KR20160050843A - 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트 및 이를 포함하는 배터리모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 배터리모듈의 외면에 배치되는 엔드플레이트로서, 평판 형태의 판부 및 상기 판부에서 내측으로 돌출되고 높이방향으로 변형 가능한 변형부가 형성되는 비드를 포함하는 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트를 제공한다.
본 발명에 따르면, 스웰링이 발생하여 배터리셀의 변형이 일어나더라도 엔드플레이트의 비드가 이러한 변형에 대응하므로 배터리모듈 전체적인 외형과 구조가 유지될 수 있는 효과가 있다.

Description

스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트 및 이를 포함하는 배터리모듈{END PLATE WITH REINFORCING STRUCTURE FOR SWELLING OF BATTERY CELL AND BATTERY MODULE HAVING THE SAME}
본 발명은 전지에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 복수의 배터리셀을 적층 구조하여 형성되는 배터리모듈에서 배터리셀의 변형에 대응할 수 있는 구조에 관한 것이다.
연속적인 충방전이 가능한 이차전지는 무선방식의 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.
또한, 이러한 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리셀을 전기적으로 연결한 중대형 배터리모듈이 사용된다.
중대형 배터리모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 배터리모듈의 배터리셀로 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 배터리모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 배터리셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
따라서, 다수의 배터리셀들을 사용하여 중대형 배터리모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 또한, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 모듈의 전체적인 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 중대형 배터리모듈이 장착되는 장치 내지 디바이스의 공간적인 측면에서 바람직하지 않다.
특히, 차량 등과 같이 한정된 내부공간에 효율적으로 장착되기 위해서는 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 배터리모듈이 요구된다.
도 1은 종래기술의 배터리모듈을 나타내는 사시도이다.
복수의 배터리셀들이 카트리지로서 적층되고, 그 사이에 쿨링핀이 개재된 상태에서 상하측에서는 엔드플레이트(111)들이 배치된다. 이러한 카트리지들과 엔드플레이트(111) 간에는 상하측에서 볼트와 너트의 구조에 의하여 체결이 이루어짐으로써 배터리모듈이 구성된다.
상기 배터리모듈을 이루는 배터리셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 작동과정에서 필연적으로 많은 열이 발생하며 고온으로 노출된 배터리셀들은 내부에서 다량의 가스가 발생된다.
이에 따라 배터리셀들이 스웰링되고 누액됨으로써 배터리팩 전체의 안전성과 신뢰성이 저하된다.
도 2 및 도 3은 이렇게 배터리셀에 스웰링이 발생한 경우의 엔드플레이트의 변화를 나타내는 도면들이다.
엔드플레이트(11)는 배터리모듈의 외면을 형성하고 내측의 셀(20) 또는 셀과 결합되는 카트리지를 바라본 상태로 배치된다. 이러한 엔드플레이트(11)의 비드(12)는 셀의 면에 접촉되도록 내측으로 돌출되어 있다.
셀(20)의 스웰링에 의한 변형에 따라 상호 마주보는 부위에서 변형이 발생하고 이에 의하여 비드에 압력이 가해짐에 따라 엔드플레이트(11)가 변형되는 것이다.
이러한 배터리셀의 스웰링의 문제는 하나 또는 두 개의 배터리셀로 구성된 네비게이션이나 스마트폰의 배터리팩에서도 문제를 일으키나, 중대형 배터리모듈의 경우 단일의 복수의 배터리셀들이 스택되고 체결된 구조로서 이루어지기 때문에 전체의 구조적인 변형과 이에 따른 비용의 부담은 더욱 가중되는 것이다.
한국 공개특허 제2011-0058378호는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법을 제시하는데, 이는 온도 및 전압을 검출하여 충전 또는 방전을 제어함으로써 스웰링을 방지하는 기술에 대해 설명하고 있다.
그러나, 이러한 경우에도 구조적, 화학적 한계로 인한 스웰링에 대하여서는 충분하게 대응하지 못하고 있으며, 배터리모듈의 연속적인 사용이 필요한 경우 대안이 되지 못한다.
최근에는 배터리모듈에서 팩 사이의 내부에 소정의 공간을 마련하거나 완충재를 삽입하는 방식으로 변형에 대한 대비를 하는 방안이 제안된다.
