WO2022182062A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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WO2022182062A1
WO2022182062A1 PCT/KR2022/002360 KR2022002360W WO2022182062A1 WO 2022182062 A1 WO2022182062 A1 WO 2022182062A1 KR 2022002360 W KR2022002360 W KR 2022002360W WO 2022182062 A1 WO2022182062 A1 WO 2022182062A1
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battery
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heat transfer
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박원경
성준엽
박수빈
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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 and battery pack having a novel cooling structure.
  • secondary batteries are of great interest not only as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, laptops, and wearable devices, but also as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.
  • a prismatic battery, a pouch-type battery, etc. that can be stacked with a high degree of integration and have a small weight to capacity are mainly used as battery cells of the mid-to-large battery module.
  • Such a battery module has a structure in which a plurality of cell assemblies including a plurality of unit battery cells are connected in series to obtain high output.
  • the battery cell can be repeatedly charged and discharged by an electrochemical reaction between components, including positive and negative current collectors, separators, active materials, electrolytes, and the like.
  • a battery module including at least one battery cell is first configured, and other components are added using the at least one battery module to add other components to the battery pack.
  • FIG. 1 shows a part of a perspective view according to a conventional battery module.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part of a cross-sectional view taken along the xy plane based on the cutting line A-A' of FIG. 1 .
  • a battery cell assembly including a plurality of battery cells 11 stacked on each other and a bus bar electrically connecting the electrode leads 12 of the plurality of battery cells 11 are provided. and an assembly, a module frame 13 surrounding the battery cell assembly, and an outer frame 14 covering the bus bar assembly.
  • the bus bar assembly is mounted to the bus bar frame 15 and the bus bar frame 15 having lead slots through which the electrode leads 12 of each battery cell 11 pass individually, and the lead slots are It has bus bar slots provided to correspond to the number, and includes a bus bar 16 connected to electrode leads passing through the bus bar slots by welding or the like.
  • cooling fins 17 may be disposed between the battery cells 11 of the battery cell assembly.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a module frame surrounding the battery cell stack, and a bus bar covering a portion of the battery cell stack exposed from the module frame. a frame, a bus bar connected to an electrode lead protruding from the battery cell stack through a first slot formed in the bus bar frame, and a cooling fin positioned between neighboring battery cells among the plurality of battery cells, , the bus bar is connected to the cooling fin.
  • the battery module may further include a heat transfer member positioned between the bus bar and the cooling fins.
  • the bus bar frame may further include a second slot, and the heat transfer member may be formed adjacent to the second slot to contact the bus bar.
  • the cooling fin may be inserted into the second slot to contact the heat transfer member.
  • the heat transfer member may be formed of a material having electrical insulation and thermal conductivity.
  • the heat transfer member may be surface-bonded with the bus bar.
  • the cooling fins may be surface-bonded with the heat transfer member.
  • thermoelectric resin layer positioned on a bottom of the module frame, wherein the cooling fins are in contact with the thermally conductive resin layer, and heat generated from the bus bar is transferred to the heat transfer member, the cooling fins, and the thermoelectric It may be sequentially transferred to the porous resin layer.
  • the module frame of the battery module may include a structure in which both upper and lower surfaces are open and surround all side portions of the battery cell stack.
  • the battery module may further include a cooling plate positioned below the thermally conductive resin layer, the thermally conductive resin layer in contact with the cooling plate, and the heat transferred to the thermally conductive resin layer may be transferred to the cooling plate have.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • the battery module according to an embodiment of the present invention can solve the bus bar heat problem in a high current and fast charging environment by a novel type of bus bar cooling structure.
  • the stability of the battery module may be improved by solving the heat problem.
  • FIG. 1 is a view showing a part of a perspective view of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part of a cross-sectional view taken along the xy plane based on the cutting line A-A' of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the components of the battery module of FIG. 3 are combined.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating one battery cell included in the battery cell stack of FIG. 3 .
  • FIG. 6 is an enlarged view of a part of a cross-sectional view taken along the xy plane based on the cutting line B-B' of FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a view of the upper cross-section in FIG. 6 as viewed from above.
