KR20150096885A

KR20150096885A - 배터리 모듈

Info

Publication number: KR20150096885A
Application number: KR1020140017719A
Authority: KR
Inventors: 양승우; 박주용; 류재림
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-08-26
Also published as: US20150236385A1; US9564670B2; KR102233774B1

Abstract

본 발명은 제1 방향으로 정렬된 복수개의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 고정하는 고정부재; 및 상기 배터리 셀의 바닥면을 지지하도록 구비되어 배터리 셀과 열교환하는 열교환부재;를 포함하고, 상기 열교환부재는 냉각매체가 흐르는 통로인 제1 냉매흐름통로와 제2 냉매흐름통로를 구비하고, 상기 제1 냉매흐름통로는 상기 배터리 셀의 바닥면에 인접하게 구비되고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제1 냉매흐름통로의 하부에서 상기 제1 냉매흐름통로와 이격되어 구비되는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

배터리 모듈 {BATTERY MODULE}

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환효율이 향상된 배터리 모듈에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 배터리 모듈이 개발되고 있으며, 상기한 고출력 배터리 모듈은 고전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 대용량의 배터리 모듈을 구성한다. 그리고, 이러한 배터리 모듈을 전기적으로 다수개 연결하여 배터리 팩을 구성할 수 있다.

통상, 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀로 이루어질 수 있는데, 상기 배터리 셀은 전기화학적 반응에 의하여 외부전자기기에 에너지를 전달한다. 이때, 전기화학적 반응 중에 배터리 셀은 발열하고, 이러한 열이 축적되는 경우에는 배터리 셀의 열화뿐 아니라 심한 경우에는 안전성에도 문제가 될 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 온도를 제어하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 신규한 열교환부재를 구비한 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열교환효율이 향상된 배터리 모듈을 제공하기 위함이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 제1 방향으로 정렬된 복수개의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 고정하는 고정부재; 및 상기 배터리 셀의 바닥면을 지지하도록 구비되어 배터리 셀과 열교환하는 열교환부재;를 포함하고, 상기 열교환부재는 냉각매체가 흐르는 통로인 제1 냉매흐름통로와 제2 냉매흐름통로를 구비하고, 상기 제1 냉매흐름통로는 상기 배터리 셀의 바닥면에 인접하게 구비되고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제1 냉매흐름통로의 하부에서 상기 제1 냉매흐름통로와 이격되어 구비되는 배터리 모듈을 제공할 수 있다.

상기 열교환부재는 순차적으로 제1 내지 제5 플레이트가 적층되어 복수개의 층 (layer)으로 이루어지고, 상기 제1 플레이트는 상기 배터리 셀의 바닥면에 인접하도록 구비되고, 상기 제2 및 제4 플레이트에는 각각 제1 및 제2 냉매흐름통로가 구비되며, 상기 제3 플레이트는 상기 제2 및 제4 플레이트 사이에 개재되고, 상기 제5 플레이트는 상기 제4 플레이트의 하부에 구비될 수 있다.

상기 제1 내지 제5 플레이트의 외주연은 용접되어 일체형으로 연결될 수 있다.

상기 열교환부재는 냉매가 유입되는 인렛 및 냉매가 배출되는 아웃렛을 구비하고, 상기 아웃렛은 상기 열교환부재의 측면에서 상기 배터리 셀의 바닥면에 인접하게 구비되되 상기 인렛은 상기 아웃렛에서 이격되어 상기 아웃렛의 하부에 구비될 수 있다.

상기 제1 냉매흐름통로는 상기 제1 냉매흐름통로의 일단에서 타단으로 연결되되 상기 제1 냉매흐름통로의 일단은 냉매가 배출되는 아웃렛에 연결되고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제2 냉매흐름통로의 일단에서 타단으로 연결되되 상기 제2 냉매흐름통로의 일단은 냉매가 유입되는 인렛에 연결될 수 있다.

상기 제3 플레이트는 상기 제3 플레이트의 상부면에서 하부면으로 연결되는 관통홀을 포함하고, 상기 제1 및 제2 냉매흐름통로의 타단은 상기 제3 플레이트에 구비되는 관통홀에 연결될 수 있다.

상기 제2 플레이트에는 냉매가 배출되는 아웃렛이 구비되고, 상기 제4 플레이트에는 냉매가 유입되는 인렛이 구비되며, 상기 냉매는 상기 인렛에서 아웃렛으로 통과하는 과정에서 상변화하도록 구비될 수 있다.

상기 냉매는 액상으로 인렛을 통하여 유입되어 상기 제2 냉매흐름통로를 흐르고, 상기 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로에서 상변화하여 액상 및 기상이 공존할 수 있다.

상기 제1 냉매흐름통로는 상기 아웃렛과 연결되는 직선형의 제1 메인통로와 상기 제1 메인통로에서 수직한 방향으로 연결되는 하나 이상의 제1 브리지통로로 이루어지고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제1 메인통로와 대응하는 위치에서 상기 인렛과 연결되는 직선형의 제2 메인통로와 상기 제2 메인통로에서 수직한 방향으로 연결되는 하나 이상의 제2 브리지통로로 이루어질 수 있다.

상기 제1 메인통로 및 제2 메인통로는 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하도록 제2 방향으로 연장되고, 상기 제2 방향은 제1 방향에 수직한 방향일 수 있다.

