KR20030057482A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20030057482A
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Abstract

배터리 모듈은 적층 오버코트를 갖는 배터리 셀 (16), 한 쌍의 압력판들 (14), 및 배터리 모듈의 내부로부터 외부로의 한 쌍의 하우징 (11) 부재들을 포함한다. 4개의 폴들 (13) 을 갖는 매개 부재 (12) 는 압력판 (14) 과 배터리 셀 (16) 의 중심 영역의 하우징 부재 (11) 사이에 끼워넣어져, 배터리 셀 (16) 의 주위 영역상의 스트레스 집중을 완화시킨다. 매개 부재 (12) 는 압력판 (14) 으로부터 분리되어 또는 압력판 (14) 과 합체되어 형성될 수 있다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것이며, 특히 평탄한 보조 배터리를 포함하 모듈 배터리에 관한 것이다.
반복적인 충전과 방전 동작이, 배터리 셀의 전극들 사이에 들어가서 보조 배터리의 성능을 열화시키는 내부 가스의 발생을 야기한다는 점에서 보조 배터리는 결점을 갖는다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 특히, 적층 오버코트를 갖는 보조 배터리 셀이 배테리 몸체의 전극들 사이의 갭을 확대하는 내부 가스에 기인하여 오버코트내에 체적 증가를 갖게되어, 보조 배터리의 성능을 열화시킨다.
적층 오버코트을 갖는 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈내의 상기 문제를 해결하기 위해, 가스 발생을 억제하는 기능을 갖는 전해 용액 및/또는 배터리 셀의 전극 갭의 증가를 억제하는 구성된 셀 구조가 일반적으로 이용된다. 그러나, 그러한 전해 용액은 실제로 보조 배터리의 긴 수명 동안의 가스 발생에 기인한 체적 증가를 효과적으로 방지하지 못한다. 또한, 전극 갭의 증가를 억제하는 구성된 구조는 단위 셀당 무게를 증가시켜, 보조 배터리 또는 그러한 복수의 보조 배터리들을 포함하는 모듈의 전류 저장 용량을 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은, 배터리 셀들의 체적 증가를 효과적으로 방지할 수 있고 적은 무게를 갖는 복수의 평탄한 보조 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 모듈의 확대된 사시도.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 모듈의 확대된 사시도.
도 3 은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배터리 모듈의 확대된 사시도.
도 4 는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 배터리 모듈의 확대된 사시도.
도 5 는 또 다른 종래의 배터리 모듈의 확대된 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 ; 하우징 부재
13 ; 폴
14 : 압력판
16 : 배터리 셀
본 발명은 배터리 셀, 배터리 셀을 사이에 끼워넣는 한 쌍의 압력 플레이트, 압력 플레이트들의 쌍과 배터리 셀을 그 내부에 수용하는 하우징, 및 압력 플레이트들의 각각과, 압력 플레이트들의 각각의 중앙 영역에서 하우징의 대응 부분 사이에 위치한 매개 부재를 포함하고, 상기 하우징은 압력 플레이트들을 서로 압축하는배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 배터리 모듈에 따르면, 압력 플레이트와 압력 플레이트의 중앙 부분의 하우징의 대응 부분 사이의 매개 부재의 제공은 배터리 셀의 주위 영역상에 가해지는 압력의 감소를 가능하게 하고, 하우징이 휨을 갖는다고 하더라도 배터리 셀은 압력 플레이트에 의해 거의 균일한 압력으로 가해진다.
본 발명의, 상기 및 다른 목적들, 특징들, 및 이점들이 첨부 도면을 참조하여 다음 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 전에, 종래의 기술들의 결점이 본 발명을 더 잘 이해하도록 하기 위해 설명될 것이다.
통상, 배터리 모듈에 대한 종래의 박스 하우징의 단순한 구조가 박스 하우징의 두께를 증가시켜 기계적 강도를 상승시킴으로써 배터리 셀의 체적 증가를 억제할 수 있다. 그러나, 이 구조는 배터리 모듈의 무게를 전체적으로 증가시켜, 전류 배터리 모듈의 단위 무게당 저장 용량을 감소시킨다. 반면, 더 적은 무게를 갖는 배터리 모듈은 휨과 같은 변형에 기인한 배터리 셀의 체적 증가를 억제할 수 없으므로, 체적 증가 및 배터리 성능의 열화를 일으킨다.