  • FIG. 8 is an enlarged view of a part of a cross-sectional view taken along the xz plane based on the cutting line C-C' of FIG. 4 .
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a part of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference portion means to be located above or below the reference portion, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity not.
  • planar view it means when the target part is viewed from above, and when it is referred to as “cross-section”, it means when the cross-section obtained by cutting the target part vertically is viewed from the side.
  • 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. 3 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a perspective view showing a state in which the components of the battery module of FIG. 3 are combined.
  • 5 is a perspective view illustrating one battery cell included in the battery cell stack of FIG. 3 .
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a module frame surrounding the battery cell stack 120 . , an upper plate 400 covering the upper portion of the battery cell stack 120 , an end plate 150 positioned on the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 , respectively, and the battery cell stack 120 and the end plate ( 150) and a bus bar frame 130 positioned between them.
  • the module frame may include a U-shaped frame 300 having an upper surface, a front surface, and an open rear surface.
  • the battery module 100 includes a thermally conductive resin layer 310 positioned between the U-shaped frame 300 and the battery cell stack 120 .
  • the thermally conductive resin layer 310 is a kind of heat dissipation layer, and may be formed by coating a material having a heat dissipation function.
  • the end plate 150 may be formed of a metal material.
  • the U-shaped frame 300 When the open sides of the U-shaped frame 300 are referred to as the first side and the second side, respectively, the U-shaped frame 300 is the battery cell stack 120 corresponding to the first side and the second side. Among the remaining outer surfaces except for the surface, it has a bent plate-shaped structure so as to continuously cover the front, lower, and rear surfaces adjacent to each other. The upper surface corresponding to the lower surface of the U-shaped frame 300 is open.
  • the upper plate 400 has a single plate-shaped structure that covers the remaining upper surfaces except for the front, lower, and rear surfaces covered by the U-shaped frame 300 .
  • the U-shaped frame 300 and the upper plate 400 may form a structure surrounding the battery cell stack 120 by being coupled by welding or the like in a state in which corresponding corner portions are in contact with each other. That is, the U-shaped frame 300 and the upper plate 400 may be formed with a coupling portion CP formed by a coupling method such as welding at the corresponding corner portions.
  • the battery cell stack 120 includes a plurality of battery cells 110 stacked in one direction, and the plurality of battery cells 110 may be stacked in the y-axis direction as shown in FIG. 3 .
  • the direction in which the plurality of battery cells 110 are stacked may be the same as the direction in which the two side portions of the U-shaped frame 300 face each other.
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell.
  • two electrode leads 111 and 112 face each other, so that one end 114a and the other end 114b of the battery body 113 are opposite to each other.
  • the battery cell 110 is to be manufactured by adhering both ends 114a and 114b of the case 114 and both side surfaces 114c connecting them in a state in which an electrode assembly (not shown) is accommodated in the battery case 114 .
  • the battery cell 110 has a total of three sealing parts 114sa, 114sb, 114sc, and the sealing parts 114sa, 114sb, 114sc are sealed by a method such as thermal fusion.
  • the other one side may be formed of a connection part 115 .
  • Between both ends 114a and 114b of the battery case 114 is defined in the longitudinal direction of the battery cell 110 , and one side portion 114c and a connecting portion connecting both ends 114a and 114b of the battery case 114 .
  • a space between 115 may be defined in the width direction of the battery cell 110 .
  • connection part 115 is a region extending along one edge of the battery cell 110 , and a protrusion 110p of the battery cell 110 may be formed at an end of the connection part 115 .
  • the protrusion 110p may be formed on at least one of both ends of the connection part 115 , and may protrude in a direction perpendicular to the direction in which the connection part 115 extends.
  • the protrusion 110p may be positioned between one of the sealing parts 114sa and 114sb of both ends 114a and 114b of the battery case 114 and the connection part 115 .
  • the battery case 114 generally has a laminate structure of a resin layer/metal thin film layer/resin layer.
  • the battery case surface is made of an O (oriented)-nylon layer
  • an adhesive member such as an adhesive adhesive such as a double-sided tape or a chemical adhesive bonded by a chemical reaction during adhesion is attached to the surface of the battery case to form a battery cell laminate (120) can be formed.
