WO2023033504A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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WO2023033504A1
WO2023033504A1 PCT/KR2022/012935 KR2022012935W WO2023033504A1 WO 2023033504 A1 WO2023033504 A1 WO 2023033504A1 KR 2022012935 W KR2022012935 W KR 2022012935W WO 2023033504 A1 WO2023033504 A1 WO 2023033504A1
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battery
heat transfer
transfer member
battery cell
bus bar
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PCT/KR2022/012935
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김민섭
성준엽
전종필
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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 and battery pack having a novel cooling structure.
  • secondary batteries are attracting much attention as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles as well as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, laptops, and wearable devices.
  • prismatic batteries and pouch-type batteries that can be stacked with a high degree of integration and have a small weight compared to capacity are mainly used as battery cells of medium-large-sized battery modules.
  • Such a battery module has a structure in which a plurality of cell assemblies including a plurality of unit battery cells are connected in series to obtain high output.
  • the battery cell can be repeatedly charged and discharged by an electrochemical reaction between components including positive and negative current collectors, separators, active materials, electrolytes, and the like.
  • a battery module comprising at least one battery cell is first constructed, and other components are added using the at least one battery module to form a battery pack. How to configure is common.
  • a plurality of secondary batteries that is, a battery module or a battery pack having battery cells may increase the temperature more quickly and severely due to the sum of heat emitted from the plurality of battery cells in a narrow space.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are stacked and a battery pack equipped with such a battery module, high output can be obtained, but it is not easy to remove heat generated from the battery cells during charging and discharging. If the heat dissipation of the battery cell is not performed properly, the battery cell deteriorates rapidly, shortens its lifespan, and increases the possibility of explosion or ignition.
  • battery modules included in vehicle battery packs are frequently exposed to direct sunlight and may be placed in high temperature conditions such as summer or desert areas.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional battery module.
  • a conventional battery module 10 includes a battery cell stack 20 formed by stacking a plurality of battery cells 11 and a module frame 30 accommodating the battery cell stack 20. include At this time, a thermally conductive resin layer 40 positioned between the lower portion of the battery cell stack 20 and the bottom portion 31 of the module frame 30 may be formed.
  • heat generated from the battery cells 11 passes through a one-way path through the thermally conductive resin layer 40 formed on the lower part of the battery cell stack 20 and the bottom part 31 of the module frame 30. was released only through
  • An object to be solved by the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the battery module capable of solving the heat generation problem of battery cells and bus bars.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a module frame surrounding the battery cell stack, and front and rear surfaces of the battery cell stack open from the module frame. and a heat transfer member formed in a space between the battery cell stack and the end plate.
  • the battery module further includes a bus bar frame formed between the front and rear surfaces of the battery cell stack and the end plate, and the heat transfer member includes a space between the battery cell stack and the bus bar frame and the bus bar. It may be formed in a space between the frame and the end plate.
  • the heat transfer member may entirely fill a space between the battery cell stack and the bus bar frame and a space between the bus bar frame and the end plate.
  • An electrode lead protruding from the battery cell stack may be further included, and the heat transfer member may contact the electrode lead.
  • a plurality of bus bars mounted on the bus bar frame may be included, and the heat transfer member may contact the bus bar and the bus bar frame.
  • the module frame includes a frame member covering a lower portion and both side portions of the battery cell stack, and an upper plate covering an upper portion of the battery cell stack, and the heat transfer member includes a bottom portion of the frame member and the upper plate. can be contacted with
  • the heat transfer member may be formed of a fluid material, and the heat transfer member may be movable.
  • the heat transfer member may be formed in a gel form.
  • the bus bar frame of the battery module according to another embodiment of the present invention may include a prevention portion protruding in a direction toward the battery cell stack.
  • the bus bar frame may further include grooves, and the grooves may be formed by being spaced apart from each other in the prevention portions adjacent to each other.
  • the heat transfer member may be formed at a lower end of the preventing portion to come into contact with the preventing portion.
  • the prevention part may prevent the heat transfer member from leaking to an upper part of the prevention part.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention may include the battery module.
  • the battery module according to an embodiment of the present invention may solve the heat generation problem of the battery cell and the bus bar in a high current and rapid charging environment by including a heat transfer member.
  • stability of the battery module may be improved by solving the heat generation problem.
