WO2019098491A1 - 배터리 셀 가압형 엔드 플레이트와 확장형 센싱 하우징 구조가 적용된 배터리 모듈 - Google Patents

배터리 셀 가압형 엔드 플레이트와 확장형 센싱 하우징 구조가 적용된 배터리 모듈 Download PDF

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이범현
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, more particularly, to an end plate capable of pressing and packaging battery cells inside a module, and a battery module to which a sensing housing structure having expandability is applied according to the number of battery cells .
  • This application is a priority claim of Korean Patent Application No. 10-2017-0151589 filed on November 14, 2017, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
  • Types of secondary batteries widely used today include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, and nickel-zinc batteries.
  • the operating voltage of such a unitary secondary battery cell that is, the unit battery cell is about 2.5V to 4.6V. Therefore, when a higher output voltage is required, a plurality of battery cells may be connected in series to form a battery pack. In addition, a plurality of battery cells may be connected in parallel according to a charge / discharge capacity required for the battery pack to form a battery pack. Therefore, the number of battery cells included in the battery pack can be variously set according to the required output voltage or the charge / discharge capacity.
  • An end plate for fixing a cell assembly and a cell assembly which are an assembly of a plurality of secondary battery cells, and protecting the battery assembly from an external impact when a plurality of secondary battery cells are connected in series /
  • a battery module including a sensing housing for electrical connection of the battery pack is first constructed and a battery pack is constructed by adding other components using the at least one battery module.
  • the secondary battery cells constituting the battery module or the battery pack can be generally provided as a pouch-type secondary battery having an advantage that they can be easily stacked.
  • the external shape of the battery module may change due to the pressure due to the volume expansion. Changes in the external shape may affect the safety of the battery module itself and the stability of other adjacent devices, so that swelling phenomenon should be avoided.
  • a strap is wound around an end plate to urge the battery module.
  • only the portion wrapped with the strap is mainly pressed and the other portions are relatively uncomfortable.
  • the sensing assembly generally has a single housing structure and covers the protruded portion of the electrode leads of the secondary battery cells.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an end plate which can protect battery cells located in a battery module from the outside and press with a uniform pressure, and a sensing assembly having a simple and easy expandability And a battery module.
  • the pair of side plates may have a bead portion recessed by a predetermined depth, and the pair of buffer pads may have one surface shaped to the bead portion.
  • the bead portion has a first bead portion provided in a middle region of the side plate and a second bead portion separated from the first bead portion in the left and right side regions of the side plate with respect to the first bead portion, And a second bead portion having a distribution area and a depth.
  • top and the bottom plates each include a horizontal portion forming a horizontal plane and a vertical portion bent vertically at both ends of the horizontal portion, wherein the pair of side plates have edge regions at the top and bottom, respectively, And can be press-fitted to the vertical portion of the trough plate.
  • the pair of side plates may have press-fit protrusions protruding from edge regions of the upper and lower ends, and the top and the bottom plates may have press-fit holes that are tightly coupled with the press-fit protrusions in the vertical portion.
  • the upper and lower edge regions of the pair of side plates may be superimposed inside the vertical portion of the top and the trough plate.
  • a sensing assembly electrically connected to the electrode leads protruding from the pouch-shaped battery cells, the sensing assembly being disposed on at least one of a front surface and a rear surface of the cell assembly, wherein the sensing assembly is electrically connected to the electrode leads Bus bars; And a sensing housing including a plurality of sensing housing parts mounted on the front surface of the bus bar, passing the electrode leads to the bus bar side, and mutually detachable and assembled continuously in one direction.
  • the plurality of sensing housing parts may be provided corresponding to the number of the pouch type battery cells.
  • the plurality of sensing housing parts may be assembled by interlocking with each other with corresponding embossed projections and depressed grooves.
  • the sensing housing may be fitted to one end of each of the pair of side plates and be supported by the pair of side plates so as to be separated from the plurality of pouch-shaped battery cells by a predetermined distance.
  • the bus bar includes a bonding portion provided in a plate form to be connected to the electrode leads and a terminal bending portion bent in a U shape at one end of the bonding portion, And a slot formed through the assembly of the housing part and the other sensing housing part and defining a slit for passing at least a portion of the bus bar and an inner space for receiving the end bending part.
  • the sensing assembly may further include a voltage sensing receptacle terminal that is inserted into the slot and is electrically connected to the end bending portion of the bus bar.
  • the sensing assembly may further include an external power connection member having a nut accommodated in one of the slots provided in the sensing housing and fixed with a bolt fastened to the nut.
  • top and the trough plate each have a horizontal portion forming a horizontal plane, a vertical portion bent vertically at both ends of the horizontal portion, and an insertion portion bent toward the cell assembly at an end of the vertical portion
  • the plate may be provided with a plate hole through which the fitting portion can be inserted into the edge regions of the upper and lower ends, respectively.
  • the battery module according to the present invention may be applied to a battery pack or a power storage device including at least one battery module.
  • a battery module having an end plate that is excellent in assembling convenience and can pressurize battery cells with a uniform pressure.
  • a battery module having a sensing assembly having a simple and easy expandability.
  • the sensing assembly not only has extensibility but also has the advantage that it is easy to assemble and connect with parts including the bus bars.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 2 and 3 are partial exploded perspective views of Figure 1.
  • FIG. 4 is a partial enlarged view of Fig.
  • FIG. 5 is a perspective view of a longitudinally incised battery module.
  • FIG. 6 is a partial perspective view of a laterally cut-away battery module.
  • FIG. 7 is a perspective view of sensing housing parts according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a partially exploded perspective view of the sensing housing of Figure 7;
  • 9 and 10 are a right side view and a front view of the sensing housing part, respectively.
  • FIG. 11 is a view for explaining a process of assembling the sensing housing parts and the bus bar according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 12 and 13 are views showing the state before and after coupling of the receptacle terminal for voltage sensing to the sensing assembly according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 and 15 are views for explaining a process of assembling the sensing housing parts and the external power connection member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a partially-exploded perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention, corresponding to FIG. 2; FIG.
  • 17 is a longitudinal sectional view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 2 and 3 are partial exploded perspective views of FIG. 1
  • FIG. 4 is a partial enlarged view of FIG. Is a perspective view of the battery module cut in the longitudinal direction.
  • a battery module 10 includes a cell assembly 100, a pair of buffer pads 200, a top and a bottom gap plate 300 and 400, and a pair of side plates 500).
  • the cell assembly 100 constituting the battery module 10 may be an aggregate of a plurality of pouch-shaped battery cells 110.
  • the pouch-shaped battery cells 110 may be stacked in a horizontal direction with their large surfaces perpendicular to the ground.
  • the cell assembly 100 is constructed using seven pouch-type battery cells 110, but the cell assembly 100 is variable depending on the output / capacity required of the unit battery module 10, May be configured using less than seven or eight or more pouch-like battery cells (110).
  • the pouch-type battery cell 110 may be composed of a pouch outer case, an electrode assembly accommodated in the pouch outer case, and an electrolyte.
  • the pouch-type sheathing material may be composed of two pouches, and at least one of them may be formed with a concave inner space.
  • the electrode assembly can be housed in the inner space of the pouch.
  • the two pouch peripheries are welded to each other, so that the inner space in which the electrode assembly is accommodated can be sealed.
  • the electrode lead 111 can be attached to the electrode assembly and the electrode lead 111 is interposed between the fused portions of the pouch case member and exposed to the outside of the pouch case member to function as an electrode terminal of the battery cell 110 have.
  • a pair of buffer pads 200 may be disposed on both side surfaces of the cell assembly 100.
  • the buffer pad 200 may be formed of an elastic material and an insulating material that absorbs expansion pressure and external impact when swelling the pouch type battery cells 110 due to charging / discharging.
