KR20240009718A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 셀 어셈블리 및 셀 어셈블리의 적어도 일측을 커버하며, 인접한 배터리 셀들의 전극 리드 간의 직접 연결을 가이드하도록 구성된 프레임 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK AND VEHICLE INCLUDING THE BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조 비용을 낮추면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 또한, 리튬 이차전지는 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판, 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다.
한편, 리튬 이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다. 그리고, 캔형 이차전지는 다시 금속 캔의 형태에 따라 원통형 전지와 각형 전지로 분류될 수 있다.
여기서, 파우치형 이차전지의 파우치는 하부 시트와 이를 덮는 상부 시트로 크게 구분될 수 있다. 이 때, 파우치에는 양극 및 음극과 세퍼레이터가 적층 권취되어 형성된 전극조립체가 수납된다. 그리고, 상기 전극조립체를 수납한 다음 상부 시트와 하부 시트의 가장자리를 열융착 등에 의해 실링하게 된다. 또한, 각 전극에서 인출된 전극탭이 전극 리드에 결합되고, 상기 전극 리드에는 실링부와 접촉한 부분에 절연 필름이 부가될 수 있다.
이처럼, 파우치형 이차전지는 다양한 형태로 구성할 수 있는 융통성을 가질 수 있다. 또한, 파우치형 이차전지는 보다 작은 부피와 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이러한 상기 리튬 이차전지는, 고전압 및 고전류를 제공할 수 있도록 여러 개의 배터리 셀들을 그 자체 또는 카트리지 등에 장착한 상태로 중첩 내지 적층해 밀집 구조로 만든 후, 이를 전기적으로 연결한 배터리 모듈이나 배터리 팩으로 이용이 되고 있다.
종래 배터리 모듈은, 일반적으로, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 셀 어셈블리 및 상기 셀 어셈블리를 커버하며 상기 복수 개의 배터리 셀들의 전기적 연결을 위한 버스바 어셈블리를 포함하여 구성된다. 여기서, 복수 개의 배터리 셀들의 전극 리드들은, 버스바 어셈블리를 구성하는 버스바를 통해 상호 접합된다. 즉, 종래 배터리 모듈에서는, 배터리 셀들의 전극 리드들의 상호 연결 시 버스바를 이용하여 전극 리드들 상호 간의 연결을 가이드 하게 된다.
그러나, 이러한 버스바를 포함하는 배터리 모듈 구조는, 버스바로 인한 제조 원가 증가 및 버스바 무게로 인한 전체 배터리 모듈의 무게 증가 등으로 제조 비용 및 에너지 밀도 측면에서 불리한 문제가 있다.
그러므로, 제조 비용을 저감하고 에너지 밀도를 확보하면서 배터리 셀들의 전극 리드들의 전기적 연결을 구성할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 제조 비용을 저감하고 에너지 밀도를 확보하면서 배터리 셀들의 전극 리드들의 전기적 연결을 구성할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 셀 어셈블리; 및 상기 셀 어셈블리의 적어도 일측을 커버하며, 인접한 배터리 셀들의 전극 리드 간의 직접 연결을 가이드하도록 구성된 프레임 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
보다 바람직하게, 상기 인접한 배터리 셀들의 전극 리드들은, 상기 프레임 어셈블리 내에서 상호 연결을 위한 추가적인 매개체 없이 서로 직접적으로 접합될 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 프레임 어셈블리는, 상기 셀 어셈블리의 적어도 일측을 커버하며, 상기 배터리 셀들의 전극 리드들을 통과시키는 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임을 커버하며, 상기 메인 프레임을 통과한 전극 리드들을 지지하는 커버 프레임을 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 메인 프레임은, 상기 셀 어셈블리의 적어도 일측을 커버하는 프레임 바디; 상기 프레임 바디에 구비되며, 상기 전극 리드들을 통과시키기 위한 복수 개의 리드 슬롯; 및 상기 복수 개의 리드 슬롯 사이에 구비되며, 상기 프레임 바디의 높이 방향에서 소정 공간을 형성하는 복수 개의 가이드 스페이서를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 복수 개의 가이드 스페이서에는, 상기 인접한 배터리 셀들의 전극 리드 간의 직접 연결 시, 상기 전극 리드의 직접 연결을 가이드 하는 탈착 가능한 리드 접합 지그가 삽입될 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 커버 프레임은, 상기 메인 프레임을 커버하는 커버 바디; 및 상기 커버 바디의 내면에 구비되며, 상기 리드 슬롯들을 통과한 상기 배터리 셀들의 전극 리드들을 지지하는 복수 개의 지지 리브를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 커버 프레임은, 상기 커버 바디에 형성되며, 상기 커버 바디의 높이 방향에서 상기 복수 개의 가이드 