KR20160016497A - 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 구조가 간단하고 부피 및 무게가 낮으며 효율적인 냉각 성능이 확보될 수 있는 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 배열된 복수의 이차 전지; 및 양 단부가 상호 연결된 다수의 단위 프레임을 구비하며, 상기 단위 프레임 사이의 내부 공간에 상기 이차 전지를 수용하고, 상기 수용된 이차 전지의 하부가 상기 단위 프레임 중 하부 단위 프레임의 상부에 안착되며, 상호 수평 방향으로 배열되어 적층된 복수의 카트리지를 포함한다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구조가 간단하고 부피 및 무게가 낮으며 효율적인 냉각 성능이 확보될 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
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 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 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.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
하지만, 파우치형 이차 전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않고, 그 자체만으로 적층 상태를 유지하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 카트리지를 이용하는 경우가 많다.
카트리지는 보통 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태로 구성되는 경우가 많으며, 이때 4개의 변 부분이 파우치형 이차 전지의 외주부를 감싸도록 구성된다. 그리고, 이러한 카트리지는 배터리 모듈을 구성하기 위해 다수가 적층된 형태로 이용되며, 이차 전지는 카트리지가 적층되었을 때 생기는 내부의 빈 공간에 위치할 수 있다.
일반적으로 기존 배터리 모듈의 경우 냉각 성능을 확보하기 위해 직 간접 수냉, 공냉 등 다양한 방법을 적용하고 있다. 그런데, 일반적으로 기존 배터리 모듈의 경우 충 방전 시 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각을 하기 위한 공간을 마련하거나 추가적인 냉각 부재를 결합하여 사용한다. 특히, 종래 냉각 방식의 경우 냉매의 유동 또는 열전도를 위한 셀 커버 또는 냉각 플레이트와 같은 금속 재질의 냉각 부재를 사용하는 경우가 많다.
하지만, 이러한 냉각 부재를 추가로 구비하거나, 냉각을 위한 공간을 마련하는 경우 일정 공간이 필요하게 되어 배터리 모듈의 전체적인 부피가 증가할 수밖에 없고 구조를 복잡하게 만드는 단점 또한 가지고 있다. 따라서, 배터리 모듈 제조 시, 공정성이 떨어지고, 소형화에 한계가 있으며, 제조 비용 및 시간도 증가시키는 문제점이 있다.
더욱이, 냉각 부재는 일반적으로 전기 전도성 재질의 금속을 사용하는 경우가 많으므로, 배터리 모듈에 냉각 부재를 구비하기 위해서는 전지 셀과의 절연을 신경써야 한다. 따라서, 이러한 절연을 위한 구성 등을 마련하기 위해 배터리 모듈의 구조는 더욱 복잡해질수 밖에 없고, 부피 및 비용 또한 증가하게 되는 문제점이 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내부에 냉각 플레이트와 같은 냉각 부재나 냉각을 위한 공간을 없애거나 크게 줄일 수 있어 구조가 단순하고 소형화에 유리하며 제조 비용이 감소될 수 있으면서도, 효율적인 냉각 성능이 확보될 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 배열된 복수의 이차 전지; 및 양 단부가 상호 연결된 다수의 단위 프레임을 구비하며, 상기 단위 프레임 사이의 내부 공간에 상기 이차 전지를 수용하고, 상기 수용된 이차 전지의 하부가 상기 단위 프레임 중 하부 단위 프레임의 상부에 안착되며, 상호 수평 방향으로 배열되어 적층된 복수의 카트리지를 포함한다.
여기서, 상기 카트리지는, 적어도 일부분이 열전도성 고분자를 포함하거나, 또는 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 적어도 상기 하부 단위 프레임이 상기 열전도성 재료로 구성될 수 있다.
또한, 상기 이차 전지는, 하부가 상기 하부 단위 프레임의 상부에 안착되고, 상부가 상부 단위 프레임의 하부에 접촉될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 내면의 적어도 일부가 상기 이차 전지의 외면의 적어도 일부에 대응되는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 이차 전지는, 하부의 적어도 일부가 하부로 갈수록 폭이 좁아지게 형성되고, 상기 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임의 적어도 일부가 상부로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임에 2개의 경사면이 형성되어, 각 경사면에 서로 다른 이차 전지의 하부가 안착될 수 있다.
또한, 상기 이차 전지는, 파우치형 이차 전지일 수 있다.
또한, 상기 이차 전지는, 적어도 하부 실링부가 폴딩되어 상기 카트리지의 하부 단위 프레임의 상부에 안착될 수 있다.
또한, 상기 복수의 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임의 높이가 서로 다르게 구성된 적어도 2종류의 카트리지를 구비하며, 상기 2종류의 카트리지는 서로 교호적으로 배치되고, 상기 하부 실링부는, 2종류의 카트리지 중, 상대적으로 높이가 낮은 하부 단위 프레임의 상부에 안착될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임의 좌측부와 우측부의 높이가 서로 다르게 구성되고, 높이가 낮은 부분에 상기 하부 실링부가 안착될 수 있다.
또한, 복수의 이차 전지 중 최외측에 위치하는 이차 전지는, 실링부가 내측 방향으로 폴딩될 수 있다.
또한, 상기 복수의 이차 전지는, 상호 간 좌측면 및 우측면이 대면 접촉하도록 적층될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 좌측면 및 우측면에 상호 대응되는 형태로 요철 구조가 형성될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈의 구조를 단순화하고, 크기를 줄이며, 효율적인 냉각 성능이 확보되도록 할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 카트리지가 열전도성 재질로 구성되어, 카트리지만으로 이차 전지의 고정과 함께 냉각이 이루어질 수 있으므로, 배터리 모듈 내부에 냉각 플레이트와 같은 냉각용 부재를 포함하지 않을 수 있다.
따라서, 이러한 냉각 부재가 차지하는 공간이나 이러한 냉각 부재를 고정시키기 위한 공간 등을 없애거나 줄일 수 있으므로, 컴팩트한 배터리 모듈 구조를 달성하는데 보다 용이해질 수 있다.
더욱이, 카트리지가 열전도성 폴리머 재질로 이루어지고, 이차 전지의 적어도 일부가 카트리지에 직접 접촉하도록 하는 구성에 의하면, 열전달 거리가 짧아져 열배출 속도 및 열배출량이 향상될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 내부에 유로와 같은 냉각을 위한 공간을 마련할 필요가 없고, 특히 이차 전지와 카트리지 사이의 공간을 최소화할 수 있어, 배터리 모듈의 소형화에 보다 유리할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 측면들에 의하면, 배터리 모듈의 부피를 줄이는데 용이할 뿐 아니라, 배터리 모듈의 조립이 용이하게 되어 공정성이 향상되고, 배터리 모듈의 제조 비용 및 시간도 감소시킬 수 있다.
