KR20220138351A - 절연성 및 조립성 향상 컴프레션 패드를 구비하는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

절연성 및 조립성 향상 컴프레션 패드를 구비하는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 셀이 적층되어 있는 셀 적층체; 상기 셀 적층체의 바깥면에 구비되는 컴프레션 패드(compression pad)를 포함하고, 상기 컴프레션 패드는 탄성 패드와 상기 탄성 패드의 적어도 일면에 부착되는 합성수지 필름의 적층체이며,상기 합성수지 필름은 상기 탄성 패드에 비하여 길이가 긴 길이 연장부를 포함하고, 상기 길이 연장부가 폴딩되어 상기 셀 적층체의 상면을 덮어 보호하는 것을 특징으로 한다.

Description

절연성 및 조립성 향상 컴프레션 패드를 구비하는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Battery module comprising a compression pad for insulation and assembly-enhancement, a battery pack and a vehicle comprising the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 셀 적층체와 프레임 부재간의 절연성 및 조립성을 향상시킬 수 있도록 개선한 배터리 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 자동차에도 관계되어 있다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 셀이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 복수의 셀을 전기적으로 연결한 셀 적층체를 구비하는 중대형 배터리 모듈이 사용된다. 중대형 배터리 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 셀, 파우치 타입 셀 등이 중대형 배터리 모듈의 단위 셀로서 주로 사용되고 있다.
한편, 배터리 모듈은, 셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 프레임 부재를 포함한다. 도 1은 종래 배터리 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 분해 및 조립 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 배터리 모듈(1)은 셀 적층체(10)를 수납하는 프레임 부재(20)가 케이스(22)와 커버(24)로 이루어져 있다. 셀 적층체(10)와 케이스(22) 사이에는 완충 부재(30)가 구비되어 있다.
완충 부재(30)는 스웰링(swelling)에 따른 셀의 팽창에 따라 압축되어 스웰링을 흡수하거나 외부 충격이나 진동으로부터 셀 적층체(10)를 보호하게 된다. 프레임 부재(20) 내측은 셀 적층체(10)로부터 절연성 확보를 위해 주요 영역부에 추가적으로 절연체를 삽입하고 있다. 일 예로 도 1에 도시한 배터리 모듈(1)에서는, 커버(24) 안쪽에 셀 적층체(10)의 가장자리부(edge) 보호를 위한 처마 형상의 필름(26)을 추가하고 있다.
도 2의 (a)에서와 같이 케이스(22) 안에 셀 적층체(10)를 넣고 커버(24)를 셀 적층체(10) 위에 조립할 때에, 이러한 처마 형상의 필름(26)은 조립 과정에서 간섭에 취약해, (b)에서와 같이 완충 부재(30) 또는 셀 적층체(10)와 충돌하면서 필름(26) 변형 내지 손상을 유발할 수 있다. 그리고, 이러한 구조의 배터리 모듈(1)은 조립성이나 공정에 의해 국부적으로 노출되는 영역이 불가피하게 존재하게 되는데, 이는 안전성과 연계된 사항이므로 반드시 개선이 필요하다.
특히, 파우치 타입 셀의 실링부는 커팅(cutting) 공정으로 인해 절연에 취약한데, 셀 적층체(10)를 구성하는 셀로서 파우치 타입 셀을 사용하는 경우에는 프레임 부재(20)와 특히 근접한 위치에 있는 셀, 즉 최외곽 셀에 대한 절연성 확보를 지속적으로 개선해야 하는 것이 과제이다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 셀 적층체의 최외곽 셀에 대한 절연성을 확보하고 셀 적층체와 프레임 부재 조립시의 불량을 최소화할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
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 셀이 적층되어 있는 셀 적층체; 상기 셀 적층체의 바깥면에 구비되는 컴프레션 패드(compression pad)를 포함하고, 상기 컴프레션 패드는 탄성 패드와 상기 탄성 패드의 적어도 일면에 부착되는 합성수지 필름의 적층체이며, 상기 합성수지 필름은 상기 탄성 패드에 비하여 길이가 긴 길이 연장부를 포함하고, 상기 길이 연장부가 폴딩되어 상기 셀 적층체의 상면을 덮어 보호하는 것을 특징으로 한다.
