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KR102365631B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

배터리 모듈 Download PDF

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KR102365631B1
KR102365631B1 KR1020180002910A KR20180002910A KR102365631B1 KR 102365631 B1 KR102365631 B1 KR 102365631B1 KR 1020180002910 A KR1020180002910 A KR 1020180002910A KR 20180002910 A KR20180002910 A KR 20180002910A KR 102365631 B1 KR102365631 B1 KR 102365631B1
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battery module
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 별도의 추가 제어 없이 온도에 따라 스웰링 발생 시 생성되는 스웰링 압력이 상쇄되도록 배터리 셀을 지지하는 구조로 변형되거나, 배터리 셀이 효율적으로 냉각되는 구조로 변형되는 충진부가 구비된 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 별도의 추가 제어 없이 온도에 따라 스웰링 발생 시 생성되는 스웰링 압력이 상쇄되도록 배터리 셀을 지지하는 구조로 변형되거나, 배터리 셀이 효율적으로 냉각되는 구조로 변형되는 충진부가 구비된 배터리 모듈에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 배터리를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 배터리의 수요가 급격히 증가하여 사이클 수명이 길고 자기방전율이 낮은 리튬 배터리가 상용화되어 널리 사용되며 이에 대한 많은 연구가 수행되고 있다.
특히 파우치형 배터리는 고객 요구에 맞게 다양한 형태의 구조 변경이 가능하여 제품응용력이 뛰어나고, 금속캔 형태의 배터리케이스를 사용한 배터리에 비해 다품종 소량생산에 유리하다.
한편, 상기 배터리 셀은 장시간 동안 고온 저장되거나 충전기나 전방 제어 회로 등의 고장으로 인한 과충전, 과방전 또는 내부 단락과 같은 이상 상황이 발생되는 경우, 전해질의 분해 또는 부반응에 기인한 스웰링 현상으로 부풀게 된다.
이와 같은 스웰링 현상은 파우치 외장재의 부피를 증가시키고 파우치 외장재의 실링 영역의 접착력을 약화시켜 파우치 외장재의 실링 영역을 통해 전해액을 누출시키거나 전해질의 부 반응의 가속화를 유발되어 파우치 외장재의 내부를 고온 및 고압 환경으로 만듦에 따라 배터리 셀을 발화 또는 폭발시킨다.
또한, 배터리를 고온에서 방치할 경우, 상기 전해질의 분해 또는 부반응이 고온에서 촉진되어 스웰링 현상이 촉진된다.
좀 더 구체적으로 설명하자면, 배터리 내의 온도가 상승하면 전해액이 좀 더 활발히 분해되거나 추가적인 부반응이 일어나 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 가스가 다량 생성되어 저온에서보다 빠르게 배터리 셀의 두께가 증가하기 때문이다.
이러한 스웰링 현상을 저감시키기 위하여 종래의 배터리 모듈들은 도1 및 도2와 같은 대안을 구비하였다.
도1은 종래의 배터리 모듈의 구조도이고, 도2는 종래의 또 다른 배터리 모듈의 구조도이다.
도1의 종래의 배터리 모듈은 배터리 셀 사이에 냉매를 순환시키는 구조로서, 고온에서 가속화되는 스웰링 현상을 억제시키기 위하여 배터리 셀의 온도를 감소시키는 방법이다.
도1의 냉매 순환구조는 냉매를 수용하고 있는 냉매 수용부가 냉매를 전송하면 배터리 셀 외측에 형성된 냉매 관을 통해 냉매가 통과한다.
그런 후, 상기 관을 통과한 냉매는 냉매 펌프로 모여 냉매 수용부로 전송됨에 따라 냉매 수용부에 다시 수용된다.
상기와 같은 방법은 냉매를 통해 직접적으로 배터리 셀의 온도를 낮춤에 따라 빠르게 배터리 셀의 온도가 감소되는 장점이 있지만 저온에서 스웰링 현상이 발생되는 경우에는 대응하지 못하는 문제가 있다.
한편, 도2의 종래 배터리 모듈은 배터리 셀 사이에 격벽이 형성되어 배터리 셀이 케이스 내에 끼워지는 형태로 결합되는 구조로서, 스웰링 현상 시 배터리 셀 내의 증가하는 압력을 격벽이 상쇄시켜 스웰링 현상을 지연시키는 방법이다.
