KR20210011639A - 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 전극조립체가 내부에 수용되되, 냉각판부재에 인접하여 구비되는 셀바디부재 및 상기 셀바디부재와 상기 냉각판부재 사이에 구비되어, 상기 셀바디부재에서 상기 냉각판부재로 열을 전달하는 열경로를 형성하되, 상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적보다 작은 접촉면적으로 상기 냉각판부재에 접하게 구비되는 열전도부재를 포함할 수 있다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈{Secondary battery and battery module having thereof}
본 발명은 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기자동차 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지는 화학에너지와 전기에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이다. 이차전지의 셀바디부재는 이차전지의 주요 구성물인 양극, 음극, 분리막 및 전해액 등의 전극조립체를 보호하는 다층 외장재(Laminated Film Case)를 가리킨다.
그런데 이러한 전극조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 되는데, 이러한 발열에 의한 온도 상승은 이차전지의 성능을 저하시키게 된다.
이에 따라 상기 전극조립체가 수용되는 상기 셀바디부재에는 냉각을 수행하는 냉각판부재, 히트싱크 등이 연계되게 구성된다.
그런데 종전의 냉각판부재, 히트싱크와 연계되어 냉각되는 상기 셀바디부재의 형태 및 상기 셀바디부재와 상기 냉각판부재를 매개할 수 있는 열전도부재의 형태가 냉각 성능을 최적으로 형성하지 못하는 문제가 있었다.
또한, 이에 따라 고가의 열전도부재의 낭비에 의한 생산 비용이 증가하는 문제도 발생하게 되었다.
따라서, 전술한 문제를 해결하기 위한 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 대한 연구가 필요하게 되었다.
KR 10-2016-0063837 A
본 발명은 열전도부재의 낭비 없이도 냉각 성능을 최적으로 형성할 수 있는 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지는 전극조립체가 내부에 수용되되, 냉각판부재에 인접하여 구비되는 셀바디부재 및 상기 셀바디부재와 상기 냉각판부재 사이에 구비되어, 상기 셀바디부재에서 상기 냉각판부재로 열을 전달하는 열경로를 형성하되, 상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적보다 작은 접촉면적으로 상기 냉각판부재에 접하게 구비되는 열전도부재를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적에 대비한, 상기 냉각판부재와 상기 열전도부재의 접촉면적의 백분위 비율인 유효면적비율이 30 ~ 70 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
더 한정하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적에 대비한, 상기 냉각판부재와 상기 열전도부재의 접촉면적의 백분위 비율인 유효면적비율이 35 ~ 50 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 셀바디부재는, 상기 냉각판부재에 인접한 일단부로 갈수록 두께 방향 단면적이 작아지는 형상의 테이퍼부 및 상기 테이퍼부의 일단부에 구비되되, 가장 작은 두께 방향 단면적을 형성하는 접촉면부를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 열전도부재는, 상기 접촉면부에 접하되, 상기 접촉면부와 같은 면적으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 열전도부재는, 상기 접촉면부의 단면적과 동일한 단면적으로 상기 냉각판부재까지 일정한 두께로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 열전도부재는, 상기 냉각판부재에 인접한 상기 셀바디부재의 일단부의 중앙 부분에 접하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 셀바디부재는, 높이에 대비한 두께의 백분위 비율이 5 ~ 25 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
더 한정하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 상기 셀바디부재는, 높이에 대비한 두께의 백분위 비율이 7.5 ~ 10 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 전극조립체가 내부에 수용되는 셀바디부재 및 상기 셀바디부재와 냉각판부재 사이에 구비되는 열전도부재를 포함하는 이차전지 및 상기 열전도부재를 매개로 상기 셀바디부재와 열교환하는 상기 냉각판부재를 포함하되, 복수의 상기 이차전지가 내부에 수용되는 하우징부재를 포함하며, 상기 열전도부재는, 상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적보다 작은 접촉면적으로 상기 냉각판부재에 접할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상기 셀바디부재는, 상기 냉각판부재에 인접한 일단부로 갈수록 두께 방향 단면적이 작아지는 형상의 테이퍼부 및 상기 테이퍼부의 일단부에 구비되되, 가장 작은 두께 방향 단면적을 형성하는 접촉면부를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상기 하우징부재는, 상기 냉각판부재를 적어도 바닥부에 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈은 열전도부재의 낭비 없이도 냉각 성능을 최적으로 형성할 수 있는 이점이 있다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 이차전지를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 셀바디부재의 최대 단면적과 열전도부재의 접촉면적을 겹쳐서 비교 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 이차전지에서 셀바디부재의 다른 형태 실시예를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명과 관련하여 이차전지의 적정 온도를 유지하는 이차전지의 적정 열저항을 제시하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 이차전지의 적정 열저항을 위한 이차전지 셀의 유효면적비율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 이차전지의 적정 열저항을 위한 이차전지 셀의 높이에 대비한 두께의 백분위 비율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 배터리 모듈을 도시한 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호 또는 유사한 방식으로 부여된 참조 부호는 동일 구성 요소 또는 대응하는 구성요소를 지칭하는 것으로 한다.
