KR102088477B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 일단과 타단 중 하나 이상에서 좌우 방향으로 돌출된 형태로 구성된 돌출부를 구비하는 복수의 배터리 셀이 상하 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀군을 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀군 중에서 어느 하나의 배터리 셀군의 상기 돌출부 사이에 다른 배터리 셀군의 상기 돌출부가 삽입되어 결합되며, 인접한 배터리 셀군 간에 상하 방향으로 단차가 형성된 셀 어셈블리 및 상기 셀 어셈블리의 상부와 하부에 각각 배치된 엔드 플레이트를 포함한다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 셀군과 엔드 플레이트 사이 및 배터리 셀군과 쿨링 플레이트 사이 각각에 수용 공간과 이격 공간이 형성된 배터리 모듈에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 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.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 세간의 이목이 집중되고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 점차 크게 늘어나고 있는 실정이다. 그리고, 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩에는 다수의 이차 전지가 포함되며, 이러한 다수의 이차 전지들은 서로 직렬 및 병렬로 연결됨으로써 용량 및 출력을 향상시킨다.
한편, 배터리 팩에는 이차 전지 이외에 BMS(Battery Managememt System), 이차 전지의 전기적 신호를 측정하는 센싱 부품, 이차 전지의 스웰링을 제어하기 위한 탄성 부품 및 배터리 팩의 외부를 감싸는 플레이트 간을 체결시키는 체결 부품과 같은 다양한 부품을 포함하고 있다.
종래의 배터리 팩은 복수의 이차 전지가 적층된 배터리 셀군을 다수개 나열하여 셀 어셈블리를 구성하고, 셀 어셈블리 주변에 상술된 BMS, 센싱 부품, 탄성 부품 및 체결 부품을 수용하는 공간을 별도로 구획하고 있다.
이러한 종래의 배터리 팩은 좁은 공간에서 에너지 용량을 최대한으로 확보해야 하는 사양이 요구되는 경우, 상술한 바와 같이 셀 어셈블리의 주변에 다양한 부품들을 수용할 수 있는 공간을 구획함으로써, 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 배터리 셀군과 엔드 플레이트 사이에 수용 공간을 형성하여 배터리 모듈에 포함되는 탄성 부품 및 센싱 부품을 수용할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리 셀군과 쿨링 플레이트 사이에 이격 공간을 형성하여 엔드 플레이트와 쿨링 플레이트를 체결하는 체결부가 배치될 수 있는 배터리 모듈을 제공을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 일단과 타단 중 하나 이상에서 좌우 방향으로 돌출된 형태로 구성된 돌출부를 구비하는 복수의 배터리 셀이 상하 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀군을 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀군 중에서 어느 하나의 배터리 셀군의 상기 돌출부 사이에 다른 배터리 셀군의 상기 돌출부가 삽입되어 결합되며, 인접한 배터리 셀군 간에 상하 방향으로 단차가 형성된 셀 어셈블리 및 상기 셀 어셈블리의 상부와 하부에 각각 배치된 엔드 플레이트를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 배터리 모듈은 상기 단차로 인해 상기 복수의 배터리 셀군과 상기 엔드 플레이트 사이에 수용 공간이 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리 모듈은 상기 수용 공간에 수용되고, 상기 복수의 배터리 셀의 체적 증가로 가해지는 압력을 완충하는 탄성 부품을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리 모듈은 상기 수용 공간에 수용되고, 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 센싱하는 센싱 부품을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리 모듈은 상기 셀 어셈블리의 측면에 상하 방향으로 세워진 형태로 배치되는 쿨링 플레이트를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 쿨링 플레이트는 상기 셀 어셈블리와 접촉되는 내측면에 상기 돌출부가 삽입되도록 상기 돌출부의 형상에 대응하는 홈부가 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리 모듈은 상기 엔드 플레이트와 상기 쿨링 플레이트 사이의 이격된 이격 공간에 위치하고, 상기 엔드 플레이트와 상기 쿨링 플레이트를 체결시키는 체결부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리 모듈은 상기 복수의 배터리 셀군 중 어느 하나의 배터리 셀군의 돌출부 사이에 형성된 공간과 상기 어느 하나의 배터리 셀군과 인접한 다른 배터리 셀군의 돌출부는 상호 형합되는 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 돌출부는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 상단과 하단에서 중심으로 갈수록 더 돌출된 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 돌출부는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 중앙을 기준으로 상부와 하부가 상하 대칭된 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 스웰링 현상의 제어는 부품과 배터리 셀의 센싱을 수행하는 부품을 수용하기 위한 공간을 셀 어셈블리 외부에 별도로 구획하지 않고, 배터리 셀군과 엔드 플레이트 사이의 수용 공간에 수용시킴으로써 배터리 모듈의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리 모듈의 케이스 혹은 외곽에 배치되는 플레이트 간의 체결을 위한 부품을 셀 어셈블리 외부에 장착하지 않고, 쿨링 플레이트와 엔드 플레이트 사이의 이격 공간에 배치시킴으로써 배터리 모듈의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀군 간의 결합과 배터리 셀군과 쿨링 플레이트 간의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 엔드 플레이트가 결합되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀의 스웰링이 발생한 형상을 도시한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 전면을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링 플레이트와 체결부의 결합 전과 후를 도시한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 셀 어셈블리(100) 및 엔드 플레이트(200)를 포함할 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 복수의 배터리 셀(111)이 상하 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀군(110)을 구비할 수 있다.
