KR20220150693A - 냉각 효율이 우수한 고전압 배터리 모듈 - Google Patents

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강지은
김석민
박성철
정하철
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Abstract

본 발명은 양방향 냉각수단이 적용된 배터리 모듈에 관한 것으로서, 상부 커버플레이트 및 하부 커버플레이트를 포함하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스 내에 2 이상의 파우치 셀을 포함하고, 상기 실링부 중 전극 리드가 돌출되지 않은 실링부는 일측 방향으로 폴딩되고, 폴딩된 실링부는 상기 모듈 케이스의 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트 측에 위치하며, 상기 폴딩된 실링부의 폴딩 방향과 반대 방향의 파우치 상에 방열 접착제가 부착된, 배터리 모듈을 제공한다.

Description

냉각 효율이 우수한 고전압 배터리 모듈{BATTERY MODULE HAVING EXCELLENT COOLING EFFICIENT}
본 발명은 냉각 효율이 우수한 고전압 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 양방향 냉각수단이 적용된 배터리 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드카와 같은 다양한 분야에 적용되고 있으며, 추가적인 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지를 들 수 있다. 그리고 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
그리고 이차전지 모듈은 나란히 적층 배열되고 전기적으로 연결되는 다수개의 전지 셀을 포함하여 이루어지며, 전지 셀들은 케이스의 내부에 수용되도록 구성된다. 또한 상기 이차전지 셀을 복수 개 장착하여, 배터리 모듈로서 전기자동차, 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System) 등에 설치되기도 한다.
한편, 주행거리 증대를 위해 셀의 에너지 밀도 증가가 요구되고 있으나, 이로 인해, 발열량이 많아지는 문제가 있다. 이에, 발열량 증대에 수반하여 냉각 효율을 증대시킬 수 있는 모듈에 대한 요구가 증가하고 있다.
이러한 요구에 따라, 종래에는 배터리 모듈의 냉각 플레이트 하부에 히트싱크를 구비하여 냉각 효율을 향상시키고자 하였다.
상기 배터리 모듈은 하부에 냉각 플레이트(Cooling Plate)를 구비하여, 상기 냉각 플레이트가 단방향 히트싱크와 접촉하고, 나아가 열전도성 소재와 접촉하며, 모듈 내의 배터리 셀의 바닥부와 접촉하여 냉각하여 배터리 셀에서 발생한 열을 외부로 전달하여 냉각하여 왔다.
상기 히트싱크와 모듈의 냉각 플레이트는 셀과의 접촉을 통해 모듈 하단을 통해 냉각시키며, 이러한 냉각 효율을 높이기 위해 열전도성이 높은 알루미늄 계열의 재질을 사용하고 있다. 나아가, 셀과 냉각 플레이트 간의 공극을 없애기 위해 열전도성 접착제 또는 열전도성 패드와 같은 열전도성 부재를 사용하여 냉각 효율을 향상시키고자 하였다.
상기 냉각 플레이트의 경우, 사용되는 소재의 기본 특성에 따라 열전도도가 정해져 있으며, 한편, 상기 열전도성 부재는 열전도도를 높이기 위해 세라믹 필러 등을 첨가하여 열전도율을 높이고 있다. 그러나, 이와 같은 단방향 냉각에 의해서는 에너지 밀도 증가에 따라 증대된 발열량을 냉각시키기에는 충분하지 못하다.
이에 최근에는 모듈의 하부는 물론, 상부에도 히트싱크를 배치하여 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 냉각하는 양방향 냉각(Both Side Cooling)을 도모하는 기술이 개발되어, 일부 스포츠카 용, 프리미엄 플랫폼에 적용되고 있다.
상기와 같은 양방향 냉각 기술에 있어서, 모듈 상부에 주액 홀을 형성하고, 종래 하부에 사용되던 방열 접착제를 상기 주액 홀을 통해 주액하여 셀의 빈 공간을 접착제로 채워 상하 양방향으로 배터리 셀에서 발생한 열을 냉각시키고자 하는 방식이 개발되어 통상적으로 적용되고 있다.
그러나, 이와 같은 방식에 따른 양방향 냉각에 있어서는, 주액되는 방열 접착제의 양이 상당히 많고, 방열 접착제에 열전도율을 증가시키기 위해 세라믹 필러를 첨가하는데, 이로 인해 요구되는 첨가제의 양도 함께 증가되어 가격 상승을 초래하는 문제가 있다.
