WO2022149886A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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battery cell
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한홍구
성준엽
박원경
박수빈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module having a cooling fin and a battery pack including the same.
  • a rechargeable battery capable of charging and discharging is a measure to solve air pollution such as conventional gasoline vehicles using fossil fuels, and electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV) is being used as a power source, and the need for the development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries have little memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so they can be charged and discharged freely. , the self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such a lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are respectively applied with a separator interposed therebetween, and a battery case for sealingly accommodating the electrode assembly together with an electrolyte.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the shape of the exterior material.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected this is used In such a battery module, a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional battery module.
  • the conventional battery module 10 may include a battery cell stack 20 in which a plurality of battery cells 11 are stacked.
  • the battery cell 11 may be a pouch-type battery cell.
  • a cooling fin 30 made of a metal plate having high thermal conductivity may be disposed between the battery cells 11 .
  • the cooling fin 30 is a plate-shaped member having a constant thickness.
  • FIG. 2 is a plan view of a battery cell included in the battery module of FIG. 1 viewed from various angles. Specifically, FIG. 2A is a plan view of the battery cell 11 of FIG. 1 viewed in the -z-axis direction on the xy plane, and FIG. 2B is a plan view of the battery cell 11 of FIG. 1 viewed in the -x-axis direction on the yz plane. .
  • the internal electrolyte is decomposed and gas is generated so that the battery cell 11 swells, that is, a swelling phenomenon occurs. can occur Comparing the degree of swelling, the central portion swells much larger than both ends from which the electrode lead 11L protrudes, as indicated by the dotted line. If the swelling of each battery cell 11 cannot be suppressed, a structural deformation of the battery module 10 in which a plurality of battery cells 11 are stacked may occur, and adversely affect the durability of the battery module 10 . can go crazy
  • the terrace portions T1 and T2 which are regions including the ends in the direction in which the electrode leads 11L protrude, generate more heat than other portions. That is, the terrace parts T1 and T2 are the terrace parts T1 and T2. It shows a higher temperature than the central part (M) between them. The temperature imbalance between the respective parts of the battery cell 11 causes deterioration in performance and lifespan.
  • An object of the present invention is to provide a battery module having a cooling fin capable of controlling swelling of a battery cell and reducing a temperature deviation between each part of the battery cell, and a battery pack including the same.
  • a battery module includes: a battery cell stack in which a plurality of battery cells including a first electrode lead and a second electrode lead are stacked; and a cooling fin positioned between the battery cells.
  • the first electrode lead and the second electrode lead protrude from the battery cell in opposite directions.
  • the cooling fin includes a first zone, a second zone and a third zone.
  • the first region and the second region are spaced apart from each other in a direction parallel to a direction in which the first electrode lead and the second electrode lead protrude, and the third region is the first region and the second region. located between the zones.
  • a thickness of the third region is smaller than a thickness of the first region and a thickness of the second region.
  • the battery cell may include a first terrace part, a second terrace part, and a central part located between the first terrace part and the second terrace part.
  • the first electrode lead may protrude from one end of the first terrace portion
  • the second electrode lead may protrude from one end of the second terrace portion.
  • the first zone, the second zone, and the third zone may be positioned to correspond to the first terrace part, the second terrace part, and the central part, respectively.
  • a gap between the central portion and the third region may be wider than a gap between the first terrace portion and the first region.
  • a gap between the central portion and the third region may be wider than a gap between the second terrace portion and the second region.
  • the thickness of the first region and the second region may decrease as the third region approaches.
  • An empty space may be formed in each of the first zone and the second zone.
  • the cooling fin may be a metal plate having an air layer formed therein.
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell.
  • a battery pack includes the battery module; a pack frame for accommodating the battery module; and a thermally conductive resin layer positioned between the battery module and the bottom of the pack frame, wherein the cooling fin extends from a lower surface of the battery cell stack to contact the thermally conductive resin layer.
  • a lower surface of the battery cell laminate may be in contact with the thermally conductive resin layer.
  • cooling fins having different thicknesses for each part between the battery cells by disposing cooling fins having different thicknesses for each part between the battery cells, pressure can be uniformly applied to each part of the battery cell when the battery cell swells.
  • cooling fins By providing an air layer inside the cooling fins, it is possible to have cooling and heat dissipation performance and at the same time block the propagation of fire or heat generated from one battery cell to an adjacent battery cell.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a plan view of a battery cell included in the battery module of FIG. 1 viewed from various angles.
  • FIG 3 is a perspective view showing a battery cell stack and cooling fins according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a battery cell included in the battery cell stack of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating the cooling fin of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross-section taken along the cutting line A-A' of FIG. 3 .
  • FIG. 7 is a plan view showing the state of the battery cell of FIG. 6 when swelling.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line B-B' of FIG.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and it means to be located “on” or “on” in the direction opposite to the gravity. not.
  • planar view it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross-section obtained by cutting the target part vertically is viewed from the side.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a battery cell stack and cooling fins according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a perspective view illustrating a battery cell included in the battery cell stack of FIG. 3 .
  • 5 is a perspective view illustrating the cooling fin of FIG. 3 .
