KR20200055215A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20200055215A
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김윤호
임해규
최용환
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현대자동차주식회사
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Abstract

상면 및 상기 상면의 양측으로부터 하부로 연장된 측면을 갖는 모듈 프레임; 상기 모듈 프레임의 양 측면 사이에 배치되며 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층구조물; 및 상기 셀 적층구조물의 하부에 배치되며 상기 모듈 프레임의 상기 측면의 하단에 접합된 하부 플레이트를 포함하는 배터리 모듈이 개시된다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조의 단순화와 함께 고에너지 밀도 특성을 갖는 배터리 모듈에 관한 것이다.
통상 차량 등에 사용되는 전기 에너지를 저장하는 배터리는, 단위 전압을 출력하는 배터리 셀을 복수개 연결하여 일정 크기의 전압을 출력하는 배터리 모듈을 구성하고, 이 배터리 모듈을 다시 복수개 연결하여 최종적으로 원하는 전압을 출력하게 된다.
종래의 배터리 모듈은 배터리 셀을 고정하기 위한 카트리지를 포함한다. 즉, 종래의 배터리 모듈은 적층 되는 배터리 셀 사이에 카트리지를 구비하는 구조를 갖는다. 또한, 종래의 보태리 모듈은 배터리 셀 사이에 설치되어 배터리 셀과 면접하는 냉각핀을 포함한다. 이 냉각핀의 일단은 냉각 블록과 접촉하여 배터리 셀의 열을 간접적으로 방출하게 한다.
이와 같이, 종래의 배터리 모듈은 카트리지를 사용함으로써 배터리 셀 적층구조물의 사이즈를 증가시키게 된다. 특히, 냉각핀의 배치로 인해 모듈 사이즈는 더 증가하게 된다. 더하여 종래의 배터리 모듈은 배터리 셀 사이에 설치된 냉각핀을 통해 열전달이 이루어지게 하여 배터리 셀에서 방출되는 열을 배출하는 간접적인 냉각 방식을 적용하므로 냉각 효율이 저하되는 문제를 갖는다.
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 10-2018-0036863 A KR 10-2018-0068379 A
이에 본 발명은, 부품 감소를 통한 구조의 단순화 및 소형화가 가능하며 우수한 방열 특성을 확보함에 따라 고에너지 밀도를 실현할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
상면 및 상기 상면의 양측으로부터 하부로 연장된 측면을 갖는 모듈 프레임;
상기 모듈 프레임의 양 측면 사이에 배치되며 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층구조물; 및
상기 셀 적층구조물의 하부에 배치되며 상기 모듈 프레임의 상기 측면의 하단에 접합된 하부 플레이트;
를 포함하는 배터리 모듈이 개시된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 셀은 상기 모듈 프레임의 일 측면에서 타 측면으로 향하는 방향으로 서로 면접 되도록 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 셀 적층구조물은 적층된 상기 복수의 배터리 셀 사이 일부에 배치되어 상기 복수의 배터리 셀이 적층된 방향으로 압축되는 면압 패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 셀은 그 양단에 전극용 셀 탭을 구비하며, 상기 배터리 셀은 상기 셀 탭이 상기 모듈 프레임의 전면부 및 후면부를 향하도록 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 셀 적층구조물과 상기 하부 플레이트 사이에 개재된 열전달 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 열전달 물질은 가압에 의해 열전도성이 상승하는 갭필러이며, 상기 하부 플레이트는 상기 셀 적층구조물이 배치된 방향으로 가압된 상태로 상기 모듈 프레임의 상기 측면의 하단에 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하부 플레이트는, 상기 모듈 프레임의 상기 측면이 상기 셀 적층구조물이 배치된 방향으로 가압된 상태에서 상기 모듈 프레임의 상기 측면의 하단에 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 하부 플레이트의 하부에 부착되어 상기 하부 플레이트 하면에 냉각수를 공급하는 냉각수 블록을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 상기 모듈 프레임의 전면부 및 후면부에 각각 결합되며 절연성 재질을 갖는 전방 커버 및 후방 커버를 더 포함할 수 있다. 이 실시형태에서, 상기 전방 커버 및 후방 커버는 상기 셀 탭이 대면하는 면에 서로 접합된 셀 탭 쌍 사이로 연장된 격벽을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈에 따르면, 상면 및 그 양단으로부터 연장된 측면을 갖는 구조의 모듈 프레임을 구비하고 양 측면이 대향하는 방향으로 배터리 셀을 적층함으로써 배터리 셀을 적층하기 위한 별도의 카트리지를 생략하여 모듈 소형화가 가능하다. 또한, 모듈 프레임의 하부가 개방된 구조를 가지므로 모듈 프레임의 양 측면 사이에 배터리 셀을 적층한 셀 적층구조물을 배치한 이후 셀 적층구조물의 하부에 열전달 물질을 용이하게 도포할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈에 따르면, 열전달 물질 도포 이후 하부 플레이트를 셀 적층구조물 방향으로 가압하여 모듈 프레임에 접합함으로써 압력이 상승함에 따라 열전도성이 상승하는 열전달 물질을 적용하는 경우 열전달 효과가 현저하게 향상된다.
