KR20220066461A - 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 복수개의 원통형 전지셀(100), 상기 원통형 전지셀(100)을 수납하는 프레임 어셈블리(200) 및 상기 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)를 감싸는 모듈 케이스(300)를 포함하되, 상기 프레임 어셈블리(200)는 제1 수납홀(211)이 형성된 프레임 몸체(210) 및 상기 제1 수납홀(211)에 위치하는 가이드부(220)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법{Cell Module Having Guide Frame and Its Manufacturing Method}
본 발명은 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 원통형 전지셀들 사이 공간부를 채워주는 프레임 몸체 내부에 가이드부가 구비됨으로써 전지 모듈의 불량율을 낮추고 나아가 제조공정의 효율성을 높일 수 있는 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.
현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지셀을 전기적으로 연결하는 전지 모듈 또는 이러한 전지 모듈을 다수 구비한 전지 팩이 사용된다.
한편 전지 모듈은 복수개의 전지 셀을 수납하기 위해 금형 다이를 이용하여 수납홀이 형성되어 있는 프레임을 제작하는데, 이 때 금형 다이에 폼 소재를 주입하여 경화시켜 프레임을 형성한다. 하지만 경화된 프레임을 금형 다이에서 분리할 시 수납홀 사이에 위치하는 프레임 부분은 얇기 때문에 물성이 약해 손상이 발생한다는 문제점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 모듈의 일부분의 확대사시도이다. 도 1에 나타난 바와 같이 종래 기술에 따른 전지 모듈은 원통형 전지셀(10)의 하부를 잡아 고정하는 하부 프레임(20), 및 원통형 전지셀(10)의 측면을 감싸는 측면 프레임(30)을 포함하고 있다.
즉, 하부 프레임(20)에 원통형 전지셀(10)이 안착 및 고정되고, 측면 프레임(30)이 하부 프레임(20)의 돌기부(21)에 고정되어 원통형 전지셀(10)을 보호하는 구조이다.
하지만, 조립식의 전지 모듈이기 때문에 제조를 위해서는 시간이 많이 걸리고, 또한 원통형 전지셀(10) 간의 열전도를 확실하게 차단하기 어려워 화재 발생 등의 2차 피해가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
일본공개특허공보 제2019-021880호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에서는 전지셀 간의 열전도를 억제하고 제조 시 불량율을 낮출 수 있는 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법을 제조하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전지 모듈은, 복수개의 원통형 전지셀(100), 상기 원통형 전지셀(100)을 수납하는 프레임 어셈블리(200), 및 상기 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)를 감싸는 모듈 케이스(300)를 포함하되, 상기 프레임 어셈블리(200)는 제1 수납홀(211)이 형성된 프레임 몸체(210) 및 상기 제1 수납홀(211)에 위치하는 가이드부(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 가이드부(220)에는 제2 수납홀(221)이 구비되며, 상기 원통형 전지셀(100)은 상기 제2 수납홀(221)에 수납되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 프레임 몸체(210)는 난연성을 가진 폼 소재 또는 열전도성이 낮은 폼 소재인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 모듈 케이스(300)는 상기 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)의 상면을 덮는 상부 커버(310) 및 상기 프레임 어셈블리(200)의 하면에 위치하는 하부 커버(320)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 모듈 케이스(300)는 상기 프레임 어셈블리(200)의 측면을 감싸는 측면 커버(330)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 언급된 전지 모듈을 포함하는 전지 팩일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법은, 소정 간격 이격된 복수개의 지지봉(420)이 마련된 금형부(400)에 상기 가이드부(220)를 위치시키는 단계, 상기 금형부(400)와 상기 가이드부(220) 사이 빈 공간에 폼 소재를 주입하는 단계, 주입된 폼 소재를 경화시켜 프레임 몸체(210)를 형성하는 단계, 상기 가이드부(220)와 일체화된 프레임 몸체(210)를 상기 금형부(400)로부터 분리하는 단계, 및 상기 가이드부(220)에 원통형 전지셀(100)을 수납하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법은, 상기 가이드부(220)는 상기 지지봉(420)을 감싸는 형상으로 위치하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 의하면, 프레임 어셈블리는 열전도성이 낮은 소재로 이루어져 있어, 원통형 전지셀 간의 열전도를 억제하여 화재 발생 등 2차 피해를 방지할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 의하면, 프레임 어셈블리에 가이드부가 구비되어 있어 금형부로부터 프레임 어셈블리를 분리할 시 프레임 몸체의 손상을 최소화하고 있어 불량율을 낮출 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 모듈의 부분 확대사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 프레임 어셈블리의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 전지 모듈을 제조하기 위한 금형부의 일 예시이다.
도 7은 금형부를 사용하여 전지 모듈을 제조하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
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 경우뿐만 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 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관하여 첨부한 도면들을 참고하면서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈을 나타낸 사시도, 도 3는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈의 분해사시도 그리고 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 프레임 어셈블리의 분해사시도이다.
이들 도 2 내지 도 4를 참조하면서 설명하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전지 모듈은 원통형 전지셀(100), 프레임 어셈블리(200), 및 모듈 케이스(300)를 포함하여 구성된다.
