KR20220030545A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20220030545A
KR20220030545A KR1020200112044A KR20200112044A KR20220030545A KR 20220030545 A KR20220030545 A KR 20220030545A KR 1020200112044 A KR1020200112044 A KR 1020200112044A KR 20200112044 A KR20200112044 A KR 20200112044A KR 20220030545 A KR20220030545 A KR 20220030545A
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battery module
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module
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전해룡
이서로
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에스케이온 주식회사
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Abstract

바닥부(112)와, 상기 바닥부(112)의 폭방향 양단에서 상측으로 연장되는 측벽부(113)와, 상기 측벽부(113)의 상단을 덮는 커버부(115)를 구비하는 모듈 하우징(110); 상기 모듈 하우징(110)의 내부공간(110a)에 배치되며, 복수 개의 배터리 셀(121)이 상기 측벽부(113)에 대하여 소정의 경사각(θ)을 갖도록 기울어진 상태로 적층되어 형성된 셀 적층체(120); 상기 셀 적층체(120)의 최외곽 배터리 셀(121)과 상기 측벽부(113) 사이에 배치되며 탄성 변형 가능한 재질로 형성되는 완충패드(130); 및 상기 바닥부(112)를 냉각시키도록 상기 바닥부(112)의 하부에 배치되는 냉각부재(170);를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}
본 발명은 복수개의 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기자동차와 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 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형 캔형(can type)의 배터리 셀로 제조된 후 다수 개의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 모듈 형태로 구성하여 사용하고 있다.
종래기술에 의한 배터리 모듈은 외관을 형성하는 모듈 하우징의 내부 공간에 복수 개의 배터리 셀이 적층된 구조를 갖는다.
도 1은 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 셀 적층체(20)의 스웰링 작용방향을 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)은 모듈 하우징(11) 내부에 복수의 배터리 셀(21)이 적층되어 형성된 셀 적층체(20)를 구비한다. 모듈 하우징(11)은 상측이 개방된 형태를 갖는 제1 플레이트(12)와 제1 플레이트(12)의 개방된 상측을 덮는 제2 플레이트(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 모듈 하우징(11)의 내부공간에 수용되는 셀 적층체(20)는 복수 개의 파우치형 또는 캔형의 배터리 셀(21)이 적층되어 구성된다. 배터리 셀(21)에는 전극리드(25)가 외부로 돌출된 상태로 설치될 수 있다.
배터리 셀(21)은 충전과 방전이 계속됨에 따라 배터리 셀(21)이 볼록하게 변형되는 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다. 이러한 스웰링 현상에 의한 팽창을 흡수하기 위하여 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)은 복수개의 완충패드(27)를 배치하게 된다.
도 2를 참조하면, 스웰링 현상이 발생하여 배터리 셀(21)이 볼록하게 변형되는 경우(도 2의 점선 참조), 배터리 셀(21)의 높이방향 중앙 위치(CP)에서 최대로 팽창되는 변형이 이루어진다.
종래기술에 의한 배터리 모듈(10)의 경우 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 셀(21)이 수직하게 세워진 상태로 모듈 하우징(11)의 내부공간에 적층된다. 따라서, 스웰링 현상이 발생하는 경우 각각의 배터리 셀(21)에서 최대변형이 이루어지는 위치는 배터리 셀(21)의 중앙부 높이(CH)이다.
즉, 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)의 경우 모든 배터리 셀(21)은 동일한 높이(CH)에서 동일한 방향으로 팽창에 의한 변형이 최대가 되므로 스웰링에 의해 가해지는 압력이 서로 중첩되는 문제가 있다.
이와 같이 배터리 셀(21)의 팽창이 집중되는 현상에 대응하기 위하여, 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)은 모듈 하우징(11) 내부에 구비되는 완충패드(27)의 전체 두께(여러개의 완충패드의 두께의 합)를 크게 구성하였다. 즉, 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)은 여러 개의 완충패드(27)를 사용하거나 각각의 완충패드(27)의 두께(도 1의 가로방향)를 증가시키는 방법으로 완충패드(27)의 전체 두께를 크게 하였다.
그러나, 완충패드(27)의 전체 두께를 크게 하는 경우 배터리 모듈(10)의 내부공간에 수용되는 배터리 셀(21)의 개수(용량)가 감소하여 에너지 밀도를 충분히 높일 수 없다는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(21)이 모듈 하우징(11)의 바닥부에 대해 수직하게 세워진 상태로 배치되므로, 모듈 하우징(11)의 높이를 감소시킬 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점 중에서 적어도 일부를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배터리 셀에서 스웰링 현상이 발생할 때 스웰링에 의한 팽창 압력을 분산시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 완충패드의 전체 두께를 얇게 할 수 있어서 모듈 하우징 내부에 수용되는 배터리 셀의 개수를 증대시킬 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 모듈 하우징의 높이를 낮출 수 있고, 이에 따라 설치 장소의 제약을 줄일 수 있고 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 모듈 하우징의 높이를 낮춤으로써 차량 주행 안정성의 향상과 배터리 팩 구조에서 배터리 팩의 안정성 향상을 도모할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 배터리 셀의 스웰링에 의한 압력에 의하여 모듈 하우징의 측벽부에 가해지는 변형력을 감소시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈은, 바닥부와, 상기 바닥부의 폭방향 양단에서 상측으로 연장되는 측벽부와, 상기 측벽부의 상단을 덮는 커버부를 구비하는 모듈 하우징; 상기 모듈 하우징의 내부공간에 배치되며, 복수 개의 배터리 셀이 상기 측벽부에 대하여 소정의 경사각을 갖도록 기울어진 상태로 적층되어 형성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체의 최외곽 배터리 셀과 상기 측벽부 사이에 배치되며 탄성 변형 가능한 재질로 형성되는 완충패드; 및 상기 바닥부를 냉각시키도록 상기 바닥부의 하부에 배치되는 냉각부재;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 완충패드는 상단의 폭과 하단의 폭이 상이하게 구성될 수 있다. 또한, 상기 완충패드는 사다리꼴 형상을 가질 수 있으며, 상기 모듈 하우징의 폭방향을 기준으로 하여 상기 폭방향 일측면이 수직하고 타측면이 경사진 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 완충패드는 상기 모듈 하우징의 높이방향을 기준으로 하여 높이방향에 따라 다른 압축률을 가질 수도 있다.
또한, 상기 셀 적층체는 복수개의 상기 배터리 셀이 동일한 방향으로 기울어진 형상을 가질 수 있다.
그리고, 상기 셀 적층체는 복수 개의 상기 배터리 셀이 상기 측벽부에 대하여 경사를 이루어 적층되어 형성된 단위 적층체를 복수 개 구비하며, 상기 단위 적층체 중 적어도 일부의 단위 적층체에 구비되는 배터리 셀의 경사각은 다른 단위 적층체에 구비되는 배터리 셀의 경사각과 다른 경사각을 가질 수 있다. 이때, 상기 단위 적층체들 사이에는 탄성 변형 가능한 재질로 형성되는 내측 완충패드가 배치될 수 있다.
