WO2022169210A1 - 전지셀들의 온도 균일성이 향상된 전지모듈 - Google Patents

전지셀들의 온도 균일성이 향상된 전지모듈 Download PDF

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WO2022169210A1
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battery
module case
module
battery cell
cell stack
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권봉근
박병오
박재성
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module with improved temperature uniformity of battery cells. Specifically, in order to prevent a temperature deviation in the battery cells as a plurality of battery cells constituting the battery module generate a difference in heat loss depending on the location, the temperature uniformity of the battery cells is improved for the battery module. will be.
  • the lithium secondary battery is widely used as an energy source for a wireless mobile device, which is a multifunctional small product, or a wearable device worn on the body, as well as an existing conventional battery that causes air pollution. It is also used as an energy source or power storage system (ESS) for electric and hybrid electric vehicles, which are suggested as an alternative to gasoline and diesel vehicles.
  • ESS energy source or power storage system
  • the lithium secondary battery includes a cylindrical secondary battery and a prismatic secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a cylindrical or prismatic metal can, and a pouch-type battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet. classified as secondary batteries.
  • the pouch-type secondary battery has the advantage of being freely deformable and having high energy density per volume.
  • a plurality of pouch-type battery cells are arranged in close contact to be electrically connected and accommodated in a module case to manufacture a battery module.
  • the individual battery cells have a similar level of heat generation characteristics, whereas a difference in heat loss occurs depending on the location of the battery cells, so the battery cells as a whole There is a temperature difference between them.
  • the battery cells disposed at the edge have a large heat loss, whereas the battery cells located at the center have less heat loss.
  • the battery cells that do this have a relatively high temperature.
  • the temperature deviation between the battery cells may cause a difference in the degradation rate of the battery cells, as well as deteriorate the performance of the battery module.
  • Patent Document 1 discloses that, in a monoblock battery in which a plurality of cell chambers are adjacently disposed, the edge side cell chamber having a large area in contact with the outside has a large heat loss, so in order to alleviate the temperature difference from the central cell chamber. It is disclosed that a heat dissipation promoting member is added to the central cell chamber.
  • Patent Document 1 discloses a technology for lowering the temperature of the battery by disposing a heat dissipation promoting member with excellent thermal conductivity on the outer wall of the battery, but it is difficult to rapidly and continuously lower the temperature of the battery because an external member such as a cooling device is not used. to be.
  • Patent Document 2 discloses a battery module in which a plurality of through holes are formed in a support member for accommodating a plurality of battery cells, the plurality of through holes are filled with a heat transfer material, and a heat sink is disposed to contact the support member.
  • Patent Document 2 may dissipate heat to the heat sink through the heat transfer material included in the support member, a technique for solving the occurrence of a temperature deviation between the plurality of battery cells has not been disclosed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 1998-092394 (April 10, 1998)
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2020-0004202 (2020.01.13)
  • An object of the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery module including a structure capable of improving the performance of the battery module by reducing the temperature deviation between the battery cells.
  • the battery module according to the present invention for achieving this object is a module case in which a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked is accommodated, a heat dissipation resin added between the battery cell stack and the first surface of the module case, and the battery It may include a cooling member coupled to the outside of the first surface of the module case to cool the cell stack, and a heat transfer material added to the center of the outer surface of the cooling member facing the first surface of the module case.
  • the plurality of battery cells are pouch-type battery cells, and the battery cell stack is stacked so that a bottom surface of the electrode assembly receiving part of the pouch-type battery cell is perpendicular to the first surface of the module case, and the pouch-type battery It may be arranged so that an outer surface of the cell in the longitudinal direction is parallel to the first surface of the module case.
  • the heat transfer material may be added in a length corresponding to the length of the module case along the length of the module case.
  • the heat transfer material may be added to the center when an area equal to the area of the module case is divided into thirds along the entire width.
  • the thickness of the heat transfer material may be 0.5 mm to 3 mm.
  • the battery cell stack may include a cooling plate disposed between the battery cells.
  • the cooling plate may be disposed between the battery cells in the center of the stacking direction of the battery cell stack.
  • the cooling plate may be disposed on an inner surface of a portion of the first surface of the module case facing the heat transfer material.
