WO2022154311A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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WO2022154311A1
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battery cell
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김태욱
최일훈
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    • 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 processability and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries are receiving a lot of attention as an energy source in various product groups such as mobile devices and electric vehicles.
  • Such a secondary battery is a powerful energy resource that can replace the use of conventional products using fossil fuels, and is in the spotlight as an eco-friendly energy source because no by-products are generated according to energy use.
  • a battery module including at least one battery cell is configured, and other components are added to the at least one battery module to configure the battery pack. How to do it is common
  • Such a battery module may include a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked and a frame accommodating the battery cell stack.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a conventional battery module.
  • a conventional battery module includes a battery cell stack 10 in which a plurality of battery cells are stacked, a mono frame 20 accommodating the battery cell stack 10 , and front and rear surfaces of the battery cell stack. It may include end plates 40 that cover the .
  • bus bar frames 41 may be positioned between the battery cell stack 10 and the end plate 40 , and the cover plate 50 is disposed between the upper portion of the battery cell stack 10 and the mono frame 20 . ) can be located.
  • the bus bar frame 41 and the cover plate 50 may be coupled to each other to form a bus bar frame assembly.
  • An object of the present invention is to provide a battery module with improved processability and a battery pack including the same.
  • a battery module includes a battery cell stack formed by stacking a plurality of battery cells, a module frame accommodating the battery cell stack, and between the battery cell stack and an upper surface of the module frame. Including an insulating sheet layer positioned on the module frame, an opening is formed on the upper surface of the module frame, the insulating sheet layer may be formed with a protrusion inserted into the opening.
  • the module frame may include a frame member on which the battery cell stack is mounted, and an upper plate positioned opposite to the bottom of the frame member and having the opening.
  • the frame member may include the bottom portion and side portions respectively extending upward from both sides of the bottom portion.
  • the battery module may further include a temperature sensor positioned between the lower end of the insulating sheet layer portion formed with the protrusion and the battery cell stack.
  • a depression may be formed inside the protrusion of the insulating sheet layer, and a portion of the temperature sensor may be disposed in the depression.
  • the protrusion of the insulating sheet layer may be exposed to the outside of the module frame by the opening.
  • the battery module may further include an end plate positioned on each of the open first side and the second side of the module frame, and the opening may be formed adjacent to the end plate rather than the central portion of the battery cell stack.
  • the insulating sheet layer may include a polycarbonate (PC) film.
  • PC polycarbonate
  • the insulating sheet layer may be adhered to the upper surface of the module frame.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • insulating performance between the plurality of battery cells and the module frame may be secured through the insulating sheet layer positioned on the battery cell stack.
  • an opening is formed in the upper plate of the module frame to avoid interference between components, and an insulating sheet layer is formed along the opening, thereby securing a space for the temperature sensor for measuring the temperature of the battery cell.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a conventional battery module.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the components of the battery module of FIG. 2 are combined.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of the battery module of FIG. 3 as viewed in a state in which it is rotated 180 degrees.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating an upper plate and an insulating sheet layer included in the battery module of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A of FIG. 5 .
  • 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 there is another part 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 not.
  • planar view it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross-section obtained by cutting the target part vertically is viewed from the side.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a perspective view showing a state in which the components of the battery module of FIG. 2 are combined.
  • 4 is a perspective view showing a battery cell 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 for accommodating the battery cell stack 100 .
  • Frame 180 , end plates 400 positioned on the front and rear surfaces of the battery cell stack 100 , respectively, and a bus bar frame 410 positioned between the battery cell stack 100 and the end plate 400 ) includes
  • the insulating sheet layer 500 is formed between the battery cell stack 100 and the upper surface of the module frame 180 .
  • the module frame 180 may include a frame member 200 having an open upper side, and an upper plate 300 covering an open upper side of the frame member 200 .
  • the frame member 200 may include a bottom portion 210 and at least two side portions 220 bent at both ends of the bottom portion 210 .
  • the frame member 200 may be U-shaped.
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell.
  • the two electrode leads 111 and 112 are opposite to each other to be different from the one end 114a of the battery body 113 .
  • Each has a structure protruding from one end (114b).
  • the battery cell 110 is manufactured by attaching both ends 114a and 114b of the battery case 114 and one side 114c connecting them to the battery case 114 in a state in which an electrode assembly (not shown) is accommodated.
