KR20220065548A - 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩 - Google Patents

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KR20220065548A
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battery module
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이서로
최양규
최은정
최영선
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에스케이온 주식회사
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Abstract

내부에 전극조립체(130)를 수용하는 전극수용부(122)와, 상기 전극수용부(122)의 둘레 중 적어도 일부를 밀봉하는 실링부(123)와, 상기 전극조립체(130)와 전기적으로 연결된 전극리드(125)를 각각 구비하는 복수의 파우치형 배터리 셀(120); 및 상기 전극리드(125)와 전기적으로 연결되는 전도성의 버스바(141)를 구비하는 버스바 조립체(140);를 포함하며, 상기 전극수용부(122)는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부(122a)와, 상기 몸체부(122a)의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장하여 돌출되고 상기 몸체부(122a)보다 작은 폭을 갖는 연장부(122b)를 구비하고, 상기 전극리드(125)는 상기 연장부(122b)의 폭방향 외측에 위치하며, 상기 버스바(141)는 상기 전극리드(125)에 상기 배터리 셀(120)의 상하방향으로 결합되고, 상기 버스바(141)는 상기 전극리드(125)에 결합된 상태에서 상기 배터리 셀(120)의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖는 배터리 모듈(100)을 제공한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩{Battery Module and Battery Pack Having the same}
본 발명은 복수개의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 구비하는 배터리 모듈 및 셀 적층체가 직접 설치되거나 배터리 모듈을 통하여 설치된 배터리 팩에 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 중이다. 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouch type) 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형 캔형(can type) 배터리 셀로 제조되어, 다수 개의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 사용하게 된다. 이때, 다수 개의 배터리 셀은 적층된 형태의 셀 적층체를 형성하여 모듈 하우징 내부에 배치되어 배터리 모듈을 이루게 된다.
도 1은 종래기술에 의한 각형 배터리셀(12)을 구비하는 배터리 모듈(10)의 일 예를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)은 모듈 프레임(11) 내부에 각형 배터리 셀(12)이 복수 개 적층되어 배치되는 구조를 갖는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 배터리 모듈(10)은 각형 배터리 셀(12)의 상부에 절연체(14) 및 배터리 셀(12)의 전극을 전기적으로 연결하는 버스바 조립체(13)가 배치되는 구성을 갖는다. 이때, 모듈 하우징(10)의 폭방향(도 2의 좌우 방향) 양측에 각각 돌출된 버스바 조립체(13) 사이에는 빈 공간이 형성된다.
각형 배터리 셀(12)을 구비하는 종래의 배터리 모듈(10)은 공간 활용도를 높이기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 버스바 조립체(13) 사이의 빈 공간에 지지부(15)를 개재하여 PCB(16) 또는 FPCB를 배치하는 구성을 갖는다. 그러나, 이 경우에도 버스바 조립체(13)와 PCB(16) 사이, 그리고, 버스바 조립체(13)와 모듈 하우징(11)의 측면 사이에 사공간(死空間, dead space)(DS)이 여전히 크게 발생하여 에너지 밀도(단위: Wh/kg 또는 Wh/L)가 저하된다는 문제점이 있다. 특히, 배터리 셀(12) 상측으로 돌출된 구조의 버스바 조립체(13) 사이의 공간은 PCB(16)나 FPCB의 설치를 위한 용도로만 사용된다. 따라서, 배터리 셀(12)의 폭(도 2에서 좌우방향 너비)이 커지는 경우 PCB(16)나 FPCB의 설치 후 남는 공간이 확대되어 사공간(DS)이 더욱 증가하게 된다. 이에 따라, 각형 배터리 셀(12)을 구비하는 종래기술에 의한 배터리 모듈(10)은 배터리 모듈(10)이 차지하는 공간을 충분히 활용할 수 없어서 공간 활용도 및 에너지 밀도가 저하된다는 문제점이 있다.
도 3은 종래기술에 의한 파우치형 배터리셀(30)을 구비하는 배터리 모듈(20)의 일 예를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 파우치형 배터리 셀(30)의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 파우치형 배터리 셀(30)의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 파우치형 배터리셀(30)을 구비하는 종래기술에 의한 배터리 모듈(20)은 모듈 하우징(21, 25) 내부에 복수 개의 파우치형 배터리 셀(30)이 적층된 상태로 배치된다. 모듈 하우징(21, 25)은 바닥부(22)와 측벽부(23)으로 구성되어 일측(예를 들어, 상측)이 개방된 형상을 갖는 하부 플레이트(21)와 하부 플레이트(21)의 개방된 일측을 덮는 커버 플레이트(25)를 포함할 수 있다. 이러한 모듈 하우징(21, 25)은 양단이 개방된 관 형상을 가질 수 있으며, 개방된 양단은 엔드 플레이트(26)에 의해 덮이는 구조를 가질 수 있다. 엔드 플레이트(26)와 배터리 셀(10)의 적층체 사이에는 버스바 조립체(30)가 구비될 수 있다. 버스바 조립체(30)는 전극리드(35)가 전기적으로 연결되는 버스바(미도시)와, 버스바에 전기적으로 연결되고 외부와의 전기적 접속을 위한 접속단자(32)를 구비할 수 있다. 그리고, 엔드 플레이트(26)에는 접속단자(32)를 외부로 노출시키기 위한 개구부(27)가 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 종래의 파우치형 배터리 셀(30)은 양극판, 음극판, 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체(미도시) 및 전극조립체를 감싸는 파우치(외장재)(31)를 포함할 수 있다. 파우치(31)는 전극조립체를 수용하는 부분을 형성하는 전극수용부(32)와, 전극조립체의 둘레를 따라 파우치(31)의 주변부가 접합되어 형성된 실링부(33; 33a, 33b)로 이루어진다.
또한, 파우치형 배터리 셀(30)은 전극조립체의 전극판(양극판, 음극판)와 연결되어 배터리 셀(30)의 폭방향(길이방향)(도 5에서 좌우방향) 양단에서 파우치(32)의 외측으로 돌출된 전극리드(35)와, 실링부(33a, 33b) 중에서 전극리드(35)가 인출되는 위치에서 파우치(31)의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보할 수 있는 절연부(35a)를 포함하는 형태를 갖는다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(30)은 폭방향(길이방향) 양단(양측 측부)에 실링부(33a)가 형성되고 실링부(33a) 외부로 전극리드(35)가 연장되는 구조를 가지므로 전극조립체의 전극판(양극판과 음극판)이 설치되는 영역(A')의 폭(길이)(L1)은 배터리 셀(30)의 전체 폭(길이)(L) 중에서 일부에 해당하는 영역만을 갖게 된다. 즉, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(30)은 배터리 셀의 양단에서 각각 전극리드(35)의 돌출길이와 실링부(33a)의 폭(L2)을 합한 폭(L3)만큼 전극판이 형성되지 않게 된다. 이와 같이, 파우치형 배터리 셀(30)의 경우 전극리드(35)가 노출된 일측 부분에서 전극판이 형성되지 않는 영역의 폭(길이)(L3)은 대략 20mm 내외이다. 양극판과 음극판에 각각 연결된 전극리드(35)가 배터리 셀(30)의 양측에 배치된다는 점을 고려하면, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(30)은 배터리 셀(30)의 전체 폭(길이)(L) 중에서 대략 40mm 내외의 폭(길이) 부분에 전극판이 설치되지 않게 된다. 특히, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(30)은 전극리드(35)의 높이와 관계없이(예를 들어, 전극리드의 높이가 전극조립체의 높이 중에서 어느 정도의 비율을 갖는 지와 관계없이) 배터리 셀(30)의 양단에서 일정 폭(L3)만큼 전극판이 설치되지 않게 된다. 따라서, 종래의 파우치형 배터리 셀(30)은 배터리 셀의 전체 면적 중에서 전극판이 설치되지 않는 부분의 비율이 크므로 용량손실이 많이 발생하고, 이에 따라 단위 체적당 에너지 밀도를 충분히 높일 수 없다는 문제점이 있다.
이와 같이, 종래기술에 의한 배터리 모듈(10, 20)은 각형 배터리셀(12)이 적층되어 형성된 구조(도 1 및 도 2)나 파우치형 배터리셀(30)이 적층되어 형성된 구조(도 3 내지 도 5) 모두에 있어서, 공간활용도 및 에너지 밀도가 저하된다는 문제점이 있다.
더욱이, 최근에는 전기자동차용 배터리 시스템에서 배터리 모듈이 차량 바닥면(즉, 좌석 아래)에 위치할 경우, 배터리 모듈의 높이가 낮으면 낮을수록 공간활용도가 높아지므로 배터리 셀의 높이를 낮게 하고 폭(길이)을 길게 한 장폭의 배터리 셀에 대한 수요가 증가하고 있다.
