KR20220040199A

KR20220040199A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩

Info

Publication number: KR20220040199A
Application number: KR1020200123127A
Authority: KR
Inventors: 노유선
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-03-30

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 버스바 프레임; 상기 버스바 프레임 상에 장착된 버스바; 및 상기 복수의 전지셀에서 돌출 형성된 전극 리드들을 포함하고, 상기 전극 리드들은 상기 버스바와 와이어 본딩(Wire Bonding)으로 연결된다.

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 설계 자유도가 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 적층체의 전후면을 커버하고 버스바가 장착되어 있는 버스바 프레임 및 복수의 전지셀에서 돌출 형성된 전극 리드들을 포함한다.

도 1은 종래 전지 모듈에 버스바가 장착된 모습을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체(11), 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임(20), 버스바 프레임(20)의 외측면에 장착된 복수의 버스바(21) 및 복수의 전지셀로부터 돌출 형성되어 복수의 버스바(21)의 외측면에 접촉하도록 결합된 전극 리드(11a)를 포함한다.

이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 버스바(21) 위에 전극 리드(11a)들을 겹치도록 만든 후 용접을 통해 전극 리드(11a)들과 버스바(21)를 결합시켰다. 이때, 전극 리드(11a)와 버스바(21)들은 레이저 용접 방식을 채용할 수 있는데, 레이저 용접을 하기 위해서는 용접 부분 주변으로 용접 지그를 가압한 상태에서 용접 공정을 수행해야 한다.

따라서 용접을 위한 일정 수준의 용접 공간이 필요할 수 있으며, 결과적으로 전극 리드(11a)를 버스바(21)의 외측면에 겹치도록 접촉시킬 경우, 용접 부분 및 이의 주변에 형성된 용접 지그의 가압 부위까지 고려하여 전극 리드(11a)를 배치해야 하는 문제가 있었다. 또한 전극 리드(11a) 및 버스바(21)의 크기가 최소한으로 요구되는 용접 공간을 만족시킬 수 있는 크기로 형성되어야 하므로 전극 리드(11a) 및 버스바(21)의 소형화가 어려운 문제가 있었다.

또한 용접 지그의 경우 버스바(21)의 외측면과 수직인 방향으로 버스바(21) 및 전극 리드(11a)를 가압하므로, 전극 리드(11a)와 버스바(21)가 결합되는 부분이 무조건 버스바(21)의 외측면 상에 형성되어야 하는 문제가 있었다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 용접 공간을 확보하고 다양한 형태의 설계 자유도를 가질 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 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 버스바 프레임; 상기 버스바 프레임 상에 장착된 버스바; 및 상기 복수의 전지셀에서 돌출 형성된 전극 리드들을 포함하고, 상기 전극 리드들은 상기 버스바와 와이어 본딩(Wire Bonding)으로 연결된다.

상기 버스바 프레임에는 복수개의 버스바 프레임 슬롯이 형성되고, 상기 전극 리드들은 상기 버스바 프레임 슬롯들을 통과하여 형성되고, 상기 전극 리드들 중 상기 버스바 프레임 슬롯들 중 하나의 버스바 프레임 슬롯을 통과한 상기 전극 리드들 및 상기 버스바는 와이어 본딩(Wire Bonding)으로 서로 연결될 수 있다.

상기 전극 리드들 중 상기 버스바 프레임 슬롯들 중 하나의 버스바 프레임 슬롯을 통과한 전극 리드들은 상기 버스바의 외면에 포개지도록 형성되고, 상기 버스바와 접촉하는 상기 전극 리드와 상기 버스바를 연결하는 복수개의 제1 와이어 및 포개진 상기 전극 리드들을 연결하는 복수개의 제2 와이어를 더 포함할 수 있다.

복수개의 상기 제1 와이어와 상기 제2 와이어는 교대로 엇갈리게 배치될 수 있다.

복수개의 상기 제1 와이어와 상기 제2 와이어는 서로 이격되게 배치될 수 있다.

상기 제1,2 와이어는 외부로 노출될 수 있다.

상기 버스바의 가운데 부분에는 버스바 슬롯이 형성되고, 상기 전극 리드들은 상기 버스바 슬롯을 지나 상기 버스바의 외면과 접촉할 수 있다.

상기 전극 리드들은 상기 버스바의 측면을 지나 상기 버스바의 외면과 접촉할 수 있다.

상기 전극 리드들은, 상기 버스바의 외면에 접촉되도록 절곡될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 전지 모듈을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은, 전극 리드들과 버스바를 와이어 본딩 방식으로 연결함으로써, 전극 리드들과 버스바 간의 배치를 자유롭게 할 수 있어 전지 모듈 설계의 자유도를 확보할 수 있으며, 연결 구조가 외부로 돌출되어 있어 다양한 비파괴 검사를 수행할 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 모듈에 버스바가 장착된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 B 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 C 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

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 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)의 전후면에 형성된 버스바 프레임(200), 버스바 프레임(200) 상에 장착된 버스바(210) 및 복수의 전지셀(110)에서 돌출 형성된 전극 리드(111)들을 포함한다.

