WO2021071057A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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이현재
성준엽
최용준
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module having an improved fixing method for a plurality of battery cells, 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. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency improvement in that they do not generate any by-products from the use of energy as well as the primary advantage of being able to drastically reduce the use of fossil fuels.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are applied, respectively, are disposed with a separator therebetween, and an exterior material, that is, a battery case, for sealing the electrode assembly together with an electrolyte.
  • a lithium secondary battery may be classified into a prismatic secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • the medium and large-sized battery modules are preferably manufactured with a small size and weight as much as possible, prismatic batteries and pouch-type batteries that can be stacked with a high degree of integration and have a small weight to capacity are mainly used as battery cells of medium and large-sized battery modules.
  • the battery module may include a module frame for accommodating a stack of battery cells in an internal space in order to protect the plurality of battery cells from external shock, heat, or vibration.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module 10.
  • the illustration of the module frame has been omitted to describe the fixing method for the battery cells.
  • a conventional battery module 10 includes a battery cell stack 20 in which a plurality of battery cells 11 are stacked.
  • an adhesive 30 such as a double-sided tape is disposed between each of the battery cells 11, so that the battery cells ( 11) are fixed.
  • a compression pad may be further disposed on the battery cell 11 located at the outermost side, and an adhesive may be located between the compression pad and the battery cell 11.
  • the number of battery cells 11 constituting the battery cell stack 20 increases, the number of adhesives 30 to be disposed therebetween increases, and accordingly, the number of repeated processes increases. That is, in order to implement a high-output, large-capacity battery module, a plurality of battery cells 11 are required, but the conventional fixing method using the adhesive 30 has a problem that an unnecessary repetitive process is required.
  • Embodiments of the present invention have been proposed to solve the above problems of the previously proposed methods, and an object thereof is to improve a fixing method of battery cells constituting a battery cell stack.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; And a wrap film covering an upper surface, a lower surface, and both sides of the battery cell stack, wherein the wrap film is continuously connected from the upper surface, the lower surface, and both sides of the battery cell stack.
  • the adhesive or tape is removed so that neighboring battery cells may directly contact each other.
  • the wrap film may wrap all portions of the top, bottom, and both sides of the battery cell stack.
  • the wrap film may include at least one of polycarbonate (PC) and polyethylene terephthalate (PET).
  • PC polycarbonate
  • PET polyethylene terephthalate
  • the battery cells may be stacked by being disposed parallel to both sides of the battery cell stack.
  • the battery cell includes an electrode lead, and the electrode lead may be located on the front and rear surfaces of the battery cell stack.
  • the wrap film may wrap the battery cell stack once to twice.
  • It may further include a module frame for accommodating the battery cell stack and an end plate covering the front and rear surfaces of the module frame.
  • the module frame may be a mono frame in which front and rear surfaces are opened, and an upper surface, a lower surface, and both sides are integrated.
  • the module frame may include a U-shaped frame with open front, rear and upper surfaces, and an upper cover covering the open upper surface of the U-shaped frame.
  • a plurality of through holes may be formed in the wrap film.
  • the plurality of through holes may be formed in the wrap film located at the lower end of the battery cell stack.
  • the battery module may further include a thermally conductive resin layer positioned under the battery cell stack.
  • the thermally conductive resin layer may include at least one of a silicone material, a urethan material, and an acrylic material.
  • wrap film enables electrical insulation between the battery cell stack and the module frame, it is not necessary to insert other members for insulation.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a conventional battery module by omitting the illustration of the module frame.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a battery module according to an exemplary embodiment of the present invention by omitting the module frame.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of a battery module including a mono frame.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a battery module including a U-shaped frame.
  • FIG. 5 is a view as viewed from the bottom of the battery cell stack to describe the wrap film in which the through hole is formed.
  • a part such as a layer, film, region, or plate
  • 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 the gravity. no.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a battery module 100 according to an embodiment of the present invention by omitting the module frame.
  • a battery module 100 includes a battery cell stack 200 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a top surface (Z It includes a wrap film (Wrap film, 300) covering the axial direction), the lower surface (the opposite direction of the Z axis) and both side surfaces (the Y axis direction and the opposite direction).
