KR20240055681A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀들이 적층된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 포함하는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 내부로 냉매를 순환시키기 위한 인렛과 아웃렛을 포함한다. 상기 냉매가 상기 인렛을 통해 상기 모듈 프레임 내부로 유입되고, 상기 아웃렛을 통해 배출된다. 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 절연 플레이트가 배치되고, 상기 절연 플레이트에 상기 냉매가 통과하는 개구부가 형성된다.

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 냉각 효율 및 안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 이 경우, 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈들과 이러한 전지 모듈들이 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. 또한, 차량의 주행거리를 늘리기 위해 다수의 전지 모듈들을 집약적으로 배치하기 때문에 어느 하나의 전지 모듈에서 발생한 화염이나 열이 이웃한 전지 모듈로 쉽게 전파되어, 종국적으로 전지팩 자체의 발화나 폭발로 이어질 수 있다.
또한, 전지팩은 다수의 전지 모듈들이 조합된 구조로 이루어져 있어 무겁고, 다수의 전지를 자동차 등의 이동수단에 적재하기에 부적합하여 에너지 밀도를 향상시킬 필요가 있다.
도 1은 종래의 전지팩을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지팩에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지팩(10)은, 복수의 전지 모듈(1)이 장착되어 있는 하부 팩 프레임(11), 전지 모듈(1)의 상부에 위치하는 상부 팩 프레임(12) 및 전지팩(10) 내에서 전지 모듈(1)이 장착되는 위치를 구획하는 내부 빔(13)을 포함한다.
이와 같이, 전지팩(10) 내에 전지 모듈(1)이 장착되는 경우, 전지 모듈(1) 사이를 구획하는 내부 빔(13)으로 인해 전지팩(10)의 에너지 밀도가 감소하므로, 디바이스 등에서 필요한 효율을 충족시키기 위해서는 더 많은 수의 전지팩(10)을 구비해야 한다는 문제점이 있었다. 또한, 전지팩(10)의 무게로 인해 디바이스에 구비될 수 있는 전지팩(10)의 개수에 한계가 있었다. 따라서, 전지팩(10)의 경량화와 동시에 전지팩(10)의 에너지 밀도를 높이기 위해, 더 많은 수의 전지 모듈(1)을 전지팩(10) 내에 장착시켜야 할 필요성이 있었다.
도 3은 도 2의 전지팩에 포함된 전지 모듈들 중 하나의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참고하면, 종래의 전지 모듈(1)은 기설정된 방향으로 적층되는 전지셀(2)을 포함한 전지셀 적층체(3), 전지셀 적층체(3)를 수납하는 모듈 프레임(4)을 포함하고, 전지셀 적층체(3)는 모듈 프레임(4)의 하면에 위치하는 열전도성 수지층(5) 상에 고정되어 위치한다. 이 경우, 전지셀 적층체(3)에서 발생되는 열을 냉각하기 위해, 모듈 프레임(4)의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크(6)가 구비될 수 있다.
다만, 히트 싱크(6)는 전지셀 적층체(3)와 직접적으로 접하면서 열을 전달받는 것이 아니므로 냉각 효율이 별로 높지 않다는 단점이 있다. 특히, 모듈 프레임(4)의 바닥부와 열전도성 수지층(5) 사이에 에어갭(air gap)이 형성될 수 있고, 이는 열 전달에 방해가 되는 요인이다. 보다 효과적으로 전지 모듈(1)을 냉각해야 할 방법이 필요한 실정이다.
상기 내용들을 종합하면, 전지 모듈의 냉각 효율을 향상시키기 위한 보다 효과적인 방법이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 효율을 개선하여 냉각 성능이 향상된 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀들이 적층된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 포함하는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 내부로 냉매를 순환시키기 위한 인렛과 아웃렛을 포함한다. 상기 냉매가 상기 인렛을 통해 상기 모듈 프레임 내부로 유입되고, 상기 아웃렛을 통해 배출된다. 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 절연 플레이트가 배치되고, 상기 절연 플레이트에 상기 냉매가 통과하는 개구부가 형성된다.
상기 개구부는 상기 절연 플레이트의 중앙에 형성될 수 있다.
상기 절연 플레이트를 기준으로, 상기 인렛과 상기 아웃렛은 서로 반대편에 위치할 수 있다.
상기 인렛과 상기 절연 플레이트 사이에 상기 제1 전지셀 적층체가 위치할 수 있고, 상기 아웃렛과 상기 절연 플레이트 사이에 상기 제2 전지셀 적층체가 위치할 수 있다.
상기 인렛를 통해 유입된 상기 냉매는, 상기 제1 전지셀 적층체, 상기 절연 플레이트의 상기 개구부 및 상기 제2 전지셀 적층체를 차례로 통과하여, 상기 아웃렛을 통해 배출될 수 있다.
상기 인렛은 상기 전지셀 적층체의 높이를 기준으로 중심부보다 아래에 위치할 수 있고, 상기 아웃렛은 상기 전지셀 적층체의 높이를 기준으로 중심부보다 위에 위치할 수 있다.
상기 제1 전지셀 적층체나 상기 제2 전지셀 적층체에서의 상기 전지셀들이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체가 배치될 수 있다.
상기 절연 플레이트에 제1 관통홀 및 제2 관통홀이 형성될 수 있고, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이의 전기적 연결은 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀을 통해 이루어질 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 개방된 양 측을 각각 덮는 제1 실링 조립체와 제2 실링 조립체를 더 포함할 수 있다. 상기 인렛은 상기 제1 실링 조립체에 형성될 수 있고, 상기 아웃렛은 상기 제2 실링 조립체에 형성될 수 있다.
상기 인렛은 상기 제1 실링 조립체의 높이를 기준으로, 중심부보다 아래에 위치할 수 있고, 상기 아웃렛은 상기 제2 실링 조립체의 높이를 기준으로, 중심부보다 위에 위치할 수 있다.
상기 전지셀은 파우치형 전지셀이고, 양 방향으로 돌출된 전극 리드들을 포함할 수 있다. 상기 전극 리드들 사이의 방향을 길이 방향이라 했을 때, 상기 길이 방향을 따라 상기 제1 실링 조립체, 상기 제1 전지셀 적층체, 상기 절연 플레이트, 상기 제2 전지셀 적층체 및 상기 제2 실링 조립체가 차례로 위치할 수 있다.
상기 냉매는 절연유일 수 있다.
상기 냉매가 상기 모듈 프레임 내부에 수납되는 상기 전지셀 적층체와 직접 접촉할 수 있다.
상기 절연 플레이트는, 상기 절연 플레이트의 중앙에 형성된 상기 개구부의 주변을 상기 절연 플레이트가 둘러싸는 형태일 수 있다.
상기 개구부는, 상기 절연 플레이트의 일면 면적 대비 5% 이상 60% 이하의 면적을 갖도록 개구될 수 있다.
상기 절연 플레이트의 상변으로부터 상기 개구부의 상변까지의 길이는, 상기 절연 플레이트의 높이 방향에 따른 길이대비, 25% 이상, 49% 이하일 수 있다. 상기 절연 플레이트의 하변으로부터 상기 개구부의 하변까지의 길이는, 상기 절연 플레이트의 높이 방향에 따른 길이대비, 25% 이상, 49% 이하일 수 있다.
상기 절연 플레이트의 상변에서 상기 개구부의 상변까지의 영역 중 적어도 일부에, 상기 절연 플레이트의 상변으로부터 상기 개구부의 상변까지의 방향으로 갈수록 상기 절연 플레이트의 두께가 좁아지도록 경사면이 형성될 수 있다.
상기 절연 플레이트의 하변에서 상기 개구부의 하변까지의 영역 중 적어도 일부에, 상기 절연 플레이트의 하변으로부터 상기 개구부의 하변까지의 방향으로 갈수록 상기 절연 플레이트의 두께가 좁아지도록 경사면이 형성될 수 있다.
상기 절연 플레이트는, 상기 절연 플레이트의 높이 방향을 따라 이어지는 적어도 하나의 리브를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 제1 전지셀 적층체의 일면 상에 위치하는 제1 버스바 프레임 및 상기 제2 전지셀 적층체의 일면 상에 위치하는 제2 버스바 프레임을 더 포함할 수 있다. 상기 절연 플레이트는, 상기 제1 버스바 프레임 또는 상기 제2 버스바 프레임 중 적어도 하나에 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀에 대한 냉매의 직접 냉각을 통해 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩의 냉각 효율을 높일 수 있다.
또한, 전지 모듈 내에서 복수의 전지셀 적층체를 길이 방향을 따라 배치함으로써 에너지 밀도를 높일 수 있고, 복수의 전지셀 적층체 사이에 개구부가 형성된 절연 프레이트를 배치하여 냉매의 유동성을 개선할 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 전지팩을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지팩에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지팩에 포함된 전지 모듈들 중 하나의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 제1 및 제2 버스바 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 8은 도 6의 전지 모듈에 포함된 제1 전지셀 적층체와 제1 버스바 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 제1 전지셀 적층체와 제1 버스바 조립체에 대한 분해 사시도이다.
도 10은 도 6의 전지셀 적층체와 제1 및 제2 버스바 조립체에 사이드 플레이트를 더 배치한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 10의 전지셀 적층체에 포함된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 분리하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 12는, 도 10의 전지셀 적층체, 제1 및 제2 버스바 조립체 및 사이드 플레이트가 모듈 프레임 내 삽입되는 모습을 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 6의 A1을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 14는 도 6의 A2를 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 15는 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체 간의 전류 이동 경로를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 실링 조립체가 모듈 프레임의 일측에 장착되는 것을 나타내는 사시도이다.
도 17은 도 16의 제1 실링 조립체가 조립되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 18은 도 16의 제1 실링 조립체가 모듈 프레임의 일면에 장착되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 엔드 플레이트가 제1 실링 조립체에 장착되는 것을 나타내는 분해 사시도이다.
도 20은 도 19에서 제1 엔드 플레이트를 제외한 구성을 yz 평면 상에서 -x축 방향을 따라 바라본 도면이다.
도 21은 도 20의 절단선 B-B’를 따라 절단한 단면 중 A5에 해당하는 부분을 나타내는 단면도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 실링 조립체가 모듈 프레임의 타측에 장착되는 것을 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 엔드 플레이트가 제2 실링 조립체에 장착되는 것을 나타내는 분해 사시도이다.
도 24는 도 23에서 제2 엔드 플레이트를 제외한 구성을 yz 평면 상에서 x축 방향을 따라 바라본 도면이다.
도 25는 도 24의 절단선 C-C’를 따라 절단한 단면 중 A6에 해당하는 부분을 나타낸 단면도이다.
도 26은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제2 실링 조립체에 대한 분해 사시도이다.
도 27은 도 26을 yz 평면 상에서 -x축 방향을 따라 바라봤을 때의 도면이다.
도 28은 도 26의 제2 실링 조립체에 제2 엔드 플레이트가 결합한 것을 나타내는 도면이다.
도 29는, 도 11에서 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체 사이에 위치한 절연 플레이트를 확대하여 나타낸 부분 사시도이다.
도 30은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함된 절연 플레이트를 나타낸 부분 사시도이다.
도 31의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈의 단면과 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면을 나타낸 도면이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 33과 도 34는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 절연 플레이트를 나타낸 사시도와 정면도이다.
도 35는, 도 34의 절단선 D-D’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 36은, 도 35의 A7에 해당하는 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
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 참고 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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체와 제1 및 제2 버스바 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 7은 도 6의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 4 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함하는 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(200); 및 모듈 프레임(200)의 내부로 냉매(Coolant)를 순환시키기 위한 인렛과 아웃렛을 포함한다. 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)는 복수의 전지셀(110)들이 적층되어 형성된다. 상기 냉매, 상기 인렛과 상기 아웃렛에 대해서는 후술하도록 한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀이고 양 방향으로 돌출된 전극 리드(130)들을 포함할 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형의 시트 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(130)가 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 구체적으로 전극 리드(130)가 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있고, 이러한 전극 리드(130)들 중 하나는 양극 리드이고 다른 하나는 음극 리드일 수 있다. 본 실시예에서, 전지셀(110)의 양 방향으로 돌출된 전극 리드(130)들 사이의 방향을 전지셀(110)의 길이 방향이라 지칭한다. 일례로, 도 6 및 도 7을 참고하면, x축과 평행한 방향이 전지셀(110)의 길이 방향에 해당할 수 있다.
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 일측부는 폴딩부(115)로 이루어질 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)들은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 전지셀 적층체(120)는 제1 전지셀 적층체(120a) 및 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함한다. 특히, 전지셀(110)들이 직립한 채, 전지셀(110)의 전지 본체(113)의 일면끼리 마주하는 상태로, 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4 내지 도 7에 도시된 것처럼, 전지셀(110)의 전지 본체(113)의 일면이 모듈 프레임(200)의 측면부들과 평행하도록, 전지셀(110)이 직립한 채 모듈 프레임(200)의 측면부들 중 하나에서 다른 하나까지의 방향으로 적층될 수 있다. 일례로, y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)들이 적층된 모습이 도시되어 있다. 이와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)들이 적층될 경우, 한 전지셀(110)에서 전극 리드(130)들은 x축 방향과 -x축 방향을 따라 각각 돌출될 수 있다.
어느 한 영역에서 복수의 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 제1 전지셀 적층체(120a)를 형성하고, 다른 영역에서 복수의 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 제2 전지셀 적층체(120b)를 형성할 수 있다.
전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지 셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지 셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 형성할 수 있다.
한편, 제1 전지셀 적층체(120a)나 제2 전지셀 적층체(120b)에서의 전지셀(110)들이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)가 배치된다. 다르게 설명하면, 전지셀(110)을 기준으로 전극 리드(130)들이 돌출되는 방향을 따라 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)가 배치될 수 있다. 즉, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)는 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 배치된다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것처럼, 복수의 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 형성할 때, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)는 x축과 평행한 방향을 따라 위치할 수 있다.
