KR20220026813A - 대형 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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백승률
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조규태
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명에 따르면, 적층된 배터리 셀들을 각각 구비하는 복수 개의 단위 적층체들을 포함하는 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 및 상기 배터리 셀들과 나란하게 배치되며, 서로 이웃하는 단위 적층체들 사이에 개재되는 구조 강화빔;을 포함하고, 상기 구조 강화빔은 상기 단위 적층체들이 공간적으로 격리되도록 상단부와 하단부가 각각 상기 모듈 하우징의 상면과 하면에 부분 삽입되어 고정 결합되는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.

Description

대형 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Large battery module and a bettery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 장폭을 갖는 대형 배터리 모듈의 기계적 강성 증대, 조립 편의성 향상 및 열 폭주 전파 방지 구조를 구비한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 이차전지 셀들이 사용됨에 반하여, 전기 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 많은 수의 이차전지 셀들을 전기적으로 연결한 중대형 배터리 모듈이 사용되며, 이러한 배터리 모듈을 다수 연결하여 구현한 배터리 팩이 이용된다.
일반적으로 전기 자동차용 배터리 팩은 차체 또는 트렁크 공간에 탑재되기 때문에 상기 배터리 팩을 구성하는 각 배터리 모듈은 가능한 부피가 작으면서도 에너지 밀도는 매우 높아야 한다. 이러한 이유로 적층이 용이하고 부피 대비 에너지 밀도가 높은 파우치형 배터리 셀들을 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 예가 늘어나고 있다.
또한, 전기 자동차용 배터리 팩이나 배터리 모듈은 진동 및 충격이 지속되는 환경에서 배터리 셀들을 보호할 수 있어야 한다. 따라서 배터리 셀들을 수납하는 모듈 하우징과 같은 구조물은 내,외부에서 가해지는 진동이나 충격에도 변형이 일어나지 않도록 구조적 안정성을 갖추어야 한다.
최근 전기 자동차의 주행거리 증대 등의 요구가 커짐에 따라 이에 맞는 배터리 팩의 용량 확보를 위해 단위 배터리 모듈에 들어가는 배터리 셀의 개수와 사이즈가 증가하고 있다. 이를테면, 일반적으로 많이 생산되고 있는 배터리 모듈의 모듈 하우징의 폭은 대략 150mm~250mm 수준이었으나 상기 폭을 800mm 수준으로 늘려, 하나의 배터리 모듈에 들어가는 배터리 셀들의 개수를 대략 3~4배 이상 늘리고 있다. 이러한 대형 배터리 모듈을 탑재한 배터리 팩은 동일한 부피의 다른 배터리 팩에 비해 더 많은 수의 배터리 셀들을 구비할 수 있어 에너지 밀도가 더 높고, 배터리 모듈의 개수는 더 적어 조립 구조가 더 간소화될 수 있다.
한편, 상기 대형 배터리 모듈은 에너지 밀도와 공간 효율성 측면에서 장점을 가지고 있지만 구조적인 측면에서 몇가지 단점이 있다.
이를테면, 대형 배터리 모듈은 기존의 배터리 모듈에 비해 모듈 하우징의 폭이 길기 때문에 자체 하중, 진동이나 충격, 배터리 셀들의 스웰링 시 압력 등으로 인해 모듈 하우징의 변형이 더 쉽게 일어나는데 특히, 폭 방향에 따른 모듈 하우징의 중심부에 변형이 심하다.
또한, 배터리 모듈은 내부에 배터리 셀들이 밀집된 구조여서 하나의 배터리 셀에서 열폭주(열/화염 동반)가 발생하게 되면 주변의 다른 배터리 셀들로 전파가 쉽게 일어나게 되는데, 기존보다 많은 개수의 배터리 셀들을 갖는 대형/대면적 배터리 모듈은 배터리 셀의 열폭주에 따른 2차 사고 발생 위험이 더 크다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 장폭을 갖는 대형 배터리 모듈의 기계적 강성 증대, 배터리 셀들의 열 폭주 전파 방지 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리 모듈에 가능한 많은 개수의 배터리 셀들을 수납함에 따른 배터리 모듈의 중량 증가를 최대한 낮추기 위해 모듈 하우징의 조립 구조, 배터리 셀들의 고정 구조, 전극 터미널의 배치에 필요한 부품을 없애거나 간소화하는 데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 적층된 배터리 셀들을 각각 구비하는 복수 개의 단위 적층체들을 포함하는 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 및 상기 배터리 셀들과 나란하게 배치되며, 서로 이웃하는 단위 적층체들 사이에 개재되는 구조 강화빔;을 포함하고, 상기 구조 강화빔은 상기 단위 적층체들이 공간적으로 격리되도록 상단부와 하단부가 각각 상기 모듈 하우징의 상면과 하면에 부분 삽입되어 고정 결합되게 구성될 수 있다.
