KR20240124076A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량 - Google Patents

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Abstract

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량이 개시된다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 단에 개구를 가지며 상기 개구와 연결된 내부 공간에 복수의 배터리 셀을 수용하는 모듈 프레임; 상기 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결된 터미널이 안착되어 지지되는 지지부를 가지며 상기 개구를 일차적으로 커버하도록 구성된 절연 커버; 및 상기 지지부를 외부에 노출시키는 관통홀을 가지며, 상기 절연 커버에 의해 커버된 상기 개구를 이차적으로 커버하도록 구성된 엔드 플레이트를 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량{Battery module, and battery pack and vehicle including same}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 구비한 배터리 모듈과, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 차량에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등과 같이 반복적 충방전이 가능한 배터리를 말한다. 가장 기본적인 이차전지에 해당하는 배터리 셀(battery cell)은 대략 2.5V에서 4.2V 정도의 출력 전압을 제공할 수 있다.
최근, 이러한 이차전지가 전기 차량(electric vehicle)이나 ESS(Energy Storage System) 등과 같이 높은 출력 전압과 대량의 충전 용량을 요구하는 장치들에 적용되면서, 복수의 배터리 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 구성된 배터리 모듈(battery module)과, 복수의 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 구성된 배터리 팩(battery pack)이 널리 사용되고 있다.
이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이기 위해, 다수의 배터리 셀들이 배터리 모듈이나 배터리 팩 내부의 한정된 공간에 조밀하게 배치된다. 따라서, 배터리 모듈이나 배터리 팩은 배터리 셀들의 열 폭주(thermal runaway)나 열 전이(thermal propagation) 발생 위험을 고려하여 높은 수준의 내구성과 전기적 안전성을 가지도록 설계되어야 한다.
그러나, 한국 공개특허공보 제10-2021-0104429호에 개시된 바와 같이, 기존 기술은, 배터리 모듈의 금속 케이스 내부에 수용된 배터리 셀들과 전기적으로 연결된 터미널을, 상기 금속 케이스의 외부면에 배치하기 때문에, 해당 배터리 모듈 또는 해당 배터리 모듈과 인접한 다른 배터리 모듈에서 고온 가스나 화염이 배출되는 경우, 상기 터미널을 지지하는 절연 구조물들이 용융되거나 붕괴되어, 터미널과 금속 케이스 간에 전기적 쇼트(short)가 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점은, 배터리 모듈의 터미널이 다른 배터리 모듈의 터미널과 마주보는 레이아웃을 가진 배터리 팩에서, 배터리 모듈들의 연쇄적인 열 폭주나 발화를 가속화시키고, 배터리 팩의 폭발과 같은 큰 위험을 초래할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 배터리 모듈의 내부 또는 배터리 모듈과 인접한 다른 배터리 모듈에서 고온 가스나 화염이 배출되는 경우에도, 배터리 모듈의 전기적 쇼트를 방지할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 단에 개구를 가지며 상기 개구와 연결된 내부 공간에 복수의 배터리 셀을 수용하는 모듈 프레임; 상기 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결된 터미널이 안착되어 지지되는 지지부를 가지며 상기 개구를 일차적으로 커버하도록 구성된 절연 커버; 및 상기 지지부를 외부에 노출시키는 관통홀을 가지며, 상기 절연 커버에 의해 커버된 상기 개구를 이차적으로 커버하도록 구성된 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 지지부는, 상기 터미널이 안착되는 안착면을 가진 안착부; 및 상기 안착부에서 상기 관통홀의 테두리 측으로 연장되어 상기 관통홀의 테두리와 상기 터미널 간의 접촉을 차단하는 차단부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 차단부는, 상기 안착부의 하단에서 하방으로 연장되어 상기 안착부의 하방에 위치한 상기 관통홀의 테두리 부분과 상기 터미널 간의 접촉을 차단하는 제1 차단부; 및 상기 안착부의 테두리에서 상방으로 연장되어 상기 안착부의 측방 또는 상방에 위치한 상기 관통홀의 다른 테두리 부분과 상기 터미널 간의 접촉을 차단하는 제2 