WO2022149888A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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성준엽
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Definitions

  • the battery pack may further include a cooling fin positioned between the battery cells, and the cooling fin may extend from a lower surface of the battery cell stack to contact the thermally conductive resin layer.
  • FIG. 7 is a partial perspective view showing an enlarged front part of the battery module of FIG. 1 .
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell, and may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cell 110 according to the present embodiment includes protruding first and second electrode leads 111 and 112 .
  • the first and second electrode leads 111 and 112 face each other with respect to the cell body 113 from one end 114a and the other end 114b.
  • Each has a protruding structure.
  • the first and second electrode leads 111 and 112 are connected to an electrode assembly (not shown) and protrude from the electrode assembly (not shown) to the outside of the battery cell 110 .
  • the elastic member 700 may be continuously connected along the front surface, the rear surface, and both sides of the battery cell stack 200 .
  • the internal electrolyte is decomposed and gas is generated so that the battery cells 110 swell, that is, a swelling phenomenon may occur.
  • swelling may occur in the stacking direction of the battery cells 110 (a direction parallel to the x-axis).
  • the elastic member 700 having elasticity is continuously connected along the front surface, the rear surface, and both sides of the battery cell stack 200 , it is possible to suppress the swelling of the battery cell 110 . And, it is possible to minimize the deformation of the battery module 100 in the stacking direction of the battery cells (110).
  • the LV sensing assembly 900 is for a low voltage (LV) connection, where the LV connection means a sensing connection for sensing and controlling a voltage of a battery cell. Voltage information and temperature information of the battery cell 110 may be transmitted to an external Battery Management System (BMS) through the LV sensing assembly 900 .
  • BMS Battery Management System
  • the LV sensing assembly 900 may be connected to the electrode lead assembly 110L.
  • the battery cells 110 may be stacked along the x-axis direction to form the battery cell stack 200 , and accordingly, the electrode leads 111 and 112 are respectively disposed in the y-axis direction and the -y direction. It may protrude in the axial direction.
  • at least two electrode leads 111 and 112 are bent and bonded to each other to form the electrode lead assembly 110L.
  • the bonding plate 930 of the LV sensing assembly 900 may be directly bonded to the electrode lead assembly 110L, so that the LV sensing assembly 900 and the electrode leads 111 and 112 may be connected to each other.
  • the battery module 100 may form a module-less structure in which the module frame and the end plate are removed, and , the lower portion of the elastic member 700 is opened to expose the lower surface of the battery cell stack 200 .
  • the lower surface of the battery cell stack 200 is in contact with the thermally conductive resin layer 1300 . Accordingly, heat generated in the battery cell 110 may be directly transferred to the bottom 1110 of the pack frame 1100 through the thermally conductive resin layer 1300 .
  • the heat transfer path is complicated because the heat generated in the battery cell is discharged to the outside of the battery module through several layers.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체의 전면, 후면 및 양 측면을 커버하는 탄성부재를 포함한다. 상기 탄성부재는 하부가 개방되어, 상기 전지셀 적층체의 하면이 외부로 노출된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 1월 11일자 한국 특허 출원 제10-2021-0003176호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 냉각 성능이 향상된 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 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 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 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 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 전지팩을 형성할 수 있다.
이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능 및 열 전달 성능이 향상된 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, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체의 전면, 후면 및 양 측면을 커버하는 탄성부재를 포함한다. 상기 탄성부재는 하부가 개방되어, 상기 전지셀 적층체의 하면이 외부로 노출된다.
상기 탄성부재는 상기 전지셀 적층체의 상기 전면, 상기 후면 및 상기 양 측면을 따라 연속적으로 이어질 수 있다.
상기 전지셀은 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있고, 상기 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀 적층체의 상기 전면 및 상기 후면에 위치할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀들 사이에 위치한 냉각핀을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각핀이 상기 전지 모듈의 하면으로부터 돌출될 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체의 상기 전면과 상기 탄성부재 사이에 위치하는 제1 센싱 블록 및 상기 전지셀 적층체의 상기 후면과 상기 탄성부재 사이에 위치하는 제2 센싱 블록을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체의 상기 양 측면과 상기 탄성부재 사이에 위치하는 측면 패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 포함한다. 상기 전지셀 적층체의 하면은 상기 열전도성 수지층과 접촉한다.
