WO2024117586A1 - 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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WO2024117586A1
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WO
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bus bar
battery module
fire
battery
cell stack
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PCT/KR2023/017698
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정기택
김수열
정혜미
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • lithium secondary batteries have little memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so they can be freely charged and discharged. It is receiving attention for its extremely low self-discharge rate and high energy density.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxide and carbon material as positive and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which positive and negative electrode plates coated with the positive and negative electrode active materials are disposed with a separator in between, and an exterior material, that is, a battery case, that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte.
  • lithium secondary batteries can be classified into can-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • secondary batteries have been widely used for driving or energy storage not only in small devices such as portable electronic devices, but also in medium to large devices such as electric vehicles and energy storage systems (ESS).
  • ESS electric vehicles and energy storage systems
  • a plurality of these secondary batteries can be electrically connected and stored together inside a module case to form one battery module. Additionally, multiple such battery modules can be connected to form one battery pack.
  • TP thermal propagation
  • securing TP performance is currently a major topic in technology fields such as automotive battery packs and modules.
  • the present invention was created in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a battery module with an improved structure so that an effective TP solution can be provided, as well as a battery pack and automobile including the same.
  • a battery module for solving the above-described problems includes a cell stack including a plurality of battery cells having electrode leads; a bus bar frame assembly including a bus bar electrically connected to the electrode lead and a bus bar frame on which the bus bar is seated, and configured to cover one side of the cell stack; and a fire-resistant cover configured to cover the bus bar frame assembly and a fire-resistant cover assembly including a metal member coupled to at least one of the electrode lead and the bus bar.
  • a welding portion may be formed in an overlapping area of the metal member, the electrode lead, and the bus bar, penetrating the metal member and the electrode lead and reaching the bus bar.
  • the metal member may be insert-coupled to the fire-resistant cover.
  • the metal member may be formed integrally with the fire-resistant cover by insert injection molding.
  • the fire-resistant cover may include a first extension portion configured to extend from the top of the bus bar frame in a direction toward the cell stack and at least partially cover the upper surface of the cell stack.
  • the battery cell includes an electrode assembly; a cell case configured to accommodate the electrode assembly; and the electrode lead connected to the electrode assembly and extended to the outside of the cell case. may include.
  • the cell case includes a receiving portion in which the electrode assembly is accommodated; and a sealing portion extending outward from the periphery of the receiving portion; may include.
  • the first extension part may be extended to cover an area of the sealing part corresponding to a terrace part, which is an area located in a direction in which the electrode lead is pulled out.
  • the battery module may include a thermal barrier interposed between the fire-resistant cover assembly and the bus bar frame assembly.
  • the thermal barrier may include silicon.
  • the thermal barrier may have a barrier hole configured to insert the metal member.
  • the metal member may have a thickness corresponding to the sum of the thickness of the fire-resistant cover and the thickness of the thermal barrier.
  • the battery module may include a module housing configured to accommodate the cell stack and having an opening formed in a direction in which the electrode lead is drawn out.
  • the bus bar frame assembly may be configured to cover the opening.
  • the module housing may include a venting portion formed on a surface facing the lower surface of the cell stack.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes a battery module according to an embodiment of the present invention as described above.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes a battery pack according to an embodiment of the present invention as described above.
  • the heat propagation suppression performance of the battery module can be improved.
  • the fastening structure of the fire-resistant cover attached to the front of the bus bar frame can be made more robust.
  • directional venting may be possible, thereby reducing the risk of venting to unexpected points.
  • the process of fixing the fire-resistant cover and the process of electrically connecting the battery cells can be performed at the same time, thereby improving assembly efficiency and productivity.
  • a battery module and its application device with improved safety from thermal events can be provided.
  • the safety of occupants can be more effectively guaranteed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing a structure in which the fire-resistant cover assembly of the present invention is coupled to an electrode lead and bus bar assembly.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a structure in which a welded portion penetrates each component in an overlapping area of a metal member, an electrode lead, and a bus bar, unlike that shown in FIG. 2 .
  • Figure 4 is a diagram showing a structure in which an extension part is provided in the fire-resistant cover assembly of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram showing a structure in which an extension part provided in the fire-resistant cover assembly of the present invention covers an area corresponding to the terrace part of a battery cell.
  • FIG. 6 is a diagram showing an exemplary form of a battery cell of the present invention.
  • Figure 7 is a diagram showing a structure in which a thermal barrier is additionally applied to the fire-resistant cover assembly.
  • FIG. 8 is a diagram showing the positional relationship between a metal member, a thermal barrier, an electrode lead, and a bus bar in the battery module shown in FIG. 7.
  • Figure 9 is a diagram showing a module housing and end plate applied to the battery module of the present invention.
  • Figure 10 is a diagram showing a structure in which a venting portion is provided in the module housing of the present invention.
  • Figure 11 is a diagram showing the structure in which the venting part provided in the module housing of the present invention is formed in the area corresponding to the terrace part of the battery cell.
  • Figure 12 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a diagram showing a car according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 10 may include a cell stack 100, a busbar frame assembly 200, and a fire-resistant cover assembly 300.
  • the cell stack 100 may include a plurality of battery cells 110 each having electrode leads 111 .
  • the battery cell 110 may be, for example, a pouch-type battery cell.
  • the cell stack 100 may include pads 120 interposed between battery cells 110 adjacent to each other.
  • the pad 120 may be configured to absorb volume expansion due to swelling of the battery cell 110. Considering this function, the pad 120 may include a material having elasticity.
  • the pad 120 may include a fire-resistant material.
  • the pad 120 may include a material with low thermal conductivity, and thus may function as a thermal barrier that delays heat transfer between adjacent battery cells 110.
  • the pad 120 may have an area corresponding to the battery cell 110.
  • the bus bar frame assembly 200 may include a bus bar 220 electrically connected to the electrode lead 111 and a bus bar frame 210 on which the bus bar 220 is seated.
  • the bus bar frame assembly 200 may be configured to cover one side of the cell stack 100.
  • the bus bar frame 210 may be configured to cover one side of the cell stack 100.
  • the bus bar frame 210 may include a non-conductive material.
  • the bus bar frame 210 may be provided with a pad insertion portion configured to insert an end in the longitudinal direction (direction parallel to the X-axis) of the pad 120. You can.
  • the pad 120 may be configured to cover the ends of the battery cells 110 in the longitudinal direction (direction parallel to the 120) can be effectively blocked.
  • the bus bar 220 may be provided in plural numbers depending on the number of battery cells 110 to be electrically connected.
  • the bus bar 220 may be located on the opposite side of the cell stack 100 with the bus bar frame 210 interposed therebetween.
  • the electrode lead 111 may pass through a slit formed in the bus bar frame 210 and be coupled to the bus bar 220.
  • a pair of electrode leads 111 provided in each of a pair of neighboring battery cells 110 are coupled to one bus bar 220, so that a pair of neighboring battery cells 110 are electrically connected to each other. It can be connected to .
  • the bus bar frame assembly 200 may be provided as a pair.
  • the pair of bus bar frame assemblies 200 may be configured to cover one side and the other side of the cell stack 100, respectively.
