WO2022045597A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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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 바닥부 하측에 형성되어 상기 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크를 포함하고, 상기 히트 싱크는, 하부 플레이트 및 냉매의 유동 경로를 형성하는 격벽부를 포함하고, 상기 격벽부는 형상기억합금으로 형성되고, 온도에 따라 상기 격벽부의 형태가 변형됨으로써 상기 냉매의 유동을 변경한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 08월 24일자 한국 특허 출원 제10-2020-0106332호에 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 1을 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. 여기서, 전지 모듈의 바닥부(20)와 히트 싱크(30) 사이에 열전도층(18)이 더 형성될 수 있다. 이때 히트 싱크는 하부 플레이트(31) 및 상부 플레이트(29)를 포함하고, 하부 플레이트(31)와 상부 플레이트(29) 사이로 냉매가 유동할 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 있었으며, 냉매와 전지셀 적층체 사이가 상부 플레이트(29), 모듈 프레임 바닥부(20) 등으로 이루어진 다층 구조로 형성됨으로써, 전지셀들을 간접적으로 냉각할 수 밖에 없는 한계가 있었다.
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 바닥부 하측에 형성되어 상기 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크를 포함하고, 상기 히트 싱크는, 하부 플레이트 및 냉매의 유동 경로를 형성하는 격벽부를 포함하고, 상기 격벽부는 형상기억합금으로 형성되고, 온도에 따라 상기 격벽부의 형태가 변형됨으로써 상기 냉매의 유동을 변경한다.
최고 온도가 형성된 부분에서, 상기 격벽부는 상기 냉매의 유동 경로 상에 복수의 돌출부가 추가로 형성되도록 변형될 수 있다.
상기 격벽부는 상기 냉매의 유동 방향을 향해 사선 방향으로 돌출되는 복수의 돌출부가 추가로 형성되도록 변형될 수 있다.
상기 복수의 돌출부는 상기 냉매의 유동 경로의 양측에 엇갈리게 배치될 수 있다.
최저 온도가 형성된 부분에서, 상기 격벽부는 상기 최저 온도가 형성되는 부분에 형성된 냉매의 유동 경로가 우회 경로가 되도록 지름길 경로가 신설되게 변형될 수 있다.
상기 격벽부는 상기 지름길 경로 상에 형성된 격벽 부분이 분리되도록 변형됨으로써 상기 지름길 경로가 신설될 수 있다.
분리된 상기 격벽 부분은 상기 지름길 경로를 향해 곡선 형태로 구부러지며 분리될 수 있다.
상기 지름길 경로는 상기 우회 경로보다 더 짧은 경로일 수 있다.
상기 히트 싱크는, 냉매가 유입되는 인렛 및 냉매가 배출되는 아웃렛을 포함하고, 상기 인렛과 상기 아웃렛은 상기 히트 싱크의 일 부분에 함께 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 온도에 따라 냉매의 유동 경로를 변경하여 온도 편차를 감소시킴으로써 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽부가 최고 온도부에서 변형된 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽부가 최저 온도부에서 변형된 모습을 나타낸 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 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구성에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈의 구성들이 조립된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(200) 및 모듈 프레임(200)의 하측에 형성되어 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크(Heat sink)(500)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(200)은 전지셀 적층체(100)를 수용한다. 본 실시예에 따르면, 모듈 프레임(200)은 바닥부(210) 및 양측면부(220)를 포함하고, 전지셀 적층체(100)의 양측면 및 바닥면을 커버할 수 있다. 전지셀 적층체(100)의 상측면에는 상부 플레이트(300)가 형성되어 전지셀 적층체(100)의 상면부를 커버할 수 있다.
전지셀 적층체(100)의 전후면에는 엔드 플레이트(400)가 형성될 수 있다. 엔드 플레이트(400)는 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버할 수 있다. 모듈 프레임(200), 상부 플레이트(300) 및 엔드 플레이트(400)는 내부에 수용된 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다.
히트 싱크(500)는 모듈 프레임(200)의 하부에 형성될 수 있다. 히트 싱크(500)는, 히트 싱크(500)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210)와 접촉하는 하부 플레이트(510), 히트 싱크(500)의 일측에 형성되어 외부로부터 히트 싱크(500) 내부로 냉매를 공급하는 인렛(530), 히트 싱크의 일측에 형성되어 히트 싱크 내부에서 유동된 냉매가 히트 싱크 외부로 유출되도록 하는 아웃렛(540), 인렛(530)과 아웃렛(540)을 연결하고 냉매의 유동 경로를 형성하는 격벽부(520)를 포함할 수 있다. 이때 인렛(530)과 아웃렛(540)은 히트 싱크(500)의 일 부분에 함께 형성될 수 있다.
