KR20210064935A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20210064935A
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fence member
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진희준
김경우
김경모
문정오
박진용
박진하
지호준
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수 개의 파우치형 이차 전지들로 구성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체의 전방과 후방에 장착되는 버스바 프레임; 열 전도성 재질로 형성되고, 상기 셀 적층체의 하부에서 상기 셀 적층체를 지지하는 바틈 플레이트; 상기 바틈 플레이트의 상면에 상기 셀 적층체가 안착되기 전에 미리 도포되는 열 전도성 수지; 및 상기 바틈 플레이트의 전후 방향에 따른 상기 열 전도성 수지의 바깥쪽에 위치하여, 상기 셀 적층체를 상기 바틈 플레이트에 안착하는 과정에서 상기 열 전도성 수지가 전후 방향으로 유실되는 것을 방지할 수 있게 마련된 펜스 부재를 포함하고, 상기 버스바 프레임은 상기 바틈 플레이트의 상면 안쪽 방향으로 절곡 연장된 하단부를 구비하고, 상기 펜스 부재는 상기 버스바 프레임의 하단부 끝단에 구비되고 상기 바틈 플레이트의 상면에 안착되는 형태로 형성될 수 있다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 파우치형 이차전지들을 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 파우치형 이차전지의 셀 바디 하단을 통한 방열 방식으로 냉각 성능을 확보할 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
일반적으로 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, 폴리머 재질의 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.
그런데 카트리지들을 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 상기 카트리지들을 고정시키기 위해 볼트나 벨트와 같은 이들 상호 간을 고정시킬 수 있는 체결 부품이 있어야 한다. 따라서, 종래 배터리 모듈 구성에 의하면, 카트리지나 체결 부품 등을 마련하는데 추가 비용이 소요되고, 조립이 쉽지 않아 작업성이 떨어질 수 있다. 또한, 이와 같은 카트리지나 체결 부품 등으로 인해 배터리 모듈의 부피가 커져서, 배터리 모듈을 소형화하는데에 한계가 있다.
또한, 이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 파우치형 이차 전지를 적층시켜 배터리 모듈을 구성할 때에는, 좁은 공간에서 다수의 이차 전지로부터 나오는 열이 합산되어 배터리 모듈의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다. 따라서, 다수의 이차 전지를 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
이에 최근에는 배터리 모듈을 구성할 때, 카트리지를 이용하지 않는 대신, 다수의 이차전지들을 서로 대면하게 밀착시키고 이들을 상하 방향으로 세워서 구성한 셀 적층체를 모듈 하우징의 바닥면에 접착하여 고정한다. 이때, 접착제로서 열 전도성이 우수한 TIM(Thermal Interface Material)을 사용해 이차전지 셀들의 열이 그 아래 면을 통해 모듈 하우징의 바닥면에 전달되고 상기 모듈 하우징의 바닥면에는 히트싱크를 두어 셀 적층체가 냉각될 수 있도록 하고 있다.
