WO2022164119A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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battery
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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 capable of efficiently utilizing space and a battery pack including the same.
  • a rechargeable battery capable of charging and discharging is a measure to solve air pollution such as conventional gasoline vehicles using fossil fuels, and electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV) is being used as a power source, and the need for the development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries have little memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so they can be charged and discharged freely. , the self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such a lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are applied, respectively, are disposed with a separator interposed therebetween, and a casing for sealing and housing the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the shape of the exterior material.
  • a battery module electrically connecting a plurality of battery cells this is used
  • a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • An object of the present invention is to provide a battery module with increased space utilization and a battery pack including the same.
  • a battery module includes: a battery cell stack in which a plurality of battery cells including protruding electrode leads are stacked; a module frame for accommodating the battery cell stack; and bus bar frames disposed on the front and rear surfaces of the battery cell stack from which the electrode leads protrude.
  • the battery cell includes protrusions formed at both ends of the lower edge of the battery cell, respectively.
  • At least one of the bus bar frames includes a guide part extending to a lower surface of the battery cell stack.
  • a guide groove into which the protrusion is inserted is formed in the guide part, and the guide groove includes an adjustment part whose width is narrowed from a location where the battery cell is located to a location where the bus bar frame is located.
  • the protrusion of the battery cell may be inserted into the guide groove.
  • the protrusion may be obliquely bent by the adjusting unit.
  • the adjustment part may be opened in a direction in which the battery cell is located.
  • the guide groove may include an inner portion that is farther away from the battery cell than the adjustment portion, and the protrusion may be inserted to the inner portion.
  • the adjusting unit may include a first surface and a second surface facing each other, and the first surface and the second surface may be closer to each other from a location where the battery cell is located to a location where the bus bar frame is located. .
  • the first surface may form an inclined surface oblique to the protrusion direction of the electrode lead, and when the protrusion is inserted into the guide groove, the first surface may be positioned to correspond to the protrusion.
  • the second surface may be parallel to a protrusion direction of the electrode lead.
  • the guide groove may be configured in plurality to correspond to each of the plurality of battery cells.
  • a bus bar may be mounted on the bus bar frame, and the electrode lead may be bonded to the bus bar.
  • the so-called bat-ear portion of the battery cell may be kept inclined by the adjusting unit provided in the guide groove, thereby reducing the height of the battery module. That is, the space can be used efficiently.
  • the energy capacity can be increased by the reduced height of the battery module.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a state in which a module frame and an end plate are omitted for the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a battery cell included in the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a module frame included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 6 is a plan view of the battery cell stack and the bus bar frame included in the battery module of FIG. 3 viewed along the -y axis on the xz plane.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the battery cell stack and the bus bar frame included in the battery module of FIG. 3 upside down.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a bus bar frame included in the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 9 is a partial view showing an enlarged portion "A" of FIG.
  • FIG. 10 is a partial view illustrating a state in which the protrusion of the battery cell is inserted into the adjustment part of the guide groove shown in FIG. 9 .
  • FIG. 11 is a plan view of the adjustment unit of the guide groove shown in FIG. 10 viewed along the -z axis on the xy plane.
  • 12A and 12B are schematic views schematically illustrating a battery cell stack and a bus bar frame according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 13A and 13B are schematic views schematically illustrating a battery cell stack and a bus bar frame according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating a sensing unit according to an embodiment of the present invention.
  • 15 and 16 are partial views each showing a bus bar frame before and after disposing a sensing unit 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 part means to be located above or below the reference part, and it means to be located “on” or “on” in the direction opposite to the 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. 1 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a state in which a module frame and an end plate are omitted for the battery module of FIG. 1 .
  • 3 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 2 .
  • 4 is a perspective view illustrating a battery cell included in the battery module of FIG. 3 .
  • the battery module 100 is a battery cell stack in which a plurality of battery cells 110 including protruding electrode leads 111 and 112 are stacked. (200), the module frame 300 for accommodating the battery cell stack 200; and bus bar frames 410 and 420 disposed on the front and rear surfaces of the battery cell stack 200 from which the electrode leads 111 and 112 protrude.
  • the front side means the surface of the battery cell stack 200 in the x-axis direction
  • the rear side means the surface of the battery cell stack 200 in the -x-axis direction
  • both sides are the battery cell stack 200 , respectively.
  • the lower surface means a surface in the -z-axis direction of the battery cell stack 200
  • the upper surface means a surface in the z-axis direction of the battery cell stack 200 .
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell, and may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the electrode lead of the battery cell 110 according to the present embodiment includes protruding first and second electrode leads 111 and 112 .
  • the first and second electrode leads 111 and 112 face each other with respect to the cell body 113 to form one end 114a and Each has a structure protruding from the other end (114b).
  • the first and second 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 .
  • the first and second electrode leads 111 and 112 have different polarities, and for example, one of them 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 portions 114sa, 114sb, 114sc, and the sealing portions 114sa, 114sb, 114sc are sealed by a method such as thermal fusion.
  • the other one side may be formed of a connection part 115 .
  • the cell case 114 may be formed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • connection part 115 may extend long along one edge of the battery cell 110 , and protrusions 110p of the battery cell 110 called bat-ear are provided at both ends of the connection part 115 . is formed That is, the battery cell 110 includes protrusions 110p respectively formed at both ends of the lower edge of the battery cell 110 . When the battery cells 110 are gathered to form the battery cell stack 200 , the protrusion 110p is positioned on the lower surface of the battery cell stack 200 .
  • 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 200 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in a direction parallel to the y-axis. Accordingly, one electrode lead 111 of the battery cells 110 may protrude in the x-axis direction, and the other electrode lead 112 may protrude in the -x-axis direction.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a module frame included in the battery module of FIG. 1 .
  • the battery cell stack 200 and bus bar frames 410 and 420 shown in FIG. 2 are accommodated in the module frame 300 shown in FIG. 5 , and end plates 810 and 820 are mounted on the module frame 300 .
  • the battery module 100 shown in FIG. 1 may be completed.
  • the module frame 300 may be a member in which the front part and the rear part are opened, and the ceiling part, the floor part, and both side parts are integrated.
  • the battery cell stack 200 may be accommodated in the module frame 300 .
