WO2019083176A1 - 냉각 및 조립 구조를 단순화시킨 배터리 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

냉각 및 조립 구조를 단순화시킨 배터리 모듈 및 그 제조방법

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WO2019083176A1
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thermally conductive
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유재민
강달모
김수창
문정오
유재욱
윤지수
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more particularly, to a battery module and a battery module manufacturing method to which a new assembly structure capable of simultaneously satisfying cooling efficiency and simplification of an assembly structure for secondary batteries is applied.
  • the secondary battery cell can be repeatedly charged and discharged by the electrochemical reaction between the components including the positive and negative current collectors, the separator, the active material, and the electrolyte. Since the battery modules are manufactured in such a manner that these battery cells are closely packed in a narrow space, it is important to easily discharge the heat generated in each battery cell. Since the charging or discharging process of the battery cell is performed by the electrochemical reaction, if the heat of the battery module generated in the charging and discharging process can not be effectively removed, the heat accumulation occurs and consequently the deterioration of the battery module is promoted. Fire or explosion may occur.
  • a battery pack having a high output capacity and a battery pack to which the battery module is mounted is necessarily provided with a cooling device for cooling battery cells built therein.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cooling structure of a battery module according to the prior art
  • the conventional battery module includes a secondary battery cell 1, a housing 2 for storing and holding the secondary battery cell 1, a heat sink 3, and a TIM (Thermal Interface Material) 4, As shown in FIG.
  • the housing 2 typically has a fixing structure capable of holding a plurality of secondary battery cells 1 individually.
  • the cylindrical secondary battery can be fitted and restrained.
  • a method of assembling the fixing frame to the housing 2 in a state in which a plurality of secondary battery cells 1 are integrally held using a separate fixing frame may be applied.
  • the housing 2 may be made of aluminum or an aluminum alloy having excellent mechanical rigidity and heat radiation performance.
  • the heat sink 3 may be disposed in contact with the lower portion of the housing 2 as a cooling device for appropriately maintaining the temperature of the secondary battery cells during charging and discharging.
  • the heat sink 3 may be provided with a refrigerant flowing therein, and may absorb heat generated from the secondary battery cells 1 through the housing 2.
  • the TIM 4 is disposed at the interface between the housing 2 and the heat sink 3 and serves to reduce the contact resistance between the housing 2 and the heat sink 3.
  • a thermally conductive pad or resin may be used as the TIM 4
  • the cooling efficiency of the battery module cooling structure according to the related art is inevitably lowered because of the existence of the resistance elements on the heat conduction path.
  • the present invention provides a battery module having a novel cooling and assembling structure and a method of manufacturing the battery module, which is designed to solve the above-mentioned problems and can satisfy the cooling efficiency and simplification of the assembly structure of the secondary batteries at the same time .
  • a battery module includes: a plurality of can-type secondary batteries; a cooling tray having a housing space capable of housing the plurality of can-type secondary batteries in a container shape; A heat sink in which a refrigerant flows in the hollow structure and is disposed in contact with an outer surface of the cooling tray; And a thermally conductive adhesive liquid filled in the receiving space of the cooling tray, wherein the plurality of the can-type secondary batteries are mounted on the thermally conductive adhesive liquid so that the plurality of the can-type secondary batteries stand vertically.
  • the thermally conductive adhesive liquid may be filled up to the height of the receiving space of the cooling tray.
  • the cooling tray may be provided with a plurality of seating portions in which a lower end portion of the can-type secondary battery is partially fitted.
  • a tray cover for sealing the accommodating space by being coupled with the cooling tray wherein the tray cover includes a plurality of cooling sockets which are covered on the outer circumferential surface of the can-type secondary battery exposed on the water surface of the thermally conductive adhesive liquid, May be provided.
  • the tray cover may further include connection portions connecting the plurality of cooling socket portions and the side portions of the tray cover.
  • the plurality of cooling socket portions, the connection portions, and the side surfaces of the tray cover may be formed to communicate with each other with a hollow structure, and a flow path may be formed therein.
  • the can type secondary battery may be a square type or a cylindrical type secondary battery.
  • a battery pack including the above-described battery module can be provided.
  • a method of manufacturing a battery module comprising: preparing a container-shaped cooling tray; A liquid injection step of injecting a thermally conductive adhesive liquid into the cooling tray to a preset height; And a disposing step of holding the plurality of can-type secondary batteries vertically on the thermally conductive adhesive liquid to fix them before the thermally conductive adhesive liquid is cured.
  • the cooling tray may include a plurality of seating portions in which a lower end of the can type secondary battery is partially fitted, and the placing step may include arranging the can type secondary batteries in a one-to-one correspondence with the seating portions.
  • the tray cover includes a plurality of cooling socket portions which are formed on the outer circumferential surface of the can-type secondary battery exposed on the water surface of the thermally conductive adhesive liquid in a pipe shape, and a connection portion connecting the plurality of cooling socket portions and the side portions of the tray cover
  • the can type secondary batteries may be held in the cooling socket portions one by one in the tray cover engaging step.