도 4 를 참조하면, 종래의 배터리 모듈은 평탄한 보조 배터리 셀 (16), 배터리 셀 (16) 을 사이에 끼워넣는, 고무로 제조된 한 쌍의 탄성판 (15), 및 그 내부에 탄성판 (15) 및 평탄한 배터리 셀 (16) 을 수용하는 견고한 박스 하우징 (18) 을 포함한다. 충전물 (19) 은 탄성판 (15) 과 견고한 하우징 (18) 사이의 갭에 위치한다. 배터리 셀 (16) 은 적층 오버코트 및 그 내부에 수용되고, 캐쏘드,제 1 분리기, 애노드, 및 제 2 분리기를 각각 포함하는 복수의 조합들을 갖는 반복 구조를 갖는 배터리 몸체를 를 포함한다. 고무판들 (15) 은 종래의 배터리 모듈들의 일부에서 생략된다.
상기의 종래의 배터리 모듈에서, 내부 가스가 배터리의 반복적인 충전과 방전 동작에 기인하여 발생된다면, 내부 가스는 탄성판들 (15) 및 충전물 (19) 에 의한 외부 압력에 대하여 배터리 셀 (16) 내의 체적 증가를 야기한다. 이 압력 증가는 배터리 셀들의 전극들 사이의 갭의 발생에 기인한 배터리 특성들의 열화를 야기한다.
도 5 를 참조하여, 또 다른 종래의 배터리 모듈은 배터리 셀 (16), 그 내부에 배터리 셀 (16) 을 끼워넣는 한 쌍의 탄성판들 (15), 및 충전물 (19) 의 매개로 탄성판들 (15) 을 사이에 끼워넣는, 한 쌍의 하우징 부재들 (11) 또는 커버판들을 포함하는 하우징을 포함한다. 하우징 부재들 (11) 의 쌍은 하우징 부재 (11) 의 쌍을 그 주위에서 서로에 대하여 압축하는 스크루 및 너트 (도면에 미도시) 에 의해 적용되는 기계적 힘에 의해 함께 조합된다.
도 5 에 도시된 또 다른 종래의 배터리 모듈의 구조에서, 하우징 부재 (11) 의 주위에서 스크루 및 너트에 의해 적용되는 기계적 힘은 하우징 부재 (11) 의 휨에 기인하여 배터리 셀 (16) 에 그 주위에서 적용된다. 탄성판들 (15) 가 배터리 셀 (16) 의 주위 영역상의 기계적 힘의 집중을 완화시킬 수 있지만, 기계적 힘의 집중 자체는 여전히 어느정도 남아있게 된다. 내부 가스가 배터리 셀 (16) 의 반복적인 충전 및 방전 동작에 기인하여 발생될 때, 하우징 부재들 (11) 은 체적 증가를 겪게 되고, 하우징 부재 (11) 의 중심 영역은 스크루들 및 너트들에 의한 주위 영역에 적용되는 기계적 힘에 기인하여 그 주위 부분에 관하여 상승된다. 이것은 배터리 셀 (16) 의 주위 영역에서 더 큰 스트레스를 야기하고, 배터리 몸체의 전극들 사이의 더 큰 갭을 야기한다.
배터리 셀 (16) 의 주위 영역에서의 큰 스트레스는 분리기의 모서리의 손상에 관련될 것이므로, 배터리 셀 (16) 에서 단락 회로 장애를 발생한다. 장애의 원인은 하우징의 샌드위칭 구조 (sandwiching structure) 로부터 발생하고, 금속판 또는 두꺼운 수지판으로 제조된 견고한 하우징을 이용하여 방지될 수 있다. 그러나, 둘 중 어느 경우에 있어서, 견고한 하우징은 무게 및 비용을 증가시키고, 배터리 모듈의 단위 무게 당 전류 저장 용량을 감소시킨다.
이상의 관점에서, 배터리 셀 (16) 은 반복적인 충전 및 방전 동작에의해 야기된 체적 증가를 피하기 위해 적절한 압력으로 압축된다. 또한, 하우징 부재들 (11) 을 이용하여 그러한 적절한 압력을 얻기 위해, 배터리 셀 (16) 의 주위의 스트레스 집중과 관련없이 휨에 대한 하우징 부재들 (11) 의 반작용력을 이용하는 것이 필요하다. 이것은 균일한 압력이 배터리 셀상에 가해질 필요가 있고, 무거운 금속판 또는 두꺼운 수지판을 이용하지 않고 달성되어야 한다.
