KR20200104615A - 배터리 셀 모듈 조립체 및 이의 조립 방법 - Google Patents

배터리 셀 모듈 조립체 및 이의 조립 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 셀 모듈 조립체가 개시된다. 상기 배터리 셀 모듈 조립체는, 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 감싸는 제 1 및 제 2 하우징, 상기 제 1 하우징에 결합되는 냉각 플레이, 및 상기 제 2 하우징에 결합되는 패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 냉각 플레이트의 하단에는 냉각 물질이 고정되는 내부 공간이 마련되는 하단부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀 모듈 조립체 및 이의 조립 방법{Battery cell module assembly and Method for assembling the same}
본 발명은 배터리 셀에 관한 것으로서, 더 상세하게는 제한된 공간안에서 냉각 플레이트의 단면적을 최대로 확보하여 냉각 성능을 높이는 배터리 셀 모듈 조립체 및 이의 조립 방법에 대한 것이다.
배터리의 냉각 방식은 크게 공냉식과 수냉식으로 구분이 된다. 이는 다시 직접공냉, 간접공냉, 직접수냉, 간접수냉으로 구분이 된다. 배터리 고정 및/또는 강건성 확보를 위해 외부에 구조물을 적용하게 되며, 배터리의 냉각을 위해 외부 구조물은 알루미늄 재질을 사용하고 있다.
일반적으로, 전기 차량의 에너지가 높아지면서 수냉방식을 적용하고 있으며, 급속충전 시간을 단축시키기 위해 충전 전류가 높아지면서 배터리의 열 관리가 더욱 필요한 사항이다.
그런데, 통상 사용되는 금속 중에서 은 → 동 → 알루미늄순으로 열전도율이 좋으나 비용적인 부분으로 인하여 알루미늄을 많이 사용되고 있다. 냉각수 표면에 냉각 플레이트를 접촉시키고 냉각 플레이트에 배터리를 접촉시켜 온도 조절을 하다보니 냉각 플레이트의 단면적이 제한이 된다.
이는 곧 냉각효율이 떨어지는 문제점을 야기한다. 따라서, 제한된 공간안에서 냉각 플레이트의 단면적을 최대로 확보하여 냉각 성능을 높일 필요가 있다.
또한, 냉각 플레이트의 밴딩을 위해 프레스가 사용되는데, 이에 따라 소재 두께가 일정하여 셀접촉부와 냉각부 접촉부의 커버 두께가 동일하게 유지된다. 이 경우, 부피 축소 요구에 따라 소재 두께 증대에 대한 한계가 발생한다.
또한, 압출 사용시, 소재 두께를 조절할 수 있으나, 사이즈에 따라 얇은 두께 적용이 불가하다. 즉, 부피 축소 요구에 따라 소재 두께 증대의 한계가 발생한다. 일반적으로 전기 차량의 경우, 최소 두께 적용시 최소 1.5t이상 요구되기 때문이다.
1.일본공개특허번호 제2013-125617호 2.일본공개특허번호 제2018-523282호 3.한국등록특허번호 제1560217호(등록일자: 2015.10.07)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 제한된 공간안에서 냉각 플레이트의 단면적을 최대로 확보하여 냉각 성능을 높이는 배터리 셀 모듈 조립체 및 이의 조립 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 제한된 공간안에서 냉각 플레이트의 단면적을 최대로 확보하여 냉각 성능을 높이는 배터리 셀 모듈 조립체를 제공한다.
상기 배터리 셀 모듈 조립체는,
배터리 셀;
상기 배터리 셀을 감싸는 제 1 및 제 2 하우징;
상기 제 1 하우징에 결합되는 냉각 플레이; 및
상기 제 2 하우징에 결합되는 패드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 냉각 플레이트의 하단에는 냉각 물질이 고정되는 내부 공간이 마련되는 하단부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각 플레이트의 상단에는 미리 정해진 일정 각도로 꺽인 상단부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단부는 방열 면적을 증대시키기 위해 수회 미리 정해진 일정 각도로 꺾여져 상기 내부 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일정 각도는 90°인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각 물질은 포팅 공정에 의해 상기 내부 공간에 포팅되어 경화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포팅을 위해 상기 냉각 플레이트의 플레이트 몸체의 내측벽과 하단부의 말단 사이에 틈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 틈은 밀봉부에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 공간의 두께는 상기 냉각 플레이트의 두께의 4.5배인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각 물질은 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material)인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 적층되는 다수의 배터리 셀 모듈 조립체; 및 상기 하단부와 맞닿게 배열되는 냉각 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명에 따르면, 이론식에 의거하여 단면적을 넓혀 냉각 성능을 증대시킬수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 해밍(프레스 공법), 용접 및 포팅 공법(특히 갭 필러 포팅)을 이용하여 단면적을 넓힐 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 직접공냉, 간접공냉, 직접수냉, 간접수냉의 냉각 방식 모두에 적용이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 냉각 플레이트를 통해 1개당 셀 1개 또는 셀 2개를 냉각시킬수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀 모듈 조립체의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉각 플레이트의 정면 사시도이다.
