KR20210126514A - 전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 서로 교차하는 방향으로 결합하는 제1 부재와 제2 부재를 포함하고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 용접 결합하며, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 용접부는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 결합면을 기준으로 상기 제1 부재에 형성되는 제1 용접부, 및 상기 제2 부재에 형성되는 제2 용접부를 포함하며, 상기 제1 용접부와 상기 제2 용접부는 서로 비대칭인 모양을 갖는다.

Description

전지 모듈 및 그 제조 방법{BATTERY MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 용접에 의한 스패터 유입을 방지하는 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 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.

소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지셀을 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 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 프레임 부재를 포함할 수 있다.

도 1은 종래의 모듈 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 XZ평면을 따라 자른 단면도 일부를 나타내는 도면이다. 도 3은 도 2에서 용접 선(Welding line)이 오정렬되는 경우를 나타내는 도면이다.

도 1을 참고하면, 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체를 덮도록 전면과 후면이 개방된 모듈 프레임(10) 및 모듈 프레임(10)의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트(20)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임(10)은 U자형의 프레임(10a)과 U자형 프레임(10a)의 개방된 상부를 덮는 상부 플레이트(10b)를 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(20)는 모듈 프레임(10)의 일측을 덮는 전면 플레이트(20a)와 모듈 프레임(10)의 다른 일측을 덮는 후면 플레이트(20b)를 포함할 수 있다.

이러한 전지 모듈을 형성하기 위해, 상기 전지셀 적층체가 모듈 프레임(10) 내부에 장착된 상태에서, 모듈 프레임(10)의 U자형 프레임(10a)과 상부 플레이트(10b)를 결합하기 위해 용접 등을 할 수 있다.

도 2를 참고하면, 상부 플레이트(10b)와 U자형 프레임(10a)의 측면부 사이에 용접부(WP)가 형성될 수 있다. 이때, 용접부(WP)를 형성하기 위해서는 U자형 프레임(10a)의 측면부와 상부 플레이트(10b)의 접합면들이 서로 대응하여 위치하도록 U자형 프레임(10a)과 상부 플레이트(10b)를 고정시킬 필요가 있다. 다만 U자형 프레임(10a)과 상부 플레이트(10b)가 서로 면밀하게 대응하도록 고정하는 것에 한계가 있고, 이로 인해 상기 용접이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있다.

또한, 상기 용접을 위해 레이저 용접을 실시할 수 있는데, 용접 과정에서 관통된 레이저 자체나 용접 스패터(weld spatter)들로 인해 전지셀들을 비롯한 내부 부품에 손상이 가해질 수 있다. 도 3을 참고하면, 용접 선이 오정렬되는 경우에는 용접 스패터가 훨씬 많이 전지셀들이 위치하는 전지 모듈 내부로 유입되므로 더 큰 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 종래 기술의 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 용접에 의한 스패터 유입을 방지하는 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 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 서로 교차하는 방향으로 결합하는 제1 부재와 제2 부재를 포함하고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 용접 결합하며, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 용접부는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 결합면을 기준으로 상기 제1 부재에 형성되는 제1 용접부, 및 상기 제2 부재에 형성되는 제2 용접부를 포함하며, 상기 제1 용접부와 상기 제2 용접부는 서로 비대칭인 모양을 갖는다.

상기 전지 모듈은 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체, 및 상기 복수의 전지 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 더 포함하고, 상기 모듈 프레임은, 상부가 개방된 U자형 프레임, 및 상기 전지 셀 적층체를 덮으면서 상기 U자형 프레임과 결합하는 판상형 플레이트를 포함하고, 상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하며, 상기 제1 부재는 상기 판상형 플레이트고, 상기 제2 부재는 상기 측면부이다.

상기 결합면과 인접한 상기 판상형 플레이트의 일측면과 상기 측면부의 외측면은 나란하게 형성될 수 있다.

상기 판상형 플레이트의 일측에는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부에서 상기 판상형 플레이트와 상기 측면부의 결합면이 형성될 수 있다.

상기 전지 셀 적층체의 전면 및 후면에서 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은 서로 교차하는 방향으로 결합하는 제1 부재와 제2 부재를 용접 결합하는 단계를 포함하고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접 결합하는 단계는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 결합면에 틸팅(tilting)된 상태로 레이저 용접하며, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 결합면과 용접 조사빔의 조사 방향의 연장선이 교차한다.

