KR20230108717A

KR20230108717A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩

Info

Publication number: KR20230108717A
Application number: KR1020230003719A
Authority: KR
Inventors: 이정훈; 양재훈; 김세호; 김두승; 박정기
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2023-07-18

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지셀 그룹들이 제1 방향을 따라 적층되는 전지셀 적층체; 및 내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브를 포함하는 히트 싱크;를 포함한다. 상기 전지셀 그룹 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀의 상부에 위치하는 제1 셀 프레임 또는 적어도 하나의 상기 전지셀의 하부에 위치하는 제2 셀 프레임을 더 포함한다. 상기 냉각 튜브는 굴곡진 형태의 적어도 하나의 굴곡부를 포함한다. 상기 굴곡부가 상기 전지셀 그룹의 상부 또는 하부를 감싸면서 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면을 커버한다.

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 구체적으로는 수냉식 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.

현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.

일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.

소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.

이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 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.

더욱이, 차량용 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓일 수 있다. 따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 전지 모듈이나 전지팩의 냉각 방법은 크게 냉각수 등의 냉매를 활용한 수냉식 방법과 냉각풍을 활용한 공랭식 방법으로 구분될 수 있다. 그 중 수냉식 냉각은, 냉각 성능이 우수해 대용량의 전지 모듈이나 전지팩에서 발생하는 높은 열을 효과적으로 냉각할 수 있다.

도 1은 종래의 전지 모듈에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 다만, 도 2에는 설명의 편의를 위해 전지 모듈(10)의 아래에 배치되는 히트 싱크(30)를 추가로 도시하였다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(12)와 전지셀 적층체(12)를 수납하는 모듈 프레임(20)을 포함한다. 이때 전지셀(11)은 파우치형 전지셀이고, 파우치형 전지셀은 장방형의 시트 구조를 이룬다.

다수의 전지셀(11)이 적층되기 때문에 전지 모듈(10)은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 파우치형 전지셀을 포함하는 전지 모듈(10)은, 전지셀(11)의 엣지를 고정된 위치와 크기를 가진 히트 싱크(60)에 간접 또는 직접 접촉시켜, 냉각을 실시하였다.

구체적으로, 전지 모듈(10)은 전지셀 적층체(12)와 모듈 프레임(20)의 바닥부 사이에 위치한 써멀 레진층(40)을 포함할 수 있다. 또한, 전지 모듈(10)이 팩 프레임에 장착되어 전지팩을 형성할 때, 전지 모듈(10) 아래에 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(30)가 차례로 위치할 수 있다. 열전달 부재(50)는 방열 패드일 수 있으며, 히트 싱크(30)는 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐르는 냉각 유로(31)가 형성될 수 있다. 일 방향을 따라 적층된 전지셀(11)들의 엣지가 써멀 레진층(40)과 접촉하고, 전지셀(11)로부터 발생한 열은, 써멀 레진층(40), 모듈 프레임(20)의 바닥부, 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(30)를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 전달될 수 있다. 즉, 종래의 전지 모듈(10)에는, 전지셀(11)의 엣지 부분을 통해 열을 배출하는 수냉식 구조를 적용하였다.

이와 같은 전지셀(11)의 엣지 부분을 활용한 수냉식 구조는, 상대적으로 간소화된 구조를 갖지만 냉각 성능이 떨어지고, 전지셀(11)의 높은 스웰링 발생 시 전지셀(11)의 파우치 케이스 등에 크랙이 발생할 위험이 있다.

구체적으로 설명하면, 전지셀(110)들은 충, 방전이 반복되는 과정이나 초기 충전 과정에서 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(110)이 부풀어 오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 또는 브리딩(Breathing) 현상이 발생할 수 있다.

전지셀의 용량이 증가함에 따라 스웰링의 정도도 크게 증가하였고, 전지 모듈에 적용되는 전지셀의 수량도 점차 증가하는 추세이기 때문에 전지 모듈 내부의 전지셀의 스웰링을 제어하는 것이 중요한 문제가 되었다.

이 때, 도 2를 다시 참고하면, 일반적으로 써멀 레진층(40)은 접착 특성을 가지고 있어 전지셀(11)들을 고정시키기 때문에 전지셀(11)의 스웰링이 발생하면, 전지셀(11)의 엣지에 높은 스트레스가 발생하고, 이는 전지셀(11)의 파우치 케이스의 크랙이 발생하는 것으로 이어질 수 있다. 특히 전지셀 적층체(12)에서 바깥쪽에 위치한 전지셀(11)들일수록 스웰링에 의한 스트레스가 크게 작용하여 크랙이 발생할 위험이 크다.

향후, 고용량 전지 모듈과 전지팩을 구현하기 위해 파우치 전지셀로, Pure Si 셀, 전고체 전지, SiO 고함량 셀들을 적용할 수 있다. 이러한 전지셀들의 경우, 스웰링의 정도가 더 크다.

이와 같이 높은 스웰링 정도를 갖는 전지셀들을 포함한 전지 모듈에 종래와 같은 엣지 부분을 활용한 수냉식 방법을 적용할 경우, 전지셀에 크랙이 발생할 위험이 크고, 또 과도한 응력이 작용하여 전지 모듈의 구조적 안전성을 저해할 수 있다.

이에 높은 스웰링 특성을 보이는 전지셀들을 포함하더라도, 전지셀에 발생하는 구조적 손상을 최소화할 수 있는, 신규한 냉각 구조의 전지 모듈이 요구되는 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 높은 스웰링 특성을 보이는 전지셀들을 포함하더라도, 전지셀에 발생하는 구조적 손상을 최소화할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.

상기 굴곡부는 복수로 구성될 수 있고, 상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상부를 감싸고, 상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 하부를 감싸며, 상기 냉각 튜브는 지그재그 형태로 이어진다.

상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상기 제1 셀 프레임을 감쌀 수 있고, 상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 상기 제2 셀 프레임을 감쌀 수 있다.

상기 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임과 하부 프레임을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 셀 프레임은, 상기 상부 프레임의 하측에서 상기 상부 프레임에 결합될 수 있고, 상기 제2 셀 프레임은, 상기 하부 프레임의 상측에서 상기 하부 프레임에 결합될 수 있다.

