WO2020055005A1 - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack including such a battery module, and an automobile including such a battery pack.
  • This application is a priority claim application for Korean Patent Application No. 10-2018-0109836 filed on September 13, 2018, and all contents disclosed in the specification and drawings of the application are incorporated in this application by citation.
  • the operating voltage of the unit secondary battery cell that is, the unit battery cell is usually about 2.5V to 4.5V. Therefore, when a higher output voltage is required, a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in series. In addition, a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in parallel according to the charge / discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage or charge / discharge capacity. Particularly, pouch-type battery cells are frequently used in battery packs of medium-to-large-sized devices because of their easy stacking and light weight.
  • FIG. 1 shows a typical pouch type battery cell.
  • the battery cell 10 shown in FIG. 1 has a structure in which the electrode assembly 14 to which the electrode lead 12 is connected is stored together with the electrolyte in the pouch case 16 and sealed through the sealing portion S. A part of the electrode lead 12 is exposed outside the pouch case 16, and the exposed electrode lead 12 is electrically connected to a device in which the battery cell 10 is mounted, or electrically connects the battery cells 10 to each other. It is used to connect.
  • a battery cell assembly including at least one battery cell 10 is formed to configure a battery module first, and one or more of these battery modules are collected. It is common to construct a battery pack by adding other components to it.
  • the importance of a technology capable of efficiently cooling the heat generated in the battery cell 10 according to an increase in the required battery capacity is gradually increasing, and a heat sink is installed at the bottom of the module case of the battery module. Edge cooling, which is mounted and cooled, is the preferred trend.
  • the length L of the battery cell 10 has been developed to increase.
  • the battery cell 10 has left / right upper ends due to the current concentration near the electrode lead 12.
  • the temperature increase width of (UP) is increased, thereby causing a problem that the difference in temperature increase range with other points in the battery cell 10 is intensified. Therefore, since a safety and durability problem of the battery module including the same is caused, a solution to this is needed.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and includes a battery module capable of reducing the temperature deviation of the upper and lower parts of the battery cell assembly, a battery pack including such a battery module, and a vehicle including such a battery pack. It aims to provide.
  • the module case A battery cell assembly accommodated inside the module case and including battery cells, wherein each of the battery cells has an electrode lead drawn out to one side or both sides, and each of the battery cells has an edge portion to which the electrode lead is not drawn.
  • the battery cell assembly to be stacked along the horizontal direction of the module case;
  • a heat sink mounted on the lower side of the module case facing the edge portion of the battery cells;
  • a heat pipe member mounted inside the upper side of the module case, wherein the heat pipe member includes an evaporator and a condenser, wherein the evaporator is formed toward the electrode leads of the battery cells, and the condenser is disposed in the module case. It provides a battery module characterized in that it is in contact with the inner surface.
  • It may further include a thermally conductive adhesive interposed between the bottom inner surface of the module case and the lower side of the battery cell assembly.
  • the module case includes: a top plate covering an upper side of the battery cell assembly; A bottom plate disposed opposite to the top plate and covering a lower side of the battery cell assembly; And a pair of side plates coupled to the top plate and the bottom plate, and disposed on both sides of the battery cell assembly, to form first and second openings that open to both sides in the longitudinal direction of the battery cells. And a front cover coupled to the first opening of the module case and covering the front of the battery cell assembly, and rear cover coupled to the second opening of the module case and covering the rear of the battery cell assembly. You can.
  • a top cover may be further included between the upper portion of the module case and the battery cell assembly, and the heat pipe member may be mounted on the top cover.
  • the heat pipe member may be interpolated to the top cover.
  • the heat pipe member may be assembled to the top cover in an interference fit structure.
  • the heat pipe member may include a plurality of band-shaped heat pipes.
  • the evaporator has a plurality of bands, and the condenser may use an integrated heat pipe module.
  • the present invention the battery pack, at least one battery module according to the present invention; And it provides a battery pack comprising a pack case for packaging the at least one battery module.
  • the present invention provides an automobile, which comprises at least one battery pack according to the invention.
  • heat can be effectively transferred from the upper side of the battery cell assembly to the module case. Therefore, even in a structure of cooling the lower side of the battery cell assembly through a thermally conductive adhesive or a heat sink, cooling through the upper side of the battery cell assembly is additionally possible. According to the present invention, since cooling is also possible through the upper side of the battery cell assembly, it is possible to reduce the occurrence of temperature deviation between the upper and lower parts of the battery cell. Even if the cooling performance through the lower side of the battery cell assembly is insufficient, the heat accumulation in the battery module may be improved by securing the cooling performance through the upper side of the battery cell assembly.
  • the heat pipe member since the heat pipe member is mounted on the top cover, the heat pipe member can be securely fixed, and positional displacement due to impact can also be prevented, so that the battery module can be more robustly operated.
  • a battery module using a rectangular tubular monoframe type module case other than a conventional cell cartridge is provided. Since the cell cartridge does not need to be structured to press and hold the edge of the battery cell as in the prior art, the margin of design of the entire battery module increases, and when the edge of the battery cell is fitted inside the cell cartridge, it may occur when mounting. It is possible to solve the problem that shock or vibration is transmitted to the edge of the battery cell.
  • the battery module and the battery pack have an excellent effect of protecting the battery cell against external vibration, and thus are advantageous for application to automobiles that are frequently exposed to external vibration.
  • the assembly of the battery module can be easily performed, it can be excellent in fairness.
  • a sealing component such as an O-ring, a cooling component such as a cooling pin, and a reinforcing or fixing component such as a cartridge may not be included, the number of components of the battery module may be reduced. Therefore, according to this aspect of the present invention, manufacturing cost, time, weight, and the like can be reduced, thereby improving the productivity of the battery module.
  • the present invention can provide a simple and compact battery module without complicating the entire structure and not taking up much space, and suppressing the occurrence of temperature deviation between the upper and lower parts of the battery cell assembly.
  • a battery pack including such a battery module and a vehicle including such a battery pack can be provided.
  • the present invention even if the length of the battery cells constituting the battery module in the battery module cooling the lower end of the battery cell through the edge cooling method to reduce the difference in temperature increase between the upper left and right battery cells and other points in the battery cell You can. Therefore, it is possible to improve the safety and durability of a battery module, a battery pack, and a vehicle including the same.
  • FIG. 1 shows a typical pouch type battery cell.
  • FIG. 2 is a partially cut-away perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of part A of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a front view of the partially cut battery module illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 5 shows only the battery cells and the heat pipe member in FIG. 2.
  • FIG. 6 is an enlarged side view of the heat pipe member in FIG. 2.
  • FIG. 7A shows only the top cover portion in FIG. 2.
  • FIG. 7B is a top view of the heat pipe member assembled to the top cover portion of FIG. 7A.
  • FIG. 8 is a perspective view for explaining an interpolation example of a heat pipe member.
  • FIG. 9 is a perspective view for explaining an embodiment in which the heat pipe member is made of one block.
  • FIG. 10 is a front view of the battery module to which the embodiment of FIG. 9 is applied.
  • FIG. 11 is a perspective view showing only the top cover portion including the heat pipe member in FIG. 9.
  • FIG. 12 is a top view illustrating only the top cover portion including the heat pipe member in FIG. 9.
  • FIG. 13 is a view for explaining a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view for explaining a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially cut-away perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is an enlarged view of part A of FIG. 2.
  • 4 is a front view of the partially cut battery module illustrated in FIG. 2.
  • the battery module 100 includes a module case 110, a battery cell assembly 120, a heat sink 130 and a heat pipe member 140.
  • the module case 110 forms the exterior of the battery module 100 and can accommodate the battery cell assembly 120. To this end, an accommodation space for accommodating the battery cell assembly 120 may be provided in the module case 110.
  • the type and shape of the module case 110 may be various.
  • the module case 110 may include a top plate 111, a bottom plate 112 and a pair of side plates 113. have.
  • the top plate 111, the bottom plate 112 and the side plate 113 is shown as an example and is formed integrally.
  • a buffer pad 124 is further interposed between the side surface of the battery cell assembly 120 and the inner surface of the module case 110 side, and the top surface of the battery cell assembly 120 and the module case 110 )
  • the top cover 125 may be further interposed between the upper inner surfaces.
  • one side of the front portion of the module case 110 is cut through to show the battery cell assembly 120 inside the battery module 100, the buffer pad 124, and the top cover 125.
  • the battery cell assembly 120 includes two or more battery cells 121.
  • Each battery cell 121 may be a flat panel secondary battery.
  • Each battery cell 121 may have one electrode lead 122 drawn out from one side or both sides.
  • an example of a bidirectional battery in which the electrode leads 122 are drawn out on both sides, that is, in opposite directions to each other, may be a unidirectional battery that is drawn out only on one side.
  • the battery cells 121 may be stacked inside the module case 110 to be electrically connected to each other. Specifically, each of the battery cells 121 may be stacked along the horizontal direction of the module case 110 with the edge portion where the electrode lead 122 is not drawn downward. That is, the battery cells 121 may be vertically stacked side by side so that the wide surface does not come to the floor, thereby configuring the battery cell assembly 120. At this time, the electrode lead 122 may be placed on the left and right sides of the battery cell assembly 120.
  • the shock absorber pad 124 can more stably support the battery cell assembly 120 inside the module case 110.
  • the buffer pad 124 may be provided in a pair or more.
  • the buffer pad 124 may be made of an elastic material, such as a silicone pad.
  • the pair of shock absorber pads 124 may be disposed on both sides of the inner wall of the module case 110, that is, inside the side plate 113, to support both outermost sides of the battery cell assembly 120. Meanwhile, the buffer pad 124 may be further provided for each number of battery cells 121.
  • the buffer pad 124 may serve to prevent damage to the battery cell 121 due to external impact while accommodating the swelling of the battery cell 121.
