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WO2021075689A1 - 전지 모듈 및 이를 포함한 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함한 전지 팩 Download PDF

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WO2021075689A1
WO2021075689A1 PCT/KR2020/010602 KR2020010602W WO2021075689A1 WO 2021075689 A1 WO2021075689 A1 WO 2021075689A1 KR 2020010602 W KR2020010602 W KR 2020010602W WO 2021075689 A1 WO2021075689 A1 WO 2021075689A1
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WO
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nut
bus bar
insertion chamber
battery
terminal
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Ceased
Application number
PCT/KR2020/010602
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English (en)
French (fr)
Inventor
이현재
성준엽
최용준
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
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Publication date
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Priority to US17/767,684 priority patent/US20230143556A1/en
Priority to EP20877566.8A priority patent/EP4020681A4/en
Priority to JP2022516144A priority patent/JP7371983B2/ja
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack, and more particularly, to a battery pack including a battery module electrically connected through a terminal connection structure.
  • secondary batteries are highly applicable according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density, they are commonly applied to electric vehicles or hybrid vehicles driven by electric drive sources, power storage devices, as well as portable devices. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency improvement in that they do not generate any by-products from the use of energy as well as the primary advantage of being able to drastically reduce the use of fossil fuels.
  • a battery pack applied to the electric vehicle or the like has a structure in which a plurality of cell assemblies including a plurality of unit cells are connected in series in order to obtain high output.
  • the unit cell can be repeatedly charged and discharged by an electrochemical reaction between constituent elements including a positive electrode and a negative electrode current collector, a separator, an active material, an electrolyte, and the like.
  • a battery pack by connecting a plurality of battery cells in series/parallel, first construct a battery module consisting of at least one battery cell, and then construct a battery pack by adding other components using at least one battery module. How to do it is common.
  • the number of battery modules included in the battery pack or the number of battery cells included in the battery module may be variously set according to a required output voltage or charge/discharge capacity.
  • a terminal connection structure may be fastened between adjacent battery modules, and in this case, a bolt and nut fastening structure may be applied.
  • a bolt and nut fastening structure may be applied.
  • precise position control is required, and as a result, relative assembly of the bolt may decrease and the defect rate may increase.
  • additional processes such as bonding and welding, were required to confine the nut to the battery module, leading to an increase in component prices.
  • a nut that is not fixed has been used, but in this case, problems such as detachment of the nut may occur.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery module capable of preventing the detachment of the nut while improving the assembleability of the bolt and the nut by creating a structure in which the nut can flow in the terminal connection structure between battery modules.
  • a battery pack configured by fastening a plurality of battery modules having such a nut structure to each other with a terminal connection structure.
  • the battery module includes at least a cell assembly including at least one battery cell, a terminal bus bar electrically connected to the electrode lead of the cell assembly, and the cell assembly.
  • a busbar assembly including a busbar frame covering from one side, and an insulating frame covering the busbar assembly from the outside, adjacent to the terminal busbar, and in a nut insertion chamber provided with a space inside the insulating frame And a nut to be mounted, and the insulating frame includes a protrusion protruding from a sidewall of the nut insertion chamber and contacting the nut.
  • the nut may have a size capable of flowing from side to side in the nut insertion chamber, and when the nut flows, the protrusion may be configured to open in an outer direction of the nut insertion chamber.
  • the nut may have a lower portion protruding from the body of the nut toward a side wall of the nut insertion chamber, and the jaw portion may interfere with the protrusion to limit the vertical flow of the nut.
  • a fastening hole is formed in the terminal busbar, and the nut may be mounted in the nut insertion chamber such that the screw hole at least partially overlaps the fastening hole.
  • the protrusion may include an inclined surface connected to the sidewall at an upper portion.
  • the nut insertion chamber and the protrusion may be formed together during the injection process of the insulating frame.
  • the protrusion may be formed on a side wall adjacent to the bus bar in the nut insertion chamber.
  • the protrusion may be formed on a branch protruding from an upper portion of the sidewall to a side and extending downward.
  • a battery pack including the plurality of battery modules and bolts that penetrate through the fastening holes of the terminal busbar and are screwed into the screw holes of the nuts may be provided.
  • the battery pack may include a terminal connection structure including an inter-module bus bar connecting terminal bus bars of adjacent battery modules, and the bolt may pass through the inter-module bus bar and be coupled to the nut.
