KR20220146319A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 적어도 하나의 전지셀, 및 상기 적어도 하나의 전지셀을 감싸는 단위 모듈 프레임을 포함하는 모듈 단위체를 포함하고, 상기 단위 모듈 프레임의 측면부는 함몰부를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 확장성, 구조 강성, 냉각 성능 및 안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 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 있는 바, 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 전지 팩을 형성할 수 있다.
이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지셀을 구비한 전지 모듈이나 전지 팩은 좁은 공간에서 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지 팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여 질 수 있다.
따라서, 전지 모듈이나 전지 팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 도 3은 복수의 종래 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 4는 종래 전지 모듈의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층되어 전지셀 적층체(20)를 형성하고, 전지셀 적층체(20)는 모듈 프레임(30)에 수납된다. 또한, 전지셀(11)의 전극 리드(12)들을 전기적으로 연결하는 버스 바 어셈블리를 포함한다. 이때, 상기 버스 바 어셈블리는 각각의 전지셀(11)의 전극 리드(12)들을 개별적으로 통과시키는 리드 슬롯들을 구비하는 버스 바 프레임(15) 및 버스 바 프레임(15)에 장착되고, 리드 슬롯들 개수에 대응되도록 구비되는 버스 바 슬롯들을 구비하며, 버스 바 슬롯들을 통과한 전극 리드(12)들과 용접 등으로 연결되는 버스 바(16)을 포함하여 구성된다.
종래 전지 모듈의 경우, 상기와 같이 다수의 구성을 포함함으로써, 전지 모듈 완제품 구조가 복잡하였다. 또한, 종래 전지 모듈 상에는 전지 모듈 내부의 화염이 발생하는 경우 화염 및 가스가 배출될 수 있는 구조가 부재하였다. 그러므로, 도 3과 같이 복수의 전지 모듈이 인접할 때, 일 전지 모듈에서 발생한 화염은 인접한 전지 모듈로 전파될 수 있다. 특히, 열폭주 전파(thermal runaway propagation) 현상 발생 시 종래 전지 모듈 간 연쇄 반응에 매우 취약하였다. 또한, 종래 전지 모듈은 단일 모듈 프레임으로 형성되어, 셀 스웰링 억제 효과 및 구조 강성 확보에 어려움이 있었다.
더욱이 도 4를 참조하면, 종래의 전지 모듈(10)은 외기와의 열교환이 일어나는 최외각 전지셀(11)과 중심 전지셀(11) 간 온도 편차가 심하게 나타난다. 특히, 중심 전지셀(11)은 밀착된 전지셀(11)들의 온도가 전달되어 고온 상태가 지속되어, 폭발 또는 발화 가능성이 커질 수 있다.
따라서, 상기 문제들을 해결하고자, 모듈의 구조적 복잡성을 해소하면서도, 열폭주 전파 현상 발생시 발생하는 가스 및 화염을 배출하고, 연쇄 반응을 방지할 수 있는 구조 및 확장성과 모듈 강성 향상 및 전지셀 간의 온도 편차를 해소할 수 있는 냉각 구조를 보유한 새로운 전지 모듈 구조의 필요성이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 확장성, 구조 강성, 냉각 성능 및 안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 적어도 하나의 전지셀, 및 상기 적어도 하나의 전지셀을 감싸는 단위 모듈 프레임을 포함하는 모듈 단위체를 포함하고, 상기 단위 모듈 프레임의 측면부는 함몰부를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은 상기 함몰부 상에 형성되는 가스 토출구를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 토출구는 상기 함몰부의 일부 영역에 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지셀에 형성된 전극 리드를 더 포함하고, 상기 가스 토출구는 상기 전극 리드와 인접하도록 상기 함몰부 상에 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 함몰부는 상기 전지셀이 위치한 방향을 향해, 상기 단위 모듈 프레임의 내측으로 함몰되는 것을 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 함몰부가 형성된 상기 단위 모듈 프레임의 면과 상기 전지셀의 측면부가 서로 평행하도록 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 모듈 단위체는 복수개 적층되고, 상기 함몰부는 상기 모듈 단위체가 복수개 적층됨에 따라 각각의 상기 모듈 단위체 사이에 공간부를 형성할 수 있다.