  • a battery module having a novel cooling and assembling structure capable of simultaneously satisfying both cooling efficiency and simplification of an assembly structure can be provided.
  • the can-type secondary batteries are fixed by the thermally conductive adhesive liquid, a separate fixing structure may not be required. Further, the contact area between the thermally conductive adhesive liquid and the can-type secondary batteries is sufficiently secured, so that the cooling efficiency can be improved.
  • a tray cover capable of mutually coupling with a cooling tray to protect the can-type secondary cells from the outside and additionally fixing and cooling the can-type secondary batteries, have.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cooling structure of a battery module according to the prior art
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a step-by-step process diagram for manufacturing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of a method of manufacturing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an enlarged view of the main part of Fig.
  • FIGS. 2 and 3 are a perspective view and a cross-sectional view schematically showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a step-by-step process diagram for manufacturing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • a battery module 10 includes a plurality of can-type secondary batteries 100, a plurality of can-type secondary batteries 100, A heat sink 300, and a thermally conductive adhesive liquid 400 filled in the receiving space of the cooling tray 200.
  • the secondary battery constituting the battery module 10 according to the present invention may be a can-type secondary battery 100.
  • the can-type secondary battery 100 may include a cylindrical battery and a prismatic battery, which are generally classified according to the shape of the metal can, as the secondary battery in which the electrode assembly is embedded in the metal can.
  • the present embodiment is constructed using cylindrical secondary batteries, but the scope of the present invention is not limited thereto. That is, the cylindrical secondary battery of this embodiment can be replaced with a prismatic secondary battery.
  • the cylindrical secondary battery may include a cylindrical battery can, a jelly-roll type electrode assembly housed inside the battery can, and a cap assembly coupled to an upper portion of the battery can.
  • the cylindrical battery can can be formed of a lightweight conductive metal material such as aluminum, stainless steel, or an alloy thereof.
  • the can-type secondary batteries 100 may be connected in series and / or in parallel depending on the output and capacity required for the battery module 10. [ Although not shown in the drawings for convenience, the can-type secondary batteries 100 may be electrically connected to each other by a bus bar made of a copper plate.
  • the cooling tray 200 may be a structure that provides an accommodation space for accommodating the can-type secondary batteries 100.
  • the cooling tray 200 has a substantially wide, flat, sealed bottom surface and may be provided in a container shape to fill the thermally conductive adhesive application to a predetermined height.
  • the cooling tray 200 may be formed of a metal material having excellent thermal conductivity to absorb the heat of the can-type secondary batteries 100.
  • the upper end of the cooling tray 200 may be bent and horizontally arranged with respect to the paper surface.
  • the cooling tray 200 may be coupled to a tray cover 500 having a bottom surface facing the curved top surface, wherein the top surface of the cooling tray 200 and the bottom surface of the tray cover 500 are welded .
  • an O-ring may be disposed on the upper end surface of the cooling tray 200 and the lower end surface of the tray cover 500 and then bolted together.
  • the can type secondary batteries 100 may be shielded from the outside by a combination of the cooling tray 200 and the tray cover 500 as shown in FIG.
  • the heat sink 300 serves to indirectly cool the can-type secondary batteries 100 by absorbing heat from the cooling tray 200 by allowing the refrigerant to flow through the internal flow path by thermal contact, To be in contact with the surface.
  • the refrigerant flowing through the flow path is not particularly limited as long as it easily flows through the flow path and is excellent in cooling ability.
  • the latent heat is high and can be water that can maximize cooling efficiency.
  • the present invention is not limited to this, and it may be applied to an antifreeze, gas refrigerant, air, or the like, as long as a flow occurs.
  • the heat sink 300 may be made of aluminum or aluminum alloy having high thermal conductivity, but is not limited thereto.
  • aluminum or aluminum alloy having high thermal conductivity, but is not limited thereto.
  • copper, gold, silver For example, ceramic materials such as aluminum nitride and silicon carbide other than metals are also possible.
  • the heat sink 300 has a channel in the form of a rectangular plate having a hollow structure, and one inlet 310 and one outlet 320 of the channel may be provided on one side.
  • the inlet 310 and outlet 320 of the flow passage may be connected to the inlet and outlet of another heat sink or to an external cooling water supply and exhaust pipe.
  • a plurality of can-type secondary batteries 100 are configured to be fixed only by the thermally conductive adhesive liquid 400 without using the fixing structure in the cooling tray 200 or the separate fixing parts.
  • the thermally conductive adhesive liquid 400 for example, an epoxy resin, a silicone resin, or the like may be used as a material having thermal conductivity and adhesiveness.
  • the thermally conductive adhesive liquid 400 may be filled up to the height H of the accommodation space of the cooling tray 200.
