KR101745081B1 - 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리 및 배터리모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 배터리모듈은 단방향 밀폐형 수용공간으로 배터리 셀을 수용하는 유연재질의 셀 격막판(3), 열매체가 흐르는 셀 측면냉각채널(5-1)과 공기흐름이 형성되는 셀 하부 냉각채널(7)을 형성해 셀 격막판(3)의 한쪽 측면으로 구비된 배터리 셀 지지체(1-1)가 연속된 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리(1)로 구성됨으로써 제거된 용접 등 별도의 가공공정으로 배터리 셀의 모듈화 작업효율이 증가하고, 특히 이중적인 냉각 기능으로 충방전에 따른 셀의 스웰링(Swelling, 부풀어 오름)시 전체 모듈의 치수 변화가 최소화되면서 중량 및 공간 절감에 의한 셀 에너지 밀도 증대도 가능한 특징을 갖는다.

Description

냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리 및 배터리모듈{Battery Cell Supporter Assembly Integrated Cooling Structure Battery Module and Battery Module thereby}

본 발명은 배터리모듈에 관한 것으로, 특히 고에너지 및 고출력화되어 적층된 리튬이온 셀의 지지와 냉각구조를 하나로 일체화시킨 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체가 적용된 배터리모듈에 관한 것이다.

일반적으로 리튬이온전지는 전기적으로 활성을 가진(전기 활성) 물질을 수용함으로써 납전지나 니켈/카드뮴전지(Ni/Cd전지)에 비해 체적당 또는 중량당 대폭적인 고에너지밀도인 장점을 갖는다.

이러한 리튬이온전지의 특성을 이용한 리튬배터리모듈은 직렬로 적층된 리튬이온 셀(cell)과 적층된 셀에 대한 셀 지지구조물 및 충방전 시 열에 의한 셀의 스웰링(Swelling, 부풀어 오름) 방지를 위한 냉각기구로 구성된다.

그러므로, 리튬배터리모듈은 하이브리나 차량이나 전기자동차에 적합하고, 특히 최근 들어 개발되는 셀의 고에너지화 및 고출력화로 하이브리나 차량이나 전기자동차에 대한 필요성이 더욱 높아지고 있다.

미국특허공개공보 US 2014/0318746 A1

하지만, 리튬배터리모듈의 고에너지화 및 고출력화는 고에너지 셀의 충방전 시 셀 두께 변동율 증가와 함께 셀 내구수명 진행에 따른 셀 두께 증가를 가져오고, 이는 셀 냉각기구 및 셀 지지구조물의 변형 파손 위험성도 높아진다.

이로 인해, 고에너지 셀은 셀 냉각기구 및 셀 지지구조물에 대한 보강구조를 함께 요구하고, 이러한 보강구조는 리튬배터리모듈의 조립공정 증가로 인한 작업성 저하는 물론 고에너지 셀의 에너지 밀도 감소를 유발할 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 고에너지 및 고출력화되어 적층된 리튬이온 셀의 지지 및 냉각구조가 하나로 일체화되어 연속적으로 배열됨으로서 용접 등 별도의 가공공정 없이 셀의 연속적인 안착을 롱한 조립으로 모듈화 작업효율이 증가하고, 특히 하나로 일체화된 셀 지지 및 냉각구조에 탄성을 부여함으로써 충방전에 따른 셀의 스웰링(Swelling)시 전체 모듈의 치수 변화가 최소화되면서 중량 및 공간 절감에 의한 셀 에너지 밀도 증대도 가능한 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리 및 배터리모듈의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리는 셀 격막판과 상기 셀 격막판의 한쪽 측면으로 구비된 측면 가림판으로 이루어진 배터리 셀 지지체를 포함하고; 상기 셀 격막판은 배터리 셀이 수용되는 단방향 밀폐형 수용공간을 형성하며; 상기 측면 가림판은 상기 배터리 셀의 측면부를 냉각하도록 양방향 밀폐형 수용공간의 안쪽에서 열매체에 의한 냉각이 형성되는 셀 측면냉각채널, 상기 배터리 셀을 공기로 냉각시키도록 공기흐름이 형성되는 셀 하부 냉각채널을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 셀 측면냉각채널은 상기 열매체의 모세관현상과 상기 열매체의 증발현상 및 상기 배터리 셀의 팽창 흡수를 위한 공간으로 형성됨과 더불어 모세관현상을 구현하는 미세한 굵기의 구리다발 또는 부직포로 형성되고, 상기 셀 하부 냉각채널은 공기를 통과시키는 빈 공간으로 상기 셀 격막판의 하부와 상부중 어느 한 곳으로 형성된다.