상기 가스 토출구는 상기 공간부와 연결될 수 있다.
상기 단위 모듈 프레임은 상기 함몰부에 비해 돌출되는 돌출부를 포함하고, 상기 복수의 모듈 단위체의 상기 돌출부가 접촉되도록 상기 모듈 단위체가 적층되는 것을 포함할 수 있다.
상기 적층된 복수개의 모듈 단위체는 결합 부재에 의해 결합될 수 있다.
상기 결합 부재는 스트랩을 포함하고, 상기 스트랩은 상기 적층된 복수개의 모듈 단위체를 감싸는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은 상기 함몰부 상에 형성되는 보강 비드를 더 포함하고, 상기 보강 비드는 상기 함몰부 상에 이격되어 복수개 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은 상기 공간부 상에 형성되는 방열 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 단위 모듈 프레임 바닥부 아래에 형성되는 열전도성 수지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기 설명한 전지 모듈을 포함한다.
상기 전지 모듈의 상기 단위 모듈 프레임에 형성되는 상기 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부 상에 끼움 결합되는 고정 부재를 더 포함하며, 상기 고정 부재에 의해 상기 전지 모듈이 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 단위 모듈 프레임을 포함하는 모듈 단위체가 적층되어 형성됨으로써, 확장성 및 구조 강성이 향상되는 효과를 달성한다.
또한, 상기 전지 모듈은 단위 모듈 프레임에 형성되는 함몰부를 포함하고, 상기 함몰부에 의해 공간부가 형성됨으로써, 전지셀 간 온도 편차를 해소하고, 냉각 성능이 향상되는 효과를 달성할 수 있다. 특히, 상기 공간부가 단열층을 형성하여, 인접한 모듈 단위체 및 전지셀 간의 연쇄 반응을 방지하는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 상기 전지 모듈은 단위 모듈 프레임에 형성되는 가스 토출구를 포함하고, 상기 가스 토출구에 의해 화염 및 가스가 배출됨으로써 열폭주 현상 발생 시 전파를 억제하는 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 복수의 종래 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1의 전지 모듈에 포함되는 전지셀의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 모듈 단위체가 연결되어 형성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 전지 모듈에 형성되는 결합 부재를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 전지 모듈을 도 5의 y축 방향에서 바라본 모습을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체를 나타낸 사시도이다.
도 10은 도 9의 모듈 단위체가 연결되어 형성되는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 10의 전지 모듈에 형성되는 결합 부재를 도시한 도면이다.
도 12는 도 10의 B 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 12의 절단선 C-C’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 14는 본 발명의 전지 모듈에 포함되는 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 방열 부재 및 열전도성 수지층을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 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.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 도 5 내지 도 8 및 도 14를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체를 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 5의 모듈 단위체가 연결되어 형성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 7은 도 6의 전지 모듈에 형성되는 결합 부재를 도시한 도면이다. 도 8은 도 6의 전지 모듈을 y축 방향에서 바라본 모습을 확대하여 나타낸 단면도이다. 도 14는 본 발명의 전지 모듈에 포함되는 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 5 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 적어도 하나의 전지셀(110), 및 적어도 하나의 전지셀(110)을 감싸는 단위 모듈 프레임(200)을 포함하는 모듈 단위체(300)를 포함하고, 단위 모듈 프레임(200)의 측면부는 함몰부(210)를 포함한다. 이때, 함몰부(210)는 전지셀(110)이 위치한 방향을 향해, 단위 모듈 프레임(200)의 내측으로 함몰되는 것을 포함할 수 있다.
