KR20200002327U - 전지 스택용 스페이서 및 전지 스택을 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

전지 스택용 스페이서 및 전지 스택을 포함하는 전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 고안은 전지 스택의 전지 셀 사이에 배치되는 스페이서에 관한 것이다. 상기 스페이서는 직사각형의 프레임 본체, 및 상기 프레임 본체의 평면으로부터 수직으로 세워지고 제1 종방향 측면의 양 코너부 위로 연장되는 한 쌍의 위치 결정 부재를 포함한다.

Description

전지 스택용 스페이서 및 전지 스택을 포함하는 전지 모듈{Spacer for a battery stack and battery module comprising the battery stack}
본 고안은 전지 스택에 있어 전지 셀 사이의 배열을 위한 스페이서에 관한 것이다. 또한, 본 고안은 전지 셀과 스페이서의 교호적 배열을 갖는 전지 스택을 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 물건과 사람들의 운송 수단은 전력을 운전의 원천으로 사용하여 개발되었다. 이러한 전기 자동차는 충전식 전지에 저장된 에너지를 사용하여 전기 모터에 의해 추진되는 자동차이다. 전기 자동차는 전적으로 전지에 의해 구동되거나, 예를 들어 가솔린 발전기에 의해 구동되는 하이브리드(hybrid) 자동차의 형태일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 종래의 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전기 자동차 전지(EVB, Electric-Vehicle Battery) 또는 견인 전지(traction battery)는 전지 전기 자동차(BEV, Battery Electric Vehicles)의 추진에 사용되는 전지다. 전기 자동차 전지는 지속 시간 동안 전력을 공급할 수 있도록 설계되었으므로 시동, 조명 및 점화 전지와는 다르다. 충전식 또는 이차 전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서 일차 전지와 다르며, 후자는 화학 물질을 전기 에너지로 비가역적 변환만 제공한다. 저용량의 충전식 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되는 반면, 고용량의 충전식 전지는 하이브리드 자동차 등의 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충전과 방전을 가능하게 하기 위해 전해질 용액을 케이스에 주입한다. 예를 들어, 원통형 또는 직사각형인 케이스의 형상은 전지의 용도에 따라 다르다. 랩톱 및 가전 제품에서 사용되는 것으로 널리 알려진 리튬 이온(및 유사한 리튬 폴리머) 전지는 개발중인 최신 전기 자동차 그룹에서 가장 두드러진다.
이차 전지는 고 에너지 밀도를 제공하기 위해, 특히 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위해 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 전지 셀로 형성된 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 따라 고출력 이차 전지를 구현하기 위하여 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자를 연결함으로써 형성된다. 특히, 직사각형의 전지 셀은 대체적으로 공유 전지 모듈 하우징 내에 컴팩트 전지 스택으로서 제공된다. 이 전지 스택은 한 쌍의 강성 엔드 플레이트와 가령 이웃하는 전지 셀 사이에 배치된 다수의 냉각 플레이트를 포함할 수 있다.
예를 들어 온도 변화에 기인하여 정기 작동 중인 전지 셀이 팽창(또는 스웰링)할 수 있다. 전지 셀의 팽창인 경우, 팽창력은 전지 스택을 따라 한 쌍의 엔드 플레이트를 향해 전달되고 누적될 수 있다. 이의 결과로서 엔드 플레이트는 일반적으로 기계적 응력을 견디고 자체 굽힘을 줄일 수 있도록 강화된다. 그런데 엔드 플레이트 옆으로 전지 스택의 양 단부에 배열되는 전지 셀 상에 여전히 상당한 응력이 있을 수 있다. 이로 인해 해당 전지 셀은 노화가 증가될 수 있다. 팽창으로 인한 기계적 응력을 감소시키기 위해 팽창력을 적어도 부분적으로 보상할 수 있도록 스페이서가 전지 셀 사이에 배치될 수 있다.
가령, EP 1 701 404 B1은 복수의 각형 전지 셀과 이들 전지 셀 사이에 배치된 셀 배리어를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다. 구체적으로 팽창으로 인한 전지 모듈의 변형을 방지하기 위해 다른 강도를 갖는 셀 배리어가 전지 셀 사이에 배치된다. 여기서 셀 배리어는 내부를 관통하는 냉각 채널을 가질 수 있다.