  • the contact area between the thermally conductive adhesive liquid 400 and the can-type secondary battery 100 can be secured as much as possible in the position of the can-type secondary batteries 100 in the cooling tray 200. Accordingly, the thermal conductivity between the cooling tray 200 and the can-type secondary batteries 100 can be remarkably improved.
  • the thermal contact resistance is large due to the difference in surface roughness between the empty space and the objects
  • the can-type secondary batteries 100 can be adhesively fixed to the thermally conductive adhesive liquid 400 naturally without using a separate fixing part by filling the void space with the thermally conductive adhesive liquid 400, The thermal contact resistance due to the difference in surface roughness between the cooling tray 200 and the can-type secondary batteries 100 hardly occurs. Accordingly, heat generated in the can-type secondary batteries 100 can be transferred to the cooling tray 200 and discharged to the heat sink 300 more quickly.
  • FIG. 4 a manufacturing process of the battery module 10 as described above will be briefly described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • a cooling tray 200 having a container shape is provided as shown in FIG. 4A and prepared on a work table of a table (S100).
  • a thermally conductive adhesive liquid 400 is poured into the cooling tray 200 to a preset height, and a part of the accommodation space is filled with the thermally conductive adhesive liquid 400 (S200).
  • a plurality of can-type secondary batteries 100 are vertically supported on the thermally conductive adhesive liquid 400, respectively. At this time, it is possible to carry the can-type secondary batteries 100 at a time in units of bundles by using a pick-up jig for the can-type secondary battery 100. After the predetermined time has elapsed, the thermally conductive adhesive liquid 400 is cured and the can-type secondary batteries 100 can be completely fixed at the corresponding positions (S300).
  • the tray cover 500 is coupled to the cooling tray 200 to seal the accommodating space in which the plurality of can-type secondary batteries 100 are accommodated (S400) .
  • the cooling tray 200 is disposed on the top surface of the heat sink 300.
  • the lower end portion of the can-type secondary battery 100 is connected to the cooling tray 200 in the embodiment according to FIG. 6, A plurality of seating portions 210 that are partially fitted are further provided.
  • the can-type secondary batteries 100 when the can-type secondary batteries 100 are arranged on the cooling tray 200, there is no alignment criterion so that the positions of the respective can-type secondary batteries 100 may not be aligned with each other.
  • the thermally conductive adhesive liquid 400 is fully cured, the fixing performance of the can-type secondary battery 100 is incomplete, and there is a fear that the can type secondary battery 100 may be tilted to a light impact.
  • the above-described problems of the above-described embodiments can be supplemented by the cooling tray 200 having a plurality of seating portions 210 according to FIG.
  • the plurality of seating portions 210 according to FIG. 6 are provided at predetermined positions on the bottom surface of the cooling tray 200, thereby guiding the place where the can-type secondary batteries 100 are to be arranged. Accordingly, the can-type secondary batteries 100 can be easily arranged on the cooling tray 200.
  • the plurality of seating portions 210 may be formed in a ring shape, for example, in which a lower end portion of the can-type secondary battery 100 can be partially detrained, thereby holding the bottom of the can-type secondary battery 100 have. Accordingly, when the plurality of can-type secondary batteries 100 are fixed in the thermally conductive adhesive liquid 400, the can-type secondary batteries 100 are arranged in a one-to-one correspondence with the seating portions 210, .
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module 10 according to still another embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is an enlarged view of a main part of FIG.
  • FIG. 7 The same reference numerals as those in the above-described embodiment denote the same members, and redundant description of the same members will be omitted.
  • a battery module 10 includes a tray cover 500 which is coupled with the above-described cooling tray 200 to seal a receiving space, and the tray cover 500 May include a plurality of cooling socket portions 510 and a connection portion 520 for connecting the cooling socket portions 510.
  • the cooling socket unit 510 is in the form of a pipe that can be covered on the outer circumferential surface of the can-type secondary battery 100 and covers the upper end of the can-type secondary battery 100 exposed on the water surface of the thermally conductive adhesive liquid 400 .
  • the cooling socket parts 510 may be connected to each other by a connection part 520 as shown in FIG. Both ends of the connection portion 520 may be connected to the side portions 530a and 530b of the tray cover. In other words, the cooling socket portions 510 can be fixedly coupled to the side portions 530a and 530b of the tray cover by the connection portion 520. [ Therefore, when the upper part of the cooling tray 200 is covered with the tray cover 500, the can-type secondary batteries 100 can be held by the corresponding cooling socket parts 510 respectively. In this case, the can-type secondary batteries 100 can be further fixed, so that the stability of the can-type secondary batteries 100 can be improved.
  • the upper portion of the can-type secondary battery 100 in which the electrode terminal is located has a larger heat generation than the other portions.
  • the upper portion of the can-type secondary battery 100 is in a non-contact state with the thermally conductive adhesive liquid 400, so that the temperature difference between the upper portion and the portion supported in the thermally- Can occur.
  • the upper portion of the can-type secondary battery 100 can be cooled separately.
