KR20170098612A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 - Google Patents

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KR20170098612A
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈은 내부에 수용 공간을 가지는 카트리지와 상기 수용 공간에 위치하는 복수 개의 배터리 셀과 그리고 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 포함하되 상기 냉각 유닛은 상기 배터리 셀의 일측면과 면접촉하는 냉각 핀과 상기 냉각 핀의 하부에 위치하는 냉각 플레이트와 상기 냉각 핀과 상기 냉각 플레이트 사이에 개재되며, 상기 냉각 핀의 열을 상기 냉각 플레이트에 전달하는 연결 부재를 포함하는 배터리 모듈을 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 셀을 가지는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 셀을 냉각할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차에 관한 것이다.
이차 전지는 다양한 제품군에 적용성이 높고, 높은 에너지 밀도를 가지는 전기적 특성을 가지고 있다. 이러한 이차 전지는 휴대용 전자 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량 또는 하이브리드 차량, 전력 저장 장치 등에 적용되고 있다.
이차 전지는 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.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 배터리 셀들을 포함하는 다수의 배터리 모듈을 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 개개의 배터리 셀은 전극 조립체로서, 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 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차 전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차 전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차 전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 전기 화학적 반응에 의하여 열이 발생한다. 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어날 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각 장치가 반드시 필요하다.
일반적으로 냉각장치에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차 전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 있다.
하나의 이차 전지 셀에 의해 생산할 수 있는 전력은 크지 않으므로 상용화된 배터리 모듈은 일반적으로 모듈 케이스 내에 복수 개의 배터리 셀들을 필요한 수만큼 적층시켜 패키징한다. 그리고 개개의 배터리 셀에서 전기가 생산되는 과정에서 발생된 열을 냉각시켜 이차 전지의 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 하나의 냉각 플레이트에 연결되어 냉각 플레이트에 열을 전달한다. 냉각 플레이트는 냉각 핀으로부터 전달된 열을 다시 히트싱크에 그 열을 전달하고 히트싱크는 냉각수 또는 냉각 공기에 의해 냉각된다.
그러나, 냉각 핀들과 냉각 플레이트가 접촉 부분은 그 형상적인 특성으로 인해 전체적으로 완전한 밀착이 어려워 열전도 효율이 떨어진다. 냉각 핀에서 냉각 플레이트로 전달되는 열전도 효율이 떨어지는 경우 배터리 셀의 열을 효과적으로 냉각 시킬 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 냉각 시 배터리 셀의 영역별 온도가 균일하게 유지될 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 그리고 자동차를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 복수 개의 배터리 셀을 가지는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 배터리 모듈은 내부에 수용 공간을 가지는 카트리지와 상기 수용 공간에 위치하는 복수 개의 배터리 셀과 그리고 상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 포함하되 상기 냉각 유닛은 상기 배터리 셀의 일측면과 면접촉하는 냉각 핀과 상기 냉각 핀의 하부에 위치하는 냉각 플레이트와 그리고 상기 냉각 핀과 상기 냉각 플레이트 사이에 개재되며, 상기 냉각 핀의 열을 상기 냉각 플레이트에 전달하는 연결 부재를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연결 부재는 열전도 시트로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 냉각 핀은 상기 배터리 셀 방향으로 절곡된 핀 절곡부를 포함하며 상기 냉각 플레이트는 상기 핀 절곡부의 하부에 위치하는 플레이트 절곡부를 포함하며 상기 연결 부재는 상기 핀 절곡부와 상기 플레이트 절곡부 사에에 위치하는 연결 절곡부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 핀 절곡부는 일면이 상기 카트리지와 접촉될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 핀 절곡부, 상기 플레이트 절곡부 그리고 상기 연결 절곡부는 각각 대응되는 형상으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 핀 절곡부와 접촉되는 상기 카트리지 부분은 상기 핀 절곡부와 대응되는 형상으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연결 부재는 열융착 방식으로 각각 상기 냉각 핀 및 상기 냉각 플레이트에 결합될 수 있다.
