KR20160150514A - 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 복수의 이차 전지셀들이 수평 또는 수직 방향으로 적층되어 형성된 셀 적층체 및 셀 적층체의 부피에 대응되는 내부 공간을 구비하고, 셀 적층체의 적어도 일측 외주부가 내벽에 접하도록 셀 적층체를 수용하여 셀 적층체와 열교환을 행하는 쿨링 케이스를 포함한다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각 성능 향상 및 모듈 구조의 단순화가 가능한 배터리 모듈에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 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.

상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.

한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.

이러한 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지의 충전 또는 방전의 과정은 앞서도 살펴본 바와 같이 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로 배터리는 주변 온도 조건 환경에 영향을 받게 될 수 있다. 예를 들어 최적 온도가 유지되지 않는 극저온 또는 극고온 등의 온도 악조건에 노출된 상태에서 충방전 과정이 진행되게 되면, 배터리의 충방전 효율성이 낮아지게 되며 이에 따라 정상 구동에 대한 성능 보장이 어려운 문제점이 발생할 수 있다.

이에 이차전지에서 발생한 열을 방출하는 다양한 방법 중 하나의 방법으로서, 대한민국 특허공개공보 10-2013-0062056에는 냉각수에 의한 냉각 방법을 개시하고 있다. 구체적으로 이들 종래의 배터리 모듈은 이차 전지셀들 사이에 개재되는 알루미늄 소재로 판형의 냉각 핀과, 냉각 핀의 테두리를 감싸는 냉각 튜브와, 개별 이차 전지셀의 유동을 방지하고 적층을 가이드하는 적층용 카트리지를 포함하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 수냉식 혹은 공냉식 배터리 모듈은 몇 가지 단점들이 있다. 예컨대, 종래의 배터리 모듈은 적층용 카트리지와, 냉각 핀 및 냉각 튜브 등의 부품이 추가됨에 따라 전체 배터리 모듈의 부피가 커져 단위 부피당 에너지 밀도가 떨어질 수밖에 없다. 그리고 배터리 모듈의 구조가 복잡해짐에 따라 조립 용이성과 제품 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 구조가 단순하면서도 우수한 배터리 셀 냉각 효율을 가질 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 복수의 이차 전지셀들이 수평 또는 수직 방향으로 적층되어 형성된 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체의 부피에 대응되는 내부 공간을 구비하고, 상기 셀 적층체의 적어도 일측 외주부가 내벽에 접하도록 상기 셀 적층체를 수용하여 상기 셀 적층체와 열교환을 행하는 쿨링 케이스를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체는, 파우치형 이차 전지셀들로 구성되고, 상기 파우치형 이차 전지셀들 각각은, 상기 파우치형 이차 전지셀의 열융착된 테두리 부위 중 적어도 양쪽 윙 부위가 벤딩된 형태로 상기 쿨링 케이스의 내벽면에 접촉되게 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체는, 파우치형 이차 전지셀들로 구성되고, 상기 쿨링 케이스는, 상호 간 대향하는 양측 내벽면에 부분 함몰 형성된 홈부를 구비하고, 상기 홈부에는 상기 파우치형 이차 전지셀의 열융착된 테두리 부위 중 양쪽 윙 부위가 끼움 결합될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체와 상기 쿨링 케이스에 일체로 연결되며, 적어도 일단부의 변형 가공에 의해 상기 셀 적층체를 상기 쿨링 케이스에 결속시키는 부싱을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 부싱이 삽입되어 통과되도록, 상기 파우치형 이차 전지셀들의 테두리 부위와 상기 쿨링 케이스의 상호 대향하는 두 개의 판면에 각각 부싱 통과홀이 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 쿨링 케이스는, 열 전도성 재질로 마련되고, 적어도 일면이 개방된 박스 형상으로 상기 내부 공간을 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 개방된 적어도 일면을 커버하도록 상기 하우징과 결합하는 하우징 덮개를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체는, 파우치형 이차 전지셀들로 구성되고, 상기 파우치형 이차 전지셀은 열융착된 테두리 부위에 적어도 하나의 통공을 구비하고, 상기 하우징은, 상기 통공에 대응되는 직경을 가지고, 밑면에 기둥 형태로 기립 배치되는 적어도 하나의 결속부재를 구비함으로서, 상기 파우치형 이차 전지셀들이 상기 통공을 통해 상기 결속부재에 하나씩 끼워져 적층될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 쿨링 케이스와 접하도록 배치되어 상기 쿨링 케이스의 열을 흡수하는 히트싱크를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다. 상기 자동차는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈의 부품 수가 간소화되어 구조가 단순화될 수 있고, 모듈 내 이차 전지셀 용적율이 증가하여 단위 부피당 에너지 밀도가 높아질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 열 전도성 소재의 박스 형태로 형성된 쿨링 케이스의 육면을 통해 셀 적층체의 열을 방사상으로 방열시킬 수 있어 냉각 효율이 향상될 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 투시하여 개략적으로 나태낸 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지셀의 개략적인 사시도이다.
도 3은, 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도이다.
도 4는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 히트싱크가 장착된 때 열의 흐름을 나타내는 사시도이다.
도 6은, 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 7은, 도 6에 도시된 쿨링 케이스의 변형예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿨링 케이스와 이차 전지셀들 간의 조립 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는, 도 8의 Ⅲ-Ⅲ'에 따른 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링 케이스의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 11은, 도 10의 쿨링 케이스와 이차 전지셀들 간의 조립 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 투시하여 개략적으로 나태낸 사시도이고, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지셀의 개략적인 사시도이고, 도 3은, 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'에 따른 단면도이고, 도 4는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)은, 셀 적층체(10)와 쿨링 케이스(20)를 포함한다. 여기서 셀 적층체(10)는 복수의 이차 전지셀(12)들이 수평 또는 수직 방향으로 적층된 집합체를 지칭한다.

