KR101780037B1 - 배터리 셀 냉각장치 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 다수의 배터리 셀들로 구성된 배터리 셀 적층체의 적어도 일측에 인접하게 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트싱크 및 일면 또는 양면이 배터리 셀에 접하도록 배터리 셀들 사이에 개재되는 흡열부와, 흡열부에서 연장되어 유로에 노출되는 방열부를 구비하여 배터리 셀들과 열교환을 행하는 냉각 플레이트를 포함하며, 방열부는 유로와 나란하게 배치되는 적어도 하나의 절곡면과, 냉매를 통과시키는 적어도 하나의 통공을 포함하는 배터리 셀 냉각장치가 제공될 수 있다.

Description

배터리 셀 냉각장치 및 이를 포함하는 배터리 모듈{Cooling device for battery cell and battery module comprising the same}

본 발명은 배터리 셀 냉각장치 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀들의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 셀 냉각장치 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.

한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.

멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 앞서도 살펴본 바와 같이 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로, 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.

따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각장치가 반드시 필요하다.

일반적으로 냉각장치에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 있다.

도 1은 종래의 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.

하나의 이차전지 셀에 의해 생산할 수 있는 전력은 크지 않으므로 상용화된 이차전지는 복수의 이차전지 셀(3)을 필요한 수 만큼 적층시킨 스택(Stack)을 포함한다. 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 이차전지의 단위 셀(3)에서 전기가 생산되는 과정에서 발생된 열을 냉각시켜 이차전지의 온도를 적정하게 유지하기 위해 셀(3) 중간 중간에 냉각 핀(2)을 삽입한다. 각각의 단위 셀(3)에서 열을 흡수한 냉각 핀(2)은 히트싱크(1)에 그 열을 전달하고 히트싱크(1)는 냉각수 또는 냉각 공기에 의해 냉각된다. 이때, TIM(4,Thermal interface material)등의 접촉 열저항을 줄여주는 부재가 냉각 핀(2)과 히트싱크(1) 사이에 더 추가될 수 있다.

그러나 이러한 종래의 냉각 핀(2)은 히트싱크(1)와의 접촉 저항 등으로 인해 열전도율이 낮아 전지 셀에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 배출시키지 못하는 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 셀 냉각 성능을 높일 수 있는 배터리 셀 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 이러한 냉각장치를 포함함으로써 높은 냉각 성능에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 배터리 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따른, 배터리 셀 냉각장치는, 다수의 배터리 셀들로 구성된 배터리 셀 적층체의 적어도 일측에 인접하게 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트싱크; 및 일면 또는 양면이 상기 배터리 셀에 접하도록 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 흡열부와, 상기 흡열부에서 연장되어 상기 유로에 노출되는 방열부를 구비하여 상기 배터리 셀들과 열교환을 행하는 냉각 플레이트를 포함하며, 상기 방열부는, 상기 유로와 나란하게 배치되는 적어도 하나의 절곡면과, 냉매를 통과시키는 적어도 하나의 통공을 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 절곡면은 복수 개이며, 상기 절곡면들은 상기 통공을 사이에 두고 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다.

상기 복수의 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 끝 부분이 구부러진 형태로 마련되는 제1 절곡면과, 상기 제1 절곡면 하부에서 상기 제1 절곡면과 나란하게 절곡된 형태로 마련되는 제2 절곡면을 포함할 수 있다.

제2 절곡면은, 상기 냉각 플레이트가 부분 절취되어, 상기 절취된 부분이 상기 제1 절곡면과 나란하도록 구부려져 형성되고, 상기 통공은, 상기 절취된 부분이 구부려진 공간으로 정의될 수 있다.

상기 제2 절곡면은, 복수 개의 단위 제2 절곡면을 포함하며, 상기 단위 제2 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 폭 방향을 따라 소정 간격 마다 형성될 수 있다.

상기 적어도 하나의 절곡면은 하나이며, 상기 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 끝 부분이 "T"자로 절곡된 형태로 마련될 수 있다.

