WO2021215660A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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WO2021215660A1
WO2021215660A1 PCT/KR2021/003030 KR2021003030W WO2021215660A1 WO 2021215660 A1 WO2021215660 A1 WO 2021215660A1 KR 2021003030 W KR2021003030 W KR 2021003030W WO 2021215660 A1 WO2021215660 A1 WO 2021215660A1
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battery
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module
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김민섭
성준엽
장성환
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module for improving cooling performance and a battery pack including the same.
  • Secondary batteries are receiving a lot of attention as an energy source in various product groups such as mobile devices and electric vehicles.
  • Such a secondary battery is a powerful energy resource that can replace the use of conventional products using fossil fuels, and is in the spotlight as an eco-friendly energy source because no by-products are generated due to energy use.
  • Such a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a module frame accommodating the battery cell stack, and a heat sink for cooling the plurality of battery cells.
  • FIG. 1 is a view showing a battery module combined with a conventional heat sink.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a flow path structure of the heat sink of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view showing a state in which a refrigerant flows in the flow path structure of FIG. 2 .
  • a conventional battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells 10 are stacked, a module frame accommodating the battery cell stack, a bottom portion 20 of the module frame, and the It includes a thermally conductive resin layer 15 positioned between the battery cell stack.
  • a battery module may be formed under the module frame bottom 20 and may be combined with a heat sink 30 that provides a cooling function to the plurality of battery cells 10 to form a battery pack.
  • the heat sink 30 includes a cooling plate 31 having an inlet 32 through which the refrigerant flows, an outlet 33 through which the refrigerant flows, and a cooling passage 34 connecting the inlet 32 and the outlet 33 . ), and an upper plate 29 covering the cooling plate 31 .
  • a heat-conducting layer 18 may be further formed between the bottom 20 of the battery module and the heat sink 30 .
  • a separate cooling structure for example, a heat sink is required in the battery pack unit. Accordingly, the cooling structure tends to be complicated.
  • the inside of the heat sink adopts a bent flow path structure as shown in FIG. 2 to cover the lower surface of the module frame, but as shown in FIG. Since this is not done naturally, a temperature deviation with other parts of the flow path may occur. When a temperature deviation occurs on the flow path, the cooling of the battery cell stack is not uniformly performed, so that the overall cooling performance of the battery module may be deteriorated.
  • An object of the present invention is to provide a battery module and a battery pack that improve cooling performance.
  • a battery module for realizing the above object includes: a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a module frame for accommodating the battery cell stack; and a heat sink formed under the module frame to cool the plurality of battery cells, wherein the heat sink includes a lower plate and a flow path that is a flow path of the refrigerant, and a dimple portion is formed on a surface of the flow path. .
  • the dimple part may be formed of a plurality of dimples convex upwardly from the surface of the flow path part.
  • the plurality of dimples may be formed to be spaced apart from each other.
  • the heat sink may further include an inlet through which the refrigerant flows and an outlet through which the refrigerant flows, and the dimple portion may be formed to be spaced apart from the inlet and the outlet.
  • the flow path part may further include a partition wall formed inside the flow path part along a direction in which the flow path part is formed.
  • the dimple part may be formed between the partition wall and both side walls of the flow path part.
  • the heat sink further includes an inlet through which the refrigerant flows and an outlet through which the refrigerant flows, a start portion of the barrier rib is formed to be spaced apart from the inlet, and the dimple portion is spaced apart from the inlet from the beginning of the barrier rib to the flow path.
  • the portion may be formed along the direction in which it is formed.
  • An end portion of the barrier rib may be formed to be spaced apart from the outlet, and the dimple portion may be formed from a start portion of the barrier rib to an end portion of the barrier rib to be spaced apart from the outlet.
  • the flow path part is formed in a structure recessed downward from the lower plate, the upper side of the flow path part is covered by the bottom part of the module frame, and the refrigerant can flow into the space between the flow path part and the bottom part of the module frame.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module.
  • the dimple portion is formed on the surface of the flow path to reduce the thermal resistance of the refrigerant and reduce the temperature deviation of the refrigerant, thereby improving the cooling performance of the battery module.
