WO2020251176A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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WO2020251176A1
WO2020251176A1 PCT/KR2020/006274 KR2020006274W WO2020251176A1 WO 2020251176 A1 WO2020251176 A1 WO 2020251176A1 KR 2020006274 W KR2020006274 W KR 2020006274W WO 2020251176 A1 WO2020251176 A1 WO 2020251176A1
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battery cell
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battery module
cell stack
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김수열
박준규
윤한기
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more specifically, to a battery module that improves space utilization and minimizes the amount of use of a thermally conductive resin, and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries having high ease of application according to product groups and having electrical characteristics such as high energy density are commonly applied to electric vehicles or hybrid vehicles driven by electric drive sources, power storage devices, as well as portable devices.
  • Such a secondary battery is attracting attention as a new energy source for eco-friendly and energy efficiency enhancement in that it does not generate by-products from the use of energy as well as the primary advantage that it can dramatically reduce the use of fossil fuels.
  • Small mobile devices use one or two or three battery cells per device, whereas medium-sized devices such as automobiles require high power and large capacity. Therefore, a medium or large-sized battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected is used.
  • the medium and large-sized battery modules are preferably manufactured with a small size and weight as possible, prismatic batteries and pouch-type batteries, which can be stacked with a high degree of integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells of the medium and large battery modules.
  • the battery module in order to protect the cell stack from external shock, heat, or vibration, the front and rear surfaces may be opened to include a frame member for accommodating the battery cell stack in the inner space.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a battery module having a conventional mono frame.
  • the battery module includes a battery cell stack 12 formed by stacking a plurality of battery cells 11, a mono frame 20 with open front and rear surfaces to cover the battery cell stack 12, and It may include end plates 60 covering the front and rear surfaces of the mono frame 20.
  • a battery cell stack 12 formed by stacking a plurality of battery cells 11, a mono frame 20 with open front and rear surfaces to cover the battery cell stack 12, and It may include end plates 60 covering the front and rear surfaces of the mono frame 20.
  • horizontal assembly is required so that the battery cell stack 12 is inserted into the open front or rear of the mono frame 20 along the X-axis direction as shown in the arrow shown in FIG. 1.
  • clearance means a gap generated by fitting or the like.
  • a thermally conductive resin layer (not shown) may be formed between the battery cell stack 12 and the mono frame 20.
  • the thermally conductive resin layer may serve to transfer heat generated from the battery cell stack to the outside of the battery module and to fix the battery cell stack in the battery module. When the free space becomes large, the amount of the thermally conductive resin layer may be increased more than necessary.
  • the height of the mono frame 20 should be designed to be large in consideration of the maximum height of the battery cell stack 12 and the assembly tolerance during the insertion process, and thus, unnecessary space may occur.
  • An object of the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the same to improve space utilization and minimize the amount of use of a thermally conductive resin by modifying the structure of a frame member surrounding a battery cell stack.
  • the battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a U-shaped frame having an open top and receiving the battery cell stack, and the open U-shaped frame. It includes an upper plate covering the battery cell stack, the surface of the battery cell stack perpendicular to the stacking direction of the plurality of battery cells is mounted on the bottom of the U-shaped frame, one side of the bottom of the U-shaped frame A stepped portion is formed in, and the battery cell includes a protruding portion protruding toward the stepped portion, and the stepped portion is formed by a bent portion of a bottom portion of the U-shaped frame.
  • the bottom portion of the U-shaped frame member includes a first portion and a second portion, the first portion is located at an edge with respect to the length direction of the battery cell, the second portion is located inside the first portion
  • the first portion may correspond to the stepped portion, and the thickness of the bottom portion of the U-shaped frame may be the same before and after the bending portion for forming the stepped portion.
  • the battery module may further include a thermally conductive resin layer positioned between the bottom portion of the U-shaped frame and the battery cell stack in the second portion.
  • the battery module may further include an insulating sheet positioned between the stepped portion and the protruding portion of the battery cell.
  • the insulating sheet may be formed of polyethylene terephthalate (PET).
  • PET polyethylene terephthalate
  • the battery module further includes end plates coupled to both open sides of the U-shaped frame, and both open sides of the U-shaped frame face each other based on a protruding direction of the electrode lead of the battery cell stack. I can.
