KR20210153430A

KR20210153430A - 배터리 모듈 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20210153430A
Application number: KR1020200070472A
Authority: KR
Inventors: 진희준; 김경우; 문정오; 지호준; 박진용; 박진하
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-17
Also published as: EP4047718A4; EP4047718A1; CN114930615A; WO2021251623A1; JP7450717B2; JP2023501737A; US20230014249A1

Abstract

본 발명은 배터리 모듈로서, 두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스; 및 상기 배터리 케이스의 하부에 결합되면서 상기 배터리 셀을 지지하는 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 상기 커버 플레이트의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀에서 발생한 열을 방열하는 방열체를 구비한 방열부재를 포함하며, 상기 방열체는, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 열로 정렬되는 제1 열전달 물질을 포함하고, 상기 제1 열전달 물질은, 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 방열성이 증대시키기 위해 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬된다.

Description

배터리 모듈 및 그의 제조방법{BATTERY MODULE AND MENUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 배터리 모듈 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 배터리 셀의 방열성은 높이고, 온도 편차는 감소시킨 배터리 모듈 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하며, 이러한 이차 전지는 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 전력저장장치 및 전기자동차 등에 널리 사용되고 있다.

상기한 이차전지는 전극조립체가 금속 캔에 내장되는 캔형 이차전지와, 전극조립체가 파우치에 내장되는 파우치형 이차전지로 분류되며, 상기 파우치형 이차전지는 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 파우치를 포함한다.

한편, 최근에는 화석 연료의 고갈 및 환경 오염에 대한 관심이 높아지면서, 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에는 배터리 팩이 장착된다.

상기 배터리 팩은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 포함하며, 복수의 배터리 셀은 직렬 또는 병렬로 연결되면서 용량 및 출력을 증대시킨다.

그러나 상기한 배터리 모듈은 용량 및 출력이 증대될수록 열이 많이 발생하며, 이에 따라 배터리 모듈에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방출하지 못할 경우 배터리 모듈의 열화, 발화 및 폭발이 발생할 수 있다.

특허공개번호 제10-2020-0044423호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명은 배터리 모듈의 방열 구조를 개선함으로써 배터리 모듈에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방출할 수 있고, 이에 따라 배터리 모듈의 방열성을 높일 수 있다. 특히 배터리 모듈 전체의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 모듈은 두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스; 및 상기 배터리 케이스의 하부에 결합되면서 상기 배터리 셀을 지지하는 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 상기 커버 플레이트의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀에서 발생한 열을 방열하는 방열체를 구비한 방열부재를 포함하며, 상기 방열체는, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 열로 정렬되는 제1 열전달 물질을 포함하고, 상기 제1 열전달 물질은, 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 방열성이 증대시키기 위해 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬될 수 있다.

상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 형성되며, 상기 제1 열전달 물질은, 상기 제1 수용면에 구비될 수 있다.

상기 제1 수용면에 배열된 상기 제1 열전달 물질 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질과 제1 열전달 물질 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질의 두께 보다 크게 형성될 수 있다.

상기 방열체는, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되는 구조를 가진 제2 열전달 물질를 더 포함하며, 상기 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면에 동일한 간격으로 배열되는 구조를 가질 수 있다.

상기 제2 수용면에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않게 이격되고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 이격될 수 있다.

상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에는 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단에서 발생하는 열을 방열하여 상기 배터리 셀의 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키는 한 쌍의 방열패드가 각각 구비될 수 있다.

한 쌍의 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에는 한 쌍의 방열패드 사이의 공간을 마감하는 마감패드가 구비될 수 있다.

상기 배터리 셀의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 상기 제1 열전달 물질은 끝단이 배터리 셀 외측을 향하는 "C"자 형태를 가질 수 있다.

