WO2022030900A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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WO2022030900A1
WO2022030900A1 PCT/KR2021/010018 KR2021010018W WO2022030900A1 WO 2022030900 A1 WO2022030900 A1 WO 2022030900A1 KR 2021010018 W KR2021010018 W KR 2021010018W WO 2022030900 A1 WO2022030900 A1 WO 2022030900A1
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battery
module
end plate
cell stack
battery cell
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박수빈
성준엽
박명기
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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 a crush prevention structure and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries are attracting a lot of attention as an energy source for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles, as well as mobile devices such as cell phones, digital cameras, and notebook computers.
  • the mid-to-large-sized battery module Since it is desirable to manufacture the mid-to-large-sized battery module 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.
  • a plurality of battery cells In order for the medium and large-sized battery module to provide the output and capacity required in a given device or device, a plurality of battery cells must be electrically connected in a series manner.
  • a module frame for accommodating the battery cell stack in an internal space and a metal end plate covering the front and rear surfaces of the battery cell stack may include
  • Figure 1 is an exploded perspective view showing a conventional battery module.
  • Figure 2 is a perspective view showing a state in which the components of Figure 1 are assembled.
  • a conventional battery module includes a battery cell stack 10 in which a plurality of battery cells are stacked, a lower frame 20 covering the lower surface and both sides of the battery cell stack 10 , and a battery It may include an upper plate 30 that covers the upper surface of the cell stack 10 and an end plate 40 that covers the front and rear surfaces of the battery cell stack 10 .
  • An object of the present invention is to provide a battery module having a crush-preventing structure 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 accommodating the battery cell stack, and front and rear surfaces of the battery cell stack to cover the module frame and and an end plate coupled thereto, wherein the end plate is formed of an insulating material.
  • the front and rear surfaces of the battery cell stack may be positioned in a direction in which the electrode leads of the battery cells protrude, and the direction in which the electrode leads protrude may be perpendicular to the stacking direction of the battery cell stack.
  • the battery module further includes a bus bar frame positioned between the battery cell stack and the end plate, and a bus bar positioned on the bus bar frame, wherein the electrode lead is coupled to the bus bar, and the electrode lead and the A plurality of coupling portions of the bus bar may be formed.
  • a support member may be formed on an inner surface of the end plate, and the support member may have a structure protruding toward the bus bar frame.
  • the support member may be positioned between the adjacent electrode leads and a coupling portion of the bus bar.
  • the module frame may include a lower frame on which the battery cell stack is mounted and an upper plate covering an upper portion of the battery cell stack, and module mounting portions may be formed at both ends of the upper plate.
  • the end plate may be fixed to at least one of the lower frame and the upper plate with an adhesive.
  • the end plate may be coupled to at least one of the lower frame and the upper plate by a hook structure.
  • the upper plate may protrude more than a width between both side portions of the lower frame, and the module mounting portion may be formed in the protruding portion.
  • a plurality of module mounting portions may be formed along both ends of the upper plate.
  • the module mounting part may be formed in a hole structure.
  • the lower frame may include a bottom portion and side portions formed by bending at both sides of the bottom portion.
  • a width of the upper plate may be wider than a gap between both side portions of the lower frame.
  • the end plate may be formed of an injection molding material.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • an end plate made of an insulating material instead of the end plate made of a metal material, it is possible to prevent a short circuit between the battery cells in the lead electrode protruding direction when a crush occurs.
  • the support member is in close contact with the bus bar frame when a crush occurs, thereby preventing a short circuit between adjacent electrode leads.
  • the structure of the battery module can be simplified and the weight of the battery module can be reduced.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a conventional battery module.
  • Figure 2 is a perspective view showing a state in which the components of Figure 1 are assembled.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view showing an assembled state of the components of Figure 3;
  • FIG. 5 is a perspective view of a battery cell included in the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a battery module according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing that electrode leads are shorted by crushing in the battery module of FIG. 6 .
