KR20220090207A - 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징; 및 상기 모듈 하우징을 냉각시키며, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 갖는 냉각부;를 포함하며, 상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하며, 상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 모듈이 제공된다.

Description

배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK HAVING THE SAME}

본 발명은 이차전지로 구성되는 복수의 배터리 셀을 구비하는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.

이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차, 전기자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.

이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouch type)의 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형 캔형(can type)의 배터리 셀로 제조되어 사용되고 있다. 복수의 배터리 셀은 전기적으로 연결되어 배터리 모듈을 구성하게 된다.

한편, 배터리 모듈을 장시간 사용할 경우 배터리 셀에서 열이 발생하게 되고, 특히 충전 시에는 내부의 온도가 급격히 상승하게 된다. 이와 같은 배터리 셀의 온도 상승은 배터리 모듈의 수명을 단축시키게 되고, 배터리 모듈의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 최악의 경우 발화 또는 폭발이 발생할 수도 있다.

이러한 문제점 해결을 위하여 모듈 하우징과 냉매가 열교환하도록 함으로써 배터리 모듈을 방열시키는 구조가 적용되고 있다. 즉, 종래기술에 의한 배터리 모듈은 모듈 하우징에 유로공간이 형성된 냉각부재가 연결되며, 유로공간을 흐르는 냉매를 이용하여 모듈 하우징 및 이에 수용된 배터리 셀의 냉각을 수행하게 된다.

종래기술에 따라 배터리 모듈을 냉각하는 경우 유입구로 유입된 냉매는 유로공간을 흐르면서 모듈 하우징과 열교환하며 그 온도가 상승하게 된다. 즉, 냉매의 온도는 유입구에 인접한 영역와 유출구에 인접한 영역에서 차이가 발생하게 된다.

이에 따라, 유입구릍 통해 유입된 냉매가 흐르는 영역에 위치하는 배터리 셀(또는 배터리 셀의 일부분)보다 유출구 측으로 배출되는 방향으로 냉매가 흐르는 영역에 위치하는 배터리 셀(또는 배터리 셀의 일부분)의 온도가 더 높게 된다. 따라서, 유출구 측에 인접한 영역에 대응하는 배터리 셀(또는 배터리 셀의 일부분)의 방열효과가 저하되어 배터리 모듈 내부에서 배터리 셀이 배치되는 위치에 따라 온도 편차가 발생하게 된다.

이러한 배터리 셀의 온도 편차는 배터리 모듈의 전체적인 품질 및 수명 저하를 유발하는 문제점이 있다.

본 발명은 일 측면으로서, 셀 적층체(배터리 셀)의 온도편차 및 방열 불균일을 감소시킬 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 일 측면으로서, 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에서 방열이 용이하게 이루어지도록 하는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 열전소자를 통한 방열 및 냉각 효율을 높일 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 일 측면으로서, 냉각 플레이트의 기존 형상을 이용하여 열전소자를 용이하게 설치할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 외부 온도가 낮은 경우에도 배터리 모듈을 안정적으로 사용할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은, 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징; 및 상기 모듈 하우징을 냉각시키며, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 갖는 냉각부;를 포함하며, 상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 모듈을 제공한다.

상기 상기 돌출부는 상기 모듈 하우징을 지지하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 모듈 하우징과 열적으로 접촉할 수도 있다.

또한, 상기 열전소자는 상기 베이스부의 외측면에 비대칭적으로 설치될 수 있다.

그리고, 상기 돌출부는 상기 베이스부에 서로 이격되어 배치된 복수의 돌기부를 포함하며, 상기 열전소자는 상기 돌기부의 적어도 일부에 설치될 수 있다. 이때, 상기 돌기부는 상기 베이스부로부터 돌출된 방향에 수직한 단면이 원형 또는 각형의 형상을 가질 수 있다. 상기 열전소자는 상기 유로공간으로 냉매가 유입되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면보다 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면에 더 많이 설치될 수 있다.

또한, 상기 돌출부는 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하고 냉매의 유동을 가이드하도록 냉매의 유동방향을 따라 연장된 형상을 갖는 격벽부를 포함하며, 상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 적어도 일부 공간에 설치될 수 있다. 상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 설치될 수 있다.

그리고, 상기 열전소자는 전원 인가에 따라 대향하는 제1 부분과 제2 부분 사이에서 온도 차이를 형성하며, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 적어도 하나와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치할 수 있다.

또한, 상기 냉각 플레이트는 상기 열전소자로 전원을 공급하는 와이어의 설치를 위한 와이어 설치홈이 상기 돌출부 또는 상기 돌출부와 인접한 영역에 형성될 수 있다.

그리고, 상기 냉각 플레이트는 상기 베이스부와 상기 돌출부가 형성된 제1 몸체와, 상기 제1 몸체와 결합되어 상기 제1 몸체와의 사이에 상기 유로공간을 형성하는 제2 몸체를 포함할 수 있다.

다른 측면으로서, 본 발명은, 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 팩 하우징; 상기 셀 적층체를 냉각하도록 상기 팩 하우징에 설치되는 팩 냉각부;를 포함하며, 상기 팩 냉각부는, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 포함하며, 상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 팩을 제공한다.

상기 셀 적층체는 열전달 부재를 통해 상기 팩 하우징에 안착되며, 상기 팩 냉각부는 상기 팩 하우징의 하부에 위치할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의한 배터리 팩은 상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징을 더 포함하며, 상기 팩 냉각부는 상기 모듈 하우징과 상기 팩 하우징 사이에 위치할 수 있다.

