KR102097086B1 - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀, 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스, 모듈 케이스의 일측에 장착되며, 적어도 하나의 배터리 셀을 냉각하기 위한 히트 싱크 및 히트 싱크와 적어도 하나의 배터리 셀 사이에 구비되며, 적어도 하나의 배터리 셀의 일면에 접촉 배치되는 폼 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK 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, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.

멀티 배터리 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 배터리 셀들이 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 배터리 셀에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 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, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 있다.

종래 배터리 모듈은, 일반적으로, 복수 개의 배터리 셀들, 복수 개의 배터리 셀들을 수용하는 모듈 케이스, 모듈 케이스의 하측에 구비되며 복수 개의 배터리 셀들을 냉각시키기 위한 냉각 유로를 구비하는 히트 싱크 및 히트 싱크로의 열 전달을 용이하게 하기 위해 모듈 케이스의 하측 상면에 구비되는 열 전도성 접착제를 포함하여 구성된다.

여기서, 열 전도성 접착제는 복수 개의 배터리 셀들의 하측과 모듈 케이스의 하측 상면에 각각 접촉될 수 있게 이들 사이의 공간에 채워진다. 종래 배터리 모듈에서는 배터리 모듈 제조 시, 이러한 열 전도성 접착제 주입을 위해 복수 개의 접착제 주입 홀이 마련되며, 복수 개의 접착제 주입 홀을 통해 열 전도성 접착제가 모듈 케이스 내에 채워지게 된다.

그러나, 종래 배터리 모듈에서는, 열 전도성 접착제 주입 완료까지 상당 시간이 소요되며, 복수 개의 접착제 주입 홀 형성에 따른 추가 공정이 요구되기에, 공정 시간이 길어져 제품 생산성이 떨어지는 문제가 있다. 더군다나, 종래 배터리 모듈에서는, 이러한 열 전도성 접착제가 모듈 케이스 내에서 균일하게 도포되었는지 여부의 확인도 어려운 문제가 있다.

아울러, 종래 열 전도성 접착제는 모듈 케이스 내에서 상당 부분의 부피를 차지하기에, 최근의 슬림화 트렌드에 따른 배터리 모듈의 슬림화를 저해하는 문제가 있다.

그러므로, 제품 생산성을 높일 수 있는 최근의 슬림화 트렌드에 따른 보다 더 슬림한 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 방안의 모색이 요청된다.

따라서, 본 발명의 목적은 제품 생산성을 높일 수 있는 최근의 슬림화 트렌드에 따른 보다 더 슬림한 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 일측에 장착되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 냉각하기 위한 히트 싱크; 및 상기 히트 싱크와 상기 적어도 하나의 배터리 셀 사이에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일면에 접촉 배치되는 폼 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.

상기 적어도 하나의 배터리 셀은, 상기 모듈 케이스 내에 수용 시 상기 폼 부재를 향해 가압될 수 있다.

상기 폼 부재는, 상기 가압에 따라 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 모듈 케이스 사이에서 압축되면서 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일면에 접촉될 수 있다.

상기 폼 부재는, 열 전도성 재질로 이루어질 수 있다.

상기 폼 부재에는, 열 전도성 레진이 함침될 수 있다.

상기 배터리 모듈은, 상기 폼 부재와 상기 모듈 케이스 사이에 배치되는 절연 시트;를 포함할 수 있다.

상기 폼 부재는, 상기 가압에 따라 적어도 1mm 이하의 두께로 압축될 수 있다.

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

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

이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 제품 생산성을 높일 수 있는 최근의 슬림화 트렌드에 따른 보다 더 슬림한 배터리 모듈, 이러한 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 내지 7은 도 1의 배터리 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
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 도면이다.

도 1을 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 모듈 케이스(200), 히트 싱크(300), 절연 시트(400) 및 폼 부재(500)를 포함할 수 있다.

상기 배터리 셀(100)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이러한 상기 배터리 셀(100)은 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 상호 전기적으로 연결될 수 있게 적층될 수 있다.

상기 모듈 케이스(200)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100), 후술하는 절연 시트(400) 및 폼 부재(500)를 내부에 수용하여 패키징할 수 있다. 이러한 상기 모듈 케이스(200)는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 배터리 모듈(10)의 경량화 측면을 고려하여 알루미늄 재질로 구비될 수 있다.

이러한 상기 모듈 케이스(200)는, 제1 케이스(210) 및 제2 케이스(230)를 포함할 수 있다.

