KR102388127B1 - 탑 커버, 이를 구비한 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 탑 커버 및 이를 구비한 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀의 일측면 쪽에 위치하도록 평판형 구조로 형성되고, 열전도성 수지(thermal resin)가 통과하는 통과홀이 형성된 탑 커버가 구성됨으로써, 배터리 모듈의 하부는 물론 상부에서도 전체적으로 균일한 냉각이 가능하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있고, 배터리의 성능 향상을 기대할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

탑 커버, 이를 구비한 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Top cover, battery module using the same, and battery pack and vehicle including the same}
본 발명은 전기 자동차 등에 사용되는 배터리에 관한 것으로서, 특히 배터리 모듈의 상부 쪽에 구성되는 배터리 냉각 구조 및 배터리 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 팩은 전기 자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거 등과 같이 전기를 필요로 하는 다양한 장치에 설치되어 전기를 공급할 수 있도록 구성된다.
배터리 팩은 내부에 여러 개의 배터리 모듈이 탑재되고, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템이 추가로 구성된다.
배터리 모듈은 배터리의 기본 단위인 배터리 셀들을 하나로 묶어서 구성하고, 여기서 배터리 셀은 일반적으로 충전이 가능한 2차 전지를 사용한다.
이러한 배터리 모듈은 주로 화학 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 과정에서 열이 발생하고, 이러한 열은 배터리 셀을 열화시키는 등 배터리의 성능, 수명, 안전성에 영향을 미치게 되므로 배터리의 과열을 방지하고 적정한 온도로 유지시키기 위해 냉각 장치가 구성된다.
냉각 장치는 일반적으로 배터리 모듈에 냉각 플레이트 등을 밀착시켜 열전달을 통해 배터리 셀들을 냉각하도록 구성되는 것이 일반적이다.
그러나, 종래 기술의 배터리 냉각 장치는 주로 배터리 모듈의 바닥 쪽에만 구성되어 배터리 모듈의 바닥 쪽을 중심으로 냉각하도록 구성되어 있기 때문에 배터리 모듈의 상부 쪽의 냉각 구조는 취약하여 전체적으로 균일한 냉각 성능을 갖는 데는 한계가 있는 문제점이 있다.
일본 특개 제2016-062757호 일본 특개 제2012-529729호 한국 공개특허 제10-2017-0036639호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배터리 모듈의 상부에 냉각 구조를 구성함으로써 배터리 모듈의 하부는 물론 상부에서도 전체적으로 균일한 냉각이 가능하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 배터리의 성능 향상을 기대할 수 있는 탑 커버, 이를 구비한 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 배터리의 탑 커버는, 복수의 배터리 셀의 일측면 쪽에 위치하도록 평판형 구조로 형성되고, 열전도성 수지(thermal resin)가 통과하는 통과홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 통과홀은 복수개가 연속적으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 통과홀은 벌집(Honeycomb) 구조로 형성될 수 있다.
상기 통과홀은 긴 홀 구조로 형성될 수 있다.
상기 배터리의 탑 커버는 사각 판형 구조로 형성되고, 사각 판형 구조의 양쪽에 배터리 셀들을 지지하도록 측판이 각각 연결되어 구성될 수 있다.
다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 탑 커버를 구비한 배터리 모듈은, 복수개의 배터리 셀과; 상기 복수개의 배터리 셀의 외곽에서 배터리 셀을 지지하는 모듈 케이스와; 상기 모듈 케이스의 일면과 상기 배터리 셀 사이에 위치되는 상기한 탑 커버와; 상기 모듈 케이스와 상기 배터리 셀 사이, 그리고 상기 탑 커버의 통과홀에 충진되어 상기 배터리 셀에서 발생된 열을 모듈 케이스 쪽으로 전달하는 열전도성 수지(thermal resin)를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 탑 커버는 상기 배터리 셀의 상부에 위치되고, 상기 모듈 케이스 일면은 상기 탑 커버의 상부에 위치되는 상부판일 수 있다.
상기 모듈 케이스의 일면에는 상기 열전도성 수지를 주입하는 주입홀이 형성되는 것이 바람직하다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은 상기한 바와 같은 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 자동차는 상기한 배터리 팩을 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.
본 발명에 따른 탑 커버, 이를 구비한 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차는, 탑 커버에 열전도성 수지가 충진되는 통과홀이 구성되기 때문에 배터리 모듈의 하부는 물론 배터리 모듈의 상부에서도 방열 및 냉각 성능이 향상되어, 배터리 모듈 전체적으로 균일한 냉각이 가능하고, 이에 따라 냉각 성능을 향상시켜 배터리의 성능 향상을 기대할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 탑 커버의 통과홀을 통해 열전도성 수지가 충진된 상태에서 배터리 셀에서 발생된 열을 외곽 케이스 쪽으로 전달하여 방열할 수 있도록 구성되기 때문에 탑 커버가 갖는 배터리 셀의 지지 기능을 유지하면서 배터리의 냉각 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탑 커버를 포함하는 배터리 모듈이 도시된 일부 절개 외관 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탑 커버를 포함하는 배터리 모듈이 도시된 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탑 커버가 도시된 사시도이다.
