WO2023158196A1 - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2023158196A1
WO2023158196A1 PCT/KR2023/002163 KR2023002163W WO2023158196A1 WO 2023158196 A1 WO2023158196 A1 WO 2023158196A1 KR 2023002163 W KR2023002163 W KR 2023002163W WO 2023158196 A1 WO2023158196 A1 WO 2023158196A1
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WO
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battery
module
tube
frame
battery cells
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PCT/KR2023/002163
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English (en)
French (fr)
Inventor
김동욱
김재영
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/211—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for pouch cells
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more particularly, to a battery pack capable of controlling swelling of a battery cell and a device 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.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator therebetween, and a battery case in which the electrode assembly is sealed and housed together with an electrolyte solution.
  • 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.
  • secondary batteries have been widely used not only in small devices such as portable electronic devices, but also in medium and large devices such as automobiles and power storage devices.
  • a large number of secondary batteries may be electrically connected to increase capacity and output.
  • Pouch-type secondary batteries tend to be more widely used due to advantages such as easy stacking and light weight.
  • a pouch-type secondary battery may be generally manufactured through a process in which an electrolyte solution is injected in a state in which an electrode assembly is housed in a pouch exterior material and the pouch exterior material is sealed.
  • Gas may be generated inside the secondary battery due to deterioration as charging and discharging are repeated. Also, when gas is generated inside, a swelling phenomenon in which at least a portion of the exterior material swells may occur due to an increase in internal pressure. In particular, in the case of the pouch-type secondary battery, the swelling phenomenon may occur more severely because the structural rigidity of the exterior material is weaker than that of the can-type secondary battery.
  • battery cells are housed in a module case and pads in the form of foam are disposed so that the module case does not excessively restrict the battery cells and the pad absorbs swelling of the battery cells.
  • a battery module includes a plurality of secondary batteries.
  • a very large number of secondary batteries may be included and connected to each other for high output or high capacity.
  • the deformation degree may reach a serious level due to the sum of the volume changes of each secondary battery as a whole.
  • a module frame accommodating a plurality of secondary batteries may be deformed or a welded portion of the module frame may be damaged. That is, the volume expansion phenomenon caused by swelling of each secondary battery may degrade overall structural stability of the battery module.
  • the separator in the battery cell may be compressed, thereby partially degrading battery performance.
  • the problem to be solved by the present invention is a battery pack capable of absorbing expansion displacement due to swelling of the battery cell and applying an appropriate pressing force to the battery cell so that the battery cell can exhibit optimal performance, and including the same to provide the device.
  • a battery pack includes a battery module including a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked in one direction; a pack housing in which the battery module is accommodated; a cross beam disposed on the bottom of the pack housing; and a tube disposed inside the cross beam.
  • the cross beam is located on one side of the stacking direction of the battery cells with respect to the battery module, and has a form extending along a direction perpendicular to the stacking direction of the battery cells. A fluid is introduced into the tube.
  • the battery cells, within the battery module, may be stacked along one direction while standing vertically on one surface of the bottom portion of the pack housing.
  • the cross beam may include a frame portion including a first side portion, a second side portion, and a ceiling portion.
  • the cross beam may be disposed so that one surface of the first side part and one surface of the second side part are parallel to both side surfaces of the battery module in a direction in which the battery cells are stacked.
  • An opening portion may be formed on at least one of the first side portion and the second side portion, and the tube may be exposed through the opening portion to contact the battery module.
  • the tube into which the fluid is introduced may pressurize the battery module along the direction in which the battery cells are stacked.
  • the battery pack may further include a fluid supply device connected to the tube to supply the fluid to the tube.
  • the battery pack may further include a fluid control valve that connects the tube and the fluid supply device and controls an amount of the fluid flowing into the tube.
  • the battery pack may further include a pressure sensor connected to the tube and measuring a pressure of the tube.
  • the cross beam may include a frame portion including a first side portion, a second side portion, and a ceiling portion, and the first side portion, the second side portion, and the ceiling portion may form an n-shape in cross section of the frame portion. .
  • the fluid control valve may be located in a space surrounded by the first side part, the second side part, and the ceiling part.
  • the tube may be disposed in an n-shape within the n-shape of the frame portion.
  • the tube may be made of a soft or elastic material, and the fluid flowing into the tube may be in a liquid or gel state.
  • the battery module may further include a module frame accommodating the battery cell stack, and the battery cells may be stacked along one direction from a side surface of the module frame to another side surface.
  • a compression pad may be interposed between at least one of the adjacent battery cells or between the outermost battery cell and the side surface of the module frame.
  • EOL end of life
  • the module stiffness curve of the battery module may be calculated in a slope (MPa/%) range of 0.00417 or more and 0.225 or less, and the module stiffness curve of the battery module is the strain of the module frame and the surface pressure applied to the module frame. You can respond to the relationship between them.
  • the module stiffness curve of the battery module may be derived by reflecting the degree of compression of the compression pads versus the surface pressure applied to the compression pads and the number of compression pads in the frame stiffness curve of the module frame.
  • a device includes the battery pack.
  • a tube through which fluid flows is provided inside a cross beam disposed adjacent to the battery module to expand due to swelling of the battery cell. Displacement can be effectively absorbed, and appropriate pressure can be applied so that the battery cell can exhibit optimum performance.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a battery module included in the battery pack of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a plan view showing one of the battery cells included in the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating components of the battery pack of FIG. 1 except for a battery module.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a cross beam included in the battery pack of FIG. 1;
  • FIG. 7 is a plan view schematically illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line A-A′ of FIG. 6;
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line BB′ of FIG. 6;
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 11;
  • FIG. 13 is a plan view showing any one of the battery cells included in the battery module of FIG. 12 .
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line A-A′ of FIG. 11 .
  • 15 to 17 are graphs showing a module stiffness curve and a P-D curve of a battery cell stack for a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a graph showing the range of a module stiffness curve of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a graph showing a P-D curve for a single battery cell.
  • 20 is a graph showing a P-D curve of a single battery cell and a P-D curve of a battery cell stack.
  • 21 is a graph showing module stiffness curves for Examples 1 to 4 according to 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. 1 is a perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 1000 includes a battery module 100a, a pack housing 1100 in which the battery module 100a is accommodated, and a bottom portion of the pack housing 1100. It includes a cross beam 1200 disposed on.
  • One or a plurality of battery modules 100a may be accommodated in the pack housing 1100 .
  • 1 shows a form in which a plurality of battery modules 100a are accommodated.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a battery module included in the battery pack of FIG. 1 .
  • the battery module 100a includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked in one direction.
  • the battery cell 110 may be a pouch type battery cell.
  • the pouch-type battery cell may be formed by accommodating the electrode assembly in a pouch case of 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 have a structure in which 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 pouch case 114 and one side portion 114c connecting them in a state where the electrode assembly (not shown) is housed in the pouch 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 may be made of a folding part. .
  • the battery cell 110 may be a pouch battery cell in which an electrode assembly is accommodated inside the pouch case 114 and the outer periphery of the pouch case 114 is sealed.
  • 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.
  • the pouch-type battery cells 110 may have a sheet shape, and these battery cells 110 are stacked along one direction to form the battery cell stack 120 .
  • the battery cells 110 may be stacked along a direction parallel to the y-axis, with one surface of the battery body 113 facing each other.
  • the battery module 100a may further include a pair of side plates 200, a pair of bus bar frames 300, and band members 400.
  • a pair of side plates 200 may be disposed on both sides of the battery cell stack 120 to support the battery cell stack 120 .
  • the side plates 200 may be positioned on both sides of the direction in which the battery cells 110 are stacked. As shown in FIG. 3, the battery cells 110 are stacked in a direction parallel to the y-axis, and the side plates 200 are the amount of the battery cell stack 120 according to the stacking direction of the battery cells 110 Can be placed on each side.
  • a pair of bus bar frames 300 may be located on one side and the other side of the battery cell stack 120, respectively.
  • the bus bar frames 300 may be located on one side and the other side of the battery cell stack 120 in the direction in which the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 protrude.
  • the electrode leads 111 and 112 may protrude in the x-axis direction and the -x-axis direction
  • the bus bar frames 300 are battery cell stacks ( 120) may be located in the x-axis direction and the -x-axis direction, respectively.
  • these bus bar frames 300 may be arranged to cover the battery cell stack 120 .
  • the bus bar 310 and the module connector 320 may be mounted on the bus bar frame 300 .
  • the bus bar 310 may be electrically connected to the electrode leads 111 and 112 of the battery cells 110 while being mounted on the bus bar frame 300 .
  • a plurality of bus bars 310 may be provided. Through the bus bar 310, the battery cells 110 may be electrically connected in series or in parallel.
  • the module connector 320 may be electrically connected to an external device while being mounted on the bus bar frame 300 .
  • the module connector 320 may include a high voltage connector or a low voltage connector, and may be connected to an external battery management system (BMS) to transfer temperature or voltage information of the battery module 100a.
  • BMS battery management system
  • a sensing PCB 330 connecting the pair of bus bar frames 300 may be disposed.
  • the sensing PCB 330 may be provided as a flexible printed circuit board. This sensing PCB 330 is provided with a predetermined length and may be disposed on the upper side of the battery cell stack 120 .
  • the band members 400 are connected to the pair of side plates 200 and may at least partially cover the upper and lower sides of the battery cell stack 120 . That is, the band members 400 may be positioned on the upper and lower sides of the battery cell stack 120 to connect the pair of side plates 200 . One end of the band member 400 may be connected to one side plate 200 and the other end of the band member 400 may be connected to the other side plate 200 . These band members 400 may be provided with a metal member made of an elastic material.
  • the connection method between the band members 400 and the pair of side plates 200 is not particularly limited, but may be connected by welding, for example. In particular, both ends of the band member 400 may be bonded to the side plate 200 while being bent.
  • the band members 400 may be spaced apart at predetermined intervals along the longitudinal direction of the battery module 100a.
  • the longitudinal direction of the battery module 100a is a direction perpendicular to the direction in which the battery cells 110 are stacked, and corresponds to a direction parallel to the x-axis on the drawing.
  • the battery module 100a may further include a heat sink 500 .
  • the heat sink 500 is for cooling the battery cell stack 120 and may be disposed below the battery cell stack 120 .
  • This heat sink 500 may be located on the bottom of a pack housing to be described later.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating components of the battery pack of FIG. 1 except for a battery module.
  • 6 is a perspective view illustrating a cross beam included in the battery pack of FIG. 1;
  • 7 is a plan view schematically illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view schematically illustrating a state in which the battery pack is viewed along the -z axis direction on an xy plane.
  • the cross beam 1200 is disposed on the bottom portion 1100F of the pack housing 1100, and the stacking direction of the battery cells 110 with respect to the battery module 100a. Located on one side of, it is a form leading along the direction perpendicular to the stacking direction of the battery cells (110).
  • the pack housing 1100 is a structure for accommodating the battery module 100a, and may have, for example, an open top while having an internal storage space.
  • the battery module 100a is disposed in the storage space, and although not specifically shown, a pack cover may be assembled on an open top of the pack housing 1100 .
  • the battery cells 110 are stacked along one direction in the battery module 100a, and the cross beam 1200 is on one side of the stacking direction of the battery cells 110 with respect to the battery module 100a. Positioned, it is a form that follows the direction perpendicular to the stacking direction of the battery cells (110). More specifically, the battery cells 110 may be stacked along one direction while standing vertically on one surface of the bottom portion 1100F of the pack housing 1100 within the battery module 100a. Accordingly, one side of the cross beam 1200 may be positioned parallel to one side of the battery body 113 (see FIG. 4) of the battery cell 110.
  • the battery cells 110 are stacked along a direction parallel to the y-axis in a state perpendicular to one surface of the bottom portion 1100F of the pack housing 1100.
