WO2022216016A1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 ess - Google Patents

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조영범
구원회
윤한기
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신진규
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and an ESS (Energy storage system) including the same, and more particularly, to a battery module having a structure capable of minimizing temperature deviation over the entire area of the battery module and an ESS including the same it's about
  • the cooling member is made of a metal material, there is an advantage in cooling due to high thermal conductivity compared to the case where the cooling member is made of another material such as a resin material.
  • the cooling required for the ESS through measures such as structural supplementation It is possible to meet the performance.
  • the present invention has been devised in consideration of the above-described problems, and an object of the present invention is to minimize the occurrence of temperature deviations for each location in the battery module by enabling uniform cooling over the entire area of the battery module.
  • the cooling liquid is discharged to the outside of the cooling member to perform cooling through direct contact with the battery module. and/or to prevent a fire from occurring due to an abnormal temperature rise of the ESS.
  • Another aspect of the present invention is to prevent leakage of the cooling member and/or strengthen the fixing force of the battery cell and/or simplify the electrical connection structure and/or increase the assembly rigidity of the battery module through structural improvement of the battery module. The purpose.
  • a plurality of sub-modules including a cooling member having a coolant flow path and a plurality of battery cells disposed on both surfaces of the cooling member are stacked, a sub-module stack formed; and a pair of bus bar frame assemblies coupled to one side and the other side of the sub-module stack to electrically connect the plurality of battery cells.
  • a pair of electrode leads provided in the plurality of battery cells may each extend in opposite directions along a width direction of the cooling member, and the plurality of battery cells may be disposed on both surfaces of the cooling member on both surfaces of the cooling member. may be disposed along the longitudinal direction of
  • the cooling liquid passage may reciprocate between one side and the other side in the longitudinal direction of the cooling member and extend from one side in the width direction of the cooling member to the other side.
  • the cooling member may include: a first flow path plate having a first flow path groove; and a second passage plate having a second passage groove coupled to the first passage groove to form the coolant passage. may include.
  • the first flow path plate and the second flow path plate may be made of a resin material, and an ultrasonic welding portion may be formed at a bonding interface between the first flow path plate and the second flow path plate.
  • the first flow path plate may include ultrasonic welding bases respectively formed on both sides of the first flow path groove.
  • the second flow path plate may include at least one ultrasonic welding rib formed on both sides of the second flow path groove, respectively.
  • a plurality of ultrasonic welding ribs may be provided, and the plurality of ultrasonic welding ribs may be disposed to be spaced apart from each other.
  • a depth of the first flow path groove may be in the range of 1/2 to 1/5 of a thickness of the first flow path plate.
  • a depth of the second flow path groove may be in the range of 1/2 to 1/5 of a thickness of the second flow path plate.
  • the pair of bus bar frame assemblies may connect a pair of battery cells facing each other with the cooling member interposed therebetween, and may connect adjacent battery cells in series along a longitudinal direction of the cooling member, , submodules adjacent to each other can be connected in series.
  • the battery module may include: a base plate covering a lower surface of the sub-module stack; a top plate covering an upper surface of the sub-module stack; and a plurality of straps surrounding the periphery of the battery module so that the base plate and the top plate press the module stack. may further include.
  • the battery module may further include a module inlet and a module outlet connected to the coolant passage, and the module inlet and the module outlet may be provided on the same surface of the battery module.
  • the battery module may further include a first module terminal and a second module terminal electrically connected to the sub-module stack, wherein the first module terminal and the second module terminal are on the same surface of the battery module.
  • the ESS according to an exemplary embodiment of the present invention for solving the above-described problems includes at least one battery module according to an exemplary embodiment of the present invention as described above.
  • uniform cooling can be achieved over the entire area of the battery module, and accordingly, the occurrence of a temperature deviation for each location in the battery module can be minimized.
  • the cooling liquid is discharged to the outside of the cooling member to enable cooling through direct contact with the battery cells, thereby It is possible to prevent a fire caused by an abnormal temperature rise of the battery module and/or ESS, or to quickly extinguish a fire that has already occurred.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view illustrating a state in which an exterior sheet is removed from the battery module shown in FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view showing a state in which the top plate and the front plate are removed from the battery module shown in FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a view illustrating a state in which the bus bar frame assembly is removed from the battery module shown in FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a diagram showing a sub-module of the present invention.
  • FIG. 7 and 8 are views showing a cooling member of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing one surface of a second flow path plate of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a cross-section taken along line A-A' of FIG. 7 .
  • FIG. 11 is a view showing a cross-section taken along line B-B' of FIG. 4 .
  • FIG. 12 is a view showing an electrical connection structure by the bus bar frame assembly of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are views illustrating an example in which a strap is applied to the battery module shown in FIG. 3 .
  • 15 and 16 are partially enlarged views illustrating one surface of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 1 includes a sub-module stack 10 and a pair of bus bar frames coupled to the sub-module stack 10 . assembly 20 .
