KR20240036411A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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정상은
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 리드가 포함된 배터리 셀들이 적층된 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로가 패터닝 된 프레임을 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 전기 회로와 직접 연결되는 배터리 모듈을 제공한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 {BATTERY MODULE, BATTERY PACK INCLUDING SAME}
본 발명은 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀이 복수개 적층된 셀 적층체를 포함하는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 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.
현대 사회에서 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 이차전지를 배치하고 있고, 자동차 등에는 다수개의 이차전지를 전기적으로 연결하는 이차전지 모듈 또는 이러한 이차전지 모듈을 다수 구비한 이차전지 팩이 사용되고 있다.
이러한 이차전지 모듈의 내부에서 이차전지는 병렬 및/또는 직렬의 전기적 연결을 가질 수 있다. 이때 이차전지간의 전기적 연결은, 이차전지 모듈에 버스바 어셈블리를 마련하여 이차전지의 전극 리드를 버스바에 접합시키는 방식으로 구성되는 경우가 많다. 그리고 상기 버스바 어셈블리는 버스바와 함께 상기 버스바가 상기 전극 리드에 대면하게 마련될 수 있도록 상기 버스바를 지지할 수 있는 버스바 프레임을 포함할 수 있다.
다만, 종래의 버스바 어셈블리는, 도 1에 도시된 바와 같이, 이차전지 적층체(S)의 외측면에 마련되는 버스바 프레임(F) 및 전극 리드(L)에 연결되는 버스바(B)와 함께 상기 버스바(B)에 연결되어 전기 회로를 구성하는 회로 기판(E)을 포함하게 된다. 이때 종래 버스바 어셈블리에서 전기 회로의 구현을 위하여 회로 기판(E)이 필수적으로 포함되므로 전체적으로 이차전지 모듈의 부품 수가 많아지고 구조가 복잡해지는 단점이 있다.
또한, 종래의 버스바 프레임(F)은 플라스틱과 같은 사출물로 제조되는데 이 경우, 플라스틱의 용융점이 낮아, 이차전지 모듈 급속 충전에 의해 버스바(B) 온도가 상승하거나 이차전지 모듈에서 열폭주(Thermal runaway) 발생하여 이차전지 모듈 자체의 온도가 상승하는 경우, 버스바 프레임(F)의 물성이 저하되거나, 버스바 프레임(F)이 용융되어 붕괴되므로 이차전지 품질을 저하시키는 치명적인 문제가 있다.
이에 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 과제는 온도가 상승하더라도 물성 저하를 방지하고 부품 수를 절감시킬 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 발명을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시 예로서, 본 발명은 전극 리드가 포함된 배터리 셀들이 적층된 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로가 패터닝 된 프레임을 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 전기 회로와 직접 접촉하는 배터리 모듈을 제공한다.
또한, 상기 전극 리드는 인접하는 다른 전극 리드 간에 접합될 수 있다.
또한, 상기 접합된 전극 리드들이 상기 전기 회로에 접촉할 수 있다.
또한, 상기 접합된 전극 리드들은 상기 프레임에 접합될 수 있다.
또한, 상기 인접하는 전극 리드들은 레이저 용접에 의해 접합될 수 있다.
또한, 상기 프레임은 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도율을 가지는 소재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열 전도율을 가지는 소재는 세라믹일 수 있다.
또한, 상기 프레임은, 외면에 상기 전기 회로가 패터닝 된 본체; 및 상기 본체 외면으로부터 적어도 한 개 이상 돌출 형성된 방열 유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 본체에는 상기 전극 리드가 삽입되는 복수개의 리드 슬롯이 형성되며, 인접하는 복수개의 상기 리드 슬롯들은 리드 슬롯 군을 형성하고, 상기 방열 유닛은 복수 개 형성되어 상기 리드 슬롯 군의 주변부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 방열 유닛은 방열 핀 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전기 회로는 인쇄 전자 공법으로 패터닝 될 수 있다.