상기 셀은 실링부를 포함하는 파우치 타입 셀이고, 상기 길이 연장부는 폴딩되어 상기 실링부를 덮는 것일 수 있다.
상기 탄성 패드는 폴리 우레탄 폼(foam)이고 상기 합성수지 필름은 PET일 수 있다.
상기 컴프레션 패드는 상기 셀 적층체의 양쪽 최외곽 셀의 바깥쪽 대면적 부분에 각각 부착되고 상기 셀 적층체의 양쪽에 위치하게 되는 상기 길이 연장부는 상기 셀 적층체의 안쪽을 향하여 각각 폴딩되어 상기 셀 적층체의 양쪽 상부 모서리를 각각 보호하는 것일 수 있다.
이 때, 상기 셀 적층체의 양쪽에서부터 폴딩되어진 상기 길이 연장부끼리는 상기 셀 적층체의 상면에서 만나거나 중첩되지 않을 수 있다.
상기 컴프레션 패드의 탄성 패드가 안쪽으로 상기 셀 쪽에 위치하고 상기 합성수지 필름이 바깥쪽에 위치하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임; 및 상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 셀 적층체를 덮는 상부 플레이트(top plate)를 더 포함하고, 상기 복수의 셀의 적층 방향과 수직한 상기 셀 적층체의 면이 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착되며, 상기 상부 플레이트와 상기 셀 적층체 사이에는 상기 셀과 간섭하는 부재가 존재하지 않는 것일 수 있다.
상기 상부 플레이트와 셀 적층체 사이는 이격되어 있는 것일 수 있다.
상기 컴프레션 패드의 탄성 패드가 접착제를 통해 상기 셀의 일면에 접착되고 상기 길이 연장부가 추가의 접착제를 통해 상기 셀의 상면에 접착될 수 있다.
이 때, 상기 접착제는 상기 셀의 길이 방향을 따라 연장되는 띠 모양으로 한 군데 이상 구비되는 것일 수 있다.
상기 셀 적층체 안의 셀과 셀 사이에 구비되는 추가의 컴프레션 패드를 더 포함할 수도 있다.
상기 추가의 컴프레션 패드는 소정 개수의 셀을 포함하는 셀 그룹의 사이마다 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 및 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 컴프레션 패드는 탄성 패드와 합성수지 필름의 적층체이고, 최외곽에 붙어 있는 컴프레션 패드의 합성수지 필름의 길이를 탄성 패드보다 증대하여 길이 연장부가 셀 적층체 상면 가장자리부를 덮도록 한다. 이를 통해, 셀 적층체와 프레임 부재 조립 공정으로 인해 불가피하게 노출되는 구간으로부터 절연성을 추가 확보할 수 있다.
특히 배터리 모듈에 포함되는 셀이 파우치 타입 셀인 경우에, 본 발명의 컴프레션 패드의 합성수지 필름의 길이 연장부는, 셀의 실링부 또는 셀 폴딩(cell folding)부 커팅(cutting)면 노출부를 최소화하여 절연 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 프레임 부재 내측에 셀 적층체로부터 절연성 확보를 위해 추가적으로 절연체를 삽입할 필요가 없어, 프레임 부재의 구조가 간단해진다. 그 결과, 셀 적층체를 프레임 부재에 삽입하고 조립할 때에 간섭에 의한 불량을 최소화할 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 종래 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 분해 및 조립 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 배터리 모듈을 구성하는 구성 요소들을 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 적층체를 나타내는 도면으로서, 도 6a는 컴프레션 패드의 합성수지 필름의 길이 연장부를 폴딩하기 전 상태의 사시도이고, 도 6b는 도 6a의 B-B'선에 따른 단면도이다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 적층체를 나타내는 도면으로서, 도 7a는 컴프레션 패드의 합성수지 필름의 길이 연장부를 폴딩한 후의 상태의 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 C-C'선에 따른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 컴프레션 패드의 측면도와 정면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 컴프레션 패드에 접착제 위치를 표시한 도면이다.
도 10은 도 7a의 C-C’선에 따르는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 및 조립 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 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.
먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대해서 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 배터리 모듈을 구성하는 구성 요소들을 결합한 상태를 나타내는 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(90)은 셀 적층체(100)와 셀 적층체(100)를 수용하는 프레임 부재(200)를 포함한다.
