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KR20240052319A - 개선된 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

개선된 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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KR20240052319A
KR20240052319A KR1020220132211A KR20220132211A KR20240052319A KR 20240052319 A KR20240052319 A KR 20240052319A KR 1020220132211 A KR1020220132211 A KR 1020220132211A KR 20220132211 A KR20220132211 A KR 20220132211A KR 20240052319 A KR20240052319 A KR 20240052319A
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KR
South Korea
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battery
module
cell
battery module
heat dissipation
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Pending
Application number
KR1020220132211A
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English (en)
Inventor
김두승
엄태기
이정훈
유재욱
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to KR1020220132211A priority Critical patent/KR20240052319A/ko
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지 셀이 일 방향을 따라 적층되어 있는 셀 어셈블리, 상기 셀 어셈블리에서 내에 서로 이웃하는 전지 셀 사이에 개재되는 방열 부재, 및 상기 셀 어셈블리를 수납하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 방열 부재는 상기 전지 셀의 일 면과 평행한 판상 부재와, 상기 판상 부재의 상부 가장자리와 하부 가장자리 중 적어도 하나로부터 연장된 덮개 부재를 포함한다.

Description

개선된 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE WITH IMPROVED COOLING STRUCTURE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 개선된 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
한편, 복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 모듈 및/또는 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지 셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 이 경우, 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 좁은 공간에서 합산되어 온도가 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈들과 이러한 전지 모듈들이 장착된 전지 팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지 셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 전지 팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓일 수 있다. 또한, 차량의 주행거리를 늘리기 위해 다수의 전지 모듈들을 집약적으로 배치하기 때문에 어느 하나의 전지 모듈에서 발생한 화염이나 열이 이웃한 전지 모듈로 쉽게 전파되어, 종국적으로 전지 팩 자체의 발화나 폭발로 이어질 수 있다.
도 1은 종래의 냉각 핀이 적용된 전지 셀 어셈블리를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 셀 어셈블리에 포함된 전지셀 사이에 배치된 냉각 핀 구조를 나타내는 분해도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 셀 어셈블리(1)는 일 방향으로 나란히 적층되어 형성되는 다수개의 전지 셀(10) 및 서로 이웃하는 전지 셀(10) 사이에 개재되어 있는 냉각 핀(20)을 포함한다. 냉각 핀(20)은 도 2에 도시한 판상형의 방열판(21)과 방열판(21)의 테두리에 형성된 냉매 파이프(22), 및 방열판(21)의 상하부면 또는 좌우면 각각에 형성된 절연 시트층(25)을 포함할 수 있다. 이때, 절연 시트층(25)은 생략될 수 있고, 방열판(21) 표면이 절연 코팅될 수도 있다.
냉매 파이프(22)는 방열판(21)과 후크 결합하거나, 냉매 파이프(22)와 방열판(21)이 일체형으로 형성될 수 있다. 냉매 파이프(22)는 전지 셀(10)의 외측에 배치되도록 형성된다.
전지 셀 어셈블리(1)는 모듈 프레임(미도시)에 수납되어 전지 모듈을 형성할 수 있고, 전지 셀 어셈블리(1)에 포함된 냉각 핀(20)에 의해 전지 셀에서 발생한 열을 냉각시킬 수 있다. 하지만, 냉각 핀(20)의 두께와 전기적 절연성 확보를 위한 별도의 절연 시트층 또는 코팅층이 필요하여 공간 활용률이 낮은 편이다.
도 3은 종래의 전지 모듈에서 열 배출 경로를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래의 전지 모듈(30)은 기설정된 방향으로 적층되는 전지셀(60)을 포함한 셀 어셈블리(70), 셀 어셈블리(70)를 수납하는 모듈 프레임(40)을 포함하고, 셀 어셈블리(70)는 모듈 프레임(40)의 하면에 위치하는 열전도성 수지층(50) 상에 고정되어 위치한다. 이 경우, 셀 어셈블리(70)에서 발생되는 열을 냉각하기 위해, 도 3의 -z축 방향에 위치한 모듈 프레임(40)의 바닥부와 접하는 히트 싱크(90)가 구비되고, 히트 싱크(90)와 모듈 프레임(40) 바닥부 사이에는 열 전달을 위한 열전도 패드(80)가 추가로 설치될 수 있다.