  • a top surface Z It includes a wrap film (Wrap film, 300) covering the axial direction), the lower surface (the opposite direction of the Z axis) and both side surfaces (the Y axis direction and the opposite direction).
  • the wrap film 300 is continuously connected on the upper surface (Z-axis direction), the lower surface (in the opposite direction of the Z-axis) and both side surfaces (the Y-axis direction and the opposite direction) of the battery cell stack 200.
  • an adhesive 30 is positioned between a plurality of battery cells 11 to fix the battery cells 11. Accordingly, as the number of battery cells 11 increases, the number of adhesives 30 to be disposed between them increases, and each time the battery cells 11 are stacked, the adhesive 30 is applied and the battery cells 11 ) There was a problem in that the process of attaching had to be repeatedly performed. In other words, there was a problem that excessive time and cost were caused due to the repeated process.
  • the battery module 100 is provided with a wrap film 300 surrounding the outer circumferential surface of the battery cell stack 200, that is, the top, bottom, and both sides, so that the battery cells 110 can be fixed. have. Accordingly, an adhesive or tape is unnecessary between each of the battery cells 110 and thus removed, and neighboring battery cells 110 may directly contact each other.
  • the outer circumferential surface of the battery cell stack 200 can be wrapped with a wrap film 300 without the need to interpose an adhesive between the battery cells 110, even if the number of battery cells 110 increases, the conventional repetition Since no process is required, it is possible to save time and cost.
  • the wrap film 300 in this embodiment as shown in Figure 2, the upper surface (Z-axis direction), the lower surface (the opposite direction of the Z-axis) and both sides (Y-axis direction and the battery cell stack 200) It is desirable to cover the entire part of the opposite direction).
  • the battery cells 110 constituting the battery cell stack 200 can be effectively fixed, and further, electrical insulation between the battery cell stack 200 and the module frame (not shown) can be performed. .
  • the module frame in which the battery cell stack 200 is accommodated generally includes a metal material for rigidity, electrical insulation from the battery cell stack 200 is required.
  • the wrap film 300 surrounding the entire portion of the upper surface (Z-axis direction), the lower surface (in the opposite direction of the Z-axis) and both sides (the Y-axis direction and the opposite direction) of the battery cell stack 200
  • the battery cell stack 200 may be electrically insulated. Therefore, there is no need to arrange a separate additional member for securing insulation performance.
  • the wrap film 300 is at least one of polycarbonate (PC) and polyethylene terephthalate (PET) for fixing the battery cells 110 and electrical insulation of the battery cell stack 200. It can contain one.
  • the wrap film 300 has a thin sheet structure including at least one of polycarbonate and polyethylene terephthalate, and can fix the battery cells 110 and implement electrical insulation of the battery cell stack 200.
  • the battery cells 110 in this embodiment are stacked by being disposed parallel to both sides of the battery cell stack 200. That is, they are stacked along the Y-axis direction in FIG. 2.
  • the battery cell 110 may be configured as a pouch-type secondary battery.
  • an electrode may become thick during a repetitive charging and discharging process, or an internal electrolyte may be decomposed as a side reaction to generate gas.
  • a phenomenon in which the pouch-type secondary battery cells swell due to electrode expansion and/or generated gas is referred to as a swelling phenomenon.
  • the swelling phenomenon of the battery cell 110 is intensified, the appearance of the battery module 100 may be changed, thereby adversely affecting the structural stability of the battery module 100 or a battery pack including the battery module 100.
  • the wrap film 300 which tightly wraps the top, bottom, and both sides of the battery cell stack 200 so that the wrap film 300 connects, not only fixes the battery cell 110, but also swells the battery cell 110. It is possible to effectively suppress the expansion of the battery cell stack 200 due to the development.
  • the wrap film 300 in this embodiment may wrap the battery cell stack 200 once to twice. If wrapped less than once, the fixing of the battery cells 110 may not be smooth, and if wrapped more than two times, the height or width of the battery cell stacking box 200 becomes thick due to the wrap film 300 more than necessary. There may be a problem of lowering the battery capacity.