  • the sub-module stack 10 is formed by stacking a plurality of sub-modules 100 in a height direction (parallel to the Z-axis) of the battery module 1 .
  • the sub-module 100 includes a plurality of battery cells 110 and a cooling member 120 accommodating the plurality of battery cells 110 .
  • the sub-module stack 10 may further include a pair of cover sheets S for covering the pair of sub-modules 100 disposed on the outermost side of the stack.
  • the cover sheet S may be made of an insulating material.
  • the battery cell 110 may be, for example, a pouch type battery cell.
  • the battery cell 110 is provided with a pair of electrode leads 111 respectively drawn out to both sides of the longitudinal direction (parallel to the Y-axis).
  • the plurality of battery cells 110 are disposed on both surfaces of the cooling member 120 .
  • the plurality of battery cells 110 are disposed adjacent to each other along the longitudinal direction (parallel to the X-axis) of the cooling member 120 on both surfaces of the cooling member 120 . Accordingly, the pair of electrode leads 111 provided in the battery cell 110 extend in opposite directions along the width direction (parallel to the Y-axis) of the cooling member 120 .
  • the cooling member 120 includes a cooling liquid flow path P formed therein.
  • the cooling liquid flow path P reciprocates between one side and the other side in the longitudinal direction (parallel to the X-axis) of the cooling member 120 and from one side in the width direction (parallel to the Y-axis) of the cooling member 120 . extended to the other side.
  • the coolant flow path P communicates with the outside of the cooling member 120 through a pair of coolant ports P1 and P2 .
  • One of the pair of coolant ports P1 and P2 functions as a coolant inlet in the cooling member 120
  • the other functions as a coolant outlet in the cooling member 120 .
  • the pair of coolant ports P1 and P2 are provided in the same direction.
  • the pair of coolant ports P1 and P2 are provided on the same surface of the sub-module 100 .
  • the pair of coolant ports P1 and P2 are respectively provided on one side and the other side in the width direction (parallel to the Y-axis) of the sub-module 100 .
  • the cooling member 120 includes a first flow path plate 120A and a second flow path plate 120B.
  • the first flow path plate 120A has a first flow path groove G1.
  • the second flow path plate 120B includes a second flow path groove G2 coupled to the first flow path groove G1 to form a coolant flow path P.
  • the cooling liquid applied as a refrigerant includes all liquid refrigerants, and for example, cooling water without additives, cooling water containing additives, or insulating oil may be used as the cooling liquid of the present invention. have.
  • the first flow path plate 120A and the second flow path plate 120B are made of a resin material.
  • An ultrasonic welding portion is formed at a bonding interface between the first flow path plate 120A and the second flow path plate 120B. That is, the first flow path plate 120A and the second flow path plate 120B are coupled to each other by ultrasonic welding.
  • the cooling member 120 is formed on both surfaces of the plurality of partition walls 121 and 122 to provide a partitioned space in which the individual battery cells 110 can be accommodated.
  • each of the first flow path plate 120A and the second flow path plate 120B includes a first partition wall 121 and a second partition wall (120) protruding from the surface opposite to the surface on which the flow passage grooves G1 and G2 are formed. 122) is provided.
  • the first partition walls 121 extend along the width direction (parallel to the Y-axis) of the flow path plates 120A and 120B, and the distance between the first partition walls 121 adjacent to each other corresponds to the width of the battery cell 110 . do.
  • the second partition wall 122 is connected to the first partition wall 121 and is formed at both ends of the first partition wall 121 in the longitudinal direction (parallel to the Y-axis), respectively.
  • the second partition wall 122 extends in a direction substantially perpendicular to the first partition wall 121 .
  • the electrode lead 111 of the battery cell 110 is drawn out through a space formed between the second partition walls 120B adjacent to each other in the longitudinal direction of the flow path plates 120A and 120B.
  • the first flow path plate 120A includes ultrasonic welding bases 123 respectively formed on both sides of the first flow path groove G1.
  • the second flow path plate 120B includes at least one ultrasonic welding rib 124 formed on both sides of the second flow path groove G2, respectively.
  • the ultrasonic welding rib 124 corresponds to the ultrasonic welding base 123 so as to be in contact with the ultrasonic welding base 123 when the first flow path plate 120A and the second flow path plate 120B are in contact with each other and are combined. provided in a location where
  • the ultrasonic welding ribs 124 are joined on the ultrasonic welding base 123 by ultrasonic welding.
  • each of the ultrasonic welding ribs 124 may be disposed to be spaced apart from each other.
  • the sealing formed on both sides of the coolant flow passage P may be made more robust, thereby preventing the coolant from leaking to the outside of the coolant flow passage P.
  • the depth of the first flow path groove G1 may be in the range of about 1/2 to 1/5 of the thickness of the first flow path plate 120A.