  • At least one of the pair of bus bar frame assemblies 200 may include a terminal 230.
  • the terminal 230 may be provided as a pair.
  • a pair of terminals 230 may be provided in one bus bar frame assembly 200, and a pair of terminals 230 may be provided in one bus bar frame assembly 200.
  • One bus bar frame assembly 200 may be provided one at a time.
  • the terminal 230 may be electrically coupled to the electrode lead 111 of the battery cell 110 disposed on the outermost layer among the plurality of battery cells 110 constituting the cell stack 100. there is.
  • the terminal 230 may be directly coupled to the bus bar frame 210, or alternatively, may be coupled to a bus bar 220 coupled to the bus bar frame 210.
  • the fire-resistant cover assembly 300 may include a fire-resistant cover 310 and a metal member 320.
  • the fire-resistant cover 310 may be configured to cover the busbar frame assembly 200. When the bus bar frame assembly 200 is provided as a pair, the fire-resistant cover assembly 300 may also be provided as a pair.
  • the fire-resistant cover 310 may be configured to protect and support the bus bar frame 210 in a high temperature environment when a thermal event occurs.
  • the fire-resistant cover 310 may be configured to have a higher melting point compared to the bus bar frame 210.
  • the fire-resistant cover 310 may include, for example, a fire-resistant resin.
  • the fire-resistant cover 310 may have an area equal to or larger than the area of the bus bar frame 210 facing it, so that the bus bar frame 210 is not exposed to the outside of the fire-resistant cover 310. .
  • the metal member 320 may be coupled to the fire-resistant cover 310.
  • the metal member 320 may be insert-coupled to a fire-resistant cover.
  • the metal member 320 may be formed integrally with the fire-resistant cover 310 by insert injection.
  • the metal member 320 may include a conductive metal.
  • the metal member 320 may include aluminum, for example.
  • the metal member 320 may be provided in plural numbers.
  • the metal member 320 may be coupled to at least one of the electrode lead 111 and the bus bar 220.
  • the metal member 320 may be coupled to the external terminal 230.
  • the metal member 320 is an additional body on the combination of the bus bar 220 and the electrode lead 111 formed in advance by welding, or the combination of the external terminal 230 and the electrode lead 111 previously formed by welding. Can be joined by welding.
  • the metal member 320 and the electrode lead 111 are penetrated.
  • a welding portion W reaching the bus bar 220 (or terminal 230) may be formed.
  • the bus bar 220 (or terminal 230), the electrode lead 111, and the metal member 320 are electrically connected to each other through a single welding process, and the fire-resistant cover assembly 300 is formed. All fixations can be achieved.
  • the metal member 320 is exposed to the outside through the outer surface of the fire-resistant cover 310 , but the present invention is not limited to this.
  • the metal member 320 may be configured to be exposed only through one of both sides of the fire-resistant cover 310 that faces the bus bar frame assembly 200. In this case, there is no risk of unnecessary electrical connections occurring on the outer surface of the fire-resistant cover 310, that is, on the surface opposite to the side facing the bus bar frame assembly 200.
  • the battery module 10 is provided with a fire-resistant cover assembly 300 configured to cover the bus bar frame assembly 200, thereby protecting the bus bar frame in a high temperature environment due to a thermal event, etc. (210) can prevent structural collapse or delay the collapse.
  • the battery module 10 according to an embodiment of the present invention is a component in which the metal member 320 provided in the fire-resistant cover assembly 300 includes a metal component provided in the busbar frame assembly 200. By being configured to be coupled to the bus bar frame 210, it prevents high-temperature gas and/or flame from moving from the cell stack 100 to the outside or from the outside toward the cell stack 100 even after the bus bar frame 210 is damaged. can do.
  • a battery module 10 is shown that further includes additional elements compared to the battery module according to the previously described embodiment.
  • the battery module 10 is different from the battery module according to the previous embodiment in the structure of the fire-resistant cover 310.
  • the fire-resistant cover 310 may be provided with a first extension portion 311.
  • the first extension portion 311 extends from the top of the bus bar frame 210 in a direction toward the cell stack 100 and at least partially covers the upper surface (surface parallel to the X-Y plane) of the cell stack 100. It can be configured to do so.
  • venting gas generated at one end in the longitudinal direction (direction parallel to the X-axis) of the battery cell 110 is prevented from being ejected upward from the cell stack 100. Or it can be suppressed.
  • the first extension part 311 is a terrace part T corresponding to an area located in the direction in which the electrode lead 111 is drawn out of the entire area of the sealing part 12b of the battery cell 110 (see FIG. 5). It may extend so as not to be exposed above the cell stack 100.
  • the battery cell 110 includes an electrode assembly (not shown), a cell case 112 configured to accommodate the electrode assembly, and a cell case 112 connected to the electrode assembly. It may include an electrode lead 111 configured to be drawn out to the outside.
  • the battery cell 110 may include a lead film 113 that partially surrounds the electrode lead 111 and is interposed between the electrode lead 111 and the sealing area of the cell case 112. As described above, the battery cell 110 may be a pouch-type battery cell.
  • the electrode leads 111 may be provided in pairs. In this case, as shown in the drawing of the present invention, the pair of electrode leads 111 may be pulled out in opposite directions from the cell case 112. . However, the present invention is not limited by this, and the pair of electrode leads 111 may be pulled out in the same direction.
  • one bus bar frame assembly 200 may be provided.
  • the bus bar frame assembly 200 may be provided with one pair.
  • the cell case 112 may include an accommodating portion 112a configured to accommodate the electrode assembly, and a sealing portion 112b extending outward from the periphery of the accommodating portion 112a.
  • the area located in the direction in which the electrode lead 111 is drawn out of the entire area of the sealing part 112b can be defined as the terrace part T, as described above.
  • the planar shape of the cell case 112 is approximately rectangular, for example, from one end of one side of the sealing area 112b formed on the edge of the cell case 112, The entire area leading to the end may be referred to as the terrace portion (T).
  • this terrace portion T corresponds to the area where the electrode lead 111 is drawn out, the structure of the joint area between the upper case and the lower case constituting the cell case 112 will not be flat like the rest of the sealing area, but will have a curved shape. You can. Due to these structural characteristics, the terrace portion T may fracture at a faster time than the remaining seal portion 112b when the internal pressure of the battery cell 110 increases. Furthermore, in the pouch-type battery cell 110, a gas collection space in which gas generated inside the battery cell 110 can collect may exist between the terrace portion T and the electrode assembly (not shown). Accordingly, venting may preferentially occur in the terrace portion T due to the pressure of the gas collected in the gas collection space.
  • the first extension part 311 can prevent the venting gas from going upward (in the positive Z-axis direction) of the battery module 10 when the venting gas is discharged through the terrace part T. , This can lead to directional venting.
  • the first extension 311 may be in close contact with the top of the cell stack 100.
  • the sealing portion 112b is located on the side of the sealing portion 112b of the cell case 112, that is, both ends in the height direction (direction parallel to the Z axis) of the cell stack 100.
  • the sealing portion 112b located at may be folded to face the receiving portion 112a.
  • the first extension part 311 may be configured to be in close contact with the folded sealing part 112b.