상기 제1 브리지통로는 복수개가 이격되어 상기 제1 방향을 향하도록 연장되고, 상기 제2 브리지통로는 복수개가 이격되어 상기 제1 방향으로 연장되되 상기 제1 브리지통로에 대응하도록 구비될 수 있다.

상기 제3 플레이트는 상기 제3 플레이트의 상부면에서 하부면으로 연결되는 관통홀을 포함하고, 상기 제1 및 제2 브리지통로의 일단은 각각 상기 제1 및 제2 메인통로와 연결되고, 상기 제1 및 제2 브리지통로의 타단은 각각 관통홀에 의하여 연결될 수 있다.

상기 열교환부재는 내부에는 냉매를 더 포함하고, 상기 냉매는 상기 인렛을 통하여 유입되어 상기 제2 냉매흐름통로를 흐르고, 상기 냉매는 상기 관통홀을 통하여 상기 제1 냉매흐름통로로 연결되며, 상기 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로에서 상변화하면서 상기 배터리 셀의 바닥면과 열교환할 수 있다.

상기 제1 내지 제5 플레이트의 측면에는 각각 제1 내지 제5 가이드부를 구비하되, 상기 제1 내지 제5 가이드부는 서로 대응하는 위치에 구비되어 상기 제1 내지 제5 플레이트의 위치를 가이드할 수 있다.

상기 제1 또는 제2 냉매흐름통로의 적어도 일부는 파형 또는 지그재그형을 포함할 수 있다.

상기 제1 냉매흐름통로는 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하도록 연장되는 직선형의 제1 메인통로와 상기 제1 메인통로에서 제1 방향으로 연결되는 하나 이상의 제1 브리지통로로 이루어지고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제1 메인통로와 대응하도록 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하게 연장되는 직선형의 제2 메인통로와 상기 제2 메인통로에서 제1 방향으로 연결되는 하나 이상의 제2 브리지통로로 이루어질 수 있다.

상기 제1 및 제2 브리지통로는 파형 또는 지그재그형으로 구비되되, 상기 제1 및 제2 브리지통로는 상기 제1 방향으로 수직한 방향인 제2 방향으로 돌출되는 볼록부와 상기 볼록부와 교대로 구비되는 오목부로 이루어지고, 상기 제1 냉매흐름통로의 볼록부는 상기 제2 냉매흐름통로의 오목부와 서로 대응하는 위치에 구비될 수 있다.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 신규한 열교환부재를 구비한 배터리 모듈을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 열교환효율이 향상된 배터리 모듈 제공할 수 있다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 도 1의 A-A에 따른 단면도이다.
도 2은 도 1a의 열교환부재의 분해사시도이다.
도 3는 도 2의 열교환부재의 제2 내지 제4 플레이트의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환부재의 분해사시도이다.
도 6은 도 5의 열교환부재의 제2 내지 제4 플레이트의 사시도이다.
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉매의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 도 1의 A-A에 따른 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 (20)은 제1 방향으로 정렬된 복수개의 배터리 셀 (10); 상기 배터리 셀 (10)을 고정하는 고정부재 (18, 19); 및 상기 배터리 셀 (10)의 바닥면 (10a)을 지지하도록 구비되어 배터리 셀 (10)과 열교환하는 열교환부재 (100);를 포함하고, 상기 열교환부재 (100)는 냉각매체가 흐르는 통로인 제1 냉매흐름통로 (122)와 제2 냉매흐름통로 (142)를 구비하고, 상기 제1 냉매흐름통로 (122)는 상기 배터리 셀 (10)의 바닥면 (10a)에 인접하게 구비되고, 상기 제2 냉매흐름통로 (142)는 상기 제1 냉매흐름통로 (122)의 하부에서 상기 제1 냉매흐름통로 (122)와 이격되어 구비될 수 있다.

배터리 셀 (10)은 전지 케이스와 상기 전지 케이스 내에 수납된 전극 조립체 및 전해액으로 이루어질 수 있다. 전극 조립체와 전해액은 서로 반응하여 전기화학적 에너지를 발생하고, 상기 전지 케이스는 캡 조립체 (14)에 의하여 밀폐된다. 캡 조립체 (14)에는 서로 다른 극성을 갖는 양극단자 (11) 및 음극단자 (12)와, 벤트 (13)가 구비될 수 있다. 상기 벤트 (13)는 배터리 셀 (10)의 안전수단으로 배터리 셀 (10)의 내부에서 발생하는 기체를 외부로 방출하는 통로로 작용한다. 서로 이웃하는 배터리 셀 (10)의 양극단자 (11)와 음극단자 (12)는 버스바 (15)를 통하여 전기적으로 연결되고, 상기 버스바 (15)는 너트 (16) 등에 의하여 고정될 수 있다.

배터리 셀 (10)은 가역적으로 전기 에너지를 발생할 수 있는 것으로, 상기 배터리 셀은 상기 배터리 셀의 넓은 면이 서로 대면하도록 복수개가 제1 방향 (Y 방향)으로 정렬되고, 고정부재 (18, 19)에 의하여 고정되어 배터리 모듈 (20)로 형성될 수 있다. 배터리 모듈 (20)은 상기 배터리 셀 (10)의 연결 개수, 직렬 또는 병렬의 연결 방식에 의하여 다양한 전자기기의 전력원으로 이용될 수 있다.

