WO2022080870A1 - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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cell
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유재욱
공진학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack comprising such a battery module and a vehicle comprising such a battery pack.
  • Secondary batteries that are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density are not only portable devices, but also electric vehicles (EVs) or hybrid vehicles (HEVs) driven by an electric drive source. It is universally applied. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels but also the fact that no by-products are generated from the use of energy.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • the types of secondary batteries currently widely used include a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, and the like.
  • the unit secondary battery cell that is, the operating voltage of the unit battery cell is about 2.5V ⁇ 4.5V. Accordingly, when a higher output voltage is required, a plurality of battery cells are connected in series to form a battery pack. In addition, a plurality of battery cells may be connected in parallel to form a battery pack according to the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage or charge/discharge capacity.
  • a battery module including at least one battery cell is first configured, and other components are added using the at least one battery module to form a battery pack.
  • a battery pack having a multi-module structure is manufactured in a form in which a plurality of secondary batteries are concentrated in a narrow space, it is important to easily dissipate heat generated from each secondary battery. Since the charging or discharging process of the secondary battery battery is performed by an electrochemical reaction, if the heat of the battery module generated in the charging/discharging process is not effectively removed, heat accumulation occurs and as a result, the deterioration of the battery module is accelerated, and in some cases may ignite or explode.
  • a high-output, large-capacity battery module and a battery pack equipped therewith require a cooling device for cooling the battery cells contained therein.
  • a conventional battery module generally has a cooling structure in which heat is emitted by contacting a thermal interface material (TIM) between battery cells and a heat sink for such cooling.
  • TIM thermal interface material
  • a battery module for solving the above object, a plurality of cylindrical battery cells that are vertically disposed so that the positive electrode faces downward and the negative electrode faces upward; a cell housing accommodating the plurality of battery cells; a top plate covering all of the upper side of the cell housing and electrically connected to a negative electrode of each of the plurality of battery cells; a bottom plate facing the top plate to cover all lower sides of the cell housing and electrically connected to positive electrodes of each of the plurality of battery cells; and a phase change material that is filled in the cell housing to be partially submerged in the plurality of battery cells and cools the plurality of battery cells.
  • the battery module may further include a heat sink mounted on the top plate and cooling the plurality of cells.
  • the phase change material may be vaporized when the temperature of the plurality of battery cells rises and move toward the top plate, and may be liquefied by the heat sink and move toward the bottom plate.
  • a guide rib on the upper inner wall of the cell housing for guiding movement of the liquefied phase change material toward the bottom plate; may be provided.
  • the battery module may include: at least one cell fixing member fixing the plurality of battery cells to prevent movement of the plurality of battery cells in the cell housing; may further include.
  • the cell fixing member is provided as a pair, and the pair of cell fixing members includes: an upper cell fixing member into which upper portions of the plurality of battery cells are inserted and fixed to an inner upper side of the cell housing; and a lower cell fixing member into which lower portions of the plurality of battery cells are inserted and fixed to an inner lower side of the cell housing.
  • a plurality of cell insertion holes for inserting the plurality of battery cells may be formed in the upper cell fixing member and the lower cell fixing member.
  • the edge of the top plate may be seam-bonded to the edge of the cell housing.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention, at least one battery module according to an embodiment of the present invention as described above; and a pack case for packaging the at least one battery module.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention includes at least one battery pack according to an embodiment of the present invention as described above.
  • a possible structure may provide a battery module, a battery pack comprising such a battery module, and a vehicle comprising such a battery pack.
  • FIG. 1 is a view for explaining a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 ;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view for explaining the coupling of the top plate and the cell housing of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a view for explaining electrode connection of battery cells of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 6 is a view for explaining a cooling principle of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a part of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a part of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view for explaining a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the battery module of FIG. 1
  • FIG. 4 is FIG. 1 It is a view for explaining the coupling of the top plate and the cell housing of the battery module
  • Figure 5 is a view for explaining the electrode connection of the battery cells of the battery module of Figure 1
  • Figure 6 is the cooling principle of the battery module of Figure 1 It is a drawing for explaining.
  • the battery module 10 includes a battery cell 100 , a cell housing 200 , at least one cell fixing member 300 , 400 , a heat sink 500 , and a phase change material ( 600 ), a top plate 700 , and a bottom plate 800 may be included.