  • the battery cell 110 has a total of three sealing portions 114sa, 114sb, 114sc, and the sealing portions 114sa, 114sb, 114sc are sealed by a method such as thermal fusion. structure, and the other one side may be formed of a connection part 115 .
  • the battery case 114 is defined in the longitudinal direction of the battery cell 110, one side portion 114c connecting the both ends (114a, 114b) of the battery case 114 and the connecting portion A space between 115 may be defined in the width direction of the battery cell 110 .
  • connection part 115 is a region extending long along one edge of the battery cell 110 , and a protrusion 110p of the battery cell 110 called a bat-ear is formed at the end of the connection part 115 .
  • the protrusion 110p may be formed on at least one of both ends of the connection part 115 , and may protrude in a direction perpendicular to the direction in which the connection part 115 extends.
  • the protrusion 110p may be positioned between one of the sealing parts 114sa and 114sb of both ends 114a and 114b of the battery case 114 and the connection part 115 .
  • the battery case 114 generally has a laminate structure of a resin layer/metal thin film layer/resin layer.
  • the battery case surface is made of an O (oriented)-nylon layer
  • an adhesive member such as an adhesive adhesive such as a double-sided tape or a chemical adhesive bonded by a chemical reaction during adhesion is attached to the surface of the battery case to form a battery cell laminate. (100) can be formed.
  • the battery cells 110 are stacked along the y-axis direction to form the battery cell stack 100, and the battery cell stack 100 is the module frame 180 in the opposite direction to the z-axis. can be accommodated inside.
  • a thermally conductive resin layer may be positioned between the battery cell stack 100 and the bottom 210 of the frame member 200 .
  • the frame member 200 accommodates the battery cell stack 100 .
  • the module frame 180 corresponds to the first side and the second side.
  • the outer surfaces other than the outer surface of the battery cell stack 100 it may be formed in a bent plate-shaped structure to continuously cover the lower surface and both sides adjacent to the lower surface.
  • the bottom portion 210 of the frame member 200 is formed to cover the lower surface of the battery cell stack 100
  • the two side portions 220 of the frame member 200 are of the battery cell stack 100 . It may be formed to cover the both sides.
  • the upper plate 300 may be formed in a single plate-shaped structure surrounding the upper surface other than the lower surface and the both sides covered by the frame member 200 .
  • the frame member 200 and the upper plate 300 may form a structure that covers the battery cell stack 100 up, down, left, and right by being joined 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 frame member 200 and the upper plate 300 .
  • the frame member 200 and the upper plate 300 may include a metal material having a predetermined strength.
  • the end plate 400 may be positioned on the open first side (x-axis direction) and the second side (the opposite direction of the x-axis) of the module frame 180 to cover the battery cell stack 100 .
  • the end plate 400 may physically protect the battery cell stack 100 and other electrical components from external impact, and a battery module mounting structure may be provided to fix the battery module to a pack frame (not shown).
  • bus bar frame 410 and the separation cover 420 may be positioned on the open first side (x-axis direction) and the second side (the opposite direction of the x-axis) of the battery cell stack 100 . That is, the bus bar frame 410 and the separation cover 420 may be sequentially positioned between the battery cell stack 100 and the end plate 400 .
  • the bus bar frame 410 is positioned on the first side (x-axis direction) and the second side (the opposite direction of the x-axis) of the battery cell stack 100 to cover the battery cell stack 100 and at the same time, the battery cells It may serve to guide the connection between the laminate 100 and an external device.
  • a bus bar may be mounted on the bus bar frame 410 , and the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 shown in FIG. 4 are bent after passing through the slit formed in the bus bar frame 410 . It can be joined to the busbar. Through this, the battery cells 110 constituting the battery cell stack 100 may be connected in series or in parallel.
  • a terminal bus bar 430 may be mounted on the bus bar frame 410 .
  • the terminal bus bar 430 is connected to at least one of the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 , and one end is exposed to the outside through openings respectively formed in the separation cover 420 and the end plate 400 .
  • the plurality of battery cells 110 may be electrically connected to an external device through the terminal bus bar 430 .
