WO2016072594A1 - 이중 측벽 구조를 가지는 카트리지 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

이중 측벽 구조를 가지는 카트리지 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈 Download PDF

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WO2016072594A1
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unit battery
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cell
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최승렬
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module in which unit battery cells are stacked, and more particularly, to a structure of a cartridge frame inserted between unit battery cells in a battery module.
  • Secondary batteries unlike primary batteries that cannot be charged, are batteries that can be charged and discharged, and are used as power sources for energy storage systems, electric vehicles, or hybrid vehicles, as well as small, high-tech electronic devices such as mobile phones, PDAs, and notebook computers. .
  • a large-capacity modular battery which is formed by stacking a plurality of unit battery cells and connecting them in series or in parallel, is generally used.
  • the secondary battery generates a large amount of heat during the charging and discharging process. If the heat is not efficiently cooled, the secondary battery may not only shorten the life of the secondary battery and cause malfunction, but also lead to ignition and explosion. As such, efficient cooling is an important issue in the fabrication of modular batteries including secondary batteries.
  • the unit battery cell includes a can-type battery embedded in a metal or cylindrical case made of metal, or a pouch-type battery in which an electrode assembly and an electrolyte are embedded in a pouch packaging material composed of a sheet made of aluminum foil and laminated with a synthetic resin coating layer. .
  • Can-type batteries have higher physical strength than pouch-type batteries, but pouch-type batteries, which are relatively light and easy to manufacture, have been widely used in recent years.
  • pouch-type batteries have a disadvantage in that they are resistant to expansion and explosion due to external impact or internal short circuit, that is, mechanical strength is poor.
  • a modular battery using a modular battery, in particular a pouch-type battery as a unit battery cell between unit battery cells stacked, such as Korean Patent Publication No. 10-1307992 or Korean Patent Publication No. 10-0921346
  • the cartridge frame is constructed by inserting and stacking cartridge frames having a structure in which the unit battery cells are easily accommodated and stacked.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating a conventional cartridge frame and a structure in which a plurality of unit battery cells are stacked using the same.
  • a conventional cartridge frame 2 has a structure including an intercell separator 2a and sidewalls 2b such that a cell accommodating part 3 is formed according to the shape and size of a unit battery cell 1.
  • the inter-cell separator 2a is made of a metal having high thermal conductivity, such as aluminum, to absorb and cool heat generated from the battery cell 1, and in some cases, a coolant flows through the edge of the inter-cell separator 2a.
  • a coolant passage may be formed, or a hole may be formed to allow air to pass through the intercell separator 2a.
  • the side wall 2b is usually made of plastic, which is also a material that is easy to manufacture in the same manner as injection molding, but the side wall 2b is formed of an electrode terminal of the battery cell during manufacture or maintenance of the battery module. This is to insure insulation property as there is a possibility of contact with 1a).
  • the side wall 2b of the cartridge frame 2 is formed of plastic in this way, it is easily melted or combusted when the battery cell 1 is ignited or combusted, and thus fires or combusts to other adjacent battery cells 1. There is.
  • This problem may be more serious when the unit battery cell 1 is made of a pouch type battery. That is, in the pouch type battery, the fusion sealing portion 1b of the laminate sheet formed on the side of the battery cell 1 is the structurally weakest part. Therefore, when the battery cell 1 expands due to abnormal heat generation or gas generated inside the battery cell 1, the side surface of the battery cell 1 tends to burst. In this case, the side wall 2b of the plastic cartridge frame 2 facing the side surface of the battery cell 1 may be easily melted or burned by the hot gas or flame from the bursted portion.
  • the present invention has been made under the background of the prior art as described above, even if ignition or combustion of any one unit battery cell is not easily melted or burned, so that the ignition or combustion to other adjacent battery cells is not easily transmitted. And it is an object to provide a battery module comprising the same.
  • the cartridge frame according to an aspect of the present invention for solving the above problems is a cartridge frame inserted between a plurality of stacked unit battery cells, the plate frame is inserted between adjacent unit battery cells to isolate adjacent unit battery cells Intercell separators; And a side wall portion extending in a direction perpendicular to the plate surface of the inter-cell separator at an edge except for a corner in a direction in which the electrode terminal of the battery cell is drawn out of the edges of the inter-cell separator.
  • the inner wall facing the side surface of the unit battery cell is made of metal, and the outer wall facing the inner wall is made of plastic.
  • the inter-cell separator may be made of metal.
  • the metal constituting the inner wall and / or the intercell separator may be aluminum or an aluminum alloy.
  • the cartridge frame may be integrally formed with the inter-cell separator and the side wall portion by insert injection molding.
  • the cartridge frame may further include an electrode terminal connecting portion coupled to an edge of a direction in which the electrode terminals of the battery cell are drawn out of the edges of the inter-cell separator.
  • a flameproof layer may be further interposed between the inner wall and the outer wall.
  • the flameproof layer may be made of a flame retardant and heat resistant resin composition, or may be made of a heat resistant ceramic material.
  • the resin composition may be used that is foamed.
  • the side wall portion may protrude from the edge of the inter-cell separator at a height corresponding to the thickness of the unit battery cell.
  • a battery module according to another aspect of the present invention for solving the above problems is, by including a plurality of any one of the cartridge frame described above, by inserting and stacking one or more unit battery cells between the plurality of cartridge frames.
  • the unit battery cell may be a pouch type battery cell.
