WO2015160115A1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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battery module
cooling
secondary battery
cooling plate
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엄영섭
김기연
성준엽
유성천
강달모
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more particularly, to a battery module and a battery pack including the improved structure so that the gas generated in the secondary battery does not flow into the cooling passage.
  • водородн ⁇ е ⁇ е ⁇ ество Commercially available secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, nickel zinc batteries, and lithium secondary batteries. Among them, lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, and thus are free of charge and discharge. The self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with the positive electrode active material and the negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and a packaging material that seals the electrode assembly together with the electrolyte solution, that is, a battery case.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • secondary batteries are widely used not only in small devices such as portable electronic devices but also in medium and large devices such as automobiles and power storage devices.
  • medium and large devices such as automobiles and power storage devices.
  • a large number of secondary batteries are electrically connected to increase capacity and output.
  • a pouch type secondary battery is widely used in such a medium-large size device because of its easy lamination.
  • the pouch type secondary battery is generally packaged in a battery case of a laminate sheet of aluminum and a polymer resin, so the mechanical rigidity is not large. Therefore, when constructing a battery module including a large number of pouch type secondary batteries, a frame is often used to protect the secondary battery from external shocks, to prevent the flow thereof, and to facilitate lamination.
  • the frame may be replaced with various other terms such as a cartridge.
  • the frame may be formed in a rectangular plate shape in which the center part is empty. In this case, four side parts are configured to surround the outer circumference of the pouch type secondary battery.
  • the frame is used in the form of a plurality of stacked to form a battery module, the secondary battery may be located in the inner empty space generated when the frame is stacked.
  • cooling fins in a plate form may be interposed between the secondary batteries.
  • the secondary battery may be used in a high temperature environment such as summer, and heat may also be generated in the secondary battery itself.
  • the temperature of the secondary battery may be further increased. If the temperature is higher than an appropriate temperature, the performance of the secondary battery may be degraded, and in severe cases, there is a risk of explosion or fire. Therefore, when the battery module is configured, a configuration in which a cooling fin is interposed between the secondary batteries to prevent the temperature rise of the secondary battery through the cooling fins is often used.
  • the secondary battery may be cooled in various forms and manners.
  • the air-cooling type to lower the temperature of the secondary battery through heat exchange between the cooling plate and the air by allowing external air to flow around the cooling plate is widely used.
  • a cooling passage is secured around the cooling plate, and the cooling passage is connected to the duct so that air between the inside and the outside of the battery module can flow in and out.
  • the pouch type secondary battery may generate gas during use, and the gas may include a component harmful to a human body.
  • the harmful gas generated from the secondary battery penetrates into the cooling channel, the penetrated harmful gas may be discharged to the outside through the duct, and the discharged gas may be sucked by the battery user.
  • the medium-large battery pack including many secondary batteries is mounted, there is a high possibility that gas is discharged from the secondary batteries.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and includes a battery module and a battery module which can prevent the generated gas from flowing into the cooling channel or the duct connected thereto even when gas is generated in the secondary battery.
  • An object is to provide a battery pack and a car.
  • Battery module for achieving the above object, a plurality of pouch type secondary battery; An upper cooling plate and a lower cooling plate disposed at a predetermined distance apart from each other in a vertical direction to form a cooling flow path between the spaces, and at least one of the upper portion of the upper cooling plate and the lower portion of the lower cooling plate; A first frame accommodating a secondary battery; And an upper cooling plate and a lower cooling plate in the same form as the first frame, to accommodate the pouch type secondary battery, and to be stacked on an upper portion of the first frame to provide a venting flow path in a space between the first frame and the first frame. It includes a second frame to form.
  • the venting passage is physically separated from the cooling passage.
  • venting flow path is formed at a portion where the sealing portion of the pouch-type secondary battery is positioned in a space between the upper cooling plate of the first frame and the lower cooling plate of the second frame.
  • the cooling passage may have openings formed at left and right sides thereof, and the flow direction of the cooling gas may be formed in a left and right direction, and the venting passage may have openings formed in at least one of the front side and the rear side. , The flow direction of the venting gas is formed in the front-rear direction.
  • an inlet duct covering the right opening of the cooling passage, the inlet is formed on the outside and the opening is formed on the inner side so that the cooling gas introduced through the inlet is drawn into the cooling passage through the opening;
  • an outlet duct covering the left opening of the cooling passage, the outlet being formed at the outside, and the opening being formed at the inside thereof so that the cooling gas discharged from the cooling passage is introduced into the opening and flows out through the outlet.
  • At least one of the inlet duct and the outlet duct is provided with a duct sealing member for blocking the leakage of gas at the contact portion with the first frame and the second frame.
  • an electrode tab of the secondary battery is positioned at an opening side of the venting flow path, and further includes a sensing assembly configured to contact the electrode tab of the secondary battery to measure a voltage of the secondary battery, wherein the sensing assembly is configured to be vented.
  • a discharge port for discharging the venting gas introduced from the opening side of the flow path is formed at the upper portion.
  • an uneven portion is formed in an upper portion of the first frame and a lower portion of the second frame so as to correspond to each other.
  • the uneven portions are coupled to each other to form an inner vent. The gas is blocked from flowing outwards.
  • the uneven parts are formed in the left unit frame and the right unit frame of the first frame and the second frame.
  • At least two concave-convex portions are formed on the left unit frame and the right unit frame, respectively, of the first frame, and at least two are formed on the left unit frame and the right unit frame of the second frame, respectively.
  • the two or more uneven parts are arranged in the horizontal direction with respect to each of the first frame and the second frame.
  • the concave-convex portion is configured such that protrusions and concave portions are formed at both upper and lower portions of the first frame and the second frame, respectively.
  • the first frame includes a frame sealing member that blocks gas from leaking between the first frame and the second frame.
  • the left sealing part and the right sealing part are folded in the inward direction.
  • the battery pack according to the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • the vehicle according to the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • the cooling passage through which the cooling gas for heat exchange with the secondary battery flows and the space in which the secondary battery is housed can be physically separated.
  • the secondary battery frame when the secondary battery frame is stacked, protrusions formed on the upper and / or lower portions and insertion grooves formed on the lower and / or upper portions are inserted into and fastened, so that the secondary battery is stored in the cooling passage.
  • the path through which gas can escape can be complicated.
  • the pressure inside the frame is increased to further deform the protrusion and the insertion groove, so that the path from the inside of the frame to the outside can be blocked more reliably.
  • the generated gas can be prevented from being transmitted to the battery pack user through the cooling passage and the duct.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically illustrating a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the configuration of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the configuration of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating only one frame separated from the battery module of FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view of the portion C of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2.
  • FIG. 6 is an enlarged view of part D of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically illustrating a configuration in which a sensing assembly is added in the battery module of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing some components of a frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing some components of a frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing some components of a frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing the configuration of a pack case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically illustrating a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the configuration of FIG. 1.
  • the battery module according to the present invention includes a secondary battery 100 and a frame 200.
  • the secondary battery 100 may be included in a plurality of battery modules, may be a pouch type secondary battery.
  • the plurality of pouch type secondary batteries may be configured in a form stacked in one direction, for example, a vertical direction as shown in the figure.
  • the frame 200 is a component used to stack the pouch type secondary battery 100 and may be replaced with various other terms such as a cartridge.
  • the frame 200 may be configured to hold the secondary battery 100 to prevent its flow and to be stacked on each other to guide assembly of the secondary battery 100.
  • the frame 200 is a stacked component for stacking a plurality of pouch-type secondary batteries 100, at least two or more frames may be included.
  • FIG. 3 is a perspective view showing only one frame 200 separated from the battery module of FIGS. 1 and 2, and FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view of part C of FIG. 3.
  • each of the frames 200 included in the battery module of the present invention may include an upper cooling plate 210, a lower cooling plate 220, and a main frame 230. Can be.
  • the upper cooling plate 210 may be configured in a wide plate shape, and may be disposed in a form in which a wide surface thereof is faced upward and downward.
  • the upper cooling plate 210 may be configured in the form of a square plate.
  • the lower cooling plate 220 is configured in the form of a plate like the upper cooling plate 210, and may be formed in the same shape as that of the upper cooling plate 210, for example, the upper cooling plate 210. have.
  • the lower cooling plate 220 may be disposed under the upper cooling plate 210 in each frame in such a manner that a wide surface thereof faces each other with the wide surface of the upper cooling plate 210.
  • the lower cooling plate 220 may be disposed to be spaced apart from the upper cooling plate 210 by a predetermined distance.
  • the lower cooling plate 220 may be arranged to be parallel to the upper cooling plate 210 in the horizontal direction.
  • the lower cooling plate 220 is disposed to be somewhat spaced apart from the upper cooling plate 210, so that an empty space is formed between the lower cooling plate 220 and the upper cooling plate 210 as indicated by P in FIG. 4. Can be formed.
  • a cooling fluid such as external air may flow into the empty space formed as described above, the empty space between the lower cooling plate 220 and the upper cooling plate 210 may function as a flow path.
  • the upper cooling plate 210 and the lower cooling plate 220 may be spaced apart by a predetermined distance in the vertical direction to form a cooling flow path in the interspace.
  • the lower cooling plate 220 may be configured to partially contact the upper cooling plate 210 without being spaced apart from the whole.
  • one or more beading portions may be formed in the upper cooling plate 210 and the lower cooling plate 220 to be in contact with each other. That is, the upper cooling plate 210 has a beading portion formed to protrude downward, and the lower cooling plate 220 has a beading portion formed protruding upwardly, Beading parts of the lower cooling plate 220 may be in contact with each other.
