KR20220036171A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20220036171A
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전해룡
안선모
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체, 상기 셀 적층체의 일측에 배치되는 제1 방열 부재, 상기 셀 적층체의 타측에 배치되는 제2 방열 부재, 및 상기 배터리 셀들이 배치되는 다수의 단열 공간을 제공하고 상기 배터리 셀들의 적어도 일면을 감싸는 차단 부재를 포함하며, 다수의 상기 배터리 셀은, 일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제1 방열 부재에 대응되는 제1 배터리 셀 및 일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제2 방열 부재에 대응되는 제2 배터리 셀을 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.
리튬 이차 전지 시장은 에너지 저장시스템(ESS, Energy Storage System) 분야뿐만 아니라 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 분야에서도 크게 각광받고 있다.
한편, 배터리 모듈이 장시간 사용되거나 물리적 충격을 받게 될 경우, 배터리로부터 열이 발생되어 배터리의 효율을 저하시킬 수 있으며, 최악의 경우 발화되어 폭발로 이어질 수 있다.
또한 배터리 모듈에 포함되는 다수의 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀에서 화염이 발생하게 되면, 인접 배치된 다른 배터리 셀로 화염이 전파되어 쉽게 확산된다는 문제가 있다.
전기 자동차나 에너지 저장시스템에서 배터리 안정성은 매우 중요하다. 따라서 배터리 셀이 과열되거나 배터리 셀의 열 폭주를 방지하기 위한 설계가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 배터리 셀이 과열되거나 배터리 셀에서 화염 발생 시, 화염이나 열이 전파되는 것을 억제할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체, 상기 셀 적층체의 일측에 배치되는 제1 방열 부재, 상기 셀 적층체의 타측에 배치되는 제2 방열 부재, 및 상기 배터리 셀들이 배치되는 다수의 단열 공간을 제공하고 상기 배터리 셀들의 적어도 일면을 감싸는 차단 부재를 포함하며, 다수의 상기 배터리 셀은, 일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제1 방열 부재에 대응되는 제1 배터리 셀 및 일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제2 방열 부재에 대응되는 제2 배터리 셀을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 각각의 상기 배터리 셀은 전극 조립체가 배치되는 수용부와, 상기 수용부의 외곽에 형성되어 상기 수용부의 둘레를 밀봉하는 실링부를 포함하고, 상기 수용부의 외곽 중 어느 한 면은 상기 실링부가 배치되지 않는 열방출면으로 형성되며, 상기 제1 배터리 셀의 일면과, 상기 제2 배터리 셀의 일면은 상기 열방출면으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 지그재그 형태로 배치되어 상기 배터리 셀들을 감싸도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 상기 배터리 셀의 적어도 두 면을 감싸도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 연성을 갖는 한 장의 부재로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 800℃ 이상의 온도에서 발화되는 난연 소재로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 열전도도가 0.1W/mK 이하인 재질로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 셀 적층체는, 하나의 상기 단열 공간에 다수의 상기 제1 배터리 셀 또는 다수의 상기 제2 배터리 셀이 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 셀 적층체는, 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀이 번갈아 반복적으로 적층 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 셀 적층체는, 상기 배터리 셀 사이에 배치되는 판 형태의 방염 부재 또는 냉각 패드를 적어도 하나 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 방염 부재는, 난연 소재로 형성되며 강성을 갖는 박판 또는 폼 패드(foam pad)의 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 차단 부재는, 상기 배터리 셀 사이에 배치되는 판 형태의 냉각 부재들과, 상기 냉각 부재들을 연결하는 상호 연결 부재를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 냉각 부재는, 내부에 냉각수가 순환하는 냉각 유로를 구비할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀들이 적층된 다수의 셀 적층체, 적어도 일부가 상기 셀 적층체들 사이에 배치되는 제1 방열 부재, 상기 제1 방열 부재에 결합되어 상기 셀 적층체들이 배치되는 수용 공간을 형성하는 제2 방열 부재, 및 상기 배터리 셀들이 배치되는 다수의 단열 공간을 제공하고 상기 배터리 셀들의 적어도 일면을 감싸는 차단 부재를 포함하며, 다수의 상기 배터리 셀은, 일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제1 방열 부재에 대응되는 제1 배터리 셀 및 일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제2 방열 부재에 대응되는 제2 배터리 셀을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제1 방열 부재는, 2개의 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 중간판부재, 상기 중간판부재의 상단에 체결되며 상기 셀 적층체의 상부면과 대면하도록 배치되는 상판부재, 및 상기 중간판부재의 하단에 체결되며 상기 셀 적층체의 하부면과 대면하도록 배치되는 하판부재를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 제2 방열 부재는, 일측이 상기 상판부재에 결합되고 타측이 상기 하판부재에 결합될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 하판부재의 외부면에 결합되는 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀에서 발생된 열이 여러 경로를 분산되어 방출되므로, 열 방출 효율을 높일 수 있다.