또한, 전체적인 전기적 용량 증대를 구현하기 위한 측면에서도 장폭의 파우치형 배터리 셀(30)이 차량용 등 다양한 용도로 개발되고 있으며, 점차 급속 충전 등의 요구도 증가하고 있다.
급속 충전을 위해서는 배터리 셀의 저항을 낮추어야 하는데, 파우치형 배터리 셀(30)의 경우 저항을 낮추기 위해서는 전극리드(35)의 상하방향 폭(도 4 및 도 5에서 전극리드의 높이)을 증대시키는 방법이 있다.
그러나, 종래기술에 의한 파우치형 배터리 셀(30)의 경우에는 배터리 셀(30)의 폭방향(길이방향)(도 5에서 좌우방향) 양단에서 전극리드(35)가 외부로 노출되는 구조를 가지므로 전극리드(35)의 폭이 배터리 셀(30)이 높이보다 작은 구조를 가질 수밖에 없다. 따라서, 배터리 셀의 저항 감소 목적으로 전극리드(35)의 폭을 증대시키기 위해서는 배터리 셀(30)의 높이를 증가시켜야 하지만, 이는 배터리 모듈(20)의 전체 높이를 감소시키고자 하는 최근 경향에 오히려 역행한다는 문제점이 있다(특히, 차량용 배터리 모듈의 경우에는 배터리 모듈 높이의 제약이 많다).
본 발명은 일 측면으로서, 종래의 배터리 셀, 특히 파우치형 배터리 셀을 복수개 구비하는 배터리 모듈에 비해 단위 체적당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 종래의 배터리 셀, 특히 파우치형 배터리 셀을 복수개 구비하는 배터리 모듈에 비해 공간활용도를 높일 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 버스바의 냉각 및 방열 성능을 개선할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 배터리 셀의 높이를 낮추면서도 에너지 밀도와 공간활용도를 향상시킬 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 급속 충전에 유리한 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은, 내부에 전극조립체를 수용하는 전극수용부와, 상기 전극수용부의 둘레 중 적어도 일부를 밀봉하는 실링부와, 상기 전극조립체와 전기적으로 연결된 전극리드를 각각 포함하는 복수의 파우치형 배터리 셀; 및 상기 전극리드와 전기적으로 연결되는 전도성의 버스바를 갖는 버스바 조립체;를 포함하며, 상기 전극수용부는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부와, 상기 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장하여 돌출되고 상기 몸체부보다 작은 폭을 갖는 연장부를 포함하고, 상기 전극리드는 상기 연장부의 폭방향 외측에 위치하며, 상기 버스바는 상기 전극리드에 상기 배터리 셀의 상하방향으로 결합되고, 상기 버스바는 상기 전극리드에 결합된 상태에서 상기 배터리 셀의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖는 배터리 모듈을 제공한다.
이때, 상기 전극리드의 끝단은 상기 배터리 셀의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
또한, 상기 버스바는 상기 전극리드가 상하방향으로 관통하여 결합하는 결합홀이 형성된 전도성의 버스바 몸체를 포함하며, 상기 버스바 조립체는 상기 버스바 몸체와 상기 전극수용부 사이에 배치되어 상기 버스바를 지지하며 상기 전극리드가 상하방향으로 관통하는 지지플레이트를 추가로 포함할 수 있다.
그리고, 상기 실링부는 상기 전극수용부의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부와, 상기 전극수용부의 상부에 형성된 제2 실링부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 실링부는 상기 연장부의 폭방향 양측 측부와 상부, 그리고 상기 몸체부 중에서 상기 연장부의 폭방향 양측에 위치한 부분의 상부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 실링부는 적어도 1번 절곡된 제1 절곡부를 포함하고, 상기 제2 실링부는 상기 연장부의 상부에 적어도 1번 절곡된 제2 절곡부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 실링부는 상기 몸체부의 상부에 형성된 부분과 상기 연장부의 상부에 형성된 부분 사이에 단차가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 전극리드는 상기 몸체부의 상부에 형성된 상기 제2 실링부를 통하여 외부로 노출될 수 있다. 또한, 상기 버스바는 상기 전극리드에 결합된 상태에서 상기 제2 절곡부의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 그리고, 상기 전극리드의 끝단은 상기 제2 절곡부의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 절곡부와 상기 제2 절곡부 중 적어도 하나는 2회 절곡된 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 제2 절곡부의 상부에는 상기 배터리 셀의 전압과 온도 중 적어도 하나를 감지하는 센싱모듈이 설치될 수 있다. 이때, 상기 센싱모듈 중 적어도 일부는 상기 버스바와 상기 연장부 사이에 배치되어 상기 제2 절곡부보다 낮은 높이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 복수의 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 상호 적층된 형상을 이룰 수 있다. 상기 양극판에는 상기 양극판의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장하여 돌출되는 양극판 연장부와, 상기 양극판의 폭방향 일측 가장자리에서 일측으로 돌출형성되고 상기 전극리드와 연결되는 양극탭이 형성되고, 상기 음극판에는 상기 음극판의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장하여 돌출되는 음극판 연장부와, 상기 음극판의 폭방향 타측 가장자리에서 일측으로 돌출형성되고 상기 전극리드와 연결되는 음극탭이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 전극수용부의 폭은 상기 전극수용부의 높이의 2배 이상의 크기를 가질 수 있으며, 상기 전극리드의 폭은 20mm 이상, 상기 전극수용부의 폭의 1/3 이하의 크기를 가질 수 있다.
또한, 복수의 상기 배터리 셀은 적층되어 셀 적층체를 이루며, 상기 배터리 셀은 이웃하는 배터리 셀과 양면테이프에 의해 부착될 수 있다. 그리고, 상기 셀 적층체는 상기 배터리 셀 사이에 배치되는 탄성재질의 완충패드를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀을 수용하는 내부공간이 형성되며 길이방향 양단이 개방된 파이프 형상을 갖는 모듈 하우징;을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 모듈 하우징의 개방된 양단에는 엔드 플레이트가 결합될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀의 냉각을 위하여 상기 모듈 하우징에 설치되어 냉각액체가 유동하도록 구성되는 냉각부재;를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 상기 버스바 조립체는 상기 냉각부재를 통해 냉각이 이루어지도록 상기 냉각부재가 설치된 상기 모듈 하우징 부분에 열적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은 전술한 배터리 모듈; 및 복수의 상기 배터리 모듈을 수용하기 위한 내부공간이 형성된 팩 하우징;을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
이때, 상기 배터리 모듈은 복수의 상기 배터리 셀의 적어도 일부분을 덮는 모듈 하우징을 추가로 포함하며, 상기 배터리 모듈은 상기 모듈 하우징을 통하여 상기 팩 하우징에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극수용부의 몸체부뿐만 아니라 몸체부의 폭방향 양측에서 상하방향으로 연장된 전극리드 사이의 공간에도 전극조립체(전극판)가 위치하는 구조를 갖는 배터리 셀을 복수 개 적층하고, 버스바가 전극리드에 결합된 상태에서 배터리 셀의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖도록 구성함으로써 배터리 모듈의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 배터리 모듈의 공간활용도를 높일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
특히, 전극수용부의 폭방향 양측 측부에 폭방향으로 전극리드가 노출되는 종래의 파우치형 배터리 셀을 복수 개 구비하는 배터리 모듈은 전극수용부의 폭방향 양측 측부를 전극조립체의 설치에 이용할 수 없지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈은 절곡부를 제외한 배터리 셀의 거의 모든 폭을 전극조립체의 설치에 충분히 활용할 수 있으므로 배터리 셀 자체의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀의 높이보다 폭(길이)이 큰 형상의 장폭의 배터리 셀의 구현이 가능하므로, 배터리 셀의 높이를 낮추면서도 에너지 밀도와 공간활용도를 향상시킬 수 있다는 효과가 있게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 장폭의 배터리 셀에서 상하방향으로 전극리드가 노출되는 구조를 가지므로, 전극리드가 외장재의 측면에서 노출되는 구조를 갖는 종래의 파우치형 배터리 셀에 비해 전극리드의 폭을 충분히 크게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극리드의 단면적(폭×두께) 증대가 가능하여 전극리드에 발생하는 저항을 감소시킬 수 있어서 배터리 셀, 배터리 모듈 및 배터리 팩의 급속 충전에 유리하다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 센싱모듈 중 적어도 일부가 배터리 셀의 외곽 높이보다 낮은 위치에서 전극조립체의 연장부와 버스바 사이에 위치하도록 함으로써 배터리 모듈에서 센싱모듈이 차지하는 공간을 높이를 낮출 수 있고, 이에 따라 배터리 모듈의 공간을 효율적으로 사용함과 동시에 배터리 모듈의 높이를 낮출 수 있다는 효과가 있게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉각액체가 유동하는 수냉식 냉각부재를 통하여 배터리 모듈의 냉각 및 방열을 수행할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 버스바 조립체가 모듈 하우징 부분에 열적으로 접촉하도록 함으로써 발열이 많이 발생하는 버스바 부분의 냉각 및 방열을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 의한 각형 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈의 일 예를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 I-I'선에 따른 단면도.
