KR102058688B1 - 간접 냉각 방식의 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀과 배터리 셀을 지지하는 적층용 카트리지를 구비하며, 수평 또는 수직 방향으로 적층 배열되는 다수의 셀 어셈블리; 다수의 셀 어셈블리의 일측에 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트 싱크; 일 부분은 셀 어셈블리들 사이에 개재되고, 나머지 부분은 히트 싱크의 유로에 배치되어 셀 어셈블리들로부터 열을 흡수하는 다수의 제1 쿨링 플레이트; 및 히트 싱크의 유로 상에 배치되고, 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트와 연결되어, 다수의 제1 쿨링 플레이트들로부터 열을 흡수하여 유로 상에 방열하는 제2 쿨링 플레이트를 포함할 수 있다.

Description

간접 냉각 방식의 배터리 모듈{Battery Module of Indirect Cooling}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 냉각 성능이 우수하고 종래보다 구조가 단순하면서도 콤팩트한 배터리 모듈에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 앞서도 살펴본 바와 같이 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로, 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각장치가 반드시 필요하다.
일반적으로 냉각장치에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 공냉 방식이 적용되는 배터리 모듈의 셀 어셈블리 적층체(1)의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 셀 어셈블리는 배터리 셀(2)과 배터리 셀을 수납하는 적층용 카트리지(3)를 포함한다. 그리고 적층용 카트리지(3)는 사각 형태의 프레임과 상부 냉각판(미도시)과 하부 냉각판(미도시)을 포함한다. 상기 프레임은 측면부에 관통 형성된 개구부(4)를 구비하고, 상부 및 하부 냉각판이 소정 간격 상호 간 이격되게 프레임의 상단과 하단에 각각 장착됨으로서 적층용 카트리지(3) 내부에 공기가 유동할 수 있는 냉각 채널(미도시)이 형성될 수 있다. 그리고 배터리 셀(2)은 상부 냉각판의 상면과 하부 냉각판의 하면에 접하도록 하나씩 배치되어 냉각 채널 속의 공기와 간접 접촉되어 냉각될 수 있다.
그런데, 이와 같은 간접 공냉식 배터리 모듈은 배터리 셀(2)들 사이 사이에 냉각 채널들이 구비됨에 따라 전체 모듈 사이즈가 커지게 되는 단점이 있다. 이러한 배터리 모듈들은 냉각 채널로 인해 단위 부피당 배터리 셀(2)들이 점유하는 공간이 작아지므로, 단위 부피당 에너지 밀도도 떨어지게 된다. 뿐만 아니라 공기 유로를 설계하기 위해 적층용 카트리지(3)의 구조가 복잡해지고, 더욱이 알루미늄 재질로 마련된 냉각판은 변형이 일어나기 쉬워 내부 공기 유로 확보가 안정적이지 않은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 컴팩트하고 에너지 밀도가 높으면서도 배터리 셀 냉각 성능이 우수한 간접 냉각 방식의 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 지지하는 적층용 카트리지를 구비하며, 수평 또는 수직 방향으로 적층 배열되는 다수의 셀 어셈블리; 상기 다수의 셀 어셈블리의 일측에 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트 싱크; 일 부분은 상기 셀 어셈블리들 사이에 개재되고, 나머지 부분은 상기 히트 싱크의 유로에 배치되어 상기 셀 어셈블리들로부터 열을 흡수하는 다수의 제1 쿨링 플레이트; 및 상기 히트 싱크의 유로 상에 배치되고, 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트와 연결되어, 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트들로부터 열을 흡수하여 상기 유로 상에 방열하는 제2 쿨링 플레이트를 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 쿨링 플레이트는, 냉매를 통과시키는 적어도 하나의 통공을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제2 쿨링 플레이트는 판상 형태로 마련되며, 냉매의 흐름 방향에 대해 판면이 수평하게 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제2 쿨링 플레이트는 다수 개가 마련되며, 상기 다수의 제2 쿨링 플레이트들은, 등간격으로 층상 배열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 쿨링 플레이트에서 상기 히트 싱크의 유로에 배치되는 부분은, 그레이팅(Grating) 구조로 격자상 형태로 마련되고, 상기 다수의 제2 쿨링 플레이트들에 대해 수직 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 히트 싱크는, 상기 셀 어셈블리의 일 측면에 장착되고, 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트가 몸체를 통과하도록 다수의 슬롯을 구비하는 히트 싱크 하판; 및 상기 히트 싱크 하판과 결합하여 내부에 유로를 형성하는 히트 싱크 상판을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 각각 4각 링 형태로 마련되고, 적어도 하나의 배터리 셀을 사이에 두고 상호 간 조립되어, 상기 배터리 셀의 적어도 일면이 외부로 노출되도록 구성되는 제1 프레임 및 제2 프레임을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 쿨링 플레이트와 상기 제2 쿨링 플레이트는 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트들은 상기 냉매의 흐름 방향에 대하여 횡 방향으로 나란하게 배열될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다. 