  • the bolt may be fixed to the insulating frame through a screw hole of the nut.
  • a device including the at least one battery pack may be provided.
  • a nut is mounted on the outer terminal connection portion of the battery module to secure a space for flow, thereby improving the ease of fastening with bolts for connection with neighboring battery modules. Since precise position control is not required, the assembly speed can be improved, and the defect rate due to assembly errors can be reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a bus bar assembly, an insulating frame, and an end plate of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a view showing a state before a nut is positioned in a nut mounting chamber of an insulating frame of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a state in which a nut is located in a nut mounting chamber of an insulating frame of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a state in which a terminal connection structure is fastened to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a relative view of a bolt, a fastening hole of a terminal bus bar, a screw hole of a nut, and a fastening hole of a bus bar between modules in a process of assembling a terminal connection structure to a battery module according to an embodiment of the present invention and in the assembled state. It is a schematic diagram showing the location.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a bus bar assembly, an insulating cover, and an end plate of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a cell assembly and a bus bar assembly 150 on at least one side of a module case 135 that accommodates the cell assembly and forms the exterior of the battery module 100.
  • the bus bar assembly 150 may be configured by fixing the bus bar 151 to the outside of the bus bar frame 155 located on the side of the cell assembly in the direction in which the electrode lead is drawn out.
  • the electrode lead of the cell assembly may be electrically connected to the bus bar 151 through a slit formed in the bus bar frame 155.
  • the insulating frame 163 is located outside the bus bar assembly 150.
  • the insulating frame 163 is positioned adjacent to the bus bar assembly 150, and the end plate 165 covers the insulating frame 163 and is positioned outside the insulating frame 163.
  • Each of the insulating frame 163 and the bus bar frame 155 may be made of a non-conductive molded product, and the end plate 165 may be made of a metal material.
  • the battery cells constituting the cell assembly may be provided as a pouch-type secondary battery, and may be provided by being stacked in plural in the cell assembly.
  • the plurality of battery cells may be electrically connected to each other, and each of the battery cells may include an electrode assembly, a battery case accommodating the same, and an electrode lead protruding out of the battery case and electrically connected to the electrode assembly.
  • the battery module 100 may include various electronic components, and for example, may include an internal circuit board (ICB) and a battery management system (BMS). Electronic components such as the ICB and BMS board may be electrically connected to the plurality of battery cells.
  • ICB internal circuit board
  • BMS battery management system
  • the battery module 100 may form a module terminal portion so that a plurality of battery modules 100 may be adjacent to each other to be electrically coupled.
  • the battery module 100 may include terminal bus bars 153 located at the outermost sides of the bus bars fixed to the bus bar frame 155.
  • the terminal bus bar 153 includes a plate that is bent perpendicularly to the main surface of the bus bar frame 155 at the top, and a fastening hole may be formed in the plate.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 1
  • FIG. 4 is a view showing a state before a nut is placed in a nut mounting chamber of an insulating frame of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • 5 is a view showing a state in which a nut is located in a nut mounting chamber of an insulating frame of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • a nut insertion chamber 168 may be provided in the insulating frame 163 adjacent to the terminal bus bar 153. A space is provided in the nut insertion chamber 168 so that the nut 173 can be mounted, and the nut 173 is mounted in the nut insertion chamber 168.
  • the insulating frame 163 includes a protruding portion 1681 protruding from the side wall 1682 of the nut insertion chamber 168 and in contact with the nut 173.
  • the nut insertion chamber 168 has a substantially rectangular flat cross section, and the width of the nut 173 in the first direction may be smaller than the width of the nut insertion chamber 168 in the first direction.
  • the first direction may be defined as a direction parallel to the long side of the insulating frame 163.
  • the width of the nut 173 in the second direction may be the same as the width of the nut insertion chamber 168 in the second direction.
  • the width of the nut insertion chamber 168 in the second direction means the width between the most protruding portion of the protruding portion 1681 and the opposite wall. Therefore, basically, when the nut 173 is mounted in the nut insertion chamber 168, since it is in contact with the protruding portion 1681, it does not flow to the extent that it escapes within the nut insertion chamber 168.
  • the protrusion 1681 which is a component of the insulating frame 163 formed of an injection product
  • the protrusion 1681 may be formed at an end of the branch portion 1683 protruding from the top of the sidewall 1682 to the side and extending downward, as shown in FIG. 4.