이하, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 그 바람직한 실시예들에 기초하여 더 상세히 설명될 것이다. 도 1 을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 모듈은 적층 오버코트, 및 종래 배터리 모듈에서 설명된 바와 같은 반복 구조를 갖는 배터리 몸체를 포함하는 배터리 셀 (16), 배터리 셀 (16) 을 사이에 끼워넣는한 쌍의 고무판들 (15), 압력판들 (14) 을 사이에 끼워넣는 한 쌍의 하우징 부재 (14), 한 쌍의 압력판들 (14) 과 배터리 셀 (16), 및 압력판들 (14) 의 각각과 압력판들 (14) 의 중심 영역의 하우징 부재들 (11) 중 대응하는 것 사이에 위치한 매개부재 (12) 을 포함한다. 이 실시예의 매개 부재 (12) 는 4개의 폴 (pole) 들, 또는 직각형의 4개의 꼭지점에 위치한 직사각형 프리즘들 (13) 을 포함한다. 하우징 부재들 (11) 의 쌍은 하우징 부재 (11) 들의 주위에 나타나지 않는 볼트들 및 너트들을 통해 조합된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 하우징 부재 (11), 또는 상부 또는 하부 커버들은 그 휨에 기인하여 수직 방향으로 압력을 가하기 위한 기능을 갖는다. 직사각형 프리즘 (13) 들은 압력판 (15) 을 향해 압력을 전달하고, 압력은 배터리 셀 (16) 의 제조의 부정확성에 의해 야기될 수 있는, 압력판들 (14) 의 주위 영역에서의 집중을 완화한다. 압력판들 (14) 은 배터리 셀 (16) 의 제조의 부정확성에 의해 야기될 수 있는 압력의 불균일성을 완화하는 기능을 갖는 고무판들 (15) 을 통해 압력을 배터리 셀 (16) 에 압력을 가한다. 직사각형 프리즘들 (13) 의 수 및 배치는 압력판들 (14) 이 중심 영역과 주위 영역 사이의 가능한 균일한 압력으로 배터리 셀 (16) 을 압축할 수 있도록 변경되고 선택될 수 있다.
주위 영역의 배터리 셀 (16) 에 대한 압력의 집중을 완화시키는 배터리 모듈의 구조는 하우징 부재 (11) 에 대한 재료가 큰 디자인의 선택으로 선택된다. 즉, 하우징 부재들 (11) 은 적층 필름들과 같은 가벼운 재료로 제조되고, 무거운 금속판 또는 두꺼운 수지판으로 제조될 필요는 없다.
본 실시예의 배터리 모듈들의 재료들은 수지 재료들, 금속들, 또는 합금들일 수 있고, 외부 힘, 무게, 체적, 및 단위 무게당 저장 용량과 같은 배터리 모듈의 성능을 고려하여 선택되어야 한다. 높은 견고성 또는 높으 기계적 강도를 갖는 모듈을 원한다면, 모듈은 금속 또는 합금으로 제조되어야 하지만, 이는 모듈의 무게를 어느 정도 증가시킬 수 있다. 적은 무게를 갖는 배터리 모듈을 원한다면, 배터리 모듈은 수지 재료로 제조되어야 하지만, 이는 금속으로 제조된 모듈과 비교하여 어느 정도 그 견고성 또는 기계적 강도를 감소시킬 수 있다.
실시예들의 샘플들이 제조되었다. 선택된 배터리 모듈의 샘플들에 대한 기본적인 재료는 스테인리스 스틸이다. 하우징 부재 (11) 은 폭이 100mm이고, 길이가 150mm이며, 두께가 3mm이고, 매개 부재 (12) 내의 4개의 직사각형 프리즘 (13) 의 각각은 폭이 10mm이고, 길이가 20mm이며, 두께가 2mm이고, 압력판 (14) 은 폭이 80mm이고, 길이가 134mm이며, 두께가 3mm이고, 고무판은 폭이 70mm이고, 길이가 124mm이며, 두께가 1.5mm이다. 고무판 (15) 은 높은 탄성 계수를 갖는 플로오린 기초 재료의 스폰지로 제조된다. 배터리 셀 (16) 은 비수용성 전해 용액이 주입되고 캐쏘드, 제 1 분리기, 애노드 및 제 2 분리기, 및 그 내부에 배터리 몸체를 수용하고 적층 필름들로 제조된 적층 오버코트를 각각 포함하는 조합들의 반복적으로 쌓여진 구조 배터리 몸체를 포함한다. 배터리 셀은 폭이 90mm이고, 길이가 140mm이며, 두께가 4mm인 한편, 배터리 몸체는 폭이 70mm이고,길이가 124mm이며, 두께가 3.8mm이다. 적층 오버코트는 두께가 100㎛이다.