도 3은 종래기술에 의한 파우치형 배터리셀을 구비하는 배터리 모듈의 일 예를 도시한 분해 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 파우치형 배터리 셀의 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 파우치형 배터리 셀의 개략도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈의 일 예를 도시한 사시도로서 모듈 하우징을 제외한 상태를 도시함.
도 7은 도 6에 도시된 배터리 모듈에 구비되는 배터리 셀의 일 예를 도시한 사시도.
도 8은 도 7의 사각 박스 부분에 대한 확대도.
도 9는 도 7에 도시된 배터리 셀의 측면(넓은 면)을 도시한 개략도.
도 10은 도 7에 도시된 파우치(외장재)에 설치되는 전극 조립체 및 전극리드의 분해 사시도.
도 11은 도 6의 A-A' 선에 따른 단면도.
도 12는 도 6의 B-B' 선에 따른 부분 단면도.
도 13은 도 6의 C-C' 선에 따른 개략적 단면도.
도 14 및 도 15는 도 13에 도시된 배터리 모듈에 센싱모듈이 설치된 상태를 도시한 개략적 단면도.
도 16은 도 6에 도시된 배터리 모듈에 모듈 하우징의 하부 플레이트가 추가된 상태를 도시한 상태를 도시한 사시도.
도 17은 도 16에 도시된 배터리 모듈에 모듈 하우징의 커버부와 엔드 플레이트가 추가된 상태를 도시한 사시도.
도 18은 도 17에 도시된 배터리 모듈이 조립된 상태의 폭방향 단면도.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈의 폭방향 단면도.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩의 단면도.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩의 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.
먼저, 도 6 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)의 일 예를 도시한 사시도로서 모듈 하우징(170)을 제외한 상태를 도시하고 있으며, 도 7은 도 6에 도시된 배터리 모듈(100)에 구비되는 배터리 셀(120)의 일 예를 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7의 사각 박스 부분에 대한 확대도이고, 도 9는 도 7에 도시된 배터리 셀(120)의 측면(넓은 면)을 도시한 개략도이며, 도 10은 도 7에 도시된 파우치(외장재)(121)에 설치되는 전극조립체(130) 및 전극리드(125)의 분해 사시도이다. 또한, 도 11은 도 6의 A-A' 선에 따른 단면도이고, 도 12는 도 6의 B-B' 선에 따른 부분 단면도이고, 도 13은 도 6의 C-C' 선에 따른 개략적 단면도이다.
도 6 내지 도 13를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 복수의 파우치형 배터리 셀(120)과 버스바 조립체(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(120)과 이에 연결된 버스바 조립체(140)를 포함하여 구성되는 것을 의미하는 것으로 한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 배터리 모듈(100)은 도 16 내지 도 19에 도시된 모듈 하우징(170)을 필수적으로 구비하지 않을 수 있으며, 모듈 하우징(170)의 적어도 일부{예를 들어, 커버부(175)}가 결합되지 않은 상태로 배터리 팩(200)에 장착될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 파우치형 배터리 셀(120)은 복수개가 적층되어 셀 적층체(110)를 형성하게 되며, 배터리 셀(120)의 적층을 위하여 배터리 셀(120)은 이웃하는 배터리 셀(120)과 양면테이프(미도시)에 의해 부착될 수 있다. 양면테이프는 배터리 셀(120)의 측면(넓은 면)에 부착되어 복수의 배터리 셀(120)을 상호 고정하게 된다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 각각의 배터리 셀(120)은 파우치형(pouch type) 이차전지로 구성되며, 파우치(외장재)(121) 내에 전극조립체(도 10의 130)와 전해액이 수용된 형태를 가질 수 있다. 일 예로서, 본 발명의 실시예에서 배터리 셀(120)은 충전과 방전이 가능한 리튬 이온(Li-ion) 전지 또는 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지로 이루어질 수 있다. 또한, 배터리 셀(120)은 전극조립체(130)와 전기적으로 연결된 전극리드(125)가 파우치(121)의 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 파우치(121)는 전극수용부(122)와 실링부(123)로 구분될 수 있으며, 알루미늄 등의 소재로 이루어진 파우치 필름 외장재로 이루어질 수 있다. 전극수용부(122)는 용기 형태로 형성되어 사각 형상의 내부 공간을 제공한다. 전극수용부(122)의 내부 공간에는 전극조립체(130) 및 전해액이 수용된다. 전극수용부(122)는 전극조립체(130)에 대응하는 형상을 가지며, 전극조립체(130)의 수용을 위하여 전극조립체(130)보다 약간 큰 형상을 갖는다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 전극수용부(122)는 전극조립체(130)를 수용하도록 전극조립체(130)에 대응하는 형상을 갖는다. 즉, 전극수용부(122)는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부(122a)와, 몸체부(122a)의 폭방향 중앙부에서 일측(예를 들어, 상하 방향)으로 연장하여 돌출되고 몸체부(122a)보다 작은 폭을 갖는 연장부(122b)를 구비할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서 전극수용부(122)는 몸체부(122a)를 이루는 사각형과 몸체부(122a)보다 작은 폭을 갖는 연장부(122b)로 이루어지는 사각형이 결합된 형상을 가질 수 있다. 즉, 전극수용부(122)는 8개의 면을 갖는 '凸(철)'자 형상으로 형성될 수 있다.
실링부(123)는 파우치(121)의 적어도 일부가 접합되어 전극수용부(122)의 둘레를 밀봉하는 부분이다. 실링부(123)는 전극수용부(122)의 둘레 중 적어도 일부에 전극조립체(122)의 밀봉을 위하여 형성된다. 따라서, 실링부(123)는 용기 형태로 형성되는 전극수용부(122)에서 외부로 확장되는 플랜지 형태로 형성되며, 전극수용부(122)의 외곽 중 적어도 일부분을 따라 배치된다. 실링부(123) 형성을 위한 파우치(121)의 접합에는 열융착 방식이 이용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예에서 실링부(123)는 전극수용부(122)의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부(123a)와, 전극수용부(110)의 상부에 형성된 제2 실링부(123b)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 파우치(121)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 전극수용부(122)}을 형성하도록 외장재를 접어 파우치(121)를 완성할 수 있다. 그리고 전극수용부(122)의 외곽에는 외장재가 접합되어 형성되는 실링부(123)가 구비된다. 그러나 상기한 바와 같이, 외장재가 접히는 면에는 실링부(123)를 형성할 필요가 없다. 따라서 본 실시예에서 실링부(123)는 전극수용부(122)의 외곽에 형성되되, 전극수용부(122)의 상하좌우 면 중에서 세 면에만 구비되며, 전극수용부(122)의 외곽 중 어느 한 면(도 7 내지 도 9에서 하부면)에는 실링부(123)가 배치되지 않을 수 있다.
또한, 본 실시예에서 실링부(123)는 전극수용부(122)의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부(123a)와, 전극수용부(122)의 상부에 형성된 제2 실링부(123b)를 포함할 수 있다.
제2 실링부(123b)는 전극수용부(122)의 연장부(122b)의 폭방향 양측 측부와 상부, 그리고 몸체부(122a) 중에서 연장부(122b)의 폭방향 양측에 위치한 부분의 상부에 형성될 수 있다.
또한, 전극리드(125)는 몸체부(122a) 중에서 연장부(122b)의 폭방향 양측에 위치한 제2 실링부(123b)를 통하여 외부로 노출될 수 있다. 이때, 전극리드(125)가 인출되는 위치에서 제2 실링부(123b)의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보할 수 있도록 전극리드(125)는 절연부(126)에 의해 덮인 상태를 가질 수 있다.
또한, 본 실시예의 배터리 셀(120)은 실링부(123)의 접합 신뢰성을 높이고 실링부(123)의 면적을 줄이기 위하여, 실링부(123)는 적어도 한 번 절곡된(접힌) 형태로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 파우치(121)는 실링부(123) 중에서 전극리드(125)가 배치되지 않은 영역을 절곡하여 절곡부(123c, 123d)를 형성할 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 제1 실링부(123a)는 적어도 1번 절곡된 제1 절곡부(123c)를 구비하며, 제2 실링부(123b)는 전극리드(125)가 노출되지 않는 연장부(122b)의 상부 부분에 적어도 1번 절곡된 제2 절곡부(123d)를 구비할 수 있다.
실링부(123)의 밀봉을 보다 확실하게 수행하고 실링부(123)의 면적을 최소화하기 위하여 제1 절곡부(123c)와 제2 절곡부(123d) 중 적어도 하나는 2회 절곡된 형상을 가질 수도 있다.
도 9를 참조하면, 제1 실링부(123a)는 절곡되기 전의 상태에서 전극수용부(122)로부터 제1 실링부 끝단라인(SL1)까지 연장되는 형상을 갖는다.