상기 셀 적층체(100)는 복수의 셀(110)이 적층되어 있는 것이다. 프레임 부재(200)는 셀 적층체(100)를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임(210), 및 U자형 프레임(210) 상부에서 셀 적층체(100)를 덮는 상부 플레이트(top plate, 220)를 포함한다. 복수의 셀(110)의 적층 방향과 수직한 상기 셀 적층체(100)의 면이 U자형 프레임(210)의 바닥부에 장착된다.
U자형 프레임(210)은 상부면, 전면 및 후면이 개방되어 있다. 셀 적층체(100)의 전면과 후면에는 엔드 플레이트(230)가 각각 위치할 수 있다. 그리고, 셀 적층체(100)와 엔드 플레이트(230) 사이에 위치하는 버스바 프레임(240)을 포함할 수 있다.
U자형 프레임(210)의 개방된 양측을 각각 제1 측과 제2 측이라고 할 때, U자형 프레임(210)은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 셀 적층체(100)의 면을 제외하고 나머지 외면들 중에서, 서로 인접한 전면, 하면 및 후면을 연속적으로 감싸도록 폴딩된 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(210)의 하면에 대응하는 상면은 개방되어 있다. U자형 프레임(210)의 바닥부에는 열전도성 수지층(212)이 형성될 수 있다.
상부 플레이트(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 전면, 하면 및 후면을 제외한 나머지 상면을 감싸는 하나의 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써 셀 적층체(100)를 감싸는 구조를 형성할 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)는 서로 대응하는 모서리 부위에 용접 등의 결합 방법으로 결합되어 용접부(CP)를 형성하고 있을 수 있다.
상기 셀(110)로는, 예를 들어 파우치 타입의 배터리 셀이 적용될 수 있다. 상기 셀(110)이 이처럼 파우치 타입의 배터리 셀인 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 셀(110)은 전극 조립체(미도시), 파우치 케이스(111), 전극 리드(112) 및 실링 테이프(113)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 전극 조립체는, 교호적으로 반복 적층된 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재시킨 형태를 가지며, 양 측 최 외각에는 절연을 위해 세퍼레이터가 각각 위치하는 것이 바람직하다.
상기 양극판은, 양극 집전체 및 그 일 면 상에 코팅되는 양극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 양극 무지부 영역은 양극탭으로서 기능한다.
상기 음극판은, 음극 집전체 및 그 일 면 또는 양 면 상에 코팅되는 음극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 음극 무지부 영역은 음극탭으로서 기능한다.
또한, 상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 전극판끼리 직접 접촉되는 것을 방지하되, 양극판과 음극판 사이에서 전해질을 매개체로 하여 이온의 이동이 가능하도록 하기 위해 다공성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 셀 케이스(111)는 전극 조립체를 수용하는 수용부(111a) 및 수용부(111a)의 둘레 방향으로 연장되어 전극 리드(112)가 외부로 인출된 상태로 열융착되어 실링됨으로써 셀 케이스(111)를 밀봉시키는 실링부(111b) 이렇게 두 영역을 포함한다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 셀 케이스(111)는, 수지층/금속층/수지층이 순차적으로 적층된 다층의 파우치 필름으로 이루어진 상부 케이스 및 하부 케이스 각각의 테두리 부분이 맞닿아 열융착됨으로써 밀봉된다.
상기 한 쌍의 전극 리드(112)는, 각각 양극탭(미도시) 및 음극탭(미도시)과 연결되어 셀 케이스(111)의 외측으로 인출된다. 상기 한 쌍의 전극 리드(112)는 서로 대향하여, 셀(110)의 일단부와 다른 일단부로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 셀 케이스(111)에서 전극 리드(112)가 돌출되어 있는 양 단부 사이가 셀(110)의 길이 방향으로 정의될 수 있다.
상기 실링 테이프(113)는, 전극 리드(112)의 둘레에 부착되며, 파우치 케이스(111)의 실링부(111b) 내측면과 전극 리드(112) 사이에 개재된다. 상기 실링 테이프(113)는, 전극 리드(112)의 인출로 인해 실링부(111b)의 밀봉성이 취약해지지 않도록 한다.
