KR20240042987A - 이차전지 모듈 및 이를 포함하는 이차전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지 모듈 및 이차전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 이차전지; 및 상기 복수의 이차전지를 수용하는 프레임을 포함하고, 상기 프레임은, 상기 복수의 이차전지를 수용하는 수용부; 및 상기 복수의 이차전지의 전극 리드들과 인접한 위치에 형성된 가이드부를 포함하며, 상기 가이드부의 외면에는 상기 이차전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 전기 회로가 패터닝되는 이차전지 모듈 및 상기 이차전지 모듈을 포함하는 이차전지 팩을 제공한다.

Description

이차전지 모듈 및 이를 포함하는 이차전지 팩 {SECONDARY BATTERY MODULE AND SECONDARY BATTERY PACK INCLUDING SAME}
본 발명은 이차전지 모듈, 이를 포함하는 이차전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차전지가 복수개 수용된 이차전지 모듈 및 이를 포함하는 이차전지 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 이차전지 모듈에서 상당한 무게 및 공간을 차지하고, 이차전지 모듈의 프레임에 버스바 어셈블리를 장착할 별도의 공간 및 구조를 마련해야 하므로 이차전지 모듈의 무게를 증가시키고, 구조를 복잡하게 하는 문제가 있다. 또한, 종래의 이차전지 모듈의 프레임은 플라스틱과 같은 사출물로 제조되는데 이 경우, 플라스틱의 용융점이 낮아, 이차전지 모듈 급속 충전에 의해 버스바 온도가 상승하거나 이차전지에서 열폭주(Thermal runaway) 발생하여 이차전지 모듈 자체의 온도가 상승하는 경우, 프레임의 물성이 저하되거나, 프레임이 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 발명은 이차전지 모듈의 구조를 단순화하고 무게를 경량화 할 수 있도록 버스바를 제거하고, 온도가 상승하더라도 물성 저하를 방지되며, 신속하게 열을 방열할 수 있는 이차전지 모듈 및 이를 포함하는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시 예로서, 본 발명은 복수의 이차전지; 및 상기 복수의 이차전지를 수용하는 프레임을 포함하고, 상기 프레임은, 상기 복수의 이차전지를 수용하는 수용부; 및 상기 복수의 이차전지의 전극 리드들과 인접한 위치에 형성된 가이드부를 포함하며, 상기 가이드부의 외면에는 상기 이차전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 전기 회로가 패터닝되는 이차전지 모듈을 제공한다.
또한, 상기 전기 회로는 인쇄 전자 공법으로 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 전기 회로는 은 나노 입자 성분을 포함하고, 상기 가이드부의 길이 방향을 따라 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 프레임은 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열 전도도를 가지는 소재는 세라믹일 수 있다.
또한, 상기 복수의 이차전지는 원통형 전지로서, 지그재그 방식으로 배열되며, 상기 가이드부는 상기 지그재그 배열의 중심축을 따라 연장 형성될 수 있다.
또한, 상기 가이드부는 양 단이 상기 프레임에 결합되도록 연장 형성되며, 복수개가 배치되고, 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격될 수 있다.
또한, 상기 전기 회로는 상기 가이드부의 길이 방향을 따라 패터닝되고, 상기 이차전지의 전극 리드는 상기 전기 회로와 와이어 본딩을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈은, 전지의 전압 정보를 센싱하는 전압 센서 및 상기 전기 회로와 전기적으로 연결된 회로기판을 포함하는 센싱 조립체를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 센싱 조립체에는 회로기판에 결합되어 외부로 전기 신호를 송신하거나 외부의 전기 신호를 수신하는 커넥터가 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈은 상기 프레임에 결합되는 제1 방열 구조체를 더 포함하고, 상기 제1 방열 구조체는 이차전지들 사이 공간을 따라 배치되며, 인접하는 이차전지들의 측면과 접하여 이차전지로부터 열을 전달받을 수 있다.
또한, 상기 제1 방열 구조체는 양 단이 상기 프레임에 결합되도록 연장 형성되며, 복수개가 배치되고, 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격될 수 있다.