차단부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 커버는, 전기 절연성과 내화성을 가진 소재로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 커버는, 폴리이미드(polyimide), 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 불소수지(fluoropolymer) 및 세라믹 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀의 전극 리드들 또는 상기 터미널과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 버스바를 지지하도록 구성되어, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 절연 커버 사이에 배치되는 버스바 프레임을 더 포함하고, 상기 버스바 프레임은, 전기 절연성과 내화성을 가진 소재로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 버스바 프레임은, 폴리이미드(polyimide), 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 불소수지(fluoropolymer) 및 세라믹 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 커버보다 용융점이 높은 내화 소재로 구성되어 상기 절연 커버의 지지부에 결합되며, 상기 지지부에 안착된 상기 터미널을 지지하도록 구성된 내화 구조체를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지지부는, 상기 내화 구조체의 적어도 일 부분이 삽입되는 삽입 홈을 더 포함하고, 상기 내화 구조체는, 상기 삽입 홈에 삽입되어 결합되고, 일단이 상기 터미널과 접촉하여 상기 터미널을 지지하는 지지 구조부; 및 상기 지지 구조부와 일체로 구성되어 상기 엔드 플레이트에 결합되는 결합 구조부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 내화 구조체의 결합 구조부는, 결합 돌기를 포함하고, 상기 엔드 플레이트는, 상기 결합 돌기가 삽입되어 결합되는 결합 홈을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 내화 구조체는, 세라믹을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따른 배터리 팩은, 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 양태에 따른 차량은, 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 터미널이 안착되는 절연 커버의 지지부가, 상기 터미널을 외부에 노출시키는 엔드 플레이트의 관통홀 내에 위치하며, 상기 터미널을 상기 관통홀의 테두리로부터 소정 거리를 두고 이격시켜 양자 간의 접촉을 차단하도록 구성됨으로써, 해당 배터리 모듈 또는 해당 배터리 모듈과 인접한 다른 배터리 모듈에서 고온의 가스나 화염이 발생하는 경우에도 절연 구조의 손상이나 붕괴로 인한 터미널과 엔드 플레이트 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있으며, 그 결과 배터리 모듈의 열 폭주나 배터리 모듈들 간의 연쇄적 열 폭주를 억제할 수 있다.
또한, 상기 절연 커버가 높은 내화성을 가진 소재로 구성됨으로써, 고온의 가스나 화염으로 인한 절연 커버의 손상이나 붕괴를 방지 또는 지연시킬 수 있으며, 배터리 모듈의 전기적 안전성을 더욱 개선할 수 있다.
또한, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀과 상기 절연 커버 사이에 배치되어 버스바들을 지지하는 버스바 프레임이, 절연성과 함께 높은 내화성을 가진 소재로 구성됨으로써, 배터리 모듈의 내부에서 고온의 가스나 화염이 발생하는 경우에도 버스바 프레임의 구조적 변형을 억제할 수 있으며, 그 결과 버스바들 간의 접촉으로 인한 전기적 단락을 방지할 수 있다.
또한, 상기 절연 커버보다 용융점이 높은 내화 소재로 구성된 내화 구조체가, 상기 절연 커버의 지지부에 결합되어 상기 지지부에 안착된 상기 터미널을 지지하도록 구성됨으로써, 고온의 가스나 화염에 의해 상기 절연 커버가 용융되거나 붕괴되는 경우에도 터미널과 엔드 플레이트 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있다.
또한, 상기 내화 구조체가 금속 소재로 구성되는 상기 엔드 플레이트에 결합되어 고정되도록 구성됨으로써, 상기 절연 커버가 용융되거나 붕괴되는 경우에도 상기 터미널을 안전하게 지지할 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 부분 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 셀 어셈블리의 버스바 프레임을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 절연 커버를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 엔드 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 내화 구조체를 나타낸 후방 사시도이다.