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 1의 I-I' 에 따른 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도.
도 6 내지 도 9는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 적층체를 개략적으로 도시한 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 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 사시도이다. 또한 도 3은 도 2의 배터리 셀을 확대하여 도시한 사시도이고, 도 4는 도 1의 I-I' 에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 셀 적층체(1), 제1 방열 부재(40), 제2 방열 부재(50), 및 측면 커버(60)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(1)는 도 3에 도시된 배터리 셀(10)을 다수 개 적층하여 형성한다. 본 실시예에서 배터리 셀들(10)은 상하 방향(또는 수직 방향)으로 적층된다. 그러나 필요에 따라 좌우 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 적층된다. 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 외곽에는 외장재가 접합되어 형성되는 실링부(202)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예의 배터리 셀(10)은 외장재가 접히는 면에 실링부(202)를 형성할 필요가 없다. 따라서 본 실시예에서 실링부(202)는 수용부(204)의 외곽을 형성하는 네 면 중 세 면에만 구비되며, 수용부의 외곽 중 어느 한 면(도 3에서 하부면, 이하 열방출면)에는 실링부가 배치되지 않는다.
본 실시예에서 전극 리드(15)는 서로 반대 방향을 향하도록 배치되므로, 2개의 전극 리드(15)는 서로 다른 변에 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 실링부(202)가 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)가 2회 접히도록 구성될 수 있다.
제2 실링부(2022)는 배터리 셀(10)의 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 제1 절곡선(C1)과 제2 절곡선(C2)을 따라 180° 씩 2회 접힌 후, 다시 제1 절곡선(C1)을 따라 90°로 접혀 고정될 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.
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)을 다수 개 적층한 셀 적층체(1)는 후술되는 제1 방열 부재(40)의 수용 공간에 삽입 배치된다.
본 실시예에서 셀 적층체(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 상하 방향으로 배터리 셀(10)을 적층하여 형성할 수 있다. 또한 본 실시예에서, 적층되는 배터리 셀들(10) 중 적어도 하나는 다른 방향으로 적층된다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 배터리 셀(10)은 제2 실링부(2022)가 배치되는 방향을 따라 제1 배터리 셀(10a)과 제2 배터리 셀(10b)로 구분될 수 있다. 본 실시예에서 제1 배터리 셀(10a)은 제2 실링부(2022)가 후술되는 제2 방열 부재(50)를 향하도록 배치되고 실링부(202)가 배치되지 않은 열방출면이 후술되는 단열 공간(S)의 외부로 노출되어 제1 방열 부재(40)와 접촉하도록 배치되는 배터리 셀(10)로 정의될 수 있다.
또한 제2 배터리 셀(10b)은 제2 실링부(2022)가 제1 방열 부재(40)를 향하도록 배치되고, 열방출면이 단열 공간(S)의 외부로 노출되어 제2 방열 부재(50)와 접촉하도록 배치되는 배터리 셀(10)로 정의될 수 있다.
여기서 접촉한다는 의미는 직접적인 접촉은 물론, 접착제나 후술되는 열전도 부재(90)를 매개로 하는 접촉도 포함하는 개념임을 밝혀둔다.
