KR20230047906A - 배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이방향을 따라 일렬로 배열되어 연결되는 2개 이상의 전지셀로 이루어진 길이방향 단위셀이 상기 전지셀 두께방향으로 2열 이상 적층되는 전지셀 조립체; 상기 길이방향 단위셀에서 길이방향을 따라 서로 대향하는 전지셀 단부의 연결 위치에 배치되는 중공형 센터가드; 상기 전지셀 조립체 및 중공형 센터가드가 수용되는 모듈케이스를 포함하고, 상기 중공형 센터가드의 중공과 연통되는 제1 벤팅홀이 상기 중공형 센터가드 측벽에 구비되고, 상기 중공형 센터가드의 중공과 연통되는 제2 벤팅홀이, 상기 중공형 센터가드 상부를 덮는 상기 모듈케이스에 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

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 모듈(1)의 사시도(도 1(a)) 및 단면도(도 1(b)) 이다. 도시된 바와 같이, 수십개의 전지셀(10)이 적층되어 이루어진 전지셀 적층체가 하나의 모듈케이스(1) 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, 길이방향을 따라 일렬로 배열되어 연결되는 2개 이상의 전지셀로 이루어진 길이방향 단위셀이 상기 전지셀 두께방향으로 2열 이상 적층되는 전지셀 조립체; 상기 길이방향 단위셀에서 길이방향을 따라 서로 대향하는 전지셀 단부의 연결 위치에 배치되는 중공형 센터가드; 상기 전지셀 조립체 및 중공형 센터가드가 수용되는 모듈케이스를 포함하고, 상기 중공형 센터가드의 중공과 연통되는 제1 벤팅홀이 상기 중공형 센터가드 측벽에 구비되고, 상기 중공형 센터가드의 중공과 연통되는 제2 벤팅홀이, 상기 중공형 센터가드 상부를 덮는 상기 모듈케이스에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 길이방향 단위셀의 전지셀들은, 길이방향으로 서로 대향하는 전지셀 단부의 전극 리드끼리 용접되어 연결될 수 있다.
상기 전지셀 조립체의 길이방향 양단부 중 일단부에 위치한 전지셀의 전극 리드는 단자 버스바와 전기적으로 연결되고, 타단부에 위치한 전지셀의 전극 리드는 상기 전지셀 두께방향으로 이웃하는 길이방향 단위셀의 전지셀의 전극 리드와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전지셀 조립체는, 길이방향을 따라 전지셀이 2개 연결된 길이방향 단위셀이 2열로 적층된 1P4S의 전기연결구조를 가질 수 있다.
상기 전지셀 두께방향으로 이웃하는 길이방향 단위셀 사이에 단열판이 적어도 1개 설치될 수 있다.
상기 중공형 센터가드는, 전지셀 두께방향으로 서로 이웃하는 2개의 길이방향 단위셀의 길이방향을 따른 각 전지셀 연결부 사이에 배치된다.
상기 중공형 센터가드는, 상부 및 하부 모듈케이스 사이에서 전지셀의 높이방향을 따라 소정길이로 연장되는 로드형상이고, 상기 제1 벤팅홀은 상기 중공형 센터가드 하부측의 양측벽에 배치될 수 있다.
상기 제2 벤팅홀이 구비된 모듈케이스 부분은 하향으로 오목하게 함입되어 상기 중공형 센터가드 상부를 덮을 수 있다.
상기 중공형 센터가드의 중공 내에 상기 전지셀의 길이방향에 수직으로 연장되는 구획벽이 배치되고, 상기 구획벽에 의하여 상기 중공이 2개로 분리될 수 있다.
상기 전지셀 두께방향으로 상기 중공형 센터가드의 양측면에 제2 센터가드가 설치되고,
상기 제2 센터가드를 통하여 상기 길이방향 단위셀의 전지셀들이 길이방향으로 연결될 수 있다.
상기 제2 센터가드는 관통 슬롯 또는 상단부로부터 하향 연장되는 절개 슬릿을 구비하고, 상기 관통 슬롯 또는 절개 슬릿을 통하여 길이방향 단위셀의 전지셀들이 연결될 수 있다.
상기 전지셀 조립체의 전단부 및 후단부를 각각 덮으며, 상기 모듈케이스의 길이방향 전단부 및 후단부에 결합되는 단부판을 더 구비할 수 있다.
상기 단부판에 외부와 연통하는 제3 벤팅홀을 구비할 수 있다.
상기 단부판 중 전지셀 조립체의 전단부를 덮는 전단부판에 단자 버스바가 설치되고, 상기 전지셀 조립체에 구비된 전지셀의 전극 리드가 상기 단자 버스바에 결합될 수 있다.
상기 단부판은 내부에 공간을 구비하고, 상기 전지셀 조립체와 대향하는 단부판의 내측면에 상기 공간과 연통되는 제3 벤팅홀을 구비하고, 상기 단부판의 하부면에 상기 내부 공간 및 외부와 연통하는 제4 벤팅홀을 구비할 수 있다.
상기 단부판의 내부 공간에 상기 단부판의 높이 일부까지 연장되는 격벽이 설치되고, 상기 제3 벤팅홀로 유입되는 가스가 상기 격벽을 타고 넘어 상기 제4 벤팅홀로 배출될 수 있다.
상기 단부판 중 전지셀 조립체의 전단부를 덮는 전단부판의 외측면에 단자 버스바가 설치되고, 상기 전단부판 내부의 공간을 둘러싸는 전단부판 본체 부분에 관통 슬롯이 구비되고, 상기 전지셀 조립체에 구비된 전지셀의 전극 리드가 상기 관통 슬롯을 통과하여 상기 단자 버스바에 결합될 수 있다.
상기 단부판의 하단부에 배터리 팩과 결합되는 고정결합부가 돌출될 수 있다.
상기 전지셀 조립체의 상부를 덮는 모듈케이스와 상기 전지셀 조립체 사이 및 상기 전지셀 조립체의 하부에 위치한 모듈케이스와 상기 전지셀 조립체 사이 중 적어도 하나에 열전도성 수지층이 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서의 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈을 상기 전지셀의 길이방향 및 두께방향 중 적어도 하나의 방향으로 복수개 적층한 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 분해사시도 및 결합사시도이다.
도 3은, 일 실시예의 배터리 모듈에 따른 전지셀 조립체의 세부구성 등을 나타낸 개략도이다.
도 4는 일 실시예의 배터리 모듈에 따른 전지셀 조립체의 전기연결관계를 나타낸 개략도이다.
도 5는 전지셀 조립체와 중공형 센터가드의 결합관계를 나타내는 사시도이다.