  • cooling structure can be simplified through the cooling structure in which the module frame and the heat sink are integrated.
  • FIG. 1 is a view showing a battery module combined with a conventional heat sink.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a flow path structure of the heat sink of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view showing a state in which a refrigerant flows in the flow path structure of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a state in which the components of the battery module of FIG. 4 are assembled.
  • FIG. 6 is a view of the battery module assembled in FIG. 5 centered on the heat sink formed on the lower part.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the heat sink of FIG. 6 taken in the horizontal direction and viewed in the A-A direction.
  • FIG. 8 is a view illustrating a state in which a refrigerant flows through the heat sink of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a modified example of the heat sink of FIG. 7 .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which a partition wall is formed in a flow path as a modified example of the heat sink of FIG. 7 .
  • the first and second terms used in the present application may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a view showing a state in which the components of the battery module of FIG. 4 are assembled.
  • the battery module 200 includes a battery cell stack 100 in which a plurality of battery cells are stacked, and a module for accommodating the battery cell stack 100 . and a heat sink 300 formed under the frame 205 and the module frame 205 to cool the plurality of battery cells.
  • the battery cell according to the present embodiment is a secondary battery, and may be configured as a pouch-type secondary battery.
  • the battery cells may be configured in plurality, and the plurality of battery cells may be stacked to each other so as to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 100 .
  • Each of the plurality of battery cells may include an electrode assembly, a cell case, and an electrode lead protruding from the electrode assembly.
  • the module frame 205 accommodates the battery cell stack 100 .
  • the module frame 205 includes a lower frame 210 that covers the lower surface and both sides of the battery cell stack 100 , and an upper plate that covers the upper surface of the battery cell stack 100 ( 220) may be included.
  • the structure of the module frame 205 is not limited thereto, and may be in the form of a mono frame surrounding on four surfaces except for the front and rear surfaces of the battery cell stack 100 .
  • the battery module 200 may further include an end plate 230 covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 100 . It is possible to physically protect the battery cell stack 100 accommodated therein through the module frame 205 described above.
  • the heat sink 300 may be formed under the module frame 205 .
  • the heat sink 300 is formed on one side of the cooling plate 310 and the heat sink 300 forming a skeleton of the heat sink 300 and in contact with the bottom of the module frame 205 to form the heat sink 300 from the outside.
  • the inlet 320 for supplying the refrigerant to the inside, the outlet 330 formed on one side of the heat sink to allow the refrigerant flowing inside the heat sink to flow out of the heat sink, and the inlet 320 and the outlet 330 are connected and a flow path part 340 through which the refrigerant flows.
  • the flow passage 340 may refer to a structure in which the cooling plate 310 in contact with the lower surface of the lower frame 210 corresponding to the bottom of the module frame 205 is depressed downward.
  • the upper side of the flow path part 340 is opened to form a flow path between the flow path part 340 and the bottom of the module frame 205 , and a refrigerant may flow through the flow path.
  • the battery module 200 according to the present embodiment may have a cooling-integrated structure in which the bottom of the module frame 205 serves to correspond to the upper plate of the heat sink 300 .
  • a dimple part 350 may be formed on the surface of the flow path part 340 .
  • a temperature deviation occurs in a portion where a sudden change in flow occurs, such as a corner portion of a bent flow passage or both ends of the flow passage, so that the cooling of the battery module is not performed smoothly in that portion. there was.
  • the width of the flow path may be formed to be wider, so that the temperature deviation may be more severe.
  • the dimple part 350 on the surface of the flow path part 340 , it is possible to control the flow rate of the refrigerant to uniformly cool all parts of the flow path part 340 . Therefore, it is possible to decrease the maximum rising temperature, to minimize the cooling temperature deviation between the flow passage parts, and to improve the thermal resistance, so that the overall battery module and the cooling performance of the battery pack including the same can be improved.
  • the effect of reducing the temperature deviation and improving the cooling performance may be more effectively shown in a large-area battery module in which the channel width is formed wider as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view of the battery module assembled in FIG. 5 centered on the heat sink formed on the lower part.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the heat sink of FIG. 6 taken in the horizontal direction and viewed in the A-A direction.
