KR102082902B1 - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 기체 냉매를 통해 복수 개의 배터리 셀들을 냉각하는 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리 셀들 및 복수 개의 배터리 셀들의 전후 방향을 따라 상호 적층되고, 복수 개의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀을 커버하며, 기체 냉매의 유동을 위한 유로를 형성하는 적어도 하나의 에어 가이드가 돌출되는 복수 개의 셀 카트리지들을 포함하며, 적어도 하나의 에어 가이드는 마주 보는 셀 카트리지의 적어도 하나의 에어 가이드와 교차하게 접촉되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}

본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.

제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 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.

현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.2V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 복수 개의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 복수 개의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.

멀티 배터리 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 그것을 포함하는 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 장치가 반드시 필요하다.

일반적으로 냉각 장치에는 대표적으로 공냉식과 수냉식 방식을 들 수 있다. 이 중 공냉식 방식인 경우, 배터리 셀을 수용하는 적층되는 셀 카트리지들 사이로 기체 냉매, 즉, 공기를 통과시켜 배터리 셀을 냉각시킨다.

이를 위해, 종래 배터리 모듈의 셀 카트리지에는 에어 갭을 형성하기 위한 에어 가이드가 돌출된다. 이러한 에어 가이드는 마주 보는 셀 카트리지의 에어 가이드와 일자형 형태로 균일하게 접촉되어 직선 유로 형태의 에어 갭을 형성하여, 마주 보는 셀 카트리지 사이의 직선 유로 형태의 에어 갭을 통해 공기를 균일하게 유입 및 배출시킨다.

그러나, 이러한 직선 유로에서는 유로를 통과하는 공기의 속도 분포가 균일하여 열 전달 성능에 한계가 있어, 공냉식 방식에서 열 전달 효율이 보다 향상될 수 있는 방안의 모색이 요청된다.

따라서, 본 발명의 목적은 공냉식 방식에서 열 전달 효율이 향상될 수 있는 공냉식 방식의 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 기체 냉매를 통해 복수 개의 배터리 셀들을 냉각하는 배터리 모듈로서, 상기 복수 개의 배터리 셀들; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들의 전후 방향을 따라 상호 적층되고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀을 커버하며, 상기 기체 냉매의 유동을 위한 유로를 형성하는 적어도 하나의 에어 가이드가 돌출되는 복수 개의 셀 카트리지들;을 포함하며, 상기 적어도 하나의 에어 가이드가 마주 보는 셀 카트리지의 상기 적어도 하나의 에어 가이드와 교차하게 접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.

상기 기체 냉매는, 상기 복수 개의 셀 카트리지들의 적층 방향과 수직 방향에서 공급 및 배출되며, 상기 적어도 하나의 에어 가이드는, 상기 수직 방향에 대해 0도 내지 180도 사이의 경사각을 가질 수 있다.

상기 경사각은, 90도일 수 있다.

상기 적어도 하나의 에어 가이드는, 마주 보는 셀 카트리지의 상기 적어도 하나의 에어 가이드와 서로 직각으로 교차할 수 있다.

상기 적어도 하나의 에어 가이드는, 마주 보는 셀 카트리지의 상기 적어도 하나의 에어 가이드와 점 접촉할 수 있다.

상기 적어도 하나의 에어 가이드의 돌출 단부는, 테이퍼지게 형성될 수 있다.

상기 적어도 하나의 에어 가이드의 돌출 단부는, 라운드지게 형성될 수 있다.

상기 에어 가이드는, 각각의 셀 카트리지의 전면 및 후면에 각각 복수 개로 구비될 수 있다.

상기 복수 개의 에어 가이드들은, 서로 소정 거리 이격 배치될 수 있다.

상기 적어도 하나의 에어 가이드는, 각각의 셀 카트리지에 일체로 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하기 위한 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.

아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.