본 발명은 이차전지(10) 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 열전도부재(30)의 낭비 없이도 냉각 성능을 최적으로 형성할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 이차전지(10) 및 이를 포함하는 배터리 모듈은 종전 대비 냉각 효과를 유지하면서도 생산 원가를 절감하도록 냉각 성능은 유지하되 열전도부재(30)의 사용량을 축소하는 설계 형태를 제시한 것이다.
구체적으로 도면을 참조하여 설명하면, 도 1은 본 발명의 이차전지(10)를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 이차전지(10)를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2에서 셀바디부재(11)의 최대 단면적(A1)과 열전도부재(30)의 접촉면적(A2)을 겹쳐서 비교 도시한 도면이다.
그리고, 도 4는 본 발명의 이차전지(10)에서 셀바디부재(11)의 다른 형태 실시예를 도시한 단면도이다.
상기 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)는 전극조립체(12)가 내부에 수용되되, 냉각판부재(21)에 인접하여 구비되는 셀바디부재(11) 및 상기 셀바디부재(11)와 상기 냉각판부재(21) 사이에 구비되어, 상기 셀바디부재(11)에서 상기 냉각판부재(21)로 열을 전달하는 열경로를 형성하되, 상기 셀바디부재(11)의 적어도 일부의 두께 방향(X) 단면적(A1)보다 작은 접촉면적(A2)으로 상기 냉각판부재(21)에 접하게 구비되는 열전도부재(30)를 포함할 수 있다.
다시 말해, 상기 열전도부재(30)의 접촉면적(A2)을 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 적게 형성하여 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)과 동일하게 접촉면적(A2)을 형성하는 경우보다 열전도성 소재의 소비를 줄이게 구성된 것이다.
상기 셀바디부재(11)는 내부에 전극조립체(12)가 구비되어 상기 전극조립체(12)를 보호하는 역할을 하게 된다. 즉, 상기 셀바디부재(11)는 양극, 음극, 분리막 및 전해액 등으로 구성된 전극조립체(12)를 수용하는 내부 공간을 제공하고, 상기 전극조립체(12)를 수용한 후에 실링하는 구조로 제시될 수 있는 것이다.
일례로, 상기 셀바디부재(11)는 파우치형 부재 또는 캔형 부재로 구비될 수 있다. 여기서, 파우치형 부재는 상기 전극조립체(12)를 3면에서 실링하여 수용하는 형태로서, 주로 하면부인 일면부를 제외한 상면부 및 양측면부의 3면을 내부에 상기 전극조립체(12)가 수용된 상태에서 포개어 접합하여 실링하게 구성되는 부재이다. 그리고, 상기 캔형 부재는 상기 전극조립체(12)를 1면에서 실링하여 수용하는 형태로서, 주로 하면부 및 양측면부인 세개 면을 제외한 상면부의 1면을 내부에 상기 전극조립체(12)가 수용된 상태에서 포개어 접합하여 실링하게 구성되는 부재이다.