샘플 배터리 모듈들의 제조시에, 배터리 셀 (16), 고무판들 (15), 압력판들(14) 및 매개 부재들 (13) 은 외부 힘이 가해지고, 그에 의해 휘어지는 한 쌍의 하우징 부재들 사이에 끼워넣어진다. 매개 부재 (12) 내의 직사각형 프리즘들 (13) 의 위치들은 압력판들 (14) 에 거의 균일한 압력이 가해지도록 조정된다. 가해진 압력의 균일성 및 가해진 외부 힘의 크기는 고무판 (15) 와 배터리 셀 (16) 사이에 끼워넣어진 압력 감지 종이 (pressure sensitive paper) 에 의해 측정된다.
이상의 샘플들에서, 40kgf 및 80kgf 로 가해진 외부 힘들의 경우에 대해, 배터리 셀 (16) 의 배터리 몸체가 배터리 셀 (16) 의 주위에서 스트레스 집중을 받는다는 것은 관찰되지 않았다. 즉, 배터리 셀 (16) 은 거의 균일한 압력을 갖는 고무판들 (15) 사이에 끼워넣어진다. 이것은 서로의 위에 쌓여진 복수 (이 예서는, 2 내지 4) 의 배터리 셀 (16) 들의 경우에 관찰되었다. 상기의 외부 힘들 40kgf 및 80kgf은 배터리 셀의 단위 영역당 로드에 관하여 각각 0.0kgf/cm2및 1.0kgf/cm2에 대응한다.
샘플 배터리 모듈들은 충전 및 방전 사이트 테스트를 받게되고, 여기서 일정 전류 접촉 전압 (constant current contact voltage) 테스트들이 45℃의 끓는점에서 4.2 볼트 및 2.5 볼트의 터미널 전압들 사이에서 500 사이클로 실행된다. CCCV 테스트들의 결과들이 표 1 에 나타나고, 보조 배터리의 전류 저장 용량에 대한 비 (용량 잔여 비 (%)) 가, 0.5kgf/cm2(샘플 1) 및 1.0kgf/cm2(샘플 2) 외부 압력들의 각각이 경우들에 대해, 초기 전류 저장 용량에 대한 각각의 특정의 수의 충전 및 방전 사이클들 후에 각각의 특정의 수의 사이클들에 대해 구성된다. 이샘플들과의 비교에 대해, 도 4 및 도 5 에 도시된 종래의 기술들에 대응하는 비교예들은 또한 CCCV 테스트들을 받게된다.
도 4 에 도시된 비교예 1 는 충전물 (19) 로서 그 사이의 갭에 위치되는 우레탄 수지와 함께 그 내부에 보조 배터리 (16) 를 수용하는 두께가 1mm인 알루미늄 캔 하우징 (18) 을 갖는다. 도 5 에 도시된 비교예 2 는 스테인리스스틸로 제조되고, 플루오르 기초 재료의 한 쌍의 1mm 두께의 스폰지 시트들 (15) 을 통해 배터리 셀 (16) 을 사이에 끼워넣는 3mm 두께의 한 쌍의 하우징 부재 (11) 또는 상부 및 하부 커버를 갖는다. 양 비교예들이 약 80kgf의 양 외부 압력을 받게되어, 외부 힘이 하우징 부재 (11) 의 휨에 기인하여 배터리 셀 (16) 의 배터리 몸체의 주위 영역상에 집중된다.
표 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예의 샘플들의 배터리 모듈들은 종래의 배터리 모듈들에 대하여 특성들을 개선시킨다. 특히, 이 샘플들은 도 4 에 도시된 종래의 배터리 모듈들에 대하여 용량 잔여 비에 관해 약 500 사이클 후 약 10% 만큼 특성들을 개선시킨다.
<표 1>
도 2 를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 모듈들에 대한 재료 및 매개 부재의 구조외에는 제 1 실시예와 유사하다. 특히, 선택된, 본 발명에 대한 배터리 모듈에 대한 기본 재료는 기계적 강도를 개선하기위한 유리 섬유를 포함하는 유리 에폭시 수지이다. 매개 부재 (12) 는 피라미드 부분의 형상을 갖는 압력판과 합체된다.
제 2 실시예의 샘플들은 하우징 부재 (11) 가 폭이 100mm이고, 길이가 150mm이며, 두께가 5mm가 되고, 압력판 (17) 이 폭이 10mm이고, 길이가 10mm인 상부면 및 폭이 80mm이고, 길이가 130mm이며, 최대 두께가 3mm인 하부면을 가지며, 고무판 (15) 이 폭이 73mm이고, 길이가 124mm이며, 두께가 1.5mm이 되도록 제조된다. 고무판 (15) 는 높은 탄성계수를 갖는 플루오르 기초 재료의 스폰지로 제조된다. 평탄한 배터리 셀 (16) 은 적층 하우징을 갖고, 제 1 실시예의 샘플들에서 이용되는 것과 유사하다.