또한, 상기 프레임에는 적어도 한 개 이상의 리드 슬롯이 형성되며, 상기 전극 리드는 상기 리드 슬롯에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈에는, 상기 프레임 외면에 배치되며, 외부의 전기 신호를 송신하거나 또는 외부로부터 전기 신호를 수신하는 커넥터를 더 포함하고, 상기 커넥터는 상기 전기 회로에 직접 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 하나의 실시 예로서, 본 발명은, 복수 개가 배치되는 배터리 모듈; 및 복수의 상기 배터리 모듈을 수용하는 하우징을 포함하며, 상기 배터리 모듈은, 전극 리드가 포함된 배터리 셀이 복수 개 적층된 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로가 패터닝 된 프레임을 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 전기 회로와 직접 연결되는 배터리 팩을 제공한다.
또한, 상기 프레임은, 외면에 상기 전기 회로가 패터닝 된 본체; 및 상기 본체 외면으로부터 적어도 한 개 이상 돌출된 방열 유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈은, 상기 프레임 외면에 배치되어, 상기 배터리 모듈들을 상호 전기적으로 연결하는 모듈 리드를 더 포함하고, 상기 모듈 리드는 상기 전기 회로에 직접 연결될 수 있다.
본 발명은 프레임에 열전도도가 높은 세라믹 소재를 포함하도록 구성하여 배터리 셀의 발열이 있더라도 발생되는 열을 전달받아 신속하게 열을 외부로 방출할 수 있다. 또한, 세라믹 소재는 고온에서 변형되지 않는 내열성 소재 이므로 프레임이 1000℃ 이상의 고온의 환경에서도 기계적 물성이 저하되는 것을 방지할 수 있어, 상기 고온의 환경에서 변형 없이 구조를 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 프레임 외면에 전도성 잉크로 패터닝되는 전기 회로를 포함하도록 구성하고, 상기 전기 회로에 전극 리드, 커넥터 또는 모듈 리드 등을 연결함으로써 배터리 모듈에 연결되는 부품을 간소화하고, 배터리 모듈의 크기를 경량화 할 수 있다. 또한, 프레임 외면에 전기 회로를 인쇄하여 배터리 모듈에 연결되는 FPC(Flexible Printed Circuit board)를 대체하고, 연결되는 부품 수가 감소되므로 자동 조립 공정을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명은 프레임 외면에 다수개의 방열 유닛이 돌출 형성되므로 방열 면적을 증가시켜 프레임의 방열 효과를 향상할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 배터리 모듈에 구비되는 버스바를 제거하고, 인접하는 전극 리드들 간을 접합시켜 전기 회로에 직접 연결하므로 버스바를 대체 가능하고, 배터리 모듈의 크기를 경량화 할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 모듈을 사시도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 배터리 모듈을 사시도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 프레임에 전극 리드, 커넥터 및 모듈 리드가 배치된 모습을 정면도로 나타낸 것이다.
도 4는 일반적인 파우치형 배터리 셀을 나타낸 것이다.
도 5는 도 2의 A부분을 구체화하여 나타낸 것으로, 인접하는 전극 리드가 접합되어 전극 리드 결합체를 형성하고, 형성된 전극 리드 결합체가 전기 회로에 접촉하는 방법을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 방열 유닛의 여러 실시 예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 프레임에 형성된 리드 슬롯 및 전기 회로에 대한 하나의 실시 예를 정면도로 나타낸 것이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 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.
배터리 모듈(10)
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 하나의 실시 예로서, 본 발명은 전극 리드가 포함된 배터리 셀(110)들이 적층된 셀 적층체(100); 및 상기 셀 적층체(100) 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로(230)가 패터닝 된 프레임(200)을 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 전기 회로와 직접 연결되는 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
셀 적층체(100)는 복수의 배터리 셀(110)이 서로 넓은 면이 서로 마주보는 방향으로 적층된 구조체를 의미하고, 적층된 복수의 배터리 셀(110)에서 배터리 셀(110)의 각 전극 방향은 배터리 셀(110)들간 직렬 연결 또는 병렬 연결 여부에 따라 다양하게 배치될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 적층된 방향을 따라 각 전극 리드의 (-) 또는 (+)극이 모두 같은 방향으로 배열되도록 적층되거나 (-)극 또는 (+)극이 서로 교호적으로 배열되도록 적층되거나 미리 정해진 구간을 나누어 (-)극의 전극 리드들, (+)극의 전극 리드들, (-)극의 전극 리드들 등이 교대로 번갈아 가며 배열되도록 적층될 수 있다.