상기 자동차에는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등이 포함될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 셀 어셈블리들 사이에 제1 쿨링 플레이트의 일 부분을 개재하고, 셀 어셈블리 외부에서 제1 쿨링 플레이트의 나머지 부분을 공냉시킴으로서, 종래보다 모듈 구조가 단순해지고, 컴팩트해질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 히트 싱크 내부에 제1 쿨링 플레이트의 일 부분과 제2 쿨링 플레이트를 구비함으로서 열 전달율의 증가 및 열전달 면적의 증대로 냉각 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 쿨링 플레이트가 통공을 구비함으로서 히트 싱크 내부의 유로 상에 난류 유동을 촉진시킬 수 있으며, 냉각 팬의 압력 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기줄에 따른 공냉 방식이 적용된 배터리 모듈의 셀 어셈블리 적층체의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은, 도 2의 X-Z 축에 따른 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 도 2의 히트 싱크의 분해 사시도이다.
도 6은, 도 2의 배터리 모듈의 변형례를 나타내는 사시도이다.
도 7은, 도 6의 X-Z 축에 따른 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 변형예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 9는, 도 8의 X-Z 축에 따른 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은, 도 2의 X-Z 축에 따른 단면도이며, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 5는 도 2의 히트 싱크의 분해 사시도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(10), 제1 쿨링 플레이트(20), 제2 쿨링 플레이트(30), 및 히트 싱크(40)를 포함한다.
셀 어셈블리(10)는, 배터리 셀(11)과 배터리 셀(11)을 지지하는 적층용 카트리지(12)로 구성될 수 있다.
배터리 셀(11)은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 파우치형 배터리 셀(11)일 수 있다.
파우치형 배터리 셀(11)은 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체를 포함하며, 각 배터리 셀(11)의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드(11a) 및 음극 리드(11b)가 전기적으로 접속된 것일 수 있다. 파우치형 배터리 셀(11)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 외장케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 외장케이스의 테두리 부위를 열융착하여 밀봉한 구조를 가질 수 있다.
적층용 카트리지(12)는, 배터리 셀(11)의 적층을 적층하는데 이용되는 구성으로서, 배터리 셀(11)을 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 배터리 셀(11)의 조립을 가이드하는 역할을 한다.
도 2 및 도 4를 참조하면,적층용 카트리지(12)는 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 제1 프레임(12a)과 제2 프레임(12b)으로 구성될 수 있다. 제1 프레임(12a)과 제2 프레임(12b)은, 예컨대 후크 체결 방식으로 상호 간 조립가능하게 마련될 수 있다. 그리고 조립된 제1 프레임(12a)과 제2 프레임(12b)의 내부에는 2개의 배터리 셀(11)들이 배치될 수 있다.
이때, 배터리 셀(11)의 테두리 부위는 제1 및 제2 프레임(12a,12b)의 내측 네 변에 위치될 수 있고, 배터리 셀(11)의 안쪽 면 부위는 제1 및 제2 프레임(12b)의 비어 있는 중앙 부분을 통해 외부로 노출될 수 있다. 여기서 상기 배터리 셀(11)의 안쪽 면 부위란, 배터리 셀(11)에 있어서 전극 조립체 부분을 감싸는 배터리 셀(11)의 외장 케이스의 외측면(11c)에 해당할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 셀 어셈블리(10)는 2개의 배터리 셀(11)과 적층용 카트리지(12)를 한 조 구성되어 있다. 이러한 셀 어셈블리(10) 다수 개가 상호 간 적층되어 스택 구조를 형성한다. 예컨대, 본 실시예와 같이, 다수의 셀 어셈블리(10)가 세워져 수평 방향으로 적층 배열되거나, 눕혀져 수직 방향으로 층상 배열될 수 있다.
