KR20230069667A - 배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩 - Google Patents

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이방향 양단에 리드가 형성된 전지셀이 길이방향으로 2개 이상 일렬로 배열되어 길이방향 단위셀을 형성하며, 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 전지셀의 두께방향에 수직으로 배열되고 상기 전지셀 조립체의 양측면을 덮으며 서로 대향하는 일측면판과 타측면판을 구비하고, 상기 일측면판에 결합 돌출부가 형성되고, 상기 타측면판에 상기 결합 돌출부가 끼워질 수 있는 형상의 결합 오목부가 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, 배터리 모듈들을 조립할 때의 조립 변형을 막을 수 있는 구조를 가지며, 모듈 내 가스를 배출할 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 배터리 모듈들로 구성된 배터리 모듈 적층체 및 상기 배터리 모듈 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 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈들(1)을 적층했을 때의 상태를 나타내는 사시도 및 측면도이다.
본 출원인은 전지셀을 길이방향으로 2개 이상 일렬로 배열하여 길이방향 단위셀을 형성하고, 이 길이방향 단위셀을 전지셀 두께방향으로 2열 이상 적층하여 전지셀 조립체를 구성하였다. 또한, 이러한 전지셀 조립체의 형태에 따라, 길이방향으로 길게 연장되며 상기 전지셀 조립체를 둘러싸는 형태로 모듈 케이스를 제조한다. 도 1의 모듈 케이스 내에는 상기 전지셀 조립체가 수용되어 있다. 상기와 같은 형태로 전지셀 조립체를 구성하면, 모듈 케이스 내에 수용되는 전지셀 조립체의 전지셀의 길이방향 개수 및 열의 개수를 조정할 수 있으므로, 설계자유도가 향상된다. 또한, 상기 전지셀 조립체를 종래와 같이, 수십개로 적층하지 않고 예컨대 길이방향으로 2~4개 정도, 전지셀 두께방향으로 2~6열 정도 적층하는 등에 의하여 전지셀 조립체를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 이러한 소수의 전지셀로 구성된 전지셀 조립체를 각각 별개의 모듈 케이스에 수용하고, 이러한 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈을 전지셀의 길이방향 또는 두께방향으로 마치 레고 블록과 같이 적층하면, 배터리 모듈이 설치되는 공간 혹은 배터리 팩의 설치공간을 고려하여 자유롭게 배터리 팩을 구성할 수 있다. 이와 같이, 본 출원인이 제안한 배터리 모듈은 적층(설계)방식에 따라 얼마든지 다양한 형태의 배터리 팩을 제조할 수 있으므로, 확장성있는 배터리 모듈이라 칭할 수 있다.
그런데, 이러한 확장성을 가지는 배터리 모듈(1)을 조립 및 적층할 경우 다음과 같은 문제가 있다.
첫째, 배터리 모듈(1)을 적층하여 배터리 팩 내에 수납하여 사용할 경우, 사용조건에서 배터리 모듈 내의 전지셀이 충방전을 겪으면서 스웰링됨에 의하여 조립 변형이 발생된다. 전지셀 조립체 내의 복수의 전지셀이 스웰링되면, 모듈 케이스도 그로 인한 응력을 받는다. 이로 인하여, 도 1의 아래쪽 도면과 같이, 확장성 배터리 모듈들의 조립 형태가 변형이 된다. 조립 변형이 되면, 각 배터리 모듈(1)을 연결하는 센싱케이블이나 센싱단자 등의 전기적 연결부재도 변형이 되고, BMS나 다른 외부디바이스로의 전기 전달시 접촉불량이 발생할 수 있으며, 심한 경우 단선이 발생하여 전기 접속이 끊어질 수도 있다.
둘째, 배터리 모듈(1) 내에서 가스가 발생할 경우, 과열에 의하여 발화될 위험이 있다. 물론, 상기 배터리 모듈(1)로 이루어진 배터리 팩의 경우 비교적 작은 수의 전지셀을 각각의 배터리 모듈 케이스에 수용하고 있으므로, 이웃하는 배터리 모듈(1)로 열전파가 쉽게 되지 않는 장점을 가지고 있다. 하지만, 가스를 배출할 수 없는 통로가 있으면, 도 1과 같이 스웰링에 의한 응력을 강하게 받게 되며, 발화의 위험성을 완전히 제거할 수 없다.
