KR20220041429A

KR20220041429A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩

Info

Publication number: KR20220041429A
Application number: KR1020200124615A
Authority: KR
Inventors: 최규완
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-04-01

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 버스바 프레임; 상기 버스바 프레임 상에서 상기 복수의 전지셀과 연결되는 연성회로기판부(FPC, Flexible Printed Circuit); 상기 연성회로기판부를 연결하는 연성평판케이블부(FFC, Flexible Flat Cable); 상기 연성회로기판부와 상기 연성평판케이블부를 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding)부; 및 상기 와이어 본딩부를 커버하는 커버부를 포함한다.

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 간소화된 구조를 포함하는 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 적층체의 양단에 각각 형성되는 버스바 프레임 및 버스바 프레임 상에서 상기 복수의 전지셀과 연결되는 연성회로기판부, 연성회로기판을 연결하는 연성평판케이블부를 포함한다.

도 1은 종래 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 A 부분으로, 종래 연성평판케이블부와 연성회로기판부 간의 연결 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(10), 전지셀 적층체(10)를 수용하는 모듈 프레임(20), 모듈 프레임의 개방된 상측면을 커버하는 상부 플레이트(30), 전지셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 버스바 프레임(40) 및 버스바 프레임(40)의 외측면을 커버하는 엔드 플레이트(50)를 포함한다. 상부 플레이트(30)와 전지셀 적층체(10)의 상면부 사이에는 연성평판케이블부(60)가 형성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 연성평판케이블부(60)는 버스바 프레임(40)의 상단부에 장착된 연성회로기판부(70)와 연결될 수 있다. 이때, 연성평판케이블부(60)와 연결된 연성평판케이블 커넥터(60a)와, 연성회로기판부(70)와 연결된 연성회로기판 커넥터(70a)가 서로 커넥터를 통해 체결됨으로써 연성평판케이블부(60)와 연성회로기판부(70)가 연결되었다.

다만, 상술한 바와 같이 커넥터를 통한 체결 방식을 사용할 경우, 커넥터를 별도로 제작하고 조립해야 하므로 전지 모듈의 구조 및 조립 방법이 복잡해 지는 문제가 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 보다 컴팩트하고 단순한 구조를 가진 구조를 가지는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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 모듈 및 이를포함하는 전지팩은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 버스바 프레임; 상기 버스바 프레임 상에서 상기 복수의 전지셀과 연결되는 연성회로기판부(FPC, Flexible Printed Circuit); 상기 연성회로기판부를 연결하는 연성평판케이블부(FFC, Flexible Flat Cable); 상기 연성회로기판부와 상기 연성평판케이블부를 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding)부; 및 상기 와이어 본딩부를 커버하는 커버부를 포함한다.

상기 연성회로기판부는 복수의 패턴으로 형성된 연성회로기판 패턴부를 포함하고, 상기 연성평판케이블부는 복수의 패턴으로 형성된 연성평판케이블 패턴부를 포함하고, 상기 와이어 본딩부는, 상기 연성회로기판 패턴부의 복수의 패턴 중 하나의 패턴과, 상기 연성평판케이블 패턴부의 복수의 패턴 중 하나의 패턴을 각각 연결하는 복수의 와이어를 포함할 수 있다.

상기 연성회로기판 패턴부와 상기 연성평판케이블 패턴부는, 각각의 패턴이 서로 대응되는 위치에 배치될 수 있다.

상기 커버부는 상기 연성회로기판 패턴부, 상기 연성평판케이블 패턴부 및 상기 와이어 본딩부를 모두 커버할 수 있다.

상기 커버부의 양단부는 상기 연성회로기판부에 부착될 수 있다.

상기 양단부와 상기 연성회로기판부는 접착 부재로 접착될 수 있다.

상기 와이어는 구리(Copper)를 포함할 수 있다.

상기 연성회로기판부는 BMS(Battery Management System)과 연결되어 상기 복수의 전지셀로부터 센싱된 정보를 상기 BMS로 전달할 수 있다.

상기 연성평판케이블부는 상기 전지셀 적층체의 상면부에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은, 반도체 기술에서 사용하는 와이어 본딩 방식을 통해 연성회로기판부와 연성평판케이블부를 연결함으로써, 전지 모듈의 구조를 단순화시키고, 조립성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 A 부분으로, 종래 연성평판케이블부와 연성회로기판부 간의 연결 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 B 부분으로, 연성평판케이블부와 연성회로기판부 간의 연결 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 B 부분으로, 도 4의 구조에 커버부가 형성된 구조를 추가로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 C-C 부분으로, 커버부가 형성된 연성평판케이블부와 연성회로기판부 간의 연결구조를 보여주는 단면도이다.