또한, 도 1은 종래 주액에 의한 방열 접착제를 배터리 모듈 내로 주입한 경우 파우치 셀 상부에서 형성되는 방열 접착제층의 구조를 개략적으로 나타낸 것인데, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기와 같은 주액에 의해 주입됨으로써 방열 접착제의 형상을 확인할 수 없어, 보다 정량적인 냉각 성능을 예측할 수 없는 한계가 있다. 나아가, 도 1에 나타낸 바와 같이 셀 상부의 파우치 실링부는 90°, 180°, 270°, 540° 등의 형상으로 폴딩하게 되는데, 이로 인해 폴딩부의 위치가 고정되기 어렵고, 변경된 폴딩부 위치에 따라 공기층의 형성 및 공기층의 두께가 변화하는 등, 열 전달 경로가 달라지게 될 수 있다. 이로 인해, 열 전달 효율이 저하되어 정확한 모듈의 열 저항 및 냉각 성능을 유지하기가 어려워지는 등, 냉각의 신뢰성이 떨어지는 한계가 있다. 또한, 상기 주액된 방열 접착제가 셀 사이로 침투하여 파우치에 데미지를 주는 문제가 있다.
본 발명은 고전압 배터리 모듈의 냉각 성능을 향상시켜 배터리 모듈의 성능 향상시키고자 한다.
나아가, 본 발명은 냉각 성능을 향상시킴으로써 배터리의 급속충전 효과를 향상시키고, 또한 배터리의 장기수명 개선의 효과를 제공하고자 한다.
본 발명은 일 구현예로서 상부 커버플레이트 및 하부 커버플레이트를 포함하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스 내에 3면에 실링부를 갖는 파우치 셀을 2 이상 포함하고, 상기 실링부 중 전극 리드가 돌출되지 않은 실링부는 일측 방향으로 폴딩되고, 폴딩된 실링부는 상기 모듈 케이스의 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트 측에 위치하며, 상기 폴딩된 실링부의 폴딩 방향과 반대 방향의 파우치 상에 방열 접착제가 부착된, 배터리 모듈을 제공한다.
상기 실링부는 90°, 180°, 270° 또는 540°로 폴딩된 것일 수 있다.
상기 파우치 셀과 인접하는 파우치 셀은 서로 반대방향으로 실링부가 폴딩된 것일 수 있다.
상기 방열 접착제는 서로 인접하는 2개의 파우치 셀에 연결되어 존재할 수 있다.
상기 방열 접착제는 상기 모듈 케이스의 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트와 접촉하는 것일 수 있다.
상기 방열 접착제와 접촉하는 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트는 음각 성형된 것일 수 있다.
상기 방열 접착제는 폴리우레탄계, 실리콘계, 및 에폭시계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 접착제일 수 있다.
상기 방열 접착제는 1.0W/mK 이상의 열전도도를 갖는 것일 수 있다.
상기 방열 접착제는 열전도성 필러를 포함할 수 있다.
상기 열전도성 필러는 알루미나, 수산화알루미늄 및 실리카로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 폴딩된 실링부가 위치하는 측과 반대측인 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트의 내면에 방열 접착제가 부착될 수 있다.
상기 폴딩된 실링부는 절연 테이프가 부착되어 고정될 수 있다.
상기 절연테이프는 일 말단이 상기 폴딩된 실링부의 면상에 존재하는 것일 수 있다.
상기 절연테이프는 접착력이 500gf/in 이상이고, 전단응력이 30kgf/in2 이상인 것이 바람직하다.
상기 절연테이프는 실리콘계, 아크릴계, 고무계 및 에폭시계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 감압 접착제 또는 핫멜트 접착제일 수 있다.
상기 배터리 모듈은 어느 하나의 파우치 셀과 인접하는 파우치 셀 사이에 탄성패드를 포함할 수 있다.
상기 탄성패드는 파우치 셀의 면적보다 큰 것이 바람직하다.
상기 탄성패드는 이형지가 부착된 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 방열 접착제에 의한 방열 접착제층이 파우치 셀과 상부 커버플레이트와 직접 접촉함으로써 배터리 모듈의 상부 방향으로도 우수한 냉각성능을 확보할 수 있어, 양방향 냉각 성능을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 배터리 셀에서 발생한 열을 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 종래와 같은 주액 홀을 통하여 방열 접착제를 주액하는 것이 아니라, 고점도의 방열 접착제를 파우치 상부에 도포하는 것이어서, 방열 접착제의 도포량 및 도포 형상을 원하는 바에 따라 조절할 수 있고, 그 형상을 확인할 수 있으며, 이로 인해 보다 정량적인 냉각성능을 예측할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 방열 접착제가 파우치 셀 사이로 침투하지 않고, 상부에 도포되므로 파우치의 손상을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 방열 접착제를 주입함으로써 배터리 모듈 상부의 파우치 셀과 방열 접착제 사이에 공기층이 형성된 구조를 하나의 파우치 셀 단위에서 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 배터리 모듈의 일 예를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 파우치 실링부를 폴딩한 예를 나타내는 도면으로서, A는 90도, B는 180도, C는 270도, D는 360도로 폴딩한 예를 각각 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 배터리 모듈 내에 삽입되는 하나의 파우치 셀로서, 파우치 셀의 실링부가 폴딩된 방향의 반대방향에 방열 접착제가 적용된 파우치 셀의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 파우치 셀에 있어서 파우치 셀의 폴딩된 실링부가 절연 테이프에 의해 고정되어 있는 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 방열 접착제가 형성된 배터리 모듈에 있어서 파우치 셀 적층체 상부의 일부를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 서로 인접하는 파우치 셀에 있어서 실링부의 폴딩된 방향이 서로 반대방향이고, 실링부 폴딩 방향의 반대방향으로 인접하는 두 파우치 셀에 방열 접착제가 적용되며, 상부 커버플레이트가 음각으로 성형된 예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 방열 접착제가 형성된 모듈의 상부를 개략적으로 나타내는 도면으로서, (a)는 평면도이고, (b)는 방열 접착제만을 나타낸 사시도이다.