  • the heat sink 130 is for cooling the battery cells 121 and may be mounted on one side of the module case 110.
  • the heat sink 130 as an edge cooling method, may be mounted on the lower side of the module case 110 opposite to the edge portion of the battery cells 121.
  • the heat sink 130 has a space through which a gaseous or liquid refrigerant can flow, and may have an outer wall made of a metal material defining the space.
  • Heat sink 130 is for cooling the edge of the electrode lead 122 is not withdrawn from each battery cell 121, in this embodiment, the bottom edge of each battery cell 121, each battery cell 121 It can also be called a side cooling method structure in the sense of cooling the side rather than the wide side of).
  • the heat sink 130 is mounted on one side of the battery cell assembly 120, in this embodiment, the bottom surface of the battery cell assembly 120 to cool one surface of the battery cell assembly 120, that is, the bottom surface.
  • a thermally conductive adhesive 123 may be further included between the bottom inner surface of the module case 110 and the bottom of the battery cell assembly 120.
  • the thermally conductive adhesive 123 allows the edge portions of the battery cells 121 to be more stably fixed to the inner bottom surface of the module case 110.
  • the thermally conductive adhesive 123 is interposed between the lower inner surface of the module case 110, that is, the upper surface of the bottom plate 112 and the lower side of the battery cell assembly 120.
  • the thermally conductive adhesive 123 is a cooling adhesive capable of thermal conductivity, and may be provided with a thermal resin.
  • thermal resin There is no limitation on the type of thermal resin, for example, it can be any one of a thermally conductive silicone-based bond, a thermally conductive acrylic bond, or a thermally conductive polyurethane bond. have.
  • the thermally conductive adhesive 123 is applied to the top of the bottom inner surface of the module case 110 to stably fix the battery cell assembly 120 to the top of the bottom inner surface of the module case 110 and improve the thermal conductivity.
  • the thermally conductive adhesive 123 and the heat sink 130 constitute a planar cooling structure having a sufficient contact area on the surface in contact with the battery cell assembly 120.
  • the bottom side of the battery cell assembly 120 is preferentially cooled by the heat sink 130.
  • the battery module 100 may basically have a heat sink 130 at the bottom of the battery module 100 to cool the bottom of the battery cell assembly 120.
  • the heat pipe member 140 is mounted inside the upper side of the module case 110. That is, the heat pipe member 140 is on the upper side of the battery cell assembly 120 so as to face the heat sink 130 mounted on the lower side of the module case 110, in this embodiment the top surface of the battery cell assembly 120 It is mounted.
  • the heat pipe member 140 is preferably in thermal contact with the upper inside of the module case 110, that is, the top plate 111.
  • FIG. 5 shows only the battery cells and the heat pipe member in FIG. 2.
  • 6 is an enlarged side view of the heat pipe member in FIG. 2.
  • the heat pipe member 140 has a structure that uses a "thin fluid-filled heat pipe loop", and causes a phase change of the refrigerant to circulate the refrigerant spontaneously.
  • the heat pipe member 140 may include a plurality of strip-shaped heat pipes 141.
  • the heat pipe 141 includes a refrigerant in a case having a sealed structure.
  • the refrigerant is not forcibly circulated by a pump or the like, and is condensed and circulated in the refrigerant after being spontaneously vaporized by heat generated in the battery cell 121.
  • Refrigerant can be used without limitation, the refrigerant used in manufacturing the cooling device. Examples of such refrigerants include ammonia, acetone, methanol, and ethanol, and water may be used.
  • the heat pipe 141 may further include a structure such as a wick that provides a passage for the refrigerant.
  • each heat pipe 141 in each heat pipe 141 preferably an evaporator (evaporator, 141a) portion is formed on the electrode lead 122 side of the battery cell 121
  • the other side of the heat pipe 141 preferably the condenser (141b) portion is applied to the upper surface of the battery cell 121.
  • each heat pipe 141 may have a shape bent in an a-shape.
  • the heat pipe 141 is a “liquid-cooling system” having a closed structure, it is unnecessary to add a separate refrigerant pump or the like to the battery module 100. Therefore, unlike the forced purifying method, this cooling method does not require a mechanical operating part.
  • the refrigerant continues to be supplied from the condenser 141b to the evaporator 141a by capillary force while circulating between the evaporator 141a and the condenser 141b, and the heat source of the evaporator 141a (battery cell 121)
  • the vapor generated by the electrode lead 122 moves to the condenser 141b and is converted back into a liquid phase.
  • the heat pipe 141 can be manufactured to a very thin thickness, and the structure can be designed to suit the target of application, so it is easy to mount the battery module 100.
  • the thickness d1 of the evaporator 141a portion may be thinned to a minimum thickness of 0.6 mm
  • the thickness d2 of the condenser 141b portion may be thinned to a minimum thickness of 1.0 mm, and is lightweight and has high design freedom.
  • the length 1 of the evaporator 141a portion may be, for example, 30 mm
  • the length 12 of the condenser 141b portion for example, may be about 30 mm.
  • the heat pipe 141 is compact and has an excellent cooling effect.
  • the heat pipe 141 can effectively dissipate heat generated concentrated in the upper left / right side of the battery cell 121 through the evaporation and condensation process while the refrigerant moves in the closed circuit therein.
  • Battery cell 121 by creating an additional heat transfer path (SF) as shown in FIG. 4, a bridge through which heat can escape from the upper left / right top of the module case 110, that is, the battery cell ( 121) It is possible to mitigate the safety and durability risk caused by the increase in the temperature deviation.
  • SF additional heat transfer path
  • the heat pipe member 140 is assembled to the top cover 125 and mounted in the battery module 100, thereby completing a heat transfer path from the heat pipe member 140 to the module case 110.
  • 7A shows only the top cover portion in FIG. 2.
  • FIG. 7A is a top view of a state in which the heat pipe 141 of the heat pipe member 140, particularly the condenser 141b, is assembled to the top cover portion of FIG. 7A.
  • the protrusions 128 are formed on both sides of the insertion hole 126, so that the structure of the heat pipe 141 is secured.
  • the space between the protrusion 128 and the seating groove 127 is formed to be spaced apart to secure a space for the heat pipe member 140 to be assembled.
  • the heat pipe member 140 including the heat pipe 141 when the heat pipe member 140 including the heat pipe 141 is assembled and mounted on the top cover 125, the heat pipe member 140 can be securely fixed, and positional displacement due to impact is also prevented.
  • the battery module 100 may be more robustly operated.
  • the heat pipe member 140 is assembled to the top cover 125 side, and at this time, the condenser portion 141b is seated between the top cover 125 and the module case 110 to the top.
  • a heat transfer path can be formed.
  • the top cover 125 may be a general plastic material or an engineering plastic material with improved thermal conductivity, but the thermal conductivity may be poor compared to the module case 110 of a metal material.
  • a gap G may be provided between the top surface of the battery cell assembly 120 and the top cover 125. Since a separate component (not shown), such as a voltage sensing line, is located above the battery cell assembly 120, a space to be occupied by the component is also required, and according to the use of the battery module 100, the battery cell 121 is swollen It is desirable to have such a gap G so that it can cope with rising swelling. However, the air layer present in the gap G may cause an insulation effect.
  • the heat transfer path (MF), such as the arrow flow in FIG. 4 toward the lower end of the battery cell assembly 120 is formed so that the module case 110 through the thermally conductive adhesive 123 The tendency to diverge through the bottom is dominant.
  • the heat pipe member 140 is further included.
  • the heat transfer path (MF) of the battery cell assembly 120 will be formed only in the bottom direction of the battery module 100, in the present invention, the heat on the top of the battery cell assembly 120 Since the pipe member 140 is included, a heat transfer path SF of the battery cell assembly 120 is also formed in the upper direction of the battery module 100 as shown in FIG. 4.
  • the heat pipe member 140 is connected to the module case, so that it can serve as a heat transfer bridge.
  • the temperature difference between the lower end and the upper end of the battery cell assembly 120 will increase.
  • by further including the heat pipe member 140 to reduce the temperature difference between one surface and the other surface of the battery cell assembly 120, that is, the temperature difference between the bottom surface and the top surface, and the temperature difference between the bottom and the top portion do.
  • the heat pipe member 140 may be applied to a portion that is difficult to be cooled by the heat sink 130, that is, the top surface of the battery cell assembly 120, particularly the middle portion C where heat will be severe. Meanwhile, the heat pipe member 140 may not include a plurality of strip-shaped heat pipes 141 as shown, and may be a single integrated planar heat pipe. Various embodiments of the heat pipe member 140 will be described later. In addition, in order to facilitate the application of the heat pipe member 140 to the battery module 100, various embodiments other than the assembly used in this embodiment are also possible, which will be described later.
  • the present invention is not limited to the specific type, number, connection method of the battery cell 121 included in the battery cell assembly 120, the specific type of the module case 110, and the assembly method, but the battery cell 121 is In particular, it may be a pouch-type battery cell as shown in Figure 1, the module case 110 may be to include a monoframe of a square tube.
  • the present invention will be described in more detail by describing a method of assembling the module case 110 and the battery module 100.
  • the module case 110 is provided with at least one surface open, so that the battery cell assembly 120 can be inserted through the open portion.
  • the module case 110 may be provided in a rectangular parallelepiped shape as a whole.
  • the module case 110 may be provided as a square tube having both sides facing each other.
  • the module case 110 is made of a thermally conductive material to absorb heat from the battery cell assembly 120 so that it can serve to dissipate outside.
  • the module case 110 may be made of a metal material. Since the metallic material has excellent thermal conductivity, it is possible to perform heat dissipation as a whole.
  • the material of the module case 110 can be any metal material, but considering the thermal conductivity, processability, cost, etc., it is preferable to use SUS series or aluminum series. In terms of weight reduction, the aluminum series is more advantageous.
