KR102877728B1 - Battery module and battery pack having the same - Google Patents
Battery module and battery pack having the sameInfo
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Abstract
복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징; 및 상기 모듈 하우징을 냉각시키며, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 갖는 냉각부;를 포함하며, 상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하며, 상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 모듈이 제공된다.A battery module is provided, comprising: a cell stack formed by stacking a plurality of battery cells; a module housing accommodating the cell stack therein; and a cooling unit having a cooling plate that cools the module housing and has a flow path space formed therein through which a coolant flows, and a thermoelectric element installed on an outer surface of the cooling plate; wherein the cooling plate includes a base portion and a protrusion portion that protrudes from the base portion toward the cell stack to form a sunken space, and the thermoelectric element is installed in the sunken space of the protrusion portion.
Description
본 발명은 이차전지로 구성되는 복수의 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.The present invention relates to a battery module having a plurality of battery cells composed of secondary batteries and a battery pack having the same.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.Unlike primary batteries, secondary batteries can be recharged and discharged, making them suitable for a wide range of applications, including digital cameras, mobile phones, laptops, hybrid vehicles, and electric vehicles. Examples of secondary batteries include nickel-cadmium batteries, nickel-metal hydride batteries, nickel-hydrogen batteries, and lithium secondary batteries.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouch type)의 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형 캔형(can type)의 배터리 셀로 제조되어 사용되고 있다. 복수의 배터리 셀은 전기적으로 연결되어 배터리 모듈을 구성하게 된다.Among these secondary batteries, extensive research is being conducted on lithium secondary batteries, which boast high energy density and discharge voltage. Recently, lithium secondary batteries have been manufactured and used in flexible pouch-type battery cells or rigid square or cylindrical can-type battery cells. Multiple battery cells are electrically connected to form a battery module.
한편, 배터리 모듈을 장시간 사용할 경우 배터리 셀에서 열이 발생하게 되고, 특히 충전 시에는 내부의 온도가 급격히 상승하게 된다. 이와 같은 배터리 셀의 온도 상승은 배터리 모듈의 수명을 단축시키게 되고, 배터리 모듈의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 최악의 경우 발화 또는 폭발이 발생할 수도 있다.Meanwhile, prolonged use of a battery module generates heat within the battery cells, and the internal temperature rises rapidly, especially during charging. This rise in battery cell temperature shortens the battery module's lifespan, reduces its efficiency, and, in the worst case, can even lead to fire or explosion.
이러한 문제점 해결을 위하여 모듈 하우징과 냉매가 열교환하도록 함으로써 배터리 모듈을 방열시키는 구조가 적용되고 있다. 즉, 종래기술에 의한 배터리 모듈은 모듈 하우징에 유로공간이 형성된 냉각부재가 연결되며, 유로공간을 흐르는 냉매를 이용하여 모듈 하우징 및 이에 수용된 배터리 셀의 냉각을 수행하게 된다.To address these issues, a structure has been developed that dissipates heat from the battery module by allowing heat exchange between the module housing and the refrigerant. Specifically, conventional battery modules feature a cooling element connected to the module housing with a flow path, and the refrigerant flowing through the flow path cools the module housing and the battery cells contained within.
종래기술에 따라 배터리 모듈을 냉각하는 경우 유입구로 유입된 냉매는 유로공간을 흐르면서 모듈 하우징과 열교환하며 그 온도가 상승하게 된다. 즉, 냉매의 온도는 유입구에 인접한 영역와 유출구에 인접한 영역에서 차이가 발생하게 된다.When cooling a battery module using conventional technology, the refrigerant flowing through the inlet flows through the flow path, exchanging heat with the module housing and increasing its temperature. This creates a difference in the refrigerant temperature between the area adjacent to the inlet and the area adjacent to the outlet.
이에 따라, 유입구릍 통해 유입된 냉매가 흐르는 영역에 위치하는 배터리 셀(또는 배터리 셀의 일부분)보다 유출구 측으로 배출되는 방향으로 냉매가 흐르는 영역에 위치하는 배터리 셀(또는 배터리 셀의 일부분)의 온도가 더 높게 된다. 따라서, 유출구 측에 인접한 영역에 대응하는 배터리 셀(또는 배터리 셀의 일부분)의 방열효과가 저하되어 배터리 모듈 내부에서 배터리 셀이 배치되는 위치에 따라 온도 편차가 발생하게 된다.Accordingly, the temperature of the battery cell (or part of the battery cell) located in the area where the coolant flows in the direction of discharge toward the outlet becomes higher than that of the battery cell (or part of the battery cell) located in the area where the coolant flowing in through the inlet flows. Therefore, the heat dissipation effect of the battery cell (or part of the battery cell) corresponding to the area adjacent to the outlet is reduced, resulting in a temperature difference depending on the location of the battery cell within the battery module.
이러한 배터리 셀의 온도 편차는 배터리 모듈의 전체적인 품질 및 수명 저하를 유발하는 문제점이 있다.The temperature deviation of these battery cells poses a problem that causes a decline in the overall quality and lifespan of the battery module.
본 발명은 일 측면으로서, 셀 적층체(배터리 셀)의 온도편차 및 방열 불균일을 감소시킬 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention, in one aspect, aims to provide a battery module capable of reducing temperature deviation and heat dissipation unevenness of a cell stack (battery cell) and a battery pack including the same.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에서 방열이 용이하게 이루어지도록 하는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims, as one aspect, at providing a battery module and a battery pack including the same that facilitate heat dissipation in a region where the temperature of a cell stack (battery cell) and/or a coolant is high.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 열전소자를 통한 방열 및 냉각 효율을 높일 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.And, as one aspect, the present invention aims to provide a battery module capable of increasing heat dissipation and cooling efficiency through a thermoelectric element and a battery pack including the same.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 냉각 플레이트의 기존 형상을 이용하여 열전소자를 용이하게 설치할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims, as one aspect, to provide a battery module capable of easily installing a thermoelectric element using the existing shape of a cooling plate, and a battery pack including the same.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 외부 온도가 낮은 경우에도 배터리 모듈을 안정적으로 사용할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.And, as one aspect, the present invention aims to provide a battery module that can stably be used even when the external temperature is low, and a battery pack having the same.
상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은, 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징; 및 상기 모듈 하우징을 냉각시키며, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 갖는 냉각부;를 포함하며, 상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 모듈을 제공한다.As an aspect for achieving at least some of the above objects, the present invention provides a battery module including: a cell stack formed by stacking a plurality of battery cells; a module housing accommodating the cell stack therein; and a cooling unit having a cooling plate that cools the module housing and has a flow path space formed therein through which a coolant flows, and a thermoelectric element installed on an outer surface of the cooling plate; wherein the cooling plate includes a base portion and a protrusion portion that protrudes from the base portion toward the cell stack to form a sunken space, and the thermoelectric element is installed in the sunken space of the protrusion portion.
상기 상기 돌출부는 상기 모듈 하우징을 지지하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 모듈 하우징과 열적으로 접촉할 수도 있다.The above protrusion may have a structure that supports the module housing and may be in thermal contact with the module housing.
또한, 상기 열전소자는 상기 베이스부의 외측면에 비대칭적으로 설치될 수 있다.Additionally, the thermoelectric element may be installed asymmetrically on the outer surface of the base portion.
그리고, 상기 돌출부는 상기 베이스부에 서로 이격되어 배치된 복수의 돌기부를 포함하며, 상기 열전소자는 상기 돌기부의 적어도 일부에 설치될 수 있다. 이때, 상기 돌기부는 상기 베이스부로부터 돌출된 방향에 수직한 단면이 원형 또는 각형의 형상을 가질 수 있다. 상기 열전소자는 상기 유로공간으로 냉매가 유입되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면보다 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면에 더 많이 설치될 수 있다.And, the protrusion includes a plurality of protrusions spaced apart from each other on the base, and the thermoelectric element can be installed on at least a part of the protrusion. At this time, the protrusion can have a cross-section perpendicular to the direction in which it protrudes from the base part having a circular or square shape. The thermoelectric element can be installed more on the outer surface of the base part corresponding to an area where the refrigerant flows out of the flow path space than on the outer surface of the base part corresponding to an area where the refrigerant flows into the flow path space.
또한, 상기 돌출부는 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하고 냉매의 유동을 가이드하도록 냉매의 유동방향을 따라 연장된 형상을 갖는 격벽부를 포함하며, 상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 적어도 일부 공간에 설치될 수 있다. 상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 설치될 수 있다.In addition, the protrusion includes a partition wall portion having a shape extending along the flow direction of the refrigerant to form a sunken space by protruding from the base portion toward the cell stack and guide the flow of the refrigerant, and the thermoelectric element may be installed in at least a portion of the sunken space of the partition wall portion. The thermoelectric element may be installed in an area of the sunken space of the partition wall portion where the refrigerant flows outward from the flow path space.
그리고, 상기 열전소자는 전원 인가에 따라 대향하는 제1 부분과 제2 부분 사이에서 온도 차이를 형성하며, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 적어도 하나와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치할 수 있다.And, the thermoelectric element forms a temperature difference between the first and second parts that face each other according to the power supply, and a first heat transfer member may be positioned between at least one of the first and second parts and the protrusion.
또한, 상기 냉각 플레이트는 상기 열전소자로 전원을 공급하는 와이어의 설치를 위한 와이어 설치홈이 상기 돌출부 또는 상기 돌출부와 인접한 영역에 형성될 수 있다.Additionally, the cooling plate may have a wire installation groove formed in the protrusion or an area adjacent to the protrusion for installing a wire that supplies power to the thermoelectric element.
그리고, 상기 냉각 플레이트는 상기 베이스부와 상기 돌출부가 형성된 제1 몸체와, 상기 제1 몸체와 결합되어 상기 제1 몸체와의 사이에 상기 유로공간을 형성하는 제2 몸체를 포함할 수 있다.And, the cooling plate may include a first body having the base portion and the protrusion portion formed therein, and a second body coupled to the first body to form the flow path space therebetween.
다른 측면으로서, 본 발명은, 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 팩 하우징; 상기 셀 적층체를 냉각하도록 상기 팩 하우징에 설치되는 팩 냉각부;를 포함하며, 상기 팩 냉각부는, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 포함하며, 상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 팩을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a battery pack comprising: a cell stack formed by stacking a plurality of battery cells; a pack housing accommodating the cell stack therein; and a pack cooling unit installed in the pack housing to cool the cell stack, wherein the pack cooling unit includes a cooling plate having a flow path space formed therein through which a coolant flows, and a thermoelectric element installed on an outer surface of the cooling plate, wherein the cooling plate includes a base portion and a protrusion portion that protrudes from the base portion toward the cell stack to form a sunken space, and the thermoelectric element is installed in the sunken space of the protrusion portion.
상기 셀 적층체는 열전달 부재를 통해 상기 팩 하우징에 안착되며, 상기 팩 냉각부는 상기 팩 하우징의 하부에 위치할 수 있다.The above cell stack is mounted on the pack housing via a heat transfer member, and the pack cooling unit can be located at the lower portion of the pack housing.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 배터리 팩은 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징을 더 포함하며, 상기 팩 냉각부는 상기 모듈 하우징과 상기 팩 하우징 사이에 위치할 수 있다.In addition, a battery pack according to one aspect of the present invention further includes a module housing that accommodates the cell stack therein, and the pack cooling unit can be located between the module housing and the pack housing.
이때, 상기 열전소자와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치하고, 상기 베이스부의 외측면과 상기 팩 하우징 사이에는 제2 열전달 부재가 위치하며, 상기 제2 열전달 부재의 두께는 상기 제1 열전달 부재의 두께보다 큰 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 열전달 부재와 상기 제2 열전달 부재는 서로 연결될 수 있다.At this time, a first heat transfer member is positioned between the thermoelectric element and the protrusion, a second heat transfer member is positioned between the outer surface of the base portion and the pack housing, and the thickness of the second heat transfer member may have a value greater than the thickness of the first heat transfer member. In addition, the first heat transfer member and the second heat transfer member may be connected to each other.