  • the buffer pad 200 may be made of foamed polypropylene (EPP) or ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) in the form of a foam having a size facing the wide surface of the pouch-shaped battery cell 110.
  • the buffer pad 200 faces the pouch-type battery cell 110 whose one side is disposed at the outermost side in the cell assembly 100, and the other side faces the side plate 500 And is interposed between the cell assembly 100 and the side plate 500 facing each other.
  • the buffer pads 200 are disposed only at the outermost side of the cell assembly 100, so that when the buffer pads 200 are interposed between the battery cells 110 The energy density per unit area of the battery module 10 can be higher.
  • the cell assembly 100 of the present invention may have a structure in which there is no gap between the battery cell 110 and the battery cell 110, or the battery cells 110 are space-concentrated with only a double-sided tape .
  • the compressive stress level of the pouch-type battery cell 110 positioned at the outermost position is the highest. Therefore, by pressing the cushion pad 200 on the interface between the expansion force of the pouch type battery cells 110 and the pressing force of the side plate 500, the pressing force of the side plate 500 and the pressing force of the pouch type battery cell 110 So that damage to the side plate 500 and the battery cells 110 can be prevented.
  • the stress level acting on the battery cell 110 or the side plate 500 is increased as the compression pad 200 is thicker and the compression force of the side plate 500 or the expansion force of the battery cells 110 is effectively dispersed. But an excessively thick buffer pad 200 is undesirable in terms of the energy density of the battery module 10. Therefore, the buffer pad 200 according to the present invention can be calculated in thickness by the following equation.
  • T thickness of the cushioning pad 200
  • A number of battery cells 110 x maximum displacement amount of the battery cell 110 during swelling
  • B thickness of the cushion pad 200 at maximum compression
  • the cushioning pads 200 of the present invention are arranged in pairs on two side surfaces of the cell assembly 100, so that the cushioning pads 200 can absorb the deformation amount during swelling of all the battery cells 110, have. Therefore, by setting the variable A / 2 in the equation for calculating the thickness of the cushioning pad 200 to the maximum amount of strain by which the cushioning pad 200 can be compressed, the two cushioning pads 200 can maximize the swelling of all the battery cells 110 So that it can be absorbed by each half of the deformation amount.
  • the present invention can increase the energy density by constructing the cushioning pad 200 with a minimum thickness within a range that exhibits an effective effect.
  • the top and bottom plates 300 and 400 and the pair of side plates 500 may be in the form of a plate having a predetermined area and may be disposed on the top / bottom and both side portions of the cell assembly 100, The upper surface, the lower surface, the left surface portion, and the right side surface portion of the housing.
  • These top and trough plates 300 and 400 and the pair of side plates 500 can be understood as an end plate, which covers the outer periphery of the cell assembly 100.
  • top and trough plates 300 and 400 and the pair of side plates 500 provide a mechanical support force for the cell assembly 100 and may protect the cell assembly 100 from an external impact. Therefore, it is preferable that the top and trough plates 300 and 400 and the pair of side plates 500 are made of a metal such as steel so that rigidity can be secured.
  • the pair of side plates 500 is configured to be assembled with the cell assembly 100 and the buffer pad 200 with the tower and the gap plates 300 and 400 being centered.
  • the top and trough plates 300 and 400 and the pair of side plates 500 may be assembled together to form respective tubes.
  • the pair of side plates 500 may be press-fitted to both ends of the top and the trough plates 300 and 400 with the buffer pads and the cell assembly therebetween.
  • the top and the trough plates 300 and 400 have horizontal parts 310 and 410 forming a horizontal plane and vertical parts 310 and 410 at both ends of the horizontal part 310 and 410, respectively. And may include vertical portions 320 and 420 that are bent.
  • the pair of side plates 500 are provided with upper and lower edge regions 520 and 530 which are connected to the vertical portions 320 and 420 of the top and the trough plates 300 and 400 by press fitting or clinching, .
  • the upper and lower edge regions 520 and 530 of the side plate 500 are provided with press-fit protrusions 521 and 531 protruding outward, and the vertical portions 320 and 420 of the top and the trough plates 300 and 400 are provided with the press- 521, and 531 and the press-fit holes 321 and 421 are tightly coupled.
  • the press-fit holes 321 and 421 are press-fitted into the press-fit protrusions 521 and 531 in a state where the upper and lower edge regions 520 and 530 of the side plate 500 are superimposed on the inside of the vertical portions 320 and 420 of the top and trough plates 300 and 400
  • the side plates 500 can be fixed to the top and the trough plates 300 and 400.
  • two lower edge regions 530 of the left and right side plates 500 are integrally press-fitted into the gap portions between the vertical portions 320 and 420,
  • Two edge regions 520 are integrally press-fitted between the vertical portions 320 and 420 of the top plate 300.
  • the interval between the vertical portions 320 and 420 of the top and the trough plates 300 and 400 corresponds to the width of the lateral side of the cell assembly 100. Therefore, when the top and trough plates 300 and 400 and the left and right side plates 500 are press-fitted together as described above, the left and right side plates 500 are positioned inside the vertical portions 320 and 420 of the top and the trough plates 300 and 400 The buffer pads 200 and the battery cells 110 can be pressed by the left and right side plates 500. [ At this time, the pressing force applied by the side plate 500 can be uniformly transmitted to the cell assembly 100 through the buffer pad 200.
  • the pair of side plates 500 may have a bead portion recessed by a predetermined depth from the plate surface, and the pair of buffer pads 200 may have a surface facing the bead portion.
  • the bead portion may take a negative shape when viewed from the side of the side plate 500.
  • the bead portion may prevent the side plate 500 from being bent or twisted by imparting the mechanical rigidity to the side plate 500 with respect to the expansion force when swelling the battery cells 110.
  • the bead portion includes a first bead portion 511 provided in the center region of the side plate 500, and a second bead portion 511 separately provided on the left and right sides with respect to the first bead portion 511, (512).
  • the first bead 511 may be widely distributed in the center region of the side plate 500. That is, the first bead portion 511 may be formed in a middle region corresponding to the middle third portion of the side plate 500 when the side plate 500 is divided into five equal parts along the longitudinal direction of the battery module 10.
  • the first bead 511 corresponds to a portion of the battery cell 110 where the amount of deformation during swelling is the largest.
  • the second bead portion 512 may be separately formed symmetrically on the right and left sides of the first bead portion 511.
  • the second bead portion 512 may have a smaller distribution area and depth than the first bead portion 511.
  • the first bead portion 511 facing the central portion of the battery cell 110 that swells most when the battery cell 110 is swelled may have a wider distribution area and a deeper distribution than the second bead portion 512.
  • the side plate 500 can more effectively stop the expansion of the battery cells 110 due to a stronger pressing force at the center portion of the battery cells 110 when swelling the battery cells 110.
  • the battery module 10 may further include a sensing assembly 600 electrically connected to the pouch-type battery cells 110 disposed on at least one of a front surface and a rear surface of the cell assembly 100 .
  • the pouch type battery cell 110 may be divided into a unidirectional cell and a bidirectional cell according to the protruding direction of the electrode lead 111.
  • the sensing assembly 600 is configured to be mounted on the front and rear portions of the cell assembly 100. That is, unlike the present embodiment, when the battery module 10 is constructed of the unidirectional pouch type battery cell 110, the sensing assembly 600 may be installed only at one of the front and rear portions of the cell assembly 100 .
  • FIG. 6 is a partial perspective view of a laterally cut-away battery module
  • FIG. 7 is a perspective view of sensing housing parts according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a partially exploded perspective view of the sensing housing of FIG. 11 is a view for explaining a process of assembling the sensing housing parts and the bus bar according to the embodiment of the present invention.
  • the sensing assembly 600 may include a plurality of bus bars 610 and a sensing housing 620 in a configuration for electrical connection and voltage sensing of a plurality of battery cells 110.
