KR20160065637A

KR20160065637A - 배터리 모듈

Info

Publication number: KR20160065637A
Application number: KR1020140169886A
Authority: KR
Inventors: 배규종; 하종수; 정승훈; 손상일
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-06-09
Also published as: KR101748360B1

Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상호간 적층 배치되는 복수의 배터리 셀과, 배터리 셀과 접하여 배터리 셀과 열교환을 행하는 냉각부재와, 냉각부재의 열을 흡수하기 위해 냉매가 통과하는 냉각채널를 구비하는 히트 싱크를 포함하며, 히트 싱크히트 싱크널 내부에 마련되어 난류를 형성시키는 터뷰레이터를 포함한다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간접 냉각 방식에 의해 배터리 셀을 냉각시키기 위한 히트 싱크 내부의 냉매 유동에 난류를 발생시켜 열전달율을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈에 관한 것이다.

제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.

한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.

멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 앞서도 살펴본 바와 같이 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로 배터리는 주변 온도 조건 환경에 영향을 받게 되는데, 예를 들어 최적 온도가 유지되지 않는 극저온 또는 극고온 등의 온도 악조건에 노출된 상태에서 충방전 과정이 진행되게 되면, 배터리의 충방전 효율성이 낮아지게 되며 이에 따라 정상 구동에 대한 성능 보장이 어려운 문제점이 발생할 수 있다.

이에 이차전지에서 발생한 열을 방출하는 다양한 방법 중 하나의 방법으로서, 대한민국 특허공개공보 10-2013-0062056에는 냉각수에 의한 냉각 방법을 개시하고 있다.

일반적으로 하나의 이차전지 셀에 의해 생산할 수 있는 전력은 크지 않으므로 상용화된 이차전지는 복수의 이차전지 셀을 필요한 수만큼 적층시킨 스택(Stack)을 포함한다. 그리고 이차전지의 단위 셀에서 전기가 생산되는 과정에서 발생된 열을 냉각시켜 이차전지의 온도를 적정하게 유지하기 위해 셀 중간 중간에 방열판을 삽입한다. 각각의 단위 셀에서 열을 흡수한 방열판은 히트 싱크에 그 열을 전달하고 히트 싱크는 냉각수에 의해 냉각된다.

일반적인 히트 싱크에 있어서 냉각수는 좁은 입구를 통해 들어와 채널 내부로 확산되고 출구를 통해 외부로 배출된다. 즉 냉각수는 히트 싱크 내부의 채널을 지나면서 히트 싱크 외부로부터 열을 흡수하여 방열판을 냉각시킨다. 냉각수의 순환은 히트 싱크와 연결된 순환펌프에 의해 이루어질 수 있다.

그런데 종래의 히트 싱크는 채널 내부에서 냉각수가 대부분 층류유동을 하기 때문에 상층류와 하층류 간의 온도 편차가 생긴다. 다시 말하면 채널 내에서 냉매 자체의 열교환이 원활하게 이루어지지 못하는 문제로 방열판에 인접한 채널의 상부를 따라 흐르는 상층류는 계속 데워지고, 반대로 하층류는 상대적으로 저온을 유지하게 된다. 이러한 열적 불균형은 히트 싱크의 열흡수율을 감소시키는 요인이 되고, 이는 간접 수냉식 배터리 모듈의 냉각 성능을 저하로 이어져 이를 해소할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 셀에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 상호간 적층 배치되는 복수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀과 접하여 상기 배터리 셀과 열교환을 행하는 냉각부재; 및 상기 냉각부재의 열을 흡수하기 위해 냉매가 통과하는 냉각채널를 구비하는 히트 싱크를 포함하며, 상기 히트 싱크는 상기 냉각채널 내부에 마련되어 난류를 형성시키는 터뷰레이터를 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.

상기 터뷰레이터는, 상기 냉각채널의 적어도 일측 내벽에서 돌출형성되는 복수의 돌기를 포함할 수 있다.

상기 돌기는, 상기 냉매의 유동 방향을 따라 소정 간격마다 상기 냉각채널 상벽과 하벽에서 상호 교번적으로 형성될 수 있다.

상기 복수의 돌기는 사각 형태의 판상체일 수 있다.

상기 돌기는, 상기 냉각채널의 벽체의 둘레방향을 따라 형성될 수 있다.