상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 구획되며, 상기 제1 열전달 물질은 상기 제1 수용면의 일단에서 타단까지 요철 형태로 연결되는 구조를 가지고, 상기 방열체는 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀 길이방향으로 구비되고 상기 제1 열전달 물질의 타단과 연결되는 제2 열전달 물질을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 배터리 모듈 제조방법은 복수개의 배터리 셀을 두께 방향으로 겹치게 배치하는 배치단계; 하부가 개방된 배터리 케이스의 내부에 겹친 복수개의 배터리 셀을 수용하는 수용단계; 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 커버 플레이트의 일면에 구비되는 방열체를 구비한 방열부재를 준비하는 준비단계; 및 상기 방열부재의 커버 플레이트를 상기 배터리 케이스의 하부에 결합하는 결합단계를 포함하며, 상기 준비단계는, 커버 플레이트의 일면에 제1 열전달 물질을 배터리 셀의 길이방향으로 복수 열로 정렬되게 도포하되, 상기 제1 열전달 물질은 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬되는 제1 도포공정을 포함할 수 있다.

상기 준비단계는, 제1 도포공정 전에, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 제1 수용면을 구획하고, 상기 제1 수용면 사이에 제2 수용면을 구획하는 구획공정을 포함하고, 상기 제1 도포공정은 상기 제1 열전달 물질을 상기 제1 수용면에 도포할 수 있다.

상기 준비단계는, 제1 도포공정 후에, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되게 제2 열전달 물질을 도포하는 제2 도포공정을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 도포작업에서 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 도포될 수 있다.

상기 수용단계는, 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단과 대응하는 상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에 방열패드를 각각 부착하는 공정을 더 포함할 수 있다.

상기 수용단계는, 상기 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에 마감패드를 부착하는 공정을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀, 배터리 케이스, 및 커버 플레이트와 방열체를 구비한 방열부재를 포함하고, 상기 방열체는 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 줄로 배열되는 구조를 가진 제1 열전달 물질을 포함하는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀에서 발생하는 열을 복수개의 줄로 배열된 제1 열전달 물질을 통해 외부로 원활하게 방출할 수 있으며, 그에 따라 배터리 모듈의 온도 상승을 크게 억제할 수 있다.

특히 상기 제1 열전달 물질은 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 배열되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 갈수록 방열성을 점차 증대시킬 수 있고, 이에 따라 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 온도 편차를 감소시킬 수 있으며, 그 결과 배터리 모듈의 성능을 크게 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 커버 플레이트에는 제1 수용면과 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 열전달 물질은 커버 플레이트의 양쪽 단부에 구비된 제1 수용면에 구비되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 케이스의 단부에 배치된 배터리 셀의 방열성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 방열체는, 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되는 구조를 가진 제2 열전달 물질를 더 포함하는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 복수개의 배터리 셀 중 중앙에 위치하는 배터리 셀에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방열할 수 있고, 그 결과 복수개의 배터리 셀 온도 편차를 감소시킬 수 있다.

특히 복수개의 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면에 동일한 간격으로 배열되는 구조를 가지는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 복수개의 배터리 셀 중 중앙에 배치되는 둘 이상의 배터리 셀의 방열성을 균일화할 수 있고, 그 결과 배터리 셀의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 제1 수용면에 배열된 상기 제1 열전달 물질 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질과 제1 열전달 물질 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질의 두께 보다 크게 형성되는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀의 중량에 의해 제1 열전달 물질이 인장되더라도 상호 대응하는 제1 열전달 물질끼리 이격된 상태를 유지시킬 수 있고, 그 결과 배터리 셀의 온도 편차가 감소된 상태를 유지시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 제2 수용면에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질은 배터리 셀의 지지 전, 서로 연결되지 않게 이격되고, 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 이격된다. 그리고 배터리 셀 지지 후, 인장되면서 복수의 제2 열전달 물질과 복수의 제1 열전달 물질이 연결되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀에서 발생하는 열을 제1 및 제2 열전달 물질을 통해 외부로 방출할 수 있고, 그 결과 배터리 셀 전체의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에는 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단에서 발생하는 열을 방열하여 상기 배터리 셀의 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키는 한 쌍의 방열패드가 각각 구비되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀의 상부 양단 방열성을 크게 높일 수 있고, 그에 따라 배터리 셀 전체의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재를 도시한 사시도.
도 4는 도 3의 평면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재에서 배터리 셀 지지 전의 방열체를 도시한 측단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재에서 배터리 셀 지지 후, 방열체를 도시한 정단면도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 방열패드와 마감부재를 도시한 사시도.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법을 나타낸 순서도.
도 9 내지 도 20은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법의 준비단계를 나타낸 공정도.
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재를 도시한 평면도.
도 22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재를 도시한 평면도.
도 23 및 도 24는 실험예를 나타낸 것으로, 도 23은 비교예의 배터리 셀을 촬영한 열화상 사진이고, 도 24는 실시예의 배터리 셀을 촬영한 열화상 사진임.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 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.