  • 6 is a cross-sectional view showing a cross-section taken along the cutting line A-A' of FIG. 3 . At this time, FIG. 6 shows only one battery cell and one cooling fin for convenience of explanation, and the electrode assembly inside the battery cell is omitted.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 110 including a first electrode lead 111 and a second electrode lead 112 . ) stacked battery cell stack 200; and a cooling fin 300 positioned between the battery cells 110 .
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell, and may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the first and second electrode leads 111 and 112 according to the present embodiment protrude from the battery cell 110 in opposite directions.
  • the first and second electrode leads 111 and 112 face each other with respect to the cell body 113 from one end 114a and the other end 114b.
  • Each has a protruding structure.
  • the first and second electrode leads 111 and 112 are connected to an electrode assembly (not shown) and protrude from the electrode assembly (not shown) to the outside of the battery cell 110 .
  • the first and second electrode leads 111 and 112 have different polarities, and for example, one of them may be the positive lead 111 and the other may be the negative lead 112 . That is, the positive lead 111 and the negative lead 112 may protrude in opposite directions with respect to one battery cell 110 .
  • both ends 114a and 114b of the cell case 114 and one side 114c connecting them are adhered in a state in which an electrode assembly (not shown) is accommodated in the cell case 114 .
  • the battery cell 110 according to the present embodiment has a total of three sealing parts, the sealing part has a structure in which the sealing part is sealed by a method such as thermal fusion, and the other side part may be formed of a connection part 115 .
  • the cell case 114 may be formed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • the battery cell 110 includes a first terrace part T1 , a second terrace part T2 , and a first terrace part T1 and a second terrace part. It may include a central portion (M) located between (T2). That is, the cell body 113 may be divided into a first terrace portion T1 , a second terrace portion T2 , and a central portion M.
  • the first terrace portion T1 is a region including one end 114a from which the first electrode lead 111 protrudes
  • the second terrace portion T2 is the other portion from which the second electrode lead 112 protrudes.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 200 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in a direction parallel to the x-axis.
  • the first and second electrode leads 111 and 112 may protrude in the y-axis direction and the -y-axis direction, respectively.
  • the cooling fin 300 includes a first region 310 , a second region 320 , and a third region 330 .
  • the first region 310 and the second region 320 are spaced apart from each other in a direction parallel to the direction in which the first electrode lead 111 and the second electrode lead 112 protrude (y-axis direction),
  • the third zone 330 is located between the first zone 310 and the second zone 320 .
  • the thickness t3 of the third region 330 is thinner than the thickness t1 of the first region 310 and the thickness t2 of the second region.
  • both ends of the first electrode lead 111 and the second electrode lead 112 are parallel to the protruding direction (y-axis direction). It has a structure thicker than the center.
  • the first area 310 , the second area 320 , and the third area 330 of the cooling fin 300 are the first terrace portion T1 and the second terrace portion of the battery cell 110 , respectively. (T2) and may be positioned to correspond to the central portion M0.
  • the central portion M and the third region The interval d3 between the 330 is wider than the interval d1 between the first terrace portion T1 and the first region 310. Also, the interval between the central portion M and the third region 330 ( d3) is wider than the interval d2 between the second terrace portion T2 and the second region 320.
  • the thickness difference and the interval difference are somewhat exaggerated for convenience of explanation.
  • the cooling fins 300 may include a metal material having high thermal conductivity. There is no specific material limitation, and for example, aluminum (Al) may be included. Although only one cooling fin 300 is illustrated in FIG. 3 , all of the cooling fins 300 according to the present embodiment may be located between each of the battery cells 110 .
  • the internal electrolyte is decomposed and gas is generated so that the battery cell 11 swells, that is, swelling. phenomenon may occur. Comparing the degree of swelling, the central portion of the battery cell 11 is expanded to a greater extent.
  • the central portion M is larger than that of the first terrace portion T1 and the second terrace portion T2.
  • the cooling fin 300 since the first region 310 and the second region 320, which are both ends, are thicker than the third region 330, when the battery cell 110 swells. A uniform pressure may be applied to the battery cells 110 . That is, in consideration of the difference in the degree of swelling between regions of the battery cell 110 , the thicknesses t1 and t2 of the first region 310 and the second region 320 are adjusted so that a uniform elastic force can act. It was set to be thicker than the thickness t3 of the third region 330 . In this way, since it is possible to minimize the pressure deviation acting on the swelling of the battery cell 110 , it is possible to prevent structural deformation of the battery module 100 due to swelling and increase the durability of the battery module 100 . .
  • the battery cell 110 is a pouch-type battery and is manufactured by sealing the cell case 114 .
  • the first terrace portion T1 and the second terrace portion T2 may have a structure in which the thickness decreases toward the first electrode lead 111 and the second electrode lead 112, respectively. have.
  • the thickness of the first region 310 and the second region 320 increases as the third region 330 approaches so as to face the first terrace portion T1 and the second terrace portion T2 more closely.
  • the cooling fins 300 may closely correspond to the first terrace portion T1 and the second terrace portion T2, and thus may be effective in controlling swelling.
  • the terrace portions T1 and T2 which are regions including the end portions in the direction in which the electrode leads 11L protrude, generate more heat than other portions.
  • the first terrace portion T1 and the second terrace portion T2 exhibit a higher temperature than the central portion M.
  • the temperature of the first terrace portion T1 and the second terrace portion T2 may be higher than that of the central portion M by about 4.5 degrees Celsius.