  • the inner wall made of metal absorbs the heat or flame.
  • the heat dissipation can prevent the side wall portion of the cartridge frame from easily melting or burning.
  • the battery module is formed by stacking a plurality of unit battery cells using such a cartridge frame, even if one unit battery cell is ignited or burned, it is possible to prevent ignition or combustion from being transferred to other adjacent battery cells. Can be.
  • the flameproof layer is interposed between the inner wall and the outer wall of the side wall portion in the cartridge frame, it is possible to more effectively prevent the ignition or combustion of the unit battery cells from being transferred to other battery cells.
  • the present invention is particularly useful when the unit battery cells constituting the battery module are pouch type battery cells.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating a conventional cartridge frame and a structure in which a plurality of unit battery cells are stacked using the same.
  • Figure 2 is a partial exploded perspective view (a) and a cross-sectional view (b) along the line B-B schematically showing the cartridge frame of the embodiment according to one aspect of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a cartridge frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing modifications of the cartridge frame according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a battery module of an embodiment according to another aspect of the present invention.
  • Figure 2 is a partial exploded perspective view (a) and cross-sectional view (b) schematically showing the cartridge frame of the embodiment according to one aspect of the present invention.
  • the cartridge frame 10 is a cartridge frame inserted between a plurality of unit battery cells 1 stacked to manufacture a modular battery.
  • a cell accommodating portion 20 containing the unit battery cell 1 is defined by the inter-cell separator 11 and the side wall portion 12, including 11 and side wall portions 12.
  • the intercell separator 11 is a plate-shaped member inserted between adjacent unit battery cells 1 to isolate adjacent unit battery cells 1.
  • the inter-cell separator 11 may be formed of a material such as metal or plastic having a certain mechanical strength.
  • a metal having high thermal conductivity such as aluminum, copper, or an alloy of aluminum or copper, preferably aluminum or its It is preferable to consist of an alloy to absorb and cool the heat which generate
  • a plurality of through flow paths are formed across the inter-cell separator 11 so as to form a coolant flow path through which liquid refrigerant flows on the edge of the inter-cell separator 11, or to allow air to pass through the inter-cell separator 11 itself. May be formed.
  • the plurality of through flow passages are preferably opened to the outside through the side wall portion 12.
  • the side wall portion 12 is formed extending from the edge of the inter-cell separator 11 in a direction perpendicular to the plate surface of the inter-cell separator 11.
  • the side wall portion 12 has a double wall structure made of different materials.
  • the inner side wall 12a facing the side surface of the unit battery cell 1 in the side wall portion 12 is made of metal and faces the inner side wall 12a.
  • the outer wall 12b is made of plastic, which is conventionally made of a cartridge frame.
  • the metal forming the inner wall 12a is similar to the metal constituting the inter-cell separator 11 described above with respect to the convenience of the manufacturing process and the functions described below. Similarly, it is preferable that it is a metal with high thermal conductivity.
  • the metal constituting the inner wall 12a of the side wall portion 12 and the metal constituting the inter-cell separator 11 may be the same or different.
  • the inner wall 12a facing the side of the unit battery cell 1 is formed of metal
  • the plurality of unit battery cells 1 are stacked to form a battery module (see 100 in FIG. 5)
  • any one When the unit battery cell 1 is ignited or burned, the side wall portion 12 of the cartridge frame 10 is easily melted or burned by the heat or flame received and absorbed by the inner wall 12a made of metal. Can be prevented.
  • the fusion seal of the laminate sheet (see 1B in FIG. 1) formed on the side of the battery cell 1, which is the structurally weakest part, explodes, causing hot gas or flame. This can directly contact the inner wall 12a of the side wall portion 12 of the cartridge frame 10, which is particularly useful in this case.
  • the flameproof layer B may be selectively interposed between the inner wall 12a and the outer wall 12b constituting the side wall portion 12 to more effectively block the side wall portion 12 from melting or burning.
  • the flame retardant layer (B) may be made of a resin (flame) with good flame retardancy and heat resistance.
  • a resin flame
  • One non-limiting example of such a resin is a thermoplastic resin composition comprising a phosphorus acrylic copolymer disclosed in WO2012 / 015128A1.
  • the resin composition is excellent in transparency, scratch resistance, flame retardancy, heat resistance, mechanical properties and flow characteristics, and is suitable as a candidate material for the flame retardant layer (B).
  • the flame retardant layer B may be coated with a metal plate constituting the inner wall with a predetermined thickness, and is inserted as an independent sheet medium between the inner wall 12a and the outer wall 12b so that the inner wall 12a and the outer wall ( 12b).
  • the anti-flame layer (B) may be made of another resin composition known to be excellent in flame retardancy and heat resistance in addition to the thermoplastic resin composition as an example.
  • the flameproof layer B may further include pores that are foamed and regularly or irregularly distributed. These pores retard the conduction of heat to the plastic material making up the outer wall 12b, further improving the effect intended by the present invention.
  • the flameproof layer (B) may be made of a ceramic material having excellent heat resistance, such as alumina, in addition to the resin composition.
  • the groove 13 formed in the rear side of the cartridge frame (part 2 in FIG. 2A) in the side wall portion 12, a plurality of unit battery cells (1) by stacking the battery module (see FIG. 5 100) ) Is a fastening groove for easily aligning and fastening cartridge frames 10 stacked up and down when forming a). Therefore, although not shown in the figure, the bottom of the side wall portion 12 at a position corresponding to the fastening groove 13 has a fastening protrusion having a shape corresponding to fit in the fastening groove 13.