또한, 상기 제1 방열 구조체는 세라믹 소재를 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 이차 전지들은 상기 방열 구조체를 중심으로 상기 지그 재그 방식으로 배열되고, 상기 제1 방열 구조체는 상기 제1 방열 구조체를 중심으로 배열된 상기 이차전지들의 측면을 따라 그에 상응하는 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈은 제2 방열 구조체를 더 포함하고, 상기 제2 방열 구조체는, 상기 프레임의 일측 벽을 따라 상기 프레임의 높이 방향으로 돌출되며, 상기 이차전지들과 마주보는 내면에 상기 제2 방열 구조체와 인접하게 배치된 이차전지들의 측면을 따라 그에 상응하는 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 방열 구조체의 외면에는 상기 외면으로부터 수직인 방향으로 복수개의 방열 유닛이 돌출 형성되고, 상기 복수개의 방열 유닛은 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 방열 유닛은 상기 제2 방열 구조체의 길이 방향에 수직인 폭 방향을 따라 선형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 방열 구조체는 세라믹 소재를 포함하여 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 하나의 실시 예로서, 본 발명은, 복수개가 배치되는 이차전지 모듈; 및 복수개의 상기 이차전지 모듈을 수용하는 하우징을 포함하며, 상기 이차전지 모듈은, 복수의 이차전지; 및 상기 복수의 이차전지를 수용하는 프레임을 포함하고, 상기 프레임은, 상기 복수의 이차전지를 수용하는 수용 공간; 및 상기 복수의 이차전지의 전극 리드들과 인접한 위치에 형성된 가이드부를 포함하며, 상기 가이드부의 외면에는 상기 이차전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 전기 회로가 패터닝되는 이차전지 팩을 제공한다.
본 발명은 프레임에 열전도도가 높은 세라믹 소재를 포함하도록 구성하여 이차전지 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 이차전지 모듈의 프레임에서 버스바를 제거하는 대신 인쇄 전자 공법으로 패터닝되는 전기 회로를 포함하도록 구성하고, 상기 전기 회로에 전극 리드 등을 연결함으로써 이차전지 모듈에 연결되는 부품을 간소화하고, 이차전지 모듈의 크기를 경량화 할 수 있다.
또한, 본 발명은 이차전지 모듈 내부에 복수개의 방열 구조체가 배치되므로 프레임 안쪽에 배치된 이차전지들로부터 열을 전달받아 프레임 외부로 신속하게 방열 할 수 있다.
도 1(a) 및 (b)는 각각 원통형 이차전지의 외형 및 단면도를 나타낸 것이다.
도 2(a) 및 (b)는 각각 본 발명에 따른 배터리 모듈의 위에서 바라본 모습과 아래에서 바라본 모습을 사시도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 배터리 모듈의 저면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 배터리 모듈의 평면도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 방열 구조체의 형태를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 방열 구조체를 중심으로 이차전지가 배열된 모습을 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 1 및 도 2을 참조하여 설명하면, 본 발명의 하나의 실시 예로서, 본 발명은 이차전지 모듈(10)에 관한 것으로, 이차전지(100), 프레임(200) 및 센싱 조립체(300)를 포함할 수 있다.
이차전지(100)는 파우치형, 각형, 원통형 등 다양한 형태의 이차전지 일 수 있고, 바람직하게는 원통형 이차전지 일 수 있다.
도 1(a) 및 (b)를 참조하여 설명하면, 이차전지(100)는 캡 조립체(110), 전지 캔(120) 및 전극 조립체(130)를 포함할 수 있다.
캡 조립체(110)는 전지 캔(120)의 개구부를 밀폐하며, 양극 리드(111), 안전벤트(112) 및 전류차단부재(113)를 포함할 수 있다.
양극 리드(111)는 후술할 전극 조립체(130)의 양극 핀(131)과 전기적으로 연결되어 양의 극을 형성할 수 있다. 양극 리드(111)는 캡 조립체(110)의 중심에 위치하여 이차 전지(100)의 외부 방향으로 돌출된 형상을 포함할 수 있다.
안전 벤트(112)는 비정상 전류로 인하여 이차전지(100) 내부에 고압의 가스가 발생하여 내부 압력 상승시 파열되면서 기체를 이차전지(100) 외부로 배기할 수 있다. 안전 벤트(112)는 금속 소재를 포함하여 형성될 수 있다. 안전 벤트(112)는 양극 리드(111) 및 전류차단부재(113)사이에 배치되어 양극 리드(111) 및 전류차단부재(113)과 접할 수 있다.
