KR20170041569A - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 외관을 형성하는 모듈 케이스, 모듈 케이스 내에 수용되며, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 조립체 및 배터리 셀 조립체가 잠길 수 있게 모듈 케이스 내에 소정 높이로 채워지며, 식물성 절연유로 이루어지는 냉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}

본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.

제품 군에 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) 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.

현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.2V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 복수 개의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 복수 개의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.

멀티 배터리 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, 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.

따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것을 포함하는 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 장치가 반드시 필요하다.

일반적으로 냉각장치에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 있다.

하나의 배터리 셀에 의해 생산할 수 있는 전력은 크지 않으므로 상용화된 배터리 모듈은 일반적으로 모듈 케이스 내에 복수 개의 배터리 셀들을 필요한 수 만큼 적층시켜 패키징한다. 그리고 각각의 배터리 셀에서 전기가 생산되는 과정에서 발생된 열을 냉각시켜 이차전지의 온도를 적정하게 유지하기 위해 배터리 셀들 중간 중간에 방열부재로서 배터리 셀의 면적에 대응되는 복수 개의 냉각 핀들을 삽입한다. 각각의 배터리 셀에서 열을 흡수한 냉각 핀들은 배터리 모듈의 저부에 구비되는 히트 싱크에 냉각 플레이트를 통해 연결되어 그 열을 전달하고 히트 싱크는 냉각수에 의해 냉각된다. 여기서, 종래 냉각수는 일반적으로 냉각, 부식 방지 및 응고 방지 등을 위해 에틸렌 글리콜 등을 포함하는 냉매를 이용한다.

그러나, 종래의 배터리 모듈에서는, 배터리 셀들 사이에 삽입되어 배치되는 복수 개의 냉각 핀들, 냉각 플레이트 및 히트 싱크로 인해 복수 개의 냉각 핀들, 냉각 플레이트 및 히트 싱크만큼 배터리 셀들의 용적률이 저하되며, 이들 부품들의 추가에 따라 제조 비용이 상승하는 문제가 있다.

아울러, 종래 냉매로서 에틸렌 글리콜 등을 포함하는 냉각수는 인체 및 환경에 유해하므로, 이른바 에코(ECO) 트렌드로 불리는 최근의 친환경 트렌드에 역행하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 배터리 셀들의 용적률을 높이고 제조 비용을 절감하며 최근의 친환경 트렌드에 따른 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 외관을 형성하는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내에 수용되며, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 조립체; 및 상기 배터리 셀 조립체가 잠길 수 있게 상기 모듈 케이스 내에 소정 높이로 채워지며, 식물성 절연유로 이루어지는 냉매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.

상기 식물성 절연유는, 식물성 에스테르를 포함할 수 있다.

상기 식물성 에스테르는, 천연 대두유의 에스테르화 반응을 통해 형성될 수 있다.

상기 냉매는, 상기 모듈 케이스와 상기 배터리 셀 조립체 사이의 공간에 채워질 수 있다.

상기 배터리 셀은 복수 개로 구비되어 서로 적층되며, 상기 냉매는, 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이의 공간에 채워질 수 있다.

상기 배터리 모듈은, 상기 모듈 케이스에 구비되며, 상기 냉매를 상기 모듈 케이스 내에서 순환시키기 위한 순환 펌프유닛;을 포함할 수 있다.

상기 모듈 케이스는, 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.

상기 배터리 모듈은, 상기 모듈 케이스의 외면에 형성되며, 상기 모듈 케이스의 방열 표면적을 넓히기 위한 적어도 하나의 요철부;를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하기 위한 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.

아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.

이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀들의 용적률을 높이고 제조 비용을 절감하며 최근의 친환경 트렌드에 따른 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 개략적인 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 모듈 케이스(100), 배터리 셀 조립체(200) 및 냉매(300)를 포함할 수 있다.

상기 모듈 케이스(100)는 상기 배터리 모듈(10)의 외관을 형성할 수 있다. 이러한 상기 모듈 케이스(100)는 후술하는 상기 배터리 셀 조립체(200) 및 상기 냉매(300)를 수용할 수 있다.