이때, 상기 열전소자와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치하고, 상기 베이스부의 외측면과 상기 팩 하우징 사이에는 제2 열전달 부재가 위치하며, 상기 제2 열전달 부재의 두께는 상기 제1 열전달 부재의 두께보다 큰 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 열전달 부재와 상기 제2 열전달 부재는 서로 연결될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 의한 배터리 팩은 상기 열전소자의 구동을 제어하는 제어부;를 추가로 포함하며, 상기 열전소자는 저전압 라인에 연결되어 전원을 공급받고, 상기 제어부는 상기 셀 적층체의 온도에 따라 상기 열전소자에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 제어를 수행할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 복수의 상기 열전소자 중 적어도 일부의 구동을 개별적으로 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉각 플레이트의 외측면에 설치된 열전소자를 통하여 모듈 하우징의 내부에서 발생한 열을 방출함으로써 배터리 모듈에 설치된 위치에 따른 셀 적층체(배터리 셀)의 온도편차 및 배터리 셀의 방열 불균일을 감소시키고 배터리 모듈의 전체적인 냉각성능을 개선할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역, 특히 유출구에 인접한 영역에 열전소자를 배치함으로써 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에서의 방열 성능을 개선할 수 있다는 효과가 있게 된다. 특히, 열전소자를 셀 적층체(배터리 셀) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에 상대적으로 집중 배치함으로써 다수의 열전소자의 설치로 인한 비용 상승을 최소화할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 돌출부(돌기부 및/또는 격벽부)와 모듈 하우징이 열적으로 접촉하도록 하는 구조를 통하여 열전소자를 통한 방열 및 냉각 효율을 높일 수 있게 된다. 특히, 모듈 하우징으로부터 열전소자에 전달된 열이 열전달 부재를 매개로 하여 팩 하우징으로 전달되도록 함으로써 방열 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉각 플레이트에 설치되어 있는 돌기부(딤플)나 격벽부를 이용하여 열전소자를 설치함으로써 냉각 플레이트의 기존 형상을 이용하여 열전소자를 용이하게 설치할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 외부 온도나 배터리 셀의 온도가 낮은 경우에 배터리 모듈의 방열 수행 시에 열전소자에 인가되는 전원과는 반대 극성의 전원을 열전소자에 인가함으로써 배터리 셀의 온도를 높임으로써 배터리 모듈의 안정적 구동이 가능하다는 효과가 있게 된다. 특히, 제어부를 통하여 각각의 열전소자를 온/오프 제어함으로써 열전소자를 통한 냉각이 필요한 경우 열전소자를 선택적으로 구동시킬 수 있고, 일부영역에서 냉각효율이 저하된 경우 또는 온도상승이 필요한 경우 해당영역에 대응하는 열전소자를 선택적으로 구동시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 돌출부 또는 돌출부와 인접한 영역의 냉각 플레이트 부분에 열전소자로 전원을 공급하는 와이어의 설치를 위한 와이어 설치홈을 형성함으로써 열전소자의 배선 작업이 용이하다는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 I-I' 선에 따른 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 냉각부의 사시도.
도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 모듈의 변형예를 도시한 단면도.
도 6 내지 도 8은 도 2 및 도 3에 도시된 냉각부의 여러가지 변형예를 도시한 평면도 및 단면도.
도 9는 도 6에 도시된 유로구조를 갖는 냉각 플레이트에 대하여 열전소자가 구동되지 않은 상태에서 냉매가 흐를 때의 셀 적층체의 온도분포를 도시한 온도분포도.
도 10은 도 3에 도시된 배터리 모듈에서 열 흐름을 도시한 개략도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩의 단면도.
도 12는 도 11에 도시된 배터리 팩의 변형예를 도시한 단면도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩의 단면도.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 배터리 팩의 단면도.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.

또한, 본 명세서에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈(100)의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 I-I' 선에 따른 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 냉각부(140)의 사시도이다. 또한, 도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 모듈(100)의 변형예를 도시한 단면도이고, 도 6 내지 도 8은 도 2 및 도 3에 도시된 냉각부(140)의 여러가지 변형예를 도시한 평면도 및 단면도이며, 도 9는 도 6에 도시된 유로구조를 갖는 냉각 플레이트(150)에 대하여 열전소자(141)가 구동되지 않은 상태에서 냉매가 흐를 때의 셀 적층체(110)의 온도분포를 도시한 온도분포도이며, 도 10은 도 3에 도시된 배터리 모듈(100)에서 열 흐름(Q)을 도시한 개략도이다. 도 9는 배터리 셀(111)의 온도분포를 명확히 도시하기 위하여 모듈 하우징(120) 및 모듈 하우징(120)의 바닥에 설치된 냉각부(140)를 생략한 상태를 나타내고 있다.

도 1 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈(100)은 셀 적층체(110), 모듈 하우징(120) 및 냉각부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 셀 적층체(110)는 배터리 셀(111)이 다수 개 적층되어 구성된다. 본 실시예에서 배터리 셀(111)은 좌우 방향(또는 수평 방향)으로 적층된다. 그러나 필요에 따라 배터리 셀(111)을 상하 방향으로 적층하도록 구성하는 것도 가능하다.

각각의 배터리 셀(111)은 일 예로서 파우치형(pouched type) 이차전지로 구성될 수 있으며, 전극 리드(111a)가 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있다.

배터리 셀(111)은 용기 형태로 형성된 파우치(외장재) 내에 전극 조립체(미도시) 및 전해액(미도시)이 수용된 형태로 구성될 수 있다. 전극 조립체는 다수의 전극판을 구비하며 파우치 내에 수납된다. 여기서, 전극판은 양극판과 음극판으로 구성되며, 전극 조립체는 양극판과 음극판의 넓은 면이 서로 마주보도록 한 상태에서 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태로 구성될 수 있다. 다수의 양극판과 다수의 음극판에는 각각 전극탭이 구비되며, 서로 동일한 극성끼리 접촉하여 동일한 전극 리드(111a)에 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 배터리 셀(111)의 경우 2개의 전극 리드(111a)는 서로 반대 방향을 향하도록 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 동일한 방향을 향하되 서로 높이를 달리 하여 배치되는 것도 가능하다. 그리고, 파우치(미도시)는 용기 형태로 형성되어 전극 조립체 및 전해액(미도시)이 수용되는 내부 공간을 제공한다. 이때, 전극 조립체의 전극 리드(111a)는 일부가 파우치의 외부로 노출될 수 있다.

이와 같이 구성되는 배터리 셀(111)은 충전 및 방전이 가능한 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지 또는 리튬 이온(Li-ion) 전지일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 배터리 셀(111)은 3면 실링 구조를 갖는 파우치형(pouch type) 이차전지일 수 있다. 3면 실링 구조의 파우치형 이차전지는, 전극 리드(111a)가 외부로 노출되는 영역과 적층되었을 때 상부에 해당하는 영역을 열 압착 방식에 의해 실링하되 적층되었을 때 하부에 해당하는 영역에는 실링부를 형성하지 않음으로써 별도의 구조물 없이 파우치형 이차전지를 하우징 내에 적층시킬 수 있는 장점이 있으며, 열전달 부재(TA)와의 넓은 접촉면적을 통해 안정적으로 방열을 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 4면 실링 구조를 갖는 파우치형 이차전지나, 각형이나 원형의 형상을 갖는 캔형(can type) 이차전지로 구성되는 것도 가능하다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 모듈 하우징(120)은 배터리 모듈(100)의 외관을 형성하며, 복수 개의 배터리 셀(111)이 적층되어 형성된 셀 적층체(110)의 외부에 배치되어 외부 환경으로부터 배터리 셀(111)을 보호한다.

모듈 하우징(120)은 일 예로서 일측이 개방된 단면 형상을 갖는 하우징 몸체(121)와, 하우징 몸체(121)와 합형되어 내부공간을 형성하는 하우징 커버(125)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 모듈 하우징(120)에는 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)에 의해 형성된 내부공간을 덮도록 모듈 하우징(120)의 길이방향 전면과 후면에 엔드 플레이트(126)가 결합될 수 있다.

