KR20230097684A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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박종범
백소영
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 본 발명의 제1 측면에 따른 전지 모듈은, 제1 방향으로 배열되어 적층된 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체와, 상기 전지 셀 적층체가 수용되는 모듈 하우징과, 상기 전지 셀 적층체와 상기 모듈 하우징 사이에 배치되는 방열 부재, 및 상기 전지 셀 적층체와 상기 방열 부재 사이에 배치되는 전지 셀 적층체 파손 방지 부재를 포함한다. 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재는, 상기 방열 부재에 접촉되는 제1 면 및 상기 전지 셀 적층체에 접촉되는 제2 면을 포함하고, 상기 방열 부재에 대한 상기 제1 면의 고정력이 상기 전지 셀 적층체에 대한 상기 제2면의 고정력보다 크다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전지 셀 적층체를 모듈 하우징에 수용한 전지 모듈에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기 뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 사용되고 있다.
소형 모바일 기기에는 디바이스 1대 당 하나 또는 두서너 개의 이차 전지가 사용되는데 반해, 전기 자동차 등과 같이 중대형 디바이스에는 이차 전지가 고출력 대용량으로 구비되는 것이 필요하다. 이를 위해 다수의 전지 셀은 전기적으로 상호 연결되어 하나의 모듈로 구성되거나 복수의 모듈이 전기적으로 연결되어 구성된 팩으로서 제품에 적용될 수 있다.
전지 모듈은, 예를 들어, 일 방향을 따라 정렬된 복수의 전지 셀들의 적층체를 모듈 하우징을 구성하는 부재로 감싸 고정시켜 구성될 수 있다. 여기서 전지 셀 적층체는 전지 셀의 스웰링(swelling) 현상에 의해 파손되지 않도록 모듈 하우징에 수용되는 것이 요구된다.
전지 셀 적층체로부터 발생되는 열을 전지 모듈 밖으로 방출시키기 위해, 전지 모듈은 방열 부재를 포함할 수 있으며 통상적으로 방열 부재는 전지 셀 적층체에 이웃하여 배치된다.
그런데, 전지 셀의 스웰링으로 전지 셀 적층체가 변형되는 경우, 방열 부재와의 충돌로 인해 파손될 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지 셀의 스웰링 현상에 의해 전지 셀적층체가 파손되는 것을 방지할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 제1 측면에 따른 전지 모듈은, 제1 방향으로 배열되어 적층된 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체와, 상기 전지 셀 적층체가 수용되는 모듈 하우징과, 상기 전지 셀 적층체와 상기 모듈 하우징 사이에 배치되는 방열 부재, 및 상기 전지 셀 적층체와 상기 방열 부재 사이에 배치되는 전지 셀 적층체 파손 방지 부재를 포함한다. 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재는, 상기 방열 부재에 접촉되는 제1 면 및 상기 전지 셀 적층체에 접촉되는 제2 면을 포함하고, 상기 방열 부재에 대한 상기 제1 면의 고정력이 상기 전지 셀 적층체에 대한 상기 제2면의 고정력보다 크다.
상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재는 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층을 포함할 수 있다.
상기 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)를 포함할 수 있다.
상기 방열 부재는 써멀 레진(thermal resin)을 포함하고, 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재의 제1 면은 상기 써멀 레진의 점성에 의해 상기 방열 부재에 고정될 수 있다.
상기 방열 부재는 폼 또는 벨벳 형태이며, 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재의 제1 면은 상기 방열 부재와 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재 사이에 배치되는 제1 접착층에 의해 상기 방열 부재에 고정될 수 있다.
상기 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층의 제2 면과 상기 전지 셀 적층체 사이에 배치되는 제2 접착층을 더욱 포함하며, 상기 방열 부재에 대한 상기 제1 접착층의 접착력이 상기 전지 셀 적층체에 대한 제2 접착층의 접착력보다 클 수 있다.
상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층은 열 전도성 접착제를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 전지 모듈은, 상기 복수의 전지 셀 중 최외곽 전지 셀과 상기 모듈 하우징 사이에 배치되는 팽창 제어 패드를 더욱 포함할 수 있다.