그러나 상기와 같은 구조는 케이스 내에 삽입된 배터리 셀의 넓은면은 외부로 노출되지 않아 고온 시 각각의 배터리 셀을 냉각시키는 냉각유로를 형성하는 것이 어려운 문제가 발생된다.
이에 따라 배터리 셀의 온도에 의한 스웰링 현상을 억제시키는 방법뿐만 아니라 좀 더 효율적으로 스웰링 현상을 억제 또는 저감시키는 대안이 필요하다.
KR 1340365 B1
본 발명은 배터리 셀의 온도를 용이하게 감소시키며 스웰링 현상에서 발생되는 스웰링 압력을 상쇄시키는 구성이 구비된 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀, 상기 복수개의 배터리 셀이 수납되는 모듈 케이스, 상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 상기 복수개의 배터리 셀들 사이에 구비되는 충진부를 포함하여 구성되는 배터리 모듈에 있어서,
상기 충진부는, 배터리 모듈 내 온도가 소정의 온도 값 미만 경우, 배터리 셀이 부풀어 오르는 것을 방지하기 위하여 각 배터리 셀이 지지되도록 충진부의 부피가 증가하는 형태로 구조가 변형되고, 배터리 모듈 내 온도가 소정의 온도 값 이상인 경우, 상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 복수개의 셀들 사이에서 냉각 유로가 확보되도록 충진부의 부피가 감소하는 형태로 구조가 변형된다.
상기 충진부는, 온도에 따라 형태가 변화하는 형상변형 소재로 이루어진다.
상기 충진부는, 판상형 형태의 상부 몸체와 하부 몸체가 개별적으로 형성된 충진부 몸체 및 상기 충진부 몸체의 양측 끝단에 위치하여 충진부 몸체가 고정되도록 모듈 케이스 내측에 부착되는 한 쌍의 충진부 고정부를 포함하여 구성된다.
상기 충진부 몸체는, 배터리 모듈 내 온도가 소정 범위의 온도 값 미만인 경우, 상기 상부 몸체와 하부 몸체가 배터리 셀이 배치된 방향으로 각각 구부러지는 제1 형상 및 배터리 모듈 내 온도가 소정 범위의 온도 값 이상인 경우, 상기 상부 몸체와 하부 몸체가 각각 평행하게 펴지는 제2 형상을 형성한다.
상기 충진부 고정부는, 탄성부재로 이루어진다.
상기 냉각유로는, 상기 충진부 및 배터리 셀 사이의 빈 공간에 형성되는 공기통로이다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀, 상기 복수개의 배터리 셀이 수납되는 모듈 케이스, 상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 상기 복수개의 배터리 셀들 사이에 구비되는 충진부를 포함하여 구성되는 배터리 모듈에 있어서, 상기 충진부는, 배터리 셀이 부풀어 오르는 것을 방지하기 위하여 각 배터리 셀이 지지되도록 시간에 따라 충진부의 부피가 증가하는 형태로 구조가 변형된다.
상기 충진부는, 충진부 외면을 형성하는 충진부 커버, 상기 충진부 커버 내에 구비되어 내측으로 유입되는 용액에 의해 부피가 증가하는 압축성 팽창부재 및 상기 압축성 팽창부재와 연결되어 압축성 팽창부재에 공급되는 용액이 저장된 용액 저장부를 포함하여 구성된다.
상기 충진부는, 상기 압축성 팽창부재와 상기 용액 저장부 내측에 하나의 형태로 구비되어 용액 저장부로부터 용액을 압축성 팽창부재에 전달하는 용액 전달부재를 더 포함하여 구성된다.
상기 배터리 셀은, 파우치형 배터리 셀이다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈을 단위 모듈로서 포함하고 있는 대용량의 배터리 팩을 형성하며 다양한 디바이스에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈은 고온 시 배터리 셀의 냉각을 용이하게 하며, 저온 시 배터리 셀을 지지하여 스웰링 현상이 억제 또는 저감될 수 있도록 함에 따라 효율적으로 안전한 모듈 구동이 가능하도록 한다.
도 1은 종래의 배터리 팩의 구조도.