상기 셀 적층체(10)를 구성하는 이차 전지셀(12)은 파우치형 이차 전지셀(12)일 수 있다. 파우치형 이차 전지셀(12)은 전극 조립체, 파우치형 포장재 및 전극 리드(L)를 포함할 수 있다.

전극 조립체는, 도시하지 않았으나, 양극판 및 음극판이 서로 대향하도록 배치된 형태로 구성될 수 있다. 양극판과 음극판은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.

이러한 전극 조립체는, 다수의 양극판 및 음극판을 순차로 적층시킨 스택형 또는 하나의 양극판 및 하나의 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 권취시킨 권취형 등으로 마련될 수 있다. 예컨대 전극 조립체는 스택형이나 스택형과 폴딩형이 조합된 형태등 어떠한 형태라도 무방하다.

전극 리드(L)는 전극 조립체와 연결되고 파우치형 포장재의 외부로 노출되는 부분으로 다른 이차 전지셀(12)이나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있는 전극 단자 역할을 한다.

파우치형 포장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열 기능을 수행한다.

이러한 파우치 포장재는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로, 전극 조립체와 전해액을 내장한 상태에서 테두리 영역이 열융착되어 밀봉되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 파우치형 포장재는 2개의 파우치, 즉 상부 파우치와 하부 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고 상부 파우치와 하부 파우치의 테두리 영역이 서로 열 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.

도 2를 참조하여, 이하에서는 상호 열융착되는 상부 파우치와 하부 파우치의 테두리 영역 중 장변에 해당하는 사이드(side) 부위를 윙(wing,12a)이라 하고, 단변에 해당하는 양쪽 부위를 전방 또는 후방 테라스(12b)라고 지칭하기로 한다.

본 발명에 따른 파우치 포장재의 테두리 영역에는 적어도 하나의 부싱 통과홀(H)이 구비될 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 파우치 포장재의 테두리 영역 중 전방 및 후방 테라스(12b)에 각각 2개의 부싱 통과홀(H)이 구비될 수 있다. 즉, 파우치 포장재에는 직사각 구도로 총 4개의 부싱 통과홀(H)이 구비될 수 있다. 복수의 이차 전지셀(12)이 상하로 적층될 때, 각 이차 전지셀(12)의 부싱 통과홀(H)들은 상하로 동축 선상에 놓일 수 있다. 그리고 이들 부싱 통과홀(H)들에 부싱(30)이 삽입됨으로서 이차 전지셀(12)들이 하나로 결속될 수 있다. 이에 대한 보다 자세한 설명은 편의상 후술하기로 한다.

쿨링 케이스(20)는, 셀 적층체(10)와 열 접촉함으로서 각 이차 전지셀(12)의 열을 외부로 방열시키는 역할을 하는 구성품이다. 다시 말하면, 쿨링 케이스(20)는 박스 형태로 마련되어 셀 적층체(10)의 부피에 대응되는 내부 공간을 구비하고, 셀 적층체(10)의 외주부가 내측 벽면에 접하도록 셀 적층체(10)를 수용하여 셀 적층체(10)의 열을 흡수하고, 외부로 그 열을 방열시키는 구성이다.

