KR101397456B1 - 냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

Info

Publication number
KR101397456B1
KR101397456B1 KR1020100080318A KR20100080318A KR101397456B1 KR 101397456 B1 KR101397456 B1 KR 101397456B1 KR 1020100080318 A KR1020100080318 A KR 1020100080318A KR 20100080318 A KR20100080318 A KR 20100080318A KR 101397456 B1 KR101397456 B1 KR 101397456B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery module
refrigerant
battery
modules
sectional area
Prior art date
Application number
KR1020100080318A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120017613A (ko
Inventor
최지영
강달모
정재호
윤종문
임예훈
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020100080318A priority Critical patent/KR101397456B1/ko
Publication of KR20120017613A publication Critical patent/KR20120017613A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101397456B1 publication Critical patent/KR101397456B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6561—Gases
    • H01M10/6566—Means within the gas flow to guide the flow around one or more cells, e.g. manifolds, baffles or other barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/627—Stationary installations, e.g. power plant buffering or backup power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/91—Electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/10—Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Abstract

본 발명은 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들(“단위셀들”)이 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈을 둘 또는 그 이상의 개수로 포함하고 있고, 상기 전지모듈들은, 각각의 전지모듈들에서 냉매 유로가 연통되도록, 냉매가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 거쳐 상기 제 1 전지모듈에 인접한 제 2 전지모듈의 냉매 유로로 연속적으로 진행되는 구조로 배열되어 있으며, 제 2 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V2)가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V1)보다 크도록, 냉매의 진행방향을 기준으로 제 2 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S2)는 제 1 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S1)보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩을 제공한다.