도 2는 종래의 또 다른 배터리 팩의 구조도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고온 상태에서 부피가 감소한 충진부를 포함하여 구성되는 배터리 모듈의 측면 구조도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 저온 상태에서 부피가 증가한 충진부를 포함하여 구성되는 배터리 모듈의 측면 구조도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저온 상태에서 부피가 증가한 충진부의 상세 측면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈 내 충진부의 상세 사시도.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 식별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
<실시 예 1>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈은 고온에서 가속화되는 스웰링 현상을 억제 또는 저감시키기 위하여 배터리 셀 사이에 배치되는 충진부의 형태가 온도에 따라 스스로 변형되는 구조로 형성되어 별도의 제어 없이도 배터리 셀 보호가 가능함에 따라 안전하고 효율적이게 배터리 모듈이 구동될 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고온상태에서 부피가 감소한 충진부를 포함하여 구성되는 배터리 모듈의 측면 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 저온상태에서 부피가 증가한 충진부를 포함하여 구성되는 배터리 모듈의 측면 구조도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수개의 배터리 셀(110), 복수개의 배터리 셀(110)이 실장되는 모듈 케이스(120), 모듈 케이스(120)와 배터리 셀(110) 사이 복수개의 배터리 셀(110)들 사이에 구비되는 충진부(130) 및 충진부와 배터리 셀 사이에 형성되는 냉각유로(140)를 포함하여 구성된다.
이러한 배터리 모듈(100)에 대한 구성은 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 모듈 케이스(120)는 상기 복수개의 배터리 셀을 수납하는 구성으로서, 상기 충진부(130)도 내측에 수납될 수 있도록 한다.
또한, 상기 모듈 케이스(120)는 상기 배터리 모듈(100)을 장착하는 디바이스 또는 배터리 팩의 구성에 따라 다양한 소재 및 형태로 제조될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀(110)은 파우치 형태로 복수개 형성된 구성으로서, 일반적으로 다수의 양극전극(알루미늄호일)과 음극전극(구리호일)이 분리막을 사이에 두고 적층되거나 양극전극과 음극전극 사이에 분리막을 개재시켜 둘둘 만 후, 양극전극에는 양극탭, 음극전극에는 음극탭을 용접하고, 알루미늄 파우치로 감싸 밀봉한 형태의 구조를 가진다.
한편, 상기 배터리 셀(110)은 장시간 동안 고온 저장되거나 충전기나 전방 제어 회로 등의 고장으로 인한 과충전, 과방전 또는 내부 단락과 같은 이상 상황이 발생되는 경우, 전해질의 분해 또는 부반응에 기인한 스웰링 현상으로 부풀게 된다.
상기 스웰링 현상은 전해액 분해 또는 부반응 시 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 가스가 발생되어 배터리 셀의 두께가 증가됨에 따라 발화 및 폭발을 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 스웰링 현상은 고온에서 촉진되는데 이러한 전해질의 분해 및/또는 부반응을 억제 또는 저감시키는 방법은 배터리 셀의 온도를 감소시키는 것이다.
이와 같이 배터리 셀의 온도를 감소시키기 위해서는 배터리 셀의 표면으로 공기가 유동할 수 있도록 배터리 셀이 공기 중에 노출되어야 한다.
또한, 스웰링 현상이 기 발생되는 경우, 이를 지연시키기 위해서는 배터리 셀 내에서 외측으로 팽창하려는 스웰링 압력을 상쇄시키는 것도 필요하다.
이와 같이 스웰링 압력을 상쇄시키기 위해서는 배터리 셀이 외부구조를 통해 지지되어야 한다.
이러한 문제는 상기 충진부(130)를 통해 용이하게 해결 가능하며 충진부(130)는 하기에서 좀 더 상세하게 설명한다.
또한, 상기 충진부(130)는 상기 복수개의 배터리 셀(110)의 온도가 소정의 온도 값 미만 경우, 배터리 셀이 부풀어 오르는 것을 방지하기 위하여 각 배터리 셀이 지지되도록 충진부(130)의 부피가 증가하는 형태로 변형되고,
상기 복수개의 배터리 셀(110)의 온도가 소정의 온도 값 이상인 경우, 상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 복수개의 셀들 사이에서 냉각 유로(140)가 확보되도록 충진부(130)의 부피가 감소하는 형태로 변형된다.
