KR20190054300A - 배터리 - Google Patents

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KR20190054300A KR1020170150410A KR20170150410A KR20190054300A KR 20190054300 A KR20190054300 A KR 20190054300A KR 1020170150410 A KR1020170150410 A KR 1020170150410A KR 20170150410 A KR20170150410 A KR 20170150410A KR 20190054300 A KR20190054300 A KR 20190054300A
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임해규
최용환
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

구조를 단순화 하면서도 셀에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있어 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 배터리가 개시된다. 상기 배터리는, 수평 방향으로 적층된 복수의 셀을 포함하는 셀 적층 구조물; 상기 셀 적층 구조물의 수직 방향 상단 또는 하단 중 적어도 하나를 커버하는 제1 플레이트; 및 상기 제1 플레이트와 상기 제1 플레이트에 커버되는 상기 셀 적층 구조물의 수직 방향 상단 또는 하단 사이에 개재된 열전도성 접착제를 포함한다.

Description

배터리{BATTERY}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 셀을 구비하는 배터리에 있어서 구조를 단순화 하면서도 셀에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있어 냉각 성능이 더욱 향상된 배터리에 관한 것이다.
지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다.
통상 친환경 자동차는 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기(모터)를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량, 플러그인 하이브리드 차량 및 연료전지 차량 등을 통칭하는 것이다.
이와 같이, 친환경 차량들은 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하는 모터를 이용하여 구동력을 발생시키므로 모터로 제공되는 전기 에너지를 저장하기 위한 요소인 배터리를 구비한다.
차량에 구비되는 배터리는 고전압 출력을 위해 통상 복수의 배터리 셀들을 직렬 연결한 구조를 갖는데, 이 셀들이 전기 에너지를 충방전할 때 발생하는 열을 효과적으로 배출시키는 것이 배터리 성능에 매우 큰 영향을 미친다.
종래의 배터리는, 파우치 구조를 갖는 복수의 셀을 적층하되, 서로 대면하는 셀 사이에 열 전도성이 우수한 금속재질을 갖는 냉각핀을 마련하여 셀에서 발생하는 열을 냉각 핀을 통해 적층된 셀의 하부로 전달하고, 셀의 하부에서 이 냉각핀이 열 계면 물질(TIM: Thermal Interface Material)을 통해 냉각수가 흐르는 냉각 채널과 접촉하게 하여 열을 배출하도록 하였다.
그러나, 이러한 종래의 배터리 냉각 구조는 셀과 셀이 상호 대면하는 면에서 발생하는 열을 전달하는 간접 냉각 방식으로서, 별도의 냉각핀이 요구됨에 따라 배터리 사이즈를 증대시켜 부피/중량 대비 에너지 밀도가 저하되고, 서로 대면하는 셀 사이의 면압 차에 따라 냉각핀을 통한 열전달 성능이 상이하게 됨으로써 온도편차가 발생하는 등의 문제를 발생시킨다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0029283 A KR 10-2013-0121255 A
이에 본 발명은, 복수의 셀을 구비하는 배터리에 있어서 구조를 단순화 하면서도 셀에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있는 배터리를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
수평 방향으로 적층된 복수의 셀을 포함하는 셀 적층 구조물;
상기 셀 적층 구조물의 수직 방향 상단 또는 하단 중 적어도 하나를 커버하는 제1 플레이트; 및
상기 제1 플레이트와 상기 제1 플레이트에 커버되는 상기 셀 적층 구조물의 수직 방향 상단 또는 하단 사이에 개재된 열전도성 접착제;
를 포함하는 배터리를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 셀은 서로 직접 접촉하여 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 셀 적층 구조물은, 적층된 상기 복수의 셀의 최외곽 면과 접촉하도록 배치된 한 쌍의 셀 커버와, 상기 복수의 셀 각각의 일부 영역을 관통하여 상기 셀 커버에 고정된 복수의 고정핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 셀은 파우치 타입 셀이며, 상기 셀에서 상기 고정핀이 관통하는 영역은 상기 파우치 타입 셀의 실링부일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 한 쌍의 셀 커버 각각의 외곽에 배치되고 상기 제1 플레이트에 고정되는 제2 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열전도성 접착제는, 상기 복수의 셀의 상부 또는 하부와 상기 제1 플레이트의 하면 또는 상면에 직접 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 플레이트의 노출면은 냉매가 흐르는 냉각 채널과 접촉할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
냉매가 흐르는 냉각 채널과 접촉하는 플레이트; 및
상기 플레이트에 열전도성 접착제를 통해 부착되는 복수의 셀;
을 포함하는 배터리를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 셀은 서로 직접 접촉하도록 수평 방향으로 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 플레이트는 수평 방향으로 적층된 상기 복수의 셀에 수직 방향 상부 또는 하부에서 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 셀은 파우치 타입 셀이며, 상기 복수의 셀은 상기 파우치 타입 셀의 실링부를 관통하는 고정핀을 통해 상기 복수의 셀의 최외곽 면과 접촉하도록 배치된 한 쌍의 셀 커버에 고정될 수 있다.