한편, 이러한 종래 기술에 따른 배터리 모듈에도 다음과 같은 문제점이 발견되고 있다. 즉, 기존에 모듈 하우징의 바닥면에 TIM을 도포 후 셀 적층체를 안착하는 과정에서, 셀 적층체의 무게 및 상기 TIM의 점도로 인해 TIM이 모듈 하우징의 전,후 방향으로 새어나가는 문제가 생기고 있다. 이러한 경우를 방지하기 위해 TIM의 도포량을 줄일 경우, TIM의 도포 영역 끝 단이 이차전지 셀 바디의 끝단에 미치지 못하게 됨으로 이차전지 셀의 양 끝단에서의 방열이 원활하지 못하게 되고, 그 결과로서 이차전지 셀의 중앙부와 양 끝단 간의 온도 편차가 커져 셀의 수명 및 성능이 저하될 수 있다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제 10-2016-0115582호 (2016.10.06) 주식회사 엘지화학.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 열 전도성 수지 등과 같은 TIM(Thermal Interface Material)을 바틈 플레이트에 도포 후 그 위에 셀 적층체를 안착하는 과정에서, 열 전도성 수지가 이차전지의 셀 바디 하단 전체를 감싸주되 배터리 모듈의 전방/후방 방향으로 새어나가지 않도록 구성된 배터리 모듈을 제공하는 것을 일 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 좌우 방향으로 배열된 복수 개의 파우치형 이차 전지들로 구성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체의 전방과 후방에 장착되는 버스바 프레임; 열 전도성 재질로 형성되고, 상기 셀 적층체의 하부에서 상기 셀 적층체를 지지하는 바틈 플레이트; 상기 바틈 플레이트의 상면에 상기 셀 적층체가 안착되기 전에 미리 도포되는 열 전도성 수지; 및 상기 바틈 플레이트의 전후 방향에 따른 상기 열 전도성 수지의 바깥쪽에 위치하여, 상기 셀 적층체를 상기 바틈 플레이트에 안착하는 과정에서 상기 열 전도성 수지가 전후 방향으로 유실되는 것을 방지할 수 있게 마련된 펜스 부재를 포함할 수 있다.
상기 버스바 프레임은 상기 바틈 플레이트의 상면 안쪽 방향으로 절곡 연장된 하단부를 구비하고, 상기 펜스 부재는 상기 버스바 프레임의 하단부 끝단에 구비되고 상기 바틈 플레이트의 상면에 안착되게 마련될 수 있다.
상기 파우치형 이차전지는 파우치 외장재가 전극 조립체를 감싸고 있는 셀 바디와, 상기 셀 바디의 바깥에서 상기 파우치 외장재가 열 융착되어 형성된 셀 테라스를 포함하고, 상기 펜스 부재는 상기 셀 바디의 바깥쪽에 위치할 수 있다.
상기 펜스 부재는, 상기 셀 테라스의 일부분이 상하 방향으로 삽입 가능하도록 형성된 삽입홈을 구비할 수 있다.
상기 펜스 부재는 상기 셀 적층체의 폭 방향 길이에 대응하는 길이를 갖고, 상기 바틈 플레이트의 상면에 도포된 열 전도성 수지의 두께보다 높은 높이를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 열 전도성 수지는, 접착성과 열 가소성을 갖는 것일 수 있다.
상기 펜스 부재는 폼(Foam) 또는 고무 재질로 형성된 패드 형태로 상기 바틈 플레이트에 부착 가능하게 마련될 수 있다.
상기 셀 테라스는 상기 펜스 부재의 상부에 접촉하지 않게 일부분이 커팅된 형태로 제공될 수 있다.
상기 버스바 프레임은, 상기 셀 적층체의 전방에 장착되는 제1 버스바 프레임과, 상기 셀 적층체의 후방에 장착되는 제2 버스바 프레임을 포함하고,
상기 펜스 부재는, 상기 제1 버스바 프레임의 하단부에 구비되는 제1 펜스 부재와, 상기 제2 버스바 프레임의 하단부에 구비되는 제2 펜스 부재를 포함할 수 있다.
상기 바틈 플레이트의 상면에서 상기 제1 펜스 부재와 상기 제2 펜스 부재 사이에 위치하고, 상기 바틈 플레이트의 표면으로부터 돌출되고 상기 바틈 플레이트의 좌우 방향으로 연장되게 마련된 수지 격리부재를 더 포함하고, 상기 열 전도성 수지는 상기 수지 격리부재의 양쪽 옆에 도포될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 열 전도성 수지 등과 같은 TIM(Thermal Interface Material)을 바틈 플레이트에 도포 후 그 위에 셀 적층체를 안착하는 과정에서, 열 전도성 수지가 이차전지의 셀 바디 하단 전체를 감싸주되 배터리 모듈의 전방/후방 방향으로 새어나가지 않도록 할 수 있다.