일 실시 에에 따르면, 상기 배터리 모듈은 상기 냉각 플레이트의 하부에 위치하며, 상기 냉각 플레이트와 열교환 할 수 있는 열교환 유닛을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열교환 유닛은 외부에서 유입된 냉각 유체을 이용하여 상기 냉각 플레이트와 열교환하는 열교환 챔버와 상기 열교환 챔버로 상기 냉각 유체를 공급하는 공급관과 그리고 상기 열교환 챔버 내부로부터 상기 냉각 유체를 외부로 배출하는 배출관을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 냉각 핀과 냉각 플레이트를 열전도 시트로 접착하여 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 냉각 핀과 냉각 플레이트를 열전도 시트로 접촉하여 냉각 핀에서 냉각 플레이트로 전달되는 열전도 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 구성을 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 3의 복수 개의 카트리지가 적층된 모습을 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 3의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 7은 도 6에 B 영역을 보여주는 확대도이다.
도 8은 도 3의 열교환 유닛을 보여주는 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되게 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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 해석되어야만 한다.
본 발명의 배터리 모듈(10)을 설명하기 전 배터리 모듈(10) 내부에 복수개가 장착되는 배터리 셀(100)에 대하여 먼저 설명한다. 본 발명의 실시 예에서는 이차 전지 중 파우치형 배터리 셀(100)을 예로 들어 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 구성을 보여주는 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 사시도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참고하면, 배터리 셀은 파우치 케이스(110), 전극 조립체(130), 전극 탭(150) 그리고 전극 리드(170)를 포함한다.
파우치 케이스(110)는 내부 공간을 가진다. 파우치 케이스(110)의 내부에는 후술하는 전극 조립체(130) 및 전해액이 위치한다. 파우치 케이스(110)의 중앙 영역은 상하 방향으로 돌출되어 제공된다. 파우치 케이스(110)는 상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)를 포함한다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)는 서로 조합되어 내부 공간을 형성한다. 상부 케이스(111)의 중앙 영역은 상부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 하부 케이스(113)는 상부 케이스(111)의 하부에 위치한다. 하부 케이스(113)의 중앙 영역은 하부 방향으로 돌출된 오목한 형태를 가진다. 이와는 달리, 파우치 케이스(110)의 내부 공간은 상부 케이스(111) 또는 하부 케이스(113) 중 어느 하나에만 형성될 수 있다.
상부 케이스(111)와 하부 케이스(113)는 각각 실링부(S)를 가진다. 상부 케이스(111)의 실링부(S)와 하부 케이스(113)의 실링부(S)는 서로 마주보는 형태로 제공될 수 있다. 상부 케이스(111)의 실링부(S) 및 하부 케이스(113)의 실링부(S)는 내측에 위치한 내부 접착층이 열융착 등에 의해 서로 접착 될 수 있다. 실링부(S)의 접착을 통해서 내부 공간은 밀폐될 수 있다.
파우치 케이스(110)의 내부 공간에는 전해액 및 전극 조립체(130)가 수납된다. 파우치 케이스(110)는 외부 절연층, 금속층 그리고 내부 접착층을 가질 수 있다. 외부 절연층은 외부의 수분, 가스 등이 내부로 침투되는 것을 방지할 수 있다. 금속층은 파우치 케이스(110)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 금속층은 알루미늄으로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 금속층은 철, 탄소, 크롬, 망간의 합금, 철 니켈 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나로 제공될 수 있다. 금속층으로 철이 함유된 재질이 사용되는 경우 기계적 강도가 강해질 수 있다. 금속층으로 알루미늄 재질이 사용되는 경우 연성이 좋을 수 있다. 금속층의 바람직한 실시예로 알루미늄이 제공될 수 있다. 외부 절연층 및 내부 접착층은 폴리머 재질로 제공될 수 있다.
전극 조립체(130)는 양극판, 음극판 그리고 분리막을 포함한다. 전극 조립체(130)는 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 형태로 제공될 수 있다. 전극 조립체(130)는 다수의 양극판 및 다수의 음극판이 상호 교대로 적층된 형태로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 형태로 제공될 수 있다.
