KR20230047813A - 배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이방향 양단에 리드가 형성된 2개 이상의 전지셀이 일렬로 배열되어 서로 대향하는 단부의 리드끼리 연결되어 길이방향 단위셀을 형성하고, 상기 길이방향 단위셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 2열 이상 적층되어 이루어진 전지셀 조립체; 및 상기 전지셀 조립체가 수용되는 모듈 케이스;를 포함하고, 상기 모듈 케이스는, 상기 전지셀 조립체의 하부 및 양측면을 감싸며 상기 전지셀 조립체를 수용하고, 상기 전지셀 조립체의 양측면을 감싸는 양측부의 높이는 상기 전지셀 조립체의 높이보다 높게 형성되는 하부 케이스와, 하향으로 오목하게 형성되는 하향 홈통부(trough)와 상기 하향 홈통부 양측 상단으로부터 외측으로 연장되는 한 쌍의 제1 수평연장부로 이루어진 상부 케이스를 포함하고, 상기 상부 케이스가 상기 하부 케이스를 덮으며 결합하는 것에 의하여, 상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 상기 전지셀 조립체의 길이방향을 따라 연장되는 벤팅 채널이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩{BATTERY MOULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 확장성 있게 구성한 배터리 모듈에 있어서, 효율적으로 내부 가스를 벤팅할 수 있는 구조의 배터리 모듈에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 배터리 모듈의 적층체를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
또한, 에너지 저장장치(ESS) 및 전기자동차 등의 동력원으로서, 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지를 내부에 수용한 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈들로 구성된 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩은 복수의 이차전지를 외부 충격으로부터 보호하거나 수납 보관하기 위해서 금속 재질의 외부 하우징을 구비하고 있다.
도 1은 종래의 일반적인 배터리 모듈의 사시도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이, 수십개의 전지셀이 적층되어 이루어진 전지셀 조립체가 하나의 모듈 케이스 내에 수용되어 밀폐되어 있다. 이러한 종래의 배터리 모듈은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 모듈 단위에서 가스를 안전하게 외부로 배출하기 위한 경로가 존재하지 않아서, 내부 벤팅현상이 발생했을 경우, 모듈 내부 온도 상승을 초래하여 화재 및 폭발의 위험성이 크다.
둘째, 하나의 모듈에 수십개 정도의 다수의 전지셀을 적층하고 있으므로, 하나의 전지셀에 발화 발생시 다른 전지셀로 쉽게 화염이 전파되어 모듈이 단시간에 전소할 위험성이 있다.
셋째, 단일의 전지셀을 그 두께방향으로만 적층하고 있어, 전지셀 배치의 공간활용도가 낮고 설계자유도가 낮으므로, 이러한 형태의 모듈들을 묶어 배터리 팩을 구성하는데 한계가 있었다. 즉, 자동차 등의 제한된 공간 또는 다양한 형태의 공간에 부합하도록 배터리 모듈 내지 배터리 팩을 구성하기가 용이하지 않았다.
따라서, 모듈 내부의 가스를 효율적으로 배출할 수 있고, 화염 전파를 저지할 수 있으며, 설계자유도를 높일 수 있는 배터리 모듈 관련 기술의 개발이 요망된다 하겠다.
일본 공개특허 특개2017-010778호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 전지셀을 두께방향 외에도 길이방향으로 연결하여 배터리 모듈 및 배터리 팩의 공간 활용을 향상시킨 확장성 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 확장성 모듈에 있어서, 내부 발생 가스를 효율적으로 배출할 수 있는 가스 벤팅구조를 가지는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 배터리 모듈의 적층체를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이방향 양단에 리드가 형성된 2개 이상의 전지셀이 일렬로 배열되어 서로 대향하는 단부의 리드끼리 연결되어 길이방향 단위셀을 형성하고, 상기 길이방향 단위셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 2열 이상 적층되어 이루어진 전지셀 조립체; 및 상기 전지셀 조립체가 수용되는 모듈 케이스;를 포함하고, 상기 모듈 케이스는, 상기 전지셀 조립체의 하부 및 양측면을 감싸며 상기 전지셀 조립체를 수용하고, 상기 전지셀 조립체의 양측면을 감싸는 양측부의 높이는 상기 전지셀 조립체의 높이보다 높게 형성되는 하부 케이스와, 하향으로 오목하게 형성되는 하향 홈통부(trough)와 상기 하향 홈통부 양측 상단으로부터 외측으로 연장되는 한 쌍의 제1 수평연장부로 이루어진 상부 케이스를 포함하고, 상기 상부 케이스가 상기 하부 케이스를 덮으며 결합하는 것에 의하여, 상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 상기 전지셀 조립체의 길이방향을 따라 연장되는 벤팅 채널이 형성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로서, 상기 하향 홈통부는, 상기 제1 수평연장부로부터 하향 연장되는 한 쌍의 수직연장부와 상기 수직연장부 사이에 수평으로 연장되는 제2 수평연장부로 이루어지고,
상기 제2 수평연장부가 상기 전지셀 조립체 상부와 결합되고 상기 제1 수평연장부가 상기 하부 케이스 양측부 상단과 각각 결합하는 것에 의하여, 상기 상부 케이스의 제1 수평연장부, 수직연장부 및 하부 케이스의 양측부로 둘러싸인 벤팅 채널이 상기 배터리 모듈 내부 양측에 형성될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 하향 홈통부의 제2 수평연장부 상부면에 냉각판이 설치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제1 수평연장부는 상기 하부케이스 양측부 상단에 걸쳐져 결합되거나 상기 양측부 상단 내측면에 결합될 수 있다.