  • the battery cell stack 120 may be stacked in the y-axis direction and accommodated in the U-shaped frame 300 in the z-axis direction.
  • the battery cells are formed as cartridge-shaped parts, and the fixing between the battery cells is made by assembling the battery module frame.
  • the U-shaped frame 300 includes a bottom portion and two side portions facing each other connected by the bottom portion.
  • a thermally conductive resin is applied to the bottom of the U-shaped frame 300, and the thermally conductive resin is cured to form a thermally conductive resin layer ( 310) can be formed.
  • the thermally conductive resin layer 310 is positioned between the bottom of the U-shaped frame 300 and the battery cell stack, and transfers heat generated from the battery cells 110 to the bottom of the battery module 100 and stacks the battery cells. It may serve to fix the sieve 120 .
  • FIG. 6 is an enlarged view of a part of a cross-sectional view taken along the xy plane based on the cutting line B-B' of FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a view of the upper cross-section in FIG. 5 as viewed from above.
  • FIG. 8 is an enlarged view of a part of a cross-sectional view taken along the xz plane based on the cutting line C-C' of FIG. 4 .
  • the battery module 100 includes a bus bar frame 130 and a bus bar frame covering a portion of the battery cell stack 120 exposed from the module frame 300 .
  • the bus bar 170 connected to the electrode lead 111 protruding from the battery cell stack through the first slot 131 formed in the 130 , and the battery cells 110 adjacent to each other among the plurality of battery cells 110 . It includes a cooling fin 200 located therebetween. At this time, the bus bar 170 is connected to the cooling fin 200 .
  • the battery module 100 according to the present embodiment may further include a heat transfer member 180 positioned between the bus bar 170 and the cooling fin 200 . In a modified embodiment, the heat transfer member 180 may be omitted, and the cooling fins 200 may directly contact the bus bar 170 .
  • the bus bar frame 130 may further include a second slot 132 .
  • the heat transfer member 180 may be formed adjacent to the second slot 132 of the bus bar frame 130 to contact the bus bar 170 .
  • the cooling fin 200 may be inserted into the second slot 132 to contact the heat transfer member 180 .
  • the cooling fin 200 may additionally contact the second slot 132 and the bus bar frame 130 . Successive heat transfer of bus bar 170, heat transfer member 180 and cooling fin 200 or bus bar 170, heat transfer member 180, cooling fin 200 and bus bar frame through the contacts 130) may be capable of continuous heat transfer.
  • the heat transfer member 180 may be formed of a material having electrical insulation and thermal conductivity.
  • the heat transfer member 180 may include one of a heat transfer pad and a heat conductive resin layer. Therefore, the heat transfer member 180 may enable heat conduction while maintaining insulation between the bus bar 170 and the cooling fin 200 .
  • the heat transfer member 180 may be surface-bonded with the bus bar 170 .
  • the cooling fin 200 may be surface-bonded with the heat transfer member 180 . Accordingly, heat from the bus bar 170 may be transferred to the cooling fin 200 by the bus bar 170 , the heat transfer member 180 , and the cooling fin 200 that are surface-bonded as described above.
  • the battery module according to the present embodiment may further include a thermally conductive resin layer 310 positioned on the bottom of the module frame, in particular, the U-shaped frame 300 of the module frame.
  • the cooling fins 200 may contact the thermally conductive resin layer 310 .
  • a cooling plate 700 as a pack component or a cooling plate 700 integrally formed with the battery module may be formed under the bottom of the U-shaped frame 300 included in the battery module according to the present embodiment.
  • the heat transferred to the cooling fins 200 may be transferred to the thermal conductive resin layer 310 , and may be transferred from the thermal conductive resin layer 310 to the cooling plate 700 to be discharged.
  • the heat generated from the bus bar 170 may be sequentially transferred to the heat transfer member 180 , the cooling fin 200 , the heat conductive resin layer 310 , and the cooling plate 700 to be discharged.
  • the sequentially transferred and released structure as described above heat from the bus bar generated in a high current situation such as rapid charging can be effectively dissipated, and the stability of the battery module can be secured.