  • the module case 110 may include a top plate 111 covering the upper side of the battery cell assembly 120. To this end, the top plate 111 may have a size and shape to cover all of the upper side of the battery cell assembly 120.
  • the module case 110 is disposed opposite the top plate 111 and may include a bottom plate 112 that covers the lower side of the battery cell assembly 120.
  • the bottom plate 112 is provided in substantially the same shape as the top plate 111 and can stably support the battery cell assembly 120.
  • the module case 110 is coupled to the top plate 111 and the bottom plate 112, and may include a pair of side plates 113 disposed on both sides of the battery cell assembly 120. The pair of side plates 113 may face each other and have the same shape and size.
  • the module case 110 includes a top plate 111, a bottom plate 112 and a side plate 113, the first to be opened to both sides in the length (L of Figure 1) of the battery cell 121
  • the opening OA and the second opening OB are formed.
  • the top plate 111, the bottom plate 112, and the side plate 113 may be connected to each other by welding.
  • cross sections may be welded to each other by friction stir welding in a state where the ends of each other do not overlap and the edges are butted to each other.
  • the top plate 111, the bottom plate 112, and the side plate 113 may be bonded to each other, formed integrally, or combined with a hinge structure.
  • the module case 110 may be referred to as a monoframe.
  • a guide structure may be further formed on the upper surface of the bottom plate 112 to insert and fix the battery cell assembly 120.
  • the guide structure and the battery cell assembly 120 may be combined in a sliding manner. That is, a part of the battery cell assembly 120 may be inserted into and coupled to the guide structure. For example, the edge of the battery cell 121 may be inserted into the guide structure.
  • a plurality of guide structures may be provided in the form of grooves. The guide structure may be provided in a number corresponding to the battery cell 121. When the battery cell 121 is inserted into the guide structure, the battery cell 121 can be more stably supported.
  • the battery cell assembly 120 is received inside the module case 110.
  • the battery cell assembly 120 may be accommodated in the module case 110 while applying the thermal conductive adhesive 123 described with reference to FIG. 4 on the lower side, and after the assembly process is completed, the thermoelectricity inside the module case 110
  • a thermally conductive adhesive 123 may be formed by injecting a conductive adhesive.
  • the battery module 100 may also include other additional components constituting the battery module, such as a sensing assembly.
  • the electrode leads 122 of the battery cells 121 may be electrically connected to the sensing assembly.
  • the sensing assembly may cover the front and rear of the battery cell assembly 120.
  • the sensing assembly is electrically connected to the battery cell assembly 120 and can sense the voltage or temperature of the battery cell assembly 120.
  • the sensing assembly may be connected to an external power supply.
  • the sensing assembly serves to transmit sensing information about electrical characteristics such as voltage of the battery cell assembly 120 to other devices (not shown) outside the battery module 100.
  • a device such as a battery management system (BMS) is connected to the battery module 100 and may be configured to control the operation of the battery module 100 such as charging or discharging.
  • BMS battery management system
  • the sensing assembly is connected to the BMS, and can provide the sensed voltage information of the battery cell assembly 120 to the BMS, and the BMS can control the battery module 100 based on this information. have.
  • a front cover (not shown) is coupled to the first opening OA of the module case 110 and covers the front of the battery cell assembly 120. .
  • the front cover may form a front portion of the battery module 100.
  • the rear cover (not shown), after the battery cell assembly 120 is received in the module case 110, is coupled to the second opening (OB) of the module case 110 and the rear of the battery cell assembly 120 Cover.
  • the rear cover may form a rear portion of the battery module 100.
  • the front cover and the rear cover are disposed at the front and rear of the top plate 111 and the bottom plate 112, and cover the front and rear of the battery cell assembly 120.
  • the front cover and the rear cover may be welded or bonded to the module case 110. Or it can be attached detachably.
  • the battery module 100 may be one using a rectangular tubular mono-frame type module case 110 rather than a conventional cell cartridge.
  • the cell cartridge does not need to be structured to fit by pressing the edge of the battery cell, so the design margin of the entire battery module 100 increases, and when the edge of the battery cell is fitted inside the cell cartridge It is possible to solve the problem that shock or vibration that may occur is transmitted to the edge of the battery cell.
  • the battery module 100 and the battery pack including the battery module 100 have an excellent effect of protecting the battery cell against external vibration, and thus are advantageous for application to automobiles that are frequently exposed to external vibration.
  • the battery module 100 is completed by a simple operation to close both sides of the opening. As such, assembly of the battery module 100 can be easily performed, and thus fairness may be excellent.
  • a sealing component such as an O-ring, a cooling component such as a cooling pin, or a reinforcement or fixing component such as a cartridge may not be included, the number of components of the battery module 100 may be reduced. Therefore, it is possible to reduce manufacturing cost, time, weight, etc., thereby improving productivity of the battery module 100.
  • FIG. 8 is a perspective view for explaining an interpolation example of a heat pipe member.
  • the heat pipe 141 is interpolated to the top cover 125 through a method such as insert molding to manufacture an integrated structure, and it may be used as it is when assembling the battery module 100.
  • the heat pipe 141 is also bent in an a-shape, a part of the bent part is placed on the top cover 125 to be in contact with the module case 110, and the other part is an electrode of battery cells in the battery cell assembly 120 It is placed on the lead side.
  • FIG. 9 is a perspective view for explaining an embodiment in which the heat pipe member is made of one block.
  • 10 is a front view of the battery module to which the embodiment of FIG. 9 is applied.
  • FIG. 11 is a perspective view showing only the top cover portion including the heat pipe member in FIG. 9.
  • 12 is a top view illustrating only the top cover portion including the heat pipe member in FIG. 9.
  • the heat pipe member 140 is a heat pipe module in which the evaporator 141a portion has several bands and the condenser 141b 'portion is integrated.
  • the width w of the portion of the evaporator 141a may be, for example, 4 mm.
  • the distance p between the parts of the evaporator 141a may be, for example, 1.5 mm.
  • the thickness d2 of the condenser 141b 'portion may be at least 1.0 mm.
  • the top cover 125, the insertion hole 126 and the heat pipe condenser (141b ') that can insert a portion of the heat pipe condenser (141b') seating grooves can be seated (Fig. 7a of 127).
  • the heat pipe member 140 is assembled to the top cover 125. .
  • the protrusions 128 are formed on both sides of the insertion hole 126, so that the structure of the heat pipe member 140 can be secured.
  • the heat pipe member 140 shows an example implemented by assembling the top cover 125 as in the embodiment described with reference to FIGS. 2 to 7A and 7B, but the top cover as in the embodiment described with reference to FIG. 8 ( Of course, it can be implemented by interpolating to 125).
  • the upper cooling structure through the heat pipe member 140 is also possible in the basic structure for cooling the lower side of the battery cell assembly 120 through the heat conductive adhesive 123 or the heat sink 130.
  • the present invention since it is also cooled through the upper side of the battery cell assembly 120, it is easy to respond to the design or design change of the device in which the battery module 100 is used, and the cooling performance through the lower side of the battery cell assembly 120 is improved. If it is not enough, you can improve it.
  • the present invention can solve the problem of an increase in the temperature increase width at the upper left and right sides of the battery cell and a difference in temperature increase width with other points in the battery cell as the length of the battery cell increases. have. Since the increase in temperature variation is reduced, it is possible to improve the safety and durability of the battery module 100 including the same.
  • the present invention can provide a simple and compact battery module 100 without complicating the entire structure and taking up a lot of space, and suppressing the occurrence of temperature deviation between the upper and lower parts of the battery cell assembly 120. can do.
  • a battery pack including the battery module 100 and a vehicle including the battery pack may be provided.
  • 13 is a view for explaining a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 14 is a view for explaining a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 200 may include at least one battery module 100 and a pack case 210 for packaging the battery module 100 according to the previous embodiment.
  • the battery pack 200 according to the present invention various devices for controlling charging and discharging of the battery module 100 in addition to the battery module 100 and the pack case 210, such as BMS, current sensor, fuse, etc. It may be further included.
  • the battery pack 200 may be provided in the vehicle 300 as a fuel source of the vehicle 300.
  • the battery pack 200 may be provided in the vehicle 300 in an electric vehicle, a hybrid vehicle, and other ways in which other battery packs 200 can be used as a fuel source.
  • the vehicle 300 may be an electric vehicle.
  • the battery pack 200 may be used as an electric energy source for driving the vehicle 300 by providing driving force to a motor of the electric vehicle.
  • the battery pack 200 has a high nominal voltage of 100 V or more.
  • the battery pack 200 may be charged or discharged by the inverter according to the driving of the motor and / or internal combustion engine.
  • the battery pack 200 may be charged by a regenerative charging device combined with a break.
  • the battery pack 200 may be electrically connected to a motor of the vehicle 300 through an inverter.
  • the battery pack 200 also includes a BMS.
  • the BMS estimates the state of the battery cells in the battery pack 200 and manages the battery pack 200 using the estimated state information.
  • the battery pack 200 state information such as state of charge (SOC), state of health (SOH), maximum input / output power allowance, and output voltage is estimated and managed.
  • the charging or discharging of the battery pack 200 is controlled by using the state information, and further, it is possible to estimate the replacement time of the battery pack 200.
  • the ECU is an electronic control device that controls the state of the vehicle 300. For example, torque information is determined based on information such as an accelerator, a brake, and speed, and the output of the motor is controlled to match the torque information.
  • the ECU sends a control signal to the inverter so that the battery pack 200 can be charged or discharged based on state information such as SOC and SOH of the battery pack 200 received by the BMS.
  • the inverter allows the battery pack 200 to be charged or discharged based on the control signal of the ECU.
  • the motor drives the vehicle 300 based on control information (eg, torque information) transmitted from the ECU using the electric energy of the battery pack 200.
