WO2021251623A1 - 배터리 모듈 및 그의 제조방법 - Google Patents

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battery
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battery cell
receiving surface
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진희준
김경우
문정오
지호준
박진용
박진하
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a battery module in which heat dissipation of a battery cell is increased and a temperature deviation is reduced, and a method of manufacturing the same.
  • a secondary battery refers to a battery capable of charging and discharging unlike a primary battery that cannot be charged, and these secondary batteries are widely used in phones, notebook computers, camcorders, power storage devices, electric vehicles, and the like.
  • the secondary battery is classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch, wherein the pouch-type secondary battery is an electrode assembly in which electrodes and separators are alternately stacked; and a pouch for accommodating the electrode assembly.
  • the battery pack includes a battery module including a plurality of battery cells, and the plurality of battery cells are connected in series or parallel to increase capacity and output.
  • the above-described battery module generates more heat as the capacity and output increase, and accordingly, if the heat generated from the battery module is not smoothly discharged to the outside, deterioration, ignition, and explosion of the battery module may occur.
  • an object of the present invention is to provide a battery module capable of reducing temperature deviation of the entire battery module and a method for manufacturing the same.
  • a battery module of the present invention for achieving the above object includes a plurality of battery cells overlappingly arranged in a thickness direction; a battery case accommodating the battery cells and having an open bottom structure; and a cover plate coupled to a lower portion of the battery case to support the battery cells, and a heat dissipation member provided on one surface of the cover plate on which the battery cells are supported and provided with a heat sink for dissipating heat generated in the battery cells.
  • the heat sink includes a first heat transfer material arranged in a plurality of rows in a longitudinal direction of the battery cell on one surface of the cover plate, wherein the first heat transfer material is disposed from the center of the battery cell to both ends In order to gradually increase heat dissipation, the gap may be gradually narrowed from the center to both ends of the battery cell.
  • One surface of the cover plate includes a first receiving surface partitioned at both ends in the thickness direction of the battery cell, and a second receiving surface partitioned between the first receiving surface, wherein the first and second receiving surfaces Silver is formed to extend in the longitudinal direction of the battery cell, and the first heat transfer material may be provided on the first receiving surface.
  • a gap between the first heat transfer material having the narrowest gap among the first heat transfer materials arranged on the first receiving surface and the first heat transfer material may be greater than a thickness of the first heat transfer material.
  • the heat sink further includes a second heat transfer material having a structure in which a plurality of the battery cells are arranged in a width direction of the battery cell on the second receiving surface, wherein the second heat transfer material is arranged on the second receiving surface at equal intervals can have a structure.
  • the plurality of second heat transfer materials arranged on the second receiving surface may be spaced apart so as not to be connected to each other, and may be spaced apart from each other so as not to be connected to the first heat transfer material arranged on the first receiving surface.
  • a pair of heat dissipation pads may be provided at both ends of the inner surface of the battery case to reduce a temperature difference between the center and both ends of the battery cell by dissipating heat generated from both ends of the battery cell.
  • a finishing pad for closing the space between the pair of heat dissipation pads may be provided on the inner surface of the battery case between the pair of heat dissipation pads.
  • the first heat transfer material arranged at both ends in the longitudinal direction of the battery cell may have a “C” shape with the ends facing the outside of the battery cell.
  • One surface of the cover plate includes a first receiving surface partitioned at both ends in the thickness direction of the battery cell, and a second receiving surface partitioned between the first receiving surface, wherein the first and second receiving surfaces is divided to extend in the longitudinal direction of the battery cell, the first heat transfer material has a structure connected from one end to the other end of the first receiving surface in a concave-convex shape, and the heat sink is disposed on the second receiving surface of the battery cell
  • a second heat transfer material provided in the longitudinal direction and connected to the other end of the first heat transfer material may be further included.
  • the battery module manufacturing method of the present invention includes the disposing step of arranging a plurality of battery cells to overlap in the thickness direction; An accommodating step of accommodating a plurality of battery cells overlapping the inside of the battery case having an open lower portion; A preparation step of preparing a heat dissipation member having a cover plate and a heat sink provided on one surface of the cover plate on which the battery cells are supported; and a coupling step of coupling the cover plate of the heat dissipation member to the lower part of the battery case, wherein the preparing step is to apply a first heat transfer material to one surface of the cover plate so as to be aligned in a plurality of rows in the longitudinal direction of the battery cells,
  • the first heat transfer material may include a first application process in which the distance from the center of the battery cell to both ends of the battery cell is gradually narrowed.
  • the preparation step may further include, after the first application process, a second application process of applying a second heat transfer material to the second receiving surface so that a plurality of them are arranged in a width direction of the battery cells.
  • the plurality of second heat transfer materials may be applied without being connected to each other and not connected to the first heat transfer material arranged on the first receiving surface.
  • the accommodating step may further include attaching a heat dissipation pad to both ends of the battery case and to both ends of the inner surface of the battery case corresponding to both ends of the battery cell.
  • the receiving step may further include a step of attaching a finishing pad to the inner surface of the battery case between the heat dissipation pads.
  • the battery module of the present invention includes a plurality of battery cells, a battery case, and a heat dissipation member having a cover plate and a heat sink, wherein the heat sink is arranged on one surface of the cover plate in a plurality of rows in the longitudinal direction of the battery cells. It is characterized in that it includes a first heat transfer material having a structure that is Due to such a characteristic, heat generated from the battery cells may be smoothly discharged to the outside through the first heat transfer material arranged in a plurality of rows, and accordingly, a temperature increase of the battery module may be significantly suppressed.
  • the first heat transfer material is characterized in that the distance from the center of the battery cell to both ends is arranged to gradually become narrower. Due to this characteristic, it is possible to gradually increase the heat dissipation from the center to both ends of the battery cell, and accordingly, the temperature deviation from the center to both ends of the battery cell can be reduced, and as a result, the performance of the battery module can be greatly improved. can be raised
  • the cover plate includes a first receiving surface and a second receiving surface, and the first heat transfer material is provided on the first receiving surface provided at both ends of the cover plate. Due to such a characteristic, the heat dissipation property of the battery cell disposed at the end of the battery case may be improved.
  • the heat sink in the battery module of the present invention is characterized in that it further includes a second heat transfer material having a structure in which a plurality of cells are arranged in the width direction of the battery cells on the second receiving surface. Heat generated from the battery cell located at the center of the battery cells may be smoothly radiated to the outside, and as a result, a temperature deviation of the plurality of battery cells may be reduced.
  • the plurality of second heat transfer materials are characterized in that they have a structure arranged at the same interval on the second receiving surface, and due to such a feature, the heat dissipation of two or more battery cells disposed in the center among the plurality of battery cells can be uniformed. and, as a result, it is possible to significantly reduce the temperature deviation of the battery cell.
  • the gap between the first heat transfer material and the first heat transfer material having the narrowest gap among the first heat transfer materials arranged on the first receiving surface is formed to be greater than the thickness of the first heat transfer material Even if the first heat transfer material is stretched by the weight of the battery cell due to such a feature, the first heat transfer material corresponding to each other can be maintained in a spaced apart state, and as a result, the temperature deviation of the battery cell is reduced state can be maintained.
