층체(100)의 전후면에 결합하는 단계 후에는, 버스바 프레임(500)의 외측에 절연 커버(600)를 결합하는 단계(도 7)를 더 포함할 수 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 전지셀 적층체(100)를 모듈 프레임(200) 내부에 삽입하는 단계 후, 상부 플레이트(300)를 모듈 프레임(200)의 개방된 상측부에 결합하는 단계(도 9)를 더 포함할 수 있다.
종래에는 엔드 플레이트를 U자형 프레임에 조립하는 단계가 추가적으로 존재하였으나, 본 실시예에 따르면 모듈 프레임에 압출 성형된 모듈 마운팅부(400)를 결합하는 단계 만으로도 모듈 프레임의 제조가 가능하여 전지 모듈의 조립 공정 및 부품의 제조 공정이 간소화되고, 엔드 플레이트와 모듈 프레임 간의 이종 재질에 따른 결합 불량 문제가 없어져 전지 모듈의 용접성이 전반적으로 향상될 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
200: 모듈 프레임
210: 바닥부(바닥면)
220: 전후측 플레이트
230: 좌우측 플레이트
240: 함몰부
300: 상부 플레이트
400: 모듈 마운팅부
500: 버스바 프레임
600: 절연 커버

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체;
    바닥면 및 전후좌우면의 보울(Bowl) 타입으로 형성되고 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀 적층체의 상측을 커버하고 상기 모듈 프레임과 결합하는 상부 플레이트를 포함하고,
    상기 모듈 프레임은,
    바닥부, 전후측 플레이트, 좌우측 플레이트를 포함하고,
    상기 바닥부, 전후측 플레이트, 좌우측 플레이트는 일체로 형성되고,
    상기 전후측 플레이트와 연결되는 바닥부 모서리와 상기 좌우측 플레이트와 연결되는 바닥부 모서리가 만나는 부분에는 함몰부가 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 함몰부 상에는 모듈 마운팅부가 형성되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 모듈 마운팅부와, 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트 및 좌우측 플레이트는 용접으로 결합되는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 전후측 플레이트의 측면 모서리와 상기 좌우측 플레이트의 측면 모서리는 서로 이격되게 형성되는 전지 모듈.
  5. 제2항에서,
    상기 모듈 마운팅부의 측면과, 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트 및 좌우측 플레이트는 하나의 면으로 이어지도록 형성되는 전지 모듈.
  6. 바닥면 및 서로 이격된 전후좌우면으로 형성된 모듈 프레임을 제조하는 단계;
    상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트와 좌우측 플레이트 사이에 모듈 마운팅부를 결합시키는 단계;
    상기 모듈 마운팅부와 상기 모듈 프레임의 전후측 플레이트와 좌우측 플레이트의 모서리들을 용접 결합하는 단계; 및
    보울(Bowl) 타입의 케이스로 형성된 상기 모듈 프레임 내부에 전지셀 적층체를 삽입하는 단계를 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 전지셀 적층체를 상기 모듈 프레임 내부에 삽입하는 단계 전,
    상기 전지셀 적층체의 전후면에 버스바 프레임을 결합하는 단계를 더 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 전지셀 적층체의 전후면에 상기 버스바 프레임을 결합하는 단계 후,
    상기 버스바 프레임의 외측에 절연 커버를 결합하는 단계를 더 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 전지셀 적층체를 상기 모듈 프레임 내부에 삽입하는 단계 후, 상부 플레이트를 상기 모듈 프레임의 개방된 상측부에 결합하는 단계를 더 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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