다른 예로서, 상기 하부케이스 양측부 상단과 상기 제1 수평연장부 사이에 상기 상부 케이스의 수직연장부를 향하여 연장되는 보강지지판이 결합될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 길이방향 단위셀은 상기 전지셀이 길이방향으로 2개 연결된 것이고, 상기 길이방향 단위셀이 2열로 적층되어 상기 전지셀 조립체는 총 4개의 전지셀로 이루어진 1P4S구조의 전지셀 조립체를 형성하는 것일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 길이방향 단위셀은 서로 대향하는 전지셀 단부의 리드끼리 용접되어 연결되고, 상기 전지셀 조립체 후단의 이웃하는 길이방향 단위셀의 전지셀의 리드는 서로를 향하여 절곡되어 용접 결합될 수 있다.
바람직한 예로서, 상기 길이방향 단위셀의 리드끼리 연결되는 대향하는 전지셀 사이에 격벽이 구비되고, 상기 대향하는 전지셀의 리드들은 상기 격벽을 통하여 결합될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 전지셀의 두께방향으로 적층되는 길이방향 단위셀 사이에 단열판이 설치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 전지셀 조립체와 하부케이스 사이 및 상기 전지셀 조립체와 상부케이스 사이 중 적어도 하나에 열전도성 접착레진층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스의 전후단부에 결합되는 단부판을 더 구비할 수 있다.
상기 단부판의 높이는 상기 벤팅 채널을 덮지 않도록 또는 상기 벤팅 채널의 일부만 덮도록 형성될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 단부판 중 모듈 케이스의 후단부에 결합되는 후단부판의 상기 모듈 케이스와 대향하는 내측면에 절연시트가 부착될 수 있다.
또한, 상기 단부판 중 모듈 케이스의 전단부에 결합되는 전단부판의 외측면에 절연시트가 부착되고 상기 절연시트 상에 단자 버스바가 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서의 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈을 상기 전지셀의 길이방향 및 두께방향 중 적어도 하나의 방향으로 복수개 적층하여 형성되는 배터리 모듈 적층체를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전지셀을 두께방향 외에도 길이방향으로 연결하여 배터리 모듈 및 배터리 팩의 공간 활용을 향상시킨 확장성 배터리 모듈을 얻을 수 있다.
또한, 이러한 확장성 배터리 모듈에 적합한 벤팅 구조에 의하여 모듈 내의 가스를 효율적으로 배출할 수 있다. 이에 의하여, 배터리 모듈의 온도 상승, 화재 발생을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
특히, 모듈 단위에서 벤팅 가스 배출 방향을 통일하여 배터리 팩의 상위단계에서 배출 가스 이동 경로를 효과적으로 제어 내지 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 배터리 모듈의 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈의 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 배터리 모듈의 구성요소인 전지셀 조립체의 결합관계를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈의 조립상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 X-Y선을 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 열전도성 접착레진층의 설치위치를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 요부사시도이다.
도 9는 본 발명의 배터리 모듈로 구성된 배터리 적층체를 포함하는 배터리 팩의 개략도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 발명의 명세서에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
(제1 실시형태)
도 2는 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈(1000)의 분해사시도이고, 도 3은 도 2의 배터리 모듈(1000)의 구성요소인 전지셀 조립체의 결합관계를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈(1000)의 조립상태를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 X-Y선을 따른 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 길이방향으로 연결되는 길이방향 단위셀(110)을 포함하는 전지셀 조립체(100)와, 상기 전지셀 조립체(100)가 수용되는 모듈 케이스(200)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 양단에 리드가 형성되며 길이방향으로 길게 연장된 통상의 파우치형 전지셀(10)을 기준으로 Y가 전지셀(10) 또는 모듈(케이스)의 길이방향, X가 전지셀(10) 또는 모듈 케이스(200)의 두께방향(전지셀의 적층방향), Z를 상하방향으로 한다.
본 발명의 전지셀 조립체(100)에 포함되는 전지셀(10)은 길이방향으로 연결될 수 있도록 전지셀(10)의 양단으로부터 리드(11,11')가 도출 형성된 이른바 양방향 전지셀(10)이다. 이러한 양방향 전지셀(10)을 일렬로 배열하고 대향하는 전지셀(10)의 리드(11,11')끼리를 예컨대 용접에 의하여 연결하면, 별도의 연결부재 없이 직접 전지셀들을 길이방향으로 연결할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 전지셀들을 길이방향으로 2개 또는 그 이상으로 길게 연결할 수 있다. 배터리 모듈 케이스(200) 혹은 배터리 모듈(1000)이 설치되는 배터리 팩의 공간이 허용되는 한에서 상기 길이방향으로 연결되는 전지셀(10)의 개수는 원칙적으로 한정되지 않는다. 다만, 실제적으로 자동차 등에 설치할 수 있는 배터리 모듈(1000)이나 배터리 팩의 공간에는 한계가 있으므로, 대략 2~4개 정도의 전지셀(10)을 길이방향으로 연결하는 것이 바람직하다. 또한, 연결되는 전지셀(10)의 크기(길이)에 따라 길이방향으로 연결되는 전지셀(10)의 개수는 변동될 수 있다. 본 명세서에서 상기와 같이 길이방향 양단에 리드(11,11')가 형성된 2개 이상의 전지셀(10)이 일렬로 배열되어 서로 대향하는 전지셀(10) 단부의 리드(11,11')끼리 연결되어 형성하는 전지셀(10)을 길이방향 단위셀(110)이라 칭하기로 한다.