[본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈]

본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 도 1 내지 도 7에 도시되어 있는 것과 같이, 배터리 셀의 방열성은 높이고, 배터리 셀의 온도 편차는 감소시킨 구조를 가지는 것으로, 두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀(110), 상기 배터리 셀(110)을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스(120), 및 상기 배터리 케이스(120)의 하부에 결합되고 상기 배터리 케이스(120)에 수용된 복수의 배터리 셀(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열부재(130)를 포함한다.

여기서 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 방열부재가 배터리 케이스의 하부에 결합되는 것을 하나의 실시예로 설명하였으나, 제품 적용에 따라 방열부재가 배터리 케이스의 상부, 측부, 전후부에 구비될 수도 있다.

배터리 셀

배터리 셀(110)은 전극조립체, 상기 전극조립체에 연결되는 전극리드, 상기 전극리드의 선단이 외부로 인출된 상태로 상기 전극조립체를 수용하는 파우치 케이스를 포함한다.

이와 같은 구성을 가진 배터리 셀(110)은 복수 개가 두께 방향으로 겹치게 배치되고, 두께 방향으로 배치된 복수의 배터리 셀(110)은 직렬 또는 병렬로 연결되는 구조를 가진다.

배터리 케이스

배터리 케이스(120)는 복수의 배터리 셀을 수용하기 위한 것으로, 하부에 개구부가 형성된 사각 박스 형태를 가지며, 상기 개구부를 통해 배터리 케이스(120) 내부에 복수개가 겹쳐진 배터리 셀(110)을 수용한다.

한편, 상기 배터리 셀(110)은 전극리드가 배터리 케이스(120)의 길이방향 단부를 향하고, 세워진 상태로 배터리 케이스(120)에 수용된다.

방열부재

방열부재(130)는 상기 배터리 케이스(120)에 수용된 배터리 셀(110)을 지지하는 커버 플레이트(131)와, 상기 배터리 셀(110)에서 발생한 열을 외부로 방열하는 방열체(132)를 포함한다.

커버 플레이트(131)는 상기 배터리 케이스(120)의 하부에 결합되면서 상기 배터리 케이스(120)의 하부를 마감하고, 상기 배터리 케이스(120)에 수용된 상기 배터리 셀(110)의 하부를 지지하여 외부로 인출되는 것을 방지한다.

특히, 커버 플레이트(131)는 방열체로부터 전달되는 배터리 셀의 열을 외부로 원활하게 방출할 수 있도록 방열 소재로 형성된다.

여기서 상기 배터리 셀(110)이 지지되는 커버 플레이트(131)의 일면(도 2에서 보았을 때 커버 플레이트의 상면)에는 상기 배터리 셀(110)의 두께 방향(도 3에서 보았을 때 상하방향)으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면(131a)과, 상기 제1 수용면(131a) 사이에 구획되는 제2 수용면(131b)을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)은 배터리 셀의 길이방향(도 4에서 보았을 때 좌우방향)으로 연장되게 형성된다.

한편, 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b) 사이에는 경계면(131c)이 더 포함될 수 있으며, 상기 경계면(131c)은 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)이 연결되지 않게 이격시키는 역할을 한다. 여기서 상기 경계면(131c)의 폭은 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)에 구비되는 열전달 물질의 두께보다 작게 형성한다. 즉, 열전달 물질의 두께가 2mm이면 상기 경계면의 폭은 1mm로 형성한다.

방열체(132)는 상기 배터리 셀(110)이 지지되는 상기 커버 플레이트(131)의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀(110)에서 발생한 열을 흡수한 후, 외부로 방출하며, 이에 따라 배터리 셀(110)을 효과적으로 방열할 수 있다.