  • FIG. 8 is a view illustrating a state in which a refrigerant flows through the heat sink of FIG. 7 .
  • 9 is a diagram illustrating a modified example of the heat sink of FIG. 7 .
  • the cooling plate 310 may be formed to correspond to the bottom of the module frame 205 .
  • the bottom portion of the module frame 205 corresponds to the bottom portion of the lower frame 210 , and the bottom portion of the cooling plate 310 and the lower frame 210 may be coupled by welding, and the battery module may be coupled through the cooling plate 310 .
  • the overall rigidity can be reinforced.
  • the cooling plate 310 and the bottom of the lower frame 210 are sealed through welding, so that the refrigerant can flow through the flow path 340 formed inside the cooling plate 310 without leakage.
  • Both the inlet 320 and the outlet 330 may be formed on one side of the heat sink 300 .
  • both the inlet 320 and the outlet 330 may be formed on one side of the heat sink 300 formed in the portion where the end plate 230 is located.
  • the inlet 320 and the outlet 330 may be respectively located at both ends of one side of the heat sink 300 .
  • a refrigerant supply unit and a refrigerant discharge unit are formed on the lower side or upper side of the heat sink 300 , so that the refrigerant supplied through the refrigerant supply unit may flow into the inlet 320 , and the refrigerant discharged through the outlet 330 may be discharged through the refrigerant discharge unit. can be discharged to the outside.
  • the flow path portion 340 may be formed to cover the bottom portion of the module frame 205 while being bent along the direction in which the refrigerant flows.
  • the flow path 340 is formed in most areas of the bottom of the module frame 205 , except for the portion where the cooling plate 310 comes into contact with the bottom of the module frame 205 . Accordingly, all parts of the battery cell stack 100 disposed above the bottom of the module frame 205 to occupy most of the area of the bottom of the module frame 205 may be uniformly cooled.
  • the dimple part 350 may be formed of a plurality of dimples formed in a hemispherical shape convex upward from the surface of the flow path part 340 .
  • the lower surface of the heat sink 300 may have a concave shape.
  • the plurality of dimples may be formed to be spaced apart from each other. Accordingly, as shown in FIG. 8 , the refrigerant flows evenly while passing between the dimple portions 350 formed of a plurality of dimples, so that cooling performance indicators such as maximum cooling temperature, temperature deviation, and thermal resistance can be improved.
  • the dimple part 350 may be formed to be spaced apart from the inlet 320 and the outlet 330 .
  • the dimple part 350 may implement a heat sink having a dimple part structure modified in various forms including the structure shown in FIG. 9 .
  • FIGS. 6 and 10 a heat sink having a barrier rib structure according to a modified embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 10 .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which a partition wall is formed in a flow path as a modified example of the heat sink of FIG. 7 .
  • the partition wall 360 is formed in the flow path part 340 in the direction in which the flow path part 340 is formed.
  • the barrier rib 360 reduces the width of the flow path part 340 without changing the flow path length of the flow path part 340 to minimize pressure drop and at the same time reduce the temperature deviation between the flow path widths.
  • the upper end of the partition wall 360 and the upper end of the cooling plate 310 may be coupled to the lower surface of the module frame 205 by a method such as welding.
  • partition wall 360 it is possible not only to minimize the pressure drop and temperature deviation of the flowing refrigerant, but also the partition wall 360 in addition to the cooling plate 310 is also combined with the bottom of the module frame 205 to combine the module frame 205 with the module frame 205 . ) and support the load of the battery cell stack accommodated in the module frame 205 and may have the effect of reinforcing the rigidity of the battery module.
  • the partition wall 360 may extend from the inlet 320 to the outlet 330 along a central portion of the flow path 340 . Through this, the refrigerant introduced into the inlet 320 may be guided to the outlet 330 along the partition wall 360 .