도 8을 참조하면, 제1 실링부(123a)는 제1 절곡선(C1)을 따라 180° 접힌 후 제2 절곡선(C2)을 따라 다시 접혀 제1 절곡부(123c)를 형성할 수 있다. 이때, 제1 실링부(123a)의 내부에는 접착부재(124)가 충진될 수 있으며, 접착부재(124)에 의해 제1 실링부(123a)는 제1 절곡부(123c)의 형상을 유지할 수 있다. 접착부재(124)는 열전도도가 높은 접착제로 형성될 수 있다. 예컨대, 접착 부재(124)는 에폭시나 실리콘으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 제1 실링부(123a)에 제1 절곡부(123c)를 형성함으로써 배터리 셀(120)에서 제1 실링부(123a)가 차지하는 부피를 줄일 수 있게 된다.
제2 실링부(123b)는 절곡되기 전의 상태에서 전극수용부(122)로부터 제2 실링부 끝단라인(SL2)까지 연장되는 형상을 갖는다. 도 8을 참조하면, 제2 실링부(123b)는 제1 절곡선(C1)을 따라 180° 접힌 후 제2 절곡선(C2)을 따라 다시 접혀 제2 절곡부(123d)를 형성할 수 있다. 이때, 제2 실링부(123b)의 내부에는 접착 부재(124)가 충진될 수 있으며, 접착부재에 의해 제2 실링부(123b)는 제2 절곡부(123d)의 형상을 유지할 수 있다. 이와 같이, 제2 실링부(123b)에 제2 절곡부(123d)를 형성함으로써 배터리 셀(120)에서 제2 실링부(123b)가 차지하는 부피를 줄일 수 있게 된다.
또한, 전극리드(125)가 노출되지 않는 연장부(122b)의 상부 부분에 제2 절곡부(123d)를 형성하기 위하여, 제2 실링부(123b)는 몸체부(122a)의 상부에 형성된 부분(도 9의 확대도에서 좌측 부분)과 연장부(122b)의 상부에 형성된 부분(도 9의 확대도에서 우측 부분) 사이에 단차가 형성될 수 있다. 즉, 연장부(122b)의 상부 부분에 형성된 제2 실링부(123b) 부분은 몸체부(122a)의 상부에 형성된 제2 실링부(123b) 부분보다 높은 위치에 위치하므로 연장부(122b)의 상부 부분에 형성된 제2 실링부(123b)의 양단이 다른 구성과 접촉하지 않는 개방된 상태가 되고, 이에 따라 제2 절곡부(123d)를 용이하게 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 사용되는 파우치(121)는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 한 장의 외장재를 접어 상하좌우 면 중에서 3면에 실링부(123)가 형성되는 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 2장의 외장재를 겹쳐 전극수용부(122)를 형성하고, 전극수용부(122) 둘레의 상하좌우 면 모두에 실링부(123)가 형성되는 것도 가능하다.
도 10을 참조하면, 전극조립체(130)는 다수의 전극판(131, 133)과 세퍼레이터(135)를 구비하며 파우치(121)의 전극수용부(122) 내에 수납된다. 전극판(131, 133)은 전극수용부(110)와 서로 대응하는 크기와 형상을 가지며, 전극수용부(110)의 내부에 수용되므로 전극수용부(122)의 크기는 전극판(131, 133)보다 약간 크게 형성될 수 있다.
전극판(131, 133)은 시트 형상의 양극판(131)과 시트 형상의 음극판(133)으로 구성되며, 전극조립체(130)는 양극판(131)과 음극판(133)의 넓은 면이 서로 마주보도록 한 상태에서 양극판(131)과 음극판(133)이 시트 형상의 세퍼레이터(135)를 사이에 두고 적층된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 전극조립체(130)는 복수의 양극판(131), 음극판(133) 및 세퍼레이터(135)를 구비하며, 시트 형상의 양극판(131), 세퍼레이터(135), 음극판(133), 세퍼레이터(135)가 순서대로 적층되는 구조를 갖는다. 양극판(131)과 음극판(133)은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성될 수 있으며, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
양극판(131)은 높이보다 큰 폭을 갖는 양극판 몸체부(131a)와, 양극판 몸체부(131a)의 폭방향 중앙부에서 일측(예를 들어, 상하 방향)으로 연장되고 양극판 몸체부(131a)보다 작은 폭을 갖는 양극판 연장부(131b)를 포함할 수 있다. 또한, 양극판(131)은 양극판 몸체부(131a)의 폭방향 일측 가장자리(예를 들어, 좌측)에서 양극판 몸체부(131a)의 일측(예를 들어, 상측)으로 돌출 형성되며 일측의 전극리드(125)와 연결되는 양극탭(132)을 포함할 수 있다.
양극판(131)과 유사하게 음극판(133)은 높이보다 큰 폭을 갖는 음극판 몸체부(133a)와, 음극판 몸체부(133a)의 폭방향 중앙부에서 일측(예를 들어, 상하 방향)으로 연장되고 음극판 몸체부(133a)보다 작은 폭을 갖는 음극판 연장부(133b)를 포함할 수 있다. 또한, 음극판(133)은 음극판 몸체부(133a)의 폭방향 타측 가장자리(예를 들어, 우측)에서 음극판 몸체부(133a)의 일측(예를 들어, 상측)으로 돌출되며 타측의 전극리드(125)와 연결되는 음극탭(134)을 포함할 수 있다.
즉, 양극탭(132)과 음극탭(134)은 각각 전극조립체(130)의 폭방향 양측에서 상측 방향으로 돌출되는 형상을 가질 수 있으며, 양극과 음극에 대응하는 전극리드(125), 즉 양극리드(125a)와 음극리드(125b)에 각각 연결될 수 있다.
양극판 연장부(131b)와 양극탭(132)이 형성된 양극판(131)과, 음극판 연장부(133b)와 음극탭(134)이 형성된 음극판(133)은 시트 형상의 전극판 소재를 준비하고 양극판(131)과 음극판(133)의 형상에 각각 대응하도록 전극판 소재의 둘레에 노칭 작업을 수행함으로써 형성될 수 있다.
그리고, 세퍼레이터(135)는 양극판(131)과 음극판(133)을 전기적으로 분리하기 위하여 양극판(131)과 음극판(133)보다 약간 큰 크기를 갖는다.
또한, 전극리드(125)는 전극조립체(130)의 양극판과 음극판에 각각 전기적으로 연결되는 양극리드(125a)와 음극리드(125b)를 포함한다. 양극리드(125a)는 양극판(131)의 폭방향 일측에서 상측으로 연장된 형상을 갖는 복수의 양극탭(132)과 연결되고, 음극리드(125b)는 음극판(133)의 폭방향 타측에서 상측으로 연장된 형상을 갖는 복수의 음극탭(134)과 연결될 수 있다. 즉, 전극리드(125)는 전극수용부(122)의 몸체부(122a)의 폭방향 양측에서 각각 일측(예를 들어, 상하방향)으로 연장된 형상을 갖는다. 또한, 전극리드(125)는 전극수용부(122)의 연장부(122b)의 폭방향 외측에서 전극조립체(130)에 연결된다. 한편, 전극리드(125)는 파우치(121)의 외부로 필요 이상으로 노출되지 않도록 실링부(123)를 형성한 후 절단라인(CL)을 기준으로 절단될 수 있다. 이때, 절단라인(CL)을 기준으로 한 전극리드(140)의 높이(도 13의 HA)는 배터리 셀(120)의 외곽 높이(도 13의 HT)보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
배터리 셀(120)은 복수개가 적층되어 셀 적층체(110)를 형성하며, 셀 적층체(110)의 형상을 유지하기 위하여 이웃하는 배터리 셀(120)은 양면테이프에 의해 서로 부착될 수 있다.
도 6 및 도 11을 참조하면, 셀 적층체(110)에는 적어도 하나의 완충패드(115)가 배치될 수 있다. 완충패드(115)는 배터리 셀(120)과 모듈 하우징(170)의 측벽부(173) 사이에 배치될 수 있으며, 배터리 셀(120) 사이에도 배치될 수 있다(도 11, 도 18 및 도 19 참조). 이러한 완충패드(115)는 특정 배터리 셀(120)이 스웰링(swelling) 현상에 의해 팽창하는 경우 압축되며 탄성 변형될 수 있으므로, 셀 적층체(110)의 전체의 부피가 팽창하는 것을 억제할 수 있다. 이를 위해 완충패드(115)는 폴리우레탄 재질의 폼(foam)으로 구성될 수 있으나 그 재질은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6, 도 12 및 도 13을 참조하면, 버스바 조립체(140)는 배터리 셀(120)의 전극리드(125)와 전기적으로 연결되는 전도성의 버스바(141)와 전기 절연성의 지지 플레이트(145)를 구비할 수 있다.