다만, 히트 싱크(90)는 셀 어셈블리(70)와 직접적으로 접하면서 열을 전달받는 것이 아니므로 냉각 효율이 별로 높지 않고, 냉각 경로(cooling path)가 전지 셀의 폭 방향 중 한쪽 방향(-z축 방향)으로 형성되어 온도 구배가 발생할 수 있다.
따라서, 전지 모듈 및/또는 전지 팩의 수명을 늘리기 위해서는 전지 셀의 온도가 높아지지 않도록 전지 모듈/전지 팩의 냉각 효율을 향상시킬 필요가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 종래의 냉각 핀 구조를 변경하여 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.
또한, 고속 충전 및 고용량 셀을 구현하기 위해 대형화되는 셀에서, 셀 온도를 균일하게 유지하면서 공간 활용률을 높이기 위한 전지 모듈 및 전지 팩을 제공할 수 있다.
또한, 함침 냉각 구조에서 셀 바디가 직접 냉각되지 못하여 냉각 성능의 공간적 불균일성을 해소하여 셀 수명을 늘리는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지 셀이 일 방향을 따라 적층되어 있는 셀 어셈블리, 상기 셀 어셈블리 내에서 제1 전지 셀과 제2 전지 셀 사이에 개재되는 방열 부재, 및 상기 셀 어셈블리를 수납하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 방열 부재는 상기 전지 셀의 일 면과 평행한 판상 부재와, 상기 판상 부재의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나로부터 연장된 덮개 부재를 포함한다.
상기 방열 부재에 포함되는 상기 판상 부재와 상기 덮개 부재는 일체형으로 형성되고, 상기 덮개 부재는 상기 판상 부재가 벤딩되어 형성될 수 있다.
상기 방열 부재는 알루미늄, 스테인리스, 구리, 금, 그라파이트, 그래핀, CNT(탄소나노튜브) 또는 이들의 복합 소재를 포함할 수 있다.
상기 방열 부재는 알루미늄, 스테인리스, 구리, 금, 그라파이트, 그래핀, 및 CNT(탄소나노튜브) 중 적어도 2 이상이 합지(lamination)된 형태를 가질 수 있다.
상기 모듈 프레임 안에 절연 냉각제가 함침될 수 있다.
상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체 사이에 갭 공간이 형성되고, 상기 갭 공간에 상기 절연 냉각제가 함침되며, 상기 덮개 부재와 상기 절연 냉각제가 직접 접촉할 수 있다.
상기 모듈 프레임과 상기 셀 어셈블리 사이에 갭 공간이 형성되고, 상기 갭 공간에 냉각 유로가 형성될 수 있다.
상기 냉각 유로는 상기 모듈 프레임 상부와 상기 셀 어셈블리 사이의 갭 공간과 상기 모듈 프레임 하부와 상기 셀 어셈블리 사이의 갭 공간에 모두 형성될 수 있다.
상기 갭 공간에는 상기 절연 냉각제가 함침될 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 갭 공간에 형성되는 열전도성 수치층을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 덮개 부재와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임과 상기 전지 셀 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함하고, 상기 덮개 부재는 상기 압축 패드와 상기 모듈 프레임 사이에 위치할 수 있다.
상기 판상 부재의 두께는 상기 전지 셀의 두께 대비하여 50% 이하일 수 있다.
상기 판상 부재의 두께는 상기 전지 셀의 두께 대비하여 20% 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은, 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 기존 대비하여 가볍고 얇은 소재로 방열 부재를 구현함으로써 열 전달 성능을 높일 수 있다.
또한, 함침 냉각 구조에서 전지 셀 사이에 개재된 방열 부재가 셀 어셈블리 상부 및/또는 하부에서 연장되어 절연 냉각제에 직접 접촉함으로써 냉각 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 냉각 핀이 적용된 전지 셀 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 셀 어셈블리에 포함된 전지셀 사이에 배치된 냉각 핀 구조를 나타내는 분해도이다.