  • the cooling member may be a heat sink in which a refrigerant inlet and a refrigerant outlet are formed.
  • a temperature deviation of the plurality of battery cells may be within 3°C.
  • Each of the overall width and the overall length of the cooling member may be made of a size larger than each of the overall width and the overall length of the module case.
  • the present invention can also be provided in a form in which various means for solving the above problems are combined.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery module according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the cooling member to which the heat transfer material of FIG. 1 is added.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of a battery module according to a second embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature change of the battery cells in the battery module according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a graph illustrating temperature changes of battery cells in a battery module according to a comparative example.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery module according to a first embodiment.
  • the battery module according to the first embodiment includes a module case 200 accommodating a battery cell stack 100 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, a battery cell stack 100 and a module case (
  • the cooling member 400 coupled to the outside of the first surface 201 of the module case 200 in order to cool the heat-dissipating resin 300 and the battery cell stack 100 added between the first surface 201 of the 200).
  • a heat transfer material 450 added to the center of the outer surfaces of the cooling member 400 facing the first surface 201 of the module case 200 .
  • the battery cell stack 100 is configured such that a plurality of pouch-type battery cells are arranged in a direction in which the bottom surface 120 of the electrode assembly accommodating part is in close contact with each other.
  • the battery cell 110 may be electrically connected by protruding electrode leads (not shown) to the outside of the battery case.
  • the battery cell stack 100 is stacked so that the bottom surface 120 of the electrode assembly accommodating part of the pouch-type battery cell is perpendicular to the first surface 201 of the module case 200, and the electrode assembly of the pouch-type battery cell
  • the outer surface 111 in the electric length direction (A), which is the side of the receiving part, is disposed parallel to the first surface 201 of the module case 200 .
  • a heat-dissipating resin 300 is added to the inner surface of the first surface 201 of the module case 200 , and the space formed between the battery cell stack 100 and the module case 200 is filled with the heat-dissipating resin 300 . can be filled Accordingly, the thermal energy of the battery cell stack 100 may be discharged to the outside of the first surface 201 of the module case through the heat-dissipating resin 300 .
  • the cooling member 400 is to rapidly cool the discharged thermal energy when the thermal energy generated in the battery cell stack is discharged through the heat dissipating resin 300 . Therefore, it is preferable that the coolant continuously flows while flowing in and out of the cooling member so as to maintain a low temperature of the coolant for heat exchange.
  • the cooling member 400 may be, for example, a heat sink in which the refrigerant inlet 410 and the refrigerant outlet 420 are formed.
  • the size of the cooling member 400 on a plane is the heat transfer material 450 . ) and is preferably formed to be sufficiently larger than the area of the first surface 201 of the module case facing.
  • each of the overall width c1 and the overall length c2 of the cooling member 400 may be formed to be larger than each of the overall width m1 and the overall length m2 of the module case 200 .
  • FIG. 2 is a plan view of the cooling member to which the heat transfer material of FIG. 1 is added.
  • module case arranging unit 200 ′ which is a part for arranging the module case, on the upper surface of the cooling member 400 , and the upper and lower portions of the module case arranging unit 200 ′, respectively, of the module case.
  • a guide part 401 for fixing the position may be added.
  • the heat transfer material 450 added to the outer surface of the cooling member 400 is added in a planar rectangular shape, and the length of the heat transfer material is the total length of the module case 200 along the length A of the module case 200 .
  • the length corresponding to the direction (A) length is added.
  • the width of the heat transfer material 450 is the module case arrangement 200 having the same area as the area of the module case 200 among the outer surfaces of the cooling member 400 facing the first surface 201 of the module case 200 .
  • ') is formed to have a size corresponding to the three-divided width along the entire width m1, and a heat transfer material 450 is added to the center of the three-divided width.
  • the thickness of the heat transfer material may be formed in the range of 0.5 mm to 3 mm, specifically, may be formed in the range of 1 mm to 3 mm.
  • a gap may be formed between the module case and the cooling member on both sides of the heat transfer material added to have a constant thickness.
  • a support part made of a material having low thermal conductivity may be disposed, and the thickness of the support part may be the same as the thickness of the heat transfer material.
