WO2021221298A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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WO2021221298A1
WO2021221298A1 PCT/KR2021/002921 KR2021002921W WO2021221298A1 WO 2021221298 A1 WO2021221298 A1 WO 2021221298A1 KR 2021002921 W KR2021002921 W KR 2021002921W WO 2021221298 A1 WO2021221298 A1 WO 2021221298A1
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battery
cell stack
battery cell
module
frame
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PCT/KR2021/002921
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이창훈
성준엽
박명기
이영호
박준규
김수열
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module with improved assembly and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries that are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density are universally applied to electric vehicles or hybrid vehicles driven by an electric drive source, as well as portable devices, and power storage devices. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels but also the fact that no by-products are generated from the use of energy.
  • the mid-to-large-sized battery module be manufactured as small as possible in size and weight, a prismatic battery, a pouch-type battery, etc. that can be stacked with a high degree of integration and have a small weight to capacity are mainly used as battery cells of the mid- to large-sized battery module.
  • the battery module in order to protect the cell stack from external impact, heat or vibration, the front and rear are opened may include a frame member for accommodating the battery cell stack in the internal space.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module having a conventional module frame.
  • FIG. 2 is a view showing a cross-sectional view taken along the xz plane of FIG. 1 .
  • the battery module has a module frame 10 and a module frame 10 whose front and rear surfaces are open to cover the battery cell stack 12 formed by stacking a plurality of battery cells 11 . It may include an end plate 20 covering the front and rear surfaces of the.
  • the module frame 10 may include a U-shaped frame 10a and an upper plate 10b covering an open upper portion of the U-shaped frame 10a.
  • the U-shaped frame 10a may include a bottom portion 10a1 covering the lower surface of the battery cell stack 12 , and two side portions 10a2 having a structure protruding upward from both sides of the bottom portion 10a1 .
  • the end plate 20 may include a front plate 20a covering one side of the module frame 10 and a rear plate 20b covering the other side of the module frame 10 .
  • An object of the present invention is to provide a battery module with improved assembly and a battery pack including the same.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a module frame surrounding the battery cell stack, and front and rear surfaces of the battery cell stack exposed from the module frame. a bus bar frame, and an end plate covering the bus bar frame, wherein the module frame includes a lower frame covering a lower portion and both sides of the battery cell stack, and an upper plate covering an upper portion of the battery cell stack and at least one assembly guide portion is formed at a corner of the lower frame coupled to the upper plate.
  • the lower frame may include a bottom portion supporting a lower portion of the battery cell stack, and two side portions extending upward from both ends of the bottom portion, and the assembly guide portion may be formed at an upper edge of the side portion.
  • the assembly guide part may include a support part having a protrusion shape protruding in one direction, and a depression part formed on both sides of the support part.
  • the recessed portion may have an escape shape in which an upper edge of the side portion of the lower frame is recessed in a direction toward the bottom of the lower frame.
  • a groove portion may be formed in the upper plate to which the support portion of the assembly guide portion is assembled.
  • the groove portion may have a structure in which both corresponding corners of the upper plate are depressed in a direction facing each other.
  • Escape skins may be formed at both ends of the groove.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • a protruding assembly guide structure in the module frame, it is possible to prevent misalignment when assembling the module frame. Through this assembly improvement, it is possible to prevent welding defects from occurring when the module frame is welded together.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module having a conventional module frame.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the xz plane of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a lower frame included in the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a partial perspective view illustrating an assembly part of an upper plate and a lower frame in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference portion means to be located above or below the reference portion, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity no.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "in cross-section” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module includes a battery cell stack 100 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a module frame for accommodating the battery cell stack 100 ( 200 ), a bus bar frame 400 formed on the front and rear surfaces of the battery cell stack 100 , and an end plate 600 covering the outside of the bus bar frame 400 based on the battery cell stack 100 . do.
  • the battery cell 110 is a secondary battery and may be configured as a pouch-type secondary battery.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 may be stacked to each other so as to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 100 .
  • Each of the plurality of battery cells 110 may include an electrode assembly, a cell case, and an electrode lead protruding from the electrode assembly.