이에 따라, 열 전도성 수지에 의한 셀 적층체의 고정성이 향상될 수 있고, 또한 가운데 부분보다 상대적으로 온도가 높은 이차전지의 전극 리드 인접 부분의 열 전달 효율이 향상됨으로써 이차전지에서 영역별 온도 편차가 줄어들어 배터리 모듈의 수명 및 성능이 개선될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 적층체, 바틈 플레이트의 상면에 구비되는 열 전도성 수지, 버스바 프레임에 구비되는 펜스 부재를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바틈 플레이트의 상면과 셀 적층체의 하단 사이에 개재되는 열 전도성 수지의 분포를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 도 5의 A 영역 확대도이다.
도 7은 도 5의 일측 가장자리 영역을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 8는 본 발명의 다른 실시예로서 셀 테라스 일부가 커팅된 이차전지를 사용한 배터리 모듈의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 이차전지의 셀 테라스와 그 변형예를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바틈 플레이트의 상면과 셀 적층체의 하단 사이에 개재되는 열 전도성 수지의 분포를 설명하기 위한 도면들이다.
도 12은 도 11의 B 영역 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 아니 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 일부 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 적층체, 바틈 플레이트의 상면에 구비되는 열 전도성 수지, 버스바 프레임에 구비되는 펜스 부재를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 셀 적층체(10), 버스바 프레임(20a,20b), 모듈 하우징(30), 열 전도성 수지(40) 및 펜스 부재(50a,50b)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(10)는 다수의 파우치형 이차전지(11)들로 구성된 이차전지(11)들의 집합체이다. 상기 파우치형 이차전지(11)들은 상하 방향(±Z축)으로 세워진 형태로 좌우 방향(±Y)으로 배열되어 상기 셀 적층체(10)를 형성할 수 있다.
상기 파우치형 이차전지(11)는 전극 조립체와 전해질, 이들을 패키징하기 위한 파우치 외장재로 구성될 수 있다.
전극 조립체는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 상기 전극 조립체는 당업계에 잘 알려져 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
파우치 외장재는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 특히 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 알루미늄 박막은, 전극 조립체 및 전해액과 같은 이차전지(11) 내부의 구성요소나 이차전지(11) 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층과 내부 접착층 사이에 개재될 수 있다.
또한, 파우치 외장재는 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트로 구성될 수 있으며, 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간이 형성되어 수납부를 구성할 수 있다. 그리고 이러한 파우치의 수납부에 전극 조립체가 수납될 수 있다. 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트의 외주면에는 실링부가 구비되고 이러한 실링부의 내부 접착층이 서로 열 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 수납부가 밀폐되도록 할 수 있다.
한편, 전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드(11c)와 연결될 수 있다. 그리고 전극 리드(11c)는 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트의 실링부 사이에 개재되어 파우치 외장재의 외부로 노출됨으로써, 이차전지(11)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
이하에서는 상기 파우치형 이차전지(11)에서 전극 조립체가 수납되어 있는 수납부, 즉 전극 조립체가 파우치 외장재로 감싸여 있는 부분을 셀 바디(11a)라고 지칭하고 파우치 외장재가 열 융착된 실링부를 셀 테라스(11b)라고 지칭하기로 한다.