  • the front part means a surface in the x-axis direction of the module frame 300
  • the rear part means a surface in the -x-axis direction of the module frame 300 .
  • the ceiling part means a surface in the z-axis direction of the module frame 300
  • the bottom part means a surface in the -z-axis direction of the module frame 300 .
  • the both side portions refer to the surfaces of the module frame 300 in the y-axis and -y-axis directions.
  • end plates 810 and 820 may cover the open front and rear portions, respectively, and the module frame 300 and the end plates 810 and 820 may be joined to corresponding corners.
  • bonding method There is no particular limitation on the bonding method, but welding bonding may be used.
  • a thermally conductive resin layer 900 may be positioned on the bottom of the module frame 300 .
  • the thermally conductive resin layer 900 may be positioned between the battery cell stack 200 (refer to FIG. 3 ) and the bottom of the module frame 300 .
  • the thermally conductive resin layer 900 may include a thermally conductive resin, in particular, a thermally conductive adhesive material.
  • a thermally conductive resin in particular, a thermally conductive adhesive material.
  • it may include at least one of a silicone-based material, a urethane-based material, and an acrylic-based material, and it is particularly preferable to include a urethane-based material.
  • the thermally conductive resin is a material having excellent thermal conductivity, and heat generated in the battery cells 110 may be discharged to the outside through the thermally conductive resin layer 900 and the bottom of the module frame 300 .
  • the thermally conductive resin layer 900 may be viewed as a kind of cooling device.
  • the thermally conductive resin includes a thermally conductive adhesive material, and may be a liquid when applied or a material that is solidified after the battery cell stack 200 is laminated thereon. Accordingly, the thermally conductive resin layer 900 may fix the battery cell stack 200 in the battery module 100 . That is, the thermally conductive resin layer 900 according to the present embodiment not only improves the heat dissipation characteristics of the battery cell stack 200 , but also has a function of effectively fixing the battery cell stack 200 .
  • the thermal conductive resin layer 900 is not provided on the entire bottom part of the module frame 300 , but the front part and the front part of the bottom part of the module frame 300 .
  • An uncoated portion 310 to which the thermal conductive resin is not applied may be provided at both ends in the rear direction.
  • a protrusion 110p of the battery cell 110 may be positioned on the uncoated portion 310 . That is, the uncoated portion 310 may be provided in order to secure a space in which the protrusion 110p of the battery cell 110 can be located.
  • the thermally conductive resin may be applied to the uncoated portion 310 region to a thickness thinner than the thermally conductive resin layer 900 , rather than forming the uncoated portion 310 .
  • bus bar frame according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7 .
  • FIG. 6 is a plan view of the battery cell stack and the bus bar frame included in the battery module of FIG. 3 viewed along the -y axis on the xz plane.
  • 7 is a perspective view showing the battery cell stack and the bus bar frame included in the battery module of FIG. 3 upside down. More specifically, FIG. 7 shows a state in which the lower surface 200d of the battery cell stack 200 is turned upside down.
  • the bus bar frames 410 and 420 according to the present embodiment, as described above, the electrode leads 111 and 112 are protruding battery cell stacks ( 200) are placed on the front and rear.
  • a bus bar 610 and a terminal bus bar 620 may be mounted on the bus bar frames 410 and 420 . Specifically, for each of the bus bar frames 410 and 420 , the bus bar 610 and the terminal bus bar 620 may be positioned on the opposite side of the side facing the battery cell stack 200 . In addition, the module connector 720 of the sensing unit 700, which will be described later, may also be located on the opposite side of the side facing the battery cell stack 200 among the bus bar frames 410 and 420 .
  • Slits may be formed in the bus bar frames 410 and 420 .
  • the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 may be bent after passing through these slits to be bonded to the bus bar 610 or the terminal bus bar 620 .
  • the battery cells 110 constituting the battery cell stack 200 may be electrically connected to each other through a bus bar 610 .
  • welding bonding may be applied as an example.
  • the electrode leads 111 and 112 of some battery cells 110 may be connected to the terminal bus bar 620 to form a high voltage (HV) connection.
  • HV connection is a connection that serves as a power source for supplying power, and refers to a connection between battery cells or a connection between battery modules.
  • a part of the terminal bus bar 620 is exposed to the outside of the end plates 810 and 820 to be described later, and the battery module 100 is connected to another battery module or BDU (Battery Disconnect Unit) through the terminal bus bar 620 . can be electrically connected.
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • the battery module 100 may further include an upper cover 430 positioned on the battery cell stack 200 .
  • the upper cover 430 may cover the corresponding portion with a size corresponding to the upper surface of the battery cell stack 200 .
  • opposite sides of the upper cover 430 may be coupled to the bus bar frames 410 and 420 .
  • the upper cover 430 may protect the sensing unit 700 , which will be described later.
  • a hinge coupling may be applied to coupling between the bus bar frames 410 and 420 and the upper cover 430 .
  • the assembly process of the battery cell stack 200 and the bus bar frames 410 and 420 may be performed as follows. Referring to FIG. 6 , the upper cover 430 is placed on the battery cell stack 200 , and each bus bar frame 410 and 420 is rotated. Next, the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 pass through the slits formed in the respective bus bar frames 410 and 420 and are taken out. Through the rotation, each bus bar frame 410 and 420 is vertically disposed on the front surface and the rear surface of the battery cell stack 200 , respectively.
  • the lower surface 200d of the battery cell stack 200 means a surface of the battery cell stack 200 in the -z-axis direction, as described above. 6 and 7 , both of the bus bar frames 410 and 420 may include the guide part 500 .
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a bus bar frame included in the battery module of FIG. 3 .
  • 9 is a partial view showing an enlarged portion "A" of FIG. 10 is a partial view illustrating a state in which the protrusion of the battery cell is inserted into the adjustment part of the guide groove shown in FIG. 9 .
  • 11 is a plan view of the adjustment unit of the guide groove shown in FIG. 10 viewed along the -z axis on the xy plane.
  • FIG. 8 shows one of the busbar frames 410 and 420 included in the battery module of FIG. 3 .
  • one bus bar frame 420 will be described as a reference to avoid repetition of the description, but the structure of the guide groove, the adjusting part, and the inner part according to the present embodiment may also be provided in the other bus bar frame 410 .