  • the grooves 14 formed on the left and right sides of the cartridge frame (parts 3 and 4 in FIG. 2A) in the side wall part 12 stack the plurality of unit battery cells 1 to form the battery module 100.
  • it is a flow path groove for forming a flow path that allows the air to act as a refrigerant to pass through.
  • the specific shape or formation position of the fastening groove 13, the fastening protrusion, and the flow path groove 14 formed in the side wall part 12 can be changed.
  • the cartridge frame 10 according to the present embodiment can be manufactured integrally by insert injection molding. That is, first, the metal plate which forms the intercell separator 11 and the metal plate which forms the inner side wall 12a of the side wall part 12 are made into the desired shape by press work etc. Then, these metal plates are installed in a mold for molding the cartridge frame 10, and a molten liquid of plastic to form the outer wall 12b of the side wall portion 12 is injected into the mold.
  • the metal plates constituting the intercell separator 11 and the inner wall 12a of the side wall portion 12 and the outer wall 12b of the side wall portion 12 are formed. The manufacturing process is simplified because there is no separate process of assembling the plastic molding to be made.
  • the inner wall of the mold used for insert injection is used.
  • the resin composition which comprises a flameproof layer (B) can be previously coated by the surface of a metal plate to a predetermined thickness.
  • the sheet (resin or ceramic material) constituting the flame retardant layer B may be prefabricated according to a manufacturing standard, and then the inner wall 12a may be padded on a metal plate to be formed or bonded with an adhesive to be installed together in a mold. Can be.
  • a flameproof layer B having a predetermined thickness is formed between the inner wall 12a and the outer wall 12b.
  • the side wall portion 12 is Not all edges of the inter-cell separator 11 are formed. That is, the side wall part 12 is not formed in the edge of the intercell separator 11 located in the front side (part of (a) of FIG. 2) of the cartridge frame 10.
  • FIG. This is a portion where the electrode terminal (see 1a in FIG. 1) of the unit battery cell 1 protrudes, and in this portion the electrode terminals 1a of the unit battery cells 1 constituting the battery module 100. This is because the electrode terminal connecting portion 15 for connecting with each other is fastened.
  • the cartridge frame 10 includes an electrode terminal connecting portion 15 coupled to an edge of a direction in which the electrode terminal 1a of the unit battery cell 1 is drawn out of the edges of the inter-cell separator 11. It may further include.
  • the electrode terminal connecting portion 15 is provided with a fastening groove 15b into which the front edge of the intercell separator 11 of the cartridge frame 10 is inserted and fastened, and the electrode terminal 1a of the unit battery cell 1 is formed. ) Is introduced to expose the electrode terminal through hole (15a). Therefore, when the plurality of unit battery cells 1 are stacked to form the battery module 100, the electrode terminals 1a of the unit battery cells 1 exposed through the electrode terminal through holes 15a are adjacent to each other. It can be connected in series or in parallel with the electrode terminal 1a of the battery cell 1.
  • the electrode terminal connecting portion 15 shown in FIG. 2 is an example, and the specific shape and structure thereof may be changed.
  • the height h of the side wall part 12 is set to be approximately twice the thickness t of one unit battery cell 1, so that one cartridge frame 10 has an inter-cell separator ( 11, a total of two unit battery cells 1 are accommodated, one at the top and one at the bottom, with one cartridge frame 10 per two unit battery cells 1 inserted into the battery module ( 100).
  • the height h of the side wall portion 12 can be variously changed. That is, the height h of the side wall portion 12 may be made larger to include more unit battery cells 1 between the adjacent cartridge frames 10, and conversely, the height of the side wall portion 12 may be increased. h) may be made smaller so that only one unit battery cell 1 is included between adjacent cartridge frames 10 (see FIG. 4A). Furthermore, in FIG. 2B and FIG. 4A, the side wall portion 12 extends up and down the same height around the inter-cell separator 11, but it is not necessary. That is, as shown in Fig. 4B, the side wall portion 12 " may have a structure extending only upward from the inter-cell separator 11.
  • Fig. 5 is an embodiment according to another aspect of the present invention. As a perspective view schematically showing an example battery module, the present embodiment is an example of configuring the battery module 100 using the cartridge frame 10 shown in FIG.
  • the battery module 100 forms a modular battery by storing the unit battery cells 1 in the above-described cartridge frame 10 and stacking them vertically.
  • the electrode terminal 1a exposed through the electrode terminal through groove 15a of the electrode terminal connecting portion 15 is not shown.
  • the top cover 16 and the bottom cover 17 are added to the top and bottom of the battery module 100 to complete the battery module 100.
  • the inner wall 12a facing the side surface of the unit battery cell 1 in the side wall portion 12 of the cartridge frame 10 is formed of metal, and the outer wall 12b is formed of plastic, thereby
  • the side wall portion 12 of the cartridge frame 10 is easily melted or burned. It is possible to prevent the ignition or combustion from continuing to other adjacent battery cells 1.
  • this effect can be further improved when the flameproof layer B is interposed between the inner wall 12a and the outer wall 12b.
  • the battery module 100 according to the present embodiment is particularly useful when the unit battery cells 1 constituting the battery module are pouch type battery cells.
  • the plurality of cartridge frames 10 and the unit battery cells 1 are stacked in the vertical direction, and the cartridge frames 10 are illustrated and described in the vertical stacking direction in FIGS. 2 to 4.
