KR20170030954A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20170030954A
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Abstract

본 발명은 냉각 성능이 안정적으로 확보되면서도 에너지 밀도가 높으며, 케이스의 강도 및 강성이 효과적으로 향상된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 수평 방향으로 적층된 복수의 이차 전지를 구비하는 셀 어셈블리; 측벽부 및 바닥부를 구비하여 상단이 개방된 형태로 내부 공간이 형성되며, 상기 셀 어셈블리의 하부에 위치하여 상기 내부 공간에 상기 셀 어셈블리의 적어도 일부를 수용하는 쿨링 플레이트; 및 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하여 상기 쿨링 플레이트의 상단 개방부를 커버하며, 상기 쿨링 플레이트의 측벽부 상부와 용접되는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트의 측벽부는, 적어도 상부가, 상기 바닥부의 적어도 일부와 다른 종류의 금속 재질로 구성되고 상기 엔드 플레이트와는 동일한 종류의 금속 재질로 구성될 수 있다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}
본 발명은 하나 이상의 이차 전지를 수용하는 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강도와 강성이 보강된 케이스를 구비하는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 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 파우치 외장재를 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 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
이처럼, 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하는 배터리 모듈에 대해서는 다양한 특성이 요구되고 있다.
먼저, 배터리 모듈에 대해서는 안정적인 냉각 성능의 확보가 요구된다. 이차 전지는 여름과 같이 고온 환경에서 사용되는 경우가 있을 수 있고, 이차 전지 자체적으로도 열이 많이 발생할 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지가 서로 적층된 경우, 이차 전지의 온도는 더욱 높아질 수 있다. 그런데, 이처럼 온도가 높아지면 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 이차 전지의 폭발이나 발화가 발생할 위험도 있다. 따라서, 이차 전지의 성능 및 안전성이 안정적으로 확보될 수 있도록 배터리 모듈은 냉각이 효과적으로 이루어질 필요가 있다.
또한, 배터리 모듈의 경우, 에너지 밀도 향상 및 소형화에 대한 요구가 지속되고 있다. 즉, 동일한 크기에도 보다 높은 용량이나 출력을 나타낼 수 있도록, 또는 동일한 성능에도 크기가 작아질 수 있도록, 배터리 모듈이 차지하는 공간을 감소시킬 필요가 있다.
또한, 배터리 모듈의 경우, 강도 및 강성이 일정 수준 이상으로 확보될 필요가 있다. 특히, 배터리 모듈의 경우, 다수의 이차 전지가 모듈 케이스에 수납되는 형태로 구성될 수 있는데, 이때 모듈 케이스는 안정적인 강도와 강성을 가질 필요가 있다. 더욱이, 차량에 사용되는 배터리 모듈의 경우, 진동에 자주 노출되고 차량의 충돌 시 강한 충격이 가해질 수 있는데, 이 경우 케이스의 형태가 안정적으로 유지되고 내부의 구성요소가 케이스에 의해 안전하게 보호될 필요가 있다. 뿐만 아니라, 배터리 모듈에 포함된 이차 전지는 스웰링 현상으로 부피가 팽창할 수 있는데, 이러한 내부적인 요인에도 케이스는 파손되거나 형태가 변형되지 않고 일정하게 유지될 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 냉각 성능이 안정적으로 확보되면서도 에너지 밀도가 높으며, 케이스의 강도 및 강성이 효과적으로 향상된 배터리 모듈과 이를 포함하는 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, 수평 방향으로 적층된 복수의 이차 전지를 구비하는 셀 어셈블리; 측벽부 및 바닥부를 구비하여 상단이 개방된 형태로 내부 공간이 형성되며, 상기 셀 어셈블리의 하부에 위치하여 상기 내부 공간에 상기 셀 어셈블리의 적어도 일부를 수용하는 쿨링 플레이트; 및 상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하여 상기 쿨링 플레이트의 상단 개방부를 커버하며, 상기 쿨링 플레이트의 측벽부 상부와 용접되는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트의 측벽부는, 적어도 상부가, 상기 바닥부의 적어도 일부와 다른 종류의 금속 재질로 구성되고 상기 엔드 플레이트와는 동일한 종류의 금속 재질로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 쿨링 플레이트는, 측벽부 전체와 바닥부 일부가 제1 금속 재질로 구성되고, 바닥부 나머지 부분이 제2 금속 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 금속은 스틸이고, 상기 제2 금속은 알루미늄일 수 있다.