도 4는 도 1의 A-A선 방향의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탑 커버가 도시된 사시도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탑 커버를 포함하는 배터리 모듈이 도시된 도면들로서, 도 1은 배터리 모듈의 일부 절개 외관 사시도, 도 2는 배터리 모듈의 분해 사시도, 도 3은 탑 커버의 사시도, 도 4는 도 1의 A-A선 방향의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탑 커버를 포함하는 배터리 모듈은, 대략 육면체형 구조로 이루어진 모듈 케이스(10), 이 모듈 케이스(10) 내에 구성되는 복수개의 배터리 셀(20), 이 배터리 셀(20)의 상부와 모듈 케이스(10) 사이에 구비되는 탑 커버(40), 이 탑 커버(40)가 위치되는 공간에 충진되는 열전도성 수지(thermal resin)(50)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 모듈 케이스(10)는 내부의 배터리 셀(20)들을 보호하고 단위 배터리 모듈을 구성하기 위해 구성된다. 그리고 단위 배터리 모듈을 적절한 개수로 묶어서 하나의 배터리 팩을 구성하게 된다.
이러한 모듈 케이스(10)는 도면에 예시된 바와 같이 육면체형 구조로 구성될 수 있는 바, 복수개의 배터리 셀(20)의 상부에 위치되는 상부판(11), 둘레면에 위치되는 측면판(13, 15), 하부에 위치되는 하부판(17)으로 구성될 수 있다.
상부판(11), 측면판(13, 15), 하부판(17)은 개별적으로 제작되어 상호 조립되게 구성하는 것도 가능하고, 필요에 따라서는 일부 구성 부분을 일체화로 제작하여 구성하는 것도 가능하다.
특히, 상부판(11)은 내부에서 발생된 열을 외부로 방출할 수 있도록 알루미늄 같은 열전도성이 높은 금속 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상부판(11)에는 배터리 모듈을 구성할 때 열전도성 수지(50)를 주입하기 위한 주입홀(11a)이 형성되는 것이 바람직하고, 이 주입홀(11a)은 마개(12) 또는 주입홀(11a)을 막아주는 수단이 추가로 구성되어 밀폐되게 구성될 수 있다.
여기서, 주입홀(11a)을 통해 열전도성 수지(50)를 주입하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이 열전도성 수지(50)가 상부판(11)과 배터리 셀(20) 사이의 공간 및 아래에서 설명할 탑 커버(40)의 통과홀(43) 내부에 고르게 충진되면서 열전달 기능을 하게 된다.
한편, 하부판(17)에는 열을 방출하거나 열교환이 이루어지도록 냉각 플레이트(30)가 구성될 수 있다. 이때, 냉각 플레이트(30)는 배터리 냉각 시스템에 의해 열전달 및 열교환이 이루어지도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기한 배터리 셀(20)을 구성하는 단위 셀(22)은 충전이 가능한 2차 전지를 사용하여 구성되는 것이 바람직하고, 이러한 배터리 셀(20)들이 배터리 모듈을 구성할 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 상호 적층된 구조로 결합되어 구성될 수 있다.
배터리 셀(20)들의 측면에는 배터리 셀(20)들을 전기적으로 상호 연결하도록 전극 리드(24)가 구성되고, 각 배터리 셀(20)의 전극 리드(24)는 버스바(busbar) 등에 의해 상호 연결되게 구성될 수 있다.
이제, 본 발명의 주요 구성 부분인 탑 커버(40)에 대하여 설명한다.
탑 커버(40)는 배터리 셀(20)들을 상부에서 하나로 지지함과 아울러, 각 배터리 셀(20)들을 전기적으로 연결하는 구조물이 설치될 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 탑 커버(40)는 열전도성 수지(50)가 충진되는 공간을 형성하여 열전달이 원활해지도록 하는 기능을 갖도록 구성된다.
이를 위해 탑 커버(40)는 상판(42)과 측판(45)으로 구성될 수 있고, 상판(42)에는 열전도성 수지(50)가 통과하는 통과홀(43)들이 형성된다.
상판(42)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 통과홀(43)이 벌집(Honeycomb) 구조로 연속적으로 형성되게 구성될 수 있다.
즉, 상판(42)은 도면에서와 같이 사각 판형 구조로 형성될 수 있는데, 합성수지재 등으로 사출 형성하여 제작될 수 있다.
이러한 상판(42)은 사각 판형 구조에 한정되지 않고, 배터리 모듈의 구조에 따라 다른 여러 형상으로 변형하여 실시할 수 있고, 또 열전도성이 높은 금속 소재를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.
상판(42)에 형성되는 통과홀(43)은 벌집 구조가 연속되어 상판(42)의 둘레 부분을 제외한 상판(42) 전체에 균일하게 형성되게 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 실시 조건에 따라서는 벌집 구조의 통과홀(43)들이 상판(42)의 특정 부분에만 형성되는 것도 가능하고, 상판(42)에서 벌집 구조를 부분 부분 나누어서 형성하는 것도 가능하다.