  • the height (length along the Z-axis direction) of the pad 120 may correspond to the height of the cell stack 100. You can.
  • the first extension 311 may be configured to be in close contact with the top of each of the battery cells 110 and pads 120 that make up the cell stack 100.
  • the first extension part 311 is configured to be in close contact with the top of the cell stack 100, thereby more reliably preventing the venting gas discharged through the terrace part T from leaking upwards of the cell stack 100. can do. This allows you to maximize the directional venting effect.
  • the fire-resistant cover 310 may include a first accommodating portion 310a configured to accommodate the terminal 230.
  • a hole through which the terminal 230 can pass is formed in the fire-resistant cover 310 depending on the extension direction and/or extension length of the terminal 230. This may need to be formed.
  • the first receiving portion 310a may be a hole having a shape corresponding to the terminal 230.
  • One or two first accommodating parts 310a may be provided depending on the number of terminals 230.
  • the first accommodating part 310a may be formed in the first extension part 311 depending on the extension direction and/or length of the terminal 230, or may be formed in an area other than the first extension part 311. .
  • the fire-resistant cover assembly 300 connects the cell stack 100 and the bus bar frame assembly 200 through the terminal 230 made of a metal material. ) can be combined with a conjugate. Therefore, even if damage occurs to the bus bar frame 210 in a high temperature environment, the arrangement position of the fire-resistant cover assembly 300 can be maintained.
  • the first receiving portion 310a when performing a process of welding the metal member 320 with the electrode lead 111 and/or the bus bar 220, the positions of the welding objects are aligned. The process can be facilitated, thereby improving productivity and quality.
  • the battery module 10 may include a thermal barrier 400 interposed between the fire-resistant cover assembly 300 and the busbar frame assembly 200.
  • the thermal barrier 400 may be configured to minimize heat transfer between the cell stack 100 and the battery module 10 in a high temperature environment due to a thermal event.
  • the thermal barrier 400 may include, for example, silicon.
  • the thermal barrier 400 may also be provided as a pair.
  • the thermal barrier 400 may include a second extension portion 410.
  • the second extension portion 410 extends from the top of the bus bar frame 210 in a direction toward the cell stack 100 and at least partially covers the upper surface (a surface parallel to the X-Y plane) of the cell stack 100. It can be configured to do so.
  • venting gas generated at one end in the longitudinal direction (direction parallel to the X-axis) of the battery cell 110 is prevented from being ejected upward from the cell stack 100. Or it can be suppressed.
  • the second extension part 410 is a terrace part T corresponding to an area located in the direction in which the electrode lead 111 is drawn out of the entire area of the sealing part 112b of the battery cell 110 (see FIG. 5). ) may be extended so as not to be exposed above the cell stack 100.
  • the second extension part 410 can prevent the venting gas from going upward (in the positive Z-axis direction) of the battery module 10 when the venting gas is discharged through the terrace part T. , This can lead to directional venting.
  • the second extension part 410 may be in close contact with the top of the cell stack 100.
  • the sealing portion 112b is located on the side of the sealing portion 112b of the cell case 112, that is, both ends in the height direction (direction parallel to the Z axis) of the cell stack 100.
  • the sealing portion 112b located at may be folded to face the receiving portion 112a.
  • the second extension part 410 may be configured to be in close contact with the folded sealing part 112b.
  • the height (length along the Z-axis direction) of the pad 120 may correspond to the height of the cell stack 100. You can.
  • the second extension portion 410 may be configured to be in close contact with the top of each of the battery cells 110 and pads 120 that make up the cell stack 100.
  • the second extension part 410 is configured to be in close contact with the top of the cell stack 100, thereby more reliably preventing the venting gas discharged through the terrace part T from leaking upwards of the cell stack 100. can do. This allows you to maximize the directional venting effect.
  • the first extension part ( 311) may be configured to at least partially cover the second extension portion 410.
  • venting gas can be more reliably prevented from moving upward of the cell stack 100.
  • the thermal barrier 400 may include a second accommodating portion 400a configured to accommodate the terminal 230.
  • a hole through which the terminal 230 can pass is formed in the thermal barrier 400 depending on the extension direction and/or extension length of the terminal 230. This may need to be formed.
  • One or two second accommodating parts 400a may be provided depending on the number of terminals 230.
  • the second accommodating part 400a may be formed in the second extension part 410 depending on the extension direction and/or length of the terminal 230, or may be formed in an area other than the second extension part 410. .
  • the thermal barrier 400 may include a barrier hole 400b into which the metal member 320 of the fire-resistant cover assembly 300 is inserted.
  • the barrier holes 400b may be provided in a number corresponding to the number of metal members 320.
  • the barrier hole 400b may have a shape corresponding to the shape of the metal member 320.
  • the metal member 320 of the fire-resistant cover assembly 300 may pass through the barrier hole 400b of the thermal barrier 400 and be coupled to the electrode lead 111 and/or the bus bar 220.
  • the metal member 320 may have a thickness corresponding to the sum of the thickness of the fire-resistant cover 310 and the thickness of the thermal barrier 400.
  • the metal member 320 when the metal member 320 is combined with the electrode lead 111 and/or the bus bar 220, the fire-resistant cover assembly 300, the thermal barrier 400, and the electrode lead 111 (or bus bar ( 220)) can be brought into close contact with each other, thereby preventing the occurrence of dead space.
  • the battery module 10 of the present invention includes both the fire-resistant cover assembly 300 and the thermal barrier 400, thermal propagation can be more effectively limited.
  • the reduction in energy density due to additional application of components can be minimized through the close contact structure between the fire-resistant cover 310 and the thermal barrier 400.
  • the module housing 500 may be configured to accommodate the cell stack 100 or a combination of the cell stack 100 and the bus bar frame assembly 200.
  • the module housing 500 may have an opening formed in the direction in which the electrode lead 111 is pulled out. These openings may be provided on one or both sides of the module housing 500 in the longitudinal direction (direction parallel to the X-axis).
  • the bus bar frame assembly 200 described above may be configured to cover the opening portion of the module housing 500.
  • the module housing 500 may be an integrated housing provided with an opening.
  • the module housing 500 may be provided with a venting portion 510 formed on a surface facing the lower surface (a surface parallel to the X-Y plane) of the cell stack 100.
  • the venting portion 510 may be formed, for example, by partially reducing the thickness of the plate constituting the module housing 500.
  • the structure of the venting portion 510 is not limited to this, and the venting portion 510 may be formed by applying a material that is weaker than the surrounding area of the module housing 500.
  • the venting unit 510 may be a valve that is installed through the module housing 500 and is configured to open when the internal pressure is higher than a critical pressure.
  • the valve may be a one-way valve configured to be opened only in a direction from the inside of the battery module 10 to the outside.
  • One or more venting units 510 may be provided.
  • the venting portion 510 may be provided at a position corresponding to the terrace portion T of the battery cell 110.
  • the fire-resistant cover 310 of the present invention is configured to cover the area corresponding to the terrace portion (T) at the top of the cell stack 100, and the venting portion 510 is formed at the bottom of the module housing 500 with the terrace portion ( When provided in a position corresponding to T), the induction effect of directional venting can be increased. Additionally, the rapidity of gas discharge can also be improved.