상기 전지팩은, 상기 전지셀들 사이에 위치한 냉각핀을 더 포함할 수 있고, 상기 냉각핀은 상기 전지셀 적층체의 하면으로부터 연장되어 상기 열전도성 수지층과 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀 적층체의 하면을 노출시키는 구조로, 열전달 경로를 단순화하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄성부재가 전지셀 적층체를 감싸며 연속적으로 이어지는 구조를 형성하여, 전지셀의 스웰링을 억제할 수 있고, 전지셀의 적층 방향에서의 전지 모듈의 변형을 방지할 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 냉각핀을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 1의 전지 모듈의 전면 부분을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다.
도 8은 도 7의 전지 모듈의 전면 부분을 정면에서 바라본 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 분해 사시도이다.
도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
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 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 냉각핀을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200) 및 전지셀 적층체(200)의 전면, 후면 및 양 측면을 커버하는 탄성부재(700)를 포함한다. 탄성부재(700)는 하부가 개방되어, 전지셀 적층체(200)의 하면이 외부로 노출된다. 여기서 전면은 전지셀 적층체(200)의 y축 방향의 면을 의미하고, 후면은 전지셀 적층체(200)의 -y축 방향의 면을 의미하며, 양 측면은 각각 전지셀 적층체(200)의 x축 및 -x축 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. 후술하겠으나, 전지셀 적층체(200)의 전면 및 후면은 전지셀(110)의 돌출된 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)들이 위치한 면일 수 있다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 돌출된 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)를 포함한다. 구체적으로, 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 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 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(200)를 형성한다. 특히, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)는 각각 y축 방향과 -y축 방향으로 돌출될 수 있다. 즉, 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)는 전지셀 적층체(200)의 상기 전면 및 상기 후면에 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 탄성부재(700)는 전지셀 적층체(200)의 상기 전면, 상기 후면 및 상기 양 측면을 따라 연속적으로 이어질 수 있다. 복수의 전지셀(110)이 반복적으로 충, 방전되는 과정에서, 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(110)이 부풀어오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 특히, 각 전지셀(110)은 전지셀(110)의 적층 방향(x축과 평행한 방향)으로 스웰링이 일어날 수 있다. 본 실시예에서는, 탄성을 갖는 탄성부재(700)가 전지셀 적층체(200)의 상기 전면, 상기 후면 및 상기 양 측면을 따라 연속적으로 이어지기 때문에 전지셀(110)의 스웰링을 억제할 수 있고, 전지셀(110)의 적층 방향에서의 전지 모듈(100)의 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거된 모듈-리스(module-less) 구조를 형성할 수 있다. 모듈 프레임이나 엔드 플레이트를 대신하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 탄성부재(700)에 의해 그 형태가 유지 및 고정될 수 있다. 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거됨에 따라, 전지셀 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, 전지팩 조립 공정 시 재작업성이 유리하다는 장점을 갖는데, 종래의 모듈 프레임을 갖는 전지 모듈은 모듈 프레임의 용접 구조로 불량이 발생하여도 재작업이 불가능한 것과 비교될 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(200)의 상면 및 하면이 외부에 노출되는데, 모듈 프레임에 의해 둘러 쌓이는 것보다 열 발산에 효과적이기 때문에 냉각 성능이 향상될 수 있다. 여기서, 상면은 전지셀 적층체(200)의 z축 방향의 면을 의미하고, 하면은 전지셀 적층체(200)의 -z축 방향의 면을 의미한다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 5의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(20) 및 전지셀 적층체(20)를 감싸는 탄성부재(70)를 포함한다. 이 때, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)과는 다르게, 탄성부재(70)가 전지셀 적층체(20)의 상면, 하면 및 양 측면을 감싼다. 즉, 전극 리드(11L)가 형성된 전지셀 적층체(20)의 전면과 후면을 제외한 면을 탄성부재(70)가 감싼다. 여기서도 마찬가지로, 전면은 전지셀 적층체(20)의 y축 방향의 면을 의미하고, 후면은 전지셀 적층체(20)의 -y축 방향의 면을 의미하며, 양 측면은 각각 전지셀 적층체(20)의 x축 및 -x축 방향의 면을 의미한다. 또한, 하면은 전지셀 적층체(20)의 -z축 방향의 면을 의미하고, 상면은 전지셀 적층체(20)의 z축 방향의 면을 의미한다. 전지셀(11)의 전극 리드(11L)는 전지셀 적층체(20)의 전면과 후면에 위치한다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(20)가 모듈 프레임에 수납되거나 모듈 프레임 없이 직접 팩 프레임에 장착될 수 있는데, 이 경우 모두 전지셀 적층체(20)의 하면에는 열전도성 수지층(13)이 위치할 수 있다.