  • the distance between the upper cooling plate 210 and the lower cooling plate 220 does not shorten due to the contact between the bead portion, so that the cooling flow path formed in the portion other than the bead portion is stably maintained can do.
  • the upper cooling plate 210 and the lower cooling plate 220 may be formed of a material having thermal conductivity so as to exchange heat with the secondary battery 100 positioned at the upper and lower portions, respectively.
  • the two cooling plates may be made of an aluminum material which is excellent in thermal conductivity and easy to form and light in weight.
  • the present invention is not necessarily limited to such a cooling plate material, and the cooling plate may be made of various materials such as metal other than aluminum.
  • the main frame 230 may be located at the outer circumferential portions of the upper cooling plate 210 and the lower cooling plate 220, that is, the edge portion. Accordingly, the main frame 230 may include four unit frames, and each unit frame may be configured to have both ends connected to each other. That is, as shown in FIG. 3, the main frame 230 may have a four-sided side, and may be configured in a rectangular ring shape in which a central portion of the main frame 230 is empty. In addition, in the main frame 230, each unit frame may form each side of the quadrangle.
  • the outer peripheral portion of the pouch-type secondary battery 100 having four sides is configured to be seated on the main frame 230, all four sides, or some of the four sides, such as shown in the direction F1 and F2 in FIG.
  • Two sides, such as front and rear, may be configured to be seated on the main frame 230.
  • the secondary battery stacking frame 200 including the upper plate, the lower plate, and the main frame 230 in the form as described above is a state in which the upper cooling plate 210 and the lower cooling plate 220 overlap each other at a predetermined distance from each other.
  • the main frame 230 may be manufactured in the form of insert injection.
  • the present invention is not necessarily limited to such a frame manufacturing form.
  • the battery module according to the present invention includes two or more such frames 200, and each frame 200 may be configured to be stacked in the vertical direction.
  • the pouch type secondary battery may be accommodated in the internal space of the frame 200 stacked as described above. That is, each of the frames 200 of the battery module according to the present invention may be stacked in the vertical direction while having the cooling plate and the lower plate and accommodating a pouch-type secondary battery.
  • the frame 200 positioned below is referred to as a first frame, and the frame 200 stacked above and referred to as a second frame.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2, and FIG. 6 is an enlarged view of a portion D of FIG. 5.
  • the battery module according to the present invention includes a plurality of frames 200 stacked on each other, and a secondary battery is accommodated in an internal space formed by the stacking of each frame 200. Can be.
  • FIG. 6 a configuration in which two frames are stacked is illustrated, and a frame positioned below the first frame 201 may be referred to as a second frame 202. .
  • each of the first frame 201 and the second frame 202 may include an upper cooling plate 210 and a lower cooling plate 220 to form a cooling passage.
  • first frame 201 and the second frame 202 may accommodate the pouch type secondary battery at at least one of the upper portion of the upper cooling plate 210 and the lower portion of the lower cooling plate 220.
  • the first frame 201 accommodates one pouch type secondary battery on the upper portion of the upper cooling plate 210 and the other on the lower portion of the lower cooling plate 220. Pouch type secondary battery can be accommodated.
  • the second frame 202 stacked on the upper portion of the first frame 201 also accommodates one secondary battery on the upper portion of the upper cooling plate 210 and the other on the lower portion of the lower cooling plate 220. Can accommodate a secondary battery.
  • two pouch type secondary batteries may be accommodated in a space between the upper cooling plate 210 of the first frame 201 and the lower cooling plate 220 of the second frame 202.
  • the first frame 201 and the second frame 202 stacked in the vertical direction may form a venting flow path in the space therebetween due to the lamination.
  • the venting flow path may refer to a passage that moves in the battery module to vent the generated gas when gas is generated in the secondary battery.
  • the venting passage is configured to be physically separated from the cooling passage.
  • the physically separated configuration may mean a configuration in which the venting flow path and the cooling flow path are not connected to each other in the battery module. Therefore, in such a configuration, the fluid flowing through the venting flow path cannot enter the cooling flow path inside the battery module. Therefore, according to this configuration of the present invention, since the venting flow path and the cooling flow path are mutually blocked, the gas generated from the secondary battery can only flow through the venting flow path, but cannot flow through the cooling flow path.
  • the vent flow path may be a portion in which a sealing portion of the pouch type secondary battery is positioned in a space between the upper cooling plate 210 of the first frame 201 and the lower cooling plate 220 of the second frame 202. Can be formed on. That is, as illustrated in FIG. 6, the pouch type secondary battery is disposed in a space formed by the upper cooling plate 210 of the first frame 201 and the lower cooling plate 220 of the second frame 202.
  • the vent channel may be formed at a portion where the sealing portion of the pouch type secondary battery is positioned, such as a portion indicated by a dotted line V.
  • the sealing part may be referred to as an edge portion in which the upper pouch and the lower pouch for accommodating the electrode assembly in the pouch type secondary battery are sealed by heat fusion or the like.
  • the cooling passage and the vent passage may be configured such that the openings are formed at different positions when the battery module is viewed from the top. That is, the cooling flow path and the venting flow path may be configured such that the flow directions of the fluids are horizontal in all flow paths, and the flow directions are different from each other.
  • the flow direction of the cooling gas in the cooling flow path and the flow direction of the venting gas in the venting flow path may be configured to be orthogonal to each other.
  • the venting gas refers to a gas generated in a secondary battery or the like to be discharged to the outside of the battery module.
  • the cooling passage may have openings formed at left and right sides, respectively, as indicated by O in FIGS. 5 and 6. Then, the cooling gas outside the battery module is introduced into the cooling passage through any one of the openings, and the cooling gas flowing along the cooling passage may be discharged from the cooling passage through the other opening to the outside of the battery module. Therefore, in this case, the flow direction of the cooling gas may be formed in the left and right directions of the battery module, as indicated by the arrows in FIG. 6.
  • the venting passage may have an opening formed at a position different from the opening O of the cooling passage.
  • the opening of the venting flow path may be formed at at least one of the front side and the rear side.
  • the flow direction of the venting gas may be formed in the front-rear direction of the battery module.
  • the cooling passage is formed on the right side of the battery module as indicated by F3 and the left side of the battery module as indicated by F4, and the venting passage is the front of the battery module as indicated by F1.
  • An opening may be formed in the side and / or the back side of the battery module as indicated by F2.
  • the battery module according to the present invention may further include an inlet duct 310 and an outlet duct 320 as shown in the figure.
  • the inlet duct 310 may be located on one side of the battery module and cover the corresponding side of the battery module.
  • the inlet duct 310 may cover one side of the opening O of the cooling passage.
  • the inlet duct 310 may be configured to cover the entire right opening of the cooling passage.
  • the inlet duct 310 may have an inlet 311 formed on the outside and an opening 312 formed on the inside thereof.
  • the inlet duct 310 may have an inlet 311 formed at an upper right side thereof, and an opening 312 may be formed at the left side thereof. Therefore, cooling gas, such as air introduced from the upper right side through the inlet 311, may be introduced into the internal space of the inlet duct 310.
  • the inlet duct 310 has an opening 312 formed at the left side, that is, the inner side facing the outer surface of the frame, so that the cooling gas introduced into the internal space enters the cooling passage through the opening 312. It may be configured to.
  • the outlet duct 320 may be positioned on the other side of the battery module and cover the corresponding side of the battery module.
  • the outlet duct 320 may be configured to cover the other side of the opening O of the cooling passage, that is, the opening opposite to the side where the inlet duct 310 is provided.
  • the outlet duct 320 may be configured to cover the entire left opening of the cooling passage.
  • the outlet duct 320 may have an outlet 321 formed outside and an opening 322 formed inside.
  • the outlet duct 320 may have an outlet 321 formed at the upper left side and an opening 322 formed at the right side thereof.
  • the opening 322 of the outlet duct 320 is formed on the right side, that is, the inner side facing the outer surface of the frame, the cooling gas discharged from the cooling passage can be drawn into the opening 322.
  • the cooling gas introduced into the inner space of the outlet duct 320 through the opening 322 may flow along the inner space of the outlet duct 320 and be discharged to the outside through the outlet 321.
  • the inlet duct 310 may be provided with a duct sealing member 330.
  • the duct sealing member 330 is a component that is provided in the contact portion with the first frame 201 and the second frame 202, as shown in the drawing, the opening of the inlet duct 310 ( It may be provided along the edge of 312).
  • the duct sealing member 330 is formed between the inlet duct 310 and the first frame, or between the inlet duct 310 and the second frame in the opening O of the cooling passage, so that the gap therebetween. This can prevent the internal cooling gas from leaking to the outside or preventing the external gas from flowing into the cooling passage.
  • the outlet duct 320 may include a duct sealing member 330. Since the duct sealing member 330 of the outlet duct 320 may have a function and configuration similar to that of the duct sealing member 330 of the inlet duct 310, a detailed description thereof will be omitted.
  • the duct sealing member 330 as described above may be formed of various materials capable of securing a sealing force.
  • the duct sealing member 330 may be made of a material such as rubber, silicone, styrofoam, urethane, or the like.
  • an opening may be formed at the front side of the vent channel, and as illustrated in FIGS. 1 and 2, the electrode tab 110 of each secondary battery may protrude. That is, the electrode tab 110 of the secondary battery may be positioned at the opening side of the venting flow path.
  • the battery module according to the present invention may further include a sensing assembly.