  • the battery cells 110 include an electrode lead 120 connected to an electrode assembly (not shown), and the electrode lead 120 is the front surface of the battery cell stack 200 (X-axis direction). ) And can be located in the rear (in the opposite direction of the X axis).
  • the battery cell stack is built into a module frame, and such a module frame may be a mono frame or a U-shaped frame.
  • 3 and 4 are views for explaining a mono frame and a U-shaped frame, respectively. Hereinafter, it will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a battery module 100a including a mono frame 400.
  • the battery module 100a of the present invention may include a mono frame 400 in which the battery cell stack 200 is accommodated.
  • the front (X-axis direction) and rear (X-axis direction) of the mono frame 400 are open, and the top (Z-axis direction), the bottom (in the opposite direction of the Z-axis) and both sides (Y-axis direction and the opposite direction) This may be an integrated metal plate structure.
  • An end plate 600 may be coupled to the open front and rear surfaces of the mono frame 400.
  • the battery cell stack 200 may be inserted into the open front or rear of the mono frame 400, and the wrap film 300 surrounding the battery cell stack 200 functions as a guide member in this insertion process. Can be in charge of. That is, since the top, bottom, and both sides of the battery cell stack 200 are wrapped with the wrap film 300 to prevent jamming during the insertion process, the battery cell stack 200 is easily monolithic. It can be inserted into the open front or rear of the frame 400.
  • compression pads may be disposed on both sides of the battery cell stack 200, the wrap film 300 is, in the insertion process of the battery cell stack 200, the compression pad is rolled up. Can be prevented.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a battery module 100b including a U-shaped frame 500.
  • the U-shaped frame 500, the front (X-axis direction), the rear (X-axis direction) and the upper surface (Z-axis direction) is open, the bottom portion 501 and the bottom portion 501 It may have a structure having both side portions 502 extending upward from both ends facing each other.
  • An upper cover 510 is coupled to the open upper surface of the U-shaped frame 500, and an end plate 600 may be coupled to the open front and rear surfaces of the U-shaped frame 500, respectively.
  • the electrode leads 120 may be positioned on the front and rear surfaces of the battery cell stack 200, and the electrode leads 120 may be electrically connected to the bus bar 710 mounted on the bus bar frame 700.
  • the battery cell stack 200 may be inserted into the open upper surface of the U-shaped frame 500, and the wrap film 300 surrounding the battery cell stack 200 performs the same function as a guide member in this insertion process. Can be in charge. That is, since both sides of the battery cell stack 200 are wrapped with the wrap film 300, it is possible to prevent jamming by both side portions 502 during the insertion process, so that the battery cell stack 200 is easier. Can be inserted
  • compression pads may be disposed on both sides of the battery cell stack 200. In the process of inserting the wrap film 300, the battery cell stack 200, the compression pads I can prevent it from being curled up by (502)
  • the battery module 100a may include a thermally conductive resin layer 800 positioned under the battery cell stack 200.
  • the thermally conductive resin layer 800 may be positioned between the battery cell stack 200 and the bottom of the mono frame 400.
  • the thermally conductive resin layer 800 is formed by injecting a thermal resin and may include a thermally conductive adhesive material. Specifically, a thermally conductive resin having fluidity is injected, and then the thermally conductive resin is used as a battery. It may be formed by solidifying while in contact with the cell stack 200. That is, it may serve to transfer heat generated from the battery cell stack 200 to the bottom of the battery module 100a.
  • a thermally conductive resin is injected through an injection hole formed under the mono frame 400 to form the thermally conductive resin layer 800. Can be formed.
  • the battery module 100b may include a thermally conductive resin layer 800 positioned under the battery cell stack 200.
  • the thermally conductive resin layer 800 may be positioned between the battery cell stack 200 and the bottom portion 501 of the U-shaped frame 500.
  • the thermally conductive resin layer 800 is formed by applying a thermally conductive resin, and may serve to transfer heat generated from the battery cell stack 200 to the bottom of the battery module 100b. .
