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KR20170140693A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 - Google Patents

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 Download PDF

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KR20170140693A
KR20170140693A KR1020160073359A KR20160073359A KR20170140693A KR 20170140693 A KR20170140693 A KR 20170140693A KR 1020160073359 A KR1020160073359 A KR 1020160073359A KR 20160073359 A KR20160073359 A KR 20160073359A KR 20170140693 A KR20170140693 A KR 20170140693A
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cooling
battery cell
battery
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김세원
문정오
정병천
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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 전극 조립체가 수납되는 수납부 및 상기 수납부를 실링하는 실링부를 가지는 복수개의 배터리 셀과 상기 배터리 셀의 적어도 일부를 감싸며, 상기 배터리 셀과 면 접촉하는 열전도 시트와 상기 열전도 시트의 내측에 위치하며, 적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 수납부와 접촉하는 사이드 냉각 핀 및 상기 열전도 시트와 접촉하는 냉각 플레이트를 포함하는 배터리 모듈를 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 복수개의 이차전지를 가지는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 셀을 냉각 할 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.
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 중간에 방열부재로서 배터리 셀의 면적에 대응되는 복수 개의 냉각 핀들을 삽입한다. 냉각 핀은 알루미늄 재질로 제공된다. 각각의 배터리 셀에서 열을 흡수한 냉각 핀들은 하나의 냉각 플레이트에 연결되어 냉각 플레이트에 열을 전달한다. 냉각 플레이트는 냉각 핀으로부터 전달된 열을 다시 히트 싱크에 그 열을 전달하고 히트 싱크는 냉각수 또는 냉각 공기에 의해 냉각된다.
다만, 알루미늄 재질의 냉각 핀을 사용하는 경우, 배터리 셀과 긴밀한 접촉이 어렵다. 또한, 현재 배터리 모듈의 경우 에너지 밀도가 점차 높아지는 추세이며, 에너지 밀도가 높은 배터리 모듈의 경우 각각의 배터리 셀에서 발생되는 열의 양이 많아 일정한 열전도도를 가지는 냉각 핀만으로는 배터리 셀의 냉각에 한계가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자, 냉각 효율이 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 자동차를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 에지부 및 실링부의 냉각 효율을 향상시킬 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 복수의 배터리 셀을 가지는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 배터리 모듈은 전극 조립체가 수납되는 수납부 및 상기 수납부를 실링하는 실링부를 가지는 복수개의 배터리 셀, 상기 배터리 셀의 적어도 일부를 감싸며 상기 배터리 셀과 면 접촉하는 열전도 시트, 상기 열전도 시트의 내측에 위치하며, 적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 수납부와 접촉하는 사이드 냉각 핀 및 상기 열전도 시트와 접촉하는 냉각 플레이트를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 사이드 냉각 핀은 적어도 일부가 상기 배터리 셀의 실링부와 접촉하며, 적어도 일부는 상기 열전도 시트와 접촉할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 사이드 냉각 핀은 상기 실링부가 수용되는 수용부, 상기 실링부의 일측면과 접촉하는 제1 링부 및 상기 실링부의 타측면과 접촉하는 제2 링부를 포함하되, 상기 제1 링부와 상기 제2 링부는 상기 수용부에 의해 상호 연결될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는 각각 내부가 빈 공간을 가지며, 적어도 일측이 개방된 형상으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 제1 링부와 상기 제2 링부는 상기 수용부를 중심으로 서로 대칭되는 형상으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 실링부는 폴딩된 형태로 상기 수용부에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는 각각 적어도 일부가 상기 배터리 셀의 수납부의 측면, 상기 실링부 그리고 상기 열전도 시트와 접촉할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 열전도 시트 중 각각 상기 제1 링부 및 상기 제2 링부와 접촉하는 부분은 라운드진 형상으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 열전도 시트는 그라파이트 시트로 제공되며, 상기 사이드 냉각 핀은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 배터리 셀, 상기 사이드 냉각 핀 그리고 상기 냉각 플레이트는 순차적으로 제1방향을 따라 나란하게 배치되며, 상기 