KR20200020476A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20200020476A
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김태혁
최용환
김용재
최제훈
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현대자동차주식회사
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Abstract

배터리 모듈의 냉각 성능을 향상시킴과 동시에 배터리 시스템의 부품 수와 사이즈 등을 감소시킬 수 있는 배터리 모듈이 개시된다. 상기 배터리 모듈은, 일 방향으로 서로 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 어셈블리; 상기 일 방향에 수직인 방향에서 상기 셀 어셈블리와 대면하도록 배치되며, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각 통로가 형성된 냉각채널 통합 플레이트; 및 상기 셀 어셈블리와 상기 냉각채널 통합 플레이트를 상호 접착시키는 열전도성 접착층을 포함한다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 배터리 모듈의 외곽 플레이트 내에 냉각수가 흐르는 냉각 통로를 매입함으로써 배터리 모듈의 외부에 별도의 냉각채널을 필요로 하지 않는 배터리 모듈에 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.
친환경 차량으로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량들 중 전기 차량과 플러그인 하이브리드 차량은 계통(grid)에 연결된 외부 충전 설비로부터 전력을 제공받아 차량에 구비된 배터리를 충전하고, 배터리의 충전된 전력을 이용하여 차량 구동에 필요한 운동 에너지를 생산한다.
이러한 친환경 차량에 사용되는 배터리는 고출력이 요구되므로 많은 양의 열을 발생시키며 배터리 성능 및 수명을 향상시키기 위해서는 배터리에서 발생하는 열을 효율적으로 배출시켜 배터리가 과열되는 것을 예방하는 것이 매우 중요하다.
차량에 적용되는 배터리는 복수의 배터리 셀을 적층하여 하나의 모듈을 구성하는 형태로 제작되고 있다. 이러한 모듈 구조의 배터리(이하, '배터리 모듈'이라고도 함)의 열 배출을 위해, 종래에는 모듈 외부에 냉각수가 흐르는 냉각 채널을 별도로 구비하고 배터리 모듈 내 배터리 셀 사이에 방열핀을 마련하여 방열핀이 모듈 외부에서 냉각 채널과 접촉하는 구조가 채용되고 있다.
이러한 종래에는 배터리 모듈 냉각 구조는 별도의 냉각 채널이 필요하므로 부품의 수량이 증대되고 조립 공수가 늘어남에 따라 원가가 상승되거나 배터리 시스템 전체 사이즈의 증대를 가져올 수 있다. 또한, 종래의 배터리 모듈 냉각 구조는 냉각핀을 통해서만 열 전달이 이루어질 수 있으므로 냉각 효율이 떨어지고 차량 고성능화에 따른 배터리 용량의 증대로 인해 더 많은 발열이 이루어지는 배터리 구조에 적용하는데 한계가 있다.
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 10-2015-0042076 A KR 10-2016-0128019 A
이에 본 발명은, 배터리 모듈의 냉각 성능을 향상시킴과 동시에 배터리 시스템의 부품 수와 사이즈 등을 감소시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
일 방향으로 서로 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 어셈블리;
상기 일 방향에 수직인 방향에서 상기 셀 어셈블리와 대면하도록 배치되며, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각 통로가 형성된 냉각채널 통합 플레이트; 및
상기 셀 어셈블리와 상기 냉각채널 통합 플레이트를 상호 접착시키는 열전도성 접착층;
을 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 냉각채널 통합 플레이트는 금속 재질로 이루어지며 상기 냉각 통로를 제외한 영역에는 비어 있는 공간이 존재하지 않는 단일 구조물로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 냉각채널 통합 플레이트는, 필러를 충진한 금속관을 사전 설정된 형상으로 배치하고, 배치된 금속관을 삽입한 상태로 상기 금속관과 동일한 재질의 금속을 이용하여 주조함으로써 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 배치되며 인접한 배터리 셀과 면접촉하는 제1 영역과 상기 제1 영역의 양단에서 상기 냉각채널 통합 플레이트와 면접촉하는 제2 영역을 갖는 복수의 냉각핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 냉각채널 통합 플레이트는 상기 복수의 냉각핀의 제2 영역과 접촉하는 면에 상기 복수의 냉각핀의 제2 영역 사이에 위치하는 돌기구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 셀 어셈블리의 최외곽 배터리 셀의 바깥에 배치되어 상기 셀 어셈블리의 내부로 면압을 부여하며 상기 냉각채널 통합 플레이트와 상호 접합되는 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열전도성 접착층은 상기 복수의 배터리 셀의 단부와 상기 냉각채널 통합 플레이트와 직접 접촉할 수 있다.