  • the bus bar 610 may be coupled to the electrode leads 111 through a welding connection so as to be electrically connected to the electrode leads 111 of the plurality of battery cells 110.
  • the sensing housing 620 provides a place for mounting various components including the bus bar 610 and covers the front and rear portions of the cell assembly 100.
  • the bus bar 610 is mounted on the front surface of the sensing housing 620 and the electrode leads 111 of the battery cells 110 can be welded to the bus bar 610 through the body of the sensing housing 620 have.
  • the sensing housing 620 is fitted to one end 540 of each of the pair of side plates 500 and spaced apart from the plurality of pouch-shaped battery cells 110 by a predetermined distance And can be supported by the pair of side plates 500. Accordingly, a predetermined empty space G may be formed between the sensing housing 620 and the plurality of pouch-shaped battery cells 110.
  • the empty space G may be utilized as a gas trapping space that can occur when the pouch type battery cells 110 swell.
  • the pressure may greatly increase and the risk of explosion may be increased.
  • the gas trapping space is provided as in the present embodiment, an abrupt pressure increase of the battery module 10 can be prevented.
  • the sensing housing 620 of the present invention may be composed of unit sensing housing parts 620a which are detachable from each other and can be assembled continuously in one direction.
  • the unit sensing housing parts 620a are provided in a number corresponding to the number of the pouch type battery cells 110 and are fitted in a block form with the embossing projections 621 and the engraved grooves 622 corresponding to each other Can be assembled.
  • the unit sensing housing part 620a may be provided with the relief protrusions 621 on the left side, and the depression 622 may be provided on the right side opposite thereto .
  • the relief protrusions 621 fit into the depressed grooves 622
  • the left side surface of one of the unit sensing housings 620 and the right side surface of the other sensing housing part 620a may be assembled while being in contact with each other.
  • another sensing housing part 620a may be further assembled to the already assembled sensing housing parts 620a to form a single sensing housing 620.
  • the sensing housing 620 can be realized by merely adjusting the number of the sensing housing parts 620a so as to correspond to the number of the sensing housing parts 620a. That is, the sensing housing 620 according to the present invention can easily and easily be expanded by assembling the unit sensing housing parts 620a.
  • the bus bar 610 includes a plate-shaped joint portion 611 to which the electrode leads 111 are joined, And may include a distal bending portion 612 that takes a bended shape.
  • the sensing housing 620 includes slits 623 formed by assembling one sensing housing part 620a and another sensing housing part 620a and passing a part of the bus bar 610, May further include slots (624) forming an interior space for receiving the distal bending portion (612) of the bus bar (610).
  • the unit sensing housing part 620a includes a first cutout part 623a partially cut by the thickness of the bus bar 610 on the left and right sides thereof, And a second cut-out portion 624a which is partially cut away by a size corresponding to the width of the distal bending portion 612 at a position adjacent to the distal end bending portion 623a.
  • the slits 623 and the slots 624 of the sensing housing 620 are formed such that two first cut portions 623a and second cut portions 624a which are mutually opposite to each other when the unit sensing housing parts 620a are assembled, .
  • the bus bar 610 is mounted on the right side of one of the sensing housing parts 620a in the lateral direction.
  • a portion of the bus bar 610 which is bent and extended at the joint portion 611, can be laterally inserted into the first cutout portion 623a, and the end bent portion 612 is also partially cut into the second cutout portion 624a in the lateral direction.
  • the left side of the other sensing housing part 620a is assembled to the right side of one of the sensing housing parts 620a.
  • the bent portion of the bonding portion 611 and the remaining portion of the end bending portion 612 are respectively connected to the first cutout portion 623a and the second cutout portion 624a of the other sensing housing part 620a Respectively.
  • the bus bar 610 is confined between the sensing housing parts 620a and the joint part 611 of the bus bar 610 is exposed to the front part of the sensing housing 620, (624).
  • the end bending portion 612 accommodated in the inner space of the slot 624 may be electrically connected to the voltage sensing receptacle terminal 630 as shown in FIGS.
  • the voltage sensing receptacle terminal 630 is inserted into and released from the slot 624 and connected to the BMS board to serve as a connector for transmitting the voltage information of the battery cells 110 to the BMS.
  • the voltage sensing receptacle terminal 630 is inserted into the slot 624 of the sensing housing 620 and is electrically connected to the distal bending portion 612 of the bus bar 610 to sense the voltage of the battery cells 110, And transmits the information to the BMS.
  • a nut 641 is accommodated in one of the slots 624 provided in the sensing housing 620, and a bolt (not shown) And an external power connection member 640 that is fixed to the external power source.
  • the external power connection member 640 may be provided in the form of a metal plate such as the bus bar 610 and may be formed by electrically connecting the battery module 10 of the present invention to another battery module 10, And may be used for connecting to an electrode terminal.
  • the external power connecting member 640 may be mounted on the sensing housing 620a by a bolt / nut 641 fastening method to the sensing housing part 620a located at the end of the sensing housing 620.
  • the assembly structure of the external power connection member 640 may be further extended so that the nut 641 is inserted into the second cutout portion 624a of one of the sensing housing parts 620a as in the assembly method of the bus bar 610, The other sensing housing 620 is assembled and the remaining part of the nut 641 is fitted into the second cutout 624a of the other sensing housing 620, The nut 641 is constrained to the two sensing housing parts 620a.
  • the bolt may be fitted to the external power connecting member 640 and fastened to the nut 641 to fix the external power connecting member 640 to the sensing housing 620.
  • FIG. 16 is a partially sectional perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is a longitudinal sectional view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a pair of side plates 500 ' is configured to be fitted to both ends of the top and trough plates 300' and 400 '.
  • the top and trough plates 300 'and 400' include a horizontal portion 310 'forming a horizontal plane and a vertical portion 320' bent perpendicularly at both ends of the horizontal portion 310 ' And a fitting portion 321 'bent toward the battery cells 110 at an end of the vertical portion 320'.
  • the pair of side plates 500 ' are provided with plate holes 521' and 531 'through which the fitting portion 321' can be inserted into the upper and lower edge regions 520 'and 530', respectively. . ≪ / RTI >
  • the upper edge region 520 'of the top plate 300' and the pair of side plates 500 ' is located at both ends of the top plate 300', that is,
  • the trough plate 400 ' may be coupled to the lower edge region 530' of the pair of side plates 400 '.
  • the battery module according to the present embodiment has a pair of side plates 500 'coupled between both ends of the top and the trough plate 300'400' so that the battery cells 110 are connected to the side plates 400 'so that swelling can be prevented.
  • the fastening force is stronger than the above embodiment.
  • the swelling force of the battery cells 110 during swelling is force majeure, the above-described embodiment is likely to release the press-fitting, but in the present embodiment, there is little possibility that the fitting structure will be released unless the coupling portion is damaged.
  • the battery pack according to the present invention may include at least one battery module 10 according to the present invention.
  • the battery pack according to the present invention may include a pack case for accommodating the battery module 10, various devices for controlling the charging and discharging of the battery module 10, such as BMS, Sensors, fuses, and the like.
  • the battery module 10 according to the present invention can be applied to an automobile or a power storage device (ESS) such as an electric car or a hybrid car.
  • ESS power storage device

Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은 넓은 면이 세워져 일 방향으로 적층 배열되는 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로 구성된 셀 어셈블리를 구비한 배터리 모듈로서, 상기 셀 어셈블리의 양쪽 측면부에 배치되는 한 쌍의 완충패드; 상기 셀 어셈블리의 상부와 하부를 각각 커버하는 탑 및 바틈 플레이트; 및 상기 한 쌍의 완충패드와 상기 셀 어셈블리를 사이에 두고, 상기 탑 및 바틈 플레이트의 양단부에 압입 또는 끼워 맞춤 결합되는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함할 수 있다.

