WO2013168856A1 - 높은 효율성의 냉각 구조를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

높은 효율성의 냉각 구조를 포함하는 전지모듈 Download PDF

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WO2013168856A1
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성준엽
이범현
강달모
최용석
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • battery cells are sequentially stacked and charged and discharged, cartridges fixing the outer circumferential surface of each of the battery cells to form a battery cell stacking structure, and mounted between the battery cells and having a portion of the outer circumferential surface or
  • the present invention relates to a battery module comprising a heat transfer member fixed to a cartridge.
  • the secondary battery is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle that is proposed as a solution for air pollution of existing gasoline and diesel vehicles using fossil fuel. It is attracting attention as a power source such as (Plug-In HEV).
  • One or two or four battery cells are used for small mobile devices, whereas medium and large battery modules, which are electrically connected to a plurality of battery cells, are used in medium and large devices such as automobiles due to the necessity of high output capacity.
  • medium and large battery modules are preferably manufactured in a small size and weight as possible
  • square batteries and pouch-type batteries which can be charged with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells (unit cells) of medium and large battery modules.
  • battery cells unit cells
  • a pouch-type battery using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member has attracted much attention in recent years due to advantages such as low weight, low manufacturing cost, and easy form deformation.
  • the battery cells constituting the medium-large battery module are composed of secondary batteries capable of charging and discharging, such a high output large capacity secondary battery generates a large amount of heat during the charging and discharging process.
  • the laminate sheet of the pouch-type battery widely used in the battery module is coated with a low thermal conductivity polymer material, it is difficult to effectively cool the temperature of the entire battery cell.
  • a high output large capacity battery pack requires a cooling system for cooling the battery cells contained therein.
  • a battery module mounted in a medium-large battery pack is generally manufactured by stacking a plurality of battery cells with high density, and stacking adjacent battery cells at regular intervals to remove heat generated during charging and discharging.
  • the battery cells themselves may be sequentially stacked without a separate member at predetermined intervals, or in the case of battery cells having low mechanical rigidity, one or more combinations may be embedded in a cartridge or the like, and a plurality of such cartridges may be stacked.
  • the battery module can be configured.
  • a coolant flow path is formed between the battery cells or the battery modules so as to effectively remove heat accumulated between the stacked battery cells or the battery modules.
  • this structure has a problem in that the total size of the battery module is increased because a plurality of refrigerant passages must be secured corresponding to the plurality of battery cells.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • An object of the present invention is to minimize the addition of parts for cooling the battery module to improve the manufacturing processability, and to provide a battery module having a compact structure having a structural stability.
  • the present invention also provides a battery module including a heat conduction member having a structure for effectively removing heat inside a battery cell.
  • the battery module according to the present invention for achieving this object is a battery module including a plurality of battery cells,
  • the battery cell is configured to include a heat transfer member mounted between the battery cells, and part or all of the outer circumferential surface thereof is fixed to the cartridge.
  • the battery module unlike the cartridge interposed between the battery cells while fixing the outer circumferential surface of the battery cell in general, by combining the heat transfer member that conducts heat generated from the battery cell to the cartridge, the battery module without cooling-related additional parts By constructing, it is made of a structure that can increase the cooling efficiency and manufacture a compact battery module as a whole.
  • the battery cell is preferably made of a plate-shaped battery cell in order to provide a high lamination rate in a limited space, it may be arranged stacked so that one or both sides of the plate-shaped battery cell to face the adjacent plate-shaped battery cell.
  • the battery cell may be, for example, a pouch type battery cell having an electrode assembly built in a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • the battery cell is a pouch-type battery cell in which an electrode assembly having a cathode / separation membrane / cathode structure is sealed inside the battery case together with an electrolyte solution, and has a plate-shaped shape having a substantially rectangular parallelepiped structure having a thin thickness to width.
  • a pouch-type battery cell is generally made of a pouch-type battery case, the battery case is an outer coating layer made of a polymer resin having excellent durability; A barrier layer made of a metal material that exhibits barrier properties against moisture, air, and the like; And a laminate sheet structure in which an inner sealant layer made of a polymer resin that can be heat-sealed is sequentially stacked.
  • the case may have various structures.
  • the upper and lower contact portions of the outer circumferential surface of the case may be formed by storing the electrode assembly in the upper and / or lower inner surfaces formed as two units.
