KR20220101310A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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KR20220101310A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀들 사이에 위치하는 냉각핀을 포함한다. 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된다. 상기 냉각핀은, 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 포함한다. 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은, 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드가 돌출되는 방향과 평행한 방향을 따라 서로 이격되어 위치하고, 상기 제3 구역은 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역 사이에 위치한다. 상기 제3 구역의 두께는, 상기 제1 구역의 두께 및 상기 제2 구역의 두께보다 얇다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 냉각핀을 구비한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(20)를 포함할 수 있다. 전지셀(11)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 전지셀(11) 사이에는 열전도도가 높은 금속 판재의 냉각핀(30)이 배치될 수 있다. 일반적으로, 냉각핀(30)은 일정한 두께를 갖는 판상형의 부재이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 다양한 각도에 바라본 평면도이다. 구체적으로, 도 2a는 도 1의 전지셀(11)을 xy 평면 상에서 -z축 방향으로 바라본 평면도이고, 도 2b는 도 1의 전지셀(11)을 yz평면 상에서 -x축 방향으로 바라본 평면도이다.
먼저 도 2a를 참고하면, 전지셀(11)이 반복적으로 충, 방전되는 과정에서, 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(11)이 부풀어오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 스웰링 정도를 비교해보면, 점선으로 표시된 부분과 같이 전극 리드(11L)가 돌출되는 양 단부보다 중심부가 훨씬 크게 부풀어오른다. 각 전지셀(11)의 스웰링을 억제하지 못할 경우, 다수의 전지셀(11)이 적층된 전지 모듈(10)의 구조적 변형을 일으킬 수 있고, 또 전지 모듈(10)의 내구성에 악영항을 미칠 수 있다.
다음, 도 2b를 참고하면, 전지셀(11)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면, 전지셀(11) 중에서 전극 리드(11L) 부분에 많은 열이 발생한다. 이에 따라, 전극 리드(11L)가 돌출되는 방향의 단부를 포함하는 영역인 테라스부(T1, T2)가 다른 부분보다 발열 정도가 심하다. 즉, 테라스부(T1, T2)가 테라스부(T1, T2) 사이의 중앙부(M)보다 높은 온도를 보인다. 전지셀(11)의 각 부분 간 온도 불균형은 성능 및 수명 저하의 원인이 된다.
이에, 전지셀의 스웰링을 효과적으로 제어함과 동시에 전지셀의 각 부분 간 온도 편차를 줄일 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀의 스웰링을 제어하고, 전지셀의 각 부분 간 온도 편차를 줄일 수 있는 냉각핀을 갖춘 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀들 사이에 위치하는 냉각핀을 포함한다. 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된다. 상기 냉각핀은, 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 포함한다. 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은, 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드가 돌출되는 방향과 평행한 방향을 따라 서로 이격되어 위치하고, 상기 제3 구역은 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역 사이에 위치한다. 상기 제3 구역의 두께는, 상기 제1 구역의 두께 및 상기 제2 구역의 두께보다 얇다.
상기 전지셀은, 제1 테라스부, 제2 테라스부 및 상기 제1 테라스부와 상기 제2 테라스부 사이에 위치한 중앙부를 포함할 수 있다. 상기 제1 테라스부의 일 단부로부터 상기 제1 전극 리드가 돌출될 수 있고, 상기 제2 테라스부의 일 단부로부터 상기 제2 전극 리드가 돌출될 수 있다. 상기 제1 구역, 상기 제2 구역 및 상기 제3 구역이, 각각 상기 제1 테라스부, 상기 제2 테라스부 및 상기 중앙부와 대응하여 위치할 수 있다.
상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제1 테라스부와 상기 제1 구역 사이의 간격보다 넓을 수 있다.
상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제2 테라스부와 상기 제2 구역 사이의 간격보다 넓을 수 있다.
상기 제1 구역과 상기 제2 구역은, 상기 제3 구역과 가까워질수록 두께가 얇아질 수 있다.