본 발명의 일 측면에 의한 배터리 팩은 상기 열전소자의 구동을 제어하는 제어부;를 추가로 포함하며, 상기 열전소자는 저전압 라인에 연결되어 전원을 공급받고, 상기 제어부는 상기 셀 적층체의 온도에 따라 상기 열전소자에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 제어를 수행할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 복수의 상기 열전소자 중 적어도 일부의 구동을 개별적으로 제어할 수 있다.A battery pack according to one aspect of the present invention further includes a control unit that controls the operation of the thermoelectric element, wherein the thermoelectric element is connected to a low voltage line to receive power, and the control unit can perform control to switch the polarity of the power applied to the thermoelectric element according to the temperature of the cell stack. In addition, the control unit can individually control the operation of at least some of the plurality of thermoelectric elements.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉각 플레이트의 외측면에 설치된 열전소자를 통하여 모듈 하우징의 내부에서 발생한 열을 방출함으로써 배터리 모듈에 설치된 위치에 따른 셀 적층체(배터리 셀)의 온도편차 및 배터리 셀의 방열 불균일을 감소시키고 배터리 모듈의 전체적인 냉각성능을 개선할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, by releasing heat generated inside a module housing through a thermoelectric element installed on the outer surface of a cooling plate, it is possible to obtain an effect of reducing temperature deviation of a cell stack (battery cell) and uneven heat dissipation of battery cells according to the position installed in the battery module, thereby improving the overall cooling performance of the battery module.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역, 특히 유출구에 인접한 영역에 열전소자를 배치함으로써 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에서의 방열 성능을 개선할 수 있다는 효과가 있게 된다. 특히, 열전소자를 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에 상대적으로 집중 배치함으로써 다수의 열전소자의 설치로 인한 비용 상승을 최소화할 수 있게 된다.In addition, according to one embodiment of the present invention, by arranging thermoelectric elements in areas where the temperature of the cell stack (battery cell) and/or the coolant is high, particularly in areas adjacent to the outlet, heat dissipation performance in areas where the temperature of the cell stack (battery cell) and/or the coolant is high can be improved. In particular, by relatively concentrating thermoelectric elements in areas where the temperature of the cell stack (battery cell) and/or the coolant is high, cost increases due to the installation of a large number of thermoelectric elements can be minimized.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 돌출부(돌기부 및/또는 격벽부)와 모듈 하우징이 열적으로 접촉하도록 하는 구조를 통하여 열전소자를 통한 방열 및 냉각 효율을 높일 수 있게 된다. 특히, 모듈 하우징으로부터 열전소자에 전달된 열이 열전달 부재를 매개로 하여 팩 하우징으로 전달되도록 함으로써 방열 효율을 향상시킬 수 있게 된다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the heat dissipation and cooling efficiency through the thermoelectric element can be improved by providing a structure in which the protrusion (protrusion and/or bulkhead) and the module housing come into thermal contact. In particular, the heat dissipation efficiency can be improved by allowing the heat transferred from the module housing to the thermoelectric element to be transferred to the pack housing via the heat transfer member.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉각 플레이트에 설치되어 있는 돌기부(딤플)나 격벽부를 이용하여 열전소자를 설치함으로써 냉각 플레이트의 기존 형상을 이용하여 열전소자를 용이하게 설치할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, by installing a thermoelectric element using a protrusion (dimple) or a partition wall installed on a cooling plate, an effect can be obtained in which a thermoelectric element can be easily installed using the existing shape of the cooling plate.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 외부 온도나 배터리 셀의 온도가 낮은 경우에 배터리 모듈의 방열 수행 시에 열전소자에 인가되는 전원과는 반대 극성의 전원을 열전소자에 인가함으로써 배터리 셀의 온도를 높임으로써 배터리 모듈의 안정적 구동이 가능하다는 효과가 있게 된다. 특히, 제어부를 통하여 각각의 열전소자를 온/오프 제어함으로써 열전소자를 통한 냉각이 필요한 경우 열전소자를 선택적으로 구동시킬 수 있고, 일부영역에서 냉각효율이 저하된 경우 또는 온도상승이 필요한 경우 해당영역에 대응하는 열전소자를 선택적으로 구동시킬 수 있게 된다.And, according to one embodiment of the present invention, when the external temperature or the temperature of the battery cell is low, by applying power of the opposite polarity to the power applied to the thermoelectric element when performing heat dissipation of the battery module, the temperature of the battery cell is increased, thereby enabling stable operation of the battery module. In particular, by controlling each thermoelectric element to be turned on/off through the control unit, when cooling through the thermoelectric element is required, the thermoelectric element can be selectively driven, and when the cooling efficiency is reduced in a certain area or when a temperature increase is required, the thermoelectric element corresponding to the relevant area can be selectively driven.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 돌출부 또는 돌출부와 인접한 영역의 냉각 플레이트 부분에 열전소자로 전원을 공급하는 와이어의 설치를 위한 와이어 설치홈을 형성함으로써 열전소자의 배선 작업이 용이하다는 효과를 얻을 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, by forming a wire installation groove for installing a wire that supplies power to a thermoelectric element in a portion of a cooling plate adjacent to a protrusion or a region adjacent to the protrusion, an effect of facilitating wiring of the thermoelectric element can be obtained.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 I-I' 선에 따른 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 냉각부의 사시도.
도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 모듈의 변형예를 도시한 단면도.
도 6 내지 도 8은 도 2 및 도 3에 도시된 냉각부의 여러가지 변형예를 도시한 평면도 및 단면도.
도 9는 도 6에 도시된 유로구조를 갖는 냉각 플레이트에 대하여 열전소자가 구동되지 않은 상태에서 냉매가 흐를 때의 셀 적층체의 온도분포를 도시한 온도분포도.
도 10은 도 3에 도시된 배터리 모듈에서 열 흐름을 도시한 개략도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩의 단면도.
도 12는 도 11에 도시된 배터리 팩의 변형예를 도시한 단면도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩의 단면도.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 배터리 팩의 단면도.Figure 1 is a perspective view of a battery module according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exploded perspective view of the battery module illustrated in Figure 1.
Figure 3 is a cross-sectional view along line II' of Figure 1.
Fig. 4 is a perspective view of the cooling unit illustrated in Fig. 2.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a modified example of the battery module shown in FIGS. 2 and 3.
Figures 6 to 8 are plan views and cross-sectional views showing various modified examples of the cooling unit shown in Figures 2 and 3.
Fig. 9 is a temperature distribution diagram showing the temperature distribution of a cell stack when a refrigerant flows in a cooling plate having the euro structure shown in Fig. 6 without the thermoelectric element being driven.
Fig. 10 is a schematic diagram illustrating heat flow in the battery module illustrated in Fig. 3.
Fig. 11 is a cross-sectional view of a battery pack according to one embodiment of the present invention.
Fig. 12 is a cross-sectional view showing a modified example of the battery pack shown in Fig. 11.
Fig. 13 is a cross-sectional view of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
Fig. 14 is a cross-sectional view of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Before going into a detailed description of the present invention, it should be noted that the terms and words used in this specification and claims described below should not be construed as limited to their typical or dictionary meanings, but should be construed with meanings and concepts that conform to the technical spirit of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best way. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations illustrated in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention. Therefore, it should be understood that there may be various equivalents and modified examples that can replace them at the time of filing this application.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. It should be noted that, where possible, identical components are represented by identical reference numerals throughout the drawings. Furthermore, detailed descriptions of well-known functions and structures that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some components in the attached drawings are exaggerated, omitted, or schematically depicted, and the sizes of each component do not fully reflect their actual sizes.
또한, 본 명세서에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.In addition, the expressions such as upper, upper, lower, lower, side, front, rear, etc. in this specification are expressed based on the direction shown in the drawing, and it is to be noted in advance that they may be expressed differently if the direction of the object in question changes.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)에 대해 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a battery module (100) according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈(100)의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 I-I' 선에 따른 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 냉각부(140)의 사시도이다. 또한, 도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 모듈(100)의 변형예를 도시한 단면도이고, 도 6 내지 도 8은 도 2 및 도 3에 도시된 냉각부(140)의 여러가지 변형예를 도시한 평면도 및 단면도이며, 도 9는 도 6에 도시된 유로구조를 갖는 냉각 플레이트(150)에 대하여 열전소자(141)가 구동되지 않은 상태에서 냉매가 흐를 때의 셀 적층체(110)의 온도분포를 도시한 온도분포도이며, 도 10은 도 3에 도시된 배터리 모듈(100)에서 열 흐름(Q)을 도시한 개략도이다. 도 9는 배터리 셀(111)의 온도분포를 명확히 도시하기 위하여 모듈 하우징(120) 및 모듈 하우징(120)의 바닥에 설치된 냉각부(140)를 생략한 상태를 나타내고 있다. FIG. 1 is a perspective view of a battery module (100) according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module (100) illustrated in FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line I-I' of FIG. 1, and FIG. 4 is a perspective view of a cooling unit (140) illustrated in FIG. 2. In addition, FIG. 5 is a cross-sectional view showing a modified example of the battery module (100) shown in FIGS. 2 and 3, and FIGS. 6 to 8 are plan views and cross-sectional views showing various modified examples of the cooling unit (140) shown in FIGS. 2 and 3, and FIG. 9 is a temperature distribution diagram showing the temperature distribution of the cell stack (110) when the refrigerant flows in a state where the thermoelectric element (141) is not driven for the cooling plate (150) having the flow path structure shown in FIG. 6, and FIG. 10 is a schematic diagram showing the heat flow (Q) in the battery module (100) shown in FIG. 3. FIG. 9 shows a state where the module housing (120) and the cooling unit (140) installed on the bottom of the module housing (120) are omitted in order to clearly show the temperature distribution of the battery cell (111).
도 1 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 셀 적층체(110), 모듈 하우징(120) 및 냉각부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 10, a battery module (100) according to one embodiment of the present invention may be configured to include a cell stack (110), a module housing (120), and a cooling unit (140).
먼저, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 적층체(110)는 배터리 셀(111)이 다수 개 적층되어 구성된다. 본 실시예에서 배터리 셀(111)은 좌우 방향(또는 수평 방향)으로 적층된다. 그러나 필요에 따라 배터리 셀(111)을 상하 방향으로 적층하도록 구성하는 것도 가능하다. First, as illustrated in FIGS. 2 and 3, the cell stack (110) is configured by stacking a plurality of battery cells (111). In the present embodiment, the battery cells (111) are stacked in the left-right direction (or horizontal direction). However, it is also possible to stack the battery cells (111) in the vertical direction as needed.
각각의 배터리 셀(111)은 일 예로서 파우치형(pouched type) 이차전지로 구성될 수 있으며, 전극 리드(111a)가 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있다. Each battery cell (111) may be configured as a pouch-type secondary battery, for example, and may have a structure in which the electrode lead (111a) protrudes outward.
배터리 셀(111)은 용기 형태로 형성된 파우치(외장재) 내에 전극 조립체(미도시) 및 전해액(미도시)이 수용된 형태로 구성될 수 있다. 전극 조립체는 다수의 전극판을 구비하며 파우치 내에 수납된다. 여기서, 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되며, 전극 조립체는 양극판과 음극판의 넓은 면이 서로 마주보도록 한 상태에서 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 구성될 수 있다. 다수의 양극판과 다수의 음극판에는 각각 전극탭이 구비되며, 서로 동일한 극성끼리 접촉하여 동일한 전극 리드(111a)에 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 배터리 셀(111)의 경우 2개의 전극 리드(111a)는 서로 반대 방향을 향하도록 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 동일한 방향을 향하되 서로 높이를 달리 하여 배치되는 것도 가능하다. 그리고, 파우치(미도시)는 용기 형태로 형성되어 전극 조립체 및 전해액(미도시)이 수용되는 내부 공간을 제공한다. 이때, 전극 조립체의 전극 리드(111a)는 일부가 파우치의 외부로 노출될 수 있다. The battery cell (111) may be configured in a form in which an electrode assembly (not shown) and an electrolyte (not shown) are accommodated in a pouch (external material) formed in a container shape. The electrode assembly includes a plurality of electrode plates and is accommodated in the pouch. Here, the electrode plates include a positive electrode plate and a negative electrode plate, and the electrode assembly may be configured in a form in which the positive and negative electrode plates are laminated with a separator interposed therebetween, with the wide surfaces of the positive and negative electrode plates facing each other. The plurality of positive and negative electrode plates are each provided with electrode tabs, and can be connected to the same electrode lead (111a) by contacting each other with the same polarity. In the case of the battery cell (111) illustrated in FIG. 2, the two electrode leads (111a) are illustrated as being arranged facing opposite directions, but they may also be arranged facing the same direction but at different heights. In addition, the pouch (not shown) is formed in a container shape and provides an internal space in which the electrode assembly and the electrolyte (not shown) are accommodated. At this time, a portion of the electrode lead (111a) of the electrode assembly may be exposed to the outside of the pouch.