먼저 원통형 전지셀(100)은, 권취형 구조의 전극조립체를 금속 캔에 수납하고, 금속 캔 내에 전해액을 주입한 후에, 금속 캔의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리를 결합하여 제작할 수 있다.
여기서, 전극조립체는 양극과 음극, 및 분리막을 차례로 적층하고 둥근 형태로 권취하여 제조된다.
전극조립체의 중앙 부위에 형성된 관통형의 권심부에는 원통형의 센터 핀이 삽입되어 있고, 센터 핀은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어지는데 이러한 센터 핀은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 함께 충방전 및 작동 시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편 캡 어셈블리의 상단 중앙 부위에는 돌출된 형태로 양극 단자가 형성되어 있으며, 금속 캔의 나머지 부위는 음극 단자를 형성한다.
물론 이차전지로 사용가능한 전지셀이라면 전술한 구성과 동일한 원통형 전지셀(100)로 제한하지 않는다.
프레임 어셈블리(200)는 프레임 몸체(210)와 가이드부(220)를 포함하여 구성된다.
프레임 몸체(210)에는 소정 간격 이격된 복수개의 제1 수납홀(211)이 형성되어 있으며, 이들 각각의 제1 수납홀(211)에는 가이드부(220)가 장착된다.
그리고 가이드부(220)에는 원통형 전지셀(100)을 수납 및 지지할 수 있도록 제2 수납홀(221)이 형성되어 있다.
결과적으로 가이드부(220)가 원통형 전지셀(100)의 외측면을 감싼 상태에서 다시 프레임 몸체(210)의 제1 수납홀(211)에 수납되는 것이다.
여기서, 프레임 몸체(210)는 난연성이나 낮은 열전도성을 갖는 폼 소재, 예를 들어 실리콘, 에폭시, 폴리우레탄 또는 탄 솜 같은 섬유 재질일 수 있는데, 이를 통해 가이드부(220)에 수납되어 있는 원통형 전지셀(100)들 간의 절연 및/또는 열이 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
한편 가이드부(220)는 원통형 전지셀(100)을 수납 및 지지할 수 있다면 특별히 제한하지 않지만, 프레임 몸체(210) 성형시 형상을 유지하고 전지 모듈의 경량화를 고려할 때, 경질의 내열성 플라스틱 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어 운모 또는 폴리카보네이트일 수 있다.
계속해서, 외부 충격 등으로부터 원통형 전지셀(100)을 보호하는 역할을 수행하기 위한 모듈 케이스(300)는 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)의 상면을 덮는 상부 커버(210), 및 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)의 하면에 위치하는 하부 커버(220)로 구성될 수 있다.
여기서, 제1 실시예에 따른 전지 모듈에서는 프레임 몸체(210)가 케이스의 측면 역할을 수행할 수 있고, 따라서 전지 모듈 제조비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 가이드 프레임이 구비된 전지 모듈의 분해사시도이다. 도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 케이스(300)가 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)의 상면을 덮는 상부 커버(310), 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)의 하면에 위치하는 하부 커버(320) 및 프레임 어셈블리(200)의 측면을 감싸는 측면 커버(330)를 포함하여 구성되는 것을 제외하고는 도 2 내지 도 4에서 설명한 제1 실시예와 동일하므로, 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
즉, 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전지 모듈에서 모듈 케이스(300)는 프레임 어셈블리(200) 측면을 감싸는 측면 커버(330)가 추가적으로 구비되어 외부의 충격에 한층 강하다는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 전지 모듈을 제조하기 위한 금형부의 일 예시이고, 도 7은 금형부를 사용하여 전지 모듈을 제조하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6 및 7을 참조하면서, 전지 모듈의 제조방법에 관해 설명하기로 한다.
먼저 전지 모듈의 제조에 이용되는 금형부(400)는 금형 몸체(410)와 지지봉(420)을 포함하여 구성된다.
금형 몸체(410)는 프레임 몸체(210)를 형성할 수 있도록 내측에 공간부가 마련되어 있고, 측벽에는 프레임 몸체(210) 형성을 위한 폼 소재 주입홀(411)이 하나 이상 형성되어 있다.
또 금형 몸체(410) 내측에는 가이드부(220)를 고정할 수 있도록 바닥면에서 수직방향으로 형성된 원기둥 형상을 가진 복수개의 지지봉(420)이 구비되어 있다.
비록 도 6에 도시된 금형 몸체(410) 측면에는 2개의 주입홀(411)이 형성된 것으로 도시하고 있으나, 1개 또는 3개 이상일 수 있고, 또 폼 소재를 상부에서 주입할 시에는 주입홀(411)이 생략될 수 있으나, 균일한 충전을 위해서는 주입홀(411)이 구비되는 것이 바람직하다.
한편 지지봉(420)은 가이드부(220)의 제2 수납홀(221)에 수납될 수 있을 정도의 외경을 가지며, 가이드부(220)가 장착된 상태에서 직립할 수 있다면 높이는 특별히 제한하지 않지만, 금형부(400)의 제작비용을 감안할 때 가이드부(220) 밖으로 돌출하지 않을 정도가 바람직하다.