US 9,023,504 B2는 각형 전지 셀과 스페이서의 교호적 배열을 갖는 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 각 스페이서는 직사각형 전지 셀의 측면에 접촉하는 베이스 부분과, 이 베이스 부분으로부터 이웃하는 전지 스페이서를 향해 돌출한 날개 부분 및 이 날개 부분 상에 위치한 체결 부분을 포함한다. 체결 부분은 스페이서를 이웃한 스페이서와 결합하도록 설계된다. 베이스 부분은 테두리 프레임으로서 설계될 수 있다. 전지 셀은 팽창 동안 프레임에 의해 둘러싸인 자유 공간으로 확장될 수 있다.
US 2017/0365837 A1은 각형 전지 셀과 스페이서의 교호적 배열을 갖는 다른 전지 모듈을 개시한다. 스페이서는 전지 셀 케이스의 최대 팽창 영역에 대응하도록 설계되어야 한다. 또한, 스페이서는 전지 셀 케이스의 주변 가장자리에 매달린 구성을 가질 수 있다.
본 고안의 목적은 종래 기술의 단점 중 적어도 일부를 극복하거나 감소시키며, 간단한 구성을 가지고 전지 셀 사이에서 전지 셀의 팽창을 보상할 수 있을뿐더러 전지 스택의 조립 공정을 용이하게 이룰 수 있는 전지 스택용 스페이서와 이 스페이서를 포함한 전지 스택을 갖는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 개시의 실시예는 전지 스택의 전지 셀 사이에 배치되는 스페이서에 관한 것이다. 상기 스페이서는 직사각형의 프레임 본체, 및 상기 프레임 본체의 평면으로부터 수직으로 세워지고 제1 종방향 측면의 양 코너부 위로 연장되는 한 쌍의 위치 결정 부재를 포함한다.
다시 말해, 복수의 각형 전지 셀로 구성된 전지 스택을 위한 스페이서가 제공된다. 전지 셀은 이차 전지일 수 있다. 스페이서는 전지 스택의 이웃하는 전지 셀 사이에 배치될 수 있다. 스페이서의 목적은 전지 셀 사이에 공간을 확보하여 전지 셀의 팽창, 특히 전지 셀의 중심 부분의 팽창을 보상하도록 함에 있다. 이 스페이서로 인해 전지 스택의 최외곽 전지 셀과 엔드 플레이트 상의 팽창으로 인해 야기되는 기계적 응력이 감소될 수 있으며 전지 스택의 수명이 증가될 수 있다. 여기서 기계적 응력은 전지 스택의 모든 전지 셀에 보다 균일하게 분포될 수 있다. 더욱이, 한 쌍의 위치 결정 부재는 전지 스택의 조립 공정을 용이하게 한다. 스페이서는 위치 결정 부재에 의해 전지 셀의 일 측면에 간단히 부착될 수 있고 이로써 전지 스택의 제조 공정의 자동화가 용이해진다. 양 위치 결정 부재가 스페이서의 코너부에 배치되는 것으로, 전지 스택에서 수평 및 수직 방향으로 스페이서의 위치가 미리 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라 프레임 본체의 두께는 0.5mm 내지 1.5mm 범위에 있을 수 있다. 프레임 본체의 두께가 0.5mm 보다 작으면, 스페이서는 적절한 기계적 안정성을 갖지 않을 수 있고, 프레임 본체에 제공된 공간이 전지 셀의 팽창을 보상하기에 너무 작을 수 있다. 반면, 프레임 본체의 두께가 1.5mm 보다 크면, 통상적인 이차 전지 셀이 정상 작동 조건 하에서 팽창이 1.5mm를 초과하지 않으므로, 전지 스택의 중량 및 크기가 불필요하게 확대될 수 있다.
프레임 본체와 위치 결정 부재는 일체로 구성될 수 있다. 이에 따라 스페이서의 제조 공정은 간단해질 수 있으며 스페이서의 기계적 안정성은 향상될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 스페이서는 제1 종방향 측면에 배치되며 위치 결정 부재와 대향하는 방향으로 프레임 본체의 평면으로부터 수직으로 세워진 간격 부재를 더욱 포함한다. 간격 부재는 0.5mm 내지 1mm 범위의 길이를 갖는다. 즉, 간격 부재는 프레임 본체의 제1 종방향 측면의 일 측면 상에 위치되는데, 이 일 측면은 위치 결정 부재가 배치되는 제1 종방향 측면에 대향하는 측면이다.