본 발명의 배터리 모듈(1000)에 포함되는 전지셀 조립체(100)는 상기 길이방향 단위셀(110)을 전지셀의 두께방향(X방향)으로 다시 2열 이상 적층하여 이루어진다. 길이방향 단위셀(110)이 적층되는 열의 개수도 배터리 모듈(1000) 및 배터리 팩의 허용공간, 전지셀(10)의 크기 등에 좌우된다. 또한, 상기 전지셀(10)의 길이방향 개수, 열의 개수는 필요로 하는 전기디바이스의 소요 용량 등을 고려하여 결정될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 모듈 케이스(200) 내에 수용되는 전지셀 조립체(100)의 길이방향 개수 및 열의 개수를 조정할 수 있으므로, 설계자유도가 향상된다. 또한, 상기 전지셀 조립체(100)를 종래와 같이, 수십개로 적층하지 않고 예컨대 길이방향으로 2~3개 정도, 전지셀 두께방향으로 2~3열 정도 적층하면 전지셀 조립체(100)를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 이러한 소수의 전지셀(10)로 구성된 전지셀 조립체(100)를 각각 별개의 모듈 케이스(200)에 수용하고, 이러한 모듈 케이스(200)를 포함하는 배터리 모듈(1000)을 전지셀의 길이방향 또는 두께방향으로 마치 레고 블록과 같이 적층하면, 배터리 모듈(1000)이 설치되는 공간 혹은 배터리 팩의 설치공간을 고려하여 자유롭게 배터리 팩을 구성할 수 있다. 예컨대, 상기 배터리 모듈(1000)의 각 단위모듈을 길이방향으로 적층하면 상기 길이방향 단위셀(110)의 전지셀들을 길이방향으로 더 길게 연결하지 않더라도, 동일한 효과를 달성할 수 있다. 이에 의하여, 개별 배터리 단위모듈을 컴팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(1000)을 두께방향으로 필요한 개수만큼 적층함으로써, 설계자유도를 향상시킬 수 있다. 도 1과 같이, 하나의 모듈 케이스(1)에 수십개의 전지셀이 적층되는 구조로는 원하는 대로 배터리 팩을 구성하기 힘들다. 즉, 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈에 포함된 전지셀의 최소 단위가 상이하므로, 종래의 배터리 모듈은 그만큼 설계자유도가 떨어질 수 밖에 없다.
또한, 예컨대 배터리 모듈 내에 포함된 일부 전지셀에 발화가 발생한 경우에, 도 1의 배터리 모듈은 인접하는 전지셀로 용이하게 화염이 전파된다. 그러나, 도 2의 배터리 모듈 또는 후술하는 도 9에 개시된 배터리 팩의 구조는 적은 개수의 전지셀 조립체(100)가 각각 별개로 배터리 모듈에 수용되어 있으므로, 하나의 배터리 모듈 내의 전지셀(10)에서 발화가 발생하더라도, 다른 배터리 모듈로 발화가 전파되기 어렵다.
이상으로부터 본 발명의 전지셀 조립체(100)는 길이방향, 전지셀 두께방향으로 연결되고, 특정 개수의 전지셀(10)로 이루어진 전지셀 조립체(100)가 각각의 모듈 케이스(200)에 수용되는 형태이다. 따라서, 이러한 전지셀 조립체(100)를 포함하는 배터리 모듈(1000)의 적층(설계)방식에 따라 얼마든지 다양한 형태의 배터리 팩을 제조할 수 있으므로, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 확장성 모듈이라 칭할 수 있다. 특히, 본 실시형태의 전지셀 조립체(100)는 전지셀(10)이 길이방향으로 2개 연결되고, 상기 길이방향 단위셀(110)이 2열로 적층되어 총 4개의 전지셀(10)로 전지셀 조립체(100)가 구성되어 있다.
도 3에는 이러한 전지셀 조립체(100)의 전기적 연결관계가 잘 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 길이방향 단위셀(110)은 길이방향으로 전지셀(10)이 2개 연결되어 구성되고, 이러한 길이방향 단위셀(110)이 전지셀 두께방향으로 2열 적층되어 있다. 도 3을 참조하면, 길이방향으로 연결되는 전지셀(10)의 서로 대향하는 리드(11,11')가 예컨대 용접에 의하여 연결된다. 따라서, 버스바와 같이 별도의 연결부재 없이도 길이방향 단위셀(110)을 용이하게 형성할 수 있다. 상기 길이방향 단위셀(110) 사이에는 단열판(20)이 설치될 수 있다. 상기 단열판(20)에 의하여 두께방향으로 적층되는 길이방향 단위셀(110) 간에 과도한 열이 전달되는 것을 방지할 수 있다. 상기 단열판(20)으로서는 예컨대 실리콘 패드(21)의 양측에 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)패드(22)를 접착한 것을 사용할 수 있다. 필요에 따라, 상기 전지셀 조립체(100)와 이를 감싸는 모듈 케이스(200) 사이에 절연 시트(30)를 설치할 수 있다. 상기 단열판(20), 절연시트(30)의 구성은 도 5의 단면도에 잘 나타나있다.
