KR20200065515A - 배터리 셀 및 이를 이용한 차량용 수냉식 배터리 모듈 - Google Patents

배터리 셀 및 이를 이용한 차량용 수냉식 배터리 모듈 Download PDF

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KR20200065515A
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Abstract

배터리 셀 및 이를 이용한 차량용 수냉식 배터리 모듈이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀은 양극판 및 음극판이 적층되어 마련되는 젤리롤 형태의 전지부, 상기 전지부의 일측에 설치되어 상기 전지부의 열을 전달하는 열전달부 및 굴곡부가 마련되어 구부러지며, 상기 굴곡부에 상기 열전달부가 배치되어 상기 전지부와 열전달부를 감싸는 파우치를 포함한다.

Description

배터리 셀 및 이를 이용한 차량용 수냉식 배터리 모듈{BATTERY CELL AND WATER-COOLED BATTERY MODULE FOR VEHICLE USING THE SAME}
본 발명은 배터리 셀 및 이를 이용한 차량용 수냉식 배터리 모듈에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 배터리 셀에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하는 동시에 배터리 셀의 변형을 방지하는 배터리 셀 및 이를 이용한 차량용 수냉식 배터리 모듈에 관한 것이다.
최근에는 환경문제, 고유가 등의 원인으로 환경 차량에 대한 관심이 높아지고 있으며, 전기 에너지를 이용하여 차량이 주행되도록 하는 전기 차량 및 하이브리드 차량이 다양하게 개발되고 있다.
이러한 전기 차량 및 하이브리드 차량에 적용되는 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀로 구성되는 배터리 셀 유닛이 많이 이용되고 있으며, 최근에는 에너지 밀도가 높은 파우치 형태의 배터리 셀이 이용되고 있다.
한편, 배터리 모듈에 구비되는 배터리 셀은 충전 또는 방전 시 열이 발생됨에 따라 이를 냉각시키기 위한 냉각 구조가 적용된다.
이러한 냉각 구조는 공냉식과 수냉식이 있으며, 수냉식 냉각 구조의 경우 냉각수가 흐르는 냉각부를 이용하여 배터리 셀을 간접적으로 냉각하도록 이루어진다.
하지만 파우치 형태의 배터리 셀은 냉각부와의 열교환이 제대로 이루어지지 않아 냉각부와 인접한 부위의 온도만 내려가는 문제가 발생되며, 에너지 밀도를 높이기 위해 3면 실링 후 디개싱(Degassing)과 같은 작업을 진행 시 배터리 셀의 형태가 변형되는 등의 문제가 발생되어 높은 에너지 밀도에도 불구하고 개선이 필요한 상황이다.
한국 공개특허공보 10-2018-0119318호 (2018.11.02 공개)
본 발명의 실시 예들은 배터리 셀에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하는 동시에 배터리 셀의 변형을 방지하는 배터리 셀 및 이를 이용한 차량용 수냉식 배터리 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양극판 및 음극판이 적층되어 마련되는 젤리롤 형태의 전지부; 상기 전지부의 일측에 설치되어 상기 전지부의 열을 전달하는 열전달부; 및 굴곡부가 마련되어 구부러지며, 상기 굴곡부에 상기 열전달부가 배치되어 상기 전지부와 열전달부를 감싸는 파우치;를 포함하는 배터리 셀이 제공될 수 있다.
상기 열전달부는 상기 전지부와, 상기 배터리 셀의 열을 전달하는 열계면 소재 사이에 배치되어 상기 전지부의 열을 전달하는 동시에 상기 배터리 셀을 지지하는 제1 열전달부; 및 상기 제1 열전달부로부터 돌출되게 마련되어 상기 배터리 셀을 지지하는 동시에 상기 열계면 소재에 삽입되어 열을 전달하는 제2 열전달부;를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은 상기 양극판과 연결된 양극 리드탭을 포함하며, 상기 열전달부는 상기 제1 열전달부로부터 상기 양극 리드탭까지 연장되게 마련되어 상기 전지부의 열을 전달하는 제3 열전달부;를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은 상기 음극판과 연결된 음극 리드탭을 포함하며, 상기 열전달부는 상기 제1 열전달부로부터 상기 음극 리드탭까지 연장되게 마련되어 상기 전지부의 열을 전달하는 제4 열전달부;를 포함하며, 상기 제3 열전달부와 상기 제4 열전달부 사이에는 상기 양극 및 음극의 단락을 방지하는 절연체가 마련될 수 있다.
