KR102202417B1 - 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈, 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 그리고 배터리 팩에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 셀과 내부에 상기 배터리 셀이 수납되는 복수개의 카트리지를 포함하되, 상기 카트리지는 내부에 공간을 가지는 프레임과 양측면에 각각 상기 배터리 셀이 안착되는 냉각 플레이트와 그리고 상기 프레임 또는 상기 냉각 플레이트 중 어느 하나에 위치하며, 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로를 포함하되, 상기 냉각 유로는 상기 냉각 플레이트의 영역 중 상기 배터리 셀의 전극 리드와 인접하는 영역을 따라 상기 냉각 유체가 흐르도록 형성된 배터리 모듈을 포함한다.

Description

카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈, 배터리 팩{The cartridge, Battery module including the cartridge, Battery pack}
본 발명은 복수개의 배터리 셀을 수용할 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 그리고 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로 배터리 셀을 냉각할 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 그리고 배터리 팩에 관한 것이다.
최근에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
하지만, 파우치형 이차 전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않다. 따라서, 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 프레임을 이용하는 경우가 많다.
프레임은 카트리지 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있는데, 보통 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태로 구성되는 경우가 많으며, 이때 4개의 변 부분이 파우치형 이차 전지의 외주부를 감싸도록 구성된다. 그리고, 이러한 프레임은 배터리 모듈을 구성하기 위해 다수가 적층된 형태로 이용되며, 이차 전지는 프레임이 적층되었을 때 생기는 내부의 빈 공간에 위치할 수 있다.
한편, 이처럼 다수의 프레임을 이용하여 다수의 이차 전지가 조립되도록 하는 경우, 이차 전지 사이에는 냉각 핀이 개재될 수 있다. 이차 전지는 고온 환경에서 사용되는 경우가 있을 수 있으며, 또한 이차 전지 자체적으로도 열이 발생할 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지가 서로 적층되어 있는 경우, 이차 전지의 온도는 더욱 높아질 수 있는데, 이 온도가 적정 온도보다 높아지면 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 따라서, 배터리 모듈을 구성할 때 이차 전지 사이에 냉각 핀을 개재시켜, 이러한 냉각 핀을 통해 이차 전지의 온도 상승이 방지되도록 하는 구성이 많이 이용된다.
이러한 냉각 핀은 다양한 형태 및 방식으로 구현될 수 있으나, 일반적으로, 물과 같은 냉매를 통해 수냉식으로 냉각이 이루어지는 형태의 경우, 냉매가 흐를 수 있도록 관이 부착된 경우가 많다.
한편, 이차 전지 중 전극 리드와 인접하는 영역은 다른 영역에 비해 상대적으로 열이 많이 발생한다. 이러한 열은 이차 전지를 전체적으로 냉각 시 이차 전지의 영역별로 온도 차이를 발생시켜 이차 전지의 수명을 단축시키는 문제가 있다.
본 발명은 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 그리고 배터리 팩을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 냉각 시 배터리 셀의 영역별 온도 편차를 최소화할 수 있는 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 그리고 배터리 팩을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 복수개의 배터리 셀을 가지는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 셀과 부에 상기 배터리 셀이 수납되는 복수개의 카트리지를 포함하되 상기 카트리지는 내부에 공간을 가지는 프레임과 양측면에 각각 상기 배터리 셀이 안착되는 냉각 플레이트와 그리고 상기 프레임 또는 상기 냉각 플레이트 중 어느 하나에 위치하며, 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로를 포함하되 상기 냉각 유로는 상기 냉각 플레이트의 영역 중 상기 배터리 셀의 전극 리드와 인접하는 영역을 따라 상기 냉각 유체가 흐르도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 냉각 유로는 외부로부터 상기 냉각 유체가 유입되는 유입구 및 상기 냉각 유로를 흐르고 난 뒤 상기 냉각 유체가 외부로 배출되는 유출구를 가지며, 상기 프레임은, 상기 프레임은 제1프레임과 상기 제1프레임과 수직으로 결합되는 제2프레임과 상기 제1프레임과 평행하게 위치하며, 상기 제2프레임과 수직으로 결합되는 제3프레임과 그리고 상기 제2프레임과 평행하게 위치하며, 상기 제1프레임 및 상기 제3프레임에 각각 수직으로 결합되는 제4프레임을 포함하며 상기 유입구는 상기 제1프레임 또는 제3프레임 중 어느 하나에 위치하며 상기 유출구는 상기 제1프레임 또는 제3프레임 중 다른 하나에 위치하고 상기 제2프레임은 상기 배터리 셀의 상기 전극 리드와 인접할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 유입구는 상기 제1프레임의 중앙 지점에 위치하며 상기 유출구는 상기 제3프레임의 중앙 지점에 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 유입구와 상기 유출구는 각각 상기 제1프레임 또는 상기 제3프레임의 중앙 지점을 기준으로 상기 전극 리드에 인접하는 영역에 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 배터리 모듈은 상기 유입구에 상기 냉각수를 공급하는 공급관과 상기 유출구로부터 유출된 상기 냉각수를 배출하는 배출관을; 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 냉각 유로는 외부로부터 상기 냉각 유체가 유입되는 유입구 및 상기 냉각 유로를 흐르고 난 뒤 상기 냉각 유체가 외부로 배출되는 유출구를 가지며 상기 유입구는 상기 냉각 플레이트의 두 개의 장변 중 어느 하나에 위치하며 상기 유출구는 상기 냉각 플레이트의 두 개의 장변 중 다른 하나에 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 유입구와 상기 유출구는 각각 상기 장변의 중앙에 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 냉각 유체는 냉각수로 제공될 수 있다.