배터리 셀(110)은 파우치형, 각형, 원통형 등 다양한 형태로 마련될 수 있다.
도 4에는 배터리 셀의 일 실시 예로서, 파우치형 배터리 셀(110)이 도시 되며, 배터리 셀(110)에는 전극 조립체(111), 배터리 케이스(112) 및 전극 리드(113)가 포함될 수 있다.
전극 조립체(111)는 양극 집전체 / 양극 활물질 층 / 분리막 / 음극 활물질 층 / 음극 집전체 순으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 양극 집전체에는 양극 활물질 층이 코팅된 영역과 코팅되지 않은 양극 무지부 영역이 포함되며, 양극 무지부 영역은 양극 탭으로서 기능할 수 있다. 음극 집전체에는 음극 활물질 층으로 코팅된 영역과 코팅되지 않은 음극 무지부 영역이 포함되며, 음극 무지부 영역은 음극 탭으로서 기능할 수 있다. 분리막은 양극 집전체와 음극 집전체 사이에 배치되어 서로 다른 극성의 집전체끼리 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
배터리 케이스(112)는 전극 조립체(111)를 수용할 수 있다. 배터리 케이스(112)에는 전극 조립체(111)가 수용될 수용 공간이 형성될 수 있다.
배터리 케이스(112)는 배터리 케이스(112)에 전극 조립체(111)가 수용된 후 상부 케이스 및 하부 케이스 각각의 테두리 부분이 서로 맞닿아 열융착되어 밀봉될 수 있다.
배터리 케이스(112)는 수지층/금속층/수지층이 순차적으로 적층된 구조의 파우치 필름으로 형성될 수 있다.
전극 리드(113)는 전극 조립체(111)의 양극 탭 및 음극 탭과 각각 연결되어 배터리 케이스(112) 외측으로 연장되어 돌출될 수 있다. 배터리 셀(110)에 포함되며, 서로 다른 극성을 갖는 한 쌍의 전극 리드(113)는 배터리 케이스(112)의 길이 방향 일측 및 타측으로 각각 돌출될 수 있다. 전극 리드(113)는 프레임(200)에 형성된 리드 슬롯(240)을 통해 배터리 모듈(10) 외부로 돌출될 수 있다.
전극 리드(113)는 배터리 케이스(112)의 상부 케이스 및 하부 케이스 사이에서 케이스(112)의 외부로 돌출된 상태에서 상부 케이스 및 하부 케이스의 테두리 부분이 서로 맞닿아 열융착 되며 형성될 수 있다.
프레임(200)은 셀 적층체(100)가 수용되는 모듈 케이스(300)의 일측면 또는 양측면에 배치될 수 있다. 특히, 프레임(200)은 셀 적층체(100)의 전극 리드(113)들이 배치된 영역에서 상기 전극 리드(113)들과 마주하도록 배치될 수 있으며, 마주하는 복수의 전극 리드(113)들은 리드 슬롯(240)을 통해 정렬되고, 정렬된 복수의 전극 리드(113)들을 효과적으로 전기 회로(230)에 접합되도록 할 수 있다.
도 5는 도 2의 A부분을 구체화하여 나타낸 것으로, 도 7을 참조하여 설명하면, 인접하는 복수개의 전극 리드(113)는 인접하는 전기 회로(230) 방향으로 접힌 후 서로 접합되어 전극 리드 결합체(113a)를 형성할 수 있다. 전극 리드(113)간의 접합은 전극 리드(113)들의 손상을 최소화할 수 있도록 레이저 용접 방법으로 접합될 수 있다. 전극 리드 결합체(113a)를 형성하여 직접 전기 회로(230)에 접촉될 수 있어 기존의 배터리 모듈에 포함된 버스바를 대체 할 수 있고, 이를 통해 배터리 모듈(10)을 경량화 할 수 있다.
전극 리드 결합체(113a)는 적어도 일부가 본체(200)에 접합되어 전기 회로(230)와 접촉하고, 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 전극 리드 결합체(113a)는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 프레임(200)의 손상을 최소화할 수 있도록 레이저 용접 방법으로 프레임(200)에 접합되며 전기 회로(230)에 접촉될 수 있다.
