KR20160108960A - 냉각 플레이트들을 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 전지셀들 사이에 냉각핀(cooling fin)이 접촉된 상태로 개재되어 있는 단위모듈을 둘 이상 포함하고 있고, 상기 단위모듈들은 지면을 기준으로 수직으로 밀착 배열되어 있으며, 상기 단위모듈들이 장착될 수 있도록 장착 수납부들이 각각 형성되어 있는 한 쌍의 냉각 플레이트들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

냉각 플레이트들을 포함하는 전지모듈 {Battery Module Comprising Cooling plates}
본 발명은 냉각 플레이트들을 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.
IT(Information Technology) 기술이 눈부시게 발달함에 따라 다양한 휴대형 정보통신 기기의 확산이 이뤄짐으로써, 21세기는 시간과 장소에 구애 받지 않고 고품질의 정보서비스가 가능한 유비쿼터스 사회로 발전되고 있다.
이러한 유비쿼터스 사회로의 발전 기반에는, 이차전지가 중요한 위치를 차지하고 있다. 구체적으로, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 사용되고 있다.
자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
이러한 중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조 비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 고출력 대용량의 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어렵다.
충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 충분히 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층하고, 전지셀들사이의 개면 및 하면 부위에 히트 씽크 등의 냉각부재들을 접촉시켜 냉각시키는 구조로 이루어져 있다.
그러나, 전지셀은 충방전시에 열이 발생하는 부위에 따라 발열 정도에 차이를 보이는 바, 이러한 구조는 오로지 전지셀들의 하면에 장착된 히트 씽크와의 접촉에 의해 냉각하는 방식이므로 전지셀들의 부위별 발열 차이에 따른 온도 편차를 고려하고 있지 못하다는 문제점이 있다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간소하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 전지셀들의 발열 편차를 고려한 높은 냉각 효율성에 의해 수명 특성과 안정성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 단위모듈들이 밀착된 상태로 수납될 수 있는 냉각 플레이트들을 포함하도록 전지모듈을 구성함으로써, 전지셀의 발열 부위에 따른 온도 편차를 효과적으로 제어하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
둘 이상의 전지셀들 사이에 냉각핀(cooling fin)이 접촉된 상태로 개재되어 있는 단위모듈을 둘 이상 포함하고 있고, 상기 단위모듈들은 지면을 기준으로 수직으로 밀착 배열되어 있으며, 상기 단위모듈들이 장착될 수 있도록 장착 수납부들이 각각 형성되어 있는 한 쌍의 냉각 플레이트들을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 전지셀에서 가장 발열이 높은 부위인 상부측에 냉각 플레이트를 직접 접촉하도록 구성하여 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀일 수 있고, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 셀 케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 플레이트들은, 전극단자가 위치하지 않는 단위모듈들의 외면들 중에서 일면에 장착되는 제 1 냉각 플레이트와, 상기 일면에 대향하는 타면에 장착되는 제 2 냉각 플레이트를 포함하여 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀들을 포함하는 단위모듈들의 상면 및 하면이 한 쌍의 냉각 플레이트들 직접 접촉됨으로써, 전지셀들의 발열 부위에 따른 온도 편차를 방지하여 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 냉각 플레이트들 각각에서 장착 수납부는 내면에 형성되어 있고, 냉각 플레이트들 각각의 외면에는 히트 싱크가 접촉 상태로 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이 경우에, 상기 히트 싱크는 수냉을 위한 냉매 유로를 내부 또는 외부에 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 장착 수납부들 중의 적어도 하나 이상의 장착 수납부에는 하나 이상의 개구가 천공되어 있고, 단위모듈의 냉각핀들 중의 적어도 일부 외면이 상기 개구를 통해 히트 싱크에 직접 접촉되어 있는 구조일 수 있고, 상기 개구는 장착 수납부의 가로 방향 중심축의 중앙에 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 개구의 길이는 장착 수납부의 가로 방향 길이를 기준으로 10% 내지 90%의 크기이고, 장착 수납부의 세로 방향 폭을 기준으로 30% 내지 100% 크기로 형성될 수 있다.
