KR101145719B1 - 우수한 방열 특성의 전지모듈 및 중대형 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들을 포함하고 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 구조로 이루어진 전지모듈을 제공한다.

Description

우수한 방열 특성의 전지모듈 및 중대형 전지팩 {Battery Module Having Excellent Heat Dissipation Ability and Battery Pack Employed with the Same}
본 발명은 우수한 방열 특성의 전지모듈 및 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들을 포함하고 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 구조로 이루어진 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전지모듈의 크기를 고려하여, 많은 전지셀들을 적층할수록 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로들을 형성하게 되는데, 이로 인해 냉각 구조의 설계가 복잡해지는 문제점이 발생한다. 즉, 냉매의 유입구 대비 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로는 높은 압력 손실을 유발하게 되어, 냉매의 유입구 및 배출구의 형태와 위치 등을 설계하는데 많은 어려움이 따른다. 또한, 이러한 압력 손실을 방지하기 위하여 팬이 추가적으로 설치되기도 하므로, 전력 소모와 팬 소음, 공간 등과 같이 설계상의 제약이 따를 수 있다.
더욱이, 냉각 구조의 구성시 사용되는 부재들 사이에 존재하는 열전도 저항으로 인해, 설계시에 의도한 냉각 효율성이 얻어지지 못하는 경우가 자주 발생한다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 공냉을 통한 열전도에 의해 열을 제거함으로써, 전지모듈 전체의 크기 증가를 억제하면서 전체온도를 균일하게 하여 온도편차를 줄일 수 있는 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전지모듈의 구성시 사용되는 부재들 사이에 존재하는 열전도 저항을 최소화하여, 동일한 구조에서 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은, 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들을 포함하고 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 구조로 이루어져 있다.
일반적으로, 전지모듈은 냉매 유로의 형성을 위해 전지셀들을 소정의 거리만큼 이격된 상태로 적층하여 구성하고, 이러한 이격된 공간으로 공기를 유동('공냉식')시켜 전지셀들의 과열을 방지하고 있으나, 충분한 방열 효과는 얻고 있지 못하는 실정이다.
이에 반해, 본 발명의 전지모듈은 둘 이상의 전지셀 계면들에 다수의 방열부재를 개재함으로써, 전지셀들 사이에 이격 공간을 필요로 하지 않거나 매우 작은 이격 공간만으로도, 종래의 냉각 시스템보다 높은 효율성으로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 방열 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 전지셀들을 적층할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈은, 방열부재들을 일체로 연결하는 공냉용 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 추가로 장착되어 있고, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 경유하여 공냉용 열교환 부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 구조의 전지모듈은 둘 이상의 전지셀 계면들에 다수의 방열부재를 개재하고, 이를 일체로 연결하는 공냉용 열교환 부재를 전지셀 적층체의 일측에 부가함으로써, 전지셀로부터 발생한 열을 열전도에 의해 더욱 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 전지셀은 바람직하게는 열융착을 위한 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 우수한 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 가벼운 중량의 파우치형 전지일 수 있다.
바람직하게는, 상기 전지셀이 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있는 구조일 수 있으며, 이러한 구조는 외주면 단부 부위에 열융착에 의한 실링부가 형성되어 있는 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 구조에서, 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 상기 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 전지셀이 내장된 다수 개의 카트리지들을 적층하고 상기 카트리지 사이에 방열부재를 개재하였을 때, 프레임 외면에 장착된 상기 탄성 가압부재는 카트리지 적층체의 구조적 안정성을 높이고, 방열부재가 카트리지 적층체에 효과적으로 고정될 수 있도록 해 준다.
상기 카트리지는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있으므로, 1 개의 전지셀이 장착되는 경우뿐만 아니라, 2 개 이상의 전지셀이 장착되는 구조로 가능하다. 예를 들어, 카트리지의 내부에 2 개의 전지셀들이 장착되는 구조에서는, 전지셀들 사이에 중간 프레임을 추가로 장착함으로써, 하나의 전지셀이 상부 프레임과 중간 프레임 사이에 장착되고, 나머지 전지셀이 중간 프레임과 하부 프레임 사이에 장착될 수 있다. 이러한 구조에서도, 방열부재가 각 전지셀의 외면에 접하게 되도록 구성할 수 있으므로, 열전도에 의한 방열효과를 발휘할 수 있다.