  • FIG. 8 is a view illustrating that electrode leads are protected by crushing in the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing a portion in which the edge portions of the upper plate and the lower frame are coupled to the end plate with an adhesive.
  • 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 part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to the gravity no.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "cross-sectional” 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.
  • Figure 4 is a perspective view showing an assembled state of the components of Figure 3;
  • 5 is a perspective view of a battery cell included in the battery module of FIG. 3 .
  • a battery module includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a battery cell stack 120 accommodating the stacked body 120 . It includes a lower frame 200 , an upper plate 300 covering the upper surface of the battery cell stack 120 , and an end plate 400 covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 , and the upper plate 300 ) at both ends of the module mounting portion 310 is formed.
  • the lower frame 200 may have, for example, a U-shaped frame structure. In this case, the lower frame 200 is bent at the bottom and both sides of the bottom to cover the side surfaces of the battery cell stack 120 . can be configured.
  • the lower frame 200 and the upper plate 300 having a U-shaped frame structure may be included.
  • 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 may be stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120 .
  • 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.
  • the lower frame 200 may be formed to cover the lower portion and both sides of the battery cell stack 120
  • the upper plate 300 may be formed to cover the upper portion of the battery cell stack 120
  • Upper edges of both sides of the lower frame 200 may be coupled to the upper plate 300 .
  • the end plate 400 is formed by injection molding and may be made of an insulating material.
  • the end plate 400 may be coupled to both side edge portions of the upper plate 300 and both side edge portions of the lower frame 200 while covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 .
  • the battery cell stack 120 located inside the frame structure and the electrical components connected thereto may be physically protected.
  • a structure for coupling a low voltage (LV) connector may be formed together.
  • the LV connector may serve to communicate battery cell voltage and thermistor information with the battery pack.
  • the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 are portions in which the electrode leads 111 and 112 protruding from the electrode assembly are positioned.
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell, and may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • two electrode leads 111 and 112 have one end 114a positioned opposite to each other with respect to the cell body 113 and the other end 114b. Each has a structure protruding from the.
  • the electrode leads 111 and 112 are connected to an electrode assembly (not shown) and protrude from the electrode assembly (not shown) to the outside of the battery cell 110 .
  • One of the two electrode leads 111 and 112 may be the positive lead 111 , and the other may be the negative lead 112 . That is, the positive lead 111 and the negative lead 112 may protrude in opposite directions with respect to one battery cell 110 .
  • both ends 114a and 114b of the cell case 114 and one side 114c connecting them are adhered in a state in which an electrode assembly (not shown) is accommodated in the cell case 114 .
  • the battery cell 110 according to the present embodiment has a total of three sealing parts, the sealing part has a structure in which the sealing part is sealed by a method such as thermal fusion, and the other side part may be formed of the connection part 115 .
  • the cell case 114 may be formed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked along the x-axis direction. Accordingly, the electrode leads 111 and 112 may protrude in the y-axis direction and the -y-axis direction, respectively.
  • module mounting parts 310 may be formed at both ends of the upper plate 300 .
  • the left and right widths of the upper plate 300 may be wider than the gap between both side portions of the lower frame 200 .
  • the portion of the upper plate 300 in which the module mounting portion 310 is formed may be a portion of the upper plate 300 that further protrudes outward based on the width between both side portions of the lower frame 200 .
  • a plurality of module mounting units 310 may be formed at regular intervals along both ends of the upper plate 300 .
  • the module mounting part 310 may be formed in a hole structure.
  • a coupling member may be inserted into the module mounting part 310 of the hole structure to couple the battery pack frame and the upper plate 300 .