상기 돌기는 상기 냉각채널의 내벽에서 상기 냉매의 유동 방향으로 경사지게 돌출될 수 있다.

상기 터뷰레이터는, 상기 냉각채널 내에서 유동하는 냉매를 회전시키는 적어도 하나의 회전자를 포함할 수 있다.

상기 회전자는, 상기 냉각채널 내부에서 상기 냉매의 유동 방향과 회전축이 나란하게 배치될 수 있다.

상기 회전자는, 상기 냉매의 유동에 의해 회전하는 곡면 형상의 블레이드일 수 있다.

상기 터뷰레이터는, 상기 냉각채널의 내벽 둘레 방향으로 코일 형태로 감겨 상기 냉매의 유동 방향을 따라 일체로 연장 배치될 수 있다.

상기 냉각채널은, 외부에서 상기 냉매가 유입되는 통로를 형성하는 제1 유로; 상기 제1 유로에서 각각 분기되는 복수의 분기유로; 및 상기 복수의 분기유로가 각각 합류하여 외부로 상기 냉매가 유출되는 통로를 형성하는 제2 유로를 포함할 수 있다.

상기 분기유로는, 지그재그 형태로 마련될 수 있다.

상기 냉각부재는, 상기 배터리 셀의 일면과 접하는 냉각핀; 및 상기 냉각핀과 열교환하며, 상기 히트 싱크의 상면과 접하는 냉각플레이트를 포함할 수 있다.

상기 히트 싱크는, 상기 복수의 배터리 셀의 상,하부에 각각 하나씩 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 히트 싱크의 냉각채널 내에 냉매의 난류유동을 유발하여 열전달율을 높임으로서 배터리 모듈의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉각채널에 간단한 구조의 터뷰레이터를 설치함으로서 구조적 변경은 최소화하면서 비용 대비 냉각 효율을 크게 높일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 히트 싱크에서 냉매가 유입되는 입구측과 냉매가 유출되는 출구측의 온도 편차를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 히트 싱크의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2의 냉각채널의 종단면도이다.
도 4는 도 2의 냉각채널의 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 4에 따른 냉각채널 내부의 난류유동을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각채널 내부의 부분 절개 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각채널의 일 구간을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 냉각채널의 일 구간을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 히트 싱크의 개략적인 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 히트 싱크의 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 2의 냉각채널의 종단면도이고, 도 4는 도 2의 냉각채널의 부분 절개 사시도이고, 도 5는 도 4에 따른 냉각채널 내부의 난류유동을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은, 복수의 배터리 셀(110), 냉각부재(120), 히트 싱크(130)를 포함한다.

배터리 셀(110)들은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형이고, 일면 또는 양면이 인접한 배터리 셀(110)에 대면하도록 적층 또는 평행하게 배열되어 다수의 배터리 셀(110) 적층체를 형성할 수 있다.

이러한 배터리 셀(110)들은 각각 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극 조립체를 포함하며, 각 배터리 셀(110)의 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극 조립체를 포함하며, 각 배터리 셀(110)의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속될 수 있다.

각각의 배터리 셀(110)은 충전 및 방전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다. 또한, 배터리 셀(110)의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

이러한 배터리 셀(110)들은 전기 화학적 반응에 의하여 충전 및 방전을 반복하면서 열이 발생하게 된다. 배터리 셀(110) 내부에 열이 축적되면 충방전 효율성이 낮아질 뿐만 아니라 열 축적이 심화되어 폭발할 수도 있다. 따라서 배터리 모듈(100)에 있어서, 각 배터리 셀(110)들에서 발생하는 열을 방열시켜야 하는데 이러한 배터리 셀(110)들의 방열은 1차적으로 냉각부재(120)에 의해 이루어질 수 있다.

냉각부재(120)는 냉각핀(미도시), 냉각 플레이트(121), 및 써멀패드(122)를 포함할 수 있다.

냉각핀은, 도면의 편의상 도시하지 않았으나, 배터리 셀(110)들 사이에 삽입되어 배터리 셀(110)의 적어도 일면과 접하도록 배치될 수 있다. 즉, 냉각핀은 복수 개가 이와 같은 방식으로 배치될 수 있으며, 배터리 셀(110) 각각의 열을 흡수할 수 있다. 바람직하게는 냉각핀은 배터리 셀(110)과 보다 넓은 접촉면을 확보할 수 있도록 판상형으로 마련될 수 있다. 이러한 냉각핀들은 다수의 배터리 셀(110) 적층체의 하부에 배치된 냉각 플레이트(121)에 열을 전달할 수 있다.