열전도 시트는 상기 배터리 셀의 상기 제1방향과 수직한 면의 일부와 상기 사이드 냉각 핀의 측면 중 적어도 일부를 모두 감싸도록 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 배터리 모듈은 상기 열전도 시트와 상기 냉각 플레이트 사이에 위치하며, 상기 열전도 시트의 열을 상기 냉각 플레이트로 전달하는 냉각 패드를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 냉각 패드의 일면은 상기 열전도 시트와 결합되며, 상기 냉각 패드의 타면은 상기 냉각 플레이트와 결합되며, 상기 냉각 패드와 결합되는 상기 열전도 시트는 라운드진 형상으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 배터리 모듈은 내부에 냉각 유체가 흐르며, 상기 냉각 플레이트와 열교환하는 히트 싱크를 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, 배터리 셀의 냉각 시 배터리 셀을 감싸는 열전도 시트와 배터리 셀의 실링부 및 에지부와 접촉하는 사이드 냉각 핀을 제공하여 배터리 셀의 냉각 효율을 향상 시킬 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 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 셀을 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 셀을 보여주는 결합 사시도이다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈의 일부 중 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크의 결합 전 상태를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 1의 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크가 결합된 상태를 보여주는 정면도이다.
도 6은 도 5 의 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크의 결합 전 상태를 보여주는 정면도이다.
도 7은 도 4의 배터리 모듈의 다른 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 4의 배터리 모듈 중 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 패드, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크가 결합된 상태를 보여주는 정면도이다.
도 9는 도 8 의 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 패드, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크의 결합 전 상태를 보여주는 정면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈에서 열이 전달되는 방향을 개략적으로 보여주는 도면이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
배터리 모듈(10)을 복수개의 배터리 셀(100)을 가진다. 배터리 셀(100)은 이차 전지로 제공될 수 있다. 일 예로 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지로 제공될 수 있다. 이하, 본 발명의 배터리 셀(100)을 파우치형 이차 전지로 제공되는 것을 예로 들어 설명한다.
배터리 모듈(10)은 배터리 셀(100), 열전도 시트(200), 사이드 냉각 핀(300) 냉각 플레이트(400) 그리고 히트 싱크(600)를 포함한다.
배터리 셀(100)은 복수개가 제공된다. 복수개의 배터리 셀(100)은 각각의 면들이 마주보는 방향으로 나란하게 배치된다. 복수개의 배터리 셀(100)은 각각 서로 대면하여 위치한다. 이하, 복수개의 배터리 셀(100)이 나란하게 배치되는 방향을 제1방향(12)이라 한다. 상부에서 바라 볼 때, 제1방향(12)과 수직한 방향을 제2방향(14)이라 한다. 제1방향(12) 및 제2방향(14) 모두에 수직한 방향을 제3방향(16)이라 한다.
도 2는 도 1의 배터리 셀을 보여주는 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 배터리 셀을 보여주는 결합 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 배터리 셀(100)은 파우치 케이스(110), 전극 조립체(120), 전극 탭(130) 그리고 전극 리드(140)를 포함한다.
파우치 케이스(110)는 내부 공간(101)을 가진다. 파우치 케이스(110)의 내부에는 후술하는 전극 조립체(120) 및 전해액이 위치한다. 파우치 케이스(110)의 중앙 영역은 상하 방향으로 돌출되어 제공된다. 파우치 케이스(110)는 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)를 포함한다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 서로 조합되어 내부 공간(101)을 형성한다. 상부 케이스(111)의 중앙 영역은 상부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 하부 케이스(112)는 상부 케이스(111)의 하부에 위치한다. 하부 케이스(112)의 중앙 영역은 하부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 이와는 달리, 파우치 케이스(110)의 내부 공간(101)은 상부 케이스(111) 또는 하부 케이스(112) 중 어느 하나에만 형성될 수 있다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 각각 실링부(160)를 가진다. 상부 케이스(111)의 실링부(160)와 하부 케이스(112)의 실링부(160)는 서로 마주보는 형태로 제공될 수 있다. 상부 케이스(111)의 실링부(160) 및 하부 케이스(112)의 실링부(160)는 내측에 위치한 내부 접착층이 열융착 등에 의해 서로 접착 될 수 있다. 실링부(160)의 접착을 통해서 내부 공간(101)은 밀폐될 수 있다.
