KR102492180B1 - Battery module with enhanced cooling performance - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배터리셀 사이에 배치된 상태로 냉각플레이트에 접합되어 열전달을 촉진하는 냉각스페이서가 구비된 배터리모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a battery module having enhanced cooling performance, and more particularly, to a battery module provided with a cooling spacer disposed between battery cells and bonded to a cooling plate to promote heat transfer.
전기에너지를 반복적으로 저장하고 공급하는 2차 전지는, 종래 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야를 넘어서 근래에는 에너지 저장 시스템(ESS), 전기 자동차(EV, Electric Vehicle, Energy Storage System) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)의 동력원으로 사용되고 있다.Secondary batteries that repeatedly store and supply electrical energy go beyond the field of conventional small and high-tech electronic devices such as mobile phones, PDAs, and notebook computers. ) or as a power source for hybrid electric vehicles (HEVs).
현재 저장 시스템(ESS)이나 전기 자동차(EV) 등에 널리 사용되는 2차 전지는 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 분류될 수 있는데, 이러한 2차 전지는 하나의 단위 배터리셀당 대략 25V 내지 42V의 출력 전압으로 충방전을 반복하게 된다.Secondary batteries widely used in current storage systems (ESS) or electric vehicles (EV) can be classified into lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, nickel zinc batteries, etc. These secondary batteries is repeated charging and discharging with an output voltage of about 25V to 42V per unit battery cell.
이때, 더욱 높은 출력 전압과 전력 용량이 요구되는 경우, 여러 개의 배터리셀을 전기적으로 연결하여 중단위 집합체인 배터리모듈을 구성하거나, 이러한 배터리모듈을 다시 직,병렬로 배열하여 연결하고 기타 회로 등을 추가하여 고출력의 대단위 집합체인 배터리팩을 구성하게 된다.At this time, when higher output voltage and power capacity are required, several battery cells are electrically connected to form a battery module, which is a low order group, or these battery modules are arranged in series or parallel again and connected, and other circuits are used. In addition, a battery pack, which is a large-scale assembly of high power, is constituted.
위와 같이 복수의 배터리셀이 높은 집적도로 구성되는 배터리모듈이나 배터리팩은, 반복된 충전과 방전, 과충전이나 과방전, 제조 결함, 고온에서의 방치, 외부 충격 등과 같은 다양한 원인으로 야기되는 열을 관리하고, 화재나 폭발과 같은 안전사고로부터 각각의 배터리셀을 안전하게 수납, 보호하며 충전상태, 전압 등을 통합적으로 모니터링 및 제어하는 시스템이 함께 구비되는 복잡한 구조로 이루어지게 된다.As described above, a battery module or battery pack composed of a plurality of battery cells with a high degree of integration manages heat caused by various causes such as repeated charging and discharging, overcharging or overdischarging, manufacturing defects, leaving at high temperatures, and external shocks. And, it is made up of a complex structure equipped with a system that safely stores and protects each battery cell from safety accidents such as fire or explosion, and integrally monitors and controls the state of charge, voltage, etc.
일례로, 대한민국공개특허 제10-2015-0142790호(공개일: 2015.12.23)의 '배터리모듈 어셈블리용 엔드 플레이트 및 이를 포함하는 배터리팩'은, 상자형상으로 조립제작되어 스웰링 현상에 의한 배터리모듈의 외형 변화를 방지하고 외부 충격을 저감하는 복수의 강판 프레임, 센싱 어셈블리 및 다양한 회로 어셈블리 등을 기본 구성으로 하고 있다.For example, Korean Patent Publication No. 10-2015-0142790 (published date: 2015.12.23) 'End plate for battery module assembly and battery pack including the same' is assembled in a box shape and produces a battery due to swelling. It has a basic configuration of a plurality of steel plate frames, sensing assemblies, and various circuit assemblies that prevent external changes of the module and reduce external impact.
그러나 이러한 종래 배터리팩 등은, 배터리 모듈 어셈블리(11)의 양측면을 각각 지지하는 제1,2 플레이트(111,112)에 측면 스트랩(113) 및 복수의 상부 스트랩(114)을 일일이 결합하는 복잡한 조립과정이 필요하고, 복수의 배터리셀에서 발생하는 열을 효과적으로 방열 내지 소산시키기 위한 구체적인 수단의 제시가 미흡하다는 점에서, 조립작업의 편의성이나 효율적 열관리 등을 도모할 수 있는 방안에 대한 연구와 개발이 필요한 실정이다.However, such a conventional battery pack has a complicated assembly process in which the side strap 113 and the plurality of upper straps 114 are individually coupled to the first and second plates 111 and 112 supporting both sides of the battery module assembly 11, respectively. In view of the lack of specific means for effectively radiating or dissipating heat generated from a plurality of battery cells, research and development on ways to promote convenience in assembly work or efficient heat management are required. to be.
본 발명의 목적은, 냉각물질이 유동하는 냉각플레이트에 안착되는 복수의 배터리셀에 대한 냉각 내지 열관리가 배터리셀과 냉각플레이트 사이에 채워지는 갭필러(TIM, Thermal Interface Material) 없이도 신속하고 효율적으로 이루어질 수 있고, 배터리셀의 팽윤현상이 억제될 수 있는 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to quickly and efficiently perform cooling or thermal management of a plurality of battery cells seated on a cooling plate through which a cooling material flows without a gap filler (TIM, Thermal Interface Material) filled between the battery cells and the cooling plate. And, to provide a battery module having an enhanced cooling performance that can suppress the swelling of the battery cell.
