KR20210136710A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20210136710A
KR20210136710A KR1020200055346A KR20200055346A KR20210136710A KR 20210136710 A KR20210136710 A KR 20210136710A KR 1020200055346 A KR1020200055346 A KR 1020200055346A KR 20200055346 A KR20200055346 A KR 20200055346A KR 20210136710 A KR20210136710 A KR 20210136710A
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임지훈
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에스케이이노베이션 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀이 적층된 배터리 셀 적층체 및 상기 배터리 셀 적층체의 하부에 배치되는 하부 플레이트와, 상기 하부 플레이트에서 연장되어 상기 배터리 셀 적층체의 양 측면을 지지하는 측면 플레이트들을 구비하는 제1 케이스를 포함하고, 상기 배터리 셀 적층체는, 상기 배터리 셀 적층체의 양 측면에 각각 부착되며, 상기 배터리 셀 적층체의 하부 측으로 갈수록 두께가 얇게 형성되는 면압 부재를 포함할 수 있다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이며, 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)의 배터리 셀로 제조되어 다수 개를 연결하여 모듈 형태로 구성하여 사용하고 있다.
종래의 경우, 각각의 배터리 모듈은 배터리 셀을 적층한 적층체의 외부 전체를 케이스로 마감하고 있다. 따라서 배터리 모듈 제조 시, 배터리 셀 적층체를 케이스에 결합하는 과정일 필수적으로 수행되고 있다.
본 발명의 목적은 제조가 용이한 배터리 모듈을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀이 적층된 배터리 셀 적층체 및 상기 배터리 셀 적층체의 하부에 배치되는 하부 플레이트와, 상기 하부 플레이트에서 연장되어 상기 배터리 셀 적층체의 양 측면을 지지하는 측면 플레이트들을 구비하는 제1 케이스를 포함하고, 상기 배터리 셀 적층체는, 상기 배터리 셀 적층체의 양 측면에 각각 부착되며, 상기 배터리 셀 적층체의 하부 측으로 갈수록 두께가 얇게 형성되는 면압 부재를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 면압 부재와 상기 배터리 셀 적층체 사이에 배치되며 압축 가능한 재질로 형성되는 완충 부재를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 측면 플레이트들은, 하부 플레이트와 연결되는 하단 측으로 갈수록 두께가 두껍게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 측면 플레이트들은, 내부면이 경사면으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 배터리 셀 적층체는 일측이 상기 측면 플레이트들 사이의 공간에 진입하며 슬라이딩 방식으로 상기 제1 케이스에 결합되고, 상기 측면 플레이트들 사이의 거리는, 상기 완충 부재가 압축되지 않은 상태에서 상기 배터리 셀 적층체의 폭보다 작게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 측면 플레이트들 사이의 거리는, 상기 완충 부재가 압축된 상태에서 상기 배터리 셀 적층체의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 면압 부재는, 상기 측면 플레이트와 대면하는 면에 적어도 하나의 홈이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 측면 플레이트들은, 상기 측면 플레이트의 상단에서 상기 제1 케이스의 내측을 향해 돌출되어 상기 면압 부재가 상기 제1 케이스로부터 분리되는 것을 억제하는 고정 돌기를 더 구비할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 면압 부재는, 중심에서 두께가 가장 두껍고 상기 배터리 셀 적층체의 상부와 하부 측으로 갈수록 두께가 얇게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 배터리 셀 적층체의 상부에 배치되는 상부 플레이트와, 상기 상부 플레이트에서 연장되어 상기 배터리 셀 적층체의 양 측면을 지지하는 측면 플레이트들을 구비하는 제2 케이스를 더 포함하고, 상기 제1 케이스의 측면 플레이트들은 상단이 상기 제2 케이스의 측면 플레이트들 하단에 결합될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 케이스의 측면 플레이트들과 상기 제2 케이스의 측면 플레이트들은 상기 면압 부재의 두께가 가장 두꺼운 위치에서 상호 결합될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 케이스의 측면 플레이트들과 상기 제2 케이스의 측면 플레이트들은, 내부면이 경사면으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 면압 부재는, 수지 재질로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 면압 부재의 면적은 상기 배터리 셀 측면 전체 면적의 20% 이상으로 형성되고, 상기 배터리 셀 측면의 전체 면적보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀 적층체를 슬라이딩 방식으로 케이스에 결합할 수 있으므로 종래에 비해 제조가 매우 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 분해 사시도.