도 6은 중공형 센터가드의 사시도이다.
도 7은 중공형 센터가드와 제2 센터가드의 결합관계의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 8은 전지셀 조립체와 중공형 센터가드의 결합관계를 나타내는 측단면도이다.
도 9는 중공형 센터가드의 다른 예의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 모듈의 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 배터리 모듈의 전단부판의 일례를 나타내는 측단면도, 정면 사시도 및 후면사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 배터리 모듈의 후단부판의 일례를 나타내는 후면사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 배터리 모듈의 전단부판과 전지셀 조립체의 결합관계를 나타내는 일부 절개 사시도 및 평면도이다.
도 14는 도 2의 A-A'선을 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 15는 열전도성 수지층의 설치위치를 나타내는 개략도이다.
도 16은 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 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈의 분해사시도 및 결합사시도이고, 도 3은, 일 실시예의 배터리 모듈에 따른 전지셀 조립체의 세부구성 등을 나타낸 개략도이고, 도 4는 일 실시예의 배터리 모듈에 따른 전지셀 조립체의 전기연결관계를 나타낸 개략도이다.
도 2 내지 도 4에에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은, 길이방향을 따라 연결되는 전지셀로 이루어진 길이방향 단위셀을 포함하는 전지셀 조립체(100)와, 상기 전지셀 조립체(100), 상기 전지셀 사이에 설치되는 중공형 센터가드(200) 및 상기 전지셀 조립체(100) 및 중공형 센터가드(200)가 수용되는 모듈케이스(300)를 포함한다.
전지셀 조립체(100)를 구성하는 길이방향 단위셀(110)의 리드(11,11')간 결합을 명확하게 나타내기 위하여 도 3 및 도 4에는 중공형 센터가드(200)를 도시하지 않았다.
도 2에 도시된 바와 같이, 양단에 전극 리드(11,11')가 형성되며 길이방향으로 길게 연장된 전지셀(10)을 기준으로 Y방향이 전지셀(10) 또는 모듈(케이스)의 길이방향, X방향이 전지셀(10) 또는 모듈케이스(300)의 두께방향(전지셀의 적층방향), Z방향을 상하방향으로 한다.
본 발명의 전지셀 조립체(100)에 포함되는 전지셀(10)은 길이방향을 따라 일렬로 배열되어 연결될 수 있도록 전지셀(10)의 양단으로부터 전극 리드(11,11')가 도출된 이른바 양방향 전지셀(10)이다. 이러한 양방향 전지셀(10)을 일렬로 배열하고 대향하는 전지셀의 전극 리드(11,11') 끼리 예컨대 용접에 의하여 연결하면, 별도의 연결부재 없이 직접 전지셀들을 길이방향을 따라 연결할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 전지셀들을 길이방향을 따라 2개 또는 그 이상으로 길게 연결할 수 있다. 배터리 모듈케이스(300) 혹은 배터리 모듈(1000)이 설치되는 배터리 팩의 공간이 허용되는 한에서 상기 길이방향을 따라 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 길이방향을 따라 연결하는 것이 바람직하다. 또한, 연결되는 전지셀(10)의 크기(길이)에 따라 길이방향을 따라 연결되는 전지셀(10)의 개수는 변동될 수 있다. 본 명세서에서 상기와 같이 길이방향 양단에 전극 리드(11,11')가 형성된 2개 이상의 전지셀(10)이 일렬로 배열되어 서로 대향하는 전지셀 단부의 전극 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 전지셀(10)의 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 모듈케이스(300) 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 2~4개 정도, 전지셀 두께방향으로 2~4열 정도 적층하면 전지셀 조립체(100)를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 이러한 소수의 전지셀(10)로 구성된 전지셀 조립체(100)를 각각 별개의 모듈케이스(300)에 수용하고, 이러한 모듈케이스(300)를 포함하는 배터리 모듈(1000)을 전지셀(10)의 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 단위 모듈을 길이방향으로 적층하면 상기 길이방향 단위셀(110)의 전지셀들을 길이방향을 따라 더 길게 연결하지 않더라도, 동일한 효과를 달성할 수 있다. 이에 의하여, 개별 배터리 단위 모듈을 컴팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(1000)을 두께방향으로 필요한 개수만큼 적층함으로써, 설계자유도를 향상시킬 수 있다. 도 1과 같이, 하나의 모듈케이스에 수십개의 전지셀이 적층되는 구조로는 원하는 대로 배터리 팩을 구성하기 힘들다. 즉, 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈에 포함된 전지셀의 최소 단위가 상이하므로, 종래의 배터리 모듈(1)은 그만큼 설계자유도가 떨어질 수 밖에 없다.
또한, 예컨대 배터리 모듈 내에 포함된 일부 전지셀(10)에 발화가 발생한 경우에, 도 1의 배터리 모듈(1)은 인접하는 전지셀(10)로 용이하게 화염이 전파된다. 그러나, 도 2의 배터리 모듈(1000) 또는 후술하는 도 16에 개시된 배터리 팩의 구조는 적은 개수의 전지셀 조립체(100)가 각각 별개로 배터리 모듈(1000)에 수용되어 있으므로, 하나의 배터리 모듈(1000) 내의 전지셀(10)에서 발화가 발생하더라도, 다른 배터리 모듈(1000)로 발화가 전파되기 어렵다.
이상으로부터 본 발명의 전지셀 조립체(100)는 길이방향 및 전지셀 두께방향으로 연결되고, 특정 개수의 전지셀(10)로 이루어진 전지셀 조립체(100)가 각각의 모듈케이스에 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 3 및 도 4에는 도시의 간략화를 위하여 길이방향을 따라 연결되는 전지셀 사이에 설치되는 중공형 센터가드를 도시하지 않았다. 도 4에는 이러한 전지셀 조립체(100)의 전기적 연결관계가 잘 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 길이방향을 따라 전지셀(10)이 2개 연결되어 길이방향 단위셀(110)이 구성되고, 이러한 길이방향 단위셀(110)이 전지셀 두께방향으로 2열 적층되어 있다. 길이방향으로 연결되는 전지셀(10)의 서로 대향하는 전극 리드(11,11')가 예컨대 용접에 의하여 연결된다. 따라서, 버스바와 같이 별도의 연결부재 없이도 전지셀(10)들을 전기적으로 연결하여 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(22)의 양측에 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)패드(21,23)를 접착한 것을 사용할 수 있다(도 8 참조). 필요에 따라, 상기 전지셀 조립체(100)와 이를 감싸는 모듈케이스(300) 사이에 절연 시트(30)를 설치할 수 있다. 상기 단열판(20), 절연시트(30)의 구성은 도 8의 단면도에 잘 나타나있다.
