WO2023075231A1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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WO2023075231A1
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battery cell
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module
cells
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신주환
이태경
이재현
이형석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same.
  • a battery module and a battery pack that can electrically prevent an internal short circuit from being formed due to a simple electrical connection structure.
  • secondary batteries capable of charging and discharging have been widely used as energy sources for wireless mobile devices.
  • secondary batteries are attracting attention as an energy source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc., which are proposed as a solution to air pollution such as existing gasoline vehicles and diesel vehicles using fossil fuels. Therefore, the types of applications using secondary batteries are diversifying due to the advantages of secondary batteries, and it is expected that secondary batteries will be applied to more fields and products than now.
  • Such a battery module or battery pack has an outer housing made of metal to protect or house a plurality of secondary batteries from external impact.
  • FIG. 1 is a plan view (FIG. 1(a)) showing an example of the structure of a battery module 100' having expandability proposed by the present applicant, and a battery module laminate 1000' constructed by stacking the battery modules 100'.
  • ) is a plan view (FIG. 1 (b))
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an electrical path of a battery module stack 1000' composed of the battery modules of FIG.
  • the present applicant has a first battery cell assembly 10' in which a plurality of battery cells 1' are stacked in the battery cell thickness direction and the first battery cell assembly 10' is opposed to the battery cell longitudinal direction, and the first battery cell assembly 10' Similarly to the battery cell assembly 10 ', the battery cell assembly composed of the second battery cell assembly 20 'constituting a plurality of battery cells in the battery cell thickness direction is a rectangular parallelepiped module case 30 elongated in the longitudinal direction. A battery module 100 'accommodated in ') was developed.
  • the battery module 100 ' accommodates a relatively small number of battery cells in each module case 30', and stacks the battery modules in the longitudinal direction or thickness direction of the battery cells like Lego blocks, so that the battery module ( 100') can be installed, or the battery pack can be freely configured in consideration of the installation space of the battery pack.
  • the battery module 100 ′ proposed by the present applicant can manufacture various types of battery packs according to the stacking (designing) method, so it can be referred to as an expandable battery module.
  • the first and second battery cell assemblies 10' and 20' facing each other in the longitudinal direction are electrically connected to each other.
  • the lower two rows of battery cells of the first and second battery cell assemblies 10' and 20' are not connected to each other, but the upper two rows of battery cells are the first and second battery cell assemblies 10' and 20'. 20') are electrically connected to each other (refer to the electrical connection of A in FIG. 1(a)).
  • the expandable battery module of this electrical connection structure has the following problems.
  • first and second battery cell assemblies 10' and 20' are electrically connected, the electrical connection structure of the battery module itself becomes complicated, and as a result, the first and second battery cell assemblies 10' and 20' are included.
  • a total of three lines (a, b, c) of high voltage bus bars were required as shown in FIG. 1 (b) to electrically connect the battery cell assemblies of each battery module.
  • thermal runaway proceeds along the stacking direction of the battery modules, and thermal runaway propagates between the first battery cell assemblies 10' of the left battery modules.
  • first battery cell assembly 10' of the battery modules is electrically connected to the second battery cell assembly 20' of each battery module, it is shorted to the second battery cell assembly 20' Electrically, an internal short circuit is formed in the entire battery module 100' to the battery module stack 1000' (see FIG. 2(c)).
  • gas is rapidly generated and overheated, increasing the risk of explosion of the battery pack.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2020-0131500
  • the present invention was made to solve the above problems, a battery module and a battery pack that simplify the electrical connection structure by excluding the electrical connection between the two battery cell assemblies constituting the expandable module and prevent the occurrence of an internal short circuit. intended to provide
  • a battery module for solving the above problems, a first battery cell assembly in which battery cells are stacked in the thickness direction of the battery cell; Each battery cell stacked in the first battery cell assembly and each battery cell disposed in a row in the longitudinal direction of the battery cell are stacked in the same number as the number of battery cells stacked in the first battery cell assembly in the thickness direction of the battery cell 2 battery cell assembly; And a module case accommodating the first and second battery cell assemblies, wherein the battery cells of the first battery cell assembly are electrically connected to each other, and the battery cells of the second battery cell assembly are electrically connected to each other. , It is characterized in that the battery cells are not electrically connected to each other between the first and second battery cell assemblies.
  • the battery cells constituting the first battery cell assembly and the second battery cell assembly may be pouch cells from which electrode leads of different polarities are derived from both ends.
  • the number of stacked battery cells of the first battery cell assembly and the second battery cell assembly is an even number.
  • the battery cells included in the first battery cell assembly and the second battery cell assembly are electrically connected to electrode leads of adjacent battery cells so as to form an electrical path connected in a zigzag direction, and both ends of the electrical path Among the electrode leads at both ends of the battery cells included in the first and second battery cell assemblies, electrode leads that are respectively led toward between the first and second battery cell assemblies may be used.
  • the electrode leads of the battery cells included in the first and second battery cell assemblies, respectively, leading between the first and second battery cell assemblies have opposite polarities.
  • a terminal bus bar may be coupled to electrode leads respectively drawn from the first and second battery cell assemblies toward between the first and second battery cell assemblies.
  • electrode leads of adjacent battery cells may be directly coupled through an interbus bar or by being bent to each other.
  • a first barrier rib extending in the battery cell thickness direction may be installed between the first battery cell assembly and the second battery cell assembly.
  • a second partition wall extending in the longitudinal direction of the module case may be provided at an intermediate portion of the battery cells stacked in the thickness direction of the first battery cell assembly and the second battery cell assembly.
  • the battery pack includes a battery module stack formed by stacking a plurality of the above-described battery modules in the thickness direction of the battery cells, and the first battery cell assemblies of the battery modules stacked in the thickness direction are electrically connected to each other. are connected to form a first electric block, the second battery cell assemblies are electrically connected to each other to form a second electric block, and each of the first battery cell assemblies constituting the first electric block and the second electric block, and
  • the second battery cell assembly is characterized in that it is not electrically connected to each other except for the first and second battery cell assemblies of the battery modules stacked on top of the battery module stack.
  • the first and second battery cell assemblies of the battery modules stacked on top of the battery module stack are electrically connected by a high voltage bus bar to electrically connect the first electric block and the second electric block.
  • the first high voltage bus bar electrically connecting the first battery cell assemblies to each other and the second electrically connecting the second battery cell assemblies to each other A high voltage bus bar may be installed on the battery module in a stacking direction of the battery module.
  • the first high-voltage bus bar is connected to a terminal bus bar coupled to an electrode lead of a battery cell derived from the first battery cell assembly toward between the first battery cell assembly and the second battery cell assembly of each battery module.
  • the second high voltage bus bar is connected to a terminal bus bar coupled to an electrode lead of a battery cell derived from the second battery cell assembly toward between the first battery cell assembly and the second battery cell assembly of each battery module.
  • the electrical connection structure of the first and second battery cell assemblies may be a 1P NS structure and N may be an even number.
  • the electrical connection structure of an expandable battery module including two battery cell assemblies and a battery pack constructed by stacking them can be greatly simplified.
  • each battery cell assembly independently constitutes an electric circuit, formation of an internal short circuit may be delayed as much as possible or controlled to be sequentially formed. In this way, the safety of the battery pack can be further improved.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of a structure of a battery module having expandability proposed by the present applicant and a plan view of a battery module laminated body formed by stacking the battery modules.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an electrical path of a battery module laminate composed of the battery modules of FIG. 1 .