경우에 따라서, 상기 전지셀들은 카트리지 부재에 장착된 상태에서 냉각 플레이트들에 접촉하도록 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 전지셀은 충방전시에 가장 발열이 심한 상부측 뿐만 아니라, 전지셀의 하부면도 직접 냉각 플레이트들에 접촉하도록 구성할 수 있다.
상기 구조에서, 상기 카트리지 부재는 제 1 전지셀이 장착되는 제 1 카트리지와 제 2 전지셀이 장착되는 카트리지를 포함하고 있고, 상기 제 1 카트리지와 제 2 카트리지는 제 1 및 제 2 전지셀들이 장착된 상태에서 상호 결합되는 구조일 수 있다.
또, 상기 제 1 카트리지와 제 2 카트리지는, 적층 전지셀들의 양측 외면이 각각 냉각핀에 접촉할 수 있도록, 전지셀들의 외주 부위가 장착되는 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 플레이트는 금속 소재로 이루어질 수 있고, 상기 냉각 플레이트는 평면 형상이 직사각형인 판상부재로 이루어져 있고, 순차적인 배열을 이루는 단위모듈들에서 최외곽 단위모듈들의 최외측 면의 일부 또는 전부를 감싸도록 수직으로 상향 또는 하향 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
상기 구조에서, 각각의 단위모듈은 외주 부위의 적어도 일부가 냉각 플레이트의 장착 수납부가 삽입되어 수직으로 장착되어 있고, 상기 냉각 플레이트의 장착 수납부는 삽입되는 단위모듈의 외주 부위의 적어도 일부에 대응하여 외향 절곡되어 있는 구조일 수 있다.
경우에 따라, 상기 냉각 플레이트와 대면하는 히트 싱크의 내면에는, 히트 싱크가 접촉하는 부위에 열적으로 밀착되도록 열적 계면 밀착제가 부가될 수 있다.
예를 들어, 상기 열적 계면 밀착제는 반고체상의 열전달이 가능한 전도성 그리스(thermal grease)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 단위모듈들과 냉각 플레이트들 및 히트 싱크들의 어셈블리를 상부 및 하부에서 각각 지지하는 상부 케이스와 하부 케이스; 및
안전 장치 및 전기 접속부들이 형성되어 있고, 전면과 후면을 각각 지지하는 전면 플레이트 및 후면 플레이트;
를 추가로 포함하는 구조일 수 있다.
상기 구조에서, 상기 상부 케이스의 일부 또는 전부에는 둘 이상의 비드(bead)들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전지셀은 전지모듈 및 전지팩의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 단위모듈들이 밀착된 상태로 수납될 수 있는 냉각 플레이트들을 포함하도록 전지모듈을 구성함으로써, 전지셀의 발열 부위에 따른 온도 편차를 효과적으로 제거되어 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 전지모듈에 장착되는 하나의 예시적인 전지셀의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다;
도 3는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 프레임의 평면 모식도이다;
도 4는 도 3의 A-A에 방향에 따른 냉각 프레임의 수직 단면 모식도이다;
도 5는 도 2의 단위모듈이 도 3의 냉각 프레임에 장착되는 부위를 나타내는 단면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 전지모듈에 장착되는 하나의 예시적인 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지셀(10)은 외주면(13a, 13b)의 일측에 양극 단자(11)가 돌출되어 있고 대향 측에 음극 단자(12)가 돌출되어 있고, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 셀 케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 밀봉한 구조의 파우치형으로 이루어져 있다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 프레임(200)의 모식도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 3의 A-A방향에 따른 냉각 프레임(200)의 수직 단면을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 전지모듈(도시하지 않음)은 단위모듈들(100)이 수직방향으로 밀착된 상태로 배열되어 있고, 단위모듈들(100)의 상면 및 하면에는 한 쌍의 냉각 플레이트들(200, 300)이 각각 장착되어 있다.
