WO2022092676A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수개의 전지셀 적층체, 상기 복수개의 전지셀 적층체가 각각 수용되는 단위 수납부를 갖는 모듈 프레임, 및 상기 단위 수납부 사이에 형성되는 성형부를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 10월 26일자 한국 특허 출원 제10-2020-0139307호에 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 성형 구조물을 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 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 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임과 전지셀 적층체의 최외곽 전지셀 사이 또는 복수의 전지셀 사이에 형성된 압축 패드를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A’ 부분을 나타낸 단면도이다. 도 3은 도 2의 전지셀의 스웰링 현상을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈은 복수의 전지셀(11)이 적층 형성된 전지셀 적층체(10), 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임(20), 전지셀 적층체(10)의 상부를 덮는 상부 플레이트(30), 전지셀 적층체(10)와 모듈 프레임(20)의 바닥부 사이에 위치한 열전도성 수지층(40), 복수의 전지셀(11) 사이 및/또는 최외각 전지셀(11)과 모듈 프레임(20) 사이에 위치한 압축 패드(50)를 포함한다.
압축 패드(50)는, 전지셀(11)과 대응되는 모듈 프레임(20)의 측면 대부분을 덮을 수 있도록 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(11)들의 스웰링 현상 발생시 전지셀(11)들이 도 3에 도시된 바와 같이 부풀어 오를 수 있는데, 종래에는 압축 패드(50)가 가압되어 압축된다 하더라도 더이상 압축 패드(50)의 압축이 이루어 지지 않는 최소 압축 두께(w)가 존재하여, 전지셀(11)들의 스웰링 현상에 대한 탄력적인 대처가 어려운 문제가 있다.
또한, 도 2에 도시한 것처럼, 상부 플레이트(30)와 모듈 프레임(20)의 용접부(P)가 전지셀(11)의 적층 방향인 모듈 폭 방향의 좌우측면에만 형성되므로 강성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 성형 구조물을 갖는 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 복수개의 전지셀 적층체, 상기 복수개의 전지셀 적층체가 각각 수용되는 단위 수납부를 갖는 모듈 프레임, 및 상기 단위 수납부 사이에 형성되는 성형부를 포함한다.
상기 성형부는 상기 모듈 프레임이 성형되어 형성되고, 상기 성형부는 냉각 부재를 포함할 수 있다.
상기 성형부는 서로 이격되어 있는 2개의 측면부와 이들을 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 성형부의 측면부가 상기 단위 수납부에 장착된 소단위 전지셀 적층체의 최외각 전지셀과 접촉할 수 있다.
상기 연결부는 서로 이격되어 있는 상기 2개의 측면부를 상기 측면부들의 상단부에서 연결할 수 있다.
상기 연결부는 상단으로 볼록한 곡면을 가질 수 있다.
상기 성형부의 2개의 측면부는 상기 전지셀의 적층 방향에 수직한 면일 수 있다.
상기 단위 수납부에 수용되는 소단위 전지셀 적층체는 상기 성형부에 의해 이웃하는 소단위 전지셀 적층체와 분리될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임에 장착된 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 더 포함하고, 상기 성형부의 연결부는 상기 상부 플레이트와 결합될 수 있다.
상기 모듈 프레임은 복수의 바닥부와 좌우 양측면부를 포함하고, 상기 복수의 바닥부는 상기 성형부에 의해 연결될 수 있다.
상기 복수의 바닥부, 상기 좌우 양측면부 및 상기 성형부는 일체로 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 성형부와 상기 전지셀 적층체에 포함된 최외각 전지셀 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 중앙부에 성형 구조물을 형성함으로써, 중앙부에 위치하는 전지셀이 금속 재질의 성형 구조물과 접촉하여 열방출이 원활해질 수 있다. 이에 따라, 중앙부와 최외각 부분의 전지셀 온도 편차가 감소할 수 있다.
또한, 중앙부에 성형 구조물을 형성함으로써, 전지셀의 스웰링을 흡수하여 팽창 제어를 할 수 있다.