  • the present invention is not limited to the lamination direction. That is, the plurality of cartridge frames 10 and the unit battery cells 1 may be stacked in left and right directions or in front and rear directions. Therefore, in the above description, terms indicating directions such as up, down, left, right, before, and after are relative and may vary according to the relative position of the observer.
  • the cartridge frame of the present invention can prevent the side wall portion from melting or burning by the flame generated inside thereof, and can prevent the flame from propagating to the adjacent region. Therefore, the battery module employing the cartridge frame according to the present invention can be improved durability against the flame. In particular, when the flame resistant layer is included in the side wall portion of the cartridge frame, the effect of the invention can be further enhanced. In addition, the cartridge frame according to the present invention is particularly useful when used to fabricate a modular battery by stacking pouch cells that are at risk of explosion or fire.

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Abstract

모듈형 배터리의 제조시에 적층되는 복수의 단위 배터리 셀들 사이에 삽입되는 카트리지 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다. 본 발명의 일 측면에 따른 카트리지 프레임은, 인접하는 단위 배터리 셀들 사이에 삽입되어 인접하는 단위 배터리 셀들을 격리하는 판상의 셀간 격리판; 및 상기 셀간 격리판의 모서리 중 배터리 셀의 전극 단자가 인출되는 방향의 모서리를 제외한 모서리에서 셀간 격리판이 이루는 판면에 수직한 방향으로 연장되는 측벽부;를 포함하고, 상기 측벽부의 적어도 일부는, 단위 배터리 셀의 측면에 면하는 내측벽이 금속으로 이루어지고, 상기 내측벽과 대향하는 외측벽이 플라스틱으로 이루어진다.

Description

이중 측벽 구조를 가지는 카트리지 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈
본 발명은 단위 배터리 셀들을 적층한 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 모듈에서 단위 배터리 셀들 사이에 삽입되는 카트리지 프레임의 구조에 관한 것이다.
본 발명은 2014년 11월 05일에 출원된 한국특허출원 제10-2014-0153179호 및 2015년 08월 11일에 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2015-0113378호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 에너지 저장 시스템, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용되고 있다.
전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터 구동 등과 같은 큰 전력을 필요로 하는 기기나 전력저장장치에는, 다수 개의 단위 배터리 셀들을 적층해 직렬이나 병렬로 연결하여 구성되는 대용량의 모듈형 배터리가 사용되는 것이 일반적이다.
한편, 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열이 발생하는데, 이 열을 효율적으로 냉각시키지 않으면 이차 전지의 수명이 짧아지고 오작동을 일으키는 등 안정성이 저하될 뿐만 아니라, 심한 경우 발화, 폭발 등으로 이어질 수 있으므로, 효율적인 냉각은 이차 전지를 포함하는 모듈형 배터리의 제작에 있어서 중요한 과제이다.
또한, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 경우, 교통 사고 등에 의해 배터리 셀들에 심각한 충격이나 물리적 손상, 예컨대 뾰족한 물체에 의해 배터리 셀이 관통되는 등의 손상이 발생하게 되면 내부 단락이 일어나 발화나 폭발로 이어지고, 운전자나 탑승자가 위험한 상황에 직면할 수도 있다.
한편, 단위 배터리 셀에는, 금속으로 이루어진 각형 또는 원통형 케이스 안에 내장되는 캔형 배터리나, 알루미늄 포일을 주재료로 하고 합성수지 피복층이 라미네이트된 시트로 이루어진 파우치 포장재 안에 전극조립체와 전해질이 내장되는 파우치형 배터리가 있다.
캔형 배터리는 파우치형 배터리에 비해 물리적인 강도가 높지만, 상대적으로 가볍고 제작이 용이한 파우치형 배터리가 근래에는 널리 사용되고 있다. 하지만, 파우치형 배터리는 외부 충격이나 내부 단락 등에 기인한 팽창 및 폭발에 대한 내성, 즉 기계적 강도가 떨어진다는 단점이 있다.
이러한 이유들로 모듈형 배터리, 특히 파우치형 배터리를 단위 배터리 셀로 사용하는 모듈형 배터리에서는, 한국등록특허공보 제10-1307992호나 한국등록특허공보 제10-0921346호와 같이, 적층되는 단위 배터리 셀 사이에, 단위 배터리 셀을 수용하고 적층하기 용이한 구조의 카트리지 프레임을 삽입하여 적층하는 방식을 취하고 있다.
도 1은 통상적인 카트리지 프레임과 이를 이용하여 복수의 단위 배터리 셀들을 적층하는 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 통상적인 카트리지 프레임(2)은 단위 배터리 셀(1)의 형상과 크기에 맞춰 셀 수용부(3)가 형성되도록 셀간 격리판(2a)과 측벽(2b)을 구비하는 구조를 가진다.
셀간 격리판(2a)은 통상 알루미늄과 같이 열전도율이 높은 금속으로 이루어져 배터리 셀(1)에서 발생하는 열을 흡수하여 냉각하는 역할을 하며, 경우에 따라 셀간 격리판(2a)의 테두리에 냉매가 흐르는 냉매 유로를 형성하거나, 셀간 격리판(2a)에 공기가 통하도록 구멍을 형성할 수도 있다.