  • a bus bar 411 and a connector 500 may be mounted on the bus bar frame 400 .
  • the connector 500 may sense voltage and temperature from busbars or thermistors mounted on the busbar frame 400 and transmit it to a Battery Management System (BMS).
  • BMS Battery Management System
  • a first connector 510 is formed on the bus bar frame 400 positioned on the front side of the battery cell stack 100 among the bus bar frames 400 formed on the front and rear surfaces of the battery cell stack 100
  • a second connector 520 may be formed on the bus bar frame 400 positioned on the rear surface of the sieve 100 .
  • a connector is formed only on one bus bar frame portion of the two bus bar frames formed on the front and rear surfaces of the battery cell stack 100 , and the bus bar frame portion on which the connector is not formed is connected to the battery cell stack through a flexible flat cable. Voltage and temperature sensing information was delivered to the connector located on the opposite side of the reference. At this time, since the flexible flat cable is located on the upper side of the battery cell stack, a process of assembling the flexible flat cable and a process of checking whether there is a problem in the connection through the flexible flat cable were separately required.
  • the first and second connectors 510 and 520 are separately formed on one side of each of the bus bar frames 400 formed on the front and rear surfaces of the battery cell stack 100 , so that the flexible flat cable is formed. It is possible to transmit the sensed voltage and temperature to the BMS in both directions through a connector formed on each bus bar frame 400 without the need for separate assembly. Through this, the manufacturing cost of the battery module can be reduced and the battery module structure can be simplified. In addition, the assembly process of the flexible flat cable and the connection defect confirmation process are deleted, so that the battery module manufacturing process can be simplified.
  • the battery cell stack 100 is disposed in the module frame 200 .
  • the module frame 200 includes a lower frame 210 that covers the lower surface and both sides of the battery cell stack 100 , and an upper plate 220 that covers the upper surface of the battery cell stack 100 .
  • the battery cell stack 100 may be disposed on the lower frame 210 . Thereafter, the upper plate 220 may be assembled to cover the upper portion of the battery cell stack 100 . At this time, the battery cell stack 100 can be stably disposed in the module frame 200 by fixing the upper plate 220 and the lower frame 210 .
  • the lower frame 210 of the module frame 200 accommodating the battery cell stack 100 may be a U-shaped frame.
  • the U-shaped frame 210 may include a bottom portion 210a and two side portions 210b extending upward from both ends of the bottom portion 210a.
  • the bottom portion 210a may cover the lower surface (opposite the z-axis direction) of the battery cell stack 100
  • the side portion 210b may be formed on both sides of the battery cell stack 100 (in the x-axis direction and the opposite direction). ) can be covered.
  • the upper plate 220 may be formed in a single plate-shaped structure that covers the lower surface surrounded by the U-shaped frame 210 and the upper surface (z-axis direction) other than the both sides.
  • the upper plate 220 and the U-shaped frame 210 may form a structure that covers the battery cell stack 100 up, down, left, and right by being coupled by welding or the like in a state in which corresponding corner portions are in contact with each other.
  • the battery cell stack 100 may be physically protected through the upper plate 220 and the U-shaped frame 210 .
  • the upper plate 220 and the U-shaped frame 210 may include a metal material having a predetermined strength.
  • the U-shaped frame 210 and the upper plate 220 of the module frame 200 can be welded together.
  • laser welding may be performed for the welding, and internal components including battery cells may be damaged due to the laser itself or welding spatters penetrated during the welding process.
  • the welding line is also misaligned, and in this case, much more welding spatter flows into the battery module where the battery cells are located. This could lead to bigger problems.
  • the battery module according to the present embodiment includes a lower frame having a protruding assembly guide structure, thereby improving assembling properties of the lower frame and the upper plate, thereby preventing welding defects. This will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 .
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a lower frame included in the battery module of FIG. 3 .
  • 5 is a partial perspective view illustrating an assembly part of an upper plate and a lower frame in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • an assembly guide part 210G may be formed at the upper edge of the side part 210b of the U-shaped frame 210 according to the present embodiment. At least one assembly guide portion 210G may be formed at an upper edge of the side portion 210b of the U-shaped frame 210 . The plurality of assembling guide portions 210G may be formed to be spaced apart from each other while having a predetermined interval.