  • the conventional plate-shaped cooling fins 30 have a constant thickness with respect to the battery cell 110 having a large difference in the degree of heat generation for each part, it is difficult to resolve the temperature difference between the parts of the battery cell 110 .
  • the first area 310 and the second area 320 according to the present embodiment compared with the third area 330 and the central portion M, the first terrace portion T1 and the second terries It may be located close to the part T2.
  • the cooling fin 300 according to the present embodiment can increase contact and adhesion to a portion of the battery cell that generates a lot of heat.
  • the cooling fins 300 may contribute to the improvement of the performance and lifespan of the battery module.
  • the first region 310 and the second region 320 may each have an empty space formed therein.
  • An empty space may be formed inside the first region 310 and the second region 320 to implement the thickness difference between the first region 310, the second region 320, and the third region 330 described above.
  • the cooling fin 300 may be a metal plate having an air layer AL formed therein.
  • a metal plate such as aluminum (Al) may have a two-layer structure and an air layer (AL) formed therebetween.
  • the thickness difference between the first region 310 , the second region 320 , and the third region 330 may be realized by adjusting the spacing between the metal plates.
  • the cooling fin 300 In the case of a single metal plate as in the conventional cooling fin 30 (refer to FIG. 1 ), there is no problem in transferring the heat generated in the battery cell 11 , but the fire occurring in the battery cell 11 is a neighboring battery cell. It is difficult to block the propagation to (11).
  • an air layer AL is formed therein, and the air layer AL may function as a heat insulating layer. Even if a fire occurs due to heat generation in any one of the battery cells 110 , it is possible to delay the propagation of fire or heat to the neighboring battery cells 110 due to the air layer AL provided between the battery cells 110 .
  • the safety of the battery module 100 can be improved by securing a time for the fire to propagate to the surrounding battery cells 110 .
  • the propagation of the fire between the battery cells 110 is delayed, so that a time margin for the driver to evacuate from the fire can be secured.
  • the metal plate of the two-layer structure faces the battery cells 110 , respectively, there is no problem in heat transfer in the upper direction or the lower direction of the battery module 100 .
  • the cooling fins 300 are in direct contact with the thermally conductive resin layer 1300 to be described later, there is no risk of deterioration in heat transfer performance. That is, the cooling fin 300 according to the present embodiment has cooling and heat dissipation performance and at the same time can block the propagation of a fire generated from one battery cell to a neighboring battery cell.
  • the cooling fin 300 according to the present embodiment is a metal plate having a two-layer structure, an elastic restoring force is easily applied to the swelling of the battery cell 110 . Due to this elastic restoring force, when the battery cell 110 swells, the pressure transferred to the battery cell 110 located on the opposite side can be reduced. That is, it is easier to control swelling.
  • FIGS. 3 and 8 is a perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 200 , first and second sensing blocks 410 and 420 , and an elastic member 700 . and a side pad 600 .
  • the battery cell stack 200 may be formed by stacking the battery cells 110 with the cooling fins 300 interposed therebetween.
  • the first sensing block 410 and the second sensing block 420 may include an electrically insulating material, for example, a plastic material, a polymer material, or a composite material.
  • the first sensing block 410 and the second sensing block 420 may have a kind of basket shape, and may be configured to cover the front and rear surfaces of the battery cell stack 200 , respectively.
  • the first and second electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 pass through the slit formed in the first sensing block 410 or the second sensing block 420 and are then bonded to each other.
  • An electrode lead assembly can be formed.
  • the elastic member 700 may be configured to cover both sides of the first sensing block 410 , the second sensing block 420 , and the battery cell stack 200 . In particular, the upper and lower portions of the elastic member 700 are opened so that the upper and lower surfaces of the battery cell stack 200 can be exposed to the outside. It can be effective.
  • the elastic member 700 is not particularly limited in its material as long as it has a predetermined elastic force, but may include, for example, at least one of a polymer composite material, a composite material such as FRB (Fiber-reinforced plastic), and a metal alloy.
  • the side pads 600 may be disposed on both sides of the battery cell stack 200 to supplement the rigidity of the battery module 100 . That is, the plate-shaped side pads 600 may be positioned between the both sides of the battery cell stack 200 and the elastic member 700 .
  • the front side means the surface of the battery cell stack 200 in the y-axis direction
  • the back side means the surface of the battery cell stack 200 in the -y-axis direction
  • both sides are each of the battery cell stack 200 .
  • the lower surface means a surface in the -z-axis direction of the battery cell stack 200
  • the upper surface means a surface in the z-axis direction of the battery cell stack 200 .
  • the front and rear surfaces of the battery cell stack 200 may be surfaces on which the protruding first and second electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 are located.
  • the battery module 100 shown in FIG. 8 is an exemplary structure of one of the battery modules including the battery cell stack 200 and the cooling fins 300 . That is, although not specifically shown, the battery module according to another embodiment of the present invention may be manufactured by accommodating the battery cell stack 200 in the module frame and the end plate and then welding the module frame and the end plate. .
  • FIG. 9 is an exploded perspective view illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 10 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line B-B' of FIG. At this time, FIG. 10 assumes that the battery module 100 of FIG. 9 , the thermal conductive resin layer 1300 , and the bottom 1110 of the pack frame 1100 are in contact with each other unlike FIG. it has been shown
  • the battery pack 1000 includes a battery module 100 , a pack frame 1100 accommodating the battery module 100 , and the battery module 100 and the pack.