여기서 소정의 온도 값은 일 실시 예로서, 30℃로 설정하여 적정 구동온도인 45℃ 이하로 유지될 수 있도록 하지만, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 충진부(130)는 온도에 따라 형태가 변화하는 형상변형소재로 이루어지는데, 이는 바이메탈, 형상 기억합금, 형상기억수지 또는 온도감지용 수지 중 하나를 사용할 수 있다.
여기서 충진부(130)는 일 실시 예로서, 형상기억합금으로 형성되지만, 이에 한정되지 않는다.
상기 형상기억합금(shape memory alloy)은 일정한 형상을 기억하여 외력에 의해 변형시킨다 해도 일정온도에 이르면 본래의 모습을 되찾는 강자성 합금을 의미하는 것으로, 상기 형상기억합금은 TiNi, NiAl, CuZn, FeNiTiCo, TiNb, MnCu 및 FeCrNi으로 구성된 군에서 선택되고, 바람직하게는 TiNi을 사용한다.
또한, 상기 형상기억합금은 한 방향의 기억형상 특징을 가지는 일방향 형상기억합금과 두 방향의 기억형상 특징을 가지는 이방향 형상기억합금으로 구성되는데, 본 발명에서는 소정의 온도 값 이상에서 수축되고 소정의 온도 값 미만에서 팽창되는 두 가지 형태로 형상이 변형되어야 하므로 이방향 형상기억합금을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한, 충진부의 구성은 도 5를 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저온 상태에서 부피가 증가한 충진부의 상세 측면도이다.
도 5를 참고하면, 상기 충진부(130)는 판상형 형태의 상부 몸체와 하부 몸체가 개별적으로 형성된 충진부 몸체(131) 및 충진부 몸체의 양측 끝단에 위치하여 충진부 몸체가 고정되도록 모듈 케이스 내측에 부착되는 한 쌍의 충진부 고정부(132)를 포함하여 구성된다.
또한, 충진부 고정부(132)는 탄성부재로 이루어져 상기 충진부 몸체(131)에서의 형태변화가 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.
즉, 상기 충진부 몸체(131)의 부피가 증가하면 충진부 고정부(132)의 길이가 소정 범위 연장되고, 충진부 몸체(131)의 부피가 감소하면 충진부 고정부(132)의 길이는 원래 길이로 회복된다.
여기서 탄성부재는 일 실시 예로 스프링으로 이루어지지만, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 충진부 몸체(131)는 이방향 형상기억합금으로 인하여 두 가지의 형태로 형성될 수 있는데, 상기 도3내지 도5를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
상기 충진부 몸체(131)의 형태 중 하나는 상기 도4에서의 배터리 모듈 내 충진부의 부피가 증가한 제1 형상으로서, 제1 형상은 배터리 모듈 내 온도가 소정 범위의 온도 값 미만인 경우, 충진부 몸체(131) 중 상부 몸체와 하부 몸체가 배터리 셀이 배치된 방향으로 각각 구부러지는 형태로 형성된다.
상기 충진부 몸체(131)의 구부러지는 형태는 상기 도5에서와 같이 마루를 이루며 형성되지만 상태의 배터리 셀의 넓은 면과 충진부 몸체(131)의 마루가 접촉됨에 따라 충진부 몸체(131)가 눌러지는 형태로 형성된다.
또한, 상기 충진부 몸체(131)와 배터리 셀(110)의 접촉은 스웰링 발생 시 배터리 셀 내측에서 발생되는 스웰링 압력이 상쇄될 수 있도록 한다.
또한, 상기 충진부 몸체(131)의 형상변형소재는 일 실시 예에 따라 배터리 모듈 내 온도가 29℃인 경우, 구부러지는 형태로 형상이 변화하는 값이 설정되어 있다.
또 다른 하나의 형태는 상기 도3에서의 배터리 모듈 내 충진부의 부피가 감소한 제2 형상으로서, 배터리 모듈 내 온도가 소정 범위의 온도 값 이상인 경우, 상기 상부 몸체와 하부 몸체가 각각 평행하게 펴지는 형태로 형성된다.
이는 배터리 모듈 내 온도가 고온임에 따라 가속화되는 스웰링현상을 억제하고자, 각 배터리 셀의 온도가 감소될 수 있도록 한다.