스페이서의 양단부에 끼워지는 복수 개의 돌출 리브를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 커버 바디는, 절연 재질로 마련될 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 복수 개의 지지 리브는, 상기 리드 슬롯들을 통과한 상기 배터리 셀들의 상호 접합된 전극 리드들과 면 접촉될 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 복수 개의 지지 리브는, 상기 커버 바디의 내면에 구비되는 제1 지지부; 및 상기 제1 지지부의 양단부로부터 절곡되어 소정 길이로 돌출되는 제2 지지부를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 제1 지지부는, 상기 리드 슬롯들을 통과한 상기 배터리 셀들의 상호 접합된 전극 리드들과 면 접촉될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 제조 비용을 저감하고 에너지 밀도를 확보하면서 배터리 셀들의 전극 리드들의 전기적 연결을 구성할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이외에도 본 발명의 여러 실시예에 의하여, 여러 다른 추가적인 효과가 달성될 수 있다. 이러한 본 발명의 여러 효과들에 대해서는 각 실시예에서 상세하게 설명하거나, 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 효과에 대해서는 그 설명을 생략한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 프레임 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 프레임 어셈블리의 메인 프레임을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 2의 프레임 어셈블리의 커버 프레임을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 도 1의 배터리 모듈의 프레임 어셈블리 내에서의 배터리 셀들의 전극 리드들의 연결을 설명하기 위한 부분 절개도이다.
도 7은 도 1의 배터리 모듈의 프레임 어셈블리 내에서의 배터리 셀들의 전극 리드들의 연결을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 2의 프레임 어셈블리의 다른 실시예에 따른 커버 프레임을 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 도 2의 프레임 어셈블리의 또 다른 실시예에 따른 커버 프레임을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 도 1의 배터리 모듈의 배터리 셀들의 전극 리드들의 접합 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 모듈(10)의 프레임 어셈블리(200)를 설명하기 위한 도면이다. 한편, 설명의 편의를 위해, 도 2에서, 배터리 모듈(10)의 탑 플레이트(400)의 도시는 생략하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)은, 셀 어셈블리(100) 및 프레임 어셈블리(200)을 포함할 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 복수 개의 배터리 셀들(150)을 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)은, 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지, 각형 이차 전지 또는 원통형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)이 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 마련되는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(150)은, 상호 적층되게 배열되며, 전극 리드들(155)의 전기적 연결을 통해 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 프레임 어셈블리(200)는, 상기 셀 어셈블리(100)의 상기 복수 개의 배터리 셀들(150)을 전기적으로 연결하기 위한 것으로서, 상기 셀 어셈블리(100)의 적어도 일측을 커버할 수 있다. 이러한 상기 프레임 어셈블리(200)는, 인접한 배터리 셀들(150)의 전극 리드(155) 간의 직접 연결을 가이드하도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 프레임 어셈블리(200)가 배터리 셀들(150)의 전극 리드(155)들의 전기적 연결 시, 전극 리드(155) 간의 직접 연결을 가이드하는 바, 전극 리드들(155)의 전기적 연결을 위한 별도의 매개체 등을 이용한 종래의 간접 연결 구조과 대비하여 추가적인 전기적 연결을 위한 버스바 등의 부재를 생략할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 종래와 같은 버스바 등의 부재 생략을 통해, 전체 배터리 모듈의 재료비가 절감되며, 전체 배터리 모듈의 무게 또한 줄일 수 있다. 아울러, 본 실시예에서는, 전술한 버스바 부재 등의 부재 생략에 따라, 상기 배터리 모듈(10)의 길이 방향(X축 방향)으로 셀 공간을 보다 더 확보할 수 있기에, 전체 배터리 모듈(10)의 에너지 밀도 또한 높일 수 있다.