  • the structure which heat-seals and seals, etc. are mentioned.
  • a pouch-type battery cell having such a structure is disclosed in PCT International Application No. PCT / KR2004 / 003312 of the applicant, which is incorporated by reference in the present invention.
  • the pouch-type battery cell is fixed and stacked by a cartridge, specifically, the heat-sealed outer circumferential surface of the pouch-type battery cell may be interposed between the cartridges to form a structure in which the pouch-type battery cell is fixed to the cartridge. .
  • the heat transfer member is not particularly limited as long as it is a thin member having heat conductivity, and for example, a sheet of a metal material may be preferably used.
  • the metal material may be aluminum or an aluminum alloy having high thermal conductivity and light weight among metals, but is not limited thereto.
  • the direct contact between the battery cells is prevented by the thickness of the portion of the cartridge interposed between the battery cell and the battery cell, but due to this structure, the height of the battery cell stacking structure is increased as a whole, Accordingly, there was a disadvantage in that the volume of the battery module is increased.
  • a structure in which a portion interposed between the battery cells is thin in order to reduce the height of the battery cell stacking structure is limited in terms of injection materials and injection methods.
  • a metal sheet such as aluminum or an aluminum alloy can be manufactured in an ultra-thin shape, and can be manufactured in a thinner structure than a structure in which an insulating resin is thinly formed by injection.
  • the coupling of the cartridge and the heat transfer member may be made by various methods such as fastening and bonding.
  • the heat transfer member may be integrally coupled to the cartridge by insert injection molding.
  • the cartridge may be a structure formed of an electrically insulating material, and is not particularly limited as long as it is an electrically insulating material capable of inserting and molding the heat transfer member, and preferably, may be a plastic resin.
  • the cartridge of such a structure can insulate the plate-shaped battery cells stored therein from the outside and simultaneously dissipate heat of the plate-shaped battery cells to the outside.
  • the production cost can be reduced and a more simplified production process can be achieved.
  • the plate-shaped battery cells are the outer peripheral surface is fixed by the cartridge to form a battery cell stack structure
  • the upper and / or lower surface of the plate-shaped battery cells may be made of a structure in contact with the heat transfer member.
  • a sealing portion is formed on the outer circumferential surface of the battery cell, and insulated the sealing portion on the outer circumferential surface of the battery cell when a cooling pin made of a metal material is used to cool the battery cell. The structure which prevents a short circuit by using it was used.
  • the heat transfer member is in contact with the upper and lower surfaces of the pouch-type battery cell as described above, the sealing portion of the outer peripheral surface of the pouch-type battery cell is pressed by a cartridge made of an insulating material to fix the pouch-type battery cell to the cartridge
  • the structure does not require the insulation treatment of the outer circumferential surface sealing portion separately, thereby providing an advantage of reducing the manufacturing cost of the battery module and simplifying the manufacturing process.
  • the heat transfer member may have a structure in which its end is exposed to the cartridge outer surface through the cartridge. That is, the end of the heat transfer member penetrates the cartridge and may be fixed by insert injection molding into a structure exposed to the outer surface of the cartridge to couple the heat transfer member to the cartridge. At this time, the end of the heat transfer member exposed to the outer surface of the cartridge may be of a structure bent to be in close contact with the outer surface of the cartridge.
  • the outer surface of the cartridge may be additionally equipped with a cooling member for conducting cooling by conducting heat generated from the battery cell, the cooling member is in contact with the end of the heat transfer member exposed to the outer surface of the cartridge to conduct heat It may be made of a structure. That is, the heat generated in the battery cell is conducted to the heat conducting member, the heat is transferred to the cooling member through the end of the heat conductive member may be made of a structure in which the cooling is performed in the cooling member.
  • the structure in which the cooling member is mounted on the outer surface of the cartridge is not particularly limited, and for example, protrusions having fastening grooves are formed at both sides of the cartridge frame, and the fastener is coupled to the fastening groove.
  • the fastener is coupled to the fastening groove may be a structure in which the cooling member is coupled to the side of the cartridge frame.
  • a fastening groove may be formed in the cooling member, and a fastener may be formed in the cartridge frame.
  • the coupling structure is a structure in which the cooling member is mounted on the outer surface of the cartridge. Of course, the coupling structure of various methods can be used.
  • the structure of the cooling member is not particularly limited as long as it cools the heat conducted from the end of the heat transfer member.
