WO2020251143A1

WO2020251143A1 - 전지 모듈 및 그 제조 방법

Info

Publication number: WO2020251143A1
Application number: PCT/KR2020/003799
Authority: WO
Inventors: 정기택; 성준엽
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-12-17
Also published as: EP3780155B1; US20210265707A1; EP3780155A1; KR102466503B1; CN112470334B; KR20200141717A; JP2021531614A; CN112470334A; EP3780155A4; HUE064878T2; JP7123472B2

Abstract

본 발명은 연성회로기판을 연결하는 커넥터를 갖는 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면에 각각 형성되는 제1,2 버스바 프레임 및 상기 제1,2 버스바 프레임을 연결하는 연성회로기판을 포함하고, 상기 연성회로기판은 서로 분리된 제1 연성회로기판부와 제2 연성회로기판부를 포함하며, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부는 커넥터를 통해 서로 연결된다.

Description

전지 모듈 및 그 제조 방법

관련 출원(들)과의 상호 인용

본 출원은 2019년 06월 11일자 한국 특허 출원 제10-2019-0068577호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 발명은 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연성회로기판을 연결하는 커넥터를 갖는 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이차 전지는 모바일 기기 및 전기 자동차 등의 다양한 제품군에서 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존 제품의 사용을 대체할 수 있는 유력한 에너지 자원으로서, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생하지 않아 친환경 에너지원으로서 각광받고 있다.

최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.

한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.

이러한 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 전지셀 적층체의 양단에 각각 형성되는 버스바 프레임, 양단의 버스바 프레임을 연결하는 연성회로기판(FPCB)을 포함하여 구성된다.

도 1은 종래의 전지 모듈에서의 프레임, 전지셀 적층체 및 연성회로기판이구비된 모습을 나타낸 도면이다. 도 2는 종래의 전지 모듈에서의 연성회로기판 커버 및 연성회로기판에 대한 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래에는 전후면이 개방된 육면체 형상의 프레임(20) 내부에 전지셀 적층체(10), 버스바 프레임(30) 및 연성회로기판(FPCB)(40)을 삽입 설치하고, 엔드 플레이트(60)로 프레임(20)의 전후면을 커버하였다. 이때 연성회로기판(40)이 부착된 연성회로기판 커버(50)와 연성회로기판 커버(50)의 양단에 연결되는 버스바 프레임(30)을 각각 힌지 조립하고, 힌지 조립된 버스바 프레임(30), 연성회로기판 커버(50)를 전지셀 적층체(10)에 안착시킨 후, 전지셀 적층체(10)와 함께 프레임(20)에 삽입 설치하였다.

그러나, 도 1 및 도 2에 개시된 바와 같이, 연성회로기판(40)을 프레임(20) 내부에 삽입 시 연성회로기판(40)이 손상될 우려가 있으므로, 연성회로기판 커버(50)에 연성회로기판(40)을 부착한 상태로 프레임(20) 내부에 삽입 설치해야 되었으며, 연성회로기판 커버(50)로 인해 전지 모듈의 높이가 1.0~1.2mm 높아지는 문제점이 있다.

또한 전지셀 적층체(10)와 버스바 프레임(30)을 힌지 구조를 통해 조립시,연성회로기판 커버(50)를 전지셀 적층체(10)의 상부에 안착한 후 양단의 버스바 프레임(30)을 힌지를 중심으로 회전하여 전지셀 적층체(10)의 전후면과 접촉하도록 설치할 수 있다. 이때, 버스바 프레임(30)의 회전시 전지셀 적층체(10)의 전후면에 돌출 형성된 전극 리드의 끝단과 회전을 통해 들어오는 버스바 프레임(30)이 간섭을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.

또한 전지셀 적층체(10)의 적층시, 전지셀 측면에 형성된 폴딩부의 중첩으로 인한 누적 공차가 발생할 경우, 연성회로기판 커버(50)의 용적으로 인한 공간 협소로 인해 전지셀 상호간에 간섭 현상이 일어날 수 있는 문제점이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 연성회로기판 커버를 제거하여 모듈 내에 소정의 공간을 확보하며, 동시에 연성회로기판 설치시 그 손상을 방지할 수 있는 구조를 가진 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면에 각각 형성되는 제1,2 버스바 프레임 및 상기 제1,2 버스바 프레임을 연결하는 연성회로기판을 포함하고, 상기 연성회로기판은 서로 분리된 제1 연성회로기판부와 제2 연성회로기판부를 포함하며, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부는 커넥터를 통해 서로 연결된다.

