KR20240094743A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀과 각각 전기적으로 연결된 복수의 버스바, 및 상기 버스바가 위치하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 구조체를 포함하고, 상기 버스바 프레임은 복수의 분리형 버스바 프레임을 포함하고, 상기 분리형 버스바 프레임들은 서로 위치 가이드 부재에 의해 결합된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 조립성이 향상되고 조립 공차가 감소함으로써, 전지의 에너지 밀도가 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
상기 전지셀들은 복수개가 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성할 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 구체적으로, 복수의 전지셀들이 적층되어 전지셀 적층체를 형성하고, 전지셀 적층체의 일면 및 타면에 하나의 버스바 구조체를 장착하여 전지셀과 전기적 연결이 가능하도록 한다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(12), 전지셀 적층체(12)를 수용하는 모듈 프레임(20), 전지셀 적층체(12)의 전면 및/또는 후면 상에 위치하는 버스바 구조체(30), 전지셀 적층체(12)의 전면 및/또는 후면을 커버하는 엔드 플레이트(40)를 포함할 수 있다.
이 중, 버스바 구조체(30)는 하나의 버스바 프레임과 적어도 하나 이상의 버스바를 포함하고, 버스바는 전지셀(11)로부터 돌출된 전극 리드와 전기적으로 연결될 수 있다.
이 경우, 기구적인 기준이 없이 전지셀(11)이 적층된 상태에서 버스바 구조체(30) 전지셀 적층체(12)에 장착되면, 슬릿을 통과한 전극 리드의 길이가 용접 시 의도한 길이와 다르게 되어 전극 리드와 버스바 간의 용접 불량을 야기할 수 있다. 또한, 전지셀(11)이 버스바 프레임에 의해 불균일 가압되어 안전성이 낮아질 수 있고, 전지의 공간 활용률도 감소되는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀과 각각 전기적으로 연결된 복수의 버스바, 및 상기 버스바가 위치하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 구조체를 포함하고, 상기 버스바 프레임은 복수의 분리형 버스바 프레임을 포함하고, 상기 분리형 버스바 프레임들은 서로 위치 가이드 부재에 의해 결합된다.
상기 위치 가이드 부재는, 상기 분리형 버스바 프레임에 구비되는 가이드 홀, 및 상기 복수의 가이드 홀을 관통하면서 위치하는 가이드 핀을 포함할 수 있다.
상기 가이드 핀은, 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장된 핀일 수 있다.
상기 가이드 홀은, 상기 버스바 프레임의 높이 방향의 양 끝단부에 위치할 수 있다.
상기 가이드 핀은 상기 버스바 프레임보다 강성이 클 수 있다.
상기 버스바 프레임은, 상기 전지셀의 전면 및 후면으로 돌출된 전극 리드, 및 상기 전극 리드의 일부분을 감싸는 파우치 케이스인 셀 테라스가 삽입 장착되는 전지셀 삽입부, 및 상기 전지셀 삽입부와 연결되어 상기 전극 리드를 상기 버스바 프레임의 외부로 관통시키는 슬릿을 포함할 수 있다.
상기 버스바 프레임의 외부로 돌출된 상기 전극 리드의 일 면은 조립 기준면이고, 상기 조립 기준면은, 상기 복수의 전지셀에서 모두 일정할 수 있다.
상기 버스바 프레임 내부에 구비되는 가압 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 가압 플레이트는, 상기 버스바 프레임 내부에 위치하는 상기 전극 리드의 일면이나 타면과 접하거나, 상기 전극 리드의 일면 및 타면과 접하면서 위치할 수 있다.
상기 가압 플레이트는, 상기 전지셀 삽입부를 구성하는 일 영역인 가압 영역에 위치하고, 상기 가압 영역은, 상기 전지셀 삽입부 및 상기 슬릿과 평면상에서 수직한 방향으로 상기 버스바 프레임을 관통하는 플레이트 결합부를 포함할 수 있다.
상기 플레이트 결합부에 결합 부재가 삽입되어, 상기 버스바와 상기 가압 플레이트를 고정할 수 있다.
상기 버스바는, 상기 버스바 프레임에 파여 있는 홈인 버스바 장착부에 위치할 수 있다.