상기 제1 구역과 상기 제2 구역은 각각 내부에 빈 공간이 형성될 수 있다.
상기 냉각핀은 내부에 공기층이 형성된 금속 판재일 수 있다.
상기 전지셀은 파우치형 전지셀일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 포함하고, 상기 냉각핀이 상기 전지셀 적층체의 하면으로부터 연장되어 상기 열전도성 수지층과 접촉한다.
상기 전지셀 적층체의 하면이 상기 열전도성 수지층과 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 부분마다 두께가 다르게 구현된 냉각핀을 전지셀들 사이에 배치하여, 전지셀의 스웰링 시 전지셀의 각 부분에 균일하게 압력이 작용할 수 있다.
또한, 전지셀 중 발열이 심한 부분과 냉각핀 간의 접촉성을 높일 수 있어, 전지셀의 온도 편차를 줄일 수 있다.
또한, 냉각핀 내부에 공기층을 마련함으로써, 냉각 및 방열 성능을 갖춤과 동시에 어느 한 전지셀로부터 발생한 화재나 열이 이웃한 전지셀로 전파되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 다양한 각도에 바라본 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체 및 냉각핀을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3의 냉각핀을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 7의 도 6의 전지셀이 스웰링 시의 모습을 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다.
도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체 및 냉각핀을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다. 도 5는 도 3의 냉각핀을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 이 때, 도 6은 설명의 편의를 위해 하나의 전지셀과 하나의 냉각핀만을 나타내었고, 전지셀 내부의 전극 조립체 등은 도시를 생략하였다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)를 포함하는 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200); 및 전지셀(110)들 사이에 위치하는 냉각핀(300)을 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 전지셀(110)로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)가 셀 본체(113)를 기준으로 서로 대향하여 일 단부(114a)와 타 단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다. 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 서로 다른 극성으로써, 일례로, 그 중 하나는 양극 리드(111)일 수 있고, 다른 하나는 음극 리드(112)일 수 있다. 즉, 하나의 전지셀(110)을 기준으로 양극 리드(111)와 음극 리드(112)가 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 전지셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
한편, 도 4와 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 제1 테라스부(T1), 제2 테라스부(T2) 및 제1 테라스부(T1)와 제2 테라스부(T2) 사이에 위치한 중앙부(M)를 포함할 수 있다. 즉, 셀 본체(113)가 제1 테라스부(T1), 제2 테라스부(T2) 및 중앙부(M)로 구분될 수 있다.
여기서, 제1 테라스부(T1)는 제1 전극 리드(111)가 돌출되는 일 단부(114a)를 포함하는 영역이고, 제2 테라스부(T2)는 제2 전극 리드(112)가 돌출되는 타 단부(114b)를 포함하는 영역이다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(200)를 형성한다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 각각 y축 방향과 -y축 방향으로 돌출될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은, 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330)을 포함한다. 제1 구역(310) 및 제2 구역(320)은, 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)가 돌출되는 방향과 평행한 방향(y축 방향)을 따라 서로 이격되어 위치하고, 제3 구역(330)은 제1 구역(310) 및 제2 구역(320) 사이에 위치한다.
이 때, 제3 구역(330)의 두께(t3)은, 제1 구역(310)의 두께(t1) 및 제2 구역의 두께(t2)보다 얇다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)가 돌출되는 방향과 평행한 방향(y축 방향)을 기준으로, 그 양 단부가 중심부보다 두께가 두꺼운 구조를 갖는다. 구체적으로, 냉각핀(300)의 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330)이, 각각 전지셀(110)의 제1 테라스부(T1), 제2 테라스부(T2) 및 중앙부(M0와 대응하여 위치할 수 있다. 본 실시예에 따라 두께 차이를 갖는 냉각핀(300)이 전지셀(110)들 사이에 배치될 때, 중앙부(M)와 제3 구역(330) 사이의 간격(d3)이, 제1 테라스부(T1)와 제1 구역(310) 사이의 간격(d1)보다 넓다. 또한 중앙부(M)와 제3 구역(330) 사이의 간격(d3)이, 제2 테라스부(T2)와 제2 구역(320) 사이의 간격(d2)보다 넓다. 도 6에서는 설명의 편의를 위해 두께 차이 및 간격 차이를 다소 과장되게 표현하였다.
