WO2019054619A1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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battery
battery cell
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casing
end plates
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김동연
공진학
최용석
최지순
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주식회사 엘지화학
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the battery module. More particularly, the present invention relates to a battery module and a battery pack including the battery module.
  • the lithium secondary batteries mainly use a lithium-based oxide and a carbonaceous material as a cathode active material and an anode active material, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate each coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and an outer casing, that is, a battery case, for sealingly storing the electrode assembly together with the electrolyte solution.
  • the lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed therebetween, and an electrolyte.
  • a lithium ion battery LIB
  • a lithium polymer battery LIB
  • the electrodes of these lithium secondary batteries are formed by applying a positive electrode or a negative electrode active material to a current collector such as aluminum, copper sheet, mesh, film, or foil, followed by drying.
  • FIG. 1 (a) is a partial cross-sectional view of a conventional battery module
  • FIG. 1 (b) is a partial cross-sectional view showing a state in which swelling occurs in a battery cell in a conventional battery module, to be.
  • a plurality of battery cells 2 may be stacked on a battery module 1.
  • FIG. In the charging and discharging process of the battery cell 2, gas may be generated inside the battery cell 2, and the swelling may occur due to the gas generated by the expansion and contraction of the battery cell 2. [ The phenomenon can be repeatedly generated.
  • the edge of the end plate 3 is connected to the upper and lower end plates 4 and 5 so that the upper and lower end plates 3 and 4 are in contact with each other.
  • the rigidity of the end plate 3 is higher than that of the central portion of the end plate 3 since the end plates 3 and 4 are supported by the end plates 3 and 4,
  • the battery cell 2 is further pressed against the edge portion.
  • the expansion is smoothly performed at the center portion of the battery cell 2, which is pressurized with a relatively small pressure, than the edge portion of the battery cell 2 which is pressurized with a relatively large pressure,
  • the center portion of the battery cell 2 is more swollen than the edge portion of the battery cell 2 when the swelling of the battery cell 2 occurs.
  • the pressure distribution is formed such that the pressure increases from the central portion of the end plate 3 to the edge portion of the end plate 3, that is, do. That is, at the edge portion of the end plate 3, the battery cell 2 is not inflated, so that the pressure is excessively caught.
  • the performance of the battery cell 2 may deteriorate and the sudden death phenomenon Is generated.
  • Another object of the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the battery module, which can appropriately control the pressure acting on the battery cell when designing the battery module.
  • a battery cell stack including a plurality of battery cells, a plurality of battery cells stacked on each other, A casing surrounding the battery cell stack; And an elastic member coupled to the inside of the casing to avoid interference with the battery cell so as to form a uniform pressure on the battery cell when swelling of the battery cell occurs.
  • the casing may be formed by combining a plurality of end plates, the elastic member may be provided with a plurality of springs, and the plurality of springs may be coupled to the edge portions of the end plates respectively disposed on both sides of the casing .
  • the casing is formed of a hexahedron having six end plates coupled to each other, and the elastic member is provided with four springs and can be coupled to the four edge portions of the end plates at both ends.
  • the first end plate of the plurality of end plates may be disposed between the other end plates to be movable, and the plurality of springs may be coupled to the first end plate.
  • the first end plate and the second end plates disposed at predetermined positions with respect to the moving direction of the first end plate are spaced apart from each other. When the first end plate is moved, The second end plates can be brought into contact with each other.
  • the first end plate and the second end plate may each have at least one of engagement projections and engagement grooves that can be engaged with each other.
  • a battery pack including the battery module described above, and further, an automobile including the battery module may be provided.
  • Embodiments of the present invention have an effect of preventing the occurrence of a desk phenomenon in a battery cell by causing a uniform pressure to be applied to the battery cell when swelling of the battery cell occurs through the elastic member.
  • the spring constant of the elastic member can be adjusted to suitably control the pressure acting on the battery cell when designing the battery module.
  • FIG. 1 (a) is a partial cross-sectional view of a conventional battery module
  • FIG. 1 (b) is a partial cross-sectional view showing a state in which swelling occurs in a battery cell in a conventional battery module, to be.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the battery module according to the first embodiment of the present invention before cell swelling occurs.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a battery module according to a first embodiment of the present invention when cell swelling occurs.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a battery module according to a second embodiment of the present invention before cell swelling occurs.