상기 제1 케이스(210)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100), 후술하는 절연 시트(400) 및 폼 부재(500)를 지지하며, 후술하는 히트 싱크(300)와 직접적으로 접촉될 수 있다.

상기 제2 케이스(230)는 상기 제1 케이스(210)와 결합되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(100), 후술하는 절연 시트(400) 및 폼 부재(500)를 상기 모듈 케이스(200) 내부에 패키징할 수 있다.

상기 히트 싱크(300)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 냉각하기 위한 것으로서, 상기 모듈 케이스(200)의 일측(212), 즉, 상기 제1 케이스(210)의 저부(212)에 직접적으로 접촉될 수 있게 구비될 수 있다.

이러한 상기 히트 싱크(300)는 냉각 유로(350)를 포함할 수 있다.

상기 냉각 유로(350)는 상기 히트 싱크(300) 내에서 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 냉각시기 위한 냉매를 유동시킬 수 있다. 여기서, 상기 냉매는 공냉식 또는 수냉식에 따라 달라질 수 있다. 이하, 본 실시예에 따른 상기 냉매는 수냉식에 따른 냉각수인 것으로 한정하여 설명한다.

상기 절연 시트(400)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 상기 모듈 케이스(200) 사이의 단락을 방지할 수 있게 상기 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 상기 모듈 케이스(200) 사이에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 절연 시트(400)는 상기 모듈 케이스(200)와 후술하는 폼 부재(500) 사이에 배치될 수 있게 상기 제1 케이스(210)의 저부(212) 상면에 구비될 수 있다.

상기 폼 부재(500)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 상기 히트 싱크(300) 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 일면(102, 도 6 참조)에 접촉 배치될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 폼 부재(500)는 상기 모듈 케이스(200) 내에서 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 상기 절연 시트(400) 사이에 배치될 수 있다.

이러한 상기 폼 부재(500)는 상기 히트 싱크(300)로의 열 전달을 위해 열 전도성 재질을 포함할 수 있다. 이를 위해, 상기 폼 부재(500)는 높은 열 전도성을 갖는 폼 타입(Foam Type) 물질로 마련될 수 있다. 아울러, 상기 폼 부재(500)는 일반적인 폼 타입 물질에 열 전도성 레진을 함침시킨 형태로도 마련될 수 있다. 또한 상기 폼 부재(500)는 다중 레이어를 갖는 형태로도 마련될 수 있다. 예로써, 상기 폼 부재(500)는 일반적인 폼 타입 부재와 높은 열 전도성을 갖는 폼 타입 부재의 2중 레이어를 갖거나 또는 일반적인 폼 타입 부재들 사이에 높은 열 전도성을 갖는 폼 타입 부재를 갖는 3중 레이어를 갖는 형태로도 마련될 수 있다.

이하에서는, 이러한 구성 요소들을 포함하는 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)의 제조 공정에 대해 자세히 설명한다.

도 2 내지 7은 도 1의 배터리 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 상기 배터리 모듈(10, 도 1 참조)의 제조 시, 먼저, 제조자 등은 상기 제1 케이스(210)의 저부(212) 상면에 상기 절연 시트(400)를 올려 놓을 수 있다. 이후, 상기 제조자 등은 상기 절연 시트(400)의 상측에 상기 폼 부재(500)를 올려 놓을 수 있다.

본 실시예에서는 종래 열 전도성 접착제 대신에 상기 폼 부재(500)가 구비되는 바, 종래 열 전도성 접착제 주입을 위해 상기 제1 케이스(210)의 저부(212)에서 행해지던 추가적인 복수 개의 접착제 주입 홀 형성 공정이 생략될 수 있다.

이에 따라, 본 실시예에서는 상기 폼 부재(500)를 통해 상기 배터리 모듈(10)의 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있어, 제품 생산성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 종래와 같은 접착제가 아닌 상기 폼 부재(500)가 마련되기에, 제조 공정 시 종래와 같은 접착제의 균일 도포 여부에 대해서도 고려할 필요가 없게 된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 이후, 상기 제조자 등은 상기 폼 부재(500)의 상측에 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 안착시킬 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 상기 폼 부재(500)와 직접적으로 접촉될 수 있다.