이때, 전지셀(110)은 적어도 하나 이상일 수 있으며, 복수개의 전지셀(110)이 형성되는 경우, 일방향으로 적층되어 전지셀 적층체를 형성할 수 있다. 또한, 복수의 전지셀(110)은 도 5에 도시한 바와 같이, x축 방향으로 적층될 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 양 측면(114c)을 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이가 전지셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 연결부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗어 있는 영역이며, 연결부(115)의 단부에 전지셀(110)의 돌기부(110p)가 형성될 수 있다. 돌기부(110p)는 연결부(115)의 양 단부 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 연결부(115)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 돌기부(110p)는 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)의 실링부(114sa, 114sb) 중 하나와 연결부(115) 사이에 위치할 수 있다.
전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 상기 전지셀 적층체를 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 포함되는 단위 모듈 프레임(200)은 측면부에 함몰부(210)가 형성될 수 있다. 단위 모듈 프레임(200) 내부에는 전지셀(110)이 위치하는 바, 함몰부(210)는 전지셀(110)이 위치한 방향을 향해 함몰되는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 8을 참조하면, 함몰부(210)가 형성된 단위 모듈 프레임(200)의 면과 전지셀(110)의 측면부가 서로 평행하도록 형성되는 것을 포함할 수 있다. 이때, 전지셀(110)의 측면부는 전지셀(110)들의 적층 방향에 수직한 면을 가리킬 수 있다. 또한, 함몰부(210)는 전지셀(110)의 길이 방향과 대응 및 평행하도록 단위 모듈 프레임(200)의 측면부 상에 형성될 수 있다.
또한, 단위 모듈 프레임(200)의 측면부에는 함몰부(210)에 비해 돌출되는 돌출부(220)를 더 포함할 수 있다. 단위 모듈 프레임(200) 상에 형성되는 함몰부(210)에 의해 단위 모듈 프레임(200) 상에는 함몰부(210)와 대비되는 돌출부(220)가 형성될 수 있다. 이때, 돌출부(220)는 함몰부(210)와 인접하도록 함몰부(210)의 상부 및 하부와 연결되도록 형성될 수 있다. 또한, 돌출부(220)와 관련하여, 후술하는 내용과 같이, 모듈 단위체(300)가 적층되는 경우에는, 모듈 단위체(300)의 돌출부(220)가 접촉되도록 적층 되는 것일 수 있다. 모듈 단위체(300)의 돌출부(220)가 접촉되도록 적층 됨으로써, 후술할 내용과 같이, 공간부(250)의 형성이 가능할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 단위 모듈 프레임(200)의 전면부 및 후면부에는 전극 리드(111, 112)가 통과하는 리드 슬롯(290)이 형성될 수 있다. 리드 슬롯(290)을 통해, 전극 리드(111, 112)의 추가적인 전기적 연결이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 적어도 하나 이상의 전지셀(100)이 단위 모듈 프레임(200)에 의해 감싸지는 구조를 갖는 모듈 단위체(300)를 포함할 수 있으며, 이때, 전지셀(100)은 복수의 전지셀(110)을 포함할 수 있으나, 종래의 전지 모듈에 비해서는 적은 수의 전지셀(110)을 포함하는 것이 바람직하다.
종래 전지 모듈은 단일 모듈 프레임 내에 다수의 전지셀을 포함함으로써, 단일 모듈 프레임이 다수의 전지셀에 의한 셀 스웰링 현상에 의해 변형되거나, 셀 스웰링을 흡수하지 못하는 문제가 발생하였다. 또한, 상기 변형 등에 의해 종래 전지 모듈의 강성을 확보하는데 어려움이 있었다. 더불어, 단일 모듈 프레임 내에 다수의 전지셀이 포함됨으로써, 외부에 의해 냉각 가능성이 높은 최외각 전지셀과 중심 전지셀 간의 온도 편차가 심하게 나타나 전지셀의 수명 약화 및 발화 가능성이 높아지는 문제점이 발생하였다.