  • the module mounting part 41 protruding in the direction perpendicular to the plate surface of the end plate 40 at the lower end of the two end plates 40 formed of a metal material is provided. Two of each end plate 40 was formed. In this way, when two module mounting parts are formed at the lower end of the end plate 40, stress is concentrated on the two module mounting parts when an external force acts, and the module mounting part 41 or the end plate 40 formed to protrude is broken. Otherwise, there is a risk that a short circuit occurs between the electrode leads 111 and 112 due to deformation of the end plate 40 .
  • a plurality of module mounting parts 310 are formed at both ends of the upper plate 300 to form a battery module formed with only four module mounting parts.
  • the four-point fixing structure is developed into a multi-point fixing structure through a plurality of module mounting units 310 as in the present invention, it is possible to improve the physical rigidity of the battery module and the battery pack combined with the battery module.
  • the fixing structure may be formed on the upper plate 300 manufactured by the press method instead of the conventional fixing structure of the end plate manufactured by the casting method.
  • FIGS. 3 and 6 to 8 a battery module including an end plate formed of an insulating member according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 6 to 8 .
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a battery module according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing that electrode leads are shorted by crushing in the battery module of FIG. 6 .
  • the front and rear surfaces of the battery cell stack included in the battery module according to the comparative example are covered with a bus bar frame 32 , and the bus bar frame 32 is covered with a metal end plate 40 . have.
  • An insulating cover 35 is formed between the bus bar frame 32 and the metal end plate 40 , and the bus bar and/or electrode leads positioned on the bus bar frame 32 are separated from the end plate 40 . can be insulated.
  • the battery module when the battery module is crushed, it may be most vulnerable in the direction in which the electrode leads protrude from the battery cell stack, in the same direction as the overall length of the battery cell.
  • the reason that the electric length direction is the weakest is that when a crush occurs in the direction in which the electrode leads protrude, force is applied to the direction in which the battery cells 11 are located on the outermost end plate 40, so that the insulating cover with a thin thickness (35) can be broken.
  • the end plate 40 and the electrode leads 12 and 13 may contact each other.
  • different adjacent electrode leads come into contact with each other. In this case, an electrical connection occurs between the electrode leads 12 and 13 that are electrically spaced apart, and a short circuit phenomenon occurs. At this time, a high current flows instantaneously in a very small circuit, which may lead to a fire or the like.
  • FIG. 8 is a view illustrating that electrode leads are protected by crushing in the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the end plate 400 according to an embodiment of the present invention may be formed of an insulating material.
  • the battery module according to this embodiment has an end plate 400 having a relatively thick thickness compared to an insulating cover positioned between the end plate and the bus bar frame to supplement rigidity. ) is included.
  • the end plate 400 according to the present embodiment may have a thickness of 2 to 3 times.
  • the end plate 400 according to the present embodiment is formed of an insulating material to replace the existing metal end plate.
  • an end plate of metal formed by a casting method is used, but the end plate formed of metal is heavy, and there is a risk of fracture when stress concentration occurs.
  • the end plate 400 is formed of an insulating material
  • the end plate can be molded by an injection method, so that the end plate 400 is lighter and more flexible than metal and has insulating performance at the same time. can do.
  • a support member 410 is formed on the inner surface of the end plate 400 according to the present embodiment.
  • the support member 410 has a structure protruding toward the bus bar frame 130 .
  • the support member 410 corresponds to a portion of the bus bar frame 130 positioned between the adjacent electrode leads 111a and 111b, and even when the end plate 400 is pressed in a crush situation, the electrode leads 111a and 111b. ), it is possible to prevent a short phenomenon by maintaining a gap between the two.
  • the end plate 400 made of an insulating material does not basically form a short circuit, and even if the end plate 400 is pushed in the direction of the battery cell stack in a crush situation, the support member 410 is the bus bar It is possible to block the crush while touching the frame 130 .
  • the bus bar 280 and the electrode leads 111a and 111b are not formed on the portion of the bus bar frame 130 where the support member 410 is positioned.
  • a plurality of coupling portions between the bus bar 280 and the electrode leads 111a and 111b may be formed on the bus bar frame 130 , and the support member 410 may be positioned between the adjacent coupling portions.