  • a thermally conductive resin layer 1300 positioned between the bottom portions 1110 of the frame 1100 is included.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 200 and a cooling fin 300 as described above. Since the description of the battery module 100 is redundant with the above-mentioned content, it will be omitted.
  • the battery pack 1000 may further include an upper cover 1200 covering the pack frame 1100 . That is, a plurality of battery modules 100 may be accommodated between the pack frame 1100 and the upper cover 1200 .
  • the thermally conductive resin layer 1300 may be formed by applying a thermally conductive resin to the bottom 1110 . Specifically, the thermally conductive resin is applied on the bottom 1110, the battery module 100 according to the present embodiment is placed thereon, and then the thermally conductive resin is cured to form the thermally conductive resin layer 1300. can be formed.
  • the thermally conductive resin may include a thermally conductive adhesive material, and specifically, may include at least one of a silicone material, a urethane material, and an acrylic material.
  • the thermally conductive resin may serve to fix the plurality of battery cells 110 constituting the battery cell stack 200 by being liquid during application or curing after application. In addition, it is possible to prevent overheating of the battery pack 1000 by quickly transferring heat generated from the battery module 100 to the bottom 1110 due to its excellent thermal conductivity.
  • the lower portion of the elastic member 700 may be opened to expose the lower surface of the battery cell stack 200 .
  • a lower surface of the battery cell stack 200 may be in contact with the thermally conductive resin layer 1300 . Since the battery cell 110 according to this embodiment is in direct contact with the thermal conductive resin layer 1300 as shown in FIG. 10 , the heat transfer path in the downward direction of the battery module 100 is simplified, and an air gap, etc. can reduce the possibility of the occurrence of air layers of Accordingly, it is possible to increase the cooling performance of the battery module 100 and the battery pack 1000 including the same.
  • the cooling fins 300 extend from the lower surface of the battery cell stack 200 to contact the thermally conductive resin layer 1300 . Since the lower surface of the battery cell stack 200 is exposed, the cooling fins 300 located between the battery cells 110 may directly contact the thermally conductive resin layer 1300 on the bottom portion 1110 . By configuring the cooling fins 300 facing the battery cells 110 to directly contact the thermally conductive resin layer 1300 , heat dissipation performance can be maximized.
  • each battery cell 110 constituting the battery module 100 is fixed while in contact with the thermal conductive resin layer 1300 , structural safety can be supplemented.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery module or battery pack may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, etc., but is not limited thereto and may be applied to various devices that can use secondary batteries.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀들 사이에 위치하는 냉각핀을 포함한다. 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된다. 상기 냉각핀은, 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 포함한다. 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은, 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드가 돌출되는 방향과 평행한 방향을 따라 서로 이격되어 위치하고, 상기 제3 구역은 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역 사이에 위치한다. 상기 제3 구역의 두께는, 상기 제1 구역의 두께 및 상기 제2 구역의 두께보다 얇다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 1월 11일자 한국 특허 출원 제10-2021-0003180호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 냉각핀을 구비한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(20)를 포함할 수 있다. 전지셀(11)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 전지셀(11) 사이에는 열전도도가 높은 금속 판재의 냉각핀(30)이 배치될 수 있다. 일반적으로, 냉각핀(30)은 일정한 두께를 갖는 판상형의 부재이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 다양한 각도에 바라본 평면도이다. 구체적으로, 도 2a는 도 1의 전지셀(11)을 xy 평면 상에서 -z축 방향으로 바라본 평면도이고, 도 2b는 도 1의 전지셀(11)을 yz평면 상에서 -x축 방향으로 바라본 평면도이다.
먼저 도 2a를 참고하면, 전지셀(11)이 반복적으로 충, 방전되는 과정에서, 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(11)이 부풀어오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 스웰링 정도를 비교해보면, 점선으로 표시된 부분과 같이 전극 리드(11L)가 돌출되는 양 단부보다 중심부가 훨씬 크게 부풀어오른다. 각 전지셀(11)의 스웰링을 억제하지 못할 경우, 다수의 전지셀(11)이 적층된 전지 모듈(10)의 구조적 변형을 일으킬 수 있고, 또 전지 모듈(10)의 내구성에 악영항을 미칠 수 있다.
다음, 도 2b를 참고하면, 전지셀(11)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면, 전지셀(11) 중에서 전극 리드(11L) 부분에 많은 열이 발생한다. 이에 따라, 전극 리드(11L)가 돌출되는 방향의 단부를 포함하는 영역인 테라스부(T1, T2)가 다른 부분보다 발열 정도가 심하다. 즉, 테라스부(T1, T2)가 테라스부(T1, T2) 사이의 중앙부(M)보다 높은 온도를 보인다. 전지셀(11)의 각 부분 간 온도 불균형은 성능 및 수명 저하의 원인이 된다.
이에, 전지셀의 스웰링을 효과적으로 제어함과 동시에 전지셀의 각 부분 간 온도 편차를 줄일 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀의 스웰링을 제어하고, 전지셀의 각 부분 간 온도 편차를 줄일 수 있는 냉각핀을 갖춘 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀들 사이에 위치하는 냉각핀을 포함한다. 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된다. 상기 냉각핀은, 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 포함한다. 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은, 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드가 돌출되는 방향과 평행한 방향을 따라 서로 이격되어 위치하고, 상기 제3 구역은 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역 사이에 위치한다. 상기 제3 구역의 두께는, 상기 제1 구역의 두께 및 상기 제2 구역의 두께보다 얇다.