  • the battery cell 100 may be provided in plurality, and the plurality of battery cells 100 may be provided as a cylindrical secondary battery.
  • the plurality of battery cells 100 may be stacked and electrically connected to each other.
  • the positive electrode 110 may be provided at the center of one side of the battery cell 100 in the longitudinal direction.
  • the negative electrode 130 may be provided at the center of the other side in the longitudinal direction of the battery cell 100 .
  • a venting part (not shown) on the surface on which the positive electrode 110 is formed is vented to lower the internal pressure of the battery cell 100 to ensure safety when the internal pressure of the battery cell 100 increases to a certain level or more. city) may be provided.
  • the cell housing 200 may accommodate the plurality of battery cells 100 . To this end, an accommodating space for accommodating the plurality of battery cells 100 may be provided in the cell housing 200 .
  • a guide rib 220 may be provided inside the cell housing 200 .
  • the guide rib 220 is provided on the upper side of the inner wall of the cell housing 200, and can guide the downward movement of the phase change material 600 when the phase change material 600 is liquefied (L) to be described later. there is. Specifically, the guide rib 220 is liquefied (V) on the inner surface of the cell housing 200 and the top plate 700 of the phase change material 600, which is vaporized (V) and then liquefied (L) as the internal temperature rises. It is possible to guide the faster movement of the phase change material 600 to be L) toward the bottom plate 800, which will be described later.
  • the at least one cell fixing member 300 , 400 may fix the plurality of battery cells 100 to prevent movement of the plurality of battery cells 100 in the cell housing 200 .
  • the cell fixing members 300 and 400 may be provided as a pair.
  • the pair of cell fixing members 300 and 400 may include an upper cell fixing member 300 and a lower cell fixing member 400 .
  • the upper cell fixing member 300 may be inserted into the upper portions of the plurality of battery cells 100 and fixed to the inner upper side of the cell housing 200 . To this end, a plurality of cell insertion holes 350 into which upper portions of the plurality of battery cells 100 are inserted may be formed in the upper cell fixing member 300 .
  • the lower cell fixing member 400 may be inserted into the lower portions of the plurality of battery cells 100 and fixed to the inner lower side of the cell housing 200 . To this end, a plurality of cell insertion holes 450 into which the lower portions of the plurality of battery cells 100 are inserted may be formed in the lower cell fixing member 400 .
  • the heat sink 500 is for cooling the plurality of battery cells 100 , and may be mounted on an upper side of the top plate 700 , which will be described later.
  • the heat sink 500 may be mounted on the cell housing 200 instead of the upper side of the top plate 700 to be described later.
  • the phase change material 600 functions as an insulating oil for efficiently cooling the plurality of battery cells 100 , and may be partially filled in the cell housing 200 . Accordingly, the plurality of battery cells 100 may be partially submerged in the phase change material 600 in the cell housing 200 .
  • the phase change material 600 is vaporized (V) when the temperature of the plurality of battery cells 100 rises and moves toward the top plate 700 to be described later, and is liquefied (L) by the heat sink 500 to be described later. may move toward the bottom plate 800 .
  • the vaporization (V) and liquefaction (L) may be cyclically repeated, and through this, the cooling of the battery cells 100 may be performed more effectively.
  • the phase change material 600 may be made of a fluorine-based material having a low boiling point for more effective circulation.
  • the phase change material 600 may be provided with a material having a boiling point of between 35 degrees and 50 degrees.
  • the phase change material 600 may include a material having a digestive function. Accordingly, when a fire occurs in the battery module 10 , it is possible to quickly extinguish the fire through the phase change material 600 .
  • the top plate 700 may be coupled to the cell housing 200 to cover all of the upper side of the cell housing 200 .
  • the top plate 700 may be coupled to the cell housing 200 through a seaming structure. This is to maximize the airtight structure of the cell housing 200 , and to prevent evaporation of the phase change material 600 in the cell housing 200 .
  • the seaming structure may be formed at an edge of the top plate 700 and an upper edge of the cell housing 200 . That is, the edge of the top plate 700 may be seam-bonded to the upper edge of the cell housing 200 .
  • the top plate 700 is electrically connected to the negative electrode 130 of the plurality of battery cells 100 .
