KR102023921B1

KR102023921B1 - 배터리 모듈

Info

Publication number: KR102023921B1
Application number: KR1020120100417A
Authority: KR
Inventors: 고동환
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2019-09-23
Also published as: KR20140034413A

Abstract

본 발명은 일정간격 이격되어 나란히 적층되는 다수개의 배터리셀 및 상기 배터리셀들 사이에 각각 개재되어 밀착되며, 상변화물질(PCM :Phase Change Material)이 내장되는 다수개의 열전달부재;를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}

본 발명은 다수개의 배터리셀을 포함하는 배터리 모듈에 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 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 중대형 전지모듈을 구성하는 배터리셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있다.

일반적으로, 배터리셀은 충방전 과정 또는 장시간 사용될 경우, 많은 열이 발생하게 되어 내부의 온도가 급격히 상승하게 되는데, 이러한 배터리셀 내부의 급격한 온도 상승은 배터리셀의 수명을 단축시킬뿐만 아니라, 배터리의 효율을 저하시키게 된다.

또한, 배터리셀들은 서로 온도가 다르게 상승하면서 배터리셀들간의 온도 편차가 발생하게 되어, 배터리셀들 각각의 수명과 효율을 정확히 예측할 수 없게 되는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 종래 기술 US 20100167149 A1 연료 전지 시스템에서는 온도 센서를 구비하여, 배터리셀들을 공랭식 또는 수랭식 방식으로 냉각하여 배터리셀들간의 온도 편차를 줄일려고 하였으나, 이는 구성 자체가 복잡해질 뿐만 아니라, 시스템을 구성하는 비용이 많이 들게 되는 문제점이 있다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 다양한 배터리 모듈의 개발이 필요한 실정이다.

US 20100167149 A1 {2010.07.01}

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리셀들의 급격한 온도 상승 또는 하강을 방지하여 일정한 온도를 유지하고, 배터리셀들간의 온도 편차를 줄일 수 있으며, 배터리셀들을 공랭식 또는 수냉식으로 냉각할 경우의 냉각 효과를 극대화 할 수 있는 배터리 모듈을 제공하려는 것이다.

본 발명에 따른 배터리 모듈은 일정간격 이격되어 적층되는 다수개의 배터리셀; 상기 배터리셀들 사이에 밀착 개재되는 다수개의 열전달부재; 및 상기 배터리셀 및 상기 열전달부재가 수용되는 하우징;을 포함하고, 상기 다수개의 열전달부재와 상기 하우징의 내부에는 상변화물질(PCM :Phase Change Material)이 내장되고, 상기 열전달부재는 일단이 상기 하우징의 하측 내면에 접하여 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리셀의 양면은 상기 열전달부재 또는 상기 하우징의내측면과 접하여 배치되고, 상기 배터리셀의 일단은 상기 하우징의 하측 내면에 접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 상변화물질은 n-paraffin, poly ethylene glycol, Na₂S0₄10H₂0, Na₂HP0₄12H₂0, Zn(NO₃)₂6H₂O, Na₂S₃O₃5H₂0, NaCH₃COO3H₂O 중 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

삭제

이에 따라, 본 발명의 배터리 모듈은 열전달부재에 내장된 상변화물질에 의해, 배터리셀에서 발생하는 열을 흡수하거나, 흡수한 열을 방출함으로서, 배터리셀을 일정한 온도로 유지시킬 뿐만 아니라, 2개의 이웃하는 배터리셀끼리 열전달이 이루어지도록 하여, 2개의 이웃하는 배터리셀간 온도 편차를 최소화 할 수 있는 장점이 있다,

또한, 본 발명의 배터리 모듈은 열전달부재가 다수개의 소형 덩어리 형태로 형성됨으로서, 좁은 공간에도 용이하게 설치할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈은 하우징과 열전달부재가 서로 결합됨으로서, 배터리셀들끼리 상호 열전달이 이루어지도록 함으로서, 배터리들간의 온도 편차를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명의 배터리 모듈은 하우징과 열전달부재에 내장된 열전달부재이 외부에서 유입되는 열을 최대한 저장하여 배터리셀들에 각각 전달함으로서, 배터리셀들을 공랭식 또는 수냉식으로 냉각할 경우 배터리셀들의 냉각 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 배터리 모듈의 사시도
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 배터리 모듈의 단면도
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 배터리 모듈의 단면도
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 배터리 모듈의 사시도
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 배터리 모듈의 단면도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 배터리 모듈의 사시도, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 배터리 모듈(1000a)은 다수개의 배터리셀(100), 열전달부재(200)를 포함하여 구성된다.