  • the cooling fin 200 not only directly cools the bus bar 170 , but also transfers heat generated from the battery cell 110 to the thermal conductive resin layer 310 and the cooling plate 700 for cooling. Dual cooling is possible.
  • the bus bar 170 is thermally connected to the battery cell 110 having high specific heat and heat capacity through the cooling fin 200, the temperature increase rate of the bus bar 170 is slowed down, and the outdoor temperature is low. In this case, the resistance can be lowered by maintaining the temperature of the bus bar 170 rather high. Accordingly, energy efficiency can be increased.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a part of a battery module according to another embodiment of the present invention. Since there are contents overlapping with the contents of the battery module described above, only the parts different from the contents of the battery module described above will be described.
  • the module frame of the present invention may be a wrapping frame 305 in which both upper and lower surfaces are open and surrounds all side portions of the battery cell stack 120 . Since both the upper and lower surfaces of the lapping frame 305 are open, the thermally conductive resin layer 310 may be formed at a position corresponding to the lower surface of the lapping frame 305 .
  • the battery module 1000 of the present invention includes a wrapping frame 305 , and thus between the battery cell stack 120 and the thermally conductive resin layer 310 and between the cooling fins 200 and the thermally conductive resin layer 310 . By maximizing contact, heat transfer and heat dissipation can be maximized.
  • the battery module 1000 of the present invention may further include a cooling plate 700 positioned at the lower end of the thermal conductive resin layer 310 .
  • the thermally conductive resin layer 310 may additionally contact the cooling plate to conduct heat transfer. Accordingly, the effect that heat transfer is maximized can be achieved.
  • 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 packed by adding a battery management system (BMS) that manages the temperature or voltage of the battery and a cooling device.
  • 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 can be applied 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 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임으로부터 노출되는 상기 전지 셀 적층체 부분을 덮는 버스 바 프레임, 상기 버스 바 프레임에 형성된 제1 슬롯을 통해 상기 전지 셀 적층체에서 돌출된 전극 리드와 열결된 버스 바, 및 상기 복수의 전지 셀 중 서로 이웃하는 전지 셀 사이에 위치하는 냉각 핀을 포함하고, 상기 버스 바는 상기 냉각 핀과 연결된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 02월 25일자 한국 특허 출원 제10-2021-0025865호에 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 것으로, 보다 구체적으로 신규한 냉각 구조를 갖는 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다. 이러한 전지 모듈은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 전지 셀을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 전지 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지 팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지 셀로 이루어지는 전지 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 따른 사시도 일부를 나타낸다. 도 2는 도 1 절단선 A-A’를 기준으로 xy 평면을 따라 자른 단면도 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전지 모듈은 상호 적층 되는 복수개의 전지 셀(11)로 구성된 전지 셀 어셈블리 및 복수개의 전지 셀(11)의 전극 리드(12)들을 전기적으로 연결하는 버스 바 어셈블리, 상기 전지 셀 어셈블리를 감싸는 모듈 프레임(13), 버스 바 어셈블리를 덮는 외부 프레임(14)을 포함하여 구성된다. 여기서, 버스 바 어셈블리는, 각각의 전지 셀(11)의 전극 리드(12)들을 개별적으로 통과시키는 리드 슬롯들을 구비하는 버스 바 프레임(15) 및 버스 바 프레임(15)에 장착되고, 리드 슬롯들 개수에 대응되도록 구비되는 버스 바 슬롯들을 구비하며, 버스 바 슬롯들을 통과한 전극 리드들과 용접 등으로 연결되는 버스 바(16)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 전지 셀 어셈블리의 전지 셀(11) 사이에는 냉각 핀(17)이 게재될 수 있다.
이때, 버스 바(16)는 버스 바 프레임(15)에 의해 냉각 핀(17)과 분리됨으로써, 버스 바(16)에서 발생한 열은 냉각 핀(17)에 직접적으로 전달될 수 없다. 대신, 버스 바(16)에서 발생한 열은 전극 리드(12)를 통해 전달되어, 냉각 핀(17)으로 전달되고 이후 전지 셀(11) 및 모듈 프레임(13) 바닥부 상에 형성되는 열전도성 수지층을 통해 전달된다.