버스바(141)는 전극리드(125)가 상하방향으로 관통하여 결합하는 결합홀(143)이 형성된 전도성의 버스바 몸체(142)를 구비할 수 있다.
배터리 셀(120)의 전극리드(125)는 전극수용부(122)의 몸체부(122a)의 폭방향 양측에서 각각 상하방향으로 연장되어 전극판(131, 133)에 연결되는 구조를 갖는다. 따라서, 전극리드(125)에 전기적으로 연결되는 버스바(141)는 전극수용부(122)의 연장부(122b)의 폭방향 외측에서 배터리 셀(120)의 상하방향으로 이동하여 전극리드(125)에 결합된다. 전극리드(125)와 버스바(141)의 결합은 전극리드(125)가 버스바 몸체(142)의 관통홀을 관통한 상태, 즉 전극리드(125)가 버스바 몸체(142)의 외측으로 돌출되도록 한 상태에서 용접에 의해 수행될 수 있다.
전극리드(125)와 버스바(141)가 결합된 상태에서 버스바(141) 외측으로 필요 이상으로 돌출된 전극리드(125) 상단 부분은 배터리 셀(120)과 버스바 조립체(140)의 결합 이후에 절단라인(도 7 내지 도 9의 CL)을 기준으로 절단될 수 있다. 이에 따라, 전극리드(125)의 끝단은 제2 절곡부(123d)의 외곽 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
도 6, 도 12 및 도 13을 참조하면, 지지 플레이트(145)는 버스바 몸체(142)와 전극수용부(122) 사이에 배치되어 버스바(141)를 지지하며 전극리드(125)가 상하방향으로 관통하도록 형성된다. 즉, 전극리드(125)는 지지 플레이트(145)를 상하방향으로 관통한 후 버스바(141)에 형성된 관통홀을 통하여 버스바(141) 상측으로 노출될 수 있다. 이때, 전극리드(125)의 단부는 도 12에 도시된 바와 같이 벤딩되지 않은 구조, 즉 직선 형상을 가진 채로 버스바(141)에 결합될 수 있다. 이에 따라, 전극리드(125)에 벤딩을 수행하는 공정을 생략할 수 있고, 전극리드(125)와 버스바(141)의 결합이 용이하게 이루어질 수 있다. 한편, 지지 플레이트(145)에는 버스바(141)의 측면을 지지하는 구획돌기(145a)가 형성될 수 있다.
또한, 버스바(141)는 외부와의 전기적 연결을 위한 접속단자부(144)를 구비할 수 있으며, 접속홀(144c)에 플러그(미도시) 등 접속기구가 연결되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 접속홀(144c)은 외부 접속기구가 연결될 수 있도록 상하방향으로 관통된 홀 형상을 갖는다. 또한, 접속단자부(144)는 상하방향으로 관통된 접속홀(144c)을 형성하기 위하여 버스바 몸체(142)에 연결되며, 버스바 몸체(142)에 대하여 하방으로 절곡된 형상을 갖는 제1 몸체(144a)와, 제1 몸체(144a)로부터 절곡되어 버스바 몸체(142)와 평행한 방향으로 연장된 제2 몸체(144b)를 구비할 수 있다. 접속홀(144c)은 제2 몸체(144b)에 구비될 수 있다. 이러한 접속홀(144c)은 후술하는 바와 같이 엔드 플레이트(176)의 개구부(176a)를 통해 외부로 노출되어 외부 접속기구와 연결될 수 있다.
도 13을 참조하면, 버스바(141)의 높이(HB)는 버스바(141)가 전극리드(125)에 결합된 상태에서 배터리 셀(120)의 외곽 높이(HT)보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 이때, 배터리 셀(120)의 최대 높이가 형성되는 부분은 제2 절곡부(123d)이므로 버스바(141)의 높이(HB)는 버스바(141)가 전극리드(125)에 결합된 상태에서 제2 절곡부(123d)의 외곽의 높이(HT)보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
또한, 버스바(141)와 전극리드(125)가 결합된 상태에서 전극리드(125)가 버스바(141)의 외측(상측)으로 노출되며, 전극리드(125) 끝단의 높이(HA)는 배터리 셀(120)의 외곽 높이(HT)보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에서 전극리드(125) 끝단의 높이(HA)는 배터리 셀(120)과 버스바 조립체(140)의 결합 이후에(또는 이전에) 전극리드(125)가 절단라인(도 7 내지 도 9의 CL)을 기준으로 절단된 이후의 높이를 의미하는 것으로 한다. 그리고, 전극리드(125) 끝단의 높이(HA)는 버스바(141)가 전극리드(125)에 결합된 상태에서 제2 절곡부(123d)의 외곽의 높이(HT)보다 낮은 높이를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 양극판(131)은 양극판 몸체부(131a)와 양극판 연장부(131b)를 구비하며, 음극판(133)은 음극판 몸체부(133a)와 음극판 연장부(133b)를 구비한다. 또한, 양극판(131)과 음극판(133)은 서로 대응하는 크기와 형상을 갖는다.
도 9를 참조하면, 양극판(131)과 음극판(133)을 포함하여 구성되는 전극판(131, 133)의 전체 높이(H)는 전극판 몸체부(131a, 133a)의 높이(H1)와, 전극판 연장부(131b, 133b)의 높이(H2)의 높이를 합한 값을 갖는다. 또한, 전극판(131, 133)의 전체 폭(W)은 전극판 연장부(131b, 133b)의 폭(W1)과 전극판 몸체부(131a, 133a) 중에서 전극판 연장부(131b, 133b)의 양측으로 연장된 부분의 폭(W2, W3)을 합한 값을 갖는다. 그리고, 전극판(131, 133)의 전체 면적(A)은 전극판 몸체부(131a, 133a)의 면적(A1)과, 전극판 연장부(131b, 133b)의 면적(A2)의 면적을 합한 면적이 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀(120)은 전극리드(125) 사이의 공간에 전극판 연장부(131b, 133b)가 연장된 형상을 가지므로 전극판 연장부(131b, 133b)의 면적(A2)만큼 전극판(131, 133)의 면적을 증가시킬 수 있다. 따라서, 배터리 셀(120)의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
또한, 전극판(131, 133)에 크기와 형상에 대응하여 전극수용부(122)가 형성되므로 전극수용부(122)의 높이, 폭, 면적은 전극판(131, 133)의 높이, 폭, 면적에 대응하는 크기를 갖는다.
이때, 전극판(131, 133)의 폭(W)은 전극판(131, 133)의 높이(H)의 2배 이상의 크기를 가질 수 있으며, 전극판(131, 133)에 대응하는 형상과 크기를 갖는 전극수용부(122)의 폭은 전극수용부(122)의 높이의 2배 이상의 크기를 가질 수 있다. 이와 마찬가지로, 절곡부(123c, 123d)가 형성된 상태에서 배터리 셀(120)의 폭은 배터리 셀(120)의 높이의 2배 이상의 크기를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 전극판(131, 133)의 폭(W)이 전극판(131, 133)의 높이(H)의 2배 이상의 크기를 가지므로 전극리드(125)의 폭을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 즉, 전극리드(125)는 전극판(131, 133)의 양측에서 상측방향으로 연장된 형상을 갖고, 전극리드(125)의 사이에 전극판 연장부(131b, 133b)가 위치하므로, 전극리드(125)의 폭(도 9에서 전극리드(125)의 가로방향 너비)은 전극판(131, 133)의 폭(W)의 1/3까지 연장될 수 있다. 이에 따라, 전극리드(35)가 파우치(31)의 양 측면에서 노출되는 구조를 갖는 종래의 파우치형 배터리 셀(30)(도 4 및 도 5 참조)에 비해 전극리드(125)의 폭을 충분히 크게 할 수 있다. 이때, 전극리드(125)의 최소 폭은 통상적으로 20mm로 제한된다. 즉, 본 발명의 실시예에서 전극리드(125)의 폭은 20mm 이상, 전극수용부(122)의 폭{전극판(131, 133)의 폭(W)와 유사한 크기를 가짐}의 1/3 이하의 크기를 가질 수 있다.