  • the support part is made of a material with low thermal conductivity, even if the support part is interposed between the module case and the cooling member, the battery cells disposed in the center of the battery cell stack perform heat exchange through the heat transfer material than the battery cells disposed at the edge. It can be done well.
  • the material of the heat transfer material is not particularly limited as long as it has excellent thermal conductivity, and may be, for example, at least one selected from the group consisting of urethane-based, epoxy-based and silicone-based materials.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of a battery module according to a second embodiment.
  • the battery module according to the second embodiment includes a module case 200 accommodating a battery cell stack 100 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, a battery cell stack 100 and a module case ( A cooling member 400 coupled to the outside of the first surface 201 of the module case 200 in order to cool the heat-dissipating resin 300 and the battery cell stack 100 added between the first surface 201 of the 200). and a heat transfer material 450 added to the center of the outer surfaces of the cooling member 400 facing the first surface 201 of the module case 200 .
  • the battery cell stack 100 is configured such that a plurality of pouch-type battery cells are arranged in a direction in which the bottom surface 120 of the electrode assembly accommodating part is in close contact with each other.
  • the battery cell 110 may be electrically connected by protruding electrode leads (not shown) to the outside of the battery case.
  • the battery cell stack 100 is stacked so that the bottom surface 120 of the electrode assembly accommodating part of the pouch-type battery cell is perpendicular to the first surface 201 of the module case 200, and the electrode assembly of the pouch-type battery cell
  • the outer surface 111 in the electric length direction (A), which is the side of the receiving part, is disposed parallel to the first surface 201 of the module case 200 .
  • the battery cell stack 100 includes a cooling plate 510 disposed between the battery cells 110 .
  • the cooling plate 510 is disposed between the battery cells in the center of the stacking direction (B) of the battery cell stack 100 , and in FIG. 3 , three cooling plates 510 are disposed between the battery cells 110 . state is shown.
  • cooling plate 510 Due to the arrangement of the cooling plate 510 , heat dissipation of the battery cells in the center of the battery cell stack 100 may be made more effectively.
  • the cooling plate 510 is disposed between the battery cells facing the heat transfer material 450 among the first surface 201 of the module case 200 , the cooling plate 510 and the heat transfer material 450 are adjacent to each other. can be arranged. Accordingly, the heat dissipation effect of the battery cells 110 in the center of the battery cell stack 100 may increase.
  • the content described in the description of the battery module according to the first embodiment is the second embodiment The same can be applied to the description of the battery module according to the example.
  • a battery module including 24 pouch-type battery cells was prepared, and the 24 pouch-type battery cells were sequentially numbered from No. 1 battery cell to No. 24 battery cell.
  • a thermocouple was inserted into the battery module and attached to the surfaces of the 11th battery cell (#11) and the 24th battery cell (#24).
  • an area corresponding to the portion on which the battery module is disposed among the upper surface of the cooling member was divided into thirds, and a heat transfer material was applied only to the middle portion to a thickness of 1 mm.
  • thermocouple is connected to a charging/discharging device (manufacturer: PNI Solution (60V/600A module charging/discharging device)) and repeatedly charging and discharging to the battery module, while charging and discharging the battery module, the 11th battery cell (#11) and the 24th battery cell The temperature of (#24) was measured.
  • a charging/discharging device manufactured: PNI Solution (60V/600A module charging/discharging device)
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature change of the battery cells in the battery module according to the embodiment.
  • the temperature of the 11th battery cell disposed at the center was higher than the temperature of the 24th battery cell disposed at the edge except for the first and second half.
  • the maximum temperature deviation between the 11th battery cell arranged in the center and the 24th battery cell arranged at the edge is 2.4°C, and the average temperature deviation is about 1°C.
  • a battery module was prepared in the same manner as in the above embodiment, except that the heat transfer material was applied to the entire area corresponding to the portion where the battery module is disposed on the upper surface of the cooling member.
  • FIG. 5 is a graph illustrating temperature changes of battery cells in a battery module according to a comparative example.
  • the temperature of the 11th battery cell disposed at the center was overall higher than the temperature of the 24th battery cell disposed at the edge.
  • the maximum temperature deviation between the 11th battery cell arranged in the center and the 24th battery cell arranged at the edge is 7.1 °C, and the average temperature deviation is about 4 °C.