  • the cross beam 1200 is located on one side of the y-axis direction or -y-axis direction with respect to any one battery module 100a.
  • the cross beam 1200 may have a form extending along a direction parallel to the x-axis.
  • the cross beam 1200 as described above is arranged to support the expansion force when the battery cells 110 expand due to swelling.
  • the battery pack 1000 includes a tube 1300 disposed inside the cross beam 1200, and fluid flows into the tube 1300.
  • the tube 1300 may be made of a soft or elastic material.
  • the tube 1300 may have a structure made of a rubber material.
  • the battery cell 110 When the battery cell 110 is a pouch-type battery cell and has a sheet shape, when swelling occurs, the battery cells 110 mainly expand in the stacking direction. That is, the expansion force is applied in a direction parallel to the y-axis in the drawing.
  • the cross beam 1200 located on one side of the battery module 100a in the stacking direction of the battery cells 110 may support the expansion force of the battery cells 110 .
  • the tube 1300 inside the cross beam 1200 may absorb expansion displacement of the battery cells 110 . Through this, the effect of dispersing pressure between the battery cells 110 may be increased.
  • the fluid introduced into the tube 1300 may be in a liquid or gel state.
  • the fluid may be coolant or water.
  • a cooling effect for the battery cell may be implemented.
  • the fluid is a hydrogel, it is advantageous to distribute stress concentrated in a specific region and maintain thermal equilibrium.
  • gas used as the fluid
  • the battery pack 1000 by providing a tube 1300 into which fluid flows inside the cross beam 1200, a constant force can be applied to the plurality of battery cells 110, and the battery cells can absorb expansion displacement due to swelling of Since the control method uses a fluid, even if swelling of the battery cell 110 occurs, the surface pressure of the battery cell 110 can be maintained constant.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line A-A′ of FIG. 6; 9 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the cutting line BB′ of FIG. 6; 8 and 9, for convenience of explanation, it is shown in the form of battery modules (100a) disposed near the cross beam (1200).
  • the cross beam 1200 is a frame including a first side portion 1210, a second side portion 1220 and a ceiling portion 1230.
  • a portion 1200F may be included.
  • the tube 1300 may be positioned inside the frame part 1200F.
  • the first side portion 1210 and the second side portion 1220 may be disposed perpendicularly to one surface of the bottom portion 1100F of the pack housing 1100, and the ceiling portion 1230 is formed between the first side portion 1210 and the second side portion 1210.
  • the side part 1220 may be connected.
  • the cross beam 1200 is disposed such that one side of the first side portion 1210 and one side of the second side portion 1220 are parallel to both sides of the battery module 100a in the direction in which the battery cells 110 are stacked.
  • One battery module 100a may be positioned on one surface of the first side part 1210
  • another battery module 100a may be positioned on one surface of the second side part 1220 .
  • the first side portion 1210 and the second side portion 1220 of the cross beam 1200 may support the expansion force of the battery cells 110 .
  • an opening 1200P may be formed at at least one of the first side portion 1210 and the second side portion 1220 .
  • the open portion 1200P may correspond to a shape in which one area of the frame portion 1200F is penetrated.
  • the tube 1300 may be exposed through the opening 1200P and may contact one side of the battery module 100a, and may press the battery module 100a with a predetermined pressing force.
  • one side of the first side portion 1210 and one side of the second side portion 1220 are disposed parallel to both sides of the battery module 100a in the direction in which the battery cells 110 are stacked, and the fluid F flows in.
  • the tube 1300 may press the battery module 100a along the direction in which the battery cells 110 are stacked through the opening 1200P.
  • the tube 1300 may apply a constant pressing force to the battery cells 110 using the pressure of the fluid F therein.
  • the pressure and amount of the fluid (F) introduced into the tube 1300 it is possible to maintain the pressure applied to the battery cell 110 in an optimal state.
  • the performance of the battery cell is well expressed when the initial pressing force is high.
  • a pressurizing means using a fluid F may be used as in the present embodiment.
  • the fluid F in the tube 1300 can absorb the expansion displacement of the battery cell 110 .
  • the battery pack 1000 may include a fluid supply device 1400 connected to the tube 1300 to supply fluid to the tube 1300 .
  • the battery pack 1000 may further include a fluid control valve 1500 that connects the tube 1300 and the fluid supply device 1400 and controls the amount of fluid F flowing into the tube 1300.
  • the battery pack 1000 may further include a pressure sensor 1600 connected to the tube 1300 to measure the pressure of the tube 1300 .
  • the frame portion 1200F of the cross beam 1200 may include a first side portion 1210, a second side portion 1220, and a ceiling portion 1230, and the ceiling portion 1230 may include a first side portion 1210. ) and the upper end of the second side portion 1220 may be connected. That is, the first side portion 1210, the second side portion 1220, and the ceiling portion 1230 may form an n-shape on the cross section of the frame portion 1200F.
  • the tube 1300 may be disposed in an n-shape correspondingly within the n-shaped frame portion 1200F.
  • the location of the fluid control valve 1500 or the pressure sensor 1600 is not particularly limited, but may be located in the inner space of the frame portion 1200F forming the n-shape as described above. That is, the fluid control valve 1500 may be located in a space surrounded by the first side part 1210 , the second side part 1220 and the ceiling part 1230 . Similarly, the pressure sensor 1600 may be located in a space surrounded by the first side part 1210 , the second side part 1220 and the ceiling part 1230 . Since the space inside the frame portion 1200F of the cross beam 1200 can be used as a space for disposing the fluid control valve 1500 or the pressure sensor 1600, the utilization rate of the space inside the pack housing 1100 can be increased.
  • the fluid supply device 1400 is a device for supplying fluid into the tube 1300 and may be a device using a conventional fluid pump or a pressure head.
  • the fluid supply device using the pressure head includes a fluid supply pipe connected to the tube 1300 .
  • the fluid supply pipe is located at a higher position than the fluid supply area of the tube 1300 and has a structure forming a vertical plane with the ground.
  • the amount of the fluid F flowing into the tube 1300 may be determined by adjusting the height of the fluid inside the fluid supply pipe, and accordingly, the pressure of the tube 1300 may be controlled.
  • the fluid supply device may apply fluid pressure to the tube without requiring a separate power source.
  • the fluid control valve 1500 may be a conventional valve, and is connected between the fluid supply device 1400 and the tube 1300, and the flow rate of the fluid F flowing into the tube 1300 can control. Through this, the surface pressure of the battery cell 110 can be maintained constant.
  • the fluid control valve 1500 is operated by receiving a signal from the pressure sensor 1600 and may open or close a flow path. Specifically, the fluid control valve 1500 may supply or discharge the fluid F by opening the flow path when the pressure of the tube 1300 is greater than or less than the reference value range, and the pressure of the tube 1300 is within the reference value range. If included, the flow path can be closed.
  • the pressure sensor 1600 is connected to the tube 1300 and can measure the changed pressure of the tube 1300 into which the fluid F is introduced.
  • the pressure sensor 1600 may be connected to the fluid control valve 1500 to transfer pressure information of the tube 1300. Based on the measured pressure measured by the pressure sensor 1600, whether or not the fluid control valve 1500 operates is set.
  • the pressure of the tube 1300 can be increased, and the initial pressure applied to the battery cell 110 can be reduced as desired. That is, in the battery pack 1000 according to the present embodiment, the final assembly is completed in a state in which fluid pressure is applied to the tube 1300 inside the cross beam 1200 to apply an appropriate pressing force to the battery cell 110.
  • the fluid supply device 1400 and the fluid control valve 1500 may operate according to the pressure value of the tube 1300. That is, when the pressure of the tube 1300 exceeds a predetermined value, the fluid control valve 1500 is opened until the pressure inside the tube 1300 reaches a reference value, and the fluid supply device 1400 is connected to the tube 1300. ) The fluid F inside may be discharged to the outside of the tube 1300. This can lower the pressure. Meanwhile, when the pressure of the tube 1300 is less than the predetermined value, the fluid control valve 1500 is opened, and the fluid supply device 1400 may supply the fluid F into the tube 1300 .
  • the battery pack 1000 based on the pressure of the tube 1300 measured by the pressure sensor 1600, the inflow amount of the fluid inside the tube 1300 supporting the battery cell stack 120 is measured. You can control it. Accordingly, the battery cells 110 may maintain a constant surface pressure.
  • the swelling of the battery cells 110 was controlled using compression pads disposed inside the battery module, but in this embodiment, the amount of fluid in the tube 1300 inside the cross beam 1200 was adjusted to control the battery cell 110. ) can be controlled and the expansion displacement can be absorbed, so the number of compression pads can be reduced. There is an effect of increasing the battery capacity by the reduced number of compression pads and reducing the number of parts.
  • the initial pressurization state may vary due to the tolerance of the battery cell 110 or the pressurization force may vary under an end of life (EOL) condition.
  • EOL end of life
  • the applied pressure can be adjusted by controlling the amount of fluid, so that the initial pressure due to tolerance can be adjusted. It is possible to prevent a change in the pressurization state or a change in the pressurization force under the EOL condition.
  • the fluid F inside the tube 1300 can be discharged to lower the pressure, so that the battery pack 1000 can be easily disassembled.
  • the amount of fluid F is adjusted based on the pressure of the tube 1300, there is no need to consider swelling characteristics that vary for each battery module 100a, and swelling characteristics tests for various conditions need to be performed there is no
  • the tube 1300 according to the present embodiment is provided inside the cross beam 1200, rather than being disposed inside an individual battery module.
  • the form of arranging tubes for each individual battery module increases the number of parts and complicates the installation form.
  • the tube 1300 according to the present embodiment is provided on the cross beam 1200 and can simultaneously control swelling of the plurality of battery modules 100a. Since the tube 1300 inside the cross beam 1200 is in a form capable of pressing each battery module 100a along the stacking direction of the battery cells 110, all swelling of the battery modules 100a is controlled. No problem.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing a battery module 100b according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module 100b includes a battery cell stack 120 and a battery cell stack 120 in which battery cells 110 are stacked along one direction. It may include a module frame 210 to be accommodated and end plates 220 located on both open sides of the module frame 210 .
  • the shape of the battery cell stack 120 is the same or similar to each other, but there is a difference in that the battery cell stack 120 is accommodated in the module frame 210.
  • the module frame 210 may be in the form of a mono frame in which the top, bottom and both sides are integrated.
  • a module frame in the form of a U-shaped frame in which the lower surface and both sides are integrated and the upper cover is joined by welding or the like is also possible.
  • the module frame 210 has an open form on both sides facing each other, and the battery cell stack 120 is accommodated in this open portion. After storage, the module frame 210 and the end plate 220 are coupled so that the end plate 220 covers the open portion of the module frame 210 .
  • the battery module 100b of the present embodiment may be mounted in a pack housing together with a cross beam in which a tube is located to form a battery pack.
  • the thickness of the module frame 210 can be set thin because the pressure of the battery cell 110 can be kept constant using a fluid and expansion displacement can be absorbed. Therefore, from the viewpoint of the entire battery pack including the battery module 100b, it has the advantage of reducing the weight and increasing the battery capacity.
  • the left and right sides of the U-shaped frame described above are spread apart, or the battery cells The storage was performed while applying a certain or more pressing force to both side surfaces of the laminate 120 .
  • the amount of fluid inside the tube 1300 can be adjusted to adjust the applied pressure, so that the battery cells are stacked as in the prior art.
  • the sieve 120 in the module frame 210 There is no need to accommodate the sieve 120 in the module frame 210 with difficulty. That is, after the battery cell stack 120 is conveniently accommodated inside the module frame 210, the battery module 100b is placed near the cross beam 1200, and then the initial pressure is increased by increasing the pressure of the tube 1300. can be carried out.
  • the battery pack 1000 may further include a vertical beam 1700 extending in a direction perpendicular to the extending direction of the cross beam 1200.