이와 같이 구성되는 배터리 셀(111)은 충전 및 방전이 가능한 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지 또는 리튬 이온(Li-ion) 전지일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 배터리 셀(111)은 3면 실링 구조를 갖는 파우치형(pouch type) 이차전지일 수 있다. 3면 실링 구조의 파우치형 이차전지는, 전극 리드(111a)가 외부로 노출되는 영역과 적층되었을 때 상부에 해당하는 영역을 열 압착 방식에 의해 실링하되 적층되었을 때 하부에 해당하는 영역에는 실링부를 형성하지 않음으로써 별도의 구조물 없이 파우치형 이차전지를 하우징 내에 적층시킬 수 있는 장점이 있으며, 열전달 부재(TA)와의 넓은 접촉면적을 통해 안정적으로 방열을 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 4면 실링 구조를 갖는 파우치형 이차전지나, 각형이나 원형의 형상을 갖는 캔형(can type) 이차전지로 구성되는 것도 가능하다.The battery cell (111) configured in this manner may be a nickel-metal hydride (Ni-MH) battery or a lithium-ion (Li-ion) battery that can be charged and discharged. In addition, in an embodiment of the present invention, the battery cell (111) may be a pouch-type secondary battery having a three-sided sealing structure. The pouch-type secondary battery having a three-sided sealing structure has the advantage of being able to be stacked in a housing without a separate structure by sealing the area where the electrode lead (111a) is exposed to the outside and the area corresponding to the upper portion when stacked by a thermal compression method, but not forming a sealing portion in the area corresponding to the lower portion when stacked, and has the advantage of being able to stably dissipate heat through a large contact area with a heat transfer member (TA). However, the present invention is not limited thereto, and may also be configured as a pouch-type secondary battery having a four-sided sealing structure, or a can-type secondary battery having a square or circular shape.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 모듈 하우징(120)은 배터리 모듈(100)의 외관을 형성하며, 복수 개의 배터리 셀(111)이 적층되어 형성된 셀 적층체(110)의 외부에 배치되어 외부 환경으로부터 배터리 셀(111)을 보호한다. Referring to FIGS. 1 to 3, the module housing (120) forms the exterior of the battery module (100) and is placed on the exterior of a cell stack (110) formed by stacking a plurality of battery cells (111) to protect the battery cells (111) from the external environment.
모듈 하우징(120)은 일 예로서 일측이 개방된 단면 형상을 갖는 하우징 몸체(121)와, 하우징 몸체(121)와 합형되어 내부공간을 형성하는 하우징 커버(125)를 포함하여 구성될 수 있다. As an example, the module housing (120) may be configured to include a housing body (121) having a cross-sectional shape with one side open, and a housing cover (125) that is combined with the housing body (121) to form an internal space.
또한, 모듈 하우징(120)에는 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)에 의해 형성된 내부공간을 덮도록 모듈 하우징(120)의 길이방향 전면과 후면에 엔드 플레이트(126)가 결합될 수 있다.Additionally, an end plate (126) may be coupled to the longitudinal front and rear sides of the module housing (120) to cover the internal space formed by the housing body (121) and the housing cover (125).
이러한 모듈 하우징(120)의 내부공간에는 셀 적층체(110)가 배치될 수 있다. 모듈 하우징(120)을 구성하는 적어도 일면은 배터리 셀(111)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열 플레이트로서 기능할 수 있다.A cell stack (110) may be arranged in the internal space of the module housing (120). At least one surface of the module housing (120) may function as a heat dissipation plate that dissipates heat generated from the battery cells (111) to the outside.
하우징 몸체(121)는 일측이 개방된 U형 단면을 형성하기 위하여, 배터리 셀(111)의 하부를 지지하는 하부 플레이트(122)와, 하부 플레이트(122)의 폭방향 양단에서 상하방향(도 2에서 상측)으로 연장되며 배터리 셀(111)의 측면을 지지하는 측면 플레이트(123)를 포함할 수 있다. The housing body (121) may include a lower plate (122) that supports the lower portion of the battery cell (111) to form a U-shaped cross-section with one side open, and a side plate (123) that extends upward and downward (upper side in FIG. 2) from both ends of the lower plate (122) in the width direction and supports the side surface of the battery cell (111).
이때, 하우징 몸체(121)는 하부 플레이트(122)와 측면 플레이트(123)가 일체형으로 이루어지는 구조를 가질 수 있다. 또한, 하우징 몸체(121)는 폭방향 단면이 길이방향을 따라 일정한 형상을 가질 수 있으며, 이 경우 하우징 몸체(121)는 압출공정에 의해 제조될 수 있다. 다만, 필요에 따라 측면 플레이트(123)와 하부 플레이트(122)를 독립적인 구성 요소들로 구성한 후 결합/접합하여 하우징 몸체(121)를 구성하는 것도 가능하다. 측면 플레이트(123)는 좌우방향으로 적층 배치된 셀 적층체(110)의 측면(넓은 면)에 대응하여 배터리 셀(111)의 측면을 지지한다. 이때, 배터리 셀(111)의 측면은 측면 플레이트(123)와 직접 접촉할 수도 있으나, 측면 플레이트(123)와 배터리 셀(111)의 측면 사이에 방열 패드나 완충 패드(미도시)가 개재되는 것도 가능하다. 또한, 하우징 커버(125)는 하부 플레이트(122)와 대향하여 배치되며 측면 플레이트(123)의 상측 단부와 연결될 수 있다. 따라서 하우징 커버(125)가 측면 플레이트(123)를 덮는 형태로 하우징 몸체(121)에 결합되면, 하우징 커버(125)와 하우징 몸체(121)는 내부가 빈 관형 부재의 형상을 갖는다. At this time, the housing body (121) may have a structure in which the lower plate (122) and the side plate (123) are formed as an integral part. In addition, the housing body (121) may have a shape in which the widthwise cross-section is constant along the lengthwise direction, and in this case, the housing body (121) may be manufactured by an extrusion process. However, if necessary, it is also possible to form the housing body (121) by forming the side plate (123) and the lower plate (122) as independent components and then combining/attaching them. The side plate (123) supports the side surface of the battery cell (111) corresponding to the side surface (wide surface) of the cell stack (110) that is stacked left and right. At this time, the side surface of the battery cell (111) may be in direct contact with the side plate (123), but it is also possible for a heat dissipation pad or a buffer pad (not shown) to be interposed between the side plate (123) and the side surface of the battery cell (111). In addition, the housing cover (125) is positioned opposite the lower plate (122) and can be connected to the upper end of the side plate (123). Therefore, when the housing cover (125) is coupled to the housing body (121) in a form that covers the side plate (123), the housing cover (125) and the housing body (121) have the shape of a tubular member with an empty interior.
하우징 몸체(121)는 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하우징 몸체(121)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 하우징 몸체(121)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다. 또한, 하우징 커버(125)는 하우징 몸체(121)와 마찬가지로 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 일 예로서, 하우징 커버(125)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 하우징 커버(125)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.The housing body (121) may be made of a material with high thermal conductivity, such as metal. For example, the housing body (121) may be made of aluminum. However, the material of the housing body (121) is not limited thereto, and various materials may be used as long as they have strength and thermal conductivity similar to metal, even if they are not metal. In addition, the housing cover (125), like the housing body (121), may be made of a material with high thermal conductivity, such as metal. As an example, the housing cover (125) may be made of aluminum. However, the material of the housing cover (125) is not limited thereto, and various materials may be used as long as they have strength and thermal conductivity similar to metal, even if they are not metal.
그리고, 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)의 결합은 측면 플레이트(123)와 하우징 커버(125)의 접촉면을 용접(예를 들어, 레이저 용접 등)함으로써 수행될 수 있다. 다만, 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)의 결합은 전술한 용접 결합에 한정되는 것은 아니며, 슬라이딩 방식이나 본딩으로 결합하거나, 볼트나 나사 등의 고정 부재를 이용하여 결합하는 등 다양한 변형이 가능하다.In addition, the combination of the housing body (121) and the housing cover (125) can be performed by welding (e.g., laser welding, etc.) the contact surface of the side plate (123) and the housing cover (125). However, the combination of the housing body (121) and the housing cover (125) is not limited to the welding combination described above, and various modifications are possible, such as combining by sliding or bonding, or combining using fixing members such as bolts or screws.
한편, 엔드 플레이트(126)는 배터리 셀(111)의 전극 리드(111a)가 배치되는 양 측면, 즉 모듈 하우징(120)의 길이방향 전면과 후면에 각각 결합되어 모듈 하우징(120)의 개방된 전면과 후면을 덮도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(126)는 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)에 결합되어 하우징 몸체(121), 하우징 커버(125)와 함께 배터리 모듈(100)의 외관을 형성한다. Meanwhile, the end plate (126) may be configured to be coupled to both sides where the electrode leads (111a) of the battery cell (111) are arranged, i.e., the longitudinal front and rear sides of the module housing (120), respectively, to cover the open front and rear sides of the module housing (120). As illustrated in FIG. 2, the end plate (126) is coupled to the housing body (121) and the housing cover (125) to form the exterior of the battery module (100) together with the housing body (121) and the housing cover (125).
엔드 플레이트(126)는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있으며 다이캐스팅이나 압출/프레스 등의 공정으로 제작 가능하다. 또한, 엔드 플레이트(126)는 후술하는 절연 커버(130)의 접속 단자(132)를 외부로 노출시키기 위한 관통 구멍(126a)을 구비할 수 있다. 엔드 플레이트(126)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 하우징 몸체(121) 및 하우징 커버(125)에 결합될 수 있다. 그러나, 엔드 플레이트(126)의 결합방식은 이에 한정되는 것은 아니다. The end plate (126) may be formed of a metal such as aluminum and may be manufactured through processes such as die casting or extrusion/pressing. In addition, the end plate (126) may be provided with a through hole (126a) for exposing the connection terminal (132) of the insulating cover (130) described below to the outside. The end plate (126) may be coupled to the housing body (121) and the housing cover (125) through a fixing member such as a screw or bolt. However, the coupling method of the end plate (126) is not limited thereto.
도 2를 참조하면, 엔드 플레이트(126)와 셀 적층체(110) 사이에는 절연 커버(130)가 개재될 수 있다. 절연 커버(130)는 배터리 셀(111)의 전극 리드(111a)가 배치된 일면 또는 양면에 결합된다. 전극 리드(111a)는 절연 커버(130)의 몸체를 관통하여 절연 커버(130)의 외측에서 버스바(미도시)에 의해 동일한 극성끼리 상호 연결된다. 이를 위해 절연 커버(130)에는 전극 리드(111a)가 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(도면부호 미부여)이 구비될 수 있다.Referring to Fig. 2, an insulating cover (130) may be interposed between the end plate (126) and the cell stack (110). The insulating cover (130) is coupled to one or both sides where the electrode leads (111a) of the battery cells (111) are arranged. The electrode leads (111a) penetrate the body of the insulating cover (130) and are interconnected with the same polarity by a bus bar (not shown) on the outside of the insulating cover (130). For this purpose, the insulating cover (130) may be provided with a plurality of through holes (not given a drawing symbol) into which the electrode leads (111a) are inserted and arranged.
또한, 절연 커버(130)에는 외부와의 연결을 위한 접속 단자(132)가 구비될 수 있다. 따라서 배터리 셀(111)은 접속 단자(132)를 통해 외부와 전기적으로 연결되며, 이를 위해 전극 리드(111a)는 절연 커버(130)에 구비되는 회로 배선(미도시)을 통해 접속 단자(132)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 회로 배선은 동 재질로 구성된 버스바를 통해 모듈의 직렬/병렬 연결에 따른 전기적 연결을 수행할 수 있다. 접속 단자(132)는 도 2에 도시된 바와 같이 엔드 플레이트(126)에 형성된 관통 구멍(126a)을 통해 외부로 노출된다. 따라서 관통 구멍(126a)은 접속 단자(132)의 크기와 형상에 대응하는 크기로 형성될 수 있다. In addition, the insulating cover (130) may be provided with a connection terminal (132) for connection to the outside. Accordingly, the battery cell (111) is electrically connected to the outside through the connection terminal (132), and for this purpose, the electrode lead (111a) may be electrically connected to the connection terminal (132) through a circuit wiring (not shown) provided in the insulating cover (130). This circuit wiring may perform electrical connection according to the series/parallel connection of the module through a bus bar made of the same material. The connection terminal (132) is exposed to the outside through a through hole (126a) formed in the end plate (126), as illustrated in FIG. 2. Therefore, the through hole (126a) may be formed in a size corresponding to the size and shape of the connection terminal (132).