도 3을 다시 참조하여, 상기 전지셀 조립체(100)의 전기접속구조를 다시 설명한다. 상술한 바와 같이, 길이방향으로 대향하는 전지셀들의 리드(11,11')가 서로 전기접속되고, 전지셀 조립체(100) 후단의 이웃하는 길이방향 단위셀(110)의 전지셀(10)의 리드(11,11')는 서로를 향하여 절곡시켜 이를 용접 결합하면 2열의 길이방향 단위셀(110)이 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 한편, 전지셀 조립체(100) 전단의 길이방향 단위셀(110)의 전지셀의 리드(11,11')는 서로 연결되지 않고 외향으로 절곡되어 있다. 이 리드(11,11')는 후술하는 바와 같이, 전단부판(310)의 단자 버스바(312)에 접속될 수 있다. 이와 같이, 도 3에 도시된 전지셀 조립체(100)는 4개의 전지셀(10)이 직렬로 연결된 이른바 1P4S의 구조를 가진다. 다만, 본 발명의 전지셀 조립체(100)의 전기접속구조는 이에 한정되지 않고 다른 형태의 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 길이방향 단위셀(110)에 포함되는 전지셀 리드의 극성을 달리하거나 전지셀(10)의 길이방향 및 두께방 개수를 달리함으로써, 전체적인 전지셀 조립체(100)의 전기접속구조를 변경할 수 있다.
본 발명은 상기 전지셀 조립체(100)가 수용되는 모듈 케이스(200)를 포함한다. 상기 전지셀 조립체(100)가 길이방향 및 두께방향으로 연장 및 적층되는 구조이므로, 상기 모듈 케이스(200)도 이에 부합하도록 길이방향으로 길게 연장된 형태가 된다. 도 2를 참조하면, 상기 모듈 케이스(200)는 상부 케이스와 하부 케이스(210)로 구성된다. 하부 케이스(210)는 U자형태로서 상기 U자형 공간 내에 전지셀 조립체(100)가 안착될 수 있다. 따라서, 상기 하부 케이스(210)는 전지셀 조립체(100)의 하부 및 양측면을 감싸며 상기 전지셀 조립체(100)를 수용한다. 그러나, 하부 케이스(210)의 형태는 U자에 한하는 것은 아니며, 전지셀 조립체(100)를 감싸며 안정적으로 수용할 수 있는 형태라면 다른 형태의 케이스를 적용하는 것도 가능하다.
도 5의 단면도에 도시된 바와 같이, 상기 전지셀 조립체(100)의 양측면을 감싸는 하부 케이스(210) 양측부의 높이는 상기 전지셀 조립체(100)보다 높게 형성된다. 이는 상부 케이스(220)가 하부 케이스(210)를 덮으며 결합할 때 모듈 케이스(200)를 길이방향으로 관통하는 벤팅 채널(C)을 형성하기 위함이다. 즉, 전지셀 조립체(100)의 높이를 초과하도록 하부 케이스(210)의 양측부(211)의 높이를 구성하면, 그 초과하는 높이만큼 모듈 케이스(200) 내에 여유 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 모듈 케이스(200)는 상기 하부 케이스(210)에 결합하는 특유한 형태의 상부 케이스(220)를 구비한다. 상기 상부 케이스(220)는 하향으로 오목하게 형성되는 하향 홈통부(trough)(221)와 상기 하향 홈통부(221)의 양측 상단으로부터 외측으로 연장되는 한 쌍의 제1 수평연장부(222)를 구비한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 상부 케이스(220)의 하향 홈통부(221)와 제1 수평연장부(222)는 모듈 케이스(200)의 길이방향을 따라 길게 형성된다.
이러한 형태의 상부 케이스(220)가 하부 케이스(210)를 덮도록 결합시키면, 상기 상부 케이스(220)와 하부 케이스(210) 사이에 전지셀 조립체(100)의 길이방향을 따라 연장되는 벤팅 채널이 형성된다.
이러한 벤팅 채널(C)의 일례를 도 5에 도시하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하향 홈통부(221)는 양측 상단의 제1 수평연장부(222)로부터 아래로 하향 연장되는 한 쌍의 수직연장부(221a)와 상기 수직연장부(221a) 사이에 수평으로 연장되는 제2 수평연장부(221b)로 이루어져 있다. 이러한 하부 케이스(210)를 상부 케이스(220) 상에 결합시키면 상하부 케이스(210,220) 사이에 공간이 형성된다. 즉, 하부 케이스 양측부(211)의 높이가 전지셀 조립체(100)보다 높게 형성되므로 전지셀 조립체(100) 상부에 공간이 형성되며, 이 공간으로 상부 케이스(220)가 하부 케이스(210)를 덮으며 결합되므로, 상부 케이스(220)와 하부 케이스(210) 사이에 자연히 공간(벤팅 채널(C))이 형성된다.