  • the top plate 700 may be made of a metal material, and may be welded to the negative electrode 130 of the plurality of battery cells 100 . That is, in the present embodiment, the top plate 700 may function not only as a cover for sealing the cell housing 200 , but also as a bus bar for electrical connection of the battery cells 100 .
  • the top plate 700 may be insulated at a coupling portion with the cell housing 200 .
  • the top plate 700 may be insulated from the cell housing 200 by being insulated from the edge portion where the seaming joint is attached. If the cell housing 200 is provided with a non-metal material instead of a metal material, such insulation treatment may be omitted.
  • the bottom plate 800 may be disposed to face the top plate 700 to cover all of the lower side of the cell housing 200 .
  • the bottom plate 800 may be integrally formed with the cell housing 200 or may be separately provided and mounted on the bottom of the cell housing 200 .
  • the bottom plate 800 may be electrically connected to the positive electrode 110 of the plurality of battery cells 100 .
  • the bottom plate 800 not only functions as a cover for sealing the bottom of the cell housing 200 , but also functions as a bus bar for electrical connection of the battery cells 100 together with the top plate 700 . can do.
  • the bottom plate 800 may be made of a metal material, and may be welded to the positive electrodes 110 of the plurality of battery cells 100 . Meanwhile, when the bottom plate 800 is integrally formed with the cell housing 200 , the cell housing 200 may also be made of a metal material. In this case, in order to insulate the cell housing 200 from the top plate 700 , the top plate 700 and the coupling portion may be insulated as described above. If the bottom plate 800 has a structure in which the cell housing 200 is separately mounted, the cell housing 200 may be made of a non-metal material, and in this case, the insulation treatment may be omitted.
  • both the sealing of the cell housing 200 and the electrical connection of the positive electrodes 110 of the battery cells 100 can be implemented through the bottom plate 800, so that the battery cells A separate bus bar structure for connecting the anodes 110 of 100 is not required.
  • the top plate 700 and the bottom plate 800 for sealing the cell housing 200 are used for electrical connection of the electrodes 110 and 130 of the battery cells 100 . Since the bus bar function is also implemented, a separate additional bus bar structure can be omitted, thereby reducing the manufacturing cost of the battery module 10 and improving manufacturing efficiency.
  • the positive electrode 110 faces downward and the negative electrode 130 faces upward in the cell housing 200 . That is, as described above, the battery cell 100 is oriented such that the positive electrode 110 is in face-to-face contact with the bottom plate 800 and the negative electrode 130 is in face-to-face contact with the top plate 700 .
  • the positive electrode 110 and the negative electrode 130 are respectively formed on both sides in the longitudinal direction, and the surface on which the positive electrode 110 is formed is designed to be weak in terms of rigidity compared to the surrounding area, so that the battery cell ( By preferentially breaking when the internal pressure of the battery cell 100 is increased, a venting portion is formed so that the gas generated inside the battery cell 100 can be discharged.
  • the battery module 10 according to the present invention has a structure in which the surface on which the venting part is formed, that is, the surface on which the positive electrode 110 is formed, faces downward, whereby the positive electrode 110 is submerged in the liquid phase change material 600 .
  • the battery module 10 according to an embodiment of the present invention can prevent the temperature inside the battery module 10 from rapidly increasing when a high-temperature venting gas is ejected due to an increase in the internal pressure of the battery cell 100 . Thereby, it is possible to prevent the occurrence of a secondary event due to gas ejection, thereby securing safety in using the secondary battery.
  • the battery module 10 according to the present embodiment can further secure the volume of the battery cells 100 by the volume of a separate additional bus bar structure omitted in terms of energy density.
  • the battery module 10 according to the present embodiment can also maximize cooling performance through the phase change material 600 .
  • the battery module according to another embodiment of the present invention is different from the battery module according to the previous embodiment in that the contact protrusion 810 is formed on the bottom plate 800, and other components are substantially same. Therefore, in describing the battery module according to another embodiment of the present invention, the description overlapping with the previous embodiment will be omitted, and only the parts with differences will be mainly described.
  • the contact protrusion 810 is formed to protrude upward from the bottom plate 800 .
  • the contact protrusion 810 is formed at a position corresponding to the positive electrode 110 of the battery cell 100 and is in contact with the positive electrode 110 .