그리고, 상기 셀바디부재(11)는 상기 냉각판부재(21)와의 접촉면적(A2)을 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 적게 형성된 열전도부재(30)가 결합된 상태로 제조된 후에 상기 냉각판부재(21)에 접하게 구비될 수도 있다. 이에 의하면 상기 냉각판부재(21)를 포함하는 후술할 하우징부재(20)에 상기 셀바디부재(11), 상기 전극조립체(12)를 포함하는 이차전지(10) 복수 개의 설치 공정을 용이하게 하여 배터리 모듈의 제조 비용 및 시간을 감축할 수 있게 한다.
그리고, 상기 열전도부재(30)가 상기 냉각판부재(21)와의 접촉면적(A2)을 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 적게 형성되면서도 상기 열전도부재(30)를 상기 셀바디부재(11)에 결합되게 제조된 후에 상기 냉각판부재(21)에 접하게 구비시키기 위해서, 상기 셀바디부재(11)에는 테이퍼부(11a), 접촉면부(11b)의 구성이 포함될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 셀바디부재(11)는, 상기 냉각판부재(21)에 인접한 일단부로 갈수록 두께 방향(X) 단면적(A1)이 작아지는 형상의 테이퍼부(11a) 및 상기 테이퍼부(11a)의 일단부에 구비되되, 가장 작은 두께 방향(X) 단면적(A1)을 형성하는 접촉면부(11b)를 포함할 수 있다.
이와 같이 상기 테이퍼부(11a)는 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 상기 셀바디부재(11)의 단면적(A1)을 점점 작게 형성한 부분으로 그 단부에는 상기 접촉면부(11b)가 형성된다. 즉, 상기 테이퍼부(11a)는 양측면은 경사지고 상기 접촉면부(11b)가 형성된 단부는 평평한 형태로 제시된 것이다.
이에 의하면, 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 작은 접촉면적(A2)으로 상기 냉각판부재(21)에 접하는 상기 열전도부재(30)의 형성을 용이하게 할 수 있다.
즉, 상기 접촉면부(11b)에 열전도성 소재를 분사 도포, 브러싱 도포 등의 공정에 의해서 상기 열전도부재(30)를 형성하는 경우에도, 상기 접촉면부(11b)는 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 작기 때문에 상기 접촉면부(11b)의 면적에 대응되게 형성된 상기 열전도부재(30)도 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 작게 형성할 수 있어, 상기 열전도부재(30)의 형성을 쉽게 할 수 있는 것이다.
그리고, 상기 셀바디부재(11)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 접촉면부(11b)가 형성된 단부가 도 1에 도시한 바와 같이 평평한 형태일 수도 있으나, 도 4에 도시한 바와 같이 단부에 함몰부(11c)가 형성된 형태일 수도 있다. 이러한 경우에 상기 열전도부재(30)가 형성되는 접촉면부(11b)는 상기 셀바디부재(11)에서 함몰부(11c)를 제외한 부분일 수 있다.
여기서, 상기 전극조립체(12)는, 이차전지(10)로써 화학에너지와 전기에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이다. 이러한 전극조립체(12)는 이차전지(10)로 통상적으로 사용되는 것이라면, 어떠한 구성이든 제한되지 않고 구성될 수 있다. 일례로, 상기 전극조립체(12)는 분리막을 경계로 음극과 양극의 각 전극 활물질이 코팅된 면이 대면하도록 교차 적층된 구성일 수 있다.
한편, 상기 전극조립체(12)는 실질적으로 전해액을 포함하여 함께 상기 셀바디부재(11)에 수납되어 사용된다. 상기 전해액은 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate) 등과 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4 등과 같은 리튬염을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
그리고, 상기 냉각판부재(21)는 상기 셀바디부재(11) 내부에 수용된 전극조립체(12)에서 발생된 열을 외부로 배출하는 역할을 하게 된다. 이를 위해서 상기 냉각판부재(21)는 상기 열전도부재(30) 등을 매개로 상기 셀바디부재(11)에서 열을 전달받으며, 이를 외부의 히트싱크(S) 등으로 전달하여 내부에 전극조립체(12)가 수용된 상기 셀바디부재(11)를 냉각하도록, 외부의 히트싱크(S)와 접하게 구비된다.
