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KR-20260060847-A - Battery module and battery pack and vehicle including the same

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Abstract

본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 어셈블리, 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 버스바 프레임 어셈블리, 셀 어셈블리를 수용하는 모듈 케이스 및 셀 어셈블리의 일 단부와 버스바 프레임 어셈블리 사이의 공간의 바닥면에 구비되며, 경화제와 혼합 시 팽창하도록 구성된 포팅 레진을 포함한다.

Inventors

  • 신기성
  • 김세호
  • 황상일
  • 이동우

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (13)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 어셈블리; 상기 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하는 버스바 프레임 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 수용하는 모듈 케이스; 및 상기 셀 어셈블리의 일 단부와 상기 버스바 프레임 어셈블리 사이의 공간의 바닥면에 구비되며, 경화제와 혼합 시 팽창하도록 구성된 포팅 레진 을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 셀은, 전극 조립체; 전극 조립체를 수용하는 수용부; 수용부의 둘레에 형성되는 실링부; 및 전극 조립체와 연결되며 실링부의 외부로 인출되는 한 쌍의 전극 리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 실링부는, 상기 전극 리드가 돌출된 쪽의 실링부인 셀 테라스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 벤팅 가스는 상기 배터리 셀의 실링부 중 상기 셀 테라스를 제외한 영역으로만 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 버스바 프레임 어셈블리는, 상기 셀 어셈블리의 전방부 및 후방부 중 적어도 하나에 배치되며, 배터리 셀의 전극 리드를 통과시킬 수 있는 다수의 슬릿들을 구비하는 버스바 프레임 및 전기 전도성 재질로 구성되며 상기 버스바 프레임의 슬릿을 통과하여 상기 버스바 프레임의 바깥쪽으로 인출된 전극 리드와 용접 결합되도록 구성된 버스바 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 포팅 레진은, 상기 셀 테라스가 구비된 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 포팅 레진은 내화성을 갖는 2액형 레진인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 포팅 레진은 팽창이 완료되면 상기 배터리 셀의 일 단부의 전체를 물리적으로 막도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 전방 및 후방에 결합되는 엔드 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 배터리 모듈 제조 방법으로서, 복수의 배터리 셀을 버스바 프레임 어셈블리에 고정하는 제1 단계; 상기 복수의 배터리 셀과 버스바 프레임 어셈블리를 배터리 모듈의 모듈 케이스에 장착하는 제2 단계; 상기 모듈 케이스의 전방 및 후방에 엔드 플레이트를 결합하는 제3 단계; 및 경화제와 혼합시 팽창하도록 구성된 포팅 레진을, 믹싱 노즐을 통하여 모듈 케이스의 바닥면에 도포하는 제4 단계 를 포함하는 배터리 모듈 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 믹싱 노즐은, 상기 배터리 셀의 리드 측에 구비된 셀 테라스가 위치한 영역에 투입되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 모듈을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 12 항에 기재된 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 {Battery module and battery pack and vehicle including the same} 본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충·방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 응용되고 있다. 현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 다수의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀, 바람직하게, 다수의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 배터리 모듈을 적어도 하나 이용하고 기타 구성요소를 추가해 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 여기서, 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀이 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미하고, 배터리 팩은 용량 및 출력 등을 높이기 위해 다수의 배터리 모듈이 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미한다. 한편, 종래의 배터리 모듈에서는, 배터리 셀 내부에서 벤팅 가스가 발생할 경우, 파우치의 실링부를 통해 벤팅 가스가 배출된다. 구체적으로, 상기 벤팅 가스는 전후방측 에지부와 교차하고 접혀진 쪽의 반대편에 위치한 사이드 에지부에 위치한 벤팅부뿐만 아니라, 전극 리드가 돌출된 쪽의 실링부인 셀 테라스로도 배출된다. 이 경우, 플라스틱 소재를 포함하는 버스바 프레임 어셈블리 및/또는 엔드 플레이트 및/또는 아이솔레이션 커버를 향해 벤팅 가스가 배출되게 된다. 이에 따라, 배터리 모듈 내에서 배터리 셀의 열 폭주 발생 시, 셀 테라스를 통해 배출된 벤팅 가스에 의해, 배터리 모듈의 전후면에 위치한 버스바 프레임 어셈블리 및/또는 엔드 플레이트 및/또는 아이솔레이션 커버가 용융될 위험성이 있다. 