KR102397774B1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수개의 배터리 셀의 온도가 효율적으로 조절되도록 열전달 구조로 형성되고, 배터리 셀의 안정성이 증대되도록 열전달 부재가 통공된 형태로 형성된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK HAVING THE SAME}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수개의 배터리 셀의 온도가 효율적으로 조절되도록 열전달 구조로 형성되고, 배터리 셀의 안정성이 증대되도록 열전달 부재가 통공된 형태로 형성된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
배터리 팩을 구성하는 단위전지로서의 리튬 이차전지는 유연성을 가져 그 형상이 비교적 자유로우며 무게가 가볍고 안전성도 우수하여 휴대폰, 캠코더, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 전자기기 전원으로 수요가 증가하고, 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다.
한편, 상기 이차전지의 형태는 배터리 케이스의 형상에 따라 구분되는데, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 경우에는 원통형 배터리 및 각형 배터리로 분류되고, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 경우에는 파우치형 배터리로 분류된다.
또한, 배터리 케이스에 내장되는 전극 조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 삽입된 분리막 구조로 이루어져 충/방전이 가능하고, 원통형 전극 조립체의 형태는 전극 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극, 분리막 및 음극을 순차적으로 적층하여 권취한 젤리-롤형으로 형성된다.
한편, 일반적으로 배터리 팩을 장시간 사용하는 경우, 배터리 팩에서는 열이 발생하게 되는데, 특히 이와 같이 적층된 대용량의 배터리 팩은 충전 또는 방전 시 전류량의 증가에 따라 더 많은 열을 수반하게 된다. 만약 이때 발생한 열이 충분히 제거되지 않으면 배터리 팩의 성능이 저하되거나, 나아가 발화 또는 폭발에 이르기도 한다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 배터리 팩은 냉각 부재를 구비하는데 이러한 냉각부재가 구비된 배터리 팩은 도 1을 들어 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 배터리 팩의 구조도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 배터리 팩은 복수개의 원통형 배터리 셀의 각 측면에 냉각부재가 배치되었다.
그러나 상기와 같은 배터리 팩의 구조는 다수개의 냉각부재가 구성됨에 따라 배터리 팩 내측 공간이 감소되고, 원형 셀 구동 시 셀의 측면보다 전극 단자가 구성된 셀의 상/하부에서 발열이 더 발생함에 따라 냉각효율이 감소하는 문제가 발생된다.
KR 2017-0004172 A
본 발명은 동일 공간에 더 많은 배터리 셀을 구비하고, 냉각효율도 증대시키는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀로 구성되는 배터리 모듈에 있어서, 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 전달하는 상부 프레임, 상기 상부 프레임의 하부에 위치하는 상부 방열부재, 상기 상부 방열부재 하부에 위치하여 상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 구조인 복수 개의 배터리 셀이 상호 이웃하게 배열된 배터리 셀 어셈블리, 상기 배터리 셀 어셈블리 하부에 위치하여 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공이 형성되는 하부 방열부재 및 상기 하부 방열부재 하부에 위치하며, 상기 상부 프레임과 연결되는 결합부를 구비하여 상부 프레임으로부터 열을 전달받거나 상부 프레임에 열을 전달하는 하부 프레임을 포함하여 구성된다.
상기 배터리 셀 어셈블리는, 상기 복수 개의 배터리 셀을 고정시키는 셀 고정 프레임을 더 포함하여 구성된다.
상기 셀 고정 프레임은, 상기 상부 방열부재 및 하부 방열부재가 정위치에 안착될 수 있도록 상부면과 하부면에 소정 깊이의 방열부재 안착 홈이 형성된다.
상기 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀 어셈블리 내 복수개의 배터리 셀의 상부면과 하부면에 각각 접촉하여 상기 복수개의 배터리 셀들의 양극단자들과 음극단자들을 각각 전기적으로 연결시키는 메탈 플레이트를 더 포함하여 구성된다.
상기 메탈 플레이트는, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양(+)극 단자들과 음(-)극 단자들에 대응되는 위치에 각각 관통공이 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 복수개의 배터리 셀로 구성된 복수개의 배터리 모듈 간의 열 제어를 위하여 구성된 배터리 팩에 있어서, 상측에는 양(+)극이 위치하고, 하측에는 음(-)극이 위치하는 복수개의 배터리 셀이 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 제1 배터리 모듈부, 상기 제1 배터리 모듈부 하부에 위치하여 복수개의 배터리 셀의 온도를 제어하는 온도 조절부 및 상기 온도 조절부 하부에 위치하며, 상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 복수개의 배터리 셀이 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 제2 배터리 모듈부를 포함하여 구성된다.
상기 제1 배터리 모듈부는, 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 제1 상부 열 전달 프레임, 상기 제1 상부 열 전달 프레임과 복수개의 배터리 셀 사이에 위치하며, 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공이 형성되는 제1상부 방열부재, 상기 복수개의 배터리 셀 하부에 위치하는 제1 하부 방열부재 및 상기 제1 하부 방열부재 하부와 상기 온도 조절부의 상부에 위치하며, 상기 제1 상부 열 전달 프레임과 연결되어 제1 상부 열 전달 프레임으로부터 전달되는 열을 상기 온도 조절부에 전달하거나 온도 조절부로부터 열을 전달받는 제1하부 프레임을 포함하여 구성된다.
