KR102169631B1 - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들, 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 셀 하우징 및 셀 하우징의 상측을 모두 커버하며, 층상 구조의 전극 연결층들을 통해 복수 개의 배터리 셀들의 전극들과 전기적으로 연결되는 커버 버스바를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로, 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각장치가 반드시 필요하다.
종래 배터리 모듈은, 일반적으로, 이러한 냉각을 위해 배터리 셀들과 히트 싱크 사이에 열전도물질(Thermal Interface Material; TIM)을 접촉시켜 열을 내보내는 냉각 구조를 적용하였다.
그러나, 이러한 종래 냉각 구조에서는 낮은 냉각 성능으로 인해 배터리 모듈 및 배터리 팩, 나아가 이들 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구비하는 전기 자동차 등의 성능을 높이기 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 냉각 성능을 극대화할 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 셀 하우징; 및 상기 셀 하우징의 상측을 모두 커버하며, 층상 구조의 전극 연결층들을 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들의 전극들과 전기적으로 연결되는 커버 버스바;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 커버 버스바는, 상기 전극 연결층들 및 상기 전극 연결층들의 절연을 위한 절연층들의 층상 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전극 연결층들은, 상기 절연층들 사이에 배치될 수 있다.
상기 커버 버스바는, 상기 커버 버스바의 하측을 이루며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 마주 하는 제1 절연층; 상기 제1 절연층의 상측에 배치되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극들과 전기적으로 연결되는 제1 전극 연결층; 상기 제1 전극 연결층의 상측에 배치되는 제2 절연층; 상기 제2 절연층의 상측에 배치되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양극 및 음극 중 다른 하나의 전극들과 전기적으로 연결되는 제2 전극 연결층; 및 상기 제2 전극 연결층의 상측에 배치되며, 상기 커버 버스바의 상측을 이루는 제3 절연층;을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 연결층과 상기 제2 전극 연결층은, 플렉시블 인쇄회로기판으로 구비될 수 있다.
상기 제1 전극 연결층 및 상기 제2 전극 연결층 중 적어도 하나의 테두리에는, 절연 패턴이 마련될 수 있다.
상기 커버 버스바의 테두리는, 상기 셀 하우징의 테두리와 시밍 접합될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 셀 하우징 내에 상기 복수 개의 배터리 셀들이 부분적으로 잠길 수 있게 채워지며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 냉각을 가이드하기 위한 상변화물질;을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 셀 하우징 및 상기 커버 버스바 중 적어도 하나에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들을 냉각시키기 위한 히트 싱크;를 포함할 수 있다.
상기 상변화물질은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 온도 상승 시 기화되어 상기 커버 버스바 측으로 이동하며, 상기 히트 싱크에 의해 액화되어 상기 셀 하우징의 하측으로 이동할 수 있다.
상기 셀 하우징의 내벽 상측에는, 상기 액화된 상기 상변화물질의 상기 셀 하우징의 하측으로의 이동을 가이드하는 가이드 리브;가 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들은, 원통형 이차 전지일 수 있다.
그리고, 본 발명은, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 냉각 성능을 극대화할 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈의 단면도이다.
도 4는 도 2의 배터리 모듈의 커버 버스바의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 커버 버스바의 평면도이다.
도 6 내지 도 9는 도 5의 커버 버스바와 배터리 셀들의 전극 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 셀 하우징(200), 적어도 하나의 셀 고정부재(300, 400), 히트 싱크(500), 상변화물질(600) 및 커버 버스바(700)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(100)은 복수 개로 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 원통형 이차 전지로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 상호 적층되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상부 중앙에는 양극(110)이 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 테두리를 포함한 외측면 및 저면에는 음극(130)이 구비될 수 있다.
상기 셀 하우징(200)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 상기 셀 하우징(200)에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다.
상기 셀 하우징(200)의 내부에는 가이드 리브(220)가 마련될 수 있다.