상기와 같은 구성을 갖는 금형부(400)를 사용하여 전지 모듈을 제조하는 방법은, 소정 간격 이격된 복수개의 지지봉(420)이 마련된 금형부(400)에 가이드부(220)를 위치시키는 단계, 금형부(400)와 가이드부(220) 사이 빈 공간에 폼 소재를 주입하는 단계, 주입된 폼 소재를 경화시켜 프레임 몸체(210)를 형성하는 단계, 가이드부(220)와 일체화된 프레임 몸체(210)를 금형부(400)로부터 분리하는 단계, 및 가이드부(220)에 원통형 전지셀(100)을 수납하는 단계를 포함하여 구성된다.
먼저 소정 간격 이격된 복수개의 지지봉(420)이 마련된 금형부(400)에 가이드부(220)를 위치시키는 단계에서는 금형 몸체(410)의 바닥에 형성되어 있는 각각의 지지봉(420)에 가이드부(220)를 감싸는 형상으로 삽입 및 위치하는 단계이다.
금형부(400)와 가이드부(220) 사이 빈 공간에 폼 소재를 주입하는 단계에서는 금형 몸체(410)의 측면에 구비되어 있는 주입홀(411) 및/또는 상부에서 금형 몸체(410) 내부로 폼 소재를 주입하는 단계이다.
주입된 폼 소재를 경화시켜 프레임 몸체(210)를 형성하는 단계는 금형 몸체(410)에 주입한 폼 소재의 프레임 몸체(210)가 금형 몸체(410)로부터 분리되어도 형상을 유지할 수 있도록 폼 소재를 경화시키는 단계이다.
가이드부(220)와 일체화된 프레임 몸체(210)를 금형부(400)로부터 분리하는 단계는 주입된 폼 소재의 프레임 몸체(210)가 경화되어 가이드부(220)와 일체형이 된 프레임 어셈블리(200)를 금형부(400)로부터 분리하는 단계이다.
일반적으로 프레임 몸체(210)를 금형부(400)로부터 분리작업시 프레임 몸체(210)의 제1 수납홀(211) 간의 거리가 가깝고 따라서 자칫 찢어지는 등 손상이 발생한다는 문제점이 있다.
하지만 본 발명에 따른 프레임 몸체(210)는 제1 수납홀(211)에 가이드부(220)가 함께 고정된 상태이기 때문에 분리작업이 용이할 뿐만 아니라 프레임 몸체(210) 부분의 손상을 최소화하여 불량율을 낮출 수 있다는 이점이 있다.
가이드부(220)에 원통형 전지셀(100)을 수납하는 단계는 분리한 프레임 어셈블리(200)의 제2 수납홀(221)에 원통형 전지셀(100)을 수납하고 모듈 케이스(300)로 감싸 전지 모듈을 형성하는 단계이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 원통형 전지셀
200 : 프레임 어셈블리
210 : 프레임 몸체
211 : 제1 수납홀
220 : 가이드부
221 : 제2 수납홀
300 : 모듈 케이스
310 : 상부 커버
320 : 하부 커버
330 : 측면 커버
400 : 금형부
410 : 금형 몸체
411 : 주입홀
420 : 지지봉

Claims (8)

  1. 복수개의 원통형 전지셀(100);
    상기 원통형 전지셀(100)을 수납하는 프레임 어셈블리(200); 및
    상기 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)를 감싸는 모듈 케이스(300)를 포함하되,
    상기 프레임 어셈블리(200)는 제1 수납홀(211)이 형성된 프레임 몸체(210) 및 상기 제1 수납홀(211)에 위치하는 가이드부(220)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드부(220)에는 제2 수납홀(221)이 구비되며, 상기 원통형 전지셀(100)은 상기 제2 수납홀(221)에 수납되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프레임 몸체(210)는 난연성을 가진 폼 소재 또는 열전도성이 낮은 폼 소재인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스(300)는 상기 원통형 전지셀(100)과 프레임 어셈블리(200)의 상면을 덮는 상부 커버(310) 및 상기 프레임 어셈블리(200)의 하면에 위치하는 하부 커버(320)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모듈 케이스(300)는 상기 프레임 어셈블리(200)의 측면을 감싸는 측면 커버(330)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전지 모듈의 제조방법은,
    소정 간격 이격된 복수개의 지지봉(420)이 마련된 금형부(400)에 상기 가이드부(220)를 위치시키는 단계;
    상기 금형부(400)와 상기 가이드부(220) 사이 빈 공간에 폼 소재를 주입하는 단계;
    주입된 폼 소재를 경화시켜 프레임 몸체(210)를 형성하는 단계;
    상기 가이드부(220)와 일체화된 프레임 몸체(210)를 상기 금형부(400)로부터 분리하는 단계; 및
    상기 가이드부(220)에 원통형 전지셀(100)을 수납하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가이드부(220)는 상기 지지봉(420)을 감싸는 형상으로 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 제조방법.









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