특히 방열체(132)는 상기 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 길이방향(도 4에서 보았을 때 좌우방향)으로 복수개의 줄로 배열되는 구조를 가진 제1 열전달 물질(132a)을 포함한다. 즉, 복수개의 줄로 마련된 제1 열전달 물질(132a)은 상기 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 길이방향으로 징검다리와 같은 배열구조로 배치된다.

한편, 제1 열전달 물질(132a)은 접촉 열전도재(thermal interface material (TIM))로 마련될 수 있고, 접착성을 가질 수 있다. 특히 제1 열전달 물질(132a)은 방열 그리스, 열 전도성 접착제 및 상변화 물질 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.

한편, 배터리 셀(110)는 전극리드에 의한 높은 저항으로 인해 배터리 셀(110)의 중앙 지점 보다 양쪽 끝단에서 높은 열이 발생한다. 본 발명은 상기와 같은 배터리 셀(1100의 온도 편차를 감소시키기 위한 제1 열전달 물질(132a)의 배열 구조를 가진다.

즉, 제1 열전달 물질(132a)은 배터리 셀(110)의 중앙 지점(배터리 셀의 길이방향을 균등하는 지점)에서 양쪽 끝단(배터리 셀의 길이방향으로 양쪽 끝점)으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 배열되는 구조를 가진다. 이에 따라 높은 열이 발생하는 배터리 셀의 양쪽 끝단에는 제1 열전달 물질(132a)을 많이 배열하여 방열성을 크게 높이고, 낮은 열이 발생하는 배터리 셀의 중앙 지점에는 제1 열전달 물질(132a)을 적게 배열하여 발열성을 조금 높인다. 이에 따라 배터리 셀의 중앙 지점과 양쪽 끝단의 방열성 차이로 온도 편차를 크게 줄일 수 있다.

특히 상기 제1 열전달 물질(132a)은 상기 제1 수용면(131a)에 구비되며, 이에 따라 배터리 케이스(120)의 폭방향으로 외측에 배치되는 배터리 셀(110)의 온도 상승을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 상기 제1 수용면(131a)에 배열된 상기 제1 열전달 물질(132a) 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질(132a)과 제1 열전달 물질(132a) 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질(132a)의 두께 보다 크게 형성된다. 이에 따라 배터리 셀(110)의 중량으로 인해 상기 제1 열전달 물질(132a)을 눌리면서 일부가 인장되더라도 상기 제1 열전달 물질(132a)과 제1 열전달 물질(132a)이 연결되는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과 상기 제1 열전달 물질(132a)의 중앙부터 양쪽 끝단까지의 방열성 편차를 발생시킬 수 있고, 그 결과 배터리 셀(110) 전체의 온도 편차를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

한편, 방열체(130)는 배터리 케이스(120)의 폭방향으로 가운데에 배치되는 배터리 셀(110)을 방열하기 위한 제2 열전달 물질(132b)을 더 포함한다. 여기서 제2 열전달 물질(132b)은 상기 제1 열전달 물질(132a)과 동일한 물질로 이루어진다.

즉, 상기 제2 열전달 물질(132b)은 상기 제2 수용면(131b)에 상기 배터리 셀(110)의 폭방향(도 4에서 보았을 때 상하방향)으로 복수개가 배열되는 구조를 가지고, 복수개로 배열된 상기 제2 열전달 물질(132b)은 배터리 셀(110)의 길이방향으로 연결되는 긴 줄 형태를 가진다. 이에 따라 상기 제2 열전달 물질(132b)은 배터리 케이스(120)의 폭방향으로 가운데에 배치되는 배터리 셀(110)에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수한 후 외부로 방출할 수 있으며, 그 결과 배터리 케이스(120)의 중앙에 배치된 배터리 셀(110)의 방열성을 크게 높일 수 있다.