프레임(200)은 본체(210), 방열 유닛(220), 전기 회로(230) 및 리드 슬롯(240)을 포함할 수 있다.
본체(210)는 프레임(200) 외부의 전체적인 형상을 형성하는 구성으로서, 급속 충전 등으로 셀 적층체(100)에서 발생되는 열을 배터리 모듈(10)의 외부로 신속하게 전달할 수 있도록 열전도도가 높은 소재를 포함하여 형성될 수 있다. 열전도도가 높은 소재는 이에 제한되는 것은 아니나 예를 들어, AlN, Al2O3, BN, SiC, BeO 등의 세라믹 소재, 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀 등의 탄소계 소재 등일 수 있다. 이 경우, 상기한 프레임(200)의 열 전도율은 1W/mK이상으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 프레임(200)은 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도율을 형성할 수 있다.
특히, 프레임(200)이 세라믹 소재를 포함하는 경우, 프레임(200)은 10W/mK 내지 30W/mK의 열전도율 가질 수 있다. 일반적인 비전기전도성 소재인 플라스틱의 열전도율은 0.1W/mK 내지 0.3W/mK이므로 프레임(200)을 세라믹 소재를 포함하여 제조하는 경우 플라스틱 소재를 포함하여 제조하는 경우보다 열 전도율이 현저하게 향상되므로, 배터리 셀의 냉각 면에서 현저한 효과를 기대할 수 있다.
방열 유닛(220)은 프레임(200)에 전달된 열을 배터리 모듈(10) 외부로 방출하기 위한 구성일 수 있다. 방열 유닛(220)은 본체(210)의 전면부에 돌출 형성될 수 있고, 적어도 한 개 이상 형성될 수 있다.
방열 유닛(220)은 다수 개 형성될 수 있으며, 효과적으로 열을 전달할 수 있도록 열전도도가 높은 소재를 포함하여 형성될 수 있다. 열전도도가 높은 소재는 이에 제한되는 것은 아니나 예를 들어, AlN, Al2O3, BN, SiC, BeO 등의 세라믹 소재, 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀 등의 탄소계 소재 등일 수 있다. 방열 유닛(220)의 소재는 본체(210)의 소재와 동일하거나 상이한 소재로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여 설명하면, 방열 유닛(220)의 형태는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 수평 돌기, 수직 돌기, 방열 핀 등의 형태로 형성될 수 있다.
도 6의 (a) 및 (b)를 참조하여 설명하면, 방열 유닛(220)의 하나의 실시 예로서, 수평 돌기 형태의 방열 유닛(220)은 본체(210)의 전면에 대해 긴 면이 접하여 방열 유닛(220)의 길이 방향이 본체(210) 전면과 나란한 형태로 형성될 수 있다. 방열 유닛(220)의 횡단면 형상은 이에 제한되는 것은 아니나 예를 들어, 각진 형태, 볼록한 형태, 모서리만 볼록한 형태 등일 수 있다.
도 6의 (c) 및 (d)를 참조하여 설명하면, 방열 유닛(220)의 다른 하나의 실시 예로서, 수직 돌기 형태의 방열 유닛(220)은 본체(210)의 전면에 대해 수직인 기둥 형태이거나 경사가 형성된 기둥 형태로 형성될 수 있다. 기둥의 말단부 형태는 이에 제한되는 것은 아니나 각진 형태, 볼록한 형태, 모서리만 볼록한 형태 등일 수 있다. 수직 돌기 형태의 방열 유닛(220)은 같은 면적에서 수평 돌기 형태의 방열 유닛보다 더 많은 개수의 방열 유닛을 배열할 수 있어 방열 면적을 더 넓힐 수 있다.
도 6의 (e) 및 (f)를 참조하여 설명하면, 방열 유닛(220)의 또 다른 하나의 실시 예로서, 방열 핀 형태의 방열 유닛은 본체(210)의 전면에 대해 수직이거나 경사가 형성되며, 두께가 얇은 판 형상일 수 있다. 방열 핀 형태의 방열 유닛(220)은 두께가 얇아 동일한 면적에 수직 돌기 형태 또는 수평 돌기 형태의 방열 유닛(220)보다 더 많은 개수의 방열 유닛을 배치할 수 있다. 이를 통해 방열 유닛(220)의 방열 면적을 효과적으로 넓힐 수 있다.