  • a coolant flow path is formed inside the cooling member, and a coolant flows through the coolant flow path. It may be made of.
  • an air-cooling structure that performs cooling by flowing a refrigerant such as air to an end portion of the heat transfer member may be used.
  • cooling may be performed by water cooling as described above. Can be. Therefore, it is easy to switch between air-cooled and water-cooled, and may use one cooling structure selected from air-cooled and water-cooled according to the structure of the battery module or the external environment.
  • the battery cell is not particularly limited as long as it is a secondary battery capable of providing a high voltage and a high current when the battery module and the battery pack are configured.
  • the battery cell may be a lithium ion battery or a lithium ion polymer battery having a large energy storage volume.
  • the present invention also provides a battery pack including the battery module as a unit module.
  • the battery pack can be manufactured by combining the battery module as a unit module according to the desired output and capacity, and considering the mounting efficiency, structural stability, electric vehicle, hybrid electric vehicle, plug-in hybrid electric vehicle, electric power Although it can be preferably used as a power supply such as a storage device, the scope of application is not limited to these.
  • the present invention provides a device including the battery pack as a power source, and the device may specifically be an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery cell mounted to a battery module
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of a structure in which a battery cell is mounted on a cartridge in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a perspective view of a structure in which a heat conductive member is coupled to a cartridge.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of one exemplary battery cell mounted to the battery module of the present invention
  • Figure 2 schematically shows an exploded perspective view of FIG.
  • the pouch-type battery cell 100 inside the pouch-type battery case 110, the electrode assembly 120 made of a positive electrode, a negative electrode and a separator disposed between the positive and negative electrode tabs ( Two electrode terminals 132 and 134 electrically connected to the 122 and 124 are sealed to be exposed to the outside.
  • the battery case 110 includes an upper case 114 and a lower case 116 including a recess 112 having a concave shape in which the electrode assembly 120 may be seated.
  • the electrode assembly 120 having a folding or stacking type or a stacking / folding type structure has a plurality of positive electrode tabs 122 and a plurality of negative electrode tabs 124 bonded to the electrode terminals 132 and 134, respectively. have.
  • the outer circumferential surfaces of the upper case 114 and the lower case 116 are heat-sealed by the heat welder, the short circuit between the heat welder and the electrode terminals 132 and 134 is prevented and the electrode terminals 132 and 134 are prevented.
  • an insulating film 140 are attached to upper and lower surfaces of the electrode terminals 132 and 134 to secure the sealing property with the battery case 110.
  • the upper case 114 and the lower case 116 are composed of an outer resin layer 117, a barrier metal layer 118, and an inner resin layer 119, and the inner resin layer 119 is a heat sealer (not shown). It can be tightly fixed by the heat and pressure from the).
  • the sealing part is formed by heat-sealing the outer circumferential contact portions of the upper case 114 and the lower case 116.
  • Figure 3 is a vertical cross-sectional view of a battery module according to an embodiment of the present invention schematically
  • Figure 4 schematically shows a partial enlarged view of the structure in which the battery cell is mounted in the cartridge in Figure 3 .
  • the battery module 200 includes the battery cells 100, the cartridges 210 fixing the battery cells 100, and the battery cells between the upper plate 242 and the lower plate 244.
  • the heat transfer members 220 mounted between the holes 100 are arranged in a stacked structure, and the cooling members 230 are mounted on the outer surfaces of the cartridges 210.
  • the battery cells 100 are formed in a plate-like structure, and one or both surfaces thereof are sequentially stacked so as to face the adjacent battery cells 100, and the cartridges 210 are each outer peripheral surface of the battery cells 100. Fixing to form a battery cell laminated structure. Specifically, the sealed outer circumferential surface portion 102 of the pouch-type battery cell is fixed while being sandwiched between the cartridges 210, and this structure is repeatedly performed to form the battery cell stacking structure.
  • the heat transfer member 220 is formed of a sheet of metal having excellent thermal conductivity, and an end portion of the heat transfer member 220 penetrates through the cartridge 210 and is exposed to the outer surface of the cartridge 210, and the heat transfer member 220 is exposed.
  • the end is made of a structure in which the cooling member 230 is in contact. Therefore, the heat generated from the battery cell 100 is conducted to the cooling member 230 through the heat transfer member 220, and the cooling is performed in the cooling member 230 to control the temperature of the battery module 200 Form a structure.