  • the contact protrusion 810 may be provided as many as the number of battery cells 100 .
  • the contact protrusion 810 is spaced apart between one surface of the battery cell 100 on which the positive electrode 110 is formed in the cell insertion hole 450 formed in the lower cell fixing member 400 and the bottom plate 800, This provides a space in which the liquid phase change material 600 can be filled.
  • the contact protrusion 810 may be made of a conductive material for electrical connection of the plurality of battery cells 100 .
  • the battery when a space is formed between the positive electrode 110 and the bottom plate 800 in the cell insertion hole 450 formed in the lower cell fixing member 400 , and the phase change material 600 is filled therein, the battery When the cell 100 is vented, the occurrence of a secondary event such as effective cooling and ignition by a high-temperature gas can be effectively prevented.
  • a battery module according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8 .
  • a flow path P through which the liquid phase change material 600 can move is formed in the lower cell fixing member 400 .
  • the flow path P will be mainly described, and descriptions that overlap with the previous embodiments will be omitted.
  • the flow path P is formed in the lower cell fixing member 400 , and penetrates between the upper surface of the lower cell fixing member 400 and the inner surface of the cell insertion hole 450 formed in the lower cell fixing member 400 . is formed
  • the liquid phase change material 600 may be smoothly introduced into the space between the positive electrode 110 and the bottom plate 800 through the flow path P.
  • FIG. 9 is a view for explaining a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1 may include at least one battery module 10 according to the previous embodiment and a pack case 50 for packaging the at least one battery module 10 .
  • the battery pack 1 may be provided in the vehicle as a fuel source for the vehicle.
  • the battery pack 1 may be provided in an electric vehicle, a hybrid vehicle, and any other manner in which the battery pack 1 may be used as a fuel source in the vehicle.
  • the battery pack 1 may be provided in other devices, devices, facilities, etc., such as an energy storage system using a secondary battery, in addition to the vehicle.
  • the device, apparatus, and equipment including the battery pack 1 and the battery pack 1 such as the vehicle according to the present embodiment include the battery module 10 described above, and the battery module described above.
  • the battery pack 1 having all the advantages due to (10) and the device, apparatus, and equipment such as a vehicle having such a battery pack 1 can be implemented.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 양극이 하방을 향하고 음극이 상방을 향하도록 기립 배치되는 복수 개의 원통형 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 셀 하우징; 상기 셀 하우징의 상측을 모두 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 양극과 전기적으로 연결되는 탑 플레이트; 상기 탑 플레이트와 대향 배치되어 상기 셀 하우징의 하측을 모두 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 음극과 전기적으로 연결되는 바텀 플레이트; 및 상기 셀 하우징 내에 상기 복수 개의 배터리 셀들이 부분적으로 잠길 수 있게 채워지며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 냉각시키는 상변화물질; 을 포함한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 10월 13일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2020-0132071호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 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 ~ 4.5V이다. 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.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로, 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각장치가 반드시 필요하다.
종래 배터리 모듈은, 일반적으로, 이러한 냉각을 위해 배터리 셀들과 히트 싱크 사이에 열전도물질(Thermal Interface Material; TIM)을 접촉시켜 열을 내보내는 냉각 구조를 적용하였다.
그러나, 이러한 종래 냉각 구조에서는 낮은 냉각 성능으로 인해 배터리 모듈 및 배터리 팩, 나아가 이들 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구비하는 전기 자동차 등의 성능을 높이기 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 냉각 성능을 극대화할 수 있고, 또한 배터리 셀로부터 벤팅 가스가 배출되었을 때 고온의 벤팅 가스로 인한 열 폭주 현상 등의 2차적인 이벤트가 발생되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 양극이 하방을 향하고 음극이 상방을 향하도록 기립 배치되는 복수 개의 원통형 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 셀 하우징; 상기 셀 하우징의 상측을 모두 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 음극과 전기적으로 연결되는 탑 플레이트; 상기 탑 플레이트와 대향 배치되어 상기 셀 하우징의 하측을 모두 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 양극과 전기적으로 연결되는 바텀 플레이트; 및 상기 셀 하우징 내에 상기 복수 개의 배터리 셀들이 부분적으로 잠길 수 있게 채워지며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 냉각시키는 상변화물질; 을 포함한다.
