KR20240012307A

KR20240012307A - 전지셀 유닛 및 이를 포함하는 전지셀 어셈블리

Info

Publication number: KR20240012307A
Application number: KR1020230088364A
Authority: KR
Inventors: 박진용; 이명우; 권우용; 지호준; 김승준; 정세윤; 김인수
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2023-07-07
Publication date: 2024-01-29

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 유닛은, 전극 리드를 포함하는 적어도 하나의 전지셀; 적어도 하나의 상기 전지셀을 부분적으로 감싸는 셀 커버; 및 상기 전지셀에서 상기 전극 리드가 배치된 부분의 적어도 일부를 커버하고, 상기 전극 리드와 연결되는 버스바를 포함하는 적어도 하나의 버스바 모듈;을 포함한다. 상기 셀 커버에는 상기 버스바의 일부가 노출되는 절개 형상이 형성되고, 상기 셀 커버는, 상기 절개 형상으로 인해 상기 셀 커버의 단부에서 돌출된 형태를 갖는 커버부를 포함한다.

Description

전지셀 유닛 및 이를 포함하는 전지셀 어셈블리{BATTERY CELL UNIT AND BATTERY CELL ASSEMBLY INCLUDING THE SAME}

관련 출원(들)과의 상호 인용

본 출원은 2022년 7월 20일자 한국 특허 출원 제10-2022-0089808호 및 2022년 8월 31일자 한국 특허 출원 제10-2022-0110374호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 발명은 전지셀 유닛 및 이를 포함하는 전지셀 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 무게가 감소되고, 버스바 모듈의 절연성이 확보될 수 있도록 구성된 전지셀 유닛 및 이를 포함하는 전지셀 어셈블리에 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 전극조립체 및 전극조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다.

한편, 리튬 이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와, 전극조립체가 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.

하지만, 이와 같은 종래 배터리 팩의 경우, 에너지 밀도 측면에서 불리할 수 있다. 대표적으로, 다수의 배터리 셀을 모듈 케이스 내부에 수납하여 모듈화시키는 과정에서, 모듈 케이스 또는 적층용 프레임 등 여러 구성요소로 인해 배터리 팩의 부피가 불필요하게 증가하거나 배터리 셀이 차지하는 공간이 줄어들 수 있다. 더욱이, 모듈 케이스나 적층용 프레임 등의 구성요소 자체가 차지하는 공간은 물론이고, 이러한 구성요소들에 대한 조립 공차를 확보하기 위해 배터리 셀의 수납 공간이 줄어들 수 있다. 따라서, 종래 배터리 팩의 경우, 에너지 밀도를 높이는데 한계가 생길 수 있다.

또한, 종래 배터리 팩의 경우, 조립성 측면에서도 불리할 수 있다. 특히, 배터리 팩을 제조하기 위해서는, 먼저 다수의 배터리 셀을 모듈화시켜 배터리 모듈을 구성한 후, 배터리 모듈을 팩 케이스에 수납하는 과정을 거치게 되므로, 배터리 팩의 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 더욱이, 전술한 적층용 프레임 및 볼트, 플레이트 등을 이용하여 셀 적층체를 형성하는 공정 및 구조가 매우 복잡할 수 있다.

또한, 종래 배터리 팩의 경우, 팩 케이스 내부에 모듈 케이스가 수납되고, 모듈 케이스 내부에 배터리 셀이 수납되므로, 우수한 냉각성을 확보하기 어렵다는 문제도 있다. 특히, 모듈 케이스 내부에 수납된 배터리 셀들의 열을 모듈 케이스를 거쳐 팩 케이스 외부로 배출시키는 경우, 냉각 효율이 떨어지고, 냉각 구조도 복잡해질 수 있다.

또한, 배터리 팩의 경우 대표적으로 중요한 문제 중 하나는 안전성이다. 특히, 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀 중, 어느 하나의 배터리 셀에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 이러한 이벤트가 다른 배터리 셀로 전파(propagation)되는 것이 억제될 필요가 있다.

만일, 배터리 셀 간 열적 전파가 제대로 억제되지 못하면, 이는 배터리 팩에 포함된 다른 배터리 셀의 열적 이벤트로 이어져, 배터리 팩의 발화나 폭발 등, 보다 큰 문제를 야기할 수 있다. 더욱이, 배터리 팩에서 발생한 발화나 폭발은, 주변의 인명이나 재산 상 큰 피해를 입힐 수 있다. 따라서, 이러한 배터리 팩의 경우, 전술한 열적 이벤트를 적절하게 제어할 수 있는 구성이 요구된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 무게가 감소되고 버스바 모듈의 절연성이 확보될 수 있도록 구성된 전지셀 유닛 및 이를 포함하는 전지셀 어셈블리를 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

상기 버스바의 일부가 상기 절개 형상을 통해 상기 셀 커버의 상부 방향으로 노출될 수 있다.