상기 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 끝 부분이 일 방향으로 구부러진 형태로 마련되는 제1 절곡면과, 상기 냉각 플레이트가 부분 절취되어, 상기 절취된 부분이 상기 제1 절곡면과 반대 방향으로 구부러져 상기 제1 절곡면과 나란하게 마련되는 제2 절곡면을 포함할 수 있다.

상기 제1 절곡면과 상기 제2 절곡면은 동일 평면상에 마련되며, 상기 통공은, 상기 절취된 부분이 구부려진 공간으로 정의될 수 있다.

상기 제2 절곡면은, 복수 개의 단위 제2 절곡면을 포함하며, 상기 단위 제2 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 폭 방향을 따라 소정 간격 마다 형성될 수 있다.

상기 냉각 플레이트는 열도전성 금속 판재일 수 있다.

상기 냉매는, 기체 또는 액체일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상술한 배터리 셀 냉각 장치를 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다. 상기 자동차에는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등이 포함될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 냉각 플레이트의 방열부가 히트싱크 유로 내부에 배치됨으로서 종래 기술에 따른 냉각 플레이트와 히트싱크 사이의 열 접촉 저항을 없앨 수 있다. 또한, 방열부를 구성하는 적어도 하나의 절곡면이 냉매의 흐름 방향과 나란하게 배치됨으로서 대류 열전달 면적이 넓어져 배터리 셀의 냉각 효율이 향상될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉매가 방열부의 통공을 통과할 수 있어 냉매의 흐름이 원활해져 냉매 공급용 팬의 부하가 작아 질 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 배터리 셀 냉각장치를 포함함으로써 높은 냉각 성능에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 배터리 모듈을 제공할 수 있다.

도 1은, 종래 기술에 따른 배터리 모듈의 개략적인 측면도이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 3은, 도 2에서 배터리 셀과 냉각 플레이트 일 부분만을 도시한 사시도이다.
도 4는, 도 3의 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 플레이트에 관한 참고도이다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 7은, 도 6에서 배터리 셀과 냉각 플레이트 일 부분만을 도시한 사시도이다.
도 8은, 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈의 일 부분만을 도시한 사시도이다.
도 9는, 도 8의 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 플레이트에 관한 참고도이다.
도 11은, 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 모듈의 일 부분만을 도시한 사시도이다.

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 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 3은, 도 2의 부분 확대 사시도이고, 도 4는, 도 3의 단면도이고, 도 5는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 플레이트를 설명하기 위한 참고도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀 적층체(20)와 배터리 셀 냉각장치(30)를 포함한다.

배터리 셀 적층체(20)는 배터리 셀(21)이 적층된 것이다. 배터리 셀(21)은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 배터리 셀(21)이고, 일면 또는 양면이 인접한 배터리 셀(21)에 대면하도록 적층 배열되어 배터리 셀 적층체(20)를 형성하고 있을 수 있다.

배터리 셀 적층체(20)는, 도시하지 않았으나, 배터리 셀(21)의 적층을 위한 적층용 프레임을 더 포함할 수 있다. 적층용 프레임은 배터리 셀(21)을 적층하는데 이용되는 구성으로서, 배터리 셀(21)을 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 배터리 셀(21)의 조립을 가이드할 수 있다.

이러한 적층용 프레임(미도시)은, 카트리지 등 다양한 용어로 대체될 수 있으며, 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(21)의 외주부는 적층용 프레임의 네 변에 위치될 수 있다.

배터리 셀(21)은 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체를 포함하며, 각 배터리 셀(21)의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 것일 수 있다.

여기서 배터리 셀(21)은 파우치형 배터리 셀(21)일 수 있다. 파우치형 배터리 셀(21)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 외장케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 외장케이스의 외주면을 열융착하여 밀봉한 구조를 가질 수 있다.

배터리 셀 냉각장치(30)는 충방전시 배터리 셀(21)로부터 발생하는 열을 적절히 제거해준다. 도 2 및 3을 참조하면, 배터리 셀(21) 냉각장치(30)는, 히트싱크(100)와 냉각 플레이트(110)를 포함한다.