  • the plurality of second heat transfer materials arranged on the second receiving surface are spaced apart so as not to be connected to each other before the battery cells are supported, and are not connected to the first heat transfer material arranged on the first receiving surface. not spaced apart
  • the plurality of second heat transfer materials and the plurality of first heat transfer materials are connected to each other while being stretched. Due to such a characteristic, heat generated in the battery cell may be discharged to the outside through the first and second heat transfer materials, and as a result, the temperature deviation of the entire battery cell may be reduced.
  • a pair of heat dissipation pads for reducing the temperature difference between the center and both ends of the battery cell by dissipating heat generated from both ends of the battery cell, respectively. It is characterized by being provided. Due to such a characteristic, heat dissipation at both ends of the upper portion of the battery cell may be greatly increased, and accordingly, the temperature deviation of the entire battery cell may be greatly reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of Fig. 1;
  • Figure 3 is a perspective view showing a heat dissipation member of the battery module according to the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 4 is a plan view of Fig. 3;
  • FIG. 5 is a side cross-sectional view showing the heat sink before the battery cell is supported in the heat radiation member of the battery module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a front cross-sectional view showing the heat sink after the battery cell is supported by the heat radiation member of the battery module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a heat dissipation pad and a finishing pad in the battery module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a battery module according to a first embodiment of the present invention.
  • 9 to 20 are process diagrams showing the preparation steps of the battery module manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
  • 21 is a plan view illustrating a heat dissipation member of a battery module according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a plan view illustrating a heat dissipation member of a battery module according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 and 24 show an experimental example
  • FIG. 23 is a thermal image photograph of the battery cell of the comparative example
  • FIG. 24 is a thermal image photograph of the battery cell of the embodiment.
  • the battery module 100 has a structure in which heat dissipation of the battery cells is increased and the temperature deviation of the battery cells is reduced, in the thickness direction.
  • the battery module 100 has been described as one embodiment that the heat dissipation member is coupled to the lower portion of the battery case. It may be provided in the department.
  • the battery cell 110 includes an electrode assembly, an electrode lead connected to the electrode assembly, and a pouch case accommodating the electrode assembly with the tip of the electrode lead drawn out to the outside.
  • a plurality of battery cells 110 having such a configuration are disposed to overlap in a thickness direction, and a plurality of battery cells 110 disposed in a thickness direction have a structure connected in series or in parallel.
  • the battery case 120 is for accommodating a plurality of battery cells, has a rectangular box shape with an opening at the bottom, and accommodates a plurality of overlapping battery cells 110 inside the battery case 120 through the opening.
  • the battery cell 110 is accommodated in the battery case 120 in an upright state with the electrode lead facing the longitudinal end of the battery case 120 .
  • the heat dissipating member 130 includes a cover plate 131 supporting the battery cell 110 accommodated in the battery case 120 and a heat dissipating body 132 dissipating heat generated in the battery cell 110 to the outside. do.
  • the cover plate 131 closes the lower part of the battery case 120 while being coupled to the lower part of the battery case 120 , and supports the lower part of the battery cell 110 accommodated in the battery case 120 to the outside. prevent withdrawal.
  • the cover plate 131 is formed of a heat dissipation material so that the heat of the battery cell transferred from the heat sink can be smoothly discharged to the outside.
  • an interface 131c may be further included between the first and second accommodating surfaces 131a and 131b, and the interface 131c is connected to the first and second accommodating surfaces 131a and 131b. It serves to keep them apart.
  • the width of the interface 131c is formed to be smaller than the thickness of the heat transfer material provided on the first and second receiving surfaces 131a and 131b. That is, if the thickness of the heat transfer material is 2 mm, the width of the interface is formed to be 1 mm.
  • the heat sink 132 is provided on one surface of the cover plate 131 on which the battery cell 110 is supported, absorbs heat generated in the battery cell 110, and then discharges it to the outside, and thus the battery cell ( 110) can be effectively dissipated.
  • the heat sink 132 is a first heat transfer material 132a having a structure arranged in a plurality of rows in the longitudinal direction (left and right direction when viewed in FIG. 4) of the battery cell 110 on one surface of the cover plate 131. includes That is, the first heat transfer material 132a provided in a plurality of rows is disposed on one surface of the cover plate 131 in an arrangement structure such as a stepping bridge in the longitudinal direction of the battery cell 110 .
  • the first heat transfer material 132a may be formed of a contact thermal interface material (TIM) and may have adhesive properties.
  • TIM contact thermal interface material
  • at least one of a heat dissipation grease, a heat conductive adhesive, and a phase change material may be used.
  • the present invention has an arrangement structure of the first heat transfer material 132a for reducing the temperature deviation of the battery cell 110 as described above.
  • the first heat transfer material 132a is arranged in such a way that the distance from the central point of the battery cell 110 (a point at which the longitudinal direction of the battery cell is equal) to both ends (both end points in the longitudinal direction of the battery cell) becomes gradually narrower.
  • the first heat transfer material 132a is provided on the first receiving surface 131a, and thus can effectively prevent the temperature rise of the battery cell 110 disposed outside in the width direction of the battery case 120. have.
  • the gap between the first heat transfer material 132a having the narrowest distance among the first heat transfer materials 132a arranged on the first receiving surface 131a and the first heat transfer material 132a is the first It is formed to be larger than the thickness of the heat transfer material 132a. Accordingly, it is possible to prevent the first heat transfer material 132a and the first heat transfer material 132a from being connected even if a portion is stretched while pressing the first heat transfer material 132a due to the weight of the battery cell 110, As a result, a heat dissipation deviation from the center to both ends of the first heat transfer material 132a may occur, and as a result, the temperature deviation of the entire battery cell 110 may be effectively reduced.
  • the heat sink 132 further includes a second heat transfer material 132b for dissipating heat from the battery cell 110 disposed in the middle in the width direction of the battery case 120 .
  • the second heat transfer material 132b is made of the same material as the first heat transfer material 132a.
  • the second heat transfer material 132b has a structure in which a plurality of the second heat transfer materials 132b are arranged on the second receiving surface 131b in the width direction (up and down direction when viewed in FIG. 4 ) of the battery cell 110 , and are arranged in plurality.
  • the second heat transfer material 132b has the shape of a long line connected in the longitudinal direction of the battery cell 110 . Accordingly, the second heat transfer material 132b can effectively absorb heat generated in the battery cell 110 disposed in the middle in the width direction of the battery case 120 and then release it to the outside, and as a result, the battery case ( The heat dissipation property of the battery cell 110 disposed at the center of the 120 may be greatly improved.
  • the plurality of second heat transfer materials 132b arranged on the second receiving surface 131b are spaced apart from each other so as not to be connected to each other.
  • the second heat transfer material 132b is spaced apart so as not to be connected to the first heat transfer material 132a arranged on the first receiving surface 131a.
  • the gap between the second heat transfer material 132b and the second heat transfer material 132b and the gap between the second heat transfer material 132b and the first heat transfer material 132a are the thickness of the second heat transfer material 132b. form smaller. Accordingly, referring to FIG.
  • the battery module 100 according to the first embodiment of the present invention having such a configuration includes a heat dissipation member 130 having a cover plate 131 and a heat dissipating body 132 , thereby accommodating a plurality of batteries accommodated in the battery case 120 . It is possible to smoothly dissipate heat from the battery cells 110 , and in particular, to reduce the temperature deviation from the center to the end of the battery, it is possible to prevent deterioration of the performance of the battery cells.