Description

배터리 셀 가압형 엔드 플레이트와 확장형 센싱 하우징 구조가 적용된 배터리 모듈
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 모듈 내부의 배터리 셀들을 가압하며 이들 패키징할 수 있는 엔드 플레이트와 배터리 셀들의 개수에 따라 확장성을 갖는 센싱 하우징 구조가 적용된 배터리 모듈에 관한 것이다. 본 출원은 2017년 11월 14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2017-0151589호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(ESS, Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
다수의 이차전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 다수의 이차전지 셀들의 집합체인 셀 어셈블리와 셀 어셈블리를 고정시키고, 외부 충격으로부터 보호하는 역할을 하는 엔드 플레이트 그리고 이차전지 셀들의 전기적 연결을 위한 센싱 하우징을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 여기서, 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성하는 이차전지 셀들은 일반적으로 용이하게 상호 적층할 수 있는 이점을 갖는 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있다.
최근 많이 사용되는 리튬-폴리머 파우치형 이차전지의 경우, 반복적인 충전 및 방전의 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 가스가 발생할 수 있다. 이때, 발생한 가스에 의해 이차전지 셀의 외형이 변형되는 현상을 '스웰링 현상'이라고 한다.
이차전지 셀에 스웰링 현상이 발생할 경우, 부피 팽창에 따른 압력으로 인해 배터리 모듈의 외형이 변할 수 있다. 외형의 변화는 배터리 모듈 자체의 안전성 및 인접한 다른 장치의 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로, 스웰링 현상이 일어나지 않도록 방지해야 한다. 일예로 엔드 플레이트에 스트랩을 감아 배터리 모듈을 압박하는 종래 기술이 있으나, 이 경우 스트랩으로 감싸진 부분만 중점적으로 압박되고 다른 부분은 상대적으로 그러하지 못한 단점이 있다.
한편, 종래 배터리 모듈에서 센싱 어셈블리는 일반적으로 하나의 하우징 구조로 이루어져 이차전지 셀들의 전극 리드들이 돌출된 부분을 커버하는 구조로 마련된다.
이와 같은 단일 하우징 구조를 갖는 종래 센싱 어셈블리의 경우, 배터리 모듈이나 배터리 팩의 용량 가변에 따라 상호 적층되는 이차전지 셀들의 개수가 늘어나거나 또는 줄어드는 등 배터리 모듈의 전체 사이즈가 변경될 경우, 변경된 사이즈에 적합한 하우징으로 다시 설계되어야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 내에 위치한 배터리 셀들을 외부로부터 보호하며 균일한 압력으로 가압할 수 있는 엔드 플레이트와 간편하고 용이한 확장성을 갖는 센싱 어셈블리를 구비한 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 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.
본 발명의 일 측면에 따른 넓은 면이 세워져 일 방향으로 적층 배열되는 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로 구성된 셀 어셈블리를 구비한 배터리 모듈에 있어서, 상기 셀 어셈블리의 양쪽 측면부에 배치되는 한 쌍의 완충패드; 상기 셀 어셈블리의 상부와 하부를 각각 커버하는 탑 및 바틈 플레이트; 및 상기 한 쌍의 완충패드와 상기 셀 어셈블리를 사이에 두고, 상기 탑 및 바틈 플레이트의 양단부에 압입 또는 끼워 맞춤 결합되는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 한 쌍의 사이드 플레이트는 미리 결정된 깊이만큼 함몰 형성된 비드부를 구비하며, 상기 한 쌍의 완충패드는 상기 비드부에 형상 맞춤된 일면을 가질 수 있다.
상기 비드부는 상기 사이드 플레이트의 가운데 영역에 마련되는 제1 비드부와 상기 제1 비드부를 기준으로 상기 사이드 플레이트의 좌/우측 사이드 영역에 상기 제1 비드부와 분리되어 위치하고 상기 제1 비드부보다 작은 분포 면적과 깊이로 마련되는 제2 비드부를 포함할 수 있다.
상기 탑 및 바틈 플레이트는, 각각 수평면을 형성하는 수평부와, 상기 수평부의 양쪽 끝단에서 수직하게 절곡되는 수직부를 포함하고, 상기 한 쌍의 사이드 플레이트는, 각각 상단과 하단의 에지 영역이 상기 탑 및 바틈 플레이트의 수직부와 압입 결합될 수 있다.
상기 한 쌍의 사이드 플레이트는 상기 상단과 하단의 에지 영역에 돌출 형성된 압입 돌기들을 구비하고, 상기 탑 및 바틈 플레이트는 상기 수직부에 상기 압입 돌기와 억지 끼움 결합되는 압입 홀들을 구비할 수 있다.
상기 한 쌍의 사이드 플레이트의 상단과 하단 에지 영역은 상기 탑 및 바틈 플레이트의 수직부 안쪽에 중첩 배치될 수 있다.
상기 셀 어셈블리의 전면부 및 후면부 중 적어도 일측에 배치되며, 상기 파우치형 배터리 셀들에서 돌출되는 전극 리드들을 전기적으로 연결하는 센싱 어셈블리를 더 포함하며, 상기 센싱 어셈블리는, 상기 전극 리드들과 전기적으로 연결되는 버스바; 및 상기 버스바가 전면에 장착되고, 상기 전극 리드들을 상기 버스바 측으로 통과시키며, 상호 탈착 가능하며 일 방향으로 연속적으로 조립되는 복수 개의 센싱 하우징 파트들로 구성된 센싱 하우징을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 센싱 하우징 파트들은, 상기 파우치형 배터리 셀들의 개수에 대응되게 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 센싱 하우징 파트들은, 상호 대응되는 양각 돌기 및 음각 홈을 구비하여 상호 블록 결합 형태로 끼워 맞춰져 조립될 수 있다.
상기 센싱 하우징은 상기 한 쌍의 사이드 플레이트 각각의 일측 끝단에 끼워 맞춤되어 상기 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로부터 소정 간격 이격되게 상기 한 쌍의 사이드 플레이트에 의해 지지될 수 있다.
상기 버스바는, 상기 전극 리드들와 접합되는 플레이트 형태로 마련되는 접합부와, 상기 접합부의 일단에서 "U"자 형상으로 벤딩된 형태를 취하는 말단 벤딩부를 구비하며, 상기 센싱 하우징은, 어느 하나의 센싱 하우징 파트와 다른 하나의 센싱 하우징 파트의 조립으로 형성되며, 상기 버스바의 적어도 일 부분을 통과시키는 슬릿과, 상기 말단 벤딩부를 수용하기 위한 내부 공간을 형성하는 슬롯을 포함할 수 있다.
상기 센싱 어셈블리는, 상기 슬롯에 끼워져 상기 버스바의 말단 벤딩부와 전기적으로 연결 가능하게 마련되는 전압 센싱용 리셉터클 단자를 더 포함할 수 있다.
상기 센싱 어셈블리는, 상기 센싱 하우징에 구비된 상기 슬롯들 중 어느 하나에는 너트가 수용되고, 상기 너트에 체결되는 볼트로 고정되는 외부 파워 연결용 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 탑 및 바틈 플레이트는, 각각 수평면을 형성하는 수평부, 상기 수평부의 양쪽 끝단에서 수직하게 절곡되는 수직부 및 상기 수직부의 끝단에 상기 셀 어셈블리를 향해 절곡되는 끼움부를 포함하며, 상기 한 쌍의 사이드 플레이트는, 각각 상단과 하단의 에지 영역에 상기 끼움부가 끼워 넣어질 수 있는 플레이트 홀이 마련될 수 있다.