  • the branch portion 1683 may be spaced apart from the side wall 1682 by an interval, and only the upper portion may have a configuration connected to the side wall 1802. With this configuration, since the allowance for the protrusion 1681 located at the end of the branch portion 1683 to open to the outside becomes larger, the degree of freedom of the nut 173 can be further increased.
  • An inclined surface extending from the side wall 1682 toward the nut 173 may be formed on the upper portion of the protrusion 1681. That is, when the nut 173 is inserted from the top, it can be more easily mounted in the nut insertion chamber 168 along the inclined surface.
  • the lower portion of the nut 173 has a jaw portion 1731 protruding from the body of the nut 173 toward the side wall 1682 of the nut insertion chamber 168, and the jaw portion 1731 interferes with the projection portion 1681 This prevents the nut 173 from flowing up and down.
  • the nut 173 when the nut 173 is assembled, it is possible to flow left and right while pushing the protruding part 1681, while at the same time, the vertical flow of the nut 173 is prevented by the combination of the protruding part 1681 and the jaw part 1731. Therefore, even before assembly, it is possible to prevent the nut 173 from being separated during a process or the like.
  • a terminal bus bar 153 may be positioned above the nut insertion chamber 168 in which the nut 173 is mounted. This position is set when the bus bar assembly 150 to which the terminal bus bar 153 is fixed and the insulating frame 163 provided with the nut insertion chamber 168 are coupled to each other.
  • a fastening hole is formed in the terminal bus bar 153, and when a bolt passes through the terminal bus bar 153 and is fastened to the nut 173, it may be fastened through the fastening hole.
  • the nut 173 is mounted in the nut insertion chamber 168 so that the screw hole at least partially overlaps the fastening hole. Accordingly, when the bolt is inserted into the nut 173 for electrical connection between the battery modules, it is possible to improve the ease of fastening and increase the working speed. This will be described later using a schematic diagram.
  • the nut insertion chamber 168 and the nut 173 inserted therein may be disposed one on both sides of the insulating frame 163 in the planar direction, that is, on both sides in the first direction.
  • Each terminal connection structure is fastened to the nuts 173 disposed on both sides through bolts, so that it can be used for electrical connection with the battery modules adjacent to both sides.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a state in which a terminal connection structure is fastened to a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII of FIG. 6.
  • a terminal connection structure 180 may be fastened to a module terminal portion to fasten adjacent battery modules 100.
  • the terminal connection structure 180 may be fixed to the end plate 165.
  • the module terminal portion may include a terminal bus bar 153 and a nut 173 mounted in the nut insertion chamber 168.
  • the end plate 165 is coupled with the insulating frame 163 and the bus bar assembly 150 to expose the terminal bus bar 153 fixed to the bus bar assembly 150, and a terminal connection fixed to the end plate 165 As the structure 180 is coupled to the terminal bus bar 153, coupling with neighboring battery modules may be achieved.
  • the terminal connection structure 180 includes an inter-module bus bar 185 providing electrical connection between neighboring battery modules and the inter-module bus bar 185 of each battery module 100. It may include a bolt 183 coupled to the bar 153. That is, the bolt 183 may be screwed into the screw hole of the nut 173 through the inter-module bus bar 185 and the terminal bus bar 153. In this case, the bolt 183 may pass through the fastening hole of the inter-module bus bar 185 and the fastening hole of the terminal bus bar 153, respectively, and may be coupled to the nut 173 mounted in the nut insertion chamber 168. In addition, the bolt 183 may pass through the screw hole of the nut 173 and be fixed to the insulating frame 163.
  • FIG. 8 is a relative view of a bolt, a fastening hole of a terminal bus bar, a screw hole of a nut, and a fastening hole of a bus bar between modules in a process of assembling a terminal connection structure to a battery module according to an embodiment of the present invention and in the assembled state. It is a schematic diagram showing the location.
  • the fastening holes of the inter-module bus bar 185 are still Since it is before coupling, it can be moved left and right to align it with the hole of the terminal bus bar 153.
  • the screw hole of the nut 173 when the nut 173 is fixed and there is no left-right flow, it is impossible to compensate.
  • the protrusion 1681 when the nut 173 is flowed by an external force, the protrusion 1681 can be opened to the outside and the position thereof can be moved to the original position.