상기 구조 강화빔은 강성 재질로서 상기 배터리 셀의 넓은 면에 대응하는 면적을 갖는 판상체 형태로 마련될 수 있다.
상기 구조 강화빔은, 상기 모듈 하우징의 내부 공간에 기립 배치되는 벽체부; 및 상기 벽체부의 길이 방향을 따라 소정 간격마다 상기 벽체부의 상단부 및 상기 벽체부의 하단부에 돌출 형성되는 삽입돌기들을 포함할 수 있다.
상기 모듈 하우징은, 상기 모듈 하우징의 상면과 하면에서 상기 삽입돌기들에 일대일 대응하는 위치마다 관통 형성된 삽입홀들을 포함할 수 있다.
각 상기 삽입돌기는 각 상기 삽입홀에 억지 끼움된 상태에서 끝단부가 상기 모듈 하우징에 용접될 수 있다.
상기 구조 강화빔은 상기 벽체부의 적어도 일면에 부착되는 난연재를 더 포함할 수 있다.
상기 난연재는 미카(mica) 시트 또는 실리콘 패드일 수 있다.
상기 벽체부는, 안쪽 영역이 비어있는 틀 형태이고 기계적 강성을 높은 소재로 마련되는 외곽 프레임;과 상기 외곽 프레임과 동일한 두께를 가지며 상기 외곽 프레임의 안쪽 영역에 개재되는 미카 시트를 포함할 수 있다.
상기 모듈 하우징은, 상기 셀 적층체의 하부와 양측부를 각각 지지하는 베이스 플레이트와 한 쌍의 사이드 플레이트를 구비하는 U-프레임; 상기 셀 적층체의 상부를 커버하는 상부 플레이트; 및 상기 셀 적층체의 전면부와 후면부를 각각 커버하는 전면 플레이트와 후면 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 U-프레임은 베이스 플레이트 및 한 쌍의 사이드 플레이트는 일체로 형성되며, 상기 U-프레임과 상기 상부 플레이트, 상기 전면 플레이트, 상기 후면 플레이트는 용접될 수 있다.
상기 전면 플레이트의 좌측 상단 코너 영역과 우측 상단 코너 영역에 배치되고, 상기 셀 적층체에서 전방을 향해 돌출되는 양극 터미널 및 음극 터미널과 접속하도록 마련되는 한 쌍의 터미널 지지부재를 포함할 수 있다.
상기 터미널 지지부재는, 절연소재로 형성된 몸체부; 상기 몸체부에 상하 방향으로 형성된 스크류홀; 및 상기 스크류홀의 상부에서 수평 방향으로 형성되되 상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널이 통과할 수 있게 형성된 슬릿;을 포함할 수 있다.
상기 구조 강화빔은, 서로 대면하며 이격되어 위치하는 한 쌍의 벽체부; 및 상기 한 쌍의 벽체부의 상단으로부터 하방으로 소정거리 이격된 위치 및 상기 벽체부의 하단으로부터 상방으로 소정거리 이격된 위치에 각각 형성되어 상기 한 쌍의 벽체부 사이를 연결하는 한 쌍의 연결부를 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 벽체부는 상단이 상기 모듈 하우징의 상부로 노출되게 마련되고, 노출된 영역에 형성되는 적어도 하나의 핸들링 홀을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 구조 강화빔이 모듈 하우징의 상면과 하면에 연결되어 모듈 하우징의 상면과 하면을 지지함으로써 배터리 모듈의 기계적 강성이 증대될 수 있다. 특히, 상기 구조 강화빔이 서로 이웃한 단위 적층체들 사이에 위치해 있어 모듈 중심부의 변형을 막을 수 있을 뿐만 아니라 배터리 셀들의 스웰링에 따른 팽창을 효과적으로 저지할 수 있다.