또한, 전극리드(125)의 두께는 최소 0.15mm 내지 1mm의 값을 가질 수 있다. 통상적으로는 구리(Cu) 재질의 전극리드(예를 들어, 음극리드)의 경우 0.3mm, 알루미늄(Al) 재질의 전극리드(예를 들어, 양극리드)의 경우 0.4mm를 많이 사용하고 있으나, 전극리드(125)의 폭(WT)의 폭에 따라 전극리드(125)의 두께를 조절함으로써 전극리드의 단면적을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극리드(125)의 폭과 두께를 모두 증가시키거나 전극리드(125)의 두께가 고정된 상태에서 전극리드(125)의 폭을 크게 할 수 있으므로 전극리드(125)의 단면적(폭×두께) 증대가 가능하여 전극리드(125)에 발생하는 저항을 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 셀(120)은 전기저항을 감소시킬 수 있어서 급속 충전에 유리하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전극수용부(122)의 몸체부(122a)뿐만 아니라 전극리드(125) 사이의 공간에도 전극판(131, 133)이 위치하는 구조를 갖는 배터리 셀(120)을 복수 개 적층하고, 버스바(141)가 전극리드(125)에 결합된 상태에서 버스바(141)의 높이 또는 전극리드(125)의 높이가 배터리 셀(120)의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖도록 구성함으로써 배터리 모듈(100)의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 공간활용도를 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면 버스바(141) 또는 전극리드(125)가 배터리 셀(120)의 외곽으로 노출되지 않으므로 배터리 셀(120)의 외곽 높이를 벗어나 상부에 버스바(141) 설치를 위한 별도의 공간이 필요치 않으므로 배터리 모듈(100)의 높이를 낮출 수 있게 된다.
특히, 전극수용부(32)의 폭방향 양측에서 전극리드(35)가 노출되는 종래의 파우치형 배터리 셀(30)(도 4 및 도 5 참조)은 전극수용부(32)의 폭방향 양측을 전극조립체의 설치에 이용할 수 없지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 제1 절곡부(123c)를 제외한 배터리 셀(120)의 거의 모든 폭을 전극판(131, 133)의 설치에 충분히 활용할 수 있으므로 배터리 셀(120) 자체의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 실시예에 의하면, 배터리 셀(120)의 높이보다 폭(길이)이 큰 형상의 장폭의 배터리 셀(120)의 구현이 가능하게 되므로 동일한 에너지 밀도를 구현하기 위하여 배터리 셀(120)의 높이를 낮추고 폭을 길게 구성하는 것이 가능하다.
특히, 최근에 배터리 모듈 수요처(예를 들어, 자동차 메이커)에서는 배터리 모듈(100)의 전체 높이를 낮춤으로써 얻을 수 있는 차량 주행 안정성의 향상에 많은 관심을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(120)의 높이를 낮출 수 있고, 배터리 셀(120)에 버스바 조립체(140)가 결합된 상태에서 배터리 모듈(100)의 높이를 낮추는 것이 가능하므로, 배터리 모듈(100) 수요처의 요구에 부응하여 배터리 모듈(100) 전체의 높이를 충분히 감소시킬 수 있게 된다(캔형 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈의 수준까지도 낮추는 것이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이 센싱모듈(150)을 추가로 포함할 수 있다.
도 14 및 도 15는 도 13에 도시된 배터리 모듈(100)에 센싱모듈(150)이 설치된 상태를 도시한 개략적 단면도이다.
센싱모듈(150)은 배터리 셀(120)의 전압과 온도 중 적어도 하나를 감지하도록 구성되며, 제2 절곡부(123d)의 상부에 설치될 수 있다. 센싱모듈(150)은 배터리 셀(120)의 전압을 측정하는 전압센서(미도시)와 배터리 셀(120)의 온도를 측정하는 온도센서(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 센싱모듈(150)은 배터리 모듈(100)의 양단에 설치된 버스바 조립체(140) 부분을 전기적으로 연결하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 센싱모듈(150)은 도 14에 도시된 바와 같이, FPCB(Flexible Printed Circuit Board)(151)를 포함하여 구성될 수도 있고, 도 15에 도시된 바와 같이 PCB(Printed Circuit Board)(152)를 포함하여 구성될 수도 있다. 버스바 조립체(140) 부분에 설치된 PCB(152)는 전압센서 및/또는 온도센서를 포함할 수 있으며, 배터리 모듈(100)의 양단에 설치된 PCB(152)를 연결하기 위하여 전기적 연결 및 신호전달이 가능한 연결부(153)를 포함할 수 있다.
이때, 센싱모듈(150) 중 적어도 일부는 버스바(141)와 연장부(122b) 사이의 공간에 배치되어 제2 절곡부(123d)보다 낮은 높이에 위치에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 센싱모듈(150)의 일부분, 즉 PCB(152), 온도센서, 전압센서 중 적어도 일부는 제2 절곡부(123d)의 상부에서 제2 절곡부(123d)보다 낮은 위치까지 연장되어 배치되는 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈(100)에서 센싱모듈(150)의 PCB(152), 온도센서, 전압센서 중 적어도 일부가 차지하는 공간을 높이를 낮출 수 있고, 이에 따라 배터리 모듈(100)의 공간을 효율적으로 사용함과 동시에 배터리 모듈(100)의 높이를 낮출 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 도 16 내지 도 17에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(170)을 추가로 포함할 수 있고, 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(170)과 냉각부재(180)를 추가로 포함할 수 있다.
도 16은 도 6에 도시된 배터리 모듈(100)에 모듈 하우징(170)의 하부 플레이트(171)가 추가된 상태를 도시한 상태를 도시한 사시도이고, 도 17은 도 16에 도시된 배터리 모듈(100)에 모듈 하우징(170)의 커버부(175)와 엔드 플레이트(176)가 추가된 상태를 도시한 사시도이고, 도 18은 도 17에 도시된 배터리 모듈(100)이 조립된 상태의 폭방향 단면도이며, 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈(100)의 폭방향 단면도이다. 도 18 및 도 19에 도시된 배터리 모듈(100)의 경우 모듈 하우징(170)에 냉각부재(180)가 추가된 상태를 도시하고 있다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 모듈 하우징(170)은 배터리 모듈(100)의 외관을 구성하며, 복수 개의 배터리 셀(120)이 적층되어 형성된 셀 적층체(110) 외부에 배치되어 외부 환경으로부터 배터리 셀(120)을 보호하게 된다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 모듈 하우징(170)을 필수적으로 포함하는 것은 아니며, 도 21에 도시된 바와 같이 모듈 하우징(170)을 개재하지 않고 버스바 조립체(140)가 연결된 셀 적층체(110) 상태로 배터리 팩(200)에 복수 개가 장착되는 것도 가능하다.
모듈 하우징(170)은 배터리 셀(120)을 수용하는 내부공간이 형성되며 길이방향 양단이 개방된 파이프 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 모듈 하우징(170)은, 일측이 개방된 단면 형상, 예를 들어 U형 단면(본 명세서에서, U형 단면은 모서리에 각이 진 형상을 포함하는 것으로 한다)을 갖는 하부 플레이트(171)와, 하부 플레이트(171)와 합형되어 배터리 셀(120)이 수용되는 내부공간을 형성하는 커버부(175)가 결합되어 파이프 형상의 구조를 형성할 수 있다. 이와는 달리, 모듈 하우징(170)은 하부 플레이트(171)와 커버부(175)가 일체로 형성된 양단 개방형의 모노 프레임 구조를 가질 수도 있다.
이하에서는 도 16 내지 도 19를 참조하여, 하부 플레이트(171)와 커버부(175)가 결합되어 형성되는 모듈 하우징(170)을 예로 들어 설명하기로 한다.
모듈 하우징(170)의 내부공간에는 셀 적층체(110)가 배치되며, 모듈 하우징(170)을 구성하는 적어도 일면은 배터리 셀(120)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열 플레이트로서 기능할 수 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 하부 플레이트(171)는 일측이 개방된 U형 단면을 형성하기 위하여, 배터리 셀(120)의 하부를 지지하는 바닥부(172)와, 바닥부(172)의 폭방향 양단에서 상측으로 연장되며 배터리 셀(120)의 측면(넓은 면)을 지지하는 측벽부(173)를 포함할 수 있다. 하부 플레이트(171)는 바닥부(172)와 측벽부(173)가 일체형으로 이루어지는 구조를 가질 수 있다. 또한, 하부 플레이트(171)는 폭방향 단면이 길이방향을 따라 일정한 형상을 가질 수 있으며, 압출공정에 의해 제조될 수 있다. 다만, 필요에 따라 측벽부(173)와 바닥부(172)를 독립적인 부품으로 구성한 후 결합/접합하여 하부 플레이트(171)를 구성하는 것도 가능하다.
측벽부(173)는 바닥부(172)의 폭방향 양단에서 연장되어 형성되며, 좌우방향으로 적층 배치된 셀 적층체(110)의 측면(넓은 면)에 대응하여 배터리 셀(120)의 측면을 지지한다. 이때, 배터리 셀(120)의 측면은 측벽부(173)와 직접 접촉할 수도 있으나, 도 18 및 도 19에 되된 바와 같이 측벽부(173)와 배터리 셀(120)의 측면 사이에 방열패드나 완충패드(115)가 개재되는 것도 가능하다. 완충패드(115)는 배터리 셀(120) 사이에도 부분적으로 구비될 수 있다. 이러한 완충패드(115)는 스웰링 현상에 의한 배터리 셀(120)의 팽창을 흡수할 수 있도록 탄성재질로 이루어지며, 스웰링 현상 발생 시 탄성 변형되어 측벽부(173)에 가해지는 힘을 완충시켜 측벽부(173)의 변형을 줄일 수 있게 된다.
