KR20220039302A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임; 및 상면부 및 양측면부로 형성되고, 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 사이에서 상기 전지셀 적층체의 상면 및 양측면을 감싸도록 형성된 절연 부재를 포함하고, 상기 절연 부재의 양측면부는 복수의 면이 교대로 접혀져 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절연 성능을 확보하면서 셀 스웰링을 억제하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
이차 전지는 모바일 기기 및 전기 자동차 등의 다양한 제품군에서 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존 제품의 사용을 대체할 수 있는 유력한 에너지 자원으로서, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생하지 않아 친환경 에너지원으로서 각광받고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임을 포함한다.
도 1은 종래 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(10), 양측면 및 바닥면으로 형성되어 전지셀 적층체(10)를 수용하는 모듈 프레임(21), 전지셀 적층체(10)의 상면부를 커버하는 상부 플레이트(22), 전지셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 버스바 프레임(30), 버스바 프레임(30)의 외측면을 각각 커버하는 엔드 플레이트(23) 및 전지셀 적층체(10)의 하측면과 모듈 프레임(21)의 바닥부 사이에 배치된 열전도성 수지층(60)을 포함할 수 있다. 또한 상부 플레이트(22)와 전지셀 적층체(10)의 상면부 사이에 절연 필름(40)이 배치되어, 전지셀 적층체(10)의 절연 기능을 수행할 수 있다.
다만, 절연 필름(40)이 전지셀 적층체(10)의 상면부에 한정되도록 형성되어, 전지셀 적층체(10)의 양측면 및 하측면을 커버하는 모듈 프레임(21)과 전지셀 적층체(10) 사이에 절연이 확보되지 않는 문제가 있었다.
또한 모듈 프레임(21)의 측면부와 전지셀 적층체(10)의 측면부 사이에 압축 패드(50)가 배치되어, 전지셀 적층체(10)에 포함된 전지셀의 스웰링을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 다만, 셀 스웰링 발생 시, 최외각 압축 패드(50)와 모듈 프레임(21)의 측면부의 변형이 과도하게 발생할 수 있었다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 절연 성능을 확보하면서 셀 스웰링을 억제하는 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 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임; 및 상면부 및 양측면부로 형성되고, 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 사이에서 상기 전지셀 적층체의 상면 및 양측면을 감싸도록 형성된 절연 부재를 포함하고, 상기 절연 부재의 양측면부는 복수의 면이 교대로 접혀져 형성된다.
상기 절연 부재의 양측면부는 상기 모듈 프레임의 양측면과 상기 전지셀 적층체의 최외곽 전지셀 사이에 형성될 수 있다.
상기 절연 부재의 양측면부는 탄성재를 포함할 수 있다.
상기 양측면부는 상기 상면부에서 하측 방향으로 접힌 후 상기 모듈 프레임의 바닥면과 양측면이 만나는 부분에서 다시 상측 방향으로 접히며, 상기 접힘들이 반복되어 상기 양측면부를 형성할 수 있다.
상기 하측 방향으로 접힌 부분 및 상기 상측 방향으로 접힌 부분이 각각 두 부분씩 형성될 수 있다.
상기 복수의 면 각각은 상기 전지셀 적층체의 최외곽 전지셀과 대응되는 크기로 형성될 수 있다.
상기 복수의 면이 접히는 부분에는 접힘부가 형성되고, 접힘부는 상기 복수의 면과 수직인 방향으로 형성된 접힘면을 포함할 수 있다.
상기 절연 부재의 상면부와 양측면부 사이에는 주름부가 형성될 수 있다.
상기 양측면부는 상기 버스바 프레임의 측면부와 접착 부재를 통해 서로 접합될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 전지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은, 전지셀 적층체의 상면부 및 양측면부를 감싸도록 형성된 절연 부재를 통해 전지 모듈의 절연 성능을 확보하고, 동시에 교대로 접혀져 형성되는 절연 부재의 양측면부를 통해 전지셀들의 스웰링을 흡수하는 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 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재가 전지셀 적층체 상에 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재가 전지셀 적층체 상에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 A 부분을 확대한 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재의 양측면부를 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 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(210) 및 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하는 버스바 프레임(300)을 포함한다. 또한 상면 및 양측면으로 형성되고, 전지셀 적층체(100)와 모듈 프레임(210)의 사이에서 전지셀 적층체(100)의 상면 및 양측면을 감싸도록 형성된 절연 부재(400)를 포함한다.
전지셀은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 이러한 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 전지 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 모듈 프레임(210)은 U자형 프레임 형상으로 형성될 수 있다. 모듈 프레임(210)은, 상부가 개방되며, 전지셀 적층체(100)를 수용하도록 형성된다. 모듈 프레임(210)은 서로 마주보는 2개의 측면부 및 바닥부로 형성될 수 있다. 전지셀 적층체(100)는, 좌우면은 2개의 측면부와 각각 대응되고, 하면은 바닥부와 대응되도록 모듈 프레임(210)의 내부에 수용된다.