  • the lifespan of the battery module may be increased by reducing the temperature deviation between the battery cells, and deterioration of the performance of the battery module may be prevented.

Abstract

본 발명은 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 스택이 수용된 모듈케이스, 상기 전지셀 스택과 상기 모듈케이스의 제1면 사이에 부가된 방열성 수지, 상기 전지셀 스택을 냉각시키기 위하여 상기 모듈케이스의 제1면 외측에 결합되는 냉각 부재, 및 상기 모듈케이스의 제1면과 대면하는 상기 냉각 부재의 외면 중 중심부에 부가되는 열전달물질을 포함하는 전지모듈에 대한 것으로서, 전지셀 스택에서 상대적으로 온도가 높은 부분에 열전달물질을 배치함으로써, 전지셀들 간에 생기는 온도 편차를 줄일 수 있다. (대표도) 도 1

Description

전지셀들의 온도 균일성이 향상된 전지모듈
본 출원은 2021년 2월 4일자 한국 특허 출원 제 2021-0016146 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원 발명은 전지셀들의 온도 균일성이 향상된 전지모듈에 대한 것이다. 구체적으로, 전지모듈을 구성하는 복수의 전지셀들이 위치에 따라 열손실 차이가 발생함에 따라 전지셀들에 온도 편차가 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 전지셀들의 온도 균일성이 향상된 전지모듈에 대한 것이다.
충방전이 가능한 리튬 이차전지의 안정성 향상과 용량 증가가 빠르게 이루어지고 있는 바, 상기 리튬 이차전지를 에너지원으로 사용하는 디바이스의 종류가 증가하고 있다.
예를 들어, 상기 리튬 이차전지는, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 신체에 착용하는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 대기 오염을 유발하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 또는 각형의 금속 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 이차전지 및 각형 이차전지와, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류된다. 그 중 파우치형 이차전지는 형태 변형이 자유롭고 부피당 에너지밀도가 높은 장점이 있다.
고출력 및 고에너지 밀도를 필요로 하는 중대형 디바이스용 에너지원으로서, 복수의 파우치형 전지셀들을 밀착되도록 배열하여 전기적으로 연결하고 모듈케이스에 수용하여 전지모듈을 제조할 수 있다.
이 때, 상기 복수의 파우치형 전지셀들과 모듈케이스 사이에 방열성 수지를 부가하여, 상기 전지셀들에서 발생되는 열을 모듈케이스 외부로 배출할 수 있다.
일반적으로, 복수의 파우치형 전지셀들이 적층되어 모듈케이스에 수용되는 경우, 개별 전지셀들은 유사한 수준의 발열 특성을 갖는 반면, 전지셀들의 위치에 따라 열손실에 차이가 발생하기 때문에, 전체적으로 전지셀들 간에 온도 편차가 나타난다.
구체적으로, 전지셀들 중 가장자리에 배치된 전지셀은 열손실이 큰 반면, 중심부에 위치하는 전지셀은 열손실이 적게 일어나는 결과, 가장자리에 배치된 전지셀은 상대적으로 온도가 낮고, 중심부에 위치하는 전지셀은 상대적으로 온도가 높다.
전지셀들 간의 온도 편차는 전지셀의 퇴화 속도 차이를 야기할 뿐만 아니라, 전지모듈의 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 복수의 셀실이 인접하게 배치되는 모노블록 전지에서, 외부와 접하는 면적이 큰 가장자리측 셀실은 열 손실이 크기 때문에 중앙에 있는 셀실과 온도 차이가 발생하는 것을 완화하기 위하여 중앙에 있는 셀실에 방열 촉진 부재를 부가하는 것을 개시하고 있다.
특허문헌 1은 전지의 외벽에 열전도성이 우수한 방열 촉진 부재를 배치하여 전지의 온도를 낮추는 기술을 개시하고 있으나, 냉각 장치와 같은 외부 부재를 사용하지 않기 때문에 전지의 온도를 빠르고 지속적으로 낮추기 어려운 형태이다.
특허문헌 2는 복수의 배터리 셀을 수용하는 지지 부재에 복수의 관통홀이 형성되어 있고, 상기 복수의 관통홀은 열 전달 물질로 채워져 있으며, 상기 지지부재에 접촉하도록 히트 싱크가 배치된 배터리 모듈을 개시한다.
