KR20130136141A - 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 - Google Patents

배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 사용 환경의 변화에 상관없이 배터리의 적정온도를 유지하여 배터리의 성능 저하를 방지하기 위한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로서, 절연체로 이루어진 절연시트; 상기 절연시트의 상하 양면에 각각 적층 결합되는 고열전도성 시트; 상기 절연시트의 상하 양면에 각각 삽입되어 상기 고열전도성 시트의 내면 측에 접합되는 상전이 복합재 시트;로 구성되며, 상기 상전이 복합재 시트가 절연시트 및 고열전도성 시트에 의해 둘러싸인 구조로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제공한다.

Description

배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 {Heat control plate for battery cell module and battery cell module having the same}
본 발명은 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 사용 환경의 변화에 상관없이 배터리의 적정온도를 유지하여 배터리의 성능 저하를 방지하기 위한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
전기자동차는 배터리 시스템의 신뢰성과 안정성이 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용함에 따라 외부 온도의 다양한 변화에 따른 배터리의 성능저하를 방지하기 위하여 배터리 시스템의 적정 온도범위인 35~40℃가 유지되어야 하며, 이를 위해 일반적인 기후 조건에서는 우수한 방열성능을 지니면서 낮은 온도 환경에서는 적정 온도범위를 유지할 수 있어야 한다.
일반적으로 리튬이온 배터리는 외부 온도가 영하 10℃ 이하로 떨어지면 에너지와 출력이 급격하게 저하된다. 일례로 18650 배터리의 경우 영하 40℃의 환경에서는 20℃인 환경에서의 에너지 밀도의 5%, 출력 밀도의 1.25% 정도 밖에 공급하지 못한다고 보고되고 있다(Ref, G. Nagasubramanian, J. Appl. Electrochem. 31 (2001) 99 참조).
또한, 리튬이온 배터리는 낮은 온도 환경에서 방전은 정상적으로 이루어지나 충전이 정상적으로 이루어지지 못하는 것으로 보고되고 있다(Ref, C. K. Huang, J. S. Sakamoto, J. Wolfenstine, S. Surampudi, J. Electrochem. Soc. 147 (2000) 2893; S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, Electrochim. Acta 48 (2002) 241 참조).
이와 같은 저온 환경에서의 배터리 성능저하는 배터리 내 전해질의 이온 전도도 저하와 그라파이트 표면에 형성되는 고체 전해질 막, 리튬이온의 그라파이트로의 낮은 확산성, 전해질과 전극부 계면에서의 전하전달의 저항 증가 등이 원인이 되며(Ref, S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, J of Power Sources 115 (2003) 137 참조), 이를 해결하기 위해서는 배터리 셀을 적정 온도(35~40℃)로 유지하기 위한 별도의 히팅 시스템이 필요하다.
그러나, 전기자동차용 배터리는 고출력, 고속 및 반복 충전 등으로 인하여 발생하는 열로 인해 국부적인 온도 차이나 고열이 발생하게 되고, 이에 배터리의 효율 및 안정성을 저해하는 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생하게 된다.
상기의 열폭주 현상은 배터리 내부에서 발생되는 열보다 외부로의 열 방출 및 확산 능력이 부족하여 초래된다.
또한, 최근 널리 사용되고 있는 파우치형(pouched type) 배터리 셀에서는 충전 및 방전시 리튬이온의 전극물질로의 인터칼레이션(Intercalation)과 디-인터칼레이션(deintercalation)에 의해 부피 변화가 발생하게 된다.
또한, 배터리 셀 내 전극의 팽창으로 인한 전극물질 사이의 분리층(separator)의 손상은 내부 저항의 발생과 함께 전압의 증가와 배터리 성능 및 최종 배터리 용량의 감소 등을 초래하게 되므로 배터리의 부피 팽창에 대응하기 위한 방열용 계면 부재가 필요하다.
또한, 종래의 배터리 시스템에서 배터리 셀의 부피가 증가할 경우, 배터리 셀 모듈 내 형성된 공기 냉각 유로가 축소되어 냉각 효과가 감소하게 되고, 결국 주변 배터리 셀의 온도 상승에 의해 인접한 셀 간 발열 현상이 가속화되어 배터리 성능의 급격한 저하를 초래하게 된다.