파우치 케이스(110)의 내부 공간(101)에는 전해액 및 전극 조립체(120)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(120)는 양극판, 음극판 그리고 분리막을 포함한다. 전극 조립체(120)는 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 제공될 수 있다. 전극 조립체(120)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(120)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(130)이 형성될 수 있다.
전극 탭(130)은 전극 조립체(120)로부터 돌출된 형태로 연장 형성된다. 전극 탭(130)은 양극 탭(131)과 음극 탭(132)을 포함한다. 양극 탭(131)은 양극판의 무지부에서 연장될 수 있으며, 음극 탭(132)은 음극판의 무지부에서 연장될 수 있다.
양극 탭(131)과 음극 탭(132)은 배터리 셀(100)에 각각 하나씩 구비될 수 있다. 이와는 달리 양극 탭(131)과 음극 탭(132)은 복수개 구비될 수도 있다. 일 예로 배터리 셀(100)의 전극 조립체(120)에 양극판과 음극판이 각각 1개만 포함된 경우, 양극 탭(131)과 음극 탭(132)은 각각 1개씩 포함될 수 있다. 이와 달리, 양극 탭(131)과 음극 탭(132)은 각각 다수 포함될 수 있다. 전극 조립체(120)에 양극판과 음극판이 각각 다수 포함된 경우, 양극 탭(131)과 음극 탭(132) 역시 다수 개 포함될 수 있으며, 1개의 전극판마다 각각 전극 탭(130)이 구비될 수 있다.
전극 리드(140)는 배터리 셀(100)을 외부의 다른 장치와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 전극 리드(140)는 양극 리드(141)와 음극 리드(142)를 포함할 수 있다. 전극 리드(140)는 파우치 케이스(110)의 내측에서 외측까지 연장되는 형태로 제공될 수 있다. 전극 리드(140)의 일부 영역은 실링부(160) 사이에 개재될 수 있다. 전극 리드(140)는 전극 탭(130)과 연결된다. 본 발명의 전극 리드(140)는 파우치 케이스(110)의 일측에 양극 리드(141)가 제공되며, 타측에 음극 리드(142)가 제공될 수 있다. 이와는 달리, 양극 리드(141)와 음극 리드(142)는 파우치 케이스(110)의 일측에 모두 제공될 수 있다.
배터리 셀(100)은 수납부(150)와 실링부(160)를 가진다. 여기서, 수납부(150)는 배터리 셀(100)에서 전극 조립체(120)가 수납되는 부분이다. 실링부(160)는 파우치 케이스(110) 중 수납부(150)를 둘러싸는 네 측면으로 실링되는 부분이다. 실링부(160)는 후술하는 사이드 냉각 핀(300)의 수용부(310)에 결합되며, 폴딩된 형태로 제공될 수 있다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈의 일부 중 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크의 결합 전 상태를 보여주는 사시도이고, 도 5는 도 1의 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크가 결합된 상태를 보여주는 정면도이며, 도 6은 도 5 의 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크의 결합 전 상태를 보여주는 정면도이다.