도 3은 도 2의 배터리 셀을 확대하여 도시한 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 면압 부재의 측면도.
도 5는 도 1의 I-I'에 따른 단면도.
도 6 내지 도 8은 배터리 셀 적층체를 제2 케이스에 결합하는 과정을 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도.
도 10은 도 9의 분해도.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
예컨대, 본 명세서에서 상측 상부, 하측, 하부, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이고 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 배터리 셀을 확대하여 도시한 사시도이다. 또한 도 4는 도 3에 도시된 면압 부재의 측면도이고, 도 5는 도 1의 I-I'에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 배터리 셀 적층체(1), 케이스(30), 절연 커버(70), 측면 커버(60), 및 열전달층(90)을 포함할 수 있다.
배터리 셀 적층체(1)는 도 3에 도시된 배터리 셀(10)을 다수 개 적층하여 형성한다. 본 실시예에서 배터리 셀들(10)은 좌우 방향(또는 수평 방향)으로 적층된다. 그러나 필요에 따라 상하 방향으로 적층하도록 구성하는 것도 가능하다.
각각의 배터리 셀들(10)은 파우치형(pouched type) 이차전지일 수 있으며, 전극 리드(15)가 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있다.
배터리 셀(10)은 파우치(11) 내에 전극 조립체(미도시)가 수용된 형태로 구성될 수 있다.
전극 조립체는 다수의 전극판 및 전극 탭을 구비하며 파우치(11) 내에 수납된다. 여기서, 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되며, 전극 조립체는 이러한 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 넓은 면이 서로 마주보는 형태가 되도록 적층된 형태로 구성될 수 있다.
양극판과 음극판은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
또한 전극 조립체는 다수의 양극판과 다수의 음극판이 상하 방향으로 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 다수의 양극판과 다수의 음극판에는 각각 전극 탭이 구비되며, 서로 동일한 극성끼리 접촉하여 동일한 전극 리드(15)에 연결될 수 있다.
본 실시예에서 전극 리드(15)는 2개가 서로 반대 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
파우치(11)는 용기 형태로 형성되어 배터리 셀(10)의 외형을 형성하며, 전극 조립체 및 전해액(미도시)이 수용되는 내부 공간을 제공할 수 있다. 이때, 전극 조립체의 전극 리드(15)는 일부가 파우치(11)의 외부로 노출될 수 있다.
파우치(11)는 실링부(202)와 수용부(204)로 구분될 수 있다.
수용부(204)는 용기 형태로 형성되어 사각 형상의 내부 공간을 제공할 수 있다. 수용부(204)의 내부 공간에는 전극 조립체 및 전해액이 수용될 수 있다.
실링부(202)는 파우치(11)의 일부가 접합되어 수용부(204)의 둘레를 밀봉하는 부분이다. 따라서 실링부(202)는 용기 형태로 형성되는 수용부(204)에서 외부로 확장되는 플랜지 형태로 형성되며, 이에 실링부(202)는 수용부(204)의 외곽을 따라 배치될 수 있다.
파우치(11)의 접합에는 열융착 방식이 이용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 본 실시예에서 실링부(202)는 전극 리드(15)가 배치되는 제1 실링부(2021)와, 전극 리드(15)가 배치되지 않는 제2 실링부(2022)로 구분될 수 있다.
본 실시예에서 파우치(11)는 한 장의 외장재를 포밍(forming)하여 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 하나의 외장재에 하나 또는 두 개의 수납부를 포밍하여 형성한 후, 수납부들이 하나의 공간(즉 수용부)을 형성하도록 외장재를 접어 파우치(11)를 완성할 수 있다.
본 실시예에서 수용부(204)는 사각 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 수용부(204)의 외곽을 형성하는 측면에는 외장재가 접합되어 형성되는 실링부(202)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예의 배터리 셀(10)은 외장재가 접히는 측면(도 2에서 하부면)에 실링부(202)를 형성할 필요가 없다. 따라서 본 실시예에서 실링부(202)는 수용부(204)의 외곽을 형성하는 네 측면 중 세 측면에만 구비되며, 수용부의 외곽 중 어느 한 측면(도 3에서 하부면)에는 실링부가 배치되지 않는다.
