KR102018301B1 - 배터리 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

배터리 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102018301B1
KR102018301B1 KR1020160112576A KR20160112576A KR102018301B1 KR 102018301 B1 KR102018301 B1 KR 102018301B1 KR 1020160112576 A KR1020160112576 A KR 1020160112576A KR 20160112576 A KR20160112576 A KR 20160112576A KR 102018301 B1 KR102018301 B1 KR 102018301B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
cushion bag
battery cells
mono frame
bag
Prior art date
Application number
KR1020160112576A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180025643A (ko
Inventor
이수항
최규현
공진학
최용석
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020160112576A priority Critical patent/KR102018301B1/ko
Priority to US15/692,534 priority patent/US10601005B2/en
Publication of KR20180025643A publication Critical patent/KR20180025643A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102018301B1 publication Critical patent/KR102018301B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H01M2/1094
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/0413Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/233Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by physical properties of casings or racks, e.g. dimensions
    • H01M50/24Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by physical properties of casings or racks, e.g. dimensions adapted for protecting batteries from their environment, e.g. from corrosion
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/0413Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
    • H01M10/0418Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes with bipolar electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431Cells with wound or folded electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H01M2/1016
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/211Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for pouch cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/289Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by spacing elements or positioning means within frames, racks or packs
    • H01M50/291Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by spacing elements or positioning means within frames, racks or packs characterised by their shape
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342Non-re-sealable arrangements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00Safety devices for primary or secondary batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/10Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/30Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • Y02E60/122
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

간단하고 콤팩트하면서도 셀 가압, 스웰링, 충격 상황시 기계적 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 둘 이상의 파우치형 배터리 셀들; 및 상기 배터리 셀들을 수납하며 상기 배터리 셀들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구와 제2 개구를 형성하는 사각관체 모노 프레임을 포함하고, 상기 배터리 셀들과 상기 모노 프레임 사이에 쿠션백이 밀착 구비되어 있는 것이 특징이다.

Description

배터리 모듈 및 그 제조 방법{Battery module and method for fabricating the same}
본 발명은 배터리 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀들의 고정 구조를 개선한 배터리 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이기도 하다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.2V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 복수 개의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 복수 개의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
여기서, 종래 배터리 모듈에서는 배터리 셀들의 적층을 가이드 함과 아울러 배터리 셀들의 유동을 방지할 수 있게 적어도 하나의 배터리 셀이 내부에 장착되는 적어도 하나의 셀 카트리지가 구비된다. 이러한 셀 카트리지는 일반적으로 상호 적층될 수 있게 복수 개로 구비되어, 복수 개의 배터리 셀들의 적층을 가이드하게 된다. 셀 카트리지를 이용하여 배터리 셀을 구속하는 방식의 기존 배터리 모듈에서는 일반적으로 배터리 셀의 면 방향에 압력을 가하는 형태로 배터리 셀의 움직임을 구속하여, 진동이나 충격에서도 배터리 셀이 고정 위치에서 흔들리지 않도록 한다. 또한, 전극의 팽창과 가스 발생으로 인한 배터리 셀의 부피 팽창을 완충할 수 있는 폼 패드(foam pad)가 배터리 셀과 셀 카트리지 사이에 삽입되어져 왔다.
도 1은 종래 배터리 셀과 결합된 셀 카트리지의 개략적인 상면도이고, 도 2는 도 1의 II-II' 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 셀 카트리지(2)는 배터리 셀 바디(body)의 모서리 부분을 고정할 수 있는 형태를 갖도록 사출 제작되고, 두 개의 배터리 셀(1)은 셀 카트리지(2)에 장착 시, 테두리를 이루는 모서리가 셀 카트리지(2) 내부에 끼워지면서 셀 카트리지(2) 내부에 수용된다. 이에 따라, 종래 배터리 모듈에서는, 배터리 셀(1)의 모서리가 셀 카트리지(2) 내부에 끼워질 때, 장착 시 발생할 수 있는 충격이나 진동 등이 배터리 셀(1)의 모서리로 전달될 수 있고, 배터리 셀(1) 내부의 전극 조립체 또는 전극 리드(3)가 파손되는 등 배터리 셀(1)의 손상이 발생될 수 있는 문제가 있다.
도 2의 Ⅲ 부분 확대도인 도 3을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, "a"로 표시한 부분에서 배터리 셀(1) 숄더(shoulder)부와 셀 카트리지(2)의 접촉으로 x 방향으로의 움직임을 구속할 수 있으나, 지속적인 눌림에 의해 배터리 셀(1) 내부의 분리막 두께가 얇아지거나, 전극 끝단이 파괴되어 쇼트가 발생할 우려가 있다.
또한, "b"로 표시한 부분과 같이 두 배터리 셀(1)의 전극 리드(3)는 용접에 의해 고정되어 있는 반면, 배터리 셀(1) 바디는 진동, 충격에 의하여 x 방향으로 유동될 수 있으므로 배터리 셀(1)의 리드(3)가 손상될 수 있다.
뿐만 아니라, "c"로 표시한 부분을 보면 배터리 셀(1)의 모서리가 셀 카트리지(2) 등 상대물과 접촉되어 있다. 이에 따라 배터리 셀(1) 충방전 및 BOL -> EOL 과정에서 셀 스웰링(swelling)이 발생하는 상황이 생길 경우, 내부 가스 포켓(gas pocket) 영역을 확보하는 데에 어려움이 있으며, 배터리 셀(1) 내부의 초음파 융착 부분이 손상되어 쇼트가 발생할 우려가 가중된다. 배터리 셀(1)의 모서리가 셀 카트리지(2) 등 상대물과 접촉되지 않도록 셀 카트리지(2) 구조를 변경하는 경우, 배터리 셀(1) 길이 방향 고정 구조를 확보하는 데에 어려움이 있다.