도 8은 하부 커버플레이트에 방열 접착제가 형성된 구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, (a)는 방열 접착제가 형성된 하부 커버플레이트를 나타내며, (b)는 그 분해 사시도이다.
도 9는 하부 커버플레이트에 방열 접착제가 형성된 배터리 모듈에 있어서 파우치 셀 적층체 하부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 하부 커버플레이트 내면에 형성된 방열 접착제와 파우치 셀과의 경계에 갭 필러가 형성된 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른 양 방향 냉각 수단을 갖는 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 정면도 및 이의 분해 사시도이다.
도 12는 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 배터리 모듈의 전지 구동 중 배터리 셀의 내부 최대 온도, 셀 상부 및 하부의 온도 변화를 동일한 위치에서 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 고전압 배터리 모듈에 있어서 냉각효율을 향상시키고자 하는 발명으로서, 보다 구체적으로는 배터리 모듈의 하부 냉각과 함께 상부 냉각을 수행하는 각각의 냉각수단을 구비하여 양방향 냉각 효율이 우수한 배터리 모듈에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 배터리 모듈은 적어도 상부 커버플레이트 및 하부 커버플레이트를 포함하는 모듈 케이스 및 상기 모듈 케이스 내에 3면에 실링부를 갖는 파우치 셀을 2 이상의 포함하며, 상기 실링부 중 전극 리드가 돌출되지 않은 실링부가 상기 모듈 케이스 내의 상부에 위치한다.
상기 모듈 케이스는, 적어도 상부 커버플레이트 및 하부 커버플레이트를 포함한다. 또한, 상기 모듈 케이스는 전방 커버플레이트 및 후방 커버플레이트를 포함하고, 양 측면 커버플레이트를 포함한다. 이때, 상기 양 측면 커버플레이트는 하부 커버플레이트와 서로 분리되어 결합될 수 있으며, 하부 커버플레이트와 일체형으로 이루어질 수도 있고, 서로 분리되어 결합될 수 있다.
예를 들어, 도 2는 배터리 모듈의 일 예를 나타낸 것으로, 모듈 케이스는 적어도 상부 커버플레이트(60), 파우치 셀(11)의 하측 및 양측을 감싸는 구조로서, 일체의 'ㄷ'자 형상으로 형성된 하부 커버플레이트(80), 배터리셀(40)의 상부를 커버하기 위한 상부 커버플레이트(60), 파우치 셀(11)의 전방을 커버하기 위한 전방 커버플레이트(20), 파우치 셀(11)의 후방을 커버하기 위한 후방 커버플레이트(50)를 포함할 수 있다. 모듈케이스의 형태 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 용도, 상기 내부 공간에 수납되는 파우치 셀(11)의 형태 및 개수 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 도 2는 하부 커버플레이트(80)가 'ㄷ'자 형상을 갖는 예를 나타내었으나, 상기 하부 커버플레이트(80)는 양 측면 커버플레이트와 분리될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 하부 커버플레이트와 양 측면 커버플레이트와 분리된 구조를 들어 설명한다.
상기 모듈 케이스 내에는 파우치 셀(11)이 수납된다. 상기 모듈 케이스 내에는 2 이상의 파우치 셀(11)이 수납되며, 각각의 파우치 셀(11)은 전기적으로 서로 연결된다. 상기 모듈 케이스 내에 수납되는 파우치 셀(11)은 용도 등에 따라 적절한 수로 수납될 수 있는 것으로서 그 수는 특별히 한정하지 않는다.
상기 파우치 셀(11)은 음극, 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극조립체를 파우치 내에 수납하고 파우치를 열 실링함으로써 제조된 것으로서, 상기 파우치 셀(11)은 실링부를 갖는다. 상기 파우치의 적어도 하나의 면에 실링부를 갖는 것으로서, 특별히 한정하지 않으나, 3면 실링 또는 4면 실링에 의해 실링부를 3개 또는 4개 갖는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 3면 실링에 의해 3개의 실링부를 갖는 것일 수 있다.
이때, 상기 파우치 셀(11)의 실링부(3) 중 하나 또는 2개의 실링부(3)에는 전극리드가 돌출되는데, 상기 전극리드가 돌출되지 않은 실링부는 모듈 케이스의 상면, 즉, 상부 커버플레이트(60)를 향하도록 배치될 수 있고, 또, 모듈 케이스의 하면, 즉, 하부 커버플레이트(80)를 향하도록 배치될 수 있다.