제1 쿨링 플레이트(20)는, 열 전도성 소재의 판상체로 셀 어셈블리(10)들 사이 사이에 그 일 부분이 개재되고, 나머지 부분은 히트 싱크(40)의 유로에 배치되는 구성이다.
여기서, 히트 싱크(40)는 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조일 수 있다. 히트 싱크(40) 내부 유로에 흐르는 냉매는 유로에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없으며, 기체 또는 액체일 수 있다. 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나 이것에 한정하지 않고, 흐름이 발생하는 것이며, 부동액, 가스 냉매, 공기 등이어도 좋다. 히트 싱크(40)에 대한 더 자세한 설명은 후술하기로 한다.
이하에서는 상기 제1 쿨링 플레이트(20)에서, 셀 어셈블리(10)들 사이에 개재되는 일 부분을 흡열부(21)라 정의하고, 히트 싱크(40)의 유로에 배치되는 나머지 부분을 방열부(22)라 정의하기로 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 쿨링 플레이트(20)의 흡열부(21)의 양면은 서로 대향하는 배터리 셀(11)들의 외측면에 밀착된 상태로 셀 어셈블리(10)들 사이에 개재되고, 방열부(22)는 셀 어셈블리(10)의 외부, 셀 어셈블리(10)의 상부에 위치한 히트 싱크(40)의 내부 유로에 배치될 수 있다. 이에 따라 배터리 셀(11)들의 열은 제1 쿨링 플레이트(20)의 흡열부(21)로 흡수되고, 방열부(22)로 전도될 수 있다. 그리고 방열부(22)는 히트 싱크(40)의 유로 내부에 흐르는 냉매에 의해 냉각될 수 있다.
제1 쿨링 플레이트(20)는 0.1 내지 5.0 mm의 두께를 가지는 열전도성 금속 판재일 수 있다. 이러한 제1 쿨링 플레이트(20) 구성에 의해, 종래의 공냉식 배터리 모듈 속의 냉각 채널들이 필요치 않게 되므로 셀 어셈블리(10) 적층체를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 상기 제1 쿨링 플레이트(20)는 소정의 자체 기계적 강성 특성을 포함하고 있어, 우수하지 못한 배터리 셀(11) 외장케이스의 기계적 강성을 보강할 수도 있다.
제1 쿨링 플레이트(20)는 열전도성을 가지는 박형의 부재라면 그것의 두께나 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재의 시트형 판재가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 구리, 금, 은도 가능하다. 금속이외의 질화알루미늄, 탄화규소와 같은 세라믹 물질도 가능하다.
특히, 본 실시예에 따른 제1 쿨링 플레이트(20)의 방열부(22)는 다수의 통공(23)을 구비할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(40)의 유로 상에 흐르는 냉매는 상기 통공(23)을 통해 중첩 배치된 다수의 제1 쿨링 플레이트(20)들을 통과해 흐를 수 있다. 이때, 상기 통공(23) 주변에는 난류 유동이 촉진될 수 있다. 난류 유동이 촉진되면, 히트 싱크(40)의 유로 내에서 상,하 층류 간의 열 교환이 원활해지고 대류 열 전달율이 높아져 방열부(22)의 냉각 효율이 보다 향상될 수 있다.
한편, 제2 쿨링 플레이트(30)는 히트 싱크(40)의 유로 내에 냉매의 흐름 방향에 대해 수평으로 배치되는 판형 구조물일 수 있다. 제2 쿨링 플레이트(30)는 그 하면이 다수의 제1 쿨링 플레이트(20)의 상단부와 연결된 형태로 유로 내에 위치될 수 있다.
제2 쿨링 플레이트(30)는 다수의 제1 쿨링 플레이트(20)들로부터 열을 흡수하고, 대류 열전달에 의해 열을 방출한다. 여기서, 대류 열전달은 유체가 고체 위 또는 유로 내를 흐를 때 유체와 고체 표면의 온도가 다르면 표면에 대한 유체의 상대운동의 결과로 유체와 고체의 표면 사이에서 열이 전달되는 것을 의미한다.
대류 열전달율은 고체 표면의 기하학적 형상, 유체 종류, 유체 특성, 유체 속도 등을 기초로 결정되는데, 일반적으로 유체 유속에 비례하고 유효 방열 면적이 클수록 증가한다. 이에 기초하여, 본 발명에 따른 제2 쿨링 플레이트(30)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(40)의 유로 상에 위치하고, 표면이 냉매의 흐름과 나란하게 배치되도록 구성된다.