  • FIG 3 is a plan view and an enlarged view of a main part of the battery module of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view showing the configuration of the electrode assembly of the battery module of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating an assembly process of the battery module of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an electrical path in the case of stacking the battery modules of the present invention in comparison with the electrical path of FIG. 2 .
  • FIG. 7 is a plan view showing an electrical connection structure of a battery module stack in which battery modules according to the present invention are stacked.
  • FIG. 8 is a perspective view of a battery pack including a battery module laminate composed of battery modules according to the present invention.
  • 9 is examples showing other laminated structures of the battery module of the present invention and a battery module laminate composed of the battery module.
  • being disposed "on” may include the case of being disposed at the bottom as well as at the top.
  • a battery module includes a first battery cell assembly in which battery cells are stacked in the thickness direction of the battery cells; Each battery cell stacked in the first battery cell assembly and each battery cell disposed in a row in the longitudinal direction of the battery cell are stacked in the same number as the number of battery cells stacked in the first battery cell assembly in the thickness direction of the battery cell 2 battery cell assembly; And a module case accommodating the first and second battery cell assemblies, wherein the battery cells of the first battery cell assembly are electrically connected to each other, and the battery cells of the second battery cell assembly are electrically connected to each other. , It is characterized in that the battery cells are not electrically connected to each other between the first and second battery cell assemblies.
  • Figure 3 is a plan view and an enlarged view of main parts of the battery module of the present invention
  • Figure 4 is a perspective view showing the configuration of the electrode assembly of the battery module of the present invention
  • Figure 5 is an exploded perspective view showing the assembly process of the battery module of Figure 4 .
  • the battery module of the present invention includes a first battery cell assembly 10 in which battery cells 1 are stacked in the thickness direction of the battery cells;
  • Each battery cell 1 stacked on the first battery cell assembly 10 and each battery cell 1 arranged in a row in the longitudinal direction of the battery cell are the first battery cell assembly 10 in the thickness direction of the battery cell
  • four first and second battery cell assemblies 10 and 20 are stacked in the battery cell thickness direction, respectively.
  • the battery cells of the same layer of the first and second battery cell assemblies 10 and 20 are disposed to face each other in the longitudinal direction.
  • the module case 30 accommodating the battery cell assemblies also has a rectangular parallelepiped shape elongated along the longitudinal direction.
  • the battery cells of the first and second battery cell assemblies are respectively connected to the terminal bus bars TB1 and TB2 located between the first and second battery cell assemblies 10 and 20, but the first It can be seen that the 2 battery cell assemblies 10 and 20 are not electrically connected to each other.
  • the terminal bus bar has different signs as TB1 and TB2 according to polarity.
  • the battery cells constituting the first and second battery cell assemblies 10 and 20 may employ pouch cells, so-called bi-directional pouch cells, in which electrode leads having different polarities are derived from both ends of the battery cells.
  • the number of battery cells 1 stacked in the battery cell thickness direction is an even number.
  • a first barrier rib 40 extending in the battery cell thickness direction may be provided between the first and second battery cell assemblies 10 and 20 . Heat propagation between the first and second battery cell assemblies 10 and 20 can be prevented by the first barrier rib 40 .
  • the first barrier rib 40 is not shown for convenience of illustration.
  • the same number can be divided up and down. That is, the middle part of the battery cells stacked in the thickness direction of the first and second battery cell assemblies 10 and 20 (in the example of FIG. 3, between two upper and lower battery cells) extends in the longitudinal direction of the module case 30.
  • a second partition wall 50 is installed. The second barrier rib 50 can prevent heat from propagating in the thickness direction.
  • terminal bus bars TB1 and TB2 are provided between the first and second battery cell assemblies 10 and 20 . Specifically, when electrically connecting the stacked battery cells, the terminal bus bars TB1 and TB2 are coupled to end portions of the electrical path. As will be described later, the terminal bus bars TB1 and TB2 are coupled to high voltage bus bars and electrically connected to terminal bus bars TB1 and TB2 of adjacent battery modules.
  • Figure 4 (b) and (c) is a perspective view of the first or second battery cell assembly constituting the battery module 100 of the present invention viewed from the front side and the rear side, respectively
  • Figure 4 (a) is a first, 2 It is a perspective view showing the side where the battery cell assembly is disposed to face each other.
  • the leads of the battery cell 1 to which the terminal bus bars TB1 and TB2 are not coupled are electrically connected to each other by the inter bus bar IB.
  • the interbus bar (IB) is coupled to the support plate between the terminal bus bars (TB1, TB2) (see FIG. 4 (a)), and the longitudinal direction of the first and second battery cell assemblies 10 and 20
  • the leads of the battery cells located at the ends are connected to each other by interbus bars (IB) (see FIGS. 4(b) and (c)).
  • the module case 30 includes a U-shaped frame 31 having an open top and an upper frame 32 coupled thereto, but is not limited thereto. That is, the form of a C-shaped frame having one side opened and an I-shaped frame coupled thereto is also possible, and other types of module cases 30 are also possible as long as they can stably accommodate the battery cell assemblies.
  • the module case 30 includes a front end plate 33 and a rear end plate 34 coupled to the front and rear ends of the battery cell assembly.
  • a concave portion is formed in the center of the upper frame 32, and a through hole 32a is formed in the concave portion so that the terminal portion of the terminal bus bar coupled to the battery cell assembly can protrude.
  • the terminal portion of the terminal bus bar protruding through the through hole 32a is coupled to a high voltage bus bar to be described later.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an electrical path in the case of stacking the battery modules of the present invention in comparison with the electrical path of FIG. 2 .
  • a battery module stack may be formed by stacking a plurality of battery modules in the battery cell thickness direction. A detailed configuration of the battery module stack will be described later in relation to the battery pack.
  • Figure 6 (a) is a description of the electrical path of the electrical connection structure of the battery module laminated structure consisting of the first and second battery cell assemblies of Figure 2
  • Figure 6 (b) is the first and second battery cell assembly of the present invention This will explain the electrical path of the electrical connection structure of the battery module laminated structure.
  • electrode leads R of adjacent battery cells are electrically connected so as to form an electrical path in which four battery cells 1 and 1' stacked in the thickness direction are connected in a zigzag direction.
  • the electrode leads R of the battery cells 1 and 1' adjacent to each other are bent and directly joined by, for example, welding, or, as shown in FIG. 4, It may be electrically connected through the interbus bar (IB).
  • Both ends of the electrical path connected in the zigzag direction are directed between the first and second battery cell assemblies among the electrode leads at both ends of the battery cells included in the first and second battery cell assemblies 10' and 20' (10,20), respectively. It becomes the lead-out electrode lead part.
  • the polarities of the electrode leads derived from the first and second battery cell assemblies 10' and 20' (10 and 20) are reversed. Both ends of the electrical path are coupled to the above-described terminal bus bar to the electrode lead part.
  • FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b) The difference between FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b) is that one of the electrode lead portions respectively led out between the first and second battery cell assemblies is the first and second battery cells in the example of FIG. 4 (a).
  • the first and second battery cell assemblies 10 and 20 are disconnected without being connected.
  • a first barrier rib 40 extending in the battery cell thickness direction is formed between the first and second battery cell assemblies, so that the electrode lead part seems to be disconnected even in the example of FIG. 6 (a), but in reality, the above They are connected to each other through the first partition wall 40 .
