KR20200104620A - 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈은, 양측면 냉각 플레이트와 하부면 냉각 플레이트를 일체로 구성하여 상기 양측면 냉각 플레이트와 상기 하부면 냉각 플레이트를 통해 다면 열전달 경로를 형성하는 냉각 하우징; 및 상기 냉각 하우징에 형성된 셀 수용 공간에 배치하는 하나 이상의 배터리 셀;을 포함한다.

Description

다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈{BATTERY MODULE HAVING ALL-AROUND HEAT TRANSFER PATH}
본 발명은 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3면의 냉각 플레이트를 일체로 구성하는 냉각 하우징의 셀 수용 공간에 하나 이상의 배터리 셀을 배치하여 배터리 셀에서 발생하는 열의 다면 열전달 경로를 형성함으로써, 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시켜 배터리 셀의 온도 및 전압 편차를 줄이기 위한, 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
하이브리드 또는 전기자동차(Electric Vehicle: EV)에 적용되는 배터리 모듈 조립체(Battery Module Assembly: BMA)는 복수 개의 배터리 셀이 적층된 셀 모듈 조립체를 결합하는 것에 의해 이루어질 수 있다.
일반적으로, 배터리 모듈 조립체는 셀 모듈 조립체를 하우징하기 위해 셀 모듈 조립체의 양측을 유지시키는 2개의 엔드플레이트(end plate)를 베이스 플레이트에 고정하는 구조를 가진다.
차량용 리튬이온 배터리는 다수의 단위 셀들이 직렬 혹은 병렬로 구성되어 있으며, 주행 중 충전/방전을 반복적으로 수행한다. 이러한 차량용 리튬이온 배터리는 충방전 과정에서 열이 발생하므로, 리튬이온 배터리의 특성상 온도에 따라 같은 양의 전류로 충전하더라도 단위 셀의 위치에 따른 온도 편차에 의해 단위 셀별로 전압 편차가 발생할 수 있다.
더욱이, 최근에는 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈 조립체는 부피, 에너지, 밀도가 개선됨으로서 소형화 및 경량화 구조로 개발되고 있다. 이로 인해 배터리 셀은 사양(specifications)이 높아지고, 이는 배터리 셀의 발열량 증가 요인이 되고 있다.
따라서, 배터리 셀에는 발생되는 열을 외부로 방출시키기 위한 냉각 구조가 구비될 필요가 있다. 즉, 친환경 자동차에 장착되는 배터리 모듈 조립체는 제품 성능 및 내구성 확보를 위한 냉각 방식이 채택되어 사용되고 있다. 배터리 모듈 조립체는 냉각 방식에 따라 직접 냉각 또는 간접 냉각의 냉각 구조가 구비될 수 있으며, 냉각 매체에 따라 공냉식(즉, 공기에 의한 냉각) 또는 수냉식(즉, 냉각수에 의한 냉각) 등이 적용될 수 있다.
이와 같이, 배터리 모듈 조립체의 냉각 방식은 소형화 및 경량화 구조를 구현하기 위해 반드시 고려되어야 할 중요한 요인 중 하나이다. 즉, 배터리 모듈 조립체는 냉각 방식에 따라 내부 공간의 설계와 구조가 달라질 수 있기 때문이다.
예를 들어, 직접 공냉 방식을 적용하여 배터리 셀 내부에 냉각 유로를 형성하는 경우를 가정하면, 배터리 셀 내부에 형성된 냉각 유로가 차지하는 내부 공간의 비중이 높아지고, 배터리 모듈 조립체의 전체적인 크기도 증가하는 것을 예상할 수 있다.
그런데, 기존에는 배터리 셀 내부에 형성된 열을 외부로 효과적으로 배출하기 위해 열전도성이 높은 금속 소재를 이용하지만, 접촉저항이 높기 때문에 배터리 셀 내부에 형성된 열을 외부로 배출시키는데 한계가 있다.