이러한 제2 쿨링 플레이트(30)는 넓은 유효 방열 면적을 가짐으로서 대류 열 전달이 매우 빠르게 일어날 수 있다. 그 결과 제2 쿨링 플레이트(30)는 제1 쿨링 플레이트(20)들보다 상대적으로 매우 낮은 온도를 형성한다.
이에 따라 제2 쿨링 플레이트(30)와 제1 쿨링 플레이트(20)들 간의 온도 구배가 증가함으로서, 배터리 셀(11)들의 열이 제1 쿨링 플레이트(20)를 통해 제2 쿨링 플레이트(30)로 빠르게 전도되어 배터리 모듈의 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
제2 쿨링 플레이트(30)는 제1 쿨링 플레이트(20)와 일체로 형성될 수 있다. 제2 쿨링 플레이트(30)와 제1 쿨링 플레이트(20)를 일체로 형성함으로서 이들 간의 열 접촉 저항이 감소해 열 전도율이 증가할 수 있다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(40)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상하 간 조립 가능하게 마련되는 히트 싱크 하판(41)과 히트 싱크 상판(42)을 포함한다.
히트 싱크 하판(41)은 상하로 관통 형성된 다수의 슬롯(41a)을 구비한다. 다수의 제1 쿨링 플레이트(20)들은 상기 다수의 슬롯(41a)을 통해 히트 싱크 하판(41)의 몸체를 통과할 수 있다.
히트 싱크 상판(42)은 상기 히트 싱크 하판(41)에 조립될 수 있도록 구성된다. 즉, 일체인 제1 및 제2 쿨링 플레이트(30)와 히트 싱크 하판(41)을 조립 후 히트 싱크 상판(42)으로 히트 싱크 하판(42)을 덮어 유로를 형성한다. 그리고 히트 싱크(40)는 별도의 덕트(미도시)들과 연결될 수 있다. 즉, 히트 싱크(40)의 입,출구 측에 별도의 덕트를 더 연결함으로서 유로를 연장시킬 수 있다.
상기 히트 싱크(40)는 셀 어셈블리(10) 적층체의 어느 일 측면에 위치할 수 있다. 즉, 본 실시예에서 히트 싱크(40)가 셀 어셈블리(10) 적층체의 상부에 위치하도록 구성하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 설치 공간이나 셀 어셈블리(10)의 적층 방향에 따라 셀 어셈블리(10) 적층체의 측면부 또는 하부 중 어느 한 곳 또는 두 곳에 위치될 수도 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 종래의 스택 구조를 이루는 배터리 셀(11)들 내에 위치한 냉각 채널 또는 냉각 튜브 등의 구성을 생략할 수 있으므로, 종래보다 모듈 구조가 단순해지고, 컴팩트해질 수 있다. 또한, 제1 쿨링 플레이트(20)와 제2 쿨링 플레이트(30)에 의해 배터리 셀(11)들의 열이 히트 싱크(40)로 빠르게 배출될 수 있어 배터리 모듈의 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
이어서, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 실시예의 변형예에 따른 배터리 모듈에 대해 간략히 설명한다.
도 6에 도시된 변형예의 배터리 모듈은, 도 2에 도시된 배터리 모듈의 변형예로서, 본 변형예는 다수의 제2 쿨링 플레이트(30)들을 등 간격으로 층상 배열하고, 그에 따라 제1 쿨링 플레이트(20)들과 제2 쿨링 플레이트(30)들의 연결 구조를 변경한 것이다.
특히, 제1 쿨링 플레이트(20)의 방열부(22)는, 그레이팅(Grating) 구조로 격자상 형태로 마련되고 다수의 제2 쿨링 플레이트(30)들에 대해 수직 배치된다.
본 변형예에 따르면, 제1 쿨링 플레이트(20)의 방열부(22)가 그레이팅 구조로 마련됨으로서 제1 쿨링 플레이트(20)들 사이에서 냉매의 난류 유동 및 통풍성이 보다 좋아질 수 있다. 즉, 통풍성이 좋아짐으로서 히트 싱크(40) 내부에서 압력 손실이 줄어들 수 있다. 또한, 다수의 제2 쿨링 플레이트(30)가 구비됨으로 유효 방열 면적이 더 늘어남으로서 냉각 효율이 더 향상될 수 있다.
이어서, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 또 다른 변형예에 따른 배터리 모듈을 간략히 설명한다.