따라서, 확장성 있게 구성한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 스웰링에 의한 조립 변형을 방지하면서도 모듈 내부의 가스를 효율적으로 배출하여 화염 전파를 저지할 수 있는 배터리 모듈 관련 기술의 개발이 요망된다 하겠다.
한국 등록특허공보 제10-2259416호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 확장성 있게 구성한 배터리 모듈의 조립 변형을 방지할 수 있는 구조의 확장성 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 배터리 모듈 내의 가스를 효과적으로 배출할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 배터리 모듈이 적층된 배터리 모듈 적층체 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이방향 양단에 리드가 형성된 전지셀이 길이방향으로 2개 이상 일렬로 배열되어 길이방향 단위셀을 형성하며, 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 전지셀의 두께방향에 수직으로 배열되고 상기 전지셀 조립체의 양측면을 덮으며 서로 대향하는 일측면판과 타측면판을 구비하고, 상기 일측면판에 결합 돌출부가 형성되고, 상기 타측면판에 상기 결합 돌출부가 끼워질 수 있는 형상의 결합 오목부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로서, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 길이방향을 따라 나란하게 대응되는 위치에 동일한 개수로 각각 복수개 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 전단부, 중간부 및 후단부에 각각 형성될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 상부 및 하부에 쌍으로 각각 형성될 수 있다.
다른 예로서, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부 중 하나에 외부와 연통하는 벤팅홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서 배터리 모듈 적층체는, 상기 배터리 모듈들이 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층되고, 하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합되는 구조를 가진다.
하나의 예로서, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 배터리 모듈의 일측면판 및 타측면판의 길이방향을 따라 나란하게 대응되는 위치에 동일한 개수로 각각 복수개 형성되고, 하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 대응되는 위치의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 전단부, 중간부 및 후단부에 각각 형성되고, 하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 대응되는 위치의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 상부 및 하부에 쌍으로 각각 형성되고, 하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 대응되는 위치의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합될 수 있다.
다른 예로서, 상기 하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 타측면판의 결합 오목부에 소정의 갭을 두고 끼워져 결합될 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 결합 돌출부 및 결합 오목부 중 하나에 외부와 연통하는 벤팅홀이 형성되고, 하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 타측면판의 결합 오목부에 결합되었을 때, 상기 벤팅홀이 상기 소정의 갭과 연통될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 배터리 모듈 적층체를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명에 의하여, 확장성 있게 구성한 배터리 모듈들을 적층하여 조립하더라도, 스웰링에 의한 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 모듈 케이스의 벤팅홀을 통하여 배터리 모듈 내의 가스를 효과적으로 배출하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈들을 적층했을 때의 상태를 나타내는 사시도 및 측면도이다.
도 2는 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈의 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 배터리 모듈의 구성요소인 전지셀 조립체의 결합관계를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관 사시도이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈의 단부 구조를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 4의 배터리 모듈의 중간 부분의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 4의 배터리 모듈들이 결합된 상태를 나타내는 정면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈 적층체를 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 모듈 적층체를 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스를 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈 적층체의 요부 측단면도이다.
도 12는 본 발명의 배터리 모듈로 구성된 배터리 모듈 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.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 길이방향 양단에 리드가 형성된 전지셀이 길이방향으로 2개 이상 일렬로 배열되어 길이방향 단위셀을 형성하며, 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 전지셀의 두께방향에 수직으로 배열되고 상기 전지셀 조립체의 양측면을 덮으며 서로 대향하는 일측면판과 타측면판을 구비하고, 상기 일측면판에 결합 돌출부가 형성되고, 상기 타측면판에 상기 결합 돌출부가 끼워질 수 있는 형상의 결합 오목부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
[배터리 모듈]
도 2는 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈의 분해사시도이고, 도 3은 도 2의 배터리 모듈의 구성요소인 전지셀 조립체의 결합관계를 나타낸 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관 사시도이다.
본 발명의 배터리 모듈(1000)은 전지셀 조립체(100)와 모듈 케이스(200)를 포함한다.
도 2에서, 양단에 리드(11,12)가 형성되며 길이방향으로 길게 연장된 통상의 파우치형 전지셀(10)을 기준으로 X방향이 전지셀(10) 또는 모듈(케이스)의 길이방향, Y방향이 전지셀(10) 또는 모듈 케이스(400)의 두께방향(전지셀의 적층방향), Z방향을 상하방향으로 한다.