또한 상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의제조 방법은, 제1 버스바 프레임은 제1 연성회로기판부와 결합하고, 제2 버스바 프레임은 제2 연성회로기판부와 결합하는 단계, 상기 제1,2 버스바 프레임이 전지셀 적층체의 전면과 후면에 각각 결합하는 단계, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부가 커넥터로 연결되는 단계를 포함한다.

상기 커넥터는 상기 연성회로기판의 중앙에 형성되어, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부를 연결할 수 있다.

상기 커넥터는 상기 연성회로기판의 양 단부 중 하나의 단부에 형성되어, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부를 연결할 수 있다.

상기 전지셀 적층체는, 상기 전지셀 적층체의 중앙 및 양단에서 상기 복수의 전지셀을 수직 방향으로 고정하는 전지셀 고정부를 포함할 수 있다.

상기 커넥터는 상기 전지셀 고정부 상에 위치할 수 있다.

상기 커넥터는 상기 제1,2 연성회로기판부의 마주보는 끝단부 각각에 형성되어 상기 제1,2 연성회로기판부를 연결시킬 수 있다.

상기 제1,2 버스바 프레임이 상기 전지셀 적층체에 결합하는 단계에서, 상기 제1,2 버스바 프레임은 상기 전지셀 적층체의 전면과 후면에 각각 수직 방향으로 결합할 수 있다.

상기 제1,2 버스바 프레임이 상기 제1,2 연성회로기판부와 각각 결합하는 단계에서, 상기 제1,2 버스바 프레임과 상기 제1,2 연성회로기판부는 각각 수직 방향으로 결합할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 전지 모듈을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 그 제조방법은, 연성회로기판의 중간 혹은 가장자리에 커넥터를 적용함으로써, 연성회로기판 커버를 제거 가능하여, 반제품 운송 및 In-Line 작업시 연성회로기판의 손상을 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 그 제조방법은, 버스바 프레임의 조립시 힌지에 의한 회전 조립이 아니라 전지셀 적층체의 전후면과 수직인 방향으로 조립 설치 함으로써 조립시 발생할 수 있는 전극 리드와 버스바 프레임 간의 간섭 문제를 해결할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 그 제조방법은, 힌지 구조의 미적용으로 인한 힌지의 변형 및 이탈 현상이 없어짐으로 인해 제조 공정의 작업성이 향상될 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 그 제조방법은, 연성회로기판 커버 설치 및 힌지 조립공정의 불필요로 인해 제품 제작시 원가 절감의 효과가 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 그 제조방법은, 연성회로기판 커버의 제거로 인해 전지 모듈 높이가 축소될 수 있음으로 인해, 공간의 효율성을 확보할 수 있으며, 모듈 자체의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 이점이 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 모듈에서의 프레임, 전지셀 적층체 및 연성회로기판이구비된 모습을 나타낸 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 연성회로기판 커버 및 연성회로기판에 대한 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.

도 4는 도 3의 버스바 프레임 및 연성회로기판의 조립 전 모습을 나타낸 사시도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.

이하에서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 버스바 프레임 및 연성회로기판의 조립 전 모습을 나타낸 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀(100)이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 전지셀 적층체의 양측면에 각각 형성되는 버스바 프레임(200) 및 버스바 프레임을 연결하는 연성회로기판(300)을 포함한다.

전지셀(100)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀(100)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(100)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체를 형성할 수 있다. 이러한 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 전지 케이스, 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다.

전지셀 적층체는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전지셀 적층체의 중앙 및 양단에서 복수의 전지셀(100)을 수직 방향으로 고정하는 전지셀 고정부(110)를 포함할 수 있다.