  • thermally conductive resin layer 800 After applying a thermally conductive resin to the bottom portion 501 of the U-shaped frame 500, placing the battery cell stack 200 thereon, and solidifying the thermally conductive resin to form a thermally conductive resin layer 800 can do.
  • the thermally conductive resin of the thermally conductive resin layer 800 may include a thermally conductive adhesive material, and specifically, may include at least one of a silicone material, a urethan material, and an acrylic material. have.
  • the thermally conductive resin layer 800 is excellent in thermal conductivity, and thus heat generated from the battery cells can be quickly transferred to prevent overheating of the battery modules 100a and 100b.
  • FIG. 5 is a view for explaining the wrap film 300a in which the through hole 310 is formed, and is a view of the battery cell stack 200a viewed from below.
  • a plurality of through holes 310 may be formed in the wrap film 300a in the present invention.
  • a plurality of through holes 310 may be formed in the wrap film 300a located at the lower end of the battery cell stack 200a.
  • through holes 310 may be formed in all areas of the wrap film 300a, not only the lower end of the battery cell stack 200a.
  • a thermally conductive resin layer 800 may be positioned between the battery cell stack 200a and the bottom of the module frames 400 and 500. .
  • the plurality of battery cells included in the battery cell stack 200a can directly contact the thermally conductive resin layer 800 by the through hole 310 formed in the wrap film 300a, so that the thermally conductive resin layer 800 Heat transfer through the battery cell stack 200a may be made more effectively.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery module or battery pack can be applied to various devices.
  • a device may be applied to a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid, but is not limited thereto and may be applied to various devices capable of using a secondary battery.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 랩 필름(wrap film)을 포함하고, 상기 랩 필름은 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면에서 연속적으로 이어진다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 10월 10일자 한국 특허 출원 제10-2019-0125307호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 복수의 전지셀에 대한 고정 방식이 개선된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 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.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 각형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대 당 1개 내지 3개의 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, 복수의 전지셀들을 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전지셀의 적층체를 내부 공간에 수납하는 모듈 프레임을 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈(10)에 대한 사시도이다. 다만, 전지셀들에 대한 고정 방식을 설명하기 위해 모듈 프레임의 도시를 생략하였다.
도 1을 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(20)를 포함한다.
전지셀(11)들이 Y축 방향을 따라 적층됨에 있어, 각각의 전지셀(11)들 사이에 양면 테이프와 같은 접착제(30)를 배치시켜, 전지셀 적층체(20)를 구성하는 전지셀(11)들을 고정시킨다. 나아가, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 최외각에 위치한 전지셀(11)에 압축 패드를 더 배치할 수 있으며, 상기 압축 패드와 전지셀(11) 사이에도 접착제가 위치할 수 있다.
다만, 전지셀 적층체(20)를 구성하는 전지셀(11)들의 수량이 많아질수록 그 사이에 배치되어야 할 접착제(30)의 수가 많아지고, 이에 따라 반복되는 공정의 수가 늘어난다. 즉, 고출력 대용량의 전지 모듈을 구현하기 위해, 다수의 전지셀(11)이 필요하나, 종래의 접착제(30)를 통한 고정 방식은 불필요한 반복 공정이 요구되는 문제가 있다.
또한, 전지셀(11)들의 적층 과정에서, 어긋남이 발생하거나 공차 조건을 만족하지 못할 경우, 적층의 재작업이 필요한데, 접착제(30)를 사용한 종래 고정 방식은 재작업을 수행하기 극히 어렵다는 문제가 있다.
이에 따라, 공정 절차를 간소화하고, 적층의 재작업이 보다 수월하도록, 전지셀 적층체를 구성하는 전지셀들의 고정 방식을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 실시예들은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서 전지셀 적층체를 구성하는 전지셀들의 고정 방식을 개선하는 것을 그 목적으로 한다.
다만, 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 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 랩 필름(wrap film)을 포함하고, 상기 랩 필름은 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면에서 연속적으로 이어진다.
상기 각각의 전지셀 사이에, 접착제나 테이프가 제거되어 이웃하는 전지 셀이 서로 직접 접촉할 수 있다.
상기 랩 필름은, 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면의 전 부분을 감쌀 수 있다.