도 4를 다시 참조하여, 상기 전지셀 조립체(100)의 전기접속구조를 다시 설명한다. 전지셀 조립체(100)의 중간부분에서, 길이방향으로 대향하는 전지셀들의 극성이 다른 전극 리드(11,11')가 서로 용접되어 연결된다. 또한, 전지셀 조립체(100) 후단의 전지셀 두께방향으로 이웃하는 길이방향 단위셀(110)의 전지셀(10)의 극성이 다른 전극 리드(11,11')가 서로 전기적으로 연결된다. 구체적으로 이웃하는 전지셀(10)의 극성이 다른 리드들(11,11')을 서로를 향하여 절곡시키고 절곡된 부분을 용접 결합하면 2열의 길이방향 단위셀(110)이 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 한편, 전지셀 조립체(100) 전단의 길이방향 단위셀(110)의 전지셀(10)의 전극 리드(11,11')는 서로 연결되지 않고 외향으로 절곡되어 있다. 이 리드(11,11')는 후술하는 바와 같이, 전단부판(410)의 단자 버스바(412)에 연결될 수 있다. 도 4에 도시된 전지셀 조립체(100)는 4개의 전지셀(10)이 직렬로 연결된 이른바 1P4S의 전기연결구조를 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.
도 5는 전지셀 조립체와 중공형 센터가드의 결합관계를 나타내는 사시도이고, 도 6은 중공형 센터가드의 사시도이고, 도 7은 중공형 센터가드와 제2 센터가드의 결합관계의 일례를 나타낸 사시도이고, 도 8은 전지셀 조립체와 중공형 센터가드의 결합관계를 나타내는 측단면도이다.
도 5 및 도 8은, 배터리 모듈 및 전지셀 조립체의 상하 위치가 도 2의 배터리 모듈과 반대이다. 즉, 도 8에서는, 배터리 모듈의 상하를 뒤집어서 상부케이스가 아래에 위치하고, 하부케이스가 상부에 위치한 것을 도시하고 있다. 도 5 및 도 8에서 배터리 모듈의 상하를 뒤집어 도시한 것은, 이해를 돕기 위하여 도 6 및 도 7에 도시된 중공형 센터가드의 배치와 일치시키기 위한 것이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 길이방향 단위셀(110)에서 길이방향을 따라 서로 대향하는 전지셀 단부의 연결 위치에 중공형 센터가드(200)가 배치된다. 본 발명에 따른 전지셀 조립체(100)는 길이방향을 따라 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 중공형 센터가드(200)는 이러한 길이방향으로의 화염 전파를 차단할 수 있다.
구체적으로, 상기 중공형 센터가드(200)는 길이방향으로 서로 대향하는 전지 셀 단부의 전극 리드(11,11')가 결합되는 부분에 인접하여 위치한다. 즉, 이 부분에서 열이 많이 발생하고 전지 반응에 의한 가스도 많이 발생한다. 따라서, 상기 중공형 센터가드(200)를, 길이방향으로 서로 대향하는 전지셀 단부가 서로 연결되는 위치의 모듈케이스 내에 설치한다.
도 5에서는, 전지셀 두께방향으로 2개의 길이방향 단위셀(110)이 적층 배치된다. 이 경우, 상기 중공형 센터가드(200)는, 전지셀 두께방향으로 서로 이웃하는 2개의 길이방향 단위셀(110)의 길이방향을 따른 각 전지셀 연결부(전극 리드 접합부) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 상기 중공형 센터가드(200)는, 하나의 길이방향 단위셀(110)의 길이방향을 따른 전지셀 연결부와, 상기 길이방향 단위셀과 전지셀 두께방향으로 이웃하는 다른 길이방향 단위셀(110)의 길이방향을 따른 전지셀 연결부 사이에 위치한다.
상기 중공형 센터가드(200)는 화염전파 차단기능 외에 가스 및 열을 외부로 배출하기 위한 벤팅 통로의 기능도 행한다. 이를 위하여, 상기 중공형 센터가드(200)는 내부에 중공(210)을 구비하고 있다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 중공형 센터가드(200)는, 상부 및 하부 모듈케이스 사이에서 전지셀의 높이방향을 따라 소정길이로 연장되는 로드형상일 수 있다. 따라서, 상기 중공(210)도 전지셀의 높이방향을 따라 연장된다. 중공형 센터가드(200)의 길이에 따라, 전지셀 높이방향을 따르는 벤팅 통로의 길이가 결정된다. 전지셀로부터 발생되는 가스의 벤팅을 용이하게 할 수 있도록 상기 중공형 센터가드(200)의 길이는 전지셀의 높이와 거의 일치하거나 약간 작게 하는 것이 바람직하다.
상기 중공형 센터가드(200)의 측벽에는 중공형 센터가드(200) 내의 중공(210)에 연결되는 제1 벤팅홀(211)이 구비된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 길이방향 단위셀(110)의 전단과 후단의 전지셀(10)로부터 발생된 가스가 상기 제1 벤팅홀(211)을 통하여 중공(210)으로 도입되고 상기 중공(210)을 통하여 가스가 이동할 수 있다.
상기 제1 벤팅홀(211)은 길이방향 좌우의 전지셀(10)에서 발생되는 가스를 모두 배출할 수 있도록, 중공형 센터가드(210)의 양측벽에 구비되는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1000)의 모듈케이스(300)는 상기 중공형 센터가드(200)의 상부를 덮는다. 상기 중공형 센터가드(200)의 상부를 덮는 모듈케이스(300)(전지셀 조립체(100)의 길이방향 중앙에서 전지셀 조립체(100)를 덮는 모듈케이스 부분(310a))에는 상기 중공형 센터가드(200)의 중공(210)과 연통되는 제2 벤팅홀(311)이 구비된다.
배터리 모듈의 상하로 관통되는 벤팅 통로를 형성하기 위하여, 상기 제1 벤팅홀(211)은 상기 중공형 센터가드(200) 하부측의 양측벽에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 제2 벤팅홀(312)이 모듈의 상부에 위치하며, 중공형 센터가드(200)의 제1 벤팅홀(211)이 모듈 하부에 위치한다. 따라서, 본 실시형태에 따르면, 상기 제1 벤팅홀(211)-중공형 센터가드(200)의 중공(210)-제2 벤팅홀(312)을 따르는 벤팅 통로가 형성되어 가스가 이 벤팅 통로를 따라서 모듈 외부로 용이하게 배출될 수 있다.
