KR20180034959A - 냉각 유로가 개선된 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리 - Google Patents

냉각 유로가 개선된 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트; 상기 바텀 플레이트의 평면에 대하여 수직을 이루고 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트; 및 상기 바텀 플레이트의 일단으로부터 타단까지 길이방향으로 연장되게 형성되어 냉각 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공하는 냉각 유로;를 포함하는 배터리 모듈을 개시한다.

Description

냉각 유로가 개선된 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리{SECONDARY BATTERY MODULE IMPROVED IN COOLING PASSAGE AND FRAME ASSEMBLY FOR THE SAME}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각 유체를 흘려주기 위한 냉각 유로를 구비한 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리 모듈은 다수의 셀들이 직렬 및/또는 병렬 연결을 통해 집합된 구조로 형성된다. 이러한 배터리 모듈은 통상적으로 다수의 셀들이 일방향으로 배열되어 적층된 셀 어셈블리와, 셀 어셈블리를 감쌀 수 있는 플레이트들을 가진 프레임을 구비한다.
종래의 배터리 모듈은, 배터리 셀의 냉각을 위해 수냉식으로 냉각 유로를 별도로 설계할 경우 냉각 유로가 차지하는 공간이 별도로 필요하므로 구조의 간소화가 어렵고 장착 가능한 셀 용량에 한계가 있다.
배터리 모듈의 냉각 기술과 관련하여, 특허문헌 1은 복수의 카트리지와 적층된 복수의 카트리지 외부로 냉각 기체를 공급하는 냉각 덕트를 포함하고, 냉각 덕트는 카트리지의 외부 표면에 냉각 기체가 직접 접촉하도록 상기 냉각 기체를 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 개시하고 있다.
특허문헌 2는 냉각수가 유입되는 인렛 파이프, 상기 인렛파이프와 상호 이격배치되고, 상기 인렛파이프로부터 유입된 냉각수가 배출되는 아웃렛파이프, 상기 인렛파이프와 상기 아웃렛파이프를 상호 연결하고, 내부에 상기 인렛파이프로부터 유입된 냉각수가 수용되어 상기 전지셀로부터 발생된 열을 배출시키는 냉각채널부를 포함하여 이루어지되, 상기 냉각채널부는, 다수개로 이루어진 상기 전지셀의 사이에서 상기 전지셀과 면접촉하면서 평행하게 배치된 구조를 가진 배터리모듈을 개시하고 있다.
또한, 특허문헌 3은 상호 이격되게 배치되는 복수 개의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀들 사이에 마련되는 이격공간에 삽입되어 배터리 셀들을 냉각 시키는 적어도 하나 이상의 냉각 플레이트와, 각각의 냉각 플레이트들의 단부 영역과 접하도록 배치되어 냉각 플레이트의 열을 흡수하는 열흡수부재를 포함하며, 냉각 플레이트는, 소정의 두께를 갖는 판상형으로 마련되고 내부에 적어도 하나의 히트파이프(heat pipe)가 내재되어 있는 배터리 모듈을 개시하고 있다.
한편, 상용화되어 있는 종래의 배터리 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이 하부에서 상부로 가면서 백 플레이트(11)/열전달 물질(Thermal Interface Material, TIM)(12)/바텀 플레이트(13)/열전달 물질(TIM)(14)/셀(10)의 순으로 구성되는 것이 일반적인데, 이러한 적층 구조는 공간이 많이 요구되고 장착 가능한 셀 용량에 한계가 있는 단점이 있다.
특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제2016-0016499호 특허문헌 2: 한국 공개특허공보 제2016-0030724호 특허문헌 3: 한국 공개특허공보 제2016-0041407호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀을 지지하는 프레임을 활용하여 냉각 유로를 확보할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 냉각 유로를 활용하여 서로 다른 배터리 모듈 간을 연결할 수 있는 구조를 가진 배터리 모듈 및 이를 위한 프레임 어셈블리를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트; 상기 바텀 플레이트의 평면에 대하여 수직을 이루고 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트; 및 상기 바텀 플레이트의 일단으로부터 타단까지 길이방향으로 연장되게 형성되어 냉각 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공하는 냉각 유로;를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 바텀 플레이트의 상부에 위치하고 상기 셀 어셈블리의 양단에 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트;를 더 포함하고, 상기 바텀 플레이트의 일단에는 상기 냉각 유로와 연통되는 튜브 부재가 외부에 돌출 형성될 수 있다.
상기 바텀 플레이트의 타단에는 다른 모듈에 위치한 튜브 부재가 삽입될 수 있고 상기 냉각 유로와 연통되는 유로 홀이 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면 어느 하나의 모듈에 위치한 튜브 부재가 다른 하나의 모듈에 위치한 유로 홀에 삽입되어 서로 다른 모듈들이 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트; 상기 바텀 플레이트의 평면에 대하여 수직을 이루고 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트; 및 상기 바텀 플레이트의 일단으로부터 타단까지 길이방향으로 연장되게 형성되어 냉각 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공하는 냉각 유로;를 포함하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리가 제공된다.
본 발명에 따르면 프레임 어셈블리의 바텀 플레이트를 활용하여 냉각 유로 공간을 확보할 수 있으므로 모듈의 구조를 간소화할 수 있으며 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 바텀 플레이트에 형성된 튜브 부재와 유로 홀을 이용해 서로 다른 모듈들을 서로 앞뒤로 연결하는 것이 가능하므로 모듈간 연결을 위한 별도의 팩 플레이트(Pack plate)가 필요치 않은 장점이 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 종래기술에 따른 배터리 모듈의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 도 2의 후면도이다.
도 5는 도 2의 측면도이다.
도 6은 서로 다른 배터리 모듈을 직렬로 연결한 상태를 도시한 사시도이다.