  • the heat transfer member can achieve an effect of improving the insulation performance of the battery module by filling the space between the battery cell stack and the bus bar frame and the space between the bus bar frame and the end plate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a battery module in which components of FIG. 2 are assembled
  • FIG. 4 is an enlarged view showing a cut along the P1 plane of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is an enlarged view of a state cut along the P2 plane of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a perspective view showing a battery cell included in the battery module of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing a bus bar frame included in a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • another part is in the middle.
  • a part is said to be “directly on” another part, it means that there is no other part in between.
  • a reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily be located “above” or "on” in the opposite direction of gravity does not mean no.
  • planar image it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-sectional image”, it means when a cross section of the target part cut vertically is viewed from the side.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a battery module in which components of FIG. 2 are assembled;
  • FIG. 4 is an enlarged view showing a cut along the P1 plane of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is an enlarged view of a state cut along the P2 plane of FIG. 3 .
  • 6 is a perspective view showing a battery cell included in the battery module of the present invention.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked and a module frame surrounding the battery cell stack 120. (200).
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell, and may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cell 110 according to this embodiment has two electrode leads 111 and 112 facing each other so that one end 114a of the cell body 113 and the other end ( 114b) have structures protruding from each other. That is, the battery cell 110 includes electrode leads 111 and 112 protruding in opposite directions. More specifically, the 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 .
  • both ends 114a and 114b of the cell case 114 and one side portion 114c connecting them are bonded while the electrode assembly (not shown) is accommodated in the cell case 114.
  • the battery cell 110 has a total of three sealing portions 114sa, 114sb, and 114sc, and the sealing portions 114sa, 114sb, and 114sc are sealed by a method such as thermal fusion.
  • the other side may be made of the connecting portion 115.
  • the cell case 114 may be made of a laminated sheet including a resin layer and a metal layer.
  • the connecting portion 115 may extend along one edge of the battery cell 110, and a bat ear 110p may be formed at an end of the connecting portion 115.
  • the terrace portion 116 may be formed between the electrode leads 111 and 112 and the cell body 113. That is, the battery cell 110 may include a terrace portion 116 extending from the cell case 114 in a direction in which the electrode leads 111 and 112 protrude.
  • These battery cells 110 may be composed of a plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked so as to be electrically connected to each other to form the battery cell laminate 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked along a direction parallel to the y-axis. Accordingly, the electrode leads 111 and 112 may protrude in the x-axis direction and the -x-axis direction, respectively.
  • the module frame 200 has an open upper surface, front and rear surfaces, the frame member 300 covering the bottom and both sides of the battery cell stack 120, and an upper plate covering the top of the battery cell stack 120. (400).
  • the module frame 200 is not limited thereto, and may be replaced with a frame having another shape such as an L-shaped frame or a mono frame surrounding the battery cell stack 120 except for the front and rear surfaces.
  • the battery cell stack 120 accommodated inside the module frame 200 may be physically protected through the module frame 200 .
  • the frame member 300 may include a bottom portion 300a supporting the lower portion of the battery cell stack 120 and side portions 300b extending upward from both ends of the bottom portion 300a.
  • the upper plate 400 may cover the open upper side of the module frame 200 .
  • the end plate 150 may cover the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 that is open from the module frame 200 .
  • the end plate 150 may be coupled to front and rear edges of the upper plate 400 and front and rear edges of the module frame 200 through welding.
  • a bus bar frame 130 may be formed between the end plate 150 and the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 .
  • the plurality of bus bars 160 mounted on the bus bar frame 130 may protrude from the battery cells 110 and come into contact with the electrode leads 111 and 112 mounted on the bus bar frame 130. .
  • the battery module 100 is a thermocouple positioned between the lower surface of the battery cell stack 120 and the bottom portion of the module frame 200, that is, the bottom portion 300a of the frame member 300. It further includes a conductive resin layer 310, and the thermal conductive resin layer 310 transfers heat generated from the battery cell 110 to the bottom of the battery module 100 and serves to fix the battery cell stack 120. can do.
  • a thermally conductive resin layer formed on a lower portion of the battery cell.
  • the thermally conductive resin layer has a problem in that it cannot efficiently cool heat generated from electrode leads and bus bar frames on the front and rear surfaces of battery cells and bus bars mounted on the bus bar frames.
