KR101554877B1 - 높은 냉각 효율성의 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 높은 냉각 효율성의 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층 배열되어 있는 충방전이 가능한 전지셀들, 상기 전지셀들 중 적어도 하나의 전지셀의 일면에 접하는 열전도 부재, 냉매가 유동하도록 중공 구조로 형성되어 있으며, 일부가 상기 열전도 부재와 열적으로 접촉되어 있는 냉각 파이프, 및 상기 열전도 부재와 접촉되어 있는 부위를 제외한 나머지 부위에서 냉각 파이프의 외면을 감싸고 있는 단열 부재를 포함하는 전지모듈을 제공한다.

Description

높은 냉각 효율성의 전지모듈 {Battery Module Of High Cooling Efficiency}
본 발명은 높은 냉각 효율성의 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층 배열되어 있는 충방전이 가능한 전지셀들, 상기 전지셀들 중 적어도 하나의 전지셀의 일면에 접하는 열전도 부재, 냉매가 유동하도록 중공 구조로 형성되어 있으며, 일부가 상기 열전도 부재와 열적으로 접촉되어 있는 냉각 파이프, 및 상기 열전도 부재와 접촉되어 있는 부위를 제외한 나머지 부위에서 냉각 파이프의 외면을 감싸고 있는 단열 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 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) 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 전지모듈이 사용된다.
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.
전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식 또는 직렬 및 병렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
또한, 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 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, 전지모듈에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하며, 기존의 전지모듈 냉각 시스템으로 공냉식 또는 수냉식 냉각 구조가 사용되었다.
이러한 냉각 구조의 예로, 냉매가 유동하는 냉각 파이프를 전지모듈에 포함시키는 구조를 들 수 있다. 즉, 전지셀에서 발생하는 열이 냉각 파이프에 의해 냉각되도록 전지셀들의 외면에 냉각 파이프를 위치시키거나 또는 전지셀들 사이에 열전도성이 높은 부재를 개재하고 이러한 부재를 냉각 파이프에 열적으로 접촉시켜 냉각을 수행하는 구조가 사용되고 있다.
그러나, 전지모듈의 내부 발열, 특히 전지셀의 발열에 의해 전지모듈주변부가 가열되면, 냉각 파이프의 냉매가 냉각해야 할 전지셀을 지나가기 전에 미리 가열되고, 전지셀들 부위에 도달하였을 때 냉매의 온도가 이미 상승되어 있어서 전지셀들의 냉각이 효율적으로 이루어지지 않는 문제점이 발생하였다.
따라서, 상기의 문제점들을 해결하면서 보다 냉각 효율성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 종래의 냉각 구조의 문제점, 즉 냉매가 냉각을 수행해야 할 부위에 도달하기 전에 이미 온도가 상승되어 전지셀의 냉각 효과가 감소하는 문제점을 해결하여 전지셀들의 냉각 효율성을 향상시킬 수 있는 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 콤팩트 하면서도 냉각 효율성이 우수한 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
적층 배열되어 있는 충방전이 가능한 전지셀들;
상기 전지셀들 중 적어도 하나의 전지셀의 일면에 접하는 열전도 부재;
냉매가 유동하도록 중공 구조로 형성되어 있으며, 일부가 상기 열전도 부재와 열적으로 접촉되어 있는 냉각 파이프; 및
상기 열전도 부재와 접촉되어 있는 부위를 제외한 나머지 부위에서 냉각 파이프의 외면을 감싸고 있는 단열 부재;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀들에서 발생하는 열이 열전도 부재를 통해 냉각 파이프로 전도되어 냉각을 수행하며, 상기 열전도 부재와 냉각 파이프가 접촉되어 있는 부위를 제외한 나머지 부위는 단열 부재에 의해 외부와의 열전도를 차단하는 구조를 포함하고 있다.