  • FIG. 10 only the protrusion 110p of the configuration of the battery cell 110 is illustrated for convenience of explanation.
  • a guide groove 500g (guide groove) into which the protrusion 110p of the battery cell 110 is inserted is formed in the guide part 500 according to the present embodiment.
  • a guide groove 500g having a recessed shape may be formed on a surface of the guide part 500 facing the lower surface 200d of the battery cell stack 200 .
  • the protrusion 110p located on the lower surface 200d of the battery cell stack 200 is in the guide groove 500g. can be inserted.
  • the guide groove 500g includes an adjustment part 500a whose width becomes narrower from the location where the battery cell 110 is positioned to the location where the bus bar frame 420 is positioned. That is, in the guide groove 500g, a region in which the width of the battery cell 110 is located to the bus bar frame 420 is narrower corresponds to the adjustment unit 500a. The direction from where the battery cell 110 is located to where the bus bar frame 420 is located corresponds to the -x-axis direction in FIGS. 8 to 11 .
  • the guide groove 500g may include an inner part 500i that is farther away from the battery cell 110 than the adjustment part 500a. That is, the guide groove 500g may include an adjustment part 500a positioned relatively close to the battery cell 110 and an inner part 500i positioned relatively far from the battery cell 110 .
  • the protrusion 110p when the protrusion 110p is inserted into the guide groove 500g, the protrusion 110p may be obliquely bent by the narrowing adjustment part 500a. That is, the protrusion 110p inserted by one surface of the adjustment unit 500a forming an oblique inclination may be bent naturally obliquely. The protrusion 110p may be finally inserted up to the inner portion 500i of the guide groove 500g.
  • the adjustment unit 500a may be a portion of the guide groove 500g that is opened in the direction in which the battery cell 110 is located. That is, when the protrusion 110p is inserted into the guide groove 500g, it may be inserted first into the adjustment part 500a.
  • the adjusting unit 500a may include a first surface 510 and a second surface 520 facing each other, and increases from a location where the battery cell 110 is located to a location where the bus bar frame 420 is located.
  • the first surface 510 and the second surface 520 may be close to each other.
  • the first surface 510 forms an inclined surface oblique to the protruding direction of the electrode leads 111 and 112 (refer to FIG. 6 )
  • the second surface 520 may be parallel to the protruding direction of the electrode leads 111 and 112 .
  • the protrusion direction of the electrode leads 111 and 112 is a direction parallel to the x-axis, and is parallel to the direction from the location where the battery cell 110 is positioned to the location where the bus bar frame 420 is positioned.
  • the first surface 510 forming an oblique slope may be positioned to correspond to the protrusion 110p.
  • the protrusion 110p before being inserted may be positioned so as not to correspond to the inner portion 500i of the guide groove 500g. Based on this, looking at the behavior in which the protrusion 110p is inserted, the protrusion 110p inserted by the first surface 510 of the adjustment unit 500a forming an oblique inclination may be naturally bent at an angle. Finally, when the protrusion 110p is inserted up to the inner portion 500i, the protrusion 110p may maintain a bent state.
  • a plurality of guide grooves 500g may be configured to correspond to each of the plurality of battery cells 110 . It is preferable that a plurality of guide grooves 500g are formed in the guide part 500 so that all the protrusions 110p of each battery cell 110 can be inserted.
  • FIG. 12A and 12B are schematic views schematically illustrating a battery cell stack and a bus bar frame according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 12A schematically shows the battery cell stack 200 and the bus bar frames 410 and 420 , and FIG. 12B schematically shows a cross-section taken along the cut line B-B' of FIG. 12A . will be.
  • bus bar frames 410 and 420 are respectively disposed on the front and rear surfaces of the battery cell stack 200 , and an upper cover 430 is provided on the upper surface of the battery cell stack 200 .
  • the protrusion 110p of the battery cell 110 according to the present embodiment is inserted into the guide groove 500g of the guide part 500, it is not vertically upright, but is bent in a predetermined direction. As the protrusion 110p is obliquely bent, the height h1 of the bus bar frames 410 and 420 may be reduced.
  • FIG. 13A and 13B are schematic views schematically illustrating a battery cell stack and a bus bar frame according to a comparative example of the present invention. Specifically, FIG. 13A schematically shows the battery cell stack 20 and the bus bar frames 41 and 42, and FIG. 13B is a schematic cross-section taken along the cut line C-C' of FIG. 13A. will be.
  • bus bar frames 41 and 42 are respectively disposed on the front and rear surfaces of the battery cell stack 20 , and the upper cover 43 is disposed on the upper surface of the battery cell stack 20 . can be placed. Unlike the bus bar frames 410 and 420 according to the present embodiment, guide grooves are not formed in the guide part 50 .
  • the protrusion 11p of the battery cell 11 according to the present comparative example is vertically upright without being bent, and the height h2 of the bus bar frames 41 and 42 increases accordingly.
  • the height h1 of the bus bar frames 410 and 420 according to the present embodiment is compared with the height h2 of the bus bar frames 41 and 42 according to the comparative example, and the protrusion 110p is a guide.
  • the height can be reduced as much as it is obliquely bent by the groove (500g).
  • the height of the battery module 100 can be reduced, and the space can be efficiently utilized that much. Since the capacity can be increased by the reduced height of the battery module, it has the effect of increasing capacity and energy.
  • the thickness of the thermally conductive resin layer 900 may be reduced as much as the protrusion 110p is bent. That is, the thermally conductive resin layer 900 may be formed by applying only a minimum amount of thermally conductive resin necessary for heat dissipation. Accordingly, it is possible to reduce the amount of the thermal conductive resin used, thereby having an effect of cost reduction.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating a sensing unit according to an embodiment of the present invention.
  • 15 and 16 are partial views each showing a bus bar frame before and after disposing a sensing unit according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module according to an embodiment of the present invention may further include a sensing unit 700 for sensing voltage information.
  • the sensing unit 700 is for a low voltage (LV) connection, where the LV connection means a sensing connection for sensing and controlling a voltage of a battery cell.
  • Voltage information and temperature information of the battery cell 110 may be transmitted to an external Battery Management System (BMS) through the sensing unit 700 .
