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KR102072764B1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 - Google Patents

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 Download PDF

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KR102072764B1
KR102072764B1 KR1020160025737A KR20160025737A KR102072764B1 KR 102072764 B1 KR102072764 B1 KR 102072764B1 KR 1020160025737 A KR1020160025737 A KR 1020160025737A KR 20160025737 A KR20160025737 A KR 20160025737A KR 102072764 B1 KR102072764 B1 KR 102072764B1
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈은 내부에 수용 공간을 가지는 카트리지와 상기 수용 공간에 위치하는 복수 개의 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛과 그리고 상기 냉각 유닛과 열교환하는 열교환 유닛을 포함하되 상기 냉각 유닛은 상기 배터리 셀의 일측면과 면접촉하는 냉각 핀과 상기 냉각 핀과 접촉되는 냉각 플레이트를 포함하고 상기 열교환 유닛은 내부 공간을 가지는 열교환 챔버와 상기 열교환 챔버 내에 위치하며 냉각 유체가 흐르는 하부 냉각 유로와 상기 하부 냉각 유로의 상부에 위치하며, 상기 하부 냉각 유로에서 공급된 상기 냉각 유체가 흐르는 상부 냉각 유로와 그리고 상기 하부 냉각 유로에 흐르는 상기 냉각 유체를 상기 상부 냉각 유로에 공급하는 연결 유로를 포함하는 배터리 모듈을 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 셀을 가지는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 셀을 냉각할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차에 관한 것이다.
이차 전지는 다양한 제품군에 적용성이 높고, 높은 에너지 밀도를 가지는 전기적 특성을 가지고 있다. 이러한 이차 전지는 휴대용 전자 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량 또는 하이브리드 차량, 전력 저장 장치 등에 적용되고 있다.
이차 전지는 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.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 배터리 셀들을 포함하는 다수의 배터리 모듈을 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 개개의 배터리 셀은 전극 조립체로서, 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 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차 전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차 전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 전기 화학적 반응에 의하여 열이 발생한다. 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어날 수 있다. 또한, 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 냉각 장치가 반드시 필요하다.
일반적으로 냉각장치에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차 전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 있다.
하나의 이차 전지 셀에 의해 생산할 수 있는 전력은 크지 않으므로 상용화된 배터리 모듈은 일반적으로 모듈 케이스 내에 복수 개의 배터리 셀들을 필요한 수만큼 적층시켜 패키징한다. 그리고 개개의 배터리 셀에서 전기가 생산되는 과정에서 발생된 열을 냉각시켜 이차 전지의 온도를 적정하게 유지하기 위해 배터리 셀들 중간 중간에 방열부재로서 배터리 셀의 면적에 대응되는 복수 개의 냉각 핀들을 삽입한다. 각각의 배터리 셀에서 열을 흡수한 냉각 핀들은 하나의 냉각 플레이트에 연결되어 냉각 플레이트에 열을 전달한다. 냉각 플레이트는 냉각 핀으로부터 전달된 열을 다시 열교환 부재에 그 열을 전달하고 열교환 부재는 냉각수 또는 냉각 공기에 의해 냉각된다.
