KR20220114801A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20220114801A KR1020210018269A KR20210018269A KR20220114801A KR 20220114801 A KR20220114801 A KR 20220114801A KR 1020210018269 A KR1020210018269 A KR 1020210018269A KR 20210018269 A KR20210018269 A KR 20210018269A KR 20220114801 A KR20220114801 A KR 20220114801A
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문신영
황창묵
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체, 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 완충 패드, 및 상기 완충 패드의 양면 중 적어도 한 면에 배치되어 상기 배터리 셀과 면접촉하는 열 전달층을 포함하고, 상기 열 전달층은 그라파이트(graphite) 재질을 포함하며 0.05mm 이상, 0.1mm 이하의 두께로 형성될 수 있다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 방열 성능이 개선된 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차와 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 연구가 폭넓게 이루어지고 있다. 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type) 배터리 셀을 다수 개를 연결한 배터리 모듈이나 배터리 팩의 형태로 이용되고 있다.
한편, 배터리 모듈은 장시간 사용될 경우, 배터리로부터 열이 발생하게 되고, 특히 충전 시에는 내부의 온도가 급격히 상승하게 되며, 이와 같은 배터리의 온도 상승은 배터리의 수명을 단축시키게 되고, 배터리의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 최악의 경우 발화되거나 폭발할 수 있다.
따라서 배터리 모듈에는 내부에 수용되는 배터리 셀을 냉각시키는 냉각 시스템이 요구되고 있다. 그런데 종래의 경우, 배터리 셀들에서 발생되는 열을 효과적으로 배출하지 못하여 냉각 효율이 매우 낮다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 배터리 셀의 열을 효과적으로 방출할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체, 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 완충 패드, 및 상기 완충 패드의 양면 중 적어도 한 면에 배치되어 상기 배터리 셀과 면접촉하는 열 전달층을 포함하고, 상기 열 전달층은 그라파이트(graphite) 재질을 포함하며 0.05mm 이상, 0.1mm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 열 전달층에 연결되어 상기 열 전달층의 열을 흡수하는 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 배터리 셀 동작 시 상기 냉각 장치의 온도와 상기 배터리 셀의 온도 차는 0.12℃ 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 배터리 셀은, 상기 냉각 장치와 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 열전달 부재를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 열전달 부재는, 써멀 그리스, 열전도성 접착제, 및 방열 패드로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 완충 패드는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도하나의 재질로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 완충 패드는, 탄성 압축되는 폼(foam)의 형태로 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체, 상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 완충 패드, 및 상기 완충 패드의 양면 중 적어도 한 면에 배치되며 상기 배터리 셀과 면접촉하는 열 전달층을 포함하고, 상기 완충 패드는 열전도성 파우더가 혼합된 실리콘 수지로 형성되며, 상기 열 전달층은 반고형(半固形) 형태로 형성되고, 상기 완충 패드는 0.3mm 이상, 1mm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 열 전달층은, 0.1mm 이상, 0.5mm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 열 전달층은, 열전도성 필러(filler)를 함유하는 실리콘 컴파운드(silicone compound) 또는 실리콘 그리스(silicone grease)로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 열 전달층에 연결되어 상기 열 전달층의 열을 흡수하는 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 완충 패드는 0.5mm 이상, 1mm 이하의 두께로 형성되고, 상기 배터리 셀 동작 시 상기 냉각 장치의 온도와 상기 배터리 셀의 온도 차는 3.5℃ 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 배터리 셀은, 상기 냉각 장치와 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 열전달 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀의 열을 빠르게 방출하여 배터리 셀의 동작 온도를 낮출 수 있어 배터리 셀의 수명을 연장시킬 수 있으며, 이에 배터리 모듈의 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀을 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 I-I' 에 따른 단면도.
도 4는 열 전달층의 두께를 다르게 하여 배터리 셀의 열 전도율을 측정한 데이터.
도 5는 도 4에 도시된 각 비교예들에 대해 충방전 테스트를 실시하여 측정한 그래프.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 열 전도율을 측정한 데이터.
