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KR20220023434A - 전지 모듈, 이를 포함하는 전지 팩 및 전지 팩 제조 방법 - Google Patents

전지 모듈, 이를 포함하는 전지 팩 및 전지 팩 제조 방법 Download PDF

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KR20220023434A
KR20220023434A KR1020200105144A KR20200105144A KR20220023434A KR 20220023434 A KR20220023434 A KR 20220023434A KR 1020200105144 A KR1020200105144 A KR 1020200105144A KR 20200105144 A KR20200105144 A KR 20200105144A KR 20220023434 A KR20220023434 A KR 20220023434A
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battery cell
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 일단부에서 돌출되어 있는 전극 리드를 갖는 전지 셀, 상기 전지 셀이 장착되어 있는 셀 트레이, 상기 전극 리드의 돌출 방향과 평행한 방향을 따라 위치하는 상기 셀 트레이 일단부에 장착되고, 상기 전극 리드와 용접되어 있는 버스 바, 및 상기 버스 바는 상기 전극 리드와 용접되는 부분인 버스 바 플레이트와 상기 버스 바 플레이트의 일단부에서 벤딩되어 형성된 버스 바 연결부를 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 전지 셀이 적층된 방향과 동일한 방향으로 상기 버스 바 플레이트와 용접되어 있고, 상기 버스 바 연결부는 상기 버스 바 플레이트의 면과 수직한 방향으로 벤딩되고, 상기 전지 셀의 폭 방향을 향해 상기 버스 바 연결부의 용접면이 형성된다.

Description

전지 모듈, 이를 포함하는 전지 팩 및 전지 팩 제조 방법{BATTERY MODULE, BATTERY PACK INCLUDING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING BATTERY PACK}
본 발명은 전지 모듈, 이를 포함하는 전지 팩 및 전지 팩 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 신규한 공정에 의해 제조된 전지 모듈, 이를 포함하는 전지 팩 및 전지 팩 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 전지 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지 셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 모듈 프레임을 포함할 수 있다.
중대형 전지 모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지 셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결해야 한다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 포함된 전지 셀 적층체에서 전극 리드를 용접하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 지그(30)를 사용하여 버스 바(15) 상에서 벤딩된 적어도 하나의 전극 리드(12, 13)를 용접할 수 있다. 이때, 버스 바(15) 재료가 필요하고 경우에 따라서는 도금이 필요하여 재료비가 상승할 수 있다. 또한, 전극 리드(12, 13)의 후면 공간에 해당하는 도 1의 P 영역의 공간이 부족하기 때문에 용접 면착(surface contact) 여부를 확인하기 어려워 용접 품질을 보증하기 어렵다.
이 경우, 전지 셀(11)들을 적층한 이후에 전극 리드(12, 13)를 벤딩하여 용접을 진행하기 때문에 벤딩 공정의 품질이 용접 품질에 영향을 미칠 수 있다. 전지 셀(11)들을 적층한 이후에 용접을 진행하기 때문에 용접 시 불량이 발생한다면 전지 셀(11)을 재사용하기 어려운 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기존 용접 공정의 문제를 해소한 신규한 공정에 의해 제조된 전지 모듈, 이를 포함하는 전지 팩 및 전지 팩 제조 방법을 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 일단부에서 돌출되어 있는 전극 리드를 갖는 전지 셀, 상기 전지 셀이 장착되어 있는 셀 트레이, 상기 전극 리드의 돌출 방향과 평행한 방향을 따라 위치하는 상기 셀 트레이 일단부에 장착되고, 상기 전극 리드와 용접되어 있는 버스 바, 및 상기 버스 바는 상기 전극 리드와 용접되는 부분인 버스 바 플레이트와 상기 버스 바 플레이트의 일단부에서 벤딩되어 형성된 버스 바 연결부를 포함하고, 상기 전극 리드는 상기 전지 셀이 적층된 방향과 동일한 방향으로 상기 버스 바 플레이트와 용접되어 있고, 상기 버스 바 연결부는 상기 버스 바 플레이트의 면과 수직한 방향으로 벤딩되고, 상기 전지 셀의 폭 방향을 향해 상기 버스 바 연결부의 용접면이 형성된다.