본 비교예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 전지셀(11)에서 발생한 열이 탄성부재(70)를 거쳐 열전도성 수지층(13)에 전달된다. 또한, 전지셀(11)과 탄성부재(70) 사이에는 에어 갭(Air gap)과 같이 열 전달 저해 요소가 발생할 수 있다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 탄성부재(700)가 전지셀 적층체(200)의 전면, 후면 및 양 측면을 커버하고, 하부가 개방된 바, 전지셀 적층체(200)의 하면이 노출된다. 이에 따라, 전지셀(110)이 후술하는 열전도성 수지층과 직접 접촉할 수 있다. 본 실시예에 따른 탄성부재(700)는 전지셀 적층체(200)의 상면과 하면이 아닌, 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)가 위치한 전지셀 적층체(200)의 전면과 후면을 커버하도록 구성된다는 점에서 본 비교예에 따른 탄성부재(70)와 차이가 있다. 열 전달 경로가 단순화 되고, 에어 갭(Air gap)과 같이 열 전달 저해 요소가 발생할 여지가 없기 때문에 본 실시예에 따른 전지 모듈은 본 비교예에 따른 전지 모듈에 비해 향상된 냉각 및 방열 성능을 갖는다.
한편, 이러한 탄성부재(700)는 소정의 탄성력을 가진다면 그 소재에 특별한 제한은 없으나, 일례로 고분자 폴리머 합성소재, FRB(Fiber-reinforced plastic) 등의 복합 재료 및 금속 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀 적층체(200)의 상기 양 측면과 탄성부재(700) 사이에 위치하는 판상형의 측면 패드(600)를 더 포함할 수 있다. 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거되는 대신 측면 패드(600)가 전지셀 적층체(200)의 상기 양 측면에 배치되어, 전지 모듈(100)의 강성을 보완하고, 전지셀(110)과 탄성부재(700) 사이에 완충 기능을 수행할 수 있다. 이러한 측면 패드(600)에는 폼 소재의 패드가 적용될 수 있다.
한편, 도 2 및 도 4를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀(110)들 사이에 위치한 냉각핀(300)을 더 포함할 수 있다. 도 2 및 도 4에서는 하나의 냉각핀(300)만을 도시하였으나, 전지셀(110)들 사이 각각에 본 실시예에 따른 냉각핀(300)이 모두 위치할 수 있다.
냉각핀(300)은 열전도도가 높은 금속 소재를 포함할 수 있다. 구체적인 소재의 제한은 없고, 일례로 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 열전도도가 높은 냉각핀(300)을 전지셀(110)들 사이에 배치하고 직접 부착하여 냉각 면적을 넓힐 수 있다. 이에 따라 냉각 성능이 향상된다.
한편, 상술한 바 대로, 전지셀 적층체(200)의 하면이 외부로 노출되는데, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지셀 적층체(200)의 하면으로부터 돌출될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 후술하는 열전도성 수지층과 직접 접촉할 수 있다. 전지셀(110)들 사이에 배치된 냉각핀(300)을 직접 열전도성 수지층과 접촉시킴으로써, 전지 모듈의 열 배출 성능을 극대화시킬 수 있다.
이하에서는, 도 7 및 도 8 등을 참고하여, 제1 및 제2 센싱 블록 및 LV 센싱 조립체에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 7은 도 1의 전지 모듈의 전면 부분을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다. 도 8은 도 7의 전지 모듈의 전면 부분을 정면에서 바라본 도면이다. 다만, 도 7 및 도 8은 설명의 편의를 위해 탄성부재가 생략된 모습을 나타내었다.
도 2, 도 3, 도 7 및 도 8을 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 전지 모듈(100)은 제1 센싱 블록(410) 및 제2 센싱 블록(420)을 포함할 수 있다. 제1 센싱 블록(410)은 전지셀 적층체(200)의 상기 전면과 탄성부재(700) 사이에 위치할 수 있고, 제2 센싱 블록(420)은 전지셀 적층체(200)의 상기 후면과 탄성부재(700) 사이에 위치할 수 있다.