도 7은 도 6에 도시된 각 비교예들에 대해 충방전 테스트를 실시하여 측정한 그래프.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 I-I' 에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(10)을 다수 개 적층한 셀 적층체(1)와, 모듈 케이스(30), 버스바 조립체(70), 및 냉각 부재(95)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(1)는 다수의 배터리 셀들(10)을 적층하여 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 좌우 방향(또는 수평 방향)으로 배터리 셀들(10)을 적층하는 경우를 예로 들고 있으나, 필요에 따라 상하 방향으로 적층하도록 구성하는 것도 가능하다.
각각의 배터리 셀들(10)은 파우치형(pouched type) 이차전지일 수 있으며, 전극 리드(15)가 외부로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(10)은 파우치(pouch) 내에 전극 조립체(미도시)가 수용된 형태로 구성될 수 있으며, 전극 조립체는 파우치 내에 수납되어 전극 리드(15)에 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 배터리 셀(10)은 전극 조립체 및 전해액이 수용되는 수용부와, 수용부를 밀봉하는 실링부(202)로 구분될 수 있다.
수용부(204)는 용기 형태로 형성되어 사각 형상의 내부 공간을 제공할 수 있다. 수용부(204)의 내부 공간에는 전극 조립체 및 전해액이 수용될 수 있다.
실링부(202)는 파우치(11)의 일부가 접합되어 수용부(204)의 둘레를 밀봉하는 부분이다. 따라서 실링부(202)는 용기 형태로 형성되는 수용부(204)에서 외부로 확장되는 플랜지 형태로 형성되며, 이에 실링부(202)는 수용부(204)의 외곽을 따라 배치될 수 있다.
본 실시예의 각 배터리 셀들(10)은 2개의 전극 리드(15)가 서로 반대 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 구성되는 배터리 셀(10)은 충전 및 방전이 가능한 전지일 수 있고, 구체적으로는 리튬 이온(Li-ion) 전지 또는 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지일 수 있다.
모듈 케이스(30)는 배터리 모듈(100)의 외형을 규정하며, 셀 적층체(1)의 외부에 배치되어 외부 환경으로부터 배터리 셀들(10)을 보호할 수 있다.
본 실시예의 모듈 케이스(30)는 셀 적층체(1)의 일측에 배치되는 제1 플레이트(50), 셀 적층체(1)의 타측에 배치되는 제2 플레이트(40), 그리고, 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치되는 측면에 배치되는 측면 커버(60)를 포함할 수 있다.
제1 플레이트(50)는 셀 적층체(1)의 하부에 배치되어 셀 적층체(1)의 하부면을 지지하는 하부 플레이트(52)와, 셀 적층체(1)의 측면을 지지하는 측면 플레이트(58)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 하부 플레이트(52)와 측면 플레이트(58)는 하나의 판형 부재를 절곡하여 형성할 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 측면 플레이트(58)와 하부 플레이트(52)를 독립적인 구성 요소들로 구성하는 것도 가능하다.
하부 플레이트(52)는 배터리 모듈(100)의 바닥면을 형성한다. 따라서 하부 플레이트(52)는 편평한 형태로 구성될 수 있다.
측면 플레이트(58)는 하부 플레이트(52)의 양 측에서 연장되어 셀 적층체(1)를 지지하도록 형성될 수 있다. 측면 플레이트(58)와 셀 적층체(1) 사이에는 방열 부재나 완충 부재가 개재될 수 있다.
제1 플레이트(50)는 금속과 같은 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트(50)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
제2 플레이트(40)는 배터리 셀(10)의 상부에 배치되어 셀 적층체(1)의 상면에 결합될 수 있다. 또한 제2 플레이트(40)는 제1 플레이트(50)의 측면 플레이트(58) 상단에 체결될 수 있다. 따라서 제2 플레이트(40)가 제1 플레이트(50)에 체결되면, 제2 플레이트(40)와 제1 플레이트(50)는 내부가 빈 관형 부재의 형상을 가질 수 있다.
제2 플레이트(40)는 제1 플레이트(50)와 마찬가지로 금속과 같은 열 전도성이 높은 재질로 구성될 수 있다. 예컨대 제2 플레이트(40)는 알루미늄 재질로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 금속이 아니더라도 유사한 강도와 열 전도성을 갖는 재질이라면 다양한 재질이 이용될 수 있다.