도 3은 종래의 전지 모듈에서 열 배출 경로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 셀 어셈블리에 포함된 하나의 전지 셀을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 4의 전지 모듈에 포함되어 있는 셀 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 셀 어셈블리에 포함되어 있는 방열 부재를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 절단면 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 9는 도 8의 전지 모듈의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 6의 전지 모듈의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10의 셀 어셈블리에 포함되어 있는 방열 부재를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 10의 절단면 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 13은 도 12의 전지 모듈의 변형예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4의 셀 어셈블리에 포함된 하나의 전지 셀을 나타내는 사시도이다. 도 6은 도 4의 전지 모듈에 포함되어 있는 셀 어셈블리를 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6의 셀 어셈블리에 포함되어 있는 방열 부재를 나타내는 도면이다. 도 8은 도 6의 절단면 A-A'를 따라 자른 단면도이다.
도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀(110)이 일 방향으로 적층되어 형성된 셀 어셈블리(120), 셀 어셈블리(120)를 수납하도록 전후면이 개방된 모듈 프레임(200), 및 모듈 프레임(200)의 전면과 후면을 덮는 엔드 플레이트(150)를 포함한다.
엔드 플레이트(150)는 모듈 프레임(200)의 개방된 제1 측(x축 방향)과 제2 측(-x측 방향)에 위치하여 셀 어셈블리(120)를 덮도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(150)는 외부의 충격으로부터 셀 어셈블리(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다. 추가적으로, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 셀 어셈블리(120)와 엔드 플레이트(150) 사이에 위치하는 버스 바 프레임(미도시) 및 상기 버스 바 프레임과 엔드 플레이트(150) 사이에 위치하는 절연 커버(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 버스 바 프레임 상에서, 전지 셀(110)로부터 돌출된 전극 리드와 이웃하는 셀 간 전기적 연결을 위한 버스 바가 결합할 수 있다. 상기 절연 커버는 셀 어셈블리(120) 및/또는 버스바 프레임 상의 전기적 부품들과 엔드 플레이트(150) 사이의 전기적 절연을 위한 역할을 할 수 있다.
본 실시예에서 모듈 프레임(200)은 셀 어셈블리(120)의 상하좌우 4면을 둘러싸는 형태의 모노 프레임으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 U자형의 하부 프레임에 의해 셀 어셈블리(120)의 좌우면 및 하부면이 커버되고, 상부 플레이트에 의해 셀 어셈블리(120)의 상부면이 커버된 후, 상기 U자형의 하부 프레임과 상기 상부 플레이트가 결합되는 구조일 수도 있다.
도 4 및 5를 참고하면, 셀 어셈블리(120)는 일방향으로 적층된 복수의 전지셀(110)을 포함하고, 복수의 전지셀(110)은 도 4에 도시한 바와 같이 y축 방향으로 적층될 수 있다. 전지 셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 5를 참고하면 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 반대 방향을 향해 셀 바디(113)의 일 단부(114a)와 다른 일 단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 가질 수 있다. 전지 셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 양 측면(114c)을 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이를 전지 셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 연결부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
연결부(115)는 전지 셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗어 있는 영역이며, 연결부(115)의 단부에 전지 셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 돌출부(110p)는 연결부(115)의 양 단부 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 연결부(115)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부(110p)는 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)의 실링부(114sa, 114sb) 중 하나와 연결부(115) 사이에 위치할 수 있다.
셀 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 셀 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 셀 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 셀 어셈블리(120)를 형성할 수 있다.