복수의 셀(110)은 도 3에 도시한 바와 같이 Y축 방향으로 적층될 수 있다. 셀 케이스(111) 표면이 미끄러운 경우 복수의 셀(110)을 적층할 때 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 셀(110)들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 셀 케이스(111)의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 셀 적층체(100)는 Y축 방향으로 적층되고, Z축 방향으로 U자형 프레임(210) 내부에 수용되어 열전도성 수지층(212)에 의해 냉각이 진행될 수 있다.
셀 적층체(100)가 U자형 프레임(210)의 바닥부에 장착되기 전에, U자형 프레임(210)의 바닥부에 열전도성 수지를 도포하고, 열전도성 수지를 경화하여 도 3에 도시한 열전도성 수지층(212)을 형성할 수 있다. 열전도성 수지층(212)을 형성하기 이전에, 즉 상기 도포한 열전도성 수지가 경화되기 전에 셀 적층체(100)가 U자형 프레임(210)의 바닥부에 수직한 방향을 따라 이동하면서 U자형 프레임(210)의 바닥부에 장착될 수 있다. 이후 열전도성 수지가 경화되어 형성된 열전도성 수지층(212)은 U자형 프레임(210)의 바닥부와 셀 적층체(100) 사이에 위치한다. 열전도성 수지층(212)은 셀(110)에서 발생하는 열을 배터리 모듈(90) 바닥으로 전달하고 셀 적층체(100)를 고정하는 역할을 할 수 있다.
도 5에 도시한 셀(110)의 실링부(111b)는 커팅 공정으로 인해 셀 케이스(111)의 수지층/금속층/수지층이 단면에 노출되어 절연에 취약한 부분이다. 본 발명에서는 이러한 실링부(111b)를 보호할 수 있도록, 셀 적층체(100)의 바깥면에 도 3에 도시한 바와 같은 컴프레션 패드(compression pad, 120)를 구비하는 것이 특징이다. 도 6 내지 도 9를 참조하여 이러한 컴프레션 패드(120)에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 적층체를 나타내는 도면으로서, 도 6a는 컴프레션 패드의 합성수지 필름의 길이 연장부를 폴딩하기 전 상태의 사시도이고, 도 6b는 도 6a의 B-B'선에 따른 단면도이다. 도 7a와 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 적층체를 나타내는 도면으로서, 도 7a는 컴프레션 패드의 합성수지 필름의 길이 연장부를 폴딩한 후의 상태의 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 C-C'선에 따른 단면도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 컴프레션 패드의 측면도와 정면도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 컴프레션 패드에 접착제 위치를 표시한 도면이다.
도 3, 도 6 및 도 7에서와 같이, 셀 적층체(100)의 바깥면에 본 발명 특유의 컴프레션 패드(120)가 구비된다.
도 8에 상세히 도시한 바와 같이, 컴프레션 패드(120)는 탄성 패드(122)와 상기 탄성 패드(122)의 적어도 일면에 부착되는 합성수지 필름(124)의 적층체이다. 도 8에서 (a)는 컴프레션 패드(120)의 측면도이고 (b)는 정면도이다. 상기 합성수지 필름(124)은 상기 탄성 패드(122)에 비하여 Z축 방향으로의 길이가 긴 길이 연장부(125)를 포함하고, 상기 길이 연장부(125)가 도 7a와 같이 Y축 방향으로 폴딩되어 상기 셀 적층체(100)의 상면을 덮어 보호하게 된다. 특히 셀(110)이 파우치 타입 배터리 셀인 경우, 상기 길이 연장부(125)는 폴딩되어 실링부(111b)를 덮을 수 있다. 탄성 패드(122)와 합성수지 필름(124)의 X축 방향 길이는 서로 동일할 수 있으며, 그 길이는 셀(110)의 셀 케이스(111)의 수용부(111a) 길이와 동일하거나, 셀(110)의 길이와 동일할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시한 것처럼, 상기 컴프레션 패드(120)의 탄성 패드(122)가 안쪽을 향해 상기 셀(110) 쪽에 위치하고 상기 합성수지 필름(124)은 바깥쪽을 향해 최외곽에 위치하는 것일 수 있다. 탄성 패드(122)는 배터리 모듈의 반복적인 충방전에 따라 셀(110)들에 스웰링이 발생되어 셀(110)이 적층 방향(Y축 방향)을 따라 볼록하게 팽창하는 경우 압축되어 스웰링을 흡수할 수 있다. 또한, 외부로부터의 충격을 흡수할 수 있다. 이러한 기능을 고려하여, 상기 탄성 패드(122)는, 탄성을 갖는 적절한 재질로 이루어질 수 있으며, 특히 폴리 우레탄 폼일 수 있다.