따라서, 배터리 모듈 조립체는 접촉면적을 넓히면서 저항을 줄여서 배터리 팩 내부의 열을 외부로 배출시킬 수 있는 방안이 마련될 필요가 있다.
일본 등록특허공보 제5041185호 (2012.07.20 등록)
본 발명의 목적은 3면의 냉각 플레이트를 일체로 구성하는 냉각 하우징의 셀 수용 공간에 하나 이상의 배터리 셀을 배치하여 배터리 셀에서 발생하는 열의 다면 열전달 경로를 형성함으로써, 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시켜 배터리 셀의 온도 및 전압 편차를 줄이기 위한, 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈은, 양측면 냉각 플레이트와 하부면 냉각 플레이트를 일체로 구성하여 상기 양측면 냉각 플레이트와 상기 하부면 냉각 플레이트를 통해 다면 열전달 경로를 형성하는 냉각 하우징; 및 상기 냉각 하우징에 형성된 셀 수용 공간에 배치하는 하나 이상의 배터리 셀;을 포함할 수 있다.
상기 하부면 냉각 플레이트는, 열전도성 TIM(Thermal Interface Material)의 흐름을 방지하는 프레임 구조를 구비하는 것일 수 있다.
상기 열전도성 TIM은, 액체, 졸, 겔 타입 중 어느 한 타입의 열전도성 접착제일 수 있다.
상기 열전도성 TIM은, 상기 셀 수용 공간에 삽입된 상기 배터리 셀의 하단이 담겨진 다음 소정의 시간이 경과한 후 경화되는 것일 수 있다.
상기 양측면 냉각 플레이트 사이의 간격은, 상기 셀 수용 공간의 크기와 관련되며, 상기 배터리 셀의 스웰링(swelling) 현상이 고려된 셀 폭이 반영되어 결정되는 것일 수 있다.
상기 양측면 냉각 플레이트는, 다수 개의 배터리 모듈을 서로 조립하여 배터리 모듈 조립체를 구성하기 위한 모듈 체결부가 형성되는 것일 수 있다.
본 발명은 3면의 냉각 플레이트를 일체로 구성하는 냉각 하우징의 셀 수용 공간에 하나 이상의 배터리 셀을 배치하여 배터리 셀에서 발생하는 열의 다면 열전달 경로를 형성함으로써, 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시켜 배터리 셀의 온도 및 전압 편차를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈에 대한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈 조립체에 대한 도면,
도 3은 배터리 모듈 조립체의 열 흐름을 설명하는 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈에 대한 도면이고, 도 2는 상기 도 1의 배터리 모듈에 대한 분해사시도이며, 도 3은 상기 도 1의 배터리 모듈에 대한 A-A' 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈(이하 '배터리 모듈'이라 함, 1)은, 3면의 냉각 플레이트를 일체로 구성하는 냉각 하우징(20)의 셀 수용 공간(S)에 하나 이상의 배터리 셀(10)을 배치하여 배터리 셀(10)에서 발생하는 열의 다면 열전달 경로를 형성함으로써, 배터리 셀(10)의 냉각 효율을 향상시켜 배터리 셀(10)의 온도 및 전압 편차를 줄일 수 있다.
여기서, 배터리 셀(10)은 상호 인접한 2개의 셀을 병렬 배치하여 직렬 연결하되, 2개의 셀 사이에는 열전도성이 좋은 금속재질(예, 알루미늄 등)의 중간 플레이트(15)를 배치할 수 있다. 중간 플레이트(15)는 2개의 셀 사이 지점이 냉각 하우징(20)의 냉각 플레이트와 거리가 떨어져 있기 때문에, 2개의 셀 사이 지점에서 발생된 열을 외부로 전달하기 위한 매개체로 활용될 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 냉각 하우징(20)의 셀 수용 공간(S)은 배터리 셀(10)이 2개의 셀을 배치하는 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 다수 개의 셀을 전술한 바와 같이 배치할 수도 있다.