좀 더 구체적으로, 배터리 셀의 온도 감소를 위해서는 배터리 셀의 넓은 면을 공기 중에 노출시켜 배터리 셀 주변의 공기에 열이 전달되도록 한다.
그러나 상기 도4에서의 제1 형상을 통해서는 충진부 몸체(131)와 맞닿는 배터리 셀의 넓은 면이 공기 중에 노출되는 것이 어려우므로 상기 도3에서의 제2 형상으로 형태가 변형되 배터리 셀(110)과 충진부(130) 간에 소정 간격이 형성될 수 있도록 한다.
이러한 소정 간격은 냉각유로(140)를 형성하여 배터리 셀을 냉각시킨다.
또한, 상기 충진부 몸체(131)의 형상변형소재는 일 실시 예에 따라 배터리 모듈 내 온도가 30℃인 경우, 평행하게 펴지는 형태로 형상이 변화하는 값이 설정되어 있다.
또한, 상기 냉각유로(140)를 좀 더 구체적으로 설명하자면, 냉각유로(140)는 상기 충진부(130)와 배터리 셀(110) 사이에 형성되는 구성으로서, 충진부(130)와 배터리 셀(110) 사이에 형성된 빈공간에 흐르는 공기 통로를 의미한다.
즉, 배터리 모듈의 온도가 낮은 경우, 상기 충진부(130)의 부피가 팽창하여 냉각유로(140)의 공간이 줄어들거나 상기 배터리 셀(110)과 충진부(130)가 접하는 경우에는 냉각유로(140)가 형성되지 않는다.
그러나 배터리 모듈의 온도가 높은 경우, 상기 충진부(130)의 부피가 축소되어 축소된 충진부(130)의 부피만큼의 빈공간이 형성되어 공기가 흐를 수 있는 냉각유로(140)가 형성될 수 있다.
<실시 예 2>
다음으로 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈에 대하여 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈은 배터리 모듈의 구동 시간에 따라 증가하는 스웰링 발생확률에 맞춰 배터리 셀을 지지하는 구조로 형성되어 배터리 모듈 구동 초기의 비효율적인 스웰링 억제 구조 대신 냉각유로를 형성함에 따라 안전하고 효율적으로 배터리 모듈이 구동될 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈(200)은 복수개의 배터리 셀(210), 복수개의 배터리 셀이 수납되는 모듈 케이스(220) 및 모듈 케이스(220)와 배터리 셀(210) 사이 및 상기 복수개의 배터리 셀(210)들 사이에 구비되는 충진부(230)를 포함하여 구성된다.
이러한 배터리 모듈(200)에 대한 구성은 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 모듈 케이스(220)는 상기 복수개의 배터리 셀을 수납하는 구성으로서, 상기 충진부(230)도 내측에 수납될 수 있도록 한다.
또한, 상기 모듈 케이스(220)는 상기 배터리 모듈(200)을 장착하는 디바이스 또는 배터리 팩의 구성에 따라 다양한 소재 및 형태로 제조될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀(210)은 파우치 형태로 복수개 형성된 구성으로서, 일반적으로 다수의 양극전극(알루미늄호일)과 음극전극(구리호일)이 분리막을 사이에 두고 적층되거나 양극전극과 음극전극 사이에 분리막을 개재시켜 둘둘 만 후, 양극전극에는 양극탭, 음극전극에는 음극탭을 용접하고, 알루미늄 파우치로 감싸 밀봉한 형태의 구조를 가진다.
한편, 상기 배터리 셀(210)은 장시간 동안 고온 저장되거나 충전기나 전방 제어 회로 등의 고장으로 인한 과충전, 과방전 또는 내부 단락과 같은 이상 상황이 발생되는 경우, 전해질의 분해 또는 부반응에 기인한 스웰링 현상으로 부풀게 된다.
상기 스웰링 현상은 전해액 분해 또는 부반응 시 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 가스가 발생되어 배터리 셀의 두께가 증가됨에 따라 발화 및 폭발을 발생시킬 수 있다.
이러한 스웰링 현상이 발생되는 경우, 이를 지연시키기 위해서는 배터리 셀 내에서 외측으로 팽창하려는 스웰링 압력을 상쇄시키는 것도 필요하다.