이와 같이, 상기 배터리 모듈에 따르면 소형화 및 열전달 성능을 향상에 따른 냉각 성능 향상을 통해 배터리 모듈의 고에너지 밀도화를 달성할 수 있다.
더하여, 상기 배터리 모듈에 따르면, 모듈 프레임의 양 측면 사이에 셀 적층구조물을 배치한 이후 모듈 프레임의 양 측면을 셀 적층구조물 방향으로 가압하면서 하부 플레이트를 모듈 프레임에 접합함으로써 배터리 셀 사이에 일정 수준의 면압을 부여한 상태로 배터리 모듈을 제작할 수 있어 배터리 모듈의 초기 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈을 A-A' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 4 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈을 B-B' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 모듈을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈을 A-A' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈은, 상면(111) 및 상면(111)의 양측으로부터 하부로 연장된 측면(112, 113)을 갖는 모듈 프레임과(11), 모듈 프레임(11)의 양 측면(112, 113) 사이에 배치되며 적층된 복수의 배터리 셀(101)을 포함하는 셀 적층구조물(100) 및 셀 적층 구조물(100)의 하부에 배치되며 측면(112, 113)의 하단에 접합된 하부 플레이트(14)를 포함하여 구성될 수 있다.
모듈 프레임(11)은 배터리 모듈의 상부와 양측부를 둘러싸는 케이스의 기능을 하는 것으로, 상면(111)과 상면의 양측에서 하부로 연장된 측면(112, 113)을 가질 수 있다. 즉, 모듈 프레임(11)은 전면과 후면 및 하면이 제거된 직육면체의 형상을 가질 수 있다.
모듈 프레임(11)의 상면(111)과 측면(112, 113)은 알루미늄과 같은 금속 재질을 이용하여 압출 공정을 통해 일체형으로 제작될 수 있다.
모듈 프레임(11)의 양 측면(112, 113) 사이에는 복수의 배터리 셀(101)을 나란히 서로 면접하도록 적층한 셀 적층구조물(100)이 배치될 수 있다.
셀 적층 구조물(100)은 파우치 형태를 갖는 복수의 배터리 셀(101)을 서로 면접하도록 적층하여 구성될 수 있다. 복수의 배터리 셀(101)은 각 배터리 셀(101)의 전극 기능을 하는 셀 탭(102)을 포함할 수 있다. 셀 적층 구조물(100)에서, 복수의 배터리 셀(101)이 적층된 방향은 모듈 프레임(11)의 일 측면(112)에서 타 측면(113)으로 향하는 방향이 될 수 있으며, 배터리 셀(101)의 셀 탭(102)은 모듈 프레임(11)의 전면부과 후면부, 즉 모듈 프레임(11) 측면(112, 113)의 양단을 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 셀 적층 구조물(100)은 적층된 배터리 셀(101) 사이에 적층 방향으로 압축이 가능한 면압 패드(103)가 구비될 수 있다. 면압 패드(103)는 적층된 배터리 셀(101) 사이에서 작용하는 면압을 완충하고 균일화 하는 기능을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 셀 적층구조물(100)은 별도의 카트리지를 포함하지 않으며, 모듈 프레임(11)의 양 측면(112, 113)에 셀 적층구조물(100)의 최외곽의 배터리 셀(101)이 직접 접촉하는 상태로 배치된다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서는 모듈 프레임(11)이 배터리 모듈(10)의 케이스 역할을 하면서 동시에 셀 적층구조물(100)이 설치되는 프레임의 역할을 수행하게 된다. 이러한 구조로 인해, 본 발명은 배터리 셀을 적층할 때 별도의 카트리지를 생략할 수 있어 배터리 모듈의 소형화가 가능하게 된다.