상기 배터리 모듈은, 상기 탑 플레이트의 상측에 장착되며, 상기 복수 개의 셀들을 냉각시키는 히트 싱크;를 더 포함할 수 있다.
상기 상변화물질은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 온도 상승 시 기화되어 상기 탑 플레이트 측으로 이동하며, 상기 히트 싱크에 의해 액화되어 상기 바텀 플레이트 측으로 이동할 수 있다.
상기 셀 하우징의 내벽 상측에는, 상기 액화된 상기 상변화물질의 상기 바텀 플레이트 측으로의 이동을 가이드하는 가이드 리브; 가 구비될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 셀 하우징 내에서 상기 복수 개의 배터리 셀들의 이동을 방지할 수 있게 상기 복수 개의 배터리 셀들을 고정하는 적어도 하나의 셀 고정부재; 를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 고정부재는, 한 쌍으로 마련되며, 상기 한 쌍의 셀 고정부재들은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 상부가 삽입되며, 상기 셀 하우징의 내부 상측에 고정되는 상측 셀 고정부재; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들의 하부가 삽입되며, 상기 셀 하우징의 내부 하측에 고정되는 하측 셀 고정부재;를 포함할 수 있다.
상기 상측 셀 고정부재 및 상기 하측 셀 고정부재에는, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 삽입을 위한 복수 개의 셀 삽입홀들이 형성될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 테두리는, 상기 셀 하우징의 테두리와 시밍 접합될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 냉각 성능을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 셀로부터 벤팅 가스가 배출되었을 때 고온의 벤팅 가스로 인한 열 폭주 현상 등의 2차적인 이벤트가 발생되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 구조는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈의 단면도이다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈의 탑 플레이트와 셀 하우징의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 배터리 모듈의 배터리 셀들의 전극 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 단면도이며, 도 4는 도 1의 배터리 모듈의 탑 플레이트와 셀 하우징의 결합을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 1의 배터리 모듈의 배터리 셀들의 전극 연결을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 셀 하우징(200), 적어도 하나의 셀 고정부재(300, 400), 히트 싱크(500), 상변화물질(600), 탑 플레이트(700) 및 바텀 플레이트(800)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(100)은 복수 개로 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 원통형 이차 전지로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 상호 적층되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 배터리 셀(100)이 원통형 이차전지인 경우에 있어서, 배터리 셀(100)의 길이 방향 일 측 면의 중심부에는 양극(110)이 구비될 수 있다. 상기 배터리 셀(100)의 길이 방향 타 측 면의 중심부에는 음극(130)이 구비될 수 있다. 상기 양극(110)이 형성된 면에는 배터리 셀(100)의 내압이 일정 수준 이상으로 증가한 경우에 있어서 안전성 확보를 위해 벤팅(venting) 되어 배터리 셀(100)의 내압을 낮출 수 있도록 하는 벤팅부(미도시)가 구비될 수 있다.
상기 셀 하우징(200)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 상기 셀 하우징(200)에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다.
상기 셀 하우징(200)의 내부에는 가이드 리브(220)가 마련될 수 있다.
상기 가이드 리브(220)는 상기 셀 하우징(200)의 내벽 상측에 구비되며, 후술하는 상변화물질(600)의 액화(L) 시 상기 상변화물질(600)의 하측으로의 이동을 가이드할 수 있다. 구체적으로, 상기 가이드 리브(220)는 내부 온도 상승에 따라 기화(V) 되었다가 다시 액화(L)되는 상변화물질(600) 셀 하우징(200)의 내측 면 및 탑 플레이트(700)에 액화(L)되는 상변화물질(600)의 후술하는 바텀 플레이트(800) 측으로의 보다 더 빠른 이동을 가이드할 수 있다.
상기 적어도 하나의 셀 고정부재(300, 400)는 상기 셀 하우징(200) 내에서 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 이동을 방지할 수 있게 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 고정할 수 있다.
이러한 상기 셀 고정부재(300, 400)는 한 쌍으로 구비될 수 있다. 상기 한 쌍의 셀 고정부재들(300, 400)은, 상측 셀 고정부재(300) 및 하측 셀 고정부재(400)로 이루어질 수 있다.