이러한 상기 모듈 케이스(100)는 상기 배터리 셀 조립체(200)의 열을 외부로 배출할 수 있다. 여기서, 상기 모듈 케이스(100)는 효과적인 열 배출을 위해 높은 열 전도도를 갖는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.

상기 배터리 셀 조립체(200)는 상기 모듈 케이스(100) 내에 수용될 수 있으며, 상기 배터리 모듈(10)을 이루는 주요한 각종 부품들을 포함할 수 있다.

이러한 상기 배터리 셀 조립체(200)는, 배터리 셀(210) 및 셀 카트리지(250)를 포함할 수 있다.

상기 배터리 셀(210)은 파우치형 이차 전지로 이루어질 수 있으며, 복수 개로 구비되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 배터리 셀(210)은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전극 리드는 양극 리드와 음극 리드를 포함할 수 있으며, 상기 양극 리드는 상기 전극 조립체의 양극판에 연결되고, 상기 음극 리드는 상기 전극 조립체의 음극판에 연결될 수 있다.

상기 셀 카트리지(250)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)을 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)의 조립을 가이드 할 수 있다. 본 실시예에서 상기 복수 개의 셀 카트리지들(250)은 수직 방향을 따라 상호 적층될 수 있으며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(210) 중 적어도 하나의 배터리 셀(210)을 홀딩하여, 상기 복수 개의 배터리 셀들(210)의 조립을 가이드 할 수 있다.

상기 냉매(300)는 상기 배터리 셀 조립체(200)의 냉각을 위한 것으로서, 상기 배터리 셀 조립체(200)가 잠길 수 있게 상기 모듈 케이스(100) 내에 소정 높이로 채워질 수 있다. 구체적으로, 상기 냉매(300)는 상기 모듈 케이스(100) 내에서 상기 모듈 케이스(100)와 상기 배터리 셀 조립체(200) 사이의 공간에 채워질 수 있고, 또한, 상기 복수 개의 배터리 셀들(210) 사이의 공간에도 채워질 수 있다.

상기 냉매(300)는 높은 열용량을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 상기 모듈 케이스(100) 내에 채워지는 상기 냉매(300)를 통해 상기 배터리 셀 조립체(200)를 냉각시키기 위한 별도의 냉각 핀, 냉각 플레이트 및 히트 싱크 등의 구조물이 요구되지 않을 수 있다.

이에 따라, 본 실시예에서는 별도의 냉각 핀, 냉각 플레이트 및 히트 싱크 등의 구조물을 생략할 수 있어, 배터리 셀들의 용적률을 높이고 제조 비용을 절감할 수 있다.

그리고, 상기 냉매(300)는 절연성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 상기 냉매(300)의 투입으로 인한 쇼트나 방전 등을 방지할 수 있다.

또한, 상기 냉매(300)는 상기 모듈 케이스(100) 내에서 상기 배터리 셀 조립체(200)의 댐퍼 역할을 수행할 수 있다. 상기 배터리 셀 조립체(200)의 경우, 외부 충격 등에 의해 취약할 수 있는데, 상기 냉매(300)가 상기 배터리 셀 조립체(200)의 배터리 셀들(210) 사이의 공간 및 상기 모듈 케이스(100)와 상기 배터리 셀 조립체(200) 사이의 공간에 채워짐으로써, 상기 배터리 셀 조립체(200)에 대한 외부 충격을 감소시킬 수 있어, 결과적으로, 배터리 모듈(10)의 안전성을 보장할 수 있다.

아울러, 상기 냉매(300)는 식물성 절연유로 이루어질 수 있다. 상기 식물성 절연유는 식물성 에스테르를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 식물성 에스테르는 콩과 같은 천연 식물군, 예로써, 천연 대두유의 에스테르화 반응을 통해 형성될 수 있다. 상기 천연 대두유는 대략 18~20%의 유지 성분과 대략 80%의 지방산으로 이루어질 수 있는데, 이러한 천연 대두유의 에스테르화 반응을 통해 식물성 에스테르를 포함하는 식물성 절연유를 형성할 수 있다.