구체적으로, 상기 셀 어셈블리(100)의 상기 인접한 배터리 셀들(150)은, 상기 프레임 어셈블리(200) 내에서 상호 연결을 위한 추가적인 매개체 없이 서로 직접적으로 접합될 수 있다. 여기서, 추가적인 매개체는, 종래 배터리 셀들(150)의 전기적 연결을 위해 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)과 접합되는 별도의 버스바 부재 등을 의미할 수 있다.
본 실시예의 경우, 이러한 별도의 버스바 부재 등의 추가적인 매개체 없이 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)이 전기적으로 연결되므로, 버스바 부재 등의 부재를 생략할 수 있어, 상기 배터리 모듈(10)의 제조 원가를 줄일 수 있으며, 상기 배터리 모듈(10)의 길이 방향(X축 방향)에서 상기 버스바 등의 부재 생략에 따라 전체 배터리 모듈(10)의 사이즈나 무게를 줄여 배터리 무게 당 에너지 밀도를 현저히 높일 수 있다.
이하, 이러한 본 실시예에 따른 상기 프레임 어셈블리(200)에 대해 보다 더 자세히 살펴 본다.
도 3은 도 2의 프레임 어셈블리(200)의 메인 프레임(210)을 설명하기 위한 도면이며, 도 4 및 도 5는 도 2의 프레임 어셈블리(200)의 커버 프레임(250)를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5 및 앞선 도 2를 참조하면, 상기 프레임 어셈블리(200)는, 메인 프레임(210) 및 커버 프레임(250)를 포함할 수 있다.
상기 메인 프레임(210)은, 상기 셀 어셈블리(100)의 적어도 일측을 커버할 수 있다. 구체적으로, 상기 메인 프레임(210)은, 한 쌍으로 구비되어 상기 셀 어셈블리(100)의 전후 방향(X축 방향)에 따른 양측을 커버할 수 있다.
상기 메인 프레임(210)은, 상기 셀 어셈블리(210)의 적어도 일측을 커버하면서 상기 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(150)을 상기 메인 프레임(210) 밖으로 통과시킬 수 있다.
이하, 이러한 상기 메인 프레임(210)에 대해 보다 더 구체적으로 살펴 본다.
상기 메인 프레임(210)은, 프레임 바디(212), 리드 슬롯(214) 및 가이드 스페이서(216)를 포함할 수 있다.
상기 프레임 바디(212)는, 상기 셀 어셈블리(100)의 적어도 일측을 커버할 수 있다. 구체적으로, 상기 프레임 바디(212)는, 한 쌍으로 구비되어 상기 셀 어셈블리(100)의 전후 방향(X축 방향)에 따른 양측을 커버할 수 있다.
상기 리드 슬롯(214)은, 상기 프레임 바디(212)에 구비되며, 상기 배터리 셀들(150)의 상기 전극 리드들(155)을 통과시킬 수 있다. 이러한 상기 리드 슬롯(214)은 복수 개로 구비되며, 상기 배터리 셀들(150)의 상기 전극 리드들(155) 각각을 상기 프레임 바디(212) 밖으로 돌출되게 통과시킬 수 있다.
상기 가이드 스페이서(216)는, 복수 개로 마련되고, 복수 개의 리드 슬롯(214) 사이에 구비될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 가이드 스페이서(216)는, 상기 프레임 바디(212)의 높이 방향(Z축 방향)에서 소정 공간을 형성할 수 있다.
