WO2023287148A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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성준엽
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장성환
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module having improved cooling efficiency and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries are attracting much attention as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles as well as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, and laptop computers.
  • a battery pack when a battery pack is configured by connecting a plurality of battery cells in series/parallel, a battery module composed of at least one battery cell is configured, and other components are added using at least one battery module to form a battery pack.
  • configuration is common. Since the battery cells constituting such a medium- or large-sized battery module are composed of secondary batteries capable of charging and discharging, such high-output and large-capacity secondary batteries generate a large amount of heat during charging and discharging processes.
  • FIG. 1 and 2 are cross-sectional views of a conventional battery module.
  • FIG. 3 is an enlarged view of area A1 of FIG. 1 .
  • the battery module 10 since the battery module 10 includes a plurality of battery cells 11, a large amount of heat is generated during charging and discharging. As a cooling means, the battery module 10 is located between the battery cell stack 20 and the bottom portion 31 of the module frame 30 or between the battery cell stack 20 and the upper cover of the module frame 30 A thermally conductive resin layer 40 may be included.
  • the heat transfer member 50 and the heat sink 60 may be sequentially positioned below or above the battery module 10 .
  • the heat transfer member 50 may be a heat dissipation pad, and a refrigerant flow path may be formed in the heat sink 60 .
  • the wing folding surface of the battery cell 11 is positioned toward the upper cover of the module frame 30, and the cooling of the battery cell 11 The face is positioned towards the bottom 31 of the module frame 30 . Since the area of the wing folding surface is smaller than that of the cooling surface, thermal resistance may be greater than that of the cooling surface. Therefore, most of the heat generated during charging and discharging of the battery module 10 may move toward the cooling surface. Referring to FIG. 3 , along the direction in which heat generated from the battery cell 11 is directed toward the heat sink 60, the thermally conductive resin layer 40, the bottom portion 31 of the module frame 30, and the heat transfer member 50 ), and the heat sink 60 are sequentially transferred to the outside of the battery module 10. In addition, the conventional battery module 10 has a complicated heat transfer path as described above, so that heat generated from the battery cell 11 is difficult to effectively transfer to the outside.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a battery module having improved cooling efficiency and battery life, and a battery pack including the same.
  • a battery module includes a battery cell stack formed by stacking a plurality of battery cells including a cooling surface and a wing folding surface; A module frame accommodating the battery cell stack; an upper heat sink positioned above the module frame; and a lower heat sink positioned below the module frame, wherein the battery cells include first battery cells and second battery cells, and the cooling surface of the first battery cell is adjacent to the lower heat sink.
  • the cooling surface of the second battery cell may be positioned adjacent to the upper heat sink.
  • the battery cell includes a storage part for accommodating an electrode assembly and a sealing part for sealing an outer periphery of the electrode assembly, and the sealing part includes a first sealing part including an area where an electrode lead is located, except for the first sealing part. It includes a second sealing part, and the second sealing part includes a second surface that is bent at least once after being heat-sealed, and one surface of the battery cell including the second surface may be the wing folding surface.
  • the first battery cell and the second battery cell may be alternately stacked.
  • One surface of the second surface may be adhered to and fixed to the receiving part.
  • the other surface of the second surface may be positioned while being in contact with the module frame.
  • the battery cell stack may include a first battery cell stack in which the first battery cells are connected in parallel and a second battery cell stack in which the second battery cells are connected in parallel.
  • the first battery cell stack and the second battery cell stack may be alternately stacked.
  • At least two or more battery cells may be connected in parallel.
  • a compression pad may be positioned between the battery cells.
  • the battery cell stack includes a first battery cell stack in which the first battery cells are connected in parallel and a second battery cell stack in which the second battery cells are connected in parallel, and the first battery cell stack is And a compression pad may be located between the second battery cell stack.
  • a lower plate of the upper heat sink may be an upper cover of the module frame, and an upper plate of the lower heat sink may be a bottom portion of the module frame.
  • a thermally conductive resin layer may be positioned between the battery cell laminate and the module frame.
  • a thermally conductive resin layer may be positioned between the cooling surface of the battery cell stack and the module frame.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention may include the battery module described above.
  • 1 and 2 are cross-sectional views of a conventional battery module.
  • FIG. 3 is an enlarged view of area A1 of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a view showing a disassembled state of an assembly step of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a state in which the battery cell of FIG. 6 is sealed.
  • FIG. 8 is a view illustrating a process of forming the second surface of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a view showing that the second side of FIG. 7 is completed.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to an embodiment of the present invention taken along line BB′ of FIG. 4 .
  • FIG. 11 is a view showing a modified example of FIG. 10 .
  • FIG. 12 is a diagram illustrating A1 in FIG. 11 .
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to another embodiment of the present invention cut along line BB′ of FIG. 4 .
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to an embodiment of the present invention cut along line BB′ of FIG. 4 .
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to another embodiment of the present invention cut along line BB′ of FIG. 4 .
  • a part such as a layer, film, region, plate, etc.
  • another part is in the middle.
  • a part is said to be “directly on” another part, it means that there is no other part in between.
  • a reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily be located “above” or "on” in the opposite direction of gravity does not mean not.
  • planar image it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-sectional image”, it means when a cross section of the target part cut vertically is viewed from the side.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 4;
  • 6 is a view showing a disassembled state of an assembly step of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a battery cell stack 120.
  • the lower heat sink 300 located under the bottom part 210a of the module frame 200 and the upper heat sink 700 located above the upper cover 220 of the module frame 200 include
  • the bottom portion 210a of the module frame 200 constitutes an upper plate of the lower heat sink 300, and the recessed portion 340 and the bottom portion 210a of the lower heat sink 300 form a refrigerant passage.
  • the upper cover 220 constitutes a lower plate of the upper heat sink 700, and the concave portion 740 of the upper heat sink 700 and the upper cover 220 form a refrigerant passage.
  • the battery cell 110 may be a pouch type battery cell.
  • a pouch-type battery cell may be formed by housing an electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and then heat-sealing a sealing portion of the pouch case.
  • the battery cell 110 may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • These battery cells 110 may be composed of a plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked so as to be electrically connected to each other to form the battery cell laminate 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked along a direction parallel to the x-axis.
  • the module frame 200 accommodating the battery cell stack 120 may include an upper cover 220 and a U-shaped frame 210 .
  • the U-shaped frame 210 may include a bottom portion 210a and two side portions 211 extending upward from both ends of the bottom portion 210a.
  • the bottom portion 210a may cover the lower surface (-z-axis direction) of the battery cell stack 120, and the side portion 211 may cover both sides (x-axis direction and -x-axis direction) of the battery cell stack 120. direction) can be covered.
  • the upper cover 220 may be formed of a single plate-like structure surrounding the upper surface (in the z-axis direction) except for the lower surface and both side surfaces covered by the U-shaped frame 210 .