한편, 배터리 셀(111)에서 발생된 열을 모듈 하우징(120)에 효과적으로 전달할 수 있도록 배터리 셀(111)과 하우징 몸체(121)의 하부 플레이트(122) 사이에는 열전달 부재(TA)가 설치될 수 있다. 열전달 부재(TA)는 일측(상측)이 배터리 셀(111)에 접촉하고 타측(하측)이 모듈 하우징(120)에 접촉하여 배터리 셀(111)에서 발생한 열을 모듈 하우징(120)으로 전달하게 된다. Meanwhile, a heat transfer member (TA) may be installed between the battery cell (111) and the lower plate (122) of the housing body (121) so as to effectively transfer heat generated from the battery cell (111) to the module housing (120). The heat transfer member (TA) has one side (upper side) in contact with the battery cell (111) and the other side (lower side) in contact with the module housing (120) so as to transfer heat generated from the battery cell (111) to the module housing (120).
열전달 부재(TA)는 배터리 셀(111)로부터 냉각 플레이트(150)로의 방열을 위하여 배터리 셀(111)의 하면(실링부가 형성되지 않은 면)과 모듈 하우징(120)의 내부면 사이에 위치할 수 있다. 이와 같이, 실링부가 형성되지 않은 면이 넓은 면적에 걸쳐 열전달 부재(TA)를 통해 모듈 하우징(120)에 연결되는 경우, 배터리 셀(111)에서 발생한 열이 모듈 하우징(120)을 통하여 쉽게 방출될 수 있다.A heat transfer member (TA) may be positioned between the lower surface (surface where no sealing portion is formed) of the battery cell (111) and the inner surface of the module housing (120) to dissipate heat from the battery cell (111) to the cooling plate (150). In this way, when the surface where no sealing portion is formed is connected to the module housing (120) through the heat transfer member (TA) over a wide area, heat generated in the battery cell (111) can be easily released through the module housing (120).
열전달 부재(TA)는 열전달이 잘 이루어지도록 하기 위하여 열전도성 그리스(thermal grease), 열전도성 접착제(thermal adhesive), 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 열전달 부재(TA)는 배터리 셀(111)의 하면과 하부 플레이트(122)의 상면 사이에 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포될 수 있다. 이와 같이, 배터리 셀(111)에서 발생한 열은 열전달 부재(TA)의 높은 열전도성으로 인해 하부 플레이트(122)에 효과적으로 전달될 수 있고, 이후 냉각부(140)를 통해 충분한 방열이 이루어질 수 있다. 또한, 본 실시예의 열전달 부재(TA)는 높은 절연성을 갖도록 구성되는 것도 가능하며, 예를 들어 절연 내력(Dielectric strength)이 10 ~ 30 KV/mm 의 범위인 물질이 이용될 수도 있다. 이와 같이 절연성이 높은 물질이 사용되는 경우, 배터리 셀(111)에서 부분적으로 절연이 파괴되더라도 배터리 셀(111) 주변에 배치된 열전달 부재(TA)에 의해 배터리 셀(111)과 모듈 하우징(120) 간의 절연이 유지될 수 있다.The heat transfer member (TA) may be configured to include at least some of thermal grease, thermal adhesive, thermal conductive epoxy, and heat dissipation pad to ensure good heat transfer, but is not limited thereto. In addition, the heat transfer member (TA) may be formed in the form of a pad between the lower surface of the battery cell (111) and the upper surface of the lower plate (122). It can be placed, or applied in a liquid or gel state. In this way, the heat generated in the battery cell (111) can be effectively transferred to the lower plate (122) due to the high thermal conductivity of the heat transfer member (TA), and then sufficient heat can be dissipated through the cooling unit (140). In addition, the heat transfer member (TA) of the present embodiment can also be configured to have high insulation, and for example, a material having a dielectric strength in the range of 10 to 30 KV/mm can be used. In the case where a material having high insulation is used, even if the insulation in the battery cell (111) is partially destroyed, the insulation between the battery cell (111) and the module housing (120) can be maintained by the heat transfer member (TA) placed around the battery cell (111).
다음으로, 도 2 내지 도 10을 참조하여 냉각부(140)에 대해 설명한다.Next, the cooling unit (140) will be described with reference to FIGS. 2 to 10.
냉각부(140)는 모듈 하우징(120)에 부착되며, 냉매를 이용하여 모듈 하우징(120)을 냉각하게 된다. 냉매는 냉각수 또는 냉각수에 첨가물질이 추가된 냉각액체로 이루어질 수 있다. 냉각부(140)는 냉각 플레이트(150)와, 냉각 플레이트(150)의 외측면에 설치되는 열전소자(141)와, 열전소자(141)와 냉각 플레이트(150)의 외측면 사이에 배치되는 제1 열전달 부재(145)를 구비할 수 있다.The cooling unit (140) is attached to the module housing (120) and cools the module housing (120) using a refrigerant. The refrigerant may be formed of cooling water or a cooling liquid with an additive added to the cooling water. The cooling unit (140) may include a cooling plate (150), a thermoelectric element (141) installed on the outer surface of the cooling plate (150), and a first heat transfer member (145) arranged between the thermoelectric element (141) and the outer surface of the cooling plate (150).
냉각 플레이트(150)는 냉매가 유동하는 유로공간(153)을 형성하기 위하여 함몰된 형태의 몸체부(151)를 구비할 수 있다. 즉, 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)에는 함몰된 형태의 베이스부(152)가 형성되고, 함몰된 부분은 유로공간(153)을 형성하게 된다. 또한, 냉각 플레이트(150)는 냉매가 유입되는 유입구(도 6 내지 9의 IN)와 냉매가 유출되는 유출구(도 6 내지 9의 OUT)를 구비하며, 펌프, 냉매 탱크 등을 포함하는 냉각 시스템(미도시)과 연결될 수 있다. 냉각 시스템은 다량의 냉매가 순환할 수 있는 구조를 가질 수 있다.The cooling plate (150) may have a body portion (151) that is sunken in order to form a passage space (153) through which the refrigerant flows. That is, a base portion (152) that is sunken in is formed in the body portion (151) of the cooling plate (150), and the sunken portion forms the passage space (153). In addition, the cooling plate (150) has an inlet port (IN of FIGS. 6 to 9) through which the refrigerant flows in and an outlet port (OUT of FIGS. 6 to 9) through which the refrigerant flows out, and may be connected to a cooling system (not shown) including a pump, a refrigerant tank, etc. The cooling system may have a structure through which a large amount of refrigerant can circulate.
냉각 플레이트(150)는 베이스부(152)와, 베이스부(152)로부터 셀 적층체(110) 또는 유로공간(153)을 향하여 돌출되어 외측면에 함몰된 공간을 형성하는 돌출부(154, 155)를 포함할 수 있다. The cooling plate (150) may include a base portion (152) and a protrusion (154, 155) that protrudes from the base portion (152) toward the cell stack (110) or the flow path space (153) and forms a recessed space on the outer surface.
돌출부(154, 155)는 유입구(IN)를 통해 유입된 냉매가 유로공간(153)을 통해 유동하는 과정에서 냉매에 불규칙한 흐름을 형성하여 모듈 하우징(120)으로부터 냉각부(140)에 전달된 열이 냉매에 고르게 흡수되도록 하는 복수의 돌기부(예를 들어 딤플 구조물)(155)를 포함하여 구성될 수 있다. 돌기부(155)는 유로공간(153)의 형상을 유지하기 위하여 모듈 하우징(120)을 지지하도록 구성될 수 있다. The protrusions (154, 155) may be configured to include a plurality of protrusions (e.g., dimple structures) (155) that form an irregular flow in the refrigerant as it flows through the flow path space (153) through the inlet (IN), so that the heat transferred from the module housing (120) to the cooling unit (140) is evenly absorbed by the refrigerant. The protrusions (155) may be configured to support the module housing (120) in order to maintain the shape of the flow path space (153).
또한, 돌출부(154, 155)는 냉매가 유입구(IN)로부터 유출구(OUT)로 유동할 수 있도록 냉매의 유동을 가이드하는 격벽부(154)를 포함하여 구성될 수 있다. 격벽부(154)는 베이스부(152)로부터 셀 적층체(110)를 향하여 돌출되는 형상을 가지며 유로공간(153)의 형상을 유지하기 위하여 모듈 하우징(120)을 지지하도록 구성될 수 있다. 이러한 격벽부(154)는 유로공간(153)을 구획하여 냉매의 유동방향을 따라 연장된 형상을 가지며 유로공간(153)을 복수개로 구획하게 된다. In addition, the protrusions (154, 155) may be configured to include a baffle portion (154) that guides the flow of the refrigerant so that the refrigerant can flow from the inlet (IN) to the outlet (OUT). The baffle portion (154) has a shape that protrudes from the base portion (152) toward the cell stack (110) and may be configured to support the module housing (120) to maintain the shape of the flow path space (153). This baffle portion (154) has a shape that extends along the flow direction of the refrigerant to partition the flow path space (153) and partitions the flow path space (153) into a plurality of sections.
예를 들어, 격벽부(154)는 도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이 유입구(IN)로부터 냉매가 유입되는 영역과 냉매가 유출구(OUT)로 유출되는 영역을 구획하도록 구성될 수 있다. 즉, 도 2, 도 4, 도 6 및 도 7의 실시예에서 냉각 플레이트(150)는 몸체부(151)의 일측에 유입구(IN)와 유출구(OUT)가 모두 형성되는 구조를 가지며, 격벽부(154)는 냉매가 U자 형상의 유로를 형성하도록 냉매의 유동을 안내할 수 있다. 이와는 달리, 격벽부(154)는 몸체부(151)에 복수 개가 형성되어 유입구(IN)로부터 유입된 냉매가 복수개의 영역으로 분리되어 유동하도록 유로공간(153)을 구획할 수 있다. 냉매는 격벽부(154) 사이의 유로공간(153)을 흐른 후 유출구(OUT)를 통하여 배출될 수 있다. 예를 들어, 도 8의 실시예에서 냉각 플레이트(150)는 몸체부(151)의 일측에 유입구(IN)가 형성되고 몸체부(151)의 타측에 유출구(OUT)가 형성되는 구조를 가질 수 있으며, 격벽부(154)는 유입구(IN)로부터 유출구(OUT) 방향으로 냉매의 유동을 안내하게 된다.For example, the partition wall (154) may be configured to divide an area into which refrigerant flows in from an inlet (IN) and an area into which refrigerant flows out from an outlet (OUT), as illustrated in FIGS. 2 to 8. That is, in the embodiments of FIGS. 2, 4, 6, and 7, the cooling plate (150) has a structure in which both an inlet (IN) and an outlet (OUT) are formed on one side of the body (151), and the partition wall (154) can guide the flow of the refrigerant so that the refrigerant forms a U-shaped flow path. Alternatively, a plurality of partition walls (154) may be formed on the body (151) to divide the flow path space (153) so that the refrigerant flowing in from the inlet (IN) is separated into a plurality of areas and flows. The refrigerant may flow through the flow path space (153) between the partition walls (154) and then be discharged through the outlet (OUT). For example, in the embodiment of FIG. 8, the cooling plate (150) may have a structure in which an inlet (IN) is formed on one side of the body part (151) and an outlet (OUT) is formed on the other side of the body part (151), and the partition wall part (154) guides the flow of refrigerant from the inlet (IN) toward the outlet (OUT).
또한, 냉각 플레이트(150)는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 돌기부(155)와 격벽부(154)를 모두 구비하는 것도 가능하고 도 8에 도시된 바와 같이 격벽부(154)만을 구비하는 것도 가능하다. 도 8에서는 냉각 플레이트(150)에 격벽부(154)만 설치되는 구성을 도시하고 있지만 격벽부(154) 사이의 공간에 돌기부(155)가 구비될 수도 있다.In addition, the cooling plate (150) may be provided with both a protrusion (155) and a partition wall (154) as shown in FIGS. 2 to 7, or may be provided with only a partition wall (154) as shown in FIG. 8. FIG. 8 illustrates a configuration in which only a partition wall (154) is installed on the cooling plate (150), but a protrusion (155) may also be provided in the space between the partition walls (154).