히트싱크(100)는 열 접촉에 의해 다른 물체로부터 열을 흡수하고 발산하는 물체를 의미한다. 히트싱크(100)는 배터리 셀 적층체(20)의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 곳에 위치할 수 있다. 예컨대, 히트싱크(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 적층체(20)의 상부에 위치할 수 있다. 물론, 히트싱크(100)는 필요에 따라 배터리 셀 적층체(20)의 좌측부 및 우측부 중 적어도 어느 한 곳에 위치할 수도 있다.

본 발명에 따른 히트싱크(100)는 내부에 유로(101)를 포함하는 중공구조이다. 히트싱크(100) 내부 유로(101)에 흐르는 냉매는 유로(101)에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없으며, 기체 또는 액체일 수 있다. 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나 이것에 한정하지 않고, 흐름이 발생하는 것이며, 부동액, 가스 냉매, 공기 등이어도 좋다.

본 발명에 따른 냉각 플레이트(110)는, 도 2와 같이, 양면이 배터리 셀(21)들에 각각 밀착된 상태로 배터리 셀(21)들 사이에 개재되고, 끝단부가 히트싱크(100) 내부의 유로(101)에 노출된다. 그리고 냉각 플레이트(110)는 0.1 내지 5.0 mm의 두께를 가지는 열전도성 금속 판재일 수 있다.

냉각 플레이트(110)는 소정의 자체 기계적 강성 특성을 포함하고 있어, 우수하지 못한 배터리 셀(21) 외장재 자체의 기계적 강성을 보강할 수 있다. 또한, 이러한 냉각 플레이트(110)로인해 기계적 강성을 보강할 수 있도록 추가적인 부재가 필요치 않게 되므로 컴팩트한 배터리 모듈(10)을 제조할 수 있다.

참고로, 냉각 플레이트(110)는 열전도성을 가지는 박형의 부재라면 그것의 두께나 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재의 시트형 판재가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 구리, 금, 은도 가능하다. 금속이외의 질화알루미늄, 탄화규소와 같은 세라믹 물질도 가능하다.

한편, 본 발명에 따른 냉각장치(30)는 종래의 냉각장치(도 1 참조)에 비해 열전달율을 높일 수 있는 구조를 갖는데, 이하에서는 이에 대해 자세히 설명하기로 한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 플레이트(110)는 흡열부(120)와 방열부(130)로 구성될 수 있다.

흡열부(120)는 배터리 셀(21)에 접하도록 배터리 셀(21)들 사이에 개재되어 충방전시 배터리 셀(21)로부터 열을 흡수하는 부분이고, 방열부(130)는 흡열부(120)에서 배터리 셀 적층체(20) 상부로 연장되고 히트싱크(100) 내부의 유로(101)에 노출되어 방열부(130)에서 전도된 열이 방출되는 부분이다. 참고로, 본 실시예의 냉각 플레이트는(110)는 단방향의 방열부(130)를 구비하고 있으나, 본 실시예와 달리, 양방향의 방열부(130)를 갖도록 냉각 플레이트를 구성할 수도 있다. 다시 말해, 방열부(130)는 흡열부(120)에서 배터리 셀 적층체(20) 상부 및 하부, 양방향으로 연장될 수 있고, 히트싱크(100)도 배터리 셀 적층체(20) 상부 및 하부에 각각 하나씩 구성되도록 할 수 있다.

이와 같은 구성으로, 충방전시 배터리 셀(21)의 열이 흡열부(120)로 흡수되고 흡수된 열은 방열부(130)로 전도될 수 있다. 그리고 방열부(130)는 히트싱크(100)에 열을 방출시킨다. 이때, 배터리 셀(21) 냉각율은 방열부(130)와 히트싱크(100) 간의 유효 방열면적, 대류효과 등에 크게 좌우될 수 있는데, 본 발명은 방열부(130)와 히트싱크(100) 간의 열전달율을 극대화시킬 수 있는 구조에 중점을 두고 설계되어 있다.