도 3은 도 3에서 I-I'축으로 절개한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 냉각 플레이트의 후면 사시도이다.
도 5는 1에 도시된 배터리 셀 모듈 조립체와 냉각 라인으로 구성된 냉각 구조이다.
도 6은 도 5에 도시된 냉각 구조를 어레이로 적용한 간접 수냉식 냉각 방식의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀 모듈 조립체 및 이의 조립 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀 모듈 조립체(100)의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 배터리 셀 모듈 조립체(100)는, 배터리 셀(110), 배터리 셀(110)을 감싸는 제 1 및 제 2 하우징(120-1,120-2), 제 1 하우징(120-1)에 결합되는 냉각 플레이트(140), 제 2 하우징(120-2)에 결합되는 패드(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 셀(110)은 전극 조립체와, 전극 조립체에 전원을 연결하기 위한 단자, 단자가 외측으로 노출되도록 전극 조립체를 밀봉하는 케이스를 포함하여 구성된다. 이러한 배터리 셀의 구조에 대해서는 널리 공지되어 있으므로 본 발명의 이해를 위해 설명을 생략하기로 한다.
제 1 하우징(120-1)은 배터리 셀(110)의 일측면을 감싸며, 제 2 하우징(120-2)은 배터리 셀(110)의 반대 측면을 감싼다. 이들 하우징(120-1,120-2)은 알루미늄, 구리, 엔지니어링 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다.
냉각 플레이트(140)는 제 1 하우징(120-1)의 빈공간에 제결된다. 이 냉각 플레이트(140)는 배터리 셀(110)로부터 발생하는 열을 냉각시키는 기능을 수행한다. 따라서, 냉각 플레이트(140)는 공기에 의한 공냉, 물에 의한 수냉을 통해 냉각된다. 따라서,냉각 플레이트(140)는 금속 재질이 사용되며, 금속 재질로는, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 등이 사용될 수 있다.
패드(130)는 제 2 하우징(120-2)의 외측면에 결합된다. 이 패드(130)는 배터리 셀((110)이 적층되는 경우, 배터리 셀간 전기적 물리적 절연을 수행한다. 물론, 배터리 셀간 완충 작용을 수행한다. 따라서, 플라스틱, 고무 등이 사용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 냉각 플레이트의 정면 사시도이다. 도 2를 참조하면, 냉각 플레이트(140)는 단면이 "Π"자를 옆으로 뉘운 형상이다. 이를 보여주는 도면이 도 3에 도시된다. 도 3은 도 3에서 I-I'축으로 절개한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 일자 형상에 양단이 약 90°꺽인 날개를 갖는다. 즉, 플레이트 몸체(310)에 양단으로 하단부(320) 및 상단부(311)가 형성된다.
상단부(311)는 플레이트 몸체(310)의 일부를 1회 90°꺽어(즉 밴딩) 형성한 단순 연장부분이다. 이와달리, 하단부(320)는 플레이트 몸체(310)의 일부를 3회 90°꺽어(밴딩) 내부에 일부 내부 공간(330)을 형성한 연장부분이다. 이 내부 공간(330)에는 냉각 물질이 적용될 수 있다. 냉각 물질로는 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material) 등이 사용될 수 있다. 이는 플레이트 몸체(310)의 소재 두께의 약 4.5배 수준이다. 또한, 밴딩은 프레스 공정을 통해 이루어진다.
열 인터페이스 재료(TIM)는 일반적으로 두 가지의 주요 컴포넌트, 즉 금속 및/또는 비금속 입자 및/또는 섬유(fibers)와 같은 충진재(fillers)와, 오일 또는 단사슬(short chain) 중합체(올리고머)와 같은 비이클(vehicle)을 갖는다.