버스바 프레임(20a,20b)은 셀 적층체(10)의 전방에 장착되는 제1 버스바 프레임(20a)과, 상기 셀 적층체(10)의 후방에 장착되는 제2 버스바 프레임(20b)을 포함할 수 있다. 상기 버스바 프레임(20a,20b)은 대략 셀 적층체(10)의 전방 또는 후방을 커버할 수 있는 면적을 갖는 판상체 형태로 마련되고, 판면에 이차전지(11)의 전극 리드(11c)가 전후 방향으로 삽입되어 통과할 수 있는 슬롯(23)들이 좌우 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 버스바 프레임(20a,20b)의 전면부에는 금속 플레이트 형태로 마련된 복수 개의 버스바(21)가 미리 결정된 패턴으로 구비될 수 있다. 예컨대, 2개 이상의 이차전지(11)의 양극 리드들을 겹쳐서 상기 슬롯(23)을 통해 버스바 프레임(20a,20b)의 후면부에서 전면부로 빼내고 그 끝단부를 절곡시켜 상기 버스바(21)에 나란히 접촉시킨 후 용접한다. 그리고 다른 2개 이상의 이차전지(11)의 음극 리드들도 마찬가지 방식으로 동일한 상기 버스바(21)에 용접한다. 이와 같은 방식으로 셀 적층체(10)를 구성하는 모든 이차전지(11)들을 전기적으로 직렬 및 병렬 연결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 버스바 프레임(20a,20b)은 바틈 플레이트(33)의 상면 안쪽 방향으로 절곡 연장된 하단부(22a,22b)를 구비한다. 즉, 버스바 프레임의 하단부(22a,22b)는 버스바 프레임(20a,20b)과 셀 적층체(10)를 결합하면 셀 바디(11a)의 하단에 인접한 부분까지 수평하게 배치될 수 있는 형태이며, 상기 셀 적층체(10)를 바틈 플레이트(33)의 상면에 안착시 상기 버스바 프레임의 하단부(22a,22b)가 바틈 플레이트(33)의 상면에 접촉할 수 있게 구성될 수 있다. 후술하겠으나, 이러한 버스바 프레임의 하단부(22a,22b)의 끝단에 펜스 부재(50a,50b)가 구비될 수 있다.
모듈 하우징(30)은 배터리 모듈의 외관을 형성하는 구성 요소로서, 셀 적층체(10)의 상부를 커버하는 탑 플레이트(31), 셀 적층체(10)의 좌우 측면부를 커버하는 한 쌍의 측면 플레이트(32), 상기 셀 적층체(10)의 하부에서 상기 셀 적층체(10)를 지지하는 바틈 플레이트(33), 그리고 상기 버스바 프레임(20a,20b)의 버스바(21)들이 외부에 노출되지 않도록 하는 모듈 전방 커버(34)와 모듈 후방 커버(35)를 포함할 수 있다.
이러한 모듈 하우징(30)은 셀 적층체(10) 및 버스바 프레임(20a,20b)을 외부 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 따라서 모듈 하우징(30)은 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작될 수 있다. 물론, 모듈 하우징(30)이 반드시 금속 재질로 한정되는 것은 아니며, 강성을 갖는 것이면 금속이 아니어도 좋다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 2에 도시한 바와 같이, 모듈 하우징(30)의 바틈 플레이트(33)의 하면에 히트싱크(100)를 접촉시켜 배터리 모듈의 열이 외부로 방출될 수 있도록 상기 모듈 하우징(30)에 적어도 바틈 플레이트(33)는 열 전도성 재질로 형성될 수 있다. 상기 바틈 플레이트(33)의 하면에 히트싱크(100)를 배치할 때에도 이들 구조물 간의 표면 조도차이를 상쇄하고 열 접촉 저항을 줄일 목적으로 이들 사이에 TIM(Thermal Interface Material,200)이 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 바틈 플레이트(33)의 상면에는 접착성과 열 가소성을 갖는 열 전도성 수지(40)가 도포될 수 있다. 셀 적층체(10)는 파우치형 이차전지(11)가 좌우 방향(± Y축)으로 상호 적층되도록 배열되며, 각각의 파우치형 이차전지(11)는 하단부가 바틈 플레이트(33)의 상면에 안착될 수 있다. 이때, 파우치형 이차전지(11)의 하단부와 바틈 플레이트(33)의 상면 사이에 열 전도성 수지(40)가 개재될 수 있다. 즉, 바틈 플레이트(33)의 상면에 열 전도성 수지(40)가 미리 도포되고, 이러한 열 전도성 수지(40)를 통해 파우치형 이차전지(11)와 바틈 플레이트(33)가 상호 접착 고정될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 파우치형 이차전지(11)는 열 전도성 수지(40)를 통해 바틈 플레이트(33)에 간단하게 고정될 수 있으며, 종래 파우치형 이차전지(11)를 고정시키기 위한 볼트와 같은 체결 부품이나 카트리지 등의 구성요소를 배터리 모듈에 포함시키지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 구조 및 조립이 간단해지고, 부품을 줄일 수 있다.