  • the sensing assembly is a component capable of measuring the voltage of the secondary battery.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically illustrating a configuration in which the sensing assembly 500 is added in the battery module of FIG. 2.
  • the sensing assembly 500 may be provided at a portion where the electrode tab 110 of the secondary battery protrudes and may contact each electrode tab 110 to measure respective characteristics such as voltage of the secondary battery. .
  • the sensing assembly 500 may be provided with a discharge port 510 for discharging the venting gas flowing out through the opening of the venting flow path in an outward direction.
  • the sensing assembly 500 according to the present invention may form the outlet 510 thereon.
  • the venting gas flowing from the rear side to the front side of the battery module is directed to the sensing assembly 500 through the opening of the venting flow path, and the outlet 510 of the sensing assembly 500 is opened. It is discharged upwards through.
  • the uneven portion may be formed on the upper and / or lower portion of the frame.
  • each frame may have a convex portion formed at an upper portion thereof and a concave portion 232 formed at a lower portion thereof, or a convex portion formed at a lower portion thereof and a concave portion 232 formed at an upper portion thereof.
  • the uneven portions of each frame are coupled to each other when the first frame and the second frame are stacked, so that the venting gas located inside the frame is directed outward of the frame.
  • the outflow can be blocked.
  • a protrusion 231 is formed on an upper portion of the first frame, and a recess 232 is formed below the second frame in a form corresponding to the protrusion 231.
  • the protrusion 231 of the first frame and the recess 232 of the second frame may be coupled to each other.
  • this gas is not easily leaked between the engaging portion of the protrusion 231 and the recess 232.
  • the venting gas is prevented from flowing out between the stacked gaps of the first frame and the second frame, and the venting gas is mainly It can only flow into the venting flow path.
  • the uneven portion may be formed in the left unit frame (left frame) and the right unit frame (right frame) of each frame, for example, the first frame and the second frame.
  • the opening of the cooling flow path may be formed in the left unit frame and the right unit frame of each frame. Therefore, in this configuration of the present invention, the uneven portion of each frame can be said to be formed in the unit frame portion on the side where the opening of the cooling flow path is formed.
  • the opening O of the cooling passage may be formed in the left unit frame and the right unit frame of each frame, in which case the uneven portion is the left unit frame of each of these frames. And the upper and lower portions of the right unit frame.
  • this embodiment of the present invention due to the concavities and convexities formed on the left and right portions of the frame, it is possible to more reliably prevent the venting gas inside the frame from flowing into the cooling passage or the duct.
  • two or more of the uneven parts may be formed on the upper and lower portions of each frame, respectively. This will be described in more detail with reference to FIG. 8.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing some components of a frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 may be referred to as another form of cross section for the portion C of FIG. 3.
  • two convex portions may be formed on the upper right edge of the frame, and two concave portions 232 may be formed on the lower right edge of the frame.
  • the convex portion and the concave portion 232 may be configured in a position and shape corresponding to each other in the vertical direction.
  • two convex portions positioned on the upper portion of each frame may be inserted into and coupled to two concave portions 232 positioned on the lower portion of the other frame directly stacked on the upper portion. have.
  • the two concave portions 232 positioned at the lower portion of each frame may be coupled by inserting two convex portions positioned at the upper portion of another frame directly stacked below.
  • two or more convex portions and concave portions 232 are formed on the upper and lower left edges of each frame, respectively, and may be coupled to each other when the frames are stacked.
  • the two or more uneven portions may be arranged in the left and right directions with respect to each of the first frame and the second frame.
  • the two convex portions when the two convex portions are formed on the upper right edge of the frame, the two convex portions may be arranged in the left and right directions.
  • the two convex portions may be arranged to be spaced apart from each other in a left and right direction.
  • the two recesses 232 formed under the right edge of the frame may also be arranged to be spaced apart by a predetermined distance in the left and right directions.
  • the plurality of uneven parts are arranged in the outer side from the inside of the frame, so that the gas blocking force can be ensured by multiple blocking of the outflow of the venting gas from the inner side of the frame to the outer side.
  • the uneven portion may be configured such that the protrusion 231 and the concave portion 232 are formed at both the upper and lower portions of each of the frames. This will be described in more detail with reference to FIG. 9.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing some components of a frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 may be referred to as another form of cross section for the portion C of FIG. 3.
  • each convex portion and one concave portion 232 may be formed on the upper right edge (unit frame).
  • Each frame may have one concave portion 232 and one convex portion formed at a lower right edge thereof in a position and shape corresponding to the upper convex portion and the concave portion 232.
  • the convex portion and the concave portion 232 located at the upper portion of each frame are the concave portion 232 and the convex portion located at the lower portion of the other frame directly stacked on the upper portion.
  • the concave portion 232 and the convex portion located at the bottom of each frame may be combined with the convex portion and the concave portion 232 located at the top of another frame directly stacked below.
  • the convex portion and the concave portion 232 may be formed on the upper and lower left edges of each frame, respectively.
  • the gas outflow path from the left to the right of the frame can be formed more complicated. Therefore, according to this configuration of the present invention, even if the venting gas is generated on the secondary battery side, the venting gas outflow from the inner side to the outer side of the frame can be prevented more effectively, and in particular the venting gas is introduced into the cooling passage You can reliably block things.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing some components of a frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows another form of cross section for part C of FIG.
  • the frame may include a frame sealing member 233 in the uneven portion.
  • the frame sealing member 233 is provided to the uneven portion may be referred to as a component that improves the sealing force when the coupling between the uneven portion.
  • the frame sealing member 233 may be provided on the surface of the protrusion 231, as shown in FIG. 10, so as to be located in the space of the coupling portion when the uneven portion is coupled.
  • the frame sealing member 233 may be provided on the surface of the concave portion 232 or on both the protrusion 231 and the surface of the concave portion 232.
  • the frame sealing member 233 may be made of various materials such as rubber and silicon. In the case of such a material, it may be easier to secure the sealing force so that the fluid does not move to the gap space between the frames due to the characteristics such as elasticity.
  • the present invention is not limited to the specific material of the frame sealing member 233, the frame sealing member 233 may be made of other materials that can enhance the sealing force.
  • the pouch type secondary battery accommodated in the inner space of the frame may be configured such that the left sealing part and the right sealing part are folded inward.
  • the pouch type secondary battery may be accommodated in the frame inner space in a form in which the right sealing part is bent inward.
  • the right side may be referred to as the side on which the uneven portion of the frame is formed, or may be referred to as the side on which the opening of the cooling passage is formed.
  • the pouch type secondary battery may have a form in which the left sealing portion is bent inwardly in a form that is symmetrical with the right sealing portion.
  • the sealing portion is configured to be bent in the inner direction of the frame in which the secondary battery is located, so that the end portion of the sealing portion can be configured to face the inner side rather than the outer side of the secondary battery. Therefore, even if gas is generated inside the secondary battery and flows out through the end portion of the sealing portion, such venting gas is not directly ejected toward the frame, thereby more effectively preventing the venting gas from flowing out between the gaps of the laminated portions of the frame. Can be.
  • the sealing portion of the secondary battery located in the lower portion may be bent in the upper direction and the sealing portion of the secondary battery located in the upper portion may be configured to be bent in the lower direction.
  • the bent portion of the sealing portion of each secondary battery may be configured such that at least a portion thereof is in contact.
  • the venting gas flowing out through the sealing portion of the secondary battery toward the outside direction can be primarily prevented by the contact portion between the sealing portions. Therefore, according to this configuration of the present invention, it is possible to more effectively block the venting gas outflow into the space between the stacking of the frames.
  • the battery module according to the present invention may further include an upper end plate 410 and a lower end plate 420 as shown in FIG. 1.
  • the upper end plate 410 and the lower end plate 420 may be configured in the form of a plate having an approximately wide area, and are located at the upper and lower portions of the battery module, respectively, so that the upper and lower portions of each frame and secondary battery may be disposed. You can cover it.
  • the upper end plate 410 and the lower end plate 420 may provide mechanical support for the battery module, and may serve to protect the secondary battery from external shocks and the like at the upper and lower portions of the secondary battery.
  • the upper end plate 410 and the lower end plate 420 may be made of a metal material such as steel to ensure rigidity.
  • the plurality of frames and the plurality of pouch type secondary batteries may be configured to be interposed between the upper end plate 410 and the lower end plate 420, and the upper end plate 410 and the lower end plate 420. It can be fixed in between.
  • the upper end plate 410 and the lower end plate 420, and the frame may be provided with a configuration for mutual coupling.
  • the frame may be formed with the insertion hole in the vertical direction at the four corners, in this case, the lower end plate 420 is provided with an insertion rod at a position corresponding thereto, Each insertion rod of the lower end plate 420 is inserted into the insertion hole of the frame so that the frame may be fixed to the lower end plate 420.
  • the upper end plate 410 is formed with a hole for inserting the insertion rod of the lower end plate 420 may be configured to be fixed with a nut or the like after the insertion rod is inserted.
  • the battery pack according to the present invention may include one or more battery modules described above.
  • the battery pack may include a pack case for accommodating the battery module in addition to the battery module.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack according to the present invention may include a pack case 600, and the pack case 600 includes an upper case 610 and a lower case 620, and a lower case.
  • the internal space of the 620 may be configured to accommodate the battery module.
  • the pack case 600 according to the present invention may include a venting unit 630 for flowing out the gas generated from the secondary battery, that is, the venting gas to the outside of the battery pack.
  • the venting unit 630 may be provided with a venting valve that can adjust the amount of venting gas.
  • the venting part 630 may be formed on the upper part of the pack case 600, for example, the upper case 610, as shown in FIG. 11.