상기 목적은, 다수 개의 배터리셀이 횡방향으로 적층되어 이루어진 배터리부를 내부에 수납하여 보호하는 배터리모듈로서, 상기 배터리부의 아래쪽에 구비되고, 외부에서 공급되어 내부를 유동하는 냉각물질을 통해 상기 배터리셀에서 발생된 열을 흡열하는 냉각플레이트; 및 상기 배터리셀 사이에 배치된 상태로 상기 냉각플레이트에 접합되어 상기 냉각플레이트로의 열전달을 매개하며 상기 배터리셀의 팽윤을 억제하도록 열전도성 소재로 압출성형되는 냉각스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈에 의해 달성된다.The above object is a battery module that houses and protects a battery unit formed by stacking a plurality of battery cells in the horizontal direction, through a cooling material provided below the battery unit and supplied from the outside to flow inside the battery cell a cooling plate that absorbs heat generated from; and a cooling spacer disposed between the battery cells and bonded to the cooling plate to mediate heat transfer to the cooling plate and extruded from a thermally conductive material to suppress swelling of the battery cell. This is achieved by a battery module having a cooling performance.
상기 냉각스페이서는, 서로 인접한 상기 배터리셀이 마주보는 측면에 각각 면접촉하도록 상기 배터리셀 사이에 개재되고, 내부에 중공이 형성된 중앙프레임; 서로 인접한 상기 배터리셀의 상면 일부에 각각 면접촉하도록 상기 중앙프레임의 상단부에서 확장형성되는 상부프레임; 및 서로 인접한 상기 배터리셀의 하면 일부에 각각 면접촉하도록 상기 중앙프레임의 하단부에서 확장형성되어 상기 냉각플레이트에 접합되는 하부프레임을 포함할 수 있다.The cooling spacer may include a central frame interposed between the battery cells so that side surfaces of the battery cells adjacent to each other are in surface contact with each other, and a hollow is formed therein; an upper frame extending from an upper end of the central frame to make surface contact with portions of the upper surface of the battery cells adjacent to each other; and lower frames extended from lower ends of the central frame and bonded to the cooling plate so as to make surface contact with portions of lower surfaces of the battery cells adjacent to each other.
상기 상부프레임은, 상기 중앙프레임에 전달된 상기 배터리셀의 열이 상방으로 방열되도록 하기 위해, 상기 상부프레임의 상면에서 서로 이격되며 압출방향을 따라 길게 상방으로 돌출형성된 복수의 방열핀을 포함할 수 있다.The upper frame may include a plurality of heat dissipation fins that are spaced apart from each other on the upper surface of the upper frame and protrude upwardly along the extrusion direction in order to dissipate the heat of the battery cells transmitted to the central frame upward. .
상기 하부프레임은, 상기 냉각플레이트의 상면에서 상방으로 돌출형성된 복수의 체결돌기에 대하여 상기 하부프레임이 측방으로 슬라이드 결합되도록 하기 위해, 상기 하부프레임의 하면에서 상기 체결돌기에 대응하는 홈형상으로 압출방향을 따라 길게 함몰형성된 체결홈을 포함할 수 있다.The lower frame is extruded in a groove shape corresponding to the fastening protrusions on the lower surface of the lower frame so that the lower frame slides laterally with respect to a plurality of fastening protrusions protruding upward from the upper surface of the cooling plate. It may include a long recessed fastening groove along the.
상기 중공에는, 인접한 상기 배터리셀 간의 열전달을 저감하며 방열효율을 향상시키기 위해, 상변이물질이 충진될 수 있다.A phase change material may be filled in the hollow to reduce heat transfer between adjacent battery cells and improve heat dissipation efficiency.
상기 중공은, 상기 중앙프레임의 강성을 보강하는 하나 이상의 격벽에 의해 복수 개로 분할되고, 복수 개로 분할된 상기 중공에는, 일측을 통해 공급되고 타측으로 배출되는 냉각물질 및 상변이물질이 각각 서로 다른 위치에 교대로 충진될 수 있다.The hollow is divided into a plurality of pieces by one or more partition walls reinforcing the rigidity of the central frame, and the cooling material and the phase change material supplied through one side and discharged to the other side are respectively in different positions in the plurality of divided hollows. It can be alternately filled.
상기 배터리모듈은, 내부유로를 유동하는 냉각물질에 의해 상기 방열핀이 냉각되도록 상기 방열핀이 관통결합되며 상기 배터리부의 상면을 덮도록 배치되는 상부커버를 더 포함할 수 있다.The battery module may further include an upper cover disposed to cover an upper surface of the battery unit and through-coupled to the heat dissipation fins so that the heat dissipation fins are cooled by a cooling material flowing through an internal passage.
본 발명에 의하면, 다수 개의 배터리셀이 횡방향으로 적층된 배터리부에서 발생된 열을 흡열하는 냉각플레이트가 배터리부의 아래쪽에 구비되고, 열전도성 소재인 복수의 냉각스페이서가 배터리셀 사이에 각각 배치된 상태로 냉각플레이트에 접합됨에 따라, 대면적인 배터리셀의 양측면으로부터 발산된 열은 각각 냉각플레이트로 신속하고 효율적으로 전달되어 소산될 수 있고, 배터리셀의 외피가 부풀어 오르는 팽윤현상이 효과적으로 억제될 수 있게 된다.According to the present invention, a cooling plate for absorbing heat generated in a battery unit in which a plurality of battery cells are stacked in a horizontal direction is provided below the battery unit, and a plurality of cooling spacers, which are thermally conductive materials, are disposed between the battery cells, respectively. As it is bonded to the cooling plate in this state, the heat emitted from both sides of the facing battery cell can be quickly and efficiently transferred to and dissipated to each cooling plate, and the swelling phenomenon in which the outer skin of the battery cell swells can be effectively suppressed. do.