상기 제2 벤팅홀(312)이 형성된 모듈케이스 부분(311)은 도 2 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하향으로 오목하게 함입된 함입부(311)로 형성될 수 있다. 이러한 구조로 하면, 상기 배터리 모듈(1000)을 적층하여 배터리 팩에 수용할 경우, 상기 함입부(311)에 별도의 벤팅 파이프를 설치하거나 별도의 벤팅 통로를 연결하기 용이하다. 또한, 예컨대, 본 발명의 확장성 배터리 모듈(1000)이 전지셀 두께방향으로 적층될 경우, 상기 함입부(311)를 가로지르는 막대형의 벤팅 파이프를 설치하여 가스 벤팅을 효율적으로 행할 수 있다. 즉, 배터리 모듈(1000)을 적층하여 예컨대 도 16과 같은 형태로 상위단위체인 배터리 팩으로 구성하면, 벤팅 가스 배출 방향을 통일하여 배터리 모듈의 상위단위체인 배터리 팩에서 배출 가스 이동 경로를 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 도 5 및 도 6과 같이 상기 중공형 센터가드(200)의 중공(210) 내에 전지셀(10)의 길이방향에 수직으로 연장되는 구획벽(210a)을 형성함으로써 중공(210)을 2개로 분리할 수 있다. 그리고, 상기 2개의 중공 각각에 대하여 좌우 측벽에 각각 제1 벤팅홀(211)을 형성하여 전지셀(10)에서 발생하는 가스를 2개의 중공(210)을 통하여 배출할 수 있다. 도 6과 같이 센터가드(200)의 중공을 구획벽(210a)으로 분리하여 2개로 할 경우, 상기 제2 벤팅홀(312)도 이에 대응하여 2개로 형성할 수 있다. 도 8을 참조하면, 중공 아래쪽의 모듈케이스(310a)에 2개의 제2 벤팅홀(312)이 형성된 것을 알 수 있다.
한편, 상기 센터가드(200)에 더하여 센터가드 양측면에 제2 센터가드(250)를 설치할 수 있다. 예컨대, 도 7과 같이 전지셀(10)의 두께방향으로 센터가드(200) 양측에 제2 센터가드(250)를 설치할 수 있다. 상기 제2 센터가드 역시 중공형 센터가드(200)와 마찬가지로 길이방향 전후단으로 화염이 전파하는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다. 즉, 길이방향 단위셀 중앙의 전지셀 연결부의 위치에, 상기 중공형 센터가드(200) 및 제2 센터가드(250)를 위치시킴으로써, 길이방향 단위셀의 전후단의 전지셀 간에 화염이 전파되는 것을 효율적으로 차단할 수 있다.
이 경우, 상기 제2 센터가드(250)를 통하여 길이방향 단위셀(100)의 전지셀들이 길이방향으로 연결될 수 있다. 즉, 길이방향으로 대향하는 전지셀(10)의 전극 리드들(11,11')은 상기 격벽(250)을 통하여 서로 결합될 수 있다. 이를 위하여, 상기 제2 센터가드(250)는 전극 리드들이 통과할 수 있는 관통 슬롯(도시하지 않음)을 구비할 수 있다. 또는, 제2 센터가드(250)의 일단부(예컨대 상단부)로부터 하향으로 연장되는 절개 슬릿(251)을 구비할 수 있다. 이 절개 슬릿(251)에 상기 전극 리드들(11,11')의 결합부를 끼워 지지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 배터리 모듈(1000) 내부의 가스 및 열을 상기 제1 벤팅홀(211), 중공형 센터가드(200)의 중공(210) 및 제2 벤팅홀(311)을 통하여 배출할 수 있음과 동시에, 중공형 센터가드(200)와 제2 센터가드(250)에 의하여 전지셀 간 화염전파를 방지하여 배터리 모듈(1000)의 안전성을 한층 더 개선시킬 수 있다.
도 9는 중공형 센터가드(200)의 다른 예의 사시도이다.
도 9의 중공형 센터가드(200)는 중공을 구획하는 구획벽(210a)이 없어, 중공(210')이 하나이다. 이 경우는, 구획벽(210a)이 없는 만큼 중공(210')의 체적이 커지므로, 중공(210')을 통하여 보다 많은 양의 가스를 배출하기 용이하다.
중공(210')은 하나이지만, 제1 벤팅홀(211')은 센터가드(200) 좌우 측벽에 쌍으로 구성되어 있다. 상기 제1 벤팅홀(211)로부터 전지셀 조립체(100)의 전단과 후단에 배치된 전지셀(10)에서 발생한 가스를 상기 중공(210')으로 도입할 수 있다. 이 가스는 상술한 바와 같이, 모듈케이스(300) 상부에 형성된 제2 벤팅홀(312)을 통하여 외부로 용이하게 배출된다.
또한, 본 발명은 상기 전지셀 조립체(100)가 수용되는 모듈케이스(300)를 포함한다. 본 발명의 특징적인 점은 상기 모듈케이스(300)에 상기 센터가드(200)의 제1 벤팅홀(211)과 연통되며 외부와 연결되는 제2 벤팅홀(312)이 형성된다는 점이다.
본 발명은 상기 전지셀 조립체(100) 및 중공형 센터가드(200)가 수용되는 모듈케이스(300)를 포함한다. 상기 전지셀 조립체(100)가 전지셀 길이방향 및 전지셀 두께방향으로 연장 및 적층되는 구조이므로, 상기 모듈케이스(300)도 이에 부합하도록 길이방향으로 길게 연장된 형태가 된다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 모듈케이스(300)는 전지셀 조립체(100)를 양측에서 감싸 결합하는 좌우 케이스(310,320)로 구성되지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 전지셀 조립체(100)의 하부와 양측면을 감싸는 U자형 케이스와 상기 U자형 케이스의 상부를 덮는 상부케이스로 모듈케이스(300)를 구성할 수 있다. 이 경우에는, 상기 상부케이스에 상기 함입부(311)와 제2 벤팅홀(312)을 형성할 수 있다. 본 실시형태에서는, 우측 케이스(310)가 C자형으로 구성되어 있다. 상기 우측케이스(310)의 상기 C자형 케이스의 공간 내에 전지셀 조립체(100)가 안착될 수 있다. 따라서, 상기 우측 케이스(310)는 전지셀 조립체(100)의 일측부 및 상하부를 감싸며 상기 전지셀 조립체(100)를 수용한다. 우측케이스(310)는 상부케이스(310a), 하부케이스(310a'), 측판 케이스(310b)을 용접하여 형성할 수도 있으며, 하나의 판을 C자형으로 절곡하여 형성할 수도 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 모듈케이스(300)는 센터가드(200) 상부를 덮는 모듈케이스 부분에 상기 중공형 센터가드(200)의 중공과 연통되며 외부와 연결되는 제2 벤팅홀(312)이 형성된다. 도 2와 같이, C자형 우측 케이스(310)의 상부케이스(310a)의 중앙 상부에 함입부(311)가 형성되고 상기 함입부 상에 제2 벤팅홀(312)이 형성된다. 상기 좌우측케이스의 결합은 용접, 접착제 도포, 후킹구조 등 전지셀 조립체(100)를 확실하게 안착하여 견고하게 결합할 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않는다. 또한, 도 2 및 도 3에 도시된 좌측 케이스(320)의 중앙 상부에는 상기 우측케이스(310)의 상부케이스(310a)의 함입부(311) 형태에 부합하도록 대응되는 함입부(321)가 형성되어 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 모듈케이스(300)의 길이방향 전단부 및 후단부에 결합되는 단부판(400)을 더 구비할 수 있다.
