KR102633201B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR102633201B1
KR102633201B1 KR1020240008519A KR20240008519A KR102633201B1 KR 102633201 B1 KR102633201 B1 KR 102633201B1 KR 1020240008519 A KR1020240008519 A KR 1020240008519A KR 20240008519 A KR20240008519 A KR 20240008519A KR 102633201 B1 KR102633201 B1 KR 102633201B1
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battery
cooling fluid
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battery module
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이세용
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주식회사 엔에스머티리얼즈
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Abstract

배터리 모듈이 개시된다. 본 발명의 배터리 모듈은, 외부에 대해 내부가 밀폐된 하우징; 상기 하우징의 일측에 상기 하우징과 접촉하도록 설치되는 냉각부; 상기 하우징 내에 장착되는 복수의 배터리셀; 상기 복수의 배터리셀 사이에 각각 배치되는 복수의 다공성부재; 및 상기 복수의 배터리셀과 다공성부재의 하부영역이 잠기도록 상기 하우징 내에 채워지는 절연냉각유체를 포함하되, 상기 복수의 다공성부재는, 상기 절연냉각유체가 상기 하우징 내에서 상기 복수의 배터리셀로부터 발생하는 열에 의해 상변화하면서 상기 하우징 내에서 상하방향으로 순환할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 전기절연성을 갖는 절연냉각유체의 기화, 액화와 같은 상변화를 이용하여 배터리셀을 효율적으로 냉각시켜 최적의 배터리 구동효율을 제공할 수 있으며, 하우징 내부에서 절연냉각유체의 기화, 액화가 별도의 추가 구성없이 배터리셀 발열과 냉각부와의 접촉에 의해서만 발생하는바 전체 배터리 모듈의 체적 증가가 발생하는 것을 방지하여 전체 구조를 컴팩트하게 구현할 수 있다.

Description

배터리 모듈{battery module}
본 발명은 전기 자동차, 드론, 로봇 등에 장착될 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 배터리 모듈 및 이를 단위모듈로 포함하는 중대형 배터리 팩이 사용된다.
배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 배터리 팩에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 배터리 셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어렵다. 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 장치 또는 냉각 부재가 반드시 필요하다.
종래의 냉각 장치는 적층된 배터리 셀들 또는 배터리 모듈들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 배터리 셀들 또는 배터리 모듈들 사이에 형성된 냉매(예를 들어, 냉각수)의 유로를 포함하고 있다.
이러한, 종래의 냉각 장치는 다수의 배터리 셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 배터리 모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 종래의 냉각 장치는 많은 배터리 셀들을 적층할수록 다수의 부품(예를 들어, 탱크, 밸브, 펌프, 냉각기 등)이 추가되어 배터리 모듈의 체적이 커질 뿐만 아니라, 이로 인해 시스템의 가용 공간이 제약되고 제조 공정이 복잡해지며, 이에 따른 제조비용 역시 크게 상승하는 단점이 발생한다.
또한, 종래의 냉각 장치는 냉각 유로에 흐르는 냉매가 입구로 들어가서 출구로 나가게 되는 구조를 이용해야 하기 때문에 입구측에 가까운 쪽이 더 많이 냉각되고, 출구측에 가까운 쪽이 덜 냉각되는 문제점이 있다. 즉, 입구에서 멀고 출구에 가까울수록 냉각수의 온도가 상승하여 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 따라 이차 전지의 온도 편차를 유발하고, 이차 전지의 온도 편차는 이차 전지의 성능 편차로 이어져 전체 배터리 시스템의 성능 저하로 연결되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 10-2554177호(2023. 7. 6 등록)
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래에 비해 배터리 모듈의 체적 증가를 최소화하여 전체 구조를 컴팩트하게 구현하여 전기차량의 중량 증가를 감소하고 구동효율을 증대시킬 수 있으며, 전기절연성을 갖는 절연냉각유체의 기화, 액화와 같은 상변화를 이용하여 배터리셀을 효율적으로 냉각시켜 최적의 배터리 구동효율을 제공할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 외부에 대해 내부가 밀폐된 하우징; 상기 하우징의 일측에 상기 하우징과 접촉하도록 설치되는 냉각부; 상기 하우징 내에 장착되는 복수의 배터리셀; 상기 복수의 배터리셀 사이에 각각 배치되는 복수의 다공성부재; 및 상기 복수의 배터리셀과 다공성부재의 하부영역이 잠기도록 상기 하우징 내에 채워지는 절연냉각유체를 포함하되, 상기 복수의 다공성부재는, 상기 절연냉각유체가 상기 하우징 내에서 상기 복수의 배터리셀로부터 발생하는 열에 의해 상변화하면서 상기 하우징 내에서 상하방향으로 순환할 수 있도록 이루어지는 배터리 모듈이 제공된다.