  • the space between the battery cell stack and the bus bar frame and the space between the bus bar frame and the end plate are formed as empty spaces, resulting in deterioration of insulation performance due to the inflow of moisture and foreign substances. Therefore, there is a need for a structure capable of effectively cooling the heat in a situation in which high heat is generated in the electrode leads and bus bars of the battery cell for a short time due to the flow of high current, such as in rapid charging.
  • the battery module 100 includes a heat transfer member 500 formed in a space between the battery cell stack 120 and the end plate 150.
  • the heat transfer member 500 may be formed in a space between the battery cell stack 120 and the bus bar frame 130 and a space between the bus bar frame 130 and the end plate 150 .
  • an insulating cover may be further formed in the space between the bus bar frame 130 and the end plate 150, and thus the heat transfer member 500 may fill the space between the bus bar frame 130 and the insulating cover. there is.
  • the heat transfer member 500 may entirely fill the aforementioned spaces. That is, the heat transfer member 500 may entirely fill the space between the battery cell stack 120 and the bus bar frame 130 and the space between the bus bar frame 130 and the end plate 150 . Therefore, through the heat transfer member 500 completely filled, insulation performance is improved, and the possibility of penetration of moisture and foreign substances is minimized, thereby improving the stability of the battery module. When moisture or foreign matter penetrates from the outside, the short circuit of the bus bar 160 and the life of the battery module 100 may be reduced. Therefore, the heat transfer member 500 prevents moisture and foreign matter from penetrating into the battery module and contacting the bus bar 160 and the electrode leads 111 and 112, thereby securing performance and improving stability of the battery module. .
  • the heat transfer member 500 may contact the electrode leads 111 and 112 .
  • the electrode leads 111 and 112 which are parts of the battery cell 110 that generate a large amount of heat, are parts that require the most cooling among parts of the battery cell 110.
  • the electrode leads 111 and 112 can be effectively cooled by the heat transfer member 500 .
  • the heat transfer member 500 may be in surface contact with the electrode leads 111 and 112, and as the contact area is widened, effective cooling may be enabled even if a large amount of heat is generated by the contact.
  • the heat transfer member 500 may also contact the bus bar 160 and the bus bar frame 130 . Heat generated from the bus bar 160 may be cooled through the heat transfer member 500 and may be quickly transferred through other components in contact with the heat transfer member 500 . In addition, the heat transfer member 500 may prevent physical contact between the bus bars 160 by contacting each of the plurality of bus bars 160 formed in the battery module 100 . Accordingly, a short circuit that may occur due to contact between the bus bars 160 may be prevented.
  • the heat transfer member 500 may contact the bottom portion 300a of the frame member 300 and the top plate 400 .
  • the heat transfer member 500 may be formed to contact the bottom portion 300a of the frame member 300 and the thermally conductive resin layer 310 .
  • the heat transfer member 500 may be formed to contact the upper plate 400 . Accordingly, the heat transfer member 500 contacts the bottom portion 300a of the frame member 300, the thermally conductive resin layer 310, and the top plate 400 to form an additional heat transfer path to transfer heat to the outside of the module. and can emit.
  • the heat transfer member 500 may be in surface contact with the configuration described above. Since the heat transfer member 500 is formed to fill a space, improved cooling efficiency may be achieved by surface contact with the above components.
  • the heat transfer member 500 may be formed to contact a plurality of components.
  • the heat transfer member 500 directly contacts the bus bar 160 and the electrode leads 111 and 112 generating a large amount of heat, and the heat generated from the bus bar 160 and the electrode leads 111 and 112 Temperature deviation between the components in the battery module, particularly each part of the battery cell, can be improved by immediately transferring the .
  • the heat transfer member 500 may be formed of a flexible material.
  • the heat transfer member 500 may include a heat transfer material that is injected and cured, but may include a gel form that is not completely cured. That is, the heat transfer member 500 may be formed in a gel form. Since the heat transfer member 500 is formed in a gel form, it is possible to secure cooling performance and at the same time have fluidity to respond to changes in some components in the battery module. Accordingly, the heat transfer member 500 may be moved in a situation such as an air pocket in the battery module, thereby ensuring continuous cooling performance.