상기 완충패드는 두께가 다음의 수식, T = A/2 + B (T : 완충패드 두께, A : 배터리 셀 개수 × 배터리 셀의 스웰링 시 최대 변위량, B : 완충 패드의 최대 압축시 두께)에 의해 산정될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 이를 하나 이상 포함하는 배터리 팩 또는 전력 저장장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 조립 편의성이 우수하고 배터리 셀들을 균일한 압력으로 가압할 수 있는 엔드 플레이트를 구비한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면 간편하고 용이한 확장성을 갖는 센싱 어셈블리를 구비한 배터리 모듈이 제공될 수 있다. 센싱 어셈블리는 확장 가능성을 가질 뿐만 아니라 버스바들을 비롯한 부품들과의 조립 및 연결이 용이하게 구성된 장점을 갖는다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 부분 분해 사시도들이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 종방향으로 절개한 배터리 모듈의 사시도이다.
도 6은 횡방향으로 절개한 배터리 모듈의 부분 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 하우징 파트들의 사시도이다.
도 8은 도 7의 센싱 하우징의 부분 분해 사시도이다.
도 9 및 도 10은 각각 센싱 하우징 파트의 우측면도와 정면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 하우징 파트들과 버스바의 조립 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 어셈블리에 전압 센싱용 리셉터클 단자의 결합 전/후 상태를 나타낸 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 하우징 파트들과 외부 파워 연결 부재의 조립 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 16은 도 2에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 종단면도이다.
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.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 부분 분해 사시도들이며, 도 4는 도 3의 부분 확대도, 그리고 도 5는 종방향으로 절개한 배터리 모듈의 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 어셈블리(100), 한 쌍의 완충 패드(200), 탑 및 바틈 플레이트(300,400), 그리고 한 쌍의 사이드 플레이트(500)를 포함한다.
배터리 모듈(10)을 구성하는 셀 어셈블리(100)에 대해 먼저 간략히 설명하면, 셀 어셈블리(100)는 다수의 파우치형 배터리 셀(110)들의 집합체일 수 있다. 상기 파우치형 배터리 셀(110)들은 넓은 면이 지면에 대해 수직하게 세워져 수평 방향으로 적층 배열될 수 있다. 예컨대, 본 실시예는 셀 어셈블리(100)를 7개의 파우치형 배터리 셀(110)들 사용하여 구성하였으나, 이는 단위 배터리 모듈(10)에 요구되는 출력/용량에 따라 가변적인 것으로 셀 어셈블리(100)는 7개의 미만 또는 8개 이상의 파우치형 배터리 셀(110)들을 사용하여 구성될 수 있다.
여기서 파우치형 배터리 셀(110)은 파우치 외장재, 상기 파우치 외장재에 수납 가능하게 마련된 전극 조립체와 전해질로 구성된 것일 수 있다.
파우치형 외장재는, 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고 이러한 파우치의 내부 공간에 전극 조립체가 수납될 수 있다. 2개의 파우치 둘레는 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐될 수 있다. 상기 전극 조립체에 전극 리드(111)가 부착될 수 있고, 이러한 전극 리드(111)가 파우치 외장재의 융착부 사이에 개재되어 파우치 외장재의 외부로 노출됨으로써 배터리 셀(110)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
셀 어셈블리(100)의 양쪽 측면부에는 한 쌍의 완충 패드(200)가 배치될 수 있다. 완충 패드(200)는 충/방전에 따른 파우치형 배터리 셀(110)들의 스웰링(swelling)시 팽창압 및 외부 충격을 흡수하는 탄성 및 절연 소재로 형성된 구성물일 수 있다. 예컨대, 완충 패드(200)는 발포폴리프로필렌(EPP) 또는 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA)으로 파우치형 배터리 셀(110)의 넓은 면과 대면하는 사이즈의 폼 형태로 제작될 수 있다.
보다 구체적으로 도 2에 도시한 바와 같이, 완충 패드(200)는 일면이 셀 어셈블리(100)에서 최외곽에 배치되는 파우치형 배터리 셀(110)과 대면하고, 그 타면은 사이드 플레이트(500)와 대면하게 셀 어셈블리(100)와 사이드 플레이트(500) 사이에 개재된다. 이와 같이, 본 발명의 배터리 모듈(10)은 완충 패드(200)가 셀 어셈블리(100)의 최외측에만 배치됨으로서, 배터리 셀(110)들 사이 사이에 완충 패드(200)들을 하나씩 개재할 경우에 비해 배터리 모듈(10)의 단위 면적당 에너지 밀도가 더 높아질 수 있다. 바람직하게는 본 발명의 셀 어셈블리(100)는 배터리 셀(110)과 배터리 셀(110) 간에 간격이 전혀 없거나, 양면 테이프만 개재하여 배터리 셀(110)들을 공간 집약적으로 배치한 구조를 가질 수 있다.
이러한 셀 어셈블리(100)는 후술할 사이드 플레이트(500)에 의해 압박되기 때문에 최외측에 위치하는 파우치형 배터리 셀(110)에 압축 응력 수준이 가장 높게 작용한다. 따라서 본 실시예와 같이, 완충 패드(200)를 파우치형 배터리 셀(110)들의 팽창력과 사이드 플레이트(500)의 가압력이 맞서는 경계면에 개재함으로써 사이드 플레이트(500)의 압박력과 파우치형 배터리 셀(110)들의 팽창력을 균일하게 분산시켜 사이드 플레이트(500)와 배터리 셀(110)들의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 완충 패드(200)의 두께가 두꺼울수록, 사이드 플레이트(500)의 압박력 또는 배터리 셀(110)들의 팽창력이 효과적으로 분산되기 때문에 배터리 셀(110) 또는 사이드 플레이트(500)에 작용하는 응력 수준이 감소할 수 있으나, 과도하게 두꺼운 완충 패드(200)는 배터리 모듈(10)의 에너지 밀도 측면에서 바람직하지 않다. 따라서 본 발명에 따른 완충 패드(200)는 다음과 같은 수식으로 두께가 산정될 수 있다.
T = A/2 + B
(T : 완충 패드(200) 두께, A : 배터리 셀(110) 개수 × 배터리 셀(110)의 스웰링 시 최대 변위량, B : 완충 패드(200)의 최대 압축시 두께)
부연하면, 본 발명의 완충 패드(200)는 2개를 한 쌍으로 하여, 각각 셀 어셈블리(100)의 양쪽 측면부에 배치되어 있어 전체 배터리 셀(110)들의 스웰링 시 변형량을 양분하여 흡수할 수 있다. 따라서 완충 패드(200) 두께 산정 수식에서 변수 A/2를 하나의 완충 패드(200)가 압축될 수 있는 최대 변형량으로 함으로써 2개의 완충 패드(200)가 전체 배터리 셀(110)들의 스웰링 시 최대 변형량의 1/2씩 각각 흡수할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 이와 같이 완충 패드(200)의 두께를 산정함으로서, 유효한 효과를 발휘하는 범위 내에서 최소한의 두께로 완충 패드(200)를 구성하여 에너지 밀도를 높일 수 있다.
탑 및 바틈 플레이트(300,400)와 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 소정의 면적을 가진 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 셀 어셈블리(100)의 상/하부 그리고 양쪽 측면부에 위치되어 셀 어셈블리(100)의 상부, 하부, 좌측면부, 우측면부를 각각 커버할 수 있다. 이러한 탑 및 바틈 플레이트(300,400), 그리고 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 셀 어셈블리(100)의 외곽을 커버하는 것으로 통칭하여 엔드 플레이트로 이해될 수 있다.
상기 탑 및 바틈 플레이트(300,400)와 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 셀 어셈블리(100)에 대한 기계적 지지력을 제공하고, 셀 어셈블리(100)를 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 따라서 상기 탑 및 바틈 플레이트(300,400)와 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 상기 셀 어셈블리(100)와 완충 패드(200)를 가운데 두고 탑 및 바틈 플레이트(300,400)와 조립 가능하게 구성된다. 이를테면, 탑 및 바틈 플레이트(300,400)와 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 상호 조립되어 각 관 형태를 이룰 수 있다.