상기 가이드 리브(200)는 상기 셀 하우징(200)의 내벽 상측에 구비되며, 후술하는 상변화물질(600)의 액화(L) 시 상기 상변화물질(600)의 하측으로의 이동을 가이드할 수 있다. 구체적으로, 상기 가이드 리브(200)는 후술하는 액화(L)되는 상변화물질(600)의 후술하는 바텀 플레이트(800) 측으로의 보다 더 빠른 이동을 가이드할 수 있다.
상기 적어도 하나의 셀 고정부재(300, 400)는 상기 셀 하우징(200) 내에서 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 이동을 방지할 수 있게 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 고정할 수 있다.
이러한 상기 셀 고정부재(300, 400)는 한 쌍으로 구비될 수 있다. 상기 한 쌍의 셀 고정부재들(300, 400)은, 상측 셀 고정부재(300) 및 하측 셀 고정부재(400)로 이루어질 수 있다.
상기 상측 셀 고정부재(300)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상부가 삽입되며, 상기 셀 하우징(200)의 내부 상측에 고정될 수 있다. 이를 위해, 상기 상측 셀 고정부재(300)에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상부가 삽입되는 복수 개의 셀 삽입홀들(350)이 형성될 수 있다.
상기 하측 셀 고정부재(400)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하부가 삽입되며, 상기 셀 하우징(200)의 내부 하측에 고정될 수 있다. 이를 위해, 상기 하측 셀 고정부재(400)에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하부가 삽입되는 복수 개의 셀 삽입홀들(450)이 형성될 수 있다.
상기 히트 싱크(500)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 냉각시키기 위한 것으로서, 상기 셀 하우징(200)의 양측면에 장착될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 히트 싱크(500)는 후술하는 커버 버스바(700)의 상측에 장착되는 것도 가능할 수 있다. 정리하면, 상기 히트 싱크(500)는 상기 셀 하우징(200) 및 후술하는 커버 버스바(700) 중 적어도 하나에 장착될 수 있다.
상기 상변화물질(600)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각을 가이드하기 위한 것으로서, 상기 셀 하우징(200) 내에 부분적으로 채워질 수 있다. 이에 따라, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 상기 셀 하우징(200) 내에서 상기 상변화물질(600)에 부분적으로 잠길 수 있다.
상기 상변화물질(600)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 온도 상승 시 기화(V)되어 후술하는 커버 버스바(700) 측으로 이동하며, 상기 히트 싱크(500)에 의해 액화(L)되어 상기 셀 하우징(200)의 저부 측으로 이동할 수 있다. 이러한 기화(V) 및 액화(L)는 순환 반복될 수 있으며, 이를 통해, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각은 보다 더 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 상변화물질(600)은 보다 효과적인 순환을 위해 불소 계열의 낮은 끓는점을 갖는 물질로 마련될 수 있다. 예로써, 상기 상변화물질(600)은 35도 내지 50도 사이의 끓는점을 갖는 물질로 구비될 수 있다. 아울러, 상기 상변화물질(600)은 소화 기능을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(10) 내에서 화재 발생 시 상기 상변화물질(600)을 통해 신속히 화재를 진압할 수 있다.
상기 커버 버스바(700)는 상기 셀 하우징(200)의 상측을 모두 커버할 수 있다. 여기서, 상기 커버 버스바(700)는 상기 셀 하우징(200)과 시밍 구조를 통해 결합될 수 있다. 이는 상기 셀 하우징(200)의 기밀 구조를 극대화하기 위한 것으로서, 상기 셀 하우징(200) 내의 상기 상변화물질(600)의 증발을 방지하기 위함이다. 상기 시밍 구조는 상기 커버 버스바(700)의 테두리 및 상기 셀 하우징(200)의 상측 테두리에서 이루어질 수 있다. 즉, 상기 커버 버스바(700)의 테두리는 상기 셀 하우징(200)의 상측 테두리와 시밍 접합될 수 있다.