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may form a structure that covers the battery cell stack 120 up, down, left, and right by being coupled by welding or the like in a state in which corresponding corner portions are in contact with each other. That is, the battery cell stack 120 may be physically protected through the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 .
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may include a metal material having a predetermined strength.
  • the module frame 200 may be a mono frame in the form of a metal plate in which an upper surface, a lower surface, and both sides are integrated. That is, it may not be a structure in which the U-shaped frame 210 and the upper cover 220 are coupled to each other, but a structure in which the upper surface, the lower surface, and both sides are integrated by extrusion molding.
  • the bottom portion 210a of the module frame 200 constitutes an upper plate of the lower heat sink 300, and the recessed portion 340 of the lower heat sink 300 and the bottom portion 210a of the module frame 200 are A flow path for a refrigerant may be formed.
  • the lower heat sink 300 may be formed below the module frame 200 .
  • the lower heat sink 300 may be formed in contact with the bottom portion 210a of the module frame 200 .
  • the lower heat sink 300 includes a lower plate 310 that forms the skeleton of the lower heat sink 300 and is bonded to the bottom portion 210a of the module frame 200 and a recessed portion 340 that is a path through which refrigerant flows. can include
  • the upper cover 220 of the module frame 200 constitutes a lower plate of the upper heat sink 700, and the convex portion 740 of the upper heat sink 700 and the upper cover 220 form a refrigerant passage.
  • the upper heat sink 700 may be formed on top of the module frame 200 .
  • the upper heat sink 700 may be formed while contacting the upper cover 220 .
  • the upper heat sink 700 may include an upper plate 710 that forms a skeleton of the upper heat sink 700 and is bonded to the upper cover 220 and a convex portion 740 that is a path through which a refrigerant flows.
  • the plate-shaped lower heat sink 300 and the upper heat sink 700 may be formed by providing a structure formed to be recessed against. For example, a portion of the lower plate 310 may be depressed downward to form a U-shaped depression 340 with an open upper side.
  • recessed portions 340 and convex portions 740 are formed over the entire area corresponding to the bottom portion 210a of the module frame 200 and the top cover 220 .
  • the concave portion 340 and the convex portion 740 may be bent at least once and lead from one side to the other.
  • the depression 340 and the convex portion 740 is preferably bent several times.
  • the end plate 400 may be formed to cover the battery cell stack 120 by being positioned on the open first side (y-axis direction) and second side (-y-side direction) of the module frame 200 .
  • the end plate 400 may physically protect the battery cell stack 120 and other electrical components from external impact.
  • a bus bar frame to which bus bars are mounted and an insulating cover for electrical insulation may be positioned between the battery cell stack 120 and the end plate 400 .
  • a thermal resin is applied between the bottom part 210a of the module frame 200 and the battery cell stack 120 and between the upper cover 220 of the module frame 200 and the battery cell stack 120.
  • a thermally conductive resin layer (600, see FIGS. 7 and 8) including may be positioned.
  • the thermally conductive resin layer 600 may be formed by applying a thermally conductive resin to the bottom portion 210a and the upper cover 220 and curing the applied thermally conductive resin.
  • the thermally conductive resin may include a thermally conductive adhesive material, and specifically may include at least one of a silicone material, a urethane material, and an acrylic material.
  • the thermally conductive resin may serve to fix one or more battery cells 110 constituting the battery cell stack 120 by being in a liquid state during application or hardened after application.
  • heat generated in the battery cell 110 can be quickly transferred to the lower and upper sides of the battery module 100 due to excellent thermal conductivity.
  • the battery cell 110 inserted to be stacked in the battery module includes an electrode assembly 111 including a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and a pouch case 130 having a storage part 131 in which the electrode assembly 111 is accommodated. do.
  • the electrode assembly 111 may be a stacked electrode assembly 111 in which a plurality of positive electrodes and negative electrodes cut in units of a certain size are sequentially stacked with separators interposed therebetween. However, it is not limited thereto, and may be a winding-type assembly in which a structure in which an anode and a cathode are stacked with a separator interposed therebetween is wound.
  • the electrode lead 112 may be electrically connected to the electrode assembly 111 . These electrode leads 112 may be provided as a pair. A portion of the pair of electrode leads 112 may protrude outward from the pouch case 130 from the front and rear sides of the pouch case 130 (both ends of the electrode assembly in the longitudinal direction).
  • the configuration of the battery cell 110 described above is an example, and the shape of the battery cell 110 may be variously modified.
  • the pouch case 130 may include a storage unit 131 , a sealing unit 132 and a folding unit 133 .
  • the pouch case 130 may include a first area 130a and a second area 130b that correspond to each other, and the first storage part 131a and the second area 130b located in the first area 130a.
  • It may be made of a sheet-like base material including a second accommodating part (131b) located in, and a folding part 133 located between the first accommodating part (131a) and the second accommodating part (131b).
  • the first area 130a and the second area 130b may be divided by the folding part 133 of the pouch case 130 .
  • a storage unit 131 in which the electrode assembly 111 is accommodated may be formed in at least one of the first area 130a and the second area 130b through forming.
  • the storage part 131 may include a first storage part 131a located in the first area 130a and a second storage part 131b located in the second area 130b.
  • a part of the electrode assembly 111 is embedded in each of the first housing part 310a and the second housing part 131b, and the first housing part 131a and the second housing part 131b support the folding part 133.
  • the electrode assembly 111 can be accommodated so as to be wrapped by being folded so as to face each other with the electrode assembly 111 interposed therebetween.
  • the structure of the pouch case 130 may be completed by bending the folding unit 133 of the pouch case 130 by 180 degrees to cover the housing unit 131 .
  • the folding portion 133 may be a portion that bends the pouch case 300 .
  • the first region 130a and the second region 130b may contact and correspond to each other while being folded along the folding portion 133 .
  • the electrode assembly 111 has a planar shape having four sides, and the folding unit 133 may be positioned at a portion corresponding to one of the four sides.
  • the folding part 133 is in close contact with the side surface 113 of the electrode assembly 111, and the sheet-like base material is folded at both edges of the folding part 133, thereby forming the first housing part 131a and the second housing part 131b. can be folded so that they face each other. Accordingly, the width P of the folding portion 133 may be the same as the thickness t of the electrode assembly 111 .
  • the edges of the first housing portion 131a and the second housing portion 131b are bonded to each other to form a sealing portion 132 that is sealed.
  • the sealing part 132 is sealed by a method such as thermal fusion.
  • the sheet-like base material of the pouch case 130 may be made of a laminated sheet including a metal layer and a resin layer.
  • the laminate sheet may be an aluminum laminate sheet.