여기서, 복수의 배터리 셀(111) 각각은 일단과 타단 중 하나 이상에서 좌우 방향으로 돌출된 형태로 구성된 돌출부(P1, P2)를 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 복수의 배터리 셀(111) 각각의 돌출부(P1, P2)는 복수의 배터리 셀(111) 각각의 상단과 하단에서 중심으로 갈수록 더 돌출된 형태로 형성될 수 있다. 즉, 돌출부(P1, P2)는 중심이 상단과 하단보다 더 돌출되어 형성될 수 있다.
이러한, 복수의 배터리 셀(111)은, 전극 조립체, 전해액 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다.
여기서, 전극 조립체는, 전극과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막(세퍼레이터)을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다.
복수의 배터리 셀(111)은, 내부 공간에 전극 조립체 및 전해액이 수납된 채로 파우치 외장재가 실링되는 형태로 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(111)은, 파우치 외장재로서 좌측 파우치(111-2)와 우측 파우치(111-3)를 구비할 수 있다. 이때, 좌측 파우치(111-2)와 우측 파우치(111-3) 각각에는 오목한 형태의 수납부(I)가 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 수납부(I)는 플레이트 형태의 파우치 외장재를 프레스 성형하여 형성되고, 프레스 성형하는 과정에서 수납부(I)의 외주가 경사진 경사면으로 형성될 수 있다. 이러한 파우치의 수납부(I)에는 전극 조립체(111-1)와 전해액이 수납될 수 있다. 또한, 좌측 파우치(111-2)와 우측 파우치(111-3)는 하나로 결합된 형태일 수 있으며, 좌측 파우치(111-2)와 우측 파우치(111-3)의 결합면 제외한 외주면에는 실링부(S)가 구비될 수 있다. 좌측 파우치(111-2)와 우측 파우치(111-3)는 결합면이 절곡되어 수납부(I) 내부에 전극 조립체(111-1)와 전해액을 수납하고, 상술된 실링부(S)가 열융착 등의 방식으로 서로 접착됨으로써, 전극 조립체(111-1)와 전해액이 수납된 상태로 수납부(I)가 밀폐될 수 있다.
이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀(111) 각각의 돌출부(P1, P2)는 복수의 배터리 셀(111) 각각의 상단과 하단에서 중심으로 갈수록 더 돌출된 형태로 형성될 수 있다.
특히, 셀 어셈블리(100)의 최외측에 위치하는 돌출부(P1)는 중심에서 외측으로 플레이트 형태의 연장 돌출된 실링부(S)가 형성될 수 있다.
이에 반해, 셀 어셈블리(100)의 내측에 위치하는 돌출부(P2)는 상단과 하단에서 중심으로 갈수록 더 돌출된 형태이지만 최외측에 위치하는 돌출부(P1)와 달리 플레이트 형태로 연장 돌출된 실링부(S)가 형성되지 않을 수 있다.
한편, 전극 조립체(111-1)의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드(111-4, 111-5)와 연결될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 전극 리드(111-4, 111-5)는 전방으로 돌출된 전극 리드(111-4)와 후방으로 돌출된 전극 리드(111-5)로 구성될 수 있다. 그리고, 전극 리드(111-4, 111-5)는 우측 파우치(111-2)와 좌측 파우치(111-3)의 실링부(S) 사이에 개재되어 파우치의 외부로 노출됨으로써, 배터리 셀(111)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
이러한 배터리 셀(111)의 구성에 대해서는, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항이므로, 보다 상세한 설명을 생략한다. 그리고, 본 발명에 따른 배터리 모듈에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 이차 전지가 채용될 수 있다.