  • the starting point of the partition wall 360 is formed to be spaced apart from the inlet 320 , and the refrigerant introduced through the inlet 320 flows from the starting point of the partition wall 360 to the first flow path part 341 and the second flow path formed through the partition wall 360 . It can flow by being divided into two flow passages 342 . In this case, the widths of the first flow path part 341 and the second flow path part 342 are formed to be the same, and the widths of the first flow path part 341 and the second flow path part 342 are from the inlet 320 to the outlet 340 . ) can be consistently formed.
  • the flow may not be biased toward any one of the first and second flow passages 341 and 342 , and a flow passage that may occur due to a wider width of one of the first and second flow passages 341 and 342 . It is possible to minimize the difference in temperature difference between each. In addition, since the widths of the flow passages 340 are uniformly formed, the possibility of pressure drop and temperature deviation that may occur when the width is increased or decreased can be minimized.
  • the dimple part 350 may be formed between the partition wall 360 and the sidewalls of the flow path part 340 . That is, the dimple part 350 may be formed on the surfaces of the first flow path part 341 and the second flow path part 342 .
  • the start portion of the partition wall 360 is formed to be spaced apart from the inlet 320
  • the dimple portion 350 is formed along the direction in which the flow path portion 340 is formed from the start portion of the partition wall 360 so as to be spaced apart from the inlet 320 .
  • the end portion of the partition wall 360 is formed to be spaced apart from the outlet 330
  • the dimple portion 350 is formed from the beginning of the partition wall 360 to the end portion of the partition wall 360 so as to be spaced apart from the outlet 330 .
  • the dimple parts 350 are formed in each of the first and second flow passages 341 and 342 separated by the partition wall 360 , the temperature deviation in the first and second flow passages 341 and 342 is improved and cooling performance is improved. can be improved
  • the battery module described above may be included in the battery pack.
  • the battery pack may have a structure in which one or more battery modules according to the present embodiment are collected and a battery management system (BMS) that manages the temperature, voltage, etc. of the battery and a cooling device are added and packed.
  • BMS battery management system
  • the battery pack may be applied to various devices.
  • a device may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, and a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto and is applicable to various devices that can use a battery module, which also falls within the scope of the present invention .

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 하측에 형성되어 상기 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크를 포함하고, 상기 히트 싱크는, 하부 플레이트 및 냉매의 유동 경로인 유로부를 포함하고, 상기 유로부의 표면에는 딤플부가 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 04월 22일자 한국 특허 출원 제10-2020-0048650호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각 성능을 향상시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 모바일 기기 및 전기 자동차 등의 다양한 제품군에서 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존 제품의 사용을 대체할 수 있는 유력한 에너지 자원으로서, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생하지 않아 친환경 에너지원으로서 각광받고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 전지셀들로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임 및 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크를 포함한다.
도 1은 종래 히트 싱크와 결합된 전지 모듈을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 히트 싱크의 유로 구조를 나타낸 평면도이다. 도 3은 도 2의 유로 구조에 냉매가 유동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래 전지 모듈은, 복수의 전지셀(10)이 적층 형성된 전지셀 적층체, 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임의 바닥부(20)와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층(15)을 포함한다. 이러한 전지 모듈은, 모듈 프레임 바닥부(20) 아래 형성되어 복수의 전지셀(10)에 냉각 기능을 제공하는 히트 싱크(30)와 결합하여 전지 팩을 형성할 수 있다. 이때, 히트 싱크(30)는, 냉매가 유입되는 인렛(32), 냉매가 유출되는 아웃렛(33), 인렛(32)과 아웃렛(33)을 연결하는 냉각 유로(34)가 형성된 냉각 플레이트(31), 및 냉각 플레이트(31)를 덮는 상부 플레이트(29)를 포함한다. 여기서, 전지 모듈의 바닥부(20)와 히트 싱트(30) 사이에 열전도층(18)이 더 형성될 수 있다.