또한, 별도의 조립공정 없이 일체로 압출성형된 열전도성 소재의 냉각스페이서가 냉각플레이트에 대하여 직접 접합되어 냉각플레이트로의 열전달을 매개함에 따라, 배터리셀과 냉각플레이트 사이에 갭필러(TIM, Thermal Interface Material)를 충진하는 공정이 생략될 수 있고, 배터리모듈의 조립공정이 간소화될 수 있게 된다.In addition, as the cooling spacer made of thermally conductive material integrally extruded without a separate assembly process is directly bonded to the cooling plate to mediate heat transfer to the cooling plate, a gap filler (TIM, Thermal Interface Material) is formed between the battery cell and the cooling plate. ) can be omitted, and the assembly process of the battery module can be simplified.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈의 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리셀 사이에 배치되는 냉각스페이서의 사시도이다.
도 3은 도 2의 냉각스페이서의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈의 A-A 단면도에 기초한 작동 상태도이다.1 is an exploded perspective view of a battery module having enhanced cooling performance according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a cooling spacer disposed between the battery cells of FIG. 1 .
3 is a front view of the cooling spacer of FIG. 2;
4 is an operating state diagram based on AA cross-sectional view of a battery module having enhanced cooling performance according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present invention, descriptions of already known functions or configurations will be omitted to clarify the gist of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈의 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리셀 사이에 배치되는 냉각스페이서의 사시도이고, 도 3은 도 2의 냉각스페이서의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈의 A-A 단면도에 기초한 작동 상태도이다.1 is an exploded perspective view of a battery module having enhanced cooling performance according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a cooling spacer disposed between battery cells of FIG. 1, and FIG. 3 is a cooling spacer of FIG. 4 is an operating state diagram based on an A-A cross-sectional view of a battery module having enhanced cooling performance according to an embodiment of the present invention.
발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 3개의 축은 서로 대응되게 회전하여 바뀔 수 있으며, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다.Top (top), bottom (bottom), left and right (side or side), front (front, front), back (back, back), etc., which refer to directions in the description and claims of the invention, etc., are not intended to limit the use of rights. For convenience of description, the relative position between the drawings and configurations is determined as a standard, and the three axes may be rotated and changed to correspond to each other, and this is followed unless otherwise specifically defined.
본 발명에 따른 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈(100)은, 대면적인 배터리셀(10)의 양측면으로부터 발산된 열을 아래쪽의 냉각플레이트(120)로 신속하고 효율적으로 소산시키고, 배터리셀(10)의 팽윤현상(swellg)을 효과적으로 억제하는 한편, 배터리모듈(100)의 조립공정을 간소화하기 위해 안출된 발명이다.The
상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 배터리모듈(100)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 다수 개의 배터리셀(10)이 횡방향으로 적층되어 이루어진 배터리부(110), 측면커버(20), 제1,2 브라켓(30), 냉각플레이트(120), 냉각스페이서(130) 및 상부커버(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.In order to specifically implement the functions or actions as described above, the
이하에서는 상술한 구성들에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the above-described configurations will be described in detail.
먼저, 배터리부(110)는, 소정의 출력 전압 및 전력을 형성하기 위해, 납작한 대면적의 양측면이 서로 겹침 배치되도록 복수의 파우치형 배터리셀(10)을 적층하여 이루어지는 구성요소이다.First, the