  • the U-shaped frame includes two side portions facing each other while being connected by a bottom portion and the bottom portion, and a distance between the two side portions may be the same as the width of the upper plate.
  • the protrusion may be formed in the width direction of the battery cell.
  • the battery cell includes three sealing portions and one connecting portion among the four edges, and a protruding portion of the battery cell may protrude from the connecting portion.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • space utilization may be improved by reducing a tolerance between the battery cell stack and the frame compared to the prior art.
  • the gap between the battery cell stack and the frame can be reduced, thereby improving space utilization in the height direction and minimizing the amount of thermally conductive resin applied.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a battery module having a conventional mono frame.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the components constituting the battery module of FIG. 2 are combined.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a pouch-type battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a U-shaped frame in the battery module of FIG. 2.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a thermally conductive resin layer formed on the bottom of the U-shaped frame in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a part of a cross section taken along the XZ plane of FIG. 3.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view according to the comparative example of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an insulating sheet included in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • this includes not only “directly over” another part, but also a case where another part is in the middle.
  • another part when one part is “directly above” another part, it means that there is no other part in the middle.
  • the reference part means that it is located above or below the reference part, and means that it is located “above” or “on” in the direction opposite to gravity. no.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a perspective view showing a state in which the components constituting the battery module of FIG. 2 are combined.
  • 4 is a perspective view showing a pouch-type battery according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 including a plurality of battery cells 110, a U-shaped frame with open top, front and rear surfaces. (300), an upper plate 400 covering an upper portion of the battery cell stack 120, an end plate 150 and a battery cell stack 120 positioned at the front and rear surfaces of the battery cell stack 120, respectively, and It includes a bus bar frame 130 positioned between the end plates 150.
  • the U-shaped frame 300 is formed of the battery cell stack 120 corresponding to the first side and the second side. It consists of a plate-shaped structure bent so as to continuously surround the front, lower and rear surfaces adjacent to each other among the remaining outer surfaces except for the surface.
  • the upper surface corresponding to the lower surface of the U-shaped frame 300 is open.
  • the upper plate 400 has a single plate-shaped structure that covers the rest of the upper surface except for the front, lower and rear surfaces that are wrapped by the U-shaped frame 300.
  • the U-shaped frame 300 and the upper plate 400 may form a structure surrounding the battery cell stack 120 by being coupled by welding or the like in a state in which the corresponding corner portions are in contact with each other. That is, the U-shaped frame 300 and the upper plate 400 may have a coupling portion CP formed at an edge portion corresponding to each other by a coupling method such as welding.
  • the battery cell stack 120 includes a plurality of battery cells 110 stacked in one direction, and the plurality of battery cells 110 may be stacked in the Y-axis direction as shown in FIG. 2.
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell.
  • two electrode leads 111 and 112 face each other, so that one end 114a of the battery body 113 and the other end 114b Each has a structure protruding from ).
  • the battery cell 110 is manufactured by bonding both ends 114a and 114b of the battery case 114 and a side portion 114c connecting them in a state in which the electrode assembly (not shown) is accommodated in the battery case 114 Can be.
  • the battery cell 110 has a total of three sealing portions 114sa, 114sb, and 114sc, and the sealing portions 114sa, 114sb, 114sc are sealed by a method such as thermal fusion.
  • the other side portion may be formed of the connection portion 115.
  • the distance between both ends 114a and 114b of the battery case 114 is defined in the longitudinal direction of the battery cell 110, and a connection part with one side 114c connecting both ends 114a and 114b of the battery case 114 Between 115 may be defined in the width direction of the battery cell 110.
  • connection part 115 is an area extending long along an edge of the battery cell 110, and a protrusion 110p of the battery cell 110 may be formed at an end of the connection part 115.
  • the protrusion 110p may be formed on at least one of both ends of the connection part 115 and may protrude in a direction perpendicular to a direction in which the connection part 115 extends.
  • the protrusion 110p may be positioned between one of the sealing portions 114sa and 114sb of both ends 114a and 114b of the battery case 114 and the connection portion 115.
  • the battery case 114 is generally made of a laminate structure of a resin layer/metal thin film layer/resin layer.
