KR20200059024A - 전지 모듈 - Google Patents

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KR20200059024A
KR20200059024A KR1020180143837A KR20180143837A KR20200059024A KR 20200059024 A KR20200059024 A KR 20200059024A KR 1020180143837 A KR1020180143837 A KR 1020180143837A KR 20180143837 A KR20180143837 A KR 20180143837A KR 20200059024 A KR20200059024 A KR 20200059024A
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이진규
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈에 있어서, 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체와 연결되고, 버스바를 포함하는 버스바 프레임, 및 상기 버스바 프레임을 덮는 열 절연 패드를 포함하고, 상기 전지셀과 연결된 전극 리드가 상기 버스바 프레임의 후면에서 상기 버스바와 만나 용접된 부분을 상기 열 절연 패드가 감싸고 있다.

Description

전지 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 열 절연 패드를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 차량, 디젤 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기 자동차 등의 동력원으로서 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고, 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장 부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조 비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 받고 있다.
이러한 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 전지 모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
충방전 과정에서 발생한 전지 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지 모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 중대형 전지 모듈 다수 개를 포함하고 고출력 대용량의 전지인 차량용 중대형 전지팩이나 전력 저장 장치용 중대형 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
일반적으로 냉각 시스템에는 수냉식과 공냉식을 사용할 수 있는데, 누전이나 이차 전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 널리 사용되는 경향이 있다. 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈의 경우, 전지 시스템을 장기간 신뢰성 있게 사용할 수 있도록 외부의 공기를 이용해서 내부의 전지를 냉각할 수 있다. 하지만, 한 개의 전지셀에서 열폭주(thermal runaway)가 발생하여 방출되는 고온의 가스와 화염이 외부로 잘 배출되지 않으면 인접한 전지셀로 매우 빠르게 전파가 되어 큰 피해를 발생시킬 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 간의 열 전파를 지연시켜 안정성을 확보하는 전지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈에 있어서, 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체와 연결되고, 버스바를 포함하는 버스바 프레임, 및 상기 버스바 프레임을 덮는 열 절연 패드를 포함하고, 상기 전지셀과 연결된 전극 리드가 상기 버스바 프레임의 후면에서 상기 버스바와 만나 용접된 부분을 상기 열 절연 패드가 감싸고 있다.
상기 전지셀 적층체에서 상기 전지셀이 적층되는 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 노출되는 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분을 상기 열 절연 패드가 감쌀 수 있다.
상기 열 절연 패드의 면적은 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분의 면적보다 넓을 수 있다.
상기 열 절연 패드는 서로 이격된 복수의 패드를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체와 상기 버스바 프레임을 감싸는 커버 플레이트를 더 포함하고, 상기 커버 플레이트는 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분과 마주보는 방향에 위치하는 측면 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 측면 플레이트와 상기 버스바 프레임 사이에 상기 열 절연 패드가 위치할 수 있다.
상기 측면 플레이트와 상기 열 절연 패드는 상기 전지셀 적층체를 기준으로 양측에 각각 위치할 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 일측에 위치하는 상기 측면 플레이트와 상기 열 절연 패드 사이에 공기가 들어오도록 하는 유입구가 형성되고, 상기 전지셀 적층체의 다른 일측에 위치하는 상기 측면 플레이트와 상기 열 절연 패드 사이에 공기가 빠져 나가도록 하는 유출구가 형성될 수 있다.
상기 열 절연 패드로 인해, 상기 전지셀에서 발생된 가스 및 화염에 의한 열이 서로 이웃하는 전지셀들 표면을 따라 전달될 수 있다.
상기 열 절연 패드는 마이카(MICA)로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 일반적인 이차 전지 작동 환경에서는 냉각을 위한 경로를 제공하고, 열폭주와 같이 비정상적인 상황에서는 뿜어내는 가스와 화염에 의한 열이 인접한 전지셀로 전파되는 것을 막을 수 있는 구조를 제공함으로써, 최대한 전지셀과 전지셀로의 열전파를 지연시켜 안정성을 확보하는 전지 모듈을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 모습을 나타내는 사진이다.
도 3은 도 2의 버스바 프레임의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 종래의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 모습을 나타내는 사진이다.
도 6은 도 5의 버스바 프레임의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 1의 전지 모듈 및 도 4의 전지 모듈의 정상 동작 상태에서 공기의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8은 종래의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열이 전달되는 경로를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 열 전달 패드를 포함할 경우 열 전달이 차단되는 모습을 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 열폭주로 인해 열이 전달되는 경로를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 열폭주로 인해 전지셀 두께 방향으로 순차적인 열전파 경향을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 구조를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(500)은 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지셀 적층체(150)을 포함하고, 이러한 전지셀 적층체(150)를 감싸고 있는 커버 플레이트(100)를 포함한다. 커버 플레이트(100)는 상하부 플레이트(100T)와 측면 플레이트(100S)를 포함하고, 측면 플레이트(100S)와 전지셀 적층체(150) 사이에 후술하는 버스바 프레임이 배치될 수 있다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 모습을 나타내는 사진이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈(500)에서 측면 플레이트(100S)를 제거하여 나타나는 노출 부분이다. 