상기 전지 셀은 서로 이웃하는 제1 전지 셀과 제2 전지 셀을 포함하고, 상기 셀 트레이는 상기 제1 전지 셀과 상기 제2 전지 셀 각각이 장착되어 있는 제1 셀 트레이와 제2 셀 트레이를 포함하며, 상기 제1 셀 트레이 내에 장착되어 있는 상기 제1 전지 셀과 상기 제2 셀 트레이 내에 장착되어 있는 상기 제2 전지 셀을 포함하는 하나의 셀 유닛을 형성하고, 상기 셀 유닛이 복수 개 적층되어 전지 셀 적층체를 형성하며, 상기 복수 개의 셀 유닛은 하나의 셀 유닛 연결 부재에 의해 연결될 수 있다.
상기 셀 유닛 연결 부재는 상기 복수의 셀 유닛에 각각 형성된 상기 버스 바 연결부의 용접부를 연결할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 제1 셀 트레이에 장착되어 있는 제1 버스 바 연결부와 상기 제2 셀 트레이에 장착되어 있는 제2 버스 바 연결부를 서로 연결하는 버스 바 연결 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 버스 바 연결 부재는 상기 셀 유닛 연결 부재와 상기 버스 바 연결부 사이에 위치할 수 있다.
서로 이웃하는 상기 셀 유닛들은 접착 부재에 의해 서로 연결될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 제1 셀 트레이와 상기 제2 셀 트레이 각각의 폭 방향의 일단부에 형성된 고정 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기 전지 모듈, 상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임, 및 상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩 제조 방법은 복수의 전지 셀 각각을 셀 트레이에 장착하는 단계, 상기 셀 트레이에 장착된 버스 바에, 상기 전지 셀로부터 돌출되어 있는 전극 리드를 용접하는 단계, 상기 전지 셀에 이웃하는 다른 전지 셀을 접착 부재에 의해 연결하여 적어도 2개의 전지 셀을 포함하는 하나의 셀 유닛을 형성하는 단계, 복수의 모듈 영역을 갖는 하부 팩 하우징에 열전도성 수지를 도포하여 열전도성 수지층을 형성하는 단계, 상기 열전도성 수지층 상에 상기 셀 유닛을 순차적으로 삽입하여 전지 셀 적층체를 형성하는 단계, 및 상기 전지 셀 적층체에 포함된 상기 셀 트레이 각각에 장착된 버스 바들을 연결하는 단계를 포함한다.
상기 셀 트레이에 장착된 버스 바에, 상기 전지 셀로부터 돌출되어 있는 전극 리드를 용접하는 단계는, 상기 전극 리드의 돌출 방향과 평행한 방향을 따라 상기 버스 바가 배열된 상태에서, 상기 전극 리드와 상기 버스 바가 상기 전지 셀이 적층된 방향과 동일한 방향으로 용접될 수 있다.
상기 전지 셀 적층체에 포함된 상기 셀 트레이 각각에 장착된 버스 바들을 연결하는 단계는, 하나의 셀 유닛 연결 부재에 의해 상기 버스 바에 포함된 버스 바 연결부의 용접면을 연결할 수 있다.
상기 버스 바 연결부는 상기 전극 리드와 용접되어 있는 상기 버스 바의 버스 바 플레이트의 일단부에서 벤딩되어 형성되고, 상기 버스 바 연결부의 용접면은 상기 전지 셀의 폭 방향을 향해 형성될 수 있다.
상기 전지 셀 적층체에 포함된 상기 셀 트레이 각각에 장착된 버스 바들을 연결하는 단계는, 서로 이웃하는 전지 셀 각각에 형성된 버스 바 연결부를 서로 연결하는 버스 바 연결 부재를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 버스 바 연결 부재는 상기 셀 유닛 연결 부재와 상기 버스 바 연결부 사이에 형성될 수 있다.
상기 전지 팩 제조 방법은 상기 전지 셀 적층체를 덮는 상부 팩 하우징을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 전지 셀을 셀 트레이에 단위 용접하기 때문에 불량 발생 시 해당 전지 셀만 폐기함으로써 셀 적층체 전체를 폐기해야 하는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 전극 리드를 벤딩하지 않고 용접을 하기 때문에 용접 품질을 개선할 수 있다.
또한, 버스 바 프레임을 사용하지 않고 팩 단위의 연결 부재를 통해 전지 셀들을 연결함으로써 생산 공정을 단순화할 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 종래의 전지 모듈에 포함된 전지 셀 적층체에서 전극 리드를 용접하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지 셀에 대한 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 셀이 셀 트레이에 장착된 모습을 나타내는 측면도이다.