또한, 일반적으로 전기 전도성 재질의 냉각 부재를 포함시키기 위해서는, 이러한 냉각 부재를 절연시키기 위한 구성을 배터리 모듈 내부에 마련하는 것이 바람직한데, 본 발명의 일 측면에 의하면, 냉각 부재를 포함시킬 필요가 없으므로, 이들을 절연시키기 위한 구성 또한 필요없게 된다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 냉각 부재의 절연을 위한 구성을 마련하는데 필요한 비용이나 크기 등을 줄일 수 있고, 구조가 더욱 간단해지며, 작업성이 향상될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 카트리지라는 하나의 구성으로, 이차 전지의 고정은 물론, 냉각도 함께 달성할 수 있으므로, 배터리 모듈의 구성을 단순화하면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하고, 제조 비용 및 시간을 줄이며, 작업성을 높일 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 3은, 도 1의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 다른 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 5는, 도 4의 구성에 대한 결합 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 도 3의 E1 부분에 대한 확대도이다.
도 8은, 도 7의 구성에서 카트리지에 이차 전지가 안착되기 전의 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 하부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 도 9의 구성에서 카트리지의 하부 단위 프레임에 이차 전지가 안착되기 전의 모습을 도시한 도면이다.
도 11은, 도 1의 구성에서 배터리 모듈의 우측에 위치한 외측 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 12는, 도 3의 E2 부분에 대한 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이고, 도 3은 도 1의 A-A'선에 대한 단면도이다. 다만, 도 3의 구성에서는, 도면의 간소화를 위해, 전극 조립체와 전지 케이스 부분은 구분하여 나타내지 않도록 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100) 및 카트리지(200)를 포함한다.
상기 이차 전지(100)는, 전극 조립체, 전해질 및 케이스를 구비할 수 있다. 여기서, 전극 조립체는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 이차 전지(100)의 구성에 대해서는, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항이므로, 상세한 설명을 생략한다.
이차 전지(100)는, 케이스의 재질에 따라, 캔형 이차 전지와 파우치형 이차 전지로 구분될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 이차 전지는, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 이 경우, 이차 전지(100)의 케이스는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 파우치형 이차 전지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이고, 도 5는 도 4의 구성에 대한 결합 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 파우치형 이차 전지(100)에 있어서, 케이스(120)는, 우측 파우치(122)와 좌측 파우치(121)로 구성될 수 있으며, 우측 파우치(122)와 좌측 파우치(121) 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간(I)이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 내부 공간(I)에는 전극 조립체(110)가 수납될 수 있다. 또한, 우측 파우치(122)와 좌측 파우치(121)의 외주면에는 실링부(S)가 구비되어 이러한 실링부(S)가 서로 접착됨으로써, 전극 조립체(110)가 수용된 내부 공간(I)이 밀폐되도록 할 수 있다. 전극 조립체(110)의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드와 연결될 수 있다. 그리고, 전극 리드는 우측 파우치(122)와 좌측 파우치(121)의 실링부(S) 사이에 개재되어 파우치의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
파우치형 이차 전지(100)는, 배터리 모듈에 복수 개 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치형 이차 전지(100)는, 각각 상하 방향으로 세워지는 형태로 수평 방향으로 배열될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 파우치형 이차 전지(100)는, 2개의 넓은 면이 좌우 측에 위치하고, 상부 및 하부에는 실링부(S)가 위치하도록 대략 지면에 수직하게 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 다시 말해, 이차 전지(100)의 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)가 각각 좌우 측에 위치하도록, 이차 전지(100)는 상하 방향으로 세워질 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 파우치형 이차 전지(100)는, 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 수평 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.
상기 카트리지(200)는, 내부 공간에 이차 전지(100)를 수용하도록 구성될 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 상기 카트리지(200)는, 단위 프레임을 하나 이상 구비할 수 있다. 그리고, 카트리지(200)의 각 단위 프레임은, 양 단부가 상호 연결된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 단위 프레임의 개수는, 이차 전지(100)의 형태에 따라 다르게 결정될 수 있다.
예를 들어, 이차 전지(100)는 넓은 면을 정면으로 하여 바라본 형태가 대략 사각형이 되는 형태로 구성될 수 있는데, 이때 카트리지(200)는 이차 전지(100)의 변의 개수에 따라, 4개의 단위 프레임을 구비할 수 있다. 그리고, 각각의 단위 프레임은 양단이 상호 연결되는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 단위 프레임들은 별도로 제조된 후 조립 체결되거나, 처음부터 서로 일체화된 형태로 제조될 수 있다. 이처럼, 양 단부가 상호 연결된 4개의 단위 프레임을 구비하는 경우, 상기 카트리지(200)는, 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 구성되었다고 할 수도 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 이차 전지(100)를 기준으로 상부, 하부, 전방측 및 후방측에 위치하는 카트리지(200)의 각 단위 프레임에 대하여, 상부 단위 프레임(202), 하부 단위 프레임(201), 전방 단위 프레임(203) 및 후방 단위 프레임(204)이라 지칭하도록 한다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 전, 후, 좌, 우 등의 방향은, 설명의 편의를 위해, 전극 리드가 돌출된 부분을 전방 내지 후방으로 구분하고, 이러한 전극 리드를 기준으로 좌측과 우측을 각각 구분하도록 한다. 즉, 도 1의 배터리 모듈 구성에 대하여, 전극 리드가 도시된 부분 측에서 배터리 모듈을 바라본다는 점을 전제로, 전극 리드가 위치하는 부분을 배터리 모듈의 전방이라 하고, 좌측과 우측에 위치하는 측면을 각각, 배터리 모듈의 좌측과 우측이라 한다. 또한, 도면에서 보이지 않는 배터리 모듈의 뒤쪽 측면 부분에도 전극 리드가 구비될 수 있는데, 해당 부분에 대해서는 전방 측의 반대편으로서 후방으로 나타내도록 한다. 이하에서도, 특별한 설명이 없는 한, 이와 같은 방향을 기준으로 설명하도록 한다.