특허문헌 2의 복수의 배터리 셀들은 지지 부재에 포함된 열 전달 물질을 통해 히트 싱크로 열을 배출할 수 있으나, 복수의 배터리 셀들 간에 온도 편차가 발생하는 것을 해결하기 위한 기술을 개시하지 못하고 있다.
따라서, 복수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈에서 전지셀들 간의 온도 편차가 발생하는 것을 방지하고 효과적으로 열을 배출할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 제1998-092394호 (1998.04.10)
(특허문헌 2) 한국 공개특허공보 제2020-0004202호 (2020.01.13)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전지셀들 간의 온도 편차를 줄임으로써 전지모듈의 성능을 향상시킬 수 있는 구조를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전지모듈은, 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 스택이 수용된 모듈케이스, 상기 전지셀 스택과 상기 모듈케이스의 제1면 사이에 부가된 방열성 수지, 상기 전지셀 스택을 냉각시키기 위하여 상기 모듈케이스의 제1면 외측에 결합되는 냉각 부재, 및 상기 모듈케이스의 제1면과 대면하는 상기 냉각 부재의 외면 중 중심부에 부가되는 열전달물질을 포함할 수 있다.
상기 복수의 전지셀들은 파우치형 전지셀이고, 상기 전지셀 스택은 상기 파우치형 전지셀의 전극조립체 수납부 바닥면이 상기 모듈케이스의 제1면에 대해 수직이 되도록 적층되어 있으며, 상기 파우치형 전지셀의 전장 방향 외면이 상기 모듈케이스의 제1면과 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 열전달물질은 상기 모듈케이스의 전장 방향을 따라, 상기 모듈케이스의 전장 방향 길이와 대응되는 길이로 부가될 수 있다.
상기 모듈케이스의 제1면과 대면하는 상기 냉각 부재의 외면 중, 상기 모듈케이스의 면적과 동일한 면적을 전폭을 따라 3등분 했을 때의 중심부에 상기 열전달물질이 부가될 수 있다.
상기 열전달물질의 두께는 0.5 ㎜ 내지 3 ㎜일 수 있다.
상기 전지셀 스택은 상기 전지셀들 사이에 배치되는 냉각플레이트를 포함할 수 있다.
상기 냉각플레이트는 상기 전지셀 스택의 적층 방향 중심부에 있는 전지셀들 사이에 배치될 수 있다.
상기 냉각플레이트는 상기 모듈케이스의 제1면 가운데 상기 열전달물질과 대면하는 부분의 내측면에 배치될 수 있다.
상기 냉각 부재는 냉매 유입구와 냉매 배출구가 형성되어 있는 히트 싱크일 수 있다.
상기 복수의 전지셀들의 온도 편차는 3 ℃ 이내일 수 있다.
상기 냉각 부재의 전폭 및 전장 각각은 상기 모듈케이스의 전폭 및 전장 각각보다 큰 크기로 이루어질 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 모듈케이스에 수용된 전지셀 스택에서 전지셀들의 온도 편차가 일어나는 것을 최소화할 수 있다.
따라서, 전지셀들의 온도 편차에 따라 전지모듈의 수명이 짧아지거나 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 제1실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 열전달물질이 부가된 냉각 부재의 평면도이다.
도 3은 제2실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 실시예에 따른 전지모듈에서 전지셀들의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예에 따른 전지모듈에서 전지셀들의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 제1실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 제1실시예에 따른 전지모듈은 복수의 전지셀들(110)이 적층된 전지셀 스택(100)이 수용된 모듈케이스(200), 전지셀 스택(100)과 모듈케이스(200)의 제1면(201) 사이에 부가된 방열성 수지(300), 전지셀 스택(100)을 냉각시키기 위하여 모듈케이스(200)의 제1면(201) 외측에 결합되는 냉각 부재(400) 및 모듈케이스(200)의 제1면(201)과 대면하는 냉각 부재(400)의 외면 중 중심부에 부가되는 열전달물질(450)을 포함한다.