다만, 열교환 부재는 단일의 유로를 형성하고 있다. 단일의 유로에서 공급된 냉각 유체는 상류에서부터 냉각 플레이트와 열교환 하며, 하류로 진행한다. 다만, 상류에서 하류로 갈수록 냉각 플레이트에서 전달된 열로 인하여 냉각 유체의 온도가 상승한다. 냉각 유체의 온도가 상승하면, 하류로 갈수록 냉각 플레이트로부터 흡수하는 열량이 상류보다 적어, 열교환 부재의 하류의 상부에 위치하는 배터리 셀의 냉각 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 냉각 시 배터리 셀의 영역별 온도가 균일하게 유지할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 복수개의 배터리 셀을 가지는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 배터리 모듈은 내부에 수용 공간을 가지는 카트리지와 상기 수용 공간에 위치하는 복수 개의 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛과 그리고 상기 냉각 유닛과 열교환하는 열교환 유닛을 포함하되 상기 냉각 유닛은 상기 배터리 셀의 일측면과 면접촉하는 냉각 핀과 상기 냉각 핀과 접촉되는 냉각 플레이트를 포함하고 상기 열교환 유닛은 내부 공간을 가지는 열교환 챔버와 상기 열교환 챔버 내에 위치하며 냉각 유체가 흐르는 하부 냉각 유로와 상기 하부 냉각 유로의 상부에 위치하며, 상기 하부 냉각 유로에서 공급된 상기 냉각 유체가 흐르는 상부 냉각 유로와 그리고 상기 하부 냉각 유로에 흐르는 상기 냉각 유체를 상기 상부 냉각 유로에 공급하는 연결 유로를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 연결 유로는 상기 하부 냉각 유로에서 분기되며, 상기 냉각 유체가 흐르는 방향을 기준으로 상향 경사지게 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 연결 유로는 복수개 제공되며, 인접하는 상기 연결 유로들은 상기 열교환 챔버 내부에서 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 열교환 유닛은 상기 하부 냉각 유로에 상기 냉각 유체를 공급하는 공급관과 상기 상부 냉각 유로에 상기 냉각 유체를 외부로 배출하는 배출관을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 열교환 챔버의 상기 내부 공간은 상기 공급관과 인접하는 상류 영역과 상기 배출관과 인접하는 하류 영역을 가지며 상기 하류 영역에 위치하는 상기 연결 유로의 개수는 상기 상류 영역에 위치하는 상기 연결 유로의 개수보다 많을 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 배출관은 상기 공급관 보다 더 높게 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 상부 냉각 유로의 면적은 상기 냉각 플레이트의 면적보다 크게 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 상부 냉각 유로와 상기 하부 냉각 유로의 면적은 동일하게 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 열교환 유닛은 복수개 제공되며 인접하는 상기 열교환 유닛의 상기 공급관들은 상기 열교환 챔버를 기준으로 반대 방향에 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 열교환 유닛은 상기 상부 냉각 유로 및 상기 하부 냉각 유로의 냉각 유체 온도를 검사하는 온도 측정 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상부 냉각 유로, 연결 유로 그리고 하부 냉각 유로를 가지는 열교환 유닛으로 냉각 플레이트와 열교환하여 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 구성을 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 3의 복수 개의 카트리지가 적층된 모습을 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 3의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 7은 도 6의 B 영역을 보여주는 확대도이다.
도 8은 도 3의 열교환 유닛을 보여주는 사시도이다.
도 9는 도 3의 열교환 유닛의 단면도이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열교환 유닛을 보여주는 사시도이다.
도 12는 열교환 챔버의 내부 온도 변화를 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 13은 열교환 챔버 내부에 단일의 유로가 형성된 열교환 유닛을 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되게 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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.
본 발명의 배터리 모듈(10)을 설명하기 전 배터리 모듈(10) 내부에 복수개가 장착되는 배터리 셀(100)에 대하여 먼저 설명한다. 본 발명의 실시 예에서는 이차 전지 중 파우치형 배터리 셀(100)을 예로 들어 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 구성을 보여주는 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 사시도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참고하면, 배터리 셀은 파우치 케이스(110), 전극 조립체(130), 전극 탭(150) 그리고 전극 리드(170)를 포함한다.
파우치 케이스(110)는 내부 공간을 가진다. 파우치 케이스(110)의 내부에는 후술하는 전극 조립체(130) 및 전해액이 위치한다. 파우치 케이스(110)의 중앙 영역은 상하 방향으로 돌출되어 제공된다. 파우치 케이스(110)는 상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)를 포함한다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)는 서로 조합되어 내부 공간을 형성한다. 상부 케이스(111)의 중앙 영역은 상부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 하부 케이스(113)는 상부 케이스(111)의 하부에 위치한다. 하부 케이스(113)의 중앙에는 하부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 이와는 달리, 파우치 케이스(110)의 내부 공간은 상부 케이스(111) 또는 하부 케이스(113) 중 어느 하나에만 형성될 수 있다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)는 각각 실링부(S)를 가진다. 상부 케이스(111)의 실링부(S)와 하부 케이스(113)의 실링부(S)는 서로 마주보는 형태로 제공될 수 있다. 상부 케이스(111)의 실링부(S) 및 하부 케이스(113)의 실링부(S)는 내측에 위치한 내부 접착층이 열융착 등에 의해 서로 접착 될 수 있다. 실링부(S)의 접착을 통해서 내부 공간은 밀폐될 수 있다.