하부 플레이트(14)는 모듈 프레임(11)의 측면(112, 113) 사이에 셀 적층구조물(100)이 배치된 상태에서 셀 적층구조물(100)의 하부에 배치되고 모듈 프레임(11)의 측면(112, 113)에 용접 등의 방식으로 접합될 수 있다. 특히, 하부 플레이트(14)는 열전달 물질(16)을 개재하여 셀 적층구조물(100)과 접촉될 수 있다. 열전달 물질(16)의 배터리 셀(101)을 포함하는 셀 적층구조물(100)에서 발생하는 열을 하부 플레이트(14)로 용이하게 전달하기 위해 마련될 수 있다.
열전달 물질(16)은 열 전도성이 우수한 특징을 갖는 갭필러로서, 액상의 경우 배터리 모듈의 제조 공정에서 셀 적층구조물(100)이 모듈 프레임(11)의 측면(112, 113) 사이에 배치된 상태에서 그 하부에 도포될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태는 모듈 프레임(11)의 하부가 개방된 구조를 가지므로 열전달 물질(16)을 도포하기 용이하다. 필요에 따라 열전달 물질(16)을 개방된 하부로 노출된 셀 적층구조물(100) 하부 전면에 도포하거나 지그재그 형상 등 다양한 패턴으로 도포할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에서 열전달 물질(16)로 압력이 증가함에 따라 열전도성이 상승하는 특성을 갖는 갭필러로 채용하는 경우, 하부 플레이트(14)를 셀 적층구조물(100)이 배치된 방향으로 가압하면서 모듈 프레임(11) 측면(112, 113)의 하단에 용접함으로써 셀 적층구조물(100)에서 발생하는 열을 하부 플레이트(14)로 전달하는 성능을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 하부 플레이트(14)는, 모듈 프레임(11)의 측면(112, 113)이 셀 적층구조물(100)이 배치된 방향으로 가압된 상태에서 모듈 프레임(11)의 측면(112, 113)의 하단에 용접 등의 방식으로 접합될 수 있다. 배터리 모듈의 성능은 그 내부에 적층된 배터리 셀 사이에 일정 수준의 균일한 면압이 유지되는 경우 향상될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 모듈 프레임(11)의 측면(112, 113)의 하단부가 일정 수준 자유롭게 이동가능한 구조를 가지므로, 모듈 프레임(11)의 측면(112, 113)을 셀 적층구조물(100)이 배치된 방향으로 가압하면서 하부 플레이트(14)를 모듈 프레임(11)에 용접 등의 방식으로 접합함으로써 셀 적층구조물(100) 내의 배터리 셀(101) 사이에 적절한 면압을 부여할 수 있어 배터리 모듈 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은 하부 플레이트(14)의 하부에 부착되는 냉각수 블록(15)을 더 포함할 수 있다. 특히, 냉각수 블록(15)은 하부 플레이트(14)와 대향하는 방향에서 보았을 때 냉각수가 흐르는 냉각수 경로 패턴이 음각될 수 있으며, 냉각수 블록(15)의 테두리는 하부 플레이트(14)의 하면에 용접 등의 방식으로 접합되어 냉각수 경로 패턴에 흐르는 냉각수가 직접 하부 플레이트(14)에 접촉되게 할 수 있다.