본 실시예에서 전극 리드(15)는 서로 반대 방향을 향하도록 배치되므로, 2개의 전극 리드(15)는 서로 다른 측면에 형성된 실링부(202)에 배치될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 실링부(202)는 전극 리드(15)가 배치되는 2개의 제1 실링부(2021), 그리고 전극 리드(15)가 배치되지 않는 1개의 제2 실링부(2022)로 구성될 수 있다.
또한 본 실시예의 배터리 셀(10)은 실링부(202)의 접합 신뢰성을 높이고 실링부(202)의 모듈에서 실링부가 차지하는 부피를 최소화하기 위해, 적어도 한 번 접힌 형태로 실링부(202)를 구성할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 배터리 셀(10)은 실링부(202) 중 전극 리드(15)가 배치되지 않는 제2 실링부(2022)만 2회 접히도록 구성될 수 있다.
제2 실링부(2022)는 배터리 셀의 면적을 줄이는 방향으로 접힐 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 제2 실링부(2022)가 접히는 선인 절곡선(C1, C2)은 수용부(204)의 외곽과 나란하게 배치되며, 제2 실링부(2022)는 절곡선(C1, C2)을 따라 제2 실링부(2022)의 적어도 일부가 포개지는 형태로 접힐 수 있다. 따라서 적어도 한 번 접힌 제2 실링부(2022)는 전체적으로 동일한 폭을 가질 수 있다.
제2 실링부(2022)는 도 3에 도시된 제2 절곡선(C2)을 따라 180° 접힌 후, 다시 제1 절곡선(C1)을 따라 90°로 접힐 수 있다.
이때, 제2 실링부(2022)의 내부에는 접착 부재(17)가 충진될 수 있으며, 이에 제2 실링부(2022)는 접착 부재(17)에 의해 2회 접힌 형상이 유지될 수 있다. 접착 부재(17)는 열전도도가 높은 접착제로 형성될 수 있다. 예컨대 접착 부재(17)는 에폭시나 실리콘으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 접착 부재(17)는 후술되는 열전달층(90)과 동일 또는 상이한 재질로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 배터리 셀(10)은 충전 및 방전이 가능한 전지일 수 있고, 구체적으로는 리튬 이온(Li-ion) 전지 또는 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지일 수 있다.
배터리 셀(10)은 후술되는 케이스(30) 내에 수직으로 세워져서 좌우 방향(또는 수평 방향)으로 적층 배치된다.
배터리 셀 적층체(1)의 양 측면에는 완충 부재(25)가 부착될 수 있다. 완충 부재(25)는 패드(pad)나 시트(sheet) 형태로 마련되어 배터리 셀 적층체(1)의 양 측면으로 노출되는 배터리 셀들(10)의 수용부(204)에 부착될 수 있다.
완충 부재(25)는 특정 배터리 셀(10)이 팽창하는 경우 압축되며 탄성 변형된다. 따라서 배터리 셀 적층체(1)의 전체의 부피가 팽창하는 것을 억제할 수 있다. 이를 위해 완충 부재(25)의 재질로는 폴리우레탄 폼(PU foam) 등과 같은 폼(foam) 형태의 재질이 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
완충 부재(25)는 필요에 따라 배터리 셀들(10) 사이에도 배치될 수 있으며, 배터리 모듈(100)의 에너지 밀도를 높이기 위해 생략될 수도 있다.
케이스(30)는 배터리 모듈(100)의 외형을 규정하며, 복수의 배터리 셀들(10)의 외부에 배치되어 외부 환경으로부터 배터리 셀들(10)을 보호할 수 있다. 동시에 본 실시예의 케이스(30)는 배터리 모듈(100)의 방열 부재로도 이용될 수 있다.
본 실시예의 케이스(30)는 배터리 셀 적층체(1)의 일측에 배치되는 제1 케이스(50), 배터리 셀들(10)의 타측에 배치되는 제2 케이스(40), 그리고, 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치되는 측면에 배치되는 측면 커버(60)를 포함할 수 있다.
제1 케이스(50)는 배터리 셀 적층체(1)의 하부에 배치되어 배터리 셀 적층체(1)의 하부면을 지지하는 하부 플레이트(52)와, 배터리 셀 적층체(1)에서 배터리 셀들(10)의 수용부(204)가 노출되는 측면을 지지하는 측면 플레이트(58)를 포함할 수 있다. 그러나 필요에 따라 측면 플레이트(58)와 하부 플레이트(52)를 독립적인 구성 요소들로 구성하는 것도 가능하다.