Description

냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩 {Battery Module Assembly Having Improved Cooling Efficiency and Battery Pack Comprising the Same}
본 발명은 냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들(“단위셀들”)이 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈을 둘 또는 그 이상의 개수로 포함하고 있고, 상기 전지모듈들은, 각각의 전지모듈들에서 냉매 유로가 연통되도록, 냉매가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 거쳐 상기 제 1 전지모듈에 인접한 제 2 전지모듈의 냉매 유로로 연속적으로 진행되는 구조로 배열되어 있으며, 제 2 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V2)가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V1)보다 크도록, 냉매의 진행방향을 기준으로 제 2 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S2)는 제 1 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S1)보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 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) 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 전지셀로서 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.
중대형 전지모듈을 구성하는 단위셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지모듈 내지 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 단위셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 단위셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 단위셀들을 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 내장하여 단위모듈을 형성하고 상기 단위모듈들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다.
적층된 단위셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 단위셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
한편, 다수의 단위셀들로 구성된 중대형 전지팩에서, 일부 단위셀의 성능 저하는 전체 전지팩의 성능 저하를 초래하게 된다. 이러한 성능 불균일성을 유발하는 주요 원인 중의 하나는 단위셀들 간의 냉각 불균일성에 의한 것이므로, 냉매의 유동시 냉각 균일성을 확보할 수 있는 구조가 요구된다.
도 1에는 전지모듈 어셈블리가 도시되어 있고, A 부분에는 전지모듈의 내부에 단위모듈들이 적층된 상태가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(100)은 단위모듈들(30) 다수 개가 측면방향으로 적층되어 전기적으로 연결되어 있는 단위모듈 적층체(32)와, 이러한 단위모듈 적층체(32)가 장착되는 모듈 케이스(70), 냉매가 외부에서 전지모듈(100) 내부로 유입되는 냉매 유입구(10), 및 단위모듈 적층체(32)로부터 냉매가 배출되는 냉매 배출구(도시하지 않음)로 구성되어 있다.
냉매 유입구(10)로부터 유입된 냉매는 단위모듈들(30) 사이에 형성된 유로(50)를 통과하면서 단위모듈들(30)에서 발생한 열을 냉각시키고 냉매 배출구를 통해 외부로 배출된다. 한편, 전지모듈(100)들은 폭방향(W)과 높이방향(H)으로 각각 2개씩 적층되어 전지모듈 어셈블리(200)를 형성하고 있다.
종래기술에 따른 중대형 전지팩에서는 전지모듈들을 연속적으로 적층하여 직선형의 냉매 유로를 형성하고 있으므로, 냉매가 전지모듈들을 통과하면서 점차 온도가 상승하게 되어, 냉매의 유동 방향을 기준으로 최종 전지모듈의 온도가 최초 전지모듈의 온도보다 단위셀들 간에 온도편차를 유발하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유량, 유속을 균일하게 하는 방안을 고려할 수는 있으나, 본 출원의 발명자들이 확인한 바로는, 그러한 시도에도 불구하고 온도편차가 감소하지 않는다. 이는 적층 구조로 인해 냉매가 통과하는 유로의 길이가 증가하기 때문이다.
따라서, 전지모듈들의 적층 구조를 유지하면서도, 상기 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 냉매 유로에 대한 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 다수의 전지모듈들이 적층된 전지모듈 어셈블리에서 냉매 유로의 길이를 동일하게 유지하면서 냉매 유로 내에서 하층으로 갈수록 유속이 점차 증가하도록 한 결과, 상층과 하층의 단위셀들 간의 온도편차가 감소됨을 확인하고, 이를 바탕으로 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 전지모듈 어셈블리는 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들( “단위셀들”)이 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈을 둘 또는 그 이상의 개수로 포함하고 있고,
상기 전지모듈들은, 각각의 전지모듈들에서 냉매 유로가 연통되도록, 냉매가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 거쳐 상기 제 1 전지모듈에 인접한 제 2 전지모듈의 냉매 유로로 연속적으로 진행되는 구조로 배열되어 있으며,