도 9는 내화 구조체가 결합된 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 양태에 따른 차량을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대응하는 해결 방안을 명확히 하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우에는 그에 관한 설명은 생략될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이들은 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 후술되는 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 모듈(100)이 사시도로 도시되어 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 배터리 모듈(100)의 부분 분해도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 모듈(100)은, 배터리 셀 어셈블리(110)를 수용하는 모듈 프레임(120)과, 상기 배터리 모듈(100)의 터미널(118)을 지지하는 지지부(132)를 가진 절연 커버(130)와, 이러한 절연 커버(130)가 결합된 모듈 프레임(120)의 개구(122)를 커버하는 엔드 플레이트(140)를 포함한다.
상기 모듈 프레임(120)은, 배터리 모듈(100)의 길이 방향(Y축 방향) 양 단 중 적어도 일 단에 개구(122)를 가지며, 상기 개구(122)와 연결된 내부 공간에 복수의 배터리 셀을 포함한 배터리 셀 어셈블리(110)를 수용할 수 있다.
예컨대, 상기 모듈 프레임(120)은 길이 방향(Y축 방향)의 양 단에 각각 개구가 마련된 관 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 모듈 프레임(120)은 높은 수준의 강성과 내열성을 가진 메탈 소재로 구성될 수 있다. 이러한 모듈 프레임(120)은 판금 및 용접 공정 또는 사출 공정을 통해 일체로 제조될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 모듈 프레임(120)은 이종 금속을 접합시킨 클래드 메탈(clad metal)로 구성될 수 있다. 즉, 상기 모듈 프레임(120)은 제1 메탈 플레이트에 제2 메탈 플레이트를 접합시킨 복층 구조의 메탈 플레이트로 구성될 수 있다.
이 경우, 모듈 프레임(120)의 외부면을 이루는 제1 메탈 플레이트는 모듈 프레임(120)의 내부면을 이루는 제2 메탈 플레이트보다 상대적으로 열 전도성이 높은소재로 구성되고, 상기 제2 메탈 플레이트는 제1 메탈 플레이트보다 내열성과 내화성이 높은 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 메탈 플레이트는 알루미늄(Al)을 포함한 소재로 구성되고, 상기 제2 메탈 플레이트는 스테인리스 스틸(stainless steel)을 포함한 소재로 구성될 수 있다. 참고로, 알루미늄의 녹는점은 대략 660℃이고, 스테인리스 스틸의 녹는점은 대략 2750℃이다.
상기 절연 커버(130)는 배터리 셀 어셈블리(110)의 배터리 셀들과 전기적으로 연결된 터미널(118)이 안착되어 지지되는 지지부(132)를 가지며, 모듈 프레임(120)의 개구(122)를 일차적으로 커버하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 절연 커버(130)는 터미널(118)을 지지부(132)로 가이드하는 가이드 홀(H1)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 절연 커버(130)는 상기 배터리 셀 어셈블리(110)에 포함된 배터리 셀들의 전기적 신호를 전달하는 커넥터를, 외부로 노출시키는 제1 커넥터 홀(H2)을 포함할 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 지지부(132)는 상기 터미널(118)이 안착되는 안착면을 가진 안착부와, 이러한 안착부에서 엔드 플레이트(140)에 마련된 관통홀(H3)의 테두리 측으로 연장되어 관통홀(H3)의 테두리와 상기 터미널(118) 간의 접촉을 차단하는 차단부를 포함할 수 있다.
이러한 절연 커버(130)는 전기 절연성을 가진 고분자 합성수지로 구성될 수 있다. 특히, 상기 절연 커버(130)는 전기 절연성과 함께 높은 내화성을 가진 소재로 구성될 수 있다.
상기 엔드 플레이트(140)는 절연 커버(130)의 지지부(132)를 외부로 노출시키는 관통홀(H3)을 가지며, 절연 커버(130)에 의해 커버된 모듈 프레임(120)의 개구(122)를 이차적으로 커버하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 엔드 플레이트(140)는 상기 절연 커버(130)의 제1 커넥터 홀(H2)과 대응하는 위치에 마련되어 상기 커넥터를 외부에 노출시키는 제2 커넥터 홀(H4)을 포함할 수 있다.