도 3은 도 2의 버스바 프레임의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 3은 버스바 프레임의 후면을 나타낼 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(500)의 전지셀 적층체(150) 측면에 버스바 프레임(200)이 위치하고, 버스바 프레임(200)은 도 2에 도시한 바와 같이 열 절연 패드(300)로 덮여 있다. 여기서, 전지셀 적층체(150)의 측면은 전지셀 적층체(150)에서 전지셀(110)이 적층되는 방향인 제1 방향(X)과 수직한 제2 방향(Y)을 향하는 면을 정의할 수 있다. 열 절연 패드(300)는 전지셀 적층체(150)와 측면 플레이트(100S) 사이 또는 버스바 프레임(200)과 측면 플레이트(100S) 사이에 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(500)은 공냉식 구조를 가지며, 외부 공기를 사용하여 전지셀(110)에서 발생한 열을 식히기 위해, 외부 공기가 주입되는 유입부(130a)와 배출부(130b)가 형성되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전지셀(110)과 연결되는 전극 리드(120)는 도 1에 표시한 제2 방향(Y)으로 뻗어, 버스바 프레임(200)에 형성된 리드 슬롯(미도시)을 통과하여 버스바 프레임(200)의 후면에서 절곡되어, 버스바(210)와 함께 레이저 용접을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 도 3에서 전극 리드(120)가 표시된 부분이 버스바(210)와 전극 리드(120)의 용접 부분일 수 있다. 본 실시예에 따른 열 절연 패드(300)가 버스바(210)와 전극 리드(120)의 용접 부분을 감싸고 있다. 이때, 열 절연 패드(300)의 면적은 전극 리드(120)와 버스바(210)의 용접 부분의 면적보다 넓은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 열폭주에 의해 발생된 고온의 가스와 화염에 따른 열이 전극 리드(120)와 버스바(210)를 통해 인접한 전지셀(110)로 빠르게 전달될 수 있는데, 열 절연 패드(300)의 면적이 상기 용접 부분을 충분히 감싸는 면적이 되어야 큰 열전파 지연 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 구체적으로, 전지 모듈(500) 내부에 위치하는 전지셀(110)에서 열폭주가 발생하면, 상대적으로 취약한 실링부에 해당하는 전극 리드(120) 쪽으로 고온의 가스 및 화염이 배출되고, 이들은 전지 모듈(500)을 냉각시키기 위한 경로를 통해 전파될 수 있다. 이때, 외부로 노출된 버스바(210)를 통해 열이 크게 전달되고, 이 열이 다시 전지셀(110) 내부로 들어와서 내부의 급속한 열전파를 유발할 수 있기 때문에 버스바(210) 단열을 통해 열전달을 차단하는 것이 매우 중요하다.
본 실시예에 따른 열 절연 패드(300)는 마이카(MICA)와 같이 내열성이 우수하고, 열전도성이 낮은 재질로 형성될 수 있다. 마이카 외에도 단열 특성이 있는 폴리머, 우레탄, 에어로겔(aerogel) 등이 열 절연 패드(300)로 사용될 수도 있다. 또, 열 절연 패드(300)는 도 2에 도시한 바와 같이 서로 이격된 복수의 패드(300a, 300b, 300c)를 포함할 수 있다.
도 4는 종래의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 구조를 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈에서 버스바 프레임이 노출된 모습을 나타내는 사진이다. 도 6은 도 5의 버스바 프레임의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈(50)에서 측면 플레이트(미도시)를 제거하여 나타나는 노출 부분이다. 도 6은 버스바 프레임의 후면을 나타낼 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참고하면, 종래의 전지 모듈(50) 구조는 커버 플레이트(10T) 내부에 전지셀 적층체가 수납되고, Y 방향을 향하는 전지셀 적층체의 측면에 버스바 프레임(20)이 위치하며, Y 방향을 향하는 버스바 프레임(20)의 측면을 덮는 측면 플레이트(미도시)를 갖는 점에서 앞에서 설명한 본 실시예에 따른 전지 모듈과 동일하다. 다만, 종래의 전지 모듈(50) 구조에서는 측면 플레이트와 버스바 프레임(20) 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열 절연 패드가 형성되어 있지 않고, 버스바 프레임(20)의 측면이 노출되어 있다. 다시 말해, 전극 리드(12)와 버스바(21)의 용접 부분이 노출되어 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 3에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈과 도 4 내지 도 6에서 설명한 종래의 전지 모듈에서의 열폭주 발생 시 열의 흐름을 비교 설명하기로 한다.
도 7은 도 1의 전지 모듈 및 도 4의 전지 모듈의 정상 동작 상태에서 공기의 흐름을 나타내는 도면이다. 도 8은 종래의 전지 모듈의 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 열이 전달되는 경로를 나타내는 평면도이다.
도 7을 참고하면, 왼쪽 아래에 형성된 유입부(130a)를 통해 공기가 들어와서 오른쪽 방향을 따라 공기가 통과한 후 오른쪽 상부에 형성된 배출부(130b)로 공기가 빠져나가면서 내부의 전지셀에서 발생한 열을 냉각시킬 수 있다.
도 8을 참고하면, 전지의 정상 동작 상태에서 열폭주(thermal runaway)가 발생하면 냉각 경로를 통해 고온의 가스 및 화염이 전파되고, 버스바가 냉각 경로에 그대로 노출되어 있는 종래의 전지 모듈과 같은 경우에는 급격한 열전달로 동시 다발적으로 전지셀간의 열전달이 발생할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 열 전달 패드를 포함할 경우 열 전달이 차단되는 모습을 나타내는 평면도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 열폭주로 인해 열이 전달되는 경로를 나타내는 사시도이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 열폭주로 인해 전지셀 두께 방향으로 순차적인 열전파 경향을 나타내는 그래프이다.
앞에서 설명한 도 8의 전지 모듈에서 급격히 발생하는 열전달에 반해, 도 9를 참고하면, 전지셀에서 발생한 열폭주로 인해 발생한 열이 제2 방향(Y)을 따라 버스바 프레임까지 전달되더라도 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 같이 전극 리드와 버스바의 용접 부분을 감싸고 있는 열 절연 패드로 인해 버스바를 따라 전지셀간 급격히 열이 전달하는 경로를 차단할 수 있다.
도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈에서 열폭주로 인해 발생한 열은 제1 방향(X)을 따라서 전달될 수 있다. 다시 말해, 전지셀 표면으로만 열이 전달되기 때문에 종래의 전지 모듈 대비하여 열 전달 지연 효과를 크게 할 수 있으므로 순간적으로 많은 열에너지가 방출되는 것을 방지할 수 있기 때문에 안정성을 확보할 수 있다. 전지셀이 적층된 구조에서 한 개의 전지셀에서 열폭주가 발생하는 경우, 전지셀의 길이 방향으로 고온의 가스 및 화염이 배출되고, 전지셀 자체의 온도가 높기 때문에 전지셀이 적층된 방향으로 열이 전달된다. 이때, 고온의 가스 및 화염이 배출되는 경로에 전지셀들의 전기적 연결을 위한 전극 리드와 버스바가 노출되어 있다면, 이를 통해 열이 전지셀들 내부로 전달되어 순차적인 열전파가 아니라 고온의 가스 및 화염에 영향을 많이 받는 위치에서 열폭주가 발생하여 전지 모듈 측면에서는 매우 빠르게 열전파가 전개될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 전지셀 표면으로만 열이 전달되기 때문에 도 11에 도시한 바와 같이 순차적인 열전파가 이루어져 열 전달 지연 효과가 있다. 도 11에서 가로축은 시간(초)을 나타내고, 제1 온도 변화(T1) 내지 제6 온도 변화(T6)는 열폭주가 발생한 전지셀과, 이로부터 점점 멀리 떨어져 있는 전지셀들의 온도 변화를 각각 나타낸 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
120: 전극 리드
200: 버스바 프레임
210: 버스바
300: 열 절연 패드