먼저, 종래의 냉각 핀과(도 1 참조) 히트싱크(100)의 구성을 간략히 살펴보면, 종래의 냉각 핀은 끝단부가 꺽여져 히트싱크(100)와 열접촉 면적을 확보할 수 있도록 마련되어 있다. 그러나 냉각 핀의 끝단부와 히트싱크(100)의 외벽 간의 접촉 열저항, 다시 말해 표면 조도로 인해 열전달이 저해될 수 있다. 종래의 배터리 모듈(10)은 이러한 접촉 열저항을 줄이기 위해 TIM(Thermal interface material)을 더 포함하고 있지만 접촉 열저항을 완전히 제거하지는 못하고 있다.

이에 반해, 본 발명은 냉각 플레이트(110)와 히트싱크(100) 간에 접촉 열저항 문제가 발생하지 않는다. 다시 말해 서로 다른 물체 간 접촉에 따른 접촉 열저항 문제에서 자유롭다. 본 발명은 온도가 다른 두 물체간 접촉, 즉 열전도에 의한 열 전달 방식이 아니고, 고체와 유체 간의 열 대류를 이용한 열 전달 방식을 적용하고 있다. 여기서, 대류 열전달은 유체가 고체 위 또는 유로(101) 내를 흐를 때 유체와 고체 표면의 온도가 다르면 표면에 대한 유체의 상대운동의 결과로 유체와 고체의 표면 사이에서 열이 전달되는 것을 말한다.

일반적으로 공학적인 측면에서 대류 열 전달량은 Q=h*A*(T1-T2)로 정의될 수 있다. 여기서, h는 대류 열전달계수, A는 방열면적, T1은 고체 표면온도, T2는 유체의 온도를 의미한다. 따라서 대류 열전달을 증가시키기 위해서는 T1과 T2가 고정되어 있을 때, 첫째는 대류 열전달계수 h를 증가시키는 것이며, 두번째는 유효 방열면적 A를 증가시키는 것이다.

대류 열전달계수 h는 표면의 기하학적 형상, 유체 종류, 유체 특성, 유체 속도등을 기초로 실험적으로 결정되는 값인데, 일반적으로 유체 유속에 비례한다. 그리고 방열면적 A는 물체의 유효 방열면적으로 방열면적이 클 수록 열 전달율을 커진다.

이에 본 발명에 따른 냉각장치(30)는 유효 방열면적과 냉매의 유속에 있어서 유리한 구조를 갖도록 구성되어 있다.

구체적으로 살펴보면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 방열부(130)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 절곡면들(131,132)과 절곡면들(131,132)과 교차하는 면인 수직면(134)을 포함한다. 절곡면들(131,132)은 배터리 셀(21)들 사이에 수직 배치된 방열부(130) 또는 수직면(134)에 대해 90도 각도로 절곡된 형태일 수 있다. 이러한 절곡면들(131,132)은 히트싱크(100) 내부의 유로(101)와 나란하게 배치되는 것이 바람직하다. 이는, 냉매가 절곡면들(131,132)의 표면을 따라 흐를 수 있도록 함으로써 대류 열전달 면적을 충분히 확보할 수 있도록 하기 위함이다.

본 실시예에서 절곡면들(131,132)은 제1 절곡면(131)과 제2 절곡면(132) 두 개로 구성되어 있다. 제1 절곡면(131)은 냉각 플레이트(110)의 끝 부분이 90도 각도로 구부러진 형태로 마련되고, 제2 절곡면(132)은 제1 절곡면(131) 하부에서 제1 절곡면(131)과 나란하게 같은 방향으로 구부러진 형태로 마련된다. 그리고 제1 절곡면(131)과 제2 절곡면(132) 사이에는 통공(133)이 형성되어 있다. 참고로, 본 실시예에서 절곡면의 개수가 2개로 구성되어 있으나, 냉각 플레이트(110)의 두께, 히트싱크(100) 내부 공간의 크기 등에 따라 절곡면들의 개수가 3개 이상 구성될 수도 있다.