상기 배터리에 따르면, 셀에서 발생하는 열을 전달하기 위한 별도의 냉각 핀이 요구되지 않으므로 배터리의 부피나 중량을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 배터리에 따르면, 셀과 냉각 채널 사이의 가장 가까운 경로로 셀에서 발생하는 열을 냉각 채널로 전달할 수 있어 열전달 경로 단축을 통한 냉각 성능 향상을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리를 X-X' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리에 적용되는 파우치 셀을 도시한 정면도 및 측면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리에 추가적인 요소가 부가된 형태의 배터리를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리의 열배출 효과를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 배터리를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리를 도시한 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시된 배터리의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 배터리를 X-X' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리는, 복수의 셀(10)을 갖는 셀 적층 구조물(100)과 셀 적층 구조물(100)의 상하에 각각 배치되는 상부 플레이트(21) 및 하부 플레이트(22)와 셀 적층 구조물(100)과 상하부 플레이트(21, 22) 사이에 각각 개재된 열전도성 접착제(23)을 포함하여 구성될 수 있다.
발명의 설명에서는 첨부 도면에 도시된 방향을 기초로 하여 구조물의 위치나 방향을 설명하기로 한다. 예를 들어, 복수의 셀(10)은 서로 수평 방향으로 적층되는 것으로 설명되며, 이 수직 방향에 직교하는 수직 방향에 상부 플레이트(21) 및 하부 플레이트(22)가 배치될 수 있다. 이러한 수평 방향 또는 수직 방향과 같이 특정 방향을 나타내는 용어는 그 자체로서 발명을 한정하는 것이 아니라 다른 요소들의 위치나 방향에 상대적인 개념으로 이해되어야 할 것이다.
셀 적층 구조물(100)은 수평 방향으로 상호 적층된 복수의 셀(10)을 포함할 수 있다. 복수의 셀(10)은 파우치 타입의 파우치 셀이 적용될 수 있으며 서로 직접 접촉하는 형태로 적층될 수 있다. 종래에는 이 셀(10) 사이에 판상의 냉각핀을 추가로 구비하였으나, 본 발명에서는 냉각핀을 생략하고 셀(10)이 서로 직접 접촉하는 형태로 적층한다.
또한, 셀 적층 구조물(100)은, 복수의 셀(10)에 더하여, 적층된 복수의 셀(10)의 최외곽 면과 접촉하도록 배치된 한 쌍의 셀 커버(13)와, 복수의 셀(10) 각각의 일부 영역을 관통하여 셀 커버에 고정된 복수의 고정핀(11)을 더 포함할 수 있다.
셀 적층 구조물(100)에 포함된 셀의 구조가 도 4에 더욱 상세하게 도시된다. 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리에 적용되는 파우치 셀을 도시한 정면도 및 측면도이다.
도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리에 적용되는 파우치 셀(10)은 화학작용을 통해 전력을 저장하는 셀 구성 물질을 감싸서 밀봉하는 절연체(101)를 포함할 수 있다. 절연체(10)의 양단으로는 전기 에너지의 출입을 위한 단자가 되는 리드(102)가 노출된다. 절연체(101)는 셀 구성 물질을 밀봉하도록 그 테두리를 따라 상하의 절연체(101)가 상호 접착되는 실링부(A)가 형성된다.
