KR20210065268A - 버스바 프레임 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

버스바 프레임 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈 Download PDF

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KR20210065268A
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진희준
김경우
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문정오
박진용
박진하
지호준
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Abstract

본 발명에 따른 버스바 프레임 조립체는 파우치형 이차전지들의 전극 리드들이 전후 방향으로 통과할 수 있는 복수 개의 슬롯들이 좌우 방향으로 소정 간격마다 구비되어 있는 판상체 형태로 형성되는 프레임 본체; 열 전도성 재질로 형성되되 표면에 전기 절연층을 구비하고 상기 프레임 본체의 전면부에 미리 결정된 패턴으로 배치되는 열 흡수부와, 상기 열 흡수부와 일체로 형성되되 상기 열 흡수부의 일단에서 절곡되어 상기 프레임 본체의 후면 방향으로 연장되는 방열부를 구비하는 쿨링 핀; 및 상기 열 흡수부의 전면에 대면하게 배치되는 복수 개의 버스바들을 포함할 수 있다.

Description

버스바 프레임 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈{Busbar Frame Assembly and Battery module including the same}
본 발명은 버스바 프레임 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 버스바 또는 전극 리드에 집중된 열을 효과적으로 냉각할 수 있는 냉각 구조를 적용한 버스바 프레임 조립체 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 이차전지 셀들을 전기적으로 연결한 배터리 모듈을 제작하고, 복수 개의 배터리 모듈들 상호 간을 전기적으로 연결한 배터리 팩이 사용되기도 한다.
상기 배터리 모듈은 직렬 및/또는 병렬 연결된 다수의 이차전지들을 포함하면서도 단위 부피당 에너지 밀도가 높고 외력에 대한 안정성을 충분히 갖는 것이 이상적이다. 현재 상용화된 이차전지 중 가장 각광받고 있는 이차전지 중 하나는 리튬 이차전지라 할 수 있는데, 상기 리튬 이차전지는 외장재의 형상에 따라 캔형과 파우치형으로 분류될 수 있다. 이 중 파우치형 이차전지가 에너지 밀도가 높고 적층이 용이하다는 장점으로 인해 중대형 배터리 모듈에 많이 이용되고 있다.
일반적으로 파우치형 이차전지를 이용하는 배터리 모듈은, 상기 파우치형 이차전지들을 일 방향으로 적층시켜 형성한 셀 적층체와, 상기 파우치형 이차전지들의 전기적으로 연결하기 위한 버스바를 구비하고 셀 적층체에 조립되는 버스바 프레임, 파우치형 이차전지들의 전압 및 온도를 센싱하기 위한 센싱 케이블, 이들을 수납하기 위한 모듈 하우징을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 이차전지는 적정 온도보다 높아지는 경우 이차전지의 성능이 저하될 수 있고 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 파우치형 이차전지를 적층시켜 배터리 모듈을 구성할 때에는, 좁은 공간에서 다수의 파우치형 이차전지로부터 나오는 열이 합산되어 배터리 모듈의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다. 따라서, 다수의 이차전지를 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
이에 최근에는 배터리 모듈을 구성할 때, 파우치형 이차전지들을 서로 대면하게 밀착시키고 이들을 상하 방향으로 세운 형태로 셀 적층체 구성하고, 이를 모듈 하우징의 바닥면에 접착하여 고정한다. 이때, 접착제로서 열 전도성이 우수한 TIM(Thermal Interface Material)을 사용해 이차전지 셀들의 열이 모듈 하우징의 바닥면을 통해 외부의 히트싱크로 전달될 수 있도록 하고 있다.
그런데 종래의 배터리 모듈 내의 이차전지의 온도 분포를 보면, 이차전지의 중앙부에 비해 상대적으로 양쪽 끝부분(전극 리드 인접 부분)의 온도가 매우 높다. 이러한 온도 편차는 이차전지의 수명과 성능 저하를 초래하는 요인으로 작용할 수 있음에도 쉽게 개선하지 못하고 있다.