  • a vertical beam 1700 extending in a direction perpendicular to the extending direction of the cross beam 1200.
  • an appropriate number of vertical beams 1700 may be disposed to support the battery modules and form a rigid structure.
  • FIG. 11 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 12 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 11;
  • 13 is a plan view showing any one of the battery cells included in the battery module of FIG. 12 .
  • the battery module 100 includes a battery cell laminate 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked along one direction; and a module frame 200 accommodating the battery cell stack 120.
  • the battery module 100 may further include at least one compression pad 400 .
  • the battery cell 110 may be a pouch type battery cell.
  • the pouch-type battery cell may be formed by accommodating the electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and bonding the outer periphery of the pouch case.
  • These battery cells 110 may have a rectangular sheet shape.
  • 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. have a structure
  • the battery cell 110 is manufactured by bonding 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 housed in the battery case 114. It can be.
  • the battery cell 110 may have a total of three sealing parts, and the other one side may be made of a folding part 115 .
  • a space between both ends 114a and 114b of the battery case 114 is defined in the longitudinal direction of the battery cell 110, and one side portion 114c connecting both ends 114a and 114b of the battery case 114 and folding
  • a space between the portions 115 may be defined in the width direction of the battery cell 110 .
  • the battery case 114 generally has a laminate structure of a resin layer/metal thin film layer/resin layer.
  • a battery case surface is made of an O (oriented)-nylon layer
  • the battery cell stack 120 may be formed by providing an adhesive portion on the surface of the battery case.
  • the bonding unit may be a self-adhesive adhesive such as a double-sided tape or a chemical adhesive bonded by a chemical reaction during bonding. The adhesive portion will be described later.
  • a plurality of battery cells 110 are stacked along one direction to form a battery cell stack 120, in which the battery cells 110 having a rectangular sheet structure face each other along one direction with one surface of the battery body 113 facing each other. can be layered. More specifically, the battery cells 110 may be stacked upright so that the one surface of the battery cells 110 is parallel to the side portions 210 and 220 of the module frame 200 to be described later. 12 shows a state in which battery cells 110 are stacked along a direction parallel to the y-axis to form a battery cell stack 120. Accordingly, in the battery cell stack 120, the electrode leads 111 and 112 may protrude toward the x-axis direction and the -x-axis direction.
  • the module frame 200 may be a frame in which one side and the other side are open.
  • the battery cell stack 120 is inserted through one side or the other open side of the module frame 200, and the battery cell stack 120 can be accommodated in the inner space of the module frame 200.
  • the module frame 200 includes side parts 210 and 220 respectively covering both sides of the battery cell stack 120 along the stacking direction of the battery cells 110 .
  • each of the side parts 210 and 220 of the module frame 200 is the side of the battery cell stack 120 in the y-axis direction and the -y-axis direction The sides can be covered.
  • the module frame 200 may include an upper surface part 230 and a lower surface part 240 connecting the side parts 210 and 220 .
  • the upper surface portion 230 and the lower surface portion 240 of the module frame 200 may cover the upper and lower surfaces of the battery cell stack 120 accommodated inside the module frame 200, respectively.
  • the module frame 200 shown in Figure 12 is a form in which the side parts 210 and 220, the upper surface part 230 and the lower surface part 240 are integrated, but as another embodiment of the present invention, the module frame is U The shape of the frame and the upper cover may be bonded. A U-shaped frame covering both side surfaces and lower surfaces of the battery cell stack and an upper cover covering the upper surface of the battery cell stack may be bonded to corresponding edges to form a module frame.
  • the battery module 100 may include a bus bar frame 500 accommodated in the module frame 200 together with the battery cell stack 120 .
  • the bus bar frame 500 may include a front frame 510 and a rear frame 520 respectively positioned on one side and the other side of the battery cell stack 120 from which the electrode leads 111 and 112 protrude.
  • the bus bar frame 500 may further include an upper frame 530 connected to each of the front frame 510 and the rear frame 520 and positioned on top of the battery cell stack 120 .
  • Bus bars 540 for connecting the electrode leads 111 and 112 of the battery cells 110 included in the battery cell stack 120 may be mounted on the front frame 510 and the rear frame 520. Specifically, the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 may pass through slits formed in the front frame 510 and the rear frame 520 and then be bent and bonded to the bus bar 540 by welding or the like. there is. In this way, the battery cells 110 included in the battery cell stack 120 may be electrically connected in series or parallel.
  • the battery module 100 may include end plates 300 located on opposite sides of the open module frame 200 .
  • End plates 300 may be provided to cover one open side and the other side of the module frame 200 . That is, the two end plates 300 may be located on both open sides of the module frame 200 and joined to corresponding corners of the module frame 200 by welding or the like.
  • the end plate 300 may physically protect the battery cell stack 120 and other electrical components from external impact.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line A-A′ of FIG. 11 .
  • the battery module 100 is located between adjacent battery cells 110 or among the battery cells 110, the battery cell 110 located on the outermost side and the side portion It includes at least one compression pad 400 disposed on at least one of (210, 220).
  • the compression pad 400 is a member in the form of a foam and may partially absorb swelling of battery cells. Specifically, gas may be generated inside the battery cell 110 due to degeneration as charging and discharging are repeated. Also, when gas is generated inside, a swelling phenomenon in which at least a portion of the exterior material swells may occur due to an increase in internal pressure. In particular, in the case of a pouch-type secondary battery, a swelling phenomenon may occur more severely because the structural rigidity of an exterior material is weaker than that of a can-type secondary battery.
  • the compression pad 400 that is compressed when pressure is applied to the inside of the battery module 100, swelling of the battery cell 110 is partially absorbed.
  • the material of the compression pad 400 is not particularly limited as long as it can absorb swelling of the battery cell 110 by being compressed, and may include a polyurethane material as an example.
  • 15 to 17 are graphs showing a module stiffness curve and a P-D curve of a battery cell stack for a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 18 is a graph showing the range of a module stiffness curve of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell stack 120 in which battery cells 110 are stacked Can be accommodated in the module frame (200).
  • the battery cells 110 may be stacked along one direction from the side portion 210 of the module frame 200 to the other side portion 220 .
  • a compression pad 400 may be interposed between adjacent battery cells 110 or between at least one of the outermost battery cells 110 and the side surfaces 210 and 220 of the module frame 200 .
  • the module stiffness curve C1 due to the module frame 200 and the pressure-displacement (P-D) curve C3 of the battery cell stack 120 representing the swelling characteristics of the battery cells 110 are calculated, respectively. and fit them to one graph. Then, the swelling behavior of the battery module can be predicted by finding an equilibrium point (intersection) between the two curves.
  • the P-D curve (C3) of the battery cell stack is the surface pressure that the battery cells 110 receive according to the degree of change as the thickness of the battery cells 110 changes according to the swelling of the battery cells 110 It is a graph showing the relationship of The P-D curve (C3) of the battery cell stack may be measured in an EOL (End of Life) state of the battery cells 110.
  • EOL refers to a state when the ratio of the current capacity of the battery to the initial capacity of the battery reaches a predetermined ratio, and the ratio may be 80%.
  • EOL may refer to a battery state when the capacity of the battery reaches 80% of the initial value, and may correspond to a state in which the life of the corresponding battery is terminated or replacement is required.
  • the module stiffness curves (C1, C1', C”) are the degree of change in the width (W) of the module frame 200 according to the direction in which the battery cells 110 are stacked and the amount applied to the module frame 200 It is a graph showing the relationship between loads.
  • the direction in which the battery cells 110 are stacked corresponds to a direction from one side part 210 to the other side part 220 of the module frame 200, and hereinafter, the direction in which the battery cells 110 are stacked is referred to as the width direction.
  • the width (W, W') of the module frame 200 means the distance from one side part 210 to the other side part 220.
  • the module stiffness curve (C1) and the P-D curve (C3) of the battery cell stack will be described in detail below.
  • the X-axis corresponds to the strain and the unit may be %
  • the Y-axis corresponds to the applied surface pressure.
  • the unit may be MPa.
  • the intersection points (P, P', P”) between the module stiffness curve (C1, C1', C”) and the P-D curve (C3) of the battery cell stack are the behavior according to the swelling of the battery cell stack (120) and This corresponds to the point at which the behavior according to the deformation of the module frame 200 is balanced.
  • the corresponding The battery module can be predicted to have strain and surface pressure corresponding to the intersection points (P, P', P”) in the EOL state.
  • the corresponding battery module is deformed in the EOL state by the amount corresponding to the X-axis value of the intersection point (P, P', P”) in the width direction, and the Y-axis value corresponding to the intersection point (P, P', P”) As much as the battery cells 110 and the module frame 200 receives surface pressure.
  • the intersection point P is preferably located within the deformation limit point x1 and the pressure limit point y1.
  • the strain threshold (x1) is 12%
  • the pressure threshold (y1) is 0.9 MPa. That is, it is preferable that the X-axis value of the intersection point (P) is 12% or less, which is the deformation limit point (x1), and the Y-axis value of the corresponding intersection point (P) is 0.9 MPa or less, which is the pressure limit point (y1). That is, in the battery module according to the present embodiment, in the EOL state, the strain in the direction in which the battery cells 110 are stacked may be 12% or less, and the surface pressure applied to the battery cells 110 may be 0.9 MPa or less.
  • the battery module in the EOL state is predicted to be more deformed than the deformation limit point (x1) in the width direction.
  • the thickness change due to expansion of the battery cells 110 is excessively allowed, and disconnection between electrode leads and tabs in the battery cells 110, cracks in the pouch-type battery case of the battery cells 110, etc. can cause problems.
  • the battery module is predicted to deform more than the deformation limit (x1) of 12%, the space occupied by the battery module inside the battery pack is excessively increased, which causes the energy density of the battery module and battery pack to decrease. becomes
  • the module stiffness curve C1 may be calculated in a slope range of 0.00417 or more and 0.225 or less (MPa/%). That is, the module stiffness curve C1 of the battery module according to the present embodiment has a lower limit module stiffness curve C1b having a slope Sb of 0.00417 MPa/% and an upper limit having a slope Sa of 0.225 MPa/%. It can be formed in the range between the module stiffness curves C1a.
  • the module stiffness curve (C1) is 0.00417 It is preferable to calculate in the range of slope (MPa / %) of more than 0.225 or less.
  • the module stiffness curve C1 is a graph showing the relationship between the degree of change in the width of the module frame 200 and the load applied to the module frame 200 according to the direction in which the battery cells 110 are stacked am.
  • the X axis corresponds to the strain (%) of the module frame 200 along the width direction.
  • the strain may be calculated based on the width (W′, see FIG. 14) of the module frame 200 deformed along the width direction compared to the width (W, see FIG. 14) of the module frame 200 before being deformed. .
  • the strain may be calculated as a ratio of a width (W, see FIG.
  • the Y-axis may correspond to the surface pressure (MPa) applied to the side surfaces 210 and 220 of the module frame 200 according to the deformation rate of the module frame 200.
  • a frame stiffness curve may be calculated first.
  • the frame stiffness curve is a graph of the relationship between the strain of the module frame 200 and the surface pressure applied to the module frame 200 .
  • These frame stiffness curves can be obtained through several actual tests or simulations.
  • a frame stiffness curve can be derived by repeatedly applying an actual force to the module frame 200 and measuring the degree of deformation of the module frame 200 in the width direction accordingly, while changing the applied force.
  • a module stiffness curve C1 may be derived by considering the effect of the compression pad 400 on the frame stiffness curve.
  • the module stiffness curve C1 may be finally derived by reflecting the degree of compression of the compression pad 400 versus the surface pressure applied to the compression pad 400 and the number of compression pads 400 in the frame stiffness curve. .
  • the P-D curve (C3) of the battery cell stack is a graph showing the relationship between surface pressures received by the battery cells 110 according to the degree of change in the thickness of the battery cells 110 according to swelling, as described above. am.