상기 전지셀은, 제1 테라스부, 제2 테라스부 및 상기 제1 테라스부와 상기 제2 테라스부 사이에 위치한 중앙부를 포함할 수 있다. 상기 제1 테라스부의 일 단부로부터 상기 제1 전극 리드가 돌출될 수 있고, 상기 제2 테라스부의 일 단부로부터 상기 제2 전극 리드가 돌출될 수 있다. 상기 제1 구역, 상기 제2 구역 및 상기 제3 구역이, 각각 상기 제1 테라스부, 상기 제2 테라스부 및 상기 중앙부와 대응하여 위치할 수 있다.
상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제1 테라스부와 상기 제1 구역 사이의 간격보다 넓을 수 있다.
상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제2 테라스부와 상기 제2 구역 사이의 간격보다 넓을 수 있다.
상기 제1 구역과 상기 제2 구역은, 상기 제3 구역과 가까워질수록 두께가 얇아질 수 있다.
상기 제1 구역과 상기 제2 구역은 각각 내부에 빈 공간이 형성될 수 있다.
상기 냉각핀은 내부에 공기층이 형성된 금속 판재일 수 있다.
상기 전지셀은 파우치형 전지셀일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 포함하고, 상기 냉각핀이 상기 전지셀 적층체의 하면으로부터 연장되어 상기 열전도성 수지층과 접촉한다.
상기 전지셀 적층체의 하면이 상기 열전도성 수지층과 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 부분마다 두께가 다르게 구현된 냉각핀을 전지셀들 사이에 배치하여, 전지셀의 스웰링 시 전지셀의 각 부분에 균일하게 압력이 작용할 수 있다.
또한, 전지셀 중 발열이 심한 부분과 냉각핀 간의 접촉성을 높일 수 있어, 전지셀의 온도 편차를 줄일 수 있다.
또한, 냉각핀 내부에 공기층을 마련함으로써, 냉각 및 방열 성능을 갖춤과 동시에 어느 한 전지셀로부터 발생한 화재나 열이 이웃한 전지셀로 전파되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 다양한 각도에 바라본 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체 및 냉각핀을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3의 냉각핀을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 7의 도 6의 전지셀이 스웰링 시의 모습을 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다.
도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체 및 냉각핀을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지셀 적층체에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다. 도 5는 도 3의 냉각핀을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 이 때, 도 6은 설명의 편의를 위해 하나의 전지셀과 하나의 냉각핀만을 나타내었고, 전지셀 내부의 전극 조립체 등은 도시를 생략하였다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)를 포함하는 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(200); 및 전지셀(110)들 사이에 위치하는 냉각핀(300)을 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 전지셀(110)로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출된다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)가 셀 본체(113)를 기준으로 서로 대향하여 일 단부(114a)와 타 단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다. 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 서로 다른 극성으로써, 일례로, 그 중 하나는 양극 리드(111)일 수 있고, 다른 하나는 음극 리드(112)일 수 있다. 즉, 하나의 전지셀(110)을 기준으로 양극 리드(111)와 음극 리드(112)가 서로 대향하는 방향으로 돌출될 수 있다.
한편, 전지셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
한편, 도 4와 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 제1 테라스부(T1), 제2 테라스부(T2) 및 제1 테라스부(T1)와 제2 테라스부(T2) 사이에 위치한 중앙부(M)를 포함할 수 있다. 즉, 셀 본체(113)가 제1 테라스부(T1), 제2 테라스부(T2) 및 중앙부(M)로 구분될 수 있다.
여기서, 제1 테라스부(T1)는 제1 전극 리드(111)가 돌출되는 일 단부(114a)를 포함하는 영역이고, 제2 테라스부(T2)는 제2 전극 리드(112)가 돌출되는 타 단부(114b)를 포함하는 영역이다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(200)를 형성한다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)는 각각 y축 방향과 -y축 방향으로 돌출될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은, 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330)을 포함한다. 제1 구역(310) 및 제2 구역(320)은, 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)가 돌출되는 방향과 평행한 방향(y축 방향)을 따라 서로 이격되어 위치하고, 제3 구역(330)은 제1 구역(310) 및 제2 구역(320) 사이에 위치한다.
이 때, 제3 구역(330)의 두께(t3)은, 제1 구역(310)의 두께(t1) 및 제2 구역의 두께(t2)보다 얇다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112)가 돌출되는 방향과 평행한 방향(y축 방향)을 기준으로, 그 양 단부가 중심부보다 두께가 두꺼운 구조를 갖는다. 구체적으로, 냉각핀(300)의 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330)이, 각각 전지셀(110)의 제1 테라스부(T1), 제2 테라스부(T2) 및 중앙부(M0와 대응하여 위치할 수 있다. 본 실시예에 따라 두께 차이를 갖는 냉각핀(300)이 전지셀(110)들 사이에 배치될 때, 중앙부(M)와 제3 구역(330) 사이의 간격(d3)이, 제1 테라스부(T1)와 제1 구역(310) 사이의 간격(d1)보다 넓다. 또한 중앙부(M)와 제3 구역(330) 사이의 간격(d3)이, 제2 테라스부(T2)와 제2 구역(320) 사이의 간격(d2)보다 넓다. 도 6에서는 설명의 편의를 위해 두께 차이 및 간격 차이를 다소 과장되게 표현하였다.