  • 5A and 5B are schematic cross-sectional views of a battery module according to a second embodiment of the present invention in which a first end plate moves and contacts a second end plate when cell swelling occurs.
  • " bond " or " connection, " as used herein, is intended to encompass a case in which one member and another member are directly or indirectly connected, And the like.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a battery module according to a first embodiment of the present invention before cell swelling occurs
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view at the time of cell swelling in a battery module according to the first embodiment of the present invention.
  • a battery module 10 according to a first embodiment of the present invention includes a battery cell stack 100, a casing 200, and an elastic member 300.
  • the battery cell stack 100 is provided with a plurality of battery cells 110 having electrode leads.
  • the electrode lead provided in the battery cell 110 is a kind of terminal that is exposed to the outside and connected to an external device, and a conductive material may be used.
  • the electrode lead may include a positive electrode lead and a negative electrode lead.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead may be disposed in opposite directions with respect to the longitudinal direction of the battery cell 110 or may be arranged in the same direction with respect to the longitudinal direction of the battery cell 110 .
  • the electrode leads may be electrically coupled to the bus bar.
  • the battery cell 110 includes a unit cell arranged in the order of a positive plate-separator-negative plate or a bi-cell arranged in the order of a positive plate-separator-negative plate-separator-positive plate- And may have a structure in which a plurality of layers are stacked in accordance with the capacity.
  • the battery cell stack 100 may be configured such that a plurality of battery cells 110 are stacked on each other.
  • the battery cell 110 may have various structures, and the plurality of battery cells 110 may be stacked in various ways.
  • the battery cell stack body 100 may include a plurality of cartridges (not shown) for housing the respective battery cells 110.
  • Each of the cartridges (not shown) may be manufactured by injection molding of plastic, and a plurality of cartridges (not shown) may be stacked to form a storage unit capable of accommodating the battery cells 110.
  • a cartridge assembly in which a plurality of cartridges (not shown) are stacked may be provided with a connector element or a terminal element.
  • the connector element may include various types of electrical connecting or connecting members for connecting to, for example, a battery management system (BMS) (not shown) capable of providing data on the voltage or temperature of the battery cell 110 have.
  • BMS battery management system
  • the terminal element includes a positive electrode terminal and a negative electrode terminal as main terminals connected to the battery cell 110, and the terminal element may be electrically connected to the outside with a terminal bolt. Meanwhile, the battery cell 110 may have various shapes.
  • the casing 200 may contain a battery cell stack 100 or a cartridge assembly in which the battery cell stack 100 is housed.
  • the casing 200 surrounds the battery cell stack 100 or a plurality of the cartridge assemblies to thereby protect the battery cell stack 100 or the cartridge assembly from external vibration or impact.
  • the casing 200 may be formed in a shape corresponding to the shape of the battery cell stack 100 or the cartridge assembly.
  • the casing 200 may be provided in a hexahedron shape to correspond to the hexagonal shape.
  • the casing 200 may be manufactured, for example, by bending a metal plate or may be manufactured by a plastic injection molding. And, the casing 200 may be manufactured integrally, or may be manufactured separately.
  • the casing 200 may be provided with a penetration portion (not shown) through which the above-described connector element or terminal element can be exposed to the outside. That is, the connector element or the terminal element may be electrically connected to an external predetermined part or member, and a penetration portion may be formed in the casing 200 such that the electrical connection is not obstructed by the casing 200.
  • the casing (200) may be formed by combining a plurality of end plates (210).
  • the number of end plates 210 may vary, and for example, the casing 200 may be formed as a hexahedron in which six end plates 210 are coupled.
  • the number of the end plates 210 may be various, and the shape of the casing 200 is not limited to the hexahedron, 200 may be more varied.
  • the case where the casing 200 has a hexahedral shape formed by six end plates 210 will be mainly described.
  • the elastic member 300 is coupled to the inside of the casing 200 while avoiding interference with the battery cell 110 so that uniform pressure is formed in the battery cell 110 when swelling of the battery cell 110 occurs .
  • the elastic member 300 may be variously provided, and may be provided with a plurality of springs, for example.
  • the plurality of springs may be coupled to the edge portions of the end plates 210 disposed at both side ends of the hexahedron casing 200.
  • the elastic member 300 may be formed of, for example, four springs and may be coupled to the four edge portions of the end plates 210 at both ends.