상기 탄성 가압부재는 프레임 상에 장착되어 전지모듈의 구성시 방열부재를 고정할 수 있는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 프레임의 외면 중 상측과 하측, 및/또는 좌측과 우측 상에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 방열부재가 프레임 외면에 장착된 탄성 가압부재에 의해 효과적으로 밀착 가압되어, 프레임에 대한 방열부재의 고정력을 높여주는 역할을 하므로, 방열부재의 고정을 위한 추가적인 부재의 사용을 필요로 하지 않는다.
경우에 따라서는, 탄성 가압부재가 전지셀의 실링부에 접하는 프레임의 내면에 추가로 장착될 수 있음은 물론이다.
하나의 바람직한 예에서, 전지셀은 개방 측면이 프레임으로부터 돌출된 상태로 프레임에 장착되고, 탄성 가압부재는 전지셀 개방 측면의 돌출 높이보다 큰 높이로 프레임의 외면에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 전지셀의 높이보다 낮게 형성된 프레임은 전지셀의 외주부만을 고정하므로, 돌출된 개방 측면을 통해 효과적인 방열을 이룰 수 있다. 또한, 전지셀의 돌출된 개방 측면의 높이보다 높게 장착된 탄성 가압부재는, 방열부재 개재시 전지셀의 개방 측면까지 효과적으로 가압하면서 밀착시킬 수 있으므로, 이를 사용하는 전지모듈의 크기 증가를 유발하지 않으면서 전체적인 기계적 강성을 높일 수 있다.
프레임의 외면에 장착되는 탄성 가압부재는 압박시 탄성 가압력을 발휘하는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 탄성적 물성의 고분자 수지를 포함하는 것일 수 있다. 이러한 고분자 수지는 소재 자체의 특성상 탄성력을 발휘하거나 또는 구조 내지 형태 상으로 탄성력을 발휘하는 소재일 수 있다. 전자의 대표적인 예로는 고무를 들 수 있으며, 후자의 예로는 고분자 수지를 발포한 구조 등을 들 수 있다.
상기 프레임 상에 탄성 가압부재를 장착하는 방식은 다양할 수 있으며, 더욱 효율적인 장착을 위해, 바람직하게는 프레임의 외면에 그루브가 형성되어 있고, 탄성 가압부재는 그러한 그루브 상에 장착되는 구조일 수 있다.
탄성 가압부재의 폭은 프레임의 폭을 기준으로 10% 이상의 폭 크기를 가질 수 있다. 프레임의 폭을 기준으로 탄성 가압부재의 폭이 너무 작은 경우에는 그것의 장착에 따른 효과를 발휘하기 어려울 수 있으며, 이와는 반대로, 탄성 가압부재의 폭이 너무 큰 경우에는, 압박시 탄성 변형된 가압부재가 방열부재의 많은 면을 커버하여 방열 효과를 저하시킬 수 있으며, 또는 프레임 외부로 돌출될 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 문제점을 유발하지 않는다면 탄성 가압부재의 폭이 상기 범위를 넘어설 수도 있음은 물론이다.
한편, 상기 방열부재는 열전도성의 소재라면 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 열전도율이 20 내지 500 W/(m?K)인 판재로 이루어질 수 있다. 이러한 판재의 예로는 알루미늄, 구리, 폴리머 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
상기 방열부재들은 각각의 전지셀 계면에 개재될 수도 있고, 일부의 전지셀 계면들에만 개재될 수도 있다. 예를 들어, 방열부재들이 각각의 전지셀 계면에 개재되는 경우, 각각의 전지셀들은 양면에서 서로 다른 방열부재들과 접촉 상태를 이루게 된다. 반면에, 방열부재가 일부의 전지셀 계면들에만 개재되는 경우, 양면 중 일면에서만 방열부재와 접촉 상태를 이루는 전지셀들이 일부 존재할 수 있다.
상기 공냉용 열교환 부재 또한, 열전도성이 우수한 소재라면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는, 열전도율이 20 내지 500 W/(m?K)인 소재로 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 방열부재와 공냉용 열교환 부재가 상호 연결됨으로써 효율적으로 열전달을 이룰 수 있다.
바람직하게는, 방열부재는 그것의 적어도 일부가 적층된 전지셀들의 외부로 노출된 상태로 전지셀들 사이의 계면에 개재되어 있으며, 상기 외부로 노출된 부위는 전지셀의 측면쪽으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 전지셀들 사이의 계면에 개재된 방열부재는 전지셀에서 발생한 열을 전도하여, 절곡된 구조를 통해 공냉용 열교환 부재 등으로 용이하게 전달하므로, 전지셀의 방열을 효과적으로 수행할 수 있다.