이와 같이 종래 배터리 모듈 구조는 여러 문제점이 있어 새로운 모듈 구조가 필요하다. 배터리 모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스의 수용공간 및 출력 등과 직접적 관련성이 있으므로, 제조업체들은 고출력을 담보하면서도 소형화, 경량화가 가능한 배터리 모듈을 제조하려고 노력하고 있는 실정이다. 이를 위해서는 기존의 셀 카트리지 방식을 탈피하여, 전체 배터리 팩의 구조가 복잡해지지 않고 공간을 많이 차지하지 않도록, 간단하고 콤팩트하면서도 배터리 셀의 고정이 확실한 모듈 구조 개발이 필요하다.
한편 새로운 모듈 구조에는 폼 패드의 변경도 수반되어야 한다. 기존의 모듈 구조에서는 각 부품들의 공차로 인해 양산시 셀 가압, 스웰링 제어를 위한 가압력을 기존 폼 패드를 통해 동일하게 구현하기에는 어려운 문제가 있기 때문이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 간단하고 콤팩트하면서도 셀 가압, 스웰링, 충격 상황시 기계적 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 둘 이상의 파우치형 배터리 셀들; 및 상기 배터리 셀들을 수납하며 상기 배터리 셀들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구와 제2 개구를 형성하는 사각관체 모노 프레임을 포함하고, 상기 배터리 셀과 상기 모노 프레임 사이에 쿠션백(cushion bag)이 밀착 구비되어 있는 것이다.
상기 쿠션백은 사각 주머니 형태로 구성되고 필름 외벽에 의해 한정되어 밀폐된 내부 공간이 형성되며 상기 내부 공간에 유체 주입이 가능하도록 하는 유체 주입구가 구비된 것임이 바람직하다.
이 때, 상기 쿠션백은 상기 유체 주입으로 부피가 증가한다.
상기 유체 주입구는 상기 모노 프레임 바깥으로 돌출되어 있을 수 있다.
상기 쿠션백은 공기가 주입됨이 바람직하다.
상기 쿠션백에 외력이 가해지면 상기 쿠션백 내부의 공기를 방출시키는 벤팅 홀이 상기 쿠션백에 더 구비될 수 있다.
상기 쿠션백은 상기 배터리 셀의 대면적 면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면 및 상기 배터리 셀들의 측면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면에 구비되어 있을 수 있다.
상기 배터리 셀의 외장재는 열융착되는 내부 수지층 및 외부 수지층만으로 구성될 수 있다.
상기 배터리 셀의 전극단자들은 일방향 또는 양방향으로 형성된 것일 수 있다.
상기 배터리 셀의 전극단자들은 상기 배터리 모듈의 한 면 또는 두 면에서 직렬 또는 병렬로 전기적 연결되는 것일 수 있다.
상기 모노 프레임은 금속 소재로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 제조 방법은, 둘 이상의 파우치형 배터리 셀들을 적층하는 단계; 상기 배터리 셀들을 수납하며 상기 배터리 셀들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구와 제2 개구를 형성하는 사각관체 모노 프레임을 준비하는 단계; 사각 주머니 형태로 구성되고 필름 외벽에 의해 한정되어 밀폐된 내부 공간이 형성되며 상기 내부 공간에 유체 주입이 가능하도록 하는 유체 주입구가 구비된 쿠션백을 준비하는 단계; 상기 배터리 셀들을 상기 모노 프레임의 제1 개구 또는 제2 개구를 통하여 삽입하되 상기 배터리 셀과 상기 모노 프레임 사이에 쿠션백이 개재된 상태로 하는 단계; 및 상기 쿠션백에 유체를 주입하여 부피를 팽창시킴으로써 상기 배터리 셀과 상기 모노 프레임 사이에 상기 쿠션백이 밀착 구비되도록 하는 단계를 포함한다.
상기 유체 주입구는 상기 모노 프레임 바깥으로 돌출되어 있고 상기 유체 주입은 컴프레셔를 연결하여 실시할 수 있다.
상기 쿠션백은 공기가 주입되며 상기 쿠션백에 외력이 가해지면 상기 쿠션백 내부의 공기를 방출시키는 벤팅 홀이 상기 쿠션백에 더 구비되어 있어 압력 조절이 되도록 함이 바람직하다.
상기 쿠션백은 상기 배터리 셀의 대면적 면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면 및 상기 배터리 셀들의 측면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면에 구비시키는 것이 바람직하다.
상기 유체 주입을 추가적으로 주기적으로 실시하여 상기 쿠션백 내부에 일정 압력을 유지하도록 할 수도 있다.
본 발명은 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩도 제공한다.
상기 배터리 팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템일 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 셀 카트리지가 아닌 사각관체 모노 프레임 타입의 모듈 케이스를 이용하고, 배터리 셀과 모노 프레임 사이에 쿠션백을 개재하여 이 쿠션백을 통하여 모노 프레임과 배터리 셀 사이를 밀착하여 고정할 수 있다. 이에 따라 종래처럼 셀 카트리지가 배터리 셀의 모서리를 끼워 눌러 고정하는 구조가 아니어도 되므로 전체 배터리 모듈의 설계의 여유도가 증가하며, 기존에 배터리 셀의 모서리가 셀 카트리지 내부에 끼워질 때 장착 시 발생할 수 있는 충격이나 진동 등이 배터리 셀의 모서리로 전달되는 문제를 해결할 수 있다.