상기 버스바 장착부는 상기 버스바 프레임의 양 측면에 파여 있는 홈으로, 상기 버스바 프레임의 일측면에 위치하는 제1 버스바 장착부, 및 상기 버스바 프레임의 타측면에 위치하는 제2 버스바 장착부를 포함할 수 있다.
상기 제1 버스바 장착부 및 상기 제2 버스바 장착부의 크기는, 서로 대응할 수 있다.
상기 제1 버스바 장착부 및 상기 제2 버스바 장착부의 크기는, 상기 버스바의 절반의 크기와 동일하거나, 상기 버스바의 절반의 크기보다 클 수 있다.
상기 버스바 장착부는 이웃하는 상기 버스바 프레임들의 상기 제1 버스바 장착부 및 상기 제2 버스바 장착부일 수 있다.
상기 버스바는, 상기 버스바의 높이 방향의 양 끝단부에 위치하는 홀인 버스바 결합부를 포함할 수 있다.
상기 버스바 결합부에는 결합 부재가 삽입되어, 상기 버스바 장착부에 상기 버스바가 고정 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 전지셀 적층체와 버스바 구조체 사이의 조립 공차가 적어져 전지의 에너지 밀도가 향상됨과 동시에, 전지셀 적층체를 버스바 구조체가 불균일하게 가압하지 않으므로 전지의 안전성도 향상될 수 있다.
또한, 전지셀의 전극 리드와 버스바의 용접 불량률이 감소하므로 전지의 효율이 향상될 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 종래의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 전지셀이 버스바 구조체에 장착되는 것을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지셀이 버스바 구조체에 장착된 것을 나타내는 투과 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지셀과 버스바 구조체를 x축 방향에서 바라본 투과도이다.
도 6은 본 발명의 버스바 구조체가 가이드 핀과 결합하는 것을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 전지셀 및 버스바 구조체가 적층되는 것을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 버스바가 버스바 프레임에 장착되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 버스바가 버스바 프레임에 장착된 것을 나타내는 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200), 전지셀 적층체(120)의 전면 및/또는 후면 상에 위치하는 버스바 구조체(300), 버스바 구조체(300)의 전면 및/또는 상에 위치하는 엔드 플레이트(400)를 포함할 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 파우치형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다.
전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 구체적으로, x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 및 U자형 프레임(210)및 상부 커버(220)를 포함할 수 있다.
U자형 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(211)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면(-z축 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(211)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면(x축 방향 및 -x축 방향)을 커버할 수 있다.
상부 커버(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 하면 및 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다.
상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 소정의 강도를 갖는 금속 소재를 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 커버(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
버스바 구조체(300)는 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면(y축 방향 및 -y축 방향)에 조립되어 위치하고, 버스바(310) 및 버스바 프레임(330)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 버스바 구조체(300)는 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면(y축 방향 및 -y축 방향)을 커버함과 동시에 전지셀 적층체(120)와 외부 기기와의 연결을 안내하기 위한 것일 수 있다.
버스바(310)는 전지셀(110)로부터 각각 돌출된 전극 리드와 전기적으로 연결될 수 있다. 버스바(310)는 전지셀 적층체(120)를 배터리 시스템과 전기적으로 연결시킬 수 있다.
버스바(310)는 버스바 프레임(330)에 장착될 수 있다. 버스바 프레임(330)은 버스바(310)의 위치를 고정시키고 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 버스바(310)를 물리적으로 보호할 수 있다.
버스바 프레임(330)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 버스바 프레임(330)은 플라스틱일 수 있다. 버스바 프레임(330)은 버스바(310)가 전극 리드와 접합된 부분 외에 전지셀(110)들의 다른 부분과 접촉하는 것을 제한할 수 있으며, 전기적 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
버스바 구조체(300)는 복수 개일 수 있다. 구체적으로, 버스바 구조체(300)는 적어도 하나 이상의 전지셀(110)과 대응하도록 각각 구비될 수 있다. 즉, 버스바 구조체(300)는 각각의 전지셀(110)의 개수와 대응되게, 복수의 버스바(310) 및 복수의 버스바 프레임(330)을 포함할 수 있다. 버스바 구조체(300)의 개수는 전지셀(110)의 개수와 동일하거나, 전지셀(110)의 개수보다 작을 수 있다.