즉, 이차전지의 전극 리드와 이에 접촉해 있는 버스바 영역은 전류가 흐르고 있어 쇼트 위험성이 크고, 또한 이차전지의 다른 부분에 비해 냉각 매체를 직접 접촉시키기 어려운 구조적인 문제가 있어 전극 리드 및 이에 인접한 부분에 집중된 열을 효과적으로 냉각시키지 못하고 있다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0034560호 (2017.03.29) 주식회사 엘지화학
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 파우치형 이차전지의 전극 리드 부분에 집중된 열이 냉각 매체에 전달될 수 있도록 구성된 버스바 프레임 조립체 및 이를 적용한 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 버스바 프레임 조립체는, 파우치형 이차전지들로 구성된 셀 적층체의 전방 또는 후방에 장착되어 상기 파우치형 이차전지들의 전극 리드들을 전기적으로 연결하는 버스바 프레임 조립체로서, 파우치형 이차전지들의 전극 리드들이 전후 방향으로 통과할 수 있는 복수 개의 슬롯들이 좌우 방향으로 소정 간격마다 구비되어 있는 판상체 형태로 형성되는 프레임 본체; 열 전도성 재질로 형성되되 표면에 전기 절연층을 구비하고 상기 프레임 본체의 전면부에 미리 결정된 패턴으로 배치되는 열 흡수부와, 상기 열 흡수부와 일체로 형성되되 상기 열 흡수부의 일단에서 절곡되어 상기 프레임 본체의 후면 방향으로 연장되는 방열부를 구비하는 쿨링 핀; 및 상기 열 흡수부의 전면에 대면하게 배치되는 복수 개의 버스바들을 포함할 수 있다.
상기 열 흡수부는 상기 복수 개의 버스바들과 같은 개수이고, 각각의 전면이 각각의 상기 버스바들의 후면과 일치하는 형상으로 마련되는 복수 개의 제1 열전달 플레이트로 마련될 수 있다.
상기 방열부는 상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트들의 하단에서 상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트들과 교차하는 방향으로 연장되는 하나의 제2 열전달 플레이트로 마련될 수 있다.
상기 프레임 본체는, 상기 복수 개의 버스바들 사이에서 격벽을 형성하는 쇼트 방지판들을 포함할 수 있다.
상기 프레임 본체는, 상기 쇼트 방지판들의 상부와 하부에서 상기 쇼트 방지판들에 교차하는 방향으로 연장되어 상기 쇼트 방지판들과 함께 상기 복수 개의 버스바들을 각각 에워싸는 상부구획판과 하부구획판을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트들은 각각 상기 하부구획판에 형성되는 장공홀을 통해 상기 프레임 본체의 전면부에 배치될 수 있다.
상기 프레임 본체와 상기 쿨링 핀은 인서트 사출 성형으로 일체로 제작될 수 있다.
상기 전기 절연층은 상기 열 흡수부의 표면에 절연 시트가 부착되어 형성될 수 있다.
상기 쿨링 핀은 표면이 아노다이징 처리된 알루미늄(Al) 또는 그라파이트(Graphite) 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 버스바 프레임 조립체를 포함하는 배터리 모듈로서, 상기 배터리 모듈은 복수 개의 파우치형 이차전지들로 구성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체의 전방 및 후방 중 적어도 한 곳에 장착되는 상기 버스바 프레임 조립체; 열 전도성 재질로 형성되고, 상기 셀 적층체의 하부에서 상기 셀 적층체를 지지하는 바틈 플레이트; 및 상기 셀 적층체의 하단과 상기 바틈 플레이트의 상면 사이에 개재되는 열 전달 물질을 더 포함하고, 상기 버스바 프레임 조립체의 방열부는 상기 바틈 플레이트의 상면 안쪽에서 상기 열 전달 물질과 접촉하도록 구성될 수 있다.
내부에 유동하는 냉매를 구비하고 외측면이 상기 바틈 플레이트의 하면에 접촉하여 상기 바틈 플레이트의 열을 흡수하는 히트싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 열 전달 물질과 상기 바틈 플레이트의 상면 사이에 개재되는 히트싱크를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따른 배터리 모듈은 복수 개의 파우치형 이차전지들로 구성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체의 전방 및 후방 중 적어도 한 곳에 장착되는 상기 버스바 프레임 조립체; 열 전도성 재질로 형성되고, 상기 셀 적층체의 하부에서 상기 셀 적층체를 지지하는 바틈 플레이트; 및 상기 셀 적층체의 하단과 상기 바틈 플레이트의 상면 사이에 개재되는 열 전달 물질을 포함하고, 상기 버스바 프레임 조립체의 방열부는 상기 바틈 플레이트의 하면에 배치되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 파우치형 이차전지의 전극 리드 부분에 집중된 열이 냉각 매체에 전달될 수 있도록 구성된 버스바 프레임 조립체가 제공될 수 있다. 즉, 프레임 본체 상의 버스바와 접촉하여 냉각 매체에 열을 전달할 수 있는 쿨링 핀을 상기 프레임 본체에 일체형으로 구성함으로써 전극 리드, 버스바, 쿨링 핀, 냉각 매체 순으로 이어지는 열 전달 경로를 형성할 수 있다.