상기 도면들에 도시된 바와 같이, 상기 단부판(400)은, 상기 모듈케이스(300) 전단부와 후단부에 각각 결합되는 전단부판(410)과 후단부판(420)으로 이루어진다. 상기 단부판들(410,420)은 모듈케이스(300)의 전후단을 닫는 역할을 한다. 즉, 상기 단부판(400)은 모듈케이스에 수용된 전지셀 조립체(100)의 전단부 및 후단부를 각각 덮으며, 모듈케이스의 전후단부에 각각 결합한다.
한편, 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈(1000)은 상기 단부판(400)에도 외부와 연통하는 벤팅홀(제3 벤팅홀(413,423))을 구비하고 있다.
상기 단부판들, 즉, 전단부판(410)과, 후단부판(420)은 전지셀 조립체(100)의 전극 리드(11,11')와 인접하는 부분이므로 전기 절연을 위하여 절연시트(411,421)를 각각 구비할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈케이스 후단부에 결합되는 후단부판(420)의 내측면에 절연시트(421)가 부착된다. 이러한 절연시트(421)로서는 내열성이 좋은 마이카(mica) 시트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 단부판 중 모듈케이스(300)의 전단부에 결합되는 전단부판(410)의 외측면(전면)에 절연시트(412)가 부착된다. 상기 전단부판(410)은 단자 버스바(412)를 구비한다. 도 2를 참조하면, 전단부판(410)의 전면에 단자 버스바(412)가 설치되어 있다. 상기 전지셀 조립체(100) 전단에 구비된 전지셀(10)의 전극 리드(11,11')가 상기 단자 버스바(412)와 결합된다.
상기 단자 버스바(412)의 절연이 중요하므로, 전단부판의 경우 외측면에 절연시트(411)가 부착된다. 모듈케이스(300)와 대향하는 전단부판(410)의 내측면에는 단자 버스바(412)가 노출되는 관통공(도시하지 않음)이 위치하며, 상기 관통공을 통하여 상기 전지셀 조립체(100) 전단의 전극 리드(11,11')가 상기 단자 버스바(412)에 전기 접속될 수 있다. 혹은, 상기 전지셀 조립체(100)의 전단의 전극 리드(11,11')를 절곡하여 상기 전단부판 외측면에 부착된 단자 버스바(412)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.
도 2 내지 도 5에 명확히 도시된 바와 같이, 본 발명의 전단부판(410), 후단부판(420)에는 외부와 연통하는 제3 벤팅홀(413,423)이 형성된다. 이에 의하여 모듈케이스(300) 전후단부 내측에서 발생하는 가스를 외부로 효율적으로 벤팅시킬 수 있다. 이에 의하여, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 모듈 중앙부에서는 상술한 중공형 센터가드(200)의 제1 벤팅홀(211)과 중공(210), 모듈케이스(300) 상부에 형성된 제2 벤팅홀(312)을 통하여 가스 배출이 가능하고, 모듈 전후단부에서는 상기 전후단부판의 제3 벤팅홀(413,423)을 통하여 가스 배출이 가능하다. 따라서, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 길이방향을 따른 3개 지점에서 가스 배출이 가능하므로, 내부 온도 상승이나 화재발생을 보다 효율적으로 방지할 수 있다.
한편, 배터리 모듈들이 배터리 팩 내에 설치되는 경우를 상정하면, 배터리 팩 케이스 내에 상기 제3 벤팅홀(413,423)과 연통하는 벤팅홀 또는 벤팅 채널을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 제3 벤팅홀(413,423)으로 배출된 가스는 배터리 팩 케이스에 형성된 벤팅홀 또는 벤팅 채널을 통하여 배터리 팩 외부로 효율적으로 배출될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 모듈의 사시도이다.
본 실시형태의 배터리 모듈은, 상기 단부판(400)의 하단부에 배터리 팩과단부결합되는 고정결합부(415,425)가 돌출되어 있다.
구체적으로 전단부판(410)의 외측면 하단에 결합부재(도시하지 않음)에 의하여 배터리 팩과 결합될 수 있도록 고정결합부(415)가 돌출형성된다. 또한, 후단부판(420)의 외측면 하단에 결합부재에 의하여 배터리 팩과 결합될 수 있도록 고정결합부(425)가 돌출형성된다.
상기 고정결합부(415,425)에는 결합부재를 설치할 수 있는 결합홀이 형성될 수 있다.
전지셀 조립체(100)을 모듈케이스(300) 내에 설치하고, 전단부판(410)과 후단부판(420)을 모듈케이스(300)의 전단부 및 후단부에 각각 결합한다. 그리고, 상기 전단부판(410)과 후단부판(420)에 고정결합부(415,425)의 결합홀과 배터리 팩 바닥부에 예컨대 볼트와 같은 결합부재를 체결함으로써, 본 발명의 배터리 모듈(1000)을 배터리 팩에 용이하게 체결할 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 단부판(400)의 외측면 하단에 고정결합부(415,425)가 돌출형성되어 있다. 그러나, 변형예로서, 상기 단부판(300)의 외측면 상단에 고정결합부를 형성하는 것도 가능하고, 상기 단부판(300)의 외측면 상단 및 하단에 고정결합부를 각각 돌출형성하는 것도 가능하나, 이에 한정하지 아니한다. 고정결합부가 단부판 상단에 형성되는 경우 배터리 팩의 상부케이스와 상기 고정결합부를 결합부재에 의하여 결합시킬 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 배터리 모듈의 전단부판의 일례를 나타내는 측단면도(도 11(a)), 정면 사시도(도 11(b)) 및 후면사시도(도 11(c)) 이고, 도 12는 본 발명에 따른 배터리 모듈의 후단부판의 일례를 나타내는 후면사시도이고, 도 13은 본 발명에 따른 배터리 모듈의 전단부판과 전지셀 조립체의 결합관계를 나타내는 일부 절개 사시도 및 평면도이다.