이러한 냉각핀(300)은 열전도도가 높은 금속 소재를 포함할 수 있다. 구체적인 소재의 제한은 없고, 일례로 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 도 3에서는 하나의 냉각핀(300)만을 도시하였으나, 전지셀(110)들 사이 각각에 본 실시예에 따른 냉각핀(300)이 모두 위치할 수 있다.
이하에서는, 도 2a, 도 6 및 도 7을 참고하여, 본 실시예에 따른 냉각핀이, 전지셀의 스웰링 제어 있어서 갖는 장점에 대해 설명하도록 한다.
도 2a와 도 7을 참고하면, 전지셀(11)이 반복적으로 충, 방전되는 과정에서, 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(11)이 부풀어오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 현상이 발생할 수 있다. 스웰링 정도를 비교해보면, 전지셀(11)의 중심부가 더 크게 팽창된다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)도 마찬가지로 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)보다 중앙부(M)가 더 크게 팽창된다.
종래의 판상형의 냉각핀(30)은 일정한 두께를 갖기 때문에 구역마다 팽창 정도가 다른 전지셀(11)을 효과적으로 제어하지 못한다. 반면, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 양단 부분인 제1 구역(310)과 제2 구역(320)이 제3 구역(330)보다 두께가 두껍기 때문에 전지셀(110)의 스웰링 시 전지셀(110)에 대해 균일한 압력을 인가할 수 있다. 즉, 다시 말해, 전지셀(110)의 구역 간 스웰링 정도의 차이를 고려하여, 균일한 탄성력이 작용할 수 있도록 제1 구역(310)과 제2 구역(320)의 두께(t1, t2)를 제3 구역(330)의 두께(t3)보다 두껍게 설정하였다. 이와 같이, 전지셀(110)의 스웰링에 대해 작용하는 압력 편차를 최소화시킬 수 있으므로, 스웰링으로 인한 전지 모듈(100)의 구조적 변형을 방지하고, 전지 모듈(100)의 내구성을 높일 수 있다.
상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 파우치형 전지로써, 셀 케이스(114)의 실링에 의해 제조된다. 실링 구조에 따라, 제1 테라스부(T1) 및 제2 테라스부(T2)는, 각각 제1 전극 리드(111) 및 제2 전극 리드(112) 방향으로 갈수록 두께가 감소하는 구조를 형성할 수 있다. 이러한 제1 테라스부(T1) 및 제2 테라스부(T2)와 보다 가까이 마주할 수 있게, 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은, 제3 구역(330)과 가까워질수록 두께가 얇아지도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은 각각의 외측에서 제3 구역(330) 쪽으로 갈수록 두께가 얇아질 수 있다. 이러한 냉각핀(300)은, 제1 테라스부(T1) 및 제2 테라스부(T2)와 밀접하게 대응할 수 있어, 스웰링 제어에 효과적일 수 있다.
한편, 도 2b, 도 4 및 도 6을 참고하면, 전지셀(11)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면, 전지셀(11) 중에서 전극 리드(11L) 부분에 많은 열이 발생한다. 이에 따라, 전극 리드(11L)가 돌출되는 방향의 단부를 포함하는 영역인 테라스부(T1, T2)가 다른 부분보다 발열 정도가 심하다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)도 마찬가지로 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)가 중앙부(M)보다 더 높은 온도를 보인다. 경우에 따라 다르지만, 심한 경우 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)가 중앙부(M)보다 약 섭씨 4.5도 정도 더 높은 온도를 보일 수 있다.
부분마다 발열 정도의 차이가 심한 전지셀(110)에 대해 종래의 판상형의 냉각핀(30)은 일정한 두께를 갖기 때문에 전지셀(110)의 부분 간 온도 편차를 해소하기 어렵다. 이와 달리 본 실시예에 따른 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은, 제3 구역(330)과 중앙부(M) 사이와 비교할 때, 제1 테라스부(T1) 및 제2 테리스부(T2)와 가까이 위치할 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지셀 중 발열이 심한 부분과 접촉성 및 밀착성을 높일 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110)의 발열이 심한 부분에서 열 발산이 효과적으로 이루어질 수 있고, 하나의 전지셀(110)에 대해 각 부분간 온도 편차를 최소화 할 수 있다. 전지셀(110)의 각 부분간 온도 편차는, 종국적으로 전지 모듈(100)의 성능 저하의 원인이 되기 때문에 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지 모듈의 성능 및 수명 향상에 기여를 할 수 있다.
한편, 도 6을 다시 참고하면, 제1 구역(310)과 제2 구역(320)은 각각 내부에 빈 공간이 형성될 수 있다. 앞서 설명한 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330) 간의 두께 차이를 구현하기 위해 제1 구역(310), 제2 구역(320) 내부에 빈 공간을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 냉각핀(300)은 내부에 공기층(AL)이 형성된 금속 판재일 수 있다. 일례로, 알루미늄(Al)과 같은 금속 판재가 2층 구조를 이루고 그 사이에 공기층(AL)이 형성된 구조일 수 있다. 제1 구역(310), 제2 구역(320) 및 제3 구역(330) 간의 두께 차이는, 금속 판재의 간격을 조절하여 구현할 수 있다.