  • an opening of the venting flow path may be formed in the direction in which the tab 110 is provided, and the opening of the venting flow path is sensed.
  • Assembly 500 may be provided.
  • an outlet 510 is formed at an upper portion of the sensing assembly 500 to discharge the gas flowing out from the opening of the venting flow passage in an upward direction so that the venting gas is directed to the venting portion 630 of the pack case 600. Can be induced.
  • the venting unit 630 is illustrated as being formed only at the front side of the pack case 600, but two or more venting units 630 may be formed in the pack case 600.
  • the vent part 630 of the pack case may be formed on the rear side in addition to the front side.
  • the vent channel may have an opening formed at a side opposite to the side on which the tab 110 is formed.
  • the battery pack according to the present invention may further include various devices for controlling charging and discharging of the battery module, such as a battery management system (BMS), a current sensor, a fuse, and the like.
  • BMS battery management system
  • a current sensor current sensor
  • a fuse fuse
  • the battery module according to the present invention can be applied to an automobile such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. That is, the vehicle according to the present invention may include a battery module according to the present invention.

Abstract

본 발명은 이차 전지에서 발생된 가스가 냉각용 유로 또는 그와 연결된 덕트로 유입되는 것을 방지할 수 있는 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 다수의 파우치형 이차 전지; 상하 방향으로 소정 거리 이격되게 배치되어 사이 공간에 냉각 유로를 형성하는 상부 냉각 플레이트 및 하부 냉각 플레이트를 구비하고, 상기 상부 냉각 플레이트의 상부 및 상기 하부 냉각 플레이트의 하부 중 적어도 하나의 위치에 상기 파우치형 이차 전지를 수용하는 제1 프레임; 및 상기 제1 프레임과 동일한 형태로, 상부 냉각 플레이트 및 하부 냉각 플레이트를 구비하고 파우치형 이차 전지를 수용하며, 상기 제1 프레임의 상부에 적층되어, 상기 제1 프레임과의 사이 공간에 벤팅 유로를 형성하는 제2 프레임을 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지에서 발생한 가스가 냉각 유로로 유입되지 않도록 구조가 개선된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2014년 4월 14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2014-0044135호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
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.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
하지만, 파우치형 이차 전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않다. 따라서, 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 프레임을 이용하는 경우가 많다.
프레임은 카트리지 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있는데, 보통 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태로 구성되는 경우가 많으며, 이때 4개의 변 부분이 파우치형 이차 전지의 외주부를 감싸도록 구성된다. 그리고, 이러한 프레임은 배터리 모듈을 구성하기 위해 다수가 적층된 형태로 이용되며, 이차 전지는 프레임이 적층되었을 때 생기는 내부의 빈 공간에 위치할 수 있다.
한편, 이처럼 다수의 프레임을 이용하여 다수의 이차 전지가 조립되도록 하는 경우, 이차 전지 사이에는 플레이트 형태의 냉각 핀이 개재될 수 있다. 이차 전지는 여름과 같이 고온 환경에서 사용되는 경우가 있을 수 있으며, 또한 이차 전지 자체적으로도 열이 발생할 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지가 서로 적층되어 있는 경우, 이차 전지의 온도는 더욱 높아질 수 있는데, 이 온도가 적정 온도보다 높아지면 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 따라서, 배터리 모듈을 구성할 때 이차 전지 사이에 냉각 핀을 개재시켜, 이러한 냉각 핀을 통해 이차 전지의 온도 상승이 방지되도록 하는 구성이 많이 이용된다.
이러한 플레이트 형태의 냉각 핀, 즉 냉각 플레이트를 이차 전지 사이에 개재시킨 배터리 모듈의 경우, 다양한 형태 및 방식으로 이차 전지를 냉각시킬 수 있다. 이러한 냉각 방식 중 대표적으로는, 냉각 플레이트 주변으로 외부 공기가 흐르도록 함으로써 냉각 플레이트와 공기 사이의 열교환을 통해 이차 전지의 온도를 낮추는 공냉식이 널리 이용되고 있다. 이러한 공냉식을 이용하여 이차 전지를 냉각시키는 배터리 모듈의 경우, 냉각 플레이트 주변에 냉각용 유로를 확보하고, 이러한 냉각용 유로를 덕트와 연결하여 배터리 모듈 내외부 간 공기가 유출입될 수 있도록 한다.
그런데, 종래 이와 같이 구성되는 배터리 모듈의 경우, 이차 전지로부터 발생된 가스가 냉각용 유로 및 덕트를 통해 외부로 배출되는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 파우치형 이차 전지는 사용 중에 가스가 발생할 수 있으며, 이러한 가스는 인체에 유해한 성분을 포함할 수 있다. 그런데, 이처럼 이차 전지로부터 발생한 유해 가스가 냉각용 유로로 침투하게 되면, 침투된 유해 가스는 덕트를 통해 외부로 배출될 수 있으며, 배출된 가스를 배터리 사용자가 흡입할 수 있다. 특히, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 경우, 많은 이차 전지가 포함된 중대형 배터리 팩이 장착되므로 이차 전지로부터 가스가 배출될 가능성이 많다. 또한, 이러한 자동차용 배터리 팩에서 유해 가스가 배출되어 덕트로 유입되면, 자동차 운전자가 덕트로 유입된 유해 가스를 흡입하여 인체에 해를 입는 것은 물론, 운전 중 유해 가스로 인해 운전 능력이 감소되어 사고를 당할 위험성도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차 전지에서 가스가 발생하더라도 발생된 가스가 냉각용 유로 또는 그와 연결된 덕트로 유입되는 것을 방지할 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 다수의 파우치형 이차 전지; 상하 방향으로 소정 거리 이격되게 배치되어 사이 공간에 냉각 유로를 형성하는 상부 냉각 플레이트 및 하부 냉각 플레이트를 구비하고, 상기 상부 냉각 플레이트의 상부 및 상기 하부 냉각 플레이트의 하부 중 적어도 하나의 위치에 상기 파우치형 이차 전지를 수용하는 제1 프레임; 및 상기 제1 프레임과 동일한 형태로, 상부 냉각 플레이트 및 하부 냉각 플레이트를 구비하고 파우치형 이차 전지를 수용하며, 상기 제1 프레임의 상부에 적층되어, 상기 제1 프레임과의 사이 공간에 벤팅 유로를 형성하는 제2 프레임을 포함한다.
바람직하게는, 상기 벤팅 유로는, 상기 냉각 유로와 물리적으로 분리된다.
또한 바람직하게는, 상기 벤팅 유로는, 상기 제1 프레임의 상부 냉각 플레이트와 상기 제2 프레임의 하부 냉각 플레이트 사이 공간에서 상기 파우치형 이차 전지의 실링부가 위치하는 부분에 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 냉각 유로는, 좌측과 우측에 각각 개구부가 형성되어, 냉각 기체의 흐름 방향이 좌우 방향으로 형성되고, 상기 벤팅 유로는, 전방측 및 후방측 중 적어도 하나에 개구부가 형성되어, 벤팅 기체의 흐름 방향이 전후 방향으로 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 냉각 유로의 우측 개구부를 커버하고, 외측에 유입구가 형성되고 내측에 개방부가 형성되어 상기 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 상기 개방부를 통해 상기 냉각 유로로 인입되도록 구성된 유입 덕트; 및 상기 냉각 유로의 좌측 개구부를 커버하고, 외측에 유출구가 형성되고 내측에 개방부가 형성되어 상기 냉각 유로로부터 배출된 냉각 기체가 상기 개방부로 인입되어 상기 유출구를 통해 유출되도록 구성된 유출 덕트를 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 유입 덕트 및 상기 유출 덕트 중 적어도 하나는, 제1 프레임 및 제2 프레임과의 접촉 부분에 기체의 누출을 차단하는 덕트 실링 부재를 구비한다.
또한 바람직하게는, 상기 벤팅 유로의 개구부 측에는 상기 이차 전지의 전극 탭이 위치하고, 상기 이차 전지의 전극 탭에 접촉되어 상기 이차 전지의 전압을 측정하는 센싱 어셈블리를 더 포함하되, 상기 센싱 어셈블리는 상기 벤팅 유로의 개구부 측에서 유입된 벤팅 기체를 배출시키는 배출구가 상부에 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 프레임의 상부 및 상기 제2 프레임의 하부에는 상호 대응되는 형태로 요철부가 형성되어, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임의 적층 시, 상기 요철부가 상호 결합되어 내측 벤팅 기체가 외측 방향으로 유출되는 것이 차단된다.
또한 바람직하게는, 상기 요철부는, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임의 좌측 단위 프레임 및 우측 단위 프레임에 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 요철부는, 상기 제1 프레임의 좌측 단위 프레임 상부 및 우측 단위 프레임 상부에 각각 둘 이상 형성되고, 상기 제2 프레임의 좌측 단위 프레임 상부 및 우측 단위 프레임 상부에 각각 둘 이상 형성된다.
또한 바람직하게는, 상기 둘 이상의 요철부는, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각에 대하여, 좌우 방향으로 배열된다.
또한 바람직하게는, 상기 요철부는, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각에 대하여, 상부 및 하부에 모두 돌출부와 오목부가 형성되도록 구성된다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 프레임은, 상부에 상기 제2 프레임과의 사이로 기체가 누출되는 것을 차단하는 프레임 실링 부재를 구비한다.