상기 고정부재 (18, 19)는 복수개의 배터리 셀 (10)을 한데 묶어 물리적으로 고정할 수 있다. 상기 고정부재 (18, 19)는 정렬된 복수개의 배터리 셀 (10)의 최외측에서 상기 배터리 셀 (10)의 넓은 면에 대면하도록 구비되는 한쌍의 엔드플레이트 (18)와, 상기 한쌍의 엔드플레이트 (18)를 연결하는 연결플레이트 (19)를 포함할 수 있다.

통상, 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀로 이루어져 있고, 상기 배터리 셀들은 충방전을 하면서 다량의 열을 발생한다. 이러한 열은 배터리 셀에 축적되어 배터리 셀을 열화를 가속화시키고, 전기적 효율을 저하시키고 심한 경우에는 폭발 등의 안전성의 문제를 유발할 수 있다. 특히, 고전력의 전원으로 작용하는 배터리 모듈에서는 더 큰 문제가 되므로, 이를 제어하기 위하여 냉각장치가 구비된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 신규한 열교한부재를 구비하여 배터리 셀들과 효율적으로 열교환할 수 있고, 상기 배터리 셀들 사이의 온도의 편차없이 상기 배터리 셀들을 균일하게 냉각시킬 수 있다. 또한, 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 냉각매체를 효율적으로 이용하므로, 배터리 모듈의 단가 및 운전비용을 절감할 수 있으며, 배터리 셀의 열화를 방지하여 배터리 모듈의 수명을 향상시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 (20)은 배터리 셀 (10)의 바닥면 (10a)에 구비되는 열교환부재 (100)를 구비하되 상기 열교환부재 (100)는 순차적으로 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 10)가 적층되어 복수개의 층 (layer)으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 플레이트 (110)는 상기 배터리 셀 (10)의 바닥면 (10a)에 인접하도록 구비되고, 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)에는 각각 제1 및 제2 냉매흐름통로 (122, 142)가 구비되며, 상기 제3 플레이트 (130)는 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140) 사이에 개재되고, 상기 제5 플레이트 (150)는 상기 제4 플레이트 (140)의 하부에 구비될 수 있다.

순차적으로 적층된 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)의 외주연은 용접되어 일체형으로 연결될 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)의 측면에는 각각 제1 내지 제5 가이드부 (115, 125, 135, 145, 155)를 구비할 수 있다. 상기 제1 내지 제5 가이드부 (115, 125, 135, 145, 155)는 서로 대응하는 위치에 구비되어 상기 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)의 위치를 가이드할 수 있다. 상기 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)는 내부에 각각 다른 형상을 구비하므로, 그 위치가 서로 대응하도록 적층되어야 하는데, 본 실시예에 따른 열교환부재 (100)에는 상기 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)의 측면에 각각 제1 내지 제5 가이드부 (115, 125, 135, 145, 155)가 구비되어, 상기 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)가 정위치에 구비되도록 가이드할 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제5 가이드부 (115, 125, 135, 145, 155)는 홈부 또는 홀의 형태일 수 있다.

상기 열교환부재 (100)는 냉매가 유입되는 인렛 (21) 및 냉매가 배출되는 아웃렛 (22)을 구비하고, 상기 아웃렛 (22)은 상기 열교환부재 (100)의 측면에서 상기 배터리 셀 (10)의 바닥면 (10a)에 인접하게 구비되되 상기 인렛 (21)은 상기 아웃렛 (21)에서 이격되어 상기 아웃렛 (21)의 하부에 구비될 수 있다. 예컨대, 열교환부재 (100) 내로 냉매가 인렛 (21)을 통하여 유입되어 제1 및 제2 냉매흐름통로 (124, 144)를 통과하여 아웃렛 (22) 배출되는데, 상기 냉매는 상대적으로 하부측에 구비되는 인렛 (21)을 통과하고, 제2 냉매흐름통로 (142)를 통과한 후, 상기 제2 냉매흐름통로 (144)에 대하여 상부측에 구비된 제1 냉매흐름통로 (122)를 통과하여 아웃렛 (22)으로 배출될 수 있다. 냉매의 온도는 인렛 (21)에서 가장 낮은 온도일 수 있으며, 아웃렛 (22)에서 가장 높은 온도일 수 있다.

도 2은 도 1a의 열교환부재의 분해사시도이고, 도 3는 도 2의 열교환부재의 제2 내지 제4 플레이트의 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환부재 (100)는 내부에 냉매가 흐르는 제1 및 제2 냉매흐름통로 (122, 142)를 구비하되, 상기 제1 및 제2 냉매흐름통로 (122, 142)는 복수개의 층 사이에 개재되도록 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 열교환부재 (100)는 상기 배터리 셀의 바닥면에서 인접한 부분에서 시작하여 순차적으로 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)으로 이루어지되, 상기 제1 및 제2 냉매흐름통로 (122, 142)는 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)에 각각 구비되고, 상기 제1 및 제2 냉매흐름통로 (122, 142) 사이에는 제3 플레이트 (130)가 개재될 수 있다.