  • the nut 173 can flow while pushing the protrusion 1681 in the nut insertion chamber 168, the nut 173 can move somewhat along the insertion position of the bolt 183. Therefore, precise control is not required to fasten the bolt 183 to the terminal bus bar 153 and the nut 173 for electrical connection of the adjacent battery module 100.
  • the nut 173 moves within the nut insertion chamber 168, and the screw hole of the nut 173 It is aligned with the end of the bolt 183 and can be fastened without interference between the bolt 183 and the nut 173.
  • the flow of the nut 173 is limited to some extent by the protrusions 1681, and during assembly, the bolt 183 is increased by increasing the degree of freedom of the nut 173 by slightly pushing the protrusions 1681 outward.
  • the tolerance and assembly tolerance of it is possible to ensure the fastening of the bolt 183 and the nut 173.
  • one or more of the battery modules may be electrically connected to each other through a terminal connection structure and packaged in a pack case to form a battery pack. That is, a plurality of battery modules can be electrically connected by fixing busbars between modules connecting terminal busbars of adjacent battery modules with bolts, thereby configuring a battery pack.
  • the battery module described above and the battery pack including the same can be applied to various devices.
  • a device may be applied to a vehicle such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto, and the present invention is applicable to various devices capable of using a battery module and a battery pack including the same. It belongs to the scope of the invention.
  • bus bar assembly 151 bus bar
  • terminal busbar 155 busbar frame 163: insulating frame 165: end plate
  • protrusion 180 terminal connection structure

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Abstract

본 기재의 전지 모듈은, 적어도 하나의 전지 셀을 포함하는 셀 조립체, 상기 셀 조립체의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 단자 버스바와, 상기 셀 조립체를 적어도 일측에서 커버하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 조립체, 및 상기 버스바 조립체를 외측에서 덮는 절연 프레임을 포함하고, 상기 단자 버스바에 인접하고, 상기 절연 프레임의 내부에 공간이 구비된 너트 삽입실에 실장되는 너트를 포함하고, 상기 절연 프레임은, 상기 너트 삽입실의 측벽으로부터 돌출되어 상기 너트와 접촉하는 돌출부를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함한 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 10월 14일자 한국 특허 출원 제10-2019-0127010호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈과 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로 단자 연결구조를 통해 전기적으로 연결된 전지 모듈을 포함한 전지 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지기 때문에, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 전기 자동차 등에 적용되는 전지 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀을 포함하는 다수의 셀 조립체를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 개수, 또는 전지 모듈에 포함되는 전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
복수의 전지 모듈을 서로 연결하기 위하여 단자 연결 구조물을 서로 이웃한 전지 모듈 간에 체결할 수 있으며, 이 때 볼트 및 너트 체결 구조가 적용될 수 있다. 그러나 전지 모듈에 완전히 고정된 너트에 볼트를 조립하기 위해서는 정밀한 위치 제어가 필요하며, 이로 인하여 상대적인 볼트의 조립성이 떨어지고 불량률이 높아질 수 있다. 뿐만 아니라 너트를 전지 모듈에 구속하기 위하여 본딩, 용접 등의 추가 공정이 필요하여 부품 가격의 상승을 초래하기도 하였다. 이를 해결하기 위해 고정되지 않은 너트를 사용하기도 하였으나, 이 경우 너트의 이탈 등의 문제도 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 간의 단자 연결구조에 있어 너트가 유동할 수 있는 구조를 만들어 볼트와 너트의 조립성을 향상시키는 동시에, 너트의 이탈을 방지할 수 있는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
또한 이러한 너트 구조를 갖는 복수의 전지 모듈들을 단자 연결 구조물로 서로 체결하여 구성된 전지 팩을 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, 본 기재의 전지 모듈은, 적어도 하나의 전지 셀을 포함하는 셀 조립체, 상기 셀 조립체의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 단자 버스바와, 상기 셀 조립체를 적어도 일측에서 커버하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 조립체, 및 상기 버스바 조립체를 외측에서 덮는 절연 프레임을 포함하고, 상기 단자 버스바에 인접하고, 상기 절연 프레임의 내부에 공간이 구비된 너트 삽입실에 실장되는 너트를 포함하고, 상기 절연 프레임은, 상기 너트 삽입실의 측벽으로부터 돌출되어 상기 너트와 접촉하는 돌출부를 포함한다.