본 발명의 전지셀(10)은 길이방향 양단에 전극 리드(11,12)가 형성된 전지셀(이른바, 양방향 전지셀(양방향 파우치셀))을 대상으로 한다. 이러한 구성에 의하면 하나의 전지셀(10)에서 양단으로 양극 리드(11)와 음극 리드(12)가 각각 도출 형성되므로, 리드 사이의 간섭이 없게 되어 전극 리드의 면적을 넓힐 수 있고, 전극 리드(11,12)와 버스바의 결합 작업 등을 보다 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명의 전지셀 조립체(100)는 이러한 양방향 전지셀(10)을 길이방향으로 2개 이상 일렬로 배열하여 형성되는 길이방향 전지셀들을 길이방향 단위셀(110)로 포함한다. 구체적으로 길이방향으로 향하는 전지셀(10)의 전극 리드(11,12)끼리 전기적으로 연결한 전지셀의 묶음을 길이방향 단위셀(110)로 칭한다. 도 2 및 도 3에서는 길이방향으로 전지셀(10)을 2개 연결하여 길이방향 단위셀(110)로 하였지만, 2개 이상으로 전지셀들을 길이방향으로 연결할 수도 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.
본 발명의 배터리 모듈(1000)에 포함되는 전지셀 조립체(100)는 상기 길이방향 단위셀(110)을 전지셀(10)의 두께방향(Y방향)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 전지셀의 길이방향 개수 및 열의 개수를 조정할 수 있으므로, 설계자유도가 향상된다. 또한, 배터리 모듈(1000)을 전지셀 두께방향으로 필요한 개수만큼 적층함으로써, 설계자유도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 확장성 있는 배터리 모듈(1000)은 또는 후술하는 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 모듈 케이스(200)에 수용되는 형태이다.
도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 전지셀 조립체(100)는 전지셀(10)이 길이방향으로 2개 연결되고, 상기 길이방향 단위셀(110)이 4열로 적층된 이른바 2P4S의 연결구조로서 총 8개의 전지셀(10)로 전지셀 조립체(100)가 구성되어 있다.
그러나, 길이방향으로 2개 연결되는 길이방향 단위셀(110)의 열의 개수를 달리하여 짝수열의 4열 적층(2P4S), 6열 적층(3P4S), 8열 적층(4P4S) 등의 전지셀 조립체(100)도 가능하다. 또한, 길이방향으로 2개가 아닌 3개를 연결하는 구조(1P6S, 2P6S, 3P6S,,,,), 4개 연결하는 구조(1P8S, 2P8S, 3P8S,,,,) 외 그 이상 연결하는 구조도 가능하다. 요컨대, 상술한 배터리 모듈(1000) 및 배터리 팩의 설계요청에 따라 길이방향 단위셀(110)과 전지셀 조립체(100)의 적층구조를 다양하고 확장성 있게 변경시킬 수 있다는 것이 본 발명의 장점이다.
도 3을 참조하면, 상기 길이방향 단위셀(110)들은 서로 전기적으로 연결되어 있음을 알 수 있다. 예컨대, 전지셀 조립체(100)의 양단부에서 이웃하는 열의 길이방향 단위셀들(110)의 전지셀의 리드끼리(11,12) 절곡하여 용접함으로써 연결될 수 있다. 길이방향으로 대향하는 전지셀의 리드끼리(11,12)도 용접하여 연결할 수 있다. 다만, 터미널 버스바가 결합되는 부분의 전지셀의 리드간은 연결하지 않는 경우가 있다. 도 3의 상부 2열의 길이방향 단위셀은 전지셀 두께방향으로 이웃하는 단위셀의 리드끼리는 결합되지만, 전지셀 길이방향으로 대향하는 리드끼리는 결합되지 않는다. 다만, 길이방향 단위셀 내지 전지셀 조립체(100)의 전기접속구조는 상술한 도 3에 한정되지 않으며, 직렬, 병렬 접속구조, 터미널 버스바의 설치위치, 길이방향 단위셀의 열의 개수가 변경됨에 따라 다른 형태로 얼마든지 변경이 가능하다. 또한, 전지셀의 리드끼리 직접 연결하지 않고, 인터버스바를 개재하여 전지셀들을 전기접속하는 것도 가능하다.