상기 셀 격막판은 사각 판 형상의 중간부위가 곡면을 이루는 이음부로 되어 상기 단방향 밀폐형 수용공간을 형성하고, 상기 측면 가림판은 상기 양방향 밀폐형 수용공간의 외부차단된 내부가 다수 공간으로 구획되도록 탄성 변형되는 유연재질로 이루어진 "S"자 형상의 격벽을 구비한다.

상기 셀 측면냉각채널에는 열매체가 내장된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리모듈은 단방향 밀폐형 수용공간을 형성한 셀 격막판, 상기 셀 격막판의 한쪽 측면으로 구비된 측면 가림판, 상기 측면 가림판의 양방향 밀폐형 수용공간의 안쪽에서 열매체에 의한 냉각이 형성되는 셀 측면냉각채널, 상기 셀 격막판을 통과하는 공기흐름이 형성되는 셀 하부 냉각채널로 이루어진 배터리 셀 지지체가 연속적으로 배열된 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리; 상기 셀 격막판의 단방향 밀폐형 수용공간으로 수용되고, 상기 셀 지지체의 수량과 동일한 수량의 셀로 이루어진 셀 어셈블리; 서로 인접되게 배열되어 연속된 다수의 상기 셀 지지체를 묶어 상기 셀의 움직임을 방지하는 밴드; 가 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 배터리 셀 지지체에는 열매체가 공급된다.

이러한 본 발명의 배터리모듈은 셀의 지지 및 냉각구조의 일체형 구조로 이루어지고 연속적으로 배열됨으로서 용접 등 별도의 가공공정 없이 셀을 연속적으로 안착시킬 수 있어 작업효율이 증가하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 배터리모듈은 셀을 지지/보호하는 기구물이 냉각 기능을 가지므로 중량 및 공간절감이 가능하여 셀의 에너지 밀도가 상승하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 배터리모듈은 셀을 지지/보호하는 기구물의 내부 격막이 탄성을 가지는 구조로 됨으로써 셀의 팽창 수축시에도 전체 모듈의 치수 변화를 최소화 할 수 있어 치수 안정성이 뛰어난 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고에너지화 및 고출력화된 리튬배터리모듈의 하이브리나 차량이나 전기자동차에 대한 적용성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리의 구성이고, 도 2는 본 발명에 따른 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리가 동일한 셀 지지체로 확장된 구성예이며, 도 3은 본 발명에 따른 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리를 이용한 배터리모듈의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리를 이용한 2개의 셀을 한쌍으로 한 배터리모듈의 구성도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1,2는 본 실시예에 따른 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리의 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리(1)는 제1 배터리 셀 지지체(1-1)를 기본단위로 하고, 제1 배터리 셀 지지체(1-1)를 연속적으로 이어 N개(N은 2이상의 정수)의 제N 배터리 셀 지지체(1-N)로 확장됨으로써 배터리 모듈의 배터리 용량 증대에 맞춰 배터리 셀의 수량도 증대될 수 있는 편리함이 제공된다.

상기 제1 배터리 셀 지지체(1-1)와 상기 제N 배터리 셀 지지체(1-N)(N은 2이상의 정수)는 동일한 형상 및 작용이 이루어지므로, 이하에서 배터리 셀 지지체(1-1)는 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)중 하나를 의미한다.

구체적으로, 배터리 셀 지지체(1-1)는 수용공간에 삽입된 배터리 셀의 양쪽면을 감싸는 셀 격막판(3), 셀 격막판(3)의 한쪽 측면에 형성되어 배터리 셀을 이중 냉각하는 측면 가림판(5), 배터리 셀의 발열부를 냉각하는 셀 측면냉각채널(5-1), 배터리 셀의 하부를 냉각하는 셀 하부냉각채널(7)로 구성된다.