도 4 내지 도 6을 참고하면, 열전도 시트(200)는 배터리 셀(100)의 열을 냉각 플레이트(400)로 전달할 수 있다. 열전도 시트(200)는 복수개 제공될 수 있다. 열전도 시트(200)는 배터리 셀(100)의 개수와 대응되는 개수로 제공될 수 있다. 열전도 시트(200)는 배터리 셀(100) 중 적어도 일부분을 감싸며 제공될 수 있다. 열전도 시트(200)는 배터리 셀(100)의 면과 면접촉 할 수 있다. 일 예로 열전도 시트(200)는 파우치 케이스(200)의 6 면중 제1방향의 두 면 및 제3방향의 두 면을 감싸며 제공될 수 있다. 열전도 시트(200)는 배터리 셀(100) 중 제2방향(14)을 따라 형성된 두 개의 면 방향은 개방된 형태로 제공될 수 있다. 열전도 시트(200)는 열전도도가 좋은 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 열전도 시트(200)는 그라파이트 시트(Graphite sheet)로 제공될 수 있다. 그라파이트 시트는 열전도성이 우수하며, 전기적 절연성을 가진다. 열전도 시트(200)가 그라파이트 시트로 제공되는 경우, 배터리 셀(100)에서 발생될 열을 냉각 플레이트(400)로 잘 전달할 수 있다. 이와는 달리, 열전도 시트(200)는 실리콘 열전도 시트로 제공될 수 있다.
열전도 시트(200)는 박막의 형태로 제공될 수 있다. 일 예로 열전도 시트(200)의 두께는 50 ㎛로 제공될 수 있다. 이처럼, 열전도 시트(200)의 두께가 매우 얇게 제공되면, 배터리 모듈(10)의 전체 부피가 증가되지 않는다. 얇은 박막 형태의 열전도 시트(200)는 종래의 금속 재질로 제공되는 냉각 핀의 두께보다 그 두께가 얇아 배터리 모듈(10)의 전체 부피를 증가시키지 않는다. 또한, 배터리 모듈(10)의 전체 부피 대비 차지하는 배터리 셀(100)의 부피를 크게 할 수 있어 에너지 밀도를 향상 시킬 수 있다.
사이드 냉각 핀(300)은 배터리 셀(100)의 수납부(150)의 측면(170, 이하, 에지부라 한다) 및 실링부(160)의 열을 냉각 플레이트(400)로 전달 할 수 있다. 사이드 냉각 핀(300)은 열전도 시트(200)의 내측에 위치한다. 배터리 셀(100)과 사이드 냉각 핀(300)은 제3방향(16)을 따라 나란하게 위치할 수 있다. 사이드 냉각 핀(300)은 복수개 제공될 수 있다. 사이드 냉각 핀(300)은 배터리 셀(100)의 개수와 대응되는 개수로 제공될 수 있다. 사이드 냉각 핀(300)은 적어도 일부는 배터리 셀(100)의 실링부(160) 및 배터리 셀(100)의 에지부(170)와 접촉하며, 적어도 일부는 열전도 시트(200)와 접촉할 수 있다. 사이드 냉각 핀(300)은 금속 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 사이드 냉각 핀(300)은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 사이드 냉각 핀(300)은 열전도성이 좋은 다른 금속 재질로 제공될 수 있다.
사이드 냉각 핀(300)은 수용부(310), 제1 링부(330) 그리고 제2 링부(350)를 포함한다. 수용부(310)는 배터리 셀(100)의 실링부(160)가 수용될 수 있다. 수용부(310)는 오목한 형태의 공간을 가지며, 상기 공간에 실링부(160)가 수용될 수 있다. 수용부(310)에 수용되는 실링부(160)는 폴딩된 형태로 삽입될 수 있다.
실링부(160)가 폴딩된 형태로 제공되어, 배터리 셀(100)의 전체 부피가 감소할 수 있다. 또한, 실링부(160)가 폴딩된 형태로 수용부(310)에 삽입되어, 끼움 결합이 가능하다. 일 예로 수용부(310)와 실링부(160)는 억지 끼움 결합으로 결합될 수 있다. 억지 끼움 결합을 통해서, 배터리 셀(100)과 사이드 냉각 핀(310)의 결합력을 상승시킬 수 있다.