상기 랩 필름은 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전지셀들은 상기 전지셀 적층체의 양 측면과 평행하게 배치되어 적층될 수 있다.
상기 전지셀은 전극 리드를 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면에 위치할 수 있다.
상기 랩 필름은 상기 전지셀 적층체를 1회 내지 2회 감쌀 수 있다.
상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 전면 및 후면이 개방되고, 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 모노 프레임일 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 전면, 후면 및 상면이 개방된 U자형 프레임 및 상기 U자형 프레임의 개방된 상면을 덮는 상부 커버를 포함할 수 있다.
상기 랩 필름에 다수의 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 하단부에 위치한 랩 필름에 상기 다수의 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체 아래에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함할 수 있다.
상기 열전도성 수지층은 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀 적층체를 감싸는 랩 필름 구조를 통해, 전지셀 적층체를 구성하는 전지셀의 개수가 많아져도, 전지셀들을 간편하게 고정시킬 수 있다.
또한, 적층 과정에서 어긋남이 발생하거나 공차 조건을 만족하지 못하더라도 적층의 재작업을 보다 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 랩 필름에 의해 전지셀 적층체와 모듈 프레임 사이의 전기적 절연이 가능하기 때문에, 절연을 위한 기타 부재의 삽입이 불필요하다.
또한, 전지셀의 스웰링 현상에 따른 전지셀 적층체의 팽창을 억제하여, 전지 모듈의 외형 변화를 최소화 할 수 있어, 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩의 구조적 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 대해 모듈 프레임의 도시를 생략하여 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 모듈 프레임의 도시를 생략하여 나타낸 사시도이다.
도 3은 모노 프레임을 포함하는 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 U자형 프레임을 포함하는 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 5는 관통홀이 형성된 랩 필름을 설명하기 위해 전지셀 적층체를 아래에서 바라본 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 모듈(100)에 대해 모듈 프레임의 도시를 생략하여 나타낸 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200) 및 전지셀 적층체(200)의 상면(Z축 방향), 하면(Z축의 반대 방향) 및 양 측면(Y축 방향과 그 반대 방향)을 감싸는 랩 필름(Wrap film, 300)을 포함한다.
또한, 랩 필름(300)은 전지셀 적층체(200)의 상면(Z축 방향), 하면(Z축의 반대 방향) 및 양 측면(Y축 방향과 그 반대 방향)에서 연속적으로 이어진다.
도 1에서의 종래 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)들 사이에 접착제(30)를 위치시켜, 전지셀(11)들을 고정시켰다. 그에 따라 전지셀(11)들의 수량이 많아질수록 그 사이에 배치되어야 할 접착제(30)의 수가 많아지고, 각각의 전지셀(11)을 적층시킬 때 마다 접착제(30) 도포 및 전지셀(11) 부착의 공정을 반복해서 실시해야 하는 문제가 있었다. 다시 말해, 반복되는 공정으로 인해 과도한 시간과 비용이 초래되는 문제가 있었다.
이에, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀 적층체(200)의 외주면, 즉 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 랩 필름(300)을 구비함으로써, 전지셀(110)들을 고정시킬 수 있다. 그에 따라, 각각의 전지셀(110) 사이에 접착제나 테이프 등이 불필요하여 제거되고, 이웃하는 전지셀(110)들이 서로 직접 접촉할 수 있다.
각 전지셀(110)들 사이에 접착제를 개재할 필요 없이 전지셀 적층체(200)의 외주면을 랩 필름(300)으로 감싸면 되기 때문에, 전지셀(110)의 개수가 많아지더라도, 종래의 반복 공정이 필요하지 않아 시간과 비용의 절약이 가능하다.
또한, 전지셀(110)의 적층 과정에서 어긋남이 발생하거나 공차 조건을 만족하지 못할 경우에도, 감싸진 랩 필름(300)을 제거한 뒤 다시 전지셀(110)들을 적층시키고, 새로운 랩 필름(300)으로 감싸면 되기 때문에 재작업이 보다 용이하다. 이미 각각의 전지셀(11)끼리 접착이 완료된 종래의 전지셀 적층체(20)의 경우 이러한 재작업 과정이 극히 어렵다는 점에서 본 실시예는 큰 장점을 갖는다.