전극 조립체(130)의 전극판들은 집전체 및 집전체의 일면 또는 양면에 도포된 활물질 슬러리를 포함한다. 활물질 슬러리는 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 그리고 가소제 등의 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 각각의 전극판들은 활물질 슬러리가 도포되지 않는 영역에 해당하는 무지부를 가질 수 있다. 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭(150)이 형성될 수 있다.
전극 탭(150)은 전극 조립체(130)로부터 돌출된 형태로 연장 형성된다. 전극 탭(150)은 양극 탭(151)과 음극 탭(153)을 포함한다. 양극 탭(151)은 양극판의 무지부에서 연장될 수 있으며, 음극 탭(153)은 음극판의 무지부에서 연장될 수 있다.
양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 배터리 셀(100)에 각각 하나씩 구비될 수 있다. 이와는 달리 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 복수개 구비될 수도 있다. 일 예로 배터리 셀(100)의 전극 조립체(130)에 양극판과 음극판이 각각 1개만 포함된 경우, 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 각각 1개씩 포함될 수 있다. 이와 달리, 양극 탭(151)과 음극 탭(153)은 각각 다수 포함될 수 있다. 전극 조립체(130)에 양극판과 음극판이 각각 다수 포함된 경우, 양극 탭(151)과 음극 탭(153) 역시 다수 개 포함될 수 있으며, 1개의 전극판마다 각각 전극 탭(150)이 구비될 수 있다.
전극 리드(170)는 배터리 셀(100)을 외부의 다른 장치와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 전극 리드(170)는 양극 리드(171)와 음극 리드(173)를 포함할 수 있다. 전극 리드(170)는 파우치 케이스(110)의 내측에서 외측까지 연장되는 형태로 제공될 수 있다. 전극 리드(170)의 일부 영역은 실링부(S) 사이에 개재될 수 있다. 전극 리드(170)는 전극 탭(150)과 연결된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예인 배터리 모듈(10)에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 4는 도 3의 복수 개의 카트리지가 적층된 모습을 보여주는 사시도이며, 도 5는 도 3의 정면도이다. 이하, 도 3 내지 도 5를 참고하면, 배터리 모듈(10)을 복수개의 배터리 셀(100)을 가진다. 배터리 모듈(10)은 배터리 셀(100), 케이스(200), 카트리지(300), 냉각 유닛(400) 그리고 열교환 유닛(500)을 포함한다.
배터리 모듈(10)은 복수개의 배터리 셀(100)이 수납되는 카트리지(300)가 적층되어 형성된다. 이하, 복수개의 배터리 셀(100)이 적층되는 방향을 제1방향(12)이라 하고, 상부에서 바라 볼 때, 상기 제1방향(12)과 수직한 방향을 제2방향(14)이라 하고, 제1방향(12) 및 제2방향(14)에 모두 수직한 방향을 제3방향(16)이라 한다.
배터리 셀(100)은 전술한 배터리 셀(100)이 장착된다.
케이스(200)는 내부에 공간을 가진다. 케이스(200) 내부에 공간은 복수개의 카트리지(300)가 위치한다. 케이스(200)는 대체로 직육면체 형상을 가진다. 케이스(200)는 외부에 충격으로부터 내부에 배터리 셀(100)을 보호할 수 있다.
카트리지(300)는 내부에 수용 공간을 가진다. 수용 공간에는 복수개의 배터리 셀(100)이 안착된다. 본 발명의 실시 예에서는 내부에 2개의 배터리 셀(100)이 수용될 수 있다. 이와는 달리, 3개 이상의 배터리 셀(100)이 수용될 수 있다.
카트리지(300)는 제1방향(12)에서 바라 볼 때, 직사각형의 형상으로 제공된다. 카트리지(300)는 내부에 공간을 가지는 프레임 형태로 제공될 수 있다. 카트리지(300)는 제2방향(14)의 양측면에서 배터리 셀(100)을 지지할 수 있다.