제1 플레이트(50)와 제2 플레이트(40)는 용접 등의 방식으로 결합될 수 있다. 그러나 슬라이딩 방식으로 결합하거나, 볼트나 나사 등의 고정 부재를 이용하여 결합하는 등 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.
측면 커버(60)는 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치되는 양 측면에 각각 결합될 수 있다.
측면 커버(60)는 나사나 볼트와 같은 고정 부재를 통해 제1 플레이트(50) 및 제2 플레이트(40)에 결합될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 용접 등의 방식을 통해 결합될 수도 있다.
측면 커버(60)는 수지와 같은 절연성 재질로 형성될 수 있으며, 접속 단자(72)를 외부로 노출시키기 위한 관통 구멍(62)을 구비할 수 있다.
측면 커버(60)와 셀 적층체(1) 사이에는 버스바 조립체(70)가 개재될 수 있다.
버스바 조립체(70)는 배터리 셀들(10)의 전극 리드들(15)이 배치된 측면에 배치되어 셀 적층체(1)에 결합될 수 있으며, 적어도 하나의 버스바(75)와 절연 커버(77)를 포함할 수 있다.
절연 커버(77)는 버스바(75)와 결합되어 버스바 조립체(70)의 전체적인 외형을 형성할 수 있다. 절연 커버(77)는 절연성 재질로 형성되며, 버스바(75)는 적어도 일부가 절연 커버(77)의 내부에 매립되거나 절연 커버(77)에 접합될 수 있다.
절연 커버(77)에는 전극 리드들(15)이 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(76)이 구비될 수 있다. 또한 절연 커버(77)에는 배터리 셀들(10)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 접속 단자(72)가 구비될 수 있다.
접속 단자(72)는 측면 커버(60)에 형성된 관통 구멍(62)을 통해 외부로 노출될 수 있다. 따라서 측면 커버(60)의 관통 구멍(62)은 접속 단자(72)의 크기와 형상에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서 접속 단자(72)는 도전성 부재로 구성되며 버스바(75)에 전기적으로 연결되거나 적어도 하나의 버스바(75)에 접합될 수 있다.
버스바(75)는 금속판의 형태로 형성되어 절연 커버(77)의 외부면에 결합될 수 있다. 배터리 셀들(10)은 버스바(75)를 통해 상호 간에 전기적으로 연결되며, 버스바(75)와 접속 단자(72)를 매개로 하여 배터리 모듈(100)의 외부 요소와 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 위해, 버스바(75)에는 전극 리드들(15)이 삽입 배치되는 다수의 관통 홀(76)이 구비될 수 있으며, 전극 리드들(15)은 버스바(75)의 관통 홀(76)에 삽입된 후 용접 등의 방식을 통해 버스바(75)에 접합될 수 있다. 이에 전극 리드(15)의 끝단은 적어도 일부가 버스바(75)를 완전히 관통하여 버스바(75)의 외부로 노출될 수 있다.
셀 적층체(1)와 제1 플레이트(50) 사이, 셀 적층체(1)와 제2 플레이트(40) 사이 중 적어도 한 곳에는 열전달 부재(90)가 배치될 수 있다.
열전달 부재(90)는 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 모듈 케이스(30)로 전달할 수 있다. 이를 위해 열전달 부재(90)는 높은 열전도도를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어 열전달 부재(90)는 써멀 그리스(Thermal grease), 열전도성 에폭시 수지와 같은 열전도성 접착제(Thermal adhesive), 및 방열 실리콘 패드와 같은 방열 패드 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
열전달 부재(90)는 패드 형태로 모듈 케이스(30) 내부면에 배치거나, 액상 또는 겔(gel) 상태로 모듈 케이스(30)의 내부면에 도포하여 형성할 수 있다. 본 실시예의 열전달 부재(90)는 높은 절연성을 가지며, 예를 들어, 절연 내력(Dielectric strength)이 10 ~ 30 KV/mm 의 범위인 물질이 이용될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(10)에서 부분적으로 전기 절연이 파괴되더라도 배터리 셀(10) 주변에 배치된 열전달 부재(90)에 의해 배터리 셀(10)과 모듈 케이스(30) 간의 전기 절연이 유지될 수 있다.