이러한 구조를 통해, 배터리 셀(101)을 포함하는 셀 적층구조물(100)에서 발생되는 열은 열전달 물질(16)과 하부 플레이트(14)를 거쳐 냉각수 블록(15)에 흐르는 냉각수로 전달될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은 열이 발생하는 배터리 셀(101)과 직접 접촉하는 열전달 물질(16)과 하부 플레이트(14)를 거쳐 냉각수로 전달되는 짧은 열전달 경로를 가지므로 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 것과 같이 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은 소형화와 냉각 성능 향상을 통해 종래의 배터리 모듈과 비교할 때 상대적으로 작은 사이즈에서 더 큰 에너지 또는 동등 수준의 에너지를 출력할 수 있어, 에너지 밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은 모듈 프레임(11)의 전면부 및 후면부에 각각 결합되는 전방 커버(12) 및 후방 커버(13)를 갖는다. 전방 커버(12) 및 후방 커버(13)의 내면은 셀 적층구조물(100)의 배터리 셀(101)에 구비된 셀 탭(102)에 대향하게 된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 전방 커버(12) 및 후방 커버(13)는 절연성을 갖는 재질로 제작될 수 있다.
도 4 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈을 B-B' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 셀(101)에 포함된 셀 탭(102)은 이웃한 배터리 셀(101)의 셀 탭(102)과 전기적인 연결을 형성하도록 상호 접합된다. 통상, 배터리 모듈 내에 포함되는 배터리 셀들은 서로 직렬 연결관계를 형성하도록 셀 탭의 접합 구조가 형성되므로, 서로 접합된 한 쌍의 셀 탭은 인접하여 서로 접합된 다른 한 쌍의 셀 탭과 절연이 요구된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 전방 커버(12) 및 후방 커버(13)는 셀 탭(102)과 대면하는 면에 서로 접합된 셀 탭 쌍들 사이로 연장된 격벽(121)을 포함할 수 있다.
이 격벽(121)에 의해 서로 접합된 셀 탭 쌍이 충격 등의 원인으로 인접한 셀 탭 쌍의 방향으로 휘어지거나 꺾이더라도 인접한 셀 탭 쌍과 단락되는 현상이 발생하지 않고 셀 탭 쌍의 절연을 유지할 수 있게 된다.
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: 모듈 프레임
111: 상면 112, 113: 측면
12: 전방 커버 13: 후방 커버
14: 하부 플레이트 15: 냉각수 블록
101: 배터리 셀 102: 셀 탭
103: 압축 패드 121: 격벽

Claims (9)

  1. 상면 및 상기 상면의 양측으로부터 하부로 연장된 측면을 갖는 모듈 프레임;
    상기 모듈 프레임의 양 측면 사이에 배치되며 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층구조물; 및
    상기 셀 적층구조물의 하부에 배치되며 상기 모듈 프레임의 상기 측면의 하단에 접합된 하부 플레이트;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀은 상기 모듈 프레임의 일 측면에서 타 측면으로 향하는 방향으로 서로 면접되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 적층구조물은 적층된 상기 복수의 배터리 셀 사이 일부에 배치되어 상기 복수의 배터리 셀이 적층된 방향으로 압축되는 면압 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀은 그 양단에 전극용 셀 탭을 구비하며, 상기 배터리 셀은 상기 셀 탭이 상기 모듈 프레임의 전면부 및 후면부를 향하도록 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 적층구조물과 상기 하부 플레이트 사이에 개재된 열전달 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열전달 물질은 가압에 의해 열전도성이 상승하는 갭필러이며, 상기 하부 플레이트는 상기 셀 적층구조물이 배치된 방향으로 가압된 상태로 상기 모듈 프레임의 상기 측면의 하단에 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 하부 플레이트는, 상기 모듈 프레임의 상기 측면이 상기 셀 적층구조물이 배치된 방향으로 가압된 상태에서 상기 모듈 프레임의 상기 측면의 하단에 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 플레이트의 하부에 부착되어 상기 하부 플레이트 하면에 냉각수를 공급하는 냉각수 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 모듈 프레임의 전면부 및 후면부에 각각 결합되며 절연성 재질을 갖는 전방 커버 및 후방 커버를 더 포함하며,
    상기 전방 커버 및 후방 커버는 상기 셀 탭이 대면하는 면에 서로 접합된 셀 탭 쌍 사이로 연장된 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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