도 5는 도 4의 전지 셀을 z축 방향을 따라 바라본 도면이다.
도 6은 서로 이웃하는 전지 셀들이 각각의 셀 트레이에 장착된 후에 결합되어 셀 유닛을 형성한 모습을 나타내는 측면도이다.
도 7은 도 6의 셀 유닛을 z축 방향을 따라 바라본 도면이다.
도 8은 도 6의 셀 유닛이 복수개 적층되어 형성된 전지 셀 적층체를 나타내는 정면도이다.
도 9는 도 8의 전지 셀 적층체에 포함된 하나의 셀 유닛을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10은 도 8의 전지 셀 적층체를 나타내는 평면도이다.
도 11은 도 10의 전지 셀 적층체에 형성된 셀 유닛 연결 부재를 나타내는 평면도이다.
도 12 내지 도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지 셀에 대한 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(110)이 적층된 전지 셀 적층체(200)를 포함한다.
우선, 전지 셀(110)은 파우치형 전지 셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 셀 본체(113)를 기준으로 서로 반대편에 위치하는 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지 셀(110)의 외부로 돌출된다. 두 개의 전극 리드(111, 112) 중 하나는 양극 리드(111)일 수 있고, 다른 하나는 음극 리드(112)일 수 있다. 즉, 하나의 전지 셀(110)을 기준으로 양극 리드(111)와 음극 리드(112)가 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 전지 셀(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 전지 셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 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.
이러한 전지 셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지 셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지 셀 적층체(200)를 형성한다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이 x축 방향을 따라 복수의 전지 셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라 전극 리드(111, 112)는 각각 y축 방향과 -y축 방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거된 모듈-리스(module-less) 구조를 형성할 수 있다. 모듈 프레임을 대신하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 측면 플레이트(600)와 홀딩 밴드(미도시)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거됨에 따라, 전지 셀 적층체(200)를 모듈 프레임 내부에 수납하는 공정이나 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 조립하는 공정과 같이 정밀한 컨트롤이 요구되는 복잡한 공정이 불필요하다. 또한, 제거된 모듈 프레임과 엔드 플레이트만큼 전지 모듈(100)의 무게를 크게 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임의 제거에 따라, 전지 팩 조립 공정 시 재작업성이 유리하다는 장점을 갖는데, 종래의 전지 모듈(10)은 모듈 프레임의 용접 구조로 불량이 발생하여도 재작업이 불가능한 것과 비교될 수 있다.
측면 플레이트(600)는 판상형 부재로써, 전지 셀 적층체(200)의 양 측면에 위치하여, 전지 모듈(100)의 강성을 보완할 수 있다. 이러한 측면 플레이트(600)는 탄성 성질을 가지며 사출 성형으로 제조되는 플라스틱 소재를 포함할 수 있고, 경우에 따라서 판 스프링 소재가 적용될 수 있다.
상기 홀딩 밴드는 전지 셀 적층체(200)의 양 단부에서 전지 셀 적층체(200)를 감싸는 부재로써, 전지 셀 적층체(200)를 구성하는 복수의 전지 셀(110)들과 측면 플레이트(600)를 고정하는 기능을 담당할 수 있다. 이와 같이, 상기 홀딩 밴드를 통해 전지 셀 적층체(200) 및 측면 플레이트(600)를 고정한 후, 전극 리드(111)가 돌출되는 방향에 해당하는 전지 셀 적층체(200)의 전면과 후면에 절연 커버(미도시)를 형성할 수 있다. 상기 홀딩 밴드를 통해 전지 셀 적층체(200)에 포함된 전지 셀(110)들 및 측면 플레이트(600)를 고정함으로써, 상기 절연 커버가 전지 셀 적층체(200)의 전면 및 후면에 수월하게 결합될 수 있다. 이러한 상기 홀딩 밴드는 소정의 탄성력을 갖는 소재로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 판스프링의 구조가 적용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전극 리드(111, 112)와 버스 바(500)가 면 방향으로 용접될 수 있다. 버스 바(500)는 버스 바 플레이트(510)와 버스 바 연결부(520)를 포함할 수 있다. 전극 리드(111, 112)는 버스 바 플레이트(510)와 용접될 수 있고, 이에 대해서는 후술하도록 한다.