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 리드(111)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(500)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(500)은 바닥부 및 양측부를 포함할 수 있다. 모듈 프레임(500)을 통해 모듈 프레임(500)의 내부에 수용된 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다. 모듈 프레임(500)의 개방된 상측면에는 상부 플레이트(600)가 형성될 수 있다. 상부 플레이트(600)는 전지셀 적층체(100)의 상측면을 커버할 수 있다.

버스바 프레임(200)은 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하도록 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 전후면에 위치하고 복수의 전지셀(110)로부터 연장 형성된 전극 리드(111)들과 연결될 수 있다. 보다 상세하게는, 버스바 프레임(200)에 장착된 복수의 버스바(210)에 버스바 프레임(200)을 관통하여 연장된 전극 리드(111)들이 결합됨으로써 전지셀(110)들과 버스바(210) 간에 전기적으로 연결될 수 있다.

엔드 플레이트(700)는 전지셀 적층체(100)를 기준으로 버스바 프레임(200)의 외측에 각각 형성되어, 전지셀 적층체(100) 및 버스바 프레임(200)을 커버하도록 형성될 수 있다.

엔드 플레이트(700)는 외부의 충격으로부터 버스바 프레임(200), 전지셀 적층체(100) 및 이와 연결된 여러 전장품을 보호하고, 동시에 전지셀 적층체(100)와 외부 전원과의 전기적 연결을 안내할 수 있다. 엔드 플레이트(700)와 버스바 프레임(200) 사이에는 절연 부재(미도시)가 삽입될 수 있다. 절연 부재(미도시)는 버스바 프레임(200)과 외부와의 전기적 연결을 차단하여 전지 모듈의 절연 성능을 확보할 수 있다.

열전도성 수지층(800)은 모듈 프레임 바닥면에 형성될 수 있다. 열전도성 수지층(800)의 상측에는 전지셀 적층체(100)가 위치하여, 전지셀 적층체(100)로부터 발생하는 열을 전지 모듈의 외부로 전달할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 열전도성 수지층(600)은 써말레진(Thermal Resin)으로 형성될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전극 리드(111)들은 버스바(210)와 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식으로 연결될 수 있다. 와이어 본딩으로 연결된 전극 리드(111)들과 버스바(210) 간의 연결 구조에 관하여 후술한다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 리드와 버스바 간에 형성된 와이어 본딩 구조를 포함하는 전지 모듈에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 B 부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 5는 도 4의 C 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서, 전극 리드(111)들은 버스바(210)와 와이어 본딩(Wire Bonding)으로 연결된다.

종래에는 전극 리드와 버스바를 연결하기 위하여 레이저 용접 방식을 사용하였다. 그러나 레이저 용접을 통해 전극 리드와 버스바를 결합할 경우, 용접 지그가 차지하는 용적과 용접이 되는 부분의 최소 크기를 맞추기 위해 일정 면적 이상의 평면 구간이 요구되며, 그에 맞는 크기로 형성된 전극 리드와 버스바가 배치되어야 하였다.

또한 용접이 제대로 이루어졌는지 확인하기 위해, 양산시마다 샘플링 과정을 통해 용접 강도 측정을 위한 파괴 테스트를 진행해야 하는 불편함이 있다. 또한 샘플 제작시마다 용접 조건을 세팅함에 있어서 관련 부품을 소모하게 되는 단점이 있다.

이에 본 실시예에 따르면, 전극 리드(111)들과 버스바(210)를 레이저 용접대신 와이어 본딩으로 연결함으로써, 전극 리드(111)와 버스바(210)를 와이어로 연결만하면 되므로, 전극 리드(111)와 버스바(210) 다양한 위치 또는 각도로 배치할 수 있게 됨으로써 전지 모듈의 설계 자유도를 확보할 수 있다.

또한 용접 공간의 최적화를 통해 전극 리드의 커팅 사이즈 또는 버스바의 사이즈 축소가 가능하여 전지 모듈의 소형화에 기여할 수 있다. 또한 레이저나 초음파와 달리 연결되는 와이어 구조가 외부로 돌출되어 있어 광학 검사, 레이저 검사등 다양한 비파괴 검사를 실시할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 버스바 프레임(200)에는 복수개의 버스바 프레임 슬롯이 형성되고, 전극 리드(111)들은 버스바 프레임 슬롯들을 통과하여 형성될 수 있다. 또한 전극 리드(111)들 중 버스바 프레임 슬롯들 중 하나의 버스바 프레임 슬롯을 통과한 전극 리드(111)들 및 버스바(210)는 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식으로 서로 연결될 수 있다.