간격 부재는 제1 종방향 측면의 외측 가장자리에 배치될 수 있다. 예를 들어, 간격 부재는 프레임 본체의 평면에 대해 90°로 구부러져 양 위치 결정 부재 사이에 연속적으로 연장될 수 있다. 또한, 프레임 본체와 간격 부재는 일체로 구성될 수 있다. 더욱이, 프레임 본체, 간격 부재 및 위치 결정 부재는 일체로 구성될 수 있다. 이러한 일체 구조는 스페이서의 제조 공정을 단순화하고 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.
다른 실시예에 따라 프레임 본체, 위치 결정 부재 및/또는 간격 부재는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 스페이서를 구성하는 모든 구성 요소는 동일한 플라스틱으로 만들어질 수 있으며, 이 플라스틱은 강성 또는 탄성 특성을 가질 수 있다.
또한, 위치 결정 부재와 동일한 방향을 하는 프레임 본체의 측면 즉, 스페이서의 제2 종방향 측면에 접착체층이 제공될 수 있다. 전지 스택의 조립 공정 동안, 접착체층은 스페이서의 위치 결정 부재가 결합되는 전지 셀의 측면에 접촉된다. 이에 따라 전지 스택에서 스페이서는 접착체층에 의해 원하는 위치에 영구적으로 고정될 수 있다.
본 개시의 다른 측면에 따라, 차량을 위한 전지 모듈이 제공된다. 전지 모듈은 전지 셀과 위에서 설명한 스페이서가 교호적으로 배치된 배열을 갖는 전지 스택을 포함한다.
본 개시의 또 다른 측면은 종속항 또는 이하의 설명으로부터 알 수 있다.
본 고안의 실시예에 따른 스페이서는 간단한 구성을 지니고 전지 스택에서 전지 셀의 팽창을 보상할 수 있으며, 전지 셀 사이에 배치되어 전지 스택을 구성 시, 이의 조립을 자동화로서 용이하게 이룰 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 통상의 기술자에게 특징이 명백해질 것이다.
도 1은 실시예에 따른 전시 스택을 포함한 전지 모듈을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 스택의 조립에 사용되는 스페이서를 도시한 사시도이다.
본 고안의 개념의 특징 및 이를 달성하는 방법은 다음의 실시예 및 첨부 도면의 상세한 설명을 참조하면 보다 용이하게 이해될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 도면 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그러나, 본 고안은 다양한 형태로 구체화될 수 있으며, 도시된 실시예로만 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하게 될 수 있도록 예로서 제공되며, 당업자에게 본 고안의 양상 및 특징을 충분히 전달할 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전지 스택(110)을 포함한 전지 모듈(100)의 일 부분을 도시한 분해 사시도이다. 전지 스택(110)은 전지 모듈의 하우징 내에 수용된다. 단순화를 위해 도 1은 하우징의 베이스 플레이트(120)와 측면 패드(130)만을 도시하고 있다. 전지 스택(110)은 베이스 플레이트(120) 상에 배치된다.
전지 스택(110)은 일 방향으로 배열된 복수의 전지 셀(10)을 포함한다. 한 쌍의 엔드 플레이트(12)는 전지 스택(110)을 고정시킨다. 여기서 각 전지 셀(10)은 각형(또는 직사각형) 셀로 이루어지며, 전지 셀(10)의 넓고 평평한 표면이 함께 적층되어 전지 스택(110)을 형성한다. 각 전지 셀(10)은 전극 조립체와 전해질을 수용하도록 구성된 전지 케이스(13)를 포함한다. 전지 케이스(13)는 캡 조립체(14)에 의해 밀봉된다. 캡 조립체(14)는 다른 극성을 갖는 양극 단자(16)와 음극 단자(18), 및 벤트(20)를 구비한다. 벤트(20)는 전지 셀(10) 내부에서 발생된 가스가 전지 셀(10)의 외부로 배출되는 통로로서 작용하는 전지 셀(10)의 안전 수단이다. 전지 케이스(13)의 측면은 절연 포일(22)로 덮일 수 있다. 이웃하는 전지 셀(10)의 양극 단자(16)와 음극 단자(18)는 버스바(도시되지 않음)를 통해 전기적으로 연결된다. 이에 따라 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(10)을 하나의 번들로 전기적으로 연결함으로써 전원 유닛으로 사용될 수 있다.