  • the X axis may correspond to the strain (%) along the width direction of the battery cell stack 120, and the Y axis is included in the battery cell stack 120. It may correspond to the surface pressure (MPa) applied to the battery cells 110 to be.
  • 19 is a graph showing a P-D curve for a single battery cell.
  • the amount of change in thickness and the surface pressure of a single battery cell 110 according to charge and discharge cycles may be measured. Specifically, after placing a single battery cell 110 in a fixed jig in which the change in thickness is limited, charging and discharging cycles are repeated. Thereafter, the surface pressure value of a0 is measured through a load cell disposed in the corresponding fixing jig. The measured a0 is represented by P0 on the Y-axis. Next, after placing a single battery cell 110 in a variable jig capable of changing thickness by a spring or the like, charging and discharging cycles are repeated.
  • the surface pressure value of a1 is measured through the load cell disposed on the variable jig, and the thickness strain of b1 is calculated by measuring the increased thickness of the battery cell 110.
  • Corresponding a1 and b1 are denoted by point P1.
  • the spring constant of the variable jig is changed and the measurement process is repeated to measure the surface pressure values of a2, a3, and a4 and the strain values of b2, b3, and b4, respectively. Based on these values, coordinate points P2, P3, and P4 can be displayed, and one curve C2 can be derived. And, the curve C2 derived in this way corresponds to the pressure-displacement (P-D) curve of a single battery cell.
  • 20 is a graph showing the P-D curve of a single battery cell and the P-D curve of a battery cell stack.
  • the P-D curve (C2) of a single battery cell obtained through the process described in FIG. 19 reflects the number of battery cells 110 included in the battery cell stack 120
  • a P-D curve (C3) of the battery cell stack 120 can be obtained.
  • the surface pressure required according to the degree of deformation increases, so the P-D curve C3 of the battery cell stack 120 is naturally higher than the P-D curve C2 of a single battery cell. located in the part.
  • 21 is a graph showing module stiffness curves for Examples 1 to 4 according to the present invention.
  • the module stiffness curves of each of Examples 1 to 4 are shown.
  • the P-D curves of the battery cell stack are not shown, but the equilibrium point (intersection) where the module stiffness curve of each of Examples 1 to 4 meets the P-D curve of each of the battery cell stacks of Examples 1 to 4 is marked there is.
  • the battery module of Example 1 in the EOL state is deformed in the width direction by 5.4%, and the battery cells and the module frame inside have a surface pressure of 0.8 MPa. expected to receive
  • the battery module of Example 2 in the EOL state is deformed in the width direction by 6.7%, and the internal battery cells and the module frame are predicted to receive a surface pressure of 0.71 MPa.
  • the battery module of Example 3 in the EOL state is deformed in the width direction by 6.1%, and the internal battery cells and the module frame are predicted to receive a surface pressure of 0.29 MPa.
  • the battery module of Example 4 is deformed in the width direction by 9.3%, and the internal battery cells and the module frame are predicted to receive a surface pressure of 0.44 MPa.
  • the module stiffness curve is calculated in the range of slope (MPa/%) of 0.00417 or more and 0.225 or less. That is, the module stiffness curves of the battery modules of Examples 1 to 4 have a lower limit module stiffness curve (C1b) having a slope (Sb) value of 0.00417 MPa/% and an upper limit module stiffness curve (C1b) having a slope (Sa) value of 0.225 MPa/%. It may be formed in the range between the curves C1a.
  • 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 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

Landscapes

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체를 포함하는 전지 모듈; 상기 전지 모듈이 수납되는 팩 하우징; 상기 팩 하우징의 바닥부 상에 배치되는 크로스 빔; 및 상기 크로스 빔의 내부에 배치되는 튜브를 포함한다. 상기 크로스 빔은, 상기 전지 모듈에 대해 상기 전지셀들의 적층 방향의 일 측면에 위치하며, 상기 전지셀들의 적층 방향과 수직한 방향을 따라 이어지는 형태이다. 상기 튜브의 내부에 유체가 유입된다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 02월 18일자 한국 특허 출원 제10-2022-0021377호 및 2023년 2월 13일자 한국 특허 출원 제10-2023-0018548호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전지셀의 스웰링을 제어할 수 있는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 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.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
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.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 중대형 장치에 대한 적용을 목적으로, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결될 수 있다. 파우치형 이차 전지는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 더욱 널리 이용되는 추세에 있다.
파우치형 이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 파우치 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 파우치 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조될 수 있다.
이차 전지는, 충전과 방전이 반복됨에 따라 퇴화 등으로 인해 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 그리고, 이처럼 내부에서 가스가 발생한 경우, 내압이 증가함으로써, 외장재의 적어도 일부분이 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지의 경우, 캔형 이차 전지에 비해, 외장재의 구조적 강성이 약해서 이러한 스웰링 현상은 더욱 심하게 발생할 수 있다.
종래에는 전지셀들을 모듈 케이스에 수납하고 폼(Foam) 형태의 패드를 배치함으로써, 모듈 케이스가 전지셀들을 지나치게 구속하지 않고, 패드가 전지셀들의 스웰링을 흡수하도록 하였다.
전지셀의 스웰링 현상이 크게 발생하면, 전지 내부의 압력이 높아지고 부피가 증가하여, 전지 모듈의 구조적 안정성에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 더욱이, 전지 모듈에는 다수의 이차 전지가 포함되는 경우가 많다. 특히, 자동차나 에너지 저장 장치(ESS) 등에 사용되는 중대형 전지 모듈의 경우, 높은 출력 내지 높은 용량을 위해 매우 많은 수의 이차 전지가 포함되어 상호 연결될 수 있다. 이때, 각 이차 전지에서 스웰링으로 인해 약간씩만 부피가 증가한다 하더라도, 전지 모듈 전체적으로는 각 이차 전지의 부피 변화가 합산되어 변형 정도가 심각한 수준에 이를 수 있다. 특히, 다수의 이차 전지를 수납하는 모듈 프레임에 변형이 일어나거나 모듈 프레임의 용접 부분에 파손이 발생할 수 있다. 즉, 각 이차 전지의 스웰링에 따른 부피 팽창 현상은, 전지 모듈의 구조적 안정성을 전반적으로 저하시킬 수 있다. 또한, 충전 및 방전이 반복되면서 팽창력(Swelling force)이 크게 증가하면, 전지셀 내의 분리막을 압축하여 부분적으로 전지 성능을 저하시킬 수 있다.
따라서, 전지셀의 스웰링 시 팽창 변위를 흡수할 수 있고, 전지셀에 적절한 가압력을 인가할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀의 스웰링으로 인한 팽창 변위를 흡수 가능하면서, 또 전지셀이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 전지셀에 적절한 가압력을 인가할 수 있는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 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 전지팩은, 복수의 전지셀들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체를 포함하는 전지 모듈; 상기 전지 모듈이 수납되는 팩 하우징; 상기 팩 하우징의 바닥부 상에 배치되는 크로스 빔; 및 상기 크로스 빔의 내부에 배치되는 튜브를 포함한다. 상기 크로스 빔은, 상기 전지 모듈에 대해 상기 전지셀들의 적층 방향의 일 측면에 위치하며, 상기 전지셀들의 적층 방향과 수직한 방향을 따라 이어지는 형태이다. 상기 튜브의 내부에 유체가 유입된다.
상기 전지셀들은, 상기 전지 모듈 내에서, 상기 팩 하우징의 상기 바닥부의 일면에 수직하게 직립한 채 일 방향을 따라 적층될 수 있다.
상기 크로스 빔은, 제1 측면부, 제2 측면부 및 천장부를 포함하는 프레임부를 포함할 수 있다.
상기 제1 측면부의 일면과 상기 제2 측면부의 일면이 상기 전지셀들이 적층되는 방향의 상기 전지 모듈의 양 측면과 평행하도록 상기 크로스 빔이 배치될 수 있다.
상기 제1 측면부 또는 상기 제2 측면부 중 적어도 한 곳에 개방부가 형성될 수 있고, 상기 튜브는 상기 개방부를 통해 노출되어 상기 전지 모듈과 접촉할 수 있다.
상기 유체가 유입된 상기 튜브는, 상기 전지셀들이 적층되는 방향을 따라 상기 전지 모듈을 가압할 수 있다.
상기 전지팩은, 상기 튜브와 연결되어 상기 튜브에 상기 유체를 공급하는 유체 공급 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 전지팩은, 상기 튜브와 상기 유체 공급 장치를 연결하고, 상기 튜브에 유입되는 상기 유체의 양을 제어하는 유체 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 전지팩은, 상기 튜브에 연결되어, 상기 튜브의 압력을 측정하는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 크로스 빔은, 제1 측면부, 제2 측면부 및 천장부를 포함하는 프레임부를 포함할 수 있고, 상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부 및 상기 천장부가, 상기 프레임부의 단면상, n자 형태를 이룰 수 있다.
상기 유체 제어 밸브는, 상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부 및 상기 천장부에 의해 둘러 쌓인 공간에 위치할 수 있다.
상기 튜브는, n자 형태의 상기 프레임부 내에서, n자 형태로 배치될 수 있다.
상기 튜브는 연질 또는 탄성 재질일 수 있고, 상기 튜브의 내부에 유입되는 상기 유체는, 액체 또는 겔 상태일 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 더 포함할 수 있고, 상기 전지셀들이 상기 모듈 프레임의 측면부에서 다른 측면부까지 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 이웃한 상기 전지셀들 사이 또는 최외측의 상기 전지셀과 상기 모듈 프레임의 측면부 사이 중 적어도 한곳에 압축 패드가 개재될 수 있다. EOL(End of Life) 상태에서, 상기 전지셀들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 상기 전지셀들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하일 수 있다.
상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출될 수 있고, 상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 변형률과 상기 모듈 프레임에 인가되는 면압 간의 관계에 대응할 수 있다.
상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 프레임 강성 곡선에, 상기 압축 패드에 인가되는 면압 대비 상기 압축 패드가 압축되는 정도 및 상기 압축 패드의 개수를 반영하여 도출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스는 상기 전지팩을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 모듈이 팩 하우징에 수납되는 전지팩에 있어서, 전지 모듈에 인접하게 배치된 크로스 빔 내부에 유체가 유입되는 튜브를 마련하여, 전지셀의 스웰링으로 인한 팽창 변위를 효과적으로 흡수하고, 전지셀이 최적의 성능을 발휘할 수 있는 적정한 가압을 인가할 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지팩에 포함된 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 5는 도 1의 전지팩에 대해 전지 모듈을 제외한 구성들을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 1의 전지팩에 포함된 크로스 빔을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 8은 도 6의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 6의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 12는 도 11의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 13은 도 12의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 어느 하나를 나타낸 평면도이다.
도 14는 도 11의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면도이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 모듈 강성 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프들이다.
도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 모듈 강성 곡선의 범위를 나타낸 그래프이다.
도 19는 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 20은 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 21은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에 대한 모듈 강성 곡선을 나타낸 그래프이다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 전지 모듈(100a), 전지 모듈(100a)이 수납되는 팩 하우징(1100) 및 팩 하우징(1100)의 바닥부 상에 배치되는 크로스 빔(1200)을 포함한다. 팩 하우징(1100)에는 전지 모듈(100a)이 하나 또는 복수로 수납될 수 있다. 도 1에는 복수의 전지 모듈(100a)이 수납된 형태가 도시되어 있다.
우선, 도 2 내지 도 4를 참고하여, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)에 포함된 전지 모듈(100a)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 전지팩에 포함된 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 복수의 전지셀(110)들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체(120)를 포함한다. 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 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 가질 수 있다. 전지셀(110)은, 파우치 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 파우치 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 폴딩부로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)은, 파우치 케이스(114) 내부에 전극 조립체가 수납되고 파우치 케이스(114)의 외주변이 밀봉된 형태의 파우치 전지셀일 수 있다. 위에서 설명한 전지셀(110)은 예시적 구조이며, 2개의 전극 리드가 동일한 방향으로 돌출된 단방향 전지셀도 가능함은 물론이다.