이러한 모듈 하우징(120)의 내부공간에는 셀 적층체(110)가 배치될 수 있다. 모듈 하우징(120)을 구성하는 적어도 일면은 배터리 셀(111)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열 플레이트로서 기능할 수 있다.

하우징 몸체(121)는 일측이 개방된 U형 단면을 형성하기 위하여, 배터리 셀(111)의 하부를 지지하는 하부 플레이트(122)와, 하부 플레이트(122)의 폭방향 양단에서 상하방향(도 2에서 상측)으로 연장되며 배터리 셀(111)의 측면을 지지하는 측면 플레이트(123)를 포함할 수 있다.

이때, 하우징 몸체(121)는 하부 플레이트(122)와 측면 플레이트(123)가 일체형으로 이루어지는 구조를 가질 수 있다. 또한, 하우징 몸체(121)는 폭방향 단면이 길이방향을 따라 일정한 형상을 가질 수 있으며, 이 경우 하우징 몸체(121)는 압출공정에 의해 제조될 수 있다. 다만, 필요에 따라 측면 플레이트(123)와 하부 플레이트(122)를 독립적인 구성 요소들로 구성한 후 결합/접합하여 하우징 몸체(121)를 구성하는 것도 가능하다. 측면 플레이트(123)는 좌우방향으로 적층 배치된 셀 적층체(110)의 측면(넓은 면)에 대응하여 배터리 셀(111)의 측면을 지지한다. 이때, 배터리 셀(111)의 측면은 측면 플레이트(123)와 직접 접촉할 수도 있으나, 측면 플레이트(123)와 배터리 셀(111)의 측면 사이에 방열 패드나 완충 패드(미도시)가 개재되는 것도 가능하다. 또한, 하우징 커버(125)는 하부 플레이트(122)와 대향하여 배치되며 측면 플레이트(123)의 상측 단부와 연결될 수 있다. 따라서 하우징 커버(125)가 측면 플레이트(123)를 덮는 형태로 하우징 몸체(121)에 결합되면, 하우징 커버(125)와 하우징 몸체(121)는 내부가 빈 관형 부재의 형상을 갖는다.

하우징 몸체(121)는 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하우징 몸체(121)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 하우징 몸체(121)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다. 또한, 하우징 커버(125)는 하우징 몸체(121)와 마찬가지로 금속과 같이 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 일 예로서, 하우징 커버(125)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 하우징 커버(125)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 금속과 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.

그리고, 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)의 결합은 측면 플레이트(123)와 하우징 커버(125)의 접촉면을 용접(예를 들어, 레이저 용접 등)함으로써 수행될 수 있다. 다만, 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)의 결합은 전술한 용접 결합에 한정되는 것은 아니며, 슬라이딩 방식이나 본딩으로 결합하거나, 볼트나 나사 등의 고정 부재를 이용하여 결합하는 등 다양한 변형이 가능하다.

한편, 엔드 플레이트(126)는 배터리 셀(111)의 전극 리드(111a)가 배치되는 양 측면, 즉 모듈 하우징(120)의 길이방향 전면과 후면에 각각 결합되어 모듈 하우징(120)의 개방된 전면과 후면을 덮도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드 플레이트(126)는 하우징 몸체(121)와 하우징 커버(125)에 결합되어 하우징 몸체(121), 하우징 커버(125)와 함께 배터리 모듈(100)의 외관을 형성한다.

엔드 플레이트(126)는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있으며 다이캐스팅이나 압출/프레스 등의 공정으로 제작 가능하다. 또한, 엔드 플레이트(126)는 후술하는 절연 커버(130)의 접속 단자(132)를 외부로 노출시키기 위한 관통 구멍(126a)을 구비할 수 있다. 엔드 플레이트(126)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 하우징 몸체(121) 및 하우징 커버(125)에 결합될 수 있다. 그러나, 엔드 플레이트(126)의 결합방식은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2를 참조하면, 엔드 플레이트(126)와 셀 적층체(110) 사이에는 절연 커버(130)가 개재될 수 있다. 절연 커버(130)는 배터리 셀(111)의 전극 리드(111a)가 배치된 일면 또는 양면에 결합된다. 전극 리드(111a)는 절연 커버(130)의 몸체를 관통하여 절연 커버(130)의 외측에서 버스바(미도시)에 의해 동일한 극성끼리 상호 연결된다. 이를 위해 절연 커버(130)에는 전극 리드(111a)가 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(도면부호 미부여)이 구비될 수 있다.

또한, 절연 커버(130)에는 외부와의 연결을 위한 접속 단자(132)가 구비될 수 있다. 따라서 배터리 셀(111)은 접속 단자(132)를 통해 외부와 전기적으로 연결되며, 이를 위해 전극 리드(111a)는 절연 커버(130)에 구비되는 회로 배선(미도시)을 통해 접속 단자(132)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 회로 배선은 동 재질로 구성된 버스바를 통해 모듈의 직렬/병렬 연결에 따른 전기적 연결을 수행할 수 있다. 접속 단자(132)는 도 2에 도시된 바와 같이 엔드 플레이트(126)에 형성된 관통 구멍(126a)을 통해 외부로 노출된다. 따라서 관통 구멍(126a)은 접속 단자(132)의 크기와 형상에 대응하는 크기로 형성될 수 있다.

한편, 배터리 셀(111)에서 발생된 열을 모듈 하우징(120)에 효과적으로 전달할 수 있도록 배터리 셀(111)과 하우징 몸체(121)의 하부 플레이트(122) 사이에는 열전달 부재(TA)가 설치될 수 있다. 열전달 부재(TA)는 일측(상측)이 배터리 셀(111)에 접촉하고 타측(하측)이 모듈 하우징(120)에 접촉하여 배터리 셀(111)에서 발생한 열을 모듈 하우징(120)으로 전달하게 된다.

열전달 부재(TA)는 배터리 셀(111)로부터 냉각 플레이트(150)로의 방열을 위하여 배터리 셀(111)의 하면(실링부가 형성되지 않은 면)과 모듈 하우징(120)의 내부면 사이에 위치할 수 있다. 이와 같이, 실링부가 형성되지 않은 면이 넓은 면적에 걸쳐 열전달 부재(TA)를 통해 모듈 하우징(120)에 연결되는 경우, 배터리 셀(111)에서 발생한 열이 모듈 하우징(120)을 통하여 쉽게 방출될 수 있다.