한편, 본 실시예에서의 랩 필름(300)은, 도 2에서와 같이, 전지셀 적층체(200)의 상면(Z축 방향), 하면(Z축의 반대 방향) 및 양 측면(Y축 방향과 그 반대 방향)의 전 부분을 감싸는 것이 바람직하다.
그에 따라, 전지셀 적층체(200)를 구성하는 전지셀(110)들을 효과적으로 고정시킬 수 있으며, 나아가 전지셀 적층체(200)와 모듈 프레임(미도시) 간의 전기적 절연을 수행할 수 있기 때문이다.
전지셀 적층체(200)가 수납되는 모듈 프레임은 강성을 위해 금속 물질을 포함하는 것이 보통이므로, 전지셀 적층체(200)와의 전기적 절연이 필요하다.
이에, 전지셀 적층체(200)의 상면(Z축 방향), 하면(Z축의 반대 방향) 및 양 측면(Y축 방향과 그 반대 방향)의 전 부분을 감싸는 랩 필름(300)은, 전지셀(110)들의 고정뿐만 아니라 전지셀 적층체(200)의 전기적 절연의 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 절연 성능 확보를 위한 별도의 추가 부재를 배치할 필요가 없다.
이 때, 랩 필름(300)은 전지셀(110)들의 고정 및 전지셀 적층체(200)의 전기적 절연 등을 위해, 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다시 말해, 랩 필름(300)은 폴리카보네이트 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 적어도 하나를 포함하는 얇은 시트 구조로써, 전지셀(110)들의 고정 및 전지셀 적층체(200)의 전기적 절연성을 구현할 수 있다
한편, 본 실시예에서의 전지셀(110)들은 전지셀 적층체(200)의 양 측면과 평행하게 배치되어 적층된다. 즉, 도 2에서의 Y축 방향을 따라 적층된다.
이때, 전지셀(110)은 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있는데, 이러한 파우치형 이차 전지는 반복적인 충방전 과정에서 전극이 두꺼워지거나, 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 가스가 발생할 수 있다. 이때 전극 팽창 및/또는 발생한 가스에 의해 파우치형 이차 전지 셀이 부풀어 오르는 현상을 스웰링 현상이라고 한다. 전지셀(110)의 스웰링 현상이 심화될 경우 전지 모듈(100)의 외형을 변화시켜 전지 모듈(100)이나 이를 포함하는 전지팩의 구조적 안정성에 악영향을 미칠 수 있다.
전지셀 적층체(200)의 상면, 하면 및 양 측면을 랩 필름(300)이 이어지도록 팽팽하게 감싸는 랩 필름(300)은 전지셀(110)의 고정뿐만 아니라, 전지셀(110)의 스웰링 현상에 따른 전지셀 적층체(200)의 팽창을 효과적으로 억제할 수 있다.
특히, 적층된 전지셀(110)들을 조립 초기부터 강하게 압박할 경우 상대적으로 스웰링으로 인한 두께 팽창이 작아지는 것으로 알려져 있어, 랩 필름(300)은 팽창 억제에 더욱 효과적일 수 있다.
한편, 본 실시예에서의 랩 필름(300)은 전지셀 적층체(200)를 1회 내지 2회 감쌀 수 있다. 1회 미만으로 감쌀 경우, 전지셀(110)들의 고정이 원활하지 않을 수 있으며, 2회 초과로 감쌀 경우, 필요 이상의 랩 필름(300)으로 인해 전지셀 적층쳬(200)의 높이나 폭이 두꺼워져 전지 용량이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
도 2를 다시 참고하면, 전지셀(110)들은 전극 조립체(미도시)와 연결된 전극 리드(120)를 포함하고, 이러한 전극 리드(120)는 전지셀 적층체(200)의 전면(X축 방향) 및 후면(X축 반대 방향)에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 전지셀 적층체는 모듈 프레임에 내장되는데, 이러한 모듈 프레임은 모노 프레임 또는 U자형 프레임일 수 있다. 도 3 및 도 4는 각각 모노 프레임과 U자형 프레임을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 3 및 도 4와 함께 설명하도록 한다.