상기 전지셀 적층체와 상기 상부 프레임 사이의 공간 또는 상기 전지셀 적층체와 상기 하부 프레임 사이의 공간 중 적어도 한 곳에 발포폼이 주입될 수 있다.

상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀이 안착되는 수용홈 및 상기 수용홈이 형성된 면의 반대면에 형성된 돌출부를 포함할 수 있다.

상기 전지셀 적층체의 상부와 하부 각각에 상부 프레임과 하부 프레임이 위치할 수 있고, 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임 각각에는 상기 돌출부가 삽입되는 삽입홀이 형성될 수 있다.

상기 상부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제1 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입될 수 있고, 상기 하부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제2 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입될 수 있다.

상기 삽입홀 중 적어도 하나는, 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향인 상기 제1 방향으로 상기 돌출부보다 넓은 개구폭을 가져, 상기 돌출부가 상기 제1 방향이나 그 반대 방향으로 이동 가능할 수 있다.

상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 고정 파트 및 무빙 파트를 포함할 수 있다. 상기 무빙 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이, 상기 고정 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭보다 넓을 수 있다.

상기 무빙 파트는 상기 제1 방향과 평행한 방향의 일 단부에 위치할 수 있다.

상기 무빙 파트는 복수로 구성될 수 있고, 상기 무빙 파트들은 상기 제1 방향과 평행한 방향의 양 단부에 각각 위치할 수 있으며, 상기 고정 파트는 상기 무빙 파트들 사이에 위치할 수 있다.

상기 고정 파트에서, 상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임은, 각각 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임에 접착 부재를 통해 접착될 수 있다.

상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 중앙부에서 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향의 반대 방향으로 갈수록 상기 삽입홀들의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이 점차 넓어질 수 있다.

상기 수용홈에 개방부가 형성될 수 있고, 상기 전지셀 그룹에서의 적어도 하나의 상기 전지셀이, 상기 개방부를 통해 상기 굴곡부와 접촉할 수 있다.

상기 전지 모듈은, 상기 제1 방향에 따른 상기 전지셀 적층체의 양 측면에 위치하는 사이드 플레이트들을 더 포함할 수 있고, 상기 사이드 플레이트는 리프 스프링 형태일 수 있다.

상기 사이드 플레이트는, 복수의 리프 스프링 부재가 높이 방향을 따라 간격을 띄고 배치되는 형태일 수 있다.

상기 사이드 플레이트는 상기 전지셀 적층체가 위치한 방향으로 만입된 리프 스프링 형태일 수 있다.

상기 사이드 플레이트는 복합 소재를 포함하고, 상기 복합 소재는 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 또는 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)일 수 있다.

상기 복합 소재는, 섬유 소재, 레진 및 상기 섬유 소재 사이에 개재된 시트 소재를 포함할 수 있다. 상기 섬유 소재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 상기 레진은 에폭시 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 시트 소재는 PET 또는 PU 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 히트 싱크는, 상기 냉각 튜브의 일 단부에 연결된 유입 매니포드 및 상기 냉각 튜브의 타 단부에 연결된 배출 매니포드를 포함할 수 있다. 상기 유입 매니포드에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 형성될 수 있고, 상기 배출 매니포드에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈을 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀의 스웰링 발생 시 그 정도에 따라 유동적으로 움직일 수 있는 무빙형 냉각 구조와 프레임 구조를 구현하여, 스웰링 과정에서 전지셀에 발생하는 손상을 최소화할 수 있다.

또한, 엣지 냉각이 아닌 면 냉각을 적용하여 전지셀들에 대한 냉각 성능을 보다 증대시킬 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 모듈에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈을 B 방향에서 바라본 정면도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈에 대해 상부 프레임, 하부 프레임 및 사이드 플레이트를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 정면도이다.
도 7은 도 5의 전지 모듈을 C 방향에서 바라본 평면도이다.
도 8은 도 5의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크, 제1 셀 프레임 및 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 정면도이다.
도 10은 도 9의 절단선 D-D’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도들이다.
도 12는, 도 3의 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 14는, 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 및 제2 셀프레임에 접착 부재가 접착된 모습을 도시한 사시도이다.
도 16 및 도 17은 각각 도 3의 전지 모듈에 포함된 사이드 플레이트에 대한 사시도 및 측면도이다.
도 18의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 플레이트의 소재를 설명하기 도면들이다.
도 19는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다.

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 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈을 B 방향에서 바라본 정면도이다. 도 5는 도 3의 전지 모듈에 대해 상부 프레임, 하부 프레임 및 사이드 플레이트를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 정면도이다.

도 3 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 그룹(110G)들이 제1 방향(d1)을 따라 적층되는 전지셀 적층체(120); 및 내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브(310)를 포함하는 히트 싱크(300);를 포함한다. 또한 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)을 더 포함할 수 있다.

전지셀 그룹(110G)은 적어도 하나의 전지셀(110)들을 포함한다. 즉, 하나의 전지셀(110)이 전지셀 그룹(110G)을 이룰 수 있고, 또 복수의 전지셀(110)들이 하나의 전지셀 그룹(110G)을 이룰 수 있다. 후술하겠으나, 본 명세서에서 전지셀 그룹(110G)은, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 수용된 채 냉각 튜브(310)의 굴곡부(310B)에 감싸지는 전지셀(110)들의 집합체를 구분하는 단위일 수 있다.

우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 도 4 내지 도 6에서 표현된 것처럼, 전지셀(110)은 장방형 시트 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부(114d)는 전지 케이스(114)가 접힌 부분으로 이루어질 수 있다.

다만, 위에서 설명한 전지셀(110)은 예시적 구조이며, 2개의 전극 리드가 동일한 방향으로 돌출된 단방향 전지셀도 가능함은 물론이다.

적어도 하나의 전지셀(110)이 전지셀 그룹(110G)을 형성하고, 이러한 전지셀 그룹(110G)들이 제1 방향(d1)으로 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 적층되는 제1 방향(d1)은, 전지셀(110)들의 전지 본체(113)의 일면과 수직한 방향으로써, 도 4 및 도 6을 참고하면 x축 방향과 평행한 방향으로 표현되어 있다.