다수개의 배터리셀(100)은 일정간격 이격되어 나란히 적층되며, 각 배터리셀(100)에 대해 상세히 설명하자면 다음과 같다.

배터리셀(100)은 제1전극판(도시안됨), 제2전극판(도시안됨), 분리막(도시안됨),케이스, 한 쌍의 전극탭(110)을 포함하여 구성된다.

제1전극판은 양극으로서, 도전성이 우수한 금속 박판, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체의 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함하고 있다. 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCOO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiNi₁-xCO_xO₂(0<x<1), LiMnO₂ 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.

제2전극판은 음극으로서, 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극 집전체의 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함하고 있다. 음극 활물질은 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등 이 사용되고 있으나, 본 실시예에서 그 물질을 한정하는 것은 아니다.

분리막은 제1전극판과 제2전극판을 분리시키는 구성으로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.

한 쌍의 전극탭(110)은 전원연결을 위한 구성으로서, 제1전극판 및 제2전극판에서 각각 일측으로 연장 형성된다.

물론, 한 쌍의 전극탭(110)이 각각 연장되는 방향은 이에 한정되지 아니하며, 각각 다양한 방향으로 연장될 수 있다.

케이스는 내부에 제1전극판, 제2전극판, 분리막이 수용되며, 한 쌍의 전극탭(110)이 각각 외부로 노출되도록 밀봉한다.

또한, 케이스는 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.

또한, 배터리셀(100)들은 각각의 전극탭(110)들이 상호 전기적으로 직렬 연결되나 병렬 연결될 수 있다.

열전달부재(200)는 판형태로 형성되며, 배터리셀(100)들 사이에 각각 개재되어 밀착되며, 상변화물질이 유닛(Unit) 형태로 내장된다.

더욱 상세하게, 열전달부재(200)는 판형태의 상변화물질과 판형태의 상변화물질을 둘러싸는 제1커버로 구성된다.

여기에서 상변화물질이란, 온도에 따라, 액체상태에서 고체상태로, 고체상태에서 액체상태로 변화면서, 열을 저장(잠열)하거나 방출(방열)하는 자동 온도 조절 기능성 물질을 말한다.

열전달부재(200)는 유닛 형태로 내장된 상변화물질에 의해, 2개의 이웃하는 배터리셀(100)에 있어서, 상대적으로 온도가 높은 배터리셀(100)에서 발생하는 열을 흡수하여 상대적으로 온도가 낮은 배터리셀(100)로 방출함으로서, 2개의 이웃하는 배터리셀(100)간 온도 편차를 최소화 한다.

또한 열전달부재(200)는 내장된 상변화물질에 의해, 배터리셀(100)에서 발생하는 열을 흡수하거나 흡수한 열을 다시 방출하여, 배터리셀(100)을 일정한 온도로 유지시킨다.

이에 따라, 본 발명의 배터리 모듈은 열전달부재(200)에 내장된 상변화물질에 의해, 배터리셀(100)에서 발생하는 열을 흡수하거나, 흡수한 열을 방출함으로서, 배터리셀(100)을 일정한 온도로 유지할 뿐만 아니라, 2개의 이웃하는 배터리셀(100)끼리 열전달이 이루어지도록 하여, 2개의 이웃하는 배터리셀(100)간 온도 편차를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 배터리 모듈(1000b)은 본 발명의 실시예 1에 따른 배터리 모듈(1000a)과 동일하게 형성되되, 열전달부재(200)의 형태가 다르게 구성된다.

열전달부재(300)는 다수개의 소형 덩어리형태로 분할되어 형성되며, 각각의 소형 덩어리형태마다 상변화물질이 유닛 형태로 내장되어, 배터리셀(100)들 사이에 각각 개재된다.

도면에는 열전달부재(300)가 다수개의 구형태로 형성된 실시예를 도시하였으나, 본 발명의 열전달부재(300)는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로도 적용이 가능하다.

이와 같이, 열전달부재(300)는 다수개의 소형 덩어리형태로 분할되어 형성됨으로서, 파우치형 전지들 사이에 각각 개재할 수 있을 뿐만 아니라, 각형 전지들 사이나 원통형 전지들 사이에도 각각 개재할 수 있어서, 다양한 형태의 배터리 모듈에도 적용될 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 실시예 2에 따른 배터리 모듈은 열전달부재(300)가 다수개의 구형태로 분할 형성됨으로서, 좁은 공간에도 용이하게 설치할 수 있는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 배터리 모듈의 사시도, 도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.