상기 제2 배터리 모듈부는, 상기 온도 조절부의 하부에 위치하여 온도 조절부로부터 열을 전달받거나 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 온도 조절부에 전달하는 제2 상부 열 전달 프레임, 상기 제2 상부 열 전달 프레임과 복수 개의 배터리 셀의 사이에 위치하는 제2 상부 방열부재, 상기 복수개의 배터리 셀의 하부에 위치하여 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공이 형성되는 제2 하부 방열부재 및 상기 제2 하부 방열부재 하부에 위치하며, 상기 제2 상부 열 전달 프레임과 연결되어 제2 상부 열 전달 프레임으로부터 열을 전달받거나 제2 상부 열 전달 프레임에 열을 전달하는 제2 하부 열 전달 프레임을 포함하여 구성된다.
상기 제1 배터리 모듈부 및 제2 배터리 모듈부의 열 전달 프레임은, 상기 온도 조절부가 열 전달 프레임 내측에 배치되도록 온도 조절부와 접하는 열 전달 프레임의 접촉면에 소정 깊이의 온도 조절부 안착 홈이 더 형성된다.
상기 온도 조절부는, 냉각부재, 가열부재 또는 냉각부재와 가열부재가 결합된 구성으로 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩은 배터리 셀의 측면보다 상/하부에 방열부재를 배치하여 배터리 셀의 냉각 효율을 증대시키며, 배터리 셀의 양(+)극 단자가 배치된 방열부재에 관통공을 형성하여 발화 시 양(+)극 캡이 오픈되어 가스, 화염 및 토출물이 분출될 수 있도록 하여 안전한 배터리 모듈 및 배터리 팩의 구동이 가능하도록 한다.
도 1은 종래의 배터리 팩의 구조도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 측면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 측면 확대도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 열 전달 흐름도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 온도변화 예시도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 측면도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 냉각부재에 의한 열 전달 흐름도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 가열부재에 의한 열 전달 흐름도.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 식별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
<실시 예 1>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀을 열 전달이 가능한 프레임 내측에 수용하며, 발화 시 가스, 화염 및 토출물 분출을 위한 배터리 셀의 양(+)극 단자의 캡 오픈이 가능하도록 복수개의 관통공이 형성된 방열부재를 포함하여 구성됨에 따라 배터리 셀로부터 발생되는 열이 빠르게 배출되며, 발화 시 용이하게 캡이 오픈되어 배터리 모듈이 안전하게 구동될 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀 어셈블리(130)에서 발생되는 열을 전달하는 상부 프레임(110), 상부 프레임(110)의 하부에 위치하는 상부 방열부재(120), 상부 방열부재(120) 하부에 위치하여 상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 구조인 복수 개의 배터리 셀이 상호 이웃하게 배열된 배터리 셀 어셈블리(130), 배터리 셀 어셈블리(130) 하부에 위치하여 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공이 형성되는 하부 방열부재(140) 및 하부 방열부재(140) 하부에 위치하며, 상기 상부 프레임(110)과 연결되어 상부 프레임(110)으로부터 열을 전달받거나 상부 프레임(110)에 열을 전달하는 하부 프레임(150)을 포함하여 구성된다.
이러한 배터리 모듈(100)에 대한 구성은 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 상부 프레임(110) 및 하부 프레임(150)은 상기 복수개의 배터리 셀의 각 전극에서 발생되는 열을 상호 전달하며 외부로 방출시키는 구성으로서, 높은 열전도 특성을 가진 소재로 구성될 수 있도록 한다.
일 실시 예로서, 알루미늄을 소재로 사용할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 상부 프레임(110)은 전체 배터리 모듈의 상단부를 형성하고, 상기 하부 프레임(150)은 전체 배터리 모듈의 하단부를 형성하여 배터리 모듈의 내부를 보호하는 구성이며, 상부 프레임(110) 및 하부 프레임(150)은 상호 결합될 수 있도록 측면부에 결합부가 구비된다.
여기서 결합부는 끼움결합이 가능하도록 하나의 프레임이 'ㄱ'자로, 다른 하나의 프레임이 'ㄴ'자의 형태로 형성될 수 있지만 이에 한정되지 않고, 다양한 결합형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부 프레임(150)은 상기 하부 방열부재(140)의 공간을 좀 더 확보하기 위하여 상부면 일부에 소정 깊이의 방열부재 확장 홈을 더 형성한다.
이때 하부 방열부재(140)의 두께는 상부 방열부재(120)의 두께보다 큰 값을 가지며 하기에서 설명되는 방열부재 안착 홈(131_2)과 상기 방열부재 확장 홈의 결합으로 형성되는 높이에 대응되는 두께를 가진다.
이렇게 형성된 확장된 공간은 발화 시 양(+)극 단자에서 배출되는 화염, 가스 및 토출물의 양이 많은 경우에도 수용할 수 있다.