상기 상측 셀 고정부재(300)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상부가 삽입되며, 상기 셀 하우징(200)의 내부 상측에 고정될 수 있다. 이를 위해, 상기 상측 셀 고정부재(300)에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상부가 삽입되는 복수 개의 셀 삽입홀들(350)이 형성될 수 있다.
상기 하측 셀 고정부재(400)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하부가 삽입되며, 상기 셀 하우징(200)의 내부 하측에 고정될 수 있다. 이를 위해, 상기 하측 셀 고정부재(400)에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하부가 삽입되는 복수 개의 셀 삽입홀들(450)이 형성될 수 있다.
상기 히트 싱크(500)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 냉각시키기 위한 것으로서, 후술하는 탑 플레이트(700)의 상측에 장착될 수 있다. 이러한 상기 히트 싱크(500)는 후술하는 탑 플레이트(700)의 상측 대신에 상기 셀 하우징(200)에 장착되는 것도 가능할 수 있다.
상기 상변화물질(600)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 효율적으로 냉각시키기 위한 절연유로서 기능하는 것으로서, 상기 셀 하우징(200) 내에 부분적으로 채워질 수 있다. 이에 따라, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 상기 셀 하우징(200) 내에서 상기 상변화물질(600)에 부분적으로 잠길 수 있다.
상기 상변화물질(600)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 온도 상승 시 기화(V)되어 후술하는 탑 플레이트(700) 측으로 이동하며, 상기 히트 싱크(500)에 의해 액화(L)되어 후술하는 바텀 플레이트(800) 측으로 이동할 수 있다. 이러한 기화(V) 및 액화(L)는 순환 반복될 수 있으며, 이를 통해, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각은 보다 더 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 상변화물질(600)은 보다 효과적인 순환을 위해 불소 계열의 낮은 끓는점을 갖는 물질로 마련될 수 있다. 예로써, 상기 상변화물질(600)은 35도 내지 50도 사이의 끓는점을 갖는 물질로 구비될 수 있다. 아울러, 상기 상변화물질(600)은 소화 기능을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(10) 내에서 화재 발생 시 상기 상변화물질(600)을 통해 신속히 화재를 진압할 수 있다.
상기 탑 플레이트(700)는 상기 셀 하우징(200)의 상측을 모두 커버할 수 있게 상기 셀 하우징(200)과 결합될 수 있다. 여기서, 상기 탑 플레이트(700)는 상기 셀 하우징(200)과 시밍 구조를 통해 결합될 수 있다. 이는 상기 셀 하우징(200)의 기밀 구조를 극대화하기 위한 것으로서, 상기 셀 하우징(200) 내의 상기 상변화물질(600)의 증발을 방지하기 위함이다. 상기 시밍 구조는 상기 탑 플레이트(700)의 테두리 및 상기 셀 하우징(200)의 상측 테두리에서 이루어질 수 있다. 즉, 상기 탑 플레이트(700)의 테두리는 상기 셀 하우징(200)의 상측 테두리와 시밍 접합될 수 있다.
상기 탑 플레이트(700)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 음극(130)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 상기 탑 플레이트(700)는 금속 재질로 마련될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 음극(130)과 용접 결합될 수 있다. 즉, 본 실시에에서 상기 탑 플레이트(700)는 상기 셀 하우징(200)을 밀봉하기 위한 커버로서 기능할 뿐만 아니라 상기 배터리 셀들(100)의 전기적 연결을 위한 버스바로서도 기능할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 탑 플레이트(700)를 통해 이와 같은 두 가지 기능을 모두 구현할 수 있기에, 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130) 간의 전기적 연결을 위한 별도의 버스바 구조물이 요구되지 않는다.
한편, 상기 탑 플레이트(700)와 상기 셀 하우징(200) 사이의 절연을 위해, 상기 탑 플레이트(700)는 상기 셀 하우징(200)과의 결합 부분에서 절연 처리될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 탑 플레이트(700)는 상기 시밍 접합되는 테두리 부분에서 절연 처리되어 상기 셀 하우징(200)과 절연될 수 있다. 만약, 셀 하우징(200)이 금속 재질이 아닌 비금속 재질로 구비된다면 이와 같은 절연 처리가 생략될 수 있다.