상기 길이방향 단위셀(110)의 열 사이에는 단열판이나 절연시트 등을 설치할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 상기 길이방향 단위셀의 열 사이에 내부에 벤팅채널을 구비한 벤팅 플레이트(300)를 설치하고 있다. 상기 벤팅 플레이트(300)도 배터리 모듈(1000) 내에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 벤팅기능을 수행하지만, 본 발명의 주요 논점은 아니므로, 그에 관한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명은 또한 상기 전지셀 조립체(100)가 수용되는 모듈 케이스(200)를 포함한다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 전지셀 조립체(100)를 감싸며 수용하는 모듈 케이스(200)를 포함한다. 모듈 케이스(200)는 본 발명 특유의 전지셀 조립체(100)를 수용할 수 있도록 길이방향으로 길게 연장된 직육면체 구조를 가진다. 도 2에서는 상기 모듈 케이스(200)가 C자형 월(wall)(210)과 I자형 월(wall)(220)의 결합으로 이루어지지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 좌우 또는 상하로 배치되는 2개의 C자형 월이 결합되는 형태도 가능하고, 상하좌우의 케이스가 각각 분리되어 용접, 후킹결합, 체결부재로 결합되는 형태도 가능하다.
또한, 본 발명의 모듈 케이스(200)는 전단판(230)과 후단판(240)을 구비한다. 상기 전단판(230), 후단판(240)은 C자형 월(210)- I자형 월(220) 결합체에 각각 결합되어 모듈 전방과 후방을 폐쇄한다.
본 발명은 이러한 모듈 케이스(200)에, 배터리 모듈(1000) 조립시의 스웰링을 방지할 수 있는 독특한 결합구조를 설치한 점이 특징이다.
도 2의 모듈 케이스(200)가 전지셀 조립체(100) 및 내부의 모듈 부품들을 수용하여 조립된 상태가 도 4에 도시되어 있다. 상기 모듈 케이스(200)는 전후단부에 각각 전단판(230) 및 후단판(240)을 구비하고 있으며, 양측면부에 상기 전지셀(10)의 두께방향에 수직으로 배열되고 상기 전지셀 조립체(100)의 양측면을 덮으며 서로 대향하는 일측면판(221)과 타측면판(211)을 구비한다. 물론, 상기 전지셀 조립체(100)의 상면과 하면을 덮는 상부판과 하부판을 구비하며, 이들 전후단판, 일측면판 및 타측면판, 상하부판이 모듈 케이스를 구성한다.
본 발명의 배터리 모듈(1000)은 길이방향 단위셀(110)을 포함하므로, 길이방향으로 길게 연장된 형태의 모듈 케이스(200)를 가진다. 따라서, 전지셀(10)의 길이방향에 수직인 전지셀의 두께방향으로 배터리 모듈(1000)을 적층함으로써 배터리 모듈 적층체를 구성할 수 있으며, 이 배터리 모듈 적층체를 배터리 팩 케이스에 수납 및 조립하여 배터리 팩을 만들 수 있다. 상술한 바와 같이, 배터리 모듈 적층시 스웰링에 의하여 배터리 모듈 적층체의 형태가 변형되므로, 본 발명은 각각의 개별 배터리 모듈(1000)에 이웃하는 배터리 모듈(1000)과 결합할 수 있는 결합부를 가진다.
즉, 전지셀 조립체(100)를 감싸는 양측면판 중 일측면판(221)에 형성되는 결합 돌출부(222)를 가지고(도 2 참조), 양측면판 중 타측면판(211)에는 상기 결합 돌출부(222)가 끼워질 수 있는 결합 오목부(212)를 가진다(도 4 참조). 도 4에는 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈(케이스)가 도시되어 있으며, 모듈 케이스(200)의 우측면판(타측면판(211))에 결합 오목부(212)가 형성되어 있다. 도 4에서 보이지 않는 좌측면판(일측면판(222)에는 결합 돌출부(222)가 형성된다. 도 2에는 상기 좌측면판의 결합 돌출부(222)가 잘 도시되어 있다. 도 4에서 우측면판이 타측면판이 되고, 좌측면판이 일측면판이 된다. 그러나, 일측면과 타측면의 구분은 상대적인 것이므로, 도 4와 반대로 우측면판에 결합 돌출부, 좌측면판에 결합 오목부를 형성할 수도 있다.
본 발명의 배터리 모듈(1000)은 복수개의 이웃하는 배터리 모듈(1000)이 적층 결합되는 경우를 상정한 것이고, 하나의 배터리 모듈(1000)의 일측면판(221)이 이웃하는 다른 배터리 모듈(1000)의 타측면판(211)과 결합되게 된다. 따라서, 상기 결합 돌출부(222)와 결합 오목부(212)는 서로 끼워져 결합될 수 있는 형상으로 형성되어야 한다.