특히 본 발명에 따르면, 배터리 셀 숄더부에 어떠한 기계적 압력도 가해지지 않는다. 이에 따라, 지속적인 눌림에 의해 배터리 셀 내부의 분리막 두께가 얇아지거나, 전극 끝단이 파괴되어 쇼트가 발생할 우려를 원천 차단할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따르면, 쿠션백을 이용해 셀 카트리지가 아닌 모노 프레임으로 변경될 수 있고, 이에 따라 배터리 셀이 셀 카트리지 내부에 장착 및 결합 유지될 때에 충격이나 진동 등이 배터리 셀의 모서리로 전달되는 것을 방지할 수 있고, 지속적인 눌림에 의한 문제가 없으며 가스 포켓 영역을 확보할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 배터리 셀의 셀 카트리지 장착 및 결합 유지시, 배터리 셀의 손상을 방지할 수 있으며, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
이러한 배터리 모듈 및 배터리 팩은 외부 진동에 대하여 배터리 셀을 보호하는 효과가 탁월하므로 외부 진동에 수시로 노출되는 자동차 등에 적용하기에 유리하다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀과 모노 프레임 사이를 확실히 고정할 수 있고, 배터리 셀 사용에 따른 부피 팽창시에도 이러한 팽창을 수용할 수 있는 안정적인 공간을 제공한다. 본 발명에서는 쿠션백을 이용함으로써 배터리 셀과 모노 프레임간 조립을 수월하게 하고, 진동, 충격에 의한 배터리 셀의 위치 고정을 견고하게 할 수 있으며, 배터리 셀이 스웰링되더라도 이를 수용할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기존의 셀 카트리지 방식을 탈피하여, 전체 배터리 팩의 구조가 복잡해지지 않고 공간을 많이 차지하지 않으면서도 간단하고 콤팩트한 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 그리고, 쿠션백은 셀 가압, 스웰링 제어를 위한 가압력을 일정하게 할 수 있는 장점이 있다. 셀 가압, 스웰링, 충격 상황시 쿠션백을 통한 대응이 가능하므로 배터리 모듈의 기계적 성능을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 배터리 셀과 결합된 셀 카트리지의 개략적인 상면도이다.
도 2는 도 1의 II-II' 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈의 개략적인 정면도이다.
도 6은 도 4의 배터리 모듈의 측면 투영도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 쿠션백의 유체 주입 전 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 쿠션백의 유체 주입 후 모식도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 제조 방법의 순서도이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다. 도 5는 도 4의 배터리 모듈의 개략적인 정면도이고, 도 6은 도 4의 배터리 모듈의 측면 투영도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 배터리 모듈(100)은, 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)들 및 배터리 셀(110)들을 수납하는 모노 프레임(120)을 포함한다.
모노 프레임(120)은 배터리 셀(110)들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구(130)와 제2 개구(140)를 형성하는 사각관체이다.
제1 개구(130)와 제2 개구(140)는 모노 프레임(120)에서 배터리 셀(110)들의 길이 방향 양측으로 개방되어 있다. 즉 모노 프레임(120)은 서로 마주하는 방향 양측을 개방하고, 나머지 4면들을 연결하는 사각관체로 형성된다.
모노 프레임(120)은 2개의 측면과 상면, 하면이 일체화된 형태의 모듈 케이스이다. 따라서, 용접이나 볼팅, 후크 체결 등 별도의 추후 결합 구성을 구비하지 않고, 상부, 하부, 좌측부 및 우측부 모두 전체적으로 일체화된 형태로 구성된다. 측면과 상면, 하면에 별도의 결합 구성이 존재하지 않고 처음부터 일체화된 형태로 형성되므로, 모듈 케이스의 제조 공정이 용이해지고, 제조 시간이 단축되며, 모듈 케이스의 강성이 효과적으로 향상될 수 있다.
모노 프레임(120) 안에는 배터리 셀(110)들을 예컨대 4~10개 적층하여 길이 방향에 수직으로 나란한 배치로 슬라이딩 삽입하여 내장할 수 있다.
배터리 셀(110)은 각각 상하 방향으로 세워지는 형태로 수평 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5의 구성에서 전극단자(116)가 전체적으로 보이는 측면을 배터리 모듈의 전방 측이라 할 때, 이러한 배터리 모듈의 전방 측에서 배터리 모듈을 바라보면, 배터리 셀(110)은 대면적 면이 좌우를 향하도록 지면에 수직하게 세워진 형태로 좌우 방향으로 다수 배열될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 배터리 셀(110)은 대면적 면이 각각 좌우 측을 향하도록 하고, 상부, 하부, 전방 및 후방 측에는 배터리 셀(110) 측면이 위치하도록 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 배터리 셀(110)은, 대면적 면이 서로 대면되는 형태로 좌우 방향으로 평행하게 배열될 수 있다. 한편, 본 발명에 있어서, 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향은, 특별한 설명이 없는 한, 상기와 같이, 전극단자(116)가 돌출되어 도면에서 전체적으로 보이는 측면을 전방 측이라 하고, 이러한 전방 측에서 배터리 모듈을 바라볼 때를 기준으로 구분하도록 한다.