본 실시예에서 제1 배터리 셀(10a)과 제2 배터리 셀(10b)은 동일한 구성을 갖는 배터리 셀(10)이며, 제2 실링부(202)와 열방출면의 배치 방향에 의해서만 구분된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 셀 적층체(1)는 제1 배터리 셀(10a)과 제2 배터리 셀(10b)이 번갈아 반복적으로 적층된다. 따라서 본 실시예의 배터리 셀(10)은 제1 배터리 셀(10a)과 제2 배터리 셀(10b)을 번갈아 배치하더라도 제1 배터리 셀(10a)과 제2 배터리 셀(10b)의 전극 리드(15)가 일렬로 정렬되도록 구성될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(10)의 방열 효과를 높일 수 있다.
본 실시예의 배터리 셀(10)은 수용부(204)의 외곽 중 3개의 면에만 실링부(202)가 배치되므로, 실링부(202)가 없는 열방출면은 다른 면들에 비해 접촉 면적이 넓으며 방열 경로를 최소화 할 수 있다. 따라서 열방출면은 다른 면들에 비해 열 방출 효과가 크다.
셀 적층체(1)를 제1 배터리 셀(10a) 만으로 구성하는 경우, 배터리 셀에서 전달되는 열은 모두 후술되는 중간판부재(42)에 집중될 수 있다. 마찬가지로, 셀 적층체(1)를 제2 배터리 셀(10b) 만으로 구성하는 경우, 배터리 셀에서 전달되는 열은 모두 제2 방열 부재(50)에 집중될 수 있다. 따라서 열이 특정 부분에 집중되므로 열이 효과적으로 방출되기 어렵다.
이에 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 적어도 하나의 제1 배터리 셀(10a)과 적어도 하나의 제2 배터리 셀(10b)을 교대로 적층하여 배터리 셀 적층체(1)를 구성한다. 이 경우, 중간판부재(42)와 제2 방열 부재(50)로 고르게 열이 방출될 수 있으므로 열 전달 효율을 높일 수 있다. 또한 제2 실링부(2022) 간의 거리가 확장되므로, 제2 실링부(2022) 간의 접촉에 의해 배터리 셀(10) 간의 절연이 파괴되는 것도 방지할 수 있다.
본 실시예에 따른 셀 적층체(1)는 차단 부재(80)를 포함할 수 있다.
차단 부재(80)는 굴곡이 형성된 한 장의 부재로 구성될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 지그재그 형태로 배치되어 각 배터리 셀들(10)이 배치되는 다수의 단열 공간(S)을 제공한다. 따라서 차단 부재(80)는 연성을 갖거나, 형상의 변경이 용이한 시트(sheet)나 필름(film) 형태의 부재로 형성될 수 있다.
차단 부재(80)는 어느 하나의 배터리 셀(10)에서 화염이 발생했을 때, 다른 배터리 셀들(10)로 화염이나, 화염에 의한 열이 전파되는 것을 차단하기 위해 구비된다. 따라서 본 실시예에서 각 단열 공간들(S)은 상호 간에 최대한 격리될 수 있다.
본 실시예의 배터리 모듈(100)은 하나의 단열 공간(S)에 하나의 배터리 셀(10)이 삽입 배치된다. 이에 따라 각 배터리 셀들(10)은 수용부(204)의 넓은 두 면이 모두 차단 부재(80)와 대면하도록 배치되며, 차단 부재(80)는 각 배터리 셀(10)의 적어도 두 면을 감싸도록 배치될 수 있다.
본 실시예의 차단 부재(80)는 열의 전파를 최대한 차단해야 하므로, 열전도도가 0.1W/mK 이하인 소재로 형성될 수 있다. 또한 차단 부재(80)는 화염의 확산도 최대한 차단해야 하므로, 800℃ 이상의 온도에서 발화되는 난연 소재로 형성될 수 있다.
예컨대, 차단 부재(80)는 세라믹이 포함되어 내화/단열을 시행 할 수 있는 소재, 규산나트륨(Sodium silicate)을 포함한 겔 형태의 단열재를 박막 위에 도포하거나 이를 이용하여 만들어진 패드(Pad) 형태의 소재, 방염 성능이 있는 세라믹 울(wool)이나 유리 섬유와 같은 섬유 내화 단열재로 형성될 수 있다.
또한 열차단 성능이 있는 세라믹을 포함한 고무 재질로 차단 부재(80)를 구성하거나, 팽창흑연(Expandable graphite)을 함유한 고무 재질로 형성하여 열에 노출 되었을 때 흑연(graphite)이 급격히 팽창하여 단열층을 형성하도록 차단 부재(80)를 구성할 수도 있다.