상기 바텀 플레이트(800)는 상기 탑 플레이트(700)와 대향 배치되어 상기 셀 하우징(200)의 하측을 모두 커버할 수 있다. 이러한 상기 바텀 플레이트(800)는 상기 셀 하우징(200)에 일체로 형성되거나 또는 별도로 구비되어 상기 셀 하우징(200)의 저부에 장착될 수 있다.
이러한 상기 바텀 플레이트(800)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 상기 바텀 플레이트(800)는 상기 셀 하우징(200)의 저부를 밀봉하기 위한 커버로서 기능할 뿐만 아니라 상기 탑 플레이트(700)와 함께 상기 배터리 셀들(100)의 전기적 연결을 위한 버스바로서도 기능할 수 있다.
이를 위해, 상기 바텀 플레이트(800)는 금속 재질로 마련될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극들(110)과 용접 결합될 수 있다. 한편, 상기 바텀 플레이트(800)가 상기 셀 하우징(200)에 일체로 형성될 경우, 상기 셀 하우징(200), 또한, 금속 재질로 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 셀 하우징(200)은 상기 탑 플레이트(700)와의 절연을 위해 앞서 살펴 본 바와 같이 상기 탑 플레이트(700)와 결합 부분에 절연 처리될 수 있다. 상기 바텀 플레이트(800)가 상기 셀 하우징(200)에 별도로 장착되는 구조라면, 상기 셀 하우징(200)은 비금속 재질로 마련될 수 있으며, 이 경우, 상기 절연 처리를 생략할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 바텀 플레이트(800)를 통해 이와 같은 상기 셀 하우징(200)의 밀봉 및 배터리 셀들(100)의 양극들(110)의 전기적 연결을 모두 구현할 수 있기에, 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110) 연결을 위한 별도의 버스바 구조물이 요구되지 않는다.
이처럼, 본 실시예에서는, 상기 셀 하우징(200)을 밀봉하기 위한 상기 탑 플레이트(700) 및 상기 바텀 플레이트(800)가 상기 배터리 셀들(100)의 전극들(110, 130)의 전기적 연결을 위한 버스바 기능도 함께 구현하기에, 별도의 추가적인 버스바 구조물이 생략될 수 있어, 상기 배터리 모듈(10)의 제조 비용을 줄이며, 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 배터리 셀(100)은, 셀 하우징(200) 내에서 양극(110)이 하방을 향하고, 음극(130)이 상방을 향하도록 기립 배치된다. 즉, 상기 배터리 셀(100)은, 상술한 바와 같이, 양극(110)이 바텀 플레이트(800)와 대면 접촉하고, 음극(130)이 탑 플레이트(700)와 대면 접촉하도록 방향성을 갖고 배치된다.
원통형 배터리 셀의 경우, 길이 방향 양 측 면에 각각 양극(110)과 음극(130)이 형성되고, 양극(110)이 형성된 면에는 주변 영역과 비교하여 강성의 측면에서 취약하게 설계되어 배터리 셀(100)의 내압 증가 시에 우선적으로 파단됨으로써 배터리 셀(100) 내부에 발생된 가스가 배출될 수 있도록 하는 벤팅부가 형성된다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 벤팅부가 형성된 면, 즉 양극(110)이 형성된 면이 하방을 향하는 구조를 가지며, 이로써 양극(110)이 액상의 상변화 물질(600)에 잠기는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100)의 내압 증가에 따른 고온의 벤팅 가스 분출 시에 배터리 모듈(10) 내부의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지할 수 있으며, 이로써 가스 분출에 따른 2차적인 이벤트 발생을 방지하여 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은 에너지 밀도 측면에서도 생략되는 별도의 추가적인 버스바 구조물의 부피만큼 배터리 셀들(100)의 용적을 보다 더 확보할 수 있다. 아울러, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은 상기 상변화물질(600)을 통해 냉각 성능 또한 극대화할 수 있다.
다음은, 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은, 앞선 실시예에 따른 배터리 모듈과 비교하여, 바텀 플레이트(800)에 접촉 돌기(810)가 형성된 점에서 차이가 있을 뿐, 그 밖의 구성요소들은 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명함에 있어서는, 앞선 실시예에서와 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 차이가 있는 부분에 대해서만 중점적으로 설명하기로 한다.