상기 전지 모듈 제조 방법은, 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체를 상부가 개방된 U자형 프레임에 장착하는 단계, 및 상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 전지 셀 적층체를 판상형 플레이트로 덮는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접 결합하는 단계는, 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계를 포함한다.

상기 용접 조사빔은 상기 결합면을 기준으로 시프트된 위치에서 상기 U자형 프레임에 입사할 수 있다.

상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고, 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 것은 상기 측면부와 상기 판상형 플레이트를 용접 결합할 수 있다.

상기 결합면과 인접한 상기 판상형 플레이트의 일측면과 상기 측면부의 외측면은 나란하게 형성될 수 있다.

상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고, 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계는, 상기 측면부 상단에 상기 판상형 플레이트가 중첩된 상태에서 용접 공정이 진행될 수 있다.

상기 판상형 플레이트의 일측에는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부에서 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임의 결합면이 형성될 수 있다.

상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계는 N₂ 가스 분위기에서 수행될 수 있다.

상기 틸팅하는 각도는 13.5도 내지 21.5도일 수 있다.

상기 틸팅하는 각도는 15도 내지 20도일 수 있다.

상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계는, 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임 사이의 갭을 기준으로 듀얼 빔 레이저 용접하는 것을 포함할 수 있다.

실시예들에 따르면, 틸트 용접 공정에 의해 전지 모듈 내측으로 스패터(Spatter)가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 용접에 의해 전지셀 불량이 발생하는 것을 줄일 수 있다.

도 1은 종래의 모듈 프레임을 갖는 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 XZ평면을 따라 자른 단면도 일부를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에서 용접 선(Welding line)이 오정렬되는 경우를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법을 나타내는 도면들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법에서 틸팅 각도에 따른 인장 강도를 나타내는 그래프이다.

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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 분해 사시도이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.

도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 일방향으로 서로 마주하는 일측과 다른 일측이 개방된 모듈 프레임(500) 및 모듈 프레임(500)의 일측 및 다른 일측에서 모듈 프레임(500)과 결합되는 엔드 플레이트(150)를 포함한다. 모듈 프레임(500)은 y축 방향으로 개방된 양측을 제외하고 복수의 전지 셀이 적층되어 형성된 전지 셀 적층체를 덮고 있다.

본 실시예에 따른 모듈 프레임(500)은 U자형 프레임(300)과 U자형 프레임(300)의 개방된 상부를 덮는 상부 플레이트(400)를 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(150)는 모듈 프레임(500)의 일측을 덮는 전면 플레이트(150a)와 모듈 프레임(500)의 다른 일측을 덮는 후면 플레이트(150b)를 포함할 수 있다.

이러한 전지 모듈을 형성하기 위해, 상기 전지 셀 적층체가 모듈 프레임(500) 내부에 장착된 상태에서, 모듈 프레임(500)과 엔드 플레이트(150)를 정렬한 후, 모듈 프레임(500)의 개방된 일측 및 다른 일측을 정의하는 모서리 부분에 전면 플레이트(150a)와 후면 플레이트(150b)를 용접 결합할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 용접에 의한 결합부(CP)는 총 10군데일 수 있다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(110)을 포함하는 전지 셀 적층체(120), 상부면, 전면 및 후면이 개방된 U자형 프레임(300), 전지 셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(400), 전지 셀 적층체(120)의 전면과 후면에 각각 위치하는 엔드 플레이트(150) 및 전지 셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(150a, 150b) 사이에 위치하는 버스바 프레임(130)을 포함한다. 또, 전지 모듈(100)은 U자형 프레임(300)과 전지 셀 적층체(120) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(310)을 포함한다. 열전도성 수지층(310)은 일종의 방열층으로서, 방열 기능을 갖는 물질을 도포하여 형성할 수 있다.

U자형 프레임(300)의 개방된 양측을 각각 제1 측과 제2 측이라고 할 때, U자형 프레임(300)은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 전지 셀 적층체(120)의 면을 제외하고 나머지 외면들 중에서, 서로 인접한 전면, 하면 및 후면을 연속적으로 감싸도록 절곡된 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(300)의 하면에 대응하는 상면은 개방되어 있다.

상부 플레이트(400)는 U자형 프레임(300)에 의해 감싸지는 전면, 하면 및 후면을 제외한 나머지 상면을 감싸는 하나의 판상형 구조로 이루어져 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 U자형 프레임(300)은 바닥부(300a) 및 서로 마주보는 2개의 측면부(300b)를 포함한다. U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써 전지 셀 적층체(120)를 감싸는 구조를 형성할 수 있다. 즉, U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위에 용접 등의 결합 방법으로 형성된 결합부(CP)가 형성될 수 있다.