상기 합성수지 필름(124)은 탄성 패드(122)에 전달되는 열적 이동을 최소화할 수 있다. 또한, 컴프레션 패드(120)의 핸들링을 용이하게 한다. 바람직하게, 매우 낮은 열전도성을 가진 재질로 상기 합성수지 필름(124)을 구비하면 좋다. 상기 합성수지 필름(124)은 PET일 수 있다.
컴프레션 패드(120)는 셀 적층체(100)의 양쪽 최외곽 셀(110)의 바깥쪽 대면적 부분에 각각 부착되고 상기 셀 적층체(100)의 양쪽에 위치하게 되는 상기 길이 연장부(125)는 상기 셀 적층체(100)의 안쪽을 향하여 각각 폴딩되어 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이 상기 셀 적층체(100)의 양쪽 상부 모서리를 각각 보호하게 될 수 있다. 이 때, 상기 셀 적층체(100)의 양쪽에서부터 폴딩되어진 상기 길이 연장부(125)끼리는 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이 상기 셀 적층체(100)의 상면에서 만나거나 중첩되지 않을 수 있다. 셀 적층체(100)의 상면에 다른 부재를 포함할 때에 셀 적층체(100)의 상면에서 길이 연장부(125)끼리 만나거나 중첩되지 않아 노출된 부위 위에 배치할 수 있다.
상기 컴프레션 패드(120)의 탄성 패드(122)가 접착제(126)를 통해 상기 셀(110)의 일면에 접착되고 상기 길이 연장부(125)가 추가의 접착제(127)를 통해 상기 셀(110)의 상면에 접착될 수 있다. 도 9를 참조하면, 접착제(126)가 상기 셀(110)의 길이 방향을 따라 연장되는 띠 모양으로 한 군데 이상 구비되어 있다. 접착제(126, 127)는 양면 테이프 또는 점착제일 수 있다.
한편, 상기 셀 적층체(100) 안의 셀(110)과 셀(110) 사이에는 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이 추가의 컴프레션 패드(120')를 더 포함할 수도 있다.
추가의 컴프레션 패드(120')는 서로 인접한 셀(110) 사이에 개재되며, 셀 적층체(100)의 두께 증가를 최소화 하기 위해 하나만 구비될 수 있다. 이와 같이 추가의 컴프레션 패드(120')가 하나만 구비되는 경우, 추가의 컴프레션 패드(120')는 셀 적층체(100)의 적층 방향 중심부에 배치되는 것이 바람직하다. 이는, 인접한 셀(110) 간의 열폭주 현상의 전파를 효율적으로 차단하기 위함이다.
상기 추가의 컴프레션 패드(120')는 셀 적층체(100) 안에 복수개가 포함될 수도 있다. 이 때, 추가의 컴프레션 패드(120')는 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이 소정 개수의 셀을 포함하는 셀 그룹(110')의 사이마다 배치될 수 있다. 하나의 셀 그룹에 몇 개의 셀(110)을 포함시킬 것인지는, 배터리 모듈에 포함되는 셀(110)의 개수, 셀(110)이 갖는 용량, 추가의 컴프레션 패드(120')의 두께 등을 고려하여 결정될 수 있다.
추가의 컴프레션 패드(120')도 컴프레션 패드(120)와 마찬가지로 탄성 패드(122)와 합성수지 필름(124)의 적층체일 수 있다. 특히 추가의 컴프레션 패드(120')는 도시한 바와 같이 하나의 탄성 패드(122)와 하나의 합성수지 필름(124)을 적층한 것일 수도 있지만, 가운데에 탄성 패드(122)가 있고, 탄성 패드(122)의 양 측면에 각각 합성수지 필름(124)을 구비하는 샌드위치 구조일 수도 있다. 추가의 컴프레션 패드(120')에서 합성수지 필름(124)은 탄성 패드(122)의 길이와 동일한 길이를 가져도 된다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 프레임 부재(200)가 U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명하였는데, U자형 프레임(210)은 상부면, 전면 및 후면이 개방되어 있으므로 셀 적층체(100)를 장착할 때에 취급이 용이하다. 상부 플레이트(220)와 셀 적층체(100) 사이는 이격되어 있어, 셀 적층체(100)의 상면에 다른 부재를 포함시키기가 용이하다.