핀 형태의 방열 유닛(220)은 길이 방향을 따라 적어도 한번 꺾인 형상을 포함할 수 있다. 이를 통해 핀 형태의 방열 유닛(220)의 방열 면적을 더 넓힐 수 있다.
방열 유닛(220)들은 전극 리드(113)가 본체(210)에 접합되는 위치 및 전기 회로의 위치에 인접하게 형성될 수 있다.
방열 유닛(220)은 프레임(200) 후면에 위치한 셀 적층체(100)에서 발생하는 열을 받아 본체(210)를 통해 전도하여 외부로 방열할 수 있다. 특히, 셀 적층체(100)에서 전극 리드(113)가 온도가 높은 곳이므로 방열 유닛(220)을 그 주변부에 배치하여 전극 리드(113)들로부터 열을 전달 받고, 신속하게 방열할 수 있다.
방열 유닛(220)은 리드 슬롯(240)에 인접하게 배치될 수 있다. 특히, 인접하는 복수개의 상기 리드 슬롯(240)들은 리드 슬롯 군(240a)을 형성하고, 상기 방열 유닛(220)은 복수 개 형성되어 상기 리드 슬롯 군(240a)의 주변부에 배치될 수 있다. 또한, 방열 유닛(220)은 리드 슬롯 군(240a)과 인접하는 다른 리드 슬롯 군(240a) 사이에 배치될 수도 있다.
전기 회로(230)는 전기 전도성 잉크 또는 페이스트를 통해 인쇄 전자 공법으로 미리 정해진 설계에 따라 본체(210)의 외면에 패터닝되어 형성될 수 있다. 전기 전도성 잉크는 수 내지 수십 나노미터 크기의 금속 입자를 용매에 혼합한 용액으로서, 금속 입자의 고른 분산을 위해 유기 첨가제가 첨가될 수 있다. 혼합되는 금속 입자는 전기 전도도가 높은 은, 구리 등이 선택될 수 있다. 전기 전도성 잉크를 인쇄하고, 소정의 온도에서 열을 가하면, 용매와 유기 첨가제가 먼저 휘발 된다. 이후 계속적으로 열을 가하면 금속 입자 사이의 공극이 수축되어, 금속 입자 간에 서로 전기적으로 연결된 도체가 형성될 수 있다.
전기 전도성 페이스트는 수백~수천 나노미터 크기의 금속 입자를 접착성이 있는 수지(Resin)에 분산시킨 점액(Viscous Solution)으로서, 금속 입자는 전기 전도도가 높은 은, 구리 등이 선택될 수 있다. 소정의 온도에서 열을 가하면, 수지가 경화 되고, 금속 입자 사이의 접촉이 고정되어 서로 전기적으로 연결된 도체가 형성될 수 있다.
이때 전기 회로(230)는 후술하는 커넥터(250), 모듈 리드(260), 전극 리드(113), 기타 전기 장치들과 전기적으로 연결될 수 있다. 프레임(200)의 외면에 전기 회로(230)를 패터닝함으로서, 기존 장치에서 회로를 구성하는 FPC(Flexible Printed Circuit board)와 같은 부품들을 생략할 수 있으므로 배터리 모듈(10)의 구조를 단순화할 수 있고, 부품 수를 줄임으로써 배터리 모듈(10)의 무게를 경량화 하고, 제조 공정을 단순화하여 제조 비용 및 시간을 절감하고, 자동 조립 공정을 실현할 수 있다.
또한, 기존 배터리 모듈은 프레임에 버스바가 필수적으로 구비되고, 전극 리드들은 버스바에 직접 연결되어 버스바를 통해 FPC(Flexible Printed Circuit board) 기판에 전기적으로 연결되었다. 그러나 본 발명은 인접하는 전극 리드(113)들 간을 접합하여 전극 리드 결합체(113a)를 형성하고, 형성된 전극 리드 결합체(113a)를 접어 패터닝 된 전기 회로(230)에 직접 접촉시켜 전기적 연결을 달성하므로 기존 배터리 모듈에서 상당한 공간을 차지하였던 버스바를 대체할 수 있다. 이를 통해 배터리 모듈(10)의 크기 및 무게를 경량화 할 수 있고, 제조 비용 및 시간을 절감할 수 있다.