여기서, 배터리 셀(10)은 공간활용성을 고려하여 장방의 평판 형태로 이루어지는 예가 도시되나, 경우에 따라 다양한 종류와 형상이 선택되어 적용될 수 있다. 즉, 배터리 셀(10)은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 하지만, 배터리 셀(10)은 전술한 바와 같이 최적의 공간 이용을 구현하기 위해 파우치형 셀로 구현되는 것이 바람직하다.
파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 커버 내에는 배터리 셀(10)의 전기적 구성 요소들이 배치될 수 있다. 그리고 파우치형 셀들은 높은 용량과 더불어 적은 중량을 갖는다. 그리고 파우치형 셀들의 에지들은 실링 조인트(sealing joint)(미도시)를 포함할 수 있다. 부연하면, 실링 조인트는 배터리 셀(10)의 2개의 박막을 연결하고, 박막들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함할 수 있다.
또한, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 포함할 수도 있다. 이처럼 배터리 셀(20)은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다.
전기 차량의 예로서는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 저속 전기 자동차(NEV: Neighborhood Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다.
냉각 하우징(20)은 개방되어 있는 상부면을 제외한 양측면 냉각 플레이트와 하부면 냉각 플레이트를 일체로 구성한다. 즉, 냉각 하우징(20)은 U자형 구조로 제작될 수 있다. 여기서, 양측면 냉각 플레이트 사이의 간격은 셀 수용 공간(S)의 크기와 관련되며, 배터리 셀(10)의 스웰링(swelling) 현상이 고려된 셀 폭이 반영되어 결정된다.
또한, 냉각 하우징(20)은 열전도성이 우수한 금속 재질 예를 들어, Fe, Al, Ag, Cu, Ni 중 적어도 하나의 재질 또는 둘 이상의 합금 재질로 이루어질 수 있다.
아울러, 양측면 냉각 플레이트는 다수 개의 배터리 모듈(1)을 서로 조립하여 배터리 모듈 조립체를 구성하기 위한 모듈 체결부(21)가 형성되어 있다(후술할 도 4 참조). 이러한 모듈 체결부(21)는 끼움 결합 방식 또는 슬라이딩 결합 방식으로 결합할 수 있다.
그리고, 하부면 냉각 플레이트는 열전도성 TIM(Thermal Interface Material)(30)의 흐름을 방지하는 프레임 구조를 구비할 수 있다. 이러한 열전도성 TIM(30)은 액체, 졸, 겔 타입 중 어느 한 타입의 열전도성 접착제로서, 예를 들어, Al, Ag, Cu, Ni 등의 금속과 폴리머를 혼합 제조한 고분자/금속 복합재료, AlN, Al2O3, BN, SiC, BeO 등의 세라믹 복합 재료, 그라파이트, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀 등의 탄소 복합재료 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합될 수 있다.
셀 수용 공간(S)에 삽입된 배터리 셀(10)의 하단은 삽입 초기에 열전도성 TIM(30)에 담겨져 공백 없이 채워지게 되고, 삽입 이후에 소정의 시간이 경과한 다음 열전도성 TIM(30)이 경화됨에 따라 단단하게 고정될 수 있다.
여기서, 열전도성 TIM(30)은 배터리 셀(10)에서 발생된 열을 배터리 셀(10)의 하단부를 통해 배출시키는 열전달 경로를 형성하고, 배터리 셀(10)의 하단부를 고정시켜 배터리 셀(10)에 가해지는 진동 충격으로 인해 발생하는 손상을 줄일 수 있다.
부가적으로, 양측면 냉각 플레이트와 배터리 셀(10)의 표면 사이에도 열전도성 TIM이 도포될 수 있다. 이 경우에는 열전도성 TIM이 유동성이 없는 타입으로, 열전도성 TIM의 도포 두께는 배터리 셀(10)의 스웰링 현상을 고려하여 조절할 수 있다.
이는 열전도성 TIM가 양측면 냉각 플레이트와 배터리 셀(10)의 표면 사이에 마이크로 스케일의 거친 계면 사이의 공극을 채워 열접촉 저항을 줄여서 접촉력을 강화시켜 줄 수 있다.