본 실시예에서 셀 어셈블리(120)는 모듈 프레임(200) 내부에 수용되어 모듈 프레임(200) 안에 함침(impregnation)되어 있는 절연 냉각제에 의해 냉각이 진행될 수 있다. 절연 냉각제는 전기적으로 절연 성질을 갖는 절연 냉각수 또는 절연유일 수 있다. 모듈 프레임(200) 안에 절연 냉각제가 함침되어 냉각이 진행되면, 전지 셀(110)과 냉각제가 직접 접촉하여 냉각 효율을 높일 수 있다. 하지만, 도 5에 도시한 전지 셀(110)의 셀 바디(113)에 해당하는 부분은 절연 냉각제에 직접 노출되지 않기 때문에 냉각 성능의 공간적 뷸균일성을 일으킬 수 있다. 이렇게 되면, 전지 셀(110)의 국소적인 온도 상승을 야기하는 결과를 낳게 되고, 이에 따라 전지 셀 퇴화의 원인이 될 수 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀 어셈블리(120) 내에서 제1 전지 셀과 제2 전지 셀 사이에 개재되도록 방열 부재(130)가 형성되어 있다. 일례로, 서로 이웃하는 전지 셀(110) 사이에 방열 부재(130)가 배치될 수 있다. 방열 부재(130)는 2개의 전지 셀(110)마다 하나씩 형성될 수 있고, 또는 4개의 전지 셀(110)마다 하나씩 형성될 수도 있다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(130)는 전지 셀(110)의 일 면과 평행한 판상 부재(131)와, 판상 부재(131)의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나로부터 연장된 덮개 부재(132)를 포함한다. 일례로, 판상 부재(131)의 상기 제1 부분은 상부 가장자리이고, 상기 제2 부분은 하부 가장자리일 수 있다. 7의 실시예에 따른 덮개 부재(132)는 판상 부재(131)의 상부 가장자리로부터 연장된 구조이다.
방열 부재(130)는 열전도율이 높은 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본실시예에 따른 방열 부재(130)는 알루미늄, 스테인리스, 구리, 금, 그라파이트, 그래핀, CNT(탄소나노튜브) 또는 이들의 복합 소재를 포함한다. 일례로, 알루미늄-그라파이트 복합 소재를 사용하여 열전도도와 무게를 조절할 수 있다. 방열 부재(130)는 알루미늄, 스테인리스, 구리, 금, 그라파이트, 그래핀, 및 CNT(탄소나노튜브) 중 적어도 2 이상이 합지(lamination)된 형태를 가질 수 있다. 추가로 PET(polyethylene terephthalate) 절연층과 상기 복합 소재를 합지(lamination)함으로써 종래의 방열 부재로서 냉각 핀 구조 대비하여, 가볍고 얇은 소재로 효과적인 방열 구조를 형성할 수 있다. PET 절연층은 전지 셀(110)과 방열 부재(130) 사이의 절연을 구현할 수 있다. PET 절연층은 방열 부재(130)와 전지 셀(110) 사이에 배치되도록 알루미늄-그라파이트 복합 소재층의 전후면에 합지될 수 있다. 비교예로서 방열 부재(130)에 절연 코팅을 하게 되면, “ㄱ”자 형상 또는 “ㄷ”자 형상의 면 안쪽에 코팅액이 모일 수 있어 균일한 코팅 두께를 구현하기 힘들 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 방열 부재(130)는 셀 어셈블리(120)에서 발생하는 열을 외부로 효과적으로 전달할 수 있어, 전지 모듈(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 방열 부재(130)는 박막일 수 있다. 방열 부재(130)의 두께는 전지 셀(110)의 두께보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 방열 부재(130)의 두께는, 전지 셀(110)의 두께 대비하여 대략 50%이하이거나, 더 바람직하게는 20%이하일 수 있다. 여기서, 전지 셀(110)의 두께는 도 6의 y축 방향을 기준으로 한 크기일 수 있다.
방열 부재(130)의 두께는 0.1mm 내지 0.2mm일 수 있다. 따라서, 방열 부재(130)가 셀 어셈블리(120)를 구성하는 각각의 전지 셀(110)의 셀 바디(113)에 대응하는 면과, 전지 셀(110)의 상부 또는 하부를 덮는 면적이 크더라도, 전지 모듈의 에너지 밀도에 크게 영향을 미치지 않을 수 있다.