하부 플레이트(171)는 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성된다. 예를 들어, 하부 플레이트(171)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 하부 플레이트(171)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
또한, 커버부(175)는 하부 플레이트(171)의 개방된 일측, 즉 측벽부(173)의 상단을 덮도록 구성된다. 커버부(175)는 하부 플레이트(171)와 마찬가지로 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성되거나, 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 하부 플레이트(171)와 커버부(175)의 결합은 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이 체결홀(171a, 175a)에 볼트/너트, 나사 등의 체결부재를 통해 수행될 수 있다. 다만, 하부 플레이트(171)와 커버부(175)의 결합은 측벽부(173)와 커버부(175)의 접촉면을 용접(예를 들어, 레이저 용접 등)하거나, 슬라이딩 방식이나 본딩으로 결합하는 등 다양한 변형이 가능하다.
한편, 도 17을 참조하면, 모듈 하우징(170)은 개방된 양단을 덮도록 모듈 하우징(170)의 길이방향 전면과 후면에 배치되는 엔드 플레이트(176)를 포함할 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(176)는 하부 플레이트(171)와 커버부(175)에 결합되어 하부 플레이트(171), 커버부(175)와 함께 모듈 하우징(170)의 외관을 형성한다.
엔드 플레이트(176)의 몸체는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있으며 다이캐스팅이나 압출/프레스 등의 공정으로 제작 가능하다. 또한, 엔드 플레이트(176)는 버스바 조립체(140)의 접속단자부(144)의 접속홀(144c)을 외부로 노출시키기 위한 개구부(176a)를 구비할 수 있다.
엔드 플레이트(176)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 하부 플레이트(171) 및 커버부(175)에 결합될 수 있다. 그러나, 엔드 플레이트(176)의 결합방식은 이에 한정되는 것은 아니다.
도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 냉각부재(180)는 배터리 셀(120)의 냉각을 위하여 모듈 하우징(170)에 설치되어 냉각액체가 유동하도록 구성된다.
냉각부재(180)는 배터리 셀(120)로부터 모듈 하우징(170)으로 전달된 열을 방출하기 위하여 모듈 하우징(170)의 바닥부(172)에 배치될 수 있다. 이와는 달리 냉각부재(180)는 모듈 하우징(170)의 커버부(175)에 배치될 수도 있으며, 바닥부(172)와 커버부(175)에 모두 배치되는 것도 가능하다.
냉각부재(180)에는 냉각유체가 유동하는 냉각유로(181)가 형성될 수 있다. 냉각부재(180)는 모듈 하우징(170)과는 별도로 구성되는 냉각 플레이트의 내부에 관통 구조의 냉각유로(181)를 형성하고 별도의 냉각 플레이트를 바닥부(172)의 하면에 부착하는 형태로 이루어질 수 있다. 이와는 달리, 냉각부재(180)는 냉각유로(181)에 해당하는 오목부를 구비하는 냉각 플레이트를 바닥부(172)의 하면에 부착하고 냉각 플레이트와 바닥부(172)의 하면 사이에 냉각유로(181)가 형성되는 구조로 이루어질 수도 있다.
또한, 냉각부재(180)는 바닥부(172)와 일체로 형성되는 것도 가능하다. 즉, 바닥부(172)의 내부에 냉각유체가 유동할 수 있는 내부공간을 관통 형성하고, 이러한 내부공간을 냉각유로(181)로 이용할 수도 있다.
그리고, 냉각부재(180)는 냉각유로(181)에 냉각액체가 유동하는 수냉식 냉각기구가 이용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉각액체가 유동하는 수냉식 냉각부재(180)를 통하여 배터리 셀(120)로부터 모듈 하우징(170)으로 전달된 열을 냉각액체를 통하여 외부로 방출함으로써 배터리 모듈(100)의 냉각을 수행할 수 있게 된다.
그리고, 배터리 셀(120)로부터 모듈 하우징(170)으로의 열전달이 용이하게 이루어질 수 있도록 배터리 셀(120)과 모듈 하우징(170)의 바닥부(172) 사이에는 열전달 부재(미도시)가 배치 또는 도포될 수 있다. 배터리 셀(120)에서 발생한 열은 열전달 부재의 높은 열전도성으로 인해 바닥부(172)에 효과적으로 전달될 수 있고, 이후 냉각부재(180)를 통해 충분한 방열이 이루어질 수 있다.
열전달 부재는 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 부재는 배터리 셀(120)의 하면과 바닥부(172)의 상면 사이에 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포하여 형성할 수 있다. 또한, 본 실시예의 열전달 부재는 높은 절연성을 갖도록 구성되는 것도 가능하다.
한편, 도 18의 실시예서는 버스바 조립체(140)가 모듈 하우징(170)의 상부에 위치하고 냉각부재(180)가 모듈 하우징(170)의 하부에 위치하는 구성을 도시하고 있지만, 도 19의 실시예와 같이 냉각부재(180)를 통해 버스바 조립체(140)의 냉각이 이루어지도록 버스바 조립체(140)는 냉각부재(180)가 설치된 모듈 하우징(170) 부분에 열적으로 접촉하도록 구성될 수도 있다.
즉, 도 19에 도시된 바와 같이, 냉각부재(180)가 모듈 하우징(170)의 하부에 배치되는 경우 버스바 조립체(140)는 모듈 하우징(170)의 하부에 설치되어 모듈 하우징(170)과 열적으로 접촉할 수 있다.
이때, 버스바 조립체(140)와 모듈 하우징(170)의 바닥부(172)의 상면 사이에도 열전달 부재(미도시)가 배치 또는 도포될 수 있다. 또한, 버스바 조립체(140)에는 통전이 이루어지므로 버스바 조립체(140)와 바닥부(172)의 상면 사이의 열전달 부재는 높은 절연성을 갖도록 구성되는 것도 가능하며, 예를 들어, 절연 내력(Dielectric strength)이 10 ~ 30 KV/mm 의 범위인 물질이 이용될 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 발열이 많이 발생하는 버스바(141) 부분의 냉각 및 방열을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
다음으로, 도 20 및 도 21을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)에 대해 설명한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이고, 도 21은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)은 도 6 내지 도 19를 통하여 설명한 배터리 모듈(100)과, 복수의 배터리 모듈(100)을 수용하기 위한 내부공간이 형성된 팩 하우징(210)을 포함하여 구성될 수 있다.
팩 하우징(210)은 복수의 배터리 모듈(100)을 장착하기 위하여 일측이 개방된 형상을 형성하는 바닥부(211)와 측벽부(212), 그리고 개방된 일측을 덮는 커버부(220)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 팩 하우징(210)의 내부에는 배터리 모듈(100)을 지지할 수 있도록 격벽부(230)가 구비될 수 있다.
그리고, 팩 하우징(210)의 바닥부(211)에는 배터리 모듈(100)에서 발생한 열을 냉각하기 위하여 냉각유로(251)를 통하여 냉각액체가 유동하도록 구성되는 냉각부재(250)가 배치될 수 있다. 팩 하우징(210)에 냉각부재(250)가 배치되는 경우 배터리 모듈(100)에는 냉각부재(180)가 구비되지 않는 것도 가능하다.
팩 하우징(210)의 내부에는 복수의 배터리 모듈(100)이 장착된다. 이때, 배터리 팩(200)은 복수의 배터리 셀(120)을 수용하는 모듈 하우징(170)을 포함하는 복수의 배터리 모듈(100)이 팩 하우징(210)에 설치되는 구성을 가질 수 있다.
이와는 달리, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)은 모듈 하우징(170)을 구비하지 않거나 모듈 하우징(170)의 일부만 포함하는 복수의 배터리 모듈(100)이 팩 하우징(210)에 설치되는 구성을 가질 수도 있다. 즉, 셀 적층체(110)의 적어도 일부가 외부로 노출된 상태의 배터리 모듈(100)이 팩 하우징(210)에 설치될 수도 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 셀 적층체(110)에 버스바 조립체(140)가 연결된 상태의 배터리 모듈(100)을 구성하고, 도 21에 도시된 바와 같이 모듈 하우징을 개재하지 않고 셀 적층체(110)가 외부로 노출된 상태로 팩 하우징(210)에 직접 장착되는 구성을 가질 수 있다. 이때, 셀 적층체(110)는 배터리 셀(120)이 양면테이프에 의해 접착되어 일체된 상태를 이룰 수 있다.