또한, 상기 셀 적층체는 상기 폭방향 일측에 위치하며 상기 측벽부에 대하여 제1 경사각으로 기울어진 배터리 셀을 갖는 제1 단위 적층체와, 상기 폭방향 타측에 위치하며 상기 측벽부에 대하여 제2 경사각으로 기울어진 배터리 셀을 갖는 제2 단위 적층체를 구비하며, 상기 제1 경사각과 상기 제2 경사각은 기울어진 방향이 반대로 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1 단위 적층체와 상기 제2 단위 적층체 사이의 거리는 상단보다 하단이 크며, 상기 내측 완충패드는 상단의 폭보다 하단의 폭이 클 수 있다.
이와는 달리, 상기 제1 단위 적층체와 상기 제2 단위 적층체 사이의 거리는 하단보다 상단이 크며, 상기 내측 완충패드는 하단의 폭보다 상단의 폭이 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀의 하면과 상기 바닥부의 상면에 사이에는 열전달부재가 위치할 수 있다.
그리고, 상기 냉각부재는 냉각유로를 유동하는 냉각액체에 의해 냉각을 수행하는 수냉식 냉각부로 구성될 수 있다.
또한, 상기 바닥부의 상면에는 상기 배터리 셀의 하면에 대응하는 경사면이 복수 개 형성될 수 있다. 이때, 각각의 상기 경사면은 1 내지 5개의 상기 배터리 셀의 하면에 대응하는 폭을 가질 수 있다.
그리고, 상기 배터리 셀은 파우치의 내부에 전극 조립체가 수용되고 길이방향 양측에서 전극리드가 외부로 노출되는 파우치형 이차전지로 구성되며, 상기 전극리드는 상기 배터리 셀의 중앙으로부터 상기 바닥부 측으로 치우쳐 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀을 기울어진 상태로 적층함으로써 배터리 셀에서 스웰링 현상이 발생할 때 스웰링에 의한 팽창 압력을 배터리 셀의 높이 방향으로 분산시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 완충패드의 전체 두께를 얇게 할 수 있어서 모듈 하우징 내부에 수용되는 배터리 셀의 개수를 증대시킬 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도를 높일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀을 기울어진 상태로 적층함으로써 모듈 하우징의 높이를 낮출 수 있고, 이에 따라 배터리 모듈을 설치하기 위한 공간의 높이가 낮은 경우에도 배터리 모듈을 설치하는 것이 가능하여 배터리 모듈의 설치 장소에 대한 제약을 줄일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 모듈 하우징의 높이를 낮춤으로써 차량 주행 안정성의 향상을 도모할 수 있으며, 배터리 셀이 기울여진 상태로 설치됨으로써 발생하는 여유공간을 배터리 팩 구조에서 배터리 팩의 안정성{예를 들어, 열전파(thermal propagation), 가스 벤팅(gas venting), 단열(insulation) 등} 향상에 사용할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 배터리 셀의 기울어진 경사각을 조절함으로써 모듈 하우징 내부의 단위 부피 당 수용할 수 있는 배터리 셀의 개수를 증대시킬 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도를 높일 수 있다는 효과가 있게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀에 스웰링 현상이 발생할 때 스웰링에 의한 압력을 중앙부분으로 유도하여 내측 완충패드를 통해 흡수할 수 있으므로 측벽부에 가해지는 변형력을 감소시켜 측벽부의 변형을 줄일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 배터리 모듈의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 셀 적층체의 스웰링 작용방향을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈의 분해 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 모듈의 폭방향 단면도.
도 5는 본 발명에 적용되는 배터리 셀의 일 예를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명과 종래기술에 의한 셀 적층제의 높이를 비교하기 위한 개략도로서, (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 셀 적층체를 도시하고, (b)는 도 1 및 도 2에 도시된 종래기술에 의한 셀 적층체의 도시함.
도 7은 도 6(a)에 도시된 셀 적층체의 스웰링 작용방향을 도시한 개략도.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈의 여러가지 변형예를 도시한 폭방향 단면도.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈의 폭방향 단면도.
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 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 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 한 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.
또한, 본 명세서에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 모듈 하우징(110), 셀 적층체(120), 완충패드(130) 및 냉각부재(170)를 포함하여 구성될 수 있으며, 추가적으로 열전달 부재(160)와 내측 완충패드(135)를 포함할 수 있다.
먼저, 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 배터리 모듈(100)의 폭방향 단면도이고, 도 5는 본 발명에 적용되는 배터리 셀(121)의 일 예를 도시한 사시도이다. 또한, 도 6은 본 발명과 종래기술에 의한 셀 적층제(120)의 높이를 비교하기 위한 개략도로서, (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 셀 적층체(120)를 도시하고, (b)는 도 1 및 도 2에 도시된 종래기술에 의한 셀 적층체(20)의 도시하고 있으며, 도 7은 도 6(a)에 도시된 셀 적층체(120)의 스웰링 작용방향을 도시한 개략도이며, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)의 변형예를 도시한 폭방향 단면도이다. 참고로, 도 4 , 도 8 및 도 9의 폭방향 단면도에서는 전극 리드(125)의 위치를 나타내기 위하여 배터리 셀(121)의 단면 대신에 정면 형상을 표시하였다.
도 3, 도 4, 도 8 및 도 9를 참조하면, 모듈 하우징(110)은 배터리 모듈(100)의 외관을 형성하며, 복수 개의 배터리 셀(121)이 적층되어 형성된 셀 적층체(120)의 외부에 배치되어 외부 환경으로부터 배터리 셀(121)을 보호한다.
모듈 하우징(110)은 일측이 개방된 단면 형상, 예를 들어 U형 단면(본 명세서에서, U형 단면은 모서리에 각이 진 형상을 포함하는 것으로 한다)을 갖는 제1 플레이트(111)와, 제1 플레이트(111)와 합형되어 내부공간(110a)을 형성하는 제2 플레이트(115)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(110)은 제1 플레이트(111)와 제2 플레이트(115)에 의해 형성된 내부공간(110a)을 덮도록 모듈 하우징(110)의 길이방향(Y 방향) 전면과 후면에 배치되는 엔드 플레이트(150)를 포함할 수 있다.
이러한 모듈 하우징(110)의 내부공간(110a)에는 셀 적층체(120)가 배치될 수 있다. 모듈 하우징(110)을 구성하는 적어도 일면은 배터리 셀(121)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열 플레이트로서 기능할 수 있다.
도 3, 도 4, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(111)는 일측이 개방된 U형 단면을 형성하기 위하여, 배터리 셀(121)의 하부를 지지하는 바닥부(112)와, 바닥부(112)의 폭방향(도 3의 X 방향) 양단에서 상측으로 연장되며 배터리 셀(121)의 측면을 지지하는 측벽부(113)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 플레이트(111)는 바닥부(112)와 측벽부(113)가 일체형으로 이루어지는 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 플레이트(111)는 폭방향 단면이 길이방향(도 3의 Y 방향)을 따라 일정한 형상을 가질 수 있으며, 이 경우 제1 플레이트(111)는 압출공정에 의해 제조될 수 있다. 다만, 필요에 따라 측벽부(113)와 바닥부(112)를 별도로 제작한 후 결합/접합하여 제1 플레이트(111)를 구성하는 것도 가능하다.