제 2 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V2)가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V1)보다 크도록, 냉매의 진행방향을 기준으로 제 2 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S2)가 제 1 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S1)보다 작게 형성되어 있는 구조를 갖는다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 냉매 유로의 전체길이는 유지하면서 유로의 형상만을 변경함으로써, 냉매가 전지모듈들을 순차적으로 통과하면서 더 빠른 유속을 가지게 되어, 종래의 직선형의 냉매 유로의 구조에 비하여 전지모듈들 간의 온도 편차, 궁극적으로는, 전지모듈들의 전지셀들 간의 온도편차를 줄일 수 있어, 냉각 효율성을 향상시키고 이를 통해 수명 및 출력을 극대화할 수 있다.
본 출원에서 전지모듈 어셈블리가 상기 제 1 전지모듈과 제 2 전지모듈로 구성된 2단의 적층 구조만으로 한정하는 것은 아니다. 따라서, 전지모듈 어셈블리가 n개의 전지모듈들을 포함하고 있고 상기 전지모듈들이 냉매 유로가 연통되도록 연속 배열되어 있을 때, 냉매의 진행방향을 기준으로 첫번째 전지모듈로부터 n번째 전지모듈까지 냉매 유로의 수직 단면적이 순차적으로 작아지는 구조를 가질 수 있다.
한편, 제 1 전지모듈의 수직단면적(S1)이 제 2 전지모듈의 수직단면적(S2)보다 크면 클수록 온도편차 감소의 정도는 더욱 증가하게 된다.
이는 제 1 전지모듈의 수직단면적(S1)을 지나는 유체의 속력(V1)보다 제 2 전지모듈의 수직단면적(S2)를 지나는 유체의 속력(V2)가 더욱 증가하기 때문이다. 냉각 효율성과 전지모듈 어셈블리의 디멘션 등을 전반적으로 고려할 때, 제 2 전지모듈의 수직 단면적(S2)은 제 1 전지모듈의 수직 단면적(S1)의 30 내지 50% 크기인 것이 바람직하다.
구체적으로, 제 2 전지모듈의 수직 단면적(S2)이 제 1 전지모듈의 수직 단면적(S1)을 기준으로 50% 초과의 단면적을 갖는 경우에는 본 발명에서 목적하는 냉각에 따른 온도 균일성을 달성하기 어려울 수 있고, 반대로 30%미만의 크기를 가지는 경우에는 전지모듈 어셈블리의 설계에 어려움이 크므로 바람직하지 않다.
제 2 전지모듈의 열 전달계수(h2)가 제 1 전지모듈의 열 전달계수(h1)보다 커짐은 하기 식 2에서 확인할 수 있다.
Figure 112010053468461-pat00001
(1)
여기서, k, L, , V, , C 는 각각 유체의 열전도 계수, 고체의 대표길이, 유체의 밀도, 유체의 접근속도, 유체의 점성계수, 유체의 비열이다. 또한, 상기의 세가지 무차원수를 각각 누셀트 수(Nusselt number; Nu L = hL/k), 레이놀즈 수(Reynolds number; Re L = VL/), 플란틀 수(Prandtl number; Pr = C p /k)로 정의할 수 있다. 따라서, 상기 식 1은 하기 식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010053468461-pat00002
(2)
냉매의 유동과 같은 강제대류에서 열 전달계수는 Nu L 로 표현되므로, Nu L = hL/k의 식을 통해 열 전달계수를 구할 수 있고, 상기 식 1에서 냉매의 유속(V)은 Nu L 에 비례함을 알 수 있으므로, 제 2 전지모듈의 열 전달계수(h2)는 제 1 전지모듈의 열 전달계수(h1)보다 커진다.
본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리에 장착되는 전지모듈은 다수의 단위셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전 시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 단위셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다.
다수의 단위모듈들을 적층하여 전지모듈을 구성하는 경우에는, 적층된 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 단위모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
하나의 바람직한 예에서, 제 1 전지모듈의 단위셀 배열 간격(d1)은 제 2 전지모듈의 단위셀 배열 간격(d2)보다 크게 형성된 구조일 수 있다. 이러한 구조는, 전지모듈들의 높이가 동일한 경우에 전지모듈들의 수직 단면적들이 앞서 정의한 조건을 만족한다. 따라서, 적층된 전지모듈들 간에 형성된 냉매 유로의 형상이 냉매의 진행방향으로 점차 좁아지는 것 뿐만 아니라 전지모듈 내부에 장착된 단위셀들 간에도 냉매 유로가 냉매의 진행방향으로 점차 좁아지게 하여, 냉매를 단위셀들과 더욱 많이 접촉시킴으로써 냉각 효율성을 더욱 향상시키고 냉매 유로 내의 냉각 효율성을 균등하게 할 수 있다.
또한, 전지모듈 어셈블리에서 전지모듈들은 냉매의 진행방향에 대해 수직 방향으로도 둘 또는 그 이상의 전지모듈들이 배열되어 있는 구조일 수 있다. 여기서 “수직방향으로 배열된다”는 것은 전지모듈들을 냉매의 진행방향에 대해 수직인 방향으로 적층한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 4개의 전지모듈들을 2개는 하층에 배열하고 2개는 상기 하층에 배열된 전지모듈들에 대응하여 상층에 배열( “2×2”로 배열)하는 구조일 수 있다.
이 경우에도, 하층의 제 2 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V2)가 상층의 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V1)보다 크도록, 냉매의 진행방향을 기준으로 하층의 제 2 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S2)가 상층의 제 1 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S1)보다 작게 형성되어 있는 구조는 여전히 유지되므로, 전지모듈 간 및 단위셀들 간에 형성된 냉매 유로 내의 냉각 효율성을 균등하게 할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 전지모듈들은 냉매 유로가 수직으로 연통되도록 상하 방향으로 적층되어 있고, 냉매는 전지모듈 어셈블리의 상부에 위치한 냉매 유입구로부터 유입되어 전지모듈을 통과한 후 전지모듈 어셈블리의 하부에 위치한 냉매 배출구로 배출되는 구조로 배열되어 있을 수 있다.
이 경우, 상기 단위셀들 역시 냉매 유로가 수직으로 연통되도록 측면방향으로 배열되어 있는 것이 바람직하다. 냉매는 전지모듈 어셈블리의 상부에 위치한 냉매 유입구로부터 유입되어 전지모듈 간에 형성된 냉매유로 및 단위셀들간에 형성된 냉매유로를 통과하게 되므로 냉매 유로내의 냉각 효율성이 향상된다.