본 실시예에 따른 셀 어셈블리(120)의 좌우 가장 바깥에는 압축 패드(160)가 배치될 수 있다. 셀 어셈블리(120)가 모듈 프레임(200) 내에 수납되어 형성된 전지 모듈은, 압축 패드(160)에 의해 전지 셀(110)의 스웰링 시 전지 모듈 형상이 변경되는 것을 감소시켜 안전성을 높일 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(130)는 제1 방열 부재(130a)와 제2 방열 부재(130b)를 포함한다. 도 8은 도 6의 절단면 A-A'를 따라 자른 단면도이나, 도 4에 도시한 바와 같이 셀 어셈블리(120)가 모듈 프레임(200)에 수납된 이후의 절단면을 도시한 것이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제1 방열 부재(130a)는 전지 셀(110)의 셀 바디와 마주보는 제1 판상 부재(131a)와, 제1 판상 부재(131a)의 하부 가장자리로부터 연장된 제1 덮개 부재(132a)를 포함하고, 제2 방열 부재(130b)는 전지 셀(110)의 셀 바디와 마주보는 제2 판상 부재(131b)와, 제2 판상 부재(131b)의 상부 가장자리로부터 연장된 제2 덮개 부재(132b)를 포함할 수 있다. 제1 덮개 부재(132a)는 제2 판상 부재(131b)의 하부 가장자리를 향해 뻗어 있고, 제2 덮개 부재(132b)는 제1 판상 부재(131a)의 상부 가장자리를 향해 뻗어 있다.
전지 셀(110)에서 발생한 열은 판상 부재(131a, 131b)을 따라 전달되고, 덮개 부재(132a, 132b)가 절연 냉각제와 직접 접촉함으로써 냉각 효과가 발휘될 수 있다. 모듈 프레임(200)과 셀 어셈블리(120) 사이에는 갭 공간(GS)이 형성되고, 이러한 갭 공간(GS)에는 절연 냉각제가 삽입되어 냉각 유로(cooling path)를 형성할 수 있다. 갭 공간(GS)은 모듈 프레임(200) 내에 형성된 얇은 틈일 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 덮개 부재(132a)와 전지 셀(110) 하부 사이 및/또는 제2 덮개 부재(132b)와 전지 셀(110) 상부 사이에 이격 공간이 형성되어 해당 부분으로도 절연 냉각제가 흐르게 되어 냉각 효과를 더욱 높일 수 있다.
이처럼 본 실시예에 따르면, 절연 냉각제가 모듈 프레임(200) 내에 함침된 냉각 구조에서 전지 셀(110) 사이에 개재된 방열 부재(130)가 셀 어셈블리(120) 상부 및/또는 하부에서 연장되어 절연 냉각제에 직접 접촉함으로써 냉각 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 전지 셀(110)의 셀 바디와 접촉하는 방열 부재(130)의 판상 부재(131)로부터 열이 전지 모듈의 상하부로 모두 전달되기 때문에 온도 편차가 크게 나타나지 않기 때문에 전지 셀(110)의 수명을 늘릴 수 있다.
변형 실시예로서, 갭 공간(GS)에 열전도성 수지층을 추가로 형성하여 방열 부재(130)에서 전달된 열을 모듈 프레임(200) 외부로 배출시킴으로써 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다. 상기 열전도성 수지층은 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지층은, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 셀 어셈블리(120)를 구성하는 복수의 전지 셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지 셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 상측과 하측으로 전달하여 전지 모듈의 과열을 방지할 수 있다.