히트싱크(100) 내부 유로(101)에는 냉매, 예컨대 냉각 공기가, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 화살표 방향으로 흐를 수 있다. 이러한 냉각 공기의 흐름은, 도시하지 않았으나, 냉각용 팬에 의해 이루어 질 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 냉각 공기는 제1 절곡면(131)의 상면 및 하면과 제2 절곡면(132)의 상면을 따라 흐르면서 방열부(130)의 열을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예와 달리 방열부(130)가 절곡면들(131,132) 없이 수직면(134)만으로 구성되면, 냉각 공기의 흐름과 마주하는 수직면(134)의 전면쪽에 비해 후면쪽은 냉각 공기 흐름이 정체되므로 방열이 원활하게 이루어지기 어렵다. 또한, 냉각 공기의 흐름이 수직면(134)에 가로막혀 유속이 느려질 수 있다. 그리고 히트싱크(100) 내부 유로(101)에서 냉각 공기의 유속 저하를 막으려면 그 만큼 냉각팬에 부하가 더 많이 걸릴 수 있다.

또한, 수직면(134)과 냉각 플레이트(110)의 끝 부분만 구부려진 단일 절곡면을 갖는 방열부(130)의 경우에는, 냉각 공기의 흐름이 단일 절곡면의 상면을 따라 흐를 수 있어, 수직면(134)만으로 구성된 방열부(130)에 비해 유효 방열면적이 늘어날 수 있지만, 여전히 수직면(134)에 가로막혀 단일 절곡면의 하면쪽은 공기가 정체되어 대류 열전달 효율이 높지 않을 수 있다.

이에 비해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 방열부(130)는 제1 절곡면(131)과 제2 절곡면(132)을 구비하고 그 사이에 통공(133)을 둠으로서, 냉각 공기의 흐름이 전술한 바와 같이 수직면(134)에 가로막히지 않고 통공(133)을 통해 흐르게되므로 냉각 공기가 제1 절곡면(131)의 상면 및 하면과 제2 절곡면(132)의 상면을 따라 흐를 수 있다. 따라서 유효 방열면적이 전술한 예들에 비해 넓어져 냉각 효율이 높아질 수 있다.

또한, 냉각 공기 흐름을 가로막는 수직면(134)의 면적이 작아지므로 냉각 공기의 흐름이 보다 원활하게 이루어져 냉각 공기의 유속이 덜 감속될 수 있다. 참고로 전술한 바와 같이, 대류 열전달은 고체의 표면을 흐르는 유체의 유속이 증가할 수록 높아질 수 있다.

또한, 히트싱크(100) 내부 유로(101)에 냉각 공기 흐름이 좋아지면 냉각팬에 걸리는 부하가 줄어듬으로서 저용량 냉각팬을 사용할 수 있고 에너지 효율이 높아질 수 있을 것이다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 플레이트(110) 제조방법에 대해 간략히 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이 냉각 플레이트(110)는 금속 소재의 시트형 판재로 마련될 수 있다. 먼저, 평평한 냉각 플레이트(110)의 일 부분을, 도 5와 같이, 부분 절취한다. 그 다음, Ⅰ-Ⅰ 선을 기준으로 평평한 냉각 플레이트(110)의 끝 부분을 90도 각도로 구부려준다. 이와 같이 절곡된 면이 제1 절곡면(131)을 형성하게 된다. 그 다음, Ⅱ-Ⅱ 선을 기준으로 제1 절곡면(131)과 같은 방향으로 절취된 부분을 90도 각도로 구부려준다. 이와 같이 절곡된 면은 제2 절곡면(132)을 형성하게 된다. 그리고 이때, 절취된 부분이 구부려져 마련된 공간은 통공(133)이 된다. 따라서 통공(133)의 크기는 제2 절곡면(132)의 단면적과 동일하다.

이와 같은 방식에 의하면, 제2 절곡면(132)과 통공(133)을 마련하기 위해 추가적으로 부재를 용접하거나 냉각 플레이트(110)를 천공시켜야 하는 공정을 생략할 수 있으므로 제조 공정이 단순해 질 수 있다. 다만, 본 발명의 권리범위가 이러한 제조방법에 한정되어야 하는 것은 아니다.

이와 같은 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 종래 배터리 모듈이 갖는 냉각부재 간의 열 접촉 저항 문제가 거의 없고, 냉각 플레이트(110)의 방열부(130)가 대류 열전달율을 극대화시킬 수 있는 구조로 이루어져 있어 배터리 셀(21) 냉각 효율이 종래 보다 향상될 수 있다.