본 발명은 내부에 복수개의 배터리 셀이 수납되는 카트리지를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 카트리지는 내부에 공간을 가지는 프레임과 양측면에 각각 상기 배터리 셀이 안착되는 냉각 플레이트와 그리고 상기 프레임 또는 상기 냉각 플레이트 중 어느 하나에 위치하며, 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로를 포함하되 상기 냉각 유로는 상기 냉각 플레이트의 영역 중 상기 배터리 셀의 전극 리드와 인접하는 영역을 따라 상기 냉각 유체가 흐르도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 냉각 유로는 외부로부터 상기 냉각 유체가 유입되는 유입구 및 상기 냉각 유로를 흐르고 난 뒤 상기 냉각 유체가 외부로 배출되는 유출구를 가지며, 상기 프레임은, 상기 프레임은 제1프레임과 상기 제1프레임과 수직으로 결합되는 제2프레임과 상기 제1프레임과 평행하게 위치하며, 상기 제2프레임과 수직으로 결합되는 제3프레임과 그리고 상기 제2프레임과 평행하게 위치하며, 상기 제1프레임 및 상기 제3프레임에 각각 수직으로 결합되는 제4프레임을 포함하며 상기 유입구는 상기 제1프레임 또는 제3프레임 중 어느 하나에 위치하며 상기 유출구는 상기 제1프레임 또는 제3프레임 중 다른 하나에 위치하고 상기 제2프레임은 상기 배터리 셀의 상기 전극 리드와 인접할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 유입구는 상기 제1프레임의 중앙 지점에 위치하며 상기 유출구는 상기 제3프레임의 중앙 지점에 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 유입구와 상기 유출구는 각각 상기 제1프레임 또는 상기 제3프레임의 중앙 지점을 기준으로 상기 전극 리드에 인접하는 영역에 위치할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 상기 냉각 유로는 외부로부터 상기 냉각 유체가 유입되는 유입구 및 상기 냉각 유로를 흐르고 난 뒤 상기 냉각 유체가 외부로 배출되는 유출구를 가지며, 상기 프레임은, 상기 유입구는 상기 냉각 플레이트의 두 개의 장변 중 어느 하나의 중앙에 위치하며 상기 유출구는 상기 냉각 플레이트의 두 개의 장변 중 다른 하나의 중앙에 위치할 수 있다.
본 발명은 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 배터리 셀의 전극 리드와 인접하는 영역을 냉각 유체를 통해서 냉각하여 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 배터리 셀의 영역 중 열이 많이 발생하는 전극 리드와 인접하는 영역에 냉각 유체를 집중하여 배터리 셀의 전체 영역에 온도 편차를 최소활 시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 구성을 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 3의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 카트리지를 보여주는 사시도이다.
도 6은 도 3의 카트리지의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 카트리지를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 7의 냉각 플레이트의 횡단면도이다.
도 9는 도 3의 카트리지에 형성된 냉각 유로의 다른 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 8의 냉각 플레이트에 형성된 냉각 유로의 다른 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 11 내지 도 13은 배터리 셀의 주변으로 형성된 냉각 유로의 길이 및 위치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되게 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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 해석되어야만 한다.
