WO2022019445A1 - 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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WO2022019445A1
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battery cell
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module including a static load spring and a battery pack including the same.
  • This secondary battery has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between them is built-in inside the battery case, and the positive and negative electrode tabs are welded to two electrode tabs and sealed so as to be exposed to the outside of the battery case. consists of These electrode tabs are electrically connected to an external device through contact, and the secondary battery supplies power to an external device or receives power from an external device through the electrode tab.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional battery module.
  • the conventional battery module is configured to include a battery cell stack inside a case.
  • gas may be generated inside the battery cell during charging and discharging, and due to the generated gas, a swelling phenomenon in which the battery cell expands and contracts may occur repeatedly. .
  • the thickness of the battery cell increases due to repeated charging and discharging of the battery cell, there is a problem in that the case of the battery module is deformed.
  • the present invention is to provide a battery module including a static load spring and a battery pack including the same.
  • the present invention provides a battery module including a static load spring.
  • the battery module according to the present invention includes a battery cell stack in which n (n is an integer greater than or equal to 2) battery cells are stacked; a case having an open structure on one side and accommodating a battery cell stack therein; an upper plate stacked on top of the battery cell stack; And located inside the case, a spring-type constant force spring fixed to the lower portion of the case (constant force spring); includes
  • the static load spring includes a winding end and a free end, wherein the winding end is fixed to the lower part of the case, and the free end has a structure in which the free end is fixed to the upper plate.
  • the static load spring has a structure positioned at two or more points symmetrical to each other with respect to the stacking surface.
  • the battery module according to the present invention includes a case cover that covers one side of the case.
  • one or a plurality of stopper blocks are included between the cover and the upper plate to have a structure to limit the upward movement of the upper plate.
  • the battery cell stack has a structure in which a compression pad is interposed at a lower end and an upper end, respectively. Furthermore, the battery cell stack includes m or more (m is an integer of 2 or more), and a compression pad may be interposed between each of the battery cell stacks.
  • the battery cell stack may further include a bus bar assembly for electrically connecting n battery cells to each other.
  • the case includes a holder or a spring mounting portion for fixing a region wound in the form of a mainspring of the static load spring.
  • the free end of the static load spring has a structure in which a fixing hole is formed
  • a side surface of the upper plate may have a structure in which a fixing pin through which the fixing hole passes is formed.
  • the present invention provides a battery pack including the battery module described above.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a side view of a battery module according to an embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a battery module, and more particularly, to a battery module including a static load spring.
  • the battery module includes a battery cell stack in which n (n is an integer greater than or equal to 2) battery cells are stacked; a case having an open structure on one side and accommodating a battery cell stack therein; an upper plate stacked on top of the battery cell stack; And located inside the case, a spring-type constant force spring fixed to the lower portion of the case (constant force spring); Including, the static load spring, including a winding end and a free end, the winding end is fixed to the lower case, the free end has a structure that is fixed to the upper plate.
  • a battery cell may generate gas inside the battery cell during charging and discharging, and accordingly, a swelling phenomenon in which the battery cell expands and contracts may occur repeatedly.
  • the present invention provides a battery module including a static load spring and a battery pack including the same. More specifically, the present invention provides a battery module capable of allowing expansion displacement due to swelling while compressing n battery cells accommodated in the battery module with a constant force using the static load spring.
  • the term "constant force spring” refers to a spring wound in the form of a mainspring. , means a spring formed to be restored to its original state by an elastic force when the external force is released.
  • the load does not increase linearly as the displacement increases, unlike a general spring, and even if the displacement increases at a specific load, the load may be constantly maintained. That is, the battery module of the present invention has a structure in which the constant load spring is always pressed with a constant load on the battery cells accommodated in the case, and even if the battery cells are swollen, the surface pressure of the battery cells can be constantly maintained.
  • the inventors of the present invention confirmed through various and repeated experiments and observations that, by fastening the battery cell stack with a constant-load spring, even if the battery cell swelling occurs, the surface pressure of the battery cell is constantly maintained.
  • the static load spring is a spring wound in the form of a mainspring and includes a winding end and a free end.
  • the winding end means an area wound by the static load spring
  • the free end means an area opposite to the winding end.
  • the winding end of the static load spring is fixed to the lower portion of the case, and the free end is fixed to the upper plate.
  • the lower case may include a holder or a mounting portion for fixing the wound area of the static load spring.