모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 전지셀 적층체(120) 및 이와 연결된 전장품은 모듈 프레임(200)의 내부 공간에 수용될 수 있다.
모듈 프레임(200)의 구조는 다양할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈 프레임(200)의 구조는 모노 프레임의 구조일 수 있다. 여기서, 모노 프레임은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재의 형태일 수 있다. 모노 프레임은 압출 성형으로 제조될 수 있다.
다만, 모듈 프레임(200)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 실시예로, 모듈 프레임(200)은 U자형 프레임과 상부 플레이트가 결합된 구조일 수 있다. 이 경우, U자형 프레임은 하면 및 하면의 양 모서리로부터 상향 연장된 양 측면을 가질 수 있고, 상부 플레이트는 판상 형태일 수 있다. 이 때, U자형 프레임을 구성하는 각각의 프레임 또는 플레이트는 프레스 성형으로 제조될 수 있다. 또한, 모듈 프레임(200)의 구조는 모노 프레임 또는 U자형 프레임 외에 L형 프레임의 구조로 제공될 수도 있으며, 상술한 예에서 설명하지 않은 다양한 구조로 제공될 수도 있을 것이다.
모듈 프레임(200)은 양 측이 개방된 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 모듈 프레임(200)은 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 개방된 형태로 제공될 수 있다. 이 경우, 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 모듈 프레임(200)에 의해 가려지지 않을 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 후술하는 제1 및 제2 버스바 조립체(300a, 300b), 실링 조립체(400) 또는 엔드 플레이트(500) 등에 의해 가려질 수 있으며, 이를 통해 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 외부의 물리적 충격 등으로부터 보호될 수 있을 것이다.
전지 모듈(100)은, 제1 전지셀 적층체(120a)의 일측과 타측 각각에 위치하는 제1 버스바 조립체(300a)들과 제2 전지셀 적층체(120b)의 일측과 타측 각각에 위치하는 제2 버스바 조립체(300b)들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)들의 전극 리드(130)가 돌출되는 방향에 제1 버스바 조립체(300a)들이 위치할 수 있다. 또한, 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 전지셀(110)들의 전극 리드(130)가 돌출되는 방향에 제2 버스바 조립체(300b)들이 위치할 수 있다. 제1 버스바 조립체(300a)와 제2 버스바 조립체(300b)는 각각 버스바 프레임, 버스바 및 터미널 버스바를 포함할 수 있는데, 이에 대해서는 후술하도록 한다.
전지 모듈(100)은 실링 조립체(400)를 포함할 수 있다. 실링 조립체(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 모듈 프레임(200)의 개방된 일 측에 위치하는 실링 조립체(400)는 제1 실링 조립체(410)이고, 모듈 프레임(200)의 개방된 타 측에 위치하는 실링 조립체(400)는 제2 실링 조립체(450)일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측을 각각 덮는 제1 실링 조립체(410)와 제2 실링 조립체(450)를 더 포함할 수 있다.
실링 조립체(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측을 외부 환경과 분리할 수 있다. 구체적으로, 실링 조립체(400)는 후술하는 모듈 프레임(200) 내부로 냉매가 주입되는 경우, 상기 냉매가 외부로 누액되지 않도록 밀봉하는 역할을 수행할 수 있다.
엔드 플레이트(500)는 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측에 위치하여 실링 조립체(400)를 커버하도록 형성될 수 있다. 모듈 프레임(200)의 개방된 일 측에 위치하는 엔드 플레이트(500)는 제1 엔드 플레이트(510)이고, 모듈 프레임(200)의 개방된 타 측에 위치하는 엔드 플레이트(500)는 제2 엔드 플레이트(550)일 수 있다.
이러한 엔드 플레이트(500)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
이하에서는, 본 실시예의 전지 모듈(100)에 포함된 구성들에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 8은 도 6의 전지 모듈에 포함된 제1 전지셀 적층체와 제1 버스바 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 9는 도 8의 제1 전지셀 적층체와 제1 버스바 조립체에 대한 분해 사시도이다. 도 10은 도 6의 전지셀 적층체와 제1 및 제2 버스바 조립체에 사이드 플레이트를 더 배치한 모습을 나타낸 사시도이다. 도 11은 도 10의 전지셀 적층체에 포함된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 분리하여 나타낸 분해 사시도이다. 도 12는, 도 10의 전지셀 적층체, 제1 및 제2 버스바 조립체 및 사이드 플레이트가 모듈 프레임 내 삽입되는 모습을 나타낸 사시도이다.
도 6, 도 8 내지 도 12를 함께 참고하면, 상술한 것처럼, 전지셀 적층체(120)는, 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 배치되는 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 전지셀 적층체(120a)의 일측과 타측 각각에 제1 버스바 조립체(300a)들이 위치할 수 있고, 제2 전지셀 적층체(120b)의 일측과 타측 각각에 제2 버스바 조립체(300b)들이 위치할 수 있다.
이 때, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제1 버스바 조립체(300a)를 포괄하여 제1 서브 모듈(100a)이라 지칭할 수 있고, 제2 전지셀 적층체(120b)와 제2 버스바 조립체(300b)를 포괄하여 제2 서브 모듈(100b)이라 지칭할 수 있다. 구체적으로 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(200) 내부에 배치된 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)이 전기적으로 결합된 것일 수 있다.
먼저, 제1 서브 모듈(100a)은 제1 전지셀 적층체(120a)와 제1 버스바 조립체(300a)를 포함할 수 있다. 제1 전지셀 적층체(120a)의 일측과 타측 각각에 제1 버스바 조립체(300a)들이 위치할 수 있다. 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)들의 전극 리드(130)가 돌출되는 방향에 제1 버스바 조립체(300a)들이 위치할 수 있다. 또한, 제1 버스바 조립체(300a)들과 전기적으로 연결되는 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a, Flexible Printed Circuit Board, FPCB)이 구비될 수 있다.
제1 전지셀 적층체(120a)는 복수의 전지셀(110)들, 복수의 전지셀(110)들 사이에 위치하는 적어도 하나의 제1 쿨링 핀(210a) 및 전지셀(110)들 중 최외측에 위치하는 전지셀(110)의 일면에 구비되는 제1 압축 패드(250a)를 포함할 수 있다.
제1 쿨링 핀(210a)은 복수의 전지셀(110)들 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 쿨링 핀(210a)은 2개의 전지셀(110)들 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로, 하나의 제1 쿨링 핀(210a)과 인접한 다른 제1 쿨링 핀(210a)은, 2개의 전지셀(110)을 사이에 두고 위치할 수 있다.
제1 쿨링 핀(210a)은 전지셀(110)의 일측면과 접하는 제1 플레이트(211a)를 포함할 수 있다. 여기서 전지셀(110)의 일측면은, 전지셀(110)의 전지 본체(113, 도 7 참고)의 일면으로, 길이 방향(x축 방향)을 따라 연장되는 전지셀(110)의 일면일 수 있다.
제1 플레이트(211a)의 일면은, 제1 플레이트(211a)의 일면과 마주보는 전지셀(110)의 일측면과 접할 수 있다. 제1 플레이트(211a)의 타면은, 제1 플레이트(211a)의 타면과 마주보는 인접한 다른 전지셀(110)의 일면과 접할 수 있다. 이 경우, 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 전지셀(110)의 측면과 제1 플레이트(211a) 사이에는 접착 부재가 개재되어 있어, 전지셀(110)과 제1 플레이트(211a)는 접착 고정될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착 부재는 절연 테이프일 수 있다.
제1 플레이트(211a)의 상면(z축 방향)은 모듈 프레임(200)의 상면과 접촉할 수 있고, 제1 플레이트(211a)의 하면은 모듈 프레임(200)의 하면과 접촉할 수 있다. 이에 의해, 제1 쿨링 핀(210a)은 모듈 프레임(200) 내에서 고정되어 위치할 수 있고, 이에 의해 제1 쿨링 핀(210a)에 접착된 전지셀(110)도 모듈 프레임(200) 내에서 고정되어 위치할 수 있다.
제1 플레이트(211a)의 크기가 전지셀(110)의 크기보다 큰 경우, 전지셀(110)의 상부 및 하부는 모듈 프레임(200)의 상면 및 하면으로부터 일정한 간격을 가지면서 위치할 수 있다. 구체적으로, 제1 플레이트(211a)의 높이가 전지셀(110)의 높이보다 긴 경우, 전지셀(110)은 제1 플레이트(211a)의 중심부에 위치하면서 접착 고정될 수 있다. 이 경우, 전지셀(110)의 상부 및 하부는 모듈 프레임(200)의 상면 및 하면으로부터 일정한 간격을 가지면서 위치할 수 있다. 여기서 전지셀(110)과 제1 플레이트(211a)의 높이는 z축 방향의 길이를 의미한다.
제1 쿨링 핀(210a)은, 제1 플레이트(211a) 및 제1 플레이트(211a)의 일단부가 돌출된 제1 돌출부(213a)를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 쿨링 핀(210a)은 L 형상일 수 있다. 구체적으로, 도 9를 참고하면, 제1 쿨링 핀(210a)은 전지셀(110)의 일측면과 대응되거나 이보다 큰 면을 가지는 제1 플레이트(211a)와, 제1 플레이트(211a)의 일단부로부터 제1 전지셀 적층체(120a)의 적층 방향(y축 방향)과 평행하도록 돌출된 제1 돌출부(213a)를 포함할 수 있다.
제1 돌출부(213a)는 제1 플레이트(211a)와 수직한 방향으로 돌출된 일 영역으로, 모듈 프레임(200)의 상면 또는 하면 중 적어도 하나와 접할 수 있다. 구체적으로, 제1 돌출부(213a)의 일면은 전지셀(110)의 상면 또는 하면과 마주보며 위치할 수 있고, 제1 돌출부(213a)의 타면은 모듈 프레임(200)의 하면 또는 상면과 접할 수 있다.
예를 들어, 제1 돌출부(213a)의 일면은 전지셀(110)의 하면과 마주보면서 위치하고, 전지셀(110)의 상면 및 하면은 모듈 프레임(200)의 상면 및 하면으로부터 일정한 높이를 가지면서 제1 플레이트(211a)와 접착 고정되어 위치할 수 있다. 즉, 제1 돌출부(213a)의 일면과 전지셀(110)의 하면 사이 및 모듈 프레임(200)의 상면과 전지셀(110)의 상면 사이에는 일정한 공간이 구비될 수 있어, 후술하는 냉매가 이 사이들로 이동할 수 있다. 이 경우, 제1 돌출부(213a)의 일면과 전지셀(110)의 하면 사이의 거리는, 모듈 프레임(200)의 상면과 전지셀(110)의 상면 사이의 거리와 대응될 수 있다.
제1 돌출부(213a)의 타면은 모듈 프레임(200)의 바닥부와 접할 수 있다. 구체적으로, 제1 돌출부(213a)의 타면은 모듈 프레임(200)의 바닥부와 접하면서 접착 고정될 수 있고, 이에 의해 제1 쿨링 핀(210a)은 모듈 프레임(200) 내에서 고정되어 위치할 수 있다.
다만, 제1 쿨링 핀(210a)의 형상은 본 도면에 한정되는 것은 아니고, 평평한 판 형상일 수도 있으며, 전지셀(110)과 접하면서 전지셀(110)을 고정할 수 있다면 어떠한 형상이든 가능하다.
제1 쿨링 핀(210a)은 금속일 수 있다. 구체적으로, 제1 쿨링 핀(210a)은 열전도성이 높은 금속일 수 있다. 따라서, 제1 쿨링 핀(210a)는 전지의 충방전에 의해 전지셀(110)에서 발생하는 열을 직접적으로 전달받을 수 있다. 열이 발생하면, 전지셀(110)의 측면과 접하는 제1 쿨링 핀(210a)으로 열이 전달되면서 1차적으로 냉각되고, 후술하는 냉매가 전지셀(110)의 상부 및 하부와 직접 접촉하여 2차적으로 냉각이 수행될 수 있다. 이에 의해, 종래에 상대적으로 냉각이 용이하지 않았던 전지셀의 상부 및 하부 영역에 대하여도 직접적인 냉각이 가능하여, 냉각 효율이 향상될 수 있다.
제1 압축 패드(250a)는 제1 전지셀 적층체(120a)의 최외측에 위치할 수 있다. 이러한 제1 압축 패드(250a)는 충방전에 의해 전지셀(110)들이 스웰링되는 경우, 이를 흡수하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 제1 압축 패드(250a)는 전지셀(110)들이 스웰링되면서 모듈 프레임(200)의 측면부를 밀어냄으로써 전지셀(110)의 전지 케이스(114, 도 7 참고)가 깨지는 것을 방지하여, 전지 모듈(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
다만, 제1 압축 패드(250a)는 제1 전지셀 적층체(120a)의 최외측에만 위치하는 것으로 제한되지 않고, 제1 전지셀 적층체(120a)를 구성하는 전지셀(110)들의 사이에도 위치할 수 있다.
제1 버스바 조립체(300a)는 제1 버스바 프레임(310a) 및 제1 버스바 프레임(310a)에 장착되는 제1 버스바(330a)를 포함할 수 있다.
제1 버스바 프레임(310a)은 제1 전지셀 적층체(120a)의 일면 상에 위치하여, 제1 전지셀 적층체(120a)의 일면을 커버함과 동시에 제1 전지셀 적층체(120a)와 외부 기기와의 연결을 안내하기 위한 것일 수 있다. 제1 버스바 프레임(310a)은 제1 전지셀 적층체(120a)의 일면과 타면 상에 위치할 수 있다.
제1 버스바 프레임(310a)에는 제1 버스바(330a)가 장착될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 제1 버스바 프레임(310a)의 내면은 제1 전지셀 적층체(120a)와 마주할 수 있고, 제1 버스바 프레임(310a)의 외면에는 제1 버스바(330a)가 장착될 수 있다.