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 연성회로기판부와 연성평판케이블부의 연결구조를 포함하는 전지 모듈에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 B 부분으로, 연성평판케이블부와 연성회로기판부 간의 연결 구조를 나타낸 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)의 전후면에 형성된 버스바 프레임(310), 버스바 프레임(310) 상에서 복수의 전지셀과 연결되는 연성회로기판부(FPC, Flexible Printed Circuit)(500) 및 연성회로기판부(500)를 연결하는 연성평판케이블부(FFC, Flexible Flat Cable)(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, 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(200)을 더 포함할 수 있다. 모듈 프레임(200)은 바닥부 및 양측면부로 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 양측면 및 바닥면을 커버할 수 있다. 모듈 프레임(200)의 개방된 상측면에는 상부 플레이트(210)가 형성되어 전지셀 적층체(100)의 상측면을 커버할 수 있다.

전지셀 적층체(100)의 전후면에는 버스바 프레임(310)이 형성된다. 버스바 프레임(310)은 버스바 및 셀 연결 보드를 포함하며, 복수개의 전지셀의 전극 리드들을 전기적으로 연결할 수 있도록 상기 전지셀 적층체(100)의 양측면을 커버하여 형성될 수 있다.

버스바 프레임(310)의 외측면에는 엔드 플레이트(300)가 장착될 수 있다. 엔드 플레이트(300)는 외부의 충격으로부터 버스바 프레임(310)에 구비된 여러 전장품을 보호하고, 동시에 버스바 프레임(310)과 외부 전원 간의 전기적 연결을 안내할 수 있다. 엔드 플레이트(300)와 버스바 프레임(310)의 사이에는 절연 부재(미도시)가 삽입되어, 버스바 프레임(310)과 외부와의 불필요한 전기적 연결을 차단할 수 있다.

연성평판케이블부(400)는 전지셀 적층체(100)의 전후면에 각각 구비된 버스바 프레임(310)의 사이에 구비되어 두 버스바 프레임을 전기적으로 연결한다. 종래에는 버스바 프레임 사이에도 연성회로기판이 구비되어, 두 버스바 프레임이 상기 연성회로기판을 통해 연결되며, 연성회로기판의 상단에는 연성회로기판의 손상을 방지하도록 커버 플레이트가 설치되었다. 그러나 본 실시예에 따르면, 연성회로기판을 보호 및 지지하던 커버 플레이트를 제거하고, 연성회로기판 대신 커버 플레이트 등의 보호 부재를 필요로 하지 않는 편평한 케이블로 형성된 FFC(Flexible Flat Cable)로 형성된 연성평판케이블부(400)를 사용하여 두 버스바 프레임을 연결한다.

이렇게 연성평판케이블부(400)를 통한 두 버스바 프레임의 연결을 통해, 전지 모듈 높이가 축소되어 배터리 자체의 에너지 밀도를 증가시키고, 전지 모듈의 설치 공간 확보가 가능하며, 자동차에 전지 모듈 설치시 주행 성능 및 연비를 향상시킬 수 있다.

버스바 프레임(310)의 상측에는 복수의 전지셀 및 연성평판케이블부(400)와 연결되는 연성회로기판부(500)가 형성될 수 있다. 연성회로기판부(500)는 BMS(Battery Management System)와 연결될 수 있다. 연성회로기판부(500)는 연성평판케이블부(400) 및 복수의 버스바를 통해 복수의 전지셀로부터 센싱된 정보를 BMS로 전달할 수 있다. 연성회로기판부(500)는 필름으로 형성될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 연성회로기판부(500)와 연성평판케이블부(400)를 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding)부를 포함한다. 와이어 본딩(Wire Bonding)부는 도 4에 도시된 바와 같이 와이어를 통해 연성회로기판부(500) 및 연성평판케이블부(400)를 연결할 수 있다. 와이어 본딩부를 통한 와이어 본딩 연결 방식은 반도체 기술에서 사용되는 연결 방식으로, 연성회로기판부(500)의 회로와 연성평판케이블부(400)의 회로를 와이어를 통해 서로 연결할 수 있다.

종래에는 버스바 프레임에 커넥터를 별도로 설치하여, 커넥터와 연결된 연성회로기판부와 연성평판케이블부가 커넥터 체결을 통해 서로 연결되는 구조를 가지고 있었다. 다만 커넥터를 통해 연성평판케이블부와 연성회로기판부가 서로 연결될 경우 커넥터를 별도로 제작해야 하므로 전지 모듈의 제작 비용이 증가할 수 있다.

또한 커넥터를 연성평판케이블 및 연성회로기판과 결합하는 공정, 연성평판케이블과 결합된 커넥터와 연성회로기판과 결합된 커넥터를 체결하는 공정 등이 필요하여 전지 모듈의 조립 공정이 전반적으로 복잡해 질 수 있다. 또한 커넥터 자체가 가지고 있는 용적이 있으므로, 전지 모듈의 에너지 밀도가 감소할 수 있다.

이에 본 실시예에 따르면, 커넥터 대신 보다 간소화된 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식으로 연성회로기판부(500)와 연성평판케이블부(400)를 연결함으로써, 전지 모듈의 조립 공정을 간소화시키고, 전지 모듈의 구조 자체도 단순화시킬 수 있는 효과를 제공한다.