측벽부(113)는 바닥부(112)의 폭방향(도 3의 X 방향) 양단에서 연장되어 형성되며, 좌우방향으로 적층 배치된 셀 적층체(120)의 측면(넓은 면)에 대응하여 배터리 셀(121)의 측면을 지지한다. 이때, 측벽부(113)와 배터리 셀(121)의 측면 사이에 완충패드(130)가 개재될 수 있다.
제2 플레이트(115)는 측벽부(113)의 상단을 덮는 커버부를 구성할 수 있다. 따라서 제2 플레이트(115)가 제1 플레이트(111)에 결합되면, 제2 플레이트(115)와 제1 플레이트(111)는 내부가 빈 관형 부재의 형상을 갖는다. 설명의 편의를 위하여 이하에서는 제2 플레이트(115)를 커버부로 호칭하고 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.
이와 같이, 모듈 하우징(110)은 제1 플레이트(111)를 구성하는 바닥부(112)와 측벽부(113), 그리고 커버부(115)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 플레이트(111)는 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트(111)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 제1 플레이트(111)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
또한, 커버부(115)는 제1 플레이트(111)와 마찬가지로 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 일 예로서, 커버부(115)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 커버부(115)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
그리고, 제1 플레이트(111)와 커버부(115)의 결합은 측벽부(113)와 커버부(115)의 접촉면을 용접(예를 들어, 레이저 용접 등)함으로써 수행될 수 있다. 다만, 제1 플레이트(111)와 커버부(115)의 결합은 전술한 용접 결합에 한정되는 것은 아니며, 슬라이딩 방식이나 본딩으로 결합하거나, 볼트나 나사 등의 고정 부재를 이용하여 결합하는 등 다양한 변형이 가능하다.
엔드 플레이트(150)는 배터리 셀(121)의 전극 리드(125)가 배치되는 양 측면, 즉 모듈 하우징(110)의 길이방향(도 3의 Y 방향) 전면과 후면에 각각 결합될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(150)는 제1 플레이트(111)와 커버부(115)에 결합되어 제1 플레이트(111), 커버부(115)와 함께 모듈 하우징(110)의 외관을 형성한다.
엔드 플레이트(150)의 몸체(151)는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있으며 다이캐스팅이나 압출/프레스 등의 공정으로 제작 가능하다. 또한, 엔드 플레이트(150)는 후술하는 절연 커버(140)의 접속 단자(142)를 외부로 노출시키기 위한 관통 구멍(152)을 구비할 수 있다.
엔드 플레이트(150)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 제1 플레이트(111) 및 커버부(115)에 결합될 수 있다. 그러나, 엔드 플레이트(150)의 결합방식은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3을 참조하면, 엔드 플레이트(150)와 셀 적층체(120) 사이에는 절연 커버(140)가 개재될 수 있다.
절연 커버(140)는 배터리 셀(121)의 전극 리드(125)가 배치된 일면 또는 양면에 결합된다. 전극 리드(125)는 절연 커버(140)의 몸체(141)를 관통하여 절연 커버(140)의 외측에서 버스바(미도시)에 의해 동일한 극성끼리 상호 연결된다. 이를 위해 절연 커버(140)에는 전극 리드(125)가 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(143)이 구비될 수 있다.
후술하는 바와 같이 배터리 셀(121)이 측벽부(113)에 대해 소정의 경사를 갖고 기울어진 상태로 적층되는 경우 배터리 셀(121)에 구비되는 전극 리드(125)도 배터리 셀(121)과 마찬가지로 기울어진 상태를 갖게 된다. 따라서, 관통 홀(143)은 도 3에 도시된 바와 같이 배터리 셀(121) 및 이에 구비되는 전극 리드(125)의 경사각에 대응하는 경사각을 가질 수 있다. 또한, 절연 커버(140)에 구비되는 버스바(미도시)의 경우에도 전극 리드(125)와의 결합을 위하여 전극 리드(125)의 경사각에 대응하는 경사각을 갖는 전극리드 결합홀(미도시)을 가질 수 있다. 다만, 배터리 셀(121)의 적층 경사각이 작은 경우에는 관통 홀(143)이나 전극리드 결합홀을 수직방향으로 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 전극 리드(125)는 끝단 부분이 약간 변형된 상태(휘어지거나 굽혀진 상태)로 관통 홀(143)에 설치될 수 있다.
또한, 절연 커버(140)에는 외부와의 전기적 연결을 위한 접속 단자(142)가 구비될 수 있다. 따라서 배터리 셀(121)은 접속 단자(142)를 통해 외부와 전기적으로 연결되며, 이를 위해 전극 리드(125)는 절연 커버(140)에 구비되는 회로 배선(미도시)을 통해 접속 단자(142)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 회로 배선은 동 재질로 구성된 버스바를 통해 모듈의 직렬/병렬 연결에 따른 전기적 연결을 수행할 수 있다.
접속 단자(142)는 도 3에 도시된 바와 같이 엔드 플레이트(150)에 형성된 관통 구멍(152)을 통해 외부로 노출된다. 따라서 엔드 플레이트(150)의 관통 구멍(152)은 접속 단자(142)의 크기와 형상에 대응하는 크기로 형성될 수 있다.
다음으로, 셀 적층체(120)는 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(121)이 복수 개 적층되어 구성된다. 이대, 배터리 셀(121)은 측벽부(113)에 대하여 소정의 경사각(θ)을 갖도록 기울어진 상태로 적층될 수 있다. 또한, 배터리 셀(121)이 기울어진 상태로 적층을 유지할 수 있도록 이웃하는 배터리 셀(121)의 측면(넓은 면)이 서로 마주하도록 한 상태에서 배터리 셀(121)의 측면을 양면 테이프로 고정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 배터리 셀(121)은 모듈 하우징(110)의 폭방향(도 3의 X 방향, 또는 도 4의 수평 방향)으로 적층될 수 있다. 각각의 배터리 셀(121)은 일 예로서 파우치형(pouched type) 이차전지로 구성될 수 있으며, 전극 리드(125)가 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있다.
파우치형(pouched type) 이차전지의 경우 파우치(도 5의 121a) 내에 전극 조립체(미도시)와 전해액(미도시)이 수용된 형태로 구성될 수 있다. 전극 조립체는 다수의 전극판 및 전극 탭을 구비하며 파우치(121a) 내에 수납된다. 여기서, 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되며, 전극 조립체는 양극판과 음극판의 넓은 면이 서로 마주보도록 한 상태에서 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 구성될 수 있다. 다수의 양극판과 다수의 음극판에는 각각 전극 탭이 구비되며, 각각의 전극 탭은 서로 동일한 극성끼리 전기적으로 연결되도록 구성되어 동일한 극성의 전극 리드(125)에 연결될 수 있다.
도 3 및 도 5에 도시된 배터리 셀(121)의 경우 2개의 전극 리드(125)는 서로 반대 방향을 향하도록 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 동일한 방향을 향하되 서로 높이를 달리 하여 배치되는 것도 가능하다.
파우치(121a)는 용기 형태로 형성되어 전극 조립체 및 전해액(미도시)이 수용되는 내부 공간을 제공한다. 이때, 전극 조립체의 전극 탭에 연결된 전극 리드(125)는 일부가 파우치(121a)의 외부로 노출될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 파우치(121a)는 수용부(122)와 실링부(124)로 구분될 수 있다. 수용부(122)는 용기 형태로 형성되어 사각 형상의 내부 공간을 제공한다. 수용부(122)의 내부 공간에는 전극 조립체 및 전해액이 수용된다.