열전달 부재(TA)는 열전달이 잘 이루어지도록 하기 위하여 열전도성 그리스(thermal grease), 열전도성 접착제(thermal adhesive), 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 열전달 부재(TA)는 배터리 셀(111)의 하면과 하부 플레이트(122)의 상면 사이에 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포될 수 있다. 이와 같이, 배터리 셀(111)에서 발생한 열은 열전달 부재(TA)의 높은 열전도성으로 인해 하부 플레이트(122)에 효과적으로 전달될 수 있고, 이후 냉각부(140)를 통해 충분한 방열이 이루어질 수 있다. 또한, 본 실시예의 열전달 부재(TA)는 높은 절연성을 갖도록 구성되는 것도 가능하며, 예를 들어 절연 내력(Dielectric strength)이 10 ~ 30 KV/mm 의 범위인 물질이 이용될 수도 있다. 이와 같이 절연성이 높은 물질이 사용되는 경우, 배터리 셀(111)에서 부분적으로 절연이 파괴되더라도 배터리 셀(111) 주변에 배치된 열전달 부재(TA)에 의해 배터리 셀(111)과 모듈 하우징(120) 간의 절연이 유지될 수 있다.

다음으로, 도 2 내지 도 10을 참조하여 냉각부(140)에 대해 설명한다.

냉각부(140)는 모듈 하우징(120)에 부착되며, 냉매를 이용하여 모듈 하우징(120)을 냉각하게 된다. 냉매는 냉각수 또는 냉각수에 첨가물질이 추가된 냉각액체로 이루어질 수 있다. 냉각부(140)는 냉각 플레이트(150)와, 냉각 플레이트(150)의 외측면에 설치되는 열전소자(141)와, 열전소자(141)와 냉각 플레이트(150)의 외측면 사이에 배치되는 제1 열전달 부재(145)를 구비할 수 있다.

냉각 플레이트(150)는 냉매가 유동하는 유로공간(153)을 형성하기 위하여 함몰된 형태의 몸체부(151)를 구비할 수 있다. 즉, 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)에는 함몰된 형태의 베이스부(152)가 형성되고, 함몰된 부분은 유로공간(153)을 형성하게 된다. 또한, 냉각 플레이트(150)는 냉매가 유입되는 유입구(도 6 내지 9의 IN)와 냉매가 유출되는 유출구(도 6 내지 9의 OUT)를 구비하며, 펌프, 냉매 탱크 등을 포함하는 냉각 시스템(미도시)과 연결될 수 있다. 냉각 시스템은 다량의 냉매가 순환할 수 있는 구조를 가질 수 있다.

냉각 플레이트(150)는 베이스부(152)와, 베이스부(152)로부터 셀 적층체(110) 또는 유로공간(153)을 향하여 돌출되어 외측면에 함몰된 공간을 형성하는 돌출부(154, 155)를 포함할 수 있다.

돌출부(154, 155)는 유입구(IN)를 통해 유입된 냉매가 유로공간(153)을 통해 유동하는 과정에서 냉매에 불규칙한 흐름을 형성하여 모듈 하우징(120)으로부터 냉각부(140)에 전달된 열이 냉매에 고르게 흡수되도록 하는 복수의 돌기부(예를 들어 딤플 구조물)(155)를 포함하여 구성될 수 있다. 돌기부(155)는 유로공간(153)의 형상을 유지하기 위하여 모듈 하우징(120)을 지지하도록 구성될 수 있다.

또한, 돌출부(154, 155)는 냉매가 유입구(IN)로부터 유출구(OUT)로 유동할 수 있도록 냉매의 유동을 가이드하는 격벽부(154)를 포함하여 구성될 수 있다. 격벽부(154)는 베이스부(152)로부터 셀 적층체(110)를 향하여 돌출되는 형상을 가지며 유로공간(153)의 형상을 유지하기 위하여 모듈 하우징(120)을 지지하도록 구성될 수 있다. 이러한 격벽부(154)는 유로공간(153)을 구획하여 냉매의 유동방향을 따라 연장된 형상을 가지며 유로공간(153)을 복수개로 구획하게 된다.

예를 들어, 격벽부(154)는 도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이 유입구(IN)로부터 냉매가 유입되는 영역과 냉매가 유출구(OUT)로 유출되는 영역을 구획하도록 구성될 수 있다. 즉, 도 2, 도 4, 도 6 및 도 7의 실시예에서 냉각 플레이트(150)는 몸체부(151)의 일측에 유입구(IN)와 유출구(OUT)가 모두 형성되는 구조를 가지며, 격벽부(154)는 냉매가 U자 형상의 유로를 형성하도록 냉매의 유동을 안내할 수 있다. 이와는 달리, 격벽부(154)는 몸체부(151)에 복수 개가 형성되어 유입구(IN)로부터 유입된 냉매가 복수개의 영역으로 분리되어 유동하도록 유로공간(153)을 구획할 수 있다. 냉매는 격벽부(154) 사이의 유로공간(153)을 흐른 후 유출구(OUT)를 통하여 배출될 수 있다. 예를 들어, 도 8의 실시예에서 냉각 플레이트(150)는 몸체부(151)의 일측에 유입구(IN)가 형성되고 몸체부(151)의 타측에 유출구(OUT)가 형성되는 구조를 가질 수 있으며, 격벽부(154)는 유입구(IN)로부터 유출구(OUT) 방향으로 냉매의 유동을 안내하게 된다.

또한, 냉각 플레이트(150)는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 돌기부(155)와 격벽부(154)를 모두 구비하는 것도 가능하고 도 8에 도시된 바와 같이 격벽부(154)만을 구비하는 것도 가능하다. 도 8에서는 냉각 플레이트(150)에 격벽부(154)만 설치되는 구성을 도시하고 있지만 격벽부(154) 사이의 공간에 돌기부(155)가 구비될 수도 있다.

한편, 냉각 플레이트(150)에 형성되는 유입구(IN)와 유출구(OUT)의 설치 위치 및 개수, 격벽부(154)나 돌기부(155)의 설치위치, 형상 및 개수는 다양한 변경이 가능하다.

이러한 돌기부(155)와 격벽부(154)는 프레싱 공정 등을 통하여 형성될 수 있으며 이에 따라 돌기부(155)와 격벽부(154)의 외측면에는 함몰된 공간이 형성될 수 있다.