이러한 쿨링 케이스(20)는 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 구리, 금, 은 등의 금속 소재 및 금속 이외의 질화알루미늄, 탄화규소와 같은 세라믹 물질로 제작될 수 있다. 바람직하게, 쿨링 케이스(20)의 내벽은 절연 처리될 수 있다. 예컨대, 쿨링 케이스(20)의 내벽은 열 전도성 및 전기 절연성이 우수한 세라믹 에폭시 등으로 코팅될 수 있다.

쿨링 케이스(20)는 직육면의 박스 형태로, 상호 간 결합 가능하게 마련되는 하우징(21)과 하우징 덮개(22)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(21)은 셀 적층체(10)를 내부 공간에 수용할 수 있도록 구성된다. 셀 적층체(10) 즉, 이차 전지셀(12)들은 하우징(21)의 개방된 일면을 통해 하우징(21) 내부 공간에 수직 또는 수평 방향으로 적층될 수 있다.

하우징 덮개(22)는 하우징(21)과 결합되도록 구성되어 하우징(21)의 개방된 일면을 커버한다. 하우징(21)과 하우징 덮개(22)는 착탈식으로 쉽게 분리되도록 구성하여 셀 적층체(10)의 보관 및 교체를 수월하게 할 수 있다.

보다 구체적으로, 이차 전지셀(12)들 각각은, 직사각 평판 형상을 가지며, 파우치 포장재의 열융착된 테두리 부위 중 적어도 양쪽 윙(12a) 부위가 벤딩된 형태로 하우징(21)의 내벽면에 접촉되게 배치될 수 있다.

즉, 도 1 및 도 3을 참조하면, 하우징(21)의 내부 공간의 X 방향 폭을 초기 이차 전지셀(12)의 단방향 폭보다 좁게 형성하여, 이차 전지셀(12)의 윙(12a)이 거의 90도 각도로 폴딩된 상태로 쿨링 케이스(20)의 내벽면에 맞닿도록 배치될 수 있다. 다시 말하면, 이차 전지셀(12)들은 하우징(21) 내부에 억지 끼움되면서 윙(12a)이 폴딩된 상태로 층상 배열될 수 있다. 이와 같이 각 이차 전지셀(12)들의 윙(12a)이 폴딩됨으로서, 각 이차 전지셀(12)과 하우징(21)의 내벽면이 서로 밀접하게 접촉될 수 있다.

또한, 도 1 및 도 4를 참조하면, 하우징(21)의 내부 공간의 Y 방향 폭은 초기 이차 전지셀(12)의 장방향 폭과 거의 일치되게 형성하여, 적어도 파우치 포장재의 전,후방 테라스(12b)의 끝단이 하우징(21)의 내벽면에 맞닿도록 배치할 수 있다.

여기서, 도 1에 도시된 바와 같이, Y 방향에 위치한 하우징(21)의 전면부와 배면부에는 개구(21a)가 구비될 수 있다. 개구는 층상 배열되는 전극 리드(L)들의 폭과 높이 만큼 형성될 수 있다.

이러한 개구를 통해 양극 및 음극 리드들은 하우징(21) 밖으로 노출되게 배치될 수 있다. 자세히 도시하지 않았으나, 외부에 노출된 전극 리드(L)들은 서로 직렬 또는 병렬 연결되거나, 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 도 1 및 도 3을 참조하면, 전극 리드(L) 양쪽에 위치한 파우치 포장재의 전,후방 테라스(12b) 끝단은 하우징(21)의 정면부 및 배면부의 내벽면에 맞닿을 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 하우징(21)의 전면부와 배면부에 각각 하나씩의 개구를 마련하였으나, 입구가 좁은 여러 개의 슬롯을 마련하여 하우징(21) 내부에서 전극 리드(L)들을 연결하고 하나 또는 2개의 전극 리드(L)만 하우징(21) 외부로 노출시킬 수도 있다.

이와 같이 파우치 포장재의 테두리 부위들, 즉 셀 적층체(10)의 외주부 모두가 하우징(21)의 내벽면에 접하게 배치됨으로써, 이차 전지셀(12)의 열이 하우징(21) 4면을 통해 외부로 방출될 수 있다.