또 다른 구체적인 예에서, 전지모듈들은 냉매 유로가 좌우 방향으로 연통되도록 적층되어 있고, 냉매는 전지모듈 어셈블리의 일측에 위치한 냉매 유입구로부터 유입되어 전지모듈을 통과한 후 전지모듈 어셈블리의 대향측에 위치한 냉매 배출구로 배출되는 구조로 배열되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈 어셈블리가 전지팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩을 제공한다. 냉매 유입부 및 냉매 배출부는 단위셀들의 충방전에 따른 열의 발생을 효과적으로 냉각시키기 위한 냉매가 유입 및 배출될 수 있는 유동 공간으로서, 상호 반대방향으로 팩 케이스의 상부와 하부에 각각 형성되어 있다. 경우에 따라서는. 냉매 유입부와 냉매 배출부가 팩 케이스의 하부와 상부에 각각 형성되어 있을 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어“전지모듈”은 둘 또는 그 이상의 충방전 단위셀들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 소형 전지모듈을 다수 개 연결한 대형 전지모듈의 구성도 가능하고, 전지셀들을 소수 연결한 단위모듈을 다수 개 연결한 구성도 가능하다.
한편, 상기 단위모듈의 구조는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예를 하기에서 설명한다.
단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 직렬 및/또는 병렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 2 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 결합되는 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 전지셀이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
이러한 전지셀들은 2 또는 그 이상의 단위로 합성수지 또는 금속 소재의 고강도 셀 커버에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성할 수 있는 바, 상기 고강도 셀 커버는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 따라서, 궁극적으로 더욱 안전성이 우수한 중대형 전지모듈의 제조가 가능해 진다.
단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 전극단자들을 결합시킨 뒤, 2 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되게 접고 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 단위모듈들을 제조할 수 있다.
상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.
전극단자들이 상호 연결되어 있고 높은 밀집도로 충적된 다수의 단위셀들은, 바람직하게는, 조립식 체결구조로 결합되는 상하 분리형의 케이스에 수직으로 장착되어 상기 장방형 전지모듈을 구성할 수 있다.
단위모듈과 이러한 단위모듈 다수 개를 사용하여 제조되는 장방형 전지모듈의 더욱 구체적인 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-45443호와 제2006-45444호에 개시되어 있으며, 상기 출원들의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 단위셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력 저장장치의 전원으로 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는 제 2 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V2)가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V1)보다 크도록, 냉매의 진행방향을 기준으로 제 2 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S2)가 제 1 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S1)보다 작게 형성되어 있어서, 종래의 냉매 유로의 구조에 비하여 전지셀들 간에 온도편차를 줄일 수 있어 냉각 효율성이 향상되고, 그에 따라 수명 및 출력을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 전지모듈 어셈블리와 전지모듈 내부에 전지셀들이 적층된 상태를 모식적으로 도시한 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉매 유로의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 적층된 전지모듈들의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 냉매의 진행방향에 대해 수직 방향으로도 적층된 전지모듈들의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전지모듈들을 냉매 유로가 좌우 방향으로 연통되도록 적층한 구조의 전지팩을 모식적으로 도시한 수직단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 적층된 단위셀들의 모식도이다;
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전지팩에서 상층과 하층의 전지셀 간의 온도변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전지팩에서 상층과 하층의 전지셀 간의 열전달계수를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉매 유로가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 적층된 전지모듈들이 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 냉매의 진행방향에 대해 수직 방향으로도 적층된 전지모듈들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면과 도 1을 참조하면, 전지팩(300)은 단위모듈(30) 또는 전지셀(31) 다수 개가 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈들(100, 100a, 100b)과, 이러한 전지모듈들(100, 100a, 100b)이 장착되는 팩 케이스(350), 냉매 유입구(315)로부터 전지모듈들(100, 100a, 100b)에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부(310)와 전지모듈들(100, 100a, 100b)로부터 냉매 배출구(325)에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부(320)로 구성되어 있다.