  • the sheet-like base material is composed of a core portion made of a metal layer, a thermally fused layer formed on one surface of the core portion, and an insulating film formed on the other surface of the core portion.
  • the heat sealing layer acts as an adhesive layer using a polymer resin, such as modified polypropylene, such as CPP (Casted Polypropylene), and the insulating film may be formed of a resin material such as nylon or polyethylene terephthalate (PET).
  • the structure and material of the pouch exterior material are not limited.
  • the heat sealing layers of the first housing part 131a and the second housing part 131b come into contact with each other, and the pouch case 130 is formed by performing a heat sealing process while they are in contact with each other. It will be sealed.
  • the sealing portion 132 of the pouch case 130 may refer to an area that is thermally fused to seal the pouch case 130 .
  • the sealing portion 132 may be formed of three surfaces in the first area 130a and the second area 130b, respectively, and the three surfaces of the sealing portion 132 are the first sealing portion 132a and the second sealing portion ( 132b).
  • the first sealing portion 132a may be a sealing portion 132 including an area where the electrode lead 112 is located. That is, the first sealing part 132a may be the sealing part 132 located in the x-axis direction and the -x-axis direction of FIG. 6 .
  • the second sealing portion 132b may be a sealing portion 132 that does not include the electrode lead 112 . That is, the second sealing part 132b means the sealing part 132 excluding the first sealing part 132a, and may be the sealing part 132 facing the folding part 133. The second sealing part 132b may be the sealing part 132 located in the y-axis direction and the -y-axis direction of FIG. 6 .
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a state in which the battery cell of FIG. 6 is sealed.
  • FIG. 8 is a view illustrating a process of forming the second surface of FIG. 7 .
  • 9 is a view showing that the second side of FIG. 7 is completed.
  • the sealing portion 132 of the pouch case 130 of FIG. 6 may be sealed to form a completed battery cell 100 .
  • the sealing part 132 may be thermally fused to form one surface.
  • one surface formed by heat-sealing the first sealing parts 132a of the first area 130a and the second area 130b is the first surface 132c
  • One surface formed by heat-sealing the second sealing portion 132b of the region 130b may be the second surface 132d.
  • the second sealing portion 132b of the first region 130a and the second sealing portion 132b of the second region 130a may be thermally fused to each other to form one second surface 132d.
  • the second surface 132d is one long surface and may be folded based on the bending line 140 of FIG. 8(a).
  • the bending line 140 may be an arbitrary line serving as a reference for folding the second surface 132d.
  • the bending line 140 may be located at the center of the second surface 132d, but is not limited thereto, and may be located in any area where bending of the second surface 132d is possible.
  • the bending line 140 is formed of one, but is not limited thereto, and may be one or more. In this case, the second surface 132d may be folded more than once. That is, the second surface 132d may be bent at least once.
  • the second surface 132d folded based on the bending line 140 may be bonded and fixed to the second housing part 131b.
  • An adhesive member 150 is provided between the second surface 132d and the second accommodating part 131b, so that the second surface 132d and the second accommodating part 131b can be adhered and fixed.
  • the adhesive member 150 may be positioned between the second surfaces 132d that are folded based on the bending line 140 . That is, since the adhesive member 150 is interposed between the second surfaces 132d that are folded based on the bending line 140, the facing second surfaces 132d may not be separated from each other.
  • the second surface 132d is bonded and fixed to the second housing part 131b in a direction in which the second surface 132d is folded based on the bending line 140, and the second surface 132d rotates in the direction opposite to the drawing. When folded, it may be fixed by being adhered to the first housing part 131a.
  • the second surface 132d of the battery cell 110 of this embodiment may be bonded and fixed to the second housing part 131b.
  • one surface of the battery cell 110 including the second surface 132d may be defined as the wing folding surface 150.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to an embodiment of the present invention taken along line BB′ of FIG. 4 .
  • the battery module 100 is a battery cell stack in which a plurality of battery cells 110 including a wing folding surface 150 and a cooling surface 160 are stacked ( 120), a module frame 200 accommodating the battery cell stack 120, a lower heat sink 300 and an upper heat sink 700.
  • the wing folding surface 150 is one surface of the battery cell 110 including the second surface, and the cooling surface 160 may be a surface positioned facing the wing folding surface 150. That is, the cooling surface 160 is one surface of the battery cell 110 that does not include the second surface, and the cooling surface 160 may be a surface corresponding to the folding portion 133 of the pouch case 130 .
  • the plurality of battery cells 110 include first battery cells 110a and second battery cells 110b.
  • the first battery cell 110a may be a battery cell 110 in which the wing folding surface 150 is positioned adjacent to the upper heat sink 700 .
  • the first battery cell 110a may be a battery cell 110 whose cooling surface 160 is positioned adjacent to the lower heat sink 300 . Since the wing folding surface 150 includes the second surface 132d where the second sealing part is folded at least once, an area that facilitates heat transfer to the outside compared to the cooling surface 160 that does not include the second surface 132d. It is not easy to cool because it is small.
  • heat generated from the battery cell 110 during charging and discharging of the battery moves in the direction of the cooling surface 160, which has a relatively larger area than the wing folding surface 150, so that the cooling surface 160, the thermal conductive resin layer ( 600), the bottom portion 210a of the module frame 200, and the lower heat sink 300 are sequentially transferred to the outside of the battery module 100.
  • the second battery cell 110b may be a battery cell 110 in which the wing folding surface 150 is positioned adjacent to the lower heat sink 300 .
  • the second battery cell 120a may be a battery cell 110 whose cooling surface 160 is positioned adjacent to the upper heat sink 700 . Heat generated from the battery cell 110 during charging and discharging of the battery moves in the direction of the cooling surface 160, and the cooling surface 160, the thermal conductive resin layer 600, and the upper cover 220 of the module frame 200 and transferred to the outside of the battery module 100 via the upper heat sink 700 in turn.
  • the first battery cell 110a and the second battery cell 110b may be alternately stacked within the module frame 200 .
  • the battery cell stack may have a structure in which first battery cells 110a and second battery cells 110b are alternately stacked.
  • the first battery cell 110a and the second battery cell 110b are alternately stacked and positioned, the first battery cell 110a and the second battery cell 110b transfer to the outside of the battery module 100. Heat may be distributed and uniformly transferred to the top and bottom of the battery module 100, respectively. That is, since heat is not intensively transferred to only one surface of the module frame 220 , cooling efficiency may be improved, and lifespan characteristics of the battery may also be improved due to the improvement in cooling efficiency.
  • FIG. 11 is a view showing a modified example of FIG. 10 .
  • FIG. 12 is a diagram illustrating A1 in FIG. 11 .
  • the battery module described in FIGS. 11 and 12 is a modified example of the embodiment of the present invention disclosed in FIG. 10 , and detailed descriptions of the same components as those described above will be omitted.