측면 플레이트(58)는 하부 플레이트(52)의 양 측에서 연장되어 형성되며, 좌우 방향으로 적층 배치된 배터리 셀 적층체(1)의 양 측면 배치되는 배터리 셀들(10)을 지지할 수 있다.
배터리 셀(10)을 견고하게 지지하기 위해, 측면 플레이트(58)는 배터리 셀(10)의 수용부(204)를 가압하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 제1 케이스(50)는 금속과 같은 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 케이스(50)는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
측면 플레이트(58)와 하부 플레이트(52)에 의해 형성되는 제1 케이스(50)의 내부 공간에는 배터리 셀 적층체(1)가 삽입 배치될 수 있다.
이를 위해, 본 실시예의 배터리 셀 적층체(1)는 제1 케이스(50)와의 용이한 결합을 위해 면압 부재(20)를 포함할 수 있다.
면압 부재(20)는 배터리 셀 적층체(1)의 측면들 중, 측면 플레이트(58)와 대면하는 양 측면에 각각 부착될 수 있다. 따라서 본 실시예의 경우, 면압 부재(20)는 완충 부재(25)를 매개로 배터리 셀 적층체(1)에 부착될 수 있다.
면압 부재(20)는 편평한 플레이트 형태로 형성될 수 있으며, 일측(예컨대, 배터리 셀 적층체의 하부면 측에 배치되는 부분)과 타측(예컨대, 배터리 셀 적층체의 상부면 측에 배치되는 부분)의 두께가 다르게 형성될 수 있다.
예컨대, 면압 부재(20)는 일측으로 갈수록 두께가 얇아지는 쐐기 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라 면압 부재(20)가 배터리 셀 적층체(1)에 부착되면, 배터리 셀 적층체(1)는 면압 부재(20)의 일측이 배치된 부분(예컨대, 하단측)의 폭과 타측이 배치된 부분(예컨대 상단측)의 폭이 서로 다르게 형성될 수 있다.
본 실시예에서 면압 부재(20)는 완충 부재(25)에 부착되는 내부면을 기준으로, 내부면의 반대면인 외부면이 경사면으로 형성될 수 있다. 외부면의 경사각은 약 0.5도 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 실시예에서 면압 부재(20)는 배터리 셀(10)의 수용부(204) 면적과 유사한 면적으로 형성될 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(10) 측으로 면압을 제공하기 위해, 면압 부재(20)의 면적은 배터리 셀(10) 일면(수용부의 넓은 면)의 전체 면적 대비 20% 이상의 면적으로 형성될 수 있다. 또한 면압 부재(20)의 면적이 배터리 셀(10) 일면의 전체 면적보다 크게 형성되는 경우, 케이스(30)와 간섭이 발생될 수 있으므로, 배터리 셀(10) 일면의 전체 면적과 같거나 작게 형성될 수 있다.
면압 부재(20)는 수지(resin)와 같은 절연 재질로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 셀 적층체(1)와 제1 케이스(40) 사이에서 강성을 유지할 수 있는 재질이라면 다양하게 이용될 수 있다. 예컨대, 금속 재질로 면압 부재(20)를 형성하는 경우, 절연을 위해 표면에 절연층을 코팅하여 이용할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 면압 부재(20)는 외부면에는 적어도 하나의 홈(21)이 형성될 수 있다. 상기한 홈(21)은 면압 부재(20)의 무게를 최소화하기 위해 불필요한 부분을 제거함에 따라 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 면압 부재(20)의 외부면을 편평한 형태로 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
면압 부재(20)의 형상에 대응하여, 본 실시예의 측면 플레이트(58)는 상단으로 갈수록 두께가 얇고, 하단으로 갈수록 두께가 두껍게 형성될 수 있다. 측면 플레이트(58)의 두께 변화는 면압 부재(20)의 두께 변화에 대응하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 면압 부재(20)가 측면 플레이트(58)와 결합되는 경우, 결합된 면압 부재(20)와 측면 플레이트(58)의 전체 두께는 전체적으로 동일하게 구성될 수 있다.