배터리 셀(110)들 하부에는 쿨링 플레이트(미도시)를 더 포함할 수 있다. 쿨링 플레이트는, 적어도 일부분이 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 쿨링 플레이트는, 배터리 셀(110)들에서 열이 발생한 경우 발생된 열을 배터리 모듈의 외측으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 쿨링 플레이트는, 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 쿨링 플레이트는, 전체적으로 알루미늄이나 구리, 철과 같은 금속의 단일 속성 재질로 이루어지거나, 이들 중 적어도 하나의 합금 재질로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 쿨링 플레이트를 통해 배터리 셀(110)들의 열을 외부 측으로 효과적으로 전달할 수 있으며, 배터리 셀(110)들의 강성을 보강하고, 외부 충격 등으로부터 배터리 모듈을 보호할 수 있다. 별도의 쿨링 플레이트를 포함하는 대신, 모노 프레임(120)의 하부면이 이러한 쿨링 플레이트 역할을 할 수도 있다.
본 실시예에서, 배터리 셀(110)의 대면적 면과 모노 프레임(120)이 맞닿는 면. 그리고 배터리 셀(110) 측면과 모노 프레임(120)이 맞닿는 면에 쿠션백(150)을 구비하여, 이들 쿠션백(150)이 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120)에 밀착이 되어 있다. 이를 통해 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120)이 고정이 될 수 있다. 그리고, 이러한 밀착에 의해, 내부 부품 사이의 빈 공간이 없기 때문에, 외부에서 충격이 가해지는 상황이 발생하여도 주요 구조에 전해지는 데미지(damage)가 줄어들게 되어 배터리 모듈(100)의 강건성이 향상된다.
배터리 셀들(110)끼리는 전극단자(116)가 서로 연결되어 있다. 더욱 바람직하게는 배터리 셀들(110)끼리 안정적인 적층 구조를 유지하도록 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착부재를 상호 대면하는 위치에 개재시킬 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 쿠션백의 유체 주입 전 모식도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 쿠션백의 유체 주입 후 모식도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 쿠션백(150)은 사각 주머니 형태로 구성되고 필름 외벽(151)에 의해 한정되어 밀폐된 내부 공간이 형성되며, 내부 공간에 유체 주입이 가능하도록 하는 유체 주입구(152)가 구비된 것이다.
예를 들어, 사각형 모양의 두 장의 필름이 포개어지고 유체 주입구(152)를 제외한 나머지 4면의 테두리가 모두 실링(S)되어 쿠션백(150)이 될 수 있다.
유체 주입구(152)는 쿠션백(150)의 내부 공간에 유체를 주입할 수 있도록 하는 구멍이다. 이러한 유체 주입구(152)는, 도 7이나 도 8에 도시된 바와 같이 쿠션백(150)의 단부, 예를 들면 상측면에 구비될 수도 있고, 필름 외벽(151) 어느 곳이든 형성될 수도 있다. 이러한 유체 주입구(152)를 통해 쿠션백(150)의 내부 공간에 공기와 같은 유체가 주입될 수 있다. 또한 이와 반대로 쿠션백(150)의 내부 공간에 충진된 공기와 같은 유체가 이와 같은 유체 주입구(152)를 통해 배출될 수도 있다. 이러한 유체 주입구(152)는, 쿠션백(150)에 반드시 하나만 구비되어야 하는 것은 아니며, 둘 이상 구비될 수도 있다. 이처럼, 유체 주입구(152)가 둘 이상 구비된 경우에는, 여러 유체 주입구(152)를 통해 유체가 주입되거나 배출될 수 있으므로, 쿠션백(150)의 내부 공간에 대한 유체의 유출입이 보다 용이하고 신속하게 이루어질 수 있다. 바람직하기로, 유체 주입구(152)는 모노 프레임(120) 바깥으로 돌출되어 외부에서의 접근이 용이하도록 하게 만들 수 있다. 이와 같이 하면 모듈이나 팩 조립 후에도 외부에서 유체 주입이 가능하도록 할 수 있다. 유체 주입구(152)는 예를 들어 컴프레셔를 통해 공기를 주입할 수 있도록 타이어에 들어가는 공기 주입구와 유사한 구조로 형성할 수 있다.
쿠션백(150)의 내부 공간은 공기와 같은 유체의 유출입으로 부피가 변화될 수 있다. 즉, 유체 주입구(152)를 통해 공기가 주입되면 쿠션백(150)의 내부 공간은 부피가 증가될 수 있다. 반대로, 유체 주입구(152)를 통해 공기가 배출되면 쿠션백(150)의 내부 공간은 부피가 감소될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 유체 주입구(152)를 통한 유체의 유출입으로 쿠션백(150)의 내부 공간에 대한 부피가 변화할 수 있기 때문에, 쿠션백(150)의 외벽(151)을 구성하는 필름은 이에 적합한 재질로 이루어지는 것이 좋다.
외벽(151)을 구성하는 필름은 고무 재질일 수 있다. 그리고 폴리머 재질일 수도 있다. 그 중에서도 유연하여, 내부 공간에 대한 유체의 충진량에 따른 내부 공간의 부피 변화가 유연하게 이루어질 수 있도록 하는 재질이 바람직하다. 특히 외벽(151)을 구성하는 필름은 절연파괴강도 10kV/mm 이상의 절연성 소재인 것이 바람직하다. 절연재료에 전압을 인가한 후 점차 전압을 증가시키면 어느 시점에서 재료가 절연성을 잃게 되어 전류가 흐르는데 이것을 절연파괴현상이라고 한다. 절연파괴를 일으키는 전압 V를 재료의 두께 d로 나눈 것이 절연파괴강도이다. 쿠션백(150)의 재질로 절연재료 중에서도 절연파괴강도가 10kV/mm 이상으로 높은 것을 사용하면 외부와의 전기적 도통 위험을 차단할 수 있어 바람직하다. 절연재료는 예컨대 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET, 페트), 폴리아미드(polyamides, PA, 나일론), 폴리에스터(polyester, PES), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리우레탄(polyurethanes, PU), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride, PVDC, 사란), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE, 테플론), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK, 폴리케톤) 및 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI, 울템)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이와 같이 절연파괴강도 10kV/mm 이상의 절연성 소재를 채택함으로써, 절연성을 향상시켜 배터리 모듈(100)의 전기적 안전성을 더욱 높일 수 있다.
