KR20210126306A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강성을 확보하고 구조를 단순화한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 하부 프레임; 상기 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 플레이트; 및 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 상부 플레이트의 양단에는 모듈 마운팅부가 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강성을 확보하고 구조를 단순화한 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, 전지셀들로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임 및 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함한다.
도 1은 종래 상부 플레이트 및 엔드 플레이트가 형성된 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 분해된 도 1의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층 형성된 전지셀 적층체(10), 전지셀 적층체(10)의 하면 및 양측면을 커버하는 하부 프레임(20), 전지셀 적층체(10)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(30) 및 전지셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(40)를 포함할 수 있다.
이때, 엔드 플레이트(40)의 하측에는, 플레이트 면으로부터 돌출 형성된 두 개의 모듈 마운팅부(41)가 형성되어 있는데, 전지 모듈에 대한 진동. 충격 등의 물리적인 힘이 가해질 경우 엔드 플레이트(40)로부터 돌출 형성된 모듈 마운팅부(41)에 응력이 집중되어 모듈 마운팅부(41)가 엔드 플레이트(40)로부터 파단될 위험이 있다. 또한 전지 모듈에 압축력이 작용할 경우에도 모듈 마운팅부(41)에 하중이 집중되고, 모듈 마운팅부(41)와 연결된 엔드 플레이트(40)가 압력을 받아 변형이 발생함으로써, 엔드 플레이트 내부의 전극 리드 간의 단락 현상이 일어날 우려가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 모듈 마운팅부를 통한 파단 가능성을 최소화하고, 전지 모듈의 물리적 강성을 확보할 수 있으며, 동시에 구조를 단순화할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 하부 프레임; 상기 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 플레이트; 및 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 상부 플레이트의 양단에는 모듈 마운팅부가 형성된다.
상기 엔드 플레이트는 절연 부재로 형성될 수 있다.
상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 접착제로 고정될 수 있다.
상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 후크 구조에 의해 결합될 수 있다.
상기 상부 플레이트는, 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 폭보다 더 돌출되고, 상기 돌출된 부분에 상기 모듈 마운팅부가 형성될 수 있다.
상기 모듈 마운팅부는 상기 상부 플레이트의 양측단을 따라 복수개 형성될 수 있다.
상기 모듈 마운팅부는 홀 구조로 형성될 수 있다.
상기 하부 프레임은 바닥부와, 상기 바닥부 양측에서 절곡 연장되어 형성된 측면부를 포함할 수 있다.
상기 상부 플레이트의 폭은 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 간격보다 더 넓을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은, 상부 플레이트에 형성된 복수개의 모듈 마운팅부를 통한 프레임 다점 고정 구조를 통해 모듈 마운팅부의 파단 리스크를 최소화하고 전지 모듈의 물리적 강성을 향상시킬 수 있으며, 엔드 플레이트 대신 절연 부재를 사용함으로써 전지 모듈의 구조를 단순화 시키고 전지 모듈의 무게를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 상부 플레이트 및 엔드 플레이트가 형성된 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 분해된 도 1의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 플레이트 및 엔드 플레이트를 포함하는 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 상부 플레이트와 하부 프레임의 모서리 부분이 엔드 플레이트와 접착제로 결합되는 부분을 나타낸 도면이다.
이하에서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 플레이트를 포함한 전지 모듈의 구성에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 플레이트 및 엔드 플레이트를 포함하는 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체를 수용하는 하부 프레임(200), 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 플레이트(300) 및 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(400)를 포함하고, 상부 플레이트(300)의 양단에는 모듈 마운팅부(310)가 형성된다. 하부 프레임(200)은 일례로, U자형 프레임 구조를 가질 수 있고, 이때, 하부 프레임(200)은, 바닥부와 상기 바닥부 양측에서 절곡 연장되어 전지셀 적층체(100)의 측면을 덮는 측면부로 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수개의 전지셀은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 셀 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다.