또한 차단 부재(80)는 두께 방향으로 압력이 가해질 때 탄성적으로 압축되는 부재가 이용될 수 있다. 이 경우 차단 부재(80)는 완충 패드의 기능을 수행할 수 있으므로, 완충 패드를 생략하여 부품 수를 최소화할 수 있다.
또한 차단 부재(80)는 절연성 재질로 형성될 수 있으므로, 배터리 셀들(10) 간의 절연을 확보하는 기능도 제공할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 각각의 배터리 셀들(10)이 서로 격리된 단열 공간들(S)에 분산 배치된다. 따라서 어느 하나의 배터리 셀(10)에서 화염이 발생되더라도 다른 단열 공간(S)에 배치된 배터리 셀(10)로 화염이 전파되는 것을 방지할 수 있다. 또한 다른 배터리 셀들(10)로 열이 신속하게 전달되는 것도 억제할 수 있다.
제1 방열 부재(40)는 셀 적층체(1)가 안착되는 하판부재(44), 하판부재(44)와 대면하도록 배치되는 상판부재(46), 및 하판부재(44)와 상판부재(46) 사이에 배치되어 상판부재(46)와 하판부재(44)를 상호 연결하는 중간판부재(42)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(1)는 하판부재(44), 상판부재(46), 중간판부재(42), 그리고 후술되는 제2 방열 부재(50)에 의해 형성되는 수용 공간(D) 내에 삽입 배치될 수 있다.
중간판부재(42)는 셀 적층체(1)의 일측에 배치되며 배터리 셀들(10)과 대략 직교하는 형태로 배치될 수 있다. 그리고 하판부재(44)는 중간판부재(42)의 하단에 체결되며 셀 적층체(1)의 하부면과 대면하도록 배치될 수 있다. 상판부재(46)는 중간판부재(42)의 상단에 체결되어 셀 적층체(1)의 상부면과 대면하도록 배치될 수 있다.
셀 적층체(1)는 배터리 셀(10)의 수용부(204) 중 넓은 면이 하판부재(44)와 상판부재(46)에 대면하도록 제1 방열 부재(40)에 결합될 수 있다. 이에 배터리 셀들(10)은 면 방향이 하판부재(44)와 상판부재(46)의 면 방향과 평행하도록 배치될 수 있다.
상판부재(46)는 하판부재(44)와 일정 거리 이격 배치되며, 상판부재(46)와 평행하게 배치된다. 상판부재(46)와 하판부재(44)는 동일한 크기나 동일한 면적으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
중간판부재(42)는 하판부재(44)와 상판부재(46) 사이의 공간을 가로지르는 형태로 배치되어 하판부재(44)와 상판부재(46) 사이의 공간을 양분할 수 있다. 중간판부재(42)에 의해 양분된 각각의 수용 공간(D)에는 셀 적층체(1)가 배치될 수 있다. 따라서 중간판부재(42)는 2개의 셀 적층체(1) 사이에 배치될 수 있다.
중간판부재(42)는 면 방향이 하판부재(44), 상판부재(46)의 면 방향과 직교하도록 배치될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 중간판부재(42)는 하판부재(44), 상판부재(46)의 중앙 부분에 결합되어, 제1 방열 부재(40)의 측면이 "工" 형상을 형성하도록 배치될 수도 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 중간판부재(42)가 하판부재(44)와 상판부재(46)의 모서리에 연결되도록 배치하여 제1 방열 부재(40)의 측면이 "ㄷ" 형상을 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
제1 방열 부재(40)는 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 방열 부재(40)는 금속 등의 재질로 구성될 수 있으며, 보다 구체적으로 알루미늄(aluminum), 스틸(steel) 등의 소재로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 높은 열 전도성을 갖는 재질이라면 본 발명의 목적 범위 내에서 다양한 재질이 이용될 수 있다.
제2 방열 부재(50)와 측면 커버(60)는 제1 방열 부재(40)에 결합되어 셀 적층체들(1)이 배치되는 수용 공간(D)을 제공한다. 따라서 제2 방열 부재(50)는 제1 방열 부재(40)에 수용된 배터리 셀(10)을 보호하는 케이스로 기능할 수 있다.