전지셀 그룹(110G) 각각은, 적어도 하나의 전지셀(110)들의 상부에 위치하는 제1 셀 프레임(210) 또는 적어도 하나의 전지셀(110)들의 하부에 위치하는 제2 셀 프레임(220)을 포함한다.

구체적으로, 전지셀 그룹(110G)에서 적어도 하나의 전지셀(110)은 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220) 중 하나에 안착될 수 있다. 보다 구체적으로 적어도 하나의 전지셀(110)의 일변이 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220) 중 하나에 안착되어 적어도 하나의 전지셀(110)이 전지셀 그룹(110G) 내에서 고정될 수 있다. 후술하겠으나, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)에는 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈이 형성되어 전지셀(110)들이 수용될 수 있다. 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은 동일한 형상을 가진 구성들이나, 전지 모듈(100) 내에서 전지셀(110)들을 기준으로 한 그 배치 위치에서 차이가 있다. 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임의 구체적인 구조에 대해서는 도 11과 함께 자세히 후술하도록 한다.

도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 어느 한 전지셀 그룹(110G)이 제1 셀 프레임(210)을 포함하면, 그와 인접한 전지셀 그룹(110G)은 제2 셀 프레임(220)을 포함한다. 즉, 제1 방향(d1)을 따라서 배치되는 전지셀 그룹(110G)들에 있어서, 제1 셀 프레임(210)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)과 제2 셀 프레임(220)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)이 번갈아 가며 배치될 수 있다.

한편, 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)을 포함하는데, 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)은 판상형의 부재일 수 있다. 상부 프레임(400)은, 제1 셀 프레임(210)들보다 상부에 위치할 수 있고, 하부 프레임(500)은, 제2 셀 프레임(220)들 보다 하부에 위치할 수 있다.

이하에서는, 도 5 및 도 7 내지 도 10을 참고하여, 본 실시예에 따른 히트 싱크에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 7은 도 5의 전지 모듈을 C 방향에서 바라본 평면도이다. 도 8은 도 5의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크, 제1 셀 프레임 및 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 정면도이다. 도 10은 도 9의 절단선 D-D’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.

도 5 및 도 7 내지 도 10을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브(310)를 포함하고, 냉각 튜브(310)는 굴곡진 형태의 적어도 하나의 굴곡부(310B)를 포함한다. 굴곡부(310B)가 전지셀 그룹(110G)의 상부 또는 하부를 감싸면서 냉각 튜브(310)가 전지셀 그룹(110G)들 중 어느 하나의 양 측면을 커버할 수 있다. 즉, 굴곡부(310B)를 포함하는 냉각 튜브(310)의 일부 영역이, 전지셀 그룹(110G)의 상부 및 양 측면을 커버하거나, 전지셀 그룹(110G)의 하부 및 양 측면을 커버할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5, 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 것처럼, 굴곡부(310B)는 복수로 구성될 수 있고, 굴곡부(310B)들 중 어느 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 어느 하나의 양 측면 및 상부를 감싸고, 굴곡부(310B)들 중 다른 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 다른 하나의 양 측면 및 하부를 감싸면서, 냉각 튜브(310)가 지그재그 형태로 이어질 수 있다. 보다 구체적으로는, 굴곡부(310B)들 중 어느 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 어느 하나의 양 측면 및 제1 셀 프레임(210)을 감싸고, 굴곡부(310B)들 중 다른 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 다른 하나의 양 측면 및 제2 셀 프레임(220)을 감쌀 수 있다. 상술한 것처럼, 제1 셀 프레임(210)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)과 제2 셀 프레임(220)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)이 번갈아 가며 배치될 수 있는데, 굴곡부(310B)들 중 하나가 제1 셀 프레임(210)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)을 감싸고, 다음 굴곡부(310B)가 제2 셀 프레임(220)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)을 감싸면서, 전체적으로는 냉각 튜브(310)가 지그재그 형태로 이어질 수 있다.

본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 냉각 튜브(310)의 일 단부에 연결된 유입 매니포드(320) 및 냉각 튜브(310)의 타 단부에 연결된 배출 매니포드(330)를 포함할 수 있다. 유입 매니포드(320)에는 냉매가 유입되는 유입부(321)가 형성될 수 있고, 배출 매니포드(330)에는 냉매가 배출되는 배출부(331)가 형성될 수 있다. 유입부(321)와 배출부(331)이 형태에 특별한 제한은 없으며 관 형태 또는 개구홀 형태일 수 있다. 도 3, 도 5, 도 8 등에는 예시로써 관 형태의 유입부(321)와 배출부(331)가 도시되어 있다.

도 10에 도시된 것처럼 냉각 튜브(310)의 내부에는 적어도 하나의 공간부(S)가 형성되고, 이러한 공간부(S)는 유입부(321)와 배출부(331)와 연통될 수 있다. 이에 유입부(321)를 통해 유입된 냉매는 유입 매니포드(320)를 거쳐 냉각 튜브(310)로 유입된다. 냉각 튜브(310)를 따라 흐르는 냉매는 배출 매니포드(330)를 거쳐 배출부(331)를 통해 최종 배출될 수 있다. 냉매가 전지셀(110)들의 주변을 따라 흐르며 전지셀(110)들로부터 발생한 열을 흡수한다. 상기 냉매는 냉각수일 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 수냉식 냉각 구조를 갖는다.

이 때, 지그재그 형태의 냉각 튜브(310)는, 전지셀 그룹(110G)들의 측면, 즉 전지셀(110)의 전지 본체(113, 도 6 참고)의 일면을 감싸며 이어진다. 즉, 냉각 튜브(310)는 전지셀(110)의 전지 본체(113)의 일면과 접촉된다. 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 전지 모듈(10)은, 전지셀(11)의 엣지 부분을 통해 열이 배출되는 엣지 냉각 구조인 반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 냉각 튜브(310)가 전지셀(110)들의 전지 본체(113)의 일면과 접촉하는 면 냉각 구조이다. 전지셀(110)의 전지 본체(113) 일면 전체가 냉각 튜브(310)와 맞닿을 수 있어 냉각 면적이 훨씬 넓기 때문에 종래의 전지 모듈(10)과 비교하여 냉각 성능이 우수한 장점이 있다.