제1 버스바 프레임(310a)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 제1 버스바 프레임(310a)은, 제1 버스바(330a)가 전극 리드(미도시)와 접합된 부분 외에 전지셀(110)들의 다른 부분과 접촉하는 것을 제한할 수 있으며, 전기적 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
제1 버스바(330a)는 제1 버스바 프레임(310a)의 외면 상에 장착되고, 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하고, 제1 전지셀 적층체(120a)와 외부 기기 회로를 전기적으로 연결하기 위한 것일 수 있다. 제1 버스바(330a)는 제1 버스바 프레임(310a) 상에 위치하고, 이러한 제1 버스바 조립체(300a)는 후술하는 실링 조립체(400) 및 엔드 플레이트(500)로부터 커버되므로, 외부의 충격 등으로부터 보호될 수 있고, 외부의 수분 등에 의한 내구성 저하가 최소화될 수 있다.
제1 버스바(330a)는 전지셀(110)의 전극 리드(130)를 통해 제1 전지셀 적층체(120a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로 전지셀(110)의 전극 리드(130)는 제1 버스바 프레임(310a)에 형성된 슬릿을 통과한 후 구부러져 제1 버스바(330a)와 연결될 수 있다. 제1 버스바(330a)에 의해 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)들이 전기적 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 전극 리드(130)와 제1 버스바(330a) 간의 연결 방식에 특별한 제한은 없고, 일례로 용접 접합이 적용될 수 있다.
제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)은 전지셀(110)들의 길이 방향으로 연장되고 장착되어 전지셀(110)을 센싱하도록 구성된다. 즉, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)은 제1 전지셀 적층체(120a)의 상면에 위치하면서 전지셀(110)들의 전압 데이터나 열적 데이터를 센싱한다. 특히, 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)은 일 단부에서 제1 버스바 프레임(310a)을 향해 굴곡되면서 제1 버스바(330a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 각 전지셀(110)들의 전압 데이터를 센싱하고, 이를 외부로 전달할 수 있다.
제2 서브 모듈(100b)는 제2 전지셀 적층체(120b)와 제2 버스바 조립체(300b)를 포함할 수 있고, 제2 버스바 조립체(300b)는 제2 버스바 프레임(310b) 및 제2 버스바(330b)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 버스바 조립체(300b)들을 연결하는 제2 연성 인쇄 회로 기판(350b)이 구비될 수 있다.
제2 버스바 프레임(310b)은 제2 전지셀 적층체(120b)의 일면 상에 위치하여, 제2 전지셀 적층체(120b)의 일면을 커버함과 동시에 제2 전지셀 적층체(120b)와 외부 기기와의 연결을 안내하기 위한 것일 수 있다. 제2 버스바 프레임(310b)은 제2 전지셀 적층체(120b)의 일면과 타면 상에 위치할 수 있다.
제2 서브 모듈(100b)에 포함되는 상기 구성요소들은, 앞서 설명한 제1 서브 모듈(100a)에 포함되는 구성요소들과 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있다. 따라서, 설명의 중복을 피하기 위해, 제2 서브 모듈(100b)에 포함되는 상기 구성요소들에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상술한 것처럼, 전지 모듈(100) 내에서, 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)을 갖는 트윈 모델의 전지 모듈에 해당한다.
도 6 및 도 10 내지 도 12를 참고하면, 본 실시예에서, 제1 전지셀 적층체(120a)의 타측에 위치한 제1 버스바 조립체(300a)와 제2 전지셀 적층체(120b)의 일측에 위치한 제2 버스바 조립체(300b)가 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 도 11을 참고하면, 제1 버스바 조립체(300a)와 제2 버스바 조립체(300b)는 연결 케이블(380)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 연결 케이블(380)에 대해서는, 도 13에서 보다 자세히 후술하도록 한다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)의 양 측면에는 사이드 플레이트(210)가 구비될 수 있다.
사이드 플레이트(210)는 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 연장된 판일 수 있다. 구체적으로, 사이드 플레이트(210)의 길이는, 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)의 길이의 합과 대응될 수 있다.
사이드 플레이트(210)는 제1 서브 모듈(100a)에 포함된 전지셀(110)들 중 최외측에 위치한 전지셀(110) 및 제2 서브 모듈(100b)에 포함된 전지셀(110)들 중 최외측에 위치한 전지셀(110)과 마주보면서 위치할 수 있다. 또는, 사이드 플레이트(210)는 제1 서브 모듈(100a)에 포함된 제1 압축 패드(250a) 및 제2 서브 모듈(100b)에 포함된 제2 압축 패드(250b)와 마주보면서 위치할 수 있다.
사이드 플레이트(210)는 강성을 가지는 금속일 수 있다. 사이드 플레이트(210)는 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)이 모듈 프레임(200) 내로 삽입 장착될 때, 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)의 최외측 전지셀(110)이나 압축 패드(250a, 250b)를 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 본 실시예의 전지 모듈(100)은 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 갖는 트윈 모델로써, 전지셀 적층체(120)가 일반적인 전지셀 적층체보다 길기 때문에, 모듈 프레임(200)에 삽입하여 조립하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 이 경우, 도 10 내지 도 12에 도시된 것처럼, 사이드 플레이트(210)는, 전지셀 적층체(120)가 모듈 프레임(200)에 삽입되는 것을 가이드하여, 전지셀(110)들 및 압축 패드(250a, 250b)의 손상 없이 손쉽게 전지 모듈을 조립할 수 있도록 할 수 있다.
도 13은 도 6의 A1을 확대하여 나타낸 부분 도면이고, 도 14는 도 6의 A2를 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 6, 도 11 및 도 13을 참고하면, 제1 서브 모듈(100a)과 제2 서브 모듈(100b) 사이에는 연결 케이블(380)이 구비되어, 이로 인해 제1 서브 모듈(100a)과 제2 서브 모듈(100b)이 전기적으로 연결될 수 있다. 연결 케이블(380)은 연성 평판 케이블(Flexible Flat Cable; FFC)일 수 있다.
연결 케이블(380)은 제1 서브 모듈(100a)에 위치한 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)과, 제2 서브 모듈(100b)에 위치한 제2 연성 인쇄 회로 기판(350b)을 연결할 수 있다. 제1 전지셀 적층체(120a)에 대한 전압 데이터나 열적 데이터와 제2 전지셀 적층체(120b)에 대한 전압 데이터나 열적 데이터가 모두 함께 전지 모듈(100)의 외부의 BMS(Battery Management System)에 전달될 수 있다. 즉, 제1 서브 모듈(100a)과 제2 서브 모듈(100b) 간의 LV(low voltage) 연결이 연결 케이블(380)에 의해 이루어질 수 있다. 여기서 LV 연결은 전지셀의 전압 등을 감지하고 제어하기 위한 센싱 연결을 의미할 수 있다.
또한, 상기와 같이, 연결 케이블(380)을 통해 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)과 제2 연성 인쇄 회로 기판(350b)을 연결함으로써, 전체적인 전지 모듈(100)의 높이가 축소되어 배터리 자체의 에너지 밀도가 증가될 수 있다. 또한, 전지 모듈(100)의 설치 공간을 확보할 수 있으며, 자동차와 같은 디바이스에 전지 모듈(100)을 설치하는 경우 주행 성능 및 연비를 향상시킬 수 있다.
도 14를 참고하면, 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)은 전극 리드(130)가 서로 연결됨으로써 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 전지셀 적층체(120a)에 포함된 전지셀(110)들 중 적어도 하나의 전극 리드(130a)와 제2 전지셀 적층체(120b)에 포함된 전지셀(110)들 중 적어도 하나의 전극 리드(130b)가 서로 중첩되면서 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 두 전극 리드(130a, 130b)들은 연결 버스바(330)와 함께 접하면서 전기적으로 연결될 수 있다. 두 전극 리드(130a, 130b)들과 연결 버스바(330)가 서로 용접 접합되어 전기적으로 연결될 수 있다.
연결 버스바(330)와 연결되는 상기 두 전극 리드(130a, 130b)들은 각각 제1 전지셀 적층체(120a)에서의 최외측 전지셀(110)과 제2 전지셀 적층체(120b)에서의 최외측 전지셀(110)로부터 돌출된 전극 리드들일 수 있다. 도 6 및 도 14를 참고하면, 두 전극 리드(130a, 130b)와 연결 버스바(330)의 연결 형태는, 일 영역에만 형성된 것으로 도시하고 있으나, 전지셀(110)의 적층 방향을 기준으로 그 반대 영역에도 동일한 연결 형태가 마련될 수 있다. 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 간의 전기적 연결 관계 및 전류의 이동 경로에 대해 이하에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 15는 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체 간의 전류 이동 경로를 나타내는 도면이다.
도 15를 참고하면, 전기적으로 연결된 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)에 있어서, x축 방향에 대해 일단부라고 정의하고, -x축 방향에 대해 타단부라고 정의하며, 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)이 전기적으로 연결되는 영역을 연결 영역(A3)이라고 정의할 수 있다. 이하에서는, 상기 일단부, 타단부 및 연결 영역(A3)에서의 전극 리드의 연결 구조와 전류의 흐름에 대해 자세히 설명한다. 특히, 설명의 편의를 위해 제1 서브 모듈(100a)에 포함되는 전극 리드를 제1 전극 리드라고 지칭하고, 제2 서브 모듈(100b)에 포함되는 전극 리드를 제2 전극 리드라고 지칭한다.
제1 서브 모듈(100a)의 일단부에 위치하는 제1 최외측 전극 리드(130a1) 및 이와 인접하게 위치하는 제1 전극 리드(130a6)는, 외부와 전기적으로 연결되어 제1 서브 모듈(100a) 및 제2 서브 모듈(100b)에 전류를 공급할 수 있다. 이 경우, 전류는 외부로부터 제1 서브 모듈(100a)로 공급되지만, 연결 영역(A3)에서 제1 전극 리드(130a)와 제2 전극 리드(130b)가 전기적으로 연결되므로, 전류는 제2 서브 모듈(100b)에도 흐를 수 있다.
연결 영역(A3)에서, 제1 서브 모듈(100a)의 제1 전지셀 적층체(120a)의 최외측에 위치하는 제1 전극 리드(130a)와, 제2 서브 모듈(100b)의 제2 전지셀 적층체(120b)의 최외측에 위치하는 제2 전극 리드(130b)는 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 서브 모듈(100a)의 타단부에 위치한 최외측 제1 전극 리드(130a2, 130a3)는, 제2 서브 모듈(100b)의 일단부에 위치한 최외측 제2 전극 리드(130b1, 130b5)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이 경우, 최외측 제1 전극 리드(130a2, 130a3) 및 최외측 제2 전극 리드(130b1, 130b5)를 제외한 전극 리드들은 각각 인접한 전극 리드들과 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 서브 모듈(100a)의 타단부에서, 최외측 제1 전극 리드(130a2, 130a3)를 제외한 제1 전극 리드들은, 인접한 제1 전극 리드들과 쌍을 이루면서 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 서브 모듈(100b)의 일단부에서도, 이와 마찬가지로, 최외측 제2 전극 리드(130b1, 130b5)를 제외한 제2 전극 리드들은, 인접한 제2 전극 리드들과 쌍을 이루면서 전기적으로 연결될 수 있다.
연결 영역(A3)을 제외한 제1 서브 모듈(100a)의 일단부에서는, 외부의 전원과 전기적으로 연결된 제1 최외측 전극 리드(130a1) 및 이와 인접한 제1 전극 리드(130a6)을 제외한 나머지 제1 전극 리드들은, 인접한 제1 전극 리드들과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예로, 인접한 제1 전극 리드들은 쌍을 이루어 전기적으로 연결될 수 있다.
연결 영역(A3)을 제외한 제2 서브 모듈(100b)의 타단부에서는, 인접한 제2 전극 리드들과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예로, 인접한 제2 전극 리드들은 쌍을 이루어 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서는, 제2 서브 모듈(100b)의 제2 최외측 전극 리드(130b2, 130b4)들도 이와 인접한 제2 전극 리드들과 쌍을 이루면서 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 전극 리드(130a, 130b)들의 전기적 연결이 형성된 경우, 전류는 이러한 전극 리드(130a, 130b)들의 전기적 연결을 따라 이동할 수 있다.
즉, 본 도면에서의 화살표는 전류의 흐름을 의미하는 것으로, 전류의 흐름은 본 도면에서 설명하는 바과 같이 한정되는 것은 아니고, 통상의 기술자가 전극 리드의 전기적 연결을 변경하여 용이하게 전류의 흐름을 변경한다면 어떠한 것이든 가능하다.
본 실시예에서는, 하나의 전지 모듈(100) 내에 길이 방향을 따라 배치된 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 배치하여 트윈 모델의 전지 모듈(100)을 형성하였다. 전지셀 적층체가 하나 포함되는 싱글 모델의 전지 모듈 2개와 비교하여 본 실시예의 트윈 모델의 전지 모듈은, 길이 방향으로의 필요 공간을 크게 줄일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 부품 수 절감이 가능하고, 요구되는 공간이 줄어든 만큼 에너지 밀도이나 공간 활용성을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 전지 모듈 내부에 냉매를 순환시키는 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4, 도 5 및 도 11을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(200)의 내부로 냉매를 순환시키기 위한 인렛(421)과 아웃렛(461)을 포함한다. 상기 냉매는 인렛(421)을 통해 모듈 프레임(200) 내부로 유입된 후, 아웃렛(461)을 통해 전지 모듈(100)의 외부로 배출된다.
상기 냉매는, 모듈 프레임(200) 내부에 수납된 전지셀 적층체(120), 제1 및 제2 버스바 조립체(300a, 300b) 및 기타 전장품들과 직접적으로 접촉하면서, 이들로부터 발생된 열을 전달받을 수 있다.