또한, 구조 강화빔에 의해 단위 적층체들이 공간적으로 격리됨으로써 비상시 단위 적층체들 간의 열폭주 전파가 저지될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 모듈 하우징의 조립 구조, 배터리 셀들의 고정 구조, 전극 터미널 등의 설치 구조 등에 소요되는 부품이 없거나 간소화되어 있어 모듈 하우징에 수납된 배터리 셀들을 개수에 비해 배터리 모듈의 전체 중량의 증가를 최대한 낮출 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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 터미널 지지부재와 전극 터미널 부분의 조립 전과 후를 나태내는 도면들이다.
도 5는 도 2의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 강화빔의 구성을 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 구조 강화빔의 결합 사시도이다.
도 8은 도 2의 B 영역의 확대도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 강화빔의 분해 사시도와 결합 사시도이다.
도 11은 도 5에 대응하는 도면으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조 강화빔을 도시한 도면들이다.
도 13은 도 12의 구조 강화빔을 적용한 배터리 모듈의 상면을 도시한 도면이다.
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 모듈의 개략적인 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 사시도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 셀 적층체(100), 모듈 하우징(200) 및 구조 강화빔(300)을 포함한다.
셀 적층체(100)는 적층된 배터리 셀(111)들을 각각 구비하는 복수 개의 단위 적층체(110)들을 포함한다. 각 단위 적층체(110)는 넓은 면이 대면하게 적층되는 복수의 배터리 셀(111)들을 포함한다. 본 실시예의 셀 적층체(100)는 제1 단위 적층체(110A)와 제2 단위 적층체(110B)를 포함하며, 상기 제1 단위 적층체(110A)와 상기 제2 단위 적층체(110B) 사이에 구조 강화빔(300)이 배치된다. 본 실시예에서는 상기 단위 적층체(110)가 2개인 경우만 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것으로, 단위 적층체(110)의 개수는 3개 이상일 수 있으며, 이 경우 구조 강화빔(300)의 개수도 더 늘어날 수 있다.
상기 단위 적층체(110)를 형성하는 배터리 셀(111)로는, 파우치형 배터리 셀(111)이 적용될 수 있다. 상기 파우치형 배터리 셀(111)은 전극 조립체, 전해액 및 파우치 외장재로 구성될 수 있다. 파우치 외장재는, 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 내부 공간이 형성될 수 있다. 전극 조립체와 전해액은 상기 파우치 외장재의 내부 공간에 수납될 수 있다. 2개의 파우치 외주면에는 실링부가 구비되어 실링부가 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐될 수 있다.
상기 전극 조립체에 전극 리드(111a)가 부착될 수 있고 상기 전극 리드(111a)는 파우치 외장재의 실링부 사이에 개재되어 파우치 외장재의 외부로 노출됨으로써 배터리 셀(111)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
이러한 상기 파우치형 배터리 셀(111)들을 상하 방향으로 세워서 넓은 면이 서로 대면하게 좌우 방향으로 적층하여 단위 적층체(110)를 형성한다. 이러한 단위 적층체(110)는 하단부를 열 전도성 접착제로 모듈 하우징(200)의 하면에 고정시켜 배터리 셀(111)들의 유동을 방지하면서 충방전 시 발생하는 열을 모듈 하우징(200)의 하면을 통해 방열시킬 수 있다.