이러한 엔드 플레이트(140)는 높은 수준의 강성과 내열성을 가진 메탈 소재로 구성될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀 어셈블리(110)가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 셀 어셈블리(110)는 복수의 배터리 셀(112), 버스바(114) 및 버스바 프레임(116)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 셀(112)은 배터리 모듈의 폭 방향(X축 방향)으로 조밀하게 배열될 수 있다. 각각의 배터리 셀(112)은 충방전 가능한 가장 기본적인 이차전지로서 다양한 형태로 구현될 수 있다.
예컨대, 배터리 셀(112)은 파우치형 이차전지로 구현될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(112)은 파우치 형태의 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질을 수납하고 해당 케이스를 밀봉하는 방식으로 제조될 수 있다. 또한, 상기 파우치 형태의 케이스는 1개 또는 2개의 파우치 시트로 구성될 수 있다.
이러한 배터리 셀(112)은 한 쌍의 전극 리드를 구비할 수 있다. 각각의 전극 리드는, 그 일단이 케이스 내부에 수용된 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 그 타단이 케이스 외부로 연장되어 외부에 노출되도록 구성될 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀(102)은 각각 원통형 이차전지나 각형 이차전지로 구현될 수도 있다.
도 2와 같이, 이러한 복수의 배터리 셀(102)은 각각 수직 방향(Z축 방향)으로 기립된 상태에서 수평 방향(X축 방향)으로 상호 적층될 수 있다.
상기 버스바(114)는 배터리 셀(112)의 전극 리드 또는 상기 터미널(118)과 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 버스바(114)는 금속과 같은 전도성 소재로 구성될 수 있다.
상기 버스바 프레임(116)은, 1개 또는 2개 이상의 버스바(114)를 지지하도록 구성될 수 있다. 이러한 버스바 프레임(116)은 전기 절연 소재로 구성될 수 있다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 버스바 프레임(116)은 전기 절연성과 함께 높은 내화성을 가진 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀 어셈블리(110)는 버스바(114)를 통해 배터리 셀들과 전기적으로 연결되어 배터리 모듈(100)의 출력 전압을 제공하는 터미널(118)과, 배터리 셀들에 관한 전기적 신호를 전달하는 커넥터(119) 등을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 터미널(118)과 커넥터(119)는 상기 버스바 프레임(116)에 배치될 수 있다.
도 4에는 도 3에 도시된 배터리 셀 어셈블리의 버스바 프레임(116)이 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 버스바 프레임(116)은 모듈 프레임(120)의 내부 공간에 배치되되, 모듈 프레임(120)에 수용된 복수의 배터리 셀과, 모듈 프레임(120)의 개구를 커버하는 절연 커버(130) 사이에 배치되어, 적어도 하나의 버스바(114)를 지지하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 각각의 버스바(114)는 배터리 셀(112)의 전극 리드(112a)나 배터리 모듈(100)의 터미널(118)과 전기적으로 연결될 수 있다.
버스바(114)를 통해 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 터미널(118)과, 배터리 셀들에 관한 전기적 신호를 전달하는 커넥터(119)는, 상기 버스바 프레임(116)에 배치될 수 있다.