  • the battery module 100 according to the first embodiment of the present invention further includes a heat dissipation pad 140 .
  • the heat dissipation pad 140 is for reducing a temperature deviation between the upper center and both ends of the battery cell.
  • both ends of the battery cell generate higher heat than the center of the battery cell because the electrode leads are connected, and a heat dissipation pad 140 is further included to reduce the temperature deviation between the center of the top surface of the battery cell and both ends. do.
  • the heat dissipation pad 140 is attached to both sides of the inner surface of the battery case 120 , and both ends of the upper surface of the battery cell 110 accommodated in the battery case 120 are supported, and both ends of the upper surface of the battery cell 110 are supported. It dissipates heat, and thus the temperature deviation between the center and both ends of the battery cell can be greatly reduced by increasing the heat dissipation properties of both ends of the battery cell.
  • the battery case 120 further includes a finishing pad 150 for maintaining a constant distance between the heat dissipation pads 140 respectively attached to both sides of the inner surface.
  • the finishing pad 150 is attached to the inner surface of the battery case 120 between the pair of heat dissipation pads 140 , and maintains a constant distance between the pair of heat dissipation pads 140 .
  • the closing pad 150 closes the space between the pair of heat dissipation pads 140 , thereby preventing the battery cell 110 from being deformed while flowing into the space between the pair of heat dissipation pads 140 . .
  • the method for manufacturing a battery module according to the first embodiment of the present invention includes an arrangement step, an accommodation step, a preparation step, and a combination step, as shown in FIGS. 8 to 20 .
  • a plurality of battery cells 110 are prepared, the prepared plurality of battery cells 110 are overlapped in the thickness direction, and the plurality of overlapped battery cells 110 are connected in series or parallel contact.
  • a plurality of battery cells 110 overlapping the inside of the battery case 120 having an open lower part is accommodated.
  • the battery cell 110 is accommodated in an upright state with the electrode lead facing the longitudinal end of the battery case 120 .
  • the receiving step further includes the step of attaching the heat dissipation pad 140 to both ends of the inner surface of the battery case 120 corresponding to both ends of the upper surface of the battery cell 110, respectively, and the heat dissipation pad 140 increases heat dissipation to both ends of the upper surface of the battery cell 110 .
  • the receiving step further includes a step of attaching a finishing pad 150 to the inner surface of the battery case 120 between the heat dissipation pads 140 , and the finishing pad 150 is a pair of heat dissipation pads 140 . The space between them is maintained, and the space between the pair of heat dissipation pads 140 is closed.
  • the preparation step includes a cover plate 131 having a size and shape corresponding to the open lower portion of the battery case 120 , and a heat sink 132 provided on one surface of the cover plate 131 on which the battery cell 110 is supported. ) to prepare a heat dissipation member 130 having.
  • the preparation step includes a partitioning process, a first application process for preparing the first heat transfer material, and a second application process for preparing the second heat transfer material.
  • a first receiving surface 131a is partitioned at both ends in the thickness direction of the battery cell 110 on one surface of the cover plate 131 , respectively, and the first receiving surface A second receiving surface (131b) is partitioned between the (131a).
  • the interface 131c is partitioned between the first receiving surface 131a and the second receiving surface 131b so that the first receiving surface 131a and the second receiving surface 131b are spaced apart.
  • the first application process is for manufacturing the first heat transfer material, and the first heat transfer material is prepared by applying the first heat transfer solution to the first receiving surface 131a.
  • a plurality of nozzles 10 are disposed in the longitudinal direction of the cover plate 131 on one side (the rear side of the cover plate when viewed in FIG. 9 ) of one surface of the cover plate 131 .
  • the plurality of nozzles 10 are arranged to have a gradually narrower distance from the center to both ends in the longitudinal direction of the cover plate 131 .
  • the spacing of the plurality of nozzles 10 is adjusted so that the heat transfer material can be applied to the first receiving surface and the second receiving surface in two divided steps.
  • the nozzle 10 When the nozzle 10 is disposed as described above, as shown in FIG. 10 , the nozzle 10 is moved in the width direction of the cover plate 131 and the first heat transfer solution is transferred to the first receiving surface 131a. Apply to And as shown in FIG. 11 , the nozzle 10 is positioned on one side of the next first receiving surface 131a , and then, as shown in FIG. 12 , the nozzle 10 is placed on the cover plate 131 . While moving in the width direction, the first heat transfer solution is applied to the first receiving surface 131a. Then, as the first heat transfer solution applied to the first receiving surface 131a is solidified, the first heat transfer material 132a may be obtained.
  • the nozzle 10 is disposed between the first heat transfer materials 132a solidified on the first receiving surface 131a, and then, as shown in FIGS. 14 to 16 , , a first heat transfer solution is applied to the first receiving surface 131a. Then, as the first heat transfer solution applied to the first receiving surface 131a is solidified, the first heat transfer material 132a may be obtained. When the above operation is completed, the first coating process is completed.
  • the second application process is for manufacturing the second heat transfer material, and a plurality of second heat transfer materials are prepared on the second receiving surface 131b in the width direction of the battery cells 110 .
  • the cover plate 131 on which the first heat transfer material 132a is manufactured is rotated by 90° with respect to the nozzle 10 , and then the two nozzles 10 are disposed on the second receiving surface 131b. ) to adjust the position of the cover plate 131 .
  • four second heat transfer materials 132b are manufactured on the second receiving surface.
  • second two second heat transfer materials 132b are manufactured. .
  • the two nozzles 10 are moved in the longitudinal direction of the cover plate 131 and the second heat transfer solution is applied to the second receiving surface 132b.
  • two nozzles 10 are positioned between the firstly applied second heat transfer solution and then moved in the longitudinal direction of the cover plate 131 and at the same time as the second heat transfer solution is applied to the second receiving surface (132b). Then, while the second heat transfer solution is solidified, the second heat transfer material 132b may be manufactured.
  • the second coating process is completed.
  • the plurality of second heat transfer materials 132b are not connected to each other and are applied so as not to be connected to the first heat transfer materials 132a arranged on the first receiving surface 131a.
  • the finished product heat dissipation member 130 can be obtained.
  • the cover plate 131 on which the heat dissipation member 130 is manufactured is coupled to the lower portion of the battery case 120 . Then, the lower portion of the battery cell 110 accommodated in the battery case 120 is supported by the first and second heat transfer materials 132a and 132b provided on the cover plate 131 .
  • first and second heat transfer materials 132a and 132b are stretched while being pressed by the weight of the battery cell 110 , and thus the battery cell 110 and the first and second heat transfer materials 132a and 132b are separated from each other. Adhesion can be improved.
  • the second heat transfer material 132b is stretched, the four second heat transfer materials are connected, and thus the heat dissipation of the four second heat transfer materials can be uniformed, and as a result, the battery cell supported by the four second heat transfer materials. It can increase the heat dissipation and reduce the temperature deviation.
  • the first heat transfer material is arranged to have a narrower distance from the center to both ends of the battery cell, a temperature difference between the center and both ends of the battery cell can be greatly reduced.
  • the battery cell 110 is disposed on one surface of the cover plate 131 in the longitudinal direction (left and right direction when viewed in FIG. 21 ). and a first heat transfer material 132a having a structure arranged in a plurality of rows.
  • the first heat transfer material 132a has an arrangement structure in which an interval is gradually narrowed from the center to both ends of the battery cell 110 .