여기서 배터리셀(10)은, 전해질 속의 분리막을 사이에 두고 배치되는 양극판 및 음극판, 양극판 및 음극판을 외부의 버스바(32)와 전기적으로 연결되는 돌출된 판형상의 전극인 리드탭(12), 외피를 이루며 배터리셀(10)을 밀봉하는 피복 등으로 구성될 수 있다.Here, the
리드탭(12)은 도 2 등에 도시된 바와 같이, 전방과 후방에 각각 형성되거나, 도시된 바와 달리 전방 및 후방 중 어느 한 방향에 함께 형성될 수 있다.As shown in FIG. 2 and the like, the
위와 같은 배터리부(110)는, 이미 공지되어 상용화된 배터리셀(10)을 횡방향으로 적층시킨 구성요소에 불과하고 본 발명의 요지와는 무관하므로, 이에 대한 구조나 작동 특성 등에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Since the
상술한 배터리부(110)를 구성하는 복수의 배터리셀(10) 사이에는, 후술하는 바와 같이 배터리셀(10)의 팽윤에 의한 외형 변화를 억제 및 지지하며 대면적인 배터리셀(10)의 양측면으로부터 발산된 열을 아래쪽의 냉각플레이트(120)로 신속하고 효율적으로 소산시키는 냉각스페이서(130)가 개재될 수 있다.Between the plurality of
측면커버(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1,2 브라켓(30), 냉각플레이트(120) 및 상부커버(140)와 함께 내부공간을 형성하여 외부 환경이나 충격으로부터 상술한 배터리부(110)를 수납하여 보호하는 판상의 구성요소로서, 배터리모듈(100)의 양측면을 형성하게 된다.As shown in FIG. 1, the
본 발명의 실시예에 따른 측면커버(20)는, 배터리셀(10)이 적층된 방향으로 발생하는 팽윤현상을 억제하기 위해 배터리부(110)의 양측면을 지지하도록 배치되고, 배터리부(110)에 대한 전기 절연과 방열을 위해 엔드플레이트(22) 및 차폐플레이트(24)로 구성된 다중 구조로 이루어질 수 있다.The side cover 20 according to the embodiment of the present invention is arranged to support both sides of the
이때, 엔드플레이트(22)는, 배터리부(110)의 작동에 따라 발생되는 열을 각각 배터리부(110)의 양쪽 옆면에서 외부로 원활히 전달하기 위한 판상의 구성요소로서, 열전도율이 우수한 알루미늄 합금판 등으로 제작되어 측면커버(20)의 외곽, 즉 바깥쪽을 형성하게 된다.At this time, the
차폐플레이트(24)는, 배터리부(110)의 양측면을 접촉 지지 및 절연하는 한편, 배터리부(110)에서 발생된 열을 상술한 엔드플레이트(22)에 전달하기 위한 판상의 구성요소로서, 절연성, 내열성, 강성 및 난연성이 우수한 PPS, PEEK, TPI, PES, PPA 및 PEI 중 적어도 어느 하나를 포함하는 엔지니어링 플라스틱을 금형에 인서트된 엔드플레이트(22)에 사출하여 일체로 성형될 수 있다.The
이때, 차폐플레이트(24)를 구성하는 엔지니어링 플라스틱에는, 상술한 바와 같이 우수한 방열성과 강성의 구현을 위해 그래핀(graphene) 소재 또는 알루미늄 등의 분말이 필러로 함유될 수 있음은 물론이다.At this time, as described above, the engineering plastic constituting the
제1,2 브라켓(30)은, 배터리셀(10)이 끼워지는 고정홈이 형성될 수 있고, 고정홈에 대향한 면에는 버스바(32)가 장착 고정되는 안착홈이 형성되는 구성요소이다.The first and
여기서 버스바(32)는, 상술한 배터리셀(10)의 리드탭(12)에 전기적으로 접속되어 높은 전압의 출력을 외부로 손실 없이 안정적으로 전달하기 위해 복수 개로 마련되는 도전체로서, 외부 회로(미도시)와의 전기적 연결을 위해 절곡된 막대형상 또는 배터리셀(10)의 병렬연결을 위한 링형상 등 다양한 형태로 제작될 수 있다.Here, the
이러한 버스바(32)는, 배터리셀(10)의 리드탭(12)에 의해 각각 관통된 제1,2 브라켓(30)이 상술한 측면커버(20) 등에 결합되면 리드탭(12)과 전기적으로 접속될 수 있고 용접 등에 의해 리드탭(12)과 결속될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 제1,2 브라켓(30)은, 방열성이 우수한 금속소재 즉, 알루미늄 등을 프레스 가공하여 고정홈 및 안착홈 등을 성형한 후 절연코팅하는 방식으로 제작할 수 있다.The first and
또한, 위와 달리 제1,2 브라켓(30)은, 상술한 차폐플레이트(24)와 같이, 방열성과 강성의 강화 위해 그래핀(graphene) 소재 또는 알루미늄 등의 분말이 필러로 함유된 절연성, 내열성, 강성 및 난연성이 우수한 엔지니어링 플라스틱을 사출성형하여 제작될 수도 있다.In addition, unlike the above, the first and
냉각플레이트(120)는, 내부를 유동하는 냉각물질(CW)을 통해 충방전에 따라 발생하는 배터리셀(10)의 열을 아래쪽에서 흡열하기 위해 마련된 구성요소로서, 상술한 바와 같이 배터리부(110)를 구성하는 복수의 배터리셀(10)의 아래쪽에 접촉하도록 배치될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 냉각플레이트(120)는, 냉각물질(CW)과의 접촉시간 증대를 위해 내부에 지그재그로 형성된 냉각유로가 형성되고, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 차가운 냉각물질(CW)이 공급되는 유입관이 일측에 형성되며, 배터리셀(10)로부터 열을 흡수한 냉각물질(CW)이 배출되는 유출관이 다른 일측에 형성될 수 있다.In the
이때, 유입관과 유출관은, 냉각플레이트(120) 내부에 지그재그로 형성된 냉각유로의 양단부와 각각 연통된 상태로, 차량에 구비된 냉각 사이클 장치와 소정의 배관을 통해 연결될 수 있다.At this time, the inlet pipe and the outlet pipe may be connected to a cooling cycle device provided in the vehicle through a predetermined pipe while communicating with both ends of the cooling passage formed in a zigzag pattern inside the
여기서 냉각 사이클 장치는, 냉각물질(CW)(냉각수 또는 냉매 등)을 냉각시켜 배관을 통해 냉각플레이트(120)에 제공하는 장치로서, 도면에 구체적으로 도시하지 않았지만, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 등을 포함하는 차량용 공조 장치(HVAC)일 수 있다.Here, the cooling cycle device is a device that cools the cooling material (CW) (cooling water or refrigerant, etc.) and provides it to the