한편, 상기 제2 수용면(131b)에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질(132b)은 도 5를 참조하면 서로 연결되지 않게 이격된다. 그리고 제2 열전달 물질(132b)은 상기 제1 수용면(131a)에 배열된 제1 열전달 물질(132a)과도 연결되지 않게 이격된다. 다만, 제2 열전달 물질(132b)과 제2 열전달 물질(132b)의 사이의 간격, 제2 열전달 물질(132b)과 제1 열전달 물질(132a) 사이의 간격은 제2 열전달 물질(132b)의 두께 보다 작게 형성한다. 이에 따라 도 6을 참조하면, 배터리 셀(110)에 의해 제2 열전달 물질(132b)의 일부가 눌리면서 인장될 경우 이격된 제2 열전달 물질(132b)과 제2 열전달 물질(132b)이 연결되고, 이격된 제2 열전달 물질(132b)과 제1 열전달 물질(132a)이 연결되며, 그 결과 제1 및 제2 열전달 물질 전체를 통해 배터리 셀에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있다.

이와 같은 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 커버 플레이트(131)와 방열체(132)를 구비한 방열부재(130)를 포함함으로써 배터리 케이스(120)에 수용된 복수개의 배터리 셀(110)을 원활하게 방열할 수 있고, 특히 배터리의 중앙에서 끝단까지의 온도 편차를 감소시킬 수 있어 배터리 셀의 성능 저하를 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 방열패드(140)를 더 포함한다.

방열패드

방열패드(140)는 배터리 셀의 상부 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키기 위한 것이다.

즉, 배터리 셀의 양쪽 단부는 전극리드가 연결되어 있기 때문에 배터리 셀의 중앙 보다 높은 열을 발생시키며, 배터리 셀의 상면 중앙과 양쪽 단부 사이의 온도 편차를 감소시키기 위해 방열패들(140)를 더 포함한다.

이와 같은 방열패드(140)는 배터리 케이스(120)의 내면 양쪽에 각각 부착되고, 배터리 케이스(120)에 수용된 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 단부가 지지되면서 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 단부를 방열하며, 이에 따라 배터리 셀의 양쪽 단부의 방열성 증대를 통해 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부 사이의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.

한편, 배터리 케이스(120)의 내면 양쪽에 각각 부착된 방열패드(140)의 간격을 일정하게 유지시키기 위한 마감패드(150)를 더 포함한다.

마감패드

마감패드(150)는 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 상기 배터리 케이스(120) 내면에 부착되고, 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 간격을 일정하게 유지시킨다. 특히 마감패드(150)는 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 공간을 마감하며, 이에 따라 배터리 셀(110)이 한 쌍의 방열패드(140) 사이 공간에 유입되면서 변형되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법을 설명한다.

[본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법]

본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법은 도 8 내지 도 20에 도시되어 있는 것과 같이, 배치단계, 수용단계, 준비단계 및 결합단계를 포함한다.

배치단계

배치단계는 배터리 셀(110)을 복수개 준비하고, 준비한 복수개의 배터리 셀(110)을 두께 방향으로 겹치게 배치하며, 겹치게 배치된 복수개의 배터리 셀(110)은 직렬 또는 병렬로 접촉되게 연결한다.

수용단계

수용단계는 하부가 개방된 배터리 케이스(120)의 내부에 겹친 복수개의 배터리 셀(110)을 수용한다. 이때 배터리 셀(110)은 전극리드가 배터리 케이스(120)의 길이방향 단부를 향하고, 세워진 상태로 수용한다.

한편, 수용단계는 상기 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 끝단과 대응하는 상기 배터리 케이스(120)의 내면 양쪽 끝단에 방열패드(140)를 각각 부착하는 공정을 더 포함하며, 상기 방열패드(140)는 상기 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 끝단에 대한 방열성을 높인다.

또한, 수용단계는 상기 방열패드(140) 사이의 상기 배터리 케이스(120) 내면에 마감패드(150)를 부착하는 공정을 더 포함하며, 상기 마감패드(150)는 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 간격을 유지시키고, 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 공간을 마감한다.

준비단계

준비단계는 배터리 케이스(120)의 개방된 하부와 대응하는 크기와 형태를 가진 커버 플레이트(131)와, 상기 배터리 셀(110)이 지지되는 커버 플레이트(131)의 일면에 구비되는 방열체(132)를 구비한 방열부재(130)를 준비한다.

즉, 준비단계는 구획공정, 제1 열전달 물질을 제조하는 제1 도포공정, 제2 열전달 물질을 제조하는 제2 도포공정을 포함한다.