  • the first battery cell 110a and the second battery cell 110b are alternately stacked.
  • the wing folding surface 150 of the first battery cell 110a and the wing folding surface 150 of the second battery cell 110a may be positioned while being in contact with the module frame 200, respectively.
  • the wing folding surface 150 of the first battery cell 110a and the wing folding surface 150 of the second battery cell 110a are respectively the upper cover 220 and the bottom part of the module frame 200 ( 210a) and may be located.
  • the second surface 132d of the wing folding surface 150 may come into contact with the module frame 200 .
  • the second surface 132d of the wing folding surface 150 may contact the upper cover 220 and the bottom part 210b of the module frame 200 . More specifically, in the first battery cell 110a and the second battery cell 120a, one surface of the second surface 132d folded based on the bending line is adhered to the storage part of the pouch case, and is not adhered to the storage part.
  • the other surface of the second surface 132d may be located while making contact with the upper cover 220 and the bottom portion 210a of the module frame 200 .
  • the other surface that does not come into contact with the receiving unit is positioned while abutting with the upper cover 220 of the module frame 200
  • the other surface that does not come into contact with the receiving unit is in contact with the upper cover 220 of the module frame 200. can be located.
  • the second surface 132d is formed in a folded state at least once, it is relatively difficult to transfer heat to the outside compared to the cooling surface 160.
  • heat generated in the battery cell 110 is made by bonding the second surface 132d folded on the basis of the bending line to the accommodating part and placing it flat, and then bringing it into contact with the module frame 200. can be emitted to the outside more efficiently even from the wing folding surface 150. Accordingly, the cooling efficiency of the battery cell 110 is further improved, and the safety of the battery module 100 may be improved.
  • the distance between the upper cover 220 and the bottom portion 210a of the module frame 200 and the battery cell 110 is reduced compared to the prior art, the energy density of the battery module 100 can be improved.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to another embodiment of the present invention cut along line BB′ of FIG. 4 .
  • a battery module according to another embodiment of the present invention may be a modified example of the battery module according to an embodiment of the present invention of FIG. 7 . Therefore, in the following, only parts with differences compared to FIG. 7 will be described in detail.
  • the battery module 100 includes a first battery cell stack 120a in which first battery cells 110a are connected in parallel and a second battery cell 110b in parallel.
  • a connected second battery cell stack 120b may be included.
  • first battery cell stack 120a and the second battery cell 110b at least two battery cells 110 may be connected in parallel.
  • the first battery cell stack 120a may have at least two or more first battery cells 110a connected in parallel
  • the second battery cell stack 120b may have at least two second battery cells 110b. They may be connected in parallel.
  • the first battery cell stack 120a and the second battery cell stack 120b may be alternately stacked within the module frame 200 .
  • the battery cell stack may have a structure in which first battery cell stacks 120a and second battery cell stacks 120b are alternately stacked.
  • Alternately stacking the first battery cell stack 120a and the second battery cell stack 120b is easier than alternately stacking the first battery cell 110a and the second battery cell 120a, respectively. Since the battery cell 110 can be housed in the module frame 200, the battery manufacturing process efficiency can be increased.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to an embodiment of the present invention cut along line BB′ of FIG. 4 .
  • 15 is a cross-sectional view showing a portion of a cross section of a battery module according to another embodiment of the present invention cut along line BB′ of FIG. 4 .
  • compression pads 500 may be positioned between the plurality of battery cells 110 .
  • the compression pad 500 can absorb swelling of the battery cells 110 to ensure durability of the battery module 100 inside.
  • a plurality of battery cells 110 may be disposed in a direction facing each other with the compression pad 500 as the center.
  • the compression pad 500 may be located between the outermost battery cell 110 and the module frame 200 included in the battery cell stack. In this case, it is possible to absorb the expansion force applied to the module frame 200 due to the swelling of the outermost battery cell 110 of the battery cell stack. Therefore, the force applied to the battery cell 110 due to the expansion force is reduced, the risk of breaking the pouch case of the battery cell 110 is reduced, and the safety of the battery module 100 can be improved.
  • the battery module described above and the battery pack including the battery module may be applied to various devices.
  • a device may be applied to means of transportation such as an electric bicycle, an electric vehicle, or a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto and is applicable to various devices capable of using a battery module and a battery pack including the battery module, which is also applicable to the present invention. It belongs to the scope of the right of invention.

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Abstract

본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 포함하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 냉각면 및 윙 폴딩(wing folding) 면을 포함하는 복수의 전지셀이 적층되어 형성되는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 모듈 프레임의 상부에 위치하는 상부 히트 싱크; 및 상기 모듈프레임의 하부에 위치하는 하부 히트 싱크를 포함하고, 상기 전지셀은 제1 전지셀 및 제2 전지셀을 포함하고, 상기 제1 전지셀은 상기 냉각면이 상기 하부 히트 싱크와 인접하게 위치하고, 상기 제2 전지셀은 상기 냉각면이 상기 상부 히트 싱크와 인접하게 위치한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 07월 12일자 한국 특허 출원 제10-2021-0091182호 및 2022년 07월 11일자 한국 특허 출원 제10-2022-0085314호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 냉각 효율이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 연구가 많이 행해지고 있다.
이차 전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 중대형 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 이러한 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다.
도 1 및 도 2는 종래의 전지 모듈에 대한 단면도이다. 도 3은 도 1의 A1 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 앞서 설명한대로, 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)을 포함하기 때문에 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 냉각 수단으로써, 전지 모듈(10)은 전지셀 적층체(20)와 모듈 프레임(30)의 바닥부(31) 사이 또는 전지셀 적층체(20)와 모듈 프레임(30)의 상부 커버 사이에 위치한 열전도성 수지층(40)을 포함할 수 있다. 또한, 전지 모듈(10)이 팩 프레임에 장착되어 전지 팩을 형성할 때, 전지 모듈(10)의 아래 또는 위에 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)가 차례로 위치할 수 있다. 열전달 부재(50)는 방열 패드일 수 있으며, 히트 싱크(60)는 내부에 냉매 유로가 형성될 수 있다.
종래의 전지 모듈(10)에 수납된 전지셀(11)은, 전지셀(11)의 윙 폴딩(Wing folding)면이 모듈 프레임(30)의 상부 커버를 향해 위치하고, 전지셀(11)의 냉각면이 모듈 프레임(30)의 바닥부(31)를 향해 위치한다. 윙 폴딩 면은 냉각면에 비해 면적이 작으므로, 냉각면 대비하여 열 저항이 클 수 있다. 따라서, 전지 모듈(10)의 충방전시 발생하는 열은 대부분 냉각면을 향해 이동할 수 있다. 도 3을 참조하면, 전지셀(11)로부터 발생한 열이 히트 싱크(60)를 향하는 방향을 따라, 열전도성 수지층(40), 모듈 프레임(30)의 바닥부(31), 열전달 부재(50), 및 히트 싱크(60)를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 전달된다. 또한, 종래의 전지 모듈(10)은 상술한 바와 같이 열 전달 경로가 복잡하여, 전지셀(11)로부터 발생한 열이 효과적으로 외부에 전달되기 어렵다.