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 아니되며, 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. 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.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리(110)와, 셀 어셈블리(110)를 하부에 지지하고 길이방향으로 연장되어 냉각 유체의 통로를 제공하는 냉각 유로가 내부에 형성된 바텀 플레이트(101)와 상기 셀 어셈블리(110)의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트(100)를 포함하는 프레임 어셈블리를 구비한다.
셀 어셈블리(110)를 이루는 각각의 셀은 얇은 판상 몸체를 갖는 것으로서, 바람직하게 파우치 셀의 구조로 이루어진다. 파우치 셀은 양극, 세퍼레이터 및 음극이 교대로 적층되고 적어도 일측으로 전극탭이 인출되어 있는 구조로 이루어진다. 상기 양극 및 음극은 집전체의 적어도 한면에 전극 활물질, 바인더 수지, 도전제 및 기타 첨가제 등의 슬러리를 도포함으로써 제조된다. 상기 전극 활물질은, 양극의 경우, 리튬 함유 전이금속 산화물과 같은 통상의 양극 활물질이 사용되고, 음극의 경우에는 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재 및 금속 화합물 또는 이들의 혼합물과 같은 통상의 음극 활물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터로는 리튬 이차전지에 사용되는 통상의 다공성 고분자 필름이 채용 가능하다.
상기 전극조립체와 함께 파우치 케이스 내에 수용되는 전해액으로는 통상의 리튬 이차전지용 전해액이 채용될 수 있다. 상기 파우치 케이스는 시트 소재로 형성되는 것으로서, 전극조립체를 수용하기 위한 수납부를 구비한다. 바람직하게, 파우치 케이스는 시트 소재가 소정 형상으로 가공되어 형성된 제1 케이스와 제2 케이스가 결합되어 형성된다. 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)나 나일론(Nylon) 등의 절연물질로 이루어진 최외곽의 외부수지층과, 기계적 강도를 유지하고 수분 및 산소의 침투를 막아주는 알루미늄 소재의 금속층과, 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 폴리올레핀(Polyolepin)계 재료로 이루어진 내부수지층이 적층된 다층 구조로 구성되어 있다.
상기 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 필요에 따라 상기 내부 수지층과 금속층, 상기 외부 수지층과 금속층 사이에는 소정의 접착수지층이 개재될 수 있다. 상기 접착 수지층은 이종 재료 간의 원활한 부착을 위한 것으로서 단층 또는 다층으로 형성되고, 그 재료는 통상적으로 폴리올레핀계 수지가 사용되거나 원활한 가공을 위해 폴리우레탄 수지가 사용될 수 있으며, 이들의 혼합물도 채용 가능하다.
셀 어셈블리(110)에 있어서 복수개의 셀들은 일방향으로 배열되어 실질적으로 적층 구조를 이룬다.
상기 프레임 어셈블리는 셀 어셈블리(110)를 수용하여 지지 및 보호하는 구조물로서, 셀 어셈블리(110)의 하부에 위치하는 바텀 플레이트(101)와, 셀 어셈블리(110)의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트(100)를 포함한다. 상기 프레임 어셈블리를 이루는 각각의 플레이트들(100,120)은 얇은 두께를 가진, 예컨대 알루미늄 판재와 같은 메탈 플레이트에 의해 형성된다.
바텀 플레이트(101)는 복수개의 파우치 셀(111)의 하단면을 일괄적으로 지지할 수 있는 베이스면을 구비한다. 바텀 플레이트(101)의 내부에는 길이방향으로 냉각 유로가 형성되어 있다. 이러한 냉각 유로는 바텀 플레이트(101)의 폭방향(셀 배열방향)으로 정해진 간격을 두고 반복적으로 형성되어 있다.
상기 냉각 유로에는 절연유와 같은 냉각 유체가 공급되어 셀의 가장자리 부분으로부터 냉각이 이루어지게 된다. 냉각 유체는 도 5에 도시된 바와 같이 모듈의 일단으로부터 타단까지 연속적으로 길게 형성된 통공 또는 그루브 형태의 유로를 따라 이동하게 된다.
사이드 플레이트(100)는 상대적으로 폭이 좁고 길이가 긴 형상의 메탈 플레이트로 이루어지고, 바텀 플레이트(101)의 평면에 대하여 수직을 이루고 셀 어셈블리(110)의 최외측에 인접하게 배치된다.
상기 프레임 어셈블리의 길이방향 양단에는 한 쌍의 엔드 플레이트(104)가 배치된다. 한 쌍의 엔드 플레이트(104)는 바텀 플레이트(101) 및 상부 플레이트의 길이방향 양단과 사이드 플레이트(100)에 결합되어 파우치 셀(111)의 양단을 지지한다. 한 쌍의 엔드 플레이트(104)는 바텀 플레이트(101)의 상부에 올려지도록 배치된다.
바텀 플레이트(101)의 일단에는 상기 냉각 유로와 연통되는 튜브 부재(130)가 외부에 돌출되게 형성된다. 또한, 바텀 플레이트(101)의 타단에는 튜브 부재(130)에 대응하는 유로 홀(102)이 형성되어 있다. 유로 홀(102)은 바텀 플레이트(101)의 내부에 형성된 상기 냉각 유로와 연통되고, 다른 배터리 모듈에 위치한 튜브 부재(130)의 삽입이 가능하게 형성된다.
냉각 효율을 더욱 높이기 위해 바텀 플레이트(101)와 셀 어셈블리(110) 사이에는 열전달 물질(TIM)로 이루어진 열전달부(103)가 부가될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 서로 다른 배터리 모듈 A, B는 앞뒤로 서로 연결되어 조립체를 이룬 상태에서 사용될 수 있다. 이때, 결합부는 어느 하나의 모듈에 위치한 튜브 부재(130)가 다른 하나의 모듈에 위치한 유로 홀(102)에 삽입되어 서로 연통 결합된다. 이와 같이 튜브 부재(130)와 유로 홀(102)을 활용하여 서로 다른 모듈들을 서로 앞뒤로 연결하면, 기존과는 달리 모듈 간을 서로 연결하여 합체하기 위한 별도의 팩 플레이트가 필요치 않은 장점이 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수개의 셀 단위로 프레임 어셈블리가 결합된 형태가 되도록 조립이 된다.
상기 프레임 어셈블리는 냉각 유로와 이에 대응하는 튜브 부재(130) 및 유로 홀(102)이 형성되어 있는 바텀 플레이트(101)와 상기 바텀 플레이트(101)에 대하여 수직을 이루게 배치된 사이드 플레이트(100)를 포함한다.
조립이 완료된 이후에 바텀 플레이트(101)의 외부로 노출된 튜브 부재(130)를 통해 절연유 등의 냉각 유체를 흘려주면 냉각 유체는 냉각 유로를 따라 배터리 모듈의 일단으로부터 타단까지 종방향으로 이동하고, 이 과정에서 바텀 플레이트(101), 열전달부(103), 셀 어셈블리(110)의 순으로 냉각이 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 바텀 플레이트(101)를 활용하여 냉각 유로 공간이 확보되므로 구조의 간소화가 가능하고 조립 공정비용이 절감될 수 있는 현저한 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 사이드 플레이트 101: 바텀 플레이트
102: 유로 홀 103: 열전달부
104: 엔드 플레이트 110: 셀 어셈블리
130: 튜브 부재