전류차단부재(CID, Current Interrupt Device)(113)는 전지 캔(120) 내부에서 고압 가스 발생시 전류를 차단할 수 있다. 전류차단부재(113)는 안전 벤트(112) 하방에 위치하여 안전 벤트(112)와 접하고, 전극 조립체(130)의 상방에 위치하여, 전극 조립체(130)의 양극 핀(131)과 접한다. 전류차단부재(113)는 안전 벤트(112)를 전극 조립체(130)의 양극과 전기적으로 접속시킬 수 있다. 전류차단부재(113)는 금속 소재를 포함하여 형성될 수 있다.
전지 캔(120)은 일면에 개구부가 형성되고, 내부에 수용 공간이 형성된 원통형의 캔일 수 있으며, 수용 공간 전극 조립체(130) 및 전해액이 수용되며, 개구부에는 캡 조립체(110)가 결합되어 전지 캔(120)이 밀폐될 수 있다.
전지 캔(120)은 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금 등 전도성 금속 소재로 형성될 수 있다.
전지 캔(120)의 상단에는 전지 캔(120)의 외측에서 내측으로 함몰된 비딩부(121) 및 전지 캔(120)을 밀봉하기 위한 크림핑부(122)가 형성될 수 있다.
전극 조립체(130)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. 전극 조립체(130)는 상기 적층된 구조를 권취하여 형성된 젤리 롤(Jelly Roll)을 포함할 수 있다.
젤리 롤을 형성한 전극 조립체(130)는 양극 무지부의 상단이 양극 핀(131)과 결합되어 캡 조립체(110)와 전기적으로 연결되고, 음극 무지부의 하단이 음극 핀(132)과 결합되어 전지 캔(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 음극 핀(132)과 전기적으로 연결된 전지 캔(120)은 그 자체로 음극 리드가 될 수 있다.
전극 리드는 캡 조립체(110)의 양극 리드(111)와 그 자체로 음극 리드인 전지 캔(120)을 의미할 수 있다.
도 2(a)내지 도 4를 참조하여 설명하면, 프레임(200)은 복수개의 이차전지(100)들이 수용되는 수용 공간을 제공하는 외부 형상을 의미하고, 수용된 이차전지(100)들이 센싱 조립체00)와 전기적으로 연결되도록 구조를 제공할 수 있다. 프레임(200)에는 가이드부(210) 및 전기회로(220)가 포함될 수 있다.
프레임(200)은 내부에 수용 공간(미도시)이 형성되며, 상면 또는 하면이 개방된 육면체 구조로 형성될 수 있다.
복수개의 이차전지(100)들은 프레임(200)에 형성된 수용 공간에 미리 정해진 배열에 따라 배열될 수 있다. 이때 이차전지(100)들은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 지그재그 방법으로 배열될 수 있다. 이차전지(100)들이 지그재그 방법으로 배열되면 일렬로 배열되어 서로 인접한 이차전지(100)들의 사이 측부 공간에 이차전지(100)가 배치되므로 공간 배치의 효율이 향상되고, 후술할 방열 구조체(230)와 이차전지(100)의 접촉면적이 증가하여 이차전지(100)의 방열 효율이 향상될 수 있다.
프레임(200)의 수용 공간에 배치된 이차전지(100)들은 양극 리드(111) 및 음극 리드(120)가 미리 정해진 배열 방향을 따라 배열될 수 있다.
프레임(200)은 내부에 수용된 이차전지(100)로부터 발생되는 전류가 미리 정해진 경로인 전기 회로(220)만을 따라 흐를 수 있도록 전기가 통하지 않는 비전도성 소재를 포함하여 형성될 수 있다.
프레임(200)은 급속 충전 등으로 복수개의 이차전지(100)에서 발생되는 열을 이차전지 모듈(10)의 외부로 신속하게 전달할 수 있도록 열 전도도가 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 전도도는 1W/mK이상으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 프레임(200)은 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도도를 형성할 수 있다.