  • the heat transfer member 500 may be formed of a material having thermal conductivity and may be formed of a material having insulation. Therefore, by forming the heat transfer member 500, it is possible to achieve an effect of improving cooling performance and insulation performance through heat transfer.
  • FIGS. 7 and 8 Since there are overlapping contents with those described above, only parts different from those described above will be described.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 8 is a perspective view illustrating a bus bar frame included in the battery module of FIG. 7 .
  • the bus bar frame 130 of the battery module 100 may include a prevention part 130a protruding in a direction toward the battery cell stack 120.
  • the heat transfer member 500 may be formed at a lower end of the preventing portion 130a to contact the preventing portion 130a.
  • the heat transfer member 500 is formed of a flexible material and is movable within the battery module. Therefore, the prevention part 130a may serve to partially fix the contact position of the heat transfer member 500, which is a fluid material, with the bus bar 130 and the electrode leads 111 and 112. Also, the prevention part 130a may prevent the heat transfer member 500 from leaking to the top of the prevention part 130a as it moves. Accordingly, since the shape and position of the heat transfer member 500 are partially fixed, it is possible to ensure cooling performance by securing and maintaining a contact area with the heat generating element.
  • the bus bar frame 130 may further include a groove part 130b, and the groove part 130b may be formed by spaced apart preventing parts 130a adjacent to each other, and the preventing parts 130a may be spaced apart from each other. It may be a gap formed by Accordingly, the groove portion 130b may be used as a passage through which the terrace portion 116 of the battery cell 110 and the electrode leads 111 and 112 pass.
  • a battery pack according to this embodiment includes the battery module described above.
  • the battery pack of the present invention may have a structure in which one or more battery modules according to the present embodiment are gathered and packed by adding a battery management system (BMS) that manages the temperature or voltage of the battery and a cooling device. there is.
  • BMS battery management system
  • the battery pack may be applied to various devices. These devices can be applied to means of transportation such as electric bicycles, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., but the present invention is not limited thereto and can be applied to various devices capable of using a battery module, which also falls within the scope of the present invention. .

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임, 및 상기 모듈 프레임에서 개방되어 있는 상기 전지 셀 적층체의 전후면을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 전지 셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이의 공간에 형성되는 열 전달 부재를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 09월 02일자 한국 특허 출원 제10-2021-0116870호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로 신규한 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 주목을 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다. 이러한 전지 모듈은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 전지 셀을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 전지 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전지 모듈 및 상기 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
또한, 복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
일반적으로, 이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지 셀을 구비한 전지 모듈이나 전지 팩은 좁은 공간에서 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지 팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지 셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지 셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여 질수 있다.
도 1은 종래 전지 모듈의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 전지 모듈(10)은 복수의 전지 셀(11)이 적층되어 형성되는 전지 셀 적층체(20), 및 전지 셀 적층체(20)를 수용하는 모듈 프레임(30)을 포함한다. 이때, 전지 셀 적층체(20)의 하부와 모듈 프레임(30)의 바닥부(31) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(40)이 형성될 수 있다.
종래 전지 모듈은 전지 셀(11)에서 발생하는 열은, 전지 셀 적층체(20)의 하부에 형성되는 열전도성 수지층(40) 및 모듈 프레임(30)의 바닥부(31)를 통한 일방향 경로를 통해서만 방출되었다.
그러나, 최근 고용량, 고에너지, 급속 충전 등의 필요가 지속적으로 증가하여 버스 바에 흐르는 전류의 양이 증가하고, 버스 바, 전지 셀 및 전극 리드에서 발생하는 발열도 증가하는 추세이다. 이러한 발열은 종래 냉각 구조 만으로는 효과적으로 냉각시키기 어렵다. 따라서, 상기 발열의 냉각을 위해 전지 셀 및 버스 바와 직접적으로 접촉하여 신속한 냉각이 가능한 신규 구조의 필요성이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지 셀 및 버스 바의 발열 문제 해결이 가능한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임, 및 상기 모듈 프레임에서 개방되어 있는 상기 전지 셀 적층체의 전후면을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 전지 셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이의 공간에 형성되는 열 전달 부재를 포함한다.
상기 전지 모듈은 상기 전지 셀 적층체의 전후면과 상기 엔드 플레이트 사이에 형성되는 버스 바 프레임을 더 포함하고, 상기 열 전달 부재는 상기 전지 셀 적층체와 상기 버스 바 프레임 사이의 공간 및 상기 버스 바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이의 공간에 형성될 수 있다.