  • BMS Battery Management System
  • the sensing unit 700 may include a connection member 710 , a module connector 720 , and a temperature sensor 730 .
  • the connection member 710 may extend in the longitudinal direction of the battery cell stack 200 between the upper cover 430 and the upper surface of the battery cell stack 200 .
  • the connection member 710 may include sensing terminals 711 attached to the bus bars 610 .
  • the connection member 710 may be a flexible printed circuit board (FPCB) or a flexible flat cable (FFC).
  • the module connector 720 may be configured to transmit and receive signals to and from an external control device to control the plurality of battery cells 110 .
  • the module connector 720 may be located on the opposite side of the side facing the battery cell stack 200 among the bus bar frames 410 and 420 . More specifically, the connector support part 411 may be formed on the bus bar frames 410 and 420 , and the module connector 720 may be placed on the connector support part 411 together with the connecting member 710 .
  • the sensing terminals 711 are attached to the bus bar 610 mounted on the bus bar frames 410 and 420 to sense a voltage value.
  • the voltage data sensed by the sensing terminals 711 may be transmitted to a battery management system (BMS) through the connection member 710 and the module connector 720 , and the BMS (not shown) is based on the collected voltage data. Charging and discharging of the battery cells 110 can be controlled.
  • BMS battery management system
  • the connection member 710 may further include a temperature sensor 730 .
  • the temperature sensor 730 is preferably located at both edges of the battery cell stack 200 .
  • the temperature data sensed by the temperature sensor 730 may be transmitted to the BMS through the connection member 710 and the module connector 720 like voltage data.
  • the sensing unit 700 may detect and control phenomena such as overvoltage, overcurrent, and overheating of each battery cell 110 .
  • the end plates 810 and 820 are joined to the module frame 300 in a state in which the battery cell stack 200 is accommodated, so that the battery module 100 can be completed.
  • the module frame 300 and the end plates 810 and 820 preferably include a metal material to have a predetermined strength in order to protect the battery cell stack 200 and other electrical components, for example, aluminum (Al). may include
  • an opening may be formed in the end plates 810 and 820 to expose the terminal bus bar 620 and the module connector 720 .
  • the exposed terminal bus bar 620 may be electrically connected to another battery module or an external Battery Disconnect Unit (BDU) to form an HV connection.
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • the exposed module connector 720 may be connected to an external Battery Management System (BMS) to form an LV connection.
  • BMS Battery Management System
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS), a battery disconnect unit (BDU), and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • BDU battery disconnect unit
  • the battery module or battery pack 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 that can use secondary batteries.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 돌출된 전극 리드들을 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전극 리드가 돌출된 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면에 배치된 버스바 프레임들을 포함한다. 상기 전지셀은, 상기 전지셀의 하측 모서리의 양 단부에 각각 형성된 돌출부를 포함한다. 상기 버스바 프레임들 중 적어도 하나는, 상기 전지셀 적층체의 하면으로 연장된 가이드부를 포함한다. 상기 가이드부에 상기 돌출부가 삽입되는 가이드 홈(Guide groove)이 형성되고, 상기 가이드 홈은, 상기 전지셀이 위치한 곳에서 상기 버스바 프레임이 위치한 곳으로 갈수록 폭이 좁아지는 조정부를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 1월 28일자 한국 특허 출원 제10-2021-0012230호에 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 구체적으로는 공간의 효율적인 활용이 가능한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지 셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
이러한 전지 모듈과 전지팩에 대해, 소형화나 용량 증대와 같은 다른 요구도 계속되고 있으므로, 전지 모듈과 전지팩 내부의 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공간 활용도를 높인 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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, 돌출된 전극 리드들을 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전극 리드가 돌출된 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면에 배치된 버스바 프레임들을 포함한다. 상기 전지셀은, 상기 전지셀의 하측 모서리의 양 단부에 각각 형성된 돌출부를 포함한다. 상기 버스바 프레임들 중 적어도 하나는, 상기 전지셀 적층체의 하면으로 연장된 가이드부를 포함한다. 상기 가이드부에 상기 돌출부가 삽입되는 가이드 홈(Guide groove)이 형성되고, 상기 가이드 홈은, 상기 전지셀이 위치한 곳에서 상기 버스바 프레임이 위치한 곳으로 갈수록 폭이 좁아지는 조정부를 포함한다.
상기 버스바 프레임이 상기 전지셀 적층체의 상기 전면 또는 상기 후면에 배치될 때, 상기 전지셀의 상기 돌출부가 상기 가이드홈에 삽입될 수 있다.
상기 조정부에 의해 상기 돌출부가 비스듬하게 꺾일 수 있다.
상기 조정부는 상기 전지셀이 위치한 방향으로 개구될 수 있다.
상기 가이드 홈은, 상기 조정부보다 상기 전지셀과 멀리 떨어져 있는 내측부를 포함할 수 있고, 상기 돌출부는 상기 내측부까지 삽입될 수 있다.
상기 조정부는, 서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함할 수 있고, 상기 전지셀이 위치한 곳에서 상기 버스바 프레임이 위치한 곳으로 갈수록 상기 제1 면과 상기 제2 면이 가까워질 수 있다.
상기 제1 면은 상기 전극 리드의 돌출 방향과 비스듬한 경사면을 이룰 수 있고, 상기 돌출부가 상기 가이드 홈에 삽입될 때, 상기 제1 면이 상기 돌출부와 대응하여 위치할 수 있다.
상기 제2 면은 상기 전극 리드의 돌출 방향과 평행할 수 있다.
상기 가이드 홈은 상기 복수의 전지셀 각각과 대응하도록 복수로 구성될 수 있다.
상기 버스바 프레임에 버스바가 장착될 수 있고, 상기 전극 리드는 상기 버스바와 접합될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 가이드 홈에 마련된 조정부에 의해 전지셀의 소위 배트이어라 불리는 부분이 경사지게 유지될 수 있어, 전지 모듈의 높이를 줄일 수 있다. 즉, 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.
줄어든 전지 모듈의 높이만큼 에너지 용량을 늘릴 수 있다. 또한 열전도성 수지의 사용량을 줄일 수 있어서 비용 절감의 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대해 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 생략한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 1의 전지 모듈에 포함된 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 xz 평면 상에서 -y축 방향을 따라 바라본 평면도이다.