  • the end plate 600 is a combination including the cell stack 100, the bus bar frame assembly 200, and the fire-resistant cover assembly 300 in the module housing 500. It may be configured to cover the opening of the module housing 500 in an accommodated state.
  • the end plate 600 may be provided in a number corresponding to the number of openings provided in the module housing 500.
  • a battery pack 1 includes a battery module 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1 may include a pack housing 20 configured to accommodate the battery module 10.
  • the battery pack 1 of the present invention is not limited to this.
  • the battery pack 1 may include a plurality of battery modules 10. In this case, the plurality of battery modules 10 may be electrically connected to each other.
  • a vehicle V includes a battery pack 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle V may be configured to operate by receiving power from the battery pack 1.
  • the vehicle (V) may be, for example, an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV).
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid electric vehicle

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하는 배터리 셀 복수개를 포함하는 셀 적층체; 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바 및 상기 버스바가 안착되는 버스바 프레임을 포함하며, 상기 셀 적층체의 일 측을 커버하도록 구성되는 버스바 프레임 어셈블리; 및 상기 버스바 프레임 어셈블리를 커버하도록 구성되는 내화성 커버 및 상기 전극 리드 및 상기 버스바 중 적어도 어느 하나와 결합되는 금속 부재를 포함하는 내화성 커버 어셈블리; 를 포함한다.

Description

배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 11월 30일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2022-0165173호 및 2023년 03월 31일자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2023-0043131호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자동차 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 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 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 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, 전기 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 이차 전지는 다수가 전기적으로 연결된 상태에서 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 형태로, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
그런데, 이와 같이 다수의 이차 전지(배터리 셀) 또는 다수의 배터리 모듈이 좁은 공간에 밀집되어 있는 경우, 열적 이벤트에 취약할 수 있다. 특히, 어느 하나의 배터리 셀에서 열폭주(thermal runaway) 등의 이벤트가 발생하는 경우, 고온의 가스나 화염, 열 등이 생성될 수 있다. 만일, 이러한 가스나 화염, 열 등이 다른 배터리 셀이나 배터리 모듈로 전달되는 경우, 열 전파(thermal propagation, TP)와 같은 폭발적인 연쇄 반응 상황이 나타날 수 있다.
더욱이, 전기 자동차와 같은 중대형 배터리 팩의 경우, 출력 및/또는 용량 증대를 위해 많은 수의 배터리 셀과 배터리 모듈이 포함되어 열적 연쇄 반응에 대한 위험성은 더욱 커질 수 있다. 뿐만 아니라, 전기 자동차 등에 탑재된 배터리 팩의 경우, 주변에 운전자 등과 같은 사용자가 존재할 수 있다. 따라서, 특정 배터리 셀이나 모듈에서 발생한 열적 이벤트가 적절하게 제어되지 못하고 연쇄 반응이 발생할 경우, 큰 재산상 피해는 물론이고 인명 피해까지 야기될 수 있다.
이러한 측면에서, 현재 자동차용 배터리 팩이나 모듈 등의 기술분야에서 TP 성능 확보는 주요 화두이다. 특히, 파우치 셀을 사용하는 배터리 팩이나 모듈에서는 TP 성능 확보에 어려움을 겪고 있으며, 이를 해결하기 위해 배터리 셀 자체의 TP 성능 확보뿐 아니라, 배터리 팩과 배터리 모듈 측면에서도 기구적인 TP 솔루션 개발이 함께 요구되고 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 효과적인 TP 솔루션이 제공될 수 있도록 구조가 개선된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하는 배터리 셀 복수개를 포함하는 셀 적층체; 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바 및 상기 버스바가 안착되는 버스바 프레임을 포함하며, 상기 셀 적층체의 일 측을 커버하도록 구성되는 버스바 프레임 어셈블리; 및 상기 버스바 프레임 어셈블리를 커버하도록 구성되는 내화성 커버 및 상기 전극 리드 및 상기 버스바 중 적어도 어느 하나와 결합되는 금속 부재를 포함하는 내화성 커버 어셈블리; 를 포함한다.
상기 금속 부재, 상기 전극 리드 및 상기 버스바의 중첩 영역에는 상기 금속 부재 및 상기 전극 리드를 관통하여 상기 버스바에 이르는 용접부가 형성될 수 있다.
상기 금속 부재는, 상기 내화성 커버에 인서트 결합될 수 있다.
상기 금속 부재는, 인서트 사출에 의해 상기 내화성 커버와 일체로 형성될 수 있다.
상기 내화성 커버는, 상기 버스바 프레임의 상단으로부터 상기 셀 적층체를 향하는 방향으로 연장되어 상기 셀 적층체의 상면을 적어도 부분적으로 커버하도록 구성되는 제1 연장부를 구비할 수 있다.
상기 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하도록 구성되는 셀 케이스; 및 상기 전극 조립체와 연결되어 상기 셀 케이스의 외측으로 인출되는 상기 전극 리드; 를 포함할 수 있다.
상기 셀 케이스는, 상기 전극 조립체가 수용되는 수용부; 및 상기 수용부의 둘레로부터 외측으로 연장되는 실링부; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 연장부는, 상기 실링부 중 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 위치하는 영역인 테라스부와 대응되는 영역을 커버하도록 연장될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 내화성 커버 어셈블리와 상기 버스바 프레임 어셈블리 사이에 개재되는 써멀 베리어를 포함할 수 있다.
상기 써멀 베리어는, 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 써멀 베리어는, 상기 금속 부재가 삽입되도록 구성되는 베리어 홀을 구비할 수 있다.
상기 금속 부재는 상기 내화성 커버의 두께 및 상기 써멀 베리어의 두께의 합과 대응되는 두께를 가질 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 셀 적층체를 수용하도록 구성되며, 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 형성되는 개방부를 구비하는 모듈 하우징을 포함할 수 있다.
상기 버스바 프레임 어셈블리는, 상기 개방부를 커버하도록 구성될 수 있다.
상기 모듈 하우징은, 상기 셀 적층체의 하면과 마주보는 면에 형성되는 벤팅부를 구비할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 열전파 억제 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 버스바 프레임의 전면에 부착하는 내화성 커버의 체결 구조를 보다 강건하게 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 디렉셔널 벤팅(directional ventiong)이 가능해질 수 있으며, 이로써 예상 못한 지점으로의 벤팅 발생에 따른 위험성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 내화성 커버를 고정시키는 공정과 배터리 셀들의 전기적 연결 공정이 동시에 이루어질 수 있어 조립성 및 생산성이 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 내화성 커버의 고정을 위한 별도의 고정 구조 마련 및 스크류, 볼트 등의 체결 부재의 적용이 불필요하다.
본 발명에 따르면, 열적 이벤트(thermal event)로부터의 안전성이 향상된 배터리 모듈과 그 응용 장치가 제공될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 자동차에 적용되는 경우, 탑승자의 안전을 보다 효과적으로 보장할 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 도출되는 유리한 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 유리한 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 내화성 커버 어셈블리가 전극 리드 및 버스바 결합체에 결합된 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 바와는 달리 용접부가 금속 부재, 전극 리드 및 버스바의 중첩 영역에서 각각의 부품들을 관통하여 형성된 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 내화성 커버 어셈블리에 연장부가 구비된 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 내화성 커버 어셈블리에 구비된 연장부가 배터리 셀의 테라스부와 대응되는 영역을 커버하는 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 배터리 셀의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.