도 4는 도 3의 전지 셀이 셀 트레이에 장착된 모습을 나타내는 측면도이다. 도 5는 도 4의 전지 셀을 z축 방향을 따라 바라본 도면이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈에 포함된 전지 셀(110)은 셀 트레이(120)에 장착되어 있다. 전극 리드(111, 112)의 돌출 방향과 평행한 방향을 따라 위치하는 셀 트레이(120) 일단부에는 버스 바(500)가 장착되어 있다. 버스 바(500)는 전극 리드(111, 112)와 용접되어 있다. 이때, 전극 리드(111, 112)는 전지 셀(110)의 본체로부터 돌출된 방향을 기준으로 벤딩되지 않은 상태에서 버스 바(500)와 면 방향으로 용접될 수 있다.
본 실시예에 따른 버스 바(500)는 버스 바 플레이트(510)와, 버스 바 플레이트(510)의 일단부에서 벤딩되어 형성된 버스 바 연결부(520)를 포함할 수 있다. 버스 바 연결부(520)는 버스 바 플레이트(510)의 면과 수직한 방향으로 벤딩되고, 전지 셀(110)의 폭 방향을 향해 버스 바 연결부(520)의 용접면이 형성될 수 있다. 이때, 전지 셀(110)의 폭 방향이란, 도 2, 4에 도시한 바와 같이 전지 셀(110)의 적층 방향에 수직한 z축 방향일 수 있다. 추가로, 전지 셀(110)의 길이 방향이란, 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향인 y축 방향일 수 있다.
도 6은 서로 이웃하는 전지 셀들이 각각의 셀 트레이에 장착된 후에 결합되어 셀 유닛을 형성한 모습을 나타내는 측면도이다. 도 7은 도 6의 셀 유닛을 z축 방향을 따라 바라본 도면이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 서로 이웃하는 제1 전지 셀(110a)과 제2 전지 셀(110b)을 포함하고, 셀 트레이(120)는 제1 전지 셀(110a)과 제2 전지 셀(110b) 각각이 장착되어 있는 제1 셀 트레이(120a)와 제2 셀 트레이(120b)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 셀 트레이(120a) 내에 장착되어 있는 제1 전지 셀(110a)과 제2 셀 트레이(120b) 내에 장착되어 있는 제2 전지 셀(110b)을 포함하는 하나의 셀 유닛(150)을 형성할 수 있다. 서로 이웃하는 제1 전지 셀(110a)과 제2 전지 셀(110b)은 접착 부재에 의해 서로 연결될 수 있다.
셀 유닛(150) 내에서 제1 버스 바(500a)는 제1 버스 바 플레이트(510a)와 제1 버스 바 연결부(520a)를 포함하고, 제2 버스 바(500b)는 제2 버스 바 플레이트(510b)와 제2 버스 바 연결부(520b)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 버스 바 연결부(520a)와 제2 버스 바 연결부(520b)는 서로 마주보도록 제1 버스 바 플레이트(510a)와 제2 버스 바 플레이트(510b)로부터 각각 벤딩될 수 있다.
제1 전지 셀(110a)의 양단부에서 각각 돌출되는 제1 전극 리드(111a, 112a) 중 하나는 양극 리드이고, 다른 하나는 음극 리드일 수 있다. 마찬가지로, 제2 전지셀(110b)의 양단부에서 각각 돌출되는 제2 전극 리드(111b, 112b) 중 하나는 양극 리드이고, 다른 하나는 음극 리드일 수 있다. 이때, 하나의 셀 유닛(150)에서 제1 전극 리드(111a, 112a)와 제2 전극 리드(111b, 112b)는 서로 중첩하고, 서로 중첩하는 제1 전극 리드와 제2 전극 리드는 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 다시 말해, 셀 유닛(150)의 일단부에서는 서로 다른 극성을 갖는 제1 전극 리드(111a)와 제2 전극리드(111b)가 서로 중첩하고, 셀 유닛(150)의 다른 일단부에서는 서로 다른 극성을 갖는 제1 전극 리드(112a)와 제2 전극 리드(112b)가 서로 중첩할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은 제1 셀 트레이(120a)와 제2 셀 트레이(120b) 각각의 폭 방향의 일단부에 형성된 고정 부재(300)를 더 포함할 수 있다. 고정 부재(300)는 후술하는 전지 팩 제조 방법에서 셀 유닛(150)이 팩 프레임 내에 고정되도록 하는 기능을 할 수 있다. 구체적으로, 고정 부재(300)는 후술하는 열전도성 수지가 경화될 때까지 셀 유닛(150)이 팩 프레임 내에 고정될 수 있도록 할 수 있다. 고정 부재(300)는 한 예로 후크 구조를 가질 수 있다.
