KR20220043374A - 냉각성능이 향상된 배터리 모듈 - Google Patents

냉각성능이 향상된 배터리 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈에서 내 냉각성능이 향상되도록 하고, 부의 온도차이를 줄이도록 한 냉각성능이 향상된 배터리 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 배터리 모듈은, 서로 평행하게 적층되는 복수의 배터리셀(12)들과, 상기 배터리셀(12)들의 각각의 단부에 인접하도록 배치되고, 내부에 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되는 냉각플레이트(14)와, 상기 배터리셀(12)들의 단부와 상기 냉각플레이트(14) 사이에 도포되는 열전달물질(15)을 포함하고, 상기 냉각플레이트(14)는, 상기 배터리셀(12)들의 양단에 각각 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각성능이 향상된 배터리 모듈{BATTERY MODULE WITH IMPROVED COOLING PERFORMANCE}
본 발명은 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈에서 냉각성능이 향상되도록 하고, 내부의 온도차이를 줄이도록 한 냉각성능이 향상된 배터리 모듈에 관한 것이다.
전기자동차, 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차에서 구동모터에 전력을 공급하는 배터리 모듈은 여러 가지 부품을 조립하여 구성된다.
도 1 및 도 2에는 통상적인 배터리 모듈이 도시되어 있다.
하우징(111)의 내부에 서로 평행하게 복수의 배터리셀(112)들을 패드(113)를 개재하여 적층하고, 상기 배터리셀(112)의 단부에 결합되는 버스바 유닛(116)를 이용하여 상기 배터리셀(112)들을 전기적으로 연결한다.
이러한, 배터리 모듈(110)의 충방전시, 상기 배터리셀(112)이 발열하고, 이러한 발열은 상기 배터리셀(112)의 열화를 촉진시켜 상기 배터리셀(112)의 수명을 단축시킨다.
이를 방지하고자, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈(110)과 냉각플레이트를 접촉시켜, 상기 배터리셀(112)들이 냉각되도록 한다.
상기 하우징(111)의 저면에 내부에 냉각수와 같은 냉각유체가 유동하는 냉각유로(114a)가 형성된 냉각플레이트(114)를 설치시켜, 상기 배터리셀(112)들을 냉각시킨다. 이때, 상기 배터리셀(112)의 하단과 상기 하우징(111)이 접하는 부위, 그리고 상기 하우징(111)과 상기 냉각플레이트(114)가 접하는 부위에 열전달물질(TIM; Thermal interface material, 115)을 도포하여, 상기 배터리셀(112)과 상기 하우징(111) 사이의 경계면과 상기 하우징(111)과 상기 냉각플레이트(114) 사이의 경계면에서 열전달을 촉진시킨다.
그러나, 이러한 종래기술에 따른 배터리 모듈(110)에서는 냉각경로가 '배터리셀(112)-열전달물질(115)-하우징(111)-열전달물질(115)-냉각플레이트(114)-냉각유체'로 형성되기 때문에, 상기 배터리셀(112)의 열이 외부로 신속하게 배출되지 않아 상기 배터리셀(112)이 신속하게 냉각되지 않는 문제점이 있었다.
또한, 상기 배터리셀(112)의 하단을 통해서만 외부로 열이 배출되기 때문에, 상기 배터리셀(112)의 상단은 충분히 냉각되지 않는 문제점이 있었다.
KR 10-2014-0014413 A(2014.02.06, 명칭 : 전지모듈 어셈블리)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 배터리셀의 양단을 통해서 열이 외부로 방출될 수 있도록 하고, 상기 배터리셀로부터 냉각플레이트까지의 냉각경로를 단순화되도록 한 냉각성능이 향상된 배터리 모듈을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 배터리 모듈은, 서로 평행하게 적층되는 복수의 배터리셀들과, 상기 배터리셀들의 각각의 단부에 인접하도록 배치되고, 내부에 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되는 냉각플레이트와, 상기 배터리셀들의 단부와 상기 냉각플레이트 사이에 도포되는 열전달물질을 포함하고, 상기 냉각플레이트는, 상기 배터리셀들의 양단에 각각 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리셀들은 각각 수평방향으로 배치되고, 서로 상하방향으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리셀들을 상하로 적층한 배터리 유닛을 수평으로 배치하고, 상기 배터리 유닛 사이에 상기 냉각플레이트를 설치하는 것을 특징으로 한다.
서로 인접한 상기 배터리 유닛은 상기 냉각플레이트를 공유하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각플레이트에는 냉각유체가 출입하는 포트가 형성되는 것을 특징으로 한다.