이를 위해 제2 방열 부재(50)와 측면 커버(60)는 배터리 셀(10)이 수용된 수용 공간(D)을 외부와 차단하는 형태로 제1 방열 부재(40)에 결합되어 수용 공간(D)을 외부와 분리한다.
제2 방열 부재(50)는 편평한 판 형태로 형성될 수 있으며, 셀 적층체(1)의 타측에 배치되어 상판부재(46)와 하판부재(44)의 장변 측 모서리에 결합될 수 있다. 따라서 제2 방열 부재(50)는 일측이 상판부재(46)에 결합되고 타측이 하판부재(44)에 결합되어 중간판부재(42)와 대면하는 형태로 배치될 수 있다.
제2 방열 부재(50)는 금속과 같은 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 방열 부재(50)는 제1 방열 부재(40)와 마찬가지로 알루미늄이나 스틸 등의 소재로 형성될 수 있으며, 제1 방열 부재(40)와 동일한 재질로 형성될 수도 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
측면 커버(60)는 상판부재(46)와 하판부재(44)의 단변 측 모서리, 즉 제1 방열 부재(40)의 양 단부에 결합될 수 있다.
제1 방열 부재(40)의 양 단부에는 배터리 셀들(10)의 전극 리드(15)가 배치될 수 있다. 따라서 측면 커버(60)는 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)과 대면하는 형태로 배치될 수 있다.
측면 커버(60)에는 배터리 셀들(10)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 접속 단자(69)가 배치될 수 있다. 본 실시예에서 접속 단자(69)는 도전성 부재로 구성되며 버스바(미도시)를 매개로 배터리 셀(10)의 전극 리드들(15)과 전기적으로 연결될 수 있다.
측면 커버(60)와 전극 리드들(15) 사이에는 버스바 조립체(70)가 배치될 수는 있다. 버스바 조립체(70)는 전극 리드들(15)과 전기적으로 연결되는 버스바를 포함할 수 있으며, 이에 전극 리드들(15)은 버스바와 접속 단자(69)를 경유하여 배터리 모듈의 외부 요소와 와 전기적으로 연결될 수 있다.
측면 커버(60)는 금속 재질로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 수지와 같은 절연성 재질로 형성하는 것도 가능하다.
측면 커버(60)는 리벳, 나사, 볼트, 스냅핏(snap fit)과 같은 고정 부재를 통해 제1 방열 부재(40)와 제2 방열 부재(50)에 결합될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 슬라이딩 방식으로 결합하거나, 레이저 용접, 스폿 용접, 접착제 등을 이용하여 결합하는 것도 가능하다.
제2 방열 부재(50)와 셀 적층체(1) 사이에는 열전달 부재(90)가 배치될 수 있다.
열전달 부재(90)는 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 효과적으로 전달하기 위해 구비될 수 있다.
열전달 부재(90)는 배터리 셀(10)의 열방출면과 직접 접촉하도록 배치되어 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 신속하게 제2 방열 부재(50)로 전달할 수 있다.
이를 위해 열전달 부재(90)는 높은 열전도도를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어 열전달 부재(90)는 써멀 그리스(Thermal grease), 에폭시 수지와 같은 열전도성 접착제(Thermal adhesive), 및 열전도성 패드 중 어느 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
열전달 부재(90)는 패드 형태로 제2 방열 부재(50)의 내부면에 배치거나, 겔(gel)이나 페이스트 상태로 제2 방열 부재(50)의 내부면에 도포하여 형성할 수 있다.
본 실시예의 열전달 부재(90)는 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 열전달 부재(90)에 의해 배터리 셀(10)과 제2 방열 부재(50) 간의 절연이 유지될 수 있다.