이러한 냉각핀(300)은 열전도도가 높은 금속 소재를 포함할 수 있다. 구체적인 소재의 제한은 없고, 일례로 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 도 3에서는 하나의 냉각핀(300)만을 도시하였으나, 전지셀(110)들 사이 각각에 본 실시예에 따른 냉각핀(300)이 모두 위치할 수 있다.
이하에서는, 도 2a, 도 6 및 도 7을 참고하여, 본 실시예에 따른 냉각핀이, 전지셀의 스웰링 제어 있어서 갖는 장점에 대해 설명하도록 한다.
도 2a와 도 7을 참고하면, 전지셀(11)이 반복적으로 충, 방전되는 과정에서, 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(11)이 부풀어오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 스웰링 정도를 비교해보면, 전지셀(11)의 중심부가 더 크게 팽창된다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)도 마찬가지로 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)보다 중앙부(M)가 더 크게 팽창된다.
종래의 판상형의 냉각핀(30)은 일정한 두께를 갖기 때문에 구역마다 팽창 정도가 다른 전지셀(11)을 효과적으로 제어하지 못한다. 반면, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 양단 부분인 제1 구역(310)과 제2 구역(320)이 제3 구역(330)보다 두께가 두껍기 때문에 전지셀(110)의 스웰링 시 전지셀(110)에 대해 균일한 압력을 인가할 수 있다. 즉, 다시 말해, 전지셀(110)의 구역 간 스웰링 정도의 차이를 고려하여, 균일한 탄성력이 작용할 수 있도록 제1 구역(310)과 제2 구역(320)의 두께(t1, t2)를 제3 구역(330)의 두께(t3)보다 두껍게 설정하였다. 이와 같이, 전지셀(110)의 스웰링에 대해 작용하는 압력 편차를 최소화시킬 수 있으므로, 스웰링으로 인한 전지 모듈(100)의 구조적 변형을 방지하고, 전지 모듈(100)의 내구성을 높일 수 있다.
상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 파우치형 전지로써, 셀 케이스(114)의 실링에 의해 제조된다. 실링 구조에 따라, 제1 테라스부(T1) 및 제2 테라스부(T2)는, 각각 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112) 방향으로 갈수록 두께가 감소하는 구조를 형성할 수 있다. 이러한 제1 테라스부(T1) 및 제2 테라스부(T2)와 보다 가까이 마주할 수 있게, 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은, 제3 구역(330)과 가까워질수록 두께가 얇아지도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은 각각의 외측에서 제3 구역(330) 쪽으로 갈수록 두께가 얇아질 수 있다. 이러한 냉각핀(300)은, 제1 테라스부(T1) 및 제2 테라스부(T2)와 밀접하게 대응할 수 있어, 스웰링 제어에 효과적일 수 있다.
한편, 도 2b, 도 4 및 도 6을 참고하면, 전지셀(11)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면, 전지셀(11) 중에서 전극 리드(11L) 부분에 많은 열이 발생한다. 이에 따라, 전극 리드(11L)가 돌출되는 방향의 단부를 포함하는 영역인 테라스부(T1, T2)가 다른 부분보다 발열 정도가 심하다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)도 마찬가지로 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)가 중앙부(M)보다 더 높은 온도를 보인다. 경우에 따라 다르지만, 심한 경우 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)가 중앙부(M)보다 약 섭씨 4.5도 정도 더 높은 온도를 보일 수 있다.