상기 카트리지(200)는, 이러한 단위 프레임으로 한정되는 내부 공간에 이차 전지(100)를 수용할 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100)가 사각 형태로 구성되는 경우, 카트리지(200)는 4개의 단위 프레임을 구비하고, 각 단위 프레임은 이차 전지(100)의 4개의 변 외부에 각각 위치하도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 카트리지(200)를 복수 개 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 복수의 카트리지(200)는 수평 방향으로 배열되어, 상호 적층될 수 있다. 즉, 상기 카트리지(200)는, 도면에 도시된 바와 같이, 좌우 방향으로 층을 이루도록 상호 결합될 수 있다. 그리고, 이러한 카트리지(200)의 상호 결합으로 인해, 카트리지(200)의 결합 구조 내부에는 빈 공간이 형성될 수 있다. 따라서, 복수의 이차 전지(100)는, 카트리지(200)의 결합으로 인해 형성된 내부 공간에 위치하여, 상호 적층 상태가 안정적으로 유지되고, 홀딩되어 유동이 방지되며, 외부의 충격으로부터 보호될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 카트리지(200)는, 내부에 수용된 이차 전지(100)의 하부가 안착될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 이차 전지(100)는 상하 방향으로 세워진 형태로 카트리지(200)의 내부 공간에 수용될 수 있는데, 이때 이차 전지(100)의 하부가 카트리지(200)의 하부 내측 상부에 접촉하여 놓일 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바를 참조하면, 이차 전지(100)의 상부에는 카트리지(200)의 상부 단위 프레임(202)이 위치하고, 이차 전지(100)의 하부에는 카트리지(200)의 하부 단위 프레임(201)이 위치할 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 이차 전지(100)의 하부는, 하부 단위 프레임(201)의 상부에 안착될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)가 카트리지(200)에 직접 접촉하여 고정되므로, 이차 전지(100)와 카트리지(200) 사이의 공간을 줄일 수 있어, 배터리 모듈을 보다 컴팩트한 형태로 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 이차 전지(100)는 하부 뿐만이 아니라, 상부 역시 카트리지(200)에 접촉하여 고정될 수 있다. 즉, 이차 전지(100)의 상부는, 도 3에 도시된 바와 같이, 카트리지(200)의 상부 단위 프레임(202) 하부에 접촉할 수 있으며, 이로 인해, 이차 전지(100)의 하부와 상부가 모두 카트리지(200)에 접촉 고정되어, 상하 및 좌우 방향 유동이 보다 효과적으로 제한되어 고정력이 더욱 강화될 수 있다.
바람직하게는, 상기 카트리지(200)는, 적어도 일부분이 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 종래 카트리지의 경우, 대체로 열전도성이 없는 폴리머 재질로 구성되어, 카트리지를 통해서는 열전도가 거의 이루어지지 않으므로, 별도의 냉각 부재를 두는 경우가 많다. 하지만, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 포함되는 카트리지의 경우, 적어도 일부분이 내측에서 외측까지 열전도성 재질로 구성됨으로써, 이러한 카트리지의 열전도성 재질 부분을 통해, 이차 전지(100)의 열이 카트리지 외부로 전달될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 이차 전지 사이와 같이 카트리지 내부에 별도의 냉각 부재를 구비하지 않더라도, 효과적인 냉각 성능이 확보될 수 있다.
특히, 상기 카트리지(200)는, 적어도 일부분이 열전도성 고분자를 포함하거나, 또는 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 재료로 구성될 수 있다. 즉, 카트리지는 일반적인 금속이나 금속 합금 재료가 아닌 고분자를 주재료로 구성될 수 있다. 이와 같이 고분자에 기반한 열전도성 재료의 경우, 금속보다 무게가 작아 배터리 모듈의 경량화 달성에 용이하고, 성형이 용이하며, 열팽창계수가 낮고, 전기 전도성이 낮아 전기적 절연성을 확보하기가 쉽다. 본 발명은, 카트리지(200)의 재료로서, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 고분자 기반 열전도성 재료가 채용될 수 있다.
예를 들어, 상기 카트리지(200)는, 일반적인 고분자 재료에 열전도성을 갖는 필러가 혼합된 복합 재료 형태의 재질로 구성될 수 있다. 여기서, 필러에는, 규소 화합물, 알루미늄 화합물, 마그네슘 화합물, 붕소 화합물 등이 포함될 수 있다. 이를테면, 열전도성 재료에 포함되는 필러로서, 산화규소, 산화알루미늄, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 무수탄산마그네슘, 수산화마그네슘 등이 이용될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이밖에도 다양한 필러가 카트리지의 재료로서 이용될 수 있다.
상기 카트리지에 사용되는 고분자 재료로는, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스틸렌, 폴리카보네이트, 나일론, 액정 폴리머, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리에테르에테르케톤 등 다양한 재료가 포함될 수 있다. 또한, 이 밖에 다양한 고분자 재료가 본 발명의 카트리지 재료로 이용될 수 있다.
특히, 상기 카트리지를 구성하는 열전도성 재료는, 열전도율이 1W/mK 이상인 물질로 이루어질 수 있다. 이를테면, 이러한 열전도성 재료는, 2W/mK ~ 20W/mK 인 고분자 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 더욱이, 열전도성 재료는, 5W/mK 이상인 고분자 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다.
종래, 카트리지의 소재로서 이용되는 플라스틱의 경우, 대체로 열전도성이 0.1~0.4 W/mK에 불과하다. 하지만, 본 발명에 따른 카트리지의 경우, 열전도성이 이보다 높은 폴리머 소재를 사용함으로써, 카트리지에 의해 열전달 및 배출이 이루어지도록 할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이와 같은 실시예에 의하면, 카트리지 내부에 금속 재질의 냉각 플레이트와 같은 별도의 냉각 부재를 두지 않고도, 이차 전지(100)의 열이 카트리지를 통해 효과적으로 전달되도록 할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지(100)가 카트리지(200)에 직접 접촉되어 고정되므로, 이차 전지(100)의 열은 공기를 통하지 않고 직접적으로 카트리지(200)로 전달될 수 있다. 그리고, 카트리지(200)에서 이차 전지(100)에 접촉된 부분은 열전도성 재질로 구성되므로, 카트리지(200)로 전달된 열은 카트리지(200)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
바람직하게는, 카트리지(200)는, 적어도 하부 단위 프레임(201)이 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 즉, 이차 전지(100)는 적어도 하부가 카트리지(200)에 직접 접촉되므로, 이와 같이 이차 전지(100)가 접촉되는 카트리지(200)의 하부, 즉 하부 단위 프레임(201)은 열전도성 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지(100)에서 생성된 열이 하부에 접촉된 카트리지(200)를 통해 배터리 모듈의 하부로 배출될 수 있다. 이때, 카트리지(200)의 하부 단위 프레임(201)의 높이는, 도면에 도시된 바와 같이, 짧게 구성될 수 있으므로, 하부 단위 프레임(201)을 통한 상하 방향 열전달 거리는 길지 않을 수 있다. 그러므로, 이러한 하부 단위 프레임(201)에 의한 열전달 배출량 및 배출 속도는 일정 수준 이상 확보될 수 있다.