상기 전지 셀은 파우치형 전지 셀일 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따른 전지 팩은, 상기한 전지 모듈을 포함한다.
실시예에 따르면, 전지 셀의 스웰링 현상이 일어나는 경우, 전지 셀 적층체 파손 방지층에 의해 전지 셀이 파손을 방지할 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선에 따른 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈에 있어 전지 셀의 스웰링 전,후를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 경우 뿐만 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 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(112)이 제1 방향(x)을 따라 적층된 전지 셀 적층체(110) 및 전지 셀 적층체(110)가 수용되는 모듈 하우징(120)을 포함하여 구성된다.
전지 셀 적층체(110)는 복수의 전지 셀(112)을 포함하는 이차 전지의 집합체이다. 전지 셀 적층체(110)는 복수의 전지 셀(112)을 포함할 수 있고, 각각의 전지 셀(112)은 전극 리드(114)를 포함한다. 본 실시예에서 전지 셀(112)은 판상 형태를 갖는 파우치형 전지 셀로 구비되나, 본 발명이 반드시 이로써 한정되는 것은 아니다.
전극 리드(114)는 양극 리드 또는 음극 리드이며, 각 전지 셀(112)의 전극 리드(114)는 단부가 한쪽 방향으로 구부러질 수 있고, 이에 의해 인접한 다른 전지 셀(112)이 갖는 전극 리드의 단부와 맞닿을 수 있다. 서로 맞닿은 2개의 전극 리드(114)는 서로 용접 등을 통해 고정될 수 있고, 이를 통해 전지 셀 적층체(110) 내부의 전지 셀(112) 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
복수의 전지 셀(112)은 전극 리드(114)들이 일측 방향으로 정렬되도록 수직 적층되어 전지 셀 적층체(110)를 이룬다. 전지 셀 적층체(110)는 전지 셀 적층체(110)의 길이 방향(y)으로 개방된 적어도 하나의 개구(128)를 가진 모듈 하우징(120)의 내부에 수용된다.
본 실시예에서 모듈 하우징(120)은, 전지 셀 적층체(110)의 적층면에 수직인 상부 플레이트(122) 및 하부 플레이트(126)와 전지 셀 적층체(110)의 적층면과 평행한 한 쌍의 측면 플레이트(124)를 포함하는 프레임(121)로 이루어질 수 있다. 또한, 본 실시예에서 프레임(121)은 상,하부 플레이트(122,126) 및 한 쌍의 측면 플레이트(124)가 단일체로 구성된 모노 프레임으로 이루어지나 이는 하나의 예시일 뿐, 각 플레이트가 용접이나 나사, 리벳 등에 의해 결합된 프레임으로도 구성 가능하다.
전극 리드(114)들은 개구(128)를 통해 노출되고, 개구(128)는 전극 리드(114)를 외부와 전기적으로 연결하는 구성을 포함하는 엔드 플레이트(도시하지 않음) 등에 의해 덮일 수 있다.
프레임(121)의 내부로 전지 셀 적층체(110)와 하부 플레이트(126) 사이에는 방열 부재(200)가 배치된다. 방열 부재(200)는 전지 셀 적층체(110)로부터 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 열 전도 물질, 예를 들면 써멀 레진(thermal resin)으로 구성될 수 있다. 이러한 써멀 레진의 예로는 실리콘, 우레탄, 에폭시 등을 들 수 있다.
또한, 프레임(121)의 내부로 전지 셀 적층체(110)와 양 측면 플레이트(124) 사이에는 팽창 제어 패드(310)가 배치된다. 즉, 팽창 제어 패드(310)는 측면 플레이트(124)와 전지 셀 적층체(110)의 최외곽 전지 셀(112)에 밀착되도록 이들 사이에 배치된다. 팽창 제어 패드(310)는 전지 셀(112)이 팽창하는 경우 압축되어 완충 작용을 하는 것에 의해 셀 스웰링을 제어할 수 있고, 나아가 전지 셀(112)의 팽창에 따른 전지 셀(112) 및 프레임(121)의 손상을 방지하도록 한다.