각 단위 적층체(110)의 전방과 후방에는 버스바 프레임(120)이 장착될 수 있다. 상기 버스바 프레임(120)에는 금속 플레이트 형태로 마련된 복수 개의 버스바(121)가 미리 결정된 패턴으로 구비될 수 있다. 배터리 셀(111)들의 전극 리드(111a)들은 버스바 프레임(120)에 천공되어 있는 장공홀(미도시)을 통해 버스바 프레임(120)의 바깥쪽 면으로 인출될 수 있고, 상기 버스바 프레임(120)의 바깥쪽 면에 있는 버스바에 연결될 수 있다. 예컨대, 2개 이상의 어느 배터리 셀(111)들의 양극 리드들과 다른 2개 이상의 배터리 셀(111)들의 음극 리드들을 하나의 버스바에 용접하는 방식으로 배터리 셀(111)들을 직렬 및/또는 병렬 연결할 수 있다. 상
모듈 하우징(200)은 셀 적층체(100)를 수용하고 외부의 충격이나 진동으로부터 보호하기 위해 기계적 강성이 높은 금속과 같은 재질로 대략 6면체 구조로 마련될 수 있다. 이를테면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈 하우징(200)은 셀 적층체(100)의 하부를 지지하는 베이스 플레이트(211)와 셀 적층체(100)의 양측부를 지지하는 한 쌍의 사이드 플레이트(212), 셀 적층체(100)의 상부를 커버하는 상부 플레이트(220), 셀 적층체(100)의 전면부와 후면부를 각각 커버하는 전면 플레이트(230)와 후면 플레이트(240)를 포함하여 6면체 구조로 형성될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 베이스 플레이트(211)와 한 쌍의 사이드 플레이트(212)는 일체형으로 마련되어 U-프레임(210) 형태로 제공될 수 있다.
상기 모듈 하우징(200)을 형성하는 U-프레임(210)과, 나머지 3개의 플레이트들(상부 플레이트(220), 전면 플레이트(230), 후면 플레이트(240))은 용접에 의해 상호 결합될 수 있다. 참고로, 볼트 체결 방식은 볼트/너트 부품의 추가와 볼트 체결 개소의 두께 증가가 따르기 때문에 모듈 하우징(200)의 경량화 측면에서 불리하다. 이에 본 실시예에서는 모듈 하우징(200)의 경량화를 위해서는 볼트/너트 등을 사용하지 않고 U-프레임(210)과 나머지 상기 3개의 플레이트를 용접하여 연결한다.
한편, 셀 적층체(100)의 최외곽에 위치한 배터리 셀(111)의 양극 전극 리드(111a)와 연결되어 있는 버스바(121)는 상단부가 셀 적층체(100)에서 전방(-Y축 방향)을 향해 돌출되게 절곡된 형태로 제공되고, 상기 절곡된 부분은 모듈 하우징(200) 밖으로 인출되게 구성되어 배터리 모듈의 양극 터미널(130)로 기능할 수 있다. 양극 터미널(130)과 실질적으로 동일한 구조로서 셀 적층체(100)의 다른 최외곽에 위치한 배터리 셀(111)의 음극 전극 리드와 연결되어 있는 버스바(121)의 절곡된 상단부는 모듈 하우징(200) 밖으로 인출되게 구성되어 배터리 모듈의 음극 터미널(140)로 기능할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 최소한의 부품으로 효율적으로 상기 배터리 모듈의 양극 터미널(130)과 음극 터미널(140)의 지지 및 보호할 수 있도록, 전면 플레이트(230)의 좌측 상단 코너 영역과 우측 상단 코너 영역에 마련되는 한 쌍의 터미널 지지부재(400)를 더 포함한다.
상기 한 쌍의 터미널 지지부재(400)는 전면 플레이트(230)를 U-프레임(210)의 전면에 배치할 때 배터리 모듈의 양극 터미널(130) 및 음극 터미널(140)과 밀어넣는 방식으로 간단히 접속될 수 있게 구성될 수 있다.
이러한 터미널 지지부재(400)는, 절연소재로 형성된 몸체부(410) 상기 몸체부(410)에 상하 방향으로 형성된 스크류 홀(420) 및 상기 스크류 홀(420)의 상부에서 수평 방향으로 형성되어 있는 터미널 슬릿(430)을 포함한다.
양극 터미널(130) 또는 음극 터미널(140)은 상기 터미널 슬릿(430)을 통해 몸체부(410)의 상단에 수평하게 배치될 수 있다. 상기 몸체부(410)의 상단부에 안착된 양극 터미널(130) 또는 음극 터미널(140)은 예컨대 외부 케이블의 링 터미널(미도시)과 함께 볼트 체결될 수 있다. 이때 스크류 홀(420)은 볼트 체결시 사용될 수 있고, 볼트 체결 압력을 충분히 견딜 수 있도록 몸체부(410)에는 리브 구조가 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 하우징(200)은 폭 방향으로 많은 수의 배터리 셀(111)들을 수납할 수 있도록 U-프레임(210)의 폭(±X축방향)이 약 800mm 정도로 제공될 수 있다.