또한, 상술한 것처럼, 전지셀(110)들은 충, 방전이 반복되는 과정에서 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(110)이 부풀어 오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 또는 브리딩(Breathing) 현상이 발생할 수 있다. 종래의 전지 모듈(10))의 경우, 전지셀(11)들의 엣지가 써멀 레진층(40)에 접착 및 고정된 형태이므로, 스웰링 발생 시 전지셀(11)의 엣지에 높은 스트레스가 발생하고, 이는 전지셀(11)의 파우치 케이스의 크랙이 발생하는 것으로 이어질 수 있다.

반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 경우, 냉각을 위한 히트 싱크(300)의 냉각 튜브(310)가 지그재그 형태로 이어지며 전지셀(110)들 사이에 배치되는 형태이기 때문에 전지셀(110)들이 특정 지점에 접착 및 고정되지 않는다. 전지셀(110)들에 높은 스웰링이나 브리딩이 발생하여도, 전지셀 적층체(120)와 히트 싱크(300) 간의 조립 형태가 전지셀(110)들의 적층 방향인 제1 방향(d1)으로 어느 정도의 구조적 유연성을 제공할 수 있기 때문에 전지셀(110)의 파우치 케이스에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 전지셀(110)들의 스웰링이나 브리딩 현상에서, 전지셀(110)들은 두께 방향으로 팽창된다. 전지셀(110)들 사이에 위치하는 냉각 튜브(310) 부분이 이러한 전지셀(110)들의 팽창을 흡수할 수 있다. 종래에는 전지셀(110)들의 스웰링 흡수하기 위해서, 전지셀(110)들 사이에 폼 소재의 압축 패드를 개재하였다. 본 실시예에서는 전지셀(110)들 사이에 위치하는 냉각 튜브(310) 부분이 전지셀(110)들의 스웰링을 흡수하면서, 종래 압축 패드의 기능을 대체할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 냉각 튜브(310)는 전지셀(110)들에 대한 면 냉각 기능뿐만 아니라 전지셀(110)들의 스웰링을 흡수하는 기능을 담당할 수 있다.

이하에서는, 도 11 등을 참고하여 본 실시예에 따른 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도들이다. 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은 전지셀들의 상부 또는 하부에 위치하는 것으로 구별되나, 동일한 형상을 가진 구성들이기 때문에 구체적인 구조에 대해서는 함께 설명하도록 한다.

도 11의 (a)는 돌출부(210P, 220P)가 보여지는 각도의 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)을 도시한 것이고, 도 11의 (b)는 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈(210G, 220G)이 보여지는 각도의 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)을 도시한 것이다.

도 5, 도 8 및 도 11의 (a)와 (b)를 참고하면, 본 실시예에 따른 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220) 각각은 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈(210G, 220G)을 포함할 수 있다. 상술한 바 대로, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은 동일한 형상을 가질 수 있으나, 제1 셀 프레임(210)은 전지셀(110)들의 상부에 위치하고, 제2 셀 프레임(220)은 전지셀(110)들의 하부에 위치하는 점에 차이가 있다. 수용홈(210G, 220G)은, 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)에 있어서 적어도 하나의 전지셀(110)들과 마주하는 일면에 형성될 수 있다.

하나의 전지셀 그룹(110G) 내에서, 적어도 하나의 전지셀(110)들은, 제1 셀 프레임(210)의 수용홈(210G)이나 제2 셀 프레임(220)의 수용홈(220G)에 삽입 및 장착될 수 있다. 일례로, 도 11의 (b)에는 2개의 수용홈(210G, 220G)이 형성된 것이 도시되어 있다. 즉, 하나의 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)에 2개의 전지셀(110)이 안착될 수 있다. 또한, 전지셀(110)들과 수용홈(210G, 220G) 사이에는 접착제나 양면 테이프가 도포되어 전지셀(110)들이 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에서 고정될 수 있다.

제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임은, 전지셀(110)들의 일변을 보호하여 전지셀(110)들이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 전지셀(110)들의 충, 방전 동안 냉각 튜브(310)의 굴곡부(310B)로부터 전지셀(110)의 일변이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임은 전지셀 그룹(110G)의 강성을 보완할 수 있다. 또한 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임은 전기 절연성의 소재를 포함하여 전지셀(110)들의 일변을 절연 보호할 수 있다.

또한 상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 전지셀 그룹(110G) 내의 전지셀(110)들은, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220) 중 어느 하나의 수용홈(210G, 220G)에 삽입된 채로, 히트 싱크(300)의 냉각 튜브(310)에 의해 감싸진다. 이 때, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)은, 전지셀(110)들과 히트 싱크(300) 간의 조립성과 제조 공정성을 개선하고, 구조적 안정성을 높일 수 있다. 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 의해, 다수의 전지셀(110)들이 전지셀 그룹(110G)으로 구분되고 전지셀 그룹(110G) 내에서 적어도 하나의 전지셀(110)들이 고정될 수 있다. 때문에 지그 재그 형태의 냉각 튜브(310)를 다수의 전지셀(110)들 사이에 보다 안정적이고 용이하게 마련할 수 있다. 특히, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 대응하도록 굴곡부(310B)를 형성하기 때문에, 굴곡부(310B)가 형성되는 기준점이 명확해진다. 만일, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)이 없다면, 굴곡부(310B)를 갖는 냉각 튜브(310)를 전지셀(110)들 사이에 배치함에 있어 기준점 설정이 어렵다. 다소 강성이 약하고 유연한 파우치형의 전지셀(110)을 특정 위치에 고정시키고 히트 싱크를 배치해야 하는데, 제1 및 제2 셀 프레임(210, 220)이 없다면 이러한 구현이 까다롭다.

적어도 하나의 전지셀(110)들을 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 삽입시켜 전지셀 그룹(110G)을 형성한 후, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)을 기준점으로 하여 굴곡부(310B)들을 고정시키면서, 냉각 튜브(310)를 지그재그로 배치하기 때문에 조립이 보다 쉬워진다.

즉, 본 실시예에 따른 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)은, 전지셀(110)들과 지그재그 형태로 이어지는 냉각 튜브(310) 간의 조립 구조를 쉽게 구현할 수 있도록, 전지셀 그룹(110G) 단위에서의 지지 구조 및 고정 기준점으로써 기능할 수 있다.