  • the assembly guide part 210G may include a support part 210P having a protrusion shape protruding in the z-axis direction, and a depression part 210D formed on both sides of the support part 210P.
  • the recessed portion 210D may have an escape shape in which the upper edge of the side portion 210b of the U-shaped frame 210 is recessed in the opposite direction to the z-axis.
  • a groove portion 220D corresponding to the assembly guide portion 210G formed in the U-shaped frame 210 may be formed in the upper plate 220 according to the present embodiment.
  • the groove portion 220D may have a structure in which both edges of the upper plate 220 are depressed in a direction facing each other so that the assembly guide portion 210G of the U-shaped frame 210 can be assembled with the upper plate 220 . have.
  • escape skin 220P may be formed at both ends of the groove portion 220D. The escapement 220P minimizes a gap between the groove portion 220D so that the support portion 210P of the assembly guide portion 210G can be accurately coupled to the groove portion 220D.
  • the present embodiment by fixing the position in the x-axis direction and the y-axis direction, it is possible to improve the assembling property as well as the durability of the battery module.
  • the number of battery cells 110 stacked like the battery cell stack 100 is the number of batteries in the battery cell stack 12 shown in FIG. 2 .
  • the horizontal length of the battery module is increased.
  • the horizontal length may mean a length in a direction in which the battery cells are stacked.
  • the coupling structure of the U-shaped frame 210 and the upper plate 220 may be distorted depending on battery module usage conditions, but according to this embodiment, in both the x-axis direction and the y-axis direction It is possible to improve the coupling holding force of the U-shaped frame 210 and the upper plate 220 by strong positioning.
  • the battery module according to the present embodiment may further include an end plate 600 covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 100 . It is possible to physically protect the battery cell stack 100 disposed therein through the module frame 200 described above.
  • the end plate 600 may be positioned on the front (y-axis direction) and the rear surface (y-axis direction) of the battery cell stack 100 .
  • the end plate 600 is formed to cover the battery cell stack 100 , and can physically protect the battery cell stack 100 and other electrical components from external impact.
  • a bus bar frame 400 on which the bus bar 411 is mounted and an insulating cover for electrical insulation may be positioned between the battery cell stack 100 and the end plate 600 . .
  • one or more battery modules according to an embodiment of the present invention may be packaged in a pack case to form a battery pack.
  • the battery pack may be formed by mounting one or more battery modules together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system.
  • BMS battery management system
  • the above-described battery module and battery pack including the same may be applied to various devices. These devices can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., but the present invention is not limited thereto and can be applied 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 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임으로부터 노출되는 상기 전지셀 적층체의 전후면을 덮는 버스바 프레임, 및 상기 버스바 프레임을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양측면을 덮는 하부 프레임과, 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며, 상기 상부 플레이트와 결합하는 상기 하부 프레임의 모서리에는 적어도 하나의 조립 가이드부가 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 04월 29일자 한국 특허 출원 제10-2020-0052255호에 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 조립성이 개선된 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 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지 셀을 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 전지 셀로서 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 모듈 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 xz평면을 따라 자른 단면도를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 전지 모듈은 복수의 전지셀(11)이 적층되어 형성된 전지셀 적층체(12)를 덮도록 전면과 후면이 개방된 모듈 프레임(10) 및 모듈 프레임(10)의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트(20)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임(10)은 U자형 프레임(10a)과 U자형 프레임(10a)의 개방된 상부를 덮는 상부 플레이트(10b)를 포함할 수 있다. U자형 프레임(10a)은 전지셀 적층체(12)의 하면을 덮는 바닥부(10a1)와, 바닥부(10a1) 양측에서 상향 돌출된 구조인 2개의 측면부(10a2)를 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(20)는 모듈 프레임(10)의 일측을 덮는 전면 플레이트(20a)와 모듈 프레임(10)의 다른 일측을 덮는 후면 플레이트(20b)를 포함할 수 있다.