  • the battery cells 110 interposed between the end plates 210 at both side ends of the casing 200 It is possible to provide a uniform force against the force. 1 (a) and 1 (b), when the swelling of the battery cell 2 occurs in the conventional battery cell 2, The central portion of the battery cell 2 becomes more swollen, so that when the swelling of the battery cell 2 occurs, a nonuniform pressure distribution is formed in the battery cell 2, thereby deteriorating the performance of the battery cell 2, There is a problem that a sudden death phenomenon occurs.
  • the end portions of the end plates 210 at both side ends of the casing 200 that is, the center portion of the battery cell 110
  • the springs are respectively coupled to the edge portions of the end plates 210 corresponding to the edge portions of the battery cells 110 to which a larger pressure is applied and the elastic portions are provided at the edge portions of the end plates 210, 3, a uniform pressure distribution can be formed in the battery cells 110 during the swelling of the battery cells 110, thereby preventing a death phenomenon in the battery cells 110.
  • the elastic member 300 When the elastic member 300 is provided with a spring, the spring constant can be appropriately adjusted. Accordingly, when designing the battery module 10 so that a user can apply a desired level of pressure to the battery cell 110, ) Can be appropriately adjusted.
  • a battery cell stack 100 is housed in a casing 200, and a plurality of springs provided on the elastic member 300 are coupled to an inner edge portion of the casing 200.
  • a plurality of springs provided on the elastic member 300 are coupled to an inner edge portion of the casing 200.
  • an elastic force of a spring is applied to an edge portion of the end plate 210, which is relatively pressurized relative to the center portion of the end plate 210, An entirely uniform pressure distribution can be formed from the edge portion to the center portion of the end plate 210.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a battery module according to a second embodiment of the present invention before cell swelling occurs, and FIGS. 5 (a) and 5 (b) And the first end plate moves in contact with the second end plate upon occurrence of swelling.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the first end plate 211 can be moved and contacted with the second end plate 212 in the second embodiment of the present invention.
  • one fixed end plate 213 is provided at one end of the casing 200 and a first end plate 211 is provided at the other end of the casing 200 to be movable.
  • a second end plate 212 which is fixedly arranged to be spaced apart from the first end plate 211 are provided.
  • the first end plate 211 is disposed between the third end plate 213 fixed to one end of the casing 200 and the second end plate 212 so as to be movable between the first end plate 213 and the second end plate 212, 211 and the third end plate 213, respectively.
  • the first end plate 211 may be movable toward the second end plate 212 and the first end plate 211 may be moved when swelling the battery cell 110 to move the second end plate 212 ).
  • first end plate 211 and the second end plate 212 is provided with a coupling protrusion 215 and a coupling groove 216 that can be engaged with each other,
  • the engaging protrusions 215 formed on the first end plate 211 and the engaging grooves 216 formed on the second end plate 212 are engaged with each other
  • the contact portions of the first end plate 211 and the second end plate 212 can be continuously held in contact with each other so that the entirety of the pressure distribution from the edge portion of the end plate 210 to the center portion of the end plate 210 And a uniform pressure distribution can be continuously maintained.
  • a battery pack (not shown) according to an embodiment of the present invention may include at least one battery module 10 according to an embodiment of the present invention as described above.
  • the battery pack (not shown) may include a case 510 for housing the battery module 10, various devices for controlling the charging and discharging of the battery module 10, A BMS, a current sensor, a fuse, and the like.
  • a vehicle (not shown) may include the battery module 10 or a battery pack (not shown), and the battery module 10 May be included.
  • the battery module 10 according to an embodiment of the present invention may be applied to a vehicle (not shown) such as an electric vehicle or a hybrid vehicle .
  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the battery module, and more particularly to an industry related to a secondary battery.

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Abstract

배터리 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀이 복수로 마련되고, 복수의 배터리 셀들이 서로 적층되는 배터리 셀 적층체; 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및 배터리 셀의 스웰링 발생시 배터리 셀에 균일한 압력이 형성되도록 배터리 셀과의 간섭을 회피하여 케이싱의 내측에 결합되는 탄성부재를 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
본 출원은 2017년 09월 18일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2017-0119764호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은, 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 셀의 스웰링 발생시 배터리 셀에 균일한 압력이 걸리도록 하는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 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.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB), 리튬 폴리머 전지(Polymer Lithium Ion Battery, PLIB) 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차 전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 시트(sheet), 메시(mesh), 필름(film), 호일(foil) 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 도포한 후 건조시킴으로써 형성된다.