Claims (11)

  1. 공냉식 구조를 갖는 전지 모듈에 있어서,
    복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체와 연결되고, 버스바를 포함하는 버스바 프레임, 및
    상기 버스바 프레임을 덮는 열 절연 패드를 포함하고,
    상기 전지셀과 연결된 전극 리드가 상기 버스바 프레임의 후면에서 상기 버스바와 만나 용접된 부분을 상기 열 절연 패드가 감싸고 있는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체에서 상기 전지셀이 적층되는 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 노출되는 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분을 상기 열 절연 패드가 감싸고 있는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 열 절연 패드의 면적은 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분의 면적보다 넓은 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 열 절연 패드는 서로 이격된 복수의 패드를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제2항에서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 버스바 프레임을 감싸는 커버 플레이트를 더 포함하고, 상기 커버 플레이트는 상기 전극 리드와 상기 버스바의 용접 부분과 마주보는 방향에 위치하는 측면 플레이트를 포함하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 측면 플레이트와 상기 버스바 프레임 사이에 상기 열 절연 패드가 위치하는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 측면 플레이트와 상기 열 절연 패드는 상기 전지셀 적층체를 기준으로 양측에 각각 위치하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 전지셀 적층체의 일측에 위치하는 상기 측면 플레이트와 상기 열 절연 패드 사이에 공기가 들어오도록 하는 유입구가 형성되고, 상기 전지셀 적층체의 다른 일측에 위치하는 상기 측면 플레이트와 상기 열 절연 패드 사이에 공기가 빠져 나가도록 하는 유출구가 형성된 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 열 절연 패드로 인해, 상기 전지셀에서 발생된 가스 및 화염에 의한 열이 서로 이웃하는 전지셀들 표면을 따라 전달되는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 열 절연 패드는 마이카(MICA)로 형성되는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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