전지셀 적층체의 전면 및 후면에는 각각 버스바 프레임(200)이 형성될 수 있다. 버스바 프레임(200)은 버스바 및 셀 연결 보드를 포함하며, 복수개의 전지셀(100)의 전극 리드들을 전기적으로 연결할 수 있도록 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면을 커버하여 형성될 수 있다.

버스바 프레임(200)은, 전지셀 적층체의 일측면에 형성된 제1 버스바 프레임(210), 전지셀 적층체의 타측면에 형성된 제2 버스바 프레임(220)으로 형성되어, 전지셀 적층체 양측의 전극 리드들을 각각 전기적으로 연결할 수 있다.

연성회로기판(FPCB)(300)은 제1 버스바 프레임(210) 및 제2 버스바 프레임(220)을 서로 연결하도록 형성되며, 전지셀 적층체의 상측면에서 전지셀(100)의 길이방향을 따라 배치된다. 이러한 연성회로기판(300)은 제1,2 버스바 프레임(210, 220) 각각에 구비된 버스바와 전기적으로 연결되어, 복수의 전지셀(100)들을 센싱할 수 있도록 형성된다. 이렇게 연성회로기판(300)을 통해 센싱된 전지셀(100)에 관한 정보는 배터리 관리시스템(BMS, Battery Management System)으로 전달되어 복수의 전지셀(100)을 관리 및 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 종래 연성회로기판을 보호하기 위해 존재하던 연성회로기판 커버를 제거하여 형성된다. 연성회로기판 커버를 제거하여, 전지 모듈의 높이를 연성회로기판 커버의 두께 및 공차를 포함하여 대략 1.0~1.2mm 정도 축소할 수 있게 되었다. 이를 통해 전지 모듈의 컴팩트화를 통한 모듈 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으며, 또한 연성회로기판 커버를 제작하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

다만 상술한 바와 같이 연성회로기판 커버를 제거하면, 연성회로기판이 외부로 노출되어, 반제품 운송 및 대량 생산을 위한 In-Line 공정시 연성회로기판이 외부의 물체에 의해 손상될 위험이 존재한다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연성회로기판을 두개로 분리하고, 버스바 프레임을 전지셀 적층체에 먼저 용접한 후 분리된 두개의 연성회로기판을 커넥터를 통해 연결하는 조립 방식을 채택하였다.

보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연성회로기판(300)은, 서로 분리된 제1 연성회로기판부(310)와 제2 연성회로기판부(320)로 구성되며, 이러한 제1 연성회로기판부(310)와 제2 연성회로기판부(320)는 커넥터(400)를 통해 서로 연결될 수 있다. 커넥터(400)는 연성회로기판(300)의 중앙에 형성되어, 같은 길이로 형성된 제1 연성회로기판부(310) 및 제2 연성회로기판부(320)를 서로 연결할 수 있다.

종래에는 연성회로기판과 양측의 버스바 프레임이 힌지 구조를 통해 결합되어 있어, 연성회로기판 및 버스바 프레임을 전지셀 적층체에 장착 시 먼저 연성회로기판을 전지셀 적층체 상면에 안착시킨 후, 양측의 버스바 프레임을 힌지 회전을 통해 전지셀 적층체의 양측면에 결합시키는 방법으로 버스바 프레임 및 연성회로기판을 설치하였으나, 힌지 구조를 통한 조립시에는 버스바 프레임의 회전 설치 중 회전하는 버스바 프레임과 전극 리드의 끝단이 만나 설치되는 동안 서로간의 간섭하여 전극 리드가 손상될 수 있는 문제점이 있었다. 또한 힌지 구조 자체의 변형 및 이탈을 통하여 조립이 정상적으로 수행되지 않는 문제점 또한 존재하였다.

그러나 본 발명의 실시예에서는, 제1 버스바 프레임(210) 및 제2 버스바 프레임(220)이 전지셀 적층체의 전후면과 각각 수직으로 결합함으로써, 조립시 전극 리드와 버스바 프레임 간의 간섭 현상이 방지될 수 있고, 힌지 구조를 적용하지 않아 힌지 구조로 인한 변형 및 이탈 현상을 막을 수 있으며, 힌지 구조 조립 공정이 삭제됨으로써 그를 통한 원가 절감의 효과도 가질 수 있게 되었다.