도 8은 도 6의 셀 유닛이 복수개 적층되어 형성된 전지 셀 적층체를 나타내는 정면도이다. 도 9는 도 8의 전지 셀 적층체에 포함된 하나의 셀 유닛을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 10은 도 8의 전지 셀 적층체를 나타내는 평면도이다. 도 11은 도 10의 전지 셀 적층체에 형성된 셀 유닛 연결 부재를 나타내는 평면도이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 도 6의 셀 유닛(150)이 복수 개 적층되어 전지 셀 적층체(200)를 형성할 수 있다. 셀 유닛(150)에 포함되는 제1 버스 바 플레이트(510a) 및 제2 버스 바 플레이트(510b)는 각각 일단부가 경사진 구조를 가질 수 있다. 이러한 경사진 구조에 의해 제1 버스 바 연결부(520a)와 제2 버스 바 연결부(520b)가 서로 마주보도록 제1 버스 바 플레이트(510a) 및 제2 버스 바 플레이트(510b) 각각의 일단부로부터 벤딩될 수 있다. 다시 말해, 도 6의 셀 트레이(120a, 120b)에 장착된 버스 바 플레이트(510a, 510b)가 전극 리드(111a, 112b)와 결합된 상태에서 제1, 2 버스 바 플레이트(510a, 510b)가 벤딩되기 위한 공간을 확보할 수 있고, 공간 효율성을 높일 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은, 제1 버스 바 연결부(520a)와 제2 버스 바 연결부(520b)를 서로 연결하는 버스 바 연결 부재(540)를 더 포함할 수 있다. 버스 바 연결 부재(540)는 서로 이웃하는 전지셀(110a, 110b) 각각에 형성된 전극 리드(111a, 112b)를 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 이때, 버스 바 연결 부재(540)는 서로 극성이 다른 전극 리드(111a, 112b)를 연결할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전극 리드의 벤딩없이 용접함으로써 용접 품질을 향상시키고, 용접 중 불량이 발생하면 해당 전지 셀만 폐기하면 되기 때문에 적층 이후 용접한 전지 셀 적층체에서 재사용 가능한 전지 셀까지 폐기해야 하는 문제를 방지할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 버스 바 연결부(520a, 520b)는 버스 바 플레이트(510a, 510b)의 면과 수직한 방향으로 벤딩되고, 전지 셀(110a, 110b)의 폭 방향을 향해 버스 바 연결부(520a, 520b)의 용접면이 형성될 수 있다. 상기 용접면 상에 버스 바 연결 부재(540)가 형성될 수 있다.
도 11을 참고하면, 버스 바 연결 부재(540) 상에 셀 유닛 연결 부재(650)가 위치할 수 있다. 셀 유닛 연결 부재(650)는 도 8의 전지 셀 적층체(200)에 포함된 복수의 전지 셀(110)을 전기적으로 연결할 수 있다. 본 실시예에 다르면, 복수 개의 셀 유닛은 하나의 셀 유닛 연결 부재(650)에 의해 연결될 수 있다. 도 9 및 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 버스 바 연결 부재(540)가 셀 유닛 연결 부재(650)와 버스 바 연결부(520a, 520b) 사이에 위치할 수 있다. 다른 실시예로, 버스 바 연결 부재(540)가 생략되고 셀 유닛 연결 부재(650)가 직접 버스 바 연결부(520a, 520b)와 용접될 수도 있다.
