WO2023121255A1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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WO2023121255A1
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battery
battery cell
frame
rib
battery module
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이영규
안지명
손영수
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • Secondary batteries which are highly applicable to each product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by an electrical driving source. It is universally applied. These secondary batteries have not only the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels, but also the advantage of not generating any by-products due to the use of energy, so they are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency improvement.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in series.
  • a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in parallel according to a charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • a battery cell fixing structure of a battery module used in a conventional light electric vehicle is generally composed of two combinations of an upper cell frame and a lower cell frame.
  • the existing fixing structure as above has a structural problem in that the plastic surrounds the upper and lower regions of the cell in the circumferential direction, so that the glue cannot be properly filled in the upper and lower regions of the cell. Accordingly, in case of chain ignition, the lower part of the cell There was a problem that rupture occurred.
  • An object of the present invention is to enhance safety when the inside of a battery module is ignited by appropriately filling the lower part of the battery cell, which is a main weak part when the battery cell is ignited.
  • another object of the present invention is to enhance the fixing force of a battery cell in a battery module.
  • the present invention as a battery module, a plurality of battery cells; a module housing accommodating the plurality of battery cells and including a first frame covering lower portions of the battery cells and a second frame covering upper portions of the battery cells; and a potting glue filled in at least a portion of the inside of the first frame.
  • the battery cell may include a venting portion configured to be structurally weaker than the surrounding area so that the battery cell may be easily broken when pressure is applied to the inside of the battery cell.
  • the venting part may be provided in a lower region of the battery cell.
  • the first frame may include at least one first rib surrounding an outer circumferential surface of the battery cell.
  • the first rib provided in the first frame may surround a central region in a height direction of the battery cell.
  • a hollow first accommodating space may be provided below the first rib.
  • the length of the first accommodating space in the height direction may be 20 to 40% of the total length of the battery cell in the height direction.
  • the potting glue may be filled in a hollow space other than a space occupied by the battery cell in the first accommodating space.
  • the potting glue may include a silicone material.
  • At least one of the first frame and the second frame may have at least one injection hole through which potting glue is injected, on an upper surface thereof.
  • a plurality of first ribs may be provided in a direction perpendicular to a height direction of the battery cell.
  • a hollow first passage may be provided between the first rib and an adjacent first rib.
  • the second frame may include at least one second rib surrounding an outer circumferential surface of the battery cell.
  • a plurality of second ribs may be provided in a direction perpendicular to a height direction of the battery cell.
  • a hollow second passage may be provided between the second rib and an adjacent second rib.
  • a hollow second accommodating space may be provided below the second rib.
  • the present invention provides a battery pack including at least one battery cell according to the above-described embodiment as a battery pack.
  • the present invention as a vehicle, provides a vehicle including at least one battery pack according to the above-described embodiment.
  • the fixing force of the battery cell in the battery module can be strengthened.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of Figure 1;
  • FIG. 3 is a diagram for explaining battery cells included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a lower structure of a battery cell included in the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a battery pack including the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack of FIG. 9 .
  • FIG. 1 is a view for explaining a battery module 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of FIG. 1 .
  • a battery module 10 may include a battery cell 100 , a module housing 200 and a potting glue 300 .
  • the battery module 10 includes a plurality of battery cells 100; Accommodating the plurality of battery cells 100, including a first frame 210 covering the lower portion of the battery cell 100 and a second frame 220 covering the upper portion of the battery cell 100 module housing 200; and a potting glue 300 filling at least a partial area of the inside of the first frame 210 .
  • the venting part 140 is located in the lower region of the cylindrical battery cell 100, breakage mainly occurs in the lower region of the battery cell 100 when the battery cell 100 is ignited. That is, when the battery cell 100 is ignited, the lower region becomes a main vulnerable part. Therefore, it is necessary to particularly enhance safety in the lower region of the battery cell 100 .
  • the potting glue 300 is filled in the inner region of the first frame 210 covering the lower portion of the battery cell 100 where the venting part 140 is located, thereby forming the battery cell 100 The safety of the lower region of the can be particularly enhanced.
  • the potting glue 300 may include a silicon material.
  • the potting glue 300 may include a flame retardant material to reduce some weight and suppress combustion.
  • the potting glue 300 may include PCM (phase change material) to improve cooling performance.
  • the potting glue 300 includes such a material, chain ignition and/or chain explosion can be prevented in the battery module 10 of the present invention. In addition, even if a fire occurs in the battery module 10, additional combustion may be suppressed. Furthermore, cooling performance of the battery module 10 may be improved.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the battery cell 100 included in the battery module 10 of FIG. 1, and FIG. 4 describes the lower structure of the battery cell 100 included in the battery module 10 of FIG. It is a drawing for
  • the battery cell 100 may be a secondary battery, and may be, for example, a cylindrical battery cell 100 .
  • this does not limit the type of the battery cell 100, and other types of battery cells, such as pouch-type cells or prismatic cells, may also be employed in the battery module 10 of the present invention.
  • FIGS. 3 and 4 a case in which the battery cell 100 is a cylindrical battery cell 100 will be described as an example.
  • a cylindrical battery cell 100 may include an electrode assembly 110 , a battery can 120 and a top cap 130 .
  • the electrode assembly 110 includes a first electrode plate having a first polarity, a second electrode plate having a second polarity, and interposed between the first electrode plate and the second electrode plate. including a separator.
  • the electrode assembly 110 may have a jelly-roll shape. That is, the electrode assembly 110 may be manufactured by winding a laminate formed by sequentially stacking the first electrode plate, the separator, and the second electrode plate at least once around the winding center. In this case, a separator may be provided on the outer circumferential surface of the electrode assembly 110 to insulate it from the battery can 120 .
  • the first electrode plate is a positive electrode plate or a negative electrode plate
  • the second electrode plate corresponds to an electrode plate having a polarity opposite to that of the first electrode plate.
  • the battery can 120 is a cylindrical container having an opening formed thereon, and is made of a conductive metal material.
  • the battery can 120 accommodates the electrode assembly 110 through an upper opening and also accommodates the electrolyte.
  • the battery can 120 is electrically connected to the second electrode tab 112 of the electrode assembly 110 . Accordingly, the battery can 120 has the same polarity as the second electrode tab 112 . That is, the battery can 120 may function as a second electrode terminal of the cylindrical battery cell 100 .