도 3을 참조하면, 배터리 모듈(1)은 배터리 셀(10)에서 발생된 열을 냉각 하우징(20)의 양측면 냉각 플레이트와 하부면 냉각 플레이트를 통해 다면 열전달 경로를 형성하게 된다.
이러한 배터리 모듈(1)은 인접 배터리 모듈이 측면에 연결되어 배터리 모듈 조립체를 형성할 수 있고, 열전달 매체(예, 냉각 블록)가 하부면에 연결될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈(1)은 다면 열전달 경로를 다음 설명과 같이 형성하게 된다.
먼저, 배터리 셀(10)의 표면은 냉각 하우징(20)의 양측면 냉각 플레이트를 통해 인접 배터리 모듈로 열전달 경로를 형성하거나, 냉각 하우징(20)의 하부면 냉각 플레이트를 통해 열전달 매체로 열전달 경로를 형성할 수 있다.
그리고, 배터리 셀(10)의 하단은 열전도성 TIM(30)을 통해 냉각 하우징(20)의 하부면 냉각 플레이트에 열전달 경로를 형성할 수 있다. 냉각 하우징(20)의 하부면 냉각 플레이트는 다시 열전달 매체로 열전달 경로를 형성하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 조립체를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 조립체(2)는 다수 개의 배터리 모듈(1)을 병렬로 연결하여 조립한다.
배터리 모듈 조립체(2)는 상호 인접한 배터리 모듈(1)의 냉각 하우징(20)을 서로 연결하고 배터리 모듈(1)의 하부에 열전달 매체(40)를 장착하여 다면 열전달 경로를 형성하게 된다. 도면에 도시되어 있지 않으나, 배터리 모듈 조립체(2)의 최외곽 배터리 모듈(1)은 측면에 열전달 매체를 추가로 구비할 수도 있다.
배터리 모듈(1)은 배터리 셀(10)의 각 셀 사이에 중간 플레이트(15)를 구비함으로써, 배터리 모듈 조립체(2)의 안쪽에 배치된 셀일지라도 빠르게 냉각시키는 구조를 포함하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(15)는 열전도성 TMI()와 접촉점(CP)을 형성할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 배터리 모듈 조립체(2)는 배터리 셀(10)에서 발생된 열을 열전달 경로를 통해 빠르게 외부로 배출할 수 있다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
10 ; 배터리 셀
15 ; 중간 플레이트
20 ; 냉각 하우징
21 ; 모듈 체결부
30 ; 열전도성 TIM(Thermal Interface Material)
40 ; 열전달 매체
S ; 셀 수용 공간

Claims (6)

  1. 양측면 냉각 플레이트와 하부면 냉각 플레이트를 일체로 구성하여 상기 양측면 냉각 플레이트와 상기 하부면 냉각 플레이트를 통해 다면 열전달 경로를 형성하는 냉각 하우징; 및
    상기 냉각 하우징에 형성된 셀 수용 공간에 배치하는 하나 이상의 배터리 셀;
    을 포함하는 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부면 냉각 플레이트는,
    열전도성 TIM(Thermal Interface Material)의 흐름을 방지하는 프레임 구조를 구비하는 것인 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전도성 TIM은,
    액체, 졸, 겔 타입 중 어느 한 타입의 열전도성 접착제인 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열전도성 TIM은,
    상기 셀 수용 공간에 삽입된 상기 배터리 셀의 하단이 담겨진 다음 소정의 시간이 경과한 후 경화되는 것인 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양측면 냉각 플레이트 사이의 간격은, 상기 셀 수용 공간의 크기와 관련되며, 상기 배터리 셀의 스웰링(swelling) 현상이 고려된 셀 폭이 반영되어 결정되는 것인 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양측면 냉각 플레이트는,
    다수 개의 배터리 모듈을 서로 조립하여 배터리 모듈 조립체를 구성하기 위한 모듈 체결부가 형성되는 것인 다면 열전달 경로를 구비하는 배터리 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5041185Y2 (ko) 1972-09-22 1975-11-22

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