본 발명의 배터리 모듈(10)을 설명하기 전 배터리 모듈(10) 내부에 복수개가 장착되는 배터리 셀(100)에 대하여 먼저 설명한다. 본 발명의 실시 예에서는 이차 전지 중 파우치형 배터리 셀(100)을 예로 들어 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 구성을 보여주는 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 사시도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참고하면, 배터리 셀은 파우치 케이스(110), 전극 조립체(130), 전극 탭(150) 그리고 전극 리드(170)를 포함한다.
파우치 케이스(110)는 내부 공간을 가진다. 파우치 케이스(110)의 내부에는 후술하는 전극 조립체(130) 및 전해액이 위치한다. 파우치 케이스(110)의 중앙 영역은 상하 방향으로 돌출되어 제공된다. 파우치 케이스(110)는 상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)를 포함한다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)는 서로 조합되어 내부 공간을 형성한다. 상부 케이스(111)의 중앙 영역은 상부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 하부 케이스(113)는 상부 케이스(111)의 하부에 위치한다. 하부 케이스(113)의 중앙에는 하부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 이와는 달리, 파우치 케이스(110)의 내부 공간은 상부 케이스(111) 또는 하부 케이스(113) 중 어느 하나에만 형성될 수 있다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)는 각각 실링부(S)를 가진다. 상부 케이스(111)의 실링부(S)와 하부 케이스(113)의 실링부(S)는 서로 마주보는 형태로 제공될 수 있다. 상부 케이스(111)의 실링부(S) 및 하부 케이스(113)의 실링부(S)는 내측에 위치한 내부 접착층이 열융착 등에 의해 서로 접착 될 수 있다. 실링부(S)의 접착을 통해서 내부 공간은 밀폐될 수 있다.
파우치 케이스(110)의 내부 공간에는 전해액 및 전극 조립체(130)가 수납된다. 파우치 케이스(110)는 외부 절연층, 금속층 그리고 내부 접착층을 가질 수 있다. 외부 절연층은 외부의 수분, 가스 등이 내부로 침투되는 것을 방지할 수 있다. 금속층은 파우치 케이스(110)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 금속층은 알루미늄으로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 금속층은 철, 탄소, 크롬, 망간의 합금, 철 니켈 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나로 제공될 수 있다. 금속층이 철이 함유된 재질을 사용하는 경우 기계적 강도가 강해질 수 있다. 금속층이 알루미늄 재질로 사용하는 경우 연성이 좋을 수 있다. 금속층의 바람직한 실시예로 알루미늄이 제공될 수 있다. 외부 절연층 및 내부 접착층은 폴리머 재질로 제공될 수 있다.
전극 조립체(130)는 양극판, 음극판 그리고 분리막을 포함한다. 전극 조립체(130)는 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 제공될 수 있다. 전극 조립체(130)는 다수의 양극판 및 다수의 음극판이 상호 교대로 적층된 형태로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 형태로 제공될 수 있다.
전극 조립체(130)의 전극판들은 집전체 및 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 활물질 슬러리를 포함한다. 활물질 슬러리는 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 그리고 가소제 등의 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 각각의 전극판들은 활물질 슬러리가 도포되지 않는 영역에 해당하는 무지부를 가질 수 있다. 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭(150)이 형성될 수 있다.
전극 탭(150)은 전극 조립체(130)로부터 돌출된 형태로 연장 형성된다. 전극 탭(150)은 양극 탭(151)과 음극 탭(153)을 포함한다. 양극 탭(151)은 양극판의 무지부에서 연장될 수 있으며, 음극 탭(153)은 음극판의 무지부에서 연장될 수 있다.
양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 배터리 셀(100)에 각각 하나씩 구비될 수 있다. 이와는 달리 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 복수개 구비될 수도 있다. 일 예로 배터리 셀(100)의 전극 조립체(130)에 양극판과 음극판이 각각 1개만 포함된 경우, 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 각각 1개씩 포함될 수 있다. 이와 달리, 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 각각 다수 포함될 수 있다. 전극 조립체(130)에 양극판과 음극판이 각각 다수 포함된 경우, 양극 탭(151)과 음극 탭(153) 역시 다수 개 포함될 수 있으며, 1개의 전극판마다 각각 전극 탭(150)이 구비될 수 있다.