  • the cooling member 230 is formed with a coolant flow path (not shown) in which cooling water flows, thereby cooling the heat generated from the battery cells 100 by air cooling or water cooling.
  • the structure in which the cooling member 230 is not mounted is also possible.
  • an air-cooling structure that performs cooling by flowing a coolant such as air to the exposed end of the heat transfer member 220 is used.
  • the structure in which the cooling member 230 is mounted may be a water cooling cooling structure, and in the structure in which the cooling member 230 is not mounted, an air cooling structure is used. That is, according to the structure of the battery module or the external environment, one cooling structure selected from air-cooled and water-cooled may be used, and it is made of a structure that is easy to switch between air-cooled and water-cooled.
  • both sides of the heat transfer member 220 penetrate the cartridge 210 and are exposed to the outside of the cartridge 210, and the exposed end 222 of the heat transfer member 220 is the cartridge 210. It is bent to be in close contact with the outer surface.
  • the upper surface and the lower surface of the plate-shaped battery cell 100 is in contact with the heat transfer member 220, the heat generated in the battery cell 100 has a structure that is effectively conducted to the heat transfer member 220.
  • the cartridge 210 is made of an insulating material
  • the outer portion of the battery cells 100 in the cartridge 210-battery cell 100 fixed structure is insulative without contacting the heat transfer member 220 of the metallic material Since the structure is in contact with the cartridge 210, no additional insulation process for the outer portion of the battery cell 100 is required.
  • the cartridge 210 is integrated with the heat transfer member 220 by insert injection molding. Therefore, the process of separately manufacturing the heat transfer member and the cartridge separately is not necessary, so that a production cost reduction effect and improved production efficiency can be achieved in the manufacturing process.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a structure in which a thermally conductive member is coupled to a cartridge by insert injection molding.
  • protrusions including fastening grooves 212 are formed at both sides of the frame of the cartridge 210, and the fastening grooves of the cartridge 210 are formed in the cooling member 230.
  • a fastener (not shown) coupled to 212 is formed, and the cooling member 230 is mounted on the side of the cartridge 210 by a fastening groove-fastener coupling.
  • the end portion 222 that is bent in close contact with the outer surface of the cartridge 210 of the heat conductive member 220 is in surface contact with the cooling member 230 so that heat generated in the battery cell 100 is transferred to the cooling member 230. .
  • through holes 214 for fixing the cartridges 210 are formed at the frame corners of the cartridge 210, so that fastening members (not shown) penetrating through the through holes of the cartridges 210 are used.
  • fastening members not shown
  • the battery module according to the present invention unlike the cartridge is formed only in a structure for fixing the outer peripheral surface of the battery cell, by coupling the heat transfer member that conducts heat generated from the battery cell to the cartridge and the fixing of the battery cell; By forming a structure that can perform cooling at the same time, it is possible to increase the cooling efficiency and to compact the battery module, and to improve the structural stability of the battery cells.

Abstract