따라서, 전지 모듈에 대한 용량 증대와 같은 요구가 계속되고 있는 추세에서, 냉각 성능을 높이면서도 이러한 다양한 요구 사항을 함께 만족할 수 있는 전지 모듈을 개발하는 것이 실질적으로 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 효율 및 전지 수명이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 냉각면 및 윙 폴딩(wing folding) 면을 포함하는 복수의 전지셀이 적층되어 형성되는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 모듈 프레임의 상부에 위치하는 상부 히트 싱크; 및 상기 모듈프레임의 하부에 위치하는 하부 히트 싱크를 포함하고, 상기 전지셀은 제1 전지셀 및 제2 전지셀을 포함하고, 상기 제1 전지셀은 상기 냉각면이 상기 하부 히트 싱크와 인접하게 위치하고, 상기 제2 전지셀은 상기 냉각면이 상기 상부 히트 싱크와 인접하게 위치할 수 있다.
상기 전지셀은 전극 조립체를 수납하는 수납부 및 상기 전극 조립체의 외주변을 밀봉하는 실링부를 포함하고, 상기 실링부는 전극 리드가 위치하는 영역을 포함하는 제1 실링부와, 상기 제1 실링부를 제외한 제2 실링부를 포함하며, 상기 제2 실링부는 열 융착된 후 적어도 한 번 이상 벤딩된 제2 면을 포함하고, 상기 제2 면을 포함하는 상기 전지셀의 일 면은 상기 윙 폴딩면일 수 있다.
상기 제1 전지셀과 상기 제2 전지셀은 교대로 적층될 수 있다.
상기 제2 면의 일면은, 상기 수납부와 접착되어 고정될 수 있다.
상기 제2 면의 타면은, 상기 모듈 프레임과 접하면서 위치할 수 있다.
상기 전지셀 적층체는 상기 제1 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제1 전지셀 적층체 및 상기 제2 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제2 전지셀 적층체를 포함할 수 있다.
상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체는 교대로 적층될 수 있다.
상기 제1 전지셀 적층체 및 상기 제2 전지셀 적층체는, 상기 전지셀이 적어도 2개 이상 병렬 연결되어 있을 수 있다.
상기 전지셀 사이에 압축 패드가 위치할 수 있다.
상기 전지셀 적층체는 상기 제1 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제1 전지셀 적층체 및 상기 제2 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제2 전지셀 적층체를 포함하고, 상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 압축 패드가 위치할 수 있다.
상기 상부 히트 싱크의 하부 플레이트는 상기 모듈 프레임의 상부 커버이고, 상기 하부 히트 싱크의 상부 플레이트는 상기 모듈 프레임의 바닥부일 수 있다.
상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임 사이에 열전도성 수지층이 위치할 수 있다.
상기 전지셀 적층체의 냉각면과 상기 모듈 프레임 사이에 열전도성 수지층이 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 전지셀의 배열 방향을 달리 함으로써, 전지 모듈의 냉각 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 전지 모듈에 대한 단면도이다.
도 3은 도 1의 A1 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 전지셀의 조립 단계의 분해된 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 전지셀이 실링된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 제2 면이 형성되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7의 제2 면이 완성된 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 10의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 A1을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 14는 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 15는 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예인 전지셀의 조립 단계의 분해된 상태를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200) 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치하는 하부 히트 싱크(300) 및 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220) 위에 위치하는 상부 히트 싱크(700)를 포함한다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 하부 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성하며, 하부 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 바닥부(210a)가 냉매의 유로를 형성한다. 상부 커버(220)는 상부 히트 싱크(700)의 하부 플레이트를 구성하며, 상부 히트 싱크(700)의 함몰부(740)와 상부 커버(220)가 냉매의 유로를 형성한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 상부 커버(220) 및 U자형 프레임(210)을 포함할 수 있다.
U자형 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(211)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면(-z축 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(211)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면(x축 방향 및 -x축 방향)을 커버할 수 있다.
상부 커버(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 하면 및 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 즉, 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 커버(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 하부 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성하며, 하부 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매의 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 하부 히트 싱크(300)는 모듈 프레임(200)의 하부에 형성될 수 있다. 하부 히트 싱크(300)는 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 접하면서 형성될 수 있다. 하부 히트 싱크(300)는, 하부 히트 싱크(300)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 접합되는 하부 플레이트(310) 및 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(340)를 포함할 수 있다.
모듈 프레임(200)의 상부 커버(220)는 상부 히트 싱크(700)의 하부 플레이트를 구성하며, 상부 히트 싱크(700)의 볼록부(740)와 상부 커버(220)가 냉매의 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 상부 히트 싱크(700)는 모듈 프레임(200)의 상부에 형성될 수 있다. 상부 히트 싱크(700)는 상부 커버(220)와 접하면서 형성될 수 있다. 상부 히트 싱크(700)는, 상부 히트 싱크(700)의 골격을 형성하고 상부 커버(220)와 접합되는 상부 플레이트(710) 및 냉매가 유동하는 경로인 볼록부(740)를 포함할 수 있다.
하부 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 상부 히트 싱크(700)이 볼록부(740)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 하부 히트 싱크(300) 및 상부 히트 싱크(700)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련하여 형성할 수 있다. 일례로 하부 플레이트(310)의 일부를 하부 방향으로 함몰시켜 상측이 개방된 U자형 함몰부(340)를 형성할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 상부 커버(220)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)와 볼록부(740)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(340)와 볼록부(740)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 상부 커버(220)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)와 볼록부(740)가 형성되기 위해 함몰부(340)와 볼록부(740)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 상부 커버(220)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있고, 따라서 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 제1 측(y축 방향)과 제2 측(-y측 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(400)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등이 위치할 수 있다.
모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120) 사이, 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220)와 전지셀 적층체(120) 사이에는 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함하는 열전도성 수지층(600, 도 7 및 도 8 참고)이 위치할 수 있다. 열전도성 수지층(600)은 열전도성 수지를 바닥부(210a) 및 상부 커버(220)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다.
열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈(100)의 하측 및 상측으로 전달할 수 있다.
이하에서는, 도 6을 참고하여 전지셀의 윙 폴딩면과 냉각면에 대해 보다 상세히 기술한다.
전지 모듈에 적층되도록 삽입되는 전지셀(110)은, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체(111) 및 전극 조립체(111)가 수용되는 수납부(131)가 형성된 파우치 케이스(130)를 포함한다.