또한, 파우치형 이차전지(11)와 바틈 플레이트(33) 사이의 거리를 가깝게 하고, 구성 요소 간 접촉 개수를 줄임으로써, 파우치형 이차전지(11)에서 생성된 열이 바틈 플레이트(33)로 보다 효과적으로 전달되도록 할 수 있다. 더욱이, 파우치형 이차전지(11)와 바틈 플레이트(33) 사이 공간에서 공기층을 배제하거나 줄일 수 있으므로, 공기층으로 인한 열전달 저하를 방지할 수 있다.
이러한 열 전도성 수지(40)로는 다양한 열 전도성 접착제가 이용될 수 있는데, 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에는 열 전도성 에폭시 접착제, 열 전도성 실리콘 접착제, 열 전도성 우레탄 접착제 등 다양한 유기 및/또는 무기 열전도성 접착제가 채용될 수 있다.
상기 열 전도성 수지(40)는 일반적인 접착제에 비해, 열전도율이 높기 때문에, 파우치형 이차전지(11)와 바틈 플레이트(33) 사이에서 열 전달량 및 열 전달속도 등을 더욱 높일 수 있다. 따라서, 바틈 플레이트(33)를 통한 이차전지(11)의 열 배출 성능을 보다 향상시켜, 배터리 모듈의 냉각 성능이 보다 개선되도록 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 바틈 플레이트(33)의 상면에 그 표면으로부터 소정의 높이를 갖도록 형성된 펜스 부재(50a,50b)를 구비한다. 상기 펜스 부재(50a,50b)는 셀 적층체(10)의 폭 방향 (±Y축) 길이에 대응하는 길이를 갖고, 상기 바틈 플레이트(33)의 상면에 도포된 열 전도성 수지(40)의 두께보다 높은 높이를 갖도록 마련될 수 있다.
이러한 펜스 부재(50a,50b)는 바틈 플레이트(33)의 상면에서 상기 바틈 플레이트(33)의 전후 방향에 따른 열 전도성 수지(40)의 바깥쪽에 위치하여, 셀 적층체(10)를 상기 바틈 플레이트(33)에 안착하는 과정에서 상기 열 전도성 수지(40)가 전후 방향으로 유실되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 펜스 부재(50a,50b)는 상기 제1 버스바 프레임(20a)의 하단부에 구비되는 제1 펜스 부재(50a)와, 상기 제2 버스바 프레임(20b)의 하단부에 구비되는 제2 펜스 부재(50b)를 포함할 수 있다.
상기 제1 펜스 부재(50a)와 제2 펜스 부재(50b)는 예컨대, 충격 흡수가 가능한 메모리 폼(Foam) 또는 고무 재질로 형성된 패드로 버스바 프레임의 하단부(22a,22b)의 끝단에 탈부착할 수 있게 마련될 수 있다. 그러나 본 실시예와 달리, 상기 제1 펜스 부재(50a)와 제2 펜스 부재(50b)를 각각 버스바 프레임(20a,20b)과 일체로 형성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제1 펜스 부재(50a)와 상기 제2 펜스 부재(50b)는 배터리 모듈의 전후 방향(X축 방향)에 따른 셀 바디(11a)의 하단부 바깥쪽, 즉 셀 테라스(11b) 하단부 영역에 위치하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 펜스 부재(50a,50b)가 셀 테라스(11b)의 하단부에 간섭될 수 있다. 이에 본 실시예에 따른 펜스 부재(50a,50b)는 셀 테라스(11b) 간의 접촉을 회피할 수 있도록 셀 테라스(11b)의 하단부가 상하 방향으로 삽입 가능하도록 형성된 삽입홈(52)을 구비한다.
