KR20240024622A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀들이 적층된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 포함하는 전지셀 적층체; 및 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 위치한 센터 버스바 어셈블리;를 포함한다. 상기 제1 전지셀 적층체나 상기 제2 전지셀 적층체에서의 상기 전지셀들이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체가 배치된다. 상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀과 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀이 상기 센터 버스바 어셈블리에 포함된 센터 버스바를 통해 전기적으로 연결되어 더블 셀 구조를 형성하며, 상기 전지셀 적층체에 상기 더블 셀 구조가 적어도 하나 포함된다.

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 구체적으로는 에너지 밀도가 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
전지팩을 구성할 때, 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 전지 모듈에 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템을 추가하여, 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 종래의 전지팩의 경우 전지 모듈을 팩 트레이와 같은 하우징 구조물에 배치하여 제조되고, 이러한 전지팩을 자동차 등에 장착한다.
근래에는, 한정된 공간안에서 에너지 밀도를 높이고 제품의 경량화가 가능하도록, 공간 활용성을 개선시킨 전지 모듈이나 전지팩에 대한 연구가 계속되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내부의 전지셀들의 연결 방식을 개선하여 에너지 밀도가 증가되고 경량화가 가능한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀들이 적층된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 포함하는 전지셀 적층체; 및 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 위치한 센터 버스바 어셈블리;를 포함한다. 상기 제1 전지셀 적층체나 상기 제2 전지셀 적층체에서의 상기 전지셀들이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체가 배치된다. 상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀과 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀이 상기 센터 버스바 어셈블리에 포함된 센터 버스바를 통해 전기적으로 연결되어 더블 셀 구조를 형성하며, 상기 전지셀 적층체에 상기 더블 셀 구조가 적어도 하나 포함된다.
상기 전지셀들은 파우치 셀이고, 양 방향으로 돌출된 전극 리드들을 포함할 수 있고, 상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드와 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드가 상기 센터 버스바를 매개로 전기적으로 연결되어 상기 더블 셀 구조를 형성할 수 있다.
상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드와 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드가 상기 센터 버스바에 용접 접합될 수 있다.
상기 센터 버스바는 복수로 배치될 수 있고, 상기 센터 버스바 어셈블리는, 상기 센터 버스바들 사이에 위치하여 상기 센터 버스바들 사이의 공간을 점유하는 스페이서를 더 포함할 수 있다.
상기 센터 버스바는 복수로 배치될 수 있고, 상기 센터 버스바의 일면과 타면에 각각 돌출부와 결합홀이 형성될 수 있으며, 상기 센터 버스바에 관통구가 형성될 수 있다. 어느 한 상기 스페이서의 상기 돌출부가 상기 센터 버스바의 상기 관통구를 통과하고 나서 다른 상기 스페이서의 상기 결합홀에 삽입될 수 있다.
상기 스페이서는 복수로 배치될 수 있고, 상기 스페이서들끼리는 후크의 걸림 결합으로 조립될 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에서, 상기 센터 버스바 어셈블리의 양 단에 각각 위치한 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 상기 터미널 버스바 어셈블리는 터미널 버스바를 포함할 수 있고, 상기 터미널 버스바는 상기 전지셀의 전극 리드와 연결되는 제1 부분 및 상기 제1 부분으로부터 연장되어 외부로 노출된 제2 부분을 포함할 수 있다.
상기 제1 전지셀 적층체 중 일 방향의 최외측에 배치된 상기 전지셀의 상기 전극 리드가, 상기 터미널 버스바 어셈블리들 중 어느 하나에 포함된 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분에 연결될 수 있다. 상기 제2 전지셀 적층체 중 타 방향의 최외측에 배치된 상기 전지셀의 상기 전극 리드가, 상기 터미널 버스바 어셈블리들 중 다른 하나에 포함된 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분에 연결될 수 있다.
상기 터미널 버스바 어셈블리는, 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분의 일면이 마주하는 터미널 스페이서; 및 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분의 타면을 커버하는 터미널 절연 플레이트;를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 제1 전지셀 적층체의 일 측에 위치하는 제1 외부 버스바 프레임 및 상기 제2 전지셀 적층체의 일 측에 위치하는 제2 외부 버스바 프레임을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 상기 전지셀들로부터 상기 제1 외부 버스바 프레임 방향으로 돌출된 전극 리드가 상기 제1 외부 버스바 프레임에 장착된 제1 외부 버스바와 연결될 수 있다. 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 상기 전지셀들로부터 상기 제2 외부 버스바 프레임 방향으로 돌출된 전극 리드가 상기 제2 외부 버스바 프레임에 장착된 제2 외부 버스바와 연결될 수 있다.
상기 제1 전지셀 적층체를 기준으로, 상기 제1 외부 버스바 프레임은 상기 센터 버스바 어셈블리가 위치한 방향과 반대 방향에 위치할 수 있다. 상기 제2 전지셀 적층체를 기준으로, 상기 제2 외부 버스바 프레임은, 상기 센터 버스바 어셈블리가 위치한 방향과 반대 방향에 위치할 수 있다.
상기 제1 외부 버스바 프레임과 상기 제2 외부 버스바 프레임 각각에 전압 센싱을 위한 제1 센싱 유닛 및 상기 제2 센싱 유닛이 장착될 수 있다. 회로 유닛이 상기 제1 센싱 유닛 또는 상기 제2 센싱 유닛 중 적어도 하나와 상기 센터 버스바를 연결할 수 있다.
상기 센터 버스바는, 상기 전지셀의 상기 전극 리드와 연결되는 제1 부분; 및 상기 제1 부분으로부터 연장되어 상기 회로 유닛과 연결되는 제2 부분;을 포함할 수 있다. 상기 회로 유닛은 상기 센터 버스바 어셈블리의 하단부로 연장되어 상기 센터 버스바의 상기 제2 부분과 연결될 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 센터 버스바 어셈블리의 상부에 위치하고 전기적 절연 소재를 포함하는 상부 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 절연 부재는, 상기 제1 전지셀 적층체와 대면하는 제1 벽부; 상기 제2 전지셀 적층체와 대면하는 제2 벽부; 및 상기 제1 벽부와 상기 제2 벽부를 연결하고 상기 센터 버스바 어셈블리와 대면하는 바닥부;를 포함할 수 있다.
상기 센터 버스바는 복수로 배치될 수 있고, 상기 센터 버스바 어셈블리는, 상기 센터 버스바들 사이에 위치하여 상기 센터 버스바들 사이의 공간을 점유하는 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서와 상기 상부 절연 부재는 후크의 걸림 결합으로 조립될 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 센터 버스바 어셈블리의 하부에 위치하고 전기적 절연 소재를 포함하는 하부 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 센터 버스바는 복수로 배치될 수 있고, 상기 센터 버스바 어셈블리는, 상기 센터 버스바들 사이에 위치하여 상기 센터 버스바들 사이의 공간을 점유하는 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서와 상기 하부 절연 부재는 후크의 걸림 결합으로 조립될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 전지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 센터 버스바 어셈블리를 이용해 전지셀들을 길이 방향으로 연결하여 더블 셀 구조를 형성함으로써, 상기 길이 방향에 대한 공간 활용성을 높일 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩의 에너지 밀도 증가와 경량화가 가능하다.
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 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 측면도이다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 더블 셀 구조를 나타낸 사시도와 측면도이다.
도 6은 도 2의 전지 모듈에 포함된 센터 버스바 어셈블리와 터미널 버스바 어셈블리를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 버스바 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다.
도 8의 (a)와 (b)는, 도 7의 센터 버스바 어셈블리에 포함된 센터 버스바와 스페이서를 여러 각도로 나타낸 도면이다.
도 9의 (a)와 (b)는, 도 7의 센터 버스바 어셈블리에 포함된 스페이서를 여러 각도로 나타낸 도면이다.
도 10의 (a)와 (b)는 도 6의 터미널 버스바 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 터미널 버스바 어셈블리와 전지셀들 중 하나의 연결 형태를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 12는 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 외부 버스바 프레임, 제2 외부 버스바 프레임, 제1 회로 유닛 및 제2 회로 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 14는 도 13의 제1 외부 버스바 프레임을 “B”방향에서 바라본 정면도이다.
도 15는 도 13의 제2 외부 버스바 프레임을 “C”방향에서 바라본 후면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서의 HV 연결 형태 및 LV 연결 형태를 설명하기 위한 개략도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 버스바 어셈블리, 상부 절연 부재 및 하부 절연 부재를 나타낸 사시도이다.
도 18의 (a), (b), (c)는, 도 17에서의 상부 절연 부재를 여러 각도로 나타낸 도면들이다.
도 19는 상부 절연 부재의 체결홀과 스페이서의 제2 후크 간의 결합 형태를 설명하기 위한 부분 도면이다.
도 20은 도 17의 하부 절연 부재를 나타낸 사시도이다.
도 21은 도 1의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈이 마운팅 빔에 고정되는 모습을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 23의 (a)와 (b)는 각각 전지셀과 센터 버스바의 연결 형태 및 전지셀과 터미널 버스바의 연결 형태를 나타낸 부분 도면이다.
도 24의 (a), (b), (c)는 터미널 버스바와 터미널 스페이서를 조립하는 과정을 설명하는 부분 도면들이다.
도 25는, 더블 셀들을 적층하는 과정을 설명하기 위한 부분 도면이다.