도 12 내지 도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
도 12를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 팩 제조 방법은, 복수의 전지 셀(110) 각각을 셀 트레이(120)에 장착하는 단계를 포함한다. 셀 트레이(120)는 전지 셀(110)의 3개의 모서리를 감싸는 구조일 수 있고, 셀 트레이(120)에는 전지 셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 대응되는 부분에 버스 바(500)가 장착될 수 있다. 도 4를 다시 참고하면, 전극 리드(111, 112)의 돌출 방향과 평행한 방향을 따라 버스 바(500)가 배열된 상태에서, 셀 트레이(120)에 장착된 버스 바(500)와 전극 리드(111, 112)를 용접할 수 있다. 이때, 버스 바(500)와 전극 리드(111, 112)는 전지 셀(110)이 적층된 방향과 동일한 방향으로 용접된다. 서로 이웃하는 버스 바(500)와 전극 리드(111, 112)가 서로 평행하게 배열한 상태에서 용접을 하기 때문에 주변 공간에서 장애물이 없어 용접 대상물의 면착(surface contact)이 잘 되어 있는지 쉽게 확인할 수 있다.
이후, 도 13을 참고하면, 도 12에서 설명한 전지 셀(110)을 제1 전지 셀(110a)이라고 할 때, 제1 전지 셀(110a)에 이웃하는 제2 전지 셀(110b)을 접착 부재(220)에 의해 연결할 수 있다. 접착 부재(220)는 제1 전지 셀(110a)의 측면부에 적어도 하나의 패턴을 갖도록 형성할 수 있고, 도 13에서는 한 예로 2개의 패턴이 서로 평행하게 제1 전지 셀(110a) 측면부에 도포된 접착 부재(220)를 형성할 수 있다.
제1 전지 셀(110a)은 제1 셀 트레이(120a)에 장착되어 있고, 제2 전지 셀(110b)은 제2 셀 트레이(120b)에 장착되어 있으며, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 전지 셀(110a)과 제2 전지 셀(110b)을 포함하는 적어도 2개의 전지 셀을 포함하는 하나의 셀 유닛(150)을 형성할 수 있다.
이후 도 14를 참고하면, 복수의 모듈 영역을 갖는 하부 팩 하우징(1110)의 바닥부(1111)에 열전도성 수지를 도포하여 열전도성 수지층(1200)을 형성할 수 있다. 상기 복수의 모듈 영역은 하부 팩 하우징(1110) 내에 형성된 복수의 격벽(1350)으로 구획될 수 있다.
이후 도 15를 참고하면, 열전도성 수지층(1200) 상에 셀 유닛(150)을 순차적으로 삽입하여 도 8에 도시한 전지 셀 적층체(200)를 형성할 수 있다. 전지 셀 적층체(200) 양면에 각각 측면 플레이트(600)를 형성할 수 있다. 전지 셀 적층체(200) 양면에 위치하는 측면 플레이트(600)들 중 적어도 하나를 먼저 하부 팩 하우징(1110) 내에 형성한 이후에 셀 유닛(150)을 순차적으로 삽입할 수도 있다.
도 16은 전지 셀 적층체(200)를 포함하는 전지 모듈(100)이 하부 팩 하우징(1110) 내에 모두 삽입되어 있는 도면이고, 도 17은 도 16의 A영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 16 및 도 17을 참고하면, 전지 셀 적층체에 포함된 셀 트레이 각각에 장착된 버스 바들을 연결할 수 있다. 구체적으로, 버스 바에 포함된 버스 바 연결부(520a, 520b)의 용접면이 하나의 셀 유닛 연결 부재(650)에 의해 연결될 수 있다. 셀 유닛 연결 부재(650)와 버스 바 연결부(520a, 520b) 사이에 버스 바 연결 부재(540)가 형성될 수 있다. 버스 바 연결 부재(540)는 서로 이웃하는 전지 셀 각각에 형성된 버스 바 연결부(520a, 520b)를 서로 연결할 수 있다.
다른 실시예로, 버스 바 연결 부재(540)가 생략되고, 셀 유닛 연결 부재(650)가 버스 바 연결부(520a, 520b)에 직접 용접될 수도 있다.
이후 도 18을 참고하면, 하부 팩 하우징(1110) 상에 전지 셀 적층체를 포함하는 전지 모듈(100)을 덮도록 상부 팩 하우징(1120)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 일례로 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은, 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1100) 및 전지 모듈(100)과 팩 프레임(1100)의 바닥부(1111) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(1200)을 포함할 수 있다.
먼저, 전지 모듈(100)은 앞서 설명한 바 대로, 절연 커버를 포함하며, 대신 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거된 모듈-리스(module-less) 구조를 형성할 수 있다. 이러한 전지 모듈(100)이 복수개로 팩 프레임(1100)에 수납되어 전지 팩(1000)을 형성할 수 있다.