전지모듈은 6개의 단위모듈들(100)이 수직으로 직립된 상태로 밀착 배열되어 있고, 각각의 단위모듈(100)은 한 쌍의 전지셀들(10)이 카트리지 부재(도 5: 250, 260)에 장착되어 있다. 한 쌍의 냉각 플레이트들은, 단위모듈들(100)의 상면에 장착되는 제 1 냉각 플레이트(200)와, 하면에 장착되는 제 2 냉각 플레이트(300)로 구성되어 있다.
단위모듈(100)은 상호 밀착된 상태로 적층된 2개의 전지셀들(10)을 포함하고 있고, 한 쌍의 냉각핀들(110, 120)은 그 사이에 개재되는 적층 전지셀들(10)의 일측 외면을 감싸는 제 1 냉각핀(110)과 타측 외면을 감싸는 제 2 냉각핀(120)으로 구성되어 있다.
전지셀들(10)은 카트리지 부재(도 5: 250, 260)에 장착된 상태에서 제 1 냉각핀(110) 및 제 2 냉각핀(120)에 의해 감싸여 있다. 또한, 카트리지 부재는, 적층 전지셀들(10)의 양측 외면이 각각 냉각 핀(110, 120)에 접촉할 수 있도록, 전지셀들의 외주가 장착되는 프레임 구조로 이루어져 있다.
냉각 프레임들(200, 300)은 금속 소재로서 형상이 전반적으로 직사각형인 판상부재로 이루어져 있고, 순차적인 배열을 이루는 단위모듈들(도 2의 100)에서 최외곽 단위모듈들의 최외측 면의 일부 또는 전부를 감싸도록 수직으로 상향 절곡(B)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
또한, 각각의 단위모듈(100)이 그것의 일측 외주 부위가 냉각 프레임(200)의 장착 수납부(210)가 삽입되어 수직으로 장착될 수 있도록 냉각 프레임(200)의 장착 수납부(210)는 삽입되는 단위모듈(100)의 일측 외부 부위에 대응하여 하향 절곡되어 있다.
각각의 장착 수납부(210)는 수직 단면상으로 계단 구조를 형성하며, 동일한 간격으로 냉각 프레임(200)의 길이 방향으로 연장되어 있다.
개구(220)는 장착 수납부(210)의 가로 방향 중심축의 중앙에 형성되어 있고, 개구(220)의 길이는 장착 수납부(210)의 가로 방향 길이를 기준으로 10% 내지 90%의 크기이고, 장착 수납부(210)의 세로 방향 폭을 기준으로 30% 내지 100% 크기이다. 개구(220)의 평면 형상은 직사각형으로 이루어져 있다.
도 5에는 단위모듈이 냉각 프레임에 장착되는 부위를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 단위모듈이 그것의 일측 외주 부위가 냉각 프레임(200)의 장착 수납부에 삽입되어 수직으로 장착되어 있다. 이러한 구조에서, 카트리지 부재(250, 260)는 제 1 전지셀(10)이 장착되는 제 1 카트리지(250)와 제 2 전지셀(10)이 장착되는 제 2 카트리지(260)를 포함하고 있고, 제 1 카트리지(250)와 제 2 카트리지(260)는 전지셀들(10)이 장착된 상태에서 상호 결합되는 있는 구조이며, 제 1 카트리지(250)와 제 2 카트리지(260)는, 적층 전지셀들(10)의 양측 외면이 각각 냉각 핀(110, 120)에 접촉하도록, 전지셀들(10)의 외주가 장착되는 프레임 구조로 이루어져 있다.
또한, 개구를 통해 히트 싱크에 직접 접촉하는 냉각 핀들(110, 120)의 외면 부위는 개구의 형상에 대응하여 하향 절곡(점선의 원으로 표시됨)되어 있다. 이러한 구조에 의해, 냉각 핀들(110, 120)의 외면 부위는 히트 싱크가 면접촉 하고 있다.
또한, 냉각 프레임들(200, 300)과 대면하는 히트 싱크(230)의 상면에는, 히트 싱크(230)가 접촉하는 부위에 열적으로 밀착되도록 열적 계면 밀착제(240)가 부가되어 있다.