파우치 케이스(110)의 내부 공간에는 전해액 및 전극 조립체(130)가 수납된다. 파우치 케이스(110)는 외부 절연층, 금속층 그리고 내부 접착층을 가질 수 있다. 외부 절연층은 외부의 수분, 가스 등이 내부로 침투되는 것을 방지할 수 있다. 금속층은 파우치 케이스(110)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 금속층은 알루미늄으로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 금속층은 철, 탄소, 크롬, 망간의 합금, 철 니켈 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나로 제공될 수 있다. 금속층이 철이 함유된 재질을 사용하는 경우 기계적 강도가 강해질 수 있다. 금속층이 알루미늄 재질로 사용하는 경우 연성이 좋을 수 있다. 금속층의 바람직한 실시예로 알루미늄이 제공될 수 있다. 외부 절연층 및 내부 접착층은 폴리머 재질로 제공될 수 있다.
전극 조립체(130)는 양극판, 음극판 그리고 분리막을 포함한다. 전극 조립체(130)는 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 제공될 수 있다. 전극 조립체(130)는 다수의 양극판 및 다수의 음극판이 상호 교대로 적층된 형태로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 형태로 제공될 수 있다.
전극 조립체(130)의 전극판들은 집전체 및 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 활물질 슬러리를 포함한다. 활물질 슬러리는 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 그리고 가소제 등의 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 각각의 전극판들은 활물질 슬러리가 도포되지 않는 영역에 해당하는 무지부를 가질 수 있다. 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭(150)이 형성될 수 있다.
전극 탭(150)은 전극 조립체(130)로부터 돌출된 형태로 연장 형성된다. 전극 탭(150)은 양극 탭(151)과 음극 탭(153)을 포함한다. 양극 탭(151)은 양극판의 무지부에서 연장될 수 있으며, 음극 탭(153)은 음극판의 무지부에서 연장될 수 있다.
양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 배터리 셀(100)에 각각 하나씩 구비될 수 있다. 이와는 달리 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 복수개 구비될 수도 있다. 일 예로 배터리 셀(100)의 전극 조립체(130)에 양극판과 음극판이 각각 1개만 포함된 경우, 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 각각 1개씩 포함될 수 있다. 이와 달리, 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 각각 다수 포함될 수 있다. 전극 조립체(130)에 양극판과 음극판이 각각 다수 포함된 경우, 양극 탭(151)과 음극 탭(153) 역시 다수 개 포함될 수 있으며, 1개의 전극판마다 각각 전극 탭(150)이 구비될 수 있다.
전극 리드(170)는 배터리 셀(100)을 외부의 다른 장치와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 전극 리드(170)는 양극 리드(171)와 음극 리드(173)를 포함할 수 있다. 전극 리드(170)는 파우치 케이스(110)의 내측에서 외측까지 연장되는 형태로 제공될 수 있다. 전극 리드(170)의 일부 영역은 실링부(S) 사이에 개재될 수 있다. 전극 리드(170)는 전극 탭(150)과 연결된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예인 배터리 모듈(10)에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 4는 도 3의 복수 개의 카트리지가 적층된 모습을 보여주는 사시도이며, 도 5는 도 3의 정면도이다. 이하, 도 3 내지 도 5를 참고하면, 배터리 모듈(10)을 복수개의 배터리 셀(100)을 가진다. 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(100), 케이스(200), 카트리지(300), 냉각 유닛(400) 그리고 열교환 유닛(500)을 포함한다.
배터리 모듈(10)은 복수개의 배터리 셀(100)이 수납되는 카트리지(300)가 적층되어 형성된다. 이하, 복수개의 배터리 셀(100)이 적층되는 방향을 제1방향(12)이라 하고, 상부에서 바라 볼 때, 상기 제1방향(12)과 수직한 방향을 제2방향(14)이라 하고, 제1방향(12) 및 제2방향(14)에 모두 수직한 방향을 제3방향(16)이라 한다.