실링부(124)는 파우치(121a)의 일부가 접합되어 수용부(122)의 둘레를 밀봉하는 부분이다. 따라서 실링부(124)는 용기 형태로 형성되는 수용부(122)에서 외부로 확장되는 플랜지 형태로 형성되며, 수용부(122)의 외곽을 따라 배치된다. 실링부(124) 형성을 위한 파우치(121a)의 접합에는 열융착 방식이 이용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 5에 도시된 실시예에서 실링부(124)는 전극 리드(125)가 배치되는 제1 실링부(124a)와, 전극 리드(125)가 배치되지 않는 제2 실링부(124b)로 구분될 수 있다.
본 실시예에서 파우치(121a)는 한 장의 외장재를 포밍(forming)하여 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 한 장의 외장재에 하나 또는 두 개의 수납부를 포밍하여 형성한 후, 수납부들이 하나의 공간{즉 수용부(122)}을 형성하도록 외장재를 접어 파우치(121a)를 완성할 수 있다.
본 실시예에서 수용부(122)는 사각 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 수용부(122)의 외곽에는 외장재가 접합되어 형성되는 실링부(124)가 구비된다. 그러나 상기한 바와 같이 외장재가 접히는 면에는 실링부(124)를 형성할 필요가 없다. 따라서 본 실시예에서 실링부(124)는 수용부(122)의 외곽에 형성되되, 수용부(122)의 3면에만 구비되며, 수용부(122)의 외곽 중 어느 한 면(도 5에서 배터리 셀의 하면)에는 실링부(124)가 배치되지 않을 수 있다.
본 실시예에서 전극 리드(125)는 서로 반대 방향을 향하도록 배치되므로, 2개의 전극 리드(125)는 서로 다른 변에 형성된 실링부(124)에 배치된다. 따라서, 본 실시예의 실링부(124)는 전극 리드(125)가 배치되는 2개의 제1 실링부(124a), 그리고 전극 리드(125)가 배치되지 않는 1개의 제2 실링부(124b)로 구성된다.
한편, 본 발명의 실시예에 사용되는 파우치(121a)는 도 5에 도시된 바와 같이 한 장의 외장재를 접어 3면에 실링부(124)가 형성되는 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 2장의 외장재를 겹쳐 수용부(122)를 형성하고, 수용부(122) 둘레의 4면 모두에 실링부(124)가 형성되는 것도 가능하다. 이 경우, 실링부(124)는 전극 리드(125)가 배치되는 양측에 각각 형성된 2개의 제1 실링부(124a), 그리고 전극 리드(125)가 배치되지 않는 상하측에 각각 형성된 2개의 제2 실링부(124b)로 구성될 수 있다.
또한 본 실시예의 배터리 셀(120)은 실링부(124)의 접합 신뢰성을 높이고 실링부(124)의 면적을 최소화하기 위해, 실링부(124)는 적어도 한 번 접힌 형태로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 실링부(124) 중 전극 리드(125)가 배치되지 않는 제2 실링부(124b)는 2회 접힌 후 접착 부재(124c)에 의해 고정될 수 있다. 예를 들어, 제2 실링부(124b)는 도 5에 도시된 제1 절곡선(C1)을 따라 180° 접힌 후, 다시 도 5에 도시된 제2 절곡선(C2)을 따라 접힐 수 있다. 이때, 제2 실링부(124b)의 내부에는 접착 부재(124c)가 충진될 수 있으며, 이에 제2 실링부(124b)는 접착 부재(124c)에 의해 2회 접힌 형상이 유지될 수 있다. 접착 부재(124c)는 열전도도가 높은 접착제로 형성될 수 있다. 예컨대 접착 부재(124c)는 에폭시나 실리콘으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)에 구비되는 배터리 셀(121)은 파우치형 이차전지에 한정되는 것은 아니며, 각형 구조를 갖는 캔형(can type) 이차전지가 사용되는 것도 가능하다.
이와 같이 구성되는 배터리 셀(121)은 충전 및 방전이 가능한 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지 또는 리튬 이온(Li-ion) 전지일 수 있다.
이러한 배터리 셀(121)은 후술하는 모듈 하우징(110)의 내부공간(110a)에 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 배터리 셀(121)은 모듈 하우징(110)의 측벽부(113)에 대하여 소정의 경사각(θ)을 갖도록 기울어진 상태로 적층되어 형성될 수 있다.
도 6(b)를 참조하면, 종래기술에 의한 경우 셀 적층체(20)가 수직한 상태로 적층된다. 따라서, 셀 적층체(20)의 높이는 배터리 셀(21)의 높이(H1)와 동일한 값을 갖는다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 구비되는 셀 적층체(120)는 배터리 셀(121)이 측벽부(113)에 대해 소정의 경사각(θ)을 갖는 상태로 적층된다. 따라서, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 셀 적층체(120)의 높이(H)는 배터리 셀(121)의 높이(H1)보다 작은 값을 갖게 된다. 즉, 셀 적층체(120)의 높이(H)는 [수식 1]과 같은 값을 가질 수 있다.
[수식 1] H = H1 × cosθ
따라서, 배터리 셀(121)이 측벽부(113)에 대해 이루는 경사각(θ)의 크기를 조정함으로써 셀 적층체(120)의 높이(H)를 낮추는 것이 가능하다. 또한, 경사각(θ)의 크기가 커질수록 셀 적층체(120)의 높이는 낮아질 수 있으며, 이에 따라 모듈 하우징(110)의 높이도 낮아질 수 있다.
예를 들어, 도 6(a) 및 도 6(b)에서 배터리 셀(21, 121)의 높이(H1)가 100mm인 경우(101.5mm가 사용되는 경우가 많지만 설명의 편의를 위하여 100mm로 설정함)를 가정하면, 도 6(a)에 도시된 셀 적층체(120)의 높이(H)는 경사각(θ)이 10°인 경우 98.5mm가 되어 도 6(b)에 비해 대략 1.5mm가 낮아지게 되고, 경사각(θ)이 20°인 경우 94.0mm가 되어 도 6(b)에 비해 대략 6mm가 낮아지게 되고, 경사각(θ)이 30°인 경우 86.6mm가 되어 도 6(b)에 비해 대략 13.4mm가 낮아지게 되며, 경사각(θ)이 40°인 경우 76.6mm가 되어 도 6(b)에 비해 대략 23.4mm가 낮아지게 된다. 또한, 높이(H1) 100mm인 배터리 셀(21)을 수용하는 모듈 하우징(도 1의 11)의 전체 높이를 108mm라고 가정하면, 도 6(a)와 같이 소정의 경사각(θ)을 갖는 상태로 적층된 배터리 셀(121)을 구비하는 모듈 하우징(도 4의 111)의 전체 높이는 경사각(θ)이 10°인 경우 종래기술에 의한 모듈 하우징(11)의 전체 높이인 108mm보다 대략 1.5mm가 낮아져 106.5mm가 되고, 경사각(θ)이 20°인 경우 대략 6mm가 낮아져 102mm가 되고, 경사각(θ)이 30°인 경우 대략 13.4mm가 낮아져 94.6mm가 되며, 경사각(θ)이 40°인 경우 대략 23.4mm가 낮아져 84.6mm가 될 수 있다.