한편, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220) 각각은 수용홈(210G, 220G)이 형성된 면의 반대면에 형성된 돌출부(210P, 220P)를 포함할 수 있다. 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P) 및 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 각각 상부 프레임(400) 및 하부 프레임(500)과 결합을 위한 구성으로써, 아래에서 자세히 설명하도록 한다.

도 3, 도 4, 도 7, 도 11을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 상부 프레임(400)은, 제1 셀 프레임(210)들보다 상부에 위치할 수 있고, 하부 프레임(500)은, 제2 셀 프레임(220)들 보다 하부에 위치할 수 있다. 이 때, 제1 셀 프레임(210)은, 상부 프레임(400)의 하측에서 상부 프레임(400)에 결합될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)은, 하부 프레임(500)의 상측에서 하부 프레임(500)에 결합될 수 있다.

구체적으로 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500) 각각에는 돌출부(210P, 220P)가 삽입되는 삽입홀(400H, 500H)이 형성될 수 있다. 하부 프레임(500)에 형성된 삽입홀(500H)은 도 12 및 도 13에 도시되어 있다.

상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에는 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)가 삽입될 수 있고, 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에는 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)가 삽입될 수 있다. 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)가 삽입되는 방식으로 제1 셀 프레임(210)과 상부 프레임(400)이 결합될 수 있고, 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)가 삽입되는 방식으로 제2 셀 프레임(220)과 하부 프레임(500)이 결합될 수 있다.

또한, 필요에 따라, 제1 셀 프레임(210)의 일부와 상부 프레임(400)의 일부분이 접착제로 고정될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)의 일부와 하부 프레임(500)의 일부분이 접착제로 고정될 수 있다.

이하에서는, 도 12 및 도 13을 참고하여, 본 발명의 실시예들에 따른 무빙 프레임 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다. 도 12와 도 13에는 하부 프레임(500)에 형성된 삽입홀(500H)만을 구체적으로 도시하였으나, 상부 프레임(400)에 형성된 삽입홀(400H)에도 아래에서 설명하는 삽입홀(500H)과 상호 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있다.

도 12는, 도 3의 전지 모듈에 대한 저면도이다. 구체적으로 도 12는 도 3의 전지 모듈을, xy 평면 상에서 z축 방향으로 바라본 모습의 도면이다.

도 7, 도 8, 도 11 및 도 12를 함께 참고하면, 상술한 바 대로, 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)는 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 삽입되고, 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 삽입될 수 있다. 삽입홀(400H, 500H) 중 적어도 하나는 전지셀 그룹(110G)들이 적층되는 방향인 제1 방향(d1)으로 돌출부(210P, 220P)보다 넓은 개구폭을 가져, 그에 삽입된 돌출부(210P, 220P)가 제1 방향(d1)이나 그 반대 방향으로 이동이 가능하다.

도 12에서 확대된 부분 중 왼쪽의 경우, 삽입홀(500H)의 개구폭(W1)이 돌출부(220P)의 폭과 거의 동일하게 대응된다. 반면, 도 12에서 확대된 부분 중 오른쪽의 경우, 삽입홀(500H)의 개구폭(W2)이 돌출부(220P)의 폭보다 넓어, 돌출부(220P)가 제1 방향(d1)이나 그 반대 방향으로 이동이 가능하다.

보다 구체적으로, 상부 프레임(400) 또는 하부 프레임(500) 중 적어도 하나는 고정 파트(FP) 및 무빙 파트(MP)를 포함할 수 있다.

무빙 파트(MP)에서의 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W2)은, 고정 파트(FP)에서의 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W1)보다 넓을 수 있다. 즉, 무빙 파트(MP)와 대응하는 영역에 위치한 전지셀 그룹(110G)들은 넓은 개구폭(W2)을 갖는 삽입홀(500H)에 의해 제1 방향(d1)이나 그 반대 방향으로의 이동이 다소 자유로운 반면, 고정 파트(FP)와 대응하는 영역에 위치한 전지셀 그룹(110G)들은 돌출부(220P)와 대응하는 개구폭(W1)을 갖는 삽입홀(500H)에 의해 이동이 제한된다. 일례로, 이러한 무빙 파트(MP)는 복수로 구성될 수 있고, 무빙 파트(MP)들은 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 양 단부에 각각 위치할 수 있으며, 고정 파트(FP)는 무빙 파트(MP)들 사이에 위치할 수 있다.

파우치 전지셀인 전지셀(110)들이 적층되는 전지셀 적층체(120)에서, 전지셀(110)의 스웰링 발생시, 전지셀(110)들의 적층 방향을 따라 크게 부풀어 오를 수 있다. 특히 전지 모듈에 적용되는 전지셀의 수량이 많아지면, 전지셀(110)들의 적층 방향의 양 바깥쪽 영역에 위치한 전지셀(110)들은 각 전지셀(110)들의 스웰링 시 가장 크게 밀려나기 때문에 큰 가압력을 받게 되고 고정된 모듈 프레임 내부에서 반력도 크게 작용한다. 가압력이나 반력의 임계치를 초과할 경우, 전지셀(110)의 성능이나 수명에 악영향을 미친다.

이에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 방향(d1)의 양 단부에 전지셀 그룹(110G)의 무빙을 어느 정도 허용할 수 있는 무빙 파트(MP)를 마련하여, 스웰링 발생 시 바깥쪽에 위치한 전지셀(110)들에 가해지는 가압력이나 반력을 완화하고자 하였다. 이를 통해 스웰링 시, 각 전지셀(110)들 마다 가해지는 가압력의 편차를 완화할 수 있고, 이는 전지 모듈(100)의 성능 향상과 수명 증대로 이어질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 제1 및 제2 셀 프레임(210, 220)과 상, 하부 프레임(400, 500)들 간의 결합 형태는, 앞서 설명한 히트 싱크(300)의 지그 재그 형태와 조합되어 무빙 프레임 구조를 구현할 수 있다. 이러한 무빙 프레임 구조는, 전지셀의 스웰링에 대한 구조적 유연성과 유동성을 제공하여, 가압력의 편차를 완화하고 전지셀에 크랙 등의 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.