  • FIG. 9 is a view showing a portion in which the edge portions of the upper plate and the lower frame are coupled to the end plate with an adhesive.
  • the end plate 400 may be fixed to at least one of the lower frame 200 and the upper plate 300 with an adhesive.
  • the upper edge of the end plate 400 may be adhered to the edge portion of the upper plate 300 , and both ends and the lower edge of the end plate 400 are the edge portions of the lower frame 200 . can be glued.
  • the coupling method between the end plate and at least one of the lower frame and the upper plate may be coupled using a hook in addition to using an adhesive, but is not limited thereto, and various types of coupling methods may be employed.
  • the end plate formed of an insulating material can be fixed with an adhesive, so that a separate fixing structure is not required, so that the structure of the battery module is reduced Due to the simplification, the manufacturing process can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
  • the battery module described above may be included in the battery pack.
  • the battery pack may have a structure in which one or more battery modules according to the present embodiment are collected and a battery management system (BMS) that manages the temperature, voltage, etc. of the battery and a cooling device are added and packed.
  • BMS battery management system
  • the battery module or battery pack according to the present embodiment described above may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, etc., 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 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 및 상기 전지 셀 적층체의 전후면을 덮고 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 절연 재질로 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 08월 07일자 한국 특허 출원 제10-2020-0099098호에 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 크러시 방지 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 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. 중대형 전지 모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지 셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결해야 한다.
한편, 전지 모듈은, 전지 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전지 셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 모듈 프레임 및 전지 셀 적층체의 전후면을 커버하는 금속 재질의 엔드 플레이트를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 전지 모듈은, 복수의 전지 셀이 적층 형성된 전지 셀 적층체(10), 전지 셀 적층체(10)의 하면 및 양측면을 커버하는 하부 프레임(20), 전지 셀 적층체(10)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(30) 및 전지 셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(40)를 포함할 수 있다.
이때, 엔드 플레이트(40)의 하측에는, 플레이트 면으로부터 돌출 형성된 두 개의 모듈 마운팅부(41)가 형성되어 있는데, 전지 모듈에 대한 진동. 충격 등의 물리적인 힘이 가해질 경우 엔드 플레이트(40)로부터 돌출 형성된 모듈 마운팅부(41)에 응력이 집중되어 모듈 마운팅부(41)가 엔드 플레이트(40)로부터 파단될 위험이 있다. 또한 전지 모듈에 압축력이 작용할 경우에도 모듈 마운팅부(41)에 하중이 집중되고, 모듈 마운팅부(41)와 연결된 엔드 플레이트(40)가 압력을 받아 변형이 발생함으로써, 엔드 플레이트 내부의 전극 리드 간의 단락 현상이 일어날 우려가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 크러시(crush) 방지 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 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 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 및 상기 전지 셀 적층체의 전후면을 덮고 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 절연 재질로 형성된다.
상기 전지 셀 적층체의 전후면은, 상기 전지 셀의 전극 리드가 돌출되는 방향에 위치하고, 상기 전극 리드가 돌출되는 방향은 상기 전지 셀 적층체의 적층 방향에 수직일 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지 셀 적층체와 엔드 플레이트 사이에 위치하는 버스 바 프레임, 및 상기 버스 바 프레임 상에 위치하는 버스 바를 더 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 버스 바와 결합되고, 상기 전극 리드와 상기 버스 바의 결합부는 복수개 형성될 수 있다.
상기 엔드 플레이트 안쪽면에 지지 부재가 형성되고, 상기 지지 부재는 상기 버스 바 프레임을 향해 돌출된 구조를 가질 수 있다.
상기 지지 부재는 서로 이웃하는 상기 전극 리드와 상기 버스 바의 결합부 사이에 위치할 수 있다.