여기서, 갭 공간(GS)에 열전도성 수지층이 형성된 경우라 하더라도, 열전도성 수지층과 그 주변의 구성인 모듈 프레임(200) 및/또는 셀 어셈블리(120) 사이에 좀 더 좁은 갭 공간이 남아 있을 수 있고, 이러한 갭 공간을 통해 절연 냉각제가 함침될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 방열 부재(120)와 절연 냉각제가 직접 접촉하여 냉각 효과를 구현할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은, 서로 이웃하는 전지 셀(110) 사이에 위치하는 압축 패드(161)를 더 포함할 수 있다. 앞서 서술한 바와 같이 셀 어셈블리(120)의 좌우 가장 바깥에는 압축 패드(160)가 배치될 수 있지만, 추가적으로 셀 어셈블리(120) 내부에서도 압축 패드(161)가 형성되어 전지 셀(110)의 스웰링 시 발생하는 충격 등을 완화할 수 있다. 이러한 압축 패드(160, 161)는 상술한 부분에 형성되는 것 외에, 덮개 부재(132)와 모듈 프레임(200) 사이에 추가적으로 형성될 수 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 상부 압축 패드(163)는 제2 방열 부재(130b)의 제2 덮개 부재(132b)와 모듈 프레임(200) 상부 사이에 위치하고, 하부 압축 패드(163)는 제1 방열 부재(130a)의 제1 덮개 부재(132a)와 모듈 프레임(200) 하우 사이에 위치할 수 있다. 덮개 부재(132)와 모듈 프레임(200) 사이에 형성되는 압축 패드(163)는, 전지 셀(110)에서 발생한 열이 방열 부재(130)에 효율적으로 전달될 수 있도록 덮개 부재(132)가 전지 셀(110)의 상부 및/또는 하부에 고정되도록 할 수 있다. 또한, 덮개 부재(132)와 모듈 프레임(200) 사이에 형성되는 압축 패드(163)는, 전지 모듈에 대한 외부 충격을 완화하는 역할을 할 수도 있다.
앞에서 설명한 압축 패드(160, 161, 163) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
또 다른 변형 실시예로서, 갭 공간(GS)은 얇은 틈으로 되어 있고, 앞에서 설명한 압축 패드(163) 자리에 열전도성 수지층이 형성될 수도 있다. 상기 열전도성 수지층이 추가로 형성됨으로써 방열 부재(130)에서 전달된 열을 모듈 프레임(200) 외부로 배출시킴으로써 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 9는 도 8의 전지 모듈의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 9를 참고하면, 도 8의 실시예에서 설명한 내용 대부분이 본 실시예에 적용되고, 이하에서는 차이가 있는 부분에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임(200)과 전지 셀(110) 사이에 위치하는 압축 패드(164)를 더 포함하고, 이때, 덮개 부재(132a, 132b)는 압축 패드(164)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로, 모듈 프레임(200) 바닥부와 전지 셀(110)의 하부 사이에 압축 패드(164)가 형성되고, 모듈 프레임(200) 상부와 전지 셀(110)의 상부 사이에 압축 패드(164)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 압축 패드(164)를 상술한 바와 같이 배치함으로써, 방열 부재(130)와 절연 냉각제가 직접 접촉하는 면적이 커짐에 따라 냉각 효과가 더 향상될 수 있다. 구체적으로, 압축 패드(164) 두께만큼 판상 부재(131)가 절연 냉각제에 노출되는 부분이 커지게 되어 냉각 효율이 향상될 수 있다.
이때, 압축 패드(164)와 전지 셀(110) 하부 사이 및/또는 압축 패드(164)와 전지 셀(110) 상부 사이에 이격 공간이 형성되어 해당 부분으로도 절연 냉각제가 흐르게 되어 냉각 효과를 더욱 높일 수 있다.
도 10은 도 6의 전지 모듈의 변형예를 나타내는 사시도이다. 도 11은 도 10의 셀 어셈블리에 포함되어 있는 방열 부재를 나타내는 도면이다. 도 12는 도 10의 절단면 B-B'를 따라 자른 단면도이다.
도 10을 참고하면, 도 6 내지 도 8의 실시예에서 설명한 내용 대부분이 본 실시예에 적용되고, 이하에서는 차이가 있는 부분에 대해서 설명하기로 한다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(230)는 전지 셀(110)의 일 면과 평행한 판상 부재(231)와, 판상 부재(231)의 상부 가장자리와 하부 가장자리에서부터 각각 연장된 덮개 부재(232)를 포함한다. 도 11의 실시예에 따른 덮개 부재(232)는, 판상 부재(231)의 상부 가장자리로부터 연장된 제1 덮개 부재(232)와, 판상 부재(231)의 하부 가장자리로부터 연장된 제2 덮개 부재(232)를 포함하고, 제1, 2 덮개 부재(232)는 서로 평행할 수 있다.