도 3은 모노 프레임(400)을 포함하는 전지 모듈(100a)에 대한 분해 사시도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 전지 모듈(100a)은 전지셀 적층체(200)가 수납되는 모노 프레임(400)을 포함할 수 있다.
모노 프레임(400)은 전면(X축 방향) 및 후면(X축 반대 방향)이 개방되고, 상면(Z축 방향), 하면(Z축의 반대 방향) 및 양 측면(Y축 방향과 그 반대 방향)이 일체화된 금속 판재 구조일 수 있다. 모노 프레임(400)의 개방된 전면 및 후면은 엔드 플레이트(600)가 결합될 수 있다.
모노 프레임(400)의 개방된 전면 또는 후면으로 전지셀 적층체(200)가 삽입될 수 있는데, 전지셀 적층체(200)를 감싸는 랩 필름(300)이 이러한 삽입 공정에서, 가이드 부재와 같은 기능을 담당할 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(200)의 상면, 하면 및 양 측면이 랩 필름(300)으로 감싸져 있어 삽입 과정에서의 걸림 현상 등을 방지할 수 있으므로, 전지셀 적층체(200)가 수월하게 모노 프레임(400)의 개방된 전면 또는 후면으로 삽입될 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(200)의 양 측면에 압축 패드(미도시)가 배치될 수 있는데, 랩 필름(300)이, 전지셀 적층체(200)의 삽입과정에서, 상기 압축 패드가 말려들어가는 것을 예방할 수 있다.
도 4는 U자형 프레임(500)을 포함하는 전지 모듈(100b)에 대한 분해 사시도이다. 도 4를 참고하면, U자형 프레임(500)은, 전면(X축 방향), 후면(X축 반대 방향) 및 상면(Z축 방향)이 개방되어, 바닥부(501) 및 바닥부(501)의 마주보는 양 단부에서 상부 방향으로 연장된 양 측면부(502)를 구비한 구조일 수 있다.
U자형 프레임(500)의 개방된 상면은 상부 커버(510)가 결합되고, U자형 프레임(500)의 개방된 전면 및 후면은 각각 엔드 플레이트(600)가 결합될 수 있다.
전지셀 적층체(200)의 전면 및 후면에 전극 리드(120)가 위치할 수 있으며, 전극 리드(120)는 버스 바 프레임(700)에 장착된 버스 바(710)와 전기적으로 연결될 수 있다.
U자형 프레임(500)의 개방된 상면으로 전지셀 적층체(200)가 삽입될 수 있는데, 전지셀 적층체(200)를 감싸는 랩 필름(300)이 이러한 삽입 공정에서, 가이드 부재와 같은 기능을 담당할 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(200)의 양 측면이 랩 필름(300)으로 감싸져 있어 삽입 과정에서 양 측면부(502)에 의한 걸림 현상 등을 방지할 수 있으므로, 전지셀 적층체(200)가 수월하게 삽입될 수 있다
또한, 전지셀 적층체(200)의 양 측면에 압축 패드(미도시)가 배치될 수 있는데, 랩 필름(300)이, 전지셀 적층체(200)의 삽입과정에서, 상기 압축 패드가 양 측면부(502)에 의해 말려 올라가는 것을 예방할 수 있다
도 3을 다시 참고하면, 전지 모듈(100a)은, 전지셀 적층체(200) 아래에 위치하는 열전도성 수지층(800)을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 열전도성 수지층(800)이 전지셀 적층체(200)와 모노 프레임(400)의 바닥부 사이에 위치할 수 있다.
열전도성 수지층(800)은 열전도성 수지(Thermal Resin)가 주입되어 형성된 것으로, 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 유동성을 갖는 열전도성 수지를 주입하고, 이후 열전도성 수지가 전지셀 적층체(200)와 접촉한 채 고화되어 형성될 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(200)로부터 발생한 열을 전지 모듈(100a)의 바닥으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로 도시하지는 않았으나, 모노 프레임(400)에 전지셀 적층체(200)를 수납한 후, 모노 프레임(400)의 하부에 형성된 주입구를 통해 열전도성 수지를 주입하여 열전도성 수지층(800)을 형성할 수 있다.