  • Such a vehicle 300 includes a battery pack 200 according to the present invention, the battery pack 200, even if it includes a long battery cell as described above, the temperature increase width of the battery cell left / right upper part or the battery due thereto The difference in temperature increase from other points in the cell can be alleviated. Therefore, the battery pack 200 and the vehicle 300 including the same are improved in safety and durability.
  • the top cover is used for fixing the heat pipe member, there is no fear that the fixing position is distorted by external force. Therefore, when using the vehicle 300 including the battery pack 200, such as vibration applied to the battery pack 200 when driving the vehicle 300, or shock applied to the battery pack 200 due to the collision of the vehicle 300, the outside Structural stability of the battery pack 200 is maintained even by the force applied from.
  • the battery pack 200 since the battery pack 200 has excellent stability and can be used for a long time, the vehicle 300 including the battery pack 200 is safe and easy to operate.
  • the battery pack 200 may be provided in other devices, apparatus and equipment, such as an energy storage system using a secondary battery in addition to the vehicle 300, of course.
  • a device, apparatus, and equipment provided with the battery pack 200 such as the battery pack 200 and the vehicle 300 according to the present embodiment includes the above-described battery module 100, and the above-described battery module It is possible to implement devices, apparatus and equipment such as a battery pack 200 having all of the advantages due to 100 and a vehicle 300 having such a battery pack 200.
  • the battery module 100 capable of realizing a more compact size while securing the volume ratio of the battery cells more and suppressing the temperature deviation between the upper and lower parts of the battery cell assembly
  • the battery pack 200 including the battery module 100 and the vehicle 300 including the battery pack 200 may be provided.

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Abstract

본 발명은, 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 수용되며 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 조립체로서, 상기 배터리 셀들 각각은 일측 또는 양측으로 전극리드가 인출되어 있고, 상기 배터리 셀들 각각은 상기 전극리드가 인출되어 있지 않은 엣지 부분을 아래로 하여 상기 모듈 케이스의 수평 방향을 따라 적층되는 것인 배터리 셀 조립체; 상기 배터리 셀들의 엣지 부분에 대향되는 상기 모듈 케이스의 하측에 장착되는 히트 싱크; 및 상기 모듈 케이스의 상측 내부에 장착되는 히트파이프 부재를 포함하고, 상기 히트파이프 부재는 증발기와 응축기를 포함하며, 상기 증발기는 상기 배터리 셀들의 상기 전극리드 쪽으로 형성되어 있고 상기 응축기는 상기 모듈 케이스의 내면에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 9월 13일자로 출원된 대한민국 특허출원 번호 제10-2018-0109836호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 인해 각광을 받고 있다. 최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기적 구동원에 의하여 구동하는 PEV(Plug-in Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등 전기자동차(EV)나 전력저장장치(ESS)와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다.
단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 보통 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 다수의 배터리 셀들을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀들을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 특히, 중대형 장치의 배터리 팩에는 적층이 용이하고 무게가 가벼운 장점 때문에 파우치형 배터리 셀이 많이 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 파우치형 배터리 셀을 도시한다.
도 1에 도시한 배터리 셀(10)은 전극리드(12)가 접속된 전극 조립체(14)가 파우치 케이스(16)에 전해액과 함께 수납되어 실링부(S)를 통해 밀봉된 구조를 가진다. 전극리드(12)의 일부는 파우치 케이스(16) 외부로 노출되며, 노출된 전극리드(12)는 배터리 셀(10)이 장착되는 장치에 전기적으로 접속되거나, 배터리 셀(10)들 상호간을 전기적으로 접속하는 데 사용된다.
이러한 배터리 셀(10)을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀(10)을 포함하는 배터리 셀 조립체를 만들어 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 배터리 모듈을 하나 이상 모아 여기에 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 배터리 모듈에서는, 요구되는 배터리 용량 증가에 따라 배터리 셀(10)에서 발생되는 열을 효율적으로 냉각시켜 줄 수 있는 기술의 중요성이 점차 커지고 있으며, 배터리 모듈의 모듈 케이스 하단에 히트 싱크(heat sink)를 장착시켜 냉각하는 엣지 쿨링(edge cooling) 방식이 선호되는 추세이다.
이러한 엣지 쿨링 방식의 배터리 모듈의 경우, 모듈 케이스 하단의 히트 싱크로 배터리 셀들에서 발생하는 열을 전달하여 냉각시키게 되지만, 모듈 케이스 상단으로는 열 전달 경로가 마련되지 않는다. 이렇다 보니, 종래 배터리 모듈에서는 배터리 셀 조립체의 상단부와 하단부의 온도 편차가 심화되는 문제가 있다.
특히 최근 전기자동차용 배터리 모듈에서는 배터리 셀(10)의 길이(L)가 증가하는 방향으로 개발되고 있다. 엣지 쿨링 방식을 통해 배터리 셀(10) 하단부(LP)만 냉각시키게 되면, 길이(L)가 긴 배터리 셀(10)에서는 전극리드(12) 부근 전류 밀집으로 인해 배터리 셀(10) 좌/우측 상단부(UP)의 온도 증가폭이 상승되며 그로 인해 배터리 셀(10)내 다른 지점과의 온도 증가폭 차이가 심화되는 문제가 생긴다. 따라서, 이를 포함하는 배터리 모듈의 안전성과 내구성 문제가 야기되므로, 이에 대한 해결책이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 셀 조립체의 상단부와 하단부의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 수용되며 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 조립체로서, 상기 배터리 셀들 각각은 일측 또는 양측으로 전극리드가 인출되어 있고, 상기 배터리 셀들 각각은 상기 전극리드가 인출되어 있지 않은 엣지 부분을 아래로 하여 상기 모듈 케이스의 수평 방향을 따라 적층되는 것인 배터리 셀 조립체; 상기 배터리 셀들의 엣지 부분에 대향되는 상기 모듈 케이스의 하측에 장착되는 히트 싱크; 및 상기 모듈 케이스의 상측 내부에 장착되는 히트파이프 부재를 포함하고, 상기 히트파이프 부재는 증발기와 응축기를 포함하며, 상기 증발기는 상기 배터리 셀들의 상기 전극리드 쪽으로 형성되어 있고 상기 응축기는 상기 모듈 케이스의 내면에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 모듈 케이스의 저부 내면과 상기 배터리 셀 조립체의 하측 사이에 개재되는 열전도성 접착제를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 케이스는, 상기 배터리 셀 조립체의 상측을 커버하는 탑 플레이트; 상기 탑 플레이트에 대향 배치되며, 상기 배터리 셀 조립체의 하측을 커버하는 바텀 플레이트; 및 상기 탑 플레이트 및 상기 바텀 플레이트와 결합되며, 상기 배터리 셀 조립체의 양 측면에 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하여, 상기 배터리 셀들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구와 제2 개구를 형성하며, 상기 모듈 케이스의 제1 개구에 결합되며 상기 배터리 셀 조립체의 전방을 커버하는 프론트 커버와, 상기 모듈 케이스의 제2 개구에 결합되며 상기 배터리 셀 조립체의 후방을 커버하는 리어 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 케이스의 상부와 상기 배터리 셀 조립체의 사이에 탑 커버를 더 포함하고 상기 히트파이프 부재는 상기 탑 커버에 장착되어 있을 수 있다.
이 때, 상기 히트파이프 부재는 상기 탑 커버에 내삽되어 있는 것일 수 있다. 상기 히트파이프 부재는 상기 탑 커버에 억지끼움 구조로 조립되어 있는 것일 수도 있다.
상기 히트파이프 부재는 여러 개의 띠 모양 히트파이프를 포함하는 것일 수 있다. 상기 히트파이프 부재에서 상기 증발기는 여러 개의 띠 모양이고 상기 응축기는 통합되어진 히트파이프 모듈을 이용할 수도 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀 조립체 상측에서 모듈 케이스로 효과적으로 열을 전달할 수 있다. 따라서, 열전도성 접착제나 히트 싱크를 통해 배터리 셀 조립체 하측을 냉각하는 구조에서도 배터리 셀 조립체 상측을 통한 냉각이 추가로 가능해진다. 본 발명에 따르면, 배터리 셀 조립체 상측을 통해서도 냉각이 가능해지므로, 배터리 셀의 상단부와 하단부 사이의 온도 편차 발생을 감소시킬 수 있다. 배터리 셀 조립체 하측을 통한 냉각 성능이 충분하지 못한 경우에도 배터리 셀 조립체 상측을 통한 냉각 성능 확보를 통해 배터리 모듈 내의 열 축적을 개선할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 히트파이프 부재를 탑 커버에 장착하므로, 히트파이프 부재를 확실히 고정할 수 있고, 충격에 의한 위치 틀어짐도 방지하여 더욱 견고하게 배터리 모듈을 운용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 종래의 셀 카트리지(cartridge)가 아닌 사각 관체 모노 프레임(monoframe) 타입의 모듈 케이스를 이용한 배터리 모듈이 제공된다. 종래처럼 셀 카트리지가 배터리 셀의 모서리를 끼워 눌러 고정하는 구조가 아니어도 되므로 전체 배터리 모듈의 설계의 여유도가 증가하며, 기존에 배터리 셀의 모서리가 셀 카트리지 내부에 끼워질 때 장착 시 발생할 수 있는 충격이나 진동 등이 배터리 셀의 모서리로 전달되는 문제를 해결할 수 있다. 이러한 배터리 모듈 및 배터리 팩은 외부 진동에 대하여 배터리 셀을 보호하는 효과가 탁월하므로 외부 진동에 수시로 노출되는 자동차 등에 적용하기에 유리하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리 모듈의 조립이 용이하게 수행될 수 있어, 공정성이 우수할 수 있다. 또한, 오링과 같은 실링 부품이나 쿨링 핀과 같은 냉각 부품, 카트리지와 같은 보강 내지 고정 부품 등을 포함하지 않을 수 있어, 배터리 모듈의 부품 수가 감소할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 제조 비용 및 시간, 무게 등을 줄일 수 있어 배터리 모듈의 생산성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 전체 구조가 복잡해지지 않고 공간을 많이 차지하지 않으면서도 간단하고 콤팩트한 배터리 모듈을 제공할 수 있고, 배터리 셀 조립체의 상단부와 하단부 사이의 온도 편차 발생을 억제할 수 있다. 아울러 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
특히 본 발명에 따르면, 엣지 쿨링 방식을 통해 배터리 셀 하단부를 냉각시키는 배터리 모듈에서 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 길이가 길어져도 배터리 셀 좌/우측 상단부와 배터리 셀내 다른 지점과의 온도 증가폭 차이를 줄일 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 배터리 모듈, 배터리 팩, 그리고 자동차의 안전성과 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일반적인 파우치형 배터리 셀을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 절개 사시도이다.
