KR101658517B1 - 냉각 부재를 활용한 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 충방전이 가능한 판상형 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 전지셀 적층체에서 전지셀들의 계면에 개재되어 상기 전지셀들로부터 열을 흡수하는 흡열판; 상기 흡열판으로부터 전도된 열을 방열하도록 흡열판과 연결되어 있고, 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 잉여 공간에 장착되는 하나 이상의 방열 블록; 및 상기 방열 블록들을 일체화하여 고정시키는 하나 이상의 체결부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈를 제공한다.

Description

냉각 부재를 활용한 전지모듈 {Battery Module with Cooling Member}
본 발명은 냉각 부재를 활용한 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 충방전이 가능한 판상형 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 전지셀 적층체에서 전지셀들의 계면에 개재되어 상기 전지셀들로부터 열을 흡수하는 흡열판; 상기 흡열판으로부터 전도된 열을 방열하도록 흡열판과 연결되어 있고, 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 잉여 공간에 장착되는 하나 이상의 방열 블록; 및 상기 방열 블록들을 일체화하여 고정시키는 하나 이상의 체결부재;를 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), 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.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지셀(10)은 두 개의 전극단자(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장재(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 부착시킴으로써 4개의 모서리들(15a, 15b, 15c, 15d)을 갖는 파우치형 전지셀(10)이 만들어진다. 외장재(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(14a)은 상하 외장재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14b)와 하단부(14c)에는 전극단자(11, 12)가 돌출되어 있으므로 전극단자(11, 12)의 두께 및 외장재(14) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극단자(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 외장재(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위하여, 일반적으로 전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 그러나, 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 또는 차량 등에는 일반적으로 장착공간이 한정적이므로, 카트리지와 같은 팩 케이스의 사용으로 인해 전지모듈의 크기가 커지는 경우에는 낮은 공간 활용도의 문제점이 초래된다. 또한, 전지셀의 낮은 기계적 강성은 충방전시 전지셀의 반복적인 팽창 및 수축으로 나타나고, 그로 인해 열융착 부위가 분리되는 경우도 초래된다.
따라서, 전지셀의 낮은 기계적 강성을 보완함과 동시에 보다 더 적은 부피 및 낮은 중량의 전지모듈을 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
한편, 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 콤팩트(compact)한 구조로 제조될 수 있고, 수명 특성과 안전성 및 냉각 효율이 우수하며, 전지셀의 낮은 기계적 강성을 보완하고, 소망하는 수준의 냉각 효율을 달성함과 동시에 보다 더 적은 부피 및 낮은 중량의 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 기술에 대한 필요성이 높다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 충방전이 가능한 판상형 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체에서, 전지셀들의 계면에 전지셀들로부터 열을 흡수하는 흡열판을 개재하고, 상기 흡열판으로부터 전도된 열을 외부로 방출할 수 있도록 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 잉여 공간에 방열 블록을 장착하고, 체결부재로 방열 블록들을 일체화하여 고정함으로써 추가적인 전지모듈 외장 케이스가 필요치 않도록 하여, 전지셀들로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있는 전지셀 냉각 부재를 제공함과 동시에 추가적인 외장 케이스 없이 견고하고 안정적인 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 특정 구조를 가진 전지모듈의 제조에 있어서, 특정 구조의 흡열판 및 방열 블록이 전지셀 적층체 계면 및 전지셀들 사이의 잉여 공간에 장착되도록 하여 전지모듈의 콤팩트 구조를 달성하고, 추가적인 외장 케이스 및 냉각 장치가 필요치 않도록 하여 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 갖는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
충방전이 가능한 판상형 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
전지셀 적층체에서 전지셀들의 계면에 개재되어 상기 전지셀들로부터 열을 흡수하는 흡열판;
상기 흡열판으로부터 전도된 열을 방열하도록 흡열판과 연결되어 있고, 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 잉여 공간에 장착되는 하나 이상의 방열 블록; 및
상기 방열 블록들을 일체화하여 고정시키는 하나 이상의 체결부재;
를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 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.