이러한 펜스 부재(50a,50b)의 삽입홈(52)은 이차전지(11)의 개수만큼 복수 개가 구비된다. 셀 테라스(11b)들은 (도 7 참조) 전극 리드(11c)들을 겹쳐서 버스바(21)에 접촉할 목적으로 전후 방향(X축)을 기준으로 저마다 일정한 각도로 꺽인 형태로 연장될 수 있다. 이러한 셀 테라스(11b)들의 배열 구조에 맞게 펜스 부재(50a,50b)의 몸체를 각각 다양한 각도로 부분 절개하여 삽입홈(52)들을 형성할 수 있다.
열 전도성 수지(40)는, 셀 적층체(10)를 바틈 플레이트(33)에 안착하는 과정에서, 그 점도에 따른 차이는 있겠으나 셀 적층체(10)의 무게 때문에 전후 좌우로 퍼져 나갈 수 있다. 이때 도시하지 않았으나, 좌우 방향(±Y 축)은 모듈 하우징(30)을 구성하는 측면 플레이트(32)에 막혀 열 전도성 수지(40)의 이동이 제한될 수 있다. 그런데 상기 펜스 부재(50a,50b)가 없다고 가정할 때, 열 전도성 수지(40)가 이차전지(11)의 셀 바디(11a) 부분을 벗어날 정도로 전후 방향(±X 축)으로 이동하게 되면 셀 적층체(10)와 바틈 플레이트(33) 간의 접착 고정성이 약해질 수 있고, 더 나아가 셀 테라스(11b) 부위 또는 버스바 프레임(20a,20b)에 악영향을 미칠 수도 있다. 한편, 셀 적층체(10)의 무게로 인한 열 전도성 수지(40)의 과도한 퍼짐 현상을 염려하여 초기 열 전도성 수지(40)의 도포량을 적게 하면 반대로 셀 바디(11a) 하단에서 열 전도성 수지(40)와 접촉하지 못하는 부분이 생겨나게 됨으로 이 경우는 셀 적층체(10)의 고정성이 약화될 뿐만 아니라 열 전도성도 나빠질 수 있다.
따라서 위와 같은 상황을 참작하여, 본 실시예는, 도 4와 같이, 열 전도성 수지(40)를 셀 적층체(10)에서 전체 이차전지(11)들의 셀 바디(11a)의 하단부 면적과 거의 같거나 그보다 약간 작은 면적만큼 바틈 플레이트(33)의 상면에 도포하고 상기 셀 적층체(10)를 안착하는 과정에서 상기 열 전도성 수지(40)가 전후 방향(±X축 방향)으로 이동해도, 도 5와 같이, 상기 제1 펜스 부재(50a)와 제2 펜스 부재(50b)에 막혀 셀 바디(11a) 바깥으로 유실되지 않도록 한다.
즉, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 셀 적층체(10)를 바틈 플레이트(33)의 상면에 안착하는 과정에서, 상기 셀 적층체(10)의 무게로 인해 열 전도성 수지(40)가 전후 방향으로 이동하더라도 제1 펜스 부재(50a)와 제2 펜스 부재(50b)에 의해 셀 바디(11a) 바깥쪽으로 새어나가지 않게 된다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 열 전도성 수지(40)가 펜스 부재(50a,50b)를 타고 올라가 셀 바디(11a) 끝단을 감싸는 형태로 경화될 수 있어, 최종적으로 상기 열 전도성 수지(40)가 셀 바디(11a)의 하단 전체를 완전히 감싸주게 되므로 이차전지(11)와 열 전도성 수지(40) 그리고 바틈 플레이트(33) 사이의 열 전달량이 증가하여 냉각 성능이 더욱 개선될 수 있다. 특히, 상대적으로 온도가 높은 상기 셀 바디(11a)의 끝단부의 열이 효과적으로 바틈 플레이트(33)에 전달될 수 있어 이차전지(11)의 영역별 온도 편차가 줄어들어 이차전지(11)의 수명 및 성능이 향상될 수 있다.