도 3은 도 2의 A 부분 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시한 부분 절개된 배터리 모듈의 정면도이다.
도 5는 도 2에서 배터리 셀들과 히트파이프 부재만을 도시한 것이다.
도 6은 도 2에서 히트파이프 부재 확대 측면도이다.
도 7a는 도 2에서 탑 커버 부분만을 도시한 것이다.
도 7b는 도 7a의 탑 커버 부분에 히트파이프 부재가 조립된 상태의 상면도이다.
도 8은 히트파이프 부재의 내삽 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9는 히트파이프 부재를 하나의 블록으로 만든 실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 10은 도 9의 실시예를 적용한 배터리 모듈의 정면도이다.
도 11은 도 9에서 히트파이프 부재를 포함하는 탑 커버 부분만을 도시한 사시도이다.
도 12는 도 9에서 히트파이프 부재를 포함하는 탑 커버 부분만을 도시한 상면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
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 안 되며, 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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 절개 사시도이다. 도 3은 도 2의 A 부분 확대도이다. 도 4는 도 2에 도시한 부분 절개된 배터리 모듈의 정면도이다.
먼저 도 2를 참조하면, 배터리 모듈(100)은 모듈 케이스(110), 배터리 셀 조립체(120), 히트 싱크(130) 및 히트파이프 부재(140)를 포함한다.
모듈 케이스(110)는, 배터리 모듈(100)의 외관을 형성하며, 배터리 셀 조립체(120)를 수용할 수 있다. 이를 위해, 모듈 케이스(110)에는 배터리 셀 조립체(120)를 수용하기 위한 수용 공간이 마련될 수 있다. 모듈 케이스(110)의 종류 및 형태는 다양하게 할 수 있는데, 본 실시예에서 모듈 케이스(110)는 탑 플레이트(111), 바텀 플레이트(112) 및 한 쌍의 사이드 플레이트(113)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 탑 플레이트(111), 바텀 플레이트(112) 및 사이드 플레이트(113)가 일체형으로 형성된 것을 도시하고 예로 든다.
도 3을 더 참조하면, 본 실시예에서는 배터리 셀 조립체(120) 측면과 모듈 케이스(110) 측부 내면 사이에 완충 패드(124)가 더 개재되며, 배터리 셀 조립체(120) 상면과 모듈 케이스(110) 상부 내면 사이에 탑 커버(125)가 더 개재될 수 있다. 도 2에서는 배터리 모듈(100) 내부의 배터리 셀 조립체(120), 완충 패드(124) 및 탑 커버(125)를 더 잘 보여주기 위해서 모듈 케이스(110) 전방부 일측을 절개하여 도시하였다.
이러한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 조립체(120)는 둘 이상의 배터리 셀(121)을 포함한다. 각 배터리 셀(121)은 평판형 이차 전지일 수 있다. 각 배터리 셀(121)은 일측 또는 양측으로 전극리드(122)가 인출되어 있는 것일 수 있다. 본 실시예에서는 전극리드(122)가 양측으로, 즉 서로 반대 방향으로 인출되어 있는 양방향 전지의 예를 들지만, 전극리드는 일측으로만 인출되어 있는 단방향 전지일 수도 있다.
배터리 셀(121)들은 상호 전기적으로 연결될 수 있게 모듈 케이스(110) 내부에서 적층될 수 있다. 구체적으로, 배터리 셀(121)들 각각은 전극리드(122)가 인출되어 있지 않은 엣지 부분을 아래로 하여 모듈 케이스(110)의 수평 방향을 따라 적층될 수 있다. 즉, 배터리 셀(121)은 넓은 면이 바닥으로 오지 않도록 수직으로 세워 옆으로 나란히 적층되어 배터리 셀 조립체(120)를 구성할 수 있다. 이 때 전극리드(122)가 배터리 셀 조립체(120)의 좌측과 우측에 놓일 수 있다.
도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 완충 패드(124)는 모듈 케이스(110) 내부에서 배터리 셀 조립체(120)를 보다 안정적으로 지지할 수 있다. 이러한 완충 패드(124)는 한 쌍 이상으로 구비될 수 있다. 완충 패드(124)는 실리콘 패드와 같이 탄성이 있는 재질로 이루어질 수 있다. 일단 한 쌍의 완충 패드(124)는 모듈 케이스(110)의 내벽 양측, 즉 사이드 플레이트(113) 안쪽에 각각 배치되어 배터리 셀 조립체(120)의 최외곽 양측을 지지할 수 있다. 한편, 완충 패드(124)는 일정 개수의 배터리 셀(121) 사이마다 더 구비될 수도 있다. 이러한 완충 패드(124)는 배터리 셀(121)의 스웰링을 수용하면서 외부 충격에 의한 배터리 셀(121)의 파손도 방지해주는 역할을 할 수 있다.
도 2와 도 4를 함께 참조하면, 히트 싱크(130)는 배터리 셀(121)들의 냉각을 위한 것으로서, 모듈 케이스(110)의 일측에 장착될 수 있다. 이러한 히트 싱크(130)는, 엣지 쿨링 방식으로서, 배터리 셀(121)들의 엣지 부분에 대향되는 모듈 케이스(110)의 하측에 장착될 수 있다. 이러한 히트 싱크(130)는 기상 또는 액상의 냉매가 흐를 수 있는 공간을 구비하며, 상기 공간을 정의하는 금속 소재의 외벽을 가질 수 있다.
히트 싱크(130)는 각 배터리 셀(121)에서 전극리드(122)가 인출되어 있지 않은 엣지, 본 실시예에서는 각 배터리 셀(121)의 바닥쪽 엣지를 냉각하기 위한 것이고, 각 배터리 셀(121)의 넓은 면이 아닌 측면을 냉각한다는 의미에서 측면 냉각 방식 구조라고도 부를 수도 있다. 이러한 히트 싱크(130)는 배터리 셀 조립체(120)의 일측, 본 실시예에서는 배터리 셀 조립체(120) 바닥면 쪽에 장착되어 배터리 셀 조립체(120)의 일면, 즉 바닥면을 냉각한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 모듈 케이스(110)의 저부 내면과 배터리 셀 조립체(120) 하측 사이에 열전도성 접착제(123)를 더 포함할 수 있다. 열전도성 접착제(123)는 배터리 셀(121)들의 엣지 부분을 모듈 케이스(110)의 저부 내면에 보다 안정적으로 고정할 수 있도록 한다.
열전도성 접착제(123)는 모듈 케이스(110)의 하부 내면, 즉 바텀 플레이트(112) 상면과 배터리 셀 조립체(120) 하측 사이에 개재된다. 열전도성 접착제(123)는 열전도가 가능한 냉각용 접착제로서, 써멀 레진(thermal resin)으로 구비될 수 있다. 써멀 레진의 종류에는 제한이 없으며, 예를 들어, 방열 실리콘계 접착제(thermally conductive silicone-based bond), 방열 아크릴 접착제(thermally conductive acrylic bond) 또는 방열 폴리우레탄 접착제(thermally conductive polyurethane bond) 중 어느 하나일 수 있다.
이처럼 열전도성 접착제(123)는 모듈 케이스(110)의 저부 내면 상측에 도포시켜 배터리 셀 조립체(120)를 모듈 케이스(110)의 저부 내면 상측에 안정적으로 고정시킴과 아울러 열전도성을 향상시킬 수 있다. 열전도성 접착제(123)와 히트 싱크(130)는 배터리 셀 조립체(120)와 닿아있는 면에서 충분한 접촉 면적을 갖는 면상 냉각 구조를 구성하게 된다. 히트 싱크(130)에 의해 배터리 셀 조립체(120)의 바닥면 쪽이 우선적으로 냉각이 된다. 이처럼 배터리 모듈(100)은 기본적으로 배터리 셀 조립체(120) 하단부를 냉각시킬 수 있도록 배터리 모듈(100) 하단부에 히트 싱크(130)를 가진 것일 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 히트파이프 부재(140)는 모듈 케이스(110)의 상측 내부에 장착된다. 즉, 히트파이프 부재(140)는 모듈 케이스(110)의 하측에 장착되는 히트 싱크(130)와 대향되도록 배터리 셀 조립체(120)의 상측, 본 실시예에서는 배터리 셀 조립체(120)의 상단면에 장착된다. 히트파이프 부재(140)는 모듈 케이스(110)의 상측 내부, 즉 탑 플레이트(111)에 열적 접촉되어 있으면 바람직하다.
도 5는 도 2에서 배터리 셀들과 히트파이프 부재만을 도시한 것이다. 도 6은 도 2에서 히트파이프 부재 확대 측면도이다.
도 1 내지 도 6에서, 히트파이프 부재(140)는 "thin fluid - filled heat pipe loop"를 이용하는 구성으로서, 냉매의 상변화를 일으켜 냉매를 자발적으로 순환시키는 구조를 갖는다. 히트파이프 부재(140)는 여러 개의 띠 모양 히트파이프(141)를 포함할 수 있다.