카트리지(300)는 복수개 제공될 수 있다. 복수개의 카트리지(300)는 제1방향(12)을 따라 적층되어 위치한다. 복수개의 카트리지(300)는 케이스(200)의 내부 공간에 위치할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 단면도이고, 도 7은 도 6에 B 영역을 보여주는 확대도이다. 이하, 도 6 내지 도 7을 참고하면, 냉각 유닛(400)은 배터리 셀(100)을 냉각 할 수 있다. 냉각 유닛(400)은 배터리 셀(100)과 접촉하며, 배터리 셀(100)로부터 전달된 열을 냉각 핀(410), 연결 부재(450) 그리고 냉각 플레이트(430) 순서로 전달 하여 배터리 셀(100)을 냉각 할 수 있다.
냉각 유닛(400)은 냉각 핀(410), 냉각 플레이트(430) 그리고 연결 부재(450)를 포함한다.
냉각 핀(410)은 배터리 셀(100)로부터 전달된 열을 연결 부재(450)로 전달한다. 냉각 핀(410)은 배터리 셀(100)의 일측면과 접촉하여 위치한다. 냉각 핀(410)과 배터리 셀(100)은 면접촉한다. 냉각 핀(410)은 복수개 제공된다. 복수개의 배터리 셀(100)과 냉각 핀(410)은 냉각 핀(410), 배터리 셀(100), 배터리 셀(100) 그리고 냉각 핀(410)의 순서대로 제1방향(12)을 따라 배치되며, 상술한 순서와 같이 제1방향(12)을 따라 반복적으로 배치된다. 냉각 핀(410)은 금속 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 냉각 핀(410)은 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 열전도가 좋은 금속 재질로 제공될 수 있다.
냉각 핀(410)의 제2방향(14)의 상부면에는 카트리지(300)가 위치한다. 냉각 핀(410)의 일면은 카트리지(300)와 접촉될 수 있다.
냉각 핀(410)은 핀 절곡부(411)를 가진다. 여기서 핀 절곡부(411)란 도 6에 도시된 바와 같이 각각 냉각 핀(410) 중 제3방향(16)으로 수직한 부분 및 제1방향(12)으로 수평한 부분을 제외한 부분으로서 배터리 셀(100) 방향으로 절곡된 형상을 가지는 부분으로 정의한다.
핀 절곡부(411)는 배터리 셀(100) 방향으로 절곡될 수 이다. 일 예로 도 7과 같이 배터리 셀(100)을 향하는 방향으로 절곡된다. 핀 절곡부(411)의 절곡 방향은 제3방향(16)을 하부 방향으로 경사지도록 제공된다. 핀 절곡부(411)의 일면은 카트리지(300)와 접촉된다. 핀 절곡부(411)는 카트리지(300)의 제3방향(16) 하부에 위치한다. 핀 절곡부(411)와 접촉되는 카트리지(300) 부분은 핀 절곡부(411)와 대응되는 형상으로 제공 될 수 있다.
냉각 플레이트(430)는 배터리 셀(100)에서 전달된 열을 외부 또는 열교환 유닛(500)을 전달 할 수 있다. 냉각 플레이트(430)는 냉각 핀(410)의 하부에 위치한다. 냉각 플레이트(430)는 복수개의 냉각 핀(410)과 후술하는 연결 부재(450)를 통해서 결합될 수 있다. 일 예로 냉각 플레이트(430)는 알루미늄 재질로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 열전도가 좋은 다른 금속 재질로 제공될 수 있다.
냉각 플레이트(430)는 플레이트 절곡부(431)를 가진다. 여기서 플레이트 절곡부(431)란 도 6에 도시된 바와 같이 냉각 플레이트(430) 중 제1방향(12)으로 수평한 부분을 제외한 부분으로서 냉각 플레이트의 제1방향으로 수평한 부분에서 연장되며, 제3방향(16)의 상부 방향으로 절곡된 형상을 가지는 부분으로 정의한다.