  • a connector (not shown) may be mounted on the bus bar frame 410 . Information such as the temperature or voltage of the battery cell 110 measured through a sensing assembly (not shown) inside the battery module may be transmitted to an external battery management system (BMS) or the like through the connector.
  • BMS battery management system
  • the separation cover 420 is an electrically insulating member, and separates the battery cell stack 100, the bus bar frame 410, and other electrical components from the end plate 400 or the upper plate 300 to prevent external short circuits, etc. You can do something to prevent this from happening.
  • the separation cover 420 may be formed with a recessed portion 421 to guide the connection between the connector and the external BMS.
  • the insulating sheet layer 500 is a thin film having an electrically insulating performance, and may include a polycarbonate (PC) film.
  • the insulating sheet layer 500 may have a thin thickness of 0.1 mm to 0.3 mm. Therefore, even when the insulating sheet layer 500 is inserted into the battery module, there is an advantage that the height increase of the battery module is not large.
  • the insulating sheet layer 500 including a polycarbonate (PC) film has heat resistance, so that even when exposed for a long time in a high temperature environment, the degree of change in its shape is not large. Therefore, it is easy to manage the product, and it is suitable to be applied as a component of a battery module that generates heat.
  • PC polycarbonate
  • the battery cell stack 100 and the upper plate 300 may be insulated from each other. That is, it is possible to secure the insulation performance of the battery module.
  • a bus bar frame assembly including a cover plate 50 is inserted to secure insulation performance, which acts as a disadvantage in terms of space utilization and weight.
  • the insulating sheet layer 500 according to the present embodiment is a thin film, and it is possible to secure the insulating performance of the battery module and reduce both the height and the weight of the battery module.
  • a comparative example there is a case where an insulator in the form of a pad is positioned on the battery cell stack.
  • This comparative example is heavier and requires more space than the insulating sheet layer 500 according to the present embodiment.
  • the insulating sheet layer 500 according to the present embodiment can be molded into a desired shape, the pad-shaped insulator can cover even a portion where it is impossible to secure an insulating distance, so that the insulating performance can be increased.
  • FIG. 5 is a perspective view of the battery module of FIG. 3 as viewed in a state in which it is rotated 180 degrees.
  • 6 is a perspective view illustrating an upper plate and an insulating sheet layer included in the battery module of FIG. 5 .
  • an opening 300A is formed in the upper surface of the module frame 180 according to the present embodiment. Specifically, an opening 300A is formed in the upper plate 300 , and a protrusion 500p inserted into the opening 300A is formed in the insulating sheet layer 500 . The protrusion 500p may be exposed to the outside of the module frame 180 by the opening 300A.
  • the opening 300A may be formed adjacent to the end plate 400 rather than the central portion of the battery cell stack 100 .
  • the insulating sheet layer 500 may be adhered to the upper plate 300 . More specifically, an adhesive member (not shown) may be positioned between the insulating sheet layer 500 and the upper plate 300 . If the adhesive member includes a material having an adhesive force, the material or shape thereof is not limited, but may be a double-sided tape.
  • the insulating sheet layer 500 may be delivered in a state of being adhered to the upper plate 300 .
  • the insulating sheet layer 500 may be formed of a thin film, and may be easily attached to the upper plate 300 .
  • the insulating sheet layer 500 may be disposed and assembled on the battery cell stack 100 in a state in which it is adhered to the upper plate 300 to manufacture a battery module. That is, since the insulating sheet layer 500 is delivered in an adhesive state to the upper plate 300 , defects in the manufacturing process in which the insulating sheet layer 500 is misaligned or separated during the assembly process of the upper plate 300 can be prevented. have.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A of FIG. 5 .
  • the battery module according to the present embodiment further includes a temperature sensor 700 positioned between the lower end of the insulating sheet layer 500 in which the protrusion 500p is formed and the battery cell stack 100 .
  • the temperature sensor 700 may measure the temperature of the battery cell 110 .
  • the temperature sensor 700 may be formed on the flexible circuit board part 800 .
  • the temperature sensor 700 may be implemented using a thermistor element.
  • a thermistor is a semiconductor device using a phenomenon in which a resistance value varies according to temperature, and may be formed by mixing and sintering oxides such as copper, manganese, nickel, cobalt, chromium, and iron. Such a thermistor has the advantage of being small in size and capable of measuring even a rapid temperature change or a minute temperature change.