상기 셀 격막판(3)은 탄성이 있는 유연재질의 사각 판 형상으로 이루어짐으로써 사각 판의 중간부위를 이음부(3-1)로 해 사각 판의 양끝면이 개방된 단방향 밀폐형 수용공간구조로 형성되거나 또는 사각 판의 양끝면이 서로 연결된 양방향 밀폐형 수용공간구조로 형성된다. 여기서, 상기 이음부(3-1)는 곡면으로 형성된다. 또한, 상기 셀 격막판(3)의 모양/두께/수량은 필요한 변형량 및 반발력 및 열관리 수준에 따라 적절히 설계한다. 특히, 상기 셀 격막판(3)의 강성은 이음부(3-1)의 부분이 변형될 수 있는 힘을 기준으로 해 이음부(3-1)에서 이어져 수용공간을 형성하는 부분이 파손되지 않는 힘에 대한 내구성을 갖는 정도이고, 이러한 내구성을 감안한 설계가 이루어진다.

상기 측면 가림판(5)은 탄성이 있는 유연재질의 사각 판 형상으로 이루어짐으로써 사각 판의 양끝면이 서로 연결되고 내부공간이 외부와 차단된 양방향 밀폐형 수용공간구조로 형성된다. 특히, 상기 측면 가림판(5)의 수용공간은 열매체의 모세관현상과 열매체의 증발현상 및 배터리 셀의 팽창 흡수를 위한 공간으로 형성됨과 더불어 모세관현상을 구현하는 미세한 굵기의 구리다발 또는 부직포로 형성되고, 특히 "S"자 형상의 격벽(5-3)이 양방향 밀폐형 수용공간에 구비됨으로써 배터리 셀의 팽창에 의한 양방향 밀폐형 수용공간의 압축 시 격벽(5-3)의 탄성변형으로 탄성을 유지한다. 여기서, 상기 격벽(5-3)은 서로 간격을 두고 다수개 형성된다.

상기 셀 측면냉각채널(5-1)은 미세직경의 구리와이어 재질 모세관을 연속적으로 배열한 모세관 집합체인 구리다발 또는 부직포로 구성되고, 상기 모세관 집합체는 측면 가림판(5)의 양방향 밀폐형 수용공간의 내면에 배열된 상태에서 열매체와 연계됨으로써 셀 격막판(3)에 수용된 배터리 셀의 발열부로부터 열을 전달받고, 하부에 내장된 열매체를 모세관 현상으로 빨아올리고 열에 의한 열매체 기화에 의한 잠열방출로 냉각이 이루어진다. 여기서, 상기 열매체는 아세톤을 적용한다. 그러므로, 상기 셀 측면냉각채널(5-1)은 셀 격막판(3)과 측면 가림판(5)의 접촉면을 이용해 배터리 셀의 발열부에 대한 냉각을 구현할 수 있다.

상기 셀 하부냉각채널(7)은 셀 격막판(3)과 측면 가림판(5)의 하부부에서 공기가 통과되는 빈 공간으로 형성되고, 빈 공간은 셀 격막판(3)에 대한 측면 가림판(5)의 길이 차이로 형성된다. 일례로, 길이 La 및 폭 W(셀 격막판(3)의 단방향 밀폐형 수용공간(또는 양방향 밀폐형 수용공간))의 셀 격막판(3), 길이 Lb의 측면 가림판(5)이 적용되면, 셀 하부냉각채널(7)은 공기유량 통과공간을 H *W로 형성함으로써 배터리 셀의 하부 냉각이 셀 격막판(3)과 측면 가림판(5)의 길이 차이로 구현된다. 특히, 상기 측면 가림판(5)의 길이 Lb는 셀 격막판(3)의 위쪽부위에서 공기가 통과되는 셀 상부냉각채널을 형성하는 길이로 될 수 있는데, 이는 배터리 셀의 상하부가 셀 상부냉각채널과 셀 하부냉각채널(7)로 동시에 냉각됨으로써 배터리 셀 팽창시 구조물의 신뢰성 강화에 기여한다. 특히, 상기 셀 하부냉각채널(7)의 공기 통과용 하부의 빈 공간은 측면 가림판(5)부위도 온도를 낮춰줌으로써 가림판(5)의 수용공간의 하부에 내장된 열매체가 기화되지 않도록 한다.