도 13을 참고하면, 도 12에서와 마찬가지로, 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 삽입될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)는 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 삽입될 수 있다.

이 때, 상부 프레임(400) 또는 하부 프레임(500) 중 적어도 하나는, 중앙부에서 제1 방향(d1) 및 상기 제1 방향(d1)의 반대 방향으로 갈수록 삽입홀(400H, 500H)들의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭이 점차 넓어질 수 있다. 도 13에 도시된 삽입홀(500H)들의 제1 방향(d1)의 개구폭(W1, W2, W3)들을 참고하면, 중앙부에서 양 끝 방향인, 외측으로 갈수록 삽입홀(500H)들의 제1 방향(d1)의 개구폭(W1, W2, W3)이 점차 증가한다. 중앙부에 위치한 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W1)이 가장 좁고, 가장 외측에 위치한 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W3)이 가장 넓을 수 있다.

상술한 바 대로, 전지셀(110)들의 적층 방향의 양 바깥쪽 영역에 위치한 전지셀(110)들은 각 전지셀(110)들의 스웰링 시 가장 크게 밀려난다. 이에 본 실시예에서는, 전지셀(110)들의 적층 방향에 대해 중앙부에서 양 끝단으로 갈수록 삽입홀(400H, 500H)들의 제1 방향(d1)의 개구폭(W1, W2, W3)이 점차 증가하도록 설계하여, 스웰링 시 전지셀(110)들의 무빙 허용정도를 그 위치에 맞게 대응되도록 설정하였다. 따라서, 스웰링 시, 각 전지셀(110)들 마다 가해지는 가압력의 편차를 완화할 수 있고, 이는 전지 모듈(100)의 성능 향상과 수명 증대로 이어질 수 있다.

도 14는, 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.

도 14를 참고하면, 도 12 및 도 13에서와 마찬가지로, 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 삽입될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)는 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 삽입될 수 있다.

이 때, 앞서 설명한 무빙 파트(MP)는 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 일 단부에 위치할 수 있다. 나머지 영역은 고정 파트(FP)로 이루어질 수 있다. 전지 모듈이 장착되는 전지팩 내부의 설계에 따라, 제1 방향(d1)에 대한 개구폭이 상대적으로 넓은 삽입홀(400H, 500H)들이 형성된 영역이 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 일 단부에만 필요할 수 있다. 예를 들어, 전지팩 내부의 환경에 따라 한쪽 방향으로의 무빙이 제한되는 것이 필요한 경우에, 도 14에 도시된 것처럼, 무빙 파트(MP)가 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 일 단부에만 마련된 구조가 적용될 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 및 제2 셀프레임에 접착 부재가 접착된 모습을 도시한 사시도이다.

도 4, 도 7, 도 12 및 도 15를 함께 참고하면, 고정 파트(FP)에서, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은, 각각 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)에 접착 부재(800)를 통해 접착될 수 있다.

상술한 것처럼, 제1 셀 프레임(210)은, 상부 프레임(400)의 하측에서 상부 프레임(400)에 결합될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)은, 하부 프레임(500)의 상측에서 하부 프레임(500)에 결합될 수 있다. 이때, 고정 파트(FP)에 있어서, 제1 셀 프레임(210)은 접착 부재(800)를 통해 상부 프레임(400)의 하면에 접착될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)은 접착 부재(800)를 통해 하부 프레임(500)의 상면에 접착될 수 있다.

일례로, 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에는 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)가 삽입될 수 있고, 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에는 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)가 삽입될 수 있는데, 도 15에 도시된 것처럼 돌출부(210P, 220P)의 주변 영역에 접착 부재(800)가 마련될 수 있다. 본 실시예의 경우, 삽입홀(400H, 500H)들의 개구폭을 조절하는 것에 더해 고정 파트(FP)에 접착 부재(800)를 마련하여, 고정 파트(FP)에서의 전지셀 그룹(110G)의 무빙을 제한할 수 있다. 또한, 접착 부재(800)에 의해 제1 및 제2 셀 프레임(210, 220)과 상부 및 하부 프레임(400, 500) 간의 결합 정도가 보완되어, 전체 전지 모듈의 구조적 안정성을 높일 수 있다.

이하에서는, 도 16 및 도 17 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 16 및 도 17은 각각 도 3의 전지 모듈에 포함된 사이드 플레이트에 대한 사시도 및 측면도이다.

도 3, 도 4, 도 16 및 도 17을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 방향(d1)에 따른 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 위치하는 사이드 플레이트(600)들을 더 포함할 수 있다. 사이드 플레이트(600)는, 리프 스프링(leaf spring) 형태일 수 있다.

본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 탄성력을 갖춘 소재를 포함하여, 전지셀 적층체(120)에서 각 사이드 플레이트(600) 방향으로 인가되는 압력에 대한 반발로 전지셀 적층체(120)에 탄성력을 인가할 수 있다.

구체적으로, 각 사이드 플레이트(600)는, 전지셀 적층체(120)가 위치한 방향으로 만입된 리프 스프링 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3에 도시된 것처럼, 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 돌출되는 방향과 평행한 방향(y축 방향 또는 -y축 방향)에 따른 사이드 플레이트(600)의 양 끝부분보다 사이드 플레이트(600)의 중앙부가 전지셀 적층체(120)가 위치한 곳으로 휘어지도록 만입된 형태일 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110)들의 스웰링으로 인해 전지셀 적층체(120)에서 각 사이드 플레이트(600) 방향으로 높은 압력이 작용하더라도, 탄성 거동을 보이는 사이드 플레이트(600)가 전지셀 적층체(120)의 스웰링을 흡수하면서, 전지셀(110)들의 스웰링을 제어할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 리프 스프링(leaf spring) 형태를 가짐으로써, 전지셀 적층체(120)를 수용하는 프레임으로써 기능할 뿐만 아니라 전지셀(110)들의 스웰링을 제어하는 탄성 부품으로써 기능할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 도 3, 도 16 및 도 17에 도시된 것처럼, 복수의 리프 스프링 부재(610)가 높이 방향을 따라 간격을 띄고 배치되는 형태일 수 있다. 전지셀 적층체(120)가 위치한 곳으로 중심부가 휘어진 개별 리프 스프링 부재(610)가 높이 방향을 따라 일정 간격 이격된 채 배치될 수 있다. 여기서 높이 방향이라 함은, 상부 프레임(400)이나 하부 프레임(500)의 일면과 수직한 방향으로, z축 방향과 평행한 방향을 의미한다.