  • a battery cell stacked body by attaching an adhesive member such as an adhesive adhesive such as double-sided tape or a chemical adhesive bonded by a chemical reaction upon adhesion to the surface of the battery case. 120 can be formed.
  • the battery cell stack 120 is stacked in the Y-axis direction, is accommodated in the U-shaped frame 300 in the Z-axis direction, and cooled by a thermally conductive resin layer to be described later.
  • a thermally conductive resin layer to be described later.
  • the battery cells are formed of cartridge-shaped parts, and the fixing between the battery cells is made by assembling the battery module frame.
  • due to the presence of the cartridge-type component there is little or no cooling action, or it may proceed in the direction of the surface of the battery cell, and cooling is not well performed in the height direction of the battery module.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a U-shaped frame in the battery module of FIG. 2.
  • 6 is a perspective view illustrating a thermally conductive resin layer formed on the bottom of the U-shaped frame in FIG. 5.
  • the U-shaped frame 300 includes a bottom portion 300a and two side portions 300b facing each other.
  • a thermally conductive resin is applied to the bottom portion 300a of the U-shaped frame 300, and The conductive resin may be cured to form the thermally conductive resin layer 310 shown in FIG. 6.
  • the battery cell stack 120 is formed along a direction perpendicular to the bottom portion 300a of the U-shaped frame 300. While moving, it may be mounted on the bottom portion 300a of the U-shaped frame 300. Then, the thermally conductive resin layer 310 formed by curing the thermally conductive resin is positioned between the bottom portion 300a of the U-shaped frame 300 and the battery cell stack 120. 2 and 6, the thermally conductive resin layer 310 may serve to transfer heat generated from the battery cell 110 to the bottom of the battery module 100 and fix the battery cell stack 120. have.
  • the bottom portion 300a of the U-shaped frame includes a first portion 300a1 and a second portion 300a2, and the first portion 300a1 is based on the length direction of the battery cell 110. Located at the edge, the second part 300a2 is located inside the first part 300a1.
  • the thermally conductive resin layer 310 may be formed on the second portion 300a2.
  • the longitudinal direction of the battery cell 110 may be the X-axis direction of FIG. 5.
  • the thickness of the first portion 300a1 is the same as that of the second portion 300a2, and the portion extending from the second portion 300a2 to the first portion 300a1 is bent to form the first portion 300a.
  • the step portion 300s may be formed in the corresponding region.
  • the stepped portion refers to a structure generated by a difference in height from the periphery.
  • the stepped portion 300s may be formed by processing the bottom portion 300a of the U-shaped frame or pressing a part of the bottom portion 300a of the U-shaped frame.
  • the battery cell stack 120 is mounted on the bottom portion 300a of the U-shaped frame 300 so that the protrusion 110p of the battery cell 110 according to the present embodiment protrudes toward the step portion 300s. do.
  • the widths of the side portion 300b and the upper plate 400 of the U-shaped frame 300 according to the present embodiment may be the same.
  • the edge portion along the X-axis direction of the upper plate 400 and the edge portion along the X-axis direction of the side portion 300b of the U-shaped frame 300 may be directly met and joined by a method such as welding.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a part of a cross section taken along the XZ plane of FIG. 3.
  • the battery module 100 includes a bottom portion of a U-shaped frame 300 having a first portion 300a1 and a second portion 300a2.
  • the first part 300a1 and the second part 300a2 have the same thickness, and the first part 300a1 and the second part 300a2 are connected by the bending part 305.
  • the second portion 300a2 is positioned at a higher level than the first portion 300a1.
  • the protrusion 110p of the battery cell 110 protrudes toward the stepped portion 300s formed in the first portion 300a1. Accordingly, it is possible to prevent the protrusion 110p from flowing due to an external shock by being caught in a step between the first portion 300a1 and the second portion 300a2.
  • the gap between the battery cell 110 and the frame member through the press molding of the U-shaped frame bottom portion 300a, and this gap reduction effect can be achieved through the height direction assembly.
  • the overall space efficiency can be maximized.
  • the protrusion 110p of the battery cell 110 is formed in the stepped portion 300s, thereby minimizing the separation distance between the battery cell 110 and the bottom portion 300a of the U-shaped frame 300, resulting in space efficiency.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view according to the comparative example of FIG. 7.
  • the bottom portion of the U-shaped frame may generate a step portion through processing or press compression of the frame bottom portion.