도 11 및 도 12의 단부판은 벤팅 구조가 도 2 및 도 3에 도시된 단부판의 벤팅구조와 상이하다. 도 2 및 도 3에서는 전단부판(410)을 관통하도록 제3 벤팅홀(413)이 형성되고, 후단부판(420)을 관통하도록 제3 벤팅홀(423)이 형성되어, 이 제3 벤팅홀(413,423)이 직접 외부와 연통하여 가스를 배출하는 구조였다.
도 11 및 도 12의 단부판은 내부에 공간을 구비하고, 이 공간을 통하여 가스를 배출하는 구조이다. 즉, 본 실시예의 단부판은 내부에 공간(S)을 구비하고, 전지셀 조립체와 대향하는 단부판의 내측면에 상기 공간(S)과 연통되는 제3 벤팅홀(413',423')을 구비하고, 상기 단부판의 하부면에 상기 내부 공간(S) 및 외부와 연통하는 제4 벤팅홀(414,424)를 구비하고 있다.
본 실시예에서는 모듈 내에서 발생한 가스가 상기 제3 벤팅홀(413',423')을 통하여 단부판 내로 유입되고, 단부판 내의 공간(S) 내에서 유동된 후, 상기 제4 벤팅홀(414,424)를 통하여 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 경우, 도 2 및 도 3의 단부판에 비하여 가스 벤팅 경로가 길어진다. 가스 벤팅 경로가 길어지면, 고온 고압의 벤팅 가스가 이동 중에 온도 및 압력이 저하하므로, 가스를 외부로 배출시 위험성을 줄일 수 있다. 또한, 불완전 연소된 가스가 긴 가스 벤팅 경로를 이동하면서 완전 연소되어 안정화될 수 있다. 본 실시예에서는, 가스 벤팅 경로를 길게 하기 위하여, 단부판의 하부면에 제4 벤팅홀(414,424)를 구비하도록 하였다.
또한, 본 실시예는 변형예로서, 상기 단부판의 내부 공간(S)에 상기 단부판의 높이 일부까지 연장되는 격벽(W)을 설치하였다. 상기 격벽(W)은 단부판의 높이 일부까지만 연장되므로, 내부 공간(S)을 완전히 차단하지 않는다. 즉, 상기 격벽(W)의 상단과 단부판 상부와의 사이에 가스가 이동할 수 있는 통로가 형성된다. 따라서, 가스는 상기 격벽(W)을 타고 넘어 상기 통로를 통하여 이동할 수 있다. 본 예에 따르면, 상기 제3 벤팅홀(413',423')로 유입되는 가스는 상기 격벽(W)을 타고 넘어 상기 제4 벤팅홀(414,424)로 배출된다. 상기 격벽(W)으로 인하여 단부판 내의 가스 벤팅 경로는 더욱 길게 된다. 이에 의하여, 외부로 배출되는 가스의 상태가 보다 안정화되어 안전성을 한층 더 개선시킬 수 있다.
도 11(a)의 측면도를 참조하면, 내부에 공간(S)을 구비한 전단부판(410')의 가스 벤팅 경로가 잘 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 전단부판(410')의 내측면에 구비된 제3 벤팅홀(413')을 통하여 가스가 내부 공간(S)으로 유입되고, 격벽(W)과 전단부판(410') 사이에 형성된 통로를 통하여 상향 이동한다. 상향 이동된 가스는 상기 격벽(W)을 타고 넘어 다시 아래로 이동되며, 전단부판(410')의 하부면에 구비된 제4 벤팅홀(414)을 통하여 외부로 배출된다.
격벽을 타고 넘는 가스 벤팅 경로를 고려하여, 가스 벤팅 경로를 보다 길게 하기 위해서는, 제3 벤팅홀(413')은 상기 제4 벤팅홀(414)에 가까운 전단부판(410')의 내측면 아래쪽에 배치하는 것이 바람직하다.
배터리 모듈들이 배터리 팩 내에 설치되는 경우를 상정하면, 배터리 팩 케이스 내에 상기 제4 벤팅홀(414)과 연통하는 벤팅홀 또는 벤팅 채널을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 제4 벤팅홀(414)로 배출된 가스는 배터리 팩 케이스에 형성된 벤팅홀 또는 벤팅 채널을 통하여 배터리 팩 외부로 효율적으로 배출될 수 있다.
도 12에는, 내부에 공간(S)을 구비한 후단부판(420')이 도시되어 있다. 도 12(a)에는 제3 벤팅홀(423')을 후단부판(420')의 아래쪽에 배치한 것을 나타내고, 도 12(b)에는 후단부판(420')의 위쪽과 아래쪽에 각각 제3 벤팅홀(423b',423a')을 배치한 것을 나타내고 있다. 이와 같이, 제3 벤팅홀(413',423')은 전단부판(410') 또는 후단부판(420')의 내측면에 복수개로 형성할 수 있다. 제3 벤팅홀의 개수가 많아지면, 보다 많은 가스를 신속하게 외부로 배출할 수 있다.
도 11을 다시 참조하면, 상기 전단부판(410')의 외측면에는 단자 버스바(412)가 설치된다. 본 실시예에서는, 전단부판(410')이 소정 두께를 가지고, 그 내부에 공간(S)을 가진다. 따라서, 상기 단자 버스바(412)의 이면이 전지셀 조립체의 전극 리드(11,11')을 향하여 노출되지 않는다. 본 실시예에서는, 상기 전단부판(410') 내부의 공간을 둘러싸는 전단부판 본체 부분에 관통 슬롯(416)이 구비되고, 상기 전지셀 조립체(100)에 구비된 전지셀의 전극 리드(11,11')가 이 관통 슬롯(416)을 통과하여 상기 단자 버스바에 결합되도록 하였다. 도 11(c)의 부호 416은 전단부판(410')에 형성된 관통 슬롯을 나타낸다. 도 11(b)의 부호 416'은 상기 관통 슬롯의 출구를 나타낸다. 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 관통 슬롯은 전단부판(410') 본체 부분의 폭방향 양측에 형성된다. 전지셀 조립체(100)의 극성이 다른 전극 리드(11,11')는 상기 양측에 형성된 관통 슬롯(416)을 통해 각각 전단부판(410') 외측면으로 도출된다. 도출된 전극 리드(11,11')의 단부는 단자 버스바(412)를 향하여 절곡되어 단자 버스바(412)에 용접된다.