상기 모듈 프레임은 상기 전지 셀 적층체가 장착되는 하부 프레임 및 상기 전지 셀 적층체의 상부를 커버하는 상부 플레이트를 포함하고, 상기 상부 플레이트의 양단에는 모듈 마운팅부가 형성될 수 있다.
상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 접착제로 고정될 수 있다.
상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 후크 구조에 의해 결합될 수 있다.
상기 상부 플레이트는, 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 폭보다 더 돌출되고, 상기 돌출된 부분에 상기 모듈 마운팅부가 형성될 수 있다.
상기 모듈 마운팅부는 상기 상부 플레이트의 양측단을 따라 복수개 형성될수 있다.
상기 모듈 마운팅부는 홀 구조로 형성될 수 있다.
상기 하부 프레임은 바닥부와, 상기 바닥부 양측에서 벤딩되어 형성된 측면부를 포함할 수 있다.
상기 상부 플레이트의 폭은 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 간격보다 더 넓을 수 있다.
상기 엔드 플레이트는 사출물로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 금속 재질의 엔드 플레이트를 대신하여 절연 재질의 엔드 플레이트를 사용함으로써, 크러시(Crush) 발생 시 리드 전극 돌출 방향으로 전지 셀 간 쇼트를 방지할 수 있다.
또한, 엔드 플레이트 내부에 지지 부재를 형성함으로써, 크러시 발생 시 지지 부재가 버스 바 프레임과 밀착되어 이웃하는 전극 리드 간 쇼트를 방지할 수 있다.
절연 재질의 엔드 플레이트를 사출 공정으로 형성함으로써, 전지 모듈의 구조를 단순화 시키고 전지 모듈의 무게를 줄일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 구성들이 조립된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 구성들이 조립된 모습을 나내는 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지 셀에 대한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 전지 모듈에서 크러시에 의해 전극 리드들이 쇼트되는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 크러시에 의해 전극 리드들이 보호되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 상부 플레이트와 하부 프레임의 모서리 부분이 엔드 플레이트와 접착제로 결합되는 부분을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 플레이트를 포함한 전지 모듈의 구성에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 구성들이 조립된 모습을 나내는 사시도이다. 도 5는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지 셀에 대한 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지 셀(110)이 적층되어 있는 전지 셀 적층체(120), 전지 셀 적층체(120)를 수용하는 하부 프레임(200), 전지 셀 적층체(120)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(300) 및 전지 셀 적층체(120)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(400)를 포함하고, 상부 플레이트(300)의 양단에는 모듈 마운팅부(310)가 형성된다. 하부 프레임(200)은 일례로, U자형 프레임 구조를 가질 수 있고, 이때, 하부 프레임(200)은, 바닥부와 상기 바닥부 양측에서 벤딩되어 전지셀 적층체(120)의 측면을 덮는 측면부로 구성될 수 있다. 이처럼, 전지 셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임의 한 예로, U자형 프레임 구조의 하부 프레임(200)과 상부 플레이트(300)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지 셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수개의 전지 셀은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지 셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 복수개의 전지 셀(110)은 각각 전극 조립체, 셀 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다.
하부 프레임(200)은 전지 셀 적층체(120)의 하부 및 양측부를 커버하도록 형성될 수 있고, 상부 플레이트(300)는 전지 셀 적층체(120)의 상부를 커버하도록 형성될 수 있다. 하부 프레임(200)의 양측부 상단 모서리는 상부 플레이트(300)와 결합될 수 있다.
본 실시예에 따른 엔드 플레이트(400)는 사출 성형 방식으로 형성되고, 절연 재질로 이루어질 수 있다. 엔드 플레이트(400)는 전지 셀 적층체(120)의 전후면을 커버하면서, 상부 플레이트(300)의 양측 모서리 부분 및 하부 프레임(200)의 양측 모서리 부분과 서로 결합할 수 있다. 하부 프레임(200), 상부 플레이트(300) 및 엔드 플레이트(400)를 통해, 프레임 구조 내부에 위치한 전지 셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다. 엔드 플레이트(400)를 사출 성형 방식으로 형성할 때, LV(Low voltage) 커넥터가 결합되기 위한 구조가 함께 형성될 수 있다. LV 커넥터는, 전지팩과 전지셀 전압 및 써미스터 정보를 통신하는 역할을 할 수 있다.