상부 플레이트(220)는 상부가 개방된 모듈 프레임(210)의 상부에서 전지셀 적층체(100)를 커버하도록 형성된다. 이때 상부 플레이트(220)와 모듈 프레임(210)은 용접을 통해 서로 접합될 수 있다. 모듈 프레임(210) 및 상부 플레이트(220)를 통해 전지셀 적층체(100)를 상하좌우로 커버할 수 있다.
엔드 플레이트(230)는 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하도록 형성되어, 전지셀 적층체(100), 버스바 프레임(300) 및 기타 이들과 연결된 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다. 또한 엔드 플레이트(230)는 전지 모듈을 전지팩에 마운팅하는 구조를 포함할 수 있다.
버스바 프레임(300)은, 전지셀 적층체(100)와 엔드 플레이트(230)의 사이에 형성되어, 복수의 전지셀에 형성된 전극 리드들을 전기적으로 연결할 수 있다. 버스바 프레임 상에는 복수의 버스바가 장착되며, 버스바들을 통해 복수의 전지셀들의 전압 정보 등을 센싱할 수 있다. 센싱된 정보는 버스바 프레임과 연결된 커넥터(미도시)를 통해 전지 모듈을 포함하는 전지팩으로 전송될 수 있다. 버스바 프레임(300)과 엔드 플레이트(230)의 사이에는 절연 커버(미도시)가 형성될 수 있다.
열전도성 수지층(600)은 전지셀 적층체(100)의 하면과 모듈 프레임(210)의 바닥부 사이에 형성될 수 있다. 열전도성 수지층(600)은 전지셀 적층체(100)로부터 발생하는 열은 외부로 전달함으로써 전지 모듈의 냉각 기능을 수행할 수 있다. 열전도성 수지층(600)을 써말레진(Thermal Resin)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상면 및 양측면으로 형성되고, 전지셀 적층체(100)와 모듈 프레임(210)의 사이에서 전지셀 적층체(100)의 상면 및 양측면을 감싸도록 형성된 절연 부재(400)를 더 포함할 수 있다.
종래에는 절연 부재가 전지셀 적층체의 상면만 커버하도록 형성되어, 전지셀 적층체의 양측면과 모듈 프레임의 양측면부 사이의 절연 성능이 확보되지 않는 문제가 있었다.
이에 본 실시예에 따르면, 상면부 및 양측면부로 일체화되게 형성된 절연 부재(400)가 전지셀 적층체(100)의 상면 및 양측면을 커버하도록 형성됨으로써, 전지셀 적층체(100)와 모듈 프레임(210)의 양측면부 사이의 절연 성능을 확보할 수 있다. 또한 절연 부재(400)의 상면부와 양측면부가 일체로 형성됨으로써, 절연 부재(400)를 전지셀 적층체(100) 상에 손쉽게 장착할 수 있다.
절연 부재(400)는 절연 필름으로 형성될 수 있다. 또한 절연 부재는 수축 튜브로 형성될 수 있다. 상기와 같이, 절연 부재(400)는 얇고 가벼우면서도 전지셀 적층체(100)를 완전히 커버하는 소재로 형성되어 전지 모듈의 절연 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재의 양측면부에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재가 전지셀 적층체 상에 조립된 모습을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재가 전지셀 적층체 상에 조립되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 5는 도 4의 A 부분을 확대한 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재의 양측면부를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 부재의 양측면부(420)는 복수의 면이 교대로 접혀 형성된다. 절연 부재(400)의 양측면부(420)가 복수의 면이 교대로 접히도록 형성됨으로써, 양측면부(420)와 수직인 방향으로 적층 형성된 전지셀 적층체(100) 복수의 전지셀에서 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 경우 교대로 접혀 형성된 양측면부(420)가 스웰링을 흡수할 수 있다.
이를 통해 절연 부재(400)의 양측면부(420)는 전지셀 적층체(100)의 양측면 방향으로 절연 성능을 확보할 수 있게 됨과 동시에 전지셀 적층체(100)의 양측면으로 작용하는 스웰링을 흡수할 수 있는 효과를 가진다.
본 실시예에 따르면, 절연 부재(400)의 양측면부(420)는 모듈 프레임(210)의 양측면과 전지셀 적층체(100)의 최외곽 전지셀의 사이에 형성될 수 있다. 따라서 모듈 프레임(210)의 양측면 내부에서 전지셀 적층체(100)로부터 발생되는 스웰링을 흡수하여 전지 모듈의 구조적 안정성을 확보할 수 있다. 절연 부재(400)의 양측면부(420)는 탄성재를 포함할 수 있다. 이를 통해 전지셀 적층체(100)로부터 발생하는 스웰링을 보다 효율적으로 흡수할 수 있다.