종래에는, 전지 모듈 및/또는 전지 팩의 냉각 성능을 향상시키기 위해 전지 팩 단위에서 별도의 냉각 구조, 예를 들어 히트 싱크를 필요로 한다. 따라서, 냉각 구조가 복잡해지는 경향이 있었다. 또한, 히트 싱크의 내부는 모듈 프레임의 하면부를 커버하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 벤딩된 유로 구조를 채용하였으나, 도 3에 도시된 바와 같이, 벤딩된 유로의 코너부분들에서는 냉매의 순환이 자연스럽게 이루어지지 않아 유로의 다른 부분들과 온도 편차가 발생할 수 있다. 유로 상에서 온도 편차가 발생할 경우 전지셀 적층체의 냉각이 균일하게 이루어지지 아니하여 전지 모듈의 전반적인 냉각 성능이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능을 향상시키는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 하측에 형성되어 상기 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크를 포함하고, 상기 히트 싱크는, 하부 플레이트 및 냉매의 유동 경로인 유로부를 포함하고, 상기 유로부의 표면에는 딤플부가 형성된다.
상기 딤플부는 상기 유로부의 표면에서 상측으로 볼록하게 형성된 복수개의 딤플로 형성될 수 있다.
복수개의 상기 딤플은 서로 이격되게 형성될 수 있다.
상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 인렛과 냉매가 유출되는 아웃렛을 더 포함하고, 상기 딤플부는 상기 인렛 및 상기 아웃렛과 이격되게 형성될 수 있다.
상기 유로부는 상기 유로부가 형성된 방향을 따라 상기 유로부의 내부에 형성된 격벽을 더 포함할 수 있다.
상기 딤플부는 상기 격벽과 상기 유로부의 양측벽 사이에 형성될 수 있다.
상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 인렛과 냉매가 유출되는 아웃렛을 더 포함하고, 상기 격벽의 시작 부분은 상기 인렛에서 이격되어 형성되고, 상기 딤플부는 상기 인렛과 이격되도록 상기 격벽의 시작 부분부터 상기 유로부가 형성된 방향을 따라 형성될 수 있다.
상기 격벽의 종료 부분은 상기 아웃렛에서 이격되어 형성되고, 상기 딤플부는 상기 아웃렛과 이격되도록 상기 격벽의 시작 부분부터 상기 격벽의 종료 부분까지 형성될 수 있다.
상기 유로부는 상기 하부 플레이트에서 하측으로 함몰 형성된 구조로 형성되고, 상기 유로부의 상측은 상기 모듈 프레임의 바닥부에 의해 커버되며, 상기 유로부와 상기 모듈 프레임의 바닥부 사이 공간으로 냉매가 유동할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 유로의 표면에 딤플부가 형성되어 냉매의 열저항을 감소시키고 냉매의 온도 편차를 감소시켜 전지 모듈의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 모듈 프레임과 히트 싱크를 일체화한 냉각 구조를 통해 냉각 구조 단순화를 구현할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 히트 싱크와 결합된 전지 모듈을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 히트 싱크의 유로 구조를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 유로 구조에 냉매가 유동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에서 조립된 전지 모듈을 하측 부분에 형성된 히트 싱크를 중심으로 바라본 도면이다.
도 7은 도 6의 히트 싱크를 수평 방향으로 잘라 A-A 방향으로 바라본 히트 싱크를 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 7의 히트 싱크에 냉매가 흐르는 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7의 히트 싱크의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 7의 히트 싱크의 변형예로, 유로에 격벽이 형성된 모습을 나타내는 도면이다.
이하에서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구성에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(200)은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(205) 및 모듈 프레임(205)의 하측에 형성되어 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크(Heat sink)(300)를 포함한다.
본 실시예에 따른 전지셀은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수개의 전지셀은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 셀 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다.
모듈 프레임(205)은 전지셀 적층체(100)를 수용한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈 프레임(205)은 전지셀 적층체(100)의 하면 및 양측면을 커버하는 하부 프레임(210), 전지셀 적층체(100)의 상면을 커버하는 상부 플레이트(220)를 포함할 수 있다. 다만, 모듈 프레임(205) 구조는 이에 제한되지 않고, 전지셀 적층체(100)의 전후면을 제외하고 4면에서 둘러싸는 모노 프레임 형태일 수도 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(200)은, 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(230)를 더 포함할 수 있다. 앞에서 설명한 모듈 프레임(205)을 통해 내부에 수용된 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다.