구체적으로, 냉매가 유동하는 유로는, 하부 플레이트(510), 하부 플레이트(510)의 상측에 형성된 모듈 프레임 바닥부(210) 및 모듈 프레임 바닥부(210)와 하부 플레이트(510)의 사이에 형성된 격벽부(520)를 통해 형성될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임(200)의 바닥부가 히트 싱크(500)의 상부 플레이트(300)에 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(200)의 하부에 히트 싱크(500)를 일체화 시킨 구조를 채용하여, 하부 플레이트(510)와 모듈 프레임 바닥부(210) 사이로 냉매가 직접 유동할 수 있게 됨으로써, 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(500)가 모듈 프레임 바닥부(210)와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈 및 전지 모듈이 장착된 전지팩 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
이하, 도 2, 도 4 및 도 5를 참조하여 온도에 따른 격벽부의 변형에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽부가 최고 온도부에서 변형된 모습을 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽부가 최저 온도부에서 변형된 모습을 나타낸 도면이다.
도 2, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 격벽부(520)는 형상기억합금(SMA, Shape Memory Alloy)으로 형성되고, 온도에 따라 격벽부(520)의 형태가 변형됨으로써 그에 따른 냉매의 유동을 변경한다.
본 실시예와 같이 전지셀이 12개 내지 24개로 형성된 전지셀 적층체가 수용되는 대면적 전지 모듈에서는, 모듈의 대형화로 인해 고온 상태에서 전지 모듈 내에서의 전지셀의 온도 편차가 크게 발생할 수 있으며, 큰 온도 편차가 발생할 경우 전지셀들의 성능 저하가 우려될 수 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 종래 전지 모듈의 냉각 시스템을 마련하여 전지 모듈 내부의 온도를 조절하려는 시도들이 있었으나, 공급되는 냉매의 유량 또는 온도의 조절 만으로 전지셀들의 온도 편차를 축소하는 데에는 한계가 있었다.
이에 본 실시예에 따르면, 일정 온도에 반응하는 형상기억합금을, 냉각 시스템으로 기능하는 히트 싱크(500)의 격벽부(520)에 적용하였다. 이를 통해 격벽부(520)가 일정 온도에 따라 변형됨으로써 냉매의 유동 경로를 변경할 수 있다. 보다 상세하게는, 온도가 높은 지점에서는 상대적으로 냉매의 유동 속도가 줄어들도록 유동 경로를 조절하여 온도가 높은 지점의 온도를 상대적으로 많이 낮추고, 온도가 낮은 지점에서는 상대적으로 냉매의 유동 속도가 높아지도록 유동 경로를 조절하여 온도가 낮은 지점의 온도는 상대적으로 적게 낮출 수 있다.
도 4에서는 격벽부(520)가 최고 온도부에서 변형된 모습이 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 최고 온도가 형성된 부분에서, 격벽부(520)는 냉매의 유동 경로 상에 복수의 돌출부(520a)가 추가로 형성되도록 변형될 수 있다. 격벽부(520)는 냉매의 유동 방향을 향해 사선 방향으로 돌출되는 복수의 돌출부(520a)가 추가로 형성되도록 변형될 수 있다. 또한 복수의 돌출부(520a)는 냉매의 유동 경로의 양측에 엇갈리게 배치될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 최고 온도부가 형성된 지점의 앞쪽에서 격벽부(520)가 복수의 돌출부(520a)를 가지도록 변형됨으로써, 복수의 돌출부(520a)와 마주친 유동은 돌출부 표면부에서 와류가 형성되는 등 격벽부의 돌출 구조 형성으로 인해 전반적인 유동 진행 속도가 현저히 감소할 수 있다. 그리고 유동 속도가 감소할 경우 최고 온도부가 형성된 지점에 냉매가 머무르는 시간이 상대적으로 증가하여 최고 온도부에서 발생하는 열을 상대적으로 많이 전달받게 됨으로써 해당 부분의 온도를 상대적으로 많이 낮출 수 있다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이 아웃렛(540)과 상대적으로 가까운 곳에 최고 온도부가 형성되어 있어 인렛(530)을 통해 유입된 냉매가 유로를 지나 아웃렛(540)과 가까워지면서 상대적으로 냉매의 온도가 상승된 상태라고 하더라도, 유속 자체가 느려지는 이상 해당 부분의 온도를 상대적으로 많이 낮출 수 있다.