즉, 파우치 포장재의 테두리 부위 전체가 종래의 배터리 모듈(100)에서 열전달 매체로 기능하는 냉각 핀 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 충방전 중에 각 이차 전지셀(12)에서 발생한 열은 다방향, 즉 쿨링 케이스(20)의 모든 면을 통해 방사상으로 외부로 방열될 수 있어 냉각 성능이 높아질 수 있다.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 히트싱크가 장착된 때 열의 흐름을 나타내는 사시도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 히트싱크(40)를 더 포함할 수 있다.

히트싱크(40)는 열 접촉에 의해 다른 물체로부터 열을 흡수하고 발산하는 물체를 의미한다. 쿨링 케이스(20)는, 전술한 바와 같이, 육면체 구조로 이루어져 있고, 육면 모두에서 열전도가 이루어질 수 있다. 따라서 히트싱크(40)는 쿨링 케이스(20)의 육면 중 어느 일면에 접하게 배치되더라도 좋다. 다시 말하면, 이러한 쿨링 케이스(20)의 구조적 특징으로 인해 히트싱크(40)의 설치 자유도가 더 높아질 수 있다.

본 실시예에 따른 히트싱크(40)는 내부에 유로를 포함하는 중공 구조로 구성될 수 있고, 내부 유로에는 냉매가 흐를 수 있다. 상기 냉매는 유로에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없으며, 기체 또는 액체일 수 있다. 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나 이것에 한정하지 않고, 흐름이 발생하는 것이면, 부동액, 가스 냉매, 공기 등이어도 좋다.

도 5에 도시된 바와 같이, 셀 적층체(10)에서 발생한 열은 그 흐름이 다방향으로 이루어질 수 있음으로, 보다 많은 양의 열이 신속하게 외부로 방출될 수 있다. 특히, 쿨링 케이스(20)가 히트싱크(40)에 의해 낮은 온도를 유지하게 됨으로써 쿨링 케이스(20)의 육면 전체가 방열판으로서 보다 효과적으로 기능할 수 있어 냉각 효율이 더 향상될 수 있다.

물론, 본 실시예와 달리, 배터리 모듈(100)의 구성에서 히트싱크(40)는 생략 가능하다. 통풍성이 좋은 위치에 쿨링 케이스(20)를 설치함으로서 외부 공기 흐름만을 이용한 패시브(passive) 냉각이 이루어지도록 할 수도 있다.

도 6은, 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이고, 도 7은, 도 6에 도시된 쿨링 케이스의 변형예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.

먼저 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은, 셀 적층체(10)와 쿨링 케이스(20)에 일체로 연결되며, 적어도 일단부의 변형 가공에 의해 셀 적층체(10)를 쿨링 케이스(20)에 결속시키는 부싱(bushing,30)을 더 포함할 수 있다.

그리고 각 이차 전지셀(12)들과 쿨링 케이스(20)는 상기 부싱(30)이 삽입되어 통과될 수 있는 부싱 통과홀(H)을 더 구비할 수 있다.

각 이차 전지셀(12)에서 부싱 통과홀(H)은 파우치 포장재의 전,후방 테라스(12b)에 각각 2개 씩 총 4개가 형성될 수 있다. 그리고, 쿨링 케이스(20)에도 이차 전지셀(12)에 형성된 4개의 부싱 통과홀(H)과 대응되는 위치에서, 상호 대향하는 일면과 타면에 각각 4개씩의 부싱 통과홀(H)이 형성될 수 있다. 즉, 층상 배열된 이차 전지셀(12)들과 쿨링 케이스(20)의 부싱 통과홀(H)들은 각각 해당 위치에서 동축 선상에 위치할 수 있다.

상기 부싱 통과홀(H)들 각각에는 부싱(30)이 삽입되어 통과할 수 있다. 부싱(30)은 일단부가 쿨링 케이스(20)의 일측에 구비된 부싱 통과홀(H)로 삽입되고, 셀 적층체(10)의 부싱 통과홀(H)을 통과하여, 쿨링 케이스(20)의 타측 부싱 통과홀(H) 밖으로 인출될 수 있다. 이렇게 인출된 부싱(30)의 일단부는 단조 공정으로 변형 가공되어 쿨링 케이스(20)에 고정될 수 있다.