또한, 상기 상부 방열부재(120) 및 하부 방열부재(140)은 상기 상부 프레임(110) 및 하부 프레임(150)과 각각 접하는 형태로 형성되어 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 상부 프레임(110) 및 하부 프레임(150)에 빠르게 전달하여 열이 외부로 방출될 수 있도록 한다.
또한, 상기 상부 방열부재(120) 및 하부 방열부재(140)는 패드 형태로 구성될 수 있으며, 일 실시 예로서, 실리콘 패드로 구성되는 경우, 절연성도 확보할 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 상부 방열부재(120)는 상기 복수개의 배터리 셀의 상면 전체를 덮도록 평평한 판상형 형태로 형성되며, 상기 하부 방열부재(140)는 상기 복수개의 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공이 형성된다.
만약 배터리 셀에서 이상상태가 발생하여 발화되는 경우, 더 큰 연소 및 폭발을 방지하기 위하여 배터리 셀 내 압력으로 양(+)극 단자의 캡이 오픈되고, 오픈된 양(+)극 단자의 캡으로부터 가스, 화염 및 토출물이 상기 하부 방열부재(140)의 관통공을 통해 분출될 수 있도록 한다.
또한, 상기 배터리 셀 어셈블리(130)은 상기 상부 방열부재(120)와 하부 방열부재(140) 사이에 위치하여 상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 구조인 복수 개의 배터리 셀이 상호 이웃하게 배열된 구성으로서, 상기 상부 방열부재(120) 및 하부 방열부재(140)와 각각 접하는 형태로 형성된다.
상기 배터리 셀 어셈블리(130)의 구성은 도 3을 들어 좀 더 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 측면도이다.
도 3을 참고하면, 상기 배터리 셀 어셈블리(130)은 상기 복수 개의 배터리 셀(132)을 고정시키는 셀 고정 프레임(131)을 더 포함하여 구성된다.
또한, 상기 셀 고정 프레임(131)은 상단부/하단부로 나뉘어 구성될 수 있으며, 상단부와 하단부는 상기 상부 프레임(110) 및 하부 프레임(150)의 결합부와 유사한 결합형태로 형성된다.
또한, 상기 배터리 셀 어셈블리(130)는 원형 배터리 셀의 일단이 삽입되어 고정될 수 있도록 수직 방향으로 연통된 복수개의 관통홈(131_1)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 관통홈(131_1)은 관통홈(131_1)에 삽입된 배터리 셀의 끝 단과 만나는 부분의 직경이 원형 배터리 셀의 몸체 직경보다 작게 형성되어 배터리 셀이 외부로 배출되지 않도록 한다.
그러나 배터리 셀의 보호구조로 인하여 배터리 셀 발화 시 배터리 셀의 양(+)극의 캡이 열릴 수도 있으므로 가스, 화염 및 토출물이 용이하게 배출될 수 있도록 소정의 직경범위 이상으로 형성한다.
또한, 상기 셀 고정 프레임(131)은 상기 상부 방열부재(120) 및 하부 방열부재(140)가 정위치에 안착될 수 있도록 상부면과 하부면에 소정 깊이로 형성된 방열부재 안착 홈(131_2)을 더 포함하여 구성된다.
상기 방열부재 안착 홈(131_2)은 상기 상부 방열부재(120) 및 하부 방열부재(140)가 상기 복수개의 배터리 셀(132) 상부/하부에 배치되어야 하므로 별도의 부착부재 없이 용이하게 배치될 수 있도록 한다. 이는 부착부재가 부착된 부착부분에 열이 발생될 수 있으므로 방열 효율이 감소할 수 있다.
또한, 여기서 사용되는 배터리 셀은 원통형 배터리 셀을 의미하며, 셀 고정 프레임은 절연성 소재로 이루어진다.
또한, 상기 배터리 모듈(100)은 상기 배터리 셀 어셈블리(130) 내 복수개의 배터리 셀의 상부면과 하부면에 각각 접촉하여 상기 복수개의 배터리 셀들의 양극단자들과 음극단자들을 각각 전기적으로 연결시키는 메탈 플레이트(160)를 더 포함하여 구성되는데, 이는 도4를 들어 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 측면 확대도이다.
도 4를 참고하면, 상기 메탈 플레이트(160)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양(+)극 단자들과 음(-)극 단자들에 대응되는 위치에 각각 관통공(161)이 형성되는데, 좀 더 엄밀히 말하면, 전극단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공(161)이 형성되며, 관통공 내측에 형성된 접속단자(162)가 상기 복수 개의 배터리 셀과 맞닿아 전기적으로 연결시킨다.
여기서 관통공(161)은 상기 복수개의 배터리 셀에서 발화가 발생되는 경우, 해당 배터리 셀의 양(+)극으로 가스, 화염 및 토출물이 분출될 수 있도록 형성된다.
또한, 일반적으로 접속단자(162)를 통한 충/방전 시 배터리 셀의 음(-)극에서는 배터리 셀의 양(+)극보다 발열량이 많으므로 상기 관통공(161)을 통해 메탈 플레이트(160)와 복수개의 배터리 셀(132)과의 간격이 소정 거리 이격될 수 있도록 한다.