특히, 상기 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 와 상기 한 쌍의 완충패드와 셀 어셈블리를 사이에 두고, 상기 탑 및 바틈 플레이트(300,400)의 양단부에 압입 결합되게 마련될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 조립 구성을 자세히 살펴보면, 상기 탑 및 바틈 플레이트(300,400)는, 각각 수평면을 형성하는 수평부(310,410)와, 수평부(310,410)의 양쪽 끝단에서 수직하게 절곡되는 수직부(320,420)를 구비할 수 있다. 그리고 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는, 각각 상기 탑 및 바틈 플레이트(300,400)의 수직부(320,420)와 압입 내지 클린칭(clinching) 방식으로 결합되는 상단과 하단의 에지 영역(520,530)을 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 사이드 플레이트(500)의 상단과 하단 에지 영역(520,530)에는 외측으로 돌출 형성된 압입 돌기(521,531)들이 구비되고, 탑 및 바틈 플레이트(300,400)의 수직부(320,420)에는 상기 압입 돌기(521,531)와 억지 끼움 결합되는 압입 홀(321,421)들이 구비된다.
사이드 플레이트(500)의 상단과 하단 에지 영역(520,530)이 탑 및 바틈 플레이트(300,400)의 수직부(320,420) 안쪽에 중첩 배치된 상태에서 상기 압입 돌기(521,531)에 압입 홀(321,421)들 압입시키면 사이드 플레이트(500)가 탑 및 바틈 플레이트(300,400)에 고정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 좌/우측 사이드 플레이트(500)의 하단 에지 영역(530) 2곳이 바틈 플레이트에 수직부(320,420) 사이에 일체로 압입 결합되고, 좌/우측 사이드 플레이트(500)의 상단 에지 영역(520) 2곳은 탑 플레이트(300)의 수직부(320,420) 사이에 일체로 압입 결합된다.
이 경우, 상기 탑 및 바틈 플레이트(300,400)의 수직부(320,420) 사이 간격은 셀 어셈블리(100)의 좌우 폭에 대응하는 간격이다. 따라서 탑 및 바틈 플레이트(300,400)와 좌/우측 사이드 플레이트(500)를 상술한 바와 같이 압입 결합시 좌/우측 사이드 플레이트(500)가 상기 탑 및 바틈 플레이트(300,400)의 수직부(320,420)들 안쪽에 구속됨으로써 좌/우측 사이드 플레이트(500)에 의해 완충 패드(200)와 배터리 셀(110)들이 압박될 수 있다. 이때, 사이드 플레이트(500)에 의해 가해지는 압박력은 완충 패드(200)를 통해 균일하게 셀 어셈블리(100)에 전해질 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 사이드 플레이트(500)는 판면으로부터 미리 결정된 깊이만큼 함몰 형성된 비드부를 구비할 수 있고, 상기 한 쌍의 완충 패드(200)는 상기 비드부에 형상 맞춤된 대면을 가질 수 있다.
비드부는 외측에서 사이드 플레이트(500)를 바라볼 때 음각 형태를 취할 수 있다. 상기 비드부는 배터리 셀(110)들의 스웰링 시 팽창력에 대한 기계적 강성을 사이드 플레이트(500)에 부여함으로서 사이드 플레이트(500)의 휨이나 비틀림 변형 등을 저지할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 비드부는 사이드 플레이트(500)의 가운데 영역에 마련되는 제1 비드부(511)와, 제1 비드부(511)를 기준으로 좌우측에 별도록 분리되어 마련되는 제2 비드부(512)를 포함할 수 있다.
이를테면, 도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 비드부(511)는 사이드 플레이트(500)의 가운데 영역에 넓게 분포할 수 있다. 즉, 제1 비드부(511)는 배터리 모듈(10)의 길이 방향을 따라 사이드 플레이트(500)를 5 등분하였을 때, 가운데 3등분에 해당하는 가운데 영역에 형성될 수 있다. 상기 제1 비드부(511)는 배터리 셀(110)의 스웰링 시 변형량이 가장 크게 발생하는 가운데 부분에 대응한다.
그리고 제2 비드부(512)는 제1 비드부(511)의 좌우측에 대칭적으로 별도로 분리되어 형성될 수 있다. 이러한 제2 비드부(512)는 제1 비드부(511)보다 작은 분포 면적과 깊이로 마련될 수 있다. 반대로 말하면, 배터리 셀(110)의 스웰링 시 가장 많이 팽창하는 가운데 부분과 대면하는 제1 비드부(511)가 제2 비드부(512)보다 분포 면적이 넓고 더 깊게 형성될 수 있다.
이러한 본 발명의 비드부 구성에 따르면, 사이드 플레이트(500)는 배터리 셀(110)들의 스웰링 시 가운데 부분에 압박력이 더 강하게 작용해 배터리 셀(110)들의 팽창을 보다 효과적으로 저지시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 어셈블리(100)의 전면부 및 후면부 중 적어도 일측에 배치되어, 파우치형 배터리 셀(110)들을 전기적으로 연결시키는 센싱 어셈블리(600)를 더 포함할 수 있다.
참고로 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 리드(111)의 돌출 방향에 따라 단방향 셀과 양방향 셀로 구분될 수 있다. 본 실시예의 경우, (도 1 참조) 양방향 파우치형 배터리 셀(110)을 사용하였기 때문에 센싱 어셈블리(600)가 셀 어셈블리(100)의 전면부 및 후면부에 장착되게 구성되어 있다. 즉, 본 실시예와 달리 단방향 파우치형 배터리 셀(110)로 배터리 모듈(10)을 구성할 경우, 센싱 어셈블리(600)는 셀 어셈블리(100)의 전면부 및 후면부 중 어느 한 곳에만 장착될 수 있다.
도 6은 횡방향으로 절개한 배터리 모듈의 부분 사시도, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 하우징 파트들의 사시도, 도 8은 도 7의 센싱 하우징의 부분 분해 사시도, 도 9 및 도 10은 각각 센싱 하우징 파트의 우측면도와 정면도, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 하우징 파트들과 버스바의 조립 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면들을 참조하면, 센싱 어셈블리(600)는 복수 개의 배터리 셀(110)들의 전기적 연결 및 전압 센싱을 위한 구성으로 다수의 버스바(610)와 센싱 하우징(620)을 포함할 수 있다.
상기 버스바(610)는 복수 개의 배터리 셀(110)들의 전극 리드(111)들과 전기적으로 연결될 수 있게 전극 리드(111)들과 용접 결합 등을 통해 결합될 수 있다.
상기 센싱 하우징(620)은 버스바(610)를 포함한 각종 부품 등을 설치할 수 있는 장소를 제공하며, 셀 어셈블리(100)의 전면부 및 후면부를 커버하는 역할을 수행하는 구성이다. 상기 버스바(610)는 센싱 하우징(620)의 전면에 장착되고, 배터리 셀(110)들의 전극 리드(111)들은 센싱 하우징(620)의 몸체를 통과하여 상기 버스바(610)와 용접될 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 상기 센싱 하우징(620)은 상기 한 쌍의 사이드 플레이트(500) 각각의 일측 끝단(540)에 끼워 맞춤되어 상기 복수 개의 파우치형 배터리 셀(110)들로부터 소정 간격 이격되게 상기 한 쌍의 사이드 플레이트(500)에 의해 지지될 수 있다. 이에 따라 센싱 하우징(620)과 복수 개의 파우치형 배터리 셀(110)들 사이에 소정의 빈 공간(G)이 형성될 수 있다.
이와 같이 센싱 하우징(620)은 외부 충격시에도 사이드 플레이트(500)에 의해 지지되어 배터리 셀들과의 거리가 일정하게 유지되므로 버스바(620)들과 전극 리드(111)들의 전기적 연결 안전성이 확보될 수 있다. 또한, 상기 빈 공간(G)은 파우치형 배터리 셀(110)들이 스웰링 시 발생할 수 있는 가스 포집 공간으로 활용될 수 있다. 유사시 밀폐된 공간에 가스가 충진될 경우 압력이 크게 상승하여 폭발 위험이 커질 수 있음으로 본 실시예와 같이, 가스 포집 공간을 둘 경우, 배터리 모듈(10)의 급격한 압력 상승을 예방할 수 있다.