Claims (7)

  1. 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리;
    상기 셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트;
    상기 바텀 플레이트의 평면에 대하여 수직을 이루고 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트; 및
    상기 바텀 플레이트의 일단으로부터 타단까지 길이방향으로 연장되게 형성되어 냉각 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공하는 냉각 유로;를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바텀 플레이트의 상부에 위치하고 상기 셀 어셈블리의 양단에 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트;를 더 포함하고,
    상기 바텀 플레이트의 일단에는 상기 냉각 유로와 연통되는 튜브 부재가 외부에 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바텀 플레이트의 타단에는 다른 모듈에 위치한 튜브 부재가 삽입될 수 있고 상기 냉각 유로와 연통되는 유로 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    어느 하나의 모듈에 위치한 튜브 부재가 다른 하나의 모듈에 위치한 유로 홀에 삽입되어 서로 다른 모듈들이 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 배터리 모듈의 외곽에서 셀 어셈블리를 지지하는 프레임 어셈블리에 있어서,
    셀 어셈블리를 하부에서 지지하는 바텀 플레이트;
    상기 바텀 플레이트의 평면에 대하여 수직을 이루고 상기 셀 어셈블리의 최외측에 인접하게 배치되는 사이드 플레이트; 및
    상기 바텀 플레이트의 일단으로부터 타단까지 길이방향으로 연장되게 형성되어 냉각 유체가 흐를 수 있는 통로를 제공하는 냉각 유로;를 포함하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바텀 플레이트의 상부에 위치하고 상기 셀 어셈블리의 양단에 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 바텀 플레이트의 일단에는 상기 냉각 유로와 연통되는 튜브 부재가 외부에 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바텀 플레이트의 타단에는 다른 모듈에 위치한 튜브 부재가 삽입될 수 있고 상기 냉각 유로와 연통되는 유로 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 프레임 어셈블리.
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