한편, 측벽(2b)은 통상 플라스틱으로 이루어지는데, 이는 플라스틱이 사출 성형과 같은 방식으로 제조가 용이한 재료이기도 하지만, 측벽(2b)은 배터리 모듈의 제조나 유지보수시에 배터리 셀의 전극 단자(1a)와 접촉할 우려가 있어 절연성을 담보하기 위함이다.
그런데, 이와 같이 카트리지 프레임(2)의 측벽(2b)을 플라스틱으로 형성하면, 배터리 셀(1)의 발화나 연소시에 쉽게 녹거나 연소되어 인접하는 다른 배터리 셀(1)까지 발화하거나 연소되는 문제가 있다. 이러한 문제는 단위 배터리 셀(1)이 파우치형 배터리로 이루어진 경우에 더 심각할 수 있다. 즉, 파우치형 배터리에서는 배터리 셀(1)의 측면에 형성되는 라미네이트 시트의 융착 밀봉부(1b)가 구조적으로 가장 취약한 부위이다. 따라서, 배터리 셀(1)의 이상 발열이나 내부에서 가스가 발생하여 배터리 셀(1)이 팽창했을 때 배터리 셀(1)의 측면이 터지기 쉽다. 이 경우, 터진 부위에서 나오는 고온의 가스나 화염에 의해 배터리 셀(1)의 측면에 면하고 있는 플라스틱 재질의 카트리지 프레임(2)의 측벽(2b)이 쉽게 녹거나 연소될 수 있는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 배경 하에 창안된 것으로서 어느 하나의 단위 배터리 셀의 발화나 연소가 발생하더라도 쉽게 녹거나 연소하지 않아 인접한 다른 배터리 셀로의 발화나 연소가 쉽게 전달되지 않는 구조의 카트리지 프레임 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 카트리지 프레임은, 적층되는 복수의 단위 배터리 셀들 사이에 삽입되는 카트리지 프레임으로서, 인접하는 단위 배터리 셀들 사이에 삽입되어 인접하는 단위 배터리 셀들을 격리하는 판상의 셀간 격리판; 및 상기 셀간 격리판의 모서리 중 상기 배터리 셀의 전극 단자가 인출되는 방향의 모서리를 제외한 모서리에서 상기 셀간 격리판이 이루는 판면에 수직한 방향으로 연장되는 측벽부;를 포함하고, 상기 측벽부의 적어도 일부는, 상기 단위 배터리 셀의 측면에 면하는 내측벽이 금속으로 이루어지고, 상기 내측벽과 대향되는 외측벽이 플라스틱으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 셀간 격리판은 금속으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 내측벽 및/또는 셀간 격리판을 이루는 금속은 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 카트리지 프레임은 인서트 사출 성형에 의해 상기 셀간 격리판과 상기 측벽부가 일체로 형성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 카트리지 프레임은, 상기 셀간 격리판의 모서리 중 상기 배터리 셀의 전극 단자가 인출되는 방향의 모서리에 결합되어 상기 전극 단자가 접속되는 전극단자 접속부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 내측벽과 외측벽 사이에 방염층이 더 개재될 수 있다. 상기 방염층은 난연성 및 내열성이 있는 수지 조성물로 이루어지거나, 내열성이 있는 세라믹 물질로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 상기 수지 조성물은 발포화된 것이 사용될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 측벽부는 상기 단위 배터리 셀의 두께에 상응하는 높이로 상기 셀간 격리판의 모서리로부터 돌출 연장될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 전술한 어느 하나의 카트리지 프레임을 복수개 포함하고, 상기 복수의 카트리지 프레임들 사이에 하나 이상의 단위 배터리 셀을 삽입하여 적층함으로써 이루어진다.
바람직하게, 상기 단위 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀일 수 있다.
본 발명에 의하면, 카트리지 프레임의 측벽부에서 단위 배터리 셀의 측면에 면하는 내측벽을 금속으로 형성함으로써, 단위 배터리 셀이 발화하거나 연소되었을 때, 그 열 또는 화염을 금속으로 이루어진 내측벽이 흡수하여 방열함으로써 카트리지 프레임의 측벽부가 쉽게 녹거나 연소되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 이러한 카트리지 프레임을 사용하여 복수의 단위 배터리 셀들을 적층하여 배터리 모듈을 형성한 경우, 어느 하나의 단위 배터리 셀이 발화하거나 연소되더라도, 인접하는 다른 배터리 셀로까지 발화나 연소가 전달되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 카트리지 프레임에 있어서 측벽부의 내측벽과 외측벽 사이에 방염층이 개재될 경우 단위 배터리 셀의 발화나 연소가 다른 배터리 셀로까지 전달되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명은 배터리 모듈을 구성하는 단위 배터리 셀들이 파우치형 배터리 셀인 경우에 특히 유용하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 통상적인 카트리지 프레임과 이를 이용하여 복수의 단위 배터리 셀들을 적층하는 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 실시예의 카트리지 프레임을 개략적으로 도시한 일부 분해 사시도(a)와 B-B선에 따른 단면도(b)이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지 프레임의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카트리지 프레임의 변형예들을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 측면에 따른 실시예의 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 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.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 실시예의 카트리지 프레임을 개략적으로 도시한 일부 분해 사시도(a)와 단면도(b)이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 카트리지 프레임(10)은, 모듈형 배터리를 제조하기 위해 적층되는 복수의 단위 배터리 셀(1)들 사이에 삽입되는 카트리지 프레임으로, 크게, 셀간 격리판(11)과 측벽부(12)를 포함하여, 이 셀간 격리판(11)과 측벽부(12)에 의해 단위 배터리 셀(1)을 수용하는 셀 수용부(20)가 정의된다.