상기 버스바는, 상기 전극 리드와 결합되는 리드 결합부 및 상기 리드 결합부로부터 연장된 터미널부를 포함할 수 있다.

상기 터미널부가 상기 절개 형상을 통해 상기 셀 커버의 상부 방향으로 노출될 수 있다.

상기 절개 형상에 의해, 상기 커버부의 상변과 상기 터미널부가 이격될 수 있다.

상기 커버부의 하변에서 상기 커버부의 상변까지의 길이는, 상기 커버부의 상기 하변으로부터 상기 터미널부까지의 높이의 50% 이상 97% 이하일 수 있다.

상기 전지셀로부터 상기 전극 리드가 돌출되는 방향에 있어서, 상기 커버부의 돌출 길이는, 상기 터미널부의 길이의 105% 이상 300% 이하일 수 있다.

상기 셀 커버에 개방부가 형성될 수 있고, 상기 개방부에 상기 버스바 모듈이 장착될 수 있다.

상기 절개 형상 및 상기 커버부는, 상기 개방부에 마련될 수 있다.

상기 커버부는, 상기 버스바 모듈의 측면을 커버할 수 있다.

상기 버스바 모듈은, 상기 버스바가 장착되고 전기 절연성 소재를 포함하는 버스바 프레임을 포함할 수 있다.

상기 버스바는, 상기 전극 리드와 결합되는 리드 결합부 및 상기 리드 결합부로부터 연장된 터미널부를 포함할 수 있고, 상기 버스바 프레임은, 상기 터미널부의 둘레를 감싸면서 상기 절개 형상에 장착되는 페리미터부를 포함할 수 있다.

상기 터미널부와 상기 커버부의 상변 사이에 상기 페리미터부가 위치할 수 있다.

상기 셀 커버의 내측면에 절연 코팅층이 위치할 수 있다.

상기 절연 코팅층은, 상기 셀 커버의 내측면에 격자 무늬로 절연 물질이 도포 또는 부착되어 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 어셈블리는, 상기 전지셀 유닛을 적어도 하나 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀 유닛의 셀 커버에 절개 형상을 마련함으로써, 전지셀 유닛의 버스바 모듈의 절연성을 확보할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절개 형상에 의해 셀 커버와 버스바 사이의 절연 거리가 만족될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 버스바의 위치에 따라 절개 형상을 변경 가능할 수 있고, 셀 커버의 무게를 보다 줄일 수 있다. 이에 따라, 전지셀 어셈블리의 에너지 밀도를 보다 향상시키면서도 무게를 감소시켜 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한, 배터리 팩의 공간 활용도를 극대화할 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 전지셀 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지셀 유닛에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지셀 유닛에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 2의 전지셀 유닛에 포함된 셀 커버를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 2의 전지셀 유닛에 포함된 전지셀과 버스바 모듈을 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 1의 전지셀 유닛에서 버스바 모듈이 장착된 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 9는 발명의 일 실시예에 따른 전지셀과 버스바의 연결 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 커버의 내측면 일부분을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 어셈블리와 이를 포함하는 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다.
도 12는 도 11의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩의 단면을 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 유닛을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지셀 유닛에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지셀 유닛에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 유닛(100)은, 전극 리드(111)를 포함하는 적어도 하나의 전지셀(110); 적어도 하나의 전지셀(110)을 부분적으로 감싸는 셀 커버(200); 및 전지셀(110)에서 전극 리드(111)가 배치된 부분의 적어도 일부를 커버하는 적어도 하나의 버스바 모듈(300);을 포함한다. 버스바 모듈(300)은, 전극 리드(111)와 연결되는 버스바(310)를 포함한다. 셀 커버(200)에는 버스바(310)의 일부가 노출되는 절개 형상(200N)이 형성된다. 셀 커버(200)는, 절개 형상(200N)으로 인해 셀 커버(200)의 단부에서 돌출된 형태를 갖는 커버부(230)를 포함한다. 셀 커버(200)에서의 절개 형상(200N)과 커버부(230)에 대해서는 후술하도록 한다.

본 실시예에 따른 전지셀(110)은, 다양한 형태의 전지셀일 수 있으며, 예를 들어 파우치형 전지셀, 각형 전지셀 또는 원통형 전지셀일 수 있다. 일례로, 도 3에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이하에서는 파우치형 전지셀에 관해 설명하나, 본 실시예에 따른 전지셀(110)을 이에 한정되지 않고, 다양한 종류의 전지셀이 적용될 수 있다.