이때, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 상기 폼 부재(500) 사이에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 저부 형태 또는 적층 구조에 따라 소정의 간극(C)이 존재할 수 있다. 이에 따라, 상기 간극(C)에서는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 상기 폼 부재(500) 사이의 직접 접촉이 이루어지지 않아 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)로부터의 열 전달 효율이 상대적으로 떨어질 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 이후, 상기 제조자 등은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 상기 폼 부재(500)를 향해 가압(P)할 수 있다. 상기 가압(P)에 따라, 상기 폼 부재(500)는 최초 두께보다 작은 소정 두께(d)로 압축될 수 있다. 예로써, 상기 폼 부재(500)는 상기 가압(P)에 따라 적어도 1mm 이하의 두께로 압축될 수 있다.

이에 따라, 상기 폼 부재(500)는 상기 모듈 케이스(200, 도 1 참조) 내에서 최소한의 부피만을 차지하면서 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상기 히트 싱크(300)로의 열 전달을 가이드할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 상기 폼 부재(500)의 줄어든 부피만큼 상기 모듈 케이스(200, 도 1 참조) 내에서 상대적으로 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 부피를 확보할 수 있기에, 동일 사이즈 대비 상기 배터리 모듈(10, 도 1 참조)의 에너지 밀도를 보다 더 높일 수 있다.

아울러, 상기 가압(P)에 따른 상기 폼 부재(500)의 압축에 의해 상기 간극(C)에는 상기 폼 부재(500)가 채워질 수 있다. 이에 따라, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 그 하면(102) 모두에서 상기 폼 부재(500)와 직접적으로 접촉되게끔 배치될 수 있다.

본 실시예에서는 상기 폼 부재(500)가 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하면(102) 어디에서나 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 직접 접촉되는 바, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 열 전달 효율이 극대화될 수 있다.

도 7을 참조하면, 이후, 상기 제조자 등은 상기 제2 케이스(230)를 상기 제1 케이스(210)와 용접(W) 등을 통해 상호 결합시켜 상기 모듈 케이스(200) 내부에 상기 복수 개의 배터리 셀들(100), 상기 절연 시트(400) 및 상기 폼 부재(500)를 패키징할 수 있다.

마지막으로, 상기 제조자 등은 상기 모듈 케이스(200)의 저부에 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 냉각하기 위한 상기 히트 싱크(300, 도 1 참조)를 장착시킬 수 있다.

이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은 상기 폼 부재(500)를 통해 제품 생산성을 높일 수 있으며, 최근의 슬림화 트렌드에 따른 높은 에너지 밀도를 갖는 보다 더 슬림한 구조를 구현할 수 있다.

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

도 8을 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 패키징하는 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 이러한 배터리 팩(1)을 구비하는 자동차 등의 장치나 기구 및 설비 등을 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
200: 모듈 케이스
210: 제1 케이스
230: 제2 케이스
300: 히트 싱크
350: 냉각 유로
400: 절연 시트
500: 폼 부재

Claims (9)

1. 적어도 하나의 배터리 셀;
   상기 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스;
   상기 모듈 케이스의 일측에 장착되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 냉각하기 위한 히트 싱크; 및
   상기 히트 싱크와 상기 적어도 하나의 배터리 셀 사이에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일면에 접촉 배치되는 폼 부재;를 포함하며,
   상기 적어도 하나의 배터리 셀은,
   상기 모듈 케이스 내에 수용 시 상기 폼 부재를 향해 가압되며,
   상기 폼 부재는,
   상기 가압에 따라 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 모듈 케이스 사이에서 압축되면서 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일면에 접촉되며,
   상기 배터리 셀은,
   복수 개로 구비되며,
   상기 복수 개의 배터리 셀들의 가압 방향은,
   상기 모듈 케이스의 하측 방향이며,
   상기 폼 부재의 압축은,
   별도의 볼트 부재 등을 통한 간접적인 가압이 아닌 상기 복수 개의 배터리 셀들의 직접적인 하방 가압을 통해 수행되며,
   상기 복수 개의 배터리 셀들은,
   상기 폼 부재가 상기 압축에 의해 상기 복수 개의 배터리 셀들의 저부에 형성되는 소정 간극에 채워짐으로써, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 하면 모두에서 상기 폼 부재와 직접적으로 접촉되게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 폼 부재는,
   열 전도성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 폼 부재에는,
   열 전도성 레진이 함침되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 폼 부재와 상기 모듈 케이스 사이에 배치되는 절연 시트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 폼 부재는,
   상기 가압에 따라 적어도 1mm 이하의 두께로 압축되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
8. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
   상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
9. 제8항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.

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