  • the winding end may have a spring shape with an empty center, and the holder or the mounting portion may penetrate the central portion of the winding end, thereby fixing the static load spring.
  • the free end of the static load spring has a structure in which a fixing hole is formed, and a fixing pin through which the fixing hole passes is formed on a side surface of the upper plate. That is, the fixing hole of the free end has a structure that can be fixed by being fastened to the fixing pin of the upper plate.
  • the free end of the static load spring is fixed to the upper plate in a state in which it is mounted on the holder or the mounting part inside the case. Accordingly, the static load spring acts as an elastic force to pull the battery cell stack in the case toward the lower end of the case, and presses the battery cells by the designed load.
  • the static load spring is positioned at two or more points symmetrical to each other with respect to the stacked surface of the battery cell stack.
  • the static load spring may be positioned on both sides of the battery cell stack in which electrode leads are not formed. If the battery cell stack, which is a static load spring, is not positioned symmetrically with respect to the stacked surface of the battery cell stack, when the battery cell swelling occurs, the battery cell stack is tilted in one direction, causing problems such as deformation of the case. can occur
  • the static load spring is located on both sides of the battery cell stack, but may be located at least two per side.
  • the battery cell stack has a structure in which n (n is an integer greater than or equal to 2) battery cells are stacked.
  • the total number of cells stacked (n) may vary depending on the number of battery cells that require electrical connection, or may vary depending on the capacity of the battery module.
  • the battery cell stack number (n) of the battery cell stack is in the range of 2-100, 2-50, 2-10, or 3-7.
  • each battery cell constituting the battery cell stack is a pouch-type unit cell, and an electrode assembly of a positive electrode/separator/negative electrode structure in a laminate sheet exterior material is connected to electrode leads formed outside of the exterior material. built-in state.
  • the electrode leads are drawn out of the sheet and may extend in the same direction or opposite directions.
  • the battery cell stack further includes a bus bar assembly for electrically connecting the n battery cells to each other.
  • the bus bar assembly includes a bus bar or an insulating bar, and each battery cell is electrically connected by these.
  • the battery cell stack may be electrically connected in series or in parallel according to the arrangement positions of the bus bars and the insulating bars.
  • the busbar assembly may be a conventional busbar assembly.
  • the battery module according to the present invention includes a case having an open structure.
  • the case means a housing for accommodating the battery cell stack, and the inside of the case includes a storage space in which the battery cell stack is accommodated. Meanwhile, when the battery cell stack is accommodated in the case, the bottom surface of the case and the stacked surface of the battery cell stack may be accommodated so that the stacked surface is horizontal.
  • the battery module according to the present invention is coupled to one surface of the case, it further includes a case cover to cover the one surface of the case.
  • the case may be a normal U-case used as a battery module, and the case cover may be welded to the U-case and coupled thereto.
  • the battery module according to the present invention includes an upper plate.
  • the upper plate is stacked on top of the battery cell stack, and a static load spring is fastened thereto to limit the upper movement of the battery cell stack.
  • the upper plate may have a plate shape and may be made of an electrically insulating material.
  • a space of a predetermined interval is formed between the upper plate and the cover.
  • the upper plate moves upward while the wound area of the static load spring is unwound.
  • the battery module according to the present invention includes one or a plurality of stopper blocks between the case cover and the upper plate.
  • the stopper block restricts the upward movement of the upper plate, and is attached to the inner side of the case cover or the upper portion of the upper plate.
  • the stopper block restricts the upward movement of the upper plate, and is attached to the inner side of the case cover or the upper portion of the upper plate.
  • the stopper block may limit the upward movement of the upper plate.
  • the stopper block may be any material as long as it is a material for limiting the movement of the upper plate. For example, it may be an insulating plastic.
  • the upper plate includes a convex portion of a predetermined height in an upward direction.
  • both ends of the upper plate may include the convex portions, and a stopper block may be attached to the cover.
  • the stopper block may be positioned so as to abut against the inner surface of the convex part. That is, the convex portion is for limiting the horizontal movement of the upper plate.
  • the battery module according to the present invention includes a compression pad.
  • compression pads may be interposed at the lower end and upper end, respectively.
  • the battery cell stack of the battery module according to the present invention includes m or more (m is an integer greater than or equal to 2), and a compression pad may be interposed between each of the battery cell stacks.