셀 적층 구조물(100) 내에서 파우치 셀(10)은 절연체(101)가 형성하는 면이 이웃한 셀의 절연체가 형성하는 면과 서로 접촉한 상태로 적층이 되며, 리드(102)는 이웃한 셀의 리드와 접속 수단(12)을 이용하여 전기적으로 접속(예를 들어, 용접 등이 기법을 적용하여)이 될 수 있다.
또한, 셀 적층 구조물(100)에 포함된 전체 파우치 셀(10)의 실링부(A)에는 서로 동일한 위치에 관통홀(H)가 형성될 수 있다. 이 관통홀(H)에 고정핀(11)을 관통시킴으로써 적층된 파우치 셀(10)을 정렬시킬 수 있다. 또한, 적층된 파우치 셀(10)에 일정 압력을 가한 상태에서 고정핀(11)의 양단을 셀 커버(13)에 고정하면 적층된 파우치 셀(10)에 면압을 제공할 수 있다.
상부 플레이트(21)와 하부 플레이트(22)는 복수의 셀(10)이 적층된 수평 방향에 대해 직교하는 수직 방향에서 셀 적층 구조물(200)을 상하로 커버할 수 있다. 조립 과정에서, 상부 플레이트(21)의 하면과 하부 플레이트(22)의 상면에는 열전도성 접착제(23)가 일정 두께로 미리 도포될 수 있으며, 상부 플레이트(21)와 하부 플레이트(22)를 셀 적층 구조물(100) 상하에 배치하여 열전도성 접착제(23)가 복수의 셀(10)과 직접 접촉하여 고착되게 할 수 있다.
즉, 본 발명의 여러 실시형태는, 배터리를 구성하는 배터리 셀(10)이 외부의 커버 역할을 하는 상하부 플레이트(21, 23)에 열전도성 접착제(23)를 제외한 다른 매개 수단을 이용하지 않고 직접 부착되게 할 수 있다. 다시 말하면, 열전도성 접착제(23)는, 복수의 셀(10)의 상부와 상부 플레이트(21)의 하면과 복수의 셀의(10) 하부와 하부 플레이트(10) 상면에 직접 접촉할 수 있다.
상부 플레이트(21) 또는 하부 플레이트(22)는 이후 냉매가 흐르는 냉각 채널과 접촉하여 용이한 열방출이 이루어질 수 있어야 하므로, 그 자체 역시 우수한 열전도성을 갖는 알루미늄과 같은 금속 또는 열전도성 플라스틱으로 제작될 수 있다.
열전도성 접착제(23)는 높은 전기 절연성을 지님과 동시에 우수한 열전도성을 갖는 접착제로서, 요구되는 전기 절연 사양과 열분산 사양을 만족하는 다양한 공지의 재질이 적용될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리에 추가적인 요소가 부가된 형태의 배터리를 도시한 사시도이다.
도 5에 도시된 배터리는 도 1에 도시된 배터리(200)에 추가적으로 제어기(30)와 사이드 플레이트(40)가 설치된 것이다.
제어기(30)는 셀(10)이 적층된 방향의 측면에 배치되어 셀의 전압, 온도를 센싱한 값에 따라 배터리에 요구되는 사전 설정된 제어 동작을 수행하는 요소이다. 도 5에 도시되지는 않았지만, 제어기(30)와 셀 적층 구조물(100) 사이에는 셀(10)의 온도나 전압, 전류 등을 센셍하기 위한 센서들이 하나의 어셈블리로 제작되어 배치될 수 있다.
또한, 사이드 플레이트(40)는 셀 적층 구조물(100)의 셀 커버(13)의 외곽에 셀(10)의 적층면에 대향하도록 한 쌍이 설치될 수 있다. 이 사이드 플레이트(40)는 상부 플레이트(21) 및 하부 플레이트(23)에 고정될 수 있으며, 셀(10)의 스웰링에 의한 변형이 발생하는 경우 또는 외부에서 외력이 인가되는 경우 배터리를 보호하고 배터리의 강건성을 확보할 수 있게 한다.
도 1 내지 도 5를 통해 설명된 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리는, 셀 적층 구조물의 상단과 하단에 각각 상하부 플레이트가 마련된 예이며, 필요에 따라 셀 적층 구조물의 상단과 하단 중 일단에만 상하부 플레이트가 마련되거나 셀 적층 구조물의 상단과 하단 중 일단과 그에 인접한 상하부 플레이트 사이에 열전도성 접착제를 통한 접합이 이루어질 수도 있다.