  • the tray cover 500 includes a plurality of cooling socket portions 510, a connection portion 520, and side portions 530a and 530b of the tray cover to communicate with each other in a hollow structure, . 7, a flow path is formed in the lower region 530a of the tray cover 500 on the basis of an intersection point where the side surfaces 530a and 530b of the tray cover meet the connection portion 520, and the upper region 530b The flow path need not be formed.
  • the refrigerant may flow from the left end of the tray cover 500 to the outside and be discharged to the right end of the tray cover 500 through the connecting portion 520 and the respective cooling socket portions 510.
  • the cooling socket 510 flows the coolant into the inside of the can-type secondary battery 100 and surrounds the upper end of the can-type secondary battery 100 to effectively cool the upper portion of the can- have.
  • the tray cover 500 having such a structure, it is possible to combine with the cooling tray 200 to protect the can-type secondary batteries 100 from the outside, and to further improve the fixing performance and cooling performance of the can- Can be improved.
  • the battery pack according to the present invention may include at least one battery module according to the present invention.
  • the battery pack according to the present invention may further include a pack case for storing the battery module, various devices for controlling charge and discharge of the battery module, such as a BMS, a current sensor, a fuse, .
  • the battery pack according to the present invention can be applied to an automobile or a power storage device (ESS) such as an electric car or a hybrid car.
  • ESS power storage device

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 다수의 캔형 이차전지, 용기 형상으로 상기 다수의 캔형 이차전지를 수납할 수 있는 수용 공간을 갖는 냉각 트레이; 중공 구조로 내부에 냉매가 유동하며, 상기 냉각 트레이의 외면에 접촉하게 배치되는 히트싱크; 및 상기 냉각 트레이의 수용 공간에 채워지는 열 전도성 접착액을 포함하며, 상기 다수의 캔형 이차전지는 하부가 상기 열 전도성 접착액에 담지되어 수직으로 기립 배치될 수 있다.

Description

냉각 및 조립 구조를 단순화시킨 배터리 모듈 및 그 제조방법
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 이차전지들에 대한 냉각 효율성과 조립 구조 단순화를 동시에 충족시킬 수 있는 신규한 조립 구조가 적용된 배터리 모듈 및 배터리 모듈 제조방법에 관한 것이다.
본 출원은 2017년 10월 27일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2017-0141468호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
이차전지 전지 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다. 배터리 모듈은 이러한 전지 셀들이 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 전지 셀에서 발생하는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 전지 셀의 충전 또는 방전의 과정은 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로, 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각장치가 반드시 필요하다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 간략히 나타낸 도면이다. 종래 배터리 모듈은 예컨대, 도 1과 같이, 이차전지 셀(1)과, 이차전지 셀(1)의 수납 및 홀딩을 위한 하우징(2), 히트싱크(3) 그리고 TIM(4, Thermal Interface Material)을 포함하여 구성될 수 있다.
이차전지 셀(1)들은 서로 전기적으로 연결되어야 하는 구성이므로 이들의 안정적인 고정은 반드시 필요하다. 이를 위해 통상적으로 하우징(2)은 다수의 이차전지 셀(1)을 개별적으로 홀딩시킬 수 있는 고정 구조를 가진다. 이를테면 도 1과 같이 원통형 이차전지를 끼워 넣어 구속시킬 수 있게 마련될 수 있다. 대안적으로 별도의 고정용 틀을 사용하여 다수의 이차전지 셀(1)들을 일체로 홀딩한 상태에서 상기 고정용 틀을 하우징(2)에 조립하는 방식이 적용될 수도 있다. 상기 하우징(2)은 기계적 강성과 방열 성능이 우수한 알루미늄 내지 알루미늄 합금으로 제작될 수 있다.
히트싱크(3)는 충방전시 이차전지 셀들의 온도를 적절히 유지시키기 위한 냉각 장치로서 하우징(2)의 하부에 접촉 배치될 수 있다. 여기서 히트싱크(3)는 내부에는 냉매가 유동하게 마련될 수 있고, 하우징(2)을 통해 이차전지 셀(1)들로부터 발생하는 열을 흡수할 수 있다.
TIM(4)은 하우징(2)과 히트싱크(3) 사이의 계면에 배치되어 하우징(2)과 히트싱크(3) 사이의 접촉 저항을 줄여주는 역할을 하는 구성이다. TIM(4)으로는 열전도성 패드 또는 레진이 사용될 수 있다.