부분마다 발열 정도의 차이가 심한 전지셀(110)에 대해 종래의 판상형의 냉각핀(30)은 일정한 두께를 갖기 때문에 전지셀(110)의 부분 간 온도 편차를 해소하기 어렵다. 이와 달리 본 실시예에 따른 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은, 제3 구역(330)과 중앙부(M) 사이와 비교할 때, 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)와 가까이 위치할 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지셀 중 발열이 심한 부분과 접촉성 및 밀착성을 높일 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110)의 발열이 심한 부분에서 열 발산이 효과적으로 이루어질 수 있고, 하나의 전지셀(110)에 대해 각 부분간 온도 편차를 최소화 할 수 있다. 전지셀(110)의 각 부분간 온도 편차는, 종국적으로 전지 모듈(100)의 성능 저하의 원인이 되기 때문에 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지 모듈의 성능 및 수명 향상에 기여를 할 수 있다.
한편, 도 6을 다시 참고하면, 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은 각각 내부에 빈 공간이 형성될 수 있다. 앞서 설명한 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330) 간의 두께 차이를 구현하기 위해 제1 구역(310), 제2 구역(320) 내부에 빈 공간을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 냉각핀(300)은 내부에 공기층(AL)이 형성된 금속 판재일 수 있다. 일례로, 알루미늄(Al)과 같은 금속 판재가 2층 구조를 이루고 그 사이에 공기층(AL)이 형성된 구조일 수 있다. 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330) 간의 두께 차이는, 금속 판재의 간격을 조절하여 구현할 수 있다.
종래의 냉각핀(30, 도 1 참고)과 같이 단순히 단일의 금속 판재인 경우, 전지셀(11)에서 발생한 열을 전달하는 데는 문제가 없으나, 전지셀(11)에서 발생한 화재가 이웃한 전지셀(11)들로 전파되는 것을 차단하기엔 어려움이 있다. 반면, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 내부에 공기층(AL)이 형성되며, 이러한 공기층(AL)은 단열층으로 기능할 수 있다. 어느 한 전지셀(110)에 발열로 인한 화재가 발생하더라도, 전지셀(110)들 사이에 구비된 공기층(AL)으로 인해 이웃한 전지셀(110)들로 화재나 열이 전파되는 것을 지연시킬 수 있다. 즉, 주변 전지셀(110)로 화재가 전파되는 시간을 확보하여 전지 모듈(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다. 특히, 해당 전지 모듈(100)이 차량용 전지팩에 포함되는 경우, 전지셀(110) 간의 화재의 전파를 지연시켜 운전자가 화재로부터 대피할 수 있는 시간적 여유를 확보할 수 있다. 아울러, 상기 2층 구조의 금속 판재가 각각 전지셀(110)들과 마주하고 있기 때문에 전지 모듈(100)의 상부 방향이나 하부 방향으로의 열 전달에는 이상이 없다. 특히, 냉각핀(300)이 후술하는 열전도성 수지층(1300)과 직접 접촉하기 때문에 열 전달 성능 저하의 우려가 없다. 즉, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은, 냉각 및 방열 성능을 갖춤과 동시에 어느 한 전지셀로부터 발생한 화재가 이웃한 전지셀로 전파되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)이 2층 구조의 금속 판재이기 때문에 전지셀(110)의 스웰링에 대하여 탄성 복원력이 작용하기 용이하다. 이러한 탄성 복원력에 의해 전지셀(110)의 스웰링 시 반대편에 위치한 전지셀(110)에 전달 되는 압력을 축소할 수 있다. 즉, 스웰링 제어에 보다 용이하다.
이하에서는, 도 3 및 도 8을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하도록 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(200), 제1 및 제2 센싱 블록(410, 420), 탄성부재(700) 및 측면 패드(600)를 포함할 수 있다. 전지셀 적층체(200)는 앞서 설명한 바대로, 전지셀(110)들이 냉각핀(300)을 사이에 두고 적층되어 형성될 수 있다.