위와 같은 냉각 사이클 장치로 인해 차가워진 냉각물질(CW)이 배관을 통해 냉각플레이트(120)의 내부 즉, 냉각유로에 연속적으로 제공됨에 따라, 배터리셀(10)로부터 후술할 냉각스페이서(130)를 거쳐 전달된 열은 아래쪽에서 지속적으로 냉각될 수 있고, 흡열로 승온된 냉각물질(CW)은 차량용 냉각 사이클 장치로 다시 회수되어 냉각될 수 있게 된다.As the cooling material (CW) cooled by the above cooling cycle device is continuously supplied to the inside of the
상술한 냉각플레이트(120)는, 후술할 냉각스페이서(130)의 하부프레임(136)과 측방에서의 슬라이드 결합을 위해 상면에서 상방으로 돌출형성된 복수의 체결돌기(122)를 포함하는 형태로, 알루미늄, 구리 등과 같은 열전도성 금속을 프레스가공 또는 다이캐스팅한 상판과 하판을 절연코팅한 후 서로 접합하는 공정을 통해 제작될 수 있다.The above-described
냉각스페이서(130)는, 배터리셀(10)로부터 발생된 열이 측방향을 통해 아래쪽의 냉각플레이트(120) 또는 위쪽의 상부커버(140)로 원활히 전달되도록 매개하는 한편, 배터리셀(10)의 팽윤을 억제하기 위해 마련된 구성요소로서, 배터리셀(10) 사이에 배치된 상태로 하단부가 상술한 냉각플레이트(120)의 상면에 접합될 수 있다.The cooling
본 발명의 실시예에 따른 냉각스페이서(130)는, 상술한 바와 같은 기능 내지 작용의 구현과 배터리모듈(100) 조립공정의 간소화를 위해, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 중앙프레임(132), 상부프레임(134) 및 하부프레임(136) 등을 포함하는 구조로 열전도성 소재를 압출성형 또는 다이캐스팅하여 일체로 제작하게 된다.The cooling
이때, 압출성형이나 다이캐스팅은, 고온의 용융 재료를 금형에 주입하여 제품을 성형하는 사출성형과 일부 유사한 특징을 갖는 가공법으로, 사출성형이 어려운 열전도성의 금속재료에 대한 신속한 가공이 물성 변형 없이 가능하고, 단면상 복잡한 형상과 중공(S)을 갖는 제품을 용접이나 별도의 결합공정 없이 압출방향(ED)을 따라 연속해서 한 번에 제작할 수 있는 특징으로 인해, 본 발명에 따른 냉각스페이서(130)의 제작에 특정하여 적용하게 된다.At this time, extrusion molding or die casting is a processing method that has some similar characteristics to injection molding in which a product is molded by injecting a high-temperature molten material into a mold. , Production of the cooling
중앙프레임(132)은, 서로 인접한 배터리셀(10)이 마주보는 측면에 각각 면접촉하도록 배터리셀(10) 사이에 개재되는 판형상의 구성요소로서, 내부에 하나의 중공(S)이 형성될 수 있다.The
이러한 중공(S)에는, 중앙프레임(132)이 면접촉하고 있는 배터리셀(10)의 일측면에서 다른 배터리셀(10)로의 열전달을 저감 내지 완충하는 상변이물질(PM)이 충진되어 냉각스페이서(130)의 방열효율을 향상시키는 작용을 수행하게 된다.The hollow (S) is filled with a phase change material (PM) that reduces or buffers heat transfer from one side of the
여기서 상변이물질(PM)은, 특정한 온도범위를 기준으로 고체에서 액체, 액체에서 고체로 상태 변화하며 각각 열을 저장(흡열)하거나 열을 방출(방열)하는 온도조절 물질로서, 유기물질, 무기물질 또는 자연계에서 얻을 수 있는 식물성의 다양한 물질 등을 이용하여 의도된 임의 온도범위에서 상변화되도록 제조될 수 있다.Here, the phase change material (PM) is a temperature control material that changes state from solid to liquid or from liquid to solid based on a specific temperature range and stores heat (endothermic) or emits heat (heat dissipation), respectively. Alternatively, it may be manufactured to be phase-changed in an intended arbitrary temperature range using various vegetable substances that can be obtained from nature.
위와 같이 제조되어 중공(S)에 채워지는 상변이물질(PM)은, 상변화 온도 범위가 30℃ 내지 35℃로 설정된 유기계열의 파라핀계 왁스일 수 있다.The phase change material (PM) prepared as above and filled in the hollow (S) may be an organic paraffinic wax having a phase change temperature range set to 30°C to 35°C.
이러한 온도 범위의 상변이물질(PM)로 인해, 배터리셀(10)은 외부 온도가 35℃를 웃돌더라도 급격하게 승온되지 않고, 배터리셀(10)의 최적 작동온도의 상한인 30℃ 내지 35℃를 일정시간 동안 유지할 수 있게 되므로, 배터리모듈(100)의 안정적인 작동이 가능해 진다.Due to the phase change material (PM) in this temperature range, the
한편, 상술한 하나의 중공(S)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각스페이서(130)의 압출성형 또는 다이캐스팅 과정에서 함께 형성되어 중앙프레임(132)의 강성을 보강하는 하나 이상의 격벽에 의해 복수 개로 분할될 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 4, the above-described one hollow S is formed together during the extrusion molding or die casting process of the cooling
이때, 복수 개로 분할된 중공(S)에는, 일측을 통해 공급되고 타측으로 배출되는 냉각물질(CW) 및 상술한 상변이물질(PM)이 각각 서로 다른 위치에 교대로 충진될 수 있다.At this time, the cooling material (CW) supplied through one side and discharged through the other side and the above-described phase change material (PM) may be alternately filled in different positions in the hollow (S) divided into a plurality of pieces.
