KR101779945B1 - 냉각 튜브가 형성된 냉각부재를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 복수의 판상형 전지셀들이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조의 셀 적층체; 상기 셀 적층체에서 발생하는 열을 냉각하기 위해 전지셀들 사이에 개재되는 냉각 핀과, 냉매가 유통되는 중공 구조를 가지며 상기 냉각 핀의 적어도 일부의 외주를 따라 결합되어 있는 냉각 튜브를 포함하고 있는 판상형의 냉각 부재들; 상기 셀 적층체의 하면을 지지하면서, 냉각 튜브들의 냉매 유입구들과 냉매 배출구들이 체결되는 방열 플레이트; 및 상기 방열 플레이트의 일면에 장착되어 있고, 냉매 유입구들에 연통되어 있는 제 1 매니폴드와 냉매 배출구들이 연통되어 있는 제 2 매니폴드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

냉각 튜브가 형성된 냉각부재를 포함하는 전지모듈 {Battery Module Comprising Cooling member with Cooling Tube}

본 발명은 냉각 튜브가 형성된 냉각부재를 포함하는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.

특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 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.

이러한 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.

또한, 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 전지모듈 내지 상기 전지모듈 다수 개를 포함하는 고출력 대용량의 전지인 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.

이에 따라, 일반적인 전지모듈의 경우, 상기 전지모듈을 구성하는 전지셀들 사이에 판상형의 냉각 부재가 대면 접촉하도록 개재된 상태에서, 히트 싱크(heat sink)와 같은 별도의 열 전달 부재가 전지모듈의 일측에 위치하여, 상기 전지셀들 사이에 위치한 각각의 냉각 부재와 접하도록 구성됨으로써, 상기 전지셀들에서 발생한 열을 외부로 배출하도록 구성되어 있다.

그러나, 이러한 별도의 열 전달 부재를 사용하는 냉각 시스템은, 최근의 전지모듈의 경량화, 소형화 추세에 반하여, 전지모듈의 전체적인 사이즈를 증가시키고, 이에 따라, 상기 전지모듈이 탑재되는 디바이스의 탑재 공간에 제약을 발생시킨다.

또한, 상기 별도의 열 전달 부재 구성으로 인해, 전지모듈의 전체적인 제조 비용이 증가하고, 전지셀들에서 발생한 열이 별도의 매개체를 거쳐 외부로 배출되므로, 전체적인 냉각 효율이 저하될 뿐만 아니라, 상기 열 전달 부재의 결합을 위한 추가적인 공정이 요구되므로, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간이 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 별도의 냉각 장치의 추가 없이, 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위해 중공 구조의 냉각 튜브를 통해 순환하는 냉매를 직접 접촉하도록 구성한 냉각 부재를 포함함으로써, 전지셀들에서 발생한 열이 냉매에 전달되는 과정에서 거치게 되는 매개체의 구성을 최소화하여 전체적인 냉각 효율이 향상되고, 별도의 열 전달 부재의 구성 없이, 효과적으로 전지셀에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있도록 구성하여 전체적인 전지모듈의 사이즈를 컴팩트하게 구성할 수 있으며, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,

복수의 판상형 전지셀들이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조의 셀 적층체;

상기 셀 적층체에서 발생하는 열을 냉각하기 위해 전지셀들 사이에 개재되는 냉각 핀과, 냉매가 유통되는 중공 구조를 가지며 상기 냉각 핀의 적어도 일부의 외주를 따라 결합되어 있는 냉각 튜브를 포함하고 있는 판상형의 냉각 부재들;

상기 셀 적층체의 하면을 지지하면서, 냉각 튜브들의 냉매 유입구들과 냉매 배출구들이 체결되는 방열 플레이트; 및

상기 방열 플레이트의 일면에 장착되어 있고, 냉매 유입구들에 연통되어 있는 제 1 매니폴드와 냉매 배출구들이 연통되어 있는 제 2 매니폴드;

를 포함하는 구조일 수 있다.

따라서, 냉각 튜브의 중공부를 통해 전지모듈을 통과하는 냉매가 냉각 부재와 직접 접촉하게 되므로, 전지셀들에서 발생한 열이 냉매에 전달되는 과정에서 거치게 되는 매개체의 구성을 최소화함으로써 전체적인 냉각 효율이 향상되고, 별도의 열 전달 부재의 구성 없이 효과적으로 전지셀에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있으므로, 전체적인 전지모듈의 크기를 컴팩트하게 구성할 수 있으며, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.

또한, 냉매에 대한 내식성은 냉매 도관에만 요구되므로, 방열핀까지 내식성 소재로 제작할 필요가 없으므로, 냉각부재의 제조비용이 저렴하다는 장점도 있다.