특히, 프레임(200)이 세라믹 소재를 포함하는 경우, 프레임(200)은 10W/mK 내지 30W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 일반적인 비전기전도성 소재인 플라스틱의 열전도도는 0.1W/mK 내지 0.3W/mK이므로 프레임(200)을 세라믹 소재를 포함하여 제조하는 경우 플라스틱 소재를 포함하여 제조하는 경우보다 열 전도율이 현저하게 향상되므로, 이차전지(100)들의 냉각 면에서 현저한 효과를 기대할 수 있다.
가이드부(210)는 양 단이 프레임(200)의 개방된 일면에서 각각 일측과 타측에 결합될 수 있도록 연장 형성될 수 있다.
가이드부(210)는 복수개 구비될 수 있다. 복수개의 가이드부(210)는 가이드부(210)의 길이 방향과 수직인 방향으로 상호간 미리 정해진 간격으로 배열될 수 있다.
가이드부(210)는 인접하게 배치된 이차전지(100)로부터 발생되는 전류가 가이드부(210)와 접하는 전기 회로(220)를 통해서만 흐를 수 있도록 전기가 통하지 않는 비전도성 소재를 포함하여 형성될 수 있다.
가이드부(210)는 이차전지(100)들과 상면에 패터닝된 전기 회로(230)로부터 전달받은 열을 신속하게 방열할 수 있도록 열 전도도가 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 가이드부(210)의 열 전도도는 1W/mK이상으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 가이드부(210)은 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도도를 형성할 수 있다.
특히, 가이드부(210)가 세라믹 소재를 포함하는 경우, 가이드부(210)는 10W/mK 내지 30W/mK의 열전도도를 형성할 수 있다. 일반적인 비전기전도성 소재인 플라스틱의 열전도도는 0.1W/mK 내지 0.3W/mK이므로 가이드부(210)를 세라믹 소재를 포함하여 제조하는 경우 플라스틱 소재를 포함하여 제조하는 경우보다 열 전도율이 현저하게 향상되므로, 이차전지(100)들과 전기 회로(230)의 냉각 면에서 현저한 효과를 기대할 수 있다.
가이드부(210)는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 미리 정해진 폭과 길이를 갖는 바 형태, 봉 형태, 막대 형태, 플레이트 형태, 편 형태 등으로 형성될 수 있다.
가이드부(210)는 미리 정해진 배열 방법에 따라 배열된 이차전지(100)들의 상부에서 이차전지(100)들의 전극 리드들의 인접한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 이차전지(100)들이 지그재그 방식으로 배열된 경우 가이드부(210)는 지그재그 배열의 중심축을 따라 배치될 수 있다. 이러한 배치는 가이드부(210)를 중심으로 양측에 이차전지(100)들이 교대로 배치되도록 하여 가이드부(210) 상면에 패터닝된 전기 회로(220)와 이차전지(100)들의 전극 리드들 간의 접근성을 향상할 수 있다.
전기 회로(220)는 가이드부(210) 상면에 가이드부(210)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. 가이드부(210)가 복수개인 경우 전기 회로(220)는 상기 가이드부(210) 상면 마다 패터닝될 수 있다.
전기 회로(220)의 일단부는 복수의 가이드부(210)의 일단부 전방에 배치된 회로기판(320)과 용접 등을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
전기 회로(220)은 가이드부(210)와 인접하게 위치하는 이차전지(100)들의 각각의 전극 리드와 전기적으로 연결될 수 있다. 이차전지(100)들의 각각의 전극 리드는 전기 회로(220)와 와이어 본딩을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
전기 회로(220)는 전기 전도성 잉크 또는 페이스트를 통해 인쇄 전자 공법으로 미리 정해진 설계에 따라 가이드부(210)의 상면에 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 금, 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 금, 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.
전기 회로(220)는 후술하는 센싱 조립체(300)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이 프레임(200)의 가이드부(210)에 전기 회로(220)를 패터닝함으로서, 기존의 장치에서 이차전지와 센싱 조립체 사이를 전기적으로 연결하는 매개체로 활용되었던 버스바를 생략할 수 있으므로 이차전지 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.
이차전지 모듈(100)은 프레임(200)에 결합되는 방열 구조체(230, 240)를 더 포함할 수 있다. 방열 구조체(230, 240)는 제1 방열 구조체(230)와 제2 방열 구조체(240)을 포함할 수 있다.