이하, 상기 폴딩된 실링부가 상부 커버플레이트에 위치하는 형태를 나타낸 도면을 중심으로 본 발명을 설명하지만, 상기 실링부가 하부 커버플레이트에 위치하는 경우에 대하여도 적용되는 것이며, 통상의 기술자라면 상기 실링부가 하부 커버플레이트에 위치하도록 설계할 수 있음은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
상기 파우치 셀(11)에 있어서, 파우치 내의 금속이 상부 커버플레이트(60) 등과의 접촉에 의해 단락되는 것을 방지하기 위해, 실링부(3)를 일측 방향, 즉, 파우치 셀(11)의 실링부 중심을 기준으로 일 방향으로 향하도록 폴딩하여, 파우치 내의 금속층이 외부로 노출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
도 3에 나타낸 바와 같이 상기 실링부(13)의 폴딩은 특별히 한정하지 않으나, 90도, 180도, 270도, 360도 또는 450도로 폴딩할 수 있다. 도 3에 실링부의 폴딩을 예시적으로 나타낸 것으로서, (A) 내지 (D)는 각각 90도, 180도, 270도 및 360도의 폴딩을 나타낸다.
0도로 폴딩, 즉, 미폴딩된 경우에는 파우치 내의 금속이 노출되어 단락을 야기할 수 있음은 물론, 실링부(13)의 길이가 증가하여 셀의 길이 감소로 인한 에너지 밀도 감소를 초래할 수 있다.
상기 모듈 케이스 내에는 2 이상의 파우치 셀(11)이 수납된다. 상기 파우치 셀(11)의 실링부(13) 중 전극 리드가 돌출되지 않는 실링부는 모듈 케이스의 상부 커버플레이트(60)(상면) 또는 하부 커버플레이트(80)(하면)을 향하여 배치되도록 수납한다. 즉, 파우치의 실링부가 모듈 케이스의 상면 또는 하면으로 향하도록 수납할 수 있는 것으로서, 이에 대하여는 특별히 한정하지 않는다. 다만, 편의상 이하에서는 파우치의 실링부가 모듈 케이스의 상면으로 향하도록 수납된 예를 들어 구체적으로 설명한다.
상기와 같이 파우치 셀(11)의 실링부를 일측 방향으로 폴딩한 상태에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 파우치 셀이 폴딩된 방향과 반대 방향의 파우치 상에 방열 접착제(17)가 부착된다. 이에 의해 폴딩된 실링부를 보호하면서, 파우치 셀에서 발생한 열을 상기 방열 접착제를 통해 전달하여 열을 방출할 수 있다.
상기 방열 접착제(17)의 재질은 이에 한정하는 것은 아니지만, 폴리우레탄계, 실리콘계, 에폭시계의 수지를 주제로 사용할 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 주제와 함께 경화제를 포함할 수 있다. 상기 경화제는 주제에 따라 적절히 선택할 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다.
상기 주제 및 필요에 따라 첨가될 수 있는 경화제는 각각 독립적으로 300Pa.s 이상의 점도(ASTM D2196에 따라 측정, 상온에서 1/s 기준)를 갖는 것이 바람직하다. 주제 및 경화제의 점도가 300Pa.s 미만이면 흐름성이 높아 파우치 셀(11)과 파우치 셀(11) 사이로 흐를 수 있으며, 특히, 상부에 도포되는 경우 폴딩부 반대면 및 셀의 상부가 평탄하지 않아 셀 바깥쪽으로 흐를 수 있으며, 이 경우, 파우치에 손상을 야기하는 문제가 나타날 수 있다.
상기 방열 접착제는 열전도성 필러를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 필러는 방열 접착제에 방열성을 제공 또는 향상시키기 위한 것으로서, 알루미나, 수산화알루미늄, 실리카 등을 포함할 수 있다. 상기 열전도성 필러의 함량은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 전체 방열 접착제 중량에 대하여 55 내지 80중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 열전도성 필러의 함량이 80중량%를 초과하면 점도가 높고, 절연특성 및 접착력을 저하시킬 수 있으며, 또한 경화 후에 파우치에 대한 악영향을 끼칠 수 있다.
상기 방열 접착제(17)는 전단강도(Shear Strength)가 30kgf/in2 이상(ASTM D5656에 따라, 상온에서 이형지 제거 후 SUS 기판에 부착하여 측정)의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 방열 접착제(17)는 전단강도가 높을수록 바람직한 것으로서 그 상한은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 100kgf/in2 이하의 전단강도 값을 가질 수 있다. 한편, 상기 방열 접착제(17)는 500gf/in (ASTM D1000) 이상의 180° 박리강도 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 폴딩된 실링부(13)는 절연테이프(15)를 부착하여 고정할 수 있다. 상기 절연테이프(15)는 상기 폴딩된 실링부(13)의 면 상에 절연테이프(15)의 일 말단을 위치시키고, 폴딩된 방향으로 연장하여 파우치 셀(11)의 표면에 다른 말단이 위치하도록 부착하는 것이 바람직하다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 절연테이프(5)의 일 말단이 폴딩된 실링부(13)의 면 상에 존재하는 것이 아니라, 실링부(13)의 폴딩 방향에 대하여 반대쪽 방향에 절연테이프(5)의 일 말단이 존재하도록 부착하는 경우, 파우치 셀(11)의 표면과 절연테이프(5) 사이에 공기층이 형성된다.