  • the compression pad may be made of a polyurethane-based material, and when the thickness of the battery cell is deformed due to swelling, it may absorb a change in the battery cell due to an external impact.
  • the present invention provides a battery pack including the battery module described above.
  • the present invention provides a battery pack in which one or two or more of the battery modules are combined.
  • the battery pack is applicable to various types of energy storage devices or power sources.
  • the energy storage device is an Energy Storage System (ESS) that stores a large amount of electrical energy.
  • the power source is applicable as a power source of a moving means, for example, a vehicle.
  • the automobile refers to various types of automobiles using secondary batteries as an auxiliary power source or a main power source.
  • the vehicle includes a hybrid (HEV), a plug-in hybrid (PHEV), or a pure electric vehicle (BEV, EV).
  • the battery module 100 according to the present invention includes a battery cell stack 110 in which n (n is an integer greater than or equal to 2) battery cells 111 are stacked, one side of which is open.
  • a case 120 for accommodating the battery cell stack 110 therein, an upper plate 130 stacked on top of the battery cell stack 110 , and located inside the case 120 , the case 120 ) includes a constant force spring 140 in the form of a mainspring fixed to the lower portion.
  • the battery module 100 has a structure in which compression pads 160 are interposed at the lower and upper ends of the battery cell stack 110, respectively, and also between each of the battery cell stacks. It has a structure in which the compression pad 160 is interposed.
  • the battery module 10 includes a case cover 121 that covers one surface of the case 120 .
  • the static load spring 140 has a structure positioned at two or more points symmetrical to each other with respect to the stacking surface. Specifically, the static load spring 140 may be located on both sides of the battery cell stack 110 in which electrode leads are not formed.
  • the static load spring 140 is a spring wound in the form of a mainspring, and includes a winding end 141 and a free end 142 .
  • the winding end 141 refers to an area wound by a static load spring
  • the free end 142 refers to an area opposite to the winding end 141 .
  • the winding end 141 of the static load spring 140 is fixed to the lower portion of the case 120 , and the free end 142 is fixed to the upper plate 130 .
  • the lower portion of the case 120 may include a holder or a mounting portion (not shown) for fixing the wound area of the static load spring 140 .
  • the winding end 141 has a spring shape with an empty center, and the holder or the mounting portion penetrates the central portion of the winding end 141 , thereby fixing the static load spring 140 .
  • the free end 142 of the static load spring 140 has a structure in which a fixing hole 143 is formed, and a fixing pin (not shown) through which the fixing hole 143 passes is provided on the side of the upper plate 130 . the structure formed. That is, the fixing hole 143 of the free end 142 is fastened to the fixing pin of the upper plate 130 to be fixed.
  • the free end 142 of the static load spring 140 is fixed to the upper plate 130 in a state in which the static load spring 140 is mounted on a holder or a mounting unit inside the case 120 . Accordingly, the static load spring 140 acts as an elastic force to pull the battery cell stack 110 in the case toward the lower end of the case 120 , and presses the battery cells 111 by the designed load.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module 200 according to the present invention, a battery cell stack 210 in which n (n is an integer greater than or equal to 2) battery cells 211 are stacked, one side of which is open;
  • the case 220 for accommodating the battery cell stack 210 therein, the upper plate 230 stacked on the upper end of the battery cell stack 210, and the case 220 are located inside the case 220 , the lower part of the case 220 .
  • the battery module 200 has a structure in which compression pads 260 are interposed at the lower and upper ends of the battery cell stack 210, respectively, and also between each of the battery cell stacks. It has a structure in which the compression pad 260 is interposed.
  • the battery module 200 includes a case cover 221 that covers one surface of the case 220 .
  • the battery module 200 includes one or a plurality of stopper blocks 250 between the case cover 221 and the upper plate 230 .
  • the stopper block 250 is illustrated as including two, but the present invention is not limited thereto.
  • the stopper block 250 limits the upward movement of the upper plate 230 , and is attached to the inner side of the case cover 221 or an upper portion of the upper plate 230 .
  • the upper plate 230 moves upward while the area wound up of the static load spring 240 is unwound. .
  • a predetermined space exists between the case cover 221 and the upper plate 230 , and when the swelling displacement of the battery cell acts more than the space, the upper plate 230 is formed by the stopper block 250 . ) can limit the upward movement.

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Abstract

본 발명은 전지 모듈에 수납되는 전지 셀에 스웰링이 발생하더라도 전지 셀의 면압을 일정하게 유지할 수 있는 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.