하부 프레임(200)은 전지셀 적층체(100)의 하면 및 양측면을 커버하도록 형성될 수 있고, 상부 플레이트(300)는 전지셀 적층체(100)의 상면을 커버하도록 형성될 수 있다. 하부 프레임(200)의 양측면 상단 모서리는 상부 플레이트(300) 하면과 결합될 수 있다. 하부 프레임(200)은 바닥부와, 바닥부 양측에서 절곡 연장되어 형성된 측면부를 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하도록 형성된다. 엔드 플레이트(400)는 상부 플레이트(300)의 양측 모서리 부분 및 하부 프레임(200)의 양측 모서리 부분과 서로 결합할 수 있다. 하부 프레임(200), 상부 플레이트(300) 및 엔드 플레이트(400)를 통해, 프레임 구조 내부에 위치한 전지셀 적층체(100) 및 이와 연결된 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
히트 싱크(500)는 하부 프레임(200)의 하부에 형성될 수 있다. 히트 싱크(500)는, 히트 싱크의 골격을 형성하고 하부 프레임(200)의 바닥부와 접촉하는 하부 플레이트(510), 히트 싱크(500)의 일측에 형성되어 외부로부터 히트 싱크(500) 내부로 냉매를 공급하는 인렛(520), 히트 싱크의 일측에 형성되어 히트 싱크(500) 내부에서 유동된 냉매가 히트 싱크(500) 외부로 유출되도록 하는 아웃렛(530), 인렛(520)과 아웃렛(530)을 연결하고 냉매가 유동하는 유로부(540)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유로부(540)는 하부 프레임(500)의 바닥부 하면과 접촉하는 하부 플레이트(510)가 하측으로 함몰 형성된 구조를 가리킬 수 있다. 유로부(540)의 상측은 개방됨으로써 유로부(540)와 하부 프레임(200) 바닥부 사이에 유로가 형성되며, 상기 유로를 통해 냉매가 유동할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 히트 싱크(500)가 하부 프레임(200)의 바닥부에 결합된 냉각 일체형 구조로 형성될 수 있다.
종래에는 하부 프레임 하측에 냉매가 흐르는 구조가 별도로 형성되어 있어 모듈 프레임을 간접적으로 냉각할 수 밖에 없으므로 냉각 효율이 저하되고 별도의 냉매 유동 구조가 형성되어 있어 전지 모듈 및 전지 모듈이 장착된 전지 팩 상의 공간 활용률이 낮아지는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면 하부 프레임(200)의 하부에 히트 싱크(500)를 일체화 시킨 구조를 채용하여, 유로부(540)와 하부 프레임(200)의 바닥부 사이로 냉매가 직접 유동할 수 있게 됨으로써, 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(500)가 하부 프레임(200)의 바닥부와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈 및 전지 모듈이 장착된 전지 팩 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 플레이트(300)의 양단에는 모듈 마운팅부(310)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상부 플레이트(300)의 좌우 폭은 하부 프레임(200)의 양 측면부 사이의 간격보다 더 넓을 수 있다. 이때, 상부 플레이트(300)에서 모듈 마운팅부(310)가 형성된 부분은, 하부 프레임(200)의 양 측면부 사이의 폭 기준으로 바깥쪽으로 더 돌출된 상부 플레이트(300) 부분일 수 있다. 모듈 마운팅부(310)는 상부 플레이트(300)의 양측단을 따라 일정 간격으로 복수개 형성될 수 있다. 모듈 마운팅부(310)는 홀 구조로 형성될 수 있다. 상기 홀 구조의 모듈 마운팅부(310)에 결합 부재가 삽입되어 전지팩 프레임과 상부 플레이트(300)를 결합시킬 수 있다.