이러한 버스바 프레임(116)은 전기 절연성과 함께 높은 내화성을 가진 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 버스바 프레임(116)은 폴리이미드(polyimide), 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 불소수지(fluoropolymer) 및 세라믹 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
이와 같이, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀(112)과 절연 커버(130) 사이에 배치되어 버스바들을 지지하는 버스바 프레임(116)이, 절연성과 함께 높은 내화성을 가진 소재로 구성됨으로써, 배터리 모듈의 내부에서 고온의 가스나 화염이 발생하는 경우에도 버스바 프레임의 구조적 변형을 억제할 수 있으며, 그 결과 버스바들 간의 접촉으로 인한 전기적 단락을 방지할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 절연 커버(130)가 사시도로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 절연 커버(130)는 배터리 셀 어셈블리(110)의 배터리 셀들과 전기적으로 연결된 터미널(118)이 안착되어 지지되는 지지부(132)를 가지며, 모듈 프레임(120)의 개구(122)를 일차적으로 커버하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 절연 커버(130)는 상기 터미널(118)을 지지부(132)로 가이드하는 가이드 홀(H1)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 절연 커버(130)는 상기 배터리 셀 어셈블리(110)에 포함된 배터리 셀들의 전기적 신호를 전달하는 커넥터를, 외부로 노출시키는 제1 커넥터 홀(H2)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지부(132)는 상기 터미널(118)이 안착되는 안착면을 가진 안착부(134)와, 이러한 안착부(134)에서 엔드 플레이트(140)에 마련된 관통홀(H3)의 테두리 측으로 연장되어 관통홀(H3)의 테두리와 상기 터미널(118) 간의 접촉을 차단하는 차단부(136a, 136b)를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 차단부(136a, 136b)는, 제1 차단부(136a)와 제2 차단부(136b)를 포함할 수 있다.
상기 제1 차단부(136a)는 안착부(134)의 하단에서 하방으로 연장되어, 안착부(134)의 하방에 위치한 상기 관통홀(H3)의 테두리 부분과 상기 터미널(118) 간의 접촉을 차단하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 차단부(136b)는 안착부(134)의 테두리에서 상방으로 연장되어, 안착부(134)의 측방 또는 상방에 위치한 상기 관통홀(H3)의 다른 테두리 부분과 상기 터미널(118) 간의 접촉을 차단하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 상기 절연 커버(130)의 지지부(132)가, 상기 터미널(118)을 외부에 노출시키는 엔드 플레이트(140)의 관통홀(H3) 내에 위치하며, 상기 터미널(118)을 해당 관통홀(H3)의 테두리로부터 소정 거리를 두고 이격시켜 양자 간의 접촉을 차단하도록 구성됨으로써, 해당 배터리 모듈(100) 또는 해당 배터리 모듈(100)과 인접한 다른 배터리 모듈에서 고온의 가스나 화염이 발생하는 경우에도 절연 구조의 손상이나 붕괴로 인한 터미널(118)과 엔드 플레이트(140) 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있으며, 배터리 모듈의 열 폭주나 또는 배터리 모듈들 간의 연쇄적 열 폭주를 억제할 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 절연 커버(130)의 지지부(132)는, 터미널(118)을 지지하도록 구성된 내화 구조체의 적어도 일 부분이 삽입되는 삽입 홈(138)을 더 포함할 수 있다.
이러한 절연 커버(130)는 전기 절연성을 가진 고분자 합성수지로 구성될 수 있다. 특히, 상기 절연 커버(130)는 전기 절연성과 함께 높은 내화성을 가진 소재로 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 절연 커버(130)는 폴리이미드(polyimide), 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 불소수지(fluoropolymer) 및 세라믹 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
이와 같이, 상기 절연 커버(130)가 높은 내화성을 가진 소재로 구성됨으로써, 고온의 가스나 화염으로 인한 절연 커버의 손상이나 붕괴를 방지 또는 지연시킬 수 있으며, 그 결과 배터리 모듈의 전기적 안전성을 더욱 개선할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 엔드 플레이트(140)가 사시도로 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 엔드 플레이트(140)는 절연 커버(130)의 지지부(132)를 외부로 노출시키는 관통홀(H3)을 가지며, 절연 커버(130)에 의해 커버된 모듈 프레임(120)의 개구(122)를 이차적으로 커버하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔드 플레이트(140)는 상기 절연 커버(130)의 제1 커넥터 홀(H2)과 대응하는 위치에 마련되어, 상기 제1 커넥터 홀(H2)에 삽입된 커넥터(119)를 외부에 노출시키는 제2 커넥터 홀(H4)을 포함할 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 엔드 플레이트(140)는 터미널(118)을 지지하도록 구성된 내화 구조체가 결합되는 결합 홈(142)을 더 포함할 수 있다.