외부 힘 (20) 이 하우징 부재 (11) 및 하우징 부재 (11) 에 위치한 중심에 위치한 압력판 (17) 에 가해진다. 압력판 (17) 의 상부면의 두께 및 사이즈는 균일한 압력이 배터리 셀 (16) 에 가해지도록 디자인된다. 압력의 균일성 및 외부 압력의 크기는 고무판 (15) 과 배터리 셀 (16) 사이에 끼워넣어진 압력 감지 시트로 측정된다.
외부 힘이 8kgf와 80kgf 사이에서 변하지만, 배터리 셀 (16) 의 주위 영역상에 가해진 힘의 집중은 관찰되지 않으므로, 균일한 압력이 배터리 셀 (16) 에 가해진다. 이것은 서로의 위에 쌓여진 복수 (이 예에서는, 2 내지 4) 의 배터리 셀(16) 의 경우에 관찰된다. 따라서, 가해지는 외부 힘은 0.1kgf/cm2내지 1.0 kgf/cm2에 대응한다.
사이클 (CCCV) 테스트들은 배터리 셀 (16) 에 가해지는 0.1kgf/cm2(샘플 3), kgf/cm2(샘플 4), 0.5kgf/cm2, 및 1 kgf/cm2(샘플 5) 압력의 각각의 경우에 대해서 제 2 실시예의 샘플들에 대해 실행된다. 사이클 테스트의 조건은 제 1 실시예의 샘플들과 유사하다. 사이클 테스트의 결과들이 표 2 에 나타난다.
<표 2>
표 1 및 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 배터리 모듈의 샘플들이 종래의 배터리 모듈과 비교하여 또한 500 사이클 후 최대로 용량 잔여 비를 약 10% 만큼 개선시킨다. 특히, 0.1kgf/cm2만큼 낮게 가해진 압력은 용량 잔여 비에 있어서 약 5%의 개선을 달성할 수 있다.
도 3 을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배터리 모듈은, 직렬 전기적으로 접속되고 4개의 레벨로 쌓여지며 5개의 배터리 스택을 포함하는 열 (train) 로서 배치되는 20개의 배터리 셀 (16) 들을 포함한다.
배터리 셀 (16) 은 전체적으로, 피라미드 형상의 부분을 갖고, 한 쌍의 하우징 부재들 (11) 사이에 끼워넣어지는 한 쌍의 압력판들 (17) 사이에 끼워넣어진다. 배터리 모듈은 충전 및 방전 동작후 훌륭한 특성을 갖고, 배터리 모듈에 이용되는 수지 재료에 기인하여 더 작은 무게를 갖는다.
상기 실시예들이 단지 예로서 설명되었기 때문에,본 발명은 상기 실시예들에 제한되지 않고, 다양한 변경들 또는 변형들이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 그로부터 용이하게 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리 셀들의 체적 증가를 효과적으로 방지할 수 있고 적은 무게를 갖는 복수의 평탄한 보조 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈을 제공된다.

Claims (10)

  1. 배터리 셀 (16);
    상기 배터리 셀 (16) 을 사이에 끼워넣는 한 쌍의 압력판들 (14) 을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 한 압력판들 (14) 및 상기 배터리 셀 (16) 을 내부에 수용하며, 상기 배터리 셀 (16) 을 고정하기 위해 상기 압력판들 (14) 을 서로를 향해 압축하는 하우징 (11);
    상기 각각의 압력판들 (14) 과, 각각의 상기 압력판들 (14) 의 중심 영역의 상기 하우징 (11) 의 대응 부분 사이에 위치한 매개 부재 (12) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 (16) 은 적층 하우징; 및
    캐쏘드, 제 1 분리기, 애노드, 및 제 2 분리기를 각각 포함하는 복수의 조합들의 반복적인 구조를 갖는 배터리 몸체를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 매개 부재 (12) 는 복수의 폴 (pole) 들 (13) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 폴들 (13) 은 직사각형의 4개의 꼭지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 매개 부재는 상기 압력 부재들 (17) 의 각각과 합체되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 압력 부재 (17) 는 주위 영역에서 보다 상기 중심 영역에서 더 큰 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력판들 (14, 17) 의 각각 및 상기 하우징 (11) 의 대응 부분은 상기 하우징 (11) 의 대응 부분의 휨에 기인하여 상기 주위 영역에서 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 (16) 은 상기 압력판 (17) 들의 쌍 사이에서 연이어 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 (16) 은 서로의 위에 쌓여지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 (11) 은 함께 결합되는 한 쌍의 하우징 부재들 (11) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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