상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 셀 케이스에 전극조립체가 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루있고, 상기 셀 케이스는 전극조립체가 내장된 상태에서 전극조립체 수납부의 외주 부위가 열융착되어 있는 파우치형 케이스일 수 있다.

즉, 상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 판상형 이차전지가 바람직하다. 이러한 판상형 전지셀의 바람직한 예로는, 각형 전지셀과 파우치형 전지셀을 들 수 있으며, 그 중에서도, 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 형성된 전극조립체 수납부에 전극조립체가 내장되어 있고 전극조립체 수납부의 외주면에는 열융착에 의해 밀봉된 실링부(외주면 실링부)를 형성하고 있는 파우치형 전지셀이 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 전지모듈을 구성하는 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.

일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_1+xMn_2-xO₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 130 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.

상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.

이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.

또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.

상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.

리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.

상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.

상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li₃N, LiI, Li₅NI₂, Li₃N-LiI-LiOH, LiSiO₄, LiSiO₄-LiI-LiOH, Li₂SiS₃, Li₄SiO₄, Li₄SiO₄-LiI-LiOH, Li₃PO₄-Li₂S-SiS₂ 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 상기 냉각 튜브는 적어도 일부가 상기 전극조립체 수납부의 외주면 형상에 대응하여 절곡되어 있는 구조일 수 있으며, 예를 들어, 상기 전지셀의 전극조립체 수납부는 평면상으로 사각형 형상이고, 상기 냉각 튜브는 전극조립체 수납부의 2면 이상에 대응하는 형상으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.

경우에 따라서, 상기 전지셀의 전극조립체 수납부는 평면상으로 사각형 형상이고, 상기 냉각 튜브는 전극조립체 수납부의 3면에 대응하는 형상으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.

상기 구조에서, 상기 냉각 튜브는 전극조립체 수납부의 외주면에 밀착되는 구조로 절곡되는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 튜브의 냉매 유입구 및 냉매 배출구는 방열 플레이트의 일측면에 나란히 형성되어 있는 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 냉각 부재의 냉각 핀 외주에는, 냉각 튜브의 결합이 용이하도록, 냉각 튜브의 일측 외면에 대응하는 형상으로 수납 리브가 형성되는 구조일 수 있고, 상기 냉각 튜브는 냉각 핀의 수납 리브에 브레이징(brazing) 처리에 의해 결합되는 구조일 수 있다.

본 발명에 따르면, 경우에 따라서, 상기 냉각 튜브의 중공부는 평면상으로 단면이 원형, 사각형 또는 다각형일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 부재, 방열 플레이트 및 매니폴드는 각각 알루미늄 소재로 이루어진 구조일 수 있다.

상기 냉매는 상기 냉각 튜브를 따라 연속적으로 순환하면서 상기 전지셀 적층체에서 발생되는 열을 지속적으로 냉각시킬 수 있다. 상기 냉매는, 예를 들어, 물일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 방열 플레이트에는 냉각 튜브들의 냉매 유입구들과 냉매 배출구들이 삽입 고정될 수 있는 관통구들이 천공되어 있는 구조일 수 있고, 상기 냉각 튜브들의 냉매 유입구들과 냉매 배출구들은 관통구들에 삽입된 상태에서 방열 플레이트와 브레이징(brazing) 처리에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.

상기 냉매 유입구들과 냉매 배출구들은 방열 플레이트의 관통구들에 소정의 길이로 하향 연장된 상태로 삽입되어 있는 구조일 수 있고, 상기 관통구들의 위치에 대응하여 방열 플레이트의 하면에 제 1 매니폴드와 제 2 매니폴드가 결합되어 있는 구조일 수 있다.

상기 제 1 매니폴드 및 제 2 매니폴드는 중앙부위가 함몰된 바스켓 형상의 쳄버(chamber) 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 냉매는 제 1 매니폴드에 의해 각각의 상기 방열 플레이트의 냉매 유입구로 도입되어 냉각 튜브를 경유한 후 각각의 상기 방열 플레이트의 냉매 배출구를 통해 제 2 매니폴드로 배출되는 구조일 수 있다.

또, 상기 제 1 매니폴드 및 제 2 매니폴드는 방열 플레이트에 브레이징 처리에 의해 결합되어 있고, 상기 방열 플레이트에 접하는 냉각 핀의 일측 단부도 방열 플레이트에 브레이징 처리에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 방열 플레이트에는 셀 적층체의 측면 하단부위를 감싸도록 소정의 길이로 상향 연장되어 있는 수직 절곡부가 형성되어 있는 구조일 수 있고, 예를 들어, 상기 수직 절곡부는 셀 적층체의 최외곽 전지셀의 외면에 밀착되도록 대응하는 형상으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.

상기 디바이스는, 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있다.