냉각 플레이트(121)는 복수의 냉각핀과 접촉되어 열을 배터리 셀(110) 적층체 외부로 방열시키는 역할을 담당한다. 냉각 플레이트(121)는 일체로 형성된 판상체로 예컨대, 열전도율이 높은 구리 또는 알루미늄 등의 금속으로 구성될 수 있다.

도 1에서, 본 실시예에서는 냉각 플레이트(121)를 배터리 셀(110) 적층체의 하단에만 배치하였으나 이와 달리, 냉각 플레이트(121)는 배터리 셀(110) 적층체의 상단에 추가로 배치될 수 있고 배터리 셀(110) 적층체의 상, 하단의 구조에 따라 부분적으로 절곡되거나 요철 구조로 설계 변경될 수도 있다.

간접 냉각 방식이란, 냉매가 직접 배터리 셀(110)을 거치지 않고 배터리 셀(110)을 냉각시키는 방식을 말하는데, 히트 싱크(130)는 이러한 간접 냉각 방식에서 특히 중요한 역할을 담당하는 구성이다. 즉, 배터리 셀(110)에서, 냉각 핀, 냉각 플레이트로 전달된 열은 히트 싱크(130)에 의해 최종적으로 흡수되므로 배터리 모듈(100)의 냉각 성능은 히트 싱크(130)의 성능에 크게 좌우된다.

일반적인 히트 싱크(130)는 내부에 냉매(냉각수 등의 액체 또는 기체)가 흐르는 통로인 냉각채널(134)을 구비하는데, 기존의 냉각채널(134)은 표면이 매끄러운 스트레이트 라인으로 설계되어 있어 냉매가 대부분 층류유동을 한다. 층류유동은 시간에 따라 속도 변화가 거의 없어 냉각채널(134) 내부에서 상층류와 하층류가 거의 혼합되지 않는다. 이와 같은 히트 싱크(130)에서 층류유동하는 냉매는 열전도율이 낮을 수 밖에 없어 냉각 플레이트(121)로부터 열흡수율을 떨어뜨리는 주요한 요인이 된다.

이에 본 발명의 배터리 모듈(100)은 기존의 히트 싱크(130)의 냉각채널(134)에 흐르는 냉매가 난류유동할 수 있도록 구현된다. 여기서 난류유동이란 무질서하고 비정상성을 가지는 유체 유동을 말한다. 즉, 난류유동 또는 와류유동으로 냉각 플레이트와 인접해 온도가 높은 상층류를 상대적으로 온도가 낮은 하층류와 뒤섞이도록 하여 전체적인 열전도율이 향상될 수 있다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 히트 싱크(130)는 하우징(131), 냉각채널(134) 및 터뷰레이터(135)를 포함한다.

하우징(131)은 히트 싱크(130)의 외관을 형성하는 부분으로 열 전도도가 높은 금속 재질로 마련될 수 있다. 하우징(131)의 상면에는 냉각 플레이트(121)가 안착될 수 있다. 이때 냉각 플레이트(121)와 하우징(131)의 상면 사이 써멀 패드(121)를 더 개재하여 열전도율을 더욱 향상시킬 수도 있을 것이다. 이러한 하우징(131)은 다음에 설명할 냉각채널(134)의 외형으로 이해되더라도 무방하다.

냉각채널(134)은 냉매가 흐르는 유로를 형성하는 부분이다. 냉각채널(134)은 다양한 유로로 설계될 수 있다. 일 예로 본 실시예에서 히트 싱크(130)는, 다수의 셀 적층체를 냉각할 수 있도록 다수의 셀 적층체에 대응되는 직육면체 형상의 하우징(131)과, 하우징(131)에 냉매가 유출입될 수 있는 유입구(132)와 유출구(133), 그리고 복수의 유로가 병렬적으로 형성된 냉각채널(134)로 구성되어 있다. 이는 히트 싱크(130)의 일예로 내부 냉각채널(134)의 구성이 반드시 이와 같은 형태일 필요는 없다. 즉, 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한되어야 하는 것은 아니다. 예컨대, 히트 싱크(130) 내부는 U 자형 커브 구조를 갖는 하나의 냉각채널(134)로 구성될 수도 있고 유입구(132)와 유출구(133)는 하우징(131)의 동일면에 배치될 수도 있다.