또한, 배터리 셀의 부피팽창이 심할 경우 배터리 셀의 파우치형 케이스가 손상되어 내부의 전해액이 누수되거나 가스가 분출하는 등의 위험이 있다.
또한, 다수의 파우치형 배터리 셀을 적층하여 배터리 셀 모듈을 구성하므로, 배터리 셀의 부피팽창이나 가스 분출 혹은 폭발이 발생할 경우 인접한 셀에도 직접적인 손상이 가해지는 문제점이 있다.
또한, 배터리 셀 모듈의 셀 간 공기 냉각 유로는 효과적인 방열을 위해 필수적으로 형성되어야 하나, 통상 배터리 셀 사이마다 3㎜ 이상의 공간이 확보되어야 하므로 체적 대비 에너지밀도를 향상시키는데 한계가 있다.
현재 양산 혹은 진행되고 있는 연구의 대부분은 배터리 케이스 및 하우징의 소재 개발에 있어 방열의 관점에서만 접근하고 있는데, 통상 배터리의 작동온도가 지나치게 높거나(50℃ 이상) 낮은 경우(0℃ 이하) 배터리의 수명에 치명적인 악영향을 미치므로 배터리의 성능과 수명을 위해서는 적절한 온도 조절이 필수적이다.
따라서, 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 성능을 유지하고 안정성을 확보하기 위해서는 적정온도를 유지하기 위한 별도의 배터리 셀 모듈용 열 제어 시스템이 필요하다.
일례로, 종래의 배터리 케이스 및 하우징 소재는 PC+ABS, PA, PP 등의 플라스틱 기질에 난연 필러인 미네랄 필러가 20 ~ 30 중량% 충전(充塡)된 소재로, 난연성, 내화학성, 절연성, 내구성 등의 기능을 보유하고 있지만 방열의 특성은 전혀 없는 것이 사실이다.
이에 방열특성을 구현하기 위해서 종래에는 배터리 셀 사이마다 일정 크기(3~5㎜)의 유로 공간을 형성하고 에어 블로워(air blower)를 이용하여 공냉식을 열을 제거하고 있다.
현재 개발되고 있는 배터리 방열 시스템은 배터리 내부에 축적되는 열을 외부로 방출하는 관점에서만 접근하고 있어 저온의 환경에서 배터리 전체의 성능저하가 우려되어 열전도성 및 방열성의 향상보다 시스템 내 적정온도를 유지하는 온도제어 소재가 요구되고 있으나 현재 배터리의 적정온도 유지를 위한 기구나 소재를 적용하고 있는 친환경자동차용 배터리 시스템은 전무한 실정이다.
또한, 기존의 배터리 시스템의 방열성능 향상을 위해 고열전도성의 필러를 함유한 고분자 복합재 수지가 다양하게 개발되고 있으나, 대부분 판상이나 파이버(fiber) 타입의 필러를 사용하므로 사출 성형을 통해 평판형태로 제작할 경우 필러가 사출방향으로의 전단력에 의해 사출방향으로의 일축으로 배향되어 열전도성의 이방성 문제를 초래하게 되며, 이에 배터리 하우징의 제작시 개발 소재를 적용하더라도 원하는 방열 효율에 도달하지 못하는 문제점이 있다.
한편, 배터리의 적정온도 유지를 위한 소재로 배터리의 온도 상승시 열을 흡수하고 하강시 열을 방출하여 배터리의 내부 온도를 적정하게 유지하게 하는 상전이 소재가 적용되고 있으나, 상전이 소재의 낮은 열전도도로 인해 열전달 유체와 상전이 물질 간에 효과적인 열교환 및 열교환 속도에 도달하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 배터리 셀 사이에 개재되는 계면부품으로서 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정 온도를 유지함과 동시에 배터리 셀의 부피변화에 대응 가능한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로서, 절연체로 이루어진 절연시트; 상기 절연시트의 상하 양면에 각각 적층 결합되는 고열전도성 시트; 상기 절연시트의 상하 양면에 각각 삽입되어 상기 고열전도성 시트의 내면 측에 접합되는 상전이 복합재 시트;로 구성되며, 상기 상전이 복합재 시트가 절연시트 및 고열전도성 시트에 의해 둘러싸인 구조로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제공한다.