이상에서 설명한 것과 같은 구성을 갖는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리는 종래의 배터리 구조와 비교할 때 더 높은 열 배출 효과를 달성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리의 열배출 효과를 설명하기 위한 확대 단면도이다. 도 6은 하부 플레이트에 인접한 부분을 확대한 것이지만, 동일한 효과가 상부 플레이트의 인접 부분에도 적용될 수 있다.
도 6에 도시한 것과 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리는 배터리를 구성하는 셀(10)의 하부가 열전도성 접착제(23)를 통해 하부 플레이트(22)와 직접 접촉한다. 하부 플레이트(22)의 하면은 냉매가 흐르는 냉각 채널(60)과 접촉할 수 있다. 하부 플레이트(22)와 냉각 채널(60)의 사이에는 열 계면 물질(TIM)이 개재될 수도 있다.
즉, 도 6에서 점선으로 도시된 화살표로 나타나는 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리에서는, 셀(10)에서 발생하는 열이 방열핀과 같은 다른 매개 수단을 통해 원거리에 위치한 냉각 채널로 전달되는 것이 아니라, 냉각 채널(60)과 가장 가까운 셀(10)의 일부분이 열전도성 접착제(23)와 하부 플레이(22)를 거쳐 직접 냉각 채널(60)로 전달된다.
따라서, 본 발명의 여러 실시형태는, 셀에서 발생하는 열을 전달하기 위한 별도의 냉각 핀이 요구되지 않으므로 배터리 부피 및 중량의 절감이 가능하며, 셀과 냉각 채널 사이의 가장 가까운 경로로 셀에서 발생하는 열을 냉각 채널로 전달할 수 있어 열전달 경로 단축을 통한 냉각 성능 향상을 달성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 셀 101: 절연체
102: 리드 11: 고정핀
12: 접속 수단 13: 셀 커버
100: 셀 적층 구조물 21: 상부 플레이트
22: 하부 플레이트 23: 열전도성 접착제
30: 제어기 40: 사이드 플레이트
A: 실링부 H: 관통홀

Claims (11)

  1. 수평 방향으로 적층된 복수의 셀을 포함하는 셀 적층 구조물;
    상기 셀 적층 구조물의 수직 방향 상단 또는 하단 중 적어도 하나를 커버하는 제1 플레이트; 및
    상기 제1 플레이트와 상기 제1 플레이트에 커버되는 상기 셀 적층 구조물의 수직 방향 상단 또는 하단 사이에 개재된 열전도성 접착제;
    를 포함하는 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 셀은 서로 직접 접촉하여 적층된 것을 특징으로 하는 배터리.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 셀 적층 구조물은,
    적층된 상기 복수의 셀의 최외곽 면과 접촉하도록 배치된 한 쌍의 셀 커버와, 상기 복수의 셀 각각의 일부 영역을 관통하여 상기 셀 커버에 고정된 복수의 고정핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 셀은 파우치 타입 셀이며, 상기 셀에서 상기 고정핀이 관통하는 영역은 상기 파우치 타입 셀의 실링부인 것을 특징으로 하는 배터리.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 한 쌍의 셀 커버 각각의 외곽에 배치되고 상기 제1 플레이트에 고정되는 제2 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도성 접착제는, 상기 복수의 셀의 상부 또는 하부와 상기 제1 플레이트의 하면 또는 상면에 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 플레이트의 노출면은 냉매가 흐르는 냉각 채널과 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  8. 냉매가 흐르는 냉각 채널과 접촉하는 플레이트; 및
    상기 플레이트에 열전도성 접착제를 통해 부착되는 복수의 셀;
    을 포함하는 배터리.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 셀은 서로 직접 접촉하도록 수평 방향으로 적층된 것을 특징으로 하는 배터리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 플레이트는 수평 방향으로 적층된 상기 복수의 셀에 수직 방향 상부 또는 하부에서 고정된 것을 특징으로 하는 배터리.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 셀은 파우치 타입 셀이며, 상기 복수의 셀은 상기 파우치 타입 셀의 실링부를 관통하는 고정핀을 통해 상기 복수의 셀의 최외곽 면과 접촉하도록 배치된 한 쌍의 셀 커버에 고정된 것을 특징으로 하는 배터리.
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