한편, 배터리 셀(111)은, 복수 개가 각각 상하 방향으로 세워지는 형태로 배열되는 배터리 셀군(110)을 구성할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 배터리 셀(111)은, 2개의 넓은 면이 상하 측에 각각 위치하고, 전방과 후방 그리고 외측에는 실링부(S)가 위치하도록 대략 지면으로부터 수평하게 배치되는 형태로 구성될 수 있다. 다시 말해, 배터리 셀(111)의 좌측 파우치(111-2)와 우측 파우치(111-3)가 각각 상측과 하측측에 위치하도록, 이차 전지(100)는 수평 방향으로 배치될 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 배터리 셀(111)은, 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 상하 방향으로 평행하게 배열되어 배터리 셀군(110)을 구성할 수 있다.
이하, 배터리 셀군(110) 간의 결합에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀군 간의 결합과 배터리 셀군과 쿨링 플레이트 간의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 중에서 어느 하나의 배터리 셀군(110a)의 돌출부(P1a) 사이에 형성된 공간 C에는 복수의 배터리 셀군(110a) 중에서 다른 배터리 셀군(110b)의 돌출부(P1b)가 삽입되어 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)이 상호 결합될 수 있다. 이에 따라, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 중에서 다른 배터리 셀군(110b)의 돌출부(P1b) 사이에 형성된 공간 C'에는 어느 하나의 배터리 셀군(110a)의 돌출부(P1a)가 삽입될 수 있다.
이를 통해, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 간에는 상하 방향으로 인가되는 외력으로 인한 저항력이 향상됨으로써, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 간의 결합력을 향상시킬 수 있다.
상술된 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)의 돌출부(P1a, P1b) 간의 결합에 따라, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)는 지면으로부터 동일한 높이에 배치되지 않고, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)에 포함된 배터리 셀의 높이의 1/2만큼 단차가 발생할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 중에서 어느 하나의 배터리 셀군(110a)은 다른 배터리 셀군(110b) 보다 지면으로부터 배터리 셀의 높이의 1/2만큼 높게 배치될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 중에서 다른 배터리 셀군(110b)은 어느 하나의 배터리 셀군(110a) 보다 지면으로부터 배터리 셀의 높이의 1/2만큼 낮게 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 엔드 플레이트(200)를 더 포함할 수 있다.
상기 엔드 플레이트(200)는, 셀 어셈블리(100)의 상부와 하부에 위치하여 셀 어셈블리(100)의 상부와 하부를 커버할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)는 대략 판상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 엔드 플레이트(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 대략 직사각형 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
엔드 플레이트(200)는, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 셀 어셈블리(100)의 상부와 하부를 보호할 수 있다. 특히, 상기 엔드 플레이트(200)는, 스틸과 같은 금속 재질로 구성되어 우수한 강성을 확보할 수 있다.
특히, 엔드 플레이트(200)는, 셀 어셈블리(100)에 포함된 배터리 셀군(110) 중에서 일부 배터리 셀군과 접촉하여 셀 어셈블리(100)의 상부와 하부를 커버할 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 엔드 플레이트가 결합되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 엔드 플레이트(200a, 200b) 중에서 상부에 위치하는 상부 엔드 플레이트(200a)는 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 중에서 최상부 위치하는 배터리 셀군(110a)의 상부와 접촉하여 셀 어셈블리(100)의 상부를 커버할 수 있다. 또한, 엔드 플레이트(200a, 200b) 중에서 하부에 위치하는 하부 엔드 플레이트(200b)는 복수의 배터리 셀군(110a, 110b) 중에서 최하부 위치하는 배터리 셀군(110b)의 하부와 접촉하여 셀 어셈블리(100)의 하부를 커버할 수 있다.
이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 엔드 플레이트(200a)와 최하부 위치하는 배터리 셀군(110b) 사이에는 배터리 셀의 높이의 1/2만큼 단차를 갖는 수용 공간(a)이 형성될 수 있다. 또한, 하부 엔드 플레이트(200b)와 최상부 위치하는 배터리 셀군(110a) 사이에도 배터리 셀의 높이의 1/2만큼 단차를 갖는 수용 공간(a)이 형성될 수 있다.