제1 링부(330)는 내측에 제2방향(14)을 따라 연장되는 공간을 가진다. 제1 링부(330)의 내부 공간에는 냉각 유체가 통과할 수 있다. 냉각 유체는 제1 링부(330)를 냉각 시킬 수 있다. 일 예로 냉각 유체는 공기로 제공될 수 있다. 제1 링부(330)의 일부는 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)와 각각 접촉하며, 다른 일부는 열전도 시트(200)와 접촉한다. 제1 링부(330) 중 열전도 시트(200)와 접촉하는 모서리 부분은 라운드 진 형태로 제공될 수 있다. 또한, 열전도 시트(200) 중 제1 링부(330)와 접촉하는 부분은 라운드진 형상으로 제공될 수 있다. 제1 링부(330)는 그 단면이 타원 형상으로 제공될 수 있다.
제1 링부(330)와 열전도 시트(200)가 접촉하는 부분이 라운드 진 형태로 제공되어, 열전도 시트(200)가 외부의 충격으로부터 찢어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1 링부(330)와 열전도 시트(200)가 안정적으로 접촉할 수 있다.
제2 링부(350)는 내측에 제2방향(14)을 따라 연장되는 공간을 가진다. 제2 링부(350)의 내부 공간에는 냉각 유체가 통과할 수 있다. 냉각 유체는 제2 링부(350)을 냉각 시킬 수 있다. 일 예로 냉각 유체는 공기로 제공될 수 있다. 제1 링부(330) 및 제2 링부(350)는 수용부(310)에 의해 상호 결합될 수 있다. 제2 링부(350)의 일부는 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)와 각각 접촉하며, 다른 일부는 열전도 시트(200)와 접촉한다. 제2 링부(350) 중 열전도 시트(200)와 접촉하는 모서리 부분은 라운드 진 형태로 제공될 수 있다. 또한, 열전도 시트(200) 중 제2 링부(350)와 접촉하는 부분은 라운드진 형상으로 제공될 수 있다. 제2 링부(350)는 그 단면이 타원 형상으로 제공될 수 있다. 제1 링부(330) 및 제2 링부(350)는 수용부(310)를 중심으로 서로 대칭되는 형상을 가질 수 있다.
제2 링부(350)와 열전도 시트(200)가 접촉하는 부분이 라운드 진 형태로 제공되어, 열전도 시트(200)가 외부의 충격으로부터 찢어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 링부(350)와 열전도 시트(200)가 안정적으로 접촉할 수 있다.
사이드 냉각 핀(300)은 배터리 셀(100)의 에지부(170), 실링부(160), 열전도 시트(200)와 접촉하여, 배터리 셀(100)의 열을 열전도 시트(200)로 전달할 수 있다.
본 발명의 경우 열전도성이 좋은 사이드 냉각 핀(300)을 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)와 열전도 시트(200)의 사이에 위치하며, 이들과 각각 접촉하여 배터리의 에지부(170) 및 실링부(160)의 열을 열전도 시트(200)로 잘 전달 할 수 있다.
즉, 본 발명은 배터리 셀(100)에서 발생 된 열을 열전도 시트(200)를 통해서 냉각 플레이트(400)로 전달함과 동시에 배터리 셀(100)에 열을 사이드 냉각 핀(300)을 통해서 냉각 플레이트(400)로 열을 전달하는 다 경로 열전도 방식을 사용하여 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 향상 시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 경우 배터리 셀(100)의 면에서 발생된 열뿐만 아니라, 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160) 등 배터리 셀(100)의 측면에서도 발생된 열을 냉각 플레이트(400)로 전달하여 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 향상 시킬 수 있다.
만약 사이드 냉각 핀(300)이 제공되지 않는 경우, 열전도 시트(200)의 내부 중 에지부(170)의 대부분은 열전도 시트(200)와 접촉하지 않는다. 또한, 실링부(160)는 끝단의 일부가 열전도 시트(200)와 접촉하여 위치할 수 있다. 이 경우, 상술한 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)의 경우 발생되는 열이 열전도 시트(200)로 잘 전달 되지 않는다. 이렇게 배터리 셀(100)에서 발생된 열이 냉각 플레이트(400)로 잘 전달 되지 않는 경우 배터리 셀(100)의 냉각 효율이 떨어져 배터리 셀(100)의 수명에 영향을 줄 수 있다.