전극 조립체(111)는 일정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 적층형 전극 조립체(111)일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 양극과 음극이 분리막을 개재한 상태로 적층된 구조를 권취한 권취형 조립체일 수도 있다.
전극 리드(112)는 전극 조립체(111)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 전극 리드(112)는 한 쌍으로 구비될 수 있다. 한 쌍의 전극 리드들(112)의 일부는 각각, 파우치 케이스(130)의 전방 및 후방(전극 조립체의 길이 방향에서의 양 단부)에서 파우치 케이스(130) 외측으로 돌출될 수 있다. 앞에서 설명한 전지셀(110)의 구성은 한 예이고, 전지셀(110)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
파우치 케이스(130)는, 수납부(131), 실링부(132) 및 폴딩부(133)를 포함할 수 있다. 파우치 케이스(130)는 서로 대응하는 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)을 포함할 수 있고, 제1 영역(130a)에 위치하는 제1 수납부(131a), 제2 영역(130b)에 위치하는 제2 수납부(131b), 및 제1 수납부(131a)와 제2 수납부(131b) 사이에 위치하는 폴딩부(133)를 포함하는 시트형 모재로 이루어질 수 있다.
제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)은 파우치 케이스(130)의 폴딩부(133)에 의해 나뉘어질 수 있다.
파우치 케이스(130)의 제조시, 포밍을 통해 제1 영역(130a)과 제2 영역(130b)중 적어도 하나에 전극 조립체(111)가 수납되는 수납부(131)가 형성될 수 있다. 수납부(131)는 제1 영역(130a)에 위치하는 제1 수납부(131a) 및 제2 영역(130b)에 위치하는 제2 수납부(131b)를 포함할 수 있다. 제1 수납부(310a)와 제2 수납부(131b) 각각에는 전극 조립체(111)의 일부가 내장되고, 제1 수납부(131a)와 제2 수납부(131b)가 폴딩부(133)를 사이에 두고 서로 마주하도록 접히는 것에 의해 전극 조립체(111)를 감싸도록 수납할 수 있다.
수납부(131)가 형성된 후, 파우치 케이스(130)의 폴딩부(133)를 180도 벤딩하여 수납부(131)를 덮음으로써 파우치 케이스(130) 구조를 완성할 수 있다. 폴딩부(133)는 파우치 케이스(300)를 벤딩하는 부분일 수 있다. 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)은 폴딩부(133)를 따라 접히면서 서로 대응하며 접할 수 있다.
전극 조립체(111)는 평면 형상이 4개의 변을 갖는 형상을 갖는데, 4개의 변 중 일변에 대응하는 부분에 폴딩부(133)가 위치할 수 있다. 폴딩부(133)는 전극 조립체(111)의 측면(113)에 밀착하여, 폴딩부(133)의 양 가장자리에서 시트형 모재가 접히는 것에 의해 제1 수납부(131a)와 제2 수납부(131b)가 서로 마주보도록 접힐 수 있다. 따라서 폴딩부(133)의 폭(P)은 전극 조립체(111)의 두께(t)와 동일할 수 있다. 폴딩부(133)에 대응하는 변을 제외한 3개의 변에서는 제1 수납부(131a)와 제2 수납부(131b)의 가장자리가 서로 접합하여 밀봉되는 실링부(132)를 형성한다. 실링부(132)는 열융착 등의 방법에 의해 실링된다.
보다 상세히 설명하자면, 파우치 케이스(130)의 시트형 모재는, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다. 특히, 라미네이트 시트는 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있다. 상기 시트형 모재는 그 재질이 금속층으로 이루어진 심부와, 상기 심부의 일면 상에 형성된 열융착층과, 상기 심부의 타면 상에 형성된 절연막으로 이루어진다. 상기 열융착층은 폴리머 수지인 변성 폴리프로 필렌, 예컨대 CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용하며, 상기 절연막은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성되어 있을 수 있으나, 여기서 상기 파우치 외장재의 구조 및 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 실링부(132)에서는 제1 수납부(131a)와 제2 수납부(131b)의 열융착층이 서로 접촉하게 되고, 이들이 접촉한 상태에서 열융착 공정을 행하는 것에 의해 파우치 케이스(130)가 실링되는 것이다.
파우치 케이스(130)의 실링부(132)는 열 융착되어 파우치 케이스(130)를 실링하는 일 영역을 의미할 수 있다. 실링부(132)는 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)에서 각각 3면으로 이루어질 수 있고, 실링부(132)의 3면은 제1 실링부(132a)와 제2 실링부(132b)로 구분될 수 있다.
구체적으로, 제1 실링부(132a)는 전극 리드(112)가 위치하는 영역을 포함하는 실링부(132)일 수 있다. 즉, 제1 실링부(132a)는, 도 6의 x축 방향 및 -x축 방향에 위치하는 실링부(132)일 수 있다.
제2 실링부(132b)는 전극 리드(112)를 포함하지 않는 실링부(132)일 수 있다. 즉, 제2 실링부(132b)는 제1 실링부(132a)를 제외한 실링부(132)를 의미하는 것으로, 폴딩부(133)와 마주보는 실링부(132)일 수 있다. 제2 실링부(132b)는 도 6의 y축 방향 및 -y축 방향에 위치하는 실링부(132)일 수 있다.
도 7은 도 6의 전지셀이 실링된 상태를 나타내는 사시도이다. 도 8은 도 7의 제2 면이 형성되는 과정을 나타내는 도면이다. 도 9는 도 7의 제2 면이 완성된 것을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 도 6의 파우치 케이스(130)의 실링부(132)가 실링되어, 완성된 전지셀(100)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)이 폴딩부(133)에 의해 접힌 후, 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)에 각각 위치하는 실링부(132)가 실링되면, 실링부(132)는 열융착되어 하나의 면을 형성할 수 있다. 이 경우, 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)의 제1 실링부(132a)가 열융착되어 형성된 하나의 면은 제1 면(132c)이고, 제1 영역(130a) 및 제2 영역(130b)의 제2 실링부(132b)가 열융착되어 형성된 하나의 면은 제2 면(132d)일 수 있다.
이하에서는, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 제2 면(132d)에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.
제1 영역(130a)의 제2 실링부(132b)와 제2 영역(130a)의 제2 실링부(132b)는, 서로 열 융착되어 하나의 제2 면(132d)을 형성할 수 있다.
도 8(a) 및 도 8(b)를 참고하면, 제2 면(132d)은 하나의 긴 면으로, 도 8(a)의 벤딩 라인(140)을 기준으로 접힐 수 있다. 여기서, 벤딩 라인(140)은 제2 면(132d)을 접는 기준이 되는 임의의 선일 수 있다. 벤딩 라인(140)은 제2 면(132d)의 중앙에 위치할 수 있지만, 해당 위치에 한정되는 것은 아니며, 제2 면(132d)의 벤딩이 가능하다면 어느 영역이든 위치할 수 있다. 또한, 본 도면에서는 벤딩 라인(140)이 한 개로 형성되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 하나 이상일 수도 있다. 이 경우, 제2 면(132d)은 한 번 이상 접힐 수 있을 것이다. 즉, 제2 면(132d)은 적어도 한 번 이상 벤딩될 수 있다.