따라서, 상기 냉각 파이프의 냉매가 열전도 부재와 접촉되어 있는 부위를 통과하기 전에 가열되는 현상을 방지함으로써 전지셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 판상형 전지셀로 이루어지며, 상기 판상형 전지셀은 양극 및 음극 단자들이 전지셀의 본체 일측에 돌출되어 있는 구조, 또는 하나의 전극단자가 전지셀의 본체 일측으로 돌출되어 있고 다른 하나의 전극단자가 그것에 대향하는 반대측에 돌출된 구조로도 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 열전도 부재는 상기 판상형 전지셀들 사이에 개재되는 구조일 수 있으며, 상기 전지셀들에서 발생하는 열이 상기 열전도 부재로 효과적으로 전도될 수 있도록 판상형 전지셀들이 대면하는 면에 대응하는 크기를 가지는 판상형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 열전도 부재는, 상기 전지셀들이 대면하는 면의 크기에서 크게 벗어나지 않는 면의 크기로 형성될 수 있다. 즉, 열전도 부재의 크기가 전지셀들의 대면하는 면의 크기보다 너무 크면 전체적인 전지모듈의 부피가 증가하므로 바람직하지 않고, 반대로 열전도 부재의 크기가 전지셀들의 대면하는 크기보다 너무 작으면 전지셀들에서 발생하는 열이 열전도 부재에 효율적으로 전달되지 않는 문제점이 발생한다. 따라서, 바람직하게는 상기 열전도 부재는 상기 전지셀들이 대면하는 면의 크기를 기준으로 90 내지 120%의 크기로 형성될 수 있다.
상기 열전도 부재는 열전도성을 가지는 부재라면 그것의 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재로 이루어진 판상형의 부재일 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 플라스틱과 같은 모재의 표면에 열전도성 소재가 코팅 또는 도금되어 있는 부재일 수도 있다.
상기 냉각 파이프는 상기 열전도 부재에 의해 지지되어 고정되는 구조로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 상기 냉각 파이프는 열전도 부재를 관통하는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 냉각 파이프와 열전도 부재의 접촉면을 증가시켜 열전도 부재와 냉각 파이프간의 열전도 효율성을 향상시킨다.
또한, 상기 냉각 파이프는 높은 열전도 효율을 위하여 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전지모듈은 냉각 효율을 향상시키기 위하여 상기 냉각 파이프와 연결되어 냉매를 유동시키는 펌프가 추가로 포함될 수 있다. 이 때, 상기 냉매는 바람직하게 물 또는 공기일 수 있지만, 그것만으로 한정되지 않음은 물론이다.
또한, 상기 열전도 부재 및/또는 냉각 파이프는 전지모듈의 구조에 따라서 복수 개로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 전지셀들의 적층 구조에 따라 냉각 효율성을 향상시키기 위하여 전지셀들 사이에 각각 열전도 부재가 개재되는 구조일 수 있으며, 이에 따라 상기 열전도 부재에서 열이 전도되는 상기 냉각 파이프도 복수 개로 구성될 수 있다.
상기 전지셀은, 예를 들어, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다.
구체적으로는, 상기 판상형 전지셀은 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 케이스 외주면의 상하부 접촉부위를 열융착하여 밀봉하는 구조 등을 들 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기 전지셀은 전지모듈 및 전지팩의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 전지팩은 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 열전도 부재와 냉각 파이프가 접촉되어 있는 부위를 제외한 나머지 부위가 단열 부재에 의해 외부와의 열전도가 차단되어 있는 구조를 포함함으로써, 냉각 파이프의 냉매가 열전도 부재와 접촉되어 있는 부위를 통과하기 전에 이미 가열되는 현상을 방지하여 전지셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어져 있다.
또한, 전도 방식의 열전도 부재와 냉각 파이프의 조합에 의해 콤팩트 하면서도 냉각 효율성이 높은 전지팩의 구조를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈에 포함되는 전지셀들의 냉각 구조에 관한 모식도이다;
도 2는 도 1의 정면을 나타내는 모식도이다;
도 3은 열전도 부재의 단면에 냉각 파이프가 위치한 구조를 나타내는 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈에 포함되는 전지셀들의 냉각 구조에 관한 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈에 포함되는 전지셀들의 냉각 구조에 관한 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 전지모듈의 구조 중에서 전지셀 냉각 구조를 모식적으로 도시하였다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈에 포함되는 전지셀들의 냉각 구조에 관한 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(100)은 전지셀들(112, 114), 전지셀들(112, 114) 사이에 개재된 열전도 부재(120), 및 열전도 부재(120)와 열적으로 접촉되어 있는 냉각 파이프(130)를 포함하고 있고, 냉각 파이프(130)에서 열전도 부재(120)와 접촉되어 있는 부위를 제외한 나머지 부위는 단열 부재(140)로 의해 감싼 구조로 형성되어 있다.
즉, 전지셀들(112, 114)에서 발생하는 열이 열전도 부재(120)를 통해 냉각 파이프(130)로 전도되어 냉각 파이프(130) 내에서 유동하는 냉매에 의해 냉각이 수행되며, 단열 부재(140)로 냉각 파이프(130)의 일부를 감싼 구조에 의해 열전도 부재(120)와 접촉되어 있지 않은 부위에서 외부와의 열전도가 차단되는 구조로 이루어져 있다.