본 실시예에 따른 전지셀(110)은, 일 방향 또는 양 방향으로 돌출되는 전극 리드(111)들을 갖는 전극 조립체가 파우치 케이스(114)에 수납된 형태일 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트 형상일 수 있다. 전지셀(110)은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스(114)에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스(114)의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 일례로, 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111)들이 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예로써, 전지셀(110)의 전극 리드(111)들이 모두 한 방향으로 돌출되는 구조도 가능하다. 전극 리드(111)들 중 하나는 양극 리드이고, 다른 하나는 음극 리드이다.

전지셀(110)은, 파우치 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 파우치 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114s)를 갖고, 실링부(114s)는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 폴딩부(115)로 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은, 전극 조립체가 파우치 케이스(114) 내부에 수납되고 파우치 케이스(114)의 외주변이 실링되어 실링부(114s)가 형성된 형태의 파우치형 이차 전지일 수 있다. 도 3에서 파우치 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)에 실링부(114s)가 형성된 것만 도시되어 있고, 폴딩부(115)와 마주하는 변에는 실링부가 도시되어 있지 않지만, 폴딩부(115)와 마주하는 변의 실링부는, 공간 활용성을 위해 실링이 완료된 이후에 한쪽으로 접힌 상태이다.

라미네이트 시트의 파우치 케이스(114)는, 밀봉을 위한 내측 수지층, 물질의 관통을 방지하는 금속층 및 가장 바깥쪽의 외측 수지층을 포함할 수 있다. 파우치 케이스(114) 내부의 전극 조립체를 기준으로, 내측 수지층이 가장 안쪽에 위치하고, 외측 수지층이 가장 바깥쪽에 위치하며, 금속층이 내측 수지층과 외측 수지층 사이에 위치할 수 있다.

외측 수지층은 외부로부터 전극 조립체를 보호하기 위해 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성을 갖고 전기적 절연성을 띌 수 있다. 이러한 외측 수지층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET) 수지 또는 나일론(nylon) 수지를 포함할 수 있다. 금속층은 공기, 습기 등이 파우치형 이차 전지 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 금속층은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 내측 수지층은 전극 조립체를 내장한 상태에서 인가된 열 및/또는 압력에 의해 서로 열 융착될 수 있다. 이러한 내측 수지층은 무연신 폴리프로필렌(Casted PolyPropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP)을 포함할 수 있다.

파우치 케이스(114)가 2개의 부분으로 구분되고, 상기 2개의 부분 중 적어도 하나에 전극 조립체가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부가 형성될 수 있다. 이러한 수납부의 바깥 둘레를 따라, 파우치 케이스(114)의 상기 2개의 부분들의 내측 수지층끼리 서로 접합되어 실링부(114s)가 마련될 수 있다. 이러한 방식으로 파우치 케이스가 밀봉되어, 파우치형 이차 전지인 전지셀(110)이 제조될 수 있다.

전지셀 유닛(100) 내에서, 전지셀(110)은 하나 또는 복수로 구성될 수 있다. 도 2에는 일례로 전지셀 유닛(100)이 3개의 전지셀(110)을 포함하는 것이 도시되어 있다. 복수의 전지셀(110)들은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층될 수 있다. 특히, 복수의 전지셀(110)들이, 셀 본체(113)의 일면끼리 마주하도록 직립한 채, y축과 평행한 방향을 따라 적층될 수 있다. 이에 따라, 전극 리드(111)들은 전지셀(110)들이 적층되는 방향과 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 전지셀(110)에서 하나의 전극 리드(111)는 x축 방향을 향해 돌출될 수 있고, 다른 전극 리드(111)는 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다. 만일 전극 리드(111)들이 일 방향으로만 돌출된 전지셀이라면, 전극 리드(111)들은 x축 방향 또는 -x축 방향으로 돌출될 수 있다.

도 4는 도 2의 전지셀 유닛에 포함된 셀 커버를 나타낸 사시도이다.

도 2 내지 도 4를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 셀 커버(200)는, 상술한 것처럼, 적어도 하나의 전지셀(110)을 부분적으로 감싼다. 셀 커버(200)는, 측면부(210)와 상면부(220)를 포함할 수 있다. 측면부(210)는 전지셀(110)의 일 측면을 커버할 수 있고, 상면부(220)는 전지셀(110)의 상면을 커버할 수 있다. 셀 커버(200)는, 2개의 측면부(210)들과 1개의 상면부(220)를 포함할 수 있다. 측면부(210)들의 일면과 상면부(220)의 일면이 수직할 수 있고, 측면부(210)들은 각각 상면부(220)의 마주하는 양 변으로부터 하향 연장될 수 있다. 즉, 도 2에서 셀 커버(200)를 yz 평면을 따라 자를 경우, 셀 커버(200)는 ‘n’ 형상을 띌 수 있다.