프레임 부재(200)의 구조는 다른 것도 가능하다. 예를 들어, 프레임 부재(200)는 셀 적층체(100)를 덮도록 전면과 후면이 개방된 모노 프레임을 포함할 수도 있다. 이 경우 셀 적층체(100)에 컴프레션 패드(120)를 접착한 후, 길이 연장부(125)를 도 7과 같이 폴딩한 상태로 하여, 셀 적층체(100)를 모노 프레임의 개방된 전면 또는 후면으로 삽입하여 조립할 수 있다. 다른 예를 들어, 프레임 부재(200)는 셀 적층체(100)를 수용하고 상부 및 일측면이 개방된 제1 L자형 프레임, 및 셀 적층체(100)를 수용하고, 하부 및 일측면이 개방된 제2 L자형 프레임을 포함하고, 상기 제1 L자형 프레임과 상기 제2 L자형 프레임이 맞물려 상기 셀 적층체(100)의 4면을 둘러싸도록 하는 것일 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 컴프레션 패드(120)는 탄성 패드(122)와 합성수지 필름(124)의 적층체이고, 최외곽에 붙어 있는 컴프레션 패드(120)의 합성수지 필름(124)의 길이를 탄성 패드(122)보다 증대하여 길이 연장부(125)가 셀 적층체(100) 상면 가장자리부를 덮도록 한다. 이를 통해, 셀 적층체(100)와 프레임 부재(200), 특히 상부 플레이트(220) 조립 공정으로 인해 불가피하게 노출되는 구간으로부터 절연성을 추가 확보할 수 있다. 특히 셀(110)이 파우치 타입 셀인 경우에, 실링부(111b) 또는 이러한 실링부(111b)를 폴딩한 셀 폴딩(cell folding)부의 커팅면 노출부를 최소화하여 절연 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 셀 적층체(100)를 U자형 프레임(210)에 삽입하고 상부 플레이트(220)를 조립할 때에 간섭에 의한 불량을 최소화할 수 있다. 도 10은 도 7a의 C-C’선에 따르는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 및 조립 단면도이다. 도 3과 도 10을 함께 참조하면, 상부 플레이트(220)와 셀 적층체(100) 사이는 이격되어 있고, 상부 플레이트(220)와 셀 적층체(100) 사이에는 셀(110)과 간섭하는 부재가 존재하지 않는다. 컴프레션 패드(120)의 합성수지 필름(124)의 길이 연장부(125)를 가지고 셀 적층체(100) 상면 가장자리부를 덮기 때문에, 종래 배터리 모듈(1)의 처마 구조와 같은 필름이 불필요한 것이다. 추가의 절연 필름(222)을 포함시킨다고 해도 처마 구조를 가질 필요 없이 편평하면 되기 때문에 셀(110)과 간섭할 일이 없다.
종래 배터리 모듈(1)에서 상부 플레이트의 필름은 가장자리부 보호를 위해 처마 형상을 갖고 있으나 조립 과정에서 간섭에 매우 취약하다. 본 발명에서는 해당 형상을 삭제하여 조립성 향상을 기대할 수 있다. 기존 상부 플레이트의 필름에서 가장자리부 보호를 위한 처마 형상을 삭제하여도, 최외곽에 붙어 있는 컴프레션 패드(120)의 합성수지 필름(124)의 길이 연장부(125)가 셀 적층체(100) 상면 가장자리부를 덮어 보호하므로, 절연에 취약하지 않다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 셀 적층체(100)를 구성하는 셀(110)로서 파우치 타입 셀을 사용하는 경우에는 프레임 부재(200)와 특히 근접한 위치에 있는 최외곽 셀(110)에 대한 절연성 확보가 매우 우수하고, 셀 적층체(100)와 프레임 부재(200) 조립시의 불량을 최소화할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시하는 개략적인 도면이다. 이러한 배터리 팩(300)은 전기자동차용 배터리 팩으로 활용되기 적합하다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 배터리 팩(300)은 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(90) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(90)을 패키징하는 팩 케이스(310)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, 이러한 배터리 모듈(90)과 팩 케이스(310) 이외에 배터리 모듈(90)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
배터리 모듈(90)은, 거의 직육면체 상태를 이루어, 배터리 팩 케이스(310) 안에 정연하게 늘어놓을 수 있고 각 배터리 모듈(90)은, 자동차(400)의 주행에 필요한 전력을 확보할 수 있도록 접속되어 있다.