  • the temperature information measured by the temperature sensor 700 may be transmitted to another device outside the battery module.
  • the measured temperature information is transmitted to a battery management system (BMS) outside the battery module, and may be used to control the battery module.
  • BMS battery management system
  • a depression 500A may be formed inside the protrusion 500p of the insulating sheet layer 500 , and a portion of the temperature sensor 700 may be disposed in the depression 500A.
  • the opening 300A may be formed when the material of the upper plate 300 is trimmed without separate machining to secure a space for the temperature sensor 700 .
  • the space of the temperature sensor 700 component is secured, thereby improving fairness.
  • 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 packed by adding a battery management system (BMS) that manages the temperature or voltage of the battery and a cooling device.
  • BMS battery management system
  • the battery pack 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, which also falls within the scope of the present invention. .

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임, 및 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 상부면 사이에 위치하는 절연 시트층을 포함하고, 상기 모듈 프레임의 상부면에는 개구부가 형성되고, 상기 절연 시트층에는 상기 개구부에 삽입되는 돌출부가 형성될 수 있다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 01월 14일자 한국 특허 출원 제10-2021-0005509호에 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 공정성을 개선한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 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 모듈에 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체 및 전지셀 적층체를 수용하는 프레임을 포함할 수 있다.
도 1은 종래 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체(10), 전지셀 적층체(10)를 수용하는 모노 프레임(20) 및 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(40)들을 포함할 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(10)와 엔드 플레이트(40) 사이에 버스바 프레임(41)들이 위치할 수 있으며, 전지셀 적층체(10)의 상부와 모노 프레임(20) 사이에 커버 플레이트(50)가 위치할 수 있다. 버스바 프레임(41)과 커버 플레이트(50)는 서로 결합되어 버스바 프레임 어셈블리를 형성할 수 있다.
종래의 전지 모듈의 경우 커버 플레이트(50)를 설치함으로써, 전지셀 적층체(10)와 모노 프레임(20) 간의 절연을 확보하고, 또 모노 프레임(20)에 수납될 때 발생할 수 있는 전지셀 적층체(10)와 전지셀 적층체(10) 상에 위치한 연성회로기판(미도시) 등의 손상을 막고자 하였다.
그러나, 도 1에 개시된 바와 같이, 전지셀 적층체(10) 상에 배치된 커버 플레이트(50)로 인해 그 두께만큼 전지 모듈의 높이가 증가하고, 또 무게가 증가하는 문제점이 있다.
이와 같이 전지 모듈의 크기가 증가할 경우, 전지 모듈의 설치 시 설치 공간이 더 많이 필요하고, 차량에 이러한 전지 모듈을 설치할 경우 차량의 주행 성능을 감소시키는 문제점이 있다.
또한 전지 모듈의 무게가 증가할 경우, 전지 모듈의 활용성이 전반적으로 감소하고, 마찬가지로 차량에 무게가 나가는 전지 모듈을 설치할 경우 차량의 주행 성능이 하락하여 연비가 감소하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공정성이 개선된 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 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임, 및 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 상부면 사이에 위치하는 절연 시트층을 포함하고, 상기 모듈 프레임의 상부면에는 개구부가 형성되고, 상기 절연 시트층에는 상기 개구부에 삽입되는 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체가 장착되는 프레임 부재와, 상기 프레임 부재의 바닥부 반대편에 위치하며, 상기 개구부가 형성된 상부 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 프레임 부재는 상기 바닥부와, 상기 바닥부의 양측부로부터 각각 상향 연장된 측면부를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 돌출부가 형성된 상기 절연 시트층 부분 하단과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 절연 시트층의 돌출부 내측에는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부에 상기 온도 센서 일부가 배치될 수 있다.
상기 개구부에 의해 상기 절연 시트층의 돌출부가 상기 모듈 프레임 외부로 노출될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임의 개방된 제1 측과 제2 측 각각에 위치하는 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 개구부는 상기 전지셀 적층체의 중앙부보다 상기 엔드 플레이트에 인접하게 형성될 수 있다.
상기 절연 시트층은 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 필름을 포함할 수 있다.
상기 절연 시트층은 상기 모듈 프레임의 상부면에 접착될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀 적층체 상에 위치하는 절연 시트층을 통해 복수의 전지셀과 모듈 프레임 간의 절연 성능을 확보할 수 있다.