Description

정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
본 발명은 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 07월 20일자 한국 특허 출원 제10-2020-0089333호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
최근 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에, 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원 으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용할 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
이러한 이차전지는 전지케이스 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극 조립체가 내장되어 있고, 양극 및 음극 탭들이 두 개의 전극탭에 용접되어 전지케이스의 외부로 노출되도록 실링되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전극탭은 외부 장치와 접촉을 통해 전기적으로 연결되고, 이차전지는 전극탭을 통해 외부 장치에 전력을 공급하거나 외부 장치로부터 전력을 공급받게 된다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전지 모듈은, 케이스 내부에 전지 셀 적층체를 포함하여 구성된다. 한편, 전지 셀은 충전과 방전 과정에서 전지 셀의 내부에 가스가 발생될 수 있으며, 이와 같이 발생된 가스로 인하여, 전지 셀이 팽창 및 수축되는 스웰링(swelling) 현상이 반복하여 발생될 수 있다. 특히, 전지 셀의 충전과 방전의 반복으로 전지 셀의 두께가 증가하면서 전지 모듈의 케이스가 변형되는 문제가 있었다.
이에, 전지 셀의 충전 및 방전에 따른 팽윤력(swelling force) 을 일정하게 유지하여, 케이스의 변형을 방지할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하고자 한다.
본 발명은 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 n 개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀이 적층되는 전지 셀 적층체; 일면이 개방된 구조이며, 내부에 전지 셀 적층체를 수납하는 케이스; 전지 셀 적층체의 상단에 적층되는 상부 플레이트; 및 케이스 내부에 위치하되, 케이스의 하부에 고정되는 태엽 형태의 정하중 스프링(constant force spring); 을 포함한다. 이때, 상기 정하중 스프링은, 권취단과 자유단을 포함하되, 상기 권취단은 케이스 하부에 고정되며, 자유단은 상부 플레이트에 고정되는 구조를 갖는다.
하나의 실시예에서, 상기 정하중 스프링은, 적층면을 기준으로 서로 대칭되는 두 지점 이상에 위치하는 구조를 갖는다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 케이스의 일면을 커버하는 케이스 커버를 포함한다.
다른 하나의 실시예에서, 상기 커버와 상부 플레이트 사이에는 하나 또는 복수개의 스토퍼 블록을 포함하여, 상부 플레이트의 상부 방향 움직임을 제한하는 구조를 갖는를 갖는다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 전지 셀 적층체는, 하단과 상단에 각각 압축 패드가 개재되는 구조이다. 나아가, 상기 전지 셀 적층체는, m 개(m은 2 이상의 정수) 이상 포함되며, 각각의 전지 셀 적층체 사이에 압축 패드가 개재될 수 있다.
아울러, 상기 전지 셀 적층체는, n 개의 전지 셀들을 상호 전기적으로 연결하는 버스바 조립체를 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 케이스는, 상기 정하중 스프링의 태엽 형태로 권취된 영역을 고정시키기 위한 홀더 또는 스프링 장착부를 포함한다.
이때, 상기 정하중 스프링의 자유단은, 고정 홀이 형성된 구조이며,
상부 플레이트의 측면에는 상기 고정 홀이 관통되는 고정핀이 형성된 구조일 수 있다.
아울러, 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은, 정하중 스프링을 포함하여, 전지 모듈에 수납되는 전지 셀에 스웰링이 발생하더라도 전지 셀의 면압을 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 보여주는 모식도이다.
도 3은 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 측면도이다
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 보여주는 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 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.
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈을 제공한다. 하나의 실시예에서, 상기 전지 모듈은 n 개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀이 적층되는 전지 셀 적층체; 일면이 개방된 구조이며, 내부에 전지 셀 적층체를 수납하는 케이스; 전지 셀 적층체의 상단에 적층되는 상부 플레이트; 및 케이스 내부에 위치하되, 케이스의 하부에 고정되는 태엽 형태의 정하중 스프링(constant force spring); 을 포함하며, 상기 정하중 스프링은, 권취단과 자유단을 포함하되, 상기 권취단은 케이스 하부에 고정되며, 자유단은 상부 플레이트에 고정되는 구조를 갖는다.