여기서 중공(S)의 일측으로 공급되는 냉각물질(CW)은, 앞서 설명한 바와 같은 냉각 사이클 장치를 통해 냉각플레이트(120) 내부로 제공되는 냉각물질(CW)과 동일한 것으로, 중앙프레임(132)의 일단부 및 타단부에서 중공(S)과 각각 밀폐결합되는 소정의 매니폴드형 배관과 이에 연통된 냉각 사이클 장치를 통해 공급되고 회수될 수 있다.Here, the cooling material (CW) supplied to one side of the hollow (S) is the same as the cooling material (CW) supplied to the inside of the
위와 같이 서로 다른 2가지의 열관리 물질이 분할된 복수의 중공(S)에 각각 구비됨으로써, 상호 보완적으로 배터리셀(10)에 대한 열관리가 보다 효율성 있게 이루어질 수 있고, 배터리셀(10)에 대한 보다 높은 열적 안정성이 확보될 수 있게 된다.As described above, since two different types of thermal management materials are provided in each of the plurality of divided hollows (S), thermal management of the
상부프레임(134)은, 배터리셀(10)의 상면을 지지하며 배터리셀(10)에서 발생된 열을 상방으로 열전달하기 위해 마련된 판상의 구성요소로서, 중앙프레임(132)의 상단부가 서로 인접한 배터리셀(10)의 상면 일부에 각각 면접촉하도록 압출성형시 좌우로 확장되어 형성될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 상부프레임(134)은, 도 2 및 도 3 등에 도시된 바와 같이, 상부프레임(134)의 상면에서 서로 이격되며 압출방향(ED)을 따라 길게 상방으로 돌출형성된 복수의 방열핀(134a)을 포함하는 구조로 이루어지게 된다.As shown in FIGS. 2 and 3, the
이러한 상부프레임(134)의 방열핀(134a) 구조로 인해, 중앙프레임(132)에 전달된 배터리셀(10)의 열은 상방으로 보다 원활하고 신속하게 방열됨에 따라 배터리셀(10)에 대한 열관리가 보다 용이하게 이루어질 수 있게 된다.Due to the structure of the
하부프레임(136)은, 배터리셀(10)의 하면을 지지하며 배터리셀(10)에서 발생된 열을 아래쪽의 냉각플레이트(120)로 전달하기 위해 마련된 판상의 구성요소로서, 중앙프레임(132)의 하단부가 서로 인접한 배터리셀(10)의 하면 일부에 각각 면접촉하도록 압출성형시 좌우로 확장되어 형성될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 하부프레임(136)은, 도 1 내지 도 3 등에 도시된 바와 같이, 상술한 체결돌기(122)에 대응하는 홈형상으로 하면에서 압출방향(ED)을 따라 길게 함몰형성된 체결홈(138)을 포함하는 구조로 이루어지게 된다.As shown in FIGS. 1 to 3, the
이러한 체결홈(138)과 상술한 체결돌기(122)로 인해, 냉각플레이트(120)와 냉각스페이서(130)는 별도의 작업 공구를 사용하지 않고도 측방에서 간편하게 슬라이드 결합을 형성할 수 있게 된다. Due to the
또한, 냉각플레이트(120)와 냉각스페이서(130)가 들뜸이나 유격 없이 서로 밀착된 상태로 견고한 결합력을 형성함에 따라 배터리셀(10)과 냉각플레이트(120) 사이에 채워지는 갭필러(TIM, Thermal Interface Material)를 사용하지 않아도 상호 간에 원활한 열전달이 이루어질 수 있게 된다.In addition, as the
상부커버(140)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상술한 측면커버(20), 제1,2 브라켓(30) 및 냉각플레이트(120)와 함께 내부공간을 형성하여 외부 충격이나 외부 환경으로부터 상술한 배터리부(110)를 수납하여 보호하는 판상의 구성요소로서, 배터리부(110)의 위쪽인 상면을 덮도록 배치되어 배터리모듈(100)의 위쪽면을 형성하게 된다.As shown in FIG. 1, the
본 발명의 실시예에 따른 상부커버(140)는, 상부프레임(134)의 방열핀(134a)을 신속히 냉각하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 내측에 냉각물질(CW)이 유동하는 내부유로(142)가 형성되고, 내부유로(142)에 방열핀(134a)이 관통결합되는 구조로 이루어질 수 있다.The
이때, 내부유로(142)는, 상술한 냉각플레이트(120)의 냉각유로와 마찬가지로 냉각물질(CW)과의 접촉시간 증대를 위해 지그재그로 형태로 형성될 수 있고, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 차가운 냉각물질(CW)이 공급되는 유입관이 일측에 형성되며, 방열핀(134a)으로부터 열을 흡수한 냉각물질(CW)이 배출되는 유출관이 타측에 형성될 수 있다.At this time, the
이때의 유입관과 유출관도, 내부유로(142)의 양단부와 각각 연통된 상태로, 차량에 구비된 상술한 냉각 사이클 장치와 소정의 배관을 통해 연결될 수 있다.At this time, the inlet pipe and the outlet pipe may also be connected to the above-mentioned cooling cycle device provided in the vehicle through a predetermined pipe while communicating with both ends of the
위와 같은 냉각 사이클 장치로 인해 차가워진 냉각물질(CW)이 배관을 통해 상부커버(140)의 내부유로(142)에 연속적으로 제공됨에 따라, 배터리셀(10)로부터 냉각스페이서(130)를 거쳐 방열핀(134a)으로 전달된 열은 위쪽에서 지속적으로 냉각될 수 있고, 흡열로 승온된 냉각물질(CW)은 차량용 냉각 사이클 장치로 다시 회수되어 냉각될 수 있게 된다.As the cooling material (CW) cooled by the cooling cycle device as described above is continuously provided to the
상술한 상부커버(140)는, 알루미늄, 구리 등과 같은 열전도성 금속을 프레스가공 또는 다이캐스팅한 상판과 하판을 절연코팅한 후 서로 접합하는 공정을 통해 제작될 수 있다.The above-described