  • the thickness range of the first flow path groove G1 is for cooling efficiency, and in an emergency situation such as thermal runaway, the resin injection product forming the bottom of the first flow path groove G1 is rapidly melted, so that the cooling liquid is transferred to the first flow path plate. This is to enable more rapid cooling and/or fire extinguishing by directly contacting the first battery cell 110A in contact with 120A.
  • the depth of the second flow path groove G2 may be in the range of about 1/2 to 1/5 of the thickness of the second flow path plate 120B.
  • the thickness range of the second flow path groove G2 is for cooling efficiency, and in an emergency situation such as thermal runaway, the resin injection product forming the bottom of the second flow path groove G2 is rapidly melted, so that the cooling liquid is transferred to the second flow path plate. This is to enable faster cooling and/or digestion by directly contacting the second battery cell 110B in contact with 120B.
  • the bus bar frame assembly 20 includes a bus bar frame 21 coupled to the side of the sub-module stack 10 and a plurality of bus bar frames disposed on the bus bar frame 21 and coupled to a plurality of electrode leads 111 . of the bus bar 22 .
  • the pair of bus bar frame assemblies 20 connect a pair of battery cells 110A and 110B facing each other with the cooling member 120 interposed therebetween in parallel, and in the longitudinal direction of the cooling member 120 ( The battery cells 110 adjacent to each other are connected in series along the direction parallel to the X-axis.
  • the pair of bus bar frame assemblies 20 connect the sub-modules 100 adjacent to each other in series along the height direction (parallel to the Z-axis) of the sub-module stack 10 .
  • the battery module 1 according to an embodiment of the present invention may have, for example, an electrical connection form of 32S2P according to such a connection method.
  • the battery module 1 may further include a first module terminal T1 and a second module terminal T2 electrically connected to the bus bar 22 .
  • the first module terminal T1 and the second module terminal T2 are electrically connected to the sub-module stack 10 through the bus bar 22 to function as a high-potential terminal of the battery module 1 .
  • the first module terminal T1 and the second module terminal T2 are provided on the same surface of the battery module 1 and extend in the same direction.
  • the battery module 1 includes a base plate 30 covering the lower surface of the sub-module stack 10 and an upper surface of the sub-module stack 10 .
  • a top plate 40 may be further included.
  • the width of the base plate 30 may be greater than the width of the top plate 40 .
  • the battery module 1 may further include a plurality of straps 90 surrounding the circumference of the battery module 1 so that the base plate 40 and the top plate 50 press the module stack.
  • the strap 90 may be made of a steel material.
  • the plurality of straps 90 are disposed to be spaced apart from each other in the longitudinal direction (parallel to the X-axis) of the battery module 1 .
  • a plurality of strap grooves 31 for fixing the straps 90 may be formed in the base plate 30 .
  • the battery module 1 may further include a front plate 50 covering the front surface (a surface parallel to the Y-Z plane) of the module stack 10 .
  • the front plate 50 may have a hole formed so that the coolant ports P1 and P2 and the module terminals T1 and T2 provided on one surface of the sub-module stack 10 are drawn out.
  • the battery module 1 further includes an exterior sheet 60 covering a base plate 30 , a top plate 40 , and a pair of bus bar frame assemblies 20 .
  • the exterior sheet 60 may be made of an injection-molded sheet in the form of a sheet or an insulating film material.
  • the battery module 1 includes a connection pipe 70 for connecting the coolant flow paths P of each sub-module 100 constituting the sub-module stack 10 to each other. ) may be further included.
  • the connection pipe 70 may be provided in plurality, and each connection pipe 70 is adjacent to each other and connects a pair of coolant ports P1 or P2 provided in different layers.
  • the battery module 1 includes a module inlet 80A connected to a coolant port P2 located at the top of the sub-module stack 10 and a coolant port located at the bottom of the sub-module stack 10 . It may further include a module outlet (80B) connected to (P2).
  • the module inlet 80A and the module outlet 80B are provided on the same surface of the battery module 1 and extend in the same direction.
  • the battery module 1 has a structure capable of realizing uniform cooling over the entire area of the battery module 1, whereby each position in the battery module 1 is The occurrence of temperature variations can be minimized.
  • the cooling liquid is discharged to the outside of the cooling member 120 to directly contact the battery cell. It has a structure capable of realizing cooling and/or extinguishing through contact. Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent the occurrence of a fire due to an abnormal temperature rise of the battery module 1 or to quickly extinguish a fire that has already occurred.
  • the battery module 1 has a structure in which sealing properties can be increased at the joint portion between the pair of flow path plates 120A and 120B, thereby preventing leakage of the coolant.