측면 플레이트(58)가 이와 같이 구성됨에 따라, 제1 케이스(50)는 측면 플레이트(58) 사이의 거리가 상단으로 갈수록 증가될 수 있다. 즉, 측면 플레이트(58) 상단 간의 거리(도 6의 D1)는 측면 플레이트(58) 하단 간의 거리(도 6의 D2)보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 측면 플레이트(58) 상단 간의 거리(D1)는 배터리 셀 적층체(1) 일측의 폭(도 7의 W3)보다 크게 형성될 수 있다. 따라서 배터리 셀 적층체(1)는 일측이 용이하게 측면 플레이트(58) 사이로 진입될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 배터리 셀 적층체를 제2 케이스에 결합하는 과정을 도시한 단면도이다. 이를 함께 참조하면, 면압 부재(20)를 부착한 배터리 셀 적층체(1)는 상대적으로 폭이 좁은 일측이 먼저 제1 케이스(50)를 향하도록 배치되어 제1 케이스(50)에 결합될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 완충 부재(25)가 압축되지 않은 경우, 배터리 셀 적층체(1) 일측의 폭(W1)은 제1 케이스(50) 상단부에서 측면 플레이트(58) 간의 거리(D1) 및 측면 플레이트(58)의 하단에서 측면 플레이트(58)들 간의 거리(D2) 보다 클 수 있다.
그러나 도 7에 도시된 바와 같이 완충 부재(25)가 일정한 압력으로 압축되는 경우, 배터리 셀 적층체(1) 일측의 폭(W3)은 제1 케이스(50)의 상단부에서 측면 플레이트(58) 간의 거리(D1)보다 작게 형성될 수 있다. 이에 배터리 셀 적층체(1)는 일측이 용이하게 측면 플레이트들(58) 사이의 공간으로 진입될 수 있다.
이 과정에서 배터리 셀 적층체(1)는 면압 부재(20)의 경사면을 통해 슬라이딩 방식으로 제1 케이스(50)에 결합될 수 있다.
따라서 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 면압 부재(20)와 측면 플레이트(58)의 형상을 통해 매우 용이하게 배터리 셀 적층체(1)를 제1 케이스(50)에 결합할 수 있다.
배터리 셀 적층체(1)가 측면 플레이트(58)들 사이의 공간에 완전하게 삽입되면, 면압 부재(20)의 외부면은 전체 또는 일부가 측면 플레이트(58)의 내부면에 접촉될 수 있다.
또한, 완충 부재(25)가 일정 두께 압축된 상태로 제1 케이스(50)에 삽입되므로, 배터리 셀 적층체(1)가 측면 플레이트(58)들 사이의 공간에 완전하게 삽입되면, 제1 케이스(50)에 의해 배터리 셀 적층체(1)에는 일정 크기의 면압이 가해질 수 있다.
측면 플레이트(58)의 상단에는 고정 돌기(59)가 형성될 수 있다. 고정 돌기(59)는 제1 케이스(50)의 내측 방향을 향해 돌출되도록 형성되며, 배터리 셀 적층체(1)가 제1 케이스(50)에 결합되었을 때 면압 부재(20)의 상단으로 돌출 배치될 수 있다.
고정 돌기(59)는 배터리 셀 적층체(1)가 제1 케이스(50)에 결합된 후, 배터리 셀 적층체(1)가 제1 케이스(50)로부터 쉽게 분리되는 것을 방지하기 위해 구비된다. 따라서 배터리 셀 적층체(1)의 분리를 방지할 수만 있다면 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
제2 케이스(40)는 배터리 셀 적층체(1)의 상부에 배치되어 배터리 셀 적층체(1)의 상면과 대면하도록 배치된다. 또한 제2 케이스(40)는 편평한 판 형태로 마련되어 제1 케이스(50)의 측면 플레이트(58) 상단에 체결될 수 있다. 따라서 제2 케이스(40)가 제1 케이스(50)에 체결되면, 제2 케이스(40)와 제1 케이스(50)는 내부가 빈 관형 부재의 형상을 가질 수 있다.
제2 케이스(40)는 제1 케이스(50)와 마찬가지로 플레이트 형태로 형성되며 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제2 케이스(40)는 금속 등의 재질로 구성될 수 있으며, 보다 구체적으로 알루미늄으로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 높은 열 전도성을 갖는 재질이라면 본 발명의 목적 범위 내에서 다양한 재질이 이용될 수 있다.