플레이트 절곡부(431)는 핀 절곡부(411)와 접촉된다. 플레이트 절곡부(431)의 절곡 방향은 냉각 플레이트(430)의 중 제1방향(12)으로 수평한 부분으로부터 제3방향(16)을 상부 방향으로 경사지도록 제공된다. 플레이트 절곡부(431)의 일면은 후술하는 연결 절곡부(451)와 접촉된다. 플레이트 절곡부(431)의 타면은 열교환 유닛(500)의 열교환 챔버(530)와 접촉하거나, 외부로 노출되어 제공될 수 있다. 플레이트 절곡부(431)는 핀 절곡부(411)의 제3방향(16) 하부에 위치한다. 플레이트 절곡부(431)는 핀 절곡부(411)와 대응되는 개수로 제공된다.
도 7을 참고하면, 플레이트 절곡부(431)는 핀 절곡부(411)의 개수와 대응되는 개수로 제공된다. 도 7의 하나의 카트리지(300)를 기준으로 볼 때, 하나의 카트리지(300)는 두 개의 배터리 셀(100)을 가진다. 각각의 배터리 셀(100)의 제1방향(12)의 양측면에는 냉각 핀(410)이 위치한다. 각각의 냉각 핀(410)은 제3방향(16)의 하부 방향으로 절곡된 핀 절곡부(411)를 가진다. 각각의 핀 절곡부(411)의 제3방향(16)의 하부에는 플레이트 절곡부(431)가 위치한다. 플레이트 절곡부(431)와 플레이트 절곡부(431) 사이에 위치하는 냉각 플레이트(430)의 부분은 전체적으로 평평한 형상으로 제공된다. 도 7을 참고하면, 하나의 카트리지(300)에서 제3방향(16)의 하부에 위치하는 냉각 플레이트(430)는 중앙이 평평하며, 제1방향(12)의 양측면에는 플레이트 절곡부(431)가 위치한다. 또한, 냉각 플레이트(430)의 제3방향(16) 상부에 위치하는 카트리지(300)도 동일한 구조로 제공되며, 수용 공간을 형성한다.
상기 수용 공간에는 배터리 셀(100)의 측부가 수용될 수 있다. 배터리 셀(100)의 측부는 도 7에서 도시한 바와 같이 배터리 셀(430)의 측부는 제2방향(14)으로 돌출되며, 하부로 갈수록 대체로 삼각형의 형상을 가지는 뾰족한 부분으로, 상기 수용 공간에 수용된다.
상술한 배터리 셀(100)의 구조에 의해 카트리지(300)의 수용 공간 역시 양측면이 절곡 형상을 가진다. 또한, 카트리지(300)와 대응 되는 형상을 가지는 냉각 핀(410), 냉각 플레이트(430) 역시 동일한 형상을 가진다. 따라서, 금속 재질로 제공되는 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430)를 직접 접촉하여 결합 시 절곡된 형상으로 인하여 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430) 사이에 빈 공간을 형성할 수 밖에 없다. 그러나, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자, 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430) 사이에 연결 부재(450)를 제공한다.
연결 부재(450)는 냉각 핀(410)에서 전달된 열을 냉각 플레이트(430)로 전달한다. 연결 부재(450)는 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430) 사이에 개재된다. 연결 부재(450)는 일면이 냉각 핀(410)과 접촉되며, 타면은 냉각 플레이트(430)와 접촉된다. 연결 부재(450)는 열 전도성이 좋은 재질로 제공될 수 있다. 일 예로 연결 부재(450)는 열전도 시트로 제공될 수 있다. 일 실시 예로 연결 부재(450)는 열점착 시트로 제공될 수 있다. 열점착 시트는 접착성을 가져 냉각 핀(410) 및 냉각 플레이트(430)의 각 면과 전체적으로 잘 밀착 될 수 있다. 열점착 시트는 열전도성이 좋은 공지의 시트로 제공될 수 있다. 일 예로 열점착 시트는 공지의 열접착 시트 중 열전도율이 좋은 재질로 제공될 수 있다. 연결 부재(450)는 열융착 방식으로 각각 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430)에 결합될 수 있다. 연결 부재(450)가 열점착 시트로 제공되는 얇은 두께를 가지며, 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430)에 접촉되는 면에 열융착 방식으로 적용되어 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(450) 사이에 빈공간을 남지 않도록 할 수 있다. 또한, 연결 부재(450)는 열전도성이 좋은 재질로 제공되어, 냉각 핀(410)으로부터의 열을 냉각 플레이트(450)로 전달 가능하다.