이어서 하기 도면들을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예로서 셀 테라스(11b) 일부가 커팅된 이차전지(11)를 사용한 배터리 모듈의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 도 8의 이차전지(11)의 셀 테라스(11b)와 그 변형예를 도시한 도면이다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
전술한 실시예는 셀 테라스(11b)의 하단부와 펜스 부재(50a,50b) 간의 간섭을 회피하기 위한 방안으로 펜스 부재(50a,50b)에 삽입홈(52)을 구성한 것이나, 본 실시예는 상기 삽입홈(52)을 채용하지 않는 대신, 도 8과 같이, 셀 테라스(11b)의 하단부를 소정의 형태로 커팅하여 펜스 부재(50a,50b)의 상부에 접촉하지 않게 구성하였다. 상기 셀 테라스(11b)의 하단부는 펜스 부재(50a,50b)의 형상에 따라서 도 9의 (a)와 같이 라운드 형으로 커팅되거나 도 9의 (b)와 같이 각 형으로 커팅될 수 있다.
이 같은 본 실시예에 의하면, 셀 적층체(10)를 바틈 플레이트(33)에 안착할 때, 일일이 셀 테라스(11b)의 하단부를 펜스 부재(50a,50b)의 삽입홈(52)에 맞게 삽입해야 하는 번거로움과 셀 테라스(11b)의 하단부에 대한 펜스 부재(50a,50b)의 정위치를 맞추기 어려운 단점이 있는데, 이와 같은 단점들이 모두 해소될 수 있어 전술한 실시예보다 더 쉽고 빠르게 셀 적층체(10)와 버스바 프레임(20a,20b)을 결합할 수 있다. 또한, 펜스 부재(50a,50b)에서 삽입홈(52)들을 가공하지 않아도 좋으므로 펜스 부재(50a,50b)의 구조가 간단해져 제작비용이 절감될 수 있다.
한편, 본 실시예와 유사한 방식으로서, 셀 테라스(11b)의 하단부를 벤딩 내지 폴딩시켜 펜스 부재(50a,50b)와의 간섭을 회피하는 방식이 적용될 수도 있다.
이어서 하기 도면들을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기로 한다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바틈 플레이트(33)의 상면과 셀 적층체(10)의 하단 사이에 개재되는 열 전도성 수지(40)의 분포를 설명하기 위한 도면들이고, 도 12는 도 11의 B 영역 확대도이다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 수지 격리부재(60)를 더 포함한다.
수지 격리부재(60)는 바틈 플레이트(33)의 표면으로부터 돌출되고 바틈 플레이트(33)의 좌우 방향(±Y 축)으로 연장되게 마련될 수 있다. 상기 수지 격리부재(60)는 전술한 펜스 부재(50a,50b)와 유사한 패드 형태로 마련되어 바틈 플레이트(33)의 중앙에 부착될 수 있다. 그리고 본 실시예에서 열 전도성 수지(40)는 상기 수지 격리부재(60)를 기준으로 그 양쪽 옆에 도포될 수 있다.
이러한 본 실시예의 구성에 의하면, 상기 수지 격리부재(60)가 셀 바디(11a)의 중앙부를 받쳐주어 열 전도성 수지(40)가 셀 바디(11a)의 하단을 따라 전후 방향(±X 축)으로 고르게 퍼질 수 있도록 유도할 수 있다. 특히, 파우치형 이차전지(11)의 특성상 셀 바디(11a)의 중앙부 보다 셀 바디(11a)의 가장자리가 온도가 높은데, 수지 격리부재(60)를 셀 바디(11a)의 중앙부에 위치시킴으로써 셀 바디(11a)의 가장자리에서 셀 바디(11a)의 중앙부로의 열 이동을 차단시킬 수 있어, 상대적인 이차전지(11)의 영역별 온도 편차를 감소시킬 수 있다. 또한, 수지 격리부재(60)가 차지하는 공간 만큼 열 전도성 수지(40)의 도포량을 줄일 수 있어 그에 따른 비용 절감 효과도 있다.