또한, 상기 메탈 플레이트(160)는 일 실시 예로서 구리를 소재로 사용할 수 있고, 상기 접속단자(162)는 니켈을 소재로 사용할 수 있다. 이는 용접에 용이한 니켈을 접속단자(162)로 사용하고, 저항이 낮아 저항용접에 적합하진 않지만 열전도율이 높은 구리를 메탈 플레이트의 베이스로 사용하여 메탈 플레이트(160)에서도 열을 용이하게 방출할 수 있도록 한다.
또한, 상기 메탈 플레이트(160)는 상기 셀 고정 프레임(131)의 방열부재 안착 홈(131_2) 내에 상기 상부 방열부재(120) 및 하부 방열부재(140)와 함께 배치된다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 메탈 플레이트(160)는 상기 상부 방열부재(120) 하부와 상기 복수개의 배터리 셀(132) 상부 사이에 위치하며, 상기 복수개의 배터리 셀(132) 하부와 하부 방열부재(140) 상부 사이에 위치한다.
따라서 별도의 고정 구성없이 용이하게 정위치에 배치될 수 있으며, 상기 방열부재와 접촉하여 형성됨에 따라 열 전달이 더욱 빠르게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈(100)에서 발생되는 열이 전달되는 흐름을 도 5를 통해 상세하게 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 열 전달 흐름도이다.
우선, 도 5는 복수개의 배터리 셀(123)에서 발생되는 열이 외부로 방출되는 방열 전달 경로이며, 충/방전 시 배터리 셀(132)에서는 많은 양의 열이 발생되는데, 이러한 열은 메탈 플레이트(160)를 거쳐 방열부재(120, 140)에 전달되고, 방열부재(120)는 빠르게 프레임(110, 150)으로 열을 전달한다.
상기 프레임(110, 150)으로 전달된 열은 프레임(110, 150)의 상부, 하부 및 양측면부를 통해 외부에 방출된다.
상기 프레임(110, 150)의 하부는 바닥면을 형성함에 따라 외부에 효율적으로 열을 방출하기 어려우므로, 하부로 방출되지 못한 열은 양측면부에 전달되어 외부로 방출될 수 있도록 한다.
또한, 상기 프레임(110, 150)의 상부는 상기 복수개의 배터리 셀(132)의 음(-)극이 위치하여 배터리 셀의 양(+)극보다 발열량이 많으므로 상부로 방출되지 못한 열은 양측면부에 전달되어 외부로 방출될 수 있도록 한다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 열 방출 효과는 충전 실험결과인 도 6을 통해 좀 더 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 온도변화 예시도이다.
도 6을 참고하면, 본 실험은 1 C-rate에서 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 총 6지점을 측정하였다. 이는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 하부 방열부재(140)가 양(+)극 단자의 끝단에 대응되어 천공됨에 따라 용이하게 6지점의 온도를 측정할 수 있으므로 양(+)극 단자를 통해 각 배터리 셀의 정확한 온도를 측정하였다.
6-(a)는 종래의 배터리 모듈의 온도측정 값이고, 6-(b) 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 온도측정 값이다.
6-(a)와 6-(b)를 비교해보면, 6-(a)가 6-(b)보다 전반적으로 낮은 온도의 측정 값을 가지고 있으며 6-(a)의 평균 온도는 대략 47℃이고 6-(b)의 평균 온도는 대략 46℃임에 따라, 본 발명의 배터리 모듈의 구조에 의해 각 배터리 셀에서 발생되는 열이 빠르게 외부로 방출되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 실험에서는 정확한 배터리 셀의 온도 측정을 위해 열의 방출을 좀 더 용이하게 하는 상기 하부 프레임(150)이 배치되어 있지 않으므로 하부 프레임(150)이 배치된 경우에는 온도 감소 효과가 좀 더 증대될 것이다.
<실시 예 2>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 상기 실시 예에 따라 높은 열 전달 효율을 가진 구조로 형성된 배터리 모듈 사이에 배터리 모듈의 온도를 제어하는 온도 조절부가 구성됨에 따라 하나의 온도 조절부를 통해 두 개의 배터리 모듈의 온도가 좀 더 효율적으로 일정하게 유지될 수 있도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩의 측면도이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(1000)은 상측에는 양(+)극이 위치하고, 하측에는 음(-)극이 위치하는 복수개의 배터리 셀이 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 제1 배터리 모듈부(1100), 제1 배터리 모듈부(1100) 하부에 위치하여 복수개의 배터리 셀의 온도를 제어하는 온도 조절부(1200) 및 온도 조절부(1200) 하부에 위치하며, 상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 복수개의 배터리 셀이 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 제2 배터리 모듈부(1300)를 포함하여 구성된다.
이러한 배터리 팩(1000)에 대한 구성은 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
또한, 상기 제1 배터리 모듈부(1100)는 상측에는 양(+)극이 위치하고, 하측에는 음(-)극이 위치하는 복수개의 배터리 셀이 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 구성으로서, 좀 더 엄밀히 말하자면, 제1 상부 열 전달 프레임(1110), 제1 상부 방열부재(1120), 제1 하부 방열부재(1140) 및 제1 하부 열 전달 프레임(1150) 사이에 상기 복수개의 배터리 셀(1131)이 위치한다.