또한, 상기 쿨링 플레이트의 바닥부는, 제1 금속 재질로 구성된 부분과 제2 금속 재질로 구성된 부분이 맞대기 용접된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔드 플레이트는, 전체적으로 제1 금속 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔드 플레이트는, 측벽부 및 루프부를 구비하여 하단이 개방된 형태로 내부 공간이 형성됨으로써 상기 셀 어셈블리의 상부의 적어도 일부를 수용할 수 있다.
또한, 상기 쿨링 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는, 측벽부에 단차가 형성되어 상호 간 끼움 결합될 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 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 냉각 성능이 안정적으로 확보될 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 셀 어셈블리 하부에 위치한 쿨링 플레이트를 통해 모든 이차 전지의 열이 배터리 모듈 외부로 배출될 수 있으므로, 이차 전지의 냉각이 안정적으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 부피 및 무게가 효과적으로 감소될 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 셀 어셈블리의 이차 전지 사이에 유로가 형성되지 않을 수 있으므로, 이차 전지 사이의 공간이 줄어들 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의할 경우, 냉각 성능이 일정 수준 이상 확보되면서도, 배터리 모듈의 크기가 크지 않도록 구성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 경우, 에너지 밀도가 높고 소형화에 용이한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 강도 및 강성이 안정적으로 확보될 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 하부 케이스의 역할을 하는 쿨링 플레이트와 상부 케이스의 역할을 하는 엔드 플레이트가 모두 금속 재질로 구성되어 그 자체로 강도 및 강성이 우수하다고 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 쿨링 플레이트는 냉각 성능 향상에 초점이 맞추어지고, 엔드 플레이트는 기계적 강성 및 강도 확보에 초점이 맞추어져, 쿨링 플레이트와 엔드 플레이트는 서로 다른 재질로 구성될 수 있다. 특히, 쿨링 플레이트와 엔드 플레이트는 배터리 모듈의 측면에서 용접될 수 있는데, 이러한 측면 용접 부분은 서로 동일한 재질로 용접될 수 있어, 측면 용접 부분의 강도 및 강성이 개선될 수 있다.
더욱이, 셀 어셈블리는, 이차 전지의 스웰링에 의해 측면 방향으로 부피가 팽창될 수 있는데, 본 발명의 상기 측면에 의하면, 셀 어셈블리의 측면 부분 팽창에도 쿨링 플레이트와 엔드 플레이트의 측면 용접 부분이 안정적으로 유지될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의할 경우, 이차 전지의 스웰링에 의해 쿨링 플레이트와 엔드 플레이트의 용접 부분이 파손되는 것을 보다 효과적으로 방지할 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 A1-A1'선에 대한 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 쿨링 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 엔드 플레이트의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 6은, 도 2의 B 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 안 되며, 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 A1-A1'선에 대한 단면도이다. 다만, 설명의 편의를 위해, 도 2에서 이차 전지는 단면이 아닌 정면 형태가 그대로 표현되도록 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100), 쿨링 플레이트(200) 및 엔드 플레이트(300)를 포함할 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 복수의 이차 전지(110)를 구비할 수 있다. 특히, 이차 전지(110)는, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 상기 파우치형 이차 전지는, 전극 조립체, 전해액 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다.