도 1(a)는 종래 배터리 모듈의 부분 측단면도이고, 도 1(b)는 종래 배터리 모듈에서 배터리 셀에 스웰링이 발생하여 배터리 셀과 엔드플레이트에 불균일한 압력이 형성되는 모습의 부분 측단면도이다.
도 1(a) 및 도 1(b)를 참조하면, 배터리 모듈(1)에는 복수의 배터리 셀(2)들이 적층될 수 있다. 그런데, 배터리 셀(2)의 충전과 방전 과정에서 배터리 셀(2)의 내부에 가스가 발생될 수 있으며, 이와 같이 발생된 가스로 인해 배터리 셀(2)이 팽창 및 수축되는 스웰링(swelling) 현상이 반복하여 발생될 수 있다. 한편, 배터리 셀(2)과, 일측 단부의 엔드플레이트(3)는 서로 접촉되어 있으며, 상기 엔드플레이트(3)의 가장자리부는 상측 및 하측 엔드플레이트(4, 5)와 연결되어 상측 및 하측 엔드플레이트(4, 5)에 의해 지지되므로 상기 엔드플레이트(3)의 중심부에 비해 상대적으로 강성이 높으며, 따라서, 상기 엔드플레이트(3)는 상기 엔드플레이트(3)의 중심부보다 상기 엔드플레이트(3)의 가장자리부에서 배터리 셀(2)을 더욱 가압하게 된다. 즉, 상대적으로 큰 압력으로 가압되는 배터리 셀(2)의 가장자리부보다, 상대적으로 적은 압력으로 가압되는 배터리 셀(2)의 중심부에서 팽창이 원활하게 일어나며, 따라서, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(2)의 스웰링 발생시 배터리 셀(2)의 가장자리부보다 배터리 셀(2)의 중심부가 더 부풀어 오른다. 이와 관련하여, 압력 분포는 도 1(b)의 화살표를 참조하면, 엔드플레이트(3)의 중심부로부터 엔드플레이트(3)의 가장자리부로 갈수록 압력의 크기가 증가하도록, 즉, 압력 분포가 불균일하도록 형성된다. 즉, 엔드플레이트(3)의 가장자리부에서는 배터리 셀(2)이 팽창하지 못하므로 압력이 과도하게 걸리게 된다.
하지만, 이와 같이 배터리 셀(2)의 스웰링 발생시 배터리 셀(2)에 불균일한 압력분포가 형성되면 배터리 셀(2)의 성능이 저하되고 순간적으로 전기적 연결이 끊겨버리는 서든 데스(sudden death) 현상이 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 배터리 셀의 스웰링 발생시 배터리 셀에 균일한 압력이 걸리도록 하여 배터리 셀에서 서든 데스 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
또한, 배터리 모듈의 설계시 배터리 셀에 작용하는 압력을 적절히 조절할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀이 복수로 마련되고, 복수의 배터리 셀들이 서로 적층되는 배터리 셀 적층체; 상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및 상기 배터리 셀의 스웰링 발생시 상기 배터리 셀에 균일한 압력이 형성되도록 상기 배터리 셀과의 간섭을 회피하여 상기 케이싱의 내측에 결합되는 탄성부재를 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 상기 케이싱은 복수의 엔드플레이트들이 결합되어 형성되고, 상기 탄성부재는 복수의 스프링들로 마련되며, 상기 복수의 스프링들은 상기 케이싱의 양측에 각각 배치된 엔드플레이트들의 가장자리부에 결합될 수 있다.
그리고, 상기 케이싱은 6개의 엔드플레이트들이 결합된 육면체로 형성되고, 상기 탄성부재는 4개의 스프링들로 마련되어 양측 단부의 엔드플레이트들의 4 가장자리부에 결합될 수 있다.
또한, 상기 복수의 엔드플레이트들 중 제1 엔드플레이트는 다른 엔드플레이트들 사이에 배치되어 이동가능하게 마련되며, 상기 제1 엔드플레이트에는 상기 복수의 스프링들이 결합될 수 있다.