상기 냉매는 유체일 수 있다. 다만, 전지 모듈(100) 내에서 상기 냉매가 전지셀 적층체(120), 제1 및 제2 버스바 조립체(300a, 300b) 및 기타 전장품들과 직접적으로 접촉하므로, 상기 냉매는 전기적으로 절연되어야 할 필요가 있다. 따라서, 상기 냉매는 절연성을 가지는 소재일 수 있다. 일 예로, 냉매는 절연유일 수 있다.
즉, 본 실시예의 경우, 냉매가 전지 모듈(100) 내에서 발열하는 전지셀 적층체(120), 제1 및 제2 버스바 조립체(300a, 300b) 및 기타 전장품들에 직접적으로 접촉하여 열을 전달받으면서, 직접적으로 이들을 냉각할 수 있다. 따라서, 종래의 전지 모듈(1, 도 3 참고)에서 히트 싱크(6) 등을 이용해 간접적으로 전지 모듈(1)을 냉각하는 것에 비해, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 직접 냉각을 통해 냉각 효율이 향상될 수 있고, 이로 인해 전지의 수명이 연장될 수 있다.
이 때, 본 실시예에서, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 절연 플레이트(700)가 배치되고, 절연 플레이트(700)에 상기 냉매가 통과하는 개구부(700H)가 형성된다. 일례로, 개구부(700H)는 절연 플레이트(700)의 중앙에 형성될 수 있고, 보다 구체적으로 개구부(700H)는 상변과 하변이 양 측변보다 긴 직사각형 형태로 개구될 수 있다. 즉, 개구부(700H)는 전지셀(110)들이 적층되는 방향을 따라 길게 이어지도록 개구될 수 있다.
절연 플레이트(700)는 전기적 절연성을 갖는 소재를 포함할 수 있다. 일례로, 절연 플레이트(700)는 플라스틱 사출물일 수 있다.
보다 구체적으로, 절연 플레이트(700)를 기준으로, 인렛(421)과 아웃렛(461)은 서로 반대편에 위치할 수 있다. 인렛(421)과 절연 플레이트(700) 사이에 제1 전지셀 적층체(120a)가 위치할 수 있고, 아웃렛(461)과 절연 플레이트(700) 사이에 제2 전지셀 적층체(120b)가 위치할 수 있다.
인렛(421)를 통해 유입된 상기 냉매는, 제1 전지셀 적층체(120a), 절연 플레이트(700)의 개구부(700H) 및 제2 전지셀 적층체(120b)를 차례로 통과하여, 아웃렛(461)을 통해 배출될 수 있다.
하나의 모듈 프레임(200) 내부에 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)가 모두 포함되다 보니, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 간의 접촉이나 제1 전지셀 적층체(120a)의 타측에 위치한 제1 버스바 조립체(300a)와 제2 전지셀 적층체(120b)의 일측에 위치한 제2 버스바 조립체(300b)간의 접촉으로 인해 쇼트가 발생할 위험이 있다.
또한, 상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함하여 길이 방향을 따라 연장된 형태를 갖는다. 모듈 프레임(200) 내부에서 상기 냉매가 순환할 때, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에서 상기 냉매의 흐름이 정체되는 구간이 발생할 수 있다.
이에 본 실시예에서는, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 전기적 절연성을 갖는 절연 플레이트(700)를 배치하였다. 절연 플레이트(700)를 이용해, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이, 또는 제1 버스바 조립체(300a)와 제2 버스바 조립체(300b) 사이에서의 전기적 절연성 및 연면거리를 확보하고자 하였다.
또한, 절연 플레이트(700)의 중앙에 상기 냉매가 통과하는 개구부(700H)가 형성되도록 절연 플레이트(700)를 설계함으로써, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 공간에서 상기 냉매의 흐름 정체가 발생하지 않도록 하였다. 즉, 냉매의 흐름성을 확보해 냉각 성능을 높이고자 하였다.
한편, 위에서 도 13 내지 도 15와 함께, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 전기적 연결 형태, 예를 들어 연결 영역(A3)에서 최외측 제1 전극 리드(130a2, 130a3) 및 최외측 제2 전극 리드(130b1, 130b5) 간의 전기적 연결 및 연결 케이블(380)에 의한 LV 연결에 대해 설명하였다. 도 11을 도 13 내지 도 15와 함께 참고하면, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 이러한 전기적 연결은, 절연 플레이트(700)에 형성된 제1 및 제2 관통홀(700H1, 700H2)들을 통해 이루어질 수 있다.
구체적으로, 제1 전지셀 적층체(120a)에서의 최외측 제1 전극 리드(130a2)와 제2 전지셀 적층체(120b)에서의 최외측 제2 전극 리드(130b1)가 절연 플레이트(700)에 형성된 제1 관통홀(700H1)들 중 하나를 통과해 서로 연결될 수 있다. 다음, 제1 전지셀 적층체(120a)에서의 최외측 제1 전극 리드(130a3)와 제2 전지셀 적층체(120b)에서의 최외측 제2 전극 리드(130b5)가 절연 플레이트(700)에 형성된 제1 관통홀(700H1)들 중 다른 하나를 통과해 서로 연결 수 있다. 제1 관통홀(700H1)들은, 최외측 제1 전극 리드(130a2, 130a3)와 최외측 제2 전극 리드(130b1, 130b5)가 간신히 통과할 정도의 크기로만 개구되는 것이 바람직하다.
제1 서브 모듈(100a)에 위치한 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)과 제2 서브 모듈(100b)에 위치한 제2 연성 인쇄 회로 기판(350b)을 연결하는 연결 케이블(380)은, 절연 플레이트(700)에 형성된 제2 관통홀(700H2)을 통과할 수 있다. 제2 관통홀(700H2)들은, 연결 케이블(380)이 간신히 통과할 정도의 크기로만 개구되는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에 따른 개구부(700H)는, 절연 플레이트(700)의 일면의 면적 대비 5% 이상 60% 이하의 면적을 갖도록 개구될 수 있다. 여기서 절연 플레이트(700)의 일면의 면적은 제1 및 제2 관통홀(700H1, 700H2)의 개구 면적으로 포함한 면적일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 관통홀(700H1, 700H2)가 막힌 것을 가정했을 때, 절연 플레이트(700)의 일면이 갖는 면적이 상기 비율의 기준이 될 수 있다.
만일 개구부(700H)의 면적이 절연 플레이트(700)의 일면의 면적 대비 5% 미만일 경우, 상기 냉매가 통과하는 영역이 너무 협소하여 상기 냉매의 흐름의 방해가 될 수 있다. 또한, 개구부(700H)의 면적이 절연 플레이트(700)의 일면의 면적 대비 60% 초과일 경우, 개구부(700H)의 면적이 너무 크기 때문에 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 공간에서 상기 냉매의 흐름 정체를 해소하지 못 하며, 제1 서브 모듈(100a)과 제2 서브 모듈(100b) 간의 쇼트가 발생할 위험이 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 인렛(421)과 아웃렛(461)이 형성된 구체적인 위치에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 실링 조립체가 모듈 프레임의 일측에 장착되는 것을 나타내는 사시도이다.
도 4 내지 도 7 및 도 16을 참고하면, 앞서 설명한 것처럼, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측을 각각 덮는 제1 실링 조립체(410)와 제2 실링 조립체(450)를 포함할 수 있다. 인렛(421)은 제1 실링 조립체(410)에 형성될 수 있고, 아웃렛(461)은 제2 실링 조립체(450)에 형성될 수 있다.
상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은, 파우치형 전지셀이고, 양 방향으로 돌출된 전극 리드(130)들을 포함할 수 있다. 양 방향으로 돌출된 전극 리드(130)들 사이의 방향을 전지셀(110)의 길이 방향이라 할 수 있다. x축과 평행한 방향이 전지셀(110)의 길이 방향에 해당할 수 있다. 이러한 길이 방향을 따라, 제1 실링 조립체(410), 제1 전지셀 적층체(120a), 절연 플레이트(700), 제2 전지셀 적층체(120b) 및 제2 실링 조립체(450)가 차례로 위치할 수 있다. 즉, 제1 실링 조립체(410)에 형성된 인렛(421)를 통해 유입된 상기 냉매는, 제1 전지셀 적층체(120a), 절연 플레이트(700)의 개구부(700H) 및 제2 전지셀 적층체(120b)를 차례로 통과하여, 제2 실링 조립체(450)에 형성된 아웃렛(461)을 통해 배출될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 전지셀 적층체와 전기적으로 연결된 제1 버스바 조립체(300a)는 모듈 프레임(200)의 개방된 일면에 위치할 수 있고, 제1 실링 조립체(410)는 제1 버스바 조립체(300a)를 덮으면서 장착될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 실링 조립체(410)는 제1 전지셀 적층체(120a)의 일측에 위치한 제1 버스바 조립체(300a)를 덮을 수 있다.
제1 실링 조립체(410)는 모듈 프레임(200)의 개방된 일면을 커버하는 판인 제1 실링 커버(420), 제1 실링 커버(420)에 형성된 홀인 인렛(421) 및 제1 실링 커버(420)의 일 영역에 장착되는 모듈 커넥터(430)를 포함할 수 있다.
제1 실링 커버(420)는 모듈 프레임(200)의 개방된 일면을 커버하는 판으로, 모듈 프레임(200)의 개방된 일면의 크기와 대응되는 크기를 가질 수 있다. 즉, 제1 실링 커버(420)는 모듈 프레임(200)의 개방된 일면을 덮으면서, 모듈 프레임(200)에 장착될 수 있다. 일 예로, 제1 실링 커버(420)는 모듈 프레임(200)과 끼움 결합될 수 있다.
인렛(421)은 제1 실링 커버(420)의 일 영역에 형성된 홀일 수 있다. 인렛(421)은 제1 실링 커버(420)의 외면(x축 방향)으로 돌출된 형태의 홀일 수 있다. 즉, 인렛(421)은 모듈 프레임(200)이 위치한 방향과 반대 방향으로 돌출된 형태의 홀일 수 있다. 돌출된 형태의 인렛(421)은 후술하는 제1 엔드 플레이트(510)에 형성된 인렛 개구부(540)를 관통할 수 있다.
인렛(421)은 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 아래에 위치할 수 있다. 인렛(421)은, 제1 실링 조립체(410)의 하단부에 가깝게 위치할 수 있다. 구체적으로, 인렛(421)은 제1 실링 조립체(410)의 높이를 기준으로 중심부보다 아래에 위치할 수 있다. 여기서 전지셀 적층체(120)나 제1 실링 조립체(410)의 높이는, 도면상 z축 방향의 길이를 의미한다.
모듈 커넥터(430)는 전지셀의 과전압, 과전류, 과발열 등의 현상을 검출하고, 이를 제어하는 것일 수 있다. 모듈 커넥터(430)는 LV(Low voltage) 연결을 위한 것으로, 모듈 커넥터(430)를 통해 전지셀의 전압 정보 및 온도 정보가 외부 BMS(Battery Management System)에 전달될 수 있다.
모듈 커넥터(430)는 제1 실링 커버(420)에 장착될 수 있다. 이 때, 모듈 커넥터(430)는 결합 부재(440)를 통해 제1 실링 커버(420)와 결합되어 장착될 수 있다. 모듈 커넥터(430)의 적어도 일부는 후술하는 제1 엔드 플레이트(510)의 외부로 노출될 수 있으며, 제1 엔드 플레이트(510)에는 이를 위한 모듈 커넥터 개구부(530)가 구비될 수 있다.
제1 실링 커버(420)에는 터미널 버스바(340)가 구비될 수 있다. 터미널 버스바(340)는 제1 터미널 버스바(341) 및 제2 터미널 버스바(343)를 포함할 수 있고, 제1 터미널 버스바(341)와 제2 터미널 버스바(343)은 극성이 서로 다를 수 있다.
터미널 버스바(340)는 버스바 또는 전극 리드와 전기적으로 연결되어, 하나의 전지 모듈(100)을 다른 전지 모듈(100)과 전기적으로 연결하기 위한 것일 수 있다. 제1 터미널 버스바(341)와 제2 터미널 버스바(343)는, 제1 서브 모듈(100a)의 일단부에 위치하는 제1 최외측 전극 리드(130a1, 도 15 참조) 및 이와 인접하게 위치하는 제1 전극 리드(130a6, 도 15 참조)와 각각 연결될 수 있다. 하나의 전지 모듈(100)을 외부의 다른 전지 모듈(100)과 연결하기 위해, 터미널 버스바(340)의 적어도 일부는 후술하는 엔드 플레이트(510)의 외부로 노출될 수 있으며, 엔드 플레이트(500)에는 이를 위한 터미널 버스바 개구부(520)가 구비될 수 있다.
터미널 버스바(340)는 제1 실링 커버(420)의 외면으로 돌출된 돌출부를 더 포함할 수 있다. 상기 돌출부는 후술하는 터미널 버스바 개구부(520)를 통해 전지 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다. 터미널 버스바(340)는 터미널 버스바 개구부(520)를 통해 노출된 돌출부를 통해 다른 전지 모듈(100)이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 연결될 수 있으며, 이들과 HV(High voltage) 연결을 형성할 수 있다.
도 17은 도 16의 제1 실링 조립체가 조립되는 과정을 나타내는 도면이다. 도 17의 (a)는 제1 실링 커버에 모듈 커넥터가 결합되는 것을 나타내는 도면이다. 도 17의 (b)는 제1 실링 커버에 센싱 유닛이 결합되는 것을 나타내는 도면이다. 도 17의 (c)는 제1 실링 커버에 모듈 커넥터와 센싱 유닛이 모두 결합된 것을 나타내는 도면이다.