구획공정은 도 9에 도시되어 있는 것과 같이, 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 두께 방향으로 양쪽 단부에 제1 수용면(131a)을 각각 구획하고, 상기 제1 수용면(131a) 사이에 제2 수용면(131b)을 구획한다. 여기서 제1 수용면(131a)과 제2 수용면(131b) 사이에는 제1 수용면(131a)과 제2 수용면(131b)이 이격되도록 경계면(131c)이 구획된다.

제1 도포공정는 제1 열전달 물질을 제조하기 위한 것으로, 제1 수용면(131a)에 제1 열전달 용액을 도포하여 제1 열전달 물질을 제조한다.

일례로, 제1 도포공정는 상기 커버 플레이트(131)의 일면 일측(도 9에서 보았을 때 커버 플레이트의 후면측)에 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 복수개의 노즐(10)을 배치한다. 이때 복수개의 노즐(10)은 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 배치한다. 특히 제1 도포공정는 제1 수용면 및 제2 수용면에 열전달 물질을 2번에 나눠서 도포할 수 있도록 복수개의 노즐(10)의 간격을 조절한다.

상기와 같이 노즐(10)이 배치되면, 도 10에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 커버 플레이트(131)의 폭방향으로 이동시킴과 동시에 제1 열전달 용액을 제1 수용면(131a)에 도포한다. 그리고 도 11에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 다음 제1 수용면(131a)의 일측에 위치시킨 다음, 도 12에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 커버 플레이트(131)의 폭방향으로 이동시킴과 동시에 제1 열전달 용액을 제1 수용면(131a)에 도포한다. 그러면 제1 수용면(131a)에 도포된 제1 열전달 용액이 응고되면서 제1 열전달 물질(132a)을 얻을 수 있다.

그리고 도 13에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 제1 수용면(131a)에 응고된 제1 열전달 물질(132a) 사이에 배치한 다음, 도 14에 내지 도 16에 도시되어 있는 것과 같이, 제1 수용면(131a)에 제1 열전달 용액을 도포한다. 그러면 제1 수용면(131a)에 도포된 제1 열전달 용액이 응고되면서 제1 열전달 물질(132a)을 얻을 수 있다. 상기와 같은 작업이 완료되면 제1 도포공정이 완료된다.

제2 도포공정은 제2 열전달 물질을 제조하기 위한 것으로, 제2 수용면(131b)에 상기 배터리 셀(110)의 폭방향으로 복수개가 배열되게 제2 열전달 물질을 제조한다.

일례로, 제2 도포공정은 제1 열전달 물질(132a)이 제조된 커버 플레이트(131)를 노즐(10)을 기준으로 90˚회전시킨 다음, 제2 수용면(131b)에 2개의 노즐(10)이 위치하게 커버 플레이트(131)의 위치를 조절한다. 이때 제2 수용면에 4개의 제2 열전달 물질(132b)을 제조하게 되는데, 1차 2개의 제2 열전달 물질(132b)를 제조한 후, 2차 2개의 제2 열전달 물질(132b)을 제조한다.

즉, 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 것과 같이, 2개의 노즐(10)을 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 이동시킴과 동시에 제2 열전달 용액을 제2 수용면(132b)에 도포한다. 다음으로 도 19 및 도 20에 도시되어 있는 것과 같이, 1차 도포된 제2 열전달 용액 사이로 2개의 노즐(10)을 위치시킨 다음 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 이동시킴과 동시에 제2 열전달 용액을 제2 수용면(132b)에 도포한다. 그러면 제2 열전달 용액이 응고되면서 제2 열전달 물질(132b)을 제조할 수 있다. 상기와 같은 작업이 완료되면 제2 도포공정이 완료된다.

한편, 제2 도포공정에서 복수개의 제2 열전달 물질(132b)은 서로 연결되지 않고, 상기 제1 수용면(131a)에 배열된 제1 열전달 물질(132a)과도 연결되지 않게 도포한다.

상기와 같은 공정이 완료되면 완제품 방열부재(130)를 얻을 수 있다.

결합단계

결합단계는 상기 방열부재(130)가 제조된 커버 플레이트(131)를 상기 배터리 케이스(120)의 하부에 결합한다. 그러면 배터리 케이스(120)에 수용된 배터리 셀(110) 하부가 커버 플레이트(131)에 구비된 제1 및 제2 열전달 물질(132a)(132b)에 지지된다.