전지셀 스택(100)은 복수의 파우치형 전지셀들이 전극조립체 수납부 바닥면(120)이 서로 밀착되는 방향으로 배치되어 구성된다. 전지셀(110)은 전지케이스 외측으로 전극리드(도시하지 않음)들이 돌출되어 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
전지셀 스택(100)은 파우치형 전지셀의 전극조립체 수납부 바닥면(120)이 모듈케이스(200)의 제1면(201)에 대해 수직이 되도록 적층되어 있으며, 파우치형 전지셀의 전극조립체 수납부 측면인 전장 방향(A) 외면(111)이 모듈케이스(200)의 제1면(201)과 평행하도록 배치된다.
모듈케이스(200)의 제1면(201)의 내측면에는 방열성 수지(300)가 부가되어 있는 바, 전지셀 스택(100)과 모듈케이스(200) 사이에 형성되는 공간을 방열성 수지(300)가 채울 수 있다. 따라서, 전지셀 스택(100)의 열에너지를 방열성 수지(300)를 통해 모듈케이스의 제1면(201) 외측으로 배출할 수 있다.
냉각 부재(400)는 전지셀 스택에서 발생되는 열에너지가 방열성 수지(300)를 통해 배출되면, 배출된 열에너지를 빠르게 냉각시키기 위한 것이다. 따라서, 열교환이 이루어지는 냉매의 온도를 낮게 유지할 수 있도록, 지속적으로 냉매가 냉각 부재 내부를 유입 및 배출되면서 유동하는 것이 바람직하다.
이에, 냉각 부재(400)는 예를 들어, 냉매 유입구(410)와 냉매 배출구(420)가 형성되어 있는 히트 싱크일 수 있다.
한편, 열전달물질(450)을 통해 배출되는 열에너지를 빠르게 냉각시킴으로써, 전지셀 스택의 중심부에 있는 전지셀들의 열 방출이 원활하게 이루어질 수 있도록, 냉각 부재(400)의 평면 상 크기는 열전달물질(450)과 대면하는 모듈케이스의 제1면(201)의 면적 보다 충분히 크게 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 냉각 부재(400)의 전폭(c1) 및 전장(c2) 각각은 모듈케이스(200)의 전폭(m1) 및 전장(m2) 각각보다 큰 크기로 이루어질 수 있다.
도 2는 도 1의 열전달물질이 부가된 냉각 부재의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 냉각 부재(400)의 상면에 모듈케이스를 배치하기 위한 부분인 모듈케이스 배치부(200')가 있고, 모듈케이스 배치부(200')의 상부와 하부 각각에는 모듈케이스의 위치를 고정하기 위한 가이드부(401)가 부가될 수 있다.
냉각 부재(400)의 외면에 부가된 열전달물질(450)은 평면상 직사각형 형태로 부가되는 바, 열전달물질의 길이는 모듈케이스(200)의 전장 방향(A)을 따라 모듈케이스(200)의 전장 방향(A) 길이와 대응되는 길이로 부가된다.
열전달물질(450)의 폭은 모듈케이스(200)의 제1면(201)과 대면하는 냉각 부재(400)의 외면 중, 모듈케이스(200)의 면적과 동일한 면적을 갖는 모듈케이스 배치부(200')의 전폭(m1)을 따라 3등분한 폭과 대응되는 크기로 형성되고, 상기 3등분한 폭의 중심부에 열전달물질(450)이 부가된다.
열전달물질의 두께는 0.5 ㎜ 내지 3 ㎜의 범위로 형성될 수 있으며, 상세하게는 1 ㎜ 내지 3 ㎜의 범위로 형성될 수 있다.
이와 같이, 일정한 두께를 갖도록 부가되는 열전달물질의 양측으로, 모듈케이스와 냉각 부재 사이에 갭(gap)이 생길 수 있다. 이와 같은 갭을 메우기 위해 열전도성이 낮은 소재로 이루어진 지지부가 배치될 수 있으며, 상기 지지부의 두께는 열전달물질의 두께와 동일할 수 있다.
상기 지지부는 열전도성이 낮은 소재로 이루어지기 때문에, 모듈케이스와 냉각 부재 사이에 지지부가 개재되더라도, 전지셀 스택의 중심부에 배치된 전지셀들은 가장자리에 배치된 전지셀들 보다 열전달물질을 통한 열교환이 잘 이루어질 수 있다.