이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 공냉식 방식에서 열 전달 효율이 향상될 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 마주 보는 셀 카트리지를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 마주 보는 셀 카트리지의 에어 가이드들의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 마주 보는 셀 카트리지의 에어 가이드들의 다른 실시예에 따른 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2의 셀 카트리지의 에어 가이드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 가이드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 2 및 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 마주 보는 셀 카트리지를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 2 및 도 3의 마주 보는 셀 카트리지의 에어 가이드들의 배치를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 4의 마주 보는 셀 카트리지의 에어 가이드들의 다른 실시예에 따른 배치를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 2의 셀 카트리지의 에어 가이드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 가이드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 기체 냉매, 예로써, 공기를 통해 냉각을 구현하는 공냉식 방식으로서, 배터리 셀(100) 및 셀 카트리지(200)를 포함할 수 있다.

상기 배터리 셀(100)은 파우치형 이차 전지로서 복수 개로 구비되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 복수 개의 배터리 셀들(100)은 후술하는 셀 카트리지(200)에 적어도 하나 이상이 수용될 수 있다.

각각의 배터리 셀(100)은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전극 리드(150)는 양극 리드와 음극 리드를 포함할 수 있으며, 상기 양극 리드는 상기 전극 조립체의 양극판에 연결되고, 상기 음극 리드는 상기 전극 조립체의 음극판에 연결될 수 있다.

상기 셀 카트리지(200)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 복수 개로 구성되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 조립을 가이드할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 복수 개의 셀 카트리지들(200)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전후 방향(X축 방향)을 따라 상호 적층되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 적어도 하나의 배터리 셀(100)을 커버하여, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 조립을 가이드할 수 있다.

이러한 상기 셀 카트리지(200)는 에어 가이드(250)를 포함할 수 있다.

상기 에어 가이드(250)는 상기 셀 카트리지(200)의 전후 방향(X축 방향)에 따른 외면으로부터 각각 돌출 형성되며, 상기 기체 냉매의 유동을 위한 유로를 형성할 수 있다. 여기서, 상기 기체 냉매는 상기 복수 개의 셀 카트리지들(200)의 적층 방향(X축 방향)과 수직 방향(Z축 방향)에 따른 상기 복수 개의 셀 카트리지들(200)의 상측에서 공급되어 상기 에어 가이드(250)로 인해 형성된 유로를 통과하여 상기 복수 개의 셀 카트리지들(200)의 하측으로 배출될 수 있다.

이러한 상기 에어 가이드(250)는 각각의 셀 카트리지(200)의 전면 및 후면에 각각 복수 개로 구비되어, 서로 소정 거리 이격 배치될 수 있다. 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 각각의 셀 카트리지(200)의 전면 및 후면에 일체로 형성될 수 있고, 서로 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다. 그리고, 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 마주 보는 셀 카트리지(200)의 복수 개의 에어 가이드들(250)과 교차하게 접촉할 수 있다.

이러한 교차 접촉되는 복수 개의 에어 가이들(250)의 배치로 인해 상기 유로는 격자 형태로 형성될 수 있다. 이러한 유로 형태에 따라 상기 기체 냉매는 상기 유로 통과 시, 와류 및 복잡한 유동을 형성하여 유로 내에서 속도 분포가 증대되어 대류 열 전달을 촉진시킬 수 있다. 이에 따라, 열 전달 효율을 현저히 향상되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각 효율이 현저히 개선될 수 있다.

이하, 이러한 상기 배터리 모듈(10)의 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)에 대해 좀 더 구체적으로 살펴 보겠다.

상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 상기 수직 방향(Z축 방향)에 대해 0도 내지 180도 사이의 경사각(θ)을 가질 수 있다. 이때, 마주 보는 에어 가이드들(250)은 서로 교차하게 접촉될 수 있는 배치를 갖는 경사각(θ)을 가질 수 있고, 예로써, 서로 직교하도록 90도의 경사각(θ)을 가질 수 있다.