또한, 상기 제1 상부 열 전달 프레임(1110)은 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 구성으로서, 전체 배터리 모듈의 최상단을 형성한다.
또한, 상기 제1 상부 방열부재(1120)는 상기 제1 상부 열 전달 프레임(1110)과 복수개의 배터리 셀(1131) 사이에 위치하며, 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공이 형성되는 구성이다.
여기서 관통공은 배터리 셀 발화 시 배터리 셀 내부로부터 양(+)극 단자를 통해 분출되는 화염 및 가스가 분출될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제1 상부 방열부재(1120)는 하나의 배터리 셀에서 발생된 화염이 다른 배터리 셀에 번지지 않도록 난연성 및 불연성 소재로 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 상기 복수개의 배터리 셀(1131)은 셀 고정 프레임(1132) 내측에 수용되는 구성으로서, 셀 고정 프레임(1132)은 상부면과 하부면에 소정 깊이의 방열부재 안착 홈이 형성되어 상기 상부 방열부재(1120) 및 하부 방열부재(1140)가 정위치에 안착될 수 있도록 한다.
여기서 정위치는 상기 복수개의 배터리 셀(1131)의 상부 및 하부 전체면을 덮는 위치를 의미하는데, 이는 상기 셀 고정 프레임(1132) 내측에는 상기 복수개의 배터리 셀(1131)뿐만 아니라 복수개의 배터리 셀(1131)을 제어하는 BMS가 측면에 배치되므로 방열이 필요한 위치에 상기 상부 방열부재(1120) 및 하부 방열부재(1140)가 배치될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제1 하부 방열부재(1140)는 상기 복수개의 배터리 셀 하부에 위치하여 배터리 셀 음(-)극에서 발생되는 열을 상기 제1 하부 열 전달 프레임(1150)에 전달한다.
여기서 상기 제1 상부 방열부재(1120) 및 제1 하부 방열부재(1140)는 평평한 판상형 패드로 형성되어 상기 셀 고정 프레임(1132)의 방열부재 안착홈에 배치된다.
또한, 상기 복수개의 배터리 셀(1131)은 상부면과 하부면에 접촉하여 배터리 셀들의 양극단자들과 음극단자들을 각각 전기적으로 연결시키는 메탈 플레이트를 더 포함하여 구성되는데, 이는 상기 방열부재 안착홈에 같이 배치됨에 따라 상기 제1 상부 방열부재(1120) 하부와 복수개의 배터리 셀(1131)의 상부 사이에 위치하고, 상기 복수개의 배터리 셀(1131)의 하부와 제1 하부 방열부재(1140)의 상부 사이에 위치한다.
또한, 상기 제1 하부 열 전달 프레임(1150)은 상기 제1 하부 방열부재 하부(1140)에 위치하며, 상기 제1 상부 열 전달 프레임(1110)과 연결되어 제1 상부 열 전달 프레임(1110)으로부터 전달되는 열을 상기 온도 조절부(1200)에 전달하거나 온도 조절부(1200)로부터 발생되는 열을 전달받아 상기 복수개의 배터리 셀(1131)로 전달하는 구성이다.
또한, 상기 복수개의 배터리 셀(1131)에서 발생되는 열도 상기 온도 조절부(1200)에 전달하여 냉각될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제1 하부 열 전달 프레임(1150)의 하부면에는 상기 온도 조절부(1200)가 프레임 몸체 내측에 배치되도록 온도 조절부와 접하는 열 전달 프레임의 접촉면에 소정 깊이의 제1 온도 조절부 안착 홈(1151)이 형성된다. 여기서 소정 깊이는 상기 온도 조절부(1200)의 높이의 1/2되는 길이로 형성되어 상기 온도 조절부(1200)가 별도의 구성없이 하나의 프레임으로 구성되어 보호될 수 있도록 한다.
또한, 상기 온도 조절부(1200)는 상기 제1 배터리 모듈부(1100)의 하부에 위치하고, 상기 제2 배터리 모듈부(1300)의 상부에 위치하여 각 배터리 모듈 내 복수개의 배터리 셀의 온도를 제어하는 구성으로서, 냉각부재, 가열부재 또는 냉각부재와 가열부재가 결합된 구성으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 냉각부재는 플레이트 형태로 형성되고, 액체 쿨러 또는 금속 쿨러를 사용하며 외부는 열전도성 소재로 이루어져 외부에서 열이 빠르게 진입되거나 전달될 수 있도록 한다.
또한, 상기 가열부재는 플레이트 형태로 형성되고, 액체 히터 또는 금속 히터를 사용하며 외부는 열전도성 소재로 이루어져 외부로 열이 빠르게 배출되거나 전달될 수 있도록 한다.
또한, 상기 냉각부재 및 가열부재는 배터리 팩을 제어하는 BMS와 전기적으로 연결되어 배터리 팩의 온도가 소정의 온도를 초과하면 BMS를 통해 냉각부재를 구동시키고, 배터리 팩의 온도가 소정 온도 미만인 경우, BMS를 통해 가열부재가 구동될 수 있도록 한다.