이하에서 설명할 본 발명의 다른 실시예들은 전술한 실시예와 비교할 때 도 2 내지 도 5에 대응되는 구성이라 할 수 있다. 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 6은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 7은, 도 6에서 배터리 셀과 냉각 플레이트 일 부분만을 도시한 사시도이다.

본 실시예는 전술한 실시예와 비교할 때에 제2 절곡면의 구성에 차이가 있을 뿐, 다른 구성에 있어서는 도 2 내지 도 5의 실시예의 구성과 동일하므로, 이하에서는 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제2 실시예에 따른 제2 절곡면(232)은 복수 개의 단위 제2 절곡면(232a)을 포함한다.

복수 개의 단위 제2 절곡면(232a)은 냉각 플레이트(210)의 폭 방향을 따라 소정 간격 마다 형성될 수 있다. 다시 말하면, 제1 실시예에서 제2 절곡면(132)은 일체로 형성되어 있지만 본 실시예에서 제2 절곡면(232)은 여러 개로 분할되도록 구성될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 단위 제2 절곡면(232a) 사이 사이에 수직면(234)이 존재하므로 방열부(230)의 기계적 강성도가 제1 실시예에 비해 더 높아질 수 있다. 즉, 제1 절곡면(231)이 복수의 수직면(234)에 의해 지지되므로 보다 안정적으로 절곡된 형태를 유지할 수 있다.

또한, 제1 실시예에 비해 통공(233) 주변에 난류 유동이 증가해 냉각 공기를 통한 열교환이 더 활발하게 이루어 질 수도 있다.

도 8은, 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈의 일 부분만을 도시한 사시도이고, 도 9는, 도 8의 단면도이고, 도 10은, 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 플레이트에 관한 참고도이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 플레이트(310)의 절곡면(331,332)은 냉각 플레이트(310)의 끝 부분이 대략 "T" 자로 절곡된 형태로 구성된다.

본 실시예에 따른 냉각 플레이트(310)의 방열부(330)는 전술한 실시예들과 유사한 방식으로 형성될 수 있으나, 제2 절곡면(332)이 제1 절곡면(331)과 반대 방향으로 구부려져 제1 절곡면(331)과 제2 절곡면(332)이 동일 평면상에 마련된다. 보다 구체적으로 설명하면, 도 10에 도시된 바와 같이, Ⅲ-Ⅲ 선을 기준으로 평평한 냉각 플레이트(310)의 끝 부분을 90도 각도로 뒤로 구부려 제1 절곡면(331)을 형성하고, Ⅳ-Ⅳ 선을 기준으로 절취된 부분을 90도 각도로 앞으로 구부려 제2 절곡면(332)을 형성한다. 전술한 실시예들과 마찬가지로 절취된 부분이 구부려져 형성된 공간은 통공(333)이 되며, 통공(333)의 크기는 제2 절곡면(332)의 단면적과 동일하다. 그러나 전술한 실시예들과 달리, 본 실시예의 제1 절곡면(331)과 제2 절곡면(332)은, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 동일한 평면상에 위치하게 된다. 물론, 냉각 플레이트(310)의 방열부(330)가 상기와 같은 방식으로 한정되어야 하는 것은 아니다. 즉, 냉각 플레이트(310)의 끝 부분을 "T" 자 형태로 하여 절곡면을 일체로 마련하고 절곡면(331,332) 바로 아래 수직면(334)을 뚫어 통공(333)을 마련할 수도 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각 공기가 제1 절곡면(331)과 제2 절곡면(332)의 상면 및 하면을 따라 흐를 수 있어 유효 방열면적이 더 넓어질 수 있다. 전술한 실시예들의 경우(도 4 참조) 제2 절곡면(132,232)이 통공(133,233) 하부에 위치해 있어, 제2 절곡면의 하면으로는 냉각 공기의 흐름이 원활하지 않을 수 있다. 이에 반해, 본 실시예에서는 통공(333)이 제2 절곡면(332)의 하부에 형성되어 있기 때문에 제2 절곡면(132)의 하면에서도 냉각 공기의 흐름이 원활해 질 수 있다.