  • an Energy Storage System includes at least one battery module 1 according to an embodiment of the present invention as described above.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 냉각액 유로를 구비하는 냉각 부재 및 상기 냉각 부재의 양 면 상에 배치되는 복수의 배터리 셀을 포함하는 서브 모듈이 복수개 적층되어 형성되는 서브 모듈 적층체; 및 상기 서브 모듈 적층체의 일 측 및 타 측에 결합되어 상기 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리; 를 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 ESS
본 발명은, 배터리 모듈 및 이를 포함하는 ESS(Energy storage system)에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 배터리 모듈의 전 영역에 걸쳐서 온도 편차를 최소화 할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 ESS에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 04월 05일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2021-0044323호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
ESS에 적용되는 기존의 수냉 시스템에서는 알루미늄 등의 금속 재질의 냉각 부재를 적용하는 것이 일반적이었다. 이러한 금속 재질의 냉각 부재를 적용하는 경우, 그러나, 이러한 금속 재질의 냉각 부재를 적용하여 냉각수의 경로(path)를 형성하는 경우 배터리 모듈 및/또는 ESS의 중량 증가 및 유로 형성을 위한 공정의 복잡화의 단점이 존재한다.
그 밖에도, ESS를 구성하는데 있어서, 금속 재질의 냉각 부재를 적용하는 경우 배터리 셀 및/또는 전기적 연결을 위한 부품과 냉각 부재 간의 접촉 방지를 위한 구조가 별도로 적용되어야 하기 떄문에 그에 따른 구조의 복잡화 역시 발생할 수 있다.
물론, 금속 재질로 냉각 부재를 구성하는 경우 수지 재질 등의 다른 재질로 냉각 부재를 구성하는 경우와 비교하여 높은 열전도율로 인해 냉각에 유리한 면이 있다.
그러나, ESS의 정상적인 사용 상태에서는 배터리 모듈의 온도가 대략 55℃ 이내라는 점을 고려한다면, 냉각 부재 자체가 갖는 열전도성이 금속 재료보다는 다소 낮더라도 구조적인 보완 등의 조치를 통해 ESS에 요구되는 냉각 성능을 충족시키는 것은 가능하다.
배터리 모듈 및/또는 ESS의 냉각에 있어서 중요한 것은 특정 부위에 대한 냉각 성능이 아니라 배터리 모듈 및/또는 ESS의 전체 영역에 걸쳐 고른 냉각으로 인해 온도 편차를 최소화 하는 것이다.
ESS의 정상적인 사용상태가 아닌, 열폭주 발생 등의 이상상황에 있어서는 냉각 부재의 내부를 흐르던 냉각수가 냉각 부재로부터 유출되어 더욱 신속한 냉각 또는 소화에 이용될 필요가 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 전체 영역에 걸쳐서 균일한 냉각이 이루어질 수 있도록 함으로써 배터리 모듈에서 위치별로 온도 편차가 발생하는 것을 최소화 하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 열 폭주 등의 이상 상황 발생 시에 있어서, 냉각액을 냉각 부재의 외부로 유출시켜 배터리 셀과 직접 접촉을 통한 냉각을 수행할 수 있도록 함으로써 배터리 모듈 및/또는 ESS의 비정상적인 온도 상승에 따른 화재 발생을 방지하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 그 밖에도 배터리 모듈의 구조적 개선을 통해 냉각 부재의 누수 방지 및/또는 배터리 셀의 고정력 강화 및/또는 전기적 연결 구조의 간소화 및/또는 배터리 모듈의 조립 강성 증대 등을 실현하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 냉각액 유로를 구비하는 냉각 부재 및 상기 냉각 부재의 양 면 상에 배치되는 복수의 배터리 셀을 포함하는 서브 모듈이 복수개 적층되어 형성되는 서브 모듈 적층체; 및 상기 서브 모듈 적층체의 일 측 및 타 측에 결합되어 상기 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리; 를 포함한다.
상기 복수의 배터리 셀에 구비되는 한 쌍의 전극 리드는, 상기 냉각 부재의 폭 방향을 따라 서로 반대 방향으로 각각 연장될 수 있으며, 상기 복수의 배터리 셀들은, 상기 냉각 부재의 양 면 상에서 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 배치될 수 있다.
상기 냉각액 유로는, 상기 냉각 부재의 길이 방향 일 측과 타 측 사이를 왕복하며 상기 냉각 부재의 폭 방향 일 측으로부터 타 측까지 연장될 수 있다.
상기 냉각 부재는, 제1 유로 홈을 구비하는 제1 유로 플레이트; 및 상기 제1 유로 홈과 결합되어 상기 냉각액 유로를 형성하는 제2 유로 홈을 구비하는 제2 유로 플레이트; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 유로 플레이트 및 제2 유로 플레이트는 수지 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 유로 플레이트와 제2 유로 플레이트의 접합 계면에는 초음파 융착부가 형성될 수 있다.
상기 제1 유로 플레이트는, 상기 제1 유로 홈의 양 측에 각각 형성되는 초음파 융착 베이스를 구비할 수 있다.