상기 절연체는 상기 제1 열전달부가 분리되어 형성된 공간에 마련될 수 있다.
상기 열전달부는 상기 제1 열전달부와 연결되며, 상기 전지부의 일면 전체를 덮는 제5 열전달부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 배터리 셀; 상기 파우치와 접촉되어 열을 전달하는 열계면 소재; 및 냉각수를 통해 상기 열계면 소재로부터 전달된 열을 제거하는 냉각부;를 포함하는 차량용 수냉식 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀은 전지부의 열을 전달하는 열전달부가 전지부의 일측에 설치되어 파우치를 통해 감싸지기 때문에 배터리 셀에서 발생되는 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 파우치의 굴곡부에 열전달부가 배치되기 때문에 배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 동시에 배터리 셀의 변형을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 수냉식 배터리 모듈을 간략하게 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 제조과정을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀이 복수 개 설치된 차량용 수냉식 배터리 모듈의 단면을 간략하게 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전달부의 다양한 형태를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이며, 여기서 제시한 것으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략할 수 있고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 수냉식 배터리 모듈의 구성에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 수냉식 배터리 모듈을 간략하게 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 제조과정을 도시한 도면이다. 도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면을 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀이 복수 개 설치된 차량용 수냉식 배터리 모듈의 단면을 간략하게 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 내부를 도시한 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 수냉식 배터리 모듈은 배터리 셀(100), 열계면 소재(200) 및 냉각부(300)를 포함한다.
배터리 셀(100)은 전지부(110), 양극 리드탭(120), 음극 리드탭(130), 열전달부(140) 및 파우치(150)를 포함하며, 에너지 밀도 및 열전달 효율을 높이기 위해 3면 실링 형태로 이루어진다.
전지부(110)는 양극판과 음극판 사이에 분리막이 위치되도록 양극판, 분리막 및 음극판이 순차적으로 적층되며, 젤리 형상으로 와인딩됨으로써 젤리롤 형태로 마련된다. 전지부(110)가 젤리롤 형태로 마련될 경우 열전달부(140)와 전기적으로 절연될 수 있다.
양극 리드탭(120) 및 음극 리드탭(130)은 양극판 및 음극판과 연결되어 전지부(110)로부터 외부로 연장된다. 양극 리드탭(120) 및 음극 리드탭(130)은 후술하는 파우치(150)의 실링부(151) 사이에 개재되어 파우치(150)의 외부로 노출됨으로써 전극 단자로써 기능할 수 있다.
열전달부(140)는 전지부(110)의 일측에 설치되어 전지부(110)의 열을 전달하며, 보다 상세하게는 후술하는 파우치(150)의 굴곡부(152)에 배치되어 전지부(110)의 열을 전달한다.
열전달부(140)는 알루미늄과 같은 전도성이 높은 물질로 이루어질 수 있으며, 제1 열전달부(141), 제2 열전달부(142), 제3 열전달부(143), 제4 열전달부(144) 및 제5 열전달부(145) 중 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
제1 열전달부(141)는 전지부(110)의 일측, 구체적으로 전지부(110)의 하부와 열계면 소재(200) 사이에 배치되어 전지부(110)의 열을 전달한다. 제1 열전달부(141)는 일정 길이를 갖는 판 형태로 이루어져 전지부(110)의 일측에 배치되며, 배터리 셀(100)을 지지한다. 제1 열전달부(141)가 배터리 셀(100)을 지지할 경우 배터리 셀(100)의 디개싱(Degassing) 또는 진공 작업 시 파우치(150)의 실링 처리가 되지 않는 부분의 불규칙 변화로 인해 배터리 셀(100)의 표면이 불균일하게 변형되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 3면 실링을 하더라도 4면 실링과 같은 효과를 나타낼 수 있으며, 수냉식 배터리 모듈에서 3면 실링에 의한 높은 에너지 밀도를 보일 수 있다.