더욱이, 카트리지(200)는 하부 단위 프레임(201) 이외의 다른 프레임, 즉 상부 단위 프레임(202), 전방 프레임 및/또는 후방 프레임도 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 카트리지(200)의 단위 프레임은 모두, 열전도성 고분자로 구성되거나, 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 복합 재료로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지(200)는, 하부 뿐 아니라, 상부, 전방 및/또는 후방 부분에서 열을 전달 및 배출할 수 있다. 이 경우, 이차 전지(100)는 카트리지(200)의 하부 단위 프레임(201) 뿐 아니라, 상부 단위 프레임(202), 전방 단위 프레임(203) 및/또는 후방 단위 프레임(204)에 접촉하도록 구성될 수 있다. 그러면, 이차 전지(100)에서 발생한 열은, 카트리지(200)의 여러 부분을 통해 다양한 방향으로 배출될 수 있으므로, 카트리지(200)를 통한 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다. 또한, 카트리지(200)가 전체적으로 동일한 재질로 구성되는 경우, 카트리지(200)의 제조는 보다 용이해질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 카트리지(200)는, 내면의 적어도 일부가 이차 전지(100)의 외면의 적어도 일부에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 구성에 대해서는, 도 7 및 도 8을 참조하여, 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7은 도 3의 E1 부분에 대한 확대도이고, 도 8은 도 7의 구성에서 카트리지(200)에 이차 전지(100)가 안착되기 전의 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 이차 전지는, 하부의 적어도 일부가 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 이차 전지는, 전극 조립체(110)가 위치하는 수납 공간과 융착을 위한 실링부(S) 사이에는 단차가 있으며, 이러한 단차로 인해 전극 조립체(110)의 수납 공간과 실링부(S) 사이는 점차 폭이 좁아지는 형태로 형성될 수 있다.
특히, 여러 도면에 도시된 바와 같이, 우측 파우치(122)와 좌측 파우치(121)에 모두 전극 조립체(110)의 수납 공간이 형성된 경우, 실링부(S)는 이차 전지의 좌우 방향을 기준으로 중앙 부분에 위치할 수 있다. 이 경우, 이차 전지는, 도 8에서 D1으로 표시된 바와 같이, 하부가 대략 역삼각형이 되는 형태로 구성될 수 있다.
이러한 이차 전지 구성에 대하여, 상기 카트리지는, 이차 전지 하부의 형태에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 카트리지는, 도 8에서 D2로 표시된 바와 같이, 하부 단위 프레임(201)의 적어도 일부가 상부로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다. 이 경우, 카트리지의 하부 단위 프레임(201)은, 상단부가 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 삼각형 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지와 카트리지의 접촉 면적이 증가할 수 있다. 따라서, 이차 전지가 카트리지 내에서 보다 안정적으로 홀딩될 수 있다. 또한, 이차 전지로부터 카트리지로 보다 많은 열이 보다 빠르게 전달될 수 있으므로, 배터리 모듈의 냉각 효율이 보다 증가할 수 있다.
특히, 상기 카트리지는, 하부 단위 프레임(201)에 지면에서 소정 각도 기울어진 형태로 경사면이 2개 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 2개의 경사면에는 서로 다른 이차 전지의 하부가 안착될 수 있다. 여기서, 2개의 경사면은 좌측이나 우측에서 중앙 부분으로 갈수록 높이가 점차 높아지는 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 여러 카트리지 중 C2 카트리지를 기준으로 살펴보면, C2 카트리지의 하부 단위 프레임(201)은, 상단부에 IC21 및 IC22로 표시된 바와 같은 2개의 경사면이 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, IC21은 하부 단위 프레임(201)의 상단 좌측에 위치하여 중앙 부분으로 갈수록 높이가 점차 높아지는 형태로 형성되고, IC22는 하부 단위 프레임(201)의 상단 우측에 위치하여 중앙 부분으로 갈수록 높이가 점차 높아지는 형태로 형성될 수 있다.
이러한 하부 단위 프레임(201)의 2개의 경사면에는 서로 다른 이차 전지가 안착될 수 있는데, 이 경우 각 이차 전지에는 이러한 하부 단위 프레임(201)의 경사면에 대응되는 형태로 경사면이 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 도 8의 구성에서 B2 이차 전지의 하단 우측 부분에는 지면에서 소정 각도 기울어진 형태로 IB22 경사면이 형성될 수 있고, B3 이차 전지의 하단 좌측 부분에는 지면에서 소정 각도 기울어진 형태로 IB31 경사면이 형성될 수 있다.
이러한 구성에서, C2 카트리지의 IC21 경사면에는 B2 이차 전지의 하부 중 우측 경사면인 IB22 경사면이 안착될 수 있고, C2 카트리지의 IC22 경사면에는 B3 이차 전지의 하부 중 좌측 경사면인 IB31 경사면이 안착될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성은, 하나의 이차 전지가 서로 다른 카트리지의 하부 단위 프레임(201)에 안착된다고 표현될 수도 있다. 예를 들어, 도 8의 구성에서, B2 이차 전지는, 실링부(S)를 제외한 부분 하단에 우측 경사면(IB22)과 좌측 경사면을 구비하며, 실링부(S)는 폴딩되어 좌측 경사면에 부착될 수 있다. 이때, B2 이차 전지의 좌측 경사면은 C1 카트리지의 IC12 경사면에 안착되고, B2 이차 전지의 우측 경사면(IB22)은 C2 카트리지의 IC21 경사면에 안착될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 일반적인 파우치형 이차 전지의 형태에 따라 카트리지가 구성되어, 이차 전지 형태에 대한 큰 변형 없이 종래 이차 전지 형태를 그대로 이용할 수 있다. 그리고, 이차 전지와 카트리지의 접촉 면적을 증가시켜, 이차 전지의 안정적인 고정과 효과적인 냉각 성능 확보, 배터리 모듈의 컴팩트한 구조 달성 등이 더욱 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 파우치형 이차 전지는, 앞서 도 4 및 도 5 등과 관련하여 설명한 바와 같이, 좌측 파우치(121) 및/또는 우측 파우치(122)의 내부 공간에 전극 조립체(110) 및 전해질을 수납한 상태로 밀봉될 수 있도록, 테두리에 실링부(S)를 구비할 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 이러한 이차 전지의 실링부(S)는, 적어도 일부가 폴딩될 수 있다. 