도 3 및 도 5를 참고하면, 전지 셀 적층체(120)의 전후면은, 전극 조립체로부터 돌출되는 전극 리드(111, 112)가 위치하는 부분이다.
우선, 전지 셀(110)은 파우치형 전지 셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 셀 본체(113)를 기준으로 서로 반대편에 위치하는 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지 셀(110)의 외부로 돌출된다. 두 개의 전극 리드(111, 112) 중 하나는 양극 리드(111)일 수 있고, 다른 하나는 음극 리드(112)일 수 있다. 즉, 하나의 전지 셀(110)을 기준으로 양극 리드(111)와 음극 리드(112)가 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 전지 셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
이러한 전지 셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지 셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지 셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이 x축 방향을 따라 복수의 전지 셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라 전극 리드(111, 112)는 각각 y축 방향과 -y축 방향으로 돌출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 플레이트(300)의 양단에는 모듈 마운팅부(310)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상부 플레이트(300)의 좌우 폭은 하부 프레임(200)의 양 측면부 사이의 간격보다 더 넓을 수 있다. 이때, 상부 플레이트(300)에서 모듈 마운팅부(310)가 형성된 부분은, 하부 프레임(200)의 양 측면부 사이의 폭 기준으로 바깥쪽으로 더 돌출된 상부 플레이트(300) 부분일 수 있다. 모듈 마운팅부(310)는 상부 플레이트(300)의 양측단을 따라 일정 간격으로 복수개 형성될 수 있다. 모듈 마운팅부(310)는 홀 구조로 형성될 수 있다. 상기 홀 구조의 모듈 마운팅부(310)에 결합 부재가 삽입되어 전지 팩 프레임과 상부 플레이트(300)를 결합시킬 수 있다.
종래에는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 재질로 형성된 2개의 엔드 플레이트(40)의 하단에 엔드 플레이트(40)의 플레이트면과 수직인 방향으로 돌출 형성된 모듈 마운팅부(41)가 엔드 플레이트(40)마다 두개씩 형성되어 있었다. 이와 같이 엔드 플레이트(40)의 하단에 두개씩 모듈 마운팅부가 형성될 경우, 외부의 힘이 작용할 경우 두개의 모듈 마운팅부에 응력이 집중되어 돌출 형성된 모듈 마운팅부(41) 또는 엔드 플레이트(40)가 파단되거나 엔드 플레이트(40)에 변형이 발생하여 전극 리드(111, 112) 간의 단락이 발생할 위험이 있었다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시한 바와 같이, 상부 플레이트(300)의 양단에 복수개의 모듈 마운팅부(310)를 형성하여, 기존에 4개의 모듈 마운팅부 만으로 형성된 전지 모듈의 4점 고정 구조가 본 발명과 같이 복수개의 모듈 마운팅부(310)를 통한 다점 고정 구조로 발전됨으로써 전지 모듈 및 전지 모듈과 결합된 전지 팩의 물리적 강성을 향상시킬 수 있게 되었다. 또 기존에 주조 공법으로 제조한 엔드 플레이트 고정 구조 대신에 프레스 공법으로 제조된 상부 플레이트(300)에 고정 구조를 형성할 수 있다.
