KR20220116815A - 스웰링 발생 시 균일한 압력이 가해질 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체의 하면을 커버하는 베이스 플레이트, 상기 셀 적층체의 상면을 커버하는 커버 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트 사이를 연결하는 연결체를 포함하며, 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 을 포함하며, 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트는 그 중심 영역이 가장자리 영역 영역보다 상기 셀 적층체를 향해 더 가깝게 위치하도록 휘어진 형태를 갖는다.

Description

스웰링 발생 시 균일한 압력이 가해질 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{A battery module having a structure in which even pressure can be applied when swelling occurs, and a battery pack and vehicle including the same}
본 발명은, 스웰링 발생 시 균일한 압력이 가해질 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 본 발명은, 좀 더 구체적으로는, 배터리 셀의 스웰링 발생 시에 배터리 셀의 중심 영역에만 압력이 집중되는 현상이 방지될 수 있도록 구조적 변경이 이루어진 모듈 하우징을 구비하는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 배터리 모듈은, 배터리 셀(100) 및 스웰링 흡수 패드(200)를 포함하는 셀 적층체 및 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징(300)를 포함한다. 이러한 종래의 배터리 모듈에 있어서, 모듈 하우징(300)의 상부 플레이트(300a) 및 하부 플레이트(300b)는 대략 평평한 형태를 갖는다.
상기 모듈 하우징(300)의 상부 플레이트(300a) 및 하부 플레이트(300b)가 이처럼 평평한 형태를 갖는 경우, 배터리 셀(100)의 스웰링에 따라 상부 플레이트(300a)와 하부 플레이트(300b)가 상방 및 하방으로 각각 휘어지게 된다.
상기 상부 플레이트(300a) 및 하부 플레이트(300b)의 휘어짐 발생으로 인해, 배터리 셀(11)에 대한 상부 플레이트(300a) 및 하부 플레이트(300b)의 가압력은 배터리 셀(100)의 중심 영역에서 상대적으로 낮게 나타나고 가장자리 영역에 가까워질 수록 상대적으로 강하게 나타난다.
이에 따라, 배터리 셀(100) 내에 발생된 가스가 배터리 셀(100)의 중심 영역에 몰리게 되면서 전극 조립체를 구성하는 세퍼레이터에 주름이 발생할 수 있으며, 이는 전자의 이동을 방해하는 요소로 작용하여 배터리 셀(100)의 퇴화를 촉진시킬 수 있다.
또한, 가압력이 배터리 셀(100)의 가장자리 영역에 집중되는 경우 중심 영역에서 스웰링에 따른 팽창량이 지나치게 크게 나타남으로써 파우치 모듈 하우징에 찢어짐이 발생할 수도 있다.
따라서, 스웰링에 따라 배터리 셀에 가해지는 가압력의 편차를 해소하고 배터리 셀의 중심 영역과 대응되는 위치에서 모듈 하우징의 휨 강성이 향상된 구조를 갖는 배터리 모듈의 개발이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 스웰링에 따라 배터리 셀에 가해지는 가압력의 편차를 해소하고 배터리 셀의 중심 영역과 대응되는 위치에서 모듈 하우징의 휨 강성이 향상된 구조를 갖는 배터리 모듈 하우징을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체의 하면을 커버하는 베이스 플레이트, 상기 셀 적층체의 상면을 커버하는 커버 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트 사이를 연결하는 연결체를 포함하며, 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징; 을 포함하며, 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트는 그 중심 영역이 가장자리 영역 영역보다 상기 셀 적층체를 향해 더 가깝게 위치하도록 휘어진 형태를 갖는다.
상기 셀 적층체는, 상기 셀 적층체의 적층 방향 양 측 최 외각에 배치되는 한 쌍의 스웰링 흡수 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드 각각은, 중심 영역의 두께가 가장자리 영역의 두께보다 더 얇은 형태를 가질 수 있다.
상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드 각각은, 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트와 대향하는 면이 가장자리 영역으로부터 중심 영역을 향할수록 낮아지도록 단차진 형상을 가질 수 있다.
상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드 각각은, 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트와 대향하는 면이 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트와 전체적으로 접촉하도록 휘어진 형상을 가질 수 있다.
상기 연결체는, 주변 영역보다 연신율이 상대적으로 더 높은 연신부를 구비할 수 있다.
상기 연신부는, 주변 영역과 비교하여 연신율이 상대적으로 낮은 금속으로 이루어진 영역에 해당할 수 있다.
상기 연신부는, 주변 영역과 비교하여 두께가 더 얇게 형성된 영역에 해당할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스웰링에 따라 배터리 셀에 가해지는 가압력의 편차를 해소할 수 있으며, 배터리 셀의 중심 영역과 대응되는 위치에서 모듈 하우징의 휨 강성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서, 스웰링에 따라 모듈 하우징이 변형되는 형태를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서, 스웰링 흡수 패드가 갖는 다양한 형태를 나타내는 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)에 대해 설명하기로 한다. 도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은 셀 적층체(10) 및 모듈 하우징(20)을 포함한다.