또한 열전도 부재(90)는 배터리 셀들(10)과 케이스(30) 사이 공간을 충진하는 형태로 배치되므로, 배터리 모듈(100)의 전체적인 강성도 보강될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(30)의 외부면에는 모듈 케이스(30)를 효과적으로 냉각시키기 위해 냉각 장치(20)가 결합될 수 있다.
본 실시예에서 냉각 장치(20)는 모듈 케이스(30)에 일체로 결합되어 배터리 모듈(100)에 포함될 수 있으며, 하부 플레이트(52)의 외부면에 결합되어 하부 플레이트(52)와 일체로 형성될 수 있다.
구체적으로, 하부 플레이트(52)는 냉각 유로(22)를 형성하는 구조물로 이용될 수 있다. 따라서 본 실시예의 하부 플레이트(52)는 냉각 장치(20)의 일부로 구성될 수 있으며, 본 실시예의 배터리 모듈은 냉각 장치(20)와 셀 적층체(1) 사이에 열전달 부재(90)만이 배치되는 것으로 이해될 수 있다.
그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 모듈이 장착되는 구조물 측에 냉각 장치를 배치하고, 상기 냉각 장치 상에 배터리 모듈을 결합하는 등 배터리 모듈의 하부면이 냉각 장치에 접촉할 수만 있다면 다양한 변형이 가능하다.
냉각 장치(20)는 후술되는 열 전달층(85)에 연결되어 배터리 셀로(10)부터 열 전달층(85)으로 전달된 열을 흡수할 수 있다.
본 실시예의 냉각 장치(20)는 내부에 냉각 유로(22)를 구비하는 수냉식 냉각 장치(20)일 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 공랭식 냉각 장치를 적용하는 것도 가능하다.
또한 본 실시예의 배터리 모듈은 적어도 하나의 완충 패드(80)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 완충 패드(80)는 배터리 셀들(10) 사이에 배치될 수 있으며, 특정 배터리 셀(10)이 팽창하는 경우 압축되며 탄성 변형될 수 있다. 이에 배터리 셀이 팽창하더라도 셀 적층체(1)의 전체 부피가 증가하는 것을 억제할 수 있다.
본 실시예의 완충 패드(80)는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리우레탄(polyurethane) 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있으며, 탄성 압축되는 폼(foam)의 형태로 형성될 수 있다.
이러한 완충 패드(80)는 배터리 셀(10)의 팽창에 대응하여 압축될 수 있으나, 열 전도도가 낮아 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각 장치(20) 측으로 전달하기 어렵다.
이에 본 실시예의 완충 패드(80)는 양면 중 적어도 한 면에 열 전달층(85)이 형성될 수 있다.
열 전달층(85)은 열 전도도가 높은 물질을 완충 패드(80)에 코팅하여 형성할 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서 열 전달층(85)은 그라파이트(graphite) 재질로 형성된 코팅층일 수 있다.
열 전달층(85)은 전체가 배터리 셀(10)의 수용부(204)와 면접촉하도록 배치될 수 있다. 따라서 열 전달층(85)은 완충 패드(80)의 일면 중 수용부(204)와 대면하는 영역 전체에 배치될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 열 전달층(85)은 필요에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있다.
또한 열 전달층(85)은 전술한 열전달 부재(90)에 접촉하도록 배치될 수 있다. 따라서 열 전달층(85)은 열전달 부재(90)와 하부 플레이트(52)를 매개로 냉각 장치(20)에 연결될 수 있으며, 배터리 셀(10)에서 발생되는 열은 열 전달층(85)을 통해 냉각 장치(20)로 전달되어 외부로 방출될 수 있다.
도 4는 열 전달층의 두께를 다르게 하여 배터리 셀의 열 전도율을 측정한 데이터로, 완충 패드(80)의 양면 중 한 면에만 그라파이트(graphite)로 열 전달층(85)을 형성하여 측정하였다.