그러나 종래 기술에 따른 배터리 모듈 냉각 구성은, TIM(4)을 사용한다 하더라도 열 전도 경로 상에 저항 요소들이 존재하기 때문에 냉각 효율이 저하될 수 밖에 없다. 또한, 이차전지 셀(1)들의 고정을 위해서는 고정 구조를 하우징(2) 내에 추가하거나 별도의 부품을 사용하여야 하므로 하우징(2)에 이차전지의 조립 구조 설계가 어려워지고, 에너지 밀도가 낮아지는 단점이 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차전지들에 대한 냉각 효율성과 조립 구조 단순화를 동시에 충족시킬 수 있는 신규한 냉각 및 조립 구조를 갖는 배터리 모듈 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 다수의 캔형 이차전지, 용기 형상으로 상기 다수의 캔형 이차전지를 수납할 수 있는 수용 공간을 갖는 냉각 트레이; 중공 구조로 내부에 냉매가 유동하며, 상기 냉각 트레이의 외면에 접촉하게 배치되는 히트싱크; 및 상기 냉각 트레이의 수용 공간에 채워지는 열 전도성 접착액을 포함하며, 상기 다수의 캔형 이차전지는 하부가 상기 열 전도성 접착액에 담지되어 수직으로 기립 배치될 수 있다.
상기 열 전도성 접착액은 상기 냉각 트레이의 수용 공간 높이까지 채워질 수 있다.
상기 냉각 트레이에는 상기 캔형 이차전지의 하단부가 부분적으로 끼워 맞춤되는 다수의 안착부가 마련될 수 있다.
상기 냉각 트레이와 결합하여 상기 수용 공간을 밀폐시키는 트레이 커버를 더 포함하며, 상기 트레이 커버는, 파이프 형상으로 상기 열 전도성 접착액의 수면 위에 노출된 상기 캔형 이차전지의 외주면에 씌워지는 다수의 쿨링 소켓부를 구비할 수 있다.
상기 트레이 커버는, 상기 다수의 쿨링 소켓부들과, 상기 트레이 커버의 측면부를 연결시키는 연결부를 더 구비할 수 있다.
상기 다수의 쿨링 소켓부, 상기 연결부, 상기 트레이 커버의 측면부는 중공 구조로 상호 연통하게 마련되어 내부에 유로가 형성될 수 있다.
상기 캔형 이차전지는, 각형 또는 원통형 이차전지일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 배터리 모듈 제조방법은, 용기 형상의 냉각 트레이를 마련하는 준비단계; 상기 냉각 트레이 내부에 미리 설정된 높이까지 열 전도성 접착액을 주액하는 주액단계; 및 상기 열 전도성 접착액이 경화되기 전에 다수의 캔형 이차전지들을 각각 상기 열 전도성 접착액에 수직으로 담지시켜 고정시키는 배치단계를 포함할 수 있다.
상기 냉각 트레이는 상기 캔형 이차전지의 하단부가 부분적으로 끼워 맞춤되는 다수의 안착부를 구비하고, 상기 배치단계는 상기 캔형 이차전지들을 상기 안착부들에 일대일 대응하게 배치시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉각 트레이와 상호 결합하는 트레이 커버를 사용하여 상기 다수의 캔형 이차전지가 수용된 수용 공간을 밀폐시키는 트레이 커버 결합단계를 더 포함할 수 있다.
상기 트레이 커버는 파이프 형상으로 상기 열 전도성 접착액의 수면 위에 노출된 상기 캔형 이차전지의 외주면에 씌워지는 다수의 쿨링 소켓부와, 상기 다수의 쿨링 소켓부와 상기 트레이 커버의 측면부를 연결시키는 연결부를 구비하고, 상기 트레이 커버 결합단계에서 상기 캔형 이차전지들은 상기 쿨링 소켓부들에 하나씩 끼워져 홀딩될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 냉각 효율성과 조립 구조 단순화를 동시에 충족시킬 수 있는 신규한 냉각 및 조립 구조를 갖는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
구체적으로, 열 전도성 접착액으로 캔형 이차전지들이 고정되기 때문에 별도의 고정 구조물이 불필요할 수 있다. 또한, 열 전도성 접착액과 캔형 이차전지들의 접촉 면적이 충분히 확보됨으로 냉각 효율성이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉각 트레이와 상호 결합하여 캔형 이차전지들을 외부로부터 보호하고 이들을 추가적으로 고정 및 냉각시킬 수 있는 트레이 커버를 구비함으로써 캔형 이차전지들에 대한 고정성 및 냉각성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 제조하기 위한 단계별 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법의 플로차트이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7의 주요 부분 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 제조하기 위한 단계별 공정도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 다수의 캔형 이차전지(100), 상기 다수의 캔형 이차전지(100)를 수납할 수 있는 수용 공간을 제공하는 냉각 트레이(200)와, 히트싱크(300), 그리고 상기 냉각 트레이(200)의 수용 공간에 채워지는 열 전도성 접착액(400)을 포함할 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)을 구성하는 이차전지는 캔형 이차전지(100)일 수 있다. 여기서 캔형 이차전지(100)는 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 이차전지로 금속 캔의 형태에 따라 일반적으로 분류되는 원통형 전지와 각형 전지를 포함할 수 있다. 본 실시예는 원통형 이차전지들을 사용하여 구성한 것이나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시예의 원통형 이차전지는 각형 이차전지로 대체될 수 있다.