  • a battery pack as another aspect of the present invention includes a battery module stack 1000 formed by stacking a plurality of battery modules 100 described above in the thickness direction of the battery cells, and the battery modules 1000 stacked in the thickness direction.
  • the first battery cell assemblies 10 are electrically connected to each other to form a first electric block (P)
  • the second battery cell assemblies 20 are electrically connected to each other to form a second electric block (Q).
  • Each of the first battery cell assembly 10 and the second battery cell assembly 20 constituting the first electric block (P) and the second electric block (Q) is stacked on the top of the battery module stack 1000. It is characterized in that they are not electrically connected to each other except for the first and second battery cell assemblies 10 and 20 of the battery module to be.
  • the battery pack 2000 of the present invention includes a battery module stack 1000 formed by stacking a plurality of battery modules 100 that are not electrically connected between the first and second battery cell assemblies described above in the thickness direction of the battery cells. .
  • the first battery cell assemblies 10 of the battery modules 10 stacked in the thickness direction in the battery module stack 1000 are electrically connected to each other to form a first electric block P.
  • the second battery cell assemblies 20 of the battery modules stacked in the thickness direction in the battery module stack 1000 are electrically connected to each other to form a second electric block Q.
  • the first and second electric blocks (P ,Q) are not electrically connected in principle.
  • the first and second battery cell assemblies 10 and 20 of each battery module constituting the first and second electric blocks P and Q are not electrically connected, the first and second electric blocks P and Q ) are not electrically connected to each other.
  • the first and second battery cell assemblies of the battery modules stacked on the top of the battery module stack are electrically connected by, for example, a high voltage bus bar H3
  • the top of the battery module stack 1000 is the first and second battery cell assemblies.
  • the first electric block (P) and the second electric block (Q) are electrically connected. Therefore, referring to FIG. 7, the first and second electric blocks P and Q of eight battery modules from the bottom among the nine battery modules constituting the first electric block and the second electric block are electrically connected to each other.
  • the first and second electrical blocks P and Q are electrically connected.
  • 6 and 7 show an example of the battery module laminate.
  • FIG. 6(a) is the same as that shown in FIG. 2, and shows that an internal short circuit is formed by thermal runaway. That is, since the battery module stack of FIG. 6 (a) has stacked battery modules 100' electrically connected between the first and second battery cell assemblies 10' and 20', the first and second battery modules of the adjacent battery modules are stacked. When the battery cell assemblies and the second battery cell assemblies are connected to each other with a high voltage bus bar to form electrical blocks P and Q, respectively, the electrical blocks P and Q are also electrically connected. In the case of FIG. 6 (a), when thermal runaway (TR) occurs in one battery cell 1' of the battery cell assembly and propagates to the battery cell 1' of the adjacent battery module, the electrical circuit is consequently connected. An internal short circuit is created.
  • thermal runaway (TR) is not sequentially propagated, but the sequence of thermal runaway (TR) propagation jumps from the first battery cell assembly 10' to the second battery cell assembly 20' according to the internal short circuit. can spread beyond. in other words.
  • thermal runaway propagation speed such that thermal runaway spreads left and right due to an internal short circuit instead of spreading up and down sequentially from the part where thermal runaway occurred. will speed up In this case, the amount of gas generated in the battery pack greatly increases, and the risk of explosion also rapidly increases.
  • FIG. 6(b) that is, in the case of the present invention, even if thermal runaway occurs in the first battery cell assembly 10 on the left side, the thermal runaway propagates only to the upper and lower battery modules 100 and It does not propagate toward the second battery cell assembly 20 on the right side, specifically the second electric block (Q). This is because, in principle, there is no electrical connection between the first and second battery cell assemblies 10 and 20 and the first and second electric blocks P and Q, so no internal short circuit is formed.
  • FIG. 7 is a plan view showing an electrical connection structure of a battery module stack in which battery modules according to the present invention are stacked.
  • the battery pack including the battery module stack 1000 of the present invention.
  • the first and second electrical blocks P and Q are not electrically connected. Therefore, it is a structure in which the left and right electric block parts P and Q propagate separately during thermal runaway.
  • the flow of electricity must be in an inverted U shape as shown in FIG.
  • the 1 and 2 battery cell assemblies 10 and 20 need to be electrically connected.
  • the thermal runaway (TR) does not propagate between the first and second battery cell assemblies 10 and 20 of each battery module 100 until it reaches the top, but propagates sequentially.
  • the present invention suppresses the occurrence of an internal short circuit in the battery pack, prevents thermal runaway (TR) from rapidly propagating and propagates sequentially, thereby reducing the amount of gas generation and greatly reducing the risk of explosion. will be.
  • the first and second battery cell assemblies 10 and 20 of each battery module 100 When connecting the high voltage bus bars HB1 and HB2 to the provided terminal bus bars TB1 and TB2, it is sufficient if only the two high voltage bus bars HB1 and HB2 extending in the stacking direction of the battery module are provided. That is, there is no need to prepare three high voltage bus bars as shown in FIG. 1 . Accordingly, the electrical connection structure of the battery pack is greatly simplified. As shown in the enlarged view of FIG. 7, the first and second high voltage bus bars HB1 and HB2 are coupled to the terminal bus bars TB1 and TB2 of different polarities exposed above the battery module, respectively, so that the battery module 100 electrically connect the
  • electrical connection between the first and second battery cell assemblies 10 and 20 of the battery module 100 stacked on the top of the battery module stack 1000 may be performed by a high voltage bus bar H3.
  • the high voltage bus bar (TB1, TB2) coupled to the electrode leads of the battery cells led between the first and second battery cell assemblies 10 and 20 of the battery module 100 stacked on the top ( H3) (third high voltage bus bar) may be connected to implement an inverted U-shaped electrical path in the battery module stack.
  • FIG 8 is a perspective view of a battery pack 2000 including a battery module laminate 1000 composed of battery modules according to the present invention.
  • the battery module laminate 1000 is the same as that shown in FIG. 7, and two high voltage bus bars HB1 and HB2 are coupled side by side in the module stacking direction in the center of the first and second electric blocks P and Q. there is.
  • the battery module stack 1000 is accommodated in an appropriate battery pack case 2100, the electrical connection structure is simplified, the utilization of space inside the pack is increased, and the battery pack 2000 capable of preventing the occurrence of an internal short circuit is obtained.
  • 9 is examples showing other laminated structures and electrical connection structures of the battery module of the present invention and the battery module laminate 100 composed of the battery module.
  • FIG. 9 (a) shows one battery module in which the first and second battery cell assemblies 10 and 20 formed by stacking two battery cells in the thickness direction in one battery module form a battery cell assembly of a 1P2S structure, respectively. , shows a structure in which two or four are stacked.
  • FIG. 9(b) shows one battery module in which the first and second battery cell assemblies 10 and 20 formed by stacking 6 battery cells in the thickness direction in one battery module form a battery cell assembly having a 1P6S structure, respectively. , shows a structure in which two or four are stacked.
  • the electrical connection structure of the first and second battery cell assemblies 10 and 20 was respectively 1P4S structure.
  • the electrical connection structure of the battery module may be other structures such as 1P2S and 1P6S.
  • a 1P8S electrical connection structure may also be employed.
  • the electrical connection structure of the first and second battery cell assemblies 10 and 20 may be 1PNS (N is an even number).