상기 열전달물질의 소재는 열전도성이 우수한 소재라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 우레탄계열, 에폭시계열 및 실리콘계열로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
도 3은 제2실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 제2실시예에 따른 전지모듈은 복수의 전지셀들(110)이 적층된 전지셀 스택(100)이 수용된 모듈케이스(200), 전지셀 스택(100)과 모듈케이스(200)의 제1면(201) 사이에 부가된 방열성 수지(300), 전지셀 스택(100)을 냉각시키기 위하여 모듈케이스(200)의 제1면(201) 외측에 결합되는 냉각 부재(400) 및 모듈케이스(200)의 제1면(201)과 대면하는 냉각 부재(400)의 외면 중 중심부에 부가되는 열전달물질(450)을 포함한다.
전지셀 스택(100)은 복수의 파우치형 전지셀들이 전극조립체 수납부 바닥면(120)이 서로 밀착되는 방향으로 배치되어 구성된다. 전지셀(110)은 전지케이스 외측으로 전극리드(도시하지 않음)들이 돌출되어 전기적인 연결이 이루어질 수 있다.
전지셀 스택(100)은 파우치형 전지셀의 전극조립체 수납부 바닥면(120)이 모듈케이스(200)의 제1면(201)에 대해 수직이 되도록 적층되어 있으며, 파우치형 전지셀의 전극조립체 수납부 측면인 전장 방향(A) 외면(111)이 모듈케이스(200)의 제1면(201)과 평행하도록 배치된다.
전지셀 스택(100)은 전지셀들(110) 사이에 배치되는 냉각플레이트(510)를 포함한다. 냉각플레이트(510)는 전지셀 스택(100)의 적층 방향(B) 중심부에 있는 전지셀들 사이에 배치되는 바, 도 3에는 3개의 냉각플레이트(510)가 전지셀들(110) 사이에 배치된 상태를 도시하고 있다.
냉각플레이트(510)의 배치로 인해 전지셀 스택(100)의 중심부에 있는 전지셀들의 열 배출이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.
또한, 냉각플레이트(510)가 모듈케이스(200)의 제1면(201) 가운데 열전달물질(450)과 대면하는 전지셀들 사이에 배치되기 때문에 냉각플레이트(510)와 열전달물질(450)이 인접하게 배치될 수 있다. 따라서, 전지셀 스택(100)의 중심부에 있는 전지셀들(110)의 방열 효과가 증가할 수 있다.
이외에, 상기 제1실시예에 따른 전지모듈과 제2실시예에 따른 전지모듈에 포함되는 동일한 구성요소에 대한 설명은, 상기 제1실시예에 따른 전지모듈의 설명에 기재된 내용이 상기 제2실시예에 따른 전지모듈에 대한 설명에 동일하게 적용할 수 있다.
이하에서는, 본원 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본원 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
24개의 파우치형 전지셀들을 포함하는 전지모듈을 준비하고, 상기 24개의 파우치형 전지셀들에 순서대로 1번 전지셀부터 24번 전지셀로 번호를 부여하였다. 상기 전지모듈 내부로 thermocouple을 삽입하여 11번 전지셀(#11)과 24번 전지셀(#24)의 표면에 부착하였다.
도 1에 도시된 바와 같이 냉각 부재의 상면 중 전지모듈이 배치되는 부분과 대응되는 면적을 3등분하고, 가운데 부분에만 열전달물질을 1 ㎜의 두께로 도포하였다.
상기 thermocouple을 충방전기(제조사: 피엔이솔류션(60V/600A 사양의 모듈 충방전기))와 연결하고 상기 전지모듈에 충전과 방전을 반복 수행하면서, 11번 전지셀(#11)과 24번 전지셀(#24)의 온도를 측정하였다.
도 4는 실시예에 따른 전지모듈에서 전지셀들의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 세번째 충전 사이클의 일부를 나타내고 있다.
도 4를 참조하면, 중심부에 배치된 11번 전지셀의 온도는 초반과 후반을 제외하고는 가장자리에 배치된 24번 전지셀의 온도보다 높게 측정되었다.
중심부에 배치된 11번 전지셀과 가장자리에 배치된 24번 전지셀의 온도 편차 최대치는 2.4 ℃이고, 평균 온도 편차는 약 1 ℃이다.