그러나 이 경우에도 배터리모듈 자체의 구조적인 변형에 유효하게 대응하기 어렵다. 배터리 모듈의 구조적 결함에 대한 주요 원인은 엔드플레이트의 변형에 따른 것인데, 생선공정의 한계로 인하여 엔드플레이트의 재질 및 형상의 변경을 통하여 강성을 높이는 데는 한계가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리모듈의 엔드플레이트의 구조를 개선함으로써 배터리셀의 변형이 일어나더라도 전체적인 구조에 대한 영향이 최소화되고 셀의 변형에 대한 여유공간을 확보할 수 있는 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트 및 이를 포함하는 배터리모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 배터리모듈의 외면에 배치되는 엔드플레이트로서, 평판 형태의 판부; 및 상기 판부에서 내측으로 돌출되고 높이방향으로 변형 가능한 변형부가 형성되는 비드를 포함하는 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트를 제공한다.
일실시예로서, 상기 변형부는, 비드의 측벽에 형성되는 노치부인 것이 바람직하다.
상기 노치부는, 비드의 양측으로 대칭되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 노치부는, 배터리셀의 변형에 따라 양측에서 서로 다른 형태로 변형될 수 있다.
상기 비드는, 판부의 길이방향을 따라 돌출되는 리브 형상으로 이루어지고, 상기 변형부는, 비드의 측면에서 길이방향을 따라 형성되는 홈일 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 엔드플레이트를 구비하는 배터리모듈로서, 복수의 배터리셀이 적층 형성되는 적층체; 및 상기 변형부에 의하여 적층모듈과 엔드플레이트의 사이에 형성되며 배터리셀의 스웰링에 의한 변형에 따라 변형부가 변형될 때 판부의 형상이 유지될 수 있도록 하는 변형공간을 포함하는 배터리모듈을 제공한다.
상기 변형공간의 높이는, 상기 변형부의 높이에 의하여 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 스웰링이 발생하여 배터리셀의 변형이 일어나더라도 엔드플레이트의 비드가 이러한 변형에 대응하므로 배터리모듈 전체적인 외형과 구조가 유지될 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래와 같이 스웰링에의 대처를 위한 설계변경이나 추가적인 부재의 배치의 필요성이 없어 생산성의 향상으로 이어지는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술할 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 종래기술의 배터리모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 종래기술의 배터리 모듈에서 스웰링에 따른 엔드플레이트의 변형을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트이 적용된 배터리모듈을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트의 형상을 구체적으로 나타내는 정단면도이다.
도 6은 도 5의 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트의 변형을 설명하기 위한 도면이다.
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 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명에 따른 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트이 적용된 배터리모듈을 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명은 기본적으로 배터리모듈의 외면에 배치되는 엔드플레이트로서, 평판 형태의 판부와, 상기 판부에서 내측으로 돌출되고 높이방향으로 변형 가능한 변형부가 형성되는 비드를 포함하는 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트를 제공한다.
배터리모듈(100)은 복수의 배터리셀(120)들이 적층되는 적층모듈과, 상하측 또는 선택된 어느 일측에 배치되는 엔드플레이트(200) 및 체결수단(130)으로 이루어진다.
상기 배터리셀(120)들은 대략 장방의 평판 형태로서 이루어질 수 있고, 파우치형의 케이스 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어지는 전극조립체가 그 양극 및 음극 탭들과 전기적으로 연결되는 리드에 의하여 외부적으로 전기적인 연결이 이루어질 수 있는 밀봉 구조로 이루어지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 배터리셀(120)은 각각 카트리지(110)를 통하여 하나의 유닛모듈을 이루고, 각 유닛모듈들이 적층형성될 수 있는데, 이러한 각각의 유닛모듈을 구성하는 배터리셀(120)은 하나 또는 두 개 이상으로 배치될 수 있다. 상기 유닛모듈에 배치되는 배터리셀의 개수는 배터리모듈에 요구되는 용량이나 전압 등에 따라 선택적이다. 다만, 각각의 배터리셀(120)들이 카트리지(110) 없이 직접 또는 그 사이의 소정의 개재되는 부재에 의하여 적층되는 경우도 상기 적층모듈의 개념에 포함된다.
상기 카트리지의 사이에는 쿨링핀이 구비되거나, 자체에서 방열을 위한 냉각유로가 형성되어 적층되는 배터리셀에서 발생되는 열을 쉽게 방출할 수 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 이러한 냉각을 위한 구조는 공지의 다양한 구성들이 채택될 수 있다.