이와 같이, 배터리 셀(121)을 기울어진 상태로 적층함으로써 모듈 하우징(110)의 높이를 낮출 수 있고, 이에 따라 배터리 모듈(100)을 설치하기 위한 공간의 높이가 낮은 경우에도 배터리 모듈(100)을 설치하는 것이 가능하여 배터리 모듈(100)의 설치 장소에 대한 제약을 줄일 수 있게 된다.
특히, 최근에 배터리 모듈 수요처(예를 들어, 자동차 메이커)에서는 배터리 모듈의 전체 높이를 낮춤으로써 얻을 수 있는 차량 주행 안정성의 향상 에 많은 관심을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(121)을 기울어진 상태로 적층함으로써 파우치형 배터리 셀(121)을 구비하는 배터리 모듈의 경우에도 배터리 모듈 수요처의 요구에 부응하여 배터리 모듈(100) 전체의 높이를 충분히 감소시킬 수 있게 된다(캔형 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈의 수준까지도 낮추는 것이 가능하게 된다).
또한, 배터리 셀이 기울여진 상태로 설치됨으로써 발생하는 여유공간을 배터리 팩 구조에서 배터리 팩의 안정성{예를 들어, 열전파(thermal propagation), 가스 벤팅(gas venting), 단열(insulation) 등} 향상에 이용할 수도 있다.
그리고, 도 3, 도 4, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 완충패드(130)는 셀 적층체(120)의 최외곽 배터리 셀(121)과 측벽부(113) 사이에 배치되며 탄성 변형 가능한 재질로 형성될 수 있다. 이러한 완충패드(130)는 특정 배터리 셀(121)이 팽창하는 경우 압축되어 탄성 변형될 수 있으므로, 셀 적층체(120)의 전체의 부피가 팽창하는 경우 이를 흡수할 수 있게 된다. 완충패드(130)는 폴리우레탄 재질의 폼(foam)으로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 배터리 셀(121)이 측벽부(113)에 대해 소정의 경사각(θ)을 갖는 상태로 적층하는 경우 배터리 셀(121)에서 스웰링 현상이 발생할 때 스웰링에 의한 팽창 압력을 배터리 셀(121)의 높이 방향으로 분산시킬 수 있게 된다.
도 7을 참조하여 구체적으로 설명하면, 스웰링 현상이 발생하여 배터리 셀(121)이 볼록하게 변형되는 경우(도 7의 점선 참조), 배터리 셀(21)의 높이방향 중앙 위치(CP)에서 배터리 셀(121)의 측면에 수직한 방향으로 최대로 팽창되는 변형이 이루어진다.
따라서, 도 7에서 가장 우측에 배치된 배터리 셀(121)에서 중앙 위치(CP)의 팽창력이 작용하는 방향의 높이(PH)는 도 7에서 가장 좌측에 배치된 배터리 셀(121)에서 중앙 위치(CP)의 팽창력이 작용하는 방향의 높이(PH')와 상이한 값을 갖는다. 또한, 가장 좌측과 가장 우측 사이에 배치된 배터리 셀(121)의 중앙 위치(CP)의 팽창력이 작용하는 방향의 높이도 서로 상이하게 된다.
이와 같이, 배터리 셀(121)을 기울어진 상태로 적층하는 경우 스웰링에 의한 팽창 압력을 배터리 셀(121)의 높이 방향으로 분산시킬 수 있으므로, 셀 적층체(120)의 팽창을 흡수하기 위한 완충패드(127)의 전체 두께를 얇게 할 수 있게 된다.
구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)의 경우 스웰링에 의한 배터리 셀(21)의 팽창을 흡수하기 위하여 배터리 셀(21)과 측벽부 사이, 그리고 배터리 셀(21) 사이에 다수의 완충패드(27)를 설치하여야 하므로 완충패드(27)의 전체 두께가 증가하게 된다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 스웰링에 의한 팽창 압력을 배터리 셀(121)의 높이 방향으로 분산시킬 수 있으므로 셀 적층체(120)의 양단과 측벽부(113) 사이에 완충패드(127)를 설치하는 것만으로도 스웰링에 의한 팽창을 흡수하는 것이 가능하므로, 종래기술에 비해 완충패드(130)의 전체 두께를 얇게 하는 것이 가능하다. 다만, 도 4, 도 8 및 도 9에서는 완충패드(130)가 셀 적층체(120)의 양단과 측벽부(113) 사이에만 설치되는 구성을 도시하고 있지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 셀 적층체(120)의 내부에 구비된 배터리 셀(121) 사이에 설치되는 구성을 배제하는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(121)이 측벽부(113)에 대해 소정의 경사각(θ)을 갖도록 기울어져 배치되므로 완충패드(130)가 차지하는 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 셀 적층체(120)의 높이를 낮추는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 적정한 경사각(θ)을 설정함으로써 단위 부피당 모듈 하우징(110) 내부에 수용되는 배터리 셀(121)의 개수를 증대시킬 수 있고, 이에 따라 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
한편, 배터리 셀(121)이 측벽부(113)와 이루는 경사각(θ)의 크기가 커질수록 셀 적층체(120)의 높이는 낮아질 수 있지만, 이 경우 배터리 셀(121)의 상단과 하단 중 어느 일측과 측벽부(113) 사이의 거리가 증가하여 완충패드(130)의 두께가 오히려 증가할 수 있다.
따라서, 배터리 셀(121)이 측벽부(113)와 이루는 경사각(θ)은 셀 적층체(120)의 높이 감소와 완충패드(130)의 두께를 고려하여 0.5° 내지 40° 사이의 범위 내에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 셀 적층체(120)의 높이 감소를 주된 목적으로 하는 경우 경사각(θ)은 40°에 인접한 값(예를 들어, 30°)을 선택할 수 있으며, 전술한 바와 같이 높이(H1)가 100mm인 배터리 셀(121)에 대하여 경사각(θ)을 최대 40°로 설정하는 경우 배터리 셀 적층체(120)의 높이를 대략 23.4mm가 낮출 수 있게 된다.
반대로 완충패드(130)의 두께 감소를 주된 목적으로 하는 경우에는 0.5°에 인접한 값(예를 들어, 5°)을 선택할 수 있다.
즉, 배터리 모듈 수요처가 요구하는 조건에 맞추어 경사각(θ)을 설정함으로써 배터리 모듈(100)의 전체 높이 감소와 완충패드(130)의 두께 감소를 통한 배터리 모듈(100)의 폭의 감소 중 적어도 하나를 구현할 수 있게 된다.