또한, 3면 실링의 경우, 냉각부(300)와 접하는 부분을 제외한 나머지 부분을 실링하고, 후술하는 실링부(151)를 접어서 베터리 셀(100)을 수냉식 배터리 모듈에 설치하기 때문에 4면 실링에 비해 높은 열전달 효율을 보일 수 있으며, 제1 열전달부(141)를 통해 이와 같은 열전달 효율을 보다 극대화 할 수 있다.
구체적으로, 4명 실링 형태의 배터리 셀은 에너지 밀도를 높이기 위해 상하부 면에 형성된 실링부가 접힌 뒤 냉각부 상에 설치되며, 이 경우 배터리 셀이 하부 실링부를 거쳐 냉각부와 연결되기 때문에 배터리 셀 내부의 열이 제대로 전달되지 못하는 단점이 있다. 하지만 3면 실링을 할 경우, 배터리 셀(100)이 하부 실링부를 거치지 않고 바로 냉각부(300)와 연결되기 때문에 4면 실링에 비해 높은 열전달 효율을 보일 수 있다.
제1 열전달부(141)는 전지부(110)와 함께 후술하는 파우치(150)의 수용부(153)에 수용될 수 있으며, 배터리 셀(100)의 에너지 밀도 감소를 방지하기 위해 극박 형태로 이루어질 수 있다.
제2 열전달부(142)는 제1 열전달부(141)로부터 돌출되게 마련되어 배터리 셀(100)을 지지하며, 구체적으로 제1 열전달부(141)와 같이 일정 길이를 갖는 판 형태로 이루어져 제1 열전달부(141)와 함께 배터리 셀(100)을 지지한다.
제2 열전달부(142)는 후술하는 파우치(150)의 굴곡부(152)에 배치되어 전지부(110)의 열을 전달하며, 파우치(150)의 굴곡부(152)와 함께 열계면 소재(200)에 삽입되어 전지부(110)의 열을 전달한다.
제2 열전달부(142)가 파우치(150)의 굴곡부(152)와 함께 열계면 소재(200)에 삽입되어 전지부(110)의 열을 전달할 경우, 제2 열전달부(142)가 없을 때와 비교하여 외부로 노출된 배터리 셀(100)의 부피에 변화가 없으며, 3면 실링된 배터리 셀(100)의 전체적인 에너지 밀도를 유지하는 동시에 전지부(110)의 열을 효과적으로 전달할 수 있다.
제3 열전달부(143)는 제1 열전달부(141)로부터 양극 리드탭(120)까지 연장되게 마련되어 전지부(110)의 열을 전달한다. 제3 열전달부(143)가 양극 리드탭(120)까지 연장되게 마련될 경우 전지부(110)뿐만 아니라 양극 리드탭(120)에서 발생되는 열까지 효과적으로 전달할 수 있다.
제3 열전달부(143)는 배터리 셀(100) 내부의 테라스에 위치하기 때문에 배터리 셀(100)의 에너지 밀도 변화와 무관하게 마련된다. 테라스는 양극 리드탭(120)과 전극이 융착되는 공간을 의미한다. 테라스는 양극 리드탭(120)과 전극이 융착되는 공간 및 파우치(150)의 실링부(151)를 포함하여 이루어질 수 있다.