상기 복수의 배터리셀은 파우치형일 수 있다.
상기 냉각부는 상기 하우징의 상측에 배치될 수 있다.
상기 하우징 내부는 진공상태를 가질 수 있다.
상기 절연냉각유체는 비등점이 60℃ 이하일 수 있다.
상기 다공성부재는 서로 인접한 한 쌍의 배터리셀의 사이간격 변동에 대응하여 탄성적으로 형상 변형 및 복원 가능한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 다공성부재는 부직포 패드, 실리콘 스폰지, 셀룰로오스 패드 중 어느 하나로 적용될 수 있다.
상기 냉각부는 상기 하우징의 상측에 설치되고, 상기 절연냉각유체가 상기 배터리셀의 발열에 의해 기화되어 상기 냉각부 측으로 상승한후 응축되어 상기 하우징의 내부 바닥면 측으로 낙하하도록, 상기 복수의 다공성부재 사이에는 응축액 귀환유로가 마련될 수 있다.
상기 복수의 다공성부재는 상기 배터리셀의 표면과 접촉 가능하도록 배치될 수 있다.
상기 배터리셀의 표면과 접촉되는 상기 다공성부재의 양측면에는, 상기 절연냉각유체가 상기 배터리셀의 발열에 의해 기화되어 상기 냉각부 측으로 상승하도록 증기유로가 마련될 수 있다.
상기 증기유로는, 상기 다공성부재의 높이방향을 따라 연속적으로 길게 형성되는 홈 형태로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 다공성부재는 각각 내측에 그 길이방향을 따라 관통공이 형성된 관 형태로 이루어질 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 배터리 모듈에 의하면, 전기절연성을 갖는 절연냉각유체의 기화, 액화와 같은 상변화를 이용하여 배터리셀을 효율적으로 냉각시켜 최적의 배터리 구동효율을 제공할 수 있으며, 하우징 내부에서 절연냉각유체의 기화, 액화가 별도의 추가 구성없이 배터리셀 발열과 냉각부와의 접촉에 의해서만 발생하는바 전체 배터리 모듈의 체적 증가가 발생하는 것을 방지하여 전체 구조를 컴팩트하게 구현할 수 있다.
또한, 배터리셀과 접촉되는 다공성부재의 양측면에 증기유로를 형성하여 배터리셀과 열교환하여 증발된 증기가 신속하게 상측으로 이동하도록 함으로써, 결국 절연냉각유체의 기화, 액화와 같은 상변화가 신속하게 반복되게 이루어지도록 하여 배터리 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리셀의 표면에 다공성부재가 최대한 넓은 면적으로 면접촉하도록 하여 배터리셀과 다공성부재에 흡수된 절연냉각유체 사이의 상호 열교환 면적을 증대시켜 결국 배터리셀의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 하우징 내부에 수용되는 배터리셀과 다공성부재의 배치 구조를 나타내는 사시도,
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 다공성부재를 나타내는 사시도,
도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 다공성부재의 증기유로의 다양한 변형예를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 평단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈은 히트파이프 구조를 일부 채용한 것으로서, 전기절연성을 갖는 절연냉각유체의 기화, 액화와 같은 상변화를 이용하여 배터리셀을 효율적으로 냉각시켜 최적의 배터리 구동효율을 제공할 수 있다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈은 하우징(100), 냉각부(200), 복수의 배터리셀(300), 복수의 다공성부재(400), 절연냉각유체(500)를 포함한다.
하우징(100)은 외관을 형성하는 것으로서 내부에 수용공간을 가지며, 외부에 대해 내부가 밀폐된 구조로 이루어진다. 이러한 하우징(100)에는 후술하는 절연냉각유체(500)를 하우징 내부로 주입 또는 배출하도록 별도의 밸브(미도시)가 연결된다.
냉각부(200)는 후술하는 절연냉각유체가 하우징 내부에서 기화한 후 액화하도록 저온을 제공하는 것으로서, 하우징(100)의 일측에 하우징과 접촉하도록 설치된다.
하우징(100)은 그 자체로 내부가 밀폐된 구조로 이루어지고, 마찬가지로 냉각부(200)도 그 자체로 내부가 밀폐된 구조로 이루어진다.