바람직하게, 쿠션백(150)은 상기 유체 주입으로 부피가 증가한다. 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이의 한정된 공간에 쿠션백(150)이 개재되어 있으므로 유체 주입으로 부피가 증가하면 내부 공간의 압력이 변화된다. 부피가 증가할수록 내부 공간의 압력이 증가된다.
쿠션백(150)의 내부 공간에는 기체나 액체와 같은 유체가 주입되어 충진될 수 있다. 바람직하게는, 쿠션백(150)의 내부 공간에는 공기가 주입되는 것이 좋다. 공기는 액체에 비해 무게가 가볍고, 쉽게 구할 수 있다는 등의 여러 장점이 있기 때문이다. 다만, 이러한 공기 이외에도 다양한 기체나 액체가 쿠션백(150)의 내부 공간에 주입될 수 있음은 물론이다.
특히, 쿠션백(150)에 공기가 주입되는 경우, 쿠션백(150)에 외력이 가해지면 쿠션백(150) 내부의 공기를 방출시키는 벤팅 홀(153)이 쿠션백(150)에 더 구비될 수 있다. 예를 들어 스웰링으로 인해 일정 압력에 도달할 경우 이 벤팅 홀(153)을 통해 내부 공간의 공기가 배출되도록 한다. 이러한 벤팅 홀(153)은, 도 7이나 도 8에 도시된 바와 같이 쿠션백(150)의 단부, 그 중에서도 유체 주입구(152)가 형성된 쪽의 맞은편 쪽으로 하측면에 구비될 수도 있고, 외벽(151) 어느 곳이든 형성될 수도 있다. 벤팅 홀(153)은 공기 배출 구멍과 이 구멍을 덮는 덮개로 구성될 수도 있다. 덮개는 공기 배출 구멍에 구비되어 공기 배출 구멍의 개폐를 가능하게 한다. 즉, 공기 배출 구멍에 덮개가 덮어지는 경우 쿠션백(150)의 내부 공간은 밀폐 상태를 유지할 수 있게 된다. 그리고, 공기 배출 구멍에서 덮개가 들리거나 빼내어지는 경우 쿠션백(150)의 내부 공간은 밀폐 상태가 해제되며, 공기 배출 구멍을 통해 공기의 유출이 가능해질 수 있다.
쿠션백(150)은 내부 공간에 유체를 가지고 있어 외력에 의해 어느 정도 압축이 될 수 있는 것이므로 셀 스웰링시 압력 흡수 기능을 할 수 있다. 그리고, 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이에 밀착 구비되어 이들을 서로 고정하는 역할도 할 수 있다. 따라서, 고정력의 저하 없이 장기간의 사용 수명을 보장할 수 있어 모듈 구조를 안정적으로 유지할 수 있는 효과도 있다. 뿐만 아니라, 추가적으로 유체 주입을 주기적으로 실시하면 쿠션백(150) 내부에 일정 압력을 유지하도록 할 수도 있다. 셀 가압 및 스웰링 상황시, 주기적인 유체 주입을 통해 사용자가 원하는 압력으로 제어하는 것이 가능하다. 특히 셀이 스웰링되는 경우, 쿠션백(150)의 벤팅 홀(153)은 일정 압력을 유지하며 내부의 공기를 배출할 수 있으므로, 외부 구조물에 발생하는 응력 제어가 가능해진다.
이와 같이, 기존의 폼 패드로는 구현하기 어려운 일정한 가압력을 이러한 쿠션백(150)을 통해 구현할 수 있다.
한편, 쿠션백(150)은 단일 내부 공간을 가지는 사각 주머니 모양으로 도시하였으나 구조에 따라서는 가운데 부분이 비어 있는 액자 모양, 또는 격리된 내부 공간이 여러 개 포함되도록 내부가 여러 개의 부분으로 나누어진 모양일 수도 있다. 쿠션백(150)은 배터리 셀(110)의 대면적 면 전체 면적에 해당하는 크기로 구비가 되어 있거나 일부 면적에 해당하는 크기로 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, 쿠션백(150)이 밀착 구비되어 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이를 고정하는 한편, 셀 가압, 스웰링, 충격 상황시 일정한 가압력을 발휘해 이를 수용한다. 이와 같이 모노 프레임(120)을 사용하면 종래와 같이 배터리 셀(110) 모서리를 눌러 고정하는 셀 카트리지가 필요없다. 쿠션백(150)을 사용하면 종래와 같이 일정한 가압력을 주지 못하는 폼 패드의 한계를 극복할 수 있다. 쿠션백(150)은 설계자가 원하는 가압력을 유지할 수 있도록, 유체를 주입하는 방식이다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(100) 설계시 자유도가 증가하여 다양한 구조와 용량의 배터리 모듈을 제조할 수 있고 모듈의 기계적 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 배터리 셀(110)은 충방전이 가능한 이차 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 리튬이차 전지, 니켈-수소(Ni-MH)이차 전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd)이차 전지 등을 들 수 있으나, 그 중에서도 중량 대비 고출력을 제공하는 리튬이차 전지가 바람직하게 사용될 수 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 또한, 본 발명에서의 배터리 셀(110)은 파우치형 배터리 셀로서, 라미네이트 시트 외장재(114)에 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극단자(116)들과 연결된 상태로 내장되어 있다.