이러한 전지 모듈을 형성하기 위해, 전지셀 적층체(12)가 모듈 프레임(10) 내부에 장착된 상태에서, 모듈 프레임(10)의 U자형 프레임(10a)과 상부 플레이트(10b)를 결합하기 위해 용접 등을 할 수 있다. 이때, U자형 프레임(10a) 위에 상부 플레이트(10b)가 얹어지는 조립 과정에서 조립 불량이 발생할 수 있다. 특히, 상부 플레이트(10b)와 U자형 프레임(10a)의 측면부 사이에 용접부(WP) 형성 시, 조립 정렬을 위한 가이드가 부재하여 불량이 발생할 수 있다.
따라서, 종래 기술의 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 조립성이 개선된 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 감싸는 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임으로부터 노출되는 상기 전지셀 적층체의 전후면을 덮는 버스바 프레임, 및 상기 버스바 프레임을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양측면을 덮는 하부 프레임과, 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며, 상기 상부 플레이트와 결합하는 상기 하부 프레임의 모서리에는 적어도 하나의 조립 가이드부가 형성된다.
상기 하부 프레임은 상기 전지셀 적층체의 하부를 받치는 바닥부와, 상기 바닥부의 양단부에서 상향 연장된 2개의 측면부를 포함하고, 상기 조립 가이드부는 상기 측면부 상단 모서리에 형성될 수 있다.
상기 조립 가이드부는, 일 방향으로 돌출된 돌기 형상의 지지부와, 상기 지지부 양측에 형성된 함몰부를 포함할 수 있다.
상기 함몰부는 상기 하부 프레임의 측면부 상단 모서리가 상기 하부 프레임의 바닥부를 향하는 방향으로 오목하게 들어간 도피 형상을 가질 수 있다.
상기 상부 플레이트에는 상기 조립 가이드부의 지지부가 조립되는 홈부가 형성될 수 있다.
상기 홈부는 상기 상부 플레이트의 서로 대응하는 양 모서리가 서로 마주보는 방향으로 함몰된 구조를 가질 수 있다.
상기 홈부 양단에 도피부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 모듈 프레임에 돌출형 조립 가이드 구조를 형성함으로써, 모듈 프레임 조립 시 오정렬이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 조립성 개선을 통해 모듈 프레임 용접 결합 시 용접 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 모듈 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 xz 평면을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 하부 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서, 상부 플레이트와 하부 프레임의 조립부를 나타내는 부분 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(200), 전지셀 적층체(100)의 전후면에 형성된 버스바 프레임(400), 및 전지셀 적층체(100) 기준으로 버스바 프레임(400)의 외측을 커버하는 엔드 플레이트(600)를 포함한다.
본 실시예에 따른 전지셀(110)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수개의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 복수개의 전지셀(110)은 각각 전극 조립체, 셀 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다.
버스바 프레임(400)에는 버스바(411) 및 커넥터(500)가 장착될 수 있다. 커넥터(500)는 버스바 프레임(400)에 장착된 버스바들 또는 써미스터로부터 전압 및 온도를 센싱하여 BMS(Battery Management System)에 전달할 수 있다. 전지셀 적층체(100) 전후면에 형성된 버스바 프레임(400) 중 전지셀 적층체(100)의 전면에 위치하는 버스바 프레임(400)에는 제1 커넥터(510)가 형성되고, 전지셀 적층체(100)의 후면에 위치하는 버스바 프레임(400)에는 제2 커넥터(520)가 형성될 수 있다.
종래에는 전지셀 적층체(100)의 전후면에 형성된 두 버스바 프레임 중 하나의 버스바 프레임 부분에만 커넥터가 형성되고, 커넥터가 형성되지 않은 버스바 프레임 부분은 연성평판케이블을 통해 전지셀 적층체 기준 반대편에 위치한 커넥터로 전압 및 온도 센싱 정보를 전달하였다. 이때 연성평판케이블이 전지셀 적층체의 상측에 위치함으로써 연성평판케이블을 조립하는 공정 및 연성평판케이블을 통한 연결에 문제가 없는지 확인하는 공정이 별도로 필요하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지셀 적층체(100)의 전후면에 형성된 버스바 프레임(400) 각각의 일측에 제1,2 커넥터(510, 520)가 별도로 형성됨으로써, 연성평판케이블을 별도로 조립할 필요 없이 각 버스바 프레임(400)에 형성된 커넥터를 통해 센싱된 전압 및 온도를 양방향으로 BMS로 전송할 수 있다. 이를 통해 전지 모듈의 제조 원가를 절감할 수 있고 전지 모듈 구조가 단순화될 수 있다. 또한 연성평판케이블의 조립 공정 및 연결 불량 확인 공정이 삭제되어 전지 모듈 제조 공정이 단순화될 수 있다.