상기 제2 유로 플레이트는, 상기 제2 유로 홈의 양 측에 각각 형성되는 적어도 하나의 초음파 융착 리브를 구비할 수 있다.
상기 초음파 융착 리브는 복수 개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 상기 초음파 융착 리브는 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제1 유로 홈의 깊이는 상기 제1 유로 플레이트의 두께의 1/2 내지 1/5 범위로 형성될 수 있다.
상기 제2 유로 홈의 깊이는 상기 제2 유로 플레이트의 두께의 1/2 내지 1/5 범위로 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리는, 상기 냉각 부재를 사이에 두고 서로 대면하는 한 쌍의 배터리 셀을 병렬로 연결할 수 있고, 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 이웃하는 배터리 셀을 직렬로 연결할 수 있으며, 서로 인접한 서브 모듈을 직렬로 연결할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 서브 모듈 적층체의 하면을 커버하는 베이스 플레이트; 상기 서브 모듈 적층체의 상면을 커버하는 탑 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트와 탑 플레이트가 모듈 적층체를 가압하도록 상기 배터리 모듈의 둘레를 감싸는 복수의 스트랩; 을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 냉각액 유로와 연결되는 모듈 인렛 및 모듈 아웃렛을 더 포함할 수 있으며, 상기 모듈 인렛 및 모듈 아웃렛은, 상기 배터리 모듈의 동일 면 상에 구비될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 서브 모듈 적층체와 전기적으로 연결되는 제1 모듈 단자 및 제2 모듈 단자를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 모듈 단자 및 제2 모듈 단자는, 상기 배터리 모듈의 동일 면 상에 구비될 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 시리예에 따른 ESS는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈의 전체 영역에 걸쳐서 균일한 냉각이 이루어질 수 있고, 이에 따라 배터리 모듈에서 위치별로 온도 편차가 발생하는 것이 최소화 될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 열폭주 등의 이상상황 발생 시에 있어서, 냉각액을 냉각 부재의 외부로 유출시켜 배터리 셀과 직접 접촉을 통한 냉각이 가능하게 되며, 이로써 배터리 모듈 및/또는 ESS의 비정상적인 온도 상승에 따른 화재 발생을 방지하거나 또는 이미 발생된 화재를 신속히 진화할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리 모듈의 구조적 개선을 통해 냉각 부재의 누수 방지 및/또는 배터리 셀의 고정력 강화 및/또는 전기적 연결 구조의 간소화 및/또는 배터리 모듈의 조립 강성 증대 등을 실현할 수 있게된다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 유리한 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 외장 시트를 제거한 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 모듈에서 탑 플레이트 및 프론트 플레이트를 제거한 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 배터리 모듈에서 버스바 프레임 어셈블리를 제거한 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 서브 모듈을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 냉각 부재를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 유로 플레이트의 일 면을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 7의 A-A' 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 4의 B-B' 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 버스바 프레임 어셈블리에 의한 전기적 연결 구조를 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 도 3에 도시된 배터리 모듈에 스트랩이 적용된 예시를 나타내는 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일 면을 나타내는 부분 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 서브 모듈 적층체(10) 및 서브 모듈 적층체(10)에 결합되는 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(20)를 포함한다.
상기 서브 모듈 적층체(10)는, 복수의 서브 모듈(100)이 배터리 모듈(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 적층되어 형성된다. 상기 서브 모듈(100)은, 복수의 배터리 셀(110) 및 복수의 배터리 셀(110)들을 수용하는 냉각 부재(120)를 포함한다. 한편, 상기 서브 모듈 적층체(10)는, 적층체의 최 외각에 배치되는 한 쌍의 서브 모듈(100)을 커버하는 한 쌍의 커버 시트(S)를 더 포함할 수도 있다. 상기 커버 시트(S)는, 절연 재질로 이루어질 수 있다.
상기 배터리 셀(110)은, 예를 들어 파우치 타입의 배터리 셀일 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은, 그 길이 방향(Y축과 나란한 방향) 양 측으로 각각 인출되는 한 쌍의 전극 리드(111)를 구비한다. 상기 복수의 배터리 셀(110)들은, 냉각 부재(120)의 양 면 상에 배치된다. 상기 복수의 배터리 셀(110)들은, 냉각 부재(120)의 양 면 상에서 냉각 부재(120)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 서로 인접하여 배치된다. 이에 따라, 상기 배터리 셀(110)에 구비되는 한 쌍의 전극 리드(111)는, 냉각 부재(120)의 폭 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향을 연장된다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 상기 냉각 부재(120)는, 그 내부에 형성된 냉각액 유로(P)를 구비한다. 상기 냉각액 유로(P)는, 냉각 부재(120)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측과 타 측 사이를 왕복하며 냉각 부재(120)의 폭 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측으로부터 타 측까지 연장된다. 상기 냉각액 유로(P)는, 한 쌍의 냉각액 포트(P1, P2)를 통해 냉각 부재(120)의 외부와 연통된다. 상기 한 쌍의 냉각액 포트(P1, P2) 중 어느 하나는 냉각 부재(120)에 있어서 냉각액 인렛(inlet)으로 기능하고, 나머지 하나는 냉각 부재(120)에 있어서 냉각액 아웃렛(outlet)으로 기능한다. 상기 한 쌍의 냉각액 포트(P1, P2)는 동일한 방향에 구비된다. 즉, 상기 한 쌍의 냉각액 포트(P1, P2)는 서브 모듈(100)의 동일 면 상에 구비된다. 또한, 상기 한 쌍의 냉각액 포트(P1, P2)는 서브 모듈(100)의 폭 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측 및 타 측에 각각 구비된다.