또한 바람직하게는, 상기 파우치형 이차 전지는, 좌측 실링부 및 우측 실링부가 내측 방향으로 폴딩된다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지와 열교환을 하기 위한 냉각 기체가 흐르는 냉각 유로와 이차 전지가 수납되는 공간 사이가 물리적으로 확실하게 분리될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 이차 전지로부터 가스가 발생하더라도 발생된 가스가 냉각 유로로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지용 프레임의 적층시 상부 및/또는 하부에 형성된 돌출부와 하부 및/또는 상부에 형성된 삽입홈이 삽입 체결됨으로써, 이차 전지가 수납된 내측 공간으로부터 냉각 유로로 가스가 새어나갈 수 있는 경로가 복잡하게 형성될 수 있다. 또한, 이차 전지에서 가스 발생 시, 프레임 내측 압력이 높아져 돌출부와 삽입홈이 더욱 가깝게 변형됨으로써, 프레임 내측에서 외측으로 향하는 경로가 보다 확실하게 차단될 수 있다.
그러므로, 본 발명에 의하면, 이차 전지에서 유해한 가스가 발생하더라도 발생된 가스가 냉각용 유로 및 덕트를 통해 배터리 팩 사용자에게 전해지는 것을 막을 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 2는, 도 1의 구성에 대한 결합 사시도이다.
도 3은, 도 1 및 도 2의 배터리 모듈에서 하나의 프레임만을 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 4는, 도 3의 C 부분에 대한 종단면도이다.
도 5는, 도 2의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 6은, 도 5의 D 부분에 대한 확대도이다.
도 7은, 도 2의 배터리 모듈에서, 센싱 어셈블리가 추가된 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 프레임의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프레임의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프레임의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 케이스의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 구성에 대한 결합 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100) 및 프레임(200)을 포함한다.
상기 이차 전지(100)는, 배터리 모듈에 다수 개 포함될 수 있으며, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 이 경우, 다수의 파우치형 이차 전지는, 일 방향, 이를테면 도면에 도시된 바와 같이 상하 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있다.
상기 프레임(200)은, 파우치형 이차 전지(100)를 적층하는데 이용되는 구성요소로서, 카트리지 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있다. 특히, 상기 프레임(200)은, 이차 전지(100)를 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 이차 전지(100)의 조립을 가이드할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 있어서 프레임(200)은, 다수의 파우치형 이차 전지(100)를 적층시키기 위해, 적층되는 구성요소이므로, 적어도 둘 이상 포함될 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2의 배터리 모듈에서 하나의 프레임(200)만을 분리하여 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 C 부분에 대한 종단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리 모듈에 포함된 각각의 프레임(200)들은, 상부 냉각 플레이트(210)와 하부 냉각 플레이트(220), 그리고 메인 프레임(230)을 구비할 수 있다.
상기 상부 냉각 플레이트(210)는, 넓은 플레이트 형태로 구성되며, 넓은 면이 상방과 하방을 향하도록 눕혀진 형태로 배치될 수 있다. 특히, 상부 냉각 플레이트(210)는 사각 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
상기 하부 냉각 플레이트(220)는, 상부 냉각 플레이트(210)와 마찬가지로 플레이트 형태로 구성되며, 상부 냉각 플레이트(210)의 형태에 대응되는 형태, 이를테면 상부 냉각 플레이트(210)와 동일한 형태로 형성될 수 있다. 특히, 하부 냉각 플레이트(220)는, 넓은 면이 상부 냉각 플레이트(210)의 넓은 면과 상호 대면되는 형태로, 각 프레임에서 상부 냉각 플레이트(210)의 하부에 배치될 수 있다. 이때, 하부 냉각 플레이트(220)는, 상부 냉각 플레이트(210)와 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 더욱이, 하부 냉각 플레이트(220)는 상부 냉각 플레이트(210)와 수평 방향으로 평행한 형태가 되도록 배치될 수 있다.
이처럼, 하부 냉각 플레이트(220)는 상부 냉각 플레이트(210)와 다소 떨어진 형태로 배치되어, 하부 냉각 플레이트(220)와 상부 냉각 플레이트(210) 사이에는, 도 4에서 P로 표시된 바와 같이 빈 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 형성된 빈 공간으로는 냉각을 위한 유체, 이를테면 외부 공기와 같은 냉각 기체가 흐를 수 있으므로, 이와 같은 하부 냉각 플레이트(220)와 상부 냉각 플레이트(210) 사이의 빈 공간은 유로로서 기능할 수 있다. 즉, 상부 냉각 플레이트(210)와 하부 냉각 플레이트(220)는 상하 방향으로 소정 거리 이격되게 배치됨으로써 사이 공간에 냉각 유로를 형성할 수 있다.
다만, 하부 냉각 플레이트(220)는, 상부 냉각 플레이트(210)와 전체적으로 이격되지 않고 부분적으로 접촉된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에서 B로 표시된 바와 같이, 상부 냉각 플레이트(210)와 하부 냉각 플레이트(220)에는 비딩부가 하나 이상 형성되어 각 비딩부가 서로 접촉되게 구성될 수 있다. 즉, 상부 냉각 플레이트(210)는 하부 방향으로 돌출된 형태로 비딩부가 형성되고, 하부 냉각 플레이트(220)는 상부 방향으로 돌출된 형태로 비딩부가 형성되어, 상부 냉각 플레이트(210)의 비딩부와 하부 냉각 플레이트(220)의 비딩부가 상호 접촉될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 비딩부 간 접촉으로 인해 상부 냉각 플레이트(210)와 하부 냉각 플레이트(220) 사이의 거리가 가까워지지 않도록 함으로써, 비딩부 이외의 부분에서 형성된 냉각 유로가 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
이러한 상부 냉각 플레이트(210) 및 하부 냉각 플레이트(220)는 각각, 상부 및 하부에 위치하는 이차 전지(100)와 열교환을 할 수 있도록 열전도성이 있는 재질로 구성될 수 있다. 특히, 이러한 2개의 냉각 플레이트는, 열전도성이 뛰어나면서도 성형이 용이하고 무게가 가벼운 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 냉각 플레이트 재질로 한정되는 것은 아니며, 이러한 냉각 플레이트는 알루미늄 이외의 금속 등 다른 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 메인 프레임(230)은, 상부 냉각 플레이트(210)와 하부 냉각 플레이트(220)의 외주부, 즉 테두리 부분에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 메인 프레임(230)은, 4개의 단위 프레임을 구비하고, 각각의 단위 프레임은 양단이 서로 연결된 형태로 구성된 것으로 볼 수 있다. 즉, 상기 메인 프레임(230)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 4개의 변을 구비하며 상부에서 하부 방향으로 바라본 형태가 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 메인 프레임(230)에 있어서 각 단위 프레임은 사각형의 각 변을 이룬다고 할 수 있다.
여기서, 4개의 변을 갖는 파우치형 이차 전지(100)의 외주부는, 4개의 변 모두 메인 프레임(230)에 안착되도록 구성되거나, 4개의 변 중 일부 변, 이를테면 도 1에서 F1 및 F2 방향으로 표시된 바와 같은 전방 및 후방, 2개의 변이 메인 프레임(230)에 안착되도록 구성될 수도 있다.
상기와 같은 형태로 상부 플레이트, 하부 플레이트 및 메인 프레임(230)을 구비하는 이차 전지 적층용 프레임(200)은 상부 냉각 플레이트(210)와 하부 냉각 플레이트(220)가 상호 간 소정 거리 이격되게 겹쳐진 상태에서 메인 프레임(230)을 인서트 사출하는 형태로 제조될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 프레임 제조 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이러한 프레임(200)을 둘 이상 포함하며, 각 프레임(200)은 상하 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 적층된 프레임(200)의 내부 공간에 파우치형 이차 전지가 수용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 각 프레임(200)들은, 서로 동일한 형태로, 냉각 플레이트 및 하부 플레이트를 구비하고 파우치형 이차 전지를 수용한 채, 상하 방향으로 적층될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 하부에 위치하는 프레임(200)은 제1 프레임이라 지칭하고, 그 상부에 위치하여 적층된 프레임(200)은 제2 프레임이라 지칭하도록 한다.
도 5는 도 2의 A-A'선에 대한 단면도이고, 도 6은 도 5의 D 부분에 대한 확대도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 다수의 프레임(200)이 적층된 형태로 구성되며, 각 프레임(200)의 적층으로 인해 형성된 내부 공간에는 이차 전지가 수용될 수 있다.
특히, 도 6을 참조하면, 2개의 프레임이 적층된 구성이 도시되어 있으며, 하부에 위치하는 프레임은 제1 프레임(201)이고, 상부에 위치하는 프레임은 제2 프레임(202)이라 할 수 있다.
이때, 제1 프레임(201) 및 제2 프레임(202)은, 각각 상부 냉각 플레이트(210) 및 하부 냉각 플레이트(220)를 구비하여, 냉각 유로가 형성되도록 구성될 수 있다.