여기서, 전극 조립체는, 전극과 분리막의 조립체로서, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드와 연결될 수 있다. 그리고, 전극 리드는, 파우치 외장재 사이에 개재되어 일단이 외부로 노출되며, 이와 같이 노출된 부분이 이차 전지(110)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
전극 조립체는, 전해액과 함께 파우치 외장재에 수납될 수 있다. 그리고, 파우치 외장재는 테두리부가 열융착 등의 방식으로 실링될 수 있다. 파우치 외장재는, 좌측 파우치와 우측 파우치의 2개의 파우치로 구성될 수 있다. 그리고, 각각의 파우치는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하며, 테두리부의 내부 접착층이 서로 융착됨으로써 실링부가 형성될 수 있다.
이러한 이차 전지(110)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.
상기 이차 전지(110)는, 배터리 모듈에 복수 개 포함되어, 수평 방향으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 파우치형 이차 전지는, 2개의 넓은 면이 좌우 측에 각각 위치하고, 상부와 하부, 전방 및 후방에는 실링부가 위치하도록 대략 지면에 수직하게 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 다시 말해, 각각의 이차 전지(110)는 상하 방향으로 세워질 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 이차 전지(110)는, 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 좌우 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.
상기 쿨링 플레이트(200)는, 셀 어셈블리(100)의 하부에 위치하며, 내부 공간에 셀 어셈블리(100)의 적어도 일부를 수용할 수 있다. 이러한 쿨링 플레이트(200)의 구성에 대해서는, 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 플레이트(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 바닥부(210) 및 측벽부(220)를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 쿨링 플레이트의 바닥부(210)는, 대략 판상으로 형성되어 지면에 평행하게 놓인 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 쿨링 플레이트의 측벽부(220)는, 바닥부(210)의 양측 단부에서 수직하게 세워진 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 측벽부(220)는, 바닥부(210)와 마찬가지로 대략 판상으로 형성될 수 있다. 쿨링 플레이트(200)는, 이러한 바닥부(210)와 측벽부(220)에 의해 한정되어 내부 공간이 형성될 수 있고, 이러한 내부 공간에는 셀 어셈블리(100)의 적어도 일부가 수용될 수 있다.
그리고, 쿨링 플레이트(200)의 내부 공간은 상단이 개방된 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100)는, 이러한 상단 개방부를 통해 쿨링 플레이트(200)의 내부 공간에 삽입될 수 있다.
상기 쿨링 플레이트(200)는, 셀 어셈블리(100)의 하부에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 쿨링 플레이트의 바닥부(210)는 셀 어셈블리(100)에 대하여 수직으로 아래에 놓이고, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)는 셀 어셈블리(100)의 측면에서 적어도 하부에 위치할 수 있다.
상기 쿨링 플레이트(200)는, 적어도 일부분이 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 상기 쿨링 플레이트(200)는, 셀 어셈블리(100)의 하부에 위치하여, 셀 어셈블리(100)와 열교환을 수행할 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100)의 이차 전지(110)에서 열이 발생하는 경우, 발생된 열은 쿨링 플레이트(200)로 전달될 수 있다. 특히, 쿨링 플레이트(200)의 상부에 위치하는 셀 어셈블리(100)는, 다수의 이차 전지(110)가 수평 방향으로 배열된 형태로 구성될 수 있으며, 이때 각각의 이차 전지(110)에서 발생한 열은 하부의 쿨링 플레이트(200)로 직접 전달되어 외부로 배출될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의할 경우, 각 이차 전지(110)마다 쿨링 플레이트(200)를 통해 하부 방향으로 열이 배출될 수 있게 되며, 각 이차 전지(110) 사이에 냉각 유로가 마련되지 않아도 좋다. 그러므로, 이 경우, 배터리 모듈의 냉각 성능이 일정 수준 이상 확보되면서도 배터리 모듈의 부피가 커지지 않을 수 있다.