특히, 이차 전지가 사각 형상으로 구성된 경우, 실링부(S)는, 이차 전지의 4개의 변마다 구비될 수 있으며, 그 구비 위치에 따라 상부 실링부, 하부 실링부, 전방 실링부 및 후방 실링부로 구분될 수 있다. 이때, 적어도 하부 실링부는 하부 단위 프레임(201)에 안착될 수 있는데, 이차 전지의 여러 실링부 중 최소한 이러한 하부 실링부는 폴딩되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 7 및 도 8에 도시된 구성을 참조하면, B1, B2, B3 이차 전지는 모두 하부 실링부가 폴딩될 수 있으며, 이와 같이 폴딩된 실링부(S)는 각각, 전극 조립체(110)가 수납되는 수납 공간, 보다 구체적으로는 이러한 수납 공간과 실링부 사이의 경사면에 접촉하여 부착될 수 있다. 그리고, 이차 전지의 하부가 카트리지에 안착되면, 이러한 폴딩된 실링부 역시 카트리지의 하부 단위 프레임(201)의 상부에 안착될 수 있다. 이 경우, 하부 폴딩 실링부는, 상부가 이차 전지의 본체에 접촉하고 하부가 카트리지에 접촉하는 형태로, 이차 전지의 본체와 카트리지 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 실링부가 차지하는 공간을 줄임으로써 배터리 모듈의 소형화를 이루는데 보다 용이하고, 이차 전지와 카트리지 사이의 거리를 좁혀 이차 전지로부터 카트리지로의 열 전달 효율을 높일 수 있다. 특히, 폴딩된 실링부의 하부 측에는 카트리지가 접촉하고, 폴딩된 실링부의 상부 측에는 이차 전지가 접촉함으로써, 실링부의 폴딩 부분을 통해서도 이차 전지 내부의 열이 카트리지로 전달되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 2종류의 카트리지를 구비할 수 있다. 이때, 2종류의 카트리지는, 하부 단위 프레임(201)의 높이가 서로 다르게 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 구성을 참조하면, C1 카트리지의 하부 단위 프레임(201)과 C2 카트리지의 하부 단위 프레임(201)은 서로 높이가 다르게 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, C1 카트리지의 하부 단위 프레임(201)은, C2 카트리지의 하부 단위 프레임(201)보다 높이가 낮게 구성될 수 있다. 이때, C1 카트리지의 하부 단위 프레임(201)의 상부에 위치하는 2개의 경사면, IC11 및 IC12는, C2 카트리지의 하부 단위 프레임(201)의 상부에 위치하는 2개의 경사면, IC21 및 IC22보다, 높이가 낮도록 구성될 수 있다. 다만 이 경우, C1 카트리지의 하부 단위 프레임(201)과 C2 카트리지의 하부 단위 프레임(201)은, 경사 각도나 좌우 폭 등은 서로 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 이차 전지의 하부 실링부는, 이러한 2종류의 카트리지 중, 상대적으로 높이가 낮은 카트리지의 하부 단위 프레임(201)의 상부에 안착되도록 구성될 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, C1 카트리지의 하부 단위 프레임(201)이 C2 카트리지의 하부 단위 프레임(201)보다 높이가 낮게 구성되는 경우, B2 이차 전지의 하부 실링부는 C2 카트리지의 하부 단위 프레임 상부가 아닌 C1 카트리지의 하부 단위 프레임 상부에 안착될 수 있다. 그리고, 이를 위해, B2 이차 전지의 하부 실링부는 우측이 아닌 좌측 방향으로 폴딩될 수 있다. 또한, B1 이차 전지 역시, 실링부가 우측 방향으로 폴딩되어 C1 카트리지의 상부에 이러한 폴딩 실링부가 안착될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지의 하부 실링부가 좌측 또는 우측 방향 중 어느 한 방향으로 폴딩됨에도 배터리 모듈에 있어서 이차 전지는 전체적으로 동일한 높이로 수납될 수 있다. 그리고, 카트리지의 외부 크기는 특정 이차 전지 부분에서 튀어나오거나 들어가지 않고, 전체적으로 균일한 형태로 형성될 수 있다. 즉, 이차 전지는, 하부 실링부가 폴딩되는 경우, 폴딩되는 부분의 크기가 상대적으로 커질 수 있는데, 상기 실시예와 같이, 높이가 낮은 하부 단위 프레임(201)을 갖는 카트리지 측에 폴딩된 실링부가 위치하도록 함으로써, 전체적인 이차 전지의 높이 및 카트리지의 외부 크기가 동일해지도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, B1 이차 전지 및 B2 이차 전지 모두, 실링부의 폴딩 부분이 C1 카트리지의 하부 단위 프레임(201)에 위치하도록 함으로써, B1 내지 B3 이차 전지는 모두 지면에서 동일한 높이로 형성되고, C1 및 C2 카트리지 또한 하부 단위 프레임(201)의 하부면이 모두 평행하게 일직선 상에 놓이도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 높이가 다른 적어도 2종류의 카트리지가 포함되는 구성에 있어서, 2종류의 카트리지는 서로 교호적으로 배치되도록 구성될 수 있다. 즉, 수평 방향으로 배열된 카트리지에 대하여, 도 8의 C1과 같이 하부 단위 프레임(201)의 높이가 상대적으로 낮은 카트리지를 LC라 하고, 도 8의 C2와 같이 하부 단위 프레임(201)의 높이가 상대적으로 높은 카트리지를 HC라 할 때, 각 카트리지는 좌측에서 우측 방향으로, LC, HC, LC, HC, LC, ... 등과 같이 교대로 배치되도록 구성될 수 있다.
이때, 이차 전지는, 이러한 카트리지의 교호적 배열에 대응하여, 폴딩 방향을 좌측과 우측 방향으로 교호적으로 구성할 수 있다.
예를 들어, 수평 방향으로 배열된 이차 전지에 대하여, 도 8의 B1 및 B3와 같이 하부 실링부가 우측 방향으로 폴딩된 이차 전지를 RB라 하고, 도 8의 B2와 같이 하부 실링부가 좌측 방향으로 폴딩된 이차 전지를 LC라 할 때, 각 이차 전지는 좌측에서 우측 방향으로, RB, LC, RB, LC, RB, ... 등과 같이 교대로 배치되도록 구성될 수 있다.
다시 말해, 이차 전지는, 서로 인접하는 이차 전지와 실링부의 폴딩 방향이 서로 반대가 되도록 구성될 수 있다. 다만, 이러한 구성은, 배터리 모듈에 포함되는 이차 전지의 개수에 따라, 일부 이차 전지, 이를테면 배터리 모듈의 좌측이나 우측에 위치하는, 최외곽 이차 전지에 대해서는 적용되지 않을 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 서로 다른 종류의 카트리지 및 폴딩 방향이 서로 다른 이차 전지의 배열 순서가 단순화되어, 조립이 보다 용이해질 수 있다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 하부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 그리고, 도 10은, 도 9의 구성에서 카트리지의 하부 단위 프레임(201)에 이차 전지가 안착되기 전의 모습을 도시한 도면이다. 이러한 도 9 및 도 10의 구성은, 도 3의 E1 부분의 구성에 대한 다른 실시예라 할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 카트리지는, 하부 단위 프레임(201)의 좌측부와 우측부의 높이가 서로 다르게 구성될 수 있다. 그리고, 각 이차 전지는, 모두 동일한 방향으로 하부 실링부가 폴딩될 수 있다. 이 경우, 이차 전지의 폴딩된 하부 실링부는, 하부 단위 프레임(201)에서 높이가 낮은 부분의 상부에 안착될 수 있다.