도 5에서 설명한 전지 셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착되기 전에, U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 열전도성 수지를 도포하고, 열전도성 수지를 경화하여 열전도성 수지층(310)을 형성할 수 있다.

열전도성 수지층(310)을 형성하기 이전에, 즉 상기 도포한 열전도성 수지가 경화되기 전에 전지 셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 수직한 방향을 따라 이동하면서 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착될 수 있다. 이후 열전도성 수지가 경화되어 형성된 열전도성 수지층(310)은 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)와 전지 셀 적층체(120) 사이에 위치한다. 열전도성 수지층(310)은 전지 셀(110)에서 발생하는 열을, 전지 모듈(100) 바닥으로 전달하고, 전지 셀 적층체(120)를 고정하는 역할을 할 수 있다.

전지 셀 적층체(120)는 일방향으로 적층된 복수의 전지 셀(110)을 포함하고, 복수의 전지 셀(110)은 도 5에 도시한 바와 같이 Y축 방향으로 적층될 수 있다. 다시 말해, 복수의 전지 셀(110)이 적층되는 방향은 U자형 프레임(300)의 2개의 측면부가 서로 마주보는 방향과 동일할 수 있다. 전지 셀(110)은 파우치형 전지 셀인 것이 바람직하다.

본 실시예에 따른 U자형 프레임(300)의 측면부(300b)와 상부 플레이트(400)의 폭은 서로 동일할 수 있다. 다시 말해, 상부 플레이트(400)에서 X축 방향을 따라 뻗는 모서리 부분과, U자형 프레임(300)의 측면부(300b)에서 X축 방향을 따라 뻗는 모서리 부분이 직접 만나서 용접 등의 방법에 의해 결합될 수 있다.

이하에서는 도 7 내지 도 11을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법 및 전지 모듈 구조에 대해 설명하기로 한다.

도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은 상부가 개방된 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 전지셀 적층체(120)를 적층하는 단계를 포함한다. 이때, 전지셀 적층체(120)에 포함된 복수의 전지셀(110)의 적층 방향과 수직한 방향(Z축 방향)으로 전지셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 삽입되는 것이 바람직하다.

본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은, 전지셀 적층체(120)를 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착하기 전에, 전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)의 전극 리드가 돌출된 방향과 반대 방향으로 버스바 프레임(130)을 이동하면서 전지셀 적층체(120)와 버스바 프레임(130)을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가로, 전지 모듈 제조 방법은, 전지셀 적층체(120)를 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 장착하기 전에 U자형 프레임(300)의 바닥부(300a)에 열전도성 수지를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은, 개방된 U자형 프레임(300) 상부에서 전지셀 적층체(120)를 덮도록 상부 플레이트(400)를 장착하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서는 수직 방향인 Z축 방향으로 상부 플레이트(400)를 U자형 프레임(300) 상부와 인접하게 배치한 후에 용접 등의 방법으로 결합하여 도 6과 같은 전지 모듈을 형성할 수 있다. 다만, 이러한 방식에 한정되지 않고 변형 실시예로, 판상형의 하부 플레이트를 바닥에 두고, 상기 하부 플레이트 상에 전지셀 적층체(120)를 장착한 후에, 하부가 개방된 U자형 프레임이 전지셀 적층체(120)를 덮도록 할 수 있다. 이때, 상기 하부 플레이트와 전지셀 적층체(120) 사이에 앞에서 설명한 열전도성 수지를 도포하여 형성된 열전도성 수지층을 형성할 수도 있다. 본 실시예에서는 수직 방향인 Z축 방향으로 하부가 개방된 상기 U자형 프레임의 하부를 상기 하부 플레이트와 인접하게 배치한 후에 용접 등의 방법으로 결합할 수 있다.

이때, 본 실시예에 따른 용접 방법에 대해 도 9 및 도 10을 참고하여 설명하도록 한다.

도 9는 도 6의 제1 절단면을 따라 자른 부분 단면도이다. 도 10은 도 9의 상부 플레이트의 함몰부를 나타내는 단면도이다.