이하에서는, 도 3, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재로 형성된 엔드 플레이트를 포함한 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6의 전지 모듈에서 크러시에 의해 전극 리드들이 쇼트되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6을 참고하면, 비교예에 따른 전지 모듈에 포함된 전지 셀 적층체에 전후면은 버스 바 프레임(32)으로 덮여 있고, 버스 바 프레임(32)은 금속 재질의 엔드 플레이트(40)로 덮여 있다. 버스 바 프레임(32)과 금속 재질의 엔드 플레이트(40) 사이에는 절연 커버(35)가 형성되어, 버스 바 프레임(32) 상에 위치하는 버스 바 및/또는 전극 리드를 엔드 플레이트(40)로부터 절연시킬 수 있다.
도 7을 참고하면, 전지 모듈에 크러시가 발생하면, 전지 셀 적층체에서 전극 리드가 돌출되는 방향과 동일한 방향인 전지 셀의 전장 방향으로 가장 취약할 수 있다. 전장 방향이 가장 취약한 이유는, 전극 리드가 돌출되는 방향으로 크러시가 발생하면 가장 외각에 위치하는 엔드 플레이트(40)가 전지 셀(11)이 위치하는 방향으로 힘이 가해져서, 얇은 두께의 절연 커버(35)가 깨질 수 있다. 이처럼 절연 커버(35)가 깨지고, 금속 재질의 엔드 플레이트(40)가 전지 셀 적층체 내부로 밀고 들어오면, 엔드 플레이트(40)와 전극 리드(12, 13)가 서로 맞닿을 수 있다. 뿐만 아니라, 이웃한 서로 다른 전극 리드끼리 접촉하게 된다. 이렇게 되면, 전기적으로 이격되어 있던 전극 리드(12, 13) 사이에 전기적 연결이 일어나고, 쇼트 회로 현상이 발생한다. 이때, 매우 작은 회로에 순간적으로 고전류가 흐르며 화재 등으로 이어질 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 크러시에 의해 전극 리드들이 보호되는 것을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트(400)는 절연 재질로 형성될 수 있다. 도 6 및 도 7에서 설명한 비교예와 대비하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 강성 보완을 위해 엔드 플레이트와 버스 바 프레임 사이에 위치하는 절연 커버 대비하여 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 엔드 플레이트(400)를 포함한다. 도 6 및 도 7에서 설명한 비교예의 절연 커버(35) 대비하여, 본 실시예에 따른 엔드 플레이트(400)는 2배 내지 3배의 두께를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 엔드 플레이트(400)는, 기존의 금속 재질의 엔드 플레이트를 대체하여 절연 재질로 형성된다.
종래에는 주조 공법으로 성형된 금속의 엔드 플레이트를 사용하였으나, 금속으로 형성된 엔드 플레이트는, 무거우며, 응력 집중 발생시 파단의 위험이 존재한다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔드 플레이트(400)가 절연 재질로 형성됨으로써, 엔드 플레이트를 사출 공법으로 성형할 수 있게 됨으로써 금속보다 가볍고 유연하며 동시에 절연 성능을 가진 엔드 플레이트(400)로 제조할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔드 플레이트(400)에는 안쪽면에 지지 부재(410)가 형성되어 있다. 지지 부재(410)는 버스 바 프레임(130)을 향해 돌출된 구조를 갖는다. 이때, 지지 부재(410)는 이웃하는 전극 리드(111a, 111b) 사이에 위치하는 버스 바 프레임(130) 부분에 대응하며, 크러시 상황에서 엔드 플레이트(400)가 눌리더라도 전극 리드(111a, 111b) 사이의 간격을 유지시켜 줌으로써, 쇼트(Short) 현상을 방지할 수 있다. 다시 말해, 절연 재질의 엔드 플레이트(400)가 기본적으로 쇼트 회로를 형성하지 못할 뿐만 아니라, 엔드 플레이트(400)가 크러시 상황에서 전지 셀 적층체 방향으로 밀고 들어오더라도 지지 부재(410)가 버스 바 프레임(130)에 닿으면서 크러시를 차단할 수 있다. 이때, 지지 부재(410)가 위치하는 버스 바 프레임(130) 부분에는 버스 바(280) 및 전극 리드(111a, 111b)가 형성되지 않는다. 일례로, 버스 바 프레임(130) 상에 버스 바(280)와 전극 리드(111a, 111b)의 결합부가 복수개 형성되고, 지지 부재(410)는 서로 이웃하는 상기 결합부 사이에 위치할 수 있다.