  • the first heat transfer material 132a arranged at both ends in the longitudinal direction of the battery cell 110 has a “C” shape with the ends facing the outside of the battery cell 110 .
  • the area of the first heat transfer material 132a arranged at both ends in the longitudinal direction of the battery cell 110 can be increased, and as a result, the battery cell ( 110) can greatly increase the heat dissipation properties of both ends. This can greatly reduce the temperature deviation between the center and both ends of the battery cell.
  • the battery module 100 includes a heat dissipating member 130 having a cover plate 131 and a heat dissipating body 132 .
  • the cover plate 131 has a first receiving surface 131a partitioned at both ends in the thickness direction of the battery cell 110 on one surface, and a second receiving surface partitioned between the first receiving surface 131a ( 131b), wherein the first and second receiving surfaces 131a and 131b are partitioned to extend in the longitudinal direction of the battery cell 110 .
  • the heat sink includes a first heat transfer material 132a and a second heat transfer material 132b, and the first heat transfer material 132a is connected from one end to the other end of the first receiving surface 131a in a concave-convex structure. and a second heat transfer material is provided on the second receiving surface 131b in the longitudinal direction of the battery cell 110 and has a structure connected to the other end of the first heat transfer material 132a.
  • the battery module 100 according to the third embodiment of the present invention can effectively dissipate heat generated in the entire battery cell by connecting the entire first and second heat transfer materials, and as a result, the temperature deviation of the battery cell can be reduced. can be reduced
  • Comparative Example prepares a battery module including a plurality of battery cells, a battery case, and a heat dissipation member.
  • the heat dissipation member includes a cover plate and a heat transfer material provided on the cover plate, wherein the heat transfer material has a structure in which the heat transfer material is arranged at equal intervals from one side to the other side of the battery cell.
  • the heat dissipation member includes a cover plate and first and second heat transfer materials provided on the cover plate, wherein the first heat transfer material has an arrangement structure in which the distance from the center of the battery cell to both ends is gradually narrowed.
  • the manufacturing example has the same configuration as that of the battery module according to the first embodiment of the present application.
  • the temperature deviation between the center and both ends of the battery cell does not occur significantly in the manufacturing example, that is, the battery cell is in a lower temperature overall than in the comparative example, and the central side of the battery cell It can be seen that the maximum value that the temperature difference between the two points on the outer side can have a smaller value. It can be seen that the temperature difference between the center and the end of the battery cell is greatly reduced.

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈로서, 두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스; 및 상기 배터리 케이스의 하부에 결합되면서 상기 배터리 셀을 지지하는 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 상기 커버 플레이트의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀에서 발생한 열을 방열하는 방열체를 구비한 방열부재를 포함하며, 상기 방열체는, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 열로 정렬되는 제1 열전달 물질을 포함하고, 상기 제1 열전달 물질은, 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 방열성이 증대시키기 위해 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬된다.

Description

배터리 모듈 및 그의 제조방법
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2020년 06월 10일자 한국특허출원 제10-2020-0070472호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 배터리 모듈 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 배터리 셀의 방열성은 높이고, 온도 편차는 감소시킨 배터리 모듈 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하며, 이러한 이차 전지는 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 전력저장장치 및 전기자동차 등에 널리 사용되고 있다.
상기한 이차전지는 전극조립체가 금속 캔에 내장되는 캔형 이차전지와, 전극조립체가 파우치에 내장되는 파우치형 이차전지로 분류되며, 상기 파우치형 이차전지는 전극과 분리막이 교대로 적층되는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 파우치를 포함한다.
한편, 최근에는 화석 연료의 고갈 및 환경 오염에 대한 관심이 높아지면서, 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에는 배터리 팩이 장착된다.
상기 배터리 팩은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 포함하며, 복수의 배터리 셀은 직렬 또는 병렬로 연결되면서 용량 및 출력을 증대시킨다.
그러나 상기한 배터리 모듈은 용량 및 출력이 증대될수록 열이 많이 발생하며, 이에 따라 배터리 모듈에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방출하지 못할 경우 배터리 모듈의 열화, 발화 및 폭발이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명은 배터리 모듈의 방열 구조를 개선함으로써 배터리 모듈에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방출할 수 있고, 이에 따라 배터리 모듈의 방열성을 높일 수 있다. 특히 배터리 모듈 전체의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 배터리 모듈 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 모듈은 두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스; 및 상기 배터리 케이스의 하부에 결합되면서 상기 배터리 셀을 지지하는 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 상기 커버 플레이트의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀에서 발생한 열을 방열하는 방열체를 구비한 방열부재를 포함하며, 상기 방열체는, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 열로 정렬되는 제1 열전달 물질을 포함하고, 상기 제1 열전달 물질은, 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 방열성이 증대시키기 위해 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬될 수 있다.
상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 형성되며, 상기 제1 열전달 물질은, 상기 제1 수용면에 구비될 수 있다.
상기 제1 수용면에 배열된 상기 제1 열전달 물질 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질과 제1 열전달 물질 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질의 두께 보다 크게 형성될 수 있다.
상기 방열체는, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되는 구조를 가진 제2 열전달 물질를 더 포함하며, 상기 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면에 동일한 간격으로 배열되는 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 수용면에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않게 이격되고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 이격될 수 있다.
상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에는 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단에서 발생하는 열을 방열하여 상기 배터리 셀의 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키는 한 쌍의 방열패드가 각각 구비될 수 있다.
한 쌍의 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에는 한 쌍의 방열패드 사이의 공간을 마감하는 마감패드가 구비될 수 있다.
상기 배터리 셀의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 상기 제1 열전달 물질은 끝단이 배터리 셀 외측을 향하는 "C"자 형태를 가질 수 있다.
상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 구획되며, 상기 제1 열전달 물질은 상기 제1 수용면의 일단에서 타단까지 요철 형태로 연결되는 구조를 가지고, 상기 방열체는 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀 길이방향으로 구비되고 상기 제1 열전달 물질의 타단과 연결되는 제2 열전달 물질을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 모듈 제조방법은 복수개의 배터리 셀을 두께 방향으로 겹치게 배치하는 배치단계; 하부가 개방된 배터리 케이스의 내부에 겹친 복수개의 배터리 셀을 수용하는 수용단계; 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 커버 플레이트의 일면에 구비되는 방열체를 구비한 방열부재를 준비하는 준비단계; 및 상기 방열부재의 커버 플레이트를 상기 배터리 케이스의 하부에 결합하는 결합단계를 포함하며, 상기 준비단계는, 커버 플레이트의 일면에 제1 열전달 물질을 배터리 셀의 길이방향으로 복수 열로 정렬되게 도포하되, 상기 제1 열전달 물질은 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬되는 제1 도포공정을 포함할 수 있다.
상기 준비단계는, 제1 도포공정 전에, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 제1 수용면을 구획하고, 상기 제1 수용면 사이에 제2 수용면을 구획하는 구획공정을 포함하고, 상기 제1 도포공정은 상기 제1 열전달 물질을 상기 제1 수용면에 도포할 수 있다.
상기 준비단계는, 제1 도포공정 후에, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되게 제2 열전달 물질을 도포하는 제2 도포공정을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 도포작업에서 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 도포될 수 있다.
