KR20220023366A - 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 복수개의 원통형 전지셀(200); 상기 원통형 전지셀(200)을 전기적으로 연결하는 모듈 프레임(600); 상기 원통형 전지셀(200) 하부에 위치하는 히트싱크(300); 및 상기 히트싱크(300) 상면에 밀착되어 형성되는 절연층(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법{Battery Module With Improved Cooling Performance and Method of Manufacturing the Same}
본 발명은 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 히트싱크와 전지셀 사이에 위치하는 절연층이 별도의 접착부재 없이 히트싱크 일측면에 고정됨으로써 냉각성능이 향상되고 제조비용의 절감에 기여할 수 있는 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.
현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지 셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 배터리 모듈 또는 이러한 배터리 모듈을 다수 구비한 배터리 팩이 사용된다.
한편 이차 전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있지만, 과충전, 과방전, 고온 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동 상태에서 전지의 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고, 이로 인해 이차 전지가 팽창하는, 이른바 스웰링 현상이 일어나는 문제점이 있다. 스웰링 현상은 이러한 분해반응을 가속화시켜 열폭주(Thermal runaway) 현상에 의한 이차 전지의 폭발 및 발화를 초래하기도 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 모듈의 분해사시도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 전지 모듈은 복수개의 원통형 전지셀(10)과 복수개의 원통형 전지셀(10) 하부에 위치하는 히트싱크(20), 원통형 전지셀(10)과 히트싱크(20) 사이에 위치하여 절연상태를 유지하는 절연층 (30), 및 복수개의 원통형 전지셀(10) 상부를 커버하는 모듈 프레임(40)을 포함한다. 이때 원통형 전지셀(10)과 절연층(30) 사이 및 히트싱크(20)와 절연층(30) 사이에는 이들을 서로 고정하기 위한 접착층(50)가 개재된다.
이와 같이 종래 기술에 따른 전지 모듈에 의하면, 원통형 전지셀(10)에서 발생하는 열은 하부에 위치하는 히트싱크(20)에 의해 냉각되지만, 원통형 전지셀(10)과 히트싱크(20) 사이에는 절연층(30)과 한 쌍의 접착층(50)이 구비되어 있기 때문에 열전도 효율이 낮다는 문제점이 있다.
게다가 전지 모듈 제조공정 시 히트싱크(20)와 절연층(30), 그리고 절연층(30)과 원통형 전지셀(10)를 서로 고정함에 있어 2회의 접착층(50)을 형성시켜야 하므로 이에 따른 제조비용 상승과 제조 공정상의 효율이 저하된다는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 원통형 전지셀과 히트싱크 사이의 거리를 최소화시킴으로써 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 원료의 사용을 줄여 제조원가를 절약하고 나아가 제조공정의 간소화를 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 모듈은, 복수개의 원통형 전지셀(200), 상기 원통형 전지셀(200)을 전기적으로 연결하는 모듈 프레임(600), 상기 원통형 전지셀(200) 하부에 위치하는 히트싱크(300), 및 상기 히트싱크(300) 상면에 밀착되어 형성되는 절연층(400)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 원통형 전지셀(200) 하면과 상기 절연층(400) 사이에는 접착층(500)이 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 절연층(400)은 절연성 및 열전도성을 갖는 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 절연층(400)은 소정 형상의 패턴으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 패턴은 격자 모양인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 패턴은 소정거리 이격된 복수개의 다각형인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 패턴은 복수개의 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 패턴은 소정거리 이격된 복수개의 바(bar)인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 상기 접착층(500)는 경화성 그리스(Grease) 및 에폭시(Epoxy)계 접착성 글루(Glue) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서는 전술한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법은, 히트싱크(300) 상면에 절연층(400)을 형성하는 단계, 상기 절연층(400) 상면에 접착층(500)을 형성하는 단계, 및 상기 접착층(500) 상면에 복수개의 원통형 전지셀(200)을 안착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다,
또한 본발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 절연층(400)은 3D 프린터로 형성하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 의하면, 별도의 접착부재 없이 히트싱크에 절연층이 밀착 고정되는 구조이고, 따라서 원통형 전지셀에서 발생한 열이 히트싱크로 신속하게 전달되어 냉각성능을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 의하면, 3D 프린터를 이용하여 히트싱크에 절연층을 밀착 고정시키기 때문에 접착부재의 사용량을 줄일 수 있고, 이는 제조비용 절감과 제조공정의 효율화에 기여할 수 있다는 장점이 있다.