상기 접촉 돌기(810)는 바텀 플레이트(800)로부터 상방으로 돌출 형성된다. 상기 접촉 돌기(810)는, 배터리 셀(100)의 양극(110)과 대응되는 위치에 형성되며, 양극(110)과 접촉한다. 상기 접촉 돌기(810)는 배터리 셀(100)의 개수만큼 구비될 수 있다.
상기 접촉 돌기(810)는, 하측 셀 고정부재(400)에 형성된 셀 삽입홀(450) 내에서 양극(110)이 형성된 배터리 셀(100)의 일 면과 바텀 플레이트(800) 사이를 이격시키며, 이로써 액상의 상변화 물질(600)이 채워질 수 있는 공간을 제공한다. 상기 접촉 돌기(810)는, 복수의 배터리 셀(100)들의 전기적 연결을 위해 도전성 재질로 이루어질 수 있다.
이처럼, 상기 하측 셀 고정부재(400)에 형성된 셀 삽입홀(450) 내에서 양극(110)과 바텀 플레이트(800) 사이에 공간이 형성되고, 그 안에 상변화 물질(600)이 채워지는 경우 배터리 셀(100)의 벤팅 발생 시에 효과적인 냉각 및 고온의 가스에 의한 발화 등의 2차 이벤트 발생이 효과적으로 방지될 수 있다.
다음은, 도 8을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기로 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은, 도 7에 도시된 배터리 모듈과 비교하여 하측 셀 고정부재(400)에 액상의 상변화 물질(600)이 이동할 수 있는 유로(P)가 형성된 점에서 차이가 있을 뿐, 그 밖의 구성요소들은 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명함에 있어서는, 상기 유로(P)에 대해서 중점적으로 설명하기로 하며, 앞선 실시예들과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 유로(P)는, 하측 셀 고정부재(400)에 형성되며, 하측 셀 고정부재(400)의 상면과 하측 셀 고정부재(400)에 형성된 셀 삽입홀(450)의 내측면 사이를 관통하여 형성된다. 상기 액상의 상변화 물질(600)은, 유로(P)를 통해 양극(110)과 바텀 플레이트(800) 사이의 공간으로 원활하게 유입될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 패키징하는 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차의 연료원으로써, 자동차에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차에 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)과 상기 자동차와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1) 및 이러한 배터리 팩(1)을 구비하는 자동차 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

Claims (10)

  1. 양극이 하방을 향하고 음극이 상방을 향하도록 기립 배치되는 복수 개의 원통형 배터리 셀들;
    상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 셀 하우징;
    상기 셀 하우징의 상측을 모두 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 음극과 전기적으로 연결되는 탑 플레이트;
    상기 탑 플레이트와 대향 배치되어 상기 셀 하우징의 하측을 모두 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들 각각의 양극과 전기적으로 연결되는 바텀 플레이트; 및
    상기 셀 하우징 내에 상기 복수 개의 배터리 셀들이 부분적으로 잠길 수 있게 채워지며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 냉각시키는 상변화물질;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트의 상측에 장착되며, 상기 복수 개의 셀들을 냉각시키는 히트 싱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상변화물질은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 온도 상승 시 기화되어 상기 탑 플레이트 측으로 이동하며, 상기 히트 싱크에 의해 액화되어 상기 바텀 플레이트 측으로 이동하는 것을 특징으로 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 셀 하우징의 내벽 상측에는,
    상기 액화된 상기 상변화물질의 상기 바텀 플레이트 측으로의 이동을 가이드하는 가이드 리브;가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀 하우징 내에서 상기 복수 개의 배터리 셀들의 이동을 방지할 수 있게 상기 복수 개의 배터리 셀들을 고정하는 적어도 하나의 셀 고정부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 셀 고정부재는,
    한 쌍으로 마련되며,
    상기 한 쌍의 셀 고정부재들은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 상부가 삽입되며, 상기 셀 하우징의 내부 상측에 고정되는 상측 셀 고정부재; 및
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 하부가 삽입되며, 상기 셀 하우징의 내부 하측에 고정되는 하측 셀 고정부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상측 셀 고정부재 및 상기 하측 셀 고정부재에는,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 삽입을 위한 복수 개의 셀 삽입홀들이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트의 테두리는,
    상기 셀 하우징의 테두리와 시밍 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 8항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;
    를 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차.
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