  • the U-shaped frame bottom includes a first portion 300a1' and a second portion 300a2' having different thicknesses.
  • the thickness of the bottom portion of the U-shaped frame corresponding to the second portion 300a2' cannot be reduced.
  • the battery module according to the embodiment of FIG. 7 since the thickness of the frame bottom can be reduced by forming the stepped portion 300s through press molding, a design to reduce the height of the case of the battery pack in which the battery module is mounted is required. It is possible.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an insulating sheet included in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module according to the present embodiment may further include an insulating sheet 315 formed on the stepped portion 300s.
  • the insulating sheet 315 may be formed of polyethylene terephthalate (PET), and may be positioned between the protrusion 110p and the step 300s of the battery cell 110 described above.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the insulating sheet 315 functions to electrically insulate between the protruding portion 110p of the battery cell 110 and the U-shaped frame bottom portion 300a. In this case, the insulating sheet 315 may contact the protrusion 110p of the battery cell 110.
  • an undercut shape 300r may be formed in the stepped portion 300s. The undercut shape 300r may have a round shape.
  • the shape of the insulating sheet 315 may be simplified by the undercut shape 300r formed in the stepped portion 300s. That is, the insulating sheet 315 may be applied only to the inside of the press-formed portion, thereby simplifying and forming the corner of the insulating sheet 315 adjacent to the undercut shape 300r in a right angle shape.
  • one or more of the battery modules may be packaged in a pack case to form a battery pack.
  • the battery module and the battery pack including the same may be applied to various devices.
  • a device may be applied to a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto, and the present invention is applicable to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same. It belongs to the scope of the invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임, 및 상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮는 상부 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 전지셀의 적층 방향과 수직한 상기 전지셀 적층체의 면이 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착되며, 상기 U자형 프레임의 바닥부 일측에 단차부가 형성되고, 상기 전지셀은 상기 단차부를 향해 돌출되는 돌출부를 포함하며, 상기 단차부는 상기 U자형 프레임의 바닥부의 벤딩부에 의해 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 6월 12일자 한국 특허 출원 제10-2019-0069232호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 공간 활용률을 향상시키고, 열전도성 수지의 사용량을 최소화하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 프레임 부재를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 모노 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 전지 모듈은 복수의 전지셀(11)이 적층되어 형성된 전지셀 적층체(12), 전지셀 적층체(12)를 덮도록 전면과 후면이 개방된 모노 프레임(20) 및 모노 프레임(20)의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트(60)를 포함할 수 있다. 이러한 전지 모듈을 형성하기 위해, 도 1에 도시한 화살표와 같이 X축 방향을 따라 모노 프레임(20)의 개방된 전면 또는 후면으로 전지셀 적층체(12)가 삽입되도록 수평 조립이 필요하다. 다만, 이러한 수평 조립이 안정적으로 될 수 있도록 전지셀 적층체(12)와 모노 프레임(20) 사이에 충분한 여유 공간(clearance)을 확보해야 한다. 여기서, 여유 공간(clearance)이란 끼워 맞춤 등에 의해 발생하는 틈을 말한다.
전지셀 적층체(12)와 모노 프레임(20) 사이에 열전도성 수지층(미도시)을 형성할 수 있다. 열전도성 수지층은 전지셀 적층체로부터 발생한 열을 전지 모듈 바깥으로 전달하고, 전지셀 적층체를 전지 모듈 내에 고정하는 역할을 할 수 있다. 여유 공간이 커지게 되면 열전도성 수지층의 사용량이 필요 이상으로 많아질 수 있다.
뿐만 아니라, 모노 프레임(20)의 높이는 전지셀 적층체(12)의 최대 높이와 삽입 과정에서의 조립 공차(tolerance) 등을 고려해 크게 설계되어야 하며, 그로 인해 불필요하게 낭비되는 공간이 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 적층체를 감싸는 프레임 부재의 구조를 변형함으로써 공간 활용률을 향상시키고, 열전도성 수지의 사용량을 최소화하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하기 위한 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 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임, 및 상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮는 상부 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 전지셀의 적층 방향과 수직한 상기 전지셀 적층체의 면이 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착되며, 상기 U자형 프레임의 바닥부 일측에 단차부가 형성되고, 상기 전지셀은 상기 단차부를 향해 돌출되는 돌출부를 포함하며, 상기 단차부는 상기 U자형 프레임의 바닥부의 벤딩부에 의해 형성된다.