도 8 및 도 9에 도시된 본 변형예는, 전술한 변형예와 비교할 때, 히트 싱크(40)와 셀 어셈블리(10) 적층체 간의 배치 구조가 변경된 것을 제외하고 나머지 구성은 거의 동일하다. 따라서, 이하의 설명에서는 중복된 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
전술한 도 2의 실시예가, 냉매의 흐름이 셀 어셈블리(10) 적층체의 우측에서 좌측으로 이루어지도록 히트 싱크(40)가 배치된 것이라 하면, 본 변형예는, 냉매의 흐름이 셀 어셈블리(10) 적층체의 전면에서 배면으로 향하도록 히트 싱크(40)가 배치된 것이다.
다시 말하면, 전술한 실시예는 냉매의 흐름 방향을 따라 제 1 쿨링 플레이트들이 종 방향으로 중첩 배치된데 반해, 본 변형예는 제1 쿨링 플레이트(20)들이 횡 방향으로 나란히 배치된 것이다. 따라서 본 변형예에 따른 배터리 모듈은 냉매가 제1 쿨링 플레이트(20)의 방열부(22) 양 표면을 따라 흐를 수 있는 구조를 갖기 때문에 유효 방열 면적이 더 넓어질 수 있고, 히트 싱크(40)의 유로 내부에서 압력 손실이 줄어들 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에도, 이러한 배터리 모듈을 커버하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10: 셀 어셈블리 11: 배터리 셀
12: 적층용 카트리지 20: 제1 쿨링 플레이트
21: 흡열부 22: 방열부
23: 통공 30: 제2 쿨링 플레이트
40: 히트 싱크

Claims (11)

  1. 파우치형 배터리 셀과 상기 파우치형 배터리 셀을 지지하는 적층용 카트리지를 구비하며, 수평 또는 수직 방향으로 적층 배열된 다수의 셀 어셈블리;
    적층 배열된 상기 다수의 셀 어셈블리의 일측에 위치하고, 내부에 냉매가 흐르는 유로가 형성된 중공 구조의 히트 싱크;
    서로 대면하는 상기 파우치형 배터리 셀들 사이에서 상기 파우치형 배터리 셀의 일면에 밀착되게 개재되는 흡열부와, 상기 흡열부로부터 상기 히트싱크에 구비되는 슬롯을 통과하여 상기 히트 싱크 내부까지 연장됨으로써 상기 유로 상에 배치되는 방열부를 구비하는 열 전도성 소재의 판상체 형태로 마련되는 다수의 제1 쿨링 플레이트; 및
    열 전도성 소재의 판상체 형태이고 상기 히트 싱크의 내부에서 냉매의 흐름 방향에 대해 판면이 수평하게 배치되고 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트의 방열부와 연결되어, 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트들로부터 열을 흡수하여 상기 유로 상에 방열하는 적어도 하나의 제2 쿨링 플레이트를 포함하며,
    상기 다수의 제1 쿨링 플레이트의 방열부는 두께 방향으로 냉매를 통과시키는 적어도 하나의 통공을 구비하며,
    상기 적어도 하나의 제2 쿨링 플레이트는 다수 개의 제2 쿨링 플레이트이고,
    상기 다수 개의 제2 쿨링 플레이트는 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트와 일체로 형성되며 상기 방열부의 연장 방향을 따라 등 간격으로 층상 배열되고,
    상기 히트싱크는, 상기 셀 어셈블리의 상부에 장착되고 상기 다수의 제1 쿨링 플레이트가 수직하게 통과될 수 있는 다수의 상기 슬롯을 구비하는 히트 싱크 하판; 및 상기 히트 싱크 하판과 결합하여 냉매가 흐를 수 있는 내부 공간을 형성하는 히트 싱크 상판을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 쿨링 플레이트에서 상기 히트 싱크의 유로에 배치되는 방열부는 그레이팅(Grating) 구조로 격자상 형태로 마련되고, 상기 다수의 제2 쿨링 플레이트들에 대해 수직 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적층용 카트리지는,
    각각 4각 링 형태로 마련되고, 적어도 하나의 배터리 셀을 사이에 두고 상호 간 조립되어, 상기 배터리 셀의 적어도 일면이 외부로 노출되도록 구성되는 제1 프레임 및 제2 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 제1 쿨링 플레이트들은 상기 냉매의 흐름 방향에 대하여 횡 방향으로 나란하게 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항, 제5항, 제7항 및 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항, 제5항, 제7항 및 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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