상기 셀 적층체(10)는, 복수의 배터리 셀(11)을 포함한다. 상기 배터리 셀(11)로는, 예를 들어 파우치 타입의 배터리 셀이 적용될 수 있다. 상기 배터리 셀(11)은, 배터리 셀(11)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 배터리 셀(11)의 외측으로 연장되는 한 쌍의 전극 리드(11a)를 구비한다. 상기 한 쌍의 전극 리드(11a)는, 서로 동일한 방향 또는 서로 반대 방향으로 인출될 수 있다. 상기 복수의 배터리 셀(11)은, 상하 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 대면하여 적층된다.
상기 셀 적층체(10)는, 셀 적층체(10)의 적층 방향(Z축에 나란한 방향) 양 측 최 외각에 배치되는 한 쌍의 스웰링 흡수 패드(12)를 더 포함할 수 있다. 상기 스웰링 흡수 패드(12)는, 셀 적층체(10)의 적층 방향 양 측 최 외각 외에도 서로 인접한 배터리 셀(11) 사이에도 배치될 수 있다. 상기 스웰링 흡수 패드(12)는, 반복된 충방전에 의한 배터리 셀(11)의 스웰링 발생 시에 압축되어 배터리 셀(11)의 부피 팽창을 흡수할 수 있다.
상기 스웰링 흡수 패드(12)는, 도 1에 도시된 종래의 배터리 모듈에 구비된 스웰링 흡수 패드(200)와 같이 플랫한 형태를 가질 수도 있으나, 후술할 바와 같이 휘어진 형태를 갖는 모듈 하우징(20)과 대응되는 형상을 가질 수도 있다. 상기 스웰링 흡수 패드(12)의 구체적인 형상에 대해서는 본 발명의 모듈 하우징(20)에 대한 설명 이 후에 상세히 후술하기로 한다.
상기 모듈 하우징(20)은, 베이스 플레이트(21), 커버 플레이트(22) 및 연결체(23)를 포함한다. 상기 모듈 하우징(20)은, 그 내부에 셀 적층체(10)를 수용한다. 상기 모듈 하우징(20)은, 강성 확보를 위해 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 베이스 플레이트(21)는, 셀 적층체(10)의 하면(X-Y 평면에 나란한 면)을 커버한다. 상기 커버 플레이트(22)는, 셀 적층체(10)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면)을 커버한다. 상기 연결체(23)는, 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22) 사이를 연결한다.
상기 연결체(23)는, 베이스 플레이트(21) 및/또는 커버 플레이트(22)와 일체로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 연결체(23)는, 베이스 플레이트(21) 및/또는 커버 플레이트(22)와 별개로 형성되어 베이스 플레이트(21) 및/또는 커버 플레이트(22)에 용접, 볼팅 등의 방식으로 체결될 수도 있다.
상기 연결체(23)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈 하우징(20)의 측면을 이루는 사이드 플레이트들을 포함하는 형태를 가질 수 있다. 이와는 달리, 상기 연결체(23)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22) 사이를 연결 및 고정시키는 바(bar) 또는 빔(beam) 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 연결체(23)는 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22) 각각의 네 코너 영역에 체결될 수 있다.
상기 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)는, 그 중심 영역이 가장자리 영역 영역보다 셀 적층체(10)를 향해 더 가깝게 위치하도록 휘어진 형태를 갖는다. 본 발명의 도면에서는 베이스 플레이트(21)와 배터리 셀(11) 사이 및 커버 플레이트(22)와 배터리 셀(11) 사이에 각각 스웰링 흡수 패드(12)가 개재된 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 스웰링 흡수 패드(12)가 생략되는 경우도 본 발명에 포함된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)의 이러한 휘어진 형태로 인해 배터리 셀(11)의 스웰링 발생 시에 배터리 셀(11)의 중심 영역이 가장자리 영역 영역보다 먼저 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)와 접촉하게 된다. 따라서, 스웰링에 따른 배터리 셀(11)의 부피 팽창이 일정 수준 이상 발생되기 전까지는 배터리 셀(11)의 중심 영역에 대한 가압이 먼저 이루어지게 된다. 상기 배터리 셀(11)의 스웰링에 따른 부피 팽창이 일정 수준 이상 이루어지게 되면, 배터리 셀(11)의 가장자리 영역 영역도 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)와 접촉하게 되며, 이로써 배터리 셀(11)의 전체 면적에 걸쳐서 가압이 이루어지게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)이 셀 적층체(10)의 적층 방향 양 측 최 외각에 위치하는 한 쌍의 스웰링 흡수 패드(12)를 포함하는 경우에 있어서, 한 쌍의 스웰링 흡수 패드(12) 각각은 그 중심 영역의 두께가 가장자리 영역의 두께보다 더 얇은 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 셀 적층체(10)와 베이스 플레이트(21) 사이의 접촉 면적 및 셀 적층체(10)와 커버 플레이트(22) 사이의 접촉 면적이 증가될 수 있다. 따라서, 상기 배터리 셀(11)의 스웰링에 따른 부피 팽창이 일어났을 때 배터리 셀(11)의 전체 면적에 걸쳐서 고른 압력이 가해질 수 있다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, 상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드(12) 각각은, 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)와 대향하는 면이 가장자리 영역으로부터 중심 영역을 향할수록 점점 더 낮아지도록 단차진 형상을 가질 수 있다. 상기 스웰링 흡수 패드(12)에 형성된 단차 구조는, 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 하나가 구비될 수도 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 복수개가 구비될 수도 있다.