도 9는 상부 플레이트와 하부 프레임의 모서리 부분이 엔드 플레이트와 접착제로 결합되는 부분을 나타낸 도면이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트(400)는 하부 프레임(200) 및 상부 플레이트(300) 중 적어도 하나와 접착제로 고정될 수 있다. 보다 상세하게는, 엔드 플레이트(400)의 상단 모서리는 상부 플레이트(300)의 모서리 부분과 접착될 수 있고, 엔드 플레이트(400)의 양측단 및 하단 모서리는 하부 프레임(200)의 모서리 부분들과 접착될 수 있다. 엔드 플레이트와, 하부 프레임 및 상부 플레이트 중 적어도 하나와의 결합 방식은 접착제를 이용한 방식 이외에도 후크를 이용해 결합할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 종류의 결합 방식을 채용할 수 있다.
종래에는 엔드 플레이트를 결합하기 위한 별도의 고정 구조가 필요하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 절연 재질로 형성된 엔드 플레이트를 접착제로 고정시킬 수 있어 별도의 고정 구조가 필요 없어 전지 모듈의 구조가 단순해 짐으로 인해 제조 공정이 축소되고 제조 원가를 절감할 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.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 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
120: 전지 셀 적층체
130: 버스 바 프레임
200: 하부 프레임
280: 버스 바
300: 상부 플레이트
310: 모듈 마운팅부
400: 엔드 플레이트
410: 지지 부재

Claims (15)

  1. 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체,
    상기 전지 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 및
    상기 전지 셀 적층체의 전후면을 덮고 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 엔드 플레이트는 절연 재질로 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지 셀 적층체의 전후면은, 상기 전지 셀의 전극 리드가 돌출되는 방향에 위치하고, 상기 전극 리드가 돌출되는 방향은 상기 전지 셀 적층체의 적층 방향에 수직인 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 전지 셀 적층체와 엔드 플레이트 사이에 위치하는 버스 바 프레임, 및
    상기 버스 바 프레임 상에 위치하는 버스 바를 더 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 버스 바와 결합되고, 상기 전극 리드와 상기 버스 바의 결합부는 복수개 형성되는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 엔드 플레이트 안쪽면에 지지 부재가 형성되고, 상기 지지 부재는 상기 버스 바 프레임을 향해 돌출된 구조를 갖는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 지지 부재는 서로 이웃하는 상기 전극 리드와 상기 버스 바의 결합부 사이에 위치하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은 상기 전지 셀 적층체가 장착되는 하부 프레임 및 상기 전지 셀 적층체의 상부를 커버하는 상부 플레이트를 포함하고,
    상기 상부 플레이트의 양단에는 모듈 마운팅부가 형성되는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 접착제로 고정되는 전지 모듈.
  8. 제6항에서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 후크 구조에 의해 결합되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 상부 플레이트는, 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 폭보다 더 돌출되고,
    상기 돌출된 부분에 상기 모듈 마운팅부가 형성되는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 모듈 마운팅부는 상기 상부 플레이트의 양측단을 따라 복수개 형성되는 전지 모듈.
  11. 제10항에서,
    상기 모듈 마운팅부는 홀 구조로 형성되는 전지 모듈.
  12. 제1항에서,
    상기 하부 프레임은 바닥부와, 상기 바닥부 양측에서 벤딩되어 형성된 측면부를 포함하는 전지 모듈.
  13. 제1항에서,
    상기 상부 플레이트의 폭은 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 간격보다 더 넓은 전지 모듈.
  14. 제1항에서,
    상기 엔드 플레이트는 사출물로 형성되는 전지 모듈.
  15. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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