그리고, 상기 제1 엔드플레이트와, 상기 제1 엔드플레이트의 이동 방향을 기준으로 소정의 위치에 배치된 제2 엔드플레이트는 상호 이격되어 배치되며, 상기 제1 엔드플레이트의 이동시 상기 제1 엔드플레이트와 상기 제2 엔드플레이트가 서로 접촉될 수 있다.
또한, 상기 제1 엔드플레이트와 상기 제2 엔드플레이트 각각에는, 서로 결합될 수 있는 결합돌기 및 결합홈 중 적어도 하나가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있고, 또한, 상기 배터리 모듈을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 탄성부재를 통해 배터리 셀의 스웰링 발생시 배터리 셀에 균일한 압력이 걸리도록 하여 배터리 셀에서 서든 데스 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 탄성부재의 스프링 상수를 조정하여 배터리 모듈의 설계시 배터리 셀에 작용하는 압력을 적절히 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1(a)는 종래 배터리 모듈의 부분 측단면도이고, 도 1(b)는 종래 배터리 모듈에서 배터리 셀에 스웰링이 발생하여 배터리 셀과 엔드플레이트에 불균일한 압력이 형성되는 모습의 부분 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생 전의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생시의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생 전의 개략적인 단면도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생시 제1 엔드플레이트가 이동하여 제2 엔드플레이트에 접촉되는 모습의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 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 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생 전의 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생시의 개략적인 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀 적층체(100)와, 케이싱(200)과, 탄성부재(300)를 포함한다.
배터리 셀 적층체(100)에는 전극 리드가 구비되는 배터리 셀(110)이 복수로 마련된다. 배터리 셀(110)에 구비되는 전극 리드는 외부로 노출되어 외부 기기에 연결되는 일종의 단자로서 전도성 재질이 사용될 수 있다. 전극 리드는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 또는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드가 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다. 전극 리드는 버스바에 전기적으로 결합될 수 있다. 배터리 셀(110)은 양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열되는 단위 셀(Unit Cell) 또는 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터-양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열된 바이 셀(Bi-Cell)을 전지 용량에 맞게 복수개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
배터리 셀 적층체(100)는 복수의 배터리 셀(110)이 서로 적층되도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(110)은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한, 복수의 배터리 셀(110)은 다양한 방식으로 적층될 수 있다.
배터리 셀 적층체(100)는 각각의 배터리 셀(110)을 수납하는 카트리지(미도시)가 복수로 구비될 수 있다. 각각의 카트리지(미도시)는 플라스틱의 사출 성형으로 제조될 수 있고, 배터리 셀(110)을 수납할 수 있는 수납부가 형성된 복수의 카트리지들(미도시)이 적층될 수 있다. 복수의 카트리지들(미도시)이 적층된 카트리지 조립체에는 커넥터 요소 또는 단자 요소가 구비될 수 있다. 커넥터 요소는, 예를 들어, 배터리 셀(110)의 전압 또는 온도에 대한 데이터를 제공할 수 있는 BMS(Battery Management System, 미도시) 등에 연결되기 위한 다양한 형태의 전기적 연결 부품 내지 연결 부재가 포함될 수 있다. 그리고, 단자 요소는 배터리 셀(110)에 연결되는 메인 단자로서 양극 단자와 음극 단자를 포함하며, 단자 요소는 터미널 볼트가 구비되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 배터리 셀(110)은 다양한 형상을 가질 수 있다.
케이싱(200)에는 배터리 셀 적층체(100) 또는, 배터리 셀 적층체(100)가 수납된 카트리지 조립체가 수납될 수 있다. 케이싱(200)은 배터리 셀 적층체(100) 또는 복수의 카트리지 조립체들의 전체를 둘러싸며 이에 의해 외부의 진동이나 충격으로부터 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체를 보호한다.
케이싱(200)은 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체가 육면체 형상으로 마련되는 경우 케이싱(200)도 이에 대응되도록 육면체 형상으로 마련될 수 있다. 케이싱(200)은 예를 들어, 금속 재질의 플레이트를 절곡하여 제조될 수 있고 또는 플라스틱 사출물에 의해 제조될 수도 있다. 그리고, 케이싱(200)은 일체형으로 제조될 수도 있고, 또는 분리형으로 제조될 수도 있다. 케이싱(200)에는 전술한 커넥터 요소 또는 단자 요소가 외부로 노출될 수 있는 관통부(미도시)가 형성될 수 있다. 즉, 커넥터 요소 또는 단자 요소는 외부의 소정 부품 내지 부재와 전기적으로 연결될 수 있는데, 이러한 전기적 연결이 케이싱(200)에 의해 방해되지 않도록 케이싱(200)에 관통부가 형성될 수 있다.