도 5 및 도6을 참조하여 설명하면, 제1 방열 구조체(230)는 복수의 이차전지(100)들의 사이 공간에 배치되어 이차전지(100)들의 측면과 접하며, 프레임(200)의 수용 공간의 안쪽에 위치한 이차전지(100)들로부터 발생하는 열을 전달받아 제1 방열 구조체(230)를 통해 열을 전도(傳導)하여 프레임(200) 외부로 배출하기 위한 구성일 수 있다.
하나의 실시 예로, 복수의 이차전지(100)들이 지그 재그 방식으로 배열된 경우 제1 방열 구조체(230)는 상기 지그 재그 배열의 중심축을 따라 복수의 이차전지(100)들 사이 공간에 배치될 수 있다. 제1 방열 구조체(230)는 제1 방열 구조체(230)를 중심으로 배열된 복수의 이차전지(100)들의 측면을 따라 그에 상응하는 형상으로 형성될 수 있다. 따라서 제1 방열 구조체(230)는 길이 방향을 따라 좌우로 번갈아가며 오목 또는 볼록한 구조로 형성될 수 있다. 제1 방열 구조체(230)의 이러한 구조적 특징으로 인해 이차전지(100)는 프레임(200)에 용이하게 끼움 결합될 수 있고, 복수의 이차전지(100)들은 더 쉽게 배열될 수 있다.
제1 방열 구조체(230)의 높이는 프레임의 높이보다 더 높게 형성될 수 있어 프레임(200)의 개방된 일면으로부터 제1 방열 구조체(230)가 일면에 수직인 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 제1 방열 구조체(230)의 돌출된 부분은 이차전지(100)가 프레임(200)상 이차전지(100)의 미리 정해진 위치에 삽입될 수 있도록 가이드 할 수 있다.
제1 방열 구조체(230)는 양 단이 프레임(200)에 결합되도록 연장 형성되어 제1 방열 구조체(230)가 이차전지(100)로부터 전달받은 열을 프레임(200)에 전도할 수 있다.
제1 방열 구조체(230)는 프레임(200)에 복수개 마련되어 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격 배치될 수 있다. 제1 방열 구조체(230)와 인접하는 다른 제1 방열 구조체(230) 사이 이격 거리는 이차전지(100)의 직경 또는 너비와 동일하거나 비슷할 수 있다.
제2 방열 구조체(240)는 단부가 프레임(200)에 결합되어 프레임(200)의 일측 및 타측 벽을 따라 높이 방향으로 길게 연장되도록 돌출 형성될 수 있다. 제2 방열 구조체(240)이 돌출된 높이는 프레임(200)에 배치된 이차전지(100)들이 프레임(200)으로부터 돌출된 높이와 동일 또는 비슷할 수 있다.
제2 방열 구조체(240)에서 이차전지(100)들과 마주보는 내면에는 제2 방열 구조체와 인접하게 배치되어 프레임(200)의 내벽을 따라 배열된 이차전지들(100)의 측면을 따라 그에 상응하는 형상으로 형성될 수 있다. 상기 내면에는 이차전지(100)들이 내면 형상에 상응하도록 배치되어 내면과 이차전지(100)들이 서로 접촉할 수 있다.
제2 방열 구조체(240)에는 프레임(200)의 외부를 바라보는 외면에 방열 유닛(241)이 형성될 수 있다. 방열 유닛(241)은 제2 방열 구조체(240)의 외면으로부터 수직인 방향 또는 비스듬한 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 방열 유닛(241)은 제2 방열 구조체(240)의 길이 방향과 수직인 폭 방향을 따라 폭의 길이만큼 선형으로 돌출 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 방열 유닛(241)은 제2 방열 구조체(240) 외벽에 복수개 형성될 수 있으며, 복수개의 방열 유닛(241)은 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
방열 유닛(241)은 제2 방열 구조체(240)의 외벽이 평평한 플레이트 형상인 경우보다 외벽의 표면적을 더 넓히므로 제2 방열 구조체(240)의 내벽과 접촉하는 이차전지(100)들로부터 전달받은 열을 프레임(200) 외부로 더 신속하게 배출하도록 할 수 있다.
방열 유닛(241)은 제2 방열 구조체(240)와 동일한 소재로 형성될 수 있다.