도 7은 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 뒤집어 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 3의 전지 모듈에 포함된 버스바 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분도이다.
도 10은 도 9에 도시된 가이드 홈의 조정부에 전지셀의 돌출부가 삽입된 모습을 도시한 부분도이다.
도 11은 도 10에 도시된 가이드 홈의 조정부를 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 평면도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 개략적으로 도시한 개략도들이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 비교예에 따른 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 개략적으로 도시한 개략도들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 15 및 도 16은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 유닛을 배치하기 전, 후의 버스바 프레임의 모습을 나타난 부분도들이다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대해 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 생략한 모습을 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 돌출된 전극 리드(111, 112)들을 포함하는 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200), 전지셀 적층체(200)를 수납하는 모듈 프레임(300); 및 전극 리드(111, 112)가 돌출된 전지셀 적층체(200)의 전면 및 후면에 배치된 버스바 프레임(410, 420)들을 포함한다. 여기서 전면은 전지셀 적층체(200)의 x축 방향의 면을 의미하고, 후면은 전지셀 적층체(200)의 -x축 방향의 면을 의미하며, 양 측면은 각각 전지셀 적층체(200)의 y축 및 -y축 방향의 면을 의미한다. 또한, 하면은 전지셀 적층체(200)의 -z축 방향의 면을 의미하고, 상면은 전지셀 적층체(200)의 z축 방향의 면을 의미한다. 다만 이는 설명의 편의를 위해 지칭한 면들이며, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)의 전극 리드는 돌출된 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)를 포함한다. 구체적으로, 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)가 셀 본체(113)를 기준으로 서로 대향하여 일 단부(114a)와 타 단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다. 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 서로 다른 극성으로써, 일례로, 그 중 하나는 양극 리드(111)일 수 있고, 다른 하나는 음극 리드(112)일 수 있다. 즉, 하나의 전지셀(110)을 기준으로 양극 리드(111)와 음극 리드(112)가 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 전지셀(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 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. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
또한, 연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗을 수 있고, 연결부(115)의 양 단부에는 배트 이어(bat-ear)라 불리우는 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성된다. 즉, 전지셀(110)은 전지셀(110)의 하측 모서리의 양 단부에 각각 형성된 돌출부(110p)를 포함한다. 전지셀(110)이 모여 전지셀 적층체(200)를 형성할 때, 돌출부(110p)는 전지셀 적층체(200)의 상기 하면에 위치하게 된다.
이러한 전지셀(110)은 복수로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(200)를 형성한다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110) 중 하나의 전극 리드(111)는 x축 방향을 향해 돌출되고, 다른 전극 리드(112)는 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다.
도 5는 도 1의 전지 모듈에 포함된 모듈 프레임을 나타낸 사시도이다. 도 2에 도시된 전지셀 적층체(200) 및 버스바 프레임(410, 420)들이 도 5에 도시된 모듈 프레임(300)에 수납되고, 이러한 모듈 프레임(300)에 엔드 플레이트(810, 820)가 접합됨으로써, 도 1에 도시된 전지 모듈(100)이 완성될 수 있다.
도 1 및 도 5를 참고하면, 모듈 프레임(300)은, 전면부와 후면부가 개방되고, 천장부, 바닥부 및 양 측면부가 일체화된 부재일 수 있다. 이러한 모듈 프레임(300)의 내부에 전지셀 적층체(200)가 수납될 수 있다. 여기서, 상기 전면부는 모듈 프레임(300)의 x축 방향의 면을 의미하고, 상기 후면부는 모듈 프레임(300)의 -x축 방향의 면을 의미한다. 또한, 상기 천장부는 모듈 프레임(300)의 z축 방향의 면을 의미하고, 상기 바닥부는 모듈 프레임(300)의 -z축 방향의 면을 의미한다. 또한 상기 양 측면부는 모듈 프레임(300)의 y축 및 -y축 방향의 면을 의미한다. 다만, 이는 모듈 프레임(300)의 하나의 예시적 구조이며, 다른 형태로써 상기 바닥부와 상기 양 측면부가 일체화되고, 상기 양 측면부에 상기 천장부가 접합된 형태도 가능하다.
한편, 상기 개방된 전면부와 후면부 각각을 엔드 플레이트(810, 820)가 덮을 수 있고, 모듈 프레임(300)과 엔드 플레이트(810, 820)가 서로 대응하는 모서리끼리 접합될 수 있다. 접합 방식에 특별한 제한이 없으나 용접 접합이 이용될 수 있다.
한편, 모듈 프레임(300)의 상기 바닥부에는 열전도성 수지층(900)이 위치할 수 있다. 구체적으로, 전지셀 적층체(200, 도 3 참고)와 모듈 프레임(300)의 상기 바닥부 사이에 열전도성 수지층(900)이 위치할 수 있다.
열전도성 수지층(900)은 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함할 수 있으며, 특히 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 실리콘(Silicone)계 소재, 우레탄(Urethane)계 소재 및 아크릴(Acrylic)계 소재 중 적어도 하나를 포함 수 있으며, 특히 우레탄계 소재를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 수지는 열전도도가 우수한 물질로써, 전지셀(110)들에 발생한 열이 열전도성 수지층(900)과 모듈 프레임(300)의 상기 바닥부를 거쳐 외부로 배출될 수 있다. 열전도성 수지층(900)은 일종의 냉각 장치라고 볼 수 있다. 다만, 상기 열전도성 수지는, 열전도성 접착 물질을 포함하는 것으로, 도포 시에는 액상이나 전지셀 적층체(200)가 그 위에 적층된 이후에는 고화되는 물질일 수 있다. 따라서, 열전도성 수지층(900)은 전지셀 적층체(200)를 전지 모듈(100) 내에서 고정시킬 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 열전도성 수지층(900)은 전지셀 적층체(200)에 대한 방열 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 전지셀 적층체(200)를 효과적으로 고정하는 기능을 갖는다.