상기 열 전달 부재는 상기 전지 셀 적층체와 상기 버스 바 프레임 사이의 공간 및 상기 버스 바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이의 공간을 전체적으로 채울 수 있다.
상기 전지 셀 적층체에서 돌출되어 있는 전극 리드를 더 포함하고, 상기 열 전달 부재는 상기 전극 리드와 접촉할 수 있다.
상기 버스 바 프레임에 장착된 복수의 버스 바를 포함하고, 상기 열 전달 부재는 상기 버스 바 및 상기 버스 바 프레임과 접촉할 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 전지 셀 적층체의 하부 및 양측부를 덮는 프레임 부재와, 상기 전지 셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며, 상기 열 전달 부재는 상기 프레임 부재의 바닥부 및 상기 상부 플레이트와 접촉할 수 있다.
상기 열 전달 부재는 유동성 있는 소재로 형성되고, 상기 열 전달 부재는 이동이 가능할 수 있다.
상기 열 전달 부재는 겔 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 상기 버스 바 프레임은 상기 전지 셀 적층체를 향하는 방향으로 돌출된 방지부를 포함할 수 있다.
상기 버스 바 프레임은 홈부를 더 포함하고, 상기 홈부는 서로 이웃하는 상기 방지부가 이격되어 형성될 수 있다.
상기 열 전달 부재는 상기 방지부와 접촉하도록 방지부의 하단에 형성될 수 있다.
상기 방지부는 상기 열 전달 부재가 상기 방지부의 상부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기 전지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 열 전달 부재를 포함함으로써 고 전류 및 급속 충전 환경에서의 전지 셀 및 버스 바의 발열 문제를 해결할 수 있다. 또한 상기 발열 문제를 해결함으로써 전지 모듈의 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 열 전달 부재는 전지 셀 적층체와 버스 바 프레임 사이의 공간, 및 버스 바 프레임과 엔드 플레이트 사이의 공간을 채움으로써, 전지 모듈의 절연 성능 향상 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 전지 모듈의 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 구성요소를 조립한 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 P1 면을 따라 자른 모습을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 P2 면을 따라 자른 모습을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 전지 모듈에 포함되는 전지 셀을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 버스 바 프레임을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 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.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 전지 모듈의 분해사시도이다. 도 3은 도 2의 구성요소를 조립한 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 P1 면을 따라 자른 모습을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 5는 도 3의 P2 면을 따라 자른 모습을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 전지 모듈에 포함되는 전지 셀을 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(110)이 적층되어 있는 전지 셀 적층체(120) 및 전지 셀 적층체(120)를 감싸는 모듈 프레임(200)을 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 전지셀(110)은 서로 대향하는 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)들을 포함한다. 보다 상세하게는 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다.
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 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 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.
또한, 연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗을 수 있고, 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(110p)가 형성될 수 있다. 또한, 돌출된 전극 리드(111, 112)를 사이에 두고 셀 케이스(114)가 밀봉되면서, 전극 리드(111, 112)와 셀 본체(113) 사이에 테라스부(116)가 형성될 수 있다. 즉, 전지셀(110)은, 전극 리드(111, 112)가 돌출된 방향으로 셀 케이스(114)로부터 연장 형성된 테라스부(116)를 포함할 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라 전극 리드(111, 112)들은 x축 방향과 -x축 방향으로 각각 돌출될 수 있다.
한편, 전지셀(110)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면 열이 발생하는데, 그 중에서도 전극 리드(111, 112)와 인접한 부분에서 열이 많이 발생한다. 즉, 셀 본체(113)의 중앙 부분 보다는, 전극 리드(111, 112)에 가까워질수록 충, 방전에 따라 많은 열이 발생할 수 있으므로, 해당 부분의 냉각을 위한 구조가 필요할 수 있다.