전극 리드(170)는 배터리 셀(100)을 외부의 다른 장치와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 전극 리드(170)는 양극 리드(171)와 음극 리드(173)를 포함할 수 있다. 전극 리드(170)는 파우치 케이스(110)의 내측에서 외측까지 연장되는 형태로 제공될 수 있다. 전극 리드(170)의 일부 영역은 실링부(S) 사이에 개재될 수 있다. 전극 리드(170)는 전극 탭(150)과 연결된다. 본 발명의 전극 리드(170)는 파우치 케이스(110)의 일측에 양극 리드(171)와 음극 리드(173)가 모두 제공되는 것을 예로 들어 설명한다. 본 발명의 배터리 셀(100)은 파우치 케이스(110)의 일측에 양극 리드(171)와 음극 리드(173)가 모두 제공되는 배터리 셀(100)에 적용되는 발명이며, 파우치 케이스(110)의 일측 및 타측에 각각 양극 리드(171)와 음극 리드(173)가 위치하는 경우에는 적용되지 않는 발명이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예인 배터리 모듈(10)에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 4는 도 3의 배터리 모듈의 분해 사시도이고, 도 5는 도 3의 카트리지를 보여주는 사시도이며, 도 6은 도 3의 카트리지의 횡단면도이다. 도 3 내지 도 6을 참고하면, 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(100), 카트리지(200), 공급관(260), 배출관(270) 그리고 앤드 플레이트(300)를 포함한다.
배터리 셀(100)에 대해서는 전술하였으므로 자세한 설명은 생략한다.
카트리지(200)는 내부에 배터리 셀(100)이 수용되는 공간을 가진다. 카트리지(200)는 상부에서 바라 볼 때, 대체로 직사각형의 형상을 가진다. 이하, 도 3에서 카트리지(200)의 장변 방향을 제1방향(12)이라 하고, 상부에서 바라 볼 때, 제1방향(12)과 수직한 방향을 제2방향(14)이라 하고, 제1방향(12) 및 제2방향(14)에 모두 수직한 방향을 제3방향(16)이라 한다.
카트리지(200)는 복수개 제공된다. 복수개의 카트리지(200)는 제3방향(16)을 따라 적층되어 제공될 수 있다. 카트리지(200)는 내부 공간을 가진다. 내부 공간은 상부 및 하부가 개방된 형태로 제공된다. 내부 공간에는 배터리 셀(100)이 위치할 수 있다. 카트리지(200)는 프레임(210), 냉각 플레이트(220) 그리고 냉각 유로(230)를 포함한다.
프레임(210)은 배터리 셀(100)이 카트리지(200)에 안착 시 외주부를 감싸는 형태로 제공될 수 있다. 프레임(210)은 외부의 충격으로부터 배터리 셀(100)을 보호할 수 있다.
프레임(210)은 제1프레임(211), 제2프레임(212), 제3프레임(213) 그리고 제4프레임(214)을 포함한다.
제1프레임(211)은 그 길이방향이 제1방향(12)으로 제공된다. 제2프레임(212)은 제1프레임(211)과 수직으로 결합된다. 제2프레임(212)은 그 길이방향이 제2방향(14)으로 제공된다. 제2프레임(212)의 길이는 제1프레임(211)의 길이보다 짧게 제공될 수 있다. 제2프레임(212)은 배터리 셀(100)의 전극 리드(170)와 인접한다.
제3프레임(213)은 그 길이방향이 제1방향(12)으로 제공된다. 제3프레임(213)은 제1프레임(211)과 평행하게 위치한다. 제3프레임(213)은 제2프레임(212)과 수직으로 결합된다. 제3프레임(213)은 그 형상 및 모양이 대체로 제1프레임(211)과 동일하게 제공된다.
제4프레임(214)은 그 길이방향이 제2방향(14)으로 제공된다. 제4프레임(214)은 제2프레임(212)과 평행하게 위치한다. 제4프레임(214)은 제1프레임(211) 및 제3프레임(213)에 각각 수직으로 결합된다.