그리고, 도 4, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 완충패드(130)는 셀 적층체(120)의 최외곽 배터리 셀(121)과 측벽부(113) 사이의 간격에 대응하도록 상단의 폭과 하단의 폭이 상이하도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 완충패드(130)는 셀 적층체(120)의 최외곽 배터리 셀(121)과 측벽부(113) 사이의 간격에 대응하도록 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 또한, 완충패드(130)는 모듈 하우징(110)의 폭방향(도 3의 X 방향)을 기준으로 하여 측벽부(113)에 대응하는 폭방향 일측면이 수직하고 최외곽 배터리 셀(121)의 측면에 대응하는 타측면이 경사진 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 4에서 좌측 측벽부(113)와 배터리 셀(121) 사이의 완충패드(130)는 상단의 폭이 하단의 폭보다 큰 사다리꼴 형상을 갖고 측벽부(113)에 대응하는 좌측면이 수직하고 배터리 셀(121)의 측면에 대응하는 우측면이 경사진 형상을 가질 수 있다. 또한, 도 4에서 우측 측벽부(113)와 배터리 셀(121) 사이의 완충패드(130)는 상단의 폭이 하단의 폭보다 작은 사다리꼴 형상을 갖고 측벽부(113)에 대응하는 우측면이 수직하고 배터리 셀(121)의 측면에 대응하는 좌측면이 경사진 형상을 가질 수 있다.
또한, 완충패드(130)에 형성되는 경사각은 배터리 셀(121)이 측벽부(113)에 대해 이루는 경사각(θ)과 동일하거나 유사한 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 완충패드(130)는 모듈 하우징(110)의 높이방향을 기준으로 하여 높이방향에 따라 다른 압축률을 갖도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 4에서 좌측의 완충패드(130)가 외력이 작용하지 않는 상태에서 직사각형의 단면 형상을 갖는다면, 완충패드(130)는 측벽부(113)와 배터리 셀(121) 사이의 간격이 큰 상단보다 간격이 작은 하단의 압축률(압축되기 쉬운 정도)이 큰 값을 갖도록 할 수 있다. 즉, 셀 적층체(120)를 모듈 하우징(110)에 초기 조립할 때 측벽부(113)와 배터리 셀(121) 사이의 간격이 작은 하단부에서 완충패드(130)가 쉽게 압축되어 셀 적층체(120)와 완충패드(130) 사이에 작용하는 힘의 크기를 작게 할 수 있다.
다음으로, 도 3, 도 4, 도 8 및 도 9를 참조하여 냉각부재(170)에 대해 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 냉각부재(170)는 모듈 하우징(110)을 냉각시키도록 바닥부(112)의 하부에 배치될 수 있다. 냉각부재(170)에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로(171)가 형성될 수 있다.
냉각부재(170)는 배터리 셀(121)의 하면(123)을 통해 제1 플레이트(111)의 바닥부(112)로 전달된 열을 냉각하게 된다. 한편, 배터리 셀(121)의 전극 리드(125)는 충전과 방전이 이루어질 때 다른 부분에 비해 발열이 크게 발생하게 된다. 바닥부(112)의 하부에 배치된 냉각부재(170)를 통하여 전극 리드(125)에서 발생한 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 하기 위하여, 전극 리드(125)는 배터리 셀(121)의 높이방향 중앙으로부터 바닥부(112) 측으로 치우쳐 배치될 수 있다.
이러한 냉각부재(170)는 바닥부(112)의 하면(112b)에 냉각유로(171)가 형성된 별도의 구조물이 부착되는 형태로 이루어지거나, 바닥부(112)의 하면(112b)에 냉각유로(171)에 해당하는 오목부를 구비하는 냉각 플레이트를 부착하고 냉각 플레이트와 바닥부(112)의 하면(112b) 사이에 냉각유로(171)가 형성되는 구조로 이루어질 수도 있다.
또한, 냉각부재(170)는 바닥부(112)와 일체로 형성되는 것도 가능하다. 즉, 바닥부(112)의 상면(112a) 하부에 냉각유체가 유동할 수 있는 내부공간을 형성하고, 이러한 내부공간을 냉각유로(171)로 이용할 수도 있다. 이 경우, 바닥부(112)의 하면(112b)은 냉각유로(171)를 형성하는 내부공간의 상면에 대응할 수 있다.
한편, 냉각부재(170)는 냉각유로(171)를 유동하는 냉각액체에 의해 냉각을 수행하는 수냉식 냉각부(냉각기구)가 이용될 수 있다. 이 경우 배터리 셀(121)에서 발생한 열은 모듈 하우징(110)에 전달되어 냉각유로(171)를 유동하는 냉각액체에 의해 효과적으로 냉각될 수 있다.
도 4, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 셀 적층체(120)는 복수개의 배터리 셀(121)이 모두 동일한 방향으로 기울어진 형상을 가질 수 있다.
이와 같이, 배터리 셀(121)이 기울어진 형상을 갖는 경우 배터리 셀(121)의 하면(123)과 바닥부(112)의 상면(112a) 사이에는 틈새가 발생할 수 있다.
이러한 틈새는 배터리 셀(121)의 하면과 바닥부(112) 사이의 열전달을 방해하여 바닥부(112)의 하부에 설치되는 냉각부재(170)를 통한 방열 및 냉각 성능이 저하될 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 배터리 셀(121)의 하면과 바닥부(112) 사이의 원활한 열전달을 위하여, 배터리 셀의 하면(123)과 바닥부(112)의 상면에 사이에는 열전달 부재(160)가 설치될 수 있다. 이러한 열전달 부재(160)는 비교적 얇은 두께를 갖기는 하지만, 그 두께에 해당하는 만큼의 틈새를 제거하여 배터리 셀의 하면(123)과 바닥부(112)의 상면에 사이의 열전달 성능을 개선할 수 있다.
한편, 배터리 셀의 하면(123)과 바닥부(112)의 상면에 사이의 틈새를 없애기 위하여 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 바닥부(112)의 상면(112a)에 배터리 셀(121)의 하면(123)에 대응하는 경사면을 복수 개 형성하는 것도 가능하다. 이러한 경사면은 바닥부(112)의 상면(112a)에 배터리 셀의 길이방향(도 3의 Y방향)을 따라 길게 형성된 홈으로 형성될 수 있다.
이때, 바닥부(112)의 상면(112a)에 형성된 경사면은 도 8에 도시된 바와 같이 1개의 배터리 셀(121)의 하면(123)에 대응하는 폭을 가질 수 있으나, 도 9에 도시된 바와 같이, 2개의 배터리 셀(121)의 하면(123)에 대응하는 폭을 가질 수 있다.
이와 같이, 바닥부(112)의 상면(112a)에 형성된 경사면은 하나 또는 복수의 배터리 셀(121)의 하면(123)에 대응하는 폭을 가질 수 있다. 다만, 바닥부(112)의 상면(112a)에 형성된 경사면의 폭이 넓어지는 경우 하나의 경사면에 다수의 배터리 셀(121)이 배치되어 셀 적층체(120)의 높이가 증가하게 된다.
따라서, 배터리 셀(121)이 측벽부(113)와 이루는 경사각(θ), 그리고 하나의 경사면에 배치되는 배터리 셀(121)로 인한 셀 적층체(120)의 높이 증가량을 고려하여 하나의 경사면은 1 내지 5개의 배터리 셀(121)의 하면(123)에 대응하는 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같이, 바닥부(112)의 상면(112a)에 형성된 경사면이 형성되는 경우 배터리 셀(121)의 하면(123)과 바닥부(112)의 상면(112a) 사이의 틈새를 최소화할 수 있으므로 냉각성능의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 도 8 및 도 9의 경우에도 배터리 셀(121)의 하면(123)과 바닥부(112)의 상면(112a) 사이에는 배터리 셀(121)로부터 모듈 하우징(110)으로의 방열을 위하여 열전달 부재(160)가 설치될 수 있다.