냉매 유입구(315)로부터 유입된 냉매는 냉매 유입부(310) 및 전지모듈들(100, 100a, 100b) 내에 형성된 냉매 유로(50)를 통과하면서 단위모듈들(30, 30a, 30b) 또는 전지셀들(31, 31a)을 냉각시키고 냉매 배출부(320)를 지나 냉매 배출구(325)를 통해 외부로 배출된다.
냉매 유로(50)는 냉매 유입부(310)에 가까운 쪽의 단면적(S1)은 크고 냉매 배출부(320)에 가까운 쪽의 단면적(S2)는 점차 작아지는 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 냉매 배출부(320)에 가까운 쪽의 속도(V2)가 냉매 유입부(310)에 가까운 쪽의 속도(V1)보다 커지게 된다.
즉, 제 1 전지모듈의 단위모듈(30) 배열 간격(d1)은 제 2 전지모듈의 단위모듈(30a) 배열 간격(d2)보다 크게 형성되며, 전지모듈(100)내에서 냉매 유로(50)는 냉매 유입구(10)에 가까운 쪽의 단면적(S1)은 크고 냉매 배출부(도시하지 않음)에 가까운 쪽의 단면적(S2)는 점차 작아지게 형성되어 있다.
전지모듈들(100, 100a, 100b) 내에는 냉매가 냉매 유로(50)외의 다른 경로로 통과할 수 없도록 격막(120)이 형성되어 있다.
전지모듈들(100, 100a, 100b)은 냉매의 진행방향에 대해 수직 방향으로도 적층되어 있다. 도 4는 도 3의 전지모듈들(100, 100a, 100b)이 2×3으로 적층된 상태를 도시한 것으로, 냉매 유로(50)는 냉매 유입부(310)에 가까운 쪽의 단면적(S1)은 크고 냉매 배출부(320)에 가까운 쪽의 단면적(S2)는 점차 작아지는 형상으로 형성되어 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전지모듈들을 냉매 유로가 좌우 방향으로 연통되도록 적층한 구조의 전지팩의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
전지모듈들(100, 100a, 100b)내에는 단위모듈들(30, 30a, 30b)이 우측의 냉매 유입부(310)에 가까운 쪽의 단면적(S1)은 크고 좌측의 냉매 배출부(320)에 가까운 쪽의 단면적(S2)는 점차 작아지는 형상의 냉매 유로(50)가 좌우 방향으로 연통되도록 배열되어 있으며, 냉매는 격막(120)이 형성되지 않은 냉매 유로(50)를 따라 단위모듈들(30, 30a, 30b)을 냉각하고 냉매 배출부(320)을 통해 외부로 배출된다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 적층된 단위셀들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면과 도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 단위모듈들(30, 30a, 30b) 및/또는 전지셀들(31c, 31d)간에 형성된 냉매 유로(50)는 상층의 단면적(S1)에 비해 하층의 단면적(S2)가 점차 작아진다.
즉, 격막(120)을 형성하지 않고서도 단위모듈들(30, 30a, 30b) 및/또는 전지셀들(31c, 31d)로 냉매 유로(50)가 형성되어 있다. 즉, 최상층에는 단위모듈(30)들 다수 개가 측면으로 일정간격을 두며 이격되어 있고, 하층에는 단위모듈들(30a, 30b) 및/또는 전지셀들(31c, 31d) 다수 개가 측면으로 일정간격을 두며 이격되어 있다.
도 7은 냉매 유로(50)가 좌우 방향으로 연통되도록 단위모듈들(30, 30a, 30b) 및/또는 전지셀들(31c, 31d)을 배열한 구조를 도시하고 있다.
도 7를 참조하면, 냉매가 유입되는 우측의 단면적(S1)은 대응하는 좌측의 단면적(S2)보다 크게 냉매 유로(50)가 형성되어 있고, 우측에는 단위모듈(30)들 다수 개가 일정간격을 두며 이격되어 있고, 좌측에는 단위모듈들(30a, 30b) 및/또는 전지셀들(31c, 31d) 다수 개가 일정간격을 두며 이격되어 있다.
도 8에는 본 발명의 실시예에 따른 전지팩에서 상층과 하층의 전지모듈에 장착된 전지셀 간의 온도변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 실시예에 따른 전지팩에서 상층과 하층의 전지모듈에 장착된 전지셀 간의 열 전달계수(h)를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
이들 그래프와 도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 전지모듈(100)을 상하로 5개 적층하여 각각의 층마다 전지모듈(100)에 장착된 전지셀(31)의 온도 및 열 전달계수(h)를 측정한 결과, 발열량은 60 W/m2, 유량은 0.03 kg/s, 유로의 길이는 1000 mm의 동일한 실험조건에서 종래의 직선형의 냉매 유로(P)에서는 최상층의 전지셀(31)의 온도를 1.00으로 할 때 하층으로 갈수록 온도가 점차 상승하여 최하층의 전지셀(31)은 1.10을 초과하였다.
반면에, 유로의 너비가 3 mm에서 점차 좁아지게 형성된 본 발명의 냉매 유로(I)에서는 최상층의 전지셀(31)의 온도를 1.00으로 할 때 하층으로 갈수록 온도가 점차 상승하였으나, 최하층의 전지셀(31)의 온도는 대략 1.09의 수치를 나타내었다.
이는 종래의 직선형의 냉매 유로(P)에 비해 본 발명의 냉매 유로(I)에서 최상층과 최하층의 전지셀(31)간 온도편차가 10% 감소하였음을 나타낸다. 또한, 냉매 유로의 너비가 21 mm에서 점차 좁아지게 형성된 냉매 유로에서 0.09 kg/s의 유량으로 냉매를 흘리면 종래의 직선형의 냉매 유로(P)에 비해 최상층과 최하층의 전지셀(31)간 온도편차가 50% 감소하였다.
한편, 열 전달계수는 종래의 직선형의 냉매 유로(P)에서는 최상층의 전지셀(31)의 열 전달계수(h1)을 1.0으로 할 때, 하층의 전지셀(31)의 열 전달계수(h2)는 1.0과 비슷하거나 약간 감소하였으나, 냉매 유로의 너비가 3 mm에서 점차 좁아지게 형성된 본 발명의 냉매 유로(I)에서는 최상층의 전지셀(31)의 열 전달계수(h1)을 1.0으로 할 때, 하층의 전지셀(31)의 열전달계수(h2)는 점차 증가하여 최하층의 전지셀(31)의 열 전달계수는 1.6에 가까운 수치를 나타내고 있다.
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 (11)