상기 수용단계는, 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단과 대응하는 상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에 방열패드를 각각 부착하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 수용단계는, 상기 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에 마감패드를 부착하는 공정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀, 배터리 케이스, 및 커버 플레이트와 방열체를 구비한 방열부재를 포함하고, 상기 방열체는 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 줄로 배열되는 구조를 가진 제1 열전달 물질을 포함하는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀에서 발생하는 열을 복수개의 줄로 배열된 제1 열전달 물질을 통해 외부로 원활하게 방출할 수 있으며, 그에 따라 배터리 모듈의 온도 상승을 크게 억제할 수 있다.
특히 상기 제1 열전달 물질은 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 배열되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 갈수록 방열성을 점차 증대시킬 수 있고, 이에 따라 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 온도 편차를 감소시킬 수 있으며, 그 결과 배터리 모듈의 성능을 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 커버 플레이트에는 제1 수용면과 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 열전달 물질은 커버 플레이트의 양쪽 단부에 구비된 제1 수용면에 구비되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 케이스의 단부에 배치된 배터리 셀의 방열성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 방열체는, 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되는 구조를 가진 제2 열전달 물질를 더 포함하는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 복수개의 배터리 셀 중 중앙에 위치하는 배터리 셀에서 발생하는 열을 외부로 원활하게 방열할 수 있고, 그 결과 복수개의 배터리 셀 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
특히 복수개의 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면에 동일한 간격으로 배열되는 구조를 가지는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 복수개의 배터리 셀 중 중앙에 배치되는 둘 이상의 배터리 셀의 방열성을 균일화할 수 있고, 그 결과 배터리 셀의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 제1 수용면에 배열된 상기 제1 열전달 물질 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질과 제1 열전달 물질 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질의 두께 보다 크게 형성되는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀의 중량에 의해 제1 열전달 물질이 인장되더라도 상호 대응하는 제1 열전달 물질끼리 이격된 상태를 유지시킬 수 있고, 그 결과 배터리 셀의 온도 편차가 감소된 상태를 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 제2 수용면에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질은 배터리 셀의 지지 전, 서로 연결되지 않게 이격되고, 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 이격된다. 그리고 배터리 셀 지지 후, 인장되면서 복수의 제2 열전달 물질과 복수의 제1 열전달 물질이 연결되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀에서 발생하는 열을 제1 및 제2 열전달 물질을 통해 외부로 방출할 수 있고, 그 결과 배터리 셀 전체의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈에서 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에는 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단에서 발생하는 열을 방열하여 상기 배터리 셀의 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키는 한 쌍의 방열패드가 각각 구비되는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 배터리 셀의 상부 양단 방열성을 크게 높일 수 있고, 그에 따라 배터리 셀 전체의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재를 도시한 사시도.
도 4는 도 3의 평면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재에서 배터리 셀 지지 전의 방열체를 도시한 측단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재에서 배터리 셀 지지 후, 방열체를 도시한 정단면도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈에서 방열패드와 마감패드를 도시한 사시도.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법을 나타낸 순서도.
도 9 내지 도 20은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법의 준비단계를 나타낸 공정도.
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재를 도시한 평면도.
도 22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈의 방열부재를 도시한 평면도.
도 23 및 도 24는 실험예를 나타낸 것으로, 도 23은 비교예의 배터리 셀을 촬영한 열화상 사진이고, 도 24는 실시예의 배터리 셀을 촬영한 열화상 사진임.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈]
본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 도 1 내지 도 7에 도시되어 있는 것과 같이, 배터리 셀의 방열성은 높이고, 배터리 셀의 온도 편차는 감소시킨 구조를 가지는 것으로, 두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀(110), 상기 배터리 셀(110)을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스(120), 및 상기 배터리 케이스(120)의 하부에 결합되고 상기 배터리 케이스(120)에 수용된 복수의 배터리 셀(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열부재(130)를 포함한다.
여기서 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 방열부재가 배터리 케이스의 하부에 결합되는 것을 하나의 실시예로 설명하였으나, 제품 적용에 따라 방열부재가 배터리 케이스의 상부, 측부, 전후부에 구비될 수도 있다.
배터리 셀
배터리 셀(110)은 전극조립체, 상기 전극조립체에 연결되는 전극리드, 상기 전극리드의 선단이 외부로 인출된 상태로 상기 전극조립체를 수용하는 파우치 케이스를 포함한다.
이와 같은 구성을 가진 배터리 셀(110)은 복수 개가 두께 방향으로 겹치게 배치되고, 두께 방향으로 배치된 복수의 배터리 셀(110)은 직렬 또는 병렬로 연결되는 구조를 가진다.
배터리 케이스
배터리 케이스(120)는 복수의 배터리 셀을 수용하기 위한 것으로, 하부에 개구부가 형성된 사각 박스 형태를 가지며, 상기 개구부를 통해 배터리 케이스(120) 내부에 복수개가 겹쳐진 배터리 셀(110)을 수용한다.
한편, 상기 배터리 셀(110)은 전극리드가 배터리 케이스(120)의 길이방향 단부를 향하고, 세워진 상태로 배터리 케이스(120)에 수용된다.
방열부재
방열부재(130)는 상기 배터리 케이스(120)에 수용된 배터리 셀(110)을 지지하는 커버 플레이트(131)와, 상기 배터리 셀(110)에서 발생한 열을 외부로 방열하는 방열체(132)를 포함한다.
커버 플레이트(131)는 상기 배터리 케이스(120)의 하부에 결합되면서 상기 배터리 케이스(120)의 하부를 마감하고, 상기 배터리 케이스(120)에 수용된 상기 배터리 셀(110)의 하부를 지지하여 외부로 인출되는 것을 방지한다.
특히, 커버 플레이트(131)는 방열체로부터 전달되는 배터리 셀의 열을 외부로 원활하게 방출할 수 있도록 방열 소재로 형성된다.
여기서 상기 배터리 셀(110)이 지지되는 커버 플레이트(131)의 일면(도 2에서 보았을 때 커버 플레이트의 상면)에는 상기 배터리 셀(110)의 두께 방향(도 3에서 보았을 때 상하방향)으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면(131a)과, 상기 제1 수용면(131a) 사이에 구획되는 제2 수용면(131b)을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)은 배터리 셀의 길이방향(도 4에서 보았을 때 좌우방향)으로 연장되게 형성된다.
한편, 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b) 사이에는 경계면(131c)이 더 포함될 수 있으며, 상기 경계면(131c)은 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)이 연결되지 않게 이격시키는 역할을 한다. 여기서 상기 경계면(131c)의 폭은 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)에 구비되는 열전달 물질의 두께보다 작게 형성한다. 즉, 열전달 물질의 두께가 2mm이면 상기 경계면의 폭은 1mm로 형성한다.
방열체(132)는 상기 배터리 셀(110)이 지지되는 상기 커버 플레이트(131)의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀(110)에서 발생한 열을 흡수한 후, 외부로 방출하며, 이에 따라 배터리 셀(110)을 효과적으로 방열할 수 있다.
특히 방열체(132)는 상기 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 길이방향(도 4에서 보았을 때 좌우방향)으로 복수개의 줄로 배열되는 구조를 가진 제1 열전달 물질(132a)을 포함한다. 즉, 복수개의 줄로 마련된 제1 열전달 물질(132a)은 상기 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 길이방향으로 징검다리와 같은 배열구조로 배치된다.