상기 열전도부재(30)는 상기 전극조립체(12)의 충전 및 방전시 발생한 열을 상기 히트싱크(S)로 전달하는 역할을 하게 된다. 이를 위해서 상기 열전도부재(30)는 상기 전극조립체(12)가 수용된 상기 셀바디부재(11)와 상기 히트싱크(S)에 접하는 상기 냉각판부재(21) 사이에 구비될 수 있다.
그리고, 상기 열전도부재(30)는 상기 냉각판부재(21)와의 접촉면적(A2)을 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 적게 형성하여 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)과 동일하게 접촉면적(A2)을 형성하는 경우보다 열전도성 소재의 소비를 줄이게 구성될 수 있다.
여기서, 상기 열전도부재(30)가 형성하는 접촉면적(A2)은 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1) 대비 백분위 비율을 조정하여 제시할 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 5 내지 도 6을 참조하여 후술한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 열전도부재(30)는, 상기 접촉면부(11b)에 접하되, 상기 접촉면부(11b)와 같은 면적으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 열전도성 소재의 분사 도포 공정, 브러싱 도포 공정 등에 의해서 상기 접촉면부(11b)에 상기 열전도부재(30)를 형성할 수 있는데, 이러한 경우에 상기 열전도부재(30)는 상기 접촉면부(11b)와 같은 면적으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 접촉면부(11b)는 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 작기 때문에 상기 접촉면부(11b)의 면적에 대응되게 형성된 상기 열전도부재(30)도 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 작게 형성할 수 있다.
이와 같은 경우는 상기 열전도부재(30)가 상기 셀바디부재(11)에 결합된 상태로 제조되는 경우로서, 이에 의하면 상기 하우징부재(20)에 상기 이차전지(10) 복수 개의 설치 공정을 용이하게 하여 배터리 모듈의 제조 비용 및 시간을 감축할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 열전도부재(30)는, 상기 접촉면부(11b)의 단면적(A1)과 동일한 단면적(A1)으로 상기 냉각판부재(21)까지 일정한 두께(t2)로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같이 상기 열전도부재(30)의 두께(t2)를 일정하게 형성하게 되면, 상기 열전도부재(30)를 형성하는 열전도성 소재의 사용을 최소로 하면서도 상기 셀바디부재(11)와 상기 냉각판부재(21) 사이의 열교환 경로를 최대로 확보할 수 있게 된다.
즉, 상기 열전도부재(30)가 두께 방향(X)으로 단면적(A1)이 변하는 테이퍼 형상을 포함하게 되면, 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)과 최소 단면적(A1)이 형성되게 된다. 이때 열교환 경로는 두께 방향(X) 최소 단면적(A1)에 종속되므로, 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)과 최소 단면적(A1)의 차이를 형성하는 부분은 불필요한 열전도성 소재의 소비가 되어 낭비가 된다. 이에 본 발명에서는 상기 열전도부재(30)를 두께 방향(X)으로 일정하게 형성하여 이러한 낭비를 방지하게 구성된 것이다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 열전도부재(30)는, 상기 냉각판부재(21)에 인접한 상기 셀바디부재(11)의 일단부의 중앙 부분에 접하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다시 말해, 상기 셀바디부재(11)가 두께 방향(X)으로 일정한 단면적(A1)을 형성하거나, 상기 냉각판부재(21)에 인접한 셀바디부재(11)의 단부가 다른 부분에 비하여 단면적(A1)이 큰 경우에는 상기 셀바디부재(11)는 상기 냉각판부재(21)에 인접한 상기 셀바디부재(11)의 단부보다 작은 단면적(A1)으로 형성되는데, 이때 상기 열전도부재(30)는 상기 셀바디부재(11) 단부의 중앙 부분에 형성될 수 있는 것이다.