공냉용 열교환 부재는 방열부재의 절곡된 부위의 상부에 장착될 수 있으며, 상기 장착 방법은 용접이나, 기계적 체결 등 다양하게 이루어질 수 있다. 따라서, 전지셀에서 발생한 열이 전지셀들 사이에 개재된 방열부재로 전달되고, 전지셀 적층체의 일측에 장착된 공냉용 열교환 부재를 통해 효과적으로 제거될 수 있다.
상기 구조에서, 방열부재와 공냉용 열교환 부재 사이에서 보다 효율적으로 열전달이 이루어질 수 있도록, 바람직하게는 상기 방열부재의 절곡된 부위의 상부와 상기 공냉용 열교환 부재 사이에는 열전도 매개체가 추가로 개재되어 있을 수 있다. 여기서, 열전도 매개체(Thermal Interface Material; T.I.M)는 열을 전도하는 기능의 계면물질로서, 열저항을 최소화시키는 역할을 한다. 상기 열전도 매개체의 예로서, 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape), 흑연 시트(graphite sheet) 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 이들은 단독으로 사용될 수도 있고 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
이와 같이, 상기 방열부재의 절곡된 부위의 상부와 넓은 열대류 면적을 가지는 공냉용 열교환 부재 사이에, 금속간의 접촉에 의해 발생될 수 있는 열 저항을 최소시킬 수 있는 열전도 매개체를 개재함으로써, 상기 공냉용 열교환 부재로의 열전달을 더욱 효율적으로 달성할 수 있다.
더욱이, 이러한 열전도 매개체의 부가는 높은 열전도 효율성에 의해 공냉용 열교환 부재의 구조를 다양한 형태로 설계하는 것을 가능하게 한다.
상기 열전도 매개체는, 그것의 종류에 따라, 방열부재 및/또는 공냉용 열교환 부재의 상호 접촉 부위에 도포 방식으로 부가될 수도 있고, 별도의 부재인 시트 형태로 부가될 수도 있다.
상기 공냉용 열교환 부재는, 예를 들어, 방열부재들이 하단면에 밀착되어 있는 기저부 및 상기 기저부로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 전지셀로부터 방열부재로 전달된 열이 기저부의 하단면을 경유하여 전도되고, 넓은 표면적을 가진 다수의 방열핀들로부터 열대류를 이루면서 열이 외부로 제거되므로, 전지셀의 방열을 효과적으로 수행할 수 있다.
전지셀들은 열전도 매개체를 통해 방열부재로부터 공냉용 열교환 부재로 매우 효과적으로 열전도를 이룸으로써, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 공냉용 열교환 부재, 특히, 방열핀들을 보다 유연성 있게 구성할 수 있다.
구체적으로, 공냉용 열교환 부재의 방열핀들은 상기 기저부로부터 길이방향으로 상향 연장되어 있는 구조일 수도 있고, 또는 상기 기저부로부터 폭 방향으로 상향 연장되어 있는 구조일 수도 있다.
공냉용 열교환 부재의 방열 효율은 그것의 표면적에 의해 크게 좌우된다. 여기서, 공냉용 열교환 부재의 표면적은 기저부 및 상기 기저부로부터 상향 연장되어 있는 방열핀들의 외부로 노출된 표면 면적의 합을 의미한다. 예를 들어, 공냉용 열교환 부재의 표면적은 기저부의 너비, 방열핀들의 높이 및 간격 등에 의해 주로 결정될 수 있다. 따라서, 기저부의 넓이가 넓고, 방열핀들의 높이가 높으며, 방열핀들의 간격이 좁을수록 보다 큰 표면적이 얻어질 수 있다.
이러한 공냉용 열교환 부재의 표면적이 클수록 방열 효율이 커질 수 있지만, 예를 들어, 보다 넓은 표면적의 확보를 위해 방열핀들의 간격을 너무 조밀하게 만들면, 냉매의 유동 저항이 커져 오히려 냉각 효율성이 저하되고, 그로 인해 크기 증가 대비 방열 효율이 떨어지며, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되므로 바람직하지 않다.