도 13에는 상기 전극 리드(11,11')와 단자 버스바(412)의 결합관계가 잘 도시되어 있다. 도 13은 도 11의 전단부판(410')을 중간 높이에서 잘라 도시한 것이다.
전지셀 조립체(100)의 전단부에 위치한 전지셀 단부의 전극 리드(11,11')는, 상기 전단부판(110') 본체 부분의 폭방향 양측에 구비된 관통 슬롯(416)을 통하여 전단부판(410') 외측면 측으로 도출된다. 한편, 상기 관통 슬롯(416)은 전단부판(110')의 내부 공간을 둘러싸는 전단부판(110')의 본체 부분(즉, 전단부판 본체의 살두께 부분)에 형성된다. 따라서, 상기 관통 슬롯(416)은 상기 내부 공간(S)과는 연통되지 않는다(도 13 참조). 관통 슬롯(416)에 삽입된 전극 리드(11,11') 역시 상기 내부 공간(S)과는 이격되어 위치한다. 따라서, 상기 내부 공간(S)에 고온 고압의 가스가 흐르더라도, 상기 전극 리드(11,11')는 가스의 영향을 받지 않으므로, 배터리 모듈(1000)의 전기적연결경로가 파괴되지 않고 안정적으로 유지될 수 있다.
이상과 같이, 도 11 내지 도 13의 단부판에 의하여, 본 발명의 배터리 모듈 전후단부의 가스 벤팅 경로를 보다 길게 형성함으로써, 열 폭주시의 가스 배출 안전성을 크게 개선할 수 있다.
도 14는 도 2의 A-A'선을 따른 배터리 모듈의 단면도이고, 도 15는 열전도성 수지층의 설치위치를 나타내는 개략도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 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 모듈케이스(300)와 대향하는 외측면에도 접착제(T)를 도포하여 전지셀 조립체(100)를 모듈케이스에 안착시킬 수 있다. 이 경우 상기 전지셀 조립체(100)와 모듈케이스(300) 사이에 절연시트(30)를 위치시킬 수 있다.
특히, 도 14와 같이, 상기 전지셀 조립체(100)의 상부를 덮는 모듈케이스(300)와 상기 전지셀 조립체(100) 사이 및 상기 전지셀 조립체(100)의 하부에 위치한 모듈케이스(300)와 상기 전지셀 조립체(100) 사이 중 적어도 하나에 열전도성 수지층(R)을 충전 내지 도포할 수 있다.
도 2 및 도 14를 참조하면, 전지셀 조립체(100)의 상부를 덮는 모듈케이스(300)와 상기 전지셀 조립체(100) 사이 공간은, 도 2의 우측케이스(310)의 상부케이스(310a)와 측판케이스(310b)의 상부 및 좌측케이스(320)의 상단부와 전지셀 조립체(100)에 의하여 둘러싸인 공간이다.
전지셀 조립체(100)의 하부에 위치한 모듈케이스(300)와 상기 전지셀 조립체(100) 사이 공간은 도 2의 우측케이스(310)의 하부케이스(310a')와 측판 케이스(310b)의 하부, 좌측케이스(320)의 하단부와 상기 전지셀 조립체(100)에 의하여 둘러싸인 공간이다.
상기 열전도성 수지층(R)은 실리콘제 레진, 변성 실리콘 레진, 아크릴 레진 등을 사용할 수 있다. 이러한 열전도성 수지층(R)을 전지셀 조립체(100)와 모듈케이스 사이에 충전시키면, 전지셀 조립체(100)가 상기 모듈케이스(300) 내에서 유동하지 않고 고정될 수 있다. 또한, 상기 수지층은 열전도성의 이른바 써멀 레진이므로, 배터리 모듈(1000) 내부에 발생하는 열을 효율적으로 흡수할 수 있다. 또한, 상기 열전도성 수지(R)은, 예컨대 배터리 모듈 상부에 설치되는 냉각판(도시하지 않음)으로 열전달하여 방열 효율을 더욱 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전지셀 조립체(100)를 모듈케이스(300)에 안착하고 접착제(T) 및 열전도성 접착 레진층(R)으로 상기 전지셀 조립체(100)를 고정시켜 도 14와 같은 형태의 확장성 배터리 모듈(1000)을 구성할 수 있다.
도 15는 본 발명의 열전도성 수지층(R)의 설치위치를 나타내는 개략도이다. 상기 열전도성 수지층(R)은 모듈케이스(300)의 길이방향을 따라 상기 상부케이스 또는 하부케이스와 전지셀 조립체(100) 사이에 충전시킬 수 있다. 하지만, 도 15와 같이, 구조적으로 응력을 많이 받는 부분, 혹은 열이 많이 발생하는 개소에만 상기 열전도성 수지층(R)을 형성시킬 수도 있다. 즉, 도 15의 점선 박스로 표시된 부분은, 길이방향 전지셀(10)의 전극 리드가 도출되거나 전기적으로 접속되는 구조이므로, 열이 많이 발생하는 부분이다. 따라서, 이러한 부분에 열전도성 수지층(R)을 예컨대 레진 블록(block)과 같이 소정 폭을 가지는 블록 형태로 형성하면, 열전도성 수지층(R)의 사용량을 저감할 수 있다. 또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 점선 박스부분은 모듈케이스(300)의 전단, 중단 및 후단으로서 구조적으로 응력을 받는 부분이며, 이 3개소를 접착고정하면 모듈케이스(300)의 이탈이나 전지셀 조립체(100)의 유동을 효과적으로 방지할 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. 도 2에는 C자형의 우측케이스(310)와 I자형태의 좌측케이스(320)로 모듈케이스(300)를 구성하고 있지만, 예컨대, 좌우 형태가 동일한 ㄷ자 형태의 좌우 케이스 또는 상하 형태가 동일한 ㄷ자 형태의 상하케이스를 접합하여 상기 전지셀 조립체(100)를 감싸는 모듈케이스(300)를 구성할 수 있다. 또한, 도 14에서는, 모듈케이스(300) 상하에 열전도성 수지층(R)을 모두 충전하고 있지만, 필요에 따라 상부 또는 하부의 한 곳에만 열전도성 수지층(R)을 충전할 수도 있다.