이러한 경우에는 상기 열전도부재(30)가 상기 셀바디부재(11) 단부에서 일측으로 치우치게 구비된 경우보다 열전도 속도를 높일 수 있게 된다. 다시 말해 상기 셀바디부재(11)의 단부의 중앙 부분에서 방사 방향으로 균일하게 열전달을 수행하므로, 일측으로 치우친 경우에 비하여 열전도 속도를 높이 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여 이차전지(10)의 적정 온도를 유지하는 이차전지(10)의 적정 열저항을 제시하기 위한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 이차전지(10)의 적정 열저항을 위한 이차전지(10) 셀의 유효면적비율을 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 이차전지(10)의 적정 열저항을 위한 이차전지(10) 셀의 높이(h)에 대비한 두께(t1)의 백분위 비율을 나타낸 그래프이다.
여기서, 상기 도 5 내지 도 7의 그래프는 이차전지(10) 셀의 열전도도가 약 5 ~ 30W/mK인 이차전지(10) 셀을 이용하는 경우이다.
상기 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 셀바디부재(11)의 적어도 일부의 두께 방향(X) 단면적(A1)에 대비한, 상기 냉각판부재(21)와 상기 열전도부재(30)의 접촉면적(A2)의 백분위 비율인 유효면적비율이 30 ~ 70 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 열전도부재(30)는 상기 냉각판부재(21)와의 접촉면적(A2)을 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 적게 형성하여 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)과 동일하게 접촉면적(A2)을 형성하는 경우보다 열전도성 소재의 소비를 줄이게 구성될 수 있고, 이때 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1) 대비 상기 열전도부재(30)가 형성하는 접촉면적(A2)의 백분위 비율을 조정하여 냉각 성능을 유지하게 구성할 수 있는 것이다.
우선, 냉각 성능의 유지를 위한 열저항 데이터는 도 5를 참조하여 알 수 있다. 즉, 일반적인 이차전지(10)의 과열 한계인 약 60℃ 이하의 온도를 유지하기 위한 열저항은 약 2.0 K/W로서, 이를 기준으로 상기 유효면적비율을 한정한 것이다.
여기서, 열저항은 이차전지(10)의 온도 상승량(K)을 이차전지(10)의 발열량(W)으로 나눈 값으로 정의된다. 다시 말해, 열저항은 이차전지(10)의 발열량에 따른 온도 상승량을 나타내는 값으로서, 이차전지(10)의 냉각 성능을 나타내는 지표로 활용된다.
그리고, 기준이 되는 열저항의 선정을 위하여, 변수로 적용될 수 있는 나머지 조건들은 고정하고, 열저항만을 변경하여 이차전지(10)의 과열된 온도를 결과값으로 도출하였다.
즉, 이차전지(10) 셀의 열전도도는 5 ~ 30W/mK로 한정하고, 상기 셀바디부재(11)의 형상은 상기 셀바디부재(11)가 상기 전극조립체(12)를 3면에서 실링하여 수용하는 형태인 파우치형 부재 또는 상기 전극조립체(12)를 1면에서 실링하여 수용하는 캔형 부재로 한정하였다.
또한 열저항 계산을 위한 발열량(I^2×R)은 투입 전류(I)가 100A이고, 이차전지(10) 셀의 저항(R)이 1mΩ인 경우인 10W를 일례로 적용하였다.
그리고, 열저항 계산을 위한 온도 상승량은 상기 냉각판부재(21)와 열교환하는 이차전지(10) 셀의 셀바디부재(11)의 바닥면을 최저온도 측정 포인트로 하고, 셀바디부재(11)의 탑면을 최고온도 측정 포인트로 하여 측정하고, 이렇게 측정된 최고온도와 최저온도 차이를 온도 상승량으로 적용하였다.