도 4를 참조하면, 열 전달층(85) 없이 완충 패드(80)만을 구비하는 기준예의 경우, 열 전도율이 2.8W/mk이지만, 열 전달층(85)을 배치한 비교예들의 경우 200W/mk 이상의 열 전도율을 갖는 것으로 측정되어 열 전달층(85)에 의해 열 전도율이 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
일반적으로 배터리 셀(10)은 낮은 온도에서 동작할 때 수명이 증가한다. 예컨대, 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 효율적으로 방출시켜 배터리 셀(10)의 동작 온도를 낮추는 경우, 배터리 셀의 수명은 2배 내지 3배 증가될 수 있다. 따라서 본 실시예와 같이 열 전달층(85)과 열전달 부재(90)로 형성되는 열방출 경로를 포함하는 경우, 배터리 셀(10)의 수명을 크게 증가시킬 수 있다.
도 4에서 온도 차(ΔT)는 냉각 장치(20)에 의한 배터리 셀(10)의 주변 온도와, 배터리 셀(10) 동작 시 배터리 셀(10)의 온도 사이의 차이를 의미한다. 본 실시예에서는 냉각 장치를 통해 배터리 셀(10)의 주변 온도를 25℃로 유지시키며 배터리 셀(10)의 동작 온도를 측정하였다. 따라서 본 실시예에서 배터리 셀(10)의 주변 온도는 냉각 장치의 온도를 의미할 수 있다.
기준예의 경우, 배터리 셀(10)의 동작 온도가 40℃ 인 것으로 측정되어, 주변 온도와 15℃의 온도 차(ΔT)가 발생하는 것으로 나타났다. 반면에 비교예1, 2, 3, 5는 배터리 셀(10)의 동작 온도가 25.12℃ 인 것으로 측정되어, 0.12℃의 온도 차(ΔT)가 발생하는 것으로 측정되었고, 비교예4는 배터리 셀(10)의 동작 온도가 29.78℃ 인 것으로 측정되어, 4.78℃의 온도 차(ΔT)가 발생하는 것으로 측정되었다.
비교예1, 2, 3, 5는 열 전달층(85)의 두께를 0.1mm 이상으로 형성하였으며, 이 경우 상기한 온도 차(ΔT)가 0.12℃로 측정되었다. 따라서 열 전달층(85)의 두께를 0.1mm 이상으로 형성하게 되면 배터리 셀(10)의 동작 온도가 주변 온도와 유사하게 유지되는 것을 나타났다.
반면에 열 전달층(85)의 두께가 0.01mm인 비교예4의 경우, 얇은 두께로 인하여 다른 비교예들에 비해 열 전달 효율이 다소 저하되는 것을 확인할 수 있다.
또한 비교예1, 2, 3, 5를 참조하면, 열 전달층(85)의 두께가 0.1mm ~0.5mm의 범위에 포함되는 경우, 열 전달층(85)의 두께가 다르더라도 열전도율이 유사한 것으로 나타났다. 다시 말해, 0.1mm를 초과하는 두께로 열 전달층(85)을 형성하더라도 열 전달층(85)의 두께가 0.1mm인 경우에 비해 열 전달 효율이 크게 차이 나지 않는 것을 확인할 수 있다.
열 전달층(85)의 두께가 증가할수록 셀 적층체(1)의 부피도 증가하게 되므로 셀 적층체(1)의 에너지 밀도는 낮아지게 된다. 따라서 본 실시예의 열 전달층(85)은 얇은 두께로 형성하는 것이 유리하다. 이에 본 실시예에서 열 전달층(85)의 두께는 0.1mm 이하로 형성될 수 있다.
또한 열 전달층(85)의 두께를 0.05mm 이하로 형성하는 경우, 제조 공정에서 균일한 두께로 열 전달층(85)을 형성하기 어렵다.
이에 본 실시예에서 열 전달층(85)은 0.05mm 이상, 0.1mm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 비교예1, 2, 3, 5를 참조하면, 열 전달층(85)의 두께가 0.1mm 이상인 경우 열 전달층(85)의 두께가 다르더라도 전술한 온도 차(ΔT)가 0.12℃ 이하인 것을 알 수 있다. 이에 본 실시예의 배터리 모듈(100)은 열 전달층(85)의 두께가 0.1mm 이하이며, 배터리 셀(10) 동작 시 주변 온도와 배터리 셀(10)의 온도 차(ΔT)가 0.12℃ 이하로 유지되는 구성으로 규정될 수 있다.