한편, 도 2 내지 도 4, 도 6 내지 도 8은 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)가 한 장의 플레이트로 구성되어 모듈 하우징(120)에 결합되며, 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)와 모듈 하우징(120) 사이에 유로공간(153)이 형성되는 경우를 도시하고 있으나, 냉각 플레이트(150)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)는 상하 2장의 플레이트로 구성된 제1 몸체(151a)와 제2 몸체(151b)가 접합되어 구성되며, 제1 몸체(151a)와 제2 몸체(151b) 사이에 유로공간(153)이 형성되는 구조를 갖는 것도 가능하다. 예를 들어, 제1 몸체(151a)에는 베이스부(152)와 돌출부(154)가 형성되고 제2 몸체(151b)는 제1 몸체(151a)를 덮도록 구성되어 제1 몸체(151a)와의 사이에 유로공간(153)을 형성할 수 있다. 모듈 하우징(120)의 하면과 제2 몸체(151b)의 상면 사이에는 열전도성 향상을 위하여 실리콘 등의 열전달 물질로 이루어진 열전달 부재(TM)가 배치될 수 있다.

냉각 플레이트(150)는 모듈 하우징(120)으로부터 열이 유로공간(153)을 유동하는 냉매에 전달될 수 있도록 모듈 하우징(120)에 브레이징 등을 통하여 부착되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 냉각 플레이트(150)는 열전도성의 금속 재질로 구성되어 유로공간(153)을 흐르는 냉매의 열을 외부로 방출할 수 있다.

한편, 냉각 플레이트(150)는 배터리 모듈(100)의 하부에 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 배터리 모듈(100)의 상부, 또는 상부와 하부에 모두 배치되는 것도 가능하다.

열전소자(141)는 돌출부(154, 155)의 함몰된 공간에 설치되어 배터리 셀(111)에서 발생하여 모듈 하우징(120)으로 전달된 열을 외부로 방출할 수 있다. 열전소자(141)는 전원 인가에 따라 대향하는 제1 부분(142)과 제2 부분(142) 사이에서 온도 차이를 형성하게 된다. 예를 들면, 열전 소자(141)의 제1 부분(141)과 제2 부분(142) 중 어느 하나는 상대적으로 온도가 높은 고온부를 형성할 수 있고, 나머지 하나는 상대적으로 온도가 낮은 저온부를 형성할 수 있다. 따라서, 열전소자는 전기적인 입력에 따라 제1 부분(141)과 제2 부분(142) 중 어느 하나를 통하여 발열 또는 가열을 하고 나머지 하나를 통해 흡열 또는 냉각을 할 수 있다.

열전소자(141)는 배터리 셀(111)에서 모듈 하우징(120)으로 전달된 열이 열전소자(141)에 쉽게 전달될 수 있도록 돌기부(155)와 격벽부(154) 중 적어도 일부는 모듈 하우징(120)과 열적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에서 "열적으로 접촉(thermal contact)"이라는 용어는 모듈 하우징(120)의 열이 돌기부(155)나 격벽부(154)에 열전도(heat conduction)에 의해 전달된다는 것을 의미하는 것으로서, 돌기부(155)나 격벽부(154)가 모듈 하우징(120)과 직접적으로 접촉하여 열이 전달되는 경우뿐만 아니라, 열전달 부재나 다른 구성요소를 통하여 모듈 하우징(120)과 간접적으로 접촉하여 열이 전달되는 경우도 포함하는 것으로 한다. 또한, 돌기부(155)와 격벽부(154)는 대향하는 영역 전체에서 모듈 하우징(120)과 열적으로 접촉하지 않고 대향하는 영역 중 일부 영역에서 모듈 하우징(120)과 열적으로 접촉할 수도 있다.

열전소자(141)는 냉각 플레이트(150)의 격벽부(154)와 돌기부(155) 전체에 걸쳐 설치될 수 있으나, 설치 비용 절감을 위하여 격벽부(154)와 돌기부(155) 중 일부 또는 일부 영역에 대해서만 설치될 수 있다.

도 9를 참조하여 열전소자(141)가 구동되지 않은 상태에서 냉매가 흐를 때의 셀 적층체(110)의 온도분포를 살펴보면, 냉매의 유동 경로를 기준으로 유입구(IN)에 인접한 셀 적층체(110)의 부분보다 유출구(OUT)에 인접한 셀 적층체(110) 부분의 온도가 높게 형성된다. 유입구(IN)로 유입된 냉매는 유로공간(153)을 흐르면서 모듈 하우징(120)과 열교환하여 그 온도가 상승한 상태로 유출구(OUT)를 통해 배출된다. 이때, 셀 적층체(110) 중에서 냉각부(140)가 설치된 하면은 냉매와의 열교환을 통하여 온도가 하강하고 셀 적층체(110)의 측면은 모듈 하우징(120) 주변의 공기와의 열교환을 통하여 온도가 하강하게 되므로, 도 9에 도시된 바와 같이 유출구(OUT) 부분의 셀 적층체(110)보다는 유출구(OUT)와 약간의 거리를 두고 인접한 위치의 셀 적층체(110) 영역에 고온부위(HA)가 형성될 수 있다. 이와 같이 셀 적층체(110)가 고온부위(HA)가 되는 영역에서는 냉매의 온도도 높아질 수 있다.

이러한 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도 분포를 고려하여 열전소자(142)는 베이스부(152)의 외측면에 비대칭적으로 설치될 수 있다.

또한, 열전소자(141)는 유로공간(153)으로 냉매가 유입되는 영역에 대응하는 베이스부(152)의 외측면보다 유로공간(153) 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 대응하는 베이스부(152)의 외측면에 더 많이 설치될 수 있다. 즉, 열전소자(142)는 유입구(IN)에 인접한 영역보다는 유출구(OUT)에 인접한 영역, 즉 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에 더 많은 수의 돌기부(155)나 격벽부(154)에 설치될 수 있다.

예를 들어, 도 4에서 진하게 표시된 부분, 도 6의 평면도에서 하나의 원으로 표시된 부분, 도 7의 평면도에서 사각형으로 표시된 부분은 열전소자(141)가 설치된 돌기부(155)를 나타내고 있으며, 유입구(IN)에 인접한 부분보다 유출구(OUT)에 인접한 부분에 열전소자(141)가 더 많이 설치되는 실시예를 도시하고 있다.

도 8을 참조하면, 열전소자(141)는 격벽부(154)의 함몰된 공간 중에서 유로공간(153) 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 설치될 수 있다. 예를 들어, 유입구(IN)로부터 열전소자(141)가 격벽부(154)의 함몰된 공간에 설치되는 위치까지의 길이(L1)는 유로공간(153)의 전체 길이(L)의 절반 이상이 되는 위치로 설정될 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이 열전소자(141)는 격벽부(154)의 길이방향을 따라 길게 설치되는 구조를 가질 수 있다. 다만, 도 8은 일 실시예를 도시한 것으로서 격벽부(154)에 작은 크기(예를 들어 돌기부에 설치된 열전소자의 크기)의 열전소자(141)가 연이어서 또는 서로 이격된 상태로 복수개 설치될 수 있으며, 유입구(IN)에 인접한 격벽부(154)의 영역에도 열전소자(141)가 설치되는 것도 가능하다. 또한, 도 2 내지 도 7에 도시된 실시예의 격벽부(142)에도 열전소자(141)가 설치될 수도 있다.