도 17의 (a), (b), (c)를 참고하면, 제1 실링 조립체(410)의 일면에는 모듈 커넥터(430)가 장착되고, 제1 실링 조립체(410)의 타면에는 센싱 유닛(360)이 장착되어, 모듈 커넥터(430)와 센싱 유닛(360)이 서로 전기적으로 연결될 수 있다
제1 실링 커버(420)의 일면에 모듈 커넥터(430)가 장착될 수 있다. 구체적으로, 모듈 커넥터(430)는 제1 실링 커버(420)의 외면(420a)에 장착될 수 있다. 제1 실링 커버(420)의 외면(420a)은 후술하는 제1 엔드 플레이트(510, 도 19 참고)와 마주보는 면으로, 모듈 프레임(200, 도 16 참고)과 마주하는 면의 반대면일 수 있다.
도 17의 (a)를 참고하면, 모듈 커넥터(430)는 제1 실링 커버(420)의 외면(420a)의 일 영역인 제4 영역(A4)에 장착되어 위치할 수 있다. 제4 영역(A4)은 모듈 커넥터(430)의 크기와 대응되는 일 영역으로, 제4 영역(A4)의 중앙부에는 제1 실링 커버(420)를 관통하는 홀이 구비되고, 제4 영역(A4)의 꼭지점에는 결합 부재(440)가 장착될 수 있는 홈이 구비될 수 있다. 이 경우, 모듈 커넥터(430)의 꼭지점에는 결합 부재(440)가 구비될 수 있고, 결합 부재(440)는 제4 영역(A4)의 홈과 대응되는 영역에 위치할 수 있다. 따라서, 결합 부재(440)는 제4 영역(A4)의 홈과 결합될 수 있고, 이에 의해 모듈 커넥터(430)는 제4 영역(A4)에 장착될 수 있다.
결합 부재(440)는 모듈 커넥터(430)를 제4 영역(A4)에 결합 및 고정시키는 것이라면 어느 것이든 가능하며, 일 예로 볼트와 너트 또는 리벳 등일 수 있다.
도 17의 (b) 및 (c)를 참고하면, 제1 실링 커버(420)의 일면에는 센싱 유닛(360)이 장착될 수 있다. 구체적으로, 센싱 유닛(360)은 제1 실링 커버(420)의 내면(420b)에 장착될 수 있다. 제1 실링 커버(420)의 내면(420b)은 모듈 프레임(200, 도 16 참고)과 마주보는 면으로, 후술하는 엔드 플레이트(510, 도 19 참고)와 마주보는 면의 반대면일 수 있다.
센싱 유닛(360)은 센싱 인쇄 회로 기판(361) 및 센싱 인쇄 회로 기판(361)과 전기적으로 연결된 센싱 케이블(363)을 포함할 수 있다. 센싱 인쇄 회로 기판(361)은 모듈 커넥터(430)와 전기적으로 연결될 수 있다. 센싱 인쇄 회로 기판(361)은 모듈 커넥터(430)와 대응되는 일 영역에 위치할 수 있다. 구체적으로, 센싱 인쇄 회로 기판(361)은 제4 영역(A4)에 위치할 수 있다. 센싱 인쇄 회로 기판(361)은 제4 영역(A4)의 홀을 통해 모듈 커넥터(430)와 전기적으로 연결되면서 위치할 수 있다.
센싱 케이블(363)은 센싱 인쇄 회로 기판(361)과 전기적으로 연결된 케이블로, 케이블 연결부(363a) 및 케이블 연장부(363b)를 포함할 수 있다.
케이블 연결부(363a)는, 센싱 인쇄 회로 기판(361)과 연결되고 제1 실링 커버(420)의 내면(420b)과 접하면서 위치할 수 있다. 케이블 연결부(363a)는 제1 실링 커버(420)의 내면(420b)과 접하면서 고정되어, 전지 모듈(100) 내에서 임의로 움직이지 않아 부품의 손상을 일으키지 않을 수 있다.
구체적으로, 케이블 연결부(363a)는 센싱 인쇄 회로 기판(361)으로부터 제1 실링 커버(420)의 하부까지 연장되고, 제1 실링 커버(420)의 하부로부터 절곡되어 연장될 수 있다. 이 때, 제1 실링 커버(420)의 하부에서 케이블 연결부(363a)로부터 구부러지면서 연장된 부분을 케이블 연장부(363b)라고 정의할 수 있다.
케이블 연장부(363b)는 버스바 조립체에 위치하는 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)과 전기적으로 연결될 수 있고, 이에 대해서는 도 18에서 후술하도록 한다.
도 18은 도 16의 제1 실링 조립체가 모듈 프레임의 일면에 장착되는 과정을 나타내는 도면이다. 도 18의 (a)는 센싱 케이블이 연성 인쇄 회로 기판과 전기적으로 연결되는 것을 나타내는 도면이다. 도 18의 (b)는 제1 실링 조립체가 모듈 프레임과 결합하는 것을 나타내는 도면이다. 도 18의 (c)는 제1 실링 조립체와 모듈 프레임을 실링하는 것을 나타내는 도면이다.
도 17의 (c) 및 도 18의 (a)를 함께 참고하면, 센싱 케이블(363)은 버스바 구조체에 위치하는 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 센싱 케이블(363)은, 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)으로부터 획득된 전지셀의 전압 정보 및 온도 정보 등을 센싱 인쇄 회로 기판(361)로 전달할 수 있다. 이 경우, 센싱 인쇄 회로 기판(361)은, 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)으로부터 획득된 상기 정보들을 모듈 커넥터(430)로 전달할 수 있다. 즉, 센싱 유닛(360)은, 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)으로부터 획득된 전지셀의 데이터를 모듈 커넥터(430)로 전달할 수 있다.
따라서, 모듈 커넥터(430)는, 제1 연성 인쇄 회로 기판(350a)과 센싱 유닛(360)으로부터 획득된 데이터를 BMS(Battery Management System)에 전송할 수 있고, BMS는 수집된 전압 데이터들을 기초로 전지셀들의 충전과 방전을 제어할 수 있다.
도 18의 (a) 및 도 18의 (b)를 참고하면, 제1 실링 커버(420)는 모듈 프레임(200)의 개방된 일측을 덮으면서, 모듈 프레임(200)에 장착될 수 있다. 일 예로, 제1 실링 커버(420)는 모듈 프레임(200)과 끼움 결합될 수 있다. 이 경우, 제1 실링 커버(420)의 가장자리는 모듈 프레임(200)과 결합하는 방향(-x축 방향)을 향해 일부 돌출되는 돌출부를 포함할 수 있다. 제1 실링 커버(420)와 결합하는 모듈 프레임(200)의 가장자리는, 제1 실링 커버(420)의 가장자리 돌출부가 끼워질 수 있도록 단차가 형성될 수 있다. 이에, 제1 실링 커버(420)와 모듈 프레임(200)은 끼움 결합될 수 있다.
도 18의 (c)를 참고하면, 제1 실링 커버(420)가 모듈 프레임(200)의 개방된 일측에 결합되면, 제1 실링 커버(420)와 모듈 프레임(200)의 가장자리를 따라 제1 실링 부재(610)가 개재될 수 있다. 제1 실링 커버(420)와 모듈 프레임(200)의 결합시, 조립 공차로 인해 이들 사이에 미세한 틈이 생길 수 있고, 이를 제1 실링 부재(610)로 밀봉하여 전지 모듈(100)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 전지 모듈(100) 내부에 위치하는 냉매의 누액을 방지할 수 있고, 전지 모듈(100) 내부에서 발생하는 가스의 누출도 방지할 수 있으면서 가스의 배출 방향도 제어할 수 있어, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
이 경우, 제1 실링 부재(610)는, 예를 들어 접착 테이프일 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았지만, 제1 실링 조립체(410)가 모듈 프레임(200)과 결합하고 제1 실링 부재(610)로 가장자리가 실링된 후, 제1 실링 조립체(410)에 존재하는 다른 틈은 제2 실링 부재(620, 도 21 참고)로 밀봉될 수 있다. 이는, 제1 실링 부재(610)로 실링할 수 없는 제1 실링 조립체(410) 가장자리 외의 부분에 대하여 제2 실링 부재(620)를 사용하여 실링하는 것으로, 전지 모듈(100)의 밀봉성을 보다 향상시키기 위함이다. 제2 실링 부재(620)에 대해서는, 도 21에서 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 엔드 플레이트가 제1 실링 조립체에 장착되는 것을 나타내는 분해 사시도이다.
도 19를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 제1 엔드 플레이트(510)는 제1 실링 조립체(410)를 커버하도록 위치할 수 있다.
제1 엔드 플레이트(510)에는 터미널 버스바 개구부(520), 모듈 커넥터 개구부(530) 및 인렛 개구부(540)가 형성될 수 있다.
터미널 버스바 개구부(520)는 제1 실링 조립체(410)에 구비되는 터미널 버스바(340)의 위치와 대응되는 영역에 형성된 개구부일 수 있다. 터미널 버스바 개구부(520)는 제1 엔드 플레이트(510)로부터 전지 모듈(100)의 외부를 향해 돌출된 형태로, 이러한 돌출된 형태의 상면만 개방될 수 있다. 이러한 개방된 부분을 통해 터미널 버스바(340)의 일부가 외부로 노출될 수 있다.
터미널 버스바 개구부(520)의 크기는 주로 터미널 버스바(340)의 둘레 크기에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 조립의 용이성을 위해, 또는 제조 공정 상의 이유로 인해 터미널 버스바 개구부(520)의 크기는 터미널 버스바(340)의 노출 부분의 크기보다 클 수 있고, 이 때, 터미널 버스바 개구부(520)와 외부로 노출되는 터미널 버스바(340) 사이에는 갭이 발생할 수 있다.
모듈 커넥터 개구부(530) 및 인렛 개구부(540)는 제1 엔드 플레이트(510)에 구비된 개구부로, 제1 엔드 플레이트(510)를 관통하는 홀이다. 구체적으로, 모듈 커넥터 개구부(530)는 제1 실링 조립체(410)에 구비되는 모듈 커넥터(430)의 위치와 대응되는 영역에 형성된 개구부일 수 있고, 인렛 개구부(540)는 제1 실링 조립체(410)에 구비되는 인렛(421)의 위치와 대응되는 영역에 형성된 개구부일 수 있다. 이에 따라 제1 엔드 플레이트(510)가 장착되어도, 모듈 커넥터(430) 및 인렛(421)의 적어도 일부가 각각 모듈 커넥터 개구부(530)와 인렛 개구부(540)를 통과하여 외부로 노출될 수 있다.
모듈 커넥터 개구부(530)와 인렛 개구부(540)의 크기는 모듈 커넥터(430) 및 인렛(421)의 둘레 크기에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 조립의 용이성을 위해, 또는 제조 공정 상의 이유로 인해 모듈 커넥터 개구부(530)와 인렛 개구부(540)의 크기는 모듈 커넥터(430)와 인렛(421)의 노출 부분의 크기보다 클 수 있다. 이 때, 모듈 커넥터 개구부(530)와 모듈 커넥터(430)의 노출 부분 사이 및 인렛 개구부(540)와 인렛(421)의 노출 부분 사이에는 갭이 발생할 수 있다.
터미널 버스바(340) 및 모듈 커넥터(430)는 터미널 버스바 개구부(520)와 모듈 커넥터 개구부(530)를 통해 외부로 노출됨으로써, 외부 전장품들과 HV 연결 및 LV 연결이 용이하게 수행될 수 있다. 따라서, 조립 공정 효율이 향상될 수 있다.
인렛(421)은, 인렛 개구부(540)를 통해 전지 모듈(100) 외부로 노출되므로, 냉매가 인렛(421)을 통해 유입될 때, 냉매가 제1 실링 조립체(410)와 제1 엔드 플레이트(510) 사이로 누액되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 냉매가 외부와의 전기적 연결을 수행하는 터미널 버스바(340)나 모듈 커넥터(430)와 접하지 않을 수 있다. 즉, 상기 구성들 간의 쇼트를 방지하여, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
제1 엔드 플레이트(510)와 제1 실링 조립체(410) 사이에는 제3 실링 부재(630)가 개재될 수 있다.
제3 실링 부재(630)는 제1 실링 조립체(410)의 가장자리 또는 제1 엔드 플레이트(510)의 가장자리와 대응되는 형상일 수 있다. 제3 실링 부재(630)는 제1 실링 조립체(410)의 가장자리 또는 제1 엔드 플레이트(510)의 가장자리와 대응되도록 도포된 후 경화되는 수지일 수 있다. 구체적으로, 제3 실링 부재(630)는 제1 실링 조립체(410)의 가장자리를 따라 형성된 홈인 제1 홈(411)에 도포될 수 있고, 제1 실링 조립체(410)와 제1 엔드 플레이트(510)가 결합된 후 경화될 수 있다. 일 예로, 제3 실링 부재(630)는 에폭시(epoxy) 수지를 포함할 수 있다.
즉, 제3 실링 부재(630)가 제1 실링 조립체(410)와 제1 엔드 플레이트(510) 사이에 개재됨으로써, 제1 실링 조립체(410)와 제1 엔드 플레이트(510)는 조립 공차로 인해 형성되는 틈이 없이 결합 및 밀봉될 수 있다.
따라서, 전지 모듈(100)의 밀봉성이 향상되고 전지 모듈(100) 내에 위치하는 냉매의 누액을 방지하여 전지 모듈(100)의 냉각 성능이 향상될 수 있다. 또한, 전지 모듈(100) 내에서, 일정 온도 및 압력 이상에서 발생하는 벤팅 가스도 틈을 통해 외부로 배출되지 않도록 하면서 벤팅 방향을 조절할 수 있어, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
제3 실링 부재(630)의 종류 및 형성 방법은 상기에서 설명한 내용에 한정되는 것은 아니고, 탄성 부재로 형성되는 가스켓과 같은 형태일 수도 있으며, 제1 실링 조립체(410)와 제1 엔드 플레이트(510)를 실링하는 역할을 수행할 수 있는 것이라면 어느 것이든 가능하다.
도 20은 도 19에서 제1 엔드 플레이트를 제외한 구성을 yz 평면 상에서 -x축 방향을 따라 바라본 도면이다. 도 21은 도 20의 절단선 B-B’를 따라 절단한 단면 중 A5에 해당하는 부분을 나타내는 단면도이다.