종래에는, 버스바는 복수 개일 수 있으나, 복수 개의 버스바를 포함하는 버스바 프레임은 하나에 불과하였다. 즉, 복수 개의 버스바는 하나의 버스바 프레임에 고정되어 위치하고, 버스바 프레임의 형상 및 위치 또한 고정되어 있었다. 또한, 전지셀을 적층하여 전지셀 적층체를 형성하는 경우, 기구적인 기준이 없어 전지셀의 길이 방향 위치를 정확히 맞춰 적층하기 어렵다는 문제가 있었다.
따라서, 이와 같이 길이 방향 위치가 일정하지 않게 적층된 전지셀 적층체에 종래의 고정된 버스바 구조체를 장착하게 되면, 버스바 프레임을 통과하는 전극 리드의 길이가 각 전지셀마다 달라지게 될 수 있다. 따라서, 전극 리드와 버스바 사이의 용접 불량이 야기될 수 있으므로 전지의 효율이 낮아질 수 있다. 또한, 종래의 전지셀 적층체는 전지셀 적층체의 전면 및/또는 후면을 전체적으로 덮는 고정된 구조이므로, 전지셀 적층체를 불균일하게 가압할 수 있어 전지셀이 파손될 위험이 증가하므로 전지의 안전성이 낮아질 수 있다. 그리고, 전지셀 적층체와 버스바 프레임 사이의 조립 공차가 발생하게 되어, 전지의 공간 활용률 및 에너지 밀도가 감소하게 된다는 문제가 있다.
이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 구조체(300)는, 각각의 전지셀(110) 또는 적어도 둘 이상의 전지셀(110)의 전면 및/또는 후면에 각각 대응하면서 위치한다. 즉, 복수개의 버스바 구조체(300)는 서로 연결되어 있지 않고, 각각 분리되어 구비된다. 따라서, 전지셀 적층체(120)와 버스바 구조체(300) 사이의 조립 공차가 발생하지 않으므로, 전지의 공간 활용률 및 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 또한, 버스바 구조체(300)가 전지셀(110)에 대해 불균일한 압력을 가하지 않아 파우치 케이스의 형상 변화 및 파손 등의 문제가 일어나지 않으므로, 전지의 조립성, 안전성 및 구조적 안정성이 향상될 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 제1 측(y축 방향)과 제2 측(-y측 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(400)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등이 위치할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 전지셀이 버스바 구조체에 장착되는 것에 대해 보다 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 전지셀이 버스바 구조체에 장착되는 것을 나타내는 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지셀이 버스바 구조체에 장착된 것을 나타내는 투과 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지셀과 버스바 구조체를 x축 방향에서 바라본 투과도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 전지셀(110)은 버스바 프레임(330)에 장착될 수 있다. 구체적으로, 하나의 전지셀(110)은 하나의 버스바 프레임(330)에 장착될 수 있다.
전지셀(110)은, 전지셀(110)의 전면 및 후면(y축 방향 및 -y축 방향)으로 돌출된 전극 리드(150)를 포함하고, 전극 리드(150)는 버스바 프레임(330)을 관통하면서 버스바 프레임(330)에 장착될 수 있다.
버스바 프레임(330)은 전극 리드(150) 및 전극 리드(150)의 일부분을 감싸는 파우치 케이스인 셀 테라스(130)가 삽입 장착되는 전지셀 삽입부(331), 전지셀 삽입부(331)와 연결되어 전극 리드(150)를 버스바 프레임(330) 외부로 관통시키는 슬릿(332)을 포함한다.
전지셀 삽입부(331)는 버스바 프레임(330)의 일측에 위치하고, 슬릿(332)과 연결된 홀일 수 있다. 전지셀 삽입부(331)는, 전극 리드(150)와 셀 테라스(130)가 버스바 프레임(330)에 삽입되는 영역일 수 있다. 전지셀 삽입부(331)는 전지셀(110)과 가까운 버스바 프레임(330)의 일측에 위치하는 홀일 수 있다.