히트 싱크(300)는 모듈 프레임(205)의 하부에 형성될 수 있다. 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(205)의 바닥부와 접촉하는 냉각 플레이트(310), 히트 싱크(300)의 일측에 형성되어 외부로부터 히트 싱크(300) 내부로 냉매를 공급하는 인렛(320), 히트 싱크의 일측에 형성되어 히트 싱크 내부에서 유동된 냉매가 히트 싱크 외부로 유출되도록 하는 아웃렛(330), 인렛(320)과 아웃렛(330)을 연결하고 냉매가 유동하는 유로부(340)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 유로부(340)는 모듈 프레임(205)의 바닥부에 해당하는 하부 프레임(210)의 하면과 접촉하는 냉각 플레이트(310)가 하측으로 함몰 형성된 구조를 가리킬 수 있다. 유로부(340)의 상측은 개방됨으로써 유로부(340)와 모듈 프레임(205) 바닥부 사이에 유로가 형성되며, 상기 유로를 통해 냉매가 유동할 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지 모듈(200)은, 모듈 프레임(205)의 바닥부가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트에 대응하는 역할을 하는 냉각 일체형 구조를 가질 수 있다.
종래에는 모듈 프레임 하측에 냉매가 흐르는 구조가 별도로 형성되어 있어 모듈 프레임을 간접적으로 냉각할 수 밖에 없으므로 냉각 효율이 저하되고 별도의 냉매 유동 구조가 형성되어 있어 전지 모듈 및 전지 모듈이 장착된 전지 팩 상의 공간 활용률이 낮아지는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면 모듈 프레임(205)의 하부에 히트 싱크(300)를 일체화 시킨 구조를 채용하여, 유로부(340)와 모듈 프레임(205)의 바닥부 사이로 냉매가 직접 유동할 수 있게 됨으로써, 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(300)가 모듈 프레임(205)의 바닥부와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈 및 전지 모듈이 장착된 전지 팩 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
유로부(340)의 표면에는 딤플부(350)가 형성될 수 있다. 종래 평평한 표면을 가진 유로부 구조 상에서는, 구부러진 유로의 코너부분이나 유로의 양끝단부 등 유동에 급격한 변화가 발생하는 부분에서 온도 편차가 발생하여 해당 부분에서 전지 모듈의 냉각이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있었다. 또한, 전지셀 적층체에서 적층되어 있는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈의 경우, 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유로부(340)의 표면에 딤플부(350)를 형성함으로써, 냉매의 유동 속도를 조절하여 유로부(340)의 모든 부분에서 고르게 냉각을 시킬 수 있다. 따라서, 최대 상승 온도를 하강시킬 수 있고, 유로 부분들 간의 냉각 온도 편차를 최소화시킬 수 있으며, 열저항을 개선할 수 있어 전반적인 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩의 냉각 성능이 향상될 수 있다. 이러한 온도 편차 감소 및 냉각 성능 샹항 효과는, 본 발명의 일 실시예로서, 유로의 폭이 더 넓게 형성되는 대면적 전지 모듈에서 더 유효하게 나타날 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 딤플부가 형성된 히트 싱크 구조에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 6은 도 5에서 조립된 전지 모듈을 하측 부분에 형성된 히트 싱크를 중심으로 바라본 도면이다. 도 7은 도 6의 히트 싱크를 수평 방향으로 잘라 A-A 방향으로 바라본 히트 싱크를 나타내는 단면도이다. 도 8은 도 7의 히트 싱크에 냉매가 흐르는 모습을 나타낸 도면이다. 도 9는 도 7의 히트 싱크의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크(300)에서, 냉각 플레이트(310)는 모듈 프레임(205)의 바닥부와 대응되도록 형성될 수 있다. 모듈 프레임(205)의 바닥부는 하부 프레임(210)의 바닥부에 해당하고, 냉각 플레이트(310)와 하부 프레임(210)의 바닥부는 용접으로 결합될 수 있으며, 냉각 플레이트(310)를 통해 전지 모듈 전체의 강성을 보강할 수 있다. 냉각 플레이트(310)와 하부 프레임(210)의 바닥부는 용접 결합을 통해 밀봉됨으로써, 냉각 플레이트(310) 내측에 형성된 유로부(340)에서 냉매가 누출 없이 유동할 수 있다.