예컨대, 단순한 직육면체 형상으로 결합 돌출부(222)를 형성한다면, 상기 결합 오목부(212)는 상기 직육면체의 공간이 꽉 끼워져 삽입될 수 있는 직육면체의 빈 공간 체적을 가지는 오목 형상의 공간을 구비하여야 한다. 따라서, 이 경우에는 결합 오목부(212)의 오목한 공간의 체적은 결합 돌출부(222)의 체적보다 약간 작게 형성될 필요가 있다.
혹은, 결합 오목부(212)의 테두리인 입구부를 결합 돌출부(222) 폭보다 작게 하여 입구부에서 억지로 끼워지지만, 결합 오목부(212)의 내측에서는 상기 결합 돌출부(222)와의 사이에 소정의 공간이 형성되도록 하는 것도 가능하다. 이를 위해서 결합 오목부(212)의 입구부에 걸림턱 형상의 돌출부를 형성하고, 상기 결합 돌출부(222)가 상기 걸림턱을 타고 넘어 결합 오목부(212)에 결합되는 형태도 본 발명의 범위에 포함된다. 이에 더하여, 상기 결합 돌출부(222)에 상기 걸림턱에 대응하는 걸림부를 형성할 수도 있다.
즉, 본 발명에서 말하는 '결합 돌출부(222)가 끼워질 수 있는 형상의 결합 오목부(212)'란, 단순한 돌출-오목 형상 외에 걸림턱 등을 구비하여 서로 끼워맞춰지는 형태의 결합 오목부(212), 또는 이에 대응하는 결합 돌출부(222)의 형태 내지 형상을 모두 포함하는 것이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 결합 돌출부(222) 및 결합 오목부(212)는 모듈 케이스(200)의 길이방향, 구체적으로 일측면판(221) 및 타측면판(211)의 길이방향을 따라 서로 대응되는 위치에 나란하게 동일한 개수로 각각 형성될 수 있다. 결합 돌출부(222) 및 결합 오목부(212)의 위치를 대응되는 결합 위치에 형성함으로써, 배터리 모듈(1000)의 형상을 표준화하여 제작할 수 있고, 이 표준화된 배터리 모듈(1000)들을 이용하여 마치 레고처럼 복수개의 배터리 모듈들을 용이하게 조립할 수 있게 된다.
이웃하는 배터리 모듈들을 확실하게 결합하기 위해서는, 도 4와 같이 길이방향으로 길게 연장된 배터리 모듈(1000)의 적어도 3군데, 즉 전단부, 중간부 및 후단부에 상기 결합 돌출부(222) 및 결합 오목부(212)를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 양측면판(211,221)은 상하로 일정한 폭을 가지므로, 상기 일측면판(221) 및 타측면판(211)의 상부 및 하부에 각각 쌍을 이루도록 결합 돌출부(222) 및 결합 오목부(212)를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 도 4의 배터리 모듈(1000)은 타측면판(211)의 총 6개소에 결합 오목부(212)를 가지고 있으며, 보이지 않는 좌측의 일측면판(221) 역시 총 6개소에 결합 돌출부(222)를 가진다. 다만, 상하로 쌍을 이룰 경우, 반드시 상부 및 하부에 각각 1개씩의 결합부를 형성할 필요는 없으며, 필요에 따라 상부 및 하부에 각각 복수개의 결합부를 형성할 수도 있다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈(1000)의 단부 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5를 참조하면, 배터리 모듈(1000)의 전단부의 타측면판(211)의 상부 및 하부에 각각 결합 오목부(212)가 형성되고, 그와 대향하는 일측면판(221)의 상부 및 하부에 결합 돌출부(222)가 형성되어 있다. 참고로, 배터리 모듈(1000)의 전단부 케이스 내에는 좌우 2열씩의 길이방향 단위셀(110)의 전단에 위치한 전지셀(10)의 리드(11,12)가 서로를 향하여 절곡되어 연결되어 있다. 도 5는, 배터리 모듈(1000)의 전단부의 구조이지만, 후단부에도 동일한 구조를 적용할 수 있다.