전지셀 삽입부(331)의 형상은 셀 테라스(130)의 형상과 대응될 수 있다. 셀 테라스(130)는 파우치 케이스의 본체로부터 연장되며, 전극 조립체를 밀봉할 수 있도록 실링된 일 영역이다. 셀 테라스(130)의 일측 및 타측, 구체적으로 셀 테라스(130)의 전방 및 후방(y축 방향 및 -y축 방향)에는 전극 리드(150)가 일부 돌출될 수 있다.
슬릿(332)은 버스바 프레임(330)의 타측에 위치하고, 전지셀 삽입부(331)와 연결된 홀일 수 있다. 슬릿(332)은, 전지셀 삽입부(331)에 삽입된 전극 리드(150)를 버스바 프레임(330)의 외부로 통과시키는 홀일 수 있다. 슬릿(332)는 전지셀(110)과 먼 버스바 프레임(330)의 타측에 위치하는 홀일 수 있다.
슬릿(332)의 형상은 전극 리드(150)의 형상과 대응될 수 있다. 이 경우, 셀 테라스(130)를 수용하는 전지셀 삽입부(331)에 비해, 전극 리드(150)만을 수용하는 슬릿(332)은 전지셀 삽입부(331)보다 크기가 작을 수 있다.
버스바 프레임(330)은, 버스바 프레임(330)의 일측 및 타측을 관통하는 전지셀 삽입부(331) 및 슬릿(332)을 포함한다. 셀 테라스(130) 및 전극 리드(150)는 전지셀 삽입부(331)로 삽입되고, 전극 리드(150)는 슬릿(332)을 통해 버스바 프레임(330)을 통과하여 외부로 돌출될 수 있다.
다만, 셀 테라스(130) 및 전극 리드(150)만 버스바 프레임(330) 내부에 위치하는 것은 아니고, 이외에, 가압 플레이트(350)가 버스바 프레임(330) 내에 추가로 삽입되어 구비될 수 있다.
가압 플레이트(350)는 버스바 프레임(330) 내부에 삽입되어 위치하는 판일 수 있다. 가압 플레이트(350)는 전극 리드(150)의 높이(z축 방향)와 대응되는 높이를 가지는 평평한 판일 수 있으나, 가압 플레이트(350)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다. 본 도면에 개시되어 있지 않지만, 가압 플레이트(350)는 중심부가 뚫린 중공 형태로, 전극 리드(150)를 통과시키는 구조일 수도 있다.
가압 플레이트(350)는 버스바 프레임(330)과 같이 절연 소재일 수 있다. 이는 도체인 전극 리드(150)와 전기적으로 연결되어 단락이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.
가압 플레이트(350)는 전극 리드(150)의 일면 및/또는 타면과 접하면서 위치할 수 있다. 구체적으로, 가압 플레이트(350)는 전지셀 삽입부(331)로 삽입되어, 전극 리드(150)가 버스바 프레임(330) 내부에 위치하는 영역에 함께 위치할 수 있다.
가압 플레이트(350)가 버스바 프레임(330) 내부에 위치하는 영역은 가압 영역(PA)일 수 있다. 가압 영역(PA)은 전지셀 삽입부(331)를 구성하는 일 영역으로, 버스바 프레임(330) 내에서 전극 리드(150) 및 가압 플레이트(350)가 위치하는 영역일 수 있다. 이 때, 가압 영역(PA)의 폭은, 전극 리드(150) 및 가압 플레이트(350)의 폭의 합과 대응될 수 있다. 구체적으로, 가압 영역(PA)의 폭은, 전극 리드(150) 및 가압 플레이트(350)의 폭의 합과 같거나, 이보다 클 수 있다.
즉, 가압 플레이트(350)는 전극 리드(150)와 함께 버스바 프레임(330) 내부에 위치함으로써 전극 리드(150)를 가압하여, 전극 리드(150)와 버스바 프레임(330) 사이의 조립 공차를 감소시킬 수 있다.
가압 플레이트(350)와 전극 리드(150)가 함께 버스바 프레임(330) 내에 위치하는 경우, 이들은 플레이트 결합부(333)에 결합되는 결합 부재(360)로 고정될 수 있다.