케이싱(200)은 복수의 엔드플레이트(210)들이 결합되어 형성될 수 있다. 여기서, 엔드플레이트(210)들의 개수는 다양할 수 있으며, 예를 들어, 케이싱(200)은 6개의 엔드플레이트(210)들이 결합된 육면체로 형성될 수 있다. 다만, 케이싱(200)이 반드시 6개의 엔드플레이트(210)들로 구성될 필요는 없고 엔드플레이트(210)의 개수는 다양할 수 있으며, 케이싱(200)의 형상 역시 육면체에 한정되는 것은 아니고 케이싱(200)의 형상은 보다 다양할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 케이싱(200)이 6개의 엔드플레이트(210)들로 형성된 육면체 형상인 경우를 중심으로 설명한다.
탄성부재(300)는 배터리 셀(110)과의 간섭을 회피하여 케이싱(200)의 내측에 결합되며, 이에 의해 배터리 셀(110)의 스웰링 발생시 배터리 셀(110)에 균일한 압력이 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 여기서, 탄성부재(300)는 다양하게 마련될 수 있으며, 예를 들어 복수의 스프링들로 마련될 수 있다. 그리고, 복수의 스프링들은 육면체 케이싱(200)의 양측 단부에 각각 배치된 엔드플레이트(210)들의 가장자리부에 결합될 수 있다. 탄성부재(300)를 예를 들어 4개의 스프링들로 마련되어 양측 단부의 엔드플레이트(210)들의 4 가장자리부에 결합될 수 있다. 이와 같이 복수의 스프링들이 케이싱(200)의 양측 단부의 엔드플레이트(210)들에 각각 결합되는 경우 케이싱(200)의 양측 단부의 엔드플레이트(210)들 사이에 개재된 배터리 셀(110)들에 대해 균일한 힘을 제공할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 도 1(a) 및 도 1(b)를 참조하면, 종래 배터리 셀(2)의 경우 배터리 셀(2)의 스웰링 발생시 배터리 셀(2)의 가장자리부보다 배터리 셀(2)의 중심부가 더 부풀어 오르게 되므로 배터리 셀(2)의 스웰링 발생시 배터리 셀(2)에 불균일한 압력분포가 형성되며, 이에 의해 배터리 셀(2)의 성능이 저하되고 순간적으로 전기적 연결이 끊겨버리는 서든 데스(sudden death) 현상이 발생되는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 경우 도 2를 참조하면, 케이싱(200)의 양측 단부의 엔드플레이트(210)들의 가장자리부, 즉 배터리 셀(110)의 중심부보다 더 큰 압력이 걸리는 배터리 셀(110)의 가장자리부에 대응되는 엔드플레이트(210)들의 가장자리부에 스프링들이 각각 결합되어 있고, 엔드플레이트(210)들의 가장자리부에 탄성력이 제공되므로, 배터리 셀(110)의 스웰링 발생시 배터리 셀(110)들에는 도 3에서와 같이 균일한 압력 분포가 형성될 수 있으며, 이에 의해 배터리 셀(110)에서 서든 데스 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 탄성부재(300)가 스프링으로 마련되는 경우 스프링 상수를 적절히 조정할 수 있으며, 이에 의해 사용자가 원하는 정도의 압력이 배터리 셀(110)에 가해지도록 배터리 모듈(10)의 설계시 배터리 셀(110)에 작용하는 압력을 적절히 조절할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 케이싱(200)에는 배터리 셀 적층체(100)가 수납되며, 탄성부재(300)에 구비된 복수의 스프링이 케이싱(200)의 내측 가장자리부에 결합된다. 그리고, 배터리 셀(110)의 스웰링 발생시 엔드플레이트(210)의 중심부에 비해 상대적으로 큰 압력이 걸리는 엔드플레이트(210)의 가장자리부에 스프링의 탄성력이 제공되며, 이에 의해 엔드플레이트(210)의 가장자리부로부터 엔드플레이트(210)의 중심부에 걸쳐 전체적으로 균일한 압력 분포가 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생 전의 개략적인 단면도이고, 도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 스웰링 발생시 제1 엔드플레이트가 이동하여 제2 엔드플레이트에 접촉되는 모습의 개략적인 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 작용 및 효과에 대해 설명하되, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에서 설명한 내용과 공통되는 부분은 전술한 설명으로 대체한다.