제2 방열 구조체(240)는 제1 방열 구조체(230)들과 같은 방향으로 배치될 수 있다. 복수개의 제1 방열 구조체(230)들은 프레임(200)의 일측 및 타측 벽에 배치된 제2 방열 구조체(240) 사이 공간에 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 복수의 제1 방열 구조체(230)는 상호간 이차전지(100)의 너비의 길이만큼 이격되어 배치될 수 있다.
방열 구조체(230, 240)는 급속 충전 등으로 복수개의 이차전지(100)에서 발생되는 열을 프레임(200)의 외부로 신속하게 배출할 수 있도록 열 전도도가 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, 상기 방열 구조체(230, 240)의 열 전도도는 1W/mK이상으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 방열 구조체(230, 240)는 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도도를 형성할 수 있다.
특히, 방열 구조체(230, 240)가 세라믹 소재를 포함하여 형성된 경우, 방열 구조체(230, 240)는 10W/mK 내지 30W/mK의 열전도도 가질 수 있다. 일반적인 비전기전도성 소재인 플라스틱의 열전도도는 0.1W/mK 내지 0.3W/mK이므로 방열 구조체(230, 240)에 세라믹 소재를 포함하여 제조하는 경우 플라스틱 소재를 포함하여 제조하는 경우보다 열 전도율이 현저하게 향상되므로, 이차전지(100)의 냉각 면에서 현저한 효과를 기대할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명하면, 센싱 조립체(300)는 복수개의 이차전지(100)들과 전기적으로 연결되고, 이차전지(100)들의 전압 정도 및 온도 정보 등을 센싱하기 위한 구성일 수 있다. 센싱 조립체(300)는 프레임(300)의 일측에 결합될 수 있다.
센싱 조립체(300)는 전압 센서(310), 회로기판(320), 커넥터(330) 및 온도 센서(340)를 포함할 수 있다.
회로기판(320)은 PCB(Printed Circuit Board), FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 등일 수 있다. 회로기판(320)에는 전압 센서(310), 커넥터(330) 및 온도 센서(340)가 전기적으로 결합될 수 있다.
전압 센서(310)는 회로기판(320)의 일면 상에 전기적으로 결합될 수 있으며,
각 이차전지(100) 또는 이차전지 모듈(10)의 전압을 센싱할 수 있다
커넥터(330)는 회로기판(320)과 전기적으로 결합되며, 외부의 전기 신호를 송신하거나 또는 외부로부터 전기 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 커넥터(330)는 BMS(Battery Management System)와 같은 이차전지 제어 시스템과 전기적으로 연결되어 전압 센서(310), 온도 센서(340) 등이 센싱한 정보를 BMS에 전송할 수 있다.
온도 센서(340)는 회로기판(320)의 일면 상에 전기적으로 결합될 수 있으며, 프레임(200) 내의 온도를 센싱할 수 있다.
이차전지 팩
한편, 본 발명은 다른 하나의 실시 예로서, 복수 개가 배치되는 이차전지 모듈(10) 및 복수의 상기 이차전지 모듈(10)을 수용하는 하우징(미도시)을 포함하며, 이차전지 모듈(10)은, 복수의 이차전지(100) 및 복수의 이차전지(100)를 수용하는 프레임(200)을 포함하고, 프레임(200)은, 상기 복수의 이차전지(100)를 수용하는 수용 공간 및 상기 복수의 이차전지(100)의 전극 리드(121, 131)들과 인접한 위치에 형성된 가이드부(210)를 포함하며, 상기 가이드부(210)의 외면에는 상기 이차전지(100)의 전극 리드(121, 131)와 전기적으로 연결되는 전기 회로가 패터닝되는 이차전지 팩을 제공할 수 있다.