이와 같은 버스바 프레임 조립체를 배터리 모듈에 적용하여 이차전지들의 전극 리드 부분에서 발생한 열을 냉각 매체로 신속하게 전달하여 냉각시킴으로써 이차전지들의 영역별 온도 편차를 개선할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 셀 적층체와, 버스바 프레임 조립체를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 버스바 프레임 조립체를 정면에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임 조립체의 프레임 본체를 F 방향에서 바라본 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 프레임 본체와 쿨링 핀의 조립 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임 조립체의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 모듈 하우징과 이에 장착된 버스바 프레임 조립체를 도시한 부분 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 모듈 하우징과 이에 장착된 버스바 프레임 조립체를 도시한 부분 사시도이다.
도 11은 도 10의 배터리 모듈의 냉각 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 셀 적층체와, 버스바 프레임 조립체를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 버스바 프레임 조립체를 정면에서 바라본 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바 프레임 조립체의 프레임 본체를 F 방향에서 바라본 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 적층체(100)와 버스바 프레임 조립체(200)를 포함한다.
셀 적층체(100)는 다수의 파우치형 이차전지(110)들로 구성된 이차전지(110)들의 집합체이다. 상기 파우치형 이차전지(110)들은 상하 방향(±Z축)으로 세워진 형태로 좌우 방향(±Y)으로 배열되어 상기 셀 적층체(100)를 형성할 수 있다.
상기 파우치형 이차전지(110)는 전극 조립체와 전해질, 이들을 패키징하기 위한 파우치 외장재로 구성될 수 있다.
파우치 외장재는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 특히 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 알루미늄 박막은, 전극 조립체 및 전해액과 같은 이차전지(110) 내부의 구성요소나 이차전지(110) 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층과 내부 접착층 사이에 개재될 수 있다.
전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드(120)와 연결될 수 있다. 그리고 전극 리드(120)는 파우치 외장재의 내부에서 외부로 노출됨으로써, 이차전지(110)의 전극 단자로서 기능할 수 있다. 한편, 전극 조립체가 파우치 외장재로 감싸여 두께를 형성하는 부분을 셀 바디(111)라고 지칭하고 상기 셀 바디(111)의 외측 둘레 즉, 파우치 외장재가 열 융착된 부분을 셀 테라스(112)라고 지칭한다.
버스바 프레임 조립체(200)는 상기 파우치형 이차전지(110)들을 전기적으로 연결하기 위한 구성품으로서, 셀 적층체(100)의 전방과 후방에 장착될 수 있다. 본 실시예의 배터리 모듈은 전극 리드(120)가 양방향에 있는 파우치형 이차전지(110)를 사용하기 때문에 버스바 프레임 조립체(200)가 셀 적층체(100)의 전방과 후방에 장착된 것이나, 양극 리드와 음극 리드가 모두 같은 방향, 즉 단방향에 있는 파우치형 이차전지(110)를 사용하는 배터리 모듈의 경우 버스바 프레임 조립체(200)가 셀 적층체(100)의 전방 또는 후방에만 장착될 수 있다.
자세히 후술하겠지만, 본 발명에 따른 버스바 프레임 조립체(200)는 이차전지(110)들을 전기적으로 연결하기 위한 매개체로서 기능할 뿐만아니라, 전극 리드(120) 부분에 발생한 열이 신속히 냉각될 수 있도록 전극 리드(120)에서 바틈 플레이트(320) 내지 히트싱크(500)까지 이어지는 열 전달 통로로서 기능할 수 있다.
이러한 버스바 프레임 조립체(200)는 주요 구성으로서 프레임 본체(210)와 쿨링 핀(220) 그리고 복수 개의 버스바(230)를 포함할 수 있다.
프레임 본체(210)는 대략 셀 적층체(100)의 전방 또는 후방을 커버할 수 있을 정도의 면적으로 갖는 판상체 형태의 구조물로서 예컨대 플라스틱 소재로 사출 성형하여 제작할 수 있다.