한편, 도 3 내지 도 5를 참고하면, 모듈 프레임(300)의 상기 바닥부 전체에 열전도성 수지층(900)이 마련되는 것이 아니라, 모듈 프레임(300)의 상기 바닥부 중 상기 전면부와 상기 후면부 방향의 양 단부에는 상기 열전도성 수지가 도포되지 않은 미도포부(310)가 마련될 수 있다. 상기 미도포부(310) 상에는 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 위치할 수 있다. 즉, 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 위치할 수 있는 공간을 확보하기 위해 미도포부(310)를 마련할 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에서는, 미도포부(310)를 형성하는 것이 아니라, 상기 미도포부(310) 영역에 열전도성 수지층(900)보다 얇은 두께로 상기 열전도성 수지를 도포할 수도 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 버스바 프레임에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 xz 평면 상에서 -y축 방향을 따라 바라본 평면도이다. 도 7은 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 뒤집어 나타낸 사시도이다. 보다 구체적으로, 도 7은 전지셀 적층체(200)의 하면(200d)이 위를 향하도록 뒤집은 모습을 나타내었다.
도 2, 도 3, 도 6 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 버스바 프레임(410, 420)은, 상술한 바 대로, 전극 리드(111, 112)가 돌출된 전지셀 적층체(200)의 전면 및 후면에 배치된다.
버스바 프레임(410, 420)에는 버스바(610) 및 단자 버스바(620)가 장착될 수 있다. 구체적으로, 각 버스바 프레임(410, 420)에 대해, 전지셀 적층체(200)와 마주하는 면의 반대 면에 버스바(610) 및 단자 버스바(620)가 위치할 수 있다. 또한, 후술하는 센싱 유닛(700)의 모듈 커넥터(720)도 버스바 프레임(410, 420) 중 전지셀 적층체(200)와 마주하는 면의 반대 면에 위치할 수 있다.
버스바 프레임(410, 420)에는 슬릿이 형성될 수 있다. 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 이러한 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(610)나 단자 버스바(620)와 접합될 수 있다. 전지셀 적층체(200)를 구성하는 전지셀(110)들은 버스바(610)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 전극 리드(111, 112)가 버스바(610)나 단자 버스바(620)에 접합되는 방식에 특별한 제한은 없으나, 일례로 용접 접합이 적용될 수 있다.
일부 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)는 단자 버스바(620)와 연결되어, HV(High Voltage) 연결을 형성할 수 있다. 여기서 HV 연결은 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결로써, 전지셀 간의 연결이나 전지 모듈 간의 연결을 의미한다. 단자 버스바(620)의 일부는 후술하는 엔드 플레이트(810, 820)의 외측으로 노출되는데, 이러한 단자 버스바(620)를 통해 전지 모듈(100)이 다른 전지 모듈이나 BDU(Battery Disconnect Unit)과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(200) 상에 위치한 상부 커버(430)를 더 포함할 수 있다. 상부 커버(430)는 전지셀 적층체(200)의 상기 상면에 대응하는 크기로 해당 부위를 커버할 수 있다. 또한, 상부 커버(430)의 마주하는 변 각각이 버스바 프레임(410, 420)과 결합될 수 있다. 전지셀 적층체(200)를 모듈 프레임(300) 내부로 수납하는 과정에서, 상부 커버(430)가 후술하는 센싱 유닛(700)을 보호할 수 있다.
한편, 버스바 프레임(410, 420)과 상부 커버(430) 간의 결합에는 힌지 결합이 적용될 수 있다. 전지셀 적층체(200)와 버스바 프레임(410, 420)의 조립 과정은 다음과 같이 진행될 수 있다. 도 6을 참고하면, 전지셀 적층체(200) 상에 상부 커버(430)를 놓고, 각 버스바 프레임(410, 420)을 회전시킨다. 다음, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)들을 각 버스바 프레임(410, 420)에 형성된 슬릿을 통과시켜 빼낸다. 상기 회전을 통해 각 버스바 프레임(410, 420)을 전지셀 적층체(200)의 상기 전면과 상기 후면에 각각 수직 배치시킨다.
이 때, 버스바 프레임(410, 420)들 중 적어도 하나는, 전지셀 적층체(200)의 하면(200d)으로 연장된 가이드부(500)를 포함한다. 여기서, 전지셀 적층체(200)의 하면(200d)은, 앞서 설명한 바 대로, 전지셀 적층체(200)의 -z축 방향의 면을 의미한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 버스바 프레임(410, 420) 모두가 가이드부(500)를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 8 내지 도 11을 참고하여, 본 실시예에 따른 가이드부, 가이드 홈 및 조정부에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 8은 도 3의 전지 모듈에 포함된 버스바 프레임을 나타낸 사시도이다. 도 9는 도 8의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분도이다. 도 10은 도 9에 도시된 가이드 홈의 조정부에 전지셀의 돌출부가 삽입된 모습을 도시한 부분도이다. 도 11은 도 10에 도시된 가이드 홈의 조정부를 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 평면도이다.
특히, 도 8은 도 3의 전지 모듈에 포함된 버스바 프레임(410, 420)들 중 어느 한 버스바 프레임(420)을 나타낸 것이다. 이하에서는, 설명의 반복을 피하기 위해 하나의 버스바 프레임(420)을 기준으로 설명하나, 다른 버스바 프레임(410)에도 본 실시예에 따른 가이드 홈, 조정부 및 내측부의 구조가 마련될 수 있다. 또한, 도 10에서는 설명의 편의를 위해 전지셀(110)의 구성 중 돌출부(110p)만을 도시하였다.
도 8 내지 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 가이드부(500)에 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 삽입되는 가이드 홈(500g, Guide groove)이 형성된다. 구체적으로, 가이드부(500) 중 전지셀 적층체(200)의 하면(200d)과 마주하는 면에 만입된 형태의 가이드 홈(500g)이 형성될 수 있다.