이러한 제1 센싱 블록(410)과 제2 센싱 블록(420)은 전기적 절연을 띄는 소재를 포함할 수 있으며, 일례로 플라스틱 소재, 고분자 소재 또는 복합 소재를 포함할 수 있다. 또한, 제1 센싱 블록(410)과 제2 센싱 블록(420)은 일종의 바스켓 형태를 가지고, 전지셀 적층체(200) 상기 전면 및 상기 후면을 각각 덮도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 설명의 반복을 피하기 위해 도 7와 도 8에 도시된 제1 센싱 블록(410)을 기준으로 설명하나, 제2 센싱 블록(420)에도 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있다.
상술한 바 대로, 전극 리드(111, 112)들이 전지셀 적층체(200)의 상기 전면과 상기 후면에 위치할 수 있다. 제1 센싱 블록(410)에는 슬릿(410S)이 형성될 수 있고, 제1 센싱 블록(410)가 배치될 때 전극 리드(111, 112)들이 이러한 슬릿(410S)을 통과할 수 있다. 다음, 적어도 2개의 전극 리드(111, 112)끼리 구부러지고 접합되어 전극 리드 접합체(110L)를 형성할 수 있다. 구체적으로, 인접한 전지셀(110)들에 대해 같은 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)들이 그 전극 리드(111, 112)의 돌출 방향과 수직한 방향으로 구부러지고, 서로 접합되어 전극 리드 접합체(110L)를 형성할 수 있다. 이에 따라 전극 리드 접합체(110L)의 일면은, 전지셀(110)로부터 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향(y축 방향)과 수직일 수 있다. 이때, 서로 같은 극성의 전극 리드끼리 접합될 수도 있고, 서로 다른 극성의 전극 리드끼리 접합될 수도 있다. 다시 말해, 전지셀(110)간의 병렬 연결을 구현하기 위해 서로 같은 극성의 전극 리드끼리 접합할 수 있고, 또 전지셀(110)간의 직렬 연결을 구현하기 위해 서로 다른 극성의 전극 리드끼리 접합할 수 있다. 이는 전지 모듈의 설계에 따라 달라질 수 있다.
한편, 전지셀 적층체(200)의 바깥쪽에 위치한 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)는 단자 버스바(500)와 연결될 수 있다. 종래의 전지 모듈이 버스바를 통해 전극 리드를 서로 연결한 것과 달리, 본 실시예에 따른 전극 리드(111, 112)들은 서로 직접 접합되고, 그 중 일부가 단자 버스바(500)와 연결됨으로써, HV(High Voltage) 연결을 형성할 수 있다. 여기서 HV 연결은 전력을 공급하기 위한 전원 역할의 연결로써, 전지셀 간의 연결이나 전지 모듈 간의 연결을 의미한다. 본 실시예에 따른 HV 연결 구조에서, 버스바 및 버스바가 장착되는 버스바 프레임은 제거될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀의 전압 정보 전달을 위한 LV(Low Voltage) 센싱 조립체(900)를 포함할 수 있다. LV 센싱 조립체(900)는, 제1 센싱 블록(410) 및 제2 센싱 블록(420) 중 적어도 하나에 위치할 수 있다. 구체적으로는, 제1 센싱 블록(410) 중 전지셀 적층체(200)와 마주하는 면의 반대 면에 LV 센싱 조립체(900)가 위치할 수 있다. 마찬가지로, 구체적으로 도시하지 않았으나, 제2 센싱 블록(420) 중 전지셀 적층체(200)와 마주하는 면의 반대 면에 LV 센싱 조립체(900)가 위치할 수 있다.
LV 센싱 조립체(900)는 LV(Low voltage) 연결을 위한 것으로, 여기서 LV 연결은 전지셀의 전압을 감지하고 제어하기 위한 센싱 연결을 의미한다. LV 센싱 조립체(900)를 통해 전지셀(110)의 전압 정보와 온도 정보가 외부 BMS(Battery Management System)에 전달될 수 있다. 이러한 LV 센싱 조립체(900)는 전극 리드 접합체(110L)와 연결될 수 있다.
LV 센싱 조립체(900)는, LV 커넥터(910), LV 커넥터(910)와 전극 리드(111, 112)를 연결하는 연결부재(920) 및 연결부재(920)의 일단에 위치하여 전극 리드(111, 112)에 접합되는 접합 플레이트(930)를 포함할 수 있다.