한편, 냉각 플레이트(150)에 형성되는 유입구(IN)와 유출구(OUT)의 설치 위치 및 개수, 격벽부(154)나 돌기부(155)의 설치위치, 형상 및 개수는 다양한 변경이 가능하다.Meanwhile, the installation positions and number of inlets (IN) and outlets (OUT) formed on the cooling plate (150), and the installation positions, shapes, and numbers of bulkheads (154) and protrusions (155) can be changed in various ways.
이러한 돌기부(155)와 격벽부(154)는 프레싱 공정 등을 통하여 형성될 수 있으며 이에 따라 돌기부(155)와 격벽부(154)의 외측면에는 함몰된 공간이 형성될 수 있다. These protrusions (155) and partition walls (154) can be formed through a pressing process or the like, and accordingly, a sunken space can be formed on the outer surface of the protrusions (155) and partition walls (154).
한편, 도 2 내지 도 4, 도 6 내지 도 8은 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)가 한 장의 플레이트로 구성되어 모듈 하우징(120)에 결합되며, 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)와 모듈 하우징(120) 사이에 유로공간(153)이 형성되는 경우를 도시하고 있으나, 냉각 플레이트(150)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)는 상하 2장의 플레이트로 구성된 제1 몸체(151a)와 제2 몸체(151b)가 접합되어 구성되며, 제1 몸체(151a)와 제2 몸체(151b) 사이에 유로공간(153)이 형성되는 구조를 갖는 것도 가능하다. 예를 들어, 제1 몸체(151a)에는 베이스부(152)와 돌출부(154)가 형성되고 제2 몸체(151b)는 제1 몸체(151a)를 덮도록 구성되어 제1 몸체(151a)와의 사이에 유로공간(153)을 형성할 수 있다. 모듈 하우징(120)의 하면과 제2 몸체(151b)의 상면 사이에는 열전도성 향상을 위하여 실리콘 등의 열전달 물질로 이루어진 열전달 부재(TM)가 배치될 수 있다.Meanwhile, FIGS. 2 to 4 and 6 to 8 illustrate a case in which the body part (151) of the cooling plate (150) is formed of a single plate and is coupled to the module housing (120), and a flow path space (153) is formed between the body part (151) of the cooling plate (150) and the module housing (120), but the structure of the cooling plate (150) is not limited thereto. For example, as illustrated in FIG. 5, the body part (151) of the cooling plate (150) may be formed by joining a first body (151a) and a second body (151b) composed of two upper and lower plates, and may have a structure in which a flow path space (153) is formed between the first body (151a) and the second body (151b). For example, a base portion (152) and a protrusion portion (154) are formed in the first body (151a), and a second body (151b) is configured to cover the first body (151a) so that a flow path space (153) can be formed between the first body (151a). A heat transfer member (TM) made of a heat transfer material such as silicone can be placed between the lower surface of the module housing (120) and the upper surface of the second body (151b) to improve thermal conductivity.
냉각 플레이트(150)는 모듈 하우징(120)으로부터 열이 유로공간(153)을 유동하는 냉매에 전달될 수 있도록 모듈 하우징(120)에 브레이징 등을 통하여 부착되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 냉각 플레이트(150)는 열전도성의 금속 재질로 구성되어 유로공간(153)을 흐르는 냉매의 열을 외부로 방출할 수 있다.The cooling plate (150) may have a structure in which it is attached to the module housing (120) through brazing or the like so that heat from the module housing (120) can be transferred to the refrigerant flowing in the passage space (153). In addition, the cooling plate (150) is made of a thermally conductive metal material so that it can release the heat of the refrigerant flowing in the passage space (153) to the outside.
한편, 냉각 플레이트(150)는 배터리 모듈(100)의 하부에 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 배터리 모듈(100)의 상부, 또는 상부와 하부에 모두 배치되는 것도 가능하다.Meanwhile, the cooling plate (150) may be placed at the bottom of the battery module (100), but is not limited thereto, and may be placed at the top of the battery module (100), or at both the top and bottom.
열전소자(141)는 돌출부(154, 155)의 함몰된 공간에 설치되어 배터리 셀(111)에서 발생하여 모듈 하우징(120)으로 전달된 열을 외부로 방출할 수 있다. 열전소자(141)는 전원 인가에 따라 대향하는 제1 부분(142)과 제2 부분(142) 사이에서 온도 차이를 형성하게 된다. 예를 들면, 열전 소자(141)의 제1 부분(141)과 제2 부분(142) 중 어느 하나는 상대적으로 온도가 높은 고온부를 형성할 수 있고, 나머지 하나는 상대적으로 온도가 낮은 저온부를 형성할 수 있다. 따라서, 열전소자는 전기적인 입력에 따라 제1 부분(141)과 제2 부분(142) 중 어느 하나를 통하여 발열 또는 가열을 하고 나머지 하나를 통해 흡열 또는 냉각을 할 수 있다.The thermoelectric element (141) is installed in the sunken space of the protrusions (154, 155) and can release heat generated in the battery cell (111) and transferred to the module housing (120) to the outside. The thermoelectric element (141) forms a temperature difference between the first part (142) and the second part (142) that face each other depending on the power supply. For example, either the first part (141) or the second part (142) of the thermoelectric element (141) can form a high-temperature part having a relatively high temperature, and the other can form a low-temperature part having a relatively low temperature. Accordingly, the thermoelectric element can generate or heat through either the first part (141) or the second part (142) depending on the electrical input, and absorb or cool through the other one.
열전소자(141)는 배터리 셀(111)에서 모듈 하우징(120)으로 전달된 열이 열전소자(141)에 쉽게 전달될 수 있도록 돌기부(155)와 격벽부(154) 중 적어도 일부는 모듈 하우징(120)과 열적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.The thermoelectric element (141) may be configured such that at least some of the protrusions (155) and the partition walls (154) are in thermal contact with the module housing (120) so that heat transferred from the battery cell (111) to the module housing (120) can be easily transferred to the thermoelectric element (141).
본 명세서 및 청구범위에서 "열적으로 접촉(thermal contact)"이라는 용어는 모듈 하우징(120)의 열이 돌기부(155)나 격벽부(154)에 열전도(heat conduction)에 의해 전달된다는 것을 의미하는 것으로서, 돌기부(155)나 격벽부(154)가 모듈 하우징(120)과 직접적으로 접촉하여 열이 전달되는 경우뿐만 아니라, 열전달 부재나 다른 구성요소를 통하여 모듈 하우징(120)과 간접적으로 접촉하여 열이 전달되는 경우도 포함하는 것으로 한다. 또한, 돌기부(155)와 격벽부(154)는 대향하는 영역 전체에서 모듈 하우징(120)과 열적으로 접촉하지 않고 대향하는 영역 중 일부 영역에서 모듈 하우징(120)과 열적으로 접촉할 수도 있다.The term "thermal contact" in this specification and claims means that heat of the module housing (120) is transferred to the protrusion (155) or the partition wall (154) by heat conduction, and includes not only cases where the protrusion (155) or the partition wall (154) directly contacts the module housing (120) and heat is transferred, but also cases where the protrusion (155) or the partition wall (154) indirectly contacts the module housing (120) and heat is transferred through a heat transfer member or other component. In addition, the protrusion (155) and the partition wall (154) may not be in thermal contact with the module housing (120) over the entire opposing area, but may be in thermal contact with the module housing (120) in some areas of the opposing area.
열전소자(141)는 냉각 플레이트(150)의 격벽부(154)와 돌기부(155) 전체에 걸쳐 설치될 수 있으나, 설치 비용 절감을 위하여 격벽부(154)와 돌기부(155) 중 일부 또는 일부 영역에 대해서만 설치될 수 있다.The thermoelectric element (141) can be installed over the entire bulkhead (154) and protrusion (155) of the cooling plate (150), but in order to reduce installation costs, it can be installed only over a part or a portion of the bulkhead (154) and the protrusion (155).
도 9를 참조하여 열전소자(141)가 구동되지 않은 상태에서 냉매가 흐를 때의 셀 적층체(110)의 온도분포를 살펴보면, 냉매의 유동 경로를 기준으로 유입구(IN)에 인접한 셀 적층체(110)의 부분보다 유출구(OUT)에 인접한 셀 적층체(110) 부분의 온도가 높게 형성된다. 유입구(IN)로 유입된 냉매는 유로공간(153)을 흐르면서 모듈 하우징(120)과 열교환하여 그 온도가 상승한 상태로 유출구(OUT)를 통해 배출된다. 이때, 셀 적층체(110) 중에서 냉각부(140)가 설치된 하면은 냉매와의 열교환을 통하여 온도가 하강하고 셀 적층체(110)의 측면은 모듈 하우징(120) 주변의 공기와의 열교환을 통하여 온도가 하강하게 되므로, 도 9에 도시된 바와 같이 유출구(OUT) 부분의 셀 적층체(110)보다는 유출구(OUT)와 약간의 거리를 두고 인접한 위치의 셀 적층체(110) 영역에 고온부위(HA)가 형성될 수 있다. 이와 같이 셀 적층체(110)가 고온부위(HA)가 되는 영역에서는 냉매의 온도도 높아질 수 있다.Referring to Fig. 9, when the temperature distribution of the cell stack (110) is examined when the refrigerant flows while the thermoelectric element (141) is not driven, the temperature of the portion of the cell stack (110) adjacent to the outlet (OUT) is formed higher than that of the portion of the cell stack (110) adjacent to the inlet (IN) based on the flow path of the refrigerant. The refrigerant introduced into the inlet (IN) flows through the flow path (153) and exchanges heat with the module housing (120) to be discharged through the outlet (OUT) with its temperature increased. At this time, the temperature of the lower surface of the cell stack (110) where the cooling unit (140) is installed decreases through heat exchange with the refrigerant, and the temperature of the side surface of the cell stack (110) decreases through heat exchange with the air around the module housing (120). Therefore, as shown in FIG. 9, a high temperature area (HA) may be formed in an area of the cell stack (110) adjacent to the outlet (OUT) at a slight distance, rather than in the area of the cell stack (110) at the outlet (OUT). In this way, the temperature of the refrigerant may also increase in an area where the cell stack (110) becomes the high temperature area (HA).
이러한 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도 분포를 고려하여 열전소자(142)는 베이스부(152)의 외측면에 비대칭적으로 설치될 수 있다. Considering the temperature distribution of the cell stack (110) and/or the refrigerant, the thermoelectric element (142) may be installed asymmetrically on the outer surface of the base portion (152).
또한, 열전소자(141)는 유로공간(153)으로 냉매가 유입되는 영역에 대응하는 베이스부(152)의 외측면보다 유로공간(153) 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 대응하는 베이스부(152)의 외측면에 더 많이 설치될 수 있다. 즉, 열전소자(142)는 유입구(IN)에 인접한 영역보다는 유출구(OUT)에 인접한 영역, 즉 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에 더 많은 수의 돌기부(155)나 격벽부(154)에 설치될 수 있다.In addition, the thermoelectric elements (141) may be installed more on the outer surface of the base portion (152) corresponding to the area where the refrigerant flows out of the passage space (153) than on the outer surface of the base portion (152) corresponding to the area where the refrigerant flows in to the passage space (153). That is, the thermoelectric elements (142) may be installed on a greater number of protrusions (155) or baffles (154) in an area adjacent to the outlet (OUT) than in an area adjacent to the inlet (IN), i.e., an area where the temperature of the cell stack (110) and/or the refrigerant is high.
예를 들어, 도 4에서 진하게 표시된 부분, 도 6의 평면도에서 하나의 원으로 표시된 부분, 도 7의 평면도에서 사각형으로 표시된 부분은 열전소자(141)가 설치된 돌기부(155)를 나타내고 있으며, 유입구(IN)에 인접한 부분보다 유출구(OUT)에 인접한 부분에 열전소자(141)가 더 많이 설치되는 실시예를 도시하고 있다.For example, the part indicated in bold in FIG. 4, the part indicated by a circle in the plan view of FIG. 6, and the part indicated by a square in the plan view of FIG. 7 represent a protrusion (155) on which a thermoelectric element (141) is installed, and an embodiment is illustrated in which more thermoelectric elements (141) are installed in the part adjacent to the outlet (OUT) than in the part adjacent to the inlet (IN).