이에 반해, 본 발명에 따른 전지셀 냉각 부재는, 전지셀들의 계면에 전지셀들로부터 발생한 열을 흡수하는 흡열판을 개재하고, 상기 흡열판으로부터 전도된 열을 외부로 방출할 수 있도록 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 잉여 공간에 방열 블록을 장착함으로써 추가적인 냉각 장치가 필요치 않도록 하여, 전지셀들로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 전지셀 냉각 부재를 적용한 전지팩의 제조에 있어서, 특정 구조의 흡열판 및 방열 블록이 전지셀 적층체 계면 및 전지셀들 사이의 잉여 공간에 장착되도록 하고, 이를 체결부재로 일체화 고정시킴으로써 전지팩의 콤팩트 구조를 달성하고, 추가적인 냉각 장치가 필요치 않도록 하여 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 갖는 전지팩을 제조할 수 있다.
본 발명에서, 상기 전지셀은 전극 단자가 일측 단부 또는 양측 대향 단부들에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 판상형 전지셀로서, 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화 할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지일 수 있다.
이러한 이차전지의 바람직한 예로는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 상기 전지케이스 양단에 양극단자 및 음극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 흡열판은 0.1 내지 5.0 mm의 두께를 가지는 금속 판재의 구조일 수 있다.
구체적으로, 0.1 내지 5.0 mm의 두께를 가지는 흡열판은 소정의 자체 기계적 강성 특성을 포함하고 있는 바, 우수하지 못한 전지셀 외장재 자체의 기계적 강성을 보강할 수 있는 구조이다. 또한, 이러한 구조의 흡열판으로 인해 기계적 강성을 보강하기 위한 추가적인 부재가 필요치 않게 되므로 콤팩트한 구조의 전지팩을 제조할 수 있다.
한편, 상기 흡열판의 평면상의 넓이는, 전지셀 외장재로부터 용이하게 열을 흡수할 수 있는 평면 넓이이면 특별히 제한은 없으나, 바람직하게는 전지셀의 평면상 길이의 50 내지 120%의 길이 및 전지셀의 평면상 폭의 50 내지 150%의 폭으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 방열 블록은 전지셀 적층체에서 전지셀들의 열융착 잉여부들 사이의 공간에 장착되는 구조일 수 있다. 또한, 상기 방열 블록의 적어도 하나는 전지셀 전극단자들이 위치하는 열융착 잉여부들 사이의 공간에 장착되는 구조일 수 있다.
이러한 장착 구조는, 전지셀 전극단자들이 위치하는 열융착 잉여부들 사이의 공간을 활용하는 것이므로, 전지팩 제조에 있어서 콤팩트한 구조의 전지팩을 제조하는 것을 가능하게 한다.
한편, 상기 방열 블록은, 전지셀 전극단자들이 위치하는 열융착 잉여부들 사이의 공간에 장착되어 상기 흡열판으로부터 용이하게 열을 전달 받을 수 있는 구조라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 다각형 구조의 수직 단면을 포함하는 각기둥 형상으로 이루어진 구조일 수 있다.
이러한 구조는, 흡열판의 자체 기계적 강성을 더욱 견고히 향상시키는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 흡열판으로부터 용이하게 열을 전달 받아 외부로 방출할 수 있다.
구체적으로, 상기 방열 블록의 높이는, 전지셀 전극단자들이 위치하는 열융착 잉여부 사이의 공간 높이에 따라 결정되며, 전지셀 적층체의 용이한 적층 및 흡열판으로부터 전달 받은 열을 외부로 용이하게 방출할 수 있는 정도의 높이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는, 열융착 잉여부들 사이의 공간 높이와 일치하는 크기로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 방열 블록과 흡열판은 열전도성 접합으로 결합되어 있는 구조일 수 있으며, 구체적으로 상기 열전도성 접합은 흡열판의 열을 용이하게 방열 블록에 전달할 수 있는 접합 소재에 의한 것이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는, 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond) 및 방열 접착 테이프(thermally conductive adhesive tape)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것에 의해 달성되는 것일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 방열 블록은, 상기 흡열판으로부터 전달 받은 열을 외부로 용이하게 방출할 수 있는 비열 특성을 가지고 있으며, 구체적으로 0.8 내지 3.0 kJ/kgf·deg의 비열 특성을 가지는 것일 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 방열 블록은 상변환 물질을 포함하고 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 상변환 물질은 외부로부터 흡수한 열을 이용하여 자체 상변환을 일으키고 상기 방열 블록 내부를 순환하며 재 상변환을 일으켜 열을 외부로 방출하는 특성을 지닌 물질로서, 이러한 특성을 활용한 방열 블록은 향상된 방열 특성을 달성할 수 있도록 해 준다.