본 발명의 실시예에서, 하우징 내부에서 절연냉각유체가 기화하여 상승 이동한 후 액화하여 다시 하방으로 낙하할 수 있도록, 도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이 냉각부(200)는 하우징(100)의 상측에 설치되는 것이 바람직하다. 냉각부(200)는 그 내부에 냉각수가 수용되도록 내부 공간이 형성되며, 외부에서 냉각수를 주입 또는 배출하도록 별도의 밸브(미도시)가 연결될 수 있다.
다음, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 배터리셀(300)은 하우징(100) 내에 서로 이격되게 복수로 장착된다. 구체적으로 복수의 배터리셀(300)은 하우징(100)의 좌우 또는 전후방향과 대응하는 방향을 따라 서로 이격되게 장착된다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 배터리셀(300)은 파우치형 배터리셀로 적용될 수 있고, 복수의 배터리셀(300)의 각각의 개별 전극은 하우징(100) 내에서 극성별로 서로 연결된 후 외부 기기와의 전기적 연결을 위해 하우징(100) 외부로 전극(310)이 노출된다.
다음, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 다공성부재(400)는 복수의 배터리셀(300) 사이에 각각 배치되는데 배터리셀(300)의 표면과 접촉 가능하도록 배치된다.
한편, 리튬이온 이차전지는 그 내부의 리튬 이온 전해액이 기화하면서 부풀어 오르는 배터리 스웰링(battery swelling) 현상이 발생할 수 있으며, 다공성부재(400)는 배터리셀의 팽창에 대응하여 탄성적으로 형상 변형 및 복원이 가능한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 경우에 따라 다공성부재(400)는 배터리셀의 형상 복원시에도 이에 대응하여 탄성적으로 형상 변형 및 복원이 가능한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
덧붙이자면, 다공성부재(400)는 액상의 절연냉각유체(500)가 모세관 현상에 의해 내부 다공성홀 내부로 투입된 상태에서 배터리셀로부터 발생한 일정온도 이상의 열을 전달받아 액상의 절연냉각유체가 기화하여 상측으로 상승 이동하도록 하는 것으로서, 배터리셀의 열을 흡수하여 기화하면서 배터리셀의 냉각이 이루어질 수 있다.
따라서, 이러한 배터리셀(300)의 냉각 효율을 최대한 향상시키기 위해, 즉 다공성부재(400)에 흡수된 절연냉각유체가 배터리셀(300)의 열을 최대한 흡수하도록 하기 위해 다공성부재(400)는 배터리셀(300)의 표면에 밀착된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 다공성부재(400)는, 절연냉각유체(500)가 하우징(100) 내에서 복수의 배터리셀(300)로부터 발생하는 열에 의해 상변화하면서 하우징(100) 내에서 상하방향으로 순환할 수 있도록 이루어진다. 이에 관련된 좀 더 구체적인 부분은 후술한다.
한편, 서로 인접하게 배치된 배터리셀(300)들의 사이 간격은 전술한 배터리 스웰링 현상, 차량 주행진동 등과 같은 다양한 요인에 의해 가변적으로 증감할 수 있는데 이와 같이 배터리셀(300)들의 사이 간격 변동에 관계없이 다공성부재(400)는 배터리셀(300)의 표면에 최대한 밀착한 상태를 안정적으로 유지하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에서, 다공성부재(400)는 서로 인접한 한 쌍의 배터리셀의 사이간격 변동에 대응하여 탄성적으로 형상 변형 및 복원 가능한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
다공성부재(400)는 절연냉각유체(500)가 모세관 현상에 의해 신속하면서 최대한 넓은 면적으로 흡수되도록 다공성 재질로 이루어지고, 전술한 바와 같이 인접한 배터리셀들 사이의 이격거리 변동에 대응하도록 탄성적으로 수축 또는 팽창 가능한 재질로 이루어지며, 예를 들어 부직포 패드, 실리콘 스폰지, 셀룰로오스 패드 중 어느 하나로 적용될 수 있다.
다음, 도 5에 도시한 바와 같이, 절연냉각유체(500)는 복수의 배터리셀(300)과 다공성부재(400)의 하부영역이 잠기도록 하우징(100) 내에 일정이상의 양으로 채워진다. 구체적으로, 절연냉각유체(500)는 하우징(100) 내에 설치된 복수의 다공성부재(400)의 전체 부위에 충분히 흡수되어 배터리셀(300)의 표면에 접촉할 수 있도록 채워지는 것이 바람직하고, 예를 들어 하우징(100) 내의 복수의 배터리셀(300)의 사이공간의 전체 합의 30% 이내로 주입하도록 한다.