본 발명의 제2 실시예의 경우 제1 엔드플레이트(211)가 이동하여 제2 엔드플레이트(212)에 접촉될 수 있다는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다.
도 4를 참조하면, 케이싱(200)의 일측 단부에는 하나의 고정된 제3 엔드플레이트(213)가 설치되어 있고, 케이싱(200)의 타측 단부에는 이동 가능하게 마련되는 제1 엔드플레이트(211)와, 제1 엔드플레이트(211)로부터 이격되어 고정 배치되는 제2 엔드플레이트(212)가 설치되어 있다. 여기서, 제1 엔드플레이트(211)는 케이싱(200)의 일측 단부에 고정된 제3 엔드플레이트(213)와 제2 엔드플레이트(212) 사이에 배치되어 이동가능하게 마련되며, 제1 엔드플레이트(211)와 제3 엔드플레이트(213)에 복수의 스프링들이 각각 결합된다. 제1 엔드플레이트(211)는 제2 엔드플레이트(212)를 향해 이동가능하게 마련될 수 있으며, 배터리 셀(110)의 스웰링시 제1 엔드플레이트(211)가 이동하여 제2 엔드플레이트(212)에 접촉될 수 있다. 여기서, 제1 엔드플레이트(211)와 제2 엔드플레이트(212) 각각에는 서로 결합될 수 있는 결합돌기(215)와 결합홈(216)이 형성되며, 배터리 셀(110)의 스웰링시 제1 엔드플레이트(211)가 제2 엔드플레이트(212)측으로 이동하는 경우 제1 엔드플레이트(211)와 제2 엔드플레이트(212) 각각에 형성된 결합돌기(215)와 결합홈(216)이 서로 결합하면 제1 엔드플레이트(211)와 제2 엔드플레이트(212)의 접촉 부분이 계속적으로 접촉 유지될 수 있으므로, 엔드플레이트(210)의 가장자리부로부터 엔드플레이트(210)의 중심부에 걸쳐 전체적으로 균일한 압력 분포가 형성될 뿐만 아니라 균일한 압력 분포가 계속적으로 유지될 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은, 전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(미도시)은, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 케이스(510), 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(미도시)는 전술한 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩(미도시)을 포함할 수 있으며, 상기 배터리 팩(미도시)에는 상기 배터리 모듈(10)이 포함될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 상기 자동차(미도시), 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 사용하도록 마련되는 소정의 자동차(미도시)에 적용될 수 있다.
이상에서 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.
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 특히, 이차전지와 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (8)

  1. 배터리 셀이 복수로 마련되고, 복수의 배터리 셀들이 서로 적층되는 배터리 셀 적층체;
    상기 배터리 셀 적층체를 둘러싸는 케이싱; 및
    상기 배터리 셀의 스웰링 발생시 상기 배터리 셀에 균일한 압력이 형성되도록 상기 배터리 셀과의 간섭을 회피하여 상기 케이싱의 내측에 결합되는 탄성부재를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱은 복수의 엔드플레이트들이 결합되어 형성되고,
    상기 탄성부재는 복수의 스프링들로 마련되며, 상기 복수의 스프링들은 상기 케이싱의 양측에 각각 배치된 엔드플레이트들의 가장자리부에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이싱은 6개의 엔드플레이트들이 결합된 육면체로 형성되고, 상기 탄성부재는 4개의 스프링들로 마련되어 양측 단부의 엔드플레이트들의 4 가장자리부에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 엔드플레이트들 중 제1 엔드플레이트는 다른 엔드플레이트들 사이에 배치되어 이동가능하게 마련되며, 상기 제1 엔드플레이트에는 상기 복수의 스프링들이 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 엔드플레이트와, 상기 제1 엔드플레이트의 이동 방향을 기준으로 소정의 위치에 배치된 제2 엔드플레이트는 상호 이격되어 배치되며, 상기 제1 엔드플레이트의 이동시 상기 제1 엔드플레이트와 상기 제2 엔드플레이트가 서로 접촉될 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 엔드플레이트와 상기 제2 엔드플레이트 각각에는, 서로 결합될 수 있는 결합돌기 및 결합홈 중 적어도 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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