한편, 제1 열전달 물질(132a)은 접촉 열전도재(thermal interface material (TIM))로 마련될 수 있고, 접착성을 가질 수 있다. 특히 제1 열전달 물질(132a)은 방열 그리스, 열 전도성 접착제 및 상변화 물질 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
한편, 배터리 셀(110)는 전극리드에 의한 높은 저항으로 인해 배터리 셀(110)의 중앙 지점 보다 양쪽 끝단에서 높은 열이 발생한다. 본 발명은 상기와 같은 배터리 셀(110)의 온도 편차를 감소시키기 위한 제1 열전달 물질(132a)의 배열 구조를 가진다.
즉, 제1 열전달 물질(132a)은 배터리 셀(110)의 중앙 지점(배터리 셀의 길이방향을 균등하는 지점)에서 양쪽 끝단(배터리 셀의 길이방향으로 양쪽 끝점)으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 배열되는 구조를 가진다. 이에 따라 높은 열이 발생하는 배터리 셀의 양쪽 끝단에는 제1 열전달 물질(132a)을 많이 배열하여 방열성을 크게 높이고, 낮은 열이 발생하는 배터리 셀의 중앙 지점에는 제1 열전달 물질(132a)을 적게 배열하여 발열성을 조금 높인다. 이에 따라 배터리 셀의 중앙 지점과 양쪽 끝단의 방열성 차이로 온도 편차를 크게 줄일 수 있다.
특히 상기 제1 열전달 물질(132a)은 상기 제1 수용면(131a)에 구비되며, 이에 따라 배터리 케이스(120)의 폭방향으로 외측에 배치되는 배터리 셀(110)의 온도 상승을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 상기 제1 수용면(131a)에 배열된 상기 제1 열전달 물질(132a) 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질(132a)과 제1 열전달 물질(132a) 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질(132a)의 두께 보다 크게 형성된다. 이에 따라 배터리 셀(110)의 중량으로 인해 상기 제1 열전달 물질(132a)을 눌리면서 일부가 인장되더라도 상기 제1 열전달 물질(132a)과 제1 열전달 물질(132a)이 연결되는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과 상기 제1 열전달 물질(132a)의 중앙부터 양쪽 끝단까지의 방열성 편차를 발생시킬 수 있고, 그 결과 배터리 셀(110) 전체의 온도 편차를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
한편, 방열체(132)는 배터리 케이스(120)의 폭방향으로 가운데에 배치되는 배터리 셀(110)을 방열하기 위한 제2 열전달 물질(132b)을 더 포함한다. 여기서 제2 열전달 물질(132b)은 상기 제1 열전달 물질(132a)과 동일한 물질로 이루어진다.
즉, 상기 제2 열전달 물질(132b)은 상기 제2 수용면(131b)에 상기 배터리 셀(110)의 폭방향(도 4에서 보았을 때 상하방향)으로 복수개가 배열되는 구조를 가지고, 복수개로 배열된 상기 제2 열전달 물질(132b)은 배터리 셀(110)의 길이방향으로 연결되는 긴 줄 형태를 가진다. 이에 따라 상기 제2 열전달 물질(132b)은 배터리 케이스(120)의 폭방향으로 가운데에 배치되는 배터리 셀(110)에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수한 후 외부로 방출할 수 있으며, 그 결과 배터리 케이스(120)의 중앙에 배치된 배터리 셀(110)의 방열성을 크게 높일 수 있다.
한편, 상기 제2 수용면(131b)에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질(132b)은 도 5를 참조하면 서로 연결되지 않게 이격된다. 그리고 제2 열전달 물질(132b)은 상기 제1 수용면(131a)에 배열된 제1 열전달 물질(132a)과도 연결되지 않게 이격된다. 다만, 제2 열전달 물질(132b)과 제2 열전달 물질(132b)의 사이의 간격, 제2 열전달 물질(132b)과 제1 열전달 물질(132a) 사이의 간격은 제2 열전달 물질(132b)의 두께 보다 작게 형성한다. 이에 따라 도 6을 참조하면, 배터리 셀(110)에 의해 제2 열전달 물질(132b)의 일부가 눌리면서 인장될 경우 이격된 제2 열전달 물질(132b)과 제2 열전달 물질(132b)이 연결되고, 이격된 제2 열전달 물질(132b)과 제1 열전달 물질(132a)이 연결되며, 그 결과 제1 및 제2 열전달 물질 전체를 통해 배터리 셀에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 커버 플레이트(131)와 방열체(132)를 구비한 방열부재(130)를 포함함으로써 배터리 케이스(120)에 수용된 복수개의 배터리 셀(110)을 원활하게 방열할 수 있고, 특히 배터리의 중앙에서 끝단까지의 온도 편차를 감소시킬 수 있어 배터리 셀의 성능 저하를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 방열패드(140)를 더 포함한다.
방열패드
방열패드(140)는 배터리 셀의 상부 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키기 위한 것이다.
즉, 배터리 셀의 양쪽 단부는 전극리드가 연결되어 있기 때문에 배터리 셀의 중앙 보다 높은 열을 발생시키며, 배터리 셀의 상면 중앙과 양쪽 단부 사이의 온도 편차를 감소시키기 위해 방열패드(140)를 더 포함한다.
이와 같은 방열패드(140)는 배터리 케이스(120)의 내면 양쪽에 각각 부착되고, 배터리 케이스(120)에 수용된 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 단부가 지지되면서 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 단부를 방열하며, 이에 따라 배터리 셀의 양쪽 단부의 방열성 증대를 통해 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부 사이의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.
한편, 배터리 케이스(120)의 내면 양쪽에 각각 부착된 방열패드(140)의 간격을 일정하게 유지시키기 위한 마감패드(150)를 더 포함한다.
마감패드
마감패드(150)는 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 상기 배터리 케이스(120) 내면에 부착되고, 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 간격을 일정하게 유지시킨다. 특히 마감패드(150)는 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 공간을 마감하며, 이에 따라 배터리 셀(110)이 한 쌍의 방열패드(140) 사이 공간에 유입되면서 변형되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법을 설명한다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법]
본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법은 도 8 내지 도 20에 도시되어 있는 것과 같이, 배치단계, 수용단계, 준비단계 및 결합단계를 포함한다.
배치단계
배치단계는 배터리 셀(110)을 복수개 준비하고, 준비한 복수개의 배터리 셀(110)을 두께 방향으로 겹치게 배치하며, 겹치게 배치된 복수개의 배터리 셀(110)은 직렬 또는 병렬로 접촉되게 연결한다.
수용단계
수용단계는 하부가 개방된 배터리 케이스(120)의 내부에 겹친 복수개의 배터리 셀(110)을 수용한다. 이때 배터리 셀(110)은 전극리드가 배터리 케이스(120)의 길이방향 단부를 향하고, 세워진 상태로 수용한다.
한편, 수용단계는 상기 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 끝단과 대응하는 상기 배터리 케이스(120)의 내면 양쪽 끝단에 방열패드(140)를 각각 부착하는 공정을 더 포함하며, 상기 방열패드(140)는 상기 배터리 셀(110)의 상면 양쪽 끝단에 대한 방열성을 높인다.
또한, 수용단계는 상기 방열패드(140) 사이의 상기 배터리 케이스(120) 내면에 마감패드(150)를 부착하는 공정을 더 포함하며, 상기 마감패드(150)는 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 간격을 유지시키고, 한 쌍의 방열패드(140) 사이의 공간을 마감한다.