이하 상술된 수용 공간(a)에 수용되는 부품들에 대해 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀의 스웰링이 발생한 형상을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 탄성 부품(300) 및 센싱 부품을 더 포함할 수 있다.
상기 탄성 부품(300)은 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상술된 수용 공간(a)에 수용되어 복수의 배터리 셀(111)의 체적 증가로 가해지는 압력을 완충할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탄성 부품(300)은 배터리 셀군(110)과 엔드 플레이트(200) 사이에 형성된 수용 공간(a)에 구비될 수 있으며, 배터리 셀군(110)과 엔드 플레이트(200)로 탄성력을 제공할 수 있다. 여기서, 본 실시예에 따른 상기 탄성 부품(300)은 이러한 배터리 셀군(110)과 엔드 플레이트(200) 간의 탄성 결합을 통해 판 스프링과 같은 탄성체로써 기능할 수 있다.
더 구체적으로 살펴 보면, 상기 탄성 부품(300)은 탄성적으로 변형 가능한 볼록부(310) 및 오목부(320)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 탄성 부품(300)은 상기 볼록부(310)와 상기 오목부(320)가 번갈아 반복되는 구조로 형성될 수 있다. 상기 볼록부(310)와 상기 오목부(320)가 번갈아 반복되는 구조란, 두 개의 볼록부들(310) 사이에 하나의 오목부(320)가 배치되며, 두 개의 오목부들(320) 사이에 하나의 볼록부(310)가 배치되는 구조가 반복되는 것을 의미할 수 있다.
이러한 상기 볼록부(310)와 상기 오목부(320)는 탄성 변형이 용이할 수 있게 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 이에 한정되는 아니며, 상기 볼록부(553)와 상기 오목부(557)는 반원 형상을 가지거나 상기 볼록부(554)와 상기 오목부(558)은 삼각 형상을 가질 수 있다. 상기 볼록부(310) 및 상기 오목부(320)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 탄성 변형이 가능하다면 기타 다른 형상도 또한 가질 수 있음은 물론이다.
이러한 상기 볼록부(310) 및 상기 오목부(320)는 각각, 엔드 플레이트(200)와 배터리 셀군(110)과 탄성 접촉할 수 있다.
이에 따라, 상기 탄성 부품(300)은 판 스프링으로써 기능할 수 있는 금속 재질의 조립체로 이루어질 수 있는 바, 복수의 배터리 셀(111)의 셀 스웰링을 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀군(110)과 돌출부(P1) 간의 결합을 통해 복수의 배터리 셀군(110)과 엔드 플레이트(200) 사이에 탄성 부품(300)을 수용할 수 있는 수용 공간(a)를 형성함으로써, 탄성 부품(300)을 배터리 셀(111) 사이에 삽입하여 배터리 모듈을 구성하는 경우보다 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상술된 수용 공간(a)에 센싱 부품을 수용할 수 있다.
보다 구체적으로, 센싱 부품은 본 발명에 따른 배터리 모듈에 형성된 수용 공간(a) 중에서 일부 수용 공간에 수용되어 복수의 배터리 셀(111)의 셀 전압을 측정하고, 측정된 전압값을 배터리 관리 시스템(BMS)으로 출력할 수 있다.
이러한 센싱 부품은 배터리 모듈의 과충전 내지 과방전을 방지하는데 사용하기 위한 배터리 셀(111)의 양단 전압값을 센싱하기 위하여 전류 센서, 퓨즈 등으로 구성될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 센싱 부품은, 배터리 셀(111)와 접촉되는 센싱 단자와 BMS의 접속 단자를 연결하는 와이어를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀군(110)과 돌출부(P1) 간의 결합을 통해 복수의 배터리 셀군(110)과 엔드 플레이트(200) 사이에 센싱 부품을 수용할 수 있는 수용 공간(a)를 형성함으로써, 배터리 모듈 내에 센싱 부품을 수용하기 위한 공간을 별도로 형성하지 않음으로써, 배터리 모듈의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 쿨링 플레이트(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 쿨링 플레이트(400)는 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리에 포함된 복수의 배터리 셀군(110)의 좌측과 우측에 배치될 수 있다. 따라서, 클링 플레이트(400)는, 배터리 모듈의 좌측과 우측에서 셀 어셈블리(100) 측으로 가해지는 진동이나 수분과 같은 물리적 또는 화학적 요소로부터 셀 어셈블리(100)를 보호할 수 있다.