버스바 프레임(420)이 전지셀 적층체(200)의 상기 전면이나 상기 후면에 배치될 때, 전지셀 적층체(200)의 하면(200d)에 위치한 돌출부(110p)가 가이드 홈(500g)에 삽입될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 가이드 홈(500g)은, 전지셀(110)이 위치한 곳에서 버스바 프레임(420)이 위치한 곳으로 갈수록 폭이 좁아지는 조정부(500a)를 포함한다. 즉, 가이드 홈(500g) 중에서, 전지셀(110)이 위치한 곳에서 버스바 프레임(420)이 위치한 곳으로 갈수록 폭이 좁아지는 영역이 조정부(500a)에 해당한다. 전지셀(110)이 위치한 곳에서 버스바 프레임(420)이 위치한 곳으로의 방향은, 도 8 내지 도 11에서의 -x축 방향에 해당한다. 또한, 가이드 홈(500g)은 조정부(500a)보다 전지셀(110)과 멀리 떨어져 있는 내측부(500i, inner part)를 포함할 수 있다. 즉, 가이드 홈(500g)은, 상대적으로 전지셀(110)과 가까이 위치한 조정부(500a) 및 상대적으로 전지셀(110)과 멀리 위치한 내측부(500i)를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 돌출부(110p)가 가이드 홈(500g)에 삽입될 때, 폭이 좁아지는 조정부(500a)에 의해 돌출부(110p)가 비스듬하게 꺾일 수 있다. 즉, 비스듬한 경사를 형성하는 조정부(500a)의 일면에 의해 삽입되는 돌출부(110p)가 자연스럽게 비스듬히 꺾일 수 있다. 돌출부(110p)는 최종적으로 가이드 홈(500g)의 내측부(500i)까지 삽입될 수 있다.
본 실시예에 따른 조정부(500a)는 가이드 홈(500g) 중에서 전지셀(110)이 위치한 방향으로 개구된 부분일 수 있다. 즉, 돌출부(110p)가 가이드 홈(500g)에 삽입될 때 조정부(500a)에 가장 먼저 삽입될 수 있다.
또한, 조정부(500a)는, 서로 마주하는 제1 면(510) 및 제2 면(520)을 포함할 수 있고, 전지셀(110)이 위치한 곳에서 버스바 프레임(420)이 위치한 곳으로 갈수록 제1 면(510) 및 제2 면(520)이 가까워질 수 있다. 이때, 제1 면(510)은 전극 리드(111, 112, 도 6 참고)의 돌출 방향과 비스듬한 경사면을 이루고, 제2 면(520)은 전극 리드(111, 112)의 돌출 방향과 평행할 수 있다. 여기서, 전극 리드(111, 112)의 돌출 방향은, x축과 평행한 방향으로써, 앞서 언급한 전지셀(110)이 위치한 곳에서 버스바 프레임(420)이 위치한 곳으로의 방향과 평행하다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 돌출부(110p)가 가이드 홈(500g)에 삽입될 때, 비스듬한 경사면을 이루는 제1 면(510)이 돌출부(110p)와 대응하여 위치할 수 있다. 또한, 삽입되기 이전의 돌출부(110p)는 가이드 홈(500g)의 내측부(500i)와 대응하지 않도록 위치할 수 있다. 이를 바탕으로, 돌출부(110p)가 삽입되는 거동을 살펴보면, 비스듬한 경사를 형성하는 조정부(500a)의 제1 면(510)에 의해 삽입되는 돌출부(110p)가 자연스럽게 비스듬히 꺾일 수 있다. 최종적으로 돌출부(110p)가 내측부(500i)까지 삽입되었을 때, 돌출부(110p)는 꺾인 상태를 유지할 수 있다.
도 8을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 가이드 홈(500g)은 복수의 전지셀(110) 각각과 대응하도록 복수로 구성될 수 있다. 각 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 모두 삽입될 수 있도록 가이드 홈(500g)이 가이드부(500)에 복수로 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 도 12 및 도 13을 참고하여, 본 실시예에 따른 가이드 홈이 갖는 장점에 대해 비교예와의 비교를 통해 설명하도록 한다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 개략적으로 도시한 개략도들이다. 구체적으로, 도 12a는 전지셀 적층체(200)와 버스바 프레임(410, 420)들의 모습을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 12b는 도 12a의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 12a 및 도 12b를 참고하면, 전지셀 적층체(200)의 전면과 후면에 각각 버스바 프레임(410, 420)이 배치되고, 전지셀 적층체(200)의 상면에는 상부 커버(430)가 배치될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)의 돌출부(110p)는 가이드부(500)의 가이드 홈(500g)에 삽입됨에 따라, 수직하게 직립하고 있는 것이 아니라, 일정 방향으로 꺾이게 된다. 돌출부(110p)가 비스듬히 꺾인 만큼, 버스바 프레임(410, 420)의 높이(h1)를 줄일 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 비교예에 따른 전지셀 적층체와 버스바 프레임을 개략적으로 도시한 개략도들이다. 구체적으로, 도 13a는 전지셀 적층체(20)와 버스바 프레임(41, 42)들의 모습을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 13b는 도 13a의 절단선 C-C’를 따라 자른 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 13a 및 도 13b를 참고하면, 전지셀 적층체(20)의 전면과 후면에 각각 버스바 프레임(41, 42)이 배치되고, 전지셀 적층체(20)의 상면에는 상부 커버(43)가 배치될 수 있다. 본 실시예에 따른 버스바 프레임(410, 420)과 다르게, 가이드부(50)에 가이드 홈이 형성되지 않았다. 본 비교예에 따른 전지셀(11)의 돌출부(11p)는 꺾임 없이 수직하게 직립하게 되고, 그만큼 버스바 프레임(41, 42)의 높이(h2)가 증가하게 된다.
즉, 본 실시예에 따른 버스바 프레임(410, 420)의 높이(h1)는, 본 비교예에 따른 버스바 프레임(41, 42)의 높이(h2)를 비교하여, 돌출부(110p)가 가이드 홈(500g)에 의해 비스듬히 꺾인 만큼 그 높이를 줄일 수 있다. 최종적으로, 전지 모듈(100)의 높이를 줄일 수 있고, 그만큼 공간을 효율적으로 활용할 수 있다. 줄어든 전지 모듈의 높이만큼 용량을 늘릴 수 있는 바, 용량 및 에너지 증대의 효과를 갖는다.
또한, 도 5를 참고하면, 돌출부(110p)가 꺾이는 만큼, 열전도성 수지층(900)의 두께를 줄일 수 있다. 즉, 방열을 위해 필요한 최소한의 열전도성 수지만을 도포하여 열전도성 수지층(900)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 열전도성 수지의 사용량을 줄일 수 있어서 비용 절감의 효과를 갖는다.