  • the second electric block (Q) formed by connecting the second battery cell assemblies 20 to each other is electrically connected to each other except for the first and second battery cell assemblies 10 and 20 of the battery module 100 at the end. It doesn't work.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전지셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 적층된 제1 전지셀 조립체; 상기 제1 전지셀 조립체에 적층된 각 전지셀과 전지셀 길이방향으로 일렬로 배치되는 각 전지셀이 그 전지셀의 두께방향으로 제1 전지셀 조립체의 전지셀 적층 개수와 동일한 개수로 적층되는 제2전지셀 조립체; 및 상기 제1 및 제2 전지셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하고, 상기 제1 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되지만, 상기 제1,2 전지셀 조립체간에는 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되지 않는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 배터리 모듈로 구성된 배터리 팩을 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 전기 연결구조가 간소하여 전기적으로 내부 쇼트 회로가 형성되는 것을 방지할 수 있는 배터리 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2021.10.27 자 한국 특허 출원 제10-2021-0144831호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
또한, 에너지 저장장치(ESS) 및 전기자동차 등의 동력원으로서, 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지를 내부에 수용한 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈들로 구성된 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩은 복수의 이차전지를 외부 충격으로부터 보호하거나 수납 보관하기 위해서 금속 재질의 외부 하우징을 구비하고 있다.
도 1은 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈(100')의 구조의 일례를 나타내는 평면도(도 1(a)) 및 상기 배터리 모듈(100')을 적층하여 구성된 배터리 모듈 적층체(1000')의 평면도(도 1(b))이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈로 구성된 배터리 모듈 적층체(1000')의 전기적 경로를 나타내는 개략도이다.
본 출원인은 복수개의 전지셀(1')을 전지셀 두께방향으로 적층한 제1 전지셀 조립체(10')와 상기 제1 전지셀 조립체(10')와 전지셀 길이방향으로 대향하며 상기 제1 전지셀 조립체(10')와 동일하게 전지셀 두께방향으로 복수개의 전지셀을 구성한 제2 전지셀 조립체(20')로 구성되는 전지셀 조립체를 길이방향으로 길게 연장되는 직육면체 형상의 모듈 케이스(30')에 수용한 배터리 모듈(100')을 개발하였다. 이러한 배터리 모듈(100')은 비교적 적은 개수의 전지셀을 각각의 모듈 케이스(30')에 수용하고, 상기 배터리 모듈들을 전지셀의 길이방향 또는 두께방향으로 마치 레고 블록과 같이 적층하여 배터리 모듈(100')이 설치되는 공간 혹은 배터리 팩의 설치공간을 고려하여 자유롭게 배터리 팩을 구성할 수 있다. 이와 같이, 본 출원인이 제안한 배터리 모듈(100')은 적층(설계)방식에 따라 얼마든지 다양한 형태의 배터리 팩을 제조할 수 있으므로, 확장성 있는 배터리 모듈이라 칭할 수 있다.
그런데, 이제까지 제안하였던 확장성 있는 배터리 모듈의 경우 길이방향으로 대향하는 상기 제1,2 전지셀 조립체(10', 20')를 전기적으로 서로 연결하는 구조였다. 도 1을 참조하면, 제1,2 전지셀 조립체(10', 20')의 하부 2열의 전지셀들은 서로 연결되어 있지 않지만, 상부 2열의 전지셀들은 제1,2 전지셀 조립체(10', 20')간에 서로 전기적으로 연결되어 있다(도 1(a)의 A의 전기 연결부 참조).
그러나, 이러한 전기연결구조의 확장성 배터리 모듈은 다음과 같은 문제를 가지고 있다.
제1,2 전지셀 조립체(10', 20') 간을 전기적으로 연결하므로, 배터리 모듈 자체의 전기연결구조가 복잡해지며 이로 인하여 상기 제1,2 전지셀 조립체(10', 20')를 포함하는 배터리 모듈을 적층할 경우에는, 각 배터리 모듈의 전지셀 조립체간을 전기적으로 연결하기 위하여, 도 1(b)와 같이 총 3줄(a, b, c)의 고전압 버스바가 필요하였다.
특히, 도 2를 참조하면, 적층된 배터리 모듈(100')의 일부 전지셀에 열폭주(thermal runaway, 이하 약칭하여 'TR'이라 함)가 발생하는 경우 내부 쇼트 회로가 형성되는 문제가 있었다. 즉, 도 2의 (a)에서 인접하는 배터리 모듈 간에는 상술한 고전압 버스바로 전기적으로 연결될 뿐 각 모듈 간의 전지셀은 서로 직접적으로 연결되어서는 안된다. 그러나, 하나의 전지셀(1')에 열폭주가 발생하면, 상기 전지셀(1')이 모듈 케이스(30')에 녹아붙어 접하게 되고, 인접하는 다른 모듈의 모듈 케이스(30') 및 그 모듈 케이스 내에 위치한 전지셀(1')로 열폭주가 전파된다. 이에 의하여, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈의 적층방향을 따라 열폭주가 진행되어 좌측의 배터리 모듈들의 제1 전지셀 조립체(10') 간에 열폭주가 전파된다. 그런데, 상기 배터리 모듈들의 제1 전지셀 조립체(10')는 각 배터리 모듈들의 제2 전지셀 조립체(20')와 각각 전기적으로 연결되어 있으므로, 제2 전지셀 조립체(20')까지 쇼트가 되어 전기적으로 전체 배터리 모듈(100') 내지 배터리 모듈 적층체(1000')에 내부 쇼트 회로가 형성되게 된다(도 2(c) 참조). 이와 같이, 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 내부 쇼트 회로가 형성되면 가스가 급격하게 발생하고 과열되게 되어 배터리 팩의 폭발 위험이 증가한다.
따라서, 확장성을 가지는 배터리 모듈 및 이에 의하여 구성되는 배터리 팩에 있어서, 전기연결구조를 보다 간소화하여 내부 공간 활용을 극대화하면서도 열폭주시 내부 쇼트 회로가 생성되는 것을 방지 내지 지연시킬 수 있는 기술의 개발이 요망된다 하겠다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국 공개특허공보 제10-2020-0131500호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 확장성 모듈을 구성하는 두 개의 전지셀 조립체 간에 전기적 연결을 배제하여 전기연결구조를 간소화하고 내부 쇼트 회로 발생을 방지하는 배터리 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전지셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 적층된 제1 전지셀 조립체; 상기 제1 전지셀 조립체에 적층된 각 전지셀과 전지셀 길이방향으로 일렬로 배치되는 각 전지셀이 그 전지셀의 두께방향으로 제1 전지셀 조립체의 전지셀 적층 개수와 동일한 개수로 적층되는 제2전지셀 조립체; 및 상기 제1 및 제2 전지셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하고, 상기 제1 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되지만, 상기 제1,2 전지셀 조립체간에는 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되지 않는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로서, 상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체를 구성하는 전지셀은 양단으로부터 다른 극성의 전극 리드가 도출되는 파우치셀일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체의 전지셀 적층개수는 짝수개이다.
구체적으로, 상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체에 포함된 전지셀들은 각각 지그재그 방향으로 연결되는 전기적 경로를 형성하도록 인접하는 전지셀들의 전극 리드가 전기 접속되고, 상기 전기적 경로의 양단부는 상기 제1,2 전지셀 조립체에 포함된 전지셀의 양단의 전극 리드 중 상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 향하여 각각 도출되는 전극 리드가 될 수 있다.