플레이트 결합부(333)는 가압 영역(PA)에 위치하는 홀로, 버스바 프레임(330)의 일측면을 관통하여 가압 영역(PA)과 연결되는 홀이다. 구체적으로, 플레이트 결합부(333)는, 전지셀 삽입부(331) 및 슬릿(332)과 평면상에서 수직한 방향으로 버스바 프레임(330)의 일측면을 관통하여 가압 영역(PA)과 연결되는 홀일 수 있다.
플레이트 결합부(333)에는 결합 부재(360)가 삽입될 수 있다. 플레이트 결합부(333)에 삽입되는 결합 부재(360)는, 예를 들어 무두 볼트일 수 있으나, 가압 플레이트(350)를 고정하는 것이라면 이에 한정되는 것은 아니다.
정리하자면, 결합 부재(360)는 플레이트 결합부(333)에 삽입되어 고정됨으로써 전극 리드(150) 및 가압 플레이트(350)를 가압하여 고정할 수 있다. 이에 의해, 전극 리드(150) 및 가압 플레이트(350)가 보다 견고하게 고정되고, 따라서 전지셀(110)과 버스바 프레임(330) 간의 결합력 및 고정력이 향상될 수 있다.
추가로, 본 발명의 버스바 프레임(330)은 가이드 홀(335)을 포함할 수 있다. 가이드 홀(335)은 버스바 프레임(330)의 높이 방향(z축 방향)의 양 끝단부에 위치하는 홀일 수 있다. 구체적으로, 가이드 홀(335)은, 전지셀 삽입부(331) 및 슬릿(332)과 평면상에서(xy면) 수직한 방향으로 버스바 프레임(330)을 관통하는 홀일 수 있다.
가이드 홀(335)은 도 6 및 도 7에서 후술하는 가이드 핀(370)이 위치하는 영역일 수 있다. 가이드 홀(335)에는 가이드 핀(370)이 위치함으로써, 전지셀 적층체(120) 및 버스바 프레임(330) 간의 적층 위치를 가이드할 수 있다.
도 5를 참고하면, 하나의 전지셀(110)은 하나의 버스바 프레임(330)에 장착되어 고정되고, 전극 리드(150)는 버스바 프레임(330)의 외부로 돌출된다. 이 경우, 버스바 프레임(330) 외부로 돌출된 전극 리드(150)는, 전지셀(110)과 버스바 프레임(330)을 조립하는 기준이 될 수 있다.
구체적으로, 버스바 프레임(330)의 외부로 돌출된 전극 리드(150)의 일 면은 조립 기준면(160)일 수 있다. 조립 기준면(160)은, 너비(w1) 및 높이(h1)가 고정된 면으로, 복수의 전지셀(110)의 모든 전극 리드(150)의 너비(w1) 및 높이(h1)를 설정하는 기준면일 수 있다. 조립 기준면(160)의 너비(w1)는 전극 리드(150)가 돌출된 방향으로의 길이일 수 있고, 조립 기준면(160)의 높이(h1)는 너비(w1)와 수직하는 전극 리드(150)의 길이일 수 있다. 이 때, 조립 기준면(160)은 전지 스펙에 따라 달라질 수 있으므로, 전극 리드(150)의 너비(w1) 및 높이(h1)는 전지 스펙에 따라 조절 가능할 수 있다.
즉, 조립 기준면(160)이 설정되면, 설정된 조립 기준면(160) 만큼 버스바 프레임(330) 외부로 전극 리드(150)가 돌출되도록 복수의 전지셀(110) 및 이와 대응되는 각각의 버스바 프레임(330)이 조립될 수 있다.
정리하자면, 조립 기준면(160)이 설정됨으로 인해, 전지셀(110)과 버스바 프레임(330) 간의 결합 기준이 설정되어 일정한 스펙으로 전지셀(110)과 버스바 프레임(330) 간의 결합이 가능할 수 있다. 이에 버스바 프레임(330)에서 돌출되는 전극 리드(150)의 길이 제어가 용이하므로, 용접 시 의도된 전극 리드(150)의 길이가 일정하게 구비될 수 있다. 따라서, 버스바(310)와 전극 리드(150)와의 전기적 연결에 있어서도, 전극 리드(150)의 용접 불량률이 감소될 수 있다.