본 실시예에 따른 셀 커버(200)에 개방부(200P)가 형성될 수 있다. 셀 커버(200)에 있어서, 전지셀(110)로부터 전극 리드(111)가 돌출되는 방향의 양 측에 개방부(200P)들이 형성될 수 있다. 이러한 개방부(200P)에 버스바 모듈(300)이 장착될 수 있다. 이하에서는 버스바 모듈(300)에 대해 설명하도록 한다.

도 5는 도 2의 전지셀 유닛에 포함된 전지셀과 버스바 모듈을 확대하여 나타낸 분해 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바를 나타낸 사시도이다.

도 2, 도 5 및 도 6을 참고하면, 상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 버스바 모듈(300)은, 전지셀(110)에서 전극 리드(111)가 배치된 부분의 적어도 일부를 커버하고, 셀 커버(200)의 개방부(200P)에 장착될 수 있다.

버스바 모듈(300)은, 전극 리드(111)와 연결되는 버스바(310)를 포함한다. 본 실시예에 따른 버스바(310)는, 전지셀(110)들 간의 전기적 연결을 위한 부재로써, 구리나 알루미늄과 같은 금속 소재를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 버스바(310)는, 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 결합되는 리드 결합부(311) 및 리드 결합부(311)로부터 연장된 터미널부(312)를 포함할 수 있다.

버스바(310)를 지면에 대해 기립시켰을 때, 리드 결합부(311)는, 수직으로 연장될 수 있고, 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다. 터미널부(312)는 셀 커버(200)의 외부로 노출되는 부분으로써, 전지셀 유닛(100)의 전기적 연결을 안내하기 위한 부분이다. 이러한 터미널부(312)에는 터미널부(312)가 외부 버스바와 결합되기 위해 마련된 홀(312H)이 형성될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 버스바(310)는, 리드 결합부(311)와 터미널부(312)의 사이에 위치한 꺾임부(313)를 더 포함할 수 있다. 이러한 꺾임부(313)는, 리드 결합부(311)에서 소정의 각도로 기울어져 경사지게 연장되는 부분일 수 있다. 버스바(310)의 리드 결합부(311)가 전극 리드(111)와 결합될 때, 꺾임부(313)가 전극 리드(111)보다 셀 커버(200)의 내부 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 도 3에서처럼 셀 본체(113)의 양 단부(114a, 144b)의 실링부(114s)의 윗부분이 잘릴 수 있다. 이러한 셀 본체(113)의 양 단부(114a, 144b)의 형상에 대응하도록, 버스바(310)에 소정의 각도로 기울어져 경사지게 연장되는 꺾임부(313)가 마련될 수 있다.

도 2, 도 4 및 도 5를 참고하면, 상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 셀 커버(200)에는 버스바(310)의 일부가 노출되는 절개 형상(200N)이 형성된다. 셀 커버(200)는, 절개 형상(200N)으로 인해 셀 커버(200)의 단부에서 돌출된 형태를 갖는 커버부(230)를 포함한다.

셀 커버(200)의 개방부(200P)의 상단에서, 측면부(210)의 일부와 상면부(220)의 일부가 절개되어 절개 형상(200N)이 마련될 수 있다. 측면부(210)에 있어서, 절개 형상(200N)에 따라 만입된 부분과 달리, 절개되지 않은 부분은 상대적으로 돌출된 형상을 갖는 커버부(230)에 해당한다. 즉, 절개 형상(200N) 및 커버부(230)는, 개방부(200P)에 마련될 수 있다.

버스바(310)의 일부가 절개 형상(200N)을 통해 셀 커버(200)의 상부 방향으로 노출될 수 있다. 보다 구체적으로, 터미널부(312)가 절개 형상(200N)을 통해 셀 커버(200)의 상부 방향으로 노출될 수 있다. 또한, 절개 형상(200N)에 의해, 커버부(230)의 상변(230U)과 터미널부(312)가 이격될 수 있다.