배터리 셀(100)은 전술한 배터리 셀(100)이 장착된다.
케이스(200)는 내부 공간을 가진다. 케이스(200)의 내부 공간에는 복수개의 카트리지(300)가 위치한다. 케이스(200)는 대체로 직육면체 형상을 가진다. 케이스(200)는 외부에 충격으로부터 내부에 배터리 셀(100)을 보호할 수 있다.
카트리지(300)는 내부에 수용 공간을 가진다. 수용 공간에는 복수개의 배터리 셀(100)이 안착된다. 본 발명의 실시 예에서는 내부에 2개의 배터리 셀(100)이 수용될 수 있다. 이와는 달리, 3개 이상의 배터리 셀(100)이 수용될 수 있다.
카트리지(300)는 제1방향(12)에서 바라 볼 때, 직사각형의 형상으로 제공된다. 카트리지(300)는 내부에 공간을 가지는 프레임 형태로 제공될 수 있다. 카트리지(300)는 양측면에서 배터리 셀(100)을 지지할 수 있다.
카트리지(300)는 복수개 제공될 수 있다. 복수개의 카트리지(300)는 제1방향(12)을 따라 적층되어 위치한다. 복수개의 카트리지(300)는 케이스(200)의 내부 공간에 위치할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 단면도이고, 도 7은 도 6의 B 영역을 보여주는 확대도이다. 이하, 도 6 내지 도 7을 참고하면, 냉각 유닛(400)은 배터리 셀(100)을 냉각 할 수 있다. 냉각 유닛(400)은 배터리 셀(100)과 접촉하며, 배터리 셀(100)로부터 전달된 열을 냉각 핀(410), 냉각 플레이트(430) 그리고 열교환 유닛(500) 순서로 전달 하여 배터리 셀(100)을 냉각 할 수 있다.
냉각 유닛(400)은 냉각 핀(410) 및 냉각 플레이트(430)를 포함한다.
냉각 핀(410)은 배터리 셀(100)로부터 전달된 열을 냉각 플레이트(430)로 전달한다. 냉각 핀(410)은 배터리 셀(100)의 일측면과 접촉하여 위치한다. 냉각 핀(410)과 배터리 셀(100)은 면접촉한다. 냉각 핀(410)은 복수개 제공된다. 복수개의 배터리 셀(100)과 냉각 핀(410)은 냉각 핀(410), 배터리 셀(100), 배터리 셀(100) 그리고 냉각 핀(410)의 순서대로 제1방향(12)을 따라 배치되며, 상술한 순서와 같이 제1방향(12)을 따라 반복적으로 배치된다. 냉각 핀(410)은 금속 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 냉각 핀(410)은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 열전도가 좋은 금속 재질로 제공될 수 있다.
냉각 핀(410)의 제3방향(16)의 상부면에는 카트리지(300)가 위치한다. 냉각 핀(410)의 일면은 카트리지(300)와 접촉될 수 있다.
냉각 핀(410)은 제3방향(16) 하부에 절곡된 형상을 가진다. 냉각 핀(410)의 절곡부는 배터리 셀(100) 방향으로 절곡될 수 이다. 일 예로 도 7과 같이 배터리 셀(100)을 향하는 방향으로 절곡된다. 냉각 핀(410)의 절곡부의 절곡 방향은 제3방향(16)의 하부 방향으로 경사지도록 제공된다. 냉각 핀(410)의 절곡부의 일면은 카트리지(300)와 접촉된다. 냉각 핀(410)의 절곡부는 카트리지(300)의 제3방향(16) 하부에 위치한다. 냉각 핀(410)의 절곡부와 접촉되는 카트리지(300) 부분은 냉각 핀(410)의 절곡부와 대응되는 형상으로 제공 될 수 있다.