도 7은 내화성 커버 어셈블리에 추가적으로 써멀 베리어가 더 적용된 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 배터리 모듈에 있어서, 금속 부재와 써멀 베리어, 전극 리드, 그리고 버스바의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 배터리 모듈에 적용되는 모듈 하우징 및 엔드 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 모듈 하우징에 벤팅부가 구비된 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 모듈 하우징에 구비된 벤팅부가 배터리 셀의 테라스부와 대응되는 영역에 형성되는 구조를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 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 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 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 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 적층체(100), 버스바 프레임 어셈블리(200) 및 내화성 커버 어셈블리(300)를 포함할 수 있다.
상기 셀 적층체(100)는 전극 리드(111)를 구비하는 배터리 셀(110) 복수 개를 포함할 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은 예를 들어 파우치 타입의 배터리 셀일 수 있다. 상기 셀 적층체(100)는 서로 인접한 배터리 셀(110) 사이에 개재되는 패드(120)를 포함할 수 있다. 상기 패드(120)는 배터리 셀(110)의 스웰링(swelling)에 따른 부피 팽창을 흡수할 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 기능을 고려하여 상기 패드(120)는 탄성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 상기 패드(120)는 내화성 재질을 포함할 수 있다. 상기 패드(120)는 열 전도성이 낮은 재질을 포함할 수 있으며, 이로써 서로 인접한 배터리 셀(110) 간의 열 전이를 지연시키는 써멀 베리어로서 기능할 수 있다. 상기 패드(120)는 배터리 셀(110)과 대응되는 면적을 가질 수 있다.
상기 버스바 프레임 어셈블리(200)는 전극 리드(111)와 전기적으로 연결되는 버스바(220) 및 버스바(220)가 안착되는 버스바 프레임(210)을 포함할 수 있다. 상기 버스바 프레임 어셈블리(200)는 셀 적층체(100)의 일 측을 커버하도록 구성될 수 있다. 상기 버스바 프레임(210)은 상기 셀 적층체(100)의 일 측을 커버하도록 구성될 수 있다. 상기 버스바 프레임(210)은 비전도성 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈(10)이 패드(120)를 구비하는 경우, 버스바 프레임(210)은 패드(120)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 단부가 삽입되도록 구성되는 패드 삽입부를 구비할 수 있다. 이 경우, 패드(120)는 배터리 셀(110)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 단부를 커버하도록 구성될 수 있으며, 이로써 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀(110) 사이의 열 전달이 패드(120)에 의해 효과적으로 차단될 수 있다.
상기 버스바(220)는 전기적으로 연결하고자 하는 배터리 셀(110)의 개수에 따라 복수개가 구비될 수 있다. 상기 버스바(220)는 버스바 프레임(210)을 사이에 두고 셀 적층체(100)와 반대 편에 위치할 수 있다. 상기 전극 리드(111)는 버스바 프레임(210)에 형성된 슬릿을 통과하여 버스바(220)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 서로 이웃하는 한 쌍의 배터리 셀(110) 각각에 구비된 전극 리드(111) 한 쌍이 하나의 버스바(220) 상에 결합됨으로써 서로 이웃하는 한 쌍의 배터리 셀(110)이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 버스바 프레임 어셈블리(200)는 한 쌍이 구비될 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(200)는 각각 셀 적층체(100)의 일 측 및 타 측을 커버하도록 구성될 수 있다. 상기 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(200) 중 적어도 어느 하나는 단자(230)를 포함할 수 있다. 상기 단자(230)는 한 쌍이 구비될 수 있다. 본 발명의 배터리 모듈(10)을 구성하는 복수의 배터리 셀(110)들의 전기적 연결 방식에 따라 한 쌍의 단자(230)는 하나의 버스바 프레임 어셈블리(200)에 구비될 수도 있고, 한 쌍의 버스바 프레임 어셈블리(200) 각각에 하나씩 구비될 수도 있다. 상기 단자(230)는, 예를 들어 셀 적층체(100)를 구성하는 복수의 배터리 셀(110)들 중 최 외각에 배치되는 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)와 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 단자(230)는 버스바 프레임(210) 상에 직접 결합될 수도 있고, 이와는 달리 버스바 프레임(210) 상에 결합된 버스바(220)에 결합될 수도 있다.
상기 내화성 커버 어셈블리(300)는 내화성 커버(310) 및 금속 부재(320)를 포함할 수 있다. 상기 내화성 커버(310)는 버스바 프레임 어셈블리(200)를 커버하도록 구성될 수 있다. 상기 버스바 프레임 어셈블리(200)가 한 쌍으로 구비되는 경우, 상기 내화성 커버 어셈블리(300) 역시 한 쌍으로 구비될 수 있다. 상기 내화성 커버(310)는, 써멀 이벤트(thermal event)이 발생에 따른 고온의 환경에서 버스바 프레임(210)을 보호하고 지지해주도록 구성될 수 있다. 상기 내화성 커버(310)는 버스바 프레임(210)과 비교하여 더 높은 융점을 갖도록 구성될 수 있다. 상기 내화성 커버(310)는 예를 들어 내화성 수지를 포함할 수 있다. 상기 내화성 커버(310)는 대면하는 버스바 프레임(210)의 면적과 같거나 더 큰 면적을 가질 수 있으며, 이로써 버스바 프레임(210)이 내화성 커버(310)의 외측으로 노출되지 않도록 할 수 있다.
상기 금속 부재(320)는 내화성 커버(310)에 결합될 수 있다. 상기 금속 부재(320)는 내화성 커버에 인서트 결합될 수 있다. 상기 금속 부재(320)는 인서트 사출에 의해 내화성 커버(310)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 금속 부재(320)는 전도성을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속 부재(320)는 예를 들어 알루미늄을 포함할 수 있다. 상기 금속 부재(320)는 복수개 구비될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 금속 부재(320)는 전극 리드(111) 및 버스바(220) 중 적어도 어느 하나와 결합될 수 있다. 상기 금속 부재(320)는 외부 단자(230)와 결합될 수도 있다. 이 경우, 상기 금속 부재(320)는 용접에 의해 미리 형성된 버스바(220)와 전극 리드(111)의 결합체 또는 용접에 의해 미리 형성된 외부 단자(230)와 전극 리드(111)의 결합체 상에 추가적인 용접에 의해 결합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 이와는 달리 금속 부재(320), 전극 리드(111) 및 버스바(220)(또는 단자(230))의 중첩 영역에는 금속 부재(320) 및 전극 리드(111)를 관통하여 버스바(220)(또는 단자(230))에 이르는 용접부(W)가 형성될 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 버스바(220)(또는 단자(230)), 전극 리드(111) 및 금속 부재(320) 간의 결합을 위한 한번의 용접 공정을 통해 부품 간의 전기적 연결 및 내화성 커버 어셈블리(300)의 고정이 모두 이루어질 수 있다.