이러한 열전달 부재(160)의 구성을 통하여 배터리 셀(121)에서 발생한 열은 열전달 부재(160)의 높은 열전도성으로 인해 바닥부(112)에 효과적으로 전달될 수 있고, 이후 수냉식 냉각부재(170)를 통해 충분한 방열이 이루어질 수 있다.
이러한 열전달 부재(160)는 열전달이 잘 이루어지도록 하기 위하여 열전도성 그리스(thermal grease), 열전도성 접착제(thermal adhesive), 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 열전달 부재(160)는 배터리 셀(121)의 하면(123)과 바닥부(112)의 상면(112a)의 상면 사이에 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포하여 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예의 열전달 부재(160)는 높은 절연성을 갖도록 구성되는 것도 가능하며, 예를 들어, 절연 내력(Dielectric strength)이 10 ~ 30 KV/mm 의 범위인 물질이 이용될 수도 있다. 이와 같이 절연성이 높은 물질이 사용되는 경우, 배터리 셀(121)에서 부분적으로 절연이 파괴되더라도 배터리 셀(121) 주변에 배치된 열전달 부재(160)에 의해 배터리 셀(121)과 모듈 하우징(110) 간의 절연이 유지될 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 모듈 하우징(110)의 내부 공간(110a) 중에서 셀 적층체(120)의 상부에는 절연패드(165)가 장착될 수 있다. 이러한 절연패드(165)도 전술한 열전달 부재(160)와 마찬가지로 절연성과 열전도성을 가질 수 있으며 열전달 부재(160)와 동일 또는 유사한 재질로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈(100)에 대해 설명한다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈의 폭방향 단면도이다. 참고로, 도 10 및 도 11에서는 전극 리드(125)의 위치를 나타내기 위하여 배터리 셀(121)의 단면 대신에 정면 형상을 표시하였다.
도 10 및 도 11에 도시된 실시예의 경우에도 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명한 배터리 모듈(100)과 마찬가지로 모듈 하우징(110), 셀 적층체(120), 완충패드(130) 및 냉각부재(170)를 포함하여 구성될 수 있으며, 추가적으로 열전달 부재(160)와 내측 완충패드(135)를 포함할 수 있다.
다만, 도 10 및 도 11에 도시된 실시예의 경우, 일부의 배터리 셀(121)이 이루는 경사각이 다른 배터리 셀(121)이 이루는 경사각과 다르게 구성되며, 이에 따라 내측 완충패드(135)를 추가로 구비한다는 점에서 차이가 있다. 따라서, 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명한 배터리 모듈(100)의 실시예와 동일 또는 유사한 구성에 대한 상세한 설명은 전술한 설명으로 갈음하고 차이가 있는 구성을 중심으로 설명하기로 한다.
도 10 및 도 11에 도시된 배터리 모듈(100)의 실시예에서, 셀 적층체(120)는 복수 개의 배터리 셀(121)이 측벽부(113)에 대하여 경사를 이루어 적층되어 형성된 단위 적층체(G1, G2)를 복수 개 구비할 수 있다.
이때, 단위 적층체(G1, G2) 중 적어도 일부의 단위 적층체(G1)에 구비되는 배터리 셀(121)의 경사각은 다른 단위 적층체(G2)에 구비되는 배터리 셀(121)의 경사각과는 다른 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 실시예의 경우, 셀 적층체(120)는 폭방향 일측(좌측)에 위치하는 제1 단위 적층체(G1)와 폭방향 타측(우측)에 위치하는 제2 단위 적층체(G2)를 포함할 수 있다. 이때, 측벽부(113)를 기준으로 시계방향으로 경사각을 측정할 때, 제1 단위 적층체(G1)는 측벽부(113)에 대하여 제1 경사각(+θ)으로 기울어진 배터리 셀(121)을 가지며, 제2 단위 적층체(G2)는 측벽부(113)에 대하여 제2 경사각(-θ)으로 기울어진 배터리 셀(121)을 갖는다. 즉, 제1 경사각(+θ)과 제2 경사각(-θ)은 그 절대값은 같고, 기울어진 방향이 반대로 형성된 구조를 갖는다.
또한, 도 11에 도시된 실시예의 경우, 셀 적층체(120)는 폭방향 일측(좌측)에 위치하는 제1 단위 적층체(G1)와 폭방향 타측(우측)에 위치하는 제2 단위 적층체(G2)를 포함할 수 있다. 이때, 측벽부(113)를 기준으로 시계방향으로 경사각을 측정할 때, 제1 단위 적층체(G1)는 측벽부(113)에 대하여 제1 경사각(-θ)으로 기울어진 배터리 셀(121)을 가지며, 제2 단위 적층체(G2)는 측벽부(113)에 대하여 제2 경사각(+θ)으로 기울어진 배터리 셀(121)을 갖는다. 즉, 제1 경사각(-θ)과 제2 경사각(+θ)은 그 절대값은 같고, 기울어진 방향이 반대로 형성된 구조를 갖는다.
이와 같이, 셀 적층체(120)는 복수 개의 단위 적층체(G1, G2)로 구성되며, 적어도 일부의 단위 적층체(G1, G2)의 경사각이 다른 단위 적층체(G1, G2)의 경사각과 다른 값을 가질 수 있다. 도 10 및 도 11에 도시된 실시예의 경우 경사각의 절대값이 같고 방향만 반대인 경우를 도시하였으나, 경사각의 절대값은 서로 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 단위 적층체(G1)의 경사각이 5°이고, 제2 단위 적층체(G2)의 경사각이 -7°로 구성될 수 있다. 또한, 배터리 셀(121)이 기울어진 경사각의 방향이 동일하고 그 크기만 다른 경우도 가능하다. 예를 들어, 제1 단위 적층체(G1)의 경사각이 7°이고, 제2 단위 적층체(G2)의 경사각이 5°로 구성될 수 있다. 또한, 셀 적층체(120)를 구성하는 단위 적층체(G1, G2)의 개수도 2개뿐만 아니라, 3개 이상 복수 개로 이루어지는 것도 가능하다.
단위 적층체(G1, G2)들 사이에는 탄성 변형 가능한 재질로 형성되는 내측 완충패드(135)가 배치될 수 있다. 내측 완충패드(135)의 경우에도 완충패드(130)와 마찬가지로 특정 배터리 셀(121)이 팽창하는 경우 압축되어 탄성 변형되어 팽창을 흡수할 수 있다. 내측 완충패드(135)는 폴리우레탄 재질의 폼(foam)으로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 10에 도시된 실시예의 경우, 제1 단위 적층체(G1)와 제2 단위 적층체(G2) 사이의 거리는 상단보다 하단이 크게 형성된다. 따라서, 도 10의 실시예에서 내측 완충패드(135)는 상단의 폭보다 하단의 폭이 큰 형상을 가질 수 있다.