준비단계
준비단계는 배터리 케이스(120)의 개방된 하부와 대응하는 크기와 형태를 가진 커버 플레이트(131)와, 상기 배터리 셀(110)이 지지되는 커버 플레이트(131)의 일면에 구비되는 방열체(132)를 구비한 방열부재(130)를 준비한다.
즉, 준비단계는 구획공정, 제1 열전달 물질을 제조하는 제1 도포공정, 제2 열전달 물질을 제조하는 제2 도포공정을 포함한다.
구획공정은 도 9에 도시되어 있는 것과 같이, 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 두께 방향으로 양쪽 단부에 제1 수용면(131a)을 각각 구획하고, 상기 제1 수용면(131a) 사이에 제2 수용면(131b)을 구획한다. 여기서 제1 수용면(131a)과 제2 수용면(131b) 사이에는 제1 수용면(131a)과 제2 수용면(131b)이 이격되도록 경계면(131c)이 구획된다.
제1 도포공정는 제1 열전달 물질을 제조하기 위한 것으로, 제1 수용면(131a)에 제1 열전달 용액을 도포하여 제1 열전달 물질을 제조한다.
일례로, 제1 도포공정는 상기 커버 플레이트(131)의 일면 일측(도 9에서 보았을 때 커버 플레이트의 후면측)에 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 복수개의 노즐(10)을 배치한다. 이때 복수개의 노즐(10)은 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 배치한다. 특히 제1 도포공정는 제1 수용면 및 제2 수용면에 열전달 물질을 2번에 나눠서 도포할 수 있도록 복수개의 노즐(10)의 간격을 조절한다.
상기와 같이 노즐(10)이 배치되면, 도 10에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 커버 플레이트(131)의 폭방향으로 이동시킴과 동시에 제1 열전달 용액을 제1 수용면(131a)에 도포한다. 그리고 도 11에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 다음 제1 수용면(131a)의 일측에 위치시킨 다음, 도 12에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 커버 플레이트(131)의 폭방향으로 이동시킴과 동시에 제1 열전달 용액을 제1 수용면(131a)에 도포한다. 그러면 제1 수용면(131a)에 도포된 제1 열전달 용액이 응고되면서 제1 열전달 물질(132a)을 얻을 수 있다.
그리고 도 13에 도시되어 있는 것과 같이, 노즐(10)을 제1 수용면(131a)에 응고된 제1 열전달 물질(132a) 사이에 배치한 다음, 도 14에 내지 도 16에 도시되어 있는 것과 같이, 제1 수용면(131a)에 제1 열전달 용액을 도포한다. 그러면 제1 수용면(131a)에 도포된 제1 열전달 용액이 응고되면서 제1 열전달 물질(132a)을 얻을 수 있다. 상기와 같은 작업이 완료되면 제1 도포공정이 완료된다.
제2 도포공정은 제2 열전달 물질을 제조하기 위한 것으로, 제2 수용면(131b)에 상기 배터리 셀(110)의 폭방향으로 복수개가 배열되게 제2 열전달 물질을 제조한다.
일례로, 제2 도포공정은 제1 열전달 물질(132a)이 제조된 커버 플레이트(131)를 노즐(10)을 기준으로 90˚회전시킨 다음, 제2 수용면(131b)에 2개의 노즐(10)이 위치하게 커버 플레이트(131)의 위치를 조절한다. 이때 제2 수용면에 4개의 제2 열전달 물질(132b)을 제조하게 되는데, 1차 2개의 제2 열전달 물질(132b)를 제조한 후, 2차 2개의 제2 열전달 물질(132b)을 제조한다.
즉, 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 것과 같이, 2개의 노즐(10)을 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 이동시킴과 동시에 제2 열전달 용액을 제2 수용면(132b)에 도포한다. 다음으로 도 19 및 도 20에 도시되어 있는 것과 같이, 1차 도포된 제2 열전달 용액 사이로 2개의 노즐(10)을 위치시킨 다음 커버 플레이트(131)의 길이방향으로 이동시킴과 동시에 제2 열전달 용액을 제2 수용면(132b)에 도포한다. 그러면 제2 열전달 용액이 응고되면서 제2 열전달 물질(132b)을 제조할 수 있다. 상기와 같은 작업이 완료되면 제2 도포공정이 완료된다.
한편, 제2 도포공정에서 복수개의 제2 열전달 물질(132b)은 서로 연결되지 않고, 상기 제1 수용면(131a)에 배열된 제1 열전달 물질(132a)과도 연결되지 않게 도포한다.
상기와 같은 공정이 완료되면 완제품 방열부재(130)를 얻을 수 있다.
결합단계
결합단계는 상기 방열부재(130)가 제조된 커버 플레이트(131)를 상기 배터리 케이스(120)의 하부에 결합한다. 그러면 배터리 케이스(120)에 수용된 배터리 셀(110) 하부가 커버 플레이트(131)에 구비된 제1 및 제2 열전달 물질(132a)(132b)에 지지된다.
여기서 제1 및 제2 열전달 물질(132a)(132b)은 배터리 셀(110)의 중량에 의해 눌리면서 인장되며, 이에 따라 배터리 셀(110)과 제1 및 제2 열전달 물질(132a)(132b)의 밀착력을 높일 수 있다.
특히 제2 열전달 물질(132b)은 인장되면서 4개의 제2 열전달 물질이 연결되고, 그에 따라 4개의 제2 열전달 물질의 방열성을 균일화할 수 있고, 그 결과 4개의 제2 열전달 물질에 지지되는 배터리 셀의 방열성은 높이고, 온도 편차를 감소시킬 수 있다. 더불이 제1 열전달 물질은 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 단부로 갈수록 간격이 좁아지게 배열됨으로써 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈 제조방법이 완료되면 완제품 배터리 모듈을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명함에 있어 전술한 실시예와 동일한 기능을 가지는 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략한다.
[본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈]
본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 도 21에 도시되어 있는 것과 같이, 커버 플레이트(131)의 일면에 상기 배터리 셀(110)의 길이방향(도 21에서 보았을 때 좌우방향)으로 복수개의 줄로 배열되는 구조를 가진 제1 열전달 물질(132a)을 포함한다.
여기서 제1 열전달 물질(132a)은 배터리 셀(110)의 중앙에서 양쪽 단부로 갈수록 간격이 점차 좁아지는 배열구조를 가진다.
특히 배터리 셀(110)의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 상기 제1 열전달 물질(132a)은 끝단이 배터리 셀(110) 외측을 향하는 "C"자 형태를 가진다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(110)의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 제1 열전달 물질(132a)의 면적을 증대시킬 수 있고, 그 결과 배터리 셀(110)의 양쪽 끝단의 방열성을 크게 높일 수 있다. 이는 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차를 크게 감소시킬 수 있다.
[본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈]
본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 도 22에 도시되어 있는 것과 같이, 커버 플레이트(131)와 방열체(132)를 구비한 방열부재(130)를 포한한다.
상기 커버 플레이트(131)는 일면에 상기 배터리 셀(110)의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면(131a)과, 상기 제1 수용면(131a) 사이에 구획되는 제2 수용면(131b)을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면(131a)(131b)은 배터리 셀(110)의 길이방향으로 연장되게 구획된다.