히트파이프(141)는 밀봉된 구조를 갖는 케이스 안에 냉매가 포함되어 있다. 이러한 냉매는 펌프 등에 의해 강제 순환되지 아니하며, 배터리 셀(121)에서 발생한 열에 의해 냉매가 자발적으로 기화된 후 그 안에서 응축되며 순환되는 것이다. 냉매는 냉각장치 제조에 사용되는 냉매를 제한없이 사용할 수 있다. 이러한 냉매의 예로 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올 등을 예로 들 수 있으며, 물이 사용될 수도 있다. 또한, 히트파이프(141) 안에는 냉매의 이동 통로를 제공하는 윅(wick)과 같은 구조물을 더 포함할 수도 있다.
도 5에 자세히 도시한 바와 같이, 각 히트파이프(141)에서 히트파이프(141)의 일측, 바람직하게 증발기(evaporator, 141a) 부분은 배터리 셀(121)의 전극리드(122) 쪽에 형성이 되고, 히트파이프(141)의 타측, 바람직하게 응축기(condenser, 141b) 부분은 배터리 셀(121)의 상단면 쪽으로 적용한다. 특히 모듈 케이스(110)에서도 배터리 모듈(100)의 상단면 쪽의 모듈 케이스(110) 내면, 즉 탑 플레이트(111)에 접촉되도록 형성하면 모듈 케이스(110) 상부로의 열 전달 경로를 확실히 형성할 수 있다. 이러한 구성을 위하여 예컨대 각 히트파이프(141)는 ㄱ자 모양으로 꺾인 형태를 가질 수 있다.
본 실시예에서 히트파이프(141)는 폐쇄된 구조를 가진 "liquid-cooling system"을 적용한 것이므로, 배터리 모듈(100)에 별도의 냉매 펌프 등의 추가가 불필요하다. 따라서, 이 냉각 방식은 강제 순화 방식과는 달리 기계적인 작동부분이 필요 없는 냉각 방법이다. 냉매는 증발기(141a)와 응축기(141b) 사이를 순환하면서 모세관력(capillary force)에 의해 응축기(141b)에서 증발기(141a)로 계속 공급되며, 증발기(141a)의 열원(배터리 셀(121)의 전극리드(122))에 의해 발생된 증기는 응축기(141b)로 이동하여 다시 액상으로 변환된다.
히트파이프(141)는 매우 얇은 두께로 제작 가능하고 구조를 적용 대상에 맞게 디자인할 수 있어 배터리 모듈(100) 내 장착이 용이하다. 예컨대 도 6에서, 증발기(141a) 부분의 두께(d1)는 최소 0.6 mm, 응축기(141b) 부분의 두께(d2)는 최소 1 .0 mm 두께로 얇게 할 수 있으며, 가볍고, 설계 자유도가 높은 구조로 만들 수 있다. 증발기(141a) 부분의 길이(l1)는 예컨대 30 mm, 응축기(141b) 부분의 길이(l2)도 예컨대 30 mm 정도로 할 수 있다. 이러한 히트파이프(141)는 소형이면서도 냉각 효과가 우수하다. 히트파이프(141)는 그 내부의 폐쇄 회로 안에서 냉매가 이동하며 증발 및 응축 과정을 거쳐 배터리 셀(121) 좌/우측 상단부에 집중 발생된 열을 모듈 케이스(110)를 통해 효과적으로 분산시킬 수 있다. 배터리 셀(121) 좌/우측 상단부에서 모듈 케이스(110) 상부로 열이 빠져 나갈 수 있는 경로(bridge), 즉 도 4에 나타낸 바와 같은 추가의 열 전달 경로(SF)를 만들어 줌으로써, 배터리 셀(121)내 온도 편차 증가로 야기되는 안전성 및 내구성 리스크를 완화할 수 있다.
배터리 모듈(100)에 대한 히트파이프 부재(140) 적용을 용이하게 하기 위하여 다양한 실시예가 가능하다. 특히 본 실시예에서는 탑 커버(125)에 히트파이프 부재(140)를 조립하여 배터리 모듈(100)내에 장착함으로써, 히트파이프 부재(140)에서 모듈 케이스(110)로 이어지는 열 전달 경로를 완성한다. 도 7a는 도 2에서 탑 커버 부분만을 도시한 것이다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 탑 커버(125)에는 히트파이프(141)를 삽입할 수 있는 삽입공(126)과 히트파이프(141)의 응축기 부분(141b)이 안착될 수 있는 안착홈(127)을 마련해 둔다. 조립시, 화살표 방향으로 히트파이프(141)를 삽입공(126)으로 끼워 그 응축기(141b) 부분을 안착홈(127)에 위치시키면 탑 커버(125)에 히트파이프(141)가 조립된다. 도 7b는 도 7a의 탑 커버 부분에 히트파이프 부재(140)의 히트파이프(141), 특히 응축기(141b) 부분이 조립된 상태의 상면도이다.
이 때 억지끼움 구조에 의할 수 있다. 또한 히트파이프(141)가 ㄱ자로 꺾어지는 부분에서는 삽입공(126) 양측에 돌출부(128)를 형성해두어 히트파이프(141)의 고정이 확실해지도록 하는 구조도 가능하다. 도 7a에서 보는 바와 같이 돌출부(128)와 안착홈(127) 사이는 이격되게 형성하여 히트파이프 부재(140)가 조립될 공간을 확보한다. 그 위에 히트파이프 부재(140)가 조립이 되면 도 7b에서와 같이 히트파이프 부재(140) 중 히트파이프(141), 특히 응축기(141b) 부분이 돌출부(128)에 닿을 수 있고, 증발기(141a) 부분은 배터리 셀(121)의 전극리드(122) 쪽에 형성이 될 수 있다.
이처럼, 히트파이프(141)를 포함하는 히트파이프 부재(140)를 탑 커버(125)에 조립해 장착하게 되면, 히트파이프 부재(140)를 확실히 고정할 수 있고, 충격에 의한 위치 틀어짐도 방지하여 더욱 견고하게 배터리 모듈(100)을 운용할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 히트파이프 부재(140)를 탑 커버(125) 쪽에 조립하며, 이 때 탑 커버(125)와 모듈 케이스(110) 사이에 응축기 부분(141b)이 안착되도록 하여 상부로의 열 전달 경로를 형성할 수 있다.
탑 커버(125)는 일반 플라스틱 소재 혹은 그것보다는 열전도성이 개선된 엔지니어링 플라스틱 소재일 수 있는데, 금속 소재의 모듈 케이스(110)에 비해서는 열전도성이 나쁠 수 있다. 그리고, 도 4 및 도 6에 자세히 도시된 바와 같이, 배터리 셀 조립체(120) 상면과 탑 커버(125) 사이에는 간격(G)을 둘 수 있다. 배터리 셀 조립체(120) 상측으로는 전압 센싱 라인과 같은 별도 구성부품(미도시)이 위치하기 때문에 그 구성부품이 차지할 공간도 필요하며, 배터리 모듈(100) 사용에 따라 배터리 셀(121)이 부풀어오르는 스웰링에도 대처할 수 있도록 이러한 간격(G)을 갖게 함이 바람직하다. 그런데, 이 간격(G)에 존재하는 공기층이 단열 효과를 일으킬 수 있다.
배터리 셀(121)에서는 전극리드(122) 부근에 전류가 밀집하여 발열이 심하다. 이렇게 배터리 셀(121)에서 발생되는 열이 사방으로 발산되려 하여도, 간격(G)에 존재하는 공기층 및 탑 커버(125)에 의해 차단되기 때문에 배터리 셀 조립체(120)의 상단부로는 발산되기 어려울 수 있다. 따라서, 히트 싱크(130)에 의해, 배터리 셀 조립체(120)의 하단부를 향해 도 4에서 화살표 흐름과 같은 열 전달 경로(MF)가 형성되어 열전도성 접착제(123)를 통해 모듈 케이스(110)의 저부를 통해 외부로 발산되는 경향이 우세하다. 그러나 본 발명에서는 히트파이프 부재(140)를 더 포함한다. 이러한 히트파이프 부재(140)가 없는 경우에는, 배터리 셀 조립체(120)의 열 전달 경로(MF)가 배터리 모듈(100) 하단부 방향으로만 형성되겠지만, 본 발명에서는 배터리 셀 조립체(120) 상단에 히트파이프 부재(140)를 포함시키므로 도 4에 나타낸 바와 같이 배터리 셀 조립체(120)의 열 전달 경로(SF)가 배터리 모듈(100) 상단부 방향으로도 형성된다. 본 발명에서는 배터리 셀 조립체(120) 상단에 히트파이프 부재(140)를 도입하여 모듈 케이스(110)에 연결함으로써, 단열 효과를 가진 공기층을 가로질러 배터리 셀 조립체(120)로부터 모듈 케이스(110)로 열 전달하는 효과가 탁월하다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈(100)에서, 히트파이프 부재(140)는 모듈 케이스에 연결되어 있어, 열 전달 가교 역할을 할 수 있다.
히트 파이프 부재(140)가 없다면, 배터리 셀 조립체(120) 하단부만 히트 싱크(130)에 의한 냉각이 되므로, 배터리 셀 조립체(120) 하단부와 상단부 사이의 온도차가 커질 것이다. 본 발명에서는 이와 같이 히트파이프 부재(140)를 더 포함하여, 배터리 셀 조립체(120)의 일면과 타면 사이의 온도차, 즉 바닥면과 상단면 사이의 온도차, 또 하단부와 상단부 사이의 온도차를 줄이도록 한다.