전극 리드(111)들 중 버스바 프레임 슬롯들 중 하나의 버스바 프레임 슬롯을 통과한 전극 리드(111)들은 버스바(210)의 외면에 접촉되도록 절곡되어 버스바(210)의 외면에 포개지도록 형성될 수 있다. 이때 본 실시예에 따르면 버스바(210)와 접촉하는 전극 리드(111)와 버스바(210)를 연결하는 제1 와이어(300) 및 포개진 전극 리드(111)들을 연결하는 복수개의 제2 와이어(400)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 전극 리드와 버스바 간의 연결 뿐만 아니라 전극 리드들 간의 연결도 와이어 본딩 구조를 이용할 수 있다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 전극 리드(111)들은 버스바(210)의 측면을 지나 버스바(210)의 외면과 접촉할 수 있으며, 이러한 전극 리드(111)들 및 전극 리드(111)들과 버스바(210)를 와이어 본딩 방식으로 연결할 수 있다. 이때 전극 리드(111)들은 버스바(210)의 외면에 접촉되도록 절곡되어 형성될 수 있다.

본 실시예에 따르면 전극 리드(111)들이 버스바(210)의 외면에 포개지도록 형성되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 전극 리드들 사이 또는 전극 리드들과 버스바 사이가 이격되게 배치된 상태에서 와이어를 이용하여 서로가 연결된 구조를 채용할 수 있다.

도 5를 참조하면, 복수개의 제1 와이어(300)와 제2 와이어(400)는 교대로 엇갈리게 배치될 수 있다. 또한 복수개의 제1 와이어(300)와 제2 와이어(400)는 서로 이격되게 배치될 수 있다. 도 4를 참조하면, 복수개의 제1 와이어(300) 및 제2 와이어(400)는 와이어 공정부(W)를 통해 형성되어 전극 리드(111)들 사이 및 전극 리드(111)들과 버스바(210) 사이를 와이어를 통해 연결할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 제1,2 와이어(300, 400)는 외부로 노출될 수 있다. 이와 같이 제1,2 와이어(300, 400)가 외부로 노출됨으로써 광학 검사, 레이저 검사 등 다양한 비파괴 검사를 적용하여 전극 리드들 간 또는 전극 리드와 버스바 간 연결 상태를 체크할 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
111: 전극 리드
200: 버스바 프레임
210: 버스바
210a: 버스바 슬롯
210b: 버스바 외면
300: 제1 와이어
400: 제2 와이어
500: 모듈 프레임
600: 상부 플레이트
700: 엔드 플레이트
800: 열전도성 수지층
W: 와이어 공정부

Claims

복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
상기 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 버스바 프레임;
상기 버스바 프레임 상에 장착된 버스바; 및
상기 복수의 전지셀에서 돌출 형성된 전극 리드들을 포함하고,
상기 전극 리드들은 상기 버스바와 와이어 본딩(Wire Bonding)으로 연결되는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 버스바 프레임에는 복수개의 버스바 프레임 슬롯이 형성되고, 상기 전극 리드들은 상기 버스바 프레임 슬롯들을 통과하여 형성되고,
상기 전극 리드들 중 상기 버스바 프레임 슬롯들 중 하나의 버스바 프레임 슬롯을 통과한 상기 전극 리드들 및 상기 버스바는 와이어 본딩(Wire Bonding)으로 서로 연결되는 전지 모듈.
제2항에서,
상기 전극 리드들 중 상기 버스바 프레임 슬롯들 중 하나의 버스바 프레임 슬롯을 통과한 전극 리드들은 상기 버스바의 외면에 포개지도록 형성되고,
상기 버스바와 접촉하는 상기 전극 리드와 상기 버스바를 연결하는 복수개의 제1 와이어 및 포개진 상기 전극 리드들을 연결하는 복수개의 제2 와이어를 더 포함하는 전지 모듈.
제3항에서,
복수개의 상기 제1 와이어와 상기 제2 와이어는 교대로 엇갈리게 배치되는 전지 모듈.
제4항에서,
복수개의 상기 제1 와이어와 상기 제2 와이어는 서로 이격되게 배치되는 전지 모듈.
제3항에서,
상기 제1,2 와이어는 외부로 노출되는 전지 모듈.
제2항에서,
상기 버스바의 가운데 부분에는 버스바 슬롯이 형성되고, 상기 전극 리드들은 상기 버스바 슬롯을 지나 상기 버스바의 외면과 접촉하는 전지 모듈.
제2항에서,
상기 전극 리드들은 상기 버스바의 측면을 지나 상기 버스바의 외면과 접촉하는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 전극 리드들은, 상기 버스바의 외면에 접촉되도록 절곡되는 전지 모듈.
제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.