도 9를 참고하면, 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임 측면부(300b)를 용접 결합하는 단계는, 측면부(300b) 상단에 상부 플레이트(400)가 중첩된 상태에서 용접 공정이 진행될 수 있다. 변형 실시예에 따르면, 앞에서 설명한 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임(300)을 포함하는 모듈 프레임 구조가, 판상형의 하부 플레이트와 하부가 개방된 U자형 프레임을 포함하는 모듈 프레임 구조로 대체될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임의 측면부(300b)를 용접 결합하는 단계는, 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임 측면부(300b)의 결합면(CS)이 틸팅(tilting)된 상태에서 레이저 용접할 수 있다. 또는, 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임(300)을 포함하는 모듈 프레임(500)을 고정한 상태에서, 용접 조사빔을 발사하는 레이저 광학계 자체를 틸팅하여 레이저 용접할 수도 있다.

이때, 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임 측면부(300b)의 결합면(CS)과 용접 조사빔의 조사 방향의 연장선이 교차할 수 있다. 도 9에 도시된 제1 지점(a)과 제2 지점(b) 사이를 용접 조사빔이 통과할 수 있다. 제1 지점(a)은 결합면(CS)의 가장 외곽에 위치하는 부분이고, 제2 지점(b)은 결합면(CS)의 가장 안쪽에 위치하는 부분이다. 용접 조사빔은 제1 지점(a)과 제2 지점(b) 사이를 통과하는 범위를 갖도록 틸팅되는 각도를 가질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 틸팅되는 각도는 대략 15도 내지 20도일 수 있다.

상기 용접 조사빔은 결합면(CS)을 기준으로 시프트(shift)된 위치에서 U자형 프레임의 측면부(300b)에 입사할 수 있다. 시프트된 위치는 상부 플레이트(400)를 기준으로 U자형 프레임 측면부(300b)의 아래 방향으로 이동한 위치이다. 결합면(CS)에서 아래 방향으로 시프트된 위치에서 용접 조사빔이 입사함에 따라 용접 선이 결합면(CS)을 통과할 가능성이 높아진다. 따라서, 용접 선이 오정렬되어도 결합면(CS) 주위에 충분한 인장 강도를 가질 수 있도록 용접부를 형성할 뿐만 아니라 전지 모듈 내부로 스패터가 유입될 가능성을 최소화할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법에서 틸팅 각도에 따른 인장 강도를 나타내는 그래프이다.

도 12를 참고하면, 틸팅 각도가 13.5도 내지 21.5도 사이의 범위에서 10kN 이상의 인장 강도를 가지기 때문에 외부 충격에도 충분히 견딜 수 있는 강한 인장 강도를 가질 수 있다. 바람직하게는 틸팅 각도가 15도 내지 20도일 수 있다.

상부 플레이트(400)와 U자형 프레임의 측면부(300b)를 용접 결합하는 단계는 N₂ 가스 분위기에서 수행될 수 있다. N₂ 가스 분위기에서 용접 시 스패터가 내부로 유입되는 것을 줄일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 용접은 레이저 용접일 수 있고, 변형 실시예로 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임 측면부(300b) 사이의 갭(gap)을 기준으로 듀얼 빔 레이저 용접을 할 수도 있다.

도 9를 다시 참고하면, 본 실시예에 따르면, 상부 플레이트(400)와 측면부(300b)의 용접부(WP)는 상부 플레이트(400)와 측면부(300b)의 결합면(CS)을 기준으로 상부 플레이트(400)에 형성되는 제1 용접부(WP1), 및 측면부(300b)에 형성되는 제2 용접부(WP2)를 포함한다. 이때, 제1 용접부(WP1)와 제2 용접부(WP2)는 서로 비대칭인 모양을 갖는다.

결합면(CS)과 인접한 상부 플레이트(400)의 일측면과 측면부(300b)의 외측면은 나란하게 형성될 수 있다. 다시 말해, 도 9에 도시된 바와 같이 상부 플레이트(400)의 일측면과 U자형 프레임 측면부(300b)의 외측면이 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 다만, 완전히 동일 평면 상에 위치하는 것에 제한되지는 않는다.

도 10을 참고하면, 상부 플레이트(400)의 일측에는 함몰부(DP)가 형성되고, 함몰부(DP)에서 도 9에 도시한 상부 플레이트(400)와 측면부(300b)의 결합면(CS)이 형성될 수 있다.