이와 같이 공기층이 형성된 상태에서 방열 접착제를 부착 내지 적용하는 경우, 방열 접착제(7)는 절연테이프(5) 상에 위치하게 되고, 상기 절연테이프(5)와 파우치 셀(11) 간에 형성된 공기층에 의해 제공되는 단열효과로 인해 파우치 셀(11)로부터의 열을 방열 접착제(7)에 전달하는 열 전달 효과가 현저히 저하될 수 있다. 나아가, 파우치 셀(1)에서 상부 커버플레이트에 이르기까지 보다 많은 수의 계면이 형성되는데, 이러한 증가된 계면의 수는 열 전달 효율을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
반면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 절연테이프(15)의 일 말단이 실링부(13)의 폴딩면 상에 존재하는 경우, 폴딩 방향의 반대쪽에 방열 접착제(17)를 부착하면 파우치 셀(11)과 상부 커버플레이트(60)가 방열 접착제(17)에 의해 연결되어 계면의 수를 줄일 수 있고, 나아가 공기층을 형성하지 않으므로 단열 효과를 제공하지 않아, 파우치 셀(11) 내에서 발생된 열을 상기 방열 접착제(17)을 통해 상부 커버플레이트(60)로 보다 효과적으로 전달할 수 있다.
상기 절연테이프(15)는 이에 한정하는 것은 아니지만, 실리콘계, 아크릴계, 고무계 또는 에폭시계의 감압 접착제 또는 핫멜트 접착제일 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용할 수 있다.
모듈 케이스 내에 2 이상의 파우치 셀을 수납함에 있어서는 도 6에 나타낸 바와 같이, 수납되는 파우치 셀(11) 중 어느 하나의 파우치 셀(11)과 그에 인접하는 파우치 셀(11)은 모듈 케이스의 상면을 향하는 실링부(13)의 폴딩 방향이 서로 반대방향으로 향하도록 배치하여 수납하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 상기 어느 하나의 파우치 셀(11)의 실링부(13)가 우측 방향으로 향하도록 폴딩되어 수납된 경우, 그에 인접하는 양쪽의 파우치 셀(11)의 실링부(13)는 좌측 방향으로 폴딩되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 파우치 셀(11)의 실링부(13)의 폴딩 방향이 좌, 우 및 좌로 서로 교대로 향하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 도 6에 나타낸 바와 같이, 인접하는 두 파우치 셀(11) 모두 실링부(13)가 폴딩되지 않은 방향에 방열 접착제(17)가 부착됨으로써 두 파우치 셀(11)에서 발생된 열을 보다 효율적으로 전달할 수 있다.
상기 방열 접착제(17)는 파우치 셀(11)에서 발생한 열을 외부로 용이하게 배출하기 위해 모듈 케이스와 접촉하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 파우치 셀의 폴딩된 실링부가 모듈 케이스의 상면을 향하도록 배치된 경우에는 상부 커버플레이트(60)와 방열 접착제(17)가 직접 접촉하고, 폴딩된 실링부가 모듈 케이스의 하면을 향하도록 배치된 경우에는 하부 커버플레이트(80)와 방열 접착제(17)가 직접 접촉하는 것이 열의 용이한 배출을 위해 바람직하다.
따라서, 상기 방열 접착제(17)는 그 두께를 특별히 한정하지 않으나, 상부 커버플레이트(60) 또는 하부 커버플레이트(80)와 접촉할 수 있을 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 상부 커버플레이트(60) 또는 하부 커버플레이트(80)는 음각으로 성형될 수 있다. 즉, 도 6에 상부 커버플레이트가 음각으로 성형된 예를 개략적으로 나타내고 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 상부 커버플레이트(60)를 음각으로 성형함으로써 방열 접착제(17)의 두께를 보다 얇게 형성할 수 있다. 이를 통해 방열 접착제(17)의 사용량을 감소시킬 수 있어 비용절감 효과를 또한 도모할 수 있다. 나아가, 파우치 셀(11)과 상부 커버플레이트(60) 간의 간격을 보다 줄일 수 있어 파우치 셀(11)에서 발생한 열을 보다 효과적으로 상부 커버플레이트(60)로 전달할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 어느 하나의 파우치 셀(11)과 인접한 파우치 셀(11) 사이에 탄성패드(19)를 포함할 수 있다. 상기 탄성패드(19)는 모든 파우치 셀(11)과 파우치 셀(11) 사이에 적용될 수 있으며, 소정의 간격을 두고 배치될 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다. 상기 탄성패드(19)는 배터리 모듈에서 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다.