제4 열전달부(144)는 제1 열전달부(141)로부터 음극 리드탭(130)까지 연장되게 마련되어 전지부(110)의 열을 전달한다. 제4 열전달부(144)가 음극 리드탭(130)까지 연장되게 마련될 경우 전지부(110)뿐만 아니라 음극 리드탭(130)에서 발생되는 열까지 효과적으로 전달할 수 있다.
제4 열전달부(144)는 배터리 셀(100) 내부의 테라스에 위치하기 때문에 배터리 셀(100)의 에너지 밀도 변화와 무관하게 마련된다. 테라스는 음극 리드탭(130)과 전극이 융착되는 공간을 의미한다. 테라스는 음극 리드탭(130)과 전극이 융착되는 공간 및 파우치(150)의 실링부(151)를 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 열전달부(140)가 제1 열전달부(141), 제3 열전달부(143) 및 제4 열전달부(144)를 함께 포함할 경우, 열전달부(140)에는 양극 및 음극의 단락을 방지하는 절연체(i)가 마련될 수 있다.
절연체(i)는 제1 열전달부(141)가 분리되어 형성된 공간에 마련될 수 있다. 절연체(i)는 제1 열전달부(141), 제3 열전달부(143) 및 제4 열전달부(144) 중 일정 위치에 설치되어 양극 및 음극의 단락을 방지하며, 균일한 열전달을 위해 제1 열전달부(141)의 중간 부분이 절개되어 설치될 수 있다. 열전달부(140)가 제2 열전달부(142)를 포함할 경우, 제1 열전달부(141) 및 제2 열전달부(142)가 함께 절개되어 절연체(i)가 설치될 수 있다.
제5 열전달부(145)는 전지부(110)의 일면 전체를 덮도록 마련되어 전지부(110)의 열을 전달한다. 제5 열전달부(145)는 전지부(110)와 함께 후술하는 파우치(150)의 수용부(153)에 수용될 수 있으며, 배터리 셀(100)의 에너지 밀도 감소를 방지하기 위해 극박 형태로 이루어질 수 있다.
파우치(150)는 전지부(110)와 열전달부(140)를 감싸 배터리 셀(100) 형태로 고정시키며, 실링부(151), 굴곡부(152) 및 수용부(153)를 포함한다.
실링부(151)는 파우치(150) 외주면에 마련되며, 굴곡부(152)를 기준으로 마주보는 실링부(151)가 서로 접착되어 전지부(110) 및 열전달부(140)가 수용되는 내부 공간을 밀폐시킨다.
실링부(151)는 배터리 셀(100)의 에너지 밀도를 높이기 위해 굴곡부(152)를 제외한 3면에 마련되며, 배터리 셀(100)의 디개싱(Degassing) 또는 진공 작업 시 배터리 셀(100)의 변형을 방지하기 위해 실링 후 일정 강도를 갖도록 마련될 수 있다.
굴곡부(152)는 파우치(150)가 굴곡부(152)를 기준으로 구부러질 수 있도록 파우치(150)의 가운데 즉, 수용부(153)와 다른 수용부(153) 사이에 마련된다.
굴곡부(152)에는 열전달부(140)가 배치되며, 배치된 열전달부(140)와 함께 열계면 소재(200)에 삽입되어 열을 전달한다. 굴곡부(152)에는 제2 열전달부(142)가 배치될 수 있으며, 굴곡부(152)에 배치된 제2 열전달부(142)와 함께 열계면 소재(200)에 삽입되어 열을 전달할 수 있다. 굴곡부(152)가 열계면 소재(200)에 삽입되어 열을 전달할 경우, 굴곡부(152)의 노출 부위가 열계면 소재(200)에 의해 감소되기 때문에 배터리 셀(100)의 에너지 밀도를 보다 높일 수 있다.
또한, 굴곡부(152)에 열전달부(140)가 배치될 경우, 디개싱(Degassing) 또는 진공 작업 시 열전달부(140)에 의해 굴곡부(152)의 변형이 방지되며, 굴곡부(152)의 변형으로 인한 열계면 소재(200)와의 불균일 접촉이 방지된다. 즉, 배터리 셀(100)의 에너지 밀도를 높이기 위해 3면 실링을 하더라도 실링부(151)가 존재하지 않는 하면의 강성이 유지되어 배터리 셀(100)의 변형이 방지되며, 하면의 변형으로 인한 불균일한 열 전달을 방지할 수 있다.