도 8(c) 및 도 9를 참고하면, 벤딩 라인(140)을 기준으로 접힌 제2 면(132d)은, 제2 수납부(131b)와 접착되어 고정될 수 있다. 제2 면(132d)과 제2 수납부(131b) 사이에는 접착 부재(150)가 구비되어, 이로 인해 제2 면(132d)와 제2 수납부(131b)가 접착 및 고정될 수 있다.
추가로, 본 도면에는 개시되어 있지 않지만, 접착 부재(150)는 벤딩 라인(140)을 기준으로 접히는 제2 면(132d) 사이에도 위치할 수 있다. 즉, 벤딩 라인(140)을 기준으로 접히는 제2 면(132d) 사이에도 접착 부재(150)가 개재되어, 마주보는 제2 면(132d)이 서로 떨어지지 않을 수 있다.
본 도면의 경우, 제2 면(132d)이 벤딩 라인(140)을 기준으로 접힌 방향으로 제2 수납부(131b)와 접착되어 고정되는 것으로, 제2 면(132d)이 본 도면과 반대 방향으로 접힌 경우에는 제1 수납부(131a)와 접착되어 고정될 수도 있다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 전지셀(110)의 제2 면(132d)은, 제2 수납부(131b)와 접착되어 고정되어 있을 수 있다. 이 경우, 제2 면(132d)를 포함하는 전지셀(110)의 일 면은 윙 폴딩면(150)으로 정의될 수 있다.
도 10은 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 윙 폴딩면(150) 및 냉각면(160)을 포함하는 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200), 하부 히트 싱크(300) 및 상부 히트 싱크(700)를 포함한다.
윙 폴딩면(150)은 상술한 바와 같이 제2 면을 포함하는 전지셀(110)의 일 면이고, 냉각면(160)은 윙 폴딩면(150)과 마주보며 위치하는 면일 수 있다. 즉, 냉각면(160)은 제2 면을 포함하지 않는 전지셀(110)의 일 면으로, 냉각면(160)은 파우치 케이스(130)의 폴딩부(133)에 대응되는 면일 수 있다.
복수의 전지셀(110)은 제1 전지셀(110a) 및 제2 전지셀(110b)을 포함한다.
제1 전지셀(110a)은 윙 폴딩면(150)이 상부 히트 싱크(700)와 인접하게 위치한 전지셀(110)일 수 있다. 제1 전지셀(110a)은 냉각면(160)이 하부 히트 싱크(300)와 인접하게 위치한 전지셀(110)일 수 있다. 윙 폴딩면(150)은 제2 실링부가 적어도 한 번 이상 접힌 제2 면(132d)을 포함하므로, 제2 면(132d)을 포함하지 않는 냉각면(160)에 비해 외부로의 열 전달 수월한 면적이 적어 냉각이 쉽지 않다. 따라서, 전지의 충방전시 전지셀(110)로부터 발생하는 열은 윙 폴딩면(150)보다 상대적으로 면적이 넓은 냉각면(160) 방향으로 이동하여, 냉각면(160), 열전도성 수지층(600), 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 및 하부 히트 싱크(300)를 차례로 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달된다.
제2 전지셀(110b)은 윙 폴딩면(150)이 하부 히트 싱크(300)와 인접하게 위치한 전지셀(110)일 수 있다. 제2 전지셀(120a)은 냉각면(160)이 상부 히트 싱크(700)와 인접하게 위치한 전지셀(110)일 수 있다. 전지의 충방전시 전지셀(110)로부터 발생하는 열은 냉각면(160) 방향으로 이동하여, 냉각면(160), 열전도성 수지층(600), 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220) 및 상부 히트 싱크(700)를 차례로 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달된다.
제1 전지셀(110a)과 제2 전지셀(110b)은 모듈 프레임(200) 내에 각각 교대로 적층될 수 있다. 전지셀 적층체는 제1 전지셀(110a)과 제2 전지셀(110b)이 교대로 적층된 구조일 수 있다.
제1 전지셀(110a)과 제2 전지셀(110b)이 교대로 적층되어 위치함으로 인해, 제1 전지셀(110a)과 제2 전지셀(110b)에서 전지 모듈(100)의 외부로 전달되는 열은 전지 모듈(100)의 상부와 하부로 각각 분산되어 균일하게 전달될 수 있다. 즉, 모듈 프레임(220)의 일면에만 열이 집중적으로 전달되지 않아 냉각 효율이 향상될 수 있고, 냉각 효율의 향상으로 인해 전지의 수명 특성도 향상될 수 있다.
도 11은 도 10의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 12는 도 11의 A1을 나타내는 도면이다. 도 11 및 도 12에서 설명하는 전지 모듈은, 도 10에 개시된 본 발명의 일 실시예에 대한 변형예로, 상기에서 설명한 구성과 동일한 구성에 대해 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 제1 전지셀(110a)과 제2 전지셀(110b)은 교대로 적층된다. 이 경우, 제1 전지셀(110a)의 윙 폴딩면(150) 및 제2 전지셀(110a)의 윙 폴딩면(150)은, 각각 모듈 프레임(200)과 접하면서 위치할 수 있다. 구체적으로, 제1 전지셀(110a)의 윙 폴딩면(150) 및 제2 전지셀(110a)의 윙 폴딩면(150)은, 각각 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220) 및 바닥부(210a)와 접하면서 위치할 수 있다.
윙 폴딩면(150)의 제2 면(132d)은 모듈 프레임(200)과 접할 수 있다. 윙 폴딩면(150)의 제2 면(132d)은, 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220) 및 바닥부(210b)와 접할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 전지셀(110a) 및 제2 전지셀(120a)은, 벤딩 라인을 기준으로 접힌 제2 면(132d)의 일면을 파우치 케이스의 수납부에 접착하고, 수납부와 접착되지 않은 제2 면(132d)의 타면이 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220)와 바닥부(210a)와 맞닿으면서 위치할 수 있다.
즉, 제1 전지셀(110a)의 윙 폴딩면(150)을 구성하는 제2 면(132d) 중 수납부와 접하지 않는 타면은 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220)와 맞닿으면서 위치할 수 있고, 제2 전지셀(110b)의 윙 폴딩면(150)을 구성하는 제2 면(132d) 중 수납부와 접하지 않는 타면은 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220)와 맞닿으면서 위치할 수 있다.