본 발명의 도면에서는 상기 금속 부재(320)가 내화성 커버(310)의 외측면을 통해 외부로 노출되는 경우만이 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 부재(320)는 내화성 커버(310)의 양 면 중 버스바 프레임 어셈블리(200)와 대향하는 면을 통해서만 노출되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 내화성 커버(310)의 외측 면, 즉 버스바 프레임 어셈블리(200)를 향하는 면과 반대 면에서 불필요한 전기적 연결이 발생될 우려가 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 버스바 프레임 어셈블리(200)를 커버하도록 구성되는 내화성 커버 어셈블리(300)를 구비함으로써 써멀 이벤트 등에 의한 고온 환경에서 버스바 프레임(210)이 구조적으로 붕괴되는 것을 방지하거나 또는 붕괴 시점을 지연시킬 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 내화성 커버 어셈블리(300)에 구비된 금속 부재(320)가 버스바 프레임 어셈블리(200)에 구비된 금속 성분을 포함하는 부품과 결합되도록 구성됨으로써 버스바 프레임(210)이 손상된 이 후에도 셀 적층체(100)로부터 외부로 또는 외부로부터 셀 적층체(100)를 향하는 방향으로 고온의 가스 및/또는 화염 등이 이동하는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 앞서 설명한 실시예에 따른 배터리 모듈과 비교하여 추가적인 요소를 더 구비하는 배터리 모듈(10)이 나타나 있다. 상기 배터리 모듈(10)은, 내화성 커버(310)의 구조에 있어서 앞선 실시예에 따른 배터리 모듈과는 차이가 있다.
이러한 배터리 모듈(10)에 있어서, 내화성 커버(310)는 제1 연장부(311)를 구비할 수 있다. 상기 제1 연장부(311)는 버스바 프레임(210)의 상단으로부터 셀 적층체(100)를 향하는 방향으로 연장되어 셀 적층체(100)의 상면(X-Y 평면과 나란한 면)을 적어도 부분적으로 커버하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 연장부(311)가 구비되는 경우, 배터리 셀(110)의 길이 방향(X축과 나란한 방향) 일 측 단부에서 발생된 벤팅 가스가 셀 적층체(100)의 상방으로 분출되는 것을 방지 또는 억제할 수 있다.
상기 제1 연장부(311)는, 배터리 셀(110)의 실링부(12b) 전체 영역 중 전극 리드(111)가 인출되는 방향에 위치하는 영역에 해당하는 테라스부(T)(도 5 참조)가 셀 적층체(100)의 상방으로 노출되지 않도록 연장될 수 있다.
도 4 및 도 5와 함께 도 6을 참조하면, 상기 배터리 셀(110)은 전극 조립체(미도시), 전극 조립체를 수용하도록 구성되는 셀 케이스(112) 및 전극 조립체와 연결되어 셀 케이스(112)의 외측으로 인출되도록 구성되는 전극 리드(111)를 포함할 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은, 전극 리드(111)를 부분적으로 감싸며 전극 리드(111)와 셀 케이스(112)의 실링 영역 사이에 개재되는 리드 필름(113)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은 앞서 설명한 바와 같이 파우치 타입의 배터리 셀일 수 있다. 상기 전극 리드(111)는 한 쌍이 구비될 수 있으며, 이 경우, 본 발명의 도면에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극 리드(111)는 셀 케이스(112)로부터 서로 반대 방향으로 인출될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 한 쌍의 전극 리드(111)는 동일한 방향으로 인출될 수도 있다.
한 쌍의 전극 리드(111)가 동일한 방향으로 인출되는 경우, 버스바 프레임 어셈블리(200)는 하나 구비될 수 있다. 한 쌍의 전극 리드(111)가 서로 반대 방향으로 인출되는 경우, 버스바 프레임 어셈블리(200)는 한 쌍이 구비될 수 있다.
상기 셀 케이스(112)는 전극 조립체가 수용되도록 구성되는 수용부(112a) 및 수용부(112a)의 둘레로부터 외측으로 연장되는 실링부(112b)를 포함할 수 있다. 실링부(112b)의 전체 영역 중 전극 리드(111)가 인출되는 방향에 위치하는 영역을 앞서 설명한 바와 같이 테라스부(T)라고 정의할 수 있다. 본 발명에 도시된 바와 같이 셀 케이스(112)의 평면 상(shape)이 대략 직사각형인 경우, 예를 들어 셀 케이스(112)의 테두리에 형성되는 실링 영역(112b) 중 일 측 변의 일 단부로부터 타 단부에 이르는 영역 전체를 가리켜 테라스부(T)라고 칭할 수 있다.
이러한 테라스부(T)는 전극 리드(111)가 인출되는 영역에 해당하므로 셀 케이스(112)를 구성하는 상부 케이스와 하부 케이스의 접합 부위의 구조가 나머지 실링 영역처럼 평탄하지 않고 굴곡진 형태를 가질 수 있다. 이러한 구조적 특성으로 인해 테라스부(T)는 배터리 셀(110)의 내압 증가 시에 나머지 실링부(112b)와 비교하여 더 빠른 시점에 파단될 수 있다. 더욱이, 파우치 타입의 배터리 셀(110)에 있어서, 테라스부(T)와 전극 조립체(미도시) 사이에는 배터리 셀(110) 내부에서 발생된 가스가 모일 수 있는 가스 포집 공간이 존재할 수 있다. 따라서, 이러한 가스 포집 공간에 모인 가스의 압력에 의해 테라스부(T)에서 벤팅이 우선적으로 발생할 수 있다. 상기 제1 연장부(311)는, 이처럼 테라스부(T)를 통해 벤팅 가스가 배출되는 경우에 있어서 벤팅 가스가 배터리 모듈(10)의 상방(Z축 양의 방향)으로 향하는 것을 억제할 수 있으며, 이로써 디렉셔널 벤팅(directional venting)을 유도할 수 있다.
상기 제1 연장부(311)는 셀 적층체(100)의 상단에 밀착될 수 있다. 상기 배터리 셀(110)에 있어서, 셀 케이스(112)의 실링부(112b) 중 측부에 위치하는 실링부(112b), 즉 셀 적층체(100)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 양 단부에 위치하는 실링부(112b)는 수용부(112a)를 향하도록 폴딩(folding)될 수 있다. 상기 제1 연장부(311)는 이처럼 폴딩된 실링부(112b)에 밀착되도록 구성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 셀 적층체(100)가 패드(120)를 포함하는 경우, 패드(120)의 높이(Z축 방향을 따른 길이)는 셀 적층체(100)의 높이와 대응될 수 있다. 이 경우, 제1 연장부(311)는 셀 적층체(100)를 구성하는 배터리 셀(110) 및 패드(120) 각각의 상단에 밀착되도록 구성될 수 있다.
이처럼 제1 연장부(311)가 셀 적층체(100)의 상단에 밀착되도록 구성됨으로써 테라스부(T)를 통해 배출되는 벤팅 가스가 셀 적층체(100)의 상방으로 누설되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 이로써 디렉셔널 벤팅 효과를 극대화 할 수 있다.