한편, 모듈 프레임(200)은 상부면, 전면 및 후면이 개방되어 전지 셀 적층체(120)의 하부 및 양측부를 덮는 프레임 부재(300), 및 전지 셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(400)를 포함한다. 다만, 모듈 프레임(200)은 이에 한정된 것이 아니며, L자형 프레임 또는 전후면을 제외하고 전지 셀 적층체(120)를 둘러싸는 모노 프레임과 같은 다른 형상의 프레임으로 대체될 수 있다. 모듈 프레임(200)을 통해 모듈 프레임(200)의 내부에 수용된 전지 셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이때, 프레임 부재(300)는 전지 셀 적층체(120)의 하부를 받치는 바닥부(300a)와 바닥부(300a)의 양단부에서 각각 상향 연장된 측면부(300b)를 포함할 수 있다.
상부 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 상측면을 커버할 수 있다. 엔드 플레이트(150)는 모듈 프레임(200)에서 개방되어 있는 전지 셀 적층체(120)의 전후면을 덮을 수 있다. 엔드 플레이트(150)는 상부 플레이트(400)의 전후단 모서리 및 모듈 프레임(200)의 전후단 모서리와 용접을 통해 결합될 수 있다.
엔드 플레이트(150)와 전지 셀 적층체(120)의 전후면 사이에는 버스 바 프레임(130)이 형성될 수 있다. 버스 바 프레임(130)에 장착된 복수의 버스 바(160)는 전지 셀(110)들로부터 돌출 형성되어 버스 바 프레임(130) 상에 장착된 전극 리드(111, 112)들과 접촉될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀 적층체(120)의 하면과 모듈 프레임(200)의 바닥부, 즉, 프레임 부재(300)의 바닥부(300a) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(310)을 더 포함하고, 열전도성 수지층(310)은 전지셀(110)에서 발생하는 열을, 전지 모듈(100) 바닥으로 전달하고 전지셀 적층체(120)를 고정하는 역할을 할 수 있다.
종래의 전지 모듈은 전지 셀의 하부에 형성되는 열전도성 수지층을 통해 전지 셀에서 발생한 열이 방출되었다. 그러나, 열전도성 수지층은 전지 셀의 전면 및 후면의 전극 리드 및 버스 바 프레임과 상기 버스 바 프레임에 장착되는 버스 바에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 종래 전지 모듈의 경우 전지 셀 적층체와 버스 바 프레임 사이의 공간 및 버스 바 프레임과 엔드 플레이트 사이의 공간이 빈 공간으로 형성되어 수분 유입 및 이물질 유입에 의한 절연 성능 저하의 문제점이 있었다. 그러므로, 급속 충전과 같이 고 전류의 흐름에 의해 전지 셀의 전극 리드 및 버스바에 단 시간 높은 발열을 발생시키는 상황에서는 상기 발열을 효과적으로 냉각할 수 있는 구조의 필요성이 있다.
따라서, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지 셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(150) 사이의 공간에 형성되는 열 전달 부재(500)를 포함한다. 구체적으로, 열 전달 부재(500)는 전지 셀 적층체(120)와 버스 바 프레임(130) 사이의 공간 및 버스 바 프레임(130)과 엔드 플레이트(150) 사이의 공간에 형성될 수 있다. 또한, 버스 바 프레임(130)과 엔드 플레이트(150) 사이의 공간에는 절연 커버가 더 형성될 수 있으며, 따라서 버스 바 프레임(130)과 절연 커버 사이의 공간을 열 전달 부재(500)가 채울 수 있다.
특히, 열 전달 부재(500) 상기 언급한 공간들을 전체적으로 채우는 것일 수 있다. 즉, 열 전달 부재(500)는 전지 셀 적층체(120)와 버스 바 프레임(130) 사이의 공간 및 버스 바 프레임(130)과 엔드 플레이트(150) 사이의 공간을 전체적으로 채우는 것일 수 있다. 따라서, 전체적으로 채워진 열 전달 부재(500)를 통해, 절연 성능이 향상되고, 수분 및 이물질의 침투 가능성을 최소화하여 전지 모듈의 안정성을 향상시킬 수 있다. 외부로부터 수분이나 이물질이 침투하는 경우, 버스 바(160)의 단락 및 전지 모듈(100)의 수명이 저하될 수 있다. 따라서, 열 전달 부재(500)는 수분 및 이물질이 전지 모듈로 침투하여 버스 바(160) 및 전극 리드(111, 112)와 접촉하는 것을 방지함으로써 전지 모듈의 성능을 확보하고 안정성을 향상시킬 수 있다.