상기 탄성패드(19)는 파우치 셀(11)의 본방 면적, 보다 구체적으로는 음극의 면적보다 큰 면적을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우에 배터리 모듈 상부의 파우치 셀(11)에 도포된 방열 접착제(17)가 흘러 파우치 셀(17)과 파우치 셀(17) 사이로 침투하는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 파우치 표면에 손상을 야기하는 것을 방지할 수 있다.
상기 탄성패드(19)는 통상 이형지가 부착된 상태로 배터리 모듈 제조공정에 제공되는데, 파우치 셀(11)과 파우치 셀(11) 사이에 적용함에 있어서 상기 이형지를 제거하지 않고, 부착된 상태로 그대로 사용할 수 있다. 통상 탄성패드(19)는 발포 패드로서 기공을 갖는데, 이형지를 제거한 상태에서 방열 접착제를 도포하는 경우 탄성패드(19)의 기공 내부로 침투하여 탄성패드(19)의 성능 저하를 초래할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 예에 따라서 얻어진 배터리 모듈의 상면을 도 7에 개략적으로 나타내었다. 도 7(a)는 상부 커버플레이트(60)를 제거한 상태에서의 배터리 모듈의 상면을 나타내는 것이고, 도 7(b)는 본 발명에 따라 배터리 모듈의 상부에 형성된 방열 접착제(17)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 배터리 모듈은 양방향 냉각수단을 갖는 것으로서, 상부 냉각 수단 및 하부 냉각 수단을 포함한다. 예를 들어, 상기 폴딩된 실링부가 위치하는 측과 반대측인 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트의 내면에 별도의 냉각수단을 구비할 수 있다. 이하, 상기 별도의 냉각수단이 하부 커버플레이트에 형성되는 것을 예로 들어 설명한다.
구체적으로, 앞서 설명한 파우치 셀에 방열 접착제에 의한 냉각 수단이 모듈 케이스의 상면, 즉, 상부 커버플레이트에 적용된 경우에, 하부 커버플레이트에 별도의 냉각수단으로서, 도 8에 나타낸 바와 같이 하부 커버플레이트(80) 상에 방열 접착제(27)가 부착될 수 있다. 상기 방열 접착제(27)는 하부 커버플레이트의 내면에 일부에만 형성될 수 있으며, 전면에 형성될 수도 있다.
도 8(a)는 방열 접착제(27)가 부착된 하부 커버플레이트(80)를 나타내는 평면도이고, 도 8(b)는 이의 분해 사시도이다. 나아가, 도 9는 상기 방열 접착제(27)가 부착된 하부 커버플레이트(80)를 포함하는 배터리 모듈의 부분 확대도를 나타낸다. 이와 같이 하부 커버플레이트(80) 상에 방열 접착제(27)를 부착함으로써 하부 방향으로의 냉각을 제공할 수 있다.
나아가, 상기 하부 커버플레이트(80) 내면에 형성된 방열 접착제(27)와 파우치 셀(11)과의 경계에 형성되는 공간에 갭 필러를 포함할 수 있다. 상기 하부 커버플레이트(80) 상에 방열 접착제(27)를 부착하고, 상기 방열 접착제(27)와 파우치 셀의 하면 간의 공간에 갭 필러를 포함할 수 있다. 이에 의해 하부 커버플레이트(80)에 파우치 셀(11)을 상기 방열 접착제(27)에 의해 밀착시킬 수 있어, 파우치 셀로부터 발생된 열을 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
이에 대하여는 도 10에 개략적으로 나타내었으며, 도 10은 3면 실링 파우치 셀(11)을 모듈 케이스 내에 삽입한 예를 부분적으로 나타낸 것으로서, 하부 커버플레이트(80)와 접촉하는 면에 파우치 셀(11)의 실링부를 갖지 않는 면이 위치하도록 삽입하고, 모듈 케이스 하면의 하부 커버플레이트(냉각 플레이트, (80))와 파우치 셀(11)의 경계에 열 전도성을 갖는 소재의 갭 필러가 충진되어 있다.