이차전지 팩에 포함되는 이차전지 모듈(10)에 관한 구체적인 설명은 위에서 설명한 내용으로 갈음할 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 : 이차전지 모듈
100 : 이차전지
110 : 양극 단자
120 : 전지 캔
130 : 전극 조립체
131 : 양극 핀
132 : 음극 핀
200 : 프레임
210 : 가이드부
220 : 전기 회로
230 : 제1 방열 구조체
240 : 제2 방열 구조체
241 : 방열 돌기
300 : 센싱 조립체
310 : 전압 센서
320 : 회로기판
330 : 커넥터
340 : 온도 센서

Claims (19)

  1. 복수의 이차전지; 및
    상기 복수의 이차전지를 수용하는 프레임을 포함하고,
    상기 프레임은,
    상기 복수의 이차전지를 수용하는 수용부; 및
    상기 복수의 이차전지의 전극 리드들과 인접한 위치에 형성된 가이드부를 포함하며,
    상기 가이드부의 외면에는 상기 이차전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 전기 회로가 패터닝되는 이차전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 인쇄 전자 공법으로 패터닝되는 이차전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 은 나노 입자 성분을 포함하고, 상기 가이드부의 길이 방향을 따라 패터닝되는 이차전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 1W/mK 내지 200W/mK의 열 전도도를 가지는 소재를 포함하는 이차전지 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열 전도도를 가지는 소재는 세라믹인 이차전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 이차전지는 원통형 전지로서, 지그재그 방식으로 배열되며,
    상기 가이드부는 상기 지그재그 배열의 중심축을 따라 연장 형성된 이차전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가이드부는 양 단이 상기 프레임에 결합되도록 연장 형성되며, 복수개가 배치되고, 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격된 이차전지 모듈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 상기 가이드부의 길이 방향을 따라 패터닝되고,
    상기 이차전지의 전극 리드는 상기 전기 회로와 와이어 본딩을 통해 전기적으로 연결된 이차전지 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 이차전지 모듈은,
    전지의 전압 정보를 센싱하는 전압 센서 및 상기 전기 회로와 전기적으로 연결된 회로기판을 포함하는 센싱 조립체를 더 포함하는 이차전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센싱 조립체에는 회로기판에 결합되어 외부로 전기 신호를 송신하거나 외부의 전기 신호를 수신하는 커넥터가 더 포함된 이차전지 모듈.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 이차전지 모듈은 상기 프레임에 결합되는 제1 방열 구조체를 더 포함하고,
    상기 제1 방열 구조체는 상기 복수의 이차전지 사이 공간을 따라 배치되며, 인접하는 상기 복수의 이차전지의 측면과 접하여 상기 복수의 이차전지로부터 열을 전달받는 이차전지 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 방열 구조체는 양 단이 상기 프레임에 결합되도록 연장 형성되며, 복수개가 배치되고, 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격된 이차전지 모듈.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 방열 구조체는 세라믹 소재를 포함하여 형성된 이차전지 모듈.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 이차전지는 상기 방열 구조체를 중심으로 상기 지그 재그 방식으로 배열되고,
    상기 제1 방열 구조체는 상기 제1 방열 구조체를 중심으로 배열된 상기 복수의 이차전지의 측면을 따라 그에 상응하는 형상으로 형성된 이차전지 모듈.
  15. 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 이차전지 모듈은 제2 방열 구조체를 더 포함하고,
    상기 제2 방열 구조체는,
    상기 프레임의 일측 벽을 따라 상기 프레임의 높이 방향으로 돌출되며, 상기 복수의 이차전지와 마주보는 내면에 상기 제2 방열 구조체와 인접하게 배치된 상기 복수의 이차전지의 측면을 따라 그에 상응하는 형상으로 형성된 이차전지 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 방열 구조체의 외면에는 외면으로부터 수직인 방향으로 복수개의 방열 유닛이 돌출 형성되고,
    상기 복수개의 방열 유닛은 상호간 미리 정해진 거리만큼 이격되어 배치된 이차전지 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수개의 방열 유닛은 상기 제2 방열 구조체의 길이 방향에 수직인 폭 방향을 따라 선형으로 형성된 이차전지 모듈
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 방열 구조체는 세라믹 소재를 포함하여 형성된 이차전지 모듈.
  19. 복수개가 배치되는 이차전지 모듈; 및
    복수개의 상기 이차전지 모듈을 수용하는 하우징을 포함하며,
    상기 이차전지 모듈은,
    복수의 이차전지; 및
    상기 복수의 이차전지를 수용하는 프레임을 포함하고,
    상기 프레임은,
    상기 복수의 이차전지를 수용하는 수용 공간; 및
    상기 복수의 이차전지의 전극 리드들과 인접한 위치에 형성된 가이드부를 포함하며,
    상기 가이드부의 외면에는 상기 이차전지의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 전기 회로가 패터닝되는 이차전지 팩.
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