도 6은 본 발명의 버스바 구조체가 가이드 핀과 결합하는 것을 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6의 전지셀 및 버스바 구조체가 적층되는 것을 나타내는 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 도 3 내지 도 5에서 버스바 프레임(330)과 결합된 전지셀(110)은 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다.
이 경우, 버스바 프레임(330)에 구비되는 가이드 홀(335)에는 가이드 핀(370)이 삽입될 수 있다. 구체적으로, 하나의 가이드 홀(335)에 가이드 핀(370)이 삽입되어 관통되고, 관통된 가이드 핀(370)은 다른 하나의 가이드 홀(335)에 삽입 관통됨으로써 복수의 전지셀(110)과 버스바 프레임(330)을 적층할 수 있다. 가이드 홀(335) 및 가이드 핀(370)은 버스바 프레임(330)의 적층 위치를 가이드하는, 위치 가이드 부재일 수 있다.
가이드 핀(370)은 전지셀 적층체(120)의 적층 방향(x축 방향)을 따라 연장된 핀일 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 가이드 핀(370)은 버스바 프레임(330)의 높이 방향(z축 방향)의 양 끝단부에 위치하는 홀인 가이드 홀(335)을 관통하면서, 버스바 프레임(330)을 정렬시킬 수 있다. 즉, 가이드 핀(370)은 복수의 버스바 프레임(330)에 위치하는 복수의 가이드 홀(335)을 관통하면서 위치하면서, 복수의 버스바 프레임(330)을 정렬시킬 수 있다.
가이드 핀(370)은 버스바 프레임(330)의 높이 방향(z축 방향)의 양 끝단부에 위치하는 가이드 홀(335) 모두에 결합할 수도 있고, 본 도면과 같이 버스바 프레임(330)의 높이 방향(z축 방향)의 일단부에만 위치할 수도 있다.
가이드 핀(370)은 강성이 높은 소재일 수 있다. 가이드 핀(370)은 버스바 프레임(330)보다 강성이 높을 수 있고, 예를 들어, 가이드 핀(370)은 금속 막대일 수 있다.
가이드 핀(370)을 기준으로 전지셀(110) 및 이와 결합된 각각의 버스바 프레임(330)이 적층되면, 전지셀 적층체(120)의 조립 편차가 감소할 수 있다. 구체적으로, 가이드 핀(370)을 기준으로 전지셀(110)이 적층되면, 가이드 핀(370)의 위치와 같은 위치에 전지셀(110)이 차례대로 적층된다. 따라서, 전지셀 적층체(120)의 좌우 방향(x축 방향 및 -x축 방향)에서의 조립 편차가 감소할 수 있고, 결론적으로 전지셀 적층체(120)의 최외각 전지셀(110)들도 모두 동일한 선상에 위치할 수 있다. 이로 인해, 전지 모듈이나 전지 팩, 또는 디바이스 내에서의 공간 활용률이 향상될 수 있고, 전지의 에너지 밀도도 함께 향상될 수 있다.
또한, 버스바 프레임(330)은 절연 소재로 형성되어 상대적으로 강성이 약할 수 있는데, 상대적으로 버스바 프레임(330)보다 강성이 큰 소재로 형성된 가이드 핀(370)이 결합됨으로써 버스바 프레임(330)의 강성이 향상될 수 있다. 따라서, 전체적으로 전지의 강성 및 내구성이 향상됨으로써, 전지의 안전성도 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 버스바가 버스바 프레임에 장착되는 것을 나타내는 도면이다. 도 9는 도 8의 버스바가 버스바 프레임에 장착된 것을 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 도 6 및 도 7에서 적층된 하나의 버스바 프레임(330)과 이웃하는 버스바 프레임(330) 사이에는 버스바(310)가 위치할 수 있다.
버스바(310)는 금속 판으로, 전극 리드(150)와 접하면서 전기적으로 연결될 수 있다. 버스바(310)는 하나의 전극 리드(150)와 이웃하는 전극 리드(150) 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로, 버스바(310)는 이웃하는 전극 리드(150) 사이에 위치하는 버스바 프레임(330)에 장착될 수 있다.
버스바(310)는 버스바(310)의 높이 방향(z축 방향)의 양 끝단부에 위치하는 홀인 버스바 결합부(311)를 포함할 수 있다.