최근 고용량, 고에너지, 급속 충전 등의 필요가 지속적으로 증가하여 버스바에 흐르는 전류의 양도 증가하는 추세이다. 버스 바에 흐르는 고전류로 인해 버스 바에 발열이 발생하며, 이러한 발열은 종래 냉각 구조 만으로는 효과적으로 냉각시키기 어렵다. 따라서, 상기 발열의 냉각을 위해 버스 바와 직접적으로 접촉하여 버스 바의 냉각이 가능한 구조의 필요성이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 버스 바의 발열 문제 해결이 가능한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체, 상기 전지 셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임으로부터 노출되는 상기 전지 셀 적층체 부분을 덮는 버스 바 프레임, 상기 버스 바 프레임에 형성된 제1 슬롯을 통해 상기 전지 셀 적층체에서 돌출된 전극 리드와 열결된 버스 바, 및 상기 복수의 전지 셀 중 서로 이웃하는 전지 셀 사이에 위치하는 냉각 핀을 포함하고, 상기 버스 바는 상기 냉각 핀과 연결된다.
상기 전지 모듈은 상기 버스 바와 상기 냉각 핀 사이에 위치하는 열 전달 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 버스 바 프레임은 제2 슬롯을 더 포함하고, 상기 열 전달 부재는 제2 슬롯에 인접하도록 형성되어 상기 버스 바와 접촉할 수 있다.
상기 냉각 핀은 상기 제2 슬롯에 삽입되어 상기 열 전달 부재와 접촉할 수 있다.
상기 열 전달 부재는 전기적으로 절연성을 갖고, 열전도성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
상기 열 전달 부재는 상기 버스 바와 면 접합할 수 있다.
상기 냉각 핀은 상기 열 전달 부재와 면 접합할 수 있다.
상기 모듈 프레임 바닥부 상에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함하고, 상기 냉각 핀은 상기 열전도성 수지층과 접촉하며, 상기 버스 바에서 발생한 열은 상기 열 전달 부재, 상기 냉각 핀, 및 상기 열전도성 수지층으로 순차적으로 전달될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 상기 모듈 프레임은 상면 및 하면이 모두 개방되고, 상기 전지 셀 적층체의 측면부를 모두 감싸는 구조를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 열전도성 수지층 하단에 위치하는 냉각 플레이트를 더 포함하고, 상기 열전도성 수지층은 상기 냉각 플레이트와 접촉하며, 상기 열전도성 수지층으로 전달된 열은 상기 냉각 플레이트로 전달될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 설명한 전지 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 신규한 형태의 버스 바 냉각 구조에 의해 고 전류 및 급속 충전 환경에서의 버스 바 발열 문제를 해결할 수 있다. 또한 상기 발열 문제를 해결함으로써 전지 모듈의 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 사시도 일부를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1 절단선 A-A’를 기준으로 xy 평면을 따라 자른 단면도 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 셀 적층체에 포함된 하나의 전지 셀을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 4 절단선 B-B’를 기준으로 xy 평면을 따라 자른 단면도 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에서의 상부 단면을 위에서 바라본 도면이다.
도 8은 도 4 절단선 C-C’를 기준으로 xz 평면을 따라 자른 단면도 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 일부의 분해 사시도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
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.
이하, 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈의 구성 요소들이 결합한 상태를 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 3의 전지 셀 적층체에 포함된 하나의 전지 셀을 나타내는 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(110)이 적층되어 있는 전지 셀 적층체(120), 전지 셀 적층체(120)를 감싸는 모듈 프레임, 전지 셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(400), 전지 셀 적층체(120)의 전면과 후면에 각각 위치하는 엔드 플레이트(150) 및 전지 셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(150) 사이에 위치하는 버스 바 프레임(130)을 포함한다. 이때 상기 모듈 프레임은 상부면, 전면 및 후면이 개방된 U자형 프레임(300)을 포함할 수 있다. 또, 전지 모듈(100)은 U자형 프레임(300)과 전지 셀 적층체(120) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(310)을 포함한다. 열전도성 수지층(310)은 일종의 방열층으로서, 방열 기능을 갖는 물질을 도포하여 형성할 수 있다. 엔드 플레이트(150)는 금속 물질로 형성될 수 있다.