상기 클링 플레이트(400)는, 열 전도성 재질로 구성될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100)에서 열이 발생한 경우, 발생된 열은 상기 클링 플레이트(400)를 통해 배터리 모듈의 외부로 전달될 수 있다. 예를 들어, 상기 클링 플레이트(400)는, 금속 재질로 구성될 수 있다.
상기 클링 플레이트(400)의 복수의 배터리 셀(111)을 향하는 내측에는 복수의 배터리 셀(111)가 안착될 수 있다. 이를 위하여, 상기 클링 플레이트(400)의 내측에는 도 5에 도시된 바와 같이, 홈부(410)이 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 클링 플레이트(400)의 내측에는 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)의 실링부(S)가 삽입될 수 있도록 실링부(S)의 형상에 대응하는 형상을 형성된 홈부(410)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 클링 플레이트(400)의 내측은 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)의 돌출부(P2) 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 클링 플레이트(400)는, 내측면에 돌출부(P2) 형상에 대응되도록 볼록부 및 오목부 반복되는 요철 구조가 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 클링 플레이트(400)의 볼록부는 상면이 지면에 평행하지 않고 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)의 돌출부(P2)에 대응되는 기울기로 기울어진 형태의 경사면을 가질 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)은 실링부(S)가 쿨링 플레이트(400)의 홈부(410)에 삽입 및 지지되고, 최대한 넓은 면적으로 상호 접촉하여 결합됨으로써, 복수의 배터리 셀(111)이 안정적으로 상하 방향으로 적층될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 복수의 배터리 셀(111)로부터 발생된 열이 클링 플레이트(400)로 직접 전도될 수 있으므로, 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있으며 복수의 배터리 셀(111) 사이 및 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)과 클링 플레이트(400) 사이에 쿨링 핀과 같은 냉각 부재를 구비하지 않을 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈의 부피 및 무게, 제조 비용 등이 더욱 감소되고, 조립성은 더욱 좋아질 수 있다.
한편, 클링 플레이트(400)와 셀 어셈블리(100) 사이에는, 열전달 물질(Thermal Interface Materials; TIM)이 개재될 수 있다. 특히, 클링 플레이트(400)의 내측 측면에는 요철부가 형성될 수 있는데, 이러한 요철부의 상면에는 열전달 물질이 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 클링 플레이트(400)의 상부로 셀 어셈블리(100)가 안착됨으로써, 클링 플레이트(400)와 셀 어셈블리(100) 사이에는 열전달 물질이 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전달 물질에 의해 이차 전지(110)와 클링 플레이트(400) 사이의 열전달 효과가 증대될 수 있다. 특히, 열전달 물질에 의해 이차 전지(110)와 클링 플레이트(400) 사이의 공기층이 제거되거나 감소될 수 있으므로, 이차 전지(110)의 열은 클링 플레이트(400)로 보다 많은 양이 보다 신속하게 배출될 수 있다. 더욱이, 열전달 물질은, 셀 어셈블리(100)가 안착되기 전에 클링 플레이트(400)의 상부에 겔과 같은 형태로 도포될 수 있다. 이 경우, 이차 전지(110)와 클링 플레이트(400) 사이의 공기층은 보다 확실하게 제거될 수 있다.
특히, 상기 열전달 물질은, 써멀 본드(thermal bond)일 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 써멀 본드에 의해 열전달 효율이 증대되는 한편, 클링 플레이트(400)와 셀 어셈블리(100) 사이의 결합성이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 조립 중에 써멀 본드에 의해 복수의 배터리 셀(111)의 기립 상태가 안정적으로 유지될 수 있으므로, 배터리 모듈의 조립성이 보다 향상될 수 있다.
한편, 상기 클링 플레이트(400)의 높이는 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀군(110a, 110b)의 높이 대응하는 높이로 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 클링 플레이트(400)와 엔드 플레이트(200a, 200b)가 이격됨으로써, 상기 클링 플레이트(400)와 엔드 플레이트(200a, 200b) 사이에 이격 공간(b)이 형성될 수 있다. 여기서, 이격 공간(b)는 상술된 수용 공간(a)와 같이, 배터리 셀의 높이의 1/2만큼 단차를 갖는 공간일 수 있다.
