WO2021177618A1

WO2021177618A1 - 전지 모듈 및 그 제조 방법

Info

Publication number: WO2021177618A1
Application number: PCT/KR2021/001744
Authority: WO
Inventors: 박수빈; 성준엽; 박준규; 박원경
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-09-10
Also published as: KR20210112918A; CN114503348A; EP4020684A4; JP2022545842A; JP7384531B2; US20220384892A1; EP4020684A1

Abstract

본 발명은 전지셀의 스웰링을 방지하는 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 하면 및 좌우면으로 형성되어 상기 전지셀 적층체의 하면 및 좌우면을 커버하는 제1 프레임; 및 상면 및 전후좌우면이 일체로 형성되어 상기 전지셀 적층체의 상면과 전후면 및 상기 제1 프레임의 좌우면을 커버하는 제2 프레임을 포함한다.

Description

전지 모듈 및 그 제조 방법

관련 출원(들)과의 상호 인용

본 출원은 2020년 03월 06일자 한국 특허 출원 제10-2020-0028574호에 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 전지셀의 스웰링을 방지하는 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 적층체를 수용하는 프레임을 포함한다.

도 1은 종래 U자형 프레임을 포함하는 전지 모듈을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 전지셀 적층체(10)를 커버하는 프레임들은, 전지셀 적층체(10)의 하면 및 양측면을 커버하는 U자형 프레임(20), 전지셀 적층체(10)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(30) 및 전지셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(40)로 형성된다. 전지셀들의 충방전시, 전지셀이 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있는데, 전지셀 적층체(10)의 적층 방향에 형성된 U자형 프레임(20)의 양측면이 스웰링 현상 발생시 전지셀 적층체로부터 스웰링에 의한 압력을 받을 수 있다. 이때 한 겹으로 형성된 U자형 프레임(20)의 양측면 만으로 전지 모듈의 스웰링 압력을 견뎌야 하는 문제가 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지셀들의 스웰링 발생시 이를 견딜 수 있는 프레임 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; 하면 및 좌우면으로 형성되어 상기 전지셀 적층체의 하면 및 좌우면을 커버하는 제1 프레임; 상면 및 전후좌우면이 일체로 형성되어 상기 전지셀 적층체의 상면과 전후면 및 상기 제1 프레임의 좌우면을 커버하는 제2 프레임을 포함한다.

또한 상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법은, 하면 및 좌우면으로 형성된 제1 프레임 상에 전지셀 적층체를 조립하는 단계; 상면 및 전후좌우면이 일체로 형성된 제2 프레임을 상기 전지셀 적층체의 상면과 전후면 및 상기 제1 프레임의 좌우면을 커버하도록 조립하는 단계; 및 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 용접 결합하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 프레임의 좌우면 하단과 상기 제2 프레임의 좌우면 하단 및 상기 제1 프레임의 하면 전후단과 상기 제2 프레임의 전후면 하단은 용접으로 결합될 수 있다.

상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임의 프레임면 두께는 동일할 수 있다.

상기 제1 프레임의 좌우면 하단에는 가이드가 돌출 형성되고, 상기 가이드와 대응되는 상기 제2 프레임의 좌우면 하단에는 상기 가이드가 삽입되는 가이드 삽입부가 함몰 형성되고, 상기 가이드는 상기 가이드 삽입부에 삽입될 수 있다.

상기 제1 프레임의 좌우면 및 상기 제2 프레임의 좌우면은 상기 전지셀 적층체의 적층 방향과 수직을 이루도록 배치될 수 있다.

상기 제2 프레임의 상면은 상기 제1 프레임의 하면보다 넓게 형성될 수 있다.

상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임은 프레스 공법으로 형성될 수 있다.

상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 용접 결합하는 단계에서, 상기 제1 프레임의 좌우면 하단과 상기 제2 프레임의 좌우면 하단 및 상기 제1 프레임의 하면 전후단과 상기 제2 프레임의 전후면 하단을 용접할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 그 제조 방법은, 스웰링이 발생하는 방향에 이중 프레임 구조를 채용함으로써 별도의 추가 구조 없이 스웰링을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.

도 4는 도 3의 A-A 부분으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면이다.

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

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체가 제1 프레임에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.

도 7은 도 6을 통해 조립된 구조에 제2 프레임이 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.

도 8은 도 7을 통해 조립된 구조를 용접하여 제1,2 프레임을 결합하는 모습을 나타낸 도면이다.

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 2 내지 도 5를 참조하며 본 발명의 실시예들에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈이 조립된 모습을 나타낸 도면이다. 도 4는 도 3의 A-A 부분으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 하면 및 좌우면으로 형성되어 상기 전지셀 적층체(100)의 하면 및 좌우면을 커버하는 제1 프레임(200) 및 상면 및 전후좌우면이 일체로 형성되어 상기 전지셀 적층체(100)의 상면과 전후면 및 상기 제1 프레임(200)의 좌우면을 커버하는 제2 프레임(300)을 포함한다.