또한 사이드 플레이트(600)는 각 리프 스프링 부재(610)가 일정 간격으로 유지할 수 있도록 각 리프 스프링 부재(610)들을 연결하는 연결부(620)를 더 포함할 수 있다. 연결부(620)들의 개수나 위치에 특별한 제한은 없으나, 사이드 플레이트(600)의 양 끝부분에 각각 위치하는 것이 바람직하다. 경우에 따라 도 16 및 도 17에 도시된 것처럼 중앙부에도 각 리프 스프링 부재(610)들을 연결하는 연결부(620)가 위치할 수 있다.

상기와 같이, 사이드 플레이트(600)를 단일의 리프 스프링 형태로 구성하는 것이 아니라 서로 일부분이 분리된 개별 리프 스프링 부재(610)들을 포함하도록 하여, 전지셀(110)의 위치별 스웰링 특성에 따라 개별적인 대응이 가능하도록 하였다. 즉, 개별 리프 스프링 부재(610)들이 분리된 본 실시예의 경우, 완전히 일체화된 구조에 비해, 전지셀(110)의 스웰링에 대한 유연한 탄성 거동을 보인다는 장점이 있다.

이하에서는 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)의 소재에 대해 자세히 설명하도록 한다. 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 복합 소재를 포함할 수 있고, 상기 복합 소재는 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 또는 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)일 수 있다. 상기 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱은, 각각 유리섬유와 탄소 섬유로 강화한 플라스틱계 복합 소재로써, 뛰어난 기계적 특성과 내식성을 갖춘 소재이다.

사이드 플레이트(600)에 금속 소재를 적용할 경우, 낮은 인장 탄성률로 인해 전지셀(110)의 스웰링을 흡수할 수 있는 변위량이 작다는 문제가 있다. 전지셀(110)의 스웰링으로 전지셀 적층체(120)가 소폭만 변위되어도 리프 스프링 형태의 휘어진 부분에 큰 응력(stress)가 발생한다. Pure Si 셀, 전고체 전지, SiO 고함량 셀 등 스웰링 정도가 큰 전지셀의 경우, 스웰링 정도가 크기 때문에 전지 모듈에서 흡수해야할 변위량도 크다. 따라서, 이러한 전지셀들이 적용된 전지 모듈에서 금속 소재를 이용한 프레임은 스웰링을 흡수하는데 한계가 있다.

반면, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 경우, 금속과 비교하여 동등 또는 그 이상의 인장 강도를 가지면서도, 금속 대비 낮은 영률(Young's modulus)을 갖기 때문에 전지셀들의 스웰링에 대한 높은 강성을 지니면서도 스웰링을 효과적으로 흡수할 수 있는 탄성 거동을 보일 수 있다. Pure Si 셀이나 전고체 전지의 경우, EOL(End Of Life)에서 최대 3~8Mpa의 압력이 발생하는데, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 복합 소재는, 이러한 높은 압력에서도 탄성 거동을 보일 수 있어, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)에 적용되기 적합하다.

또한, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱은, 유리 섬유나 탄소 섬유들을 적층한 후 그 주변에 레진을 경화시켜 제조되는 방식이므로, 방향별 강도와 탄성률을 다르게 설정할 수 있다는 장점을 갖는다.

다만, 기존의 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 복합 소재의 경우, 경량화 및 고강도 특성에 중점을 두고 개발되어, 취성의 성질을 갖고 가격이 다소 높다는 문제가 있다. 이에 본 실시예에 따른 복합 소재는, 레진의 소재를 변경하고, 섬유 소재 외에 시트 소재를 포함시켜 상기와 같은 문제를 해결하고자 하였다.

도 18의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 플레이트의 소재를 설명하기 도면들이다.

도 18의 (a) 및 (b)를 참고하면, 상술한 바 대로, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 복합 소재는 유리 섬유나 탄소 섬유들을 적층한 후 그 주변에 레진을 경화시켜 제조되는데, 본 실시예에 따른 복합 소재는 섬유 소재(601), 레진(602) 및 섬유 소재(601) 사이에 개재된 시트 소재(603)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 섬유 소재(601)는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 경화되는 레진(602)은, 에폭시 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 시트 소재(603)는 PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PU(Polyurethane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

보다 구체적으로는 레진(602)이 우레탄을 포함할 수 있다. 연질의 특성을 가진 우레탄을 레진(602)의 소재로 적용하여 복합 소재의 취성 특성을 개선하고자 하였다. 또한, 연질의 시트 소재(603)를 섬유 소재(601)들 사이에 개재함으로써, 복합 소재의 연질 특성을 보강하고 고가인 섬유 소재(601)의 사용량을 줄여 비용을 절감하고자 하였다.

한편, 도 4를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어, 전지셀 적층체(120)와 상부 프레임(400) 사이의 공간 또는 전지셀 적층체(120)와 하부 프레임(500) 사이의 공간 중 적어도 한 곳에 발포폼(700)이 주입될 수 있다. 보다 구체적으로는, 일부 전지셀(110)들, 제1 셀 프레임(210) 및 상부 프레임(400)에 의해 둘러 쌓인 공간에 발포폼(700)이 주입될 수 있다. 또한 일부 전지셀(110)들, 제2 셀 프레임(220) 및 하부 프레임(500)에 의해 둘러 쌓인 공간에 발포폼(700)이 주입될 수 있다. 이러한 발포폼(700)은 실리콘 소재를 포함할 수 있다. 이러한 발포폼(700)은 특정 압력까지 압축과 팽창을 반복하는 일종의 스프링과 같은 역할을 수행할 수 있다. 전지셀(110)들에 높은 스웰링이 발생할 경우, 압축과 팽창을 반복하는 발포폼(700)이 전지 모듈(100)에 구조적 유연성을 부여하여 전지셀(110)의 측면에 크랙 등의 손상이 발생하는 것을 방지하는데 도움이 될 수 있다.