상기 프레임 본체(210)에는 이차전지(110)들의 전극 리드(120)들이 판면을 전후 방향으로 관통하여 통과할 수 있도록 복수 개의 슬롯(211)들이 좌우 방향으로 소정 간격마다 구비될 수 있다. 이를테면, 2개 이상의 이차전지(110)의 양극 리드들을 겹쳐서 이들을 슬롯(211)을 통해 프레임 본체(210)의 후면부에서 전면부로 빼낼 수 있다. 슬롯(211) 밖으로 나온 부분을 절곡시켜 버스바(230)의 표면에 접촉시킨 후 용접해 버스바(230)에 고정한다. 그리고 이웃한 다른 2개 이상의 이차전지(110)의 음극 리드들을 겹쳐서 이웃한 다른 슬롯(211)에 통과시킨 후 전술한 양극 리드들이 고정된 버스바(230)에 용접해 고정한다. 이와 같은 패턴으로 셀 적층체(100)를 구성하는 모든 이차전지(110)들의 전극 리드(120)들을 버스바(230)들에 용접함으로서 이차전지(110)들이 전기적으로 직렬 및 병렬 연결될 수 있다.
또한, 프레임 본체(210)는 전면부에 쇼트 방지판(213), 상부구획판(215) 및 하부구획판(217)을 더 구비할 수 있다.
도 3을 참조하면, 쇼트 방지판(213)은 프레임 본체(210)의 전면부에서 (-X축 방향으로)돌출된 격벽 형태로, 복수 개가 프레임 본체(210)의 좌우 방향(±Y축)으로 상호 이격되게 구비될 수 있다. 상기 쇼트 방지판(213)들 사이 공간에 후술할 쿨링 핀(220)의 열 흡수부와 버스바(230)가 배치된다. 이 같이 각 버스바(230)들 사이에 쇼트 방지판(213)이 솟아 있는 구성에 의하면, 예컨대 전극 리드(120)들을 버스바(230)에 용접하는 과정에서 금속 물체를 이웃한 버스바(230)들에 동시에 닿게 하는 것이 쉽지 않을 수 있고, 또한 접촉되면 쇼트가 일어날 수 있는 극성의 전극 리드(120)들을 임의로 상기 쇼트 방지판(213) 넘어로 벤딩시키기 쉽지 않게 됨으로 쇼트 사고 위험을 줄일 수 있다.
상부구획판(215)은 쇼트 방지판(213)과 마찬가지로 프레임 본체(210)의 전면부에서 (-X축 방향으로) 돌출된 격벽 형태이되, 쇼트 방지판(213)들의 상부에서 상기 쇼트 방지판(213)들에 교차하는 방향(±Y축)으로 길게 연장되게 구비될 수 있다.
하부구획판(217)은 상기 상부구획판(215)과 쇼트 방지판(213)을 사이에 두고 대칭적 구도로 구비될 수 있다. 즉, 하부구획판(217)도 프레임 본체(210)의 전면부에서 (-X축 방향으로) 돌출된 격벽 형태이되, 쇼트 방지판(213)들의 하부에서 상기 쇼트 방지판(213)들에 교차하는 방향(±Y축)으로 길게 연장되게 구비될 수 있다.
따라서 상기 쇼트 방지판(213)들과 상부구획판(215)과 하부구획판(217)들에 의해 여러 개로 분할된 공간이 형성될 수 있는데, 상기 공간에 버스바(230)가 하나씩 개재될 수 있다. 즉, 복수 개의 버스바(230)들은 쇼트 방지판(213), 상부구획판(215), 하부구획판(217)에 의해 각각 에워싸여서 전기적 안전성과 기계적 고정성이 동시에 확보될 수 있다.
쿨링 핀(220)은 열 전도성 재질로 형성되며, 상기 프레임 본체(210)에 일체로 결합될 수 있게 마련될 수 있다. 이러한 본 발명의 쿨링 핀(220)은 버스바(230)의 열을 예컨대, 배터리 모듈 내의 열 전달 물질(400) 또는 히트싱크(500)에 전달하기 위한 열 전달 통로 역할을 하는 구성요소로서 열 흡수부(221)와 방열부(222)(222)를 포함할 수 있다.
열 흡수부(221)는 상기 버스바(230)가 개재되는 프레임 본체(210)의 전면부에 미리 결정된 패턴으로 배치될 수 있다. 이를테면, 상기 열 흡수부(221)는 버스바(230)와 대응되는 형상으로 마련되어 프레임 본체(210)의 전면부에서 버스바(230)가 조립될 곳마다 상기 버스바(230)보다 먼저 배치될 수 있다. 이러한 열 흡수부(221)의 전면에 버스바(230)의 후면을 대면하게 배치하여 쿨링 핀(220)과 버스바(230) 간에 열 교환이 이루어질 수 있도록 한다. 이때, 특히 버스바(230)와 대면하는 열 흡수부(221)는 그 표면에 전기 절연층(223)을 구비할 수 있다.