상기한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 별도의 냉각 장치의 추가 없이, 전지셀 적층체에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위해 중공 구조의 냉각 튜브를 통해 순환하는 냉매를 직접 접촉하도록 구성한 냉각 부재를 포함함으로써, 전지셀들에서 발생한 열이 냉매에 전달되는 과정에서 거치게 되는 매개체의 구성을 최소화하여 전체적인 냉각 효율이 향상되고, 별도의 열 전달 부재의 구성 없이, 효과적으로 전지셀에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있어, 전체적인 전지모듈의 사이즈를 컴팩트하게 구성할 수 있으며, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 정면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 3은 도 2의 전지모듈의 측면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다;
도 5는 본 발명에 따른 냉각 플레이트에 체결된 냉각부재들의 사시도이다;
도 6은 본 발명에 따른 냉각부재의 사시도이다;
도 7은 도 6의 A 부분의 사시도이다.

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 1에는 본 발명의 전지모듈에 장착되는 하나의 예시적인 판상형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 판상형 전지셀(100)은, 두 개의 전극리드(110, 120)가 서로 대향하여 전지케이스(130)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지케이스(130)는 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트로 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 전극조립체 수납부(140)에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 전극조립체 수납부(140)의 외주면인 양측면(150b)과 상단부(150a) 및 하단부(150c)를 열융착에 의해 밀봉시킴으로써 실링부(150)를 형성하여 전지셀(100)이 만들어진다.

상단부(150a)와 하단부(150c)에는 전극리드(110, 120)가 돌출되어 있으므로 전극리드(110, 120)의 두께 및 전지케이스(130) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(110, 120)와의 사이에 필름상의 실링부재(160)를 개재한 상태에서 열융착시킨 구조로 구성되어 있다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전지모듈의 측면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명에 따른 냉각 플레이트에 체결된 냉각부재들의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 도 1과 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈(500)은 복수의 판상형 전지셀들(100)이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조의 셀 적층체(B), 전지셀들(100) 사이에 밀착되는 형상으로 개재되어 있는 복수의 판상형 냉각부재들(210,220,230,240,250,260), 셀 적층체(B)의 하면을 지지하면서, 냉각부재들과 체결되는 방열 플레이트(300) 및 방열 플레이트(300)의 하면에 장착되어 냉매가 유입 및 배출되는 제 1 매니폴드(400)와 제 2 매니폴드(600)를 포함하여 구성되어 있다.

전지셀들(100)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어져 있고, 냉각 부재들을 사이에 두고 두께 방향으로 적층되는 구조의 셀 적층체(B)를 구성한다.

냉각부재(210)는 전체적으로 사각형의 판상형 구조로 형성되어 있고, 외주를 따라 냉매가 유동할 수 있도록 중공 구조의 냉각 튜브(도 6: 212)를 포함하는 구조이며, 판상형 전지셀들(100)의 수납부(140)에 직접 밀착되어 대면 접촉하는 구조로 이루어져 있다.

방열 플레이트(300)는 셀 적층체(B)의 하면 전체를 지지하는 구조로 이루어져 있고, 양측에는 셀 적층체(B)의 측면 하단부위를 감싸도록 소정의 길이로 상향 연장되어 있는 수직 절곡부(320)가 형성되어 있다.

따라서, 방열 플레이트(300)는 열전도성이 우수한 알루미늄 소재로 이루어져 있는 바, 수직 절곡부(320)가 소정의 길이로 상향 연장되어 있는 상태로 전지셀(100)의 일면에 절곡 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있으므로 전지셀(100)이 안정적으로 고정되면서 동시에 전지셀(100)에서 발생되는 열을 효과적으로 제거할 수 있다.

또, 방열 플레이트(300)에는 냉각 튜브(도 6: 212)의 단부가 삽입 고정될 수 있는 관통구들(310)이 냉각 튜브들에 대응하는 개수로 형성되어 있다. 냉각부재들의 냉각 튜브(212)의 단부는 관통구(310)에 삽입된 후에 브레이징 처리에 의해 방열 플레이트(300)와 결합된다.

방열 플레이트(300)의 관통구들(310)이 형성된 부위에는 제 1 매니폴드(400)와 제 2 매니폴드(600)가 각각 결합된다. 여기서, 제 1 매니폴드(400)와 제 2 매니폴드는 중앙부위가 함몰된 바스켓 형상의 쳄버(chamber) 구조로 이루어져 있다.

제 1 매니폴드(400)에는 냉매가 유입되는 냉매 유입관(410)이 일측에 형성되어 있고, 제 2 매니폴드(600)에는 냉매가 배출되는 냉매 배출관(610)이 타측에 형성되어 있다.