이와 같이 열저항 2.0K/W 이하의 유효면적비율을 설정하면, 도 6에 제시된 바와 같이 셀 유효면적비율은 30% 이상으로 하한값을 설정할 수 있다. 한편, 도 6에 도시한 바와 같이 셀 유효면적비율이 70%를 초과할 경우에는 열저항이 유의미한 변화를 형성하지 않으므로 유효면적비율의 상한값을 설정할 수 있다.
더 한정하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 셀바디부재(11)의 적어도 일부의 두께 방향(X) 단면적(A1)에 대비한, 상기 냉각판부재(21)와 상기 열전도부재(30)의 접촉면적(A2)의 백분위 비율인 유효면적비율이 35 ~ 50 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같이 유효면적비율을 더 구체적으로 한정한 것은, 30%의 하한값의 열저항인 약 2.0K/W와 70%의 상한값의 열저항인 약 1.3K/W의 중간 범위 열저항인 약 1.8K/W에 대응하는 유효면적비율인 35%를 하한값으로 설정하고, 약 1.5K/W에 대응하는 유효면적비율인 50%를 상한값으로 설정하여 한정한 것이다.
이러한 더 한정된 유효면적비율의 범위의 하한값 35%는 임계값인 열저항 2K/W에서 일정 범위 이격되어 안정적인 온도 상승량 범위를 확보하게 되고, 또한 상한값 50%는 열저항의 유의미한 변화를 형성하지 않는 범위를 회피하면서도 열전도부재(30)의 범위를 더욱 감소시킬 수 있는 범위가 된다.
한편, 상기 유효면적비율은 셀바디부재(11)의 길이와 상기 열전도부재(30)의 길이가 동일함을 가정하면, 상기 셀바디부재(11)의 적어도 일부의 두께 방향(X) 길이(t1)에 대비한, 상기 냉각판부재(21)와 상기 열전도부재(30)의 두께 방향(X) 길이(t2)의 백분위 비율과 같은 점도 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 셀바디부재(11)는, 높이(h)에 대비한 두께(t1)의 백분위 비율이 5 ~ 25 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
이는 앞서 설명한 일반적인 이차전지(10)의 과열 한계인 약 60℃ 이하의 온도를 유지하기 위한 셀바디부재(11)의 형태의 한정이다.
다시 말해, 일반적인 이차전지(10)의 과열 한계인 약 60℃ 이하의 온도를 유지하기 위한 열저항인 약 2.0 K/W 이하를 유지하기 위해서 상기 셀바디부재(11)의 높이(h) 대비 두께(t1)의 백분위 비율을 한정한 것이다.
이와 같이 열저항 2.0K/W 이하의 상기 셀바디부재(11)의 높이(h) 대비 두께(t1)의 백분위 비율을 설정하면, 도 7에 제시된 바와 같이 상기 셀바디부재(11)의 높이(h) 대비 두께(t1)의 백분위 비율은 5% 이상으로 하한값을 설정할 수 있다. 한편, 도 7에 도시한 바와 같이 상기 셀바디부재(11)의 높이(h) 대비 두께(t1)의 백분위 비율이 25%를 초과할 경우에는 열저항이 유의미한 변화를 형성하지 않으므로 상기 셀바디부재(11)의 높이(h) 대비 두께(t1)의 백분위 비율의 상한값을 설정할 수 있다.
더 한정하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(10)의 상기 셀바디부재(11)는, 높이(h)에 대비한 두께(t1)의 백분위 비율이 7.5 ~ 10 %인 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같이 높이(h)에 대비한 두께(t1)의 백분위 비율을 더 구체적으로 한정한 것은, 5%의 하한값의 열저항인 약 2.0K/W와 25%의 상한값의 열저항인 약 0.5K/W의 중간 범위 열저항인 약 1.5K/W에 대응하는 높이(h)에 대비한 두께(t1)의 백분위 비율인 7.5%를 하한값으로 설정하고, 약 1.0K/W에 대응하는 높이(h)에 대비한 두께(t1)의 백분위 비율인 10%를 상한값으로 설정하여 한정한 것이다.