방열부(222)는 상기 열 흡수부(221)와 일체로 형성되되 상기 열 흡수부(221)의 일단에서 절곡되어 상기 프레임 본체(210)의 후면 방향으로 연장되는 형태로 마련될 수 있다. 보다 정확히 말하면, 상기 방열부(222)는 배터리 모듈 내의 열 전달 물질(400)과 직접 접촉할 수 있을 만큼의 길이를 갖도록 연장될 수 있다.
이러한 쿨링 핀(220)은 버스바(230)의 열을 신속하게 전달할 수 있도록 열 전도율이 우수한 열 전도성 재질로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 쿨링 핀(220)의 열 흡수부(221)는, 복수 개의 제1 열전달 플레이트(221)들로 마련될 수 있다. 상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트(221)들은 서로 분리되어 상기 프레임 본체(210)의 전면부에 나란히 배치될 수 있다. 즉, 복수 개의 버스바(230)와 일대일 대응하는 개수만큼의 제1 열전달 플레이트(221)들이 프레임 본체(210)의 전면부에 좌우 방향(±Y축)으로 상호 간 나란하게 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 열전달 플레이트(221)는 버스바(230)와의 열 접촉면이 최대한 확보될 수 있도록 그 전면이 버스바(230)의 후면과 일치하는 형태로 마련될 수 있다. 이를테면, 본 실시예와 같이, 버스바(230)는 전술한 슬롯(211)과 매칭되게 가운데 부분이 뚫려 있는 직사각 판상체 형태로 마련되고, 이러한 버스바(230) 형상에 대응되게 제1 열전달 플레이트(221)도 가운데 부분이 뚫려 있는 사각 플레이트 형태로 마련될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 쿨링 핀(220)의 방열부(222)는 복수 개의 제1 열전달 플레이트(221)들의 하단에서 상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트(221)들과 교차하는 방향으로 연장되는 하나의 제2 열전달 플레이트(222)로 마련될 수 있다.
즉, 모든 제1 열전달 플레이트(221)들의 하단이 제2 열전달 플레이트(222)에 연결되어 있어 각각의 버스바(230)에서 각각의 제1 열전달 플레이트(221)로 전달된 열이 상기 제2 열전달 플레이트(222)로 전달될 수 있다. 이러한 제2 열전달 플레이트(222)의 열은, 예컨대 배터리 모듈 내에 구비되는 열 전달 물질(400)이나 히트싱크(500)에 전달될 수 있도록 제2 열전달 플레이트(222)는 프레임 본체(210)의 후면 방향, 즉 배터리 모듈의 중심 방향으로 연장된 형태로 마련될 수 있다.
본 실시예는 제2 열전달 플레이트(222)가 전후 방향(±X축) 길이가 좌우 방향(±Y축)의 길이보다 상대적으로 짧게 구성되어 있으나, 상기 제2 열전달 플레이트(222)의 전후 방향 길이는 휠씬 더 길게 연장되게 구현해도 좋다.
이어서 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 버스바 프레임 조립체(200)의 조립예를 설명하면 다음과 같다.
쿨링 핀(220)은 프레임 본체(210)의 하부에서 상부 방향으로 삽입하는 방식으로 프레임 본체(210)에 결합될 수 있다. 이를 위해 프레임 본체(210)의 하부구획판(217)에는 장공홀(218)이 구비될 수 있다. 상기 장공홀(218)은 상기 제1 열전달 플레이트(221)들을 하나씩만 삽입할 수 있게 상기 제1 열전달 플레이트(221)의 개수만큼 복수 개가 하부구획판(217)의 연장 방향을 따라 형성될 수 있다.
이러한 구성으로 쿨링 핀(220)의 제1 열전달 플레이트(221)들을 일체로 장공홀(218)들에 매칭한 다음 이를 밀어올리면, 각각의 제1 열전달 플레이트(221)들이 전술한 쇼트 방지판(213)들, 상부구획판(215), 하부구획판(217)으로 감싸여 구획된 공간들에 배치될 수 있다. 그 다음, 제1 열전달 플레이트(221)의 전면에 전기 절연층 확보를 위해 절연시트(223)를 부착한다. 본 실시예와 달리, 먼저 제1 열전달 플레이트(221)의 전면에 절연시트(223)를 부착하거나, 제1 열전달 플레이트(221) 전체를 절연 시트로 랩핑한 다음, 이를 장공홀(218)에 통과시켜 프레임 본체(210)의 전면부에 배치해도 좋다.