또한, 상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 항하여 각각 도출되는 상기 제1, 2 전지셀 조립체에 포함된 전지셀의 전극 리드는 극성이 반대이다.
또한, 상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 향하여 제1,2 전지셀 조립체로부터 각각 도출되는 전극 리드에 터미널 버스바가 결합될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 지그재그 방향으로 연결되는 전기적 경로를 형성하기 위하여 인접하는 전지셀들의 전극 리드는 인터버스바를 통하여 또는 서로 절곡되어 직접 결합될 수 있다.
다른 예로서, 상기 제1 전지셀 조립체와 제2 전지셀 조립체 사이에 전지셀 두께방향으로 연장되는 제1 격벽이 설치될 수 있다.
또한, 상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체의 두께방향으로 적층되는 전지셀의 중간부에 상기 모듈 케이스의 길이방향으로 연장되는 제2격벽이 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서, 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈을 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층하여 이루어지는 배터리 모듈 적층체를 포함하고, 상기 두께방향으로 적층되는 배터리 모듈의 제1 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결되어 제1 전기블럭을 형성하고, 상기 제2 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결되어 제2 전기블럭을 형성하며, 상기 제1 전기블럭 및 제2 전기블럭을 구성하는 각 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체는, 상기 배터리 모듈 적층체의 최상단에 적층되는 배터리 모듈의 제1,2 전지셀 조립체를 제외하고는 서로 전기적으로 연결되지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 모듈 적층체의 최상단에 적층되는 배터리 모듈의 제1,2 전지셀 조립체는 고전압 버스바에 의하여 전기적으로 연결되어 상기 제1 전기블럭 및 제2 전기블럭을 전기적으로 연결한다.
하나의 예로서, 상기 제1 전기블럭 및 제2 전기블럭을 형성하기 위하여, 상기 제1 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결하는 제1 고전압 버스바 및 상기 제2 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결하는 제2 고전압 버스바가 상기 배터리 모듈의 적층방향으로 상기 배터리 모듈 상에 설치될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 고전압 버스바는 상기 각 배터리 모듈의 제1 전지셀 조립체와 제2 전지셀 조립체 사이를 향하여 상기 제1 전지셀 조립체로부터 도출되는 전지셀의 전극 리드에 결합되는 터미널 버스바에 연결되고, 상기 제2 고전압 버스바는 상기 각 배터리 모듈의 제1 전지셀 조립체와 제2 전지셀 조립체 사이를 향하여 상기 제2 전지셀 조립체로부터 도출되는 전지셀의 전극 리드에 결합되는 터미널 버스바에 연결된다.
하나의 예로서, 상기 제1 및 제2 전지셀 조립체의 전기적 연결구조는, 1P NS구조이고 상기 N은 짝수일 수 있다.
본 발명에 의하면, 2개의 전지셀 조립체를 포함하는 확장성 배터리 모듈 및 이를 적층하여 구성되는 배터리 팩의 전기연결구조를 대폭 간소화할 수 있다.
또한, 각 전지셀 조립체가 독립적으로 전기회로를 구성하므로, 내부 쇼트 회로가 형성되는 것을 최대한 지연시키거나 순차적으로 형성되도록 제어할 수 있다. 이에 의하여, 배터리 팩의 안전성을 한층 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 출원인이 제안한 확장성을 가지는 배터리 모듈의 구조의 일례를 나타내는 평면도 및 상기 배터리 모듈을 적층하여 구성된 배터리 모듈 적층체의 평면도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈로 구성된 배터리 모듈 적층체의 전기적 경로를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 배터리 모듈의 평면도 및 요부확대도이다.
도 4는 본 발명의 배터리 모듈의 전극 조립체의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈의 조립과정을 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 배터리 모듈을 적층한 경우의 전기적 경로를 도 2의 전기적 경로와 대비하여 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 배터리 모듈을 적층한 배터리 모듈 적층체의 전기접속구조를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 배터리 모듈로 구성된 배터리 모듈 적층체를 포함하는 배터리 팩의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈로 구성되는 배터리 모듈 적층체의 다른 적층구조를 나타내는 예들이다.
(부호의 설명)
1: 전지셀
10: 제1 전지셀 조립체
20: 제2 전지셀 조립체
30: 모듈 케이스
40: 제1 격벽
50: 제2 격벽
TB1,TB2: 터미널 버스바
IB: 인터버스바
TR: 열폭주 전지셀
HB1,HB2,HB3: 고전압 버스바
R: 전극 리드
P: 제1 전기블럭
Q: 제2 전기블럭
100: 배터리 모듈
1000: 배터리 모듈 적층체
2100: 배터리 팩 케이스
2000: 배터리 팩
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 발명의 명세서에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
(배터리 모듈)
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전지셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 적층된 제1 전지셀 조립체; 상기 제1 전지셀 조립체에 적층된 각 전지셀과 전지셀 길이방향으로 일렬로 배치되는 각 전지셀이 그 전지셀의 두께방향으로 제1 전지셀 조립체의 전지셀 적층 개수와 동일한 개수로 적층되는 제2전지셀 조립체; 및 상기 제1 및 제2 전지셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하고, 상기 제1 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되지만, 상기 제1,2 전지셀 조립체간에는 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되지 않는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 배터리 모듈의 평면도 및 요부확대도이고, 도 4는 본 발명의 배터리 모듈의 전극 조립체의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 배터리 모듈의 조립과정을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리 모듈은 전지셀(1)이 상기 전지셀의 두께방향으로 적층된 제1 전지셀 조립체(10); 상기 제1 전지셀 조립체(10)에 적층된 각 전지셀(1)과 전지셀 길이방향으로 일렬로 배치되는 각 전지셀(1)이 그 전지셀의 두께방향으로 제1 전지셀 조립체(10)의 전지셀 적층 개수와 동일한 개수로 적층되는 제2전지셀 조립체(20)를 포함한다. 본 실시예에서는 제1,2 전지셀 조립체(10,20)가 전지셀 두께방향으로 각각 4개씩 적층되어 있다. 상기 제1,2 전지셀 조립체(10,20)의 동일한 층의 전지셀들은 길이방향으로 서로 대향하게 배치된다. 상기와 같이, 2개의 전지셀 조립체가 길이방향으로 길게 배치되어 있으므로, 상기 전지셀 조립체들을 수용하는 모듈 케이스(30)도 길이방향을 따라 길게 연장된 직육면체 형상을 가진다. 도 3의 확대도에 나타난 바와 같이, 제1,2 전지셀 조립체의 전지셀들은 제1,2 전지셀 조립체(10,20) 사이에 위치한 터미널 버스바(TB1,TB2)에 각각 연결되지만 제1,2 전지셀 조립체(10,20) )간에는 서로 전기적으로 연결되지 않는 것을 알 수 있다. 터미널 버스바는 극성에 따라 TB1, TB2로 부호를 달리하였다.
상기 제1, 2 전지셀 조립체(10,20)를 구성하는 전지셀들은 전지셀 양단으로부터 극성이 다른 전극 리드가 도출되는 파우치셀, 이른바 양방향 파우치셀을 채용할 수 있다. 또한, 본 발명의 확장성 모듈에서 전지셀 두께방향으로 적층되는 전지셀(1)의 개수는 짝수이다.