이러한 엔드 플레이트(140)는 높은 수준의 강성과 내열성을 가진 메탈 소재로 구성될 수 있다. 또한, 상기 엔드 플레이트(140)는 레이저 용접에 의해 모듈 프레임(120)에 결합되어 모듈 프레임(120)의 개구(120a)를 커버하도록 구성될 수 있다.
한편, 모듈 프레임(120)의 양 단에 개구가 마련된 경우, 상기 배터리 모듈(100)은 모듈 프레임(120)의 일단 개구를 커버하는 상기 엔드 플레이트(140)와는 별도로 상기 모듈 프레임(120)의 타단 개구를 커버하는 다른 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 다른 엔드 플레이트에는 상기 엔드 플레이트(140)의 관통홀(H3), 제2 커넥터 홀(H4) 및 결합 홈(142)에 각각 대응하는 구성들이 생략될 수 있다.
도 7에는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100A)이 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100A)은 상술한 배터리 모듈(100)에 비해 내화 구조체(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 내화 구조체(150)는 상술한 절연 커버(130)의 지지부(132)에 결합되어, 해당 지지부(132)에 안착된 터미널(118)을 지지하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 절연 커버(130)의 지지부(132)는 내화 구조체(150)의 적어도 일 부분이 삽입되는 삽입 홈(138)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내화 구조체(150)는 지지 구조부(152)와 결합 구조부(154)를 포함할 수 있다.
상기 지지 구조부(152)는 상기 지지부(132)의 삽입 홈(138)에 삽입되어 결합되고, 그 일단이 지지부(132)에 안착된 터미널(118)과 접촉하여 해당 터미널(118)을 지지하도록 구성될 수 있다.
상기 결합 구조부(154)는 상기 지지 구조부(152)와 일체로 구성되어 엔드 플레이트(140)에 결합되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 결합 구조부(154)는 다양한 방식으로 엔드 플레이트(140)에 결합될 수 있다. 예컨대, 상기 결합 구조부(154)는 나사 결합 방식 또는 억지 끼움 방식으로 상기 엔드 플레이트(140)에 결합될 수 있다. 이를 위해, 상기 엔드 플레이트(140)는 내화 구조체(150)와의 결합을 위한 결합 홈(142)을 포함할 수 있다.
도 8에는 도 7에 도시된 내화 구조체(150)의 후방 사시도가 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 내화 구조체(150)는 상기 지지부(132)의 삽입 홈(138)에 삽입되어 터미널(118)을 지지하는 지지 구조부(152), 및 이러한 지지부(132)와 일체로 구성되어 엔드 플레이트(140)에 결합되는 결합 구조부(154)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 결합 구조부(154)는 엔드 플레이트(140)의 결합 홈(142)에 삽입되어 결합되는 결합 돌기(154a)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 결합 돌기(154a)는 상기 결합 구조부(154)와 일체로 구성되어 상기 결합 홈(142)에 억지 끼움 방식으로 결합되도록 구성될 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 상기 결합 돌기(154a)는 상기 결합 홈(142)에 나사 결합 방식으로 결합되는 나사의 몸통(shank)일 수 있다.
도 9에는 내화 구조체가 결합된 배터리 모듈(100A)이 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 내화 구조체(150)는 상술한 절연 커버(130)의 지지부(132)에 결합되어, 해당 지지부(132)에 안착된 터미널(118)을 지지하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 내화 구조체(150)의 지지 구조부(152)는, 상기 지지부(132)의 삽입 홈(138)에 삽입되어 상기 지지부(132)에 안착된 터미널(118)을 지지할 수 있다. 또한, 상기 내화 구조체(150)의 결합 구조부(154)는, 엔드 플레이트(140)에 결합되어 고정될 수 있다.