또한, 상기 상변환 물질은 적용되는 전지팩의 적용 온도에 맞춰 적절한 범주 내로 설계가 가능하나, 바람직하게는 30 내지 100도의 온도 범위에서 상변환 되는 물질일 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 방열 블록은 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 냉매는 기체 또는 액체인 것일 수 있다.
이러한 구조의 방열 블록은 방열 블록 자체에서의 방열 효과와 더불어 냉매에 의한 냉각 효과를 함께 달성할 수 있으므로, 더욱 향상된 방열 특성을 달성할 수 있도록 해 준다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 방열 블록의 외면에는 하나 이상의 그루브 또는 방열핀이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 방열 블록의 외면에 형성된 그루브 또는 방열핀은 방열 블록 외면의 표면적을 증가시키는 역할을 하게 되므로, 향상된 방열 특성을 달성 할 수 있다.
더욱이, 이러한 구조의 방열 블록은 방열 블록 자체에서의 방열 효과와 더불어 외면에 형성된 그루브 또는 방열핀에 의한 냉각 효과를 함께 달성할 수 있으므로, 더욱 향상된 방열 특성을 달성할 수 있도록 해 준다.
상기 냉각 부재의 흡열판과 전지셀의 계면에는, 경우에 따라서는, 열전도 매개체가 개재되어 있는 구조일 수 있으며, 상기 열전도 매개체는 흡열판과 전지셀 계면 사이의 열을 서로 용이하게 전달할 수 있는 소재라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는, 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 것일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 방열 블록에는 체결부재의 삽입을 위한 하나 이상의 관통구가 천공되어 있고, 상기 체결부재는 연통되어 있는 관통구들에 삽입되어 방열 블록들을 고정하는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 관통구들은 방열 블록의 양측 단부 상에 천공되어 있는 구조일 수 있다. 또한, 상기 체결부재는 견고한 자체 강성을 가지는 재질로 제작된 것으로서, 상기 방열 블록들을 용이하게 일체화시켜 고정시킬 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 볼트(bolt)일 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 방열 블록들은 전지셀 전극단자들이 위치하는 열융착 잉여부들 사이의 공간에 장착되어 있고, 전지셀에 대한 체결부재의 간섭을 피하기 위하여, 상기 체결부재가 통과하는 전지셀의 외주면 열융착 부위는 절곡 또는 절취되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 이러한 체결부재를 포함하는 본 발명에 따른 전지모듈은 방열 블록들을 일체화하여 고정함으로써 추가적인 전지모듈 외장 케이스가 필요치 않도록 하여, 별도의 외장 케이스 없이 견고하고 안정적인 전지모듈 구조를 달성할 수 있다. 또한, 이로 인해, 전지모듈의 콤팩트 구조를 달성할 수 있으며, 추가적인 외장 케이스 및 냉각 장치가 필요치 않으므로 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 더불어 달성할 수 있다.
상기 체결부재와 방열 블록들의 계면에는, 경우에 따라서는, 열전도 매개체가 개재되어 있는 구조일 수 있으며, 상기 열전도 매개체는 체결부재와 방열 블록들의 계면 사이의 열을 서로 용이하게 전달할 수 있는 소재라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는, 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치 등일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 충방전이 가능한 판상형 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체에서, 전지셀들의 계면에 전지셀들로부터 발생한 열을 흡수하는 흡열판을 개재하고, 상기 흡열판으로부터 전도된 열을 외부로 방출할 수 있도록 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 잉여 공간에 방열 블록을 장착하고, 체결부재로 방열 블록들을 일체화하여 고정함으로써 추가적인 전지모듈 외장 케이스가 필요치 않도록 하고, 전지셀들로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있는 전지셀 냉각 부재를 제공함 동시에 추가적인 외장 케이스 없이 견고하고 안정적인 전지모듈을 제공할 수 있으며, 전지모듈의 콤팩트 구조를 달성하고, 추가적인 외장 케이스 및 냉각 장치가 필요치 않도록 하여 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 갖는 전지모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지모듈을 구성하는 전지셀의 평면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 전지모듈을 구성하는 전지셀의 4개의 모서리 부분을 절취하거나 절곡하는 모습을 나타내는 평면도이다;