참고로, 도면에서는 생략되어 있지만, 전지셀들(10)은 전기적으로 연결되어 있음은 물론이다.
도면의 간소화를 위해 생략되어 있으나, 본 발명에 따른 전지모듈은 단위모듈들(100)과 냉각 프레임들(200, 300) 및 히트 싱크(230)의 어셈블리를 상부 및 하부에서 각각 지지하는 상부 케이스 및 하부 케이스; 및 안전 장치 및 전기 접속부들이 형성되어 있고, 전면과 후면을 각각 지지하는 전면 플레이트 및 후면 플레이트;를 추가로 포함하고 있고, 상부 케이스의 일부 또는 전부에는 둘 이상의 비드(bead)들이 형성되어 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 둘 이상의 전지셀들 사이에 냉각핀(cooling fin)이 접촉된 상태로 개재되어 있는 단위모듈을 둘 이상 포함하고 있고, 상기 단위모듈들은 지면을 기준으로 수직으로 밀착 배열되어 있으며, 상기 단위모듈들이 장착될 수 있도록 장착 수납부들이 각각 형성되어 있는 한 쌍의 냉각 플레이트들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 셀 케이스에 전극조립체를 내장한 상태에서 셀 케이스의 외주면을 밀봉한 구조의 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은, 전극단자가 위치하지 않는 단위모듈들의 외면들 중에서 일면에 장착되는 제 1 냉각 플레이트와, 상기 일면에 대향하는 타면에 장착되는 제 2 냉각 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트들 각각에서 장착 수납부는 내면에 형성되어 있고, 냉각 플레이트들 각각의 외면에는 히트 싱크가 접촉 상태로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 수냉을 위한 냉매 유로를 내부 또는 외부에 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 장착 수납부들 중의 적어도 하나 이상의 장착 수납부에는 하나 이상의 개구가 천공되어 있고, 단위모듈의 냉각핀들 중의 적어도 일부 외면이 상기 개구를 통해 히트 싱크에 직접 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 개구는 장착 수납부의 가로 방향 중심축의 중앙에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 개구의 길이는 장착 수납부의 가로 방향 길이를 기준으로 10% 내지 90%의 크기이고, 장착 수납부의 세로 방향 폭을 기준으로 30% 내지 100% 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 카트리지 부재에 장착된 상태에서 냉각 플레이트들에 접촉하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 카트리지 부재는 제 1 전지셀이 장착되는 제 1 카트리지와 제 2 전지셀이 장착되는 카트리지를 포함하고 있고, 상기 제 1 카트리지와 제 2 카트리지는 제 1 및 제 2 전지셀들이 장착된 상태에서 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 카트리지와 제 2 카트리지는, 적층 전지셀들의 양측 외면이 각각 냉각핀에 접촉할 수 있도록, 전지셀들의 외주 부위가 장착되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트는 평면 형상이 직사각형인 판상부재로 이루어져 있고, 순차적인 배열을 이루는 단위모듈들에서 최외곽 단위모듈들의 최외측 면의 일부 또는 전부를 감싸도록 수직으로 상향 또는 하향 절곡되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 각각의 단위모듈은 외주 부위의 적어도 일부가 냉각 플레이트의 장착 수납부가 삽입되어 수직으로 장착되어 있고, 상기 냉각 플레이트의 장착 수납부는 삽입되는 단위모듈의 외주 부위의 적어도 일부에 대응하여 외향 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트와 대면하는 히트 싱크의 내면에는, 히트 싱크가 접촉하는 부위에 열적으로 밀착되도록 열적 계면 밀착제가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위모듈들과 냉각 플레이트들 및 히트 싱크들의 어셈블리를 상부 및 하부에서 각각 지지하는 상부 케이스와 하부 케이스; 및
    안전 장치 및 전기 접속부들이 형성되어 있고, 전면과 후면을 각각 지지하는 전면 플레이트 및 후면 플레이트;
    를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 상부 케이스의 일부 또는 전부에는 둘 이상의 비드(bead)들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 18 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
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