상기 배터리 모듈에 따르면, 배터리 모듈을 구성하는 상부 및/또는 하부 플레이트 내에 냉각수가 흐르는 냉각 통로를 마련함으로써 모듈 외부에 별도의 냉각 채널이 요구되지 않으므로, 배터리 시스템을 구현하는데 요구되는 부품의 개수와 사이즈를 현저하게 감소시킬 수 있다.
더하여, 상기 배터리 모듈에 따르면, 배터리 모듈 내 배터리 셀의 단부가 냉각 통로가 마련된 상부 및/또는 하부 플레이트와 열전도성 접착층을 매개로 상호 열교환을 이룰 수 있으므로, 종래와 같이 냉각핀에 의해서만 간접 냉각이 이루어지는 방식에 비해 열전달이 이루어지는 경로가 짧고 열교환이 가능한 면적이 넓어짐으로써 배터리 모듈의 냉각 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 단면도의 일부분을 확대 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 단면도의 일부분을 확대 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리 모듈의 냉각채널 통합 플레이트에 형성된 냉각 통로의 예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 배터리 모듈을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은, 적층된 복수의 배터리 셀(21)을 갖는 셀 어셈블리(20)와, 셀 어셈블리(20)의 상부 또는 하부에 배치되며, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각 통로(131)가 형성된 냉각채널 통합 플레이트(13) 및 셀 어셈블리(20)와 냉각채널 통합 플레이트(13) 사이에 개재되어 양 요소를 서로 접착시키는 열전조성 접착층(17)을 포함하여 구성될 수 있다.
셀 어셈블리(20)는 일 방향으로 적층되며 서로 간의 전기적 연결이 형성된 복수의 배터리 셀(21)을 포함할 수 있다. 배터리 셀(21)은 일정 용량의 전기 에너지를 저장하는 단위가 되는 요소이다. 복수의 배터리 셀(21)은 서로 전기적으로 연결 관계를 형성하며, 이 연결 관계는 필요에 따라 직렬 또는 병렬 연결 구조를 선택적으로 적용하여 형성될 수 있다. 배터리 셀(12)의 개수와 상호간의 연결 관계에 의해 배터리 모듈의 전압 및 용량이 결정될 수 있다.
셀 어셈블리(20)의 일측, 도 2에서 배터리 셀(21)이 적층된 방향에 수직인 셀 어셈블리(20)의 측면에는 각 배터리 셀(21)의 전압을 검출하기 위한 전압센싱회로(19)가 구비될 수도 있다. 전압센싱회로(19)에서 검출된 각 배터리 셀(21)의 전압 정보는 배터리를 관리하기 위한 컨트롤러 등으로 제공될 수 있다.
냉각채널 통합 플레이트(13)는 그 내부에 냉각수가 흐르기 위한 냉각 통로(131)가 형성된 판상의 단일 구조물의 형태로 구현될 수 있다. 냉각채널 통합 플레이트(13)는 육면체의 형상을 갖는 배터리 모듈(10)에서 내부의 셀 어셈블리(20)의 상하부를 커버하여 보호하는 역할을 함과 동시에 내부에 냉각 통로(131)로 흐르는 냉각수를 이용하여 배터리 셀(21)을 냉각시키는 냉각채널의 역할을 할 수 있다.
냉각채널 통합 플레이트(13)는 배터리 셀(21)이 적층된 방향에 수직인 방으로 셀 어셈블리(20)와 대면하도록 배치될 수 있다. 도 2에서는 냉각채널 통합 플레이트(13)가 셀 어셈블리(20)의 상하부에 배치된 예가 도시되고 있으나, 상부나 하부 중 적어도 하나에 배치될 수도 있다.
냉각채널 통합 플레이트(13)는 냉각성능 향상을 위해 열전달이 용이하게 이루어지는 금속 재질(예를 들어, 알루미늄 등)로 구현되는 것이 바람직하다.