이러한 상기 커버 버스바(700)는 후술하는 층상 구조의 전극 연결층들(710, 730)을 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전극들(110, 130)과 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 상기 커버 버스바(700)를 통해 상기 셀 하우징(200)의 기밀 구조 구현을 위한 커버로서 기능함과 아울러 상기 배터리 셀들(100)의 전극들(110, 130)의 전기적 연결을 위한 버스바로서도 기능할 수 있다.
이하에서는, 상기 커버 버스바(700)의 전극 연결 구조에 대해 하기 도 4 내지 도 9를 참조하여 보다 더 자세히 살펴 본다.
도 4는 도 2의 배터리 모듈의 커버 버스바의 분해 사시도이며, 도 5는 도 4의 커버 버스바의 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 커버 버스바(700)는, 전극 연결층들(710, 730) 및 상기 전극 연결층들(710, 730)의 절연을 위한 절연층들(750, 770, 790)의 층상 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전극 연결층들(710, 730)은, 상기 절연층들(750, 770, 790) 사이에 배치되며, 제1 전극 연결층(710) 및 제2 전극 연결층(730)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 연결층(710)은 후술하는 제1 절연층(750)의 상측에 배치되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극(110) 및 음극(130) 중 어느 하나의 전극들(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이하, 본 실시예에서, 상기 제1 전극 연결층(710)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극들(110)과 전기적으로 연결되는 것으로 한정하여 설명한다.
이러한 상기 제1 전극 연결층(710)은 플렉시블 인쇄회로기판으로 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극들(110)과 용접 결합을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
아울러, 상기 제1 전극 연결층(710)은 상기 배터리 모듈(10)의 외부 전원 등과의 연결을 위해 외부 양극 대전류단자(T1)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구체적인 전기적 연결 구조에 대해서는 하기 도 6 및 도 7에서 보다 자세히 살펴 본다.
상기 제1 전극 연결층(710)은, 전극 투과홀(712) 및 절연 패턴(715)을 포함할 수 있다.
상기 전극 투과홀(712)은 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130, 도 9 참조)과 상기 제2 전극 연결층(730)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
여기서, 상기 전극 투과홀(712)은 상기 제1 전극 연결층(710)과 상기 제2 전극 연결층(730)의 접촉 위험을 보다 더 확실히 방지할 수 있게 후술하는 절연층(750, 770, 790)의 제2 전극 투과홀(756, 774, 794)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 절연 패턴(715)은 상기 제1 전극 연결층(710)의 테두리를 따라 형성되며, 상기 셀 하우징(200)과 상기 커버 버스바(700)의 시밍 접합 시 상기 제1 전극 연결층(710)의 테두리 안쪽 부분과 상기 셀 하우징(200) 사이를 절연시킬 수 있다.
상기 제2 전극 연결층(730)은 후술하는 제2 절연층(770)의 상측에 배치되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극(110) 및 음극(130) 중 다른 하나의 전극들(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이하, 본 실시예에서, 상기 제2 전극 연결층(730)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 음극들(130)과 전기적으로 연결되는 것으로 한정하여 설명한다.
이러한 상기 제2 전극 연결층(730)은 상기 제1 전극 연결층(710)과 같이 플렉시블 인쇄회로기판으로 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 음극들(130)과 용접 결합을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
아울러, 상기 제2 전극 연결층(730)은 상기 배터리 모듈(10)의 외부 전원 등과의 연결을 위해 외부 음극 대전류단자(T2)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구체적인 전기적 연결 구조에 대해서는 하기 도 8 및 도 9에서 보다 자세히 살펴 본다.
상기 제2 전극 연결층(730)은, 전극 투과홀(732) 및 제1 단자 투과홈(736)을 포함할 수 있다.