즉, 양측면에 위치하는 클링 플레이트(400)와 엔드 플레이트(200a, 200b) 사이에는 쿨링 플레이트(400)의 폭과 동일한 폭을 갖고 높이는 배터리 셀의 높이의 1/2인 이격 공간(b)이 형성될 수 있다.
이하 상술된 이격 공간(b)에 배치되는 구성에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 체결부(500)를 더 포함할 수 있다.
상기 체결부(500)는 상기 엔드 플레이트(200)와 상기 쿨링 플레이트(400) 사이의 이격된 이격 공간(b)에 위치하고, 상기 엔드 플레이트(200)와 상기 쿨링 플레이트(400)를 체결시키는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 체결부(500)는 상술된 이격 공간(b)의 형상에 대응되도록 수평 방향으로 길이가 긴 직육면체 형상으로 형성될 수 있다.
이러한, 체결부(500)는 스틸과 같은 금속 재질로 구성되며, 상기 엔드 플레이트(200)와 대향하는 면은 상기 엔드 플레이트(200)와 용접되고, 상기 쿨링 플레이트(400)와 대향하는 면은 상기 쿨링 플레이트(400)와 용접될 수 있다.
이때, 체결부(500)는 상기 엔드 플레이트(200)와 상기 쿨링 플레이트(400) 사이에 각각 마찰교반용접(Friction Stir Welding) 방식으로 용접될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 용접 과정에서 발생하는 열이나 변형으로 인해 배터리 모듈의 내부 구성요소가 손상 내지 파손되는 것을 막을 수 있다. 즉, 셀 어셈블리(100)에 포함된 배터리 셀(111)의 경우, 일정 수준 이상의 열이 가해지면 파우치 외장재나 전극판, 세퍼레이터 등이 손상될 우려가 있다. 하지만, 마찰교반용접 방식의 경우, 다른 용접 방식에 비해 입열이 높지 않기 때문에, 이러한 배터리 셀(111)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 마찰교반용접방식의 경우, 기존의 용융 용접에 비해 잔류 응력 및 열변형이 최소화되므로, 용접 부위의 기계적 특성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 마찰교반용접방식의 경우, 대략 모재 강도의 90%까지 강도 확보가 가능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 따른 배터리 모듈의 경우, 엔드 플레이트(200), 쿨링 플레이트(400) 및 체결부(500) 간 결합 강도가 안정적으로 확보될 수 있다.
한편, 도 8은 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 전면을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 상술된 일 실시예에 따른 배터리 모듈 대비 구성과 역할이 동일하나, 일 실시예에 따른 배터리 모듈과 다르게 셀 어셈블리(100)에 포함된 배터리 셀군(110)이 3개로 구성될 수 있다.
이때, 양측에 위치하는 배터리 셀군(110)의 배터리 셀은 도 4에 도시된 배터리 셀과 같이 쿨링 플레이트(400)와 접하는 면에만 실링부(S)가 형성되어 있으나, 중간에 위치하는 배터리 셀군(110)의 배터리 셀은 우측과 좌측면 모두 실링부가 형성되지 않을 수 있다.
이에 따라, 양측에 위치하는 배터리 셀군(110)의 돌출부(P1)은 각각 중간에 위치하는 배터리 셀군(110)의 돌출부(P1)과 기밀하게 접촉되어 상호 지지될 수 있다.
이를 통해, 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀군(110)과 엔드 플레이트(200) 사이에는 3개의 수용 공간(a)가 형성될 수 있으며, 이러한 수용 공간(a)에는 상술한 바와 같이 탄성 부품과 센싱 부품이 수용될 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링 플레이트와 체결부의 결합 전과 후를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 상술된 일 실시예에 따른 배터리 모듈 대비 구성과 역할이 동일하나, 쿨링 플레이트(400')와 체결부(500')의 체결 방식이 상이할 수 있다.
보다 구체적으로, 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 쿨링 플레이트(400')에는 후술되는 체결부(500')의 체결 돌기(510')이 삽입되는 체결 홈(420')이 내측으로 만입되어 형성될 수 있다.
체결 홈(420')은 체결부(500')의 표면중에서 쿨링 플리이트(400')를 대향하는 면에 체결 돌기(510')의 위치에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 체결 홈(420')은 체결 돌기(510')가 삽입 후 외부로 이탈되지 않도록 내측으로 갈수록 입구의 지름이 짧아지다가 길어지는 형상으로 형성될 수 있다.