비교예5는 셀 적층체(1)를 체결하는 체결력을 증가시켜 측정한 데이터로, 여기서 셀 적층체(1)의 체결력이란 셀 적층체(1)의 양단에서 셀 적층체(1)를 가압하여 배터리 셀들(10)을 서로 밀착시키는 힘으로 이해될 수 있다.
도 4를 참조하면 비교예5는 3000N의 체결력으로 셀 적층체(1)를 체결하였다. 이 경우 완충 패드(80)가 압축되어 완충 패드(80)의 두께가 감소하므로, 완충 패드(80)의 일면에 0.1mm 두께의 열 전달층(85)이 구비되더라도 셀 적층체(1)의 전체적인 부피는 기준예와 동일하게 유지될 수 있다. 즉 열 전달층(85)을 포함하면서 종래와 동일한 부피의 셀 적층체(1)를 제공할 수 있다.
비교예5와 같이 체결력을 높이는 경우, 배터리 셀들(10)이 가압되므로 배터리 셀(10)의 수명이 다소 단축될 수 있다. 그러나 열 전도율 증가에 따라 배터리 셀의 동작 온도를 낮출 수 있으므로, 열 전달층(85)을 구비하지 않는 기준예에 비해 배터리 셀(10)의 전체적인 수명은 오히려 증가될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 완충 패드(80)의 일면에만 열 전달층(85)을 형성하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 완충 패드(80)의 양면에 모두 열 전달층(85)을 형성하는 것도 가능하다.
도 5는 도 4에 도시된 각 비교예들에 대해 충방전 테스트를 실시하여 측정한 그래프로, 충방전 사이클 대비 배터리 셀의 용량 변화를 나타내고 있다.
도 5를 참조하면, 기준예의 경우, 충방전이 1210회 진행되었을 때 배터리 셀의 용량이 초기 용량 대비 80% 저하되는 것으로 나타났으나, 비교예들의 경우 충방전이 2280회 내지 2630회 진행되었을 때 배터리 셀의 용량이 80%로 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 열 전달층(95)을 통해 배터리 셀(10)의 수명이 크게 증가된 것을 알 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 열 전도율을 측정한 데이터로, 실리콘 재질로 완충 패드(80)를 구성하고, 완충 패드(80)의 양면 중 한 면에만 실리콘 재질의 페이스트를 도포하여 열 전달층(85)을 구성하였다.
따라서 도 6의 변형예는 열 전달층(85) 없이 실리콘 재질의 완충 패드(80)만이 배터리 셀들(10) 사이에 배치되는 구성을 의미한다.
본 실시예의 배터리 모듈은 전술한 도 3과 동일하게 구성될 수 있으며, 완충 패드와 열 전달층의 재질과 두께에 있어서만 차이를 가질 수 있다.
본 실시예에서 완충 패드(80)는 내열성과 전기절연성이 우수한 실리콘 수지에 열전도성 파우더를 혼합하여 제조될 수 있다.
열전도성 파우더는 무기 충전제를 포함할 수 있으며, 예컨대 산화마그네슘, 산화알루미늄, 질화붕소 등이 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예의 완충 패드(80)는 6W/mk 이하의 열전도율을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 실시예에서 열 전달층(85)은 컴파운드(compound)나 그리스(grease)와 같이 반고형(半固形) 또는 페이스트(paste)나 겔(gel) 형태로 형성되어 완충 패드(80)와 배터리 셀(10) 사이의 간극을 메우는 형태로 배치될 수 있다. 이를 위해 본 실시예의 열 전달층(85)은 점착성 및 점도를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
예컨대, 열 전달층(85)으로는 실리콘 오일에 알루미나와 같은 열전도성 필러를 함유시킨 실리콘 컴파운드(silicone compound)나, 실리콘 그리스(silicone grease) 등이 이용될 수 있다.
열 전달층(85)이 점착성 및 점도를 갖는 경우, 전술한 완충 패드(80)보다 열전도성 파우더의 함량이 작아 열 전도율이 완충 패드(80)보다 작을 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 열 전달층(85)은 2W/mk 이하의 열전도율을 가질 수 있다.