상기 복수 개의 가이드 스페이서(216)는, 후술하는 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155) 사이의 접합 공정 시, 후술하는 리드 접합 지그(J)의 삽입 공간을 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 복수 개의 가이드 스페이서(216)에는, 상기 인접한 배터리 셀들(150)의 전극 리드(155) 간의 직접 연결 시, 상기 전극 리드(155)의 직접 연결을 가이드 하는 탈착 가능한 리드 접합 지그(J)가 삽입될 수 있다. 상기 복수 개의 가이드 스페이서(216)를 통한 상기 리드 접합 지그(J)의 삽입과 관련된 접합 공정에 대해서는 하기 관련 설명에서 보다 구체적으로 살펴 본다.
상기 메인 프레임(210)은, 후크 홈(218)을 더 포함할 수 있다.
상기 후크 홈(218)은, 상기 메인 프레임(210)과 상기 커버 프레임(250)의 결합을 가이드 하기 위한 것으로서, 상기 프레임 바디(212)의 길이 방향(Y축 방향)에 따른 양단부에 형성되며, 한 쌍으로 마련될 수 있다. 이러한 상기 한 쌍의 후크 홈(218)에는, 후술하는 한 쌍의 결합 후크(258)가 후크 체결될 수 있다.
상기 커버 프레임(250)는, 상기 메인 프레임(210)을 커버하며, 상기 메인 프레임(210)을 통과한 전극 리드(155)들을 지지할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 커버 프레임(250)가 상기 전극 리드들(155)을 직접적으로 지지하면서 상기 전극 리드들(155)을 커버할 수 있다.
이하, 이러한 본 실시예에 따른 상기 커버 프레임(250)에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
상기 커버 프레임(250)는, 커버 바디(252) 및 지지 리브(254)를 포함할 수 있다.
상기 커버 바디(252)는, 상기 프레임 어셈블리(200)의 외관을 형성하며, 상기 메인 프레임(210)의 프레임 바디(212)과 결합되어 상기 메인 프레임(210)을 커버할 수 있다.
이러한 상기 커버 바디(252)와 상기 프레임 바디(212)의 결합을 통해, 상기 배터리 셀들(150)의 상기 전극 리드들(155)은 상호 전기적으로 연결된 상태에서 상기 프레임 어셈블리(200) 내에 배치될 수 있다.
이러한 상기 커버 바디(252)는, 절연 성능 확보를 위해 절연 재질로 마련될 수 있다. 예로써, 상기 커버 바디(252)는 소정의 강도를 갖는 플라스틱 재질로 구비될 수 있다.
상기 지지 리브(254)는, 상기 커버 바디(252)의 내면에 구비될 수 있다. 이러한 상기 지지 리브(254)는, 상기 커버 바디(252) 내측에서 상호 연결된 전극 리드들(155)을 지지하기 위한 것으로서, 상기 커버 바디(252)와 일체로 형성되거나 또는 상기 커버 바디(252)에 별도로 부착될 수 있다.
구체적으로, 상기 지지 리브(254)는, 상기 커버 바디(252)의 내면에서 소정 길이로 돌출되며, 상기 리드 슬롯들(214)을 통과한 상기 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)을 지지할 수 있게 상호 연결된 전극 리드들(155)을 마주 하게 배치될 수 있다.
상기 지지 리브(254)는, 복수 개로 구비되며, 상기 커버 바디(252)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 지지 리브(254)는, 상호 연결된 전극 리드들(155)의 쌍에 대응되는 개수로 마련될 수 있다.
상기 커버 프레임(250)는, 돌출 리브(256)를 더 포함할 수 있다.
상기 돌출 리브(256)는, 상기 커버 바디(252)의 상단부 및 하단부에 각각 형성되며, 복수 개로 구비되어 상기 커버 바디(252)의 상단부 및 하단부에서 각각 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
이러한 상기 복수 개의 돌출 리브(256)는, 상기 커버 바디(252)의 높이 방향(Z축 방향)에서 상기 복수 개의 가이드 스페이서(216)의 양단부, 즉, 상기 복수 개의 가이드 스페이서(216)의 상단부 및 하단부에 끼워질 수 있다.