냉각 플레이트(220)는 배터리 셀(100)과 열교환할 수 있다. 냉각 플레이트(220)는 프레임(210)의 내부 공간에 위치한다. 냉각 플레이트(220)와 배터리 셀(100)은 제3방향(16)을 따라 나란하게 위치할 수 있다. 냉각 플레이트(220)는 직사각형 형상의 플레이트로 제공될 수 있다. 냉각 플레이트(220)는 배터리 셀(100)의 일측면과 면접촉한다. 냉각 플레이트(220)의 양측면에는 각각 배터리 셀(100)이 접촉하여 위치할 수 있다. 냉각 플레이트(220)의 면적은 배터리 셀(100)의 면적보다 크게 제공될 수 있다. 냉각 플레이트(220)는 열전도성이 우수한 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 냉각 플레이트(220)는 금속 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 냉각 플레이트(220)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다.
냉각 유로(230)에는 냉각 유체가 흐른다. 냉각 유체는 배터리 셀(100)과 열교환하여 배터리 셀(100)을 냉각 시킬 수 있다. 일 예로 냉각 유로(230)는 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 프레임(210)에 위치할 수 있다. 냉각 유로(230)는 냉각 플레이트(220)의 영역 중 배터리 셀(100)의 전극 리드(170)와 인접하는 영역을 따라 냉각 유체가 흐르도록 형성될 수 있다. 냉각 유로(230)는 프레임(210)에 안착된 배터리 셀(100)의 둘레의 일부 영역 구비될 수 있다. 일 예로 냉각 유로(230)는 제1프레임(211), 제2프레임(212) 그리고 제3프레임(213)에 위치될 수 있다. 이와는 달리, 냉각 유로(230)가 프레임(210) 내부에 형성되어 있을 수도 있다. 선택적으로 냉각 유로(230)는 프레임(210)의 외부로 노출되어 제공될 수 있다. 냉각 유로(230)가 프레임(210)의 내부에 형성되는 경우 공간 활용 의 관점에서 장점이 있다.
일 예로, 냉각 유로(230)는 유입구(231)로부터 유출구(232)까지 연속적으로 형성된 유로일 수 있다. 유입구(231)는 외부로부터 냉각 유체가 유입되는 입구이다. 유출구(232)는 냉각 유로(230)를 흐르고 난 냉각 유체가 외부로 배출되는 입구이다.
일 예로 유입구(231)는 제1프레임(211) 또는 제3프레임(213) 중 어느 하나에 위치하며, 유출구(232)는 제1프레임(211) 또는 제3프레임(213) 중 다른 하나에 위치할 수 있다. 일 예로 유입구(231)는 제1프레임(211)에 위치할 수 있다. 유출구(232)는 제3프레임(213)에 위치할 수 있다. 이와는 달리, 유입구(231)는 제3프레임(213)에 위치하고, 유출구(232)는 제1프레임(211)에 위치할 수 있다.
유입구(231)와 유출구(232)는 서로 마주보며 위치할 수 있다. 유입구(231)는 제1프레임(211)의 중앙에 위치할 수 있다. 유출구(232)는 제3프레임(213)의 중앙에 위치할 수 있다.
유입구(231)와 유출구(232)가 제1프레임(211) 및 제3프레임(213)의 중앙에 위치하는 경우 냉각 유로(230)는 제1프레임(211)의 중앙의 위치로부터 시작하여 제2프레임(212)을 거쳐 제3프레임(213)의 중앙의 위치까지 연결될 수 있다. 이와는 달리, 도 9와 같이 유입구(231)는 제1프레임(211)의 중앙 지점을 기준으로 배터리 셀(100)의 전극 리드(170)와 인접하는 영역에 위치할 수 있다. 일 예로, 유입구(231)는 제1프레임(211)의 3등분 한 지점 중 제2프레임(212)과 인접한 지점에 위치 할 수 있다. 유출구(232)는 제3프레임(213)의 중앙 지점을 기준으로 배터리 셀(100)의 전극 리드(170)와 인접하는 영역에 위치할 수 있다. 일 예로 유출구(232)는 제1프레임(211)의 3등분 한 지점 중 제2프레임(212)과 인접한 지점에 위치 할 수 있다.
냉각 유로(230)에 흐르는 냉각 유체는 냉각 수로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 냉각 유체는 열용량이 큰 다른 유체로 제공될 수 있다. 선택적으로 냉각 유체는 기체로 제공될 수 있다. 일 예로 기체는 공기 또는 헬륨으로 제공될 수 있다.
공급관(260)은 유입구(231)로 냉각 유체를 공급한다. 공급관(260)의 외부의 관과 연결되어 냉각 유체를 냉각 유로(230)에 공급한다. 공급관(260)은 유입구(231)와 연결된다. 각각의 카트리지(200)는 이에 대응되는 공급관(260)의 개수를 가진다. 각각의 공급관(260)은 제3방향(16)을 따라 결합될 수 있는 형태로 제공된다.