상기 열 전도성 소재로는 이에 한정하는 것은 아니나, 알루미나, 수산화알루미늄, 실리카 등을 들 수 있다. 필요에 따라서는 상기 갭 필러는 상기 열 전도성 소재와 함께 바인더를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 구현예에 따르면, 배터리 모듈에 포함된 파우치 셀(11)의 표면에 방열 접착제(17)를 부착함으로써 일 방향으로 배터리 모듈을 냉각시킬 수 있고, 또한, 반대 방향에 대하여도 배터리 모듈의 냉각 수단으로 방열 접착제(27)를 적용함으로써 양 방향으로 배터리 모듈을 냉각시킬 수 있어, 냉각 효율을 극대화할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의해 제공되는 배터리 모듈의 일 구현예를 도 11에 개략적으로 나타내었다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 배터리 모듈은 하부 커버플레이트(80) 및 상기 하부 커버플레이트(80) 상에 형성된 방열 접착제(27)를 포함하고, 2 이상의 파우치 셀(11)을 수납한 상태에서 배터리 모듈 상부에 파우치 셀(11)에 직접 접촉하는 방열 접착제(17)를 적용하고, 상기 방열 접착제(17)에 직접 접촉하는 상부 커버플레이트(60)를 포함한다. 이에 의해 파우치 셀(11)에서 발생한 열을 상기 방열 접착제(17)를 통해 상부 커버플레이트(60)로, 그리고, 방열 접착제(27)을 통해 하부 커버플레이트(80)로의 양 방향으로 열을 용이하게 전달할 수 있어, 열 전달 효과의 극대화를 도모할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래에는 도 1에 나타낸 바와 같이, 가스벤팅 방지를 위한 절연테이프(5)를 파우치 셀(1) 상부의 폭 전체에 대하여 부착하였다. 이로 인해 절연테이프(5) 자체의 열 저항 및 절연테이프(5)에 의해 증가된 계면으로 인한 열 저항이 증가하고, 나아가, 절연테이프(5)와 셀 상부 사이에 형성된 공기층으로 인해 단열 효과를 나타내어 열 저항을 더욱 증대시켜 상부 방향으로의 열 전달이 어려운 구조였다.
그러나, 이와 같은 본 발명에 따르면, 도 4에 나타낸 바와 같이 배터리 모듈 구성 중 파우치 셀(11)의 파우치 실링부(13)를 일 방향으로 폴딩하고, 폴딩 방향의 반대 쪽 파우치 표면에 냉각을 위한 방열 접착제(17)를 적용함으로써, 파우치 셀(11)과 상부 커버플레이트(60) 또는 하부 커버플레이트(80)를 직접 접촉시킬 수 있어, 열 저항을 최소화할 수 있고, 열 전달 효과를 극대화할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
실시예 1
양 방향으로 전극리드가 돌출된 3면 실링 파우치 셀에 있어서 전극리드가 돌출되지 않은 실링부를 일방향으로 270°로 폴딩한 후, 절연 테이프를 부착하여 고정하였다.
이때, 상기 절연테이프는 도 5에 나타낸 바와 같이, 전극 두께의 반(1/2)에 대하여만 부착되도록, 실링부의 면에 일 말단이 위치하고, 타 말단은 폴딩방향 측의 파우치 셀 전극면에 위치하도록 부착하였다.
상기 절연테이프가 부착된 파우치 셀을 10개를 제조하였다. 이때, 상기 파우치 셀의 5개는 왼쪽으로 실링부를 폴딩하였으며, 다른 5개는 오른쪽으로 실링부를 폴딩하였다.
상기 파우치 셀을 실링부의 폴딩 방향이 서로 다른 파우치 셀을 교대로 적층하여 전방 및 후방 커버플레이트 및 하부 커버플레이트로 구성되고, 하부 커버플레이트의 내부의 전면에 방열 접착제가 부착된 배터리 모듈 케이스 내에 세로로 수납하였다. 이때, 상기 폴딩된 실링부가 모듈 케이스의 상부 커버플레이트를 향하도록 수납하였다.
배터리 모듈 케이스 내에 수납된 파우치 셀 적층체에 방열 접착제를 도포하였다. 도포 위치는 도 5에 나타낸 바와 같이, 실링부 폴딩 방향의 반대 측에 도포하였다.
이후, 상부 커버플레이트를 덮어 배터리 모듈을 제조하였다.
비교예 1
절연테이프를 도 1에 나타낸 바와 같이, 전극 두께의 전체에 대하여 부착되도록, 절연테이프의 일 말단은 폴딩 방향 측의 파우치 셀 전극면에 위치하고, 타 말단은 폴딩 방향 반대 측의 파우치 셀 전극면에 위치하도록 부착하여 셀 두께의 전체에 대하여 절연 테이프를 부착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 배터리 모듈을 제조하였다.
비교예 2
절연 테이프를 부착하지 않고, 하부 커버플레이트의 내면에 방열 접착제를 도포하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 배터리 모듈을 제조하였다.
발열 특성의 평가
실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 배터리 모듈을 이용하여 전지 구동 중 배터리 모듈 내에 수납된 배터리 셀의 내부 최대 온도, 셀 상부 및 하부의 온도 변화를 동일한 위치에서 측정하고, 그 결과를 표 1 및 도 12에 나타내었다.
셀 내 최대온도
(
Figure pat00001
 상부 또는 하부 커버플레이트 최저온도
(
Figure pat00002
 열 저항
(K/W)
비교예 1 32.7 28.3 0.49
비교예 2 35.8 30.25 0.69
실시예 1 31.7 28.1 0.45
표 1로부터, 상부 및 하부 커버플레이트로의 양 방향 냉각을 위한 냉각수단이 구비되었으나, 실링부의 폴딩 후에 셀 두께의 전체에 대하여 절연 테이프를 부착한 비교예 1의 경우에는 셀 내 최대온도와 셀 상부의 온도의 차이가 4.4℃이었으며, 하부 커버플레이트로의 일 방향 냉각을 위한 냉각수단이 구비되고, 실링부의 폴딩 후에 별도의 절연 테이프를 부착하지 않은 비교예 2의 경우에는 셀 내 최대온도와 셀 상부의 온도의 차이가 5.6℃이었다.