한편, 상기 내화성 커버(310)는 단자(230)를 수용하도록 구성되는 제1 수용부(310a)를 구비할 수 있다. 본 발명의 배터리 모듈(10)이 단자(230)를 구비하는 경우에 있어서, 단자(230)의 연장 방향 및/또는 연장 길이 등에 따라 내화성 커버(310)에 단자(230)가 통과될 수 있는 홀이 형성될 필요가 있을 수 있다. 상기 제1 수용부(310a)는 단자(230)와 대응되는 형상을 갖는 홀일 수 있다. 상기 제1 수용부(310a)는 단자(230)의 개수에 따라 한 개 또는 두 개가 구비될 수 있다. 상기 제1 수용부(310a)는 단자(230)의 연장 방향 및/또는 길이 등에 따라 제1 연장부(311)에 형성될 수도 있고, 제1 연장부(311) 이 외의 영역에 형성될 수도 있다.
상기 내화성 커버(310)에 제1 수용부(310a)가 구비되는 경우, 내화성 커버 어셈블리(300)가 금속 재질을 포함하는 단자(230)를 통해 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 어셈블리(200)의 결합체에 결합될 수 있다. 따라서, 고온 환경에서 버스바 프레임(210)에 파손이 발생되더라도 내화성 커버 어셈블리(300)의 배치 위치가 유지될 수 있다. 또한, 상기 제1 수용부(310a)가 구비되는 경우, 금속 부재(320)를 전극 리드(111) 및/또는 버스바(220)와 용접하는 공정을 수행함에 있어서, 용접 대상물들의 위치를 정렬하는 공정이 용이해질 수 있으며, 이로써 생산성 및 품질이 향상될 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 앞선 실시예들과 비교하여 써멀 베리어(400)를 더 포함하는 배터리 모듈(10)이 나타나 있다. 상기 배터리 모듈(10)은 내화성 커버 어셈블리(300)와 버스바 프레임 어셈블리(200) 사이에 개재되는 써멀 베리어(400)를 포함할 수 있다. 상기 써멀 베리어(400)는 써멀 이벤트에 따른 고온 환경에서 셀 적층체(100)와 배터리 모듈(10) 사이의 열 전이를 최소화 하도록 구성될 수 있다. 상기 써멀 베리어(400)는 예를 들어 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 버스바 프레임 어셈블리(200)가 한 쌍으로 구비되는 경우, 상기 써멀 베리어(400) 역시 한 쌍으로 구비될 수 있다.
상기 써멀 베리어(400)는 제2 연장부(410)를 구비할 수 있다. 상기 제2 연장부(410)는 버스바 프레임(210)의 상단으로부터 셀 적층체(100)를 향하는 방향으로 연장되어 셀 적층체(100)의 상면(X-Y 평면과 나란한 면)을 적어도 부분적으로 커버하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 연장부(420)가 구비되는 경우, 배터리 셀(110)의 길이 방향(X축과 나란한 방향) 일 측 단부에서 발생된 벤팅 가스가 셀 적층체(100)의 상방으로 분출되는 것을 방지 또는 억제할 수 있다.
상기 제2 연장부(410)는, 배터리 셀(110)의 실링부(112b)의 전체 영역 중 전극 리드(111)가 인출되는 방향에 위치하는 영역에 해당하는 테라스부(T)(도 5 참조)가 셀 적층체(100)의 상방으로 노출되지 않도록 연장될 수 있다. 상기 제2 연장부(410)는, 이처럼 테라스부(T)를 통해 벤팅 가스가 배출되는 경우에 있어서 벤팅 가스가 배터리 모듈(10)의 상방(Z축 양의 방향)으로 향하는 것을 억제할 수 있으며, 이로써 디렉셔널 벤팅(directional venting)을 유도할 수 있다.
상기 제2 연장부(410)는 셀 적층체(100)의 상단에 밀착될 수 있다. 상기 배터리 셀(110)에 있어서, 셀 케이스(112)의 실링부(112b) 중 측부에 위치하는 실링부(112b), 즉 셀 적층체(100)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 양 단부에 위치하는 실링부(112b)는 수용부(112a)를 향하도록 폴딩(folding)될 수 있다. 상기 제2 연장부(410)는 이처럼 폴딩된 실링부(112b)에 밀착되도록 구성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 셀 적층체(100)가 패드(120)를 포함하는 경우, 패드(120)의 높이(Z축 방향을 따른 길이)는 셀 적층체(100)의 높이와 대응될 수 있다. 이 경우, 제2 연장부(410)는 셀 적층체(100)를 구성하는 배터리 셀(110) 및 패드(120) 각각의 상단에 밀착되도록 구성될 수 있다.
이처럼 제2 연장부(410)가 셀 적층체(100)의 상단에 밀착되도록 구성됨으로써 테라스부(T)를 통해 배출되는 벤팅 가스가 셀 적층체(100)의 상방으로 누설되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 이로써 디렉셔널 벤팅 효과를 극대화 할 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 모듈(10)에 있어서, 내화성 커버(310)의 제1 연장부(311)와 써멀 베리어(400)의 제2 연장부(410)가 모두 구비되는 경우 제1 연장부(311)는 제2 연장부(410)를 적어도 부분적으로 커버하도록 구성될 수 있다. 이처럼 제1 연장부(311)와 제2 연장부(410)가 중첩되는 경우, 벤팅 가스가 셀 적층체(100)의 상방으로 이동하는 것을 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
상기 써멀 베리어(400)는 단자(230)를 수용하도록 구성되는 제2 수용부(400a)를 구비할 수 있다. 본 발명의 배터리 모듈(10)이 단자(230)를 구비하는 경우에 있어서, 단자(230)의 연장 방향 및/또는 연장 길이 등에 따라 써멀 베리어(400)에 단자(230)가 통과될 수 있는 홀이 형성될 필요가 있을 수 있다. 상기 제2 수용부(400a)는 단자(230)의 개수에 따라 한 개 또는 두 개가 구비될 수 있다. 상기 제2 수용부(400a)는 단자(230)의 연장 방향 및/또는 길이 등에 따라 제2 연장부(410)에 형성될 수도 있고, 제2 연장부(410) 이 외의 영역에 형성될 수도 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 써멀 베리어(400)는 내화성 커버 어셈블리(300)의 금속 부재(320)가 삽입되도록 구성되는 베리어 홀(400b)을 구비할 수 있다. 상기 베리어 홀(400b)은 금속 부재(320)의 개수와 대응되는 개수로 구비될 수 있다. 상기 베리어 홀(400b)은 금속 부재(320)의 형상과 대응되는 형상을 가질 수 있다. 상기 내화성 커버 어셈블리(300)의 금속 부재(320)는 써멀 베리어(400)의 베리어 홀(400b)을 통과하여 전극 리드(111) 및/또는 버스바(220)와 결합될 수 있다. 상기 금속 부재(320)는 내화성 커버(310)의 두께 및 써멀 베리어(400)의 두께의 합과 대응되는 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 금속 부재(320)가 전극 리드(111) 및/또는 버스바(220)와 결합하였을 때 내화성 커버 어셈블리(300), 써멀 베리어(400), 전극 리드(111)(또는 버스바(220))가 서로 밀착될 수 있으며, 이로써 데드 스페이스의 발생을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 배터리 모듈(10)이 내화성 커버 어셈블리(300)와 써멀 베리어(400)를 모두 구비하는 경우, 열 전파(thermal propagation)을 더욱 효과적으로 제한할 수 있다. 다른 측면에서, 내화성 커버(310)와 써멀 베리어(400) 간의 밀착 구조를 통해 부품의 추가 적용에 따른 에너지 밀도 감소를 최소화 할 수 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 본 발명의 배터리 모듈(10)에 구비되는 모듈 하우징(500) 및 엔드 플레이트(600)가 나타나 있다.