상기의 스웰링 압력을 상쇄시키기 위해서는 배터리 셀이 별도의 구조를 통해 외측으로부터 지지되어야 한다.
한편, 일반적으로 스웰링 현상은 배터리 모듈의 구동횟수에 따라 발생확률이 증가함에 따라 배터리 모듈 구동 초기에는 상기의 스웰링 압력을 상쇄시키는 별도의 구조가 활용되지 않는 문제가 발생한다.
이러한 문제들은 상기 충진부(230)를 통해 용이하게 해결 가능하며 충진부(230)는 도7을 통해 좀 더 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈 내 충진부의 상세 사시도이다.
도 7을 참고하면, 상기 충진부(230)는 배터리 셀이 부풀어 오르는 것을 방지하기 위하여 각 배터리 셀이 지지되도록 시간에 따라 충진부의 부피가 증가하는 형태로 변형된다.
또한, 상기 충진부(230)는 충진부 외면을 형성하는 충진부 커버(231), 충진부 커버(231) 내에 구비되어 내측으로 유입되는 용액에 의해 부피가 증가하는 압축성 팽창부재(232) 및 압축성 팽창부재(232)와 연결되어 내측에 용액을 공급하는 용액 저장부(233)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 충진부(230)는 상기 압축성 팽창부재(232)와 상기 용액 저장부(233) 내측에 하나의 형태로 구비되어 용액 저장부로부터 용액을 압축성 팽창부재에 전달하는 용액 전달부재(234)를 더 포함하여 구성된다.
좀 더 구체적으로 설명하자면, 상기 충진부 커버(231)는 수축된 상태로 형성되어 상기 압축성 팽창부재(232)가 팽창됨에 따라 부피가 증가될 수 있도록 한다.
또한, 상기 충진부 커버(231)는 비교적 단단한 합성수지 또는 열가소성수지나 열경화성수지 등으로 이루어져 부피가 팽창된 경우, 상기 배터리 셀(210)을 지지할 수 있도록 한다.
또한, 충진부 커버(231)는 절연소재로 이루어져 충진부 외면이 상기 복수개의 배터리 셀과 절연상태로 형성되어 배터리 모듈 구동이 안전하게 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 상기 압축성 팽창부재(232)는 상기 충진부 커버(231) 내에 구비되어 용액이 전달됨에 따라 서서히 부피가 팽창되는 구성으로서, 일 실시 예로서, 100% 순수 천연 레이온(rayon)을 사용하지만 이에 한정되지 않으며, 완전 건조된 상태로 형성된다.
또한, 충진부(230)의 지지력은 압축성 팽창부재(232)의 양에 따라 조절되므로 배터리 셀의 스웰링 압력에 따라 적정 양이 구비될 수 있도록 한다.
또한, 상기 용액 저장부(233)는 압축성 팽창부재(232)와 연결되어 압축성 팽창부재에 공급되는 용액이 저장된 구성으로서, 일 실시 예로서, 파우치 형태로 형성되지만, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 용액 저장부(233)는 다양한 용액을 사용할 수 있지만, 일 실시 예로서, 산화에 대하여 안정성 있는 절연유를 사용하여 누출되는 경우, 피해가 최소화 될 수 있도록 한다.
또한, 상기 용액 저장부(233)는 각각의 압축성 팽창부재(232)에 용액이 개별적으로 공급되도록 압축성 팽창부재(232)의 개수에 맞춰 각각의 영역이 형성되어 각 영역에 하나의 용액 전달부재가 개별적으로 연결될 수도 있고, 하나의 영역에 복수개의 전달부재가 같이 연결되는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 용액 전달부재(234)는 상기 압축성 팽창부재(232)와 상기 용액 저장부(233) 내측에 하나의 형태로 구비되어 용액 저장부(233)로부터 용액을 압축성 팽창부재에 전달하는 구성으로서, 일 실시 예로 외측은 절연소재가 감싸는 형태로 형성되고, 내측은 아크릴 소재의 유연한 섬유를 사용하여 다양한 형태로 형성될 수 있도록 한다.
또한, 용액 전달부재(234)는 섬유를 통해 용액이 흡수되어 상기 압축성 팽창부재(232)에 전달됨에 따라 전달속도가 느려 압축성 팽창부재(232)가 서서히 팽창될 수 있다.