또한, 제1 프레임(201) 및 제2 프레임(202)은, 상부 냉각 플레이트(210)의 상부 및 하부 냉각 플레이트(220)의 하부 중 적어도 하나의 위치에 파우치형 이차 전지를 수용할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 프레임(201)은, 상부 냉각 플레이트(210)의 상부에 하나의 파우치형 이차 전지를 수용하고, 하부 냉각 플레이트(220)의 하부에 다른 하나의 파우치형 이차 전지를 수용할 수 있다. 그리고, 이러한 제1 프레임(201)의 상부에 적층된 제2 프레임(202) 역시, 상부 냉각 플레이트(210)의 상부에 하나의 이차 전지를 수용하고, 하부 냉각 플레이트(220)의 하부에 다른 하나의 이차 전지를 수용할 수 있다. 이 경우, 제1 프레임(201)의 상부 냉각 플레이트(210)와 제2 프레임(202)의 하부 냉각 플레이트(220) 사이 공간에는 2개의 파우치형 이차 전지가 수납되는 형태가 될 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서, 상하 방향으로 서로 적층된 제1 프레임(201)과 제2 프레임(202)은, 적층으로 인해 그 사이 공간에 벤팅 유로를 형성할 수 있다. 여기서, 벤팅 유로는 이차 전지에서 가스 발생 시, 발생된 가스가 벤팅되기 위해 배터리 모듈 내에서 이동하는 통로를 의미한다고 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 벤팅 유로는, 냉각 유로와 물리적으로 분리되도록 구성되는 것이 좋다. 여기서 물리적으로 분리된 구성이라 함은, 배터리 모듈 내에서, 벤팅 유로와 냉각 유로가 서로 연결되지 않도록 형성된 구성을 의미한다고 할 수 있다. 그러므로, 이러한 구성에서, 벤팅 유로를 통해 흐르는 유체는, 배터리 모듈 내부에서 냉각 유로로 유입될 수 없다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 벤팅 유로와 냉각 유로가 상호 차단되어 있으므로, 이차 전지로부터 발생된 가스는 벤팅 유로를 통해 흐를 수 있을 뿐, 냉각 유로를 통해 흐를 수는 없게 된다.
또한 바람직하게는, 상기 벤팅 유로는, 제1 프레임(201)의 상부 냉각 플레이트(210)와 제2 프레임(202)의 하부 냉각 플레이트(220) 사이 공간에서 파우치형 이차 전지의 실링부가 위치하는 부분에 형성될 수 있다. 즉, 파우치형 이차 전지는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 프레임(201)의 상부 냉각 플레이트(210)와 제2 프레임(202)의 하부 냉각 플레이트(220)에 의해 형성되는 사이 공간에 수납될 수 있는데, 벤팅 유로는, 점선 V로 표시된 부분과 같이, 파우치형 이차 전지의 실링부가 위치하는 부분에 형성될 수 있다. 여기서, 실링부란, 도 6에서 S로 표시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지에서 전극 조립체를 수납하는 상부 파우치와 하부 파우치가 열융착 등으로 실링되는 테두리 부분을 의미한다고 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 냉각 유로와 벤팅 유로는, 배터리 모듈을 상부에서 바라본 형태를 기준으로 할 때, 개구부가 서로 다른 위치에 형성되도록 구성되는 것이 좋다. 즉, 냉각 유로와 벤팅 유로는, 각 유로에서 유체의 흐름 방향이 모두 수평 방향을 이루되, 각각의 흐름 방향이 서로 다르도록 구성되는 것이 좋다. 특히, 상기 냉각 유로에서 냉각 기체의 흐름 방향과 상기 벤팅 유로에서 벤팅 기체의 흐름 방향은 서로 직교하도록 구성될 수 있다. 여기서, 벤팅 기체란, 이차 전지 등에서 발생되어, 배터리 모듈 외부로 배출되어야 할 기체를 의미한다.
예를 들어, 냉각 유로는, 도 5 및 도 6에서 O로 표시된 바와 같이, 좌측과 우측에 각각 개구부가 형성될 수 있다. 그러면, 배터리 모듈 외부의 냉각 기체는 이 중 어느 하나의 개구부를 통해 냉각 유로 내부로 유입되고, 냉각 유로를 따라 흐르던 냉각 기체는 다른 하나의 개구부를 통해 냉각 유로로부터 배터리 모듈 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 이 경우, 냉각 기체의 흐름 방향은, 도 6에서 화살표로 표시된 바와 같이, 배터리 모듈의 좌우 방향으로 형성될 수 있다.
이때, 벤팅 유로는, 냉각 유로의 개구부(O)와 다른 위치에 개구부가 형성될 수 있다. 특히, 벤팅 유로의 개구부는, 전방측 및 후방측 중 적어도 하나의 위치에 형성될 수 있다. 이 경우, 벤팅 기체의 흐름 방향은, 배터리 모듈의 전후 방향으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 1의 구성에서, 냉각 유로는 F3로 표시된 바와 같은 배터리 모듈의 우측 및 F4로 표시된 바와 같은 배터리 모듈의 좌측에 개구부가 형성되고, 벤팅 유로는 F1으로 표시된 바와 같은 배터리 모듈의 전방측 및/또는 F2로 표시된 바와 같은 배터리 모듈의 후방측에 개구부가 형성될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 냉각 기체가 배출되는 방향과 벤팅 기체가 배출되는 방향이 서로 다르므로, 벤팅 기체가 냉각 유로로 유입되는 것을 보다 확실하게 차단할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도면에 도시된 바와 같이, 유입 덕트(310) 및 유출 덕트(320)를 더 포함할 수 있다.
상기 유입 덕트(310)는 배터리 모듈의 일 측면에 위치하여, 배터리 모듈의 해당 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 특히, 유입 덕트(310)는 냉각 유로의 개구부(O) 중 일측을 커버할 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 유입 덕트(310)는, 냉각 유로의 우측 개구부 전체를 커버하도록 구성될 수 있다.
그리고, 유입 덕트(310)는 외측에 유입구(311)가 형성되고 내측에 개방부(312)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 기준으로, 유입 덕트(310)는 우측 상부에 유입구(311)가 형성되고, 좌측에 개방부(312)가 형성될 수 있다. 따라서, 유입구(311)를 통해 우측 상단에서 유입된 공기와 같은 냉각 기체는, 유입 덕트(310)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 그리고, 유입 덕트(310)는, 프레임의 외측면에 대면하는 좌측, 즉 내측에 개방부(312)가 형성되어, 내부 공간으로 유입된 냉각 기체가 이러한 개방부(312)를 통해 냉각 유로로 인입되도록 구성될 수 있다.
상기 유출 덕트(320)는 배터리 모듈의 타 측면에 위치하여, 배터리 모듈의 해당 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 특히, 유출 덕트(320)는 냉각 유로의 개구부(O) 중 타측, 즉 유입 덕트(310)가 구비된 측의 반대측 개구부를 커버하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 유출 덕트(320)는, 냉각 유로의 좌측 개구부 전체를 커버하도록 구성될 수 있다.
그리고, 유출 덕트(320)는 외측에 유출구(321)가 형성되고 내측에 개방부(322)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 기준으로, 유출 덕트(320)는 좌측 상부에 유출구(321)가 형성되고 우측에 개방부(322)가 형성될 수 있다. 이때, 유출 덕트(320)의 개방부(322)는 프레임의 외측면에 대면하는 우측, 즉 내측에 형성되어, 냉각 유로로부터 배출된 냉각 기체는 개방부(322)로 인입될 수 있다. 그리고, 이와 같이 개방부(322)를 통해 유출 덕트(320)의 내부 공간으로 유입된 냉각 기체는 유출 덕트(320)의 내부 공간을 따라 흐르다가 유출구(321)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 유입 덕트(310)는, 덕트 실링 부재(330)를 구비할 수 있다. 여기서, 덕트 실링 부재(330)는, 제1 프레임(201) 및 제2 프레임(202)과의 접촉 부분에 구비되는 구성요소로서, 도면에 도시된 바와 같이, 유입 덕트(310)의 개방부(312)의 테두리를 따라 구비될 수 있다.
이러한 덕트 실링 부재(330)는, 냉각 유로의 개구부(O)에서 유입 덕트(310)와 제1 프레임 사이, 또는 유입 덕트(310)와 제2 프레임 사이가 보다 잘 밀착되도록 함으로써, 이들 사이에 틈이 발생하여 내부의 냉각 기체가 외부로 누출되거나 외부의 기체가 냉각 유로로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 유출 덕트(320)는, 덕트 실링 부재(330)를 구비할 수 있다. 이러한 유출 덕트(320)의 덕트 실링 부재(330)는 유입 덕트(310)의 덕트 실링 부재(330)와 유사한 기능 및 구성을 가질 수 있으므로, 상세한 설명을 생략한다.
이와 같은 덕트 실링 부재(330)는, 밀폐력을 확보할 수 있는 다양한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 덕트 실링 부재(330)는, 고무, 실리콘, 스티로폼, 우레탄 등과 같은 재질로 구성될 수 있다.
한편, 벤팅 유로는 전방 측에 개구부가 형성될 수 있는데, 이러한 전방 측에는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 각 이차 전지의 전극 탭(110)이 돌출될 수 있다. 즉, 벤팅 유로의 개구부 측에는 이차 전지의 전극 탭(110)이 위치할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 센싱 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 여기서, 센싱 어셈블리는 이차 전지의 전압을 측정할 수 있는 구성요소이다.
도 7은, 도 2의 배터리 모듈에서, 센싱 어셈블리(500)가 추가된 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 센싱 어셈블리(500)는, 이차 전지의 전극 탭(110)이 돌출된 부분에 구비되어, 각 전극 탭(110)과 접촉함으로써 이차 전지의 전압 등 각 특성을 측정할 수 있다.
이때, 전극 탭(110)이 위치한 부분에는 벤팅 유로의 개구부가 형성되어 있기 때문에, 이차 전지에서 가스 발생시, 이러한 가스, 즉 벤팅되어야 할 벤팅 기체는 벤팅 유로의 개구부에 위치한 센싱 어셈블리(500) 측으로 향할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 센싱 어셈블리(500)는 벤팅 유로의 개구부를 통해 유출된 벤팅 기체를 외부 방향으로 배출시키기 위한 배출구(510)가 형성될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 센싱 어셈블리(500)는, 이러한 배출구(510)를 상부에 형성할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 후방 측에서 전방 측 방향으로 흐르던 벤팅 기체는 벤팅 유로의 개구부를 통해 센싱 어셈블리(500)로 향하게 되고, 센싱 어셈블리(500)의 배출구(510)를 통해 상부 방향으로 배출되게 된다.