도 7을 참조하면, 배터리 셀(121)의 상단이 오른쪽으로 기울어져 적층된 경우에는 가장 우측에 배치된 배터리 셀(121)에서 높이방향 중앙 위치(CP)의 팽창력이 작용하는 방향은 중력의 작용에 의해 우측 아래쪽을 향하게 되고 그 높이(PH)는 배터리 셀(121)에서 높이방향 중앙 위치(CP)보다 낮은 높이를 갖는다. 또한, 도 7에서 가장 좌측에 배치된 배터리 셀(121)에서 중앙 위치(CP)의 팽창력이 작용하는 방향의 높이(PH')는 가장 우측에 배치된 배터리 셀(121)에서 높이방향 중앙 위치(CP)의 팽창력이 작용하는 방향의 높이(PH)보다 낮은 값을 갖는다. 즉, 배터리 셀(121)의 상단이 오른쪽으로 기울어져 적층된 경우 팽창력이 작용하는 방향은 전체적으로 배터리 셀(121)에서 높이방향 중앙 위치(CP)보다 낮은 높이를 향하게 된다. 이때, 배터리 셀(121)이 경사진 상태로 세워져 있으므로 배터리 셀(121) 내부에 수용된 전극 조립체 및 전해액에 중력이 작용하게 되고, 이에 따라 팽창압력의 방향은 중력의 작용에 의해 하향 경사의 경향이 더욱 두드러지게 된다.
따라서, 도 10에 도시된 실시예의 경우 좌측에 설치된 제1 단위 적층체(G1)에 작용하는 전체적인 팽창력의 방향은 오른쪽 아래를 향하게 되고, 우측에 설치된 제2 단위 적층체(G2)에 작용하는 전체적인 팽창력의 방향은 왼쪽 아래를 향하게 된다. 즉, 도 10에 도시된 실시예의 경우 배터리 셀(121)에 스웰링 현상이 발생할 때 스웰링에 의한 팽창 압력을 모듈 하우징(110)의 중앙부분으로 유도하여 내측 완충패드(135)를 통해 흡수할 수 있게 된다. 따라서, 측벽부(113)에 가해지는 변형력을 감소시켜 측벽부(113)의 변형을 줄일 수 있게 된다.
반대로, 도 11에 도시된 실시예의 경우, 제1 단위 적층체(G1)와 제2 단위 적층체(G2) 사이의 거리는 하단보다 상단이 크게 형성된다. 따라서, 도 11의 실시예에서 내측 완충패드(135)는 하단의 폭보다 상단의 폭이 큰 형상을 가질 수 있다.
이 경우, 내측 완충패드(135)의 상단은 비교적 넓은 폭을 가지므로, 내측 완충패드(135)의 높이를 낮게 하는 경우 내측 완충패드(135)의 상단에 형성된 공간을 활용할 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈(100)은 온도센서나 전압센서 등의 연결을 위하여 모듈 하우징(110)의 길이방향(도 3의 Y 방향)으로 FPCB나 PCB를 설치하게 되는데, 내측 완충패드(135)의 상단에 형성된 공간에 FPCB나 PCB를 설치함으로써 공간활용도를 높일 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.
예를 들어, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
100... 배터리 모듈 110... 모듈 하우징
110a... 내부공간 111... 제1 플레이트
112... 바닥부 112a... 상면
112b... 하면 113... 측벽부
115... 커버부(제2 플레이트) 120... 셀 적층체
121... 배터리 셀 121a... 파우치
122... 수용부 123... 하면
124... 실링부 124a... 제1 실링부
124b... 제2 실링부 124c... 접착 부재
125... 전극 리드 130... 완충패드
135... 내측 완충패드 140... 절연 커버
141... 몸체 142... 접속 단자
143... 관통 홀 150... 엔드 플레이트
151... 몸체 152... 관통구멍
160... 열전달부재 165... 절연패드
170... 냉각부재 171... 냉각유로
CH... 배터리 셀의 중앙부 높이 CP... 배터리 셀의 중앙 위치
G1, G2... 단위 적층체 H.... 셀 적층체의 높이
H1... 배터리 셀의 높이 PH, PH'... 스웰링 작용방향의 높이
X... 폭방향 Y... 길이방향
Z... 높이방향 θ... 경사각

Claims (16)

  1. 바닥부와, 상기 바닥부의 폭방향 양단에서 상측으로 연장되는 측벽부와, 상기 측벽부의 상단을 덮는 커버부를 구비하는 모듈 하우징;
    상기 모듈 하우징의 내부공간에 배치되며, 복수 개의 배터리 셀이 상기 측벽부에 대하여 소정의 경사각을 갖도록 기울어진 상태로 적층되어 형성된 셀 적층체;
    상기 셀 적층체의 최외곽 배터리 셀과 상기 측벽부 사이에 배치되며 탄성 변형 가능한 재질로 형성되는 완충패드; 및
    상기 바닥부를 냉각시키도록 상기 바닥부의 하부에 배치되는 냉각부재;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 상단의 폭과 하단의 폭이 상이한 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 사다리꼴 형상을 갖는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 상기 모듈 하우징의 폭방향을 기준으로 하여 상기 폭방향 일측면이 수직하고 타측면이 경사진 형상을 갖는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 상기 모듈 하우징의 높이방향을 기준으로 하여 높이방향에 따라 다른 압축률을 갖는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 적층체는 복수개의 상기 배터리 셀이 동일한 방향으로 기울어진 형상을 갖는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 적층체는 복수 개의 상기 배터리 셀이 상기 측벽부에 대하여 경사를 이루어 적층되어 형성된 단위 적층체를 복수 개 구비하며,
    상기 단위 적층체 중 적어도 일부의 단위 적층체에 구비되는 배터리 셀의 경사각은 다른 단위 적층체에 구비되는 배터리 셀의 경사각과 다른 경사각을 갖는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단위 적층체들 사이에는 탄성 변형 가능한 재질로 형성되는 내측 완충패드가 배치되는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 셀 적층체는 상기 폭방향 일측에 위치하며 상기 측벽부에 대하여 제1 경사각으로 기울어진 배터리 셀을 갖는 제1 단위 적층체와, 상기 폭방향 타측에 위치하며 상기 측벽부에 대하여 제2 경사각으로 기울어진 배터리 셀을 갖는 제2 단위 적층체를 구비하며,
    상기 제1 경사각과 상기 제2 경사각은 기울어진 방향이 반대인 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 단위 적층체와 상기 제2 단위 적층체 사이의 거리는 상단보다 하단이 크며,
    상기 내측 완충패드는 상단의 폭보다 하단의 폭이 큰 배터리 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 단위 적층체와 상기 제2 단위 적층체 사이의 거리는 하단보다 상단이 크며,
    상기 내측 완충패드는 하단의 폭보다 상단의 폭이 큰 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 하면과 상기 바닥부의 상면에 사이에는 열전달부재가 위치하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는 냉각유로를 유동하는 냉각액체에 의해 냉각을 수행하는 수냉식 냉각부로 구성되는 배터리 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바닥부의 상면에는 상기 배터리 셀의 하면에 대응하는 경사면이 복수 개 형성된 배터리 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    각각의 상기 경사면은 1 내지 5개의 상기 배터리 셀의 하면에 대응하는 폭을 갖는 배터리 모듈.
  16. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치의 내부에 전극 조립체가 수용되고 길이방향 양측에서 전극리드가 외부로 노출되는 파우치형 이차전지로 구성되며,
    상기 전극리드는 상기 배터리 셀의 중앙으로부터 상기 바닥부 측으로 치우쳐 배치되는 배터리 모듈.
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