연결 부재(450)는 연결 절곡부(451)를 가진다. 여기서 연결 절곡부(451)는 연결 부재(450) 중 제1방향(12)으로 수평한 부분에서 제3방향(16)의 상부 방향으로 연장되며, 절곡된 형상을 가지는 부분으로 정의한다.
연결 절곡부(451)는 핀 절곡부(411)와 플레이트 절곡부(431) 사이에 위치한다. 플레이트 절곡부(431), 연결 절곡부(451), 핀 절곡부(411) 그리고 카트리지(300)는 순차적으로 제3방향(16)을 따라 적층되어 제공될 수 있다. 연결 절곡부(451)는 제3방향(16)의 하부 방향으로 절곡된 형상을 가진다. 연결 절곡부(451)는 핀 절곡부(411) 및 플레이트 절곡부(431)와 대응되는 형상으로 제공될 수 있다. 연결 절곡부(451)는 복수개 제공될 수 있다. 연결 절곡부(451)는 핀 절곡부(411) 및 플레이트 절곡부(431)와 대응되는 개수로 제공될 수 있다.
열교환 유닛(500)은 냉각 플레이트(430)와 열교환 할 수 있다. 열교환 유닛(500)은 냉각 플레이트(430)의 하부에 위치한다. 열교환 유닛(500)은 내부에 냉각 유체를 통해서 냉각 플레이트(430)와 열교환 할 수 있다. 열교환 유닛(500)은 냉각 플레이트(430)와 열교환하여 냉각 플레이트(430)를 냉각 시킬 수 있다. 일 예로 냉각 유체는 냉각 수로 제공될 수 있다. 이와는 달리, 냉각 유체는 기체로 제공될 수 있다. 일 예로 기체는 공기 또는 헬륨 가스로 제공 될 수 있다.
열교환 유닛(500)은 공급관(510), 열교환 챔버(530) 그리고 배출관(550)을 포함한다. 공급관(510), 열교환 챔버(530) 그리고 배출관(550)은 제2방향(14)을 따라 나란하게 배치된다.
공급관(510)은 외부에서 전달받은 냉각 유체를 열교환 챔버(530)로 공급한다. 공급관(510)은 열교환 챔버(530)의 일면과 결합된다. 공급관(510)은 그 단면이 원형의 형상으로 제공될 수 있다.
열교환 챔버(530)는 냉각 플레이트(430)의 하부에 위치한다. 열교환 챔버(530)는 내부에 냉각 유체를 수용할 수 있는 공간을 가진다. 열교환 챔버(530)는 내부에 냉각 유체를 이용하여 냉각 플레이트(430)를 냉각 시킬 수 있다. 열교환 챔버(530)는 대체로 직육면체 형상으로 제공될 수 있다. 냉각 플레이트(430)와 접촉하는 열교환 챔버(530)의 단면적은 동일하거나 크게 제공될 수 있다.
배출관(550)은 열교환 챔버(530) 내부에 냉각 유체를 외부로 배출한다. 배출관(550)은 열교환 챔버(530)의 일면과 결합된다. 배출관(550)은 그 단면이 원형의 형상으로 제공될 수 있다. 배출관(550)은 열교환 챔버(530)를 기준으로 공급관(510)이 결합된 면과 반대면에 결합될 수 있다.
상술한 예에서는 배터리 모듈(10)이 열교환 유닛(500)을 가지는 것으로 예로 들었으나, 이와는 달리, 냉각 플레이트(430)가 외부로 노출되어 제공될 수 있다. 이 경우 냉각 플레이트(430)는 공냉식으로 냉각을 수행 할 수 있다.