또한, 중앙부에 형성된 성형 구조물과 상부 플레이트를 결합하여, 모듈 프레임과 상부 플레이트 사이의 용접 구간을 증대시켜 강성을 향상시킬 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 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 2의 전지셀의 스웰링 현상을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 6은 도 4의 절단선 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 7은 도 6의 실시예를 변형한 전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200), 전지셀 적층체(200)의 양 단부에 장착된 버스 바 프레임(130), 전지셀 적층체(200)를 수납하는 프레임 부재(300) 및 전지셀 적층체(200)와 버스 바 프레임(130)이 결합된 셀 블록을 양 단부에서 감싸는 엔드 플레이트(600)를 포함한다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 본 실시예에서 전지셀 적층체(200)는 도 5의 x축 방향으로 적층되고, z축 방향으로 프레임 부재(300) 내부에 배치되어 프레임 부재(300) 바닥부에 형성되는 열전도성 수지층(미도시)에 의해 냉각이 진행될 수 있다.
전지셀 적층체(200)를 수납하는 프레임 부재(300)는 상부 플레이트(310)와 모듈 프레임(320)을 포함할 수 있다. 모듈 프레임(320)은 복수개의 단위 수납부를 포함하고, 상부 플레이트(310)는 모듈 프레임(320)에 장착된 전지셀 적층체(200)의 상부를 덮는 판상형 구조로 형성될 수 있다. 모듈 프레임(320)은 전지셀 적층체의 하면 및 양 측면을 감싸고, 상부 플레이트(310)는 나머지 상면(z축 방향)을 감쌀 수 있다. 상부 플레이트(310)와 모듈 프레임(320)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(200)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 플레이트(310)와 모듈 프레임(320)을 통해 전지셀 적층체(200)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 플레이트(310)와 모듈 프레임(320)은 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 프레임 부재(300)는 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, 모듈 프레임(320)과 상부 플레이트(310)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
전지셀 적층체(200)의 개방된 제1 측(y축 방향)과 제2 측(y축 반대 방향)에 버스 바 프레임(130)이 위치할 수 있다. 버스 바 프레임(130)은 전지셀 적층체(200)의 제1 측(y축 방향)과 제2 측(y축 반대 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(200)를 커버함과 동시에 전지셀 적층체(200)와 외부 기기와의 연결을 안내하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 버스 바 프레임(130)에는 버스 바(280)가 장착될 수 있으며, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 버스 바 프레임(130)에 형성된 슬롯을 통과한 후 구부러져 버스 바(280)와 접합될 수 있다. 이를 통해 전지셀 적층체(200)를 구성하는 전지셀(110)들이 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다.
엔드 플레이트(600)는 프레임 부재(300)의 개방된 제1 측(y축 방향)과 제2 측(y축 반대 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(200)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(600)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(200) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다. 전지셀 적층체(200)와 엔드 플레이트(600) 사이에 버스 바 프레임(130)이 위치할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 버스 바 프레임(130)과 엔드 플레이트(600) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연 커버 등의 형성될 수 있다.
도 6은 도 4의 절단선 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 4 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(320)은 단위 수납부(S1, S2)를 복수개 포함한다. 모듈 프레임(320) 구조물을 변형하여 성형부(F)를 형성하고, 성형부(F)에 의해 복수개의 단위 수납부(S1, S2)가 정의될 수 있다. 복수의 단위 수납부(S1, S2) 각각에는 전지셀 적층체(200)가 소단위로 장착될 수 있다. 소단위 전지셀 적층체(200a)는 복수의 전지셀(110)을 포함하고, 소단위 전지셀 적층체(200a)가 단위 수납부(S1, S2)에 장착된 후, 도 5에서 설명한 버스 바 프레임(130) 상에서 전극 리드(111, 112)와 버스 바(280)의 접합을 통해 소단위 전지셀 적층체(200a) 간에도 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
구체적으로, 모듈 프레임(320)은 바닥부(320a) 및 바닥부(320a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(320b)를 포함할 수 있다. 바닥부(320a)는 y축 방향을 따라 뻗는 판상형 부재를 복수개 포함하고, 2개의 바닥부(320a) 사이에 성형부(F)가 형성되어 있다. 성형부(F)는 제1 간격(d1)으로 이격된 2개의 측면부와 이들을 연결하는 연결부(320c)를 포함할 수 있다. 연결부(320c)는 제1 간격(d1)으로 이격된 2개의 측면부를, 측면부들의 상단부에서 연결할 수 있다. 연결부(320c)는 상단으로 볼록한 곡면을 가질 수 있다. 성형부(F)는 U자형을 뒤집은 모양일 수 있다.