상기 너트는 상기 너트 삽입실 내에서 좌우로 유동 가능한 크기를 갖고, 상기 너트의 유동시 상기 돌출부는 상기 너트 삽입실의 외측 방향으로 벌어지도록 구성될 수 있다.
상기 너트는 하부에 상기 너트의 본체로부터 상기 너트 삽입실의 측벽을 향해 돌출된 턱부를 갖고, 상기 턱부는 상기 돌출부와 간섭하여 너트의 상하 유동을 제한할 수 있다.
상기 단자 버스바에 체결 구멍이 형성되고, 상기 너트는 나사 구멍이 상기 체결 구멍과 적어도 일부분 중첩하도록 상기 너트 삽입실 내에 실장될 수 있다.
상기 돌출부는 상부에 상기 측벽과 연결되는 경사면을 포함할 수 있다.
상기 너트 삽입실 및 상기 돌출부는 상기 절연 프레임의 사출 공정시 함께 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 상기 너트 삽입실에 있어서 상기 버스바에 인접한 측벽에 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 상기 측벽의 상부로부터 측면으로 돌출되어 하부로 연장된 가지부에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 전지 모듈과, 상기 단자 버스바의 체결 구멍을 관통하여 상기 너트의 나사 구멍에 나사 결합되는 볼트를 포함하는 전지 팩이 제공될 수 있다.
상기 전지 팩은, 인접한 상기 전지 모듈의 단자 버스바를 연결하는 모듈간 버스바를 구비한 단자 연결 구조물을 포함하고, 상기 볼트는 상기 모듈간 버스바를 관통하여 상기 너트에 결합될 수 있다.
상기 볼트는 상기 너트의 나사 구멍을 관통하여 상기 절연 프레임에 고정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스가 제공될 수 있다.
실시예에 따르면, 전지 모듈의 외측 단자 연결부에 너트가 실장되어 유동할 수 있는 공간을 확보함으로써 이웃한 전지 모듈과의 연결을 위한 볼트와의 체결 용이성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 볼트와 너트의 정밀한 위치 제어가 필요하지 않기 때문에 조립 속도를 향상시킬 수 있으며, 조립의 오류로 인한 불량률을 줄일 수 있다.
나아가, 조립의 용이성을 위해 너트가 유동하더라도 상하로의 유동은 제한하여 너트가 이탈하는 등의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 버스바 조립체, 절연 프레임 및 엔드 플레이트를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 III-III 선을 따라 잘라서 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 절연 프레임의 너트 실장실에 너트가 위치하기 전의 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 절연 프레임의 너트 실장실에 너트가 위치하는 상태를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 단자 연결 구조물이 체결된 상태를 도시한 사시도이다.
도 7는 도 6의 VII-VII 선을 따라 잘라서 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 단자 연결 구조물이 조립되는 과정 및 조립된 상태에서 볼트, 단자 버스바의 체결 구멍, 너트의 나사 구멍, 및 모듈간 버스바의 체결 구멍의 상대적인 위치를 나타낸 모식도이다.
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.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 버스바 조립체, 절연 커버 및 엔드 플레이트를 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 셀 조립체와 이를 수용하며 전지 모듈(100)의 외관을 형성하는 모듈 케이스(135)의 적어도 일측에 버스바 조립체(150)와 절연 프레임(163)을 포함한다. 버스바 조립체(150)는 셀 조립체의 전극 리드가 인출되는 방향의 측면에 위치한 버스바 프레임(155)에 버스바(151)가 외측을 향해 고정되어 구성될 수 있다. 셀 조립체의 전극 리드는 버스바 프레임(155)에 형성된 슬릿을 통과하여 버스바(151)와 전기적으로 연결될 수 있다. 절연 프레임(163)은 버스바 조립체(150)의 외측에 위치한다. 절연 프레임(163)는 버스바 조립체(150)와 인접하게 위치하고, 엔드 플레이트(165)는 절연 프레임(163)를 덮으며 그 외측에 위치한다.
절연 프레임(163)과 버스바 프레임(155)은 각각 비전도성 사출물로 이루어질 수 있고, 엔드 플레이트(165)는 금속 재료로 이루어질 수 있다.
셀 조립체를 구성하는 전지 셀은 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있고, 셀 조립체 내에 복수 개로 적층되어 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 전지 셀들은 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 전지 셀 각각은 전극 조립체와 이를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드를 포함할 수 있다.