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

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지셀 적층체(100)를 커버하는 제1,2 프레임(200, 300)을 포함한다. 제1 프레임(200)은, 제1 프레임 좌우면(210) 및 제1 프레임 하면(220)이 일체로 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 하면 및 좌우면을 커버하도록 형성된다.

제2 프레임(300)은, 제2 프레임 좌우면(310), 제2 프레임 전후면(320) 및 제2 프레임 상면(330)이 일체로 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 상면과 전후면 및 제1 프레임(200)의 좌우면(210)을 커버하도록 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 프레임 좌우면(310)이 제1 프레임 좌우면(210)을 커버하기 위해, 제2 프레임 상면(330)이 제1 프레임 하면(220)보다 넓게 형성될 수 있다.

종래에는 전지셀 적층체의 적층 방향에 형성되는 프레임 구조가 단일 프레임 구조로 형성되어 스웰링 발생시 전지 모듈의 스웰링을 방지하는데 어려움이 있었다.

이에 본 발명의 일 실시예에 따르면 전지셀 적층체(100)의 적층 방향에 제1 프레임(200)의 좌우면(210) 및 제2 프레임(300)의 좌우면(310)의 이중 프레임 구조가 형성되어, 스웰링에 취약한 전지셀들의 적층 방향에 강화된 이중 프레임 구조가 형성됨으로써, 전지셀들의 스웰링 발생시 전지 모듈의 스웰링을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한 종래에는 전지셀 적층체를 커버하는 프레임으로서, U자형 프레임, 상부 플레이트, 두개의 엔드 플레이트의 여러 부품을 조립하여 전지셀 적층체를 커버하는 구조였으나, 여러 부품을 결합하는 종래 구조는 프레임의 강성이 저하될 우려가 있고, 여러 부품을 모두 조립해야 하며, 용접 또는 볼트 조립시 조립 라인이 길어져 조립 공정이 복잡해 지는 단점이 있었다.

이에 본 발명의 일 실시예에 따르면, 두개의 제1,2 프레임(200, 300) 만으로 전지셀 적층체(100)를 커버하도록 전지 모듈 구조가 형성됨으로써, 프레임 구조를 일체화 및 단순화 시키고, 엔드 플레이트를 제2 프레임(300)의 전후면(320)이 대체할 수 있고, 상부 플레이트를 제2 프레임(300)의 상면(330)이 대체할 수 있어 프레임 부품 수를 감소시킬 수 있으며, 프레임 부품의 조립 공정을 감소시킬 수 있어 복잡한 조립 공정에서 발생할 수 있는 품질 불량 문제를 획기적으로 개선할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 프레임(200)과 제2 프레임(300)은 용접으로 결합될 수 있다. 이때 제2 프레임(300)의 전후좌우면 하단과 제1 프레임(200)이 만나는 부분을 용접하여 제1,2 프레임(200, 300)을 결합시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 제1 프레임(200)의 좌우면 하단과 제2 프레임(300)의 좌우면 하단 및 제1 프레임(200)의 하면 전후단과 제2 프레임(300)의 전후면 하단은 용접으로 결합될 수 있다.

용접은 레이저를 이용하여 진행될 수 있으며, 용접을 통해 제1 프레임(200)과 제2 프레임(300)을 밀봉하여 전지 모듈 내부와 외부의 전기적 연결을 차단시킬 수 있다. 또한 제1 프레임(200)의 좌우면과 제2 프레임(300)의 좌우면이 이중으로 결합되어 있으므로, 제1 프레임(200)의 좌우면 하단과 제2 프레임(300)의 좌우면 하단 용접시 레이저 빔이 전지 모듈 내부로 들어가거나, 용접시 발생하는 이물질(spatter)이 전지 모듈 내부로 유입되기 어렵다.

제1 프레임(200)과 제2 프레임(300)의 프레임면 두께는 동일할 수 있다. 제1 프레임(200)의 좌우면(210) 및 제2 프레임(300)의 좌우면(310)은 전지셀 적층체(100)의 적층 방향과 수직을 이루도록 배치될 수 있다.

도 5에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 5에 따르면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈은, 제1 프레임(200)의 좌우면 하단에 가이드(400)가 돌출 형성되고, 가이드(400)와 대응되는 제2 프레임(300)의 좌우면 하단에는 가이드(400)가 삽입되는 가이드 삽입부(500)가 함몰 형성되고, 가이드(400)는 가이드 삽입부(500)에 삽입될 수 있다.