히트파이프 부재(140)는 히트 싱크(130)에 의해 냉각되기 어려운 부분, 즉 배터리 셀 조립체(120) 상단면, 그 중에서도 특히 발열이 심할 것인 가운데 부분(C)에 적용할 수 있다. 한편 히트파이프 부재(140)는 도시한 바와 같은 여러 개의 띠 모양 히트파이프(141)를 포함하지 않고 하나의 통합된 면상 히트파이프일 수도 있다. 다양한 히트파이프 부재(140) 실시예에 관해서는 후술한다. 또한, 배터리 모듈(100)에 대한 히트파이프 부재(140) 적용을 용이하게 하기 위하여 본 실시예에서 이용하는 조립 이외에도 다양한 실시예도 가능하며 이에 대해서도 후술한다.
배터리 셀 조립체(120)에 포함되는 배터리 셀(121)의 구체적인 종류, 개수, 연결 방식, 그리고 모듈 케이스(110)의 구체적인 종류, 조립 방법 등에 본 발명이 한정되는 것은 아니지만, 배터리 셀(121)은 특히 도 1에 도시한 것과 같은 파우치형 배터리 셀일 수 있고, 모듈 케이스(110)는 사각 관체의 모노프레임을 포함하는 것일 수 있다. 이하에서는 모듈 케이스(110) 및 배터리 모듈(100) 조립 방법에 대해 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
다시 도 2를 참조하여, 모듈 케이스(110)는 적어도 일면이 개방된 형태로 제공되어, 개방된 부분을 통해 배터리 셀 조립체(120)를 삽입할 수 있도록 한다. 모듈 케이스(110)는 전체적으로 직육면체 형상으로 제공될 수 있다. 일 예로 모듈 케이스(110)는 마주보는 양측이 개방된 형태의 사각 관체로 제공될 수 있다. 모듈 케이스(110)는 열전도성 소재로 이루어져 배터리 셀 조립체(120)의 열을 흡수해 외부로 발산하는 역할을 할 수 있도록 한다. 모듈 케이스(110)는 금속 소재로 이루어진 것일 수 있다. 금속 소재는 열전도성이 우수하므로 그 전체로서 방열 기능을 수행할 수 있게 된다. 모듈 케이스(110)의 소재는 모든 금속 소재가 가능하지만, 열전도성, 가공성, 비용 등을 고려하였을 때 SUS 계열 또는 알루미늄 계열이 사용되는 것이 바람직하다. 경량화 측면에서는 알루미늄 계열이 더 유리하다.
모듈 케이스(110)는 배터리 셀 조립체(120)의 상측을 커버하는 탑 플레이트(111)를 포함할 수 있다. 이를 위해, 탑 플레이트(111)는 배터리 셀 조립체(120)의 상측을 모두 커버할 수 있는 크기 및 형상을 가질 수 있다. 모듈 케이스(110)는 탑 플레이트(111)에 대향 배치되며, 배터리 셀 조립체(120)의 하측을 커버하는 바텀 플레이트(112)를 포함할 수 있다. 이러한 바텀 플레이트(112)는 탑 플레이트(111)와 대체로 동일한 형상으로 제공되며, 배터리 셀 조립체(120)를 안정적으로 지지할 수 있다. 모듈 케이스(110)는 탑 플레이트(111) 및 바텀 플레이트(112)와 결합되며, 배터리 셀 조립체(120)의 양 측면에 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트(113)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 사이드 플레이트(113)는 서로 마주보며 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다.
이와 같이, 모듈 케이스(110)는 탑 플레이트(111), 바텀 플레이트(112) 및 사이드 플레이트(113)를 포함해, 배터리 셀(121)의 길이(도 1의 L) 방향 양측으로 개방되는 제1 개구(OA)와 제2 개구(OB)를 형성한다. 탑 플레이트(111), 바텀 플레이트(112) 및 사이드 플레이트(113)는 서로 용접으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 탑 플레이트(111), 바텀 플레이트(112) 및 사이드 플레이트(113) 사이는 서로의 단부가 겹쳐지지 않고 모서리가 서로 맞대어진 상태에서 마찰교반용접에 의해 단면이 서로 용접될 수 있다. 다른 예로, 탑 플레이트(111), 바텀 플레이트(112) 및 사이드 플레이트(113)는 서로 본딩되거나, 일체형으로 형성되거나, 경첩 구조로 결합되어 있을 수 있다. 이처럼, 모듈 케이스(110)는 모노프레임이라고 할 수 있다.
바텀 플레이트(112) 상면에는 배터리 셀 조립체(120)를 끼워 고정할 수 있도록 가이드 구조가 더 형성되어 있을 수 있다. 가이드 구조와 배터리 셀 조립체(120)는 슬라이딩 방식으로 결합될 수 있다. 즉, 가이드 구조에 배터리 셀 조립체(120)의 일부가 삽입되어 결합될 수 있다. 일 예로 가이드 구조에는 배터리 셀(121)의 엣지가 삽입될 수 있다. 가이드 구조는 홈 형태로 복수개 제공될 수 있다. 가이드 구조는 배터리 셀(121)과 대응되는 개수로 제공될 수 있다. 가이드 구조에 배터리 셀(121)이 삽입되면, 배터리 셀(121)을 더욱 안정적으로 지지할 수 있다.
조립 공정에서, 이러한 모듈 케이스(110)의 제1 개구(OA)를 통하여, 배터리 셀 조립체(120)가 모듈 케이스(110) 내부로 수납된다. 이 때, 배터리 셀 조립체(120) 하측에 도 4를 참조하여 설명한 열전도성 접착제(123)를 도포한 채로 모듈 케이스(110)에 수납하여도 되고, 조립 공정 완료 후 모듈 케이스(110) 내부로 열전도성 접착제를 주입하여 열전도성 접착제(123)를 형성할 수도 있다.
배터리 모듈(100)은 그 밖에 센싱 어셈블리 등, 배터리 모듈을 구성하는 다른 추가부품도 포함할 수 있다. 배터리 셀(121)들의 전극리드(122)는 센싱 어셈블리와 전기적으로 연결될 수 있다. 센싱 어셈블리는 배터리 셀 조립체(120)의 전후방을 커버할 수 있다. 센싱 어셈블리는 배터리 셀 조립체(120)와 전기적으로 연결되며, 배터리 셀 조립체(120)의 전압이나 온도를 센싱할 수 있다. 아울러, 센싱 어셈블리는 외부 전원 등과 연결될 수 있다. 센싱 어셈블리는 배터리 셀 조립체(120)의 전압과 같은 전기적 특성에 대한 센싱 정보를 배터리 모듈(100) 외부의 다른 디바이스(미도시)에 전송하는 역할을 한다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)에는 BMS(Battery Management System)와 같은 장치가 연결되어, 충전이나 방전 등 배터리 모듈(100)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 이 때, 센싱 어셈블리는, 이러한 BMS와 연결되어, 상기 배터리 셀 조립체(120)의 센싱된 전압 정보 등을 BMS에 제공할 수 있으며, BMS는 이러한 정보를 바탕으로 배터리 모듈(100)을 제어할 수 있다.
모듈 케이스(110)에 배터리 셀 조립체(120)가 수납된 후, 프론트 커버(미도시)는 모듈 케이스(110)의 제1 개구(OA)에 결합되며 배터리 셀 조립체(120)의 전방을 커버한다. 이러한 상기 프론트 커버는 배터리 모듈(100)의 전면부를 형성할 수 있다. 그리고, 리어 커버(미도시)는 모듈 케이스(110)에 배터리 셀 조립체(120)가 수납된 후, 모듈 케이스(110)의 제2 개구(OB)에 결합되며 배터리 셀 조립체(120)의 후방을 커버한다. 이러한 상기 리어 커버는 상기 배터리 모듈(100)의 후면부를 형성할 수 있다.
이와 같이, 프론트 커버와 리어 커버는 탑 플레이트(111)와 바텀 플레이트(112)의 전후방에 배치되며, 배터리 셀 조립체(120)의 전후방을 커버할 수 있다. 프론트 커버와 리어 커버는 모듈 케이스(110)에 용접 내지 본딩될 수 있다. 또는 착탈식으로 결합될 수 있다.
이와 같이, 배터리 모듈(100)은, 종래의 셀 카트리지가 아닌 사각 관체 모노 프레임 타입의 모듈 케이스(110)를 이용한 것일 수 있다. 종래처럼 셀 카트리지가 배터리 셀의 모서리를 끼워 눌러 고정하는 구조가 아니어도 되므로 전체 배터리 모듈(100)의 설계의 여유도가 증가하며, 기존에 배터리 셀의 모서리가 셀 카트리지 내부에 끼워질 때 장착 시 발생할 수 있는 충격이나 진동 등이 배터리 셀의 모서리로 전달되는 문제를 해결할 수 있다. 이러한 배터리 모듈(100) 및 이를 포함하는 배터리 팩은 외부 진동에 대하여 배터리 셀을 보호하는 효과가 탁월하므로 외부 진동에 수시로 노출되는 자동차 등에 적용하기에 유리하다.
또한, 모듈 케이스(110)의 개구를 통해 배터리 셀 조립체(120)를 수납한 후, 양측 개구를 막는 간단한 조작으로 배터리 모듈(100)이 완성된다. 이처럼, 배터리 모듈(100)의 조립이 용이하게 수행될 수 있어, 공정성이 우수할 수 있다. 또한, 오링과 같은 실링 부품이나 쿨링 핀과 같은 냉각 부품, 카트리지와 같은 보강 내지 고정 부품 등을 포함하지 않을 수 있어, 배터리 모듈(100)의 부품 수가 감소할 수 있다. 따라서, 제조 비용 및 시간, 무게 등을 줄일 수 있어 배터리 모듈(100)의 생산성을 향상시킬 수 있다.