냉각 플레이트(400)는 열전도 시트(200)에서 전달된 열을 외부로 방출한다. 냉각 플레이트(400)는 배터리 셀(100)의 하부에 위치한다. 배터리 셀(100), 사이드 냉각 핀(300), 열전도 시트(200)의 일부, 그리고 냉각 플레이트(400)는 순차적으로 제3방향(16)을 따라서 위치할 수 있다. 냉각 플레이트(400)는 열전도성이 좋은 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 냉각 플레이트(400)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 냉각 플레이트(400)는 열전도성이 좋은 다른 금속 재질로 제공될 수 있다.
냉각 플레이트(400)에는 복수개의 수용홈(410)이 형성될 수 있다. 복수개의 수용홈(410)은 배터리 셀(100)의 개수와 대응되는 개수로 제공될 수 있다. 복수개의 수용홈(410)은 제1방향(12)을 따라 일정거리 이격되어 위치 할 수 있다. 수용홈(410)은 제2방향(14)을 따라 길게 연장된 형태로 제공될 수 있다. 수용홈(410)은 열전도 시트(200)로 감싸진 배터리 셀(100)이 결합될 수 있다. 수용홈(410)은 사이드 냉각 핀(300)을 감싸는 열전도 시트(200)와 대응되는 형상으로 제공될 수 있다.
냉각 플레이트(400)에 형성된 수용홈(410)을 통해서, 냉각 플레이트(400)와 열전도 시트(200)의 접촉 면적을 증대할 수 있다. 또한, 수용홈(410)은 냉각 플레이트(400)와 열전도 시트(200)가 감싸진 배터리 셀(100)의 결합력을 향상시킬 수 있다.
히트 싱크(600)는 냉각 플레이트(400)와 열교환 할 수 있다. 히트 싱크(600)는 냉각 플레이트(400)의 제3방향(16) 하부에 위치한다.
히트 싱크(600)는 챔버를 가진다. 챔버는 냉각 플레이트(400)와 동일하거나 큰 단면적으로 제공될 수 있다. 챔버는 내부에 유로(미도시)가 형성될 수 있다. 유로에는 냉각 유체가 흐를 수 있다. 일 예로 냉각 유체는 냉각 수로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 냉각 유체는 공기로 제공될 수 있다. 챔버에는 냉각 유체가 유입되는 유입관 및 냉각 유체가 유출되는 유출관(미도시)이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 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)은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(10)을 포함하는 배터리 팩을 하나 이상 포함 할 수 있다.
도 7은 도 4의 배터리 모듈의 다른 실시 예를 보여주는 사시도이고, 도 8은 도 4의 배터리 모듈 중 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 패드, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크가 결합된 상태를 보여주는 정면도이며, 도 9는 도 8 의 배터리 셀, 열전도 시트, 사이드 냉각 핀, 냉각 패드, 냉각 플레이트 그리고 히트 싱크의 결합 전 상태를 보여주는 정면도이다.
도 7 내지 도 9을 참고하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈(10a)은 배터리 셀(100a), 열전도 시트(200a), 사이드 냉각 핀(300a), 냉각 플레이트(400a), 냉각 패드(500a) 그리고 히트 싱크(600a)를 포함한다.
도 7의 배터리 셀(100a), 열전도 시트(200a), 사이드 냉각 핀(300a) 그리고 히트 싱크(600a)는 도 1의 배터리 셀(100), 열전도 시트(200), 사이드 냉각 핀(300) 그리고 히트 싱크(600)와 대체로 동일하게 제공될 수 있다.