본 발명은 순차적으로 적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 전지셀들; 상기 전지셀 각각의 외주면을 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들; 및 상기 전지셀들 사이에 장착되어 있고 외주면의 일부 또는 전부가 카트리지에 고정되어 있는 열전달 부재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다. 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀에서 발생하는 열이 전도되는 열전달 부재를 카트리지에 결합하여 전지셀의 고정과 동시에 냉각을 수행할 수 있는 구조를 이룸으로써, 냉각 효율을 높이고, 보다 콤팩트화 할 수 있으며, 전지셀들의 구조적 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

높은 효율성의 냉각 구조를 포함하는 전지모듈
본 발명은 순차적으로 적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 전지셀들, 상기 전지셀 각각의 외주면을 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들, 및 상기 전지셀들 사이에 장착되어 있고 외주면의 일부 또는 전부가 카트리지에 고정되어 있는 열전달 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
즉, 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전지모듈의 크기를 고려하여, 많은 전지셀들을 적층할수록 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로들을 형성하게 되는데, 이로 인해 냉각 구조의 설계가 복잡해지는 문제점이 발생한다. 즉, 냉매의 유입구 대비 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로는 높은 압력 손실을 유발하게 되어, 냉매의 유입구 및 배출구의 형태와 위치 등을 설계하는데 많은 어려움이 따른다. 또한, 이러한 압력 손실을 방지하기 위하여 팬이 추가적으로 설치되기도 하므로, 전력 소모와 팬 소음, 공간 등과 같이 설계상의 제약이 따를 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 높은 냉각 효율성에 의해 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전지모듈의 냉각을 위한 부품의 추가를 최소화 하여 제조 공정성을 향상시키고, 구조적 안정성을 가지는 콤팩트한 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다. 또한, 전지셀 내부의 열을 효과적으로 제거하도록 하는 구조의 열전도 부재를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서,
순차적으로 적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 전지셀들,
상기 전지셀 각각의 외주면을 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들, 및
상기 전지셀들 사이에 장착되어 있고 외주면의 일부 또는 전부가 카트리지에 고정되어 있는 열전달 부재를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
일반적으로 전지모듈에 냉각 구조를 포함시키는 경우, 다수의 부품이 추가되고, 제조 공정이 복잡해지며, 이에 따른 전지모듈의 부피 및 생산 비용이 크게 상승하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 일반적으로 전지셀의 외주면을 고정하면서 전지셀들 사이에 개재되는 카트리지와는 달리, 전지셀에서 발생하는 열이 전도되는 열전달 부재를 카트리지에 결합하여, 냉각 관련 추가 부품 없이 전지모듈을 구성함으로써, 냉각 효율을 높이고 전체적으로 콤팩트한 전지모듈을 제조할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
또한, 열전달 부재를 전지셀들 사이에 위치시킴으로써 전지셀들의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어져 있다.
상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀로 이루어지며, 상기 판상형 전지셀의 일면 또는 양면이 인접한 판상형 전지셀에 대면하도록 적층 배열될 수 있다.
상기 전지셀은, 예를 들어, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조의 파우치형 전지셀일 수 있다.
구체적으로는, 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 케이스 외주면의 상하부 접촉부위를 열융착하여 밀봉하는 구조 등을 들 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기 파우치형 전지셀은 카트리지에 의하여 고정되어 적층되는 바, 구체적으로, 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면이 카트리지들 사이에 개재되어 압박됨으로써 카트리지에 파우치형 전지셀이 고정되는 구조를 이룰 수 있다.
상기 열전달 부재는 열전도성을 가지는 박형의 부재라면 그것의 구조가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 금속 소재의 시트가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 금속 소재는 금속 중에서도 열전도성이 높고 경량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
종래의 카트리지를 사용하는 전지모듈에서는 전지셀과 전지셀 사이에 개재되는 카트리지의 부위의 두께에 의해 전지셀들간의 직접적인 접촉을 방지하고 있으나, 이러한 구조로 인해 전지셀 적층 구조의 높이가 전체적으로 커지고, 그에 따라서 전지모듈의 부피가 증가하는 단점이 있었다. 일반적으로 절연성 수지를 사출 성형하여 카트리지를 제조하는 바, 전지셀 적층 구조의 높이를 감소시키기 위하여 전지셀들 사이에 개재되는 부위를 얇게 구성하는 구조는 사출 재료 및 사출 방법 상으로 한계가 있다.
반면에, 본 발명에서와 같이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속 시트는 초박형으로 제조가 가능하며, 사출에 의해 절연성 수지를 얇게 구성한 구조보다 더욱 얇은 구조로 제조할 수 있다.
따라서, 금속 소재의 시트로 구성된 열전달 부재를 사용하는 경우, 전지셀 적층체의 높이를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라서 전지모듈의 부피를 감소시킬 수 있을 뿐 만 아니라, 종래의 카트리지 구조에는 없는 냉각 효과까지 수행할 수 있는 장점이 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 카트리지와 상기 열전달 부재의 결합은 체결, 접착 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 인서트 사출 성형으로 상기 열전달 부재가 카트리지에 일체형으로 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 카트리지는 전기 절연성 소재로 형성된 구조일 수 있으며, 상기 열전달 부재와 인서트 사출 성형이 가능한 전기 절연성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 플라스틱 수지일 수 있다.