덧붙이자면, 절연냉각유체(500)는 배터리셀(300)의 표면(즉, 양측면) 전체에 접촉하는 다공성부재(400)의 전체 영역에 모세관 현상을 통해 골고루 흡수될 수 있을 정도의 양으로 하우징 내에 주입되는 것이 바람직하며, 따라서 배터리셀(300)의 발열이 이루어지는 모든 면적의 열을 최대한 신속하게 흡수하여 배터리셀을 냉각시킬 수 있다.
절연냉각유체(500)는 전기전도성이 없거나 낮으며 열전달 효율이 좋은 유체로서, 배터리 발열온도에 의해 충분히 기화할 수 있도록, 예를 들어 배터리 구동효율 저감을 방지하도록 배터리셀의 추천 최적제어 온도와 대응하도록 비등점이 60℃ 이하인 전기전도성이 없는 것으로 적용될 수 있다. 이러한 절연냉각유체는 NOVEC 7000 또는 NOVEC 7100 등으로 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 절연냉각유체(500)가 배터리셀(300)의 발열에 의해 기화되어 냉각부(200) 측으로 상승한후 응축되어 하우징(100)의 내부 바닥면 측으로 낙하하도록, 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이 복수의 다공성부재(400) 사이에는 응축액 귀환유로(410)가 마련된다.
또한, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 배터리셀(300)의 표면과 접촉되는 다공성부재(400)의 양측면에는, 절연냉각유체(500)가 배터리셀(300)의 발열에 의해 기화되어 냉각부(200) 측으로 용이하면서 신속하게 상승하도록 증기유로(420)가 마련된다.
본 발명의 실시예에서, 도 4에 도시한 바와 같이, 증기유로(420)는 다공성부재(400)의 높이방향을 따라 연속적으로 길게 형성되는 홈 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 높이방향이라 함은 하우징(100) 내부의 바닥면에 인접하는 다공성부재(400)의 일측단(하단)으로부터 냉각부(200)에 인접하는 다공성부재(400)의 타측단(상단)으로의 방향을 의미한다.
다공성부재(400) 자체가 다공성 재질로 이루어지는바, 증기유로(420)가 별도로 마련되지 않는다면 흡수된 절연냉각유체가 배터리 발열에 의해 기화되어 냉각부(200)가 배치된 상측으로 상승 이동하는데 있어 원활한 유동이 발생하기 어려운 문제가 있다.
즉, 액상의 절연냉각유체 기화 -> 증기의 상승 이동 -> 증기의 액화 -> 다시 액상의 절연냉각유체 기화가 반복적으로 진행되는 배터리 냉각을 위한 절연냉각유체의 상변화가 신속하게 이루어지기 힘든 문제가 있어 결국 배터리 냉각 효율이 저하되는 단점이 발생하게 된다. 그러나, 다공성부재(400)의 양측면에 연속적인 홈 형태의 증기유로(420)를 형성함으로써 증기가 증기유로(420)를 따라 신속하게 냉각부(200) 측으로 상승 이동하도록 할 수 있으며, 이는 결국 절연냉각유체의 신속한 상변화 작용을 유도하여 배터리 냉각효율을 향상시키게 된다.
본 발명의 실시예에서, 증기유로(420)는 다수가 서로 인접하도록 복수로 마련될 수 있으며, 일 예로 하나의 증기유로(420)는 도 4에 도시한 바와 같이 다공성부재(400)의 하단부터 상단까지 일자의 직선 형태로 이루어질 수 있고, 또한 도 6(a)에 도시한 바와 같이 증기유로의 길이방향을 따라 일측으로 볼록한 볼록부와 반대의 오목부가 교대로 반복되는 형태로 이루어질 수 있다.
또한, 도 6(b)에 도시한 바와 같이, 증기유로(420)는 격자 무늬 형태로 이루어질 수 있으며, 이외에도 다공성부재의 하단부터 상단까지 연속적은 유동 경로를 제공할 수 있다면 어떠한 형태로 적용되어도 무방하다.
이하, 절연냉각유체의 상변화를 통해 배터리셀의 냉각이 이루어지는 과정에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 초기 구동시, 하우징(100) 내에 수용된 절연냉각유체(500)는 모세관 현상에 의해 다공성부재(400)에 흡수된 상태를 갖고 있으며, 구체적으로 다공성부재(400)는 배터리셀(300)과 접촉하는 대부분의 영역이 절연냉각유체에 의해 적셔진 상태를 유지하고 있다.