도 16은 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 전지셀(10)을 길이방향 단위셀(110)로 하고, 이를 소정 개수만큼 전지셀 두께방향으로 적층한 전지셀 조립체(100)를 구비하고, 이에 부응하는 길이방향으로 길게 연장된 모듈케이스(300)를 가진다. 따라서, 레고 블록과 같이 상기 배터리 모듈(1000)을 길이방향 또는 두께방향으로 연결하기 용이한 형태로 되어 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 하나의 배터리 팩 케이스(2100) 내에서 전지셀(10)의 길이방향 및 두께방향으로 복수개의 확장성 배터리 모듈(1000)을 적층하여 배터리 모듈 적층체(1000')를 구성할 수 있다. 도 16에 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, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 모듈의 전후단, 중앙의 중공형 센터가드의 3군데에 벤팅 경로가 형성된다. 따라서, 예컨대 배터리 팩 케이스(2100)에 상기 벤팅 경로와 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
100: 전지셀 조립체
110: 길이방향 단위셀
200: 중공형 센터가드
210: 중공
210a: 구획벽
211: 제1 벤팅홀
250: 제2 센터가드
251: 절개 슬릿
300: 모듈케이스
310: 우측케이스
310a: 상부케이스
310a': 하부케이스
310b: 측판케이스
311: 함입부
312: 제2 벤팅홀
320: 좌측케이스
400: 단부판
410,410': 전단부판
411: 절연시트
412: 단자 버스바
413,413': 제3 벤팅홀
414: 제4 벤팅홀
415: 고정결합부
420,420': 후단부판
421: 절연시트
423,423': 제3 벤팅홀
424: 제4 벤팅홀
425: 고정결합부
R: 열전도성 수지층
T: 접착제
1000: 배터리 모듈
1000': 배터리 모듈 적층체
2100: 배터리 팩 케이스
2000: 배터리 팩

Claims (20)

  1. 길이방향을 따라 일렬로 배열되어 연결되는 2개 이상의 전지셀로 이루어진 길이방향 단위셀이 상기 전지셀 두께방향으로 2열 이상 적층되는 전지셀 조립체;
    상기 길이방향 단위셀에서 길이방향을 따라 서로 대향하는 전지셀 단부의 연결 위치에 배치되는 중공형 센터가드;
    상기 전지셀 조립체 및 중공형 센터가드가 수용되는 모듈케이스를 포함하고,
    상기 중공형 센터가드의 중공과 연통되는 제1 벤팅홀이 상기 중공형 센터가드 측벽에 구비되고,
    상기 중공형 센터가드의 중공과 연통되는 제2 벤팅홀이, 상기 중공형 센터가드 상부를 덮는 상기 모듈케이스에 구비되는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 길이방향 단위셀의 전지셀들은, 길이방향으로 서로 대향하는 전지셀 단부의 전극 리드끼리 용접되어 연결되는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전지셀 조립체의 길이방향 양단부 중 일단부에 위치한 전지셀의 전극 리드는 단자 버스바와 전기적으로 연결되고,
    타단부에 위치한 전지셀의 전극 리드는 상기 전지셀 두께방향으로 이웃하는 길이방향 단위셀의 전지셀의 전극 리드와 전기적으로 연결되는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 조립체는, 길이방향을 따라 전지셀이 2개 연결된 길이방향 단위셀이 2열로 적층된 1P4S의 전기연결구조를 가지는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 두께방향으로 이웃하는 길이방향 단위셀 사이에 단열판이 적어도 1개 설치되는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중공형 센터가드는, 전지셀 두께방향으로 서로 이웃하는 2개의 길이방향 단위셀의 길이방향을 따른 각 전지셀 연결부 사이에 배치되는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중공형 센터가드는, 상부 및 하부 모듈케이스 사이에서 전지셀의 높이방향을 따라 소정길이로 연장되는 로드형상이고,
    상기 제1 벤팅홀은 상기 센터가드 하부측의 양측벽에 배치되는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 벤팅홀이 구비된 모듈케이스 부분은 하향으로 오목하게 함입되어 상기 중공형 센터가드 상부를 덮는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중공형 센터가드의 중공 내에 상기 전지셀의 길이방향에 수직으로 연장되는 구획벽이 배치되고,
    상기 구획벽에 의하여 상기 중공이 2개로 분리되는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 두께방향으로 상기 중공형 센터가드의 양측면에 제2 센터가드가 설치되고,
    상기 제2 센터가드를 통하여 상기 길이방향 단위셀의 전지셀들이 길이방향으로 연결되는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 센터가드는 관통 슬롯 또는 상단부로부터 하향 연장되는 절개 슬릿을 구비하고,
    상기 관통 슬롯 또는 절개 슬릿을 통하여 길이방향 단위셀의 전지셀들이 연결되는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 조립체의 전단부 및 후단부를 각각 덮으며, 상기 모듈케이스의 길이방향 전단부 및 후단부에 결합되는 단부판을 더 구비하는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단부판에 외부와 연통하는 제3 벤팅홀을 구비하는 배터리 모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 단부판 중 전지셀 조립체의 전단부를 덮는 전단부판에 단자 버스바가 설치되고,
    상기 전지셀 조립체에 구비된 전지셀의 전극 리드가 상기 단자 버스바에 결합되는 배터리 모듈.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 단부판은 내부에 공간을 구비하고,
    상기 전지셀 조립체와 대향하는 단부판의 내측면에 상기 공간과 연통되는 제3 벤팅홀을 구비하고,
    상기 단부판의 하부면에 상기 내부 공간 및 외부와 연통하는 제4 벤팅홀을 구비한 배터리 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단부판의 내부 공간에 상기 단부판의 높이 일부까지 연장되는 격벽이 설치되고,
    상기 제3 벤팅홀로 유입되는 가스가 상기 격벽을 타고 넘어 상기 제4 벤팅홀로 배출되는 배터리 모듈.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 단부판 중 전지셀 조립체의 전단부를 덮는 전단부판의 외측면에 단자 버스바가 설치되고,
    상기 전단부판 내부의 공간을 둘러싸는 전단부판 본체 부분에 관통 슬롯이 구비되고,
    상기 전지셀 조립체에 구비된 전지셀의 전극 리드가 상기 관통 슬롯을 통과하여 상기 단자 버스바에 결합되는 배터리 모듈.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 단부판의 하단부에 배터리 팩과 결합되는 고정결합부가 돌출되는 배터리 모듈.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 조립체의 상부를 덮는 모듈케이스와 상기 전지셀 조립체 사이 및 상기 전지셀 조립체의 하부에 위치한 모듈케이스와 상기 전지셀 조립체 사이 중 적어도 하나에 열전도성 수지층이 배치되는 배터리 모듈.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 배터리 모듈을 상기 전지셀의 길이방향 및 두께방향 중 적어도 하나의 방향으로 복수개 적층한 배터리 모듈 적층체를 포함하는 배터리 팩.
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