도 19는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다.

도 7 및 도 19를 함께 참고하면, 앞서 설명한 실시예와 유사하게, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임(210’)과 제2 셀 프레임(220’) 각각에는 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈(210G, 220G)이 형성될 수 있다. 이 때, 본 실시예에서는 수용홈(210G, 220G)에 개방된 형태의 슬릿(210S, 220S)이 형성될 수 있다. 전지셀 그룹(110G)에서의 적어도 하나의 전지셀(110)이, 슬릿(210S, 220S)을 통해 냉각 튜브(310)의 굴곡부(310B) 접촉할 수 있다. 냉각 튜브(310)가 전지셀(110)들의 전지 본체(113)의 일면과 접촉하는 면 냉각 구조에 더해, 적어도 하나의 전지셀(110)이 추가적으로 굴곡부(310B)와 접촉할 수 있다. 즉, 슬릿(210S, 220S)을 통해 전지셀(110)이 냉각 튜브(310)와 접촉하는 면적을 확대하여 냉각 성능을 높일 수 있다.

본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.

앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.

상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.

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
110G: 전지셀 그룹
120: 전지셀 적층체
210: 제1 셀 프레임
220: 제2 셀 프레임
300: 히트 싱크
310: 냉각 튜브
310B: 굴곡부
400: 상부 프레임
500: 하부 프레임

Claims

적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지셀 그룹들이 제1 방향을 따라 적층되는 전지셀 적층체; 및
내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브를 포함하는 히트 싱크;를 포함하고
상기 전지셀 그룹 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀의 상부에 위치하는 제1 셀 프레임 또는 적어도 하나의 상기 전지셀의 하부에 위치하는 제2 셀 프레임을 더 포함하며,
상기 냉각 튜브는 굴곡진 형태의 적어도 하나의 굴곡부를 포함하고,
상기 굴곡부가 상기 전지셀 그룹의 상부 또는 하부를 감싸면서 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면을 커버하는 전지 모듈.
제1항에서
상기 굴곡부는 복수로 구성되고, 상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상부를 감싸고, 상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 하부를 감싸며, 상기 냉각 튜브는 지그재그 형태로 이어지는 전지 모듈.
제2항에서,
상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상기 제1 셀 프레임을 감싸고,
상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 상기 제2 셀 프레임을 감싸는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 전지셀 적층체의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임과 하부 프레임을 더 포함하는 전지 모듈.
제4항에서,
상기 제1 셀 프레임은, 상기 상부 프레임의 하측에서 상기 상부 프레임에 결합되고,
상기 제2 셀 프레임은, 상기 하부 프레임의 상측에서 상기 하부 프레임에 결합되는 전지 모듈.
제4항에서,
상기 전지셀 적층체와 상기 상부 프레임 사이의 공간 또는 상기 전지셀 적층체와 상기 하부 프레임 사이의 공간 중 적어도 한 곳에 발포폼이 주입되는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀이 안착되는 수용홈 및 상기 수용홈이 형성된 면의 반대면에 형성된 돌출부를 포함하는 전지 모듈.
제7항에서,
상기 전지셀 적층체의 상부와 하부 각각에 상부 프레임과 하부 프레임이 위치하고,
상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임 각각에는 상기 돌출부가 삽입되는 삽입홀이 형성된 전지 모듈.
제8항에서,
상기 상부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제1 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입되고,
상기 하부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제2 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입되는 전지 모듈.
제8항에서,
상기 삽입홀 중 적어도 하나는, 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향인 상기 제1 방향으로 상기 돌출부보다 넓은 개구폭을 가져, 상기 돌출부가 상기 제1 방향이나 그 반대 방향으로 이동 가능한 전지 모듈.
제8항에서,
상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 고정 파트 및 무빙 파트를 포함하고,
상기 무빙 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이, 상기 고정 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭보다 넓은 전지 모듈.
제11항에서,
상기 무빙 파트는 상기 제1 방향과 평행한 방향의 일 단부에 위치하는 전지 모듈.
제11항에서,
상기 무빙 파트는 복수로 구성되고,
상기 무빙 파트들은 상기 제1 방향과 평행한 방향의 양 단부에 각각 위치하고, 상기 고정 파트는 상기 무빙 파트들 사이에 위치하는 전지 모듈.
제11항에서,
상기 고정 파트에서, 상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임은, 각각 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임에 접착 부재를 통해 접착되는 전지 모듈
제8항에서,
상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 중앙부에서 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향의 반대 방향으로 갈수록 상기 삽입홀들의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이 점차 넓어지는 전지 모듈.
제7항에서,
상기 수용홈에 개방된 형태의 슬릿이 형성되고,
상기 전지셀 그룹에서의 적어도 하나의 상기 전지셀이, 상기 슬릿을 통해 상기 굴곡부와 접촉하는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 제1 방향에 따른 상기 전지셀 적층체의 양 측면에 위치하는 사이드 플레이트들을 더 포함하고,
상기 사이드 플레이트는 리프 스프링 형태인 전지 모듈.
제17항에서,
상기 사이드 플레이트는, 복수의 리프 스프링 부재가 높이 방향을 따라 간격을 띄고 배치되는 형태인 전지 모듈.
제17항에서,
상기 사이드 플레이트는 상기 전지셀 적층체가 위치한 방향으로 만입된 리프 스프링 형태인 전지 모듈.
제17항에서,
상기 사이드 플레이트는 복합 소재를 포함하고,
상기 복합 소재는 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 또는 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)인 전지 모듈.
제20항에서,
상기 복합 소재는, 섬유 소재, 레진 및 상기 섬유 소재 사이에 개재된 시트 소재를 포함하며,
상기 섬유 소재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하고,
상기 레진은 에폭시 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 시트 소재는 PET 또는 PU 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
제1항에서,
상기 히트 싱크는, 상기 냉각 튜브의 일 단부에 연결된 유입 매니포드 및 상기 냉각 튜브의 타 단부에 연결된 배출 매니포드를 포함하고,
상기 유입 매니포드에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 형성되며, 상기 배출 매니포드에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 형성되는 전지 모듈.
제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.