일 예로 공급관(260)의 상부는 중앙에 빈공간을 형성하는 원기둥의 형태로 제공될 수 있다. 공급관(260)의 하부는 중앙에 빈공간을 형성하는 원기둥의 형태로 제공되며, 상부의 원기둥보다 단면적이 크게 제공된다. 공급관(260)을 제3방향(16) 상부에서 바라 볼 때, 두 개의 동심원 형상으로 제공될 수 있다.
공급관(260)은 제1프레임(211)과 연결된다. 일 예로 공급관(260)은 제1프레임(211)의 중앙과 연결될 수 있다. 이와는 달리, 유입구(231)의 위치에 따라 제1프레임(211)과 결합되는 위치는 달리 제공될 수 있다.
배출관(270)은 유출구(232)로부터 배출되는 냉각 유체를 외부로 배출한다. 배출관(270)은 유출구(232)와 연결된다. 각각의 카트리지(200)는 이에 대응되는 배출관(270)의 개수를 가진다. 각각의 배출관(270)은 제3방향(16)을 따라 결합될 수 있는 형태로 제공된다. 일 예로 배출관(270)의 상부는 중앙에 빈공간을 형성하는 원기둥의 형태로 제공될 수 있다. 배출관(270)의 하부는 중앙에 빈공간을 형성하는 원기둥의 형태로 제공되며, 상부의 원기둥보다 단면적이 크게 제공된다. 배출관(270)을 제3방향(16) 상부에서 바라 볼 때, 두 개의 동심원 형상으로 제공될 수 있다.
앤드 플레이트(300)는 외부의 충격으로부터 배터리 모듈(10)을 보호할 수 있다. 앤드 플레이트(300)는 하나의 배터리 모듈(10)에 두 개가 제공될 수 있다. 하나의 앤드 플레이트(300)는 배터리 모듈(10)의 상부에 위치할 수 있다. 다른 하나의 앤드 플레이트(300)는 배터리 모듈(10)의 하부에 위치할 수 있다. 두 개의 앤드 플레이트(300) 사이 공간에는 복수개의 카트리지(200)가 제3방향(16)을 따라 적층되어 위치한다. 앤드 플레이트(300)는 금속으로 제공될 수 있다. 일 예로 앤드 플레이트(300)는 스틸로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 앤드 플레이트(300)는 강성이 좋은 다른 금속 재질로 제공될 수 있다.
상술한 실시 예에서는 냉각 유로(230)가 프레임(210)에 위치하는 것을 예로 들어 설명하였다. 이와는 달리 냉각 유로(230)는 냉각 플레이트(220)에 제공될 수 있다. 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 카트리지를 보여주는 사시도이고, 도 8은 도 7의 냉각 플레이트의 횡단면도이다. 도 7 및 도 8을 참고하면, 배터리 모듈(10a)은 배터리 셀(100a), 카트리지(200a) 그리고 앤드 플레이트(300a)를 포함한다.
도 7의 배터리 셀(100a) 및 앤드 플레이트(300a)는 도 3의 배터리 셀(100) 및 앤드 플레이트(300)와 대체로 동일하게 제공된다. 카트리지(200a)는 프레임(210a), 냉각 플레이트(220a) 그리고 냉각 유로(230a)를 가진다. 도 7의 프레임(210a) 및 냉각 플레이트(220a)는 대체로 도 3의 프레임(210) 및 냉각 플레이트(220)와 동일하게 제공된다. 도 7의 냉각 유로(230a)는 프레임(210a)이 아닌 냉각 플레이트(220a)에 제공된다.
냉각 유로(230a)에는 냉각 유체가 흐른다. 냉각 유체는 배터리 셀(100a)과 열교환하여 배터리 셀(100a)을 냉각 시킬 수 있다. 일 예로 냉각 유로(230a)는 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 냉각 플레이트(220a)에 위치할 수 있다. 냉각 유로(230a)는 냉각 플레이트(220a)의 영역 중 배터리 셀(100a)의 전극 리드와 인접하는 영역을 따라 냉각 유체가 흐르도록 형성될 수 있다. 냉각 유로(230a)는 냉각 플레이트(220a)의 둘레 중 일부 영역에 제공될 수 있다. 일 예로 냉각 유로(230a)는 냉각 플레이트(220a)의 두 개의 장변(221,223) 및 하나의 단변(222)에 위치될 수 있다. 냉각 유로(230a)는 냉각 플레이트(220a) 중 배터리 셀(100a)의 전극 리드(170)와 인접한 영역을 따라 냉각 유체가 흐르도록 형성될 수 있다. 냉각 유로(230a)가 형성된 단변(222)은 전극 리드가 연장되는 방향에 위치하는 변이다.