도 20 및 도 21을 참고하면, 제1 실링 조립체(410)의 가장자리를 따라 제1 실링 부재(610)와 제3 실링 부재(630)가 위치하고, 제1 실링 조립체(410)의 일 영역에 제2 실링 부재(620)가 위치할 수 있다.
제2 실링 부재(620)와 관련하여, 도 21을 참고하면, 제2 실링 부재(620)는 제1 실링 조립체(410)의 가장자리 영역을 제외한 일 영역에 위치할 수 있다. 즉, 제2 실링 부재(620)는, 제1 실링 부재(610)와 제3 실링 부재(630)가 커버하지 못하는 제1 실링 조립체(410)의 나머지 영역을 밀봉할 수 있다. 구체적으로, 제2 실링 부재(620)는 제1 실링 조립체(410)에서 틈이 있는 일 영역을 실링할 수 있다. 다만, 제2 실링 부재(620)가 위치하는 영역은 본 도면에 도시된 영역에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 실링 부재(620)는 모듈 커넥터(430)가 결합되는 제1 실링 조립체(410)의 일 영역 중 틈이 있는 일 부분을 실링할 수도 있다.
제1 실링 조립체(410)의 가장자리 부분 외에, 추가적으로 틈이 위치하는 부분도 제2 실링 부재(620)에 의해 밀봉되므로, 전지 모듈(100)의 밀봉성이 향상되어 전지 모듈(100) 내부에 위치하는 냉매의 누액이 방지된다. 이에 전지 모듈(100)의 냉각 성능이 향상될 수 있다. 또한, 일정 온도 및 압력 이상에서 전지 모듈(100) 내부에서 발생하는 가스가, 제1 실링 조립체(410) 및 제1 엔드 플레이트(510)의 틈 사이로 배출되지 않으므로, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 실링 조립체가 모듈 프레임의 타측에 장착되는 것을 나타내는 도면이다.
도 5, 도 6 및 도 22를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(200)의 개방된 타측에 장착되는 제2 실링 조립체(450)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 전지셀 조립체와 전기적으로 연결된 제2 버스바 조립체(300b)는 모듈 프레임(200)의 개방된 타측에 위치할 수 있고, 제2 실링 조립체(450)는 이러한 제2 버스바 조립체(300b)를 덮으면서 장착될 수 있다.
제2 실링 조립체(450)는 모듈 프레임(200)의 개방된 타면을 커버하는 판인 제2 실링 커버(460) 및 제2 실링 커버(460)에 형성된 홀인 아웃렛(461)을 포함할 수 있다.
제2 실링 커버(460)는 모듈 프레임(200)의 개방된 타면을 커버하는 판으로, 모듈 프레임(200)의 개방된 타면의 크기와 대응되는 크기를 가질 수 있다. 즉, 제2 실링 커버(460)는 모듈 프레임(200)의 개방된 타면을 덮으면서, 모듈 프레임(200)에 장착될 수 있다. 일 예로, 제2 실링 커버(460)는 모듈 프레임(200)과 끼움 결합될 수 있다.
아웃렛(461)은 제2 실링 커버(460)의 일 영역에 형성된 홀일 수 있다. 아웃렛(461)은 제2 실링 커버(460)의 외면(-x축 방향)으로 돌출된 형태의 홀일 수 있다. 즉, 아웃렛(461)은 모듈 프레임(200)이 위치한 방향과 반대 방향으로 돌출된 형태의 홀일 수 있다. 돌출된 형태의 아웃렛(461)은 후술하는 제2 엔드 플레이트(550)에 형성된 아웃렛 개구부(560)를 관통할 수 있다.
아웃렛(461)은 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 위에 위치할 수 있다. 아웃렛(461)은 제2 실링 조립체(450)의 상단부에 가깝게 위치할 수 있다. 구체적으로, 아웃렛(461)은 제2 실링 조립체(450)의 높이를 기준으로 중심부보다 위에 위치할 수 있다. 아웃렛(461)의 위치가 이에 한정되는 것은 아니지만, 이는 모듈 프레임(200) 내부가 냉매에 의해 충분히 채워지도록 할 수 있다. 여기서 전지셀 적층체(120)나 제2 실링 조립체(450)의 높이는, 도면상 z축 방향의 길이를 의미한다.
앞서 설명한 인렛(421)의 위치와 아웃렛(461)의 위치를 종합해보면, 인렛(421)은 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 아래에 위치하고, 아웃렛(461)은 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 위에 위치할 수 있다. 즉, 인렛(421)은, 제1 실링 조립체(410)의 하단부에 가깝게 위치할 수 있고, 아웃렛(461)은 제2 실링 조립체(450)의 상단부에 가깝게 위치할 수 있다.
만일, 인렛(421)이 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 위에 위치할 경우, 냉매가 높은 위치에서 떨어지듯이 전지 모듈(100)의 내부로 유입되기 때문에 냉매의 내부에 기포가 발생할 가능성이 있다. 이러한 기포는 냉각 효과를 저해하는 요인이 된다.
또한, 만일 아웃렛(461)이 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 아래에 위치할 경우, 전지 모듈(100)의 내부로 유입된 냉매가 아웃렛(461)의 높이까지만 채워지고 외부로 빠져나가기 때문에 전지 모듈(100)의 내부가 충분한 양의 냉매로 채워지지 못하여 냉각 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 유입되는 냉매에 기포가 발생하는 것을 방지하고, 전지 모듈(100)의 내부가 냉매로 가득 채워지기 위해서는, 인렛(421)은 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 아래에 위치하고, 아웃렛(461)은 전지셀 적층체(120)의 높이를 기준으로 중심부보다 위에 위치하는 것이 바람직하다.
제2 실링 조립체(450)와 모듈 프레임(200)의 개방된 타면이 서로 결합되면, 제2 실링 커버(460)와 모듈 프레임(200)의 가장자리를 따라 제1 실링 부재(610)가 개재될 수 있다. 제2 실링 커버(460)와 모듈 프레임(200)의 결합시, 조립 공차로 인해 이들 사이에 미세한 틈이 생길 수 있고, 이를 제1 실링 부재(610)로 밀봉하여 전지 모듈(100)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 전지 모듈(100) 내부에 위치하는 냉매의 누액을 방지할 수 있고, 전지 모듈(100) 내부에서 발생하는 벤팅 가스의 누출도 방지할 수 있으면서 가스의 배출 방향도 컨트롤할 수 있어, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
이 경우, 제1 실링 부재(610)는, 예를 들어 접착 테이프일 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았지만, 제2 실링 조립체(450)가 모듈 프레임(200)과 결합하고 제1 실링 부재(610)로 가장자리가 실링된 후, 제2 실링 조립체(450) 상에 존재하는 틈은 제2 실링 부재(620, 도 25 참고)로 밀봉될 수 있다. 이는, 제1 실링 부재(610)로 실링할 수 없는 제2 실링 조립체(450) 가장자리 외의 부분에 대하여 제2 실링 부재(620)를 사용하여 실링하는 것으로, 전지 모듈(100)의 밀봉성을 보다 향상시키기 위함이다. 제2 실링 부재(620)에 대해서는, 도 25에서 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 엔드 플레이트가 제2 실링 조립체에 장착되는 것을 나타내는 분해 사시도이다.
도 23은 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 제2 엔드 플레이트(550)는 제2 실링 조립체(450)를 커버하도록 위치할 수 있다.
제2 엔드 플레이트(550)에는 아웃렛 개구부(560)가 형성될 수 있다.
아웃렛 개구부(560)는 제2 엔드 플레이트(550)에 구비된 개구부로, 제2 엔드 플레이트(550)를 관통하는 홀이다. 구체적으로, 아웃렛 개구부(560)는 제2 실링 조립체(450)에 구비되는 아웃렛(461)의 위치와 대응되는 영역에 형성되는 개구부일 수 있다. 이에 따라, 제2 엔드 플레이트(550)가 장착되어도, 아웃렛(461)의 적어도 일부는 아웃렛 개구부(560)를 통과하여 외부로 노출될 수 있다.
아웃렛 개구부(560)의 치수는 주로 아웃렛(461)의 둘레 크기에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 조립의 용이성을 위해, 또는 제조 공정 상의 이유로 인해 아웃렛 개구부(560)의 크기는 아웃렛(461)의 노출 부분의 크기보다 클 수 있고, 이 때, 아웃렛 개구부(560)의 외부로 노출되는 아웃렛(461) 사이에는 갭이 발생할 수 있다.
아웃렛(461)은, 아웃렛 개구부(560)를 통해 전지 모듈(100) 외부로 노출되므로, 모듈 프레임(200) 내부에 유입된 냉매가 아웃렛(461)을 통해 외부로 배출될 때, 냉매가 제2 실링 조립체(450)와 제2 엔드 플레이트(550) 사이로 누액되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 기타 전장품과 접하지 않아 쇼트 발생을 방지하여, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
제2 엔드 플레이트(550)와 제2 실링 조립체(450) 사이에는 제3 실링 부재(630)가 개재될 수 있다.
제3 실링 부재(630)는 제2 실링 조립체(450)의 가장자리 또는 제2 엔드 플레이트(550)의 가장자리와 대응되는 형상일 수 있다. 제3 실링 부재(630)는 제2 실링 조립체(450)의 가장자리 또는 제2 엔드 플레이트(550)의 가장자리와 대응되도록 도포된 후 경화되는 수지일 수 있다. 구체적으로, 제3 실링 부재(630)는 제2 실링 조립체(450)의 가장자리를 따라 형성된 홈인 제2 홈(451)에 도포될 수 있고, 제2 실링 조립체(450)와 제2 엔드 플레이트(550)가 결합된 후 경화될 수 있다. 일 예로, 제3 실링 부재(630)는 에폭시(epoxy) 수지일 수 있다.
즉, 제3 실링 부재(630)가 제2 실링 조립체(450)와 제2 엔드 플레이트(550) 사이에 개재됨으로써, 제2 실링 조립체(450)와 제2 엔드 플레이트(550)는 조립 공차로 인해 형성되는 틈이 없이 결합 및 밀봉될 수 있다.
따라서, 전지 모듈(100)의 밀봉성이 향상되고 전지 모듈(100) 내에 위치하는 냉매의 누액을 방지하여 전지 모듈(100)의 냉각 성능이 향상될 수 있다. 또한, 전지 모듈(100) 내에서, 일정 온도 및 압력 이상에서 발생하는 벤팅 가스도 틈을 통해 외부로 배출되지 않도록 하면서 벤팅 방향을 조절할 수 있어, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
제3 실링 부재(630)의 종류 및 형성 방법은 상기에서 설명한 내용에 한정되는 것은 아니고, 탄성 부재로 형성되는 가스켓과 같은 형태일 수도 있으며, 제2 실링 조립체(450)와 제2 엔드 플레이트(550)를 실링하는 역할을 할 수 있는 것이라면 어느 것이든 가능하다.
도 24는 도 23에서 제2 엔드 플레이트를 제외한 구성을 yz 평면 상에서 x축 방향을 따라 바라본 도면이다. 도 25는 도 24의 절단선 C-C’를 따라 절단한 단면 중 A6에 해당하는 부분을 나타낸 단면도이다.
도 24 및 도 25를 참고하면, 제2 실링 조립체(450)의 가장자리를 따라 제1 실링 부재(610)와 제3 실링 부재(630)가 위치하고, 제2 실링 조립체(450)의 일 영역에 제2 실링 부재(620)가 위치할 수 있다.
제2 실링 부재(620)와 관련하여, 도 25를 참고하면, 제2 실링 부재(620)는 제2 실링 조립체(450)의 가장자리 영역을 제외한 일 영역에 위치할 수 있다. 즉, 제2 실링 부재(620)는, 제1 실링 부재(610)와 제3 실링 부재(630)가 커버하지 못하는 제2 실링 조립체(450)의 나머지 영역을 밀봉할 수 있다. 구체적으로, 제2 실링 부재(620)는 제1 실링 조립체(410)에서 틈이 있는 일 영역을 실링할 수 있다. 다만, 제2 실링 부재(620)가 위치하는 영역은 본 도면에 도시된 영역에 한정되는 것은 아니다.
제2 실링 조립체(450)의 가장자리 부분 외에, 추가적으로 틈이 위치하는 부분도 제2 실링 부재(620)에 의해 밀봉되므로, 전지 모듈(100)의 밀봉성이 향상되어 전지 모듈(100) 내부에 위치하는 냉매의 누액이 방지된다. 이에 전지 모듈(100)의 냉각 성능이 향상될 수 있다. 또한, 일정 온도 및 압력 이상에서 전지 모듈(100) 내부에서 발생하는 가스가, 제2 실링 조립체(450) 및 제2 엔드 플레이트(550)의 틈 사이로 배출되지 않으므로, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
도 26은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제2 실링 조립체에 대한 분해 사시도이다. 도 27은 도 26을 yz 평면 상에서 -x축 방향을 따라 바라봤을 때의 도면이다.
도 26 및 도 27을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제2 실링 조립체(450)는 아웃렛(461) 및 모듈 벤팅부(470)를 포함할 수 있다. 아웃렛(461)은 상기에서 설명한 내용과 동일하므로, 이하에서는 모듈 벤팅부(470)에 대해 중점적으로 설명한다.
모듈 벤팅부(470)는, 일정한 온도 및 압력 이상에서 전지 모듈(100) 내부에서 발생하는 가스를 외부로 배출시킬 수 있다. 구체적으로, 모듈 벤팅부(470)는 전지 모듈(100) 내부의 가스는 외부로 배출시키면서, 전지 모듈(100) 내부의 냉매는 누액되지 않도록 할 수 있다.
모듈 벤팅부(470)는 제2 실링 커버(460)의 일 영역에 구비될 수 있다. 모듈 벤팅부(470)는 벤팅 홀(471), 멤브레인(473), 고정 커버(475) 및 벤팅 돌출부(477)를 포함할 수 있다.
