KR20210157757A - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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KR20210157757A
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성준엽
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 모듈 영역을 갖는 하부 팩 하우징; 상기 모듈 영역에 형성된 열전도성 수지층; 및 상기 열전도성 수지층의 상측에서 상기 복수의 모듈 영역 각각에 장착되어 있는 셀 블록을 포함하고, 상기 셀 블록은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체를 둘러싸는 절연 부재를 포함한다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스{BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 절연 성능을 확보할 수 있는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 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.
다만 전지 모듈을 이용하여 전지팩을 구성하는 경우, 전지셀을 전지 모듈 단위로 제조한 후, 전지 모듈 단위로 제조된 전지 모듈들을 다시 전지팩에 수납하는 두 단계의 조립 과정이 필요하여 전반적인 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
또한 전지팩 구조에서 절연 성능은 전지팩의 안정성을 위해 필수적으로 요구되는 성능으로서, 전지 모듈 제조 공정시 절연 구조를 전지 모듈 내부에 삽입하는 공정이 추가로 필요하다. 이때 전지 모듈 내부에 절연 구조를 장착하고 절연 구조가 장착된 전지 모듈을 다시 전지 팩에 장착하는 과정에서 전지 모듈의 조립 공정이 상당히 복잡해지며, 절연 구조가 복잡한 내부 구조 사이에 형성됨에 따라 간섭이 발생하여 기본적인 절연 성능 확보에 어려움을 겪을 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지팩의 제조 공정이 단순화되는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 절연 성능이 향상되는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 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 전지팩은, 복수의 모듈 영역을 갖는 하부 팩 하우징; 상기 모듈 영역에 형성된 열전도성 수지층; 및 상기 열전도성 수지층의 상측에서 상기 복수의 모듈 영역 각각에 장착되어 있는 셀 블록을 포함하고, 상기 셀 블록은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체를 둘러싸는 절연 부재를 포함한다.
상기 셀 블록의 상부를 커버하는 상부 팩 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 절연 부재는, 상기 전지셀 적층체에서 전극 리드가 형성된 부분을 제외한 상기 전지셀 적층체의 상하좌우면을 커버할 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 양측면 및 상기 절연 부재 사이에는 측면 플레이트가 위치할 수 있다.
상기 측면 플레이트는 탄성 부재로 형성될 수 있다.
상기 측면 플레이트는 고무(Rubber)로 형성될 수 있다.
상기 측면 플레이트는 사출로 형성될 수 있다.
상기 절연 부재는 열수축튜브(Heat Shrinkage Tube)로 형성될 수 있다.
상기 절연 부재는 절연 테이프로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기 전지팩을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스는, 전지팩의 조립 공정 및 구조를 간소화할 수 있고, 전지팩을 경량화할 수 있으며, 간소화된 셀블록 단위에서 절연 성능을 확보하고 전지팩의 절연 성능을 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 셀 블록을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 셀 블록을 분해하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 A-A 부분을 나타낸 단면도이다.
도 5는 비교예로, U자형 프레임을 포함하는 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 비교예로, 상하좌우면으로 형성된 모듈 프레임을 포함하는 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
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 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩의 전체적인 구성에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 모듈 영역을 갖는 하부 팩 하우징(100), 상기 모듈 영역에 도포된 열전도성 수지층(300) 및 열전도성 수지층(300)의 상측에서 상기 복수의 모듈 영역 각각에 장착되어 있는 셀 블록(400)을 포함한다. 도 3을 참조하면, 셀 블록(400)은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(410) 및 상기 전지셀 적층체를 둘러싸는 절연 부재(430)를 포함한다.
하부 팩 하우징(100)은 복수의 셀 블록(400)을 수용한다. 하부 팩 하우징(100)의 복수의 모듈 영역은 셀 블록(400)의 크기와 대응되는 크기로 형성될 수 있고, 복수의 셀 블록(400)은 복수의 모듈 영역에 각각 자리잡을 수 있다. 본 실시예에 따르면, 복수의 셀 블록(400)은 전지셀들의 적층 방향을 따라 2열로 배치될 수 있다.
각각의 모듈 영역 사이에는 격벽(110)이 형성되어 각 모듈 영역 사이를 구획할 수 있다. 격벽(110)은 모듈 영역에 자리잡은 셀 블록(400)의 측면들과 마주보도록 형성될 수 있다. 하부 팩 하우징(100) 및 이에 형성된 격벽(110)은 복수의 셀 블록(400)을 외부의 충격으로부터 보호할 수 있다.