일반적으로, 전지 셀은 충전과 방전 과정에서 전지 셀의 내부에 가스가 발생될 수 있으며, 이에 따라 전지 셀의 팽창 및 수축되는 스웰링(swelling) 현상이 반복하여 발생될 수 있다. 특히, 전지 셀의 충전과 방전의 반복으로 전지 셀의 두께가 증가하면서 전지 모듈의 케이스가 변형되는 문제가 있었다. 이에 본 발명에서는 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 상기 정하중 스프링을 이용하여 전지 모듈에 수납되는 n 개의 전지 셀에 일정한 힘으로 압축하면서 스웰링(swelling) 에 의한 팽창 변위를 허용할 수 있는 전지 모듈을 제공한다.
본 발명에서, "정하중 스프링(constant force spring)" 이라 함은, 태엽 형태로 권취되어 있는 스프링으로, 스프링 끝단을 외력으로 잡아당기는 경우, 태엽 형태의 스프링이 텐션을 가지면서 잡아당기는 방향으로 권출되며, 외력을 해제하는 경우에는 탄성력에 의해 원상태로 복원되도록 형성되는 스프링을 의미한다. 상기 정하중 스프링은, 일반적인 스프링과는 달리 변위 증가에 따라 하중이 선형적으로 증가하지 않고, 특정 하중에서 변위가 증가하더라도, 하중이 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 본 발명의 전지 모듈은 상기 정하중 스프링이 케이스에 수납되는 전지 셀에 항상 일정한 하중으로 누르고 있는 구조로, 전지셀의 스웰링이 발생하더라도, 상기 전지 셀에 면압이 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 다양하고 반복적인 실험과 관측을 통해, 정하중 스프링으로 전지 셀 적층체를 체결함으로써, 전지 셀의 스웰링이 발생하더라도, 전지 셀에 면압이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.
하나의 실시예에서, 상기 정하중 스프링은 태엽 형태로 권취되어 있는 스프링으로 권취단과 자유단을 포함한다. 여기서, 권취단은 정하중 스프링에서 권취되어 있는 영역을 의미하며, 자유단은 권취단의 반대편 영역을 의미한다. 구체적인 예에서, 상기 정하중 스프링의 권취단은 케이스의 하부에 고정되며, 자유단은 상부 플레이트에 고정된다. 한편, 케이스 하부에는 정하중 스프링의 권취된 영역을 고정시키기 위한 홀더 또는 장착부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 권취단은 중앙이 비어 있는 태엽 형상으로, 홀더 또는 장착부는 권취단의 중앙 부분을 관통함으로써, 정하중 스프링을 고정시킬 수 있다.
아울러, 상기 정하중 스프링의 자유단은 고정 홀이 형성된 구조이며, 상기 상부 플레이트의 측면에는 상기 고정 홀이 관통되는 고정핀이 형성된 구조이다. 즉, 상기 자유단의 고정 홀은 상부 플레이트의 고정핀에 체결되어 고정될 수 있는 구조이다.
이와 같은 정하중 스프링은 케이스 내부의 홀더 또는 장착부에 장착된 상태에서 정하중 스프링의 자유단이 상부 플레이트에 고정된다. 이에 따라, 정하중 스프링은 케이스 내의 전지 셀 적층체를 케이스의 하단부 쪽으로 끌어당기도록 탄성력을 작용하게 되고, 설계된 하중만큼 전지 셀을 가압하게 된다.
한편, 상기 정하중 스프링은, 전지 셀 적층체의 적층면을 기준으로 서로 대칭되는 두 지점 이상에 위치한다. 구체적인 예에서, 정하중 스프링은 전극 리드가 형성되지 않은 전지 셀 적층체의 양측에 위치할 수 있다. 만일, 정하중 스프링인 전지 셀 적층체의 적층면을 기준으로 서로 대칭되는 위치에 위치하지 않는다면, 전지 셀의 스웰링이 발생하였을 때, 전지 셀 적층체가 한쪽 방향으로 기울어져 케이스의 변형 등의 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 정하중 스프링은 전지 셀 적층체의 양측에 위치하되, 한 측당 2 개 이상 위치할 수 있다.
하나의 실시예에서, 전지 셀 적층체는 n 개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀이 적층된 구조이다. 전제 셀의 적층 수(n)는 전기적 연결이 필요한 전지 셀의 개수에 따라 달라질 수 있으며, 혹은 전지 모듈의 용량에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 전지 셀 적층체의 전지셀 적층 수(n)는 2~100, 2~50, 2~10 또는 3~7의 범위이다.