상기 복수 개의 돌출 리브(256)는, 상기 메인 프레임(210)과 상기 커버 프레임(250)의 결합 시, 상기 복수 개의 가이드 스페이서(216)의 상단부 및 하단부에 끼워져 상기 프레임 어셈블리(200) 내부를 보다 더 확실히 밀폐시켜 상기 프레임 어셈블리(200)의 실링 성능을 보다 더 높일 수 있다.
상기 커버 프레임(250)는, 결합 후크(258)를 더 포함할 수 있다.
상기 결합 후크(258)는, 한 쌍으로 구비되어 상기 커버 바디(252)의 길이 방향(Y축 방향)에 따는 양단부에 구비될 수 있다. 상기 한 쌍의 결합 후크(258)는, 상기 메인 프레임(210)과 상기 커버 프레임(250)의 결합 시, 상기 메인 프레임(210)의 상기 한 쌍의 후크 홈(218)에 후크 결합될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 메인 프레임(210)과 상기 커버 프레임(250)의 결합이 상기 한 쌍의 결합 후크(258)와 상기 한 쌍의 후크 홈(218)을 통한 후크 결합을 통해 이루어지는 바, 별도의 추가적인 볼팅 부재 없이도 상기 메인 프레임(210)과 상기 커버 프레임(250)를 상호 안정적으로 결합시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 추가적인 볼팅 부재 없이 상기 메인 프레임(210)과 상기 커버 프레임(250)를 결합하는 바, 볼팅 부재 생략에 따라, 제조 원가를 보다 더 낮추며 조립 공정 효율 또한 현저히 높일 수 있다.
도 6는 도 1의 배터리 모듈(10)의 프레임 어셈블리(200) 내에서의 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)의 연결을 설명하기 위한 부분 절개도이며, 도 7은 도 1의 배터리 모듈(10)의 프레임 어셈블리(200) 내에서의 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)의 연결을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상호 연결된 상기 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)은, 상기 프레임 어셈블리(200) 내에서 상기 커버 프레임(250)의 상기 지지 리브들(254)에 의해 지지될 수 있다.
이때, 상기 지지 리브(254)는, 상기 전극 리드들(155)의 보다 더 안정적인 지지를 위해 상기 전극 리드들(155)에 접촉될 수 있게 밀착되거나 또는 상기 전극 리드들(155)을 소정 깊이로 가압하면서 밀착할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 지지 리브들(254)이 상기 프레임 어셈블리(200) 내에서 상기 전극 리드들(155)을 지지하므로, 상호 접합된 전극 리드들(155)의 결합 안정성을 높일 수 있다.
아울러, 본 실시예에서는, 상기 커버 프레임(250)의 내면에 상기 지지 리브들(254)이 구비되므로, 상기 프레임 어셈블리(250)의 외측, 즉, 상기 커버 프레임(250)의 외측에서, 외부 충격 등의 이벤트 발생 시, 상기 지지 리브들(254)가 우선적으로 충격 등을 전달 받아 상기 전극 리드들(155) 측으로 가해질 수 있는 충격량을 최소화할 수 있다.
도 8은 도 2의 프레임 어셈블리(200)의 다른 실시예에 따른 커버 프레임(260)를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 커버 프레임(260)는 앞선 실시예의 상기 커버 프레임(250)와 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 살펴 본다.
도 8을 참조하면, 상기 커버 프레임(260)는, 커버 바디(262) 및 지지 리브(264)를 포함할 수 있다.
상기 지지 리브(264)는, 복수 개로 구비되고, 상기 커버 바디(262)의 내면에 형성되며, 상호 접합된 전극 리드들(155, 도 2 참조)의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 지지 리브(264)는, 마주 하는 전극 리드들(155, 도 2 참조)과 면 접촉될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 지지 리브(264)는, 상기 전극 리드들(155)가 면접촉되는 바, 상기 전극 리드들(155)과의 접촉 면적을 늘려 상기 전극 리드들(155)에 대한 지지 안정성을 보다 더 확보할 수 있다.