한편, 쿨링 핀(220)과 버스바(230) 간의 전기 절연성을 확보하기 위한 다른 방안으로는, 아노다이징(Anodizing)처리된 알루미늄(Al)으로 쿨링 핀(220)을 제작하는 것이다. 여기서 아노다이징이란 알루미늄의 표면 후처리 방식으로, 알루미늄과 산소가 만나서 일어나는 자연적인 산화과정을 인위적으로 전기-화학반응을 이용하여 알루미늄 표면에 산화알루미늄 피막을 입히는 것을 말한다. 상기 산화알루미늄 피막이 전기 절연층으로 역할을 담당할 수 있으므로 이 경우, 절연시트(223)를 별도로 부착하지 않아도 된다.
또 다른 방안으로는 그라파이트(Graphite)와 같이 전기 절연성과 높은 열 전도성을 갖는 비금속 소재로 쿨링 핀(220)을 제작하거나, 상기 그라파이트로 쿨링 핀(220)을 코팅하는 방법을 채택해도 좋을 것이다.
그 다음, 도 6과 같이, 버스바(230)들을 제1 열전달 플레이트(221)들의 전면에 대면하게 배치하고 고정시킨다.
본 실시예는 쿨링 핀(220)을 프레임 본체(210)에 삽입하여 조립하는 방식으로 버스바 프레임 조립체(200)를 구성한 것이나, 이와 달리 쿨링 핀(220)은 프레임 본체(210)에 인서트 사출 성형 방식으로 일체로 제작하는 것도 가능하다.
이와 같은 구성을 갖는 버스바 프레임 조립체(200)에 의하면, 셀 적층체(100)를 구성하는 모든 이차전지(110)들의 전극 리드(120)들에서 발생하는 열을 버스바(230)와 쿨링 핀(220)을 경유하여 냉각 매체 예컨대, 열 전달 물질(400) 또는 히트싱크(500)로 전도시켜 냉각시킬 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 8을 참조하여, 상기 버스바 프레임 조립체(200)를 채용한 본 발명의 배터리 모듈의 전극 리드(120) 및 버스바(230) 냉각 구조를 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 배터리 모듈은 모듈 하우징(300)과 열 전달 물질(400) 그리고 히트싱크(500)를 더 포함할 수 있다.
모듈 하우징(300)은 배터리 모듈의 외관을 형성하는 구성 요소로서, 셀 적층체(100)의 상부를 커버하는 탑 플레이트, 셀 적층체(100)의 좌우 측면부를 커버하는 한 쌍의 측면 플레이트, 상기 셀 적층체(100)의 하부에서 상기 셀 적층체(100)를 지지하는 바틈 플레이트(320), 그리고 버스바(230)들이 외부에 노출되지 않도록 하는 버스바 프레임 조립체(200)를 커버하는 모듈 전방 커버(미도시)와 모듈 후방 커버(미도시)를 포함할 수 있다.
열 전달 물질(400)은 셀 적층체(100)의 하단과 바틈 플레이트(320)의 상면 사이에 개재될 수 있다. 상기 열 전달 물질(400)로는 다양한 열 전도성 접착제가 이용될 수 있는데, 예컨대, 열 전도성 에폭시 접착제, 열 전도성 실리콘 접착제, 열 전도성 우레탄 접착제 등 다양한 유기 및/또는 무기 열전도성 접착제가 채용될 수 있다. 이러한 열 전달 물질(400)을 사용함으로써 파우치형 이차전지(110)들의 열을 바틈 플레이트(320)에 전달할 수 있고 동시에 이들이 상호 접착 고정시킬 수 있다.
히트싱크(500)는 상기 바틈 플레이트(320)의 하면에 위치하여 바틈 플레이트(320)의 열을 흡수하는 구성요소이다. 상기 히트싱크(500)는 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 판상체 형태로 제공될 수 있다. 이러한 히트싱크(500)와 바틈 플레이트(320) 사이에도 열 접촉 저항을 최소화하기 위해 열 전달 물질(400)이 더 개재될 수 있다.