한편, 도 3,4는 본 실시예에 따른 배터리모듈의 다양한 구성을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 배터리모듈은 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 각각에 개별적으로 수용되는 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)로 이루어진 셀 어셈블리(10), 서로 인접되게 배열된 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)을 묶어 움직임을 방지하는 밴드(20)로 구성된다.

도 4를 참조하면, 배터리모듈은 2개의 배터리 셀 지지체(1-1)에 각각 수용된 2개의 제1,2 셀(10-1,10-2)을 한 쌍으로 한 셀 유닛(10A), 서로 인접되게 배열된 다수 쌍의 셀 유닛(10A)을 묶어 움직임을 방지하는 밴드(20)로 구성된다.

더불어, 도 3 및 도 4의 배터리모듈은 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 각각으로 아세톤과 같은 열매체를 공급하는 장치와 함께 연계된다.

구체적으로, 상기 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 각각은 셀 격막판(3), 측면 가림판(5), 셀 측면냉각채널(5-1), 셀 하부냉각채널(7)로 이루어짐으로써 도 1,2를 통해 기술된 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리(1)와 동일하다.

구체적으로, 상기 셀 어셈블리(10)는 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 각각에 개별적으로 수용되는 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)로 구성된다. 여기서, 상기 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)의 수량은 1개 배터리 모듈에 사용되는 배터리 셀의 수량에 맞춰지고, 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)의 수량은 셀 중량과 크기 및 팩의 전압을 고려하여 정해진다. 그러므로, 상기 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)의 각각을 수용하는 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 수량에 맞춰져 변화된다. 특히, 셀 유닛(10A)은 2개의 제1,2 배터리 셀 지지체(1-1,1-2)와 이에 각각 수용된 제1,2 셀(10-1,10-2)을 한 묶음으로 함으로써 보다 용이하게 배터리 모듈의 용량 변화에 대응할 수 있다.

구체적으로, 상기 밴드(20)는 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 둘레에 처져 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)을 묶어줌으로써 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)의 빠짐이 방지된다. 특히, 작업자는 셀의 표면 접촉에 의한 열전달 손실을 최소화하도록 밴드(20)를 묶는 힘을 적절하게 유지한다. 상기 밴드(20)는 다양한 재질로 이루어지나 금속재질의 메탈밴드를 적용한다.

그러므로, 상기 배터리모듈은 용접등 별도의 가공공정 없이 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)을 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 각각에 연속적으로 안착시켜주는 작업만으로 모듈구성이 완료됨으로써 작업자의 작업효율이 증가될 수 있다.

더불어, 상기 배터리모듈은 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 각측면에 형성된 셀 측면냉각채널(5-1)이 셀 격막판(3)에 수용된 배터리 셀의 발열부로부터 열을 전달받고, 하부에 내장된 열매체를 모세관 현상으로 빨아올리고 열에 의한 열매체 기화에 의한 잠열방출로 냉각이 이루어짐으로써 열매체(아세톤) 모세관현상으로 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)의 각 발열부를 냉각한다. 또한, 상기 배터리모듈은 제1,...,N 배터리 셀 지지체(1-1,...,1-N)의 각 하부에 형성된 셀 하부냉각채널(7)이 공기흐름으로 제1,..,N 셀(10-1,...,10-N)의 각 하부를 냉각함으로써 별도 기구물 적용 대비 중량 및 공간절감에 의한 셀 에너지 밀도 상승과 셀 팽창 수축에 의한 모듈 치수 변화 최소화가 이루어질 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 배터리모듈은 단방향 밀폐형 수용공간으로 배터리 셀을 수용하는 유연재질의 셀 격막판(3), 열매체가 흐르는 셀 측면냉각채널(5-1)과 공기흐름이 형성되는 셀 하부 냉각채널(7)을 형성해 셀 격막판(3)의 한쪽 측면으로 구비된 배터리 셀 지지체(1-1)가 연속된 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리(1)로 구성됨으로써 제거된 용접 등 별도의 가공공정으로 배터리 셀의 모듈화 작업효율이 증가하고, 특히 이중적인 냉각 기능으로 충방전에 따른 셀의 스웰링(Swelling, 부풀어 오름)시 전체 모듈의 치수 변화가 최소화되면서 중량 및 공간 절감에 의한 셀 에너지 밀도 증대도 가능하다.