냉각채널 통합 플레이트(13)에 형성된 냉각통로(131)는 냉각 효율을 향상시키기 위해 다양한 흐름 경로가 채용될 수 있다. 금속 재질의 단일 구조물의 형태, 즉 냉각통로(131)가 형성된 영역 이외에는 내부에 비어 있는 공간을 갖지 않는 구조를 갖는 금속 재질의 냉각채널 통합 플레이트(13)의 내부에 다양한 구조의 냉각통로(131)를 가공하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명의 일 실시형태에서는 필러를 충진한 금속관을 사전 설정된 형상으로 배치하고, 배치된 금속관을 삽입한 상태로 상기 금속관과 동일한 재질의 금속을 이용하여 주조하여 냉각채널 통합 플레이트(13)를 제작할 수 있다. 이 과정에서 본 발명이 일 실시형태는 콤비 코어(Combi Core) 기법을 채용할 수 있다.
콤비 코어(Combi Core) 기법은 파이브 구조의 금속 내에 필러를 충진하고 이를 가공하여 원하는 구조를 형성한 후 필러를 제거하는 기법이다. 본 발명의 일 실시형태에서는, 냉각채널 통합 플레이트(13)를 구성하는 재질과 동일한 재질(예를 들어, 알루미늄)의 파이프를 마련한 후, 파이프 내부를 솔트와 같은 필러로 충진하고, 이어 인발 및 압출 등의 공정을 통해 파이프의 직경을 감소시키면서 그 길이를 늘일 수 있다. 이어, 길이가 늘어나 파이프를 원하는 냉각 통로 구조를 갖도록 쉐이핑한 후, 쉐이핑된 파이프를 삽입하여 파이프와 동일한 재질의 금속으로 냉각채널 통합 플레이트를 주조하는 과정을 통해 냉각채널 통합 플레이트(13)를 제작할 수 있다. 이후 파이프 내의 필러를 워터젯 등의 방식으로 제거하면 냉각채널 통합 플레이트(13)는 원하는 구조의 냉각통로를 갖게 된다. 이러한 방식은 냉각통로(131)의 형성하기 위해 마련되는 파이프의 재질을 냉각채널 통합 플레이트(13)의 재질과 동일하게 결정한 경우 상호간의 계면이 형성되지 않으므로 열전달 효율이 매우 우수한 장점을 가질 수 있다.
열전도성 접착층(17)은 셀 어셈블리(20)와 냉각채널 통합 플레이트(13)를 상호 접착함과 동시에 셀 어셈블리(20)의 열을 냉각채널 통합 플레이트(13)로 용이하게 전달될 수 있도록 한다. 열전도성 접착층(17)의 열전도성을 갖는 접착제의 경화에 의해 형성될 수 있다. 더하여 열전도성 접착층(17)은 전기적 단락에 의한 사고발생을 방지하기 위해 절연성을 갖는 것이 바람직하다.
특히, 열전도성 접착층(17)은 일면이 배터리 셀(21)에 직접 접촉되고 타면이 냉각채널 통합 플레이트(13)에 직접 접촉하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은 셀 어셈블리(20)의 최외곽 배터리 셀의 바깥에 배치되어 셀 어셈블리(20)의 내부로 면압을 부여하기 위한 엔드 플레이트(11)을 더 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(11)는 배터리 모듈을 충전하는 경우 발생할 수 있는 셀 스웰링을 억제하기 위해 적정한 면압을 적층된 배터리 셀에 제공하기 위해 마련되는 것으로, 배터리 모듈(10)의 전후방, 즉 배터리 셀(21)과 나란히 적층되는 구조로 배치될 수 있다. 엔드 플레이트(11)는 적정 면압을 제공할 수 있도록 견고한 조립이 요구되며 이를 위해 레이저 용접 등의 방식으로 상하부의 냉각채널 통합 플레이트(13)에 접합될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 단면도로서, 도 2의 L-L'선을 따라 절개한 단면을 도시하며, 도 4는 도 3에 도시된 단면도의 일부분을 확대 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시형태는, 적층된 복수의 배터리 셀(21) 사이에 일정 간격으로 방열핀(23)을 마련한 실시형태이다. 방열핀(23)은 배터리 셀(21) 사이에서 인접한 배터리 셀(21)과 직접 접촉하는 제1 영역(231)과, 제1 영역(231)의 단부에서 제1 영역(231)에 수직방향으로 연장되어 냉각채널 통합 플레이트(13)와 직접 접촉하는 제2 영역(233)을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 그 단면이 알파벳 대문자 "I"의 형상을 가질 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 방열핀(23)을 구비하는 실시형태는 방열핀(23)의 제1 영역(231) 및 제2 영역(233)에 의해 배터리 셀(21)의 중심부 열을 그 상하부에 마련된 냉각채널 통합 플레이트(13)로 전달할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 냉각구조에서, 배터리 셀(21)과 대향하는 냉각채널 통합 플레이트(13)의 일면에는 방열핀(23)의 제2 영역(233)과 접촉하는 영역 사이에 돌기구조(137)가 형성될 수 있다. 돌기구조(137)에 의해 방열핀(23)의 위치가 임시적으로 고정될 수 있으며 이에 의해 방열핀(23)이 원하는 위치에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