배터리 팩 케이스(310)는 배터리 모듈(90)들을 고정 수납하는 용기이며, 직육면체 상태의 상자이다. 그리고, 이 배터리 팩 케이스(310)는 자동차(400) 내의 소정의 위치에 배설될 수 있다.
바람직하게, 자동차(400)는 전기자동차일 수 있다. 배터리 팩(300)은 전기자동차의 모터에 구동력을 제공하여 자동차(400)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(300)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다.
배터리 팩(300)은 모터 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 브레이크(brake)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 인버터를 통해 자동차(400)의 모터에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 배터리 팩(300)은 상기 자동차 이외에도 이차전지를 이용하는 전력 저장 장치(ESS) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(300)과 상기 자동차(400)와 같은 상기 배터리 팩(300)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(90)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(90)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(300) 및 이러한 배터리 팩(300)을 구비하는 자동차(400) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 전, 후, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
90: 배터리 모듈 100: 셀 적층체
110: 셀 110': 셀 그룹
111: 셀 케이스 111a: 수용부
111b: 실링부 112: 전극 리드
113: 실링 테이프 120, 120': 컴프레션 패드
122: 탄성 패드 124: 합성수지 필름
125: 길이 연장부 126, 127: 접착제
200: 모듈 케이스 210: U자형 프레임
212: 열전도성 수지층 220: 상부 플레이트
222: 절연필름 230: 엔드 플레이트
240: 버스바 프레임

Claims (14)

  1. 복수의 셀이 적층되어 있는 셀 적층체;
    상기 셀 적층체의 바깥면에 구비되는 컴프레션 패드를 포함하고,
    상기 컴프레션 패드는 탄성 패드와 상기 탄성 패드의 적어도 일면에 부착되는 합성수지 필름의 적층체이며,
    상기 합성수지 필름은 상기 탄성 패드에 비하여 길이가 긴 길이 연장부를 포함하고, 상기 길이 연장부가 폴딩되어 상기 셀 적층체의 상면을 덮어 보호하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀은 실링부를 포함하는 파우치 타입 셀이고, 상기 길이 연장부는 폴딩되어 상기 실링부를 덮는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄성 패드는 폴리 우레탄 폼이고 상기 합성수지 필름은 PET인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컴프레션 패드는 상기 셀 적층체의 양쪽 최외곽 셀의 바깥쪽 대면적 부분에 각각 부착되고 상기 셀 적층체의 양쪽에 위치하게 되는 상기 길이 연장부는 상기 셀 적층체의 안쪽을 향하여 각각 폴딩되어 상기 셀 적층체의 양쪽 상부 모서리를 각각 보호하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 셀 적층체의 양쪽에서부터 폴딩되어진 상기 길이 연장부끼리는 상기 셀 적층체의 상면에서 만나거나 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컴프레션 패드의 탄성 패드가 안쪽으로 상기 셀 쪽에 위치하고 상기 합성수지 필름이 바깥쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 적층체를 수용하고 상부가 개방된 U자형 프레임; 및
    상기 개방된 U자형 프레임 상부에서 상기 셀 적층체를 덮는 상부 플레이트를 더 포함하고,
    상기 복수의 셀의 적층 방향과 수직한 상기 셀 적층체의 면이 상기 U자형 프레임의 바닥부에 장착되며,
    상기 상부 플레이트와 상기 셀 적층체 사이에는 상기 셀과 간섭하는 부재가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 상부 플레이트와 셀 적층체 사이는 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 컴프레션 패드의 탄성 패드가 접착제를 통해 상기 셀의 일면에 접착되고 상기 길이 연장부가 추가의 접착제를 통해 상기 셀의 상면에 접착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 접착제는 상기 셀의 길이 방향을 따라 연장되는 띠 모양으로 한 군데 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 셀 적층체 안의 셀과 셀 사이에 구비되는 추가의 컴프레션 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 추가의 컴프레션 패드는 소정 개수의 셀을 포함하는 셀 그룹의 사이마다 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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