파우치형의 전지셀(110)은 시트 형상일 수 있으며, 이러한 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 일례로, 전지셀(110)들이 전지 본체(113)의 일면끼리 마주한 채, y축과 평행한 방향을 따라 적층될 수 있다.
전지 모듈(100a)은 한 쌍의 사이드 플레이트(200), 한 쌍의 버스바 프레임(300) 및 밴드 부재(400)들을 더 포함할 수 있다.
한 쌍의 사이드 플레이트(200)는, 전지셀 적층체(120)를 지지할 수 있도록, 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 배치될 수 있다. 구체적으로, 전지셀 적층체(120) 중에서, 전지셀(110)들이 적층되는 방향의 양 측면에 각각 사이드 플레이트(200)들이 위치할 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 전지셀(110)들은 y축과 평행한 방향을 따라 적층되고, 사이드 플레이트(200)들은, 전지셀(110)들의 적층 방향에 따른 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 각각 배치될 수 있다.
한 쌍의 버스바 프레임(300)은, 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 각각 위치할 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향의 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측에 버스바 프레임(300)들이 위치할 수 있다. 전지셀(110)들이 y축 방향을 따라 적층됨에 따라, 전극 리드(111, 112)는 x축 방향과 -x축 방향으로 돌출될 수 있고, 버스바 프레임(300)들은, 전지셀 적층체(120)에 대해 x축 방향과 -x축 방향에 각각 위치할 수 있다. 또한, 이러한 버스바 프레임(300)들은, 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 배치될 수 있다.
버스바 프레임(300)에는 버스바(310) 및 모듈 커넥터(320)가 장착될 수 있다.
버스바(310)는, 버스바 프레임(300)에 장착된 채, 전지셀(110)들의 전극 리드(111, 112)과 전기적으로 연결될 수 있다. 버스바(310)는 복수 개로 구비될 수 있다. 버스바(310)를 매개로 하여, 전지셀(110)들끼리 전기적 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
모듈 커넥터(320)는, 버스바 프레임(300)에 장착된 채, 외부 기기 등과 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 모듈 커넥터(320)는 고전압 커넥터, 저전압 커넥터 등으로 구비될 수 있고, 외부 BMS(battery management system)와 연결되어 전지 모듈(100a)의 온도나 전압 정보를 전달할 수 있다.
한편, 한 쌍의 버스바 프레임(300)을 연결하는 센싱 PCB(330)가 배치될 수 있다. 센싱 PCB(330)는 플렉서블 인쇄회로기판으로 마련될 수 있다. 이러한 센싱 PCB(330)는, 소정길이로 구비되며, 전지셀 적층체(120)의 상측에 배치될 수 있다.
밴드 부재(400)들은, 한 쌍의 사이드 플레이트(200)와 연결되며, 전지셀 적층체(120)의 상측 및 하측을 적어도 부분적으로 커버할 수 있다. 즉 밴드 부재(400)들은, 전지셀 적층체(120)의 상측과 하측에 위치하여 한 쌍의 사이드 플레이트(200)를 연결할 수 있다. 밴드 부재(400)의 일 단부가 어느 한 사이드 플레이트(200)에 연결되고, 밴드 부재(400)의 타 단부가 다른 한 사이드 플레이트(200)에 연결될 수 있다. 이러한 밴드 부재(400)들은, 탄성 재질의 금속 부재로 구비될 수 있다. 밴드 부재(400)들과 한 쌍의 사이드 플레이트(200) 간의 연결 방식에 특별한 제한은 없으나, 일례로, 용접 접합으로 연결될 수 있다. 특히, 밴드 부재(400)의 양 끝 단부가 구부러지면서 사이드 플레이트(200)에 접합될 수 있다.
전지셀 적층체(120)의 상측 또는 하측에서, 밴드 부재(400)들은 전지 모듈(100a)의 길이 방향을 따라 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 여기서 전지 모듈(100a)의 길이 방향은, 전지셀(110)들이 적층되는 방향과 수직한 방향으로, 도면 상 x축과 평행한 방향에 해당한다.
한편, 전지 모듈(100a)은, 히트 싱크(500)를 더 포함할 수 있다. 히트 싱크(500)는, 전지셀 적층체(120)의 냉각을 위한 것으로서, 전지셀 적층체(120)의 하측에 배치될 수 있다. 이러한 히트 싱크(500)는 후술하는 팩 하우징의 바닥부 상에 위치할 수 있다.
이하에서는, 도 1, 도 5 내지 도 7 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 팩 하우징(1100)과 크로스 빔(1200)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 도 1의 전지팩에 대해 전지 모듈을 제외한 구성들을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 1의 전지팩에 포함된 크로스 빔을 나타낸 사시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 특히 도 7은 전지팩을 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 모습을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 1, 도 5 내지 도 7을 참고하면, 크로스 빔(1200)은, 팩 하우징(1100)의 바닥부(1100F) 상에 배치되고, 전지 모듈(100a)에 대해 전지셀(110)들의 적층 방향의 일 측면에 위치하며, 전지셀(110)들의 적층 방향과 수직한 방향을 따라 이어지는 형태이다.
팩 하우징(1100)은, 전지 모듈(100a)을 수납하는 구조물로써, 일례로, 내부 수납 공간을 가진 채, 상부가 개방된 형태일 수 있다. 전지 모듈(100a)을 상기 수납 공간에 배치되고, 구체적으로 도시하지 않았지만 팩 하우징(1100)의 개방된 상부에 팩 커버가 조립될 수 있다.
상술한 바 대로, 전지 모듈(100a) 내에서 전지셀(110)들은 일 방향을 따라 적층되는데, 크로스 빔(1200)은 전지 모듈(100a)에 대해 전지셀(110)들의 적층 방향의 일 측면에 위치하고, 전지셀(110)들의 적층 방향과 수직한 방향을 따라 이어지는 형태이다. 보다 구체적으로, 전지셀(110)들은, 전지 모듈(100a) 내에서, 팩 하우징(1100)의 바닥부(1100F)의 일면에 수직하게 직립한 채 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 이에 따라, 크로스 빔(1200)의 일 측면은 전지셀(110)의 전지 본체(113, 도 4 참조)의 일면과 평행하게 위치할 수 있다. 도시된 것처럼, 전지셀(110)들은, 팩 하우징(1100)의 바닥부(1100F)의 일면에 수직한 상태로, y축과 평행한 방향을 따라 적층된다. 크로스 빔(1200)은, 어느 한 전지 모듈(100a)에 대해 y축 방향 또는 -y축 방향의 일 측면에 위치한다. 또한, 크로스 빔(1200)은, x축과 평행한 방향을 따라 이어지는 형태일 수 있다. 상기와 같은 크로스 빔(1200)은, 전지셀(110)들의 스웰링으로 인한 팽창 시 그 팽창력을 지지하도록 배치되는 형태이다.
이 때, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 크로스 빔(1200)의 내부에 배치되는 튜브(1300)를 포함하고, 튜브(1300)의 내부에는 유체가 유입된다. 튜브(1300)는 연질 또는 탄성 재질로 이루어질 수 있다. 튜브(1300)는 고무 재질로 형성된 구조일 수 있다.
전지셀(110)이 파우치형 전지셀이고 시트 형상일 때, 스웰링이 발생할 경우, 전지셀(110)들은 그 적층 방향으로 주로 팽창된다. 즉, 도면 상 y축과 평행한 방향으로 팽창력이 가해진다. 전지 모듈(100a)에 대해 전지셀(110)들의 적층 방향의 일 측면에 위치한 크로스 빔(1200)은, 전지셀(110)들의 팽창력을 지지할 수 있다. 아울러, 크로스 빔(1200) 내부의 튜브(1300)가 전지셀(110)들의 팽창 변위를 흡수할 수 있다. 이를 통해 전지셀(110) 간의 압력 분산 효과를 높일 수 있다.
한편, 튜브(1300) 내부로 유입되는 유체는, 액체 또는 겔 상태일 수 있다. 예를 들어, 유체는 냉각수 또는 물일 수 있다. 튜브에 냉각수 또는 물을 충진함으로써, 전지셀에 대한 냉각 효과를 구현할 수 있다. 아울러, 유체가 하이드로 겔인 경우, 특정 영역에 집중되는 응력의 분산 및 열적 평형 유지에 유리하다. 이와 반대로, 유체로 기체를 사용하는 경우도 상정 가능하나, 상기 유체로 기체를 사용하는 경우에는, 가열된 기체에 의해 전지셀(110)의 온도를 전체적으로 상승시키는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 유체가 유입되는 튜브(1300)를 크로스 빔(1200) 내부에 마련함으로써, 복수의 전지셀(110)들에 일정한 힘을 인가할 수 있고, 전지셀의 스웰링에 의한 팽창 변위를 흡수할 수 있다. 유체를 이용한 제어 방식이기 때문에 전지셀(110)의 스웰링이 발생하더라도 전지셀(110)의 면압이 일정하게 유지될 수 있다.
이하에서는 도 8 및 도 9 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 크로스 빔과 튜브의 세부 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 8은 도 6의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 도 9는 도 6의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 도 8 및 도 9는, 설명의 편의를 위해, 크로스 빔(1200) 인근에 전지 모듈(100a)들이 배치된 형태로 도시하였다.
도 5, 도 6, 도 8 및 도 9를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 크로스 빔(1200)은, 제1 측면부(1210), 제2 측면부(1220) 및 천장부(1230)를 포함하는 프레임부(1200F)를 포함할 수 있다. 튜브(1300)는 이러한 프레임부(1200F)의 내부에 위치할 수 있다.
제1 측면부(1210)와 제2 측면부(1220)는 팩 하우징(1100)의 바닥부(1100F)의 일면과 수직하게 배치될 수 있고, 천장부(1230)는 이러한 제1 측면부(1210)와 제2 측면부(1220)를 연결할 수 있다.
이 때, 제1 측면부(1210)의 일면과 제2 측면부(1220)의 일면이 전지셀(110)들이 적층되는 방향의 전지 모듈(100a)의 양 측면과 평행하도록 크로스 빔(1200)이 배치될 수 있다. 제1 측면부(1210)의 일면에 어느 한 전지 모듈(100a)이 위치할 수 있고, 제2 측면부(1220)의 일면에 다른 한 전지 모듈(100a)이 위치할 수 있다. 크로스 빔(1200)의 제1 측면부(1210)와 제2 측면부(1220)가 전지셀(110)들의 팽창력을 지지할 수 있다.
이 때, 제1 측면부(1210) 또는 제2 측면부(1220) 중 적어도 한 곳에 개방부(1200P)가 형성될 수 있다. 개방부(1200P)는 프레임부(1200F) 중 일 구역이 관통된 형태에 해당할 수 있다. 튜브(1300)는 이러한 개방부(1200P)를 통해 노출되어 전지 모듈(100a)의 일 측면과 접촉할 수 있고, 전지 모듈(100a)을 일정 가압력으로 가압할 수 있다.
특히, 제1 측면부(1210)의 일면과 제2 측면부(1220)의 일면이 전지셀(110)들이 적층되는 방향의 전지 모듈(100a)의 양 측면과 평행하게 배치되는데, 유체(F)가 유입된 튜브(1300)는, 개방부(1200P)를 통해, 전지셀(110)들이 적층되는 방향을 따라 전지 모듈(100a)을 가압할 수 있다.