냉각 플레이트(400a)는 도 1의 냉각 플레이트(400)와 대체로 동일하게 제공될 수 있다. 다만, 냉각 플레이트(400a)는 도 1의 냉각 플레이트(400)와 달리 수용홈(410)이 제공되지 않는다. 냉각 플레이트(400a)는 후술하는 냉각 패드(500a)와 접촉하는 면(520a)이 평평한 면으로 제공될 수 있다. 냉각 플레이트(400a)의 일면은 냉각 패드(500a)와 접촉하며, 타면은 히트 싱크(6000a)와 접촉한다.
냉각 패드(500a)는 열전도 시트(200a)에서 전달된 열을 냉각 플레이트(400a)로 전달할 수 있다. 냉각 패드(500a)는 열전도 시트(200a)로 감싸진 배터리 셀(100a)을 고정할 수 있다. 냉각 패드(500a)의 일면(510a)은 열전도 시트(200a)와 결합되며, 냉각 패드(500a)의 타면(520a)은 냉각 플레이트(400)와 결합될 수 있다. 배터리 셀(100a), 사이드 냉각 핀(300a), 열전도 시트(200a)의 일부분, 냉각 패드(500a), 냉각 플레이트(400a)는 순차적으로 제3방향(16)을 따라 위치할 수 있다. 냉각 패드(500a)의 면 중 열전도 시트(200)와 결합되는 면(510a)은 오목한 형상으로 제공될 수 있다. 냉각 패드(500a)의 면이 오목한 형상으로 제공되어, 열전도 시트(200a)와의 접촉 면적을 증대하며, 결합력을 상승시킬 수 있다. 냉각 패드(500a)의 면 중 히트 싱크(600)와 접촉되는 면(520a)은 평평한 면으로 제공될 수 있다.
냉각 패드(500a)는 복수개 제공될 수 있다. 냉각 패드(500a)는 배터리 셀(100a)의 개수와 대응되는 개수로 제공될 수 있다. 냉각 패드(500a)는 접촉 열전도재(Therma interface material)로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 냉각 패드(500a)는 열전도성이 우수하며, 접착성을 가지는 재질을 포함하도록 제공될 수 있다.
배터리 모듈(10a)에 냉각 패드(500a)를 제공함으로써, 각각의 배터리 셀(100a)과 냉각 플레이트(400a)의 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 냉각 패드(500a)를 제공하여, 열전도 시트(200a)의 열을 냉각 플레이트(400a)로 전달할 수 있어 배터리 셀(100a)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
도면에 도시하지 않았으나, 이와는 달리 냉각 플레이트(400a)에는 냉각 패드(500a)가 삽입될 수 있도록 결합홈(미도시)이 형성될 수 있다. 결합홈은 제3방향(16)의 하부로 오목한 형상으로 제공될 수 있다. 냉각 플레이트(400a)에 결합홈이 제공되는 경우, 냉각 패드(500a)와 냉각 플레이트(400a)의 접촉 면적을 크게 할 수 있으며, 결합력을 상승시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈에서 열이 전달되는 방향을 개략적으로 보여주는 도면이다. 이하, 도 10을 참고하며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(10)에서 배터리 셀(100)이 냉각되는 과정을 설명한다. 도 10 에서 화살표의 방향은 열이 전달되는 방향을 나타낸다.
본 발명의 경우 배터리 셀(100)에서 발생된 열을 다양한 경로를 통하여 냉각 플레이트로 전달하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
먼저, 배터리 셀(100)에서 발생된 열은 배터리 셀(100)의 면과 접촉하는 열전도 시트(200)로 전달된다. 열전도 시트(200)로 전달된 열은 냉각 플레이트(400)로 전달되며, 냉각 플레이트(400)는 히트 싱크(600)와 열교환하여 열을 외부로 방출한다.
또한, 배터리 셀(100) 중 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)에서 발생된 열은 두가지 경로로 외부로 방출한다.
첫 번째로, 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)는 사이드 냉각 핀(300)과 접촉한다. 사이드 냉각 핀(300)은 내부에 공간을 가진다. 내부의 공간으로는 냉각 유체가 흐를 수 있다. 사이드 냉각 핀(300)의 내부 공간에 흐르는 냉각 유체를 통해서 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)의 열을 외부로 방출할 수 있다. 즉, 사이드 냉각 핀(300)으로 전달된 열은 공랭 방식에 의해서 열을 외부로 배출할 수 있다.