또한, 부품 간 간섭을 피하기 위해 모듈 프레임의 상부 플레이트에 개구부를 형성하고, 상기 개구부를 따라 절연 시트층이 형성됨으로써, 전지셀의 온도를 측정하는 온도 센서의 공간을 확보할 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 종래 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈을 180도 회전시킨 상태에서 바라본 사시도이다.
도 6은 5의 전지 모듈에 포함된 상부 플레이트 및 절연 시트층을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 5의 절단선 A-A를 따라 자른 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(180), 전지셀 적층체(100)의 전면과 후면에 각각 위치하는 엔드 플레이트(400), 및 전지셀 적층체(100)와 엔드 플레이트(400) 사이에 위치하는 버스바 프레임(410)을 포함한다. 본 실시예에 따르면, 전지셀 적층체(100)와 모듈 프레임(180)의 상부면 사이에 절연 시트층(500)이 형성되어 있다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(180)은, 상측이 개방된 프레임 부재(200), 및 프레임 부재(200)의 개방된 상측을 덮는 상부 플레이트(300)을 포함할 수 있다.
여기서 프레임 부재(200)의 상측은 도 2에서 z축 방향을 의미한다. 프레임 부재(200)는 바닥부(210) 및 바닥부(210)의 양 단부에서 구부러진 적어도 2개의 측면부(220)을 포함할 수 있다. 이때 프레임 부재(200)는 U자형일 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이가 전지셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 연결부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗어 있는 영역이며, 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(bat-ear)라 불리우는 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 돌출부(110p)는 연결부(115)의 양 단부 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 연결부(115)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부(110p)는 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)의 실링부(114sa, 114sb) 중 하나와 연결부(115) 사이에 위치할 수 있다.
전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지 셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지 셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전지셀(110)이 y축 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성하고, 전지셀 적층체(100)가 z축 반대 방향으로 모듈 프레임(180) 내부에 수용될 수 있다. 전지셀 적층체(100)와 프레임 부재(200)의 바닥부(210) 사이에는 열전도성 수지층이 위치할 수 있다.
프레임 부재(200)는 전지셀 적층체(100)를 수용한다. 프레임 부재(200)의 개방된 양측을 각각 제1 측(x축 방향)과 제2 측(x축 반대 방향)이라고 할 때, 모듈 프레임(180)은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 전지셀 적층체(100)의 외면을 제외한 나머지 외면들 중에서, 하면 및 상기 하면과 인접한 양측면을 연속적으로 커버하도록 구부러진 판상형 구조로 형성될 수 있다. 이때 프레임 부재(200)의 바닥부(210)는 전지셀 적층체(100)의 상기 하면을 커버하도록 형성되고, 프레임 부재(200)의 2개의 측면부(220)는 전지셀 적층체(100)의 상기 양측면을 커버하도록 형성될 수 있다.
상부 플레이트(300)는 프레임 부재(200)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양측면을 제외한 나머지 상면을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 프레임 부재(200)와 상부 플레이트(300)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써 전지셀 적층체(100)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 프레임 부재(200) 및 상부 플레이트(300)를 통해 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 프레임 부재(200) 및 상부 플레이트(300)는 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(180)의 개방된 제1 측(x축 방향)과 제2 측(x축 반대 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(100)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(400)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(100) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있고, 전지 모듈 마운팅 구조가 마련되어 전지 모듈을 팩 프레임(미도시) 고정시킬 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(100)의 개방된 제1 측(x축 방향)과 제2 측(x축 반대 방향)에 버스바 프레임(410)과 분리 커버(420)가 위치할 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(100)와 엔드 플레이트(400) 사이에 버스바 프레임(410)과 분리 커버(420)가 차례로 위치할 수 있다.
버스바 프레임(410)은 전지셀 적층체(100)의 제1 측(x축 방향)과 제2 측(x축 반대 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(100)를 커버함과 동시에 전지셀 적층체(100)와 외부 기기와의 연결을 안내하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 버스바 프레임(410)에는 버스바가 장착될 수 있으며, 도 4에 도시된 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 버스바 프레임(410)에 형성된 슬릿을 통과한 후 구부러져 버스바와 접합될 수 있다. 이를 통해 전지셀 적층체(100)를 구성하는 전지셀(110)들이 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다.