도 8을 참조하면, 열전소자(141)는 격벽부(154)의 함몰된 공간 중에서 유로공간(153) 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 설치될 수 있다. 예를 들어, 유입구(IN)로부터 열전소자(141)가 격벽부(154)의 함몰된 공간에 설치되는 위치까지의 길이(L1)는 유로공간(153)의 전체 길이(L)의 절반 이상이 되는 위치로 설정될 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이 열전소자(141)는 격벽부(154)의 길이방향을 따라 길게 설치되는 구조를 가질 수 있다. 다만, 도 8은 일 실시예를 도시한 것으로서 격벽부(154)에 작은 크기(예를 들어 돌기부에 설치된 열전소자의 크기)의 열전소자(141)가 연이어서 또는 서로 이격된 상태로 복수개 설치될 수 있으며, 유입구(IN)에 인접한 격벽부(154)의 영역에도 열전소자(141)가 설치되는 것도 가능하다. 또한, 도 2 내지 도 7에 도시된 실시예의 격벽부(142)에도 열전소자(141)가 설치될 수도 있다.Referring to Fig. 8, the thermoelectric element (141) may be installed in an area where the refrigerant flows out of the flow passage space (153) among the sunken spaces of the partition wall portion (154). For example, the length (L1) from the inlet (IN) to the position where the thermoelectric element (141) is installed in the sunken space of the partition wall portion (154) may be set to a position that is more than half of the total length (L) of the flow passage space (153). In addition, as illustrated in Fig. 8, the thermoelectric element (141) may have a structure in which it is installed long along the longitudinal direction of the partition wall portion (154). However, Fig. 8 illustrates one embodiment, and a plurality of small-sized thermoelectric elements (141) (e.g., the size of a thermoelectric element installed in a protrusion) may be installed in a row or spaced apart from each other in the bulkhead portion (154), and it is also possible for a thermoelectric element (141) to be installed in an area of the bulkhead portion (154) adjacent to the inlet (IN). In addition, a thermoelectric element (141) may also be installed in the bulkhead portion (142) of the embodiments illustrated in Figs. 2 to 7.
한편, 돌기부(155)는 베이스부(152)로부터 돌출된 방향에 수직한 단면이 원형 또는 각형의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 돌기부(155)는 원기둥형, 원뿔대형, 각기둥형, 각뿔대형, 반구형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 냉각 플레이트(150)에 여러 형태의 돌기부(155)가 형성되는 것도 가능하다. 이때, 돌기부(155)에 설치되는 열전소자(141)의 제작 용이성을 위하여 열전소자(141)가 설치되는 돌기부(155)는 도 6 및 도 7에 예시된 바와 같이 원기둥이나 각기둥과 같은 기둥형 구조를 가질 수 있다. 또한, 열전소자(141)의 제작을 보다 용이하게 하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 사각기둥의 구조를 가질 수 있다.Meanwhile, the protrusion (155) may have a circular or angular cross-section perpendicular to the direction in which it protrudes from the base (152). For example, the protrusion (155) may have various shapes such as a cylinder, a frusto-conical shape, a prismatic shape, a pyramidal shape, a hemispherical shape, etc., and it is also possible for various shapes of protrusions (155) to be formed on the cooling plate (150). At this time, in order to facilitate the manufacture of the thermoelectric element (141) installed in the protrusion (155), the protrusion (155) on which the thermoelectric element (141) is installed may have a columnar structure such as a cylinder or a prismatic column, as illustrated in FIGS. 6 and 7. In addition, in order to facilitate the manufacture of the thermoelectric element (141), it may have a square prism structure, as illustrated in FIG. 7.
그리고, 제1 열전달 부재(145)는 열전소자(141)와 돌출부(154, 155) 사이에 배치되어 모듈 하우징(120)으로부터 열전소자(141)에 전달된 열이 제1 열전달 부재(145)를 매개로 하여 돌출부(154, 155)를 통해 외부로 용이하게 배출되도록 할 수 있다. In addition, the first heat transfer member (145) is arranged between the thermoelectric element (141) and the protrusions (154, 155) so that heat transferred from the module housing (120) to the thermoelectric element (141) can be easily discharged to the outside through the protrusions (154, 155) via the first heat transfer member (145).
제1 열전달 부재(145)는 열전달이 잘 이루어지도록 함과 동시에 열전소자(141)를 돌출부(154, 155)의 함몰된 공간에 설치할 수 있도록 하기 위하여 열전도성과 접착성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 열전달 부재(145)는 열전도성 그리스(thermal grease), 열전도성 접착제(thermal adhesive), 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포될 수 있다. The first heat transfer member (145) may be made of a material having thermal conductivity and adhesiveness to ensure good heat transfer and to allow the thermoelectric element (141) to be installed in the sunken space of the protrusion (154, 155). For example, the first heat transfer member (145) may be configured to include at least some of thermal grease, thermal adhesive, thermal conductive epoxy, and heat dissipation pad, but is not limited thereto. In addition, in the form of a pad It can be placed, applied in a liquid or gel state.
도 3 및 도 10을 참조하면, 배터리 셀(111)에서 발생한 열은 열전달 부재(TA)를 통해 모듈 하우징(120)으로 전달되고, 모듈 하우징(120)으로 전달된 열은 모듈 하우징(120)의 하우징 몸체(121)와 열적으로 접촉하는 돌출부(154, 155)에 전달된다. 이때, 열전소자(141)의 제1 부분(142)이 저온부가 되고 제2 부분(143)이 고온부가 되도록 열전소자(141)를 구동시키면 돌출부(154, 155)에 전달된 열은 열전소자(141)의 제1 부분(흡열부)(142)로 흡수된 후 제2 부분(방열부)(143)를 통하여 외부로 방출된다. 제2 부분(143)은 제1 열전달 부재(145)와 접촉하므로 제1 열전달 부재(145)를 통한 방열이 이루어지며 도 11 및 도 12를 통해 후술하는 바와 같이 제2 열전달부재(230) 및 팩 하우징(210)의 하부 하우징(211)을 통하여 배터리 팩(200)의 외부로 방출될 수 있다. 한편, 도 10에서는 방열이 이루어지는 제2 부분(143)에만 제1 열전달 부재(145)가 설치되는 구성을 도시하고 있으나 도 8에 도시된 바와 같이 제1 부분(142)과 제2 부분(143) 모두에 제1 열전달 부재(145)가 설치되는 것도 가능하다.Referring to FIG. 3 and FIG. 10, heat generated in the battery cell (111) is transferred to the module housing (120) through the heat transfer member (TA), and the heat transferred to the module housing (120) is transferred to the protrusions (154, 155) that are in thermal contact with the housing body (121) of the module housing (120). At this time, when the thermoelectric element (141) is driven so that the first part (142) of the thermoelectric element (141) becomes a low-temperature part and the second part (143) becomes a high-temperature part, the heat transferred to the protrusions (154, 155) is absorbed by the first part (heat absorption part) (142) of the thermoelectric element (141) and then released to the outside through the second part (heat dissipation part) (143). Since the second part (143) is in contact with the first heat transfer member (145), heat is dissipated through the first heat transfer member (145), and as described later with reference to FIGS. 11 and 12, heat can be released to the outside of the battery pack (200) through the second heat transfer member (230) and the lower housing (211) of the pack housing (210). Meanwhile, FIG. 10 illustrates a configuration in which the first heat transfer member (145) is installed only in the second part (143) in which heat is dissipated, but as illustrated in FIG. 8, it is also possible for the first heat transfer member (145) to be installed in both the first part (142) and the second part (143).
이와 같이, 냉각 플레이트(150)의 외측면에 설치된 열전소자(141), 그리고 열전소자(141)와 접촉하는 제1 열전달 부재(145)를 통하여 모듈 하우징(120)의 내부에서 발생한 열을 외부로 방출함으로써 배터리 모듈(100)에 설치된 위치에 따른 셀 적층체(110)(또는 배터리 셀)의 온도편차 및 배터리 셀(111)의 방열 불균일을 감소시키고 배터리 모듈(100)의 전체적인 냉각성능을 개선할 수 있게 된다. 특히, 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도가 높은 유출구(OUT)에 인접 영역에 열전소자(141)를 다수개 배치하거나 다른 영역보다 조밀하게 배치함으로써 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에서의 방열 성능을 개선할 수 있게 된다.In this way, by dissipating heat generated inside the module housing (120) to the outside through the thermoelectric element (141) installed on the outer surface of the cooling plate (150) and the first heat transfer member (145) in contact with the thermoelectric element (141), the temperature deviation of the cell stack (110) (or battery cell) and the uneven heat dissipation of the battery cell (111) depending on the position installed in the battery module (100) can be reduced, and the overall cooling performance of the battery module (100) can be improved. In particular, by arranging a plurality of thermoelectric elements (141) in an area adjacent to the outlet (OUT) where the temperature of the cell stack (110) and/or the coolant is high, or arranging them more densely than in other areas, the heat dissipation performance in the area where the temperature of the cell stack (110) and/or the coolant is high can be improved.
또한, 도 10을 참조하면, 냉각 플레이트(150)는 돌출부(154, 155) 또는 돌출부(154, 155)와 인접한 영역에 열전소자(141)로 전원을 공급하는 와이어(W)의 설치를 위한 와이어 설치홈(H)을 형성할 수 있다. 이러한 와이어 설치홈(H)은 와이어(W)의 배선 구조를 따라 형성될 수 있다. 이와 같이 와이어 설치홈(H)을 형성함으로써 열전소자(141)의 배선 작업이 용이하게 된다.In addition, referring to FIG. 10, the cooling plate (150) can form a wire installation groove (H) for installing a wire (W) that supplies power to the thermoelectric element (141) in the protrusion (154, 155) or an area adjacent to the protrusion (154, 155). This wire installation groove (H) can be formed along the wiring structure of the wire (W). By forming the wire installation groove (H) in this way, the wiring work of the thermoelectric element (141) becomes easy.
다음으로, 도 11 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)에 대해 설명한다.Next, a battery pack (200) according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 14.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이고, 도 12는 도 11에 도시된 배터리 팩(200)의 변형예를 도시한 단면도이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이다. FIG. 11 is a cross-sectional view of a battery pack (200) according to one embodiment of the present invention, FIG. 12 is a cross-sectional view showing a modified example of the battery pack (200) shown in FIG. 11, FIG. 13 is a cross-sectional view of a battery pack (200) according to another embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a cross-sectional view of a battery pack (200) according to another embodiment of the present invention.
도 11 내지 도 13에 도시된 배터리 팩(200)은 배터리 모듈(100) 및 복수의 배터리 모듈(100)을 내부에 수용하는 팩 하우징(210)을 포함하여 구성된다. 이와는 달리, 도 14에 도시된 배터리 팩(200)은 셀 적층체(110)가 배터리 모듈(100)을 구성하지 않고 팩 하우징(210)에 직접 설치된다. 즉, 도 14에 도시된 배터리 팩(200)은 셀 적층체(110)가 모듈 하우징(120)의 내부에 설치되지 않고 팩 하우징(210)에 직접 설치되는 구조(Cell to Pack 구조)를 갖는다.The battery pack (200) illustrated in FIGS. 11 to 13 is configured to include a battery module (100) and a pack housing (210) that accommodates a plurality of battery modules (100) therein. In contrast, the battery pack (200) illustrated in FIG. 14 has a structure in which the cell stack (110) is installed directly in the pack housing (210) without forming the battery module (100). That is, the battery pack (200) illustrated in FIG. 14 has a structure (Cell to Pack structure) in which the cell stack (110) is installed directly in the pack housing (210) without being installed inside the module housing (120).
팩 하우징(210)은 하부 하우징(211)과 상부 하우징(215)이 합형되어 복수의 배터리 모듈(100)을 내부에 수용하는 공간을 형성한다. 하부 하우징(211)은 하부 플레이트(212)와 하부 플레이트(212)의 모서리를 따라 상측으로 연장된 측면 플레이(213)를 포함하여 상측이 개방된 상자 구조를 가질 수 있다.The pack housing (210) is formed by combining a lower housing (211) and an upper housing (215) to form a space for accommodating a plurality of battery modules (100) therein. The lower housing (211) may have a box structure with an open upper side, including a lower plate (212) and a side play (213) extending upward along an edge of the lower plate (212).
도 11에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 도 3에 도시된 배터리 모듈(100)이 설치된 예를 도시하고 있으며, 도 12에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 도 5에 도시된 배터리 모듈(100)이 설치된 예를 도시하고 있다.The embodiment of the battery pack (200) illustrated in FIG. 11 illustrates an example in which the battery module (100) illustrated in FIG. 3 is installed, and the embodiment of the battery pack (200) illustrated in FIG. 12 illustrates an example in which the battery module (100) illustrated in FIG. 5 is installed.