상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 마주 보는 셀 카트리지(200)의 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)과 서로 직각으로 교차하도록 배치될 수 있다. 즉, 마주 보는 셀 카트리지들(200) 중 어느 하나의 셀 카트리지(200)의 에어 가이드들(250)은 수평 방향을 따라 배치되고, 다른 하나의 셀 카트리지(200)의 에어 가이드들(250)은 수직 방향을 따라 배치될 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니며, 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 도 5에 도시된 바와 같이, 마주 보는 셀 카트리지의 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)과 서로 사선 방향으로 배치되어 교차할 수도 있다. 즉, 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 마주 보는 셀 카트리지(200)의 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)과 교차 배치될 수 있는 다양한 형태로 배치될 수 있다.

상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 마주 보는 셀 카트리지(200)의 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)과 교차로 배치됨에 따라, 마주 보는 셀 카트리지(200)의 에어 가이드들(250)과의 교차 부분(C)에서 점 접촉할 수 있다. 이에 따라, 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)의 상기 점 접촉되는 교차 부분(C)을 제외한 부분은 열 전달 면적으로써 보다 효과적으로 기능할 수 있다.

상기 복수 개의 에어 가이드들(250)의 돌출 단부는 도 6에 도시된 바와 같이 테이퍼지게 형성되거나 또는 도 7에 도시된 바와 같이 라운드지게 형성될 수 있다. 상기 에어 가이드(250)를 통과하는 기체 냉매(G)는 상기 돌출 단부를 타고 올라가면서 또한 와류(V)를 형성할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)은 교차 배치 및 돌출 단부를 통해 기체 냉매(G)의 보다 많은 와류(V) 및 복잡한 유동을 촉진하여 보다 활발한 대류 열 전달을 도모할 수 있다.

이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 상기 복수 개의 에어 가이드들(250)을 통해 공냉식 방식에서 열 전달 효율이 향상될 수 있는 배터리 모듈(10)을 제공할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 배터리 팩(1)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 패키징하기 위한 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.

이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차의 연료원으로써, 자동차에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차에 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.

이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)과 상기 자동차와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1) 및 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 상기 자동차와 같은 장치나 기구 및 설비를 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

1: 배터리 팩 10: 배터리 모듈
50: 팩 케이스 100: 배터리 셀
150: 전극 리드 200: 셀 카트리지
250: 에어 가이드

Claims (12)

1. 기체 냉매를 통해 복수 개의 배터리 셀들을 냉각하는 배터리 모듈에 있어서,
   상기 복수 개의 배터리 셀들; 및
   상기 복수 개의 배터리 셀들의 전후 방향을 따라 상호 적층되고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀을 커버하며, 상기 기체 냉매의 유동을 위한 유로를 형성하는 적어도 하나의 에어 가이드가 돌출되는 복수 개의 셀 카트리지들;을 포함하며,
   상기 적어도 하나의 에어 가이드는 마주 보는 셀 카트리지의 상기 적어도 하나의 에어 가이드와 교차하게 접촉되며,
   상기 적어도 하나의 에어 가이드는,
   마주 보는 셀 카트리지의 상기 적어도 하나의 에어 가이드와 점 접촉하며,
   상기 적어도 하나의 에어 가이드의 상기 점 접촉하는 교차 부분을 제외한 나머지 부분은 열 전달 면적을 구성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기체 냉매는,
   상기 복수 개의 셀 카트리지들의 적층 방향과 수직 방향에서 공급 및 배출되며,
   상기 적어도 하나의 에어 가이드는,
   상기 수직 방향에 대해 0도 내지 180도 사이의 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 경사각은,
   90도인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 에어 가이드는,
   마주 보는 셀 카트리지의 상기 적어도 하나의 에어 가이드와 서로 직각으로 교차하는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 에어 가이드의 돌출 단부는,
   테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 에어 가이드의 돌출 단부는,
   라운드지게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 에어 가이드는,
   각각의 셀 카트리지의 전면 및 후면에 각각 복수 개로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
9. 제8항에 있어서,
   상기 복수 개의 에어 가이드들은,
   서로 소정 거리 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 에어 가이드는,
    각각의 셀 카트리지에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
11. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈;을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
12. 제11항에 따른 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.

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