한편, 터뷰레이터(135)는 냉매가 냉각채널(134) 내에서 일정한 속도로 유동하지 못하도록 방해하여 냉매의 난류유동을 유도하는 구성이다. 이러한 터뷰레이터(135)는 냉각채널(134)의 적어도 일측 내벽에 돌출형성된 복수의 돌기(135)일 수 있다. 본 실시예에서 상기 돌기(135)는 소정의 두께를 갖는 사각 판상체일 수 있다. 참고로 사각 판상형의 돌기(135)는 터뷰레이터(135)의 일예로 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 돌기(135)는 냉매의 층류유동을 방해할 수 있는 원기둥, 다각형 등 다양한 형태일 수 있다.

또한 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 터뷰레이터(135) 즉, 복수의 돌기(135)들은 냉매의 유동 방향을 따라 소정 간격마다 냉각채널(134) 상벽과 하벽(134a,134b)에서 상호 교번적으로 형성될 수 있다. 각각의 돌기(135)들은 냉각채널(134)의 내벽에서 냉매의 유동 방향으로 경사지게 연장되어 있다. 그리고 돌기(135)들의 냉각채널의 내벽에 대한 경사각은 반시계 방향을 기준으로 예컨대, 110도에서 160도 사이일 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 냉각채널(134) 상,하층의 냉매 즉, 터뷰레이터(135)에 의해 전방 흐름이 간섭되는 상, 하벽을 따라 흐르는 냉매는 그렇지 않은 냉각채널(134) 중심부를 따라 흐르는 냉매보다 유속이 느리게 된다. 따라서 이러한 냉각채널(134)내의 유속 차이가 난류를 형성시키게 된다. 특히, 상,하벽(134a,134b)을 따라 흐르는 냉매는 터뷰레이터(135)의 끝부분인 모서리 영역에서 유속이 급변해 캐비테이션 현상이 일어날 수 있다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이 터뷰레이터(135)의 4 모서리 영역을 중심으로 와류 즉, 소용돌이가 심화될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각채널(134) 내부의 부분 절개 사시도이다.

본 실시예에서는 돌기(235)들이 냉각채널(134) 벽체의 둘레방향을 따라 형성되어 있다. 즉, 본 실시예는, 냉각채널(134)의 단면이 4각 형태로 구성되고 이때 냉각채널(134) 상벽, 하벽 그리고 양 측벽면(134a~134d)에 돌기(235)들이 형성된 예이다. 전술한 실시예에 비해 돌기(235)들 추가되고 4방향에서 배치됨으로서 특히 냉각채널(134) 중심부에서 소용돌이가 더욱 심화될 수 있을 것이다.

이러한 냉각채널(134) 내의 난류유동은 상층류와 하층류를 뒤섞이게 하기 때문에 냉각 플레이트와 실질적으로 열접촉하는 상대적으로 고온인 상층류와 저온인 하층류 간에 열교환이 신속하게 이루어지도록 한다. 이에 따라 냉각채널(134)내의 냉매는 상층류와 하층류의 온도 편차가 작아지고 전체적으로 낮은 온도를 유지할 수 있어 냉각 플레이트(121)의 열을 보다 효율적으로 흡수할 수 있게 된다.

다시 말하면, 터뷰레이터(135)는 히트 싱크(130)의 구조적 변경을 최소화하고 간단한 구조로 냉각채널(134)내에 난류유동을 촉진시킴으로서 비용 대비 냉각 효율을 크게 개선시킬 수 있다.

냉매는 펌프(미도시)에 의해 히트 싱크(130) 내의 냉각채널(134)을 따라 일 방향으로 유동하게 되는데, 본 실시예의 돌기(135)들이 냉매 유동 방향의 반대 방향으로 경사배치(역방향 경사배치)되거나 냉각채널(134)의 벽면에 수직 배치되는 경우 전단력이 증가해 장시간 이에 노출되면 피로 누적으로 돌기(135)들이 파손될 우려가 있다. 또한, 돌기(135)들의 수직 배치 또는 역방향 경사배치는 냉매의 원활한 흐름에 방해가 될 수도 있다. 따라서 냉매 유동 방향으로 돌기(135)들을 경사배치시키는 것이 냉매 흐름으로 인한 돌기(135)에 작용하는 전단력을 감소시킬 수 있다는 측면에서 유리한 선택이 될 수 있다.