따라서 파우치형 이차전지(110)에서 셀 바디(111) 부분의 열은 열 전달 물질(400)-> 바틈 플레이트(320)-> 열 전달 물질(400)-> 히트싱크(500) 순으로 빠져나가 냉각될 수 있다.
그리고 본 발명의 배터리 모듈은 버스바 프레임 조립체(200)의 쿨링 핀(220)이 모듈 하우징(300) 내부에 있는 열 전달 물질(400)이 분포한 위치까지 연장되게 구성된다. 상기 쿨링 핀(220)의 방열부(222), 즉 제2 열전달 플레이트(222)의 끝단부가 셀 바디(111)의 하단부 끝단 아래쪽을 지지하도록 배치되고 열 전달 물질(400)에 의해 접착 고정될 수 있다. 상기 제2 열전달 플레이트(222)의 끝단부에는 셀 바디(111)의 하단부와의 갭을 없애기 위해 패드(P)가 더 부착될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 파우치형 이차전지(110)에서 전극 리드(120) 부분의 열이 버스바(230) -> 제1 열전달 플레이트(221) -> 제2 열전달 플레이트(222) -> 열 전달 물질(400) -> 바틈 플레이트(320) -> 열 전달 물질(400) -> 히트싱크(500) 순으로 빠져나가 냉각될 수 있다.
이처럼 본 발명의 배터리 모듈의 냉각 구성에 따르면, 전극 리드(120) 부분의 열도 효과적으로 냉각됨으로써 파우치형 이차전지(110)의 영역별 온도 편차가 줄어들어 이차전지(110)의 수명 및 성능이 개선될 수 있다.
이어서 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 설명하기로 한다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈은 모듈 하우징(300)의 내부에 히트싱크(500)가 위치하도록 구성될 수 있다. 전술한 실시예는 히트싱크(500)가 모듈 하우징(300)의 외부 즉, 바틈 플레이트(320)의 하부에 위치하도록 구성된 것인데 반해, 본 실시예는 히트싱크(500)가 열 전달 물질(400)과 바틈 플레이트(320)의 상면 사이에 개재된다.
본 실시예와 같은 냉각 구성에 의하면, 전술한 실시예에 비해 열 전달 경로가 줄어들기 때문에 열 전달 효율이 더 향상될 수 있다. 즉, 본 실시예에 의하면, 전극 리드(120) 부분의 열이 버스바(230) -> 제1 열전달 플레이트(221) -> 제2 열전달 플레이트(222) -> 열 전달 물질(400) -> (모듈 하우징(300) 내부의)히트싱크(500) 순으로 빠져나가게 됨으로 열 전달 효율이 더 좋아져 냉각 성능이 향상될 수 있다.
이어서 도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈은, 버스바 프레임 조립체(200)의 방열부(222), 즉 제2 열전달 플레이트(222)가 바틈 플레이트(320)의 하면에 배치되는 구성인 점이 전술한 실시예들과의 차이점이다. 즉, 본 실시예의 쿨링 핀(220)의 제2 열전달 플레이트(222)는 모듈 하우징(300)의 외부에 노출되도록 구성된다.
이러한 본 실시예에 의하면, 전극 리드(120) 부분의 열이 버스바(230) -> 제1 열전달 플레이트(221) -> 제2 열전달 플레이트(222) -> 열 전달 물질(400) -> 히트싱크(500) 순으로 빠져나갈 수 있다. 본 실시예는 전술한 제2 실시예 처럼, 열 전달 경로가 간소화되어 있어 열 전달 효율이 향상될 수 있다는 장점과 더불어 다음과 같은 장점을 더 갖는다.