일 예로, 냉각 유로(230a)는 유입구(231a)로부터 유출구(232a)까지 연속적으로 형성된 유로이다. 유입구(231a)는 외부로부터 냉각 유체가 유입되는 입구이다. 유출구(232a)는 냉각 유로(230a)를 흐르고 난 냉각 유체가 외부로 배출되는 입구이다.
일 예로 유입구(231a)는 냉각 플레이트(220a)의 두 개의 장변(221,223) 중 어느 하나에 위치하며, 유출구(232a)는 냉각 플레이트(220a)의 두 개의 장변(221,223) 중 다른 하나에 위치할 수 있다. 일 예로 유입구(231a)는 제1장변(221)에 위치할 수 있다. 유출구(232a)는 제2장변(223)에 위치할 수 있다. 이와는 달리, 유입구(231a)는 제2장변(223)에 위치하고, 유출구(232a)는 제1장변(221)에 위치할 수 있다.
유입구(231a)와 유출구(232a)는 서로 마주보며 위치할 수 있다. 유입구(231a)와 유출구(232a)는 각각 두 개의 장변(221,223)의 중앙에 위치 할 수 있다. 일 예로 유입구(231a)는 제1장변(221)의 중앙에 위치할 수 있다. 유출구(232a)는 제2장변(223)의 중앙에 위치할 수 있다.
유입구(231a)와 유출구(232a)가 제1장변(221) 및 제2장변(223)의 중앙에 위치하는 경우 냉각 유로(230a)는 제1장변(221)의 중앙 위치로부터 시작하여 제1단변(222)을 거쳐 제2장변(223)의 중앙 위치까지 연결된 유로를 가질 수 있다. 이와는 달리, 도 10와 같이 유입구(231a)는 제1장변(221)의 중앙 지점을 기준으로 배터리 셀(100a)의 전극 리드(170a)와 인접하는 측면 영역에 위치할 수 있다. 일 예로, 유입구(231a)는 제1장변(221)의 3등분 지점 중 제1단변(222)과 인접한 지점에 위치 할 수 있다. 유출구(232a)는 제2장변(223)의 중앙 지점을 기준으로 배터리 셀(100a)의 전극 리드(170)와 인접하는 측면 영역에 위치할 수 있다. 일 예로 유출구(232a)는 제2장변(223)의 3등분 지점 중 제1단변(222)과 인접한 지점에 위치 할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함한다. 배터리 팩에는 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치가 더 포함될 수 있다. 일 예로 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(10)을 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 효과를 설명한다. 도 11 내지 도 13은 배터리 셀의 주변으로 형성된 냉각 유로의 길이 및 위치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 11은 배터리 셀(100)의 4측면 중 3측면 전체에 냉각 유체가 흐르는 경우이다. 도 12는 배터리 셀(100)의 4측면 중 하나의 장변의 중앙(P1)에서 시작하여 다른 장변의 중앙(P2)까지 냉각 유체가 흐르는 경우이다. 도 13은 배터리 셀(100)의 4측면 중 하나의 장변 중앙에서 전극 리드(170)와 인접하는 장변 영역의 일지점(P3)에 냉각 유체가 공급되어 다른 장변의 중앙에서 전극 리드(170)와 인접하는 장변 영역의 일지점(P4)에 냉각 유체를 공급하는 경우이다. 또한, 도면에서 표시된 영역은 핫존(H)으로 배터리 셀(100)의 다른 영역보다 온도가 높은 영역에 해당한다. 핫존(H)은 전극 리드(170)와 인접하는 영역으로 전극 리드(170)의 영향으로 배터리의 다른 영역보다 온도가 높다.