그러므로, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 열 전달 부재(500)는 전극 리드(111, 112)와 접촉할 수 있다. 전지 셀(110)에서 다량의 발열이 발생하는 부분인 전극 리드(111, 112)는 전지 셀(110)의 부위 중에서도 가장 냉각이 필요한 부분이다. 그러나, 전극 리드(111, 112)와 직접적으로 접촉하여 냉각 경로를 형성하는 구성이 존재하지 않아 문제가 되었다. 이에, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 경우, 열 전달 부재(500)에 의해 전극 리드(111, 112)의 효과적인 냉각이 가능하다. 특히, 열 전달 부재(500)는 전극 리드(111, 112)와 면 접촉할 수 있으며, 접촉 면적이 넓어짐에 따라 상기 접촉에 의해, 다량의 열이 발생하더라도 효과적인 냉각을 가능하게 할 수 있다.
또한, 열 전달 부재(500)는 버스 바(160) 및 버스 바 프레임(130)과도 접촉할 수 있다. 버스 바(160)에서 발생하는 열이 열 전달 부재(500)를 통해 냉각될 수 있으며, 열 전달 부재(500)가 접촉하는 다른 구성 요소를 통해 빠르게 전달될 수 있다. 또한, 열 전달 부재(500)는 전지 모듈(100) 내에 형성되는 복수 개의 버스 바(160)와 각각 접촉함으로써, 버스 바(160) 간의 물리적인 접촉을 방지할 수 있다. 따라서, 버스 바(160) 간의 접촉으로 발생할 수 있는 단락 등을 차단할 수 있다.
더불어, 열 전달 부재(500)는 프레임 부재(300)의 바닥부(300a) 및 상부 플레이트(400)와 접촉할 수 있다. 구체적으로, 도 5를 참조하면, 열 전달 부재(500)는 프레임 부재(300)의 바닥부(300a) 및 열전도성 수지층(310)과 접촉하도록 형성될 수 있다. 또한, 열 전달 부재(500)는 상부 플레이트(400)와 접촉하도록 형성될 수 있다. 따라서, 열 전달 부재(500)는 프레임 부재(300)의 바닥부(300a), 열전도성 수지층(310) 및 상부 플레이트(400)와 접촉함으로써 추가적인 열 전달 경로를 형성하여 모듈 외부로 열을 전달 및 방출할 수 있다. 이때, 열 전달 부재(500)는 상기에서 설명한 구성과 면 접촉할 수 있다. 열 전달 부재(500)는 공간을 채우는 형태로 형성되므로, 상기 구성들과 면 접촉함으로써 향상된 냉각 효율을 달성할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 열 전달 부재(500)는 다수의 구성요소와 접촉하도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 특히, 열 전달 부재(500)는 다량의 열이 발생하는 버스 바(160) 및 전극 리드(111, 112)와 직접적으로 접촉하고, 버스 바(160) 및 전극 리드(111, 112)로부터 발생한 열을 다수의 구성 요소를 통해 즉각적으로 전달함으로써, 전지 모듈 내의 구성 요소, 특히 전지 셀의 각 부분간의 온도 편차를 개선할 수 있다.
이때, 열 전달 부재(500)는 유동성 있는 소재로 형성될 수 있다. 열 전달 부재(500)는 주액되어 경화되는 열 전달 물질을 포함할 수 있으나, 완전히 경화되지 않는 겔(gel) 형태를 포함할 수 있다. 즉, 열 전달 부재(500)는 겔 형태로 형성될 수 있다. 열 전달 부재(500)는 겔 형태로 형성됨에 따라, 냉각 성능의 확보가 가능함과 동시에 유동성이 있어 전지 모듈 내의 일부 구성 요소의 변화에 대해서도 대응할 수 있다. 따라서, 열 전달 부재(500)는 전지 모듈 내 에어 포켓(air pocket) 발생 등의 상황에서 이동이 가능함으로써 지속적인 냉각 성능의 확보가 가능할 수 있다.
더불어, 열 전달 부재(500)는 열전도성을 갖는 소재로 형성될 수 있으며, 절연성을 갖는 소재로 형성될 수 있다. 따라서, 열 전달 부재(500)가 형성됨으로써, 열 전달을 통한 냉각 성능 및 절연성능의 향상 효과를 달성할 수 있다.