제1 케이스(50)와 제2 케이스(40)는 용접 등의 방식으로 결합될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 슬라이딩 방식으로 결합하거나, 볼트나 나사 등의 고정 부재를 이용하여 결합하는 등 다양한 변형이 가능하다.
한편, 제1 케이스(50)와 제2 케이스(40) 중 적어도 하나는 배터리 셀에서 발생되는 열을 외부로 방출하는 방열 부재로 이용될 수 있으며, 냉각 효율을 높이기 위해, 냉각 장치를 추가적으로 구비할 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈은 제1 케이스(50)의 하부면에 냉각 장치가 결합될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 효과적인 열 방출을 위해, 제1 케이스(50)의 하부면과 제2 케이스(40)의 상부면에 모두 냉각 장치를 배치하는 것도 가능하다.
일 실시예에 따르면 상기 냉각 장치는 내부에 냉각 유로를 구비할 수 있다. 구체적으로 상기 냉각 유로는 수냉식 냉각 유로 또는 공랭식 냉각 유로일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
냉각 장치는 케이스(30)에 일체로 결합되어 배터리 모듈에 포함될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 배터리 모듈과 별도로, 배터리 모듈이 장착되는 장치나 구조물에 냉각 장치를 배치하는 것도 가능하다.
측면 커버(60)는 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치되는 양 측면에 각각 결합될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 측면 커버(60)는 제1 케이스(50)와 제2 케이스(40)에 결합되어 제1 케이스(50), 제2 케이스(40)와 함께 배터리 모듈(100)의 외면을 구성할 수 있다.
측면 커버(60)는 수지와 같은 절연성 재질로 형성될 수 있으며, 후술되는 절연 커버(70)의 접속 단자(72)를 외부로 노출시키기 위한 관통 구멍(62)을 구비할 수 있다.
측면 커버(60)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 제1 케이스(50) 및 제2 케이스(40)에 결합될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
측면 커버(60)와 배터리 셀 적층체(1) 사이에는 절연 커버(70)가 개재될 수 있다.
절연 커버(70)는 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치된 일면에 결합될 수 있다. 따라서 전극 리드들(15)은 절연 커버(70)를 관통하여 절연 커버(70)의 외측에서 상호 연결될 수 있다. 이를 위해 절연 커버(70)에는 전극 리드들(15)이 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(73)이 구비될 수 있다.
또한 절연 커버(70)에는 배터리 셀들(10)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 접속 단자(72)가 구비될 수 있다. 접속 단자(72)는 측면 커버(60)에 형성된 관통 구멍(62)을 통해 외부로 노출될 수 있다. 따라서 측면 커버(60)의 관통 구멍(62)은 접속 단자(72)의 크기와 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서 접속 단자(72)는 도전성 부재로 구성되며 버스바(86)에 전기적으로 연결되거나 적어도 하나의 버스바(86)에 접합될 수 있다.
또한 절연 커버(70)는 회로 기판(예컨대 PCB)과, 회로 기판에 실장되는 다수의 전자 소자를 포함할 수 있으며, 이를 통해 배터리 셀(10)의 전압을 센싱하는 기능을 수행할 수 있다.
버스바(86)는 금속판의 형태로 형성되어 절연 커버(70)의 외부면에 결합될 수 있다. 배터리 셀들(10)은 버스바(86)를 통해 상호 간에 전기적으로 연결되며, 버스바(86)와 접속 단자(72)를 매개로 하여 배터리 모듈의 외부 요소와 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 위해, 버스바(86)에는 전극 리드들(15)이 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(87)이 구비될 수 있으며, 전극 리드들(15)은 버스바(86)의 관통 홀(87)에 삽입된 후 용접 등의 방식을 통해 버스바(86)에 접합될 수 있다. 또한 전극 리드(15)의 끝단은 적어도 일부가 버스바(86)를 완전히 관통하여 버스바(86)의 외부로 노출될 수 있다.
본 실시예에서는 접속 단자(72)가 버스바(86)와 별도로 제조되는 부재로 구성되나, 이에 한정되지 않으며, 접속 단자(72)를 버스바(86)와 일체로 구성하는 것도 가능하다. 예컨대, 버스바(86)의 일측을 부분적으로 돌출 형성한 후, 이를 절곡하여 접속 단자(72)로 이용하는 등 다양한 변형이 가능하다.