상기 제2 플레이트 (120)에는 제1 냉매흐름통로 (122)가 구비되고, 상기 제4 플레이트 (140)에는 제2 냉매흐름통로 (142)가 구비될 수 있다. 상기 제2 플레이트 (120)는 베이스부 (121)와 상기 베이스부 (121)를 관통하도록 형성된 홀로 이루어지며, 상기 제4 플레이트 (140)도 베이스부 (141)와 베이스부 (141)를 관통하도록 형성된 홀로 이루어질 수 있다. 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140) 사이에는 제3 플레이트 (130)가 개재되고, 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)의 외측에는 각각 제1 및 제2 플레이트 (110, 150)가 구비되므로, 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)의 베이스부 (121, 141)에 구비된 홀은 상기 제1, 제3 및 제5 플레이트 (110, 130, 150)에 의하여 가로막혀, 제1 및 제2 냉매흐름통로 (122, 142)로 작용할 수 있다. 즉, 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)의 베이스부 (121, 141)를 관통하는 홀은 제1, 제3 및 제5 플레이트 (110, 130, 150)에 의하여 냉매가 유동하는 통로로 작용할 수 있다. 또한, 상기 제1 냉매흐름통로 (122)의 입구측 (122a)은 아웃렛 (22)과 연결되고, 상기 제2 냉매흐름통로 (142)의 입구측 (142a)은 인렛 (21)과 연결될 수 있다.

이때, 상기 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)는, 예컨대 A3003 등의 알루미늄을 모재 (base metal)로 구비할 수 있는데, 이들 중 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)는 상기 모재에, 예컨대 A4343 또는 A4045의 금속이 더 코팅되어 구비될 수 있다. 즉, 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)는 두종류 이상의 금속이 클래드 (clad)되어 구비될 수 있으며, 이때 상기 모재의 외면에 박판으로 클래드되는 금속은 상기 모재보다 낮은 온도에서 용융될 수 있다. 상기 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)를 제1 내지 제5 가이드부 (11, 125, 135, 145, 155)에 따라 적층한 후, 500도 내지 600도의 오븐에서 가열하면, 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)의 클래드된 금속이 용융되어 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)는 일체형으로 연결될 수 있다.또한, 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)의 외주연을 용접함으로써, 상기 열교환부재 (100)를 더욱 견고하게 고정할 수 있다. 상기 제2 및 제4 플레이트 (120, 140)를 클래드형으로 구비하거나, 또는 제1 내지 제5 플레이트 (110, 120, 130, 140, 150)의 외주연을 용접하는 것은 상기 열교환부재 (100)를 견고하게 고정시키기 위한 것으로, 이 중 하나의 방법의 의해서만 수행될 수 있다.

상기 제1 냉매흐름통로 (122) 상기 아웃렛 (22)과 연결되는 직선형의 제1 메인통로 (123)와 상기 제1 메인통로 (123)에서 수직한 방향으로 연결되는 하나 이상의 제1 브리지통로 (124)로 이루어지고, 상기 제2 냉매흐름통로 (142)는 상기 제1 메인통로 (123)와 대응하는 위치에서 상기 인렛 (21)과 연결되는 직선형의 제2 메인통로 (143)와 상기 제2 메인통로 (143)에서 수직한 방향으로 연결되는 하나 이상의 제2 브리지통로 (144)로 이루어질 수 있다. 상기 제1 메인통로 (123) 및 제2 메인통로 (143)는 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하도록 제2 방향 (Y 방향, 도 1a 참조)으로 연장되는데, 상기 제2 방향은 상기 배터리 셀이 정렬되는 방향인 제1 방향에 수직한 방향일 수 있다. 또한, 상기 제1 브리지통로 (124)는 복수개가 이격되어 상기 제1 방향 (X방향, 도 1a 참조)을 향하도록 연장되고, 상기 제2 브리지통로 (144)는 복수개가 이격되어 상기 제1 방향으로 연장되되 상기 제1 브리지통로 (124)에 대응하도록 구비될 수 있다.

상기 제3 플레이트 (130)는 베이스부 (131)와 상기 베이스부 (131)를 관통하는 관통홀 (132)로 이루어질 수 있다. 상기 관통홀 (132)는 상기 제3 플레이트 (130)의 상부면에서 하부면으로 연결될 수 있다. 상기 제3 플레이트 (130)는 제2 플레이트 (120)와 제4 플레이트 (140) 사이에 개재될 수 있는데, 상기 제3 플레이트 (130)의 상부면에는 제2 플레이트 (120)가 안착되고, 상기 제4 플레이트 (130)의 하부면은 상기 제4 플레이트 (140)를 덮도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 관통홀 (132)은 상기 제1 및 제2 브리지통로 (124, 144)의 타단 (124a, 144b)에 대응하는 위치에 구비될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 브리지통로 (124, 144)의 일단 (124a, 144a)은 각각 상기 제1 및 제2 메인통로 (123, 143)와 연결되고, 상기 제1 및 제2 브리지통로 (124, 144)의 타단 (124b, 144b)은 각각 관통홀 (132)의 일측 (132a) 및 타측 (132b)과 의하여 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 관통홀 (132)은 서로 이격되어 상부 및 하부에서 나란하게 구비되는 제1 및 제2 브리지통로 (124, 144)에 대하여 수직한 방향으로 구비되어, 상기 제1 및 제2 브리지통로 (124, 144)를 연결할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.