여기서 제1 및 제2 열전달 물질(132a)(132b)은 배터리 셀(110)의 중량에 의해 눌리면서 인장되며, 이에 따라 배터리 셀(110)과 제1 및 제2 열전달 물질(132a)(132b)의 밀착력을 높일 수 있다.

특히 제2 열전달 물질(132b)은 인장되면서 4개의 제2 열전달 물질이 연결되고, 그에 따라 4개의 제2 열전달 물질의 방열성을 균일화할 수 있고, 그 결과 4개의 제2 열전달 물질에 지지되는 배터리 셀의 방열성은 높이고, 온도 편차를 감소시킬 수 있다. 더불이 제1 열전달 물질은 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 단부로 갈수록 간격이 좁아지게 배열됨으로써 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.

따라서 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법이 완료되면 완제품 배터리 모듈을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명함에 있어 전술한 실시예와 동일한 기능을 가지는 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략한다.

[본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈]

본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 도 21에 도시되어 있는 것과 같이, 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 길이방향(도 21에서 보았을 때 좌우방향)으로 복수개의 줄로 배열되는 구조를 가진 제1 열전달 물질(132a)을 포함한다.

여기서 제1 열전달 물질(132a)은 배터리 셀(110)의 중앙에서 양쪽 단부로 갈수록 간격이 점차 좁아지는 배열구조를 가진다.

특히 배터리 셀(110)의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 상기 제1 열전달 물질(132a)은 끝단이 배터리 셀(110) 외측을 향하는 "C"자 형태를 가진다.

따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(110)의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 제1 열전달 물질(132a)의 면적을 증대시킬 수 있고, 그 결과 배터리 셀(110)의 양쪽 끝단의 방열성을 크게 높일 수 있다. 이는 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.

[본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈]

본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 도 22에 도시되어 있는 것과 같이, 커버 플레이트(131)와 방열체(132)를 구비한 방열부재(130)를 포한한다.

상기 커버 플레이트(131)는 일면에 상기 배터리 셀(110)의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면(131a)과, 상기 제1 수용면(131a) 사이에 구획되는 제2 수용면(131b)을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)은 배터리 셀(110)의 길이방향으로 연장되게 구획된다.

방열체는 제1 열전달 물질(132a)과 제2 열전달 물질(132b)을 포함하며, 제1 열전달 물질(132a)은 상기 제1 수용면(131a)의 일단에서 타단까지 요철 형태로 연결되는 구조를 가지고, 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면(131b)에 상기 배터리 셀(110) 길이방향으로 구비되고 상기 제1 열전달 물질(132a)의 타단과 연결되는 구조를 가진다.

따라서 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 제1 및 제2 열전달 물질 전체를 연결함으로써 배터리 셀의 전체에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있고, 그 결과 배터리 셀의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.

[실험예]

비교예

비교예는 복수의 배터리 셀, 배터리 케이스, 방열부재를 포함한 배터리 모듈을 준비한다. 이때 상기 방열부잰는 커버 플레이트와 상기 커버플레이트에 구비되는 열전달 물질을 포함하되, 상기 열전달 물질은 배터리 셀의 일측에서 타측까지 동일 간격으로 배열되는 구조를 가진다.

제조예

제조예는 복수의 배터리 셀, 배터리 케이스, 방열부재를 포함한 배터리 모듈을 준비한다. 이때 상기 방열부잰는 커버 플레이트와 상기 커버플레이트에 구비되는 제1 및 제2 열전달 물질을 포함하되, 상기 제1 열전달 물질은 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 단부로 갈수록 간격이 점차 좁아지는 배열 구조를 가진다.

즉, 제조예는 본 출원의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성과 동일한 구성을 가진다.

동일 조건

상기 비교예와 상기 제조예는 동일한 환경과 동일한 전압으로 충방전을 진행하며, 충방전 진행 중 열화상 카메라로 상기 비교예와 상기 제조예를 촬영한다.

촬영 결과

비교예는 도 23을 참조하면, 배터리 셀의 양쪽 단부의 온도가 높게 측정되는 것을 알 수 있으며, 특히 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차가 발생한 것을 확인할 수 있다.