  1. 단위셀들인 전지셀들 또는 단위모듈들 다수개가 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈을 둘 또는 그 이상의 개수로 포함하고 있고,
    상기 전지모듈들은, 각각의 전지모듈들에서 냉매 유로가 연통되도록, 냉매가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 거쳐 상기 제 1 전지모듈에 인접한 제 2 전지모듈의 냉매 유로로 연속적으로 진행되는 구조로 배열되어 있으며,
    제 2 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V2)가 제 1 전지모듈의 냉매 유로를 통과하는 냉매의 유속(V1)보다 크도록, 냉매의 진행방향을 기준으로 제 2 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S2)는 제 1 전지모듈에서 냉매 유로의 수직 단면적(S1)보다 작게 형성되어 있고,
    상기 전지모듈 내에는 냉매가 냉매 유로 이외의 다른 경로로 통과할 수 없도록 격막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리가 n개의 전지모듈들을 포함하고 있고 상기 전지모듈들이 냉매 유로가 연통되도록 연속 배열되어 있을 때, 냉매의 진행방향을 기준으로 첫번째 전지모듈로부터 n번째 전지모듈까지 냉매 유로의 수직 단면적이 순차적으로 작아지는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전지모듈의 수직 단면적(S2)은 제 1 전지모듈의 수직 단면적(S1)의 30 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전지모듈의 열 전달계수(h2)는 제 1 전지모듈의 열 전달계수(h1)보다 큰 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈에서 단위셀들은 냉매 유로를 형성하는 이격 간격으로 측면 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전지모듈의 단위셀 배열 간격(d1)은 제 2 전지모듈의 단위셀 배열 간격(d2)보다 큰 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 냉매의 진행방향에 대해 수직 방향으로도 둘 또는 그 이상의 전지모듈들이 배열되어 있는 것을 특징으로 전지모듈 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 냉매 유로가 수직으로 연통되도록 상하 방향으로 적층되어 있고, 냉매는 전지모듈 어셈블리의 상부에 위치한 냉매 유입구로부터 유입되어 전지모듈을 통과한 후 전지모듈 어셈블리의 하부에 위치한 냉매 배출구로 배출되는 구조로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 냉매 유로가 좌우 방향으로 연통되도록 적층되어 있고, 냉매는 전지모듈 어셈블리의 일측에 위치한 냉매 유입구로부터 유입되어 전지모듈을 통과한 후 전지모듈 어셈블리의 대향측에 위치한 냉매 배출구로 배출되는 구조로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  10. 제 1 항에 따른 전지모듈 어셈블리가 팩 케이스에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력 저장장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
KR1020100080318A 2010-08-19 2010-08-19 냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩 KR101397456B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100080318A KR101397456B1 (ko) 2010-08-19 2010-08-19 냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100080318A KR101397456B1 (ko) 2010-08-19 2010-08-19 냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120017613A KR20120017613A (ko) 2012-02-29
KR101397456B1 true KR101397456B1 (ko) 2014-05-26