도 3는 본 발명에 따른 전지모듈의 측면 모식도이다;
도 4은 본 발명에 따른 전지모듈의 평면 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 냉각 부재의 사시도이다;
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 냉각 부재의 사시도들이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈과 종래의 전지모듈을, 추가적인 냉각을 가하지 않은 상태에서, 방전율 검사에 따른 각 전지팩의 온도 변화를 나타낸 그래프이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈과 종래의 전지모듈을, 추가적인 냉각을 가한 상태에서, 방전율 검사에 따른 각 전지팩의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 전지모듈을 구성하는 전지셀의 평면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 판상형의 파우치형 전지셀(10)은 두 개의 전극단자(11, 12)가 전지 본체(13)의 양측 대향 단부에 서로 대향하여 각각 돌출되어 있으며, 4개의 모서리들(15a, 15b, 15c, 15d)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
외장재(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있는 라미네이트 시트이다. 또한, 상기 외장재(14)로 제작된 파우치형 케이스 내부에 전극조립체(도시하지 않음)가 내장되어 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 전지모듈을 구성하는 전지셀의 4개의 모서리 부분을 절취하거나 절곡하는 모습을 나타내는 평면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 판상형의 파우치형 전지셀(20)은 4개의 모서리들(15a, 15b, 15c, 15d)이 형성되어 있다. 이들 모서리들(15a, 15b, 15c, 15d) 중에서 하단 우측 모서리(15d)는 상단 우측 모서리(15b)와 같이 체결부재(200)의 간섭을 방지하기 위해 절취되어 있다. 한편, 하단 좌측 모서리(15c)는 절곡 가이드 선(15e)이 가상으로 형성되어 있고, 절곡 가이드 선(15e)에 따라 절곡된 형상이 상단 좌측 모서리(15a)에 도시되어 있다. 이러한 절곡된 형상(15f)은 전지셀(20) 본체(13) 내측 방향으로 절곡되어 있으므로 체결부재(200)와의 간섭을 방지할 수 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 전지모듈의 측면 모식도 및 평면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 판상형 전지셀들(20)의 계면에 흡열판(110)이 개재되어 있고, 흡열판(110) 양끝단에는 방열 블록들(120, 130)이 부착되어 있다. 또한, 방열 블록들(120, 130)은 전지셀들(20)의 적층에 의해 생성되는 전극 단자들(11, 12) 간의 사이 잉여공간에 위치해 있다.
따라서, 이러한 구조의 냉각 부재를 장착한 전지팩은, 흡열판들(110)에 의해 전지셀들(20)로부터 발생된 열을 흡수하고 이러한 열을 방열 블록들(120, 130)에 전달하여 외부로 방출하게 된다.
또한, 체결부재(200)는 방열 블록들(120, 130)을 체결 고정하여 일체화 시킨다. 구체적으로, 볼트 헤드(bolt head, 201), 볼트 본체(bolt body, 202) 및 너트(nut, 203)로 구성된 체결부재(200)는 상하 일렬로 정렬된 방열 블록들(120, 130)을 관통하고 볼트 본체(202)의 단부에 너트(203)를 체결함으로써 방열 블록들(120, 130)을 견고하게 고정한다. 이러한 체결 고정은 방열 블록들(120, 130)을 견고하게 고정할 뿐만 아니라, 방열 블록들(120, 130)과 함께 결합된 흡열판들(110) 및 판상형 전지셀들(20)까지 견고하게 고정한다.
도 3 및 도 4와 함께 살펴본 바와 같이, 이러한 구조의 전지모듈은, 전지셀들(20)의 계면에 전지셀들(20)로부터 열을 흡수하는 흡열판들(110)을 개재하고, 흡열판들(110)로부터 전도된 열을 외부로 방출할 수 있도록 전지셀 적층체(20)에서 전지셀들(20) 사이의 잉여 공간에 장착되는 방열 블록들(120, 130)을 장착함으로써 추가적인 냉각 장치가 필요치 않도록 하여, 전지셀들(20)로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 흡열판들(110) 및 방열 블록들(120, 130)이 전지셀 적층체 계면 및 전지셀들(20) 사이의 잉여 공간에 장착되도록 하여 전지팩의 콤팩트 함을 달성할 수 있고, 추가적인 냉각 장치가 필요치 않으므로 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 달성할 수 있다.