상기 U자형 프레임 부재의 바닥부는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 전지셀의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분 안쪽에 위치하며, 상기 제1 부분은 상기 단차부에 대응하고, 상기 단차부를 형성하기 위한 벤딩부 전후에서 상기 U자형 프레임의 바닥부 두께는 서로 동일할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 제2 부분에서 상기 U자형 프레임의 바닥부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 단차부와 상기 전지셀의 돌출부 사이에 위치하는 절연 시트를 더 포함할 수 있다.
상기 절연 시트는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 결합된 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 U자형 프레임의 개방된 양측은 상기 전지셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향을 기준으로 서로 대향할 수 있다.
상기 U자형 프레임은 바닥부 및 상기 바닥부에 의해 연결되면서, 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고, 상기 2개의 측면부 사이의 거리는 상기 상부 플레이트의 폭과 동일할 수 있다.
상기 돌출부는 상기 전지셀의 폭 방향으로 형성될 수 있다.
상기 전지셀은 4개의 테두리 중 3개의 실링부와 1개의 연결부를 포함하고, 상기 전지셀의 돌출부는 상기 연결부로부터 돌출될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, U자형 프레임을 구현하여 종래 기술 대비하여 전지셀 적층체와 프레임 사이의 공차를 줄여 공간 활용률을 향상시킬 수 있다.
또한, U자형 프레임의 바닥부 가장자리를 프레스 성형하여 전지셀 적층체와 프레임 사이의 갭을 축소하여 높이 방향으로의 공간 활용성을 향상시키면서 열전도성 수지의 도포량을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 모노 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈을 구성하는 구성 요소들을 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 2의 전지 모듈에서 U자형 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5에서 U자형 프레임의 바닥부에 형성된 열전도성 수지층을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 3의 XZ 평면을 따라 자른 단면 중 일부를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 비교예에 따른 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함된 절연 시트를 나타내는 사시도이다.
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 모듈을 나타내는 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈을 구성하는 구성 요소들을 결합한 상태를 나타내는 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 전지를 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지셀 적층체(120), 상부면, 전면 및 후면이 개방된 U자형 프레임(300), 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(400), 전지셀 적층체(120)의 전면과 후면에 각각 위치하는 엔드 플레이트(150) 및 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(150) 사이에 위치하는 버스바 프레임(130)을 포함한다.
U자형 프레임(300)의 개방된 양측을 각각 제1 측과 제2 측이라고 할 때, U자형 프레임(300)은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 전지셀 적층체(120)의 면을 제외하고 나머지 외면들 중에서, 서로 인접한 전면, 하면 및 후면을 연속적으로 감싸도록 절곡된 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(300)의 하면에 대응하는 상면은 개방되어 있다.
상부 플레이트(400)는 U자형 프레임(300)에 의해 감싸지는 전면, 하면 및 후면을 제외한 나머지 상면을 감싸는 하나의 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써 전지셀 적층체(120)를 감싸는 구조를 형성할 수 있다. 즉, U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위에 용접 등의 결합 방법으로 형성된 결합부(CP)가 형성될 수 있다.
전지셀 적층체(120)는 일방향으로 적층된 복수의 전지셀(110)을 포함하고, 복수의 전지셀(110)은 도 2에 도시한 바와 같이 Y축 방향으로 적층될 수 있다. 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 4를 참고하면 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 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 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이가 전지셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 연결부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗어 있는 영역이며, 연결부(115)의 단부에 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 돌출부(110p)는 연결부(115)의 양 단부 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 연결부(115)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부(110p)는 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)의 실링부(114sa, 114sb) 중 하나와 연결부(115) 사이에 위치할 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 전지셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 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 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 전지셀 적층체(120)는 Y축 방향으로 적층되고, Z축 방향으로 U자형 프레임(300) 내부에 수용되어 후술하는 열전도성 수지층에 의해 냉각이 진행될 수 있다. 이에 대한 비교예로서 전지셀이 카트리지 형태의 부품으로 형성되어 전지셀 간의 고정이 전지 모듈 프레임으로 조립으로 이루어지는 경우가 있다. 이러한 비교예에서는 카트리지 형태의 부품의 존재로 인해 냉각 작용이 거의 없거나 전지셀의 면 방향으로 진행될 수 있고, 전지 모듈의 높이 방향으로는 냉각이 잘 되지 않는다.