바람직하게, 상기 상전이 복합재 시트는 상전이 소재 50 ~ 80 중량% 와 고열전도성의 필러 20 ~ 50 중량% 로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 필러로는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 스틸파이버, 실버 파우더 중 선택된 어느 하나가 사용되거나 또는 선택된 둘 이상이 사용될 수 있다.
또한, 상기 상전이 복합재 시트는 배터리 셀과 동일 폭으로 형성되고, 상기 절연시트와 고열전도성 시트는 양측 단이 상전이 복합재 시트의 바깥쪽까지 일정 폭 만큼 연장된 구조로 된 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 절연시트는 폴리우레탄 폼 또는 열가소성 엘라스토머 수지로 제작되며, 상기 열가소성 엘라스토머 수지로 TPU(thermoplastic polyurethane)와 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 중에 선택된 1종이 사용된다.
그리고, 상기 고열전도성 시트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제작된다.
또한 본 발명은, 상기와 같이 구성되는 열 제어 플레이트가 이웃한 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되어 구성되고, 상기 열 제어 플레이트의 가장자리부가 배터리 셀의 바깥쪽으로 돌출된 구조로 됨으로써, 이웃한 열 제어 플레이트의 가장자리부 사이의 공간이 냉각 공기가 통과하는 유로를 형성하도록 된 배터리 셀 모듈을 제공한다.
바람직하게, 상기 열 제어 플레이트 중 최외층에 배치되는 열 제어 플레이트는 배터리 셀이 접합된 고열전도성 시트 측에만 상전이 복합재 시트가 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열 제어 플레이트는 배터리 셀과 함께 폴리우레탄 폼 또는 열가소성 엘라스토머 수지 등의 단열재로 된 모듈 케이스 내에 장착되어 있으며, 이에 배터리 셀은 주변의 차가운 공기를 단열하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트는 배터리 셀 사이에 층간 삽입되어, 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로 배터리 셀의 온도 상승시 접촉하고 있는 셀로부터 열을 흡수하고 온도 하강시 셀로 열을 전달 공급하여 배터리의 내부 온도를 적정하게 유지할 수 있게 함으로써 배터리 사용 환경의 변화에 상관없이 배터리 시스템의 적정 온도를 유지하는 동시에, 배터리 셀의 충전 및 방전시 나타나는 부피변화에 대응할 수 있다.
따라서, 본 발명의 열 제어 플레이트를 배터리 셀 모듈에 적용함에 따라 모듈의 열 제어 성능이 개선됨은 물론, 체적 대비 에너지밀도가 향상된 컴팩트한 방열 및 히팅 시스템의 구현이 가능하며, 배터리 성능을 향상하는 동시에 배터리 시스템의 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 제어 플레이트를 배터리 셀 사이마다 삽입한 배터리 셀 모듈을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 나타낸 도면으로, (a)의 도면은 배터리 셀들 사이에 삽입되는 열 제어 플레이트의 단면도이고 (b)의 도면은 배터리 셀 모듈 중 최외층에 배치되는 열 제어 플레이트의 단면도이다.
도 3은 도 1의 요부를 부분 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈을 모듈 케이스를 포함하여 나타낸 개략적인 단면도로서, 도 5의 A-A에서 바라본 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈을 모듈 케이스를 포함하여 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 6은 도 5의 B-B에서 바라본 측단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈을 이용한 배터리 팩을 나타낸 개략적인 측면도이다.
전기자동차용 배터리 시스템의 성능 향상 및 안정성 확보를 위해서는 적정 온도 유지를 위해 히팅 및 방열 특성을 동시에 가지는 배터리 셀 모듈용 열 제어 시스템이 필요하다.
이에 본 발명에서는 배터리의 성능 저하를 방지하기 위해 배터리를 적정 온도로 유지시킬 수 있는 열 제어 플레이트를 파우치 타입의 배터리 셀들 사이마다 층간 삽입하여 기존의 공냉식 방열 시스템 대비 동일 체적 내 에너지밀도가 향상된 배터리 셀 모듈 및 배터리 팩의 설계를 가능하도록 하고자 한다.