도 9은 도 2의 프레임 어셈블리(200)의 또 다른 실시예에 따른 커버 프레임(270)를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 커버 프레임(270)는 앞선 실시예의 상기 커버 프레임(260)와 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 살펴 본다.
도 9를 참조하면, 상기 커버 프레임(270)는, 커버 바디(272) 및 지지 리브(274)를 포함할 수 있다.
상기 지지 리브(274)는, 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 지지 리브(274)는, 각각, 제1 지지부(275) 및 제2 지지부(277)를 포함할 수 있다.
상기 제1 지지부(275)는, 상기 커버 바디(272)의 내면에 형성되며, 상호 접합된 전극 리드들(155, 도 2 참조)의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 형성되어 상기 전극 리드들(155)과 면 접촉할 수 있다.
상기 제2 지지부(277)는, 상기 제1 지지부(275)의 양단부로부터 절곡되어 소정 길이로 돌출될 수 있다. 이러한 상기 제2 지지부(277)는, 상기 상호 접합된 전극 리드들(155)의 양측을 커버하여 상기 전극 리드들(155)의 좌우 유동을 방지하여 상기 전극 리드들(155)의 파손이나 이탈 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 도 1의 배터리 모듈(10)의 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)의 접합 공정을 설명하기 위한 도면이다. 한편, 설명의 편의를 위해, 도 10 내지 도 12에서, 배터리 모듈(10)의 탑 플레이트(400)의 도시는 생략하였다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 상기 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)의 전기적 연결을 위한 접합 공정 시, 작업자 등은, 먼저, 상기 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)을 상기 프레임 어셈블리(200)의 상기 메인 프레임(210)의 상기 리드 슬롯들(214)을 통해 상기 메인 프레임(210) 밖으로 통과시킬 수 있다. 여기서, 상기 작업자 등의 공정은, 수동 조작 또는 기계 기구 설비 등을 통한 자동 조작을 모두 포함할 수 있다.
이후, 상기 작업자 등은, 복수 개의 리드 접합 지그(J)를 상기 가이드 스페이서(216) 내에 배치시킬 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 리드 접합 지그(J)는, 상기 메인 프레임(210)의 상하 방향(Z축 방향)에서 슬라이딩되어 상기 가이드 스페이서(216) 내의 소정 공간에 배치될 수 있다.
이후, 상기 작업자 등은, 상기 리드 슬롯들(214)을 통과한 인접한 전극 리드들(155)을 절곡시켜 상호 오버랩되게 접촉 배치시킬 수 있다. 이때, 상기 가이드 스페이서(216) 내에 배치되는 상기 리드 접합 지그(J)는, 상기 전극 리드들(155)의 후방에서 상기 전극 리드들(155)을 지지할 수 있어, 상기 작업자 등의 전극 리드들(155)에 대한 절곡이나 오버랩 배치 시의 공정 정확도를 높이며, 상기 공정 시 야기될 수 있는 전극 리드들(155)의 파손 등의 위험을 효과적으로 방지할 수 있다.
이후, 상호 오버랩되게 배치된 인접한 전극 리드들(155)은, 레이저 용접 등 용접 공정(W)을 통해 상호 접합되어 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 상기 가이드 스페이서(216) 내에 배치되는 상기 리드 접합 지그(J)는, 금속 재질로 마련되며, 상기 용접 공정(W) 시, 상기 전극 리드들(155)의 후방에서 상기 전극 리드들(155)을 지지하는 바, 상기 용접 공정(W)의 정확도를 높이며, 상기 공정 시 야기될 수 있는 전극 리드들(155)이나 상기 프레임 바디(212)의 파손이나 용접 품질 불량을 방지할 수 있다.
상기 레이저 용접 등의 용접 공정(W) 시, 상기 용접 면 후방에 금속이 아닌 플라스틱 사출물이 있게 되면, 사출물이 녹거나 또는 용접이 원활히 이루어지지 않는 등의 용접 불량이 발생할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 용접 공정(W) 시 상기 리드 접합 지그(J)가 상기 가이드 스페이서(216) 내에서 용접면 후면에서 상기 전극 리드들(155)을 지지함에 따라, 상기 레이저 용접 등의 용접 공정(W) 시 야기될 수 있는 전극 리드(155)나 프레임 바디(212)의 파손을 방지하며, 용접 품질을 현저히 높일 수 있다.