두 번째로, 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)에서 발생된 열은 사이드 냉각 핀(300)으로 전달되며, 사이드 냉각 핀(300)은 열을 열전도 시트(200)로 전달한다. 열전도 시트(200)로 전달된 열을 냉각 플레이트(400) 및 히트 싱크(600)를 통해서 열을 외부로 배출할 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 사이드 냉각 핀(300)을 통해서, 배터리 셀(100)의 열을 효과적으로 냉각 시킬 수 있다. 특히, 열전도 시트(200)의 내부에 위치하며, 열전도 시트(200)와 직접 접촉하지 않는 배터리 셀(100)의 에지부(170) 및 실링부(160)의 열을 사이드 냉각 핀(300)을 통해서 냉각 시킬 수 있어 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
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: 열전도 시트 300: 사이드 냉각 핀
310: 수용부 330: 제1 링부
350: 제2 링부 400: 냉각 플레이트
500a: 냉각 패드 600: 히트 싱크

Claims (15)

  1. 전극 조립체가 수납되는 수납부 및 상기 수납부를 실링하는 실링부를 가지는 복수개의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 적어도 일부를 감싸며, 상기 배터리 셀과 면 접촉하는 열전도 시트;
    상기 열전도 시트의 내측에 위치하며, 적어도 일부분이 상기 배터리 셀의 수납부와 접촉하는 사이드 냉각 핀; 및
    상기 열전도 시트와 접촉하는 냉각 플레이트를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사이드 냉각 핀은 적어도 일부가 상기 배터리 셀의 실링부와 접촉하며, 적어도 일부는 상기 열전도 시트와 접촉하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사이드 냉각 핀은,
    상기 실링부가 수용되는 수용부;
    상기 실링부의 일측면과 접촉하는 제1 링부; 및
    상기 실링부의 타측면과 접촉하는 제2 링부를 포함하되,
    상기 제1 링부와 상기 제2 링부는 상기 수용부에 의해 상호 연결되는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는 각각 내부가 빈 공간을 가지며, 적어도 일측이 개방된 형상으로 제공되는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 링부와 상기 제2 링부는 상기 수용부를 중심으로 서로 대칭되는 형상으로 제공되는 배터리 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 실링부는 폴딩된 형태로 상기 수용부에 배치되는 배터리 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는 각각 적어도 일부가 상기 배터리 셀의 수납부의 측면, 상기 실링부 그리고 상기 열전도 시트와 접촉하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열전도 시트 중 각각 상기 제1 링부 및 상기 제2 링부와 접촉하는 부분은 라운드진 형상으로 제공되는 배터리 모듈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 열전도 시트는 그라파이트 시트로 제공되며,
    상기 사이드 냉각 핀은 알루미늄 재질로 제공되는 배터리 모듈.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 셀, 상기 사이드 냉각 핀 그리고 상기 냉각 플레이트는 순차적으로 제1방향을 따라 나란하게 배치되며,
    상기 열전도 시트는 상기 배터리 셀의 상기 제1방향과 수직한 면의 일부와 상기 사이드 냉각 핀의 측면 중 적어도 일부를 모두 감싸도록 제공되는 배터리 모듈.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 열전도 시트와 상기 냉각 플레이트 사이에 위치하며, 상기 열전도 시트의 열을 상기 냉각 플레이트로 전달하는 냉각 패드를 더 포함하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 패드의 일면은 상기 열전도 시트와 결합되며, 상기 냉각 패드의 타면은 상기 냉각 플레이트와 결합되며, 상기 냉각 패드와 결합되는 상기 열전도 시트는 라운드진 형상으로 제공되는 배터리 모듈.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 내부에 냉각 유체가 흐르며, 상기 냉각 플레이트와 열교환하는 히트 싱크를 더 포함하는 배터리 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  15. 제14항의 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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