KR20220164961A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 금속 시트를 포함하는 전지 모듈을 포함한다.

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 구체적으로 모듈의 구조를 개선한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로써의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
다수의 전지셀이 모인 전지 모듈은, 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈의 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. 또한, 전지 모듈의 온도가 일정 온도 이상이 되면 모듈 프레임이 녹아내려 전지 모듈의 구조가 붕괴되어, 열 폭주(thermal runaway) 현상이 발생하게 되면 주위 전지 모듈로의 화염의 전파가 보다 쉬워져 화재나 폭발의 가능성이 높아지게 된다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 절단선 A-A를 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 전지 모듈(1)은, 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(12), 전지셀 적층체(12)의 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 모듈 프레임(20) 및 전지셀 적층체(12)의 전후면에 위치하는 엔드 플레이트(50)를 포함한다.
전지 모듈(1) 내부에서 열 폭주 현상 등 열 이벤트가 발생하였을 때, 모듈 프레임(20)을 구성하는 소재의 용융점보다 열 폭주 현상에 의해 발생하는 온도가 높은 경우, 모듈 프레임(20)은 용융되어 전지 모듈(10)의 구조가 붕괴될 수 있다. 예를 들면, 열 이벤트에 의해 발생하는 온도가 300˚C 이상인 경우, 알루미늄 재질로 형성되는 모듈 프레임(20)은 용융되어 전지 모듈(1)의 구조가 붕괴될 수 있다. 이 경우 전지 모듈(1)의 구조 붕괴로 이웃하는 전지 모듈(1)로의 열 폭주 전파 반응이 촉진되어, 화재 및 폭발의 위험성이 증가할 수 있다.
즉, 어느 한 전지 모듈에서 열 폭주 현상이 발생하더라도, 전지 모듈 및 전지 팩 자체의 화재나 폭발로 이어지지 않는 모델에 대한 설계가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 모듈 프레임과 전지셀 적층체 사이에 위치하는 금속 시트로 인해 전지 모듈 간 열 폭주 전파 반응을 억제하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하기 위한 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 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 금속 시트를 포함할 수 있다.
상기 금속 시트의 용융점은 상기 모듈 프레임의 용융점보다 높을 수 있다.
상기 금속 시트는, 용융점이 섭씨 1000도 이상인 금속 소재를 포함할 수 있다.
상기 금속 시트는, 표면에 절연성 수지가 코팅되거나 절연 필름이 부착될 수 있다.
상기 금속 시트는, 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면 중 적어도 어느 한 면과 대응하며 위치할 수 있다.
상기 금속 시트는, 상기 사출물과 일체화되어 있거나, 사출물이 부착되어 있을 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 상면과 대응되는 상부 프레임 및 상기 전지셀 적층체의 하면과 양 측면을 감싸는 U자형 프레임을 포함할 수 있다.
상기 금속 시트는, 상기 전지셀 적층체의 상면에 위치하고, 상기 상부 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 상면에 적층된 상기 금속 시트 상에 적층되며 위치할 수 있다.
상기 모듈 프레임과 상기 금속 시트 사이에 열전도성 수지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은, 상기한 적어도 하나의 전지 모듈, 및 상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 금속 시트가 모듈 프레임과 전지셀 적층체 사이에 위치하여 전지 모듈 간 열 전파 반응을 차단시키고, 전지 모듈의 안정성을 향상시킬 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 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A를 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈이 조립되는 전개도를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈을 상면으로부터 하면으로 수직하게 자른 단면도이다.
도 5는 도 4에서 설명한 전지 모듈의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 전개도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 상면으로부터 하면으로 수직하게 자른 단면도이다.
도 8은 도 7에서 설명한 전지 모듈의 변형예를 나타내는 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 전지 모듈이 조립되는 전개도를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 상면으로부터 하면으로 수직하게 자른 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)의 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 모듈 프레임(200), 전지셀 적층체(120)의 전후면을 감싸는 엔드 플레이트(500) 및 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치하는 금속 시트(300)를 포함할 수 있다.
모듈 프레임(200)은 모노 프레임일 수 있다. 모듈 프레임(200)은 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 알루미늄 재질로 형성되는 모듈 프레임(200)의 경우, 고온에서 용융되어 전지 모듈(100)의 구조가 붕괴될 수 있다.