양측면부(420)는 상면부(410)에서 하측 방향으로 접힌 후 모듈 프레임(210)의 바닥면과 양측면이 만나는 부분에서 다시 상측 방향으로 접히며, 상기 접힘들이 반복되면서 양측면부를 형성할 수 있다. 도 5에 도시된 바에 따르면, 하측 방향으로 접힌 부분(421a) 및 상측 방향으로 접힌 부분(421b)이 각각 두 부분씩 형성될 수 있다. 접힌 부분이 각각 두 부분씩 생김으로써 접힘 부분을 통한 탄성력이 전지셀 적층체(100)의 측면에 제대로 작용할 수 있다. 다만 접힘 부분이 너무 많이 생길 경우에는 양측면부가 전지셀 적층체와 모듈 프레임 사이 공간을 너무 많이 차지하게 되므로 본 실시예와 같은 접힘 부분이 두 부분씩 형성되도록 함이 바람직하다.
본 실시예에 따르면, 복수의 면 각각은 전지셀 적층체(100)의 최외곽 전지셀과 대응되는 크기로 형성될 수 있다. 이를 통해 복수의 전지셀로부터 스웰링 발생시 전지셀면과 대응되는 부분에서 발생하는 스웰링을 모두 흡수할 수 있다.
양측면부(420)에서, 복수의 면이 접히는 부분에는 접힘부가 형성될 수 있다. 접힘부는 복수의 면과 수직인 방향으로 형성된 접힘면(P)을 포함할 수 있다. 접힘면(P)이 복수의 면과 수직인 방향으로 형성됨으로써, 복수의 면 사이에 공간을 제공하여 이를 바탕으로 복수의 면과 수직인 방향으로의 탄성력을 제공할 수 있다. 상기 탄성력은 전지셀 적층체(100)의 스웰링 발생시 스웰링을 흡수하는데 도움이 될 수 있다.
양측면부(420)는 버스바 프레임(300)의 측면부와 접착 부재(310)를 통해 서로 접합될 수 있다. 이를 통해 절연 부재(400)의 양측면부(420)를 버스바 프레임(300) 상에 고정시켜 전지셀 적층체(100)의 절연 기능 및 스웰링 흡수 기능을 안정적으로 수행하도록 할 수 있다. 접착 부재(310)는 양면 테이프 또는 액상 접착제를 포함할 수 있다.
절연 부재(400)의 상면부(410)와 양측면부(420) 사이에는 주름부(430)가 형성될 수 있다. 주름부(430)는 상면부(410)와 양측면부(420)를 연결할 수 있다. 주름부(430)를 통해 절연 부재(400)의 상면부(410)와 양측면부(420)가 형성하는 각도가 유연하게 조절될 수 있다. 이를 통해 절연 부재(400)의 조립시 전지셀 적층체(100)의 양측면과 절연 부재(400)의 양측면부(420)간의 간섭 없이 절연 부재(400)가 전지셀 적층체(100)의 양측면 및 상면에 부드럽게 안착될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은, 절연 부재(400)의 상면부(410)와 버스바 프레임(300)의 양측 상단부를 결합하는 고정 부재(500)를 더 포함한다. 보다 상세하게는, 절연 부재(400)의 상면부(410) 양측에는 홀(411)이 형성되고, 버스바 프레임(300)의 양측 상단부에는 삽입부(301)가 형성되고, 고정 부재(500)는 홀(411)을 통과하여 삽입부(301)에 삽입됨으로써 절연 부재(400)와 버스바 프레임(300)을 결합시킬 수 있다. 고정 부재(500)는 볼트로 형성될 수 있다. 볼트는 삽입부(301)에 체결됨으로써 절연 부재(400)와 버스바 프레임(300)을 결합시킬 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.
100: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
210: U자형 프레임
220: 상부 플레이트
230: 엔드 플레이트
300: 버스바 프레임
301: 삽입부
310: 접착 부재
400: 절연 부재
410: 절연 부재 상면부
411: 홀
420: 절연 부재 양측면부
421a: 하측 방향으로 접힌 부분
421b: 상측 방향으로 접힌 부분
P: 접힘면
430: 주름부
500: 고정 부재
600: 열전도성 수지층

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임;
    상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임; 및
    상면부 및 양측면부로 형성되고, 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 사이에서 상기 전지셀 적층체의 상면 및 양측면을 감싸도록 형성된 절연 부재를 포함하고,
    상기 절연 부재의 양측면부는 복수의 면이 교대로 접혀 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 절연 부재의 양측면부는 상기 모듈 프레임의 양측면과 상기 전지셀 적층체의 최외곽 전지셀 사이에 형성되는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 절연 부재의 양측면부는 탄성재를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 양측면부는 상기 상면부에서 하측 방향으로 접힌 후 상기 모듈 프레임의 바닥면과 양측면이 만나는 부분에서 다시 상측 방향으로 접히며, 상기 접힘들이 반복되어 상기 양측면부를 형성하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 하측 방향으로 접힌 부분 및 상기 상측 방향으로 접힌 부분이 각각 두 부분씩 형성되는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 복수의 면 각각은 상기 전지셀 적층체의 최외곽 전지셀과 대응되는 크기로 형성되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 복수의 면이 접히는 부분에는 접힘부가 형성되고, 접힘부는 상기 복수의 면과 수직인 방향으로 형성된 접힘면을 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 절연 부재의 상면부와 양측면부 사이에는 주름부가 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 양측면부는 상기 버스바 프레임의 측면부와 접착 부재를 통해 서로 접합되는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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