한편, 상기 전지 셀은 충방전이 가능한 이차 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적인 실시예에서, 상기 전지셀 적층체를 구성하는 각각의 전지셀은 파우치 타입의 단위셀로, 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장되어 있다. 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다.
아울러, 상기 전지 셀 적층체는, n 개의 전지 셀들을 상호 전기적으로 연결하는 버스바 조립체를 더 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 버스바 조립체는 버스바 또는 절연바를 포함하고, 각 전지셀들은 이들에 의해서 전기적으로 연결된다. 한편, 상기 버스바 조립체는 버스바와 절연바의 배열되는 위치에 따라서 전지 셀 적층체는 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 상기 버스바 조립체는 통상적인 버스바 조립체일 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 일면이 개방된 구조의 케이스를 포함한다. 상기 케이스는 전지 셀 적층체를 수납하기 위한 하우징을 의미하는 것으로, 케이스의 내부에는 전지 셀 적층체가 수납되는 수납공간을 포함한다. 한편, 상기 전지 셀 적층체는 케이스에 수납될 때, 케이스의 바닥면과 전지 셀 적층체의 적층면이 수평을 이루도록 수납될 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 전지 모듈은 상기 케이스의 일면에 결합되어, 케이스의 일면을 커버하는 케이스 커버를 더 포함한다. 예를 들면, 상기 케이스는 전지 모듈로 사용되는 통상의 U-케이스일 수 있으며, 상기 케이스 커버는 상기 U-케이스와 용접되어 결합될 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 상부 플레이트를 포함한다. 상기 상부 플레이트는 전지 셀 적층체의 상부에 적층되는 것으로, 정하중 스프링이 체결되어, 상기 전지 셀 적층체의 상부 움직임을 제한할 수 있다. 상기 상부 플레이트는 판상형일 수 있으며, 전기 절연성 소재일 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 상기 상부 플레이트와 커버 사이에 소정의 간격의 공간이 형성되어 있다. 구체적인 예에서, 전지 셀의 스웰링이 설계된 하중 이상으로 작용하게 되면, 정하중 스프링의 권취된 영역이 권출되면서 상부 플레이트가 상부 방향으로 움직이게 된다.
이때, 상기 상부 플레이트와 커버 사이의 간격이 없으면, 상부 플레이트의 상부 이동에 의하여 케이스의 변형이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 상부 플레이트와 커버 사이의 공간은 케이스 변형을 방지하기 위함이다.
다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 케이스 커버와 상부 플레이트사이에 하나 또는 복수개의 스토퍼 블록을 포함한다. 상기 스토퍼 블록은 상부 플레이트의 상부 방향 움직임을 제한하는 것으로, 케이스 커버의 내측 또는 상부 플레이트의 상부에 부착된다.
상기 스토퍼 블록은 상부 플레이트의 상부 방향 움직임을 제한하는 것으로, 케이스 커버의 내측 또는 상부 플레이트의 상부에 부착된다.
구체적인 예에서, 전지 셀의 스웰링이 설계된 하중 이상으로 작용하게 되면, 정하중 스프링의 권취된 영역이 권출되면서 상부 플레이트가 상부 방향으로 움직이게 된다. 한편, 상기 케이스 커버와 상부 플레이트 사이에는 소정의 공간이 존재하는데, 상기 전지 셀의 스웰링 변위가 상기 공간 이상으로 작용하게 되면 스토퍼 블록에 의해서, 상부 플레이트의 상부 방향 움직임을 제한할 수 있다. 상기 스토퍼 블록은 상부 플레이트의 움직임을 제한하기 위한 소재라면 어떠한 소재라도 무관하다. 예를 들면, 절연성의 플라스틱일 수 있다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상부 플레이트는 상부 방향으로 소정 높이의 철(凸)부를 포함한다. 구체적인 예에서, 상부 플레이트의 양단에는 상기 철부를 포함할 수 있으며, 커버에는 스토퍼 블록이 부착될 수 있다. 이때, 상기 스토퍼 블록은 철부의 내측면에 맞닿도록 위치할 수 있다. 즉, 상기 철부는 상부 플레이트의 수평방향 움직임을 제한하기 위함이다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 압축 패드를 포함한다. 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈의 전지 셀 적층체는, 하단과 상단에 각각 압축 패드가 개재될 수 있다
다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈의 전지 셀 적층체는, m 개(m은 2 이상의 정수) 이상 포함되며, 각각의 전지 셀 적층체 사이에 압축 패드가 개재될 수 있다. 상기 압축 패드는, 폴리 우레탄 계열의 소재일 수 있으며, 전지 셀의 스웰링에 의한 두께 변형시 외부 충격에 의한 전지 셀의 변화를 흡수할 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
구체적인 예에서, 본 발명은 상기 전지 모듈을 하나 또는 둘 이상 조합한 전지 팩을 제공한다.