본 발명에서는 엔드플레이트(200)의 내면이 배터리셀(120)을 바라본 상태에서 하나 이상의 배터리셀(120)의 스웰링에 대응하기 위한 변형공간을 제공한다. 본 발명의 설명에서 엔드플레이트(200)가 배터리셀(120)의 변형에 대응한다 함은 상기 엔드플레이트(200)는 직접 배터리셀(120)에 접촉되는 경우나 배터리셀(120)과 결합되는 카트리지(110)에 접촉되는 경우 등의 다양한 접촉형태에 무관하게 배터리셀(120)의 변형에 따른 압력을 직접 또는 간접적으로 전달받는 경우를 의미한다.
설명의 편의상, 배터리셀(120)이 적층되는 방향을 높이방향으로, 엔드플레이트(200)가 적층모듈을 바라보는 방향을 내측방향으로 정의하여 사용하도록 한다.
엔드플레이트(200)는 체결수단(130)에 의하여 배터리셀(120)의 적층모듈과 결합되고, 전체적인 구조와 형상을 유지하도록 기능한다. 이러한 엔드플레이트(200)의 변형은 배터리모듈(100) 전체적인 변형을 야기하고 이는 구조적인 안정성의 문제로 이어지게 됨은 상기한 바와 같다.
상기 엔드플레이트(200)는 대략 평판 형상의 판부(220)와 판부(220)에서 내측으로 돌출되는 비드(210)를 구비한다. 이러한 비드(210)의 돌출된 형태, 개수 및 배열은 선택적이나 구조적인 안정성이나 통기유로의 형성 등을 고려하여 대략 길이방향으로 형성되는 리브 형태의 비드가 양측으로 열을 지어 배열되는 것이 바람직하다.
본 발명의 개념에서는 상기 비드(210)가 높이방향으로의 변형을 허용하는 변형부(211)를 포함한다. 더욱 정확하게는 상기 비드(210)는 배터리셀(120) 또는 배터리셀(120)의 적층모듈의 변형에 대해 대응할 수 있는 소정의 변형거리를 제공하고, 상기 변형거리에서의 변형 과정에서 판부(220)는 변형이 방지되어 전체적인 형태가 유지될 수 있다. 이러한 변형거리는 공간적인 측면에서 판부(220)와 이에 마주보는 배터리셀(120) 내지는 배터리셀(120)의 적층모듈 사이의 변형공간으로 이해될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트의 형상을 구체적으로 나타내는 정단면도이다.
본 발명의 일실시예에서는 상기 변형부(211)가 노치(notch)부로서 이루어지는 예를 설명한다.
상기 노치부는 비드(210)의 측벽에서 내주측으로 함몰된 형태로 이루어지며 비드(210)의 상단부측에서 배터리셀(120)의 변형에 의한 압력이 전달되면 그 사이에 형성되는 공간에서 변형이 일어나 하측의 판부(220)까지 변형의 영향이 미치지 않도록 한다.
이러한 노치부는 정단면상 'V'자 형상으로 이루어지는 것이 바람직하나, 경우에 따라 호 형상의 홈이나 'ㄷ'자 형태의 홈 형상으로 형성되는 경우도 고려될 수 있다.
상기 노치부는 비드(210)의 양측으로 대칭되게 형성되는 것이 바람직하고, 비드(210)가 전후방향을 따라 긴 리브 형태로 이루어지는 경우는 마찬가지로 노치부도 길이방향을 따라 길게 형성될 수 있다.
이러한 변형부(211)에 의하여 비드(210)는 전체적으로 높이방향의 압력이 전달되면 좌굴(buckling)되어 판부(220)의 형태를 유지할 수 있도록 하며, 이러한 좌굴될 수 있는 높이가 변형높이가 되는 것이다. 즉, 상기 변형공간의 높이는 변형부의 높이에 의하여 결정되는 것이다.
상기 변형부(211)는 일실시예와 같이 노치로서 이루어지는 예가 설명되었으나 버(burr)나 요철의 형태도 고려될 수 있다.
다른 설명으로서, 상기 비드(210)는 변형부(211)에 의하여 하측의 지주(참조번호 미표시)와 상측의 헤드(참조번호 미표시)로 구분될 수 있다. 이러한 헤드는 변형부를 따라 변형되고, 지주는 이러한 변형을 지지하도록 기능할 수 있다.