방열체는 제1 열전달 물질(132a)과 제2 열전달 물질(132b)을 포함하며, 제1 열전달 물질(132a)은 상기 제1 수용면(131a)의 일단에서 타단까지 요철 형태로 연결되는 구조를 가지고, 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면(131b)에 상기 배터리 셀(110) 길이방향으로 구비되고 상기 제1 열전달 물질(132a)의 타단과 연결되는 구조를 가진다.
따라서 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 제1 및 제2 열전달 물질 전체를 연결함으로써 배터리 셀의 전체에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있고, 그 결과 배터리 셀의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
[실험예]
비교예
비교예는 복수의 배터리 셀, 배터리 케이스, 방열부재를 포함한 배터리 모듈을 준비한다. 이때 상기 방열부잰는 커버 플레이트와 상기 커버플레이트에 구비되는 열전달 물질을 포함하되, 상기 열전달 물질은 배터리 셀의 일측에서 타측까지 동일 간격으로 배열되는 구조를 가진다.
제조예
제조예는 복수의 배터리 셀, 배터리 케이스, 방열부재를 포함한 배터리 모듈을 준비한다. 이때 상기 방열부잰는 커버 플레이트와 상기 커버플레이트에 구비되는 제1 및 제2 열전달 물질을 포함하되, 상기 제1 열전달 물질은 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 단부로 갈수록 간격이 점차 좁아지는 배열 구조를 가진다.
즉, 제조예는 본 출원의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성과 동일한 구성을 가진다.
동일 조건
상기 비교예와 상기 제조예는 동일한 환경과 동일한 전압으로 충방전을 진행하며, 충방전 진행 중 열화상 카메라로 상기 비교예와 상기 제조예를 촬영한다.
촬영 결과
비교예는 도 23을 참조하면, 배터리 셀의 양쪽 단부의 온도가 높게 측정되는 것을 알 수 있으며, 특히 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차가 발생한 것을 확인할 수 있다.
제조예는 도 24를 참조하면, 배터리 셀의 중앙과 양쪽 단부의 온도 편차가 크게 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 즉 비교예에서보다 배터리 셀이 전체적으로 더 낮은 온도 상태가 되고, 배터리 셀에서 중앙측과 외곽 측 두 지점 사이의 온도 차이가 가질 수 있는 최대값이 더 작은 값이 됨을 확인할 수 있다. 배터리 셀의 중앙과 단부의 온도 편차가 크게 감소한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 가능하다.
[부호의 설명]
100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
120: 배터리 케이스
130: 방열부재
131: 커버 플레이트
131a: 제1 수용면
131b: 제2 수용면
132: 방열체
132a: 제1 열전달 물질
132b: 제2 열전달 물질
140: 방열패드
150: 마감패드

Claims (15)

  1. 두께 방향으로 겹치게 배치되는 복수의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀을 수용하되, 하부가 개방된 구조를 가진 배터리 케이스; 및
    상기 배터리 케이스의 하부에 결합되면서 상기 배터리 셀을 지지하는 커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 상기 커버 플레이트의 일면에 구비되고 상기 배터리 셀에서 발생한 열을 방열하는 방열체를 구비한 방열부재를 포함하며,
    상기 방열체는, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 길이방향으로 복수개의 열로 정렬되는 제1 열전달 물질을 포함하고,
    상기 제1 열전달 물질은, 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 방열성이 증대시키기 위해 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단으로 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬되는 배터리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 형성되며,
    상기 제1 열전달 물질은, 상기 제1 수용면에 구비되는 배터리 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 수용면에 배열된 상기 제1 열전달 물질 중 가장 좁은 간격을 가진 상기 제1 열전달 물질과 제1 열전달 물질 사이의 간격은 상기 제1 열전달 물질의 두께 보다 크게 형성되는 배터리 모듈.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 방열체는, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되는 구조를 가진 제2 열전달 물질를 더 포함하며,
    상기 제2 열전달 물질은 상기 제2 수용면에 동일한 간격으로 배열되는 구조를 가진 배터리 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 수용면에 배열된 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않게 이격되고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 이격되는 배터리 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에는 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단에서 발생하는 열을 방열하여 상기 배터리 셀의 중앙과 양쪽 끝단 사이의 온도 편차를 감소시키는 한 쌍의 방열패드가 각각 구비되는 배터리 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    한 쌍의 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에는 한 쌍의 방열패드 사이의 공간을 마감하는 마감패드가 구비되는 배터리 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀의 길이방향으로 양쪽 끝단에 배열된 상기 제1 열전달 물질은 끝단이 배터리 셀 외측을 향하는 "C"자 형태를 가지는 배터리 모듈.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 일면에는, 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 구획된 제1 수용면과, 상기 제1 수용면 사이에 구획되는 제2 수용면을 포함하되, 상기 제1 및 제2 수용면은 배터리 셀의 길이방향으로 연장되게 구획되며,
    상기 제1 열전달 물질은 상기 제1 수용면의 일단에서 타단까지 요철 형태로 연결되는 구조를 가지고,
    상기 방열체는 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀 길이방향으로 구비되고 상기 제1 열전달 물질의 타단과 연결되는 제2 열전달 물질을 더 포함하는 배터리 모듈.
  10. 복수개의 배터리 셀을 두께 방향으로 겹치게 배치하는 배치단계;
    하부가 개방된 배터리 케이스의 내부에 겹친 복수개의 배터리 셀을 수용하는 수용단계;
    커버 플레이트와, 상기 배터리 셀이 지지되는 커버 플레이트의 일면에 구비되는 방열체를 구비한 방열부재를 준비하는 준비단계; 및
    상기 방열부재의 커버 플레이트를 상기 배터리 케이스의 하부에 결합하는 결합단계를 포함하며,
    상기 준비단계는, 커버 플레이트의 일면에 제1 열전달 물질을 배터리 셀의 길이방향으로 복수 열로 정렬되게 도포하되, 상기 제1 열전달 물질은 상기 배터리 셀의 중앙에서 양쪽 끝단까지의 갈수록 간격이 점차 좁아지게 정렬되는 제1 도포공정을 포함하는 배터리 모듈 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 준비단계는, 제1 도포공정 전에, 상기 커버 플레이트의 일면에 상기 배터리 셀의 두께 방향으로 양쪽 단부에 제1 수용면을 구획하고, 상기 제1 수용면 사이에 제2 수용면을 구획하는 구획공정을 포함하고,
    상기 제1 도포공정은 상기 제1 열전달 물질을 상기 제1 수용면에 도포하는 배터리 모듈 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 준비단계는, 제1 도포공정 후에, 상기 제2 수용면에 상기 배터리 셀의 폭방향으로 복수개가 배열되게 제2 열전달 물질을 도포하는 제2 도포공정을 더 포함하는 배터리 모듈 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 도포작업에서 복수개의 제2 열전달 물질은 서로 연결되지 않고, 상기 제1 수용면에 배열된 제1 열전달 물질과도 연결되지 않게 도포되는 배터리 모듈 제조방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 수용단계는, 상기 배터리 셀의 양쪽 끝단과 대응하는 상기 배터리 케이스의 내면 양쪽 끝단에 방열패드를 각각 부착하는 공정을 더 포함하는 배터리 모듈 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 수용단계는, 상기 방열패드 사이의 상기 배터리 케이스 내면에 마감패드를 부착하는 공정을 더 포함하는 배터리 모듈 제조방법.
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