상기 제1,2 전지셀 조립체(10,20) 사이에는 전지셀 두께방향으로 연장되는 제1 격벽(40)을 구비할 수 있다. 이 제1 격벽(40)에 의하여 제1,2 전지셀 조립체(10,20)간의 열전파를 방지할 수 있다. 다만, 도 4 및 도 5에는 도시의 편의를 위하여 상기 제1 격벽(40)을 도시하지 않았다. 또한, 상기 전지셀 두께방향으로 적층되는 전지셀(1)의 개수는 짝수이므로 상하로 동일한 개수로 구분할 수 있다. 즉, 제1,2 전지셀 조립체(10,20)의 두께방향으로 적층되는 전지셀의 중간부(도 3의 예에서는 상하 2개씩의 전지셀 사이)에 모듈 케이스(30)의 길이방향으로 연장되는 제2 격벽(50)이 설치된다. 이 제2 격벽(50)은 두께방향으로 열이 전파되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈(100)은 제1,2 전지셀 조립체(10,20) 사이에 터미널 버스바(TB1,TB2)가 구비된다. 구체적으로는 상기 적층된 전지셀들을 전기적으로 연결하는 경우 그 전기적경로의 단부 부분에 상기 터미널 버스바(TB1,TB2)가 결합된다. 상기 터미널 버스바(TB1,TB2)는 후술하는 바와 같이 고전압 버스바에 결합되어 인접하는 다른 배터리 모듈의 터미널 버스바(TB1,TB2)와 전기적으로 연결된다.
도 4의 (b) 및 (c)는 본 발명의 배터리 모듈(100)을 구성하는 제1 또는 제2 전지셀 조립체를 각각 전면측과 후면측에서 바라본 사시도이고 도 4(a)는 제1,2 전지셀 조립체가 서로 대향배치되는 측을 나타낸 사시도이다. 도 4를 참조하면, 터미널 버스바(TB1,TB2)가 결합되지 않는 전지셀(1)의 리드끼리는 인터버스바(IB)에 의하여 서로 전기적으로 연결되는 것을 알 수 있다. 도 4에서 상기 터미널 버스바(TB1,TB2) 사이의 지지판에 인터버스바(IB)가 결합되고(도 4(a) 참조), 제1 및 제2 전지셀 조립체(10,20)의 길이방향 단부에 위치한 전지셀의 리드들이 인터버스바(IB)에 의하여 서로 연결된다(도 4(b),(c) 참조).
도 5에는 상기 제1 및 제2 전지셀 조립체(10,20)가 모듈 케이스(30)에 수용되는 것이 도시되어 있다. 상기 모듈 케이스(30)는 상부가 개구된 U자형 프레임(31)과 이에 결합되는 상부 프레임(32)을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 일측이 개구된 C자형 프레임과 이에 결합되는 I자형 프레임의 형태도 가능하며, 상기 전지셀 조립체들을 안정적으로 수용할 수 있는 형태라면 다른 형태의 모듈 케이스(30)도 가능하다. 상기 모듈 케이스(30)는 상기 전지셀 조립체의 전단과 후단에 결합되는 전단판(33) 및 후단판(34)을 포함한다. 상기 상부 프레임(32)의 중앙에는 오목부가 형성되며 이 오목부에 전지셀 조립체에 결합되는 터미널 버스바의 단자부가 돌출될 수 있도록 관통공(32a)이 형성된다. 상기 관통공(32a)을 통해 돌출된 터미널 버스바의 단자부는 후술하는 고전압 버스바에 결합된다.
도 6은 본 발명의 배터리 모듈을 적층한 경우의 전기적 경로를 도 2의 전기적 경로와 대비하여 나타낸 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 복수개의 배터리 모듈들을 전지셀 두께방향으로 적층하여 배터리 모듈 적층체를 구성할 수 있다. 배터리 모듈 적층체의 자세한 구성에 관해서는 배터리 팩과 관련하여 후술하기로 한다.
도 3, 도4 및 도 6을 참조하여 본 발명의 배터리 팩에 구비되는 전지셀 조립체 및 배터리 모듈 적층체의 전기연결구조를 설명한다.
도 6(a)는 도 2의 제1,2 전지셀 조립체로 이루어진 배터리 모듈 적층구조의 전기연결구조의 전기적경로를 설명한 것이고, 도 6(b)는 본 발명의 제1,2 전지셀 조립체로 이루어진 배터리 모듈 적층구조의 전기연결구조의 전기적경로를 설명한 것이다.
도 6의 전지셀 조립체는 두께방향으로 적층되는 4개의 전지셀들(1,1')이 지그재그 방향으로 연결되는 전기적 경로를 형성하도록 인접하는 각 전지셀들의 전극 리드(R)가 전기 접속되고 있다. 상기 지그재그 방향으로 연결되는 전기적 경로를 형성하기 위하여 인접하는 전지셀들(1,1')의 전극 리드(R)는 서로 절곡되어 예컨대 용접 등에 의하여 직접 결합되거나, 혹은 도 4에 도시된 바와 같이, 인터버스바(IB)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
지그재그 방향으로 연결된 전기적 경로의 양단부는 제1, 2 전지셀 조립체(10',20')(10,20)에 포함된 전지셀의 양단 전극 리드 중 상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 향하여 각각 도출되는 전극 리드부가 된다. 이 경우, 상기 제1,2 전지셀 조립체(10',20')(10,20)로부터 각각 도출되는 상기 전극 리드부의 극성은 반대가 된다. 전기적 경로의 양단부이 전극 리드부에 상술한 터미널 버스바가 결합된다.
도 4(a)와 도 4(b)의 차이점은, 상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 항하여 각각 도출되는 전극 리드부 중 하나가 도 4(a)의 예에서는 제1,2 전지셀 조립체(10',20')간을 연결하고 있는데 대하여, 도 4(b)의 본 발명예에서는 제1,2 전지셀 조립체(10,20) 간을 연결하지 않고 단절되어 있다는 점이다. 도 6에서 제1,2 전지셀 조립체간에 전지셀 두께방향으로 연장되는 제1 격벽(40)이 형성되어 있어, 도 6(a)의 예에서도 상기 전극 리드부가 단절되어 있는 듯 보이지만, 실제로는 상기 제1 격벽(40)을 지나 서로 연결되고 있다. 이러한 전기연결구조의 배터리 모듈을 적층하여 배터리 팩을 구성하는 경우, 도 1과 같이 고전압 버스바도 3개 연결하는 등 복잡한 구조가 되지만, 내부 쇼트 회로가 형성되는 문제가 있다. 이에 대해서는 다음의 본 발명의 배터리 팩과 관련하여 보다 상술하기로 한다.