제조예는 도 24를 참조하면, 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차가 크게 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 즉 비교예에서보다 배터리 셀이 전체적으로 더 낮은 온도 상태가 되고, 배터리 셀에서 중앙측과 외곽 측 두 지점 사이의 온도 차이가 가질 수 있는 최대값이 더 작은 값이 됨을 확인할 수 있다. 배터리 셀의 중앙과 단부의 온도 편차가 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 가능하다.

100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
120: 배터리 케이스
130: 방열부재
131: 커버 플레이트
131a: 제1 수용면
131b: 제2 수용면
132: 방열체
132a: 제1 열전달 물질
132b: 제2 열전달 물질
140: 방열패드
150: 마감부재

Claims

두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀;
상기 배터리 셀을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스; 및
상기 배터리 케이스의 하부에 결합되면서 상기 배터리 셀을 지지하는 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 상기 커버 플레이트의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀에서 발생한 열을 방열하는 방열체를 구비한 방열부재를 포함하며,
상기 방열체는, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 열로 정렬되는 제1 열전달 물질을 포함하고,
상기 제1 열전달 물질은, 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 방열성이 증대시키기 위해 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬되는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 형성되며,
상기 제1 열전달 물질은, 상기 제1 수용면에 구비되는 배터리 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 수용면에 배열된 상기 제1 열전달 물질 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질과 제1 열전달 물질 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질의 두께 보다 크게 형성되는 배터리 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 방열체는, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되는 구조를 가진 제2 열전달 물질를 더 포함하며,
상기 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면에 동일한 간격으로 배열되는 구조를 가진 배터리 모듈.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 수용면에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않게 이격되고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 이격되는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에는 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단에서 발생하는 열을 방열하여 상기 배터리 셀의 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키는 한 쌍의 방열패드가 각각 구비되는 배터리 모듈.
청구항 6에 있어서,
한 쌍의 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에는 한 쌍의 방열패드 사이의 공간을 마감하는 마감패드가 구비되는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 셀의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 상기 제1 열전달 물질은 끝단이 배터리 셀 외측을 향하는 "C"자 형태를 가지는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 구획되며,
상기 제1 열전달 물질은 상기 제1 수용면의 일단에서 타단까지 요철 형태로 연결되는 구조를 가지고,
상기 방열체는 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀 길이방향으로 구비되고 상기 제1 열전달 물질의 타단과 연결되는 제2 열전달 물질을 더 포함하는 배터리 모듈.
복수개의 배터리 셀을 두께 방향으로 겹치게 배치하는 배치단계;
하부가 개방된 배터리 케이스의 내부에 겹친 복수개의 배터리 셀을 수용하는 수용단계;
커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 커버 플레이트의 일면에 구비되는 방열체를 구비한 방열부재를 준비하는 준비단계; 및
상기 방열부재의 커버 플레이트를 상기 배터리 케이스의 하부에 결합하는 결합단계를 포함하며,
상기 준비단계는, 커버 플레이트의 일면에 제1 열전달 물질을 배터리 셀의 길이방향으로 복수 열로 정렬되게 도포하되, 상기 제1 열전달 물질은 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬되는 제1 도포공정을 포함하는 배터리 모듈 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 준비단계는, 제1 도포공정 전에, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 제1 수용면을 구획하고, 상기 제1 수용면 사이에 제2 수용면을 구획하는 구획공정을 포함하고,
상기 제1 도포공정은 상기 제1 열전달 물질을 상기 제1 수용면에 도포하는 배터리 모듈 제조방법.
청구항 11에 있어서,
상기 준비단계는, 제1 도포공정 후에, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되게 제2 열전달 물질을 도포하는 제2 도포공정을 더 포함하는 배터리 모듈 제조방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제2 도포작업에서 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 도포되는 배터리 모듈 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 수용단계는, 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단과 대응하는 상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에 방열패드를 각각 부착하는 공정을 더 포함하는 배터리 모듈 제조방법.
청구항 14에 있어서,
상기 수용단계는, 상기 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에 마감패드를 부착하는 공정을 더 포함하는 배터리 모듈 제조방법.