또한 열전달 부재(90)는 배터리 셀들(10)과 제2 방열 부재(50) 사이 공간을 충진하는 형태로 배치되므로, 설치 공간 상의 오차를 최소화하고, 배터리 셀과 제2 방열 부재(50) 간의 충돌을 방지할 수 있다. 더하여 배터리 모듈(100)의 전체적인 강성도 보강될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 셀 적층체(1)와 제2 방열 부재(50) 사이에만 열전달 부재(90)를 배치하는 경우를 예로 들고 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 위치에 열전달 부재를 추가적으로 배치할 수 있다. 예컨대, 셀 적층체(1)와 중간판부재(42) 사이에 열전달 부재(90)를 추가적으로 배치하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈은 냉각 장치(20)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 냉각 장치(20)는 내부에 냉각 유로(22)를 구비하는 수냉식 냉각 장치가 이용된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 공랭식 냉각 장치를 적용하는 것도 가능하다.
냉각 장치(20)는 제1 방열 부재(40)에 일체로 결합되어 배터리 모듈에 포함될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 방열 부재(40)의 하판부재(44) 외부면에 냉각 장치(20)가 결합된다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 상판부재(46)의 외부면이나, 제2 방열 부재(50)의 외부면에 냉각 장치(20)를 배치하는 것도 가능하다.
또한 배터리 모듈과 별도로, 배터리 모듈이 장착되는 장치나 구조물에 냉각 장치를 배치하고 상기 냉각 장치 상에 배터리 모듈을 안착시키는 것도 가능하다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 배터리 모듈은 차단 부재(80)에 의해 구획되는 각 단열 공간(S)에 배터리 셀들(10)이 배치된다. 따라서 어느 하나의 배터리 셀(10)에서 화염이 발생되더라도 다른 배터리 셀(10)로 화염이 확산되거나, 열이 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
또한 도 5의 화살표는 열의 흐름을 나타내는 것으로, 이를 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈은 배터리 셀(10)에서 발생된 열이 중간판부재(42)와 제2 방열 부재(50)로 분산되어 방출되므로, 열 전달 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 6 내지 도 9는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀 적층체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예의 셀 적층체는 적어도 하나의 방염 부재(30)를 포함할 수 있다.
방염 부재(30)는 배터리 셀들(10) 사이에 하나 또는 다수 개가 배치될 수 있다.
방염 부재(30)는 방염(防炎, flame retardancy) 또는 난연(難燃, flame resisting) 성능을 갖는 부재로 형성될 수 있다. 여기서 방염 성능이란 연소의 확대를 방지하는 성능을 의미하며, 난연 성능이란 불이 붙어도 연소가 잘 되지 않는 성능을 의미한다. 따라서 방염 부재(30)는 자신이 연소 확대의 요인이 되지 않는 정도의 연소성을 가지거나 불에 타지 않는 성질을 가질 수 있다.
방염 부재(30)는 강성(rigid)을 갖는 박판(sheet)의 형태로 형성될 수 있으며, 배터리 셀들(10) 사이에 적어도 하나가 배치되어 열이나 화염의 확산을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
방염 부재(30)는 화염의 전파를 차단해야 하므로, 난연 소재, 불연 재료, 또는 내화 단열 재료로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 방염 부재(30)로는 운모(mica)를 포함하는 박판(sheet)이 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 스테인리스강(Stainless steel), 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), CFRP(carbon fiber reinforced plastics), GFRP(glass fiber reinforced plastics), 압축 섬유(Non-woven compressible fiber), 에어로겔(aerogel) 등의 다양한 재질 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
더하여, 방염 부재(30)는 섬유와 같은 가연물에 약제를 사용하여 방염 성능이나 난연 성능을 부여하여 마련하는 것도 가능하다.
또한 방염 부재(30)는 배터리 셀(10)과 직접 접촉하므로, 전기 절연성 재질로 형성될 수 있다. 따라서 스테인리스강(Stainless steel)으로 방염 부재(30) 구성하는 경우, 배터리 셀(10)과 접촉하는 방염 부재(30)의 표면에는 절연물질이 코팅될 수 있다.
또한 방염 부재(30)를 차단 부재(80)와 동일한 재질로 구성하는 것도 가능하다.
배터리 셀들 사이에 방염 부재(30)가 배치됨에 따라, 차단 부재(80)는 배터리 셀(10)과 적어도 하나의 방염 부재(30)를 함께 감싸는 형태로 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 차단 부재(80)는 하나의 배터리 셀과 하나의 방염 부재(30)를 번갈아 감싸도록 구성된다. 이에 하나의 단열 공간 내에는 하나의 배터리 셀과 하나의 방염 부재가 배치된다.