예를 들어, 각 카트리지의 하부 단위 프레임(201)은, 도면에 도시된 바와 같이, 좌측부, 즉 좌측 경사면의 높이가 상대적으로 낮게 구성되고, 우측부, 즉 우측 경사면의 높이가 상대적으로 높게 구성될 수 있다. 다만, 이 경우, 좌측 경사면과 우측 경사면의 경사 각도는 상호 더하여 180°가 되는 형태, 즉 서로 대칭되는 형태로 구성될 수도 있고, 이를테면 우측 경사면의 경사 각도가 더 급하게 구성될 수도 있다.
이와 같은 카트리지 구성에 대하여, 각 이차 전지의 하부 실링부는, 우측 방향으로 폴딩될 수 있다. 그리고, 이처럼 우측 방향으로 폴딩된 하부 실링부는, 하부 단위 프레임(201)에서 높이가 상대적으로 낮은 좌측 경사면에 안착될 수 있다. 즉, 도 10의 구성에서, B1 이차 전지의 하부 실링부는, 우측 방향으로 폴딩되어 C1 카트리지의 IC11 경사면에 안착될 수 있다. 그리고, 이러한 C1 카트리지의 IC12 경사면에는 B2 이차 전지의 본체 경사면이 안착될 수 있다. 또한, B2 이차 전지의 하부 실링부는, 우측 방향으로 폴딩되어 C2 카트리지의 IC21 경사면에 안착될 수 있고, C2 카트리지의 IC22 경사면에는 B3 이차 전지의 본체 경사면이 안착될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 1종류의 카트리지만으로 배터리 모듈을 구성할 수 있으며, 이차 전지의 폴딩 방향 또한 모두 동일하게 할 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 제조 시 작업성 및 공정성이 더욱 개선될 수 있다.
한편, 상기 여러 실시예에서는, 배터리 모듈의 하부 구성을 위주로 설명되었으나, 이러한 여러 내용들은 배터리 모듈의 상부, 전방부 및 후방부 구성에도 적용될 수 있다.
예를 들어, 카트리지의 상부 단위 프레임(202)은, 열전도성 고분자를 포함하거나, 또는 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 이차 전지의 상부는 상부 단위 프레임(202)의 하부에 안착될 수 있다.
또한, 카트리지는, 상부 단위 프레임(202)의 하부의 적어도 일부가 이차 전지의 상부 외면의 적어도 일부에 대응되는 형태로 형성될 수 있다.
특히, 이차 전지는 상부의 적어도 일부가 상부로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있고, 카트리지는 상부 단위 프레임(202)의 적어도 일부가 하부로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다.
또한, 카트리지는, 상부 단위 프레임(202)의 하부에 2개의 경사면이 형성되어, 각 경사면에 서로 다른 이차 전지의 상부가 접촉될 수 있다.
또한, 이차 전지는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 실링부가 폴딩되어 카트리지의 상부 단위 프레임(202)의 하부에 접촉될 수 있다.
더욱이, 복수의 카트리지는, 상부 단위 프레임(202)의 높이, 즉 상하 두께가 서로 다르게 구성된 적어도 2종류의 카트리지를 구비하며, 이러한 2종류의 카트리지는 서로 교호적으로 배치될 수 있다. 특히, 카트리지는, 하부 단위 프레임(201)의 높이가 상대적으로 낮게 구성되는 경우, 상부 단위 프레임(202)의 높이도 낮게 구성되도록 할 수 있다. 이 경우, 이차 전지의 폴딩된 상부 실링부는, 상대적으로 높이가 낮게 형성된 상부 단위 프레임(202)의 하부에 접촉되도록 할 수 있다.
또는, 카트리지는, 상부 단위 프레임(202)의 좌측부와 우측부의 높이가 서로 다르게 구성되고, 높이가 낮은 부분에 상부 실링부가 안착되도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에 있어서, 복수의 이차 전지 중 적어도 일부는, 상호 간 표면이 대면 접촉하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 복수의 이차 전지 각각은, 넓은 표면인 좌측면과 우측면, 즉 전극 조립체(110)가 수납되는 내부 공간의 외측면이 서로 접촉되는 형태로 배치될 수 있다.
종래 배터리 모듈의 경우, 냉각을 위해 이차 전지 사이에는 알루미늄 등의 금속 재질로 이루어진 판상형 냉각 부재가 개재되는 경우가 많다. 하지만, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈의 경우, 이차 전지에서 생성된 열은 이차 전지의 실링부 부분에서 이차 전지와 직접 접촉하는 카트리지로 직접 전달되어 배출될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 이차 전지 사이에 냉각 부재가 개재되지 않고, 상기 실시예와 같이 이차 전지가 서로 직접 접촉하도록 구성될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 냉각 부재가 차지하는 공간을 줄여 배터리 모듈의 소형화를 달성하는데 용이하고, 배터리 모듈의 구조가 보다 간소화될 수 있으며, 제조 비용 및 시간 등이 감소될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 카트리지는 좌측면 및 우측면에 상호 대응되는 형태로 요철 구조가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 카트리지는, 도 10에서 G 부분에 표시된 바와 같이, 하부 단위 프레임(201)의 우측에 돌기가 형성되고, 좌측에 그러한 돌기에 대응되는 형태로 홈이 형성될 수 있다. 그리고, 각 카트리지가 수평 방향으로 적층 시, 이러한 카트리지의 돌기는 인접하여 적층되는 카트리지의 홈에 삽입됨으로써 상호 체결될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지에 형성된 요철 구조로 인해, 카트리지 간 체결성 및 고정력이 향상될 수 있고, 요철 구조가 가이드 역할을 하여 조립이 보다 용이해질 수 있다.
이러한 요철 구조는, 카트리지의 하부 단위 프레임(201)뿐만 아니라, 상부 단위 프레임(202), 전방 단위 프레임(203) 및/또는 후방 단위 프레임(204)에도 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 요철 구조는, 카트리지의 상부 단위 프레임(202)에도 적용될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 카트리지 간 체결 고정력이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상부 단위 프레임(202) 및/또는 하부 단위 프레임(201)은, 돌출부 및/또는 오목부가 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 구성을 참조하면, 적어도 일부 카트리지의 상부 단위 프레임(202)은, 전후 방향으로 길게 연장되는 형태로 형성되되, 중앙 부분 우측 단부에서 우측 방향으로 돌출되는 형태로 돌출부(J1)가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 상부 단위 프레임(202)은, 중앙 부분 좌측 단부에서 우측 돌출부(J1)에 대응되는 형태로 우측 방향으로 오목한 형태로 오목부(J2)가 형성될 수 있다. 따라서, 복수의 카트리지를 수평 방향, 즉 좌우 방향으로 적층시키는 경우, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 여러 카트리지의 상부 단위 프레임(202)의 우측 돌출부(J1)는, 우측에 인접한 카트리지의 상부 단위 프레임(202)의 좌측 오목부(J2)에 삽입될 수 있다.