Family

ID=45839489

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100080318A KR101397456B1 (ko) 2010-08-19 2010-08-19 냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101397456B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101692790B1 (ko) * 2013-07-31 2017-01-04 주식회사 엘지화학 냉매 유로를 포함하는 전지모듈 어셈블리
KR102274518B1 (ko) * 2017-09-29 2021-07-06 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 셀 표면 냉각을 위한 불균일 유로를 구비한 쿨링 자켓 및 이를 포함하는 배터리 모듈

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11329518A (ja) * 1998-05-21 1999-11-30 Toshiba Battery Co Ltd 電池装置
JP2010015955A (ja) * 2008-07-07 2010-01-21 Toyota Motor Corp 蓄電装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11329518A (ja) * 1998-05-21 1999-11-30 Toshiba Battery Co Ltd 電池装置
JP2010015955A (ja) * 2008-07-07 2010-01-21 Toyota Motor Corp 蓄電装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120017613A (ko) 2012-02-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101143279B1 (ko) 신규한 냉각구조를 가진 전지팩
KR101020587B1 (ko) 냉매 유량의 분배 균일성이 향상된 중대형 전지팩 케이스
KR101106105B1 (ko) 우수한 냉각 효율성의 중대형 전지팩 케이스
KR100937897B1 (ko) 신규한 공냉식 구조의 중대형 전지팩
KR101400079B1 (ko) 신규한 공냉식 구조의 전지팩
KR101390224B1 (ko) 냉매의 분배 균일성이 향상된 전지팩
KR101586197B1 (ko) 신규한 냉각구조를 가진 전지팩
KR101250841B1 (ko) 경사 변곡점의 위치 변경에 의해 균일한 냉각 효율성을 가진 전지팩
KR100942985B1 (ko) 냉매 유량의 분배 균일성이 향상된 중대형 전지팩 케이스
KR100981878B1 (ko) 냉매 유량의 분배 균일성이 향상된 중대형 전지팩 케이스
KR101084972B1 (ko) 냉매 유량의 분배 균일성이 향상된 중대형 전지팩 케이스
KR101187266B1 (ko) 신규한 구조의 전지팩 케이스
KR101560561B1 (ko) 콤팩트한 구조와 우수한 방열 특성의 전지모듈 및 그것을 포함하는 중대형 전지팩
KR101205180B1 (ko) 콤팩트하고 안정성이 우수한 냉각부재와 이를 포함하는 전지모듈
US9184477B2 (en) Battery pack of excellent cooling efficiency
KR101112442B1 (ko) 냉각 효율성이 향상된 전지모듈 어셈블리
KR101338258B1 (ko) 냉매의 분배 균일성이 향상된 전지팩
KR101535800B1 (ko) 신규한 공냉식 구조의 전지팩
KR20110080537A (ko) 냉각 효율성이 향상된 중대형 전지팩
KR20130091040A (ko) 신규한 공냉식 구조의 전지팩
KR20120053593A (ko) 우수한 냉각 효율성의 전지팩
JP6636638B2 (ja) バッテリーモジュール及びこれを含むバッテリーパック、自動車
KR101262033B1 (ko) 냉각 설계 신뢰성이 향상된 냉각부재와 이를 포함하는 전지모듈
KR20150128360A (ko) 이차 전지모듈의 냉각시스템
KR101397456B1 (ko) 냉각성능이 향상된 전지모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 전지팩

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170328

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180418

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190401

Year of fee payment: 6