도면에 자세히 도시하지 않았으나, 원통형 이차전지는 원통형 전지 캔, 전지 캔의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체, 전지 캔의 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함할 수 있다. 여기서 상기 원통형 전지 캔은 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 형성될 수 있다.
이러한 캔형 이차전지(100)들은 배터리 모듈(10)에 요구되는 출력 및 용량에 따라 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 도면의 편의상 도시하지 않았으나, 캔형 이차전지(100)들은 구리판으로 제작된 버스바에 의해 상호 간 전기적으로 연결될 수 있다.
냉각 트레이(200)는 상기 캔형 이차전지(100)들을 수납할 수 있는 수용 공간을 제공하는 구조물일 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 냉각 트레이(200)는 대략 넓고 평평한 밀폐된 바닥면을 가지며, 열 전도성 접착앱을 미리 설정된 높이까지 채울 수 있도록 용기 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 상기 냉각 트레이(200)는 캔형 이차전지(100)들의 열을 흡수할 수 있도록 열 전도성이 우수한 금속 재질로 형성될 수 있다.
냉각 트레이(200)의 상단은 절곡되어 지면에 대해 수평하게 마련될 수 있다. 냉각 트레이(200)는 절곡된 상단면에 대면하는 하단면을 갖는 트레이 커버(500)와 결합될 수 있으며, 이때 냉각 트레이(200)의 상단면과 트레이 커버(500)의 하단면이 용접되어 맞붙을 수 있다. 대안적으로는 냉각 트레이(200)의 상단면과 트레이 커버(500)의 하단면에 오링(O-ring)을 배치 후 볼트 결합시킬 수도 있다. 캔형 이차전지(100)들은 도 3과 같은 냉각 트레이(200)와 트레이 커버(500)의 결합으로 내부 공간이 차폐되어 외부로부터 보호될 수 있다.
히트싱크(300)는 내부 유로에 냉매를 통과시켜 열 접촉에 의해 냉각 트레이(200)로부터 열을 흡수하여 캔형 이차전지(100)들을 간접 냉각시키는 역활을 하는 구성품으로, 냉각 트레이(200)의 바닥면에 접촉하게 배치될 수 있다.
상기 유로에 흐르는 냉매는 유로에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나 이것에 한정하지 않고, 흐름이 발생하는 것이면, 부동액, 가스 냉매, 공기 등이어도 적용 가능하다.
히트싱크(300)는 열전도성이 높은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 소재로 제작될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 구리, 금, 은도 가능하다. 금속 이외의 질화알루미늄, 탄화규소와 같은 세라믹 물질도 가능하다.
본 실시예에서 히트싱크(300)는 중공 구조의 사각 판 형태로 내부에 유로를 가지며, 일측에 상기 유로의 입구(310)와 출구(320)가 하나씩 마련될 수 있다. 상기 유로의 입구(310)와 출구(320)는 다른 히트싱크의 입구와 출구 또는 외부의 냉각수 공급 및 배출 파이프와 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 경우, 다수의 캔형 이차전지(100)들이 냉각 트레이(200) 내의 고정용 구조물 또는 별도의 고정용 부품의 사용 없이 열 전도성 접착액(400)에 의해서만 고정될 수 있게 구성된다. 상기 열 전도성 접착액(400)으로는 열 전도성과 접착성을 갖는 물질로서 예컨대 에폭시 수지, 또는 실리콘 수지 등이 사용될 수 있다.
이러한 열 전도성 접착액(400)은 냉각 트레이(200)의 수용 공간 높이(H)까지 채워질 수 있다. 이 경우, 냉각 트레이(200) 내에서 캔형 이차전지(100)들의 위치 고정성과 열 전도성 접착액(400)과 캔형 이차전지(100) 간의 접촉 면적이 최대한 확보될 수 있다. 이에 따라 냉각 트레이(200)와 캔형 이차전지(100)들 사이의 열 전도도가 현저하게 향상될 수 있다.
다시 말하면, 냉각 트레이(200) 내에 별도의 고정 부품을 사용하여 캔형 이차전지(100)를 냉각 트레이(200)에 접촉 배치시킬 경우, 빈 공간 및 물체들 간의 표면 조도 차이 때문에 열 접촉 저항이 크지만, 본 발명의 경우 열 전도성 접착액(400)이 상기 빈 공간을 메워줌으로써 별도의 고정 부품을 사용하지 않더라도 자연스럽게 캔형 이차전지(100)들이 열 전도성 접착액(400) 속에 접착 고정될 수 있으며, 또한 냉각 트레이(200)와 캔형 이차전지(100)들 간의 표면 조도 차이에 따른 열 접촉 저항이 거의 발생하지 않는다. 따라서 캔형 이차전지(100)들에서 발생한 열은 더욱 빠르게 냉각 트레이(200)로 전도되어 히트싱크(300)로 방출될 수 있다.
이어서, 도 4 및 도 5를 참조하여 위와 같은 배터리 모듈(10)의 제조 공정을 간략히 설명한다.