금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치할 수 있다. 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 일면과 대응되게 위치할 수 있다. 도면을 참조하면, 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 상면과 대응되게 위치할 수 있다. 다만, 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 상면에만 대응되게 위치하는 것은 아니고, 도면에는 도시되어 있지 않지만 전지셀 적층체(120)의 측면, 하면, 전면 및 후면 중 어느 하나의 면과 대응되게 위치할 수 있다.
금속 시트(300)는 금속 시트(300)와 대응하며 위치하는 전지셀 적층체(120)의 일면의 형상과 대응할 수 있다.
금속 시트(300)는 용융점이 높은 소재를 포함할 수 있다. 금속 시트(300)는 모듈 프레임(200)보다 용융점이 높은 소재를 포함할 수 있다. 금속 시트(300)는 용융점이 1000˚C 이상인 소재를 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속 시트(300)는 SUS 박판일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 용융점이 1000˚C 이상인 소재라면 그 중 하나 이상일 수 있다. 따라서, 고온에서 모듈 프레임(200)이 용융된다고 하더라도 금속 시트(300)는 용융되지 않으므로, 금속 시트(300)는 전지 모듈(100)의 구조 붕괴를 방지할 수 있다. 또한, 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)에서 발생하는 화염이, 화염이 발생한 전지 모듈과 이웃한 전지 모듈에 전파되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 금속 시트(300)는 전지 모듈(100) 간의 열 폭주 전파(thermal runaway propagation) 현상을 억제할 수 있다.
금속 시트(300)는 절연성 물질을 포함할 수 있다. 금속 시트(300)의 절연성 확보를 위해 다양한 절연 처리 공정이 가능할 수 있다. 예를 들면, 금속 시트(300)의 표면에 절연성 수지가 코팅되거나 절연 필름이 부착될 수 있다.
금속 시트(300)는 사출물과 일체화되어 위치하거나, 금속 시트(300)에 사출물이 부착될 수 있다. 사출물은 BFA(Busbar Frame Assembly)일 수 있다.
전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)에 전지셀 적층체(100)가 위치하고, 모듈 프레임(200)과 전지셀 적층체(100) 사이에 금속 시트(300)가 삽입된 후, 엔드 플레이트(500)가 전지셀 적층체(100)의 전면 및 후면에 장착되어 형성될 수 있다.
도 5는 도 4의 전지 모듈의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 상면뿐만 아니라 전지셀 적층체(120)의 상면 및 양 측면에 대응되게 위치한다. 다만, 금속 시트(300)의 위치는 도 5에 도시된 것으로 한정되는 것은 아니다. 도면에는 도시되지 않았지만, 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 전면과 후면에 대응하면서 위치할 수도 있다.
금속 시트(300)가 위치하는 면적이 넓을수록, 고온에서 모듈 프레임(200)이 용융된다고 해도 전지 모듈(100)의 전체적인 구조가 보다 잘 유지될 수 있다. 따라서, 금속 시트(300)가 위치하는 면적이 넓을수록 전지 모듈(100) 간의 열 전파 연쇄 반응을 억제하는 효과는 더욱 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 전개도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)의 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 모듈 프레임(200), 전지셀 적층체(120)의 전후면을 감싸는 엔드 플레이트(500) 및 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치하는 금속 시트(300)를 포함할 수 있다.
모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(120)의 상면과 대응되는 상부 프레임(210), 전지셀 적층체(120)의 하면과 양 측면을 감싸는 U자형 프레임(220)을 포함할 수 있다.
전지 모듈(100)은 U자형 프레임(220)에 전지셀 적층체(120)가 위치하고, 전지셀 적층체(120)의 상면에 금속 시트(300)가 적층되어 위치한 후, 금속 시트(300)의 상면에 상부 프레임(210)이 적층되며 위치할 수 있다. 모듈 프레임(200)이 U자형 프레임(220)을 포함하는 경우의 전지 모듈(100)의 제작 과정에 있어서, 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 상면에 대응되게 적층되는 것임에 반해, 모듈 프레임(200)이 모노 프레임인 경우의 전지 모듈(100) 제작 과정은 전지셀 적층체(120)가 모듈 프레임(200)에 위치한 후 금속 시트(300)를 삽입하는 공정을 추가적으로 거쳐야 한다. 따라서, 모듈 프레임(200)이 U자형 프레임(220)인 경우가 모노 프레임인 경우보다 전지 모듈 제작 공정이 간편하여 재료비 절감 및 공정 상 효율이 향상될 수 있다.