성형부(F)에 의해 구획되는 복수의 단위 수납부(S1, S2)에 소단위의 전지셀 적층체(200a)가 장착될 수 있다. 각각의 바닥부(320a)는 소단위 전지셀 적층체(200a)의 하면(z축 반대 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(320b)와 성형부(F)는 소단위 전지셀 적층체(200a)의 양 측면(x축 방향 및 그 반대 방향)을 커버할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 소단위 전지셀 적층체(200a) 사이에 성형부(F)가 형성되어 셀 스웰링 발생 시 충분한 스웰링 흡수 효과에 의해 셀 스웰링을 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 소단위 전지셀 적층체(200a)의 완전한 분리를 통해, 전지셀(110) 발화 시 열전파가 일어나는 것을 차단할 수 있다.
본 실시예에 따른 성형부(F)의 측면부는 소단위 전지셀 적층체(200a)의 최외각 전지셀(110)과 접촉할 수 있다. 성형부(F)는 전지 모듈 중앙부에 위치할 수 있고, 중앙부에 위치하는 전지셀(110)이 금속 재질의 성형 구조물인 성형부(F)와 접촉하여 열방출이 원활해질 수 있다. 다시 말해, 성형부(F)는 냉각 부재일 수 있다. 이에 따라, 중앙부와 최외각 부분의 전지셀(110) 온도 편차가 감소할 수 있다
본 실시예에 따른 성형부(F)의 연결부(320c)는 상부 플레이트(310)와 결합할 수 있다. 성형부(F)의 연결부(320c)는 상부 플레이트(310)와 용접 결합할 수 있다. 중앙부에 형성된 성형부(F)의 연결부(320c)와 상부 플레이트(310)를 용접 결합하여, 모듈 프레임(320)과 상부 플레이트(310) 사이의 용접 구간을 증대시켜 강성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임(320)의 측면부(320b)와 소단위 전지셀 적층체(200a)에 포함되는 최외각 전지셀(110) 사이에 위치하는 압축 패드(330)를 더 포함할 수 있다.
도 7은 도 6의 실시예를 변형한 전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
본 실시예는, 도 6에서 설명한 실시예와 대부분 동일하므로 이하에서는 차이가 있는 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 8을 참고하면, 성형부(F)와 성형부(F)에 가까운 최외각 전지셀(110) 사이에 위치하는 압축 패드(340)를 더 포함할 수 있다. 추가 압축 패드(340)에 의해 성형부(F) 주변의 전지셀의 스웰링 발생에 의한 팽창력을 흡수할 수 있다.
이상 차이가 있는 부분을 제외하고 도 6의 실시예에서 설명한 내용은 모두 본 실시예에 적용 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 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 전지 팩을 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
110: 전지셀
200: 전지셀 적층체
310: 상부 플레이트
320a: 바닥부
320b: 측면부
320c: 연결부
F: 성형부

Claims (12)

  1. 복수개의 전지셀 적층체,
    상기 복수개의 전지셀 적층체가 각각 수용되는 단위 수납부를 갖는 모듈 프레임, 및
    상기 단위 수납부 사이에 형성되는 성형부를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 성형부는 상기 모듈 프레임이 성형되어 형성되고, 상기 성형부는 냉각 부재를 포함하는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 성형부는 서로 이격되어 있는 2개의 측면부와 이들을 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 성형부의 측면부가 상기 단위 수납부에 장착된 소단위 전지셀 적층체의 최외각 전지셀과 접촉하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 연결부는 서로 이격되어 있는 상기 2개의 측면부를 상기 측면부들의 상단부에서 연결하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 연결부는 상단으로 볼록한 곡면을 갖는 전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 성형부의 2개의 측면부는 상기 전지셀의 적층 방향에 수직한 면인 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 단위 수납부에 수용되는 소단위 전지셀 적층체는 상기 성형부에 의해 이웃하는 소단위 전지셀 적층체와 분리되는 전지 모듈.
  8. 제3항에서,
    상기 모듈 프레임에 장착된 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 더 포함하고,
    상기 성형부의 연결부는 상기 상부 플레이트와 결합되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은 복수의 바닥부와 좌우 양측면부를 포함하고,
    상기 복수의 바닥부는 상기 성형부에 의해 연결되는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 복수의 바닥부, 상기 좌우 양측면부 및 상기 성형부는 일체로 형성되는 전지 모듈.
  11. 제9항에서,
    상기 성형부와 상기 전지셀 적층체에 포함된 최외각 전지셀 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함하는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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