상기 전극 투과홀(732)은, 상기 배터리 셀들(110)의 양극들(110, 도 7 참조)과 상기 제1 전극 연결층(710)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
여기서, 상기 전극 투과홀(732)은 상기 제1 전극 연결층(710)과 상기 제2 전극 연결층(730)의 접촉 위험을 보다 더 확실히 방지할 수 있게 후술하는 절연층(750, 770, 790)의 제1 전극 투과홀(752, 772, 792)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 제1 단자 투과홈(736)은 상기 외부 양극 대전류단자(T1)를 통과시키기 위한 것으로서, 소정 크기를 갖는 홈 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 단자 투과홈(736)은 상기 외부 양극 대전류단자(T1)의 상기 제2 전극 연결층(730)과의 접촉 위험을 보다 확실히 방지할 수 있게 후술하는 제2 및 제3 절연층들(770, 790)의 제1 단자 투과홈들(776, 796)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 절연층들(750, 770, 790)은, 제1 절연층(750), 제2 절연층(770) 및 제3 절연층(790)을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층(750)은 상기 커버 버스바(700)의 하측을 이루며, 상기 커버 버스바(700)의 상기 셀 하우징(200) 결합 시 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상측을 마주 하게 배치될 수 있다.
이러한 제1 절연층(750)은, 제1 전극 투과홀(752) 및 제2 전극 투과홀(754)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 투과홀(752)은 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110, 도 7 참조)과 상기 제1 전극 연결층(710)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제2 전극 투과홀(754)은 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130, 도 9 참조)과 상기 제2 전극 연결층(730)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제2 절연층(770)은 상기 제1 전극 연결층(710)의 상측에 배치되며, 제1 전극 투과홀(772), 제2 전극 투과홀(774) 및 제1 단자 투과홈(776)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 투과홀(772)은 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110, 도 7 참조)과 상기 제1 전극 연결층(710)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제2 전극 투과홀(774)은 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130, 도 9 참조)과 상기 제2 전극 연결층(730)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제1 단자 투과홈(776)은 상기 외부 양극 대전류단자(T1)와 상기 제1 전극 연결층(710)의 연결을 위해 상기 외부 양극 대전류단자(T1)를 통과시키기 위한 것으로서, 소정 크기를 갖는 홈 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 제3 절연층(790)은 상기 제2 전극 연결층(730)의 상측에 배치되며, 상기 커버 버스바(700)의 상측을 이룰 수 있다. 이러한 상기 제3 절연층(790)은, 제1 전극 투과홀(792), 제2 전극 투과홀(794), 제1 단자 투과홈(796) 및 제2 단자 투과홈(798)을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 투과홀(792)은 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110, 도 7 참조)과 상기 제1 전극 연결층(710)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제2 전극 투과홀(794)은 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130, 도 9 참조)과 상기 제2 전극 연결층(730)의 용접을 가능할 수 있게 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제1 단자 투과홈(796)은 상기 외부 양극 대전류단자(T1)와 상기 제1 전극 연결층(710)의 연결을 위해 상기 외부 양극 대전류단자(T1)를 통과시키기 위한 것으로서, 소정 크기를 갖는 홈 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 단자 투과홈(798)은 상기 외부 음극 대전류단자(T2)와 상기 제2 전극 연결층(730)의 연결을 위해 상기 외부 음극 대전류단자(T2)를 통과시키기 위한 것으로서, 소정 크기를 갖는 홈 형상으로 이루어질 수 있다.
이하에서는, 이러한 상기 커버 버스바(700)와 상기 배터리 셀들(100)의 전극 연결에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
도 6 내지 도 9는 도 5의 커버 버스바와 배터리 셀들의 전극 연결을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 상기 커버 버스바(700)와 상기 배터리 셀들(100)의 양극(110) 및 상기 외부 양극 대전류단자(T1)의 연결을 살펴 보면 하기와 같다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 커버 버스바(700)의 상기 제1 전극 연결층(710)은 상기 배터리 셀들(100)의 양극들(110)과 용접유닛(S)을 통해 용접 연결될 수 있다. 예로써, 상기 제1 전극 연결층(710)의 용접 연결 부분 중 일 지점(S1)을 통해 이러한 상기 용접 연결에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
상기 배터리 셀(100)의 상기 양극(110)은 상기 제1 절연층(750)의 상기 제1 전극 투과홀(752)을 통과하여 상기 제1 전극 연결층(710)의 저부에 접촉될 수 있다. 그리고, 상기 커버 버스바(700)의 상측에 구비되는 용접유닛(S)은 상기 제3 절연층(790)의 상기 제1 전극 투과홀(792), 상기 제2 전극 연결층(730)의 상기 전극 투과홀(732), 상기 제2 절연층(770)의 상기 제1 전극 투과홀(772)를 통과한 후 상기 제1 전극 연결층(710)과 상기 배터리 셀(100)의 상기 양극(110)을 상기 일 지점(S1)에서 용접 연결시킬 수 있다.