더욱이, 체결부재(200)를 포함하는 전지모듈(300)은 방열 블록들(120, 130)을 일체화하여 고정함으로써 추가적인 전지모듈 외장 케이스가 필요치 않도록 하여, 별도의 외장 케이스 없이 견고하고 안정적인 전지모듈 구조를 달성할 수 있다. 또한, 이로 인해, 전지모듈의 콤팩트함을 달성할 수 있으며, 추가적인 외장 케이스 및 냉각 장치가 필요치 않으므로 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 더불어 달성할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀 냉각 부재의 사시도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 방열 블록들(120, 130)은 흡열판(110)의 양쪽 단부면에 접합되어 있고, 방열 블록들(120, 130)의 양측 단부에는 체결부재(200)와의 결속을 위한 관통구들(204)이 형성되어 있다.
도 6 내지 도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀 냉각 부재의 사시도가 도시되어 있다.
도 6를 참조하면, 방열 블록들(140, 150)에는 내부에 냉매(도시하지 않음)가 유동할 수 있도록 냉매 통로들(141, 151)이 형성되어 있고, 방열 블록들(120, 130)의 양측 단부에는 체결부재(200)와의 결속을 위한 관통구들(204)이 형성되어 있다.
이러한 구조의 방열 블록들(141, 151)은 방열 블록들(141, 151) 자체에서의 방열 효과와 더불어 냉매(도시하지 않음)에 의한 냉각 효과를 함께 달성할 수 있으므로, 더욱 향상된 방열 특성을 달성 할 수 있도록 해준다.
도 7을 참조하면, 방열 블록들(141, 151)은 내부에 상변환 물질(도시하지 않음)이 위치하는 통로들(161, 171)이 형성되어 있고, 방열 블록들(120, 130)의 양측 단부에는 체결부재(200)와의 결속을 위한 관통구들(204)이 형성되어 있다.
구체적으로, 상변환 물질(도시하지 않음)은 외부로부터 흡수한 열을 이용하여 자체 상변환을 일으키고 재 상변환 과정에서 열을 외부로 방출하는 특성을 지닌 물질이다. 따라서, 이러한 특성을 활용한 방열 블록들(161, 171)은 향상된 방열 특성을 달성할 수 있도록 해 준다.
도 8을 참조하면, 방열 블록들(180, 190)의 외면에는 방열 블록들(180, 190)의 길이 방향으로 그루브들(181, 191)이 형성되어 있고, 방열 블록들(120, 130)의 양측 단부에는 체결부재(200)와의 결속을 위한 관통구들(204)이 형성되어 있다.
이러한 그루브들(181, 191)은 방열 블록들(180, 190)의 외부 표면적을 증가시키므로, 더욱 향상된 방열 특성을 달성할 수 있도록 해 준다.
도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈과 종래의 전지모듈을, 추가적인 냉각을 가하지 않은 상태에서, 방전율 검사에 따른 각 전지모듈의 온도 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 종래의 전지모듈에 관한 그래프(A)와 본 발명에 따른 전지모듈에 관한 그래프(B)를 비교할 수 있다.
추가적인 외부 냉각 장치를 가하지 않은 상태에서, 종래의 전지모듈(A)과 본 발명에 따른 전지모듈(B)의 일정 시간 동안의 방전율 검사에 따라 온도 변화를 살펴보았다. 도 9에 도시된 그래프에서 보는 바와 같이, 시간이 지날수록 종래의 전지모듈(A)과 본 발명에 따른 전지모듈(B)의 온도 차이가 심해지는 것을 알 수 있다.
도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈과 종래의 전지모듈을, 추가적인 냉각을 가한 상태에서, 방전율 검사에 따른 각 전지팩의 온도 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 종래의 전지모듈에 관한 그래프(C)와 본 발명에 따른 전지모듈에 관한 그래프(D)를 비교할 수 있다.
추가적인 외부 냉각 장치를 가한 상태에서, 종래의 전지모듈(A)과 본 발명에 따른 전지모듈(B)의 일정 시간 동안의 방전율 검사에 따라 온도 변화를 살펴보았다. 도 9에 도시된 그래프에서 보는 바와 같이, 시간이 지날수록 종래의 전지모듈(A)과 본 발명에 따른 전지모듈(B)의 온도 차이가 심해지는 것을 알 수 있다.