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈(100)에 의하면, 배터리부(110)에서 발생된 열은, 배터리셀(10) 사이에 구비된 상태로 배터리부(110) 아래쪽의 냉각플레이트(120)에 열적, 물리적으로 밀착결합된 냉각스페이서(130)를 통해 아래쪽의 냉각플레이트(120)는 뿐만 아니라 위쪽의 상부커버(140)로도 전달되어 소산됨에 따라, 배터리셀(10)에 대한 열관리가 입체적이고, 효율성 있게 이루어질 수 있고, 배터리셀(10)에 대하여 보다 높은 수준의 열적 안정성이 확보될 수 있게 된다.As described above, according to the
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.In the foregoing, although specific embodiments of the present invention have been described and shown, the present invention is not limited to the described embodiments, and it is common knowledge in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Therefore, such modifications or variations should not be individually understood from the technical spirit or viewpoint of the present invention, and modified embodiments should fall within the scope of the claims of the present invention.
10: 배터리셀
12: 리드탭
20: 측면커버
22: 엔드플레이트
24: 차폐플레이트
30: 제1 브라켓, 제2 브라켓
32: 버스바
100: 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈
110: 배터리부
120: 냉각플레이트
CW: 냉각물질
122: 체결돌기
130: 냉각스페이서
132: 중앙프레임
S: 중공
PM: 상변이물질
ED: 압출방향
134: 상부프레임
134a: 방열핀
136: 하부프레임
138: 체결홈
140: 상부커버
142: 내부유로10: battery cell
12: lead tab
20: side cover
22: end plate
24: shielding plate
30: first bracket, second bracket
32: bus bar
100: battery module with enhanced cooling performance
110: battery unit
120: cooling plate
CW: coolant
122: fastening protrusion
130: cooling spacer
132: central frame
S: hollow
PM: phase change material
ED: extrusion direction
134: upper frame
134a: radiation fin
136: lower frame
138: fastening groove
140: upper cover
142: internal flow path
Claims (7)
상기 배터리부의 아래쪽에 구비되고, 외부에서 공급되어 내부를 유동하는 냉각물질을 통해 상기 배터리셀에서 발생된 열을 흡열하는 냉각플레이트; 및 상기 배터리셀 사이에 배치된 상태로 상기 냉각플레이트에 접합되어 상기 냉각플레이트로의 열전달을 매개하며 상기 배터리셀의 팽윤을 억제하도록 열전도성 소재로 압출성형되는 냉각스페이서를 포함하고,
상기 냉각스페이서는,
서로 인접한 상기 배터리셀이 마주보는 측면에 각각 면접촉하도록 상기 배터리셀 사이에 개재되고, 내부에 중공이 형성된 중앙프레임; 서로 인접한 상기 배터리셀의 상면 일부에 각각 면접촉하도록 상기 중앙프레임의 상단부에서 확장형성되는 상부프레임; 및 서로 인접한 상기 배터리셀의 하면 일부에 각각 면접촉하도록 상기 중앙프레임의 하단부에서 확장형성되어 상기 냉각플레이트에 접합되는 하부프레임을 포함하고,
상기 중공에는,
인접한 상기 배터리셀 간의 열전달을 저감하며 방열효율을 향상시키기 위해, 상변이물질이 충진되는 것을 특징으로 하는 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈.A battery module that houses and protects a battery unit formed by stacking a plurality of battery cells in the horizontal direction,
a cooling plate provided below the battery unit and absorbing heat generated from the battery cell through a cooling material supplied from the outside and flowing inside; And a cooling spacer disposed between the battery cells and bonded to the cooling plate to mediate heat transfer to the cooling plate and extruded from a thermally conductive material to suppress swelling of the battery cell,
The cooling spacer,
a central frame interposed between the battery cells so that adjacent side surfaces of the battery cells facing each other are in surface contact with each other, and a hollow is formed therein; an upper frame extending from an upper end of the central frame to make surface contact with portions of the upper surface of the battery cells adjacent to each other; And a lower frame extended from a lower end of the central frame and bonded to the cooling plate so as to make surface contact with portions of the lower surfaces of the battery cells adjacent to each other,
In the hollow,
A battery module having enhanced cooling performance, characterized in that a phase change material is filled in order to reduce heat transfer between adjacent battery cells and improve heat dissipation efficiency.