본 실시예에 따른 버스바 모듈(300)에서의 버스바(310)의 위치와 크기에 따라 절개 형상(200N)이 변경될 수 있다. 절개 형상(200N)은, 셀 커버(200)와 버스바(310) 사이의 접촉을 방지하여, 버스바 모듈(300)의 전기 절연성을 확보할 수 있다. 절개 형상(200N)은 버스바 모듈(300)의 전기 절연성이 확보될 수 있는 범위로 설정될 수 있다. 예를 들어, 버스바(310)의 전체적인 위치나, 버스바(310)에서 터미널부(312)의 위치가 하측으로 조절될 경우, 절개 형상(200N)은 하측 방향으로 더 절개될 수 있다. 특히, 셀 커버(200)는 내부에 배치된 적어도 하나의 전지셀(110)을 지지하고 보호하기 위해 금속 소재를 포함 수 있다. 이 때, 본 실시예에 따른 셀 커버(200)에 절개 형상(200N)이 마련되어 있기 때문에 버스바(310), 특히 터미널부(312)가 셀 커버(200)와 접촉되어 쇼트가 발생하는 것을 방지하고, 버스바 모듈(300)의 전기 절연성을 확보할 수 있다.

한편, 셀 커버(200)의 커버부(230)는, 버스바 모듈(300)의 측면을 커버할 수 있다. 보다 구체적으로, 셀 커버부(230)는, 버스바 모듈(300)의 버스바 프레임(320)의 측면을 커버할 수 있다. 이에 따라, 커버부(230)가, 외부 충격이나 진동 등으로부터 버스바 모듈(300)을 보호할 수 있고, 버스바 모듈(300)은, 셀 커버(200)의 개방부(200P)에 안정적으로 장착될 수 있다.

또한, 셀 커버(200)에 마련된 절개 형상(200N)만큼, 셀 커버(200)의 무게를 줄일 수 있다. 이에 따라 전지셀 유닛(100) 및 이를 포함하는 전지셀 어셈블리(100A)의 에너지 밀도를 보다 향상시키면서도 무게를 줄여 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한, 후술하겠으나, 전지셀 어셈블리(100A)가 장착되는 전지팩(1000)에서의 공간 활용도를 극대화할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임을 나타낸 사시도이다.

도 5 내지 도 7을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 버스바 모듈(300)은, 버스바(310)가 장착되고 전기 절연성 소재를 포함하는 버스바 프레임(320)을 더 포함할 수 있다.

전기 절연성 소재를 포함하는 버스바 프레임(320)은 버스바(310)의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 이에 따라, 버스바 프레임(320)은, 버스바(310)가 전극 리드(111) 외에 다른 부분과 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

버스바 프레임(320)은, 터미널부(312)의 둘레를 감싸면서 셀 커버(200)의 절개 형상(200N)에 장착되는 페리미터부(321)를 포함할 수 있다. 페리미터부(321)에는 상부홀(321H)이 형성될 수 있고, 버스바(310)가 상부홀(321H)을 통해 버스바 프레임(320)의 내부 공간으로 삽입될 수 있다. 버스바(310)는 버스바 프레임(320)의 내부에서 다양한 방식에 의해 고정될 수 있는데, 예를 들어, 버스바 프레임(320)의 내부 공간에 마련된 돌출부(320PR)가 버스바(310)에 형성된 홀(311H)에 삽입되는 방식이 적용될 수 있다.

한편, 버스바 프레임(320)에는 슬릿(320S)이 형성될 수 있다. 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 이러한 슬릿(320S)을 통과한 뒤에 구부러져 버스바(310)의 리드 결합부(311)에 결합될 수 있다. 전극 리드(111)와 리드 결합부(311)의 결합 방식에 특별한 제한은 없으나, 일례로 용접 접합이 적용될 수 있다. 버스바 프레임(320)에는 버스바 개방부(320P)가 형성될 수 있고, 이러한 버스바 개방부(320P)를 통해서 전극 리드(111)와 리드 결합부(311) 간의 용접 작업이 수행될 수 있다. 전극 리드(111)와 리드 결합부(311) 간의 결합이 완료되면, 버스바 커버(330)와 절연 시트(340)가 버스바 개방부(320P)를 덮으면서 버스바 프레임(320)에 조립될 수 있다.

도 8은 도 1의 전지셀 유닛에서 버스바 모듈이 장착된 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.

도 5 내지 도 8을 함께 참고하면, 본 실시예에 따라 버스바(310)의 터미널부(312)의 둘레를 감싸는 페리미터부(321)는, 터미널부(312)와 커버부(230)의 사이에 위치할 수 있다. 절개 형상(200N)에 의해 커버부(230)의 상변(230U)과 터미널부(312)가 이격될 수 있고, 아울러, 전기 절연성 소재의 페리미터부(321)가 터미널부(312)와 커버부(230) 사이에 개재됨으로써, 버스바 모듈(300)의 전기 절연성이 더욱 확보할 수 있다. 버스바 프레임(320)의 페리미터부(321)가 셀 커버(200)의 절개 형상(200N)에 조립되면서, 버스바 모듈(300)의 구조적 안정성과 함께 전기 절연성을 향상시킬 수 있다.