상기 열 제어 플레이트와 같은 계면부품을 이용하여 체적 대비 에너지밀도가 향상된 컴팩트한 배터리 시스템을 설계하기 위해서는 배터리 셀의 충전 및 방전시 부피변화에 대응하기 위한 소재의 탄성, 저온에서의 열에너지 전달 기능, 및 고온에서의 방열 성능 등을 모두 만족해야 한다.
따라서 본 발명에서는 온도 상승시 열을 흡수하고 하강시 열을 방출하여 배터리 내부 온도를 적정하게 유지시킬 수 있는 상전이 소재(PCM)를 이용하여 배터리 시스템의 적정 온도를 유지하고자 한다.
이에 본 발명의 열 제어 플레이트는 적층된 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되어 배터리 셀 모듈의 방열 및 히팅을 제어하기 위한 계면부품으로서, 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로 배터리 셀의 온도 상승시 접촉하고 있는 셀로부터 열을 흡수하고 온도 하강시 셀로 열을 방출 공급하여 배터리의 내부 온도를 적정하게 유지하는 동시에, 배터리 셀의 충전 및 방전시 나타나는 부피변화에 대응할 수 있도록 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 제어 플레이트를 배터리 셀 사이마다 삽입한 배터리 셀 모듈을 나타낸 개략적인 단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈(10)은 적층구성되는 복수 개의 배터리 셀(11)과 상기 배터리 셀(11)들 사이에 층간 삽입되는 복수 개의 열 제어 플레이트(12)를 포함하여 구성된다.
이때, 복수 개의 배터리 셀(11)들이 열 제어 플레이트(12)를 사이에 두고 적층되어 하나의 모듈(10)을 구성하는데, 각 셀(11)에서 발생한 열이 셀 간에 밀착 개재된 열 제어 플레이트(12)에 효과적으로 전달되고 또한 열 제어 플레이트(12)에서 방출된 열이 각 셀에 효과적으로 전달될 수 있도록 셀(11)들과 그 사이의 열 제어 플레이트(12)가 직접 접촉 및 접합된 상태로 적층되어 컴팩트화 된다.
상기 열 제어 플레이트(12)는 셀(11)의 면적에 비해 일정 폭 만큼 크게 제작되며, 따라서 셀(11)들 사이에 적층된 열 제어 플레이트(12)의 양측 가장자리부(16)가 셀(11)의 바깥쪽으로 상기 일정 폭만큼 돌출된 구조가 된다.
즉, 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16)가 셀(11)의 좌우 양 측단에서 바깥쪽으로 돌출되도록 함으로써, 적층 조합한 셀(11)과 열 제어 플레이트(12)를 모듈 케이스(도 4의 17 참조) 내에 삽입하여 모듈(10)을 구성하였을 때 모듈 케이스(17) 내에 충분한 유로 공간이 형성될 수 있게 된다.
즉, 이웃한 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부는 모듈 케이스의 안쪽 벽면과 함께 방열을 위한 공기가 지나갈 수 있는 유로 공간을 형성하게 된다.
이에 따라, 셀(11)과 셀 사이에 일정 간격의 유로 공간을 형성해야 하는 종래의 공냉 방식과 달리, 본 발명의 배터리 셀 모듈(10)에서는 모듈로 공급되는 냉각 공기가 이웃한 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부 사이(즉, 모듈 케이스 내 유로 공간)를 따라 안내된다.
즉, 모듈 케이스 내 유로 공간을 따라 흐르는 냉각풍은 도 6에 나타낸 바와 같이 열 제어 플레이트의 가장자리부를 따라 이동하게 되며 이에 셀 및 열 제어 플레이트의 적층방향과 직각을 이루는 방향으로 이동하게 된다.
또한 냉각 공기는 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16) 사이의 공간을 통과하는 동안, 셀(11)에서 발생하여 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16)로 전달된 열을 전달받게 되고, 이로써 전달된 열이 냉각 공기를 통해 외부로 최종 방출되게 된다.
이렇게 배터리 셀(11)의 발열시에는 도 3의 실선 화살표로 나타낸 바와 같이 셀(11) 내부에서 발생한 열이 열전도도가 우수한 고열전도성 시트(14)를 통해 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16)로 이동하게 되고 온도구배에 의한 확산효과에 기인하여 대류에 의한 방열효과를 얻게 된다.