U자형 프레임(300)의 개방된 양측을 각각 제1 측과 제2 측이라고 할 때, U자형 프레임(300)은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 전지 셀 적층체(120)의 면을 제외하고 나머지 외면들 중에서, 서로 인접한 전면, 하면 및 후면을 연속적으로 감싸도록 벤딩된 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(300)의 하면에 대응하는 상면은 개방되어 있다.
상부 플레이트(400)는 U자형 프레임(300)에 의해 감싸지는 전면, 하면 및 후면을 제외한 나머지 상면을 감싸는 하나의 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써 전지 셀 적층체(120)를 감싸는 구조를 형성할 수 있다. 즉, U자형 프레임(300)과 상부 플레이트(400)는 서로 대응하는 모서리 부위에 용접 등의 결합 방법으로 형성된 결합부(CP)가 형성될 수 있다.
전지 셀 적층체(120)는 일방향으로 적층된 복수의 전지 셀(110)을 포함하고, 복수의 전지 셀(110)은 도 3에 도시한 바와 같이 y축 방향으로 적층될 수 있다. 다시 말해, 복수의 전지 셀(110)이 적층되는 방향은 U자형 프레임(300)의 2개의 측면부가 서로 마주보는 방향과 동일할 수 있다.
전지 셀(110)은 파우치형 전지 셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 5를 참고하면 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지 셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 양 측면(114c)을 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이가 전지 셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 연결부(115) 사이를 전지 셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
연결부(115)는 전지 셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗어 있는 영역이며, 연결부(115)의 단부에 전지 셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 돌출부(110p)는 연결부(115)의 양 단부 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 연결부(115)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부(110p)는 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)의 실링부(114sa, 114sb) 중 하나와 연결부(115) 사이에 위치할 수 있다.
전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지 셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지 셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지 셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 전지 셀 적층체(120)는 y축 방향으로 적층되고, z축 방향으로 U자형 프레임(300) 내부에 수용될 수 있다. 이에 대한 비교예로서 전지 셀이 카트리지 형태의 부품으로 형성되어 전지 셀 간의 고정이 전지 모듈 프레임으로 조립으로 이루어지는 경우가 있다. 이러한 비교예에서는 카트리지 형태의 부품의 존재로 인해 냉각 작용이 거의 없거나 전지 셀의 면 방향으로 진행될 수 있고, 전지 모듈의 높이 방향으로는 냉각이 잘 되지 않는다.
도 3을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 U자형 프레임(300)은 바닥부 및 상기 바닥부에 의해 연결되는 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함한다. 전지 셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)의 바닥부에 장착되기 전에, U자형 프레임(300)의 바닥부에 열전도성 수지를 도포하고, 열전도성 수지를 경화하여 열전도성 수지층(310)을 형성할 수 있다. 열전도성 수지층(310)은 U자형 프레임(300)의 바닥부와 전지 셀 적층체 사이에 위치하며, 전지 셀(110)에서 발생하는 열을, 전지 모듈(100) 바닥으로 전달하고 전지 셀 적층체(120)를 고정하는 역할을 할 수 있다.
도 6은 도 4의 절단선 B-B’를 기준으로 xy 평면을 따라 자른 단면도 일부를 확대하여 나타낸 도면이다. 도 7은 도 5에서의 상부 단면을 위에서 바라본 도면이다. 도 8은 도 4 절단선 C-C’를 기준으로 xz 평면을 따라 자른 단면도 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
종래의 전지 모듈은 버스 바의 직접적인 냉각 경로가 존재하지 않아 버스 바에서의 발열은 버스 바, 전극 리드, 전지 셀, 냉각 핀 및 열전도성 수지층으로 이어지는 경로에 의해서만 방출되었다. 그러나, 급속 충전과 같이 고 전류의 흐름에 의해 버스 바의 단 시간 높은 발열을 발생시키는 상황에서는 버스 바의 온도 상승을 최소화할 수 있는 냉각 구조가 필요하게 되었다.