즉, 배터리 셀 외장재(114)의 외부로 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 전극단자(116, 양극단자 및 음극단자)가 돌출되어 있다. 상기 전극단자(116)들은 도면상 상기 배터리 셀 외장재(114)의 좌측 또는 우측에서 일방향으로만 돌출 형성될 수도 있고, 좌측 및 우측 모두에서 양방향으로 돌출 형성될 수도 있다. 결국, 상기 전극단자(116)들은 대략 육면체 형상을 가지는 배터리 모듈(100)의 한 면 또는 두 면에서 직렬 또는 병렬로 전기적 연결되며, 최종 양/음극 단자가 배터리 모듈(100)의 외부로 연결되는 구조이다.
이 때, 전극단자(116)들이 외장재(114)로부터 일방향으로만 돌출된 경우에는 본 발명의 모노 프레임(120)은 일측면만 개방되고, 양방향으로 각각 돌출된 경우에는 모노 프레임(120)은 양측면이 개방되어야 한다. 도 4 내지 도 6은 모노 프레임(120)의 양측면이 개방된 일 예가 도시된 것이다.
배터리 셀 외장재(114)는 통상적인 경우처럼, 열융착을 위한 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 향상을 위한 외부 수지층을 모두 포함할 수 있지만, 후술하는 바와 같이 본 발명에 있어서는 완전 밀봉된 모노 프레임(120) 자체가 종래의 차단성 금속층 역할을 대신 수행할 수 있는 바, 상기 셀 외장재(114)에 있어 금속층을 생략한 채 내부 수지층 및 외부 수지층만으로 구성할 수 있는 이점도 가질 수 있다.
모노 프레임(120)은 금속 소재로 이루어진 것일 수 있다. 금속 소재는 열전도성이 우수하므로 그 전체로서 방열 기능을 수행할 수 있게 된다. 모노 프레임(120)의 재질은 모든 금속 소재가 가능하지만, 열전도성, 가공성, 비용 등을 고려하였을 때 SUS 계열 또는 Al 계열이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 셀(110)간 및 배터리 셀(110)과 외부단자와의 연결은 외부에서 미리 접속되어 연결된 후 상기 모노 프레임(120)에 삽입될 수 있다.
구체적으로, 배터리 셀(110)을 모노 프레임(120)에 삽입하기 전에 배터리 셀의 전극단자(116)들간 및 배터리 셀(110)과 외부단자의 전기적 연결을 미리 해놓은 다음, 연결이 다 된 상태에서 비로소 모노 프레임(120)에 삽입하면 단자들의 전기적 체결을 위한 추가적인 부품이 용접되지 않아도 된다. 이에 따라, 작업 용이성이 월등하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 9를 참조하면, 모노 프레임(120)의 상부 및 하부면은 배터리 셀(110)들을 수용하여 고정하기 위한 볼록부(P)가 형성되어 있어 배터리 셀(110)의 안착 위치가 가이드되어 배터리 모듈의 조립성이 향상될 수 있다. 또한, 볼록부(P)에 의해, 배터리 셀(110)들의 좌우 유동이 억제되어, 배터리 셀(110)들과 모노 프레임(120)간 결합력이 보다 향상될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(110)들 대면적 면과 모노 프레임(120)이 맞닿는 면에만 쿠션백(150)이 밀착 구비될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 배터리 모듈(100)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것이 적합하다. 중대형 배터리 팩의 경우 고출력, 대용량의 성능 확보를 위해 다수의 배터리 셀들이 적층되어 사용되는 바, 이러한 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈은 더욱 콤팩트하고 간결한 구조가 요구되기 때문이다.
상기 중대형 디바이스의 구체적인 예로는, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있다.
중대형 배터리 팩의 구체적인 구조 및 제조 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 관한 설명을 생략하도록 한다.
이하, 도 10을 더 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 제조 방법의 순서도이다.
먼저 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)들을 적층한다(단계 S1). 이 때, 배터리 셀간 및 배터리 셀과 외부단자와의 연결을 하면 이후의 조립 공정이 용이하여 좋다.
다음, 모노 프레임(120)을 준비한다(단계 S2). 앞서 설명한 바와 같이, 모노 프레임(120)은 배터리 셀(110)들을 수납하며 배터리 셀(110)들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구(130)와 제2 개구(140)를 형성하는 사각관체이다.
이어서, 본 발명에서 제안하는 쿠션백(150)을 준비한다(단계 S3). 쿠션백(150) 역시 앞서 설명한 바와 같이, 사각 주머니 형태로 구성되고 필름 외벽(151)에 의해 한정되어 밀폐된 내부 공간이 형성되며 상기 내부 공간에 유체 주입이 가능하도록 하는 유체 주입구(152)가 구비된 것이다.
다음, 배터리 셀(110)들을 모노 프레임(120)에 삽입한다(단계 S4). 이 때, 모노 프레임(120)의 제1 개구(130) 또는 제2 개구(140)를 통하여 삽입할 수 있으며, 특히 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이에 쿠션백(150)이 개재된 상태로 삽입한다.
배터리 셀(110)을 모노 프레임(120)에 삽입하기 전에 배터리 셀의 전극단자(116)들간 및 배터리 셀(110)과 외부단자의 전기적 연결을 미리 해놓은 다음, 연결이 다 된 상태에서 비로소 모노 프레임(120)에 삽입하게 되므로 단자들의 전기적 체결을 위한 추가적인 부품이 용접되지 않아도 된다. 이에 따라, 작업 용이성이 월등하다.