상기와 같은 구조를 통해, 튜브(1300)는, 내부의 유체(F)의 압력을 이용해 전지셀(110)들에 일정한 가압력을 인가할 수 있다. 튜브(1300) 내 유입되는 유체(F)의 압력과 양을 조정하여, 전지셀(110)에 인가되는 가압력을 최적의 상태로 유지할 수 있다. 또한 전고체 전지 또는 Pure Si 전지의 경우, 초기 가압력이 높아야 전지셀의 성능이 잘 발현된다. 초기 가압력을 높이기 위해 본 실시예와 같이 유체(F)를 이용한 가압 수단을 사용할 수 있다. 또한, 전지셀(110)의 스웰링 발생으로 그 적층 방향을 따라 팽창하더라도, 튜브(1300) 내 유체(F)가 전지셀(110)의 팽창 변위를 흡수할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 튜브(1300)와 연결되어 튜브(1300)에 유체를 공급하는 유체 공급 장치(1400)를 포함할 수 있다. 또한 전지팩(1000)은, 튜브(1300)와 유체 공급 장치(1400)를 연결하고 튜브(1300)에 유입되는 유체(F)의 양을 제어하는 유체 제어 밸브(1500)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전지팩(1000)은, 튜브(1300)에 연결되어, 튜브(1300)의 압력을 측정하는 압력 센서(1600)를 더 포함할 수 있다.
일례로, 크로스 빔(1200)의 프레임부(1200F)는, 제1 측면부(1210), 제2 측면부(1220) 및 천장부(1230)를 포함할 수 있는데, 천장부(1230)가 제1 측면부(1210)의 상측 단부와 제2 측면부(1220)의 상측 단부를 연결할 수 있다. 즉, 제1 측면부(1210), 제2 측면부(1220) 및 천장부(1230)가, 프레임부(1200F)의 단면 상, n자 형태를 이룰 수 있다. 튜브(1300)는, n자 형태의 프레임부(1200F) 내에서, 이와 대응하여 n자 형태로 배치될 수 있다.
이 때, 유체 제어 밸브(1500)나 압력 센서(1600)의 위치에 특별한 제한은 없으나, 상기와 같이 n자 형태를 이루는 프레임부(1200F)의 내측 공간에 위치할 수 있다. 즉, 유체 제어 밸브(1500)는 제1 측면부(1210), 제2 측면부(1220) 및 천장부(1230)에 의해 둘러 쌓인 공간에 위치할 수 있다. 압력 센서(1600)도 마찬가지로, 제1 측면부(1210), 제2 측면부(1220) 및 천장부(1230)에 의해 둘러 쌓인 공간에 위치할 수 있다. 크로스 빔(1200)의 프레임부(1200F) 내부의 공간을 유체 제어 밸브(1500)나 압력 센서(1600)를 배치하는 공간으로 활용할 수 있으므로, 팩 하우징(1100) 내부의 공간 활용률을 높일 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 유체 공급 장치(1400)는, 튜브(1300) 내부로 유체를 공급하는 장치로 통상적인 유체 펌프 또는 압력 수두(pressure head)를 이용하는 장치일 수 있다.
상기 압력 수두를 이용한 유체 공급 장치는 튜브(1300)와 연결되는 유체 공급관을 포함한다. 이때, 상기 유체 공급관은 튜브(1300)의 유체 공급 영역보다 높은 위치에 위치하고, 지면과 수직을 이루는 구조를 갖는다. 그리고, 상기 유체 공급관 내부의 유체의 높이를 조절하여 튜브(1300)에 유입되는 유체(F)의 양을 정할 수 있으며, 이에 따라 튜브(1300)의 압력을 제어할 수 있다. 이러한 경우, 유체 공급 장치는 별도의 동력원 필요 없이도 튜브에 유체 압력을 인가할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 유체 제어 밸브(1500)는 통상적인 밸브 일 수 있으며, 유체 공급 장치(1400)와 튜브(1300) 사이에 연결되어, 튜브(1300)에 유입되는 유체(F)의 유입량을 제어할 수 있다. 이를 통해, 전지셀(110)의 면압을 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 유체 제어 밸브(1500)는 압력 센서(1600)의 신호를 전달받아 작동되며, 유로를 개방 또는 폐쇄시킬 수 있다. 구체적으로, 유체 제어 밸브(1500)는 튜브(1300)의 압력이 기준치 범위 초과 또는 미만인 경우, 유로를 개방하여 유체(F)를 공급 또는 배출시킬 수 있고, 튜브(1300)의 압력이 기준치 범위에 포함되는 경우, 유로를 폐쇄시킬 수 있다.
아울러, 본 실시예에 따른 압력 센서(1600)는 튜브(1300)에 연결되어 유체(F)가 유입된 튜브(1300)의 변화되는 압력을 측정할 수 있다. 또한, 압력 센서(1600)는 유체 제어 밸브(1500)와 연결되어 튜브(1300)의 압력 정보를 전달할 수 있다. 압력 센서(1600)에서 측정된 측정 압력을 기준으로 유체 제어 밸브(1500)의 작동 여부 등이 설정된다.
튜브(1300)에 유체(F)를 공급함으로써, 튜브(1300)의 압력을 높일 수 있으며, 전지셀(110)에 인가되는 초기 가압을 원하는 만큼 줄 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 크로스 빔(1200) 내부의 튜브(1300)에 유체 압력을 가해 전지셀(110)에 대한 적정 가압력을 인가한 상태에서, 최종 조립이 완료될 수 있다.
한편, 전지 모듈(100a) 내부의 전지셀(110)들에 스웰링이 발생하게 되면, 튜브(1300)가 받는 압력은 높아지게 된다. 이러한 경우, 유체 공급 장치(1400)와 유체 제어 밸브(1500)는 튜브(1300)의 압력 값에 따라 작동할 수 있다. 즉, 튜브(1300)의 압력이 기설정된 값을 초과하면, 튜브(1300) 내부의 압력이 기준치로 도달할 때까지 유체 제어 밸브(1500)가 개방되고, 유체 공급 장치(1400)는 튜브(1300) 내부의 유체(F)를 튜브(1300) 외부로 배출할 수 있다. 이를 통해 압력을 낮춰줄 수 있다. 한편, 튜브(1300)의 압력이 기설정된 값 미만이면, 유체 제어 밸브(1500)가 개방되고, 유체 공급 장치(1400)는 튜브(1300) 내부로 유체(F)를 공급할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전지팩(1000)은, 압력 센서(1600)가 측정하는 튜브(1300)의 압력을 토대로, 전지셀 적층체(120)를 지지하는 튜브(1300) 내부의 유체의 유입량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110)들은 일정한 면압을 유지할 수 있다.
종래에는 전지 모듈 내부에 배치된 압축 패드를 이용해 전지셀(110)들의 스웰링을 제어하였는데, 본 실시예에서는, 크로스 빔(1200) 내부의 튜브(1300)의 유체 양을 조절하여 전지셀(110)들의 스웰링을 제어하고, 팽창 변위를 흡수할 수 있으므로, 압축 패드의 개수를 줄일 수 있다. 줄어든 압축 패드의 개수만큼 전지 용량이 늘어나고, 또 부품 수가 절감되는 효과가 있다.
또한, 종래의 경우, 전지 모듈(100a)의 수납 시 전지셀(110)의 공차에 의해 초기 가압 상태가 달라지거나 EOL(End of Life) 조건에서 가압력이 달라질 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 전지 모듈(100a)이 팩 하우징(1100)에 배치되어 전지팩(1000)의 조립이 완료된 이후에도, 유체의 양을 제어하여 인가되는 가압력을 조절할 수 있기 때문에 공차에 의한 초기 가압 상태 변화나 EOL 조건에서의 가압력이 달라지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전지팩(1000)을 분해하는 과정에서도, 튜브(1300) 내부의 유체(F)를 배출하여 압력을 낮추는 방법으로, 쉽게 분해할 수 있다. 또한, 튜브(1300)의 압력을 바탕으로 유체(F)의 양을 조절하는 것이기 때문에 전지 모듈(100a) 마다 달라지는 스웰링 특성을 고려할 필요가 없고, 여러 조건에 대한 스웰링 특성 시험을 수행할 필요가 없다.
한편, 본 실시예에 따른 튜브(1300)는, 개별 전지 모듈 내부에 배치되는 것이 아니라, 크로스 빔(1200)의 내부에 마련된다. 전지팩(1000)의 장착되는 전지 모듈(100a)의 개수가 많아질 경우, 개별 전지 모듈 마다 튜브를 배치하는 형태는 부품수가 많아지고 설치 형태가 복잡해지는 문제가 있다. 반면, 본 실시예에 따른 튜브(1300)는, 크로스 빔(1200)에 마련되어 복수의 전지 모듈(100a)들의 스웰링을 동시에 제어할 수 있다. 크로스 빔(1200) 내부의 튜브(1300)가, 전지셀(110)들의 적층 방향을 따라 각 전지 모듈(100a)을 가압할 수 있는 형태이기 때문에 각 전지 모듈(100a)들의 스웰링을 모두 제어하는데 문제가 없다. 따라서, 본 실시예의 경우, 개별 전지 모듈 각각에 튜브를 배치하는 경우에 비해, 적은 부품과 간편한 설치 형태를 갖는 장점이 있다. 그렇다고 하더라도, 전지셀(110)들의 가압력과 면압을 일정하게 유지하고, 팽창 변위를 흡수함에는 문제가 없다.
한편, 도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100b)을 나타낸 분해 사시도이다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100b)은, 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층되는 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)가 수납되는 모듈 프레임(210) 및 모듈 프레임(210)의 개방된 양측에 위치하는 엔드 플레이트(220)들을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 전지 모듈(100a)과 비교하여, 전지셀 적층체(120)의 형태는 상호 동일 내지 유사하나, 전지셀 적층체(120)가 모듈 프레임(210)에 수납되는 것에 차이가 있다.
모듈 프레임(210)은, 도시된 것처럼, 상면, 하면 및 양측면이 일체화된 모노 프레임 형태일 수 있다. 다른 실시예로써, 하면 및 양 측면이 일체화된 U자형 프레임에 상부 커버가 용접 접합 등으로 결합된 형태의 모듈 프레임도 가능하다.
모듈 프레임(210)은 마주하는 양 측이 개방된 형태이고, 이러한 개방된 부분으로 전지셀 적층체(120)가 수납된다. 수납 이후에는 모듈 프레임(210)의 개방된 부분을 엔드 플레이트(220)가 커버하도록, 모듈 프레임(210)과 엔드 플레이트(220)가 결합된다.
앞서 설명한 전지 모듈(100a)뿐만 아니라, 본 실시예의 전지 모듈(100b)도 튜브가 내부에 위치한 크로스 빔과 함께 팩 하우징에 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
전지셀(110)들이 충, 방전을 반복함에 따라 전지셀(110)들에 스웰링이 발생하여 팽창하는데, 이러한 형태의 전지 모듈(100b)의 경우, 모듈 프레임(210)에 가해지는 힘이 상기 팽창과 함께 점진적으로 증가한다. 종래에는 이를 견디기 위해서는 모듈 프레임(210)의 두께를 두껍게 설정할 필요가 있었다. 그러나 본 실시예에 따른 전지팩의 경우, 유체를 이용해 전지셀(110)의 가압력을 일정하게 유지하고, 팽창 변위를 흡수할 수 있기 때문에 모듈 프레임(210)의 두께를 얇게 설정할 수 있다. 따라서, 전지 모듈(100b)을 비롯한 전체 전지팩의 관점에서, 그 무게를 줄이고, 전지 용량을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 종래에 전지셀 적층체(120)를 모듈 프레임(210)에 수납할 때, 전지셀(110)들에 적정한 초기 가압을 인가하기 위해서, 앞서 설명한 U자형 프레임의 좌우를 벌리거나, 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 일정 이상의 가압력을 인가한 채로 수납을 실시하였다. 그러나 본 실시예에 따른 전지팩의 경우, 전지 모듈(100b)들이 팩 하우징에 배치된 이후에, 튜브(1300) 내부의 유체 양을 조절하여 인가되는 압력을 조절할 수 있기 때문에 종래와 같이 전지셀 적층체(120)를 모듈 프레임(210) 내부에 어렵게 수납할 필요가 없다. 즉, 전지셀 적층체(120)를 모듈 프레임(210) 내부에 편하게 수납하고, 전지 모듈(100b)을 크로스 빔(1200) 인근에 배치하고 나서, 튜브(1300)의 압력을 높이는 방식으로 초기 가압을 실시할 수 있다.