측판(45)은 상판(42)의 양단부 또는 양측에서 하측 방향으로 상판과 직교하는 방향으로 연결되게 구성될 수 있다.
이러한 측판(45)은 배터리 셀(20)들을 일체로 지지함과 아울러 리드 전극(24)을 연결하도록 구성되는 것이 바람직하다.
따라서, 측판(45)에는 각 배터리 셀(20)의 리드 전극(24)을 연결하기 위한 버스바가 설치되도록 바 설치부(46)가 구성되는 것이 바람직하고, 또 전극 측정 센서 등도 설치될 수 있게 센서 설치부(47) 등도 구성될 수 있다.
다음, 상기 열전도성 수지(50)는 모듈 케이스의 상부판(11)과 배터리 셀(20) 사이의 공간에 충진되어 배터리 셀(20)에서 발생된 열을 상부판(11) 쪽으로 전달하는 기능을 하게 된다.
열전도성 수지(50)는 열전도성을 갖는 에폭시 복합수지 조성물 등으로 구성될 수 있는바, 이러한 공지의 열전도성 수지(50)를 이용하여 구성할 수 있다.
배터리 셀(20)과 모듈 케이스의 상부판(11) 사이에는 앞서 설명한 바와 같이 통과홀(43)을 갖는 탑 커버(40)가 설치되므로, 통과홀(43)에도 열전도성 수지(50)가 충진되어 있게 된다.
따라서, 상기한 바와 같은 탑 커버(40)는 배터리 셀(20)들을 하나의 묶음으로 지지함과 아울러, 열전도성 수지(50)가 충진될 때 열전도성 수지(50)를 전체적으로 고르게 퍼지게 한 상태로 충진되게 하고, 또 충진된 후에는 배터리가 흔들리는 등 외부 요인에 의해 열전도성 수지(50)가 한쪽으로 쏠리지 않도록 잡아주게 되어 전체적으로 균일한 열전달이 가능하여 방열 성능의 향상을 기대할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탑 커버가 도시된 사시도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 탑 커버(40A)는 통과홀(43A)이 긴 홀 구조로 형성된다.
즉, 앞서 설명한 본 발명의 제 1 실시예의 탑 커버(40)는 통과홀(43)이 벌집 구조로 배열되어 구성되었으나, 본 실시예에서는 탑 커버(40A)의 통과홀(43A)은 상판(42)의 길이 방향으로 길게 형성된 구조로 형성된다.
물론, 본 실시예에서도 통과홀(43A)이 여러 개 형성되고, 상판(42)의 전면적에 걸쳐 균일하게 형성되는 것이 바람직하다.
이외의 구성 부분은 앞서 설명한 제 1 실시예의 탑 커버와 동일 유사하게 구성될 수 있으므로 동일한 도면 부호를 부여하고, 그에 대한 반복 설명은 생략한다.
한편, 탑 커버의 상판에 형성되는 통과홀은 제 1 실시예, 제 2 실시예에 예시한 구조에 한정되지 않고, 탑 커버에서 상판(42)이 상하로 뚫린 상태에서 열전도성 수지(50)가 충진될 수 있는 구조이면, 형상 및 구조를 다양하게 변경하여 구성할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기한 바와 같은 배터리 모듈을 하나 이상 포함되어 구성된다. 이러한 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치가 더 포함될 수 있다. 일 예로 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
또한, 상기와 같은 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 자동차는 상기한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 하나 이상 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 모듈 케이스 11 : 상부판
11a : 주입홀 12 : 마개
20 : 배터리 셀 22 : 단위 셀
24 : 리드 전극 30 : 냉각 플레이트
40 : 탑 커버 42 : 상판
43 : 통과홀 45 : 측판
46 : 바 설치부 47 : 센서 설치부
50 : 열전도성 수지

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 복수개의 배터리 셀;
    상기 복수개의 배터리 셀 상부에 위치되며 주입홀이 형성된 상부판, 둘레면에 위치되는 측면판, 및 하부에 위치되는 하부판으로 구성되어, 복수개의 배터리 셀의 외곽에서 배터리 셀을 지지하는 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스의 상부판과 상기 배터리 셀의 상부 사이에 위치되는 탑 커버; 및
    상기 모듈 케이스와 상기 배터리 셀 사이, 그리고 상기 탑 커버의 통과홀에 충진되어 상기 배터리 셀에서 발생된 열을 모듈 케이스 쪽으로 전달하는 열전도성 수지(thermal resin);를 포함하며,
    상기 탑 커버는 열전도성 수지(thermal resin)가 통과하는 통과홀이 구비된 사각 판형 구조로 형성되고, 사각 판형 구조의 양쪽에 배터리 셀들을 지지 및 전극 리드를 연결하도록 바 설치부가 구비된 측판이 각각 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 통과홀은 복수개가 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 통과홀은 벌집(Honeycomb) 구조 또는 긴 홀 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 청구항 6의 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
  10. 청구항 9의 배터리 팩을 포함하는 자동차.

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