다음으로, 상기 제1 전극 연결층(710)과 상기 외부 양극 대전류단자(T1)의 연결을 살펴 보면, 상기 외부 양극 대전류단자(T1)는 상기 제3 절연층(790)의 상기 제1 단자 투과홈(796), 상기 제2 전극 연결층(730)의 상기 제1 단자 투과홈(736) 및 상기 제2 절연층(770)의 상기 제1 단자 투과홈(776)을 통과한 후 상기 제1 전극 연결층(710)과 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 커버 버스바(700)와 상기 배터리 셀들(100)의 음극(130) 및 상기 외부 음극 대전류단자(T2)의 연결을 살펴 보면 하기와 같다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 커버 버스바(700)의 상기 제2 전극 연결층(730)은 상기 배터리 셀들(100)의 음극들(130)과 용접유닛(S)을 통해 용접 연결될 수 있다. 예로써, 상기 제2 전극 연결층(730)의 용접 연결 부분 중 일 지점(S2)을 통해 이러한 상기 용접 연결에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
상기 배터리 셀(100)의 상기 음극(130)은 상기 제1 절연층(750)의 상기 제2 전극 투과홀(754), 상기 제1 전극 연결층(710)의 상기 전극 투과홀(712) 및 상기 제2 절연층(770)의 상기 제2 전극 투과홀(774)을 통과하여 상기 제2 전극 연결층(730)의 저부에 접촉될 수 있다.
그리고, 상기 커버 버스바(700)의 상측에 구비되는 용접유닛(S)은 상기 제3 절연층(790)의 상기 제2 전극 투과홀(794)를 통과한 후 상기 제2 전극 연결층(730)과 상기 배터리 셀(100)의 상기 음극(130)을 상기 일 지점(S2)에서 용접 연결시킬 수 있다.
다음으로, 상기 제2 전극 연결층(730)과 상기 외부 음극 대전류단자(T2)의 연결을 살펴 보면, 상기 외부 음극 대전류단자(T2)는 상기 제3 절연층(790)의 상기 제2 단자 투과홈(798)을 통과한 후 상기 제2 전극 연결층(730)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)에서는, 상기 층상 구조의 플렉시블 인쇄회로기판으로 마련되는 상기 커버 버스바(700)의 상기 제1 및 제2 전극 연결층(710, 730)을 통해 상기 배터리 셀들(100)의 전극들(110, 130) 및 외부 전원 등을 위한 단자 연결을 모두 구현할 수 있다.
이하에서는, 이러한 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)의 냉각에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
도 10은 도 1의 배터리 모듈의 냉각 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 상기 배터리 모듈(10)에서, 상기 배터리 셀들(100)의 온도가 상승될 경우, 상기 상변화물질(600)은 기화(V)되어 상기 커버 버스바(700) 측으로 이동하면서 상기 배터리 셀들(100)의 온도를 낮출 수 있다. 이후, 상기 상변화물질(600)은 상기 히트 싱크(500)에 의해 액화(L)되어 다시 셀 하우징(200) 하측으로 이동될 수 있다.
앞서 살펴 본 바와 같이, 이러한 기화(V) 및 액화(L)는 순환 반복될 수 있으며, 이를 통해, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각은 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은 상기 상변화물질(600)을 통해 상기 배터리 모듈(10)의 냉각 성능을 극대화시킬 수 있다.