냉각 플레이트(430)는 배터리 셀(100)에서 전달된 열을 외부 또는 열교환 유닛(500)으로 전달 할 수 있다. 냉각 플레이트(430)는 냉각 핀(410)의 하부에 위치한다. 냉각 플레이트(430)는 복수개의 냉각 핀(410)과 접촉될 수 있다. 일 예로 냉각 플레이트(430)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 열전도가 좋은 다른 금속 재질로 제공될 수 있다.
냉각 플레이트(430)는 제3방향(16)의 상면은 냉각 핀(410)과 접촉되며, 타면은 열교환 유닛(500)과 접촉한다. 냉각 플레이트(430)는 절곡부를 가진다. 냉각 플레이트(430)의 절곡부는 냉각 핀(410)의 절곡부와 접촉된다. 냉각 플레이트(430)의 절곡부의 절곡 방향은 제3방향(16)을 하부 방향으로 경사지도록 제공된다. 냉각 플레이트(430)의 절곡부는 냉각 핀(410)의 절곡부와 대응되는 개수로 제공된다.
도 7을 참고하면, 각각의 냉각 핀(410)에 형성된 절곡부는 냉각 핀(410)과 절곡되는 카트리(300) 부분의 형상과 대응되는 형상을 가진다. 냉각 플레이트(430)의 절곡부는 냉각 핀(410)의 절곡부(411)의 개수와 대응되는 개수로 제공된다. 도 7의 하나의 카트리지(300)를 기준으로 볼 때, 하나의 카트리지(300)는 두 개의 배터리 셀(100)을 가진다. 각각의 배터리 셀(100)의 제1방향(12)의 양측면에는 냉각 핀(410)이 위치한다. 각각의 냉각 핀(410)은 제3방향(16)의 하부 방향으로 절곡된 절곡부를 가진다. 각각의 냉각 핀(410)의 절곡부(411)의 제3방향(16)의 하부에는 냉각 플레이트(430)의 절곡부가 위치한다. 각각의 냉각 플레이트(430)의 절곡부들 사이에 냉각 플레이트(430)는 전체적으로 평평한 형상으로 제공된다. 도 7을 참고하면, 하나의 카트리지(300)에서 제3방향(16)의 하부에 위치하는 냉각 플레이트(430)는 중앙이 평평하며, 제1방향(12)의 양측면에서는 냉각 플레이트(430)의 절곡부가 위치하여, 내부에 배터리 셀(100)의 측부가 수용될 수 있는 공간을 형성한다.
도 8은 도 3의 열교환 유닛(500)을 보여주는 사시도이고, 도 9는 도 3의 열교환 유닛(500)의 단면도이다. 도 8 및 도 9를 참고하면, 열교환 유닛(500)은 냉각 플레이트(430)와 접촉하며, 냉각 플레이트(430)와 열교환 할 수 있다. 열교환 유닛(500)은 냉각 플레이트(430)를 냉각 시킬 수 있다. 열교환 유닛(500)은 공급관(550), 열교환 챔버(510), 배출관(560) 그리고 온도 측정 부재(570)를 포함한다.
공급관(550), 열교환 챔버(510) 그리고 배출관(560)은 제2방향(14)을 따라 나란하게 배치된다. 공급관(550)은 열교환 챔버(510)에 냉각 유체를 공급한다. 일 예로 냉각 유체는 냉각 수로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 열용량이 큰 다른 유체로 제공될 수 있다.
공급관(550)은 열교환 챔버(510)의 제2방향(14)의 일면과 결합된다. 공급관(550)은 후술하는 하부 냉각 유로(520)와 연결되어 하부 냉각 유로(520)에 냉각 유체를 공급한다.
열교환 챔버(510)는 내부에 냉각 유체가 흐르는 유로를 가진다. 열교환 챔버(510)는 내부에 공간을 가진다. 열교환 챔버(510)는 직육면체 형상으로 제공될 수 있다. 열교환 챔버(510)가 냉각 플레이트(430)와 접촉하는 면의 면적은 냉각 플레이트(430)의 면적보다 크게 제공될 수 있다. 열교환 챔버(510)는 금속 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 열교환 챔버(510)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 이와는 달리 열전도성이 좋은 금속 재질로 제공될 수 있다.