<비교예>
상기 실시예에서 열전달물질을 냉각 부재의 상면 중 전지모듈이 배치되는 부분과 대응되는 면적 전체에 도포한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일하게 전지모듈을 준비하였다.
상기 실시예와 동일하게 상기 전지모듈에 충전과 방전을 반복 수행하면서, 복수의 파우치형 전지셀들 가운데 중심부에 배치된 11번 전지셀(#11)과 가장자리에 배치된 24번 전지셀(#24) 각각의 온도를 측정하였다.
도 5는 비교예에 따른 전지모듈에서 전지셀들의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 세번째 충전 사이클의 일부를 나타내고 있다.
도 4를 참조하면, 중심부에 배치된 11번 전지셀의 온도는 전체적으로 가장자리에 배치된 24번 전지셀의 온도보다 높게 측정되었다.
중심부에 배치된 11번 전지셀과 가장자리에 배치된 24번 전지셀의 온도 편차 최대치는 7.1 ℃이고, 평균 온도 편차는 약 4 ℃이다.
이와 같이, 본원발명과 같이 냉각 부재의 중심부에만 열전달물질을 도포하여 적용하는 경우에는, 전지셀 스택의 중심부에 배치된 전지셀과 가장자리에 배치된 전지셀들 간의 온도 편차가 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 전지셀들 간의 온도 편차 감소에 의해 전지모듈의 수명이 증가될 수 있고, 전지모듈의 성능 저하를 방지할 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
100: 전지셀 스택
110: 전지셀:
111: 전장 방향 외면
120: 전극조립체 수납부 바닥면
200: 모듈케이스
200': 모듈케이스 배치부
201: 제1면
300: 방열성 수지
400: 냉각 부재
401: 가이드부
410: 냉매 유입구
420: 냉매 배출구
450: 열전달물질
510: 냉각플레이트
c1, m1: 전폭
c2, m2: 전장
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 모듈케이스에 수용된 전지셀 스택에서 전지셀들의 온도 편차가 일어나는 것을 최소화할 수 있다.
따라서, 전지셀들의 온도 편차에 따라 전지모듈의 수명이 짧아지거나 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (11)

  1. 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 스택이 수용된 모듈케이스;
    상기 전지셀 스택과 상기 모듈케이스의 제1면 사이에 부가된 방열성 수지;
    상기 전지셀 스택을 냉각시키기 위하여 상기 모듈케이스의 제1면 외측에 결합되는 냉각 부재; 및
    상기 모듈케이스의 제1면과 대면하는 상기 냉각 부재의 외면 중 중심부에 부가되는 열전달물질;
    을 포함하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 전지셀들은 파우치형 전지셀이고,
    상기 전지셀 스택은 상기 파우치형 전지셀의 전극조립체 수납부 바닥면이 상기 모듈케이스의 제1면에 대해 수직이 되도록 적층되어 있으며,
    상기 파우치형 전지셀의 전장 방향 외면이 상기 모듈케이스의 제1면과 평행하도록 배치되는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열전달물질은 상기 모듈케이스의 전장 방향을 따라, 상기 모듈케이스의 전장 방향 길이와 대응되는 길이로 부가되는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 모듈케이스의 제1면과 대면하는 상기 냉각 부재의 외면 중, 상기 모듈케이스의 면적과 동일한 면적을 전폭을 따라 3등분 했을 때의 중심부에 상기 열전달물질이 부가되는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열전달물질의 두께는 0.5 ㎜ 내지 3 ㎜인 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀 스택은 상기 전지셀들 사이에 배치되는 냉각플레이트를 포함하는 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 냉각플레이트는 상기 전지셀 스택의 적층 방향 중심부에 있는 전지셀들 사이에 배치되는 전지모듈.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 냉각플레이트는 상기 모듈케이스의 제1면 가운데 상기 열전달물질과 대면하는 부분의 내측면에 배치되는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 부재는 냉매 유입구와 냉매 배출구가 형성되어 있는 히트 싱크인 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 전지셀들의 온도 편차는 3 ℃ 이내인 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 부재의 전폭 및 전장 각각은 상기 모듈케이스의 전폭 및 전장 각각보다 큰 크기로 이루어진 전지모듈.
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