도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈 제조 방법은, 상부 플레이트(400)와 U자형 프레임의 측면부(300b)를 결합하는 단계 및 U자형 프레임의 개방된 양측에 각각 엔드 플레이트(150)를 결합하는 단계를 포함한다. 본 실시예에 따른 틸팅 용접은 엔드 플레이트(150)와 모듈 프레임 용접에서는 적용이 불필요하다. 왜냐하면, 엔드 플레이트(150)와 모듈 프레임 사이에는 별도의 스패터 방지 가드가 형성될 수 있어 스패터가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서는, U자형 프레임(300)의 측면부(300b)와 상부 플레이트(400)의 용접 결합된 구조를 한 예로 설명하였으나, 변형 실시예로 서로 교차하는 방향으로 결합하는 제1 부재와 제2 부재의 용접 결합 구조에도 본 발명이 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지팩을 형성할 수 있다.

앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 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 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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.

300: U자형 프레임
300a: 바닥부
300b: 측면부
400: 상부 플레이트
500: 모듈 프레임

Claims (16)

1. 서로 교차하는 방향으로 결합하는 제1 부재와 제2 부재를 포함하고,
   상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 용접 결합하며,
   상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 용접부는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 결합면을 기준으로 상기 제1 부재에 형성되는 제1 용접부, 및 상기 제2 부재에 형성되는 제2 용접부를 포함하며,
   상기 제1 용접부와 상기 제2 용접부는 서로 비대칭인 모양을 갖는 전지 모듈.
2. 제1항에서,
   복수의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체, 및
   상기 복수의 전지 셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 더 포함하고,
   상기 모듈 프레임은, U자형 프레임, 및 상기 U자형 프레임과 결합하는 판상형 플레이트를 포함하고,
   상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하며,
   상기 제1 부재는 상기 판상형 플레이트이고, 상기 제2 부재는 상기 측면부인 전지 모듈.
3. 제2항에서,
   상기 결합면과 인접한 상기 판상형 플레이트의 일측면과 상기 측면부의 외측면은 나란하게 형성되는 전지 모듈.
4. 제2항에서,
   상기 판상형 플레이트의 일측에는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부에서 상기 판상형 플레이트와 상기 측면부의 결합면이 형성되는 전지 모듈.
5. 제2항에서,
   상기 전지 셀 적층체의 전면 및 후면에서 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 더 포함하는 전지 모듈.
6. 서로 교차하는 방향으로 결합하는 제1 부재와 제2 부재를 용접 결합하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접 결합하는 단계는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 결합면에 틸팅(tilting)된 상태로 레이저 용접하며,
   상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 결합면과 용접 조사빔의 조사 방향의 연장선이 교차하는 전지 모듈 제조 방법.
7. 제6항에서,
   복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체를 U자형 프레임과 판상형 플레이트 사이에 장착하는 단계를 더 포함하고,
   상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접 결합하는 단계는, 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계를 포함하는 전지 모듈 제조 방법.
8. 제7항에서,
   상기 용접 조사빔은 상기 결합면을 기준으로 시프트된 위치에서 상기 U자형 프레임에 입사하는 전지 모듈 제조 방법.
9. 제8항에서,
   상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고,
   상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 것은 상기 측면부와 상기 판상형 플레이트를 용접 결합하는 전지 모듈 제조 방법.
10. 제9항에서,
    상기 결합면과 인접한 상기 판상형 플레이트의 일측면과 상기 측면부의 외측면은 나란하게 형성되는 전지 모듈 제조 방법.
11. 제7항에서,
    상기 U자형 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고,
    상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계는, 상기 측면부 상단에 상기 판상형 플레이트가 중첩된 상태에서 용접 공정이 진행되는 전지 모듈 제조 방법.
12. 제7항에서,
    상기 판상형 플레이트의 일측에는 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부에서 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임의 결합면이 형성되는 전지 모듈 제조 방법.
13. 제7항에서,
    상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계는 N₂ 가스 분위기에서 수행되는 전지 모듈 제조 방법.
14. 제7항에서,
    상기 틸팅하는 각도는 13.5도 내지 21.5도인 전지 모듈 제조 방법.
15. 제14항에서,
    상기 틸팅하는 각도는 15도 내지 20도인 전지 모듈 제조 방법.
16. 제7항에서,
    상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임을 용접 결합하는 단계는, 상기 판상형 플레이트와 상기 U자형 프레임 사이의 갭을 기준으로 듀얼 빔 레이저 용접하는 것을 포함하는 전지 모듈 제조 방법.
    

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