한편, 도 5 및 도 7을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 크로스 빔(1200)의 연장 방향과 수직한 방향으로 연장되는 수직 빔(1700)을 더 포함할 수 있다. 배치되는 전지 모듈의 개수가 많아질 경우, 전지 모듈들을 지지하고 견고한 구조를 형성하기 위해, 적정한 수의 수직 빔(1700)을 배치할 수 있다.
이하에서는 도 11 내지 도 21을 참고하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 설계 방한에 대해 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 12는 도 11의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 13은 도 12의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 어느 하나를 나타낸 평면도이다.
도 11 내지 도 13을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층되는 전지셀 적층체(120); 및 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(200);을 포함한다. 또한, 전지 모듈(100)은 적어도 하나의 압축 패드(400)를 더 포함할 수 있다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접합하여 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형 시트 형상일 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 접합함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 나머지 다른 일측부는 폴딩부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이를 전지셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 폴딩부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
한편, 전극 리드(111, 112)가 일측과 타측의 양 방향으로 돌출된 구조의 전지셀(110)에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로써, 전극 리드가 일 방향으로 함께 돌출된 단방향의 파우치형 전지셀도 가능함은 물론이다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지 셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 접착부를 마련하여 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 접착부는 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제일 수 있다. 접착부에 대해서는 후술하도록 한다.
복수의 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성하는데, 장방형 시트 구조의 전지셀(110)들이 전지 본체(113)의 일면끼리 마주한 상태에서 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 보다 구체적으로, 전지셀(110)들의 상기 일면이 후술하는 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)와 평행하도록 전지셀(110)들이 직립 형태로 적층될 수 있다. 도 12에는 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한 모습이 나타나 있다. 이에 따라 전지셀 적층체(120)에서 전극 리드(111, 112)들은 x축 방향과 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다.
모듈 프레임(200)은, 일측과 타측이 개방된 형태의 프레임일 수 있다. 모듈 프레임(200)의 개방된 일측 또는 타측을 통해 전지셀 적층체(120)가 삽입되어, 전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임(200)의 내부 공간에 수용될 수 있다.
모듈 프레임(200)은 전지셀(110)들의 적층 방향에 따른 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 각각 커버하는 측면부(210, 220)들을 포함한다. y축 방향을 따라 적층된 전지셀(110)들에 있어서, 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)들 각각이 전지셀 적층체(120)의 y축 방향의 측면과 -y축 방향의 측면을 커버할 수 있다.
또한, 모듈 프레임(200)은, 측면부(210, 220)들을 연결하는 상면부(230) 및 하면부(240)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임(200)의 상면부(230)와 하면부(240)가 각각 모듈 프레임(200) 내부에 수납된 전지셀 적층체(120)의 상면과 하면을 커버할 수 있다.
한편, 도 12에 도시된 모듈 프레임(200)은 측면부(210, 220)들, 상면부(230) 및 하면부(240)가 일체화된 형태이나, 본 발명의 다른 실시예로써, 모듈 프레임이 U자형 프레임과 상부 커버가 접합된 형태일 수 있다. 전지셀 적층체의 양 측면과 하면을 커버하는 U자형 프레임과 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 커버가 서로 대응하는 모서리끼리 접합되어 모듈 프레임을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)와 함께 모듈 프레임(200)에 수납되는 버스바 프레임(500)을 포함할 수 있다. 버스바 프레임(500)은 전지셀 적층체(120) 중 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 일면과 타면에 각각 위치하는 전면 프레임(510) 및 후면 프레임(520)을 포함할 수 있다. 또한, 버스바 프레임(500)은, 전면 프레임(510)과 후면 프레임(520) 각각과 연결되고, 전지셀 적층체(120)의 상부에 위치하는 상부 프레임(530)을 더 포함할 수 있다.
전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)들의 전극 리드(111, 112)를 연결하기 위한 버스바(540)가 전면 프레임(510) 및 후면 프레임(520)에 장착될 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)들이 전면 프레임(510) 및 후면 프레임(520)에 형성된 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(540)에 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 이러한 방식으로, 전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)들이 전기적 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(200)의 개방된 서로 대향하는 양측에 위치하는 엔드 플레이트(300)들을 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(300)들이 모듈 프레임(200)의 개방된 일측과 타측을 덮도록 제공될 수 있다. 즉 2개의 엔드 플레이트(300)가 모듈 프레임(200)의 개방된 양측에 위치하여, 모듈 프레임(200)의 대응하는 모서리와 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(300)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
도 14는 도 11의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면도이다.
도 12 내지 도 14를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 이웃한 전지셀(110)들 사이 또는 전지셀(110)들 중 최외측에 위치한 전지셀(110)과 측면부(210, 220) 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 적어도 하나의 압축 패드(400)를 포함한다.
압축 패드(400)는, 폼(Foam) 형태의 부재로 전지셀들의 스웰링(swelling)을 일부 흡수할 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)은, 충전과 방전이 반복됨에 따라 퇴화 등으로 인해 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 그리고, 이처럼 내부에서 가스가 발생한 경우, 내압이 증가함으로써, 외장재의 적어도 일부분이 부풀어오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지의 경우, 캔형 이차 전지에 비해, 외장재의 구조적 강성이 약해서 스웰링 현상은 더욱 심하게 발생할 수 있다.
이처럼, 이차 전지에 스웰링 현상이 발생하면, 전지 내부의 압력이 높아지고 부피가 증가하여, 전지 모듈의 구조적 안정성에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 이에 전지 모듈(100) 내부에 압력이 가해지면 압축되는 압축 패드(400)를 배치함으로써, 전지셀(110)의 스웰링을 일부 흡수하고자 하였다. 압축 패드(400)는 압축되어 전지셀(110)의 스웰링을 흡수할 수 있다면 그 소재에 특별한 제한은 없고, 일례로 폴리우레탄 소재를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 15 내지 도 21을 참고하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 설계 방안에 대해 설명하도록 한다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 모듈 강성 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프들이다. 도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 모듈 강성 곡선의 범위를 나타낸 그래프이다.
도 12, 도 14, 도 15 내지 도 18을 함께 참고하면, 상술한 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 전지셀(110)들이 적층된 전지셀 적층체(120)가 모듈 프레임(200)에 수납될 수 있다. 전지 모듈 내에서 전지셀(110)들이 모듈 프레임(200)의 측면부(210)에서 다른 측면부(220)까지 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 또한, 이웃한 전지셀(110)들 사이 또는 최외측의 전지셀(110)과 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220) 사이 중 적어도 한곳에 압축 패드(400)가 개재될 수 있다.
이 때, 모듈 프레임(200)에 기인한 모듈 강성 곡선(C1)과 전지셀(110)들이 스웰링 특성을 나타내는 전지셀 적층체(120)의 P-D(Pressure-Displacement) 곡선(C3)을 각각 산출하고, 이들을 하나의 그래프에 피팅(fitting)한다. 이후, 양 곡선들 간의 평형점(교점)을 찾는 방식으로 전지 모듈의 스웰링 거동을 예측할 수 있다.
도 15 내지 도 17에는 모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 간의 교점(P, P’, P”)들이 도시되어 있다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)은, 전지셀(110)들의 스웰링에 따라 전지셀(110)의 두께가 변화함에 있어, 변화 정도에 따라 전지셀(110)들이 받는 면압(Surface pressure)의 관계를 도시한 그래프이다. 이러한 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)은 전지셀(110)들의 EOL(End of Life) 상태에서 측정될 수 있다. 여기서, EOL이란 전지의 초기 용량(initial capacity) 대비 전지의 현재 용량의 비율이 미리 정한 비율에 도달했을 때의 상태를 지칭하는 것으로, 상기 비율은 80%일 수 있다. 즉, EOL은, 전지의 용량이 초기의 80%에 도달했을 때의 배터리 상태를 가리킬 수 있으며, 해당 전지의 수명이 종료되거나 교체가 필요한 상태에 해당할 수 있다. 한편, 모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)은, 전지셀(110)들이 적층되는 방향에 따른 모듈 프레임(200)의 폭(W)이 변화하는 정도와 모듈 프레임(200)에 가해지는 하중의 관계를 도시한 그래프이다. 전지셀(110)들이 적층되는 방향은 모듈 프레임(200)의 어느 한 측면부(210)에서 다른 측면부(220)까지의 방향에 해당하며, 이하에서 전지셀(110)들이 적층되는 방향은 폭 방향이라고 지칭한다. 또한, 모듈 프레임(200)의 폭(W, W’)은 어느 한 측면부(210)에서 다른 측면부(220)까지의 거리를 의미한다. 모듈 강성 곡선(C1)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 각각에 대해서는 아래에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)의 각각에서, X축은 변형률에 해당하고 단위는 %일 수 있고, Y축은 인가되는 면압(Surface pressure)에 해당하고 단위는 MPa일 수 있다.
모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 간의 교점(P, P’, P”)들은, 전지셀 적층체(120)의 스웰링에 따른 거동과 모듈 프레임(200)의 변형에 따른 거동이 평형을 이루는 지점에 해당한다. 바꾸어 말하면, EOL(End of Life) 상태에서 특정 P-D 곡선(C3)을 보이는 전지셀 적층체(120)가 특정 모듈 강성 곡선(C1)을 보이는 모듈 프레임(200)에 수납된 전지 모듈의 경우, 해당 전지 모듈은 EOL 상태에서 교점(P, P’, P”)에 해당하는 변형률과 면압을 갖는 것으로 예측할 수 있다. 즉, 해당 전지 모듈은 EOL 상태에서 폭 방향으로 교점(P, P’, P”)의 X축 값에 해당하는 만큼 변형되고, 교점(P, P’, P”)의 Y축 값에 해당하는 만큼 전지셀(110)들과 모듈 프레임(200)이 면압을 받는다.
이 때, 도 15에 도시된 것처럼 상기 교점(P)은, 변형 한계점(x1)과 압력 한계점(y1) 내에 위치하는 것이 바람직하다. 변형 한계점(x1)은 12%이고, 압력 한계점(y1)은 0.9MPa이다. 즉, 해당 교점(P)의 X축 값이 변형 한계점(x1)인 12% 이하이고, 해당 교점(P)의 Y축 값이 압력 한계점(y1)인 0.9MPa이하인 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, EOL 상태에서, 전지셀(110)들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 전지셀(110)들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하일 수 있다.
도 16에 도시된 것처럼, 교점(P’)의 Y축 값이 압력 한계점(y1)을 넘어선 경우, EOL 상태에서 해당 전지 모듈의 전지셀(110)들과 모듈 프레임(200)에 압력 한계점(y1)을 넘어선 면압이 인가될 것으로 예측된다. 전지셀(110)들에 압력 한계점(y1)인 0.9MPa를 넘은 압력이 인가될 경우, sudden drop과 같은 전지셀(110)들의 수명 성능 저하의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 모듈 프레임(200)에 압력 한계점(y1)인 0.9MPa를 넘은 압력이 인가될 경우, 항복 강도를 넘어선 면압이 인가되어 모듈 프레임(200)이 손상 및 변형될 수 있다.