또한, 용액 전달속도는 용액 전달부재(234)의 섬유 종류, 개수 및 두께에 따라 조절됨에 따라 이를 조절하여 배터리 모듈 수명에 따른 적절한 섬유의 종류, 개수와 두께가 구비될 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 서술한 특허청구범위 기술 내에서 다양한 실시 예가 가능할 수 있을 것이다.
100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
120: 모듈 케이스
130: 충진부
131: 충진부 몸체
132: 충진부 고정부
200: 배터리 모듈
210: 배터리 셀
220: 모듈 케이스
230: 충진부
231: 충진부 커버
232: 압축성 팽창부재
233: 용액 저장부
234: 용액 전달부재

Claims (11)

  1. 복수개의 배터리 셀;
    상기 복수개의 배터리 셀이 수납되는 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 상기 복수개의 배터리 셀들 사이에 구비되는 충진부;
    를 포함하여 구성되는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 충진부는,
    배터리 모듈 내 온도가 소정의 온도 값 미만 경우, 상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 복수개의 배터리 셀 사이에 형성된 냉각 유로를 폐쇄함과 동시에, 배터리 셀이 부풀어 오르는 것을 방지하기 위하여 각 배터리 셀과 접촉하여 각 배터리 셀이 지지되도록 충진부의 부피가 증가하는 형태로 구조가 변형되고,
    배터리 모듈 내 온도가 소정의 온도 값 이상인 경우, 상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 복수개의 배터리 셀 사이에서 냉각 유로를 확보함과 동시에, 각 배터리 셀과 접촉하지 않도록 충진부의 부피가 감소하는 형태로 구조가 변형되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충진부는, 온도에 따라 형태가 변화하는 형상변형 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 충진부는,
    판상형 형태의 상부 몸체와 하부 몸체가 개별적으로 형성된 충진부 몸체; 및
    상기 충진부 몸체의 양측 끝단에 위치하여 충진부 몸체가 고정되도록 모듈 케이스 내측에 부착되는 한 쌍의 충진부 고정부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 충진부 몸체는,
    배터리 모듈 내 온도가 소정 범위의 온도 값 미만인 경우, 상기 상부 몸체와 하부 몸체가 배터리 셀이 배치된 방향으로 각각 구부러지는 제1 형상; 및
    배터리 모듈 내 온도가 소정 범위의 온도 값 이상인 경우, 상기 상부 몸체와 하부 몸체가 각각 평행하게 펴지는 제2 형상;
    을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 충진부 고정부는, 탄성부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각유로는, 상기 충진부 및 배터리 셀 사이의 빈 공간에 형성되는 공기통로인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 복수개의 배터리 셀;
    상기 복수개의 배터리 셀이 수납되는 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 상기 복수개의 배터리 셀들 사이에 구비되는 충진부;
    를 포함하여 구성되는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 충진부는,
    상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 복수개의 배터리 셀 사이에서 냉각 유로를 확보함과 동시에, 각 배터리 셀과 접촉하지 않도록 충진부의 부피가 감소하는 형태의 구조를 가지다가,
    상기 모듈 케이스와 배터리 셀 사이 및 복수개의 배터리 셀 사이에 형성된 냉각 유로를 폐쇄함과 동시에, 배터리 셀이 부풀어 오르는 것을 방지하기 위하여 각 배터리 셀과 접촉하여 각 배터리 셀이 지지되도록 시간에 따라 충진부의 부피가 증가하는 형태로 구조가 변형되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 충진부는,
    충진부 외면을 형성하는 충진부 커버;
    상기 충진부 커버 내에 구비되어 내측으로 유입되는 용액에 의해 부피가 증가하는 압축성 팽창부재; 및
    상기 압축성 팽창부재와 연결되어 압축성 팽창부재에 공급되는 용액이 저장된 용액 저장부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 충진부는,
    상기 압축성 팽창부재와 상기 용액 저장부 내측에 하나의 형태로 구비되어 용액 저장부로부터 용액을 압축성 팽창부재에 전달하는 용액 전달부재;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 배터리 셀은, 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 청구항에 따른 배터리 모듈을 단위 모듈로서 포함하고 있는 대용량의 배터리 팩.
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