이러한 내화 구조체(150)는 절연 커버(130)보다 용융점이 높은 내화 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 내화 구조체(150)는 세라믹을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
이와 같이, 절연 커버(130)보다 용융점이 높은 내화 소재로 구성된 내화 구조체(150)가, 절연 커버(130)의 지지부(132)에 결합되어, 지지부(132)에 안착된 터미널(118)을 지지함으로써, 고온의 가스나 화염에 의해 절연 커버(130)가 용융되거나 붕괴되는 경우에도 터미널(118)과 엔드 플레이트(140) 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있다.
또한, 상기 내화 구조체(150)가 금속 소재로 구성된 엔드 플레이트(140)에 결합되어 고정됨으로써, 절연 커버(130)가 용융되거나 붕괴되는 경우에도 상기 터미널(118)을 안전하게 지지할 수 있다.
도 10에는 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 팩(10)이 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 팩(10)은, 상술한 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈(100, 100A)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(10)은 상기 배터리 모듈(100, 100A)을 1개 또는 2개 이상 수용하는 팩 케이스(12, 14)를 더 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스(12, 14)는 복수의 배터리 모듈을 수용하는 수용 공간을 가진 팩 트레이(pack tray)(12)와, 이러한 팩 트레이(12)의 상단 개구를 커버하는 팩 리드(pack lid)(14)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(10)은 팩 케이스(12, 14)에 수용된 배터리 모듈(100, 100A), 또는 배터리 모듈(100, 100A)에 포함된 배터리 셀의 충·방전 동작을 제어하거나, SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 등을 모니터링하는 각종 전장 부품들(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 전장 부품들은 배터리 모듈(100)과 함께 팩 케이스(12, 14)에 수용될 수 있다.
도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(2)이 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(2)은, 상술한 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈(100, 100A)을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 차량(2)은 상기 배터리 모듈(100, 100A)을 1개 또는 2개 이상 내장한 배터리 팩(10)을 포함할 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈(100, 100A) 또는 이를 포함한 배터리 팩(10)은 상기 차량(2)의 여러 동작에 필요한 전기 에너지를 제공할 수 있다.
이 경우, 상기 차량(2)은 배터리 모듈(100, 100A) 또는 이를 포함한 배터리 팩(10)으로부터 공급되는 전기 에너지를 이용하여 상기 차량(2)을 이동시키는 전기 모터를 더 포함할 수 있다.
참고로, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100, 100A)은 차량 이외에 전기 에너지를 사용하는 다양한 전기 장치나 전기 시스템에 적용될 수 있음은 물론, ESS(Energy Storage System)에도 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 터미널이 안착되는 절연 커버의 지지부가, 상기 터미널을 외부에 노출시키는 엔드 플레이트의 관통홀 내에 위치하며, 상기 터미널을 상기 관통홀의 테두리로부터 소정 거리를 두고 이격시켜 양자 간의 접촉을 차단하도록 구성됨으로써, 해당 배터리 모듈 또는 해당 배터리 모듈과 인접한 다른 배터리 모듈에서 고온의 가스나 화염이 발생하는 경우에도 절연 구조의 손상이나 붕괴로 인한 터미널과 엔드 플레이트 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있으며, 그 결과 배터리 모듈의 열 폭주나 배터리 모듈들 간의 연쇄적 열 폭주를 억제할 수 있다.
또한, 상기 절연 커버가 높은 내화성을 가진 소재로 구성됨으로써, 고온의 가스나 화염으로 인한 절연 커버의 손상이나 붕괴를 방지 또는 지연시킬 수 있으며, 배터리 모듈의 전기적 안전성을 더욱 개선할 수 있다.
또한, 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀과 상기 절연 커버 사이에 배치되어 버스바들을 지지하는 버스바 프레임이, 절연성과 함께 높은 내화성을 가진 소재로 구성됨으로써, 배터리 모듈의 내부에서 고온의 가스나 화염이 발생하는 경우에도 버스바 프레임의 구조적 변형을 억제할 수 있으며, 그 결과 버스바들 간의 접촉으로 인한 전기적 단락을 방지할 수 있다.