따라서, 도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(300)으로부터 노출되는 전지 셀 적층체(120) 부분을 덮는 버스 바 프레임(130), 버스 바 프레임(130)에 형성된 제1 슬롯(131)을 통해 전지 셀 적층체에서 돌출된 전극 리드(111)와 연결된 버스 바(170), 및 복수의 전지 셀(110) 중 서로 이웃하는 전지 셀(110) 사이에 위치하는 냉각 핀(200)을 포함한다. 이때, 버스 바(170)는 냉각 핀(200)과 연결된다. 또한, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 버스 바(170)와 냉각 핀(200) 사이에 위치하는 열 전달 부재(180)를 더 포함할 수 있다. 변형 실시예로, 열 전달 부재(180)는 생략되고, 냉각 핀(200)이 버스 바(170)와 직접 접촉할 수도 있다.
본 실시예에 따른 버스 바 프레임(130)은 제2 슬롯(132)을 더 포함할 수 있다. 열 전달 부재(180)는 버스 바 프레임(130)의 제2 슬롯(132)에 인접하도록 형성되어 버스 바(170)와 접촉할 수 있다. 또한, 냉각 핀(200)은 제2 슬롯(132)에 삽입되어 열 전달 부재(180)와 접촉할 수 있다. 더불어, 냉각 핀(200)은 제2 슬롯(132) 및 버스 바 프레임(130)과도 추가적으로 접촉할 수 있다. 상기 접촉들을 통해 버스 바(170), 열 전달 부재(180) 및 냉각 핀(200)의 연속되는 열전달 또는 버스 바(170), 열 전달 부재(180), 냉각 핀(200) 및 버스 바 프레임(130)의 연속되는 열전달이 가능할 수 있다.
본 실시예에 따른 열 전달 부재(180)는 전기적으로 절연성을 갖고, 열전도성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 구체적으로 열 전달 부재(180)는 열전달 패드 및 열전도성 수지층 중 하나를 포함할 수 있다. 그러므로, 열 전달 부재(180)는 버스 바(170)와 냉각 핀(200)의 절연성을 유지하면서, 열전도를 가능하게 할 수 있다.
열 전달 부재(180)는 버스 바(170)와 면 접합할 수 있다. 또한, 냉각 핀(200)은 열 전달 부재(180)와 면 접합할 수 있다. 따라서, 상기와 같이 면 접합한 버스 바(170), 열 전달 부재(180) 및 냉각 핀(200)에 의해 버스 바(170)에서의 열이 냉각 핀(200)으로 전달될 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임, 특히 상기 모듈 프레임의 U자형 프레임(300)의 바닥부 상에 위치하는 열전도성 수지층(310)을 더 포함할 수 있다. 냉각 핀(200)은 열전도성 수지층(310)과 접촉할 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈에 포함된 U자형 프레임(300)의 바닥부 아래에는 팩 구성 요소로서 냉각 플레이트(700) 또는 전지 모듈에 일체로 형성된 냉각 플레이트(700)가 형성될 수 있다. 냉각 핀(200)으로 전달된 열은, 열전도성 수지층(310)으로 전달되고, 열전도성 수지층(310)에서 냉각 플레이트(700)로 전달되어 방출될 수 있다. 따라서, 버스 바(170)에서 발생한 열은 열 전달 부재(180), 냉각 핀(200), 열전도성 수지층(310), 및 냉각 플레이트(700)로 순차적으로 전달되어 방출될 수 있다. 상기와 같은 순차적으로 전달되어 방출되는 구조를 통해 급속 충전 등의 고 전류 상황에서 발생하는 버스 바에서의 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 전지 모듈의 안정성을 확보할 수 있다.
본 실시예에 따른 냉각 핀(200)은, 버스 바(170)를 직접 냉각시킬 뿐만 아니라, 전지 셀(110)에서 발생한 열을 열전도성 수지층(310) 및 냉각 플레이트(700)로 전달시켜 냉각시킬 수 있기 때문에 듀얼 냉각이 가능하다. 또한, 높은 비열 및 열용량을 갖는 전지 셀(110)에 버스 바(170)가 냉각 핀(200)을 통해 열적으로 연결됨으로써, 버스 바(170)의 온도 상승률을 둔화시킬 뿐 아니라, 외기 온도가 낮을 경우에는 버스 바(170) 온도를 오히려 높게 유지함으로써 저항을 낮출 수 있다. 이에 따라 에너지 효율을 높일 수 있다.