도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 3에 따른 배터리 모듈(1000c)은 본 발명의 실시예 1에 따른 배터리 모듈(1000a)과 동일하게 구성되되, 하우징(400)을 더 포함하여 구성된다.

하우징(400)은 일측면이 개구된 사각통형태의 상변화물질과, 사각통형태의 상변화물질을 둘러싸는 제2커버로 구성된다.

또한, 열전달부재(200)는 일단부가 하우징(400)의 일측 내측면에 결합되고, 타단부가 하우징(400)의 타측 내측면에 결합된다.

또한, 열전달부재(200)는 하단부가 하우징(400)의 하측 내측면에 결합될 수 있다. 하우징(400)의 내부에는 상변화물질을 내장되어 결합되는 열전달부재(200)를 통해 배터리 셀에서 방출된 고온의 열을 흡열하여 상기 하우징(400)으로 전달 할 수 있어 상기 하우징(400)을 공랭 또는 수랭을 통해 열배출을 용이하게 할 수 있다.

하우징(400)은 내장된 상변화물질이 열전달부재(200)에 내장된 상변화물질과 열교환함으로서, 배터리셀(100)들끼리 열전달이 이루어지도록 하는 역할을 한다.

이에 따라, 본 발명의 실시예 3에 따른 배터리 모듈은 하우징(400)과 열전달부재(200)가 서로 결합됨으로서, 배터리셀(100)들끼리 상호 열전달이 이루어지도록 함으로서, 배터리(100)들간의 온도 편차를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리셀(100)의 양면은 열전달부재(200) 또는 하우징(400)의 내측면과 접하여 배치되고, 배터리셀(100)의 일단은 하우징(400)의 하측 내면에 접하여 배치되어 열교환부재(200)를 통해서 고온으로 방출되는 열을 흡열할 수 있음은 물론이고 하우징(400)과 배터리셀(100)이 직접 열교환을 할 수 있어 냉각효율이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예 1, 2, 3에 따른 배터리모듈(1000a, b, c)에 구성되는 상변화물질은 n-paraffin, poly ethylene glycol, Na₂S0₄ 10H₂0, Na₂HP0₄12H₂0, Zn(NO₃)₂ 6H₂O, Na₂S₃O₃ 5H₂0, NaCH₃COO3H₂O 중 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어진다.

여기에서, 상술한 상변화물질들의 특징에 대해 각각 설명하기로 한다.

상변화물질	용융온도(℃)	잠열(J/g)
n-paraffin	-5 ~ 110	180 ~ 220
poly ethylene glycol	10 ~ 50
Na2S04 10H20	32	176
Na2HP04 12H20	36	281
Zn(NO3)2 6H2O	36.4	155
Na2S3O3 5H20	48	201
NaCH3COO3H2O	50	134

표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1, 2, 3에 따른 배터리모듈(1000a, b, c)에 구성되는 상변화물질은 잠열이 제일 높은 Na₂HP0₄12H₂0로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 본 발명의 배터리 모듈
100 : 배터리셀
110 : 전극탭
200, 300 : 열전달부재
400 : 하우징

Claims

일정간격 이격되어 적층되는 다수개의 배터리셀;
상기 배터리셀들 사이에 밀착 개재되는 다수개의 열전달부재; 및
상기 배터리셀 및 상기 열전달부재가 수용되는 하우징;을 포함하고,
상기 다수개의 열전달부재와 상기 하우징의 내부에는 상변화물질(PCM :Phase Change Material)이 내장되고,
상기 열전달부재는 일단이 상기 하우징의 하측 내면에 접하여 배치되는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 배터리셀의 양면은 상기 열전달부재 또는 상기 하우징의내측면과 접하여 배치되고,
상기 배터리셀의 일단은 상기 하우징의 하측 내면에 접하여 배치되는 것을 특징으로하는, 배터리 모듈.
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제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상변화물질은
n-paraffin, poly ethylene glycol, Na₂S0₄ 10H₂0, Na₂HP0₄12H₂0, Zn(NO₃)₂ 6H₂O, Na₂S₃O₃ 5H₂0, NaCH₃COO3H₂O 중 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지는 배터리 모듈.