또한 도 7을 참조하면, 차단 부재(80)는 하나의 배터리 셀(10)과, 상기 배터리 셀(10) 양측에 배치되는 두 개의 방염 부재(30)를 번갈아 감싸도록 구성된다. 이에 하나의 단열 공간 내에는 하나의 배터리 셀과 두 개의 방염 부재가 배치된다.
이처럼 방염 부재(30)는 필요에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기한 방염 부재(30) 대신 완충 패드나 냉각 패드를 구비할 수 있다.
완충 패드는 배터리 셀(10)이 팽창하는 경우 압축되며 탄성 변형될 수 있다. 따라서 셀 적층체(1)의 전체의 부피가 팽창(swelling)하는 것을 억제할 수 있다. 이를 위해 완충 패드는 폴리우레탄과 같은 절연성 재질로 형성될 수 있으며, 폼 패드(foam pad)의 형태로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각 패드는 냉각 판의 형태로 구성될 수 있으며, 배터리 셀들(10)에서 발생되는 열을 빠르게 냉각 장치(20) 측으로 전달하기 위해 구비될 수 있다. 따라서 냉각 판은 전술한 제1 방열 부재(40)나 제2 방열 부재(50) 또는 냉각 장치(도 6의 20)에 접촉하도록 구성될 수 있다.
냉각 패드는 열 전도도가 높은 금속 재질로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 냉각 패드는 내부에 냉각수가 순환하는 냉각 유로를 구비할 수 있다. 이 경우, 냉각 유로는 냉각 장치(20)와 연결될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 셀 적층체는 복수의 제1 배터리 셀(10a)과 복수의 제2 배터리 셀(10b)이 교대로 적층 배치된다.
이에 따라 하나의 단열 공간 내에 다수의 제1 배터리 셀(10a) 또는 다수의 상기 제2 배터리 셀(10b)이 배치된다.
본 실시예에서는 제1 배터리 셀(10a)과 제2 배터리 셀(10b)이 2개씩 번갈아 적층 배치되는 경우를 예로 들고 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 3개 이상씩 번갈아 배치되도록 구성하는 것도 가능하다.
또한 본 실시예에서는 제1 배터리 셀(10a)과 제2 배터리 셀(10b)이 동일한 수로 번갈아 배치되는 경우를 예로 들고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 2개의 제1 배터리 셀(10a)과 1개의 제2 배터리 셀(10b)을 번갈아 배치하는 등 필요에 따라 제1 배터리 셀(10a)의 개수와 제2 배터리 셀(10b)의 개수를 다르게 구성하는 것도 가능하다.
이 경우, 배터리 셀들(10) 사이에 배치되는 차단 부재(80)의 양을 줄일 수 있으므로 셀 적층체(1)의 전체 부피를 최소화할 수 있으며, 이에 배터리 모듈의 에너지 밀도를 높일 수 있다.
한편, 도시되어 있지 않지만 전술한 실시예와 마찬가지로, 본 실시예의 셀 적층체는 배터리 셀들(10) 사이에 전술한 방염 부재(30)나 완충 부재, 냉각 패드를 포함하도록 구성하는 것도 가능하다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 차단 부재(80a)는, 배터리 셀들(10) 사이에 배치되는 냉각 부재(35)와, 제2 실링부(2022)를 감싸는 형태로 배치되어 냉각 부재들(35)을 연결하는 연결 부재(37)를 포함할 수 있다.
냉각 부재(35)는 내부에 냉각수가 순환하는 냉각 유로(36)를 구비할 수 있다. 이 경우, 화염에 의해 냉각 부재(35)가 용융되면 냉각수가 화염에 직접 공급되므로 화염의 확산이 억제될 수 있다.
연결 부재(37)로는 전술한 실시예의 차단 부재(80)가 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
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 실시예들은 셀수용부재를 포함하는 경우를 예로 들었으나, 전술한 실시예들에서 설명한 적어도 하나의 셀 적층체를 포함하고, 셀 적층체의 양측에서 배터리 셀의 열방출면으로부터 열을 방출시킬 수 있는 구조라면 다양하게 적용될 수 있다.