이러한 점들을 종합적으로 고려할 때, 공냉용 열교환 부재의 표면적은 전지셀의 표면적을 기준으로 바람직하게는 7 내지 15 배일 수 있다.
한편, 상기 공냉용 열교환 부재는 길이, 폭, 및 높이가 최소의 크기로 최대의 방열 효율을 가질 수 있는 범위에서 필요에 따라 선택될 수 있으며, 예시적으로, 전지셀 적층체의 길이, 폭, 및 높이를 기준으로 각각 30 내지 70%의 크기, 50 내지 120%의 크기, 및 20 내지 50%의 크기로 이루어질 수 있다.
한편, 공냉용 열교환 부재는 전지셀 적층체의 일측에 장착되어 전지셀로부터 발생한 열을 용이하게 제거하는 위치라면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는, 모듈 케이스의 상단면 또는 하단면, 더욱 바람직하게는 모듈 케이스의 상단면 상에 장착될 수 있다. 따라서, 전지셀에서 발생한 열이 모듈 케이스 외부에서 높은 효율성으로 방열될 수 있다.
경우에 따라서는, 공냉용 열교환 부재가 장착되는 모듈 케이스의 상단부 또는 하단부에는 공냉용 열교환 부재를 수용할 수 있는 크기의 만입부가 형성되어 있고, 상기 만입부 상에 장착된 공냉용 열교환 부재의 높이는 모듈 케이스의 상단면 또는 하단면의 높이와 동일하거나 그 보다 낮은 구조로 형성되어 있을 수 있다. 이러한 구조는, 다수의 전지모듈들을 공냉용 열교환 부재가 장착된 방향으로 적층하는 경우에도, 공냉용 열교환 부재로 인한 적층의 어려움이 없으므로, 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제조함에 있어서 바람직할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈은, 앞서 설명한 바와 같이, 방열부재를 통한 간접 냉각방식이기 때문에 전지모듈의 특성 및 구성에 따라 공냉용 열교환 부재를 길이방향 및 폭방향으로 유연하게 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 유연한 구성은 냉각 팬의 설치 위치, 유동 구조 등과 관련한 인자들에 대한 다양한 설계를 가능하게 하므로, 매우 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 따른 특정한 구조의 방열부재는 판상형 전지셀로서 앞서 설명한 바와 같은 파우치형 전지셀 뿐만 아니라 각형 전지셀들로 구성된 전지모듈에도 적용될 수 있음은 물론이다.
따라서, 본 발명은 다수의 각형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈을 제공한다.
구체적으로는, 상기 각형 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 각형 캔의 내부에 밀봉되어 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들을 포함하고 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명의 전지모듈은 둘 이상의 각형 전지셀 계면들에 다수의 방열부재를 개재함으로써, 각형 전지셀들 사이에 이격 공간을 필요로 하지 않거나 매우 작은 이격 공간만으로도, 종래의 냉각 시스템보다 높은 효율성으로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 방열 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 각형 전지셀들을 적층할 수 있다.
이와 같이 각형 전지셀에 기반한 전지모듈에도, 앞서 설명한 바와 같은 공냉용 열교환 부재가 추가로 장착될 수 있음은 물론이다.
즉, 방열부재들을 일체로 연결하는 공냉용 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 추가로 장착되어 있고, 충방전시 각형 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 경유하여 공냉용 열교환 부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 구조일 수 있다.
또한, 본 발명은, 전지셀 계면들에 개재되는 둘 또는 그 이상의 방열부재들; 및 상기 방열부재들의 일측에 연결되어 있고, 상기 방열부재들로부터 전달되는 열을 제거하는 공냉용 열교환 부재;를 포함하는 구조로 이루어진 냉각장치를 제공한다.
이러한 냉각장치는 그 자체로 신규한 부재이며, 앞서 설명한 바와 같은 다양한 잇점들을 발휘한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 공냉용 열교환 부재는, 앞서 설명한 바와 같이, 방열부재들이 하단면에 밀착되어 있는 기저부, 및 상기 기저부로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 중대형 전지팩의 경우 고출력 대용량의 성능 확보를 위해 다수의 전지셀들이 사용되는 바, 이러한 전지팩을 구성하는 전지모듈들은 안전성의 확보를 위해 더욱 높은 방열 효율성이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기 전지모듈을 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조되는 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 전지팩은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 전지셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 등의 전원에 바람직하게 사용될 수 있다.