또한, 도 16에 도시된 바와 같이 복수의 셀 적층체(110)의 하부 및 측면이 하부 플레이트(171)에 의해 지지되고 셀 적층체(110)의 전면과 후면, 상면이 노출된 상태를 갖는 배터리 모듈(100)이 팩 하우징(210)에 복수 개 설치되어 배터리 팩(200)를 구성할 수도 있다. 다른 변형예로서, 도 17에 도시된 바와 같이, 복수의 셀 적층체(110)의 하부 및 측면이 하부 플레이트(171)에 의해 지지되고 셀 적층체(110)의 전면과 후면에 엔드 플레이트(176)이 설치되어 셀 적층체(110)의 상면이 노출된 상태를 갖는 배터리 모듈(100)이 팩 하우징(210)에 복수 개 설치되어 배터리 팩(200)를 구성할 수도 있다.
이와 같이, 모듈 하우징(170)을 개재하지 않거나 모듈 하우징(170)의 일부만을 포함하는 배터리 모듈(100)이 팩 하우징(210)에 장착되도록 구성하는 경우 모듈 하우징이 차지하는 부피 중 적어도 일부를 줄일 수 있으므로 배터리 팩(200)의 단위 체적당 에너지 밀도를 향상시킬 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... 셀 적층체
115... 완충패드 120... 배터리 셀
121... 파우치(외장재) 122... 전극수용부
122a... 몸체부 122b... 연장부
123... 실링부 123a... 제1 실링부
123b... 제2 실링부 123c... 제1 절곡부
123d... 제2 절곡부 124... 접착 부재
125... 전극리드 125a... 양극리드
125b... 음극리드 126... 절연부
130... 전극조립체 131... 양극판
131a... 양극판 몸체부 131b... 양극판 연장부
132... 양극탭 133... 음극판
133a... 양극판 몸체부 133b... 양극판 연장부
134... 음극탭 135... 세퍼레이터
140... 버스바 조립체 141... 버스바
142... 버스바 몸체 143... 결합홀
144... 접속단자부 144a... 제1 몸체
144b... 제2 몸체 144c... 접속홀
145... 지지 플레이트 145a... 구획돌기
150... 센싱 모듈 151... FPCB
152... PCB 153... 연결부
170... 모듈 하우징 171... 하부 플레이트
171a... 체결홀 172... 바닥부
173... 측벽부 175... 커버부
175a... 체결홀 176... 엔드 플레이
180... 냉각부재 181... 냉각유로
200... 배터리 팩 210... 팩 하우징
211... 바닥부 212... 측벽부
220... 팩 커버 230... 격벽부
250... 냉각부재 251... 냉각유로
A... 전극판 면적 A1... 몸체부 면적
A2... 연장부 면적 C1... 제1 절곡선
C2... 제2 절곡선 CL... 절단라인
H... 전극판 높이 H1... 몸체부 높이
H2... 연장부 높이 HA... 전극리드 높이
HB... 버스바 높이 HT... 배터리 셀 높이
SL1... 제1 실링부 끝단라인 SL2... 제2 실링부 끝단라인
W... 전극판 폭 W1... 몸체부 폭
W2, W3... 연장부 폭

Claims (23)

  1. 내부에 전극조립체를 수용하는 전극수용부와, 상기 전극수용부의 둘레 중 적어도 일부를 밀봉하는 실링부와, 상기 전극조립체와 전기적으로 연결된 전극리드를 각각 포함하는 복수의 파우치형 배터리 셀; 및
    상기 전극리드와 전기적으로 연결되는 전도성의 버스바를 갖는 버스바 조립체;
    를 포함하며,
    상기 전극수용부는 높이보다 큰 폭을 갖는 몸체부와, 상기 몸체부의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장하여 돌출되고 상기 몸체부보다 작은 폭을 갖는 연장부를 포함하고,
    상기 전극리드는 상기 연장부의 폭방향 외측에 위치하며,
    상기 버스바는 상기 전극리드에 상기 배터리 셀의 상하방향으로 결합되고,
    상기 버스바는 상기 전극리드에 결합된 상태에서 상기 배터리 셀의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극리드의 끝단은 상기 배터리 셀의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버스바는 상기 전극리드가 상하방향으로 관통하여 결합하는 결합홀이 형성된 전도성의 버스바 몸체를 포함하며,
    상기 버스바 조립체는 상기 버스바 몸체와 상기 전극수용부 사이에 배치되어 상기 버스바를 지지하며 상기 전극리드가 상하방향으로 관통하는 지지플레이트를 추가로 포함하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실링부는 상기 전극수용부의 폭방향 양측 측부에 형성된 제1 실링부와, 상기 전극수용부의 상부에 형성된 제2 실링부를 포함하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 실링부는 상기 연장부의 폭방향 양측 측부와 상부, 그리고 상기 몸체부 중에서 상기 연장부의 폭방향 양측에 위치한 부분의 상부에 형성되는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 실링부는 적어도 1번 절곡된 제1 절곡부를 포함하고,
    상기 제2 실링부는 상기 연장부의 상부에 적어도 1번 절곡된 제2 절곡부를 포함하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 실링부는 상기 몸체부의 상부에 형성된 부분과 상기 연장부의 상부에 형성된 부분 사이에 단차가 형성되는 배터리 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전극리드는 상기 몸체부의 상부에 형성된 상기 제2 실링부를 통하여 외부로 노출되는 배터리 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 버스바는 상기 전극리드에 결합된 상태에서 상기 제2 절곡부의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극리드의 끝단은 상기 제2 절곡부의 외곽 높이보다 낮은 높이를 갖는 배터리 모듈.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 절곡부와 상기 제2 절곡부 중 적어도 하나는 2회 절곡된 형상을 갖는 배터리 모듈.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제2 절곡부의 상부에는 상기 배터리 셀의 전압과 온도 중 적어도 하나를 감지하는 센싱모듈이 설치되는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센싱모듈 중 적어도 일부는 상기 버스바와 상기 연장부 사이에 배치되어 상기 제2 절곡부보다 낮은 높이에 위치하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 복수의 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 상호 적층된 형상을 이루고,
    상기 양극판에는 상기 양극판의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장하여 돌출되는 양극판 연장부와, 상기 양극판의 폭방향 일측 가장자리에서 일측으로 돌출형성되고 상기 전극리드와 연결되는 양극탭이 형성되고,
    상기 음극판에는 상기 음극판의 폭방향 중앙부에서 일측으로 연장하여 돌출되는 음극판 연장부와, 상기 음극판의 폭방향 타측 가장자리에서 일측으로 돌출형성되고 상기 전극리드와 연결되는 음극탭이 형성되는 배터리 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전극수용부의 폭은 상기 전극수용부의 높이의 2배 이상의 크기를 갖는 배터리 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전극리드의 폭은 20mm 이상, 상기 전극수용부의 폭의 1/3 이하의 크기를 갖는 배터리 모듈.
  17. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 배터리 셀은 적층되어 셀 적층체를 이루며,
    상기 배터리 셀은 이웃하는 배터리 셀과 양면테이프에 의해 부착되는 배터리 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 셀 적층체는 상기 배터리 셀 사이에 배치되는 탄성재질의 완충패드를 포함하는 배터리 모듈.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 수용하는 내부공간이 형성되며 길이방향 양단이 개방된 파이프 형상을 갖는 모듈 하우징;
    을 추가로 포함하며,
    상기 모듈 하우징의 개방된 양단에는 엔드 플레이트가 결합되는 배터리 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 냉각을 위하여 상기 모듈 하우징에 설치되어 냉각액체가 유동하도록 구성되는 냉각부재;
    를 추가로 포함하는 배터리 모듈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 버스바 조립체는 상기 냉각부재를 통해 냉각이 이루어지도록 상기 냉각부재가 설치된 상기 모듈 하우징 부분에 열적으로 접촉하도록 구성되는 배터리 모듈.
  22. 제1항에 기재된 배터리 모듈; 및
    복수의 상기 배터리 모듈을 수용하기 위한 내부공간이 형성된 팩 하우징;
    을 포함하는 배터리 팩.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 복수의 상기 배터리 셀의 적어도 일부분을 덮는 모듈 하우징을 추가로 포함하며,
    상기 배터리 모듈은 상기 모듈 하우징을 통하여 상기 팩 하우징에 설치되는 배터리 팩.
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KR102562202B1 (ko) * 2023-03-03 2023-07-31 연제혁 스마트 모빌리티용 배터리팩
WO2024010406A1 (ko) * 2022-07-08 2024-01-11 주식회사 엘지에너지솔루션 벤팅 구조가 개선된 전지 모듈
WO2024034870A1 (ko) * 2022-08-10 2024-02-15 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
WO2024054058A1 (ko) * 2022-09-08 2024-03-14 주식회사 엘지에너지솔루션 클래드 부재가 부착된 버스바

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024010406A1 (ko) * 2022-07-08 2024-01-11 주식회사 엘지에너지솔루션 벤팅 구조가 개선된 전지 모듈
WO2024034870A1 (ko) * 2022-08-10 2024-02-15 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
WO2024054058A1 (ko) * 2022-09-08 2024-03-14 주식회사 엘지에너지솔루션 클래드 부재가 부착된 버스바
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