한편, 프레임(121)의 내부로 방열 부재(200)와 전지 셀 적층체(110) 사이, 예를 들어 방열 부재(200)와 전지 셀 적층체(110)의 전지 셀(112)의 하단부 사이에는 전지 셀(112)의 스웰링 시, 전지 셀(112)이 파손되는 것을 방지하기 위한 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)가 배치된다.
본 실시예에서 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)는 전지 셀 적층체(110)의 전체 면적에 대응하는 크기를 가진 박막의 필름 형태로 구비될 수 있다.
전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)가 방열 부재(200)와 전지 셀 적층체(110) 사이에 배치된 상태에서, 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)의 제1 면 즉, 하부면은 방열 부재(200)인 써멀 레진이 갖는 점성에 의해 마주하는 방열 부재(200)의 일면에 접촉되어 고정될 수 있다. 반면, 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)의 제2 면(400b) 즉, 상부면은 전지 셀 적층체(110)의 하단부에 접촉되는데, 이때, 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)의 제2 면(400b)은 전지 셀 적층체(110)에 지지만 될 뿐 고정되지는 않을 수 있다.
이에 따라 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)에 있어, 방열 부재(200)에 대한 제1 면(400a)의 고정력은 전지 셀 적층체(110)에 대한 제2 면(400b)의 고정력보다 크다고 할 수 있다.
이러한 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)는 열 전도성이면서 전기 절연성인 열적 인터페이스 재료층(Thermal Interface Material)으로 구비되어 전지 셀 적층체(110)에서 발생될 열을 방열 부재(200)로 전달할 수 있다. 본 실시예에서 이러한 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하여 구성될 수 있는데, 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)가 반드시 이로써 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 구성되는 전지 모듈(100)은, 전지 셀(112)의 스웰링 전 상태에서(도 3a 참조) 전지 셀(112)이 충방전으로 인해 스웰링되어 전지 셀 적층체(110)가 전체적으로 최외곽 전지 셀(112) 쪽으로 밀리게 변형되더라도(도 3b 참조), 하부면(400a)이 방열 부재(200)에 고정되고 상부면(400b)은 전지 셀(112)의 하단부에 고정되지 않은 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)에 의해 전지 셀(112)을 방열 부재(200)와의 간섭없이 이동시킬 수 있다.
이에 따라 전지 셀(112)의 스웰링 시, 전지 셀(112)에 부가되는 인장력이 줄어들어 전지 셀(112)이 파손되는 가령, 전지 셀(112)의 파우치가 인장되어 찢어지는 것이 방지 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 단면도이다.
도 4의 실시예에 따른 전지 모듈(500)의 기본 구성은 도 1,2의 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 기본 구성과 동일하므로, 이하에서는 편의상 동일 구성 요소에서는 동일 부호를 사용하도록 하고, 상이한 구성에 대해서만 설명하도록 한다.
도 4의 전지 모듈(500)에서 방열 부재(600)는 폼(foam) 형태의 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층이나 또는 벨벳 형태의 열 전도성 섬유층을 포함하여 구성될 수 있다.
이 방열 부재(600) 상에 배치되는 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하는 박막의 필름 형태로 구성되어 방열 부재(600)와의 사이에 배치되는 제1 접착층(800)에 의해 방열 부재(600)에 고정된다. 제1 접착층(800)은 열 전도성 접착제로 이루어질 수 있다.
즉, 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)의 제1 면(700a)은 제1 접착층(800)에 의해 방열 부재(600)에 고정된다. 반면, 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)의 제1 면(700a)에 대향하는 제2 면(700b)은 전지 셀 적층체(112)의 하단면에 접촉만 할 뿐 고정되지는 않는다.