이에 따라 용융 입자 등이 배터리 모듈 외부로 배출되어 배터리 팩 내 열 전파를 유발하는 문제점이 발생하였다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 도 1의 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈을 수평 방향으로 절단한 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈을 수직 방향으로 절단한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈의 셀 테라스가 위치한 영역을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 비교예이다. 도 8은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈에 포함된 포팅 레진의 팽창 전 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈에 포함된 포팅 레진의 팽창 후 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈에 포팅 레진을 주액하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈에 포팅 레진을 주액하는 과정을 도 10과 다른 방향에서 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈에 포함된 포팅 레진의 팽창 후 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 13은 도 1의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 도 13의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타낼 수 있다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 모듈(10)을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 셀 어셈블리(100), 버스바 프레임 어셈블리(200), 모듈 케이스(300) 및 포팅 레진(P)을 포함한다. 상기 배터리 모듈(10)은 엔드 플레이트(350, 360) 및/또는 아이솔레이션 커버(400)를 더 포함할 수 있다. 상기 셀 어셈블리(100)는 복수의 배터리 셀(110)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은, 이차 전지일 수 있고, 예를 들어, 파우치형 배터리 셀(110)일 수 있다. 다만, 이로써 상기 배터리 셀(110)의 종류를 한정하는 것은 아니며, 이를테면 원통형 셀이나 각형 셀 등과 같은 다른 형태의 배터리 셀(110)도 본 발명의 배터리 모듈(10)에 채용될 수 있다. 본 발명의 배터리 셀(110)은 Cell form-factor에 제약 없이 적용 가능하다. 상기 복수의 배터리 셀(110)은, 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다. 보다 구체적으로 복수의 배터리 셀(110)은, 적어도 수평 방향으로 배치될 수 있다. 복수의 배터리 셀(110)은, 상하 방향으로 세워진 상태에서, 좌우 방향으로 나란하게 배열되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 기준으로, 상기 복수의 배터리 셀(110)은, 상하 방향으로 세워진 상태에서, 좌우 방향으로 나란하게 배열되도록 구성될 수 있다. 상기 셀 어셈블리(100)는 이러한 배터리 셀(110)들을 지면에 수직하게 세워서 수평 방향으로 적층함으로써 구성될 수 있다. 이하, 이러한 상기 복수의 배터리 셀(110) 각각에 대해 보다 더 구체적으로 살펴본다. 도 3은 본 발명의 일 실시 형태를 따르는 배터리 셀(110)을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 셀(110)이 파우치형 셀인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 3을 참조하면, 상기 배터리 셀(110)은, 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 수용부, 수용부의 둘레에 형성되는 실링부 및 전극 조립체와 연결되며 실링부의 외부로 인출되는 한 쌍의 전극 리드(111)를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 전극 리드(111)는, 전극 조립체에 구비된 전극 탭(미도시)과 결합되며, 실링부를 통해 실링부의 외측으로 인출될 수 있다. 상기 한 쌍의 전극 리드(111)는, 배터리 셀(110)의 길이 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 한 쌍의 전극 리드(111)는 서로 동일한 방향 또는 서로 반대 방향으로 인출될 수 있다. 도 3을 참조하면, 상기 배터리 셀(110)은, 상단 실링부를 통해 벤팅 가스를 배출하도록 구성될 수 있다. 상기 실링부에는, 상기 배터리 셀(110) 내부에 발생된 가스로 인한 내압 증가를 방지하기 위해 형성되는 벤팅부가 구비될 수 있다. 상기 벤팅부는, 상기 실링부의 일부에 형성되며 내부 압력이 가해졌을 때 용이하게 파단될 수 있도록 주변 영역보다 구조적으로 취약한 영역으로 구성될 수 있다. 상기 벤팅부는, 예를 들어, 주변 영역보다 더 실링이 약하게 형성된 영역일 수 있다. 본 발명의 일 측면에서, 1개의 파우치 시트를 접어서 전극 조립체를 패키징한 배터리 셀(110)의 경우, 3개의 실링부가 구비될 수 있다. 구체적으로, 3개의 실링부는, 전극 리드(111)가 돌출된 전방측 에지부와 후방측 에지부, 전후방측 에지부와 교차하고 접혀진 쪽의 반대편에 위치한 사이드 에지부에 구비될 수 있다. 도 3을 참조하면, 전후방측 에지부와 교차하고 접혀진 쪽의 반대편에 위치한 사이드 에지부는 상방을 향하도록 배치될 수 있다. 이 때, 상기 벤팅부는 전후방측 에지부와 교차하고 접혀진 쪽의 반대편에 위치한 사이드 에지부 측에 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 상기 배터리 셀(110)에서 발생한 벤팅 가스는 상기 벤팅부로 배출될 수 있다. 즉, 배터리 셀(110) 내부에서 발생한 가스가 상기 배터리 셀(11