특히, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 센싱 하우징(620)은 상호 탈착 가능하며 일 방향으로 연속적으로 조립 가능하게 마련된 단위 센싱 하우징 파트(620a)들로 구성될 수 있다. 상기 단위 센싱 하우징 파트(620a)들은 파우치형 배터리 셀(110)들의 개수에 대응하는 개수로 마련되고, 상호 간 대응되는 양각 돌기(621)와 음각 홈(622)을 구비하여 상호 블록 형태로 끼워 맞춰져 조립될 수 있다.
예컨대, 도 8 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 단위 센싱 하우징 파트(620a)는 좌측면에 양각 돌기(621)들이 마련될 수 있고, 그 반대편인 우측면에 음각 홈(622)이 마련될 수 있다. 이러한 구성으로 어느 하나의 단위 센싱 하우징 파트(620a)의 좌측면을 다른 하나의 단위 센싱 하우징 파트(620a)들의 우측면에 밀착시키면, 상기 양각 돌기(621)가 상기 음각 홈(622) 속에 끼워 맞춰 들어가고, 상기 어느 하나의 단위 센싱 하우징(620)의 좌측면과 상기 다른 하나의 센싱 하우징 파트(620a)의 우측면은 서로 맞닿은 상태로 조립될 수 있다. 이와 같은 패턴으로 또 다른 단위 센싱 하우징 파트(620a)를 이미 조립된 센싱 하우징 파트(620a)들에 추가로 조립하여 하나의 센싱 하우징(620)이 구성될 수 있다.
이러한 본 발명의 센싱 하우징 파트(620a)들에 의하면, 요구되는 용량이나 전체 사이즈 등에 따라 배터리 모듈(10)의 배터리 셀(110)들의 개수가 달라지더라도, 별도의 신규 하우징 구조 설계 없이도 배터리 셀(110)들의 개수에 대응되게끔 센싱 하우징 파트(620a)들의 개수를 조절하는 것만으로 적합한 센싱 하우징(620)을 구현할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 센싱 하우징(620)은 단위 센싱 하우징 파트(620a)들의 조립을 통해 간편하고 용이한 확장성을 가질 수 있다.
한편, 도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 버스바(610)는 전극 리드(111)들이 접합되는 플레이트 형태의 접합부(611)와, 상기 접합부(611)의 적어도 일단에서 "U"자 형상으로 벤딩된 형태를 취하는 말단 벤딩부(612)를 포함할 수 있다.
이러한 버스바(610)들은 별도의 체결 부품에 의하지 않고도 상기 센싱 하우징 파트(620a)들에 조립 및 고정될 수 있다. 이를 위해 센싱 하우징(620)은 어느 하나의 센싱 하우징 파트(620a)와 다른 하나의 센싱 하우징 파트(620a)의 조립으로 형성되며 상기 버스바(610)의 일부분을 통과시키는 슬릿(623)들과 상기 버스바(610)의 말단 벤딩부(612)를 수용하기 위한 내부 공간을 형성하는 슬롯(624)들을 더 포함할 수 있다.
도 9 내지 도 11을 함께 참조하면, 단위 센싱 하우징 파트(620a)는 그 좌측면과 우측면에 상기 버스바(610)의 두께만큼 부분적으로 절개된 제1 절개부(623a)와 상기 제1 절개부(623a)와 이웃한 위치에 상기 말단 벤딩부(612)의 폭에 대응하는 사이즈만큼 부분적으로 절개된 제2 절개부(624a)를 갖는다. 상기 센싱 하우징(620)의 슬릿(623)과 슬롯(624)은 단위 센싱 하우징 파트(620a)들의 조립시 상호 대향하는 2개의 제1 절개부(623a)들과 제2 절개부(624a)들이 서로 맞닿게 됨으로써 형성된 것이다.
이러한 센싱 하우징(620)과 버스바(610) 조립 구조를 설명하면, 먼저, 어느 하나의 센싱 하우징 파트(620a)의 우측면에 버스바(610)를 측면 방향으로 장착한다. 이때, 버스바(610) 중에서 접합부(611)에서 절곡 연장된 곳 일부가 제1 절개부(623a)에 측면 방향으로 끼워 넣어질 수 있고, 말단 벤딩부(612)도 일부가 제2 절개부(624a)에 측면 방향으로 끼워 넣어질 수 있다. 이 상태에서 다른 하나의 센싱 하우징 파트(620a)의 좌측면을 상기 어느 하나의 센싱 하우징 파트(620a)의 우측면에 조립한다. 이때, 상기 접합부(611)에서 절곡 연장된 곳과 말단 벤딩부(612)의 나머지 일부가 각각 다른 하나의 센싱 하우징 파트(620a)의 제1 절개부(623a)와 제2 절개부(624a)에 각각 끼워 넣어질 수 있다. 이에 따라 상기 버스바(610)는 센싱 하우징 파트(620a)들 사이에 구속되고 버스바(610)의 접합부(611)는 센싱 하우징(620)의 전면부에 노출되고 말단 벤딩부(612)는 슬롯(624) 내부 공간에 수용된다.
이렇게 슬롯(624) 내부 공간에 수용된 말단 벤딩부(612)는, 도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 전압 센싱용 리셉터클 단자(630)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전압 센싱용 리셉터클 단자(630)는 상기 슬롯(624)에 삽입 및 삽입해제 가능하고, BMS 보드 상에 연결되어 배터리 셀(110)들의 전압 정보를 BMS에 전달하는 커넥터 역할을 하는 구성이다.
상기 전압 센싱용 리셉터클 단자(630)는 센싱 하우징(620)의 슬롯(624)에 끼워져 버스바(610)의 말단 벤딩부(612)와 전기적으로 연결되어 배터리 셀(110)들의 전압을 센싱하며 전압 정보를 BMS로 전송한다. 이러한 본 실시예에 따른 센싱 하우징(620)의 슬롯(624)과 그에 수용되는 버스바(610)의 말단 벤딩부(612), 이에 삽입 및 삽입해제 가능하게 마련된 전압 센싱용 리셉터클 단자(630) 구성에 의할 경우, 전기적 안정성과 연결 편의성이 동시에 충족될 수 있다.
한편, 도 14 및 도 15를 참조하면, 센싱 어셈블리(600)는 센싱 하우징(620)에 구비된 슬롯(624)들 중 어느 하나에는 너트(641)가 수용되고 상기 너트(641)에 체결되는 볼트로 고정되는 외부 파워 연결용 부재(640)를 더 포함할 수 있다. 상기 외부 파워 연결용 부재(640)는 버스바(610)와 같이 금속판 형태로 마련될 수 있으며, 본 발명의 배터리 모듈(10)을 다른 배터리 모듈(10)에 전기적으로 연결시키거나, 배터리 팩의 전극 터미널에 연결하기 위한 용도로 사용될 수 있다.
바람직하게는, 외부 파워 연결용 부재(640)는 센싱 하우징(620)의 끝단에 위치한 센싱 하우징 파트(620a)에 볼트/너트(641) 체결 방식으로 센싱 하우징(620)에 장착될 수 있다.
상기 외부 파워 연결용 부재(640)의 조립 구조를 부연하면, 전술한 버스바(610)의 조립 방식과 같이, 어느 하나의 센싱 하우징 파트(620a)의 제2 절개부(624a)에 너트(641)의 일부를 끼워 넣은 다음, 다른 하나의 센싱 하우징(620)을 조립하여 상기 너트(641)의 나머지 일부를 상기 다른 하나의 센싱 하우징(620)의 제2 절개부(624a)에 끼워 넣음으로써 상기 너트(641)를 2개의 센싱 하우징 파트(620a)에 구속시킨다. 그 다음, 볼트를 외부 파워 연결용 부재(640)에 끼우고 너트(641)에 체결하여 외부 파워 연결용 부재(640)를 센싱 하우징(620)에 고정시킬 수 있다.
