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KR102731448B1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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KR102731448B1
KR102731448B1 KR1020210012230A KR20210012230A KR102731448B1 KR 102731448 B1 KR102731448 B1 KR 102731448B1 KR 1020210012230 A KR1020210012230 A KR 1020210012230A KR 20210012230 A KR20210012230 A KR 20210012230A KR 102731448 B1 KR102731448 B1 KR 102731448B1
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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{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
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.
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.
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