먼저, 도 4의 (a)와 같이 용기 형상의 냉각 트레이(200)를 마련하여 정반의 작업대 상에 준비한다(S100).
그 다음, 도 4의 (b)와 같이, 냉각 트레이(200) 내부에 미리 설정된 높이까지 열 전도성 접착액(400)을 주액하여 수용 공간 일부를 열 전도성 접착액(400)으로 채운다(S200). 그 다음, 도 4의 (c)와 같이, 열 전도성 접착액(400)이 경화되기 전에 다수의 캔형 이차전지(100)들을 각각 상기 열 전도성 접착액(400)에 수직으로 담지시킨다. 이때 캔형 이차전지(100)용 픽업 지그를 사용하여 묶음 단위로 캔형 이차전지(100)들을 한 번에 담지시키는 것이 가능하다. 이후 소정의 시간이 경과하면 열 전도성 접착액(400)이 경화되어 캔형 이차전지(100)들이 해당 위치에 완전히 고정될 수 있다(S300).
그 다음, 도 4에 도시하지 않았으나, 도 3과 같이, 냉각 트레이(200)와 상호 결합하는 트레이 커버(500)를 사용하여 다수의 캔형 이차전지(100)가 수용된 수용 공간을 밀폐시킨다(S400). 그리고 히트싱크(300)의 상면에 냉각 트레이(200)를 배치한다.
참고로, 도 4의 (b)에서 상기 미리 설정된 높이란 캔형 이차전지(100)들을 모두 열 전도성 접착액(400) 속에 담지시켰을 때, 열 전도성 접착액(400)의 수면이 냉각 트레이(200)의 수용 공간의 높이까지 채워질 수 있는 높이를 의미할 수 있다.
한편, 도 6은 도 4의 (c)에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 도 6에 따른 실시예에서는, 냉각 트레이(200)에 캔형 이차전지(100)의 하단부가 부분적으로 끼워 맞춤되는 다수의 안착부(210)가 더 마련된다.
전술한 실시예의 경우 냉각 트레이(200) 상에 캔형 이차전지(100)들을 배치할 때 정렬 기준이 없기 때문에 각각의 캔형 이차전지(100)들의 위치가 서로 바르게 정렬되지 않을 수 있다. 또한, 열 전도성 접착액(400)이 완전히 경화되기까지는 캔형 이차전지(100)의 고정성이 불완전하여 가벼운 충격에도 기울어질 우려가 있다. 도 6에 따른 다수의 안착부(210)를 갖는 냉각 트레이(200)에 의하면 전술한 실시예가 갖는 위와 같은 문제점들이 보완될 수 있다.
즉, 도 6에 따른 다수의 안착부(210)는 냉각 트레이(200) 바닥면에 미리 지정된 위치에 구비됨으로써 캔형 이차전지(100)들이 배열되어야 할 곳을 가이드할 수 있다. 따라서 냉각 트레이(200) 상에 캔형 이차전지(100)들을 용이하게 배열할 수 있다. 그리고 상기 다수의 안착부(210)는 캔형 이차전지(100)의 하단부가 부분적으로 억지 끼움될 수 있는 예컨대 링(ring) 형태로 마련됨으로써 캔형 이차전지(100)의 하단을 잡아주는 역할을 할 수 있다. 따라서 다수의 캔형 이차전지(100)를 열 전도성 접착액(400) 속에 고정시킬 때, 캔형 이차전지(100)들을 안착부(210)에 일대일 대응하게 배치시킴으로써 캔형 이차전지(100)들의 조립 공차를 줄일 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 도 7의 주요 부분 확대도이다.
이어서 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 설명한다. 전술한 실시예와 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 상술한 냉각 트레이(200)와 결합하여 수용 공간을 밀폐시키는 트레이 커버(500)를 포함하며, 상기 트레이 커버(500)는 다수의 쿨링 소켓부(510)와 이들을 연결시키는 연결부(520)를 구비할 수 있다.
쿨링 소켓부(510)는 캔형 이차전지(100)의 외주면에 씌워질 수 있는 파이프 형상으로, 열 전도성 접착액(400)의 수면 위에 노출된 캔형 이차전지(100)의 상단부를 감싸는 형태를 취한다. 쿨링 소켓부(510)들은, 도 7과 같이, 연결부(520)에 의해 서로 연결될 수 있다. 그리고 연결부(520)의 양쪽 끝단은 트레이 커버의 측면부(530a,530b)에 연결될 수 있다. 다시 말하면, 쿨링 소켓부(510)들은 연결부(520)에 의해 트레이 커버의 측면부(530a,530b)에 고정 결합될 수 있다. 따라서 트레이 커버(500)로 냉각 트레이(200)의 상부를 덮으면 캔형 이차전지(100)들은 각각 대응하는 쿨링 소켓부(510)들에 끼워져 홀딩될 수 있다. 이와 같은 경우, 추가적으로 캔형 이차전지(100)들을 고정시킬 수 있어 캔형 이차전지(100)들의 고정성이 향상될 수 있다.