제1 센싱 블록(410)과 제2 센싱 블록(420)은 전기적 절연을 띄는 소재를 포함할 수 있으며, 일례로 플라스틱 소재, 고분자 소재 또는 복합 소재를 포함할 수 있다. 또한, 제1 센싱 블록(410)과 제2 센싱 블록(420)은 일종의 바스켓 형태를 가지고, 전지셀 적층체(200) 전면 및 후면을 각각 덮도록 구성될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀(110)의 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)가 제1 센싱 블록(410)이나 제2 센싱 블록(420)에 형성된 슬릿을 통과한 뒤 서로 접합하여 전극 리드 접합체를 형성할 수 있다.
탄성부재(700)는 제1 센싱 블록(410), 제2 센싱 블록(420) 및 전지셀 적층체(200)의 양 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 특히, 탄성부재(700)의 상부와 하부가 개방되어 전지셀 적층체(200)의 상면 및 하면이 외부에 노출될 수 있고, 이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 열 발산에 효과적일 수 있다. 탄성부재(700)는 소정의 탄성력을 가진다면 그 소재에 특별한 제한은 없으나, 일례로 고분자 폴리머 합성소재, FRB(Fiber-reinforced plastic) 등의 복합 재료 및 금속 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
측면 패드(600)는 전지셀 적층체(200)의 상기 양 측면에 배치되어, 전지 모듈(100)의 강성을 보완할 수 있다. 즉, 판상형의 측면 패드(600)가 전지셀 적층체(200)의 상기 양 측면과 탄성부재(700) 사이에 위치할 수 있다.
여기서 전면은 전지셀 적층체(200)의 y축 방향의 면을 의미하고, 후면은 전지셀 적층체(200)의 -y축 방향의 면을 의미하며, 양 측면은 각각 전지셀 적층체(200)의 x축 및 -x축 방향의 면을 의미한다. 또한, 하면은 전지셀 적층체(200)의 -z축 방향의 면을 의미하고, 상면은 전지셀 적층체(200)의 z축 방향의 면을 의미한다. 다만 이는 설명의 편의를 위해 지칭한 면들이며, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다. 전지셀 적층체(200)의 전면 및 후면은 전지셀(110)의 돌출된 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)들이 위치한 면일 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(200)와 냉각핀(300)을 포함하는 전지 모듈 중 하나의 예시적 구조다. 즉, 구체적으로 도시하지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지셀 적층체(200)를 모듈 프레임과 엔드 플레이트에 수납한 뒤 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 용접 접합하여 제조될 수 있다.
이하에서는 도 9 및 도 10을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다. 도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 이 때, 도 10은, 도 9의 전지 모듈(100), 열전도성 수지층(1300) 및 팩 프레임(1100)의 바닥부(1110)가 도 9와 달리 서로 접촉한 상태임을 가정하고 그 단면을 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1100) 및 전지 모듈(100)과 팩 프레임(1100)의 바닥부(1110) 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층(1300)을 포함한다.
전지 모듈(100)은 앞서 설명한 바 대로, 전지셀 적층체(200) 및 냉각핀(300)을 포함한다. 전지 모듈(100)에 대한 설명은 앞서 언급한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.
전지팩(1000)은 팩 프레임(1100)을 덮는 상부 커버(1200)를 더 포함할 수 있다. 즉, 다수의 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1100)와 상부 커버(1200) 사이에 수납될 수 있다.
열전도성 수지층(1300)은, 바닥부(1110)에 열전도성 수지(Thermal resin)를 도포하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 열전도성 수지를 바닥부(1110) 상에 도포하고, 그 위에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)을 위치시킨 다음, 상기 열전도성 수지가 경화되어 열전도성 수지층(1300)이 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(200)를 구성하는 복수의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지 모듈(100)에서 발생한 열을 신속히 바닥부(1110)로 전달하여 전지팩(1000)의 과열을 방지할 수 있다.