구체적으로, 도 5와 같이, 하부 케이스(210)의 아래에 위치한 제2 수평연장부(221b)가 전지셀 조립체(100) 상부와 결합되도록 하고, 하부 케이스(210) 양측에 위치한 제1 수평연장부(222)가 하부 케이스 양측부 상단과 결합되도록 하면, 상기 상부 케이스(220)의 제1 수평연장부(222), 수직연장부(221a) 및 하부 케이스의 양측부로 둘러싸인 벤팅 채널(C)이 전지셀 조립체(100)의 상부 양측에 형성된다. 즉, 본 실시형태의 모듈 케이스(200)의 결합에 의하여, 배터리 모듈(1000) 내에 길이방향으로 연장되는 한 쌍의 벤팅 채널(C)이 형성된다.
하부 케이스(210)를 상기와 같이, 하향 절곡된 하향 홈통부(221)를 포함하는 형태로 형성하면, 상기 하향 홈통부(221)의 상부에 다른 부재를 설치할 수 있는 공간을 마련할 수 있다. 예컨대, 도 5와 같이, 상기 하향 홈통부(221)의 제2 수평연장부(221b) 상부면에 냉각판(400)을 설치할 수 있다. 이러한 구성에 의하여 배터리 모듈(1000) 내부 양측의 벤팅 채널(C)로부터 전지셀 조립체(100)로부터 발생하는 가스를 용이하게 배터리 모듈(1000) 외부로 배출할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 상부 케이스(220) 상부면에 설치한 냉각판(400)에 의하여 모듈 내부의 열을 용이하게 배출할 수 있다. 상기와 같이, 벤팅 채널(C) 및 냉각판(400)을 배터리 모듈(1000)의 길이방향으로 길게 형성 및 설치할 수 있으므로, 이러한 배터리 모듈(1000)을 적층하여 예컨대 도 9와 같은 형태로 상위단위체인 배터리 팩으로 구성하면, 벤팅 가스 배출 방향을 통일하여 배터리 팩의 상위단계에서 배출 가스 이동 경로를 효과적으로 제어할 수 있다.
도 5와 같이, 상기 하부 케이스(210)의 제1 수평연장부(222)는 상기 하부 케이스 양측부 상단에 걸쳐져서 결합될 수 있다. 제1 수평연장부(222)가 하부 케이스 양측부(211) 상단에 걸쳐지고, 제1 수평연장부(222) 사이의 제2 수평연장부(221b)가 전지셀 조립체(100)의 상부에 결합되면, 하부 케이스(210) 및 이에 수용된 전지셀 조립체(100)의 상부가 닫힌 형태가 된다. 하지만, 모듈의 길이방향으로는 벤팅 채널(C)이 관통 형성된 형태이므로, 이 벤팅 채널(C)을 통하여 내부 가스가 모듈 외부로 배출될 수 있다.
필요에 따라, 상기 하부케이스 양측부(211) 상단과 상기 상부케이스(220)의 제1 수평연장부(222) 사이에 보강지지판(P)이 결합될 수 있다. 도 5에는 이러한 보강지지판(P)이 도시되어 있다. 보강지지판(P)이 하부 케이스(210) 상에서 상부 케이스(220)의 수직연장부(221a)를 향하여 연장 설치되면, 상부 케이스(220)의 제1 수평연장부(222)를 안정적으로 하부 케이스(210) 상부에 결합할 수 있다. 즉, 상기 보강지지판(P)은 상기 하부 케이스(210)를 지지하면서, 제1 수평연장부(222)와 하부 케이스(210)의 결합 면적을 증가시키는 역할을 한다.
상기 전지셀 조립체(100)를 구성하는 길이방향 단위셀(110)들은 접착제(T)에 의하여 접착될 수 있다. 상술한 바와 같이, 길이방향 단위셀(110) 사이에 단열판(20)을 설치할 수 있고 상기 단열판(20)과 길이방향 단위셀(110)을 접착하여 전지셀 조립체(100)를 구성할 수 있다. 상기 전지셀 조립체(100)의 하부 케이스(210)와 대향하는 외측면에도 접착제를 도포하여 전지셀 조립체(100)를 모듈 케이스(200)에 안착시킬 수 있다. 이 경우 상기 전지셀 조립체(100)와 하부 케이스(210)의 양측부(211) 사이에 절연시트(30)를 위치시킬 수 있다.
특히, 도 5와 같이, 상기 전지셀 조립체(100)와 상부 케이스(220) 및/또는 하부 케이스(210) 사이에 열전도성 접착레진층(R)을 충전 내지 도포할 수 있다. 상기 열전도성 접착레진층(R)은 실리콘제 레진, 변성 실리콘 레진, 아크릴 레진 등을 사용할 수 있다. 이러한 레진층(R)을 전지셀 조립체(100)와 케이스 사이에 충전시키면, 전지셀 조립체(100)가 상기 모듈 케이스(200) 내에서 유동하지 않고 고정될 수 있다. 또한, 상기 레진은 열전도성의 이른바 써멀 레진이므로, 배터리 모듈(1000) 내부에 발생하는 열을 효율적으로 흡수할 수 있다. 또한, 상기 써멀 레진(열전도성 접착 레진층(R))은 도 5의 냉각판(400)으로 열전달하여 방열 효율을 더욱 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전지셀 조립체(100)를 하부 케이스(210)에 안착하고 접착제(T) 및 열전도성 접착 레진층(R)으로 충전하여 고정시켜 도 4와 같은 형태의 확장성 배터리 모듈(1000)을 구성할 수 있다. 도 4의 배터리 모듈(1000)에서는 도시의 편의를 위하여 도 5의 냉각판(400)을 도시하지 않았다. 상술한 바와 같이, 도 4의 X-Y단면이 도 5이다.