배터리 셀 적층체(1)의 하면과 제1 케이스(50) 사이에는 열전달층(90)이 배치될 수 있다.
열전달층(90)은 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 신속하게 케이스(30)로 전달할 수 있다. 이를 위해 열전달층(90)은 높은 열전도도를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어 열전달층(90)은 써멀 그리스(Thermal grease), 열전도성 접착제(Thermal adhesive), 에폭시 수지, 및 방열 패드 중 어느 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
열전달층(90)은 패드(pad) 또는 시트(sheet) 형태로 케이스(30) 내부면에 배치거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 케이스(30)의 내부면에 도포하여 형성할 수 있다.
본 실시예의 열전달층(90)은 높은 절연성을 가지며, 예를 들어, 절연 내력(Dielectric strength)이 10 ~ 30 KV/mm 의 범위인 물질이 이용될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(10)에서 부분적으로 절연이 파괴되더라도 배터리 셀(10) 주변에 배치된 열전달층(90)에 의해 배터리 셀(10)과 케이스(30) 간의 절연이 유지될 수 있다.
또한 열전달층(90)은 배터리 셀들(10)과 케이스(30) 사이 공간을 충진하는 형태로 배치되므로, 배터리 모듈(100)의 전체적인 강성도 보강될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 배터리 셀(10)의 하부에만 열전달층(90)을 배치하는 경우를 예로 들고 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 배터리 셀 적층체(1)와 제2 케이스(40) 사이, 배터리 셀 적층체(1)와 측면 플레이트(58) 사이에 열전달층(90)을 추가적으로 배치하는 등 다양한 변형이 가능하다.
이상에서 설명한 본 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀 적층체(1)의 양 측은 면압 부재(20)에 의해 경사면으로 형성된다. 이에 따라 배터리 셀 적층체(1)를 슬라이딩 방식으로 제1 케이스(50)에 결합할 수 있으므로 종래에 비해 제조가 매우 용이하다.
또한 측면 플레이트(58)와 배터리 셀(10) 사이에 배치되는 면압 부재(20)가 수지 재질로 형성되므로, 방열 부재로 기능하는 측면 플레이트(58)에 의해 측면 플레이트(58)에 인접하게 배치되는 배터리 셀(10)이 과냉각되는 것을 방지할 수 있다.
한편 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도로 도 1의 I-I' 에 대응하는 단면을 도시하고 있다. 또한 도 10는 도 9의 분해도다.
도 9 및 도 10을 참조하면 본 실시예에 따른 배터리 모듈은 면압 부재(20)가 일측(예컨대 하측) 및 타측(예컨대 상층)으로 갈수록 두께가 얇아지고 중심으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형태로 형성된다.
이러한 면압 부재(20)의 형상에 대응하여, 제1 케이스(50')와 제2 케이스(40')는 모두 측면 플레이트(58', 48)를 구비할 수 있다.
구체적으로, 제1 케이스(50')는 배터리 셀 적층체(1)의 하부에 배치되는 하부 플레이트(52')와, 하부 플레이트(52')에서 연장되어 배터리 셀 적층체(1)의 양 측면을 지지하는 측면 플레이트들(58')을 구비할 수 있다. 마찬가지로, 제2 케이스(40')는 배터리 셀 적층체(1)의 상부에 배치되는 상부 플레이트(42)와, 상부 플레이트(42)에서 연장되어 배터리 셀 적층체(1)의 양 측면을 지지하는 측면 플레이트들(48)을 구비할 수 있다.
제1 케이스(50')와 제2 케이스(40')는 동일한 형태로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 제1 케이스(50')의 측면 플레이트(58')와 제2 케이스(40')의 측면 플레이트(48) 중 어느 하나를 더 크게 형성할 수 있다. 이 경우, 면압 부재(20)에서 두께가 가장 두꺼운 부분은 면압 부재(20)의 중심 부분이 아닌 제1 케이스(50')의 측면 플레이트(58')와 제2 케이스(40')의 측면 플레이트(48)가 상호 결합되는 부분으로 규정될 수 있다.