상기 비이클은 페이스트의 소스(source), 기대 특성, 사용처(application) 및 비용에 따라 실리콘 또는 비실리콘 기반 화합물 중 하나가 될 수 있다. 분산제 (dispersant), 경화제(curing agent), 산화 방지제(antioxidant) 등과 같은 추가적인 컴포넌트들도 있을 수 있다. 이러한 열 인터페이스 재료는 널리 사용되고 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
이러한 냉각 물질은 포팅 공정에 의해 내부 공간(330)에 포팅된다. 포팅된 열 인터페이스 재료(TIM)는 실온에서 경화된다.
이러한 포팅은 플레이트 몸체(310)의 내측벽과 하단부(320)의 말단 사이에 형성되는 틈(301)을 통해 이루어진다. 특히, 갭 필러 포팅을 통해 두께 증대가 가능하다.
이러한 틈(301)은 용접등의 공정을 통해 마감 진행된다. 이를 보여주는 도면이 도 4에 도시된다.
도 4는 도 1에 도시된 냉각 플레이트(140)의 후면 사시도이다. 도 4를 참조하면, 용접 등의 공정을 통해 마감이 진행된다. 따라서, 틈(301) 및 측면등이 모두 밀봉부(410)에 의해 밀봉된다.
도 5는 1에 도시된 배터리 셀 모듈 조립체(100)와 냉각 라인(520)으로 구성된 냉각 구조이고, 도 6은 도 5에 도시된 냉각 구조를 어레이로 적용한 간접 수냉식 냉각 방식의 개념도이다. 부연하면, 배터리 셀 모듈 조립체(100)들을 적층하여 배터리 팩을 구성하는 경우를 보여준다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 단일의 배터리 셀 모듈 조립체(100)가 적층되며, 이 적층되는 배터리 셀 모듈 조립체(100)의 하단부(도 3의 320)와 맞닿게 냉각 라인(520)이 배열된다. 따라서, 냉각 플레이트(140)와 배터리 셀(110)은 양쪽으로 셀 면적을 통해 셀 냉각이 진행된다.
또한, 냉각 라인(520)상에 흐르는 냉각수를 통해 내부 공간(330)에 적용된 냉각 물질이 냉각됨으로써 상하로 열교환이 발생한다. 즉, 배터리 셀(110)의 하단과 내부 공간(330) 사이에 열교환이 이루어진다.
일반적으로 도체의 경운 열전달은 핫측(hot side)에서 콜드측(cold side)으로 이루어진다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, k는 열전도도, A는 하단부(320)의 단면적, △x는 하단부의 두께, △T는 하단부의 온도차를 나타낸다.
100: 배터리 셀 모듈 조립체
110: 배터리 셀
120-1: 제 1 하우징
120-2: 제 2 하우징
130: 패드
140: 냉각 플레이트
301: 틈
310: 플레이트 몸체
311: 상단부
320: 하단부
330: 내부 공간

Claims (10)

  1. 배터리 셀(110);
    상기 배터리 셀(110)을 감싸는 제 1 및 제 2 하우징(120-1,120-2);
    상기 제 1 하우징(120-1)에 결합되는 냉각 플레이트(140); 및
    상기 제 2 하우징(120-2)에 결합되는 패드(130);를 포함하고,
    상기 냉각 플레이트(140)의 하단에는 냉각 물질이 고정되는 내부 공간(330)이 마련되는 하단부(320)가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트(140)의 상단에는 미리 정해진 일정 각도로 꺽인 상단부(311)가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하단부(320)는 방열 면적을 증대시키기 위해 수회 미리 정해진 일정 각도로 꺾여져 상기 내부 공간(330)이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 일정 각도는 90°인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 물질은 포팅 공정에 의해 상기 내부 공간(330)에 포팅되어 경화되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포팅을 위해 상기 냉각 플레이트(310)의 플레이트 몸체(310)의 내측벽과 하단부(320)의 말단 사이에 틈(301)이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 틈(301)은 밀봉부(410)에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 공간(330)의 두께는 상기 냉각 플레이트(140)의 두께의 4.5배인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 물질은 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material)인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈 조립체.
  10. 적층되는 제 1 항에 따른 다수의 배터리 셀 모듈 조립체(100); 및
    상기 하단부(320)와 맞닿게 배열되는 냉각 라인(520);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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KR20130125617A (ko) 2012-05-09 2013-11-19 삼성전자주식회사 비정상 조직의 유전 정보를 분석하는 방법 및 장치
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