도 6은 본 발명의 열전도성 접착레진층(R)의 설치위치를 나타내는 개략도이다. 상기 열전도성 접착레진층은 모듈 케이스(200)의 길이방향을 따라 상기 상부 또는 하부 케이스(210)와 전지셀 조립체(100) 사이에 충전시킬 수 있다. 하지만, 도 6과 같이, 구조적으로 응력을 많이 받은 부분, 혹은 열이 많이 발생하는 개소에만 형성시킬 수도 있다. 즉, 도 6의 점선 박스로 표시된 부분은, 2개의 길이방향 전지셀(10)의 전극 리드(11,11')가 도출되거나 전기적으로 접속되는 구조이므로, 열이 많이 발생하는 부분이다. 따라서, 이러한 부분에 열전도성 접착레진층(R)을 예컨대 레진 블록(block)과 같이 소정 폭을 가지는 블록 형태로 형성하면, 열전도성 접착레진층(R)의 사용량을 저감할 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 점선 박스부분은 모듈 케이스(200)의 전단, 중단 및 후단으로서 구조적으로 응력을 받는 부분이며, 이 3개소를 접착고정하면 모듈 케이스(200)의 이탈이나 전지셀 조립체(100)의 유동을 방지할 수 있다.
상기 상부 및 하부 케이스(210)의 결합은 용접, 접착제 도포, 후킹구조 등 전지셀 조립체(100)를 확실하게 안착하여 견고하게 결합할 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다
한편, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 모듈 케이스(200)이 전후단부에 결합되는 단부판(300)을 더 구비할 수 있다. 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 모듈 케이스(200) 전단부와 후단부에 각각 전단부판(310)과 후단부판(320)이 결합된다.
상기 단부판들(300)은 모듈 케이스(200)의 전후단을 닫는 역할을 한다. 하지만, 본 발명은 벤팅 채널(C)이 모듈의 길이방향으로 길게 형성되어 모듈 내부에서 발생하는 가스와 열을 모듈 케이스(200)로 외부로 배출하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 단부판들(300)은 상기 벤팅 채널(C)의 기능을 훼손하지 않도록, 도 4와 같이 벤팅 채널(C)을 덮지 않도록 또는 상기 벤팅 채널(C)의 일부만 덮도록 상기 단부판들의 높이를 낮게 형성할 필요가 있다(도 4 참조). 혹은, 단부판(300)에 상기 벤팅 채널(C)과 연통하는 연통공(도시하지 않음)을 형성할 수도 있다.
또한, 상기 단부판들(40)은 전지셀 조립체(100)의 리드(11,11')와 인접하는 부분이므로 전기 절연을 위하여 절연시트(311,321)를 구비할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200) 후단부에 결합되는 후단부판(320)의 내측면에 절연시트(321)가 부착되어 있다. 이러한 절연시트로서는 내열성이 좋은 마이카(mica) 시트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 단부판(300) 중 모듈 케이스(200)의 전단부에 결합되는 전단부판(310)의 외측면에 절연시트(311)가 부착되어 있다. 상기 전단부판(310)은 상기 전지셀 조립체(100) 전단에 위치한 전지셀 리드(11,11')와 접속되는 단자 버스바(312)를 구비하며, 상기 단자 버스바의 절연이 중요하므로, 전단부판(310)의 경우 외측면에 절연시트(311)가 부착되는 것이다. 명확히 도시되어 있지는 않지만, 모듈 케이스(200)와 대향하는 전단부판(310) 내측면에는 단자 버스바가 노출되는 관통공이 형성되어 상기 관통공을 통하여 상기 전지셀 조립체(100) 전단의 리드(11,11')가 상기 단자 버스바(312)에 전기접속된다. 혹은, 상기 전지셀 조립체(100)의 전단 리드(11,11')를 절곡하여 상기 전단부판(310) 외측면에 부착된 단자 버스바(312)와 접촉시킴으로써 전기적으로 접속시킬 수 있다. 이와 같이, 상기 단자 버스바와 전지셀 조립체(100)는 다양한 방식에 의하여 전기접속될 수 있으며, 구체적인 전기접속형태는 한정되지 않는다.
(제2 실시형태)
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(1000)의 단면도이다.
도 7에서는 하부 케이스(210)와 상부 케이스(220)의 결합 형태가 도 5의 단면도와 다소 상이하다.
도 5에서는, 제1 수평연장부(222)가 하부 케이스(210) 양측부 상단에 걸쳐져 결합되는 형태였지만, 도 7에서는 상기 상부 케이스(220)의 제1 수평연장부(222)가 하부 케이스(210) 양측부(211) 상단 내측면에 결합되는 형태이다.