(배터리 팩)
본 발명의 다른 측면으로서의 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈(100)을 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층하여 이루어지는 배터리 모듈 적층체(1000)를 포함하고, 상기 두께방향으로 적층되는 배터리 모듈(1000의 제1 전지셀 조립체(10) 끼리 전기적으로 연결되어 제1 전기블럭(P)을 형성하고, 상기 제2 전지셀 조립체(20) 끼리 전기적으로 연결되어 제2 전기블럭(Q)을 형성하며, 상기 제1 전기블럭(P) 및 제2 전기블럭(Q)을 구성하는 각 제1 전지셀 조립체(10) 및 제2 전지셀 조립체(20)는, 상기 배터리 모듈 적층체(1000)의 최상단에 적층되는 배터리 모듈의 제1,2 전지셀 조립체(10,20)를 제외하고는 서로 전기적으로 연결되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 팩(2000)은 상술한 제1,2 전지셀 조립체간에 전기적으로 연결되지 않는 배터리 모듈(100)을 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층하여 이루어지는 배터리 모듈 적층체(1000)를 포함한다. 상기 배터리 모듈 적층체(1000)에서 두께방향으로 적층되는 배터리 모듈(10)의 제1 전지셀 조립체(10)끼리 전기적으로 연결되어 제1 전기블럭(P)을 형성한다. 또한, 상기 배터리 모듈 적층체(1000)에서 두께방향으로 적층되는 배터리 모듈의 제2 전지셀 조립체(20)끼리 전기적으로 연결되어 제2 전기블럭(Q)을 형성한다. 본 발명의 배터리 팩이 구비한 상기 배터리 모듈 적층체(1000)는 모듈 단에서 제1,2 전지셀 조립체(10,20)끼리 전기적으로 연결되지 않는 것과 마찬가지로, 상기 제1,2 전기블럭(P,Q) 간에도 원칙적으로 전기적으로 연결되지 않도록 하고 있다. 즉, 상기 제1,2 전기블럭(P,Q)을 구성하는 각 배터리 모듈의 제1,2 전지셀 조립체(10,20)가 전기적으로 연결되지 않으므로 상기 제1,2 전기블럭(P,Q)도 서로 전기적으로 연결되지 않게 된다. 하지만, 상기 배터리 모듈 적층체의 최상단에 적층되는 배터리 모듈의 제1,2 전지셀 조립체는 예컨대, 고전압 버스바(H3)에 의하여 전기적으로 연결되므로, 배터리 모듈 적층체(1000)의 최상단에서는 상기 제1 전기블럭(P) 및 제2 전기블럭(Q)이 전기적으로 연결된다. 따라서, 도 7을 참조하면, 상기 제1 전기블럭 및 제2 전기블럭을 구성하는 9개의 배터리 모듈 중 아래로부터 8개까지의 배터리 모듈의 제1,2 전기블럭(P,Q)은 서로 전기적으로 연결이 되지 않지만, 9개째의 배터리 모듈에서는 제1,2 전기블럭(P,Q)이 전기적으로 연결이 되는 구조가 된다.
도 6 및 도 7에 상기 배터리 모듈 적층체의 일례가 도시되어 있다.
도 6(a)는 도 2에 도시된 것과 동일한 것으로, 열폭주에 의하여 내부 쇼트 회로가 형성되는 것을 나타내고 있다. 즉, 도 6(a)의 배터리 모듈 적층체는, 제1,2 전지셀 조립체(10',20') 간에 전기적으로 연결되는 배터리 모듈(100')을 적층하였으므로, 인접하는 배터리 모듈의 제1 전지셀 조립체끼리 그리고 제2 전지셀 조립체끼리 고전압 버스바로 연결하여 각각 전기블럭(P,Q )을 형성하는 경우, 상기 전기블럭 P,Q도 전기적으로 연결되는 구조가 된다. 도 6(a)의 경우 전지셀 조립체의 어느 한 전지셀(1')에서 열폭주(TR)가 발생하고 그것이 인접하는 배터리 모듈의 전지셀(1')로 전파되어 전기 회로가 결과적으로 연결되면 내부 쇼트 회로가 생성된다. 이렇게 되면, 열폭주(TR)도 순차적으로 전파되는 것이 아니라, 내부 쇼트 회로에 따라 제1 전지셀 조립체(10')로부터 제2 전지셀 조립체(20')로 열폭주(TR) 전파 순서를 뛰어넘어 전파될 수 있다. 즉. 도 1(b)와 같이, 전기가 거꾸로 된 U자형 경로를 따라 흐를 때, 열폭주가 순차적으로 열폭주가 발생한 부분으로부터 상하로 퍼지는 것이 아니라, 내부 쇼트로 인하여 좌우로도 퍼지는 등 열폭주 전파속도가 빨라지게 된다. 이렇게 되면, 배터리 팩 내의 가스 발생량이 크게 증가하고, 폭발 위험성도 급증하게 된다.
반면, 도 6(b), 즉 본 발명의 경우에는, 예컨대, 좌측의 제1 전지셀 조립체(10)에서 열폭주가 발생하더라도, 그 상부 및 하부의 배터리 모듈(100)로만 열폭주가 전파되고 우측의 제2 전지셀 조립체(20), 구체적으로 제2 전기블럭(Q) 쪽으로는 전파되지 않는다. 왜냐하면, 제1,2 전지셀 조립체(10,20), 그리고 제1,2 전기블럭(P,Q) 간에는 원칙적으로 전기적으로 연결되어 있지 않으므로, 내부 쇼트 회로가 형성되지 않기 때문이다.
도 7은 본 발명의 배터리 모듈을 적층한 배터리 모듈 적층체의 전기접속구조를 나타내는 평면도이다.
도 7에도 본 발명의 배터리 모듈 적층체(1000)를 포함한 배터리 팩의 효과가 잘 나타나 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 배터리 모듈 적층체(1000)는 상기 적층체의 최상단에 적층되는 배터리 모듈(100)을 제외하고는 제1,2 전기블럭(P,Q) 간에 전기적으로 연결되어 있지 않으므로, 열폭주시 좌우의 전기블럭부(P,Q) 가 각각 별도로 전파되는 구조이다. 다만, 예컨대 차량의 전장부품 등에 연결되어야 하는 배터리 팩의 구조상 전기의 흐름은 도 7과 같이 역 U자형태가 되어야 하므로, 배터리 모듈 적층체(1000)의 최상단에 적층되는 배터리 모듈(100)의 제1,2 전지셀 조립체(10,20)는 전기적으로 연결될 필요가 있다. 그러나, 이 경우에도, 상기 최상단에 이를 때까지 열폭주(TR)는 각 배터리 모듈(100)의 제1,2 전지셀 조립체(10,20)간에 전파되지 않고 순차적으로 전파된다. 부언하면, 본 발명은 배터리 팩 내에 내부 쇼트 회로가 발생하는 것을 억제하여, 열폭주(TR)가 급속히 전파되는 것을 방지하고 순차적으로 전파되도록 함으로써, 가스발생량을 줄이고 폭발의 리스크도 크게 저감할 수 있는 것이다.
또한, 도 7에 나타난 바와 같이, 제1,2 전기블럭(P,Q) 간에 전기적으로 연결되지 않는 구조로 하면, 각 배터리 모듈(100)의 제1,2 전지셀 조립체(10,20)에 구비된 터미널 버스바(TB1,TB2)에 고전압 버스바(HB1,HB2)를 연결할 때 배터리 모듈 적층방향으로 연장되는 2개의 고전압 버스바(HB1,HB2)만 구비되면 충분하다. 즉, 도 1과 같이 고전압 버스바를 3개 준비할 필요가 없다. 따라서, 배터리 팩의 전기접속구조도 크게 간소화된다. 도 7의 확대도에 나타난 바와 같이, 상기 제1,2 고전압 버스바(HB1,HB2)는 배터리 모듈 상부로 노출된 다른 극성의 터미널 버스바(TB1,TB2)에 각각 결합되어 배터리 모듈(100) 간을 전기적으로 연결한다.