만약, 냉각부재와 가열부재가 결합된 구성인 경우, 냉각부재 구동 시 가열부재는 열 전달 구성으로 기능하고, 가열부재 구동 시에는 냉각부재가 열 전달 구성으로 기능한다.
또한, 상기 제2 배터리 모듈부(1300)는 상기 온도 조절부(1200) 하부에 위치하며, 상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 복수개의 배터리 셀이 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 구성으로서, 좀 더 엄밀히 말하자면, 제2 상부 열 전달 프레임(1310), 제2 상부 방열부재(1320), 제2 하부 방열부재(1340) 및 제2 하부 열 전달 프레임(1350) 사이에 상기 복수개의 배터리 셀(1331)이 위치한다.
또한, 상기 제2 상부 열 전달 프레임(1310)은 상기 온도 조절부(1200)의 하부에 위치하여 온도 조절부(1200)로부터 열을 전달받거나 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 온도 조절부(1200)에 전달하는 구성으로서, 하부면에는 상기 온도 조절부(1200)가 프레임 몸체 내측에 배치되도록 온도 조절부와 접하는 열 전달 프레임의 접촉면에 소정 깊이의 제2 온도 조절부 안착 홈(1311)이 형성된다.
여기서 소정 깊이는 상기 온도 조절부(1200)의 높이의 1/2되는 길이로 형성되어 상기 제1 하부 열 전달 프레임(1150)의 하부면에 형성된 제1 온도 조절부 안착 홈(1151)과의 결합 영역에 상기 온도 조절부(1200)가 배치될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제2 상부 열 전달 프레임(1310) 및 제1 하부 열 전달 프레임(1150)은 상호 연결되어 고정될 수 있도록 별도의 연결부를 더 형성한다.
상기 연결부의 결합형태는 일 실시 예로서, 열 전달 프레임으로부터 측면 연장되어 동일 위치에 관통공이 천공되어 볼트 및 나사 결합이 이루어지는 형태로 형성되거나 각각의 상부면 및 하부면에 억지 끼움 결합될 수 있는 돌기가 형성된 요철부로 형성될 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 제2 상부 방열부재(1320)는 상기 제2 상부 열 전달 프레임(1310)과 복수개의 배터리 셀(1331) 사이에 위치하여 상기 복수개의 배터리 셀(1331)의 음(-)극에서 발생되는 열을 상기 온도 조절부(1200)로 빠르게 전달한다.
또한, 상기 복수개의 배터리 셀(1331)은 셀 고정 프레임(1132) 내측에 수용되는 구성으로서, 상기 제1 배터리 모듈부 내 복수개의 배터리 셀(1131)의 구성과 동일하다.
또한, 상기 제2 하부 방열부재(1340)는 상기 복수개의 배터리 셀(1331) 하부에 위치하여 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 관통공이 형성된다.
여기서 관통공은 배터리 셀 발화 시 배터리 셀 내부로부터 양(+)극 단자를 통해 분출되는 토출물, 화염 및 가스가 분출될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제2 하부 방열부재(1340)는 하나의 배터리 셀에서 발생된 화염이 다른 배터리 셀에 번지지 않도록 난연성 및 불연성 소재로 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 상기 제2 상부 방열부재(1320) 및 제2 하부 방열부재(1340)는 평평한 판상형 패드로 형성되어 상기 셀 고정 프레임(1332)의 방열부재 안착홈에 배치된다.
또한, 상기 제2 하부 열 전달 프레임(1350)은 상기 제2 하부 방열부재(1340) 하부에 위치하며, 상기 제2 상부 열 전달 프레임(1310)과 연결되어 제2 상부 열 전달 프레임(1310)으로부터 열을 전달받거나 상기 복수개의 배터리 셀(1331)에서 발생되는 열을 제2 상부 열 전달 프레임(1310)에 전달하는 구성이다.
또한, 상기 온도 조절부(1200)에 의한 배터리 팩(1000) 내 열이 전달되는 흐름을 도 8 및 도 9를 통해 상세하게 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 냉각부재에 의한 열 전달 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 내 가열부재에 의한 열 전달 흐름도이다.
우선, 도 7은 복수개의 배터리 셀(123)에서 발생되는 열이 상기 온도 조절부(1200) 내 냉각부재에 전달되면서 외부로 일부 방출되는 방열 전달 경로이며, 도 8은 상기 온도 조절부(1200) 내 가열부재에서 생성되는 열이 제1 배터리 모듈부(1100) 및 제2 배터리 모듈부(1300)로 전달되는 발열 전달 경로이다.
도 8을 참고하면, 충/방전 시 배터리 셀(1131, 1331)의 각 전극단자에서는 많은 양의 열이 발생되는데, 이러한 열은 각각의 전극단자와 접하는 방열부재(1120, 1140, 1320)에 전달되어 빠르게 프레임(1110, 1150, 1310, 1350)으로 열을 전달한다.