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 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)들이 적층된 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함하는 전지셀 적층체(120); 및 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 위치한 센터 버스바 어셈블리(400);를 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀이고 양 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)들을 포함할 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 구체적으로 전극 리드(111, 112)가 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있고, 이러한 전극 리드(111, 112) 중 하나는 양극 리드(111)이고 다른 하나는 음극 리드(112)일 수 있다. 본 실시예에서, 전지셀(110)의 양극 리드(111)와 음극 리드(112) 사이의 방향을 전지셀(110)의 길이 방향이라 지칭한다. 일례로, 도 2 및 도 3을 참고하면, x축과 평행한 방향이 전지셀(110)의 길이 방향에 해당할 수 있다.
전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 전지 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 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)들은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성하고, 전지셀 적층체(120)는 제1 전지셀 적층체(120a) 및 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함한다. 특히, 전지셀(110)들이 직립한 채, 전지셀(110)의 전지 본체(113)의 일면끼리 마주하는 상태로, 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 도 2에는, 일례로, y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)들이 적층된 모습이 도시되어 있다. 이와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)들이 적층될 경우, 한 전지셀(110)에서 전극 리드(111, 112)들은 x축 방향과 -x축 방향을 따라 각각 돌출될 수 있다.
어느 한 영역에서 복수의 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 제1 전지셀 적층체(120a)를 형성하고, 다른 영역에서 복수의 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 제2 전지셀 적층체(120b)를 형성할 수 있다.
전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지 셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지 셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 형성할 수 있다.
한편, 제1 전지셀 적층체(120a)나 제2 전지셀 적층체(120b)에서의 전지셀(110)들이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)가 배치된다. 다르게 설명하면, 전지셀(110)을 기준으로 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 방향을 따라 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)가 배치될 수 있다. 즉, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)는 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 배치된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 복수의 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 형성할 때, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)는 x축과 평행한 방향을 따라 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 4 및 도 5를 참고하여, 본 실시예에 따른 더블 셀 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 더블 셀 구조를 나타낸 사시도와 측면도이다. 구체적으로, 도 2에서 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)들 중 하나와 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 전지셀(110)들 중 하나가 연결된 모습을 도 4와 도 5에 도시하였다.
도 2 내지 도 5를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 센터 버스바 어셈블리(400)는 센터 버스바(410)를 포함한다. 센터 버스바 어셈블리(400)의 다른 구성에 대해서는 도 6 내지 도 8에서 다시 설명하도록 한다.
제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 어느 한 전지셀(110)과 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 어느 한 전지셀(110)이 센터 버스바 어셈블리(400)에 포함된 센터 버스바(410)를 통해 전기적으로 연결되어 더블 셀(110dc) 구조를 형성한다.
앞서 설명한 바 대로, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 센터 버스바 어셈블리(400)가 위치한다. 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)과 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 전지셀(110)이 센터 버스바 어셈블리(400)에 포함된 센터 버스바(410)를 통해 연결된다. 도 4와 도 5에서, x축 방향에 위치한 전지셀(110)이 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀이며, -x축 방향에 위치한 전지셀(110)이 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 전지셀이다. 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 어느 한 전지셀(110)의 전극 리드(112)와 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 어느 한 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 센터 버스바(410)를 매개로 전기적으로 연결되어 더블 셀(110dc) 구조를 형성할 수 있다. 일례로, 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 어느 한 전지셀(110)의 음극 리드(112)와 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 어느 한 전지셀(110)의 양극 리드(111)가 센터 버스바(410)를 매개로 전기적으로 연결되어, 전지셀(110)간 직렬 연결이 구현될 수 있다. 전극 리드(111, 112)와 센터 버스바(410) 간의 전기적 연결 방법에 특별한 제한은 없고, 일례로 용접 접합이 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 배치되는 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 전기적으로 연결함에 있어, 그 사이에 판상형의 버스바 프레임이나 절연 플레이트를 개재하지 않고, 전극 리드(111, 112)들끼리 센터 버스바(410)를 매개로 바로 연결되는 형태이다. 본 실시예에서의 더블 셀(110dc) 구조는, 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 배치되는 2개의 전지셀(110)에서, 각 전극 리드(111, 112)들이 센터 버스바(410)를 매개로 바로 연결되는 형태를 의미한다. 본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)에는 이러한 더블 셀(110dc) 구조가 적어도 하나 포함된다.
이하에서는, 도 6 내지 도 8등을 참고하여, 본 실시예에 따른 센터 버스바 어셈블리(400)의 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 도 2의 전지 모듈에 포함된 센터 버스바 어셈블리와 터미널 버스바 어셈블리를 나타낸 사시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 버스바 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2, 도 6 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 센터 버스바 어셈블리(400)는 복수의 센터 버스바(410); 및 센터 버스바(410)들 사이에 위치하여 센터 버스바(410)들 사이의 공간을 점유하는 스페이서(420)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)에는 상술한 더블 셀(110dc)이 복수로 포함될 수 있고, 이에 따라 센터 버스바(410)도 복수로 배치될 수 있다. 이 때, 전지셀(110)의 두께를 고려했을 때, 인접한 센터 버스바(410)들 사이에는 공간이 형성될 수 있다. 이러한 공간이 그대로 방치될 경우, 전지 모듈(100)의 구조적 안정성을 저해한다. 이에 본 실시예에서는 센터 버스바(410)를 안정적으로 지지하기 위한 스페이서(420)를 인접한 센터 버스바(410)들 사이에 배치한다. 이러한 스페이서(420)도 복수로 배치될 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 6 및 도 7에서는 센터 버스바(410)와 스페이서(420)들만을 도시하였으나, 전지 모듈(100)에서 센터 버스바(410)에는 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 이미 접합된 상태이다. 즉, 2개의 전지셀(110)이 센터 버스바(410)를 통해 연결되어 더블 셀(110dc)을 형성하고, 전극 리드(111, 112)가 접합된 상태의 센터 버스바(410)의 일측에 스페이서(420)나 후술하는 터미널 스페이서(520)가 배치될 수 있다.
스페이서(420)는 전기적 절연인 소재를 포함하는 것이 바람직하며, 일례로 플라스틱 사출물일 수 있다. 스페이서(420)의 형태에 특별한 제한은 없고, 인접한 센터 버스바(410)들 사이의 공간을 점유할 수 있도록 일정한 두께를 갖는 부재일 수 있다.
이하에서는, 도 8, 도 9 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 센터 버스바와 스페이서의 구체적인 구조에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 8의 (a)와 (b)는, 도 7의 센터 버스바 어셈블리에 포함된 센터 버스바와 스페이서를 여러 각도로 나타낸 도면이다. 도 9의 (a)와 (b)는, 도 7의 센터 버스바 어셈블리에 포함된 스페이서를 여러 각도로 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 9를 참고하면, 상술한 것처럼 센터 버스바 어셈블리(400)는, 복수의 센터 버스바(410)들 및 복수의 스페이서(420)를 포함할 수 있고, 전극 리드(111, 112)가 접합된 상태의 센터 버스바(410)들과 스페이서(420)들이, 전지셀(110)들의 적층 방향을 따라, 서로 번갈아 가며 배치될 수 있다.
센터 버스바(410)는 전극 리드(111, 112)들을 연결하기 위한 부재로, 금속 소재와 같은 도전성 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 센터 버스바(410)는 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 연결되는 제1 부분(411) 및 제1 부분(411)으로부터 연장되어 회로 유닛과 연결되는 제2 부분(412)을 포함할 수 있다. 제1 부분(411)은 전극 리드(111, 112)와의 연결 및 접합을 위해 판상 형태일 수 있다. 제2 부분(412)은 제1 부분(411)의 하부로부터 연장될 수 있고, 제2 부분(412)의 일면이 제1 부분(411)의 일면과 수직하도록 제2 부분(412)이 구부러질 수 있다. 제2 부분(412)과 회로 유닛과의 연결에 대해서는 아래에서 다시 후술하도록 한다.
앞서 설명한 것처럼 스페이서(420)는 센터 버스바(410)들 사이의 공간을 채울 수 있도록 일정한 두께를 갖는 부재일 수 있는데, 이러한 스페이서(420)의 일면에 돌출부(420P)가 형성될 수 있고, 스페이서(420)의 상기 일면의 반대편에 위치한 타면에 결합홀(420CH)이 형성될 수 있다. 도 9의 (a)에서 스페이서(420)의 상기 일면에 형성된 돌출부(420P)를 확인할 수 있고, 도 9의 (b)에서 스페이서(420)의 상기 타면에 형성된 결합홀(420CH)을 확인할 수 있다.