상기 전극 리드들(155) 사이의 용접 공정(W)이 완료되면, 상기 작업자 등은, 상기 리드 접합 지그(J)들을 상하 방향(Z축 방향)을 따라 슬라이딩시켜 상기 가이드 스페이서(216) 밖으로 이동시킨 후 상기 커버 프레임(250)를 상기 메인 프레임(210)에 결합시킬 수 있다.
앞서 살펴 본 바와 같이, 상기 커버 프레임(250)와 상기 메인 프레임(210)이 상호 결합되면, 상기 커버 프레임(250)의 내면에 마련되는 상기 지지 리브들(254)은, 상기 용접 등을 통해 상호 접합된 전극 리드들(155)을 지지할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에서는, 상기 셀 어셈블리(100)의 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)의 전기적 연결 시, 별도의 버스바 부재와 같은 추가적인 매개체 없이 전극 리드들(155) 만으로 상호 접합시키므로, 버스바 부재 등의 생략에 따른 비용을 절감할 수 있으며, 배터리 모듈(10)의 에너지 밀도도 보다 더 높이면서 보다 더 슬림한 구조의 배터리 모듈(10)을 구현할 수 있다.
아울러, 본 실시예에서는, 상기 커버 프레임(250)의 상기 지지 리브들(254)이 상기 프레임 어셈블리(200) 내에서 상기 상호 접합된 전극 리드들(155)을 지지하는 바, 상기 전극 리드들(155)의 결합 안정성 또한 효과적으로 확보할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)은, 사이드 플레이트(300) 및 탑 플레이트(400)를 포함할 수 있다.
상기 사이드 플레이트(300)는, 한 쌍으로 구비되며, 상기 배터리 모듈(10)의 측면을 커버할 수 있다. 이러한 한 쌍의 사이드 플레이트(300)는, 상기 프레임 어셈블리(200) 및 후술하는 탑 플레이트(400) 등과 결합되어 상기 셀 어셈블리(200)를 내부에 수용할 수 있다.
상기 탑 플레이트(400)는, 상기 셀 어셈블리(100)의 상면을 커버할 수 있다. 이러한 상기 탑 플레이트(400)는 상기 셀 어셈블리(100)의 방열 성능을 높일 수 있게 볼록부와 오목부를 교대로 갖는 요홈 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 탑 플레이트(400)의 내면에는 상기 셀 어셈블리(100)의 보다 안정적인 지지를 위해 상기 셀 어셈블리(100)의 상기 배터리 셀들(150)이 끼워질 수 있는 수용 그루브가 형성될 수 있다.
아울러, 상기 배터리 모듈(10)은, 도시되지는 않았지만 상기 셀 어셈블리(100)의 저부를 지지하기 위한 바텀 플레이트를 더 포함할 수 있다. 상기 바텀 플레이트, 상기 사이드 플레이트(300), 상기 탑 플레이트(400)는 상기 프레임 어셈블리(200)와 함께 모듈 케이스 구조를 형성하여 상기 셀 어셈블리(100)를 내부에 수용할 수 있다.