한편, 이차 전지셀(12)들은 수직 또는 수평 방향으로 하우징(21) 내부에 적층될 수 있다. 전자의 경우, 이차 전지셀(12)의 부싱 통과홀(H)들이 수직 방향을 향하게 되므로 부싱(30)을 상하 방향으로 삽입할 수 있도록 하우징 밑면과 하우징 덮개에 부싱 통과홀(H)이 형성되도록 쿨링 케이스(20)가 구성될 수 있다. 그러나 후자의 경우, 이차 전지셀(12)의 부싱 통과홀(H)들이 수평 방향을 향하게 되므로 부싱(30)은 좌우 방향으로 삽입될 수 있어야 한다. 따라서 도 6에 도시된 바와 같이, 하우징(21)의 양쪽 측면부에 부싱 통과홀(H)이 형성되도록 쿨링 케이스가 구성될 수 있다.

즉, 셀 적층체(10)의 층상 배열 방향에 따라, 쿨링 케이스(20)의 부싱 통과홀(H)은 쿨링 케이스(20)의 상호 대향하는 두 개의 판면에 형성될 수 있다.

본 실시예에서는 4개의 부싱(30)을 사용할 수 있도록 이차 전지셀(12)과 쿨링 케이스(20)에 부싱 통과홀(H) 형성하였으나, 셀 적층체(10)의 고정력을 더 확보하기 위해 5개 이상 또는 경우에 따라 3개 이하의 부싱(30)만 사용할 수 있도록 이차 전지셀(12)과 쿨링 케이스(20)에 부싱 통과홀(H)을 형성할 수도 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예로서, 셀 적층체(10)를 쿨링 케이스(20)에 결속시키는 수단으로 부싱(30)을 사용하였으나, 본 발명의 권리범위가 반드시 부싱(30)으로 한정되어야 하는 것은 아니다. 즉, 이차 전지셀(12)의 부싱 통과홀(H)에 삽입되어 통과하여 쿨링 케이스(20)에 장착될 수 있는 결속부재라면 어떠한 것이라도 무방하다.

상술한 바와 같이, 본 실시예는 파우치 포장재의 열융착된 테두리 부위, 즉 이차 전지셀(12)에서 데드 스페이스(dead space)일 수 있는 전,후방 테라스(12b)를 활용하여 이차 전지셀(12)들을 하나의 몸체로 쿨링 케이스(20)에 고정시킬 수 있도록 구성되어 있다. 따라서, 본 실시예의 쿨링 케이스(20)와 부싱(30)만으로, 종래의 이차 전지 홀딩용 카트리지의 역할을 대체할 수 있고, 모듈의 부품수를 간소화할 수 있다.

더욱이, 종래의 카트리지 또는 셀들 사이에 개재되었던 냉각 핀과 같은 부품을 사용할 필요가 없어 모듈 내에 이차 전지셀의 용적률이 상당히 증가할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은, 종래의 배터리 모듈(100)에 비해, 단위 부피당 에너지 밀도가 상당히 높아질 수 있다.

도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿨링 케이스와 이차 전지셀들 간의 조립 상태를 나타내는 도면이고, 도 9는, 도 8의 Ⅲ-Ⅲ'에 따른 단면도이다.

이하에서는 도 8 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대해 설명하기로 한다. 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 쿨링 케이스(20')는, 전술한 실시예와 유사하게, 하우징(21)과 하우징 덮개(22)를 포함하고, 하우징(21)은 일면이 개방된 형태이고, 하우징 덮개(22)는 하우징(21)과 착탈식으로 결합되도록 구성될 수 있다.

그러나, 도 8 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 하우징(21)은, 전술한 실시예와 달리, 상호 간 대향하는 양측 내벽면에 홈부(G)를 더 구비한다. 상기 홈부(G)는 파우치형 이차 전지셀(12)의 윙(12a)이 끼움 결합될 수 있도록 구성된다.

먼저, 도 8을 참조하여, 하우징(21)의 개방된 일면을 기준으로, 좌측에 위치하는 부분을 좌측면판(21L), 우측에 위치하는 부분을 우측면판(21R), 상부에 위치하는 부분을 상면판(21U), 하부에 위치하는 부분을 하면판(21D), 배면에 위치하는 부분을 배면판이라 정의하기로 한다.

이들 좌측면판(21L), 우측면판(21R), 상면판(21U), 하면판(21D) 및 배면판은 개념적으로 구분되는 요소이고, 이들 판들 또는 일부의 판들이 상호 조립 또는 일체로 성형될 수 있음은 물론이다.