도 9는 발명의 일 실시예에 따른 전지셀과 버스바의 연결 구조를 나타낸 평면도이다. 설명의 편의를 위해 버스바만 도시하고 버스바 프레임은 도시하지 않았으며, 커버부(230)를 포함한 셀 커버(200)는 점선으로 표시하였다.

도 4, 도 6 및 도 9를 함께 참고하면, 전지셀(110)로부터 돌출된 전극 리드(111)가 버스바의 리드 결합부(311)와 결합된 모습이 나타나 있다. 상술한 것처럼, 리드 결합부(311)는 전극 리드(111)와 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다.

절개 형상(200N)의 절개 정도는, 전지셀(110)의 전압과 관련이 있다. 연면거리(Creepage distance)와 공간 거리(Clearance)를 바탕으로, 전지셀(110)에 적용되는 전압 수준에 따라 전류가 흐르는 도체와 일반 도체까지의 적정 거리를 산정하여 설계하는 것이 요구된다. 여기서 연면 거리는, 두 도체들 사이에서 절연 물질의 표면을 따른 거리 중 최단 거리를 의미하고, 공간 거리는, 두 도체들 사이의 공기를 가로지르는 최단 거리를 의미한다. 또한, 상기 전류가 흐르는 도체는 버스바(310), 특히 버스바(310)의 터미널부(312)에 해당하고, 상기 일반 도체는 셀 커버(200)에 해당할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 셀 커버(200)의 절개 형상(200N)은, 버스바 모듈(300)에서의 버스바(310)의 위치, 길이에 따라 변경이 가능하다. 상술한 것처럼, 절개 형상(200N)은 버스바 모듈(300)의 버스바(310)의 전기 절연성이 확보될 수 있는 범위로 설정될 수 있다.

구체적으로, 커버부(230)의 하변(230L)에서 커버부(230)의 상변(230U)까지의 길이(L)는, 커버부(230)의 하변(230L)으로부터 터미널부(312)까지의 높이(H)의 50% 이상 97% 이하일 수 있다. 버스바 모듈(300)에 대한 절연성 확보를 위해서는 버스바(310)의 위치, 특히 외부로 노출되는 터미널부(312)의 위치에 따른 절개 형상(200N)의 절개 정도가 중요하다. 만일 커버부(230)의 하변(230L)에서 커버부(230)의 상변(230U)까지의 길이(L)가, 커버부(230)의 하변(230L)으로부터 터미널부(312)까지의 높이(H)의 50% 미만일 경우, 절개 형상(200N)의 절개 면적이 과도한 것으로, 셀 커버(200)가 외부 충격이나 진동으로부터 전지셀(110)이나 버스바 모듈(300)을 충분히 보호하지 못할 수 있다. 또한, 만일 커버부(230)의 하변(230L)에서 커버부(230)의 상변(230U)까지의 길이(L)가, 커버부(230)의 하변(230L)으로부터 터미널부(312)까지의 높이의 97% 초과일 경우, 셀 커버(200)와 터미널부(312)의 위치가 너무 가까운 것으로, 절연성 확보가 쉽지 않을 수 있다.

한편, 전지셀(110)로부터 전극 리드(111)가 돌출되는 방향에 있어서, 커버부(230)의 돌출 길이(P)는, 터미널부(312)의 길이(D)의 105% 이상 300% 이하일 수 있다. 전극 리드(111)가 돌출되는 방향에 있어서, 커버부(230)의 돌출 길이(P)는, 절개 형상(200N)의 절개 정도에 의해, 커버부(230)가 돌출되는 정도를 가리킨다. 터미널부(312)의 길이(D)는, 꺾임부(313)의 단부로부터 터미널부(312)가 연장되는 길이를 가리킨다. 버스바 모듈(300)에 대한 절연성 확보를 위해서는 버스바(310)의 길이, 특히 외부로 노출되는 터미널부(312)의 길이에 따른 절개 형상(200N)의 절개 정도가 중요하다. 만일 커버부(230)의 돌출 길이(P)가 터미널부(312)의 길이(D)의 105% 미만일 경우, 셀 커버(200)와 터미널부(312) 간의 위치가 너무 가까운 것으로, 절연성 확보가 쉽지 않을 수 있다. 또한, 만일 커버부(230)의 돌출 길이(P)가 터미널부(312)의 길이(D)의 300% 초과일 경우, 절개 형상(200N)의 절개 면적이 과도한 것으로, 셀 커버(200)가 외부 충격이나 진동으로부터 전지셀(110)이나 버스바 모듈(300)을 충분히 보호하지 못할 수 있다.