종래의 냉각핀(30, 도 1 참고)과 같이 단순히 단일의 금속 판재인 경우, 전지셀(11)에서 발생한 열을 전달하는 데는 문제가 없으나, 전지셀(11)에서 발생한 화재가 이웃한 전지셀(11)들로 전파되는 것을 차단하기엔 어려움이 있다. 반면, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 내부에 공기층(AL)이 형성되며, 이러한 공기층(AL)은 단열층으로 기능할 수 있다. 어느 한 전지셀(110)에 발열로 인한 화재가 발생하더라도, 전지셀(110)들 사이에 구비된 공기층(AL)으로 인해 이웃한 전지셀(110)들로 화재나 열이 전파되는 것을 지연시킬 수 있다. 즉, 주변 전지셀(110)로 화재가 전파되는 시간을 확보하여 전지 모듈(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다. 특히, 해당 전지 모듈(100)이 차량용 전지팩에 포함되는 경우, 전지셀(110) 간의 화재의 전파를 지연시켜 운전자가 화재로부터 대피할 수 있는 시간적 여유를 확보할 수 있다. 아울러, 상기 2층 구조의 금속 판재가 각각 전지셀(110)들과 마주하고 있기 때문에 전지 모듈(100)의 상부 방향이나 하부 방향으로의 열 전달에는 이상이 없다. 특히, 냉각핀(300)이 후술하는 열전도성 수지층(1300)과 직접 접촉하기 때문에 열 전달 성능 저하의 우려가 없다. 즉, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은, 냉각 및 방열 성능을 갖춤과 동시에 어느 한 전지셀로부터 발생한 화재가 이웃한 전지셀로 전파되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)이 2층 구조의 금속 판재이기 때문에 전지셀(110)의 스웰링에 대하여 탄성 복원력이 작용하기 용이하다. 이러한 탄성 복원력에 의해 전지셀(110)의 스웰링 시 반대편에 위치한 전지셀(110)에 전달 되는 압력을 축소할 수 있다. 즉, 스웰링 제어에 보다 용이하다.
이하에서는, 도 3 및 도 8을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하도록 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(200), 제1 및 제2 센싱 블록(410, 420), 탄성부재(700) 및 측면 패드(600)를 포함할 수 있다. 전지셀 적층체(200)는 앞서 설명한 바대로, 전지셀(110)들이 냉각핀(300)을 사이에 두고 적층되어 형성될 수 있다.
제1 센싱 블록(410)과 제2 센싱 블록(420)은 전기적 절연을 띄는 소재를 포함할 수 있으며, 일례로 플라스틱 소재, 고분자 소재 또는 복합 소재를 포함할 수 있다. 또한, 제1 센싱 블록(410)과 제2 센싱 블록(420)은 일종의 바스켓 형태를 가지고, 전지셀 적층체(200) 전면 및 후면을 각각 덮도록 구성될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀(110)의 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)가 제1 센싱 블록(410)이나 제2 센싱 블록(420)에 형성된 슬릿을 통과한 뒤 서로 접합하여 전극 리드 접합체를 형성할 수 있다.
탄성부재(700)는 제1 센싱 블록(410), 제2 센싱 블록(420) 및 전지셀 적층체(200)의 양 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 특히, 탄성부재(700)의 상부와 하부가 개방되어 전지셀 적층체(200)의 상면 및 하면이 외부에 노출될 수 있고, 이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 열 발산에 효과적일 수 있다. 탄성부재(700)는 소정의 탄성력을 가진다면 그 소재에 특별한 제한은 없으나, 일례로 고분자 폴리머 합성소재, FRB(Fiber-reinforced plastic) 등의 복합 재료 및 금속 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
측면 패드(600)는 전지셀 적층체(200)의 상기 양 측면에 배치되어, 전지 모듈(100)의 강성을 보완할 수 있다. 즉, 판상형의 측면 패드(600)가 전지셀 적층체(200)의 상기 양 측면과 탄성부재(700) 사이에 위치할 수 있다.
여기서 전면은 전지셀 적층체(200)의 y축 방향의 면을 의미하고, 후면은 전지셀 적층체(200)의 -y축 방향의 면을 의미하며, 양 측면은 각각 전지셀 적층체(200)의 x축 및 -x축 방향의 면을 의미한다. 또한, 하면은 전지셀 적층체(200)의 -z축 방향의 면을 의미하고, 상면은 전지셀 적층체(200)의 z축 방향의 면을 의미한다. 다만 이는 설명의 편의를 위해 지칭한 면들이며, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다. 전지셀 적층체(200)의 전면 및 후면은 전지셀(110)의 돌출된 제1 및 제2 전극 리드(111, 112)들이 위치한 면일 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(200)와 냉각핀(300)을 포함하는 전지 모듈 중 하나의 예시적 구조다. 즉, 구체적으로 도시하지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지셀 적층체(200)를 모듈 프레임과 엔드 플레이트에 수납한 뒤 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 용접 접합하여 제조될 수 있다.
이하에서는 도 9 및 도 10을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다. 도 10은 도 9의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 이 때, 도 10은, 도 9의 전지 모듈(100), 열전도성 수지층(1300) 및 팩 프레임(1100)의 바닥부(1110)가 도 9와 달리 서로 접촉한 상태임을 가정하고 그 단면을 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1100) 및 전지 모듈(100)과 팩 프레임(1100)의 바닥부(1110) 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층(1300)을 포함한다.