이러한 더 한정된 높이(h)에 대비한 두께(t1)의 백분위 비율의 범위의 하한값 7.5%는 임계값인 열저항 2K/W에서 일정 범위 이격되어 안정적인 온도 상승량 범위를 확보하게 되고, 또한 상한값 10%는 열저항의 유의미한 변화를 형성하지 않는 범위를 회피하면서도 더욱 슬림한 셀바디부재(11)를 형성하여 복수의 이차전지(10)적재 효율을 더욱 높일 수 있는 범위가 된다.
도 8은 본 발명의 배터리 모듈을 도시한 분해사시도로서, 상기 도면을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 전극조립체(12)가 내부에 수용되는 셀바디부재(11) 및 상기 셀바디부재(11)와 냉각판부재(21) 사이에 구비되는 열전도부재(30)를 포함하는 상기 이차전지(10) 및 상기 열전도부재(30)를 매개로 상기 셀바디부재(11)와 열교환하는 상기 냉각판부재(21)를 포함하되, 복수의 상기 이차전지(10)가 내부에 수용되는 하우징부재(20)를 포함하며, 상기 열전도부재(30)는, 상기 셀바디부재(11)의 적어도 일부의 두께 방향(X) 단면적(A1)보다 작은 접촉면적(A2)으로 상기 냉각판부재(21)에 접할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모듈에 포함되는 이차전지(10)는 앞서 설명한 이차전지(10)의 특징을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 이차전지(10)는 상기 열전도부재(30)를 매개로 상기 냉각판부재(21)에 의해서 냉각되는 셀바디부재(11)를 포함하고, 이때 상기 셀바디부재(11)에 접하는 열전도부재(30)가 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 적어도 일부의 단면적(A1)보다 작은 면적으로 상기 냉각판부재(21)와 접촉면적(A2)을 형성하게 구성되어, 냉각 성능을 유지하면서도 열전도성 소재의 소비를 줄이게 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상기 셀바디부재(11)는, 상기 냉각판부재(21)에 인접한 일단부로 갈수록 두께 방향(X) 단면적(A1)이 작아지는 형상의 테이퍼부(11a) 및 상기 테이퍼부(11a)의 일단부에 구비되되, 가장 작은 두께 방향 단면적(A1)을 형성하는 접촉면부(11b)를 포함할 수 있다.
이와 같이 상기 테이퍼부(11a)는 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 상기 셀바디부재(11)의 단면적(A1)을 점점 작게 형성한 부분으로 그 단부에는 상기 접촉면부(11b)가 형성된다. 즉, 상기 테이퍼부(11a)는 양측면은 경사지고 상기 접촉면부(11b)가 형성된 단부는 평평한 형태로 제시된 것이다.
이에 의하면, 상기 셀바디부재(11)의 두께 방향(X) 최대 단면적(A1)보다 작은 접촉면적(A2)으로 상기 냉각판부재(21)에 접하는 상기 열전도부재(30)의 형성을 용이하게 할 수 있으며, 이는 앞서 설명한 이차전지(10)에 대한 설명과 같다.
여기서, 상기 하우징부재(20)에 상기 이차전지(10)가 복수 개 설치되는 경우에, 이차전지(10)에 연계된 열전도부재(30)도 복수 개가 제공되는데, 이때 서로 이웃하는 열전도부재(30) 사이에 간극이 형성됨에 의해서 공랭의 효과가 부가되어 냉각 성능을 더 높일 수 있게 된다.
상기 하우징부재(20)는, 복수의 이차전지(10)가 설치되는 구성으로 상기 이차전지(10)를 보호하면서도 상기 이차전지(10)가 발생한 전기 에너지를 외부로 전달하거나, 외부에서 전기 에너지를 상기 이차전지(10)로 전달하는 역할을 하게 된다.