이러한 U-프레임(210)의 가운데 구조 강화빔(300)이 결합될 수 있다. 상기 구조 강화빔(300)은 장폭을 갖는 U-프레임(210)의 중심 부위가 외부 하중에 취약해 지는 것을 보강하기 위한 구조물로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 그 상단부와 하단부가 각각 모듈 하우징(200)의 상면과 하면에 고정 결합된다. 이러한 구조 강화빔(300)은 베이스 플레이트(211)와 상부 플레이트(220)의 중심부를 지지해 주고 외부 충격시 베이스 플레이트(211)와 상부 플레이트(220)에 가해지는 하중을 분산시키는 작용을 할 수 있다.
또한, 본 실시예의 구조 강화빔(300)은 단위 적층체(110)들이 공간적으로 격리될 수 있도록 서로 이웃한 단위 적층체(110)들 사이에 개재됨으로써 단위 적층체(110)들 간의 열적 이동을 차단하며, 특히 화재 등과 같은 비상시에는 화염의 전파를 차단하는 방화벽과 같은 기능을 할 수 있다.
이하에서 도 5 내지 도 8을 참조하여, 구조 강화빔(300)의 구성에 대해 더 자세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 구조 강화빔(300)은 기계적 강성이 높은 재질로서 대략 판상체 형태로서 모듈 하우징(200)의 내부 공간에 기립 배치되는 벽체부(310)와, 상기 벽체부(310)의 길이 방향을 따라 소정 간격마다 벽체부(310)의 상단부 및 상기 벽체부(310)의 하단부에 돌출 형성되는 삽입돌기(320)들을 포함한다.
벽체부(310)는 배터리 셀(111)의 넓은 면에 대응하는 면적을 갖고 서로 이웃한 단위 적층체(110)들 사이에서 배터리 셀(111)들과 나란하게 개재될 수 있다.
삽입돌기(320)들은 직사각 블록 형태로 등 간격으로 벽체부(310)의 상단부에 6개, 벽체부(310)의 하단부에 6개가 구비된다. 상기 삽입돌기(320)들은 모듈 하우징(200)의 상면과 하면에 상기 삽입돌기(320)들에 일대일 대응하는 위치마다 관통 형성되어 있는 삽입홀(H)들에 억지 끼움된 상태에서 끝단부가 모듈 하우징(200)에 용접될 수 있다.
다시 말하면, 벽체부(310)의 하단부에 있는 6개의 삽입돌기(320)들을 베이스 플레이트(211)에 구비되어 있는 6개의 삽입홀(H)들에 맞추어 넣어, 구조 강화빔(300)을 베이스 플레이트(211)에 수직하게 조립한 후 상기 베이스 플레이트(211)의 외측면 방향에서 상기 6개의 삽입돌기(320)들의 끝단부와 베이스 플레이트(211)를 레이저 용접하여 구조 강화빔(300)의 하단부를 베이스 플레이트(211)에 완전히 고정한다.
구조 강화빔(300)의 상단부도 하단부와 마찬가지로, 벽체부(310)의 상단부에 있는 6개의 삽입돌기(320)들을 상부 플레이트(220)에 구비되어 있는 6개의 삽입홀(H)들에 맞추어 넣은 다음, 상부 플레이트(220)의 외측면 방향에서 상기 6개의 삽입돌기(320)들의 끝단부와 상부 플레이트(220)를 레이저 용접하여 구조 강화빔(300)의 상단부를 상부 플레이트(220)에 고정한다.
따라서 하단 삽입돌기(320)들과 베이스 플레이트(211)의 결합 부위와 상단 삽입돌기(320)들과 상부 플레이트(220)의 결합 부위에는 용접부(W)가 형성된다.