제1 케이스(50')의 측면 플레이트(58')는 상단이 제2 케이스(40')의 측면 플레이트(48) 하단에 결합될 수 있다. 이때, 제1 케이스(50')의 측면 플레이트(58')와 제2 케이스(40')의 측면 플레이트(48)는 면압 부재(20)의 두께가 가장 두꺼운 위치에서 상호 결합될 수 있다.
또한 면압 부재(20)의 형상에 대응하여, 제1 케이스(50')의 측면 플레이트(58')와 제2 케이스(40')의 측면 플레이트(48)는 완충 부재(25)에 부착되는 내부면이 경사면으로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
예컨대, 전술한 실시예들에서는 하나의 면압 부재가 수용부 전체를 덮는 면적으로 마련되는 경우를 예로 들고 있으나, 필요에 따라 수용부의 면적보다 작은 면적을 갖는 다수의 면압 부재들을 이용하는 것도 가능하다. 이 경우 다수의 면압 부재들은 서로 이격 배치되거나, 서로 결합되어 일체로 형성될 수 있다.
1: 배터리 셀 적층체
10: 배터리 셀
20: 면압 부재
25: 완충 부재
30: 케이스
40, 40': 제2 케이스
50, 50': 제1 케이스
60: 측면 커버
70: 절연 커버
90: 열전달층
100: 배터리 모듈

Claims (14)

  1. 다수의 배터리 셀이 적층된 배터리 셀 적층체; 및
    상기 배터리 셀 적층체의 하부에 배치되는 하부 플레이트와, 상기 하부 플레이트에서 연장되어 상기 배터리 셀 적층체의 양 측면을 지지하는 측면 플레이트들을 구비하는 제1 케이스;
    를 포함하고,
    상기 배터리 셀 적층체는,
    상기 배터리 셀 적층체의 양 측면에 각각 부착되며, 상기 배터리 셀 적층체의 하부 측으로 갈수록 두께가 얇게 형성되는 면압 부재를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 면압 부재와 상기 배터리 셀 적층체 사이에 배치되며 압축 가능한 재질로 형성되는 완충 부재를 더 포함하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 측면 플레이트들은,
    하부 플레이트와 연결되는 하단 측으로 갈수록 두께가 두껍게 형성되는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 측면 플레이트들은,
    내부면이 경사면으로 형성되는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 셀 적층체는 일측이 상기 측면 플레이트들 사이의 공간에 진입하며 슬라이딩 방식으로 상기 제1 케이스에 결합되고,
    상기 측면 플레이트들 사이의 거리는, 상기 완충 부재가 압축되지 않은 상태에서 상기 배터리 셀 적층체의 폭보다 작게 형성되는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측면 플레이트들 사이의 거리는, 상기 완충 부재가 압축된 상태에서 상기 배터리 셀 적층체의 폭보다 크게 형성되는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 면압 부재는,
    상기 측면 플레이트와 대면하는 면에 적어도 하나의 홈이 형성되는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 측면 플레이트들은,
    상기 측면 플레이트의 상단에서 상기 제1 케이스의 내측을 향해 돌출되어 상기 면압 부재가 상기 제1 케이스로부터 분리되는 것을 억제하는 고정 돌기를 더 구비하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 면압 부재는,
    중심에서 두께가 가장 두껍고 상기 배터리 셀 적층체의 상부와 하부 측으로 갈수록 두께가 얇게 형성되는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 셀 적층체의 상부에 배치되는 상부 플레이트와, 상기 상부 플레이트에서 연장되어 상기 배터리 셀 적층체의 양 측면을 지지하는 측면 플레이트들을 구비하는 제2 케이스를 더 포함하고,
    상기 제1 케이스의 측면 플레이트들은 상단이 상기 제2 케이스의 측면 플레이트들 하단에 결합되는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 케이스의 측면 플레이트들과 상기 제2 케이스의 측면 플레이트들은 상기 면압 부재의 두께가 가장 두꺼운 위치에서 상호 결합되는 배터리 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 케이스의 측면 플레이트들과 상기 제2 케이스의 측면 플레이트들은,
    내부면이 경사면으로 형성되는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서, 상기 면압 부재는,
    수지 재질로 형성되는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 면압 부재의 면적은 상기 배터리 셀 측면 전체 면적의 20% 이상으로 형성되고, 상기 배터리 셀 측면의 전체 면적보다 작게 형성되는 배터리 모듈.
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