버스바 결합부(311)는 버스바(310)를 관통하는 홀일 수 있다. 버스바(310)는 버스바 결합부(311)를 관통하면서 위치하는 결합 부재(360)로 인해, 버스바 프레임(330)에 고정 장착될 수 있다. 결합 부재(360)는, 예를 들어 볼트 등일 수 있다.
버스바(310)는 버스바 장착부(337)에 위치할 수 있다.
버스바 장착부(337)는 버스바 프레임(330)에 파여 있는 홈으로, 버스바(310)가 장착되는 영역일 수 있다. 버스바 장착부(337)는 버스바 프레임(330)의 양 측면에 파여 있는 홈으로, 보다 자세하세는 슬릿(332, 도 3 및 도 4 참조)을 사이에 두고 위치하는 홈일 수 있다.
버스바 장착부(337)는 버스바 프레임(330)의 일측면에 위치하는 제1 버스바 장착부(337a), 및 버스바 프레임(330)의 타측면에 위치하는 제2 버스바 장착부(337b)를 포함할 수 있다.
제1 버스바 장착부(337a) 및 제2 버스바 장착부(337b)의 크기는 서로 대응될 수 있다. 구체적으로, 제1 버스바 장착부(337a) 및 제2 버스바 장착부(337b)의 크기는 서로 동일할 수 있다.
제1 버스바 장착부(337a) 및 제2 버스바 장착부(337b)의 크기는 버스바(310)의 절반의 크기와 대응될 수 있다. 구체적으로, 되거나, 제1 버스바 장착부(337a) 및 제2 버스바 장착부(337b)의 크기는 버스바(310)의 절반의 크기와 동일하거나, 이보다 클 수 있다.
따라서, 하나의 버스바 프레임(330)과 이웃하는 다른 버스바 프레임(330)이 적층되는 경우, 하나의 버스바 프레임(330)의 제1 버스바 장착부(337a) 및 이웃하는 다른 버스바 프레임(330)의 제2 버스바 장착부(337b)는 하나의 버스바 장착부(337)를 형성한다. 즉, 하나의 버스바 장착부(337)는 이웃하는 버스바 프레임(330)들의 제1 버스바 장착부(337a) 및 제2 버스바 장착부(337b)일 수 있다. 즉, 이웃하는 버스바 프레임(330)들의 제1 버스바 장착부(337a) 및 제2 버스바 장착부(337b)에는 하나의 버스바(310)가 장착될 수 있다.
정리하자면, 버스바 장착부(337)인 홈에 버스바(310)가 장착되고, 버스바(310)는 버스바 결합부(311)를 관통하여 삽입되는 결합 부재(360)로 인해 버스바 장착부(337)에 보다 견고하게 결합 고정될 수 있다. 또한, 본 도면에는 개시되어 있지 않지만, 버스바 장착부(337)는 결합 부재(360)가 고정될 수 있는 추가적인 홈을 구비할 수 있고, 이로 인해 버스바(310)와의 고정력을 향상시킬 수 있다.
도 9를 참고하면, 버스바(310)가 버스바 장착부(337)에 장착되고 나면, 전극 리드(150)는 버스바(310)를 향해 벤딩되어 버스바(310)와 맞닿으면서 전기적으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 버스바 장착부(337)에 장착된 버스바(310)는, 이웃하는 각각의 버스바 프레임(330)의 전극 리드(150) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 각각의 전극 리드(150)는 버스바(310)를 향해 벤딩되면서, 버스바(310)와 접할 수 있다. 버스바(310)와 접하는 전극 리드(150)는 용접 등으로 고정되어 버스바(310)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이 경우, 버스바 프레임(330)의 외부로 돌출된 전극 리드(150)는 기준면으로, 복수의 전극 리드(150)는 모두 길이가 일정할 수 있다. 따라서, 전극 리드(150)와 버스바(310) 간의 용접 불량률이 감소될 수 있고, 이로 인해 전지의 에너지 효율이 향상될 수 있다.