아울러, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에서는, 상기 커버 버스바(700)가 상기 셀 하우징(200)의 밀봉과 아울러 상기 배터리 셀들(100)의 전기적 연결을 위한 버스바 기능을 함께 구현하기에, 종래 버스바 구조물 및 커버 구조물로 이루어진 구조에 비해 제조 비용이 저감됨과 아울러 제조 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은 에너지 밀도 측면에서도 생략되거나 줄어든 구조물 부피만큼 상기 배터리 셀들(100)의 용적을 상대적으로 보다 더 확보할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 패키징하는 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차의 연료원으로써, 자동차에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차에 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)과 상기 자동차와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1) 및 이러한 배터리 팩(1)을 구비하는 자동차 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
1: 배터리 팩 10: 배터리 모듈
50: 팩 케이스 100: 배터리 셀
110: 양극 130: 음극
200: 셀 하우징 220: 가이드 리브
300: 상측 셀 고정부재 350: 셀 삽입홀
400: 하측 셀 고정부재 450: 셀 삽입홀
500: 히트 싱크 600: 상변화물질
700: 커버 버스바 710: 제1 전극 연결층
712: 전극 투과홀 715: 절연 패턴
730: 제2 전극 연결층 732: 전극 투과홀
736: 제1 단자 투과홈 750: 제1 절연층
752: 제1 전극 투과홀 754: 제2 전극 투과홀
770: 제2 절연층 772: 제1 전극 투과홀
774: 제2 전극 투과홀 776: 제1 단자 투과홈
790: 제3 절연층 792: 제1 전극 투과홀
794: 제2 전극 투과홀 796: 제1 단자 투과홈
798: 제2 단자 투과홈

Claims (14)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들;
    상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 셀 하우징;
    상기 셀 하우징에 상기 복수 개의 배터리 셀들이 부분적으로 잠기게 채워지며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 냉각을 가이드하기 위한 상변화물질; 및
    상기 셀 하우징의 상측을 모두 커버하며, 층상 구조의 전극 연결층들을 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들의 전극들과 전기적으로 연결되는 커버 버스바;를 포함하며,
    상기 커버 버스바에 의해 상기 셀 하우징을 밀봉하여 상기 셀 하우징의 상기 상변화물질의 증발을 방지하도록 상기 커버 버스바의 테두리가 상기 셀 하우징의 테두리와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커버 버스바는,
    상기 전극 연결층들 및 상기 전극 연결층들의 절연을 위한 절연층들의 층상 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극 연결층들은,
    상기 절연층들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커버 버스바는,
    상기 커버 버스바의 하측을 이루며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 마주 하는 제1 절연층;
    상기 제1 절연층의 상측에 배치되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극들과 전기적으로 연결되는 제1 전극 연결층;
    상기 제1 전극 연결층의 상측에 배치되는 제2 절연층;
    상기 제2 절연층의 상측에 배치되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양극 및 음극 중 다른 하나의 전극들과 전기적으로 연결되는 제2 전극 연결층; 및
    상기 제2 전극 연결층의 상측에 배치되며, 상기 커버 버스바의 상측을 이루는 제3 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극 연결층과 상기 제2 전극 연결층은,
    플렉시블 인쇄회로기판으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전극 연결층 및 상기 제2 전극 연결층 중 적어도 하나의 테두리에는,
    절연 패턴이 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 커버 버스바의 테두리는,
    상기 셀 하우징의 테두리와 시밍 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 하우징 및 상기 커버 버스바 중 적어도 하나에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들을 냉각시키기 위한 히트 싱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상변화물질은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 온도 상승 시 기화되어 상기 커버 버스바 측으로 이동하며, 상기 히트 싱크에 의해 액화되어 상기 셀 하우징의 하측으로 이동하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 셀 하우징의 내벽 상측에는,
    상기 액화된 상기 상변화물질의 상기 셀 하우징의 하측으로의 이동을 가이드하는 가이드 리브;가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀들은,
    원통형 이차 전지인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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