홈부(G)는 이차 전지셀(12)들의 적층 방향에 따라 좌측면판(21L)과 우측면판(21R) 또는 상면판(21U)과 배면판에 각각 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 이차 전지셀(12)들이 수직 방향으로 적층된 예를 개시하고 있어, 홈부(G)가 좌측면판(21L)과 우측면판(21R)에 구비되어 있다.

보다 구체적으로 홈부(G)는 이차 전지셀(12)의 양쪽 윙(12a)에 대응되는 형상과 깊이로 형성되도록 좌측면판(21L)과 우측면판(21R)의 일단부에서 시작해서 타단부까지 연장될 수 있다. 이러한 홈부(G)는 하우징(21)에 수용되는 이차 전지셀(12)의 개수 만큼 하우징(21)의 높이 방향을 따라 복수 개가 구비될 수 있다.

그리고 본 실시예에 따른 하우징(21)은 단방향 폭, 다시 말해 좌측면판(21L)과 우측면판(21R) 사이의 이격 거리가 윙(12a)을 제외한 이차 전지셀(12)의 단방향 폭과 거의 동일하게 구성될 수 있고, 장방향 폭은 이차 전지셀(12)의 장방향 폭과 거의 동일하도록 구성될 수 있다.

이어서, 본 실시예에 따른 쿨링 케이스(20)에 이차 전지셀(12)의 적층 순서를 간략히 설명하면, 먼저 하우징(21)의 개방된 정면에서 이차 전지셀(12)의 양쪽 윙(12a) 부분을 하우징(21)의 최하단에 위치한 홈부(G)에 끼우고, 이차 전지셀(12)을 하우징(21) 안쪽으로 깊숙히 밀어넣는다. 그 다음, 순차적으로 다른 이차 전지셀(12)들을 같은 방식으로 적층시킨다. 그 다음, 하우징 덮개(22)로 하우징(21)의 개방면을 덮어 결합한다. 그 다음, 4개의 부싱(30)을 사용해 셀 적층체(10)를 고정시킬 수 있다.

본 실시예에서, 하우징 덮개(22)와 하우징(21)의 배면판에는 개구(21a)가 구비될 수 있다. 전극 리드 부위는 상기 개구(21a)를 통해 외부로 노출될 수 있다. 그리고 파우치 포장재의 전,후방 테라스(12b)의 끝단은, 하우징 덮개(22)의 내벽면과 배면판의 내벽면에 접촉될 수 있다.

특히, 본 실시예의 구성에 의하면, 파우치 포장재의 양쪽 윙(12a)이 홈부(G)에 삽입 배치될 수 있어 윙(12a)의 양면이 모두 홈부(G)에 긴밀하게 접촉될 수 있다. 또한, 도 8에 표시된 영역 P와 같이, 파우치 포장재의 측면부가 하우징(21)의 내벽면과 접촉될 수 있다. 따라서 파우치 포장재의 테두리 영역과 쿨링 케이스(20') 간의 유효 열 접촉 면적이 증가하여 열 전달율이 보다 향상될 수 있다. 뿐만 아니라 파우치 포장재의 윙(12a)이 홈부(G)에 구속되어 있으므로 이차 전지셀(12)들의 고정력은 더 높아질 수 있다.

도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링 케이스의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 11은, 도 10의 쿨링 케이스와 이차 전지셀들 간의 조립 상태를 나타내는 도면이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 하우징(21)은 밑면에 기둥 형태로 기립 배치되는 적어도 하나의 결속부재(23)를 포함하도록 구성될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 하우징(21)은 상부가 개방된 형태로 마련될 수 있다. 그리고 결속부재(23)는 소정의 직경을 갖는 원기둥 형태로 일단부는 하우징(21)의 밑면에 고정될 수 있고, 타단부는 적어도 하우징(21)의 상단부 위로 노출될 수 있도록 구성될 수 있다.

결속부재(23)의 타단부, 즉 헤드 부분(23a)에는 너트(N)와 체결될 수 있는 나사산이 구비될 수 있다. 이러한 결속부재가 하우징(21)의 밑면 코너 영역에 각각 하나씩 총 4개가 마련될 수 있다.

그리고, 전술한 실시예와 유사하게, 이차 전지셀(12)은 열융착된 테두리 부위에 4개의 통공(H)을 구비하고, 하우징 덮개(22) 또한 4개의 통공(H)을 구비하도록 구성될 수 있다. 이때, 통공(H)들은 상기 결속부재(23)에 대응되는 직경으로 형성될 수 있다.