1 : 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리
1-1,...,1-N : 제1,..,N 배터리 셀 지지체
3 : 셀 격막판 3-1 : 이음부
5 : 측면 가림판 5-1 : 셀 측면냉각채널
5-3 : 격벽 7 : 셀 하부 냉각채널
10 : 셀 어셈블리 10-1,...,10-N : 제1,..,N 셀
10A : 셀 유닛 20 : 밴드

Claims (11)

1. 셀 격막판과 상기 셀 격막판의 한쪽 측면으로 구비된 측면 가림판으로 이루어진 배터리 셀 지지체가 포함되고;
   상기 셀 격막판은 배터리 셀이 수용되는 단방향 밀폐형 수용공간을 형성하며;
   상기 측면 가림판은 상기 배터리 셀의 측면부를 냉각하도록 양방향 밀폐형 수용공간의 안쪽에서 열매체 흐름이 형성되는 셀 측면냉각채널, 상기 배터리 셀을 공기로 냉각시키도록 공기흐름이 형성되는 셀 하부 냉각채널을 구비하고;
   상기 셀 하부 냉각채널은 공기를 통과시키는 빈공간으로 형성되며,
   상기 셀 하부 냉각채널은 상기 배터리 셀 지지체가 연속적으로 배열된 상태에서 상기 배터리 셀 지지체의 각각에 대해 독립적으로 형성되는
   것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 셀 격막판과 상기 측면 가림판은 유연재질로 이루어져 탄성 변형되는 것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 셀 측면냉각채널은 상기 열매체의 모세관현상과 상기 열매체의 증발현상 및 상기 배터리 셀의 팽창 흡수를 위한 공간으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 모세관현상을 위한 모세관은 미세한 굵기의 구리다발 또는 부직포로 이루어지고, 상기 셀 하부 냉각채널은 상기 셀 격막판의 하부와 상부중 어느 한 곳으로 형성된 것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 셀 격막판은 사각 판 형상의 중간부위가 이음부로 되어 상기 단방향 밀폐형 수용공간을 형성하고, 상기 이음부는 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 측면 가림판은 상기 양방향 밀폐형 수용공간의 외부차단된 내부가 다수 공간으로 구획되는 격벽을 구비하고, 상기 격벽은 탄성변형되는 유연재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 격벽은 "S"자 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
8. 청구항 1에 있어서, 상기 셀 측면냉각채널에는 상기 열매체가 내장된 것을 특징으로 하는 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리.
   
9. 단방향 밀폐형 수용공간을 형성한 셀 격막판, 상기 셀 격막판의 한쪽 측면으로 구비된 측면 가림판, 상기 측면 가림판의 양방향 밀폐형 수용공간의 안쪽에서 열매체에 의한 냉각이 형성되는 셀 측면냉각채널, 상기 셀 격막판을 통과하는 공기흐름이 형성되는 셀 하부 냉각채널로 이루어진 배터리 셀 지지체가 연속적으로 배열된 냉각구조일체형 배터리 셀 지지체 어셈블리;
   상기 셀 격막판의 단방향 밀폐형 수용공간으로 수용되고, 상기 셀 지지체의 수량과 동일한 수량의 셀로 이루어진 셀 어셈블리;
   서로 인접되게 배열되어 연속된 다수의 상기 셀 지지체를 묶어 상기 셀의 움직임을 방지하는 밴드;가 포함되고,
   상기 셀 하부 냉각채널은 상기 배터리 셀 지지체가 연속적으로 배열된 상태에서 상기 배터리 셀 지지체의 각각에 대해 독립적으로 형성되는
   것을 특징으로 하는 배터리모듈.
   
10. 청구항 9에 있어서, 상기 배터리 셀 지지체에는 상기 열매체가 내장된 것을 특징으로 하는 배터리모듈.
    
11. 청구항 9에 있어서, 상기 밴드는 금속재질인 것을 특징으로 하는 배터리모듈.

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