상기 모듈 하우징(500)은 셀 적층체(100) 또는 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 어셈블리(200)의 결합체를 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 모듈 하우징(500)은 전극 리드(111)가 인출되는 방향에 형성되는 개방부를 구비할 수 있다. 이러한 개방부는 모듈 하우징(500)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 또는 양 측에 구비될 수 있다. 앞서 설명한 버스바 프레임 어셈블리(200)는 모듈 하우징(500)의 개방부를 커버하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 모듈 하우징(500)이 투 피스(two piece)로 구성된 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 모듈 하우징(500)은 개방부가 구비된 일체의 하우징일 수 있다.
도 9와 함께 도 10을 참조하면, 상기 모듈 하우징(500)은 셀 적층체(100)의 하면(X-Y 평면과 나란한 면)과 마주보는 면에 형성되는 벤팅부(510)를 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(510)는 예를 들어 모듈 하우징(500)을 구성하는 플레이트의 두께를 부분적으로 감소시킴으로써 형성될 수 있다. 다만, 상기 벤팅부(510)의 구조가 이로써 한정되는 것은 아니며, 모듈 하우징(500)에 있어서 주변 영역보다 취약한 소재를 적용함으로써 벤팅부(510)를 형성할 수도 있다. 그 밖에도, 상기 벤팅부(510)는 모듈 하우징(500)을 관통하여 설치되며 내압이 임계 압력 이상에서 개방되도록 구성되는 밸브일 수도 있다. 상기 밸브는 배터리 모듈(10)의 내부에서 외부를 향하는 방향으로만 개방 가능하도록 구성되는 일 방향 밸브일 수 있다. 상기 벤팅부(510)는 한 개 또는 복수 개가 구비될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 벤팅부(510)는 배터리 셀(110)의 테라스부(T)와 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 본 발명의 내화성 커버(310)가 셀 적층체(100)의 상부에서 테라스부(T)와 대응되는 영역을 커버하도록 구성되고, 벤팅부(510)가 모듈 하우징(500)의 하면에서 테라스부(T)와 대응되는 위치에 구비되는 경우, 디렉셔널 벤팅의 유도 효과가 증대될 수 있다. 또한, 가스 배출의 신속성 역시 향상될 수 있다.
다시 도 9를 참조하면, 을 참조하면, 상기 엔드 플레이트(600)는 셀 적층체(100), 버스바 프레임 어셈블리(200), 내화성 커버 어셈블리(300)를 포함하는 결합체가 모듈 하우징(500)에 수용된 상태에서 모듈 하우징(500)의 개방부를 커버하도록 구성될 수 있다. 상기 엔드 플레이트(600)는 모듈 하우징(500)에 구비되는 개방부의 개수와 대응되는 개수로 구비될 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 포함한다. 상기 배터리 팩(1)은 배터리 모듈(10)을 수용하도록 구성되는 팩 하우징(20)을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 배터리 팩(1)이 이로써 한정되는 것은 아니다. 상기 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 모듈(10)을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 배터리 모듈(10)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)을 포함한다. 상기 자동차(V)는 배터리 팩(1)에 의해 전력을 공급 받아 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 자동차(V)는 예를 들어 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV)일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
V: 자동차
1: 배터리 팩
20: 팩 하우징
10: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
111: 전극 리드
112: 셀 케이스
112a: 수용부
112b: 실링부
T: 테라스부
113: 리드 필름
120: 패드
200: 버스바 프레임 어셈블리
210: 버스바 프레임
220: 버스바
230: 단자
300: 내화성 커버 어셈블리
310: 내화성 커버
310a: 제1 수용부
311: 연장부
320: 금속 부재
W: 용접부
400: 써멀 베리어
410: 제2 연장부
400a: 제2 수용부
400b: 베리어 홀
500: 모듈 하우징
510: 벤팅부
600: 엔드 플레이트

Claims (16)

  1. 전극 리드를 구비하는 배터리 셀 복수개를 포함하는 셀 적층체;
    상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 버스바 및 상기 버스바가 안착되는 버스바 프레임을 포함하며, 상기 셀 적층체의 일 측을 커버하도록 구성되는 버스바 프레임 어셈블리; 및
    상기 버스바 프레임 어셈블리를 커버하도록 구성되는 내화성 커버 및 상기 전극 리드 및 상기 버스바 중 적어도 어느 하나와 결합되는 금속 부재를 포함하는 내화성 커버 어셈블리;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재, 상기 전극 리드 및 상기 버스바의 중첩 영역에는 상기 금속 부재 및 상기 전극 리드를 관통하여 상기 버스바에 이르는 용접부가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재는,
    상기 내화성 커버에 인서트 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 부재는,
    인서트 사출에 의해 상기 내화성 커버와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내화성 커버는,
    상기 버스바 프레임의 상단으로부터 상기 셀 적층체를 향하는 방향으로 연장되어 상기 셀 적층체의 상면을 적어도 부분적으로 커버하도록 구성되는 제1 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하도록 구성되는 셀 케이스; 및 상기 전극 조립체와 연결되어 상기 셀 케이스의 외측으로 인출되는 상기 전극 리드; 를 포함하며,
    상기 셀 케이스는, 상기 전극 조립체가 수용되는 수용부; 및 상기 수용부의 둘레로부터 외측으로 연장되는 실링부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 연장부는,
    상기 실링부 중 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 위치하는 영역인 테라스부와 대응되는 영역을 커버하도록 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 내화성 커버 어셈블리와 상기 버스바 프레임 어셈블리 사이에 개재되는 써멀 베리어를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 써멀 베리어는,
    실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 써멀 베리어는,
    상기 금속 부재가 삽입되도록 구성되는 베리어 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속 부재는 상기 내화성 커버의 두께 및 상기 써멀 베리어의 두께의 합과 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 셀 적층체를 수용하도록 구성되며, 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 형성되는 개방부를 구비하는 모듈 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 버스바 프레임 어셈블리는,
    상기 개방부를 커버하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내화성 커버는, 상기 버스바 프레임의 상단으로부터 상기 셀 적층체를 향하는 방향으로 연장되어 상기 셀 적층체의 상면을 적어도 부분적으로 커버하도록 구성되는 제1 연장부를 구비하며,
    상기 모듈 하우징은, 상기 셀 적층체의 하면과 마주보는 면에 형성되는 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  16. 제15항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
PCT/KR2023/017698 2022-11-30 2023-11-06 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 WO2024117586A1 (ko)

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