열전도성 수지층(300)은 하부 팩 하우징(100)의 바닥면에 형성될 수 있다. 열전도성 수지층(300)은 복수의 모듈 영역 각각에 배치된 복수의 셀 블록(400)으로부터 발생한 열을 전지팩의 외부로 전달할 수 있다. 열전도성 수지층(300)은 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다. 셀 블록(400)은 열전도성 수지가 경화되기 전에 복수의 모듈 영역 각각에 안착될 수 있다. 열전도성 수지층(300)으로 전달된 열은 하부 팩 하우징(100)의 하측을 통해 외부로 배출될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 셀 블록(400)의 상부를 커버하는 상부 팩 하우징(200)을 더 포함할 수 있다. 상부 팩 하우징(200)은 하부 팩 하우징(100) 및 하부 팩 하우징(100)에 형성된 격벽(110)과 결합할 수 있다. 상부 팩 하우징(200)을 통해 복수의 셀 블록(400)을 상하방향으로 고정시키고 외력으로부터 복수의 셀 블록을 보호할 수 있다.
종래에는 전지셀 적층체 및 이와 연결된 여러 부품들을 조립하여 전지 모듈을 형성하고, 복수의 전지 모듈이 다시 전지팩에 수용되는 구조를 채용하고 있었다. 그러나 본 실시예에 따른 전지팩은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전지셀 적층체(410) 및 전지셀 적층체를 둘러싸는 절연 부재(430)만으로 형성된 셀 블록(400)이 전지팩을 형성하는 하부 팩 하우징(100)에 곧바로 결합하는 모듈-리스(Module-less)구조로 형성됨으로써, 종래와 같이 별도의 전지 모듈을 제조할 필요 없이 전지셀 적층체가 포함된 셀 블록과 전지팩 하우징 구조가 직접 결합된 단순한 구조의 전지팩 구조를 형성할 수 있다. 이를 통해 전반적인 전지팩 제조 공정이 간소화되고 전지팩의 제조 비용이 절감되며 전지팩의 무게가 경량화되는 효과를 가질 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재가 형성된 전지셀 적층체에 대해 비교예와 함께 설명한다.
도 2는 도 1의 셀 블록을 나타낸 도면이다. 도 3은 도 2의 셀 블록을 분해하여 나타낸 분해 사시도이다. 도 4는 도 2의 A-A 부분을 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 블록(400)은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(410) 및 전지셀 적층체(410)를 둘러싸는 절연 부재(430)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(410)를 형성할 수 있다. 이러한 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 전지 케이스 및 전극 조립체로부터 양단으로 돌출 형성된 전극 리드를 포함할 수 있다.
절연 부재(430)는 전지셀 적층체를 둘러싸도록 형성된다. 보다 상세하게는, 도 2를 참조하면, 절연 부재(430)는 전지셀 적층체(410)에서 전극 리드(411)가 형성된 부분을 제외한 전지셀 적층체(410)의 상하좌우면을 커버할 수 있다. 절연 부재(430)가 전지셀 적층체(410)를 커버함으로써, 전지셀 적층체(410)의 절연 성능을 확보할 수 있다.
도 5는 비교예로, U자형 프레임을 포함하는 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 종래 U자형 프레임을 포함하는 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체(10a), 전지셀 적층체(10a)를 수용하는 U자형 프레임(20), 전지셀 적층체(10a)의 상측을 커버하는 상부 플레이트(30), 전지셀 적층체(10a)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(40)를 포함할 수 있다.
전지팩 구조에서 절연 성능은 전지팩의 안정성을 위한 필수적인 안전 성능이다. 이러한 절연 성능을 확보하기 위하여, 도 5의 전지셀 적층체(10a)의 상측면에 전지셀들 상단부 각각에 절연 테이프(T)가 부착될 수 있고, U자형 프레임(20)의 바닥면에는 절연 필름(F)이 부착될 수 있다. 절연 테이프(T) 및 절연 필름(F)을 통해 전지셀 적층체(10a)와 외부와의 절연 성능을 확보할 수 있다.
다만, 도 5에 도시된 바와 같이, 전지셀들 각각마다 개별적으로 절연 테이프(T)를 부착해야 하고, 전지셀들마다 절연 테이프를 부착한 후 전지셀들을 적층한 전지셀 적층체(10a)에 버스바 프레임(10b)을 포함한 셀블록 어셈블리(10)를 조립해야 한다. 그 후 U자형 프레임(20)의 바닥면에 절연 필름(F)을 부착하고, 셀블록 어셈블리(10)를 U자형 프레임(20)의 내부에 삽입한 후 상부 플레이트(30)와 엔드 플레이트(40)를 조립하는 방식으로 전지 모듈을 제작해야 하는바, 절연 성능 확보를 위해 상술한 복잡한 제조 공정이 추가로 요구되는 문제가 있다.