셀간 격리판(11)은 인접하는 단위 배터리 셀(1)들 사이에 삽입되어 인접하는 단위 배터리 셀(1)들을 격리하는 판상의 부재이다. 셀간 격리판(11)은 어느 정도의 기계적 강도를 가지는 금속이나 플라스틱 등의 재료로 형성하면 되는데, 보통은 알루미늄, 구리, 또는 알루미늄이나 구리의 합금과 같이 열전도율이 높은 금속, 바람직하게는 알루미늄 또는 그 합금으로 이루어지는 것이, 배터리 셀(1)에서 발생하는 열을 흡수하여 냉각하는 데에 바람직하다. 또한, 필요에 따라 셀간 격리판(11)의 테두리에는 액상의 냉매가 흐르는 냉매 유로를 형성하거나, 셀간 격리판(11) 자체에 공기가 통하도록 셀간 격리판(11)을 가로 지르는 복수의 관통 유로를 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 복수의 관통 유로는 바람직하게 상기 측벽부(12)를 통해 외부로 개구되는 것이 바람직하다.
측벽부(12)는 셀간 격리판(11)의 모서리에서 셀간 격리판(11)의 판면에 수직한 방향으로 연장되어 형성된다. 여기서, 측벽부(12)의 적어도 일부는 서로 다른 재질로 이루어진 이중벽 구조로 이루어진다. 구체적으로, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 측벽부(12)에서 단위 배터리 셀(1)의 측면에 면하는 내측벽(12a)은 금속으로 이루어지고, 내측벽(12a)과 대향하는 외측벽(12b)은 종래 통상적으로 카트리지 프레임을 이루는 재질인 플라스틱으로 이루어진다. 내측벽(12a)을 형성하는 금속은, 제조 공정의 편의나 이하에 설명하는 그 기능을 고려하면 전술한 셀간 격리판(11)을 이루는 금속과 마찬가지로, 알루미늄, 구리, 또는 알루미늄이나 구리의 합금과 같이 열전도율이 높은 금속인 것이 바람직하다. 이때 측벽부(12)의 내측벽(12a)을 이루는 금속과 셀간 격리판(11)을 이루는 금속은 동일하여도 되고 달라도 된다.
이렇게 단위 배터리 셀(1)의 측면에 면하는 내측벽(12a)을 금속으로 형성함으로써, 복수의 단위 배터리 셀(1)들을 적층하여 배터리 모듈(도 5의 100 참조)을 형성한 경우, 어느 하나의 단위 배터리 셀(1)이 발화하거나 연소되었을 때, 그 열 또는 화염을 금속으로 이루어진 내측벽(12a)이 받아 흡수하고 방열함으로써 카트리지 프레임(10)의 측벽부(12)가 쉽게 녹거나 연소되는 것을 방지할 수 있다.
단위 배터리 셀(1)이 파우치형 배터리로 이루어진 경우, 구조적으로 가장 취약한 부위인 배터리 셀(1)의 측면에 형성되는 라미네이트 시트의 융착 밀봉부(도 1의 1b 참조)가 터져 고온의 가스나 화염이 카트리지 프레임(10)의 측벽부(12)의 내측벽(12a)에 직접 닿을 수 있는데, 본 발명은 특히 이러한 경우에 유용하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 측벽부(12)가 녹거나 연소되는 것을 더욱 효과적으로 차단하기 위해 측벽부(12)를 구성하는 내측벽(12a)과 외측벽(12b) 사이에 도 3에 도시된 것과 같이 방염층(B)이 선택적으로 개재될 수 있다.
상기 방염층(B)은 난연성 및 내열성이 좋은 수지(resin)로 이루어질 수 있다. 이러한 수지의 비제한적인 일 예시로는 WO2012/015128A1에 개시된 인계 아크릴 공중합체를 포함하는 열가소성 수지 조성물을 들 수 있다.
상기 수지 조성물은 투명성, 내스크래치성, 난연성, 내열성, 기계적 물성 및 유동 특성이 우수하여 방염층(B)의 후보 물질로서 적합하다. 상기 방염층(B)은 내측벽을 구성하는 금속판에 소정의 두께로 코팅될 수도 있고, 내측벽(12a)과 외측벽(12b) 사이에 독립적인 쉬트 매체로서 삽입되어 내측벽(12a)과 외측벽(12b)에 접합될 수 있다.
상기 방염층(B)은 예로 든 열가소성 수지 조성물 이외에도 난연성 및 내열성이 우수하다고 알려진 공지의 다른 수지 조성물로 이루어질 수도 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
선택적으로, 상기 방염층(B)은 발포화처리 되어 규칙적 또는 불규칙적으로 분포되는 기공들을 더 포함할 수 있다. 이러한 기공들은 외측벽(12b)을 구성하는 플라스틱 물질로 열이 전도되는 것을 지연시켜 본 발명이 의도하는 효과를 더욱 향상시킨다.
상기 방염층(B)은 수지 조성물 이외에도 알루미나와 같이 내열성이 우수한 세라믹 물질로 이루어질 수도 있다.