예컨대, 중간판부재를 생략하고, 하나의 셀 적층체 양면에 각각 제2 방열 부재가 배치되도록 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다. 또한 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수 있다.
100: 배터리 모듈
1: 셀 적층체
10: 배터리 셀
20: 냉각 장치
30: 방염 부재
40: 제1 방열 부재
50: 제2 방열 부재
60: 측면 커버
70: 버스바 조립체
80, 80a: 차단 부재

Claims (17)

  1. 다수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체;
    상기 셀 적층체의 일측에 배치되는 제1 방열 부재;
    상기 셀 적층체의 타측에 배치되는 제2 방열 부재; 및
    상기 배터리 셀들이 배치되는 다수의 단열 공간을 제공하고 상기 배터리 셀들의 적어도 일면을 감싸는 차단 부재;
    를 포함하며,
    다수의 상기 배터리 셀은,
    일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제1 방열 부재에 대응되는 제1 배터리 셀; 및
    일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제2 방열 부재에 대응되는 제2 배터리 셀;
    을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 배터리 셀은 전극 조립체가 배치되는 수용부와, 상기 수용부의 외곽에 형성되어 상기 수용부의 둘레를 밀봉하는 실링부를 포함하고,
    상기 수용부의 외곽 중 어느 한 면은 상기 실링부가 배치되지 않는 열방출면으로 형성되며,
    상기 제1 배터리 셀의 일면과, 상기 제2 배터리 셀의 일면은 상기 열방출면으로 형성되는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    지그재그 형태로 배치되어 상기 배터리 셀들을 감싸도록 배치되는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    상기 배터리 셀의 적어도 두 면을 감싸도록 배치되는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    연성을 갖는 한 장의 부재로 형성되는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    800℃ 이상의 온도에서 발화되는 난연 소재로 형성되는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    열전도도가 0.1W/mK 이하인 재질로 형성되는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 셀 적층체는,
    하나의 상기 단열 공간에 다수의 상기 제1 배터리 셀 또는 다수의 상기 제2 배터리 셀이 배치되는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 셀 적층체는,
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀이 번갈아 반복적으로 적층 배치되는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 셀 적층체는,
    상기 배터리 셀 사이에 배치되는 판 형태의 방염 부재 또는 냉각 부재를 적어도 하나 포함하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 방염 부재는,
    난연 소재로 형성되며 강성을 갖는 박판 또는 폼 패드(foam pad)의 형태로 형성되는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서, 상기 차단 부재는,
    상기 배터리 셀 사이에 배치되는 판 형태의 냉각 부재들과, 상기 냉각 부재들을 상호 연결하는 연결 부재를 포함하는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 냉각 부재는,
    내부에 냉각수가 순환하는 냉각 유로를 구비하는 배터리 모듈.
  14. 배터리 셀들이 적층된 다수의 셀 적층체;
    적어도 일부가 상기 셀 적층체들 사이에 배치되는 제1 방열 부재;
    상기 제1 방열 부재에 결합되어 상기 셀 적층체들이 배치되는 수용 공간을 형성하는 제2 방열 부재; 및
    상기 배터리 셀들이 배치되는 다수의 단열 공간을 제공하고 상기 배터리 셀들의 적어도 일면을 감싸는 차단 부재;
    를 포함하며,
    다수의 상기 배터리 셀은,
    일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제1 방열 부재에 대응되는 제1 배터리 셀; 및
    일면이 상기 단열 공간의 외부로 노출되어 상기 제2 방열 부재에 대응되는 제2 배터리 셀;
    을 포함하는 배터리 모듈.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 방열 부재는,
    2개의 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 중간판부재;
    상기 중간판부재의 상단에 체결되며 상기 셀 적층체의 상부면과 대면하도록 배치되는 상판부재; 및
    상기 중간판부재의 하단에 체결되며 상기 셀 적층체의 하부면과 대면하도록 배치되는 하판부재;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 방열 부재는,
    일측이 상기 상판부재에 결합되고 타측이 상기 하판부재에 결합되는 배터리 모듈.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 하판부재의 외부면에 결합되는 냉각 장치를 더 포함하는 배터리 모듈.

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