도 4를 다시 참고하면, 전지 모듈(100b)은, 전지셀 적층체(200) 아래에 위치하는 열전도성 수지층(800)을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 열전도성 수지층(800)이 전지셀 적층체(200)와 U자형 프레임(500)의 바닥부(501) 사이에 위치할 수 있다.
도 3에서와 마찬가지로, 열전도성 수지층(800)은 열전도성 수지가 도포되어 형성된 것으로, 전지셀 적층체(200)로부터 발생한 열을 전지 모듈(100b)의 바닥으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
U자형 프레임(500)의 바닥부(501)에 열전도성 수지를 도포하고, 전지셀 적층체(200)를 그 위에 배치한 후, 상기 열전도성 수지를 고화시켜 열전도성 수지층(800)을 형성할 수 있다.
한편, 열전도성 수지층(800)의 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 열전도성 수지층(800)은 열전도 특성이 뛰어나 전지셀에서 발생한 열을 신속히 전달하여 전지 모듈(100a, 100b)의 과열을 방지할 수 있다.
이 때, 도 5는 관통홀(310)이 형성된 랩 필름(300a)을 설명하기 위한 도면으로, 전지셀 적층체(200a)을 아래에서 바라본 도면이다.
도 5를 도 3 및 도 4와 함께 참고하면, 본 발명에서의 랩 필름(300a)에 다수의 관통홀(310)이 형성될 수 있다.
특히, 전지셀 적층체(200a)의 하단부에 위치한 랩 필름(300a)에 다수의 관통홀(310)이 형성될 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(200a)의 하단부만이 아닌 랩 필름(300a)의 모든 영역에 관통홀(310)이 형성될 수도 있다.
앞서 설명한대로, 전지셀 적층체(200a)에서 발생한 열의 전달을 위해, 전지셀 적층체(200a)와 모듈 프레임(400, 500)의 바닥부 사이에 열전도성 수지층(800)이 위치할 수 있다.
랩 필름(300a)에 형성된 관통홀(310)에 의해 전지셀 적층체(200a)에 포함된 복수의 전지셀이 열전도성 수지층(800)과 직접 접촉할 수 있어, 열전도성 수지층(800)을 통한 전지셀 적층체(200a)의 열 전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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
110: 전지셀
200: 전지셀 적층체
300: 랩 필름
400: 모노 프레임
500: U자형 프레임
510: 상부 커버
600: 엔드 플레이트

Claims (15)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 랩 필름(wrap film)을 포함하고,
    상기 랩 필름은 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면에서 연속적으로 이어지는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 각각의 전지셀 사이에, 접착제나 테이프가 제거되어 이웃하는 전지 셀이 서로 직접 접촉하고 있는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 랩 필름은, 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면의 전 부분을 감싸는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 랩 필름은 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 전지셀들은 상기 전지셀 적층체의 양 측면과 평행하게 배치되어 적층되는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 전지셀은 전극 리드를 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면에 위치하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 랩 필름은 상기 전지셀 적층체를 1회 내지 2회 감싸는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트를 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 모듈 프레임은, 전면 및 후면이 개방되고, 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 모노 프레임인 전지 모듈.
  10. 제8항에서,
    상기 모듈 프레임은, 전면, 후면 및 상면이 개방된 U자형 프레임 및 상기 U자형 프레임의 개방된 상면을 덮는 상부 커버를 포함하는 전지 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 랩 필름에 다수의 관통홀이 형성된 전지 모듈.
  12. 제11항에서,
    상기 전지셀 적층체의 하단부에 위치한 랩 필름에 상기 다수의 관통홀이 형성된 전지 모듈.
  13. 제11항에서,
    상기 전지셀 적층체 아래에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함하는 전지 모듈.
  14. 제13항에서,
    상기 열전도성 수지층은 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  15. 제1항에 따른 전지 모듈을 하나 이상 포함하는 전지 팩.
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