따라서, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 단위체(300)가 복수개 적층되는 것을 포함하고, 모듈 단위체(300)가 복수개 적층됨에 따라 함몰부(210)는 각각의 모듈 단위체(300) 사이에 공간부(250)를 형성할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 종래 전지 모듈에 비해 적은 수의 전지셀(110)이 포함되는 모듈 단위체(300)가 복수개 적층되어 전지 모듈(100)을 형성하고, 각 모듈 단위체(300)는 단일 모듈 프레임(200)을 포함함으로써, 모듈 강성을 확보할 수 있다.
또한, 단일 모듈 프레임(200)이 다수 포함됨으로써, 전지셀(110)의 셀 스웰링 현상이 발생하더라도, 각각의 단일 모듈 프레임(200)에 의해 셀 스웰링 현상을 흡수할 수 있으며, 전체적인 전지 모듈(100)의 변형을 최소화할 수 있다.
특히, 모듈 단위체(300)가 복수개 적층됨에 따라 함몰부(210)에 의해 형성되는 공간부(250) 구성은 에어 갭(air gap)을 형성하거나, 상기 공간부를 통해 냉각수 및 외기를 유입시킴으로써 추가적인 냉각 경로의 형성이 가능하다.
더욱이, 단일 모듈 프레임(200) 및 단일 모듈 프레임(200)의 측면부에 형성되는 함몰부(210) 구성은 그 자체로 냉각 핀(cooling pin) 역할을 수행함으로써, 전지셀(110)에서 발생한 열을 냉각할 수 있다. 또한, 함몰부(210) 구성은 단일 모듈 프레임(200)의 측면부를 따라 전지셀(110) 길이 방향으로 넓게 형성되므로, 전지셀(110)에서 발생한 열의 효과적인 냉각이 가능하다. 따라서, 상기와 같이 적은 수의 전지셀(110)이 포함되고, 전지셀(110)은 단일 모듈 프레임(200), 함몰부(210) 및 공간부(250)에 의해 다수의 냉각 구조가 형성됨으로써, 전지셀(110) 간의 온도 편차가 해소될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 적층된 복수개의 모듈 단위체(300)는 결합 부재에 의해 결합될 수 있다.
보다 구체적으로, 결합 부재(400)는 스트랩(400)을 포함할 수 있고, 스트랩(400)은 적층된 복수개의 모듈 단위체(300)를 감싸는 것을 포함할 수 있다. 또한, 이외에도 적층된 복수개의 모듈 단위체(300)는 접착제에 의해 결합될 수 있으며, 볼팅 구조에 의해서도 결합될 수 있다. 또한, 복수개의 모듈 단위체(300)간의 결합을 가능하게 하는 다양한 방법으로 모듈 단위체(300)가 결합될 수 있다.
이때, 본 발명의 모듈 단위체(300)는 돌출부(220)가 접촉하여 적층되거나, 모듈 단위체(300)의 상면부 및 바닥부가 서로 접촉하여 적층될 수 있다. 따라서, 복수의 모듈 단위체(300)가 결합 또는 적층되어 다양한 연결 구조를 형성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체를 나타낸 사시도이다. 도 10은 도 9의 모듈 단위체가 연결되어 형성되는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 11은 도 10의 전지 모듈에 형성되는 결합 부재를 도시한 도면이다. 도 12는 도 10의 B 부분을 확대하여 나타낸 사시도이다. 도 13은 도 12의 절단선 C-C’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 9 및 도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 적어도 하나의 전지셀(110), 및 상기 적어도 하나의 전지셀(110)을 감싸는 단위 모듈 프레임(200)을 포함하는 모듈 단위체(300)를 포함하고, 단위 모듈 프레임(200)의 측면부는 함몰부(210)를 포함한다. 또한, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 함몰부(210) 상에 형성되는 가스 토출구(270)를 포함한다.