다만, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 모듈 프레임(200)이 U자형 프레임(220)을 포함한다고 해서 금속 시트(300)가 상부 프레임(210)과만 대응하며 위치하는 것은 아니다. 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 적어도 일 면 이상에 대응하며 위치할 수 있다. 예를 들면, 금속 시트(300)는 U자형 프레임(220)의 하부에 적층될 수 있고, U자형 프레임(220)의 하부에 적층된 금속 시트(300) 상에 전지셀 적층체(120)가 위치할 수 있다. 또는, 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)와 U자형 프레임(220) 및 상부 프레임(210)이 장착된 모듈 프레임(200)에 대해, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200) 사이에 삽입되면서 위치할 수도 있다. 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 전후면에 대응되게 위치할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 상면으로부터 하면으로 수직하게 자른 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)의 상면, 하면 및 양 측면을 감싸는 모듈 프레임(200), 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치하는 금속 시트(300) 및 금속 시트(300)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(600)을 포함할 수 있다.
열전도성 수지층(600)은 금속 시트(300)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치하여, 금속 시트(300)와 모듈 프레임(200)을 서로 접착 및 고정할 수 있다.
열전도성 수지층(600)은 모듈 프레임(200)과 대응하며 위치하는 금속 시트(300)의 일면에 열전도성 수지가 도포되어 형성될 수 있다. 구체적으로, 열전도성 수지층(600)은 금속 시트(300)가 장착된 모듈 프레임(200)의 내부에 열전도성 수지가 주입되어 형성될 수 있다. 또는, 열전도성 수지층(600)은 금속 시트(300)의 일면에 열전도성 수지가 도포된 후, 열전도성 수지가 도포된 금속 시트(300)의 일면에 모듈 프레임(200)이 적층되어 형성될 수 있다.
열전도성 수지층(600)이 존재함으로 인해, 금속 시트(300)와 모듈 프레임(200) 사이의 결합이 견고해지고 금속 시트(300)의 위치가 고정될 수 있어, 전지 모듈(100)의 내구성이 향상될 수 있다.
도 8은 도 7에서 설명한 전지 모듈의 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 상면, 하면 및 양 측면 중 하나 이상의 면에 대응하며 위치할 수 있고, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치할 수 있다. 열전도성 수지층(600)은 금속 시트(300)의 일면과 대응되는 면에만 위치할 수 있고, 금속 시트(300)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치할 수 있다. 도면에서 금속 시트(300)는 전지셀 적층체(120)의 상부 및 양 측면에 대응되게 위치하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
금속 시트(300)가 위치하는 면적이 넓을수록 전지 모듈(100) 간의 열 폭주 전파 반응을 억제하는 효과는 더욱 향상될 수 있다. 열전도성 수지층(600)이 위치하는 면적이 커질수록 금속 시트(300)와 모듈 프레임(200) 간의 결합이 형성되는 면적도 증가하므로, 전지 모듈(100)의 내구성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 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 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
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
120: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
300: 금속 시트
500: 엔드 플레이트
600: 열전도성 수지층

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 금속 시트를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 금속 시트의 용융점은 상기 모듈 프레임의 용융점보다 높은 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 금속 시트는, 용융점이 섭씨 1000도 이상인 금속 소재를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 금속 시트는, 표면에 절연성 수지가 코팅되거나 절연 필름이 부착된 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 금속 시트는, 상기 전지셀 적층체의 상면, 하면 및 양 측면 중 적어도 어느 한 면과 대응하며 위치하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치하는 버스바 프레임을 더 포함하고,
    상기 금속 시트는, 상기 버스바 프레임과 일체화되어 형성되거나, 상기 버스바 프레임에 부착되어 있는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 상면과 대응되는 상부 프레임 및 상기 전지셀 적층체의 하면과 양 측면을 감싸는 U자형 프레임을 포함하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 금속 시트는, 상기 전지셀 적층체의 상면에 위치하고,
    상기 상부 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 상면에 적층된 상기 금속 시트 상에 적층되며 위치하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임과 상기 금속 시트 사이에 열전도성 수지층을 더 포함하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 적어도 하나의 전지 모듈, 및
    상기 적어도 하나의 전지 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 전지 팩.

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