또한 상기 전지 모듈들을 전지팩에 수납하는 과정이 추가로 필요한 바, 전지셀을 모듈 단위로 제조한 후 모듈 단위로 제조된 전지 모듈들을 다시 전지팩에 수납하는 두 단계의 과정이 필요하여 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
도 6은 비교예로, 상하좌우면으로 형성된 모듈 프레임을 포함하는 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 6을 참조하면, 상하좌우면으로 형성된 모듈 프레임을 포함하는 전지 모듈은, 전지셀 적층체 및 버스바 프레임이 결합된 셀블록 어셈블리(11)와 모듈 프레임(21) 사이에 절연 코팅층(C)이 삽입되어 절연 성능을 확보할 수 있다. 그러나 이러한 절연 코팅층(C)을 모듈 프레임(21)의 내벽에 도포하는 공정이 추가로 필요하다. 또한 절연 코팅층(C)의 내부로 셀블록 어셈블리(11)가 삽입될 시 삽입되는 셀블록 어셈블리(11)와 절연 코팅층(C) 간의 마찰로 인해 절연 코팅층(C)의 코팅이 손상될 우려도 있다.
이에 본 실시예에 따르면, 비교예인 도 5에 도시된 바와 같이 전지 모듈을 제조하는 공정 및 전지 모듈의 내부에 절연 테이프 및 절연 필름을 부착하는 공정이 별도로 필요하지 않는 장점이 있다. 또한 본 실시예에 따르면, 비교예인 도 6에 도시된 바와 같이 전지 모듈의 모듈 프레임 상에 절연 코팅층을 도포해야 하는 공정이 별도로 필요하지 않고, 절연 부재(430)가 감싸진 채로 하부 팩 하우징(100)의 모듈 영역에 장착됨으로써 절연 부재(430)가 손상될 우려도 없는 장점이 있다.
또한 절연 부재(430)를 전지셀 적층체(410)에 감싸기만 하면 되므로 제조 공정이 간소화될 수 있으며, 또한 절연 부재(430)가 전지셀 적층체(410)에 직접 접촉하도록 결합됨으로써 전지셀 적층체(410)의 직접 절연이 가능하여 절연 성능이 향상될 수 있다.
또한 절연 부재(430)는 도 6에 도시된 바와 같이 전지셀 적층체(410)의 측면 둘레 방향을 감싸도록 형성되어 전지셀 적층체(410)를 유동을 최소화하고 전지셀 적층체(410)를 고정시키는 역할을 수행할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전지셀 적층체(410)의 양측면 및 절연 부재(430)의 사이에는 측면 플레이트(420)가 위치할 수 있다. 측면 플레이트(420)는 탄성 부재로 형성되어 전지셀 적층체(410)의 스웰링(Swelling)을 흡수할 수 있다. 본 실시예에 따르면 측면 플레이트(420)는 탄성이 있는 고무(Rubber) 재질로 형성될 수 있으며, 사출로 형성되어 일정 수준의 강도를 확보할 수 있다.
절연 부재(430)는 열수축 튜브(Heat Shrinkage Tube)로 형성될 수 있다. 열수축 튜브로 형성된 절연 부재를 통해, 전지셀 적층체(410)의 절연 기능을 확보함과 동시에 온도 상승시 튜브가 수축하여 전지셀 적층체(410)와 꽉 조이게 결합하여 전지셀 적층체(410)를 고정시킬 수 있다.
이 밖에도 절연 부재(430)는 절연 테이프로도 형성될 수 있다. 절연 테이프가 전지셀 적층체(410)와 접착됨으로써 전지셀 적층체(410)를 고정시킬 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: 하부 팩 하우징
110: 격벽
200: 상부 팩 하우징
300: 열전도성 수지층
400: 셀 블록
410: 전지셀 적층체
420: 측면 플레이트
430: 절연 부재

Claims (10)

  1. 복수의 모듈 영역을 갖는 하부 팩 하우징;
    상기 모듈 영역에 형성된 열전도성 수지층; 및
    상기 열전도성 수지층의 상측에서 상기 복수의 모듈 영역 각각에 장착되어 있는 셀 블록을 포함하고,
    상기 셀 블록은,
    복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀 적층체를 둘러싸는 절연 부재를 포함하는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 셀 블록의 상부를 커버하는 상부 팩 하우징을 더 포함하는 전지팩.
  3. 제1항에서,
    상기 절연 부재는, 상기 전지셀 적층체에서 전극 리드가 형성된 부분을 제외한 상기 전지셀 적층체의 상하좌우면을 커버하는 전지팩.
  4. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 양측면 및 상기 절연 부재 사이에는 측면 플레이트가 위치하는 전지팩.
  5. 제4항에서,
    상기 측면 플레이트는 탄성 부재로 형성되는 전지팩.
  6. 제5항에서,
    상기 측면 플레이트는 고무(Rubber)로 형성되는 전지팩.
  7. 제4항에서,
    상기 측면 플레이트는 사출로 형성되는 전지팩.
  8. 제1항에서,
    상기 절연 부재는 열수축튜브(Heat Shrinkage Tube)로 형성되는 전지팩.
  9. 제1항에서,
    상기 절연 부재는 절연 테이프로 형성되는 전지팩.
  10. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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