또한, 전지 모듈(100)은 각종 전장 부품들을 포함할 수 있으며, 일례로 ICB (Internal Circuit Board) 및 BMS (Battery Management System) 등을 포함할 수 있다. 상기 ICB 및 BMS 보드 등의 전장 부품들은 상기 복수 개의 전지 셀들과 전기적으로 연결될 수 있다.
전지 모듈(100)은 복수 개가 서로 이웃하여 전기적으로 결합될 수 있도록 모듈 단자부를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 전지 모듈(100)은 버스바 프레임(155)에 고정되는 버스바들 중에서 양쪽 최외곽에 위치한 단자 버스바(153)를 구비할 수 있다. 단자 버스바(153)는 상단에서 버스바 프레임(155)의 주된 면에 대하여 수직하게 절곡되는 플레이트를 포함하여, 상기 플레이트에 체결 구멍이 형성될 수 있다.
도 3은 도 1의 III-III 선을 따라 잘라서 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 절연 프레임의 너트 실장실에 너트가 위치하기 전의 상태를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 절연 프레임의 너트 실장실에 너트가 위치하는 상태를 도시한 도면이다.
절연 프레임(163) 내에 단자 버스바(153)와 인접하여 너트 삽입실(168)이 구비될 수 있다. 너트 삽입실(168)에는 너트(173)가 실장될 수 있도록 공간이 마련되고, 너트(173)는 너트 삽입실(168)에 실장된다. 본 실시예에서 절연 프레임(163)은 너트 삽입실(168)의 측벽(1682)으로부터 돌출되어 너트(173)와 접촉하는 돌출부(1681)를 포함한다. 너트 삽입실(168)은 대략 직사각형의 평단면을 가지며, 너트(173)의 제1 방향 폭은 너트 삽입실(168)의 제1 방향 폭보다 더 작게 형성될 수 있다. 여기서 제1 방향은 절연 프레임(163)의 장변에 나란한 방향으로 정의될 수 있다. 또한 너트(173)의 제2 방향 폭은 너트 삽입실(168)의 제2 방향의 폭과 동일하게 형성될 수 있다. 여기서, 너트 삽입실(168)의 제2 방향의 폭은, 돌출부(1681)의 가장 돌출된 부분과 반대쪽 벽 사이의 폭을 의미한다. 따라서, 기본적으로 너트(173)가 너트 삽입실(168)에 실장되어 있을 때, 돌출부(1681)와 접촉하고 있기 때문에, 너트 삽입실(168) 내에서 이탈할 정도로 유동하지는 않게 된다.
또한, 사출물로 형성된 절연 프레임(163)의 일 구성인 돌출부(1681)의 경우, 너트(173)의 유동에 의해 힘이 가해질 경우, 외측으로 벌어질 수 있어서, 너트(173)가 좌우 방향으로 유동할 수 있을 정도의 공간을 제공할 수 있다. 따라서, 너트(173)의 삽입 구멍에 볼트를 삽입할 때, 좌우 방향으로 유동 가능하도록 하여 너트(173)의 자유도(Degree of Freedom)는 높일 수 있다.
돌출부(1681)는 도 4에 도시한 바와 같이 측벽(1682)의 상부로부터 측면으로 돌출되어 하부로 연장된 가지부(1683)의 단부에 형성될 수 있다. 가지부(1683)는 측벽(1682)과의 사이에서 간격을 두고 이격되어 있을 수 있고, 상부만 측벽(1682)과 연결된 구성을 가질 수 있다. 이러한 구성에 의해, 가지부(1683)의 단부에 위치한 돌출부(1681)가 외부로 벌어질 수 있는 여유분이 더욱 커지기 때문에 이에 따라 너트(173)의 자유도도 보다 높일 수 있다.
돌출부(1681)의 상부에는, 측벽(1682)로부터 너트(173)를 향하여 연장된 경사면이 형성될 수 있다. 즉, 상부로부터 너트(173)가 삽입될 때에, 경사면을 따라 너트 삽입실(168)에 보다 용이하게 실장될 수 있다.