상술한 예에서는 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430) 사이에 하나의 연결 부재(450)가 제공되는 것을 예로 들었으나, 이와는 달리 복수개의 열전도 시트가 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430) 사이에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함한다. 배터리 팩에는 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치가 더 포함될 수 있다. 일 예로 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈(10)을 복수개 가지는 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있고, 이러한 배터리 팩에는 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)이 포함될 수 있다.
이하, 본 발명의 효과를 설명한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430) 사이에 연결 부재(450)를 제공한다. 냉각 핀(410)과 냉각 플레이트(430)가 직접 접촉 할 때 절곡된 형상 때문에 접촉 시 면과 면 사이가 완전하게 접촉되지 못하고 빈 공간이 형성된다. 빈 공간은 냉각 핀(410)에서 냉각 플레이트(430)로 열 전달 효율을 저해하며, 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 감소시키는 문제가 있다. 그러나, 본 발명은 열전도성이 좋은 열전도 시트를 제공하여 냉각 핀(410)에서 전달된 열을 냉각 플레이트(430)로 효과적으로 전달할 수 있다. 또한, 열전도 시트는 열융착 방식으로 냉각 핀(410) 및 냉각 플레이트(430)에 결합된다. 이에 따라, 냉각핀, 열전도 시트 그리고 냉각 플레이트(430) 사이에 빈공간이 남지 않도록 한다. 냉각 핀(410), 열전도 시트 그리고 냉각 플레이트(430) 사이에 빈공간이 남지 않아 배터리 셀(100)의 열을 효과적으로 전달할 수 있다. 또한, 배터리 셀(100)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 배터리 모듈 100: 배터리 셀
200: 케이스 300: 카트리지
400: 냉각 유닛 410: 냉각 핀
430: 냉각 플레이트 450: 연결 부재
500: 열교환 유닛

Claims (11)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    내부에 수용 공간을 가지는 카트리지와;
    상기 수용 공간에 위치하는 복수 개의 배터리 셀과; 그리고
    상기 배터리 셀을 냉각하는 냉각 유닛을 포함하되,
    상기 냉각 유닛은,
    상기 배터리 셀의 일측면과 면접촉하는 냉각 핀과;
    상기 냉각 핀의 하부에 위치하는 냉각 플레이트와; 그리고
    상기 냉각 핀과 상기 냉각 플레이트 사이에 개재되며, 상기 냉각 핀의 열을 상기 냉각 플레이트에 전달하는 연결 부재를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결 부재는 열전도 시트로 제공되는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 핀은 상기 배터리 셀 방향으로 절곡된 핀 절곡부를 포함하며,
    상기 냉각 플레이트는 상기 핀 절곡부의 하부에 위치하는 플레이트 절곡부를 포함하며,
    상기 연결 부재는 상기 핀 절곡부와 상기 플레이트 절곡부 사에에 위치하는 연결 절곡부를 포함하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 핀 절곡부는 일면이 상기 카트리지와 접촉되는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 핀 절곡부, 상기 플레이트 절곡부 그리고 상기 연결 절곡부는 모두 대응되는 형상으로 제공되는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 핀 절곡부와 접촉되는 상기 카트리지 부분은 상기 핀 절곡부와 대응되는 형상으로 제공되는 배터리 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 연결 부재는 열융착 방식으로 각각 상기 냉각 핀 및 상기 냉각 플레이트에 결합되는 배터리 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 냉각 플레이트의 하부에 위치하며, 상기 냉각 플레이트와 열교환 할 수 있는 열교환 유닛을 더 포함하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은,
    외부에서 유입된 냉각 유체을 이용하여 상기 냉각 플레이트와 열교환하는 열교환 챔버와;
    상기 열교환 챔버로 상기 냉각 유체를 공급하는 공급관과; 그리고
    상기 열교환 챔버 내부로부터 상기 냉각 유체를 외부로 배출하는 배출관을; 포함하는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10항의 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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