이에 따라, 본 실시예에 따른 상기 냉매(300)에는 에틸렌 글리콜 등의 유해 물질이 원천적으로 함유되지 않은 인체 및 환경에 무해한 친환경 냉매를 구현할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 상기 식물성 절연유로 이루어지는 상기 냉매(300)를 통해 최근의 친환경 트렌드에 따른 인체 및 환경에 무해한 냉매를 구현할 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(10)은 배터리 셀들의 용적률을 높이고 제조 비용을 절감하며 최근의 친환경 트렌드에 따른 인체 및 환경에 무해한 배터리 모듈(10)을 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 배터리 모듈(20)은, 모듈 케이스(100), 배터리 셀 조립체(200), 냉매(300) 및 순환 펌프유닛(400)을 포함할 수 있다.

상기 모듈 케이스(100)는 앞선 실시예와 동일하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.

상기 배터리 셀 조립체(200)는 복수 개의 배터리 셀들(210) 및 복수 개의 셀 카트리지들(250)을 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(210) 및 복수 개의 셀 카트리지들(250)은 앞선 실시예와 동일하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.

상기 냉매(300)는 앞선 실시예와 동일하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.

상기 순환 펌프유닛(400)은 상기 모듈 케이스(100)에 구비되며, 상기 냉매(300)를 상기 모듈 케이스(100) 내에서 순환시킬 수 있다. 상기 냉매(300)의 경우, 상기 배터리 셀 조립체(200)의 상기 배터리 셀(210)에 가까워질수록 열 전도량이 많고, 상기 배터리 셀(210)과의 거리가 멀어질수록 열 전도량이 적어진다. 상기 순환 펌프유닛(400)은 상기 냉매(300)를 상기 모듈 케이스(100) 내에서 순환시켜 상기 모듈 케이스(100) 내의 전체 냉매(300)의 균등한 열 흡수를 가이드 할 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(20)은 상기 순환 펌프유닛(400)을 통해 상기 배터리 모듈(20)의 냉각 효율을 더 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 배터리 모듈(30)은 요철부(500)를 더 포함할 수 있다.

상기 요철부(500)는 상기 배터리 모듈(30)의 모듈 케이스(100)의 외면에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 요철부(500)는 상기 모듈 케이스(100)의 모든 외면들 중 적어도 일면에 형성될 수 있다. 이러한 상기 요철부(500)는 상기 모듈 케이스(100)의 방열 표면적을 넓힐 수 있기에, 상기 모듈 케이스(100)의 방열 효율을 더 증대시킬 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(30)은 상기 요철부(500)를 통해 상기 배터리 모듈(30)의 냉각 효율을 보다 더 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 배터리 팩(1)은, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 패키징하기 위한 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈은 앞선 실시예들에 따른 배터리 모듈들(20, 30)로도 구비될 수 있음은 물론이다.

이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차의 연료원으로써, 자동차에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차에 구비될 수 있다.

또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.

이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)과 상기 자동차와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1) 및 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 상기 자동차와 같은 장치나 기구 및 설비를 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

1: 배터리 팩 10, 20, 30: 배터리 모듈
50: 팩 케이스 100: 모듈 케이스
200: 배터리 셀 조립체 210: 배터리 셀
250: 셀 카트리지 300: 냉매
400: 순환 펌프유닛 500: 요철부

Claims (10)

1. 외관을 형성하는 모듈 케이스;
   상기 모듈 케이스 내에 수용되며, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 조립체; 및
   상기 배터리 셀 조립체가 잠길 수 있게 상기 모듈 케이스 내에 소정 높이로 채워지며, 식물성 절연유로 이루어지는 냉매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 식물성 절연유는,
   식물성 에스테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 식물성 에스테르는,
   천연 대두유의 에스테르화 반응을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉매는,
   상기 모듈 케이스와 상기 배터리 셀 조립체 사이의 공간에 채워지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 셀은 복수 개로 구비되어 서로 적층되며,
   상기 냉매는,
   상기 복수 개의 배터리 셀들 사이의 공간에 채워지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 모듈 케이스에 구비되며, 상기 냉매를 상기 모듈 케이스 내에서 순환시키기 위한 순환 펌프유닛;을 포함하는 것을 특징으로 배터리 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 모듈 케이스는,
   알루미늄 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 모듈 케이스의 외면에 형성되며, 상기 모듈 케이스의 방열 표면적을 넓히기 위한 적어도 하나의 요철부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
9. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
   상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
10. 제9항에 따른 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.

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