즉, 대류에 의한 방열현상에 의해 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16)의 온도가 낮아짐에 따라 온도구배에 의한 확산효과가 일어나게 되어 열 제어 플레이트(12)와 배터리 셀(11)의 접촉면에서부터 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16)로 고열전도성 시트(14)를 따라 열이 이동하게 된다.
이때 상기 대류는 복수 개의 모듈(10)로 구성되는 배터리 팩(도 7의 20 참조)의 유입구(22) 측에 설치된 에어블로워(도 7의 30 참조)에 의해 대부분 이루어진다.
또한 고열전도성 시트(14)를 통해 전달되어 상전이 복합재 시트(15) 측으로 흡수된 열은 상전이 현상을 일으킴으로써 방열효과를 얻을 수 있으며, 이때 상전이 복합재 시트(15)에 함유되어 있는 상전이 소재가 액화되게 된다.
이때 상전이 소재의 상전이 현상에 의한 방열효과는 제한적이나, 배터리 셀의 열이 지속적으로 발산되더라도 상기 대류에 의한 방열현상에 의해 상전이 소재의 열용량과 무관하게 배터리 셀은 방열을 통해 적정 온도를 유지하게 된다.
즉, 배터리 셀(11)의 접촉면에서 고열전도성 시트(14)로 전달된 열 중 일부는 상전이 복합재 시트(15) 중 상전이 소재를 액상으로 상변화시키는데 소모되고 나머지는 고열전도성 시트(14)의 가장자리부로 이동되어 냉각된다.
한편, 저온 환경에서 배터리 셀(11)의 적정 작동온도를 확보하기 위한 셀의 히팅 및 단열은 상전이 소재를 함유하고 있는 상전이 복합재 시트(15), 및 폴리우레탄 폼이나 열가소성 엘라스토머 등의 단열재로 된 열 제어 플레이트(12)의 절연시트(13)와 모듈 케이스(17)에 의해 그 효과를 얻을 수 있다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 모듈 케이스(17)는 복수 개의 유로용 개구부(18)를 갖는 밀폐형 중공체로서, 상기 유로용 개구부(18)는 (배터리 셀들 사이마다 층간 삽입된 상태로) 모듈 케이스(17) 내부에 장착되는 이웃한 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16) 사이에 형성되는 냉각 유로와 연결되어 방열을 위한 냉각 유로에 냉각풍의 유입이 가능하도록 한다.
이에 배터리 셀은 셀(11)들 사이에 삽입되어 있는 열 제어 플레이트(12) 및 적층된 복수 개의 셀(11)들을 둘러싸고 있는 모듈 케이스(17)에 의해 주변의 차가운 공기가 차단되어 단열효과를 얻을 수 있는 동시에 적정 온도 이하에서는 에어블로워를 구동하지 않는 제어시스템을 통해 효과적인 단열이 이루어진다.
보통 상전이 소재는 저온의 환경에서 융점 이하로 온도가 떨어지면서 고화됨에 의해 열을 방출하게 되는데, 이때 방출된 열은 열전도도가 우수한 고열전도성 시트(14)를 통해 이웃한 배터리 셀(11)에 전달되어 셀을 히팅하게 되며 이로써 저온에서 셀의 출력저하를 방지할 수 있게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 열 제어 플레이트(12)의 절연시트(13)는 배터리 셀(11)의 충전 및 방전시 셀의 부피변화(셀의 팽창 및 수축 등)에 대응할 수 있는 탄성을 지닌 폴리우레탄 폼이나 열가소성 엘라스토머 수지 등의 단열재로 이루어지는데, 이에 따라 저온의 환경에서도 셀의 부피변화에 대응할 수 있는 탄성을 보유하게 되어 외부 충격이나 차체의 진동 등으로부터 안정성과 내구성을 유지할 수 있게 된다.
구체적으로, 상기 열가소성 엘라스토머 수지로는 TPU(thermoplastic polyurethane)와 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 등이 사용될 수 있다.
아울러, 배터리 셀(11)에서 발생한 열을 효과적으로 이동시킬 수 있는 고열전도성 시트(14)의 소재로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 상전이 복합재 시트(15)는 상전이 소재의 낮은 열전도성을 보완하기 위하여 열전도도가 높은 필러를 함유하는 복합소재로 제작되며, 상기 필러는 상전이 복합재 시트 100 중량% 에 대해 20 ~ 50 중량% 로 함유된다.