모듈 프레임(200) 내에 전지셀 적층체(100)가 배치된다. 본 실시예에 따르면, 모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(100)의 하면 및 양측면을 커버하는 하부 프레임(210), 전지셀 적층체(100)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(220)를 포함할 수 있다.
전지셀 적층체(100)의 전후면에 버스바 프레임(400)이 장착된 상태에서 전지셀 적층체(100)를 하부 프레임(210)에 배치할 수 있다. 이후, 전지셀 적층체(100)의 상부를 덮도록 상부 플레이트(220)를 조립할 수 있다. 이때, 상부 플레이트(220)와 하부 프레임(210)의 고정을 통해 전지셀 적층체(100)가 모듈 프레임(200) 내에서 안정적으로 배치될 수 있도록 한다.
전지셀 적층체(100)를 수납하는 모듈 프레임(200)의 하부 프레임(210)은 U자형 프레임일 수 있다. U자형 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(100)의 하면(z축 반대 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(210b)는 전지셀 적층체(100)의 양 측면(x축 방향과 그 반대 방향)을 커버할 수 있다.
상부 플레이트(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 플레이트(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(100)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 플레이트(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 플레이트(220)와 U자형 프레임(210)은 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
앞서 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한 바와 같이, 전지셀 적층체(100)가 모듈 프레임(200) 내부에 장착된 상태에서, 모듈 프레임(200)의 U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)를 결합하기 위해 용접 등을 할 수 있다. 이때, 용접부를 형성하기 위해서는 U자형 프레임(210)의 측면부(210b)와 상부 플레이트(220)의 접합면들이 서로 대응하여 위치하도록 U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)를 고정시킬 필요가 있다. 다만 U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)가 서로 면밀하게 대응하도록 고정하는 것에 한계가 있고, 이로 인해 상기 용접이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있다.
또한, 상기 용접을 위해 레이저 용접을 실시할 수 있는데, 용접 과정에서 관통된 레이저 자체나 용접 스패터(weld spatter)들로 인해 전지셀들을 비롯한 내부 부품에 손상이 가해질 수 있다. 이때, U자형 프레임(210) 위에 상부 플레이트(220)가 얹어지는 조립 과정에서 조립 불량이 발생하면, 용접 라인 역시 오정렬되고, 이 경우 용접 스패터가 훨씬 많이 전지셀들이 위치하는 전지 모듈 내부로 유입되므로 더 큰 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 줄이기 위해 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 돌출형 조립 가이드 구조를 갖는 하부 프레임을 포함함으로써, 하부 프레임과 상부 플레이트의 조립성을 개선하고, 이에 따라 용접 불량도 방지할 수 있다. 이에 대해, 도 4 및 도 5를 참고하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 하부 프레임을 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서, 상부 플레이트와 하부 프레임의 조립부를 나타내는 부분 사시도이다.