전지셀들(112, 114)은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공하는 판상형의 구조로 이루어져 있고, 열전도 부재(120)는 전지셀들(112, 114) 사이에 개재되어 있다. 이러한 열전도 부재(120)는 전지셀들에서 발생하는 열이 효과적으로 전도될 수 있도록 전지셀들(112, 114)이 대면하는 면에 대응하는 크기를 가지는 판상형 구조로 형성되어 있다.
냉매가 유동하는 냉각 파이프(130)는 열전도 부재(120)에 의해 지지되어 고정되며, 전지셀들(112, 114)로부터 열이 전도된 열전도 부재(120)를 냉각시킬 수 있도록 열전도 부재(120)와 접촉되어 있다.
도 2에는 도 1의 정면을 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 열전도 부재의 단면에 냉각 파이프가 위치한 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 도 1과 함께 참조하면, 냉각 파이프(130)는 열전도 부재(120)와의 접촉면이 증가되도록 열전도 부재(120)를 관통하는 구조로 접촉되어 있다. 또한, 냉각 파이프(130)의 열전도 부재(120)와 접촉된 부위를 제외한 나머지 부위는 단열 부재(140)에 의해 감싸진 구조를 이루고 있다.
한편, 냉각 효율을 향상시키기 위하여 냉각 파이프(130)와 연결되어 냉매를 유동시키는 펌프(도시하지 않음)가 추가로 포함될 수 있으며, 이 때 냉각 파이프(130)는 열전도 부재(120)와 접촉되는 부위와 펌프 사이의 구간에서 단열 부재(140)에 의해 외부와의 열전도가 차단되는 구조로 이루어질 수 있다.
도 4 및 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈에 포함되는 전지셀들의 냉각 구조에 관한 모식도들이 도시되어 있다.
먼저 도 4를 참조하면, 다수의 전지셀들(116, 117, 118)이 적층되어 있는 구조에서 전지셀들(116, 117, 118) 사이에 각각 열전도 부재(122, 124)가 개재되어 있고, 각각의 열전도 부재(122, 124)에 냉각 파이프(132, 134)가 관통된 구조로 접촉되어 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 전지셀들(112, 114) 사이에 개재된 열전도 부재(126)에 2 개의 냉각 파이프들(136, 138)이 관통된 구조로 접촉되어 있다.
즉, 적층된 전지셀의 개수가 많거나, 또는 발열량이 높은 전지셀의 경우 복수 개의 열전도 부재들(122, 124) 또는 냉각 파이프들(136, 138)을 사용하여 냉각을 수행하는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈은 복수 개의 열전도 부재들(122, 124) 및/또는 냉각 파이프들(136, 138)이 포함될 수 있으며, 전지모듈에서 전지셀의 적층 개수, 적층 구조, 발열량 등을 고려하여, 특별히 한정되지 않고 다양한 개수의 열전도 부재들 또는 냉각 파이프들이 포함될 수 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 적층 배열되어 있고 충방전이 가능하며, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체를 내장하고, 케이스의 외주면을 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀들;
    상기 전지셀들 중 적어도 하나의 전지셀의 일면에 접하고, 금속 소재로 이루어진 열전도 부재;
    냉매가 유동하도록 중공 구조로 형성되어 있으며, 일부가 상기 열전도 부재와 열적으로 접촉되어 있는 냉각 파이프; 및
    상기 열전도 부재와 접촉되어 있는 부위를 제외한 나머지 부위에서 냉각 파이프의 외면을 감싸고 있는 단열 부재;
    를 포함하고 있고, 상기 냉각 파이프가 열전도 부재를 관통하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 판상형 전지셀들이고, 일면 또는 양면에서 전지셀들이 대면하도록 적층 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열전도 부재는 상기 전지셀들이 대면하는 면에 대응하는 크기를 가진 판상형 구조로 이루어져 있고, 상기 전지셀들 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 열전도 부재는 상기 전지셀들이 대면하는 면의 크기를 기준으로 90 내지 120%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 파이프는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 파이프와 연결되어 냉매를 유동시키는 펌프를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 열전도 부재, 또는 상기 냉각 파이프, 또는 상기 열전도 부재 및 냉각 파이프는 둘 또는 그 이상의 개수인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항, 제 8 항 내지 제 10 항, 및 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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