인렛(320)과 아웃렛(330)은 모두 히트 싱크(300)의 일 변에 형성될 수 있다. 보다 상세하게는, 인렛(320)과 아웃렛(330)은 모두 엔드 플레이트(230)가 위치한 부분에 형성된 히트 싱크(300)의 일 변에 형성될 수 있다. 인렛(320)과 아웃렛(330)은 히트 싱크(300)의 일 변의 양단에 각각 위치할 수 있다. 히트 싱크(300)의 하측 또는 상측에는 냉매 공급부 및 냉매 배출부가 형성되어, 냉매 공급부를 통해 공급된 냉매가 인렛(320)으로 유입될 수 있고, 아웃렛(330)을 통해 유출된 냉매는 냉매 배출부를 통해 외부로 배출될 수 있다.
유로부(340)는 냉매가 흐르는 방향을 따라 굴곡되면서 모듈 프레임(205)의 바닥부를 커버하도록 형성될 수 있다. 유로부(340)는 모듈 프레임(205)의 바닥부 중 냉각 플레이트(310)가 모듈 프레임(205)의 바닥부와과 접촉된 부분을 제외한 대부분 영역에 형성된다. 따라서, 모듈 프레임(205)의 바닥부 상측에서 모듈 프레임(205)의 바닥부 대부분의 면적을 차지하도록 배치된 전지셀 적층체(100)의 모든 부분이 골고루 냉각될 수 있도록 할 수 있다.
딤플부(350)는 유로부(340)의 표면에서 상측으로 볼록하게 반구형으로 형성된 복수개의 딤플로 형성될 수 있다. 다시 말해, 전지 모듈을 아래에서 위로 바라볼 때, 히트 싱크(300) 하부면이 오목하게 들어간 형상일 수 있다. 복수개의 상기 딤플은 서로 이격되게 형성될 수 있다. 따라서, 도 8에 도시한 바와 같이, 냉매가 복수개의 딤플로 형성된 딤플부(350) 사이를 통과하면서 유동이 고르게 형성되어 최대 냉각 온도, 온도 편차, 열저항 등의 냉각 성능 지표들이 개선될 수 있다. 딤플부(350)는 인렛(320) 및 아웃렛(330)과 이격되게 형성될 수 있다.
딤플부(350)는 도 9에 도시된 구조를 포함하여 다양한 형태로 변형된 딤플부 구조를 갖는 히트 싱크를 구현할 수 있다.
이하, 도 6 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 격벽 구조가 형성된 히트 싱크에 대해 설명한다.
도 10은 도 7의 히트 싱크의 변형예로, 유로에 격벽이 형성된 모습을 나타내는 도면이다.
본 실시예에 따르면, 유로부(340)의 내부에는 유로부(340)가 형성된 방향을 따라 격벽(360)이 형성된다. 본 실시예에 따른 격벽(360)은 유로부(340)의 유로 길이의 변경 없이 유로부(340)의 폭을 축소시켜 압력 강하를 최소화 하고 동시에 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 격벽(360)의 상단과 냉각 플레이트(310) 상단은 모듈 프레임(205)의 하면과 용접 등의 방법에 의해 결합될 수 있다.
격벽(360)에 의해, 유동하는 냉매의 압력 강하 및 온도 편차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각 플레이트(310) 외에 격벽(360) 역시 모듈 프레임(205)의 바닥부와 결합하여 모듈 프레임(205) 및 모듈 프레임(205)에 수용된 전지셀 적층체의 하중을 지지하고 전지 모듈의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다.
격벽(360)은 유로부(340)의 가운데 부분을 따라 인렛(320)에서 아웃렛(330)까지 연장 형성될 수 있다. 이를 통해 인렛(320)으로 유입된 냉매는 격벽(360)을 따라 아웃렛(330)까지 안내될 수 있다.