이를 통해, 체결 홈(420')을 향해 상하 방향으로 이동 및 가압되어 삽입된 체결 돌기(510')는 가압되는 압력으로 체결 홈(420')의 끝단까지 삽입될 수 있다. 이에 따라, 체결 홈(420')의 끝단까지 삽입된 체결 돌기(510')는 체결 홈(420')의 걸림 턱에 걸려 체결 돌기(420')이 삽입된 방향의 반대 방향으로 외력이 인가되더라도 체결 돌기(510')가 체결 홈(420') 외부로 이탈되는 현상을 방지할 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 따르면, 체결부(500')와 쿨링 플리이트(400')를 간단히 상하로 이동 및 가압시키는 과정만으로 체결부(500')와 쿨링 플리이트(400')를 체결시킴으로써, 배터리 모듈을 제조하는 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 셀 어셈블리 110: 배터리 셀군
111: 배터리 셀 200: 엔드 플레이트
300: 탄성 부품 400: 쿨링 플레이트
500: 체결부 a: 수용 공간
b: 이격 공간 P1, P2: 돌출부

Claims (10)

  1. 일단과 타단 중 하나 이상에서 좌우 방향으로 돌출된 형태로 구성된 돌출부를 구비하는 복수의 배터리 셀이 상하 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀군을 구비하고, 상기 복수의 배터리 셀군 중에서 어느 하나의 배터리 셀군의 상기 돌출부 사이에 다른 배터리 셀군의 상기 돌출부가 삽입되어 결합되며, 인접한 배터리 셀군 간에 상하 방향으로 단차가 형성된 셀 어셈블리; 및
    상기 셀 어셈블리의 상부와 하부에 각각 배치된 상부 엔드 플레이트 및 하부 엔드 플레이트를 포함하며,
    상기 상부 엔드 플레이트는 상기 복수의 배터리 셀군 중에서 최상부 위치하는 배터리 셀군의 상부와 접촉하고, 상기 하부 엔드 플레이트는 상기 복수의 배터리 셀군 중에서 최하부 위치하는 배터리 셀군의 하부와 접촉하며,
    상기 단차로 인해 상기 상부 엔드 플레이트와 상기 최하부 위치하는 배터리 셀군 사이에 수용 공간이 형성되고, 상기 하부 엔드 플레이트와 상기 최상부 위치하는 배터리 셀군 사이에도 수용 공간이 형성되며,
    상기 수용 공간에는 상기 복수의 배터리 셀의 체적 증가로 가해지는 압력을 완충하는 탄성 부품 또는 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 센싱하는 센싱 부품이 수용된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 부품은 탄성적으로 변형 가능한 볼록부 및 오목부를 포함하는 판 스프링인 것을 특징으로로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 부품은 상기 배터리 셀과 접촉되는 센싱 단자와 배터리 관리 시스템(BMS)의 접속 단자를 연결하는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리의 측면에 상하 방향으로 세워진 형태로 배치되는 쿨링 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쿨링 플레이트는 상기 셀 어셈블리와 접촉되는 내측면에 상기 돌출부가 삽입되도록 상기 돌출부의 형상에 대응하는 홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 쿨링 플레이트의 높이는 상기 복수의 배터리 셀군의 높이와 동일한 높이여서 상기 쿨링 플레이트와 상기 상부 엔드 플레이트가 이격되고 상기 쿨링 플레이트와 상기 하부 엔드 플레이트가 이격됨으로써 상기 상부 엔드 플레이트와 상기 쿨링 플레이트 사이 및 상기 하부 엔드 플레이트와 상기 쿨링 플레이트 사이에 이격 공간이 형성되며,
    상기 배터리 모듈은 상기 이격 공간에 위치하고 상기 상부 엔드 플레이트와 상기 쿨링 플레이트 및 상기 하부 엔드 플레이트와 상기 쿨링 플레이트를 체결시키는 체결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀군 중 어느 하나의 배터리 셀군의 돌출부 사이에 형성된 공간과 상기 어느 하나의 배터리 셀군과 인접한 다른 배터리 셀군의 돌출부는 상호 형합되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 상단과 하단에서 중심으로 갈수록 더 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 중앙을 기준으로 상부와 하부가 상하 대칭된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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