앞에서 설명한 버스바 구조체 및 이를 포함하는 전지 모듈은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
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
150: 전극 리드
160: 조립 기준면
200: 모듈 프레임
300: 버스바 구조체
310: 버스바
311: 버스바 결합부
330: 버스바 프레임
331: 리드 삽입부
332: 슬릿
333: 플레이트 결합부
335: 가이드 홀
337: 버스바 장착부
350: 가압 플레이트
360: 결합 부재
370: 가이드 핀
400: 엔드 플레이트

Claims (19)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀과 각각 전기적으로 연결된 복수의 버스바, 및 상기 버스바가 위치하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 구조체를 포함하고,
    상기 버스바 프레임은 복수의 분리형 버스바 프레임을 포함하고, 상기 분리형 버스바 프레임들은 서로 위치 가이드 부재에 의해 결합되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 위치 가이드 부재는,
    상기 분리형 버스바 프레임에 구비되는 가이드 홀, 및
    상기 복수의 가이드 홀을 관통하면서 위치하는 가이드 핀을 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 가이드 핀은, 상기 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 연장된 핀인 전지 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 가이드 홀은, 상기 버스바 프레임의 높이 방향의 양 끝단부에 위치하는 홀인 전지 모듈.
  5. 제2항에서,
    상기 가이드 핀은 상기 버스바 프레임보다 강성이 큰 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 버스바 프레임은,
    상기 전지셀의 전면 및 후면으로 돌출된 전극 리드, 및 상기 전극 리드의 일부분을 감싸는 파우치 케이스인 셀 테라스가 삽입 장착되는 전지셀 삽입부, 및
    상기 전지셀 삽입부와 연결되어 상기 전극 리드를 상기 버스바 프레임의 외부로 관통시키는 슬릿을 포함하는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 버스바 프레임의 외부로 돌출된 상기 전극 리드의 일 면은 조립 기준면이고,
    상기 조립 기준면은, 상기 복수의 전지셀에서 모두 일정한 전지 모듈.
  8. 제6항에서,
    상기 버스바 프레임 내부에 구비되는 가압 플레이트를 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 가압 플레이트는,
    상기 버스바 프레임 내부에 위치하는 상기 전극 리드의 일면이나 타면과 접하거나,
    상기 전극 리드의 일면 및 타면과 접하면서 위치하는 전지 모듈.
  10. 제8항에서,
    상기 가압 플레이트는, 상기 전지셀 삽입부를 구성하는 일 영역인 가압 영역에 위치하고,
    상기 가압 영역은, 상기 전지셀 삽입부 및 상기 슬릿과 평면상에서 수직한 방향으로 상기 버스바 프레임을 관통하는 플레이트 결합부를 포함하는 전지 모듈.
  11. 제10항에서,
    상기 플레이트 결합부에 결합 부재가 삽입되어, 상기 버스바와 상기 가압 플레이트를 고정하는 전지 모듈.
  12. 제1항에서,
    상기 버스바는, 상기 버스바 프레임에 파여 있는 홈인 버스바 장착부에 위치하는 전지 모듈.
  13. 제12항에서,
    상기 버스바 장착부는 상기 버스바 프레임의 양 측면에 파여 있는 홈으로,
    상기 버스바 프레임의 일측면에 위치하는 제1 버스바 장착부, 및 상기 버스바 프레임의 타측면에 위치하는 제2 버스바 장착부를 포함하는 전지 모듈.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 버스바 장착부 및 상기 제2 버스바 장착부의 크기는, 서로 대응하는 전지 모듈.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 버스바 장착부 및 상기 제2 버스바 장착부의 크기는,
    상기 버스바의 절반의 크기와 동일하거나, 상기 버스바의 절반의 크기보다 큰 전지 모듈.
  16. 제13항에서,
    상기 버스바는, 이웃하는 상기 버스바 프레임들의 상기 제1 버스바 장착부 및 상기 제2 버스바 장착부에 장착되는 전지 모듈.
  17. 제12항에서,
    상기 버스바는, 상기 버스바의 높이 방향의 양 끝단부에 위치하는 홀인 버스바 결합부를 포함하는 전지 모듈.
  18. 제17항에서,
    상기 버스바 결합부에는 결합 부재가 삽입되어, 상기 버스바 장착부에 상기 버스바가 고정 결합되는 전지 모듈.
  19. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.


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