도 3, 도 8 내지 도 10을 참고하면, 상술한 바 대로, 탄성부재(700)의 하부가 개방되어 전지셀 적층체(200)의 하면이 노출될 수 있다. 전지셀 적층체(200)의 하면은 열전도성 수지층(1300)과 접촉할 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 도 10에 도시된 바와 같이 열전도성 수지층(1300)과 직접 접촉하기 때문에 전지 모듈(100)의 하측 방향으로의 열 전달 경로가 단순화되고, 에어 갭 등의 공기층의 발생 가능성을 줄일 수 있다. 따라서, 전지 모듈(100) 및 이를 포함하는 전지팩(1000)의 냉각 성능을 높일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지셀 적층체(200)의 하면으로부터 연장되어 열전도성 수지층(1300)과 접촉한다. 전지셀 적층체(200)의 하면이 노출되어 있기 때문에 전지셀(110)들 사이에 위치한 냉각핀(300)이 바로 바닥부(1110) 상의 열전도성 수지층(1300)과 접촉할 수 있다. 전지셀(110)과 대면하는 냉각핀(300)을 직접 열전도성 수지층(1300)과 접촉하도록 구성함으로써, 열 배출 성능을 극대화시킬 수 있다.
한편, 전지팩(1000)의 구조적 안전성을 위해 노출되는 전지셀(110)을 고정하는 것이 필수적이다. 전지 모듈(100)을 구성하는 각각의 전지셀(110)이 열전도성 수지층(1300)에 접촉한 채 고정되므로, 구조적 안전성을 보완할 수 있다.
또한, 전지팩(1000)의 높이 방향에 대한 부품의 개수가 줄어 들기 때문에 공간 활용도를 높일 수 있어 전지 모듈의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전지 모듈
110: 전지셀
300: 냉각핀
310: 제1 구역
320: 제2 구역
330: 제3 구역

Claims (10)

  1. 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀들 사이에 위치하는 냉각핀을 포함하고,
    상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출되며,
    상기 냉각핀은, 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 포함하고,
    상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은, 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드가 돌출되는 방향과 평행한 방향을 따라 서로 이격되어 위치하고,
    상기 제3 구역은 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역 사이에 위치하며,
    상기 제3 구역의 두께는, 상기 제1 구역의 두께 및 상기 제2 구역의 두께보다 얇은 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀은, 제1 테라스부, 제2 테라스부 및 상기 제1 테라스부와 상기 제2 테라스부 사이에 위치한 중앙부를 포함하고,
    상기 제1 테라스부의 일 단부로부터 상기 제1 전극 리드가 돌출되며,
    상기 제2 테라스부의 일 단부로부터 상기 제2 전극 리드가 돌출되고,
    상기 제1 구역, 상기 제2 구역 및 상기 제3 구역이, 각각 상기 제1 테라스부, 상기 제2 테라스부 및 상기 중앙부와 대응하여 위치하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제1 테라스부와 상기 제1 구역 사이의 간격보다 넓은 전지 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제2 테라스부와 상기 제2 구역 사이의 간격보다 넓은 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 구역과 상기 제2 구역은, 상기 제3 구역과 가까워질수록 두께가 얇아지는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 구역과 상기 제2 구역은 각각 내부에 빈 공간이 형성되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 냉각핀은 내부에 공기층이 형성된 금속 판재인 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 전지셀은 파우치형 전지셀인 전지 모듈.
  9. 제1항에 따른 전지 모듈;
    상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및
    상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 포함하고,
    상기 냉각핀이 상기 전지셀 적층체의 하면으로부터 연장되어 상기 열전도성 수지층과 접촉하는 전지팩.
  10. 제9항에서,
    상기 전지셀 적층체의 하면이 상기 열전도성 수지층과 접촉하는 전지팩.
KR1020210003180A 2021-01-11 2021-01-11 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 KR102647832B1 (ko)

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