U-프레임(210)과 구조 강화빔(300)의 하단부를 용접한 후 구조 강화빔(300)의 상단부와 상부 플레이트(220)를 용접하기 전에 제1 단위 적층체(110A)와 제2 단위 적층체(110B) 수납하는 것이 공정상 수월하다. 이때, 상기 제1 단위 적층체(110A)의 좌측 끝의 배터리 셀(111)과 우측 끝의 배터리 셀(111)은 각각 좌측 사이드 플레이트(212)와 구조 강화빔(300)의 좌측면에 접촉하게 배치될 수 있고 제2 단위 적층체(110B)의 좌측 끝의 배터리 셀(111)과 우측 끝의 배터리 셀(111)은 각각 구조 강화빔(300)의 우측면과 우측 사이드 플레이트(212)의 접촉하게 배치될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 배터리 셀(111)들의 스웰링시 팽창 압력을 구조 강화빔(300)이 흡수해 모듈 하우징(200)의 변형을 억제하는데 효과가 있다.
모듈 하우징(200)의 내부에 구조 강화빔(300)이 없다고 가정하면, 배터리 셀(111)들의 스웰링 시 팽창 압력이 좌측 사이드 플레이트(212)와 우측 사이드 플레이트(212)에 작용하게 되는데 배터리 셀(111)들의 스웰링이 심화될 수록 좌측 사이드 플레이트(212)와 우측 사이드 플레이트(212)의 변형될 가능성이 높아진다.
그러나 본 실시예에 따르면, 구조 강화빔(300)의 상단부와 하단부가 상부 플레이트(220)와 베이스 플레이트(211)에 고정되게 연결되어 있어 제1 단위 적층체(110A)의 스웰링 시 팽창 압력은 좌측 사이드 플레이트(212)와 구조 강화빔(300)에 작용하고, 제2 단위 적층체(110B)의 스웰링 시 팽창 압력은 우측 사이드 플레이트(212)와 구조 강화빔(300)에 작용한다.
따라서 상기 구조 강화빔(300)이 제1 및 제2 단위 적층체(110B)의 팽창 압력을 일정 부분 흡수할 뿐만 아니라 제1 단위 적층체(110A)의 팽창 압력과 제2 단위 적층체(110B)의 팽창 압력이 구조 강화빔(300)을 기준으로 반대 방향으로 작용해 힘이 부분적으로 상쇄될 수 있어 좌측 사이드 플레이트(212)와 우측 사이드 플레이트(212)에 하중 부담이 줄어들고 이에 따라 모듈 하우징(200)의 변형이 억제될 수 있다.
본 실시예의 구조 강화빔(300)은 벽체부(310)의 적어도 일면에 부착되는 난연재(330)를 더 포함한다.
상기 난연재(330)로는, 미카(mica) 시트 또는 실리콘 패드가 채용될 수 있다. 상기 미카 시트 또는 실리콘 패드의 대안으로는 6분간의 화열(최고 온도 섭씨 약 500도)에서 변형, 발염, 파손이 생기지 않는 난연합판, 난연섬유판, 난연플라스틱판 등이 채용될 수도 있다.
벽체부(310)가 기계적 강성과 열전도율이 높은 금속 재질이라 해도 상기 벽체부(310)의 양면을 난연재(330)로 코팅함으로써 제1 단위 적층체(110A)와 제2 단위 적층체(110B)를 열적으로 차단시킬 수 있다.
이 경우, 예컨대 제1 단위 적층체(110A)의 특정 배터리 셀(111)에서 열폭주(열/화염 동반)가 발생할 경우, 난연 코팅된 벽체부(310)가 제2 단위 적층체(110B)로 열과 화염이 전파되는 것을 차단 내지 지연시킴으로써 배터리 모듈 내부에서 열과 화염이 급속히 확산하는 것을 방지할 수 있다.
이어서 하기 도면들을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구조 강화빔의 분해 사시도와 결합 사시도, 도 11은 도 5에 대응하는 도면으로 도 10의 구조 강화빔을 적용한 배터리 모듈의 부분 단면도이다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은, 전술한 배터리 모듈과 비교해서, 구조 강화빔의 구성에 차이가 있다. 본 실시예의 구조 강화빔(300A)의 벽체부(310A)는, 안쪽 영역이 비어있는 틀 형태이고 기계적 강성이 높은 소재로 마련되는 외곽 프레임(311)과 상기 외곽 프레임(311)과 동일한 두께를 가지며 상기 외곽 프레임(311)의 안쪽 영역에 개재되는 미카 시트(312)를 포함한다.