도 10은, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 커버의 내측면 일부분을 나타낸 도면이다.

도 2, 도 4 및 도 10을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 셀 커버(200)의 내측면에 절연 코팅층(240)이 위치할 수 있다. 구체적으로 셀 커버(200)에 있어서, 측면부(210)와 상면부(220)의 내측면이 절연 코팅 처리될 수 있다. 절연 코팅층(240)은 셀 커버(200)의 내측면에 격자 무늬로 절연 물질이 도포 또는 부착되어 형성된 것일 수 있다. 상기 코팅 물질은 예컨대, 실리콘 수지, 폴리 아미드(Polyamide), 고무 등의 전기 절연성 소재가 채용될 수 있다. 절연 물질을 격자 형태로 도포 또는 부착함으로써, 최소한의 코팅양으로 절연 코팅 효과를 극대화할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 어셈블리와 이를 포함하는 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다. 도 12는 도 11의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.

도 1, 도 11 및 도 12를 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 어셈블리(100A)는 본 실시예에 따른 전지셀 유닛(100)을 적어도 하나 포함한다. 일례로, 본 실시예에 따른 전지셀 어셈블리(100A)는 복수의 전지셀 유닛(100)들을 포함할 수 있고, 복수의 전지셀 유닛(100)들은 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 전지셀 유닛(100)들은, 측면부(210)들이 서로 마주하도록 직립한 채 일 방향을 따라 적층될 수 있다.

본 실시예에 따른 전지셀 어셈블리(100A)가 팩 트레이(1100)에 장착되어 전지팩(1000)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 적어도 하나의 전지셀 어셈블리(100A), 적어도 하나의 전지셀 어셈블리(100A)가 장착되는 팩 트레이(1100) 및 팩 트레이(1100)의 상부를 덮는 팩 커버(1200)를 포함할 수 있다.

본 실시예의 경우, 종래의 전지 모듈이나 전지팩과 같이 모듈 케이스나 적층용 프레임, 셀의 적층 상태를 유지하기 위한 볼트 등의 체결 부재 등이 추가로 구비될 필요가 없다. 즉, 본 실시예에서 해당 구성 요소들이 차지하는 공간이 제거됨에 따라 배터리 셀이 더 공간을 차지할 수 있으므로, 에너지 밀도가 보다 향상될 수 있고, 전체 부피나 무게가 감소되고, 제조 공정이 간소화될 수 있다.

한편, 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F) 상에는 써멀 레진이 도포되어 형성된 써멀 레진층(1300)이 위치할 수 있고, 전지셀 어셈블리(100A)는 이러한 써멀 레진층(1300)의 위에 놓일 수 있다. 상기 써멀 레진은 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 또는 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 써멀 레진은, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 어셈블리(100A)를 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 써멀 레진은 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지팩(1000)의 하측을 통해 외부로 배출시킬 수 있다.

상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 셀 커버(200)는, 측면부(210)와 상면부(220)를 포함할 수 있고, 셀 커버(200)의 내부에 위치한 전지셀(110)을 기준으로 하측이 개방될 수 있다. 이러한 구조의 전지셀 유닛(100)을 포함한 전지셀 어셈블리(100A)의 경우, 전지셀(110)들이 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F)와 직접 대면할 수 있다. 즉, 전지셀 어셈블리(100A)에 포함된 전지셀(110)들은 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F) 상에 마련된 써멀 레진층(1300)과 직접 접촉할 수 있다. 전지셀(110)들이 전지팩(1000) 단위의 써멀 레진층(1300)과 직접 접촉하기 때문에 전지팩(1000)의 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다. 각 전지셀(110)로부터 발생한 열이 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F)에 직접 전달되고 바로 방출되어, 냉각 성능이 향상될 수 있다. 이 경우, 전지셀(110)과 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F) 사이에 프레임 등의 구조가 개재되지 않고 오직 열전달을 위한 써멀 레진층(1300)이 있는 것이므로, 열전달 경로가 단순화되고 각 층 사이의 에어 갭을 줄일 수 있기 때문에 냉각 효율이나 성능이 증대될 수 있다.

특히, 본 실시예에 따른 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F)의 내부에는 냉매(coolant)가 흐르는 공간인 냉각 채널(1100C)이 마련될 수 있다. 즉, 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F)가 히트 싱크로 기능할 수 있다. 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 수냉식의 냉각 구조를 가질 수 있다.