그러나 열 전달층(85)을 구비하는 경우, 열 전달층(85)의 점착력과 점성을 통해 완충 패드(80)와 배터리 셀 사이의 간극을 메울 수 있다. 따라서 완충 패드(80)와 배터리 셀(10) 간의 열 전도 효율을 높일 수 있으므로, 배터리 셀(10)의 열을 효과적으로 낮출 수 있다.
또한 열 전달층(85)이 컴파운드 또는 그리스와 같은 반고형 형태로 형성되므로, 배터리 모듈(100) 내에서 배터리 셀에 가해지는 물리적 충격을 완화시키는 기능도 제공할 수 있다.
도 6의 변형예를 참조하면, 열전도성 파우더를 함유하는 실리콘 재질로 완충 패드(80)를 구성하는 경우, 열 전달층(85)이 생략되더라도 열 전도율이 7.9W/mk로 측정되어 도 3의 기준예보다 열 전도율이 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
또한 열 전달층(85)을 함께 포함하는 경우, 완충 패드(80)의 두께가 0.3mm 이상, 1mm 이하인 범위에서 열 전도율이 9W/mk 이상으로 측정되어 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 이에 비례하여 배터리 셀의 온도 편차도 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 실시예에서 완충 패드(80)의 두께는 0.3mm 이상, 1mm 이하의 범위로 형성될 수 있다.
한편, 완충 패드(80)의 두께를 1mm로 형성한 비교예6과, 0.5mm로 형성한 비교예7을 비교하면, 열 전도율이 모두 12.22W/mk로, 열 전도율에는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.
완충 패드(80)의 두께가 증가할수록 셀 적층체(1)의 부피가 증가하여 셀 적층체(1)의 에너지 밀도가 낮아지게 되므로, 본 실시예에서 완충 패드(80)의 두께는 상기 비교예6, 7 중 최소 두께인 0.5mm 이하로 규정하는 것도 가능하다.
반면에 완충 패드(80)의 두께를 0.3mm로 형성한 비교예8의 경우에는 비교예6, 7에 비해 열 전도율이 감소하여 변형예의 열 전도율에 가까워지는 것을 알 수 있다. 따라서 본 실시예에서 완충 패드(80)의 두께는 0.3mm 보다 크게 형성될 수 있다.
또한 도 6을 참조하면, 열 전달층(85)의 두께를 0.1mm 이상, 0.7mm 이하의 범위로 형성한 경우, 모두 변형예에 비해 열 전도율이 증가하였다.
열 전달층(85)이 반고형 형태로 형성됨에 따라, 열 전달층(85)의 두께를 0.1mm 이하로 형성하는 경우, 제조 공정에서 균일한 두께로 열 전달층(85)을 형성하기 어렵다.
비교예9를 참조하면, 열 전달층(85)의 두께를 0.1mm로 형성하더라도 0.5mm의 두께로 열 전달층(85)을 형성한 비교예6, 7과 유사한 열 전도율을 제공하는 것을 알 수 있다. 이에 본 실시예에서 열 전달층(85)의 최소 두께는 0.1mm으로 규정될 수 있다.
또한, 비교예8을 참조하면, 두께는 열 전달층(85)의 두께를 0.7mm로 형성하더라도 완충 패드(80)의 두께가 얇아지면 열 전달층(85)의 두께를 0.5mm로 형성한 비교예7보다 오히려 열 전도율이 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 실시예의 열 전달층(85)은 0.5mm의 두께에서 충분한 열전달 효과가 이뤄지는 것으로 판단할 수 있다. 이에 본 실시예에서 열 전달층(85)의 최대 두께를 0.5mm로 규정하는 것도 가능하다.
따라서 본 실시예에서 열 전달층(85)은 0.1mm 이상, 0.5mm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 비교예6, 7, 9를 참조하면, 열 전달층(85)의 두께가 0.1mm 이상, 0.5mm 이하이고, 완충 패드(80)의 두께가 0.5mm 이상, 1mm 이하인 범위에서는 열 전달층(85)의 두께가 다르더라도 전술한 온도 차(ΔT)가 3.5℃ 이하인 것을 알 수 있다.