이하에서는, 도 9를 참고하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈을 설명한다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 일부의 분해 사시도이다. 상기에서 설명한 전지 모듈의 내용과 중복되는 내용이 존재하는 바, 상기 설명한 전지 모듈의 내용과 상이한 부분만을 설명하도록 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 모듈 프레임은 상면 및 하면이 모두 개방되고, 전지 셀 적층체(120)의 측면부를 모두 감싸는 랩핑(wrapping) 프레임(305)일 수 있다. 랩핑 프레임(305)은 상기 상면 및 하면이 모두 개방되어 있으므로, 랩핑 프레임(305)의 하면에 대응되는 위치에 열전도성 수지층(310)이 형성될 수 있다. 본 발명의 전지 모듈(1000)은 랩핑 프레임(305)을 포함함으로써, 전지 셀 적층체(120)와 열전도성 수지층(310) 사이 및 냉각 핀(200)과 열전도성 수지층(310) 사이의 접촉을 최대화하여 열전달 및 열방출을 최대화할 수 있다.
이때, 본 발명의 전지 모듈(1000)은 열전도성 수지층(310) 하단에 위치하는 냉각 플레이트(700)를 더 포함할 수 있다. 열전도성 수지층(310)은 상기 냉각 플레이트와 추가적으로 접촉함으로써 열전달이 이루어질 수 있다. 따라서, 열전달이 최대화되는 효과를 달성할 수 있다.
앞서 설명한 전지 모듈은 전지팩에 포함될 수 있다. 전지팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지팩은 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: 전지 모듈
110: 전지 셀
120: 전지 셀 적층체
130: 버스 바 프레임
131: 제1 슬롯
132: 제2 슬롯
170: 버스 바
180: 열 전달 부재
200: 냉각 핀
300: U자형 프레임
305: 랩핑 프레임
310: 열전도성 수지층
700: 냉각 플레이트

Claims (11)

  1. 복수의 전지 셀이 적층되어 있는 전지 셀 적층체,
    상기 전지 셀 적층체를 감싸는 모듈 프레임,
    상기 모듈 프레임으로부터 노출되는 상기 전지 셀 적층체 부분을 덮는 버스 바 프레임,
    상기 버스 바 프레임에 형성된 제1 슬롯을 통해 상기 전지 셀 적층체에서 돌출된 전극 리드와 연결된 버스 바, 및
    상기 복수의 전지 셀 중 서로 이웃하는 전지 셀 사이에 위치하는 냉각 핀을 포함하고,
    상기 버스 바는 상기 냉각 핀과 연결되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 버스 바와 상기 냉각 핀 사이에 위치하는 열 전달 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 버스 바 프레임은 제2 슬롯을 더 포함하고,
    상기 열 전달 부재는 상기 제2 슬롯에 인접하도록 형성되어 상기 버스 바와 접촉하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 냉각 핀은 상기 제2 슬롯에 삽입되어 상기 열 전달 부재와 접촉하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 열 전달 부재는 전기적으로 절연성을 갖고, 열전도성을 갖는 재질로 형성된 전지 모듈.
  6. 제2항에서,
    상기 열 전달 부재는 상기 버스 바와 면 접합하는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 냉각 핀은 상기 열 전달 부재와 면 접합하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임 바닥부 상에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함하고,
    상기 냉각 핀은 상기 열전도성 수지층과 접촉하며, 상기 버스 바에서 발생한 열은 상기 열 전달 부재, 상기 냉각 핀, 및 상기 열전도성 수지층으로 순차적으로 전달되는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 모듈 프레임은 상면 및 하면이 모두 개방되고, 상기 전지 셀 적층체의 측면부를 모두 감싸는 구조를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 열전도성 수지층 하단에 위치하는 냉각 플레이트를 더 포함하고,
    상기 열전도성 수지층은 상기 냉각 플레이트와 접촉하며,
    상기 열전도성 수지층으로 전달된 열은 상기 냉각 플레이트로 전달되는 전지 모듈.
  11. 제1항의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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