그리고, 이러한 상부 단위 프레임(202)과 마찬가지로, 하부 단위 프레임(201)도 돌출부 및 오목부가 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 상부 단위 프레임(202)이나 하부 단위 프레임(201)에 형성된 돌출부 및 오목부로 인해, 각 카트리지의 체결 위치가 가이드될 수 있어 배터리 모듈의 조립성이 향상될 수 있다. 또한, 돌출부 및 오목부로 인해 각 카트리지의 전후 방향 유동이 방지되므로, 카트리지 간 체결 고정력이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 이차 전지는 카트리지에 접착 고정될 수 있다. 즉, 이차 전지의 적어도 일부와 카트리지의 적어도 일부 사이에는 접착제가 개재되어 이차 전지와 카트리지가 상호 고정될 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 구성에서, 이차 전지의 하부와 하부 단위 프레임(201)의 상부, 및/또는 이차 전지의 상부와 상부 단위 프레임(202)의 하부에는 접착제가 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 고정력이 더욱 향상될 수 있다. 더욱이, 상기 설명된 실시예와 같이, 하나의 카트리지에 2개의 이차 전지가 접촉되는 구성의 경우, 하나의 카트리지에는 2개의 인접한 이차 전지가 접착 고정될 수 있다. 그리고, 하나의 이차 전지에는 2개의 인접한 카트리지가 접착 고정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 있어서는, 이차 전지와의 접착을 통해 각 카트리지가 체결 고정될 수 있으므로, 카트리지 간 체결이 필요없을 수 있다. 또한, 카트리지 간 체결 구성이 별도로 구비되어 있다 하더라도, 이러한 카트리지 간 체결 구성에 더하여, 이차 전지와의 접착 구성을 통해 고정력이 보다 향상되어 배터리 모듈이 더욱 견고해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 도 1 및 도 3에서 OC로 표시된 바와 같이, 외측 카트리지를 더 포함할 수 있다.
도 11은, 도 1의 구성에서 배터리 모듈의 우측에 위치한 외측 카트리지의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 그리고, 도 12는, 도 3의 E2 부분에 대한 확대도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 외측 카트리지(OC)는, 배터리 모듈의 외측에 구비되어, 최외곽에 위치하는 이차 전지가 외부 방향으로 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 외측 카트리지는, 배터리 모듈의 우측에 구비되어, 가장 우측에 위치한 이차 전지가 우측 방향으로 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 외측 카트리지는, 배터리 모듈의 좌측에 구비되어, 가장 좌측에 위치하는 이차 전지가 좌측 방향으로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 배터리 모듈의 최외곽에 위치하는 외측 카트리지는, 다른 카트리지(이하, 내측 카트리지)와, 유사한 형태의 구성도 구비할 수 있고, 다른 형태의 구성도 구비할 수 있다. 예를 들어, 외측 카트리지는, 내측 카트리지와 유사하게, 4개의 단위 프레임을 구비할 수 있다. 다만, 이하에서는, 외측 카트리지에 대하여, 내측 카트리지와 차별성이 있는 부분을 위주로 설명한다.
상기 외측 카트리지는, 내면의 적어도 일부가 이차 전지의 외면의 적어도 일부에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 우측에 위치한 외측 카트리지는, 하부 단위 프레임의 상면이 외측으로 갈수록 점차 높아지는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 우측에 위치한 외측 카트리지의 하부 단위 프레임의 상면에는 내측으로 갈수록 점차 낮아지는 형태로 경사면이 형성될 수 있다. 그리고 이러한 경사면에는 배터리 모듈에서 가장 우측에 위치한 이차 전지의 하부 우측 경사면이 접촉될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바를 참조하면, 우측에 위치하는 외측 카트리지의 상부 단위 프레임은 우측으로 갈수록 점차 낮아지는 형태, 다시 말해 상하 방향 두께가 두꺼워지는 형태로 내측에 경사면이 형성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바를 참조하면, 배터리 모듈의 좌측에 위치하는 외측 카트리지의 하부 단위 프레임 및 상부 단위 프레임 역시, 외측으로 갈수록 상하 두께가 두꺼워지는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 좌측에 위치한 외측 카트리지의 하부 단위 프레임의 상면에 형성된 우측으로 갈수록 점차 낮아지는 형태의 경사면에는, 가장 좌측에 위치하는 이차 전지의 하부 좌측부 경사면이 접촉될 수 있다.
다시 말해, 외측 카트리지는, 상부 단위 프레임의 하면 및 하부 단위 프레임의 상면이 내측으로 갈수록 점차 멀어지게 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 외측 카트리지에 의해 이차 전지가 내부 방향으로 홀딩됨으로써, 이차 전지가 외부 방향으로 이탈되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 외측 카트리지의 좌우 방향 외면은, 내면과 달리, 평평한 형태로 구성됨으로써 배터리 모듈의 외부가 전체적으로 평평한 형태로 구성되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 12의 구성에서 IOC2로 표시된 우측 카트리지의 우측 외면은, 상하 방향으로 평평하게 구성될 수 있다.
특히, 외측 카트리지의 외면은, 최외곽에 위치한 이차 전지의 외면과 평행하며 일직선이 되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 최우측 이차 전지의 우측면은, 우측에 위치한 외측 카트리지의 우측면(IOC2)과 서로 평행하며 일직선이 되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 배터리 모듈의 부피를 더욱 줄이고 불필요한 공간을 제거함으로써, 배터리 모듈의 컴팩트화를 달성하는데 보다 용이할 수 있다.
또한, 이차 전지가 외측 카트리지와 접착 가능한 구성은, 상기 내측 카트리지에 대하여 설명한 바와 같다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 내측 카트리지는, 상부 단위 프레임의 외측에 돌출부를 구비할 수 있다. 이 경우, 외측 카트리지는 인접하는 내측 카트리지의 돌출부가 삽입될 수 있도록, 내측에 오목부가 형성될 수 있다.