즉, 상기 상전이 복합재 시트는 상전이 소재 50 ~ 80 중량% 와 고열전도성의 필러 20 ~ 50 중량% 로 된 조성물을 사용하여 제작될 수 있다.
이때, 필러의 함량이 20 중량% 미만이면 원하는 열전도 특성을 얻을 수 없고, 50 중량% 를 초과하면 동일 부피공간 내에 포함되는 상전이 소재의 양이 적어 원하는 만큼 열을 흡수하거나 방출하지 못하게 되므로 바람직하지 못하다.
여기서, 상기 필러로는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 스틸파이버, 실버 파우더 등이 사용될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기의 열 제어 플레이트(12)는 일정 두께와 면적을 가지는 판상의 절연체로 된 절연시트(13), 상기 절연시트(13)의 상하 양면에 각각 적층되어 결합되는 고열전도성 시트(14), 상기 절연시트(13)의 상하 양면에 각각 삽입되어 상기 고열전도성 시트(14)의 내면 측에 접합되는 상전이 복합재 시트(15)로 구성된다.
상기 상전이 복합재 시트(15)는 절연시트(13)의 상하 양면에 각각 삽입되어서 절연시트(13)와 고열전도성 시트(14)에 의해 둘러싸인 구조로 밀폐되는바, 절연시트(13)와 고열전도성 시트(14)는 양측 단이 상전이 복합재 시트(15)의 바깥쪽까지 연장된 구조로서 상전이 복합재 시트(15)보다 일정 폭 만큼 더 크게 형성되며, 이때 상전이 복합재 시트(15)보다 일정 폭 만큼 길게 연장된 양측 단이 열 제어 플레이트(12)의 가장자리부(16)로서 구성된다.
상기 절연시트(13)와 고열전도성 시트(14)는 동일 면적으로 제작되어 동일한 가로 및 세로 너비를 가진다.
또한, 상기 상전이 복합재 시트(15)는 도 2의 (a)와 같이 절연시트(13)의 상하 양면에 각각 삽입되어 구성되거나, 또는 도 2의 (b)와 같이 절연시트(13)의 일면에만 삽입되어 구성될 수 있다.
여기서, 도 2의 (a)에 도시된 상전이 복합재 시트(15)는 배터리 셀(11)들 사이에 삽입되는 상전이 복합재 시트를 나타낸 것이고, 도 2의 (b)에 도시된 상전이 복합재 시트(15)는 배터리 셀 모듈을 구성하는 배터리 셀 중 최외층에 배치되는 셀의 외층에 적층 배치되는 상전이 복합재 시트를 나타낸 것이다.
도 4에 보이듯이, 모듈(10)의 최외층에 배치되는 열 제어 플레이트(12)는 상하 양면 중 일면에만 배터리 셀(11)이 접합되므로 셀에 인접하는 일면(셀과 접합되는 고열전도성 시트 측)에만 상전이 복합재 시트(15)가 구성되게 된다.
즉, 열 제어 플레이트(12)의 일면에만 셀(11)이 접촉하고 타면에는 셀이 접촉되지 않기 때문에 타면 측에는 상전이 복합재 시트를 생략하여 구성할 수 있다.
상기 절연시트(13)의 양면 측에 삽입된 형태로 결합되는 각각의 상전이 복합재 시트(15)는 서로 이격되게 배치되며, 절연시트(13)와 고열전도성 시트(14)에 의해 둘러싸인 구조로 밀폐되어 구성됨으로써 액상으로 상전이 현상 발생할 시 상전이 소재의 유출이 발생하지 않게 된다.
그리고, 상기 상전이 복합재 시트(15)는 배터리 셀(11)과 동일한 면적의 너비(가로 및 세로 너비)를 가지도록 제작되어 셀과 동일 폭으로 구성된다.