센터 버스바(410)에는 적어도 하나의 관통구(410H)가 형성될 수 있다. 어느 한 스페이서(420)의 돌출부(420P), 센터 버스바(410)의 관통구(410H) 및 인접한 다른 스페이서(420)의 결합홀(420CH)은 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
어느 한 스페이서(420)의 돌출부(420P)가, 센터 버스바(410)의 관통구(410H)를 통과하고 나서 다른 스페이서(420)의 결합홀(420CH)에 삽입될 수 있다. 이와 같이 돌출부(420P)가 결합홀(420CH)에 삽입되는 방식으로 복수의 스페이서(420)들이 서로 결합될 수 있다. 동시에, 돌출부(420P)가 센터 버스바(410)의 관통구(410H)를 통과하기 때문에 센터 버스바(410)는 스페이서(420)들 사이에서 스페이서(420)들에 고정될 수 있다. 센터 버스바(410)들과 스페이서(420)들이 서로 번갈아 가며 배치됨에 있어, 돌출부(420P), 관통구(410H) 및 결합홀(420CH)의 조립을 통해 센터 버스바(410)들과 스페이서(420)들이 견고하게 고정될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 스페이서(420)는 복수로 배치되고, 스페이서(420)들끼리는 후크의 걸림 결합으로 조립될 수 있다. 구체적으로, 스페이서(420)는, 일 방향으로 돌출되는 적어도 하나의 제1 후크(420H1)를 포함할 수 있고, 스페이서(420)에는 이러한 제1 후크(420H1)가 후크 결합되는 후크홈(420G, hook groove)이 형성될 수 있다. 일례로, 스페이서(420)의 상부와 하부 각각에 다른 스페이서(420)가 위치한 방향으로 돌출되는 제1 후크(420H1)들이 형성될 수 있다. 이에 대응하여 스페이서(420)의 상부면과 하부면에 만입된 형태의 후크홈(420G)이 형성될 수 있다. 도 8의 (a), 도 9의 (a)와 (b)에는 스페이서(420)의 상부면에 형성된 후크홈(420G)만 도시되어 있으나, 스페이서(420)의 하부면에도 이와 유사한 만입된 형태의 후크홈이 형성될 수 있다. 스페이서(420)의 제1 후크(420H1)가 인접한 다른 스페이서(420)의 후크홈(420G)에 체결되면서 스페이서(420)들끼리 조립될 수 있다. 즉, 본 시예에 따른 센터 버스바 어셈블리(400)의 경우, 복수의 스페이서(420)들이 배치됨에 있어, 제1 후크(420H1)와 후크홈(420G)의 걸림 결합을 통해 스페이서(420)들이 견고하게 조립될 수 있고, 그 사이에 위치한 센터 버스바(410)도 안정적으로 고정될 수 있다.
이하에서는, 도 10 및 도 11 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 터미널 버스바 어셈블리의 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 10의 (a)와 (b)는 도 6의 터미널 버스바 어셈블리를 나타낸 분해 사시도이다. 구체적으로, 도 6에 도시된 2개의 터미널 버스바 어셈블리(500) 각각을 도 10의 (a)와 (b)에 분해도로 나타내었다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 터미널 버스바 어셈블리와 전지셀들 중 하나의 연결 형태를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2, 도 6, 도 10 및 도 11을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에서, 센터 버스바 어셈블리(400)의 양 단에 각각 위치한 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리(500)를 더 포함할 수 있다. 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리(500) 중 하나는 도 10의 (a)에 도시되어 있고, 다른 하나는 도 10의 (b)에 도시되어 있다.
터미널 버스바 어셈블리(500)는 터미널 버스바(510)를 포함할 수 있고, 터미널 버스바(510)는 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 연결되는 제1 부분(511) 및 제1 부분(511)으로부터 연장되어 외부로 노출된 제2 부분(512)을 포함할 수 있다. 한편, 여기서 “외부”란 전지 모듈(100)을 기준으로 했을 때의 외부를 의미한다. 또한 터미널 버스바(510)는 금속 소재와 같은 도전성 소재를 포함하는 것이 바람직하다.
제1 부분(511)은 전극 리드(111, 112)와의 연결 및 접합을 위해 판상 형태일 수 있다. 제2 부분(512)은 제1 부분(511)의 상부로부터 연장될 수 있고, 제2 부분(512)의 일면이 제1 부분(511)의 일면과 수직하도록 제2 부분(512)이 구부러질 수 있다. 상술한 센터 버스바(410)와 비교하여, 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)과 센터 버스바(410)의 제1 부분(411)은 서로 유사하나, 터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)은 제1 부분(511)의 상부에 마련된 반면 센터 버스바(410)의 제2 부분(412)은 제1 부분(411)의 하부에 마련된 점에서 차이가 있다.
전극 리드(111, 112)와 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511) 간의 전기적 연결 방법에 특별한 제한은 없고, 일례로 용접 접합이 적용될 수 있다.
터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)은 전지 모듈(100)에서 외부로 노출된 부분으로써, HV(High Voltage) 연결을 위한 전지 모듈(100)의 입출력 단자로써 기능한다. HV 연결은, 전지 모듈의 입출력 단자와 같이 상대적으로 고전압이 요구되는 전기적 연결을 지칭한다. 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)을 통해 다른 전지 모듈이나 전지 모듈의 전기적 연결을 제어하는 전원 차단 유닛(BDU, Battery Disconnection Unit)과 연결될 수 있다. 본 실시예에서는, 전지 모듈(100)의 입출력 단자로 기능하는 터미널 버스바(510)가 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)의 사이에 위치할 수 있다.
제1 전지셀 적층체(120a) 중 일 방향의 최외측에 배치된 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가, 터미널 버스바 어셈블리(500)들 중 어느 하나에 포함된 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)에 연결되고, 제2 전지셀 적층체(120b) 중 타 방향의 최외측에 배치된 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가, 터미널 버스바 어셈블리(500)들 중 다른 하나에 포함된 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)에 연결될 수 있다. 일례로 도 11에는, 제1 전지셀 적층체(120a) 중 일 방향의 최외측에 배치된 전지셀(110)의 음극 리드(112)가, 터미널 버스바 어셈블리(500)들 중 어느 하나에 포함된 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)에 연결된 모습이 나타나 있다. 도 11에서의 터미널 버스바(510)는 전지 모듈(100)의 음극 단자로 기능하게 된다. 이 때, 상기 일 방향과 상기 타 방향은, 전지셀(110)들이 적층되는 방향이면서 서로 반대되는 방향에 해당한다. 전지셀(110)들 간의 전기적 연결 경로나 전지셀(110)과 터미널 버스바 어셈블리 간의 전기적 연결 경로에 대해서는 도 16과 함께 후술하도록 한다.
한편, 터미널 버스바 어셈블리(500)는, 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)의 일면이 마주하는 터미널 스페이서(520); 및 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)의 타면을 커버하는 터미널 절연 플레이트(540)를 더 포함할 수 있다. 제1 부분(511)의 상기 일면과 상기 타면은 서로 반대되는 면으로써, 바꾸어 말하면 터미널 스페이서(520)와 터미널 절연 플레이트(540) 사이에 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)이 위치할 수 있다.
터미널 스페이서(520)의 일면에는 앞서 설명한 센터 버스바(410)가 위치할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도시하지 않았으나 이 센터 버스바(410)에는 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 접합된 상태이다. 즉, 도 6에 도시된 것처럼 복수의 센터 버스바(410)들 중 가장 바깥쪽에 위치한 2개의 센터 버스바(410) 각각은, 터미널 스페이서(520)와 스페이서(420) 사이에 위치할 수 있다. 한편, 도 7에 도시된 것처럼 센터 버스바(410)들 중 가장 바깥쪽에 위치한 2개의 센터 버스바(410)를 제외한 나머지 센터 버스바(410)들은 스페이서(420)들 사이에 위치할 수 있다.
터미널 스페이서(520)는, 스페이서(420)와 유사하게, 터미널 버스바(510)와 센터 버스바(410) 사이의 공간을 점유할 수 있다. 터미널 버스바(510)와 센터 버스바(410)는 터미널 스페이서(520)에 밀착될 수 있다. 터미널 스페이서(520)는 전기적 절연인 소재를 포함하는 것이 바람직하며, 일례로 플라스틱 사출물일 수 있다. 터미널 스페이서(520)의 형태에 특별한 제한은 없고, 터미널 버스바(510)와 센터 버스바(410) 사이의 공간을 점유할 수 있도록 일정한 두께를 갖는 부재일 수 있다. 터미널 스페이서(520)에는, 터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)이 안착되는 받침부(520S)가 형성될 수 있다. 받침부(520S)는 터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)을 지지하는 부분으로써, 내부에 너트가 안착되는 공간이 형성될 수 있다. 터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)이 외부 도전체와 연결됨에 있어 볼트 및 너트의 결합이 적용될 수 있다.
터미널 스페이서(520)의 일면에 제1 돌출부(520P1)가 형성될 수 있고, 터미널 스페이서(520)의 타면에 제2 돌출부(520P2)가 형성될 수 있다. 터미널 스페이서(520)의 상기 일면과 상기 타면은 서로 반대되는 면으로써, 터미널 스페이서(520)의 상기 일면은 터미널 버스바(510)와 대면하는 면이고, 터미널 스페이서(520)의 상기 타면은 센터 버스바(410)와 대면하는 면일 수 있다. 도 10의 (a)에서 터미널 스페이서(520)의 상기 타면에 형성된 제2 돌출부(520P2)를 확인할 수 있고, 도 10의 (b)에서 터미널 스페이서(520)의 상기 일면에 형성된 제1 돌출부(520P1)를 확인할 수 있다.