팩 프레임(1100)은, 하부 팩 하우징(1110) 및 하부 팩 하우징(1110)을 덮는 상부 팩 하우징(1120)을 포함할 수 있고, 하부 팩 하우징(1110)의 바닥부(1111)에 복수의 전지 모듈(100)이 위치할 수 있다. 하부 팩 하우징(1110)은 복수의 모듈 영역을 가지며, 복수의 모듈 영역은 하부 팩 하우징(1110) 내에 형성된 복수의 격벽(1350)으로 구획될 수 있다. 격벽(1350)은 복수의 전지 모듈(100) 중 서로 이웃하는 전지 모듈(100) 사이에 형성되어 있다. 예를 들어, 열전도성 수지층(1200)은 서로 이웃하는 제1 열전도성 수지층과 제2 열전도성 수지층을 포함하고, 복수의 모듈 영역은 격벽(1350)에 의해 서로 구획되는 제1 영역과 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 열전도성 수지층은 상기 제1 영역에 대응되도록 형성되고, 상기 제2 열전도성 수지층은 상기 제2 영역에 대응되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 열전도성 수지층과 상기 제2 열전도성 수지층은 격벽(1350)에 의해 서로 이격되어 위치할 수 있다.
한편, 열전도성 수지층(1200)은 하부 팩 하우징(1110)의 바닥부(1111)에 열전도성 수지(Thermal resin)가 도포되어 형성될 수 있다. 상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지 모듈(100)을 하부 팩 하우징(1110)에 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지 모듈(100)에서 발생한 열을 신속히 바닥부(1111)로 전달하여 전지 팩(1000)의 과열을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임이 생략되기 때문에 도 2의 전지 셀 적층체(200)의 하부면이 하부 팩 하우징(1110)에 도포된 열전도성 수지층(1200) 상에 직접 장착될 수 있다. 또한, 셀 트레이 내에 전지 셀(110)이 장착되더라도 셀 트레이는 전지 셀(110)의 전후단 및 상부 모서리만 감싸는 구조를 가질 수 있기 때문에 전지 셀 적층체(200)의 하부면이 열전도성 수지층(1200) 상에 직접 장착될 수 있다. 이때, 접착 성능을 갖는 열전도성 수지층(1200)에 의해 전지 셀 적층체(200)는 하부 팩 하우징(1110)에 고정될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임이 제거된 모듈-리스(module-less) 구조에 있어서, 전지 셀(110)의 일부가 외부로 노출될 수 있는데, 구조적 안정성을 위해 노출되는 전지 셀(110)을 고정하는 것이 필수적이다. 이에, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 바닥부(1111)에 전지 모듈(100), 특히 전지 모듈(100)을 구성하는 각각의 전지 셀(110)을 고정할 수 있는 열전도성 수지층(1200)을 형성함으로써, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 모듈 프레임을 생략하여, 전지 셀에서 발생한 열을 열전도성 수지층에서 팩 프레임으로 바로 전달하여 냉각 효율을 높일 수 있다. 팩 프레임에는 도시하지 않았으나 히트 싱크 구조가 형성될 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 전지 모듈이나 전지 팩은 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.