열교환 챔버(510)의 내부에는 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로가 구비된다. 냉각 유로는 하부 냉각 유로(520), 상부 냉각 유로(530) 그리고 연결 유로(540)를 포함한다.
하부 냉각 유로(520)는 내부 공간(501)의 제3방향(16) 하부에 위치한다. 하부 냉각 유로(520)는 제3방향(16)에서 바라 볼 때 직사각형의 형상을 가진다. 하부 냉각 유로(520)에는 공급관(550)에서 공급받은 냉각 유체가 흐른다.
상부 냉각 유로(530)는 내부 공간(501)에 제3방향(16)의 상부에 위치한다. 상부 냉각 유로(530)는 하부 냉각 유로(520)의 상부에 위치한다. 상부 냉각 유로(530)는 하부 냉각 유로(520)로부터 공급받은 냉각 유체가 흐른다. 상부 냉각 유로(530)를 흐르는 냉각 유체는 냉각 플레이트(430)와 열교환 할 수 있다. 상부 냉각 유로(530)에 냉각 유체는 냉각 플레이트(430)와 열교환 한 뒤에 배출관(560)을 통하여 외부로 배출된다. 상부 냉각 유로(530)는 제3방향(16)에서 바라 볼 때, 직사각형의 형상을 가진다. 상부 냉각 유로(530)는 하부 냉각 유로(520)와 동일한 면적으로 제공될 수 있다. 상부 냉각 유로(530)의 면적은 냉각 플레이트(430)의 면적보다 크게 제공될 수 있다.
연결 유로(540)는 하부 냉각 유로(520) 및 상부 냉각 유로(530)와 연결된다. 연결 유로(540)는 하부 냉각 유로(520)를 흐르는 냉각 유체를 상부 냉각 유로(530)에 공급한다. 연결 유로(540)는 복수개 제공된다. 인접하는 연결 유로(540)들은 열교환 챔버(510)의 내부 공간(501)에서 일정 거리 이격되어 위치한다. 연결 유로(540)는 하부 냉각 유로(520)에서 분기된다. 연결 유로(540)는 냉각 유체가 흐르는 방향을 기준으로 상향 경사지게 제공된다. 연결 유로(540)가 상향 경사지게 제공되며, 별도의 동력원 없이 상부 냉각 유로(530)에 냉각 유체를 공급 할 수 있다.
열교환 챔버(510)의 내부 공간(501)은 상류 영역(502)과 하류 영역(503)을 가진다. 여기서 상류 영역(502)은 열교환 챔버(510)의 내부 공간(501) 중 공급관(550)과 인접하는 영역에 해당하며, 하류 영역(503)은 열교환 챔버(510)의 내부 공간(501) 중 배출관(560)과 인접하는 영역에 해당한다.
하류 영역(503)에 위치하는 연결 유로(540)의 개수는 상류 영역(502)에 위치하는 연결 유로(540)의 개수보다 많을 수 있다. 일 예로 하류 영역(503)의 연결 유로(540)의 개수는 상류 영역(502)의 연결 유로(540)의 개수의 2배 일 수 있다. 이와는 달리, 상류 영역(502)에서 하류 영역(503)으로 갈수록 연결 유로(540)의 개수는 점진적으로 증가하도록 제공될 수 있다.
배출관(560)은 상부 냉각 유로(530)와 연결되어, 상부 냉각 유로(530)에 냉각 유체를 외부로 배출한다. 배출관(560)은 열교환 챔버(510)의 제2방향(14)의 일면과 결합된다. 배출관(560)은 공급관(550)과 마주보며 위치한다. 배출관(560)은 공급관(550)보다 더 높게 위치한다. 일 예로 도 9와 같이 배출관(560)은 제3방향(12)을 기준으로 공급관(550)보다 더 높게 위치한다.