본 도면은 예시적인 것으로, 변형예에 따른 제1 전지셀(110a) 및 제2 전지셀(110b)의 배열은 이에 한정되는 것은 아니다.
윙 폴딩면(150)의 경우, 상기 설명한 바와 같이, 제2 면(132d)이 적어도 한 번 이상 접힌 상태로 형성되어 있어 냉각면(160)에 비해 상대적으로 외부로의 열 전달이 쉽지 않다. 다만, 이러한 경우에도, 벤딩 라인을 기준으로 접힌 제2 면(132d)을 수납부와 접착시켜 평평하게 위치시킨 후, 이를 모듈 프레임(200)에 맞닿게 함으로써, 전지셀(110)에서 발생하는 열을 윙 폴딩면(150)에서도 보다 효율적으로 외부로 방출할 수 있다. 따라서, 전지셀(110)의 냉각 효율이 보다 향상되어, 전지 모듈(100)의 안전성이 개선될 수 있다. 또한, 모듈 프레임(200)의 상부 커버(220) 및 바닥부(210a)와 전지셀(110) 사이의 간격도 종래에 비해 감소되었으므로, 전지 모듈(100)의 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
도 13은 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 도 7의 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 변형예일 수 있다. 따라서, 이하에서는 도 7과 비교하여 차이가 있는 부분에 대해서만 구체적으로 기재하도록 한다.
도 13을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제1 전지셀(110a)이 병렬 연결된 제1 전지셀 적층체(120a) 및 제2 전지셀(110b)이 병렬 연결된 제2 전지셀 적층체(120b)를 포함할 수 있다.
제1 전지셀 적층체(120a) 및 제2 전지셀(110b)는 전지셀(110)이 적어도 2개 이상 병렬 연결되어 있을 수 있다. 제1 전지셀 적층체(120a)은 제1 전지셀(110a)이 적어도 2개 이상 병렬 연결되어 있을 수 있고, 제2 전지셀 적층체(120b)는 제2 전지셀(110b)이 적어도 2개 이상 병렬 연결되어 있을 수 있다.
제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)는 모듈 프레임(200) 내에 각각 교대로 적층될 수 있다. 전지셀 적층체는 제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)가 교대로 적층된 구조일 수 있다.
제1 전지셀 적층체(120a)와 제2 전지셀 적층체(120b)를 교대로 적층하는 것은, 제1 전지셀(110a)과 제2 전지셀(120a)을 각각 교대로 적층하는 것 보다 수월하게 전지셀(110)을 모듈 프레임(200)에 수납할 수 있어, 전지 제조 공정 효율이 증대될 수 있다.
도 14는 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다. 도 15는 도 4의 B-B’를 따라 자른 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 14 및 도 15를 참고하면, 복수의 전지셀(110)의 사이에는 압축 패드(500)가 위치할 수 있다. 압축 패드(500)는 전지셀(110)들의 스웰링을 흡수하여 전지 모듈(100) 내부의 내구성을 확보할 수 있다. 복수의 전지셀(110)은 압축 패드(500)를 중심으로 서로 마주보는 방향으로 배치될 수 있다.
본 도면에는 도시되지 않았지만, 압축 패드(500)는 전지셀 적층체에 포함되는 최외곽 전지셀(110)과 모듈 프레임(200) 사이에도 위치할 수 있다. 이 경우, 전지셀 적층체의 최외각 전지셀(110)의 스웰링 발생에 의해 모듈 프레임(200)에 가해지는 팽창력을 흡수할 수 있다. 따라서, 팽창력으로 인해 전지셀(110)에 가해지는 힘이 적어져, 전지셀(110)의 파우치 케이스가 깨질 위험성이 감소하게 되며, 전지 모듈(100)의 안전성이 향상될 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전지 모듈
110: 전지셀
110a: 제1 전지셀
110b: 제2 전지셀
120: 전지셀 적층체
120a: 제1 전지셀 적층체
120b: 제2 전지셀 적층체
130: 파우치 케이스
131: 수납부
132: 실링부
132a: 제1 실링부
132b: 제2 실링부
132c: 제1 면
132d: 제2 면
133: 폴딩부
150: 윙 폴딩면
160: 냉각면
200: 모듈 프레임
210a: 바닥부
220: 상부 커버
300: 하부 히트 싱크
700: 상부 히트 싱크

Claims (14)

  1. 냉각면 및 윙 폴딩(wing folding)면을 포함하는 복수의 전지셀이 적층되어 형성되는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임;
    상기 모듈 프레임의 상부에 위치하는 상부 히트 싱크; 및
    상기 모듈 프레임의 하부에 위치하는 하부 히트 싱크를 포함하고,
    상기 전지셀은 제1 전지셀 및 제2 전지셀을 포함하고,
    상기 제1 전지셀은 상기 냉각면이 상기 하부 히트 싱크와 인접하게 위치하고,
    상기 제2 전지셀은 상기 냉각면이 상기 상부 히트 싱크와 인접하게 위치하는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀은 전극 조립체를 수납하는 수납부 및 상기 전극 조립체의 외주변을 밀봉하는 실링부를 포함하고,
    상기 실링부는 전극 리드가 위치하는 영역을 포함하는 제1 실링부와, 상기 제1 실링부를 제외한 제2 실링부를 포함하며,
    상기 제2 실링부는 열 융착된 후 적어도 한 번 이상 벤딩된 제2 면을 포함하고,
    상기 제2 면을 포함하는 상기 전지셀의 일 면은 상기 윙 폴딩면인 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전지셀과 상기 제2 전지셀은 교대로 적층되는 전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 면의 일면은, 상기 수납부와 접착되어 고정되는 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 면의 타면은, 상기 모듈 프레임과 접하면서 위치하는 전지 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 전지셀 적층체는 상기 제1 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제1 전지셀 적층체 및 상기 제2 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제2 전지셀 적층체를 포함하는 전지 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체는 교대로 적층되는 전지 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전지셀 적층체 및 상기 제2 전지셀 적층체는, 상기 전지셀이 적어도 2개 이상 병렬 연결되어 있는 전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 사이에 압축 패드가 위치하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 적층체는 상기 제1 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제1 전지셀 적층체 및 상기 제2 전지셀이 병렬 연결되어 있는 제2 전지셀 적층체를 포함하고,
    상기 제1 전지셀 적층체와 상기 제2 전지셀 적층체 사이에 압축 패드가 위치하는 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 상부 히트 싱크의 하부 플레이트는 상기 모듈 프레임의 상부 커버이고,
    상기 하부 히트 싱크의 상부 플레이트는 상기 모듈 프레임의 바닥부인 전지 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임 사이에 열전도성 수지층이 위치하는 전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전지셀 적층체의 냉각면과 상기 모듈 프레임 사이에 열전도성 수지층이 위치하는 전지 모듈.
  14. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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