이와 같이, 하부 케이스(210)와 상부 케이스(220)를 결합하는 형태는 다양하게 변경 가능하다. 도 5의 예가 하부 케이스(210)와 상부 케이스(220)를 용접 결합하기 보다 편리한 면이 있다. 도 5에서는 보강지지판(P)이 상부 케이스(220)와 하부 케이스(210) 사이에 개재되므로, 모듈 케이스(200) 강성 및 결합작업이 더 용이해진다는 것은 상술한 바와 같다.
(제3 실시형태)
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 요부사시도이다.
본 실시형태는 전지셀 조립체(100)의 구성이 제1 실시형태와 상이하다. 본 실시형태에서는, 길이방향 단위셀(110)의 리드(11,11')끼리 연결되는 대향 전지셀 사이에 격벽(500)이 구비되어 있다. 본 발명의 전지셀 조립체(100)는 길이방향으로 전지셀들이 연결되므로, 예컨대 길이방향 전단에 배치된 전지셀(10)에서 발화가 발생할 경우 이에 연결된 길이방향 후단의 전지셀(10)로 그 화염이 전파될 수 있다. 상기 격벽(500)은 이러한 길이방향으로 화염 전파를 차단할 수 있다. 이 경우 상기 대향하는 전지셀(10)의 리드(11,11')들은 상기 격벽(500)을 통하여 서로 결합될 수 있다. 이를 위하여, 상기 격벽(500)은 예컨대 상단으로부터 하향으로 연장되는 슬릿(도시하지 않음)을 구비하고 이 슬릿을 통하여 상기 리드(11,11')들의 결합부를 위치시킬 수 있다. 혹은, 도 8의 실시형태와 같이, 복수개, 예컨대 3개로 격벽(510,520,530)을 구성하고 각 격벽의 사이에 리드결합부를 위치시킨 후 상기 3개의 격벽(510,520,530)을 접착제 등에 의하여 결합시킴으로써, 격벽(500)을 전지셀(10) 사이에 위치시킬 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 배터리 모듈(1000)이 내부 가스 및 열을 상기 벤팅 채널(C)을 통하여 배출할 수 있음과 동시에, 전지셀(10)간 화염전파를 방지하여 배터리 모듈(1000)의 안전성을 한층 더 개선시킬 수 있다.
한편, 상기 격벽(500)의 높이는 상기 단부판과 마찬가지로 전지셀 조립체(100) 상부의 벤팅 채널(C)의 유통을 방해하지 않도록 상기 벤팅 채널(C)을 덮거나 적어도 그 일부를 덮도록 형성할 수 있다. 다만, 이 경우에는 길이방향 전후단의 전지셀 간의 화염이 상기 벤팅 채널(C)의 공간을 통하여 이동할 가능성이 있으므로, 화염차단 효과는 다소 제한되는 면이 있다. 만약, 상기 격벽(500)의 높이를 전지셀 조립체(100) 전후단의 전지셀간을 완전히 차단하도록 형성한다면, 화염전파 방지효과를 최대화할 수 있다. 이 경우에는, 상기 벤팅 채널(C)은 길이방향 전지셀 조립체의 전단부와 후단부로 분할되며, 각각의 부분에서 벤팅 기능을 달성할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 예컨대, 도 2에 도시된 U자형태의 하부 케이스(210)는 양측벽 부분(211)과 하부판(212)을 각각 형성하고 이를 용접하여 하부 케이스(210)를 제조할 수 있다. 혹은, 하나의 판을 U자형으로 절곡하여 하부 케이스(210)를 제조할 수 있다.
또한, 도 5에서는 상부 케이스(220)와 하부의 전지셀 조립체 사이에 충전된 열전도성 접착 레진층(R)이 벤팅 채널(C)까지는 충전되어 있지 않다. 이는, 전지셀에서 생성되는 가스가 용이하게 벤팅 채널(C)로 이동되게 하기 위함이지만, 필요에 따라 상기 벤팅 채널(C)에 해당하는 전지셀 조립체(100)의 상부에도 열전도성 접착 레진층(R)을 충전시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 배터리 모듈(1000)로 구성된 배터리 적층체(1000')를 포함하는 배터리 팩(2000)의 개략도이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 전지셀을 길이방향 단위셀(110)로 하고, 이를 소정 개수만큼 전지셀 두께방향으로 적층한 전지셀 조립체를 구비하고, 이에 부응하는 길이방향으로 길게 연장된 모듈 케이스(200)를 가진다. 따라서, 레고 블록과 같이 상기 배터리 모듈(1000)을 길이방향 또는 두께방향으로 연결하기 용이한 형태로 되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 하나의 배터리 팩 케이스(2100) 내에서 전지셀의 길이방향 및 두께방향으로 복수개의 확장성 배터리 모듈(1000)을 적층하여 배터리 모듈 적층체(1000')를 구성할 수 있다. 도 9에 도시된 것 외에도 적용되는 배터리 팩 케이스(2100)의 형태에 부합하도록 상기 확장성 배터리 모듈(1000)의 적층방향(형태)을 변경할 수 있다. 이러한 면에서 본 발명의 확장성 배터리 모듈(1000)은 설계자유도가 극히 높다 할 것이다. 특히, 상기한 바와 같이, 전지셀 조립체의 길이방향을 따라 길게 연장되는 벤팅 채널(C)이 상기 배터리 모듈(1000) 내에 동일한 방향으로 형성된다. 따라서, 예컨대 배터리 팩 케이스(2100)에 이와 연통되는 벤팅 통로를 형성하면 배티러 팩 내부의 가스도 용이하게 제거할 수 있다는 효과가 있다.