이하에서는, 도 14 내지 도 16을 참고하여, 본 실시예에 따른 센싱 유닛에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 유닛을 나타낸 사시도이다. 도 15 및 도 16은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 유닛을 배치하기 전, 후의 버스바 프레임의 모습을 나타난 부분도들이다.
도 3 및 도 14 내지 도 16을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 전압 정보를 센싱하기 위한 센싱 유닛(700)을 더 포함할 수 있다. 센싱 유닛(700)은, LV(Low voltage) 연결을 위한 것으로, 여기서 LV 연결은 전지셀의 전압 등을 감지하고 제어하기 위한 센싱 연결을 의미한다. 센싱 유닛(700)을 통해 전지셀(110)의 전압 정보 및 온도 정보가 외부 BMS(Battery Management System)에 전달될 수 있다.
센싱 유닛(700)은, 연결부재(710), 모듈 커넥터(720) 및 온도 센서(730)를 포함할 수 있다. 연결부재(710)는 상부 커버(430)와 전지셀 적층체(200)의 상면 사이에서 전지셀 적층체(200)의 길이방향을 따라 연장될 수 있다. 또한, 연결부재(710)는 버스바(610)들에 부착되는 센싱단자(711)들을 포함할 수 있다. 이러한 연결부재(710)는 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다.
모듈 커넥터(720)는 복수의 전지셀(110)을 제어하기 위해 외부의 제어 장치와 신호를 송수신하도록 구성될 수 있다. 이러한 모듈 커넥터(720)는 버스바 프레임(410, 420) 중 전지셀 적층체(200)와 마주하는 면의 반대 면에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 버스바 프레임(410, 420)에 커넥터 받침부(411)가 형성되고, 모듈 커넥터(720)가 연결부재(710)와 함께 커넥터 받침부(411) 위에 놓일 수 있다.
센싱단자(711)들은 버스바 프레임(410, 420)에 장착된 버스바(610)에 부착되어 전압 값을 센싱한다. 센싱단자(711)들에서 감지된 전압 데이터들은 연결부재(710)와 모듈 커넥터(720)를 통해서 BMS(Battery Management System)에 전송될 수 있고, BMS(미도시)는 수집된 전압 데이터들을 기초로 전지셀(110)들의 충전과 방전을 제어할 수 있다.
연결부재(710)에는 온도 센서(730)가 더 구비될 수 있다. 일반적으로 전지셀(110)은 전극 리드(111, 112)들 주변의 온도가 가장 높으므로 온도 센서(730)는 전지셀 적층체(200)의 양쪽 가장자리에 위치하는 것이 바람직하다. 온도 센서(730)에서 감지된 온도 데이터는 전압 데이터와 마찬가지로 연결부재(710)와 모듈 커넥터(720)를 통해 BMS에 전송될 수 있다.
즉, 센싱 유닛(700)은 각 전지셀(110)의 과전압, 과전류, 과발열 등의 현상을 검출하고, 제어할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 전지셀 적층체(200)가 수납된 상태의 모듈 프레임(300)에 엔드 플레이트(810, 820)가 접합됨으로써, 전지 모듈(100)이 완성될 수 있다. 모듈 프레임(300)와 엔드 플레이트(810, 820)는 전지셀 적층체(200)를 비롯한 기타 전장품을 보호하기 위해 소정의 강도를 갖도록 금속 소재를 포함하는 것이 바람직하고, 일례로 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
이 때, 엔드 플레이트(810, 820)에는 단자 버스바(620)와 모듈 커넥터(720)가 노출될 수 있도록 개구부가 형성될 수 있다. 노출된 단자 버스바(620)가 다른 전지 모듈이나 외부의 BDU(Battery Disconnect Unit)과 전기적으로 연결되어 HV 연결을 형성할 수 있다. 또한, 노출된 모듈 커넥터(720)는 외부의 BMS(Battery Management System)와 연결되어 LV 연결을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 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
100: 전지 모듈
200: 전지셀 적층체
410, 420: 버스바 프레임
500: 가이드부
500g: 가이드 홈
500a: 조정부

Claims (11)

  1. 돌출된 전극 리드들을 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및
    상기 전극 리드가 돌출된 상기 전지셀 적층체의 전면 및 후면에 배치된 버스바 프레임들을 포함하고,
    상기 전지셀은, 상기 전지셀의 하측 모서리의 양 단부에 각각 형성된 돌출부를 포함하며,
    상기 버스바 프레임들 중 적어도 하나는, 상기 전지셀 적층체의 하면으로 연장된 가이드부를 포함하고,
    상기 가이드부에 상기 돌출부가 삽입되는 가이드 홈(Guide groove)이 형성되고,
    상기 가이드 홈은, 상기 전지셀이 위치한 곳에서 상기 버스바 프레임이 위치한 곳으로 갈수록 폭이 좁아지는 조정부를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 버스바 프레임이 상기 전지셀 적층체의 상기 전면 또는 상기 후면에 배치될 때, 상기 전지셀의 상기 돌출부가 상기 가이드홈에 삽입되는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 조정부에 의해 상기 돌출부가 비스듬하게 꺾이는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 조정부는 상기 전지셀이 위치한 방향으로 개구되어 있는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 가이드 홈은, 상기 조정부보다 상기 전지셀과 멀리 떨어져 있는 내측부를 포함하고,
    상기 돌출부는 상기 내측부까지 삽입되는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 조정부는, 서로 마주하는 제1 면 및 제2 면을 포함하고,
    상기 전지셀이 위치한 곳에서 상기 버스바 프레임이 위치한 곳으로 갈수록 상기 제1 면과 상기 제2 면이 가까워지는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 면은 상기 전극 리드의 돌출 방향과 비스듬한 경사면을 이루고,
    상기 돌출부가 상기 가이드 홈에 삽입될 때, 상기 제1 면이 상기 돌출부와 대응하여 위치하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 제2 면은 상기 전극 리드의 돌출 방향과 평행한 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 가이드 홈은 상기 복수의 전지셀 각각과 대응하도록 복수로 구성되는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 버스바 프레임에 버스바가 장착되고,
    상기 전극 리드는 상기 버스바와 접합되는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
PCT/KR2022/000985 2021-01-28 2022-01-19 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 WO2022164119A1 (ko)

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