좀 더 구체적으로 설명하자면, 제1 배터리 모듈부(1100) 내 복수개의 배터리 셀(1131)의 음(-)극과 제2 배터리 모듈부(1300) 내 복수개의 배터리 셀(1331)의 음(-)극에서 발생되는 열은 상기 제1 하부 열 전달 프레임(1140) 및 제2 상부 열 전달 프레임(1310)을 거쳐서 바로 냉각부재에 전달된다.
이는 일반적으로 배터리 셀의 양(+)극 단자보다 음(-)극 단자의 발열량이 많으므로 배터리 셀의 음(-)극 단자를 냉각부재와 근접한 위치에 배치하여 빠르게 냉각될 수 있도록 한다.
또한, 제1 배터리 모듈부(1100) 내 복수개의 배터리 셀(1131)의 양(+)극에서 발생되는 열은 상기 제1 상부 열 전달 프레임(1110)에서 제1 하부 열 전달 프레임(1150)으로 전달되어 냉각부재에 전달되고, 상기 제2 배터리 모듈부(1300) 내 복수개의 배터리 셀(1331)의 양(+)극에서 발생되는 열은 상기 제2 하부 열 전달 프레임(1350)에서 제2 상부 열 전달 프레임(1310)으로 전달되어 냉각부재에 전달된다.
또한, 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열은 상기 제1 상부 열 전달 프레임(1110)의 상부면과 측면, 제1 하부 열 전달 프레임(1150), 제2 상부 열 전달 프레임(1310)의 측면 및 제2 하부 열 전달 프레임(1350)의 하부면과 측면을 통해 외부에 일부 방출될 수 있지만, 해당 배터리 팩(1000)이 장착된 디바이스 자체의 온도가 높은 경우, 방출되는 열의 양이 많지 않다.
따라서 상기 냉각부재를 통해 신속하게 배터리 셀의 온도를 감소시킬 수 있도록 한다.
또한, 도 9를 참고하면, 저온상태에서 배터리 팩 구동 시 상기 가열부재에서 열이 발생되는데, 이러한 열은 가열부재와 근접한 배터리 셀의 음극단자에 우선 전달되고, 각각의 열 전달 프레임을 거쳐 배터리 셀의 양극단자에도 전달된다.
좀 더 구체적으로 설명하자면, 가열부재의 열은 상기 제1 하부 열 전달 프레임(1140) 및 제2 상부 열 전달 프레임(1310)을 거쳐서 바로 제1 배터리 모듈부(1100)에 전달된다.
또한, 가열부재의 열은 상기 제1 하부 열 전달 프레임(1150)에서 상기 제1 상부 열 전달 프레임(1110)으로 전달되고, 전달된 열은 제1 배터리 모듈부(1100) 내 복수개의 배터리 셀(1131)의 양(+)극에 전달된다.
또한, 상기 가열부재의 열은 상기 제2 상부 열 전달 프레임(1310)에서 상기 제2 하부 열 전달 프레임(1350)으로 전달되고, 전달된 열은 제2 배터리 모듈부(1300) 내 복수개의 배터리 셀(1331)의 양(+)극에 전달되어 각 전극단자에 골고루 열이 분포될 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 서술한 특허청구범위 기술 내에서 다양한 실시 예가 가능할 수 있을 것이다.
100: 배터리 모듈
110: 상부 프레임
120: 상부 방열부재
130: 배터리 셀 어셈블리
131: 셀 고정 프레임
131_1: 복수개의 관통홈
131_2: 방열부재 안착 홈
132: 복수개의 배터리 셀
140: 하부 방열부재
150: 하부 프레임
151: 셀 단자 결합부
160: 메탈 플레이트
161: 관통공
162: 접속단자
1000: 배터리 팩
1100: 제1 배터리 모듈
1110: 제1 상부 열 전달 프레임
1120: 제1 상부 방열부재
1131: 복수개의 배터리 셀
1132: 셀 고정 프레임
1140: 제1 하부 방열부재
1150: 제1 하부 열 전달 프레임
1200: 온도 조절부
1300: 제2 배터리 모듈
1310: 제2 상부 열 전달 프레임
1320: 제2 상부 방열부재
1331: 복수개의 배터리 셀
1332: 셀 고정 프레임
1340: 제2 하부 방열부재
1350: 제2 하부 열 전달 프레임

Claims (10)

  1. 복수개의 배터리 셀로 구성되는 배터리 모듈에 있어서,
    상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 구조인 복수 개의 배터리 셀이 상호 이웃하게 배열된 배터리 셀 어셈블리;
    배터리 모듈의 상단부를 형성하고, 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 외부로 방출하는 상부 프레임;
    상기 상부 프레임과 연결되는 결합부를 구비하여 상부 프레임으로부터 열을 전달받거나 상부 프레임에 열을 전달하는 하부 프레임;
    상기 배터리 셀 어셈블리 내 복수개의 배터리 셀의 상부면과 하부면에 각각 접촉하여 상기 복수개의 배터리 셀들의 양(+)극 단자들과 음(-)극단자들을 각각 전기적으로 연결시키는 상부 메탈 플레이트 및 하부 메탈 플레이트;
    상기 복수개의 배터리 셀의 상부와 상기 상부 메탈 플레이트의 열을 상기 상부 프레임에 전달할 수 있도록 상기 상부 메탈 플레이트와 상기 상부 프레임 사이에 상기 상부 프레임에 접하도록 형성된 상부 방열부재; 및
    상기 배터리 셀의 하부와 상기 하부 메탈 플레이트의 열을 상기 하부 프레임에 전달할 수 있도록 상기 하부 프레임과 상기 하부 메탈 플레이트의 사이에 상기 하부 프레임에 접하도록 배치되는 하부 방열부재;