상기 엔드 플레이트(300)는, 셀 어셈블리(100)의 상부에 위치할 수 있으며, 상기 쿨링 플레이트(200)의 상단 개방부를 커버할 수 있다. 즉, 상기 엔드 플레이트(300)는, 셀 어셈블리(100)의 상부를 커버하여, 외부의 물리적, 화학적 요소로부터 셀 어셈블리(100)의 상부를 보호하고, 셀 어셈블리(100)의 상부 방향 이동을 제한할 수 있다.
상기 엔드 플레이트(300)는, 배터리 모듈 내부의 구성요소를 안전하게 보호하고 배터리 모듈의 형태를 안정적으로 유지하기 위해, 우수한 기계적 강도 및 강성을 가질 수 있도록 금속 재질로 구성될 수 있다.
상기 엔드 플레이트(300)는, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)와 용접으로 결합될 수 있다. 상기 쿨링 플레이트(200)는, 측벽부(220)가 바닥부(210)로부터 상부 방향으로 세워진 형태로 구성되기 때문에 엔드 플레이트(300)는 측벽부(220)의 상단에 안착되어, 측벽부(220) 상부와 용접될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 부분적으로 서로 다른 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 측벽부(220)의 적어도 상부가, 바닥부(210)의 적어도 일부와 다른 종류의 금속 재질로 구성될 수 있다. 또한, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 측벽부(220)의 적어도 상부가, 엔드 플레이트(300)와 동일한 종류의 금속 재질로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 엔드 플레이트(300)와 상기 쿨링 플레이트(200)는 동일한 재질로 구성된 부분이 상호 용접될 수 있다. 즉, 도 1에서 A2로 표시된 부분과 같은 엔드 플레이트(300)와 쿨링 플레이트(200)의 상호 용접 부분은, 서로 동일한 재질의 금속으로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 쿨링 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)에 대하여 동종 금속 용접이 구현됨으로써, 용접 부분의 강도 및 강성이 우수하게 확보될 수 있다. 특히, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 쿨링 플레이트(200)에 대해서는 우수한 냉각 성능의 확보를 위해 열전도성이 높은 재질의 금속을 이용할 수 있고, 엔드 플레이트(300)에 대해서는 내부 구성요소의 보호 및 변형 방지를 위해 강도와 강성, 경도 등이 높은 재질의 금속을 이용할 수 있다. 그러므로, 엔드 플레이트(300)와 쿨링 플레이트(200) 각각에 보다 필요한 성능을 최대한 높이면서도 결합 부분의 강도가 약해지는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 측벽부(220) 전체와 바닥부(210) 일부가 동일한 금속 재질로 구성되고, 바닥부(210)의 나머지 부분이 다른 금속 재질로 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 쿨링 플레이트(200)의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 측벽부(220)가 전체적으로 동일한 금속 재질, 즉 제1 금속 재질로 구성될 수 있다. 또한, 이러한 제1 금속 재질은 바닥부(210)의 적어도 일부, 특히 테두리 부분에까지 존재하는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 쿨링 플레이트의 측벽부(220) 전체와 바닥부(210) 일부는 일체화된 형태로 서로 동일한 제1 금속 재질로 구성될 수 있다. 이 경우, 엔드 플레이트(300)는 쿨링 플레이트의 측벽부(220)와 동일한 재질로 구성될 수 있으므로, 엔드 플레이트(300)의 전체, 또는 적어도 엔드 플레이트(300)의 용접 부분은 제1 금속 재질로 구성될 수 있다.
그리고, 쿨링 플레이트(200)의 나머지 부분, 즉 바닥부(210)에서 제1 금속 재질로 이루어진 테두리 부분 이외의 중앙 부분은, 제1 금속 재질과는 다른 종류의 제2 금속 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 쿨링 플레이트(200)에서 서로 다른 재질로 구성되어 결합된 부분이 측벽부에 존재하지 않으므로, 쿨링 플레이트(200)가 측면 충격에 보다 강한 특성을 보일 수 있다. 더욱이, 내부에서 가스가 발생하여 이차 전지(110)가 스웰링되는 경우, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)에 힘이 가해질 수 있는데, 이때에도 쿨링 플레이트(200)의 제1 금속 재질과 제2 금속 재질의 결합 부분에는 큰 힘이 가해지지 않을 수 있다.