따라서, 이러한 구조의 카트리지는, 내부에 수납하는 판상형 전지셀들을 외부로부터 절연시키고, 이와 동시에 판상형 전지셀들의 열을 외부로 발산시킬 수 있다. 이에 따라, 열전달 부재 및 카트리지를 각각 따로 제작하여 구성되던 종래의 카트리지 구조에 비해, 생산 비용을 절감할 수 있으며 더욱 간소화된 생산 공정을 달성할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 판상형 전지셀들은 외주면이 카트리지에 의해 고정되어 전지셀 적층 구조를 형성하고, 상기 판상형 전지셀들의 상면 및/또는 하면은 상기 열전달 부재와 접촉되는 구조로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 판상형 전지셀이 파우치형 전지셀인 경우, 전지셀의 외주면에 밀봉 부위가 형성되며, 전지셀의 냉각을 위하여 금속 소재의 냉각핀 등을 사용하는 경우 상기 전지셀 외주면의 밀봉 부위를 절연처리 함으로써 단락을 방지하는 구조를 사용하였다.
그러나, 상기와 같이 파우치형 전지셀의 상면 및 하면에 열전달 부재가 접촉하고, 상기 파우치형 전지셀의 외주면 밀봉 부위가 절연성 소재로 이루어진 카트리지에 의해 압박되어 상기 카트리지에 상기 파우치형 전지셀이 고정되는 구조는, 상기 외주면 밀봉 부위의 절연 처리가 별도로 필요하지 않으므로, 전지모듈의 제조 비용을 절감하고, 제조 공정을 간소화 하는 장점을 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 열전달 부재는 그것의 단부가 카트리지를 관통하여 카트리지 외면으로 노출되는 구조일 수 있다. 즉, 상기 열전달 부재의 단부가 카트리지에 관통되면서 카트리지 외면으로 노출되는 구조로 인서트 사출 성형하여 상기 카트리지에 상기 열전달 부재를 결합시킴으로써 고정될 수 있다. 이 때, 상기 카트리지의 외면으로 노출된 열전달 부재의 단부는 카트리지의 외면에 밀착되도록 절곡되는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 카트리지의 외면에는 전지셀에서 발생하는 열이 전도되어 냉각을 수행하는 냉각부재가 추가로 장착될 수 있으며, 상기 카트리지 외면으로 노출된 열전달 부재의 단부에 상기 냉각부재가 접촉되어 열이 전도되는 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 전지셀에서 발생하는 열은 열전도 부재로 전도되고, 열전도 부재의 단부를 통하여 냉각부재로 열이 전달되어 냉각부재에서 냉각이 수행되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 카트리지의 외면에 냉각부재가 장착되는 구조는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 상기 카트리지 프레임의 양 측면에 체결홈을 구비한 돌출부가 형성되어 있고, 상기 냉각부재에는 상기 체결홈에 결합되는 체결구가 구비되어 있어서, 상기 체결홈에 체결구가 결합되어 카트리지 프레임의 측면에 냉각부재가 결합되는 구조일 수 있다. 그러나, 이와는 반대로, 상기 냉각부재에 체결홈이 형성되고, 상기 카트리지 프레임에 체결구가 형성된 구조로 이루어질 수도 있으며, 이러한 결합 구조는 카트리지의 외면에 냉각부재가 장착되는 구조로서, 체결, 접착, 용접 등 다양한 방법의 결합 구조가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 냉각부재의 구조는 열전달 부재의 단부로부터 전도된 열을 냉각시키는 구조라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 상기 냉각부재의 내부에 냉매 유로가 형성되어 있고, 상기 냉매 유로에 냉각수가 흐르는 수냉식 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 냉각부재를 장착하지 않은 구조에서는 열전달 부재의 단부에 공기 등의 냉매를 유동시켜 냉각을 수행하는 공냉식 구조가 사용될 수 있고, 냉각부재를 장착한 구조에서는 상기와 같이 수냉식으로 냉각이 수행될 수 있다. 따라서, 공냉식 및 수냉식의 전환이 용이하며, 전지모듈의 구조 또는 외부 환경에 따라서 공냉식 및 수냉식 중 선택되는 하나의 냉각 구조를 사용할 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈 및 전지팩의 구성시 고전압 및 고전류를 제공할 수 있는 이차전지라면 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 단위모듈로서 상기 전지모듈을 조합하여 제조될 수 있으며, 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 전지모듈에 장착되는 전지셀의 사시도이다;
도 2는 도 1의 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 수직 단면도이다;
도 4는 도 3에서 카트리지에 전지셀이 장착된 구조의 부분 확대도이다;
도 5는 카트리지에 열전도부재가 결합된 구조의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 전지모듈에 장착되는 하나의 예시적인 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은, 파우치형 전지케이스(110) 내부에, 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(120)가 그것의 양극 및 음극 탭들(122, 124)과 전기적으로 연결되는 두 개의 전극단자(132, 134)가 외부로 노출되도록 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(110)는 전극조립체(120)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(112)를 포함하는 상부 케이스(114) 및 하부 케이스(116)로 이루어져 있다.