히트파이프(141)를 배터리 모듈(100) 내에 도입하는 방법의 두번째 실시예로, 여러 개의 히트파이프(141)를 탑 커버(125)에 내삽한 구조도 제안한다. 도 8은 히트파이프 부재의 내삽 실시예를 설명하기 위한 사시도이다. 탑 커버(125) 제조시 인서트 몰딩과 같은 방법을 통해 히트파이프(141)가 탑 커버(125)에 내삽되어 일체화된 구조를 제조하고, 이를 배터리 모듈(100) 조립시에 그대로 이용할 수도 있다. 본 실시예에서도 히트파이프(141)는 ㄱ자형으로 꺾여, 꺾어진 부분의 일부는 탑 커버(125)에 놓여 모듈 케이스(110)에 접하게 되고, 다른 일부는 배터리 셀 조립체(120) 안의 배터리 셀들의 전극리드 쪽에 놓이게 된다.
세번째 실시예로 히트파이프를 모듈화(블록화)하여 탑 커버(125)에 조립하는 구조도 제안한다. 도 9는 히트파이프 부재를 하나의 블록으로 만든 실시예를 설명하기 위한 사시도이다. 도 10은 도 9의 실시예를 적용한 배터리 모듈의 정면도이다. 도 11은 도 9에서 히트파이프 부재를 포함하는 탑 커버 부분만을 도시한 사시도이다. 도 12는 도 9에서 히트파이프 부재를 포함하는 탑 커버 부분만을 도시한 상면도이다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 히트파이프 부재(140)는 증발기(141a) 부분은 여러 개의 띠 모양이고 응축기(141b') 부분은 통합되어진 히트파이프 모듈이다. 증발기(141a) 부분의 폭(w)은 예컨대 4 mm일 수 있다. 증발기(141a) 부분들 사이의 간격(p)은 예를 들어 1.5 mm일 수 있다. 응축기(141b') 부분의 두께(d2)는 최소 1.0 mm일 수 있다.
도 12에 도시한 바와 같이, 탑 커버(125)에는 히트파이프 응축기(141b') 부분을 삽입할 수 있는 삽입공(126)과 히트파이프 응축기(141b') 부분이 안착될 수 있는 안착홈(도 7a의 127과 마찬가지임)을 마련해 둔다. 조립시, 화살표 방향으로 히트파이프 응축기(141b') 부분을 삽입공(126)으로 끼워 그 응축기(141b') 부분을 안착홈에 위치시키면 탑 커버(125)에 히트파이프 부재(140)가 조립된다. 이 때 억지끼움 구조에 의할 수 있다. 또한 히트파이프 부재(140)가 ㄱ자로 꺾어지는 부분에서는 삽입공(126) 양측에 돌출부(128)를 형성해두어 히트파이프 부재(140)의 고정이 확실해지도록 하는 구조도 가능하다.
이처럼 히트파이프 부재(140)는 도 2 내지 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 실시예에서처럼 탑 커버(125)에 조립하여 구현된 예를 도시하였으나, 도 8을 참조하여 설명한 실시예에서처럼 탑 커버(125)에 내삽되어 구현될 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 실시예들에서, 열전도성 접착제(123)나 히트 싱크(130)를 통해 배터리 셀 조립체(120) 하측을 냉각하는 기본 구조에서 히트파이프 부재(140)를 통한 상측 냉각 구조도 가능해진다. 본 발명에 따르면, 배터리 셀 조립체(120) 상측을 통해서도 냉각이 되므로, 배터리 모듈(100)이 사용되는 장치의 디자인이나 설계 변경에 대응하기 용이하며, 배터리 셀 조립체(120) 하측을 통한 냉각 성능이 충분하지 못한 경우 이를 향상시킬 수 있다.
특히 본 발명은 도 1에서도 언급한 바와 같이 배터리 셀의 길이가 증가함에 따라 배터리 셀 좌/우측 상단부의 온도 증가폭 상승 및 그로 인한 배터리 셀내 다른 지점과의 온도 증가폭 차이가 심화되고 있는 문제점을 해소할 수 있다. 온도 편차 증가를 완화하기 때문에 이를 포함하는 배터리 모듈(100)의 안전성과 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 전체 구조가 복잡해지지 않고 공간을 많이 차지하지 않으면서도 간단하고 콤팩트한 배터리 모듈(100)을 제공할 수 있고, 배터리 셀 조립체(120)의 상단부와 하단부 사이의 온도 편차 발생을 억제할 수 있다. 아울러 이러한 배터리 모듈(100)을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 배터리 팩(200)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(100) 및 그것을 패키징하는 팩 케이스(210)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(200)은, 이러한 배터리 모듈(100)과 팩 케이스(210) 이외에 배터리 모듈(100)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(200)은 자동차(300)의 연료원으로써, 자동차(300)에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(200)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(200)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차(300)에 구비될 수 있다.
바람직하게, 자동차(300)는 전기 자동차일 수 있다. 배터리 팩(200)은 전기 자동차의 모터에 구동력을 제공하여 자동차(300)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(200)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다.
배터리 팩(200)은 모터 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(200)은 브레이크(break)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(200)은 인버터를 통해 자동차(300)의 모터에 전기적으로 연결될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이 배터리 팩(200)에는 BMS도 포함되어 있다. BMS는 배터리 팩(200) 내의 배터리 셀들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(200)을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(200)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(200) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(200)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(200)의 교체 시기 추정도 가능하다.
ECU는 자동차(300)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 가속기(accelerator), 브레이크, 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정보를 결정하고, 모터의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU는 BMS에 의해 전달받은 배터리 팩(200)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리 팩(200)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터에 제어 신호를 보낸다. 인버터는 ECU의 제어 신호에 기초하여 배터리 팩(200)이 충전 또는 방전되도록 한다. 모터는 배터리 팩(200)의 전기 에너지를 이용하여 ECU로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 자동차(300)를 구동한다.
이러한 자동차(300)는 본 발명에 따른 배터리 팩(200)을 포함하는데, 배터리 팩(200)은 앞서 설명한 바와 같이 길이가 긴 배터리 셀을 포함하더라도 배터리 셀 좌/우측 상단부의 온도 증가폭이나 그로 인해 배터리 셀내 다른 지점과의 온도 증가폭 차이가 완화될 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 배터리 팩(200)과 자동차(300)는 안전성과 내구성이 향상된다. 또한, 히트파이프 부재의 고정을 위해 탑 커버를 이용하므로, 외력에 의해 고정 위치가 틀어지는 염려가 없다. 따라서, 자동차(300) 주행시 배터리 팩(200)에 가해지는 진동, 혹은 자동차(300) 충돌로 인해 배터리 팩(200)에 가해지는 충격 등, 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차(300) 사용시 외부에서 가해지는 힘에 의해서도 배터리 팩(200)의 구조적 안정성이 유지된다. 또한, 이러한 배터리 팩(200)은 안정성이 뛰어나고 장시간 사용할 수 있으므로, 이를 포함하는 자동차(300)는 안전하고 운용이 쉽다.
또한, 배터리 팩(200)은 자동차(300) 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(200)과 자동차(300)와 같은, 배터리 팩(200)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 배터리 모듈(100)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(100)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(200) 및 이러한 배터리 팩(200)을 구비하는 자동차(300) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀들의 용적률을 보다 더 확보하면서 보다 더 컴팩트한 사이즈를 구현할 수 있고 배터리 셀 조립체의 상단부와 하단부 사이의 온도 편차 발생을 억제할 수 있는 배터리 모듈(100), 이러한 배터리 모듈(100)을 포함하는 배터리 팩(200) 및 이러한 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차(300)를 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
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.

Claims (10)

  1. 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스 내부에 수용되며 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 조립체로서, 상기 배터리 셀들 각각은 일측 또는 양측으로 전극리드가 인출되어 있고, 상기 배터리 셀들 각각은 상기 전극리드가 인출되어 있지 않은 엣지 부분을 아래로 하여 상기 모듈 케이스의 수평 방향을 따라 적층되는 것인 배터리 셀 조립체;
    상기 배터리 셀들의 엣지 부분에 대향되는 상기 모듈 케이스의 하측에 장착되는 히트 싱크; 및
    상기 모듈 케이스의 상측 내부에 장착되는 히트파이프 부재를 포함하고,
    상기 히트파이프 부재는 증발기와 응축기를 포함하며,
    상기 증발기는 상기 배터리 셀들의 상기 전극리드 쪽으로 형성되어 있고 상기 응축기는 상기 모듈 케이스의 내면에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 저부 내면과 상기 배터리 셀 조립체의 하측 사이에 개재되는 열전도성 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 모듈 케이스는,
    상기 배터리 셀 조립체의 상측을 커버하는 탑 플레이트;
    상기 탑 플레이트에 대향 배치되며, 상기 배터리 셀 조립체의 하측을 커버하는 바텀 플레이트; 및
    상기 탑 플레이트 및 상기 바텀 플레이트와 결합되며, 상기 배터리 셀 조립체의 양 측면에 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하여,
    상기 배터리 셀들의 길이 방향 양측으로 개방되는 제1 개구와 제2 개구를 형성하며,
    상기 모듈 케이스의 제1 개구에 결합되며 상기 배터리 셀 조립체의 전방을 커버하는 프론트 커버와, 상기 모듈 케이스의 제2 개구에 결합되며 상기 배터리 셀 조립체의 후방을 커버하는 리어 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 상부와 상기 배터리 셀 조립체의 사이에 탑 커버를 더 포함하고 상기 히트파이프 부재는 상기 탑 커버에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히트파이프 부재는 상기 탑 커버에 내삽되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제4항에 있어서, 상기 히트파이프 부재는 상기 탑 커버에 억지끼움 구조로 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 히트파이프 부재는 여러 개의 띠 모양 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 히트파이프 부재는 상기 증발기는 여러 개의 띠 모양이고 상기 응축기는 통합되어진 히트파이프 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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