상기 냉각 부재(120)는, 제1 유로 플레이트(120A) 및 제2 유로 플레이트(120B)를 포함한다. 상기 제1 유로 플레이트(120A)는 제1 유로 홈(G1)을 구비한다. 상기 제2 유로 플레이트(120B)는 제1 유로 홈(G1)과 결합되어 냉각액 유로(P)를 형성하는 제2 유로 홈(G2)을 구비한다.
한편, 본 발명에 있어서, 냉매로서 적용되는 냉각액은, 액상의 냉매를 모두 포괄하는 것이며, 예를 들어 첨가제를 함유하지 않는 냉각수, 첨가제가 함유된 냉각수 또는 절연유 등이 본 발명의 냉각액으로서 이용될 수 있다.
상기 제1 유로 플레이트(120A) 및 제2 유로 플레이트(120B)는 수지 재질로 이루어진다. 상기 제1 유로 플레이트(120A)와 제2 유로 플레이트(120B)의 접합 계면에는 초음파 융착부가 형성된다. 즉, 상기 제1 유로 플레이트(120A)와 제2 유로 플레이트(120B)는 초음파 융착에 의해 상호 결합된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 냉각 부재(120)는, 그 양 면 상에 형성되어 개개의 배터리 셀(110)이 수납될 수 있도록 구획된 공간을 제공하는 복수의 격벽(121, 122)들을 포함한다. 즉, 상기 제1 유로 플레이트(120A) 및 제2 유로 플레이트(120B) 각각은, 유로 홈(G1, G2)이 형성된 면의 반대 면 상에 돌출 형성되는 제1 격벽(121) 및 제2 격벽(122)을 구비한다.
상기 제1 격벽(121)은, 유로 플레이트(120A, 120B)의 폭 방향(Y축과 나란한 방향)을 따라 연장되며, 서로 인접한 제1 격벽(121) 간의 거리는 배터리 셀(110)의 폭과 대응된다. 상기 제2 격벽(122)은, 제1 격벽(121)과 연결되며 제1 격벽(121)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 양 단부에 각각 형성된다. 상기 제2 격벽(122)은, 제1 격벽(121)과 대략 수직한 방향으로 연장된 형태를 갖는다. 상기 유로 플레이트(120A, 120B)의 길이 방향을 따라 서로 이웃하는 제2 격벽(120B) 사이에 형성되는 공간을 통해 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)가 인출된다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 상기 제1 유로 플레이트(120A)는, 제1 유로 홈(G1)의 양 측에 각각 형성되는 초음파 융착 베이스(123)를 구비한다. 상기 제2 유로 플레이트(120B)는, 제2 유로 홈(G2)의 양 측에 각각 형성되는 적어도 하나의 초음파 융착 리브(124)를 구비한다. 상기 초음파 융착 리브(124)는, 제1 유로 플레이트(120A)와 제2 유로 플레이트(120B)가 서로 맞닿아 결합 될 때 초음파 융착 베이스(123)와 맞닿을 수 있도록 초음파 융착 베이스(123)와 대응되는 위치에 구비된다.
상기 초음파 융착 리브(124) 초음파 융착에 의해 초음파 융착 베이스(123) 상에 접합된다. 상기 초음파 융착 리브(124)가 복수 개인 경우, 각각의 초음파 융착 리브(124)는 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 초음파 융착 리브(124)가 복수 개인 경우 냉각액 유로(P)의 양 측에서 이루어지는 실링이 더욱 견고해질 수 있으며, 이로써 냉각액이 냉각액 유로(P)의 외부로 누수되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 제1 유로 홈(G1)의 깊이는 제1 유로 플레이트(120A)의 두께의 대략 1/2 내지 1/5 범위로 형성될 수 있다. 이러한 제1 유로 홈(G1)의 두께 범위는, 냉각 효율을 위함이며 또한 열 폭주와 같은 비상 상황에서 제1 유로 홈(G1)의 바닥을 이루는 수지 사출물이 신속히 용융되도록 함으로써 냉각액이 제1 유로 플레이트(120A)와 접하는 제1 배터리 셀(110A)에 직접 접촉하여 더욱 신속한 냉각 및/또는 소화를 가능하게 하기 위함이다.