예를 들어, 외측 카트리지에 인접하는 내측 카트리지는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 단위 프레임의 우측에 돌출부(J1)를 구비할 수 있는데, 외측 카트리지는 이에 대응되는 형태로 상부 단위 프레임의 좌측에 오목부(J2')를 구비할 수 있다. 이 경우, 내측 카트리지의 우측에 외측 카트리지가 결합하면, 내측 카트리지의 돌출부(J1)가 외측 카트리지의 오목부(J2')에 삽입될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에 있어서, 배터리 모듈의 좌측에 위치하는 외측 카트리지와 우측에 위치하는 외측 카트리지는 상호 동일한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같은, 외측 카트리지는 배터리 모듈의 우측에 구비됨과 동시에, 배터리 모듈의 좌측에 구비될 수도 있다. 즉, 도 11에 도시된 외측 카트리지는, 수평 방향으로 180도 회전된 후, 배터리 모듈의 좌측에 장착될 수 있다.
다만, 도 11에 도시된 외측 카트리지가 배터리 모듈의 우측에 장착되는 경우, 외측 카트리지의 상부 단위 프레임 우측에는 오목부가 형성될 수 있다. 이때, 도 6에 도시된 바와 같은 내측 카트리지가 외측 카트리지에 인접하여 체결되는 경우, 내측 카트리지와 외측 카트리지의 상부 단위 프레임에는 오목부만 존재할 수 있게 되므로, 볼록부와 오목부를 통한 체결 및 가이드 역할이 달성될 수 없다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 도 1에서 T로 표시된 부분과 같이, 상부 단위 프레임에서 돌출부가 양 방향으로 형성된 카트리지를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 카트리지는 내측 카트리지 중 가장 좌측에 위치하여, 좌측에서 결합되는 외측 카트리지와 체결되도록 할 수 있다.
물론, 실시예에 따라 단위 프레임에 양 방향 돌출부가 아닌 양 방향 오목부가 형성된 카트리지를 구비하는 것도 가능하다고 할 수 있다.
한편, 상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에 있어서, 이차 전지의 실링부는 폴딩될 수 있다.
여기서, 이차 전지의 실링부는, 2회 이상 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 이차 전지의 하부 실링부는, 좌측 또는 우측 방향으로, 2회 폴딩될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 실링부의 단부가 외측으로 노출되지 않으므로, 실링부를 통해 가스가 유출되는 것을 보다 확실하게 방지하고, 케이스의 금속층이 외부로 노출되지 않도록 하여 절연성이 향상될 수 있다.
또한, 최외곽에 위치한 이차 전지는, 실링부가 배터리 모듈의 내측 방향으로 폴딩되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 가장 좌측에 위치한 이차 전지는, 실링부가 좌측이 아닌 우측 방향으로 폴딩되도록 구성될 수 있다. 그리고, 가장 우측에 위치한 이차 전지는, 실링부가 좌측 방향으로 폴딩되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성을 다시 말하면, 이차 전지의 폴딩된 실링부는 외측 카트리지에 안착되지 않고, 내측 카트리지에 안착되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지가 외측 방향으로 노출되는 것을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 가장 좌측에 위치한 이차 전지의 상부 및 하부 실링부가 좌측 방향으로 폴딩되는 경우, 좌측에 위치한 외측 카트리지는 폴딩된 실링부를 수용하기 위해 상부 단위 프레임 및 하부 단위 프레임의 높이가 낮게 구성되어야 할 수 있다. 그런데, 이 경우 이차 전지의 상부 및 하부가 좌측으로 노출될 수 있으며, 이차 전지의 상부 실링부 및 하부 실링부도 좌측으로 노출될 수 있다. 하지만, 상기 실시예와 같이, 이차 전지의 실링부가 내측으로 폴딩되도록 하는 구성에 의하면, 이러한 이차 전지의 노출을 최소화하여 노출 부분으로 먼지나 수분과 같은 이물질이 유입되는 것을 방지하고, 단부의 노출로 인한 절연성이 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 수냉 또는 공냉 방식과 같은 다양한 냉각 방식이 모두 채용될 수 있다. 예를 들어, 카트리지 외부에 접촉 또는 인접하는 형태로, 공기 등의 냉각용 기체가 흐를 수 있는 기체 유로가 구비되거나, 물 등의 냉각용 액체가 흐를 수 있는 액체 유로가 구비될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 카트리지의 하부 단위 프레임 및/또는 상부 단위 프레임의 하부 및/또는 상부에 접촉하여 냉각용 기체 또는 냉각용 액체가 흐르도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
100: 이차 전지
110: 전극 조립체
120: 케이스
200: 카트리지
201: 하부 단위 프레임, 202: 상부 단위 프레임, 203: 전방 단위 프레임, 204: 후방 단위 프레임
OC: 외측 카트리지

Claims (16)

  1. 상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 배열된 복수의 이차 전지; 및
    양 단부가 상호 연결된 다수의 단위 프레임을 구비하며, 상기 단위 프레임 사이의 내부 공간에 상기 이차 전지를 수용하고, 상기 수용된 이차 전지의 하부가 상기 단위 프레임 중 하부 단위 프레임의 상부에 안착되며, 상호 수평 방향으로 배열되어 적층된 복수의 카트리지
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 적어도 일부분이 열전도성 고분자를 포함하거나, 또는 열전도성 필러 및 고분자를 포함하는 열전도성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 카트리지는, 적어도 상기 하부 단위 프레임이 상기 열전도성 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 하부가 상기 하부 단위 프레임의 상부에 안착되고, 상부가 상부 단위 프레임의 하부에 접촉된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 내면의 적어도 일부가 상기 이차 전지의 외면의 적어도 일부에 대응되는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 하부의 적어도 일부가 하부로 갈수록 폭이 좁아지게 형성되고,
    상기 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임의 적어도 일부가 상부로 갈수록 폭이 좁아지게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임에 2개의 경사면이 형성되어, 각 경사면에 서로 다른 이차 전지의 하부가 안착된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 파우치형 이차 전지인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이차 전지는, 적어도 하부 실링부가 폴딩되어 상기 카트리지의 하부 단위 프레임의 상부에 안착된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임의 높이가 서로 다르게 구성된 적어도 2종류의 카트리지를 구비하며, 상기 2종류의 카트리지는 서로 교호적으로 배치되고,
    상기 하부 실링부는, 2종류의 카트리지 중, 상대적으로 높이가 낮은 하부 단위 프레임의 상부에 안착된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 카트리지는, 상기 하부 단위 프레임의 좌측부와 우측부의 높이가 서로 다르게 구성되고, 높이가 낮은 부분에 상기 하부 실링부가 안착된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제8항에 있어서,
    복수의 이차 전지 중 최외측에 위치하는 이차 전지는, 실링부가 내측 방향으로 폴딩된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 이차 전지는, 상호 간 좌측면 및 우측면이 대면 접촉하도록 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는, 좌측면 및 우측면에 상호 대응되는 형태로 요철 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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