한편, 전극 단자가 위치한 캔형 이차전지(100)의 상부는 다른 부분에 비해 발열이 크다. 그런데 전술한 실시예들의 경우, 캔형 이차전지(100)의 상부가 열 전도성 접착액(400)과 비접촉된 상태로 있어 해당 부분에서 열 전도성 접착액(400) 속에 담지되어 있는 부분과 온도 편차가 더 크게 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 보완할 수 있도록 본 실시예의 경우, 캔형 이차전지(100)의 상부를 별도로 냉각시킬 수 있게 구성되어 있다.
구체적으로 본 실시예에 따른 트레이 커버(500)는 다수의 쿨링 소켓부(510), 연결부(520), 트레이 커버의 측면부(530a,530b)가 중공 구조로 상호 연통하게 마련되어 그 내부에 유로가 구비될 수 있다. 바람직하게는 도 7에서 트레이 커버의 측면(530a,530b)부와 연결부(520)가 만나는 교점을 기준으로 트레이 커버(500)의 하부 영역(530a)에 유로가 형성되며 그 상부 영역(530b)에는 유로가 형성될 필요는 없다.
예컨대, 외부에서 냉매가 트레이 커버(500)의 좌측 끝단에서 유입되고, 연결부(520)와 각각의 쿨링 소켓부(510)를 지나 트레이 커버(500)의 우측 끝단으로 배출될 수 있다. 이때 도 8에 도시한 바와 같이, 쿨링 소켓부(510)는 내부에 냉매가 흐르며 캔형 이차전지(100)의 상단부를 둘레를 감싸고 있어 발열이 큰 캔형 이차전지(100)의 상부를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
이러한 구성의 트레이 커버(500)에 의하면, 냉각 트레이(200)와 결합하여 캔형 이차전지(100)들을 외부로부터 보호하는 역할과 함께 추가적으로 캔형 이차전지(100)들에 대한 고정성 및 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차 또는 전력 저장장치(ESS)에 적용될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (12)

  1. 다수의 캔형 이차전지, 용기 형상으로 상기 다수의 캔형 이차전지를 수납할 수 있는 수용 공간을 갖는 냉각 트레이;
    중공 구조로 내부에 냉매가 유동하며, 상기 냉각 트레이의 외면에 접촉하게 배치되는 히트싱크; 및
    상기 냉각 트레이의 수용 공간에 채워지는 열 전도성 접착액을 포함하며,
    상기 다수의 캔형 이차전지는 하부가 상기 열 전도성 접착액에 담지되어 수직으로 기립 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 전도성 접착액은 상기 냉각 트레이의 수용 공간 높이까지 채워진 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 트레이에는 상기 캔형 이차전지의 하단부가 부분적으로 끼워 맞춤되는 다수의 안착부가 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 트레이와 결합하여 상기 수용 공간을 밀폐시키는 트레이 커버를 더 포함하며,
    상기 트레이 커버는, 파이프 형상으로 상기 열 전도성 접착액의 수면 위에 노출된 상기 캔형 이차전지의 외주면에 씌워지는 다수의 쿨링 소켓부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 트레이 커버는,
    상기 다수의 쿨링 소켓부들과, 상기 트레이 커버의 측면부를 연결시키는 연결부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다수의 쿨링 소켓부, 상기 연결부, 상기 트레이 커버의 측면부는 중공 구조로 상호 연통하게 마련되어 내부에 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캔형 이차전지는, 각형 또는 원통형 이차전지인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  9. 용기 형상의 냉각 트레이를 마련하는 준비단계;
    상기 냉각 트레이 내부에 미리 설정된 높이까지 열 전도성 접착액을 주액하는 주액단계; 및
    상기 열 전도성 접착액이 경화되기 전에 다수의 캔형 이차전지들을 각각 상기 열 전도성 접착액에 수직으로 담지시켜 고정시키는 배치단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 트레이는 상기 캔형 이차전지의 하단부가 부분적으로 끼워 맞춤되는 다수의 안착부를 구비하고,
    상기 배치단계는 상기 캔형 이차전지들을 상기 안착부들에 일대일 대응하게 배치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 트레이와 상호 결합하는 트레이 커버를 사용하여 상기 다수의 캔형 이차전지가 수용된 수용 공간을 밀폐시키는 트레이 커버 결합단계를 더 포함하는 것을 특징으로 배터리 모듈 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 트레이 커버는 파이프 형상으로 상기 열 전도성 접착액의 수면 위에 노출된 상기 캔형 이차전지의 외주면에 씌워지는 다수의 쿨링 소켓부와, 상기 다수의 쿨링 소켓부와 상기 트레이 커버의 측면부를 연결시키는 연결부를 구비하고,
    상기 트레이 커버 결합단계에서 상기 캔형 이차전지들은 상기 쿨링 소켓부들에 하나씩 끼워져 홀딩되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
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