즉, 본 실시예의 구조 강화빔(300)의 벽체부(310A)는 강성 구조의 외곽 프레임(311)이 난연 재질의 미카 시트(312)의 외주부를 감싸는 형태로 이루어져 있고, 상기 외곽 프레임(311)과 미카 시트가 동일한 두께로 구성되어 있다.
이와 같이 구조 강화빔(300)을 구성함으로써 벽체부(310)의 양면에 난연재(330)를 부착한 전술한 실시예에 비해, 구조 강화빔(300A)을 경량화, 슬림화화면서도 제1 단위 적층체(110A)와 제2 단위 적층체(110B) 간의 열 폭주 전파 방지가 가능하다. 나아가 본 실시예는 전술한 실시예에 비해 줄어든 구조 강화빔(300)의 두께만큼 배터리 셀(111)들의 용적율을 높여 배터리 모듈의 에너지 밀도를 더 개선시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조 강화빔(300B)을 도시한 도면이고, 도 13은 도 12의 구조 강화빔(300B)을 적용한 배터리 모듈의 상면을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 구조 강화빔(300B)은 서로 소정 간격을 두고 대면하는 한 쌍의 벽체부(340) 및 한 쌍의 벽체부(340) 사이를 연결하는 한 쌍의 연결부(350)를 포함한다. 상기 구조 강화빔(300B)은 전술한 실시예의 구조 강화빔과 같이 기계적 강성이 높은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 한 쌍의 벽체부(340)는 상단과 하단이 모듈 하우징(200)의 상면 또는 하면 밖으로 돌출되게 구성될 수 있다.
베이스 플레이트(211)와 상부 플레이트(220)는 길이 방향(Y축 방향)을 따라 길게 연장되고 상기 한 쌍의 벽체부(340)의 간격에 대응하는 간격을 갖는 한 쌍의 삽입 슬릿(S)을 포함한다. 한 쌍의 벽체부(340)의 상단 및 하단이 각각 상기 한 쌍의 삽입 슬릿(S)을 통과하여 모듈 하우징(200)의 외측으로 노출될 수 있다.
상기 한 쌍의 연결부(350) 중 하나는 벽체부(340)의 상단으로부터 하방으로 소정 거리만큼 이격된 위치에 형성된다. 상기 한 쌍의 연결부(350) 중 나머지 하나는 벽체부(340)의 하단으로부터 상방으로 소정 거리만큼 이격된 위치에 형성된다. 상기 연결부(350)는 구조 강화빔(300)이 삽입 슬릿(S)을 통해 모듈 하우징(200)의 상방 또는 하방으로 이탈하지 않도록 하는 스토퍼로서 기능할 수 있다. 즉, 상기 연결부(350)는, 모듈 하우징(200)의 내측에 위치한다. 상기 한 쌍의 연결부(350)는 모듈 하우징(200)의 높이에 대응하는 거리만큼, 즉 베이스 플레이트(211)와 상부 플레이트(220) 사이의 거리만큼 이격되어 위치한다.
상기 한 쌍의 벽체부(340) 각각은 배터리 셀(111)과 밀착되며, 배터리 셀(111)의 스웰링에 따라 가해지는 압력에 의해 중심부가 서로를 향해 가까워지도록 탄성 변형될 수 있다. 즉, 상기 한 쌍의 벽체부(340)는, 배터리 셀(111)의 스웰링을 흡수하는 기능을 갖는다.
또한, 상기 구조 강화빔(300B)은, 모듈 하우징(200)의 상면, 즉 상부 플레이트(220)에 형성된 삽입 슬릿(S)을 통해 모듈 하우징(200)의 외측으로 노출된 영역에 형성되는 적어도 하나의 핸들링 홀(340a)을 구비한다. 상기 핸들링 홀(340a)은 구조 강화빔(300B)을 구성하는 한 쌍의 벽체부(340) 모두에 형성될 수도 있고, 어느 하나에만 형성될 수도 있다. 상기 핸들링 홀(340a)은 작업자가 배터리 모듈을 용이하게 핸들링할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함한다. 상기 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스(미도시), 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치(미도시), 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는 위에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함할 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.