상술한 것처럼 센터 버스바(410)에는 적어도 하나의 관통구(410H)가 형성될 수 있는데, 센터 버스바(410)의 관통구(410H)와 터미널 스페이서(520)의 제2 돌출부(520P2)는 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
터미널 스페이서(520)의 제2 돌출부(520P2)가, 센터 버스바(410)들 중 가장 바깥쪽에 위치한 센터 버스바(410)의 관통구(410H)를 통과하고 나서, 스페이서(420)들 중 가장 바깥쪽에 위치한 스페이서(420)의 결합홀(420CH, 도 9의 (b) 참조)에 삽입될 수 있다. 이와 같이 제2 돌출부(520P2)가 결합홀(420CH)에 삽입되는 방식으로 터미널 스페이서(520)가 인접한 스페이서(420)와 결합될 수 있다. 동시에, 제2 돌출부(520P2)가 가장 바깥쪽에 위치한 센터 버스바(410)의 관통구(410H)를 통과하기 때문에 가장 바깥쪽에 위치한 센터 버스바(410)는 터미널 스페이서(520)와 스페이서(420) 사이에서 고정될 수 있다.
한편, 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)에 관통구(510H)가 형성될 수 있고, 터미널 절연 플레이트(540)에 관통구(540H)가 형성될 수 있다. 터미널 버스바(510)의 관통구(510H), 터미널 절연 플레이트(540)의 관통구(540H) 및 터미널 스페이서(520)의 제1 돌출부(520P1)는 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
터미널 스페이서(520)의 제1 돌출부(520P1)가, 터미널 버스바(510)의 관통구(510H)를 통과하고 나서, 터미널 절연 플레이트(540)의 관통구(540H)에 삽입될 수 있다. 이와 같이 제1 돌출부(520P1)가 터미널 절연 플레이트(540)의 관통구(540H)에 삽입되는 방식으로 터미널 절연 플레이트(540)가 터미널 스페이서(520)와 결합될 수 있다. 동시에, 제1 돌출부(520P1)가 터미널 버스바(510)의 관통구(510H)를 통과하기 때문에 터미널 버스바(510)는 터미널 스페이서(520)와 터미널 절연 플레이트(540) 사이에서 고정될 수 있다.
특히, 제1 돌출부(520P1)의 끝 단부에 두께가 두꺼운 부분이 마련되어, 제1 돌출부(520P1)가 터미널 절연 플레이트(540)의 관통구(540H)에 억지로 삽입될 수 있다. 억지로 삽입된 이후에는, 상기 두꺼운 부분이 터미널 절연 플레이트(540)의 이탈을 방지할 수 있다.
한편, 구체적으로 표시하지 않았으나, 터미널 스페이서(520)에는 인접한 스페이서(420)의 제1 후크(420H1, 도 8 또는 도 9 참조)가 결합되는 후크홈이 마련될 수 있다.
종합하면, 센터 버스바 어셈블리(400)의 양 단에 위치한 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리(500)는, 제1 돌출부(520P1)를 이용한 조립 방식으로 내부 구성품들 간의 조립성을 높일 수 있고, 제2 돌출부(520P2)를 이용한 조립 방식으로 센터 버스바 어셈블리(400)에 고정될 수 있다.
터미널 절연 플레이트(540)는 전기적 절연 소재를 갖는 판상형의 부재일 수 있다. 이러한 터미널 절연 플레이트(540)는 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)의 타면을 커버함으로써, 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)이 외부로 노출되어 쇼트가 발생하는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
한편, 터미널 버스바 어셈블리(500)는, 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)과 연결된 연결 버스바(530)를 더 포함할 수 있다. 연결 버스바(530)는 금속 소재와 같은 도전성 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 연결 버스바(530)는 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)의 하부와 연결될 수 있고, 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)의 일면과 수직하도록 구부러진 부분을 포함할 수 있다. 연결 버스바(530)는 앞서 설명한 센터 버스바(410)의 제2 부분(412)과 유사한 기능을 담당할 수 있으며, 이에 대해서는 아래에서 다시 후술하도록 한다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 전지 모듈이 갖는 장점을 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈과 비교를 통해 설명하도록 한다.
도 12는 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 12을 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈(10)은, 복수의 전지셀(11)들이 적층된 전지셀 적층체(12), 전지셀 적층체(12)의 양 측면에 위치한 제1 및 제2 사이드 플레이트(21, 22)들 및 전지셀 적층체(120)의 상부와 하부에 배치되어 제1 및 제2 사이드 플레이트(21, 22)를 연결하는 연결 부재(60)를 포함한다. 또한, 전지 모듈(10)은,
전지셀 적층체(12)에서 전지셀(11)들은 일 방향을 따라 적층되고, 전지셀(11)들이 적층되는 방향과 수직한 방향으로 전극 리드들이 돌출될 수 있다. 이러한 전극 리드들이 돌출되는 방향에 제1 버스바 프레임(71)과 제2 버스바 프레임(72)이 배치될 수 있다. 제1 버스바 프레임(71)과 제2 버스바 프레임(72) 각각에는 버스바들이 장착되고, 이러한 버스바들이 전지셀(11)들의 전극 리드들은 연결할 수 있다.
또한, 전지 모듈(10)은, 제1 버스바 프레임(71)을 커버하는 제1 절연 플레이트(31) 및 제2 버스바 프레임(72)을 커버하는 제2 절연 플레이트(32)를 포함할 수 있다.
도 12에 도시된 것처럼, 본 비교예에 따른 전지 모듈(10)은 하나의 전지셀 적층체(12)를 갖는 싱글 모델의 전지 모듈에 해당하고, 도 2에 도시된 것처럼 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 배치된 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 갖는 트윈 모델의 전지 모듈에 해당한다.
동일한 전지 용량을 구현하기 위해서는, 본 비교예에 따른 전지 모듈(10) 2개와 본 실시예에 따른 전지 모듈(100) 1개를 비교해야 한다. 2개의 전지 모듈(10)을 길이 방향을 따라 앞뒤로 배치할 경우, 앞에 있는 전지 모듈(10)의 전지셀 적층체(12)와 뒤에 있는 전지 모듈(10)의 전지셀 적층체(12) 사이에 2개의 버스바 프레임(71, 72)과 2개의 절연 플레이트(31, 32)가 위치하게 된다. 다시 설명하면, 앞에 있는 전지 모듈(10)의 전지셀 적층체(12)와 뒤에 있는 전지 모듈(10)의 전지셀 적층체(12) 사이에 앞에 있는 전지 모듈(10)의 제2 버스바 프레임(72)과 제2 절연 플레이트(32) 및 뒤에 있는 전지 모듈(10)의 제1 절연 플레이트(31)와 제1 버스바 프레임(71)이 위치한다. 즉, 2개의 전지셀 적층체(12) 사이에 2개의 버스바 프레임(71, 72)과 2개의 절연 플레이트(31, 32)가 위치하는 것이므로, 전지셀(11)의 길이 방향으로 차지하는 공간이 늘어나고, 또 부품이 늘어나는 형태이다.
반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 경우, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 센터 버스바 어셈블리(400)와 터미널 버스바 어셈블리(500)들만이 배치된다. 터미널 버스바 어셈블리(500)들의 경우, 센터 버스바 어셈블리(400)의 양 단에 위치하는 것이므로, 전지셀(110)의 길이 방향으로 공간이 더 요구되는 것은 아니다. 또한, 센터 버스바 어셈블리(400)의 경우, 전지셀(110)의 길이 방향으로 센터 버스바(410) 또는 스페이서(420)의 두께만큼의 공간만 요구된다.
즉, 같은 용량을 구현하기 위해 본 비교예에 따른 전지 모듈(10)을 2개 배치할 경우, 부품이 더 필요하고, 길이 방향에 따른 필요 공간이 늘어나 에너지 밀도나 공간 활용성 측면에서 불리한 단점이 있다. 반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 경우, 센터 버스바 어셈블리(400)를 배치함으로써, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 전기적으로 연결하면서도, 싱글 모델의 전지 모듈(10)과 비교하여 길이 방향으로의 필요 공간을 크게 줄일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 부품 수 절감이 가능하고, 요구되는 공간이 줄어든 만큼 에너지 밀도이나 공간 활용성을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 2개의 전지 모듈(10)은 각각 터미널 버스바를 구비하기 때문에 전지팩 단위에서의 HV 연결 형태가 다소 복잡해질 수 있다. 반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제1 및 제2 전지셀 적층체(120a, 120b)를 구비하더라도 한 쌍의 터미널 버스바(510)만 요구되기 때문에 전지팩 단위에서의 HV 연결 형태가 단순화되고 부품 수 절감 또한 가능한 장점이 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)이 갖는 LV(Low Voltage) 연결 형태에 대해 자세히 설명하도록 한다. LV 연결은 배터리 전장 부품과 같이 상대적으로 저전압이 요구되는 전기적 연결을 지칭한다. 일례로, 전지 모듈(100)에 포함된 전지셀(110)들의 전압 센싱이나 온도 센싱을 위한 모듈 커넥터(미도시)가 전지 모듈(100)에 마련될 수 있다. 이러한 모듈 커넥터는 전지 모듈(100) 외부에 위치한 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)과 연결되고, 상기 전지 관리 시스템에 측정된 전압이나 온도 데이터를 송출한다. 상기 전지 관리 시스템은 전달된 전압이나 온도 데이터를 바탕으로 해당 전지 모듈(100)의 전압이나 온도를 관리하는 기능을 담당한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 외부 버스바 프레임, 제2 외부 버스바 프레임, 제1 회로 유닛 및 제2 회로 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 13을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 전지셀 적층체(120a)의 일 측에 위치하는 제1 외부 버스바 프레임(710) 및 제2 전지셀 적층체(120b)의 일 측에 위치하는 제2 외부 버스바 프레임(720)을 더 포함할 수 있다.