서로 인접하는 상기 냉각플레이트는 상기 포트가 설치된 부위가 서로 반대쪽에 위치하도록 상기 냉각플레이트가 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리셀의 단부와 상기 냉각플레이트 사이에 형성되는 간극은 상기 열전달물질로 메워지는 것을 특징으로 한다.
서로 인접한 상기 배터리셀 사이에 패드가 개재되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 냉각성능이 향상된 배터리 모듈에 따르면, 배터리셀과 냉각플레이트 사이의 냉각단계가 줄어들게 되므로, 상기 배터리셀을 신속하게 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리셀의 양단에 냉각플레이트를 구비하여, 상기 배터리셀의 양단을 통하여 방열되므로, 상기 배터리셀의 일부만 냉각되는 문제를 해결할 수 있다.
아울러, 상기 배터리셀의 양단을 통하여 냉각되도록 함과 동시에 냉각속도가 빨라지도록 함으로써, 상기 배터리셀의 내부의 온도편차가 줄어든다.
도 1은 통상적인 배터리 모듈을 도시한 사시도.
도 2는 통상적인 배터리 모듈을 도시한 분해사시도.
도 3은 종래기술에 따른 배터리 모듈의 냉각방식을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 배터리 모듈을 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 배터리 모듈을 도시한 단면도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 배터리 모듈에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 배터리 모듈(10)은, 서로 평행하게 적층되는 복수의 배터리셀(12)들과, 상기 배터리셀(12)들의 각각의 단부에 인접하도록 배치되고, 내부에 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되는 냉각플레이트(14)와, 상기 배터리셀(12)들의 단부와 상기 냉각플레이트(14) 사이에 도포되는 열전달물질(15)을 포함하고, 상기 냉각플레이트(14)는, 상기 배터리셀(12)들의 양단에 각각 배치된다.
하우징(11)은 배터리 모듈(10)의 외형을 형성한다. 상기 하우징(11)을 후술되는 모든 구성요소를 그 내부에 수용할 수도 있고, 상기 하우징(11)이 플레이트 형태로 형성되어, 일부 구성요소만 커버하도록 형성될 수도 있다. 예컨대, 도 4에서는 상기 하우징(11)이 상기 배터리 모듈(10)의 상부면을 커버하는 예가 도시되어 있다.
배터리셀(12)을 복수로 구비되고, 서로 평행하게 배치되어 적층된다.
상기 배터리셀(12)들은 수평방향으로 배치되어, 상하로 적층될 수 있다. 상기 배터리셀(12)들을 수평을 배치하여, 상하로 적층하면, 상기 배터리셀(12)을 수직으로 배치하는 경우에 비하여, 차량 내부에서 공간활용에 유리해진다. 즉, 상기 배터리셀(12)을 수직으로 배치하면, 최소한 상기 배터리셀(12)의 높이만큼의 공간이 필요하여, 상기 차량의 내부에 상기 배터리 모듈(10)을 배치하는데 제약이 커진다.
하지만, 상기 배터리셀(12)을 수평으로 배치하면, 상기 배터리셀(12)의 높이만큼의 공간이 필요치 않아, 상기 차량의 내부에서 상기 배터리 모듈(10)의 배치함에 있어 자유도가 커진다.
한편, 본 발명에서는 일정 개수의 상기 배터리셀(12)을 수평방향으로 배치하여 서로 상하방향으로 적층한 것을 하나의 배터리 유닛으로 하고, 이러한 상기 배터리 유닛을 수평방향으로 배치한다. 도 5를 보면, 2개의 상기 배터리유니이 수평방향으로 배치된 구성이 도시되어 있다.
상기 배터리셀(12)의 적층시 서로 인접한 배터리셀(12) 사이에 패드(13)를 개재하여, 상기 패드(13)가 상기 배터리셀(12) 사이에서 완충하면서 표면을 보호한다.
냉각플레이트(14)는 상기 배터리셀(12)들의 단부에 인접하도록 배치된다.
상기 냉각플레이트(14)는 내부에 냉각수와 같은 냉각유체가 유동하는 냉각유로(14a)가 형성되어 있어서, 상기 냉각유로를 유동하는 냉각유체가 상기 배터리셀(12)로부터 흡수한 열을 외부로 방열시켜, 상기 배터리셀(12)이 냉각되도록 한다.
상기 냉각플레이트(14)의 일측에는 포트(14b)가 형성되어 있어서, 상기 냉각유체가 상기 냉각유로(14a)로 출입되도록 한다.
상기 냉각플레이트(14)는 상기 배터리셀(12)의 양단에 각각 접하도록 설치된다. 상기 냉각플레이트(14)는 상기 배터리셀(12)들의 양단에 각각 배치됨으로써, 각 배터리셀(12)의 양단으로부터 상기 배터리셀(12)의 열을 흡수할 수 있고, 이를 통하여 상기 각 배터리셀(12)의 냉각성능이 향상된다.