전기 회로(230)는 방열 유닛(220)과 교차되도록 배치되어 형성될 수 있으며, 방열 유닛(200)과 교차 배치되는 전기 회로(230)는 방열 유닛(220) 하부의 본체(210) 상면에 인쇄되어 형성되거나 방열 유닛(220) 상에 인쇄되어 방열 유닛(220)의 외면 형상을 따라 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
패터닝 된 전기 회로(230) 중 적어도 일부는 전극 리드(113) 또는 모듈 리드(250)와 접하며, 서로 통전 될 수 있다.
도 7을 참조하여 설명하면, 리드 슬롯(240)은 프레임(200)의 후방에 배치된 셀 적층체(100)로부터 돌출된 전극 리드(113)들이 삽입되어 통과할 수 있도록 세로 방향으로 형성된 얇고 긴 구멍을 의미할 수 있다.
리드 슬롯(240)은 프레임(200)에 다수개 형성되어 배열될 수 있다. 전극 리드(113)는 리드 슬롯(240)을 통해 프레임(200) 외부로 돌출될 수 있으며, 리드 슬롯(240)에는 전극 리드(113)가 적어도 한 개가 통과할 수 있다.
인접하는 리드 슬롯(240)을 통과한 복수개의 전극 리드(113)는 서로 접합되어 전극 리드 결합체(113a)를 형성할 수 있다. 전극 리드(113)간의 접합은 레이저 용접으로 접합될 수 있다. 전극 리드(113)들은 같은 극끼리 서로 접합될 수 있다.
전극 리드 결합체(113a)는 인접하는 전기 회로(230)에 접촉되어 전기 회로(230)와 전기적으로 연결될 수 있다.
서로 인접하는 복수개의 리드 슬롯(240)은 리드 슬롯 군(240a)를 형성할 수 있다. 프레임(200)에는 복수개의 리드 슬롯 군(240a)이 형성될 수 있으며, 인접하는 리드 슬롯 군(240a) 사이에는 복수개의 방열 유닛(220)가 배치될 수 있다. 또한, 리드 슬롯 군(240a) 상단부와 하단부에 방열 유닛(220)이 배치될 수 있다. 리드 슬롯 군(240a) 주변부에 다수의 방열 유닛(220)이 배치되므로 발열이 심한 전극 리드(113)로부터 열을 전달 받아 신속하게 방열할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 커넥터(250)를 더 포함할 수 있다. 커넥터(250)는 프레임(200)의 본체(210) 외면에 배치되어, 외부의 전기 신호를 송신하거나 또는 외부로부터 전기 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어 커넥터(250)는 BMS(Battery Management System)와 같은 배터리 제어 시스템과 전기적으로 연결될 수 있다.
커넥터(250)는 커넥터(250)에 포함된 다수개의 핀을 통해 본체(210)의 전기 회로(230)에 직접 연결되어 통전 될 수 있다. 여기서 전기 회로(230)는 전극 리드(113)들과 연결될 수 있도록 패터닝 되므로 궁극적으로 커넥터(250)는 배터리 셀(110)들과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 모듈 케이스(300)를 더 포함할 수 있다.
모듈 케이스(300)는 셀 적층체(100)를 수용할 수 있도록 안쪽에 수용 공간이 형성되며, 모듈 케이스(300)의 일측면 또는 양측면이 개방된 구조로 형성될 수 있다. 개방된 모듈 케이스(300)의 일측면 또는 양측면에는 프레임(200)이 결합되어 배치될 수 있다.
모듈 케이스(300)는 다양한 소재로 형성될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 알루미늄 등으로 형성될 수 있다.
배터리 팩
한편, 본 발명은 다른 하나의 실시 예로서, 복수 개가 배치되는 배터리 모듈(10) 및 복수의 상기 배터리 모듈(10)을 수용하는 하우징(미도시)을 포함하며, 상기 배터리 모듈(10)은, 전극 리드(113)가 포함된 배터리 셀(110)이 복수 개 적층된 셀 적층체(100) 및 상기 셀 적층체(100) 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로(230)가 패터닝 된 프레임(200)을 포함하고, 상기 전극 리드(113)는 상기 전기 회로(230)와 직접 연결되는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
여기서 배터리 모듈(10)은, 전극 리드가 포함된 배터리 셀들이 적층된 셀 적층체 및 상기 셀 적층체 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로가 패터닝 된 프레임을 포함할 수 있다. 배터리 모듈(10)에 대한 구체적인 설명은 위에서 설명한 내용으로 갈음할 수 있다.