한편, 돌기부(155)는 베이스부(152)로부터 돌출된 방향에 수직한 단면이 원형 또는 각형의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 돌기부(155)는 원기둥형, 원뿔대형, 각기둥형, 각뿔대형, 반구형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 냉각 플레이트(150)에 여러 형태의 돌기부(155)가 형성되는 것도 가능하다. 이때, 돌기부(155)에 설치되는 열전소자(141)의 제작 용이성을 위하여 열전소자(141)가 설치되는 돌기부(155)는 도 6 및 도 7에 예시된 바와 같이 원기둥이나 각기둥과 같은 기둥형 구조를 가질 수 있다. 또한, 열전소자(141)의 제작을 보다 용이하게 하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 사각기둥의 구조를 가질 수 있다.

그리고, 제1 열전달 부재(145)는 열전소자(141)와 돌출부(154, 155) 사이에 배치되어 모듈 하우징(120)으로부터 열전소자(141)에 전달된 열이 제1 열전달 부재(145)를 매개로 하여 돌출부(154, 155)를 통해 외부로 용이하게 배출되도록 할 수 있다.

제1 열전달 부재(145)는 열전달이 잘 이루어지도록 함과 동시에 열전소자(141)를 돌출부(154, 155)의 함몰된 공간에 설치할 수 있도록 하기 위하여 열전도성과 접착성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 열전달 부재(145)는 열전도성 그리스(thermal grease), 열전도성 접착제(thermal adhesive), 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포될 수 있다.

도 3 및 도 10을 참조하면, 배터리 셀(111)에서 발생한 열은 열전달 부재(TA)를 통해 모듈 하우징(120)으로 전달되고, 모듈 하우징(120)으로 전달된 열은 모듈 하우징(120)의 하우징 몸체(121)와 열적으로 접촉하는 돌출부(154, 155)에 전달된다. 이때, 열전소자(141)의 제1 부분(142)이 저온부가 되고 제2 부분(143)이 고온부가 되도록 열전소자(141)를 구동시키면 돌출부(154, 155)에 전달된 열은 열전소자(141)의 제1 부분(흡열부)(142)로 흡수된 후 제2 부분(방열부)(143)를 통하여 외부로 방출된다. 제2 부분(143)은 제1 열전달 부재(145)와 접촉하므로 제1 열전달 부재(145)를 통한 방열이 이루어지며 도 11 및 도 12를 통해 후술하는 바와 같이 제2 열전달부재(230) 및 팩 하우징(210)의 하부 하우징(211)을 통하여 배터리 팩(200)의 외부로 방출될 수 있다. 한편, 도 10에서는 방열이 이루어지는 제2 부분(143)에만 제1 열전달 부재(145)가 설치되는 구성을 도시하고 있으나 도 8에 도시된 바와 같이 제1 부분(142)과 제2 부분(143) 모두에 제1 열전달 부재(145)가 설치되는 것도 가능하다.

이와 같이, 냉각 플레이트(150)의 외측면에 설치된 열전소자(141), 그리고 열전소자(141)와 접촉하는 제1 열전달 부재(145)를 통하여 모듈 하우징(120)의 내부에서 발생한 열을 외부로 방출함으로써 배터리 모듈(100)에 설치된 위치에 따른 셀 적층체(110)(또는 배터리 셀)의 온도편차 및 배터리 셀(111)의 방열 불균일을 감소시키고 배터리 모듈(100)의 전체적인 냉각성능을 개선할 수 있게 된다. 특히, 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도가 높은 유출구(OUT)에 인접 영역에 열전소자(141)를 다수개 배치하거나 다른 영역보다 조밀하게 배치함으로써 셀 적층체(110) 및/또는 냉매의 온도가 높은 영역에서의 방열 성능을 개선할 수 있게 된다.

또한, 도 10을 참조하면, 냉각 플레이트(150)는 돌출부(154, 155) 또는 돌출부(154, 155)와 인접한 영역에 열전소자(141)로 전원을 공급하는 와이어(W)의 설치를 위한 와이어 설치홈(H)을 형성할 수 있다. 이러한 와이어 설치홈(H)은 와이어(W)의 배선 구조를 따라 형성될 수 있다. 이와 같이 와이어 설치홈(H)을 형성함으로써 열전소자(141)의 배선 작업이 용이하게 된다.

다음으로, 도 11 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)에 대해 설명한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이고, 도 12는 도 11에 도시된 배터리 팩(200)의 변형예를 도시한 단면도이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩(200)의 단면도이다.

도 11 내지 도 13에 도시된 배터리 팩(200)은 배터리 모듈(100) 및 복수의 배터리 모듈(100)을 내부에 수용하는 팩 하우징(210)을 포함하여 구성된다. 이와는 달리, 도 14에 도시된 배터리 팩(200)은 셀 적층체(110)가 배터리 모듈(100)을 구성하지 않고 팩 하우징(210)에 직접 설치된다. 즉, 도 14에 도시된 배터리 팩(200)은 셀 적층체(110)가 모듈 하우징(120)의 내부에 설치되지 않고 팩 하우징(210)에 직접 설치되는 구조(Cell to Pack 구조)를 갖는다.

팩 하우징(210)은 하부 하우징(211)과 상부 하우징(215)이 합형되어 복수의 배터리 모듈(100)을 내부에 수용하는 공간을 형성한다. 하부 하우징(211)은 하부 플레이트(212)와 하부 플레이트(212)의 모서리를 따라 상측으로 연장된 측면 플레이(213)를 포함하여 상측이 개방된 상자 구조를 가질 수 있다.

도 11에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 도 3에 도시된 배터리 모듈(100)이 설치된 예를 도시하고 있으며, 도 12에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 도 5에 도시된 배터리 모듈(100)이 설치된 예를 도시하고 있다.

그리고, 냉각부(140)를 구성하는 냉각 플레이트(150)의 하면, 즉 베이스부(152)의 외측면과 팩 하우징(210)의 내측면 사이에는 냉각부(140)로부터 팩 하우징(210)으로의 열전달이 용이하게 이루어질 수 있도록 하기 위하여 제2 열전달 부재(230)가 배치될 수 있다. 따라서, 모듈 하우징(120)으로부터 돌출부(154, 155)에 전달된 열은 열전소자(141)의 제1 부분(흡열부)(142)로 흡수된 후 제2 부분(방열부)(143) 및 제1 열전달 부재(145)를 거쳐 제2 열전달부재(230)로 전달되며, 최종적으로 팩 하우징(210)의 하부 하우징(211)을 통하여 배터리 팩(200)의 외부로 방출될 수 있다.