온도 측정 부재(570)는 상부 냉각 유로(530)를 흐르는 냉각 유체의 온도를 측정한다. 온도 측정 부재(570)는 열교환 챔버(510)의 내부 공간(501)에 위치한다. 일 예로 온도 측정 부재(570)는 상부 냉각 유로(530)의 상부에 위치 할 수 있다. 온도 측정 부재(570)는 복수개 제공될 수 있다. 온도 측정 부재(570)는 냉각 유체의 온도를 측정하며, 기설정된 온도 범위를 벗어나는 경우 제어기(미도시)에 이를 알려줄 수 있다. 제어기는 온도 측정 부재(570)에 측정된 온도가 기설정된 온도 범위 이상인 경우 배터리 모듈(10)의 온도 이상을 감지하여 이를 알려줄 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함한다. 배터리 팩에는 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치가 더 포함될 수 있다. 일 예로 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)을 복수개 가지는 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있고, 이러한 배터리 팩에는 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)이 포함될 수 있다.
상술한 예에서는 열교환 유닛(500)이 하나로 제공되는 것을 예로 들었으나, 이와는 달리 도 10과 같이 2개 또는 도 11과 같이 3개로 제공될 수 있다. 이 경우 열교환 유닛(500)의 내부 구성은 상술한 열교환 유닛(500)과 동일하게 제공된다. 다만, 인접하는 열교환 유닛(500)의 공급관(550)들은 제2방향(14)을 기준으로 마주보며 위치한다. 즉 인접하는 열교환 유닛(500)은 열교환 챔버(510)를 기준으로 반대 방향에 위치할 수 있다. 열교환 유닛(500)을 복수개 제공하는 경우 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로를 기준으로 하류에서 냉각 효율이 저하되는 문제점을 개선할 수 있다. 보다 자세한 효과는 후술하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(10) 내부에 위치한 배터리 셀(100)의 냉각 효과를 설명한다.
도 12는 열교환 챔버의 내부 온도 변화를 개략적으로 보여주는 그래프이고, 도 13은 열교환 챔버 내부에 단일의 유로가 형성된 열교환 유닛(500)을 보여주는 단면도이다.
도 13을 참고하면, 일반적인 열교환 챔버(3) 내부에는 단일의 유로(4)가 형성된다. 공급관(5)은 열교환 챔버(3)에 냉각 유체를 공급한다. 열교환 챔버(3)에 공급된 냉각 유체는 단일의 유로(4)를 흐른다. 열교환 챔버(3)에 냉각 유체는 배출관(6)을 통하여 외부로 배출된다. 이 때, 열교환 챔버(3)의 내부에 단일의 유로(4)가 형성되는 경우 냉각 유체는 상류에서부터 하류로 흐르게 된다. 이 과정에서 상류에서 냉각 플레이트와 열교환한 냉각 유체는 하류로 갈수록 온도가 상승한다. 냉각 유로가 단일의 유로(4)로 형성되어 전체적인 냉각 유체의 온도는 하류로 갈수록 상승하게 된다. 이 경우 하류에서의 냉각 플레이트와 열교환 양이 적어, 냉각 유로의 하류의 상부에 위치하는 배터리 셀의 냉각 효율일 저하되는 문제점이 있다. 또한, 냉각 유로의 하부에 흐르는 냉각 유체는 냉각 플레이트와 직접 접촉하지 않아 열교환에 참여할 수 없는 문제점이 있다.
이와 달리, 본 발명은 열교환 유닛(500) 내부에 형성된 유로가 상부 냉각 유로(530) 및 하부 냉각 유로(520)로 구분된다. 냉각 플레이트(430)는 상부 냉각 유로(530)에 흐르는 냉각 유체와 열교환 할 수 있다. 이 때 상부 냉각 유로(530)의 하류로 갈수록 하부에 열교환에 참여하지 않는 냉각 유체가 연결 유로(540)를 통해서 공급되여 상부 냉각 유로(530)의 하류의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 열교환 챔버(510)의 하부에 흐르는 냉각 유체도 냉각 플레이트(430)와 직접 접촉하여 열교환할 수 있다. 즉, 공급관(550)을 통해서 전달되는 냉각 유체 전체가 열교환에 참여할 수 있어 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 하류 영역(503)에 연결 유로(540)를 상류 영역(502)에 연결 유로(540)보다 많은 개수를 제공하여, 하류 영역(503)에서 보다 많은 하부 냉각 유로(520)의 냉각 유체를 공급할 수 있어 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 최대화 할 수 있다.