그리고, 냉각부(140)를 구성하는 냉각 플레이트(150)의 하면, 즉 베이스부(152)의 외측면과 팩 하우징(210)의 내측면 사이에는 냉각부(140)로부터 팩 하우징(210)으로의 열전달이 용이하게 이루어질 수 있도록 하기 위하여 제2 열전달 부재(230)가 배치될 수 있다. 따라서, 모듈 하우징(120)으로부터 돌출부(154, 155)에 전달된 열은 열전소자(141)의 제1 부분(흡열부)(142)로 흡수된 후 제2 부분(방열부)(143) 및 제1 열전달 부재(145)를 거쳐 제2 열전달부재(230)로 전달되며, 최종적으로 팩 하우징(210)의 하부 하우징(211)을 통하여 배터리 팩(200)의 외부로 방출될 수 있다. In addition, a second heat transfer member (230) may be arranged between the lower surface of the cooling plate (150) constituting the cooling unit (140), that is, the outer surface of the base portion (152), and the inner surface of the pack housing (210) to facilitate heat transfer from the cooling unit (140) to the pack housing (210). Accordingly, heat transferred from the module housing (120) to the protrusions (154, 155) is absorbed by the first part (heat absorption part) (142) of the thermoelectric element (141), and then transferred to the second heat transfer member (230) through the second part (heat dissipation part) (143) and the first heat transfer member (145), and finally released to the outside of the battery pack (200) through the lower housing (211) of the pack housing (210).
이때, 제2 열전달 부재(230)를 통하여 충분한 열을 흡수한 후 팩 하우징(210)의 넓은 면적을 통해 열 방출이 용이하게 이루어질 수 있도록 제2 열전달 부재(230)는 제1 열전달 부재(145)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다.At this time, the second heat transfer member (230) may have a thickness thicker than the first heat transfer member (145) so that heat can be easily dissipated through a wide area of the pack housing (210) after sufficient heat is absorbed through the second heat transfer member (230).
또한, 제1 열전달 부재(145)로부터 제2 열전달 부재(230)로의 열전달이 용이하도록 하기 위하여 제1 열전달 부재(145)와 제2 열전달 부재(230)는 서로 연결되는 구조를 가질 수 있다.In addition, in order to facilitate heat transfer from the first heat transfer member (145) to the second heat transfer member (230), the first heat transfer member (145) and the second heat transfer member (230) may have a structure in which they are connected to each other.
이러한 제2 열전달 부재(230)는 열전도성 그리스(thermal grease), 열전도성 접착제(thermal adhesive), 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제2 열전달 부재(230)는 베이스부(152)의 외측면과 팩 하우징(210)의 내측면 사이에 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포될 수 있다. The second heat transfer member (230) may be configured to include at least some of thermal grease, thermal adhesive, thermal conductive epoxy, and heat dissipation pad, but is not limited thereto. In addition, the second heat transfer member (230) may be formed in the form of a pad between the outer surface of the base portion (152) and the inner surface of the pack housing (210). It can be placed, applied in a liquid or gel state.
한편, 도 13에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 팩 하우징(210)의 내부에 배터리 모듈(100)이 구비된다는 점은 도 11 및 도 12의 실시예와 동일하지만, 배터리 모듈(100)의 냉각을 위하여 팩 하우징(210)의 내부에 설치된 팩 냉각부(240)를 추가로 포함한다는 점에서 차이가 있다. 즉, 도 13에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 팩 하우징(210)의 내부에 설치되는 배터리 모듈(100)에 냉각부가 구비되지 않고 팩 하우징(210)에 설치된 팩 냉각부(240)를 통하여 배터리 모듈(100)의 냉각을 수행하게 된다.Meanwhile, the embodiment of the battery pack (200) illustrated in FIG. 13 is the same as the embodiments of FIGS. 11 and 12 in that the battery module (100) is provided inside the pack housing (210), but is different in that it additionally includes a pack cooling unit (240) installed inside the pack housing (210) for cooling the battery module (100). That is, the embodiment of the battery pack (200) illustrated in FIG. 13 does not include a cooling unit in the battery module (100) installed inside the pack housing (210), but cools the battery module (100) through the pack cooling unit (240) installed in the pack housing (210).
배터리 모듈(100)에 냉각부(140)가 구비되지 않고 팩 냉각부(240)를 통해 냉각을 수행할 수 있기 때문에, 배터리 모듈(100)과 팩 하우징(210) 사이에 팩 냉각부(240)를 구성할 수도 있지만, 도 14에 도시된 바와 같이 배터리 모듈을 구성하지 않고 셀 적층체(110)를 팩 하우징(210)에 안착시키고, 팩 냉각부(240)는 팩 하우징(210) 하부에 위치하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 셀 적층체(110)는 열전달 부재(TA)를 통해 팩 하우징(210)에 안착될 수 있다.Since the cooling unit (140) is not provided in the battery module (100) and cooling can be performed through the pack cooling unit (240), the pack cooling unit (240) may be configured between the battery module (100) and the pack housing (210). However, as illustrated in FIG. 14, the cell stack (110) may be mounted on the pack housing (210) without configuring the battery module, and the pack cooling unit (240) may be configured to be positioned at the bottom of the pack housing (210). In this case, the cell stack (110) may be mounted on the pack housing (210) through a heat transfer member (TA).
팩 냉각부(240)는, 냉매가 유동하는 유로공간(253)이 형성된 냉각 플레이트(250)와, 냉각 플레이트(250)의 외측면에 설치되는 열전소자(241)와, 열전소자(241)와 냉각 플레이트(250)의 외측면 사이에 배치되는 제1 열전달 부재(245)를 구비할 수 있다. 또한, 냉각 플레이트(250)는 베이스부(252)와, 베이스부(252)로부터 셀 적층체(110)를 향하여 돌출되어 외측면에 함몰된 공간을 형성하는 돌출부(255)를 포함할 수 있다.The pack cooling unit (240) may include a cooling plate (250) in which a flow path space (253) for refrigerant flow is formed, a thermoelectric element (241) installed on the outer surface of the cooling plate (250), and a first heat transfer member (245) arranged between the thermoelectric element (241) and the outer surface of the cooling plate (250). In addition, the cooling plate (250) may include a base portion (252), and a protrusion portion (255) protruding from the base portion (252) toward the cell stack (110) to form a recessed space on the outer surface.
베이스부(252)는 몸체부(251)의 하면에 대응할 수 있다. 냉각 플레이트(250)의 몸체부(251)는 상하 2장의 플레이트로 구성된 제1 몸체(251a)와 제2 몸체(251b)가 접합되어 구성되며, 제1 몸체(251a)와 제2 몸체(251b) 사이에 유로공간(253)이 형성되는 구조를 가질 수 있다. 냉각 플레이트(250)의 제1 몸체(251a)는 도 2 내지 도 4, 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 몸체(251a)에는 베이스부(252), 유로공간(253) 및 돌출부(255)가 형성될 수 있으며, 돌출부(255)는 돌기부와 격벽부를 포함할 수 있다. 불필요한 중복을 피하기 위하여 제1 몸체(251a)에 대한 상세한 설명은 생략하고 전술한 몸체부(151)의 설명으로 갈음하기로 한다.The base portion (252) may correspond to the lower surface of the body portion (251). The body portion (251) of the cooling plate (250) may be configured by joining a first body (251a) and a second body (251b) composed of two upper and lower plates, and may have a structure in which a flow path space (253) is formed between the first body (251a) and the second body (251b). The first body (251a) of the cooling plate (250) may have a shape corresponding to the body portion (151) of the cooling plate (150) described with reference to FIGS. 2 to 4 and FIGS. 6 to 8. For example, the first body (251a) may be formed with a base portion (252), a flow path space (253), and a protrusion (255), and the protrusion (255) may include a protrusion and a partition wall. To avoid unnecessary duplication, a detailed description of the first body (251a) will be omitted and replaced with the description of the body portion (151) described above.
또한, 제2 몸체(251b)는 제1 몸체(251a)를 덮도록 구성되어 제1 몸체(251a)와의 사이에 유로공간(153)을 형성할 수 있다. 모듈 하우징(120)의 하면과 제2 몸체(251b)의 상면 사이에는 열전도성 향상을 위하여 실리콘 등의 열전달 물질로 이루어진 열전달 부재(TM)가 배치될 수 있다.In addition, the second body (251b) may be configured to cover the first body (251a) to form a flow path space (153) between it and the first body (251a). A heat transfer member (TM) made of a heat transfer material such as silicon may be placed between the lower surface of the module housing (120) and the upper surface of the second body (251b) to improve thermal conductivity.
열전소자(241)와 제1 열전달 부재(245)의 경우에도 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 배터리 모듈(100)에 구비되는 열전소자(141)와 제1 열전달 부재(145)에 대응하는 구성을 가질 수 있다. 불필요한 중복을 피하기 위하여 열전소자(241)와 제1 열전달 부재(245)에 대한 상세한 설명도 생략하고 전술한 열전소자(141)와 제1 열전달 부재(145)의 설명으로 갈음하기로 한다.In the case of the thermoelectric element (241) and the first heat transfer member (245), the configuration may correspond to the thermoelectric element (141) and the first heat transfer member (145) provided in the battery module (100) described with reference to FIGS. 1 to 10. In order to avoid unnecessary duplication, a detailed description of the thermoelectric element (241) and the first heat transfer member (245) will be omitted and replaced with the description of the thermoelectric element (141) and the first heat transfer member (145) described above.
그리고, 팩 냉각부(240)를 구성하는 냉각 플레이트(250)의 하면, 즉 베이스부(252)의 외측면과 팩 하우징(210)의 내측면 사이에는 냉각부(240)로부터 팩 하우징(210)으로의 열전달이 용이하게 이루어질 수 있도록 제2 열전달 부재(230)가 배치될 수 있다. 따라서, 모듈 하우징(120)으로부터 돌출부(255)에 전달된 열은 열전소자(241)의 제1 부분(흡열부)(242)로 흡수된 후 제2 부분(방열부)(243) 및 제1 열전달 부재(245)를 거쳐 제2 열전달부재(230)로 전달되며, 최종적으로 팩 하우징(210)의 하부 하우징(211)을 통하여 배터리 팩(200)의 외부로 방출될 수 있다. In addition, a second heat transfer member (230) may be arranged between the outer surface of the base portion (252) of the lower surface of the cooling plate (250) constituting the pack cooling member (240) and the inner surface of the pack housing (210) so that heat transfer from the cooling member (240) to the pack housing (210) can be easily performed. Accordingly, heat transferred from the module housing (120) to the protrusion (255) is absorbed by the first part (heat absorption part) (242) of the thermoelectric element (241), and then transferred to the second heat transfer member (230) through the second part (heat dissipation part) (243) and the first heat transfer member (245), and finally can be released to the outside of the battery pack (200) through the lower housing (211) of the pack housing (210).
이때, 제2 열전달 부재(230)를 통하여 충분한 열을 흡수한 후 팩 하우징(210)의 넓은 면적을 통해 열 방출이 용이하게 이루어질 수 있도록 제2 열전달 부재(230)는 제1 열전달 부재(245)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다. At this time, the second heat transfer member (230) may have a thickness thicker than the first heat transfer member (245) so that heat can be easily released through a wide area of the pack housing (210) after sufficient heat is absorbed through the second heat transfer member (230).
또한, 제1 열전달 부재(245)로부터 제2 열전달 부재(230)로의 열전달이 용이하도록 하기 위하여 제1 열전달 부재(245)와 제2 열전달 부재(230)는 서로 연결되는 구조를 가질 수 있다.In addition, in order to facilitate heat transfer from the first heat transfer member (245) to the second heat transfer member (230), the first heat transfer member (245) and the second heat transfer member (230) may have a structure in which they are connected to each other.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)은 열전소자(141, 241)의 구동을 제어하는 제어부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 제어부는 통상적인 배터리 팩(200)에 구비되는 배터리 관리 시스템(BMS)에 대응할 수 있다. 열전소자(141, 241)는 배터리 팩(200)이 설치되는 차량이나 에너지 저장장치(ESS) 등의 저전압 라인에 연결되어 전원을 공급받을 수 있다. Meanwhile, the battery pack (200) according to one embodiment of the present invention may additionally include a control unit (not shown) that controls the operation of the thermoelectric elements (141, 241). The control unit may correspond to a battery management system (BMS) provided in a typical battery pack (200). The thermoelectric elements (141, 241) may be connected to a low-voltage line of a vehicle or energy storage system (ESS) in which the battery pack (200) is installed to receive power.