한편, 너트(173)의 하부에는 너트(173)의 본체로부터, 너트 삽입실(168)의 측벽(1682)을 향해 돌출된 턱부(1731)를 갖고, 턱부(1731)는 돌출부(1681)와 간섭하여 너트(173)가 상하로 유동하는 것을 방지한다. 이에 의해, 너트(173)가 조립시에는 돌출부(1681)를 밀어내면서 좌우로 유동이 가능하게 되면서도, 동시에 너트(173)의 상하 유동은 돌출부(1681)와 턱부(1731)의 결합에 의해 방지되기 때문에, 조립되기 이전이라도 공정 등의 과정에서 너트(173)가 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
너트(173)가 실장된 너트 삽입실(168) 상부에는 단자 버스바(153)가 위치할 수 있다. 이는 단자 버스바(153)가 고정된 버스바 조립체(150)와 너트 삽입실(168)이 구비된 절연 프레임(163)가 서로 결합할 때 위치가 설정된다. 단자 버스바(153)에는 체결 구멍이 형성되는데, 볼트가 단자 버스바(153)를 관통하여 너트(173)에 체결될 때 상기 체결 구멍을 통해 체결될 수 있다. 그리고 너트(173)는 나사 구멍이 상기 체결 구멍과 적어도 일부분 중첩하도록 너트 삽입실(168) 내에 실장된다. 이로써 전지 모듈간의 전기적 연결을 위해 볼트를 너트(173)에 삽입할 때 체결 용이성을 향상시킬 수 있으며 작업 속도를 높일 수 있다. 이에 대해서는 모식도를 활용하여 후술한다.
이러한 너트 삽입실(168)과 이에 삽입되는 너트(173)는 절연 프레임(163)의 평면 방향의 양쪽, 즉 제1 방향으로 양쪽에 하나씩 배치될 수 있다. 양쪽에 배치된 너트(173)에 각각 단자 연결 구조물이 볼트를 통해 체결되어 양쪽으로 이웃한 전지 모듈과의 전기적 연결에 이용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 단자 연결 구조물이 체결된 상태를 도시한 사시도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII 선을 따라 잘라서 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 인접한 전지 모듈(100)의 체결을 위해 모듈 단자부에 단자 연결 구조물(180)이 체결될 수 있다. 단자 연결 구조물(180)은 엔드 플레이트(165)에 고정될 수 있다. 모듈 단자부는 단자 버스바(153)와 너트 삽입실(168)에 실장되는 너트(173)를 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(165)는 절연 프레임(163) 및 버스바 조립체(150)와 결합하면서 버스바 조립체(150)에 고정된 단자 버스바(153)를 노출시키고, 엔드 플레이트(165)에 고정되는 단자 연결 구조물(180)이 단자 버스바(153)에 결합되면서 이웃한 전지 모듈과의 결합을 달성할 수 있다.
도 7을 참조하면, 단자 연결 구조물(180)은 이웃한 전지 모듈 사이의 전기적 연결을 제공하는 모듈간 버스바(185)와 이 모듈간 버스바(185)를 각 전지 모듈(100)의 단자 버스바(153)와 결합시키는 볼트(183)를 포함할 수 있다. 즉, 볼트(183)는 모듈간 버스바(185) 및 단자 버스바(153)를 관통하여 너트(173)의 나사 구멍에 나사 결합될 수 있다. 이 때 볼트(183)는 모듈간 버스바(185)의 체결 구멍과 단자 버스바(153)의 체결 구멍을 각각 통과하여 너트 삽입실(168) 내에 실장된 너트(173)에 결합될 수 있다. 그리고 이러한 볼트(183)는 너트(173)의 나사 구멍을 관통하여 절연 프레임(163)에 고정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 단자 연결 구조물이 조립되는 과정 및 조립된 상태에서 볼트, 단자 버스바의 체결 구멍, 너트의 나사 구멍, 및 모듈간 버스바의 체결 구멍의 상대적인 위치를 나타낸 모식도이다.