이하에서 설명할 본 발명의 다른 실시예들은 전술한 실시예와 비교할 때 도 3 내지 도 4 및 도 6에 대응되는 구성이라 할 수 있다. 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각채널(134)의 부분 절개 사시도이다.

먼저, 도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 터뷰레이터(135)는 냉각채널(134)의 내벽 둘레 방향으로 코일 형태로 감겨 냉매의 유동 방향을 따라 일체로 연장 배치된다.

본 실시예의 터뷰레이터(335)는 예컨대, 강성을 유지할 수 있는 헬리켈 구조의 코일 등을 냉각채널(134) 내부에 삽입하거나, 냉각채널(134)의 내측벽을, 도 7과 같이, 요철 형성시킴으로서 구현될 수 있다.

본 실시예의 터뷰레이터(335)는 전술한 돌기(135,235) 형상의 터뷰레이터(135,235)에 비해 구조적으로 안정한다. 즉, 전술한 돌기(135,235) 형상의 터뷰레이터(135,235)는 냉매의 유량, 유속등에 따른 전단력에 다소 취약한 측면이 있으나, 본 실시예의 터뷰레이터(335)는 냉각채널(134) 내벽에 일체로 밀착 배치되어 있고 자체적으로 강성을 유지할 수 있는 구조로 매우 안정하다. 또한, 전술한 실시예와 유사하게 본 실시예에 따른 터뷰레이터(335)는 냉각채널(134)의 가장자리를 따라 흐르는 냉매와 냉각채널(134)의 중심부를 따라 흐르는 냉매 사이에 유속 차이를 발생시킨다. 따라서 냉각채널(134)의 가장자리에서 중심부로 회전류가 더욱 활성화될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 냉각채널(134)의 일 구간을 나타내는 도면이다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 터뷰레이터(435)는 냉각채널(134) 내에서 유동하는 냉매를 회전시키는 회전자(435)를 포함한다. 도 8은 냉각채널(134) 내에 배치된 회전자(435)를 나타내고 있다.

회전자(435)는 냉매의 유동에 의해 회전하는 곡면 형상의 블레이드 형상으로 마련되고 냉각채널(134) 내부에서 냉매의 유동 방향과 회전축이 나란하게 배치된다. 따라서 냉매는, 도 8에 도시된 바와 같이, 회전자(435)에 의해 냉각채널(134)의 상하방향으로 회전하면서 유동하게 된다. 이러한 회전자(435)는 스크류 형상 또는 팬 형상으로 마련될 수 있을 것이다.

냉각채널(134) 내에서 냉매는 펌프에 의해 일 방향으로 유동하고 회전자(435)는 유동하는 냉매에 의해 자체 회전할 수 있으므로 회전자(435)를 구동하기 위한 별도의 구동원은 불필요하다. 즉, 회전자(435)는 그 기하학적 구조에 의해 자체 회전할 수 있다. 따라서 회전자(435) 이외의 장치를 추가할 필요가 없으므로 냉각채널(134)의 구성은 간단하면서 그에 따른 열전달 효율은 높아 질 수 있다.

이에 대해 부연 설명하면, 본 실시예에 따른 터뷰레이터(435), 즉 회전자(435)에 의해 냉각채널(134)의 상벽쪽의 상대적으로 온도가 높은 냉매 입자들은 온도가 낮은 냉각채널(134)의 하벽쪽으로 이동되고, 반대로 냉각채널(134) 하벽쪽의 온도가 낮은 냉매 입자들은 회전자(435)에 의해 온도가 높은 냉각채널(134)의 상벽쪽으로 이동된다. 이와 같은 방식으로 냉각채널(134) 내부의 상층류와 하층류는 서로 혼합되어 온도 편차가 줄어들게 되고, 이에 따라 히트 싱크(130)의 열흡수율이 높아질 수 있다. 결국 히트 싱크(130)의 열흡수율은 배터리 모듈(100)의 냉각 성능 향상에 크게 영향을 미칠 수 있다.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 히트 싱크(130)의 개략적인 구성도이다.

본 실시예에 따른 히트 싱크(130)의 냉각채널은 제1 유로(510), 복수의 분기유로(520), 제2 유로(530)를 포함한다.