특히, 장시간에 걸쳐 전지팩을 통한 높은 출력이 요구되는 전기자동차와 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 경우, 높은 방열 특성이 요구되는 바, 그러한 측면에서 본 발명에 따른 전지팩은 전기자동차와 플러그-인 하이브리드 전기자동차에 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지의 방열을 촉진하기 위한 방열부재가 전지셀 계면들에 개재되어 있는 구조로 이루어져 있으므로, 전지모듈의 크기 증가를 최소화하면서 전지셀에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.
도 1은 판상형 전지셀의 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지셀을 내부에 장착하고 있는 전지 카트리지의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지 카트리지의 A 방향에 따른 수직 단면도이다;
도 4는 2 개의 전지셀들을 포함하는 전지 카트리지의 분해도이다;
도 5는 도 4의 전지 카트리지의 사시도이다;
도 6은 도 2의 전지 카트리지 사이에 방열부재가 개재되는 전지모듈의 모식도이다;
도 7은 도 6의 방열부재의 모식도이다;
도 8은 길이방향으로 연장된 열교환 부재를 확대한 구조의 모식도이다;
도 9는 폭 방향으로 연장된 열교환 부재를 확대한 구조의 모식도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 일측에 열교환 부재가 장착되기 전의 모식도이다;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 일측에 열교환 부재를 장착한 구조의 모식도이다;
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모듈케이스의 일측에 열교환 부재를 장착한 구조의 모식도이다;
도 13 및 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 모식도들이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 판상형 전지셀의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 판상형 전지셀(100)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스(110)에 내장된 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(도시하지 않음)로 구성되어 있고, 전지케이스(110)의 상부와 하부에 전극조립체와 전기적으로 연결된 양극단자(120)와 음극단자(130)가 외부로 돌출되어 있다.
도 2에는 도 1의 전지셀을 내부에 장착하고 있는 전지 카트리지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전지 카트리지의 A 방향에 따른 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지 카트리지(200)는 판상형 전지셀(100)을 내부에 장착하고 있고, 전지셀(100)의 전극단자(120, 130)들이 외부로 돌출되어 있다.
전지 카트리지(200)는 전지셀(100)의 측면이 개방된 상태에서 전지셀(100)의 외주부 양면을 고정하는 한 쌍의 판상형 프레임들(300, 302)로 구성되어 있다.
프레임들(300, 302)의 외면 중 좌측과 우측 상에는 탄성 가압부재들(310, 320, 312, 322)이 길이방향으로 평행하게 장착되어 있다.
또한, 전지셀(100)은 개방 측면이 프레임들(300, 302)로부터 돌출된 상태로 프레임들(300, 302)에 장착되고, 탄성 가압부재들(310, 320, 312, 322)은 전지셀(100) 개방 측면의 돌출 높이(h)보다 큰 높이(H)로 프레임들(300, 302)의 외면에 장착되어 있다. 따라서, 방열부재(도시하지 않음) 개재시 탄성 가압부재들(310, 320, 312, 322)은 방열부재(도시하지 않음)에 대해 탄성 가압력을 발휘할 수 있다. 또한, 개재된 방열부재(도시하지 않음)는 탄성 가압부재들(310, 320, 312, 322)에 의해 전지셀(100)의 개방 측면까지 효과적으로 가압하면서 밀착시킬 수 있으므로, 이를 사용하는 전지모듈의 크기 증가를 유발하지 않으면서 효과적인 방열을 달성할 수 있다.
도 4에는 2 개의 전지셀들을 포함하는 전지 카트리지의 분해도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전지 카트리지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지 카트리지(200a)는 2개의 판상형 전지셀들(100, 102)을 적층하여 내부에 장착하고 있고, 전지셀들(100, 102)의 사이에 중간 프레임(301)이 추가로 장착되어 있는 점을 제외하고는 도 2와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 구조에서, 방열부재(도시하지 않음)가 전지셀(100, 102)의 외면 각각에 접하도록 설치되어도 열전도에 의해 우수한 방열효과를 발휘할 수 있으므로, 도 2의 구조와 비교하여, 한 쌍의 프레임(300, 302) 및 중간 프레임(301)에 장착된 탄성 가압부재(310, 320)에 의해 밀착 가압되어, 결과적으로 전지모듈의 크기 증가를 최소화하면서 효과적인 방열을 달성할 수 있다.