전술한 도 2 및 3과 함께 도 4를 참조하면, 상기 제1 냉매흐름통로 (122)는 제1 냉매흐름통로 (122)의 일단에서 타단으로 연결되되, 상기 제1 냉매흐름통로 (122)의 입구측 (122a)인 일단은 냉매가 배출되는 아웃렛 (22)에 연결되고, 상기 제2 냉매흐름통로 (142)는 상기 제2 냉매흐름통로 (142)의 일단에서 타단으로 연결되되 상기 제2 냉매흐름통로 (142)의 입구측 (142a)인 일단은 냉매가 유입되는 인렛 (21)에 연결될 수 있다. 상기 냉매는 상기 인렛 (21)에서 아웃렛 (22)으로 통과하는 과정에서, 온도가 상승하고 또한 상변화할 수 있다. 예컨대, 상기 냉매는 R134a 또는 1234YF을 포함할 수 있다.

냉매는 상기 제4 플레이트 (140)에 구비된 인렛 (21)으로 유입되어, 상기 열교환부재 (100)의 하부측에 구비되는 제2 냉매흐름통로 (142)를 통과하는 동안 온도가 상승한다. 이에서, 냉매는 제3 플레이트 (130)에 구비되는 관통홀 (132)을 통과하여, 상기 열교환부재 (100)의 상부측에 구비되는 제1 냉매흐름통로 (122)를 통과할 수 있다. 상기 제1 냉매흐름통로 (122)를 통과하는 냉매는 배터리 셀과 열교환하여 배터리 셀의 온도를 제어할 수 있다.

상기 제1 냉매흐름통로 (122)를 통과하는 냉매는 상기 배터리 셀과 열교환하면서 상변화할 수 있다. 즉, 상기 냉매는 액상으로 인렛 (21)을 통하여 유입되어 상기 제2 냉매흐름통로 (142)를 흐르고, 상기 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로 (122)에서 상변화하여 액상 및 기상이 공존할 수 있다. 상기 제1 냉매흐름통로 (122)에서 상기 냉매는 배터리 셀과 열교환하여 배터리 셀을 냉각시키면, 상기 배터리 셀에서 얻은 열로 상변화하므로 냉매 자체의 온도는 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 제2 냉매흐름통로 (122)를 흐르는 냉매는 온도가 대략 일정하게 유지되므로, 상기 배터리 셀의 위치와 무관하게 상기 배터리 셀과의 열교한효율을 대략 유사하게 유지할 수 있고, 이는 복수개의 배터리 셀 사이의 온도편차를 감소시켜 배터리 모듈의 온도를 대략 일정하게 유지할 수 있다.

예컨대, 상기 열교환부재 (100)는 내부에는 냉매를 더 포함하고, 상기 냉매는 상기 인렛 (21)을 통하여 유입 (Cin)되어 상기 제2 냉매흐름통로 (142)를 흐르고, 상기 냉매는 상기 관통홀 (132)을 통하여 상기 제1 냉매흐름통로 (122)로 연결되며, 상기 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로 (122)에서 상변화하면서 상기 배터리 셀의 바닥면과 열교환할 수 있다. 본 실시예에 따른 열교환부재 (100)에서 냉매는 인렛 (21)에서 가장 낮은 온도로 구비되되 아웃렛 (22)에서 가장 높은 온도로 배출 (Cout)될 수 있다.

열교환부재의 온도편차, 냉매의 인렛 및 아웃렛에서의 온도편차는 배터리 셀과의 열교환시 배터리 셀의 열교환효율의 차이를 유발할 수 있다. 반면, 본 실시예에 따른 열교환부재 (100)는 인렛 (21) 및 아웃렛 (22)이 서로 대면하도록 구비되므로, 상기 인렛 (21) 및 아웃렛 (22) 사이의 열교환을 유도할 수 있고, 인렛 (21) 및 아웃렛 (22)을 통과하는 냉매 사이의 온도 편차를 감소시킬 수 있다. 또한, 열교환부재 (100)에서 작동온도에 대하여 상대적으로 온도편차가 큰 인렛 (21)측은 배터리 셀과 먼 위치에 구비시킴으로써, 인렛 (21)의 온도편차에 의한 배터리 셀간의 온도편차를 저감할 수 있다. 또한, 제1 냉매흐름통로 (122)를 통과하는 냉매는 배터리 셀과 열교환하여 상기 배터리 셀의 열을 받아 온도가 높아지거나 상변화할 수 있는데, 이때 상기 제1 냉매흐름통로 (122)의 하부에서 흐르는 제2 냉매흐름통로 (124)의 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로 (122)의 냉매와 열교환할 수 있다. 따라서, 상대적으로 낮은 온도를 갖는 제2 냉매흐름통로 (142)의 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로 (122)를 통과하는 냉매와 열교환하여, 상기 제1 냉매흐름통로 (122)의 냉매와 배터리 셀의 열교환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 열교환부재 (100)는 제1 냉매흐름통로 (122)과 배터리 셀과 열교환하면서, 상기 제2 냉매흐름통로 (142)와 열교환할 수 있으므로, 상기 열교환부재 (100)의 내부의 냉매는 그 위치에 따른 온도편차가 상대적으로 작으므로, 배터리 셀이 아닌 불필요한 외부와의 열교환을 감소시킬 수 있으므로, 총 사용되는 냉매의 양을 절감할 수 있다.