한편, 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 프레임의 상부 및/또는 하부에 요철부가 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 실시예와 같이, 제1 프레임의 상부에 제2 프레임이 적층된 형태로 구성되는 경우, 제1 프레임의 상부 및 제2 프레임의 하부에는 각각 상호 대응되는 형태로 요철부가 형성될 수 있다. 여기서, 요철부는 상하 방향으로 볼록하게 형성된 볼록부와 상하 방향으로 오목하게 형성된 오목부(232)로 구성될 수 있다. 따라서, 각각의 프레임은, 상부에 볼록부가 형성되고 이러한 볼록부에 대응되는 형태로 하부에 오목부(232)가 형성되거나, 하부에 볼록부가 형성되고 상부에 오목부(232)가 형성될 수 있다.
이처럼, 제1 프레임과 제2 프레임의 상하부에 요철부가 형성된 경우, 제1 프레임과 제2 프레임의 적층 시, 각 프레임의 요철부가 상호 결합됨으로써, 프레임의 내측에 위치하는 벤팅 기체가 프레임의 외측 방향으로 유출되는 것이 차단될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 실시예에 도시된 바와 같이, 제1 프레임의 상부에 돌출부(231)가 형성되고, 이러한 돌출부(231)에 대응되는 형태로 제2 프레임의 하부에 오목부(232)가 형성된 경우, 제1 프레임의 돌출부(231)와 제2 프레임의 오목부(232)는 상호 결합될 수 있다. 이 경우, 돌출부(231)와 오목부(232)의 결합 부분에서는 프레임 내측에서 외측 방향, 즉 도 6의 좌측에서 우측 방향으로의 경로가 복잡하게 형성되므로, 프레임 내측에 위치한 이차 전지 측에서 가스가 발생하더라도, 이러한 가스는 돌출부(231)와 오목부(232)의 결합 부분 사이로 쉽게 새어나가지 못하게 된다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 돌출부(231)와 오목부(232)의 결합으로 인해, 제1 프레임과 제2 프레임의 적층된 틈새 사이로 벤팅 기체가 유출되는 것을 방지하고, 벤팅 기체가 주로 벤팅 유로로만 흐르도록 할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 이차 전지 내부에서 가스가 발생하여 이차 전지가 수납된 프레임 내측의 압력, 이를테면 도 6의 V 부분의 압력이 높아지는 경우, 이러한 압력에 의해 내측에서 외측 방향으로 프레임에 힘이 인가되어, 프레임의 요철부가 다소 변형될 수 있다. 그리고, 이러한 변형은 돌출부(231)와 오목부(232)가 더욱 밀착되도록 함으로써, 각 프레임의 적층 틈새 사이로 벤팅 기체가 유출되는 것이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서, 요철부는, 각 프레임, 이를테면 제1 프레임 및 제2 프레임의 좌측 단위 프레임(좌측 테두리) 및 우측 단위 프레임(우측 테두리)에 형성될 수 있다. 여기서, 각 프레임의 좌측 단위 프레임과 우측 단위 프레임에는 냉각 유로의 개구부가 형성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성의 경우, 각 프레임의 요철부는, 냉각 유로의 개구부가 형성된 측의 단위 프레임 부분에 형성된 것이라 할 수 있다.
예를 들어, 도 5 및 도 6의 실시예에서, 냉각 유로의 개구부(O)는 각 프레임의 좌측 단위 프레임과 우측 단위 프레임에 형성될 수 있으며, 이 경우, 요철부는 이러한 각 프레임의 좌측 단위 프레임과 우측 단위 프레임의 상부 및 하부에 구비될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 프레임의 좌측 및 우측 부분에 형성된 요철부 결합 구성으로 인해, 프레임 내측의 벤팅 기체가 냉각 유로 내지 덕트로 유입되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 요철부는 각 프레임의 상부 및 하부에 각각 둘 이상 형성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 8을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 프레임의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 8은 도 3의 C 부분에 대한 단면의 다른 형태라 할 수도 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 프레임의 우측 테두리 상부에 2개의 볼록부가 형성될 수 있고, 프레임의 우측 테두리 하부에 2개의 오목부(232)가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 볼록부와 오목부(232)는 수직 방향으로 상호 대응되는 위치 및 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 이러한 프레임이 둘 이상 상하 방향으로 적층되는 경우, 각 프레임의 상부에 위치한 2개의 볼록부는, 바로 상부에 적층된 다른 프레임의 하부에 위치한 2개의 오목부(232)에 삽입되어 결합될 수 있다. 그리고, 각 프레임의 하부에 위치한 2개의 오목부(232)는, 바로 하부에 적층된 또 다른 프레임의 상부에 위치한 2개의 볼록부가 삽입되어 결합될 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 프레임의 좌측 테두리 상부 및 하부에도 각각 2개 이상의 볼록부 및 오목부(232)가 형성되어, 각 프레임의 적층 시 상호 결합될 수 있다.
이처럼, 요철부가 각 프레임의 상부 및 하부에 각각 둘 이상 형성된 실시예에 의하면, 각 프레임의 결합된 틈새 사이로 내측의 벤팅 기체가 외측 방향으로 유출되는 것을 보다 확실하게 차단할 수 있다. 즉, 요철부가 각 프레임의 상부 및 하부에 각각 둘 이상 형성되는 경우, 내측의 벤팅 기체가 외측 방향으로 나가기 위한 유출 경로는 더욱 복잡하게 형성될 수 있으며, 이로 인해 가스 유출 방지 효과가 보다 향상될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 요철부가 각 프레임의 상부 및 하부에 각각 둘 이상 형성되는 경우, 둘 이상의 요철부는 제1 프레임 및 제2 프레임 각각에 대하여 좌우 방향으로 배열되는 것이 좋다.
예를 들어, 도 8에 도시된 구성을 기준으로 설명하면, 2개의 볼록부가 프레임의 우측 테두리 상부에 형성되는 경우, 이러한 2개의 볼록부는 좌우 방향으로 배열되게 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 2개의 볼록부는 상호 간 좌우 방향으로 소정 거리 이격되게 배열될 수 있다. 또한, 프레임의 우측 테두리 하부에 형성된 2개의 오목부(232) 역시, 좌우 방향으로 소정 거리 이격되게 배열될 수 있다. 이 경우, 복수의 요철부는 프레임의 내측에서 외측 방향으로 배열됨으로써, 프레임의 내측에서 외측 방향으로 벤팅 기체가 유출되는 것을 다중 차단함으로써, 기체 차단력이 확보되도록 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 요철부는 프레임 각각에 대하여, 상부 및 하부에 모두 돌출부(231)와 오목부(232)가 형성되도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 9를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프레임의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 9는 도 3의 C 부분에 대한 단면의 또 다른 형태라 할 수도 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 각 프레임은, 우측 테두리(단위 프레임) 상부에 1개의 볼록부와 1개의 오목부(232)가 각각 형성될 수 있다. 그리고, 각 프레임은, 이러한 상부 볼록부와 오목부(232)에 대응되는 위치 및 형태로 우측 테두리 하부에 1개의 오목부(232)와 1개의 볼록부가 각각 형성될 수 있다. 이 경우, 이러한 프레임이 둘 이상 상하 방향으로 적층되는 경우, 각 프레임의 상부에 위치한 볼록부 및 오목부(232)는, 바로 상부에 적층된 다른 프레임의 하부에 위치한 오목부(232) 및 볼록부와 결합될 수 있다. 그리고, 각 프레임의 하부에 위치한 오목부(232) 및 볼록부는, 바로 하부에 적층된 또 다른 프레임의 상부에 위치한 볼록부 및 오목부(232)와 결합될 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 프레임의 좌측 테두리 상부 및 하부에도 각각 볼록부와 오목부(232)가 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 각 프레임의 상부 내지 하부에 형성된 다양한 요철부 구성으로 인해, 프레임의 좌측에서 우측 방향으로의 가스 유출 경로가 더욱 복잡하게 형성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지 측에서 벤팅 기체가 발생되더라도, 프레임의 내측에서 외측 방향으로의 벤팅 기체 유출이 보다 효과적으로 방지될 수 있으며, 이로 인해 특히 냉각 유로로 벤팅 기체가 유입되는 것을 확실하게 차단할 수 있다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프레임의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 10은 도 3의 C 부분에 대한 단면의 또 다른 형태를 도시한다고 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 프레임은, 요철부에 프레임 실링 부재(233)를 구비할 수 있다. 여기서, 프레임 실링 부재(233)는, 요철부에 구비되어 요철부 간 결합 시 밀폐력을 향상시키는 구성요소라 할 수 있다. 이러한 프레임 실링 부재(233)는, 요철부가 결합될 때, 결합 부분의 공간에 위치하도록, 도 10에 도시된 바와 같이, 돌출부(231)의 표면에 구비될 수 있다. 또는, 상기 프레임 실링 부재(233)는, 오목부(232)의 표면에 구비되거나 돌출부(231) 및 오목부(232)의 표면에 모두 구비될 수 있다.