또한, 서로 인접한 배터리 유닛에서는 상기 냉각플레이트(14)는 공유한다. 도 5에서와 같이, 2개의 배터리 유닛이 배열되는 경우, 2개의 배터리 유닛의 사이에는 1개의 냉각플레이트(14)를 구비하여, 상기 냉각플레이트(14)를 양쪽의 배터리 유닛에서 공유할 수도 있다.
이와 같이, 상기 냉각플레이트(14)를 2개의 배터리 유닛을 공유하면, 상기 냉각플레이트(14)의 개수를 줄여, 상기 배터리 모듈(10)의 크기를 줄이면서도, 각 배터리셀(12)의 양단을 냉각시킬 수 있다.
상기 배터리 유닛의 사이에 상기 냉각플레이트(14)가 배치되는 경우, 서로 인접한 냉각플레이트(14)에서는 포트(14b)가 서로 반대쪽에 위치하도록 할 수 있다. 예컨대, 도 4를 보면, 외측에 위치한 냉각플레이트(14)와 중간에 위치한 냉각플레이트(14)는 서로 배치되는 방향이 상이하도록 배치된다.
열전달물질(TIM; Thermal interface material)은 상기 배터리셀(12)과 상기 냉각플레이트(14) 사이에 도포된다. 상기 열전달물질(15)은 상기 배터리셀(12)과 상기 냉각플레이트(14) 사이의 빈 공간을 메우면서, 상기 배터리셀(12)과 상기 냉각플레이트(14)의 경계면에서 열전달을 촉진시킨다.
상기 배터리셀(12)의 단부와 상기 냉각플레이트(14) 사이에 불가피하게 각격이 형성되는데, 그 사이에 형성되는 간격을 상기 열전달물질(15)로 메움으로써, 열전달을 촉진시킨다.
상기 배터리셀(12)들에서 상기 냉각플레이트(14)가 설치되지 않는 쪽에는 상기 배터리셀(12)들의 리드를 서로 전기적으로 연결하는 버스바 유닛이 결합되고, 상기 버스바 유닛을 커버하기 위한 엔드 플레이트(16)가 장착된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)에서 열의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 상기 배터리셀(12)은 충전 또는 방전시 발열하게 된다. 이러게 발생한 열은 상기 각 배터리셀(12)의 양단으로 전달된다.
상기 각 배터리셀(12)의 양단에서는 각각 상기 배터리셀(12)로부터 상기 열전달물질(15)로 상기 열이 전달된다.
이후, 상기 열전달물질(15)로부터 상기 냉각플레이트(14)로 열이 전달되면, 상기 냉각유체를 통하여 외부로 방열된다.
이와 같이, 열전달경로(도 5의 화살표 참조)가 상기 배터리셀(12)로부터 상기 열전달물질(15), 상기 냉각플레이트(14) 및 냉각유체로 간단해지므로 냉각성능이 향상된다.
10 : 배터리 모듈 11 : 하우징
12 : 배터리셀 13 : 패드
14 : 냉각플레이트 14a : 냉각유로
14b : 포트 15 : 열전달물질
16 : 엔드플레이트 110 : 배터리 모듈
111 : 하우징 112 : 배터리셀
113 : 패드 114 : 냉각플레이트
114a : 냉각유로 115 : 열전달물질
116 : 버스바 유닛

Claims (8)

  1. 서로 평행하게 적층되는 복수의 배터리셀들과,
    상기 배터리셀들의 각각의 단부에 인접하도록 배치되고, 내부에 냉각유체가 유동하는 냉각유로가 형성되는 냉각플레이트와,
    상기 배터리셀들의 단부와 상기 냉각플레이트 사이에 도포되는 열전달물질을 포함하고,
    상기 냉각플레이트는, 상기 배터리셀들의 양단에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리셀들은 각각 수평방향으로 배치되고, 서로 상하방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리셀들을 상하로 적층한 배터리 유닛을 수평으로 배치하고,
    상기 배터리 유닛 사이에 상기 냉각플레이트를 설치하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    서로 인접한 상기 배터리 유닛은 상기 냉각플레이트를 공유하는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각플레이트에는
    냉각유체가 출입하는 포트가 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    서로 인접하는 상기 냉각플레이트는 상기 포트가 설치된 부위가 서로 반대쪽에 위치하도록 상기 냉각플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리셀의 단부와 상기 냉각플레이트 사이에 형성되는 간극은 상기 열전달물질로 메워지는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    서로 인접한 상기 배터리셀 사이에 패드가 개재되는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 향상된 배터리 모듈.
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