이때, 제2 열전달 부재(230)를 통하여 충분한 열을 흡수한 후 팩 하우징(210)의 넓은 면적을 통해 열 방출이 용이하게 이루어질 수 있도록 제2 열전달 부재(230)는 제1 열전달 부재(145)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다.

또한, 제1 열전달 부재(145)로부터 제2 열전달 부재(230)로의 열전달이 용이하도록 하기 위하여 제1 열전달 부재(145)와 제2 열전달 부재(230)는 서로 연결되는 구조를 가질 수 있다.

이러한 제2 열전달 부재(230)는 열전도성 그리스(thermal grease), 열전도성 접착제(thermal adhesive), 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제2 열전달 부재(230)는 베이스부(152)의 외측면과 팩 하우징(210)의 내측면 사이에 패드 형태로 배치되거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 도포될 수 있다.

한편, 도 13에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 팩 하우징(210)의 내부에 배터리 모듈(100)이 구비된다는 점은 도 11 및 도 12의 실시예와 동일하지만, 배터리 모듈(100)의 냉각을 위하여 팩 하우징(210)의 내부에 설치된 팩 냉각부(240)를 추가로 포함한다는 점에서 차이가 있다. 즉, 도 13에 도시된 배터리 팩(200)의 실시예는 팩 하우징(210)의 내부에 설치되는 배터리 모듈(100)에 냉각부가 구비되지 않고 팩 하우징(210)에 설치된 팩 냉각부(240)를 통하여 배터리 모듈(100)의 냉각을 수행하게 된다.

배터리 모듈(100)에 냉각부(140)가 구비되지 않고 팩 냉각부(240)를 통해 냉각을 수행할 수 있기 때문에, 배터리 모듈(100)과 팩 하우징(210) 사이에 팩 냉각부(240)를 구성할 수도 있지만, 도 14에 도시된 바와 같이 배터리 모듈을 구성하지 않고 셀 적층체(110)를 팩 하우징(210)에 안착시키고, 팩 냉각부(240)는 팩 하우징(210) 하부에 위치하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 셀 적층체(110)는 열전달 부재(TA)를 통해 팩 하우징(210)에 안착될 수 있다.

팩 냉각부(240)는, 냉매가 유동하는 유로공간(253)이 형성된 냉각 플레이트(250)와, 냉각 플레이트(250)의 외측면에 설치되는 열전소자(241)와, 열전소자(241)와 냉각 플레이트(250)의 외측면 사이에 배치되는 제1 열전달 부재(245)를 구비할 수 있다. 또한, 냉각 플레이트(250)는 베이스부(252)와, 베이스부(252)로부터 셀 적층체(110)를 향하여 돌출되어 외측면에 함몰된 공간을 형성하는 돌출부(255)를 포함할 수 있다.

베이스부(252)는 몸체부(251)의 하면에 대응할 수 있다. 냉각 플레이트(250)의 몸체부(251)는 상하 2장의 플레이트로 구성된 제1 몸체(251a)와 제2 몸체(251b)가 접합되어 구성되며, 제1 몸체(251a)와 제2 몸체(251b) 사이에 유로공간(253)이 형성되는 구조를 가질 수 있다. 냉각 플레이트(250)의 제1 몸체(251a)는 도 2 내지 도 4, 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 냉각 플레이트(150)의 몸체부(151)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 몸체(251a)에는 베이스부(252), 유로공간(253) 및 돌출부(255)가 형성될 수 있으며, 돌출부(255)는 돌기부와 격벽부를 포함할 수 있다. 불필요한 중복을 피하기 위하여 제1 몸체(251a)에 대한 상세한 설명은 생략하고 전술한 몸체부(151)의 설명으로 갈음하기로 한다.

또한, 제2 몸체(251b)는 제1 몸체(251a)를 덮도록 구성되어 제1 몸체(251a)와의 사이에 유로공간(153)을 형성할 수 있다. 모듈 하우징(120)의 하면과 제2 몸체(251b)의 상면 사이에는 열전도성 향상을 위하여 실리콘 등의 열전달 물질로 이루어진 열전달 부재(TM)가 배치될 수 있다.

열전소자(241)와 제1 열전달 부재(245)의 경우에도 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 배터리 모듈(100)에 구비되는 열전소자(141)와 제1 열전달 부재(145)에 대응하는 구성을 가질 수 있다. 불필요한 중복을 피하기 위하여 열전소자(241)와 제1 열전달 부재(245)에 대한 상세한 설명도 생략하고 전술한 열전소자(141)와 제1 열전달 부재(145)의 설명으로 갈음하기로 한다.

그리고, 팩 냉각부(240)를 구성하는 냉각 플레이트(250)의 하면, 즉 베이스부(252)의 외측면과 팩 하우징(210)의 내측면 사이에는 냉각부(240)로부터 팩 하우징(210)으로의 열전달이 용이하게 이루어질 수 있도록 제2 열전달 부재(230)가 배치될 수 있다. 따라서, 모듈 하우징(120)으로부터 돌출부(255)에 전달된 열은 열전소자(241)의 제1 부분(흡열부)(242)로 흡수된 후 제2 부분(방열부)(243) 및 제1 열전달 부재(245)를 거쳐 제2 열전달부재(230)로 전달되며, 최종적으로 팩 하우징(210)의 하부 하우징(211)을 통하여 배터리 팩(200)의 외부로 방출될 수 있다.

이때, 제2 열전달 부재(230)를 통하여 충분한 열을 흡수한 후 팩 하우징(210)의 넓은 면적을 통해 열 방출이 용이하게 이루어질 수 있도록 제2 열전달 부재(230)는 제1 열전달 부재(245)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다.

또한, 제1 열전달 부재(245)로부터 제2 열전달 부재(230)로의 열전달이 용이하도록 하기 위하여 제1 열전달 부재(245)와 제2 열전달 부재(230)는 서로 연결되는 구조를 가질 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 팩(200)은 열전소자(141, 241)의 구동을 제어하는 제어부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 제어부는 통상적인 배터리 팩(200)에 구비되는 배터리 관리 시스템(BMS)에 대응할 수 있다. 열전소자(141, 241)는 배터리 팩(200)이 설치되는 차량이나 에너지 저장장치(ESS) 등의 저전압 라인에 연결되어 전원을 공급받을 수 있다.

제어부는 겨울철 또는 외부 온도가 낮은 환경(예를 들어, 극지방) 등에 대응하여 안정적인 배터리 모듈(100)의 구동이 가능하도록 셀 적층체(110)의 온도에 따라 열전소자(141, 241)에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 제어를 수행할 수 있다. 즉, 외부 온도나 배터리 셀(111)의 온도가 낮은 경우에 배터리 모듈(100)의 방열 수행 시에 열전소자(141, 241)에 인가되는 전원과는 반대 극성의 전원을 열전소자(141, 241)에 인가하여 배터리 셀(111)의 온도를 높임으로써 배터리 모듈(100)의 안정적 구동을 구현할 수 있다.