벤팅 홀(471)은 전지 모듈(100) 내부에서 발생하는 가스가 외부로 이동하는 통로일 수 있다. 벤팅 홀(471)은 제2 실링 커버(460)의 일 영역에 구비되는 적어도 하나의 홀일 수 있다. 벤팅 홀(471)은 도 28에서 후술하는 모듈 연결부(472)와 구조적으로 연결될 수 있고, 이에 대해서는 도 28에서 자세히 설명하도록 한다.
멤브레인(473)은 전지 모듈(100) 내부에 위치하는 가스를 벤팅 홀(471)을 통해 외부로 배출할 수 있지만, 냉매는 외부로 누액되지 않도록 하는 얇은 막일 수 있다.
멤브레인(473)은 제2 실링 커버(460)의 내면(460b)과 고정 커버(475) 사이에 위치할 수 있다. 멤브레인(473)은 제2 실링 커버(460)의 내면(460b)과 접하면서 위치할 수 있다. 이 경우, 멤브레인(473)의 일면은 제2 실링 커버(460)의 내면(460b)과 접하면서 고정되어 위치할 수 있고, 멤브레인(473)의 타면은 고정 커버(475)의 일면과 접하면서 고정되어 위치할 수 있다.
고정 커버(475)는 전지 모듈(100) 내부에 위치하는 가스와 냉매를 일차적으로 통과시킬 수 있다. 고정 커버(475)는 전지셀 적층체와 가장 인접하게 위치할 수 있다.
고정 커버(475)는 멤브레인과 접하면서 위치할 수 있다. 구체적으로, 고정 커버(475)의 일면은 멤브레인(473)의 타면과 접착되어 고정될 수 있다. 이 경우, 고정 커버(475)의 크기는 멤브레인(473)의 크기와 대응되거나 또는 멤브레인(473)의 크기보다 클 수 있다.
고정 커버(475)는 평평한 판에 홀이 구비된 형태일 수 있다. 다만, 고정 커버(475)의 가장자리 영역에는 홀이 위치하지 않을 수 있다.
고정 커버(475)의 가장자리 영역은 멤브레인(473) 또는 제2 실링 커버(460)의 내면(460b) 중 적어도 하나와 접할 수 있다. 이 경우, 본 도면에는 도시되어 있지 않지만, 고정 커버(475)의 가장자리 영역을 따라 접착 부재가 개재될 수 있고, 상기 접착 부재에 의해 고정 커버(475)가 제2 실링 커버(460)에 고정될 수 있다. 고정 커버(475)에 구비된 홀은, 전지 모듈(100) 내부에 위치하는 가스와 냉매를 멤브레인(473)으로 이동시킬 수 있다.
벤팅 돌출부(477)는 모듈 벤팅부(470)에 해당하는 일 영역이 전지 모듈(100)의 외부를 향하도록 돌출된 일 영역일 수 있다. 벤팅 돌출부(477)는 벤팅 홀(471)이 구비되는 일 영역으로부터 외부를 향해 연장되어 돌출된 일 영역일 수 있다. 벤팅 돌출부(477)는 일부가 제2 엔드 플레이트(550)를 통과하여 외부로 노출될 수 있고, 이로 인해 벤팅 가스가 전지 모듈(100) 외부로 완전히 배출될 수 있다. 이에 대해서는 도 28을 참고로 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 28은 도 26의 제2 실링 조립체에 제2 엔드 플레이트가 결합한 것을 나타내는 도면이다.
도 28을 참고하면, 제2 엔드 플레이트(550)가 제2 실링 조립체(450)를 덮으면서 장착되는 경우, 아웃렛(461) 및 모듈 벤팅부(470)의 적어도 일부가 제2 엔드 플레이트(550)를 관통하여 외부로 노출될 수 있다.
구체적으로, 아웃렛(461)은 제2 엔드 플레이트(550)에 구비된 아웃렛 개구부(560)를 통과하여, 일부가 외부로 노출될 수 있다. 모듈 벤팅부(470)는 제2 엔드 플레이트(550)에 구비된 벤팅 개구부(570)를 통과하여, 일부가 외부로 노출될 수 있다.
아웃렛(461) 및 아웃렛 개구부(560)는 도 23에서 상술한 내용과 동일하므로 이에 대해서는 설명을 생략하고, 모듈 벤팅부(470) 및 벤팅 개구부(570)에 대해 자세히 서술하도록 한다.
모듈 벤팅부(470)는 벤팅 개구부(570)를 통과해 외부로 돌출된 벤팅 돌출부(477)를 포함하고, 벤팅 돌출부(477)에는 모듈 연결부(472)가 구비될 수 있다.
모듈 연결부(472)는 상술한 벤팅 홀(471)과 연통되는 하나의 홀로, 벤팅 돌출부(477)와 같이 제2 엔드 플레이트(550)의 벤팅 개구부(570)를 관통하여 일부가 외부로 노출될 수 있다. 모듈 연결부(472)는 전지팩의 팩 벤팅 장치(미도시)와 연결되어, 벤팅 홀(471)을 통해 이동한 벤팅 가스가 외부로 배출되도록 할 수 있다. 이 때, 모듈 연결부(472)의 적어도 일부가 제2 엔드 플레이트(550)를 관통하여 외부로 노출됨으로써, 팩 벤팅 장치와의 조립이 용이할 수 있다. 따라서, 조립 공정의 효율성이 향상될 수 있다. 또한, 모듈 연결부(472)를 통해 배출되는 벤팅 가스가 제2 엔드 플레이트(550)와 제2 실링 조립체(450) 사이 공간에 머무르지 않을 수 있다. 이로 인해, 전지 모듈(100) 내부에 벤팅 가스가 잔류하지 않을 수 있으므로, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
벤팅 개구부(570)는 제2 엔드 플레이트(550)에 구비된 개구부로, 제2 엔드 플레이트(550)를 관통하는 홀이다. 구체적으로, 벤팅 개구부(570)는 제2 실링 조립체(450)에 구비되는 벤팅 돌출부(477)의 위치와 대응되는 영역에 형성된 개구부일 수 있다. 이 경우, 벤팅 돌출부(477)는 모듈 연결부(472)와 함께 벤팅 개구부(570)를 통과함으로써, 벤팅 돌출부(477) 및 모듈 연결부(472)의 적어도 일부가 외부로 노출될 수 있다.
벤팅 개구부(570)의 크기는 주로 벤팅 돌출부(477)의 둘레 크기에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 조립의 용이성을 위해, 또는 제조 공정 상의 이유로 인해 벤팅 개구부(570)의 크기는 벤팅 돌출부(477)의 노출 부분의 크기보다 클 수 있고, 이 때, 벤팅 개구부(570)와 외부로 노출되는 벤팅 돌출부(477) 사이에는 갭이 발생할 수 있다.
이하에서는, 도 29 내지 도 31을 참고하여, 본 발명의 실시예들에 따른 절연 플레이트의 여러 형태에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 29는, 도 11에서 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체 사이에 위치한 절연 플레이트를 확대하여 나타낸 부분 사시도이다.
도 11 및 도 29를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 플레이트(700)는, 절연 플레이트(700)의 중앙에 형성된 개구부(700H)의 주변을 절연 플레이트(700)가 둘러싸는 형태일 수 있다. 상술한 것처럼, 상기 냉매가 절연 플레이트(700)의 중앙에 형성된 개구부(700H)를 통과하여 제1 전지셀 적층체(120a)에서 제2 전지셀 적층체(120b)로 흘러갈 수 있다.
도 30은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함된 절연 플레이트를 나타낸 부분 사시도이다.
도 4 및 도 30을 함께 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절연 플레이트(700’)에는, 도 29에서와 같은 제1 및 제2 관통홀(700H1, 700H2)이 형성되지 않고, 개구부(700H)만 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 절연 플레이트(700’)는, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 간의 전기적 연결이 없고 대신 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)가 서로 개별적으로 외부 전장품과 전기적 연결을 구현하는 전지 모듈의 모델에 적용될 수 있다. 본 실시예의 전지 모듈에서는, 제1 전지셀 적층체(120a)에서의 HV 연결과 LV 연결이 제2 전지셀 적층체(120b)과 무관하게 형성될 수 있고, 마찬가지로 제2 전지셀 적층체(120b)에서의 HV 연결과 LV 연결이 제1 전지셀 적층체(120a)와 무관하게 형성될 수 있다.
따라서, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 HV 연결과 LV 연결이 이루어질 필요가 없으므로 절연 플레이트(700’)에는 제1 및 제2 관통홀이 형성될 필요가 없다.
이하에서는, 도 31과 도 32를 참고하여, 본 실시예에 따른 절연 플레이트가 갖는 효과 및 세부 형태 등에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 31의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈의 단면과 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6, 도 11 및 도 31의 (a)를 함께 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 전지 모듈(100CE)은, 제1 전지셀 적층체(120a), 제2 전지셀 적층체(120b), 모듈 프레임(200), 제1 엔드 플레이트(510) 및 제2 엔드 플레이트(550)를 포함한다. 전지 모듈(100CE)에 포함된 각 구성에 대한 자세한 설명은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략한다. 이 때, 본 실시예에 따른 전지 모듈과 다르게, 본 비교예에 따른 전지 모듈(100CE)에서는, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 절연 플레이트가 개재되지 않는다.
냉매(C, coolant)가 제1 엔드 플레이트(510)에 형성된 인렛(421)을 통해 모듈 프레임(200)의 내부 공간으로 유입되고, 유입된 냉매(C)가 모듈 프레임(200)의 내부 공간을 따라 흐른 뒤, 제2 엔드 플레이트(550)의 아웃렛(461)을 통해 배출된다. 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)는 이러한 냉매(C)에 침지된다.
이 때, 전지 모듈(100CE)은 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함하여 길이 방향을 따라 연장된 구조를 갖는다. 이러한 구조에서, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 공간(S)은, 상기 냉매(C)의 흐름이 정체되는 영역이 될 수 있다. 냉매(C)가 빈 공간(S)을 따라 흐르는 것이기 때문에 유속이 느리고, 심할 경우 냉매(C)의 흐름 정체가 발생한다. 상기 냉매의 흐름이 정체될 경우, 해당 전지 모듈(100CE)에 대한 냉각 성능 및 냉각 효율이 저하될 수 있다.
도 4 내지 도 6, 도 11 및 도 31의 (a)를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 경우, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이에 배치된 절연 플레이트(700)에 의해 상기 비교예가 갖는 문제를 해결할 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 공간(S)에 개구부(700H)가 형성된 절연 플레이트(700)가 배치된다.
냉매(C)가 절연 플레이트(700)의 개구부(700H)를 통과해 흐르는 것은, 비교예와 비교했을 때, 냉매(C)가 상대적으로 좁은 영역을 통과해 흐르는 것을 의미한다. 즉, 냉매(C)가 상대적으로 좁은 영역을 통과하여 흐르는 만큼, 그 유속이 빨라지고, 냉매(C)의 흐름이 정체되는 것을 방지할 수 있다. 종국적으로는, 냉매(C)의 흐름 정체가 해소된 만큼, 전지 모듈(100)에 대한 냉각 성능 및 냉각 효율이 증대될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 절연 플레이트(700)는, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)에서의 절연 거리를 확보하여 쇼트 발생을 방지함과 동시에, 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b) 사이의 냉매(C)의 흐름 정체를 해소하여 냉각 성능과 냉각 효율을 높일 수 있다.
또한, 상술한 것처럼, 개구부(700H)는, 절연 플레이트(700)의 일면의 면적 대비 5% 이상 60% 이하의 면적을 갖도록 개구될 수 있다. 이러한 개구부(700H)의 개구 면적의 비율에 대한 범위는, 냉매(C)의 흐름 정체 해소 기능과 관련된다. 해당 범위에 대한 자세한 설명은 앞서 설명한 내용과 중복이니 생략한다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 9, 도 11 및 도 32를 참고하면, 본 실시예에 따른 절연 플레이트(700)에는 개구부(700H)가 형성되고, 필요에 따라 제1 및 제2 관통홀(700H1, 700H2)등이 추가로 형성될 수 있다. 개구부(700H)는 절연 플레이트(700)의 중앙에 형성될 수 있다. 구체적으로, 절연 플레이트(700)의 상변(700U)으로부터 개구부(700H)의 상변(700HU)까지의 길이(L1)는, 절연 플레이트(700)의 높이 방향에 따른 길이(H) 대비, 25% 이상, 49% 이하일 수 있다. 또한, 절연 플레이트(700)의 하변(700L)으로부터 개구부(700H)의 하변(700HL)까지의 길이(L2)는, 절연 플레이트(700)의 높이 방향에 따른 길이(H) 대비, 25% 이상, 49% 이하일 수 있다. 여기서, 절연 플레이트(700)의 높이 방향은, 절연 플레이트(700)의 상변(700U)과 하변(700L) 사이의 방향을 의미한다. 보다 구체적으로 절연 플레이트(700)의 높이 방향은, 제1 및 제2 전지셀 적층체(120a, 120b)에서 전지셀(110)들이 적층되는 방향(y축과 평행한 방향)과 제1 및 제2 전지셀 적층체(120a, 120b)들이 배치되는 방향(x축과 평행한 방향) 각각과 수직한 방향으로써, z축과 평행한 방향일 수 있다. 개구부(700H)가 상기 범위를 만족하면서, 절연 플레이트(700)의 중앙에 형성될 수 있다.
또한, 개구부(700H)는 상변(700HU)과 하변(700HL)이 양 측변(700HS)보다 긴 직사각형 형태로 개구될 수 있다. 또한 절연 플레이트(700)에 하나 또는 복수의 개구부(700H)가 형성될 수 있다. 복수의 개구부(700H)들은, 절연 플레이트(700)의 폭 방향을 따라서 위치할 수 있다. 여기서, 절연 플레이트(700)의 폭 방향은, 절연 플레이트(700)의 양 측변(700S) 사이의 방향을 의미하며, 전지셀 적층체(120a, 120b)에서 전지셀(110)들이 적층되는 방향과 평행한 방향으로써, y축과 평행한 방향일 수 있다. 일례로, 도 32에는 3개의 개구부(700H)가 절연 플레이트(700)의 폭 방향을 따라 위치하는 것이 도시되어 있다.