격벽(360)의 시작점은 인렛(320)에서 이격되어 형성되어, 인렛(320)을 통해 유입된 냉매는 격벽(360)의 시작점에서부터 격벽(360)을 통해 형성된 제1 유로부(341) 및 제2 유로부(342)로 구별되어 흐를 수 있다. 이때 제1 유로부(341) 및 제2 유로부(342)의 폭은 동일하게 형성되고, 제1 유로부(341) 및 제2 유로부(342)의 폭은 인렛(320)에서 아웃렛(340)까지 일정하게 형성될 수 있다. 따라서 제1,2 유로부(341, 342) 중 어느 한 쪽으로 유동이 치우치지 않을 수 있고, 제1,2 유로부(341, 342) 중 한 유로부의 폭이 더 넓거나 하여 발생할 수 있는 유로부 마다의 온도 편차 차이를 최소화할 수 있다. 또한 유로부(340)들의 폭이 일정하게 형성되어 폭이 넓어지거나 줄어들 시 발생할 수 있는 압력 강하 및 온도 편차의 발생 가능성을 최소화할 수 있다.
딤플부(350)는 격벽(360)과 유로부(340)의 양측벽 사이에 형성될 수 있다. 즉 제1 유로부(341)과 제2 유로부(342)의 표면에 딤플부(350)가 형성될 수 있다. 격벽(360)의 시작 부분은 인렛(320)에서 이격되어 형성되고, 딤플부(350)는 인렛(320)과 이격되도록 격벽(360)의 시작 부분부터 유로부(340)가 형성된 방향을 따라 형성될 수 있다. 또한 격벽(360)의 종료 부분은 아웃렛(330)에서 이격되어 형성되고, 딤플부(350)는 아웃렛(330)과 이격되도록 격벽(360)의 시작 부분부터 격벽(360)의 종료 부분까지 형성될 수 있다. 격벽(360)으로 구분된 제1,2 유로부(341, 342) 각각에 딤플부(350)가 형성됨에 따라 제1,2 유로부(341, 342)에서의 온도 편차를 개선하고 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈은 전지 팩에 포함될 수 있다. 전지 팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
부호의 설명
205: 모듈 프레임
210: 하부 프레임
220: 상부 플레이트
230: 엔드 플레이트
300: 히트 싱크
310: 하부 플레이트
320: 인렛
330: 아웃렛
340: 유로부
341: 제1 유로
342: 제2 유로
350: 딤플부
360: 격벽

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및
    상기 모듈 프레임의 하측에 형성되어 상기 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크를 포함하고,
    상기 히트 싱크는, 하부 플레이트 및 냉매의 유동 경로인 유로부를 포함하고,
    상기 유로부의 표면에는 딤플부가 형성된 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 딤플부는 상기 유로부의 표면에서 상측으로 볼록하게 형성된 복수개의 딤플로 형성되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    복수개의 상기 딤플은 서로 이격되게 형성되는 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 인렛과 냉매가 유출되는 아웃렛을 더 포함하고,
    상기 딤플부는 상기 인렛 및 상기 아웃렛과 이격되게 형성되는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 유로부는 상기 유로부가 형성된 방향을 따라 상기 유로부의 내부에 형성된 격벽을 더 포함하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 딤플부는 상기 격벽과 상기 유로부의 양측벽 사이에 형성되는 전지 모듈.
  7. 제5항에서,
    상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 인렛과 냉매가 유출되는 아웃렛을 더 포함하고,
    상기 격벽의 시작 부분은 상기 인렛에서 이격되어 형성되고,
    상기 딤플부는 상기 인렛과 이격되도록 상기 격벽의 시작 부분부터 상기 유로부가 형성된 방향을 따라 형성되는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 격벽의 종료 부분은 상기 아웃렛에서 이격되어 형성되고,
    상기 딤플부는 상기 아웃렛과 이격되도록 상기 격벽의 시작 부분부터 상기 격벽의 종료 부분까지 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 유로부는 상기 하부 플레이트에서 하측으로 함몰 형성된 구조로 형성되고, 상기 유로부의 상측은 상기 모듈 프레임의 바닥부에 의해 커버되며, 상기 유로부와 상기 모듈 프레임의 바닥부 사이 공간으로 냉매가 유동하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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