LV 커넥터(910)는 복수의 전지셀(110)을 제어하기 위해 외부의 제어 장치와 신호를 송수신하도록 구성될 수 있다. 연결부재(920)는 연성인쇄회로기판(FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 또는 연성평판케이블(FFC: Flexible Flat Cable)일 수 있다. 복수의 전지셀(110)들로부터 측정된 전압 및 온도 정보가, 연결부재(920)와 LV 커넥터(910)를 통해 외부의 BMS(Battery Mamagement System)로 전달될 수 있다. 즉, LV 커넥터(910)와 연결부재(920)를 포함하는 LV 센싱 조립체(900)는 각 전지셀(110)의 과전압, 과전류, 과발열 등의 현상을 검출하고, 제어할 수 있다. 접합 플레이트(930)는 연결부재(920)의 일단에 위치하고, 전기 전도성을 갖는 금속 소재로 구성될 수 있다. 이러한 접합 플레이트(930)를 전극 리드(111, 112)에 접합함으로써, 연결부재(920)와 전극 리드(111)를 전기적, 물리적으로 연결할 수 있다. 구체적으로, 접합 플레이트(930)의 일측은 연결부재(920)를 관통한 후 구부러짐으로써 연결부재(920)와 결합되고, 접합 플레이트(930)의 타측은 판상 형태로 구성되어 전극 리드(111, 112)와 접합, 특히 용접 접합될 수 있다.
한편, 상술한 바 대로, 전지셀(110)은 x축 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(200)를 형성할 수 있고, 이에 따라 전극 리드(111, 112)는 각각 y축 방향과 -y축 방향으로 돌출될 수 있다. 이때, 상술한 바 대로, 적어도 2개의 전극 리드(111, 112)끼리 구부러지고 접합되어 전극 리드 접합체(110L)를 형성할 수 있다. 이러한 전극 리드 접합체(110L)에 LV 센싱 조립체(900)의 접합 플레이트(930)가 직접 접합되어, LV 센싱 조립체(900)와 전극 리드(111, 112)가 서로 연결될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 HV 연결과 LV 연결이 각각 이루어지지 않고 한번에 진행될 수 있으므로, 생산성 향상을 기대할 수 있고, 버스바 프레임 등의 구성을 제거할 수 있어 보다 컴팩트한 구성의 전지 모듈(100)을 제조할 수 있다는 장점을 갖는다.
전극 리드 접합체(110L)를 형성하기 위한 전극 리드(111, 112) 간의 접합이나 전극 리드 접합체(110L)와 접합 플레이트(930) 간의 접합에 있어, 전기적 연결이 가능하다면 그 접합 방식에 특별한 제한은 없으며, 일례로 용접 접합이 이루어질 수 있다. 또한, y축 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)를 기준으로 설명하였으나, -y축 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)에 대해서도 마찬가지로 전극 리드 접합체 및 LV 센싱 조립체(900)의 구조가 형성될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄성부재(700)는 전극 리드(111, 112)들, 즉 전극 리드 접합체(110L)를 커버할 수 있다. 구조상 전극 리드 접합체(110L)가 제1 센싱 블록(410)이나 제2 센싱 블록(420)의 외측에 위치하는데, 이러한 전극 리드 접합체(110L)를 탄성부재(700)가 커버함으로써, 외부 환경으로부터 전극 리드(111, 112)들에 대한 1차적인 보호가 가능하다.
이하에서는 도 9 및 도 10을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 분해 사시도이다. 도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 이 때, 도 10은, 도 9의 전지 모듈(100), 열전도성 수지층(1300) 및 팩 프레임(1100)의 바닥부(1110)가 도 9와 달리 서로 접촉한 상태임을 가정하고 그 단면을 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1100) 및 전지 모듈(100)과 팩 프레임(1100)의 바닥부(1110) 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층(1300)을 포함한다.
전지 모듈(100)은 앞서 설명한 바 대로, 전지셀 적층체(200), 탄성부재(700)를 포함한다. 전지 모듈(100)에 대한 설명은 앞서 언급한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.
전지팩(1000)은 팩 프레임(1100)을 덮는 상부 커버(1200)를 더 포함할 수 있다. 즉, 다수의 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1100)와 상부 커버(1200) 사이에 수납될 수 있다.
열전도성 수지층(1300)은, 바닥부(1110)에 열전도성 수지(Thermal resin)를 도포하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 열전도성 수지를 바닥부(1110) 상에 도포하고, 그 위에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)을 위치시킨 다음, 상기 열전도성 수지가 경화되어 열전도성 수지층(1300)이 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 전지셀 적층체(200)를 구성하는 복수의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지 모듈(100)에서 발생한 열을 신속히 바닥부(1110)로 전달하여 전지팩(1000)의 과열을 방지할 수 있다.