제1 유로(510)는 외부에서 냉매가 유입되는 통로를 형성하는 부분이다. 제1 유로(510)는 유입구(132)와 연통되고 냉매가 유입되는 방향으로 앞으로 연장된다.

분기유로(520)는 제1 유로(510)에서 분기되는 유로이다. 이러한 분기유로(520)는 제1 유로(510)를 따라 대략 등간격 마다 마련될 수 있다. 복수의 분기유로(520)들은 제2 유로(530)에서 합류할 수 있다. 그리고 제2 유로(530)는 외부로 냉매가 유출되는 유출구(133)와 연통된다.

복수의 분기 유로는 각각 독립적인 유로를 형성한다. 따라서 단일 유로를 형성하는 냉각채널(134)에 비해 도 9와 같이 복수의 분기 유로를 형성하는 것이 히트 싱크(130)의 전체 영역에 온도 편차를 줄이는 데 유리할 수 있다.

초기 저온의 냉매는 제1 유로(510)를 통해 유입되고 각각의 분기 유로를 통해 흘러간다. 복수의 분기 유로들은 각각 독립된 유로들로 히트 싱크(130) 내부에 고르게 분포되어 있다. 또한, 분기 유로는 지그재그 형태로 마련될 수 있다. 제1 유로(510)와 제2 유로(530) 사이에 직선으로 연통된 분기 유로와 비교할 때 도 9와 같이 경로를 복잡하게 함으로써 보다 넓은 범위에서 냉각 플레이트(121)의 열을 흡수할 수 있도록 냉매를 공급할 수 있다.

그리고 냉각채널(134)을 구성하는 제1 유로(510), 복수의 분기유로(520), 제2 유로(530)에는 전술한 실시예에 따른 터뷰레이터(135,235,335,435)들 중 하나가 더 구비될 수 있다. 상술한 바와 같이 터뷰레이터(135)는 각각의 유로에서 난류유동을 발생시켜 냉매의 열전달율을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에도, 이러한 배터리 모듈을 커버하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

100 : 배터리 모듈
110 : 배터리 셀
120 : 냉각부재
130 : 히트 싱크
131 : 하우징
132 : 유입구
133 : 유출구
134 : 냉각채널
135,235,335,435 : 터뷰레이터

Claims

상호간 적층 배치되는 복수의 배터리 셀;
상기 배터리 셀과 접하여 상기 배터리 셀과 열교환을 행하는 냉각부재; 및
상기 냉각부재의 열을 흡수하기 위해 냉매가 통과하는 냉각채널를 구비하는 히트 싱크를 포함하며,
상기 히트 싱크는 상기 냉각채널 내부에 마련되어 난류를 형성시키는 터뷰레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 터뷰레이터는,
상기 냉각채널의 적어도 일측 내벽에서 돌출형성되는 복수의 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 돌기는,
상기 냉매의 유동 방향을 따라 소정 간격마다 상기 냉각채널 상벽과 하벽에서 상호 교번적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 복수의 돌기는 사각 형태의 판상체인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 돌기는,
상기 냉각채널의 벽체의 둘레방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 돌기는 상기 냉각채널의 내벽에서 상기 냉매의 유동 방향으로 경사지게 돌출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 터뷰레이터는,
상기 냉각채널 내에서 유동하는 냉매를 회전시키는 적어도 하나의 회전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 회전자는, 상기 냉각채널 내부에서 상기 냉매의 유동 방향과 회전축이 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 회전자는 상기 냉매의 유동에 의해 회전하는 곡면 형상의 블레이드인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 터뷰레이터는,
상기 냉각채널의 내벽 둘레 방향으로 코일 형태로 감겨 상기 냉매의 유동 방향을 따라 일체로 연장 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 냉각채널은,
외부에서 상기 냉매가 유입되는 통로를 형성하는 제1 유로;
상기 제1 유로에서 각각 분기되는 복수의 분기유로; 및
상기 복수의 분기유로가 각각 합류하여 외부로 상기 냉매가 유출되는 통로를 형성하는 제2 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제11항에 있어서,
상기 분기유로는, 지그재그 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 냉각부재는
상기 배터리 셀의 일면과 접하는 냉각핀; 및
상기 냉각핀과 열교환하며, 상기 히트 싱크의 상면과 접하는 냉각플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 히트 싱크는,
상기 복수의 배터리 셀의 상,하부에 각각 하나씩 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.