  • the top cap 130 is a component made of a conductive metal material and covers an upper opening of the battery can 120 .
  • the top cap 130 is electrically connected to the first electrode tab 111 of the electrode assembly 110 and electrically insulated from the battery can 120 . Accordingly, the top cap 130 may function as a first electrode terminal of the cylindrical battery cell 100 .
  • the battery cell 100 has a venting portion 140 structurally more vulnerable than the surrounding area so that it can be easily broken when pressure is applied to the inside of the battery cell 100. can do.
  • the venting part 140 may be provided in a lower area of the battery cell 100 .
  • the venting portion 140 corresponds to an area of the lower surface of the battery can 120 having a smaller thickness than the surrounding area.
  • the venting part 140 is structurally weak compared to the surrounding area. Therefore, when an abnormality occurs in the cylindrical battery cell 100 and the internal pressure increases above a certain level, the venting part 140 is broken and the gas generated inside the battery can 120 is discharged.
  • venting part 140 may be discontinuously formed on the lower surface of the battery can 120 in a circular shape, or may be formed in a straight line shape or other shapes.
  • the venting part 140 Since the venting part 140 is located in the lower region of the battery cell 100 as described above, breakage mainly occurs in the lower region of the battery cell 100 when the battery cell 100 is ignited. That is, when the battery cell 100 is ignited, the lower region becomes a main vulnerable part. Therefore, it is necessary to particularly enhance safety in the lower region of the battery cell 100 .
  • the potting glue 300 is filled in the inner region of the first frame 210 covering the lower portion of the battery cell 100 where the venting part 140 is located, thereby forming the battery cell 100 The safety of the lower region of the can be particularly enhanced.
  • the module housing 200 includes a first frame 210 covering the lower portion of the battery cell 100 and a second frame covering the upper portion of the battery cell 100 . (220).
  • the module housing 200 may further include a lower plate 230 under the first frame 210 .
  • the lower plate 230 may be integrally formed with the first frame 210 and become a part of the first frame 210 .
  • the lower plate 230 may be provided as a separate component from the first frame 210 and then combined with the first frame 210 as shown in FIGS. 1 and 2 .
  • the module housing 200 may accommodate a plurality of battery cells 100 .
  • the module housing 200 may include, for example, a plastic material.
  • the material included in the module housing 200 is not limited thereto, and it is also possible to include other materials that do not have electrical conductivity.
  • the first frame 210 may include at least one first rib 211 surrounding an outer circumferential surface of the battery cell 100 . More specifically, the first rib 211 may have a structure surrounding a partial region of an outer circumferential surface of the battery cell 100 .
  • the first rib 211 guides the circumferential direction of the cylindrical battery cell 100. It can be an enclosing structure. According to this structure, the first rib 211 may surround each battery cell 100 and fix the battery cell 100 in place. Furthermore, collision between the battery cells 100 may be prevented.
  • the first ribs 211 provided on the first frame 210 are located in the central region of the battery cell 100 in the height direction (direction parallel to the Z-axis). It may be a structure surrounding the . According to the structure of the first rib 211 of the present invention as described above, the fixing force of the battery cell 100 in the central region of the battery cell 100 may be improved.
  • a hollow first accommodating space S1 may be provided under the first rib 211 .
  • the potting glue 300 may be filled in a hollow space other than the space occupied by the battery cell 100 in the first accommodating space S1.
  • the battery cell 100 of the present invention since the battery cell 100 of the present invention includes the venting part 140 in the lower region, there is a need to enhance safety by blocking chain ignition in the lower region of the battery cell 100 in particular. .
  • the structure of the first rib 211 of the present invention as described above, by fixing the battery cell 100 with the first rib 211 in the central region of the battery cell 100, the fixing force of the battery cell 100 is increased and At the same time, by covering the lower region of the battery cell 100 with the potting glue 300, a structure for blocking chain ignition of the battery cell 100 may be derived. Accordingly, even when heat is generated in one battery cell 100, the transfer of radiant heat from the ignited battery cell 100 to the battery cells 100 around it may be blocked.
  • the potting glue 300 when the potting glue 300 is filled in the first accommodating space S1, heat generated from the ignited battery cell 100 can be thermally conducted to the battery cell 100 located nearby through the potting glue 300. there is. Accordingly, the battery cells 100 located nearby receive less heat than radiant heat. Accordingly, only the ignited battery cell 100 is ignited, and chain ignition to battery cells 100 located in the periphery may be blocked. Furthermore, even if the ignited battery cell 100 explodes, the potting glue 300 can prevent the pressure and flame generated when the battery cell 100 explodes from propagating to the battery cell 100 located nearby. . Accordingly, the secondary explosion can be prevented.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a battery module 10 according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a battery module 10 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 only the first frame 210 and the battery cell 100 are shown, and the second frame 220 is omitted for convenience of description.
  • the length L1 of the first accommodating space S1 in the height direction may be about 20 to 40% of the total length of the battery cell 100 in the height direction. More preferably, the length L1 of the first accommodating space S1 in the height direction may be about 28 to 30% of the total length of the battery cell 100 in the height direction.
  • the length L1 of the first accommodating space S1 in the height direction is smaller than about 20% of the total length of the battery cell 100 in the height direction, the amount of the potting glue 300 to be filled is excessively reduced, resulting in chain ignition. blocking effect is reduced.
  • the length L1 of the first accommodating space S1 in the height direction is greater than about 40% of the total length of the battery cell 100 in the height direction, the amount of potting glue 300 is excessively increased, resulting in increased manufacturing cost. Increased problems may arise.
  • the length L1 of the first accommodating space S1 in the height direction is preferably about 20 to 40%, more preferably about 28 to 30% of the total length of the battery cell 100 in the height direction. It is desirable to be
  • At least one of the first frame 210 and the second frame 220 has at least one injection hole H capable of injecting the potting glue 300 on its upper surface. can do.
  • the upper surface of the second frame 220 covering the lower portion of the battery cell 100 is provided with an injection hole H enabling injection of the potting glue 300 can confirm.
  • the potting glue 300 may be injected through the injection hole H provided on the upper surface of the first frame 210 .