이에 본 실시예의 배터리 모듈은 열 전달층(85)의 두께가 0.1mm 이상, 0.5mm 이하이고 완충 패드(80)의 두께가 0.5mm 이상, 1mm 이하인 범위에서 배터리 셀(10) 동작 시 냉각 장치(20)와 배터리 셀(10)의 온도 차(ΔT)가 3.5℃ 이하로 유지되는 구성으로 규정될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 각 비교예들에 대해 충방전 테스트를 실시하여 측정한 그래프로, 충방전 사이클 대비 배터리 셀의 용량 변화를 나타내고 있다.
도 7을 참조하면, 비교예들의 경우 충방전이 2150회 내지 2380회 진행되었을 때 배터리 셀의 용량이 80%로 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 기준예에 비해 배터리 셀의 수명이 크게 증가된 것을 알 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은, 완충 패드(80)의 적어도 한 면에 열 전달층(85)이 배치되어 배터리 셀(10)의 열을 빠르게 방출하여 배터리 셀(10)의 동작 온도를 낮출 수 있으며, 주변 온도와의 온도 차도 최소화할 수 있다. 따라서 배터리 셀(10)의 수명을 연장시킬 수 있어 배터리 모듈의 에너지 효율을 높일 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 실시예에서는 냉각 장치가 제1 플레이트의 외부에 배치되는 경우를 예로 들었으나, 냉각 장치를 제1 플레이트의 내부에 배치하거나, 제1 플레이트가 냉각 유로를 포함하도록 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다. 또한 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수 있다.
100: 배터리 모듈
10: 배터리 셀
20: 냉각 장치
30: 케이스
40: 제2 플레이트
50: 제1 플레이트
60: 측면 커버
70: 버스바 조립체
80: 완충 패드
85: 열 전달층

Claims (13)

  1. 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체;
    상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 완충 패드; 및
    상기 완충 패드의 양면 중 적어도 한 면에 배치되어 상기 배터리 셀과 면접촉하는 열 전달층;
    을 포함하고,
    상기 열 전달층은 그라파이트(graphite) 재질을 포함하며 0.05mm 이상, 0.1mm 이하의 두께로 형성되는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 전달층에 연결되어 상기 열 전달층의 열을 흡수하는 냉각 장치를 더 포함하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 셀 동작 시 상기 냉각 장치의 온도와 상기 배터리 셀의 온도 차는 0.12℃ 이하인 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 배터리 셀은,
    상기 냉각 장치와 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 열전달 부재를 더 포함하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전달 부재는,
    써멀 그리스, 열전도성 접착제, 및 방열 패드로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 형태로 형성되는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 완충 패드는,
    폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리우레탄으로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재질로 형성되는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 완충 패드는,
    탄성 압축되는 폼(foam)의 형태로 형성되는 배터리 모듈.
  8. 다수의 배터리 셀을 적층한 셀 적층체;
    상기 배터리 셀들 사이에 개재되는 적어도 하나의 완충 패드; 및
    상기 완충 패드의 양면 중 적어도 한 면에 배치되며 상기 배터리 셀과 면접촉하는 열 전달층;
    을 포함하고,
    상기 완충 패드는 열전도성 파우더가 혼합된 실리콘 수지로 형성되며,
    상기 열 전달층은 반고형(半固形) 형태로 형성되고,
    상기 완충 패드는 0.3mm 이상, 1mm 이하의 두께로 형성되는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열 전달층은,
    열전도성 필러(filler)를 함유하는 실리콘 컴파운드(silicone compound) 또는 실리콘 그리스(silicone grease)로 형성되는 배터리 모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 열 전달층은,
    0.1mm 이상, 0.5mm 이하의 두께로 형성되는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열 전달층에 연결되어 상기 열 전달층의 열을 흡수하는 냉각 장치를 더 포함하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 완충 패드는 0.5mm 이상, 1mm 이하의 두께로 형성되고,
    상기 배터리 셀 동작 시 상기 냉각 장치의 온도와 상기 배터리 셀의 온도 차는 3.5℃ 이하인 배터리 모듈.
  13. 제11항에 있어서, 상기 배터리 셀은,
    상기 냉각 장치와 상기 셀 적층체 사이에 배치되는 열전달 부재를 더 포함하는 배터리 모듈.
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