본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 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.
100: 셀 적층체 110: 단위 적층체
111: 배터리 셀 111a: 전극 리드
120: 버스바 프레임 130: 양극 터미널
140: 음극 터미널 200: 모듈 하우징
210: U-프레임 211: 베이스 플레이트
212: 사이드 플레이트 220: 상부 플레이트
230: 전면 플레이트 240: 후면 플레이트
300: 구조 강화빔 310: 벽체부
311: 외곽 프레임 312: 미카 시트
320: 삽입돌기 330: 난연재
400: 터미널 지지부재 410: 몸체부
420: 스크류 홀 430: 터미널 슬릿

Claims (15)

  1. 적층된 배터리 셀들을 각각 구비하는 복수 개의 단위 적층체들을 포함하는 셀 적층체;
    상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 및
    상기 배터리 셀들과 나란하게 배치되며, 서로 이웃하는 단위 적층체들 사이에 개재되는 구조 강화빔;을 포함하고,
    상기 구조 강화빔은 상기 단위 적층체들이 공간적으로 격리되도록 상단부와 하단부가 각각 상기 모듈 하우징의 상면과 하면에 부분 삽입되어 고정 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조 강화빔은 강성 재질로서 상기 배터리 셀의 넓은 면에 대응하는 면적을 갖는 판상체 형태로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조 강화빔은,
    상기 모듈 하우징의 내부 공간에 기립 배치되는 벽체부; 및
    상기 벽체부의 길이 방향을 따라 소정 간격마다 상기 벽체부의 상단부 및 상기 벽체부의 하단부에 돌출 형성되는 삽입돌기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모듈 하우징은,
    상기 모듈 하우징의 상면과 하면에서 상기 삽입돌기들에 일대일 대응하는 위치마다 관통 형성된 삽입홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    각 상기 삽입돌기는 각 상기 삽입홀에 억지 끼움된 상태에서 끝단부가 상기 모듈 하우징에 용접된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 구조 강화빔은
    상기 벽체부의 적어도 일면에 부착되는 난연재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 난연재는 미카(mica) 시트 또는 실리콘 패드인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 벽체부는,
    안쪽 영역이 비어있는 틀 형태이고 기계적 강성을 높은 소재로 마련되는 외곽 프레임;과 상기 외곽 프레임과 동일한 두께를 가지며 상기 외곽 프레임의 안쪽 영역에 개재되는 미카 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징은,
    상기 셀 적층체의 하부와 양측부를 각각 지지하는 베이스 플레이트와 한 쌍의 사이드 플레이트를 구비하는 U-프레임;
    상기 셀 적층체의 상부를 커버하는 상부 플레이트; 및
    상기 셀 적층체의 전면부와 후면부를 각각 커버하는 전면 플레이트와 후면 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 U-프레임은 베이스 플레이트 및 한 쌍의 사이드 플레이트는 일체로 형성되며,
    상기 U-프레임과 상기 상부 플레이트, 상기 전면 플레이트, 상기 후면 플레이트는 용접된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전면 플레이트의 좌측 상단 코너 영역과 우측 상단 코너 영역에 배치되고, 상기 셀 적층체에서 전방을 향해 돌출되는 양극 터미널 및 음극 터미널과 접속하도록 마련되는 한 쌍의 터미널 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 터미널 지지부재는,
    절연소재로 형성된 몸체부;
    상기 몸체부에 상하 방향으로 형성된 스크류홀; 및
    상기 스크류홀의 상부에서 수평 방향으로 형성되되 상기 양극 터미널 또는 상기 음극 터미널이 통과할 수 있게 형성된 터미널 슬릿;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 구조 강화빔은,
    서로 대면하며 이격되어 위치하는 한 쌍의 벽체부; 및
    상기 한 쌍의 벽체부의 상단으로부터 하방으로 소정거리 이격된 위치 및 상기 벽체부의 하단으로부터 상방으로 소정거리 이격된 위치에 각각 형성되어 상기 한 쌍의 벽체부 사이를 연결하는 한 쌍의 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 한 쌍의 벽체부는 상단이 상기 모듈 하우징의 상부로 노출되게 마련되고, 노출된 영역에 형성되는 적어도 하나의 핸들링 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
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