제1 전지셀 적층체(120a)를 기준으로, 제1 외부 버스바 프레임(710)은 센터 버스바 어셈블리(400)가 위치한 방향과 반대 방향에 위치할 수 있고, 제2 전지셀 적층체(120b)를 기준으로, 제2 외부 버스바 프레임(720)은, 센터 버스바 어셈블리(400)가 위치한 방향과 반대 방향에 위치할 수 있다. 즉, 전지셀(110)의 길이 방향(y축과 평행한 방향)을 따라 제1 외부 버스바 프레임(710), 제1 전지셀 적층체(120a), 센터 버스바 어셈블리(400), 제2 전지셀 적층체(120b) 및 제2 외부 버스바 프레임(720)이 차례로 위치할 수 있다. 제1 외부 버스바 프레임(710)과 제2 외부 버스바 프레임(720)은 모두 전기적 절연 소재를 포함하는 것이 바람직하며, 일례로 플라스틱 사출물을 포함할 수 있다.
도 14 및 도 15 등을 참고하여, 제1 외부 버스바 프레임과 제2 외부 버스바 프레임에 대해 자세히 설명한다.
도 14는 도 13의 제1 외부 버스바 프레임을 “B”방향에서 바라본 정면도이다. 도 15는 도 13의 제2 외부 버스바 프레임을 “C”방향에서 바라본 후면도이다.
먼저 도 2, 도 13 및 도 14를 참고하면, 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)들로부터 제1 외부 버스바 프레임(710) 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)가 제1 외부 버스바 프레임(710)에 장착된 제1 외부 버스바(711)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 외부 버스바 프레임(710)에서 제1 전지셀 적층체(120a)와 마주하는 면의 반대면에 제1 외부 버스바(711)가 장착될 수 있다. 제1 외부 버스바 프레임(710)에는 슬릿(710S)이 형성되고, 전극 리드(111, 112)들이 이러한 슬릿(710S)을 통과한 뒤 구부러져 제1 외부 버스바(711)에 연결될 수 있다. 전극 리드(111, 112)와 제1 외부 버스바(711) 간의 연결 방식에 특별한 제한은 없으나 전기적 및 물리적 연결이 가능하도록 용접 접합이 적용될 수 있다.
또한, 제1 외부 버스바 프레임(710)에는 전압 센싱을 위한 제1 센싱 유닛(712)이 장착될 수 있다. 구체적으로, 제1 외부 버스바 프레임(710)에서 제1 전지셀 적층체(120a)와 마주하는 면의 반대면에 제1 센싱 유닛(712)이 장착될 수 있다. 제1 센싱 유닛(712)은, 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다. 제1 센싱 유닛(712)은 그 일단에 마련된 제1 접합 플레이트(713)를 통해 제1 외부 버스바(711)와 연결될 수 있다. 제1 접합 플레이트(713)와 제1 외부 버스바(711) 간의 연결 방식에 용접 접합이 적용될 수 있다.
제1 센싱 유닛(712)은 제1 접합 플레이트(713) 및 제1 외부 버스바(711)를 매개로 제1 전지셀 적층체(120a)의 전지셀(110)들과 연결되는 것이고, 충, 방전 동안 전지셀(110)의 전압 정보를 측정할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 센싱 유닛(712)은 상술한 모듈 커넥터와 연결되고, 모듈 커넥터에 전압 정보를 전달할 수 있다. 모듈 커넥터를 통해 전압 정보는 전지 모듈(100) 외부에 위치한 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 전달될 수 있다.
다음, 도 2, 도 13 및 도 15를 참고하면, 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 전지셀(110)들로부터 제2 외부 버스바 프레임(720) 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)가 제2 외부 버스바 프레임(720)에 장착된 제2 외부 버스바(721)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 외부 버스바 프레임(720)에서 제2 전지셀 적층체(120b)와 마주하는 면의 반대면에 제2 외부 버스바(721)가 장착될 수 있다. 제2 외부 버스바 프레임(720)에는 슬릿(720S)이 형성되고, 전극 리드(111, 112)들이 이러한 슬릿(710S)을 통과한 뒤 구부러져 제2 외부 버스바(721)에 연결될 수 있다. 전극 리드(111, 112)와 제2 외부 버스바(721) 간의 연결 방식에 특별한 제한은 없으나 전기적 및 물리적 연결이 가능하도록 용접 접합이 적용될 수 있다.
또한, 제2 외부 버스바 프레임(720)에는 전압 센싱을 위한 제2 센싱 유닛(722)이 장착될 수 있다. 구체적으로, 제2 외부 버스바 프레임(720)에서 제2 전지셀 적층체(120b)와 마주하는 면의 반대면에 제2 센싱 유닛(722)이 장착될 수 있다. 제2 센싱 유닛(722)은, 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다. 제2 센싱 유닛(722)은 그 일단에 마련된 제2 접합 플레이트(723)를 통해 제2 외부 버스바(721)와 연결될 수 있다. 제2 접합 플레이트(723)와 제2 외부 버스바(721) 간의 연결 방식에 용접 접합이 적용될 수 있다.
제2 센싱 유닛(722)은 제2 접합 플레이트(723) 및 제2 외부 버스바(721)를 매개로 제2 전지셀 적층체(120b)의 전지셀(110)들과 연결되는 것이고, 충, 방전 동안 전지셀(110)의 전압 정보를 측정할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 제2 센싱 유닛(722)은 상술한 모듈 커넥터와 연결되고, 모듈 커넥터에 전압 정보를 전달할 수 있다. 모듈 커넥터를 통해 전압 정보는 전지 모듈(100) 외부에 위치한 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 전달될 수 있다.
한편, 도 13 내지 도 15를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 회로 유닛(810, 820)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 제1 회로 유닛(810)은, 제1 및 제2 전지셀 적층체(120a, 120b, 도 2 참조)의 측면을 따라 이어지면서, 제1 센싱 유닛(712)과 제2 센싱 유닛(722)을 연결하는 부재로써, 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다. 제2 회로 유닛(820)은 제1 센싱 유닛(712) 또는 제2 센싱 유닛(722) 중 적어도 하나와 센터 버스바(410)를 연결하는 부재로써, 마찬가지로 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다. 도 13에는 제2 회로 유닛(820)이 제2 센싱 유닛(722)과 센터 버스바(410)를 연결하는 모습이 도시되어 있다.
앞서 설명한 바 대로, 센터 버스바(410)는, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 연결되는 제1 부분(411) 및 제1 부분(411)으로부터 연장되어 회로 유닛과 연결되는 제2 부분(412)을 포함할 수 있고, 제2 부분(412)의 일면은 제1 부분(411)의 일면과 수직하도록 구부러질 수 있다. 도 13에서 설명의 편의를 위해 센터 버스바 어셈블리의 구성 중 몇 개의 센터 버스바(410)만을 도시하고, 터미널 버스바 어셈블리의 구성 중 터미널 버스바(510)만을 도시하였다. 제2 회로 유닛(820)은 센터 버스바 어셈블리의 하단부로 연장되어 센터 버스바(410)의 제2 부분(412)과 연결될 수 있고, 또 터미널 버스바(510)와 연결된 연결 버스바(530)와 연결될 수 있다. 도 15에는 제2 회로 유닛(820)이 제2 센싱 유닛(722)과 연결된 모습이 도시되어 있다.
센터 버스바(410)의 제2 부분(412)과 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)에 연결된 연결 버스바(530)는 유사한 기능을 담당한다. 제1 및 제2 전지셀 적층체(120a, 120b)에 포함된 전지셀(110)들의 전극 리드(111, 112)가, 센터 버스바(410)의 제2 부분(412)이나 연결 버스바(530)를 통해, 제2 회로 유닛(820)과 연결될 수 있고, 전압 정보가 제2 회로 유닛(820)을 통해 제2 센싱 유닛(722)에 전달될 수 있다. 앞서 설명한 바 대로, 제2 센싱 유닛(722)은 상술한 모듈 커넥터와 연결되고, 모듈 커넥터에 전압 정보를 전달할 수 있으며, 모듈 커넥터를 통해 전압 정보는 전지 모듈(100) 외부에 위치한 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 전달될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서의 HV 연결 형태 및 LV 연결 형태를 설명하기 위한 개략도이다. 특히 도 16은 전지 모듈(100)을 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 평면의 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2 및 도 16을 함께 참고하면, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리(500)가 위치한다. 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리(500) 중 하나는 양극 단자로 기능하는 터미널 버스바를 포함할 수 있고, 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리(500) 중 다른 하나는 음극 단자로 기능하는 터미널 버스바를 포함할 수 있다. 어느 한 터미널 버스바 어셈블리(500)에서부터 다른 터미널 버스바 어셈블리(500)까지, 전지셀(110)의 양극 리드(111)가 다른 전지셀(110)의 음극 리드와 연결되는 방식으로 직렬 연결될 수 있다. 특히, 제1 전지셀 적층체(120a)의 전지셀(110)과 제2 전지셀 적층체(120b)의 전지셀(110)이 연결됨에 있어, 앞에서 설명한 더블 셀(110dc) 구조가 형성된다. 도 16에서는, 5개의 더블 셀(110dc)이 형성된 것이 도시되어 있다. 또한, 제1 전지셀 적층체(120a) 중 일 방향의 최외측에 배치되고 터미널 버스바 어셈블리(500)와 연결된 전지셀(110)과 제2 전지셀 적층체(120b) 중 타 방향의 최외측에 배치되고 다른 터미널 버스바 어셈블리(500)와 연결된 전지셀(110)은 더블 셀 구조를 형성하지 않는 것으로 도시되어 있다. 즉, 센터 버스바 어셈블리를 통해, 전지 모듈(100) 내에서 제1 전지셀 적층체(120a)의 전지셀(110)들과 제2 전지셀 적층체(120b)의 전지셀(110)들이 직렬로 연결되고, 종국적으로는 모든 전지셀(110)들이 직렬 연결을 구현할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 것처럼, 제1 회로 유닛(810)은, 제1 및 제2 전지셀 적층체(120a, 120b)의 측면을 따라 이어지면서, 제1 외부 버스바 프레임(710) 상의 제1 센싱 유닛(712)과 제2 외부 버스바 프레임(720) 상의 제2 센싱 유닛(722)을 연결할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 것처럼, 제2 회로 유닛(820)은, 제1 센싱 유닛(712) 또는 제2 센싱 유닛(722) 중 적어도 하나와 센터 버스바(410, 도 13 참조)를 연결할 수 있다.