모듈 하우징(300) 내부에 열 전달 경로가 위치하는 경우, 열 전달 과정에서의 대류 열 방사로 인해 모듈 하우징(300) 내부의 온도가 상승할 수 있으나, 본 실시예는 상기 열 전달 경로가 모듈 하우징(300)의 외부에 위치해 있음으로 모듈 하우징(300)의 내부 온도 상승 요인을 없앨 수 있다. 또한, 제2 열전달 플레이트(222)가 모듈 하우징(300)의 외부에 노출된 구조이므로, 히트싱크(500)에 의한 수냉식 냉각을 외부 공기에 의한 공냉식 냉각으로 변경하는 것도 매우 용이할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 특히, 전기 자동차와 같이 배터리로부터 구동력을 얻는 자동차의 경우, 배터리 모듈의 냉각 성능은 매우 중요하다. 따라서, 이러한 자동차에 본 발명에 따른 배터리 모듈이 적용되는 경우, 효과적인 냉각 성능으로 안정적이고 안전한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
100: 셀 적층체 110: 파우치형 이차전지
120: 전극 리드 200: 버스바 프레임 조립체
210: 프레임 본체 211: 슬롯
213: 쇼트 방지판 215: 상부구획판
217: 하부구획판 218: 장공홀
220: 쿨링 핀 221: 제1 열전달 플레이트
222: 제2 열전달 플레이트 223: 절연시트
230:버스바 300: 모듈 하우징
400: 열 전달 물질 500: 히트싱크

Claims (15)

  1. 파우치형 이차전지들의 전극 리드들이 전후 방향으로 통과할 수 있는 복수 개의 슬롯들이 좌우 방향으로 소정 간격마다 구비되어 있는 판상체 형태로 형성되는 프레임 본체;
    열 전도성 재질로 형성되되 표면에 전기 절연층을 구비하고 상기 프레임 본체의 전면부에 미리 결정된 패턴으로 배치되는 열 흡수부와, 상기 열 흡수부와 일체로 형성되되 상기 열 흡수부의 일단에서 절곡되어 상기 프레임 본체의 후면 방향으로 연장되는 방열부를 구비하는 쿨링 핀; 및
    상기 열 흡수부의 전면에 대면하게 배치되는 복수 개의 버스바들을 포함하는 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 흡수부는 상기 복수 개의 버스바들과 같은 개수이고, 각각의 전면이 각각의 상기 버스바들의 후면과 일치하는 형상으로 마련되는 복수 개의 제1 열전달 플레이트로 마련되는 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방열부는 상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트들의 하단에서 상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트들과 교차하는 방향으로 연장되는 하나의 제2 열전달 플레이트로 마련되는 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 프레임 본체는, 상기 복수 개의 버스바들 사이에서 격벽을 형성하는 쇼트 방지판들을 포함하는 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프레임 본체는, 상기 쇼트 방지판들의 상부와 하부에서 상기 쇼트 방지판들에 교차하는 방향으로 연장되어 상기 쇼트 방지판들과 함께 상기 복수 개의 버스바들을 각각 에워싸는 상부구획판과 하부구획판을 포함하는 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 열전달 플레이트들은 각각 상기 하부구획판에 형성되는 장공홀을 통해 상기 프레임 본체의 전면부에 배치되는 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 본체와 상기 쿨링 핀은 인서트 사출 성형으로 일체로 제작된 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기 절연층은 상기 열 흡수부의 표면에 절연 시트가 부착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 핀은 표면이 아노다이징 처리된 알루미늄(Al) 또는 그라파이트(Graphite) 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 버스바 프레임 조립체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 버스바 프레임 조립체를 포함하는 배터리 모듈로서,
    복수 개의 파우치형 이차전지들로 구성된 셀 적층체;
    상기 셀 적층체의 전방 및 후방 중 적어도 한 곳에 장착되는 상기 버스바 프레임 조립체;
    열 전도성 재질로 형성되고, 상기 셀 적층체의 하부에서 상기 셀 적층체를 지지하는 바틈 플레이트; 및
    상기 셀 적층체의 하단과 상기 바틈 플레이트의 상면 사이에 개재되는 열 전달 물질을 포함하고,
    상기 버스바 프레임 조립체의 방열부는 상기 바틈 플레이트의 상면 안쪽에서 상기 열 전달 물질과 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    내부에 유동하는 냉매를 구비하고 외측면이 상기 바틈 플레이트의 하면에 접촉하여 상기 바틈 플레이트의 열을 흡수하는 히트싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 열 전달 물질과 상기 바틈 플레이트의 상면 사이에 개재되어 상기 셀 적층체의 열을 흡수하는 히트싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 버스바 프레임 조립체를 포함하는 배터리 모듈로서,
    복수 개의 파우치형 이차전지들로 구성된 셀 적층체;
    상기 셀 적층체의 전방 및 후방 중 적어도 한 곳에 장착되는 상기 버스바 프레임 조립체;
    열 전도성 재질로 형성되고, 상기 셀 적층체의 하부에서 상기 셀 적층체를 지지하는 바틈 플레이트; 및
    상기 셀 적층체의 하단과 상기 바틈 플레이트의 상면 사이에 개재되는 열 전달 물질을 포함하고,
    상기 버스바 프레임 조립체의 방열부는 상기 바틈 플레이트의 하면에 배치되는 것을 특징으로 배터리 모듈.
  14. 제10항에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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