도 16은 도 2에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이고, 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 종단면도이다.
이어서, 이들 도면들을 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀 가압용 엔드 플레이트 조립 구조를 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 중복된 구성에 대한 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 실시예의 경우, 전술한 실시예와 비교할 때, 탑 및 바틈 플레이트(300',400')와 한 쌍의 사이드 플레이트(500')의 조립 구조에 차이가 있다. 즉, 본 실시예의 경우, 한 쌍의 사이드 플레이트(500')가 탑 및 바틈 플레이트(300',400')의 양단부에 끼워 맞춤 결합되게 구성된다.
본 실시예에 따른 탑 및 바틈 플레이트(300',400')는, 각각 수평면을 형성하는 수평부(310'), 상기 수평부(310')의 양쪽 끝단에서 수직하게 절곡되는 수직부(320') 및 상기 수직부(320')의 끝단에 배터리 셀(110)들을 향해 절곡되는 끼움부(321')를 포함할 수 있다. 그리고 상기 한 쌍의 사이드 플레이트(500')는, 각각 상단과 하단의 에지 영역(520',530')에 상기 끼움부(321')가 끼워 넣어질 수 있는 플레이트 홀(521',531')을 포함할 수 있다.
예컨대, 도 17에 도시한 바와 같이, 탑 플레이트(300')와 한 쌍의 사이드 플레이트(500')의 상단 에지 영역(520')은 탑 플레이트(300')의 양단부, 다시 말하면, 탑 플레이트의 좌/우측 끼움부(320')가 좌/우측 사이드 플레이트(500')의 플레이트 홀(521')들에 끼워 맞춰져 결합될 수 있다. 이와 마찬가지 방식으로 바틈 플레이트(400')도 한 쌍의 사이드 플레이트(400')의 하단 에지 영역(530')에 결합될 수 있다.
이에 따르면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈은 한 쌍의 사이드 플레이트(500')들이 탑 및 바틈 플레이트(300'400')의 양단부 사이에 결속되어 있어, 유사시에도 배터리 셀(110)들이 사이드 플레이트(400')들 사이에서 압박되어 스웰링이 저지될 수 있다. 특히, 본 실시예의 경우, 클링칭 결합 구조가 적용된 전술한 실시예 처럼 조립이 용이하면서도 전술한 실시예 보다 체결력이 더 강하다. 예컨대, 스웰링 시 배터리 셀(110)들의 팽창력이 불가항력적일 경우 전술한 실시예는 압입이 풀릴 가능성이 있지만, 본 실시예의 경우 결합 부위가 파손되지 않는 한 끼워 맞춤 구조가 풀릴 가능성이 거의 없다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차 또는 전력 저장장치(ESS)에 적용될 수 있음은 물론이다.
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 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (15)

  1. 넓은 면이 세워져 일 방향으로 적층 배열되는 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로 구성된 셀 어셈블리를 구비한 배터리 모듈로서,
    상기 셀 어셈블리의 양쪽 측면부에 배치되는 한 쌍의 완충패드;
    상기 셀 어셈블리의 상부와 하부를 각각 커버하는 탑 및 바틈 플레이트; 및
    상기 한 쌍의 완충패드와 상기 셀 어셈블리를 사이에 두고, 상기 탑 및 바틈 플레이트의 양단부에 압입 또는 끼워 맞춤 결합되는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 사이드 플레이트는 미리 결정된 깊이만큼 함몰 형성된 비드부를 구비하며, 상기 한 쌍의 완충패드는 상기 비드부에 형상 맞춤된 일면을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비드부는 상기 사이드 플레이트의 가운데 영역에 마련되는 제1 비드부와 상기 제1 비드부를 기준으로 상기 사이드 플레이트의 좌/우측 사이드 영역에 상기 제1 비드부와 분리되어 위치하고 상기 제1 비드부보다 작은 분포 면적과 깊이로 마련되는 제2 비드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탑 및 바틈 플레이트는, 각각
    수평면을 형성하는 수평부와, 상기 수평부의 양쪽 끝단에서 수직하게 절곡되는 수직부를 포함하고,
    상기 한 쌍의 사이드 플레이트는, 각각
    상단과 하단의 에지 영역이 상기 탑 및 바틈 플레이트의 수직부와 압입 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 한 쌍의 사이드 플레이트는 상기 상단과 하단의 에지 영역에 돌출 형성된 압입 돌기들을 구비하고, 상기 탑 및 바틈 플레이트는 상기 수직부에 상기 압입 돌기와 억지 끼움 결합되는 압입 홀들을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 한 쌍의 사이드 플레이트의 상단과 하단 에지 영역은 상기 탑 및 바틈 플레이트의 수직부 안쪽에 중첩 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리의 전면부 및 후면부 중 적어도 일측에 배치되며, 상기 파우치형 배터리 셀들에서 돌출되는 전극 리드들을 전기적으로 연결하는 센싱 어셈블리를 더 포함하며,
    상기 센싱 어셈블리는,
    상기 전극 리드들과 전기적으로 연결되는 버스바; 및
    상기 버스바가 전면에 장착되고, 상기 전극 리드들을 상기 버스바 측으로 통과시키며, 상호 탈착 가능하며 일 방향으로 연속적으로 조립되는 복수 개의 센싱 하우징 파트들로 구성된 센싱 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 센싱 하우징 파트들은,
    상기 파우치형 배터리 셀들의 개수에 대응되게 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 센싱 하우징 파트들은,
    상호 대응되는 양각 돌기 및 음각 홈을 구비하여 상호 블록 결합 형태로 끼워 맞춰져 조립되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 센싱 하우징은 상기 한 쌍의 사이드 플레이트 각각의 일측 끝단에 끼워 맞춤되어 상기 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로부터 소정 간격 이격되게 상기 한 쌍의 사이드 플레이트에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 버스바는, 상기 전극 리드들와 접합되는 플레이트 형태로 마련되는 접합부와, 상기 접합부의 일단에서 "U"자 형상으로 벤딩된 형태를 취하는 말단 벤딩부를 구비하며,
    상기 센싱 하우징은,
    어느 하나의 센싱 하우징 파트와 다른 하나의 센싱 하우징 파트의 조립으로 형성되며, 상기 버스바의 적어도 일부분을 통과시키는 슬릿과, 상기 말단 벤딩부를 수용하기 위한 내부 공간을 형성하는 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 센싱 어셈블리는,
    상기 슬롯에 끼워져 상기 버스바의 말단 벤딩부와 전기적으로 연결 가능하게 마련되는 전압 센싱용 리셉터클 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 센싱 어셈블리는,
    상기 센싱 하우징에 구비된 상기 슬롯들 중 어느 하나에는 너트가 수용되고, 상기 너트에 체결되는 볼트로 고정되는 외부 파워 연결용 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 탑 및 바틈 플레이트는, 각각
    수평면을 형성하는 수평부, 상기 수평부의 양쪽 끝단에서 수직하게 절곡되는 수직부 및 상기 수직부의 끝단에 상기 셀 어셈블리를 향해 절곡되는 끼움부를 포함하며,
    상기 한 쌍의 사이드 플레이트는, 각각
    상단과 하단의 에지 영역에 상기 끼움부가 끼워 넣어질 수 있는 플레이트 홀이 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 두께가 다음의 수식,
    T = A/2 + B
    (T : 완충패드 두께, A : 배터리 셀 개수 × 배터리 셀의 스웰링 시 최대 변위량, B : 완충 패드의 최대 압축시 두께)
    에 의해 산정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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