더욱 바람직하게는, 제1 금속은 스틸이고 제2 금속은 알루미늄일 수 있다. 즉, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 측벽부(220) 전체와 바닥부(210)의 테두리 부분이 스틸 재질로 구성되고, 바닥부(210)의 나머지 부분이 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 이 경우, 엔드 플레이트(300)는, 전체적으로 스틸 재질이거나, 또는 적어도 쿨링 플레이트(200)와의 용접 부분이 스틸 재질일 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 강도 및 강성이 우수한 스틸 재질을 통해 배터리 모듈의 측면과 상면의 기계적 지지력 및 보호력을 강화시킬 수 있다. 특히, 배터리 모듈 외부에서의 압력 인가는 물론이고 배터리 모듈 내부에서의 스웰링에 의한 압력 인가에도 배터리 케이스의 측면 부분이 안정적으로 지지될 수 있다. 더욱이, 스틸의 경우 가격이 저렴하므로, 배터리 모듈의 경제성을 향상시킬 수도 있다. 또한, 열전도성이 우수한 알루미늄 재질을 통해 배터리 모듈의 하면 대부분을 구성함으로써, 이 부분을 통한 열전달 효율을 증대시켜 배터리 모듈의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 쿨링 플레이트의 바닥부(210)는, 제1 금속 재질로 구성된 부분과 제2 금속 재질로 구성된 부분이 맞대기 용접(butt welding)된 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 4에서 C로 표시된 부분과 같이, 쿨링 플레이트(200)에서 바닥부(210)는, 제1 금속 재질(M1으로 표시)로 구성된 테두리 부분과 제2 금속 재질(M2로 표시)로 구성된 중앙 부분이 상호 용접되되, 용접면이 두께 방향으로 형성될 수 있다. 즉, 쿨링 플레이트의 바닥부(210)는, 단부의 끝면이 서로 맞대어진 상태로 테두리 부분과 중앙 부분이 용접될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 서로 다른 재질로 구성된 부분이 서로 겹치지 않고 이어질 수 있으므로, 쿨링 플레이트의 바닥부(210)에 단차가 발생하지 않고 두께가 두꺼워지지 않으며 평탄한 내외측 표면을 구성할 수 있다. 그러므로, 셀 어셈블리(100)의 수납 및 고정이 보다 용이해지고, 용접 공정성이 향상되며, 보다 넓은 수납 공간이 확보될 수 있다.
특히, 상기 쿨링 플레이트의 바닥부(210)는, 제1 금속 재질로 구성된 부분과 제2 금속 재질로 구성된 부분이 테일러드 블랭크(tailored blank) 방식으로 용접될 수 있다. 이러한 테일러드 블랭크 용접 방식에 의하면, 제1 금속 재질로 구성된 판재와 제2 금속 재질로 구성된 판재가 재단된 후 레이저로 맞대기 용접을 해서 한 번에 프레스 성형을 하는 형태로 쿨링 플레이트(200)가 제조될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 재료의 손실이 없고, 보강재가 필요 없으며, 용접성이 우수하고, 공정이 단순화될 수 있다.