이하에서는, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하도록 한다. 상기에서 설명한 바와 중복되는 내용이 존재하므로, 상기에서 설명한 내용과 상이한 부분만을 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 다른 전지 모듈의 단면도이다. 도 8은 도 7의 전지 모듈이 포함하는 버스 바 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 버스 바 프레임(130)은 전지 셀 적층체(120)를 향하는 방향으로 돌출된 방지부(130a)를 포함할 수 있다. 이때, 열 전달 부재(500)는 방지부(130a)와 접촉하도록 방지부(130a)의 하단에 형성될 수 있다.
열 전달 부재(500)는 상기에서 설명한 바와 같이, 유동성 있는 소재로 형성되어 전지 모듈 내에서 이동이 가능하다. 그러므로, 방지부(130a)는 유동성 있는 소재인 열 전달 부재(500)가 버스 바(130) 및 전극 리드(111, 112)와 접촉하는 위치를 일부 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 방지부(130a)는 열 전달 부재(500)가 이동함에 따라 방지부(130a)의 상부로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 열 전달 부재(500)의 형상 및 위치가 일부 고정됨으로써 발열 구성과의 접촉면적을 확보 및 유지함에 따라 냉각 성능의 확보가 가능할 수 있다.
한편, 버스 바 프레임(130)은 홈부(130b)를 더 포함할 수 있으며, 홈부(130b)는 서로 이웃하는 방지부(130a)가 이격되어 형성되는 것일 수 있으며, 방지부(130a)가 서로 이격되어 형성되는 틈 일 수 있다. 이에, 홈부(130b)는 전지 셀(110)의 테라스부(116) 및 전극 리드(111, 112) 등이 통과하는 통로로 이용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명한다.
본 실시예에 따른 전지 팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다. 더불어, 본 발명의 전지 팩은 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
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 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
[부호의 설명]
100: 전지 모듈
110: 전지 셀
120: 전지 셀 적층체
130: 버스 바 프레임
150: 엔드 플레이트
160: 버스 바
200: 모듈 프레임
300: 프레임 부재
400: 상부 플레이트
500: 열 전달 부재

Claims (13)

  1. 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체,
    상기 전지 셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임, 및
    상기 모듈 프레임에서 개방되어 있는 상기 전지 셀 적층체의 전후면을 덮는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 전지 셀 적층체와 상기 엔드 플레이트 사이의 공간에 형성되는 열 전달 부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지 셀 적층체의 전후면과 상기 엔드 플레이트 사이에 형성되는 버스 바 프레임을 더 포함하고,
    상기 열 전달 부재는 상기 전지 셀 적층체와 상기 버스 바 프레임 사이의 공간 및 상기 버스 바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이의 공간에 형성되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 열 전달 부재는 상기 전지 셀 적층체와 상기 버스 바 프레임 사이의 공간 및 상기 버스 바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이의 공간을 전체적으로 채우는 전지 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 전지 셀 적층체에서 돌출되어 있는 전극 리드를 더 포함하고,
    상기 열 전달 부재는 상기 전극 리드와 접촉하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 버스 바 프레임에 장착된 복수의 버스 바를 포함하고,
    상기 열 전달 부재는 상기 버스 바 및 상기 버스 바 프레임과 접촉하는 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 전지 셀 적층체의 하부 및 양측부를 덮는 프레임 부재와, 상기 전지 셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며,
    상기 열 전달 부재는 상기 프레임 부재의 바닥부 및 상기 상부 플레이트와 접촉하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 열 전달 부재는 유동성 있는 소재로 형성되고,
    상기 열 전달 부재는 이동이 가능한 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 열 전달 부재는 겔 형태로 형성되는 전지 모듈.
  9. 제2항에서,
    상기 버스 바 프레임은 상기 전지 셀 적층체를 향하는 방향으로 돌출된 방지부를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 버스 바 프레임은 홈부를 더 포함하고,
    상기 홈부는 서로 이웃하는 상기 방지부가 이격되어 형성되는 전지 모듈.
  11. 제9항에서,
    상기 열 전달 부재는 상기 방지부와 접촉하도록 방지부의 하단에 형성되는 전지 모듈.
  12. 제9항에서,
    상기 방지부는 상기 열 전달 부재가 상기 방지부의 상부로 유출되는 것을 방지하는 전지 모듈.
  13. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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