이하에서는, 도 17 내지 도 21 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 상부 절연 부재와 하부 절연 부재에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 센터 버스바 어셈블리, 상부 절연 부재 및 하부 절연 부재를 나타낸 사시도이다. 도 2에는 도시하지 않았으나, 도 17을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 센터 버스바 어셈블리(400)의 상부에 위치하고 전기적 절연 소재를 포함하는 상부 절연 부재(910) 및 센터 버스바 어셈블리(400)의 하부에 위치하고 전기적 절연 소재를 포함하는 하부 절연 부재(920)를 더 포함할 수 있다. 상부 절연 부재(910)와 하부 절연 부재(920)는 각각 센터 버스바 어셈블리(400)의 상부 영역과 하부 영역을 커버함으로써, 센터 버스바 어셈블리(400)나 전극 리드(111, 112) 등이 외부로 노출되어 쇼트가 발생하는 것을 방지한다.
도 18의 (a), (b), (c)는, 도 17에서의 상부 절연 부재를 여러 각도로 나타낸 도면들이다. 구체적으로, 도 18의 (a)는 상부 절연 부재(910)에 대한 사시도이고, 도 18의 (b)는 상부 절연 부재(910)를 xy 평면에서 -z축 방향을 따라 바라본 평면도이며, 도 18의 (c)는 상부 절연 부재(910)를 xz평면에서 -y축 방향을 따라 바라본 측면도이다.
도2, 도 17 및 도 18을 참고하면, 상부 절연 부재(910)는, 제1 전지셀 적층체(120a)와 대면하는 제1 벽부(911); 제2 전지셀 적층체(120b)와 대면하는 제2 벽부(912); 및 제1 벽부(911)와 제2 벽부(912)를 연결하고 센터 버스바 어셈블리(400)와 대면하는 바닥부(913);를 포함할 수 있다.
도 18의 (b)와 같이, 상부 절연 부재(910)를 측면에서 바라봤을 때, 제1 벽부(911), 제2 벽부(912) 및 바닥부(913)가 U자형태를 띌 수 있다. 센터 버스바 어셈블리(400)의 높이가 제1 전지셀 적층체(120a)의 높이와 제2 전지셀 적층체(120b)의 높이보다 낮을 수 있는데, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에서 센터 버스바 어셈블리(400)의 상부 영역을 커버하기 위해서는 이와 같은 U자 형태가 적절할 수 있다.
도 18의 (C)를 도 10의 (a), (b)와 함께 참고하면, 상부 절연 부재(910)의 바닥부(913)에는 체결홀(910H1) 및 단자홀(910H2)이 형성될 수 있다. 우선 단자홀(910H2)은 터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)과 대응하는 곳에 형성될 수 있다. 즉, 터미널 버스바(510)의 제2 부분(512)은 단자홀(910H2)을 통해 외부로 노출되고, 전지 모듈(100)의 입출력 단자로써 기능한다.
한편, 도 19는 상부 절연 부재의 체결홀과 스페이서의 제2 후크 간의 결합 형태를 설명하기 위한 부분 도면이다.
도 7, 도 8, 도 9, 도 18의 (b) 및 도 19를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 스페이서(420)와 상부 절연 부재(910)는 후크의 걸림 결합으로 조립될 수 있다. 즉, 스페이서(420)와 상부 절연 부재(910)는 기계적 체결 방식으로 조립될 수 있다.
일례로, 본 실시예에 따른 스페이서(420)들 중 적어도 하나에 상부 절연 부재(910) 방향으로 돌출된 제2 후크(420H2)가 형성될 수 있다. 도 8의 (a)와 (b)에는 제2 후크(420H2)가 형성된 스페이서(420)가 도시되어 있고, 도 9의 (a)와 (b)에는 제2 후크가 형성되지 않은 스페이서(420)가 도시되어 있다.
제2 후크(420H2)와 대응하는 상부 절연 부재(910)의 바닥부(913) 부분에 체결홀(910H1)이 형성될 수 있고, 상부 절연 부재(910) 방향으로 돌출된 제2 후크(420H2)는 이러한 체결홀(910H1)에 체결될 수 있다.
도 20은 도 17의 하부 절연 부재를 나타낸 사시도이다.
도 17 및 도 20을 참고하면, 본 실시예에 따른 스페이서(420)와 하부 절연 부재(920)는 후크의 걸림 결합으로 조립될 수 있다. 즉, 스페이서(420)와 하부 절연 부재(920)는 기계적 체결 방식으로 조립될 수 있다.
일례로, 하부 절연 부재(920)는 판상형의 부재이고, 상부 방향으로 돌출된 후크 부재(920H)를 포함할 수 있다. 도 17에 도시된 것처럼 후크 부재(920H)와 대응하는 스페이서(420) 부분에 걸림 단차가 형성될 수 있고, 후크 부재(920H)가 이러한 걸림 단차가 체결될 수 있다.
종합하면, 본 실시예에 따른 상부 절연 부재(910)와 하부 절연 부재(920)는 각각 센터 버스바 어셈블리(400)의 상부와 하부에 위치한 채, 센터 버스바 어셈블리(400)에 후크의 걸림 결합과 같은 기계적 체결 방식으로 고정될 수 있다. 따라서 별도의 볼트 및 너트의 조립 방식을 이용하는 것에 비해, 상부 절연 부재(910), 하부 절연 부재(920) 및 센터 버스바 어셈블리(400)가 비교적 간단하게 조립될 수 있다는 장점을 갖는다.
도 21은 도 1의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 1, 도 20 및 도 21을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 후술하는 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220)를 포함할 수 있다. 이 때, 하부 절연 부재(920)에 형성된 후크 부재(920H) 중 일부는 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220)에 체결될 수 있다. 즉, 전지 모듈의 조립성을 높이기 위해 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220)와 하부 절연 부재(920)간에도 후크의 걸림 결합을 적용할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 위치한 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220)들; 전지셀 적층체(120)의 상부와 하부에 배치되어 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220)를 연결하는 연결 부재(600);를 포함할 수 있다.
제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)는, 전지셀 적층체(120)를 지지할 수 있도록, 각각 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)는, 복수의 전지셀(110)들이 적층되는 방향, 즉 도 2에서 y축과 평행한 방향의 양 측면에 각각 위치할 수 있다. 또한, 제1 사이드 플레이트(210)는 제1 전지셀 적층체(120a)의 일 측면과 제2 전지셀 적층체(120b)의 일 측면을 모두 커버할 수 있고, 제2 사이드 플레이트(220)는 제1 전지셀 적층체(120a)의 다른 일 측면과 제2 전지셀 적층체(120b)의 다른 일 측면을 모두 커버할 수 있다.
한편, 제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)를 연결하는 연결 부재(600)는, 금속 밴드 형태의 부재일 수 있다. 보다 구체적으로, 연결 부재(600)는 탄성 재질의 금속 소재를 포함하는 밴드 형태일 수 있다.
전지셀 적층체(120)의 상측 또는 하측 중 적어도 한 곳에서, 연결 부재(600)는 복수 또는 단독으로 구비될 수 있다. 일례로, 전지셀 적층체(120)의 상측 또는 하측 중 적어도 한 곳에서, 연결 부재(600)가 복수로 구비될 수 있다. 도 2에는 전지셀 적층체(120)의 상측과 하측 모두에서 연결 부재(600)가 복수로 구비되는 것이 도시되어 있다. 이러한, 연결 부재(600)들이 일정 간격으로 서로 이격되어, 전지셀 적층체(120)의 상부 및 하부 각각에 위치할 수 있다. 일례로, 도 2에는 전지셀 적층체(120)의 상측과 하측 각각에 6개의 연결 부재(600)들이 배치된 것이 도시되어 있다.