  • the battery module 10 may be completed by assembling the second frame 220 . According to this structure, it is possible to selectively inject the potting glue 300 only into the lower region of the battery cell 100 without injecting the potting glue 300 into the upper region.
  • a plurality of first ribs 211 may be provided in a direction perpendicular to the height direction (direction parallel to the Z axis) of the battery cell 100 (direction parallel to the XY plane). . That is, a plurality of first ribs 211 may be provided in a horizontal direction. Referring to FIG. 1 , each of a plurality of first ribs 211 arranged in a horizontal direction may surround a plurality of battery cells 100 accommodated in a battery module 10 .
  • a hollow first passage 213 may be provided between the first rib 211 and an adjacent first rib 211 .
  • the first passage 213 may be connected to the injection hole H. Accordingly, the potting glue 300 injected through the injection hole H may pass through the first passage 213 and move.
  • the first passage 213 may be connected to the hollow first accommodating space S1. Accordingly, the potting glue 300 injected through the injection hole H may pass through the first passage 213 and reach the first accommodating space S1. As a result, the potting glue 300 may fill a hollow space other than the space occupied by the battery cell 100 in the first accommodating space S1. Accordingly, the potting glue 300 covers the lower region of the battery cell 100, thereby blocking chain ignition.
  • the potting glue 300 may be selectively injected only into the lower region of the battery cell 100 without injecting the potting glue 300 into the upper region. Therefore, it is possible to apply the minimum amount of potting glue 300 required to block chain ignition.
  • the first frame 210 is a structure capable of injecting the potting glue 300 by itself without the help of the second frame 220
  • the structural limitations of the second frame 220 This can be significantly reduced.
  • the second frame 220 does not have components for injecting the potting glue 300 . That is, in the embodiment of FIG. 6 , ribs or injection holes H may not be separately provided on the second frame 220 .
  • the second frame After inserting the plurality of battery cells 100 into the first frame 210 and injecting the potting glue 300 through the injection hole H provided on the upper surface of the first frame 210, the second frame The battery module 10 may be completed by assembling the 220 .
  • the second frame 220 of the form shown in FIG. 7 or 8 it is also possible to apply the second frame 220 of the form shown in FIG. 7 or 8 to be described later. That is, according to the structure of the first frame 210 of the present invention, the structural flexibility of the second frame 220 can be increased.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a battery module 10 according to another embodiment of the present invention.
  • module housing 200 is similar to the module housing 200 of the previous embodiment, redundant description of components substantially the same as or similar to those of the previous embodiment will be omitted, and hereinafter, Focus on the differences.
  • the upper surface of the second frame 220 covering the upper portion of the battery cell 100 may be provided with an injection hole H enabling injection of the potting glue 300.
  • the potting glue 300 can be injected through the injection hole H provided on the upper surface of the battery module 10.
  • the second frame 220 may include at least one second rib 221 surrounding an outer circumferential surface of the battery cell 100 . More specifically, the second rib 221 may have a structure surrounding a partial region of an outer circumferential surface of the battery cell 100 .
  • the second rib 221 surrounds the cylindrical battery cell 100 in a circumferential direction.
  • the second rib 221 may surround each battery cell 100 and fix the battery cell 100 in place.
  • a plurality of second ribs 221 may be provided in a direction perpendicular to the height direction (direction parallel to the Z axis) of the battery cell 100 (direction parallel to the XY plane). . That is, a plurality of second ribs 221 may be provided in a horizontal direction. Referring to FIG. 7 , each of the plurality of second ribs 221 disposed in the horizontal direction may surround the plurality of battery cells 100 accommodated in the battery module 10 .
  • a hollow second passage 223 may be provided between the second rib 221 and an adjacent second rib 221 .
  • the second passage 223 may be connected to an injection hole H provided on an upper surface of the second frame 220 . Accordingly, the potting glue 300 injected through the injection hole H provided on the upper surface of the second frame 220 may pass through the second passage 223 and move.
  • the second passage 223 may be connected to an injection hole H provided on an upper surface of the first frame 210 .
  • the potting glue 300 injected through the injection hole H provided on the upper surface of the second frame 220 passes through the second passage 223 and the injection provided on the upper surface of the first frame 210 Hall (H) can be reached.
  • the potting glue 300 injected through the injection hole H provided on the upper surface of the first frame 210 passes through the first passage 213 to reach the first accommodation space S1. there is.
  • the potting glue 300 may fill a hollow space other than the space occupied by the battery cell 100 in the first accommodating space S1. Accordingly, since the potting glue 300 covers the lower region of the battery cell 100 , it is possible to prevent chain ignition, thereby increasing the safety of the battery module 10 .
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a battery module 10 according to another embodiment of the present invention.
  • module housing 200 is similar to the module housing 200 of the previous embodiment, redundant description of components substantially the same as or similar to those of the previous embodiment will be omitted, and hereinafter, Focus on the differences.
  • the second ribs 221 provided on the second frame 220 may have a structure surrounding an upper portion of the battery cell 100 in a height direction (a direction parallel to the Z-axis). there is.
  • the fixing force of the battery cell 100 in the upper region of the battery cell 100 can be improved.
  • the fixing force of the battery cell 100 can be further improved according to the structure of the second rib 221 as described above. .
  • a hollow second accommodating space S2 may be provided below the second rib 221 .
  • the potting glue 300 may be filled in a hollow space other than the space occupied by the battery cell 100 among the second accommodating space S2 .
  • the potting glue 300 can be additionally provided in the substantially central region of the battery cell 100 . Accordingly, even when breakage and/or ignition occurs on the side surface of the battery cell 100, particularly in the central region of the side surface, it is possible to block ignition in a chain. That is, the safety of the battery module 10 is further increased. Furthermore, the cooling efficiency of the side of the battery cell 100 is also increased.
  • the second rib 221 may have a structure that surrounds an area other than the top of the battery cell 100 in the height direction (direction parallel to the Z-axis).
  • the second rib 221 may be provided in a central region of the second frame 220 in the height direction.
  • a hollow second accommodating space S2 may be provided in an upper region of the second rib 221 and a lower region of the second rib 221, respectively.
  • the second rib 221 may be provided in a lower area of the second frame 220 in a height direction (direction parallel to the Z-axis).
  • a hollow second accommodating space S2 may be provided in an upper region of the second rib 221 .
  • the position of the second rib 221 in the height direction may be variable.
  • the position of the first rib 211 in the height direction (parallel to the Z-axis) is relatively less variable than the position of the second rib 221 in the height direction (parallel to the Z-axis).
  • the first rib 211 is not provided in the lower region of the first frame 210 . If the first rib 211 is provided in the lower region of the first frame 210, the first accommodating space (S1) is provided in the upper region of the first frame 210, then the potting glue 300 The lower area of the battery cell 100 cannot be directly covered. As a result, the safety of the battery cell 100 is weakened. Therefore, it is preferable that the first rib 211 is provided in an area other than the lower area of the first frame 210, for example, the central area or the upper area.
  • a bond for fixing the battery cell 100 may be applied on the lower plate 230 of the present invention.
  • movement of the battery cell 100 in the height direction can be limited. For example, there may be an upper and lower space within the battery module 10 or a gap may occur. Even in this case, since the battery cell 100 can be fixed to the lower end of the first frame 210, unnecessary movement of the battery cell 100 within the battery module 10 can be prevented. Furthermore, even if a portion of the first frame 210 or the second frame 220 is damaged and a defect area large enough for the battery cell 100 to escape is generated, the battery cell 100 ) can be prevented.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a battery pack including the battery module of FIG. 1 .
  • a battery pack 1 according to the present invention may include at least one battery module 10 described above.
  • the battery pack 1 according to the present invention may include a pack case 50 capable of accommodating the at least one battery module 10 .
  • other various components such as components of the battery pack 1 known at the time of filing of the present invention, such as a BMS, a pack case, a relay, a current sensor, etc. may be further included. .
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack of FIG. 9 .
  • a vehicle V according to the present invention may include at least one battery pack 1 according to the present invention.
  • the potting glue 300 surrounding the bottom of the battery cell 100 does not lead to chain ignition.
  • the safety of the battery module 10 can be ensured.
  • the fixing force of the battery cell 100 in the battery module 10 may be enhanced.
  • the battery module 10 having improved safety, the battery pack 1 including the battery module 10, and the vehicle V may be provided.

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Abstract

본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀, 복수의 배터리 셀을 수용하며, 배터리 셀의 하부를 커버하는 제1 프레임 및 배터리 셀의 상부를 커버하는 제2 프레임을 포함하는 모듈 하우징, 및 제1 프레임의 내부의 적어도 일부 영역에 충진되는 포팅 글루를 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 12월 20일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2021-0183107호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 종래의 LEV(Light Electric Vehicle)에 사용되는 배터리 모듈의 배터리 셀 고정 구조는, 상부 셀 프레임 및 하부 셀 프레임의 2개 조합으로 이루어지는 것이 일반적이었다.
그러나, 위와 같은 기존의 고정 구조는 셀의 상부와 하부 영역을 플라스틱이 원주 방향으로 둘러싸고 있어서, 글루가 셀의 상부 및 하부에 제대로 충진되지 못하는 구조적 문제점이 있었고, 이에 따라, 연쇄 발화 시 셀 하단부에 파열(rupture)이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은, 배터리 셀의 발화 시 주요 취약부인 배터리 셀 하단부에 포팅 글루가 적절하게 채워짐으로써 배터리 모듈 내부 발화 시 안전성을 강화하는 것을 목적으로 한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 배터리 모듈 내 배터리 셀의 고정력을 강화하는 것을 다른 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀을 수용하며, 상기 배터리 셀의 하부를 커버하는 제1 프레임 및 상기 배터리 셀의 상부를 커버하는 제2 프레임을 포함하는 모듈 하우징; 및 상기 제1 프레임의 내부의 적어도 일부 영역에 충진되는 포팅 글루를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 배터리 셀은, 배터리 셀 내부에 압력이 가해졌을 때 용이하게 파단될 수 있도록 주변 영역보다 구조적으로 취약하게 구성된 벤팅부를 구비할 수 있다.
이 때, 상기 벤팅부는, 상기 배터리 셀의 하단 영역에 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 제1 프레임은, 상기 배터리 셀의 외주면을 둘러싸는 제1 리브를 적어도 하나 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 프레임에 구비된 제1 리브는, 상기 배터리 셀의 높이 방향의 중앙 영역을 둘러쌀 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 리브의 하부에는, 중공의 제1 수용 공간이 구비될 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 제1 수용 공간의 높이 방향 길이는, 상기 배터리 셀의 높이 방향 총 길이 대비 20 ~ 40 % 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 수용 공간 중 상기 배터리 셀이 차지하는 공간 이외의 중공 공간에 상기 포팅 글루가 충진될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 포팅 글루는, 실리콘 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 적어도 어느 하나는, 상면에, 포팅 글루 주입이 가능한 주입홀을 적어도 하나 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 리브는 상기 배터리 셀의 높이 방향과 수직한 방향으로 복수 개 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 리브와 인접한 제1 리브의 사이에는 중공의 제1 통로가 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제2 프레임은, 상기 배터리 셀의 외주면을 둘러싸는 제2 리브를 적어도 하나 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 리브는 상기 배터리 셀의 높이 방향과 수직한 방향으로 복수 개 구비될 수 있다.
여기서, 상기 제2 리브와 인접한 제2 리브의 사이에는 중공의 제2 통로가 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 리브의 하부에는, 중공의 제2 수용 공간이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내의 일부 배터리 셀에서 발화가 발생하더라도, 배터리 셀 하단을 감싸고 있는 포팅 글루로 인해 연쇄 발화로 이어지지 않고 안전성을 확보할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내 배터리 셀의 고정력이 강화될 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적인 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 배터리 셀의 하부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
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.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 모듈(10)을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 모듈 하우징(200) 및 포팅 글루(300)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 배터리 모듈(10)은, 복수의 배터리 셀(100); 상기 복수의 배터리 셀(100)을 수용하며, 상기 배터리 셀(100)의 하부를 커버하는 제1 프레임(210) 및 상기 배터리 셀(100)의 상부를 커버하는 제2 프레임(220)을 포함하는 모듈 하우징(200); 및 상기 제1 프레임(210)의 내부의 적어도 일부 영역에 충진되는 포팅 글루(300)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 원통형 배터리 셀(100)의 하단 영역에 벤팅부(140)가 위치되어 있기 때문에, 배터리 셀(100)의 발화 시 배터리 셀(100)의 하단 영역에서 주로 파단이 발생한다. 즉, 배터리 셀(100)의 발화 시 하단 영역이 주요 취약부가 된다. 따라서 배터리 셀(100)의 하단 영역에서의 안전성을 특히 강화할 필요가 있다. 이와 관련하여, 본 발명에서는, 벤팅부(140)가 위치하는 배터리 셀(100)의 하부를 커버하는 제1 프레임(210)의 내부 영역에 포팅 글루(300)를 충진함으로써, 배터리 셀(100)의 하단 영역의 안전성을 특히 강화시킬 수 있다.
한편, 상기 포팅 글루(300)는, 실리콘 재질을 포함할 수 있다. 상기 포팅 글루(300)는, 일부 중량을 감소시키고, 연소 작용를 억제하기 위해 난연 물질을 포함할 수 있다. 상기 포팅 글루(300)는, 냉각 성능을 향상시키기 위해서 PCM(상변화물질)을 포함할 수 있다.
포팅 글루(300)가 이와 같은 재질을 포함함에 따라, 본 발명의 배터리 모듈(10)에서는, 연쇄 발화 및/또는 연쇄 폭발이 차단될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(10)에 화재가 발생하더라도 추가 연소 작용이 억제될 수 있다. 나아가, 배터리 모듈(10)의 냉각 성능이 향상될 수 있다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈(10)에 포함되는 배터리 셀(100)을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 배터리 모듈(10)에 포함되는 배터리 셀(100)의 하부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
상기 배터리 셀(100)은, 이차 전지일 수 있고, 예를 들어 원통형 배터리 셀(100)일 수 있다. 다만, 이로써 상기 배터리 셀(100)의 종류를 한정하는 것은 아니며, 이를테면 파우치형 셀이나 각형 셀 등과 같은 다른 형태의 배터리 셀도 본 발명의 배터리 모듈(10)에 채용될 수 있다. 이하, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 셀(100)이 원통형 배터리 셀(100)인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(100)은 전극 조립체(110), 배터리 캔(120) 및 탑 캡(130)을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 전극 조립체(110)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극판, 제2 극성을 갖는 제2 전극판 및 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 상기 전극 조립체(110)는, 젤리-롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(110)는, 제1 전극판, 분리막, 제2 전극판을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(110)의 외주면 상에는 배터리 캔(120)과의 절연을 위해 분리막이 구비될 수 있다. 상기 제1 전극판은 양극판 또는 음극판이고, 제2 전극판은 제1 전극판과 반대되는 극성을 갖는 전극판에 해당한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 배터리 캔(120)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 수용체로서, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 상기 배터리 캔(120)은, 상방 개구부를 통해 전극 조립체(110)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 배터리 캔(120)은, 전극 조립체(110)의 제2 전극 탭(112)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 배터리 캔(120)은, 제2 전극 탭(112)과 동일한 극성을 갖는다. 즉, 상기 배터리 캔(120)은, 원통형 배터리 셀(100)의 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.
상기 탑 캡(130)은, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 배터리 캔(120)의 상단 개구부를 커버한다. 상기 탑 캡(130)은, 전극 조립체(110)의 제1 전극 탭(111)과 전기적으로 연결되며, 배터리 캔(120)과는 전기적으로 절연된다. 따라서, 상기 탑 캡(130)은, 원통형 배터리 셀(100)의 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 배터리 셀(100)은, 배터리 셀(100) 내부에 압력이 가해졌을 때 용이하게 파단될 수 있도록 주변 영역보다 구조적으로 취약하게 구성된 벤팅부(140)를 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(140)는, 상기 배터리 셀(100)의 하단 영역에 구비될 수 있다. 상기 벤팅부(140)는, 배터리 캔(120)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(140)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 원통형 배터리 셀(100)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(140)가 파단되어 배터리 캔(120)의 내부에 생성된 가스가 배출된다.
도 4에서는, 상기 벤팅부(140)가 배터리 캔(120)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 형성된 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 벤팅부(140)는 배터리 캔(120)의 하면에 원을 그리며 불연속적으로 형성될 수도 있고, 직선 형태 또는 그 밖의 다른 형태로 형성될 수도 있다.
이와 같이 배터리 셀(100)의 하단 영역에 벤팅부(140)가 위치되어 있기 때문에, 배터리 셀(100)의 발화 시 배터리 셀(100)의 하단 영역에서 주로 파단이 발생한다. 즉, 배터리 셀(100)의 발화 시 하단 영역이 주요 취약부가 된다. 따라서 배터리 셀(100)의 하단 영역에서의 안전성을 특히 강화할 필요가 있다. 이와 관련하여, 본 발명에서는, 벤팅부(140)가 위치하는 배터리 셀(100)의 하부를 커버하는 제1 프레임(210)의 내부 영역에 포팅 글루(300)를 충진함으로써, 배터리 셀(100)의 하단 영역의 안전성을 특히 강화시킬 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 모듈 하우징(200)은, 상기 배터리 셀(100)의 하부를 커버하는 제1 프레임(210) 및 상기 배터리 셀(100)의 상부를 커버하는 제2 프레임(220)을 포함한다.
상기 모듈 하우징(200)은, 제1 프레임(210)의 하부에 하부 플레이트(230)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 하부 플레이트(230)는 제1 프레임(210)과 일체로 구성되어 제1 프레임(210)의 일부가 될 수 있다. 또는, 상기 하부 플레이트(230)는 도 1 및 도 2에서와 같이 제1 프레임(210)과 별개의 구성요소로 구비된 후 제1 프레임(210)과 결합될 수도 있다.
상기 모듈 하우징(200)은 복수의 배터리 셀(100)을 수용할 수 있다. 상기 모듈 하우징(200)은 예를 들면 플라스틱 재질을 포함할 수 있다. 다만 모듈 하우징(200)이 포함하는 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 전기 전도성을 갖지 않는 다른 재질을 포함하는 것도 가능함은 물론이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 프레임(210)은, 상기 배터리 셀(100)의 외주면을 둘러싸는 제1 리브(211)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 리브(211)는, 상기 배터리 셀(100)의 외주면의 일부 영역을 둘러싸는 구조일 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 배터리 셀(100)이 원통형 배터리 셀(100)일 경우, 상기 제1 리브(211)는 상기 원통형 배터리 셀(100)의 원주 방향을 둘러싸는 구조가 될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제1 리브(211)가 각각의 배터리 셀(100)을 둘러싸면서 상기 배터리 셀(100)을 정 위치에 고정시킬 수 있다. 나아가 배터리 셀(100) 간의 충돌을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 바람직하게, 상기 제1 프레임(210)에 구비된 제1 리브(211)는, 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향)의 중앙 영역을 둘러싸는 구조일 수 있다. 상기와 같은 본 발명의 제1 리브(211) 구조에 의하면, 배터리 셀(100)의 중앙 영역에서의 배터리 셀(100) 고정력이 향상될 수 있다. 또한, 이와 같은 구조에 의하면 상기 제1 리브(211)의 하부에, 중공의 제1 수용 공간(S1)이 구비될 수 있다. 여기서, 바람직하게, 제1 수용 공간(S1) 중 상기 배터리 셀(100)이 차지하는 공간 이외의 중공 공간에 상기 포팅 글루(300)가 충진될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 배터리 셀(100)은 하부 영역에 벤팅부(140)를 구비하고 있기 때문에, 특히 배터리 셀(100)의 하부 영역에서의 연쇄 발화를 차단하여 안전성을 강화할 필요성이 있다. 상기와 같은 본 발명의 제1 리브(211) 구조에 의하면, 배터리 셀(100)의 중앙 영역에서 제1 리브(211)로 배터리 셀(100)을 고정시킴으로써 배터리 셀(100) 고정력을 증가시킴과 동시에, 포팅 글루(300)로 상기 배터리 셀(100)의 하부 영역을 커버함으로써 배터리 셀(100)의 연쇄 발화를 차단하는 구조가 도출될 수 있다. 이에 따라, 어느 한 배터리 셀(100)에서 열이 발생하더라도, 발화된 배터리 셀(100)의 주변 배터리 셀(100)로의 복사열 전달을 차단할 수 있다. 즉, 포팅 글루(300)가 상기 제1 수용 공간(S1) 내에 충진되면, 발화된 배터리 셀(100)에서 발생한 열이 포팅 글루(300)를 통해 주변에 위치한 배터리 셀(100)로 열전도 될 수 있다. 이에 따라, 주변에 위치한 배터리 셀(100)은 복사 열 대비 적은 열을 전달받게 된다. 따라서 발화된 배터리 셀(100)만 발화가 진행되고 주변에 위치한 배터리 셀(100)로의 연쇄 발화는 차단될 수 있다. 나아가, 발화된 배터리 셀(100)이 폭발한다고 하더라도, 포팅 글루(300)가 배터리 셀(100)의 폭발 시 발생하는 압력과 화염이 주변에 위치한 배터리 셀(100)로 전파되는 것을 막아줄 수 있다. 이에 따라, 2차 폭발이 방지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 모듈(10)을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 배터리 모듈(10)을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서는 제1 프레임(210)과 배터리 셀(100)만을 도시하였고, 설명의 편의 상 제2 프레임(220)의 도시는 생략하였다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 제1 수용 공간(S1)의 높이 방향 길이(L1)는, 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향 총 길이 대비 약 20 ~ 40 % 일 수 있다. 보다 바람직하게, 제1 수용 공간(S1)의 높이 방향 길이(L1)는, 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향 총 길이 대비 약 28 ~ 30 % 일 수 있다.
제1 수용 공간(S1)의 높이 방향 길이(L1)가 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향 총 길이 대비 약 20 % 보다 작아지면, 충진되는 포팅 글루(300)의 양이 과도하게 적어져서 연쇄 발화 차단 효과가 감소하게 된다. 반대로, 제1 수용 공간(S1)의 높이 방향 길이(L1)가 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향 총 길이 대비 약 40 % 보다 커지면, 포팅 글루(300)의 양이 과도하게 많아져서 제조 비용이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 포팅 글루(300)의 양이 과도하게 많아지면 경화 시간이 증가하여 제조 과정의 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 제1 수용 공간(S1)의 높이 방향 길이(L1)는, 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향 총 길이 대비 약 20 ~ 40 %인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 약 28 ~ 30 % 인 것이 바람직하다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 제1 프레임(210) 및 상기 제2 프레임(220) 중 적어도 어느 하나는, 상면에, 포팅 글루(300) 주입이 가능한 주입홀(H)을 적어도 하나 구비할 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 배터리 셀(100)의 하부를 커버하는 제2 프레임(220)의 상면에는, 포팅 글루(300)의 주입을 가능하게 하는 주입홀(H)이 구비되어 있음을 확인할 수 있다. 이 경우, 제1 프레임(210)에 복수의 배터리 셀(100)을 삽입한 후 상기 제1 프레임(210)의 상면에 구비된 주입홀(H)을 통해 포팅 글루(300)를 주입할 수 있다. 그 후 제2 프레임(220)을 조립하여 배터리 모듈(10)을 완성할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 배터리 셀(100)의 상부 영역에 포팅 글루(300)를 주입하지 않고 하부 영역에만 선별적으로 포팅 글루(300)를 주입할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 리브(211)는 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향)과 수직한 방향(XY 평면과 평행한 방향)으로 복수 개 구비될 수 있다. 즉, 상기 제1 리브(211)는 수평 방향으로 복수 개 구비될 수 있다. 도 1을 참조하면 수평 방향으로 배치된 복수의 제1 리브(211) 각각이 배터리 모듈(10)에 수용된 복수의 배터리 셀(100)을 감싸고 있는 구조일 수 있다.
여기서, 상기 제1 리브(211)와 인접한 제1 리브(211)의 사이에는 중공의 제1 통로(213)가 구비될 수 있다. 상기 제1 통로(213)는 상기 주입홀(H)과 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 주입홀(H)을 통해 주입된 포팅 글루(300)는 제1 통로(213)를 통과하여 이동할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 통로(213)는 중공의 제1 수용 공간(S1)과 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 주입홀(H)을 통해 주입된 포팅 글루(300)는 제1 통로(213)를 통과하여 상기 제1 수용 공간(S1)에 도달할 수 있다. 결과적으로 상기 포팅 글루(300)는, 상기 제1 수용 공간(S1) 중 상기 배터리 셀(100)이 차지하는 공간 이외의 중공 공간에 충진될 수 있다. 이에 따라, 포팅 글루(300)가 배터리 셀(100)의 하부 영역을 커버함으로써 연쇄 발화의 차단이 가능해진다.
또한, 이와 같은 제1 프레임(210)의 구조에 의하면, 배터리 셀(100)의 상부 영역에 포팅 글루(300)를 주입하지 않고도 하부 영역에만 선별적으로 포팅 글루(300)를 주입할 수 있다. 따라서 연쇄 발화 차단에 필요한 최소한의 양의 포팅 글루(300)의 적용이 가능해진다.
또한, 상기와 같은 구조에 의하면, 제1 프레임(210)은 제2 프레임(220)의 도움 없이 자체적으로 포팅 글루(300) 주입이 가능한 구조이기 때문에, 제2 프레임(220)에 대한 구조적인 제한이 현저하게 줄어들 수 있다. 예를 들면, 도 6과 같이, 제2 프레임(220)에, 포팅 글루(300) 주입을 위한 구성요소가 구비되지 않는 것도 가능해진다. 즉, 도 6의 실시예에서는, 제2 프레임(220) 상에 리브나 주입홀(H)이 별도로 구비되지 않을 수 있다. 이 경우 제1 프레임(210)에 복수의 배터리 셀(100)을 삽입한 후 제1 프레임(210)의 상면에 구비된 주입홀(H)을 통해 포팅 글루(300)를 주입한 뒤 제2 프레임(220)을 조립하여 배터리 모듈(10)을 완성할 수 있다.
또는, 다른 실시 형태로서, 후술할 도 7 또는 도 8에 도시된 형태의 제2 프레임(220)이 적용되는 것도 가능하다. 즉, 본 발명의 제1 프레임(210) 구조에 의하면, 제2 프레임(220)에 대한 구조적 유연성이 증가될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 배터리 모듈(10)을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 모듈 하우징(200)은 앞선 실시예의 모듈 하우징(200)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 상기 배터리 셀(100)의 상부를 커버하는 제2 프레임(220)의 상면에는, 포팅 글루(300)의 주입을 가능하게 하는 주입홀(H)이 구비될 수 있다. 이 경우 제2 프레임(220)의 상면이 배터리 모듈(10)의 상면이 되므로, 배터리 모듈(10)의 상면에 구비된 주입홀(H)을 통해 포팅 글루(300)가 주입될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 배터리 모듈(10)의 제조 과정 중에 포팅 글루(300)를 주입하지 않아도 되며, 배터리 모듈(10)의 조립이 완료된 후에 포팅 글루(300)를 주입할 수 있다. 따라서, 제조 효율이 높아질 수 있고 제조 유연성이 향상될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 프레임(220)은, 상기 배터리 셀(100)의 외주면을 둘러싸는 제2 리브(221)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 리브(221)는, 상기 배터리 셀(100)의 외주면의 일부 영역을 둘러싸는 구조일 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 본 발명의 배터리 셀(100)이 원통형 배터리 셀(100)일 경우, 상기 제2 리브(221)는 상기 원통형 배터리 셀(100)의 원주 방향을 둘러싸는 구조가 될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제2 리브(221)가 각각의 배터리 셀(100)을 둘러싸면서 상기 배터리 셀(100)을 정 위치에 고정시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 리브(221)는 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향)과 수직한 방향(XY 평면과 평행한 방향)으로 복수 개 구비될 수 있다. 즉, 상기 제2 리브(221)는 수평 방향으로 복수 개 구비될 수 있다. 도 7을 참조하면 수평 방향으로 배치된 복수의 제2 리브(221) 각각이 배터리 모듈(10)에 수용된 복수의 배터리 셀(100)을 감싸고 있는 구조일 수 있다.
여기서 상기 제2 리브(221)와 인접한 제2 리브(221)의 사이에는 중공의 제2 통로(223)가 구비될 수 있다. 상기 제2 통로(223)는 제2 프레임(220)의 상면에 구비된 주입홀(H)과 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 2 프레임(220)의 상면에 구비된 주입홀(H)을 통해 주입된 포팅 글루(300)는 제2 통로(223)를 통과하여 이동할 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 통로(223)는 제1 프레임(210)의 상면에 구비된 주입홀(H)과 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 제2 프레임(220)의 상면에 구비된 주입홀(H)을 통해 주입된 포팅 글루(300)는 제2 통로(223)를 통과하여 제1 프레임(210)의 상면에 구비된 주입홀(H)에 도달할 수 있다. 나아가, 상기 제1 프레임(210)의 상면에 구비된 주입홀(H)을 통해 주입된 포팅 글루(300)는 제1 통로(213)를 통과하여 상기 제1 수용 공간(S1)에 도달할 수 있다. 결과적으로 상기 포팅 글루(300)는, 상기 제1 수용 공간(S1) 중 상기 배터리 셀(100)이 차지하는 공간 이외의 중공 공간에 충진될 수 있다. 이에 따라, 포팅 글루(300)가 배터리 셀(100)의 하부 영역을 커버함으로써 연쇄 발화의 차단이 가능해져 배터리 모듈(10)의 안전성이 증가한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 배터리 모듈(10)을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 모듈 하우징(200)은 앞선 실시예의 모듈 하우징(200)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 프레임(220)에 구비된 제2 리브(221)는, 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향)의 상단 영역을 둘러싸는 구조일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제2 리브(221) 구조에 의하면, 배터리 셀(100)의 상단 영역에서의 배터리 셀(100) 고정력이 향상될 수 있다. 게다가, 제1 리브(211)가 배터리 셀(100)의 중앙 영역을 이미 고정하고 있기 때문에, 상기와 같은 제2 리브(221)의 구조에 의하면 배터리 셀(100)의 고정력이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 도 8을 참조하면, 상기 제2 리브(221)의 하부에는, 중공의 제2 수용 공간(S2)이 구비될 수 있다. 여기서, 바람직하게, 이러한 제2 수용 공간(S2) 중 상기 배터리 셀(100)이 차지하는 공간 이외의 중공 공간에 상기 포팅 글루(300)가 충진될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면 포팅 글루(300)가 배터리 셀(100)의 대략 중앙 영역에도 추가로 구비될 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리 셀(100)의 측면, 특히 측면 중앙 영역에서 파단 및/또는 발화가 발생하는 경우에도 연쇄 발화 차단이 가능해진다. 즉, 배터리 모듈(10)의 안전성이 더욱 증가한다. 나아가, 배터리 셀(100) 측면의 냉각 효율도 증가하게 된다.
다른 실시 형태로서, 상기 제2 리브(221)가 상기 배터리 셀(100)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향)의 상단이 아닌 다른 영역을 둘러싸는 구조일 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2 리브(221)는 상기 제2 프레임(220)의 높이 방향 중앙 영역에 구비될 수 있다. 이 경우, 제2 리브(221)의 상부 영역 및 제2 리브(221) 하부 영역 각각에 중공의 제2 수용 공간(S2)이 구비될 수 있다. 또는, 예를 들어, 상기 제2 리브(221)는 상기 제2 프레임(220)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향)의 하단 영역에 구비될 수 있다. 이 경우, 제2 리브(221)의 상부 영역에 중공의 제2 수용 공간(S2)이 구비될 수 있다. 이와 같이 제2 리브(221)의 높이 방향 위치는 가변적일 수 있다.
반면, 제1 리브(211)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향) 위치는 제2 리브(221)의 높이 방향(Z축에 평행한 방향) 위치에 비해 상대적으로 덜 가변적이다. 예를 들어, 제1 리브(211)는 제1 프레임(210)의 하단 영역에는 구비되지 않는 것이 바람직하다. 만약 제1 리브(211)가 제1 프레임(210)의 하단 영역에 구비되면, 제1 수용 공간(S1)이 제1 프레임(210)의 상단 영역에 구비되게 되고, 그렇게 되면 포팅 글루(300)가 배터리 셀(100)의 하단 영역을 직접적으로 커버할 수 없게 된다. 결국 배터리 셀(100)의 안전성이 약화된다. 따라서, 제1 리브(211)는 제1 프레임(210)의 하단 영역을 제외한 영역, 이를테면 중앙 영역 또는 상단 영역에 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명의 하부 플레이트(230) 상에는 배터리 셀(100) 고정용 본드가 도포될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 배터리 셀(100)의 높이 방향 이동이 제한될 수 있다. 예를 들어 배터리 모듈(10) 내에 상하 공간의 여유가 있을 수 있거나 유격이 발생할 수 있다. 이와 같은 경우라고 하더라도, 배터리 셀(100)이 제1 프레임(210)의 하단에 고정될 수 있기 때문에, 배터리 모듈(10) 내 배터리 셀(100)의 불필요한 이동이 차단될 수 있다. 나아가, 제1 프레임(210) 또는 제2 프레임(220)의 일부가 파손되어 배터리 셀(100)이 빠져나갈 수 있을 정도의 크기의 결손 영역이 생기더라도, 상기 고정용 본드에 의해 배터리 셀(100)의 이탈이 방지될 수 있다.
도 9는 도 1의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)을 적어도 하나 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 수용할 수 있는 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다. 아울러, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩(1)의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
도 10은 도 9의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 자동차(V)는, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)을 적어도 하나 포함할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 모듈(10) 내의 일부 배터리 셀(100)에서 발화가 발생하더라도, 배터리 셀(100) 하단을 감싸고 있는 포팅 글루(300)로 인해 연쇄 발화로 이어지지 않기 때문에 배터리 모듈(10)의 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(10) 내 배터리 셀(100)의 고정력이 강화될 수 있다.
따라서, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 안전성이 향상된 배터리 모듈(10), 이를 포함하는 배터리 팩(1) 및 자동차(V)를 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 통상의 기술자에게 자명하다.
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]
V 자동차 200 모듈 하우징
1 배터리 팩 210 제1 프레임
10 배터리 모듈 211 제1 리브
50 팩 케이스 213 제1 통로
100 배터리 셀 220 제2 프레임
110 전극 조립체 221 제2 리브
111 제1 전극 탭 213 제2 통로
112 제2 전극 탭 230 하부 플레이트
120 전지 캔 H 주입홀
130 탑 캡 S1 제1 수용 공간
140 벤팅부 S2 제2 수용 공간
300 포팅 글루

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀;
    상기 복수의 배터리 셀을 수용하며, 상기 배터리 셀의 하부를 커버하는 제1 프레임 및 상기 배터리 셀의 상부를 커버하는 제2 프레임을 포함하는 모듈 하우징; 및
    상기 제1 프레임의 내부의 적어도 일부 영역에 충진되는 포팅 글루
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은, 배터리 셀 내부에 압력이 가해졌을 때 용이하게 파단될 수 있도록 주변 영역보다 구조적으로 취약하게 구성된 벤팅부를 구비하고,
    상기 벤팅부는, 상기 배터리 셀의 하단 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제1 프레임은,
    상기 배터리 셀의 외주면을 둘러싸는 제1 리브를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 프레임에 구비된 제1 리브는,
    상기 배터리 셀의 높이 방향의 중앙 영역을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 리브의 하부에는,
    중공의 제1 수용 공간이 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 수용 공간의 높이 방향 길이는,
    상기 배터리 셀의 높이 방향 총 길이 대비 20 ~ 40 % 인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 수용 공간 중 상기 배터리 셀이 차지하는 공간 이외의 중공 공간에 상기 포팅 글루가 충진되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 포팅 글루는,
    실리콘 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 중 적어도 어느 하나는,
    상면에, 포팅 글루 주입이 가능한 주입홀을 적어도 하나 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 리브는 상기 배터리 셀의 높이 방향과 수직한 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 제1 리브와 인접한 제1 리브의 사이에는 중공의 제1 통로가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 프레임은,
    상기 배터리 셀의 외주면을 둘러싸는 제2 리브를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 리브는 상기 배터리 셀의 높이 방향과 수직한 방향으로 복수 개 구비되고,
    상기 제2 리브와 인접한 제2 리브의 사이에는 중공의 제2 통로가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 리브의 하부에는,
    중공의 제2 수용 공간이 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 모듈을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 14 항에 기재된 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
PCT/KR2022/020886 2021-12-20 2022-12-20 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 WO2023121255A1 (ko)

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