도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩의 단면을 나타낸 단면도이다.

도 13을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩의 경우, 셀 커버(200)에 의해 커버되는 전지셀(110)들의 하부가 개방되며, 개방된 하부를 통해 전지셀(110)들은 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F) 상에 마련된 써멀 레진층(1300)과 직접 접촉할 수 있다. 다만, 도 12에서의 실시예와 다르게, 써멀 레진층(1300)과 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F) 사이에 히트 싱크(1400)가 위치할 수 있다. 히트 싱크(1400)의 내부에는 냉매(coolant)가 흐르는 공간인 냉각 채널(1400C)이 마련될 수 있다. 각 전지셀(110)로부터 발생한 열은 써멀 레진층(1300), 히트 싱크(1400) 및 팩 트레이(1100)의 바닥부(1100F)를 거쳐 외부로 배출될 수 있다.

본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.

앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지셀 어셈블리는, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.

상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 전지셀 유닛
100A: 전지셀 어셈블리
110: 전지셀
200: 셀 커버
200N: 절개 형상
200P: 개방부
230: 커버부
300: 버스바 모듈
310: 버스바
320: 버스바 프레임

Claims

전극 리드를 포함하는 적어도 하나의 전지셀;
적어도 하나의 상기 전지셀을 부분적으로 감싸는 셀 커버; 및
상기 전지셀에서 상기 전극 리드가 배치된 부분의 적어도 일부를 커버하고, 상기 전극 리드와 연결되는 버스바를 포함하는 적어도 하나의 버스바 모듈;을 포함하고,
상기 셀 커버에는 상기 버스바의 일부가 노출되는 절개 형상이 형성되고,
상기 셀 커버는, 상기 절개 형상으로 인해 상기 셀 커버의 단부에서 돌출된 형태를 갖는 커버부를 포함하는 전지셀 유닛.
제1항에서,
상기 버스바의 일부가 상기 절개 형상을 통해 상기 셀 커버의 상부 방향으로 노출되는 전지셀 유닛.
제1항에서,
상기 버스바는, 상기 전극 리드와 결합되는 리드 결합부 및 상기 리드 결합부로부터 연장된 터미널부를 포함하는 전지셀 유닛.
제3항에서,
상기 터미널부가 상기 절개 형상을 통해 상기 셀 커버의 상부 방향으로 노출되는 전지셀 유닛.
제3항에서,
상기 절개 형상에 의해, 상기 커버부의 상변과 상기 터미널부가 이격되는 전지셀 유닛.
제3항에서,
상기 커버부의 하변에서 상기 커버부의 상변까지의 길이는, 상기 커버부의 상기 하변으로부터 상기 터미널부까지의 높이의 50% 이상 97% 이하인 전지셀 유닛.
제3항에서,
상기 전지셀로부터 상기 전극 리드가 돌출되는 방향에 있어서, 상기 커버부의 돌출 길이는, 상기 터미널부의 길이의 105% 이상 300% 이하인 전지셀 유닛.
제1항에서,
상기 셀 커버에 개방부가 형성되고,
상기 개방부에 상기 버스바 모듈이 장착되는 전지셀 유닛.
제8항에서,
상기 절개 형상 및 상기 커버부는, 상기 개방부에 마련되는 전지셀 유닛.
제1항에서,
상기 커버부는, 상기 버스바 모듈의 측면을 커버하는 전지셀 유닛.
제1항에서,
상기 버스바 모듈은, 상기 버스바가 장착되고 전기 절연성 소재를 포함하는 버스바 프레임을 포함하는 전지셀 유닛.
제11항에서,
상기 버스바는, 상기 전극 리드와 결합되는 리드 결합부 및 상기 리드 결합부로부터 연장된 터미널부를 포함하고,
상기 버스바 프레임은, 상기 터미널부의 둘레를 감싸면서 상기 절개 형상에 장착되는 페리미터부를 포함하는 전지셀 유닛.
제12항에서,
상기 터미널부와 상기 커버부의 상변 사이에 상기 페리미터부가 위치하는 전지셀 유닛.
제1항에서,
상기 셀 커버의 내측면에 절연 코팅층이 위치하는 전지셀 유닛.
제14항에서,
상기 절연 코팅층은, 상기 셀 커버의 내측면에 격자 무늬로 절연 물질이 도포 또는 부착되어 형성된 것인 전지셀 유닛.
제1항에 따른 전지셀 유닛을 적어도 하나 포함하는 전지셀 어셈블리.