한편, 상기 엔드 플레이트(300)는, 전체적으로 제1 금속 재질로 구성될 수 있다. 즉, 상기 엔드 플레이트(300)는, 하나의 금속 재질로 구성될 수 있다. 이때, 엔드 플레이트(300)는, 측벽부(220)의 용접 부분과 동일한 재질로 구성될 수 있다. 특히, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)는 상단이 스틸 재질로 구성될 수 있는데, 이 경우 엔드 플레이트(300)는 전체적으로 스틸 재질로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 엔드 플레이트(300)의 제조가 용이하고 저렴하며, 우수한 기계적 강도 및 강성이 확보될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 엔드 플레이트(300)는, 측벽부(320) 및 루프부를 구비할 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 플레이트(300)의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 엔드 플레이트(300)는, 판상으로 구성된 루프부(310)와 이러한 루프부(310)의 단부에서 하부 방향으로 절곡된 형태로 구성된 측벽부(320)를 구비할 수 있다. 따라서, 상기 엔드 플레이트(300)는, 하단이 개방된 형태로 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 엔드 플레이트(300)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)의 상부에 위치하여 내부 공간에 셀 어셈블리(100)의 상부가 수용되도록 할 수 있다. 이 경우, 엔드 플레이트의 루프부(310)는 셀 어셈블리(100)의 상면을 커버하고, 엔드 플레이트의 측벽부(320)는 셀 어셈블리(100)의 상부 측면을 커버할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)가, 셀 어셈블리(100)의 측면에서 하단부터 상단에까지 이르지 않고 상단보다 낮은 높이까지 이르도록 구성될 수 있다. 즉, 배터리 모듈의 케이스 측면은 쿨링 플레이트의 측벽부(220)와 함께 엔드 플레이트의 측벽부(320)로 구성되므로, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)는 셀 어셈블리(100)의 상단까지 커버할 필요가 없다. 예를 들어, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)의 대략 중앙 부분의 높이까지 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 측벽부(220)에 의해 한정된 공간에 셀 어셈블리(100)가 세워진 형태로 안정적으로 수용될 수 있도록 하고, 셀 어셈블리(100)의 삽입을 용이하게 할 수 있다.
이를테면, 셀 어셈블리(100)는, 다수의 이차 전지(110)가 수평 방향으로 적층된 상태에서 가압 유닛에 의해 측면 상부가 가압된 상태로 쿨링 플레이트(200)의 상부로 이동되어 쿨링 플레이트(200)의 내부 공간으로 삽입될 수 있다. 이때, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)는 셀 어셈블리(100)의 측면 상단을 덮지 않을 정도의 높이를 가짐으로써, 셀 어셈블리(100)의 삽입 공정에서 가압 유닛이 쿨링 플레이트(200)에 삽입될 필요가 없다. 따라서, 쿨링 플레이트(200)에는 가압 유닛이 삽입 및 인출되기 위한 공간이 마련될 필요가 없으므로, 셀 어셈블리(100)의 수납 공간을 최대한 확보할 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)와 엔드 플레이트의 측벽부(320)가 용접되는 부분, 즉 도 1에서 A2로 표시된 부분이 서로 동일 재질로 구성되어 동종 용접이 구현되므로, 용접 부분의 신뢰성이 안정적으로 확보될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 쿨링 플레이트(200) 및 엔드 플레이트(300) 중 적어도 하나는, 측벽부에 단차가 형성되어 상호 간 끼움 결합되는 형태로 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은, 도 2의 B 부분에 대한 확대도이다.
도 6을 참조하면, 상기 쿨링 플레이트(200)는, 측벽부(220)의 상부에 단차가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 엔드 플레이트(300)는, 측벽부(320)의 하부에 단차가 형성될 수 있다. 이때, 쿨링 플레이트의 측벽부(220) 상부에 형성된 단차와 엔드 플레이트의 측벽부(320) 하부에 형성된 단차는 상호 대응되는 형태로 형성되어, 서로 끼움 결합되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 끼움 결합에 의해 쿨링 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300) 사이의 결합력이 보다 강화될 수 있다. 또한, 단차에 의해 쿨링 플레이트의 측벽부(220)와 엔드 플레이트의 측벽부(320) 사이의 용접 면적이 넓게 확보될 수 있다. 따라서, 쿨링 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300) 사이의 용접력이 보다 강화되고 공정이 용이해질 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 쿨링 플레이트의 측벽부(220)와 엔드 플레이트의 측벽부(320) 사이의 용접 부분은 동종 재질의 용접이 이루어지므로, 이러한 용접 성능은 더욱 강화될 수 있다.