본 실시예에 따른 배터리 모듈은 열교환부재에 의하여 효율적으로 열교환하되, 상기 배터리 모듈을 구성하는 복수개의 배터리 셀들이 열교환부재의 위치에 의하여 발생할 수 있는 배터리 셀들 사이의 온도편차를 방지할 수 있다. 배터리 셀들 사이의 온도편차는, 배터리 셀들 사이의 열화의 정도차를 유발하며, 이는 전류흐름의 불균형을 유발하여 배터리 모듈의 수명이 감소되는 것을 가속화시킬 수 있다. 반면, 본 실시예에 따른 열교환부재 (100)는 배터리 셀들 사이의 온도편차를 방지할 수 있으므로, 열교환효율을 향상시킬 뿐 아니라, 배터리 모듈의 수명을 향상시킬 수 있다.

이하에서, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다. 후술할 내용을 제외하고는, 도 1a 내지 도 4에서 설명한 실시예에 기재된 내용과 유사하므로 이에 대한 자세한 내용은 생략한다.

도 5은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환부재의 분해사시도이고, 도 6은 도 5의 열교환부재의 제2 내지 제4 플레이트의 사시도이다. 도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉매의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환부재 (200)는 배터리 셀과 열교환하여 상기 배터리 셀의 온도를 제어하는 것으로, 열교환부재 (200)의 내부에는 냉매가 이동하는 통로인 제1 냉매흐름통로 (222), 제2 냉매흐름통로 (242)가 구비될 수 있다. 상기 제1 냉매흐름통로 (222)는 열교환부재 (200)의 상부측에서 배터리 셀과 인접하게 구비되어, 상기 배터리 셀과 열교환할 수 있고, 상기 제2 냉매흐름통로 (242)는 상기 열교환부재 (200)의 하부측에 구비될 수 있다. 상기 제2 냉매흐름통로 (242)의 입구측 (242a)에는 인렛 (21)이 연결되어, 냉매가 최초로 유입 (Cin)되고, 상기 냉매는 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242)의 상하흐름을 연결하는 관통홀 (231)을 통하여, 상기 제2 냉매흐름통로 (242)에서 상기 제1 냉매흐름통로 (241)로 이동하고, 상기 제1 냉매흐름통로 (241)의 입구측 (242a)에 구비된 아웃렛 (22)을 통하여 배출 (Cout)될 수 있다. 상기 인렛 (21)은 열교환부재 (200)의 하부측에, 상기 아웃렛 (22)은 열교환부재 (200)의 상부측에 구비되되, 서로 대응하는 위치에 구비되어, 인렛 (21)측의 냉매와 아웃렛 (22)측의 냉매 사이에 열교환될 수 있다. 예컨대, 상기 인렛 (21)측의 새로운 냉매가 유입되므로, 가장 낮은 온도의 냉매가 구비될 수 있는데, 배터리 셀과 열교환한 후 배출되는 가장 높은 온도의 냉매가 구비되는 아웃렛 (22)측의 상기 인렛 (21)측과 열교환할 수 있으므로, 열교환부재 (200) 내의 냉매의 온도편차를 감소시킬 수 있다.

본 실시예에 따른 열교환부재 (200)는 상부에서 하부로 순차적으로 구비되는 제1 내지 제5 플레이트 (210, 220, 230, 240, 250)으로 구비될 수 있다. 상기 제1 및 제5 플레이트 (210, 250)는 상기 열교환부재 (200)의 최외면에 구비되어, 내부에 구비되는 제2 내지 제4 플레이트 (220, 230, 240)을 보호할 수 있다. 상기 제2 및 제4 플레이트 (220, 240)는 각각 베이스부 (221, 241)와 상기 베이스부 (221, 241)를 관통하여 구비되는 홀로 이루어질 수 있다. 상기 제2 플레이트 (220)의 상부 및 하부에는 제1 및 제3 플레이트 (210, 230)이 구비되어, 상기 베이스부 (221)의 홀이 가로막히고, 가로막힌 홀은 상기 열교환부재 (200)의 상부측 냉매흐름인 제1 냉매흐름통로 (222)로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제4 플레이트 (240)도 이와 유사하게, 제3 및 제5 플레이트 (230, 250)에 의하여, 제2 냉매흐름통로 (242)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 제3 플레이트 (230)는 베이스부 (230)와 상기 베이스부 (230)를 관통하는 관통홀 (232)에 구비될 수 있는데, 상기 관통홀 (232)는 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242) 사이의 냉매흐름을 연결할 수 있다.

본 실시예에 따른 제1 또는 제2 냉매흐름통로 (222, 242)의 적어도 일부는 파형 또는 지그재그형을 포함할 수 있다. 상기 제1 냉매흐름통로 (222)는 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하도록 연장되는 직선형의 제1 메인통로 (223)와 상기 제1 메인통로 (223)에서 제1 방향 (상기 배터리 셀의 바닥면에 나란한 방향에 대하여 수직한 방향)으로 연결되는 하나 이상의 제1 브리지통로 (224)로 이루어지고, 상기 제2 냉매흐름통로 (242)는 상기 제1 메인통로 (223)와 대응하도록 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하게 연장되는 직선형의 제2 메인통로 (243)와 상기 제2 메인통로 (243)에서 제1 방향으로 연결되는 하나 이상의 제2 브리지통로 (244)로 이루어질 수 있다.