이에 따라 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)는 방열 부재(600)에 대한 제1 면(700a)의 고정력을 전지 셀 적층체(112)에 대한 제2 면(700b)의 고정력보다 크게 하면서, 전지 셀(112)의 스웰링 시, 전술한 실시예의 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(400)의 작용에 의해 전지 셀(112)의 파손을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 단면도이다. 도 5의 실시예에 따른 전지 모듈(900)의 기본 구성은 도 4의 실시예에 따른 전지 모듈(500)의 기본 구성과 동일하므로, 이하에서는 편의상 동일 구성 요소에서는 동일 부호를 사용하도록 하고, 상이한 구성에 대해서만 설명하도록 한다.
도 5의 전지 모듈(900)에서, 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)는 제1 면(700a)에 대향하는 제2 면(700b)도 접착층에 의해 전지 셀 적층체(110)의 하단면에 고정시킨다. 이를 위해 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)의 제2 면(700b)과 전지 셀 적층체(110)의 하단면 사이에는 제2 접착층(810)이 제공된다. 제2 접착층(810)도 열 전도성 접착제로 이루어질 수 있다.
여기서 제1 접착층(800)과 제2 접착층(810)은 서로 다른 접착력을 가지는데, 제1 접착층(800)의 접착력이 제2 접착층(810)의 접착력보다 클 수 있다. 또한, 제2 접착층(810)의 접착력은, 전지 셀(112)의 스웰링 시, 전지 셀(112)이 밀려 이동될 때 발생되는 힘에 의해 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)의 제2 면(700b)과 전지 셀 적층체(110)의 하단면이 분리될 수 있는 정도의 접착력이다.
이와 같이 도 5의 전지 모듈(900)도 방열 부재(600)에 대한 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)의 제1 면(700a)의 고정력을 전지 셀 적층체(112)에 대한 전지 셀 적층체 파손 방지 부재(700)의 제2 면(700b)의 고정력보다 크게 하면서, 전지 셀(112)의 스웰링 시, 전술한 실시예의 셀 적층체 파손 방지 부재(400)의 작용에 의해 전지 셀(112)의 파손을 방지할 수 있다.
이와 같이 구성되는 전지 모듈은, 전지 팩으로 구성되어 소비자가 원하는 디바이스에 제공될 수 있다. 전지 팩은 전술한 전지 모듈을 팩 프레임에 복수로 수용하여 구성될 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.
100,500,900: 전지 모듈
110: 전지 셀 적층체
112: 전지 셀
120: 모듈 하우징
121: 프레임
200, 600: 방열 부재
400, 700: 전지 셀 적층체 파손 방지 부재

Claims (10)

  1. 제1 방향으로 배열되어 적층된 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체,
    상기 전지 셀 적층체가 수용되는 모듈 하우징,
    상기 전지 셀 적층체와 상기 모듈 하우징 사이에 배치되는 방열 부재, 및
    상기 전지 셀 적층체와 상기 방열 부재 사이에 배치되는 전지 셀 적층체 파손 방지 부재
    를 포함하고,
    상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재는,
    상기 방열 부재에 접촉되는 제1 면 및 상기 전지 셀 적층체에 접촉되는 제2 면을 포함하고, 상기 방열 부재에 대한 상기 제1 면의 고정력이 상기 전지 셀 적층체에 대한 상기 제2 면의 고정력보다 큰 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재는 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층을 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 방열 부재는 써멀 레진(thermal resin)을 포함하고, 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재의 제1 면은 상기 써멀 레진의 점성에 의해 상기 방열 부재에 고정되는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 방열 부재는 폼 또는 벨벳 형태이며, 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재의 제1 면은 상기 방열 부재와 상기 전지 셀 적층체 파손 방지 부재 사이에 배치되는 제1 접착층에 의해 상기 방열 부재에 고정되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층의 제2 면과 상기 전지 셀 적층체 사이에 배치되는 제2 접착층을 더욱 포함하며,
    상기 방열 부재에 대한 상기 제1 접착층의 접착력이 상기 전지 셀 적층체에 대한 제2 접착층의 접착력보다 큰 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층은 열 전도성 접착제를 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 셀 중 최외곽 전지 셀과 상기 모듈 하우징 사이에 배치되는 팽창 제어 패드를 더욱 포함하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 전지 셀은 파우치형 전지 셀인 전지 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.


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