특히, 상기 쿨링 플레이트의 측벽부(220) 상부는, 내측에서 외측 방향으로 갈수록 상하 길이가 짧아지는 형태로 단차가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 엔드 플레이트의 측벽부(320) 하부는, 내측에서 외측 방향으로 갈수록 상하 길이가 길어지는 형태로 단차가 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 쿨링 플레이트(200)에 셀 어셈블리(100)가 삽입된 상태에서 엔드 플레이트(300)를 결합시키는 구성이 보다 용이하게 달성될 수 있다.
한편, 도 1의 구성에서, 쿨링 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)는 측벽부가 좌측과 우측에만 구비되고 전방과 후방에는 구비되지 않는 것처럼 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과할 뿐 다양한 다른 구성이 가능할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성과 달리, 쿨링 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)는 전방과 후방에도 각각 측벽부가 구비될 수 있다. 이 경우, A2로 표시된 부분과 같은 쿨링 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)의 용접 부분은, 배터리 모듈의 전방과 후방에도 각각 형성될 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 카트리지를 더 포함할 수 있다.
카트리지는, 상호 적층 가능한 형태로 구성되며, 내부 공간에 이차 전지(110)를 수용하도록 구성될 수 있다. 특히, 카트리지는, 파우치형 이차 전지(110)의 테두리를 외측에서 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(110)는 넓은 면을 정면으로 하여 바라본 형태가 대략 사각형이 되는 형태로 구성될 수 있는데, 이때 카트리지는 이차 전지(110)의 테두리를 둘러싸는 형태로 사각 링 형태로 구성될 수 있다. 이러한 카트리지는, 폴리머 또는 금속 재질로 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 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 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. 특히, 자동차의 경우 많은 진동 및 심한 충격에 노출될 수 있고, 많은 이차 전지가 포함되어 스웰링이 심하게 발생할 수 있다. 따라서, 자동차에 장착되는 배터리 모듈은 냉각과 함께 강도 및 강성의 확보가 매우 중요하다. 따라서, 이러한 자동차에 본 발명에 따른 배터리 모듈이 적용되는 경우, 효과적인 냉각 성능의 확보와 함께 우수한 강도 및 강성을 갖는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
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.
100: 셀 어셈블리
110: 이차 전지
200: 쿨링 플레이트
210: 바닥부, 220: 측벽부
300: 엔드 플레이트
310: 루프부, 320: 측벽부

Claims (9)

  1. 수평 방향으로 적층된 복수의 이차 전지를 구비하는 셀 어셈블리;
    측벽부 및 바닥부를 구비하여 상단이 개방된 형태로 내부 공간이 형성되며, 상기 셀 어셈블리의 하부에 위치하여 상기 내부 공간에 상기 셀 어셈블리의 적어도 일부를 수용하는 쿨링 플레이트; 및
    상기 셀 어셈블리의 상부에 위치하여 상기 쿨링 플레이트의 상단 개방부를 커버하며, 상기 쿨링 플레이트의 측벽부 상부와 용접되는 엔드 플레이트
    를 포함하고,
    상기 쿨링 플레이트의 측벽부는, 적어도 상부가, 상기 바닥부의 적어도 일부와 다른 종류의 금속 재질로 구성되고 상기 엔드 플레이트와는 동일한 종류의 금속 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 플레이트는, 측벽부 전체와 바닥부 일부가 제1 금속 재질로 구성되고, 바닥부 나머지 부분이 제2 금속 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 금속은 스틸이고, 상기 제2 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 쿨링 플레이트의 바닥부는, 제1 금속 재질로 구성된 부분과 제2 금속 재질로 구성된 부분이 맞대기 용접된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는, 전체적으로 제1 금속 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는, 측벽부 및 루프부를 구비하여 하단이 개방된 형태로 내부 공간이 형성됨으로써 상기 셀 어셈블리의 상부의 적어도 일부를 수용하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 쿨링 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는, 측벽부에 단차가 형성되어 상호 간 끼움 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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