즉, 다공성부재(400)는 하우징(100) 내부 바닥에 수용된 절연냉각유체가 하우징 내부 상측으로 이송될 수 있도록 모세관 현상(모세관력)을 구현할 수 있는 다공성 재질로 이루어지고, 절연냉각유체(500)는 다공성부재(400)에 흡수되어 하우징 내부 바닥에 대응하는 다공성부재의 하부로부터 하우징 내부 상측에 대응하는 다공성부재의 상부까지 균일한 상태로 흡수될 수 있다.
이후, 배터리 구동에 의해 배터리에서 발열이 이루어지면 다공성부재(400)에 흡수되어 있는 절연냉각유체(500)는 이러한 배터리셀(300)로부터 발생된 열을 제공받아 기체상태로 상변화하고 이때 절역냉각유체는 배터리셀의 열을 흡수하면서 배터리셀의 냉각이 이루어진다.
즉, 다공성 구조물인 다공성부재(400)는 배터리셀(300)과 면 접촉하면서 배터리셀로부터 발생한 열을 직접 공급받게 되며, 이러한 열에 의해 절연냉각유체의 기화가 신속하게 이루어질 수 있다.
한편, 배터리셀(300)로부터 발생한 열을 효율적으로 흡수하기 위해, 구체적으로 배터리셀(300)의 발열온도가 일정이상의 고온이 아니더라도 절연냉각유체가 쉽게 기화할 수 있도록, 절연냉각유체의 끓는점을 낮추어 쉽게 증발(기화), 응축(액화)할 수 있도록 하는 것이 요구된다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에서, 하우징(100) 내부를 진공으로 형성한다. 하우징(100)에는 하우징 내부로 절연냉각유체(500)를 주입/배출하기 위한 밸브(미도시)와 더불어 하우징 내부의 공기를 흡입하여 하우징 내부를 진공화하기 위한 별도의 밸브(미도시)와 펌프(미도시)가 연결된다.
일 예로, 히트파이프의 원리를 일부 적용하여 하우징(100) 내부의 진공환경을 10-3 Torr정도까지 진공압으로 형성하고, 이에 따라 절연냉각유체의 끓는점을 일정이상 낮추어 쉽게 증발과 응축이 이루어지도록 할 수 있다. 본 발명은 절연냉각유체의 상변화를 유도하기 위한 구성 중 하나인 열원으로서 배터리셀(300)이 통상적인 히트파이프 구조와 달리 하우징(100) 내부에 위치하는 것이다.
본 발명은 이와 같이 하우징(100) 내부에 진공압이 형성된 상태에서, 절연냉각유체(500)를 설정된 적정량으로 하우징(100) 내부로 주입하며, 절연냉각유체는 전기전도성이 없거나 낮은 절연유체로 적용된다. 예를 들어, 절연냉각유체(500)는 NOVEC 7000, NOVEC 7100와 같이 비등점이 60℃이하의 것으로 적용될 수 있고, 충진량은 하우징(100) 내부를 가득 채울수 있는 양을 기준으로 30%이내에서 주입한다.
본 발명은 모세관 현상을 통해 다공성부재(400)의 하부로부터 상부로 이동하여 다공성부재에 전체적으로 흡수된 절연냉각유체가 배터리셀로부터 공급된 열을 통해 기화하고, 전술한 바와 같이 하우징 내부에 진공 분위기가 형성되는바, 절연냉각유체는 대기압 상태에서보다 더 낮은 온도에서 기화할 수 있다. 예를 들어, 절연냉각유체는 상온 20℃에서도 쉽게 증발하게 되고, 도 5에 도시한 바와 같이 증발된 증기는 증기유로(420)를 따라 상측의 냉각부(200) 측으로 이동한다.
하우징(100) 내부를 진공화하여 절연냉각유체(500)의 끓는점을 낮춤으로써, 배터리셀(300)의 발열온도가 예를 들어 20℃인 상태에서도 절연냉각유체가 기화하면서 배터리셀을 냉각할 수 있다.
이후, 냉각부(200) 측으로 이동한 증기는 저온을 유지하는 냉각부(200)에 의해 응축되어 액화되며, 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이, 절연냉각유체의 응축액은 다공성부재(400)와 배터리셀(300)로 둘러쌓인 상태로 그 사이에 빈 공간으로 형성되는 응축액 귀환유로(410)를 따라 중력방향과 대응하는 하우징(100) 바닥으로 낙하하면서 초기 위치로 귀환된다.