도 12를 참고하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(230)는 제1 방열 부재(230a)와 제2 방열 부재(230b)를 포함한다. 도 11은 도 10의 절단면 B-B'를 따라 자른 단면도이나, 도 4에 도시한 바와 같이 셀 어셈블리(120)가 모듈 프레임(200)에 수납된 이후의 절단면을 도시한 것이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 제1 방열 부재(230a)는 전지 셀(110)의 셀 바디와 마주보는 제1 판상 부재(231a)와, 제1 판상 부재(231a)의 상부 가장자리와 하부 가장자리로부터 각각 연장된 제1 덮개 부재(232a)를 포함하고, 제2 방열 부재(230b)는 전지 셀(110)의 셀 바디와 마주보는 제2 판상 부재(231b)와, 제2 판상 부재(231b)의 상부 가장자리와 하부 가장자리로부터 각각 연장된 제2 덮개 부재(232b)를 포함할 수 있다. 2개의 제1 덮개 부재(232a) 각각은 제2 판상 부재(231b)의 상부 가장자리 및 하부 가장자리를 향해 뻗어 있고, 2개의 제2 덮개 부재(232b) 각각은 제1 판상 부재(231a)의 상부 가장자리 및 하부 가장자리를 향해 뻗어 있다.
전지 셀(110)에서 발생한 열은 판상 부재(231a, 231b)를 따라 전달되고, 판상 부재(231a, 231b)와 연결되는 덮개 부재(232a, 232b)가 절연 냉각제와 직접 접촉함으로써 냉각 효과가 발휘될 수 있다. 모듈 프레임(200)과 셀 어셈블리(120) 사이에는 갭 공간(GS)이 형성되고, 이러한 갭 공간(GS)에는 절연 냉각제가 삽입되어 냉각 유로(cooling path)를 형성할 수 있다. 갭 공간(GS)은 모듈 프레임(200) 내에 형성된 얇은 틈일 수 있다.
이처럼 본 실시예에 따르면, 절연 냉각제가 모듈 프레임(200) 내에 함침된 냉각 구조에서 전지 셀(110) 사이에 개재된 방열 부재(230)가 셀 어셈블리(120) 상부 및/또는 하부에서 연장되어 절연 냉각제에 직접 접촉함으로써 냉각 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 전지 셀(110)의 셀 바디와 접촉하는 방열 부재(230)의 판상 부재(231)로부터 열이 전지 모듈의 상하부로 모두 전달되기 때문에 온도 편차가 크게 나타나지 않기 때문에 전지 셀(110)의 수명을 늘릴 수 있다.
또, 제1 판상 부재(231a)의 상부 가장자리로부터 연장된 제1 덮개 부재(232a)와 전지 셀(110)의 상부 사이, 제2 판상 부재(231b)의 상부 가장자리로부터 연장된 제2 덮개 부재(232b)와 전지 셀(110)의 상부 사이, 제1 판상 부재(231a)의 하부 가장자리로부터 연장된 제1 덮개 부재(232a)와 전지 셀(110)의 하부 사이, 및 제2 판상 부재(231b)의 하부 가장자리로부터 연장된 제2 덮개 부재(232b)와 전지 셀(110)의 하부 사이에 이격 공간이 형성되어 해당 부분으로도 절연 냉각제가 흐르게 되어 냉각 효과를 더욱 높일 수 있다.