이러한 본 실시예에 따른 방열부(330)는 전술한 실시예의 방열부(130,230)와 비교할 때, 전체 단면적이 동일하면서도 유효 방열면적은 더 넓다. 따라서 배터리 모듈의 냉각 효율이 더 높아질 수 있다.

도 11은, 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 모듈의 일 부분만을 도시한 사시도이다.

본 실시예의 경우, 전술한 제3 실시예와 기본적으로 유사한 구조이되, 제2 절곡면(332)이 여러 갈래로 분할되도록 구성되어 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 제2 절곡면(432)은 복수 개의 단위 제2 절곡면(432a)을 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전술한 제2 실시예와 유사하게, 단위 제2 절곡면(432a) 사이 사이에 수직면(434)이 존재하므로 방열부(430)의 기계적 강성도가 제1 및 3 실시예에 비해 더 높아질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 절곡면(431,432)이 복수의 수직면(434)에 의해 지지되므로 보다 안정적으로 절곡된 형태를 유지할 수 있다. 또한, 제3 실시예에 비해 복수 개의 통공(433) 주변에 난류 유동이 증가해 냉각 공기를 통한 열교환이 더 활발하게 이루어 질 수도 있다.

본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에도, 이러한 배터리 모듈을 커버하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

10: 배터리 모듈 20: 배터리 셀 적층체
30: 냉각장치 100: 히트싱크
101: 유로 110: 냉각 플레이트
120: 흡열부 130: 방열부
131: 제1 절곡면 132: 제2 절곡면
133: 통공

Claims (14)

1. 다수의 배터리 셀들로 구성된 배터리 셀 적층체의 적어도 일측에 인접하게 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트싱크; 및
   일면 또는 양면이 상기 배터리 셀에 접하도록 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 흡열부와, 상기 흡열부에서 연장되어 상기 유로에 노출되는 방열부를 구비하여 상기 배터리 셀들과 열교환을 행하는 냉각 플레이트를 포함하며,
   상기 방열부는,
   상기 유로와 나란하게 배치되는 적어도 하나의 절곡면과, 냉매를 통과시키는 적어도 하나의 통공을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 절곡면은 복수 개이며,
   상기 절곡면들은 상기 통공을 사이에 두고 소정 간격 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 절곡면은,
   상기 냉각 플레이트의 끝 부분이 구부러진 형태로 마련되는 제1 절곡면과, 상기 제1 절곡면 하부에서 상기 제1 절곡면과 나란하게 절곡된 형태로 마련되는 제2 절곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
4. 제3항에 있어서,
   제2 절곡면은, 상기 냉각 플레이트가 부분 절취되어, 상기 절취된 부분이 상기 제1 절곡면과 나란하도록 구부려져 형성되고,
   상기 통공은, 상기 절취된 부분이 구부려진 공간으로 정의되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 절곡면은, 복수 개의 단위 제2 절곡면을 포함하며,
   상기 단위 제2 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 폭 방향을 따라 소정 간격 마다 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 절곡면은, 하나이며,
   상기 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 끝 부분이 "T"자로 절곡된 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 끝 부분이 일 방향으로 구부러진 형태로 마련되는 제1 절곡면과, 상기 냉각 플레이트가 부분 절취되어, 상기 절취된 부분이 상기 제1 절곡면과 반대 방향으로 구부러져 상기 제1 절곡면과 나란하게 마련되는 제2 절곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 절곡면과 상기 제2 절곡면은 동일 평면상에 마련되며, 상기 통공은, 상기 절취된 부분이 구부려진 공간으로 정의되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2 절곡면은, 복수 개의 단위 제2 절곡면을 포함하며,
   상기 단위 제2 절곡면은, 상기 냉각 플레이트의 폭 방향을 따라 소정 간격 마다 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 열도전성 금속 판재인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 냉매는, 기체 또는 액체인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 냉각장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나에 따른 배터리 셀 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
13. 제12항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
14. 제13항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.

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