본 실시예에서는 최고 온도부를 중심으로 설명하였으나, 격벽부의 변형이 최고 온도 지점에서만 발생하는 것은 아니며, 타 지점보다 상대적으로 온도가 더 높은 지점일 경우 해당 위치의 격벽부가 돌출되어 냉매의 유속을 감소시킴으로써 해당 부분의 온도를 타지점과 대비하여 더 낮출 수 있다.
도 5에서는 격벽부(520)가 최저 온도부에서 변형된 모습이 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 최저 온도가 형성된 부분에서, 격벽부(520)는 냉매의 유동 경로가 우회 경로가 되도록 지름길 경로(S)가 신설되게 변형될 수 있다. 이때 격벽부(520)는 지름길 경로(S)상에 형성된 격벽(520b) 부분이 분리되도록 변형됨으로써 지름길 경로(S)가 신설될 수 있다. 본 실시예에 따르면 분리된 격벽(520b) 부분은 지름길 경로(S)를 향해 곡선 형태로 구부러지며 분리될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 최저 온도부가 형성된 지점의 격벽(520b) 부분이 분리되어, 기존 우회 경로보다 더 짧은 지름길 경로(S)가 신설될 수 있다. 따라서 지름길 경로(S) 신설로 인해 우회 경로 및 지름길 경로의 두가지 냉매 유동 경로가 형성되고, 상대적으로 우회 경로로 유동하는 냉매의 유량이 감소하여 냉매로 전달되는 열의 양이 줄어듦으로 인해 해당 부분의 온도를 상대적으로 덜 낮출 수 있다.
또한 우회 경로를 지나는 냉매의 유속이 지름길 경로(S)가 신설되기 전 유속보다 증가하여 최저 온도부가 형성된 지점에 냉매가 머무르는 시간이 상대적으로 감소함으로써, 최저 온도부에서 발생하는 열을 상대적으로 덜 전달받아 최저 온도부의 온도를 타 지점보다 상대적으로 덜 낮출 수 있다.
본 실시예에서는 최저 온도부를 중심으로 설명하였으나, 격벽부의 변형이 최저 온도 지점에서만 발생하는 것은 아니며, 타 지점보다 상대적으로 온도가 더 낮은 지점일 경우 해당 위치의 격벽부가 분리되어 새로운 경로가 신설될 수 있다. 이를 통해 새로운 경로로의 유량 분산이 이루어져, 해당 위치를 통과하는 유량이 감소됨으로써 해당 부분의 온도를 타 지점과 대비하여 덜 낮출 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
100: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
210: 모듈 프레임 바닥부
220: 모듈 프레임 측면부
300: 상부 플레이트
400: 엔드 플레이트
500: 히트 싱크
510: 하부 플레이트
520: 격벽부
520a: 돌출부
520b: 분리된 격벽
530: 인렛
540: 아웃렛
S: 지름길 경로

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및
    상기 모듈 프레임의 바닥부 하측에 형성되어 상기 복수의 전지셀을 냉각시키는 히트 싱크를 포함하고,
    상기 히트 싱크는, 하부 플레이트 및 냉매의 유동 경로를 형성하는 격벽부를 포함하고,
    상기 격벽부는 형상기억합금으로 형성되고, 온도에 따라 상기 격벽부의 형태가 변형됨으로써 상기 냉매의 유동을 변경하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    최고 온도가 형성된 부분에서, 상기 격벽부는 상기 냉매의 유동 경로 상에 복수의 돌출부가 추가로 형성되도록 변형되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 격벽부는 상기 냉매의 유동 방향을 향해 사선 방향으로 돌출되는 복수의 돌출부가 추가로 형성되도록 변형되는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 복수의 돌출부는 상기 냉매의 유동 경로의 양측에 엇갈리게 배치되는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    최저 온도가 형성된 부분에서, 상기 격벽부는 상기 최저 온도가 형성되는 부분에 형성된 냉매의 유동 경로가 우회 경로가 되도록 지름길 경로가 신설되게 변형되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 격벽부는 상기 지름길 경로 상에 형성된 격벽 부분이 분리되도록 변형됨으로써 상기 지름길 경로가 신설되는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    분리된 상기 격벽 부분은 상기 지름길 경로를 향해 곡선 형태로 구부러지며 분리되는 전지 모듈.
  8. 제5항에서,
    상기 지름길 경로는 상기 우회 경로보다 더 짧은 경로인 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 히트 싱크는, 냉매가 유입되는 인렛 및 냉매가 배출되는 아웃렛을 포함하고, 상기 인렛과 상기 아웃렛은 상기 히트 싱크의 일 부분에 함께 형성된 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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