연결 부재(600)는, 상술한 것처럼, 제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)를 연결하는 부재이기 때문에, 제1 사이드 플레이트(210)에서 제2 사이드 플레이트(220)까지의 방향, 즉 전지셀(110)들의 적층 방향을 따라 이어지는 형태일 수 있다. 다시 말해, 연결 부재(600)는 y축 방향과 평행한 방향을 따라 연장되어, 일 단부는 제1 사이드 플레이트(210)와 연결되고, 타 단부는 제2 사이드 플레이트(220)와 연결될 수 있다. 이러한 연결 부재(600)는, 제1 사이드 플레이트(210) 및 제2 사이드 플레이트(220)에 용접 접합으로 고정될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 외부 버스바 프레임(710)을 커버하는 제1 외부 절연 플레이트(310) 및 제1 외부 버스바 프레임(720)을 커버하는 제2 외부 절연 플레이트(320)를 더 포함할 수 있다.
제1 외부 절연 플레이트(310)와 제2 외부 절연 플레이트(320)는 전기적 절연 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 제1 외부 절연 플레이트(310)와 제2 외부 절연 플레이트(320)는, 각각 제1 외부 버스바 프레임(710)에 장착된 전장품과 제2 외부 버스바 프레임(720)에 장착된 전장품이 외부에 노출되어 쇼트가 발생하는 것을 방지하기 위해 배치되었다. 제1 외부 절연 플레이트(310)와 제2 외부 절연 플레이트(320)는 제1 사이드 플레이트(210) 및 제2 사이드 플레이트(220)에 볼트 및 너트의 체결로 결합될 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈이 마운팅 빔에 고정되는 모습을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 2 및 도 22를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)이 팩 트레이에 장착됨에 있어 인접한 마운팅 빔(1200)에 고정될 수 있다. 구체적으로, 전지 모듈(100)이 팩 트레이에 장착될 때, 전지 모듈(100)의 양 측면에 마운팅 빔(1200)이 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 사이드 플레이트(210) 및 제2 사이드 플레이트(220)는 각각, 전지셀 적층체(120)의 최외측 전지셀을 지지하는 지지부(200S) 및 지지부(200S)의 일면과 수직한 방향으로 돌출되는 고정부(200F)를 포함할 수 있다. 제1 사이드 플레이트(210) 및 제2 사이드 플레이트(220) 모두 전지셀 적층체가 위치한 방향의 면의 반대면에 고정부(200F)가 형성될 수 있다. 고정부(200F)에는 마운팅 고정을 위한 고정홀(200FH)이 형성될 수 있다. 고정부(200F)의 개수에 특별한 제한은 없고, 하나 또는 복수로 구비될 수 있다.
외부 진동이나 충격에 대비하여, 전지 모듈(100)을 팩 트레이에 고정시키는 마운팅 고정이 필요한데, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 제1 사이드 플레이트(210) 및 제2 사이드 플레이트(220)가 팩 트레이에 배치된 마운팅 빔(1200)에 고정될 수 있다. 일 방향을 따라 연장되는 형태를 갖는 마운팅 빔(1200)은, 전지 모듈(100)을 고정하고, 외부 충격 등으로부터 전지 모듈(100)로 전달되는 충격 등을 완충시킬 수 있다.
높이 방향에 대해, 고정부(200F)는, 마운팅 빔(1200)의 높이보다 높게 위치할 수 있다. 고정부(200F)가 마운팅 빔(1200)의 상면에 고정될 수 있는데, 도 21에 도시된 것처럼, 볼팅 결합이 이루어질 수 있다. 즉, 마운팅 빔(1200)의 상면에는, 내측에 나사산이 형성된 마운팅 홀(1200H)이 형성될 수 있고, 볼트 형상의 체결 부재(1300)가 고정부(200F)의 고정홀(200FH)을 통과한 뒤 마운팅 홀(1200H)에 삽입 및 체결될 수 있다.
전지셀(110)들은 충, 방전이 반복되는 과정에서 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(110)이 부풀어 오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 이러한 전지셀(110)의 스웰링을 제어하지 못할 경우, 다수의 전지셀(110)이 적층된 전지 모듈(100)의 구조적 변형을 일으킬 수 있고, 또 전지 모듈(100)의 내구성과 성능에 악영항을 미칠 수 있다.
특히, 최근에는 고용량 전지 모듈과 전지팩을 제조하기 위해 전지셀로, Pure Si 셀, 전고체 전지, SiO 고함량 셀들을 이용하는데, 상기 셀들의 경우, 스웰링의 정도가 더 크다. 즉, 고용량 전지 모듈과 전지팩을 제조하기 위해서는 전지 모듈이나 전지팩 내부의 전지셀(110)들의 스웰링을 효과적으로 제어하는 것이 필수적이다. 도 2을 다시 참고하면, 파우치형 전지셀(110)들은 보통 두께 방향으로 스웰링의 정도가 크기 때문에 스웰링 제어와 직접적으로 연관되는 구조물은, 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 배치된 제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)이다.
이때, 제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)가 직접 팩 트레이 상의 마운팅 빔(1200)에 결합 및 고정되면서, 마운팅 빔(1200)이 제1 사이드 플레이트(210)나 제2 사이드 플레이트(220)를 측면에서 지지하고 스웰링을 제어하도록 설계되었다. 즉, 마운팅 고정을 제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)를 통해 실시하면서, 동시에 마운팅 빔(1200)이 스웰링 제어를 위해 전지 모듈(100)의 강성과 내구성을 보완할 수 있도록 하였다.
한편, 도 2에 도시된 전지 모듈(100)은, 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220), 제1 및 제2 외부 절연 플레이트(310, 320) 및 연결 부재(600)들이 형성하는 내부 공간에 전지셀 적층체(120)가 배치되는 형태이나, 이는 하나의 예시적 구조이다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)가 내부 공간이 형성된 하우징에 수납된 뒤 엔드 플레이트를 상기 하우징에 접합하여 밀폐하는 형태의 전지 모듈도 가능하다.
이하에서는, 도 23 내지 도 25를 참고하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 제조하는 과정에 대해 설명하도록 한다.
도 23의 (a)와 (b)는 각각 전지셀과 센터 버스바의 연결 형태 및 전지셀과 터미널 버스바의 연결 형태를 나타낸 부분 도면이다.
우선, 도 23의 (a)를 참고하면, 2개의 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 센터 버스바(410)를 매개로 연결되어 더블 셀(110dc) 구조를 형성한다. 어느 한 전지셀(110)의 음극 리드(112)와 어느 한 전지셀(110)의 양극 리드(111)가 센터 버스바(410)에 용접 접합될 수 있다. 이러한 더블 셀(110dc) 구조를 복수개 형성해 놓는다.
또한, 도 23의 (b)를 참고하면, 한 전지셀(110)의 전극 리드(111)를 터미널 버스바(510)의 제1 부분(511)에 용접 접합한다. 터미널 버스바(510)에 접합된 전지셀(110)을 2개 마련한다. 2개의 터미널 버스바(510)들의 제2 부분(512)은 전지 모듈(100)의 HV 연결을 위한 입출력 단자로 기능한다.
도 24의 (a), (b), (c)는 터미널 버스바와 터미널 스페이서를 조립하는 과정을 설명하는 부분 도면들이다.
도 23의 (b)와 함께 도 24의 (a) 내지 (c)를 참고하면, 제2 사이드 플레이트(220) 상에 터미널 절연 플레이트(540)를 배치할 수 있다. 이후 터미널 절연 플레이트(540)와 제2 사이드 플레이트(220)의 일 측에 도 23의 (b)에서 제조한 터미널 버스바(510)에 접합된 전지셀(110)을 하나 배치할 수 있다. 이 때, 터미널 절연 플레이트(540)에 터미널 버스바(510)가 놓이도록 하고, 터미널 절연 플레이트(540)의 관통구(540H)와 터미널 버스바(510)의 관통구(510H)가 대응하도록 위치시킨다.
다음, 터미널 버스바(510)가 터미널 절연 플레이트(540)와 마주하는 면의 반대면에 터미널 스페이서(520)를 배치할 수 있다. 이 때, 도 10 및 도 11에서 설명한 바 대로, 터미널 스페이서(520)의 제1 돌출부(520P1)가, 터미널 버스바(510)의 관통구(510H)를 통과하고 나서, 터미널 절연 플레이트(540)의 관통구(540H)에 삽입될 수 있다. 터미널 버스바(510)는 터미널 스페이서(520)와 터미널 절연 플레이트(540) 사이에서 고정될 수 있다.
도 25는, 더블 셀들을 적층하는 과정을 설명하기 위한 부분 도면이다.
도 24의 (c)와 함께 도 25를 참고하면, 도 24의 (c)에서의 터미널 스페이서(520) 상에 전극 리드(111, 112)가 접합된 센터 버스바(410)가 놓이도록 하나의 더블 셀(110dc)이 배치될 수 있다.
이후에 전극 리드(111, 112)가 접합된 센터 버스바(410) 상에 스페이서(420)가 하나 배치될 수 있고, 그 스페이서(420) 상에 전극 리드(111, 112)가 접합된 센터 버스바(410)가 놓이도록 다른 하나의 더블 셀(110dc)이 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 스페이서(420)와 더블 셀(110dc)이 번갈아 가며 배치될 수 있다. 이 때, 도 7 내지 도 9에서 설명한 것처럼, 스페이서(420)의 돌출부(420P)가, 센터 버스바(410)의 관통구(410H)를 통과하고 나서 다른 스페이서(420)의 결합홀(420CH)에 삽입될 수 있다. 또한, 스페이서(420)의 제1 후크(420H1)가 인접한 다른 스페이서(420)의 후크홈(420G)에 체결되면서 스페이서(420)들끼리 조립될 수 있다.