예컨대, 상기 제1 및 제2 브리지통로 (224, 244)는 파형 또는 지그재그형으로 구비되되, 상기 제1 및 제2 브리지통로 (224, 244)는 상기 제1 방향으로 수직한 방향인 제2 방향으로 돌출되는 볼록부 (a1, b1)와 상기 볼록부 (a1, b1)와 교대로 구비되는 오목부 (a2, b2)로 이루어지고, 상기 제1 냉매흐름통로 (222)의 볼록부 (a1)는 상기 제2 냉매흐름통로 (242)의 오목부 (b2)와 서로 대응하는 위치에 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 냉매흐름통로 (222)의 오목부 (a2)는 상기 제2 냉매흐름통로 (242)의 볼록부 (b1)과 대응하는 위치에 구비될 수 있다.

상기 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242)가 파형 또는 지그재그형을 구비함으로써, 상기 열교환부재 (200)의 부피를 증가시키지 않고도, 상기 열교환부재 (200) 내에서의 냉매의 흐름을 연장시킬 수 있으므로, 냉매의 사용효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242)는 서로 대응되는 위치에 구비되어, 서로 열교환할 수 있으므로, 상기 제1 냉매흐름통로 (222)의 냉매가 배터리 셀로부터 열을 받는 동안에, 상기 제2 냉매흐름통로 (242)의 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로 (222)의 냉매의 열을 뺏을 수 있으므로, 상기 제1 냉매흐름통로 (222)의 냉매의 온도를 상대적으로 낮게 유지할 수 있고 따라서 배터리 셀과의 열교환효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 냉매흐름통로 (222)의 볼록부 (a1) 및 오목부 (a2)는 서로 교대로 구비될 수 있으며, 상기 제2 냉매흐름통로 (242)의 볼록부 (b1) 및 오목부 (b2)는 서로 교대로 구비될 수 있다. 이때, 상기 제1 냉매흐름통로 (222)의 볼록부 (a1)의 하부측에는 제2 냉매흐름통로 (242)의 오목부 (b2)가 구비될 수 있고, 상기 제2 냉매흐름통로 (222)의 오목부 (a2)의 하부측에는 상기 제2 냉매흐름통로 (242)의 볼록부 (b1)가 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242)는 서로 반대방향으로 교차되도록 볼록부 (a1, b1) 및 오목부 (a2, b2)를 구비할 수 있다. 이와 같이 구비된 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242)는 상기 열교환부재 (200) 내에서 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242) 사이에 열이 교환되는 거리를 증가시켜, 배터리 셀과 제1 냉매흐름통로 (222) 사이의 열교환과, 상기 제1 및 제2 냉매흐름통로 (222, 242)를 통과하는 냉매 사이의 열교환을 정밀하게 제어할 수 있다.

본 실시예에 따른 냉매는 인렛 (21)을 통하여 유입되어 제2 메인통로 (243)을 통과하고, 상기 제2 메인통로 (243)를 통과하면서 상기 제2 메인통로 (243)와 연결되는 제2 브리지통로 (244)의 일단 (244a)으로 연결될 수 있다. 또한, 냉매는 상기 제2 브리지통로 (244)를 통과하여 상기 제2 브리지통로 (244)의 타단 (244b)과 연결되는 관통홀 (232)를 통하여 상기 제1 브리지통로 (224)의 타단 (224b)으로 연결되고, 상기 제1 브리지통로 (224)를 통과하여 상기 제1 브리지통로 (224)의 일단 (224a)와 연결되는 제1 메인통로 (223)를 통하여 아웃렛 (22)으로 배출될 수 있다.

냉매는 액상으로 유입되어 제2 메인통로 (243) 및 제2 브리지통로 (244)인 제2 냉매흐름통로 (242)를 통과하면서, 상기 제2 냉매흐름통로 (242)의 냉매와 열교환하여 온도가 올라갈 수 있고, 제1 냉매흐름통로 (222)로 이동하여 배터리 셀과 열교환하면서 액상에서 기상으로 상변화할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 배터리 셀 11, 12: 양극단자, 음극단자
13: 벤트 14: 캡플레이트
18, 19: 고정부재 100, 200: 열교환부재