도 6에는 도 2의 전지 카트리지 사이에 방열부재가 개재되는 전지모듈(400)의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 방열부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 8개의 카트리지들(200)이 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈(400)에서, 4개의 방열부재들(500)은 카트리지들(200)의 일부 계면에 개재되어, 카트리지(200)에서 발생한 열(정확하게는 카트리지에 내장된 전지셀로부터 발생한 열)이 방열부재(500)로 전도되면서 높은 방열 효과를 발휘할 수 있다.
8개의 카트리지들(200) 중 프레임(300)의 외면에 장착된 탄성 가압부재들(310, 320)은 방열부재(500)가 안정적으로 프레임(300)에 장착 및 고정되는 것을 돕는다.
한편, 각각의 방열부재들(510, 520, 530, 540)은 열전도성이 높은 구리 판재로서, 외부로 노출된 각각의 부위들(511, 521, 531, 541)은 카트리지(200)의 측면쪽으로 절곡되어 있다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 공냉용 열교환 부재의 모식도가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 공냉용 열교환 부재(600)는 방열부재들(500)이 하단면에 밀착되어 있는 기저부(610)와, 기저부(610)로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들(620)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
공냉용 열교환 부재(600)는 높은 열전도성의 알루미늄 소재로 이루어져 있으며, 방열핀들(620)은 기저부(610)로부터 길이방향(l)으로 상향 연장되어 있다.
도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공냉용 열교환 부재의 모식도가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 공냉용 열교환 부재(601)의 방열핀들(630)은 기저부(612)로부터 폭 방향(w)으로 상향 연장되어 있는 구조를 제외하고는, 도 8과 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 및 공냉용 열교환 부재가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 전지모듈의 일측에 공냉용 열교환 부재를 장착한 구조의 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈(400)은 전지셀들(100)을 내부에 장착하고 있는 다수의 카트리지들(200)이 순차적으로 적층된 전지셀 적층체의 상부에 공냉용 열교환 부재(600)가 장착되는 구조로 이루어져 있다.
또한, 방열부재(500)의 절곡된 부위의 상부와 공냉용 열교환 부재(600) 사이에는 방열 그리스로 이루어진 열전도 매개체(550)가 개재되어 있어서, 보다 효과적으로 열전달을 이룰 수 있고, 이에 따라 공냉용 열교환 부재(600)를 유연성 있게 구성할 수 있다.
즉, 충방전 과정에서 전지셀(100)들로부터 발생한 열은 카트리지들(200) 사이에 개재된 방열부재(500)로 전달된 후 열전도 매개체(550)를 거쳐, 공냉용 열교환 부재(600)를 통해 외부로 방출되므로, 전체적으로 콤팩트한 전지모듈 구조를 이루면서 높은 방열 효율을 달성할 수 있다.
또한, 공냉용 열교환 부재(600)는 길이(l), 폭(w), 및 높이(t)가 전지셀 적층체의 길이(L), 폭(W), 및 높이(T)를 기준으로 각각 약 60%, 약 100%, 및 약 30%의 크기로 이루어져 있고, 공냉용 열교환 부재(600)의 표면적은 전지셀(100)의 표면적을 기준으로 대략 10배의 크기를 가지고 있다.
도 12에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모듈케이스의 일측에 열교환 부재를 장착한 구조의 모식도가 도시되어 있다.
도 12를 도 9와 함께 참조하면, 모듈 케이스(410)에 내장되어 있는 전지모듈(400)은 전지셀들(100)이 내부에 장착된 8개의 카트리지들(200)이 순차적으로 적층된 전지셀 적층체의 상부에 공냉용 열교환 부재(601)가 부가되어 있는 구조로 이루어져 있다.
방열핀들(630)이 기저부(612)로부터 폭 방향(w)으로 상향 연장되어 있는 공냉용 열교환 부재(601)가 모듈 케이스(410)의 상단면 상에 장착되어 있는 구조를 제외하고는 도 11과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
즉, 공냉용 열교환 부재(601)의 다수의 방열핀들(630)은 공기의 유동을 위해 소정의 이격 간격(d)을 가지고 있으므로, 방열부재(500)로부터 전달된 열을 전도에 의해 높은 신뢰성과 우수한 냉각 효율성으로 제거할 수 있다.