도 6은 도 4의 배터리 모듈(1000)의 중간 부분의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 6을 참조하면, 배터리 모듈(1000)의 중간 부분의 타측면판(211)의 상부 및 하부에 각각 결합 오목부(212)가 형성되고, 그와 대향하는 일측면판의(221) 상부 및 하부에 결합 돌출부(222)가 형성된다. 이 경우에는 결합의 강화를 위하여, 각 측면판의 상부와 하부에 좌우 1개씩 총 2개씩의 결합부가 구비된다. 참고로, 배터리 모듈(1000)의 중간 부분의 케이스 내에는 길이방향으로 대향하는 전지셀(110)의 리드(11,12)가 결합될 수 있다. 또한, 이 부분에 상술한 바와 같이, 터미널 버스바(도시하지 않음)가 결합될 수도 있다.
[배터리 모듈 적층체 ]
(제1 실시형태)
도 7은 도 4의 배터리 모듈들이 결합된 상태를 나타내는 정면도이다.
도 7은 좌우 2개의 동일한 형태의 배터리 모듈(1000)이 결합되는 것을 나타내고 있으며, 상기 배터리 모듈(1000)은 이른바 2P4S의 전지셀 조립체(100)가 내장된 것이다. 전지셀 조립체(100) 최선단의 전지셀의 전극 리드들(11,12)은 절곡 및 결합되어 전기적으로 연결된다. 이웃하는 배터리 모듈(1000)의 타측면판(211)에 형성된 결합 오목부(212)에 이웃하는 다른 배터리 모듈(1000)의 일측면판(221)에 형성된 결합 돌출부(222)가 끼워지는 것이 잘 나타나 있다. 이러한 결합에 의하여, 여러 개의 배터리 모듈들을 전지셀의 두께방향으로 적층 결합하더라도, 스웰링에 의한 조립 변형을 억제할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 배터리 모듈 적층체를 나타내는 개략도이다.
도 8은 도 7보다 배터리 모듈(1000)의 결합개수를 보다 증가시킨 것이다. 도시된 바와 같이, 마치 레고 블록처럼 각 배터리 모듈(1000)이 전지셀 두께방향으로 순차적으로 각 결합 돌출부(222)와 결합 오목부(212)의 결합을 통하여 강고하게 결합되어 있는 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8의 배터리 모듈 적층체(1100)는, 배터리 모듈(1000)의 상기 결합 돌출부(222)가 결합 오목부(212)에 소정의 갭 없이 꼭 끼워 맞춰지는 구조이다. 배터리 모듈들이 결합될 때, 결합 돌출부(222)가 결합 오목부(212)에 꼭 끼워지면, 배터리 모듈 적층체(1100)의 강성이 강해지므로, 상술한 스웰링시의 변형 억제력을 보다 강화할 수 있다는 장점이 있다.
반면, 후술하는 바와 같은 제2 및 제3 실시형태는 결합 돌출부(222)가 결합 오목부(212)에 소정의 갭을 가지고 결합되는 구조이다. 이 경우에는 배터리 모듈 간에 상기 갭이 가스배출통로가 될 수 있다는 점에서 안전성을 위한 벤팅 기능이 우수하다는 장점을 가진다.
(제2 실시형태)
도 9는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 모듈 적층체(1200)를 나타내는 개략도이다.
본 실시형태의 배터리 모듈 자체의 구조는 제1 실시형태와 동일하다.
본 실시형태는 배터리 모듈 적층체(1200)를 구성할 때, 배터리 모듈간의 결합에 있어서, 하나의 배터리 모듈(1000)의 일측면판(221)에 형성된 결합 돌출부(222)가 이웃하는 배터리 모듈(1000)의 타측면판(211)의 결합 오목부(212)에 소정의 갭(G)을 두고 끼워져 결합되는 형태이다. 이를 위하여, 상기 결합 오목부(212)와 결합 돌출부(222)의 형태를 변경할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 결합 돌출부(222)의 돌출 길이를 결합 오목부(212)의 깊이보다 작게 함으로써, 결합 돌출부(222)와 결합 오목부(212) 사이에 소정의 갭(G)을 형성할 수 있다. 혹은, 도시하지는 않았지만, 결합 오목부(212)의 입구부의 폭을 좁게 하거나 입구부에 걸림턱을 가지도록 하고, 결합 돌출부(222)가 결합 오목부(212)의 상기 입구부를 통과하여 결합 오목부(212)에 결합한 후에는 결합 돌출부(222)의 돌출면이 결합 오목부(212)의 바닥면에 접촉하지 않는 형태로 구성할 수도 있다.