본 실시예에 따르면, 연성회로기판부(500)는 복수의 패턴으로 형성된 연성회로기판 패턴부(510)를 포함하고, 연성평판케이블부(400)는 마찬가지로 복수의 패턴으로 형성된 연성평판케이블 패턴부(410)를 포함할 수 있다. 이때, 와이어 본딩부(600)는, 연성회로기판 패턴부(510)의 복수의 패턴 중 하나의 패턴과, 연성평판케이블 패턴부(410)의 복수의 패턴 중 하나의 패턴을 각각 연결하는 복수의 와이어를 포함할 수 있다. 여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 연성회로기판부(500)와 연성평판케이블 패턴부(410)는 각각의 패턴이 서로 대응되는 위치에 배치될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 와이어는 구리(Cooper)를 포함할 수 있다. 연성회로기판 패턴부(510) 및 연성평판케이블 패턴부(410)는 구리로 형성될 수 있으므로, 연성회로기판 패턴부(510)와 연성평판케이블 패턴부(410)와 동일한 재질인 구리를 이용하여 와이어를 제조함으로써, 연성평판케이블부(400)와 연성회로기판부(500) 간의 전기적 연결이 순조롭게 이루어도록 한다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 커버부를 포함하는 전지 모듈에 대해 설명한다.

도 5는 도 3의 B 부분으로, 도 4의 구조에 커버부가 형성된 구조를 추가로 나타낸 도면이다. 도 6은 도 5의 C-C 부분으로, 커버부가 형성된 연성평판케이블부와 연성회로기판부 간의 연결구조를 보여주는 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 와이어 본딩부(600)를 커버하는 커버부(700)를 더 포함한다. 커버부(700)는 연성회로기판 패턴부(510), 연성평판케이블 패턴부(410) 및 와이어 본딩부(600)를 모두 커버할 수 있다.

와이어 본딩부(600)가 노출될 경우, 엔드 플레이트(300) 등 와이어 본딩부(600)의 외측에 배치되는 구조로부터 가압이나 물리적 자극 등에 와이어로 전해질 수 있으며, 이를 통해 와이어 자체가 손상되어 연성회로기판부(500)와 연성평판케이블부(400) 간의 연결이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.

이에 본 실시예와 같이, 커버부(700)를 통해 와이어 본딩부(600) 및 이와 연결된 연성회로기판 패턴부(510) 및 연성평판케이블 패턴부(410)를 커버함으로써, 외력에 의해 와이어 본딩 구조가 손상되지 않도록 와이어 본딩 연결 구조를 보호할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이 커버부(700)의 양단부(710)는 연성회로기판부(500)에 부착될 수 있다. 이때 양단부(710)와 연성회로기판부(500)는 접착 부재(800)로 접착될 수 있다. 접착 부재(800)는 양면 테이프를 포함할 수 있다. 접착 부재(800)를 통해 커버부(700)가 연성회로기판부(500) 상에 결합됨으로써 와이어 본딩 연결 구조를 보다 안정적으로 보호할 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: 상부 플레이트
300: 엔드 플레이트
310: 버스바 프레임
400: 연성평판케이블부
410: 연성평판케이블 패턴부
500: 연성회로기판부
510: 연성회로기판 패턴부
600: 와이어 본딩부
700: 커버부
710: 양단부
800: 접착 부재

Claims

복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
상기 전지셀 적층체의 전후면에 형성된 버스바 프레임;
상기 버스바 프레임 상에서 상기 복수의 전지셀과 연결되는 연성회로기판부(FPC, Flexible Printed Circuit);
상기 연성회로기판부를 연결하는 연성평판케이블부(FFC, Flexible Flat Cable);
상기 연성회로기판부와 상기 연성평판케이블부를 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding)부; 및
상기 와이어 본딩부를 커버하는 커버부를 포함하는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 연성회로기판부는 복수의 패턴으로 형성된 연성회로기판 패턴부를 포함하고,
상기 연성평판케이블부는 복수의 패턴으로 형성된 연성평판케이블 패턴부를 포함하고,
상기 와이어 본딩부는, 상기 연성회로기판 패턴부의 복수의 패턴 중 하나의 패턴과, 상기 연성평판케이블 패턴부의 복수의 패턴 중 하나의 패턴을 각각 연결하는 복수의 와이어를 포함하는 전지 모듈.
제2항에서,
상기 연성회로기판 패턴부와 상기 연성평판케이블 패턴부는, 각각의 패턴이 서로 대응되는 위치에 배치되는 전지 모듈.
제2항에서,
상기 커버부는 상기 연성회로기판 패턴부, 상기 연성평판케이블 패턴부 및 상기 와이어 본딩부를 모두 커버하는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 커버부의 양단부는 상기 연성회로기판부에 부착되는 전지 모듈.
제5항에서,
상기 양단부와 상기 연성회로기판부는 접착 부재로 접착되는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 와이어는 구리(Copper)를 포함하는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 연성회로기판부는 BMS(Battery Management System)과 연결되어 상기 복수의 전지셀로부터 센싱된 정보를 상기 BMS로 전달하는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 연성평판케이블부는 상기 전지셀 적층체의 상면부에 형성되는 전지 모듈.
제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.