도 6은 상술된 일실시예의 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트가 배터리셀의 변형에 대응하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
배터리셀(120)이 스웰링에 의하여 팽창 변형되면 이에 의한 압력은 직접 또는 간접적으로 비드(210)의 상단측에 전달된다.
이에 의하여 변형부(211)는 주로 압축력을 전달받게 되는데, 도 5의 경우와 대비하면 좌측에 배치되는 비드(210)의 높이가 낮아졌음이 확인된다. 이러한 변형높이는 엔드플레이트(200)의 전체적인 외면의 형상을 유지하는데 기여하게 된다.
한편, 우측의 비드(210)의 경우는 좌측과는 다소 다른 변형의 양상을 보인다.
구체적으로, 배터리셀(120)의 일부분의 팽창은 비드(210)의 일부분에 전달되는 모멘트로 작용될 수도 있다. 이 경우 배터리셀(120)에 의한 힘은 높이방향의 힘과 수평방향의 힘을 포함할 수 있고, 이에 따라 해당 비드(210) 좌측에서는 압축력이, 우측에서는 신장력이 발생될 수 있다.
이는 좌굴변형(211a)과 인장변형(211b)으로 이어진다. 상기와 같이 양측으로 두 개의 쐐기 형태의 노치로서 변형부(211)가 구성되는 경우 양측에서 서로 다른 변형이 이루어질 수 있으므로 배터리셀(120)의 불규칙적인 형태의 변형에 대응할 수 있는 이점을 가진다.
또한, 경우에 따라 양측의 변형부(211)가 서로 다른 높이로서 압축되는 경우도 발생될 수 있다.
한편, 상기 비드(210)는 변형이 용이한 재질이나 구조가 채택될 수도 있음은 물론이다.
상기 변형부(211)에 의한 변형 가능한 높이의 한도는 배터리모듈(100) 전체가 배터리셀(120)의 팽창에도 불구하고 형태를 유지할 수 있는 정도를 의미한다.
상기 변형부(211)는 상하측의 엔드플레이트(200)에 모두 적용될 수 있는데 이 경우 배터리모듈(100)의 전체적인 변형높이는 단일의 엔드플레이트(200)의 변형높이가 된다.
도 3의 종래기술과 대비하면, 종래기술의 경우는 배터리셀(20)의 변형은 즉시적으로 엔드플레이트(11)의 변형으로 이어지나, 본 발명의 개념이 적용되는 경우 엔드플레이트(200)가 변형되기 전에 먼저 비드(210)가 변형된 이후 변형높이까지는 외관의 변화가 없음이 확인된다.
상기된 본 발명에 따른 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트에 의하여 스웰링이 발생하여 배터리셀의 변형이 일어나더라도 엔드플레이트의 비드가 이러한 변형에 대응하여 배터리모듈 전체적인 외형과 구조가 유지될 수 있는 이점이 있다.
또한, 종래와 같이 스웰링에의 대처를 위한 설계변경이나 추가적인 부재의 배치의 필요성이 없어 생산성의 향상으로 이어지는 이점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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...배터리모듈 110...카트리지
120...배터리셀 130...체결수단
200...엔드플레이트 210...비드
211...변형부

Claims (7)

  1. 배터리모듈의 외면에 배치되는 엔드플레이트로서,
    평판 형태의 판부; 및
    상기 판부에서 내측으로 돌출되고 높이방향으로 변형 가능한 변형부가 형성되는 비드를 포함하는 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변형부는,
    비드의 측벽에 형성되는 노치부인 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노치부는,
    비드의 양측으로 대칭되게 형성되는 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노치부는,
    배터리셀의 변형에 따라 양측에서 서로 다른 형태로 변형되는 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비드는,
    판부의 길이방향을 따라 돌출되는 리브 형상으로 이루어지고,
    상기 변형부는,
    비드의 측면에서 길이방향을 따라 형성되는 홈인 스웰링 대응구조를 구비하는 엔드플레이트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 엔드플레이트를 구비하는 배터리모듈로서,
    복수의 배터리셀이 적층 형성되는 적층모듈; 및
    상기 변형부에 의하여 적층모듈과 엔드플레이트의 사이에 형성되며 배터리셀의 스웰링에 의한 변형에 따라 변형부가 변형될 때 판부의 형상이 유지될 수 있도록 하는 변형공간;을 포함하는 배터리모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변형공간의 높이는,
    상기 변형부의 높이에 의하여 결정되는 배터리모듈
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