도 11 도 12 도 13

배터리 셀(100)의 영역별 온도 편차
약 5℃
약 2℃
약 3.5℃
표 1은 도 11 내지 도 13의 배터리 셀(100)의 냉각 시 배터리 셀(100)의 영역별 온도 편차를 보여주는 표이다. 이를 참고하면, 배터리 셀(100)의 장변 중앙에서 냉각 유체를 공급하여 배터리 셀(100)을 냉각 할 때, 배터리 셀(100)의 영역별 온도 편차가 가장 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
냉각 유로(230)의 길이 관점에서 볼 때는 도 13의 경우 냉각 유로(230)의 길이가 가장 짧다. 냉각 유로(230)의 길이가 짧은 경우 냉각 유체를 공급하는 펌프의 용량이 작은 경우도 가능한 장점이 있다.
상술한 표를 참고하면, 배터리 셀(100)의 영역별 냉각 효율은 도 12의 경우가 가장 좋다. 또한, 냉각 유로(230)의 길이는 도 12의 경우 도 13의 경우보다 조금 길다. 그러나, 도 11의 경우보다는 짧아 비교적 작은 폄프를 사용 가능하다.
결론적으로 본 발명의 실시 예의 경우 배터리 셀(100)의 전체 영역에서 온도 편차가 최소화 되도록 배터리 셀(100)을 냉각 할 수 있다. 이에 따라 배터리 셀(100)의 냉각 효율이 향상되는 효과를 가진다. 또한, 배터리 셀(100)의 냉각 시 전체 영역별로 균일한 온도로 냉각 시킬 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 배터리 모듈 100: 배터리 모듈
200: 카트리지 210: 프레임
220: 냉각 플레이트 230: 냉각 유로
231: 유입구 232: 유출구
260: 공급관 270: 배출관

Claims (14)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    서로 동일한 방향으로 나란히 인출되는 한 쌍의 전극 리드를 구비하는 복수 개의 배터리 셀과;
    내부에 상기 배터리 셀이 수납되는 복수개의 카트리지를; 포함하되,
    상기 카트리지는,
    내부에 공간을 가지는 프레임과;
    양측면에 각각 상기 배터리 셀이 안착되는 냉각 플레이트와; 그리고
    상기 프레임의 내부에 위치하며, 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로를 포함하되,
    상기 냉각 유로는 상기 냉각 플레이트의 영역 중 상기 배터리 셀의 전극 리드와 인접하는 영역을 따라 상기 냉각 유체가 흐르도록 형성되고,
    상기 냉각 유로는, 외부로부터 상기 냉각 유체가 유입되는 유입구 및 상기 냉각 유로를 흐르고 난 뒤 상기 냉각 유체가 외부로 배출되는 유출구를 가지며,
    상기 프레임은,
    제1프레임과;
    상기 제1프레임과 수직으로 결합되는 제2프레임과;
    상기 제1프레임과 평행하게 위치하며, 상기 제2프레임과 수직으로 결합되는 제3프레임과; 그리고
    상기 제2프레임과 평행하게 위치하며, 상기 제1프레임 및 상기 제3프레임에 각각 수직으로 결합되는 제4프레임을; 포함하며,
    상기 유입구는 상기 제1프레임 또는 제3프레임 중 어느 하나에 위치하며,
    상기 유출구는 상기 제1프레임 또는 제3프레임 중 다른 하나에 위치하고
    상기 제2프레임은 상기 배터리 셀의 상기 전극 리드와 인접하며,
    상기 유입구는 상기 제1프레임의 중앙 지점에 위치하며,
    상기 유출구는 상기 제3프레임의 중앙 지점에 위치하고,
    상기 한 쌍의 전극 리드는, 상기 제2 프레임 상에 위치하며,
    상기 냉각 유로는, 냉각 유체의 순환 경로를 단축시키고 상기 배터리 셀에 있어서 나머지 영역 대비 열이 더 많이 발생하는 전극 리드에 인접한 영역을 냉각시켜 상기 배터리 셀의 온도 편차를 감소시킬 수 있도록, 상기 제1 프레임의 중앙의 위치로부터 시작하여 상기 제2 프레임을 거쳐 상기 제3 프레임의 중앙의 위치까지 연결됨으로써 상기 배터리 셀의 둘레 영역중 상기 한 쌍의 전극 리드가 인출된 영역을 포함하여 절반의 영역만을 감싸는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 유입구에 상기 냉각 유체를 공급하는 공급관과;
    상기 유출구로부터 유출된 상기 냉각 유체를 배출하는 배출관을; 더 포함하는 배터리 모듈.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유체는 냉각수로 제공되는 배터리 모듈.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항, 제5항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
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