여기서, 상기 하우징부재(20)는 상기 냉각판부재(21)가 구비되어 상기 이차전지(10)에서 발생한 열을 외부의 히트싱크(S)로 전달하여 냉각시키게 구성된다.
그리고, 상기 하우징부재(20)의 하부를 형성하는 바닥부는 상기 냉각판부재(21)로 구성될 수도 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 상기 하우징부재(20)는, 상기 냉각판부재(21)를 적어도 바닥부에 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 하우징부재(20)의 측부를 형성하는 측벽부재(22)는 바닥부에 구비되는 상기 냉각판부재(21)의 모서리 부분에 구비될 수 있으며, 상기 냉각판부재(21)가 상기 측벽부재(22)까지 연장되어 형성될 수도 있다.
그리고, 상기 측벽부재(22)의 내측면에는 압축부재(24)가 구비되어 상기 이차전지(10)를 더욱 견고하게 보호할 수도 있다.
또한, 상기 하우징부재(20)는 상기 측벽부재(22)의 상단에 구비되는 커버부재(23)를 포함하여 상기 이차전지(10)의 상단부를 보호하게 구성될 수 있다.
그밖에 상기 하우징부재(20)에는 상기 이차전지(10)를 외부와 전기적으로 연결하는 버스바 등의 부가 구성이 구비될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10: 이차전지 11: 셀바디부재
12: 전극조립체 20: 하우징부재
21: 냉각판부재 22: 측벽부재
23: 커버부재 24: 압축부재
30: 열전도부재

Claims (12)

  1. 전극조립체가 내부에 수용되되, 냉각판부재에 인접하여 구비되는 셀바디부재; 및
    상기 셀바디부재와 상기 냉각판부재 사이에 구비되어, 상기 셀바디부재에서 상기 냉각판부재로 열을 전달하는 열경로를 형성하되, 상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적보다 작은 접촉면적으로 상기 냉각판부재에 접하게 구비되는 열전도부재;
    를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적에 대비한, 상기 냉각판부재와 상기 열전도부재의 접촉면적의 백분위 비율인 유효면적비율이 30 ~ 70 %인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적에 대비한, 상기 냉각판부재와 상기 열전도부재의 접촉면적의 백분위 비율인 유효면적비율이 35 ~ 50 %인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀바디부재는,
    상기 냉각판부재에 인접한 일단부로 갈수록 두께 방향 단면적이 작아지는 형상의 테이퍼부; 및
    상기 테이퍼부의 일단부에 구비되되, 가장 작은 두께 방향 단면적을 형성하는 접촉면부;
    를 포함하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전도부재는, 상기 접촉면부에 접하되, 상기 접촉면부와 같은 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전도부재는, 상기 접촉면부의 단면적과 동일한 단면적으로 상기 냉각판부재까지 일정한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열전도부재는, 상기 냉각판부재에 인접한 상기 셀바디부재의 일단부의 중앙 부분에 접하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 셀바디부재는, 높이에 대비한 두께의 백분위 비율이 5 ~ 25 %인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀바디부재는, 높이에 대비한 두께의 백분위 비율이 7.5 ~ 10 %인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 전극조립체가 내부에 수용되는 셀바디부재 및 상기 셀바디부재와 냉각판부재 사이에 구비되는 열전도부재를 포함하는 이차전지; 및
    상기 열전도부재를 매개로 상기 셀바디부재와 열교환하는 상기 냉각판부재를 포함하되, 복수의 상기 이차전지가 내부에 수용되는 하우징부재;
    를 포함하며,
    상기 열전도부재는, 상기 셀바디부재의 적어도 일부의 두께 방향 단면적보다 작은 접촉면적으로 상기 냉각판부재에 접하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 셀바디부재는,
    상기 냉각판부재에 인접한 일단부로 갈수록 두께 방향 단면적이 작아지는 형상의 테이퍼부; 및
    상기 테이퍼부의 일단부에 구비되되, 가장 작은 두께 방향 단면적을 형성하는 접촉면부;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하우징부재는, 상기 냉각판부재를 적어도 바닥부에 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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