이상, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
10: 전지셀
11,11': 리드
20: 단열판
30: 절연시트
T: 접착제
R: 열전도성 접착레진층
100: 전지셀 조립체
110: 길이방향 단위셀
200: 모듈 케이스
210: 하부 케이스
211: 하부 케이스 양측부
212: 하부케이스의 하부판
220: 상부 케이스
221: 하향 홈통부
222: 제1 수평연장부
221a: 수직연장부
221b: 제2 수평연장부
C: 벤팅 채널
300: 단부판
310: 전단부판
311: 절연시트
312: 단자 버스바
320: 후단부판
321: 절연시트
400: 냉각판
500: 격벽
1000: 배터리 모듈
1000': 배터리 모듈 적층체
2100: 배터리 팩 케이스
2000: 배터리 팩

Claims (15)

  1. 길이방향 양단에 리드가 형성된 2개 이상의 전지셀이 일렬로 배열되어 서로 대향하는 단부의 리드끼리 연결되어 길이방향 단위셀을 형성하고, 상기 길이방향 단위셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 2열 이상 적층되어 이루어진 전지셀 조립체; 및
    상기 전지셀 조립체가 수용되는 모듈 케이스;를 포함하고,
    상기 모듈 케이스는,
    상기 전지셀 조립체의 하부 및 양측면을 감싸며 상기 전지셀 조립체를 수용하고, 상기 전지셀 조립체의 양측면을 감싸는 양측부의 높이는 상기 전지셀 조립체의 높이보다 높게 형성되는 하부 케이스와,
    하향으로 오목하게 형성되는 하향 홈통부(trough)와 상기 하향 홈통부 양측 상단으로부터 외측으로 연장되는 한 쌍의 제1 수평연장부로 이루어진 상부 케이스를 포함하고,
    상기 상부 케이스가 상기 하부 케이스를 덮으며 결합하는 것에 의하여, 상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 상기 전지셀 조립체의 길이방향을 따라 연장되는 벤팅 채널이 형성되는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하향 홈통부는, 상기 제1 수평연장부로부터 하향 연장되는 한 쌍의 수직연장부와 상기 수직연장부 사이에 수평으로 연장되는 제2 수평연장부로 이루어지고,
    상기 제2 수평연장부가 상기 전지셀 조립체 상부와 결합되고 상기 제1 수평연장부가 상기 하부 케이스 양측부 상단과 각각 결합하는 것에 의하여, 상기 상부 케이스의 제1 수평연장부, 수직연장부 및 하부 케이스의 양측부로 둘러싸인 벤팅 채널이 상기 배터리 모듈 내부 양측에 형성되는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하향 홈통부의 제2 수평연장부 상부면에 냉각판이 설치되는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 수평연장부는 상기 하부케이스 양측부 상단에 걸쳐져 결합되거나 상기 양측부 상단 내측면에 결합되는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부케이스 양측부 상단과 상기 제1 수평연장부 사이에 상기 상부 케이스의 수직연장부를 향하여 연장되는 보강지지판이 결합되는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 길이방향 단위셀은 상기 전지셀이 길이방향으로 2개 연결된 것이고,
    상기 길이방향 단위셀이 2열로 적층되어 상기 전지셀 조립체는 총 4개의 전지셀로 이루어진 1P4S구조의 전지셀 조립체를 형성하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 길이방향 단위셀은 서로 대향하는 전지셀 단부의 리드끼리 용접되어 연결되고, 상기 전지셀 조립체 후단의 이웃하는 길이방향 단위셀의 전지셀의 리드는 서로를 향하여 절곡되어 용접 결합되는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 길이방향 단위셀의 리드끼리 연결되는 대향하는 전지셀 사이에 격벽이 구비되고, 상기 대향하는 전지셀의 리드들은 상기 격벽을 통하여 결합되는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀의 두께방향으로 적층되는 길이방향 단위셀 사이에 단열판이 설치되는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 조립체와 하부케이스 사이 및 상기 전지셀 조립체와 상부케이스 사이 중 적어도 하나에 열전도성 접착레진층이 형성되는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스의 전후단부에 결합되는 단부판을 더 구비하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단부판의 높이는 상기 벤팅 채널을 덮지 않도록 또는 상기 벤팅 채널의 일부만 덮도록 형성되는 배터리 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 단부판 중 모듈 케이스의 후단부에 결합되는 후단부판의 상기 모듈 케이스와 대향하는 내측면에 절연시트가 부착되는 배터리 모듈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 단부판 중 모듈 케이스의 전단부에 결합되는 전단부판의 외측면에 절연시트가 부착되고 상기 절연시트 상에 단자 버스바가 결합되는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 배터리 모듈을 상기 전지셀의 길이방향 및 두께방향 중 적어도 하나의 방향으로 복수개 적층하여 형성되는 배터리 모듈 적층체를 포함하는 배터리 팩.
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