게다가 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 의하면, 3D 프린터의 경로설정과 출력속도 조절을 통해 절연층의 두께, 넓이 및 형상을 자유로이 조절할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 모듈의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 외형사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 전지 모듈 내부의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 전지 모듈에 내장되는 원통형 전지셀의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연층의 다양한 패턴을 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 모듈 및 이의 제조방법에 관하여 첨부한 도면들을 참고하면서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 외형사시도이고, 도 3는 도 2에 도시한 전지 모듈 내부의 분해사시도이다.
도 2 및 도 3를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 전지 모듈은 모듈 케이스(100), 원통형 전지셀(200), 히트싱크(300), 절연층(400), 접착층(500), 및 모듈 프레임(600)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 외형이 대략 육면체인 모듈 케이스(100)는 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)를 포함하여 구성된다. 하부 케이스(120)는 바닥이 편평하고 가장자리를 따라 수직 방향으로 소정길이 연장된 측면부가 마련되어 소정 크기의 공간부를 형성하고 있고, 이 공간부에는 전술한 원통형 전지셀(200), 히트싱크(300), 절연층(400), 접착층(500) 및 모듈 프레임(600)들이 수납된다. 그리고 상부 케이스(110)는 하부 케이스(120)의 상부에 결합되어 수납된 전지셀(200) 등을 보호한다.
도 4는 본 발명의 전지 모듈에 내장되는 원통형 전지셀의 단면도이다. 원통형 전지셀(200)은, 권취형 구조의 전극조립체(220)를 금속 캔(210)에 수납하고, 금속 캔(210) 내에 전해액을 주입한 후에, 금속 캔(210)의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리(230)를 결합하여 제작할 수 있다.
여기서, 전극조립체(220)는 양극(221)과 음극(222), 및 분리막(223)을 차례로 적층하고 둥근 형태로 권취하여 제조된다.
전극조립체(220)의 중앙 부위에 형성된 관통형의 권심부(240)에는 원통형의 센터 핀(250)이 삽입되어 있고, 센터 핀(250)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어지는데 이러한 센터 핀(250)은 전극조립체(220)를 고정 및 지지하는 작용과 함께 충방전 및 작동 시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편 캡 어셈블리(230)의 상단 중앙 부위에는 돌출된 형태로 양극 단자(231)가 형성되어 있으며, 금속 캔(210)의 나머지 부위는 음극 단자(232)를 형성한다.
물론 이차전지로 사용가능한 전지셀이라면 전술한 구성과 동일한 원통형 전지셀(200)로 제한하지 않는다.
다시 도 3을 참조하면서 설명하면, 전지셀의 충방전을 반복하는 과정에서 열이 발생하게 되는데 이러한 열을 식히기 위하여 하부케이스(120) 내측 바닥면과 원통형 전지셀(200) 사이에는 히트싱크(300)가 위치한다.
비록 도면에는 상세하게 도시하지 않았지만, 히트싱크(300)는 하부플레이트와 상부플레이트가 소정거리 이격됨으로서 공간부가 형성되고, 공간부에는 물이나 에탄올 등의 냉매가 충진된 상태로 순환한다. 따라서 원통형 전지셀(200)에서 발생한 열은 냉매로 전달되어 소정 온도를 유지하게 된다.