따라서 제2 프레임(300)을 전지셀 적층체(100)가 조립된 제1 프레임(200)에 조립시, 제1 프레임(200)에 형성된 가이드(400)에 맞춰 제2 프레임(300)을 제1 프레임(200)에 조립시킬 수 있다. 가이드(400)를 통한 조립을 통해, 조립 정확도가 향상되고, 돌출 형성된 가이드(400)에 의해 조립 강성이 강화될 수 있다.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 조립 방법에 대해 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체가 제2 프레임에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6을 통해 조립된 구조에 제1 프레임이 조립되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 8은 도 7을 통해 조립된 구조를 용접하여 제1,2 프레임을 결합하는 모습을 나타낸 도면이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 조립 방법은, 하면 및 좌우면으로 형성된 제1 프레임(200) 상에 전지셀 적층체(100)를 조립하는 단계(도 6), 상면 및 전후좌우면이 일체로 형성된 제2 프레임(300)을 전지셀 적층체(100)의 상면과 전후면 및 상기 제1 프레임(200)의 좌우면을 커버하도록 조립하는 단계(도 7) 및 제1 프레임(200)과 상기 제2 프레임(300)을 용접 결합하는 단계(도 8)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 프레임(200) 및 제2 프레임(300)은 프레스 공법으로 형성될 수 있다. 제1,2 프레임(200, 300)은 동일 재질로 형성될 수 있다. 이를 통해 프레임 부품들 제조시 단일 공법으로 제1,2 프레임(200, 300)들의 제조가 가능하여 제조 공정을 단순화 할 수 있으며 품질 불량을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 프레임(200)과 제2 프레임(300)을 용접 결합하는 단계에서, 제1 프레임(200)의 좌우면 하단과 제2 프레임(300)의 좌우면 하단 및 제1 프레임(200)의 하면 전후단과 제2 프레임(300)의 전후면 하단을 용접할 수 있다. 용접 구간에 대한 내용은 도 8에 도시되어 있다.

종래에는 전지셀 적층체를 U자형 프레임 내부에 삽입하고, 전지셀 적층체의 상측에 상부 플레이트를 조립하고, 상부 플레이트와 U자형 프레임을 용접하고, 제1 엔드 플레이트를 조립하고, 제1 엔드 플레이트와 U자형 프레임 및 상부 플레이트를 용접하고, 제2 엔드 플레이트를 조립하고, 제2 엔드 플레이트와 U자형 프레임 및 상부 플레이트를 용접하는 복잡한 조립 과정을 거쳐 프레임 구조를 조립해야 하는 문제가 있었다.

그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1,2 프레임(200, 300)의 두 프레임 부품 만으로 전지셀 적층체(100)를 커버할 수 있는 구조를 가지고 있으므로, 전지셀 적층체(100)를 제2 프레임(300)에 삽입하고, 제1 프레임(200)을 제2 프레임(300)에 조립한 후 제1,2 프레임(200, 300)을 서로 용접하는 간단한 조립 과정을 통해 전지 모듈 프레임 구조를 형성할 수 있어, 종래 기술에 비해 용접 공정이 단순화 되고 제조 공정이 단순화됨에 따라 제품의 불량률이 감소할 수 있다.

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 적층체

200: 제1 프레임

210: 제1 프레임 좌우면

220: 제1 프레임 하면

300: 제2 프레임

310: 제2 프레임 좌우면

320: 제2 프레임 전후면

330: 제2 프레임 상면

400: 가이드

500: 가이드 삽입부

Claims

복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;

하면 및 좌우면으로 형성되어 상기 전지셀 적층체의 하면 및 좌우면을 커버하는 제1 프레임; 및

상면 및 전후좌우면이 일체로 형성되어 상기 전지셀 적층체의 상면과 전후면 및 상기 제1 프레임의 좌우면을 커버하는 제2 프레임을 포함하는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 제1 프레임의 좌우면 하단과 상기 제2 프레임의 좌우면 하단 및 상기 제1 프레임의 하면 전후단과 상기 제2 프레임의 전후면 하단은 용접으로 결합되는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임의 프레임면 두께는 동일한 전지 모듈.
제1항에서,

상기 제1 프레임의 좌우면 하단에는 가이드가 돌출 형성되고,

상기 가이드와 대응되는 상기 제2 프레임의 좌우면 하단에는 상기 가이드가 삽입되는 가이드 삽입부가 함몰 형성되고,

상기 가이드는 상기 가이드 삽입부에 삽입되는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 제1 프레임의 좌우면 및 상기 제2 프레임의 좌우면은 상기 전지셀 적층체의 적층 방향과 수직을 이루도록 배치되는 전지 모듈.
제1항에서,

상기 제2 프레임의 상면은 상기 제1 프레임의 하면보다 넓게 형성되는 전지 모듈.
하면 및 좌우면으로 형성된 제1 프레임 상에 전지셀 적층체를 조립하는 단계;

상면 및 전후좌우면이 일체로 형성된 제2 프레임을 상기 전지셀 적층체의 상면과 전후면 및 상기 제1 프레임의 좌우면을 커버하도록 조립하는 단계; 및

상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 용접 결합하는 단계를 포함하는 전지 모듈의 제조 방법.
제7항에서,

상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임은 프레스 공법으로 형성되는 전지 모듈의 제조 방법.
제7항에서,

상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임을 용접 결합하는 단계에서, 상기 제1 프레임의 좌우면 하단과 상기 제2 프레임의 좌우면 하단 및 상기 제1 프레임의 하면 전후단과 상기 제2 프레임의 전후면 하단을 용접하는 전지 모듈의 제조 방법.
제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.