상술한 바와 같이 제1,2 버스바 프레임(210, 220)를 전지셀 적층체에 수직으로 결합한 후, 제1 연성회로기판부(310)를 제1 버스바 프레임(210)에, 제2 연성회로기판부(320)를 제2 버스바 프레임(220)에 결합하고, 제1 연성회로기판부(310)와 제2 연성회로기판부(320)를 커넥터(400)를 통해 서로 연결시킬 수 있다.

커넥터(400)는 제1 연성회로기판부(310)와 제2 연성회로기판부(320)를 결합시키며, 전지셀(100)에 손상이 가지 않도록 크기를 최소화 하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 전지셀을 수직 방향으로 고정하는 전지셀 고정부(110)상에 커넥터(400)가 위치하도록 하여, 커넥터(400)와 복수의 전지셀(100) 간의 물리적 충격을 최소화하도록 형성될 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 커넥터(400')가 연성회로기판(300')의 양 단부 중 어느 하나의 단부에 형성되어, 연성회로기판부의 두 부분을 연결할 수 있다.

다만 커넥터(400')의 위치는 상술한 바와 같은 중앙 또는 양 단부로 한정되지 않으며, 커넥터의 위치에 상관없이 커넥터가 연성회로기판의 일부분에 형성되고, 상기 커넥터를 중심으로 양측으로 분리된 두 연성회로기판부를 연결하는 구조도 가능하다.

본 실시예에 따른 전지 모듈에서, 커넥터(400')의 설치 위치 이외의 다른 내용은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 내용과 마찬가지로 적용된다.

앞에서 설명한 전지 모듈은 전지팩에 포함될 수 있다. 전지팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.

상기 전지팩은 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 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

부호의 설명

100: 전지셀

110: 전지셀 고정부

200: 버스바 프레임

210: 제1 버스바 프레임

220: 제2 버스바 프레임

300: 연성회로기판

310: 제1 연성회로기판부

320: 제2 연성회로기판부

400: 커넥터

Claims

복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;

상기 전지셀 적층체의 전면과 후면에 각각 형성되는 제1,2 버스바 프레임; 및

상기 제1,2 버스바 프레임을 연결하는 연성회로기판을 포함하고,

상기 연성회로기판은 서로 분리된 제1 연성회로기판부와 제2 연성회로기판부를 포함하며, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부는 커넥터를 통해 서로 연결되는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 커넥터는 상기 연성회로기판의 중앙에 형성되어, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부를 연결하는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 커넥터는 상기 연성회로기판의 양 단부 중 하나의 단부에 형성되어, 상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부를 연결하는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 전지셀 적층체는, 상기 전지셀 적층체의 중앙 및 양단에서 상기 복수의 전지셀을 수직 방향으로 고정하는 전지셀 고정부를 포함하는 전지 모듈.
제4항에서,

상기 커넥터는 상기 전지셀 고정부 상에 위치하는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 커넥터는 상기 제1,2 연성회로기판부의 마주보는 끝단부 각각에 형성되어 상기 제1,2 연성회로기판부를 연결시키는 전지 모듈.
제1,2 버스바 프레임이 전지셀 적층체의 전면과 후면에 각각 결합하는 단계;

제1 연성회로기판부는 상기 제1 버스바 프레임에 결합하고, 제2 연성회로기판부는 상기 제2 버스바 프레임에 결합하는 단계;

상기 제1 연성회로기판부와 상기 제2 연성회로기판부가 커넥터로 연결되는 단계를 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
제7항에서,

상기 제1,2 버스바 프레임이 상기 전지셀 적층체에 결합하는 단계에서, 상기 제1,2 버스바 프레임은 상기 전지셀 적층체의 전면과 후면에 각각 수직 방향으로 결합하는 전지 모듈의 제조 방법.
제7항에서,

상기 제1,2 버스바 프레임이 상기 제1,2 연성회로기판부와 각각 결합하는 단계에서, 상기 제1,2 버스바 프레임과 상기 제1,2 연성회로기판부는 각각 수직 방향으로 결합하는 전지 모듈의 제조 방법.
제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.