도 9를 참조하면, 도 2 내지 도 8에 도시된 것과는 달리, 상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드(12) 각각은, 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)와 대향하는 면이 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)와 전체적으로 접촉하도록 휘어진 형상을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 휘어진 형상을 갖는 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)를 구비하며, 또한 선택적으로 베이스 플레이트(21) 및 커버 플레이트(22)와 대응되는 형상을 갖는 스웰링 흡수 패드(12)를 구비함으로써 스웰링 발생 시에 배터리 셀(11)의 전체 면적에 걸쳐서 고른 압력이 가해지도록 할 수 있다.
다음은, 도 10 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(1)을 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 앞선 실시예에 따른 배터리 모듈(1)과 비교하여 연결체(23)에 연신부(23a)가 구비된다는 차이점 외에는 앞선 실시예에 따른 배터리 모듈(1)의 특징들을 그대로 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(1)을 설명함에 있어서는, 연결체(23)에 대해서 집중적으로 설명하기로 하며, 앞선 실시예에서와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 10 내지 도 14를 참조하면, 상기 연결체(23)는, 주변 영역보다 연신율이 상대적으로 더 높은 연신부(23a)를 구비한다. 상기 연신부(23a)는, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 주변 영역과 비교하여 연신율이 상대적으로 더 낮은 금속으로 이루어진 영역에 해당할 수 있다. 이와는 달리, 상기 연신부(23a)는, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 주변 영역과 비교하여 두께가 더 얇게 형성된 영역에 해당할 수 있다.
상기 연신부(23a)는, 스웰링에 따른 압력으로 인해 베이스 플레이트(21)가 하방으로 힘을 받고 커버 플레이트(22)가 상방으로 힘을 받음으로써 연결체(23)에 일정 수준을 넘어서는 인장력이 가해졌을 때 미세하게 신장될 수 있다. 이러한 연신부(23a)의 신장으로 인해, 배터리 셀(11)에 가해지는 압력이 지나치게 커지는 것이 방지될 수 있다. 상기 연신부(23a)를 이루는 금속 재질 및/또는 연신부(23a)의 두께는 배터리 셀(11)의 스웰링에 따른 가압력의 크기 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 스웰링에 따른 가압력이 배터리 셀(11)의 전체 면적에 걸쳐서 고르게 작용할 수 있는 구조에 더하여 일정 수준 이상의 신장력이 가해졌을 때 연결체(23)가 미세하게 신장될 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 배터리 셀(11)에 지나치게 큰 압력이 가해져 배터리 셀(11)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 적어도 하나의 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)을 포함한다. 상기 배터리 팩(3)은, 배터리 모듈(1)이 팩 하우징(2)에 수용된 형태를 가질 수 있다.
한편, 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(4)는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(4)는, 예를 들어 배터리 팩(3)에 의해 전력을 공급 받아 동작하는 전기 자동차일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1: 배터리 모듈
2: 팩 하우징
3: 배터리 팩
4: 자동차
10: 셀 적층체
11: 배터리 셀
12: 스웰링 흡수 패드
20: 모듈 하우징
21: 베이스 플레이트
22: 커버 플레이트
23: 연결체
23a: 압력 완화부

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및
    상기 셀 적층체의 하면을 커버하는 베이스 플레이트, 상기 셀 적층체의 상면을 커버하는 커버 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트 사이를 연결하는 연결체를 포함하며, 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 하우징;
    을 포함하며,
    상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트는 그 중심 영역이 가장자리 영역 영역보다 상기 셀 적층체를 향해 더 가깝게 위치하도록 휘어진 형태를 갖는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 적층체는,
    상기 셀 적층체의 적층 방향 양 측 최 외각에 배치되는 한 쌍의 스웰링 흡수 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드 각각은,
    중심 영역의 두께가 가장자리 영역의 두께보다 더 얇은 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드 각각은,
    상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트와 대향하는 면이 가장자리 영역으로부터 중심 영역을 향할수록 낮아지도록 단차진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 스웰링 흡수 패드 각각은,
    상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트와 대향하는 면이 상기 베이스 플레이트 및 커버 플레이트와 전체적으로 접촉하도록 휘어진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연결체는,
    주변 영역보다 연신율이 상대적으로 더 높은 연신부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연신부는,
    주변 영역과 비교하여 연신율이 상대적으로 낮은 금속으로 이루어진 영역에 해당하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연신부는,
    주변 영역과 비교하여 두께가 더 얇게 형성된 영역에 해당하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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