종래에는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 두 엔드 플레이트의 하단에 엔드 플레이트의 플레이트면과 수직인 방향으로 돌출 형성된 모듈 마운팅부가 엔드 플레이트마다 두개씩 형성되어 있었다. 이와 같이 엔드 플레이트의 하단에 두개씩 모듈 마운팅부가 형성될 경우, 외부의 힘이 작용할 경우 두개의 모듈 마운팅부에 응력이 집중되어 돌출 형성된 모듈 마운팅부 또는 엔드 플레이트가 파단되거나 엔드 플레이트에 변형이 발생하여 전극 리드 간의 단락이 발생할 위험이 있었다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 플레이트(300)의 양단에 복수개의 모듈 마운팅부(310)를 형성하여, 기존에 4개의 모듈 마운팅부 만으로 형성된 전지 모듈의 4점 고정 구조가 본 발명과 같이 복수개의 모듈 마운팅부(310)를 통한 다점 고정 구조로 발전됨으로써 전지 모듈 및 전지 모듈과 결합된 전지 팩의 물리적 강성을 향상시킬 수 있게 되었다. 또 기존에 주조 공법으로 제조한 엔드 플레이트 고정 구조 대신에 프레스 공법으로 제조된 상부 플레이트(300)에 고정 구조를 형성할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재로 형성된 엔드 플레이트를 포함한 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 5는 상부 플레이트와 하부 프레임의 모서리 부분이 엔드 플레이트와 접착제로 결합되는 부분을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트(400)는 절연 부재로 형성될 수 있다. 종래에는 주조 공법으로 성형된 금속의 엔드 플레이트를 사용하였으나, 금속으로 형성된 엔드 플레이트는, 무거우며, 응력 집중 발생시 파단의 위험이 존재하였다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔드 플레이트(400)가 절연 부재로 형성됨으로써, 엔드 플레이트를 사출 공법으로 성형할 수 있게 됨으로써 금속보다 가볍고 유연하며 동시에 절연 성능을 가진 엔드 플레이트(400)를 제조할 수 있게 되었다. 이러한 절연 부재는 절연 테이프로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 종류의 절연 부재로 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 엔드 플레이트(400)는 하부 프레임(200) 및 상부 플레이트(300) 중 적어도 하나와 접착제로 고정될 수 있다. 보다 상세하게는, 엔드 플레이트(400)의 상단 모서리는 상부 플레이트(300)의 모서리 부분과 접착될 수 있고, 엔드 플레이트(400)의 양측단 및 하단 모서리는 하부 프레임(200)의 모서리 부분들과 접착될 수 있다. 엔드 플레이트와, 하부 프레임 및 상부 플레이트 중 적어도 하나와의 결합 방식은 접착제를 이용한 방식 이외에도 후크를 이용해 결합할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 종류의 결합 방식을 채용할 수 있다.
종래에는 엔드 플레이트를 결합하기 위한 별도의 고정 구조가 필요하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 절연 부재를 접착제로 고정시킬 수 있어 별도의 고정 구조가 필요 없어 전지 모듈의 구조가 단순해 짐으로 인해 제조 공정이 축소되고 제조 원가를 절감할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈은 전지팩에 포함될 수 있다. 전지팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지팩은 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.
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 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
200: 하부 프레임
300: 상부 플레이트
310: 모듈 마운팅부
400: 엔드 플레이트
500: 히트 싱크

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 하부 프레임;
    상기 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 플레이트; 및
    상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 상부 플레이트의 양단에는 모듈 마운팅부가 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 엔드 플레이트는 절연 부재로 형성되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 접착제로 고정되는 전지 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 엔드 플레이트는 상기 하부 프레임 및 상기 상부 플레이트 중 적어도 하나와 후크 구조에 의해 결합되는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 상부 플레이트는, 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 폭보다 더 돌출되고,
    상기 돌출된 부분에 상기 모듈 마운팅부가 형성되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 모듈 마운팅부는 상기 상부 플레이트의 양측단을 따라 복수개 형성되는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 모듈 마운팅부는 홀 구조로 형성되는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 하부 프레임은 바닥부와, 상기 바닥부 양측에서 절곡 연장되어 형성된 측면부를 포함하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 상부 플레이트의 폭은 상기 하부 프레임의 양 측면부 사이의 간격보다 더 넓은 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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