도 2, 도 9 및 도 10을 참고하면, 상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거된 모듈-리스(module-less) 구조를 형성할 수 있고, 탄성부재(700)의 하부가 개방되어 전지셀 적층체(200)의 하면이 노출된다. 전지팩(1000)에서 전지셀 적층체(200)의 하면은 상기 열전도성 수지층(1300)과 접촉한다. 이에, 전지셀(110)에서 발생한 열이 열전도성 수지층(1300)을 거쳐 바로 팩 프레임(1100)의 바닥부(1110)로 전달될 수 있다. 모듈 프레임이 있는 종래의 모델이나 도 5에 도시된 탄성부재(70)를 포함한 모델의 경우, 전지셀에서 발생한 열이 여러 층을 거쳐 전지 모듈 외부로 배출되기 때문에 열 전달 경로가 복잡하다. 즉, 전지셀로부터 발생한 열이 효과적으로 전달되기 어렵고, 각 층 사이에 형성될 수 있는 에어 갭(Air gap) 등의 미세한 공기층이 열 전달을 방해할 수 있다. 이와 달리 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 도 10에 도시된 바와 같이 열전도성 수지층(1300)과 직접 접촉하기 때문에 전지 모듈(100)의 하측 방향으로의 열 전달 경로가 단순화되고, 에어 갭 등의 공기층의 발생 가능성을 줄일 수 있다. 따라서, 전지 모듈(100) 및 이를 포함하는 전지팩(1000)의 냉각 성능을 높일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지셀 적층체(200)의 하면으로부터 연장되어 열전도성 수지층(1300)과 접촉한다. 전지셀 적층체(200)의 하면이 노출되어 있기 때문에 전지셀(110)들 사이에 위치한 냉각핀(300)이 바로 바닥부(1110) 상의 열전도성 수지층(1300)과 접촉할 수 있다. 전지셀(110)과 대면하는 냉각핀(300)을 직접 열전도성 수지층(1300)과 접촉하도록 구성함으로써, 열 배출 성능을 극대화시킬 수 있다.
한편, 모듈 프레임이 제거된 모듈-리스(module-less) 구조에 있어서, 구조적 안전성을 위해 노출되는 전지셀(110)을 고정하는 것이 필수적이다. 이에, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 전지 모듈(100)을 구성하는 각각의 전지셀(110)이 열전도성 수지층(1300)에 접촉한 채 고정되므로, 구조적 안전성을 보완할 수 있다.
또한, 불필요한 냉각 구조를 제거하여 원가 절감이 가능하다. 또한, 전지팩(1000)의 높이 방향에 대한 부품의 개수가 줄어 들기 때문에 공간 활용도를 높일 수 있어 전지 모듈의 용량이나 출력을 증대시킬 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), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 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.
부호의 설명
100: 전지 모듈
110: 전지셀
200: 전지셀 적층체
700: 탄성부재

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀 적층체의 전면, 후면 및 양 측면을 커버하는 탄성부재를 포함하고,
    상기 탄성부재는 하부가 개방되어, 상기 전지셀 적층체의 하면이 외부로 노출되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 탄성부재는 상기 전지셀 적층체의 상기 전면, 상기 후면 및 상기 양 측면을 따라 연속적으로 이어지는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 전지셀은 돌출된 전극 리드를 포함하고,
    상기 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀 적층체의 상기 전면 및 상기 후면에 위치하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 전지셀들 사이에 위치한 냉각핀을 더 포함하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 냉각핀이 상기 전지 모듈의 하면으로부터 돌출되어 있는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 상기 전면과 상기 탄성부재 사이에 위치하는 제1 센싱 블록 및 상기 전지셀 적층체의 상기 후면과 상기 탄성부재 사이에 위치하는 제2 센싱 블록을 더 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 상기 양 측면과 상기 탄성부재 사이에 위치하는 측면 패드를 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제1항에 따른 전지 모듈;
    상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및
    상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 포함하고,
    상기 전지셀 적층체의 하면이 상기 열전도성 수지층과 접촉하는 전지팩.
  10. 제9항에서,
    상기 전지셀들 사이에 위치한 냉각핀을 더 포함하고,
    상기 냉각핀이 상기 전지셀 적층체의 하면으로부터 연장되어 상기 열전도성 수지층과 접촉하는 전지팩.
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