수용부(153)는 파우치(150)에 복수 개 마련되어 전지부(110)를 수용하며, 구체적으로 전지부(110) 및 제1 열전달부를 함께 수용한다.
열계면 소재(200)는 파우치(150)와 접촉되어 열을 전달하며, 구체적으로 파우치(150) 하면 및 굴곡부(152)와 접촉되어 열을 전달한다. 열계면 소재(200)는 굴곡부(152)가 수용될 수 있도록 일정 폭의 슬릿이 형성된 상태로 마련될 수 있으며, 슬릿의 폭은 열계면 소재(200)에 수용되는 굴곡부(152) 및 제2 열전달부(142)의 폭의 합보다 작게 이루어질 수 있다.
열계면 소재(200)는 이종 재질간 열전달에 있어서 계면에서의 공기 및 이물질에 의한 열전달 특성이 저하되는 것을 방지하는 물질로 이루어질 수 있다.
냉각부(300)는 냉각수를 통해 열계면 소재(200)로부터 전달된 열을 제거한다. 냉각수는 냉각부(300)에 마련된 다양한 형태의 냉각 채널을 통해 흐를 수 있으며, 다양한 형태의 냉각 채널은 복수의 배터리 셀(100)의 하부를 독립적 또는 교호적으로 지나갈 수 있다.
100 : 배터리 셀 110 : 전지부
120 : 양극 리드탭 130 : 음극 리드탭
140 : 열전달부 150 : 파우치
200 : 열계면 소재 300 : 냉각부

Claims (7)

  1. 양극판 및 음극판이 적층되어 마련되는 젤리롤 형태의 전지부;
    상기 전지부의 일측에 설치되어 상기 전지부의 열을 전달하는 열전달부; 및
    굴곡부가 마련되어 구부러지며, 상기 굴곡부에 상기 열전달부가 배치되어 상기 전지부와 열전달부를 감싸는 파우치;를 포함하는 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부는 상기 전지부와, 상기 배터리 셀의 열을 전달하는 열계면 소재 사이에 배치되어 상기 전지부의 열을 전달하는 동시에 상기 배터리 셀을 지지하는 제1 열전달부; 및
    상기 제1 열전달부로부터 돌출되게 마련되어 상기 배터리 셀을 지지하는 동시에 상기 열계면 소재에 삽입되어 열을 전달하는 제2 열전달부;를 포함하는 배터리 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 상기 양극판과 연결된 양극 리드탭을 포함하며, 상기 열전달부는 상기 제1 열전달부로부터 상기 양극 리드탭까지 연장되게 마련되어 상기 전지부의 열을 전달하는 제3 열전달부;를 포함하는 배터리 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 상기 음극판과 연결된 음극 리드탭을 포함하며, 상기 열전달부는 상기 제1 열전달부로부터 상기 음극 리드탭까지 연장되게 마련되어 상기 전지부의 열을 전달하는 제4 열전달부;를 포함하며, 상기 제3 열전달부와 상기 제4 열전달부 사이에는 상기 양극 및 음극의 단락을 방지하는 절연체가 마련되는 배터리 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연체는 상기 제1 열전달부가 분리되어 형성된 공간에 마련되는 배터리 셀.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 열전달부는 상기 제1 열전달부와 연결되며, 상기 전지부의 일면 전체를 덮는 제5 열전달부를 포함하는 배터리 셀.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 배터리 셀;
    상기 파우치와 접촉되어 열을 전달하는 열계면 소재; 및
    냉각수를 통해 상기 열계면 소재로부터 전달된 열을 제거하는 냉각부;를 포함하는 차량용 수냉식 배터리 모듈.
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