마찬가지로, 상기 제2 유로 홈(G2)의 깊이는 제2 유로 플레이트(120B)의 두께의 대략 1/2 내지 1/5 범위로 형성될 수 있다. 이러한 제2 유로 홈(G2)의 두께 범위는, 냉각 효율을 위함이며 또한 열 폭주와 같은 비상 상황에서 제2 유로 홈(G2)의 바닥을 이루는 수지 사출물이 신속히 용융되도록 함으로써 냉각액이 제2 유로 플레이트(120B)와 접하는 제2 배터리 셀(110B)에 직접 접촉하여 더욱 신속한 냉각 및/또는 소화를 가능하게 하기 위함이다.
도 4, 도 5, 도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(20)는, 각각 서브 모듈 적층체(10)의 일 측 및 타 측에 결합되어 복수의 배터리 셀(110)들을 전기적으로 연결한다. 상기 버스바 프레임 어셈블리(20)는, 서브 모듈 적층체(10)의 측부에 결합되는 버스바 프레임(21) 및 버스바 프레임(21) 상에 배치되며 복수의 전극 리드(111)와 결합되는 복수의 버스바(22)를 포함한다.
상기 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(20)는, 냉각 부재(120)를 사이에 두고 서로 대면하는 한 쌍의 배터리 셀(110A, 110B)을 병렬로 연결하고, 냉각 부재(120)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 서로 이웃하는 배터리 셀(110)을 직렬로 연결한다. 또한, 상기 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(20)는, 서브 모듈 적층체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 인접한 서브 모듈(100)을 직렬로 연결한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 이러한 연결 방식에 따라, 예를 들어 32S2P의 전기적 연결 형태를 가질 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈(1)은, 버스바(22)와 전기적으로 연결되는 제1 모듈 단자(T1) 및 제2 모듈 단자(T2)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 모듈 단자(T1) 및 제2 모듈 단자(T2)는 버스바(22)를 통해 서브 모듈 적층체(10)와 전기적으로 연결되어 배터리 모듈(1)의 고전위 단자로서 기능한다. 이 경우, 상기 제1 모듈 단자(T1) 및 제2 모듈 단자(T2)는, 배터리 모듈(1)의 동일 면 상에 구비되며, 동일 방향으로 연장된다.
도 3, 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 배터리 모듈(1)은, 서브 모듈 적층체(10)의 하면을 커버하는 베이스 플레이트(30) 및 서브 모듈 적층체(10)의 상면을 커버하는 탑 플레이트(40)를 더 포함할 수 있다. 상기 베이스 플레이트(30)의 폭은 탑 플레이트(40)의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈(1)은, 베이스 플레이트(40)와 탑 플레이트(50)가 모듈 적층체를 가압하도록 배터리 모듈(1)의 둘레를 감싸는 복수의 스트랩(90)을 더 포함할 수도 있다. 상기 스트랩(90)은, 스틸(steel) 재질로 이루어질 수 있다. 복수의 스트랩(90)은 배터리 모듈(1)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 서로 이격되어 배치된다.
상기 배터리 모듈(1)에 복수의 스트랩(90)이 구비되는 경우, 베이스 플레이트(30)에는 스트랩(90)을 고정시키기 위한 복수의 스트랩 홈(31)이 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 배터리 모듈(1)은, 모듈 적층체(10)의 전면(Y-Z 평면에 나란한 면)을 커버하는 프론트 플레이트(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 프론트 플레이트(50)는, 서브 모듈 적층체(10)의 일 면 상에 구비되는 냉각액 포트(P1, P2) 및 모듈 단자(T1, T2)가 인출되도록 형성된 홀을 구비할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 배터리 모듈(1)은, 베이스 플레이트(30), 탑 플레이트(40) 및 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(20)를 커버하는 외장 시트(60)를 더 포함할 수도 있다. 상기 외장 시트(60)는, 시트 형태의 사출물, 또는 절연성의 필름 재질로 이루어질 수 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 배터리 모듈(1)은, 서브 모듈 적층체(10)를 구성하는 각각의 서브 모듈(100)의 냉각액 유로(P)들이 서로 연결되도록 하기 위한 연결관(70)을 더 포함할 수 있다. 상기 연결관(70)은, 복수 개 구비될 수 있으며, 각각의 연결관(70)은 서로 인접하며 서로 다른 층에 구비되는 한 쌍의 냉각액 포트(P1 또는 P2)를 연결한다.