상기 배터리부의 아래쪽에 구비되고, 외부에서 공급되어 내부를 유동하는 냉각물질을 통해 상기 배터리셀에서 발생된 열을 흡열하는 냉각플레이트; 및 상기 배터리셀 사이에 배치된 상태로 상기 냉각플레이트에 접합되어 상기 냉각플레이트로의 열전달을 매개하며 상기 배터리셀의 팽윤을 억제하도록 열전도성 소재로 압출성형되는 냉각스페이서를 포함하고,
상기 냉각스페이서는,
서로 인접한 상기 배터리셀이 마주보는 측면에 각각 면접촉하도록 상기 배터리셀 사이에 개재되고, 내부에 중공이 형성된 중앙프레임; 서로 인접한 상기 배터리셀의 상면 일부에 각각 면접촉하도록 상기 중앙프레임의 상단부에서 확장형성되는 상부프레임; 및 서로 인접한 상기 배터리셀의 하면 일부에 각각 면접촉하도록 상기 중앙프레임의 하단부에서 확장형성되어 상기 냉각플레이트에 접합되는 하부프레임을 포함하고,
상기 중공은,
상기 중앙프레임의 강성을 보강하는 하나 이상의 격벽에 의해 복수 개로 분할되고,
복수 개로 분할된 상기 중공에는,
일측을 통해 공급되고 타측으로 배출되는 냉각물질 및 상변이물질이 각각 서로 다른 위치에 교대로 충진되는 것을 특징으로 하는 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈. A battery module that houses and protects a battery unit formed by stacking a plurality of battery cells in the horizontal direction,
a cooling plate provided below the battery unit and absorbing heat generated from the battery cell through a cooling material supplied from the outside and flowing inside; And a cooling spacer disposed between the battery cells and bonded to the cooling plate to mediate heat transfer to the cooling plate and extruded from a thermally conductive material to suppress swelling of the battery cell,
The cooling spacer,
a central frame interposed between the battery cells so that adjacent side surfaces of the battery cells facing each other are in surface contact with each other, and a hollow is formed therein; an upper frame extending from an upper end of the central frame to make surface contact with portions of the upper surface of the battery cells adjacent to each other; And a lower frame extended from a lower end of the central frame and bonded to the cooling plate so as to make surface contact with portions of the lower surfaces of the battery cells adjacent to each other,
the hollow,
It is divided into a plurality of pieces by one or more partition walls reinforcing the rigidity of the central frame,
In the hollow divided into a plurality of pieces,
A battery module having enhanced cooling performance, characterized in that the cooling material and the phase change material supplied through one side and discharged through the other side are alternately filled in different positions.
상기 상부프레임은,
상기 중앙프레임에 전달된 상기 배터리셀의 열이 상방으로 방열되도록 하기 위해, 상기 상부프레임의 상면에서 서로 이격되며 압출방향을 따라 길게 상방으로 돌출형성된 복수의 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈.According to claim 1 or 2,
The upper frame,
Reinforced cooling characterized in that it comprises a plurality of heat dissipation fins spaced apart from each other on the upper surface of the upper frame and protruding upward along the extrusion direction in order to dissipate the heat of the battery cells transmitted to the central frame upward. Battery module with performance.
상기 하부프레임은,
상기 냉각플레이트의 상면에서 상방으로 돌출형성된 복수의 체결돌기에 대하여 상기 하부프레임이 측방으로 슬라이드 결합되도록 하기 위해, 상기 하부프레임의 하면에서 상기 체결돌기에 대응하는 홈형상으로 압출방향을 따라 길게 함몰형성된 체결홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈.According to claim 1 or 2,
The lower frame,
In order to slide and engage the lower frame laterally with respect to the plurality of fastening protrusions protruding upward from the upper surface of the cooling plate, the lower surface of the lower frame is formed in a groove shape corresponding to the fastening protrusions and is formed long along the extrusion direction. Battery module having enhanced cooling performance, characterized in that it comprises a fastening groove.
상기 배터리모듈은,
내부유로를 유동하는 냉각물질에 의해 상기 방열핀이 냉각되도록 상기 방열핀이 관통결합되며 상기 배터리부의 상면을 덮도록 배치되는 상부커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강화된 냉각성능을 갖는 배터리모듈.
According to claim 3,
The battery module,
The battery module having enhanced cooling performance, characterized in that it further comprises an upper cover disposed to cover an upper surface of the battery unit and through-coupled to the heat dissipation fin so that the heat dissipation fin is cooled by a cooling material flowing through an internal passage.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220103604A KR102492180B1 (en) | 2022-08-18 | 2022-08-18 | Battery module with enhanced cooling performance |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR102492180B1 true KR102492180B1 (en) | 2023-01-27 |
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ID=85101517
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KR1020220103604A KR102492180B1 (en) | 2022-08-18 | 2022-08-18 | Battery module with enhanced cooling performance |
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Country | Link |
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KR (1) | KR102492180B1 (en) |
Citations (5)
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---|---|---|---|---|
KR20150050449A (en) * | 2013-10-31 | 2015-05-08 | 주식회사 엘지화학 | Frame for secondary battery and battery module including the same |
KR20150142087A (en) * | 2014-06-10 | 2015-12-22 | 현대자동차주식회사 | Battery module structure with intergrated heat sink member |
KR20150142790A (en) | 2014-06-11 | 2015-12-23 | 주식회사 엘지화학 | End plate for battery module assembly thereby preventing a change in the external shape of the battery module due to swelling, and battery pack having the same |
KR20160115582A (en) * | 2015-03-27 | 2016-10-06 | 주식회사 엘지화학 | Battery module |
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-
2022
- 2022-08-18 KR KR1020220103604A patent/KR102492180B1/en active IP Right Grant
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