도 9의 실시형태에서도 결합 돌출부(222)와 결합 오목부(212)가 결합하므로, 스웰링에 의한 조립 형태의 변형을 억제할 수 있다. 특히, 본 실시형태는, 결합 오목부(212)와 결합 돌출부(222) 사이에 갭(G)이 형성되므로, 이 갭(G)이 배터리 모듈(1000) 간의 벤팅 통로가 된다. 예컨대, 배터리 모듈(1000)의 모듈 케이스 등에 벤팅홀을 형성하는 경우에, 상기 벤팅홀로부터 모듈 내의 가스가 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 상기 갭(G)은 상기 벤팅홀로부터 배출된 가스가 유동하는 벤팅 채널이 될 수 있다. 즉, 본 실시형태는 상기 소정의 갭(G)이 배터리 모듈(1000)의 길이방향으로 연장되는 벤팅 채널로서 기능한다. 예컨대, 상기 배터리 모듈 적층체(1200)가 배터리 팩 케이스에 수납되고, 상기 배터리 팩 케이스에 외부와 연통하는 벤팅홀이 형성된다면 각 배터리 모듈로부터 배출되는 가스는 상기 벤팅 채널(갭)과 배터리 팩 케이스의 벤팅홀을 통하여 외부로 배출될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 사이마다 갭(G)을 형성할 수 있으므로, 본 실시형태의 배터리 모듈 적층체(1200)는 복수개의 벤팅 채널을 구비한 형태가 된다.
따라서, 본 실시형태에 의하면, 배터리 모듈(1000) 내의 가스를 벤팅할 수 있는 구조로서, 배터리 모듈(1000) 조립시의 변형을 억제하면서도, 배터리 모듈(1000), 배터리 모듈 적층체(1200) 및 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
(제3 실시형태)
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(1000)의 모듈 케이스(200)를 나타내는 개략도이다.
본 실시예의 모듈 케이스(200)는, 전지셀 조립체(100)를 감싸는 양측면판 중 타측면판(211)에 형성된 결합 오목부(212)에 벤팅홀(H)이 형성된 점이 특징이다.
상기 결합 오목부(212)에는 한쌍의 벤팅홀(H)이 형성되어 있어, 모듈 내에서 발생한 가스가 상기 결합 오목부(212)의 벤팅홀(H)을 통하여 외부로 배출될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈 적층체(1300)의 요부 측단면도이다.
도 11(a)는 상기 도 10의 모듈 케이스(200)가 적용된 배터리 모듈들의 조립 적층체이다. 도 11(a)에서는, 이웃하는 배터리 모듈(1000)의 결합 오목부(212)와 결합 돌출부(222)가 소정의 갭(G)을 두고 끼워져 결합되며, 각 배터리 모듈(1000)의 결합 오목부(212)에는 상기 소정의 갭(G)과 연통되는 벤팅홀(H)이 형성되는 구조이다. 따라서, 각 배터리 모듈(1000)에서 발생한 가스는 상기 결합 오목부(212)의 벤팅홀(H)과 상기 소정의 갭(G)(벤팅 채널)을 통하여 보다 효과적으로 배터리 모듈(1000) 내지 배터리 모듈 적층체(1300) 외부로 배출될 수 있다. 즉, 본 실시형태는 제2 실시형태의 소정의 갭(G)이 형성된 구조에서 더 나아가서, 상기 소정의 갭(G)으로 직결되는 벤팅홀(H)을 배터리 모듈(1000)에 형성함으로써, 배터리 모듈 적층체(1300)의 벤팅 기능을 보다 향상시킨 것이다.
이러한 벤팅홀(H)은 결합 오목부(212) 뿐만 아니라, 결합 돌출부(222)에도 형성시킬 수 있다. 도 11(b)는 결합 오목부(212)가 아닌 결합 돌출부(222) 측에 벤팅홀(H')을 형성하고 상기 벤팅홀(H')과 소정의 갭(G)을 연통시킨 것이다.