한편, 배터리 모듈 적층체(1000)의 최상단에 적층되는 배터리 모듈(100)의 제1,2 전지셀 조립체(10,20) 간의 전기적 연결은 고전압 버스바(H3)에 의해서 행할 수 있다. 구체적으로, 상단에 적층되는 배터리 모듈(100)의 제1,2 전지셀 조립체(10,20) 사이로 도출되는 전지셀의 전극 리드에 결합되는 터미널 버스바(TB1,TB2)에 상기 고전압 버스바(H3)(제3 고전압 버스바)를 연결함으로써 역 U자형의 전기경로를 배터리 모듈 적층체에서 구현할 수 있다.
도 8은 본 발명의 배터리 모듈로 구성된 배터리 모듈 적층체(1000)를 포함하는 배터리 팩(2000)의 사시도이다.
상기 배터리 모듈 적층체(1000)는 도 7에 도시된 것과 동일하며 제1,2 전기블럭(P,Q)의 가운데에 2개의 고전압 버스바(HB1,HB2)가 모듈 적층방향으로 나란하게 결합되어 있다. 이러한 배터리 모듈 적층체(1000)를 적절한 배터리 팩 케이스(2100)에 수용하면, 전기접속구조가 간소화되어 팩 내부 공간 활용도가 증대되고, 내부 쇼트 회로 발생을 방지할 수 있는 배터리 팩(2000)을 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈로 구성되는 배터리 모듈 적층체(100)의 다른 적층구조 및 전기연결구조를 나타내는 예들이다.
도 9(a)는 하나의 배터리 모듈 내에 2개의 전지셀이 두께방향으로 적층되어 형성된 제1,2 전지셀 조립체(10,20)가 각각 1P2S 구조의 전지셀 조립체를 형성하는 배터리 모듈이 1개, 2개, 4개 적층되는 구조를 나타낸 것이다.
도 9(b)는 하나의 배터리 모듈 내에 6의 전지셀이 두께방향으로 적층되어 형성된 제1,2 전지셀 조립체(10,20)가 각각 1P6S 구조의 전지셀 조립체를 형성하는 배터리 모듈이 1개, 2개, 4개 적층되는 구조를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 6에서는 상기 제1 및 제2 전지셀 조립체(10,20)의 전기적 연결구조를 각각 1P4S 구조로 하였다. 하지만, 도 9에 나타난 바와 같이, 상기 배터리 모듈의 전기연결구조는 1P2S, 1P6S 등 다른 구조로 할 수 있다. 예컨대, 도 9에 도시되지는 않았지만, 1P8S의 전기연결구조도 채용할 수 있다. 요컨대, 상기 제1,2 전지셀 조립체(10,20)의 전기연결구조는 1PNS(N은 짝수)로 할 수 있다. 어떠한 구조로 하든, 적층된 배터리 모듈(100) 간에 상기 제1,2 전지셀 조립체(10,20), 그리고 인접하는 제1 전지셀 조립체(10)끼리 연결되어 형성하는 제1 전기블럭(P), 제2전지셀 조립체(20)끼리 연결되어 형성하는 제2 전기블럭(Q)은 끝단의 배터리 모듈(100)의 제1,2 전지셀 조립체(10,20)를 제외하고는 서로 전기적으로 연결되지 않는다.
이상, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.

Claims (15)

  1. 복수개의 전지셀이 상기 전지셀의 두께방향으로 적층된 제1 전지셀 조립체;
    상기 제1 전지셀 조립체에 적층된 각 전지셀과 전지셀 길이방향으로 일렬로 배치되는 각 전지셀이 그 전지셀의 두께방향으로 제1 전지셀 조립체의 전지셀 적층 개수와 동일한 개수로 적층되는 제2전지셀 조립체; 및
    상기 제1 및 제2 전지셀 조립체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하고,
    상기 제1 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 전지셀 조립체의 전지셀들은 서로 전기적으로 연결되지만,
    상기 제1,2 전지셀 조립체간에는 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되지 않는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체를 구성하는 전지셀은 양단으로부터 다른 극성의 전극 리드가 도출되는 파우치셀인 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체의 전지셀 적층개수는 짝수개인 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체에 포함된 전지셀들은 각각 지그재그 방향으로 연결되는 전기적 경로를 형성하도록 인접하는 전지셀들의 전극 리드가 전기 접속되고,
    상기 전기적 경로의 양단부는 상기 제1,2 전지셀 조립체에 포함된 전지셀의 양단의 전극 리드 중 상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 향하여 각각 도출되는 전극 리드가 되는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 항하여 각각 도출되는 상기 제1, 2 전지셀 조립체에 포함된 전지셀의 전극 리드는 극성이 반대인 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1,2 전지셀 조립체 사이를 향하여 제1,2 전지셀 조립체로부터 각각 도출되는 전극 리드에 터미널 버스바가 결합되는 배터리 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 지그재그 방향으로 연결되는 전기적 경로를 형성하기 위하여 인접하는 전지셀들의 전극 리드는 인터버스바를 통하여 또는 서로 절곡되어 직접 결합되는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전지셀 조립체와 제2 전지셀 조립체 사이에 전지셀 두께방향으로 연장되는 제1 격벽이 설치되는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체의 두께방향으로 적층되는 전지셀의 중간부에 상기 모듈 케이스의 길이방향으로 연장되는 제2격벽이 구비되는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 배터리 모듈을 전지셀의 두께방향으로 복수개 적층하여 이루어지는 배터리 모듈 적층체를 포함하고,
    상기 두께방향으로 적층되는 배터리 모듈의 제1 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결되어 제1 전기블럭을 형성하고, 상기 제2 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결되어 제2 전기블럭을 형성하며,
    상기 제1 전기블럭 및 제2 전기블럭을 구성하는 각 제1 전지셀 조립체 및 제2 전지셀 조립체는, 상기 배터리 모듈 적층체의 최상단에 적층되는 배터리 모듈의 제1,2 전지셀 조립체를 제외하고는 서로 전기적으로 연결되지 않는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 적층체의 최상단에 적층되는 배터리 모듈의 제1,2 전지셀 조립체는 고전압 버스바에 의하여 전기적으로 연결되어 상기 제1 전기블럭 및 제2 전기블럭을 전기적으로 연결하는 배터리 팩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전기블럭 및 제2 전기블럭을 형성하기 위하여, 상기 제1 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결하는 제1 고전압 버스바 및 상기 제2 전지셀 조립체끼리 전기적으로 연결하는 제2 고전압 버스바가 상기 배터리 모듈의 적층방향으로 상기 배터리 모듈 상에 설치되는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 고전압 버스바는 상기 각 배터리 모듈의 제1 전지셀 조립체와 제2 전지셀 조립체 사이를 향하여 상기 제1 전지셀 조립체로부터 도출되는 전지셀의 전극 리드에 결합되는 터미널 버스바에 연결되고,
    상기 제2 고전압 버스바는 상기 각 배터리 모듈의 제1 전지셀 조립체와 제2 전지셀 조립체 사이를 향하여 상기 제2 전지셀 조립체로부터 도출되는 전지셀의 전극 리드에 결합되는 터미널 버스바에 연결되는 배터리 팩.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전지셀 조립체의 전기적 연결구조는, 1PNS구조이고 상기 N은 짝수인 배터리 팩.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 적층체를 수용하는 배터리 팩 케이스를 더 포함하는 배터리 팩.
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