폴딩형 또는 스택형 또는 스택/폴딩형의 구조를 가진 전극조립체(120)는 다수의 양극 탭들(122)과 다수의 음극 탭들(124)이 각각 융착되어 전극단자(132, 134)에 함께 결합되어 있다. 또한, 상부 케이스(114) 및 하부 케이스(116)의 외주면이 열융착기에 의해 열융착될 때 그러한 열융착기와 전극단자(132, 134) 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지하고 전극단자(132, 134)와 전지케이스(110)와의 밀봉성을 확보하기 위하여, 전극단자(132, 134)의 상하면에 절연필름(140)이 부착된다.
상부 케이스(114)와 하부 케이스(116)는 외측 수지층(117), 차단성 금속층(118) 및 내측 수지층(119)으로 구성되어 있고, 내측 수지층(119)은 열융착기(도시하지 않음)로부터의 열과 압력에 의해 밀착 고정될 수 있게 된다.
전해액이 함침된 전극조립체(110)를 수납부(112)에 안착한 상태에서 상부 케이스(114) 및 하부 케이스(116)의 외주면 접촉부위를 열융착 시키면 실링부가 형성된다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에서 카트리지에 전지셀이 장착된 구조의 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 3을 참조하면, 전지모듈(200)은 상부 플레이트(242) 및 하부 플레이트(244) 사이에 전지셀들(100), 전지셀들(100)을 고정하는 카트리지들(210), 전지셀들(100) 사이에 장착되어 있는 열전달 부재들(220)이 적층 구조로 배열되어 있고, 카트리지들(210)의 외면에는 냉각부재(230)가 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지셀들(100)은 판상형의 구조로 이루어져 있으며, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀(100)에 대면하도록 순차적으로 적층 배열되어 있고, 카트리지들(210)은 전지셀들(100)의 각각의 외주면을 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성한다. 구체적으로, 파우치형 전지셀의 밀봉된 외주면 부위(102)가 카트리지들(210) 사이에 끼워진 상태로 고정되고, 이러한 구조가 반복적으로 수행되어 전지셀 적층 구조를 형성한다.
열전달 부재(220)는 열전도성이 우수한 금속 소재의 시트로 이루어져 있고, 열전달 부재(220)의 단부는 카트리지(210)를 관통하여 카트리지(210) 외면으로 노출되고, 이러한 열전달 부재(220)의 노출된 단부와 냉각부재(230)가 접촉되는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 전지셀(100)에서 발생하는 열은 열전달 부재(220)를 통해 냉각부재(230)로 전도되고, 냉각부재(230)에서 냉각이 수행되는 것에 의해 전지모듈(200)의 온도를 조절하는 구조를 이룬다.
냉각부재(230)는 내부에 냉각수가 유동하는 냉매 유로(도시하지 않음)가 형성되어 있어서, 공냉식 또는 수냉식으로 전지셀들(100)에서 발생된 열을 냉각시키는 구조로 이루어져 있다.
한편, 도 3에서는 냉각부재(230)가 장착된 구조의 전지모듈(300)이 도시되어 있지만, 냉각부재(230)가 장착되지 않은 구조도 가능하다. 냉각부재(130)가 장착되지 않은 구조에서는 열전달 부재(220)의 노출된 단부에 공기 등의 냉매를 유동시켜 냉각을 수행하는 공냉식 구조가 사용된다.
따라서, 냉각부재(230)가 장착된 구조는 수냉식 냉각 구조가 사용될 수 있고, 냉각부재(230)가 장착되지 않은 구조에서는 공냉식 구조가 사용된다. 즉, 전지모듈의 구조 또는 외부 환경에 따라서, 공냉식 및 수냉식 중 선택되는 하나의 냉각 구조가 사용될 수 있으며, 공냉식과 수냉식의 전환이 용이한 구조로 이루어져 있다.