상기 배터리 모듈(1)은, 서브 모듈 적층체(10)의 최 상단에 위치하는 냉각액 포트(P2)에 연결되는 모듈 인렛(80A) 및 서브 모듈 적층체(10)의 최 하단에 위치하는 냉각액 포트(P2)에 연결되는 모듈 아웃렛(80B)을 더 포함할 수 있다. 상기 모듈 인렛(80A) 및 모듈 아웃렛(80B)은, 배터리 모듈(1)의 동일 면 상에 구비되며 동일한 방향으로 연장된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 배터리 모듈(1)의 전체 영역에 걸쳐서 균일한 냉각을 실현할 수 있는 구조를 가지며, 이로써 배터리 모듈(1)에서 위치별로 온도 편차가 발생하는 것이 최소화 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 배터리 셀(110)의 열폭주 등의 이상 상황 발생 시에 있어서, 냉각액을 냉각 부재(120)의 외부로 유출시켜 배터리 셀과 직접 접촉을 통한 냉각 및/또는 소화를 실현할 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(1)의 비정상적인 온도 상승에 따른 화재 발생을 방지하거나 또는 이미 발생된 화재를 신속히 진화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)은, 한 쌍의 유로 플레이트(120A, 120B) 간의 접합 부위에서의 밀봉성이 증대될 수 있는 구조를 가지며, 이로써 냉각액의 누액을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS(Energy Storage System)는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1)을 적어도 하나 이상 포함한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
<부호의 설명>:
1: 배터리 모듈
10: 서브 모듈 적층체
100: 서브 모듈
110: 배터리 셀
111: 전극 리드
120: 냉각 부재
120A: 제1 유로 플레이트
120B: 제2 유로 플레이트
P1, P2: 냉각액 포트
121: 제1 격벽
122: 걸림 격벽
123: 초음파 융착 베이스
124: 초음파 융착 리브
G1: 제1 유로 홈
G2: 제2 유로 홈
P: 냉각액 유로
20: 버스바 프레임 어셈블리
21: 버스바 프레임
22: 버스바
S: 커버 시트
30: 베이스 플레이트
31: 스트랩 홈
40: 탑 플레이트
50: 프론트 플레이트
T1: 제1 모듈 단자
T2: 제2 모듈 단자
60: 외장 시트
70: 연결관
80A: 모듈 인렛
80B: 모듈 아웃렛
90: 스트랩

Claims (15)

  1. 냉각액 유로를 구비하는 냉각 부재 및 상기 냉각 부재의 양 면 상에 배치되는 복수의 배터리 셀을 포함하는 서브 모듈이 복수개 적층되어 형성되는 서브 모듈 적층체; 및
    상기 서브 모듈 적층체의 일 측 및 타 측에 결합되어 상기 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀에 구비되는 한 쌍의 전극 리드는, 상기 냉각 부재의 폭 방향을 따라 서로 반대 방향으로 각각 연장되며,
    상기 복수의 배터리 셀들은, 상기 냉각 부재의 양 면 상에서 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각액 유로는,
    상기 냉각 부재의 길이 방향 일 측과 타 측 사이를 왕복하며 상기 냉각 부재의 폭 방향 일 측으로부터 타 측까지 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 부재는,
    제1 유로 홈을 구비하는 제1 유로 플레이트; 및
    상기 제1 유로 홈과 결합되어 상기 냉각액 유로를 형성하는 제2 유로 홈을 구비하는 제2 유로 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유로 플레이트 및 제2 유로 플레이트는 수지 재질로 이루어지며,
    상기 제1 유로 플레이트와 제2 유로 플레이트의 접합 계면에는 초음파 융착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유로 플레이트는,
    상기 제1 유로 홈의 양 측에 각각 형성되는 초음파 융착 베이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 유로 플레이트는,
    상기 제2 유로 홈의 양 측에 각각 형성되는 적어도 하나의 초음파 융착 리브를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초음파 융착 리브는 복수 개가 구비되며,
    복수 개의 상기 초음파 융착 리브는 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 유로 홈의 깊이는 상기 제1 유로 플레이트의 두께의 1/2 내지 1/5인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제2 유로 홈의 깊이는 상기 제2 유로 플레이트의 두께의 1/2 내지 1/5인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리는,
    상기 냉각 부재를 사이에 두고 서로 대면하는 한 쌍의 배터리 셀을 병렬로 연결하고, 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 이웃하는 배터리 셀을 직렬로 연결하며, 서로 인접한 서브 모듈을 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 서브 모듈 적층체의 하면을 커버하는 베이스 플레이트;
    상기 서브 모듈 적층체의 상면을 커버하는 탑 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트와 탑 플레이트가 모듈 적층체를 가압하도록 상기 배터리 모듈의 둘레를 감싸는 복수의 스트랩;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 냉각액 유로와 연결되는 모듈 인렛 및 모듈 아웃렛을 더 포함하며,
    상기 모듈 인렛 및 모듈 아웃렛은, 상기 배터리 모듈의 동일 면 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 서브 모듈 적층체와 전기적으로 연결되는 제1 모듈 단자 및 제2 모듈 단자를 더 포함하며,
    상기 제1 모듈 단자 및 제2 모듈 단자는, 상기 배터리 모듈의 동일 면 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 ESS.
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