스페이서(420)와 더블 셀(110dc)이 번갈아 배치되고 난 후, 터미널 스페이서(520)를 배치하고, 그 터미널 스페이서(520) 상에 터미널 버스바(510)에 접합된 전지셀(110)들 중 다른 하나를 배치할 수 있으며, 마지막으로 터미널 절연 플레이트(540) 및 제1 사이드 플레이트(210)를 배치할 수 있다. 이에 따라, 최종적으로 도 2에서의 제1 전지셀 적층체(120a), 제2 전지셀 적층체(120b), 센터 버스바 어셈블리(400), 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220)가 조립된 구조체를 제조할 수 있다.
이후, 도 2 및 도 13을 참고하면, 제1 전지셀 적층체(120a)의 일 측에 제1 외부 버스바 프레임(710)을 배치할 수 있고, 제2 전지셀 적층체(120b)의 일 측에 제2 외부 버스바 프레임(720)을 배치할 수 있으며, 회로 유닛(810, 820)을 연결할 수 있다. 다음 도 17 내지 도 20을 참고하면, 센터 버스바 어셈블리(400)의 위, 아래에 각각 상부 절연 부재(910)와 하부 절연 부재(920)를 조립할 수 있다. 마지막으로 다시 도 2를 참고하면, 제1 사이드 플레이트(210)와 제2 사이드 플레이트(220)는 연결 부재(600)와 연결되고, 제1 외부 절연 플레이트(310)와 제2 외부 절연 플레이트(320)는 제1 사이드 플레이트(210) 및 제2 사이드 플레이트(220)에 볼트 및 너트의 체결로 결합될 수 있다.
상기와 같은 일련의 방식으로 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)이 제조될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 사이드 플레이트(210, 220)와 이에 결합되는 연결 부재(600)는 전지 모듈(100)의 일 실시예에 따른 형태이며, 구체적으로 도시하지 않았으나 다른 형태로써, 모노 프레임, U자형 프레임과 상부 커버의 조합 구조, 4개의 플레이트 결합 구조 등이 모두 가능하다.
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 전지 모듈은, 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 전원 차단 유닛(Battery Disconnect Unit, BDU), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 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: 전지 모듈
110: 전지셀
110dc: 더블 셀
120: 전지셀 적층체
120a: 제1 전지셀 적층체
120b: 제2 전지셀 적층체
210: 제1 사이드 플레이트
220: 제2 사이드 플레이트
310: 제1 외부 절연 플레이트
320: 제2 외부 절연 플레이트
400: 센터 버스바 어셈블리
410: 센터 버스바
420: 스페이서
500: 터미널 버스바 어셈블리
510: 터미널 버스바
520: 터미널 스페이서
530: 연결 버스바
540: 터미널 절연 플레이트

Claims (19)

  1. 복수의 전지셀들이 적층된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 포함하는 전지셀 적층체; 및
    상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 위치한 센터 버스바 어셈블리;를 포함하고,
    상기 제1 전지셀 적층체나 상기 제2 전지셀 적층체에서의 상기 전지셀들이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체가 배치되며,
    상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀과 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀이 상기 센터 버스바 어셈블리에 포함된 센터 버스바를 통해 전기적으로 연결되어 더블 셀 구조를 형성하며,
    상기 전지셀 적층체에 상기 더블 셀 구조가 적어도 하나 포함되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀들은 파우치 셀이고, 양 방향으로 돌출된 전극 리드들을 포함하며,
    상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드와 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드가 상기 센터 버스바를 매개로 전기적으로 연결되어 상기 더블 셀 구조를 형성하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드와 상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 어느 한 전지셀의 상기 전극 리드가 상기 센터 버스바에 용접 접합되는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 센터 버스바는 복수로 배치되고,
    상기 센터 버스바 어셈블리는, 상기 센터 버스바들 사이에 위치하여 상기 센터 버스바들 사이의 공간을 점유하는 스페이서를 더 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 센터 버스바는 복수로 배치되고,
    상기 센터 버스바의 일면과 타면에 각각 돌출부와 결합홀이 형성되며,
    상기 센터 버스바에 관통구가 형성되고,
    어느 한 상기 스페이서의 상기 돌출부가 상기 센터 버스바의 상기 관통구를 통과하고 나서 다른 상기 스페이서의 상기 결합홀에 삽입되는 전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 스페이서는 복수로 배치되고,
    상기 스페이서들끼리는 후크의 걸림 결합으로 조립되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에서, 상기 센터 버스바 어셈블리의 양 단에 각각 위치한 한 쌍의 터미널 버스바 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 터미널 버스바 어셈블리는 터미널 버스바를 포함하고,
    상기 터미널 버스바는 상기 전지셀의 전극 리드와 연결되는 제1 부분 및 상기 제1 부분으로부터 연장되어 외부로 노출된 제2 부분을 포함하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 전지셀 적층체 중 일 방향의 최외측에 배치된 상기 전지셀의 상기 전극 리드가, 상기 터미널 버스바 어셈블리들 중 어느 하나에 포함된 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분에 연결되고,
    상기 제2 전지셀 적층체 중 타 방향의 최외측에 배치된 상기 전지셀의 상기 전극 리드가, 상기 터미널 버스바 어셈블리들 중 다른 하나에 포함된 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분에 연결되는 전지 모듈.
  9. 제7항에서,
    상기 터미널 버스바 어셈블리는, 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분의 일면이 마주하는 터미널 스페이서; 및 상기 터미널 버스바의 상기 제1 부분의 타면을 커버하는 터미널 절연 플레이트;를 더 포함하는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 전지셀 적층체의 일 측에 위치하는 제1 외부 버스바 프레임 및 상기 제2 전지셀 적층체의 일 측에 위치하는 제2 외부 버스바 프레임을 더 포함하고,
    상기 제1 전지셀 적층체에 포함된 상기 전지셀들로부터 상기 제1 외부 버스바 프레임 방향으로 돌출된 전극 리드가 상기 제1 외부 버스바 프레임에 장착된 제1 외부 버스바와 연결되며,
    상기 제2 전지셀 적층체에 포함된 상기 전지셀들로부터 상기 제2 외부 버스바 프레임 방향으로 돌출된 전극 리드가 상기 제2 외부 버스바 프레임에 장착된 제2 외부 버스바와 연결되는 전지 모듈.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 전지셀 적층체를 기준으로, 상기 제1 외부 버스바 프레임은 상기 센터 버스바 어셈블리가 위치한 방향과 반대 방향에 위치하고,
    상기 제2 전지셀 적층체를 기준으로, 상기 제2 외부 버스바 프레임은, 상기 센터 버스바 어셈블리가 위치한 방향과 반대 방향에 위치하는 전지 모듈.
  12. 제10항에서,
    상기 제1 외부 버스바 프레임과 상기 제2 외부 버스바 프레임 각각에 전압 센싱을 위한 제1 센싱 유닛 및 제2 센싱 유닛이 장착되고,
    회로 유닛이 상기 제1 센싱 유닛 또는 상기 제2 센싱 유닛 중 적어도 하나와 상기 센터 버스바를 연결하는 전지 모듈.
  13. 제12항에서,
    상기 센터 버스바는, 상기 전지셀의 상기 전극 리드와 연결되는 제1 부분; 및 상기 제1 부분으로부터 연장되어 상기 회로 유닛과 연결되는 제2 부분;을 포함하고,
    상기 회로 유닛은 상기 센터 버스바 어셈블리의 하단부로 연장되어 상기 센터 버스바의 상기 제2 부분과 연결되는 전지 모듈.
  14. 제1항에서,
    상기 센터 버스바 어셈블리의 상부에 위치하고 전기적 절연 소재를 포함하는 상부 절연 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  15. 제14항에서,
    상기 상부 절연 부재는, 상기 제1 전지셀 적층체와 대면하는 제1 벽부; 상기 제2 전지셀 적층체와 대면하는 제2 벽부; 및 상기 제1 벽부와 상기 제2 벽부를 연결하고 상기 센터 버스바 어셈블리와 대면하는 바닥부;를 포함하는 전지 모듈.
  16. 제14항에서,
    상기 센터 버스바는 복수로 배치되고,
    상기 센터 버스바 어셈블리는, 상기 센터 버스바들 사이에 위치하여 상기 센터 버스바들 사이의 공간을 점유하는 스페이서를 더 포함하며,
    상기 스페이서와 상기 상부 절연 부재는 후크의 걸림 결합으로 조립되는 전지 모듈.
  17. 제1항에서,
    상기 센터 버스바 어셈블리의 하부에 위치하고 전기적 절연 소재를 포함하는 하부 절연 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  18. 제17항에서,
    상기 센터 버스바는 복수로 배치되고,
    상기 센터 버스바 어셈블리는, 상기 센터 버스바들 사이에 위치하여 상기 센터 버스바들 사이의 공간을 점유하는 스페이서를 더 포함하며,
    상기 스페이서와 상기 하부 절연 부재는 후크의 걸림 결합으로 조립되는 전지 모듈.
  19. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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