도 13 및 도 14에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 도 13의 전지모듈(400a)에서 전지셀들(104)은 양극단자(120)와 음극단자(130)가 모두 전지셀들(104)의 상부 방향으로 돌출되어 있는 구조를 가지고 있다. 따라서, 방열부재들(500)은 도 6의 전지모듈(400)과 같이 양극단자(120)와 음극단자(130)가 서로 반대 방향으로 돌출된 전지셀들(100) 뿐만 아니라 양극단자(120)와 음극단자(130)가 서로 동일한 방향으로 돌출된 전지셀들(104)에도 적용이 가능함을 알 수 있다. 이하 기타 구조는 도 6의 전지모듈(400)과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 도 14의 전지모듈(400b)에서 방열부재들(502)은 전지셀 적층체의 일측면에 위치하고 있다. 따라서, 방열부재들(502)은 도 13의 전지모듈(400a)과 같이 전지셀 적층체의 상부에 위치하거나, 도 14의 전지모듈(400b)과 같이 방열부재들(502)이 전지셀 적층체의 일측면에 위치한 구조도 가능함을 알 수 있다. 이하 기타 구조는 도 13의 전지모듈(400a)과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (30)

  1. 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들을 포함하고 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 통해 열전도에 의해 제거되고,
    상기 전지셀은 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있으며,
    상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 상기 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부재들을 일체로 연결하는 공냉용 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 추가로 장착되어 있고, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 경유하여 공냉용 열교환 부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 열융착의 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 외부 수지층을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재는 상기 프레임의 외면 중 상측과 하측, 및/또는 좌측과 우측 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 개방 측면이 프레임으로부터 돌출된 상태로 프레임에 장착되고, 상기 탄성 가압부재는 전지셀 개방 측면의 돌출 높이보다 큰 높이로 프레임의 외면에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재는 압박시 탄성 가압력을 발휘하는 고분자 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임의 외면에는 그루브가 형성되어 있고, 상기 탄성 가압부재는 상기 그루브 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부재의 열전도율이 20 내지 500 W/(m?K)인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재의 열전도율이 20 내지 500 W/(m?K)인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 방열부재는 그것의 적어도 일부가 적층된 전지셀들의 외부로 노출된 상태로 전지셀들 사이의 계면에 개재되어 있으며, 상기 외부로 노출된 부위는 전지셀의 측면쪽으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재는 방열부재의 절곡된 부위의 상부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 방열부재의 절곡된 부위의 상부와 상기 공냉용 열교환 부재 사이에는 열전도 매개체가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 열전도 매개체는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재는 방열부재들이 하단면에 밀착되어 있는 기저부 및 상기 기저부로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재의 방열핀들은 상기 기저부로부터 길이방향으로 상향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재의 방열핀들은 상기 기저부로부터 폭 방향으로 상향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재의 표면적은 전지셀의 표면적을 기준으로 7 내지 15 배인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재의 길이는 전지셀 적층체의 길이를 기준으로 30 내지 70%인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 16 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재의 폭은 전지셀 적층체의 폭을 기준으로 50 내지 120%인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  22. 제 16 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재의 높이는 전지셀 적층체의 높이를 기준으로 200 내지 50%인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  23. 제 2 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재는 상기 모듈 케이스의 상단면 또는 하단면 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  24. 제 2 항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 상단부에는 공냉용 열교환 부재를 수용할 수 있는 크기의 만입부가 형성되어 있고, 상기 만입부 상에 장착된 공냉용 열교환 부재의 높이는 모듈 케이스의 상단면의 높이와 동일하거나 그 보다 낮은 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  25. 다수의 각형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 각형 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 각형 캔의 내부에 밀봉되어 있는 각형 전지셀이고, 둘 이상의 각형 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들을 포함하고 있으며, 충방전시 각형 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 통해 열전도에 의해 제거되고,
    상기 전지셀은 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있으며,
    상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 상기 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 방열부재들을 일체로 연결하는 공냉용 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 추가로 장착되어 있고, 충방전시 각형 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 경유하여 공냉용 열교환 부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  27. 전지셀 계면들에 개재되는 둘 또는 그 이상의 방열부재들; 및 상기 방열부재들의 일측에 연결되어 있고, 상기 방열부재들로부터 전달되는 열을 제거하는 공냉용 열교환 부재;를 포함하는 구조로 이루어져 있고,
    상기 전지셀은 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있으며,
    상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 상기 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 공냉용 열교환 부재는, 방열부재들이 하단면에 밀착되어 있는 기저부, 및 상기 기저부로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  29. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 내지 제 26 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈 둘 이상을 포함하고 있는 전지팩.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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