전지 스택(110)은 더욱이 복수의 스페이서(50)를 포함한다. 스페이서(50)와 전지 셀(10)은 교호적으로 배열되어 전지 스택(110)을 구성한다. 도 2는 도 1의 전지 스택(110)의 조립 시, 사용되는 스페이서(50)의 하나를 확대 도시한 도면이다.
예시적인 스페이서(50)는 직사각형의 형상을 가지며 프레임 본체(52)를 포함한다. 프레임 본체(52)는 개구부(54)를 둘러싸는 형상인데, 프레임 본체(52)가 이러한 형상을 갖는 목적은 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다. 프레임 본체(52)는 전지 스택(110)에서 캡 조립체(14)의 높이 정도로 위치하는 제1 종방향 측면(52.1)과, 하우징의 베이스 플레이트(120)와 마주하는 제2 종방향 측면(52.2)을 포함한다. 예시적인 스페이서(50)의 제2 종방향 측면(52.2)은 스페이서(50)의 바닥에 작은 빈 공간(56)이 제공되도록 안쪽으로 약간 오프셋된다. 프레임 본체(52)는 2개의 종방향 측면(52.1, 52.2)을 연결하는 2개의 횡방향 측면(52.3, 52.4)을 포함한다. 프레임 본체(52)의 두께 즉, 종방향 측면(52.1, 52.2)과 횡방향 측면(52.3, 52.4) 각각의 두께는 0.5mm 내지 1.5mm의 범위일 수 있으며, 이 예시적인 실시예에서는 약 1mm일 수 있다.
스페이서(50)는 프레임 본체(52)의 평면으로부터 프레임 본체(52)의 일측으로 수직하게 세워지고 공통의 제1 종방향 측면(52.1)의 2개의 코너 위로 연장되는 한 쌍의 위치 결정 부재(60)를 더욱 포함한다. 여기서, 위치 결정 부재(60)는 대략 L자 형상을 가지며 프레임 본체(52)의 평면으로부터 약 5mm 연장된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 위치 결정 부재(60)는 완성된 전지 스택(110)에서 캡 조립체(14) 상에 수평적으로 위치하고 전지 케이스(13)의 2개의 횡방향 측면 상에 수직적으로 위치한다. 이러한 스페이서(50)는 전지 스택(110)의 조립 공정 동안 전지 셀(10) 상에 용이하게 적층될 수 있고 이 공정 단계는 신속한 자동화를 가능하게 한다.
더욱이, 위치 결정 부재(60)가 연장되는 프레임 본체(52)의 동일 측면 상에 접착체층(62)이 제공된다. 이 접착체층(62)은 제2 종방향 측면(52.2)의 측면에 제공된다. 스페이서(50)가 전지 셀(10)의 측면에 배치되고 나서 접착체층(62)은 전지 케이스(13)의 측면에 접착된다.
스페이서(50)는 제1 종방향 측면(52.1) 상에 배치되고 위치 결정 부재(60)와 대향하는 방향으로 프레임 본체(52)의 평면으로부터 수직하게 상승하는 간격 부재(70)를 더욱 포함한다. 간격 부재는 0.5mm 내지 1mm 범위 내의 길이, 예로서 약 0.75mm의 길이를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 간격 부재(70)는 제1 종방향 측면(52.1)의 바깥쪽 가장자리에 배치된다. 예시적인 간격 부재(70)는 프레임 본체(52)로부터 구부러져 접힌 형상을 갖는다. 간격 부재(70)는 이웃하는 전지 셀(10) 사이에 작은 연면 거리(creepage distance)를 제공한다. 일반적으로, 전지 셀(10)은 충/방전되는 동안 많은 양의 열을 발생시킨다. 발생된 열은 전지 셀(10) 내에 축적되는 바, 이로 인해 전지 셀(10)의 열화가 가속된다. 따라서, 전지 모듈은 냉각될 필요가 있다.