또한, 제어부는 복수의 열전소자(141, 241) 중 적어도 일부의 구동을 개별적으로 제어할 수 있다. 즉, 제어부를 통하여 각각의 열전소자(141, 241)를 온/오프 제어함으로써 열전소자(141, 241)를 통한 냉각이 필요한 경우 각각의 열전소자(141, 241) 또는 그룹화된 열전소자(141, 241)를 선택적으로 구동시킬 수 있게 된다. 또한, 셀 적층체(110) 중에서 일부영역에서 냉각효율이 저하된 경우 또는 온도상승이 필요한 경우 해당영역에 대등하는 열전소자를 선택적으로 구동시킬 수 있게 된다. 이러한 제어를 수행하기 위하여 배터리 모듈(200)의 내부에 구비된 온도센서(미도시)에서 측정된 온도를 이용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 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.

예를 들어, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.

100... 배터리 모듈 110... 셀 적층체
111... 배터리 셀 111a... 전극 리드
120... 모듈 하우징 121... 하우징 몸체
122... 하부 플레이트 123... 측면 플레이트
125... 하우징 커버 126... 엔드 플레이트
126a... 관통구멍 130... 절연 커버
132... 접속단자 140... 냉각부
141... 열전소자 142... 제1 부분
143... 제2 부분 145... 제1 열전달 부재
150... 냉각 플레이트 151... 몸체부
151a... 제1 몸체 151b... 제2 몸체
152... 베이스부 153... 유로공간
154... 돌출부(격벽부) 155... 돌출부(돌기부)
200... 배터리 팩 210... 팩 하우징
211... 하부 하우징 212... 하부 플레이트
213... 측면 플레이트 215... 상부 하우징
230... 제2 열전달 부재 240... 팩 냉각부
241... 열전소자 242... 제1 부분
243... 제2 부분 245... 제1 열전달 부재
250... 냉각 플레이트 251... 몸체부
251a... 제1 몸체 251b... 제2 몸체
252... 베이스부 253... 유로공간
255... 돌출부(돌기부) H... 와이어 설치홈
HA... 고온영역 IN... 유입구
L... 유로공간의 길이
L1... 유입구로부터 열전소자 설치 위치까지의 길이
OUT... 유출구 Q... 열 흐름
TA, TM... 열전달 부재 W... 와이어

Claims (19)

1. 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체;
   상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징; 및
   상기 모듈 하우징을 냉각시키며, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 갖는 냉각부;
   를 포함하며,
   상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고,
   상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 모듈 하우징을 지지하는 구조를 갖는 배터리 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 모듈 하우징과 열적으로 접촉하는 배터리 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 열전소자는 상기 베이스부의 외측면에 비대칭적으로 설치되는 배터리 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 베이스부에 서로 이격되어 배치된 복수의 돌기부를 포함하며,
   상기 열전소자는 상기 돌기부의 적어도 일부에 설치되는 배터리 모듈.
6. 제5항에 있어서,
   상기 돌기부는 상기 베이스부로부터 돌출된 방향에 수직한 단면이 원형 또는 각형의 형상을 갖는 배터리 모듈.
7. 제5항에 있어서,
   상기 열전소자는 상기 유로공간으로 냉매가 유입되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면보다 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 대응하는 상기 베이스부의 외측면에 더 많이 설치되는 배터리 모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하고 냉매의 유동을 가이드하도록 냉매의 유동방향을 따라 연장된 형상을 갖는 격벽부를 포함하며,
   상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 적어도 일부 공간에 설치되는 배터리 모듈.
9. 제8항에 있어서,
   상기 열전소자는 상기 격벽부의 함몰된 공간 중에서 상기 유로공간 외측으로 냉매가 유출되는 영역에 설치되는 배터리 모듈.
10. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자는 전원 인가에 따라 대향하는 제1 부분과 제2 부분 사이에서 온도 차이를 형성하며,
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 적어도 하나와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치하는 배터리 모듈.
11. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 상기 열전소자로 전원을 공급하는 와이어의 설치를 위한 와이어 설치홈이 상기 돌출부 또는 상기 돌출부와 인접한 영역에 형성되는 배터리 모듈.
12. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 상기 베이스부와 상기 돌출부가 형성된 제1 몸체와, 상기 제1 몸체와 결합되어 상기 제1 몸체와의 사이에 상기 유로공간을 형성하는 제2 몸체를 포함하는 배터리 모듈.
    
13. 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체;
    상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 팩 하우징; 및
    상기 셀 적층체를 냉각하도록 상기 팩 하우징에 설치되는 팩 냉각부;
    를 포함하며,
    상기 팩 냉각부는, 냉매가 유동하는 유로공간이 형성된 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 외측면에 설치되는 열전소자를 포함하며,
    상기 냉각 플레이트는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 상기 셀 적층체를 향하여 돌출되어 함몰된 공간을 형성하는 돌출부를 포함하고,
    상기 열전소자는 상기 돌출부의 함몰된 공간에 설치되는 배터리 팩.
14. 제13항에 있어서,
    상기 셀 적층체는 열전달 부재를 통해 상기 팩 하우징에 안착되며, 상기 팩 냉각부는 상기 팩 하우징의 하부에 위치하는 배터리 팩.
15. 제13항에 있어서,
    상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 모듈 하우징을 더 포함하며, 상기 팩 냉각부는 상기 모듈 하우징과 상기 팩 하우징 사이에 위치하는 배터리 팩.
16. 제15항에 있어서,
    상기 열전소자와 상기 돌출부 사이에는 제1 열전달 부재가 위치하고,
    상기 베이스부의 외측면과 상기 팩 하우징 사이에는 제2 열전달 부재가 위치하며,
    상기 제2 열전달 부재의 두께는 상기 제1 열전달 부재의 두께보다 큰 값을 갖는 배터리 팩.
17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 열전달 부재와 상기 제2 열전달 부재는 서로 연결되는 배터리 팩.
18. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 열전소자의 구동을 제어하는 제어부;
    를 추가로 포함하며,
    상기 열전소자는 저전압 라인에 연결되어 전원을 공급받고,
    상기 제어부는 상기 셀 적층체의 온도에 따라 상기 열전소자에 인가되는 전원의 극성을 전환하는 제어를 수행할 수 있는 배터리 팩.
19. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는 복수의 상기 열전소자 중 적어도 일부의 구동을 개별적으로 제어할 수 있는 배터리 팩.

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