종래의 전지 모듈은 전지 모듈 내부에서 발생한 화염 및 가스가 배출 및 이동할 수 있는 구조 및 경로가 부재하여, 화염이 제대로 배출되지 못하고 발화 및 폭발이 발생할 위험이 존재하였다. 특히, 상기 발화 및 폭발에 의해 열폭주 전파(thermal runaway propagation) 현상이 발생하는 경우, 인접한 전지셀 및 전지 모듈 간의 연쇄 반응이 발생할 위험성이 있었다.
따라서, 앞선 실시예에 따른 도 8과 도 10, 도 12 및 도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 함몰부(210) 및 가스 토출구(270)를 포함하는 모듈 단위체(300)가 복수개 적층되는 것을 포함하고, 모듈 단위체(300)가 복수개 적층됨에 따라 함몰부(210)는 각각의 모듈 단위체(300) 사이에 공간부(250)를 형성할 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 포함되는 가스 토출구(270)를 통해 전지 모듈 내부, 특히 단일 모듈 프레임(200) 내부 발화 시, 화염 및 가스가 신속하게 배출될 수 있다. 따라서, 신속히 발화가 진화되는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 모듈 단위체(300)가 복수개 적층됨에 따라 함몰부(210)에 의해 형성되는 공간부(250) 구성은 에어 갭(air gap)을 형성함으로써 단열층의 역할을 수행할 수 있다. 함몰부(210)가 단열층 역할을 수행함으로써, 열폭주 전파 현상 발생 시 연쇄 반응을 차단 및 지연시키는 효과를 달성할 수 있다.
더불어, 공간부(250)는 함몰부(210)의 형상을 따라 형성될 수 있으므로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 포함되는 공간부(250)는 전지셀(110)의 측면부와 평행하도록 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 포함되는 가스 토출구(270)는 공간부(250)와 연결될 수 있다. 따라서, 가스 토출구(270)를 통해 배출되는 가스 및 화염이 공간부(250)를 따라 이동함으로써, 가스 및 화염의 배출이 효과적일 수 있다. 그러므로, 가스 토출구(270) 및 가스 토출구(270)와 연결되는 공간부(250) 구성은 가스 및 화염의 이동 경로를 형성할 수 있다.
또한, 도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 포함되는 가스 토출구(270)는 전지셀(110)에 형성된 전극 리드(111, 112)와 인접하도록 함몰부(210) 상에 형성되는 것을 포함할 수 있다. 이때, 가스 토출구(270)는 함몰부(210)의 일부 영역에 형성될 수 있다. 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)는 발열이 발생하는 부위로서, 상기 발열에 의한 발화 및 폭발 가능성이 높다. 따라서 전극 리드(111, 112)에서의 발화 시, 전극 리드(111, 112)와 인접하게 형성된 가스 토출구(270)를 통해 신속하게 가스 및 화염이 배출될 수 있다. 또한 가스 토출구(270)는 공간부(250)와 연결되어 가스 및 화염의 이동 경로를 형성하므로, 상기 경로에 의해 가스 및 화염의 신속한 이동이 가능하다. 이와 같이 가스 및 화염의 신속한 이동을 촉진함으로써, 열폭주 전파 현상의 방지, 및 열폭주 전파 현상이 발생하는 경우에는 전지셀 및 모듈 단위체 간에 발생할 수 있는 연쇄 반응을 방지 및 지연시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 가스 토출구(270)는 모듈 단위체(300)의 일 측면부 및/또는 양 측면부에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 가스 토출구(270)는 모듈 단위체(300)의 함몰부(210) 중 일부 또는 전부에 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100) 또한, 적층된 복수개의 모듈 단위체(300)는 결합 부재에 의해 결합될 수 있다.
보다 구체적으로, 결합 부재(400)는 스트랩(400)을 포함할 수 있고, 스트랩(400)은 적층된 복수개의 모듈 단위체(300)를 감싸는 것을 포함할 수 있다. 또한, 이외에도 적층된 복수개의 모듈 단위체(300)는 접착제에 의해 결합될 수 있으며, 볼팅 구조에 의해서도 결합될 수 있다. 또한, 복수개의 모듈 단위체(300)간의 결합을 가능하게 하는 다양한 방법으로 모듈 단위체(300)가 결합될 수 있다.