도 13은 도 12의 전지 모듈의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 13을 참고하면, 도 12의 실시예에서 설명한 내용 대부분이 본 실시예에 적용되고, 이하에서는 차이가 있는 부분에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임(200)과 전지 셀(110) 사이에 위치하는 압축 패드(164)를 더 포함하고, 이때, 덮개 부재(232a, 232b)는 압축 패드(164)와 모듈 프레임(200) 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로, 모듈 프레임(200) 바닥부와 전지 셀(110)의 하부 사이에 압축 패드(164)가 형성되고, 모듈 프레임(200) 상부와 전지 셀(110)의 상부 사이에 압축 패드(164)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 압축 패드(164)를 상술한 바와 같이 배치함으로써, 방열 부재(230)와 절연 냉각제가 직접 접촉하는 면적이 커짐에 따라 냉각 효과가 더 향상될 수 있다. 구체적으로, 압축 패드(164) 두께만큼 판상 부재(231)가 절연 냉각제에 노출되는 부분이 커지게 되어 냉각 효율이 향상될 수 있다.
이때, 압축 패드(164)와 전지 셀(110) 하부 사이 및/또는 압축 패드(164)와 전지 셀(110) 상부 사이에 이격 공간이 형성되어 해당 부분으로도 절연 냉각제가 흐르게 되어 냉각 효과를 더욱 높일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다. 더불어, 본 실시예에 따른 전지 팩은 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
110: 전지 셀
113: 셀 바디
120: 셀 어셈블리
130, 230: 방열 부재
130a, 230a: 제1 방열 부재
130b, 230b: 제2 방열 부재
131, 231: 판상 부재
131a, 231a: 제1 판상 부재
131b, 231b: 제2 판상 부재
132, 232: 덮개 부재
132a, 232a: 제1 덮개 부재
132b, 232b: 제2 덮개 부재
160, 161, 163, 164: 압축 패드
200: 모듈 프레임

Claims (15)

  1. 복수의 전지 셀이 일 방향을 따라 적층되어 있는 셀 어셈블리,
    상기 셀 어셈블리 내에서 제1 전지 셀과 제2 전지 셀 사이에 개재되는 방열 부재, 및
    상기 셀 어셈블리를 수납하는 모듈 프레임을 포함하고,
    상기 방열 부재는 상기 전지 셀의 일 면과 평행한 판상 부재와, 상기 판상 부재의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나로부터 연장된 덮개 부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 방열 부재에 포함되는 상기 판상 부재와 상기 덮개 부재는 일체형으로 형성되고, 상기 덮개 부재는 상기 판상 부재가 벤딩되어 형성되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 방열 부재는 알루미늄, 스테인리스, 구리, 금, 그라파이트, 그래핀, CNT(탄소나노튜브) 또는 이들의 복합 소재를 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 방열 부재는 알루미늄, 스테인리스, 구리, 금, 그라파이트, 그래핀, 및 CNT(탄소나노튜브) 중 적어도 2 이상이 합지(lamination)된 형태를 갖는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임 안에 절연 냉각제가 함침되어 있는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체 사이에 갭 공간이 형성되고, 상기 갭 공간에 상기 절연 냉각제가 함침되며, 상기 덮개 부재와 상기 절연 냉각제가 직접 접촉하는 전지 모듈.
  7. 제5항에서,
    상기 모듈 프레임과 상기 셀 어셈블리 사이에 갭 공간이 형성되고, 상기 갭 공간에 냉각 유로가 형성되는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 냉각 유로는 상기 모듈 프레임 상부와 상기 셀 어셈블리 사이의 갭 공간과 상기 모듈 프레임 하부와 상기 셀 어셈블리 사이의 갭 공간에 모두 형성되는 전지 모듈.
  9. 제7항에서,
    상기 갭 공간에는 상기 절연 냉각제가 함침되어 있는 전지 모듈.
  10. 제7항에서,
    상기 갭 공간에 형성되는 열전도성 수치층을 더 포함하는 전지 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 덮개 부재와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함하는 전지 모듈.
  12. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임과 상기 전지 셀 사이에 위치하는 압축 패드를 더 포함하고,
    상기 덮개 부재는 상기 압축 패드와 상기 모듈 프레임 사이에 위치하는 전지 모듈.
  13. 제1항에서,
    상기 판상 부재의 두께는 상기 전지 셀의 두께 대비하여 50% 이하인 전지 모듈.
  14. 제12항에서,
    상기 판상 부재의 두께는 상기 전지 셀의 두께 대비하여 20% 이하인 전지 모듈.
  15. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.

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