상기 전지 팩은, 다양한 형태의 에너지 저장 장치 내지 동력원으로 적용 가능하다. 예를 들어, 상기 에너지 저장 장치는 대용량의 전기 에너지를 저장하는 ESS(Enegry Storage System)이다. 또한, 상기 동력원은 이동 수단, 예를 들어, 자동차의 동력원으로 적용 가능하다. 상기 자동차는 보조 동력원 또는 주 동력원으로 이차전지를 사용하는 다양한 형태의 자동차를 총칭한다. 구체적으로, 상기 자동차는 하이브리드(HEV), 플러그인 하이브리드(PHEV), 또는 순수 전기차(BEV, EV) 등을 포함한다.
이하, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
*(제1 실시형태)
도 2 는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 보여주는 모식도이며, 도 3은 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 측면도이다. 도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈(100)은, n 개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀(111)이 적층되는 전지 셀 적층체(110), 일면이 개방된 구조이며, 내부에 전지 셀 적층체(110)를 수납하는 케이스(120), 전지 셀 적층체(110)의 상단에 적층되는 상부 플레이트(130), 케이스(120) 내부에 위치하되, 케이스(120)의 하부에 고정되는 태엽 형태의 정하중 스프링(constant force spring)(140)을 포함한다.
아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지 셀 적층체(110)의 하단과 상단에 각각 압축 패드(160)가 개재되는 구조이며, 각각의 전지 셀 적층체 사이에도 상기 압축 패드(160)가 개재되는 구조이다. 아울러, 상기 전지 모듈(10)은 상기 케이스(120)의 일면을 커버하는 케이스 커버(121)를 포함한다.
한편, 정하중 스프링(140)은, 적층면을 기준으로 서로 대칭되는 두 지점 이상에 위치하는 구조를 갖는다. 구체적으로, 정하중 스프링(140)은 전극 리드가 형성되지 전지 셀 적층체(110)의 양측에 위치할 수 있다.
나아가, 상기 정하중 스프링(140)은 태엽 형태로 권취되어 있는 스프링으로, 권취단(141)과 자유단(142)을 포함한다. 여기서, 권취단(141)은 정하중 스프링에서 권취되어 있는 영역을 의미하며, 자유단(142)은 권취단(141)의 반대편 영역을 의미한다.
구체적으로, 상기 정하중 스프링(140)의 권취단(141)은 케이스(120)의 하부에 고정되며, 자유단(142)은 상부 플레이트(130)에 고정된다. 한편, 케이스(120) 하부에는 정하중 스프링(140)의 권취된 영역을 고정시키기 위한 홀더 또는 장착부(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 권취단(141)은 중앙이 비어 있는 태엽 형상으로, 홀더 또는 장착부는 권취단(141)의 중앙 부분을 관통함으로써, 정하중 스프링(140)을 고정시킬 수 있다.
아울러, 상기 정하중 스프링(140)의 자유단(142)은 고정 홀(143)이 형성된 구조이며, 상기 상부 플레이트(130)의 측면에는 상기 고정 홀(143)이 관통되는 고정핀(미도시)이 형성된 구조이다. 즉, 상기 자유단(142)의 고정 홀(143)은 상부 플레이트(130)의 고정핀에 체결되어 고정될 수 있는 구조이다.
이와 같은 정하중 스프링(140)은 케이스(120) 내부의 홀더 또는 장착부에 장착된 상태에서 정하중 스프링(140)의 자유단(142)이 상부 플레이트(130)에 고정된다. 이에 따라, 정하중 스프링(140)은 케이스 내의 전지 셀 적층체(110)를 케이스(120)의 하단부 쪽으로 끌어당기도록 탄성력을 작용하게 되고, 설계된 하중만큼 전지 셀(111)을 가압하게 된다.