도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 U자형 프레임(210)의 측면부(210b) 상단 모서리에는 조립 가이드부(210G)가 형성될 수 있다. 조립 가이드부(210G)는, U자형 프레임(210)의 측면부(210b) 상단 모서리에 적어도 하나 형성될 수 있다. 복수개의 조립 가이드부(210G)는 일정한 간격을 가지면서 서로 이격되어 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 조립 가이드부(210G)는, z축 방향으로 돌출된 돌기 형상의 지지부(210P)와, 지지부(210P) 양측에 형성된 함몰부(210D)를 포함할 수 있다. 함몰부(210D)는 U자형 프레임(210)의 측면부(210b) 상단 모서리가 z축 반대 방향으로 오목하게 들어간 도피 형상을 가질 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 상부 플레이트(220)에는 U자형 프레임(210)에 형성된 조립 가이드부(210G)에 대응하는 홈부(220D)가 형성될 수 있다. 홈부(220D)는, U자형 프레임(210)의 조립 가이드부(210G)가 상부 플레이트(220)와 조립될 수 있도록 상부 플레이트(220)의 양 모서리가 서로 마주보는 방향으로 함몰된 구조를 가질 수 있다. 이때, 홈부(220D) 양단에는 도피부(220P)가 형성될 수 있다. 도피부(220P)는 홈부(220D)의 갭(gap)을 최소화하여 조립 가이드부(210G)의 지지부(210P)가 정확히 홈부(220D)에 결합될 수 있도록 한다.
본 실시예에 따르면, x축 방향 및 y축 방향으로의 위치 고정을 함으로써, 조립성을 향상시킬 뿐만 아니라 전지 모듈의 내구성도 향상시킬 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체(100)와 같이 적층되는 전지셀(110)의 개수가 도 2에 도시된 전지셀 적층체(12)에서의 전지셀(11) 개수보다 많아지는 대면적 모듈의 경우, 전지 모듈의 수평 방향 길이가 길어지게 된다. 대면적 모듈에서는 전지 모듈의 수평 방향 길이가 길어진 구조이므로, 중심 부위에서의 하중이 커서 휨 변형 가능성이 높아진다. 여기서, 수평 방향 길이란, 전지셀이 적층된 방향으로의 길이를 의미할 수 있다. 상기 휨 변형에 의해 U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)의 결합 구조가 전지 모듈 사용 조건에 따라 틀어질 수 있으나, 본 실시예에 따르면, x축 방향 및 y축 방향의 양 방향으로의 강한 위치 고정에 의해 U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)의 결합 유지력을 향상시킬 수 있다.
다시 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(600)를 더 포함할 수 있다. 앞에서 설명한 모듈 프레임(200)을 통해 내부에 배치된 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다. 엔드 플레이트(600)는 전지셀 적층체(100)의 전면(y축 반대 방향) 및 후면(y축 방향)에 위치할 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(600)는 전지셀 적층체(100)를 커버하도록 형성되어, 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(100) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(100)와 엔드 플레이트(600) 사이에는 버스바(411)가 장착되는 버스바 프레임(400) 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등이 위치할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다. 전지팩은, 하나 이상의 전지 모듈이 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 형성될 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
200: 모듈 프레임
210: 하부 프레임
210G: 조립 가이드부
210P: 지지부
210D: 함몰부
220: 상부 플레이트
220D: 홈부
220P: 도피부

Claims (8)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임,
    상기 모듈 프레임으로부터 노출되는 상기 전지셀 적층체의 전후면을 덮는 버스바 프레임, 및
    상기 버스바 프레임을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양측면을 덮는 하부 프레임과, 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며,
    상기 상부 플레이트와 결합하는 상기 하부 프레임의 모서리에는 적어도 하나의 조립 가이드부가 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 하부 프레임은 상기 전지셀 적층체의 하부를 받치는 바닥부와, 상기 바닥부의 양단부에서 상향 연장된 2개의 측면부를 포함하고,
    상기 조립 가이드부는 상기 측면부 상단 모서리에 형성되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 조립 가이드부는, 일 방향으로 돌출된 돌기 형상의 지지부와, 상기 지지부 양측에 형성된 함몰부를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 함몰부는 상기 하부 프레임의 측면부 상단 모서리가 상기 하부 프레임의 바닥부를 향하는 방향으로 오목하게 들어간 도피 형상을 갖는 전지 모듈.
  5. 제3항에서,
    상기 상부 플레이트에는 상기 조립 가이드부의 지지부가 조립되는 홈부가 형성되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 홈부는 상기 상부 플레이트의 서로 대응하는 양 모서리가 서로 마주보는 방향으로 함몰된 구조를 갖는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 홈부 양단에 도피부가 형성되어 있는 전지 모듈.
  8. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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