한편, 측벽부(12)에서 카트리지 프레임의 후면쪽(도 2의 (a)에서 ② 부분)에 형성된 홈(13)은, 복수의 단위 배터리 셀(1)들을 적층하여 배터리 모듈(도 5 100 참조)을 형성할 때 상하로 적층되는 카트리지 프레임(10)들을 쉽게 정렬하여 체결할 수 있도록 하는 체결홈이다. 따라서, 도면에는 도시되지 않았으나 체결홈(13)에 대응되는 위치의 측벽부(12) 저면에는 체결홈(13)에 끼워지도록 대응되는 형상의 체결 돌기가 형성되어 있다.
또한, 측벽부(12)에서 카트리지 프레임의 좌우측(도 2의 (a)에서 ③ 및 ④ 부분)에 형성된 홈(14)은, 복수의 단위 배터리 셀(1)들을 적층하여 배터리 모듈(100)을 형성했을 때 냉매 역할을 하는 공기가 통과할 수 있도록 하는 유로를 형성하기 위한 유로홈이다.
다만, 측벽부(12)에 형성되는 체결홈(13)이나 체결 돌기, 유로홈(14)의 구체적인 형상이나 형성 위치는 얼마든지 변경가능하다.
본 실시예에 따른 카트리지 프레임(10)은, 인서트 사출 성형에 의해 일체로 제조할 수 있다. 즉, 먼저, 셀간 격리판(11)을 이루는 금속판과 측벽부(12)의 내측벽(12a)을 이루는 금속판을, 프레스 가공 등으로 원하는 형상으로 만든다. 이어서 이 금속판들을 카트리지 프레임(10)의 성형을 위한 금형에 인스톨하고, 금형 안으로 측벽부(12)의 외측벽(12b)을 형성할 플라스틱의 용융액을 주입한다. 이와 같이 인서트 사출 성형을 이용하여 카트리지 프레임(10)을 제조하면 셀간 격리판(11)과 측벽부(12)의 내측벽(12a)을 이루는 금속판들과 측벽부(12)의 외측벽(12b)을 이루는 플라스틱 성형물을 조립하는 별도의 공정을 거치지 않아도 되므로 제조 공정이 단순화된다.
본 발명의 변형 예로서 카트리지 프레임(10)이 도 3과 같이 내측벽(12a)과 외측벽(12b) 사이에 방염층(B)이 개재된 구조를 가지는 경우, 인서트 사출에 사용되는 금형에 내측벽(12a)을 이루는 금속판을 인스톨하기 전에 방염층(B)을 구성할 수지 조성물을 금속판의 표면에 소정 두께로 미리 코팅할 수 있다. 대안적으로는, 방염층(B)을 구성할 쉬트(수지 또는 세라믹 재질)를 제조 규격에 맞게 미리 제작한 후 내측벽(12a)을 구성할 금속판에 덧대거나 접착제로 접합하여 금형에 함께 인스톨할 수 있다. 이러한 공법이 적용되면, 내측벽(12a)과 외측벽(12b) 사이에 소정 두께를 갖는 방염층(B)이 형성된다.한편, 본 실시예에 따른 카트리지 프레임(10)에서 측벽부(12)는 셀간 격리판(11)의 모든 모서리에 형성되어 있지는 않다. 즉, 카트리지 프레임(10)의 전면쪽(도 2의 (a)에서 ① 부분)에 위치하는 셀간 격리판(11)의 모서리에는 측벽부(12)가 형성되어 있지 않다. 이는, 이 부분이 단위 배터리 셀(1)의 전극 단자(도 1의 1a 참조)가 돌출되는 부분으로서, 이 부분에는 배터리 모듈(100)을 이루는 단위 배터리 셀(1)들의 전극 단자(1a)들끼리 연결하기 위한 전극단자 접속부(15)가 체결되는 부위이기 때문이다.
즉, 본 실시예에 따른 카트리지 프레임(10)은 셀간 격리판(11)의 모서리 중 단위 배터리 셀(1)의 전극 단자(1a)가 인출되는 방향의 모서리에 결합되는 전극단자 접속부(15)를 더 포함할 수 있다. 이 전극단자 접속부(15)에는 카트리지 프레임(10)의 셀간 격리판(11)의 전면쪽 모서리가 삽입되어 체결되는 체결홈(15b)이 형성되어 있고, 단위 배터리 셀(1)의 전극 단자(1a)가 도입되어 노출되는 전극단자 관통홈(15a)이 형성되어 있다. 따라서, 복수의 단위 배터리 셀(1)들을 적층하여 배터리 모듈(100)을 형성할 때, 이 전극단자 관통홈(15a)을 통해 노출되는 단위 배터리 셀(1)의 전극 단자(1a)를 인접하는 배터리 셀(1)의 전극 단자(1a)와 직렬 또는 병렬로 접속할 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 전극단자 접속부(15)는 일 예로서, 그 구체적인 형상과 구조는 얼마든지 변경가능하다.
한편, 도 2에서 측벽부(12)의 높이(h)는 하나의 단위 배터리 셀(1)의 두께(t)의 대략 2배가 되도록 설정되어 있어, 하나의 카트리지 프레임(10)에는 셀간 격리판(11)을 사이에 두고 상부와 하부에 각각 하나씩, 총 두 개의 단위 배터리 셀(1)이 수용되어, 결과적으로 두 개의 단위 배터리 셀(1) 당 하나씩의 카트리지 프레임(10)이 삽입되어 배터리 모듈(100)을 구성하게 한다.