배터리 모듈(10)은 상기 프레임(200)의 외면에 결합되어, 복수의 배터리 모듈(10)들을 상호 전기적으로 연결하는 모듈 리드(260)를 더 포함할 수 있다.
모듈 리드(260)는 프레임(200)의 본체(210)의 일측 또는 양측에 배치될 수 있으며, 전기 회로(230)에 직접 접촉되어 통전될 수 있다. 여기서 전기 회로(230)는 전극 리드(113)와 전기적으로 연결되므로 모듈 리드(260) 역시 배터리 셀(110)과 전기적으로 연결될 수 있다.
복수의 배터리 모듈(10)은 모듈 리드(260)를 통해 전기적으로 연결되며 하우징(미도시)에 수용될 수 있다. 하우징(미도시)은 내부에 복수의 배터리 모듈(10)을 수용 가능한 수용 공간이 형성되며, 내부에 수용된 배터리 모듈(10)들을 외부의 물리적, 화학적 위험요소로부터 보호할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10 : 배터리 모듈
100 : 셀 적층체
110 : 배터리 셀
111 : 전극 조립체
112 : 배터리 케이스
113 : 전극 리드
113a : 전극 리드 결합체
200 : 프레임
210 : 본체
220 : 방열 유닛
230 : 전기 회로
240 : 리드 슬롯
240a : 리드 슬롯 군
250 : 커넥터
260 : 모듈 리드
300 : 케이스

Claims (15)

  1. 전극 리드가 포함된 배터리 셀들이 적층된 셀 적층체; 및
    상기 셀 적층체 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로가 패터닝 된 프레임을 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 전기 회로와 직접 접촉하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 리드는 인접하는 다른 전극 리드 간에 접합되는 배터리 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 접합된 전극 리드들이 상기 전기 회로에 접촉하는 배터리 모듈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 접합된 전극 리드들은 상기 프레임에 접합되는 배터리 모듈.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 인접하는 전극 리드들은 레이저 용접에 의해 접합되는 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도율을 가지는 소재를 포함하는 배터리 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 전도율을 가지는 소재는 세라믹인 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은,
    외면에 상기 전기 회로가 패터닝 된 본체; 및
    상기 본체 외면으로부터 적어도 한 개 이상 돌출 형성된 방열 유닛을 포함하는 배터리 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 본체에는 상기 전극 리드가 삽입되는 복수개의 리드 슬롯이 형성되며,
    인접하는 복수개의 상기 리드 슬롯들은 리드 슬롯 군을 형성하고,
    상기 방열 유닛은 복수 개 형성되어 상기 리드 슬롯 군의 주변부에 배치된 배터리 모듈.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 방열 유닛은 방열 핀 형태로 형성된 배터리 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 인쇄 전자 공법으로 패터닝 된 배터리 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임에는 적어도 한 개 이상의 리드 슬롯이 형성되며,
    상기 전극 리드는 상기 리드 슬롯에 삽입되는 배터리 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈에는,
    상기 프레임 외면에 배치되며, 외부의 전기 신호를 송신하거나 또는 외부로부터 전기 신호를 수신하는 커넥터를 더 포함하고,
    상기 커넥터는 상기 전기 회로에 직접 연결되는 배터리 모듈.
  14. 복수 개가 배치되는 배터리 모듈; 및
    복수의 상기 배터리 모듈을 수용하는 하우징을 포함하며,
    상기 배터리 모듈은,
    전극 리드가 포함된 배터리 셀이 복수 개 적층된 셀 적층체; 및
    상기 셀 적층체 일측에 배치되며, 외면에는 전기 회로가 패터닝 된 프레임을 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 전기 회로와 직접 연결되는 배터리 팩.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 프레임 외면에 배치되어, 상기 배터리 모듈들을 상호 전기적으로 연결하는 모듈 리드를 더 포함하고,
    상기 모듈 리드는 상기 전기 회로에 직접 연결된 패터리 팩.
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