여기서, 히트싱크(300)는 열의 신속한 이동이 가능하도록 열전도성이 우수한 소재, 일예로 알루미늄으로 이루어질 수 있고, 또 냉매가 순환할 수 있도록 일측에는 냉매유입구가 구비되는 한편, 타측에는 냉매유출구가 구비될 수 있다.
절연층(400)은 히트싱크(300) 상면에 위치함으로써 원통형 전지셀(200)과 히트싱크(300)가 서로 통전하는 것을 방지한다.
구체적으로, 절연층(400)은 3D 프린터에 의해 형성될 수 있는데, 히트싱크(300) 상면에 3D 프린터의 노즐로부터 절연소재를 방사하면 밀착상태를 유지하면서 히트싱크(300) 상면에 고정된 절연층(400)을 형성하는 것이 가능하므로, 절연층(400) 고정을 위한 별도의 접착부재가 필요 없다.
게다가 적층형 인쇄방식의 경우 반복 적층이 가능하므로 절연층의 두께 조절이 용이하고 또 다양한 모양의 3차원 패턴 구현이 가능하다. 일 예로, 도 3에서와 같이 절연층(400)은 단면이 원형이거나 다각형인 긴 봉형상의 바(bar)들이 소정 거리 이격된 상태로 히트싱크(300) 상면에 고정됨으로써 형성될 수 있다.
한편, 절연층(400)을 이루는 소재로는 절연성과 함께 열전도성을 가진 소재라면 특별히 제한하지 않지만, 폴리카보네이트, ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 또는 PC-ABS(Polycarbonate- Acrylonitrile Butadiene Styrene)일 수 있다.
계속해서, 원통형 전지셀(200)이 절연층(400)에 고정될 수 있도록 접착층(500)는 원통형 전지셀(200)과 절연층(400) 사이에 위치한다.
이러한 접착층(500)은 액상 타입의 접착제를 절연층(400) 상면에 도포함으로써 하나의 접착층(500)이 형성될 수 있다.
여기서, 접착층(500)은 고온에서도 접착력을 상실하지 않으며 또 원통형 전지셀(200)의 열기를 절연층(400)으로 전달할 수 있도록 열전도성과 내열성을 갖는 소재로 경화성 그리스(Grease) 및 에폭시(Epoxy)계 접착성 글루(Glue) 중 하나 이상일 수 있으며, 전술한 기능을 수행할 수 있는 물질이라면 특별히 제한하지 않는다.
원통형 전지셀(200) 상측에 안착되는 모듈 프레임(600)은 버스바(610), 돌기부(620) 및 원통형 전지셀(200) 상면을 노출시키기 위한 개방부(630)를 포함하여 구성되며, 전지셀(200)들을 병렬 또는 직렬로 연결함과 동시에 외부 충격으로부터 보호하는 기능을 수행한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연층의 다양한 패턴을 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 절연층은 도 5(a) 내지 5(c)와 같은 형상을 가질 수 있다.
먼저 도 5(a)의 절연층(400)은 소정의 높이를 가지면서 가운데가 비어 있는 삼각형들이 서로 이격된 채 나란하게 배치되어 있다. 상기와 같은 절연층(400) 구조에 따르면, 원통형 전지셀(200)과 히트싱크(300)와의 절연을 확실하게 담보하면서도 가운데가 비어 있어 전지 모듈의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 원료비용을 절약할 수 있다. 한편 도 5(a)에서는 삼각형으로 도시하고 있으나 이는 일 예시일 뿐, 사각형, 오각형, 육각형 등 다양한 형상의 다각형일 수 있다.
도 5(b)는 삼각형 대신에 가운데가 비어 있는 원기둥 모양이고, 도 5(c)는 격자 구조이다.
비록 도 5에서는 동일한 형상이 반복되는 것으로 도시하고 있으나, 삼각형과 원형, 사각형과 원형 등 형상이 상이한 복수의 형상들을 서로 혼합하여 절연층(400)을 형성시키는 것도 가능하다.