또한, 상기 절연 커버보다 용융점이 높은 내화 소재로 구성된 내화 구조체가, 상기 절연 커버의 지지부에 결합되어 상기 지지부에 안착된 상기 터미널을 지지하도록 구성됨으로써, 고온의 가스나 화염에 의해 상기 절연 커버가 용융되거나 붕괴되는 경우에도 터미널과 엔드 플레이트 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있다.
또한, 상기 내화 구조체가 금속 소재로 구성되는 상기 엔드 플레이트에 결합되어 고정되도록 구성됨으로써, 상기 절연 커버가 용융되거나 붕괴되는 경우에도 상기 터미널을 안전하게 지지할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 실시예들은, 해당 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 100A: 배터리 모듈
110: 배터리 셀 어셈블리
112: 배터리 셀
114: 버스바
116: 버스바 프레임
118: 터미널
120: 모듈 프레임
130: 절연 커버
132: 지지부
134: 안착부
136a, 136b: 차단부
138: 삽입 홈
140: 엔드 플레이트
142: 결합 홈
150: 내화 구조체
152: 지지 구조부
154: 결합 구조부

Claims (12)

  1. 적어도 일 단에 개구를 가지며, 상기 개구와 연결된 내부 공간에 복수의 배터리 셀을 수용하는 모듈 프레임;
    상기 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결된 터미널이 안착되어 지지되는 지지부를 가지며 상기 개구를 일차적으로 커버하도록 구성된 절연 커버; 및
    상기 지지부를 외부에 노출시키는 관통홀을 가지며, 상기 절연 커버에 의해 커버된 상기 개구를 이차적으로 커버하도록 구성된 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 지지부는,
    상기 터미널이 안착되는 안착면을 가진 안착부; 및
    상기 안착부에서 상기 관통홀의 테두리 측으로 연장되어 상기 관통홀의 테두리와 상기 터미널 간의 접촉을 차단하는 차단부를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차단부는,
    상기 안착부의 하단에서 하방으로 연장되어 상기 안착부의 하방에 위치한 상기 관통홀의 테두리 부분과 상기 터미널 간의 접촉을 차단하는 제1 차단부; 및
    상기 안착부의 테두리에서 상방으로 연장되어 상기 안착부의 측방 또는 상방에 위치한 상기 관통홀의 다른 테두리 부분과 상기 터미널 간의 접촉을 차단하는 제2 차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연 커버는, 전기 절연성과 내화성을 가진 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연 커버는, 폴리이미드(polyimide), 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 불소수지(fluoropolymer) 및 세라믹 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀의 전극 리드들 또는 상기 터미널과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 버스바를 지지하도록 구성되어, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 절연 커버 사이에 배치되는 버스바 프레임을 더 포함하고,
    상기 버스바 프레임은, 전기 절연성과 내화성을 가진 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 버스바 프레임은, 폴리이미드(polyimide), 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide), 폴리페닐렌 술파이드(Poly Phenylene Sulfide), 폴리에테르 에테르케톤(Polyether ether ketone), 불소수지(fluoropolymer) 및 세라믹 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연 커버보다 용융점이 높은 내화 소재로 구성되어 상기 절연 커버의 지지부에 결합되며, 상기 지지부에 안착된 상기 터미널을 지지하도록 구성된 내화 구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지부는, 상기 내화 구조체의 적어도 일 부분이 삽입되는 삽입 홈을 더 포함하고,
    상기 내화 구조체는,
    상기 삽입 홈에 삽입되어 결합되고, 일단이 상기 터미널과 접촉하여 상기 터미널을 지지하는 지지 구조부; 및
    상기 지지 구조부와 일체로 구성되어 상기 엔드 플레이트에 결합되는 결합 구조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내화 구조체의 결합 구조부는, 결합 돌기를 포함하고,
    상기 엔드 플레이트는, 상기 결합 돌기가 삽입되어 결합되는 결합 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 내화 구조체는, 세라믹을 포함하는 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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