한편, 상기 모듈 케이스 구조는, 상기 탑 플레이트(400), 상기 사이드 플레이트(300) 및 상기 바텀 플레이트들의 결합을 통한 모듈 케이스 구조 이외에 모노 프레임이나 U자형 프레임 등의 모듈 케이스 구조로 마련되는 것도 가능할 수 있다. 또한, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 모듈 케이스 구조는, 상기 배터리 모듈(10)의 모듈 케이스 구조를 형성할 수 있는 기타 다른 형상의 구조도 가능할 수 있음은 물론이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)을 설명하기 위한 도면이며, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예의 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 수용하는 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 제어하는 BMS 등의 전장 부품이나 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)의 냉각을 위한 히트 싱크 등의 냉각 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 배터리 팩(1)은, 앞선 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 구비하는 바, 배터리 팩(1), 또한, 제조 비용을 낮추고, 보다 더 슬림한 구조를 가지면서 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차의 연료원으로써, 자동차(V)에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차(V)에 구비될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차(V) 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
본 실시예의 경우, 전술한 상기 배터리 팩(1)이 높은 에너지 밀도를 갖는 컴팩트한 구조로 구비되는 바, 상기 자동차(V)에 장착 시, 배터리 팩(1)의 모듈화 구조 구현이 용이하며, 상기 자동차(V)의 다양한 내부 공간 형상에서도 상대적으로 높은 장착 자유도를 확보할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 제조 비용을 저감하고 에너지 밀도를 확보하면서 배터리 셀들(150)의 전극 리드들(155)의 전기적 연결을 구성할 수 있는 배터리 모듈(10), 이를 포함하는 배터리 팩(1) 및 자동차(V)를 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 발명에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
V: 자동차 1: 배터리 팩
10: 배터리 모듈 50: 팩 케이스
100: 셀 어셈블리 150: 배터리 셀
155: 전극 리드 200: 프레임 어셈블리
210: 메인 프레임 212: 프레임 바디
214: 리드 슬롯 216: 가이드 스페이서
218: 후크 홈 250: 커버 프레임
252: 커버 바디 254: 지지 리브
256: 돌출 리브 258: 결합 후크
260: 커버 프레임 262: 커버 바디
264: 지지 리브 270: 커버 프레임
272: 커버 바디 274: 지지 리브
275: 제1 지지부 277: 제2 지지부
300: 사이드 플레이트 400: 탑 플레이트

Claims (13)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 셀 어셈블리; 및
    상기 셀 어셈블리의 적어도 일측을 커버하며, 인접한 배터리 셀들의 전극 리드 간의 직접 연결을 가이드하도록 구성된 프레임 어셈블리
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인접한 배터리 셀들의 전극 리드들은,
    상기 프레임 어셈블리 내에서 상호 연결을 위한 추가적인 매개체 없이 서로 직접적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 어셈블리는,
    상기 셀 어셈블리의 적어도 일측을 커버하며, 상기 배터리 셀들의 전극 리드들을 통과시키는 메인 프레임; 및
    상기 메인 프레임을 커버하며, 상기 메인 프레임을 통과한 전극 리드들을 지지하는 커버 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메인 프레임은,
    상기 셀 어셈블리의 적어도 일측을 커버하는 프레임 바디;
    상기 프레임 바디에 구비되며, 상기 전극 리드들을 통과시키기 위한 복수 개의 리드 슬롯; 및
    상기 복수 개의 리드 슬롯 사이에 구비되며, 상기 프레임 바디의 높이 방향에서 소정 공간을 형성하는 복수 개의 가이드 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 가이드 스페이서에는, 상기 인접한 배터리 셀들의 전극 리드 간의 직접 연결 시, 상기 전극 리드의 직접 연결을 가이드 하는 탈착 가능한 리드 접합 지그가 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 커버 프레임은,
    상기 메인 프레임을 커버하는 커버 바디; 및
    상기 커버 바디의 내면에 구비되며, 상기 리드 슬롯들을 통과한 상기 배터리 셀들의 전극 리드들을 지지하는 복수 개의 지지 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 커버 프레임은,
    상기 커버 바디에 형성되며, 상기 커버 바디의 높이 방향에서 상기 복수 개의 가이드 스페이서의 양단부에 끼워지는 복수 개의 돌출 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 커버 바디는,
    절연 재질로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 지지 리브는,
    상기 리드 슬롯들을 통과한 상기 배터리 셀들의 상호 접합된 전극 리드들과 면 접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 지지 리브는,
    상기 커버 바디의 내면에 구비되는 제1 지지부; 및
    상기 제1 지지부의 양단부로부터 절곡되어 소정 길이로 돌출되는 제2 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 지지부는,
    상기 리드 슬롯들을 통과한 상기 배터리 셀들의 상호 접합된 전극 리드들과 면 접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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