    을 포함하여 구성되며,
    상기 하부 방열부재에는,
    상기 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에는 배터리 셀에서 발화하면 발생하는 가스, 화염 및 토출물을 분출하는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀 어셈블리는, 상기 복수 개의 배터리 셀을 고정시키는 셀 고정 프레임을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 셀 고정 프레임은, 상부 방열부재 및 하부 방열부재가 정위치에 안착될 수 있도록 상부면과 하부면에 소정 깊이의 방열부재 안착 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메탈 플레이트는, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양(+)극 단자들과 음(-)극 단자들에 대응되는 위치에 각각 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 복수개의 배터리 셀로 구성된 복수개의 배터리 모듈 간의 열 제어를 위하여 구성된 배터리 팩에 있어서,
    상측에는 양(+)극이 위치하고, 하측에는 음(-)극이 위치하는 복수개의 제1 배터리 셀들이 제1 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 제1 배터리 모듈부;
    상측에는 음(-)극이 위치하고, 하측에는 양(+)극이 위치하는 복수개의 제2 배터리 셀들이 제2 열 전달 프레임에 수용되는 구조로 형성된 제2 배터리 모듈부; 및
    상기 제1 배터리 모듈부와 제2 배터리 모듈부의 사이에 배치되어 제1 배터리 모듈부와 제2 배터리 모듈부를 각각 형성하는 배터리 셀들의 온도를 제어하는 온도 조절부;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제1 배터리 모듈부의 제1 열 전달 프레임은,
    상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 제1 상부 열 전달 프레임, 및
    상기 온도 조절부의 상부에 위치하며, 상기 제1 상부 열 전달 프레임과 연결되어 제1 상부 열 전달 프레임으로부터 전달되는 열을 상기 온도 조절부에 전달하거나 온도 조절부로부터 열을 전달받는 제1 하부 열 전달 프레임을 포함하여 구성되며,
    상기 제1 배터리 모듈부는,
    제1 배터리 셀들의 상부의 열을 상기 제1 상부 열 전달 프레임에 전달하도록 상기 제1 상부 열 전달 프레임과 제1 배터리 셀들 사이에 위치하고, 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 형성되는 관통공을 포함하는 제1 상부 방열부재, 및
    제1 배터리 셀들의 하부의 열을 상기 제1 하부 열 전달 프레임에 전달할 수 있도록 상기 제1 하부 열 전달 프레임의 상부에 접하여 위치하고, 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 배터리 셀에서 발화하면 발생하는 가스, 화염 및 토출물을 분출하는 관통공이 형성되며, 상기 복수개의 제1 배터리 셀들의 하부에 위치하는 제1 하부 방열부재를 추가로 포함하여 구성되고,
    상기 제2 배터리 모듈부의 제2 열 전달 프레임은,
    상기 온도 조절부의 하부에 위치하여 온도 조절부로부터 열을 전달받거나 상기 복수개의 배터리 셀에서 발생되는 열을 온도 조절부에 전달하는 제2 상부 열 전달 프레임, 및
    상기 제2 상부 열 전달 프레임과 연결되어 제2 상부 열 전달 프레임으로부터 열을 전달받거나 제2 상부 열 전달 프레임에 열을 전달하는 제2 하부 열 전달 프레임을 포함하여 구성되며,
    상기 제2 배터리 모듈부는,
    제2 배터리 셀들의 상부의 열을 상기 제2 상부 열 전달 프레임에 전달하도록 상기 제2 상부 열 전달 프레임과 제2 배터리 셀들의 사이에 위치하는 제2 상부 방열부재, 및
    상기 배터리 셀들의 하부의 열을 상기 제2 하부 열 전달 프레임에 전달할 수 있도록 상기 제2 하부 열 전달 프레임 상부에 접하여 위치하며, 각 배터리 셀의 양(+)극 단자의 단부에 대응하는 위치에 배터리 셀에서 발화하면 발생하는 가스, 화염 및 토출물을 분출하는 관통공이 형성되는 제2 하부 방열부재를 포함하는 배터리 팩.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 하부 열 전달 프레임의 하부면과 상기 제2 상부 열 전달 프레임의 상부면에는,
    상기 온도 조절부가 열 전달 프레임 내측에 배치되도록 온도 조절부와 접하는 열 전달 프레임의 접촉면에 소정 깊이의 온도 조절부 안착 홈; 이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 온도 조절부는,
    냉각부재, 가열부재 또는 냉각부재와 가열부재가 결합된 구성으로 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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