이때, 본 발명의 모듈 단위체(300)는 돌출부(220)가 접촉하여 적층되거나, 모듈 단위체(300)의 상면부 및 바닥부가 서로 접촉하여 적층될 수 있다. 따라서, 복수의 모듈 단위체(300)가 결합 또는 적층되어 다양한 연결 구조를 형성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체를 설명하도록 한다.
도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체의 사시도이다.
상기에서 설명한 전지 모듈의 내용과 중복되는 내용이 존재하는 바, 상기 설명한 전지 모듈의 내용과 상이한 부분만을 설명하도록 한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 모듈 단위체(300)는 단위 모듈 프레임(200)의 함몰부(210) 상에 형성되는 보강 비드(500)를 더 포함하고, 보강 비드(500)는 함몰부(210) 상에 이격되어 복수개 형성될 수 있다. 이때, 보강 비드(500)는 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 복수개 형성될 수 있다.
또한, 각각의 보강 비드(500)는 전지셀(110)의 길이 방향과 수직하도록 형성될 수 있다.
종래 전지 모듈과 비교하여 모듈 강성을 더욱 향상시키기 위하여, 단위 모듈 프레임(200)의 함몰부(210) 상에 추가적으로 보강 비드(500)를 더 형성할 수 있다.
따라서, 상기 구조를 통해 전지셀(110)의 셀 스웰링 현상 발생 시, 단위 모듈 프레임(200)의 셀 스웰링 흡수 효과를 높일 수 있다. 또한, 셀 스웰링 흡수에 의한 단위 모듈 프레임(200)의 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 모듈 단위체(300)는 함몰부(210) 상에 형성되는 가스 토출구(270)를 포함하고, 가스 및 화염의 신속한 이동을 촉진함으로써, 열폭주 전파 현상의 방지, 및 열폭주 전파 현상이 발생하는 경우에는 전지셀 및 모듈 단위체 간에 발생할 수 있는 연쇄 반응을 방지 및 지연시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 방열 부재 및 열전도성 수지층에 대해 설명하도록 한다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 방열 부재 및 열전도성 수지층을 나타낸 도면이다.
상기에서 설명한 전지 모듈의 내용과 중복되는 내용이 존재하는 바, 상기 설명한 전지 모듈의 내용과 상이한 부분만을 설명하도록 한다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은 모듈 단위체(300)가 복수개 적층되며, 모듈 단위체(300) 사이에 형성되는 공간부(250)를 포함하고, 공간부(250)에 형성되는 방열 부재(550)를 포함할 수 있다.
이때, 공간부(250)에 형성되는 방열 부재(550)는 방열 패드, 냉각 패드 일 수 있으며, 냉각수 및 외기(external air) 일 수 있다.
방열 부재(550)는 공간부(250)의 크기와 동일하도록 형성될 수 있으며, 공간부(250)와 접촉하는 범위에서 공간부(250)의 크기 보다 작게 형성될 수도 있다. 상기 접촉을 통해 전지셀(110)에서 발생하여 단위 모듈 프레임(200) 및 모듈 단위체(300)로 전달된 열은 방열 부재(550)로 전달될 수 있다.
따라서, 공간부(250)에 형성된 방열 부재(550)를 통해 전지셀(110)에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각할 수 있으며, 전지 모듈의 발화 및 발열 가능성을 최소화할 수 있다.
또한, 도 16을 다시 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은 단위 모듈 프레임(200)의 바닥부 아래에 형성되는 열전도성 수지층(600)을 더 포함할 수 있다.
단위 모듈 프레임(200)의 바닥부 아래에 열전도성 수지층(600)을 형성하여, 전지셀(110)로부터 전달되는 열을 신속히 전지 모듈 외부로 전달할 수 있으며, 따라서, 전지셀(110)을 냉각할 수 있다.
이하에서는, 도 17을 참고하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명한다.