쿠션백(150)은 도 7에서와 같이, 유체가 주입되지 않은 납작한 상태이므로 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이의 좁은 공간에도 무리없이 잘 들어갈 수 있다. 즉, 유체를 주입하기 전에는 조립 공차가 충분하기 때문에 빠른 조립이 가능하다. 그러므로 생산성 측면에서 시간과 비용이 단축된다. 만약 기존의 폼 패드를 그대로 이와 같은 모노 프레임(120)에 적용을 한다고 하면, 폼 패드를 가압한 상태로 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이의 빈 공간에 삽입하는 것은 매우 힘들므로, 조립 후 일정 가압력을 유지하면서 배터리 셀(110)들을 잡아주는 기능을 제대로 할 수가 없다. 그렇기 때문에 모노 프레임(120)에 기존 폼 패드를 그대로 적용한다면 배터리 셀(110)이 모노 프레임(120) 내부에서 자유롭게 움직이는 문제점이 발생할 것이다. 본 발명에서는 특유의 쿠션백(150)을 제안하여 이러한 문제점을 해결한다.
다음, 쿠션백(150)에 유체를 주입한다(단계 S5). 유체 주입을 하면 쿠션백(150)의 부피가 팽창된다. 이에 따라, 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이에 쿠션백(150)이 밀착 구비될 수 있다. 이 단계에서는 예를 들어 컴프레셔를 이용해 공기 주입을 할 수 있고, 이 경우 제품 품질에 대한 산포가 향상될 수 있다. 유체 주입구(152)가 모노 프레임(120) 바깥으로 돌출되어 있도록 하면, 컴프레셔를 연결하여 공기 주입을 하는 것이 용이하다.
이와 같이 조립시에는 쿠션백(150)에 유체를 주입하지 않은 상태로 하여 충분한 조립 공차를 확보하고, 조립 후에는 쿠션백(150)에 유체를 주입하여 원하는 가압력을 확보할 수 있다. 쿠션백(150)은 배터리 모듈(100) 내부 빈 공간이 거의 없어지도록 배터리 셀(110)과 모노 프레임(120) 사이에 밀착 구비될 수 있으므로, 셀 가압, 셀 스웰링, 충격 상황시 배터리 모듈의 기계적 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
이후, 유체 주입을 추가적으로 주기적으로 실시하면 쿠션백(150) 내부에 일정 압력을 유지하도록 할 수 있다.
이상 본 발명 배터리 모듈 제조 방법에 따르면, 배터리 모듈 조립을 쉽게 하고 셀 가압 및 스웰링 시 원하는 압력으로 제어하는 효과가 우수하며 충격 상황시 데미지를 줄이는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
100: 배터리 모듈 110: 배터리 셀
114: 외장재 116: 전극단자
120: 모노 프레임 130, 140: 개구
150: 쿠션백 151: 필름 외벽
152: 유체 주입구 153: 벤팅 홀

Claims (15)

  1. 둘 이상의 파우치형 배터리 셀들; 및
    상기 배터리 셀들을 수납하며 상기 배터리 셀들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구와 제2 개구를 형성하는 사각관체 모노 프레임을 포함하고,
    상기 배터리 셀과 상기 모노 프레임 사이에 쿠션백(cushion bag)이 밀착 구비되어 있으며,
    상기 쿠션백은 사각 주머니 형태로 구성되고 필름 외벽에 의해 한정되어 밀폐된 내부 공간이 형성되며 상기 내부 공간에 유체 주입이 가능하도록 하는 유체 주입구가 구비된 것이고,
    상기 쿠션백은 공기가 주입되며,
    상기 쿠션백에 외력이 가해지면 상기 쿠션백 내부의 공기를 방출시키는 벤팅 홀이 상기 쿠션백에 더 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 쿠션백은 상기 유체 주입으로 부피가 증가하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유체 주입구는 상기 모노 프레임 바깥으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 쿠션백은 상기 배터리 셀의 대면적 면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면 및 상기 배터리 셀들의 측면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 둘 이상의 파우치형 배터리 셀들을 적층하는 단계;
    상기 배터리 셀들을 수납하며 상기 배터리 셀들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구와 제2 개구를 형성하는 사각관체 모노 프레임을 준비하는 단계;
    사각 주머니 형태로 구성되고 필름 외벽에 의해 한정되어 밀폐된 내부 공간이 형성되며 상기 내부 공간에 유체 주입이 가능하도록 하는 유체 주입구가 구비된 쿠션백을 준비하는 단계;
    상기 배터리 셀들을 상기 모노 프레임의 제1 개구 또는 제2 개구를 통하여 삽입하되 상기 배터리 셀과 상기 모노 프레임 사이에 쿠션백이 개재된 상태로 하는 단계; 및
    상기 쿠션백에 유체를 주입하여 부피를 팽창시킴으로써 상기 배터리 셀과 상기 모노 프레임 사이에 상기 쿠션백이 밀착 구비되도록 하는 단계를 포함하고,
    상기 쿠션백은 공기가 주입되며 상기 쿠션백에 외력이 가해지면 상기 쿠션백 내부의 공기를 방출시키는 벤팅 홀이 상기 쿠션백에 더 구비되어 있어 압력 조절이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유체 주입구는 상기 모노 프레임 바깥으로 돌출되어 있고 상기 유체 주입은 컴프레셔를 연결하여 실시하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 쿠션백은 상기 배터리 셀의 대면적 면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면 및 상기 배터리 셀들의 측면과 상기 모노 프레임이 맞닿는 면에 구비시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 유체 주입을 추가적으로 주기적으로 실시하여 상기 쿠션백 내부에 일정 압력을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조 방법.