더하여, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예는 열전도성 접착층(17)이 직접 배터리 셀(21)의 상단부와 하단부에 접촉함으로써 배터리 셀(21)의 상단부와 하단부에서 방출되는 열이 냉각채널 통합 플레이트(13)로 전달되게 하여 냉각 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 배터리 모듈의 단면도로서 도 2의 L-L'선을 따라 절개한 단면을 도시하며, 도 6은 도 5에 도시된 단면도의 일부분을 확대 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 실시형태는 전술한 도 3 및 도 4에 도시된 실시형태에서 방열핀(23)이 제거된 형태이다. 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈은 방열핀을 구비하지 않더라도, 열전도성 접착층(17)이 직접 배터리 셀(21)의 상단부와 하단부에 접촉함으로써 배터리 셀(21)의 상단부와 하단부에서 방출되는 열이 냉각채널 통합 플레이트(13)로 전달되게 하여 열 방출이 이루어지게 할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 실시형태는, 도 3 및 도 4에 도시된 실시형태에 비해 방열핀(23)에 의한 열전달이 생략됨으로써 다소 상대적인 냉각 효과가 감소하더라도, 부품수를 줄여 배터리 모듈의 사이즈를 감소시키고 배터리 모듈 제작의 원가를 감소시킬 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리 모듈의 냉각채널 통합 플레이트에 형성된 냉각 통로의 예를 도시한 도면이다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리 모듈의 냉각채널 통합 플레이트(13)에 형성되는 냉각통로(131)를 필요에 따라 다양하게 형성할 수 있다. 도 7은 냉각통로(131)를 배터리 셀(21)이 적층된 방향을 따라 하나의 배터리 셀과 냉각통로(131)가 여러 지점에서 교차하도록 형성한 예를 도시한다. 또한, 도 8은 냉각통로(131)를 배터리 셀(21)의 길이방향(적층방향에 수직인 방향)으로 나란하게 복수개 형성한 예를 도시한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에서는 콤비 코어 기법을 적용하여 다양하게 원하는 형태의 냉각통로(131)를 제작할 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: 배터리 모듈 11: 엔드 플레이트
13: 냉각채널 통합 플레이트 131: 냉각 통로
133: 냉각수 유입구 135: 냉각수 배출구
137: 돌기 구조 15: 사이드 플레이트
17: 열전도성 냉각층 19: 전압센싱회로
20: 셀 어셈블리 21: 배터리 셀
23: 냉각핀 231: 제1 영역
233: 제2 영역

Claims (7)

  1. 일 방향으로 서로 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 어셈블리;
    상기 일 방향에 수직인 방향에서 상기 셀 어셈블리와 대면하도록 배치되며, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각 통로가 형성된 냉각채널 통합 플레이트; 및
    상기 셀 어셈블리와 상기 냉각채널 통합 플레이트를 상호 접착시키는 열전도성 접착층;
    을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각채널 통합 플레이트는 금속 재질로 이루어지며 상기 냉각 통로를 제외한 영역에는 비어 있는 공간이 존재하지 않는 단일 구조물인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각채널 통합 플레이트는, 필러를 충진한 금속관을 사전 설정된 형상으로 배치하고, 배치된 금속관을 삽입한 상태로 상기 금속관과 동일한 재질의 금속을 이용하여 주조함으로써 제작된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 사이에 배치되며 인접한 배터리 셀과 면접촉하는 제1 영역과 상기 제1 영역의 양단에서 상기 냉각채널 통합 플레이트와 면접촉하는 제2 영역을 갖는 복수의 냉각핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각채널 통합 플레이트는 상기 복수의 냉각핀의 제2 영역과 접촉하는 면에 상기 복수의 냉각핀의 제2 영역 사이에 위치하는 돌기구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 어셈블리의 최외곽 배터리 셀의 바깥에 배치되어 상기 셀 어셈블리의 내부로 면압을 부여하며 상기 냉각채널 통합 플레이트와 상호 접합되는 엔드 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도성 접착층은 상기 복수의 배터리 셀의 단부와 상기 냉각채널 통합 플레이트와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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