추가적으로, 도 9 및 도 10을 도 3과 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈 (B, D)과 종래의 전지모듈(A, C)의 그래프에서 보는 바와 같이, 추가적인 외부 냉각 장치를 가하지 않은 상태에서, 본 발명에 따른 전지모듈(B, D)의 냉각 효율이 종래의 전지모듈(A, C)의 냉각 효율 보다 월등이 향상된 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈(B, D)은 전지셀들(10)의 계면에 전지셀들(10)로부터 열을 흡수하는 흡열판들(110)을 개재하고, 흡열판들(110)로부터 전도된 열을 외부로 방출할 수 있도록 전지셀(10) 적층체에서 전지셀들(10) 사이의 잉여 공간에 방열 블록들(120, 130)을 장착함으로써 추가적인 냉각 장치가 필요치 않도록 할 수 있으므로, 전지셀들(10)로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 흡열판들(110) 및 방열 블록들(120, 130)이 전지셀(10) 적층체 계면 및 전지셀들(10) 사이의 잉여 공간에 장착되도록 하여 전지팩의 콤팩트 함을 달성하고, 추가적인 냉각 장치가 필요치 않으므로 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 달성할 수 있다.
더욱이, 체결부재(200)를 포함하는 본 발명에 따른 전지모듈(300)은 방열 블록들(120, 130)을 일체화하여 고정함으로써 추가적인 전지모듈 외장 케이스가 필요치 않도록 하여, 별도의 외장 케이스 없이 견고하고 안정적인 전지모듈 구조를 달성할 수 있다. 또한, 이로 인해, 전지모듈의 콤팩트함을 달성할 수 있으며, 추가적인 외장 케이스 및 냉각 장치가 필요치 않으므로 향상된 제조 공정 및 향상된 냉각 효율성을 더불어 달성 할 수 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 (28)

  1. 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
    충방전이 가능한 판상형 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    전지셀 적층체에서 전지셀들의 계면에 개재되어 상기 전지셀들로부터 열을 흡수하는 흡열판;
    상기 흡열판으로부터 전도된 열을 방열하도록 흡열판과 연결되어 있고, 전지셀 적층체에서 전지셀들 사이의 잉여 공간에 장착되는 하나 이상의 방열 블록; 및
    상기 방열 블록들을 일체화하여 고정시키는 하나 이상의 체결부재;
    를 포함하고,
    상기 방열 블록에는 체결부재의 삽입을 위한 하나 이상의 관통구가 천공되어 있고, 상기 체결부재는 연통되어 있는 관통구들에 삽입되어 방열 블록들을 고정하며,
    상기 방열 블록들은 전지셀 전극단자들이 위치하는 열융착 잉여부들 사이의 공간에 장착되어 있고, 전지셀에 대한 체결부재의 간섭을 피하기 위하여, 상기 체결부재가 통과하는 전지셀의 외주면 열융착 부위는 절곡 또는 절취되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극 단자가 일측 단부 또는 양측 대향 단부들에 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스의 수납부에 전극조립체를 장착한 후 수납부의 외주면을 열융착하는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 흡열판은 0.1 내지 5.0 mm의 두께를 가지는 금속 판재인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 흡열판은 전지셀의 평면상 길이의 50 내지 120%의 길이 및 전지셀의 평면상 폭의 50 내지 150%의 폭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀이고, 상기 방열 블록은 전지셀 적층체에서 전지셀들의 열융착 잉여부들 사이의 공간에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 방열 블록의 적어도 하나는 전지셀 전극단자들이 위치하는 열융착 잉여부들 사이의 공간에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 블록은 다각형 구조의 수직 단면을 포함하는 각기둥 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 방열 블록의 높이는 열융착 잉여부들 사이의 공간 높이와 일치하는 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 블록과 흡열판은 열전도성 접합으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 열전도성 접합은 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond) 및 방열 접착 테이프(thermally conductive adhesive tape)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 것에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 블록은 0.8 내지 3.0 kJ/kgf·deg의 비열 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 블록은 상변환 물질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 상변환 물질은 30 내지 100도의 범위에서 상변환 되는 물질인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 블록은 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 냉매는 기체 또는 액체인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 블록의 외면에는 하나 이상의 그루브 또는 방열핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 흡열판과 전지셀의 계면에는 열전도 매개체가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 18 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.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구들은 방열 블록의 양측 단부 상에 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부재는 볼트(bolt)인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부재와 방열 블록들의 계면에는 열전도 매개체가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 열전도 매개체는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  26. 제 1 항 내지 제 19 항 및 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈이 하나 이상 팩 케이스에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  27. 제 26 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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