Claims

제1 방향으로 정렬된 복수개의 배터리 셀;
상기 배터리 셀을 고정하는 고정부재; 및
상기 배터리 셀의 바닥면을 지지하도록 구비되어 배터리 셀과 열교환하는 열교환부재;를 포함하고,
상기 열교환부재는 냉각매체가 흐르는 통로인 제1 냉매흐름통로와 제2 냉매흐름통로를 구비하고, 상기 제1 냉매흐름통로는 상기 배터리 셀의 바닥면에 인접하게 구비되고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제1 냉매흐름통로의 하부에서 상기 제1 냉매흐름통로와 이격되어 구비되는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 열교환부재는 순차적으로 제1 내지 제5 플레이트가 적층되어 복수개의 층 (layer)으로 이루어지고, 상기 제1 플레이트는 상기 배터리 셀의 바닥면에 인접하도록 구비되고, 상기 제2 및 제4 플레이트에는 각각 제1 및 제2 냉매흐름통로가 구비되며, 상기 제3 플레이트는 상기 제2 및 제4 플레이트 사이에 개재되고, 상기 제5 플레이트는 상기 제4 플레이트의 하부에 구비되는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제5 플레이트의 외주연은 용접되어 일체형으로 연결되는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 열교환부재는 냉매가 유입되는 인렛 및 냉매가 배출되는 아웃렛을 구비하고, 상기 아웃렛은 상기 열교환부재의 측면에서 상기 배터리 셀의 바닥면에 인접하게 구비되되 상기 인렛은 상기 아웃렛에서 이격되어 상기 아웃렛의 하부에 구비되는 배터리 모듈.
제4항에 있어서,
상기 제1 냉매흐름통로는 상기 제1 냉매흐름통로의 일단에서 타단으로 연결되되 상기 제1 냉매흐름통로의 일단은 냉매가 배출되는 아웃렛에 연결되고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제2 냉매흐름통로의 일단에서 타단으로 연결되되 상기 제2 냉매흐름통로의 일단은 냉매가 유입되는 인렛에 연결되는 배터리 모듈.
제5항에 있어서,
상기 제3 플레이트는 상기 제3 플레이트의 상부면에서 하부면으로 연결되는 관통홀을 포함하고, 상기 제1 및 제2 냉매흐름통로의 타단은 상기 제3 플레이트에 구비되는 관통홀에 연결되는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 제2 플레이트에는 냉매가 배출되는 아웃렛이 구비되고, 상기 제4 플레이트에는 냉매가 유입되는 인렛이 구비되며, 상기 냉매는 상기 인렛에서 아웃렛으로 통과하는 과정에서 상변화하도록 구비되는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 냉매는 액상으로 인렛을 통하여 유입되어 상기 제2 냉매흐름통로를 흐르고, 상기 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로에서 상변화하여 액상 및 기상이 공존하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 제1 냉매흐름통로는 상기 아웃렛과 연결되는 직선형의 제1 메인통로와 상기 제1 메인통로에서 수직한 방향으로 연결되는 하나 이상의 제1 브리지통로로 이루어지고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제1 메인통로와 대응하는 위치에서 상기 인렛과 연결되는 직선형의 제2 메인통로와 상기 제2 메인통로에서 수직한 방향으로 연결되는 하나 이상의 제2 브리지통로로 이루어지는 배터리 모듈.
제9항에 있어서,
상기 제1 메인통로 및 제2 메인통로는 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하도록 제2 방향으로 연장되고, 상기 제2 방향은 제1 방향에 수직한 방향인 배터리 모듈.
제10항에 있어서,
상기 제1 브리지통로는 복수개가 이격되어 상기 제1 방향을 향하도록 연장되고, 상기 제2 브리지통로는 복수개가 이격되어 상기 제1 방향으로 연장되되 상기 제1 브리지통로에 대응하도록 구비되는 배터리 모듈.
제11항에 있어서,
상기 제3 플레이트는 상기 제3 플레이트의 상부면에서 하부면으로 연결되는 관통홀을 포함하고, 상기 제1 및 제2 브리지통로의 일단은 각각 상기 제1 및 제2 메인통로와 연결되고, 상기 제1 및 제2 브리지통로의 타단은 각각 관통홀에 의하여 연결되는 배터리 모듈.
제12항에 있어서,
상기 열교환부재는 내부에는 냉매를 더 포함하고, 상기 냉매는 상기 인렛을 통하여 유입되어 상기 제2 냉매흐름통로를 흐르고, 상기 냉매는 상기 관통홀을 통하여 상기 제1 냉매흐름통로로 연결되며, 상기 냉매는 상기 제1 냉매흐름통로에서 상변화하면서 상기 배터리 셀의 바닥면과 열교환하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제5 플레이트의 측면에는 각각 제1 내지 제5 가이드부를 구비하되, 상기 제1 내지 제5 가이드부는 서로 대응하는 위치에 구비되어 상기 제1 내지 제5 플레이트의 위치를 가이드하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 제1 또는 제2 냉매흐름통로의 적어도 일부는 파형 또는 지그재그형을 포함하는 배터리 모듈.
제15항에 있어서,
상기 제1 냉매흐름통로는 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하도록 연장되는 직선형의 제1 메인통로와 상기 제1 메인통로에서 제1 방향으로 연결되는 하나 이상의 제1 브리지통로로 이루어지고, 상기 제2 냉매흐름통로는 상기 제1 메인통로와 대응하도록 상기 배터리 셀의 바닥면과 나란하게 연장되는 직선형의 제2 메인통로와 상기 제2 메인통로에서 제1 방향으로 연결되는 하나 이상의 제2 브리지통로로 이루어지는 배터리 모듈.
제15항에 있어서,
상기 제1 및 제2 브리지통로는 파형 또는 지그재그형으로 구비되되, 상기 제1 및 제2 브리지통로는 상기 제1 방향으로 수직한 방향인 제2 방향으로 돌출되는 볼록부와 상기 볼록부와 교대로 구비되는 오목부로 이루어지고, 상기 제1 냉매흐름통로의 볼록부는 상기 제2 냉매흐름통로의 오목부와 서로 대응하는 위치에 구비되는 배터리 모듈.