즉, 본 발명은 배터리셀 발열이 이루어지는 동안에, 다공성부재에 흡수된 절연냉각유체의 기화 -> 증기유로를 통한 냉각부 측으로의 상승 이동 -> 냉각부의 저온을 제공받아 증기가 응축 -> 절연냉각유체의 응축액이 응축액 귀환유로를 따라 하강 이동이 반복적으로 이루어지게 된다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하며 제1 실시예와 동일한 구성에 대한 반복 설명은 생략하고 동일 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈은 다공성패드 구조와 증기유로 구조에 있어 제1 실시예와 상이하며 나머지 구성들은 동일하다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서, 복수의 다공성부재(600)는 각각 내측에 그 길이방향을 따라 관통공이 형성된 관 형태로 이루어진다. 또한, 복수의 다공성부재(600)는 이웃하여 배치되는 서로간에 사이틈이 형성되도록 원형의 파이프 형태로 이루어질 수 있다.
도면에는 복수의 관 형태의 구성이 배터리셀(300) 사이에 서로 연속적으로 접촉하도록 마련되어 있으며, 이러한 단일 관형태의 구성이 본 발명의 실시예에서 하나의 다공성부재(600)와 대응된다.
한편, 복수의 다공성부재(600)는 서로간에 연속적으로 외면이 접촉하도록 배치될 수 있지만, 이에 한정되지 않으며 서로간에 이격되게 배치될 수도 있다. 그러나, 복수의 다공성부재(600)와 배터리셀(300)과의 접촉면적을 한층 증대시켜 절연냉각유체의 기화에 따른 배터리셀(300) 냉각효율성 증대를 고려했을때, 도면과 같이 복수의 다공성부재(600)가 서로 연속적으로 접촉하도록 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 실시예에서, 도 7에 도시한 바와 같이, 다공성부재(600)의 내측 관통공은 증기유로(620)로 기능하며, 서로 이웃하는 다공성부재(600) 간의 사이틈이 응축액 귀환유로(610)로 기능한다.
본 발명의 제2 실시예의 경우, 제1 실시예의 경우에 비해 복수의 다공성부재(600)와 배터리셀(300) 표면과의 접촉면적을 한층 증대시켜 전체적으로 배터리셀 냉각효율을 좀 더 향상시킬 수 있다.
즉, 배터리셀(300)의 양측 표면 전체에 대해 복수의 다공성부재(600)가 표면 접촉하도록 이루어져 상호간의 접촉면적 증가에 따른 열전달 효율을 더욱 상승시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100: 하우징 200: 냉각부
300: 배터리셀 400,600: 다공성부재
410,610: 응축액 귀환유로 420,620: 증기유로
500: 절연냉각유체

Claims (8)

  1. 외부에 대해 내부가 밀폐된 하우징;
    상기 하우징의 일측에 상기 하우징과 접촉하도록 설치되는 냉각부;
    상기 하우징 내에 장착되는 복수의 배터리셀;
    상기 복수의 배터리셀 사이에 각각 배치되는 복수의 다공성부재; 및
    상기 복수의 배터리셀과 다공성부재의 하부영역이 잠기도록 상기 하우징 내에 채워지는 절연냉각유체를 포함하되,
    상기 복수의 다공성부재는, 상기 절연냉각유체가 상기 하우징 내에서 상기 복수의 배터리셀로부터 발생하는 열에 의해 상변화하면서 상기 하우징 내에서 상하방향으로 순환할 수 있도록 이루어지고,
    상기 복수의 다공성부재는 각각 내측에 그 길이방향을 따라 관통공이 형성된 관 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리셀은 파우치형인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 하우징의 상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 내부는 진공상태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연냉각유체는 비등점이 60℃ 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성부재는 서로 인접한 한 쌍의 배터리셀의 사이간격 변동에 대응하여 탄성적으로 형상 변형 및 복원 가능한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다공성부재는 부직포 패드, 실리콘 스폰지, 셀룰로오스 패드 중 어느 하나로 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 하우징의 상측에 설치되고,
    상기 절연냉각유체가 상기 배터리셀의 발열에 의해 기화되어 상기 냉각부 측으로 상승한후 응축되어 상기 하우징의 내부 바닥면 측으로 낙하하도록, 상기 복수의 다공성부재 사이에는 응축액 귀환유로가 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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