도 12는 상부 냉각 유로를 흐르는 냉각 유체의 온도를 개략적으로 도시한 그래프이다. 그래프의 가로축(L)은 열교환 챔버(510)의 상류를 기준으로 하류 쪽으로 갈수록 길이를 나타낸다. 그래프의 세로축(T)은 상부 냉각 유로(530)를 흐르는 냉각 유체의 온도를 보여준다. 도 12의 그래프를 참고하면, 연결 유로(540)를 제공하여 상부 냉각 유로(530)의 온도가 일정한 수준(T1)으로 유지되는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈(10)은 열교환 유닛(500)을 복수개 제공할 수 있다. 이 경우 인접하는 열교환 유닛(500)의 공급관(550)들의 위치를 반대 반향으로 제공한다. 각각의 열교환 유닛(500)의 냉각 유체를 서로 반대방향에서 공급하여 단일의 열교환 유닛(500)을 제공하는 경우보다 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 배터리 모듈(10)은 상부 냉각 유로(530), 하부 냉각 유로(520) 그리고 연결 유로(540)를 포함하는 열교환 유닛(500)을 가지어 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 배터리 모듈 100: 배터리 셀
200: 케이스 300: 카트리지
400: 냉각 유닛 410: 냉각 핀
430: 냉각 플레이트 500: 열교환 유닛
510: 열교환 챔버 520: 하부 냉각 유로
530: 상부 냉각 유로 540: 연결 유로
550: 공급관 560: 배출관
570: 온도 측정 부재

Claims (12)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    내부에 수용 공간을 가지는 카트리지와;
    상기 수용 공간에 위치하는 복수 개의 배터리 셀과;
    상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛과; 그리고
    상기 냉각 유닛과 열교환하는 열교환 유닛을; 포함하되,
    상기 냉각 유닛은,
    상기 배터리 셀의 일측면과 면접촉하는 냉각 핀과;
    상기 냉각 핀과 접촉되는 냉각 플레이트를; 포함하고,
    상기 열교환 유닛은,
    내부 공간을 가지는 열교환 챔버와;
    상기 열교환 챔버 내에 위치하며 냉각 유체가 흐르는 하부 냉각 유로와;
    상기 하부 냉각 유로의 상부에 위치하며, 상기 하부 냉각 유로에서 공급된 상기 냉각 유체가 흐르는 상부 냉각 유로와; 그리고
    상기 하부 냉각 유로에 흐르는 상기 냉각 유체를 상기 상부 냉각 유로에 공급하는 연결 유로를 포함하고,
    상기 연결 유로는 상기 하부 냉각 유로에서 분기되며, 상기 냉각 유체가 흐르는 방향을 기준으로 상향 경사지게 제공되고,
    상기 연결 유로는 복수개 제공되며, 인접하는 상기 연결 유로들은 상기 열교환 챔버 내부에서 일정 거리 이격되어 배치되고,
    상기 열교환 유닛은,
    상기 하부 냉각 유로에 상기 냉각 유체를 공급하는 공급관과;
    상기 상부 냉각 유로에 상기 냉각 유체를 외부로 배출하는 배출관을; 더 포함하며,
    상기 열교환 챔버의 상기 내부 공간은 상기 공급관과 인접하는 상류 영역과 상기 배출관과 인접하는 하류 영역을 가지고,
    상기 하류 영역에 위치하는 상기 연결 유로의 개수는 상기 상류 영역에 위치하는 상기 연결 유로의 개수보다 많은 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배출관은 상기 공급관 보다 더 높게 위치하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상부 냉각 유로의 면적은 상기 냉각 플레이트의 면적보다 크게 제공되는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상부 냉각 유로와 상기 하부 냉각 유로의 면적은 동일하게 제공되는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 복수개 제공되며,
    인접하는 상기 열교환 유닛의 상기 공급관들은 상기 열교환 챔버를 기준으로 반대 방향에 위치하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은 상기 상부 냉각 유로 및 상기 하부 냉각 유로의 냉각 유체 온도를 검사하는 온도 측정 부재를 더 포함하는 배터리 모듈.
  11. 제1항 또는 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 따른 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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