본 실시예의 이러한 구성에 의하면, 도 11에 도시된 바와 같이, 이차 전지셀(12)들을 상기 통공(H)을 통해 결속부재(23)에 하나씩 끼워 하우징(21) 내부에 적층시킨 다음, 하우징 덮개(22)로 하우징(21)을 덮을 수 있다. 이때, 결속부재(23)의 헤드 부분(23a)은 하우징 덮개(22)의 통공(H)을 통해 외부에 노출될 수 있다. 그리고 노출된 헤드 부분(23a)을 캡너트((N)) 등으로 조임으로서 하우징 덮개(22)와 하우징(21)을 긴밀하게 결합시킬 수 있다.

특히, 본 실시예의 하우징(21)에 의하면, 이차 전지셀(12)들을 적층시킬 때 이차 전지셀(12)들이 결속부재(23)에 의해 가이드되어 규칙적으로 배열될 수 있고, 적층된 후에도 그 유동이 억제될 수 있다.

한편, 본 실시예는 하우징 덮개(22) 위로 결속부재(23)의 헤드 부분(23a)이 노출되도록 구성하였으나, 이와 달리, 결속부재(23)의 높이를 하우징(21)의 높이로 한정하고 하우징 덮개(22)로 바로 하우징(21)을 덮도록 구성할 수도 있다. 물론 이 경우, 하우징 덮개(22)에는 통공(H)이 구비되지 않을 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈(100) 이외에, 배터리 모듈(100)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈(100)은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

100: 배터리 모듈 10: 셀 적층체
12: 이차 전지셀 12a: 윙
12b: 테라스 20: 쿨링 케이스
21: 하우징 22: 하우징 덮개
30: 부싱 H : 부싱 통과홀

Claims (10)

1. 복수의 이차 전지셀들이 수평 또는 수직 방향으로 적층되어 형성된 셀 적층체; 및
   상기 셀 적층체의 부피에 대응되는 내부 공간을 구비하고, 상기 셀 적층체의 적어도 일측 외주부가 내벽에 접하도록 상기 셀 적층체를 수용하여 상기 셀 적층체와 열교환을 행하는 쿨링 케이스를 포함하는 배터리 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 셀 적층체는, 파우치형 이차 전지셀들로 구성되고,
   상기 파우치형 이차 전지셀들 각각은, 상기 파우치형 이차 전지셀의 열융착된 테두리 부위 중 적어도 양쪽 윙 부위가 벤딩된 형태로 상기 쿨링 케이스의 내벽면에 접촉되게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 셀 적층체는, 파우치형 이차 전지셀들로 구성되고,
   상기 쿨링 케이스는, 상호 간 대향하는 양측 내벽면에 부분 함몰 형성된 홈부를 구비하고, 상기 홈부에는 상기 파우치형 이차 전지셀의 열융착된 테두리 부위 중 양쪽 윙 부위가 끼움 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 셀 적층체와 상기 쿨링 케이스에 일체로 연결되며, 적어도 일단부의 변형 가공에 의해 상기 셀 적층체를 상기 쿨링 케이스에 결속시키는 부싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
5. 제4항에 있어서,
   상기 부싱이 삽입되어 통과되도록, 상기 파우치형 이차 전지셀들의 테두리 부위와 상기 쿨링 케이스의 상호 대향하는 두 개의 판면에 각각 부싱 통과홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 쿨링 케이스는, 열 전도성 재질로 마련되고,
   적어도 일면이 개방된 박스 형상으로 상기 내부 공간을 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 개방된 적어도 일면을 커버하도록 상기 하우징과 결합하는 하우징 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
7. 제6항에 있어서,
   상기 셀 적층체는, 파우치형 이차 전지셀들로 구성되고,
   상기 파우치형 이차 전지셀은 열융착된 테두리 부위에 적어도 하나의 통공을 구비하고, 상기 하우징은, 상기 통공에 대응되는 직경을 가지고, 밑면에 기둥 형태로 기립 배치되는 적어도 하나의 결속부재를 구비함으로서, 상기 파우치형 이차 전지셀들이 상기 통공을 통해 상기 결속부재에 하나씩 끼워져 적층되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 쿨링 케이스와 접하도록 배치되어 상기 쿨링 케이스의 열을 흡수하는 히트싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.

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