도 5는 도 2의 전지 모듈에서 U자형 프레임을 나타내는 사시도이다. 도 6은 도 5에서 U자형 프레임의 바닥부에 형성된 열전도성 수지층을 나타내는 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 U자형 프레임(300)은 바닥부(300a) 및 서로 마주보는 2개의 측면부(300b)를 포함한다. 도 2에서 설명한 전지셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착되기 전에, U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 열전도성 수지를 도포하고, 열전도성 수지를 경화하여 도 6에 도시한 열전도성 수지층(310)을 형성할 수 있다.
열전도성 수지층(310)을 형성하기 이전에, 즉 상기 도포한 열전도성 수지가 경화되기 전에 전지셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 수직한 방향을 따라 이동하면서 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착될 수 있다. 이후 열전도성 수지가 경화되어 형성된 열전도성 수지층(310)은 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치한다. 도 2 및 도 6을 참고하면, 열전도성 수지층(310)은 전지셀(110)에서 발생하는 열을 전지 모듈(100) 바닥으로 전달하고 전지셀 적층체(120)를 고정하는 역할을 할 수 있다.
본 실시예에 따른 U자형 프레임의 바닥부(300a)는 제1 부분(300a1)과 제2 부분(300a2)을 포함하고, 제1 부분(300a1)은 전지셀(110)의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하고, 제2 부분(300a2)은 제1 부분(300a1) 안쪽에 위치한다. 열전도성 수지층(310)은 제2 부분(300a2)에 형성될 수 있다. 여기서, 전지셀(110)의 길이 방향이란 도 5의 X축 방향일 수 있다. 이때, 제1 부분(300a1)의 두께는 제2 부분(300a2)의 두께보다 동일하고, 제2 부분(300a2)에서 제1 부분(300a1)으로 이러지는 부분이 벤딩되어 제1 부분(300a)에 대응하는 영역에 단차부(300s)가 형성될 수 있다. 여기서, 단차부란 주변과 높이 차이가 발생하여 생기는 구조를 가리킨다.
단차부(300s)는 U자형 프레임의 바닥부(300a)를 가공하거나 U자형 프레임의 바닥부(300a) 일부를 프레스 압축함으로써 형성될 수 있다. 후술하겠지만, 본 실시예에 따른 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 단차부(300s)를 향해 돌출되도록 전지셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착된다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 본 실시예에 따른 U자형 프레임(300)의 측면부(300b)와 상부 플레이트(400)의 폭은 서로 동일할 수 있다. 다시 말해, 상부 플레이트(400)의 X축 방향에 따른 모서리 부분과 U자형 프레임(300)의 측면부(300b)의 X축 방향에 따른 모서리 부분이 직접 만나서 용접 등의 방법에 의해 결합될 수 있다.
도 7은 도 3의 XZ 평면을 따라 자른 단면 중 일부를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제1 부분(300a1)과 제2 부분(300a2)을 갖는 U자형 프레임(300)의 바닥부를 포함한다. 제1 부분(300a1)과 제2 부분(300a2)의 두께가 서로 동일하고, 벤딩부(305)에 의해 제1 부분(300a1)과 제2 부분(300a2)이 연결되어 있다. 제2 부분(300a2)은 제1 부분(300a1) 보다 높은 레벨에 위치한다. 제1 부분(300a1)에 형성된 단차부(300s)를 향해 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 돌출되어 있다. 따라서, 돌출부(110p)가 제1 부분(300a1)과 제2 부분(300a2) 사이의 단차에 걸려 외부 충격에 유동하는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 U자형 프레임 바닥부(300a)의 프레스 성형을 통해 전지셀(110)과 프레임 부재 사이의 갭을 줄일 수 있고, 이러한 갭 줄임 효과는 높이 방향 조립을 통해 얻을 수 있는 갭 줄임 효과와 상승 작용을 일으켜서 전체적인 공간 효율성을 최대화할 수 있다. 추가로, 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 단차부(300s)에 형성됨으로써, 전지셀(110)과 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a) 사이에 이격 거리가 최소화되어 공간 효율성을 높일 뿐만 아니라 열전도성 수지층(310)을 형성하기 위해 사용되는 열전도성 수지의 사용량을 줄여 원가 절감할 수 있다. 따라서, 냉각 효율도 높일 수 있다.