또한, 버스바 프레임(410)에는 터미널 버스바(430)가 장착될 수 있다. 터미널 버스바(430)는 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112) 중 적어도 하나와 연결되고, 일단이 분리 커버(420)와 엔드 플레이트(400)에 각각 형성된 개구를 통해 외부로 노출될 수 있다. 이러한 터미널 버스바(430)를 통해 복수의 전지셀(110)들이 외부 기기와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 버스바 프레임(410)에는 커넥터(미도시)가 장착될 수 있다. 전지 모듈 내부의 센싱 어셈블리(미도시)를 통해 측정된 전지셀(110)의 온도나 전압 등의 정보가 상기 커넥터를 통해 외부 BMS(Battery Management System) 등에 전달될 수 있다.
분리 커버(420)는 전기적으로 절연을 띄는 부재로써, 전지셀 적층체(100), 버스바 프레임(410) 및 기타 전장품 등을 엔드 플레이트(400)나 상부 플레이트(300)와 분리시켜 외부 단락 등이 발생하는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 한편, 분리 커버(420)에는 상기 커넥터와 외부 BMS 간의 연결을 안내할 수 있도록 만입된 만입부(421)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 절연 시트층(500)은, 전기적으로 절연 성능을 갖는 얇은 필름으로써, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 필름을 포함할 수 있다. 절연 시트층(500)의 두께는 0.1mm 내지 0.3mm로 얇게 형성될 수 있다. 따라서, 전지 모듈에 절연 시트층(500)이 삽입되어도, 전지 모듈의 높이 증가가 크지 않다는 장점이 있다.
또한, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 필름을 포함하는 절연 시트층(500)은 내열성을 갖추고 있어, 고온 환경에서 장시간 노출되어도 그 형태의 변화 정도가 크지 않다. 따라서 제품 관리에 용이하고, 열이 발생하는 전지 모듈의 부품으로 적용되기에 적합하다.
본 실시예에서는 전지셀 적층체(100) 상에 절연 시트층(500)을 배치함으로써, 전지셀 적층체(100)와 상부 플레이트(300)가 서로 절연될 수 있다. 즉, 전지 모듈의 절연 성능을 확보할 수 있다. 도 1에 도시된 종래의 전지 모듈은 절연 성능 확보를 위해 커버 플레이트(50)를 포함하는 버스바 프레임 어셈블리가 삽입되었고, 이는 공간 활용이나 무게 관점에서는 단점으로 작용하였다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 절연 시트층(500)은 얇은 필름으로써, 전지 모듈의 절연 성능을 확보할 수 있으면서 전지 모듈의 높이와 무게를 모두 줄일 수 있다.
한편, 비교예로써 전지셀 적층체 상에 패드 형태의 절연체가 위치하는 경우가 있다. 이러한 비교예는 본 실시예에 따른 절연 시트층(500)에 비해 무겁고 더 많은 공간이 필요하다. 또한, 본 실시예에 따른 절연 시트층(500)은 원하는 형상으로 성형이 가능하기 때문에 패드 형태의 절연체로는 절연 거리 확보가 불가능한 부분까지 덮을 수 있어, 절연 성능이 증대될 수 있다.
도 5는 도 3의 전지 모듈을 180도 회전시킨 상태에서 바라본 사시도이다. 도 6은 5의 전지 모듈에 포함된 상부 플레이트 및 절연 시트층을 나타내는 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(180)의 상부면에는 개구부(300A)가 형성되어 있다. 구체적으로, 상부 플레이트(300)에 개구부(300A)가 형성되고, 절연 시트층(500)에는 개구부(300A)에 삽입되는 돌출부(500p)가 형성되어 있다. 돌출부(500p)는 개구부(300A)에 의해 모듈 프레임(180) 외부로 노출될 수 있다.
개구부(300A)는 전지셀 적층체(100)의 중앙부보다 엔드 플레이트(400)에 인접하게 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 절연 시트층(500)은 상부 플레이트(300)에 접착될 수 있다. 보다 구체적으로는, 절연 시트층(500)과 상부 플레이트(300) 사이에 접착 부재(미도시)가 위치할 수 있다. 이러한 접착 부재는 접착력을 가진 물질을 포함하면 그 소재나 형태의 제한은 없으나, 양면테이프일 수 있다.