도 4를 도 3과 함께 참조하면, 열전달 부재(220)의 양측은 카트리지(210)를 관통하여 카트리지(210) 외면으로 노출되고, 열전달 부재(220)의 노출된 단부(222)는 카트리지(210)의 외면에 밀착되도록 절곡되어 있다. 판상형의 전지셀(100) 상면과 하면은 열전달 부재(220)가 접촉되어, 전지셀(100)에서 발생하는 열이 효과적으로 열전달 부재(220)로 전도되는 구조로 이루어져 있다.
한편, 카트리지(210)는 절연성 소재로 이루어져 있고, 카트리지(210)-전지셀(100) 고정 구조에서 전지셀들(100)의 외곽 부분이 금속 소재의 열전달 부재(220)와 접촉하지 않고 절연성의 카트리지(210)와 접촉되는 구조로 이루어지므로, 전지셀(100)의 외곽부위에 관한 추가적인 절연 공정이 필요하지 않다.
또한, 카트리지(210)는 열전달 부재(220)와 인서트 사출 성형에 의해 일체화되어 있다. 따라서, 열전달 부재 및 카트리지를 각각 따로 제작하여 개별적으로 조립하는 공정이 필요하지 않으므로, 제조공정에 있어서 생산 비용 절감 효과 및 향상된 생산 효율성을 달성할 수 있다.
도 5에는 카트리지에 열전도부재가 인서트 사출 성형에 의해 결합된 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 도 3 및 도 4외 함께 참조하면, 카트리지(210)의 프레임 양 측면에는 체결홈(212)을 구비하는 돌출부가 형성되어 있고, 냉각부재(230)에는 카트리지(210)의 체결홈(212)에 결합되는 체결구(도시하지 않음)가 형성되어 있어서, 체결홈-체결구 결합에 의하여 카트리지(210)의 측면에 냉각부재(230)가 장착되는 구조로 이루어져 있다.
이 때, 열전도 부재(220)의 카트리지(210) 외면에 밀착되도록 절곡된 단부(222)는 냉각부재(230)와 면 접촉되어 전지셀(100)에서 발생한 열이 냉각부재(230)로 전달된다.
한편, 카트리지(210)의 프레임 모서리 부위에는 카트리지들(210)의 고정을 위한 관통구(214)들이 형성되어 있어서, 카트리지들(210)의 관통구를 관통하는 체결부재(도시하지 않음)를 사용하여 전지모듈(200)의 상부 케이스(242)와 하부 케이스(244) 사이에, 전지셀들(100)과 함께 카트리지들(210)을 고정하는 구조로 이루어져 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀의 외주면을 고정하는 구조로만 형성되는 카트리지와는 달리, 전지셀에서 발생하는 열이 전도되는 열전달 부재를 카트리지에 결합하여 전지셀의 고정과 동시에 냉각을 수행할 수 있는 구조를 이룸으로써, 냉각 효율을 높이고 전지모듈을 보다 콤팩트화 할 수 있으며, 전지셀들의 구조적 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 순차적으로 적층 배열되어 있고 충방전이 가능한 전지셀들;
    상기 전지셀 각각의 외주면을 고정하여 전지셀 적층 구조를 형성하는 카트리지들; 및
    상기 전지셀들 사이에 장착되어 있고 외주면의 일부 또는 전부가 카트리지에 고정되어 있는 열전달 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀이 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체를 내장하고, 케이스의 외주면을 밀봉하여 제조되는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 파우치형 전지셀의 열융착된 외주면이 카트리지들 사이에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 부재는 금속 소재의 시트인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전지모듈
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 부재는 카트리지의 인서트 사출 성형에 의해 카트리지에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 부재는 금속 소재이고, 카트리지와 인서트 사출 성형에 의해 일체화 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지는 전기 절연성 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달 부재의 단부가 카트리지를 관통하여 카트리지의 외면으로 노출되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 카트리지의 외면으로 노출된 열전달 부재의 단부는 카트리지의 외면에 밀착되도록 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지의 외면에는 냉각부재가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 카트리지의 외면에는 냉각부재가 추가로 장착되어 있고, 상기 열전달 부재의 단부는 냉각부재에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 카트리지 프레임의 양 측면에는 체결홈을 구비한 돌출부가 형성되어 있고, 상기 냉각부재에는 상기 체결홈에 결합되는 체결구가 구비되어 있어서, 상기 체결홈에 체결구가 결합되어 카트리지 프레임의 측면에 냉각부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 냉각부재는 공냉식 및/또는 수냉식 부재인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위모듈로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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