따라서, 제 1 매니폴드(400)의 냉매 유입관(410)을 통해 유입된 냉매가 방열 플레이트(300)의 관통구(310)로 삽입되어 있는 중곡 구조의 냉각 튜브(212)를 통해 유입되어 유동하면서 전지셀(100)에서 발생되는 열을 제거한 후에 제 2 매니폴드(600)의 냉매 배출관(610)을 통해 배출된다 (화살표시 참조).

도 6에는 본 발명에 따른 냉각부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 A 부분의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 냉각부재(210)는 금속 소재의 판상형 냉각 핀(211) 및 전지셀(100)의 전극조립체 수납부(140)의 외주면(150)에 위치하고 냉매가 내부에서 유동되는 중공 구조의 냉각 튜브(212)로 구성되어 있다.

냉각튜브(212)는 냉매의 누수에 대한 손상을 최소화하기 위해 내식성의 소재로 이루어져 있고, 냉매 유입구(213)와 냉매 배출구(214)가 일측면에 나란히 형성되어 있다. 냉각튜브(212)의 냉매 유입구(213)과 냉매 배출구(214)는 방열 플레이트(300)의 관통구들(310)에 삽입된 상태에서 방열 플레이트(300)와 브레이징 처리에 의해 결합된다.

한편, 냉각부재(210)의 냉각 핀(211) 외주에는, 냉각 튜브(212)의 결합이 용이하도록, 냉각튜브(212)의 일측 외면에 대응하는 형상으로 수납 리브(215)가 외주면을 따라 형성되어 있다.

냉각 튜브(212)는, 기밀성을 유지하기 위해, 냉각 핀(211)의 수납 리브(215)에 브레이징(brazing) 처리에 의해 결합되어 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 (18)

1. 복수의 판상형 전지셀들이 측면 방향으로 인접하여 적층되어 있는 구조의 셀 적층체;
   상기 셀 적층체에서 발생하는 열을 냉각하기 위해 전지셀들 사이에 개재되는 냉각 핀과, 냉매가 유통되는 중공 구조를 가지며 상기 냉각 핀의 적어도 일부의 외주를 따라 결합되어 있는 냉각 튜브를 포함하고 있는 판상형의 냉각 부재들;
   상기 셀 적층체의 하면을 지지하면서, 냉각 튜브들의 냉매 유입구들과 냉매 배출구들이 체결되는 방열 플레이트; 및
   상기 방열 플레이트의 일면에 장착되어 있고, 냉매 유입구들에 연통되어 있는 제 1 매니폴드와 냉매 배출구들이 연통되어 있는 제 2 매니폴드; 를 포함하며,
   상기 방열 플레이트에는 냉각 튜브들의 냉매 유입구들과 냉매 배출구들이 삽입 고정될 수 있는 관통구들이 천공되어 있고,
   상기 냉각 튜브들의 냉매 유입구들과 냉매 배출구들은 관통구들에 삽입된 상태에서 방열 플레이트와 브레이징 처리에 의해 결합되어 있으며,
   상기 냉매 유입구들과 냉매 배출구들은 방열 플레이트의 관통구들에 소정의 길이로 하향 연장된 상태로 삽입되어 있고,
   상기 관통구들의 위치에 대응하여 방열 플레이트의 하면에 제 1 매니폴드와 제 2 매니폴드가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 셀 케이스에 전극조립체가 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 셀 케이스는 전극조립체가 내장된 상태에서 전극조립체 수납부의 외주 부위가 열융착되어 있는 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
4. 제 3 항에 있어서, 냉각 튜브는 적어도 일부가 상기 전극조립체 수납부의 외주면 형상에 대응하여 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 전지셀의 전극조립체 수납부는 평면상으로 사각형 형상이고, 상기 냉각 튜브는 전극조립체 수납부의 3면에 대응하는 형상으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 부재의 냉각 핀 외주에는, 냉각 튜브의 결합이 용이하도록, 냉각 튜브의 일측 외면에 대응하는 형상으로 수납 리브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 냉각 튜브는 냉각 핀의 수납 리브에 브레이징(brazing) 처리에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 부재, 방열 플레이트 및 매니폴드는 각각 알루미늄 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 매니폴드 및 제 2 매니폴드는 중앙부위가 함몰된 바스켓 형상의 쳄버(chamber) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 제 1 매니폴드에 의해 각각의 냉매 유입구로 도입되어 냉각 튜브를 경유한 후 각각의 냉매 배출구를 통해 제 2 매니폴드로 배출되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 플레이트에는 셀 적층체의 측면 하단부위를 감싸도록 소정의 길이로 상향 연장되어 있는 수직 절곡부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 수직 절곡부는 셀 적층체의 최외곽 전지셀의 외면에 밀착되도록 대응하는 형상으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
17. 제 1 항 내지 제 8 항 및 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
18. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.

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