이하에서는, 도 33 내지 도 36을 참고하여, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 절연 플레이트(700”)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 33과 도 34는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 절연 플레이트를 나타낸 사시도와 정면도이다. 도 35는, 도 34의 절단선 D-D’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 도 36은, 도 35의 A7에 해당하는 부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 33 내지 도 36을 함께 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 절연 플레이트(700”)에는, 개구부(700H)가 형성된다. 이 때, 절연 플레이트(700”) 중 개구부(700H)의 상부 영역 또는 개구부(700H)의 하부 영역 중 적어도 하나에 경사면(700C)이 형성될 수 있다. 즉, 절연 플레이트(700”) 중 개구부(700H)의 상부 영역과 개구부(700H)의 하부 영역 중 어느 하나에 경사면(700C)이 형성되거나, 절연 플레이트(700”) 중 개구부(700H)의 상부 영역과 개구부(700H)의 하부 영역 모두에 경사면(700C)이 형성될 수 있다.
구체적으로, 절연 플레이트(700”)의 상변(700U) 또는 하변(700L)으로부터 개구부(700H)의 상변(700HU) 또는 하변(700HL)까지의 방향으로 갈수록 절연 플레이트(700”)의 두께가 좁아지도록, 절연 플레이트(700”)의 상변(700U) 또는 하변(700L)에서 개구부(700H)의 상변(700HU) 또는 하변(700HL)까지의 영역 중 적어도 일부에 경사면(700C)이 형성될 수 있다. 여기서, 절연 플레이트(700”)의 두께는, 판상형인 절연 플레이트(700”)의 두께를 의미하는 것으로, 도면 상 x축 방향과 평행한 방향에 따른 절연 플레이트(700”)의 길이에 해당할 수 있다.
보다 구체적으로, 절연 플레이트(700”)의 상변(700U)에서 개구부(700H)의 상변(700HU)까지의 영역 중 적어도 일부에, 절연 플레이트(700”)의 상변(700U)으로부터 개구부(700H)의 상변(700HU)까지의 방향(도면 상 -z축 방향)으로 갈수록 절연 플레이트(700”)의 두께가 좁아지도록 경사면(700C)이 형성될 수 있다. 또한, 절연 플레이트(700”)의 하변(700L)에서 개구부(700H)의 하변(700HL)까지의 영역 중 적어도 일부에, 절연 플레이트(700”)의 하변(700L)으로부터 개구부(700H)의 하변(700HL)까지의 방향(도면 상 +z축 방향)으로 갈수록 절연 플레이트(700”)의 두께가 좁아지도록 경사면(700C)이 형성될 수 있다.
즉, 경사면(700C)은, 개구부(700H)의 상부 영역 또는 개구부(700H)의 하부 영역 중 어느 하나에 형성되거나, 개구부(700H)의 상부 영역과 개구부(700H)의 하부 영역 모두에 형성될 수 있다. 또한, 경사면(700C)은, 절연 플레이트(700”)의 서로 반대편에 위치한 양면 중 어느 하나에 형성되거나, 절연 플레이트(700”)의 서로 반대편에 위치한 양면 모두에 형성될 수 있다. 여기서 절연 플레이트(700”)의 서로 반대편에 위치한 양면은, 절연 플레이트(700”) 중에서 제1 전지셀 적층체(120a, 도 11 참조) 및 제2 전지셀 적층체(120b, 도 11 참조)와 마주하는 면들 각각을 의미한다.
본 실시예에 따른 절연 플레이트(700”)에 경사면(700C)이 형성됨에 따라, 절연 플레이트(700”)의 개구부(700H)를 통과해 흐르는 냉매의 흐름성이 개선될 수 있다. 즉, 제1 전지셀 적층체(120a, 도 11 참조) 및 제2 전지셀 적층체(120b, 도 11 참조) 사이의 공간에서, 경사면(700C)이 냉매가 절연 플레이트(700”)의 개구부(700H)를 향해 잘 흐르도록, 냉매의 흐름을 안내할 수 있다.
한편, 경사면(700C)이 형성하는 경사 각도(TA)는, 80도 이상 90도 이하일 수 있고, 또는 85도 이상 87도 이하일 수 있다. 도 36에 도시된 것처럼, 경사면(700C)이 형성하는 경사 각도(TA)는, 경사면(700C)과 지면이 형성하는 예각을 의미한다. 여기서 지면은, xy 평면과 나란한 면에 해당할 수 있다.
본 실시예에 따른 절연 플레이트(700”)에서, 경사면(700C)의 면적, 위치, 개수 등은, 냉매가 흐르는 전지 모듈(100) 내부 공간의 크기, 냉매의 소재 특성 등에 따라, 그 냉매의 흐름 정도를 고려하여 적절히 변경될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 절연 플레이트(700”)는, 절연 플레이트(700”)의 높이 방향에 따라 이어지는 적어도 하나의 리브(700R, Rib)를 포함할 수 있다. 즉, 절연 플레이트(700”)는 하나의 리브(700R) 또는 복수의 리브(700R)를 포함할 수 있다. 리브(700R)가 복수로 형성될 경우, 복수의 리브(700R)들은, 폭 방향을 따라 소정의 간격을 유지하며 배치될 수 있다. 개구부(700H)는, 이러한 리브(700R)에 의해 여러개로 분할될 수 있다.
본 실시예에 따른 적어도 하나의 리브(700R)는, 절연 플레이트(700”)의 강성을 보완하기 위해 마련될 수 있다. 리브(700R)의 개수나 두께에 특별한 제한은 없고, 절연 플레이트(700”)의 크기와 소재를 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 특히, 경사면(700C)이 형성된 절연 플레이트(700”) 부분의 두께가 얇기 때문에, 강성 보완을 위한 적어도 하나의 리브(700R)는, 경사면(700C)이 형성된 절연 플레이트(700”)에 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 적어도 하나의 리브(700R)는, 경사면(700C)이 형성되지 않은, 예를 들어 도 32의 절연 플레이트(700)에 형성될 수도 있다.
한편, 도 29, 도 32 및 도 33을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 절연 플레이트(700, 700”)는, 제1 버스바 프레임(310a) 또는 제2 버스바 프레임(310b) 중 적어도 하나에 고정될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 절연 플레이트(700, 700”)는, 제1 버스바 프레임(310a) 또는 제2 버스바 프레임(310b)에 고정되는 마운팅부(700M)를 포함할 수 있다. 마운팅부(700M)는, 절연 플레이트(700, 700”)로부터 제1 버스바 프레임(310a) 또는 제2 버스바 프레임(310b)을 향해 돌출될 수 있고, 이러한 마운팅부(700M)에는 체결홀이 형성될 수 있다.
일 예로, 마운팅부(700M)들 중 일부는, 제1 버스바 프레임(310a)을 향해 돌출될 수 있고, 마운팅부(700M)들 중 나머지는, 제2 버스바 프레임(310b)을 향해 돌출될 수 있다. 볼트가 제1 버스바 프레임(310a)을 향해 돌출된 마운팅부(700M)의 체결홀을 통과한 뒤 제1 버스바 프레임(310a)에 체결될 수 있다. 또한 다른 볼트가 제2 버스바 프레임(310b)을 향해 돌출된 마운팅부(700M)의 체결홀을 통과한 뒤 제2 버스바 프레임(310b)에 체결될 수 있다. 특히, 마운팅부(700M)는, 절연 플레이트(700, 700”)의 상변(700U) 또는 하변(700L)에 인접하여 형성될 수 있다. 이에 따라 마운팅부(700M)를 통과한 볼트들도, 제1 버스바 프레임(310a) 또는 제2 버스바 프레임(310b)의 상변 또는 하변의 인접한 영역에 체결될 수 있다.
상기와 같은 방식으로, 절연 플레이트(700, 700”)가 제1 버스바 프레임(310a) 또는 제2 버스바 프레임(310b) 중 적어도 하나에 고정될 수 있다. 다만, 이는 절연 플레이트(700, 700”)가 제1 버스바 프레임(310a) 또는 제2 버스바 프레임(310b) 중 적어도 하나에 고정되는 예시이며 다른 방식으로 고정될 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
120: 전지셀 적층체
120a: 제1 전지셀 적층체
120b: 제2 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
300a: 제1 버스바 조립체
300b: 제2 버스바 조립체
400: 실링 조립체
500: 엔드 플레이트
610: 제1 실링 부재
620: 제2 실링 부재
630: 제3 실링 부재
700: 절연 플레이트
700H: 개구부

Claims (21)

  1. 복수의 전지셀들이 적층된 제1 전지셀 적층체와 제2 전지셀 적층체를 포함하는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및
    상기 모듈 프레임의 내부로 냉매를 순환시키기 위한 인렛과 아웃렛을 포함하고,
    상기 냉매가 상기 인렛을 통해 상기 모듈 프레임 내부로 유입되고, 상기 아웃렛을 통해 배출되며,
    상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 절연 플레이트가 배치되고, 상기 절연 플레이트에 상기 냉매가 통과하는 개구부가 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 개구부는 상기 절연 플레이트의 중앙에 형성되는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 절연 플레이트를 기준으로, 상기 인렛과 상기 아웃렛은 서로 반대편에 위치하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 인렛과 상기 절연 플레이트 사이에 상기 제1 전지셀 적층체가 위치하고,
    상기 아웃렛과 상기 절연 플레이트 사이에 상기 제2 전지셀 적층체가 위치하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 인렛를 통해 유입된 상기 냉매는, 상기 제1 전지셀 적층체, 상기 절연 플레이트의 상기 개구부 및 상기 제2 전지셀 적층체를 차례로 통과하여, 상기 아웃렛을 통해 배출되는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 인렛은 상기 전지셀 적층체의 높이를 기준으로 중심부보다 아래에 위치하고,
    상기 아웃렛은 상기 전지셀 적층체의 높이를 기준으로 중심부보다 위에 위치하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 전지셀 적층체나 상기 제2 전지셀 적층체에서의 상기 전지셀들이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체가 배치되는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 절연 플레이트에 제1 관통홀 및 제2 관통홀이 형성되고,
    상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이의 전기적 연결은 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀을 통해 이루어지는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 개방된 양 측을 각각 덮는 제1 실링 조립체와 제2 실링 조립체를 더 포함하고,
    상기 인렛은 상기 제1 실링 조립체에 형성되고, 상기 아웃렛은 상기 제2 실링 조립체에 형성되는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 인렛은 상기 제1 실링 조립체의 높이를 기준으로, 중심부보다 아래에 위치하고,
    상기 아웃렛은 상기 제2 실링 조립체의 높이를 기준으로, 중심부보다 위에 위치하는 전지 모듈.
  11. 제9항에서,
    상기 전지셀은 파우치형 전지셀이고, 양 방향으로 돌출된 전극 리드들을 포함하고,
    상기 전극 리드들 사이의 방향을 길이 방향이라 했을 때, 상기 길이 방향을 따라 상기 제1 실링 조립체, 상기 제1 전지셀 적층체, 상기 절연 플레이트, 상기 제2 전지셀 적층체 및 상기 제2 실링 조립체가 차례로 위치하는 전지 모듈.
  12. 제1항에서,
    상기 냉매는 절연유인 전지 모듈.
  13. 제1항에서,
    상기 냉매가 상기 모듈 프레임 내부에 수납되는 상기 전지셀 적층체와 직접 접촉하는 전지 모듈.
  14. 제1항에서,
    상기 절연 플레이트는, 상기 절연 플레이트의 중앙에 형성된 상기 개구부의 주변을 상기 절연 플레이트가 둘러싸는 형태인 전지 모듈.
  15. 제1항에서,
    상기 개구부는, 상기 절연 플레이트의 일면 면적 대비 5% 이상 60% 이하의 면적을 갖도록 개구되는 전지 모듈.
  16. 제1항에서,
    상기 절연 플레이트의 상변으로부터 상기 개구부의 상변까지의 길이는, 상기 절연 플레이트의 높이 방향에 따른 길이대비, 25% 이상, 49% 이하이고,
    상기 절연 플레이트의 하변으로부터 상기 개구부의 하변까지의 길이는, 상기 절연 플레이트의 높이 방향에 따른 길이대비, 25% 이상, 49% 이하인 전지 모듈.
  17. 제1항에서,
    상기 절연 플레이트의 상변에서 상기 개구부의 상변까지의 영역 중 적어도 일부에, 상기 절연 플레이트의 상변으로부터 상기 개구부의 상변까지의 방향으로 갈수록 상기 절연 플레이트의 두께가 좁아지도록 경사면이 형성되는 전지 모듈.
  18. 제1항에서,
    상기 절연 플레이트의 하변에서 상기 개구부의 하변까지의 영역 중 적어도 일부에, 상기 절연 플레이트의 하변으로부터 상기 개구부의 하변까지의 방향으로 갈수록 상기 절연 플레이트의 두께가 좁아지도록 경사면이 형성되는 전지 모듈.
  19. 제1항에서,
    상기 절연 플레이트는, 상기 절연 플레이트의 높이 방향을 따라 이어지는 적어도 하나의 리브를 포함하는 전지 모듈.
  20. 제1항에서,
    상기 제1 전지셀 적층체의 일면 상에 위치하는 제1 버스바 프레임 및 상기 제2 전지셀 적층체의 일면 상에 위치하는 제2 버스바 프레임을 더 포함하고,
    상기 절연 플레이트는, 상기 제1 버스바 프레임 또는 상기 제2 버스바 프레임 중 적어도 하나에 고정되는 전지 모듈.
  21. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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