전지 모듈(100)은 앞서 설명한 바 대로, 전지셀 적층체(200) 및 냉각핀(300)을 포함한다. 전지 모듈(100)에 대한 설명은 앞서 언급한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.
전지팩(1000)은 팩 프레임(1100)을 덮는 상부 커버(1200)를 더 포함할 수 있다. 즉, 다수의 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1100)와 상부 커버(1200) 사이에 수납될 수 있다.
열전도성 수지층(1300)은, 바닥부(1110)에 열전도성 수지(Thermal resin)를 도포하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 열전도성 수지를 바닥부(1110) 상에 도포하고, 그 위에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)을 위치시킨 다음, 상기 열전도성 수지가 경화되어 열전도성 수지층(1300)이 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(200)를 구성하는 복수의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지 모듈(100)에서 발생한 열을 신속히 바닥부(1110)로 전달하여 전지팩(1000)의 과열을 방지할 수 있다.
도 3, 도 8 내지 도 10을 참고하면, 상술한 바 대로, 탄성부재(700)의 하부가 개방되어 전지셀 적층체(200)의 하면이 노출될 수 있다. 전지셀 적층체(200)의 하면은 열전도성 수지층(1300)과 접촉할 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 도 10에 도시된 바와 같이 열전도성 수지층(1300)과 직접 접촉하기 때문에 전지 모듈(100)의 하측 방향으로의 열 전달 경로가 단순화되고, 에어 갭 등의 공기층의 발생 가능성을 줄일 수 있다. 따라서, 전지 모듈(100) 및 이를 포함하는 전지팩(1000)의 냉각 성능을 높일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 냉각핀(300)은 전지셀 적층체(200)의 하면으로부터 연장되어 열전도성 수지층(1300)과 접촉한다. 전지셀 적층체(200)의 하면이 노출되어 있기 때문에 전지셀(110)들 사이에 위치한 냉각핀(300)이 바로 바닥부(1110) 상의 열전도성 수지층(1300)과 접촉할 수 있다. 전지셀(110)과 대면하는 냉각핀(300)을 직접 열전도성 수지층(1300)과 접촉하도록 구성함으로써, 열 배출 성능을 극대화시킬 수 있다.
한편, 전지팩(1000)의 구조적 안전성을 위해 노출되는 전지셀(110)을 고정하는 것이 필수적이다. 전지 모듈(100)을 구성하는 각각의 전지셀(110)이 열전도성 수지층(1300)에 접촉한 채 고정되므로, 구조적 안전성을 보완할 수 있다.
또한, 전지팩(1000)의 높이 방향에 대한 부품의 개수가 줄어 들기 때문에 공간 활용도를 높일 수 있어 전지 모듈의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 전지 모듈
110: 전지셀
300: 냉각핀
310: 제1 구역
320: 제2 구역
330: 제3 구역

Claims (10)

  1. 제1 전극 리드 및 제2 전극 리드를 포함하는 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀들 사이에 위치하는 냉각핀을 포함하고,
    상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드는, 상기 전지셀로부터 서로 대향하는 방향으로 돌출되며,
    상기 냉각핀은, 제1 구역, 제2 구역 및 제3 구역을 포함하고,
    상기 제1 구역 및 상기 제2 구역은, 상기 제1 전극 리드 및 상기 제2 전극 리드가 돌출되는 방향과 평행한 방향을 따라 서로 이격되어 위치하고,
    상기 제3 구역은 상기 제1 구역 및 상기 제2 구역 사이에 위치하며,
    상기 제3 구역의 두께는, 상기 제1 구역의 두께 및 상기 제2 구역의 두께보다 얇은 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀은, 제1 테라스부, 제2 테라스부 및 상기 제1 테라스부와 상기 제2 테라스부 사이에 위치한 중앙부를 포함하고,
    상기 제1 테라스부의 일 단부로부터 상기 제1 전극 리드가 돌출되며,
    상기 제2 테라스부의 일 단부로부터 상기 제2 전극 리드가 돌출되고,
    상기 제1 구역, 상기 제2 구역 및 상기 제3 구역이, 각각 상기 제1 테라스부, 상기 제2 테라스부 및 상기 중앙부와 대응하여 위치하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제1 테라스부와 상기 제1 구역 사이의 간격보다 넓은 전지 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 중앙부와 상기 제3 구역 사이의 간격이, 상기 제2 테라스부와 상기 제2 구역 사이의 간격보다 넓은 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 구역과 상기 제2 구역은, 상기 제3 구역과 가까워질수록 두께가 얇아지는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 구역과 상기 제2 구역은 각각 내부에 빈 공간이 형성되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 냉각핀은 내부에 공기층이 형성된 금속 판재인 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 전지셀은 파우치형 전지셀인 전지 모듈.
  9. 제1항에 따른 전지 모듈;
    상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및
    상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 포함하고,
    상기 냉각핀이 상기 전지셀 적층체의 하면으로부터 연장되어 상기 열전도성 수지층과 접촉하는 전지팩.
  10. 제9항에서,
    상기 전지셀 적층체의 하면이 상기 열전도성 수지층과 접촉하는 전지팩.
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