이러한 프레임 실링 부재(233)는, 고무, 실리콘 등 다양한 재질로 구성될 수 있다. 이러한 재질의 경우, 탄성 등의 특성으로 인해 프레임 사이의 틈새 공간으로 유체가 이동하지 않도록 밀폐력을 확보하는데 보다 용이할 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 프레임 실링 부재(233)의 특정 재질로 한정되는 것은 아니며, 프레임 실링 부재(233)는 밀폐력을 강화시킬 수 있는 그 밖의 다른 재질로 구성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 프레임의 내부 공간에 수납된 파우치형 이차 전지는, 좌측 실링부 및 우측 실링부가 내측 방향으로 폴딩되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 E 부분에 표시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지는, 우측 실링부가 내측 방향으로 절곡되는 형태로 프레임 내부 공간에 수납될 수 있다. 이때, 우측은 프레임의 요철부가 형성되는 측이라 할 수도 있고, 냉각 유로의 개구부가 형성된 측이라 할 수도 있다. 또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 파우치형 이차 전지는, 우측 실링부와 좌우 대칭되는 형태로 좌측 실링부가 내측 방향으로 절곡되는 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 실링부가 이차 전지가 위치하는 프레임의 내측 방향으로 절곡되게 구성됨으로써, 실링부의 단부가 이차 전지의 외측이 아닌 내측을 향하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이차 전지의 내측에서 가스가 발생하여 실링부의 단부를 통해 유출되더라도, 이러한 벤팅 기체가 프레임을 향하여 직접적으로 분출되지 않도록 함으로써, 프레임의 적층 부분의 틈새 사이로 벤팅 기체가 유출되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 상부에 위치한 프레임(제2 프레임)의 하부 냉각 플레이트(220)와 하부에 위치한 프레임(제1 프레임)의 상부 냉각 플레이트(210) 사이 공간에는, 2개의 이차 전지가 수납될 수 있다. 이때, 이러한 2개의 이차 전지를 기준으로, 하부에 위치한 이차 전지의 실링부는 상부 방향으로 절곡되고 상부에 위치한 이차 전지의 실링부는 하부 방향으로 절곡되게 구성될 수 있다. 더욱이, 도면에 도시된 바와 같이, 각 이차 전지의 실링부의 절곡 부분은 적어도 일부분이 접촉되게 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지의 실링부를 통해 유출된 벤팅 기체가 외부 방향으로 향하는 것이, 실링부 간 접촉 부분에 의해 1차적으로 방해될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 프레임의 적층 사이 공간으로 벤팅 기체가 유출되는 것을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 엔드 플레이트(410) 및 하부 엔드 플레이트(420)를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 엔드 플레이트(410) 및 하부 엔드 플레이트(420)는, 대략 넓은 면적을 가진 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 각각 배터리 모듈의 상부 및 하부에 위치하여, 각 프레임 및 이차 전지의 상부와 하부를 커버할 수 있다. 이러한 상부 엔드 플레이트(410)와 하부 엔드 플레이트(420)는, 배터리 모듈에 대한 기계적 지지력을 제공하고, 이차 전지의 상부와 하부에서 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해 상부 엔드 플레이트(410)와 하부 엔드 플레이트(420)는 강성 확보를 위해 스틸 등의 금속 재질로 구성될 수 있다.
복수의 프레임과 복수의 파우치형 이차 전지는, 이러한 상부 엔드 플레이트(410)와 하부 엔드 플레이트(420) 사이에 개재되는 형태로 구성될 수 있으며, 상부 엔드 플레이트(410)와 하부 엔드 플레이트(420) 사이에 고정될 수 있다. 이를 위해, 상부 엔드 플레이트(410)와 하부 엔드 플레이트(420), 그리고 프레임은 상호 결합되기 위한 구성을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 프레임에는 네 모서리에 상하 방향의 삽입홀이 형성될 수 있으며, 이 경우 하부 엔드 플레이트(420)에는 이에 대응되는 위치에 삽입봉이 구비되어, 하부 엔드 플레이트(420)의 각 삽입봉이 프레임의 삽입홀에 삽입됨으로써 프레임이 하부 엔드 플레이트(420)에 고정될 수 있다. 그리고, 상부 엔드 플레이트(410)에는 이러한 하부 엔드 플레이트(420)의 삽입봉을 삽입하기 위한 홀이 형성되어 삽입봉이 삽입된 후, 너트 등으로 고정되는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 이때, 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스를 구비할 수 있다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 팩 케이스(600)를 포함할 수 있으며, 이러한 팩 케이스(600)는, 상부 케이스(610)와 하부 케이스(620)를 구비하고, 하부 케이스(620)의 내부 공간에는 배터리 모듈을 수납하도록 구성될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 팩 케이스(600)는, 이차 전지 측에서 발생한 가스, 즉 벤팅 기체를 배터리 팩 외부로 유출시키기 위한 벤팅부(630)를 구비할 수 있다. 이때, 벤팅부(630)에는 벤팅 기체량등을 조절할 수 있는 벤팅 밸브가 구비될 수 있다.
상기 벤팅부(630)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 팩 케이스(600)의 상부, 이를테면 상부 케이스(610)에 형성될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 도 7의 구성에 도시된 바와 같이, 탭(110)이 구비된 방향으로 벤팅 유로의 개구부가 형성될 수 있으며, 이러한 벤팅 유로의 개구부에는 센싱 어셈블리(500)가 구비될 수 있다. 이때, 센싱 어셈블리(500)의 상부에는 배출구(510)가 형성되어, 벤팅 유로의 개구부로부터 유출된 가스를 상부 방향으로 배출시켜, 벤팅 기체가 팩 케이스(600)의 벤팅부(630)로 향하도록 유도할 수 있다.
한편, 도 11의 구성에서는, 벤팅부(630)가 팩 케이스(600)의 전면 측에만 형성된 것으로 도시되어 있으나, 벤팅부(630)는 팩 케이스(600)에서 둘 이상 형성될 수 있다. 예를 들어, 팩 케이스의 벤팅부(630)는 전면 측 이외에 후면 측에도 형성될 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈에 있어서, 벤팅 유로는, 탭(110)이 형성된 측의 반대 측에도 개구부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 팩 케이스(600) 이외에도, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (16)

  1. 다수의 파우치형 이차 전지;
    상하 방향으로 소정 거리 이격되게 배치되어 사이 공간에 냉각 유로를 형성하는 상부 냉각 플레이트 및 하부 냉각 플레이트를 구비하고, 상기 상부 냉각 플레이트의 상부 및 상기 하부 냉각 플레이트의 하부 중 적어도 하나의 위치에 상기 파우치형 이차 전지를 수용하는 제1 프레임; 및
    상기 제1 프레임과 동일한 형태로, 상부 냉각 플레이트 및 하부 냉각 플레이트를 구비하고 파우치형 이차 전지를 수용하며, 상기 제1 프레임의 상부에 적층되어, 상기 제1 프레임과의 사이 공간에 벤팅 유로를 형성하는 제2 프레임
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 유로는, 상기 냉각 유로와 물리적으로 분리된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅 유로는, 상기 제1 프레임의 상부 냉각 플레이트와 상기 제2 프레임의 하부 냉각 플레이트 사이 공간에서 상기 파우치형 이차 전지의 실링부가 위치하는 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유로는, 좌측과 우측에 각각 개구부가 형성되어, 냉각 기체의 흐름 방향이 좌우 방향으로 형성되고,
    상기 벤팅 유로는, 전방측 및 후방측 중 적어도 하나에 개구부가 형성되어, 벤팅 기체의 흐름 방향이 전후 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 유로의 우측 개구부를 커버하고, 외측에 유입구가 형성되고 내측에 개방부가 형성되어 상기 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 상기 개방부를 통해 상기 냉각 유로로 인입되도록 구성된 유입 덕트; 및
    상기 냉각 유로의 좌측 개구부를 커버하고, 외측에 유출구가 형성되고 내측에 개방부가 형성되어 상기 냉각 유로로부터 배출된 냉각 기체가 상기 개방부로 인입되어 상기 유출구를 통해 유출되도록 구성된 유출 덕트
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유입 덕트 및 상기 유출 덕트 중 적어도 하나는, 제1 프레임 및 제2 프레임과의 접촉 부분에 기체의 누출을 차단하는 덕트 실링 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 벤팅 유로의 개구부 측에는 상기 이차 전지의 전극 탭이 위치하고,
    상기 이차 전지의 전극 탭에 접촉되어 상기 이차 전지의 전압을 측정하는 센싱 어셈블리를 더 포함하되,
    상기 센싱 어셈블리는 상기 벤팅 유로의 개구부 측에서 유입된 벤팅 기체를 배출시키는 배출구가 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프레임의 상부 및 상기 제2 프레임의 하부에는 상호 대응되는 형태로 요철부가 형성되어, 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임의 적층 시, 상기 요철부가 상호 결합되어 내측 벤팅 기체가 외측 방향으로 유출되는 것이 차단되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임의 좌측 단위 프레임 및 우측 단위 프레임에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 요철부는, 상기 제1 프레임의 좌측 단위 프레임 상부 및 우측 단위 프레임 상부에 각각 둘 이상 형성되고, 상기 제2 프레임의 좌측 단위 프레임 상부 및 우측 단위 프레임 상부에 각각 둘 이상 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 둘 이상의 요철부는, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각에 대하여, 좌우 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 요철부는, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각에 대하여, 상부 및 하부에 모두 돌출부와 오목부가 형성되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프레임은, 상부에 상기 제2 프레임과의 사이로 기체가 누출되는 것을 차단하는 프레임 실링 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 파우치형 이차 전지는, 좌측 실링부 및 우측 실링부가 내측 방향으로 폴딩된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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