계속해서, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법에 관해 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈 제조방법은, 히트싱크(300) 상면에 절연층(400)을 형성시키는 단계(S1), 절연층(400) 상면에 접착층(500)를 형성시키는 단계(S2), 및 접착층(500) 상면에 복수개의 원통형 전지셀(200)을 안착시키는 단계(S3)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 히트싱크(300) 상면에 절연층(400)을 형성시키는 단계(S1)에서는 히트싱크(300) 상면에 전술한 소정 형상의 패턴을 형성시켜 절연층(400)을 마련하는 단계로서, 이때 소정 형상의 패턴은 3D 프린터를 사용하여 형성시킨다.
3D 프린터의 출력속도와 경로설정을 통해 절연층(400)의 두께, 면적, 및 패턴을 자유롭게 설정하는 것이 가능하다.
절연층(400) 상면에 접착층(500)을 형성하는 단계(S2)에서는, 히트싱크(300) 상면과 절연층(400) 하면이 부착된 상태에서 절연층(400) 상면에 접착층(500)을 위치시키는 단계이다.
여기서, 접착층(500)은 양면에 접착제가 도포되어 있는 필름을 안착시키거나 액상 타입의 접착제를 도포함으로써 형성될 수 있다.
그리고 접착층(500) 상면에 복수개의 원통형 전지셀(200)을 안착시키는 단계(S3)를 통해 원통형 전지셀(200)은 접착층(500)에 고정된다.
물론 원통형 전지셀(200)들 상부에는 모듈 프레임(600)이 결합된다.
한편, 상기 S1 단계 내지 S3 단계들 이전에 하부케이스(110)에 히트싱크(300)를 먼저 수납시켜도 무방하지만, 3D 프린터를 사용한 절연층(400) 형성이 용이하도록 히트싱크(300) 상면에 절연층(400)을 형성시키는 S1단계는 하부케이스(110)에 수납하기 이전에 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전술한 전지 모듈이 수납된 전지 팩일 수 있다. 또한 전지 팩은 디바이스에 장착될 수 있는데, 예를 들어 디바이스는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등과 같이 대용량의 전지를 포함하는 전자기기일 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100 : 모듈 케이스
110 : 상부케이스
120 : 하부케이스
200 : 원통형 전지셀
210 : 금속 캔
220 : 전극조립체
221 : 양극 222 : 음극
223 : 분리막
230 : 캡 어셈블리
231 : 양극 단자 232 : 음극 단자
240 : 권심부
250 : 센터 핀
300 : 히트싱크
400 : 절연층
500 : 접착층
600 : 모듈 프레임
610 : 버스바
620 : 돌기부
630 : 개방부

Claims (12)

  1. 복수개의 원통형 전지셀;
    상기 원통형 전지셀을 전기적으로 연결하는 모듈 프레임;
    상기 원통형 전지셀 하부에 위치하는 히트싱크; 및
    상기 히트싱크 상면에 밀착되어 형성되는 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 전지셀 하면과 상기 절연층 사이에는 접착층이 위치하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 절연성 및 열전도성을 갖는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 소정 형상의 패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 패턴은 격자 모양인 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 패턴은 소정거리 이격된 복수개의 다각형인 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 패턴은 복수개의 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 패턴은 소정거리 이격된 복수개의 바(bar)인 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  9. 제2항에 있어서.
    상기 접착층는 경화성 그리스(Grease) 및 에폭시(Epoxy)계 접착성 글루(Glue) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  11. 히트싱크 상면에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상면에 접착층을 형성하는 단계; 및
    상기 접착층 상면에 복수개의 원통형 전지셀을 안착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 냉각성능이 향상된 전지 모듈 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절연층은 3D 프린터로 형성하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 전지 모듈 제조방법.


















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