도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩을 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 앞에서 설명한 전지 모듈(100)을 포함한다. 특히, 앞에서 설명한 전지 모듈(100)의 상기 단위 모듈 프레임(200)에 형성되는 돌출부(220)를 포함한다. 또한, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 앞에서 설명한 전지 모듈(100), 돌출부(220) 및 돌출부(220) 상에 끼움 결합되는 고정 부재(700)를 더 포함하고, 고정 부재(700)에 의해 단위 모듈 프레임(200), 모듈 단위체(300) 및/또는 전지 모듈(100)이 고정될 수 있다. 도 17에서는 하나의 모듈 단위체(300)로 형성된 전지 모듈(100)만을 도시하였으나, 복수개의 모듈 단위체(300)로 형성된 전지 모듈(100) 또한 본 실시예의 전지 팩(1000)에 포함될 수 있다. 특히, 전지 팩(1000) 상에는 전지 모듈(100)이 안정적으로 고정되어야 안정성을 높일 수 있으므로, 본 실시예에 따른 전지 팩(1000)에 포함되는 돌출부(220) 및 고정 부재(700)를 통해 안정성이 향상된 전지 팩 제공 효과를 달성할 수 있다.
더불어, 본 발명의 전지 팩은 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 전지 모듈
110: 전지셀
200: 단위 모듈 프레임
210: 함몰부
220: 돌출부
250: 공간부
270: 가스 토출구
290: 리드 슬롯
300: 모듈 단위체
400: 결합 부재
500: 보강 비드
550: 방열 부재
600: 열전도성 수지층
700: 고정 부재

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 전지셀, 및 상기 적어도 하나의 전지셀을 감싸는 단위 모듈 프레임을 포함하는 모듈 단위체를 포함하고,
    상기 단위 모듈 프레임의 측면부는 함몰부를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 함몰부 상에 형성되는 가스 토출구를 더 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 토출구는 상기 함몰부의 일부 영역에 형성되는 것을 포함하는 전지 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전지셀에 형성된 전극 리드를 더 포함하고,
    상기 가스 토출구는 상기 전극 리드와 인접하도록 상기 함몰부 상에 형성되는 것을 포함하는 전지 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 함몰부는 상기 전지셀이 위치한 방향을 향해 상기 단위 모듈 프레임의 내측으로 함몰되는 것을 포함하는 전지 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 함몰부가 형성된 상기 단위 모듈 프레임의 면과 상기 전지셀의 측면부가 서로 평행하도록 형성되는 것을 포함하는 전지 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 모듈 단위체는 복수개 적층되고,
    상기 함몰부는 상기 모듈 단위체가 복수개 적층됨에 따라 각각의 상기 모듈 단위체 사이에 공간부를 형성하는 전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 토출구는 상기 공간부와 연결되는 전지 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 단위 모듈 프레임은 상기 함몰부에 비해 돌출되는 돌출부를 포함하고,
    상기 복수의 모듈 단위체의 상기 돌출부가 접촉되도록 상기 모듈 단위체가 적층되는 것을 포함하는 전지 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 적층된 복수개의 모듈 단위체는 결합 부재에 의해 결합되는 전지 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 결합 부재는 스트랩을 포함하고,
    상기 스트랩은 상기 적층된 복수개의 모듈 단위체를 감싸는 것을 포함하는 전지 모듈.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 함몰부 상에 형성되는 보강 비드를 더 포함하고,
    상기 보강 비드는 상기 함몰부 상에 이격되어 복수개 형성되는 전지 모듈.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 공간부 상에 형성되는 방열 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단위 모듈 프레임 바닥부 아래에 형성되는 열전도성 수지층을 더 포함하는 전지 모듈.
  15. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전지 모듈의 상기 단위 모듈 프레임에 형성되는 돌출부를 포함하고,
    상기 돌출부 상에 끼움 결합되는 고정 부재를 더 포함하며,
    상기 고정 부재에 의해 상기 전지 모듈이 고정되는 전지 팩.

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