이와 같이 구성되는 열 제어 플레이트(12)를 갖는 배터리 셀 모듈(10)은 배터리 내의 국부적인 온도차에 의한 안정성 저하 및 열폭주 현상을 막기 위해, 열 제어 플레이트(12)가 배터리 셀(11) 사이에 삽입되어 모듈 케이스(17) 내에 장착되었을 때 열 제어 플레이트(12)의 일측이 아닌 양측 단에 공냉에 의한 방열효과를 얻을 수 있도록 유로 공간을 형성하게 됨으로써 배터리 전체 면적에서 발생하는 열을 양방향으로 이동시켜 열 이동 경로를 최소화하도록 함으로써 방열 효율도 높이고 배터리 내 국부적 온도차의 발생을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 도 5에 나타낸 바와 같이 배터리 셀 모듈(10)은 유로를 제외하고는 모두 단열재로 된 모듈 케이스(17)에 의해 인캡슐레이션(encapsulation)되어 있기 때문에 도 7과 같이 복수 개의 모듈(10)을 서로 이웃하게 연결한 형태로 배터리 팩(20) 내에 장착될 수 있다.
이때, 상기 각 모듈(10)은 도 6과 같이 형성되는 각각의 유로 공간(셀의 적층방향과 직각을 이루게 되는 방향으로 연속되게 형성됨)이 일직선상으로 서로 연결되어 연속하여 형성되도록 배치되며, 이렇게 조합된 복수 개의 모듈(10)을 절연체로 된 팩 케이스(21) 내에 삽입하여 장착함으로써 배터리 팩(20)을 제작한다.
이때, 상기 모듈(10) 중 최선단의 모듈과 최후단의 모듈이 인접하게 되는 팩 케이스(21)의 좌우 양측 단에는 상기 유로 공간과 일직선상으로 서로 연결되는 유입구(22)와 배출구(23)가 각각 형성되어 원활한 공냉이 이루어지도록 하며, 상기 유입구(22) 측에는 공냉에 의한 방열용 에어블로워(30)가 설치된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 배터리 셀 모듈
11 : 배터리 셀
12 : 열 제어 플레이트
13 : 절연시트
14 : 고열전도성 시트
15 : 상전이 복합재 시트
16 : 가장자리부
17 : 모듈 케이스
18 : 유로용 개구부
20 : 배터리 팩
21 : 팩 케이스
22 : 유입구
23 : 배출구

Claims (11)

  1. 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로서,
    절연체로 이루어진 절연시트(13);
    상기 절연시트의 상하 양면에 각각 적층 결합되는 고열전도성 시트(14);
    상기 절연시트의 상하 양면에 각각 삽입되어 상기 고열전도성 시트의 내면 측에 접합되는 상전이 복합재 시트(15);
    로 구성되며, 상기 상전이 복합재 시트가 절연시트 및 고열전도성 시트에 의해 둘러싸인 구조로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상전이 복합재 시트(15)는 상전이 소재 50 ~ 80 중량% 와 고열전도성의 필러 20 ~ 50 중량% 로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 필러로는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 스틸파이버, 실버 파우더 중 선택된 어느 하나가 사용되거나 또는 선택된 둘 이상이 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상전이 복합재 시트(15)는 배터리 셀과 동일 폭으로 형성되고, 상기 절연시트(13)와 고열전도성 시트(14)는 양측 단이 상전이 복합재 시트의 바깥쪽까지 일정 폭 만큼 연장된 구조로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연시트(13)는 폴리우레탄 폼 또는 열가소성 엘라스토머 수지로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열가소성 엘라스토머 수지로 TPU(thermoplastic polyurethane)와 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 중에 선택된 1종이 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고열전도성 시트(14)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항의 열 제어 플레이트(12)가 이웃한 배터리 셀(11)들 사이에 층간 삽입되어 구성되고, 상기 열 제어 플레이트의 가장자리부(16)가 배터리 셀의 바깥쪽으로 돌출된 구조로 됨으로써, 이웃한 열 제어 플레이트의 가장자리부 사이의 공간이 냉각 공기가 통과하는 유로를 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 열 제어 플레이트(12) 중 최외층에 배치되는 열 제어 플레이트는 배터리 셀(11)이 접합된 고열전도성 시트(14) 측에만 상전이 복합재 시트(15)가 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 열 제어 플레이트(12)는 단열재로 된 모듈 케이스(17) 내에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 모듈 케이스(17)는 폴리우레탄 폼 또는 열가소성 엘라스토머 수지로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
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