  13. 제1항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서, 상기 배터리 팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
KR1020160112576A 2016-09-01 2016-09-01 배터리 모듈 및 그 제조 방법 KR102018301B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160112576A KR102018301B1 (ko) 2016-09-01 2016-09-01 배터리 모듈 및 그 제조 방법
US15/692,534 US10601005B2 (en) 2016-09-01 2017-08-31 Battery module and method for fabricating the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160112576A KR102018301B1 (ko) 2016-09-01 2016-09-01 배터리 모듈 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180025643A KR20180025643A (ko) 2018-03-09
KR102018301B1 true KR102018301B1 (ko) 2019-09-04

Family

ID=61243568

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160112576A KR102018301B1 (ko) 2016-09-01 2016-09-01 배터리 모듈 및 그 제조 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10601005B2 (ko)
KR (1) KR102018301B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022108279A1 (ko) * 2020-11-23 2022-05-27 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
WO2022124584A1 (ko) * 2020-12-08 2022-06-16 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016004079A1 (en) 2014-06-30 2016-01-07 Black & Decker Inc. Battery pack for a cordless power tools
KR102250204B1 (ko) 2018-03-07 2021-05-10 주식회사 엘지화학 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
KR102311087B1 (ko) * 2018-09-19 2021-10-07 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
KR102317638B1 (ko) 2018-12-05 2021-10-25 주식회사 엘지에너지솔루션 셀 적층체의 보호 구조를 갖는 배터리 모듈
KR102378527B1 (ko) * 2018-12-05 2022-03-23 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈 및 그 제조 방법
EP3736878B1 (de) * 2019-05-10 2024-04-10 Andreas Stihl AG & Co. KG Akkupack und bearbeitungssystem
KR102464824B1 (ko) * 2019-06-25 2022-11-07 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
CN110828745B (zh) * 2020-01-13 2020-07-10 比亚迪股份有限公司 一种电池、电池模组、电池包和电动车
DE102020107303A1 (de) 2020-03-17 2021-09-23 Audi Aktiengesellschaft Gehäuse zur Aufnahme einer Batteriezelle, eine Batterie sowie ein Verfahren
KR20220052111A (ko) * 2020-10-20 2022-04-27 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
KR20220055139A (ko) * 2020-10-26 2022-05-03 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
KR20220065601A (ko) * 2020-11-13 2022-05-20 주식회사 엘지에너지솔루션 스웰링 제어가 가능한 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010238554A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Toyota Motor Corp 蓄電素子のホルダ

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57191964A (en) * 1981-05-20 1982-11-25 Furukawa Battery Co Ltd:The Storage battery
KR20080045929A (ko) * 2006-11-21 2008-05-26 현대자동차주식회사 에어백의 벤트 홀 모듈
KR101281744B1 (ko) 2010-11-18 2013-07-04 주식회사 엘지화학 안전성의 향상을 위한 부재를 전지셀들 사이에 포함하고 있는 전지모듈
KR101826861B1 (ko) 2013-05-31 2018-02-08 주식회사 엘지화학 이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈
KR102133557B1 (ko) * 2013-11-19 2020-07-13 에스케이이노베이션 주식회사 배터리모듈 패키징 방법 및 상기 방법에 의해 패키징된 배터리모듈
KR20160001399A (ko) * 2014-06-27 2016-01-06 주식회사 엘지화학 이차전지 전극 조립체용 가압 트레이
KR101726767B1 (ko) 2014-11-17 2017-04-13 주식회사 엘지화학 전지셀 고정용 탄성 리브를 포함하고 있는 전지팩
EP3051607B1 (en) * 2015-01-29 2018-01-03 Volvo Car Corporation Inflatable structure for battery protection

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010238554A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Toyota Motor Corp 蓄電素子のホルダ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022108279A1 (ko) * 2020-11-23 2022-05-27 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
WO2022124584A1 (ko) * 2020-12-08 2022-06-16 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180025643A (ko) 2018-03-09
US20180062127A1 (en) 2018-03-01
US10601005B2 (en) 2020-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102018301B1 (ko) 배터리 모듈 및 그 제조 방법
US10497910B2 (en) Battery module
EP3188283B1 (en) Battery module and method of manufacturing the same
US8033806B2 (en) Apparatus for manufacturing secondary battery
KR101807113B1 (ko) 배터리 팩
KR101161135B1 (ko) 중대형 전지모듈
CN107534107B (zh) 电池组及其制造方法
KR101736378B1 (ko) 이차 전지용 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈
CN108140913B (zh) 用于二次电池的盒和包括该盒的电池模块
CN107615515B (zh) 电池模块和包括电池模块的电池组
KR20130078933A (ko) 중대형 전지팩 어셈블리
KR20190042953A (ko) 가스 배출이 가능한 이차전지용 파우치형 케이스
KR101696314B1 (ko) 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
KR101776897B1 (ko) 파우치형 이차 전지 및 그 제조 방법
KR20140147979A (ko) 이차 전지용 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈
KR20130046999A (ko) 배터리셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈
KR20120048937A (ko) 전지모듈 및 이를 포함하는 리튬이차 전지팩
KR20140030431A (ko) 다수의 전극조립체 수납부가 형성된 케이스를 포함하는 이차전지
KR101795703B1 (ko) 이차 전지용 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈
KR101746765B1 (ko) 이차 전지용 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈
KR102464824B1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
KR101902447B1 (ko) 탄성 외장 부재를 포함하는 유닛모듈
KR20210025563A (ko) 배터리 모듈 및 그 제조 방법
KR102267586B1 (ko) 배터리 모듈
KR20140147546A (ko) 안전성이 향상된 전지팩 및 그의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant