WO2023136593A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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WO2023136593A1
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battery cell
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이정훈
양재훈
김세호
김두승
박정기
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module having a water cooling structure and a battery pack including the same.
  • secondary batteries capable of charging and discharging are a solution to air pollution, such as existing gasoline vehicles using fossil fuels, electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV), etc., the need for development of secondary batteries is increasing.
  • lithium secondary batteries can be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of an exterior material.
  • a battery module electrically connecting multiple battery cells this is used In this battery module, capacity and output are improved by forming a battery cell stack in which a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery disconnect unit (BDU), a battery management system (BMS), and a cooling system to form a battery pack.
  • BDU battery disconnect unit
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • a plurality of secondary batteries that is, a battery module or a battery pack having battery cells may increase the temperature more quickly and severely due to the sum of heat emitted from the plurality of battery cells in a narrow space.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are stacked and a battery pack equipped with such a battery module, high output can be obtained, but it is not easy to remove heat generated from the battery cells during charging and discharging. If the heat dissipation of the battery cell is not performed properly, the battery cell deteriorates rapidly, shortens its lifespan, and increases the possibility of explosion or ignition.
  • Cooling methods of battery modules or battery packs can be largely classified into a water cooling method using a refrigerant such as cooling water and an air cooling method using cooling wind. Among them, water-cooled cooling has excellent cooling performance and can effectively cool high heat generated from large-capacity battery modules or battery packs.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA′ of FIG. 1 .
  • FIG. 2 additionally illustrates a heat sink 30 disposed under the battery module 10 for convenience of description.
  • the conventional battery module 10 includes a battery cell stack 12 in which a plurality of battery cells 11 are stacked and a module frame 20 accommodating the battery cell stack 12 includes At this time, the battery cell 11 is a pouch-type battery cell, and the pouch-type battery cell forms a rectangular sheet structure.
  • the battery module 10 Since a plurality of battery cells 11 are stacked, the battery module 10 generates a large amount of heat during charging and discharging.
  • the battery module 10 including the pouch-type battery cell was cooled by indirectly or directly contacting the edge of the battery cell 11 with the heat sink 60 having a fixed location and size.
  • the battery module 10 may include a thermal resin layer 40 positioned between the battery cell stack 12 and the bottom of the module frame 20 .
  • the heat transfer member 50 and the heat sink 30 may be sequentially positioned below the battery module 10 .
  • the heat transfer member 50 may be a heat dissipation pad, and the heat sink 30 may have a cooling passage 31 through which a refrigerant such as cooling water flows. Edges of the battery cells 11 stacked along one direction contact the thermal resin layer 40, and heat generated from the battery cells 11 is transferred to the thermal resin layer 40, the bottom of the module frame 20, The heat may be transferred to the outside of the battery module 10 via the heat transfer member 50 and the heat sink 30 sequentially. That is, a water-cooling structure in which heat is discharged through the edge portion of the battery cell 11 is applied to the conventional battery module 10 .
  • Such a water-cooling structure utilizing the edge portion of the battery cell 11 has a relatively simplified structure, but has poor cooling performance, and cracks in the pouch case of the battery cell 11 when high swelling of the battery cell 11 occurs. There is a risk of this happening.
  • the battery cell 110 is a phenomenon in which the battery cell 110 swells due to the decomposition of the electrolyte inside the battery cell 110 during the process of repeating charging and discharging or the initial charging process, that is, swelling or swelling. Breathing may occur.
  • the thermal resin layer 40 generally has an adhesive property to fix the battery cells 11, when swelling of the battery cells 11 occurs, the battery cells 11 High stress occurs on the edge of the battery cell 11, which may lead to cracks in the pouch case.
  • pure Si cells, all-solid-state batteries, and SiO high-content cells can be applied as pouch battery cells to realize high-capacity battery modules and battery packs.
  • the degree of swelling is greater.
  • a battery module having a novel cooling structure capable of minimizing structural damage to the battery cells is required, even when battery cells having high swelling characteristics are included.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the battery module capable of minimizing structural damage to the battery cells even when the battery cells exhibit high swelling characteristics.
  • a battery module includes a battery cell stack in which battery cell groups including at least one battery cell are stacked along a first direction; and a heat sink including a cooling tube through which a refrigerant flows.
  • Each of the battery cell groups further includes a first cell frame positioned above at least one battery cell or a second cell frame positioned below at least one battery cell.
  • the cooling tube includes at least one bent portion having a curved shape. The cooling tube covers both side surfaces of any one of the battery cell groups while the curved portion surrounds the top or bottom of the battery cell group.
  • the curved portion may be composed of a plurality, one of the curved portions surrounds both side surfaces and upper portions of any one of the battery cell groups, and another one of the curved portions is the amount of the other one of the battery cell groups. Covering the side and bottom, the cooling tube may be connected in a zigzag shape.
  • One of the curved parts may cover both side surfaces of any one of the battery cell groups and the first cell frame, and another one of the curved parts may cover both side surfaces of the other one of the battery cell groups and the first cell frame.
  • a 2-cell frame can be wrapped.
  • the battery module may further include an upper frame and a lower frame respectively positioned above and below the battery cell stack.
  • the first cell frame may be coupled to the upper frame at a lower side of the upper frame, and the second cell frame may be coupled to the lower frame at an upper side of the lower frame.
  • Foam may be injected into at least one of a space between the battery cell stack and the upper frame or a space between the battery cell stack and the lower frame.
  • Each of the first cell frame and the second cell frame may include an accommodating groove in which at least one battery cell is seated, and a protrusion formed on a surface opposite to a surface on which the accommodating groove is formed.
  • An upper frame and a lower frame may be positioned at upper and lower portions of the battery cell stack, respectively, and an insertion hole into which the protrusion is inserted may be formed in each of the upper frame and the lower frame.
  • the protrusion of the first cell frame may be inserted into the insertion hole of the upper frame, and the protrusion of the second cell frame may be inserted into the insertion hole of the lower frame.
  • At least one of the insertion holes may have an opening width wider than that of the protrusions in the first direction, which is a direction in which the battery cell groups are stacked, so that the protrusions may be movable in the first direction or an opposite direction.
  • At least one of the upper frame and the lower frame may include a fixed part and a moving part.
  • An opening width of the insertion hole in the movable part in the first direction may be wider than an opening width of the insertion hole in the fixed part in the first direction.
  • the moving part may be located at one end of a direction parallel to the first direction.
  • the moving part may include a plurality, the moving parts may be positioned at both ends of a direction parallel to the first direction, and the fixed part may be positioned between the moving parts.
  • the first cell frame and the second cell frame may be attached to the upper frame and the lower frame through an adhesive member, respectively.
  • opening widths of the insertion holes in the first direction may gradually widen toward the first direction from a central portion and in a direction opposite to the first direction.
  • An opening portion may be formed in the receiving groove, and at least one battery cell in the battery cell group may contact the bent portion through the opening portion.
  • the battery module may further include side plates positioned on both sides of the battery cell stack in the first direction, and the side plates may have a leaf spring shape.
  • the side plate may have a shape in which a plurality of leaf spring members are disposed at intervals along a height direction.
  • the side plate may be in the form of a leaf spring recessed in a direction in which the battery cell stack is located.
  • the side plate includes a composite material, and the composite material may be Fiber Reinforced Plastic (FRP) or Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP).
  • FRP Fiber Reinforced Plastic
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic
  • the composite material may include a sheet material interposed between a fiber material, resin, and the fiber material.
  • the fiber material may include glass fiber or carbon fiber
  • the resin may include at least one of epoxy or urethane
  • the sheet material may include at least one of PET and PU.
  • the heat sink may include an intake manifold connected to one end of the cooling tube and an exhaust manipod connected to the other end of the cooling tube.
  • An inlet through which the refrigerant is introduced may be formed in the inlet maniford, and an outlet through which the refrigerant is discharged may be formed in the discharge manipod.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes the battery module.
  • damage to the battery cell during the swelling process can be minimized by implementing a moving cooling structure and a frame structure that can flexibly move according to the degree of swelling of the battery cell. there is.
  • the cooling performance of the battery cells may be further increased by applying surface cooling rather than edge cooling.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line A-A′ of FIG. 1 .
  • FIG 3 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view of the battery module of FIG. 3 viewed from direction B;
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which an upper frame, a lower frame, and a side plate are removed for the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a front view showing one of the battery cells included in the battery module of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a plan view of the battery module of FIG. 5 viewed from a direction C;
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a heat sink, a first cell frame, and a second cell frame included in the battery module of FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a front view illustrating a heat sink according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line D-D′ of FIG. 9 .
  • FIG. 11(a) and (b) are perspective views illustrating a first cell frame or a second cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a bottom view of the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 13 is a bottom view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a bottom view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • 15 is a perspective view showing an adhesive member attached to a first cell frame and a second cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • 16 and 17 are a perspective view and a side view of a side plate included in the battery module of FIG. 3, respectively.
  • FIG. 19 is a perspective view illustrating a first cell frame or a second cell frame according to a modified embodiment of the present invention.
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • a part when a part is said to be “directly on” another part, it means that there is no other part in between.
  • a reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily be located “on” or “on” in the opposite direction of gravity does not mean no.
  • planar image it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-sectional image”, it means when a cross section of the target part cut vertically is viewed from the side.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a front view of the battery module of FIG. 3 viewed from direction B;
  • 5 is a perspective view showing a state in which an upper frame, a lower frame, and a side plate are removed for the battery module of FIG. 3 .
  • 6 is a front view showing one of the battery cells included in the battery module of FIG. 5;
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which battery cell groups 110G are stacked along a first direction d1; and a heat sink 300 including a cooling tube 310 in which a refrigerant flows; includes
  • the battery module 100 may further include an upper frame 400 and a lower frame 500 respectively positioned above and below the battery cell stack 120 .
  • the battery cell group 110G includes at least one battery cell 110 . That is, one battery cell 110 may form a battery cell group 110G, and a plurality of battery cells 110 may form one battery cell group 110G. As will be described later, in this specification, the battery cell group 110G is a battery cell 110 wrapped around the bent portion 310B of the cooling tube 310 while being accommodated in the first cell frame 210 or the second cell frame 220 It may be a unit that divides the aggregate of them.
  • the battery cell 110 may be a pouch type battery cell.
  • a pouch-type battery cell may be formed by accommodating the electrode assembly in a pouch case, which is a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and then bonding the outer periphery of the pouch case.
  • the battery cell 110 may be formed in a rectangular sheet structure.
  • the two electrode leads 111 and 112 face each other and protrude from one end 114a and the other end 114b of the battery body 113, respectively.
  • the battery cell 110 is manufactured by adhering both ends 114a and 114b of the battery case 114 and one side portion 114c connecting them in a state in which an electrode assembly (not shown) is accommodated in the battery case 114. It can be.
  • the battery cell 110 according to an embodiment of the present invention has a total of three sealing parts, the sealing part has a structure that is sealed by a method such as fusion, and the other side part 114d is the battery case 114 may consist of a folded part.
  • the battery cell 110 described above is an exemplary structure, and a unidirectional battery cell in which two electrode leads protrude in the same direction is of course possible.
  • At least one battery cell 110 forms the battery cell group 110G, and these battery cell groups 110G are stacked in the first direction d1 to form the battery cell stack 120 .
  • the stacked first direction d1 is a direction perpendicular to one surface of the battery body 113 of the battery cells 110, and is expressed as a direction parallel to the x-axis direction with reference to FIGS. 4 and 6 .
  • Each of the battery cell groups 110G includes a first cell frame 210 positioned above the at least one battery cell 110 or a second cell frame 220 positioned below the at least one battery cell 110 includes
  • At least one battery cell 110 in the battery cell group 110G may be seated on either the first cell frame 210 or the second cell frame 220 . More specifically, one side of at least one battery cell 110 is seated on one of the first cell frame 210 and the second cell frame 220 so that at least one battery cell 110 is in the battery cell group 110G. can be fixed in Although described later, accommodating grooves in which the battery cells 110 are seated are formed in the first cell frame 210 and the second cell frame 220 so that the battery cells 110 can be accommodated therein. Although the first cell frame 210 and the second cell frame 220 have the same shape, there is a difference in their arrangement position with respect to the battery cells 110 within the battery module 100 . Detailed structures of the first cell frame and the second cell frame will be described later in conjunction with FIG. 11 .
  • the battery cell group 110G adjacent thereto includes the second cell frame 220. That is, in the battery cell groups 110G disposed along the first direction d1, the battery cell group 110G including the first cell frame 210 and the battery including the second cell frame 220 Cell groups 110G may be alternately arranged.
  • the battery module 100 includes an upper frame 400 and a lower frame 500 positioned on the upper and lower portions of the battery cell stack 120, respectively.
  • the upper frame 400 and the lower frame 500 may be a plate-shaped member.
  • the upper frame 400 may be located above the first cell frames 210
  • the lower frame 500 may be located below the second cell frames 220 .
  • FIG. 7 is a plan view of the battery module of FIG. 5 viewed from a direction C;
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a heat sink, a first cell frame, and a second cell frame included in the battery module of FIG. 5 .
  • 9 is a front view illustrating a heat sink according to an exemplary embodiment of the present invention. 10 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line D-D′ of FIG. 9 .
  • the heat sink 300 includes a cooling tube 310 in which a refrigerant flows, and the cooling tube 310 has a curved shape at least It includes one bent portion 310B.
  • the cooling tube 310 may cover both sides of any one of the battery cell groups 110G while the bent portion 310B surrounds the top or bottom of the battery cell group 110G. That is, a partial region of the cooling tube 310 including the bent portion 310B may cover the top and both side surfaces of the battery cell group 110G or the bottom and both side surfaces of the battery cell group 110G. .
  • a plurality of bent parts 310B may be configured, and any one of the bent parts 310B may be one of the battery cell groups 110G.
  • the cooling tube 310 may be connected in a zigzag shape while covering both side surfaces and the top of one and the other of the bent parts 310B wrapping both sides and the bottom of the other of the battery cell groups 110G.
  • one of the curved portions 310B surrounds both sides of one of the battery cell groups 110G and the first cell frame 210, and the other of the curved portions 310B wraps the battery cell group. It may cover both sides of the other one of the cells 110G and the second cell frame 220 .
  • the battery cell group 110G including the first cell frame 210 and the battery cell group 110G including the second cell frame 220 may be alternately disposed. One of them surrounds the battery cell group 110G including the first cell frame 210, and the next bent part 310B surrounds the battery cell group 110G including the second cell frame 220. Cooling tubes 310 may run in a zigzag shape.
  • the heat sink 300 may include an intake manifold 320 connected to one end of the cooling tube 310 and an exhaust manipod 330 connected to the other end of the cooling tube 310. .
  • An inlet 321 through which refrigerant is introduced may be formed in the inlet manifold 320
  • an outlet 331 through which refrigerant is discharged may be formed in the discharge manipod 330 .
  • the shape of the inlet 321 and the outlet 331 is not particularly limited and may be a tubular shape or an opening hole shape. In FIGS. 3, 5, and 8, the tubular inlet 321 and the outlet 331 are shown as examples.
  • At least one space portion S is formed inside the cooling tube 310, and the space portion S may communicate with the inlet portion 321 and the outlet portion 331. Accordingly, the refrigerant introduced through the inlet 321 is introduced into the cooling tube 310 via the inlet manipod 320 . The refrigerant flowing along the cooling tube 310 may be finally discharged through the discharge unit 331 via the discharge manipod 330 . A refrigerant flows along the periphery of the battery cells 110 and absorbs heat generated from the battery cells 110 . The refrigerant may be cooling water.
  • the battery module 100 according to this embodiment has a water-cooled cooling structure.
  • the cooling tube 310 in the zigzag form is connected to the side surfaces of the battery cell groups 110G, that is, one surface of the battery body 113 of the battery cell 110 (see FIG. 6). That is, the cooling tube 310 is in contact with one surface of the battery body 113 of the battery cell 110 .
  • the conventional battery module 10 shown in FIGS. 1 and 2 has an edge cooling structure in which heat is discharged through the edge portion of the battery cell 11, whereas the battery module 100 according to the present embodiment is cooled.
  • the tube 310 is a surface cooling structure in contact with one surface of the battery body 113 of the battery cells 110. Since the entire surface of the battery body 113 of the battery cell 110 can come into contact with the cooling tube 310, the cooling area is much wider, so the cooling performance is superior to that of the conventional battery module 10.
  • the battery cell 110 is a phenomenon in which the battery cell 110 swells due to the decomposition of the electrolyte inside the battery cell 110 and the generation of gas in the course of repeated charging and discharging, that is, swelling or breathing. ) may occur.
  • the edges of the battery cells 11 are bonded and fixed to the thermal resin layer 40, high stress occurs at the edges of the battery cells 11 when swelling occurs, , This may lead to cracks in the pouch case of the battery cell 11.
  • the cooling tube 310 of the heat sink 300 for cooling continues in a zigzag shape and is disposed between the battery cells 110, the battery cell 110 They are not glued and fixed to a specific point. Even if high swelling or bleeding occurs in the battery cells 110, the assembly form between the battery cell stack 120 and the heat sink 300 is in the first direction d1, which is the stacking direction of the battery cells 110. Since it can provide some degree of structural flexibility, it is possible to prevent cracks from occurring in the pouch case of the battery cell 110 .
  • the battery cells 110 expand in the thickness direction.
  • a portion of the cooling tube 310 positioned between the battery cells 110 may absorb expansion of the battery cells 110 .
  • compression pads of foam material are interposed between the battery cells 110.
  • the portion of the cooling tube 310 positioned between the battery cells 110 can absorb swelling of the battery cells 110 and replace the function of the conventional compression pad. That is, the cooling tube 310 according to the present embodiment may serve not only a surface cooling function for the battery cells 110 but also a function of absorbing swelling of the battery cells 110 .
  • FIG. 11(a) and (b) are perspective views illustrating a first cell frame or a second cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • the first cell frame 210 and the second cell frame 220 are distinguished by being located above or below the battery cells, but since they have the same shape, detailed structures will be described together.
  • FIG. 11(a) shows the first cell frame 210 or the second cell frame 220 at an angle at which the protrusions 210P and 220P are viewed
  • FIG. 11(b) shows the battery cell 110 It shows the first cell frame 210 or the second cell frame 220 at an angle at which the accommodating grooves 210G and 220G are seated.
  • each of the first cell frame 210 and the second cell frame 220 is where the battery cells 110 are seated.
  • Accommodating grooves 210G and 220G may be included.
  • the first cell frame 210 and the second cell frame 220 may have the same shape, but the first cell frame 210 is positioned above the battery cells 110 and the second cell frame 220 is different in that it is located under the battery cells 110.
  • the accommodating grooves 210G and 220G may be formed on one surface of the first cell frame 210 or the second cell frame 220 facing the at least one battery cell 110 .
  • At least one battery cell 110 is inserted into the receiving groove 210G of the first cell frame 210 or the receiving groove 220G of the second cell frame 220. and can be mounted.
  • FIG. 11 it is shown that two receiving grooves 210G and 220G are formed. That is, two battery cells 110 may be seated on one first cell frame 210 or second cell frame 220 .
  • adhesive or double-sided tape is applied between the battery cells 110 and the receiving grooves 210G and 220G so that the battery cells 110 can be fixed to the first cell frame 210 or the second cell frame 220. there is.
  • the first cell frame 210 or the second cell frame protects one side of the battery cells 110 to prevent the battery cells 110 from being damaged.
  • the first cell frame 210 and the second cell frame may supplement the rigidity of the battery cell group 110G.
  • the first cell frame 210 or the second cell frame may include an electrically insulating material to insulate and protect one side of the battery cells 110 .
  • the battery cells 110 in the battery cell group 110G are in the receiving grooves 210G and 220G of the first cell frame 210 and the second cell frame 220 It is wrapped by the cooling tube 310 of the heat sink 300.
  • the first cell frame 210 or the second cell frame 220 may improve assembly and manufacturing process between the battery cells 110 and the heat sink 300 and increase structural stability.
  • the first cell frame 210 or the second cell frame 220 a plurality of battery cells 110 are divided into battery cell groups 110G, and at least one battery cell 110 within the battery cell group 110G ) can be fixed. Therefore, the zigzag cooling tube 310 can be more stably and easily provided between the plurality of battery cells 110 .
  • the reference point at which the curved portion 310B is formed becomes clear. If there is no first cell frame 210 or second cell frame 220, it is difficult to set a reference point in disposing the cooling tube 310 having the bent portion 310B between the battery cells 110. It is necessary to fix the slightly rigid and flexible pouch-type battery cell 110 at a specific location and place a heat sink. However, this implementation is difficult if the first and second cell frames 210 and 220 are not present.
  • the first cell frame 210 or the second cell frame 220 After forming the battery cell group 110G by inserting at least one battery cell 110 into the first cell frame 210 or the second cell frame 220, the first cell frame 210 or the second cell frame Since the cooling tubes 310 are arranged in a zigzag pattern while fixing the bent portions 310B with reference point 220 as a reference point, assembling becomes easier.
  • the first cell frame 210 or the second cell frame 220 can easily implement an assembly structure between the battery cells 110 and the cooling tubes 310 connected in a zigzag shape. It can function as a support structure and a fixed reference point in the unit of cell group 110G.
  • each of the first cell frame 210 and the second cell frame 220 may include protrusions 210P and 220P formed on opposite sides of the surface on which the receiving grooves 210G and 220G are formed.
  • the protruding portion 210P of the first cell frame 210 and the protruding portion 220P of the second cell frame 220 are configured to be combined with the upper frame 400 and the lower frame 500, respectively, and will be described in detail below. do.
  • the upper frame 400 may be positioned above the first cell frames 210, and the lower frame 500 , may be located lower than the second cell frames 220 .
  • the first cell frame 210 may be coupled to the upper frame 400 at the lower side of the upper frame 400
  • the second cell frame 220 may be coupled to the lower frame at the upper side of the lower frame 500. (500).
  • insertion holes 400H and 500H into which the protrusions 210P and 220P are inserted may be formed in the upper frame 400 and the lower frame 500, respectively.
  • the insertion hole 500H formed in the lower frame 500 is shown in FIGS. 12 and 13 .
  • the protruding part 210P of the first cell frame 210 may be inserted into the insertion hole 400H of the upper frame 400, and the second cell frame 220 may be inserted into the insertion hole 500H of the lower frame 500.
  • a protrusion 220P may be inserted.
  • the first cell frame 210 and the upper frame 400 may be coupled in such a way that the protrusion 210P of the first cell frame 210 is inserted into the insertion hole 400H of the upper frame 400, and the lower frame
  • the second cell frame 220 and the lower frame 500 may be coupled in such a way that the protrusion 220P of the second cell frame 220 is inserted into the insertion hole 500H of the 500 .
  • a part of the first cell frame 210 and a part of the upper frame 400 may be fixed with an adhesive
  • a part of the second cell frame 220 and a part of the lower frame 500 may be fixed with an adhesive. can be fixed with
  • FIGS. 12 and 13 show only the insertion hole 500H formed in the lower frame 500 in detail, but the insertion hole 400H formed in the upper frame 400 is also the same as the insertion hole 500H described below. A similar structure may be applied.
  • FIG. 12 is a bottom view of the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 12 is a view of the battery module of FIG. 3 viewed in the z-axis direction on the xy plane.
  • the protrusion 210P of the first cell frame 210 is inserted into the insertion hole 400H of the upper frame 400, and The protrusion 220P of the 2-cell frame 220 may be inserted into the insertion hole 500H of the lower frame 500 .
  • At least one of the insertion holes 400H and 500H has an opening width wider than the protrusions 210P and 220P in the first direction d1, which is the direction in which the battery cell groups 110G are stacked, so that the protrusions 210P and 220P inserted therein ) can move in the first direction d1 or in the opposite direction.
  • the opening width W1 of the insertion hole 500H corresponds to almost the same as the width of the protruding portion 220P.
  • the opening width W2 of the insertion hole 500H is wider than the width of the protruding portion 220P, so that the protruding portion 220P moves in the first direction d1 or the opposite direction. It is possible to move.
  • At least one of the upper frame 400 and the lower frame 500 may include a fixed part FP and a moving part MP.
  • the opening width W2 of the insertion hole 500H in the movable part MP in the first direction d1 is the opening width W2 of the insertion hole 500H in the fixed part FP in the first direction d1. It may be wider than the width W1. That is, the battery cell groups 110G located in the region corresponding to the moving part MP are slightly moved in the first direction d1 or the opposite direction by the insertion hole 500H having a wide opening width W2. While free, the movement of the battery cell groups 110G located in the region corresponding to the fixed part FP is limited by the insertion hole 500H having the opening width W1 corresponding to the protrusion 220P.
  • a plurality of moving parts MPs may be configured, the moving parts MPs may be positioned at both ends of a direction parallel to the first direction d1, and the fixed part FP may be a moving part MP. It may be positioned between parts MP.
  • battery cells 110 which are pouch battery cells
  • they may greatly swell along the stacking direction of the battery cells 110.
  • the battery cells 110 located on both outer regions of the stacking direction of the battery cells 110 are pushed the most during swelling of each battery cell 110. It is subjected to a large pressing force, and a large reaction force also acts inside the fixed module frame. When the threshold value of the pressing force or reaction force is exceeded, the performance or lifespan of the battery cell 110 is adversely affected.
  • the moving parts MP capable of allowing the battery cell group 110G to move to some extent are provided at both ends in the first direction d1, and swelling occurs. It was intended to alleviate the pressing force or reaction force applied to the battery cells 110 located outside the city. Through this, during swelling, it is possible to alleviate the deviation of the pressing force applied to each battery cell 110, which can lead to improved performance and increased lifespan of the battery module 100. That is, the coupling form between the first and second cell frames 210 and 220 and the upper and lower frames 400 and 500 according to the present embodiment is combined with the previously described zigzag form of the heat sink 300 to move A frame structure can be implemented. This moving frame structure provides structural flexibility and fluidity for swelling of the battery cell, thereby mitigating the variation in pressing force and preventing damage such as cracks to the battery cell.
  • FIG. 13 is a bottom view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the protrusion 220P of the second cell frame 220 may be inserted into the insertion hole 500H of the lower frame 500 .
  • the protrusion 210P of the first cell frame 210 may be inserted into the insertion hole 400H of the upper frame 400 .
  • At this time, at least one of the upper frame 400 and the lower frame 500 has first insertion holes 400H and 500H toward the first direction d1 and the opposite direction to the first direction d1 from the central portion.
  • the aperture width in the direction d1 may gradually widen. Referring to the opening widths W1 , W2 , and W3 of the insertion holes 500H in the first direction d1 shown in FIG. 13 , the first direction of the insertion holes 500H toward the outside, which is the direction from the center to both ends.
  • the opening widths W1, W2, and W3 of (d1) gradually increase.
  • the opening width W1 of the insertion hole 500H located at the center in the first direction d1 is the narrowest, and the opening width W3 of the insertion hole 500H located at the outermost side in the first direction d1 is may be the widest.
  • the battery cells 110 located on both outer regions of the stacking direction of the battery cells 110 are pushed the most during swelling of each battery cell 110 . Therefore, in this embodiment, the opening widths W1, W2, and W3 of the insertion holes 400H and 500H in the first direction d1 gradually increase from the center to both ends in the stacking direction of the battery cells 110.
  • the moving tolerance of the battery cells 110 during swelling was set to correspond to the position. Therefore, during swelling, it is possible to alleviate the variation in the pressing force applied to each battery cell 110, which can lead to improved performance and increased lifespan of the battery module 100.
  • FIG. 14 is a bottom view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the protrusion 220P of the second cell frame 220 may be inserted into the insertion hole 500H of the lower frame 500 .
  • the protrusion 210P of the first cell frame 210 may be inserted into the insertion hole 400H of the upper frame 400 .
  • the moving part MP described above may be located at one end in a direction parallel to the first direction d1.
  • the remaining area may be formed of the fixed part FP.
  • the area in which the insertion holes 400H and 500H having a relatively wide opening width in the first direction d1 are formed is one in a direction parallel to the first direction d1. May be needed only at the end.
  • the moving part MP is at one end in a direction parallel to the first direction d1. Only the structure provided can be applied.
  • 15 is a perspective view showing an adhesive member attached to a first cell frame and a second cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • the first cell frame 210 and the second cell frame 220 are the upper frame 400 and the lower frame ( 500) through the adhesive member 800.
  • the first cell frame 210 may be coupled to the upper frame 400 from the lower side of the upper frame 400, and the second cell frame 220 may be coupled to the lower side from the upper side of the lower frame 500. It may be coupled to the frame 500.
  • the first cell frame 210 may be adhered to the lower surface of the upper frame 400 through the adhesive member 800, and the second cell frame 220 may be adhered to the adhesive member 800. ) may be attached to the upper surface of the lower frame 500 through.
  • the protrusion 210P of the first cell frame 210 may be inserted into the insertion hole 400H of the upper frame 400, and the insertion hole 500H of the lower frame 500 may be inserted into the second cell frame (
  • the protruding portion 220P of the 220 may be inserted, and as shown in FIG. 15 , an adhesive member 800 may be provided in a peripheral area of the protruding portions 210P and 220P.
  • the adhesive member 800 is provided on the fixed part FP to prevent the moving of the battery cell group 110G in the fixed part FP. can limit
  • the degree of coupling between the first and second cell frames 210 and 220 and the upper and lower frames 400 and 500 is supplemented by the adhesive member 800, so that structural stability of the entire battery module can be improved.
  • 16 and 17 are a perspective view and a side view of a side plate included in the battery module of FIG. 3, respectively.
  • the battery module 100 is located on both sides of the battery cell stack 120 along the first direction d1.
  • Plates 600 may be further included.
  • the side plate 600 may have a leaf spring shape.
  • the side plate 600 includes a material having elasticity, and the battery cell stack 120 reacts against the pressure applied from the battery cell stack 120 to each side plate 600 direction. elastic force can be applied.
  • each side plate 600 may be in the form of a leaf spring indented in a direction in which the battery cell stack 120 is located. More specifically, as shown in FIG. 3, both ends of the side plate 600 along a direction (y-axis direction or -y-axis direction) parallel to the direction in which the electrode lead 111 of the battery cell 110 protrudes. Rather than the portion, the central portion of the side plate 600 may be in a recessed form so as to be bent toward a location where the battery cell stack 120 is located.
  • the side plate 600 exhibiting elastic behavior is a battery cell stack ( Swelling of the battery cells 110 may be controlled while absorbing the swelling of the battery cells 120 .
  • the side plate 600 has a leaf spring shape, thereby functioning as a frame for accommodating the battery cell stack 120 and preventing swelling of the battery cells 110. It can function as a controlling elastic part.
  • the side plate 600 may have a form in which a plurality of leaf spring members 610 are disposed at intervals along the height direction. Where the battery cell stack 120 is located, individual leaf spring members 610 whose center is bent may be disposed spaced apart at regular intervals along the height direction.
  • the height direction means a direction perpendicular to one surface of the upper frame 400 or the lower frame 500 and parallel to the z-axis direction.
  • the side plate 600 may further include a connecting portion 620 connecting each leaf spring member 610 so that each leaf spring member 610 can be maintained at a regular interval.
  • a connecting portion 620 connecting each leaf spring member 610 may be located at both ends of the side plate 600, respectively.
  • a connection portion 620 connecting each leaf spring member 610 may be located in the central portion as well.
  • the side plate 600 is not configured in the form of a single leaf spring, but to include individual leaf spring members 610 whose parts are separated from each other, according to the swelling characteristics of each position of the battery cell 110 Individual responses were made possible. That is, in the case of the present embodiment in which the individual leaf spring members 610 are separated, compared to a completely integrated structure, there is an advantage in that flexible elastic behavior for swelling of the battery cell 110 is exhibited.
  • the side plate 600 according to the present embodiment may include a composite material, and the composite material may be Fiber Reinforced Plastic (FRP) or Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP). .
  • the fiber-reinforced plastic or carbon fiber-reinforced plastic is a plastic-based composite material reinforced with glass fiber and carbon fiber, respectively, and has excellent mechanical properties and corrosion resistance.
  • fiber-reinforced plastics or carbon fiber-reinforced plastics have tensile strength equal to or higher than that of metals and have a lower Young's modulus than metals, so they have high stiffness against swelling of battery cells. It can exhibit elastic behavior capable of effectively absorbing swelling.
  • a maximum pressure of 3 to 8 MPa occurs at EOL (End Of Life), and composite materials of fiber-reinforced plastics and carbon fiber-reinforced plastics can exhibit elastic behavior even at such high pressures. , suitable for application to the side plate 600 according to the present embodiment.
  • fiber-reinforced plastics or carbon fiber-reinforced plastics are manufactured by laminating glass fibers or carbon fibers and curing a resin around them, they have the advantage of being able to set different strength and modulus of elasticity for each direction.
  • the composite material according to the present embodiment attempts to solve the above problems by changing the material of the resin and including a sheet material in addition to the fiber material.
  • a composite material of fiber-reinforced plastic or carbon fiber-reinforced plastic is manufactured by laminating glass fibers or carbon fibers and curing a resin around them
  • the composite material according to the present embodiment may include a fiber material 601 , a resin 602 , and a sheet material 603 interposed between the fiber material 601 .
  • the fiber material 601 according to this embodiment may include glass fiber or carbon fiber.
  • the resin 602 to be cured may include at least one of epoxy and urethane
  • the sheet material 603 may include at least one of polyethylene terephthalate (PET) and polyurethane (PU).
  • the resin 602 may include urethane.
  • Urethane with soft characteristics was applied as a material for the resin 602 to improve the brittleness of the composite material.
  • the soft sheet material 603 between the fiber materials 601 the soft characteristics of the composite material are reinforced and the cost is reduced by reducing the amount of expensive fiber material 601.
  • the space between the battery cell stack 120 and the upper frame 400 or the battery cell stack 120 and the lower frame Foam 700 may be injected into at least one of the spaces between 500. More specifically, the foam 700 may be injected into a space surrounded by some of the battery cells 110 , the first cell frame 210 and the upper frame 400 . In addition, foam 700 may be injected into a space surrounded by some of the battery cells 110 , the second cell frame 220 and the lower frame 500 .
  • the foam 700 may include a silicone material.
  • the foam 700 may serve as a kind of spring that repeats compression and expansion up to a specific pressure. When high swelling occurs in the battery cells 110, the foam 700 that repeats compression and expansion imparts structural flexibility to the battery module 100 so that damage such as cracks on the side of the battery cell 110 is prevented. It can help prevent this from happening.
  • FIG. 19 is a perspective view illustrating a first cell frame or a second cell frame according to a modified embodiment of the present invention.
  • each of the first cell frame 210' and the second cell frame 220' includes battery cells ( Receiving grooves 210G and 220G in which the 110 are seated may be formed. At this time, in the present embodiment, slits 210S and 220S having an open form may be formed in the receiving grooves 210G and 220G. At least one battery cell 110 in the battery cell group 110G may contact the bent portion 310B of the cooling tube 310 through the slits 210S and 220S.
  • At least one battery cell 110 may additionally contact the bent portion 310B. That is, cooling performance may be improved by expanding an area where the battery cell 110 contacts the cooling tube 310 through the slits 210S and 220S.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS), a battery disconnect unit (BDU), and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • BDU battery disconnect unit
  • the battery module or battery pack may be applied to various devices. Specifically, it can be applied to means of transportation such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, or energy storage systems (ESS), but is not limited thereto and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
  • means of transportation such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, or energy storage systems (ESS), but is not limited thereto and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
  • ESS energy storage systems

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지셀 그룹들이 제1 방향을 따라 적층되는 전지셀 적층체; 및 내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브를 포함하는 히트 싱크;를 포함한다. 상기 전지셀 그룹 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀의 상부에 위치하는 제1 셀 프레임 또는 적어도 하나의 상기 전지셀의 하부에 위치하는 제2 셀 프레임을 더 포함한다. 상기 냉각 튜브는 굴곡진 형태의 적어도 하나의 굴곡부를 포함한다. 상기 굴곡부가 상기 전지셀 그룹의 상부 또는 하부를 감싸면서 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면을 커버한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 1월 11일자 한국 특허 출원 제10-2022-0003809호 및 2023년 1월 10일자 한국 특허 출원 제10-2023-0003719호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 수냉식 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓일 수 있다. 따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 전지 모듈이나 전지팩의 냉각 방법은 크게 냉각수 등의 냉매를 활용한 수냉식 방법과 냉각풍을 활용한 공랭식 방법으로 구분될 수 있다. 그 중 수냉식 냉각은, 냉각 성능이 우수해 대용량의 전지 모듈이나 전지팩에서 발생하는 높은 열을 효과적으로 냉각할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 다만, 도 2에는 설명의 편의를 위해 전지 모듈(10)의 아래에 배치되는 히트 싱크(30)를 추가로 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(12)와 전지셀 적층체(12)를 수납하는 모듈 프레임(20)을 포함한다. 이때 전지셀(11)은 파우치형 전지셀이고, 파우치형 전지셀은 장방형의 시트 구조를 이룬다.
다수의 전지셀(11)이 적층되기 때문에 전지 모듈(10)은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 파우치형 전지셀을 포함하는 전지 모듈(10)은, 전지셀(11)의 엣지를 고정된 위치와 크기를 가진 히트 싱크(60)에 간접 또는 직접 접촉시켜, 냉각을 실시하였다.
구체적으로, 전지 모듈(10)은 전지셀 적층체(12)와 모듈 프레임(20)의 바닥부 사이에 위치한 써멀 레진층(40)을 포함할 수 있다. 또한, 전지 모듈(10)이 팩 프레임에 장착되어 전지팩을 형성할 때, 전지 모듈(10) 아래에 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(30)가 차례로 위치할 수 있다. 열전달 부재(50)는 방열 패드일 수 있으며, 히트 싱크(30)는 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐르는 냉각 유로(31)가 형성될 수 있다. 일 방향을 따라 적층된 전지셀(11)들의 엣지가 써멀 레진층(40)과 접촉하고, 전지셀(11)로부터 발생한 열은, 써멀 레진층(40), 모듈 프레임(20)의 바닥부, 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(30)를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 전달될 수 있다. 즉, 종래의 전지 모듈(10)에는, 전지셀(11)의 엣지 부분을 통해 열을 배출하는 수냉식 구조를 적용하였다.
이와 같은 전지셀(11)의 엣지 부분을 활용한 수냉식 구조는, 상대적으로 간소화된 구조를 갖지만 냉각 성능이 떨어지고, 전지셀(11)의 높은 스웰링 발생 시 전지셀(11)의 파우치 케이스 등에 크랙이 발생할 위험이 있다.
구체적으로 설명하면, 전지셀(110)들은 충, 방전이 반복되는 과정이나 초기 충전 과정에서 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(110)이 부풀어 오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 또는 브리딩(Breathing) 현상이 발생할 수 있다.
전지셀의 용량이 증가함에 따라 스웰링의 정도도 크게 증가하였고, 전지 모듈에 적용되는 전지셀의 수량도 점차 증가하는 추세이기 때문에 전지 모듈 내부의 전지셀의 스웰링을 제어하는 것이 중요한 문제가 되었다.
이 때, 도 2를 다시 참고하면, 일반적으로 써멀 레진층(40)은 접착 특성을 가지고 있어 전지셀(11)들을 고정시키기 때문에 전지셀(11)의 스웰링이 발생하면, 전지셀(11)의 엣지에 높은 스트레스가 발생하고, 이는 전지셀(11)의 파우치 케이스의 크랙이 발생하는 것으로 이어질 수 있다. 특히 전지셀 적층체(12)에서 바깥쪽에 위치한 전지셀(11)들일수록 스웰링에 의한 스트레스가 크게 작용하여 크랙이 발생할 위험이 크다.
향후, 고용량 전지 모듈과 전지팩을 구현하기 위해 파우치 전지셀로, Pure Si 셀, 전고체 전지, SiO 고함량 셀들을 적용할 수 있다. 이러한 전지셀들의 경우, 스웰링의 정도가 더 크다.
이와 같이 높은 스웰링 정도를 갖는 전지셀들을 포함한 전지 모듈에 종래와 같은 엣지 부분을 활용한 수냉식 방법을 적용할 경우, 전지셀에 크랙이 발생할 위험이 크고, 또 과도한 응력이 작용하여 전지 모듈의 구조적 안전성을 저해할 수 있다.
이에 높은 스웰링 특성을 보이는 전지셀들을 포함하더라도, 전지셀에 발생하는 구조적 손상을 최소화할 수 있는, 신규한 냉각 구조의 전지 모듈이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 높은 스웰링 특성을 보이는 전지셀들을 포함하더라도, 전지셀에 발생하는 구조적 손상을 최소화할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지셀 그룹들이 제1 방향을 따라 적층되는 전지셀 적층체; 및 내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브를 포함하는 히트 싱크;를 포함한다. 상기 전지셀 그룹 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀의 상부에 위치하는 제1 셀 프레임 또는 적어도 하나의 상기 전지셀의 하부에 위치하는 제2 셀 프레임을 더 포함한다. 상기 냉각 튜브는 굴곡진 형태의 적어도 하나의 굴곡부를 포함한다. 상기 굴곡부가 상기 전지셀 그룹의 상부 또는 하부를 감싸면서 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면을 커버한다.
상기 굴곡부는 복수로 구성될 수 있고, 상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상부를 감싸고, 상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 하부를 감싸며, 상기 냉각 튜브는 지그재그 형태로 이어질 수 있다.
상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상기 제1 셀 프레임을 감쌀 수 있고, 상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 상기 제2 셀 프레임을 감쌀 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임과 하부 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 셀 프레임은, 상기 상부 프레임의 하측에서 상기 상부 프레임에 결합될 수 있고, 상기 제2 셀 프레임은, 상기 하부 프레임의 상측에서 상기 하부 프레임에 결합될 수 있다.
상기 전지셀 적층체와 상기 상부 프레임 사이의 공간 또는 상기 전지셀 적층체와 상기 하부 프레임 사이의 공간 중 적어도 한 곳에 발포폼이 주입될 수 있다.
상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀이 안착되는 수용홈 및 상기 수용홈이 형성된 면의 반대면에 형성된 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 상부와 하부 각각에 상부 프레임과 하부 프레임이 위치할 수 있고, 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임 각각에는 상기 돌출부가 삽입되는 삽입홀이 형성될 수 있다.
상기 상부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제1 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입될 수 있고, 상기 하부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제2 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입될 수 있다.
상기 삽입홀 중 적어도 하나는, 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향인 상기 제1 방향으로 상기 돌출부보다 넓은 개구폭을 가져, 상기 돌출부가 상기 제1 방향이나 그 반대 방향으로 이동 가능할 수 있다.
상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 고정 파트 및 무빙 파트를 포함할 수 있다. 상기 무빙 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이, 상기 고정 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭보다 넓을 수 있다.
상기 무빙 파트는 상기 제1 방향과 평행한 방향의 일 단부에 위치할 수 있다.
상기 무빙 파트는 복수로 구성될 수 있고, 상기 무빙 파트들은 상기 제1 방향과 평행한 방향의 양 단부에 각각 위치할 수 있으며, 상기 고정 파트는 상기 무빙 파트들 사이에 위치할 수 있다.
상기 고정 파트에서, 상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임은, 각각 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임에 접착 부재를 통해 접착될 수 있다.
상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 중앙부에서 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향의 반대 방향으로 갈수록 상기 삽입홀들의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이 점차 넓어질 수 있다.
상기 수용홈에 개방부가 형성될 수 있고, 상기 전지셀 그룹에서의 적어도 하나의 상기 전지셀이, 상기 개방부를 통해 상기 굴곡부와 접촉할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 제1 방향에 따른 상기 전지셀 적층체의 양 측면에 위치하는 사이드 플레이트들을 더 포함할 수 있고, 상기 사이드 플레이트는 리프 스프링 형태일 수 있다.
상기 사이드 플레이트는, 복수의 리프 스프링 부재가 높이 방향을 따라 간격을 띄고 배치되는 형태일 수 있다.
상기 사이드 플레이트는 상기 전지셀 적층체가 위치한 방향으로 만입된 리프 스프링 형태일 수 있다.
상기 사이드 플레이트는 복합 소재를 포함하고, 상기 복합 소재는 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 또는 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)일 수 있다.
상기 복합 소재는, 섬유 소재, 레진 및 상기 섬유 소재 사이에 개재된 시트 소재를 포함할 수 있다. 상기 섬유 소재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 상기 레진은 에폭시 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 시트 소재는 PET 또는 PU 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 히트 싱크는, 상기 냉각 튜브의 일 단부에 연결된 유입 매니포드 및 상기 냉각 튜브의 타 단부에 연결된 배출 매니포드를 포함할 수 있다. 상기 유입 매니포드에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 형성될 수 있고, 상기 배출 매니포드에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀의 스웰링 발생 시 그 정도에 따라 유동적으로 움직일 수 있는 무빙형 냉각 구조와 프레임 구조를 구현하여, 스웰링 과정에서 전지셀에 발생하는 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 엣지 냉각이 아닌 면 냉각을 적용하여 전지셀들에 대한 냉각 성능을 보다 증대시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈을 B 방향에서 바라본 정면도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈에 대해 상부 프레임, 하부 프레임 및 사이드 플레이트를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 정면도이다.
도 7은 도 5의 전지 모듈을 C 방향에서 바라본 평면도이다.
도 8은 도 5의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크, 제1 셀 프레임 및 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 정면도이다.
도 10은 도 9의 절단선 D-D’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도들이다.
도 12는, 도 3의 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 14는, 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 및 제2 셀프레임에 접착 부재가 접착된 모습을 도시한 사시도이다.
도 16 및 도 17은 각각 도 3의 전지 모듈에 포함된 사이드 플레이트에 대한 사시도 및 측면도이다.
도 18의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 플레이트의 소재를 설명하기 도면들이다.
도 19는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈을 B 방향에서 바라본 정면도이다. 도 5는 도 3의 전지 모듈에 대해 상부 프레임, 하부 프레임 및 사이드 플레이트를 제거한 모습을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 5의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 정면도이다.
도 3 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 그룹(110G)들이 제1 방향(d1)을 따라 적층되는 전지셀 적층체(120); 및 내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브(310)를 포함하는 히트 싱크(300); 를 포함한다. 또한 전지 모듈(100)은 전지셀 적층체(120)의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)을 더 포함할 수 있다.
전지셀 그룹(110G)은 적어도 하나의 전지셀(110)들을 포함한다. 즉, 하나의 전지셀(110)이 전지셀 그룹(110G)을 이룰 수 있고, 또 복수의 전지셀(110)들이 하나의 전지셀 그룹(110G)을 이룰 수 있다. 후술하겠으나, 본 명세서에서 전지셀 그룹(110G)은, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 수용된 채 냉각 튜브(310)의 굴곡부(310B)에 감싸지는 전지셀(110)들의 집합체를 구분하는 단위일 수 있다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 도 4 내지 도 6에서 표현된 것처럼, 전지셀(110)은 장방형 시트 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부(114d)는 전지 케이스(114)가 접힌 부분으로 이루어질 수 있다.
다만, 위에서 설명한 전지셀(110)은 예시적 구조이며, 2개의 전극 리드가 동일한 방향으로 돌출된 단방향 전지셀도 가능함은 물론이다.
적어도 하나의 전지셀(110)이 전지셀 그룹(110G)을 형성하고, 이러한 전지셀 그룹(110G)들이 제1 방향(d1)으로 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 적층되는 제1 방향(d1)은, 전지셀(110)들의 전지 본체(113)의 일면과 수직한 방향으로써, 도 4 및 도 6을 참고하면 x축 방향과 평행한 방향으로 표현되어 있다.
전지셀 그룹(110G) 각각은, 적어도 하나의 전지셀(110)들의 상부에 위치하는 제1 셀 프레임(210) 또는 적어도 하나의 전지셀(110)들의 하부에 위치하는 제2 셀 프레임(220)을 포함한다.
구체적으로, 전지셀 그룹(110G)에서 적어도 하나의 전지셀(110)은 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220) 중 하나에 안착될 수 있다. 보다 구체적으로 적어도 하나의 전지셀(110)의 일변이 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220) 중 하나에 안착되어 적어도 하나의 전지셀(110)이 전지셀 그룹(110G) 내에서 고정될 수 있다. 후술하겠으나, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)에는 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈이 형성되어 전지셀(110)들이 수용될 수 있다. 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은 동일한 형상을 가진 구성들이나, 전지 모듈(100) 내에서 전지셀(110)들을 기준으로 한 그 배치 위치에서 차이가 있다. 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임의 구체적인 구조에 대해서는 도 11과 함께 자세히 후술하도록 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 어느 한 전지셀 그룹(110G)이 제1 셀 프레임(210)을 포함하면, 그와 인접한 전지셀 그룹(110G)은 제2 셀 프레임(220)을 포함한다. 즉, 제1 방향(d1)을 따라서 배치되는 전지셀 그룹(110G)들에 있어서, 제1 셀 프레임(210)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)과 제2 셀 프레임(220)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)이 번갈아 가며 배치될 수 있다.
한편, 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)을 포함하는데, 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)은 판상형의 부재일 수 있다. 상부 프레임(400)은, 제1 셀 프레임(210)들보다 상부에 위치할 수 있고, 하부 프레임(500)은, 제2 셀 프레임(220)들 보다 하부에 위치할 수 있다.
이하에서는, 도 5 및 도 7 내지 도 10을 참고하여, 본 실시예에 따른 히트 싱크에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 7은 도 5의 전지 모듈을 C 방향에서 바라본 평면도이다. 도 8은 도 5의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크, 제1 셀 프레임 및 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 정면도이다. 도 10은 도 9의 절단선 D-D’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5 및 도 7 내지 도 10을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브(310)를 포함하고, 냉각 튜브(310)는 굴곡진 형태의 적어도 하나의 굴곡부(310B)를 포함한다. 굴곡부(310B)가 전지셀 그룹(110G)의 상부 또는 하부를 감싸면서 냉각 튜브(310)가 전지셀 그룹(110G)들 중 어느 하나의 양 측면을 커버할 수 있다. 즉, 굴곡부(310B)를 포함하는 냉각 튜브(310)의 일부 영역이, 전지셀 그룹(110G)의 상부 및 양 측면을 커버하거나, 전지셀 그룹(110G)의 하부 및 양 측면을 커버할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5, 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 것처럼, 굴곡부(310B)는 복수로 구성될 수 있고, 굴곡부(310B)들 중 어느 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 어느 하나의 양 측면 및 상부를 감싸고, 굴곡부(310B)들 중 다른 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 다른 하나의 양 측면 및 하부를 감싸면서, 냉각 튜브(310)가 지그재그 형태로 이어질 수 있다. 보다 구체적으로는, 굴곡부(310B)들 중 어느 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 어느 하나의 양 측면 및 제1 셀 프레임(210)을 감싸고, 굴곡부(310B)들 중 다른 하나가 전지셀 그룹(110G)들 중 다른 하나의 양 측면 및 제2 셀 프레임(220)을 감쌀 수 있다. 상술한 것처럼, 제1 셀 프레임(210)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)과 제2 셀 프레임(220)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)이 번갈아 가며 배치될 수 있는데, 굴곡부(310B)들 중 하나가 제1 셀 프레임(210)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)을 감싸고, 다음 굴곡부(310B)가 제2 셀 프레임(220)을 포함하는 전지셀 그룹(110G)을 감싸면서, 전체적으로는 냉각 튜브(310)가 지그재그 형태로 이어질 수 있다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 냉각 튜브(310)의 일 단부에 연결된 유입 매니포드(320) 및 냉각 튜브(310)의 타 단부에 연결된 배출 매니포드(330)를 포함할 수 있다. 유입 매니포드(320)에는 냉매가 유입되는 유입부(321)가 형성될 수 있고, 배출 매니포드(330)에는 냉매가 배출되는 배출부(331)가 형성될 수 있다. 유입부(321)와 배출부(331)이 형태에 특별한 제한은 없으며 관 형태 또는 개구홀 형태일 수 있다. 도 3, 도 5, 도 8 등에는 예시로써 관 형태의 유입부(321)와 배출부(331)가 도시되어 있다.
도 10에 도시된 것처럼 냉각 튜브(310)의 내부에는 적어도 하나의 공간부(S)가 형성되고, 이러한 공간부(S)는 유입부(321)와 배출부(331)와 연통될 수 있다. 이에 유입부(321)를 통해 유입된 냉매는 유입 매니포드(320)를 거쳐 냉각 튜브(310)로 유입된다. 냉각 튜브(310)를 따라 흐르는 냉매는 배출 매니포드(330)를 거쳐 배출부(331)를 통해 최종 배출될 수 있다. 냉매가 전지셀(110)들의 주변을 따라 흐르며 전지셀(110)들로부터 발생한 열을 흡수한다. 상기 냉매는 냉각수일 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 수냉식 냉각 구조를 갖는다.
이 때, 지그재그 형태의 냉각 튜브(310)는, 전지셀 그룹(110G)들의 측면, 즉 전지셀(110)의 전지 본체(113, 도 6 참고)의 일면을 감싸며 이어진다. 즉, 냉각 튜브(310)는 전지셀(110)의 전지 본체(113)의 일면과 접촉된다. 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 전지 모듈(10)은, 전지셀(11)의 엣지 부분을 통해 열이 배출되는 엣지 냉각 구조인 반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 냉각 튜브(310)가 전지셀(110)들의 전지 본체(113)의 일면과 접촉하는 면 냉각 구조이다. 전지셀(110)의 전지 본체(113) 일면 전체가 냉각 튜브(310)와 맞닿을 수 있어 냉각 면적이 훨씬 넓기 때문에 종래의 전지 모듈(10)과 비교하여 냉각 성능이 우수한 장점이 있다.
또한, 상술한 것처럼, 전지셀(110)들은 충, 방전이 반복되는 과정에서 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(110)이 부풀어 오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 또는 브리딩(Breathing) 현상이 발생할 수 있다. 종래의 전지 모듈(10))의 경우, 전지셀(11)들의 엣지가 써멀 레진층(40)에 접착 및 고정된 형태이므로, 스웰링 발생 시 전지셀(11)의 엣지에 높은 스트레스가 발생하고, 이는 전지셀(11)의 파우치 케이스의 크랙이 발생하는 것으로 이어질 수 있다.
반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 경우, 냉각을 위한 히트 싱크(300)의 냉각 튜브(310)가 지그재그 형태로 이어지며 전지셀(110)들 사이에 배치되는 형태이기 때문에 전지셀(110)들이 특정 지점에 접착 및 고정되지 않는다. 전지셀(110)들에 높은 스웰링이나 브리딩이 발생하여도, 전지셀 적층체(120)와 히트 싱크(300) 간의 조립 형태가 전지셀(110)들의 적층 방향인 제1 방향(d1)으로 어느 정도의 구조적 유연성을 제공할 수 있기 때문에 전지셀(110)의 파우치 케이스에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전지셀(110)들의 스웰링이나 브리딩 현상에서, 전지셀(110)들은 두께 방향으로 팽창된다. 전지셀(110)들 사이에 위치하는 냉각 튜브(310) 부분이 이러한 전지셀(110)들의 팽창을 흡수할 수 있다. 종래에는 전지셀(110)들의 스웰링 흡수하기 위해서, 전지셀(110)들 사이에 폼 소재의 압축 패드를 개재하였다. 본 실시예에서는 전지셀(110)들 사이에 위치하는 냉각 튜브(310) 부분이 전지셀(110)들의 스웰링을 흡수하면서, 종래 압축 패드의 기능을 대체할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 냉각 튜브(310)는 전지셀(110)들에 대한 면 냉각 기능뿐만 아니라 전지셀(110)들의 스웰링을 흡수하는 기능을 담당할 수 있다.
이하에서는, 도 11 등을 참고하여 본 실시예에 따른 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도들이다. 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은 전지셀들의 상부 또는 하부에 위치하는 것으로 구별되나, 동일한 형상을 가진 구성들이기 때문에 구체적인 구조에 대해서는 함께 설명하도록 한다.
도 11의 (a)는 돌출부(210P, 220P)가 보여지는 각도의 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)을 도시한 것이고, 도 11의 (b)는 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈(210G, 220G)이 보여지는 각도의 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)을 도시한 것이다.
도 5, 도 8 및 도 11의 (a)와 (b)를 참고하면, 본 실시예에 따른 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220) 각각은 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈(210G, 220G)을 포함할 수 있다. 상술한 바 대로, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은 동일한 형상을 가질 수 있으나, 제1 셀 프레임(210)은 전지셀(110)들의 상부에 위치하고, 제2 셀 프레임(220)은 전지셀(110)들의 하부에 위치하는 점에 차이가 있다. 수용홈(210G, 220G)은, 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)에 있어서 적어도 하나의 전지셀(110)들과 마주하는 일면에 형성될 수 있다.
하나의 전지셀 그룹(110G) 내에서, 적어도 하나의 전지셀(110)들은, 제1 셀 프레임(210)의 수용홈(210G)이나 제2 셀 프레임(220)의 수용홈(220G)에 삽입 및 장착될 수 있다. 일례로, 도 11의 (b)에는 2개의 수용홈(210G, 220G)이 형성된 것이 도시되어 있다. 즉, 하나의 제1 셀 프레임(210) 또는 제2 셀 프레임(220)에 2개의 전지셀(110)이 안착될 수 있다. 또한, 전지셀(110)들과 수용홈(210G, 220G) 사이에는 접착제나 양면 테이프가 도포되어 전지셀(110)들이 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에서 고정될 수 있다.
제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임은, 전지셀(110)들의 일변을 보호하여 전지셀(110)들이 손상되는 것을 방지할 수 있 다. 특히, 전지셀(110)들의 충, 방전 동안 냉각 튜브(310)의 굴곡부(310B)로부터 전지셀(110)의 일변이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임은 전지셀 그룹(110G)의 강성을 보완할 수 있다. 또한 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임은 전기 절연성의 소재를 포함하여 전지셀(110)들의 일변을 절연 보호할 수 있다.
또한 상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 전지셀 그룹(110G) 내의 전지셀(110)들은, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220) 중 어느 하나의 수용홈(210G, 220G)에 삽입된 채로, 히트 싱크(300)의 냉각 튜브(310)에 의해 감싸진다. 이 때, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)은, 전지셀(110)들과 히트 싱크(300) 간의 조립성과 제조 공정성을 개선하고, 구조적 안정성을 높일 수 있다. 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 의해, 다수의 전지셀(110)들이 전지셀 그룹(110G)으로 구분되고 전지셀 그룹(110G) 내에서 적어도 하나의 전지셀(110)들이 고정될 수 있다. 때문에 지그 재그 형태의 냉각 튜브(310)를 다수의 전지셀(110)들 사이에 보다 안정적이고 용이하게 마련할 수 있다. 특히, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 대응하도록 굴곡부(310B)를 형성하기 때문에, 굴곡부(310B)가 형성되는 기준점이 명확해진다. 만일, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)이 없다면, 굴곡부(310B)를 갖는 냉각 튜브(310)를 전지셀(110)들 사이에 배치함에 있어 기준점 설정이 어렵다. 다소 강성이 약하고 유연한 파우치형의 전지셀(110)을 특정 위치에 고정시키고 히트 싱크를 배치해야 하는데, 제1 및 제2 셀 프레임(210, 220)이 없다면 이러한 구현이 까다롭다.
적어도 하나의 전지셀(110)들을 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)에 삽입시켜 전지셀 그룹(110G)을 형성한 후, 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)을 기준점으로 하여 굴곡부(310B)들을 고정시키면서, 냉각 튜브(310)를 지그재그로 배치하기 때문에 조립이 보다 쉬워진다.
즉, 본 실시예에 따른 제1 셀 프레임(210)이나 제2 셀 프레임(220)은, 전지셀(110)들과 지그재그 형태로 이어지는 냉각 튜브(310) 간의 조립 구조를 쉽게 구현할 수 있도록, 전지셀 그룹(110G) 단위에서의 지지 구조 및 고정 기준점으로써 기능할 수 있다.
한편, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220) 각각은 수용홈(210G, 220G)이 형성된 면의 반대면에 형성된 돌출부(210P, 220P)를 포함할 수 있다. 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P) 및 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 각각 상부 프레임(400) 및 하부 프레임(500)과 결합을 위한 구성으로써, 아래에서 자세히 설명하도록 한다.
도 3, 도 4, 도 7, 도 11을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 상부 프레임(400)은, 제1 셀 프레임(210)들보다 상부에 위치할 수 있고, 하부 프레임(500)은, 제2 셀 프레임(220)들 보다 하부에 위치할 수 있다. 이 때, 제1 셀 프레임(210)은, 상부 프레임(400)의 하측에서 상부 프레임(400)에 결합될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)은, 하부 프레임(500)의 상측에서 하부 프레임(500)에 결합될 수 있다.
구체적으로 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500) 각각에는 돌출부(210P, 220P)가 삽입되는 삽입홀(400H, 500H)이 형성될 수 있다. 하부 프레임(500)에 형성된 삽입홀(500H)은 도 12 및 도 13에 도시되어 있다.
상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에는 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)가 삽입될 수 있고, 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에는 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)가 삽입될 수 있다. 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)가 삽입되는 방식으로 제1 셀 프레임(210)과 상부 프레임(400)이 결합될 수 있고, 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)가 삽입되는 방식으로 제2 셀 프레임(220)과 하부 프레임(500)이 결합될 수 있다.
또한, 필요에 따라, 제1 셀 프레임(210)의 일부와 상부 프레임(400)의 일부분이 접착제로 고정될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)의 일부와 하부 프레임(500)의 일부분이 접착제로 고정될 수 있다.
이하에서는, 도 12 및 도 13을 참고하여, 본 발명의 실시예들에 따른 무빙 프레임 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다. 도 12와 도 13에는 하부 프레임(500)에 형성된 삽입홀(500H)만을 구체적으로 도시하였으나, 상부 프레임(400)에 형성된 삽입홀(400H)에도 아래에서 설명하는 삽입홀(500H)과 상호 동일 내지 유사한 구조가 적용될 수 있다.
도 12는, 도 3의 전지 모듈에 대한 저면도이다. 구체적으로 도 12는 도 3의 전지 모듈을, xy 평면 상에서 z축 방향으로 바라본 모습의 도면이다.
도 7, 도 8, 도 11 및 도 12를 함께 참고하면, 상술한 바 대로, 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)는 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 삽입되고, 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 삽입될 수 있다. 삽입홀(400H, 500H) 중 적어도 하나는 전지셀 그룹(110G)들이 적층되는 방향인 제1 방향(d1)으로 돌출부(210P, 220P)보다 넓은 개구폭을 가져, 그에 삽입된 돌출부(210P, 220P)가 제1 방향(d1)이나 그 반대 방향으로 이동이 가능하다.
도 12에서 확대된 부분 중 왼쪽의 경우, 삽입홀(500H)의 개구폭(W1)이 돌출부(220P)의 폭과 거의 동일하게 대응된다. 반면, 도 12에서 확대된 부분 중 오른쪽의 경우, 삽입홀(500H)의 개구폭(W2)이 돌출부(220P)의 폭보다 넓어, 돌출부(220P)가 제1 방향(d1)이나 그 반대 방향으로 이동이 가능하다.
보다 구체적으로, 상부 프레임(400) 또는 하부 프레임(500) 중 적어도 하나는 고정 파트(FP) 및 무빙 파트(MP)를 포함할 수 있다.
무빙 파트(MP)에서의 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W2)은, 고정 파트(FP)에서의 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W1)보다 넓을 수 있다. 즉, 무빙 파트(MP)와 대응하는 영역에 위치한 전지셀 그룹(110G)들은 넓은 개구폭(W2)을 갖는 삽입홀(500H)에 의해 제1 방향(d1)이나 그 반대 방향으로의 이동이 다소 자유로운 반면, 고정 파트(FP)와 대응하는 영역에 위치한 전지셀 그룹(110G)들은 돌출부(220P)와 대응하는 개구폭(W1)을 갖는 삽입홀(500H)에 의해 이동이 제한된다. 일례로, 이러한 무빙 파트(MP)는 복수로 구성될 수 있고, 무빙 파트(MP)들은 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 양 단부에 각각 위치할 수 있으며, 고정 파트(FP)는 무빙 파트(MP)들 사이에 위치할 수 있다.
파우치 전지셀인 전지셀(110)들이 적층되는 전지셀 적층체(120)에서, 전지셀(110)의 스웰링 발생시, 전지셀(110)들의 적층 방향을 따라 크게 부풀어 오를 수 있다. 특히 전지 모듈에 적용되는 전지셀의 수량이 많아지면, 전지셀(110)들의 적층 방향의 양 바깥쪽 영역에 위치한 전지셀(110)들은 각 전지셀(110)들의 스웰링 시 가장 크게 밀려나기 때문에 큰 가압력을 받게 되고 고정된 모듈 프레임 내부에서 반력도 크게 작용한다. 가압력이나 반력의 임계치를 초과할 경우, 전지셀(110)의 성능이나 수명에 악영향을 미친다.
이에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 방향(d1)의 양 단부에 전지셀 그룹(110G)의 무빙을 어느 정도 허용할 수 있는 무빙 파트(MP)를 마련하여, 스웰링 발생 시 바깥쪽에 위치한 전지셀(110)들에 가해지는 가압력이나 반력을 완화하고자 하였다. 이를 통해 스웰링 시, 각 전지셀(110)들 마다 가해지는 가압력의 편차를 완화할 수 있고, 이는 전지 모듈(100)의 성능 향상과 수명 증대로 이어질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 제1 및 제2 셀 프레임(210, 220)과 상, 하부 프레임(400, 500)들 간의 결합 형태는, 앞서 설명한 히트 싱크(300)의 지그 재그 형태와 조합되어 무빙 프레임 구조를 구현할 수 있다. 이러한 무빙 프레임 구조는, 전지셀의 스웰링에 대한 구조적 유연성과 유동성을 제공하여, 가압력의 편차를 완화하고 전지셀에 크랙 등의 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 13을 참고하면, 도 12에서와 마찬가지로, 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 삽입될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)는 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 삽입될 수 있다.
이 때, 상부 프레임(400) 또는 하부 프레임(500) 중 적어도 하나는, 중앙부에서 제1 방향(d1) 및 상기 제1 방향(d1)의 반대 방향으로 갈수록 삽입홀(400H, 500H)들의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭이 점차 넓어질 수 있다. 도 13에 도시된 삽입홀(500H)들의 제1 방향(d1)의 개구폭(W1, W2, W3)들을 참고하면, 중앙부에서 양 끝 방향인, 외측으로 갈수록 삽입홀(500H)들의 제1 방향(d1)의 개구폭(W1, W2, W3)이 점차 증가한다. 중앙부에 위치한 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W1)이 가장 좁고, 가장 외측에 위치한 삽입홀(500H)의 제1 방향(d1)에 대한 개구폭(W3)이 가장 넓을 수 있다.
상술한 바 대로, 전지셀(110)들의 적층 방향의 양 바깥쪽 영역에 위치한 전지셀(110)들은 각 전지셀(110)들의 스웰링 시 가장 크게 밀려난다. 이에 본 실시예에서는, 전지셀(110)들의 적층 방향에 대해 중앙부에서 양 끝단으로 갈수록 삽입홀(400H, 500H)들의 제1 방향(d1)의 개구폭(W1, W2, W3)이 점차 증가하도록 설계하여, 스웰링 시 전지셀(110)들의 무빙 허용정도를 그 위치에 맞게 대응되도록 설정하였다. 따라서, 스웰링 시, 각 전지셀(110)들 마다 가해지는 가압력의 편차를 완화할 수 있고, 이는 전지 모듈(100)의 성능 향상과 수명 증대로 이어질 수 있다.
도 14는, 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 저면도이다.
도 14를 참고하면, 도 12 및 도 13에서와 마찬가지로, 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)는 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에 삽입될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)는 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에 삽입될 수 있다.
이 때, 앞서 설명한 무빙 파트(MP)는 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 일 단부에 위치할 수 있다. 나머지 영역은 고정 파트(FP)로 이루어질 수 있다. 전지 모듈이 장착되는 전지팩 내부의 설계에 따라, 제1 방향(d1)에 대한 개구폭이 상대적으로 넓은 삽입홀(400H, 500H)들이 형성된 영역이 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 일 단부에만 필요할 수 있다. 예를 들어, 전지팩 내부의 환경에 따라 한쪽 방향으로의 무빙이 제한되는 것이 필요한 경우에, 도 14에 도시된 것처럼, 무빙 파트(MP)가 제1 방향(d1)과 평행한 방향의 일 단부에만 마련된 구조가 적용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 및 제2 셀프레임에 접착 부재가 접착된 모습을 도시한 사시도이다.
도 4, 도 7, 도 12 및 도 15를 함께 참고하면, 고정 파트(FP)에서, 제1 셀 프레임(210)과 제2 셀 프레임(220)은, 각각 상부 프레임(400)과 하부 프레임(500)에 접착 부재(800)를 통해 접착될 수 있다.
상술한 것처럼, 제1 셀 프레임(210)은, 상부 프레임(400)의 하측에서 상부 프레임(400)에 결합될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)은, 하부 프레임(500)의 상측에서 하부 프레임(500)에 결합될 수 있다. 이때, 고정 파트(FP)에 있어서, 제1 셀 프레임(210)은 접착 부재(800)를 통해 상부 프레임(400)의 하면에 접착될 수 있고, 제2 셀 프레임(220)은 접착 부재(800)를 통해 하부 프레임(500)의 상면에 접착될 수 있다.
일례로, 상부 프레임(400)의 삽입홀(400H)에는 제1 셀 프레임(210)의 돌출부(210P)가 삽입될 수 있고, 하부 프레임(500)의 삽입홀(500H)에는 제2 셀 프레임(220)의 돌출부(220P)가 삽입될 수 있는데, 도 15에 도시된 것처럼 돌출부(210P, 220P)의 주변 영역에 접착 부재(800)가 마련될 수 있다. 본 실시예의 경우, 삽입홀(400H, 500H)들의 개구폭을 조절하는 것에 더해 고정 파트(FP)에 접착 부재(800)를 마련하여, 고정 파트(FP)에서의 전지셀 그룹(110G)의 무빙을 제한할 수 있다. 또한, 접착 부재(800)에 의해 제1 및 제2 셀 프레임(210, 220)과 상부 및 하부 프레임(400, 500) 간의 결합 정도가 보완되어, 전체 전지 모듈의 구조적 안정성을 높일 수 있다.
이하에서는, 도 16 및 도 17 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 16 및 도 17은 각각 도 3의 전지 모듈에 포함된 사이드 플레이트에 대한 사시도 및 측면도이다.
도 3, 도 4, 도 16 및 도 17을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 제1 방향(d1)에 따른 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 위치하는 사이드 플레이트(600)들을 더 포함할 수 있다. 사이드 플레이트(600)는, 리프 스프링(leaf spring) 형태일 수 있다.
본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 탄성력을 갖춘 소재를 포함하여, 전지셀 적층체(120)에서 각 사이드 플레이트(600) 방향으로 인가되는 압력에 대한 반발로 전지셀 적층체(120)에 탄성력을 인가할 수 있다.
구체적으로, 각 사이드 플레이트(600)는, 전지셀 적층체(120)가 위치한 방향으로 만입된 리프 스프링 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3에 도시된 것처럼, 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 돌출되는 방향과 평행한 방향(y축 방향 또는 -y축 방향)에 따른 사이드 플레이트(600)의 양 끝부분보다 사이드 플레이트(600)의 중앙부가 전지셀 적층체(120)가 위치한 곳으로 휘어지도록 만입된 형태일 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110)들의 스웰링으로 인해 전지셀 적층체(120)에서 각 사이드 플레이트(600) 방향으로 높은 압력이 작용하더라도, 탄성 거동을 보이는 사이드 플레이트(600)가 전지셀 적층체(120)의 스웰링을 흡수하면서, 전지셀(110)들의 스웰링을 제어할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 리프 스프링(leaf spring) 형태를 가짐으로써, 전지셀 적층체(120)를 수용하는 프레임으로써 기능할 뿐만 아니라 전지셀(110)들의 스웰링을 제어하는 탄성 부품으로써 기능할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 도 3, 도 16 및 도 17에 도시된 것처럼, 복수의 리프 스프링 부재(610)가 높이 방향을 따라 간격을 띄고 배치되는 형태일 수 있다. 전지셀 적층체(120)가 위치한 곳으로 중심부가 휘어진 개별 리프 스프링 부재(610)가 높이 방향을 따라 일정 간격 이격된 채 배치될 수 있다. 여기서 높이 방향이라 함은, 상부 프레임(400)이나 하부 프레임(500)의 일면과 수직한 방향으로, z축 방향과 평행한 방향을 의미한다.
또한 사이드 플레이트(600)는 각 리프 스프링 부재(610)가 일정 간격으로 유지할 수 있도록 각 리프 스프링 부재(610)들을 연결하는 연결부(620)를 더 포함할 수 있다. 연결부(620)들의 개수나 위치에 특별한 제한은 없으나, 사이드 플레이트(600)의 양 끝부분에 각각 위치하는 것이 바람직하다. 경우에 따라 도 16 및 도 17에 도시된 것처럼 중앙부에도 각 리프 스프링 부재(610)들을 연결하는 연결부(620)가 위치할 수 있다.
상기와 같이, 사이드 플레이트(600)를 단일의 리프 스프링 형태로 구성하는 것이 아니라 서로 일부분이 분리된 개별 리프 스프링 부재(610)들을 포함하도록 하여, 전지셀(110)의 위치별 스웰링 특성에 따라 개별적인 대응이 가능하도록 하였다. 즉, 개별 리프 스프링 부재(610)들이 분리된 본 실시예의 경우, 완전히 일체화된 구조에 비해, 전지셀(110)의 스웰링에 대한 유연한 탄성 거동을 보인다는 장점이 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)의 소재에 대해 자세히 설명하도록 한다. 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)는, 복합 소재를 포함할 수 있고, 상기 복합 소재는 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 또는 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)일 수 있다. 상기 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱은, 각각 유리섬유와 탄소 섬유로 강화한 플라스틱계 복합 소재로써, 뛰어난 기계적 특성과 내식성을 갖춘 소재이다.
사이드 플레이트(600)에 금속 소재를 적용할 경우, 낮은 인장 탄성률로 인해 전지셀(110)의 스웰링을 흡수할 수 있는 변위량이 작다는 문제가 있다. 전지셀(110)의 스웰링으로 전지셀 적층체(120)가 소폭만 변위되어도 리프 스프링 형태의 휘어진 부분에 큰 응력(stress)가 발생한다. Pure Si 셀, 전고체 전지, SiO 고함량 셀 등 스웰링 정도가 큰 전지셀의 경우, 스웰링 정도가 크기 때문에 전지 모듈에서 흡수해야할 변위량도 크다. 따라서, 이러한 전지셀들이 적용된 전지 모듈에서 금속 소재를 이용한 프레임은 스웰링을 흡수하는데 한계가 있다.
반면, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 경우, 금속과 비교하여 동등 또는 그 이상의 인장 강도를 가지면서도, 금속 대비 낮은 영률(Young's modulus)을 갖기 때문에 전지셀들의 스웰링에 대한 높은 강성을 지니면서도 스웰링을 효과적으로 흡수할 수 있는 탄성 거동을 보일 수 있다. Pure Si 셀이나 전고체 전지의 경우, EOL(End Of Life)에서 최대 3~8Mpa의 압력이 발생하는데, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 복합 소재는, 이러한 높은 압력에서도 탄성 거동을 보일 수 있어, 본 실시예에 따른 사이드 플레이트(600)에 적용되기 적합하다.
또한, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱은, 유리 섬유나 탄소 섬유들을 적층한 후 그 주변에 레진을 경화시켜 제조되는 방식이므로, 방향별 강도와 탄성률을 다르게 설정할 수 있다는 장점을 갖는다.
다만, 기존의 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 복합 소재의 경우, 경량화 및 고강도 특성에 중점을 두고 개발되어, 취성의 성질을 갖고 가격이 다소 높다는 문제가 있다. 이에 본 실시예에 따른 복합 소재는, 레진의 소재를 변경하고, 섬유 소재 외에 시트 소재를 포함시켜 상기와 같은 문제를 해결하고자 하였다.
도 18의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 사이드 플레이트의 소재를 설명하기 도면들이다.
도 18의 (a) 및 (b)를 참고하면, 상술한 바 대로, 섬유강화 플라스틱이나 탄소섬유강화 플라스틱의 복합 소재는 유리 섬유나 탄소 섬유들을 적층한 후 그 주변에 레진을 경화시켜 제조되는데, 본 실시예에 따른 복합 소재는 섬유 소재(601), 레진(602) 및 섬유 소재(601) 사이에 개재된 시트 소재(603)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 섬유 소재(601)는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 경화되는 레진(602)은, 에폭시 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 시트 소재(603)는 PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PU(Polyurethane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는 레진(602)이 우레탄을 포함할 수 있다. 연질의 특성을 가진 우레탄을 레진(602)의 소재로 적용하여 복합 소재의 취성 특성을 개선하고자 하였다. 또한, 연질의 시트 소재(603)를 섬유 소재(601)들 사이에 개재함으로써, 복합 소재의 연질 특성을 보강하고 고가인 섬유 소재(601)의 사용량을 줄여 비용을 절감하고자 하였다.
한편, 도 4를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어, 전지셀 적층체(120)와 상부 프레임(400) 사이의 공간 또는 전지셀 적층체(120)와 하부 프레임(500) 사이의 공간 중 적어도 한 곳에 발포폼(700)이 주입될 수 있다. 보다 구체적으로는, 일부 전지셀(110)들, 제1 셀 프레임(210) 및 상부 프레임(400)에 의해 둘러 쌓인 공간에 발포폼(700)이 주입될 수 있다. 또한 일부 전지셀(110)들, 제2 셀 프레임(220) 및 하부 프레임(500)에 의해 둘러 쌓인 공간에 발포폼(700)이 주입될 수 있다. 이러한 발포폼(700)은 실리콘 소재를 포함할 수 있다. 이러한 발포폼(700)은 특정 압력까지 압축과 팽창을 반복하는 일종의 스프링과 같은 역할을 수행할 수 있다. 전지셀(110)들에 높은 스웰링이 발생할 경우, 압축과 팽창을 반복하는 발포폼(700)이 전지 모듈(100)에 구조적 유연성을 부여하여 전지셀(110)의 측면에 크랙 등의 손상이 발생하는 것을 방지하는데 도움이 될 수 있다.
도 19는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임 또는 제2 셀 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 7 및 도 19를 함께 참고하면, 앞서 설명한 실시예와 유사하게, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 제1 셀 프레임(210’)과 제2 셀 프레임(220’) 각각에는 전지셀(110)들이 안착되는 수용홈(210G, 220G)이 형성될 수 있다. 이 때, 본 실시예에서는 수용홈(210G, 220G)에 개방된 형태의 슬릿(210S, 220S)이 형성될 수 있다. 전지셀 그룹(110G)에서의 적어도 하나의 전지셀(110)이, 슬릿(210S, 220S)을 통해 냉각 튜브(310)의 굴곡부(310B) 접촉할 수 있다. 냉각 튜브(310)가 전지셀(110)들의 전지 본체(113)의 일면과 접촉하는 면 냉각 구조에 더해, 적어도 하나의 전지셀(110)이 추가적으로 굴곡부(310B)와 접촉할 수 있다. 즉, 슬릿(210S, 220S)을 통해 전지셀(110)이 냉각 튜브(310)와 접촉하는 면적을 확대하여 냉각 성능을 높일 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 전지 모듈
110: 전지셀
110G: 전지셀 그룹
120: 전지셀 적층체
210: 제1 셀 프레임
220: 제2 셀 프레임
300: 히트 싱크
310: 냉각 튜브
310B: 굴곡부
400: 상부 프레임
500: 하부 프레임

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지셀 그룹들이 제1 방향을 따라 적층되는 전지셀 적층체; 및
    내부에 냉매가 흐르는 냉각 튜브를 포함하는 히트 싱크;를 포함하고,
    상기 전지셀 그룹 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀의 상부에 위치하는 제1 셀 프레임 또는 적어도 하나의 상기 전지셀의 하부에 위치하는 제2 셀 프레임을 더 포함하며,
    상기 냉각 튜브는 굴곡진 형태의 적어도 하나의 굴곡부를 포함하고,
    상기 굴곡부가 상기 전지셀 그룹의 상부 또는 하부를 감싸면서 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면을 커버하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서
    상기 굴곡부는 복수로 구성되고, 상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상부를 감싸고, 상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 하부를 감싸며, 상기 냉각 튜브는 지그재그 형태로 이어지는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 굴곡부들 중 어느 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 어느 하나의 양 측면 및 상기 제1 셀 프레임을 감싸고,
    상기 굴곡부들 중 다른 하나가 상기 전지셀 그룹들 중 다른 하나의 양 측면 및 상기 제2 셀 프레임을 감싸는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체의 상부와 하부에 각각 위치하는 상부 프레임과 하부 프레임을 더 포함하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 셀 프레임은, 상기 상부 프레임의 하측에서 상기 상부 프레임에 결합되고,
    상기 제2 셀 프레임은, 상기 하부 프레임의 상측에서 상기 하부 프레임에 결합되는 전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 상부 프레임 사이의 공간 또는 상기 전지셀 적층체와 상기 하부 프레임 사이의 공간 중 적어도 한 곳에 발포폼이 주입되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임 각각은, 적어도 하나의 상기 전지셀이 안착되는 수용홈 및 상기 수용홈이 형성된 면의 반대면에 형성된 돌출부를 포함하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 전지셀 적층체의 상부와 하부 각각에 상부 프레임과 하부 프레임이 위치하고,
    상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임 각각에는 상기 돌출부가 삽입되는 삽입홀이 형성된 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 상부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제1 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입되고,
    상기 하부 프레임의 상기 삽입홀에는 상기 제2 셀 프레임의 상기 돌출부가 삽입되는 전지 모듈.
  10. 제8항에서,
    상기 삽입홀 중 적어도 하나는, 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향인 상기 제1 방향으로 상기 돌출부보다 넓은 개구폭을 가져, 상기 돌출부가 상기 제1 방향이나 그 반대 방향으로 이동 가능한 전지 모듈.
  11. 제8항에서,
    상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 고정 파트 및 무빙 파트를 포함하고,
    상기 무빙 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이, 상기 고정 파트에서의 상기 삽입홀의 상기 제1 방향에 대한 개구폭보다 넓은 전지 모듈.
  12. 제11항에서,
    상기 무빙 파트는 상기 제1 방향과 평행한 방향의 일 단부에 위치하는 전지 모듈.
  13. 제11항에서,
    상기 무빙 파트는 복수로 구성되고,
    상기 무빙 파트들은 상기 제1 방향과 평행한 방향의 양 단부에 각각 위치하고, 상기 고정 파트는 상기 무빙 파트들 사이에 위치하는 전지 모듈.
  14. 제11항에서,
    상기 고정 파트에서, 상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임은, 각각 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임에 접착 부재를 통해 접착되는 전지 모듈
  15. 제8항에서,
    상기 상부 프레임 또는 상기 하부 프레임 중 적어도 하나는, 중앙부에서 상기 제1 방향 및 상기 제1 방향의 반대 방향으로 갈수록 상기 삽입홀들의 상기 제1 방향에 대한 개구폭이 점차 넓어지는 전지 모듈.
  16. 제7항에서,
    상기 수용홈에 개방된 형태의 슬릿이 형성되고,
    상기 전지셀 그룹에서의 적어도 하나의 상기 전지셀이, 상기 슬릿을 통해 상기 굴곡부와 접촉하는 전지 모듈.
  17. 제1항에서,
    상기 제1 방향에 따른 상기 전지셀 적층체의 양 측면에 위치하는 사이드 플레이트들을 더 포함하고,
    상기 사이드 플레이트는 리프 스프링 형태인 전지 모듈.
  18. 제17항에서,
    상기 사이드 플레이트는, 복수의 리프 스프링 부재가 높이 방향을 따라 간격을 띄고 배치되는 형태인 전지 모듈.
  19. 제17항에서,
    상기 사이드 플레이트는 상기 전지셀 적층체가 위치한 방향으로 만입된 리프 스프링 형태인 전지 모듈.
  20. 제17항에서,
    상기 사이드 플레이트는 복합 소재를 포함하고,
    상기 복합 소재는 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 또는 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)인 전지 모듈.
  21. 제20항에서,
    상기 복합 소재는, 섬유 소재, 레진 및 상기 섬유 소재 사이에 개재된 시트 소재를 포함하며,
    상기 섬유 소재는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 레진은 에폭시 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 시트 소재는 PET 또는 PU 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  22. 제1항에서,
    상기 히트 싱크는, 상기 냉각 튜브의 일 단부에 연결된 유입 매니포드 및 상기 냉각 튜브의 타 단부에 연결된 배출 매니포드를 포함하고,
    상기 유입 매니포드에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 형성되며, 상기 배출 매니포드에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 형성되는 전지 모듈.
  23. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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