그러나, 측벽부(12)의 높이(h)는 다양하게 변경가능하다. 즉, 측벽부(12)의 높이(h)를 더 크게 하여 인접하는 카트리지 프레임(10)의 사이에 더 많은 단위 배터리 셀(1)들을 포함하도록 할 수도 있고, 반대로 측벽부(12)의 높이(h)를 더 작게 하여 인접하는 카트리지 프레임(10)의 사이에 하나의 단위 배터리 셀(1)만이 포함되도록 할 수도 있다(도 4의 (a) 참조). 나아가, 도 2의 (b)와 도 4의 (a)에서는 측벽부(12)가 셀간 격리판(11)을 중심으로 상하로 동일한 높이만큼 연장되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 즉, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 측벽부(12")를 셀간 격리판(11)으로부터 위쪽으로만 연장되는 구조를 취할 수도 있다. 도 5는 본 발명의 다른 측면에 따른 실시예의 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도로서, 본 실시예는 도 2에 도시된 카트리지 프레임(10)을 사용하여 배터리 모듈(100)을 구성한 예이다.
즉, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 전술한 카트리지 프레임(10)에 단위 배터리 셀(1)을 수납하고 이들을 상하로 적층함으로써 모듈형 배터리를 형성한 것이다. 다만, 도 5에서는 전극단자 접속부(15)의 전극단자 관통홈(15a)을 통해 노출되는 전극 단자(1a)는 도시를 생략하였다. 한편, 배터리 모듈(100)의 최상부와 최하부에는 각각 상부 커버(16)와 하부 커버(17)를 부가하여 배터리 모듈(100)을 완성하고 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 카트리지 프레임(10)의 측벽부(12)에서 단위 배터리 셀(1)의 측면과 면하는 내측벽(12a)을 금속으로 형성하고 외측벽(12b)을 플라스틱으로 형성함으로써, 배터리 모듈(100)에 포함된 복수의 단위 배터리 셀(1)들 중 어느 하나의 배터리 셀(1)에 발화나 연소가 발생했을 때, 카트리지 프레임(10)의 측벽부(12)가 쉽게 녹거나 연소되는 것을 방지하여, 인접하는 다른 배터리 셀(1)로까지 발화나 연소가 이어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 효과는 내측벽(12a)과 외측벽(12b) 사이에 방염층(B)이 개재될 때 더욱 향상될 수 있다. 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 모듈을 구성하는 단위 배터리 셀(1)들이 파우치형 배터리 셀인 경우에 특히 유용하다.
한편, 도 5에서 복수의 카트리지 프레임(10) 및 단위 배터리 셀(1)들은 상하방향으로 적층되는 것으로 도시하고, 도 2 내지 도 4에서도 카트리지 프레임(10)을 상하 적층 방향에 맞추어 도시하고 설명하였으나, 적층방향에 따라 본 발명이 한정되지는 않는다. 즉, 복수의 카트리지 프레임(10) 및 단위 배터리 셀(1)들은 좌우나 전후방향으로 적층될 수도 있다. 따라서, 전술한 설명에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어는 상대적인 것으로서, 관측자의 상대 위치에 따라 달라질 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.
본 발명의 카트리지 프레임은 그 내측에서 발생된 화염에 의해 측벽부가 녹거나 연소되는 것을 방지할 수 있고, 또 화염이 인접 영역으로 전파되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 카트리지 프레임을 채용한 배터리 모듈은 화염에 대한 내구성이 향상될 수 있다. 특히, 카트리지 프레임의 측벽부에 방염층이 포함된 경우 발명의 효과가 더욱 증진될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 카트리지 프레임은 폭발이나 발화 위험이 있는 파우치 셀들을 적층시켜 모듈형 배터리를 제작하는데 사용하면 특히 유용하다.

Claims (11)

  1. 적층되는 복수의 단위 배터리 셀들 사이에 삽입되는 카트리지 프레임으로서,
    인접하는 단위 배터리 셀들 사이에 삽입되어 인접하는 단위 배터리 셀들을 격리하는 판상의 셀간 격리판; 및
    상기 셀간 격리판의 모서리 중 상기 배터리 셀의 전극 단자가 인출되는 방향의 모서리를 제외한 모서리에서 상기 셀간 격리판이 이루는 판면에 수직한 방향으로 연장되는 측벽부;를 포함하고,
    상기 측벽부의 적어도 일부는, 상기 단위 배터리 셀의 측면에 면하는 내측벽이 금속으로 이루어지고, 상기 내측벽과 대향하는 외측벽이 플라스틱으로 이루어진 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀간 격리판이 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 카트리지 프레임은 인서트 사출 성형에 의해 상기 셀간 격리판과 상기 측벽부가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 셀간 격리판의 모서리 중 상기 배터리 셀의 전극 단자가 인출되는 방향의 모서리에 결합되어 상기 전극 단자가 접속되는 전극단자 접속부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내측벽과 상기 외측벽 사이에 방염층이 개재된 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방염층은 난연성 및 내열성이 있는 수지 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수지 조성물은 발포화된 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 방염층은 내열성이 있는 세라믹 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 측벽부는 상기 셀간 격리판으로부터 상기 단위 배터리 셀의 두께에 상응한 높이로 돌출 연장된 것을 특징으로 하는 카트리지 프레임.
  11. 제1항 또는 제2항에 기재된 카트리지 프레임을 복수개 포함하고,
    상기 복수의 카트리지 프레임들 사이에 하나 이상의 단위 배터리 셀을 삽입하여 적층함으로써 이루어지는 배터리 모듈.
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