반면, 상부 및 하부 커버플레이트로의 양 방향 냉각을 위한 냉각수단이 구비하고, 실링부의 폴딩 후에 상기 폴딩 방향으로 셀 두께의 전체에 대하여만 절연 테이프를 부착한 실시예 1의 경우에는 셀 내 최대온도와 셀 상부의 온도의 차이가 3.6℃이었다.
나아가, 도 12로부터, 상하 양방향의 냉각 수단을 구비한 비교예 2와 실시예 1을 비교하면, 비교예 1의 경우에는 셀 상부와 셀 하부에서의 온도 차이를 나타내어 상부 및 하부에서의 냉각 효율에 차이가 있음을 알 수 있다. 반면, 실시예 1의 경우에는 셀 상부 및 셀 하부에서의 온도 차이가 거의 없어, 상부 및 하부에서의 냉각 효율이 동등함을 알 수 있다. (도 12의 비교예 1 및 2에 대한 그래프에 있어서 온도 급감 구간이 나타나는데, 이는 온도 수렴 이후 임의의 시점에서 발열조건을 멈춤으로 인해 나타나는 것이다. 보통 8000~10000초 경과 후에는 특정 온도로 수렴하며, 도 12의 비교예 1, 2 및 실시예 1의 각 그래프는 8000 내지 10000초 이후의 온도 수렴 이후의 온도 변화가 동일한 패턴을 가짐을 알 수 있다. 이에 도면에 표시된 온도 구간이 서로 상이하다.)
이와 같이, 본 발명에 따르면, 하부 냉각과 함께, 상부 냉각을 위해 실링부의 폴딩 방향 측에만 절연테이프를 부착하고, 폴딩 방향의 반대 방향 측에는 방열 접착제를 부착함으로써 상부 방향으로의 냉각 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
1, 11: 파우치 셀 3, 13: 실링부
5, 15: 절연테이프 7, 17, 27: 방열 접착제
19: 탄성패드 20: 전방 커버플레이트
30: 버스바 조립체 40: 배터리셀
50: 후방 커버플레이트 60: 상부 커버플레이트
70: 절연커버 80: 하부 커버플레이트

Claims (18)

  1. 상부 커버플레이트 및 하부 커버플레이트를 포함하는 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스 내에 3면에 실링부를 갖는 파우치 셀을 2 이상 포함하고,
    상기 실링부 중 전극 리드가 돌출되지 않은 실링부는 일측 방향으로 폴딩되고, 폴딩된 실링부는 상기 모듈 케이스의 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트 측에 위치하며,
    상기 폴딩된 실링부의 폴딩 방향과 반대 방향의 파우치 상에 방열 접착제가 부착된, 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴딩된 실링부는 90°, 180°, 270° 또는 540°로 폴딩된 것인 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 어느 하나의 파우치 셀과 이에 인접하는 파우치 셀은 서로 반대방향으로 실링부가 폴딩된 것인 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 방열 접착제는 서로 인접하는 2개의 파우치 셀에 연결되어 존재하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방열 접착제는 상기 모듈 케이스의 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트와 접촉하는 것인 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 방열 접착제와 접촉하는 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트는 음각 성형된 것인 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 방열 접착제는 폴리우레탄계, 실리콘계, 및 에폭시계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 접착제인 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방열 접착제는 1.0W/mK 이상의 열전도도를 갖는 것인 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 방열 접착제는 열전도성 필러를 포함하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 열전도성 필러는 알루미나, 수산화알루미늄 및 실리카로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 폴딩된 실링부가 위치하는 측과 반대측인 상부 커버플레이트 또는 하부 커버플레이트의 내면에 방열 접착제가 부착된 배터리 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴딩된 실링부는 절연 테이프가 부착되어 고정된 것인 배터리 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 절연 테이프는 일 말단이 상기 폴딩된 실링부의 면상에 존재하는 것인 배터리 모듈.
  14. 제12항에 있어서, 상기 절연테이프는 접착력이 500gf/in 이상이고, 전단응력이 30kgf/in2 이상인 배터리 모듈.
  15. 제12항에 있어서, 상기 절연테이프는 실리콘계, 아크릴계, 고무계 및 에폭시계로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 감압 접착제 또는 핫멜트 접착제인 배터리 모듈.
  16. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 어느 하나의 파우치 셀과 이에 인접하는 파우치 셀 사이에 탄성패드를 포함하는 배터리 모듈.
  17. 제16항에 있어서, 상기 탄성패드는 파우치 셀의 면적보다 큰 것인 배터리 모듈.
  18. 제16항에 있어서, 상기 탄성패드는 이형지가 부착된 것인 배터리 모듈.
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