전지 모듈의 제조에 있어서 절연 시트층(500)은 상부 플레이트(300)에 접착된 상태로 납품될 수 있다. 앞서 상술한 바대로 절연 시트층(500)은 얇은 필름으로 형성되어, 상부 플레이트(300)에 접착시키기 용이할 수 있다.
절연 시트층(500)이 상부 플레이트(300)에 접착된 상태로 전지셀 적층체(100) 상에 배치 및 조립되어 전지 모듈이 제조될 수 있다. 즉, 절연 시트층(500)이 상부 플레이트(300)에 접착된 상태로 납품되기 때문에 상부 플레이트(300)의 조립 과정에서 절연 시트층(500)이 어긋나거나 이탈하는 제조 공정상 불량을 방지할 수 있다.
도 7은 도 5의 절단선 A-A를 따라 자른 단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 돌출부(500p)가 형성된 절연 시트층(500) 부분 하단과 전지셀 적층체(100) 사이에 위치하는 온도 센서(700)를 더 포함한다. 온도 센서(700)는 전지셀(110)의 온도를 측정할 수 있다. 온도 센서(700)는 연성회로기판부(800) 상에 형성될 수 있다.
온도 센서(700)는 써미스터(thermistor) 소자를 이용하여 구현될 수 있다. 써미스터는 온도에 따라 저항값이 달라지는 현상을 이용한 반도체 소자로서, 구리, 망간, 니켈, 코발트, 크롬, 철 등의 산화물을 혼합 및 소결하는 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 써미스터는, 크기가 작고, 빠른 온도 변화나 세밀한 온도 변화에 도 측정이 가능하다는 장점이 있다.
이와 같이 온도 센서(700)에 의해 측정된 온도 정보는, 전지 모듈 외부의 다른 장치로 전달될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서(700)에 의해 온도가 측정되면, 측정된 온도 정보는 전지 모듈 외부의 BMS(전지 관리 시스템)로 전달되어, 전지 모듈을 제어하는데 이용될 수 있다.
절연 시트층(500)의 돌출부(500p) 내측에는 함몰부(500A)가 형성되고, 함몰부(500A)에 온도 센서(700) 일부가 배치될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 온도 센서(700)의 공간 확보를 위해 별도로 기계 가공을 하지 않고, 상부 플레이트(300)의 소재 트리밍(trimming) 시 개구부(300A)를 형성할 수 있다. 또한, 개구부(300A)에 대응하는 부분에 절연 시트층(500)의 형상을 반영함으로써, 온도 센서(700) 부품의 공간 확보를 하게 되어 공정성을 향상 시킬 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈은 전지 팩에 포함될 수 있다. 전지 팩은, 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 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 모듈을 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.
100: 전지셀 적층체
180: 모듈 프레임
200: 프레임 부재
300: 상부 플레이트
300A: 개구부
400: 엔드 플레이트
500: 절연 시트층
500A: 함몰부
500P: 돌출부
700: 온도 센서

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임, 및
    상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 상부면 사이에 위치하는 절연 시트층을 포함하고,
    상기 모듈 프레임의 상부면에는 개구부가 형성되고, 상기 절연 시트층에는 상기 개구부에 삽입되는 돌출부가 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체가 장착되는 프레임 부재와, 상기 프레임 부재의 바닥부 반대편에 위치하며, 상기 개구부가 형성된 상부 플레이트를 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 프레임 부재는 상기 바닥부와, 상기 바닥부의 양측부로부터 각각 상향 연장된 측면부를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 돌출부가 형성된 상기 절연 시트층 부분 하단과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 온도 센서를 더 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 절연 시트층의 돌출부 내측에는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부에 상기 온도 센서 일부가 배치되는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 개구부에 의해 상기 절연 시트층의 돌출부가 상기 모듈 프레임 외부로 노출되어 있는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 개방된 제1 측과 제2 측 각각에 위치하는 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 개구부는 상기 전지셀 적층체의 중앙부보다 상기 엔드 플레이트에 인접하게 형성되는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 절연 시트층은 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 필름을 포함하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 절연 시트층은 상기 모듈 프레임의 상부면에 접착되는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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