한편, 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, 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, 전기 자동차와 같이 배터리로부터 구동력을 얻는 자동차의 경우, 배터리 모듈의 냉각 성능은 매우 중요하다. 따라서, 이러한 자동차에 본 발명에 따른 배터리 모듈이 적용되는 경우, 효과적인 냉각 성능으로 안정적이고 안전한 배터리 모듈이 제공될 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.
10: 셀 적층체 11: 파우치형 이차전지
11a: 셀 바디 11b: 셀 테라스
20a,20b: 버스바 프레임 30: 모듈 하우징
33: 바틈 플레이트 40: 열 전도성 수지
50a, 50b: 펜스 부재 52: 삽입홈
60: 수지 격리부재

Claims (11)

  1. 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수 개의 파우치형 이차 전지들로 구성된 셀 적층체;
    상기 셀 적층체의 전방과 후방에 장착되는 버스바 프레임;
    열 전도성 재질로 형성되고, 상기 셀 적층체의 하부에서 상기 셀 적층체를 지지하는 바틈 플레이트;
    상기 바틈 플레이트의 상면에 상기 셀 적층체가 안착되기 전에 미리 도포되는 열 전도성 수지; 및
    상기 바틈 플레이트의 전후 방향에 따른 상기 열 전도성 수지의 바깥쪽에 위치하여, 상기 셀 적층체를 상기 바틈 플레이트에 안착하는 과정에서 상기 열 전도성 수지가 전후 방향으로 유실되는 것을 방지할 수 있게 마련된 펜스 부재를 포함하고,
    상기 버스바 프레임은 상기 바틈 플레이트의 상면 안쪽 방향으로 절곡 연장된 하단부를 구비하고,
    상기 펜스 부재는 상기 버스바 프레임의 하단부 끝단에 구비되고 상기 바틈 플레이트의 상면에 안착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파우치형 이차전지는 파우치 외장재가 전극 조립체를 감싸고 있는 셀 바디와, 상기 셀 바디의 바깥에서 상기 파우치 외장재가 열 융착되어 형성된 셀 테라스를 포함하고,
    상기 펜스 부재는 상기 셀 바디의 바깥쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펜스 부재는,
    상기 셀 테라스의 일부분이 상하 방향으로 삽입 가능하도록 형성된 삽입홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펜스 부재는 상기 셀 적층체의 폭 방향 길이에 대응하는 길이를 갖고, 상기 바틈 플레이트의 상면에 도포된 열 전도성 수지의 두께보다 높은 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열 전도성 수지는, 접착성과 열 가소성을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펜스 부재는 폼(Foam) 또는 고무 재질로 형성된 패드 형태로 상기 버스바 프레임의 하단부에 부착 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 셀 테라스는 상기 펜스 부재의 상부에 접촉하지 않게 일부분이 커팅된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 버스바 프레임은, 상기 셀 적층체의 전방에 장착되는 제1 버스바 프레임과, 상기 셀 적층체의 후방에 장착되는 제2 버스바 프레임을 포함하고,
    상기 펜스 부재는, 상기 제1 버스바 프레임의 하단부에 구비되는 제1 펜스 부재와, 상기 제2 버스바 프레임의 하단부에 구비되는 제2 펜스 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 바틈 플레이트의 상면에서 상기 제1 펜스 부재와 상기 제2 펜스 부재 사이에 위치하고, 상기 바틈 플레이트의 표면으로부터 돌출되고 상기 바틈 플레이트의 좌우 방향으로 연장되게 마련된 수지 격리부재를 더 포함하고,
    상기 열 전도성 수지는 상기 수지 격리부재의 양쪽 옆에 도포되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 적어도 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제9항 중 적어도 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
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