이와 같이, 본 실시형태는, 배터리 모듈(1000) 간의 결합공간을 활용하여 배터리 모듈(1000) 내의 가스를 보다 효과적으로 배출시킬 수 있으므로, 배터리 모듈(1000), 배터리 모듈 적층체(1300), 및 배터리 팩의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
다만, 상기 벤팅홀(H,H')은 상기 결합 돌출부(222) 및 결합 오목부(212)의 한쪽에만 형성시킬 필요가 있다. 만약, 결합 돌출부(222) 및 결합 오목부(212)의 양쪽에 벤팅홀을 형성시키면, 이웃하는 배터리 모듈들이 상기 벤팅홀 및 그 사이의 갭(G)을 통하여 연통되는 구조가 된다. 이렇게 되면, 하나의 배터리 모듈(1000)에서 가스 혹은 화염이 발생할 경우, 이웃하는 배터리 모듈(1000)로 전파될 위험성이 있다. 즉, 배터리 모듈 적층체(1300)의 안전성을 위하여, 상기 벤팅홀을 상기 결합 돌출부(222) 및 결합 오목부(212)의 한쪽에만 형성시켜, 이웃하는 배터리 모듈간은 서로 유통되지 않도록 차단하는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 배터리 모듈(1000)로 구성된 배터리 모듈 적층체(1100)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 모듈 케이스(200)를 가진다. 따라서, 레고 블록과 같이 상기 배터리 모듈(1000)을 길이방향 또는 두께방향으로 연결하기 용이한 형태로 되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 하나의 배터리 팩 케이스(2100) 내에서 전지셀(10)의 길이방향 및/또는 두께방향으로 복수개의 확장성 배터리 모듈(1000)을 적층하여 배터리 모듈 적층체(1100,1200,1300)를 구성할 수 있다. 도 12에 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, 상술한 바와 같이, 제2 실시형태 및 제3 실시형태의 배터리 모듈 내지 배터리 모듈 적층체(1200,1300)는, 배터리 모듈(100) 사이에 소정의 갭(G)(벤팅 채널)을 가지거나 이 갭에 연통되는 벤팅홀(H)을 가진다. 따라서, 예컨대 배터리 팩 케이스(2100)에 상기 벤팅홀(H) 및 벤팅 채널과 연통되는 벤팅 통로를 형성하면 배터리 팩(2000) 내부의 가스도 용이하게 제거할 수 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
11,12: 전극 리드
100: 전지셀 조립체
110: 길이방향 단위셀
200: 모듈 케이스
210: C자형 월
220: I자형 월
211: 타측면판
212: 결합 오목부
221: 일측면판
222: 결합 돌출부
H,H': 벤팅홀
G: 갭
230: 전단부판
240: 후단부판
300: 벤팅 플레이트
1000: 배터리 모듈
1100,1200,1300: 배터리 모듈 적층체
2100: 배터리 팩 케이스
2000: 배터리 팩

Claims (12)

  1. 길이방향 양단에 리드가 형성된 전지셀이 길이방향으로 2개 이상 일렬로 배열되어 길이방향 단위셀을 형성하며, 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 전지셀의 두께방향에 수직으로 배열되고 상기 전지셀 조립체의 양측면을 덮으며 서로 대향하는 일측면판과 타측면판을 구비하고,
    상기 일측면판에 결합 돌출부가 형성되고,
    상기 타측면판에 상기 결합 돌출부가 끼워질 수 있는 형상의 결합 오목부가 형성되는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 길이방향을 따라 나란하게 대응되는 위치에 동일한 개수로 각각 복수개 형성되는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 전단부, 중간부 및 후단부에 각각 형성되는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 상부 및 하부에 쌍으로 각각 형성되는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부 중 하나에 외부와 연통하는 벤팅홀이 형성되는 배터리 모듈.
  6. 제1항의 배터리 모듈들이 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층되고,
    하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합되는 구조의 배터리 모듈 적층체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 길이방향을 따라 나란하게 대응되는 위치에 동일한 개수로 각각 복수개 형성되고,
    하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 대응되는 위치의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합되는 배터리 모듈 적층체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 전단부, 중간부 및 후단부에 각각 형성되고,
    하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 대응되는 위치의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합되는 배터리 모듈 적층체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부는, 상기 일측면판 및 타측면판의 상부 및 하부에 쌍으로 각각 형성되고,
    하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 대응되는 위치의 타측면판의 결합 오목부에 끼워져 상기 배터리 모듈들이 결합되는 배터리 모듈 적층체.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 타측면판의 결합 오목부에 소정의 갭을 두고 끼워져 결합되는 배터리 모듈 적층체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 결합 돌출부 및 결합 오목부 중 하나에 외부와 연통하는 벤팅홀이 형성되고,
    하나의 배터리 모듈의 일측면판에 형성된 결합 돌출부가 이웃하는 배터리 모듈의 타측면판의 결합 오목부에 결합되었을 때, 상기 벤팅홀이 상기 소정의 갭과 연통되는 배터리 모듈 적층체.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항의 배터리 모듈 적층체를 포함하는 배터리 팩.
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