도 8은 도 7의 비교예에 따른 단면도이다.
도 8을 참고하면, 도 8의 비교예에서 U자형 프레임의 바닥부는 프레임 바닥부의 가공 또는 프레스 압축을 통해 단차부를 생성할 수 있다. 이때, U자형 프레임 바닥부는 두께가 서로 다른 제1 부분(300a1’)과 제2 부분(300a2’)을 포함한다. 본 비교예의 경우 도 7의 실시예와 마찬가지로 열전도성 수지의 사용량을 줄일 수 있다. 하지만, 제2 부분(300a2’)에 해당하는 U자형 프레임 바닥부의 두께는 줄일 수가 없다. 이에 반해, 도 7의 실시예에 따른 전지 모듈에서는 프레스 성형을 통해 단차부(300s)를 형성함으로써 프레임 바닥부의 두께를 축소할 수 있기 때문에 전지 모듈을 장착하는 전지팩의 케이스의 높이를 줄이는 설계가 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함된 절연 시트를 나타내는 사시도이다.
도 6, 도 7 및 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 단차부(300s)에 형성된 절연 시트(315)를 더 포함할 수 있다. 절연 시트(315)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 형성될 수 있으며, 앞에서 설명한 전지셀(110)의 돌출부(110p)와 단차부(300s) 사이에 위치할 수 있다. 절연 시트(315)는 전지셀(110)의 돌출부(110p)와 U자형 프레임 바닥부(300a) 사이를 전기적으로 절연하는 기능을 한다. 이때, 절연 시트(315)는 전지셀(110)의 돌출부(110p)와 접촉할 수 있다. 추가로, 단차부(300s)에 언더컷 형상(300r)이 형성될 수 있다. 언더컷 형상(300r)은 라운도 형태일 수 있다. 단차부(300s)에 형성된 언더컷 형상(300r)에 의해 절연 시트(315)의 형상을 단순화할 수 있다. 즉, 절연 시트(315)를 프레스 성형부 내측으로만 적용하여 언더컷 형상(300r)에 인접한 절연 시트(315)의 모퉁이를 직각 형태로 단순화하여 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 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 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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.
부호의 설명
100: 전지 모듈
300: U자형 프레임
300a: 바닥부
300b: 측면부
300r: 언더컷 형상
310: 열전도성 수지층
400: 상부 플레이트

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임, 및
    상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지셀 적층체를 덮는 상부 플레이트를 포함하고,
    상기 복수의 전지셀의 적층 방향과 수직한 상기 전지셀 적층체의 면이 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착되며,
    상기 U자형 프레임의 바닥부 일측에 단차부가 형성되고, 상기 전지셀은 상기 단차부를 향해 돌출되는 돌출부를 포함하며,
    상기 단차부는 상기 U자형 프레임의 바닥부의 벤딩부에 의해 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 U자형 프레임 부재의 바닥부는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 전지셀의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분 안쪽에 위치하며,
    상기 제1 부분은 상기 단차부에 대응하고, 상기 단차부를 형성하기 위한 벤딩부 전후에서 상기 U자형 프레임의 바닥부 두께는 서로 동일한 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 부분에서 상기 U자형 프레임의 바닥부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 단차부와 상기 전지셀의 돌출부 사이에 위치하는 절연 시트를 더 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 절연 시트는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 형성되는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 결합된 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 U자형 프레임의 개방된 양측은 상기 전지셀 적층체의 전극 리드가 돌출된 방향을 기준으로 서로 대향하는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 U자형 프레임은 바닥부 및 상기 바닥부에 의해 연결되면서, 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고,
    상기 2개의 측면부 사이의 거리는 상기 상부 플레이트의 폭과 동일한 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 돌출부는 상기 전지셀의 폭 방향으로 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 전지셀은 4개의 테두리 중 3개의 실링부와 1개의 연결부를 포함하고,
    상기 전지셀의 돌출부는 상기 연결부로부터 돌출되어 있는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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