조립 전에, 너트(173)의 나사 구멍, 단자 버스바(153) 및 모듈간 버스바(185)의 체결 구멍들의 상대적인 위치가 다소 틀어질 경우, 우선 모듈간 버스바(185)의 체결 구멍은 아직 결합 전이므로 좌우로 이동하여 단자 버스바(153)의 구멍과 정렬할 수 있다. 그런데 너트(173)의 나사 구멍의 경우, 너트(173)가 고정되어 좌우 유동이 전혀 되지 않는 경우 보완이 불가능하다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 의하면, 외력에 의해 너트(173)를 유동시키면, 돌출부(1681)가 외측으로 벌어지면서 그 위치를 정위치로 이동시킬 수 있다. 즉, 너트 삽입실(168) 내에서 돌출부(1681)를 밀어내면서 너트(173)가 유동할 수 있기 때문에 너트(173)는 볼트(183)의 삽입 위치를 따라서 다소간 이동할 수 있다. 그러므로 이웃한 전지 모듈(100)의 전기적 연결을 위해 볼트(183)를 단자 버스바(153)와 너트(173)에 체결하기 위하여 정밀한 제어를 하지 않아도 된다. 단자 버스바(153) 및 모듈간 버스바(185)의 체결 구멍 내로 볼트(183)의 단부를 삽입함에 따라 너트(173)가 너트 삽입실(168) 내에서 이동하여 너트(173)의 나사 구멍이 볼트(183)의 단부와 정렬되어 볼트(183)와 너트(173) 간에 간섭 없이 체결될 수 있다. 즉, 조립 전에는 돌출부(1681)에 의해 너트(173)의 유동을 어느 정도 제한하다가, 조립시에는 돌출부(1681)를 외측으로 다소 밀어내는 것에 의해 너트(173)의 자유도를 증가시킴으로써 볼트(183)의 공차 및 조립 공차를 흡수하여 볼트(183)와 너트(173)의 체결성을 보장할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 단자 연결구조물을 통하여 서로 전기적으로 연결되면서 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다. 즉, 서로 인접한 전지 모듈의 단자 버스바를 연결하는 모듈간 버스바를 볼트를 이용하여 고정함으로써 복수의 전지 모듈을 전기적으로 연결할 수 있으며, 이로써 전지 팩을 구성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 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 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
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 135: 모듈 케이스
150: 버스바 조립체 151: 버스바
153: 단자 버스바 155: 버스바 프레임 163: 절연 프레임 165: 엔드 플레이트
168: 너트 삽입실 173: 너트
1681: 돌출부 180: 단자 연결 구조물
183: 볼트

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 전지 셀을 포함하는 셀 조립체;
    상기 셀 조립체의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 단자 버스바와, 상기 셀 조립체를 적어도 일측에서 커버하는 버스바 프레임을 포함하는 버스바 조립체; 및
    상기 버스바 조립체를 외측에서 덮는 절연 프레임
    을 포함하고,
    상기 단자 버스바에 인접하고, 상기 절연 프레임의 내부에 공간이 구비된 너트 삽입실에 실장되는 너트를 포함하고,
    상기 절연 프레임은, 상기 너트 삽입실의 측벽으로부터 돌출되어 상기 너트와 접촉하는 돌출부를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 너트는 상기 너트 삽입실 내에서 좌우로 유동 가능한 크기를 갖고, 상기 너트의 유동시 상기 돌출부는 상기 너트 삽입실의 외측 방향으로 벌어지도록 구성되는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 너트는 하부에 상기 너트의 본체로부터 상기 너트 삽입실의 측벽을 향해 돌출된 턱부를 갖고, 상기 턱부는 상기 돌출부와 간섭하여 너트의 상하 유동을 제한하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 단자 버스바에 체결 구멍이 형성되고,
    상기 너트는 나사 구멍이 상기 체결 구멍과 적어도 일부분 중첩하도록 상기 너트 삽입실 내에 실장된 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 돌출부는 상부에 상기 측벽과 연결되는 경사면을 포함하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 너트 삽입실 및 상기 돌출부는 상기 절연 프레임의 사출 공정시 함께 형성되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 돌출부는 상기 너트 삽입실에 있어서 상기 버스바에 인접한 측벽에 형성되어 있는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 돌출부는 상기 측벽의 상부로부터 측면으로 돌출되어 하부로 연장된 가지부에 형성되어 있는 전지 모듈.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩에 있어서,
    상기 단자 버스바의 체결 구멍을 관통하여 상기 너트의 나사 구멍에 나사 결합되는 볼트를 포함하는 전지 팩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    인접한 상기 전지 모듈의 단자 버스바를 연결하는 모듈간 버스바를 구비한 단자 연결 구조물을 포함하고,
    상기 볼트는 상기 모듈간 버스바를 관통하여 상기 너트에 결합되는, 전지 팩.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 볼트는 상기 너트의 나사 구멍을 관통하여 상기 절연 프레임에 고정되는, 전지 팩.
  12. 제 9 항에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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