제어부는 겨울철 또는 외부 온도가 낮은 환경(예를 들어, 극지방) 등에 대응하여 안정적인 배터리 모듈(100)의 구동이 가능하도록 셀 적층체(110)의 온도에 따라 열전소자(141, 241)에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 제어를 수행할 수 있다. 즉, 외부 온도나 배터리 셀(111)의 온도가 낮은 경우에 배터리 모듈(100)의 방열 수행 시에 열전소자(141, 241)에 인가되는 전원과는 반대 극성의 전원을 열전소자(141, 241)에 인가하여 배터리 셀(111)의 온도를 높임으로써 배터리 모듈(100)의 안정적 구동을 구현할 수 있다.The control unit can perform control to switch the polarity of the power applied to the thermoelectric element (141, 241) according to the temperature of the cell stack (110) so as to enable stable operation of the battery module (100) in response to winter or an environment with low external temperature (e.g., polar regions). That is, when the external temperature or the temperature of the battery cell (111) is low, power having a polarity opposite to that applied to the thermoelectric element (141, 241) when performing heat dissipation of the battery module (100) is applied to the thermoelectric element (141, 241) to increase the temperature of the battery cell (111), thereby enabling stable operation of the battery module (100).
또한, 제어부는 복수의 열전소자(141, 241) 중 적어도 일부의 구동을 개별적으로 제어할 수 있다. 즉, 제어부를 통하여 각각의 열전소자(141, 241)를 온/오프 제어함으로써 열전소자(141, 241)를 통한 냉각이 필요한 경우 각각의 열전소자(141, 241) 또는 그룹화된 열전소자(141, 241)를 선택적으로 구동시킬 수 있게 된다. 또한, 셀 적층체(110) 중에서 일부영역에서 냉각효율이 저하된 경우 또는 온도상승이 필요한 경우 해당영역에 대등하는 열전소자를 선택적으로 구동시킬 수 있게 된다. 이러한 제어를 수행하기 위하여 배터리 모듈(200)의 내부에 구비된 온도센서(미도시)에서 측정된 온도를 이용할 수 있다.In addition, the control unit can individually control the operation of at least some of the plurality of thermoelectric elements (141, 241). That is, by controlling the on/off of each thermoelectric element (141, 241) through the control unit, when cooling through the thermoelectric element (141, 241) is required, each thermoelectric element (141, 241) or a group of thermoelectric elements (141, 241) can be selectively operated. In addition, when the cooling efficiency is reduced in some area among the cell stack (110) or when a temperature increase is required, a thermoelectric element equivalent to the area can be selectively operated. In order to perform such control, the temperature measured by a temperature sensor (not shown) provided inside the battery module (200) can be utilized.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within a scope that does not depart from the technical spirit of the present invention described in the claims.
예를 들어, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.For example, the above-described embodiments may be implemented by deleting some of the components, and the embodiments may be implemented in combination with each other.
100... 배터리 모듈 110... 셀 적층체
111... 배터리 셀 111a... 전극 리드
120... 모듈 하우징 121... 하우징 몸체
122... 하부 플레이트 123... 측면 플레이트
125... 하우징 커버 126... 엔드 플레이트
126a... 관통구멍 130... 절연 커버
132... 접속단자 140... 냉각부
141... 열전소자 142... 제1 부분
143... 제2 부분 145... 제1 열전달 부재
150... 냉각 플레이트 151... 몸체부
151a... 제1 몸체 151b... 제2 몸체
152... 베이스부 153... 유로공간
154... 돌출부(격벽부) 155... 돌출부(돌기부)
200... 배터리 팩 210... 팩 하우징
211... 하부 하우징 212... 하부 플레이트
213... 측면 플레이트 215... 상부 하우징
230... 제2 열전달 부재 240... 팩 냉각부
241... 열전소자 242... 제1 부분
243... 제2 부분 245... 제1 열전달 부재
250... 냉각 플레이트 251... 몸체부
251a... 제1 몸체 251b... 제2 몸체
252... 베이스부 253... 유로공간
255... 돌출부(돌기부) H... 와이어 설치홈
HA... 고온영역 IN... 유입구
L... 유로공간의 길이
L1... 유입구로부터 열전소자 설치 위치까지의 길이
OUT... 유출구 Q... 열 흐름
TA, TM... 열전달 부재 W... 와이어100... battery module 110... cell stack
111... Battery cell 111a... Electrode lead
120... module housing 121... housing body
122... Lower plate 123... Side plate
125... Housing cover 126... End plate
126a... through hole 130... insulation cover
132... Connection terminal 140... Cooling unit
141... Thermoelectric element 142... Part 1
143... Second part 145... First heat transfer member
150... Cooling plate 151... Body
151a... First body 151b... Second body
152... Base section 153... Euro space
154... Protrusion (bulkhead) 155... Protrusion (protrusion)
200... Battery Pack 210... Pack Housing
211... Lower housing 212... Lower plate
213... Side plate 215... Upper housing
230... Second heat transfer member 240... Pack cooling unit
241... Thermoelectric element 242... Part 1
243... Second part 245... First heat transfer member
250... Cooling plate 251... Body
251a... first body 251b... second body
252... Base section 253... Euro space
255... Protrusion (protrusion) H... Wire installation groove
HA... high temperature area IN... inlet
L... length of the euro space
L1... Length from the inlet to the thermoelectric element installation location
OUT... outlet Q... heat flow
TA, TM... heat transfer member W... wire
Claims (19)
상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징; 및
상기 모듈 하우징을 냉각시키며, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 갖는 냉각부;
를 포함하며,
상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고,
상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 모듈.A cell stack formed by stacking multiple battery cells;
a module housing accommodating the cell stack therein; and
A cooling unit having a cooling plate having a flow path formed therein for cooling the above module housing and a thermoelectric element installed on the outer surface of the cooling plate;
Includes,
The cooling plate includes a base portion and a protrusion that protrudes from the base portion toward the cell stack to form a sunken space,
The above thermoelectric element is a battery module installed in the sunken space of the above protrusion.
상기 돌출부는 상기 모듈 하우징을 지지하는 구조를 갖는 배터리 모듈.In the first paragraph,
A battery module having a structure that supports the module housing, wherein the protrusion is above.
상기 돌출부는 상기 모듈 하우징과 열적으로 접촉하는 배터리 모듈.In the first paragraph,
The above protrusion is a battery module in thermal contact with the module housing.
상기 열전소자는 상기 베이스부의 외측면에 비대칭적으로 설치되는 배터리 모듈.In the first paragraph,
A battery module in which the thermoelectric element is asymmetrically installed on the outer surface of the base portion.
상기 돌출부는 상기 베이스부에 서로 이격되어 배치된 복수의 돌기부를 포함하며,
상기 열전소자는 상기 돌기부의 적어도 일부에 설치되는 배터리 모듈.In the first paragraph,
The above protrusion includes a plurality of protrusions spaced apart from each other on the base portion,
A battery module in which the thermoelectric element is installed on at least a portion of the protrusion.
상기 돌기부는 상기 베이스부로부터 돌출된 방향에 수직한 단면이 원형 또는 각형의 형상을 갖는 배터리 모듈.In paragraph 5,
A battery module in which the above protrusion has a circular or square cross-section perpendicular to the direction in which it protrudes from the base.
상기 열전소자는 상기 유로공간으로 냉매가 유입되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면보다 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면에 더 많이 설치되는 배터리 모듈.In paragraph 5,
A battery module in which the thermoelectric elements are installed more on the outer surface of the base portion corresponding to the area where the refrigerant flows out of the flow path space than on the outer surface of the base portion corresponding to the area where the refrigerant flows into the flow path space.
상기 돌출부는 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하고 냉매의 유동을 가이드하도록 냉매의 유동방향을 따라 연장된 형상을 갖는 격벽부를 포함하며,
상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 적어도 일부 공간에 설치되는 배터리 모듈.In the first paragraph,
The above protrusion includes a baffle portion having a shape extending along the flow direction of the refrigerant to form a sunken space by protruding from the base portion toward the cell stack and guide the flow of the refrigerant.
A battery module in which the thermoelectric element is installed in at least a portion of the sunken space of the bulkhead.
상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 설치되는 배터리 모듈.In paragraph 8,
The above thermoelectric element is a battery module installed in an area where the coolant flows outward from the cavity space among the sunken spaces of the bulkhead.
상기 열전소자는 전원 인가에 따라 대향하는 제1 부분과 제2 부분 사이에서 온도 차이를 형성하며,
상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 적어도 하나와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치하는 배터리 모듈.In the first paragraph,
The above thermoelectric element forms a temperature difference between the first and second parts that are opposed to each other according to the power supply,
A battery module in which a first heat transfer member is positioned between at least one of the first part and the second part and the protrusion.
상기 냉각 플레이트는 상기 열전소자로 전원을 공급하는 와이어의 설치를 위한 와이어 설치홈이 상기 돌출부 또는 상기 돌출부와 인접한 영역에 형성되는 배터리 모듈.In the first paragraph,
A battery module in which the cooling plate has a wire installation groove formed in the protrusion or an area adjacent to the protrusion for installing a wire that supplies power to the thermoelectric element.
상기 냉각 플레이트는 상기 베이스부와 상기 돌출부가 형성된 제1 몸체와, 상기 제1 몸체와 결합되어 상기 제1 몸체와의 사이에 상기 유로공간을 형성하는 제2 몸체를 포함하는 배터리 모듈.
In the first paragraph,
A battery module in which the cooling plate includes a first body having the base portion and the protrusion portion formed therein, and a second body coupled to the first body to form the flow path space between the first body and the first body.
상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 팩 하우징; 및
상기 셀 적층체를 냉각하도록 상기 팩 하우징에 설치되는 팩 냉각부;
를 포함하며,
상기 팩 냉각부는, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 포함하며,
상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고,
상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 팩.A cell stack formed by stacking multiple battery cells;
a pack housing accommodating the cell stack therein; and
A pack cooling unit installed in the pack housing to cool the cell stack;
Includes,
The above pack cooling unit includes a cooling plate having a flow path space formed through which a refrigerant flows, and a thermoelectric element installed on the outer surface of the cooling plate.
The cooling plate includes a base portion and a protrusion that protrudes from the base portion toward the cell stack to form a sunken space,
The above thermoelectric element is a battery pack installed in the sunken space of the above protrusion.
상기 셀 적층체는 열전달 부재를 통해 상기 팩 하우징에 안착되며, 상기 팩 냉각부는 상기 팩 하우징의 하부에 위치하는 배터리 팩.In Article 13,
A battery pack wherein the cell stack is mounted on the pack housing through a heat transfer member, and the pack cooling unit is located at the lower portion of the pack housing.
상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징을 더 포함하며, 상기 팩 냉각부는 상기 모듈 하우징과 상기 팩 하우징 사이에 위치하는 배터리 팩.In Article 13,
A battery pack further comprising a module housing that accommodates the cell stack therein, wherein the pack cooling unit is located between the module housing and the pack housing.
상기 열전소자와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치하고,
상기 베이스부의 외측면과 상기 팩 하우징 사이에는 제2 열전달 부재가 위치하며,
상기 제2 열전달 부재의 두께는 상기 제1 열전달 부재의 두께보다 큰 값을 갖는 배터리 팩.In Article 15,
A first heat transfer member is positioned between the thermoelectric element and the protrusion,
A second heat transfer member is positioned between the outer surface of the base portion and the pack housing,
A battery pack wherein the thickness of the second heat transfer member has a value greater than the thickness of the first heat transfer member.
상기 제1 열전달 부재와 상기 제2 열전달 부재는 서로 연결되는 배터리 팩.In Article 16,
A battery pack in which the first heat transfer member and the second heat transfer member are connected to each other.
상기 열전소자의 구동을 제어하는 제어부;
를 추가로 포함하며,
상기 열전소자는 저전압 라인에 연결되어 전원을 공급받고,
상기 제어부는 상기 셀 적층체의 온도에 따라 상기 열전소자에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 제어를 수행할 수 있는 배터리 팩.In Article 14 or 15,
A control unit that controls the operation of the above thermoelectric element;
In addition, it includes:
The above thermoelectric element is connected to a low voltage line and supplied with power,
A battery pack in which the control unit can perform control to switch the polarity of the power applied to the thermoelectric element according to the temperature of the cell stack.
상기 제어부는 복수의 상기 열전소자 중 적어도 일부의 구동을 개별적으로 제어할 수 있는 배터리 팩.In Article 18,
A battery pack in which the control unit can individually control the operation of at least some of the plurality of thermoelectric elements.
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