도 17에 도시된 것처럼, 교점(P”)의 X축 값이 변형 한계점(x1)을 넘어선 경우, EOL 상태에서 해당 전지 모듈이 폭 방향으로 변형 한계점(x1)보다 더 변형될 것으로 예측된다. 이는, 전지셀(110)들의 팽창에 따른 두께 변화가 과도하게 허용되는 것을 의미하고, 전지셀(110)내에서 전극 리드와 탭 간의 단선, 전지셀(110)의 파우치형 전지 케이스에 크랙 발생 등의 문제를 일으킬 수 있다. 또한, 변형 한계점(x1)인 12% 보다 더 전지 모듈이 변형될 것으로 예측되기 때문에 전지팩 내부에서 전지 모듈이 차지하는 공간이 과도하게 증가되고, 이는 전지 모듈과 전지팩의 에너지 밀도가 저하되는 것에 원인이 된다.
한편, 도 18을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 경우, 모듈 강성 곡선(C1)이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%)의 기울기 범위에서 산출될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 모듈 강성 곡선(C1)이, 기울기(Sb) 값이 0.00417 MPa/%인 하한 모듈 강성 곡선(C1b)과, 기울기(Sa) 값이 0.225 MPa/%인 상한 모듈 강성 곡선(C1a) 사이의 범위에 형성될 수 있다. 모듈 강성 곡선(C1)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 간의 교점(P)이 변형 한계점(x1)과 압력 한계점(y1) 내의 범위에 위치하기 위해서, 모듈 강성 곡선(C1)이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 모듈 강성 곡선(C1)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 모듈 강성 곡선(C1)은, 상술한 것처럼, 전지셀(110)들이 적층되는 방향에 따른 모듈 프레임(200)의 폭이 변화하는 정도와 모듈 프레임(200)에 가해지는 하중의 관계를 도시한 그래프이다. 모듈 강성 곡선(C1)의 관점에서 X축은 모듈 프레임(200)이 폭 방향을 따른 변형률(%)에 해당한다. 상기 변형률은, 변형되기 전의 모듈 프레임(200)의 폭(W, 도 14 참조) 대비, 폭 방향을 따라 변형된 모듈 프레임(200)의 폭(W’, 도 14 참조)을 토대로 계산될 수 있다. 예를 들어, 변형되기 전의 모듈 프레임(200)의 폭(W, 도 14 참조) 대비, 모듈 프레임(200)의 폭이 변형된 정도(W’- W)의 비율로 상기 변형률이 계산될 수 있다. 모듈 강성 곡선(C1)의 관점에서 Y축은, 모듈 프레임(200)의 변형률에 따라 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)에 인가되는 면압(MPa)에 해당할 수 있다.
모듈 강성 곡선(C1)을 산출하기 위해 우선 프레임 강성 곡선을 산출할 수 있다. 프레임 강성 곡선은, 모듈 프레임(200)이 변형률과 모듈 프레임(200)에 인가되는 면압의 관계에 대한 그래프이다. 이러한 프레임 강성 곡선은, 수회의 실제 테스트 또는 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있다. 예를 들어, 모듈 프레임(200)에 실제 힘을 인가하고 이에 따른 모듈 프레임(200)의 폭 방향 변형 정도를 측정하는데, 인가되는 힘을 변화시켜가면서 반복 수행함으로써 프레임 강성 곡선을 도출해낼 수 있다. 이러한 프레임 강성 곡선에 압축 패드(400)에 따른 영향을 고려하여 모듈 강성 곡선(C1)이 도출될 수 있다. 구체적으로, 압축 패드(400)에 인가되는 면압 대비 압축 패드(400)가 압축되는 정도 및 압축 패드(400)의 개수를 프레임 강성 곡선에 반영하여 최종적으로 모듈 강성 곡선(C1)이 도출될 수 있다.
이하에서는 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)에 대해 자세히 설명하도록 한다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)은, 상술한 것처럼, 스웰링에 따라 전지셀(110)의 두께가 변화함에 있어, 변화 정도에 따라 전지셀(110)들이 받는 면압의 관계를 도시한 그래프이다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)의 관점에서, X축은, 전지셀 적층체(120)의 폭 방향에 따른 변형률(%)에 해당할 수 있고, Y축은 전지셀 적층체(120)에 포함되는 전지셀(110)들에 인가되는 면압(MPa)에 해당할 수 있다.
이하에서는 도 19 및 도 20을 참고하여, 이러한 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)을 산출하는 과정에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 19는 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 19를 참고하면, 단일의 전지셀(110)의 충, 방전 싸이클에 따른 두께 변화량과 면압을 측정할 수 있다. 구체적으로, 두께 변화가 제한되는 고정 지그 내에 단일의 전지셀(110)을 위치시킨 뒤 충, 방전 싸이클을 반복한다. 이후, 해당 고정 지그에 배치된 로드셀을 통해 a0의 면압 값을 측정한다. 측정된 a0는 Y축 상의 P0로 표시된다. 다음 스프링 등에 의해 두께 변화가 가능한 가변 지그 내에 단일의 전지셀(110)을 위치시킨 뒤, 충, 방전 싸이클을 반복한다. 이후, 해당 가변 지그에 배치된 로드셀을 통해 a1의 면압 값을 측정하고, 전지셀(110)의 증가된 두께를 측정하여 b1의 두께 변형률을 계산한다. 해당 a1과 b1은 P1 지점으로 표시된다. 가변 지그의 스프링 상수를 달리하고 상기 측정 과정을 반복하여 a2, a3, a4의 면압 값들과 b2, b3, b4의 변형률 값들 각각 측정한다. 이러한 값들을 바탕으로 좌표 점 P2, P3, P4를 표시하고, 하나의 곡선 C2를 도출할 수 있다. 그리고, 이와 같이 도출된 곡선(C2)이 단일의 전지셀의 P-D(Pressure-Displacement) 곡선에 해당한다.
도 20은, 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 19와 도 20을 함께 참고하면, 도 19에서 설명한 과정을 통해 얻어진 단일의 전지셀의 P-D 곡선(C2)에, 전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)들의 개수를 반영하여 전지셀 적층체(120)의 P-D 곡선(C3)를 얻을 수 있다. 전지셀(110)들의 개수가 많아질수록 변형 정도에 따라 요구되는 면압이 증가하기 때문에 전지셀 적층체(120)의 P-D 곡선(C3)은 단일의 전지셀의 P-D 곡선(C2)에 비해 당연히 위쪽 부분에 위치하게 된다.
도 21은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에 대한 모듈 강성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 21을 참고하면, 실시예 1 내지 4 각각의 모듈 강성 곡선이 도시되어 있다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선들은 도시되어 있지 않으나, 실시예 1 내지 4 각각의 모듈 강성 곡선이, 실시예 1 내지 4 각각의 전지셀 적층체의 P-D 곡선과 만나는 평형점(교점)은 표시가 되어 있다.
상술한 방식에 따라 예측되는 전지 모듈의 스웰링 거동을 살펴보면, EOL 상태에서 실시예 1의 전지 모듈은, 5.4% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.8MPa의 면압을 받을 것으로 예측된다. 또한, EOL 상태에서 실시예 2의 전지 모듈은, 6.7% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.71MPa의 면압을 받을 것으로 예측된다. 또한, EOL 상태에서 실시예 3의 전지 모듈은, 6.1% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.29MPa의 면압을 받을 것으로 예측된다. 마지막으로, EOL 상태에서 실시예 4의 전지 모듈은, 9.3% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.44MPa 만큼 면압을 받을 것으로 예측된다.
실시예 1 내지 4의 전지 모듈 모두, EOL(End of Life) 상태에서, 전지셀들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 상기 전지셀들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하이다. 또한, 실시예 1 내지 4의 전지 모듈은, 모듈 강성 곡선이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출된다. 즉, 실시예 1 내지 4의 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 기울기(Sb) 값이 0.00417 MPa/%인 하한 모듈 강성 곡선(C1b)과, 기울기(Sa) 값이 0.225 MPa/%인 상한 모듈 강성 곡선(C1a) 사이의 범위에 형성될 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 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]
100a, 100b: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
1000: 전지팩
1100: 팩 하우징
1200: 크로스 빔
1300: 튜브

Claims (17)

  1. 복수의 전지셀들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체를 포함하는 전지 모듈;
    상기 전지 모듈이 수납되는 팩 하우징;
    상기 팩 하우징의 바닥부 상에 배치되는 크로스 빔; 및
    상기 크로스 빔의 내부에 배치되는 튜브를 포함하고,
    상기 크로스 빔은, 상기 전지 모듈에 대해 상기 전지셀들의 적층 방향의 일 측면에 위치하며, 상기 전지셀들의 적층 방향과 수직한 방향을 따라 이어지는 형태이고,
    상기 튜브의 내부에 유체가 유입되는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀들은, 상기 전지 모듈 내에서, 상기 팩 하우징의 상기 바닥부의 일면에 수직하게 직립한 채 일 방향을 따라 적층되는 전지팩.
  3. 제1항에서,
    상기 크로스 빔은, 제1 측면부, 제2 측면부 및 천장부를 포함하는 프레임부를 포함하는 전지팩.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 측면부의 일면과 상기 제2 측면부의 일면이 상기 전지셀들이 적층되는 방향의 상기 전지 모듈의 양 측면과 평행하도록 상기 크로스 빔이 배치되는 전지팩.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 측면부 또는 상기 제2 측면부 중 적어도 한 곳에 개방부가 형성되고,
    상기 튜브는 상기 개방부를 통해 노출되어 상기 전지 모듈과 접촉하는 전지팩.
  6. 제1항에서,
    상기 유체가 유입된 상기 튜브는, 상기 전지셀들이 적층되는 방향을 따라 상기 전지 모듈을 가압하는 전지팩.
  7. 제1항에서,
    상기 튜브와 연결되어 상기 튜브에 상기 유체를 공급하는 유체 공급 장치를 더 포함하는 전지팩.
  8. 제7항에서,
    상기 튜브와 상기 유체 공급 장치를 연결하고, 상기 튜브에 유입되는 상기 유체의 양을 제어하는 유체 제어 밸브를 더 포함하는 전지팩.
  9. 제8항에서,
    상기 튜브에 연결되어, 상기 튜브의 압력을 측정하는 압력 센서를 더 포함하는 전지팩.
  10. 제8항에서,
    상기 크로스 빔은, 제1 측면부, 제2 측면부 및 천장부를 포함하는 프레임부를 포함하고,
    상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부 및 상기 천장부가, 상기 프레임부의 단면상, n자 형태를 이루는 전지팩.
  11. 제10항에서,
    상기 유체 제어 밸브는, 상기 제1 측면부, 상기 제2 측면부 및 상기 천장부에 의해 둘러 쌓인 공간에 위치하는 전지팩.
  12. 제10항에서,
    상기 튜브는, n자 형태의 상기 프레임부 내에서, n자 형태로 배치되는 전지팩.
  13. 제1항에서,
    상기 튜브는 연질 또는 탄성 재질이고,
    상기 튜브의 내부에 유입되는 상기 유체는, 액체 또는 겔 상태인 전지팩.
  14. 제1항에서,
    상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 더 포함하고,
    상기 전지셀들이 상기 모듈 프레임의 측면부에서 다른 측면부까지 일 방향을 따라 적층되고,
    이웃한 상기 전지셀들 사이 또는 최외측의 상기 전지셀과 상기 모듈 프레임의 측면부 사이 중 적어도 한곳에 압축 패드가 개재되며,
    EOL(End of Life) 상태에서, 상기 전지셀들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 상기 전지셀들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하인 전지팩.
  15. 제14항에서,
    상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출되고,
    상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 변형률과 상기 모듈 프레임에 인가되는 면압 간의 관계에 대응하는 전지팩.
  16. 제15항에서,
    상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 프레임 강성 곡선에, 상기 압축 패드에 인가되는 면압 대비 상기 압축 패드가 압축되는 정도 및 상기 압축 패드의 개수를 반영하여 도출되는 전지팩.
  17. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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