(제2 실시형태)
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 보여주는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈(200)은, n 개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀(211)이 적층되는 전지 셀 적층체(210), 일면이 개방된 구조이며, 내부에 전지 셀 적층체(210)를 수납하는 케이스(220), 전지 셀 적층체(210)의 상단에 적층되는 상부 플레이트(230), 케이스(220) 내부에 위치하되, 케이스(220)의 하부에 고정되는 태엽 형태의 정하중 스프링(constant force spring)(240)을 포함한다.
아울러, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈(200)은 전지 셀 적층체(210)의 하단과 상단에 각각 압축 패드(260)가 개재되는 구조이며, 각각의 전지 셀 적층체 사이에도 상기 압축 패드(260)가 개재되는 구조이다. 아울러, 상기 전지 모듈(200)은 상기 케이스(220)의 일면을 커버하는 케이스 커버(221)를 포함한다.
나아가, 본 발명에 따른 전지 모듈(200)은 케이스 커버(221)와 상부 플레이트(230) 사이에 하나 또는 복수개의 스토퍼 블록(250)을 포함한다. 도 4에서는 상기 스토퍼 블록(250)을 2 개 포함하는 것으로 도시하였으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 스토퍼 블록(250)은 상부 플레이트(230)의 상부 방향 움직임을 제한하는 것으로, 케이스 커버(221)의 내측 또는 상부 플레이트(230)의 상부에 부착된다.
구체적으로, 전지 모듈(200) 내부의 전지 셀(211)의 스웰링이 설계된 하중 이상으로 작용하게 되면, 정하중 스프링(240)의 권취된 영역이 권출되면서 상부 플레이트(230)가 상부 방향으로 움직이게 된다. 한편, 상기 케이스 커버(221)와 상부 플레이트(230) 사이에는 소정의 공간이 존재하는데, 상기 전지 셀의 스웰링 변위가 상기 공간 이상으로 작용하게 되면 스토퍼 블록(250)에 의해서, 상부 플레이트(230)의 상부 방향 움직임을 제한할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
[부호의 설명]
1, 100: 전지 모듈
10, 110, 210: 전지 셀 적층체
11, 111, 211: 전지 셀
112, 212: 버스바 조립체
12, 120, 220: 케이스
121, 221: 커버
130, 230: 상부 플레이트
140, 240: 정하중 스프링
141: 권취단
142: 자유단
143: 고정 홀
250: 스토퍼 블록
16, 160, 260: 압축 패드

Claims (10)

  1. n 개(n 은 2 이상의 정수)의 전지 셀이 적층되는 전지 셀 적층체;
    일면이 개방된 구조이며, 내부에 전지 셀 적층체를 수납하는 케이스;
    전지 셀 적층체의 상단에 적층되는 상부 플레이트; 및
    케이스 내부에 위치하되, 케이스의 하부에 고정되는 태엽 형태의 정하중 스프링(constant force spring); 을 포함하며,
    상기 정하중 스프링은, 권취단과 자유단을 포함하되, 상기 권취단은 케이스 하부에 고정되며, 자유단은 상부 플레이트에 고정되는 구조를 갖는 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    정하중 스프링은, 전지 셀 적층체의 적층면을 기준으로 서로 대칭되는 두 지점 이상에 위치하는 구조를 갖는 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    케이스의 일면을 커버하는 케이스 커버를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 커버와 상부 플레이트 사이에는 하나 또는 복수개의 스토퍼 블록을 포함하여, 상부 플레이트의 상부 방향 움직임을 제한하는 구조를 갖는 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    전지 셀 적층체는, 하단과 상단에 각각 압축 패드가 개재되는 구조인 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    전지 셀 적층체는, m 개(m은 2 이상의 정수) 이상 포함되며,
    각각의 전지 셀 적층체 사이에 압축 패드가 개재되는 구조인 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    전지 셀 적층체는, n 개의 전지 셀들을 상호 전기적으로 연결하는 버스바 조립체를 더 포함하는 전지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    케이스는, 상기 정하중 스프링의 태엽 형태로 권취된 영역을 고정시키기 위한 홀더 또는 스프링 장착부를 포함하는 전지 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    정하중 스프링의 자유단은, 고정 홀이 형성된 구조이며,
    상부 플레이트의 측면에는 상기 고정 홀이 관통되는 고정핀이 형성된 구조인 전지 모듈.
  10. 제 1 항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
PCT/KR2021/005514 2020-07-20 2021-04-30 정하중 스프링을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 WO2022019445A1 (ko)

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