위에서 언급된 실시예의 대안 또는 추가로, 하우징의 베이스 플레이트(120) 상에 열 전도성 물질이 전지 셀(10)의 바닥면 각각에 대응하여 제공될 수 있다. 열 전도성 물질(thermal interface material)은 전지 모듈(100)의 하부에 제공된 냉각 시스템과 단일 전지 셀(10) 사이의 열 접촉을 향상시키기 위한 것이다. 일 실시예에 따르면, 전지 스택(110)의 중요 구성요소로, 특히 전지 셀(10), 스페이서(50) 및 엔드 플레이트(12)는 압축력을 가지고 조립된다. 따라서, 예시적인 스페이서(50)의 제2 종방향 측면(52.2)은 작은 빈 공간(56)이 스페이서(50)의 바닥에 제공되도록 스페이서(50)의 안쪽으로 약간 오프셋될 수 있다. 횡방향 측면(52.3, 52.4)의 하부에서, 자유단(58.1, 58.2)은 기계적인 응력으로 인한 전지 케이스(13)의 손상을 피하기 위해 전지 셀(10)의 가장자리로 공급된 힘을 열 전도성 물질로 전달한다. 더욱이, 열 전도성 물질은 스페이서(50)의 바닥면에서 빈 공간(56)으로 퍼질 수 있는 바, 이로 인해 전지 셀(10)의 전지 케이스(13)의 접촉면이 증가한다. 열 전도성 물질은 포일, 층 또는 가령, 금속 입자를 포함하는 플라스틱 물질로 구성된 매트로 제공될 수 있다.
정상적인 작동 중 전지 셀(10)은 약간 팽창할 수 있다. 팽창량은 전지 셀의 측면 중앙 영역에서 최대치일 것이다. 따라서, 스페이서(50)의 개구부(54)는 전지 셀(10)의 팽창을 허용할 것이다. 이로써 전지 스택(110)의 양 단부에서 기계적 응력이 축적되는 것을 방지 또는 저감할 수 있다.
프레임 본체(52), 위치 결정 부재(60) 및 간격 부재(70)는 일체로, 가령 하나의 부품으로 구성될 수 있다. 스페이서(50)를 구성하는 언급된 구성 요소들은 동일 플라스틱, 예를 들어 강성 플라스틱으로 만들어질 수 있다.
이상을 통해 본 고안의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 고안은 이에 한정되는 것이 아니고 실용신안 청구범위와 고안의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 고안의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 전지 셀 12: 엔드 플레이트
13: 전지 케이스 14: 캡 조립체
16: 양극 단자 18: 음극 단자
20: 벤트 22: 절연 포일
50: 스페이서 52: 프레임 본체
52.1, 52.2: 종방향 측면 52.3, 52.4: 횡방향 측면
54: 개구부 56: 빈 공간
58.1, 58.2: 자유단 60: 위치 결정 부재
62: 접착체층 70: 간격 부재
100: 전지 모듈 110: 전지 스택
120: 베이스 플레이트 130: 측면 패드

Claims (10)

  1. 전지 스택의 전지 셀 사이에 배치되는 스페이서로서,
    상기 스페이서는
    직사각형의 프레임 본체; 및
    상기 프레임 본체의 평면으로부터 수직으로 세워지고 제1 종방향 측면의 양 코너부 위로 연장되는 한 쌍의 위치 결정 부재
    를 포함하는 스페이서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 본체와 상기 위치 결정 부재는 일체로 구성된, 스페이서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 본체의 두께가 0.5mm 내지 1.5mm 범위에 있는, 스페이서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 제1 종방향 측면 상에 배치되고 상기 위치 결정 부재에 대향하는 방향으로 상기 프레임 본체의 평면으로부터 수직으로 세워지는 간격 부재를 더욱 포함하고,
    상기 간격 부재는 0.5mm 내지 1.0mm 범위의 길이를 갖는, 스페이서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 간격 부재는 상기 제1 종방향 측면의 외측 가장자리에 배치된, 스페이서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 프레임 본체와 상기 간격 부재는 일체로 구성된, 스페이서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 프레임 본체, 상기 위치 결정 부재 및/또는 상기 간격 부재는 플라스틱으로 만들어진, 스페이서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 본체의 일 측면에 상기 위치 결정 부재와 동일한 방향으로 향하는 접착체층이 제공된, 스페이서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접착체층은 제2 종방향 측면의 일 측면에 제공된, 스페이서.
  10. 전지 셀과 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의한 스페이서가 교호적으로 배치된 배열을 갖는 전지 스택을 포함하는 전지 모듈.
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