110: 전지 셀
120: 셀 트레이
150: 셀 유닛
200: 전지 셀 적층체
220: 접착 부재
300: 고정 부재
500: 버스 바
510: 버스 바 플레이트
520: 버스 바 연결부
540: 버스 바 연결 부재
650: 셀 유닛 연결 부재
1110: 하부 팩 하우징

Claims (14)

  1. 일단부에서 돌출되어 있는 전극 리드를 갖는 전지 셀,
    상기 전지 셀이 장착되어 있는 셀 트레이,
    상기 전극 리드의 돌출 방향과 평행한 방향을 따라 위치하는 상기 셀 트레이 일단부에 장착되고, 상기 전극 리드와 용접되어 있는 버스 바, 및
    상기 버스 바는 상기 전극 리드와 용접되는 부분인 버스 바 플레이트와 상기 버스 바 플레이트의 일단부에서 벤딩되어 형성된 버스 바 연결부를 포함하고,
    상기 전극 리드는 상기 전지 셀이 적층된 방향과 동일한 방향으로 상기 버스 바 플레이트와 용접되어 있고,
    상기 버스 바 연결부는 상기 버스 바 플레이트의 면과 수직한 방향으로 벤딩되고, 상기 전지 셀의 폭 방향을 향해 상기 버스 바 연결부의 용접면이 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지 셀은 서로 이웃하는 제1 전지 셀과 제2 전지 셀을 포함하고, 상기 셀 트레이는 상기 제1 전지 셀과 상기 제2 전지 셀 각각이 장착되어 있는 제1 셀 트레이와 제2 셀 트레이를 포함하며,
    상기 제1 셀 트레이 내에 장착되어 있는 상기 제1 전지 셀과 상기 제2 셀 트레이 내에 장착되어 있는 상기 제2 전지 셀을 포함하는 하나의 셀 유닛을 형성하고,
    상기 셀 유닛이 복수 개 적층되어 전지 셀 적층체를 형성하며,
    상기 복수 개의 셀 유닛은 하나의 셀 유닛 연결 부재에 의해 연결되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 셀 유닛 연결 부재는 상기 복수의 셀 유닛에 각각 형성된 상기 버스 바 연결부의 용접부를 연결하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 셀 트레이에 장착되어 있는 제1 버스 바 연결부와 상기 제2 셀 트레이에 장착되어 있는 제2 버스 바 연결부를 서로 연결하는 버스 바 연결 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 버스 바 연결 부재는 상기 셀 유닛 연결 부재와 상기 버스 바 연결부 사이에 위치하는 전지 모듈.
  6. 제2항에서,
    서로 이웃하는 상기 셀 유닛들은 접착 부재에 의해 서로 연결되는 전지 모듈.
  7. 제2항에서,
    상기 제1 셀 트레이와 상기 제2 셀 트레이 각각의 폭 방향의 일단부에 형성된 고정 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에 따른 전지 모듈,
    상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임, 및
    상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 포함하는 전지 팩.
  9. 복수의 전지 셀 각각을 셀 트레이에 장착하는 단계,
    상기 셀 트레이에 장착된 버스 바에, 상기 전지 셀로부터 돌출되어 있는 전극 리드를 용접하는 단계,
    상기 전지 셀에 이웃하는 다른 전지 셀을 접착 부재에 의해 연결하여 적어도 2개의 전지 셀을 포함하는 하나의 셀 유닛을 형성하는 단계,
    복수의 모듈 영역을 갖는 하부 팩 하우징에 열전도성 수지를 도포하여 열전도성 수지층을 형성하는 단계,
    상기 열전도성 수지층 상에 상기 셀 유닛을 순차적으로 삽입하여 전지 셀 적층체를 형성하는 단계, 및
    상기 전지 셀 적층체에 포함된 상기 셀 트레이 각각에 장착된 버스 바들을 연결하는 단계를 포함하는 전지 팩 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 셀 트레이에 장착된 버스 바에, 상기 전지 셀로부터 돌출되어 있는 전극 리드를 용접하는 단계는,
    상기 전극 리드의 돌출 방향과 평행한 방향을 따라 상기 버스 바가 배열된 상태에서, 상기 전극 리드와 상기 버스 바가 상기 전지 셀이 적층된 방향과 동일한 방향으로 용접되는 전지 팩 제조 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 전지 셀 적층체에 포함된 상기 셀 트레이 각각에 장착된 버스 바들을 연결하는 단계는, 하나의 셀 유닛 연결 부재에 의해 상기 버스 바에 포함된 버스 바 연결부의 용접면을 연결하는 전지 팩 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 버스 바 연결부는 상기 전극 리드와 용접되어 있는 상기 버스 바의 버스 바 플레이트의 일단부에서 벤딩되어 형성되고,
    상기 버스 바 연결부의 용접면은 상기 전지 셀의 폭 방향을 향해 형성되는 전지 팩 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 전지 셀 적층체에 포함된 상기 셀 트레이 각각에 장착된 버스 바들을 연결하는 단계는, 서로 이웃하는 전지 셀 각각에 형성된 버스 바 연결부를 서로 연결하는 버스 바 연결 부재를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 버스 바 연결 부재는 상기 셀 유닛 연결 부재와 상기 버스 바 연결부 사이에 형성되는 전지 팩 제조 방법.
  14. 제9항에서,
    상기 전지 셀 적층체를 덮는 상부 팩 하우징을 형성하는 단계를 더 포함하는 전지 팩 제조 방법.
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